(57)【要約】  順方向バイアスを確立又は強化するために制御可能な浸透圧剤を用いる順方向浸透装置及び方法が開示される。従来の浸透圧環境では制御可能な浸透圧剤は、流出液に選択的に添加され、該流出液への流入溶媒の輸送に有利な浸透圧不均衡を確立又は強化する。流入溶媒の流出液への所望の輸送の後、前記制御可能な浸透圧剤は、前記輸送された溶媒及び／又は濃縮された流入液が除去されるように、例えば磁力によって単離されるか、除去されるか、中和される。前記制御可能な浸透圧剤は、例えば、磁力、電荷及び濾過のような流出溶媒に目立った影響を与えない外部の影響に反応する組成物を含む。バッチ処理及び連続処理の方法及び装置も開示される。
2008526467.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１枚の半透膜を用いて、第１の溶媒を含む第１の流体溶液を第２の溶媒を含
む第２の流体溶液から分離するステップと、
少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤の十分量を第２の流体溶液に導入し、第１の溶
液を第２の流体溶液中へ移動させるような浸透圧不均衡を第１及び第２の流体溶液の間に
発生させるステップと、
第１の溶液の溶媒を、少なくとも１枚の半透膜を通して第２の溶液へ移動させるステッ
プとを含む、精製流出液の製造又は流入液の濃縮をする方法。
【請求項２】
第２の溶液の溶媒中の制御可能な浸透圧剤を少なくとも部分的に単離することにより、
前記制御可能な浸透圧剤を実質的に含まない第２の溶液の溶媒を回収可能とするステップ
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
第２の溶液の溶媒中の制御可能な浸透圧剤を少なくとも部分的に除去することにより、
該制御可能な浸透圧剤を実質的に含まない第２の溶液の溶媒を回収可能とするステップを
含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
第２の溶液の溶媒中の制御可能な浸透圧剤を少なくとも部分的に中和することにより、
前記制御可能な浸透圧剤を実質的に含まない第２の溶液の溶媒を回収可能とするステップ
を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
第２の溶液の溶媒の少なくとも一部を回収するステップと、除去された制御可能な浸透
圧剤の少なくとも一部を、残存する第２の溶液の少なくとも前記一部に再び導入するステ
ップとを含む、請求項３に記載の方法。
【請求項６】
第２の溶液に第２の浸透圧剤を添加し、前記少なくとも１枚の半透膜を通した浸透圧フ
ラックス速度を増大させるステップを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
第２の浸透圧剤は求める第２の溶液の溶質であり、前記制御可能な浸透圧剤は第２の溶
液の溶媒の回収に先立って実質的に除去される、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
浸透圧強化組成物を導入するか、又は浸透圧強化法を実行するかのいずれかステップを
含む、請求項１に記載の方法。
【請求項９】
第２の溶液の溶媒中の前記制御可能な浸透圧剤を少なくとも部分的に繰り返し除去する
ステップと、前記制御可能な浸透圧剤を実質的に含まない第２の溶液の溶媒の少なくとも
一部を回収するステップと、除去された前記制御可能な浸透圧剤の少なくとも一部を残存
する第２の溶液の溶媒の前記一部に再び導入するステップとを含む、請求項１に記載の方
法。
【請求項１０】
前記制御可能な浸透圧剤は、磁力、電荷、又は濾過の少なくともいずれかに反応する、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１１】
内部空間を規定する第１の流体槽を含む、精製流出液の製造又は流入液の濃縮装置であ
って、
第１の流体槽は、前記内部空間と周囲環境との間に第１の流体溶液の溶媒に対して半透
性を有する少なくとも１枚の膜と、前記内部空間に含まれる制御可能な浸透圧剤とを含み
、
第１の流体溶液の溶媒が前記少なくとも１枚の膜に接触したときに該少なくとも１枚の
膜を透過し、前記少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤ととともに第２の流体溶液を生
ずるように構成される、精製流出液の製造又は流入液の濃縮装置。
【請求項１２】
第１の流体溶液から第２の流体溶液へ向かう順方向浸透圧バイアスが、第２の流体溶液
が浸透圧平衡に達する前に確立されるように構成される、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
第１の流体槽は第１の流体溶液の溶媒のバッチ輸送を促進するために密封することがで
きる、請求項１１に記載の装置。
【請求項１４】
第１の流体槽は装置運転中の第１の流体溶液の溶媒の連続輸送を促進するために少なく
とも１つの排出口を有する、請求項１１に記載の装置。
【請求項１５】
前記制御可能な浸透圧剤を単離、除去又は中和する手段のうちの１つを含む、請求項１
１に記載の装置。
【請求項１６】
第２の溶液の溶媒の少なくとも一部を回収する手段と、除去された前記制御可能な浸透
圧剤の少なくとも一部を残存する第２の溶液の溶媒の前記一部に再び導入する手段とを含
む、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
装置運転中に前記少なくとも１枚の半透膜を通した浸透圧フラックス速度を増大させる
第２の浸透圧剤を内部空間に含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１８】
浸透圧強化組成物を導入する手段か、浸透圧強化法に関連する手段かのうちの１つを含
む、請求項１１に記載の装置。
【請求項１９】
フィルタ要素を含む、請求項１１に記載の装置。
【請求項２０】
前記制御可能な浸透圧剤は、磁力、電荷、又は濾過の少なくともいずれかに反応する、
請求項１１〜１９のいずれか１項に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、少なくとも部分的に、動力として浸透圧を利用する流体輸送の分野に関する
。
【背景技術】
【０００２】
浸透圧平衡状態にない２種類の液体を仕切るバリヤとして、半透膜を使用することは周
知で、１７００年代半ばのフランスの科学文献に最初の記載がある。かかる膜は、溶液の
溶媒を透過させるが、溶質は透過させない。あるモル濃度の溶質からなる処理／濾過対象
の開始溶液が流入液と考えられる。あるモル濃度の溶質からなる処理／濾過後の終溶液は
流出液と考えられる。前記流出液のモル濃度が流入液のそれと異なる場合に、これら２つ
の溶液間に浸透圧差が生ずる。流入液溶媒に順方向の浸透圧バイアスを生じさせるために
は、流出液の溶質のモル濃度又は浸透圧ポテンシャルが、流入液の溶質のモル濃度又は浸
透圧ポテンシャルよりも大きくなければならない。
【０００３】
モル濃度は溶媒１リットル当たりの溶質分子の数を指す。一般に、溶媒中の溶質分子の
数が多い程、その浸透圧はかかる溶質を含まない溶媒と比べて大きくなる。この溶質の差
は浸透圧の不均衡を生み出し、浸透圧という自然の力が、流出液から流入液を隔てる半透
膜を通過するようにこれら２溶液間の浸透圧平衡が達成されるまで溶媒を駆動する。例え
ば、流入液を淡水、流出液を海水とすると、溶質は海水塩、溶媒は淡水である。流出液は
溶質のモル濃度が高いので、淡水は、浸透バランスが達成されるまで膜を通過する。
【０００４】
上述の例にもかかわらず、操業の大部分は流入液に比べて「より綺麗な」流出液を得る
ことを目的としている。上述の例では、流出液は「水で薄めた」海水となり、一般的には
有利なプロセス最終産物とは考えられない。通常の条件下では、溶液から流入液の溶媒を
分離することが望まれる。
【０００５】
逆浸透は、溶質を含む溶液を半透膜に強制的に通過させることによりこの目的を達成し
ようとするものであり、これにより膜で前記溶質（例えば、海水塩等）を「濾別（filter
out）」し、溶媒を通過させて、溶媒のみを含む流出液（例えば、淡水）を生成する。し
かし、逆浸透には高圧が必要であること、使用時及び保管時の膜の保全性、複雑さ等、多
くの欠点がある。
【０００６】
順方向浸透機構(forward osmosis)を働かせるためには、流出液の溶質モル濃度又は浸
透圧ポテンシャルが流入液の溶質モル濃度又は浸透圧ポテンシャルよりも高くなければな
らない。しかし、前記流出液がしばしば極めて溶質のモル濃度の低い淡水（ありふれた溶
媒）であることが問題である。従前、解決策の１つとして、炭水化物や電解質などの有用
な溶質を導入し、流出液の溶質のモル濃度を穏やかに上昇させることが行われてきた。し
たがって、逆浸透の欠点を生ずることなく、例えば、非飲料水から飲料水を製造するとい
った、順方向浸透機構の目的を達成しつつも、流出液は実質的に純水ではなく、依然とし
て溶質添加物又は浸透副生成物を含む。
【０００７】
実用的商業プロセスとしての順方向あるいは直接浸透機構の概念は、少なくとも１９３
０年代から認識されていた。例えば、特許文献１を参照されたい。この特許は、砂糖とＣ
ａＣｌ２の濃い水溶液を用いて果汁から水を「引き抜く」ことを開示している。この一般
的なプロセスは、少なくともその当時より継続して、果汁の製造に商業的に長く利用され
てきた。
【特許文献１】米国特許第２，１１６，９２０号明細書
【０００８】
順方向浸透機構における除去可能な「駆動溶質(driving solute)」の概念は、Ｃｈａｒ
ｌｅｓ  Ｍｏｏｄｙが１９７７年の自身の論文の中で明言している。同氏は、流出液のモ
ル濃度を海水のそれより高めることが可能な浸透圧剤として、溶解したＳＯ２を用い、そ
れにより海水流入液から半透膜を通過して淡水が移動する原動力となる順方向浸透圧バイ
アスを生み出すことを概説している。ＳＯ２はその後、流出液の温度を上げて気体として
追い出すことにより、該流出液より除去することができる。本発明者等の知見によれば、
この過程は商業的に反復されたことがなく、これは恐らくＳＯ２が膜その他のプロセス装
置に強い腐食性を示す亜硫酸を生成するためであると考えられる。また、この方法は、透
過水全体を加熱及び冷却するという、エネルギーの大きなステップを要する。
【０００９】
特許文献２では、Ａｌｂｅｒｔ  Ｈａｌｆｆ及びＡｌｌｅｎ  Ｒｅｉｄが特許文献３と
同様のアプローチを採用している。両者とも、流出液のモル濃度を海水のそれよりも高め
る目的で、溶解度の温度依存性が高い塩からなる浸透圧剤を用いることにより、海水流入
液から半透膜を通して淡水を移動させる原動力となる順方向浸透圧バイアスが生ずる。浸
透圧剤は、溶液の温度を下げて溶質を溶液から沈殿させることにより除去される。前記沈
殿は除去された後、加熱しながら水に再溶解され、再利用される。沈殿を生じた溶液の濾
液から得られた水は、さらに精製される可能性もあり、又はそのまま利用される。これら
のプロセスでは、透過液全体を冷却したり液を再利用するための非効率的なエネルギーの
必要性ととともに、再利用液の再加熱の必要性も負担になっている。
【特許文献２】米国特許第３，６１７，５４７号明細書
【特許文献３】米国特許第６，３９１，２０５号明細書
【００１０】
Ｋｅｉｔｈ  Ｌａｍｐｉらは、特許文献４において、順方向浸透と逆浸透との組合せに
より、不純物を含む水又は海水から淡水を得る新規なアプローチを説明する。塩及び海水
を２枚の半透膜を備えたチャンバ内に導入して密閉すると、導入された溶液のモル濃度は
元の海水のそれに比べて高くなる。次に、元の海水を２枚の半透膜のうち第１の半透膜に
接触させる。これにより、海水の溶媒、即ち淡水は、第１の膜を通過する。淡水が第１の
膜を通過して密閉されたチャンバ内に流入するので、この密閉チャンバの内圧が上昇する
。この容器は、導入された塩とはほとんど混合されていない海水を含む密閉チャンバ内の
領域に第２の膜を設置した構成とされている。密閉チャンバの内圧は海水の浸透圧を超え
て上昇するので、溶媒である淡水は逆浸透の過程により第２の膜を強制的に通過させられ
る。密閉チャンバ中の塩／海水溶液はその後、廃棄される場合がある。緊急用装置として
は考え得る実用形態であるが、この発明では塩又は高濃度の塩溶液を連続的に再供給する
必要があり、連続プロセス的なアプローチには馴染まない。
【特許文献４】米国特許第６，８４９，１８４号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
上記観点から、順方向浸透圧プロセスを有し、浸透圧プロセスで用いられる濃度よりも
低い溶質濃度を有する流出液を生成する関連装置を設けることが望ましい。また、利用可
能な流出液の溶媒を得る上で、エネルギー所要量を熱力学的限界まで低減又は撤廃するこ
とも望ましい。従来の技術によると、実際の順方向浸透では、有用な流出液溶媒を生成す
るためのエネルギー消費は、溶質分離ステップで発生する。したがって、従来の順方向浸
透に対するエネルギー消費の改善は前記プロセスのこの段階で行われ、理想的には、かか
るステップは常にエネルギー消費を流出液全体にではなく、溶質のみに注ぐものとなろう
。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明は順方向浸透圧法と、少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤を用いる装置とに
関する。本発明を具現化する基本的な装置は、第１の溶媒を含む第１の流体溶液（流入液
）と第２の溶媒を含む第２の流体溶液（流出液）との間の分離障壁となる少なくとも１枚
の親水性又は疎水性の膜を含む。流入液から流出液への順方向浸透圧バイアスを生むため
に、本発明を具現化する装置では、流出液に少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤を添
加し、第２の流体溶液中へ第１の流体溶液の溶媒を移動させる浸透圧不均衡を生み出す。
発生した浸透圧不均衡は、浸透圧という自然力により、流入液の第１の溶媒を流出液中へ
、少なくとも１枚の半透膜を通し、これら２つの流体溶液間で浸透圧平衡が達成されるか
、又は流入液の供給が停止するまで移動させる。本発明の基本的な装置は、流出液に含ま
れる少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤を単離、除去又は中和する手段を含む場合が
ある。
【００１３】
本発明の別の装置の実施態様は、流出液から単離及び／又は除去された少なくとも１種
類の制御可能な浸透圧剤を回収する手段を含む場合があり、さらに、少なくとも１枚の半
透膜に類似した動作により、回収された少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤を流出液
中に再び導入し、順方向浸透圧バイアスを達成するのに必要な浸透圧不均衡を再構築する
か、又はそれに貢献する手段を含む場合がある。
【００１４】
本発明を具現化する基本的な方法は、少なくとも１枚の親水性又は疎水性の半透膜を用
いて、第１の溶媒を有する第１の流体溶液（流入液）を第２の溶媒を有する第２の流体溶
液（流出液）から単離するステップと、少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤の十分量
を前記流出液に導入し、前記流入液と前記流出液との間に浸透圧不均衡を発生させるステ
ップと、前記流入液の溶媒を、少なくとも１枚の半透膜を通して前記流出液へ移動させる
ステップとを含む。本発明のさらなる方法は、流出液中の少なくとも１種類の制御可能な
浸透圧剤を部分的又は実質的に全て単離、除去又は中和するステップを含む。
【００１５】
本発明を具現化するさらに別の方法は、流出液から単離及び／又は除去された少なくと
も１種類の制御可能な浸透圧剤を回収するステップを含む場合があり、さらに、少なくと
も１枚の半透膜に類似した動作により、回収された少なくとも１種類の制御可能な浸透圧
剤を流出液中に再び導入し、順方向浸透圧バイアスを達成するのに必要な浸透圧不均衡を
再構築するか、又はそれに貢献するステップを含む場合がある。
【００１６】
ここに開示される前記方法と前記装置の一構成要素は、制御可能な浸透圧剤である。こ
こで言う「制御可能な浸透圧剤」とは、溶媒半透膜の片側に曝される第１の流体溶液と、
該膜の反対側に曝される第２の流体溶液との間の浸透圧ポテンシャルを変化させる物質と
して定義され、膜を隔てた浸透圧ポテンシャルに及ぼす前記物質の影響は調節可能である
。したがって、本発明の制御可能な浸透圧剤とは、ａ）該膜の反対側に曝される第１の流
体溶液に対して該膜を通じて及ぼされる浸透圧駆動力を達成又は強化し得る状態にて第２
の流体溶液中に溶解する、あるいは懸濁させることができ、且つ、ｂ）第２の流体溶液の
溶媒に目立った影響を与えない手段で第２の流体溶液から除去、中和又は分離できる様な
、化学的又は物理的性質の少なくとも一方又は両方を備えている。したがって、制御可能
な浸透圧剤の候補は、第２の流体溶液の溶媒からの除去、中和又は分離のための第２の流
体溶液の溶媒の圧力又は温度の変化に本質的に依存しない。
【００１７】
考え得る制御可能な浸透圧剤の多くが第２の流体溶液の溶媒中にて溶質（イオン性化合
物及び溶解した低分子）として機能するが、この性質は本発明の実施態様に必要ではない
。本発明はまた、順方向浸透圧バイアスを達成又は強化するために、第２の流体溶液中で
高分子を用いても有効に実施できる。正か、負か、又はその両方の電荷かを表面に多数有
する巨大分子は、かなり大きな浸透圧を発揮する。これは、溶液中の電荷が高モル濃度で
あるのと同じ状態になり、順方向浸透圧バイアスを達成又は強化することができ、且つ、
圧力又は温度的な手法を用いなくとも第２の流体溶液からの除去、中和又は分離を簡単に
行える、という両方の意味で、巨大分子が適切な制御可能な浸透圧剤と考えられるからで
ある。
【００１８】
本発明の多くの実施例に登場する制御可能な浸透圧剤は、磁力及び／又は電場に反応し
、磁気的及び／又は電気的な影響を受けるので、第２の流体溶液の溶媒に目立った影響を
与えない標準的な磁気的分離法により、第２の流体から分離される。また、他の例は、濾
過、化学的沈殿、キレート化、酸化／還元反応、蒸留、気化、圧力調節／操作、温度調節
／操作、電気化学的手段、容量的脱イオン化、その他当業者に公知の手段により除去／低
減される浸透圧剤を含むが、これらに限定されるものではない。
【００１９】
本発明の特徴は、流体溶液を希釈又は濃縮できる点にある。先に引用したように、本発
明の実施態様は、流出液又は第２の流体溶液に添加される１種類、又は１組の制御可能な
浸透圧剤を用いて、順方向浸透圧バイアスを達成又は強化する。一旦、十分量の流入液の
溶媒が少なくとも１枚の半透膜を通過して流出液に達し、目的とする溶液の要件を満たし
てしまえば、最終的な流入液又は流出液に対する所望の濃度となるまで、（単数又は複数
の）浸透圧剤を除去、低減及び／又は中和することができる。流入液又は流出液のいずれ
かが、所望の最終溶液となる場合がある。非飲料水源から飲料水を得る場合、流出液は（
単数又は複数の）望ましくない制御可能な浸透圧剤が実質的にすべて除去されるように変
更される。また例えば、果汁やプロセス溶液を濃縮する場合は、流入液が適当な時点で回
収され、流出液は便利な非加熱型の濃縮機として働く。プロセスを進行させるために流出
液に導入される（単数又は複数の）浸透圧剤は、流出液の所望の用途に応じて回収、又は
単純に廃棄することができる。
【００２０】
浸透圧駆動力を生成又は強化するために少なくとも１種類の制御可能な浸透圧剤を用い
ることは排他的ではない。浸透圧剤は、他の浸透圧強化組成物、及び／又は、流入液を加
圧するか、又は膜の面積を拡大したり、沈殿、キレート化、ｐＨ調節、金属イオン封鎖剤
、洗浄剤及び防汚剤、温度変更、及び当業者に公知の他の手段等により流入液の化学的性
質を変化させて経膜フラックス速度を増大させる等の方法と、組み合わせて用いられる場
合がある。
【００２１】
上述の観点から、第１の実施形態のある変形例は、流出液中に存在する（単数又は複数
の）溶質及び／又は（単数又は複数の）制御可能な浸透圧剤の、実質的完全ではなく、部
分的な除去及び／又は中和に関与する。例えば、ある程度の量の溶質を流出液中に残した
い状況が生ずる場合がある。その一例は、海水又は塩分を含む地下水を農業灌漑用に淡水
化する場合であろう。肥料(溶質)と（単数又は複数の）制御可能な浸透圧剤の双方を流出
液に添加して、水溶媒を含む流入液と比べて高い合計モル濃度を有する流出液とすること
ができ、これにより流出液に向かう浸透圧バイアスを達成又は強化することができる。一
旦、流出液がその望ましい濃度レベルに達すれば、（単数又は複数の）制御可能な浸透圧
剤は、肥料を流出液（灌漑用水）中に残したまま、除去及び／又は中和され得る。同様の
プロセスは、非飲料水からの飲料水の製造に対して用いることができ、流出液中の溶存栄
養素が肥料に代わる物となる。
【００２２】
磁気的又は電気化学的に制御可能な（単数又は複数の）浸透圧剤を用いる場合は、該浸
透圧剤の溶解度そのものが制御されるのではなく、むしろ電気化学及び／又は磁気の様な
物理的プロセスによりその存在が制御される。一連の実施態様では、フェリチンのような
タンパクに結合した磁鉄鉱を含み、マグネトフェリチンとして知られる物質を生成する制
御可能な浸透圧剤を用いる。かかる物質は、例えば、英国ブリストルのナノマグネティク
ス社（ＮａｎｏＭａｇｎｅｔｉｃｓ，Ｌｔｄ．）から入手できる。ナノマグネティクス社
のマグネトフェリチンは、直径約１２ｎｍの均一な中空タンパク球体で囲まれた磁性粒子
である。好都合なことに、これらのタンパク球体は水溶性であり、したがって水溶液中で
溶質として作用するに適切な属性を備える。溶液の溶質を能動輸送を司る便利かつ従来よ
り用いられている手段を講ずることで、より強力な用量（浸透圧剤の濃度）を扱えるよう
になり、これによって浸透圧フラックスを増大させることができ、しかも、複雑な化学的
プロセス又は濾過のように大量の資源を要することなく流出液から完全に除去することが
できる。さらに、かかる形態の制御可能な浸透圧剤は完全にリサイクル可能であり、生分
解性を有する。
【００２３】
別の有機又は無機担体物質と組み合わせられ、磁気的又は電気化学的にその全体が除去
され得る無機磁性体は、他にも多くの組合せが可能であり、いずれも本発明に包含される
。したがって、磁性又は磁気反応性ペイロードを運ぶためにコロイド脂質粒子又はシェル
のような担体物質を用いることができ、また、溶質の回収及び再利用を支援するために、
溶媒溶解性が低いことが望ましい。
【００２４】
ここに開示する方法は、多段蒸留の他、当業者に公知の多段階プロセス例と類似した多
段階プロセス中に並列的に組み込まれる場合がある。ある操作から生じた流出液は順次、
次段の操作の流入液となり得る。さらに、本発明はまた、バッチ式又は連続プロセスのい
ずれかに役立ち、その具体例は、連続操業に供される濾過膜バッグ（バッチ式）又は螺旋
状に巻かれた、又は中空繊維膜のカートリッジを含む。
【００２５】
上述の各方法は、流出液中の溶媒濃度を高める必要がある用途のほぼ全てに広範に役立
ち、また本発明は従来の逆浸透が不利な用途に特に役立つ。例えば、電気が少ししか、あ
るいは全く使えない場所、又は逆浸透装置の予備パーツが入手できない場所において、海
水又は半塩水から混じり気のない飲料水を回収することは、従来技術に対する本発明の特
筆すべき優位性を例示するものであろう。かかる環境は、地上の遠隔地や、船舶による海
上航路、又は個人的な登山等に見出される。これらの各環境では、電源やパーツが入手し
にくい場合がある。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２６】
以下の議論は、同業者による本発明の実施を可能とするものである。下記の実施態様に
施される様々な変更は当業者にとって容易に明白となり、ここに述べる一般原則は、添付
の特許請求の範囲に定義される本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、他の実施態様及び用途
に適用される場合がある。したがって本発明は、以下に示す実施態様に限定されず、ここ
に開示される原則と特徴とに合致する最も広い意味にて認容されるものとする。
【００２７】
まず、図１Ａ〜Ｃを参照し、混じり気のない飲料水を簡単に少ない費用で提供する、本
発明のシンプルな「バッチ式」の実施態様について説明する。なお、同様の部材には同様
の符号を付す。密封可能なポリ袋１０は、高さ１２インチ、幅１０インチ、厚さ１／８イ
ンチ（寸法、形状、発想は静脈点滴用バッグに類似している）の食品グレードのポリウレ
タンから構成されることが好ましい。袋１０の相対する面には、おおよそ高さ１０インチ
、幅８インチの１対の「窓」が形成されている。熟練した実施者であれば、流入液と流出
液との間の半透膜の表面積を最大化することにより、浸透圧フラックスを最大化すること
ができ、このために２枚の半透膜１４ａ及び１４ｂが用いられていることに気付くであろ
う。各膜１４は１０．２５インチ×８．２５インチの、非対称親水性セルロース・アセテ
ートのナノ濾過膜（Ｈｙｄｒａｔｉｏｎ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ社、オレゴン州アル
バニー（Ａｌｂａｎｙ））の平坦なシートである。各膜は、０．１２５インチの重なり幅
で、化学的接着又はＲＦ溶接を含む当業者に公知の標準的な手段により、袋１０の内壁面
に取り付けられていることが好ましい。当業者であれば、かかるポートと窓とを設けた流
体槽が本発明の目的を達するに十分であることに異論は無いであろう。
【００２８】
さらに、ＲＦ溶接又は類似のプロセスにより、ポリ袋の上部の合わせ目に注ぎ口１６が
追加され、袋１０の内部が外部環境に直接開放されるようになっている。当業者であれば
、密封可能であることが好ましいが必ずしもそうでなくともよい、袋１０の内容物にアク
セスするに十分な何らかの出入り口が、この要求に叶うであろうことにも異論はないであ
ろう。Ｎａｎｏｍａｇｎｅｔｉｃｓ社（英国、ブリストル）製の乾燥粉末状のマグネトフ
ェリチンの様なタンパク／ナノ磁性複合体粒子の２００ｍｇが、注ぎ口１６を通じて袋１
０に導入される。続いてねじ蓋１８が閉められ、袋１０内への流体の直接的な侵入が遮断
される。濾過すべき水（又は他の流体）の供給源中に袋１０が置かれた時点で、いかなる
流体も、袋１０の内部へ入るには袋１０内の半透膜１４ａ及び１４ｂを透過するしかなく
なる。
【００２９】
準備された袋１０を次に流入液２０の供給源、本例では溶存固体の合計濃度１０００ｍ
ｇ／Ｌ、懸濁固体濃度２０００ｍｇ／Ｌ、菌体数３０００ＣＦＵ／Ｌ、及び原生動物（ク
リプトスポリジウム接合子）数５０／Ｌの、キャンプ地近くの池の水中に置いた。袋１０
を流入液２０中に沈めると、親水性の膜１４ａ及び１４ｂは十分な流入液の溶媒２２、即
ち水を袋１０の内部に溶け込ませ、マグネトフェリチン粒子４０を水に馴染ませて溶解を
開始させる。濃いマグネトフェリチン流出液３０が形成され始めるにしたがって、これら
半透膜１４を隔てた浸透圧ポテンシャルの差が増大し、これによって膜１４を通じた流入
液の溶媒２２のフラックス速度が増大する。このフラックス速度は、マグネトフェリチン
粒子４０の最後の部分が溶液中に溶解した時点で最大となり、続いてマグネトフェリチン
を含む流出液３０が流入水により一定速度で希釈されるにしたがって徐々に一定速度で減
速し、これにより浸透圧ポテンシャルが低下する。流入液の温度やｐＨにもよるが、これ
らのパラメータにもとづき、１リットル容の袋が約８〜１０時間で満たされる。膜は、実
質的にバクテリア、クリストスポリジウム、全懸濁固体の実質全体、及び全溶存固体の７
０％〜９５％を濾別しているはずであり、池水を飲用として十分に安全な水に変化させる
。
【００３０】
次に図１Ｂに目を転じると、袋１０が濾過された水で満たされたら、ユーザはこれを池
から引き揚げて注ぎ口１６を露出させ、流出液３０を付属の磁気分離器５０を通して飲料
水貯蔵槽にゆっくりと注ぎ入れる。磁気分離器５０は、スチール・ウールに類似した容易
に帯磁可能な金属繊維「ウール」５４又は鉄金属粉を詰めた開放型漏斗５２を含む。Ａｎ
ａ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ社（オレゴン州ポートランド）製のネオジム鉄ホウ素磁
石の様な強力な可搬サイズの永久磁石を金属ウール５４に対して物理的に極至近に近づけ
、即ち例えば、漏斗５２を「ドーナツ」形のリング磁石５６に落とし込む形で、金属ウー
ル５４を帯磁させる。マグネトフェリチンを含有する流出液３０が分離漏斗５０に注がれ
ると、マグネトフェリチン粒子４０は帯磁した金属ウール５４に引き付けられてこれに付
着し、この様にして実質的に全てのマグネトフェリチン粒子が最終的な流出液３２から効
果的に分離され、透明で安全な濾過水のみが後に残る。
【００３１】
所望により、マグネトフェリチン粒子４０を何回も再利用するオプションが利用可能で
ある。磁石５６を分離漏斗５２と金属ウール５４の至近位置から物理的に遠避け、マグネ
トフェリチン粒子４０を金属ウール５４から自由に解離させ、再利用可能とする。これは
、図１Ｃに示すように、非常に少量の最終流出液３２を分離漏斗５２内の金属ウール５２
上へ注ぎ、マグネトフェリチン粒子４０を流し落とすことにより達成される。この粒子は
袋１０へ洗い戻して再利用するか、新しい袋に入れるか、あるいは単に採取しておき後の
利用に回す。
【００３２】
別の実施態様は、図２に模式的に示す様な連続プロセスである。精製したい海水、汚染
水、及び他の形態の流入液を供給水１２０と称し、これがプロセスに供給される。供給水
１２０は濾過され（図示せず）、順方向浸透圧（ＦＯ）ユニット１１０に入る。ＦＯユニ
ットは、好ましくは半透膜１１４を含む。高濃度のマグネトフェリチン粒子１４０を含む
流出液１３０もまた、ＦＯユニット１１０の膜１１４のサイド１１２ｂへ流入する。マグ
ネトフェリチン粒子１４０は表面が十分に帯電しており、流出液１３０の浸透圧ポテンシ
ャルが供給水１２０のそれよりも高くなるに十分な濃度にて含まれる。当業者なら気付く
であろうが、ＦＯユニット１１０は螺旋状、中空繊維、あるいは平坦シートを含む多くの
設計構成の中の一つであってよいが、これらに限られない。
【００３３】
水１２２（流入液の溶媒）は、その浸透圧ポテンシャルを供給水１２０より高く保ちな
がら、膜１１４を通過して流出液１３０に入る。結果として生じた希釈マグネトフェリチ
ン溶液１３６は、重力又は機械的補助により磁気分離器１５０へ移動する。ここで、マグ
ネトフェリチン粒子１４０は濃縮され、再利用１４２される。この時点で補充用の溶質(m
akeup)を供給することができる。また、流出液１３０の全部又は一部をライン１３８を通
じて排出することが望ましい場合もある。一方、濃縮された供給水はライン１２８を通じ
て海に戻すこともできる。プロセスの回収率とは無関係に、最終的な流出液１３２は磁気
分離器１５０を出て、販売もしくは使用される。
【００３４】
供給水の溶質濃度（モル濃度）が高すぎる場合、又はマグネトフェリチン粒子の表面が
供給水の浸透圧ポテンシャルを上回るほど十分に帯電していない場合には、プロセスが図
３に示されるように段階化される場合がある。上述したように、供給水１２０（第１の流
入液）は第１のＦＯユニット１１０ａに入り、ここで第１の半透膜１１４ａと接触する。
膜１１４ａの反対側の第１の流出液１３０ａは、水（溶媒）と、マグネトフェリチン粒子
１４０の様な制御可能な浸透圧剤と、海塩の様な「除去できない」溶質と、を含む。上述
の様に、第１の流出液 １３０ａは膜１１４ａを通過して拡散する水１２２ａにより希釈
される。第１の 流出液１３０ａを第１の磁気分離器１５０ａに通過させることにより、
部分的に精製された水１３２ａを得ることができ、このとき、マグネトフェリチン粒子１
４０は上述したように実質的に除去される。部分的に精製された溶液１３２ａは次に第２
のＦＯユニット１１０ｂに供給され、そこで第２の流入液１２０ｂとなる。第１の磁気分
離器１５０ａを出たマグネトフェリチン粒子１４０は、ライン１５２を通じて第１のＦＯ
ユニット１１０ａで再利用されることが好ましい。第１のＦＯユニット１１０ａを出た第
１の流入液１２０ａは、その塩（溶質）濃度が少なくとも供給水１２０ａのそれと同等に
低ければ、ライン１１６を通じて供給水流１２１と合流させ再利用される場合がある。ラ
イン１１６中の溶質濃度が供給水流１２１のそれよりも高い場合には、廃棄される。
【００３５】
第１の磁気分離器１５０ａから排出され、第２のＦＯユニット１１０ｂに供給されてい
る部分的に精製された溶液１３２ａは濃縮され、この濃縮された溶液は第２の流入液１２
０ｂとなる。第２のＦＯユニット１１０ｂから出た第２の流出液１３０ｂは精製されてマ
グネトフェリチン粒子１４０が除去され、第２の流入液１２０ｂとして第２のＦＯユニッ
ト１１０ｂで再利用される場合がある。精製水１３２ｂは第２の磁気分離器１５０ｂを出
て、実用に供される。このようにして、所望の濃度の最終流出液を達成するために、所望
によりいかなる段数の精製段階も本プロセスでは採用され得る。
【００３６】
当業者なら気付くであろうが、順方向浸透又は逆浸透のいずれかにおいて、濃度分極が
制限要因となる。本質的には、半透膜に隣接した境界層の流入液側で溶質が過度に濃縮さ
れ、流出液側で運転溶媒により過度に希釈され、これが順方向浸透圧による駆動力に悪影
響を及ぼす。この固有の問題を緩和するために通常、速い流速と攪拌が採用される。
【００３７】
この問題に対処するために、制御可能な浸透圧剤を分離するプロセスが膜の至近に設置
され、これによって膜に隣接した制御可能な浸透圧剤の局在化濃度を上昇させる場合があ
る。図４ａは、半透膜２１４の至近であってＦＯユニット２１０の流入液側２１２ａ側に
設置された電磁石２５０を示す。膜２１４の近傍で若干の希釈が生じた後のマグネトフェ
リチン粒子２４０、又は他の磁気反応性の浸透圧駆動物質が示されている。図４ｂでは、
電磁石２５０の場所で磁場が形成され、マグネトフェリチン粒子２４０を膜２１４の近く
に引き寄せ、その局所濃度を高め、これにより膜透過による拡散速度を増大させている。
さらに、流出液 側２１２ｂの流出液２３０はそこから除去されたマグネトフェリチン粒
子２４０を少なくとも部分的に含み、したがって少なくとも部分的な分離プロセスが営ま
れる。電磁石２５０は間欠的に励磁可能であり、パルス的にマグネトフェリチン粒子を脱
水する。流出液の流れ２３８は、さらなるマグネトフェリチン粒子の除去「研磨」を行う
ために別の磁気分離器を通過する場合があり、あるいはそのまま利用される。
【００３８】
マグネトフェリチン粒子は表面が（負に）帯電しているので、上述の実施態様と類似の
方法にて、電場を分離手段として用い得る。図５ａは、ＦＯユニット３１０の流出液側３
１２ｂに設置された、帯電していない電極３５０を示す。ここでもまた、マグネトフェリ
チン粒子３４０（ここでは負に帯電）は通常は膜３１４の近傍で希釈されている。図５ｂ
では、電極３５２に負電荷が発生し、これがマグネトフェリチン粒子１４０を強制的に膜
３１４に向かって移動させ、これによって局所濃度が上昇する。この局所濃度の結果とし
て、浸透圧駆動力が増大し、透過したバルク流の純度が一層高まる。さらに改良された形
態では、膜境界層の濃度が低すぎる場合に、適当なセンサーを用いて認識できるような形
で電極にパルスが印加される。また、上述のように、本実施態様は磁気的、電気的又は物
理的濾過のいずれかの別の分離段階と組み合わせて実施できる可能性もある。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１Ａ】現場での浄水に用いる本発明のバッチ式の一実施態様を示す断面模式図。
【図１Ｂ】現場での浄水に用いる本発明のバッチ式の一実施態様を示す断面模式図。
【図１Ｃ】現場での浄水に用いる本発明のバッチ式の一実施態様を示す断面模式図。
【図２】浄水又は海水淡水化用の連続プロセスのブロック図。
【図３】海水淡水化又は浄水用の多段プロセスのブロック図。
【図４】図４ａ及びｂは磁気応答性の浸透圧剤を磁石を用いて半透膜付近に局在化させる様子を示す模式図。
【図５】図５ａ及びｂは電場応答性の浸透圧剤を電場を用いて半透膜付近に局在化させる様子を示す模式図。
【符号の説明】
【００４０】
１０    袋
１４、１１４、２１４、３１４    半透膜
１６    注ぎ口
１８    ねじ蓋
２０    流入液
２２、１２２    流入液の溶媒
３０    濃いマグネトフェリチン流出液
３２、１３２    最終的な流出液
４０、１４０、２４０、３４０    マグネトフェリチン粒子３４０
５０、１５０    磁気分離器
５２    開放型漏斗
５４    金属ウール
５６    リング磁石
１１０、２１０、３１０    順方向浸透圧（ＦＯ）ユニット
１１２    サイド
１１６、１２８、１３８、１５２    ライン
１２０    供給水
１２１    供給水流
１３０、２３０    流出液
１３６    希釈マグネトフェリチン溶液
１４２    再利用
２１２ａ    流入液側
２１２ｂ、３１２ｂ    流出液側
２３８    流出液の流れ
２５０    電磁石
３５０、３５２    電極
【図１Ａ】
2008526467.tif 000003
【図１Ｂ】
2008526467.tif 000004
【図１Ｃ】
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【図２】
2008526467.tif 000006
【図３】
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【図４】
2008526467.tif 000008
【図５】
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【国際調査報告】
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