WO2023008393A1 - 炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法 - Google Patents

炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法 Download PDF

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一弘 平田
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住友重機械工業株式会社
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    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
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    • C02F1/58—Treatment of water, waste water, or sewage by removing specified dissolved compounds

Definitions

  • the present invention relates to an apparatus for producing carbonate from a solution containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions and a method for producing the same.
  • Patent Document 1 describes a method of supplying carbon dioxide into the sea in which alkaline components have been eluted, thereby neutralizing seawater and fixing carbon dioxide as carbonate.
  • an object of the present invention is to provide a carbonate production apparatus and a carbonate production method that fix and recover carbon dioxide as carbonate with minimal alkalinization.
  • the present inventors found that carbonates can be produced by increasing the pH of the water to be treated containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions by means of the pH adjusting section, and completed the present invention. rice field. That is, the present invention is the following carbonate production apparatus and carbonate production method.
  • the carbonate generating apparatus of the present invention for solving the above problems is characterized by comprising a pH adjusting section for increasing the pH of water to be treated containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions.
  • the pH adjusting section lowers the hydrogen ion concentration of the water to be treated containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions, thereby increasing the pH of the water to generate carbonate ions.
  • the produced carbonate ions and alkaline earth metal ions react efficiently, and there is an effect that carbonates can be efficiently produced with minimal alkalinization without producing hydroxides of alkaline earth metal ions. be.
  • the pH adjusting section is characterized by being a hydrogen ion exchange membrane that selectively permeates hydrogen ions in the water to be treated.
  • the hydrogen ion exchange membrane in the pH adjusting portion it is possible to allow only hydrogen ions to permeate, so that hydrogen ions and other molecules can be separated.
  • carbonate ions can be efficiently generated by lowering the hydrogen ion concentration and lowering the pH.
  • one embodiment of the solution generating apparatus of the present invention is characterized in that the water to be treated contains salts (excluding salts of carbonate ions and salts of alkaline earth metal ions). According to this feature, since a solution containing salts is used as the water to be treated, compared to the case where the water to be treated does not contain salts (excluding salts of carbonate ions and salts of alkaline earth metal ions) , can generate carbonate ions at a low pH, and has the effect of efficiently generating carbonates.
  • the carbonate production method of the present invention for solving the above problems is characterized by comprising a pH adjustment step of increasing the pH of water to be treated containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions.
  • the pH adjustment unit increases the pH of the water to be treated, so that carbonate ions and alkaline earth metal ions efficiently react without generating hydroxides.
  • a carbonate can be produced by the alkalization of and the method can be used to efficiently produce a carbonate.
  • FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing the abundance ratio of carbonic acid substances with changes in the pH of fresh water in the present invention.
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing an example of a mode of hydrogen ion movement in a solution manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention and a carbonate generating apparatus according to the first embodiment;
  • FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing an example of a solution manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention and an example of a mode of movement of hydrogen ions in the solution manufacturing apparatus according to the second embodiment;
  • FIG. 1 is a schematic explanatory diagram showing an example of a mode of hydrogen ion movement in a solution manufacturing apparatus according to the first embodiment of the present invention and a carbonate generating apparatus according to the first embodiment
  • FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing an example of a solution manufacturing apparatus according to a second embodiment of the present invention and an example of a mode of movement of hydrogen ions in the solution manufacturing apparatus according to the second embodiment;
  • FIG. 10 is a schematic explanatory view showing an example of the mode of hydrogen ion movement in the solution manufacturing apparatus according to the third embodiment of the present invention and the carbonate generating apparatus according to the third embodiment;
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing the difference in abundance ratio of carbonated substances due to pH changes between freshwater and seawater in the present invention.
  • the carbonate producing apparatus of the present invention is for producing carbonate.
  • Carbonated water in which carbon dioxide is dissolved generally has a chemical equilibrium equation as shown in Equation 1.
  • Equation 1 in carbonated water, part of carbonic acid (H2CO3) is converted into hydrogen ions (H+) and hydrogen carbonate ions (HCO3 -). Then, the hydrogen ions are further ionized from the hydrogen carbonate ions to generate carbonate ions (CO32-).
  • the present invention utilizes the above phenomenon to separate alkaline earth metals such as calcium ions (Ca2+) contained in water to be treated and carbonate ions (CO32-) whose abundance ratio is increased by raising the pH. By reacting, a carbonate such as calcium carbonate (CaCO3) is produced more efficiently.
  • alkaline earth metals such as calcium ions (Ca2+) contained in water to be treated
  • carbonate ions CO32-
  • a feature of the present invention is that carbon dioxide is dissolved in the water to be treated in advance, and the water to be treated contains carbon dioxide and alkaline earth metal ions.
  • the pH adjusting unit raises the pH of the water to be treated to increase the concentration of carbonate ions, so that the alkaline earth metal ions and carbonate ions (CO32-) contained in the water to be treated are combined to produce carbonic acid. It produces carbonates of alkaline earth metals such as calcium (CaCO3).
  • alkaline earth metal hydroxides are not produced, so carbonates can be efficiently produced with minimal alkalinization.
  • FIG. 2 is a schematic explanatory diagram showing the structure of the carbonate generator 100 in the first embodiment of the present invention.
  • the carbonate generation apparatus 100 in this embodiment introduces an alkaline propellant from the pH adjustment unit P10 into the water to be treated S0 containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions in the treatment tank 10, thereby Since the abundance ratio of carbonate ions (CO32-) increases, alkaline earth metal ions (calcium ions (Ca2+)) and carbonate ions (CO32-) in the water to be treated S0 combine to form carbonates (CaCO3). It is said that it will be done.
  • the carbonate generating apparatus 100 in this embodiment has a processing tank 10 and a pH adjusting section P10.
  • the treatment tank 10 has a line L1 for introducing the water to be treated S0 and a line L2 for supplying an alkaline propellant into the treatment tank 10 from the pH adjusting section P10.
  • the pH adjustment section P10 has an alkaline propellant addition device P11.
  • the water to be treated S0 is an aqueous solution containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions, which is treated to produce carbonate in the carbonate producing apparatus 100 of this embodiment.
  • the water to be treated S0 that can be used in this embodiment is not particularly limited as long as it is an aqueous solution containing carbon dioxide and alkaline earth metal ions.
  • Artificially dissolving carbon dioxide or artificially dissolving a substance that becomes alkaline earth metal ions may be used, or an aqueous solution in which carbon dioxide and alkaline earth metal ions are dissolved from the beginning is used. may Examples thereof include seawater, river water, tap water, pure water, waste water from factories, and water entering a landfill site.
  • the water to be treated S0 preferably has a pH of 8.0 or less, more preferably a pH of 7.5 or less, and particularly preferably a pH of 7.0 or less.
  • the water to be treated S0 contains salts (carbonate salts and alkaline earth metal ions). Compared to the case where it does not contain salts of earth metal ions), it is possible to increase the ratio of carbonate ions (CO32-) at a low pH, so there is an effect of efficiently producing carbonates (CaCO3). .
  • Seawater can be suitably used as the water to be treated containing salts (excluding salts of carbonate ions and salts of alkaline earth metal ions).
  • the pH adjusting section P10 in this embodiment includes an alkaline propellant addition device P11.
  • the alkaline propellant addition device P11 is intended to increase the pH of the water S0 to be treated by adding an alkaline propellant to the water S0 to be treated in the treatment tank 10 .
  • Any alkaline propellant may be used as long as it can be added to the water to be treated S ⁇ b>0 in the treatment tank 10 .
  • the alkaline propellant stored in a storage tank provided outside the processing tank 10 may be sent to the processing tank 10 by a pump or the like, or the alkaline propellant may be pumped into the processing tank 10 by an operator. It is good also as what is thrown in.
  • the alkaline propellant is not particularly limited as long as it can ionize hydrogen ions (H + ) from carbonic acid (H2CO3) and hydrogen carbonate (HCO3 ⁇ ) in the water to be treated S0 and raise the pH.
  • H + hydrogen ions
  • H2CO3 hydrogen carbonate
  • a pH higher than 7 is suitable, and examples thereof include sodium hydroxide (NaOH) and potassium hydroxide (KOH).
  • the treatment tank 10 may be of any material, shape, or size as long as it can store the water to be treated S0.
  • the lines L1 and L2 may be connected to the processing tank 10 in any way.
  • the lines L1 and L2 are connected from above the treatment tank 10, and the part where the water to be treated S0 and the alkaline propellant are introduced into the treatment tank 10 from the lines L1 and L2 is the water to be treated S0.
  • the water to be treated S0 and the alkaline propellant are vigorously thrown into the water surface. Thereby, more oxygen and carbon dioxide in the air can be added to the water to be treated S0.
  • the water to be treated S0 and the alkaline propellant are vigorously thrown into the water surface by the lines L1 and L2, and the carbon dioxide concentration in the water to be treated decreases, the water to be treated S0 It is preferable that the part where the alkaline propellant is introduced into the treatment tank 10 is placed in the liquid of the water to be treated S0. As a result, it is possible to prevent the to-be-treated water S0 and the alkaline propellant from being thrown into the treatment tank with force, thereby preventing a decrease in the carbon dioxide concentration in the to-be-treated water S0.
  • the water to be treated S ⁇ b>0 is supplied to the storage tank 10 to fill the inside of the treatment tank 10 .
  • the water to be treated S0 contains carbon dioxide and alkaline earth metals in advance, the relationship of the above equation 1 is established in the treatment tank 10 due to the ionization equilibrium.
  • an alkaline propellant such as sodium hydroxide is added to the water to be treated S0 in the storage tank 10 by the alkaline propellant addition device P11.
  • hydrogen ions are ionized from carbonic acid (H2CO3) and hydrogen carbonate (HCO3 ⁇ ) in the water S0 to be treated, and the pH of the water to be treated S0 increases.
  • the alkali propellant is adjusted to a pH at which sufficient carbonate ions are present to react with alkaline earth metal ions (calcium ions) in the water to be treated S0.
  • alkaline earth metal ions calcium ions
  • the carbonate generation apparatus 100 in a state in which the water to be treated contains carbon dioxide and alkaline earth metal ions in advance, the pH is increased to increase the presence of carbonate ions. , carbonate ions and calcium ions react with each other to efficiently produce carbonates with minimal alkalinization.
  • Carbon dioxide can also be supplied in the state where alkaline earth metal ions are present in the water to be treated S0.
  • the pH of the water to be treated S0 is in a low state, and by adding an alkaline propellant after that, the alkaline earth metal hydroxide is not formed and the carbonate efficiency is minimized with minimal alkalinization. can be produced well.
  • FIG. 3 is a schematic illustration showing a carbonate generator 200 according to a second embodiment of the present invention.
  • the carbonate generator 200 in this embodiment includes a treatment tank 20 and a pH adjuster P20.
  • the pH adjusting section P20 includes a voltage applying unit P21, an electrode P22a, and an electrode P22b.
  • the treatment tank 20 also has a line L1 for introducing the water to be treated S0.
  • the carbonate generating apparatus 200 of this embodiment is characterized by using electrodes P22a and P22b electrically connected to the voltage applying unit P21 as the pH adjusting section P20.
  • each configuration of the carbonate generation device 200 in this embodiment will be described in detail.
  • the processing bath 20 in this embodiment is the same as the processing bath 10 in the first embodiment except that electrodes P22a and P22b, which will be described later, are installed inside.
  • the voltage application unit P21, the electrode P22a, and the electrode P22b correspond to the pH adjustment unit P20 in this embodiment.
  • the function of the voltage application unit P21 is not particularly limited.
  • the output of the DC power source can be adjusted in accordance with the progress of the reaction of carbonate ions in the processing tank 20, and renewable energy such as solar cells, wind power, wave power, etc. It is preferable to use surplus power in other facilities. This makes it possible to reduce the energy used in the carbonate production process. In particular, in the case of using renewable energy that does not emit carbon dioxide when generating electricity, there is an effect that it is possible to promote the suppression of carbon dioxide emissions.
  • the electrodes P22a and P22b are not particularly limited in material and shape as long as they function as anodes or cathodes.
  • the electrodes P22a and P22b are arranged on the inner wall of the processing bath 20 so that one of them serves as an anode and the other serves as a cathode, and is electrically connected to the voltage application unit P21.
  • materials for the electrodes P22a and P22b include carbon and metals (gold, platinum, silver, palladium, gallium, stainless steel, copper, etc.) that are widely used as electrode materials in the electrochemical field.
  • Examples of the shape of the electrodes P22a and P22b include a plate shape, a bar shape, a mesh shape, and an electrode substrate obtained by applying particles to a conductive substrate.
  • the carbonate generation apparatus 200 of this embodiment voltage is applied to the water to be treated by the voltage application unit P21 and the electrodes P22a and P22b, thereby generating hydrogen ions from the anode side electrode P22a to the cathode side electrode P22b. Migration can be induced to generate carbonate ions in the vicinity of the anode-side electrode. As a result, carbonate can be produced more efficiently.
  • FIG. 4 is a schematic explanatory diagram showing a carbonate generator 300 according to a third embodiment of the present invention.
  • a carbonate generator 300 according to the third embodiment of the present invention includes a hydrogen ion exchange membrane P31, a voltage application unit P32, an electrode P33a, and an electrode P33b as a pH adjuster P30.
  • a pair of electrodes are provided on both sides of the hydrogen ion exchange membrane P31.
  • a feature of the carbonate generating apparatus 300 in this embodiment is that the hydrogen ions in the processing tank 30 are transferred from the first chamber 31a having the anode side electrode (P33a) to the cathode side electrode (P33b) through the hydrogen ion exchange membrane P31. to the second chamber 31b. Only hydrogen ions are transferred from the first chamber 31a to the second chamber 31b by the ion exchange membrane P31, so that they can be separated into hydrogen ions and other molecules. As a result, the concentration of hydrogen ions in the first chamber 31a decreases and the pH increases, thereby generating carbonate ions and efficiently producing carbonate.
  • the configuration of the carbonate generator 300 in this embodiment will be described in detail below.
  • the line L1 and the water to be treated S0 are the same as those of the carbonate generators 100 and 200 in the first to third embodiments, description thereof is omitted.
  • the processing bath 30 in this embodiment is divided into a first chamber 31a and a second chamber 31b by a hydrogen ion exchange membrane P31. Furthermore, the processing bath 30 in the third embodiment is provided with a line L3 for recovering hydrogen (H2) generated near the cathode side electrode P33b, which will be described later.
  • the handling of the hydrogen recovered via the line L3 is not particularly limited, and it may be transferred to a storage facility and stored, or may be transferred directly to a point of use and used as an energy source. .
  • the pH adjustment part P30 in this embodiment includes a hydrogen ion exchange membrane P31, a voltage application unit P32, an electrode P33a and an electrode P33b.
  • the hydrogen ion exchange membrane P31 is a membrane that can selectively permeate hydrogen ions.
  • the hydrogen ion exchange membrane P31 may have a function of allowing only hydrogen ions to pass therethrough, and specific components and structures are not particularly limited, and known membranes may be used. can be done.
  • the voltage application unit P32, the electrode P33a, and the electrode P33b are the same as the voltage application unit P21, the electrode P22a, and the electrode P22b of the carbonate generating apparatus 200 in the second embodiment, and thus description thereof is omitted.
  • the pH adjustment part P30 in this embodiment is provided with electrodes P33a and P33b so as to surround both sides of the hydrogen ion exchange membrane P31.
  • the electrodes P33a and P33b are basically the same as the electrodes P22a and P22b in the second embodiment. , for example, a thin rod shape such as a mesh wire.
  • an electrode pattern is formed directly on the surface of the hydrogen ion exchange membrane P31 by a technique such as plating.
  • the shape of the electrode pattern is not particularly limited, but it is preferable to be able to suppress inhibition of mass transfer to the hydrogen ion exchange membrane P31. As a result, clogging, breakage, etc. of the ion exchange membrane P31 can be prevented.
  • the water to be treated S0 is supplied to the first chamber 31a and the second chamber 31b in the treatment bath 30 through the line L1.
  • the voltage application unit P32 applies a voltage to the electrodes P33a and P33b, and negative electrons are charged to the cathode side electrode P33b.
  • only hydrogen ions pass through the ion exchange membrane P31 and move from the first chamber 31a equipped with the electrode 33a on the anode side to the second chamber 31b equipped with the electrode 33b on the cathode side.
  • the pH of the water to be treated S0 in the first chamber 31a in which the concentration of hydrogen ions has decreased, rises, and carbonate ions are generated more actively, resulting in the generation of a large amount of carbonate.
  • the hydrogen ions (H+) that have moved from the first chamber 31a receive the electrons (e ⁇ ) charged to the electrode P33b, which is the cathode side electrode, and become hydrogen molecules (H2), and are discharged from the processing tank 30 via the line L3. be recovered.
  • the carbonate generator 300 in this embodiment can move hydrogen ions from the first chamber 31a to the second chamber 31b in a short time by electrodialysis caused by the voltage applied by the voltage application unit P32.
  • the hydrogen ion exchange membrane P31 allows only hydrogen ions to move from the first chamber 31a to the second chamber 31b, so that carbonate ions and carbonates can be produced efficiently.
  • electrons and hydrogen ions react with each other at the cathode side electrode P33b to generate hydrogen, which can be taken out from the line L3 and used separately.
  • the embodiment described above is an example of the carbonate generation device and the carbonate generation method.
  • the carbonate producing device and carbonate producing method according to the present invention are not limited to the above-described embodiments, and the carbonate producing device and carbonate producing method according to the above-described embodiments are not limited to the scope of the claims. Variations in the method of salt formation may be used.
  • the carbonate generators of the first to third embodiments may be combined.
  • the alkaline propellant addition device P11 of the carbonate generator 100 in the first embodiment may be added to the carbonate generators 200 and 300 in the second and third embodiments.
  • hydrogen may be recovered by using the line L3 of the carbonate generator 300 of the third embodiment for the carbonate generator 200 of the second embodiment.
  • the recovered hydrogen can be effectively used.
  • the alkalinized water to be treated after carbonate is produced may be newly used as an alkaline propellant. As a result, the carbonate can be produced with less energy than in the case of alkalinization.
  • the carbonate producing apparatus and carbonate producing method of the present invention can be suitably used for producing carbonate using seawater or the like as a raw material. It is also used for the purpose of optimizing the pH of acidified seawater, wastewater and wastewater from factories, seepage water from landfill sites, etc. by consuming carbon dioxide in water to be treated such as seawater to generate carbonates. It is possible.

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Abstract

本発明の課題は、最小限のアルカリ化で、二酸化炭素を炭酸塩として固定化し回収する炭酸塩製造装置及び炭酸塩生成方法を提供することである。　上記課題を解決するために、二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水のｐＨを高めるｐＨ調整部を備えることを特徴とする、炭酸塩生成装置、及びその製造方法を提供する。これにより、低コストかつ環境負荷の少ない手法で、二酸化炭素を炭酸塩として固定化し回収する炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法を提供することができる。

Description

炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法
　本発明は、二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む溶液から炭酸塩を生成する装置及びその生成方法に関するものである。
　近年、二酸化炭素の問題に関しては、地球温暖化の大きな原因とされ、全世界的に二酸化炭素の環境への排出を抑制することが早急に対応すべき課題となっている。
　特許文献１には、アルカリ成分を溶出させた海中に二酸化炭素を供給することで、海水を中和反応させ炭酸塩として二酸化炭素を固定化する方法が記載されている。
特開２０１４－１７１９６５号公報
　特許文献１に記載されるように、カルシウムイオンやマグネシウムイオンなどのアルカリ土類金属イオンを含む海水等の溶液に対してアルカリ成分を溶出させた後、二酸化炭素を供給して炭酸塩を製造する場合、アルカリ成分の水酸化物イオンと海中のマグネシウムイオンが結合し、水酸化マグネシウムのようなアルカリ土類金属の水酸化物が生じる。よって、炭酸塩を製造することにより二酸化炭素を固定化しようとする場合、アルカリ土類金属の水酸化物の分のだけ、多くのアルカリ剤が必要になるため、アルカリ剤のコストが発生し、効率良く二酸化炭素を炭酸塩として固定化することできないといった問題がある。
　そこで、本発明の課題は、最小限のアルカリ化で、二酸化炭素を炭酸塩として固定化し回収する炭酸塩製造装置及び炭酸塩生成方法を提供することである。
　本発明者は、上記課題について鋭意検討した結果、ｐＨ調整部により、二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水のｐＨを高めることで炭酸塩を生成できることを見出して本発明を完成させた。
　すなわち、本発明は、以下の炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法である。
　上記課題を解決するための本発明の炭酸塩生成装置は、二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水のｐＨを高めるｐＨ調整部を備えることを特徴とする。
　この炭酸塩生成装置によれば、二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水の水素イオン濃度をｐＨ調整部が低下させ、被処理水のｐＨを高めることにより、炭酸イオンを生成する。これにより、生成した炭酸イオンとアルカリ土類金属イオンとが効率よく反応し、アルカリ土類金属イオンの水酸化物が生成されることなく最小限のアルカリ化で効率よく炭酸塩を生成できる効果がある。
　また、本発明の炭酸塩生成装置の一実施態様としては、ｐＨ調整部は、被処理水中の水素イオンを選択的に透過する水素イオン交換膜であるという特徴を有する。
　この特徴によれば、水素イオン交換膜をｐＨ調整部に用いることにより、水素イオンのみを透過させることができるため、水素イオンとその他の分子に分けることができる。これにより、水素イオン濃度を低下させ、ｐＨを低くすることで、炭酸イオンを効率よく発生させることができる。これにより、生成した炭酸イオンとアルカリ土類金属イオンとを効率よく反応させ、炭酸塩を生成できるという効果がある。
　また、本発明の溶液生成装置の一実施態様としては、被処理水は、塩類（炭酸イオンの塩及びアルカリ土類金属イオンの塩を除く）を含むものであることという特徴を有する。
　この特徴によれば、被処理水として塩類を含んだ溶液を用いているため、被処理水に塩類（炭酸イオンの塩及びアルカリ土類金属イオンの塩を除く）を含有しない場合と比較して、低いｐＨで炭酸イオンを生成でき、炭酸塩を効率よく生成する効果がある。
　上記課題を解決するための本発明の炭酸塩生成方法は、二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水のｐＨを高めるｐＨ調整工程を備えることを特徴とする。
　この炭酸塩生成方法によれば、ｐＨ調整部が被処理水のｐＨを高めることにより、水酸化物が生成されることなく、炭酸イオンとアルカリ土類金属イオンとが効率よく反応し、最小限のアルカリ化で炭酸塩を製造でき、効率よく炭酸塩を生成できる方法とすることができる効果がある。
　本発明によると、低コストかつ環境負荷の少ない手法で、二酸化炭素を炭酸塩として固定化し回収する炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法を提供することができる。
本発明における、淡水のｐＨ変化に伴う炭酸物質の存在比を示す概略説明図　　である。 本発明の第１の実施態様に係る溶液製造装置及び、第１の実施態様に係る炭　　酸塩生成装置における水素イオンの移動の態様の一例を示す概略説明図である。 本発明の第２の実施態様に係る溶液製造装置及び、第２の実施態様に係る溶　　液製造装置における水素イオンの移動の態様の一例を示す概略説明図である。 本発明の第３の実施態様に係る溶液製造装置及び、第３の実施態様に係る炭　　酸塩生成装置における水素イオンの移動の態様の一例を示す概略説明図である。 本発明における、淡水と海水のｐＨ変化に伴う炭酸物質の存在比の差を示す　　概略説明図である。
　以下、本発明に係る炭酸塩生成装置の実施態様を詳細に説明する。また、本発明に係る炭酸塩生成方法の説明については、本発明に係る炭酸塩生成装置の動作に係る説明に置き換えるものとする。
　なお、実施態様に記載する炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法については、本発明に係る炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法を説明するために例示したに過ぎず、これに限定されるものではない。
　本発明の炭酸塩生成装置は、炭酸塩を生成するためのものである。
　二酸化炭素の溶解した炭酸水では、一般的には式１に示すような化学平衡式が成り立っている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　式１に示すように、炭酸水では、炭酸（Ｈ２ＣＯ３）の一部が水素イオン（Ｈ＋）と炭酸水素イオン（ＨＣＯ３
－）に電離する。そして、炭酸水素イオンから水素イオンがさらに電離することで、炭酸イオン（ＣＯ３２－）が発生する。
　ここで、純水中に二酸化炭素が溶解した液（炭酸水）中の炭酸（Ｈ２ＣＯ３）や炭酸水素イオン（ＨＣＯ３－）から炭酸イオン（ＣＯ３２－）の存在比が多い状態にするには、図１に示されるように、ｐＨを上昇させることで、炭酸水中の炭酸イオン（ＣＯ３２－）の存在比を上昇させることができることが知られている。
　本発明は、上記の現象を利用し、被処理水中に含まれるカルシウムイオン（Ｃａ２＋）のようなアルカリ土類金属と、ｐＨを上昇させることにより存在比が増した炭酸イオン（ＣＯ３２－）とを反応させることで、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のような炭酸塩をより効率よく生成するものである。
　本発明の特徴としては、あらかじめ被処理水中に二酸化炭素が溶解しており、被処理水は二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含んでいる状態である。その状態において、ｐＨ調整部が、被処理水のｐＨを上昇させ、炭酸イオン濃度を高くすることで、被処理水中に含まれるアルカリ土類金属イオンと炭酸イオン（ＣＯ３２－）を結合させ、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）のようなアルカリ土類金属の炭酸塩を生成するものである。
　従来の被処理水をアルカリ化した後に二酸化炭素を供給する場合と異なり、アルカリ土類金属の水酸化物が生じないため、最小限のアルカリ化で炭酸塩を効率よく製造できる。
〔第１の実施態様〕
　図２を参照し、本発明の第１の実施態様の炭酸塩製造装置１００について説明する。図２は、本発明の第１の実施態様における炭酸塩生成装置１００の構造を示す概略説明図である。
　本実施態様における炭酸塩生成装置１００は、処理槽１０の二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水Ｓ０に、ｐＨ調整部Ｐ１０よりアルカリ推進剤を導入することで、被処理水Ｓ０の炭酸イオン（ＣＯ３２－）の存在比が上昇するため、被処理水Ｓ０中のアルカリ土類金属イオン（カルシウムイオン（Ｃａ２＋））と炭酸イオン（ＣＯ３２－）が結合し、炭酸塩（ＣａＣＯ３）が生成されるというものである。
　本実施態様における炭酸塩生成装置１００は、図２に示すように、処理槽１０とｐＨ調整部Ｐ１０を有している。そして、処理槽１０には、被処理水Ｓ０を導入するラインＬ１と、ｐＨ調整部Ｐ１０から処理槽１０内へアルカリ推進剤を供給するラインＬ２を有している。
　また、ｐＨ調整部Ｐ１０は、アルカリ推進剤添加装置Ｐ１１を有している。
　以下、本実施態様における炭酸塩生成装置１００の各構成について詳しく解説する。
（被処理水）
　被処理水Ｓ０は、本実施態様における炭酸塩生成装置１００において、炭酸塩を生成するために処理される二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む水溶液である。本実施態様において利用できる被処理水Ｓ０としては、二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンが存在する水溶液であれば、その由来については特に限定されない。人為的に二酸化炭素を溶解させたり、人為的にアルカリ土類金属イオンとなる物質を溶解させたりしたものであってもよいし、初めから二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンが溶解した水溶液を用いてもよい。例えば、海水、河川水、水道水、純水、工場からの排水・廃水、埋立地の進出水等が挙げられる。
　被処理水Ｓ０は、好ましくは、ｐＨ８．０以下であり、さらに好ましくは、ｐＨ７．５以下であり、特に好ましくは、ｐＨ７．０以下である。
　図５に示すように、塩類（炭酸イオンの塩及びアルカリ土類金属イオンの塩を除く）を含むものを被処理水Ｓ０として用いた場合、被処理水Ｓ０に塩類（炭酸イオンの塩及びアルカリ土類金属イオンの塩を除く）を含有しない場合と比較して、低いｐＨで炭酸イオン（ＣＯ３２－）の比率を上昇させることができるため、炭酸塩（ＣａＣＯ３）を効率よく生成する効果がある。塩類（炭酸イオンの塩及びアルカリ土類金属イオンの塩を除く）を含む被処理水としては、海水が好適に利用できる。
（ｐＨ調整部）
　本実施態様におけるｐＨ調整部Ｐ１０は、アルカリ推進剤添加装置Ｐ１１を備えている。
　アルカリ推進剤添加装置Ｐ１１は、処理槽１０内の被処理水Ｓ０にアルカリ推進剤を添加することにより、被処理水Ｓ０のｐＨを上昇させることを目的とするものである。
　アルカリ推進剤は、処理槽１０内の被処理水Ｓ０にアルカリ推進剤を添加することができれば、どのようなものであってもよい。例えば、処理槽１０の外部に設けられた貯留槽に貯められたアルカリ推進剤をポンプ等で適宜、処理槽１０へ送るものであってもよいし、作業員によりアルカリ推進剤が処理槽１０へ投入されるものとしてもよい。
　アルカリ推進剤については、被処理水Ｓ０中の炭酸（Ｈ２ＣＯ３）及び炭酸水素（ＨＣＯ３－）から水素イオン（Ｈ＋）を電離させ、ｐＨを上昇させることができれば特に限定
されないが、種類としては、例えば、ｐＨ７を超えるものが好適であり、水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）や水酸化カリウム（ＫＯＨ）等が挙げられる。
（処理槽）
　処理槽１０は、被処理水Ｓ０を貯留可能であればよく、特に素材や形状、大きさは問わない。また、ラインＬ１、Ｌ２は、どのように処理槽１０へ接続されていてもよい。例えば、図２に示すようにラインＬ１、Ｌ２は、処理槽１０の上方から接続され、ラインＬ１、Ｌ２から被処理水Ｓ０やアルカリ推進剤が処理槽１０へ導入される部分を被処理水Ｓ０の水面よりも上に設置することで、被処理水Ｓ０やアルカリ推進剤が勢いよく水面へ投入されるように設置してもよい。これにより、空気中の酸素や二酸化炭素をより多く被処理水Ｓ０に加えることができる。
　なお、ラインＬ１、Ｌ２により被処理水Ｓ０やアルカリ推進剤が勢いよく水面へ投入されることで、被処理水中の二酸化炭素濃度が低下してしまう場合は、ラインＬ１、Ｌ２から被処理水Ｓ０やアルカリ推進剤が処理槽１０へ導入される部分を被処理水Ｓ０の液中に設置するとよい。これにより、被処理水Ｓ０やアルカリ推進剤を勢いよく処理槽内に投入しないようにできるため、被処理水Ｓ０の液中の二酸化炭素濃度の低下を防ぐことができる。
〔炭酸塩生成装置１００の動作〕
　以下、本実施態様における炭酸塩生成装置１００の動作について説明する。
　最初に貯留槽１０に被処理水Ｓ０が供給され、処理槽１０内を満たす。ここで、被処理水Ｓ０には、あらかじめ二酸化炭素及びアルカリ土類金属が含まれているため、処理槽１０内では、電離平衡により上記式１の関係が成りたっている。
　次に、貯留槽１０内の被処理水Ｓ０にアルカリ推進剤添加装置Ｐ１１により水酸化ナトリウム等のアルカリ推進剤を添加する。これにより、被処理水Ｓ０中の炭酸（Ｈ２ＣＯ３）及び炭酸水素（ＨＣＯ３－）から水素イオンが電離することで、被処理水Ｓ０のｐＨが上昇する。
　この際、アルカリ推進剤は、被処理水Ｓ０中のアルカリ土類金属イオン（カルシウムイオン）と反応するに十分な炭酸イオンが存在するｐＨとなるように調整される。これより、炭酸イオンとアルカリ土類金属イオン（カルシウムイオン）が反応し、炭酸塩が生成される。
　以上により、本実施態様による炭酸塩生成装置１００によれば、被処理水にあらかじめ二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンが含まれている状態において、ｐＨを高くし、炭酸イオンの存在を多くすることで、炭酸イオンとカルシウムイオンが反応し、最小限のアルカリ化で効率よく炭酸塩を生成できる効果がある。
　また、被処理水Ｓ０中に、アルカリ土類金属イオンの存在する状態において、二酸化炭素を供給することもできる。この場合、被処理水Ｓ０のｐＨは低い状態となり、その後にアルカリ推進剤を添加することで、アルカリ土類金属の水酸化物の生成がされることなく更に最小限のアルカリ化で炭酸塩効率よく生成することができる。
〔第２の実施態様〕
　図３は、本発明の第２の実施態様における炭酸塩生成装置２００を示す概略説明図である。
　図３に示すように、本実施態様における炭酸塩生成装置２００は、処理槽２０、ｐＨ調整部Ｐ２０を備えている。そして、ｐＨ調整部Ｐ２０は電圧印加ユニットＰ２１、電極Ｐ２２ａ、電極Ｐ２２ｂを備えている。また、処理槽２０は被処理水Ｓ０を導入するラインＬ１を備えている。
　本実施態様における炭酸塩生成装置２００は、ｐＨ調整部Ｐ２０として電圧印加ユニットＰ２１に電気的に接続された電極Ｐ２２ａ、電極Ｐ２２ｂを用いることを特徴とするものである。
　以下、本実施態様における炭酸塩生成装置２００の各構成を詳しく説明する。ここで、ラインＬ１及び被処理水Ｓ０については、第１の実施態様における炭酸塩生成装置１００と同一であるため、説明を省略する。
　また、本実施態様における処理槽２０は、後述する電極Ｐ２２ａと電極Ｐ２２ｂが内部に設置されていることを特徴とすること以外は、第１の実施態様における処理槽１０と同一である。
（ｐＨ調整部）
　本実施態様におけるｐＨ調整部Ｐ２０は、電圧印加ユニットＰ２１、電極Ｐ２２ａ、電極Ｐ２２ｂが、該当する。
　電圧印加ユニットＰ２１は、機能については特に限定されない。電圧印加の態様としては、直流電源として、処理槽２０内での炭酸イオンの反応の進行等に合わせて、その出力を調整できることが好ましく、太陽電池、風力、波力、などの再生可能エネルギーや他の施設における余剰電力を利用するものとすることが好ましい。これにより、炭酸塩の生成工程において使用するエネルギーを低減させることが可能となる。特に、発電に際して二酸化炭素を排出しない再生可能エネルギーを用いた場合、二酸化炭素の排出抑制を推進することができるという効果も奏する。
　電極Ｐ２２ａ、Ｐ２２ｂとしては、アノード又はカソードとして機能するものであればよく、材質及び形状については特に限定されない。
　電極Ｐ２２ａ及び電極Ｐ２２ｂは、処理槽２０の内壁に、一方をアノード、他方をカソードとなるように、電圧印加ユニットＰ２１と電気的に接続された状態でそれぞれ配置される。電極Ｐ２２ａ、Ｐ２２ｂの材質の例としては、例えば、電気化学分野で電極材料として広く用いられている炭素や金属（金、白金、銀、パラジウム、ガリウム、ステンレス、銅等）が挙げられる。また、電極Ｐ２２ａ、Ｐ２２ｂの形状の例としては、例えば、平板状、棒状、メッシュ状、又は導電性基板に粒子を塗布した電極基板などが挙げられる。
〔炭酸塩生成装置２００の動作〕
　本実施態様における炭酸塩生成装置２００の動作について説明する。
　最初に、処理槽２０内にラインＬ１を介して被処理水Ｓ０が供給される。そして、電圧印加ユニットＰ２１によって、電極Ｐ２２ａとＰ２２ｂに電圧が印加され、カソード側となる電極Ｐ２２ｂに電子（ｅ－）が帯電する。
　これにより、被処理水Ｓ０内でアノード側となる電極Ｐ２２ａからカソード側となる電極Ｐ２２ｂへと水素イオン（Ｈ＋）が移動する。そして、移動した水素イオンは、電子と反応することで水素分子となり、被処理水Ｓ０から気体として発生し除去される。
　水素イオンが電離したアノード側の電極Ｐ２２ａ付近の被処理水Ｓ０はｐＨが上昇し、炭酸イオン（ＣＯ３
－）の生成が活発になり、結果として炭酸塩（ＣａＣＯ３）が生成される。
　本実施態様における炭酸塩生成装置２００によれば、電圧印加ユニットＰ２１と電極Ｐ２２ａとＰ２２ｂによって、被処理水に電圧が印加されることにより、アノード側電極Ｐ２２ａからカソード側電極Ｐ２２ｂへの水素イオンの移動を誘発し、アノード側電極付近において炭酸イオンを発生させることができる。その結果、より効率よく炭酸塩を生成することができる。
〔第３の実施態様〕
　図４は、本発明の第３の実施態様における炭酸塩生成装置３００を示す概略説明図である。以下、本実施態様における炭酸塩生成装置３００の構成を詳しく解説する。
　本発明の第３の実施態様における炭酸塩生成装置３００は、ｐＨ調整部Ｐ３０として、水素イオン交換膜Ｐ３１と電圧印加ユニットＰ３２と電極Ｐ３３ａと電極Ｐ３３ｂとを備える。ここで、一対の電極（電極Ｐ３３ａ、Ｐ３３ｂ）は水素イオン交換膜Ｐ３１の両側に設けられている。
　本実施態様における炭酸塩生成装置３００の特徴は、処理槽３０内の水素イオンが水素イオン交換膜Ｐ３１を介して、アソード側電極（Ｐ３３ａ）を備える第１室３１ａから、カソード側電極（Ｐ３３ｂ）を備える第２室３１ｂに移動する。イオン交換膜Ｐ３１により、水素イオンのみが第１室３１ａから、第２室３１ｂへ移動するため、水素イオンとその他の分子に分けることができる。これにより、第１室３１ａ内の水素イオン濃度が低下し、ｐＨが上昇することで、炭酸イオンを発生させ、炭酸塩を効率よく生成できる。
　以下に本実施態様における炭酸塩生成装置３００の構成を詳細に説明する。
　ここで、ラインＬ１、被処理水Ｓ０については、第１～３の実施態様における炭酸塩生成装置１００、２００と同一であるため、説明は省略する。
（処理槽）
　本実施態様における処理槽３０は、水素イオン交換膜Ｐ３１により、第１室３１ａと第２室３１ｂとに分けらえている。さらに、第３の実施態様における処理槽３０では、後述するカソード側電極Ｐ３３ｂ付近において発生する水素（Ｈ２）を回収するラインＬ３を備えている。また、ラインＬ３を介して回収された水素の取り扱いについては特に限定されず、貯留施設に移送して貯留するものとしてもよく、あるいは直接ユースポイントに移送してエネルギー源として利用するものとしてもよい。
（ｐＨ調整部）
　本実施態様におけるｐＨ調整部Ｐ３０は、水素イオン交換膜Ｐ３１と電圧印加ユニットＰ３２と電極Ｐ３３ａと電極Ｐ３３ｂとを備える。
　水素イオン交換膜Ｐ３１は、水素イオンを選択的に透過することができる膜である。本実施態様においては、例えば、水素イオン交換膜Ｐ３１としては、水素イオンのみを透過させる機能を有するものであればよく、具体的な成分や構造については特に限定されず、公知のものを用いることができる。例えば、炭素－フッ素からなる疎水性テフロン（登録商標）骨格とスルホン酸基を持つパーフルオロ側鎖から構成されるパーフルオロカーボン材料が挙げられる。電圧印加ユニットＰ３２と電極Ｐ３３ａと電極Ｐ３３ｂについては、第２の実施態様における炭酸塩生成装置２００の電圧印加ユニットＰ２１と電極Ｐ２２ａと電極Ｐ２２ｂと同一のものと同一であるため、説明は省略する。
　本実施態様におけるｐＨ調整部Ｐ３０は、水素イオン交換膜Ｐ３１の両側面を囲うように電極Ｐ３３ａ及び電極Ｐ３３ｂが設置される。電極Ｐ３３ａ、Ｐ３３ｂは、基本的に第２の実施態様における電極Ｐ２２ａ、Ｐ２２ｂと同じものであるが、イオン交換膜Ｐ３１の物質移動を抑制するため、本実施態様における電極Ｐ３３ａ、Ｐ３３ｂの形状としては、例えば、メッシュ状の針金等の細い棒状などが挙げられる。さらに、Ｐ３３ａ、Ｐ３３ｂの別の例にとしては、メッキ処理などの手法により水素イオン交換膜Ｐ３１の表面に直接電極パターンを作成するもの等が挙げられる。このとき、電極パターンの形状は特に限定されないが、水素イオン交換膜Ｐ３１に対する物質移動の阻害を抑制できるものとすることが好ましい。これにより、イオン交換膜Ｐ３１の目詰まりや破損等を防ぐことができる。
〔炭酸塩生成装置３００の動作〕
　以下、本実施態様における炭酸塩生成装置３００の動作について説明する。
　まず、最初に処理槽３０内の第１室３１ａ及び第２室３１ｂに、ラインＬ１を介して被処理水Ｓ０が供給される。
　次に電圧印加ユニットＰ３２によって、電極Ｐ３３ａとＰ３３ｂに電圧が印加され、カソード側電極Ｐ３３ｂにマイナス電子が帯電する。そして、アノード側となる電極３３ａを備える第１室３１ａから、カソード側となる電極３３ｂを備える第２室３１ｂへと水素イオンのみがイオン交換膜Ｐ３１を透過して移動する。これにより、水素イオンの濃度が低下した第１室３１ａ内の被処理水Ｓ０はｐＨが上昇することで、より活発に炭酸イオンが発生するため、多量の炭酸塩が生成される。
　また、第１室３１ａから移動した水素イオン（Ｈ＋）は、カソード側電極である電極Ｐ３３ｂに帯電した電子（ｅ－）を受け取って水素分子（Ｈ２）となり、ラインＬ３を介して処理槽３０より回収される。
　本実施態様における炭酸塩生成装置３００は、電圧印加ユニットＰ３２による電圧に起因する電気透析により、第１室３１ａから第２室３１ｂへの水素イオンの移動を短時間で行うことができることに加え、水素イオン交換膜Ｐ３１によって、第１室３１ａから第２室３１ｂへは水素イオンのみが移動することができるので、効率よく炭酸イオン及び炭酸塩を生成することできる。
　また、カソード側電極Ｐ３３ｂにより電子と水素イオンが反応することで水素を発生させ、ラインＬ３より取り出して別途活用することができる。
　なお、上述した実施態様は、炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法の一例を示すものである。本発明に係る炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法は、上述した実施態様に限られるものではなく、請求項に記載した要旨を変更しない範囲で、上述した実施態様に係る炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法を変形してもよい。
　例えば、第１～３の実施態様の炭酸塩生成装置を組み合わせるものとしてもよい。具体的には、第２、３の実施態様における炭酸塩生成装置２００、３００に、第１の実施態様における炭酸塩生成装置１００のアルカリ推進剤添加装置Ｐ１１を追加してもよい。これにより、よりアルカリ化に必要な時間が短縮され短時間で炭酸塩を生成することが可能となる。また、第２の実施態様の炭酸塩生成装置２００に対して、第３の実施態様の炭酸塩生成装置３００のラインＬ３を用いて、水素を回収するものとしてもよい。これにより、回収した水素を有効活用することができる。
　また、炭酸塩を生成した後のアルカリ化した被処理水を、新たにアルカリ推進剤として用いてもよい。これにより、アルカリ化を行う場合と比較して炭酸塩を省エネルギーで生成することができる。
　本発明の炭酸塩生成装置及び炭酸塩生成方法は、海水等を原料とした炭酸塩の製造に好適に用いることができる。
　また、海水等被処理水中の二酸化炭素を炭酸塩生成のために消費することで、酸性化した海水、工場からの排水・廃水、埋立地の侵出水等のｐＨを適正化する目的にも使用可能である。
１０，２０，３０　処理槽、３１ａ　第１室、３１ｂ　第２室、１００，２００，３００　炭酸塩生成装置、Ｐ１０、Ｐ２０、Ｐ３０　ｐＨ調整部、Ｐ１１　アルカリ推進剤添加装置、Ｐ３１　イオン交換膜、Ｐ２１，Ｐ３２　電圧印加ユニット、Ｐ２２ａ，Ｐ２２ｂ，Ｐ３３ａ，Ｐ３３ｂ　電極、Ｌ１，Ｌ２，Ｌ３　ライン、Ｓ０　被処理水

 

Claims (4)

  1. 　二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水のｐＨを高めるｐＨ調整部を備えることを特徴とする、炭酸塩生成装置。
  2. 　前記ｐＨ調整部は、前記被処理水中の水素イオンを選択的に透過する水素イオン交換膜によることを特徴とする、請求項１に記載された炭酸塩生成装置。
  3. 　前記被処理水は、塩類（炭酸イオンの塩及びアルカリ土類金属イオンの塩を除く）を含むものであることを特徴とする、請求項１又は２に記載の炭酸塩生成装置。
  4. 　二酸化炭素とアルカリ土類金属イオンを含む被処理水のｐＨを高めるｐＨ調整工程を備えることを特徴とする、炭酸塩生成方法。

     
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