JP7089570B2

JP7089570B2 - Ｃｄｉ装置

Info

Publication number: JP7089570B2
Application number: JP2020186071A
Authority: JP
Inventors: 奏司今岡
Original assignee: Daido Metal Co Ltd
Current assignee: Daido Metal Co Ltd
Priority date: 2020-11-06
Filing date: 2020-11-06
Publication date: 2022-06-22
Anticipated expiration: 2040-11-06
Also published as: JP2022075340A; US20230271856A1; EP4242178A1; WO2022097691A1; EP4242178A4; CN116547242A

Description

本発明は、活物質を向き合わせてそれらの間に流路を形成し、細孔内で活物質の表面に形成される電気二重層に基づきイオンを吸着する正極および負極を備えるＣＤＩ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＤｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）装置に関する。

特許文献１は電気二重層を用いた排水処理システムを開示する。排水処理システムは、直流電圧の印加に応じて電気二重層を形成する正極および負極を備える。正極および負極は活性炭繊維の表面に形成される電気二重層に基づきイオンを吸着する。吸着したイオンは逆方向の電位に応じて正極および負極から脱離することができる。こうしてイオンは回収されることができる。こうした手法は一般にＣＤＩ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＤｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）と呼ばれる。

特許第６５７０６９２号公報

臼井進之助外，「微粒子の分散と凝集」，資源・素材学会誌，１９９１年１２月２５日，１０７巻，第１３号，ｐ．５８５－５９１

ＣＤＩ装置では、正極および負極の間で作用する直流電位が特定の値を超えると、溶液中で水の電気分解が引き起こされてしまう。こうして電気分解で生成される水素や酸素といった気体は正極や負極の活性炭繊維を劣化させる。劣化に応じてイオンの吸着効率は低下する。直流電位の上限値は自ずと設定される。さらに効率的にイオンを吸着する条件が模索される。

本発明は、電気分解を回避しながら、さらに効率的にイオンを吸着することができるＣＤＩ装置を提供することを目的とする。

本発明の一形態によれば、活物質を向き合わせてそれらの間に流路を形成し、細孔内で活物質の表面に形成される電気二重層に基づきイオンを吸着する正極および負極と、前記流路に流入する液体に含まれるイオンの濃度を決められた閾値以上に維持する濃度制御装置と、検出されるイオンの濃度に応じて決められる上限値未満に前記正極および前記負極に印加される電位を制御する制御回路とを備えるＣＤＩ装置は提供される。

活物質の表面がイオンを含有する液体に接触し、正極および負極の間に直流電位が作用すると、活物質の細孔内で活物質の表面に電気二重層は形成される。電気二重層に基づき細孔内にイオンは捕獲される。このとき、液体ではイオンの濃度は決められた閾値以上に維持されることから、活物質の表面では電気二重層の厚みは細孔の大きさに応じて決められた厚み以下に抑えられることができる。その結果、細孔内で電気二重層の干渉は回避されることができる。こうして細孔内で良好に電気二重層は維持されることができる。活物質は効率的にイオンを吸着することができる。イオンの濃度に応じて液体の導電率が変化しても、正極および負極に印加される電位は上限値未満に制御されるので、水の電気分解は回避されることができる。

以上のように、電気分解を回避しながら、さらに効率的にイオンを吸着することができるＣＤＩ装置は提供されることができる。

本発明の一実施形態に係る回収システムの構成を概略的に示すブロック図である。ＣＤＩユニットの構造を概略的に示す断面概念図である。活物質の細孔内で形成される電気二重層の概念図である。イオンの濃度が閾値を下回る場合に活物質の細孔内で形成される電気二重層の概念図である。

以下、添付図面を参照しつつ本発明の一実施形態を説明する。

図１は本発明の一実施形態に係る回収システムの構成を概略的に示す。回収システム１１は、第１流路１２を形成するＣＤＩ（ＣａｐａｃｉｔｉｖｅＤｅｉｏｎａｉｚａｔｉｏｎ）ユニット１３と、第２流路１４でＣＤＩユニット１３の第１流路１２に接続される第１液槽１５と、第２流路１４に合流する第３流路１６でＣＤＩユニット１３の第１流路１２に接続される第２液槽１７とを備える。第１液槽１５には、回収したいイオン（例えば金属イオン）を含む溶液１８が湛えられる。そういった溶液１８には、例えば電解めっき処理で用いられた電解液が含まれることができる。溶液１８には、決められた濃度以上でイオン（例えばビスマスといったイオン金属）が含有される。

第２液槽１７には、第１液槽１５の溶液１８に混合された際に溶液１８中のイオンの濃度を低下させることができる希釈液１９が湛えられる。そういった希釈液１９には例えば水が含まれることができる。希釈液１９は溶液１８の溶媒であればよい。

第２流路１４は、第１液槽１５からＣＤＩユニット１３に至る配管で形成され、決められた濃度以上でイオンを含有する液体の通路を形成する。第３流路１６は、第２液槽１７から第２流路１４の配管に合流する配管で形成され、溶液１８の通路に希釈液１９の通路を結合し溶液１８に希釈液１９を混合する。

第２流路１４には、通路を流通する溶液１８の流量を調整する第１流量制御弁２１が配置される。第１流量制御弁２１は、例えば制御信号の供給に応じて制御信号で設定される開き度で開く電磁弁で構成されることができる。第１流量制御弁２１の開き度に応じて溶液１８の流量は調整されることができる。

第３流路１６には、通路を流通する希釈液１９の流量を調整する第２流量制御弁２２が配置される。第２流量制御弁２２は、例えば制御信号の供給に応じて制御信号で設定される開き度で開く電磁弁で構成されることができる。第２流量制御弁２２の開き度に応じて希釈液１９の流量は調整されることができる。

回収システム１１は、ＣＤＩユニット１３の第１流路１２から第２液槽１７に至る第４流路２４をさらに備える。ＣＤＩユニット１３から流出する希釈液１９は第２液槽１７に戻る。第４流路２４には、通路を流通する希釈液（以下「戻り希釈液」という）の流量を調整する第１開閉弁２５が配置される。第１開閉弁２５は、例えば制御信号の供給に応じて開閉する電磁弁で構成されることができる。第１開閉弁２５の開閉に応じて戻り希釈液の流通は停止され許容される。

回収システム１１は、ＣＤＩユニット１３および第１開閉弁２５の間で第４流路２４から分岐する第５流路２６でＣＤＩユニット１３の第１流路１２に接続される第３液槽２７をさらに備える。第３液槽２７には、ＣＤＩユニット１３で脱離されたイオンを含む希釈液（以下「濃縮液」という）が湛えられる。

第５流路２６には、通路を流通する濃縮液の流量を調整する第２開閉弁２８が配置される。第２開閉弁２８は、例えば制御信号の供給に応じて開閉する電磁弁で構成されることができる。第２開閉弁２８の開閉に応じて濃縮液の流通は停止され許容される。

第２液槽１７、第３流路１６、ＣＤＩユニット１３（第１流路１２）および第４流路２４は循環経路を形成する。希釈液１９は循環経路を循環する。循環経路には液流ポンプ２９が配置される。液流ポンプ２９は決められた圧力で希釈液１９の循環を生み出す。液流ポンプ２９は例えば第２液槽１７と第２流量制御弁２２との間で第３流路１６に設置されればよい。

第２流路１４には、第１液槽１５から溶液１８の流出を促す液流ポンプ３１が配置されてもよい。液流ポンプ３１は決められた圧力で溶液１８を吐出する。液流ポンプ３１は例えば第１液槽１５と第１流量制御弁２１との間で第２流路１４に設置されればよい。

図２に示されるように、回収システム１１は、第２流路１４に流入する溶液１８のイオンの濃度を検出する第１センサー３２と、第３流路１６に流入する希釈液１９のイオンの濃度を検出する第２センサー３３と、第１センサー３２および第２センサー３３に電気的に接続されて、第１センサー３２および第２センサー３３でそれぞれ検出される濃度に基づき第１流量制御弁２１および第２流量制御弁２２の開き度を制御する制御回路３４とをさらに備える。第１センサー３２は例えば第１液槽１５に設置されればよい。第２センサー３３は例えば第２液槽１７に設置されればよい。第１センサー３２および第２センサー３３は例えばＴＤＳ（ＴｏｔａｌＤｉｓｓｏｌｖｅｄＳｏｌｉｄｓ）メーターで構成されることができる。

ＣＤＩユニット１３は、第１流路１２を形成する筒体３５内に配置される第１電極３６および第２電極３７を備える。第１電極３６および第２電極３７は決められた電極間距離ＤＥで離れる。第１電極３６および第２電極３７は、それぞれ、表裏に活物質３８ａ、３８ｂを保持する導電材シート３９で形成される。活物質３８ａ、３８ｂは、例えば導電材シート３９の表裏面に貼り付けられる活性炭シートで形成されることができる。導電材シート３９にはカーボンシートが用いられることができる。裏側の活物質３８ｂの表面は絶縁体４１で覆われる。第１電極３６および第２電極３７が重ねられると、絶縁体４１は第１電極３６および第２電極３７を絶縁する。絶縁体４１はメッシュ構造に構成されることから、第１電極３６および第２電極３７の間に液体は流通することができる。第１電極３６および第２電極３７は幾重にも積層されることができる。

絶縁体４１は、例えば活性炭シートの表面に貼り合わせられるポリエチレンメッシュと、ポリエチレンメッシュの表面に貼り付けられるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）シートとで形成されることができる。ＰＴＦＥシートはメッシュ構造に構成される。ポリエチレンメッシュは、仮に活物質３８ｂから破片が生じた際に、第１電極３６および第２電極３７で絶縁を確保する役割を担う。ＰＴＦＥシートは、第１電極３６および第２電極３７の間で距離を確保しながら液体の流路を形成する役割を担う。ポリエチレンメッシュは例えば０．１［ｍｍ］の厚みを有することができる。

ここでは、図３に示されるように、活物質３８ａ、３８ｂは例えば多孔質体で形成される。第１電極３６および第２電極３７の間で直流電位が作用すると、細孔４２内で活物質３８ａ、３８ｂの表面には電気二重層４３が形成される。電気二重層４３に基づき細孔４２内にイオン４４は捕獲される。このとき、電気二重層４３の厚み（＝ｄｅｂｙｅｌｅｎｇｔｈ κ^－１）は次式で与えられる。

「ε」は液体の誘電率を示し、「ｋ」はＢｏｌｔｚｍａｎｎ定数を示し、「Ｔ」は絶対温度を示し、「ｎ」はイオン密度を示し、「ｅ」は電子電荷を示し、「ｖ」はイオンの値数（対イオンの価数）を示す。細孔４２内ではイオンの濃度の調整に基づき電気二重層４３の干渉は回避されることができる。

第１電極３６および第２電極３７には、第１電極３６および第２電極３７に直流電力を供給する電源４５が接続される。電源４５の働きで第１電極３６および第２電極３７の間に電位は生成される。電源４５は、第１流路１２で第１電極３６から第２電極３７に向かって直流電流を形成する第１モードと、第１流路１２で第２電極３７から第１電極３６に向かって直流電流を形成する第２モードとで切り替えられることができる。すなわち、第１モードでは第１電極３６は正極として機能し第２電極３７は負極として機能する。第２モードでは第１電極３６は負極として機能し第２電極３７は正極として機能する。電源４５の第１モードでは、絶縁体４１を流通する液体中の陰イオンは第１電極３６の活物質３８ａ、３８ｂに吸着される。液体中の陽イオンは第２電極３７の活物質３８ａ、３８ｂに吸着される。第１電極３６に付着する陽イオンは第１電極３６から脱離する。第２電極３７に付着する陰イオンは第２電極３７から脱離する。電源４５の第２モードでは、絶縁体４１を流通する液体中の陰イオンは第２電極３７の活物質３８ａ、３８ｂに吸着される。液体中の陽イオンは第１電極３６の活物質３８ａ、３８ｂに吸着される。第２電極３７に付着する陽イオンは第２電極３７から脱離する。第１電極３６に付着する陰イオンは第１電極３６から脱離する。ここでは、絶縁体４１は例えば第１電極３６および第２電極３７の間に少なくとも１０［ｍｍ］の電極間距離ＤＥを保持する。電極間距離ＤＥが１０［ｍｍ］を超えると、液体の流通時に電気抵抗値が過度に増大してしまい、陰イオンおよび陽イオンの吸着に十分な電流が確保されることができない。

制御回路３４には、第１センサー３２および第２センサー３３のほか、第１流量制御弁２１や第２流量制御弁２２、第１開閉弁２５、第２開閉弁２８、液流ポンプ２９、３１が電気的に接続される。制御回路３４は、第１流量制御弁２１や第２流量制御弁２２、第１開閉弁２５、第２開閉弁２８、液流ポンプ２９、３１の制御信号を生成する。制御回路３４は、第１流量制御弁２１および第２流量制御弁２２の開き度の設定にあたって、第２流路１４から第１流路１２に流入する溶液１８と、第３流路１６から第１流路１２に流入する希釈液１９との混合比を算出する。この混合比に基づき、決められた濃度未満でイオンを含有する液体が確立される。加えて、イオンの濃度は決められた閾値以上に維持される。ここでは、制御回路３４、第１流量制御弁２１および第２流量制御弁２２は、第１流路１２に流入する液体に含まれるイオンの濃度を決められた閾値以上に維持する濃度制御装置として機能する。濃度制御装置はＣＤＩユニット１３に組み合わせられてＣＤＩ装置を構成する。

制御回路３４は、検出されるイオンの濃度に応じて決められる上限値未満に第１電極３６および第２電極３７に印加される電位を制御する。電位の制御にあたって制御回路３４は第１センサー３２および第２センサー３３の検出値から第１流路１２に流入する液体の導電率を算出する。制御回路３４は、算出された導電率に基づき決定される電位の上限値を特定する制御信号を生成する。生成された制御信号は電源４５に供給される。

次に回収システム１１の動作を説明する。制御回路３４では吸着モードが設定される。吸着モードでは第１開閉弁２５は開放され第２開閉弁２８は閉じられる。第２液槽１７には希釈液１９が導入される。液流ポンプ２９が作動すると、希釈液１９は第２液槽１７、第３流路１６、ＣＤＩユニット１３（第１流路１２）および第４流路２４を循環する。

第１液槽１５には溶液１８が導入される。液流ポンプ３１が作動すると、第２流路１４に溶液１８は流入する。このとき、制御回路３４は第１流量制御弁２１の開き度と第２流量制御弁２２の開き度とを制御する。こうして溶液１８の流量と希釈液１９の流量とが調整されることで、第１流路１２に流入する液体ではイオンの濃度は決められた濃度未満に設定される。流量の調整にあたって制御回路３４は第１センサー３２および第２センサー３３から検出信号を受領する。検出信号では例えば導電率に基づきイオンの濃度は特定される。

制御回路３４は電源４５に第１モードを設定する。第１電極３６（正極）および第２電極３７（負極）の間で直流電位が作用すると、活物質３８ａ、３８ｂの細孔４２内で活物質３８ａ、３８ｂの表面には電気二重層４３が形成される。電気二重層４３に基づき細孔４２内にイオン４４は捕獲される。第１流路１２を流通する液体から第１電極３６および第２電極３７にイオンが吸着される。第１流路１２ではイオンの濃度は決められた濃度未満に設定されることから、活物質３８ａ、３８ｂは効率的にイオンを吸着することができる。

このとき、第１流路１２に流入する液体ではイオンの濃度は決められた閾値以上に維持されることから、活物質３８ａ、３８ｂの表面では電気二重層４３の厚みは細孔４２の大きさに応じて決められた厚み以下に抑えられることができる。その結果、細孔４２内で電気二重層４３の干渉は回避されることができる。こうして細孔４２内で良好に電気二重層４３は維持されることができる。活物質３８ａ、３８ｂは効率的にイオンを吸着することができる。その一方で、仮にイオンの濃度が決められた閾値を下回ると、図４に示されるように、細孔４２内で電気二重層の厚みが増大し、電気二重層の干渉４７が生じる。こうした電気二重層の干渉４７はイオンの吸着を阻害する。吸着の効率は低下してしまう。

続いて制御回路３４では脱離モードが設定される。脱離モードでは第１開閉弁２５は閉じられ第２開閉弁２８は開かれる。液流ポンプ２９が作動すると、希釈液１９は第２液槽１７から第３流路１６、ＣＤＩユニット１３（第１流路１２）および第５流路２６を経て第３液槽２７に流入する。液流ポンプ３１は停止する。第１流量制御弁２１は閉じる。

ここでは、制御回路３４は電源４５に第２モードを設定する。第１電極３６および第２電極３７では正極および負極は入れ替わる。第１電極３６（負極）および第２電極３７（正極）の間で直流電位が形成されると、第１流路１２を流通する希釈液１９に第１電極３６および第２電極３７からイオンが脱離する。濃縮液は第３液槽２７に流入する。こうしてイオンは濃縮液として回収される。

本実施形態に係る回収システム１１は、溶液１８に希釈液１９を混合し、第１流路１２に向かって決められた濃度未満でイオンを含有する液体を導入する第３流路１６を備える。正極および負極の間で直流電位が形成されると、第１流路１２を流通する液体から正極および負極にはイオンが吸着される。第１流路１２ではイオンの濃度は決められた濃度未満に設定されることから、イオンの析出は良好に回避され（抑制され）ることができる。正極および負極からイオンは効率的に回収されることができる。

本実施形態では、第２流路１４に流入する溶液１８のイオンの濃度を検出する第１センサー３２と、第３流路１６に流入する希釈液１９のイオンの濃度を検出する第２センサー３３と、第２流路１４に配置されて、通路を流通する溶液１８の流量を調整する第１流量制御弁２１と、第３流路１６に配置されて、通路を流通する希釈液１９の流量を調整する第２流量制御弁２２とを備える。制御回路３４は、第１センサー３２および第２センサー３３でそれぞれ検出される濃度に基づき第１流量制御弁２１および第２流量制御弁２２の開き度を制御する。溶液１８に含まれるイオンの濃度と、希釈液１９に含まれるイオンの濃度とに基づき第１流量制御弁２１および第２流量制御弁２２の開き度は制御される。こうして溶液１８と希釈液１９との混ざり具合は調整される。第１流路１２に流入する液体に含まれるイオンの濃度は調整されることができる。

本実施形態では、イオンの吸着にあたってＣＤＩユニット１３への導入に先立ち希釈液１９に溶液１８は混合される。仮に回収する溶液１８の流量や総量が少なくても、希釈液１９で十分に第１流路１２を流通する液体の流量は確保されることができる。第１流路１２では第１電極３６および第２電極３７は流通する液体に浸ることができる。こうしてイオンは効率的に吸着されることができる。気体に対して活物質３８ａ、３８ｂの暴露は回避されることができる。

本実施形態に係る回収システム１１では、希釈液１９および溶液１８の混合に基づきＣＤＩユニット１３に流入する液体のイオンの濃度は調整されることができる。溶液１８の希釈化に応じてＣＤＩユニット１３から流出する液体のイオンの濃度は第２液槽１７内の希釈液１９のそれに合わせ込まれることができる。こうしてイオンの吸着時でも第２液槽１７内では希釈液１９のイオンは一定の濃度に維持されることができる。第２液槽１７ではイオンの滞留は回避されることができる。溶液１８からイオンの全量は回収されることができる。

本実施形態に係る制御回路３４は、第１センサー３２および第２センサー３３の検出値から第１流路１２に流入する液体の導電率を算出し、算出された導電率に基づき第１電極３６および第２電極３７に印加される電位を制御する。イオンの濃度に応じて液体の導電率が変化しても、第１電極３６および第２電極３７に印加される電位は上限値未満に制御されるので、水の電気分解は回避されることができる。水溶液の導電率はイオンの濃度の上昇に応じて高まることから、イオンの濃度が高まるにつれて上限値は高く設定されることができ、その結果、効率的にイオンの吸着は実現されることができる。

１２…流路（第１流路）、２１…濃度制御装置の１構成要素（第１流量制御弁）、２２…濃度制御装置の１構成要素（第２流量制御弁）、３４…濃度制御装置の１構成要素（制御回路）、３６…正極または負極（第１電極）、３７…負極または正極（第２電極）、３８ａ…活物質、３８ｂ…活物質、４２…細孔、４３…電気二重層、４４…イオン。

Claims

活物質を向き合わせてそれらの間に流路を形成し、細孔内で活物質の表面に形成される電気二重層に基づきイオンを吸着する正極および負極と、
前記細孔内で前記電気二重層の干渉を回避する閾値以上に、前記流路に流入する液体に含まれるイオンの濃度を維持する濃度制御装置と、
検出されるイオンの濃度に応じて決められる上限値未満に前記正極および前記負極に印加される電位を制御する制御回路と、
を備えることを特徴とするＣＤＩ装置。
請求項１に記載のＣＤＩ装置において、前記イオンを含有する溶液の通路に希釈液の通路を結合し前記溶液に前記希釈液を混合する流路をさらに備え、前記濃度制御装置は、前記溶液および前記希釈液の混合比に基づき前記閾値以上に前記イオンの濃度を維持することを特徴とするＣＤＩ装置。