WO2022130489A1 - ろ過装置 - Google Patents

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WO2022130489A1
WO2022130489A1 PCT/JP2020/046694 JP2020046694W WO2022130489A1 WO 2022130489 A1 WO2022130489 A1 WO 2022130489A1 JP 2020046694 W JP2020046694 W JP 2020046694W WO 2022130489 A1 WO2022130489 A1 WO 2022130489A1
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WO
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electrode
potential
filter medium
particles
container
Prior art date
Application number
PCT/JP2020/046694
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
一樹 大森
Original Assignee
三菱化工機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 三菱化工機株式会社 filed Critical 三菱化工機株式会社
Priority to PCT/JP2020/046694 priority Critical patent/WO2022130489A1/ja
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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
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D61/00—Processes of separation using semi-permeable membranes, e.g. dialysis, osmosis or ultrafiltration; Apparatus, accessories or auxiliary operations specially adapted therefor
    • B01D61/42—Electrodialysis; Electro-osmosis ; Electro-ultrafiltration; Membrane capacitive deionization
    • 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

Definitions

  • This disclosure relates to a filtration device.
  • Solid-liquid separation by filtration of a particle-fluid slurry a method of separating a particle and a liquid to be separated by using electro-osmosis 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.
  • solid-liquid separation using electrophoresis is a method of separating particles and a liquid by moving the particles so that the particles come into direct contact with the filter medium by electrophoresis.
  • the present disclosure aims to provide a filtration device capable of improving the filtration rate.
  • the filtration device on one side of the present invention has a closed space inside, and is divided into a closed container formed by combining an upper container and a lower container, and the closed space into an upper first space and a lower second space.
  • a first electrode provided with a filter medium, an introduction portion for introducing a target treatment liquid containing particles and a liquid to be separated into the first space, and a plurality of first openings, extending along the upper surface of the filter medium.
  • a second electrode having a plurality of second openings extending along the lower surface of the filter medium, and a first power source for supplying the first electrode with a first potential having the same polarity as the particles.
  • the second electrode has a second power source that supplies a second potential having the same polarity as that of the particles and having an absolute value larger than the absolute value of the first potential.
  • the upper container has conductivity and is connected to a reference potential to serve as a third electrode.
  • the filtration speed can be improved.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a filtration device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the slurry is agitated in the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a squirrel cleaning in the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configurations of the first electrode, the filter medium, and the second electrode.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing a filtration device according to an embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a configuration example of a filtration device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view showing a state in which the slurry is agitated in the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view showing a squirrel cleaning in the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the operation of the filtration device according to the embodiment.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing the configurations of the first electrode, the filter medium, and the second electrode.
  • FIG. 6 is an equivalent circuit diagram showing a filtration device according to an embodiment.
  • the filtration device 1 is a solid-liquid separation device that separates the slurry 70, which is the target treatment liquid, into a solid and a liquid 72. Further, the solid contains particles 71.
  • a filtration device 1 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. produced by cultured microorganisms in vitro and in the body.
  • the filtration device 1 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 1 includes a closed container 2, an introduction unit 3, a stirring device 4, a pressurizing device (only the supply pipe 9 of the pressurizing device is shown in FIG. 1), and a pressurizing device 1. It includes a first electrode 31, a second electrode 32, a filter medium 34, a first power supply 51, and a second power supply 52.
  • the closed container 2 is a container having a closed space S inside.
  • the closed container 2 includes an upper container 5 arranged above and a lower container 6 arranged below.
  • the upper container 5 is a bottomed cylindrical part that opens downward.
  • the lower container 6 is a bottomed cylindrical part that opens upward.
  • the upper container 5 is superposed on the lower container 6 so that the opening of the upper container 5 and the opening of the lower container 6 face each other (consecutively).
  • the closed container 2 is configured.
  • the cross-sectional shape of the upper container 5 and the lower container 6 (the cross-sectional shape when cut by a plane having the rotation axis 4a as a perpendicular line) may be a cylindrical shape or a rectangular tubular shape. Not particularly limited.
  • the upper container 5 is made of a conductive material and has conductivity.
  • the upper container 5 includes a top wall 5a that covers the upper part of the closed space S, and a cylindrical side wall 5b that surrounds the side of the closed space S.
  • a cylindrical support portion 5c is provided at the center of the top wall 5a.
  • a third connecting conductor 13 is provided above the top wall 5a.
  • an upper flange 5d protruding toward the outer peripheral side is provided at the lower end of the cylindrical side wall 5b.
  • the upper flange 5d is cut out at a portion overlapping with the first connecting conductor 11 in order to avoid contact with the first connecting conductor 11 described later.
  • the tubular side wall 5b is provided with an opening 5e for discharging the dehydrated cake 80 (see FIG. 3) after filtration, and a closing portion 5f for closing the opening 5e.
  • the lower container 6 is made of an insulating material and has an insulating property.
  • a support plate 8 that supports the filter medium 34 from below is placed on the upper surface 6a of the bottom wall of the lower container 6.
  • the support plate 8 is a plate-shaped member extending in the horizontal direction. Further, the support plate 8 has a plurality of holes penetrating in the vertical direction. Therefore, the liquid 72 that has passed through the filter medium 34 passes through the support plate 8 and adheres to the upper surface 6a of the lower container 6.
  • a discharge path 6c recessed downward is provided in the center of the upper surface 6a of the bottom wall of the lower container 6.
  • the upper surface 6a of the lower container 6 is inclined so as to be gradually located downward from the end portion toward the discharge passage 6c in the central portion, and the liquid 72 on the upper surface 6a flows into the discharge passage 6c.
  • the discharge pipe 9 is connected to the discharge path 6c of the lower container 6. Therefore, the liquid 72 that has passed through the filter medium 34 is discharged to the outside through the discharge pipe 9.
  • the discharge pipe 9 is opened and closed by a valve (not shown).
  • a filter medium 34 is arranged above the support plate 8.
  • the filter medium 34 extends in the horizontal direction.
  • the filter medium 34 divides the closed space S into an upper space (first filter chamber 30) and a lower space (second filter chamber 35).
  • a first electrode 31 extending in the horizontal direction along the upper surface of the filter medium 34 is arranged.
  • a second electrode 32 in the horizontal direction is arranged along the lower surface of the filter medium 34. Therefore, the first electrode 31, the filter medium 34, and the second electrode 32 are laminated on the support plate 8 in this order from the top.
  • the first electrode 31 and the second electrode 32 have a mesh shape. Therefore, the liquid 72 can pass through the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the side wall of the lower container 6 surrounds the outer peripheral side of the first electrode 31, the filter medium 34, and the second electrode 32, and protrudes upward from the first electrode 31.
  • a lower flange 6b protruding inward in the radial direction is provided at the upper end of the side wall of the lower container 6.
  • the lower flange 6b is located above the filter medium 34 and constitutes the wall portion of the first filter chamber 30. Further, the lower flange 6b is in contact with the outer edge of the first electrode 31 from above.
  • the first electrode 31, the filter medium 34, and the second electrode 32 are sandwiched between the support plate 8 and the lower flange 6b so as not to be displaced. Further, since the lower flange 6b is interposed between the upper container 5 and the first electrode 31, the first electrode 31 and the upper container 5 do not come into contact with each other.
  • the upper flange 5d of the upper container 5 is overlapped above the lower flange 6b. Further, the upper container 5 and the lower container 6 are fastened in the vertical direction by a hydraulic cylinder or an air cylinder (not shown), and the upper flange 5d and the lower flange 6b are firmly in contact with each other.
  • the upper container 5 and the lower container 6 may be integrated by a fastener for tightening the upper flange 5d and the lower flange 6b instead of the hydraulic cylinder or the air cylinder. Further, when the filter medium 34 is replaced, the upper container 5 and the lower container 6 are separated.
  • the lower container 6 is provided with a first connecting conductor 11 that penetrates the lower flange 6b in the vertical direction.
  • the lower end of the first connecting conductor 11 is electrically connected to the first electrode 31.
  • the upper end of the first connecting conductor 11 is exposed to the outside of the closed container 2.
  • the lower container 6 is provided with a second connecting conductor 12 that penetrates the bottom wall in the vertical direction.
  • the upper end of the second connecting conductor 12 is electrically connected to the second electrode 32.
  • the lower end of the second connecting conductor 12 is exposed to the outside of the closed container 2.
  • the introduction portion 3 is a pipe that penetrates a part of the top wall 5a of the upper container 5.
  • a supply valve 3a is provided on the upstream side of the introduction portion 3. When the supply valve 3a is opened, the slurry 70 passes through the introduction portion 3 and is supplied to the first filter chamber 30 and is deposited on the filter medium 34.
  • the stirring device 4 includes a rotating shaft 4a extending in the vertical direction, a stirring blade 4b supported at the lower end of the rotating shaft 4a, and a driving unit 4c for driving the rotating shaft 4a.
  • the rotary shaft 4a is supported by the support portion 5c of the upper container 5 so as to be slidable in the vertical direction and rotatably around the vertical axis. As shown in FIG. 2, when the slurry 70 is deposited on the filter medium 34, the rotary shaft 4a slides downward and the slurry 70 is stirred by the stirring blade 4b. According to this, the particles 71 contained in the slurry 70 are uniformly dispersed, and the fixed component concentration of the dehydrated cake 80 (see FIG. 3) becomes uniform.
  • the stirring device 4 is used to scrape out the dehydrated cake 80. Specifically, the lower surface of the stirring blade 4b is brought into contact with the upper surface of the dehydrated cake 80 to drive the driving unit 4c. As a result, the upper surface of the dehydrated cake 80 is scraped off by the stirring blade 4b, and the size can be discharged from the opening 5e of the upper container 5. When filtering the slurry 70, the stirring device 4 is stopped.
  • the pressurizing device is a device that supplies a gas such as air or an inert gas.
  • the supply pipe 9 of the pressurizing device penetrates a part of the side wall 5b of the upper container 5. Therefore, when the pressurizing device is driven, the air pressure in the first filter chamber 30 becomes higher than the air pressure in the second filter chamber 35. Then, due to the differential pressure between the first filter chamber 30 and the second filter chamber 35, the pressure from the first filter chamber 30 toward the second filter chamber 35 acts on the slurry 70 deposited on the filter medium 34. As a result, the liquid 72 contained in the slurry 70 passes through the filter medium 34 and moves to the second filter chamber 35. On the other hand, solids such as particles 71 cannot pass through the filter medium 34. Therefore, solids such as particles 71 continue to accumulate on the filter medium 34, resulting in a highly viscous dehydrated cake 80 (see FIG. 3).
  • the closed container 2 includes an openable and closable exhaust pipe and a cleaning liquid supply pipe.
  • the exhaust pipe is for discharging gas from the closed space S in the open state. By opening the exhaust pipe when supplying the slurry to the closed space S, the slurry easily enters the closed space S.
  • the cleaning liquid supply pipe is a pipe for supplying the cleaning liquid 81 for cleaning the dehydrated cake 80 after filtration.
  • the dehydrated cake 80 to which the washing liquid 81 is supplied is stirred by the stirring device 4.
  • the dehydrated cake 80 is washed, and the dehydrated cake 80 absorbs the washing liquid 81 to become the slurry 70.
  • the driving of the stirring device 4 is stopped, and the pressurizing device is driven to filter the slurry 70. This gives a washed dehydrated cake 80.
  • the first electrode 31 is composed of a plurality of conductive thin wires 31a arranged in a grid pattern. Therefore, a plurality of first openings 31b are provided between the plurality of conductive thin wires 31a.
  • the second electrode 32 is composed of a plurality of conductive thin wires 32a arranged in a grid pattern. Therefore, a plurality of second openings 32b are provided between the plurality of conductive thin wires 32a.
  • the first electrode 31 is arranged in the first filter chamber 30.
  • the second electrode 32 is arranged in the second filter chamber 35.
  • the material of the plurality of conductive thin wires 31a and the plurality of conductive thin wires 32a may be a metal material or carbon fiber.
  • the filter medium 34 is a filtration membrane 34a provided with a plurality of openings 34b.
  • a microfiltration membrane MF membrane (Microfiltration Membrane)
  • the filter medium 34 is interposed between the first electrode 31 and the second electrode 32.
  • the filter medium 34 is formed of an insulating material such as a resin material. Therefore, the first electrode 31 and the second electrode 32 are insulated by the filter medium 34.
  • 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.
  • 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 of the second opening 32b of the second electrode 32. Smaller than 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-overlapping with 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 first electrode 31 is electrically connected to the second terminal 51b of the first power supply 51 and the first terminal 52a of the second power supply 52 via the first connecting conductor 11.
  • the second electrode 32 is electrically connected to the second terminal 52b of the second power supply 52 via the second connecting conductor 12.
  • the upper container 5 is electrically connected to the reference potential GND via the third connecting conductor 13. That is, the upper container 5 constitutes the third electrode 33. From the above, the first electrode 31, the second electrode 32, and the third electrode 33 have different potentials.
  • the particles 71 contained in the slurry 70 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 examples include water and alcohol. That is, the liquid 72 may be a polar solvent. Some of the water molecules 73 in the liquid 72 are positively charged. As a result, the slurry 70 is in an electrically balanced state as a whole.
  • the slurry 70 may further contain a chromoprotein 74.
  • the chromoprotein 74 is charged to 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 slurry 70 may not contain the chromoprotein 74.
  • the first power source 51 supplies the first potential V1 having the same polarity as that of the particles 71 to the first electrode 31.
  • 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 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 70 in the first filter chamber 30.
  • the second power source 52 is a constant current source
  • the second power source 52 is a second source according to the state of filtration of the filtration device 10, that is, according to the fluctuation of the resistance component R1 of the filter medium 34 and the resistance component R2 of the first filter chamber 30.
  • the 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.
  • the effect of the filtration device 1 of the embodiment will be described with reference to FIG.
  • the first electrode 31 is charged with the same polarity (minus) as the particles 71. Therefore, the negatively charged particles 71 receive a repulsive force from the first electrode 31 based on Coulomb's law.
  • 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 repulsive force (Coulomb force F) acts on the particles 71. Specifically, a stronger repulsive force is generated in the particles 71 located near the first electrode 31.
  • the repulsive force generated in the particle 71 acts in the direction shown by the arrow F1 in FIG. 4, that is, in the direction away from the first electrode 31 and approaching the third electrode 33. Then, the negatively charged particles 71 move to the third electrode 33 side by electrophoresis. Therefore, the particles 71 contained in the slurry 70 are separated from the first electrode 31 in the range of several ⁇ m to several nm due to the repulsive force acting between the particles 71 and the first electrode 31.
  • the entire upper container 5 constitutes the third electrode 33
  • an amount of slurry 70 smaller than the volume of the first filter chamber 30 is supplied to the first filter chamber 30.
  • the slurry 70 comes into contact with the side wall 5b but not with the top wall 5a of the upper container 5. That is, only the side wall 5b of the upper container 5 functions as the third electrode 33. Therefore, the repulsive force generated in the particle 71 is a combination of an upward force (a force away from the first electrode 31) and a horizontal force approaching the side wall 5b.
  • the liquid 72 is separated from the slurry 70 with the passage of time, and finally a dehydrated cake is formed on the upper surface of the filter medium 34, and the first electrode 31 and the filter medium 34 are formed.
  • the particles 71 come into contact. That is, with the passage of time, the number of particles 71 in contact with the filter medium 34 gradually increases.
  • the filtration resistance of the filter medium 34 increases. The time is late. As a result, the state in which the filtration resistance of the filter medium 34 is small continues for a long period of time, and the filtration rate is improved.
  • 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 shown by the arrow F2 in FIG. 4, that is, in the direction from the third electrode 33 to 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 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 from which the particles 71 are separated is easily discharged.
  • the filtration device 1 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 particles 73 are moved by the electric field between the first electrode 31 and the second electrode 32 and passed through the filter medium 34, the filtration speed is improved several times to 10 times or more. be able to.
  • 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 filtration device 1 of the present embodiment has a closed space S inside, and is supported by the closed container 2 formed by combining the upper container 5 and the lower container 6 and the lower container 6 and is a closed space.
  • the filter medium 34 that divides S into the upper first filter chamber 30 and the lower second filter chamber 35, and the target treatment liquid (slurry 70) containing the particles 71 to be separated and the liquid 72 are placed in the first filter chamber 30.
  • the upper container 5 has conductivity and is connected to the reference potential GND to form the third electrode 33.
  • a repulsive force (Coulomb force F) is generated between the first electrode 31 and the particles 71 during the filtration of the slurry 70.
  • the particles 71 are separated from the first electrode 31 in the range of several ⁇ m to several nm. Therefore, the time when the filtration resistance of the opening 34b of the filter medium 34 increases is delayed. Therefore, the filtration rate is improved. Further, the filtration rate can be further increased by electroosmosis in which the water molecule 73 is moved by the electric field between the first electrode 31 and the second electrode 32 and permeated through the filter medium 34. Further, since the upper container 5 is configured with the third electrode 33, it is not necessary to separately prepare the third electrode 33.
  • the third electrode 33 is connected to the reference potential GND, it is possible to reduce the size of the filtration device 1 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 filtration device 1 is provided with a pressurizing device that pressurizes the inside of the upper container 5 so that the air pressure in the first filter chamber 30 is higher than the air pressure in the second filter chamber 35.
  • the filtration speed can be improved.
  • the potential difference between the first potential V1 and the reference potential GND is larger than the potential difference between the first potential V1 and the second potential V2.
  • 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 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.
  • the lower container 6 is entirely made of an insulating material, but is not limited thereto.
  • the surface of the main body portion made of a conductive material may be covered with an insulating material. That is, the lower container 6 only needs to be able to secure the insulation between the third electrode 33 (upper container 5), the first electrode 31, and the second electrode 32. Further, it is preferable that 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.
  • the pressurizing device for pressurizing the inside of the upper space 5 is provided, but the filtration device of the present disclosure may be provided with a depressurizing device for depressurizing the inside of the lower space 6 instead of the pressurizing device.
  • both a pressurizing device and a depressurizing device may be provided.
  • the filtration device of the present disclosure may allow the liquid 72 to pass through the filter medium 34 by its own weight without providing a pressurizing device and a depressurizing device.
  • the filtration device of the embodiment supports the first electrode 31, the filter medium 34, and the second electrode 32 via the support plate 8, but the filtration device of the present disclosure is the upper surface of the bottom wall of the lower container 6. It may be directly supported by 6a.
  • the upper container 5 may support the support plate 8, and the upper container 5 may support the first electrode 31, the filter medium 34, and the second electrode 32.

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Abstract

ろ過装置は、内部に密閉空間を有し、上部容器と下部容器とを組み合わせて成る密閉容器と、密閉空間を上方の第１空間と下方の第２空間とに区分けするろ材と、分離対象の粒子と液体とを含む対象処理液を第１空間に導入する導入部と、複数の第１開口が設けられ、ろ材の上面に沿って延在する第１電極と、複数の第２開口が設けられ、ろ材の下面に沿って延在する第２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であって、第１電位の絶対値よりも大きい絶対値の第２電位を供給する第２電源と、を有し、上部容器は、導電性を有し、かつ基準電位に接続されて第３電極となっている。

Description

ろ過装置
　本開示は、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、電気泳動により、粒子がろ材に直接接触するように粒子を移動させて、粒子と液体とを分離する方法である。
　また、バッチ式のろ過装置として、ヌッチェ型のろ過装置が広く知られている（例えば特許文献３参照）。
特公平４－１３００３号公報 特表２００６－５０６２２３号公報 特開昭６２－００１４１６号公報
　特許文献１から特許文献３のろ過装置では、スラリー中の粒子がろ材に目詰まりし、ろ過速度の低下が生じる可能性がある。
　本開示は、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、内部に密閉空間を有し、上部容器と下部容器とを組み合わせて成る密閉容器と、前記密閉空間を上方の第１空間と下方の第２空間とに区分けするろ材と、分離対象の粒子と液体とを含む対象処理液を前記第１空間に導入する導入部と、複数の第１開口が設けられ、前記ろ材の上面に沿って延在する第１電極と、複数の第２開口が設けられ、前記ろ材の下面に沿って延在する第２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であって、前記第１電位の絶対値よりも大きい絶対値の第２電位を供給する第２電源と、を有する。前記上部容器は、導電性を有し、かつ基準電位に接続されて第３電極となっている。
　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できる。
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において、スラリーを撹拌している状態を示す断面図である。 図３は、実施形態に係るろ過装置において、リスラリ洗浄を示す断面図である。 図４は、実施形態に係るろ過装置の動作を説明するための模式図である。 図５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６は、実施形態に係るろ過装置を示す等価回路図である。
　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。図２は、実施形態に係るろ過装置において、スラリーを撹拌している状態を示す断面図である。図３は、実施形態に係るろ過装置において、リスラリ洗浄を示す断面図である。図４は、実施形態に係るろ過装置の動作を説明するための模式図である。図５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６は、実施形態に係るろ過装置を示す等価回路図である。
　ろ過装置１は、対象処理液であるスラリー７０を、固体と液体７２とに分離する固液分離装置である。また、固体には粒子７１が含まれる。このようなろ過装置１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１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１は、密閉容器２と、導入部３と、撹拌装置４と、加圧装置（図１において加圧装置の供給管９のみ図示）と、第１電極３１と、第２電極３２と、ろ材３４と、第１電源５１と、第２電源５２と、を備える。
　密閉容器２は、内部に密閉空間Ｓを有する容器である。密閉容器２は、上方に配置される上部容器５と、下方に配置される下部容器６と、を備える。
　上部容器５は、下方に向かって開口する有底筒状の部品である。下部容器６は、上方に向かって開口する有底筒状の部品である。上部容器５の開口と下部容器６の開口とが対向するように（連続するように）、下部容器６の上方に上部容器５が重ねられている。これにより、密閉容器２が構成される。なお、上部容器５及び下部容器６の断面形状（回転軸４ａを垂線とする平面で切った場合の断面形状）は、円筒形又は矩形筒形などが挙げられるが、本開示のろ過装置においては特に限定されない。
　上部容器５は、導電材料で製造され、導電性を有している。上部容器５は、密閉空間Ｓの上方を覆う天壁５ａと、密閉空間Ｓの側方を囲む筒状の側壁５ｂと、を備える。天壁５ａの中央部には、筒状の支持部５ｃが設けられている。また、天壁５ａの上方には、第３接続導体１３が設けられている。
　筒状の側壁５ｂの下端には、外周側に突出する上部フランジ５ｄが設けられている。上部フランジ５ｄは、後述する第１接続導体１１との接触を回避するため、第１接続導体１１と重なる部分が切り欠かれている。さらに、筒状の側壁５ｂには、ろ過後の脱水ケーキ８０（図３参照）を排出するための開口部５ｅと、その開口部５ｅを閉塞する閉塞部５ｆと、が設けられている。
　下部容器６は、絶縁性材料で製造され、絶縁性を有している。下部容器６の底壁の上面６ａには、ろ材３４を下方から支持する支持板８が載置されている。支持板８は、水平方向に延在する板状の部材である。また、支持板８は、上下方向に貫通する複数の孔を有している。よって、ろ材３４を通過した液体７２は、支持板８を通過して、下部容器６の上面６ａに付着する。
　下部容器６の底壁の上面６ａの中央部には、下方に窪む排出路６ｃが設けられている。下部容器６の上面６ａは、端部から中央部の排出路６ｃに向かって次第に下方に位置するように傾斜し、上面６ａ上の液体７２が排出路６ｃに流れる。また、下部容器６の排出路６ｃに排出管９が接続されている。よって、ろ材３４を通過した液体７２は、排出管９を介して外部へ排出される。なお、排出管９は、図示しないバルブにより開閉されている。
　支持板８の上方には、ろ材３４が配置されている。ろ材３４は、水平方向に延在している。ろ材３４は、密閉空間Ｓを、上方の空間（第１ろ室３０）と、下方の空間（第２ろ室３５）と、に区分けしている。また、ろ材３４の上側には、ろ材３４の上面に沿って水平方向に延在する第１電極３１が配置されている。ろ材３４の下側には、ろ材３４の下面に沿って水平方向する第２電極３２が配置されている。よって、支持板８には、上から順に、第１電極３１とろ材３４と第２電極３２が積層されている。なお、詳細については後述するが、第１電極３１及び第２電極３２は、メッシュ状である。よって、液体７２は第１電極３１及び第２電極３２を通過することができる。
　下部容器６の側壁は、第１電極３１とろ材３４と第２電極３２の外周側を囲み、第１電極３１よりも上方に突出している。そして、下部容器６の側壁の上端には、径方向内側に突出する下部フランジ６ｂが設けられている。下部フランジ６ｂは、ろ材３４よりも上方に位置しており、第１ろ室３０の壁部を構成している。また、下部フランジ６ｂは、第１電極３１の外縁に対して上方から当接している。これにより、第１電極３１とろ材３４と第２電極３２は、支持板８と下部フランジ６ｂとに挟持され、位置ずれしないようになっている。また、下部フランジ６ｂは、上部容器５と第１電極３１との間に介在しているため、第１電極３１と上部容器５とが接触しない。
　下部フランジ６ｂの上方には、上部容器５の上部フランジ５ｄが重ねられている。また、上部容器５及び下部容器６は、図示しない油圧シリンダ又はエアシリンダにより上下方向に締め付けられ、上部フランジ５ｄと下部フランジ６ｂとが強固に接触している。なお、上部容器５及び下部容器６は、油圧シリンダやエアシリンダではなく、上部フランジ５ｄと下部フランジ６ｂとを締め付ける締結具により一体化されていてもよい。また、ろ材３４を交換する際、上部容器５と下部容器６とを分離する。
　下部容器６には、下部フランジ６ｂを上下方向に貫通する第１接続導体１１が設けられている。第１接続導体１１の下端は、第１電極３１と電気的に接続している。第１接続導体１１の上端は、密閉容器２の外部に露出している。下部容器６には、底壁を上下方向に貫通する第２接続導体１２が設けられている。第２接続導体１２の上端は、第２電極３２と電気的に接続している。第２接続導体１２の下端は、密閉容器２の外部に露出している。
　導入部３は、上部容器５の天壁５ａの一部を貫通する配管である。導入部３の上流側には、供給バルブ３ａが設けられている。供給バルブ３ａが開状態となると、スラリー７０は、導入部３を通過して第１ろ室３０に供給され、ろ材３４の上に堆積する。
　撹拌装置４は、鉛直方向に延びる回転軸４ａと、回転軸４ａの下端に支持される撹拌翼４ｂと、回転軸４ａを駆動させる駆動部４ｃと、を備える。回転軸４ａは、上部容器５の支持部５ｃに、上下方向にスライド自在に、かつ鉛直軸回りに回転自在に支持されている。図２に示すように、スラリー７０がろ材３４の上に堆積された場合、回転軸４ａが下方にスライドし、撹拌翼４ｂでスラリー７０を撹拌する。これによれば、スラリー７０に含まれる粒子７１が均一に分散し、脱水ケーキ８０（図３参照）の固定分濃度が均一となる。また、撹拌装置４は、脱水ケーキ８０を掻き出すために使用される。具体的に、撹拌翼４ｂの下面を脱水ケーキ８０の上面に当接した状態にし、駆動部４ｃを駆動させる。これにより、撹拌翼４ｂにより脱水ケーキ８０の上面が削り取られ、上部容器５の開口部５ｅから排出可能な大きさとなる。なお、スラリー７０のろ過時、撹拌装置４は停止している。
　加圧装置は、空気や不活性ガスなどの気体を供給する装置である。加圧装置の供給管９は、上部容器５の側壁５ｂの一部を貫通している。よって、加圧装置が駆動すると、第１ろ室３０の気圧は、第２ろ室３５の気圧よりも高くなる。そして、第１ろ室３０と第２ろ室３５の差圧により、ろ材３４の上に堆積するスラリー７０は、第１ろ室３０から第２ろ室３５に向かう圧力が作用する。これにより、スラリー７０に含まれる液体７２は、ろ材３４を通過し、第２ろ室３５に移動する。一方、粒子７１などの固体は、ろ材３４を通過できない。よって、粒子７１などの固体は、ろ材３４の上に堆積し続け、粘性が高い脱水ケーキ８０（図３参照）となる。
　そのほか、特に図示しないが、密閉容器２は、開閉可能な排気管と、洗浄液供給管と、を備える。排気管は、開状態で密閉空間Ｓから気体を排出するためのものである。密閉空間Ｓにスラリーを供給する際、排気管を開状態とすることで、密閉空間Ｓにスラリーが進入し易くなる。
　図３に示すように、洗浄液供給管は、ろ過後の脱水ケーキ８０を洗浄するため、洗浄液８１を供給するための管である。なお、脱水ケーキ８０の洗浄時（リスラリ洗浄時）、洗浄液８１が供給された脱水ケーキ８０を撹拌装置４で撹拌する。これにより、脱水ケーキ８０が洗浄され、脱水ケーキ８０は洗浄液８１を吸収してスラリー７０となる。そして、スラリー７０となった後、撹拌装置４の駆動を停止し、加圧装置を駆動させてスラリー７０のろ過を行う。これにより、洗浄された脱水ケーキ８０が得られる。
　図４に示すように、第１電極３１は、格子状に配置された複数の導電細線３１ａから成る。よって、複数の導電細線３１ａの間には、複数の第１開口３１ｂが設けられている。同様に、第２電極３２は、格子状に配置された複数の導電細線３２ａから成る。よって、複数の導電細線３２ａの間に複数の第２開口３２ｂが設けられている。第１電極３１は、第１ろ室３０に配置されている。第２電極３２は、第２ろ室３５に配置されている。なお、複数の導電細線３１ａ及び複数の導電細線３２ａの材質は、金属材料でもよいし炭素繊維でもよい。
　ろ材３４は、複数の目開き３４ｂが設けられたろ過膜３４ａである。ろ材３４は、例えば、精密ろ過膜（ＭＦ膜（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔａｔｉｏｎ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ））が用いられる。ろ材３４は、第１電極３１と第２電極３２との間に介在している。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。よって、第１電極３１と第２電極３２とは、ろ材３４により絶縁される。なお、図４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５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。
　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。
　第１電極３１は、第１接続導体１１を介して、第１電源５１の第２端子５１ｂと第２電源５２の第１端子５２ａと電気的に接続している。第２電極３２は、第２接続導体１２を介して、第２電源５２の第２端子５２ｂと電気的に接続している。また、上部容器５は、第３接続導体１３を介して、基準電位ＧＮＤと電気的に接続される。つまり、上部容器５は、第３電極３３を構成している。以上から、第１電極３１、第２電極３２、及び第３電極３３は、それぞれ異なる電位となっている。
　つぎに、スラリー７０について説明する。図４に示すように、スラリー７０に含まれる粒子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が分散する液体７２は、水やアルコールなどが挙げられる。つまり、液体７２は、極性溶媒であればよい。液体７２中の一部の水分子７３は、プラスに帯電している。これにより、スラリー７０は、全体として電気的に平衡された状態となっている。
　スラリー７０は、さらに色素タンパク質７４を含んでいる場合がある。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、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、スラリー７０には、色素タンパク質７４が含まれていなくてもよい。
　このようなスラリー７０を処理するため、第１電源５１は、粒子７１の極性と同じ極性の第１電位Ｖ１を第１電極３１に供給している。第１電位Ｖ１は、例えば－６０Ｖである。第２電源５２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絶対値の第２電位Ｖ２を第２電極３２に供給している。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。
　図６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。
　次に、図４を参照しながら、実施形態のろ過装置１の効果を説明する。上述したように、第１電極３１は、粒子７１と同じ極性（マイナス）に帯電している。よって、マイナスに帯電している粒子７１は、クーロンの法則に基づいて第１電極３１から斥力を受ける。
　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には大きい斥力（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、図４の矢印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。そして、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。よって、スラリー７０に含まれる粒子７１は、第１電極３１との間に働く斥力により、数μｍ～数ｎｍの範囲で第１電極３１から離隔している。
　また、上部容器５全体が第３電極３３を構成しているが、通常は、第１ろ室３０の容積よりも小さい量のスラリー７０が第１ろ室３０に供給される。スラリー７０は、側壁５ｂと接触するが、上部容器５の天壁５ａと接触しない。つまり、上部容器５のうち第３電極３３として機能するのは、側壁５ｂのみとなる。よって、粒子７１に発生する斥力は、上方に向かう力（第１電極３１から離れる力）と、側壁５ｂに近づく水平方向の力と、を合成したものとなる。
　以上から、通常のヌッチェ型のろ過装置であれば、時間の経過とともにスラリー７０から液体７２が分離し、最終的に、ろ材３４の上面に脱水ケーキが形成され、第１電極３１及びろ材３４に粒子７１が接触する。つまり、時間の経過とともに、ろ材３４に接触する粒子７１が次第に増加する。一方で、本実施形態によれば、上述したように、スラリー７０に含まれる粒子７１は数μｍ～数ｎｍの範囲で第１電極３１から離隔しているため、ろ材３４のろ過抵抗が増大する時期が遅れる。この結果、ろ材３４のろ過抵抗が小さい状態が長期間継続し、ろ過速度が向上する。
　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、図４の矢印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が分離している液体７２が排出され易い。
　このように、ろ過装置１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、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との間にシールドの電界が形成され、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。
　以上説明したように、本実施形態のろ過装置１は、内部に密閉空間Ｓを有し、上部容器５と下部容器６とを組み合わせて成る密閉容器２と、下部容器６に支持され、密閉空間Ｓを上方の第１ろ室３０と下方の第２ろ室３５とに区分けするろ材３４と、分離対象の粒子７１と液体７２とを含む対象処理液（スラリー７０）を第１ろ室３０に投入する導入部３と、複数の第１開口３１ｂが設けられ、ろ材３４の上面に沿って延在する第１電極３１と、複数の第２開口３２ｂが設けられ、ろ材３４の下面に沿って延在する第２電極３２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電源５２と、を有する。上部容器５は、導電性を有し、かつ基準電位ＧＮＤに接続されて第３電極３３となっている。
　上記構成によれば、スラリー７０のろ過中、第１電極３１と粒子７１との間で斥力（クーロン力Ｆ）発生する。これにより、粒子７１は、数μｍ～数ｎｍの範囲で第１電極３１から離隔する。よって、ろ材３４の目開き３４ｂのろ過抵抗が増大する時期が遅れる。よって、ろ過速度が向上する。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を透過させる電気浸透により、ろ過速度をさらに高めることができる。また、上部容器５が第３電極３３と構成しているため、第３電極３３を別途用意する必要がない。つまり部品点数の増加を防止できる。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１の小型化を図ることができる。
　また、ろ過装置１は、上部容器５の内部を加圧し、第１ろ室３０の気圧を第２ろ室３５の気圧よりも高い状態にする加圧装置を備える。
　これによれば、ろ過速度を向上させることができる。
　また、ろ過装置１において、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１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１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、下部容器６は、全体が絶縁材料により形成されているが、これに限定されない。例えば、導電性材料で形成された本体部の表面を、絶縁材料で被覆して成るものであってもよい。つまり、下部容器６は、第３電極３３（上部容器５）と、第１電極３１と、第２電極３２と、の絶縁を確保できればよい。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。
　実施形態では、上部空間５の内部を加圧する加圧装置を備えているが、本開示のろ過装置は、加圧装置に代えて下部空間６の内部を減圧する減圧装置を備えてもよい。又は、加圧装置と減圧装置の両方を備えるようにしてよい。そのほか、本開示のろ過装置は、加圧装置及び減圧装置を備えることなく、自重により液体７２がろ材３４を通過するようにしてもよい。
　また、実施形態のろ過装置は、支持板８を介して、第１電極３１とろ材３４と第２電極３２を支持しているが、本開示のろ過装置は、下部容器６の底壁の上面６ａで直接支持するようにしてもよい。若しくは、上部容器５が支持板８を支持し、上部容器５が第１電極３１とろ材３４と第２電極３２を支持するようにしてもよい。
　１　ろ過装置
　２　密閉容器
　３　導入部
　４　撹拌装置
　５　上部容器
　６　下部容器
　８　支持板
　３０　第１ろ室（第１空間）
　３１　第１電極
　３１ｂ　第１開口
　３２　第２電極
　３３　第３電極
　３４　ろ材
　３４ａ　ろ過膜
　３４ｂ　目開き
　３５　第２ろ室（第２空間）
　５１　第１電源
　５２　第２電源
　７０　スラリー
　７１　粒子
　７２　液体
　７３　水分子

Claims (6)

  1. 　内部に密閉空間を有し、上部容器と下部容器とを組み合わせて成る密閉容器と、
    　前記密閉空間を上方の第１空間と下方の第２空間とに区分けするろ材と、
    　分離対象の粒子と液体とを含む対象処理液を前記第１空間に導入する導入部と、
    　複数の第１開口が設けられ、前記ろ材の上面に沿って延在する第１電極と、
    　複数の第２開口が設けられ、前記ろ材の下面に沿って延在する第２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であって、前記第１電位の絶対値よりも大きい絶対値の第２電位を供給する第２電源と、
    　を有し、
    　前記上部容器は、導電性を有し、かつ基準電位に接続されて第３電極となっている
    　ろ過装置。
  2. 　前記上部容器の内部を加圧し、前記第１空間の気圧を前記第２空間の気圧よりも高い状態にする加圧装置を備える
    　請求項１に記載のろ過装置。
  3. 　前記下部容器の内部を減圧し、前記第１空間の気圧を前記第２空間の気圧よりも高い状態にする減圧装置を備える
    　請求項１又は請求項２に記載のろ過装置。
  4. 　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から請求項３のいずれか１項に記載のろ過装置。
  5. 　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４のいずれか１項に記載のろ過装置。
  6. 　前記ろ材の目開きの大きさは、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５のいずれか１項に記載のろ過装置。
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