WO2022097691A1 - Ｃｄｉ装置 - Google Patents

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WO2022097691A1
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奏司 今岡
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大同メタル工業株式会社
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    • 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
    • C02F1/4691—Capacitive deionisation
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/008—Control or steering systems not provided for elsewhere in subclass C02F
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F2209/40—Liquid flow rate

Definitions

  • the present invention comprises a CDI (Capacitive Deionization) comprising a positive electrode and a negative electrode that face active materials to form a flow path between them and adsorb ions based on an electric double layer formed on the surface of the active material in the pores. ) Regarding the device.
  • CDI Capacitive Deionization
  • Patent Document 1 discloses a wastewater treatment system using an electric double layer.
  • the wastewater treatment system includes a positive electrode and a negative electrode that form an electric double layer in response to the application of a DC voltage.
  • the positive electrode and the negative electrode adsorb ions based on the electric double layer formed on the surface of the activated carbon fiber.
  • the adsorbed ions can be desorbed from the positive electrode and the negative electrode according to the potential in the opposite direction. In this way, the ions can be recovered.
  • Such a method is generally called CDI (Capacitor Deionization).
  • An object of the present invention is to provide a CDI device capable of adsorbing ions more efficiently while avoiding electrolysis.
  • the positive electrode and the negative electrode which face the active materials to form a flow path between them and adsorb ions based on the electric double layer formed on the surface of the active material in the pores.
  • a concentration control device that maintains the concentration of ions contained in the liquid flowing into the flow path to a predetermined threshold value or higher, and an upper limit value determined according to the detected ion concentration applied to the positive electrode and the negative electrode.
  • CDI devices are provided that include a control circuit that controls the potential to be applied.
  • the surface of the active material comes into contact with a liquid containing ions and a DC potential acts between the positive electrode and the negative electrode, an electric double layer is formed on the surface of the active material in the pores of the active material. Ions are trapped in the pores based on the electric double layer.
  • the thickness of the electric double layer on the surface of the active material can be suppressed to be less than or equal to the thickness determined according to the size of the pores. can.
  • interference of the electric double layer in the pores can be avoided.
  • the electric double layer can be well maintained in the pores.
  • the active material can efficiently adsorb ions. Even if the conductivity of the liquid changes according to the concentration of ions, the potential applied to the positive electrode and the negative electrode is controlled to be less than the upper limit, so that electrolysis of water can be avoided.
  • a CDI device capable of adsorbing ions more efficiently while avoiding electrolysis can be provided.
  • FIG. 1 is a block diagram schematically showing a configuration of a recovery system according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a cross-sectional conceptual diagram schematically showing the structure of the CDI unit.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram of an electric double layer formed in the pores of an active material.
  • FIG. 4 is a conceptual diagram of an electric double layer formed in the pores of an active material when the ion concentration is below the threshold value.
  • FIG. 1 schematically shows the configuration of a recovery system according to an embodiment of the present invention.
  • the recovery system 11 includes a CDI (Capacitor Deionization) unit 13 forming the first flow path 12, a first liquid tank 15 connected to the first flow path 12 of the CDI unit 13 by the second flow path 14, and a second liquid tank 15.
  • a second liquid tank 17 connected to the first flow path 12 of the CDI unit 13 by the third flow path 16 joining the flow path 14 is provided.
  • the first liquid tank 15 is filled with a solution 18 containing ions (for example, metal ions) to be recovered.
  • a solution 18 can contain, for example, the electrolytic solution used in the electrolytic plating treatment.
  • the solution 18 contains ions (for example, an ionic metal such as bismuth) at a concentration equal to or higher than a predetermined concentration.
  • the second liquid tank 17 is filled with a diluted liquid 19 that can reduce the concentration of ions in the solution 18 when mixed with the solution 18 of the first liquid tank 15.
  • a diluent 19 can contain, for example, water.
  • the diluent 19 may be the solvent of the solution 18.
  • the second flow path 14 is formed by a pipe from the first liquid tank 15 to the CDI unit 13, and forms a passage for a liquid containing ions at a predetermined concentration or higher.
  • the third flow path 16 is formed by a pipe that joins the pipes of the second liquid tank 17 to the second flow path 14, and connects the passage of the diluent 19 to the passage of the solution 18 to mix the diluted liquid 19 with the solution 18. ..
  • a first flow rate control valve 21 for adjusting the flow rate of the solution 18 flowing through the passage is arranged.
  • the first flow rate control valve 21 can be composed of, for example, a solenoid valve that opens with an opening degree set by a control signal according to the supply of the control signal.
  • the flow rate of the solution 18 can be adjusted according to the degree of opening of the first flow rate control valve 21.
  • a second flow rate control valve 22 for adjusting the flow rate of the diluent 19 flowing through the passage is arranged in the third flow path 16.
  • the second flow rate control valve 22 can be composed of, for example, a solenoid valve that opens with an opening degree set by a control signal according to the supply of the control signal.
  • the flow rate of the diluent 19 can be adjusted according to the degree of opening of the second flow rate control valve 22.
  • the recovery system 11 further includes a fourth flow path 24 from the first flow path 12 of the CDI unit 13 to the second liquid tank 17.
  • the diluted solution 19 flowing out of the CDI unit 13 returns to the second liquid tank 17.
  • a first on-off valve 25 for adjusting the flow rate of the diluent (hereinafter referred to as “return diluent”) flowing through the passage is arranged.
  • the first on-off valve 25 can be composed of, for example, a solenoid valve that opens and closes according to the supply of a control signal. The flow of the return diluent is stopped and allowed according to the opening and closing of the first on-off valve 25.
  • the recovery system 11 has a third liquid tank 27 connected to the first flow path 12 of the CDI unit 13 by the fifth flow path 26 branching from the fourth flow path 24 between the CDI unit 13 and the first on-off valve 25. Further prepare.
  • the third liquid tank 27 is filled with a diluted liquid (hereinafter referred to as “concentrated liquid”) containing the ions desorbed by the CDI unit 13.
  • a second on-off valve 28 for adjusting the flow rate of the concentrated liquid flowing through the passage is arranged in the fifth flow path 26.
  • the second on-off valve 28 can be composed of, for example, a solenoid valve that opens and closes in response to the supply of a control signal. The flow of the concentrated liquid is stopped and allowed according to the opening and closing of the second on-off valve 28.
  • the second liquid tank 17, the third flow path 16, the CDI unit 13 (first flow path 12) and the fourth flow path 24 form a circulation path.
  • the diluent 19 circulates in the circulation pathway.
  • a liquid flow pump 29 is arranged in the circulation path.
  • the liquid flow pump 29 creates a circulation of the diluent 19 at a determined pressure.
  • the liquid flow pump 29 may be installed in the third flow path 16 between the second liquid tank 17 and the second flow rate control valve 22, for example.
  • a liquid flow pump 31 that promotes the outflow of the solution 18 from the first liquid tank 15 may be arranged in the second flow path 14.
  • the liquid flow pump 31 discharges the solution 18 at a predetermined pressure.
  • the liquid flow pump 31 may be installed in the second flow path 14 between the first liquid tank 15 and the first flow rate control valve 21, for example.
  • the recovery system 11 detects the concentration of the ion of the solution 18 flowing into the second flow path 14, and the ion of the diluted solution 19 flowing into the third flow path 16.
  • the second sensor 33 that detects the concentration is electrically connected to the first sensor 32 and the second sensor 33, and the first flow control valve 21 is based on the concentration detected by the first sensor 32 and the second sensor 33, respectively. Further, a control circuit 34 for controlling the degree of opening of the second flow control valve 22 is provided.
  • the first sensor 32 may be installed in, for example, the first liquid tank 15.
  • the second sensor 33 may be installed in, for example, the second liquid tank 17.
  • the first sensor 32 and the second sensor 33 can be configured with, for example, a TDS (Total Dissolved Solids) meter.
  • the CDI unit 13 includes a first electrode 36 and a second electrode 37 arranged in a tubular body 35 forming the first flow path 12.
  • the first electrode 36 and the second electrode 37 are separated by a predetermined distance between electrodes DE.
  • the first electrode 36 and the second electrode 37 are formed of a conductive material sheet 39 holding active materials 38a and 38b on the front and back surfaces, respectively.
  • the active materials 38a and 38b can be formed of, for example, an activated carbon sheet attached to the front and back surfaces of the conductive material sheet 39.
  • a carbon sheet can be used for the conductive material sheet 39.
  • the surface of the active material 38b on the back side is covered with the insulator 41.
  • the insulator 41 insulates the first electrode 36 and the second electrode 37. Since the insulator 41 has a mesh structure, a liquid can flow between the first electrode 36 and the second electrode 37.
  • the first electrode 36 and the second electrode 37 can be stacked in multiple layers.
  • the insulator 41 can be formed of, for example, a polyethylene mesh attached to the surface of an activated carbon sheet and a PTFE (polytetrafluoroethylene) sheet attached to the surface of the polyethylene mesh.
  • the PTFE sheet has a mesh structure.
  • the polyethylene mesh plays a role of ensuring insulation at the first electrode 36 and the second electrode 37 when debris is generated from the active material 38b.
  • the PTFE sheet plays a role of forming a liquid flow path while ensuring a distance between the first electrode 36 and the second electrode 37.
  • the polyethylene mesh can have a thickness of, for example, 0.1 [mm].
  • the active materials 38a and 38b are formed of, for example, a porous body.
  • a direct current potential acts between the first electrode 36 and the second electrode 37, an electric double layer 43 is formed on the surfaces of the active materials 38a and 38b in the pores 42. Ions 44 are captured in the pores 42 based on the electric double layer 43.
  • ⁇ indicates the permittivity of the liquid
  • k indicates the Boltzmann constant
  • T indicates the absolute temperature
  • n indicates the ion density
  • e indicates the electron charge
  • v Indicates the number of ion values (counterion valence). Interference of the electric double layer 43 can be avoided in the pores 42 based on the adjustment of the ion concentration.
  • a power supply 45 for supplying DC power to the first electrode 36 and the second electrode 37 is connected to the first electrode 36 and the second electrode 37.
  • a potential is generated between the first electrode 36 and the second electrode 37 by the action of the power supply 45.
  • the power supply 45 has a first mode in which a direct current is formed from the first electrode 36 toward the second electrode 37 in the first flow path 12, and a first mode in which a direct current is formed from the second electrode 37 toward the first electrode 36 in the first flow path 12. It can be switched with the second mode that forms a direct current. That is, in the first mode, the first electrode 36 functions as a positive electrode and the second electrode 37 functions as a negative electrode. In the second mode, the first electrode 36 functions as a negative electrode and the second electrode 37 functions as a positive electrode.
  • the anions in the liquid flowing through the insulator 41 are adsorbed by the active materials 38a and 38b of the first electrode 36.
  • the cations in the liquid are adsorbed on the active materials 38a and 38b of the second electrode 37.
  • the cations adhering to the first electrode 36 are desorbed from the first electrode 36.
  • Anions adhering to the second electrode 37 are desorbed from the second electrode 37.
  • the anions in the liquid flowing through the insulator 41 are adsorbed by the active materials 38a and 38b of the second electrode 37.
  • the cations in the liquid are adsorbed on the active materials 38a and 38b of the first electrode 36.
  • the cations adhering to the second electrode 37 are desorbed from the second electrode 37.
  • Anions adhering to the first electrode 36 are desorbed from the first electrode 36.
  • the insulator 41 holds, for example, an inter-electrode distance DE of at least 10 [mm] between the first electrode 36 and the second electrode 37. If the distance DE between the electrodes exceeds 10 [mm], the electric resistance value increases excessively during the flow of the liquid, and a sufficient current cannot be secured for the adsorption of anions and cations.
  • the control circuit 34 includes a first flow rate control valve 21, a second flow rate control valve 22, a first on-off valve 25, a second on-off valve 28, and a liquid flow pump 29, 31. Is electrically connected.
  • the control circuit 34 generates control signals for the first flow rate control valve 21, the second flow rate control valve 22, the first on-off valve 25, the second on-off valve 28, and the liquid flow pumps 29 and 31.
  • the control circuit 34 sets the degree of opening of the first flow rate control valve 21 and the second flow rate control valve 22 with the solution 18 flowing from the second flow path 14 into the first flow path 12 and the third flow rate control valve 16 to the first. 1
  • the mixing ratio with the diluent 19 flowing into the flow path 12 is calculated.
  • the control circuit 34, the first flow rate control valve 21, and the second flow rate control valve 22 serve as concentration control devices for maintaining the concentration of ions contained in the liquid flowing into the first flow path 12 to a predetermined threshold value or higher. Function.
  • the concentration control device is combined with the CDI unit 13 to form the CDI device.
  • the control circuit 34 controls the potential applied to the first electrode 36 and the second electrode 37 to be less than the upper limit value determined according to the concentration of the detected ion. In controlling the potential, the control circuit 34 calculates the conductivity of the liquid flowing into the first flow path 12 from the detected values of the first sensor 32 and the second sensor 33. The control circuit 34 generates a control signal that specifies an upper limit of the potential determined based on the calculated conductivity. The generated control signal is supplied to the power supply 45.
  • the adsorption mode is set in the control circuit 34.
  • the suction mode the first on-off valve 25 is opened and the second on-off valve 28 is closed.
  • the diluent 19 is introduced into the second liquid tank 17.
  • the liquid flow pump 29 operates, the diluted liquid 19 circulates in the second liquid tank 17, the third flow path 16, the CDI unit 13 (first flow path 12), and the fourth flow path 24.
  • the solution 18 is introduced into the first liquid tank 15.
  • the control circuit 34 controls the opening degree of the first flow rate control valve 21 and the opening degree of the second flow rate control valve 22.
  • the concentration of ions in the liquid flowing into the first flow path 12 is set to be less than a predetermined concentration.
  • the control circuit 34 receives detection signals from the first sensor 32 and the second sensor 33. In the detection signal, for example, the ion concentration is specified based on the conductivity.
  • the control circuit 34 sets the first mode to the power supply 45.
  • a direct current potential acts between the first electrode 36 (positive electrode) and the second electrode 37 (negative electrode)
  • an electric double layer 43 is formed on the surface of the active materials 38a and 38b in the pores 42 of the active materials 38a and 38b. Will be done.
  • Ions 44 are captured in the pores 42 based on the electric double layer 43. Ions are adsorbed on the first electrode 36 and the second electrode 37 from the liquid flowing through the first flow path 12. Since the ion concentration is set to less than a predetermined concentration in the first flow path 12, the active materials 38a and 38b can efficiently adsorb ions.
  • the thickness of the electric double layer 43 on the surfaces of the active materials 38a and 38b is the size of the pores 42. It can be suppressed to the thickness or less determined according to the above. As a result, the interference of the electric double layer 43 in the pores 42 can be avoided. In this way, the electric double layer 43 can be well maintained in the pores 42.
  • the active substances 38a and 38b can efficiently adsorb ions.
  • the thickness of the electric double layer increases in the pores 42, and interference 47 of the electric double layer occurs, as shown in FIG. The interference 47 of such an electric double layer inhibits the adsorption of ions. The efficiency of adsorption will decrease.
  • the detachment mode is set in the control circuit 34.
  • the first on-off valve 25 is closed and the second on-off valve 28 is opened.
  • the liquid flow pump 29 operates, the diluted liquid 19 flows from the second liquid tank 17 into the third liquid tank 27 via the third flow path 16, the CDI unit 13 (first flow path 12) and the fifth flow path 26. ..
  • the liquid flow pump 31 is stopped.
  • the first flow control valve 21 is closed.
  • the control circuit 34 sets the second mode to the power supply 45.
  • the positive electrode and the negative electrode are interchanged.
  • ions are emitted from the first electrode 36 and the second electrode 37 into the diluted solution 19 flowing through the first flow path 12. Detach.
  • the concentrated liquid flows into the third liquid tank 27. In this way, the ions are recovered as a concentrate.
  • the recovery system 11 includes a third flow path 16 in which the diluted solution 19 is mixed with the solution 18 and a liquid containing ions at a concentration lower than a predetermined concentration is introduced toward the first flow path 12.
  • a DC potential is formed between the positive electrode and the negative electrode, ions are adsorbed from the liquid flowing through the first flow path 12 to the positive electrode and the negative electrode. Since the concentration of ions is set to less than a predetermined concentration in the first flow path 12, precipitation of ions can be satisfactorily avoided (suppressed). Ions can be efficiently recovered from the positive and negative electrodes.
  • the first sensor 32 that detects the concentration of the ion of the solution 18 flowing into the second flow path 14 and the second sensor 33 that detects the concentration of the ion of the diluted solution 19 flowing into the third flow path 16.
  • the flow rate of the first flow rate control valve 21 arranged in the second flow path 14 to adjust the flow rate of the solution 18 flowing through the passage, and the flow rate of the diluent 19 arranged in the third flow path 16 and flowing through the passage. It is provided with a second flow rate control valve 22 for adjusting.
  • the control circuit 34 controls the degree of opening of the first flow rate control valve 21 and the second flow rate control valve 22 based on the concentrations detected by the first sensor 32 and the second sensor 33, respectively.
  • the degree of opening of the first flow rate control valve 21 and the second flow rate control valve 22 is controlled based on the concentration of ions contained in the solution 18 and the concentration of ions contained in the diluted solution 19. In this way, the mixing condition of the solution 18 and the diluted solution 19 is adjusted. The concentration of ions contained in the liquid flowing into the first flow path 12 can be adjusted.
  • the solution 18 is mixed with the diluted solution 19 prior to introduction into the CDI unit 13 for ion adsorption. Even if the flow rate or the total amount of the recovered solution 18 is small, the diluted solution 19 can sufficiently secure the flow rate of the liquid flowing through the first flow path 12. In the first flow path 12, the first electrode 36 and the second electrode 37 can be immersed in the flowing liquid. In this way, the ions can be efficiently adsorbed. Exposure of the active substances 38a, 38b to the gas can be avoided.
  • the concentration of the ions of the liquid flowing into the CDI unit 13 can be adjusted based on the mixture of the diluted solution 19 and the solution 18.
  • the concentration of the ions of the liquid flowing out of the CDI unit 13 in response to the dilution of the solution 18 can be adjusted to that of the diluted solution 19 in the second liquid tank 17.
  • the ions of the diluted solution 19 can be maintained at a constant concentration in the second liquid tank 17 even when the ions are adsorbed.
  • the retention of ions can be avoided.
  • the entire amount of ions can be recovered from solution 18.
  • the control circuit 34 calculates the conductivity of the liquid flowing into the first flow path 12 from the detection values of the first sensor 32 and the second sensor 33, and the first electrode 36 is based on the calculated conductivity. And the potential applied to the second electrode 37 is controlled. Even if the conductivity of the liquid changes according to the concentration of ions, the potential applied to the first electrode 36 and the second electrode 37 is controlled to be less than the upper limit, so that electrolysis of water can be avoided. can. Since the conductivity of the aqueous solution increases as the ion concentration increases, the upper limit can be set higher as the ion concentration increases, and as a result, ion adsorption can be efficiently realized. ..

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Abstract

ＣＤＩ装置は、活物質３８ａ、３８ｂを向き合わせてそれらの間に流路を形成し、細孔４２内で活物質３８ａ、３８ｂの表面に形成される電気二重層４３に基づきイオン４４を吸着する正極および負極と、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正極および負極に印加される電位を制御する制御回路とを備える。これにより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ＣＤＩ装置を提供することができる。

Description

ＣＤＩ装置
　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（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）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（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ）と呼ばれる。
日本特許第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。
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ブロック図である。 図２はＣＤＩユニットの構造を概略的に示す断面概念図である。 図３は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。 図４は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。
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
　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（Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ　Ｄｅｉｏｎａｉｚａｔｉｏｎ）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（Ｔｏｔａｌ　Ｄｉｓｓｏｌｖｅｄ　Ｓｏｌｉｄｓ）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（＝ｄｅｂｙｅ　ｌｅｎｇｔｈ　κ－１）は次式で与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
「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。
 

Claims (1)

  1. 　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、
    を備えることを特徴とするＣＤＩ装置。
     
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