WO2022201239A1 - ろ過装置 - Google Patents

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WO2022201239A1
WO2022201239A1 PCT/JP2021/011686 JP2021011686W WO2022201239A1 WO 2022201239 A1 WO2022201239 A1 WO 2022201239A1 JP 2021011686 W JP2021011686 W JP 2021011686W WO 2022201239 A1 WO2022201239 A1 WO 2022201239A1
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WO
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electrode
filtration
rotating member
filter chamber
housing
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/011686
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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.)
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Publication date
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D29/00—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D29/00—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor
    • B01D29/60—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor integrally combined with devices for controlling the filtration
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D29/00—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor
    • B01D29/88—Filters with filtering elements stationary during filtration, e.g. pressure or suction filters, not covered by groups B01D24/00 - B01D27/00; Filtering elements therefor having feed or discharge devices
    • 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

Definitions

  • the present invention relates to a filtering device.
  • Solid-liquid separation using electroosmosis is a method in which voltage and pressure are applied to a cake layer sandwiched between electrodes, and moisture in the cake layer is expelled through a filter medium by electroosmosis.
  • Solid-liquid separation using electrophoresis is a method of separating particles in a slurry by moving the particles in the slurry by electrophoresis and bringing them into direct contact with a filter medium.
  • An object of the present invention is to provide a filtration device capable of improving the filtration speed.
  • a filtration device includes a housing, a first filter chamber that is an internal space of the housing, a plurality of filtration units attached to the housing so as to be in contact with the first filter chamber, and the housing. and a driving device for rotating the rotating member, wherein the filtering unit includes a first electrode having a plurality of first openings; A second electrode provided with two openings and provided opposite to one surface of the first electrode, and a plurality of openings provided between the first electrode and the second electrode. and a second filter chamber provided in contact with a surface of the second electrode on the side opposite to the filter medium, wherein the rotating member is arranged to interpose the first filter chamber to sandwich the first filter chamber.
  • a plurality of filtering units, including a third electrode facing the electrode, are arranged side by side in a direction along the rotation axis of the rotating member.
  • the filtration device of the present invention it is possible to improve the filtration speed.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of a filtering device according to an embodiment.
  • FIG. 2 is a front view of the filtering device according to the embodiment.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of the filtration device according to the embodiment in which the rotation axis is parallel to the vertical direction.
  • FIG. 4 is an enlarged view of part A in FIG.
  • FIG. 5 is an enlarged view of the B portion in FIG.
  • FIG. 6 is an enlarged view of part C in FIG.
  • FIG. 7 is an enlarged view of part D in FIG.
  • FIG. 8 is a perspective view of a rotating member and a filtration unit according to the embodiment;
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a rotating member and a filtration unit according to the embodiment;
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a rotating member and a filtration unit according to the embodiment;
  • FIG. 9 is an exploded perspective view of a rotating member and a filtration unit according to the embodiment;
  • FIG. 10 is an exploded perspective view of a rotating member and a filtration unit according to the embodiment
  • FIG. 11 is an exploded perspective view of a rotating member and a filtration unit according to the embodiment
  • FIG. 12 is a schematic diagram of a filtering device according to an embodiment.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing configurations of a first electrode, a filter medium, and a second electrode.
  • FIG. 14 is an equivalent circuit diagram showing the filtering device according to the embodiment.
  • 15 is an equivalent circuit diagram showing a filtration unit according to Modification 1 of the embodiment.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view of the filtering device according to the embodiment.
  • the filtration device 10 according to the embodiment is a device that separates particles from a slurry (undiluted solution) in which particles are dispersed in a liquid.
  • the filtration device 10 can be applied to the life science field, the sewage treatment field, the wastewater treatment field, and the like.
  • life science the bio industry that cultures microorganisms such as cultured cells, microalgae, bacteria, bacteria, viruses, etc., and the use and application of enzymes, proteins, polysaccharides, lipids, etc. produced by cultured microorganisms in vitro and in the body.
  • the filtration device 10 is a colloidal particle-based slurry in which surface-charged fine particles are highly dispersed by electrical repulsion, and can be applied to concentration and recovery of colloidal fine particles.
  • the filter device 10 includes a housing 80, a first filter chamber 30, a supply unit 81, a discharge unit 83, a rotating member 40, a driving device 13, a plurality of filter a unit 100;
  • the housing 80 is a member that supports the rotating member 40 and the filtration unit 100.
  • the housing 80 has a space inside.
  • the housing 80 can house the rotating member 40 and the filtration unit 100 therein.
  • Housing 80 is fixed to base 200 placed on installation surface 300 .
  • the orientation of the housing 80 with respect to the base 200 can be changed.
  • the housing 80 is connected to the base 200 via a rotation support mechanism 250.
  • the rotation support mechanism 250 is fixed to the base 200 and supports the housing 80 so that the housing 80 can rotate around a horizontal axis of rotation.
  • housing 80 includes third connection conductors 853 and brushes 854 .
  • the third connection conductor 853 has conductivity.
  • a third connection conductor 853 is attached to one end of the housing 80 .
  • the brush 854 has conductivity and is connected to the third connection conductor 853 .
  • the first filter chamber 30 is the internal space of the housing 80 .
  • the supply unit 81 is attached to the housing 80 as shown in FIG. A gap between the supply unit 81 and the housing 80 is sealed by a sealing member.
  • the supply unit 81 supplies slurry (stock solution) to the first filter chamber 30 .
  • the supply unit 81 has a supply port 811 which is an opening provided on the outer peripheral surface.
  • a pipe is connected to the supply port 811 .
  • Slurry (undiluted solution) pressurized by a pressurizing device or the like is supplied to the first filter chamber 30 via the pipe and the supply port 811 .
  • the discharge unit 83 is attached to the housing 80 as shown in FIG. A gap between the discharge unit 83 and the housing 80 is sealed by a sealing member.
  • the discharge unit 83 discharges the concentrated slurry (stock solution) in the first filter chamber 30 to the outside.
  • the discharge unit 83 has a concentrated liquid discharge port 831, which is an opening provided on the outer peripheral surface.
  • a pipe is connected to the concentrated liquid outlet 831 . Due to the pressure difference between the inside and outside of the first filter chamber 30, the concentrated slurry (raw liquid) in the first filter chamber 30 is discharged to the outside through the concentrated liquid discharge port 831 and piping.
  • a decompression device such as a vacuum pump may be provided in the pipe connected to the concentrated liquid outlet 831 .
  • the rotating member 40 is arranged inside the housing 80 .
  • Rotating member 40 is supported by housing 80 .
  • Rotating member 40 is rotatable relative to housing 80 .
  • the rotating member 40 rotates around the rotation axis R.
  • the rotation axis R is parallel to the horizontal direction.
  • the left-right direction of the paper is the horizontal direction.
  • a direction parallel to the rotation axis R will be referred to as an axial direction.
  • Directions parallel to a straight line perpendicular to the axis of rotation R are described as radial directions.
  • a direction along the circumference about the axis of rotation R is simply referred to as a circumferential direction.
  • the rotation axis R is parallel to the horizontal direction.
  • the rotation axis R is parallel to the vertical direction.
  • the rotating member 40 includes a shaft 41, a plurality of flanges 43, and a third electrode 33.
  • the shaft 41 is a rod-shaped member.
  • the shaft 41 is connected with the driving device 13 .
  • a gap between the shaft 41 and the housing 80 is sealed by a seal member.
  • the shaft 41 has an internal conductor 412 having electrical conductivity. As shown in FIG. 4, one end of internal conductor 412 contacts brush 854 . Therefore, the internal conductor 412 is electrically connected to the third connection conductor 853 .
  • the flange 43 is provided on the outer peripheral surface of the shaft 41. As shown in FIG. The flange 43 contacts the first filter chamber 30 . Each flange 43 is arranged between two axially aligned filtration units 100 . In the first filter chamber 30, the flanges 43 and the filter units 100 are alternately arranged along the axial direction. The flange 43 is formed in a substantially disc shape. The flange 43 closest to the supply unit 81 among the plurality of flanges 43 overlaps the supply unit 81 when viewed from the radial direction. The flange 43 closest to the discharge unit 83 among the plurality of flanges 43 overlaps the discharge unit 83 when viewed from the radial direction.
  • the flange 43 includes a mounting portion 431, a stirring portion 433, and an internal conductor 437.
  • the mounting portion 431 is a portion that supports the third electrode 33 .
  • a third electrode 33 is attached to the axially facing surface of the attachment portion 431 .
  • the third electrode 33 is a plate-like member and faces the first filter chamber 30 .
  • the mounting portion 431 is provided at a radially outer end portion of the flange 43 .
  • the stirring portion 433 is provided radially inward (on the shaft 41 side) of the mounting portion 431 .
  • the stirrer 433 has a plurality of grooves 434 .
  • a groove 434 is provided from the shaft 41 to the mounting portion 431 .
  • the groove 434 describes an arc when viewed from the axial direction.
  • the plurality of grooves 434 includes a plurality of first grooves 435 and a plurality of second grooves 436 .
  • the first groove 435 is arranged on one of the two axially facing surfaces of the stirring part 433 .
  • the plurality of first grooves 435 are arranged at regular intervals along the circumferential direction. As shown in FIG. 10 , the first groove 435 forms an arc that is convex in the direction opposite to the rotation direction DR of the rotating member 40 when viewed from the axial direction. Therefore, when the rotating member 40 rotates, the slurry (undiluted solution) in contact with the first groove 435 is guided radially inward (toward the shaft 41 side). That is, the slurry (undiluted solution) between the first groove 435 and the filtration unit 100 is guided radially inward.
  • the second groove 436 is arranged on the other of the two axially facing surfaces of the stirring part 433 . That is, the second groove 436 is arranged behind the first groove 435 .
  • the plurality of second grooves 436 are arranged at regular intervals along the circumferential direction.
  • the first groove 435 draws an arc that is convex toward the rotation direction DR of the rotating member 40 when viewed from the axial direction. Therefore, when the rotating member 40 rotates, the slurry (undiluted solution) in contact with the second groove 436 is guided radially outward (to the side opposite to the shaft 41 side). That is, the slurry (undiluted solution) between the second groove 436 and the filtration unit 100 is guided radially outward.
  • the slurry (undiluted solution) guided radially inward by the first groove 435 moves axially through the gap between the inner peripheral surface of the filtration unit 100 and the outer peripheral surface of the shaft 41 .
  • the slurry (undiluted solution) guided radially outward by the second groove 436 moves axially through the gap between the inner peripheral surface of the housing 80 and the outer peripheral surface of the flange 43 .
  • the slurry (undiluted solution) advances from the supply unit 81 toward the discharge unit 83 through the meandering flow path formed between the rotating member 40 and the filtration unit 100 by repeating the movement described above.
  • the internal conductor 437 is connected to the internal conductor 412 of the shaft 41. Also, the internal conductor 437 is connected to the third electrode 33 . Therefore, the third electrode 33 is electrically connected to the third connection conductor 853 .
  • the driving device 13 is a device that rotates the rotating member 40 .
  • the driving device 13 includes an electric motor and a speed reducer.
  • the electric motor is connected to the shaft 41 of the rotating member 40 via a speed reducer.
  • the torque generated by the electric motor is increased by the speed reducer and then transmitted to the shaft 41 .
  • a plurality of filtration units 100 are attached to the housing 80 as shown in FIG. All filtration units 100 are arranged between the supply unit 81 and the discharge unit 83 .
  • a plurality of filtration units 100 are arranged side by side along the horizontal direction. That is, the rotation axis R is parallel to the horizontal direction.
  • the plurality of filtration units 100 are arranged side by side along the vertical direction. That is, the rotation axis R is parallel to the vertical direction.
  • a portion of one filtration unit 100 is arranged between the two flanges 43 of the first filter chamber 30 . As shown in FIGS.
  • the filtration unit 100 includes a case 110, a first electrode 31, a second electrode 32, a filter medium 34, a second filter chamber 35, a filtrate outlet 105, a second It has a first connection conductor 101 and a second connection conductor 102 .
  • Case 110 is a member that holds first electrode 31 , second electrode 32 , and filter medium 34 .
  • Case 110 is made of a conductive material.
  • the first electrode 31, the second electrode 32 and the filter material 34 are attached to the case 110.
  • the first electrode 31, the second electrode 32 and the filter medium 34 are annular.
  • the first electrode 31 , the second electrode 32 and the filter medium 34 are provided on both sides of the second filter chamber 35 . That is, the filtration unit 100 includes two first electrodes 31 , two second electrodes 32 , two filter media 34 and one second filter chamber 35 .
  • FIG. 12 is a schematic diagram of the filtration device according to the embodiment.
  • the first electrode 31 and the second electrode 32 are mesh electrodes.
  • the first electrode 31 has a plurality of thin conductive wires 31a, and a plurality of first openings 31b are provided between the thin conductive wires 31a.
  • the second electrode 32 has a plurality of thin conductive wires 32a, and a plurality of second openings 32b are provided between the thin conductive wires 32a.
  • the second electrode 32 is provided facing one surface of the first electrode 31 with the filter medium 34 interposed therebetween.
  • the filter material 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 first electrode 31 faces the third electrode 33 with the first filter chamber 30 interposed therebetween.
  • the second electrode 32 faces the second filter chamber 35 .
  • the plurality of thin conductive wires 31a and the plurality of thin conductive wires 32a may be metal or carbon fiber.
  • the first electrode 31 and the second electrode 32 are not limited to being in direct contact with the filter medium 34, and may be arranged with a gap between them.
  • the filter medium 34 includes a filtration membrane 34a and an opening 34b. A plurality of openings 34b are provided in the filtration membrane 34a. An electric field acts on the filtration membrane 34a.
  • a microfiltration membrane MF membrane (Microfiltration Membrane)
  • the filter material 34 is made of an insulating material such as a resin material, and the first electrode 31 and the second electrode 32 are insulated by the filter material 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. The sizes of the first opening 31b, the second opening 32b and the opening 34b may be different.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view schematically showing the configuration of the first electrode, filter medium and 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 D1 of the second opening 32b of the second electrode 32 is smaller than the diameter D2.
  • the arrangement pitch of the plurality of conductive fine wires 31a, the arrangement pitch of the plurality of conductive fine wires 32a, and the arrangement pitch of the filtration membranes 34a are provided mutually different.
  • 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.
  • a 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.
  • a diameter D3 of the plurality of openings 34b provided in the filter medium 34 is approximately 0.1 ⁇ m to 100 ⁇ m, more preferably approximately 1 ⁇ m to 7 ⁇ m.
  • 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 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 openings 34b of the filter material 34 are provided so as not to overlap the plurality of thin conductive wires 31a and the plurality of thin conductive wires 32a at least in the regions overlapping the first openings 31b and the second openings 32b.
  • the distance between the first electrode 31 and the second electrode 32 is defined by the thickness of the filter medium 34 .
  • the second filter chamber 35 is the internal space of the case 110 .
  • the second filter chamber 35 is arranged between the two second electrodes 32 .
  • the second filter chamber 35 is connected to the filtrate outlet 105 .
  • the filtrate outlet 105 is an opening provided on the outer peripheral surface of the case 110 .
  • a pipe is connected to the filtrate outlet 105 .
  • the filtrate 75 in the second filter chamber 35 is discharged to the outside of the filtration unit 100 via the filtrate discharge port 105 and piping.
  • the first connection conductor 101 is attached to the outer peripheral surface of the case 110 .
  • the first connection conductor 101 has conductivity.
  • the first electrode 31 is electrically connected to the first connection conductor 101 through the case 110 .
  • the second connection conductor 102 is attached to the case 110 via an insulating material. A portion of the second connection conductor 102 is inserted inside the case 110 .
  • the second connection conductor 102 is connected to the second electrode 32 from the second filter chamber 35 side.
  • the filtration device 10 includes a first power supply 51, a second power supply 52, and a third power supply 53.
  • the first electrode 31 is electrically connected to the second terminal 51b of the first power supply 51 via the first connection conductor 101 (see FIG. 5). Also, the first electrode 31 is electrically connected to the first terminal 52a of the second power supply 52 via the first connection conductor 101 (see FIG. 5).
  • the second electrode 32 is electrically connected to the second terminal 52b of the second power supply 52 via the second connection conductor 102 (see FIG. 5).
  • the third electrode 33 is electrically connected to the first terminal 53a of the third power supply 53 via the third connection conductor 853 (see FIG. 4).
  • the second terminal 53b of the third power supply 53 and the first terminal 51a of the first power supply 51 are connected to the reference potential GND.
  • the reference potential GND is, for example, the ground potential.
  • the reference potential GND is not limited to this, and may be a predetermined fixed potential.
  • the first power supply 51 supplies the first electrode 31 with a first potential V1 having the same polarity as the particles 71 .
  • the first potential V1 is, for example, -30V.
  • the second power supply 52 supplies the second electrode 32 with a second potential V2 having the same polarity as that of the particles 71 and a larger absolute value than the first potential V1.
  • the second potential V2 is -40V, for example.
  • the third power supply 53 supplies the third electrode 33 with a third potential V3 having a polarity different from that of the particles 71 .
  • the third potential V3 is, for example, +30V.
  • the absolute values of the first potential V1, the second potential V2, and the third potential can be set within a range of 1 mV or more and 1000 V or less.
  • FIG. 14 is an equivalent circuit diagram showing the filtering device according to the embodiment.
  • the first power source 51 and the third power source 53 are constant voltage sources, and the second power source 52 is a constant current source.
  • a resistance component R1 and a 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 equivalently represented by the filter medium 34 provided with a large number of openings 34b.
  • a resistance component R2 is connected between the first electrode 31 and the third electrode 33 .
  • the resistance component R2 is equivalently represented by the slurry (undiluted solution) 70 in the first filter chamber 30 .
  • the second power supply 52 may be a constant voltage power supply or a constant current power supply.
  • the second power supply 52 is a constant current source, so depending on the state of filtration of the filter device 10, that is, changes in the resistance component R1 of the filter medium 34 and the resistance component R2 of the first filter chamber 30, Accordingly, the second potential V2 changes.
  • the second potential V2 has the same polarity as the particle 71 and maintains a value greater than the absolute value of the first potential V1.
  • a repulsive force acts on the particles 71 of the slurry (undiluted solution) 70 from the slurry (undiluted solution) 70 due to the driving of each electrode.
  • Slurry (stock solution) 70 from which particles 71 have been separated flows through first electrode 31 , second electrode 32 and filter medium 34 into second filter chamber 35 .
  • the filtrate 75 in the second filter chamber 35 is discharged to the outside of the second filter chamber 35 through the filtrate discharge port 105 .
  • the particles 71 are, for example, biomass particles or colloidal particles, and the particle surfaces are negatively charged. Specifically, the particles 71 are chlorella, microalgae spirulina, colloidal silica, Escherichia coli, activated sewage sludge, or the like.
  • the diameter of the particles 71 varies depending on the technical field to which it is applied and the type of separation object, but is approximately 5 nm or more and 2000 ⁇ m or less, for example, approximately 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 (undiluted solution) 70 as a whole is in an electrically balanced state.
  • the liquid 72 is not limited to water and may be alcohol or the like. That is, the liquid 72 should just be a polar solvent.
  • the slurry (undiluted solution) 70 further contains chromoprotein 74 .
  • Chromoprotein 74 is charged to the same polarity (negatively) as particles 71 and has a smaller particle size than particles 71 .
  • the chromoprotein 74 is 10 nm or more and 300 nm or less, for example, about 30 nm. Note that the chromoprotein 74 may be omitted.
  • q1 and q2 are the charges and s is the distance between the charges. That is, the smaller the distance s, the larger the Coulomb force F acting on the particle 71 .
  • the particles 71 positioned near the first electrode 31 generate a stronger repulsive force
  • the particles 71 positioned closer to the third electrode 33 generate a stronger attractive force.
  • the repulsive force and attractive force generated in the particles 71 act in the direction indicated by the arrow F1, that is, the direction away from the first electrode 31 and closer to the third electrode 33 .
  • the negatively charged particles 71 move toward the third electrode 33 by electrophoresis.
  • the filtering 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. In other words, it is possible to suppress an increase in filtration resistance of the mesh openings 34b of the filter medium 34 .
  • an attractive force is generated between the positively charged water molecules 73 and the first electrode 31 .
  • the attractive force acting on the positively charged water molecules 73 acts in the direction indicated by the arrow F2, that is, in the direction from the third electrode 33 to the first electrode 31 .
  • the positively charged water molecules 73 move 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.
  • the water molecules 73 that have moved to the first electrode 31 side receive force from the electric field, are pulled toward the second electrode 32 side, and pass through the filter medium 34 .
  • As the positively charged water molecules 73 move uncharged water molecules are also dragged toward the second electrode 32, forming an electroosmotic flow.
  • the liquid 72 containing the positively charged water molecules 73 flows into the second filter chamber 35 .
  • the particles 71 are separated from the first electrode 31 by electrophoresis and move to the third electrode 33 side.
  • the concentration of particles 71 in the slurry (stock solution) 70 in 30 can be increased.
  • the filtering device 10 performs electrophoresis in which the particles 71 are moved between the first electrode 31 and the third electrode 33 by the Coulomb force F (the repulsive force generated between the particles 71 and the first electrode 31).
  • electroosmosis in which the water molecules 73 are moved by the electric field between the first electrode 31 and the second electrode 32 and pass through the filter medium 34 , the particles 71 can be separated.
  • the first electrode 31 serves both as an electrophoretic electrode and an electroosmotic electrode.
  • cakes are formed on the surface of the first electrode 31 and the surface of the filter medium 34 .
  • the formation of layers can be suppressed, and the filtration rate can be improved several times to ten times or more.
  • the degree of concentration of the particles 71 of the slurry (undiluted solution) 70 in the first filter chamber 30 can be increased compared to the method of simply applying pressure to the slurry (undiluted solution) 70 .
  • the frequency of cleaning and replacement of the filter medium 34 can be reduced, and the slurry (undiluted solution) 70 can be filtered efficiently.
  • the filtration rate is about the same as the conventional one. can be realized. That is, the filtering device 10 can be made smaller.
  • the particle level (particle diameter) passing through the filter medium 34 can also be controlled.
  • a shield is formed between the first electrode 31 and the second electrode 32. is formed, the chromoprotein 74 having a particle size smaller than the opening 34 b of the filter medium 34 can be suppressed from passing through the filter medium 34 .
  • an ultrafiltration membrane (UF membrane) is a filtration membrane with an opening diameter of approximately 10 nm or more and 100 nm or less.
  • a nanofiltration membrane (NF membrane) is a filtration membrane having an opening diameter of about 1 nm or more and 10 nm or less.
  • the configuration of the filtering device 10 described above is merely an example, and can be changed as appropriate.
  • the negative 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 to face each other in a parallel plate shape.
  • the negative filter plate formed by stacking 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 filter plate and the third electrode 33 can be appropriately changed according to the shape and structure of the filtering device 10 .
  • the concentration of the slurry (undiluted solution) 70 supplied to the first filter chamber 30 is not particularly limited, and can be changed according to the field to which the filter device 10 is applied.
  • the internal pressure of the first filter chamber 30 is pressurized and is greater than the internal pressure of the second filter chamber 35.
  • the internal pressure of the first filter chamber 30 is made relatively higher than the internal pressure of the second filter chamber 35 by reducing the internal pressure of the second filter chamber 35 to a negative pressure by, for example, vacuuming. You may do so.
  • first potential V1, the second potential V2, and the third potential V3 are preferably changed as appropriate according to the type of the particles 71 to be separated and the required filtration characteristics.
  • the filtering device 10 does not have to be equipped with the third power source 53 .
  • 15 is an equivalent circuit diagram showing a filtration unit according to Modification 1 of the embodiment.
  • the third electrode 33 is connected to, for example, the reference potential GND.
  • the size of the filtering device 10 can be reduced compared to the case where each of the first electrode 31, the second electrode 32, and the third electrode 33 is provided with a power source.
  • the filter device 10 of this embodiment includes the housing 80, the first filter chamber 30, the plurality of filter units 100, the rotating member 40, and the driving device 13.
  • the first filter chamber 30 is the internal space of the housing 80 .
  • a plurality of filtration units 100 are attached to the housing 80 so as to be in contact with the first filter chamber 30 .
  • Rotating member 40 is supported by housing 80 so as to be rotatable relative to housing 80 .
  • the driving device 13 rotates the rotating member 40 .
  • the filtration unit 100 includes a first electrode 31 , a second electrode 32 , a filter medium 34 and a second filter chamber 35 .
  • the first electrode 31 is provided with a plurality of first openings 31b.
  • the second electrode 32 is provided with a plurality of second openings 32b and is provided to face one surface of the first electrode 31 .
  • the filter medium 34 is provided with a plurality of openings 34 b and is provided between the first electrode 31 and the second electrode 32 .
  • the second filter chamber 35 is provided in contact with the surface of the second electrode 32 opposite to the filter medium 34 .
  • the rotating member 40 includes a third electrode 33 facing the first electrode 31 with the first filter chamber 30 interposed therebetween.
  • a plurality of filtration units 100 are arranged side by side in the direction along the rotation axis R of the rotating member 40 .
  • the particles 71 are moved to the first electrode 31 by the Coulomb force F (the repulsive force generated between the particles 71 and the first electrode 31) generated in the particles 71 between the first electrode 31 and the third electrode 33. from toward the third electrode 33 .
  • the particles 71 can be separated by electroosmosis in which the water molecules 73 are moved by the electric field between the first electrode 31 and the second electrode 32 and permeate the filter medium 34, and the slurry in the first filter chamber 30 (undiluted solution ) 70 can increase the concentration of particles 71 .
  • the filtration speed can be improved several times to ten times or more. can be done. Furthermore, the rotation of the rotating member 40 including the third electrode 33 promotes the flow of the slurry (undiluted solution) 70 in the first filter chamber 30 . Therefore, the filtration speed can be further improved as compared with the case where only the pressure is applied to the slurry (undiluted solution) 70 in the first filter chamber 30 .
  • the first electrode 31, the second electrode 32, and the filter medium 34 are provided on both sides of the second filter chamber 35.
  • one set of the first electrode 31, the second electrode 32, and the filter medium 34 and the other set of the first electrode 31, the second electrode 32, and the filter medium 34 form one second filter chamber. 35 can be shared. Therefore, the filtration device 10 can achieve both an improvement in filtration area and a reduction in size.
  • the rotating member 40 includes a shaft 41 and a plurality of flanges 43 provided on the outer peripheral surface of the shaft 41 .
  • the flange 43 includes an attachment portion 431 to which the third electrode 33 is attached, and a disk-shaped stirring portion 433 having a plurality of grooves 434 facing the first filter chamber 30 on its surface.
  • the slurry (undiluted solution) 70 in the first filter chamber 30 enters the groove 434 .
  • the rotating member 40 rotates, the slurry (undiluted solution) 70 in the grooves 434 is pushed out. Therefore, the flow of the slurry (undiluted solution) 70 in the first filter chamber 30 is promoted. Therefore, the filtration device 10 can further improve the filtration speed.
  • the filter units 100 and the flanges 43 are alternately arranged side by side in the direction along the rotation axis R of the rotating member 40 .
  • a meandering flow path is formed between the rotating member 40 and the filtration unit 100 . Therefore, the contact area of the slurry (undiluted solution) 70 with the filtration unit 100 tends to increase. Therefore, the filtration device 10 can further improve the filtration speed.
  • the grooves 434 are formed by the first grooves 435 provided on the surface of the stirring portion 433 on one side in the axial direction parallel to the rotation axis R of the rotating member 40, and and a second groove 436 provided in the other surface.
  • the first groove 435 draws an arc that is convex in the direction opposite to the rotation direction DR of the rotating member 40 .
  • the second groove 436 draws a convex circular arc in the rotation direction DR of the rotating member 40 .
  • the slurry (undiluted solution) 70 flows radially inward, and in the portion of the first filter chamber 30 on the other side of the flange 43, the slurry (Undiluted solution) 70 flows radially outward. Therefore, the flow of the slurry (undiluted solution) 70 in the first filter chamber 30 is promoted. Specifically, the slurry (undiluted solution) 70 easily advances from the supply unit 81 toward the discharge unit 83 in the meandering flow path formed between the rotating member 40 and the filtration unit 100 . Therefore, the filtration device 10 can further improve the filtration speed.
  • the absolute value of the second potential V2 of the second electrode 32 is greater than the absolute value of the first potential V1 of the first electrode 31 .
  • the potential difference between the first potential V1 and the third potential V3 of the third electrode 33 is greater than the potential difference between the first potential V1 and the second potential V2.
  • the plurality of filtering units 100 are arranged side by side along the vertical direction.
  • the filtration device 10 can further improve the filtration rate.

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Abstract

ろ過装置は、ハウジングと、第１ろ室と、複数のろ過ユニットと、回転部材と、駆動装置と、を含む。第１ろ室は、ハウジングの内部空間である。複数のろ過ユニットは、第１ろ室に接するようにハウジングに取り付けられる。回転部材は、ハウジングに対して回転できるようにハウジングに支持される。駆動装置は、回転部材を回転させる。ろ過ユニットは、第１電極と、第２電極と、ろ材と、第２ろ室と、を含む。第１電極は、複数の第１開口が設けられる。第２電極は、複数の第２開口が設けられ、かつ第１電極の一方の面と対向して設けられる。ろ材は、複数の目開きが設けられ、かつ第１電極と第２電極との間に設けられる。第２ろ室は、第２電極のうちろ材とは反対側の面と接して設けられる。回転部材は、第１ろ室を挟んで第１電極と対向する第３電極を含む。複数のろ過ユニットは、回転部材の回転軸に沿う方向に並んで配置される。

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
　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、ハウジングと、前記ハウジングの内部空間である第１ろ室と、前記第１ろ室に接するように前記ハウジングに取り付けられる複数のろ過ユニットと、前記ハウジングに対して回転できるように前記ハウジングに支持される回転部材と、前記回転部材を回転させる駆動装置と、を含み、前記ろ過ユニットは、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、かつ前記第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、かつ前記第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２電極のうち前記ろ材とは反対側の面と接して設けられた第２ろ室と、を含み、前記回転部材は、前記第１ろ室を挟んで前記第１電極と対向する第３電極を含み、複数の前記ろ過ユニットは、前記回転部材の回転軸に沿う方向に並んで配置される。
　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断面図である。 図２は、実施形態に係るろ過装置の正面図である。 図３は、回転軸が鉛直方向と平行な状態の実施形態に係るろ過装置の断面図である。 図４は、図１のＡ部拡大図である。 図５は、図１のＢ部拡大図である。 図６は、図１のＣ部拡大図である。 図７は、図１のＤ部拡大図である。 図８は、実施形態に係る回転部材及びろ過ユニットの斜視図である。 図９は、実施形態に係る回転部材及びろ過ユニットの分解斜視図である。 図１０は、実施形態に係る回転部材及びろ過ユニットの分解斜視図である。 図１１は、実施形態に係る回転部材及びろ過ユニットの分解斜視図である。 図１２は、実施形態に係るろ過装置の模式図である。 図１３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１４は、実施形態に係るろ過装置を示す等価回路図である。 図１５は、実施形態の変形例１に係るろ過ユニット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断面図である。実施形態に係るろ過装置１０は、液体中に粒子が分散されたスラリー（原液）から、粒子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、ハウジング８０と、第１ろ室３０と、供給ユニット８１と、排出ユニット８３と、回転部材４０と、駆動装置１３と、複数のろ過ユニット１００と、を備える。
　図１に示すように、ハウジング８０は、回転部材４０及びろ過ユニット１００を支持する部材である。ハウジング８０は、内部に空間を有する。ハウジング８０は、回転部材４０及びろ過ユニット１００を内部に収容することができる。ハウジング８０は、設置面３００に置かれたベース２００に固定される。図１及び図３に示すように、ベース２００に対するハウジング８０の姿勢が変更可能である。図２に示すように、ハウジング８０は、回転支持機構２５０を介してベース２００と連結される。回転支持機構２５０は、ベース２００に固定されており、水平な回転軸を中心にハウジング８０が回転できるように、ハウジング８０を支持する。図４に示すように、ハウジング８０は、第３接続導体８５３と、ブラシ８５４と、を備える。第３接続導体８５３は、導電性を有する。第３接続導体８５３は、ハウジング８０の一端に取り付けられる。ブラシ８５４は、導電性を有しており、第３接続導体８５３と接続されている。図５に示すように、第１ろ室３０は、ハウジング８０の内部空間である。
　図１に示すように、供給ユニット８１は、ハウジング８０に取り付けられる。供給ユニット８１とハウジング８０との間の隙間は、シール部材によって密封されている。供給ユニット８１は、スラリー（原液）を第１ろ室３０に供給する。図５に示すように、供給ユニット８１は、外周面に設けられる開口である供給口８１１を備える。供給口８１１には、配管が接続される。加圧装置等によって加圧されたスラリー（原液）が、配管及び供給口８１１を介して、第１ろ室３０に供給される。
　図１に示すように、排出ユニット８３は、ハウジング８０に取り付けられる。排出ユニット８３とハウジング８０との間の隙間は、シール部材によって密封されている。排出ユニット８３は、第１ろ室３０にある濃縮されたスラリー（原液）を外部へ排出する。図５に示すように、排出ユニット８３は、外周面に設けられる開口である濃縮液排出口８３１を備える。濃縮液排出口８３１には、配管が接続される。第１ろ室３０の内部と外部の圧力差によって、第１ろ室３０にある濃縮されたスラリー（原液）が、濃縮液排出口８３１及び配管を介して外部に排出される。なお、濃縮液排出口８３１に接続される配管には、真空ポンプ等の減圧装置が設けられてもよい。
　回転部材４０は、ハウジング８０の内部に配置される。回転部材４０は、ハウジング８０に支持される。回転部材４０は、ハウジング８０に対して回転できる。回転部材４０は、回転軸Ｒを中心として回転する。回転軸Ｒは、水平方向と平行である。図１において、紙面の左右方向が水平方向である。以下の説明において、回転軸Ｒと平行な方向は、軸方向と記載される。回転軸Ｒに対して直交する直線と平行な方向は、径方向と記載される。回転軸Ｒを中心とした円周に沿う方向は、単に周方向と記載される。図１においては、回転軸Ｒが水平方向と平行である。図３においては、回転軸Ｒが鉛直方向と平行である。
　図４及び図５に示すように、回転部材４０は、シャフト４１と、複数のフランジ４３と、第３電極３３と、を備える。シャフト４１は、棒状の部材である。シャフト４１は、駆動装置１３と接続される。シャフト４１とハウジング８０との間の隙間は、シール部材によって密封されている。図４及び図５に示すように、シャフト４１は、導電性を有する内部導電体４１２を備える。図４に示すように、内部導電体４１２の一端は、ブラシ８５４と接する。このため、内部導電体４１２は、電気的に第３接続導体８５３と接続される。
　図５及び図６に示すように、フランジ４３は、シャフト４１の外周面に設けられる。フランジ４３は、第１ろ室３０に接する。それぞれのフランジ４３は、軸方向に並ぶ２つのろ過ユニット１００の間に配置される。第１ろ室３０において、フランジ４３と、ろ過ユニット１００と、が軸方向に沿って交互に並んでいる。フランジ４３は、略円盤状に形成されている。複数のフランジ４３のうち最も供給ユニット８１に近いフランジ４３は、径方向から見た場合、供給ユニット８１と重なる。複数のフランジ４３のうち最も排出ユニット８３に近いフランジ４３は、径方向から見た場合、排出ユニット８３と重なる。
　図７に示すように、フランジ４３は、取付部４３１と、攪拌部４３３と、内部導電体４３７と、を備える。取付部４３１は、第３電極３３を支持する部分である。第３電極３３が、取付部４３１の軸方向を向いた表面に取り付けられる。第３電極３３は、板状の部材であり、第１ろ室３０に面する。取付部４３１は、フランジ４３のうち径方向の外側端部に設けられる。攪拌部４３３は、取付部４３１よりも径方向の内側（シャフト４１側）に設けられる。図１０及び図１１に示すように、攪拌部４３３は、複数の溝４３４を備える。溝４３４は、シャフト４１から取付部４３１に亘って設けられる。溝４３４は、軸方向から見た場合、円弧を描いている。複数の溝４３４は、複数の第１溝４３５と、複数の第２溝４３６と、を含む。
　第１溝４３５は、攪拌部４３３の軸方向に向いた２つの表面のうちの一方に配置される。複数の第１溝４３５は、周方向に沿って等間隔に配置される。図１０に示すように、第１溝４３５は、軸方向から見た場合に、回転部材４０の回転方向ＤＲとは反対方向に向かって凸である円弧を描いている。このため、回転部材４０が回転すると、第１溝４３５に接するスラリー（原液）は、径方向の内側（シャフト４１側）に導かれる。すなわち、第１溝４３５とろ過ユニット１００との間にあるスラリー（原液）は、径方向の内側に導かれる。
　第２溝４３６は、攪拌部４３３の軸方向に向いた２つの表面のうちの他方に配置される。すなわち、第２溝４３６は、第１溝４３５の裏側に配置される。複数の第２溝４３６は、周方向に沿って等間隔に配置される。図１１に示すように、第１溝４３５は、軸方向から見た場合に、回転部材４０の回転方向ＤＲに向かって凸である円弧を描いている。このため、回転部材４０が回転すると、第２溝４３６に接するスラリー（原液）は、径方向の外側（シャフト４１側とは反対側）に導かれる。すなわち、第２溝４３６とろ過ユニット１００との間にあるスラリー（原液）は、径方向の外側に導かれる。
　第１溝４３５によって径方向の内側に導かれたスラリー（原液）は、ろ過ユニット１００の内周面とシャフト４１の外周面との間の隙間を軸方向に向かって移動する。その後、第２溝４３６によって径方向の外側に導かれたスラリー（原液）は、ハウジング８０の内周面とフランジ４３の外周面との間の隙間を軸方向に向かって移動する。スラリー（原液）は、上述した移動を繰り返すことによって、回転部材４０とろ過ユニット１００との間に形成される蛇行した流路の中を、供給ユニット８１から排出ユニット８３に向かって進んでいく。
　図５及び図６に示すように、内部導電体４３７は、シャフト４１の内部導電体４１２と接続される。また、内部導電体４３７は、第３電極３３と接続される。このため、第３電極３３は、第３接続導体８５３と電気的に接続される。
　駆動装置１３は、回転部材４０を回転させる装置である。駆動装置１３は、電動モータと、減速機と、を含む。電動モータは、減速機を介して、回転部材４０のシャフト４１と接続される。電動モータで生じたトルクが、減速機によって増大したうえで、シャフト４１に伝達する。
　図１に示すように、複数のろ過ユニット１００は、ハウジング８０に取り付けられる。全てのろ過ユニット１００は、供給ユニット８１と排出ユニット８３との間に配置される。図１に示す状態において、複数のろ過ユニット１００は、水平方向に沿って並んで配置される。すなわち、回転軸Ｒが、水平方向と平行である。図３に示す状態において、複数のろ過ユニット１００は、鉛直方向に沿って並んで配置される。すなわち、回転軸Ｒが、鉛直方向と平行である。１つのろ過ユニット１００の一部は、第１ろ室３０のうち２つのフランジ４３の間の位置に配置される。図５から図７に示すように、ろ過ユニット１００は、ケース１１０と、第１電極３１と、第２電極３２と、ろ材３４と、第２ろ室３５と、ろ液排出口１０５と、第１接続導体１０１と、第２接続導体１０２と、を有する。ケース１１０は、第１電極３１、第２電極３２、及びろ材３４を保持する部材である。ケース１１０は、導電性の材料で形成されている。
　図７に示すように、第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４は、ケース１１０に取り付けられる。第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４は、円環状である。ろ過ユニット１００において、第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４は、第２ろ室３５を挟んだ両側に設けられる。すなわち、ろ過ユニット１００は、２つの第１電極３１と、２つの第２電極３２と、２つのろ材３４と、１つの第２ろ室３５と、を備える。
　図１２は、実施形態に係るろ過装置の模式図である。図１２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。第１電極３１は、第１ろ室３０を挟んで第３電極３３と対向する。第２電極３２は、第２ろ室３５に面する。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と、目開き３４ｂと、を含む。ろ過膜３４ａに複数の目開き３４ｂが設けられている。ろ過膜３４ａに対して電界が働く。ろ材３４は、例えば、精密ろ過膜（ＭＦ膜（Ｍｉｃｒｏｆｉｌｔａｔｉｏｎ　Ｍｅｍｂｒａｎｅ））が用いられる。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おり、ろ材３４により第１電極３１と第２電極３２とが絶縁される。なお、図１２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１３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１３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。
　第２ろ室３５は、ケース１１０の内部空間である。第２ろ室３５は、２つの第２電極３２の間に配置される。第２ろ室３５は、ろ液排出口１０５と繋がっている。ろ液排出口１０５は、ケース１１０の外周面に設けられる開口である。ろ液排出口１０５には、配管が接続される。第２ろ室３５にあるろ液７５は、ろ液排出口１０５及び配管を介して、ろ過ユニット１００の外部に排出される。
　図５に示すように、第１接続導体１０１は、ケース１１０の外周面に取り付けられる。第１接続導体１０１は、導電性を有する。第１電極３１は、ケース１１０を介して第１接続導体１０１と電気的に接続される。第２接続導体１０２は、絶縁材を介してケース１１０に取り付けられる。第２接続導体１０２の一部は、ケース１１０の内部に挿入されている。第２接続導体１０２は、第２ろ室３５側から第２電極３２と接続される。
　図１２に示すように、ろ過装置１０は、第１電源５１と、第２電源５２と、第３電源５３と、を備える。第１電極３１は、第１接続導体１０１（図５参照）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、第１接続導体１０１（図５参照）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。第２電極３２は、第２接続導体１０２（図５参照）を介して、第２電源５２の第２端子５２ｂと電気的に接続される。第３電極３３は、第３接続導体８５３（図４参照）を介して、第３電源５３の第１端子５３ａと電気的に接続される。第３電源５３の第２端子５３ｂ及び第１電源５１の第１端子５１ａは、基準電位ＧＮＤ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、所定の固定された電位であってもよい。
　図１２に示すように、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－３０Ｖ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－４０Ｖである。第３電源５３は、第３電極３３に、粒子７１の極性と異なる極性の第３電位Ｖ３を供給する。第３電位Ｖ３は、例えば＋３０Ｖである。第１電位Ｖ１、第２電位Ｖ２及び第３電位は、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１４は、実施形態に係るろ過装置を示す等価回路図である。図１４に示すように、第１電源５１及び第３電源５３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。
　第１ろ室３０において、スラリー（原液）７０から、各電極の駆動によりスラリー（原液）７０の粒子７１に斥力が働くので、粒子７１の分散状況に濃度勾配が生じる。粒子７１が分離されたスラリー（原液）７０は、第１電極３１、第２電極３２及びろ材３４を通して、第２ろ室３５に流れる。第２ろ室３５にあるろ液７５は、ろ液排出口１０５を介して第２ろ室３５の外部に排出される。
　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。また、マイナスに帯電した粒子７１と第３電極３３との間には引力が発生する。
　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し、第３電極３３に近い位置の粒子７１には、より強力な引力が発生する。粒子７１に発生する斥力及び引力は、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、帯電していない水分子も第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、第３電極３３側に移動しており、粒子７１が分離されたろ液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。
　言い換えると、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＝－３０Ｖを印加し、第２電極３２に第２電位Ｖ２＝－４０Ｖ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及び第３電源５３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、第２電位Ｖ２及び第３電位Ｖ３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。
　ろ過装置１０は、第３電源５３を備えていなくてもよい。図１５は、実施形態の変形例１に係るろ過ユニットを示す等価回路図である。図１５に示すように、実施形態の変形例１において、第３電極３３は、例えば基準電位ＧＮＤに接続される。第３電極３３を基準電位ＧＮＤに接続する場合、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。
　以上説明したように、本実施形態のろ過装置１０は、ハウジング８０と、第１ろ室３０と、複数のろ過ユニット１００と、回転部材４０と、駆動装置１３と、を含む。第１ろ室３０は、ハウジング８０の内部空間である。複数のろ過ユニット１００は、第１ろ室３０に接するようにハウジング８０に取り付けられる。回転部材４０は、ハウジング８０に対して回転できるようにハウジング８０に支持される。駆動装置１３は、回転部材４０を回転させる。ろ過ユニット１００は、第１電極３１と、第２電極３２と、ろ材３４と、第２ろ室３５と、を含む。第１電極３１は、複数の第１開口３１ｂが設けられる。第２電極３２は、複数の第２開口３２ｂが設けられ、かつ第１電極３１の一方の面と対向して設けられる。ろ材３４は、複数の目開き３４ｂが設けられ、かつ第１電極３１と第２電極３２との間に設けられる。第２ろ室３５は、第２電極３２のうちろ材３４とは反対側の面と接して設けられる。回転部材４０は、第１ろ室３０を挟んで第１電極３１と対向する第３電極３３を含む。複数のろ過ユニット１００は、回転部材４０の回転軸Ｒに沿う方向に並んで配置される。
　これによれば、第１電極３１と第３電極３３との間で粒子７１に発生するクーロン力Ｆ（粒子７１と第１電極３１との間に発生する斥力）により粒子７１が第１電極３１から第３電極３３に向かう方向に移動する。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を透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。さらに、第３電極３３を含む回転部材４０が回転することによって、第１ろ室３０内のスラリー（原液）７０の流動が促進される。このため、第１ろ室３０内のスラリー（原液）７０に圧力を加えるだけの場合に比べて、ろ過速度をより向上させることができる。
　また、１つのろ過ユニット１００において、第１電極３１、第２電極３２、及びろ材３４は、第２ろ室３５を挟んだ両側に設けられる。
　これによれば、一方の第１電極３１、第２電極３２、及びろ材３４の組と、他方の第１電極３１、第２電極３２、及びろ材３４の組とで、１つの第２ろ室３５を共用することができる。このため、ろ過装置１０は、ろ過面積の向上と小型化を両立することができる。
　また、ろ過装置１０において、回転部材４０は、シャフト４１と、シャフト４１の外周面に設けられる複数のフランジ４３と、を含む。フランジ４３は、第３電極３３が取り付けられる取付部４３１と、第１ろ室３０に面する複数の溝４３４を表面に備える円盤状の攪拌部４３３と、を含む。
　これによれば、第１ろ室３０にあるスラリー（原液）７０が溝４３４の中に入る。回転部材４０が回転すると、溝４３４に入ったスラリー（原液）７０が押し出される。このため、第１ろ室３０内のスラリー（原液）７０の流動が促進される。したがって、ろ過装置１０は、ろ過速度をより向上させることができる。
　また、ろ過装置１０において、ろ過ユニット１００とフランジ４３とが、回転部材４０の回転軸Ｒに沿う方向に交互に並んで配置される。
　これによれば、回転部材４０とろ過ユニット１００との間に、蛇行した流路が形成される。このため、スラリー（原液）７０のろ過ユニット１００との接触面積が増えやすくなる。したがって、ろ過装置１０は、ろ過速度をより向上させることができる。
　また、ろ過装置１０において、溝４３４は、攪拌部４３３のうち回転部材４０の回転軸Ｒと平行な軸方向の一方側の表面に設けられる第１溝４３５と、攪拌部４３３のうち軸方向の他方側の表面に設けられる第２溝４３６と、を含む。軸方向から見た場合、第１溝４３５は、回転部材４０の回転方向ＤＲとは反対方向に凸である円弧を描く。第２溝４３６は、回転部材４０の回転方向ＤＲに凸である円弧を描く。
　これによれば、第１ろ室３０のうちフランジ４３の一方側の部分ではスラリー（原液）７０が径方向の内側に流動し、第１ろ室３０のうちフランジ４３の他方側の部分ではスラリー（原液）７０が径方向の外側に流動する。このため、第１ろ室３０内のスラリー（原液）７０の流動が促進される。具体的には、スラリー（原液）７０が、回転部材４０とろ過ユニット１００との間に形成される蛇行した流路の中を、供給ユニット８１から排出ユニット８３に向かって進みやすくなる。したがって、ろ過装置１０は、ろ過速度をより向上させることができる。
　また、ろ過装置１０において、第２電極３２の第２電位Ｖ２の絶対値は、第１電極３１の第１電位Ｖ１の絶対値よりも大きい。第１電位Ｖ１と第３電極３３の第３電位Ｖ３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、第１ろ室３０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３電極３３側に移動させることができる。
　また、ろ過装置１０において、複数のろ過ユニット１００は、鉛直方向に沿って並んで配置される。
　これによれば、スラリー（原液）７０が、回転部材４０とろ過ユニット１００との間に形成される蛇行した流路の中を、重力によって供給ユニット８１から排出ユニット８３に向かって進みやすくなる。したがって、ろ過装置１０は、ろ過速度をより向上させることができる。
　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
　１３　駆動装置
　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
　３４ｂ　目開き
　３５　第２ろ室
　４０　回転部材
　４１　シャフト
　４３　フランジ
　５１　第１電源
　５２　第２電源
　５３　第３電源
　７０　スラリー（原液）
　７１　粒子
　７２　液体
　７３　水分子
　７４　色素タンパク質
　７５　ろ液
　８０　ハウジング
　８１　供給ユニット
　８３　排出ユニット
　１００　ろ過ユニット
　１０１　第１接続導体
　１０２　第２接続導体
　１０５　ろ液排出口
　１１０　ケース
　４１２　内部導電体
　４３１　取付部
　４３３　攪拌部
　４３４　溝
　４３５　第１溝
　４３６　第２溝
　４３７　内部導電体
　８１１　供給口
　８３１　濃縮液排出口
　８５３　第３接続導体
　８５４　ブラシ
　Ｒ　回転軸
　ＤＲ　回転方向

Claims (7)

  1. 　ハウジングと、
    　前記ハウジングの内部空間である第１ろ室と、
    　前記第１ろ室に接するように前記ハウジングに取り付けられる複数のろ過ユニットと、
    　前記ハウジングに対して回転できるように前記ハウジングに支持される回転部材と、
    　前記回転部材を回転させる駆動装置と、
    　を含み、
    　前記ろ過ユニットは、
    　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、かつ前記第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、かつ前記第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２電極のうち前記ろ材とは反対側の面と接して設けられた第２ろ室と、
    　を含み、
    　前記回転部材は、前記第１ろ室を挟んで前記第１電極と対向する第３電極を含み、
    　複数の前記ろ過ユニットは、前記回転部材の回転軸に沿う方向に並んで配置される
    　ろ過装置。
  2. 　１つの前記ろ過ユニットにおいて、前記第１電極、前記第２電極、及び前記ろ材は、前記第２ろ室を挟んだ両側に設けられる
    　請求項１に記載のろ過装置。
  3. 　前記回転部材は、シャフトと、前記シャフトの外周面に設けられる複数のフランジと、を含み、
    　前記フランジは、前記第３電極が取り付けられる取付部と、前記第１ろ室に面する複数の溝を表面に備える円盤状の攪拌部と、を含む
    　請求項２に記載のろ過装置。
  4. 　前記ろ過ユニットと前記フランジとが、前記回転部材の回転軸に沿う方向に交互に並んで配置される
    　請求項３に記載のろ過装置。
  5. 　前記溝は、前記攪拌部のうち前記回転部材の回転軸と平行な軸方向の一方側の表面に設けられる第１溝と、前記攪拌部のうち前記軸方向の他方側の表面に設けられる第２溝と、を含み、
    　前記軸方向から見た場合、前記第１溝は、前記回転部材の回転方向とは反対方向に凸である円弧を描き、前記第２溝は、前記回転部材の回転方向に凸である円弧を描く
    　請求項３又は４に記載のろ過装置。
  6. 　前記第２電極の第２電位の絶対値は、前記第１電極の第１電位の絶対値よりも大きく、
    　前記第１電位と前記第３電極の第３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５のいずれか１項に記載のろ過装置。
  7. 　複数の前記ろ過ユニットは、鉛直方向に沿って並んで配置される
    　請求項１から６のいずれか１項に記載のろ過装置。
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