(57)【要約】【課題】複数のイオン種を含む液体（例えば、海水）から特定のイオン種を選択的に効率良く抽出することができるイオン抽出装置及びイオン抽出方法を提供する。【解決手段】イオン抽出装置１０は、複数のイオン種を含む液体の流速を加速するノズル１２と、ノズル１２で加速された液体が導入される液体通路３０と、液体通路３０に電場又は磁場を形成して液体に含まれる複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させるイオン偏向手段と、イオン偏向手段によって分散された前記複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に回収するイオン回収手段と、を備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数のイオン種を含む液体の流速を加速するノズルと、
前記ノズルで加速された前記液体が導入される液体通路と、
前記液体通路に電場又は磁場を形成して前記液体に含まれる複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させるイオン偏向手段と、
前記イオン偏向手段によって分散された前記複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に回収するイオン回収手段と、
を備えるイオン抽出装置。
【請求項２】
前記イオン偏向手段は、前記液体通路を流れる液体の進行方向に対し略垂直な第１の方向の電場を印加する第１の電場印加手段を含む請求項１に記載のイオン抽出装置。
【請求項３】
前記イオン偏向手段は、前記液体通路を流れる液体の進行方向に対し略垂直な第２の方向の磁場を印加する磁場印加手段を含む請求項１又は２に記載のイオン抽出装置。
【請求項４】
前記液体通路を流れる液体の進行方向に対し略平行な第３の方向に電場を印加する第２の電場印加手段を更に備える請求項１〜３のいずれか１項に記載のイオン抽出装置。
【請求項５】
前記液体通路は、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜の間に形成された通路である請求項１〜４のいずれか１項に記載のイオン抽出装置。
【請求項６】
前記陽イオン交換膜及び前記陰イオン交換膜の少なくとも一方のイオン交換膜を挟んで前記液体通路とは反対側には、静止液体が収容される収容空間を有する液体槽が設けられる請求項５に記載のイオン抽出装置。
【請求項７】
前記陽イオン交換膜及び前記陰イオン交換膜の少なくとも一方のイオン交換膜を挟んで前記液体通路とは反対側には、陽イオン及び負イオンのうちいずれか一方のみを選択的に透過させるイオン交換樹脂が設けられる請求項６に記載のイオン抽出装置。
【請求項８】
前記イオン回収手段は、前記イオン偏向手段によって分散された前記複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に回収する容器を備える請求項１〜７のいずれか１項に記載のイオン抽出装置。
【請求項９】
複数のイオン種を含む液体の流速をノズルで加速する流速加速工程と、
前記ノズルで加速された液体を液体通路に導入する液体導入工程と、
前記液体通路に電場又は磁場を形成して前記液体通路を流れる液体に含まれる複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させるイオン偏向工程と、
前記イオン偏向工程で分散された前記複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に回収するイオン回収工程と、
を備えるイオン抽出方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、イオン抽出装置及びイオン抽出方法に係り、特に、複数のイオン種を含む液体（例えば、海水）から特定のイオン種を選択的に効率良く回収することができるイオン抽出装置及びイオン抽出方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、ノート型パソコン、携帯電話、電気自動車などの急速な市場拡大に伴い、高エネルギー密度の二次電池の需要が高まっている。二次電池としては、特に、リチウムイオン二次電池やマグネシウムイオン二次電池などの開発が進められている。
【０００３】
このような二次電池を普及させていくためには、大量普及のために必要な二次電池材料を確保することが望まれている。海水中には、リチウムイオンやマグネシウムイオンなどの二次電池材料となるイオン種が含まれている。このため、これらのイオン種を効率的に回収する方法が求められている。
【０００４】
一方、従来より、物質を分析するための方法として、例えば、クロマトグラフィー、イオン交換膜分離法、質量分析法などが知られている（例えば、特許文献１〜４参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−４４５６３号公報
【特許文献２】特開２０１２−６９３５２号公報
【特許文献３】特開２００４−１０１２６１号公報
【特許文献４】特開２００４−２８８８４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、クロマトグラフィーは、物質の大きさ、吸着力、電荷、質量、疎水性などの違いを利用して、成分ごとに分離、精製する方法であるが、成分分析が目的のため、物質の抽出量は極めて微量である。このため、複数のイオン種を含む液体から特定のイオン種を選択的に効率的よく回収することはできない。
【０００７】
また、イオン交換膜分離法では、イオンの極性は分離できても、イオンの種類までは分別することができない問題がある。
【０００８】
また、質量分析法は、そのほとんどは真空の環境条件が必要なため、液体中でのイオン質量分析・抽出はできない問題がある。
【０００９】
このように従来の方法では、複数のイオン種を含む液体から特定のイオン種（例えば、リチウムイオンやマグネシウムイオンなど）を選択的に効率よく回収することはできなかった。
【００１０】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、複数のイオン種を含む液体（例えば、海水）から特定のイオン種を選択的に効率良く抽出することができるイオン抽出装置及びイオン抽出方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記目的を達成するために、本発明の一態様に係るイオン抽出装置は、複数のイオン種を含む液体の流速を加速するノズルと、ノズルで加速された液体が導入される液体通路と、液体通路に電場又は磁場を形成して液体に含まれる複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させるイオン偏向手段と、イオン偏向手段によって分散された複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に回収するイオン回収手段と、を備える。
【００１２】
本発明の一態様において、イオン偏向手段は、液体通路を流れる液体の進行方向に対し略垂直な第１の方向の電場を印加する第１の電場印加手段を含むことが好ましい。
【００１３】
また、本発明の一態様において、イオン偏向手段は、液体通路を流れる液体の進行方向に対し略垂直な第２の方向の磁場を印加する磁場印加手段を含むことが好ましい。
【００１４】
また、本発明の一態様において、液体通路を流れる液体の進行方向に対し略平行な第３の方向に電場を印加する第２の電場印加手段を更に備えることが好ましい。
【００１５】
また、本発明の一態様において、液体通路は、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜の間に形成された通路であることが好ましい。
【００１６】
また、本発明の一態様において、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜の少なくとも一方のイオン交換膜を挟んで液体通路とは反対側には、静止液体が収容される収容空間を有する液体槽が設けられることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の一態様において、陽イオン交換膜及び陰イオン交換膜の少なくとも一方のイオン交換膜を挟んで液体通路とは反対側には、陽イオン及び負イオンのうちいずれか一方のみを選択的に透過させるイオン交換樹脂が設けられることが好ましい。
【００１８】
また、本発明の一態様において、イオン回収手段は、イオン偏向手段によって分散された複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に回収する容器を備えることが好ましい。
【００１９】
本発明の別の態様に係るイオン抽出方法は、複数のイオン種を含む液体の流速をノズルで加速する流速加速工程と、ノズルで加速された液体を液体通路に導入する液体導入工程と、液体通路に電場又は磁場を形成して液体通路を流れる液体に含まれる複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させるイオン偏向工程と、イオン偏向工程で分散された複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に回収するイオン回収工程と、を備える。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、所定の流速に加速された液体に含まれる複数のイオン種を電場又は磁場を利用して互いに異なる方向に分散させるようにしたので、複数のイオン種を含む液体から特定のイオン種を選択的に効率良く抽出することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の一実施形態に係るイオン抽出装置の全体を示した概略図
【図２】ノズルを先端側（イオン抽出部側）から見た正面図
【図３】イオン抽出部の断面図（図１中３−３線に沿う断面図）
【図４】電場と陽イオンの到達位置との関係を説明するための図
【図５】本発明の第１実施形態に係るイオン抽出装置の全体構成図
【図６】イオン抽出方法の流れの一例を示したフロー図
【図７】本発明の第１実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の他の例を示した図
【図８】本発明の第２実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の一例を示した図
【図９】本発明の第３実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の一例を示した図
【図１０】本発明の第４実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の一例を示した図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２３】
＜第１実施形態＞
図１は、本発明の第１実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の一例を示した図である。図２は、ノズルを先端側（イオン抽出部側）から見た正面図である。図３は、イオン抽出部の断面図（図１中３−３線に沿う断面図）である。
【００２４】
図１に示すように、イオン抽出装置１０は、複数のイオン種を含む液体（例えば、濃縮海水）の流速を加速するノズル１２と、ノズル１２で加速された液体が導入され、その液体に含まれる特定のイオン種を選択的に抽出するイオン抽出部１４と、を備える。
【００２５】
ノズル１２は、イオン抽出部１４の前段部に配置され、液体流れ方向（図１において矢印Ａで示す方向）に向かって流路断面積が次第に細くなる先絞り（テーパ状）に形成されている。すなわち、ノズル１２は、液体流れ方向に向かって上流側（基端側、液体入口側）の流路断面積よりも下流側（先端側、液体出口側）の流路断面積の方が小さく形成されており、イオン抽出部１４に供給される液体の流れを絞って圧力エネルギーを速度エネルギーに変換することにより上記液体の流速を加速する。ノズル１２によって加速された液体はイオン抽出部１４に向かって噴射される。
【００２６】
なお、図２に示すように、ノズル１２の先端開口部１２ａは、水平方向に細長のスリット状に形成されており、先端開口部１２ａから平板状のジェット流（加速流）がイオン抽出部１４に向かって噴射される。なお、ノズル１２の先端開口部１２ａの開口形状は、図２に示した例に限定されず、他の形状（例えば円形状、楕円状など）であってもよい。
【００２７】
図１及び図３に示すように、イオン抽出部１４は、対向する一対の電極である正電極２０、負電極２２を備える。正電極２０、負電極２２は、電源２４の正極側、負極側にそれぞれ接続される。なお、本発明の第１の電場印加手段は、正電極２０、負電極２２、及び電源２４によって構成される。
【００２８】
正電極２０と負電極２２の間には、正電極２０側に陰イオン交換膜２６、負電極２２側に陽イオン交換膜２８がそれぞれ設けられる。陰イオン交換膜２６、陽イオン交換膜２８は、それぞれ、陰イオン及び陽イオンのうちいずれかのみを選択的に通過させる隔膜（樹脂膜）である。すなわち、陰イオン及び陽イオンのうち、陰イオン交換膜２６は陰イオンのみを通過させ、陽イオン交換膜２８は陽イオンのみを通過させる。
【００２９】
陰イオン交換膜２６と陽イオン交換膜２８の間は、ノズル１２で加速された液体が流入、通過する液体通路３０として構成される。
【００３０】
正電極２０と陰イオン交換膜２６の間には、流れのない水溶液（静止液体）を収容する収容空間を有する液体槽３２が設けられる。同様に、負電極２２と陽イオン交換膜２８の間には、流れのない水溶液（静止液体）を収容する収容空間を有する液体槽３４が設けられる。各液体槽３２、３４には、流れのない水溶液として、例えば真水が収容される。
【００３１】
液体槽３４の底部（図１において負電極２２側）には、陽イオン交換膜２８を介して液体槽３４に流れ込んだ陽イオンを蓄積して回収するための液体回収部３６が設けられる。液体回収部３６は、液体流れ方向に沿って所定の間隔で複数に分割された複数の容器３８、３８、３８を備える。各容器３８には、それぞれ所望のイオン種が濃縮された濃縮液が貯留される。各容器３８には、それぞれ取出口４０が設けられており、各容器３８内に貯留された濃縮液はそれぞれ取出口４０から個別に回収することができる構成となっている。なお、各取出口４０にはそれぞれバルブ４１が設けられおり、それぞれ対応するバルブ４１を開くことによって各取出口４０から濃縮液を個別に回収することができる。
【００３２】
次に、本発明の実施形態に係るイオン抽出装置の動作原理について説明する。
【００３３】
イオン抽出部１４では、電源２４によって正電極２０と負電極２２の間に電場が印加されており、ノズル１２で所定の流速に加速された液体が液体通路３０に導入されると、その液体に含まれる複数のイオン種は帯電の向きにより進行方向を正電極２０側又は負電極２２側に偏向される。なお、帯電の向きとは、選別イオン種がプラスに帯電するかマイナスに帯電するかを意味する。つまり、プラスに帯電している陽イオンは、負電極２２側に偏向されて陽イオン交換膜２８を介して液体槽３４に流れ込む。また、マイナスに帯電している陰イオンは、正電極２０側に偏向されて陰イオン交換膜２６を介して液体槽３２に流れ込む。
【００３４】
このとき、液体に含まれる複数のイオン種が電場から受けるクーロン力はイオン種毎に異なるので、負電極２２側に偏向された陽イオンはイオン種毎に異なる方向に分散させられる。このようにして陽イオン交換膜２８を介して液体槽３４に流れ込んだ陽イオンは、液体槽３４の底部に設けられる液体回収部３６に蓄積される。液体回収部３６には、陽イオンが到達する位置にイオン種毎に異なる容器３８が設けられているので、液体回収部３６に蓄積される陽イオンは、イオン種に応じて各容器３８のいずれかに蓄積される。これにより、各容器３８にそれぞれ対応する取出口４０から陽イオンの濃縮液を回収することが可能となる。
【００３５】
ここで、電場Ｅ［Ｖ／ｍ］と陽イオンの到達位置（水平方向の移動距離）Ｘ［ｍ］との関係について図４を参照して説明する。同図に示すように、ノズル１２から出射される液体の流速（陽イオンの速度）をＶ［ｍ／ｓ］、陽イオンの電荷をＱ［Ｃ］、質量をＭ［ｇ］、陽イオンの偏向距離（垂直方向の移動距離）をＬ［ｍ］としたとき、次式の関係が成り立つ。
【００３６】
Ｘ＝Ｖ×｛２×Ｍ×Ｌ／（Ｑ×Ｅ）｝１／２      ・・・（１）
例えば、電場Ｅ＝０．０１［Ｖ／ｍ］、流速Ｖ＝１０［ｍ／ｓ］、陽イオンの偏向距離Ｌ＝５０［ｍｍ］としたとき、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）の場合は到達位置Ｘ＝２５［ｍｍ］となる。また、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）の場合は到達位置Ｘ＝１３８［ｍｍ］となる。
【００３７】
このように陽イオンの到達位置Ｘは、イオン種に応じて互いに異なる位置となるので、電場Ｅ及び液体の流速Ｖを調整することによって、液体回収部３６に設けられた各容器３８に陽イオンをイオン種毎に個別に蓄積することが可能となる。そして、各容器３８にそれぞれ蓄積された陽イオンの濃縮液を各取出口４０から取り出すことによって、複数種類の陽イオンを選択的に、かつ同時に抽出することができる。
【００３８】
図５は、本発明の第１実施形態に係るイオン抽出装置の全体構成図である。同図に示すように、イオン抽出装置１０は、複数のイオン種を含む液体（例えば、濃縮海水）をイオン抽出部１４に循環させる液体循環機構５０を備える。
【００３９】
液体循環機構５０は、供給口５４及び排出口５６を有する管路５２を備える。管路５２は、イオン抽出部１４に循環させる液体が流れる液体管路であり、腐食性に優れ、磁性をもたないガラス材やステンレス、アクリル材等によって好ましく構成される。
【００４０】
供給口５４は、イオン抽出部１４に循環させる液体を管路５２に供給するための供給部として構成される。供給口５４には供給管路（不図示）の一端が接続され、その他端は液体供給タンク（不図示）に接続される。液体供給タンクには、例えば濃縮海水などのイオン含有水溶液が貯留される。
【００４１】
排出口５６は、イオン抽出部１４を循環した液体を管路５２から排出するための排出部として構成される。排出口５６には排出管路（不図示）の一端が接続され、その他端は液体回収タンク（不図示）に接続される。液体回収タンクには、排出口５６から排出された液体、すなわち、イオン抽出部１４を循環して淡水化された液体が貯蔵される。
【００４２】
管路５２には、ポンプ５８が設けられる。ポンプ５８は、管路５２内の液体に流れを発生させる液体移送手段であるとともにノズル１２に向けて液体に圧力を加える加圧装置としても機能する。ポンプ５８を駆動すると、管路５２内の液体は供給口５４からイオン抽出部１４に向かう方向、すなわち、液体流れ方向（図５において矢印Ａで向かう方向）に向かって液体の流れが形成される。
【００４３】
管路５２において、ポンプ５８よりも液体流れ方向下流側にはノズル１２が設けられる。上述したように、ノズル１２はイオン抽出部１４の前段部に配置され、イオン抽出部１４に供給される液体の流速を加速する。
【００４４】
イオン抽出部１４の構成については上述したとおりであるので、ここでは説明を省略する。
【００４５】
次に、上記の如く構成されたイオン抽出装置１０の作用について説明する。
【００４６】
複数のイオン種を含む液体（例えば、濃縮海水）が供給口５４を介して管路５２に供給され、ポンプ５８を作動させると、管路５２内の液体は液体流れ方向に流れる。このとき、管路５２をイオン抽出部１４に向かって流れる液体はノズル１２で所定の流速以上に加速され、ノズル１２からイオン抽出部１４に向かって噴射される。
【００４７】
そして、ノズル１２から噴射された液体は、イオン抽出部１４の液体通路３０に導入される。このとき、電源２４により正電極２０と負電極２２との間には電場が印加されており、液体通路３０を流れる液体に含まれる複数のイオン種は、帯電の向きにより進行方向が正電極２０側又は負電極２２側に偏向される。
【００４８】
すなわち、マイナスに帯電している陰イオンは、正電極２０側に偏向されて陰イオン交換膜２６を介して液体槽３２に流れ込む。なお、本実施形態では、液体槽３２に流れ込んだ陰イオンの抽出を行わない構成となっているが、陽イオン側と同様の構成を適用して、複数種類の陰イオンを選択的に抽出してもよい。
【００４９】
一方、プラスに帯電している陽イオンは、負電極２２側に偏向されて陽イオン交換膜２８を通過して液体槽３４に流れ込む。液体槽３４の底部には複数の容器３８からなる液体回収部３６が設けられており、液体槽３４に流れ込んだ陽イオンは、イオン種に応じて各容器３８のいずれかに蓄積される。なお、電場Ｅと、ノズル１２から噴射される液体の流速Ｖとを調整することによって、陽イオンの到達位置Ｘを変化させることができる。また、イオン種に応じて電場Ｅから受けるクーロン力が異なるため、イオン種毎に陽イオンの到達位置Ｘを異ならせることができ、その到達位置Ｘにそれぞれ容器３８を配置することで、液体槽３４に流れ込んだ陽イオンをイオン種毎に回収することができる。
【００５０】
このようにして各容器３８に蓄積された陽イオンの濃縮液は、各容器３８に設けられた取出口４０を介して取り出すことで、取り出した濃縮液から所望のイオン種を抽出することができる。
【００５１】
また、イオン抽出部１４でイオン種が抽出されて淡水化された液体の一部は、管路５２を介して排出口５６から排水され、残りの液体は管路５２を介してイオン抽出部１４に再循環される。
【００５２】
次に、本実施形態のイオン抽出装置１０を用いたイオン抽出方法について図６を参照して説明する。図６は、イオン抽出方法の流れの一例を示したフロー図である。ここでは、複数のイオン種を含む液体として濃縮海水が用いられる場合を一例に説明する。
【００５３】
まず、濃縮海水を生成する（ステップＳ１０）。濃縮海水の生成方法としては、例えば、海水を熱して水分を蒸発させることによって濃縮海水を生成する。濃縮海水は、供給口５４を介して管路５２に供給される。
【００５４】
次に、ポンプ５８を駆動して、管路５２内の濃縮海水に液体流れ方向の流れを作る（ステップＳ１２）。
【００５５】
次に、イオン抽出部１４に導入される濃縮海水をポンプ５８によって圧力を調整し、ノズル１２で所定の流速（好ましくは１０ｍ／ｓ）に加速する（ステップＳ１４）。
【００５６】
次に、イオン抽出部１４において、正電極２０と負電極２２の間に印加される電場によって、液体通路３０を流れる濃縮海水に含まれる複数のイオン種を互いに異なる方向に分散させる（ステップＳ１６）。なお、後述する他の実施形態のように、電場に代えて、磁場を用いる態様や、電場と磁場の両方を用いる態様がある。
【００５７】
次に、一定時間が経過するまでイオン抽出部１４に濃縮海水を循環させた後、液体回収部３６の各容器３８に蓄積された特定のイオン種（例えば、リチウムイオンやマグネシウムイオンなど）を含む濃縮液を取出口４０から抽出する（ステップＳ１８）。
【００５８】
そして、以上のプロセスを繰り返すことにより、所望のイオン種を選択的、かつ同時に抽出することができる。
【００５９】
以上のとおり、本実施形態によれば、ノズル１２で所定の流速（好ましくは１０ｍ／ｓ以上）に加速された液体（イオン含有水溶液）がイオン抽出部１４の液体通路３０に導入されると、正電極２０と負電極２２との間に印加される電場によって、液体通路３０を流れる液体に含まれるイオン種は、帯電の向きにより進行方向が正電極２０側又は負電極２２側に偏向される。これにより、マイナスに帯電している陰イオンは、正電極２０側に偏向されて陰イオン交換膜２６を介して液体槽３２に流れ込む。また、プラスに帯電している陽イオンは、負電極２２側に偏向されて陽イオン交換膜２８を通過して液体槽３４に流れ込む。
【００６０】
このとき、プラスに帯電している陽イオンは、電場から受けるクーロン力によってイオン種に応じて互いに異なる方向に分散される。このため、陽イオン交換膜２８を介して液体槽３４に流れ込んだ陽イオンは、イオン種に応じて互いに異なる位置に配置される各容器３８のいずれかに蓄積される。そして、各容器３８に設けられた取出口４０からそれぞれ濃縮液を取り出すことにより、各濃縮液から所望のイオン種を抽出することができる。すなわち、イオン抽出部１４において、複数のイオン種に選択的に、かつ同時に回収することが可能となる。
【００６１】
したがって、リチウムイオンやマグネシウムイオンなどの二次電池材料となるイオン種を、海水等の液体（イオン含有水溶液）から効率良く抽出することができる。
【００６２】
また、本実施形態では、電場を印加する際と流水を作る際にのみ電力を使用するため、非常に低電力で、システムを構成することができる。さらに、消費電力が少ないため、再生可能エネルギー（太陽光等）の電力で賄うことも可能となる。
【００６３】
また、イオン抽出部１４では、液体通路３０を通過する液体のイオン濃度を低下して淡水化することができる。すなわち、濃縮海水などから真水を生成することも可能となる。
【００６４】
なお、本実施形態では、ノズル１２の先端開口部１２ａは、イオン抽出部１４に近接した位置に配置されることが好ましい。ノズル１２の先端開口部１２ａから出射された液体をイオン抽出部１４の液体通路３０以外に漏出するのを防ぐことが可能となる。
【００６５】
また、本実施形態では、各液体槽３２、３４には、ノズル１２側（液体流れ方向上流側）に隔離壁として保護膜４２が設けられることが好ましい。この構成によれば、液体槽３２、３４を保護膜４２によってノズル１２が配置される側の空間部（流路部）から隔離することができるので、ノズル１２の先端開口部１２ａから流出する液体の影響（乱流など）を受けることなく、各液体槽３２、３４内に収容された流れのない液体を静定した状態で安定的に維持することが可能となる。これによって、後述するイオン種の抽出を高精度に行うことが可能となる。
【００６６】
また、本実施形態では、正電極２０と陰イオン交換膜２６の間、及び負電極２２と陽イオン交換膜２８の間には、それぞれ流れのない水溶液が収容される液体槽３２、３４を備えた構成を採用したが、これに限らず、例えば、図７に示す構成を採用することも可能である。
【００６７】
図７は、本発明の第１実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の他の例を示した図である。図７において、これまでに示した図の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付している。
【００６８】
図７に示すイオン抽出部１４は、正電極２０と陰イオン交換膜２６の間に陰イオン交換樹脂６０が設けられる。また、負電極２２と陽イオン交換膜２８の間に陽イオン交換樹脂６２が設けられる。各イオン交換樹脂６０、６２は、それぞれ陰イオン、陽イオンのみを透過させる樹脂により構成される。
【００６９】
かかる構成によれば、陽イオン交換膜２８を通過した陽イオンが各容器３８に到達するまでの領域が陽イオン交換樹脂６２によって構成されているので、この間の領域が流れのない水溶液で満たされている場合に比べて陽イオンの到達位置の制御が容易となり、イオン種の分離をより正確かつ高分解能に行うことができる。
【００７０】
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態について説明する。以下、第１実施形態と共通する部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的部分を中心に説明する。
【００７１】
図８は、本発明の第２実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の一例を示した図である。図８において、これまでに示した図の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付している。また、図中の「○」の中に「×」が記載されたものは、紙面の手間から奥へ向かう矢印を意味している。
【００７２】
第１実施形態は、電場を利用して特定のイオン種を選択的に抽出する構成であるのに対し、第２実施形態は、磁場を利用して特定のイオン種を選択的に抽出する構成である。
【００７３】
すなわち、第２実施形態では、図８に示すように、イオン抽出部１４は、磁場印加手段として磁性部材６４を備える。磁性部材６４は、液体通路３０において液体の進行方向（図８において水平方向）に対して垂直な方向（図８において紙面の手前から奥に向かう方向）に磁場を発生させる部材であり、例えば、永久磁石や電磁石により好ましく構成される。
【００７４】
ここで、磁場Ｂ［Gauss］と陽イオンの到達位置（水平方向の移動距離）Ｘ［ｍ］との関係については、ノズル１２から出射される液体の流速（陽イオンの速度）をＶ、陽イオンの電荷をＱ［Ｃ］、質量をＭ［ｇ］、陽イオンの偏向距離（垂直方向の移動距離）をＬ［ｍ］、陽イオンが偏向する際の回転半径をＲ［ｍ］とすると、
Ｒ＝Ｖ×Ｍ／（Ｑ×Ｂ）・・・（２）
が成り立つ。したがって、陽イオンの到達位置Ｘは、
Ｘ＝{（２×Ｍ×Ｖ）／（Ｑ×Ｂ）−Ｌ２}１／２・・・（３）
として求められる。
【００７５】
例えば、磁場Ｂ＝０．１［Gauss］、流速Ｖ＝１０［ｍ／ｓ］、陽イオンの偏向距離Ｌ＝５０［ｍｍ］としたとき、マグネシウムイオン（Ｍｇ２＋）の場合は到達位置Ｘ＝２５［ｍｍ］となる。また、ナトリウムイオン（Ｎａ＋）の場合は到達位置Ｘ＝１３８［ｍｍ］となる。
【００７６】
このように陽イオンの到達位置Ｘは、イオン種に応じて互いに異なる位置となるので、磁場Ｂ及び液体の流速Ｖを調整することによって、液体回収部３６に設けられた各容器３８に陽イオンをイオン種毎に個別に蓄積することが可能となる。そして、各容器３８にそれぞれ蓄積されたイオン濃縮液を各取出口４０から取り出すことによって、所望のイオン種を選択的に、かつ同時に抽出することができる。
【００７７】
なお、第２実施形態に係るイオン抽出装置１０の全体構成については、イオン抽出部１４の構成が異なること以外は、図５に示した第１実施形態における構成と同様であるので、ここでは説明を省略する。
【００７８】
以上のとおり、第２実施形態によれば、磁場を利用して陽イオンの到達位置Ｘをイオン種毎に変えることができるので、第１実施形態と同様に、所望のイオン種を選択的に、かつ同時に抽出することができる。
【００７９】
また、第２の実施形態では、磁場印加手段として永久磁石を用いる態様が好ましく、第１実施形態に比べて消費電力をさらに低減させる効果がある。
【００８０】
また、第２実施形態では、正電極２０と陰イオン交換膜２６の間、及び負電極２２と陽イオン交換膜２８の間には、それぞれ流れのない水溶液が収容される液体槽３２、３４を備えた構成を採用したが、これに限らず、例えば、図７に示した構成と同様に、液体槽３２、３４に代えて、陰イオン交換樹脂、陽イオン交換樹脂で構成してもよい。
【００８１】
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態について説明する。以下、第１実施形態と共通する部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的部分を中心に説明する。
【００８２】
図９は、本発明の第３実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の一例を示した図である。図９において、これまでに示した図の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付している。
【００８３】
第３実施形態では、図９に示すように、液体通路３０を挟むようにして対向して配置された一対の電極（正電極２０及び負電極２２）からなる電場印加手段（第１の電場印加手段）とは別に、第１電場印加手段によって印加される電場の方向（図８において上側から下側に向かう方向）に対して略垂直な方向に電場を印加する電場印加手段（第２の電場印加手段）を備える。
【００８４】
すなわち、第３実施形態では、イオン抽出部１４は、正電極２０側の液体槽３２を挟むようにして対向して配置された一対の電極として正電極７０、負電極７２を備える。正電極７０、負電極７２は電源７４の正極側、負極側に接続され、それぞれイオン抽出部１４の液体流れ方向の下流側、上流側に配置される。これにより、液体通路３０を流れる液体の進行方向に略平行であって前記進行方向とは反対方向（図８において左側から右側に向かう方向）の電場が印加される。
【００８５】
また、イオン抽出部１４は、負電極２２側の液体槽３４を挟むようにして対向して配置された一対の電極として正電極８０、負電極８２を備える。正電極８０、負電極８２は電源８４の正極側、負極側に接続され、それぞれイオン抽出部１４の液体流れ方向の上流側、下流側に配置される。これにより、液体通路３０を流れる液体の進行方向に略平行であって前記進行方向と同一方向（図８において右側から左側に向かう方向）の電場が印加される。
【００８６】
かかる構成により、液体通路３０を流れる液体に含まれるイオン種は、正電極２０と負電極２２との間に印加される電場によって、帯電の向きにより進行方向が正電極２０側又は負電極２２側に偏向される。すなわち、マイナスに帯電している陰イオンは、正電極２０側に偏向されて陰イオン交換膜２６を介して液体槽３２に流れ込む。また、プラスに帯電している陽イオンは、負電極２２側に偏向されて陽イオン交換膜２８を通過して液体槽３４に流れ込む。
【００８７】
このとき、液体槽３４に流れ込んだ陽イオンは、正電極８０と負電極８２との間に印加される電場によって、液体通路３０を流れる液体の進行方向と同方向のクーロン力が作用するので、より広範囲にわたってイオン種毎に互いに異なる方向に分散される。このため、イオン種による到達位置により大きな差ができるため、イオン種の分離をより高分解能で行うことができる。
【００８８】
なお、マイナスにプラスに帯電している陰イオンも同様に、正電極７０と負電極７２との間に印加される電場によって、液体通路３０を流れる液体の進行方向と同方向のクーロン力が作用するので、より広範囲にわたってイオン種毎に互いに異なる方向に分散される。
【００８９】
以上のとおり、第３実施形態によれば、イオンの通過する領域に２方向に電場が形成されるので、イオン種の分離をより高分解能で行うことができる。これにより、液体に含まれる複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に効率良く抽出することが可能となる。
【００９０】
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態について説明する。以下、第１及び第２実施形態と共通する部分については説明を省略し、本実施形態の特徴的部分を中心に説明する。
【００９１】
図１０は、本発明の第４実施形態に係るイオン抽出装置の基本構成の一例を示した図である。図１０において、これまでに示した図の構成要素と同一又は対応する構成要素には同一の符号を付している。
【００９２】
第４実施形態は、第１実施形態と第２実施形態を組み合わせた態様である。すなわち、電場及び磁場の両方を利用して、陽イオンの到達位置Ｘをイオン種毎に変えるものである。これにより、電場及び磁場のいずれか一方のみである場合に比べて、陽イオンの到達位置Ｘの制御の自由度が広がり、より細かな微調整が可能となる。また、イオン種の分離を高分解能に行うことができる。したがって、液体に含まれる複数のイオン種のうち特定のイオン種を選択的に効率良く抽出することが可能となる。
【００９３】
また、第４実施形態によれば、電場と磁場の両方を組み合わせて、陽イオン収集効率の良い条件を選択することができる。
【００９４】
以上、本発明のイオン抽出装置及びイオン抽出方法について詳細に説明したが、本発明は、以上の例には限定されず、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、各種の改良や変形を行ってもよいのはもちろんである。
【符号の説明】
【００９５】
１０…イオン抽出装置、１２…ノズル、１４…イオン抽出部、２０…正電極、２２…負電極、２４…電源、２６…陰イオン交換膜、２８…陽イオン交換膜、３０…液体通路、３２…液体槽、３４…液体槽、３６…液体回収部、３８…液体容器、４０…取出口、４２…保護膜、５０…液体循環機構、５２…管路、５４…供給口、５６…排出口、５８…ポンプ、６０…陰イオン交換樹脂、６２…陽イオン交換樹脂、６４…磁性部材、７０…正電極、７２…負電極、７４…電源、８０…正電極、８２…負電極、８４…電源
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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