(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリカを含有するシリカ水溶液と、ホウ素抽出剤を有機溶媒に溶解させた抽出液との２液を抽出流路で合流させて、前記２液を前記抽出流路の下流に向けて流して、前記シリカ水溶液中に含まれるホウ素を、前記抽出液で除去するホウ素除去装置において、
前記抽出流路内で前記２液を混合する混合手段と、
前記混合手段を経由した後に、比重の差により２層に分離した前記シリカ水溶液及び前記抽出液のうち該シリカ水溶液を取り出す取出手段と
を備え、
前記混合手段は、
前記抽出流路の上流の上部に接続され、前記２液のうち比重の大きい液を前記抽出流路に供給する上部供給流路と、
前記抽出流路の上流の下部に接続され、前記２液のうち比重の小さい液を前記抽出流路
に供給する下部供給流路とである
ことを特徴とするホウ素除去装置。
【請求項２】
前記抽出流路は、前記２液が比重の差によって２層に分離した状態になる分離区間を有し、
前記取出手段は、前記分離区間から前記シリカ水溶液を取り出す
ことを特徴とする請求項１に記載のホウ素除去装置。
【請求項３】
前記取出手段は、
前記抽出流路の下流の上部に接続され、前記２層のうちの上層の液を前記抽出流路から排出する上部排出流路と、
前記抽出流路の下流の下部に接続され、前記２層のうちの下層の液を前記抽出流路から排出する下部排出流路とである
ことを特徴とする請求項２に記載のホウ素除去装置。
【請求項４】
前記抽出流路、前記混合手段、及び前記取出手段を備える除去処理ユニットが２段以上接続され、前段の除去処理ユニットから取り出した前記シリカ水溶液を後段の除去処理ユニットに供給する
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のホウ素除去装置。
【請求項５】
シリカを含有するシリカ水溶液と、ホウ素抽出剤を有機溶媒に溶解させた抽出液との２液を抽出流路で合流させて、前記２液を前記抽出流路の下流に向けて流して、前記シリカ水溶液中に含まれるホウ素を、前記抽出液で除去するホウ素除去方法において、
混合手段によって前記抽出流路内で前記２液を混合する混合工程と、
前記混合工程の後に、比重の差により２層に分離した前記シリカ水溶液及び前記抽出液のうち該シリカ水溶液を取り出す取出工程と
を有し、
前記混合工程は、前記抽出流路内で前記２液のうち比重の小さい一方の液を他方の液の下側に供給することによって、比重の小さい液の前記抽出流路の上部への移動と、比重の大きい液の前記抽出流路の下部への移動とにより混合を生じさせる
ことを特徴とするホウ素除去方法。
【請求項６】
前記取出工程の前には、
前記抽出流路の下流域に設けられた分離区間で、前記２液が比重の差によって２層に分離する分離工程を有する
ことを特徴とする請求項５に記載のホウ素除去方法。
【請求項７】
前記取出工程は、前記２層を上層の液と下層の液とに分けて前記分離区間から取り出す  ことを特徴とする請求項６に記載のホウ素除去方法。
【請求項８】
前記混合工程、及び前記取出工程を実行する除去処理サイクルを、前記シリカ水溶液に対して２回以上を行う
ことを特徴とする請求項５〜７のいずれか１項に記載のホウ素除去方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ホウ素除去装置及びホウ素除去方法に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年太陽電池の需要の高まりにともなって、ソーラグレードシリコンと呼ばれるシリコンの需要が高まっている。従来、シリカ原料として、例えばシリカの純度が高い白珪石が利用されている。一方、容易かつ低コストで入手可能な珪藻土をシリカ原料としたソーラグレードシリコンの生成が試みられている（例えば、特許文献１や非特許文献１を参照）。
【０００３】
ソーラグレードシリコンは、ＬＳＩ等の電子デバイスに使われる半導体グレードシリコン（Semiconductor-grade silicon）よりも純度が低いものであるが、それでもなお９９．９９９９％（６Ｎ）〜９９．９９９９９％（７Ｎ）程度の純度が要求される。このため、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、ホウ素（Ｂ）、リン（Ｐ）等の不純物を除去してシリコンの純度を高くする精製処理が必要である。精製処理としては、シーメンス法、ＮＥＤＯ溶融精製法等が知られている。
【０００４】
特許文献１や非特許文献１には、珪藻土に苛性アルカリ溶液を加えて溶解した後、酸を加えてｐＨを制御してアルミニウムや鉄を除去する除去処理によって、純度を高くしたシリカの沈殿物を回収する手法が記載されている。特許文献１や非特許文献１に記載された手法は、容易かつ低コストで入手可能な珪藻土を原料とする利点がある他に、シーメンス法、ＮＥＤＯ溶融精製法等に比べて、小規模な設備と小さい消費エネルギーで不純物を除去可能であるという利点がある。
【０００５】
また、非特許文献２では、特許文献１や非特許文献１の除去処理では十分に除去できないホウ素を除去する手法が提案されている。非特許文献２では、微細な幅（例えば１ｍｍ以下）の流路を有した流路型リアクタ（流路型デバイス）を用いて、シリカ水溶液からホウ素を除去するものであり、シリカ水溶液と抽出液とを流路に流している。シリカ水溶液としては、シリカを酸性の水溶液で溶解したものを用い、抽出液としては、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオール（2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol、ＣＨ３−ＣＨ（ＣＨ３）−ＣＨ（ＯＨ）−Ｃ（ＣＨ３）２−ＣＨ２（ＯＨ））をトルエンに溶解させたものを用いている。これにより、シリカ水溶液中にホウ酸（Ｂ（ＯＨ）３）として存在するホウ素を抽出液で抽出して、ホウ素をシリカ水溶液から除去する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−９７７１１号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】M. Bessho, Y. Fukunaka; H. Kusuda and T. Nishiyama “High-Grade Silica Refined from Diatomaceous Earth for Solar-Grade Silicon Production” ENERGY & FUELS; 23(8), pp.4160-4165 (2009)
【非特許文献２】小柳高宏、松井雄希、松尾伸史、福中康博、本間敬之「流路型デバイスを用いた2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediolによるシリカからの高効率ホウ素除去の検討」、電気化学会第81回大会、IE-27、2014.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
ところで、非特許文献２のように、流路型リアクタを用いてシリカ水溶液からホウ素を除去する手法では、シリカ水溶液と抽出液との界面を水平にさせながら、これらシリカ水溶液とホウ素とを上流から下流へと流して、シリカ水溶液と抽出液との比界面積（反応物体積とシリカ水溶液と抽出液とが接している界面積との割合）を増加させ、ホウ素除去効率の向上が図られているが、近年では、より純度の高いシリカを得るために、さらに一段とシリカ水溶液中のホウ素を除去することが望まれている。
【０００９】
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、従来よりもシリカ水溶液からホウ素を除去できるホウ素除去装置及びホウ素除去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】
【００１０】
本発明のホウ素除去装置は、シリカを含有するシリカ水溶液と、ホウ素抽出剤を有機溶媒に溶解させた抽出液との２液を抽出流路で合流させて、前記２液を前記抽出流路の下流に向けて流して、前記シリカ水溶液中に含まれるホウ素を、前記抽出液で除去するホウ素除去装置において、前記抽出流路内で前記２液を混合する混合手段と、前記混合手段を経由した後に、比重の差により２層に分離した前記シリカ水溶液及び前記抽出液のうち該シリカ水溶液を取り出す取出手段とを備えることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明のホウ素除去方法は、シリカを含有するシリカ水溶液と、ホウ素抽出剤を有機溶媒に溶解させた抽出液との２液を抽出流路で合流させて、前記２液を前記抽出流路の下流に向けて流して、前記シリカ水溶液中に含まれるホウ素を、前記抽出液で除去するホウ素除去方法において、混合手段によって前記抽出流路内で前記２液を混合する混合工程と、前記混合工程の後に、比重の差により２層に分離した前記シリカ水溶液及び前記抽出液のうち該シリカ水溶液を取り出す取出工程とを有することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、抽出流路で合流させたシリカ水溶液と抽出液との２液を、抽出流路の下流に向けて流して、混合手段によってこの２液を抽出流路内で混合するようにしたことで、抽出流路内に流れるシリカ水溶液と抽出液との接触面積を混合手段によって増大させることができ、その分、従来よりもシリカ水溶液からホウ素を除去できる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明を実施したホウ素除去装置を示す概略図である。
【図２】流路型リアクタの流路を模式的に示す説明図である。
【図３】図２のIII−III線に沿う断面図である。
【図４】図２のIV−IV線に沿う断面図である。
【図５】図２のV−V線に沿う断面図である。
【図６】図２のVI−VI線に沿う断面図である。
【図７】図２のVII−VII線に沿う断面図である。
【図８】流路内における各液の流れをマクロ的に示す説明図である。
【図９】第２実施形態のホウ素除去装置を示す斜視図である。
【図１０】流路型リアクタを２段に接続したホウ素除去装置を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
［第１実施形態］
図１において、本発明を実施したホウ素除去装置１０は、シリカ水溶液１１からホウ素を除去する除去処理を行う。この例では、ホウ素除去装置１０は、前処理で生成されたシリカ水溶液１１に対して除去処理を行う。前処理では、珪藻土をシリカ原料としてシリカ水溶液１１を生成するが、ホウ素除去装置１０が処理対象とするシリカ水溶液１１は、それに限定されるものではない。例えば、白珪石をシリカ原料として生成したシリカ水溶液１１であってもよい。
【００１５】
ここでは、はじめにシリカ水溶液１１を生成する前処理について説明する。前処理では、珪藻土溶解工程１２と、酸洗浄工程１３と、水溶液生成工程１４とを順番に行う。珪藻土溶解工程１２では、シリカ原料である珪藻土をアルカリ水溶液に加えて、珪藻土に含まれるシリカを溶解させたスラリーを生成し、スラリーを固液分離した液分を得る。珪藻土溶解工程１２に用いるアルカリ水溶液としては、珪藻土中のシリカを溶解できるものであれば特に限定されないが、珪藻土中のシリカを十分に溶解する観点からｐＨを１０.５以上とすることが好ましく、無用なｐＨの上昇を避ける観点から１３以下とすることが好ましい。このようなアルカリ水溶液としては、水酸化ナトリウム水溶液、水酸化カリウム水溶液等が用いられる。
【００１６】
珪藻土溶解工程１２の後に、酸洗浄工程１３により酸洗浄を行い不純物の除去を行う。珪藻土溶解工程１２で得られる液分には、アルミニウム（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、リン（Ｐ）、ホウ素（Ｂ）等の不純物と、シリカとが溶解している。このため、酸洗浄工程１３により、アルミ（Ａｌ）、鉄（Ｆｅ）、リン（Ｐ）等を除去したシリカの沈殿物を得る。この酸洗浄工程１３では、各種ｐＨにおけるシリカ及び各不純物の溶解度の差異を利用して、最終的にシリカ沈殿物１５を得る。この酸洗浄工程１３では、まず珪藻土溶解工程１２で得られた液分のｐＨを１０.５程度にまで下げ、アルミ、鉄、リン等を析出させてから、固液分離を行う。この後、固液分離で得られる液分のｐＨを６〜９の範囲内として、シリカを析出させる。再び固液分離を行って、液分と分離されたシリカ沈殿物１５を得る。ｐＨの調整には、例えば硫酸や塩酸等を液分に加えることで行なう。酸洗浄工程１３は、繰り返し行なってもよい。この場合には、１回の酸洗浄工程１３で得られるシリカの沈殿物を、珪藻土溶解工程１２と同様のアルカリ水溶液で溶解した後に、水溶液のｐＨを段階的に下げて２回の固液分離を行う。
【００１７】
なお、上記のような酸洗浄工程１３で得られるシリカ沈殿物１５は、不純物としてのホウ素が十分に除去されていない。これは、酸洗浄工程１３において、液分のｐＨを漸次下げた際に、シリカの溶解度がほぼ「０」となるｐＨに達するまでホウ素の溶解度が下がるため、シリカとともにホウ素が析出してしまうことによる。
【００１８】
水溶液生成工程１４は、シリカ沈殿物１５を水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）水溶液に溶解させ、塩酸を用いてｐＨを調整したシリカ水溶液１１を生成する。この例では、水酸化ナトリウム水溶液としては、２．５ｍｏｌ／Ｌのものを用い、塩酸としては４．０ｍｏｌ／Ｌのものを用い、ｐＨを「１」に調整したシリカ水溶液１１を生成する。シリカ水溶液１１の生成は、シリカ溶解速度の観点から、シリカ水溶液１１のｐHを５以下とすることが好ましい。水溶液生成工程１４で生成されたシリカ水溶液１１は、ホウ素除去装置１０に供給される。
【００１９】
次に本発明を実施したホウ素除去装置１０について説明する。このホウ素除去装置１０は、流路型リアクタ２１、シリカ水溶液供給部２３、抽出液供給部２４、及び回収器２５を備える。流路型リアクタ２１は、シリカ水溶液１１を水相とし、また抽出液２２を油相として、抽出液２２によりシリカ水溶液１１中からホウ素を抽出する液液抽出を行ない、シリカ水溶液１１中に不純物として含まれているホウ素を除去する。
【００２０】
流路型リアクタ２１は、平板状でなり、その内部に中空の流路２７を有しており、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが当該流路２７内を流れる。また、この流路型リアクタ２１には、上面２１ａに開口した水溶液供給口３４ａ及び抽出液排出口３７ａが設けられるとともに、底面２１ｂに開口した抽出液供給口３６ａ及び水溶液排出口３５ａが設けられている。上面２１ａの水溶液供給口３４ａと、底面２１ｂの抽出液供給口３６ａとは、流路型リアクタ２１内部に形成されている流路２７の上流端と連通している。一方、上面２１ａの抽出液排出口３７ａと、底面２１ｂの水溶液排出口３５ａとは、流路型リアクタ２１内部に形成されている流路２７の下流端と連通している。
【００２１】
本実施形態の場合、流路２７は、抽出流路３３、水溶液供給流路３４、水溶液排出流路３５、抽出液供給流路３６、及び抽出液排出流路３７を有している。水溶液供給流路３４の上流端は、流路型リアクタ２１の上面２１ａに開口した水溶液供給口３４ａになっており、水溶液排出流路３５の下流端は、流路型リアクタ２１の底面２１ｂに開口した水溶液排出口３５ａになっている。また、抽出液供給流路３６の上流端は、底面２１ｂに開口した抽出液供給口３６ａになっており、抽出液排出流路３７の下流端は、上面２１ａに開口した抽出液排出口３７ａになっている。
【００２２】
ここで、水溶液供給口３４ａには、シリカ水溶液供給部２３が接続されており、当該シリカ水溶液供給部２３からシリカ水溶液１１が供給される。このシリカ水溶液供給部２３は、例えば、前処理で生成したシリカ水溶液１１が貯められた貯留タンク（図示せず）を備えており、当該貯留タンク内のシリカ水溶液１１を、水溶液供給口３４ａから流路型リアクタ２１内の流路２７に供給する。水溶液供給流路３４は、水溶液供給口３４ａから供給されたシリカ水溶液を抽出流路３３へ導く。
【００２３】
一方、抽出液供給口３６ａには、抽出液供給部２４が接続されており、当該抽出液供給部２４から抽出液２２が供給される。この抽出液供給部２４は、例えば抽出液２２が貯められた貯留タンク（図示せず）を備えており、当該貯留タンク内の抽出液２２を、抽出液供給口３６ａから流路型リアクタ２１内の流路２７に供給する。抽出液供給部２４は、抽出液供給口３６ａから供給された抽出液２２を抽出流路３３へ導く。なお、抽出液２２は、シリカ水溶液１１からホウ素を抽出して除去するためのホウ素抽出剤を、水に不溶な有機溶媒に溶解したものである。
【００２４】
ここで、本実施形態の場合、水溶液供給口３４ａに供給されるシリカ水溶液１１は、抽出液２２よりも比重が大きく、流路２７内で抽出液２２よりも下方に集まり易い。一方、抽出液供給口３６ａに供給される抽出液２２は、シリカ水溶液１１よりも比重が小さいため、流路２７内でシリカ水溶液１１よりも上方に集まり易い。
【００２５】
この流路型リアクタ２１では、比重の大きいシリカ水溶液１１を上面２１ａの水溶液供給口３４ａから水溶液供給流路３４を経由して抽出流路３３に供給し、一方、比重の小さい抽出液を底面２１ｂの抽出液供給口３６ａから抽出液供給流路３６を経由して抽出流路３３に供給する。詳細を後述するように、水溶液供給流路３４は、上面２１ａ側にあり、抽出液供給流路３６は底面２１ｂ側にある。これにより抽出流路３３には、これらシリカ水溶液１１と抽出液２２とが合流して下流に向けて流れる。
【００２６】
この際、抽出流路３３では、比重の小さい抽出液２２が底面２１ｂ側から供給され、比重の大きいシリカ水溶液１１が上面２１ａ側から供給されることから、当該抽出流路３３内で下流に向けて流れてゆく際に、底面２１ｂ側からの比重の小さい抽出液２２が、抽出流路３３の上部に移動してゆき、一方、上面２１ａ側からの比重の大きいシリカ水溶液１１が、抽出流路３３の下部に移動してゆく。
【００２７】
このように抽出流路３３は、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを下流に向けて流しつつ、シリカ水溶液１１と抽出液２２との比重の違いを利用して、これらシリカ水溶液１１と抽出液２２とを上下反転させることにより、シリカ水溶液１１と抽出液２２との２液を混合する。これにより、抽出流路３３では、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを混合してシリカ水溶液１１と抽出液２２との接触面積を増大させ、抽出液２２によりシリカ水溶液１１中からホウ素を除去する。そして、抽出流路３３内では、その後、比重の差により、抽出流路３３の下部側にシリカ水溶液１１が集まり、一方、抽出流路３３の上部側に抽出液２２が集まり、抽出流路３３は、これらシリカ水溶液１１及び抽出液２２を２層に分離した状態のまま下流へと流す。
【００２８】
ここで、抽出流路３３は、水溶液排出流路３５と抽出液排出流路３７とに下流端が連通している。この水溶液排出流路３５は、流路型リアクタ２１の底面２１ｂに開口した水溶液排出口３５ａに、抽出流路３３の下部側に流れるシリカ水溶液１１を導き、２層に分離したシリカ水溶液１１及び抽出液２２のうちからシリカ水溶液１１のみを取り出し、これを当該水溶液排出口３５ａを介して析出部４１に排出する。析出部４１によってシリカ水溶液１１が回収され、この回収されたシリカ水溶液１１からシリカを析出して取り出す。具体的に、回収したシリカ水溶液１１をｐＨ１０以上のアルカリ溶液とし、ろ過分離後にシリカ水溶液１１に酸洗浄工程１３と同様にして酸洗浄を行って、シリカ水溶液１１からシリカを析出して取り出す。
【００２９】
また、この際、抽出液排出流路３７は、流路型リアクタ２１の上面２１ａに開口した抽出液排出口３７ａに、抽出流路３３の上部側に流れる抽出液２２を導き、２層に分離したシリカ水溶液１１及び抽出液２２のうちから抽出液２２のみを取り出し、これを当該抽出液排出口３７ａを介して回収器２５に排出する。
【００３０】
ここで、抽出液２２に含まれるホウ素抽出剤について説明する。ホウ素は、シリカ水溶液１１中でホウ酸（Ｂ（ＯＨ）３）として存在する。ホウ酸として存在するホウ素を除去するためのホウ素抽出剤として、この例では、２，２，４−トリメチル−１，３−ペンタンジオール（2,2,4-Trimethyl-1,3-pentanediol、ＣＨ３−ＣＨ（ＣＨ３）−ＣＨ（ＯＨ）−Ｃ（ＣＨ３）２−ＣＨ２（ＯＨ）、以下、ＴＭＰＤと称す）を用いている。また、溶媒としては、ＴＭＰＤを溶解可能であり、水に不溶なトルエンを用いている。ホウ素抽出剤としては、ＴＭＰＤに限定されるものではなく、ホウ酸に対する分配係数（（有機溶媒相の濃度）／水相の濃度））が高いものを用いることが好ましい。ホウ素抽出剤として、例えば、2-エチル-1,3-ヘキサンジオール（2-Ethyl-1,3-hexanediol、ＣＨ３（ＣＨ２）２―ＣＨ（ＯＨ）―ＣＨ（ＣＨ２ＣＨ３）―ＣＨ２ＯＨ、以下、ＥＨＤという）を用いることもできるが、ＴＭＰＤの方がホウ酸に対する分配係数が高く好ましい。
【００３１】
ホウ酸に対する分配係数が高いホウ素抽出剤としては、ＴＭＰＤのようにホウ酸とのエステル化に寄与するヒドロキシ基が結合している一対の炭素原子をもち、その一対の炭素原子が結合した炭素原子（以下、注目炭素原子という）の級数が４の化合物がある。例えば、ＴＭＰＤは、シリカ水溶液１１中ないしシリカ水溶液１１と抽出液２２の液液界面においてホウ酸との間ではＨ２Ｏ分子を媒介してプロトンホッピング（プロトンリレー）が生じ、エステル化が進行する。このエステル化によりＴＭＰＤのホウ酸とのエステルが生成される。この生成におけるエステル化の自由エネルギー変化ΔＧは、−３１．６９ｋＪ／ｍｏｌである。ここで、ホウ素抽出剤としてＥＨＤを用いた場合には、ＴＭＰＤと同様にエステル化は進行してＥＨＤのホウ酸とのエステルが生成するものの、このエステル化の自由エネルギー変化ΔＧは、−２５．０７ｋＪ／ｍｏｌである。ＥＨＤは、ＴＭＰＤと同様に、ホウ酸とのエステル化に寄与するヒドロキシ基をそれぞれ有する一対の炭素原子をもつが、それら炭素原子が結合した注目炭素原子の級数が３の化合物である。
【００３２】
ＥＨＤのように注目炭素原子の級数が３の化合物よりも級数が４の化合物の方が、ホウ酸とのエステル化での自由エネルギー変化ΔＧが小さい。したがって、注目炭素原子の級数が３の化合物よりも、注目炭素原子の級数が４の化合物であるＴＭＰＤは、エステル化がより迅速に進むからホウ酸がシリカ水溶液からより効率的に除去され、また生成したエステル化物の電子安定性については、ＴＭＰＤのホウ酸とのエステルはＥＨＤのホウ酸とのエステルよりも高いからより確実にホウ酸が捕捉される。
【００３３】
次に、流路２７の詳細な構成について以下説明する。実際上、流路型リアクタ２１は、第１プレート２８と第２プレート２９とを重ね合せた構成でなり、第１プレート２８と第２プレート２９との互いに対向する対向面に、流路２７を形成する溝３１、３２（図３ないし図７参照）が設けられている。なお、この例では、第１プレート２８は、ケイ素（Ｓｉ）製であり、第２プレート２９はガラス製である。また、第１プレート２８と第２プレート２９とは、陽極接合してある。
【００３４】
図２は流路２７を模式的に示した模式図である。また、図３ないし図７は流路２７の断面を示した断面図である。なお、図２では、流路２７のうち抽出流路３３の部分をハッチングで示してある。流路２７の上流部（図２中左側）では、流路２７を形成する第１プレート２８の溝３１と第２プレート２９の溝３２とが、抽出流路３３を挟んで互いに離れるように相反する向きに湾曲している。この流路２７の上流部にある第２プレート２９の湾曲状の溝３２が、混合手段の上部供給流路としての水溶液供給流路３４となり、一方、流路２７の上流部にある第１プレート２８の湾曲状の溝３１が、混合手段の下部供給流路としての抽出液供給流路３６となる。
【００３５】
実際上、図２のIII−III部分における断面構成を示す図３のように、水溶液供給流路３４は、第２プレート２９に形成された溝３２を、第１プレート２８の平坦な対向面で覆うことによって形成されている。水溶液供給流路３４は、第２プレート２９に開口した水溶液供給口３４ａを介して内部にシリカ水溶液１１のみが供給され、このシリカ水溶液１１を抽出流路３３に供給する。また、抽出液供給流路３６は、第１プレート２８に形成された溝３１を、第２プレート２９の平坦な対向面で覆うことによって形成されている。抽出液供給流路３６は、第１プレート２８に開口した抽出液供給口３６ａを介して内部に抽出液２２のみが供給され、この抽出液２２を抽出流路３３に供給する。
【００３６】
ここで、図２に示すように、溝３１、３２が相反する向きに湾曲していることから、図２のＩＶ−ＩＶ部分における断面構成を示す図４のように、抽出液供給流路３６である第１プレート２８の溝３１と、水溶液供給流路３４である第２プレート２９の溝３２とは、それらの下流（図２中右方向）部分で相互に重なってゆく。この抽出液供給流路３６となる第１プレート２８の溝３１と、水溶液供給流路３４となる第２プレート２９の溝３２とは、下流に向うにしたがって重なる面積が次第に大きくなってゆき、図２のＶ−Ｖ部分の断面構成を示す図５のように、最終的には完全に重なり、抽出流路３３を形成する。
【００３７】
このように、水溶液供給流路３４となる溝３２は、抽出流路３３の上部を構成し、抽出液供給流路３６となる溝３１は、抽出流路３３の下部を構成する。これにより、水溶液供給流路３４である第２プレート２９の溝３２に供給されるシリカ水溶液１１は、当該溝３２に沿って抽出流路３３内に上部側から供給され、一方、抽出液供給流路３６である第１プレート２８の溝３１に供給される抽出液２２は、当該溝３１に沿って抽出流路３３内に下部側から供給される。
【００３８】
ここで、抽出流路３３は、液液抽出を行う部分である。上述したように抽出流路３３は、第１プレート２８の溝３１と第２プレート２９の溝３２とが重なることで形成されており、この実施形態の場合、その断面が矩形状になっている。抽出流路３３では、水溶液供給流路３４からシリカ水溶液１１が供給されるとともに、抽出液供給流路３６から抽出液２２が供給されると、シリカ水溶液１１と抽出液２２との比重の差によって、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが上下反転して混合する。
【００３９】
また、本実施形態の場合、抽出流路３３は、下流側が分離区間３３ａとなっており、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが分離区間３３ａを通過する際に、シリカ水溶液１１と抽出液２２との比重の差によって２層に分離した状態に遷移し、その状態を維持させたまま下流へと流す。このシリカ水溶液供給部２３及び抽出液供給部２４は、抽出流路３３内の下流側にある分離区間３３ａでシリカ水溶液１１と抽出液２２とが層流になるように、シリカ水溶液１１の抽出流路３３への供給量と、抽出液２２の抽出流路３３への供給量とをそれぞれ調整する。また、抽出流路３３の長さは、シリカ水溶液１１と抽出液２２との混合後に、これら２液が２層に遷移するのに必要な長さ以上の長さに選定されている。
【００４０】
なお、本実施形態による抽出流路３３の断面サイズは、適宜設定することが可能である。この例では、抽出流路３３の断面サイズは、幅Ｗを１．０ｍｍとし、高さＨを１００μｍとしてあり、流路２７は、いわゆるマイクロ流路である。なお、流路２７は、マイクロ流路でなくてもよい。また、第１プレート２８及び第２プレート２９の材質は、上記のものに限定されるものではない。また、抽出流路３３の断面形状についても矩形に限定されるものではなく、円形等でもよい。
【００４１】
次に流路２７の下流部について詳細に説明する。流路２７の下流部には、水溶液排出流路３５と抽出液排出流路３７とが連通している。この流路２７の下流部では、図２に示したように、抽出流路３３を形成する第１プレート２８の溝３１と、第２プレート２９の溝３２とが、抽出流路３３を挟んで互いに離れるように相反する向きに湾曲している。ここでは、流路２７の下流部にある第１プレート２８の湾曲状の溝３１が、下部排出流路としての水溶液排出流路３５となり、一方、流路２７の下流部にある第２プレート２９の湾曲状の溝３２が、上部排出流路としての抽出液排出流路３７となる。流路２７は、これら水溶液排出流路３５と抽出液排出流路３７とによって、シリカ水溶液１１と抽出液２２とをそれぞれ抽出流路３３から取り出している。
【００４２】
ここで、図２のＶＩ−ＶＩ部分の断面構成を示す図６のように、流路２７の下流部では、第１プレート２８に形成された溝３１と、第２プレート２９に形成された溝３２とが一部重なっている。このような第１プレート２８に形成された溝３１と、第２プレート２９に形成された溝３２との重なる面積は、流路２７の下流に向うにしたがって次第に小さくなってゆく。そして、図２のＶＩＩ−ＶＩＩ部分の断面構成を示す図７のように、最終的には、第１プレート２８に形成された溝３１と、第２プレート２９に形成された溝３２とが完全に重ならなくなり、第１プレート２８に形成された溝３１が水溶液排出流路３５となり、一方、第２プレート２９に形成された溝３２が抽出液排出流路３７となる。
【００４３】
なお、図７に示すように、水溶液排出流路３５は、第１プレート２８に形成された溝３１を、第２プレート２９の平坦な対向面で覆うことによって形成されている。また、抽出液排出流路３７は、第２プレート２９に形成された溝３２を、第１プレート２８の平坦な対向面で覆うことによって形成されている。
【００４４】
ここで、取出手段としての水溶液排出流路３５は、抽出流路３３の下流端下側と連通していることから、抽出流路３３の下部側に集まって流れてくるシリカ水溶液１１をそのまま導き、このシリカ水溶液１１を第１プレート２８に開口した水溶液排出口３５ａを介して析出部４１に排出する。一方、抽出液排出流路３７は、抽出流路３３の下流端上側と連通していることから、抽出流路３３の上部側に集まって流れてくる抽出液２２をそのまま導き、この抽出液２２を第２プレート２９に開口した抽出液排出口３７ａを介して回収器２５に排出する。このようにして、流路２７では、抽出流路３３内の分離区間で２層に分離したシリカ水溶液１１と抽出液２２とのうち、下層のシリカ水溶液１１が水溶液排出流路３５に流れ込み、一方、上層の抽出液２２が抽出液排出流路３７に流れ込むようにして、２層に分離したシリカ水溶液１１と抽出液２２のうちからシリカ水溶液１１を取り出している。
【００４５】
次に、流路２７内におけるシリカ水溶液１１と抽出液２２との流れ方について、図８を用いてマクロ的な観点から簡単に説明する。この例におけるシリカ水溶液１１は、水溶液供給口３４ａから水溶液供給流路３４を介して抽出流路３３の上部に供給される。この際、抽出液２２は、抽出液供給口３６ａから抽出液供給流路３６を介して抽出流路３３の下部に供給される。抽出流路３３内に供給されたシリカ水溶液１１と抽出液２２とは、当該抽出流路３３内で合流して下流に向かって流れてゆく。
【００４６】
この際、本実施形態の場合、シリカ水溶液１１は、比重が抽出液２２の比重よりも大きいことから、抽出流路３３内を下流に向けて流れる間に、当該抽出流路３３内にて、水溶液供給流路３４が位置する上部から下部へと移動する。一方、抽出液２２は、比重がシリカ水溶液１１の比重よりも小さいことから、抽出流路３３内を下流に向けて流れる間に、当該抽出流路３３内にて、抽出液供給流路３６が位置する下部から上部へと移動する。
【００４７】
このようなシリカ水溶液１１及び抽出液２２の上下方向の移動においては、シリカ水溶液１１及び抽出液２２の界面張力等の影響を受けて、例えば抽出液２２が液滴状に分散して、シリカ水溶液１１中を上昇する。そして、抽出流路３３では、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが継続的に供給されていることから、シリカ水溶液１１と抽出液２２との上下方向の移動が繰り返し発生する。このようにしてシリカ水溶液１１と抽出液２２とは抽出流路３３内で混合される（混合工程）。
【００４８】
これにより、上記の混合が生じる本発明のホウ素除去装置１０では、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが混合することなく２層に分離した状態で抽出流路内の供給口から排出口へと流れる従来のホウ素除去装置よりも、シリカ水溶液１１と抽出液２２との接触面積（液液界面の面積）が増大する。これにより、ホウ素除去装置１０では、シリカ水溶液１１中のホウ酸が抽出液２２中のホウ素抽出剤によって捕捉される確率が高くなり、シリカ水溶液１１中からホウ素がより効率的に抽出され、結果として、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを２層に分離した状態だけで流す従来のホウ素除去装置よりも、高い除去効率でシリカ水溶液１１からホウ素を除去できる。
【００４９】
また、図８に示すように、抽出流路３３の下流域に設けた分離区間３３ａでは、シリカ水溶液１１と抽出液２２との上下方向の移動が進むことによって、シリカ水溶液１１が抽出流路３３の下部を流れ、また抽出液２２が抽出流路３３の上部を流れるようになり、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが２層に分離した状態となって流れる（分離工程）。
【００５０】
その後、抽出液２２は、抽出流路３３の上部に接続された抽出液排出流路３７に流れ込み、シリカ水溶液１１は、抽出流路３３の下部に接続された水溶液排出流路３５に流れ込む。かくして、ホウ素除去装置１０では、流路２７内で２層に分離したシリカ水溶液１１及び抽出液２２のうち、シリカ水溶液１１を水溶液排出流路３５により取り出すことができる（取出工程）。
【００５１】
水溶液排出流路３５に流れ込んだシリカ水溶液１１は、水溶液排出口３５ａから排出されて、析出部４１に送られる。ホウ素除去装置１０は、上記のように抽出流路３３内でシリカ水溶液１１と抽出液２２とを混合してホウ素除去効率が高くなっていることから、その分、当該シリカ水溶液１１から高純度なシリカを取り出すことができる。なお、抽出液排出流路３７に流れ込んだ抽出液２２は、抽出液排出口３７ａから排出されて回収器２５に送られる。
【００５２】
水溶液供給流路３４、水溶液供給口３４ａ、抽出液供給流路３６、抽出液供給口３６ａは、抽出流路３３内でシリカ水溶液１１を抽出液２２の下側に供給可能であれば、それらを形成する位置や部材は、上記のものに限定されない。同様に、水溶液排出流路３５、水溶液排出口３５ａ、抽出液排出流路３７、抽出液排出口３７ａは、２層に分離したシリカ水溶液１１と抽出液２２のうちの上層の抽出液２２と下層のシリカ水溶液１１とを分けて取り出すことができれば、それらを形成する位置や部材は、上記のものに限定されない。例えば、水溶液供給口３４ａ、水溶液排出口３５ａ、抽出液供給口３６ａ、抽出液排出口３７ａのそれぞれを、流路型リアクタ２１の一方の面、例えば上面２１ａに設けてもよい。この場合には、水溶液排出口３５ａは、第１プレート２８に形成された水溶液排出流路３５となる溝３１に連通するように第２プレート２９を貫通した孔として形成する。また、抽出液供給口３６ａは、第１プレート２８に形成された抽出液排出流路３７となる溝３１に連通するように第２プレート２９を貫通した孔として形成する。
【００５３】
また、上記では、シリカ水溶液１１と抽出液２２とのうちシリカ水溶液１１が比重の大きい液であり、抽出液２２が比重の小さい液である例について説明したが、シリカ水溶液１１と抽出液２２との比重の関係が逆であってもよく、この場合には、抽出流路３３に対する各液の供給位置の上下の関係が逆になる。また、抽出流路３３に対する各液の排出流路の上下の関係についても逆になる。すなわち、このような他の実施形態となるホウ素除去装置では、上部供給流路が抽出液供給流路となり、下部供給流路が水溶液供給流路となる。また、この場合、上部排出流路が水溶液排出流路となり、下部供排出流路が抽出液排出流路となる。
【００５４】
［第２実施形態］
第２実施形態は、上述した第１実施形態と同様に、シリカ水溶液１１と抽出液２２との比重の差により上下反転させて混合させる他、さらにシリカ水溶液１１と抽出液２２との流量も調整して抽出流路３３で乱流を生じさせ、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを混合するものである。ここで、図９は、第２実施形態によるホウ素除去装置５０を示し、第１実施形態と同じ構成部材には同一の符号を付している。なお、上述した第１実施形態と同じ構成部分についての説明は重複することになるため、その説明は省略する。
【００５５】
図９に示すように、ホウ素除去装置５０は、コントローラ５１に制御されるバルブ５２、５３を備えている。一方のバルブ５２は、シリカ水溶液供給部２３と流路型リアクタ５５との間に接続されており、シリカ水溶液供給部２３から流路型リアクタ５５へのシリカ水溶液１１の供給量を調整する。他方のバルブ５３は、抽出液供給部２４と流路型リアクタ５５との間に接続されており、抽出液供給部２４から流路型リアクタ５５への抽出液２２の供給量を調整する。バルブ５２、５３の開度は、コントローラ５１により制御されることで、抽出流路３３内でのシリカ水溶液１１と抽出液２２との流れが乱流になる供給量に選定されている。なお、この例では、コントローラ５１と、バルブ５２、５３とによって、混合手段としての供給量調整部が構成される。
【００５６】
流路型リアクタ５５は、平板状でなり、その内部に中空の流路５７を備えている。また、流路型リアクタ５５には、上面５５ａに開口した水溶液供給口３４ａ及び排出口６１ａが設けられており、底面５５ｂに開口した抽出液供給口３６ａが設けられている。この実施形態の場合、流路５７は、抽出流路３３、水溶液供給流路３４、抽出液供給流路３６、及び排出流路６１を有している。
【００５７】
この例における水溶液供給流路３４の上流端は、流路型リアクタ５５の上面５５ａに開口した水溶液供給口３４ａになっており、また、抽出液供給流路３６の上流端は、底面５５ｂに開口した抽出液供給口３６ａになっている。さらに、排出流路６１の下流端は、上面５５ａに開口した排出口６１ａになっており、排出口６１ａに対して、分離手段としての分離タンク６３が接続されている。
【００５８】
ここで、水溶液供給流路３４には、バルブ５２により供給量が調整されたシリカ水溶液１１が水溶液供給口３４ａを介して供給される。また、この際、抽出液供給流路３６には、バルブ５３により供給量が調整された抽出液２２が抽出液供給口３６ａを介して供給される。これにより抽出流路３３では、水溶液供給流路３４に供給されたシリカ水溶液１１と、抽出液供給流路３６に供給された抽出液２２とが合流し、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが乱流となって下流に向けて流れる。抽出流路３３では、シリカ水溶液１１と抽出液２２とにより乱流を生じさせることにより、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを混合し、シリカ水溶液１１と抽出液２２との接触面積（液液界面の面積）を増大させる（混合工程）。
【００５９】
抽出流路３３は、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを、排出流路６１を介して排出口６１ａから分離タンク６３に排出する。分離タンク６３は、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを貯めることで、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを比重の差によって２層に分離する（分離工程）。分離タンク６３は、底部近傍に水溶液排出口（図示せず）が形成されており、比重が大きいために底部近傍に集まったシリカ水溶液１１を、当該水溶液排出口から水溶液送液管（図示せず）を介して析出部４１に供給する。
【００６０】
なお、分離タンク６３は、上部に抽出液排出口（図示せず）が形成されており、比重が小さいために上部近傍に集まった抽出液２２を、当該抽出液排出口から抽出液送液管（図示せず）を介して回収器２５に供給する。このようにして、ホウ素除去装置５０では、分離タンク６３内で２層に分離したシリカ水溶液１１と抽出液２２とのうち、下層のシリカ水溶液１１が水溶液排出流路に流れ込み、一方、上層の抽出液２２が抽出液排出流路に流れ込むため、２層に分離したシリカ水溶液１１と抽出液２２のうちからシリカ水溶液１１を取り出すことができる（取出工程）。
【００６１】
第２実施形態によるホウ素除去装置５０でも、上述した「第１実施形態」と同様に、抽出流路３３を流れるシリカ水溶液１１と抽出液２２とが比重の差により上下反転することにより、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが混合される。これにより、このホウ素除去装置５０でも、シリカ水溶液１１と抽出液２２との接触面積（液液界面の面積）が増大し、シリカ水溶液１１中のホウ酸が抽出液２２中のホウ素抽出剤によって捕捉される確率が高くなり、シリカ水溶液１１中からホウ素をより効率的に抽出でき、その分、従来よりもシリカ水溶液１１からホウ素を除去できる。
【００６２】
これに加えて、このホウ素除去装置５０では、シリカ水溶液１１と抽出液２２との供給量が調整され、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを乱流にすることよっても、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを混合しているから、その分、シリカ水溶液１１と抽出液２２との接触面積（液液界面の面積）がさらに増大する。これにより、ホウ素除去装置５０では、乱流による混合によっても、シリカ水溶液１１中のホウ酸が抽出液２２中のホウ素抽出剤によって捕捉される確率が高くなり、シリカ水溶液１１中からホウ素がより効率的に抽出され、その分、一段と高い除去効率でシリカ水溶液１１からホウ素を除去できる。
【００６３】
なお、上述した第２実施形態においては、抽出流路３３の上部から、比重が大きいシリカ水溶液１１を供給し、抽出流路３３の下部から、比重が小さい抽出液２２を供給して、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを比重の差で混合する場合について述べたが、本発明はこれに限らず、抽出流路３３の上部から、比重が小さい抽出液２２を供給し、抽出流路３３の下部から、比重が大きいシリカ水溶液１１を供給して、シリカ水溶液１１と抽出液２２との比重の差による上下反転の混合を生じさせることなく、単にシリカ水溶液１１と抽出液２２との供給量のみを調整してシリカ水溶液１１と抽出液２２とに乱流を生じさせて混合するようにしてもよい。また、水溶液供給流路３４や、水溶液供給口３４ａ、抽出液供給流路３６、抽出液供給口３６ａは、第１実施形態と同様に、それらを形成する位置や部材は、上記のものに限定されない。
【００６４】
また、分離タンク６３を用いたシリカ水溶液１１と抽出液２２との分離に代えて、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが層流で流れる分離区間を抽出流路３３の下流域に設けて、第１実施形態と同様な構成で抽出液２２からシリカ水溶液１１を分離してもよい。また、上記第１実施形態のように混合する場合にも、分離タンク６３を用いてシリカ水溶液１１と抽出液２２とを分離することができる。
【００６５】
［他の実施形態］
シリカ水溶液１１と抽出液２２とを混合する手法は、上記各実施形態に示すものに限らない。例えば他の実施形態のホウ素除去装置としては、混合手段として超音波振動子を設け、抽出流路３３内のシリカ水溶液１１と抽出液２２に対して超音波振動子からの超音波振動を加えて混合するようにしてもよい。この場合には、抽出流路３３の下流域に超音波振動を加えない分離区間を設ける。これにより、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが比重の差によって２層に分離することができる。また、超音波振動を加えて混合する場合でも、第２実施形態のように分離タンク６３を用いてシリカ水溶液１１と抽出液２２とを分離することができる。
【００６６】
また、他の混合手段として、抽出流路３３の壁面に凹部及び凸部の一方あるいは両方を設け、凹部や凸部によってシリカ水溶液１１と抽出液２２との流れを乱すことにより、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを混合してもよい。この場合は、シリカ水溶液１１と抽出液２２とが抽出流路３３内にて２層で流れる分離区間を設けることで、シリカ水溶液１１と抽出液２２とを分離すればよい。また、分離タンク６３を用いてシリカ水溶液１１と抽出液２２とを分離することもできる。さらに、上述した種々の混合手段を２以上組み合わせたホウ素除去装置としてもよい。
【００６７】
また、上記の各例では、混合工程，及び取出工程を行う除去処理サイクルを１回だけ行っているが、連続的に複数回の除去処理サイクルを行ってもよい。例えば、図１０に示すホウ素除去装置７０は、除去処理ユニットとしての流路型リアクタ２１を２段に接続して、連続的に２回の除去処理サイクルを行う。この例では、上流側に接続した１段目の流路型リアクタ２１の水溶液排出口３５ａから取り出したシリカ水溶液１１を、下流側に接続した２段目の流路型リアクタ２１の水溶液供給口３４ａに供給する。また、１段目及び２段目の流路型リアクタ２１の抽出液供給口３６ａには、いずれも抽出液供給部２４からの新規の抽出液２２を供給する。
【００６８】
なお、流路型リアクタ２１を３段以上接続してもよい。この場合には、流路型リアクタ２１から取り出したシリカ水溶液１１を次段の流路型リアクタ２１の抽出流路３３に供給する。また、１個の流路型リアクタに複数本の抽出流路３３を設けてもよい。この場合、ホウ素除去装置には、上流側の抽出流路３３から、シリカ水溶液１１を抽出液２２から分離して取り出して、下流側の抽出流路３３に送る連絡流路を設けることが好ましい。もちろん、複数本の抽出流路３３を設けた流路型リアクタを２段以上繋げて多数回の除去処理サイクルを行ってもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１０、５０、７０  ホウ素除去装置
２１、５５  流路型リアクタ
１１  シリカ水溶液
２２  抽出液
３３  抽出流路
３３ａ  分離区間
３４  水溶液供給流路（混合手段、上部供給流路）
３５  水溶液排出流路（取出手段、下部排出流路）
３６  抽出液供給流路（混合手段、下部供給流路）
３７  抽出液排出流路（取出手段、上部排出流路）
６３  分離タンク（分離手段）
５１  コントローラ（混合手段、供給量調整部）
５２、５３  バルブ（混合手段、供給量調整部）
【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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