JP7325734B2 - 送水装置及び送水方法 - Google Patents
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Description
本発明の実施形態の送水装置を説明する前に、送水メカニズムについて説明する。本実施形態の送水装置では、水中に粒子が分散させられた懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成される。そして、粒子が堆積した堆積層で発生する浸透圧を送水の駆動源とする。ここで、最初に、粒子表面に存在する電気二重層による浸透圧の発生について説明する。図1は、水中に分散させられた粒子間の静電的相互作用による斥力の発生を示す模式図である。水中に分散させられた粒子の表面は、解離基や吸着イオン等によって帯電している。粒子表面の電荷と反対符号の電解質イオン(以下、対イオンと称する)が粒子表面近傍に層を形成して分布する。このような対イオンの分布層は電気二重層と称される。このような電気二重層は、固定層(図示しない)と拡散層の2つの部分に分けられる。固定層とは、粒子表面との引力により対イオンが強く固定されている部分をいう。拡散層とは、熱運動によるイオンの拡散によって、対イオン濃度が徐々に減少していく部分をいう。図1に示されるように、電気二重層2を有する粒子1同士が接近すると、それぞれの粒子1が有する電気二重層2が重なる。電気二重層2が重なった領域Aは周囲よりも対イオン濃度が高くなり、この重なり領域Aに液体が入っていこうとする圧力(浸透圧)が発生する。この圧力(浸透圧)により、粒子1同士には斥力Bが作用する。
以下、本発明の送水装置の一実施形態を図面を用いて説明する。図3は、本発明の送水装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。
次に、本発明の送水装置の他の実施形態を図面を用いて説明する。図5は、本発明の送水装置の他の実施形態で使用されるセルを模式的に示す断面図である。図6は、本発明の送水装置の他の実施形態を模式的に示す断面図である
本発明の送水方法の一実施形態は、水中に粒子が分散させられた懸濁水が充填され、下端に半透膜が配設されたセルを鉛直方向に積み重ねるステップと、最下部に位置するセルの半透膜をそのセルの下端に隣接する水と接触させるステップと、各セル内の半透膜上に沈降堆積した粒子の電気二重層の重なりにより生じる浸透圧を駆動源として、各セルの下端に隣接する水から半透膜を介して上方向に送水するステップと、を備えるものである。本実施形態の送水方法は、前述した実施形態の送水装置を使用することにより達成される。
[送水メカニズム確認実験]
図7は送水メカニズムの確認実験に用いた実験装置を模式的に示す断面図である。図7に示すように、蒸留水を入れた内径20mm、長さ200mmのアクリル樹脂製の伝達管71と内径20mm、長さ200mmのアクリル樹脂製の沈降管72の間にメンブレンフィルター73(孔径;0.2μm、材質;セルロース混合エステル)を配置した。伝達管71の底部には圧力センサー(図示しない)を取り付けた。圧力センサーは管底位置の水圧を測定した。また、貯水槽74には蒸留水79を充填し、連結管75を用いて伝達管71と連通させた。貯水槽74の重量は電子天秤(図示しない)により秤量され、負圧により吸引された水の量を計測した。連結管75は開放状態とした。
(実施例1、2、比較例1)
次に、本実施形態の送水装置の性能について説明する。図12は、性能評価に使用した送水装置の写真である。図12に示される送水装置は、図3に模式的に示される。図3に示されるように、蒸留水を入れた内径20mm、長さ200mmのアクリル樹脂製の伝達管11の上に、下端にメンブレンフィルター12(孔径;0.2μm、材質;セルロース混合エステル)が配設された、内径20mm、長さ30mmのアクリル樹脂製のセル13を3段積み重ねた(実施例1)。伝達管11の底部には圧力センサー(図示しない)を取り付けた。圧力センサーは管底位置の水圧を測定した。また、貯水槽Cには蒸留水を充填し、連結管Dを用いて伝達管11と連通させた。貯水槽Cの重量は電子天秤により秤量され、負圧により吸引された水の量を計測した。連結管Dは開放状態とした。セル13内には、スラリーを収容した。スラリーは、粒子径0.48μmの易焼結アルミナをHClを分散剤として用いて、濃度45vol%、pH4.3の条件で混合し、ボールミルを用いて1時間混合し、真空脱泡することにより調製した。セル13内へのスラリーの投入は、スラリー投入後、その上にセル13を積み重ねてセル13同士を接合し、その後、セル13内へスラリーを投入することによって行った。実施例1におけるスラリーの投入高さは、90mmであった。最上部に位置するセル13の水面の高さが貯水槽Cの水面の高さより高くなるように設定し、最上部に位置するセル13内のスラリーの水面の高さと貯水槽C内の水面の高さとの差を水頭差とした。水頭差を190mmとした。また、図3において、メンブレンフィルター12、メンブレンフィルター12の2枚を配設した以外は、実施例1の装置と同じ2段の送水装置(実施例2)、メンブレンフィルター12のみを配設した以外は、実施例1の装置と同じ1段の送水装置(比較例1)を実験に用いた。
送水メカニズム確認実験、実施例1、2の送水実験で使用した易焼結アルミナは正に帯電していた。負に帯電した粒子を使用しても送水操作が行われることを確認するため以下の実験を行った。
(実施例3)
図15は、粒子帯電符号の影響確認実験に使用した吸水装置を模式的に示す断面図である。図15に示すように、イオン交換水44が収容された貯水槽45と、スラリー42が投入されたセル41を配置した。貯水槽45の底部から垂直方向に突出して設けられた凸部46で、スラリー42が投入されたセル41を支持した。セル41内の底面に開口部が設けられ、その開口部において、メンブレンフィルター43(孔径;0.2μm、材質;セルロース混合エステル)が、セル41内のスラリー42と貯水槽45内のイオン交換水44との境界となるように設けられた。セル41の底面に設けられたメンブレンフィルター43からスラリー42の液面までの鉛直方向の距離hをスラリー投入高さとした。
図15に示される吸水装置を使用して、高分子電解質を吸着させた粒子によって送水が行われることを確認した。使用したスラリーは、粒子径(d50)が0.48μmの易焼結アルミナ(AES-11E、3.96g/cm3)と、高分子電解質としてポリカルボン酸アンモニウム(PCA、セルナD-305)とを、イオン交換水を分散媒として、ポリカルボン酸アンモニウムの有効成分濃度を40wt%、アルミナの粒子濃度を45vol%となるように混合し、ボールミルを用いて1時間混合し、真空脱泡することにより調製した。ポリカルボン酸アンモニウムは、アルミナ1gに対し、3.6mgの割合で添加した。なお、図15の吸水装置において、スラリーの投入高さを2.0cmとした。
図15に示される吸水装置を使用して、スラリー中の粒子濃度を変化させた場合の吸水性能に与える影響について確認した。使用したスラリーは、粒子径(d50)が0.52μmの易焼結アルミナ(AES-11E、3.96g/cm3)をイオン交換水を分散媒として使用して分散させ、濃度20vol%、45vol%、pH調整剤としてHClを使用し、pH3(ζ=60mV)の条件で混合し、ボールミルを用いて1時間混合し、真空脱泡することにより調製した。
図15に示される吸水装置を使用して、スラリー投入高さを変化させた場合の吸水性能に与える影響について確認確認した。使用したスラリーは、粒子径(d50)が0.48μmの易焼結アルミナ(AES-11E、3.96g/cm3)をイオン交換水を分散媒として使用して分散させ、濃度45vol%、pH調整剤としてHClを使用し、pH3(ζ=60mV)の条件で混合し、ボールミルを用いて1時間混合し、真空脱泡することにより調製した。図15において、スラリー投入高さhを0.25cm、0.50cm、1.0cm、2.0cm、3.0cmと変化させた。
Claims (13)
- 複数の筒状のセルを備える送水装置であって、
前記各セルは、下端に半透膜が配設され、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられるとともに、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容し、
前記半透膜は、前記懸濁水と、前記半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設され、
前記半透膜上に前記懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成され、前記半透膜上の前記堆積層は上側に向けて膨張可能に構成され、当該堆積層において、前記粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生し、この浸透圧を駆動源として、前記半透膜を介して隣接する水から送水する送水装置。 - 複数の筒状のセルを備える送水装置であって、
前記各セルは、下端に半透膜が配設され、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられるとともに、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容し、当該懸濁水の水面と前記セルの内壁との間に空間が形成され、当該空間内において、前記水面よりも上側に空気穴が設置され、
前記半透膜は、前記懸濁水と、前記半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設され、
前記半透膜上に前記懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成され、当該堆積層において、前記粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生し、この浸透圧を駆動源として、前記半透膜を介して隣接する水から送水する送水装置。 - 前記セル内において、前記懸濁水中の粒子が沈降し、当該粒子が堆積した堆積層、当該堆積層の上側に隣接し、前記粒子が実質的に含まれない清澄層が形成される請求項1又は2に記載の送水装置。
- 前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に空間が形成される請求項3に記載の送水装置。
- 前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に形成された空間の圧力が大気圧となる請求項4に記載の送水装置。
- 前記粒子が水中で電気二重層を形成する粒子である請求項1~5のいずれか1項に記載の送水装置。
- 前記粒子が金属酸化物である請求項1~6のいずれか1項に記載の送水装置。
- 水中に粒子が分散させられた懸濁水が充填され、下端に半透膜が配設されたセルを鉛直方向に積み重ねるステップと、
最下部に位置するセルの半透膜を当該セルの下端に隣接する水と接触させるステップと、
前記各セル内の前記半透膜上に沈降堆積した前記粒子からなる堆積層が上側に向けて膨張可能に構成され、前記半透膜上に沈降堆積した前記粒子の電気二重層の重なりにより生じる浸透圧を駆動源として、前記各セルの下端に隣接する水から半透膜を介して上方向に送水するステップと、を備える送水方法。 - 前記各セル内において、前記懸濁水中の粒子が沈降し、当該粒子が堆積した堆積層、当該堆積層の上側に隣接し、前記粒子が実質的に含まれない清澄層を形成する請求項8に記載の送水方法。
- 前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に空間を形成する請求項9に記載の送水方法。
- 前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に形成された空間の圧力を大気圧とする請求項10に記載の送水方法。
- 前記粒子を水中で電気二重層を形成する粒子とする請求項8~11のいずれか1項に記載の送水方法。
- 前記粒子を金属酸化物とする請求項8~12のいずれか1項に記載の送水方法。
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