JP7360740B2 - 金属イオン回収装置、金属回収システムおよび金属イオンの回収方法 - Google Patents

Description

本発明は、金属イオン回収装置、金属回収システムおよび金属イオンの回収方法に関する。
本出願は、２０１９年３月２９日に日本に出願された特願２０１９－０６９２５７に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。

リチウムイオン電池は、近年、広く利用されている。リチウムイオン電池は、例えば、電気自動車の電源、携帯機器の電源などに用いられている。
また、リチウムは、リチウムイオン電池の原料として使用されている。リチウムは、リチウムイオン電池の他に、核融合炉の燃料となる三重水素の製造においても使用されている。
これらのことから、近年、リチウムの需要が急速に拡大している。

リチウムは、海水中に含まれている。このため、海水中に含まれるリチウムを回収する技術が検討されている。また、使用済みのリチウムイオン電池からリチウムを回収する技術が検討されている。

特許文献１および特許文献２には、リチウムイオンを含む原液からリチウムイオンを回収する回収装置が記載されている。この回収装置は、リチウムイオン伝導体で構成された選択透過膜と、選択透過膜の一方の主面側に固定された第１電極と、選択透過膜の他方の主面側に固定された第２電極とを有する。特許文献１および特許文献２に記載の回収装置では、選択透過膜と第１電極と第２電極とを有する構造によって、リチウムイオンを含む原液と回収液との間を仕切り、原液中のリチウムイオンを回収液中に移動させる。
特許文献１および特許文献２に記載の回収装置では、金属イオンを回収するためには、選択透過膜と電極とを電気的に接続する必要がある。特許文献１および特許文献２に記載の回収装置では、選択透過膜と電極とを密着させるための集電体を配置する構成について記載がある。

特許第６２３３８７７号公報 国際公開第２０１７／１３１０５１号

資源の有効利用の観点から、海水、廃電池処理液などのリチウムイオン含有原液から、リチウムイオンを回収することが望まれている。しかしながら、特許文献１および特許文献２に記載されている従来の金属イオン回収装置は、以下に示すように、金属イオンを大量に回収することが困難であった。従来の金属イオン回収装置は、１個の金属イオン伝導体（選択透過膜）を用いて金属イオン含有原液と金属イオン回収液との間を仕切った構造である。このため、装置１台あたりの金属イオンの回収効率を向上させることが難しいからである。

金属イオンの回収効率を向上させる目的で、装置１台あたりに複数の選択透過膜を搭載することができる。この場合、上記選択透過膜と電極、具体的には選択透過膜と集電体または集電体と電極との間にズレが生じうる。かかるズレが生じると、選択透過膜と電極との電気的な接続の維持が困難となり、金属イオンの回収効率を向上することができない。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、金属イオンを効率よく回収できる金属イオン回収装置を提供することを課題とする。
また、本発明は、上記金属イオン回収装置を用いた金属回収システムおよび金属イオンの回収方法を提供することを他の課題とする。

［１］ 金属イオンを含む金属イオン含有原液を収容する原液槽と、
前記金属イオン含有原液から回収された金属イオンを含む金属イオン回収液を収容する回収液槽と、
前記原液槽と前記回収液槽とを仕切り、前記金属イオンを選択的に透過させる金属イオン選択透過膜と、
前記金属イオン選択透過膜の前記原液槽側に配置される陽極と、
前記金属イオン選択透過膜の前記回収液槽側に配置される陰極と、
導電性材料で構成された多孔性集電体と、
前記金属イオン選択透過膜と陽極の間隙を保持する第１スペーサーと、
前記金属イオン選択透過膜と陰極の間隙を保持する第２スペーサーと、を有し、
前記陽極が、前記金属イオン選択透過膜に前記多孔性集電体を介して電気的に接続して配置され、且つ、前記陰極が、前記金属イオン選択透過膜に前記多孔性集電体を介して電気的に接続して配置され、
前記原液槽および前記回収液槽のうち少なくとも一方を２個以上備える金属イオン回収装置。

［２］ 金属イオンを含む金属イオン含有原液を収容する原液槽と、
前記金属イオン含有原液から回収された金属イオンを含む金属イオン回収液を収容する回収液槽と、
前記原液槽と前記回収液槽とを仕切り、前記金属イオンを選択的に透過させる金属イオン選択透過膜と、
前記金属イオン選択透過膜の前記原液槽側の面に一体化して設けられた陽極と、
前記金属イオン選択透過膜の前記回収液槽側の面に一体化して設けられた陰極と、を有し、
前記原液槽および前記回収液槽のうち少なくとも一方を２個以上備える金属イオン回収装置。
［３］前記原液槽と前記回収液槽が交互にそれぞれ前記金属イオン選択透過膜を介して並列されていることを特徴とする［１］又は［２］に記載の金属イオン回収装置。
［４］前記金属イオンがリチウムイオンである、［１］～［３］のいずれかに記載の金属イオン回収装置。

［５］［１］～［４］のいずれかに記載の金属イオン回収装置を複数備え、
それぞれの前記金属イオン回収装置が、前記原液槽を接続する配管と前記回収液槽を接続する配管とで接続されていることを特徴とする金属イオン回収装置ユニット。

［６］［１］～［４］のいずれか一項に記載の金属イオン回収装置または［５］に記載の金属イオン回収装置ユニットと、
前記金属イオン回収装置または前記金属イオン回収装置ユニットの前記回収液槽に接続し、前記金属イオン回収液に含まれる金属イオンを、該金属を含む固形物として取り出す精製装置とを含むことを特徴とする金属回収システム。

［７］［１］～［４］のいずれかに記載の金属イオン回収装置または［５］に記載の金属イオン回収装置ユニットを用いて、前記金属イオン回収装置または前記金属イオン回収装置ユニットの前記原液槽に収容された前記金属イオン含有原液に含まれる金属イオンを、前記金属イオン選択透過膜に透過させ、前記回収液槽に収容された前記金属イオン回収液で回収することを特徴とする金属イオンの回収方法。

本発明によれば、金属イオン（例えばリチウムイオン）の回収効率が向上し、大量の金属イオンを回収できる金属イオン回収装置を提供可能となる。
また、本発明によれば、上記金属イオン回収装置を用いた金属回収システムおよび金属イオンの回収方法を提供可能となる。

本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の一例の断面斜視図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置に用いることができるスペーサーの一例の模式図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置に用いることができるスペーサーの別の一例の模式図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の電極と選択透過膜とスペーサーの配置の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の電極と選択透過膜とスペーサーの配置の別の一例を示す断面図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の電極と選択透過膜とスペーサーの配置の一例を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の電極と選択透過膜とスペーサーの配置の別の一例を示す分解斜視図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の別の一例の断面斜視図である。 本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置を用いた金属回収システムの一例の構成図である。 本発明の一実施形態である金属イオン回収装置ユニットの一例の構成図である。 本発明の一実施形態である金属イオン回収装置ユニットで用いることができる金属イオン回収セルの一例の斜視図である。 図１１に示す金属イオン回収セルの分解斜視図である。 本発明の一実施形態である金属イオン回収装置ユニットで用いることができる金属イオン回収セルの別の一例の斜視図である。 図１３に示す金属イオン回収セルの分解斜視図である。

本実施形態の金属イオン回収装置は、金属イオンを含む金属イオン含有原液から金属イオンを回収する装置である。回収対象の金属イオンとしては、例えば、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属などのイオンが挙げられる。アルカリ金属としては、リチウム、ナトリウム、セシウムなどが挙げられる。アルカリ土類金属としては、ベリリウム、マグネシウム、カルシウムなどが挙げられる。遷移金属としては、コバルト、ニッケル、マンガンなどが挙げられる。

例えば、金属イオンとしてリチウムイオンを回収する実施形態では、上記金属イオン含有原液は、リチウムイオンを含むリチウムイオン含有原液である。
リチウムイオン含有原液としては、例えば、海水、塩湖灌水、にがり、廃電池処理液などを用いることができる。リチウムイオン含有原液中のリチウム濃度は、海水が０．１７ｐｐｍ程度、塩湖灌水が１０００ｐｐｍ程度、にがりが海水の５０～１０００倍程度、廃電池処理液が２０００～３０００ｐｐｍ程度である。
リチウムイオン含有原液としては、リチウム濃度が０．１モル／Ｌ以上であるリチウムイオンを含む溶液を用いることが好ましい。塩湖灌水、廃電池処理液は、リチウム濃度が高いため、リチウムイオン含有原液として好適である。また、にがりは、海水から容易に製造できるため、リチウムイオン含有原液として有効である。

金属イオン含有原液（例えば、リチウムイオン含有原液）としては、海水、塩湖灌水、にがり、廃電池処理液の他に、鉱物リチウムの溶解液、海水淡水化プラントにて得られる濃縮海水、温泉水などを用いてもよい。
金属イオン含有原液（例えばリチウムイオン含有原液）には、溶媒として、水、有機溶剤などが含まれていてもよい。金属イオン含有原液（例えばリチウムイオン含有原液）中に含まれる溶媒は、環境負荷の観点から水であることが好ましい。

金属イオン回収液は、金属イオン選択透過膜を透過した金属イオンを回収する液体である。金属イオン回収液は、金属イオンが溶解し得る溶媒であれば特に限定されない。金属イオン回収液は、例えば、金属イオン含有原液の溶媒と同様のものとしうる。
金属イオン回収液としては、例えば、水（好ましくは純水、ＲＯ水（逆浸透膜透過水）などの金属イオンの混入が少ない水）が好ましい。あるいは、回収液中に回収した金属イオンを精製して回収する後工程に有効な溶媒を用いてもよい。
金属イオンとしてリチウムイオンを回収する場合のリチウムイオン回収液の好適例として、水（好ましくは純水、ＲＯ水などの金属イオンの混入が少ない水）が挙げられる。あるいは、回収液中に回収したリチウムイオンを固形状のリチウムとして回収する後工程に有効な溶媒として、例えば希塩酸が挙げられる。

金属イオン回収装置は、原液槽と、回収液槽と、原液槽と回収液槽とを仕切る金属イオン選択透過膜（以下、単に「選択透過膜」ともいう）と、陽極と、陰極とを含む。原液槽は、金属イオン含有原液を収容する槽である。回収液槽は、金属イオン含有原液から回収された金属イオンを含む金属イオン回収液を収容する槽である。

選択透過膜は、金属イオンの伝導体（以下、「金属イオン伝導体」ともいう）を主体とするものである。
本実施形態において「金属イオンの伝導体を主体とする」とは、選択透過膜の全質量の５０質量％以上が金属イオンの伝導体であることを意味する。
選択透過膜の全質量中の金属イオンの伝導体の質量％は、イオン伝導率の高い選択透過膜となるため、７０質量％以上であることが好ましく、８０質量％以上であることがより好ましい。

選択透過膜は、例えば、金属イオン伝導体であるセラミックス材料からなるものであってもよいし、金属イオン伝導体と支持体との複合材料であってもよいし、金属イオン伝導体と金属イオンの伝導性向上に寄与する吸着層との複合材料であってもよい。

選択透過膜に含まれる金属イオンの伝導体は、金属イオンを伝導可能な材料であればよい。金属イオンの伝導体は、伝導可能な金属元素を含む結晶構造を有し、結晶中を金属イオンが流れることによって、イオン伝導性を示す材料であることが好ましい。

選択透過膜に用いられる金属イオンの伝導体は、選択透過膜に透過させる金属イオン、即ち、回収する金属イオンの種類に応じて決定される。
金属イオン伝導体は、イオン伝導率が１０^－４Ｓｃｍ^－１～１０^－１Ｓｃｍ^－１であることが好ましく、より好ましくは１０^－３Ｓｃｍ^－１～１０^－１Ｓｃｍ^－１である。イオン伝導率が高いほど、金属イオンに対する透過性が高くなる。例えばイオン伝導率が１０^－４Ｓｃｍ^－１以上であると、金属イオンに対する透過性が高い選択透過膜となる。このため、金属イオン含有原液中の金属イオンを効率よく回収でき、好ましい。イオン伝導率の上限は、特に限定されないが、例えば１０^－１Ｓｃｍ^－１以下とすればよい。

例えば、金属イオン選択透過膜に透過させる金属イオン（即ち回収対象の金属イオン）がリチウムイオンである場合、選択透過膜に用いられる金属イオンの伝導体としては、具体的には、窒化リチウム（Ｌｉ_３Ｎ）、Ｌｉ_１０ＧｅＰ_２Ｓ_１２、チタン酸リチウムランタン：（Ｌｉ_ｘ，Ｌａ_ｙ）ＴｉＯ_ｚ（ここで、ｘ＝３ａ－２ｂ、ｙ＝２／３－ａ、ｚ＝３－ｂ、０＜ａ≦１／６、０≦ｂ≦０．０６、ｘ＞０）（以下、「ＬＬＴＯ」という場合がある。）、Ｌｉ置換型ＮＡＳＩＣＯＮ（Ｎａ Ｓｕｐｅｒ Ｉｏｎｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）型結晶であるＬｉ_{１＋ｘ＋ｙ}Ａｌ_ｘ（Ｔｉ，Ｇｅ）_２－ｘＳｉ_ｙＰ_３－ｙＯ_１２（ここで、０≦ｘ≦０．６、０≦ｙ≦０．６）などのリチウムイオン伝導体を用いることができる。
これらのリチウムイオン伝導体は、いずれも１０^－４Ｓｃｍ^－１以上の高いリチウムイオン伝導率を示し、リチウムイオンに対する高い選択性が得られる超リチウムイオン伝導体である。したがって、かかる超リチウムイオン伝導体を主体とする選択透過膜を備える金属イオン回収装置は、原液中のリチウムイオンを効率よく回収できる。
上記のリチウムイオン伝導体の中でも特に、チタン酸リチウムランタン（ＬＬＴＯ）が好ましい。チタン酸リチウムランタンは、耐水性が高く、リチウムイオン含有原液およびリチウムイオン回収液に長時間浸漬しても性能が低下し難いためである。チタン酸リチウムランタンとしては、具体的にはＬｉ_０．２９Ｌａ_０．５７ＴｉＯ_３を用いることが好ましい。

アルカリ金属であるナトリウムおよびセシウムは、リチウムと同様に、金属イオンの導電体を形成する元素でありうる。
回収対象の金属イオンがナトリウムイオンである場合、選択透過膜としてナトリウムイオンの伝導体を用いる。ナトリウムイオンの伝導体としては、例えば、βアルミナ、Ｎａ_２（ＢＨ_４）（ＮＨ_２）、Ｎａ_３ＳｂＳ_４－Ｎａ_４ＳｎＳ_４などのナトリウムを含む化合物が挙げられる。
また、回収対象の金属イオンがセシウムイオンである場合、選択透過膜としてセシウムイオンの伝導体を用いる。セシウムイオン伝導体としては、例えば（Ｃｓ_ｘ，Ｌａ_ｙ）ＴｉＯ_ｚ（ここで、ｘは０．２９、ｙは０．５７、ｚは３である）などのセシウムを含む化合物を用いることが考えられる。
回収対象の金属イオンが、アルカリ土類金属または遷移金属のイオンである場合も、上述したアルカリ金属のイオンである場合と同様に、回収対象の金属イオンの伝導体として、その金属元素を含む化合物を用いることができる。

選択透過膜は、金属イオン伝導体からなる焼結体であることが好ましい。選択透過膜は、回収対象金属イオンがリチウムイオンである場合は特に、チタン酸リチウムランタン（ＬＬＴＯ）からなる焼結体であることが好ましい。
金属イオン伝導体の焼結体は、耐水圧性に優れる固い材料であるため耐久性に優れる点で好ましい。また、金属イオン伝導体の焼結体は、金属イオン伝導体からなる微細な粒子が結合（焼結）された多孔質のものであるため、表面に細かな凹凸が存在する。したがって、選択透過膜が金属イオン伝導体の焼結体であると、表面積の大きいものとなる。よって、金属イオン伝導体の焼結体で形成された選択透過膜を備える金属イオン回収装置は、金属イオン含有原液と金属イオン伝導体との接触面積が広く、金属イオン含有原液中の金属イオンを効率よく回収でき、好ましい。

選択透過膜の形状は、特に限定されないが、例えば、板状（シート状を含む）とすることができる。
板状の選択透過膜は、平板状であってもよいし、波板状であってもよい。

平板状の選択透過膜のサイズは、特に限定されない。
平板状の選択透過膜の平均厚みは、例えば、０．０１～２０ｍｍとすることが好ましく、０．１～５ｍｍとすることがより好ましい。平均厚みが２０ｍｍ以下であると、金属イオンが効率よく伝導するものとなり、好ましい。一方、平均厚みが０．０１ｍｍ以上であると、耐久性の良好なものとなり、好ましい。
また、平板状の選択透過膜の平面視での最大寸法は、１０～２０００ｍｍであることが好ましく、２５０～１０００ｍｍであることがより好ましく、３００～５００ｍｍであることがさらに好ましい。
選択透過膜の平面視での最大寸法とは、例えば、選択透過膜が平面視矩形である場合は対角線の長さであり、選択透過膜が平面視円形である場合は直径である。最大寸法が１０ｍｍ以上であると、金属イオンを効率よく伝導できるものとなり、好ましい。一方、最大寸法が２０００ｍｍ以下であると、割れ難く、耐久性に優れるものとなり、好ましい。

特に、平板状の選択透過膜が金属イオン伝導体の焼結体である場合は、平均厚みが０．２～１．０ｍｍであって、平面視での最大寸法が３０～１００ｍｍであることが好ましい。このような平板状の選択透過膜は、容易に効率よく製造可能であり、かつ金属イオンが効率よく伝導するものであり、好ましい。具体的には例えば、選択透過膜は、平均厚みが０．５ｍｍ程度で一辺の長さが５ｃｍ程度である平面視正方形とすることができる。
また、選択透過膜が平板状である場合、必要に応じて、複数の選択透過膜をその面内方向に接合して使用してもよい。

陽極は、選択透過膜の原液槽側の面に電気的に接続する。陽極と選択透過膜の原液槽側の面とは、多孔性集電体を介して電気的に接続していてもよい。あるいはまた、選択透過膜の原液槽側の面に陽極を密着して配置することで、電気的に接続していてもよい。即ち、選択透過膜の原液槽側の面に陽極を一体に形成してもよい。陽極用の導電性材料としては、従来公知の導電性材料を採用できる。
陽極用の導電性材料としては、例えば、Ｐｔ、Ｃｕ、Ａｕ、Ａｇ、Ｃ、Ｆｅ、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｃｏ、Ｃｒ、Ｔｉ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｌａ、Ｓｒ、Ａｌ、Ｐｂ、Ｚｎ、Ｒｈから選ばれる１種または２種以上の元素を含むことが好ましく、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｃ、Ａｇ、Ｔｉから選ばれる１種または２種以上の元素を含むことがより好ましい。かかる陽極材料は、合金であっても良く、ＴｉＩｒ、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等が例示される。特に、陽極は、Ｐｔ、ＣまたはＴｉを主成分とすることがさらに好ましい。これを主成分とする材料からなる陽極は、例えば、原液中の金属イオンを回収することによって塩素ガスおよび／またはフッ素ガスなどの腐食性ガスが発生する場合であっても、優れた耐食性が得られるためである。
陽極の形状としては、特に制限はない。陽極の形状は、例えば、板状、網目状（メッシュ状）、棒状、ストライプ状、ドット状、格子状、ハニカム状などの規則的なパターンであってもよいし、不規則的なパターンであってもよい。多孔性集電体を介して陽極と選択透過膜とを電気的に接続する場合には、陽極の形状は、例えば板状、網目状（メッシュ状）、棒状、格子状、ハニカム状などの連続形状とし得る。選択透過膜に陽極が密着して配置されて電気的に接続される場合（選択透過膜に陽極を一体に形成する場合）には、陽極の形状は特に限定されず、任意の形状とすればよい。
また、陽極と選択透過膜とを電気的に接続する多孔性集電体としては、例えば、フェルト状またはスポンジ状の導電性材料を用いることができる。多孔性集電体用の導電性材料としては、陽極用の導電性材料として例示したものを用いることができる。好ましくは、Ｃ、Ｔｉ、Ｐｔ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ａｇを含む導電性材料が挙げられる。

陰極は、選択透過膜の回収液槽側の面に電気的に接続する。陰極と選択透過膜の回収液槽側の面とは、多孔性集電体を介して接続していてもよい。或いはまた、選択透過膜の回収液槽側の面に陰極を密着して配置することで、電気的に接続してもよい。即ち、選択透過膜の回収液槽側の面に陰極を一体に形成してもよい。
陰極用の導電性材料としては、陽極用の導電性材料として例示したものを用いることができる。ただし、陽極と陰極を形成する導電性材料は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
陰極の形状としては、特に制限はなく、陽極の形状として例示したものを採用できる。ただし、陽極と陰極の形状は同じであってもよいし、異なっていてもよい。
また、陰極と選択透過膜とを電気的に接続する多孔性集電体としては、例えば、フェルト状またはスポンジ状の導電性材料を用いることができる。多孔性集電体用の導電性材料としては、陽極用の導電性材料として例示したものを用いることができる。

ここで、陽極と選択透過膜および陰極と選択透過膜の一方または両方が、多孔性集電体を介して電気的に接続されていてもよい。
また、陽極と陰極の一方または両方が、選択透過膜の異なる主面に密着して配置されることでこれらが電気的に接続されていてもよい。

陽極または陰極を選択透過膜に密着して配置することで、陽極または陰極と選択透過膜とを電気的に接続する場合（選択透過膜に電極を一体に形成する場合）陽極または陰極を導電性多孔質膜とすることが好ましい。陽極または陰極を介して、選択透過膜に金属イオン含有原液または金属イオン回収液を接触させることができるためである。
陽極または陰極として用いる導電性多孔質膜の平均孔径は、０．５～１０μｍとすることが好ましい。導電性多孔質膜の平均孔径が小さいほど、選択透過膜と導電性多孔質膜と金属イオン含有原液または金属イオン回収液の３点の接触面積が増加し、金属イオンの透過量が増加する効果が得られる。導電性多孔質膜の平均孔径が１０μｍ以下であると、選択透過膜の表面と導電性多孔質膜と金属イオン含有原液または金属イオン回収液の３点の接触面積の増加効果が顕著となる。このため、金属イオン透過量の増加効果が高く、好ましい。導電性多孔質膜の平均孔径の下限値は、導電性多孔質膜を介して選択透過膜に金属イオン含有原液または金属イオン回収液を接触させることが可能であればよく、特に限定されない。例えば、導電性多孔質膜の平均孔径は、０．００１μｍ以上とすることができ、典型的には０．５μｍ以上とすればよい。

導電性多孔質膜は、例えば、選択透過膜の表面に、導電性材料を含むペーストを塗工して焼成することによって形成することができる。

陽極は、選択透過膜の液接触面（金属イオン含有原液接触面）の少なくとも一部を覆うように配置されていればよい。陰極は、選択透過膜の液接触面（金属イオン回収液接触面）の少なくとも一部を覆うように配置されていればよい。即ち、陽極および陰極は、選択透過膜の液接触面の一部を覆う形状であればよい。選択透過膜の液接触面よりも小さい陽極および／または陰極を用いることで、金属イオン回収装置を小型化および／またはスリム化（薄型化）できるとともに、電極コストの削減を実現できる。
陽極および陰極は、選択透過膜の液接触面全体を覆うように配置されていてもよい。選択透過膜の液接触面の形状（外周形状）と一致する形状（外周形状）の陽極または陰極は、本実施形態の好適な一例である。このような形状の陽極または陰極は、例えば、多孔性集電体を介して陽極または陰極を選択透過膜と電気的に接続する場合において、選択透過膜の液接触面全体の電位を、略一定に保持し易いことから好適である。
ここで、陽極および陰極の形状は同一であってもよいし、異なる形状であってもよい。

本実施形態の金属イオン回収装置は、原液槽および回収液槽のうち少なくとも一方を２個以上備える。本実施形態の金属イオン回収装置は、例えば、板状の選択透過膜を並列させた板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置とすることができる。

「板状選択透過膜並列型金属イオン回収装置」
図１は、本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の一例の断面斜視図である。
図１に示す金属イオン回収装置１０ａは、原液槽１２と、回収液槽１３と、選択透過膜１４と、陽極１５と、陰極１６と、多孔性集電体１７と、第１スペーサー１８と第２スペーサー１９とを有する。ここでは、陽極１５および陰極１６が板状の電極（原液および回収液を通液しない）である場合を例として説明する。

原液槽１２の内部には陽極１５が配置されている。回収液槽１３の内部には陰極１６が配置されている。陽極１５は、多孔性集電体１７（例えばカーボンフェルト）を介して、選択透過膜１４の原液槽１２側の面に電気的に接続している。陰極１６は、多孔性集電体１７（例えばカーボンフェルト）を介して、選択透過膜１４の回収液槽１３側の面に電気的に接続している。

図１に示す金属イオン回収装置１０ａは、金属イオン選択透過膜１４と陽極１５の間に第１スペーサー１８が配置され、金属イオン選択透過膜１４と陽極１５の間に所定の間隙が保持される。そして、第１スペーサー１８の配置により形成される間隙内に多孔性集電体１７が収容されている。
図１に示す金属イオン回収装置１０ａは、金属イオン選択透過膜１４と陰極１６の間に第２スペーサー１９が配置され、金属イオン選択透過膜１４と陽極１６の間に所定の間隙が保持される。そして、第２スペーサー１９により形成される間隙内に多孔性集電体１７が収容されている。

金属イオン選択透過膜１４と陽極１５との距離（間隔）は、多孔性集電体１７の厚みと同じとするのが好ましい。即ち、第１スペーサー１８の厚みは、多孔性集電体１７の厚みと同じとするのが好ましい。金属イオン回収装置１０ａに設置する前の多孔性集電体１７の厚みは、第１スペーサー１８の厚み以上であることが好ましい。多孔性集電体１７の厚みは、金属イオン回収装置１０ａに設置されることによって、厚み方向に圧縮されて拘束され、第１スペーサー１８の厚みと同じとされることが好ましい。このような厚みの第１スペーサー１８により形成される間隙内に、上記厚みの多孔性集電体１７を収容することで、金属イオン選択透過膜１４と陽極１５と多孔性集電体１７とを密着できる。換言すると、このような厚みの第１スペーサー１８により形成される間隙内に、上記厚みの多孔性集電体１７を収容することで、金属イオン選択透過膜１４と陽極１５との多孔性集電体１７を介した電気的な接続を好適に維持できる。

金属イオン選択透過膜１４と陰極１６との距離（間隔）も同様に、多孔性集電体１７の厚みと同じとするのが好ましい。即ち、第２スペーサー１９の厚みは、各多孔性集電体１７の厚みと同じとするのが好ましい。金属イオン回収装置１０ａに設置する前の多孔性集電体１７の厚みは、第２スペーサー１９の厚み以上であることが好ましい。多孔性集電体１７の厚みは、金属イオン回収装置１０ａに設置されることによって、厚み方向に圧縮されて拘束され、第２スペーサー１９の厚みと同じとされることが好ましい。このような厚みの第２スペーサー１９により形成される間隙内に、上記厚みの多孔性集電体１７を収容することで、金属イオン選択透過膜１４と陰極１６と多孔性集電体１７とを密着できる。換言すると、このような厚みの第２スペーサー１９により形成される間隙内に、上記厚みの多孔性集電体１７を収容することで、金属イオン選択透過膜１４と陰極１６との多孔性集電体１７を介した電気的な接続を好適に維持できる。

好適な実施形態では、陽極１５、第１スペーサー１８、選択透過膜１４、第２スペーサー１９、陰極１６をこの順で積層し、当該積層体を積層方向に沿う方向に拘束するように荷重をかける。このように所定の荷重で拘束することにより、陽極１５、陰極１６、および選択透過膜１４の配置のズレを防止しつつ、多孔性集電体１７を介した金属イオン選択透過膜１４と陽極１５および陰極１６との電気的な接続を高度に維持できる。また、多孔性集電体１７の破損を抑制可能である。

第１スペーサー１８の形状は、特に限定されず、上記陽極１５と選択透過膜１４との間に所定の間隙を形成可能であればよい。第２スペーサー１９の形状は、特に限定されず、上記陰極１６と選択透過膜１４との間に所定の間隙を形成可能であればよい。第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の形状は、例えば、ブロック状（立方体状、円柱状）、棒状、枠状、コの字状、Ｌ字状であり得る。第１スペーサー１８および第２スペーサー１９としては、１つの形状のスペーサーを単独または複数用いても良いし、複数の異なる形状のスペーサーを組み合わせて用いてもよい。同一の形状の第１スペーサー１８および第２スペーサー１９を用いることで、金属イオン回収装置全体の構成をシンプルにすることができ、好ましい。

第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の好適な一実施形態は、枠状形状である。図２および図３に、枠状形状のスペーサーの一例を例示する。第１スペーサー１８および／または第２スペーサー１９が、図２または図３に示す枠状形状のスペーサーである場合、枠に囲まれた開口部２０内に多孔性集電体１７が収容される。かかる枠状のスペーサーには、図２および図３に示すように、金属イオン含有原液１または金属イオン回収液２を導入する導入口２０ａおよび金属イオン含有原液１又は金属イオン回収液２を取り出す取出口２０ｂが設けられていることが好ましい。
本実施形態では、図２および図３に示すように、導入口２０ａが取出口２０ｂよりも下部に設けられていることが好ましい。導入口２０ａおよび取出口２０ｂの配置は、図２および図３に示す例に限定されない。

第１スペーサー１８および第２スペーサー１９としては、図２に示す枠状のスペーサー（図２において符号１８で示す）を用いることができる。このことにより、陽極１５、第１スペーサー１８、選択透過膜１４、第２スペーサー１９、陰極１６をこの順で積層し、かかる積層体を積層方向に沿う方向に拘束するように荷重をかけた場合に、これらの積層体に均等に荷重を負荷できる。選択透過膜１４が焼結体である場合、局所的に荷重が負荷されることにより、破損する可能性がある。このため、第１スペーサー１８および第２スペーサー１９として、枠状のスペーサーを用いることが好ましい。

枠状形状のスペーサーのより好適な形態としては、図３に示すように、開口部２０と、当該開口部２０を囲む凹部２２を備えるスペーサー（図３において符号１８で示す）が挙げられる。図３に示す枠状のスペーサー１８の開口部２０には、多孔性集電体１７が収容され、凹部２２には、陽極１５、選択透過膜１４、または陰極１６が嵌み込むように収容される。これにより、陽極１５、陰極１６、多孔性集電体１７、選択透過膜１４のズレを高レベルで防止できる。また、第１スペーサー１８および第２スペーサー１９として、図３に示す枠状のスペーサーを用いることにより、凹部２２が形成されていない周辺部（凹部非形成部分）に荷重をかけて積層体を拘束できる。このことで、選択透過膜１４にかかる荷重を低減できる。

図４は、図２に示す枠状の第１スペーサー１８および第２スペーサー１９を備える場合の、陽極１５、多孔性集電体１７、選択透過膜１４、陰極１６、第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の配置の一実施形態を模式的に示す断面図である。

図５は、図３に示す枠状の第１スペーサー１８および第２スペーサー１９を備える場合の、陽極１５、多孔性集電体１７、選択透過膜１４、陰極１６、第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の配置の一実施形態を模式的に示す断面図である。

図６は、ブロック状の第１スペーサー１８および第２スペーサー１９を備える場合の、陽極１５、多孔性集電体１７、選択透過膜１４、陰極１６、第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の配置の一実施形態を模式的に示す分解斜視図である。図６に示す第１スペーサー１８および第２スペーサー１９は、円柱状である。第１スペーサー１８および第２スペーサー１９を形成している円柱の長さ（高さ）は、多孔性集電体１７の厚みと同じとなっている。ブロック状の第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の形状は、円柱状に限定されるものではなく、例えば、六角柱状など、多角柱状であってもよい。

図７は、棒状の第１スペーサー１８および第２スペーサー１９を備える場合の、陽極１５、多孔性集電体１７、選択透過膜１４、陰極１６、第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の配置の一実施形態を模式的に示す分解斜視図である。図７では、図の水平方向が棒状スペーサーの長辺と一致する場合を例示したが、これに限定されず、垂直方向が棒状スペーサーの長辺と一致するように配置しても良い。図７に示す第１スペーサー１８および第２スペーサー１９は、直方体である。第１スペーサー１８および第２スペーサー１９の多孔性集電体１７との接触面の形状は、多孔性集電体１７の第１スペーサー１８および第２スペーサー１９との接触面の形状と同形とされている。

第１スペーサー１８および第２スペーサー１９として用いるスペーサーの好適な一例では、スペーサーと他の部材（例えば、選択透過膜１４、陽極１５、陰極１６）との位置ズレを防止するズレ防止機構を備える。例えば、スペーサーが他の部材と接触する接触面に摩擦係数の大きい材料を配置した形態、或いは上記接触面を摩擦係数の大きい材料でコーティングした形態が例示される。
かかるズレ防止機構は、弾力性のある材料を用いることがより好ましい。これにより、例えば、陽極１５、第１スペーサー１８、選択透過膜１４、第２スペーサー１９、陰極１６を積層した積層体を拘束する際に、当該ズレ防止機構が変形することで、各部材の接触面に対してより均等に荷重を負荷できる。即ち、上記積層体により均等に荷重を負荷できる。
かかるズレ防止機構に用いる材料として、例えばエラストマー材料が例示される。エラストマー材料として、具体的には、シリコーンゴム、ラテックスゴム、ブチルゴム、塩ビゴム等が挙げられる。耐久性の観点から、シリコーンゴムが好ましい。

金属イオン回収装置の一態様について、図１に戻り説明する。図１に示す金属イオン回収装置１０ａは、５個の選択透過膜１４を有し、原液槽１２と回収液槽１３は、選択透過膜１４を挟んで交互にそれぞれ並列されている。
図１に示すように、上記第１スペーサー１８により陽極１５と選択透過膜１４との間に設けられた間隙に金属イオン含有原液１が供給される。即ち、上記第１スペーサー１８により形成された陽極１５と選択透過膜１４との間隙は原液槽１２の一部である。また、第２スペーサー１９により陰極１６と選択透過膜１４との間に設けられた間隙に金属イオン回収液２が供給される。即ち、上記第２スペーサー１９により形成された陰極１６と選択透過膜１４との間隙は回収液槽１３の一部である。
図１に示す金属イオン回収装置１０ａでは、陽極１５および陰極１６が板状であって、金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２を通液しないものである。したがって、図１に示す金属イオン回収装置１０ａは、陽極１５で仕切られた５個の原液槽１２と、陰極１６で仕切られた５個の回収液槽１３を備えている。

これら原液槽１２と、回収液槽１３と、選択透過膜１４と、陽極１５と、陰極１６と、多孔性集電体１７と、第１スペーサー１８と、第２スペーサー１９は、図１に示すように、ハウジング１１内に格納して構成されてもよい。

あるいはまた、第１スペーサー１８または第２スペーサー１９として、図２または図３に示す枠状のスペーサーを用いる場合には、当該枠状スペーサーの開口部２０を原液槽１２または回収液槽１３として利用してもよい。枠状スペーサーの開口部２０を原液槽１２または回収液槽１３として共有することで、金属イオン回収装置１０ａの省スペース化を実現できるため好ましい。
このように、開口部２０を原液槽１２または回収槽１３として利用することもできる。この場合には、開口部２０を取り囲むように、上記ズレ防止機構が液密に配置されていることがより好ましい。

金属イオン回収装置１０ａを用いた金属イオン３の回収は、次のようにして行われる。
まず、原液槽１２に金属イオン含有原液１を、回収液槽１３に金属イオン回収液２をそれぞれ供給する。次いで、陽極１５を正電位、陰極１６を負電位とする。このとき、陽極１５へ正電位を印加する方法および陰極１６へ負電位を印加する方法は特に限定されない。各電極に効率よく電位を印加する観点からは、陽極１５に正電位を印加し、且つ、陰極１６を接地するのが好ましい。これにより、金属イオン含有原液１中の金属イオン３のうち、選択透過膜１４の陽極１５側に到達したものが、イオン伝導によって選択透過膜（典型的には金属イオン伝導体）１４内を、陽極１５側から陰極１６側に向かって透過する。そして、選択透過膜１４を透過した金属イオン３は、回収液槽１３に収容された金属イオン回収液２に回収される。

図１に示す金属イオン回収装置１０ａでは、配管を介して、原液槽１２および回収液槽１３の下部から金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２を供給する。また、図１に示す金属イオン回収装置１０ａでは、原液槽１２および回収液槽１３の上部から、配管を介して金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２を導出する。
金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２の供給および導出は、図１に示す金属イオン回収装置１０ａの例に限定されない。例えば、原液槽１２の上部から金属イオン含有原液１を供給してもよいし、原液槽１２の下部から金属イオン含有原液１を導出してもよい。また、回収液槽１３の上部から金属イオン回収液２を供給してもよいし、回収液槽１３の下部から金属イオン回収液２を導出してもよい。

本実施形態の金属イオン回収装置１０ａでは、互いに向かう選択透過膜１４の表面が同一の極性（正と正、負と負）となるように電極が配置されている。すなわち、原液槽１２を挟んで互いに向かい合う選択透過膜１４の表面が正の極性となるように陽極１５が配置されている。また、回収液槽１３を挟んで互いに向かい合う選択透過膜１４の表面が負となるように陰極１６が配置されている。
一方、１個の金属イオン伝導体（選択透過膜）を用いて金属イオン含有原液と金属イオン回収液との間を仕切った構造である従来の金属イオン回収装置では、１個の金属イオン伝導体の両端に陽極と陰極とを配置する。このため、従来の金属イオン回収装置では、選択透過膜が５個の場合は、１０個の電極（陽極５個、陰極５個）を要した。
これに対し、本実施形態の金属イオン回収装置１０ａでは、５個の選択透過膜１４に対して、電極の個数を合計６個（陽極３個、陰極３個）と、約半分の電極数で金属イオン３を回収できる。したがって、本実施形態の金属イオン回収装置１０ａは、従来の金属イオン回収装置と比較して、スリム化が可能となるという利点を有する。

図８は、本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置の別の一例の断面斜視図である。なお、図８において、図１と同一の部材には図１と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図８に示す金属イオン回収装置１０ｂは、陽極１５が選択透過膜１４の原液槽１２側の面に密着して配置される（選択透過膜に陽極を一体に形成する）ことで電気的に接続している。また、陰極１６が選択透過膜１４の回収液槽１３側の面に密着して配置される（選択透過膜に陰極を一体に形成する）ことで電気的に接続している。これらの点で、図８に示す金属イオン回収装置１０ｂは、図１に示す金属イオン回収装置１０ａと相違する。図８に示すように、選択透過膜１４に陽極１５および陰極１６を密着して配置して電気的に接続することで、選択透過膜１４と陽極１５とのズレ、および、選択透過膜１４と陰極１６とのズレを抑制できる。

即ち、図８に示す金属イオン回収装置１０ｂは、選択透過膜１４を５個備えるのに対して、陽極１５を５個、陰極１６を５個備える。また、図８に示す金属イオン回収装置１０ｂは、金属イオン回収装置１０ａと同様に、選択透過膜１４を５個備えている。しかし、３個の原液槽１２と、３個の回収液槽１３とを備えている点で、図８に示す金属イオン回収装置１０ｂは、図１に示す金属イオン回収装置１０ａと相違する。

図８に示す金属イオン回収装置１０ｂは、図１に示す金属イオン回収装置１０ａと同様に、陰極１６側に金属イオン３が回収される。原液槽１２および回収液槽１３内に、多孔性集電体を用いないため、原液槽１２および回収液槽１３のスリム化が可能となる。また、原液槽１２内および回収液槽１３内に多孔性集電体を備えないため、当該多孔性集電体が抵抗となることに起因する流速低下が生じない。このことから、原液槽１２を流れる金属イオン含有原液１および回収液槽１３を流れる金属イオン回収液２の流速を速くできる。単位時間当たりに選択透過膜１４と触れる金属イオン３が多いほど、すなわち、原液槽１２を流れる金属イオン含有原液１の流速が速いほど、金属イオン回収量が向上する傾向がある。したがって、本実施形態の金属イオン回収装置１０ｂは、従来の金属イオン回収装置と比較して、スリム化でき、しかも金属イオンの大量回収が可能となるという利点を有する。

以上に述べた図１に示す板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置１０ａは、第１スペーサー１８および第２スペーサー１９を用いる。このことにより、選択透過膜１４と電極（陽極１５および陰極１６）との電気的な接続を高度に維持した状態で、金属イオン回収装置１０ａ１台あたりに搭載可能な選択透過膜１４の枚数を増大できる。
また、図８に示す板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置１０ｂは、選択透過膜１４に電極（陽極１５および陰極１６）を一体に形成している。このことにより、選択透過膜１４と電極との電気的な接続を高度に維持した状態で、金属イオン回収装置１０ｂ１台あたりに搭載可能な選択透過膜１４の枚数を増大できる。
これにより、本実施形態では、１台の金属イオン回収装置１０ａ、１０ｂに複数の選択透過膜１４を搭載して、装置１台当たりで回収可能な金属イオン３の回収量を増大できる。また、本実施形態の金属イオン回収装置１０ａ、１０ｂは、従来の金属イオン回収装置と比較して、スリム化が可能となるという利点を有する。

ただし、板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置は、上記の実施形態に限定されるものではない。
例えば、金属イオン回収装置１０ａ、１０ｂでは、選択透過膜１４を５枚備える構成を例として説明したが、これに限定されない。すなわち、原液槽１２および回収液槽１３のうち少なくとも一方を２個以上備えるために、選択透過膜１４の枚数は２枚以上であればよく、５枚以上が好ましく、１０枚以上とすることがより好ましい。装置１台に搭載される選択透過膜１４の枚数が多いほど、装置一台で回収可能な金属イオン３の量を増大し得る。このことから、選択透過膜１４の枚数は、例えば、１００枚以上とするのが好ましく、５００枚以上がより好ましく、１０００枚以上がさらに好ましい。換言すると、選択透過膜１４を介して仕切られた原液槽１２および回収液槽１３の個数は、少なくとも一方が２個以上であれば特に制限されない。

＜金属回収システム＞
図９は、本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置を用いた金属回収システムの一例の構成図である。以下、金属がリチウムである場合を例として説明する。
図９に示すリチウム回収システム１００は、板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置（リチウムイオン回収装置）１０と、金属イオン回収液（リチウムイオン回収液）２に含まれる金属イオン（リチウムイオン）３を、リチウムを含む固形物として取り出すリチウム精製装置１０１とを有する。金属イオン回収装置１０としては、上述した金属イオン回収装置１０ａ、１０ｂを用いることができる。
なお、図９には、金属イオン回収装置を備える金属回収システムを例に挙げて説明するが、該金属イオン回収装置に代えて後述する金属イオン回収装置ユニットを備えていてもよい。

リチウム精製装置１０１は、リチウムを含む固形物として取り出す機構を備えていれば特に制限されない。リチウムを含む固形物とは、例えば、水酸化リチウム、炭酸リチウム、金属リチウム等が挙げられる。
例えば、リチウムイオン回収液中には、リチウムイオンが水酸化リチウムの形態で存在する。このため、リチウムイオン回収液の溶媒を蒸発させる乾燥機構を備えることで水酸化リチウムを精製可能である。換言すると、リチウムイオン回収液の溶媒を蒸発させる水酸化リチウム乾燥器１０２は上記リチウム精製装置１０１の一例である。
また、リチウムイオン回収液に炭酸ガスを供給することで、リチウムイオン回収液中に炭酸リチウムを沈殿物として精製可能である。即ち、上記リチウムイオン回収液へ炭酸ガスを供給する炭酸ガスバブリング装置１０４は、上記リチウム精製装置１０１の一例である。ここで、炭酸リチウムを生成するリチウム精製装置１０１は、上記リチウム回収液中に沈殿した炭酸リチウムを乾燥させる炭酸リチウム乾燥器１０５を備えることが好ましい。
これらリチウム精製装置１０１は、１種の機構のみを採用してもよいし、複数の精製機構を組み合わせて搭載してもよい。以下、リチウム精製装置１０１として、図９に示すように、水酸化リチウム乾燥器１０２と、炭酸ガスバブリング装置１０４と、炭酸リチウム乾燥器１０５を備える構成を例として説明する。

図９に示すリチウム回収システム１００は、リチウムイオン含有原液を貯留する原液タンク１０７と、リチウムイオン回収液を貯留する回収液タンク１０８とを有する。また、図示するリチウム回収システム１００は、さらに水酸化リチウム梱包機１０３と炭酸リチウム梱包機１０６を備えている。

リチウム回収システム１００を用いたリチウムの回収は、次のようにして行われる。
まず、金属イオン含有原液（リチウムイオン含有原液）１を原液タンク１０７に貯留する。次いで、原液タンク１０７に貯留されたリチウムイオン含有原液を金属イオン回収装置１０に供給する。
また、リチウムイオン回収液を回収液タンク１０８に貯留する。次いで、回収液タンク１０８に貯留されたリチウムイオン回収液を金属イオン回収装置１０に供給する。
金属イオン回収装置１０は、上記の方法により、リチウムイオン含有原液中のリチウムイオンをリチウムイオン回収液で回収する。
金属イオン回収装置１０でリチウムイオンが回収されたリチウムイオン含有原液は、原液タンク１０７に送られる。原液タンク１０７は、リチウムイオン含有原液のリチウムイオン濃度が所定値よりも低くなったときは、リチウムイオン含有原液を排出する。それと共に、外部からリチウムイオン含有原液が、原液タンク１０７に送られるようになっている。
一方、金属イオン回収装置１０でリチウムイオンを回収したリチウムイオン回収液は、回収液タンク１０８に送られる。回収液タンク１０８は、リチウムイオン回収液が所望のリチウムイオン濃度以上になると、リチウムイオン回収液をリチウム精製装置１０１に送る。それと共に、外部から新たなリチウムイオン回収液が、回収液タンク１０８に送られるようになっている。

図９に示すリチウム精製装置１０１では、リチウムイオン回収液中のリチウムイオンを水酸化リチウム（ＬｉＯＨ・Ｈ_２Ｏ）の粉末または炭酸リチウム（Ｌｉ_２ＣＯ_３）の粉末として取り出す。

リチウムイオン回収液中のリチウムイオンを水酸化リチウムの粉末として取り出す場合は、例えば、以下に示す方法を用いる。
リチウムイオン回収液を水酸化リチウム乾燥器１０２に送る。水酸化リチウム乾燥器１０２にて、リチウムイオン回収液の水分を蒸発させる。これにより、リチウムイオン回収液から容易に水酸化リチウムの結晶を得ることができる。
なお、リチウムイオン回収液中の水分を蒸発させる際には、リチウムイオン回収液が大気（典型的には大気中のＣＯ_２ガス）に触れない環境で行うことが好ましい。これにより、リチウムイオン回収液が大気に触れて、リチウムイオン回収液中のリチウムイオンと大気中のＣＯ_２ガスとが反応して、Ｌｉ_２ＣＯ_３が生成することを防止できる。

次いで、水酸化リチウム乾燥器１０２にて得られた水酸化リチウム粉末を、水酸化リチウム梱包機１０３に送る。水酸化リチウム梱包機１０３にて、水酸化リチウム粉末は梱包され、その後、使用場所に搬送される。

リチウムイオン回収液中のリチウムイオンを炭酸リチウムの粉末として取り出す場合は、例えば、以下に示す方法を用いる。
リチウムイオン回収液を炭酸ガスバブリング装置１０４に送る。炭酸ガスバブリング装置１０４にて、リチウムイオン回収液に炭酸ガスを供給し、リチウムイオン回収液（水酸化リチウム溶液）中のリチウムイオンを炭酸リチウムに変化させる。これにより、リチウムイオン回収液から容易に炭酸リチウムの結晶を得ることができる。

次いで、リチウムイオン回収液の沈殿物（炭酸リチウム）を、ろ過あるいはデカンテーションにより分離して回収する。得られた炭酸リチウムを炭酸リチウム乾燥器１０５に送る。そして炭酸リチウム乾燥器１０５にて、炭酸リチウムを乾燥して炭酸リチウム粉末を得る。

次いで、炭酸リチウム乾燥器１０５にて得られた炭酸リチウム粉末を、炭酸リチウム梱包機１０６に送る。炭酸リチウム梱包機１０６にて、炭酸リチウム粉末は梱包され、その後、使用場所に搬送される。

以上に述べた本実施形態のリチウム回収システム１００は、リチウムイオン回収装置として、上述の板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置１０を用いる。このため、従来のリチウムイオン回収装置を用いた場合と比較して、スリム化が可能となるという利点を有する。また、リチウムを効率よく回収できる。
なお、金属イオン回収装置１０を備えるリチウム回収システム１００において、金属イオン回収装置１０に代えて後述する金属イオン回収装置ユニットを備えるものであっても、同様の効果が得られる。すなわち、従来のリチウムイオン回収装置を用いた場合と比較して、スリム化が可能であり、しかも金属イオン３として例えばリチウムイオンを効率よく回収できる。

「金属イオン回収装置ユニット」
図１０は、本発明の一実施形態である板状選択透過膜並列型金属イオン回収装置を複数接続した金属イオン回収装置ユニットの一例の構成図である。以下、図１０中の板状選択透過膜並列型金属イオン回収装置が、図１に示す金属イオン回収装置１０ａである場合を例として説明する。
なお、図１０に示す金属イオン回収装置１０ａの１つまたは全部の代わりに、図８に示す金属イオン回収装置１０ｂを１つまたは複数備えていてもよい。

図１０に示す金属イオン回収装置ユニット３０は、８個の金属イオン回収装置１０ａを有している。図１０において、上下に配置された２個の金属イオン回収装置１０ａは、下方の金属イオン回収装置１０ａから取り出された金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２が、上方の金属イオン回収装置１０ａに導入されるように直列的に接続されている。直列的に上下に接続された２個の金属イオン回収装置１０ａは、金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２の配管に並列的に接続している。
ここで、便宜上、上方側（上流側）の金属イオン回収装置１０ａ、下方（下流側）側の金属イオン回収装置１０ａと説明するが、実際の金属イオン回収装置１０ａが上下に配置されることを限定するものではない。金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２の導出入が、図１０に示すように直列的または並列的となるように接続された構成は、図１０と同様に理解することができる。

金属イオン回収装置ユニット３０を用いた金属イオン３の回収は、次のようにして行われる。
まず、上下に配置された２個の金属イオン回収装置１０ａのうちの下方側の金属イオン回収装置１０ａの金属イオン含有原液導入口に、金属イオン含有原液１を連続的に供給する。これにより、原液槽１２に金属イオン含有原液１が収容される。また、上下に配置された２個の金属イオン回収装置１０ａのうちの下方側の金属イオン回収装置１０ａの金属イオン回収液導入口に、金属イオン回収液２を連続的に供給する。これにより、回収液槽１３に金属イオン回収液２が収容される。
次いで、各金属イオン回収装置１０ａの陽極１５を正電位とし、陰極１６を負電位とする。これにより、原液槽１２に収容された金属イオン含有原液１中の金属イオン３のうち、選択透過膜１４の陽極１５側に到達したものが、イオン伝導によって選択透過膜１４内を、陽極１５側から陰極１６側に向かって透過する。そして、選択透過膜１４を透過した金属イオン３は、回収液槽１３に収容された金属イオン回収液２に回収される（図１参照）。

次いで、下方側の金属イオン回収装置１０ａの原液槽１２に収容された金属イオン含有原液１は、金属イオン含有原液取出口により取り出される。取り出された金属イオン含有原液１は、上方側の金属イオン回収装置１０ａの金属イオン含有原液導入口に供給され、原液槽１２に収容される。また同様に、下方側の金属イオン回収装置１０ａの回収液槽１３に収容された金属イオン回収液２は、金属イオン回収液取出口により取り出される。取り出された金属イオン回収液２は、上方側の金属イオン回収装置１０ａの金属イオン回収液導入口に供給され、回収液槽１３に収容される。

上方側の金属イオン回収装置１０ａの原液槽１２に収容された金属イオン含有原液１中の金属イオン３のうち、選択透過膜１４の陽極１５側に到達したものが、イオン伝導によって選択透過膜１４内を、陽極１５側から陰極１６側に向かって透過する。そして、選択透過膜１４を透過した金属イオン３は、回収液槽１３に収容された金属イオン回収液２で回収される。
このように、或る金属イオン回収装置１０ａから取り出された金属イオン回収液２が、他の金属イオン回収装置１０ａに導入されるように直列的に接続することで、単位容量当たりの金属イオン回収液２に回収される金属イオン３の量を多くできる（金属イオン回収液２の金属イオン濃度を増大することができる）。

以上のような構成とされた本実施形態の金属イオン回収装置ユニット３０は、複数の金属イオン回収装置１０ａが搭載された構成である。本実施形態では、１つの金属イオン回収装置１０ａに多数の選択透過膜１４が搭載されている。このため、例えば、選択透過膜を１つのみ備えるリチウムイオン回収装置を用いた金属イオン回収装置ユニットと比較して、回収できる金属イオン３の量を増大できる。また、独立した金属イオン回収装置１０ａの原液槽１２同士が配管で接続されているとともに、回収液槽１３同士が配管で接続されているので、各金属イオン回収装置１０ａを容易に交換できる。

金属イオン回収装置ユニットは、図１０に示す構成に限定されない。
たとえば、全ての金属イオン回収装置１０ａが直列的に接続されていてもよいし、全ての金属イオン回収装置１０ａが金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２の配管に並列的に接続していてもよい。
また、金属イオン含有原液１および金属イオン回収液２が、複数の金属イオン回収装置１０ａに導出入する接続態様は、同一であってもよいし、それぞれ異なる接続態様であってもよい。例えば、金属イオン回収装置１０ａから導出された金属イオン含有原液１が、全て金属イオン含有原液１の配管に導入されるように、金属イオン含有原液１の送液配管が並列的に接続されていてもよい。また、金属イオン回収装置１０ａから導出された金属イオン回収液２が、他の金属イオン回収装置１０ａに導入されるように、金属イオン回収液２の送液配管が全て直列的に接続されていてもよい。

図１０に示す金属イオン回収装置ユニット３０は、８個の金属イオン回収装置１０ａを有している場合を例に説明したが、１つの金属イオン回収装置ユニット３０に搭載される金属イオン回収装置１０ａの個数は特に制限されない。金属イオン回収装置１０ａの個数は、２個以上であればよく、５個以上が好ましく、１０個以上とすることがより好ましい。装置（金属イオン回収装置ユニット３０）１台に搭載される金属イオン回収装置１０ａの個数が多いほど、装置一台で回収可能な金属イオン３の量を増大し得る。このことから、金属イオン回収装置１０ａの個数は、例えば、１００個以上とするのが好ましく、５００個以上がより好ましく、１０００個以上がさらに好ましい。

金属イオン回収装置ユニットの構成は、上述した板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置のみを複数配列するものに限定されない。例えば、複数個の本実施形態の金属イオン回収装置とともに、選択透過膜を１枚備える従来の単膜式の金属イオン回収セル（またはこれを備える金属イオン回収装置）を１個または複数個用いたものであっても良い。したがって、板状選択透過膜並列型の金属イオン回収装置と他の構成の金属イオン回収装置とを接続して適用しても良い。

次に、上記単膜式の金属イオン回収装置（セル型金属イオン回収装置）に用いることができる金属イオン回収セルの一例を示す。
図１１は、金属イオン回収セルの一例の斜視図である。図１２は、図１１に示す金属イオン回収セルの分解斜視図である。図１１に示す金属イオン回収セルを１個または複数備えるセル型金属イオン回収装置は、本発明の金属回収装置ユニットを構成する金属イオン回収装置の好適な一例である。

図１１および図１２に示す金属イオン回収セル３１ａは、セル蓋部３８ａとセル収容部３８ｂに設けられた凹部との間に、セル収容部３８ｂ側から、陰極３６、回収液槽形成用枠３３、選択透過膜３４、原液槽形成用枠３２、陽極３５が、この順で積層された積層体が収容された構成とされている。回収液槽形成用枠３３には、陰極３６と選択透過膜３４とを電気的に接続するための多孔性集電体３７が収容されている。また、原液槽形成用枠３２には、陽極３５と選択透過膜３４とを電気的に接続するための多孔性集電体３７が収容されている。
セル蓋部３８ａとセル収容部３８ｂとは、セル蓋部３８ａを貫通するボルト３９を、セル収容部３８ｂのねじ穴４０に締め込むことによって固定されている。セル蓋部３８ａの外側面には、中央の下部に金属イオン含有原液導入口４１ａが設けられ、中央の上部に金属イオン含有原液取出口４１ｂが設けられている。セル収容部３８ｂの外側面には、中央の下部に金属イオン回収液導入口４２ａが設けられ、中央の上部に金属イオン回収液取出口４２ｂが設けられている。

図１１に示す金属イオン回収セル３１ａには、セル蓋部３８ａの下部に設けられた金属イオン含有原液導入口４１ａから、金属イオン含有原液１が導入される。また、セル収容部３８ｂの下部に設けられた金属イオン回収液導入口４２ａから、金属イオン回収セル３１ａに金属イオン回収液２が導入される。そして、セル蓋部３８ａの上部に設けられた金属イオン含有液取出口４１ｂから、金属イオン含有原液１が導出される。また、セル収容部３８ｂの上部に設けられた金属イオン回収液取出口４２ｂから、金属イオン回収液２が導出される。
このように、金属イオン含有原液取出口４１ｂおよび金属イオン回収液取出口４２ｂ（以下、これらを合わせて「液取出口４１ｂ、４２ｂ」ともいう）より下部に、金属イオン含有原液導入口４１ａおよび金属イオン回収液導入口４２ａ（以下、これらを合わせて「液導入口４１ａ、４２ａ」ともいう）が設けられている。このことにより、金属イオン回収セル３１ａ内（典型的には原液槽１２内および回収液槽１３内）に発生した気泡がセル外へスムーズに排出される。このような構成によると、金属イオン回収セル３１ａ内への気泡残留を低減できる。
なお、図１１に示す金属イオン回収セル３１ａでは、セル蓋部３８ａおよびセル収容部３８ｂの下部に液導入口４１ａ、４２ａが設けられ、セル蓋部３８ａおよびセル収容部３８ｂの上部に液取出口４１ｂ、４２ｂが設けられた構成を例に説明したが、これに限定されない。例えば、セル蓋部３８ａの下部に、金属イオン含有原液取出口４１ｂが設けられてもよい。また、例えば、セル収容部３８ｂの下部に、金属イオン回収液取出口４２ｂが設けられてもよい。

図１１に示す金属イオン回収セル３１ａは、セル蓋部３８ａおよびセル収容部３８ｂの幅広面（積層方向の表面）に、液導入口４１ａ、４２ａおよび液取出口４１ｂ、４２ｂが設けられた構成を例に説明したが、これに限定されない。例えば、セル蓋部３８ａまたはセル収容部３８ｂの幅狭面（側面）に液導入口４１ａ、４２ａまたは液取出口４１ｂ、４２ｂが設けられていてもよい。

図１３は、本発明の一実施形態である金属イオン回収装置ユニットで用いることができる金属イオン回収セルの別の一例の斜視図である。図１４は、図１３に示す金属イオン回収セルの分解斜視図である。なお、図１３および図１４において、図１１および図１２と同一の部材には、図１１および図１２と同一の符号を付して、その詳細な説明は省略する。

図１３および図１４に示す金属イオン回収セル３１ｂは、陽極３５が選択透過膜３４の原液槽形成用枠３２側の面に密着して配置される（選択透過膜に陽極を一体に形成する）ことによって、電気的に接続している。また、陰極３６（図１４には不図示）が選択透過膜３４の回収液槽形成用枠３３側の面に密着して配置される（選択透過膜に陰極を一体に形成する）ことによって、電気的に接続している。これらの点で、図１３および図１４に示す金属イオン回収セル３１ｂは、図１１および図１２に示す金属イオン回収セル３１ａと相違する。
ここで、図１３および図１４に示す金属イオン回収セル３１ｂは、陽極引出線４３が金属イオン含有液取出口４１ｂから引き出されている。また、陰極引出線４４が金属イオン回収液取出口４２ｂから引き出されている。

図１３および図１４に示す金属イオン回収セル３１ｂは、原液槽形成用枠３２および回収液槽形成用枠３３に多孔性集電体を収容しない。このため、原液槽形成用枠３２および回収液槽形成用枠３３のスリム化が可能となる。また、原液槽形成用枠３２を流れる金属イオン含有原液１および回収液相形成用枠３３を流れる金属イオン回収液２の流速を速くできる。単位時間当たりに選択透過膜３４と触れる金属イオン３が多いほど、すなわち、原液槽形成用枠３２を流れる金属イオン含有原液１の流速が速いほど、金属イオン回収量が向上する傾向がある。したがって、本実施形態の金属イオン回収セル３１ｂは、スリム化と金属イオン３の大量回収が可能となる。

１・・・金属イオン含有原液
２・・・金属イオン回収液
３・・・金属イオン（リチウムイオン）
１０ａ、１０ｂ・・・金属イオン回収装置
１１・・・ハウジング
１２・・・原液槽
１３・・・回収液槽
１４・・・選択透過膜
１５・・・陽極
１６・・・陰極
１７・・・多孔性集電体
１８・・・第１スペーサー
１９・・・第２スペーサー
２０・・・開口部
２２・・・凹部
３１ａ、３１ｂ・・・金属イオン回収セル
３２・・・原液槽形成用枠
３３・・・回収液槽形成用枠
３４・・・選択透過膜
３５・・・陽極
３６・・・陰極
３７・・・多孔性集電体
３８ａ・・・セル蓋部
３８ｂ・・・セル収容部
３９・・・ボルト
４０・・・ねじ穴
４１ａ・・・金属イオン含有原液導入口
４１ｂ・・・金属イオン含有原液取出口
４２ａ・・・金属イオン回収液導入口
４２ｂ・・・金属イオン回収液取出口
４３・・・陽極引出線
４４・・・陰極引出線
１００・・・リチウム回収システム
１０１・・・リチウム精製装置
１０２・・・水酸化リチウム乾燥器
１０３・・・水酸化リチウム梱包機
１０４・・・炭酸ガスバブリング装置
１０５・・・炭酸リチウム乾燥器
１０６・・・炭酸リチウム梱包機
１０７・・・原液タンク
１０８・・・回収液タンク

Claims (7)

1. 金属イオンを含む金属イオン含有原液を収容する原液槽と、
   前記金属イオン含有原液から回収された金属イオンを含む金属イオン回収液を収容する回収液槽と、
   前記原液槽と前記回収液槽とを仕切る焼結体であり、前記金属イオンを選択的に透過させる金属イオン選択透過膜と、
   前記金属イオン選択透過膜の前記原液槽側に配置される陽極と、
   前記金属イオン選択透過膜の前記回収液槽側に配置される陰極と、
   導電性材料で構成された多孔性集電体と、
   前記金属イオン選択透過膜と陽極の間隙を保持する第１スペーサーと、
   前記金属イオン選択透過膜と陰極の間隙を保持する第２スペーサーと、を有し、
   前記陽極が、前記金属イオン選択透過膜に前記多孔性集電体を介して電気的に接続して配置され、且つ、前記陰極が、前記金属イオン選択透過膜に前記多孔性集電体を介して電気的に接続して配置され、前記第１スペーサーおよび前記第２スペーサーが、前記陽極、前記第１スペーサー、前記金属イオン選択透過膜、前記第２スペーサー、前記陰極をこの順で積層した積層体に積層方向に沿う方向に均等に荷重をかけるものであり、
   前記原液槽および前記回収液槽のうち少なくとも一方を２個以上備える金属イオン回収装置。
2. 前記第１スペーサーおよび前記第２スペーサーが、枠状形状であり、前記積層体を前記積層方向に沿う方向に拘束するように荷重をかけるものであることを特徴とする請求項１に記載の金属イオン回収装置。
3. 前記原液槽と前記回収液槽が交互にそれぞれ前記金属イオン選択透過膜を介して並列されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の金属イオン回収装置。
4. 前記金属イオンがリチウムイオンである、請求項１～３のいずれか一項に記載の金属イオン回収装置。
5. 請求項１～４のいずれか一項に記載の金属イオン回収装置を複数備え、
   それぞれの前記金属イオン回収装置が、前記原液槽を接続する配管と前記回収液槽を接続する配管とで接続されていることを特徴とする金属イオン回収装置ユニット。
6. 請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の金属イオン回収装置または請求項５に記載の金属イオン回収装置ユニットと、
   前記金属イオン回収装置または前記金属イオン回収装置ユニットの前記回収液槽に接続し、前記金属イオン回収液に含まれる金属イオンを、該金属を含む固形物として取り出す精製装置とを含むことを特徴とする金属回収システム。
7. 請求項１～請求項４のいずれか一項に記載の金属イオン回収装置または請求項５に記載の金属イオン回収装置ユニットを用いて、
   前記金属イオン回収装置または前記金属イオン回収装置ユニットの前記原液槽に収容された前記金属イオン含有原液に含まれる金属イオンを、前記金属イオン選択透過膜に透過させ、前記回収液槽に収容された前記金属イオン回収液で回収することを特徴とする金属イオンの回収方法。

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