JP7062287B2 - 抽出装置及び抽出方法 - Google Patents

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Description

本発明は、抽出装置及び抽出方法に関する。
混じり合わない２つの液体（例えば水溶液と疎水性有機溶液）を用いてそれぞれの液体に対する溶解度の差を利用する液－液抽出法（ミキサセトラ法、パルスカラム法、遠心抽出法、エマルジョンフロー法など）が知られている（例えば、特許文献１参照）。この方法では、２つの液体を混合してエマルション状態（水溶液と有機溶液などが混じりあって白濁した状態、乳濁液）を形成する。このことにより、液－液界面の面積を広くすることができ、水溶液中の対象成分を効率的に有機溶液に移行させることができる。
特開２００８－２８９９７５号公報
しかし、従来の液－液抽出法では、エマルション状態を形成するため、エマルジョン状態を解消し水溶液と有機溶液とを分離するのに長時間を必要とする。また、抽出装置が大型化するという問題がある。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、水相及び有機相のうち一方に含まれる対象成分を他方に短時間で効率よく移行させることができ、対象成分を移行させた後水相と有機相とを連続的で迅速に分離することができる抽出装置を提供する。
本発明は、水又は水溶液である第１液体に含まれる対象成分を疎水性の有機液体である第２液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置又は第２液体に含まれる対象成分を第１液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置であって、前記抽出装置は、細長い第１流路と、第１液体を第１流路に供給するように設けられた第１供給部と、第２液体を第１流路に供給するように設けられた第２供給部とを備え、第１流路は、第１液体からなる水相と第２液体からなる有機相とが交互に第１流路を流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、第１供給部が第１流路に供給する第１液体の体積流量と第２供給部が第１流路に供給する第２液体の体積流量の比率は、一方が他方の２倍以上４０倍以下であり、第１流路へ供給する第１液体の体積流量が第１流路へ供給する第２液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は疎水性であり、第１流路へ供給する第２液体の体積流量が第１流路へ供給する第１液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は親水性であることを特徴とする抽出装置を提供する。
第１流路は、第１液体（水又は水溶液）からなる水相と第２液体（疎水性の有機液体）からなる有機相とが交互に第１流路を流れる液液スラグ流が形成されるように設けられる。このため、水相（第１液体）及び有機相（第２液体）にそれぞれ内部循環流を生じさせることができる。この内部循環流により水相と有機相との界面を連続的に更新することができ、水相（第１液体）に含まれる対象成分の有機相（第２液体）への移行、又は有機相（第２液体）に含まれる対象成分の水相（第１液体）への移行を促進することができる。
また、水相（第１液体）と有機相（第２液体）とが交互に第１流路を流れるため、第１及び第２液体はエマルション状態になりにくく比較的大きな粒子として第１流路を流れる。このため、第１流路を通り抜けた後の第１液体と第２液体は、連続的で迅速に分離する。
本発明において、第１供給部が第１流路へ第１液体を供給する体積流量（供給量）と、第２供給部が第１流路へ第２液体を供給する体積流量（供給量）の比率は、一方が他方の２倍以上４０倍以下となるように設定されている。そして、第１液体の供給量と第２液体の供給量のいずれが多いかによって、第１流路の内壁面を疎水性/親水性のいずれに設定するかが決められている。
すなわち本発明では、（１）第１流路への第１液体の供給量が第１流路への第２液体の供給量の２倍以上４０倍以下の場合には、第１流路の内壁面を疎水性に設定することとし、（２）第１流路への第２液体の供給量が第１流路への第１液体の供給量の２倍以上４０倍以下の場合には、第１流路の内壁面を親水性に設定することとした。
このように（１）、（２）いずれの場合も、第１流路への第１液体と第２液体の流量比率と、第１流路の内壁面の性質（疎水性/親水性）とを組み合わせることによって、以下に説明するように、第１液体と２液体の中、量が少ない方の液体が第１流路の内壁面に沿って広がるので、第１液体と第２液体の界面積が広く確保された状態でスラグ流が流れ、第１液体と第２液体との間で対象成分の移行が促進されることになる。
（１）では第１流路の内壁面が疎水性である。この場合、第２液体（有機相）の方が内壁面に対する濡れ性がよく（接触角が小さい）、第１液体（水相）の濡れ性が悪い（接触角が大きい）。従って、液液スラグ流において、流量の少ない第２液体（有機相）が内壁面に沿って連続相となり、流量の多い第１液体（水相）が液滴スラグとなった状態で流れる。言い換えると、第１流路の内壁面に沿って第２液体（有機相）の薄膜が広がり、液滴スラグとなった第１液体（水相）と内壁面との間にこの第２液体（有機相）の薄い膜が介在した状態となって流れる。
よって、第１液体（水相）と第２液体（有機相）との界面積が広く確保された状態でスラグ流が流れることになり、第１液体と第２液体との間で対象成分の移行が促進されることになる。
また（１）の場合、第２液体の流量が第１液体の流量よりも少ないので、第１液体に含まれる対象成分を体積流量の少ない第２液体へ移行させる抽出工程に適用して対象成分を濃縮抽出するのに利用することができる。逆に第２液体に含まれる対象成分を流量の多い第１液体へ移行させる抽出工程に適用すれば第２液体に含まれる対象成分の濃度を十分に低減するのに利用することもできる。
一方、（２）では第１流路の内壁面が親水性である。この場合、内壁面に対する第１液体（水相）の濡れ性がよく（接触角が小さい）、内壁面に対する第２液体（有機相）の濡れ性が悪い（接触角が大きい）。従って、液液スラグ流において、流量の少ない第１液体（水相）が内壁面に沿って連続相となり、流量の多い第２液体（有機相）は液滴スラグとなった状態で流れる。言い換えると、第１流路の内壁面に沿って第１液体（水相）の薄膜が広がり、液滴スラグとなった第２液体（有機相）と内壁面との間にこの第２液体（水相）の薄い膜が介在した状態となって流れる。
よって、第１液体（水相）と第２液体（有機相）との界面積が広く確保された状態でスラグ流が流れることになり、第１液体と第２液体との間で対象成分の移行が促進されることになる。
また（２）の場合、第１液体の量が第２液体の量よりも少ないので、第２液体に含まれる対象成分を量の少ない第１液体へ移行させる抽出工程に適用して対象成分を濃縮抽出するのに利用することができる。逆に第１液体に含まれる対象成分を流量の多い第２液体へ移行させる抽出工程に適用すれば第１液体に含まれる対象成分の濃度を十分に低減するのに利用することもできる。
本発明の一実施形態の抽出装置の概略断面図である。 液液スラグ流の説明図である。 本発明の一実施形態の抽出装置の概略断面図である。 液液スラグ流の説明図である。 本発明の一実施形態の抽出装置の概略断面図である。 本発明の一実施形態の抽出装置の概略断面図である。 Ｃｏの濃縮抽出実験（正抽出）の測定結果を示すグラフである。 Ｃｏの濃縮抽出実験（逆抽出）の測定結果を示すグラフである。
本発明の抽出装置は、水又は水溶液である第１液体に含まれる対象成分を疎水性の有機液体である第２液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置又は第２液体に含まれる対象成分を第１液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置であって、前記抽出装置は、細長い第１流路と、第１液体を第１流路に供給するように設けられた第１供給部と、第２液体を第１流路に供給するように設けられた第２供給部とを備え、第１流路は、第１液体からなる水相と第２液体からなる有機相とが交互に第１流路を流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、第１供給部が第１流路に供給する第１液体の体積流量と第２供給部が第１流路に供給する第２液体の体積流量の比率は、一方が他方の２倍以上４０倍以下であり、第１流路へ供給する第１液体の体積流量が第１流路へ供給する第２液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は疎水性であり、第１流路へ供給する第２液体の体積流量が第１流路へ供給する第１液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は親水性であることを特徴とする。
本発明の抽出方法は、細長い第１流路に水又は水溶液である第１液体を供給し、第１流路に疎水性の有機液体である第２液体を供給することにより、第１液体からなる水相と第２液体からなる有機相とが交互に流れる液液スラグ流を第１流路に形成する工程を備え、第１供給部が第１流路に供給する第１液体の体積流量と第２供給部が第１流路に供給する第２液体の体積流量の比率は、一方が他方の２倍以上４０倍以下であり、第１流路へ供給する第１液体の体積流量が第１流路へ供給する第２液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は疎水性であり、第１流路へ供給する第２液体の体積流量が第１流路へ供給する第１液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は親水性であることを特徴とする。
以下、複数の実施形態を参照して本発明をより詳細に説明する。図面や以下の記述中で示す構成は、例示であって、本発明の範囲は、図面や以下の記述中で示すものに限定されない。
第１実施形態
第１実施形態は、水又は水溶液である第１液体に含まれる対象成分を疎水性の有機液体である第２液体（抽出液）を用いて濃縮抽出する実施形態である。
図１は本実施形態の抽出装置の概略断面図であり、図２は成分移行用流路に形成される液液スラグ流の説明図である。
本実施形態の抽出装置３０は、水又は水溶液である第１液体２に含まれる対象成分を疎水性の有機液体である第２液体３へ移行させるように設けられた抽出装置であり、抽出装置３０は、細長い成分移行用流路４ａと、第１液体２を流路４ａに供給するように設けられた第１供給部５と、第２液体３を流路４ａに供給するように設けられた第２供給部６とを備え、流路４ａは、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に流路４ａを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、流路４ａの内壁面１６は疎水性であり、第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ａへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）が流路４ａへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の抽出方法は、細長い成分移行用流路４ａに水又は水溶液である第１液体２を供給し、成分移行用流路４ａに疎水性の有機液体である第２液体３を供給することにより、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に流れる液液スラグ流を成分移行用流路４ａに形成する工程を備え、成分移行用流路４ａの内壁面は疎水性であり、流路４ａへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）が流路４ａへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように第１液体２及び第２液体３を成分移行用流路４ａへ供給することを特徴とする。
第１液体２は水又は水溶液であり、成分移行用流路４ａに供給される前において抽出対象である対象成分を含む。対象成分は、例えば、リチウム、コバルト、ニッケル、希土類金属などのレアメタルである。対象成分は、金属イオンとして第１液体２に含まれていてもよい。例えば、本実施形態の抽出装置３０により、廃リチウムイオン電池などに含まれるレアメタルの高効率の分離回収を実現することが可能になる。
第１液体２は、例えば、廃リチウムイオン電池を解体、分別し、正極活物質を取り出し、この正極活物質を塩酸などに溶かすことにより得ることができる。また、第１液体２は、正極活物質が溶解した塩酸を中和又は希釈したものであってもよい。
第１供給部５は、第１液体２を成分移行用流路４ａに供給するように設けられる。第１供給部５は、ポンプを用いて第１液体２を流路４ａへ供給してもよく、重力を利用して第１液体２を流路４ａに供給してもよい。第１供給部５は、例えば、シリンジポンプ１１ａ、ダイヤフラムポンプ、ピエゾマイクロポンプなどの送液ポンプを含むことができる。
第２液体３は、疎水性の有機液体であり、抽出液として機能する。第２液体３は、抽出剤を有機溶媒で希釈した液体であってもよい。また、第２液体３は疎水性のイオン液体であってもよい。
抽出剤は、金属イオンに対する選択性が大きい化学物質である。抽出剤には、例えば、PC-88A、D2EHPAなどのリン酸エステルを用いることができる。例えば、抽出剤としてD2EHPAを用いた場合、抽出序列は、Ｈ＞Ｃｏ＞Ｎｉ＞Ｌｉ＞Ｎａとなる。また、希釈剤には、シクロヘキサンなどの有機溶媒を用いることができる。
イオン液体は、カチオンとアニオンからなる液体である。例えば、イオン液体として[C2mim][Tf2N]を用いることができる。第２液体３にイオン液体を用いることにより金属イオンの抽出率を向上させることができる。
第２供給部６は、第２液体３を成分移行用流路４ａに供給するように設けられる。第２供給部６は、ポンプを用いて第２液体３を流路４ａへ供給してもよく、重力を利用して第２液体３を流路４ａに供給してもよい。第２供給部６は、例えば、シリンジポンプ１１ｂ、ダイヤフラムポンプ、ピエゾマイクロポンプなどの送液ポンプを含むことができる。
図１では、第１供給部５と第２供給部６にシリンジポンプを用いる例を示しているが、いずれの送液ポンプを用いる場合でも、制御装置（図示省略）は、２つのポンプに交番でＯＮ信号を送り、且つ一方のポンプにＯＮ信号を送る間は他方のポンプにはＯＦＦ信号を送る。なお、制御装置（不図示）から、２つのポンプに送るＯＮ時間の長さの比率は操作者が指定できるものとする。
第１供給部５、第２供給部６は、制御装置から送られてくるＯＮ/ＯＦＦ信号に基づいて、各ポンプは、制御装置からＯＮ信号が送られてくる間は送液を行い、ＯＦＦ信号が送られてくる間は送液を停止する動作を行う。
これによって、操作者が指定したＯＮ信号の時間比率に相当する割合の供給量で、第１液体２と第２液体３が合流部１３ａに交互に供給される。
第１供給部５から送液された第１液体２と第２供給部６から送液された第２液体３は、合流部１３ａで合流し、成分移行用流路４ａに流入する。合流部１３ａは、例えばＴ字管である。
第１液体２は水又は水溶液であり、第２液体３は疎水性の有機液体であるため、第１液体２は第２液体３に溶け合わない。このため、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとから構成される混相流が流路４ａを流れる。
成分移行用流路４ａは、第１液体２に含まれる対象成分を第２液体３に移行させるための流路である。第１液体２と第２液体３の界面における界面反応により、第１液体２に含まれる対象成分は第２液体３へと移行する。このため、第１液体２と第２液体３との界面積が広いほど、第１液体２に含まれる対象成分の第２液体３への移行は促進される。また、第１液体２と第２液体３との間の界面を更新する流れが第１液体２及び第２液体３にあると、第１液体２に含まれる対象成分の第２液体３への移行は促進される。
成分移行用流路４ａは、管の内部の流路であってもよい。この場合、管が流路壁１５ａとなる。管の材料は、ガラスであってもよく、高分子材料であってもよく、金属であってもよい。また、成分移行用流路４ａは、２つの部材（少なくとも一方は流路４ａとなる溝を有する）の間に形成された流路であってもよい。これらの部材の材料は、ガラスであってもよく、高分子材料であってもよく、金属であってもよい。
成分移行用流路４ａの流路断面は、円形であってもよく、矩形であってもよい。
成分移行用流路４ａの直径２ｒは、例えば、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
成分移行用流路４ａの長さは、例えば、２０ｃｍ以上１０ｍ以下である。
また、抽出装置３０は、並行に伸びる複数の成分移行用流路４ａを有してもよい。このことにより抽出装置３０の処理能力を大きくすることができる。
成分移行用流路４ａは、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に成分移行用流路４ａを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられる。
液液スラグ流は、溶け合わない２つの液体の混相流の形態の１つであり、流路４ａを水相７ａと有機相８ａが交互に流れる流れである。液液スラグ流では、流路４ａの内壁面１６と流路４ａを流れる水相７ａ及び有機相８ａとの相互作用が大きいため、水相７ａ及び有機相８ａのそれぞれの内部で循環流９が生じる。この循環流９により、水相７ａと有機相８ａの界面を連続的に更新することができ、第１液体２に含まれる対象成分の第２液体３への移行を促進することができる。
流路４ａを流れる液液スラグ流の流速は、例えば、１ｃｍ／ｓ以上１０ｃｍ／ｓ以下とすることができる。
成分移行用流路４ａの内壁面１６は、疎水性である。例えば、成分移行用流路４ａの内壁面の接触角は、９０度以上１８０度以下とすることができる。また、例えば、流路壁１５ａの材料を疎水性材料（例えば、PTFE、PFA、PVDFなどのフッ素樹脂）とすることができる。また、流路４ａの内壁面１６は、表面処理により疎水性となっていてもよい。また、流路４ａの内壁面１６を疎水性とすることにより、流路４ａの内壁面１６と、流路４ａを流れる水相７ａ及び有機相８ａとの相互作用を大きくすることができ、液液スラグ流が形成されやすくなる。また、流路４ａの内壁面１６を疎水性とすることにより、水相７ａを液滴スラグとすることができ、有機相８ａを連続相とすることができる。
流路４ａを流れる液液スラグ流は、例えば図２に示すような流れとなる。図２に例示される例では、流路４ａの内壁面１６と水相７ａ（液滴スラグ）との間に有機相８ａの薄膜が介在した状態でスラグ流が流れている。
このようなスラグ流において、有機相８ａに対する水相７ａの割合が大きいほど、すなわち（第１液体２の体積流量ＶA）／（第２液体３の体積流量ＶO）の割合が大きいほど、水相７ａのスラグ長さｈAは長くなり水相７ａの外周面積は広くなる。
ここで、液滴となっている水相７ａの外周表面が、水相７ａと有機相８ａとの界面に相当するので、有機相８ａに対する水相７ａの割合が大きいほど、第１液体２（水相７ａ）と第２液体３（有機相８ａ）との界面積が広くなり、第１液体２に含まれる対象成分の第２液体３への移行が促進されることになる。
なお、水相７ａに対する有機相８ａの割合を大きくした場合に、仮に流路４ａの内壁面を疎水性に設定したとすると、体積流量の割合が小さい有機相８ａが液滴となり、水相７ａと有機相８ａとの界面積が狭くなるので、上記のような第１液体２に含まれる対象成分の第２液体３への移行促進作用は得られない。
第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ａへの第１液体２の供給量が流路４ａへの第２液体３の供給量の２倍以上４０倍以下となるように設けられる。好ましくは、第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ａへの第１液体２の供給量が流路４ａへの第２液体３の供給量の５倍以上４０倍以下となるように設けられる。この場合、流路４ａに形成される液液スラグ流において、有機相８ａに対する水相７ａの割合が大きくなり、流路４ａの内壁面１６と水相７ａ（液滴スラグ）との間に形成される有機相８ａの薄い膜を広くすることができる。このため、水相７ａと有機相８ａとの界面積が広くなり、第１液体２に含まれる対象成分の第２液体３への移行を促進することができる。
また、流路４ａに形成される液液スラグ流において、第２液体３の体積流量は第１液体２の体積流量よりも少なくなり、有機相８ａ（第２液体３）のスラグ長さは、水相７ａ（第１液体２）のスラグ長さよりも短くなる。このため、体積流量の多い第１液体２に含まれる対象成分を体積流量の少ない第２液体３へ移行させることができ、第２液体３（抽出液）を用いて対象成分を濃縮抽出することができる。
抽出装置３０は、成分移行用流路４ａを流れた後の液液スラグ流を第１液体２の流れと第２液体３の流れとに分岐させるように設けられた分岐部１２ａを備えることができる。この分岐部１２ａにより、液液スラグ流を第１液体２と第２液体３とに分離することができ、対象成分を選択的に抽出した抽出液（第２液体３）を得ることができる。
分岐部１２ａは、第１液体２と第２液体３の密度差を利用して第１液体２と第２液体３とを分離するものであってもよい。液液スラグ流は、交互に流れる水相７ａのサイズ及び有機相８ａのサイズが比較的大きいため、第１液体２と第２液体３は、密度差により連続的かつ迅速に分離する。
分岐部１２ａは、液液スラグ流が流路４ａを流れた後流入するチャンバーを備えることができる。また、分岐部１２ａは、チャンバーの上部及び下部のうちどちらか一方に第１液体２の排出口を備えることができ、他方に第２液体３の排出口を備えることができる。例えば、第２液体３の密度が第１液体２の密度よりも大きい場合、液液スラグ流はチャンバーに流入すると、密度差により第２液体３は下層となり第１液体２は上層となるように分離する。上層となった第１液体２は上部の排出口から排出され、下層となった第２液体３は下部の排出口から排出される。分岐部１２ａから排出された第１液体２は貯留部１４ｂに溜めることができ、分岐部１２ａから排出された第２液体３は貯留部１４ａに溜めることができる。
次に、第１液体２がCoCl2水溶液（対象成分：Ｃｏ）であり、第２液体３がD2EHPA-Na（抽出剤）が溶解したシクロヘキサンである場合について説明する。第１供給部５により第１液体２を成分移行用流路４ａに供給し、第２供給部６により第２液体３を成分移行用流路４ａに供給すると、流路４ａに水相７ａ（第１液体２）と有機相８ａ（第２液体３）とが交互に流れる液液スラグ流が形成される。この液液スラグ流の水相７ａと有機相８ａとの界面において、対象成分であるＣｏは水相７ａ（第１液体２）から有機相８ａ（第２液体３）へ移行しD2EHPA-Coとなり、Ｎａが有機相８ａ（第２液体３）から水相７ａ（第１液体２）へ移行しNaClとなる。水相７ａと有機相８ａの界面においてＣｏイオン及びＮａイオンが移行するのは、D2EHPAの抽出序列がＨ＞Ｃｏ＞Ｎｉ＞Ｌｉ＞Ｎａであるためである。
その後、分岐部１２ａにより第１液体２と第２液体３とを分離することにより、対象成分であるCoを含む抽出液（第２液体３）を得ることができる。
第２実施形態
第２実施形態は、水又は水溶液である第１液体２に含まれる対象成分を疎水性の有機液体である第２液体３（抽出液）を用いて濃縮抽出（正抽出）し、さらに、第２液体３に移行させた対象成分を水又は水溶液である第３液体１７（逆抽出液）を用いて濃縮抽出（逆抽出）する実施形態である。
図３は本実施形態の抽出装置の概略断面図であり、図４は成分移行用流路に形成される液液スラグ流の説明図である。
本実施形態の抽出装置３０は、水又は水溶液である第１液体２に含まれる対象成分を疎水性の有機液体である第２液体３へ移行させ、対象成分をさらに第２液体３から第３液体１７へ移行させるように設けられた抽出装置であり、抽出装置３０は、細長い成分移行用流路４ａと、第１液体２を流路４ａに供給するように設けられた第１供給部５と、第２液体３を流路４ａに供給するように設けられた第２供給部６と、分岐部１２ａと、細長い成分移行用流路４ｂと、水又は水溶液である第３液体１７を成分移行用流路４ｂに供給するように設けられた第３供給部２０とを備え、流路４ａは、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に流路４ａを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ａへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）が流路４ａへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように設けられ、流路４ａの内壁面１６は疎水性であり、分岐部１２ａは、流路４ａを流れた後の液液スラグ流を第１液体２の流れと第２液体３の流れとに分岐させるように設けられ、分岐部１２ａと成分移行用流路４ｂは、分岐部１２ａを流れた後の第２液体３が流路４ｂに供給されるように接続し、流路４ｂは、第３液体１７からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとが交互に流路４ｂを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の抽出方法は、細長い成分移行用流路４ａに水又は水溶液である第１液体２を供給し、成分移行用流路４ａに疎水性の有機液体である第２液体３を供給することにより、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に流れる液液スラグ流を成分移行用流路４ａに形成する工程と、流路４ａを流れた後の第２液体３を細長い成分移行用流路４ｂに供給し、成分移行用流路４ｂに水又は水溶液である第３液体１７を供給することにより、第３液体１７からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとが交互に流れる液液スラグ流を成分移行用流路４ｂに形成する工程とを備え、流路４ａへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）が流路４ａへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように第１液体２及び第２液体３を成分移行用流路４ａへ供給し、成分移行用流路４ａの内壁面は疎水性であることを特徴とする。
第１実施形態に記載した第１液体２、第１供給部５、第２液体３、第２供給部６、合流部１３ａ、成分移行用流路４ａ、分岐部１２ａについての説明は、第２実施形態でも同じであるため、ここでは省略し、第２液体３を用いて正抽出した対象成分をさらに第３液体１７を用いて逆抽出する方法及び関連する構成要素などについて説明する。
また、図１では、シリンジポンプ１１ａを含む第１供給部５を示し、シリンジポンプ１１ｂを含む第２供給部６を示したが、図４では、貯留部１４ｃに溜めた第１液体２をポンプ２２ａを用いて流路４ａに供給する第１供給部５を示し、貯留部１４ｄに溜めた第２液体３をポンプ２２ｂを用いて流路４ａに供給する第２供給部６を示している。
分岐部１２ａと成分移行用流路４ｂは、分岐部１２ａを流れた後の第２液体３が流路４ｂに供給されるように接続する。分岐部１２ａと成分移行用流路４ｂは、分岐部１２ａにおいて分岐させた第２液体３の流れが直接成分移行用流路４ｂに流入するように接続してもよい。また、分岐部１２ａと成分移行用流路４ｂは、分岐部１２ａにおいて分岐させた第２液体３を貯留部１４ａに溜めて、貯留部１４ａに溜めた第２液体３をポンプ２２ｄ又は重力を利用して成分移行用流路４ｂに供給するように接続してもよい（第４供給部２１）。
また、流路４ｂに供給される第２液体３には、第１液体２から第２液体３へと移行させた抽出対象である対象成分が含まれる。
第３液体１７は水又は水溶液であり、逆抽出液として機能する。第３液体１７は、例えば、塩酸、硫酸などの酸性水溶液である。
第３供給部２０は、第３液体１７を成分移行用流路４ｂに供給するように設けられる。第３供給部２０は、ポンプ２２ｃを用いて第３液体１７を流路４ｂへ供給してもよく、重力を利用して第３液体１７を流路４ｂに供給してもよい。第３供給部２０は、例えば、シリンジポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピエゾマイクロポンプなどの送液ポンプを含むことができる。
第２液体３の流れと第３供給部２０から送液された第３液体１７は、合流部１３ｂで合流し、成分移行用流路４ｂに流入する。合流部１３ｂは、例えばＴ字管である。
第３液体１７は水又は水溶液であり、第２液体３は疎水性の有機液体であるため、第３液体１７は第２液体３に溶け合わない。このため、第３液体１７からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとから構成される混相流が流路４ｂを流れる。
成分移行用流路４ｂは、第２液体３に含まれる対象成分を第３液体１７に移行させるための流路である。第２液体３と第３液体１７の界面における界面反応により、第２液体３に含まれる対象成分は第３液体１７へと移行する。
成分移行用流路４ｂは、管の内部の流路であってもよい。この場合、管が流路壁１５ｂとなる。管の材料は、ガラスであってもよく、高分子材料であってもよく、金属であってもよい。また、成分移行用流路４ｂは、２つの部材（少なくとも一方は流路４ｂとなる溝を有する）の間に形成された流路であってもよい。これらの部材の材料は、ガラスであってもよく、高分子材料であってもよく、金属であってもよい。
成分移行用流路４ｂの流路断面は、円形であってもよく、矩形であってもよい。
成分移行用流路４ｂの直径２ｒは、例えば、０．０５ｍｍ以上２ｍｍ以下とすることができる。
成分移行用流路４ｂは、第３液体１７からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとが交互に成分移行用流路４ｂを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられる。
液液スラグ流は、溶け合わない２つの液体の混相流の形態の１つであり、流路４ｂを水相７ｂと有機相８ｂが交互に流れる流れである。液液スラグ流では、流路４ｂの内壁面と流路４ｂを流れる水相７ｂ及び有機相８ｂとの相互作用が大きいため、水相７ｂ及び有機相８ｂのそれぞれの内部で循環流９が生じる。この循環流９により、水相７ｂと有機相８ｂの界面を連続的に更新することができ、第２液体３に含まれる対象成分の第３液体１７への移行を促進することができる。
流路４ｂを流れる液液スラグ流の流速は、例えば、１ｃｍ／ｓ以上１０ｃｍ／ｓ以下とすることができる。
成分移行用流路４ｂの内壁面は、親水性である。例えば、成分移行用流路４ｂの内壁面１６の接触角は、０度以上４０度以下とすることができる。例えば、流路壁１５ｂの材料を親水性材料（例えば、ガラス）とすることができる。また、流路４ｂの内壁面１６は、表面処理により親水性となっていてもよい。また、流路４ｂの内壁面１６を親水性とすることにより、流路４ｂの内壁面１６と、流路４ｂを流れる水相７ｂ及び有機相８ｂとの相互作用を大きくすることができ、液液スラグ流が形成されやすくなる。また、流路４ｂの内壁面１６を親水性とすることにより、有機相８ｂを液滴スラグとすることができ、水相７ｂを連続相とすることができる。また、流路４ｂの内壁面１６と有機相８ｂ（液滴スラグ）との間に水相７ｂの薄い膜を形成することができる。この水相７ｂの薄い膜は、水相７ｂに対する有機相８ｂの割合が大きくなるほど広くなるため、（第２液体３の体積流量ＶO）／（第３液体１７の体積流量ＶA）が大きくなるほど、水相７ｂと有機相８ｂとの界面積が広くなり、第２液体３に含まれる対象成分の第３液体１７への移行が促進される。
なお、流路４ｂの内壁面が親水性の場合、有機相８ｂに対する水相７ｂの割合が大きくなると、水相７ｂの薄い膜は狭くなり、水相７ｂと有機相８ｂとの界面積は狭くなる。
例えば、流路４ｂを流れる液液スラグ流は、図４に示したような流れとなる。
第３供給部２０及び第４供給部２１は、成分移行用流路４ｂへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）が成分移行用流路４ｂへ供給する第３液体１７の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように設けられる。好ましくは、第３供給部２０及び第４供給部２１は、成分移行用流路４ｂへの第２液体３の供給量が成分移行用流路４ｂへの第３液体１７の供給量の５倍以上４０倍以下となるように設けられる。
この場合、流路４ｂに形成される液液スラグ流において、水相７ｂに対する有機相８ｂの割合が大きくなり、流路４ｂの内壁面１６と有機相８ｂ（液滴スラグ）との間に形成される水相７ｂの薄い膜を広くすることができる。このため、水相７ａと有機相８ａとの界面積が広くなり、第２液体３に含まれる対象成分の第３液体１７への移行を促進することができる。
また、流路４ｂに形成される液液スラグ流において、第３液体１７の体積流量は第２液体３の体積流量よりも少なくなり、水相７ｂ（第３液体１７）のスラグ長さｈAは、有機相８ｂ（第２液体３）のスラグ長さｈOよりも短くなる。このため、体積流量の多い第２液体３に含まれる対象成分を体積流量の少ない第３液体１７へ移行させることができ、第３液体１７（逆抽出液）を用いて対象成分を濃縮抽出することができる。
抽出装置３０は、成分移行用流路４ｂを流れた後の液液スラグ流を第２液体３の流れと第３液体１７の流れとに分岐させるように設けられた分岐部１２ｂを備えることができる。この分岐部１２ｂにより、液液スラグ流を第２液体３と第３液体１７とに分離することができ、対象成分を逆抽出した抽出液（第３液体１７）を得ることができる。
分岐部１２ｂは、第２液体３と第３液体１７の密度差を利用して第２液体３と第３液体１７とを分離するものであってもよい。分岐部１２ｂは、液液スラグ流が流路４ｂを流れた後流入するチャンバーを備えることができる。また、分岐部１２ｂは、チャンバーの上部及び下部のうちどちらか一方に第２液体３の排出口を備えることができ、他方に第３液体１７の排出口を備えることができる。例えば、第２液体３の密度が第３液体１７の密度よりも大きい場合、液液スラグ流はチャンバーに流入すると、密度差により第２液体３は下層となり第３液体１７は上層となるように分離する。上層となった第３液体１７は上部の排出口から排出され、下層となった第２液体３は下部の排出口から排出される。分岐部１２ｂから排出された第２液体３は貯留部１４ｆに溜めることができ、分岐部１２ｂから排出された第３液体１７は貯留部１４ｇに溜めることができる。
次に、第１液体２がCoCl2水溶液（対象成分：Ｃｏ）であり、第２液体３がD2EHPA-Na（抽出剤）が溶解したシクロヘキサンであり、第３液体１７が塩酸である場合について説明する。第１供給部５により第１液体２を成分移行用流路４ａに供給し、第２供給部６により第２液体３を成分移行用流路４ａに供給すると、流路４ａに水相７ａ（第１液体２）と有機相８ａ（第２液体３）とが交互に流れる液液スラグ流が形成される。この液液スラグ流の水相７ａと有機相８ａとの界面において、対象成分であるＣｏは水相７ａ（第１液体２）から有機相８ａ（第２液体３）へ移行しD2EHPA-Coとなり、Ｎａが有機相８ａ（第２液体３）から水相７ａ（第１液体２）へ移行しNaClとなる。水相７ａと有機相８ａの界面においてＣｏイオン及びＮａイオンが移行するのは、D2EHPAの抽出序列がＨ＞Ｃｏ＞Ｎｉ＞Ｌｉ＞Ｎａであるためである。
そして、流路４ａを流れた後の液液スラグ流を、分岐部１２ａを用いて第１液体２と第２液体３とを分離する。
その後、得られた第２液体３（D2EHPA-Coを含む）を第４供給部２１により成分移行用流路４ｂに供給し、第３供給部２０により第３液体１７を成分移行用流路４ｂに供給すると、流路４ｂに水相７ｂ（第３液体１７）と有機相８ｂ（第２液体３）とが交互に流れる液液スラグ流が形成される。この液液スラグ流の水相７ｂと有機相８ｂとの界面において、対象成分であるＣｏは有機相８ｂ（第２液体３）から水相７ｂ（第３液体１７）へ移行しCoCl2となり、Hが水相７ｂ（第３液体１７）から有機相８ｂ（第２液体３）へ移行しD2EHPA-Hとなる。水相７ｂと有機相８ｂの界面においてＣｏイオン及びＨイオンが移行するのは、D2EHPAの抽出序列がＨ＞Ｃｏ＞Ｎｉ＞Ｌｉ＞Ｎａであるためである。
そして、流路４ｂを流れた後の液液スラグ流を、分岐部１２ｂを用いて第２液体３と第３液体１７とを分離し、対象成分であるＣｏを含む逆抽出液（第３液体１７）を得ることができる。
なお、第１実施形態についての記載は、矛盾がない限り第２実施形態について当てはまる。また、流路４ａについての記載は、矛盾がない限り流路４ｂについて当てはまる。
第３実施形態
第３実施形態は、疎水性の有機液体である第２液体に含まれる対象成分（水溶性物質）を水又は水溶液である第１液体（抽出液）を用いて濃縮抽出する実施形態である。
図５は本実施形態の抽出装置の概略断面図である。
本実施形態の抽出装置３０は、疎水性の有機液体である第２液体３に含まれる対象成分を水又は水溶液である第１液体２へ移行させるように設けられた抽出装置であって、抽出装置３０は、細長い成分移行用流路４ｂと、第１液体２を成分移行用流路４ｂに供給するように設けられた第１供給部５と、第２液体３を成分移行用流路４ｂに供給するように設けられた第２供給部６とを備え、成分移行用流路４ｂは、第１液体２からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとが交互に成分移行用流路４ｂを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、成分移行用流路４ｂの内壁面は親水性であり、第１供給部５及び第２供給部６は、成分移行用流路４ｂへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）が成分移行用流路４ｂへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の抽出方法は、細長い成分移行用流路４ｂに水又は水溶液である第１液体２を供給し、成分移行用流路４ｂに疎水性の有機液体である第２液体３を供給することにより、第１液体２からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとが交互に流れる液液スラグ流を成分移行用流路４ｂに形成する工程を備え、成分移行用流路４ｂの内壁面は親水性であり、流路４ｂへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）が流路４ｂへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように第１液体２及び第２液体３を成分移行用流路４ｂへ供給することを特徴とする。
第１液体２は水又は水溶液であり、抽出液として機能する。第１液体２は、例えば、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液などである。
第１供給部５は、第１液体２を成分移行用流路４ｂに供給するように設けられる。第１供給部５は、ポンプを用いて第１液体２を流路４ｂへ供給してもよく、重力を利用して第１液体２を流路４ｂに供給してもよい。
第２液体３は、疎水性の有機液体であり、成分移行用流路４ｂに供給される前において抽出対象である成分（対象成分）を含む。対象成分は、有機液体中の水溶性物質である。また、対象成分は、有機液体を用いた化学反応により生成された物質であってもよい。
第２供給部６は、第２液体３を成分移行用流路４ｂに供給するように設けられる。第２供給部６は、ポンプを用いて第２液体３を流路４ｂへ供給してもよく、重力を利用して第２液体３を流路４ｂに供給してもよい。
第１供給部５から送液された第１液体２と第２供給部６から送液された第２液体３は、合流部１３ａで合流し、成分移行用流路４ｂに流入する。第１液体２は水又は水溶液であり、第２液体３は疎水性の有機液体であるため、第１液体２は第２液体３に溶け合わない。このため、第１液体２からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとから構成される混相流が流路４ｂを流れる。
成分移行用流路４ｂは、第２液体３に含まれる対象成分（水溶性物質）を第１液体２に移行させるための流路である。成分移行用流路４ｂは、第１液体２からなる水相７ｂと第２液体３からなる有機相８ｂとが交互に成分移行用流路４ｂを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられる。
液液スラグ流では、水相７ｂ及び有機相８ｂのそれぞれの内部で循環流９が生じる。この循環流９により、水相７ｂと有機相８ｂの界面を連続的に更新することができ、第２液体３に含まれる水溶性物質の第１液体２への移行を促進することができる。
成分移行用流路４ｂの内壁面１６は、親水性である。流路４ｂの内壁面１６を親水性とすることにより、有機相８ｂを液滴スラグとすることができ、水相７ｂを連続相とすることができる。また、流路４ｂの内壁面１６と有機相８ｂ（液滴スラグ）との間に水相７ｂの薄い膜を形成することができる。この水相７ｂの薄い膜は、水相７ｂに対する有機相８ｂの割合が大きくなるほど広くなるため、（第２液体３の体積流量ＶO）／（第１液体２の体積流量ＶA）が大きくなるほど、水相７ｂと有機相８ｂとの界面積が広くなり、第２液体３に含まれる対象成分の第１液体２への移行が促進される。
例えば、流路４ｂを流れる液液スラグ流は、図４に示したような流れとなる。
第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ｂへの第２液体３の供給量が流路４ｂへの第１液体２の供給量の２倍以上４０倍以下となるように設けられる。好ましくは、第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ｂへの第２液体３の供給量が流路４ｂへの第１液体２の供給量の５倍以上４０倍以下となるように設けられる。
この場合、流路４ｂに形成される液液スラグ流において、水相７ｂに対する有機相８ｂの割合が大きくなり、流路４ｂの内壁面１６と有機相８ｂ（液滴スラグ）との間に形成される水相７ｂの薄い膜を広くすることができる。このため、水相７ｂと有機相８ｂとの界面積が広くなり、第２液体３に含まれる対象成分の第１液体２への移行を促進することができる。
また、流路４ｂに形成される液液スラグ流において、第１液体２の体積流量は第２液体３の体積流量よりも少なくなり、水相７ｂ（第１液体２）のスラグ長さは、有機相８ｂ（第２液体３）のスラグ長さよりも短くなる。このため、体積流量の多い第２液体３に含まれる水溶性物質（対象成分）を体積流量の少ない第１液体２へ移行させることができ、第１液体２（抽出液）を用いて対象成分を濃縮抽出することができる。
また、抽出装置３０は、成分移行用流路４ｂを流れた後の液液スラグ流を第１液体２の流れと第２液体３の流れとに分岐させるように設けられた分岐部１２ａを備えることができる。
なお、第１及び第２実施形態についての記載は、矛盾がない限り第３実施形態について当てはまる。また、流路４ａについての記載は、矛盾がない限り流路４ｂについて当てはまる。
第４実施形態
第４実施形態は、疎水性の有機液体である第２液体に含まれる対象成分（水溶性物質又は水）を水又は水溶液である第１液体（抽出液）を用いて除去（洗浄）する実施形態である。
第４実施形態の抽出装置は、第１実施形態と同様に図１のような概略断面を有する。
本実施形態の抽出装置３０は、疎水性の有機液体である第２液体３に含まれる対象成分を水又は水溶液である第１液体２へ移行させるように設けられた抽出装置であり、抽出装置３０は、細長い成分移行用流路４ａと、第１液体２を流路４ａに供給するように設けられた第１供給部５と、第２液体３を流路４ａに供給するように設けられた第２供給部６とを備え、流路４ａは、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に流路４ａを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、流路４ａの内壁面１６は疎水性であり、第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ａへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）が流路４ａへ供給する第２液体３の体積流量の２倍以上４０倍以下となるように設けられたことを特徴とする。
本実施形態の抽出方法は、細長い成分移行用流路４ａに水又は水溶液である第１液体２を供給し、成分移行用流路４ａに疎水性の有機液体である第２液体３を供給することにより、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に流れる液液スラグ流を成分移行用流路４ａに形成する工程を備え、成分移行用流路４ａの内壁面は疎水性であり、流路４ａへ供給する第１液体２の体積流量（供給量）が流路４ａへ供給する第２液体３の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下となるように第１液体２及び第２液体３を成分移行用流路４ａへ供給することを特徴とする。
第１液体２は水又は水溶液であり、抽出液として機能する。第１液体２は、例えば、水、酸性水溶液、アルカリ性水溶液などである。第１供給部５は、第１液体２を成分移行用流路４ａに供給するように設けられる。
第２液体３は、疎水性の有機液体であり、成分移行用流路４ａに供給される前において抽出対象である成分（対象成分）を含む。対象成分は、有機液体中の水溶性物質又は水である。また、対象成分は、有機液体を用いた化学反応により生成された物質（例えば、酢酸）であってもよい。
第２供給部６は、第２液体３を成分移行用流路４ａに供給するように設けられる。
第１供給部５から送液された第１液体２と第２供給部６から送液された第２液体３は、合流部１３ａで合流し、成分移行用流路４ａに流入する。このため、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとから構成される混相流が流路４ａを流れる。
成分移行用流路４ａは、第２液体３に含まれる対象成分（水溶性物質又は水）を第１液体２に移行させるための流路である。成分移行用流路４ａは、第１液体２からなる水相７ａと第２液体３からなる有機相８ａとが交互に成分移行用流路４ａを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられる。
液液スラグ流では、水相７ａ及び有機相８ａのそれぞれの内部で循環流９が生じる。この循環流９により、水相７ａと有機相８ａの界面を連続的に更新することができ、第２液体３に含まれる水溶性物質又は水の第１液体２への移行を促進することができる。
成分移行用流路４ａの内壁面１６は、疎水性である。流路４ａの内壁面１６を疎水性とすることにより、水相７ａを液滴スラグとすることができ、有機相８ａを連続相とすることができる。また、流路４ｂの内壁面１６と水相７ａ（液滴スラグ）との間に有機相８ａの薄い膜を形成することができる。
例えば、流路４ａを流れる液液スラグ流は、図２に示したような流れとなる。
第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ａへの第１液体２の供給量が流路４ａへの第２液体３の供給量の２倍以上４０倍以下となるように設けられる。好ましくは、第１供給部５及び第２供給部６は、流路４ａへの第１液体２の供給量が流路４ａへの第２液体３の供給量の５倍以上４０倍以下となるように設けられる。
この場合、流路４ａに形成される液液スラグ流において、有機相８ａに対する水相７ａの割合が大きくなり、流路４ａの内壁面１６と水相７ａ（液滴スラグ）との間に形成される有機相８ａの薄い膜を広くすることができる。このため、水相７ａと有機相８ａとの界面積が広くなり、第２液体３に含まれる対象成分の第１液体２への移行を促進することができる。
また、流路４ａに形成される液液スラグ流において、第２液体３の体積流量は第１液体２の体積流量よりも少なくなり、有機相８ａ（第２液体３）のスラグ長さは、水相７ａ（第１液体２）のスラグ長さよりも短くなる。このため、体積流量の少ない第２液体３に含まれる水溶性物質又は水（対象成分）を体積流量の多い第１液体２へ移行させ除去することができ、第２液体を十分に洗浄することができる。
また、抽出装置３０は、成分移行用流路４ａを流れた後の液液スラグ流を第１液体２の流れと第２液体３の流れとに分岐させるように設けられた分岐部１２ａを備えることができる。
なお、第１～第３実施形態についての記載は、矛盾がない限り第４実施形態について当てはまる。
第５実施形態
本実施形態では、第１供給部５は第１液体２を成分移行用流路４ａ、４ｂへ送液するポンプ２２ａ、１１ａを備え、第２供給部６は第２液体３を成分移行用流路４ａ、４ｂへ送液するポンプ２２ｂ、１１ｂを備える。ポンプは、例えば、シリンジポンプ、ダイヤフラムポンプ、ピエゾマイクロポンプなどである。
ポンプ２２ａ、１１ａ及びポンプ２２ｂ、１１ｂは、第１実施形態で説明したように、制御装置によって制御され、ポンプ２２ａ、１１ａの吐出時間及びポンプ２２ｂ、１１ｂの吐出時間を調整することによって、成分移行用流路４ａ、４ｂの液液スラグ流の水相７ａ、７ｂの長さ及び有機相８ａ、８ｂの長さを制御する。このことにより、成分移行用流路４ａ、４ｂに形成される液液スラグ流の水相７ａ、７ｂのスラグ長さｈA及び有機相８ａ、８ｂのスラグ長さｈOを制御することができる。
なお、制御装置は、各ポンプが吐出する時間によって吐出量を調整してスラグ長さを制御する他に、各ポンプの回転数を制御することによって吐出量を調整してスラグ長さを制御してもよい。
なお、第１～第４実施形態についての記載は、矛盾がない限り第５実施形態について当てはまる。
第６実施形態
第６実施形態は、疎水性の有機液体である第４液体に含まれる対象成分を、前記有機液体と混ざり合わないイオン液体である第５液体（抽出液）を用いて濃縮抽出する実施形態である。
図６は本実施形態の抽出装置の概略断面図である。
本実施形態の抽出装置３０は、有機液体である第４液体に含まれる対象成分を、前記有機液体と混ざり合わないイオン液体である第５液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置であって、前記抽出装置は、細長い第３流路と、第４液体を第３流路に供給するように設けられた第４供給部と、第５液体を第３流路に供給するように設けられた第５供給部とを備え、第３流路は、第４液体からなる有機相と第５液体からなるイオン液体相とが交互に第３流路を流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、第４供給部が第３流路に供給する第４液体の体積流量（供給量）は、第５供給部が第３流路に供給する第５液体の体積流量（供給量）の２倍以上４０倍以下であり、第３流路の内壁面は、親水性であることを特徴とする。
第４液体２３は、有機液体であり、成分移行用流路４ｃに供給される前において抽出対象である成分（対象成分）を含む。対象成分は、有機液体を用いた化学反応により生成された物質であってもよい。
第４供給部２５は、第４液体２３を成分移行用流路４ｃに供給するように設けられる。第４供給部２５は、ポンプを用いて第４液体２３を流路４ｃへ供給してもよく、重力を利用して第４液体２３を流路４ｃに供給してもよい。
第５液体２４はイオン液体であり、抽出液として機能する。イオン液体は、カチオンとアニオンからなる液体である。第５液体２４は、第４液体２３と混じりあわない性質を有する。第５液体２４は、例えば高極性イオン液体である。
第５供給部２６は、第５液体２４を成分移行用流路４ｃに供給するように設けられる。第５供給部２６は、ポンプを用いて第５液体２４を流路４ｃへ供給してもよく、重力を利用して第５液体２を流路２４に供給してもよい。
第４供給部２５から送液された第４液体２３と第５供給部２６から送液された第５液体２４は、合流部１３ｃで合流し、成分移行用流路４ｃに流入する。第４液体２３と第５液体２４は混じりあわないため、第５液体２４からなるイオン液体相２７と第４液体２３からなる有機相８ｃとから構成される混相流が流路４ｃを流れる。
成分移行用流路４ｃは、第４液体２３に含まれる対象成分を第５液体２４に移行させるための流路である。成分移行用流路４ｃは、第５液体２４からなるイオン液体相２７と第４液体２３からなる有機相８ｃとが交互に成分移行用流路４ｃを流れる液液スラグ流が形成されるように設けられる。
液液スラグ流では、イオン液体相２７及び有機相８ｃのそれぞれの内部で循環流９が生じる。この循環流９により、イオン液体相２７と有機相８ｃの界面を連続的に更新することができ、第４液体２３に含まれる対象成分の第５液体２４への移行を促進することができる。
成分移行用流路４ｃの内壁面１６は、親水性である。流路４ｃの内壁面１６を親水性とすることにより、有機相８ｃを液滴スラグとすることができ、イオン液体相２７を連続相とすることができる。また、流路４ｃの内壁面１６と有機相８ｃ（液滴スラグ）との間にイオン液体相２７の薄い膜を形成することができる。このイオン液体相２７の薄い膜は、イオン液体相２７に対する有機相８ｃの割合が大きくなるほど広くなるため、（第４液体２３の体積流量ＶO）／（第５液体２４の体積流量ＶI）が大きくなるほど、イオン液体相２７と有機相８ｃとの界面積が広くなり、第４液体２３に含まれる対象成分の第５液体２４への移行が促進される。
第４供給部２５及び第５供給部２６は、流路４ｃへの第４液体２３の供給量が流路４ｃへの第５液体２４の供給量の２倍以上４０倍以下となるように設けられる。好ましくは、第４供給部２５及び第５供給部２６は、流路４ｃへの第４液体２３の供給量が流路４ｃへの第５液体２４の供給量の５倍以上４０倍以下となるように設けられる。
この場合、流路４ｃに形成される液液スラグ流において、イオン液体相２７に対する有機相８ｃの割合が大きくなり、流路４ｃの内壁面１６と有機相８ｃ（液滴スラグ）との間に形成されるイオン液体相２７の薄い膜を広くすることができる。このため、イオン液体相２７と有機相８ｃとの界面積が広くなり、第４液体２３に含まれる対象成分の第５液体２４への移行を促進することができる。
また、流路４ｃに形成される液液スラグ流において、第５液体２４の体積流量は第４液体２３の体積流量よりも少なくなり、イオン液体相２７（第５液体２４）のスラグ長さは、有機相８ｃ（第４液体２３）のスラグ長さよりも短くなる。このため、体積流量の多い第４液体２３に含まれる対象成分を体積流量の少ない第５液体２４へ移行させることができ、第５液体２４（抽出液）を用いて対象成分を濃縮抽出することができる。
なお、第１～第５実施形態についての記載は、矛盾がない限り第６実施形態について当てはまる。また、流路４ａ、４ｂについての記載は、矛盾がない限り流路４ｃについて当てはまる。
Ｃｏの濃縮抽出実験（正抽出）
図１に示したような抽出装置を用いて、１mM ＣｏＣｌ2水溶液（第１液体）に含まれるＣｏ（対象成分）を１１０mM Ｄ２ＥＨＰＡ－Ｎａ／シクロヘキサン（第２液体）を抽出液として用いて抽出した。
第１供給部５及び第２供給部６にはそれぞれシリンジポンプを用い、合流部１３ａには、内径１．５mmのＴ字管を用いた。また、成分移行用流路４ａには、内径１mmのPTFEチューブ（長さ：３０cm, ６０cm, ９０cm, １２０cm, １５０cm）を用いた。異なる長さのPTFEチューブを用いることにより接触時間を調整した。なお、PTFEチューブの内壁面は疎水性である。また、第１液体の体積流量ＶAは、６０mL/h～１１７．６mL/hとし、第２液体の体積流量ＶOは、２．４mL/h～６０mL/hとした。また、第１液体の体積流量ＶAと第２液体の体積流量ＶOの合計は、１２０mL/hとした。また、第１液体の体積流量ＶAは、第２液体の体積流量ＶOの１倍～４９倍とした（ＶA／ＶO＝１～４９）。
実験条件、実験結果を表１、２、図７に示す。表２のＣｏ濃度は、接触時間（成分移行用流路４ａを流れる時間）を３８秒としたときの抽出後の第２液体のＣｏ濃度である。
Figure 0007062287000001
Figure 0007062287000002
ＶA／ＶOを１～９として抽出実験を行った場合、成分移行用流路４ａの入口又は入口付近からスラグ流が形成された。これらの実験では、図７に示したように、第２液体による第１液体からのＣｏの抽出率は、９０％を超えた。これは、スラグ流により水相及び有機相に内部循環流が生じるため、及び、PTFEチューブの内壁面が疎水性であり水相と有機相との界面積が広くなったためと考えられる。
ＶA／ＶOを１９～３９として抽出実験を行った場合、成分移行用流路４ａの途中において平行流からスラグ流に変化した。これらの実験では、接触時間が３８秒間で抽出率が８５％以上に達し、第２液体のＣｏ濃度は１７．３ｍＭ～３３．９ｍＭとなった。特に、ＶA／ＶOを３９とし、接触時間を３８秒とした場合、抽出率８７％、３３．９倍濃縮を達成することができた。
ＶA／ＶOを４９として抽出実験を行った場合、第１液体及び第２液体は、成分移行用流路４ａをほぼ平行流として流れた。この実験では、抽出率は８０％に達しなかった。
Ｃｏの濃縮抽出実験（逆抽出）
図５に示したような抽出装置を用いて、５３．８mM Ｄ２ＥＨＰＡ－Ｃｏ／シクロヘキサン（第２液体）に含まれるＣｏを５M 塩酸（ＨＣｌ水溶液）（第１液体）を抽出液として用いて逆抽出した。
第１供給部５及び第２供給部６にはそれぞれシリンジポンプを用い、合流部１３ａには、内径１．５mmのＴ字管を用いた。また、成分移行用流路４ｂには、内径１mmのガラス管（長さ：３０cm, ４５cm, ６５cm, ７７．５cm,１５０cm）を用いた。なお、ガラス管の内壁面は親水性である。また、第１液体の体積流量ＶAは、３mL/h～６０mL/hとし、第２液体の体積流量ＶOは、６０mL/h～１１７mL/hとした。また、第１液体の体積流量ＶAと第２液体の体積流量ＶOの合計は、１２０mL/hとした。
実験条件、実験結果を表３、４、図８に示す。表４のＣｏ濃度は、接触時間（成分移行用流路４ｂを流れる時間）を３８秒としたときの抽出後の第１液体のＣｏ濃度である。
Figure 0007062287000003
Figure 0007062287000004
逆抽出実験では、成分移行用流路４ｂの入口からスラグ流が形成された。これらの実験では、図８に示したように、第１液体による第２液体からのＣｏの抽出率は、接触時間が３８秒間で８５％以上に達し、第１液体のＣｏ濃度は４７．４ｍＭ～１９４０ｍＭとなった。特に、ＶO／ＶAを３９とし、接触時間を３８秒とした場合、抽出率８８％、３６倍濃縮を達成することができた。
２： 第１液体（水又は水溶液） ３：第２液体（疎水性の有機液体） ４ａ、４ｂ、４ｃ：成分移行用流路 ５：第１供給部 ６：第２供給部 ７ａ、７ｂ：水相 ８ａ、８ｂ、８ｃ：有機相 ９：内部循環流 １１ａ、１１ｂ：シリンジポンプ １２ａ、１２ｂ、１２ｃ：分岐部 １３ａ、１３ｂ、１３ｃ：合流部 １４ａ～１４ｉ：貯留部 １５ａ、１５ｂ、１５ｃ：流路壁 １６：流路の内壁面 １７：第３液体（水又は水溶液） ２０：第３供給部 ２１：第４供給部 ２２ａ～２２ｄ：ポンプ ２３：第４液体（有機液体） ２４：第５液体（イオン液体） ２５：第４供給部 ２６：第５供給部 ２７：イオン液体相 ３０：抽出装置

Claims (11)

  1. 水又は水溶液である第１液体に含まれる対象成分を疎水性の有機液体である第２液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置又は第２液体に含まれる対象成分を第１液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置であって、
    前記抽出装置は、細長い第１流路と、第１液体を第１流路に供給するように設けられた第１供給部と、第２液体を第１流路に供給するように設けられた第２供給部とを備え、
    第１流路は、第１液体からなる水相と第２液体からなる有機相とが交互に第１流路を流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、
    第１供給部が第１流路に供給する第１液体の体積流量と第２供給部が第１流路に供給する第２液体の体積流量の比率は、一方が他方の２倍以上４０倍以下であり、
    第１流路へ供給する第１液体の体積流量が第１流路へ供給する第２液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は疎水性であり、
    第１流路へ供給する第２液体の体積流量が第１流路へ供給する第１液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は親水性であることを特徴とする抽出装置。
  2. 前記抽出装置は、第１液体に含まれる対象成分を第２液体へ移行させるように設けられた装置であり、
    第１及び第２供給部は、第１流路へ供給する第１液体の体積流量が第１流路へ供給する第２液体の体積流量の２倍以上４０倍以下となるように設けられ、
    第１流路の内壁面は、疎水性である請求項１に記載の抽出装置。
  3. 前記抽出装置は、前記液液スラグ流を第１液体の流れと第２液体の流れとに分岐させるように設けられた分岐部と、細長い第２流路と、水又は水溶液である第３液体を第２流路に供給するように設けられた第３供給部とをさらに備え、
    前記分岐部と第２流路は、前記分岐部を流れた後の第２液体が第２流路に供給されるように接続し、
    第２流路は、第３液体からなる水相と第２液体からなる有機相とが交互に第２流路を流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、
    前記抽出装置は、第１液体から第２液体へ移行させた対象成分をさらに第２液体から第３液体へ移行させるように設けられた請求項２に記載の抽出装置。
  4. 第３供給部は、第２流路へ供給する第２液体の体積流量が第２流路へ供給する第３液体の体積流量の２倍以上４０倍以下となるように設けられ、
    第２流路の内壁面は、親水性である請求項３に記載の抽出装置。
  5. 第２液体は、抽出剤を含む請求項１～４のいずれか１つに記載の抽出装置。
  6. 第２液体は、疎水性のイオン液体である請求項１～５のいずれか１つに記載の抽出装置。
  7. 前記抽出装置は、第２液体に含まれる対象成分を第１液体へ移行させるように設けられた装置であり、
    第１及び第２供給部は、第１流路へ供給する第２液体の体積流量が第１流路へ供給する第１液体の体積流量の２倍以上４０倍以下となるように設けられ、
    第１流路の内壁面は、親水性である請求項１に記載の抽出装置。
  8. 前記抽出装置は、第２液体に含まれる対象成分を第１液体へ移行させるように設けられた装置であり、
    第１及び第２供給部は、第１流路へ供給する第１液体の体積流量が第１流路へ供給する第２液体の体積流量の２倍以上４０倍以下となるように設けられ、
    第１流路の内壁面は、疎水性である請求項１に記載の抽出装置。
  9. 前記抽出装置は、制御部を備え、
    第１供給部は、第１液体を第１流路へ送液する第１ポンプを備え、
    第２供給部は、第２液体を第１流路へ送液する第２ポンプを備え、
    前記制御部は、第１ポンプの吐出量及び第２ポンプの吐出量を変化させることにより第１流路の液液スラグ流の水相の長さ及び有機相の長さを制御するように設けられた請求項１～８のいずれか１つに記載の抽出装置。
  10. 有機液体である第４液体に含まれる対象成分を、前記有機液体と混ざり合わないイオン液体である第５液体へ移行させ抽出するように設けられた抽出装置であって、
    前記抽出装置は、細長い第３流路と、第４液体を第３流路に供給するように設けられた第４供給部と、第５液体を第３流路に供給するように設けられた第５供給部とを備え、
    第３流路は、第４液体からなる有機相と第５液体からなるイオン液体相とが交互に第３流路を流れる液液スラグ流が形成されるように設けられ、
    第４供給部が第３流路に供給する第４液体の体積流量は、第５供給部が第３流路に供給する第５液体の体積流量の２倍以上４０倍以下であり、
    第３流路の内壁面は、親水性であることを特徴とする抽出装置。
  11. 細長い第１流路に水又は水溶液である第１液体を供給し、第１流路に疎水性の有機液体である第２液体を供給することにより、第１液体からなる水相と第２液体からなる有機相とが交互に流れる液液スラグ流を第１流路に形成する工程を備え、
    第１供給部が第１流路に供給する第１液体の体積流量と第２供給部が第１流路に供給する第２液体の体積流量の比率は、一方が他方の２倍以上４０倍以下であり、
    第１流路へ供給する第１液体の体積流量が第１流路へ供給する第２液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は疎水性であり、
    第１流路へ供給する第２液体の体積流量が第１流路へ供給する第１液体の体積流量の２倍以上４０倍以下である場合、第１流路の内壁面は親水性であることを特徴とする抽出方法。
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