WO2022070281A1 - ろ過装置 - Google Patents

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WO2022070281A1
WO2022070281A1 PCT/JP2020/037015 JP2020037015W WO2022070281A1 WO 2022070281 A1 WO2022070281 A1 WO 2022070281A1 JP 2020037015 W JP2020037015 W JP 2020037015W WO 2022070281 A1 WO2022070281 A1 WO 2022070281A1
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WO
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electrode
potential
particles
filter chamber
filter medium
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/037015
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English (en)
French (fr)
Inventor
一樹 大森
Original Assignee
三菱化工機株式会社
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Publication date
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Priority to PCT/JP2021/034434 priority patent/WO2022071002A1/ja
Priority to US18/029,012 priority patent/US11975277B2/en
Priority to CA3194303A priority patent/CA3194303A1/en
Priority to CN202180066993.0A priority patent/CN116390795B/zh
Priority to JP2022505363A priority patent/JP7117471B1/ja
Priority to KR1020237010739A priority patent/KR20230090316A/ko
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D35/00—Filtering devices having features not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00, or for applications not specifically covered by groups B01D24/00 - B01D33/00; Auxiliary devices for filtration; Filter housing constructions
    • B01D35/06—Filters making use of electricity or magnetism
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C02—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F—TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00—Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469—Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M1/00—Apparatus for enzymology or microbiology
    • C12M1/12—Apparatus for enzymology or microbiology with sterilisation, filtration or dialysis means
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C12—BIOCHEMISTRY; BEER; SPIRITS; WINE; VINEGAR; MICROBIOLOGY; ENZYMOLOGY; MUTATION OR GENETIC ENGINEERING
    • C12M—APPARATUS FOR ENZYMOLOGY OR MICROBIOLOGY; APPARATUS FOR CULTURING MICROORGANISMS FOR PRODUCING BIOMASS, FOR GROWING CELLS OR FOR OBTAINING FERMENTATION OR METABOLIC PRODUCTS, i.e. BIOREACTORS OR FERMENTERS
    • C12M3/00—Tissue, human, animal or plant cell, or virus culture apparatus
    • C12M3/06—Tissue, human, animal or plant cell, or virus culture apparatus with filtration, ultrafiltration, inverse osmosis or dialysis means

Definitions

  • the present invention relates to a filtration device.
  • Solid-liquid separation by filtration of a particle-fluid slurry a method of separating a particle to be separated from a liquid by using electroosmosis or electrophoresis is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
  • Solid-liquid separation using electroosmosis is a method in which voltage and pressure are applied to a cake layer sandwiched between electrodes, and water in the cake layer is expelled through a filter medium by electroosmosis.
  • the solid-liquid separation using electrophoresis is a method in which the particles in the slurry are moved by electrophoresis and brought into direct contact with the filter medium to separate the particles in the slurry.
  • the method of directly contacting the particles in the slurry with the filter medium for solid-liquid separation may cause a decrease in the filtration rate due to clogging of the filter medium.
  • An object of the present invention is to provide a filtration device capable of improving the filtration rate.
  • the filtration device on one side of the present invention is provided with a first electrode provided with a plurality of first openings and a second electrode provided with a plurality of second openings facing one surface of the first electrode.
  • An electrode, a plurality of openings are provided, a filter medium provided between the first electrode and the second electrode, and a filter medium provided in contact with the other surface of the first electrode, and particles and liquid to be separated are provided.
  • a first potential having the same polarity as that of the particles is applied to the filter chamber to which the target treatment liquid containing the above is supplied, the third electrode facing the first electrode across the filter chamber, and the first electrode. It has a first power source to be supplied and a second power source to supply the second electrode with a second potential having the same polarity as the particles, and the third electrode is connected to a reference potential.
  • the filtration device of the present invention it is possible to improve the filtration rate.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a filtration device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the operation of the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configurations of the first electrode, the filter medium, and the second electrode.
  • FIG. 4 is an electrical equivalent circuit diagram showing a filtration device according to an embodiment.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the concentration concentration in the filter chamber and the filtration rate in the solid-liquid separation of chlorella.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the concentration concentration in the filter chamber and the filtration rate in the solid-liquid separation of sewage activated sludge.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a filtration device according to an embodiment.
  • the filtration device 10 according to the embodiment is a device that separates the particles 71 from the slurry (stock solution) 70 (target treatment liquid) in which the particles 71 are dispersed in the liquid 72.
  • the filtration device 10 can be applied to the life science field, the sewage treatment field, the wastewater treatment field, and the like.
  • the bio-industry for culturing microorganisms such as cultured cells, microalgae, bacteria, bacteria, and viruses, and the utilization and application of enzymes, proteins, polysaccharides, lipids, etc.
  • the filtration device 10 is a colloidal particle-based slurry in which surface-charged fine particles are highly dispersed by an electric repulsive action, and can be applied to a concentrated recovery application of colloidal fine particles.
  • the filtration device 10 includes an upper housing 11, a lid portion 12, a side housing 13, a lower housing 14, and a conductor 15. Further, the filtration device 10 has a first filter chamber 30, a first electrode 31, a second electrode 32, and a second electrode in an internal space surrounded by an upper housing 11, a side housing 13, and a lower housing 14. It has three electrodes 33 and a filter medium 34 (see FIG. 2). The filtration device further includes a first power source 51 and a second power source 52 electrically connected to the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the upper housing 11 is a columnar member made of an insulating material.
  • the side housing 13 is an annular member made of an insulating material and having a through hole. A part of the lower end side of the upper housing 11 is inserted into the through hole of the side housing 13.
  • the lower housing 14 is made of an insulating material and supports the side housing 13.
  • the lid portion 12 is provided so as to cover the upper surface of the upper housing 11.
  • the outer edges of the first electrode 31, the second electrode 32 and the filter medium 34 are sandwiched and fixed between the side housing 13 and the lower housing 14.
  • the third electrode 33 is fixed to the lower surface of the upper housing 11 (the surface facing the lower housing 14) by a connecting member (not shown) such as a bolt, and is located inside the through hole of the side housing 13. .
  • the conductor 15 is an annular member provided so as to surround the periphery of the side housing 13, and is provided between the side housing 13 and the lower housing 14. The lower end side of the conductor 15 is connected to the outer edge of the first electrode 31.
  • the upper housing 11 and the side housing 13 are fixed by the guide portion 21a. Further, the side housing 13, the lower housing 14, and the conductor 15 are fixed by bolts 21b and 21c. As a result, the position of each housing is fixed, and the first filter chamber is in the space surrounded by the first electrode 31, the second electrode 32, the filter medium 34, the inner wall of the side housing 13, and the third electrode 33. 30 is formed. Further, sealing members such as O-rings are provided at the connection portions between the housings and the electrodes, and the first filter chamber 30 is hermetically provided. Further, the upper housing 11 is provided so that the distance from the lower housing 14 can be adjusted. Thereby, the filtration device 10 can appropriately set the volume of the first filter chamber 30 according to the type and amount of the slurry (stock solution) 70 (target treatment liquid).
  • the upper housing 11 is provided with a slurry supply passage 11a, an exhaust passage 11b, and a through hole 11c.
  • One end side of the slurry supply passage 11a opens on the side surface of the upper housing 11 and is connected to the slurry supply unit 16.
  • the other end side of the slurry supply passage 11a is opened on the lower surface of the upper housing 11 and is provided so as to be connected to the through hole 33a of the third electrode 33.
  • the slurry supply valve 17 has a rod-shaped member provided inside the slurry supply passage 11a, and the rod-shaped member moves vertically in the slurry supply passage 11a to switch the open / closed state of the through hole 33a. ..
  • the through hole 33a is opened by the operation of the slurry supply valve 17, the slurry (stock solution) 70 passes through the slurry supply unit 16, the slurry supply passage 11a, and the through hole 33a of the third electrode 33. It is supplied to the first filter chamber 30. Further, when the through hole 33a is closed by the slurry supply valve 17, the supply of the slurry (stock solution) 70 to the first filter chamber 30 is stopped.
  • the air exhaust valve 19 has a rod-shaped member provided inside the exhaust passage 11b, and the rod-shaped member moves vertically in the exhaust passage 11b to switch the open / closed state of the through hole 33b.
  • the air discharge valve 19 opens the through hole 33b.
  • the air in the first filter chamber 30 is exhausted to the outside through the through hole 33b, the exhaust passage 11b, and the air exhaust portion 18.
  • An air discharge valve 18a is connected to the air discharge unit 18.
  • the air discharge valve 18a is, for example, a float valve, and is provided so that the air discharge valve 18a is closed when a predetermined amount of air in the first filter chamber 30 is exhausted.
  • the air discharge valve 19 closes the through hole 33b.
  • a predetermined pressure is applied to the slurry (stock solution) 70 filled in the first filter chamber 30 via the slurry supply unit 16 by an external pressurizing pump or the like.
  • the third electrode 33 is electrically connected to the reference potential GND via the connecting conductor 56.
  • the reference potential GND is, for example, a ground potential. However, the present invention is not limited to this, and the reference potential GND may be a predetermined fixed potential different from the ground potential.
  • the first electrode 31 is electrically connected to the second terminal 51b of the first power supply 51 via the conductor 15 and the connecting conductor 54. Further, the first electrode 31 is electrically connected to the first terminal 52a of the second power supply 52 via the conductor 15 and the connecting conductor 55a.
  • the lower housing 14 is provided with a concave second filter chamber 35, through holes 14a and 14b, and a connection hole 14c.
  • the second filter chamber 35 is provided on the upper surface of the lower housing 14 at a position overlapping the first filter chamber 30.
  • the through hole 14a connects the second filter chamber 35 and the discharge portion 22.
  • the slurry (stock solution) 70 supplied to the first filter chamber 30 the particles 71 are separated by driving each electrode, and the liquid 72 (filter solution 75) from which the particles 71 are separated is the first electrode 31 and the second electrode. It flows into the second filter chamber 35 through 32 and the filter medium 34 (see FIG. 2).
  • the liquid 72 (filter liquid 75) from which the particles 71 are separated is stored in an external storage tank from the discharge portion 22 via the through hole 14b.
  • connection hole 14c One end side of the connection hole 14c is opened on the upper surface of the lower housing 14, and the outer edge of the second electrode 32 is provided so as to cover the connection hole 14c. Further, the other end side of the connection hole 14c opens on the side surface of the lower housing 14. A connecting conductor 55b is inserted into the connecting hole 14c, and the connecting conductor 55b and the second electrode 32 are connected to each other. As a result, the second electrode 32 is electrically connected to the second terminal 52b of the second power supply 52.
  • the configuration of the filtration device 10 shown in FIG. 1 is merely an example, and the first filter chamber sandwiched between the first electrode 31, the second electrode 32, the filter medium 34 (see FIG. 2), and the third electrode 33. Any configuration may be used as long as 30 can be formed.
  • FIG. 2 is an explanatory diagram for explaining the operation of the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 2 in order to make the explanation easy to understand, the arrangement relationship between the first electrode 31, the second electrode 32, the third electrode 33 and the filter medium 34, and the first filter chamber 30 and the second filter chamber 35 is schematically shown. Shows.
  • the first electrode 31 and the second electrode 32 are mesh-shaped electrodes.
  • the first electrode 31 has a plurality of conductive thin wires 31a, and a plurality of first openings 31b are provided between the plurality of conductive thin wires 31a.
  • the second electrode 32 has a plurality of conductive thin wires 32a, and a plurality of second openings 32b are provided between the plurality of conductive thin wires 32a.
  • the second electrode 32 is provided so as to face one surface (lower surface) of the first electrode 31 via the filter medium 34.
  • the filter medium 34 is provided between the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the first electrode 31 and the second electrode 32 are provided in direct contact with the filter medium 34.
  • the plurality of conductive thin wires 31a and the plurality of conductive thin wires 32a may be metal or carbon fibers.
  • the first electrode 31 and the second electrode 32 are not limited to the configuration in which they are in direct contact with the filter medium 34, and may be arranged with a gap between the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the filter medium 34 is formed by providing a plurality of openings 34b on the filtration membrane 34a.
  • a microfiltration membrane MF membrane (Microfiltration Membrane)
  • the filter medium 34 is formed of an insulating material such as a resin material.
  • the first opening 31b of the first electrode 31, the second opening 32b of the second electrode 32, and the opening 34b of the filter medium 34 are shown to have the same size, but they are schematically shown for the sake of explanation. As shown, the sizes of the first opening 31b, the second opening 32b, and the opening 34b may be different.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view schematically showing the configurations of the first electrode, the filter medium, and the second electrode.
  • the diameter D3 of the opening 34b provided in the filter medium 34 is smaller than the diameter D1 of the first opening 31b of the first electrode 31, and the diameter D3 of the second opening 32b of the second electrode 32. It is smaller than the diameter D2.
  • the arrangement pitch of the plurality of conductive thin wires 31a, the arrangement pitch of the plurality of conductive thin wires 32a, and the arrangement pitch of the filtration membrane 34a are provided differently from each other.
  • the diameter D1 of the first opening 31b of the first electrode 31 is 0.5 ⁇ m or more and 500 ⁇ m or less, for example, about 70 ⁇ m.
  • the diameter D2 of the second opening 32b of the second electrode 32 is 0.5 ⁇ m or more and 1000 ⁇ m or less, for example, about 100 ⁇ m.
  • the diameter D3 of the plurality of openings 34b provided on the filter medium 34 is 0.1 ⁇ m or more and 100 ⁇ m or less, more preferably 1 ⁇ m or more and 7 ⁇ m or less.
  • the diameter D1 of the first opening 31b of the first electrode 31 is smaller than the diameter D2 of the second opening 32b of the second electrode 32.
  • the present invention is not limited to this, and the diameter D1 of the first opening 31b of the first electrode 31 may be formed to have the same size as the diameter D2 of the second opening 32b of the second electrode 32.
  • the opening 34b of the filter medium 34 is provided non-superimposed on the plurality of conductive thin wires 31a and the plurality of conductive thin wires 32a at least in the region overlapping the first opening 31b and the second opening 32b.
  • the distance between the first electrode 31 and the second electrode 32 is defined by the thickness of the filter medium 34.
  • the third electrode 33 is a plate-shaped member, and is provided so as to face the other surface (upper surface) of the first electrode 31 with the first filter chamber 30 interposed therebetween.
  • the through holes 33a and 33b and the recess 33c (see FIG. 1) of the third electrode 33 are not shown.
  • the first filter chamber 30 is provided in contact with the other surface (upper surface) of the first electrode 31.
  • the slurry (stock solution) 70 containing the particles 71 to be separated and the liquid 72 is supplied to the first filter chamber 30.
  • the particles 71 are, for example, biomass particles or colloidal particles, and the surface of the particles is negatively charged.
  • the particles 71 are chlorella, microalgae spirulina, colloidal silica, Escherichia coli, sewage activated sludge and the like.
  • the diameter of the particles 71 varies depending on the technical field to which the particles are applied and the type of separation target, but is 5 nm or more and 2000 ⁇ m or less, for example, 20 nm or more and 500 ⁇ m or less.
  • the liquid 72 in which the particles 71 are dispersed is water, and some water molecules 73 are positively charged. As a result, the slurry (stock solution) 70 is in an electrically equilibrium state as a whole.
  • the liquid 72 is not limited to water, but may be alcohol or the like. That is, the liquid 72 may be a polar solvent.
  • the slurry (stock solution) 70 further contains a chromoprotein 74.
  • the chromoprotein 74 is charged with the same polarity (minus) as the particles 71 and has a smaller particle size than the particles 71.
  • the chromoprotein 74 is 10 nm or more and 300 nm or less, for example, about 30 nm.
  • the chromoprotein 74 may be absent.
  • the first power supply 51 supplies the first electrode 31 with a first potential V1 having the same polarity as that of the particles 71.
  • the first potential V1 is, for example, ⁇ 60 V.
  • the second power source 52 supplies the second electrode 32 with a second potential V2 having the same polarity as that of the particles 71 and having an absolute value larger than the absolute value of the first potential V1.
  • the second potential V2 is, for example, ⁇ 70 V.
  • the third electrode 33 is connected to the reference potential GND.
  • the reference potential GND is the ground potential as described above, ideally 0V.
  • the reference potential GND supplied to the third electrode 33 is not limited to 0V, and may be a predetermined fixed potential.
  • the first potential V1 and the second potential V2 can be set in an absolute value in the range of 1 mV or more and 1000 V or less.
  • FIG. 4 is an electrical equivalent circuit diagram showing a filtration device according to an embodiment.
  • the first power supply 51 is a constant voltage source
  • the second power supply 52 is a constant current source.
  • the resistance component R1 and the capacitance component C are connected in parallel between the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the resistance component R1 and the capacitance component C are components equivalently represented by the filter medium 34 provided with a large number of openings 34b.
  • the resistance component R2 is connected between the first electrode 31 and the third electrode 33.
  • the resistance component R2 is a resistance component equivalently represented by the slurry (stock solution) 70 of the first filter chamber 30.
  • the second power supply 52 may be a constant voltage power supply or a constant current power supply.
  • the resistance component R1 of the filter medium 34 and the resistance component R2 of the first filter chamber 30 change according to the filtration state of the filtration device 10. Accordingly, the second potential V2 changes.
  • the second potential V2 has the same polarity as the polarity of the particle 71, and maintains a value larger than the absolute value of the first potential V1.
  • q1 and q2 are electric charges, and s is the distance between the electric charges. That is, the smaller the distance s, the larger the Coulomb force F acts on the particles 71.
  • a stronger repulsive force is generated in the particles 71 located near the first electrode 31.
  • the repulsive force generated in the particles 71 acts in the direction indicated by the arrow F1, that is, in the direction away from the first electrode 31 and closer to the third electrode 33.
  • the negatively charged particles 71 move to the third electrode 33 side by electrophoresis.
  • the filtration device 10 can prevent the particles 71 from accumulating on the surface of the first electrode 31 and the surface of the filter medium 34 to form a cake layer. That is, it is possible to suppress an increase in the filtration resistance of the opening 34b of the filter medium 34.
  • the positively charged water molecule 73 generates an attractive force with the first electrode 31.
  • the attractive force acting on the positively charged water molecule 73 acts in the direction indicated by the arrow F2, that is, in the direction from the third electrode 33 toward the first electrode 31.
  • the positively charged water molecule 73 moves to the first electrode 31 side.
  • an electric field is formed from the first electrode 31 to the second electrode 32 so as to penetrate the filter medium 34 in the thickness direction due to the potential difference between the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the water molecule 73 that has moved to the first electrode 31 side receives a force by the electric field, is pulled toward the second electrode 32 side, and passes through the filter medium 34. With the movement of the positively charged water molecule 73, the surrounding water molecule 73 is also dragged toward the second electrode 32, and an electroosmotic flow is formed. As a result, the liquid 72 (filter solution 75) containing the positively charged water molecule 73 flows into the second filter chamber 35. As described above, the particles 71 are separated from the first electrode 31 by electrophoresis, and the liquid 72 (filter liquid 75) from which the particles 71 are separated is discharged, so that the slurry in the first filter chamber 30 is discharged. The concentration of the particles 71 of the (undiluted solution) 70 can be increased.
  • the filtration device 10 is an electrophoresis in which the particles 71 are moved between the first electrode 31 and the third electrode 33 by the Coulomb force F (repulsive force generated between the particles 71 and the first electrode 31). And the electric permeation in which the water molecule 73 is moved by the electric field between the first electrode 31 and the second electrode 32 and passed through the filter medium 34, the particles 71 can be separated. Further, the first electrode 31 also serves as an electrode for electrophoresis and an electrode for electroosmosis.
  • the cake is placed on the surface of the first electrode 31 and the surface of the filter medium 34, as compared with the method of simply applying pressure to the slurry (stock solution) 70 to separate the particles 71 having a particle size larger than the opening 34b of the filter medium 34.
  • the formation of a layer can be suppressed, and the filtration rate can be improved from several times to 10 times or more.
  • the concentration of the particles 71 of the slurry (stock solution) 70 in the first filter chamber 30 can be increased as compared with the method of simply applying pressure to the slurry (stock solution) 70.
  • the frequency of cleaning and replacement of the filter medium 34 can be reduced, and the slurry (stock solution) 70 can be efficiently filtered.
  • the filtration speed is about the same as the conventional one. Can be realized. That is, the filtration device 10 can be miniaturized.
  • the particle level (particle diameter) passing through the filter medium 34 can also be controlled.
  • the electric field of the above is formed, and it is possible to prevent the dye protein 74 having a particle size smaller than the opening 34b of the filter medium 34 from passing through the filter medium 34.
  • the ultrafiltration membrane (UF membrane) is a filtration membrane having an opening diameter of 10 nm or more and 100 nm or less.
  • the nanofiltration membrane (NF membrane) is a filtration membrane having an opening diameter of 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the configuration of the filtration device 10 described above is only an example and can be changed as appropriate.
  • the negative electrode filter plate formed by laminating the first electrode 31, the filter medium 34, and the second electrode 32 and the third electrode 33 are arranged so as to face each other in a parallel plate shape.
  • the present invention is not limited to this, and the negative electrode filter plate formed by laminating the first electrode 31, the filter medium 34 and the second electrode 32 and the third electrode 33 may each have a curved surface.
  • the shape and arrangement of the negative electrode filter plate and the third electrode 33 can be appropriately changed according to the shape and structure of the filtration device 10.
  • the concentration of the slurry (stock solution) 70 which is the target treatment liquid supplied to the first filter chamber 30, is not particularly limited and can be changed according to the field to which the filtration device 10 is applied.
  • the internal pressure of the first filter chamber 30 is pressurized and is larger than the internal pressure of the second filter chamber 35.
  • the internal pressure of the first filter chamber 30 is made relatively larger than the internal pressure of the second filter chamber 35 by applying a negative pressure by vacuuming the internal pressure of the second filter chamber 35 or the like. You may do so.
  • the first potential V1 and the second potential V2 are appropriately changed according to the type of the particles 71 to be separated and the required filtration characteristics.
  • FIG. 5 is a graph showing the relationship between the concentration concentration in the filter chamber and the filtration rate in the solid-liquid separation of chlorella.
  • the horizontal axis is the concentration concentration in the filter chamber, and the vertical axis is the filtration rate.
  • the filtration rate is the amount (weight) of the liquid 72 (filter solution 75) that can pass through the filter medium 34 per hour unit, and
  • FIG. 5 shows the value standardized by the filtration rate A3 of Comparative Example 1.
  • the concentration in the filter chamber indicates the mass percent concentration of the particles 71 with respect to the slurry (stock solution) 70 in the first filter chamber 30.
  • the particle 71 to be separated is chlorella, and the particle diameter is about 2 ⁇ m or more and 10 ⁇ m or less.
  • the third electrode 33 is used as a reference.
  • the case where the potential GND is used is shown.
  • a pressure of 0.1 MPa is applied to the slurry (stock solution) 70 in the first filter chamber 30.
  • a pressure of 0.02 MPa is applied to the slurry (stock solution) 70 in the first filter chamber 30. That is, in Example 2, the slurry (stock solution) 70 is filtered with a pressure smaller than that of Example 1.
  • the slurry (stock solution) 70 is filtered only by pressurizing 0.1 MPa without supplying the first potential V1 and the second potential V2 to the first electrode 31 and the second electrode 32, respectively. ..
  • the first potential V1 -60V was applied to the first electrode 31, and the second potential V2 was not applied to the second electrode 32.
  • a pressurization of 0.1 MPa is performed. That is, in Comparative Example 2, electrophoresis was performed between the first electrode 31 and the third electrode 33, and electroosmosis was not performed between the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • both Examples 1 and 2 and Comparative Examples 1 and 2 show a tendency that the filtration rate decreases as the concentration concentration in the filter chamber increases.
  • the slurry (stock solution) 70 is concentrated to a concentration concentration in the filter chamber of 7 wt%
  • the filtration rate A1 in Example 1 is 13.6 times higher than the filtration rate A3 in Comparative Example 1.
  • the filtration rate A2 in Example 2 was 3.9 times higher than the filtration rate A3 in Comparative Example 1.
  • the filtration rate A4 in Comparative Example 2 is 0.16 times smaller than the filtration rate A3 in Comparative Example 1.
  • the concentration concentration in the filter chamber can be made larger than that in Comparative Examples 1 and 2.
  • Comparative Example 1 it was shown that the concentration concentration in the filter chamber was about 11 wt% at the maximum, whereas in Example 1, the concentration concentration in the filter chamber could be concentrated up to 16 wt% or more.
  • the filtration rate could be improved as compared with Comparative Examples 1 and 2, and the maximum filter chamber was used. It has been shown that it is possible to improve the concentration concentration.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the concentration concentration in the filter chamber and the filtration rate in the solid-liquid separation of activated sewage sludge.
  • the particles 71 to be separated are fine biomass particles contained in sewage activated sludge.
  • the vertical axis of the graph 2 shown in FIG. 6 shows the filtration rate standardized by the filtration rate B4 of Comparative Example 3.
  • the slurry (stock solution) 70 is filtered only by pressurizing 0.1 MPa without supplying the first potential V1 and the second potential V2 to the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the alternate long and short dash line C1 shows 1 wt%, which is the maximum concentration concentration when filtered by the conventional membrane separation activated sludge method.
  • the two-dot chain line C2 shows 3.5 wt%, which is the maximum concentration concentration when filtered by a mechanical concentration method using a conventional centrifuge or the like.
  • the filtration rate B1 in Example 3 is 15.7 times higher than the filtration rate B4 in Comparative Example 3. It has been shown. Similarly, it was shown that the filtration rate B2 in Example 4 was 9.6 times higher than the filtration rate B4 in Comparative Example 3. It was shown that the filtration rate B3 in Example 5 was 5.9 times higher than the filtration rate B4 in Comparative Example 3.
  • the slurry (stock solution) 70 can be concentrated in excess of%.
  • Example 3 it was shown that the concentration in the filter chamber could be concentrated to 6.5 wt% or more, and in Examples 4 and 5, the concentration in the filter chamber could be concentrated to about 5 wt%.
  • the filtration device 10 of the present embodiment is provided with a first electrode 31 provided with a plurality of first openings 31b and a plurality of second openings 32b provided with one surface of the first electrode 31.
  • a second electrode 32 provided so as to face each other, a filter medium 34 provided between the first electrode 31 and the second electrode 32 provided with a plurality of openings 34b, and the other surface of the first electrode 31.
  • a first filter chamber 30 provided in contact with each other and supplied with a slurry (stock solution) 70 (target treatment liquid) containing the particles 71 to be separated and the liquid 72, and the first electrode 31 with the first filter chamber 30 interposed therebetween.
  • a first power source 51 that supplies a first potential V1 having the same polarity as the particle 71 to the third electrode 33 and the first electrode 31 facing each other, and a second electrode 32 having the same polarity as the particle 71. It has a second power source 52 that supplies two potentials V2.
  • the third electrode 33 is connected to the reference potential GND.
  • the particles 71 move in the direction away from the first electrode 31 due to the repulsive force (Coulomb force F) generated between the first electrode 31 and the particles 71.
  • the particles 71 can be separated by electro-osmosis that moves the water molecule 73 by the electric field between the first electrode 31 and the second electrode 32 and passes through the filter medium 34, and the slurry (stock solution) in the first filter chamber 30. ) 70 particles 71 can be enriched.
  • the filtration rate can be improved several to 10 times or more as compared with the method of simply applying pressure to the slurry (stock solution) 70 to separate particles 71 having a particle size larger than the opening 34b of the filter medium 34. Can be done.
  • the third electrode 33 is connected to the reference potential GND, the filtration device 10 can be downsized as compared with the case where a power source is provided for each of the first electrode 31, the second electrode 32, and the third electrode 33. can.
  • the absolute value of the second potential V2 is larger than the absolute value of the first potential V1
  • the potential difference between the first potential V1 and the reference potential GND is the same as that of the first potential V1 and the second potential V2. Greater than the potential difference.
  • the distance between the first electrode 31 and the third electrode 33 facing each other across the filter medium 34 is larger than the distance between the first electrode 31 and the second electrode 32, the distance is good by electrophoresis.
  • the particles 71 can be moved away from the first electrode 31.
  • the second electrode 32, the filter medium 34, the first electrode 31, the first filter chamber 30, and the third electrode 33 are laminated in this order in the direction perpendicular to the surface of the first electrode 31, and the first electrode
  • the distance between 31 and the second electrode 32 is smaller than the distance between the first electrode 31 and the third electrode 33.
  • the electric field strength formed between the first electrode 31 and the second electrode 32 can be increased, and the water molecule 73 is moved by electroosmosis to form the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the filter medium 34 between them can be passed through well.
  • the first power supply 51 is a constant voltage source
  • the second power supply 52 is a constant current source
  • the Coulomb force F generated between the first electrode 31 and the particles 71 can be defined by the first potential V1 supplied by the first power supply 51. Further, the electric field strength formed between the first electrode 31 and the second electrode 32 is defined by the current supplied by the second power supply 52 to the first potential V1 supplied by the first power supply 51, which is good. Can be electroosmotic.
  • the size (diameter D3) of the opening 34b is smaller than the diameter D1 of the first opening 31b and the diameter D2 of the second opening 32b.
  • the opening 34b of the filter medium 34 does not overlap with the conductive thin wires 31a and 32a of the first electrode 31 and the second electrode 32 at least in the region overlapping with the first opening 31b and the second opening 32b. It is provided in. As a result, the water molecule 73 can satisfactorily pass through the opening 34b of the filter medium 34 by electroosmosis.

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Abstract

ろ過装置は、複数の第１開口が設けられた第１電極と、複数の第２開口が設けられ、第１電極の一方の面と対向して設けられた第２電極と、複数の目開きが設けられ、第１電極と第２電極との間に設けられたろ材と、第１電極の他方の面と接して設けられ、分離対象の粒子と液体とを含む対象処理液が供給されるろ室と、ろ室を挟んで第１電極と対向する第３電極と、第１電極に、粒子の極性と同じ極性の第１電位を供給する第１電源と、第２電極に、粒子の極性と同じ極性の第２電位を供給する第２電源と、を有し、第３電極は、基準電位に接続される。

Description

ろ過装置
　本発明は、ろ過装置に関する。
　粒子流体系スラリーのろ過による固液分離において、電気浸透や電気泳動を利用して分離対象の粒子と液体とを分離する方法が知られている（例えば特許文献１、２参照）。電気浸透を利用した固液分離は、電極間に挟んだケーキ層に電圧と圧力を加え、ケーキ層中の水分を電気浸透作用によりろ材を通して追い出す方法である。また、電気泳動を利用した固液分離は、スラリー中の粒子を電気泳動により移動させてろ材に直接接触させて、スラリー中の粒子を分離する方法である。
特開昭６１－０１８４１０号公報 国際公開第２００４／０４５７４８号公報
　スラリー中の粒子をろ材に直接接触させて固液分離する方法では、ろ材の目詰まりによるろ過速度の低下が生じる可能性がある。
　本発明は、ろ過速度を向上させることが可能なろ過装置を提供することを目的とする。
　本発明の一側面のろ過装置は、複数の第１開口が設けられた第１電極と、複数の第２開口が設けられ、前記第１電極の一方の面と対向して設けられた第２電極と、複数の目開きが設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたろ材と、前記第１電極の他方の面と接して設けられ、分離対象の粒子と液体とを含む対象処理液が供給されるろ室と、前記ろ室を挟んで前記第１電極と対向する第３電極と、前記第１電極に、前記粒子の極性と同じ極性の第１電位を供給する第１電源と、前記第２電極に、前記粒子の極性と同じ極性の第２電位を供給する第２電源と、を有し、前記第３電極は、基準電位に接続される。
　本発明のろ過装置によれば、ろ過速度を向上させることが可能である。
図１は、実施形態に係るろ過装置の構成例を模式的に示す断面図である。 図２は、実施形態に係るろ過装置の動作を説明するための説明図である。 図３は、第１電極、ろ材及び第２電極の構成を模式的に示す断面図である。 図４は、実施形態に係るろ過装置を示す電気的等価回路図である。 図５は、クロレラの固液分離における、ろ室内濃縮濃度とろ過速度との関係を示すグラフである。 図６は、下水活性汚泥の固液分離における、ろ室内濃縮濃度とろ過速度との関係を示すグラフである。
　以下、本発明につき図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、下記の発明を実施するための形態（以下、実施形態という）により本発明が限定されるものではない。また、下記実施形態における構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、下記実施形態で開示した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。
　図１は、実施形態に係るろ過装置の構成例を模式的に示す断面図である。実施形態に係るろ過装置１０は、液体７２中に粒子７１が分散されたスラリー（原液）７０（対象処理液）から、粒子７１を分離する装置である。具体的には、ろ過装置１０は、ライフサイエンス分野や、下水処理、排水処理分野等に適用できる。ライフサイエンス分野では、培養細胞、微細藻類、細菌、バクテリア、ウイルス等の微生物体培養を行うバイオ産業や、培養微生物体が体外、体内に生産する酵素、タンパク質、多糖類、脂質等の利用、応用分野であるバイオ創薬や化粧品業界、又は、醸造、発酵、搾汁、飲料等を扱うビバレッジ産業に適用できる。下水処理、排水処理分野では、難ろ過性の微細バイオマス水系スラリーで、バイオマス粒子の分離に適用できる。あるいは、ろ過装置１０は、表面帯電した微粒子が電気的反発作用で高分散したコロイド粒子系スラリーで、コロイド微粒子の濃縮回収用途に適用できる。
　図１に示すように、実施形態に係るろ過装置１０は、上部筐体１１と、蓋部１２と、側部筐体１３と、下部筐体１４と、導体１５と、を有する。ろ過装置１０は、さらに、上部筐体１１、側部筐体１３及び下部筐体１４で囲まれた内部空間に、第１ろ室３０と、第１電極３１と、第２電極３２と、第３電極３３と、ろ材３４（図２参照）と、を有する。ろ過装置は、さらに、第１電極３１及び第２電極３２に電気的に接続された、第１電源５１と、第２電源５２と、を有する。
　具体的には、上部筐体１１は、絶縁材料で形成された円柱状の部材である。側部筐体１３は、絶縁材料で形成され、貫通孔を有する環状の部材である。上部筐体１１の下端側の一部が側部筐体１３の貫通孔に挿入される。下部筐体１４は、絶縁材料で形成され、側部筐体１３を支持する。蓋部１２は、上部筐体１１の上面を覆って設けられる。
　第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４（図２参照）の外縁は、側部筐体１３と下部筐体１４との間に挟まれて固定される。第３電極３３は、上部筐体１１の下面（下部筐体１４と対向する面）に、ボルト等の接続部材（図示しない）により固定され、側部筐体１３の貫通孔の内部に位置する。また、導体１５は、側部筐体１３の周囲を囲むように設けられた環状の部材であり、側部筐体１３と下部筐体１４との間に設けられる。導体１５の下端側は、第１電極３１の外縁と接続される。
　上部筐体１１と側部筐体１３とは、ガイド部２１ａにより固定される。また、側部筐体１３と下部筐体１４と導体１５とは、ボルト２１ｂ、２１ｃにより固定される。これにより、各筐体の位置が固定され、第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４と、側部筐体１３の内壁と、第３電極３３とで囲まれた空間に第１ろ室３０が形成される。また、各筐体間及び各電極間の接続部分には、それぞれＯリング等の封止部材が設けられ、第１ろ室３０が密閉して設けられる。また、上部筐体１１は、下部筐体１４との距離が調整可能に設けられている。これにより、ろ過装置１０は、スラリー（原液）７０（対象処理液）の種類や量に応じて、第１ろ室３０の体積を適切に設定できる。
　上部筐体１１には、スラリー供給通路１１ａと、排気通路１１ｂと、貫通孔１１ｃとが設けられる。スラリー供給通路１１ａの一端側は、上部筐体１１の側面に開口し、スラリー供給部１６に接続される。スラリー供給通路１１ａの他端側は、上部筐体１１の下面に開口し、第３電極３３の貫通孔３３ａと繋がって設けられる。スラリー供給バルブ１７は、スラリー供給通路１１ａの内部に設けられた棒状部材を有し、棒状部材がスラリー供給通路１１ａ内を上下方向に移動することで、貫通孔３３ａの開閉状態を切り替えることができる。
　これにより、例えば、スラリー供給バルブ１７の動作により貫通孔３３ａが開放状態の場合に、スラリー（原液）７０は、スラリー供給部１６、スラリー供給通路１１ａ、第３電極３３の貫通孔３３ａを介して第１ろ室３０に供給される。また、スラリー供給バルブ１７により貫通孔３３ａが閉じられた状態の場合には、スラリー（原液）７０の第１ろ室３０への供給が停止される。
　排気通路１１ｂの一端側は、上部筐体１１の側面に開口し、エア排出部１８に接続される。スラリー供給通路１１ａの他端側は、上部筐体１１の下面に開口し、第３電極３３の貫通孔３３ａと繋がって設けられる。エア排出バルブ１９は、排気通路１１ｂの内部に設けられた棒状部材を有し、棒状部材が排気通路１１ｂ内を上下方向に移動することで、貫通孔３３ｂの開閉状態を切り替えることができる。
　第１ろ室３０にスラリー（原液）７０が供給される際に、エア排出バルブ１９は、貫通孔３３ｂを開放状態にする。これにより、第１ろ室３０内の空気は、貫通孔３３ｂ、排気通路１１ｂ及びエア排出部１８を介して外部に排気される。エア排出部１８にはエア排出弁１８ａが接続されている。エア排出弁１８ａは、例えばフロート弁であり、第１ろ室３０内の所定量の空気が排気されるとエア排出弁１８ａが閉じられるように設けられている。第１ろ室３０内の排気が完了した後、エア排出バルブ１９は貫通孔３３ｂを閉じる。これにより、第１ろ室３０内に充填されたスラリー（原液）７０には、外部の加圧ポンプ等により、スラリー供給部１６を介して所定の圧力が加えられる。
　貫通孔１１ｃの一端側は上部筐体１１の上面に開口する。貫通孔１１ｃの他端側は上部筐体１１の下面に開口し、第３電極３３の凹部３３ｃと繋がって設けられる。貫通孔１１ｃには、接続導体５６が挿入され、凹部３３ｃで接続導体５６と第３電極３３とが接続される。これにより、第３電極３３は、接続導体５６を介して基準電位ＧＮＤと電気的に接続される。基準電位ＧＮＤは、例えばグランド電位である。ただし、これに限定されず、基準電位ＧＮＤは、グランド電位とは異なる所定の固定された電位であってもよい。
　第１電極３１は、導体１５及び接続導体５４を介して第１電源５１の第２端子５１ｂと電気的に接続される。また、第１電極３１は、導体１５及び接続導体５５ａを介して第２電源５２の第１端子５２ａと電気的に接続される。
　下部筐体１４には、凹状の第２ろ室３５と、貫通孔１４ａ、１４ｂと、接続孔１４ｃとが設けられている。第２ろ室３５は、下部筐体１４の上面で、第１ろ室３０と重なる位置に設けられる。貫通孔１４ａは、第２ろ室３５と排出部２２とを繋ぐ。第１ろ室３０に供給されたスラリー（原液）７０は、各電極の駆動により粒子７１が分離され、粒子７１が分離された液体７２（ろ液７５）は、第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４（図２参照）を通して、第２ろ室３５に流れる。粒子７１が分離された液体７２（ろ液７５）は、排出部２２から貫通孔１４ｂを介して外部の貯留タンクに溜められる。
　接続孔１４ｃの一端側は、下部筐体１４の上面に開口し、第２電極３２の外縁は、接続孔１４ｃを覆って設けられる。また、接続孔１４ｃの他端側は、下部筐体１４の側面に開口する。接続孔１４ｃには接続導体５５ｂが挿入され、接続導体５５ｂと第２電極３２とが接続される。これにより、第２電極３２は、第２電源５２の第２端子５２ｂと電気的に接続される。
　なお、図１に示すろ過装置１０の構成は、あくまで一例であり、第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４（図２参照）と、第３電極３３とで挟まれた第１ろ室３０を形成できればどのような構成であってもよい。
　次に、図２から図４を参照して、ろ過装置１０の動作について説明する。図２は、実施形態に係るろ過装置の動作を説明するための説明図である。図２では、説明を分かりやすくするために、第１電極３１、第２電極３２、第３電極３３及びろ材３４と、第１ろ室３０及び第２ろ室３５との配置関係を模式的に示している。
　図２に示すように、第１電極３１及び第２電極３２は、メッシュ状の電極である。具体的には、第１電極３１は、複数の導電細線３１ａを有し、複数の導電細線３１ａの間に複数の第１開口３１ｂが設けられる。第２電極３２は、複数の導電細線３２ａを有し、複数の導電細線３２ａの間に複数の第２開口３２ｂが設けられる。第２電極３２は、ろ材３４を介して第１電極３１の一方の面（下面）と対向して設けられる。言い換えると、ろ材３４は、第１電極３１と第２電極３２との間に設けられる。第１電極３１及び第２電極３２は、ろ材３４と直接、接して設けられる。複数の導電細線３１ａ及び複数の導電細線３２ａは、金属でもよいし炭素繊維でもよい。なお、第１電極３１及び第２電極３２は、ろ材３４と直接、接する構成に限定されず、ろ材３４との間に隙間を有して配置されていてもよい。
　ろ材３４は、ろ過膜３４ａに複数の目開き３４ｂが設けられて形成される。ろ材３４は、例えば、精密ろ過膜（ＭＦ膜（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔａｔｉｏｎ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ））が用いられる。本実施形態では、ろ材３４は、樹脂材料等の絶縁材料で形成されている。なお、図２では、第１電極３１の第１開口３１ｂ、第２電極３２の第２開口３２ｂ及びろ材３４の目開き３４ｂは同じ大きさで示しているが、あくまで説明のために模式的に示したものであり、第１開口３１ｂ、第２開口３２ｂ及び目開き３４ｂの大きさは異なっていてもよい。
　図３は、第１電極、ろ材及び第２電極の構成を模式的に示す断面図である。図３に示すうように、ろ材３４に設けられた目開き３４ｂの径Ｄ３は、第１電極３１の第１開口３１ｂの径Ｄ１よりも小さく、かつ、第２電極３２の第２開口３２ｂの径Ｄ２よりも小さい。言い換えると、複数の導電細線３１ａの配置ピッチと、複数の導電細線３２ａの配置ピッチと、ろ過膜３４ａの配置ピッチは、互いに異なって設けられる。例えば、第１電極３１の第１開口３１ｂの径Ｄ１は、０．５μｍ以上５００μｍ以下、例えば７０μｍ程度である。第２電極３２の第２開口３２ｂの径Ｄ２は、０．５μｍ以上１０００μｍ以下、例えば１００μｍ程度である。ろ材３４に設けられた複数の目開き３４ｂの径Ｄ３は、０．１μｍ以上１００μｍ以下、より好ましくは１μｍ以上７μｍ以下程度である。
　また、第１電極３１の第１開口３１ｂの径Ｄ１は、第２電極３２の第２開口３２ｂの径Ｄ２よりも小さい。ただしこれに限定されず、第１電極３１の第１開口３１ｂの径Ｄ１は、第２電極３２の第２開口３２ｂの径Ｄ２と同じ大きさで形成されてもよい。このような構成により、少なくとも第１開口３１ｂ及び第２開口３２ｂと重なる領域で、ろ材３４の目開き３４ｂは、複数の導電細線３１ａ及び複数の導電細線３２ａと非重畳に設けられる。また、第１電極３１と第２電極３２との間の距離は、ろ材３４の厚さで規定される。
　図２に戻って、第３電極３３は、板状の部材であり、第１ろ室３０を挟んで第１電極３１の他方の面（上面）と対向して設けられる。なお、図２では、第３電極３３の貫通孔３３ａ、３３ｂ及び凹部３３ｃ（図１参照）は図示を省略している。
　第１ろ室３０は、第１電極３１の他方の面（上面）と接して設けられる。第１ろ室３０には、上述したように、分離対象の粒子７１と液体７２とを含むスラリー（原液）７０が供給される。粒子７１は、例えば、バイオマス粒子やコロイド粒子であり、粒子表面がマイナスに帯電している。具体的には、粒子７１は、クロレラ、微細藻類スピルリナ、コロイダルシリカ、大腸菌、下水活性汚泥等である。粒子７１の径は、適用される技術分野、分離対象の種類に応じて異なるが、５ｎｍ以上２０００μｍ以下、例えば２０ｎｍ以上５００μｍ以下程度である。
　粒子７１が分散される液体７２は、水であり、一部の水分子７３はプラスに帯電している。これにより、スラリー（原液）７０は全体として電気的に平衡状態となっている。液体７２は、水に限られず、アルコールなどでもよい。つまり、液体７２は、極性溶媒であればよい。
　また、スラリー（原液）７０は、さらに色素タンパク質７４を含む。色素タンパク質７４は、粒子７１と同じ極性（マイナス）に帯電しており、粒子７１よりも小さい粒径を有する。色素タンパク質７４は、１０ｎｍ以上３００ｎｍ以下、例えば、３０ｎｍ程度である。なお、色素タンパク質７４は無くてもよい。
　第１電源５１は、第１電極３１に、粒子７１の極性と同じ極性の第１電位Ｖ１を供給する。第１電位Ｖ１は、例えば－６０Ｖである。第２電源５２は、第２電極３２に、粒子７１の極性と同じ極性であって、第１電位Ｖ１の絶対値よりも大きい絶対値の第２電位Ｖ２を供給する。第２電位Ｖ２は、例えば－７０Ｖである。第３電極３３は、基準電位ＧＮＤに接続される。基準電位ＧＮＤは、上述したようにグランド電位であり、理想的には０Ｖである。なお、第３電極３３に供給される基準電位ＧＮＤは、０Ｖに限定されず、所定の固定された電位であってもよい。第１電位Ｖ１及び第２電位Ｖ２は、絶対値で１ｍＶ以上１０００Ｖ以下の範囲で設定することができる。
　図４は、実施形態に係るろ過装置を示す電気的等価回路図である。図４に示すように、第１電源５１は定電圧源であり、第２電源５２は定電流源である。第１電極３１と第２電極３２との間に抵抗成分Ｒ１と容量成分Ｃとが並列に接続される。抵抗成分Ｒ１及び容量成分Ｃは、多数の目開き３４ｂが設けられたろ材３４により等価的に表される成分である。また、第１電極３１と第３電極３３との間に抵抗成分Ｒ２が接続される。抵抗成分Ｒ２は、第１ろ室３０のスラリー（原液）７０により等価的に表される抵抗成分である。
　第２電源５２は、定電圧電源であっても、定電流電源であってもよい。本実施形態では、第２電源５２は、定電流源であるので、ろ過装置１０のろ過の状態に応じて、すなわち、ろ材３４の抵抗成分Ｒ１及び第１ろ室３０の抵抗成分Ｒ２の変動に応じて、第２電位Ｖ２は変化する。ただし、第２電位Ｖ２は粒子７１の極性と同じ極性であって、第１電位Ｖ１の絶対値よりも大きい値を維持している。
　図２に戻って、第１ろ室３０にスラリー（原液）７０が供給されると、クーロンの法則に基づいて、マイナスに帯電した粒子７１と第１電極３１との間には斥力が発生する。
　ここで、クーロンの法則は、下記の式（１）で示される。
　Ｆ＝ｋ×（ｑ１×ｑ２／ｓ２）　・・・　（１）
　ここで、ｋは定数であり、ｋ＝４πεで表される。ｑ１及びｑ２は、電荷であり、ｓは電荷間の距離である。すなわち、距離ｓが小さいほど粒子７１には大きいクーロン力Ｆが作用する。具体的には、第１電極３１に近い位置の粒子７１には、より強力な斥力が発生する。粒子７１に発生する斥力は、矢印Ｆ１に示す方向、すなわち第１電極３１から離れ第３電極３３に近づく方向に作用する。マイナスに帯電した粒子７１は、電気泳動により第３電極３３側に移動する。
　これにより、ろ過装置１０は、粒子７１が第１電極３１の表面及びろ材３４の表面に堆積してケーキ層が形成されることを抑制することができる。つまり、ろ材３４の目開き３４ｂのろ過抵抗が増大することを抑制することができる。
　また、プラスに帯電した水分子７３は、第１電極３１との間に引力が発生する。プラスに帯電した水分子７３に作用する引力は、矢印Ｆ２に示す方向、すなわち第３電極３３から第１電極３１に向かう方向に作用する。プラスに帯電した水分子７３は、第１電極３１側に移動する。この際、第１電極３１と第２電極３２との間の電位差により、ろ材３４を厚さ方向に貫通するように、第１電極３１から第２電極３２に向かう電界が形成されている。
　第１電極３１側に移動した水分子７３は、電界により力を受けて、第２電極３２側に引っ張られてろ材３４を通過する。プラスに帯電した水分子７３の移動に伴って、周囲の水分子７３も第２電極３２側に引きずられて、電気浸透流が形成される。これにより、プラスに帯電した水分子７３を含む液体７２（ろ液７５）は、第２ろ室３５に流れる。上述したように、粒子７１は、電気泳動により第１電極３１から引き離されており、粒子７１が分離された液体７２（ろ液７５）が排出されることで、第１ろ室３０内のスラリー（原液）７０の粒子７１の濃度を高めることができる。
　このように、ろ過装置１０は、第１電極３１と第３電極３３との間で、粒子７１をクーロン力Ｆ（粒子７１と第１電極３１との間に発生する斥力）により移動させる電気泳動と、第１電極３１と第２電極３２との間の電界により水分子７３を移動させてろ材３４を通過させる電気浸透とを組み合わせることで、粒子７１を分離できる。また、第１電極３１は、電気泳動の電極と、電気浸透の電極とを兼用する。これにより、単純にスラリー（原液）７０に圧力を加え、ろ材３４の目開き３４ｂよりも大きい粒径の粒子７１を分離する方法に比べて、第１電極３１の表面及びろ材３４の表面にケーキ層が形成されることを抑制することができ、ろ過速度を数倍から１０倍以上に向上させることができる。
　結果的に、、単純にスラリー（原液）７０に圧力を加えた方法に比べて、第１ろ室３０内でのスラリー（原液）７０の粒子７１の濃縮度を高めることができる。また、ろ材３４の清掃、交換の頻度を少なくすることができ、効率よくスラリー（原液）７０のろ過を行うことができる。あるいは、単純にスラリー（原液）７０に圧力を加えてろ過を行う場合に比べて、第１ろ室３０の体積を小さくし、ろ材３４の面積を小さくしても、従来と同程度のろ過速度を実現できる。すなわち、ろ過装置１０は、小型化を図ることができる。
　また、第１電極３１と第２電極３２との間に形成される電界を制御することで、ろ材３４を通過する粒子レベル（粒子径）も制御することができる。例えば、第１電極３１に第１電位Ｖ１＝－６０Ｖを印加し、第２電極３２に第２電位Ｖ２＝－７０Ｖを印加することで、第１電極３１と第２電極３２との間にバリアの電界が形成され、ろ材３４の目開き３４ｂよりも小さい粒径の色素タンパク質７４が、ろ材３４を通過することを抑制できる。
　つまり、精密ろ過膜（ＭＦ膜）相当のろ材３４を用いた場合であっても、第１電源５１、第２電源５２及び基準電位ＧＮＤでの各電極間の電界制御により、限外ろ過膜（ＵＦ膜）、あるいはナノろ過膜（ＮＦ膜）相当まで、分離対象の粒子径を変更することができる。限外ろ過膜（ＵＦ膜）は、開口の径が１０ｎｍ以上１００ｎｍ以下程度のろ過膜である。ナノろ過膜（ＮＦ膜）は、開口の径が１ｎｍ以上１０ｎｍ以下程度のろ過膜である。
　なお、上述したろ過装置１０の構成はあくまで一例であり、適宜変更することができる。例えば、第１電極３１、ろ材３４及び第２電極３２が積層されて形成される負極ろ板と、第３電極３３とは、平行平板状に対向配置される。これに限定されず、第１電極３１、ろ材３４及び第２電極３２が積層されて形成される負極ろ板と、第３電極３３とは、それぞれ曲面を有して形成されていてもよい。負極ろ板及び第３電極３３の形状や配置は、ろ過装置１０の形状、構造に応じて適宜変更できる。また、第１ろ室３０に供給される対象処理液であるスラリー（原液）７０の濃度は、特に限定されず、ろ過装置１０が適用される分野に応じて変更できる。
　実施形態では、第１ろ室３０の内部圧力は、加圧されており、第２ろ室３５の内部圧力よりも大きい。他の態様としては、第２ろ室３５の内部圧力を真空引きするなどにより陰圧することで、第１ろ室３０の内部圧力が、第２ろ室３５の内部圧力よりも相対的に大きくするようにしてもよい。
　また、第１電位Ｖ１及び第２電位Ｖ２は、分離対象の粒子７１の種類や、要求されるろ過特性に応じて適宜変更することが好ましい。
　図５は、クロレラの固液分離における、ろ室内濃縮濃度とろ過速度との関係を示すグラフである。図５に示すグラフ１では、横軸がろ室内濃縮濃度であり、縦軸がろ過速度である。ろ過速度は、時間単位あたりのろ材３４を通過させることができる液体７２（ろ液７５）の量（重さ）であり、図５では、比較例１のろ過速度Ａ３で規格化した値を示している。ろ室内濃縮濃度は、第１ろ室３０でのスラリー（原液）７０に対する粒子７１の質量パーセント濃度を示している。
　図５に示すグラフ１では、分離対象の粒子７１がクロレラであり、粒子径は２μｍ以上１０μｍ以下程度である。実施例１、２は、上述したように、第１電極３１に第１電位Ｖ１＝－６０Ｖを印加し、第２電極３２に第２電位Ｖ２＝－７０Ｖを印加し、第３電極３３を基準電位ＧＮＤとした場合を示す。実施例１では、第１ろ室３０内のスラリー（原液）７０に、０．１ＭＰａの圧力を加えている。実施例２では、第１ろ室３０内のスラリー（原液）７０に、０．０２ＭＰａの圧力を加えている。すなわち、実施例２では、実施例１よりも小さい加圧でスラリー（原液）７０のろ過を実施している。
　比較例１は、第１電極３１及び第２電極３２にそれぞれ第１電位Ｖ１及び第２電位Ｖ２を供給せず、０．１ＭＰａの加圧のみでスラリー（原液）７０のろ過を実施している。比較例２は、第１電極３１に第１電位Ｖ１＝－６０Ｖを印加し、第２電極３２に第２電位Ｖ２を印加していない。また比較例２は、０．１ＭＰａの加圧を行っている。すなわち、比較例２は、第１電極３１と第３電極３３との間での電気泳動を行い、第１電極３１と第２電極３２との間での電気浸透は行っていない。
　図５に示すように、実施例１、２及び比較例１、２のいずれも、ろ室内濃縮濃度が大きくなるにしたがって、ろ過速度が小さくなる傾向を示す。例えば、ろ室内濃縮濃度を７ｗｔ％までスラリー（原液）７０を濃縮する場合、実施例１でのろ過速度Ａ１は、比較例１のろ過速度Ａ３に比べて、１３．６倍となることが示された。同様に実施例２でのろ過速度Ａ２は、比較例１のろ過速度Ａ３に比べて、３．９倍となることが示された。一方、比較例２でのろ過速度Ａ４は、比較例１のろ過速度Ａ３に比べて０．１６倍に小さくなる。すなわち、比較例２のように、第１電極３１に第１電位Ｖ１を供給して電気泳動のみ行い、第１電極３１と第２電極３２との間で電気浸透を行わない場合には、良好にろ過できないことが示された。
　また、図５に示すように、実施例１、２では、比較例１、２に比べて、ろ室内濃縮濃度をより大きくすることができる。比較例１では、ろ室内濃縮濃度は最大で１１ｗｔ％程度であるのに対し、実施例１では、ろ室内濃縮濃度は１６ｗｔ％以上まで濃縮できることが示された。以上のように、電気泳動と電気浸透とを組み合わせて粒子７１の分離を行った実施例１、２では、比較例１、２に比べ、ろ過速度を向上させることができ、かつ、最大ろ室内濃縮濃度を向上させることが可能であることが示された。
　図６は、下水活性汚泥の固液分離における、ろ室内濃縮濃度とろ過速度との関係を示すグラフである。図６に示すグラフ２では、分離対象の粒子７１が下水活性汚泥にふくまれる微細バイオマス粒子である。また、図６に示すグラフ２の縦軸は、比較例３のろ過速度Ｂ４で規格化したろ過速度を示している。
　実施例３では、第１電極３１に第１電位Ｖ１＝－６０Ｖを印加し、第１電極３１と第２電極３２との間に定電流０．３Ａを流している。実施例４では、第１電極３１に第１電位Ｖ１＝－６０Ｖを印加し、第１電極３１と第２電極３２との間に定電流０．２２５Ａを流している。実施例５では、第１電極３１に第１電位Ｖ１＝－６０Ｖを印加し、第１電極３１と第２電極３２との間に定電流０．１５Ａを流している。つまり、第２電極３２に印加される第２電位Ｖ２の絶対値は、実施例３、実施例４、実施例５の順に小さくなる。
　比較例３は、第１電極３１及び第２電極３２に第１電位Ｖ１及び第２電位Ｖ２を供給せず、０．１ＭＰａの加圧のみでスラリー（原液）７０のろ過を実施している。また、図６のグラフ２において、二点鎖線Ｃ１は、従来の膜分離活性汚泥法でろ過した場合の最大濃縮濃度である１ｗｔ％を示している。また、二点鎖線Ｃ２は、従来の遠心分離機等による機械濃縮法でろ過した場合の最大濃縮濃度である３．５ｗｔ％を示している。
　例えば、ろ室内濃縮濃度を２．５ｗｔ％までスラリー（原液）７０を濃縮する場合、実施例３でのろ過速度Ｂ１は、比較例３のろ過速度Ｂ４に比べて、１５．７倍となることが示された。同様に、実施例４でのろ過速度Ｂ２は、比較例３のろ過速度Ｂ４に比べて、９．６倍となることが示された。実施例５でのろ過速度Ｂ３は、比較例３のろ過速度Ｂ４に比べて、５．９倍となることが示された。
　また、図６に示すように、実施例３から実施例５では、いずれも膜分離活性汚泥法でろ過した場合の最大濃縮濃度１ｗｔ％及び機械濃縮法でろ過した場合の最大濃縮濃度３．５ｗｔ％を大きく超えてスラリー（原液）７０を濃縮することができる。実施例３では、ろ室内濃縮濃度６．５ｗｔ％以上まで濃縮でき、実施例４、５では、ろ室内濃縮濃度５ｗｔ％程度まで濃縮できることが示された。
　以上説明したように、本実施形態のろ過装置１０は、複数の第１開口３１ｂが設けられた第１電極３１と、複数の第２開口３２ｂが設けられ、第１電極３１の一方の面と対向して設けられた第２電極３２と、複数の目開き３４ｂが設けられ、第１電極３１と第２電極３２との間に設けられたろ材３４と、第１電極３１の他方の面と接して設けられ、分離対象の粒子７１と液体７２とを含むスラリー（原液）７０（対象処理液）が供給される第１ろ室３０と、第１ろ室３０を挟んで第１電極３１と対向する第３電極３３と、第１電極３１に、粒子７１の極性と同じ極性の第１電位Ｖ１を供給する第１電源５１と、第２電極３２に、粒子７１の極性と同じ極性の第２電位Ｖ２を供給する第２電源５２と、を有する。第３電極３３は、基準電位ＧＮＤに接続される。
　これによれば、ろ過装置１０では、第１電極３１と粒子７１との間で発生する斥力（クーロン力Ｆ）により粒子７１が第１電極３１から離れる方向に移動する。このような電気泳動により、第１電極３１の表面及びろ材３４の表面にケーキ層が形成されることを抑制することができる。また、第１電極３１と第２電極３２との間の電界により水分子７３を移動させてろ材３４を通過させる電気浸透により、粒子７１を分離でき、第１ろ室３０内でのスラリー（原液）７０の粒子７１の濃縮度を高めることができる。これにより、単純にスラリー（原液）７０に圧力を加え、ろ材３４の目開き３４ｂよりも大きい粒径の粒子７１を分離する方法に比べて、ろ過速度を数倍から１０倍以上に向上させることができる。また、第３電極３３は、基準電位ＧＮＤに接続されるので、第１電極３１、第２電極３２、第３電極３３のそれぞれに電源を設ける場合に比べろ過装置１０の小型化を図ることができる。
　また、ろ過装置１０において、第２電位Ｖ２の絶対値は第１電位Ｖ１の絶対値よりも大きく、第１電位Ｖ１と基準電位ＧＮＤとの電位差は、第１電位Ｖ１と第２電位Ｖ２との電位差よりも大きい。
　これによれば、第１電極３１と第２電極３２との距離に比べ、ろ材３４を挟んで対向する第１電極３１と第３電極３３との距離が大きい場合でも、電気泳動により、良好に粒子７１を第１電極３１から離れる方向に移動させることができる。
　また、ろ過装置１０において、第１電極３１の表面に垂直な方向で、第２電極３２、ろ材３４、第１電極３１、第１ろ室３０、第３電極３３の順に積層され、第１電極３１と第２電極３２との間の距離は、第１電極３１と第３電極３３との間の距離よりも小さい。
　これによれば、第１電極３１と第２電極３２との間で形成される電界強度を高めることができ、電気浸透により水分子７３を移動させて、第１電極３１と第２電極３２との間のろ材３４を良好に通過させることができる。
　また、ろ過装置１０において、第１電源５１は、定電圧源であり、第２電源５２は、定電流源である。
　これによれば、第１電源５１により供給される第１電位Ｖ１により、第１電極３１と粒子７１との間に発生するクーロン力Ｆを規定することができる。また、第１電源５１により供給される第１電位Ｖ１及びに第２電源５２により供給される電流により、第１電極３１と第２電極３２との間で形成される電界強度が規定され、良好に電気浸透を行うことができる。
　また、ろ過装置１０において、目開き３４ｂの大きさ（径Ｄ３）は、第１開口３１ｂの径Ｄ１及び第２開口３２ｂの径Ｄ２よりも小さい。
　これによれば、ろ材３４の目開き３４ｂは、少なくとも第１開口３１ｂ及び第２開口３２ｂと重畳する領域で、第１電極３１及び第２電極３２の導電細線３１ａ、３２ａと非重畳となるように設けられる。これにより、水分子７３は、電気浸透により良好にろ材３４の目開き３４ｂを通過することができる。
　なお、上記した実施の形態は、本発明の理解を容易にするためのものであり、本発明を限定して解釈するためのものではない。本発明は、その趣旨を逸脱することなく、変更／改良され得るとともに、本発明にはその等価物も含まれる。
　１０　ろ過装置
　１１　上部筐体
　１２　蓋部
　１３　側部筐体
　１４　下部筐体
　１５　導体
　１６　スラリー供給部
　１７　スラリー供給バルブ
　１８　エア排出部
　１９　エア排出バルブ
　２２　排出部
　３０　第１ろ室
　３１　第１電極
　３１ａ、３２ａ　導電細線
　３１ｂ　第１開口
　３２　第２電極
　３２ｂ　第２開口
　３３　第３電極
　３４　ろ材
　３４ａ　ろ過膜
　３４ｂ　目開き
　３５　第２ろ室
　５１　第１電源
　５２　第２電源
　７０　スラリー（原液）
　７１　粒子（分離対象の粒子）
　７２　液体
　７３　水分子
　７４　色素タンパク質
　７５　ろ液

Claims (6)

  1. 　複数の第１開口が設けられた第１電極と、
    　複数の第２開口が設けられ、前記第１電極の一方の面と対向して設けられた第２電極と、
    　複数の目開きが設けられ、前記第１電極と前記第２電極との間に設けられたろ材と、
    　前記第１電極の他方の面と接して設けられ、分離対象の粒子と液体とを含む対象処理液が供給されるろ室と、
    　前記ろ室を挟んで前記第１電極と対向する第３電極と、
    　前記第１電極に、前記粒子の極性と同じ極性の第１電位を供給する第１電源と、
    　前記第２電極に、前記粒子の極性と同じ極性の第２電位を供給する第２電源と、を有し、
    　前記第３電極は、基準電位に接続される
    　ろ過装置。
  2. 　前記第２電位の絶対値は前記第１電位の絶対値よりも大きく、
    　前記第１電位と前記基準電位との電位差は、前記第１電位と前記第２電位との電位差よりも大きい
    　請求項１に記載のろ過装置。
  3. 　前記第１電極の表面に垂直な方向で、
    　前記第２電極、前記ろ材、前記第１電極、前記ろ室、前記第３電極の順に積層され、前記第１電極と前記第２電極との間の距離は、前記第１電極と前記第３電極との間の距離よりも小さい
    　請求項１又は請求項２に記載のろ過装置。
  4. 　前記第１電源は、定電圧源であり、
    　前記第２電源は、定電流源である
    　請求項１から請求項３のいずれか１項に記載のろ過装置。
  5. 　前記目開きの大きさは、前記第１開口及び前記第２開口よりも小さい
    　請求項１から請求項４のいずれか１項に記載のろ過装置。
  6. 　さらに、貫通孔を有する側部筐体と、前記側部筐体を支持する下部筐体と、前記側部筐体の前記貫通孔に挿入される上部筐体と、を有し、
    　前記第１電極、前記第２電極及び前記ろ材の外縁は、前記側部筐体と前記下部筐体との間に挟まれて固定され、
    　前記第３電極は、前記上部筐体の前記下部筐体と対向する面に固定され、
    　前記第１電極、前記第２電極及び前記ろ材と、前記側部筐体の内壁と、前記第３電極とで囲まれた空間に前記ろ室が形成される
    　請求項１から請求項５のいずれか１項に記載のろ過装置。
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