(57)【要約】  １価、２価または多価選択膜が１以上の濃縮物コンパートメントに組み入れられた１以上の電気透析セルを備え、廃水から選択的にイオンを回収する廃水精製機。廃水精製機は、イオン選択樹脂および浸透気化を含む技術を用いてイオンを回収し得る。精製機は、カリウム、リン酸塩およびアンモニウムの回収について特に有用である。
2015534506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気透析セルを備える廃水精製機であって、前記電気透析セルが、１以上の濃縮物コンパートメントに組み入れられた１価、２価または多価選択膜を備える、廃水精製機。
【請求項２】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、濃縮物から選択的かつ実質的に成分を排除する、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項３】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、濃縮物の成分を選択的かつ実質的に保持する、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項４】
カリウム、アンモニウムおよびリン酸塩のうち１以上を回収するように構成されている、請求項１に記載の廃水精製機
【請求項５】
前記選択膜が、陽イオン選択膜および陰イオン選択膜を含むイオン選択膜である、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項６】
前記選択膜が、異なるおよび／または特定の価に対して選択される、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項７】
前記選択膜が、２価または３価陽イオン選択膜および２価または３価陰イオン選択膜から選択される、請求項６に記載の廃水精製機。
【請求項８】
前記膜が、コンパートメント内のｐＨ値を制御して特定のイオンの回収を向上させるバイポーラ膜である、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項９】
前記電気透析セルが、１を超えるイオン／価選択膜および／または１を超える濃縮物コンパートメントを含む、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項１０】
前記濃縮物コンパートメントと流体連絡する濃縮物貯蔵部をさらに備える、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項１１】
１以上の前記濃縮物コンパートメント内に設けられたイオン交換樹脂をさらに備える、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項１２】
前記濃縮物コンパートメントの各々内に異なるイオン交換樹脂が設けられた、請求項１１に記載の廃水精製機。
【請求項１３】
廃水中の１以上の成分を濃縮する方法であって、
前記廃水を電気透析セルに導入する工程と、
前記セル内に、前記１以上の成分に特定の１以上のイオン価選択膜を設ける工程と、
前記１以上の成分が、電荷に応じて前記膜を通過して移動するように、前記セル内に電流を発生させる工程と、
前記１以上の成分を夫々の濃縮物コンパートメント内で濃縮する工程と、
前記コンパートメントから前記１以上の成分を回収する工程と、
を含む方法。
【請求項１４】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、濃縮物からの成分を選択的に保持し、それにより実質的に除去する、請求項１３に記載の方法。
【請求項１５】
前記濃縮物コンパートメントが、前記廃水から単一の成分を効果的に除去する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
前記濃縮物コンパートメントに、イオン交換樹脂またはイオン捕獲樹脂を充填し、前記成分を前記イオン交換樹脂または前記イオン捕獲樹脂から回収する、請求項１４に記載の方法。
【請求項１７】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、ガス透過性膜または浸透気化膜を含み、前記方法が浸透気化によって１以上の成分を回収するさらなる工程を含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１８】
沈殿によって１以上の成分を回収する工程をさらに含む、請求項１３に記載の方法。
【請求項１９】
前記セル内に電流を発生させる工程を、コンパートメント毎に０．１ボルトから３ボルトの電位を前記セルを跨いで印加することによって行う、請求項１３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、廃水流の選鉱に関する。本発明は特に、廃水流の成分を回収および／または除去する電気透析セルを含む廃水精製機に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水流の選鉱は、流中の貴重な成分を回収すること、および望ましくない成分を除去して利用可能な水を再生することの両方にとって非常に望ましい。
【０００３】
廃水とは概して、人為的な原因で質に悪影響を及ぼされた水であると理解されており、家庭、商業施設、工業および／または農業からの廃液を含み、広範囲の潜在的汚染物質および濃縮物を含み得る。
【０００４】
電気透析は、印加電位の差の影響の下、イオン交換膜を介して塩のイオンをある溶液から別の溶液に移送するために用いられる技術である。これは電気透析セルと呼ばれる構造物内で行われる。セルは、アノード、セントラル、カソードという３つのコンパートメントからなり、個々のコンパートメントは陰イオン交換膜（ＡＥＭ）または陽イオン交換膜（ＣＥＭ）によって分離されている。実用的な電気透析プロセスのほぼすべてにおいて、複数の電気透析セルが電気透析スタックとよばれる構成で設けられており、交互に設けられた陰イオン交換膜と陽イオン交換膜とが複数の電気透析セルを形成している。
【０００５】
電気透析スタックでは、希釈液（Ｄ）供給流、濃縮物液（Ｃ）流、および電極（Ｅ）流が、イオン交換膜によって形成された適切なセルコンパートメントを通過して流れるようになっている。電位差の影響の下、希釈液流中の負に帯電したイオン（例えば塩化物）は正に帯電したアノード方向に移動する。これらのイオンは正に帯電した陰イオン交換膜を通過するが、負に帯電した陽イオン交換膜によってアノード方向へのさらなる移動を拒まれ、そのためＣ流内に留まる。Ｃ流では陰イオンが濃縮される。Ｄ流中の正に帯電した種（例えばナトリウム）は、負に帯電したカソード方向に移動し、負に帯電した陽イオン交換膜を通過する。これらの陽イオンも、正に帯電した陰イオン交換膜によってカソード方向へのさらなる移動を拒まれてＣ流内に留まる。陰イオンおよび陽イオンが移動した結果、カソードとアノードとの間に電流が流れる。同数の陰イオン電荷当量と陽イオン電荷当量とがＤ流からＣ流へと移送され、そのため各流で電荷のバランスが保持される。電気透析プロセスの全体的な結果は、濃縮物流中でイオン濃度が上昇し、希釈溶液供給流中でイオンが欠乏することである。
【０００６】
Ｅ流は、スタック内の各電極を通過して流れる電極流である。この流は供給流と同一の組成物からなってもよいし、異なる種を含む別の溶液であってもよい。スタックの構成によって、電極流から陰イオンおよび陽イオンをＣ流に移送してもよいし、あるいはＤ流から陰イオンおよび陽イオンをＥ流に移送してもよい。いずれの場合もこの移送は、スタックを跨いで電流を流すために必要である。拡散度または移動に対する他の抵抗の低下によってイオンの移送が増加すると、同等の総電流量に対する電流量の低下または電圧の上昇が起こる。
【０００７】
特定の廃水流からの価値ある成分である窒素を回収するための電気透析の使用について、いくつかの特定の例が公開されている。例えば、電気透析と他の技術とを組み合わせてブタ糞からアンモニアを回収することが、非特許文献１、非特許文献２および非特許文献３に記載されている。
【０００８】
さらに、尿汚水流から微細汚染物質を除去して濃縮塩流を生成するために電気透析を用いることが非特許文献４に記載されており、尿汚水流から微細汚染物質を除去して濃縮栄養素流を生成するために電気透析を用いることが非特許文献５に記載されている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Ｉｐｐｅｒｓｉｅｌ  Ｄ，Ｍｏｎｄｏｒ  Ｍ，Ｌａｍａｒｃｈｅ  Ｆ，Ｔｒｅｍｂｌａｙ  Ｆ，Ｄｕｂｒｅｕｉｌ  Ｊ，Ｍａｓｓｅ  Ｌ．２０１１，Ｎｉｔｒｏｇｅｎ  ｐｏｔｅｎｔｉａｌ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ａｎｄ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｍｍｏｎｉａ  ｆｒｏｍ  ｓｗｉｎｅ  ｍａｎｕｒｅ  ｕｓｉｎｇ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ  ｃｏｕｐｌｅｄ  ｗｉｔｈ  ａｉｒ  ｓｔｒｉｐｐｉｎｇ（電気透析とエアストリッピングとを組み合わせた、ブタ糞からのアンモニア性窒素の回収および濃縮），Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ
【非特許文献２】Ｍｏｎｄｏｒ  Ｍ，Ｉｐｐｅｒｓｉｅｌ  Ｄ，Ｌａｍａｒｃｈｅ  Ｆ，Ｍａｓｓｅ  Ｌ．２００９，Ｆｏｕｌｉｎｇ  ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚａｔｉｏｎ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ  ｍｅｍｂｒａｎｅｓ  ｕｓｅｄ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ａｎｄ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｍｍｏｎｉａ  ｆｒｏｍ  ｓｗｉｎｅ  ｍａｎｕｒｅ（ブタ糞からのアンモニアの回収および濃縮に用いる電気透析膜のファウリング特性），Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  １００（２）：５６６−５７１頁
【非特許文献３】Ｍｏｎｄｏｒ  Ｍ，Ｍａｓｓｅ  Ｌ，Ｉｐｐｅｒｓｉｅｌ  Ｄ，Ｌａｍａｒｃｈｅ  Ｆ，Ｍａｓｓｅ  Ｄｌ．２００８，Ｕｓｅ  ｏｆ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｒｅｖｅｒｓｅ  ｏｓｍｏｓｉｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｒｅｃｏｖｅｒｙ  ａｎｄ  ｃｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  ａｍｍｏｎｉａ  ｆｒｏｍ  ｓｗｉｎｅ  ｍａｎｕｒｅ（ブタ糞からのアンモニアの回収および濃縮のための電気透析および逆浸透の使用），Ｂｉｏｒｅｓｏｕｒｃｅ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ９９（１５）：７３６３−７３６８頁
【非特許文献４】Ｐｒｏｎｋ  Ｗ，Ｂｉｅｂｏｗ  Ｍ，Ｂｏｌｌｅｒ  Ｍ．２００６，Ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ  ｆｏｒ  Ｒｅｃｏｖｅｒｉｎｇ  Ｓａｌｔｓ  ｆｒｏｍ  ａ  Ｕｒｉｎｅ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  Ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ  Ｍｉｃｒｏｐｏｌｌｕｔａｎｔｓ（微細汚染物質を含む尿溶液から塩を回収するための電気透析），Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ４０（７）：２４１４−２４２０頁
【非特許文献５】Ｐｒｏｎｋ  Ｗ，Ｚｕｌｅｅｇ  Ｓ，Ｌｉｅｎｅｒｔ  Ｊ，Ｅｓｃｈｅｒ  Ｂ，Ｋｏｌｌｅｒ  Ｍ、Ｂｅｒｎｅｒ  Ａ，Ｋｏｃｈ  Ｇ，Ｂｏｌｌｅｒ  Ｍ．２００７，Ｐｉｌｏｔ  ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓ  ｗｉｔｈ  ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ  ａｎｄ  ｏｚｏｎａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  ｐｒｏｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  ａ  ｆｅｒｔｉｌｉｓｅｒ  ｆｒｏｍ  ｕｒｉｎｅ（尿から肥料を生成するための電気透析およびオゾン化のパイロット実験），Ｗａｔｅｒ  Ｓｃｉｅｎｃｅ  ＆  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ  ５６（５）：２１９−２２７頁
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
これらの研究は電気透析セル内で選択透過性陰イオンおよび／または陽イオン交換膜を用いて行われたが、膜は移送するイオンの価については非選択的であった。用途は、単一成分または単一価の成分（主にアンモニア）を回収すること、または望まれない成分を除去して水をリサイクルすることである。これらの用途の中に、相間移動による選択的除去を用いること、または報告されているようにＣ流のｐＨ値の維持が非選択的イオン移送のために困難であることを考慮したものはない。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
一局面によると本発明は、電気透析セルを備える廃水精製機に関する。電気透析セルは、１以上の濃縮物コンパートメントに組み入れられた１価、２価または多価選択膜を備える。
【００１２】
第２の局面によると本発明は、電気透析セルを備える廃水精製機に関する。電気透析セルは、１以上の濃縮物コンパートメントに組み入れられた１価、２価または多価選択膜を備え、濃縮物コンパートメントのうち少なくとも１つが、濃縮物から選択的かつ実質的に成分を排除するように適合されている。
【００１３】
本発明の精製機での使用に適した廃水は、工業、農業および家庭廃水を含むいずれの廃水でもよい。
【００１４】
本発明の精製機は、廃水から任意の成分を回収するように構成され得るが、経済的に成分の販売価値に左右される。例えば本発明を達成した時点で価値が高いと考えられている成分は、カリウム、アンモニウムおよびリン酸塩を含む。そのため本発明の精製機は、陰イオンまたは陽イオン回収分から成分を回収するように構成され得る。
【００１５】
本発明の電気透析セルは、陽イオン選択膜および陰イオン選択膜を含むイオン選択膜、ならびに異なるおよび／または特定の価に対して選択的である膜、例えば、２価または３価陽イオン選択膜および２価または３価陰イオン選択膜を含むイオン選択膜を備えてもよい。さらに膜は、コンパートメント内のｐＨ値を制御して特定のイオンの回収を向上できるバイポーラ膜であってもよい。
【００１６】
本発明の電気透析セルは、１を超えるイオン／価選択膜および／または１を超える濃縮物コンパートメントを含んでもよい。複数の膜および濃縮物コンパートメントは、電気透析セルのアノードとカソードとの間で直列であってもよい。
【００１７】
電気透析セルは、アノードからカソードまで以下の順で設けられてもよい。アノード、これに隣接する陽イオン選択膜の繰り返し、濃縮物コンパートメント、陰イオン選択膜、希釈液コンパートメント、陰イオン選択膜、これに隣接するカソード。セル構成の一例は以下の通りであり得る。アノード−Ｅ／ＣＥＭ／Ｃ／ＡＥＭ／Ｄ／ＣＥＭ／Ｃ／ＡＥＭ／Ｄ／ＣＥＭ／Ｃ／ＡＥＭ／Ｅ−カソード。
【００１８】
本発明の第３の局面において、廃水中の１以上の成分を濃縮する方法が提供される。該方法は、
廃水を電気透析セルに導入する工程と、
セル内に、１以上の成分に特定の１以上のイオン価選択膜を設ける工程と、
１以上の成分が電荷に応じて膜を通過して移動するように、セル内に電流を発生させる工程と、
１以上の成分を夫々の濃縮物コンパートメント内で濃縮する工程と、
コンパートメントから１以上の成分を回収する工程と、を含む。
【００１９】
本発明の第２および第３の局面において、濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、濃縮物からの成分を選択的に保持し、それにより実質的に除去するように適合されている。濃縮物コンパートメントの適合は、廃水から単一の成分を効果的に除去するものであればどんなものでもよい。適合は例えば、イオン交換樹脂、イオン捕獲樹脂、またはガス透過性膜または浸透気化膜を充填することを含んでもよい。
【００２０】
濃縮物コンパートメントでの適合は、所望の成分を回収するか、望まない成分を除去するために用いられてもよい。
【００２１】
本発明のさらなる特徴および利点は、以下の詳細な説明から明らかになる。
【００２２】
本発明の理解を助けるため、および当業者が本発明により実際に効果を得ることを可能にするために、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照して記載する。以下の記載は実施例としてのみ提供する。
【図面の簡単な説明】
【００２３】
【図１】図１は、本発明の第１の実施形態による廃水精製機を示す。
【図２】図２は、本発明の第２の実施形態による廃水精製機を示す。
【図３】図３は、本発明の第３の実施形態による廃水精製機を示す。
【図４】図４は、本発明の第４の実施形態による廃水精製機を示す。
【図５】図５は、本発明の第５の実施形態による廃水精製機を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２４】
当業者であれば、図示した構成要件のレイアウトを多少変更したからといって、本発明について開示する実施形態が適切に機能しなくなることはない、ということを理解する。
【００２５】
本発明の実施形態は廃水精製機を備える。本発明の構成要件の概要は図面に簡潔に示している。図面は、本発明の実施形態の理解に必要な特定の詳細のみを示しており、本明細書の記載に照らせば当業者に明らかな点を細々と表示し過ぎないようにしている。
【００２６】
本特許明細書では、「第１の」、「第２の」、「左の」、「右の」、「前の」、「後の」、「上の」、「下の」などの形容詞は、ある構成要件または方法の工程を別の構成要件または方法の工程と区別するためにのみ用いられており、その形容詞が意味する具体的な相対位置または並びが必ずしも必要なわけではない。「備える」または「含む」などの用語は、構成要件または方法の工程の排他的な組み合わせを示すために用いられるのではなく、本発明の特定の実施形態に含まれる構成要件または方法の工程の最小限の組み合わせを示すに過ぎない。
【００２７】
本明細書で何らかの先行技術に言及したとしても、その先行技術が一般的な知見の一部であることを認めるわけでも示唆するわけでもなく、そのように理解すべきではない。
【００２８】
本発明の廃水精製機は多くの廃水流のほとんどの成分を回収および／または除去するために用いることができる。本発明の廃水精製機での使用に適した廃水流のいくつかの例は、農業廃水流、家庭廃水流、および工業廃水流、例えば薄い蒸留廃液（ｓｔｉｌｌａｇｅ）またはダンダー（ｄｕｎｄｅｒ）などの廃水流を含む。廃水流は、必要に応じて、および流内の固体汚染物質のレベルに応じて、電気透析セルに送る前に濾過することもできる。
【００２９】
廃水流は、該流から除去および／または回収することが望まれ得る、任意の数の陰イオンおよび／または陽イオンを含み得る。その例は、カリウム、アンモニア、リン酸塩、ナトリウム、鉄、塩素、硫酸塩、クロム、および銀を含むがこれらに限られない。
【００３０】
本発明での使用に適した選択透過性ＡＥＭおよびＣＥＭは、Ｍｅｍｂｒａｎｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ（米国）、トクヤマコーポレーション（日本、Ａｍｅｒｉｄｉａ）、および旭硝子（日本、セレミオン、ＨＣＦ）から市販されている多価膜および１価膜を含む。
【００３１】
〔実施例１〕
図１を参照する。本発明の廃水精製機を用いる簡素な本実施例では、少なくともカリウム（Ｋ＋）およびアンモニウム（ＮＨ４＋）を含む廃水（１００）からのＫ＋およびＮＨ４＋の回収を示す。
【００３２】
本発明の電気透析セル（１０１）に廃水（１００）を導入する。本発明の電気透析セル（１０１）は、第１の端部にカソード（１０２）を含み、反対側の端部にアノード（１０３）を含む。カソードは好ましくは３１６ステンレス鋼であり、アノードは好ましくは混合金属酸化物であるが、これよりも低い電位で動作する他の物質を含んでもよい。廃水の流量は、セルの設計が適切なものである限り、任意の適した流量であり得、特に限定されない。セルは雰囲気温度で適切に動作する。
【００３３】
セル（１０１）に電位を印加し、カソード（１０２）とアノード（１０３）との間のコンパートメント（１０４、１０５）に廃水（１００）を導入する。印加する電位は好ましくは１コンパートメント当たり約０．１〜３Ｖである。本発明の本実施例では、廃水中の陰イオンは拡散によりアノード（１０３）方向に移動し、一方陽イオンであるＫ＋およびＮＨ４＋はカソード（１０２）方向に拡散する。
【００３４】
陽イオンはこの拡散中に陽イオン交換膜（１０７、１０８）を通過するが、陰イオン交換膜（１０９、１１０、１１１）には拒絶される。このことはイオン交換膜が選択されたイオンを優先的に通過させるか拒絶することを意味する、ということを当業者であれば理解する。この結果、コンパートメント（１１２、１１３）内の陽イオンが濃縮する。これらのコンパートメントからの濃縮物はライン（１１６）を介して濃縮物貯蔵部（１１４）に流体連絡し、その後、陽イオン濃縮物の除去および回収が保証されるまで、ライン（１１７）を介してセル（１０１）のコンパートメント（１１２、１１３、１１５）に戻すこともできる。除去および回収は、任意の適切な方法、例えば濃縮物貯蔵部（１１４）からの沈殿によって行い得、イオン捕獲樹脂を用いてもよい。
【００３５】
本実施例では特に示さないが、陰イオンは陰イオン交換膜（１０９、１１０）を通過するが、陽イオン交換膜（１０６、１０７、１０８）には拒絶される。
【００３６】
〔実施例２〕
図２を参照して、本発明のより複雑な実施例を説明することができる。本実施例では、陽イオンであるＫ＋、Ｆｅ３＋、ＮＨ４＋および陰イオンであるＰＯ４３−およびＣｌ−を含む廃水（２００）からカリウム（Ｋ＋）、アンモニア（ＮＨ４＋）およびリン酸塩（ＰＯ４３−）を回収する。この実施例は、直列に動作する２つの電気透析セル（２０１ａ、２０１ｂ）を含む。第１のセルは選択透過性膜を含み、第２のセルは価選択膜を含む。
【００３７】
本発明の電気透析セルに廃水（２００）を導入する。本発明の電気透析セルは、上記同様、第１の端部にカソード（２０２）を含み、反対側の端部にアノード（２０３）を含む。
【００３８】
セルに電流を流し、カソード（２０２）とアノード（２０３）との間のコンパートメント（２０４、２０５）に廃水（２００）を導入する。本発明の本実施例では、廃水中の陰イオンであるＰＯ４３−およびＣｌ−は拡散によりアノード（２０３）方向に移動し、一方陽イオンであるＫ＋、Ｆｅ３＋およびＮＨ４＋はカソード（２０２）方向に拡散する。陰イオンは、１組の陰イオン選択膜（２０９、２１０）を通過して拡散し、濃縮物コンパートメント（２１２、２１５）内で濃縮する。陰イオンは、濃縮物コンパートメント（２１２、２１５）から供給ライン（２１６）を介して第２のセル（２０１ｂ）に送られる。第２のセル（２０１ｂ）は、１組の１価陰イオン選択膜（２２９、２３０、２３１）を含む。
【００３９】
同様に陽イオンは、１組の陽イオン選択膜（２０７、２０８）を通過して拡散し、濃縮物コンパートメント（２１２、２１３）内で濃縮する。陽イオンは、濃縮物コンパートメント（２１２、２１３）から供給ライン（２１６）を介して第２のセル（２０１ｂ）に送られる。第２のセル（２０１ｂ）は、１組の１価陽イオン選択膜（２２６、２２７、２２８）を含む。
【００４０】
陽イオン交換膜（２０６）および陰イオン交換膜（２１１）によって第１のセル（２０１ａ）が完成する。陽イオン交換膜（２０６）は、コンパートメント（２１５）内の陰イオンを濃縮し、陰イオン交換膜（２１１）は、コンパートメント（２１３）内の陽イオンを濃縮する。
【００４１】
供給ライン（２１６）は陰イオンおよび陽イオンの濃縮物流を含む。陰イオンおよび陽イオンの濃縮物流は本実施例では、Ｋ＋、Ｆｅ３＋、ＮＨ４＋、Ｃｌ−およびＰＯ４３−を含む。
【００４２】
濃縮物流からの１価の陰イオンは１価選択膜（２２９、２３０）を通過して拡散する。１価選択膜（２２９、２３０）は、１価のＣｌ−イオンの拡散は許容するが３価のＰＯ４３−イオンの拡散は許容しない。これによりＰＯ４３−陰イオンはＣｌ−陰イオンから効果的に分離される。
【００４３】
同時に、濃縮物流からの１価の陽イオンは１価選択膜（２２７、２２８）を通過して拡散する。１価選択膜（２２７、２２８）は、１価のＫ＋イオンおよびＮＨ４＋イオンの拡散は許容するが３価のＦｅ３＋イオンの拡散は許容しない。このことによりＦｅ３＋陽イオンはＫ＋およびＮＨ４＋陽イオンから効果的に分離される。
【００４４】
コンパートメント（２３２、２３３、２３４）は、供給ライン（２４０）を介して第１の濃縮物貯蔵部（２４１）に送られる、高濃度の３価のイオンを有する。ＰＯ４３−などの高い値を有するイオンは沈殿またはその他の適切な手段で回収することができる。濃縮物貯蔵部（２４１）からの濃縮物は、供給ライン（２４２）を介して第１のセル（２０１ａ）内のコンパートメント（２１２、２１３、２１５）にリサイクルすることができる。
【００４５】
コンパートメント（２３５、２３６、２３７）は、供給ライン（２５０）を介して第２の濃縮物貯蔵部（２５１）に送られる、高濃度の１価のイオンを有する。高い値を有するイオンは沈殿またはその他の適切な手段で回収することができる。濃縮物貯蔵部（２５１）からの濃縮物は、供給ライン（２５２）を介して第２のセル（２０１ｂ）内のコンパートメント（２３５、２３６、２３７）にリサイクルすることができる。
【００４６】
実施例２のセル（２０１ａ、２０１ｂ）は図１同様、独立したセルとして動作し得ることが理解される。しかし、単独のセルとして効果的に動作することにより、リサイクル中の内部濃縮物の、上昇した導電性が利用されて、ｐＨ勾配を減少させるように補助される。
【００４７】
〔実施例２Ａ〕
本実施例は、実施例２の延長線上にあり、１価のイオンを選択的に分離することができる。第１のセルは選択透過性膜を含み、第２のセルは表面修飾型１価膜を含む。プロセスは実施例２で上記したものであるが、実施例２の価選択膜に代えて表面修飾型１価膜を用いて、特定の１価のイオンを拒絶する。
【００４８】
本発明の本実施例では、廃水中の陽イオンであるＫ＋、Ｆｅ３＋およびＮＨ４＋はカソード方向に拡散する。廃水中のイオンは第１の陽イオン選択膜に到達し、陽イオンはこの膜を通過して拡散し、第１の陽イオン濃縮物コンパートメント内で濃縮する。この濃縮物は、カソード方向に拡散し続け、化学修飾型１価交換膜に到達する。この膜の表面は、ＮＨ４＋を拒絶するように化学的に修飾されている。Ｋ＋などの１価の陽イオンはこの膜を通過して拡散し、第２の陽イオン濃縮物コンパートメントに入る。ＮＨ４＋およびＦｅ３＋は第１の陽イオン濃縮物コンパートメントに残る。
【００４９】
表面修飾型１価膜を適切に選択することにより任意の特定のイオンを選択可能であることが理解される。
【００５０】
上記した第１および第２の濃縮物コンパートメントからの濃縮物流を、夫々の電気透析セルの入口に戻し、さらに濃縮するためにリサイクルすることもできる。高い値のイオンは濃縮物貯蔵部から沈殿させてもよい。
【００５１】
〔実施例３〕
図３を参照する。本実施例は上記実施例２の延長線上にある。本発明の電気透析セル（３０１ａ、３０１ｂ）に廃水（３００）を導入する。電気透析セル（３０１ａ、３０１ｂ）は、上記同様、第１の端部にカソード（３０２）を含み、反対側の端部にアノード（３０３）を含む。
【００５２】
電流をセルに流し、カソード（３０２）とアノード（３０３）との間のコンパートメント（３０４、３０５）に廃水（３００）を導入する。本実施例では廃水（３００）は、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋およびＮａ＋をも含むがＦｅ３＋は含まないと考えられる。実施例２同様、廃水中の陰イオンであるＰＯ４３−およびＣｌ−は拡散によりアノード（３０３）方向に移動し、一方陽イオンであるＣａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｋ＋およびＮＨ４＋はカソード（３０２）方向に拡散する。陰イオンは、１組の陰イオン選択膜（３０９、３１０）を通過して拡散し、濃縮物コンパートメント（３１２、３１５）内で濃縮する。陰イオンは、濃縮物コンパートメント（３１２、３１５）から供給ライン（３１６）を介して第２のセル（３０１ｂ）に送られる。第２のセル（３０１ｂ）は、１組の１価陰イオン交換膜（３２９、３３０、３３１）を含む。
【００５３】
同様に陽イオンは、１組の陽イオン選択膜（３０７、３０８）を通過して拡散し、濃縮物コンパートメント（３１２、３１３）内で濃縮する。陽イオンは、濃縮物コンパートメント（３１２、３１３）から供給ライン（３１６）を介して第２のセル（３０１ｂ）に送られる。第２のセル（３０１ｂ）は、１組の１価陽イオン交換膜（３２６、３２７、３２８）を含む。
【００５４】
陽イオン交換膜（３０６）および陰イオン交換膜（３１１）によって第１のセル（３０１ａ）が完成する。陽イオン交換膜（３０６）は、コンパートメント（３１５）内の陰イオンを濃縮し、陰イオン交換膜（３１１）は、コンパートメント（３１３）内の陽イオンを濃縮する。
【００５５】
供給ライン（３１６）は陰イオンおよび陽イオンの濃縮物流を含む。陰イオンおよび陽イオンの濃縮物流は本実施例では、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋、Ｎａ＋、Ｋ＋、ＮＨ４＋、Ｃｌ−およびＰＯ４３−を含む。供給ライン（３１６）は、濃縮物流をコンパートメント（３３２、３３３、３３４）に送る。コンパートメント（３３２、３３３、３３４）には、陽イオン交換樹脂、斜プチロル沸石などの、Ｋ＋を優先的に吸収するイオン交換媒体が充填されている。１種類のイオンの回収を最大限に行うために各コンパートメントが同じ樹脂を含むようにしてもよい。しかし本発明では、各コンパートメント（３３２、３３３、３３４）に異なるイオン交換媒体が充填されている方がより効力がある。例えばＫ＋を回収するために第１の陽イオン交換樹脂をコンパートメント（３３２）に充填し、ＮＨ４＋を回収するために第２の陽イオン交換樹脂をコンパートメント（３３３）に充填し、ＰＯ４３−を回収するために第１の陰イオン交換樹脂をコンパートメント（３３４）に充填してもよい。これらのイオンは各々、特定のイオン交換媒体用の適切な方法、例えば定期的洗浄などにより回収して別々のラインに送ってもよい。
【００５６】
濃縮物流からの未回収の１価の陰イオンは、１価選択膜（３２９、３３０）を通過して拡散する。１価選択膜（３２９、３３０）は１価のＣｌ−イオンの拡散を許容するが、３価のＰＯ４３−イオンの拡散は許容しない。これによりＰＯ４３−陰イオンはＣｌ−陰イオンから効果的に分離される。
【００５７】
同時に、濃縮物流からの未回収の１価の陽イオンは１価選択膜（３２７、３２８）を通過して拡散する。１価選択膜（３２７、３２８）は、１価のＫ＋イオンおよびＮＨ４＋イオンの拡散は許容するが、２価のＣａ２＋イオンおよびＭｇ２＋イオンの拡散は許容しない。これによりＣａ２＋およびＭｇ２＋陽イオンはＫ＋およびＮＨ４＋陽イオンから効果的に分離される。
【００５８】
コンパートメント（３３２、３３３、３３４）は、供給ライン（３４０）を介して第１の濃縮物貯蔵部（３４１）に送られる、高濃度の２価のイオン（樹脂によって回収された３価のＰＯ４３−イオン）を有する。濃縮物貯蔵部（３４１）からの濃縮物は、供給ライン（３４２）を介して第１のセル（３０１ａ）内のコンパートメント（３１２、３１３、３１５）にリサイクルすることもできるし、第２のセル（３０１ｂ）内のコンパートメント（３３５、３３６、３３７）にリサイクルすることもできる。これにより、必要に応じて第１の濃縮物貯蔵部（３４１）から第１のセル（３０１ａ）または第２のセル（３０１ｂ）に濃縮物を送ることにより生成物の質および動作条件を制御することができる。
【００５９】
コンパートメント（３３５、３３６、３３７）は、供給ライン（３５０）を介して第２の濃縮物貯蔵部（３５１）に送られる、高濃度の１価のイオン（Ｋ＋イオンおよびＮＨ４＋イオン以外）を有する。高い値を有するイオンは沈殿またはその他の適切な手段で回収することができる。濃縮物貯蔵部（３５１）からの濃縮物は、供給ライン（３５２）を介して第２のセル（３０１ｂ）内のコンパートメント（３３５、３３６、３３７）にリサイクルすることができる。
【００６０】
本実施形態は、第２の濃縮物貯蔵部（３５１）があってもなくても動作し得る。
【００６１】
〔実施例４〕
図４を参照する。本実施例は上記実施例１の延長線上にある。本発明の電気透析セル（４０１）に廃水（４００）を導入する。電気透析セル（４０１）は、第１の端部にカソード（４０２）を含み、反対側の端部にアノード（４０３）を含む。セル（４０１）に電位を印加し、カソード（４０２）とアノード（４０３）との間のコンパートメント（４０４、４０５）に廃水（４００）を導入する。
【００６２】
本実施例では、選択透過性膜に代えて１価膜を用いて１価のイオンを除去する。イオンが一旦１価膜（陽イオンの場合はＣＥＭ、陰イオンの場合はＡＥＭ）を通過して拡散すると、カソード（４０２）でガス透過性膜（４１９）を用いて特定のイオンをコンパートメント（４２０）からコンパートメント（４２１）に選択的に回収する。コンパートメント（４２１）内が真空であるため、ＮＨ３などの揮発性成分がガス透過性膜（４１９）を通過して引き寄せられて回収される。
【００６３】
本発明の本実施例では、廃水中の陽イオンであるＫ＋、Ｆｅ３＋およびＮＨ４＋はカソード（４０２）方向に拡散する。廃水中のイオンは、１価陽イオン選択膜（４０７、４０８）に到達し、１価の陽イオンはこの膜を通過して拡散し、濃縮物コンパートメント（４１２、４１３）内で濃縮する。濃縮物コンパートメント（４１２、４１３、４１５）からの濃縮物は、供給ライン（４１８）を介して浸透気化コンパートメント（４２０）に送られる。ＮＨ４＋がカソード（４０２）に近づくと、ｐＨ値が局所的に上昇し（ｐＨ＞９．０）、それによりＮＨ４＋がより揮発性のＮＨ３に転換する。ＮＨ３はガス捕獲コンパートメント（４２１）に拡散し、例えば酸トラップまたは低真空によって回収される。Ｋ＋を含む濃縮物流は、濃縮物貯蔵部（４１４）を通過させて電気透析セルに戻してもよいし、濃縮物貯蔵部（４１４）から回収してもよい。
【００６４】
〔実施例５〕
図５を参照する。本実施例は上記実施例１の延長線上にある。イオンが一旦選択透過性膜（すなわち陽イオンの場合はＣＥＭ、陰イオンの場合はＡＥＭ）を通過して拡散すると、特定のイオンが選択的に沈殿して濃縮物流から除去される。
【００６５】
本発明の本実施例では、廃水（５００）中の陽イオンであるＫ＋、Ｃａ２＋、Ｍｇ２＋およびＮＨ４＋はカソード（５０２）方向に拡散し、陰イオンであるＰＯ４３−およびＣｌ−はアノード（５０３）方向に拡散する。廃水中の陽イオンは、陽イオン選択膜（５０７、５０８）に到達し、この膜を通過して拡散し、濃縮物コンパートメント（５１２、５１３）内で濃縮する。同様に廃水中の陰イオンは、陰イオン選択膜（５０９、５１０）に到達し、この膜を通過して拡散し、濃縮物コンパートメント（５１２、５１３）内で濃縮する。コンパートメント（５１２、５１３、５１５）内の濃縮物は、供給ライン（５１６）を介して濃縮物貯蔵部（５１４）に送られる。
【００６６】
本実施例では、濃縮物貯蔵部に対イオン（陰イオン）を追加し、すなわちタンク５１８からのＣＯ２および水を追加して、濃縮物貯蔵部内でＣａＣＯ３およびＭｇＣＯ３を沈殿させる。ＣａＣＯ３およびＭｇＣＯ３は貯蔵タンク（５１９）に収集される。対イオンを追加して特定の化合物を沈殿させるプロセスは、バイポーラ膜、電気化学法または化学法を用いたｐＨ値の反応器内操作と組み合わせることにより、よりよい動作または回収の向上を達成するようにしてもよい。実際には、電気透析プロセスにおいては沈殿が主要な問題点であるため、電気化学膜、化学膜またはバイポーラ膜によるｐＨ値の反応内操作を用いてｐＨ値を補正して沈殿物を低減することもできる。対イオンを用いて特定の化合物を沈殿させるプロセスは通常、電気透析ユニットの外部で行う。沈殿プロセスは濃縮物のｐＨ値を変動させる可能性がある。この変動は、上記したｐＨ値の反応内操作技術を用いて補正することができる。
【００６７】
濃縮物貯蔵部（５１４）からのＫ＋およびＮＨ４＋を含む濃縮物流は、供給ライン（５１７）を介して電気透析セルの入口に戻してさらなる濃縮のためにリサイクルすることもできる。
【００６８】
さらに、膜および関連するコンパートメントの順序、性質および数は、プロセスの所望の結果に応じて変えることができる。このように廃水流中の多くの価値ある成分を回収すること、または望まない成分を除去することができる。各実施形態の濃縮物貯蔵部からイオンを回収するために、上記した技術を含む様々な技術が使用可能であることが理解される。さらに、各実施形態では１種または２種のイオンの回収に焦点を置いたが、異なる実施形態の技術を組み合わせて精製機から複数種類のイオンを回収するようにしてもよい、ということが理解される。
【００６９】
本発明の様々な実施形態に関する上記記載は、当業者に対してのものである。上記記載は本発明を完全に網羅するものでもなく、単一の開示した実施形態に本発明を限定するものでもない。上記のように、本発明の様々な変形および改変が当業者には明らかである。したがって、いくつかの変形例を記載したが、他の実施形態も当業者には明らかであるか、あるいは比較的容易に開発可能である。そのため本発明は、本明細書で述べた本発明の変形、変化、改変をすべて含み、上記本発明の思想および範囲にあてはまる他の実施形態も含むことを意図している。
【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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【手続補正書】
【提出日】平成26年5月2日(2014.5.2)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
廃水中の１以上の成分を濃縮する廃水精製機であって、少なくとも１つの電気透析セルを備え、前記少なくとも１つの電気透析セルが複数の膜と複数の濃縮物コンパートメントを備え、前記濃縮物コンパートメントの各々が隣り合う１対の膜の間に規定され、前記複数の膜がイオンに対して特定の膜または価に対して特定の膜または表面修飾型イオン交換膜の組み合わせを備える、廃水精製機。
【請求項２】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、濃縮物から選択的かつ実質的に成分を排除する、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項３】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、濃縮物の成分を選択的かつ実質的に保持する、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項４】
前記廃水から、カリウム、アンモニウムおよびリン酸塩のうち１以上を回収するように構成されている、請求項１に記載の廃水精製機
【請求項５】
前記イオンに対して特定の膜が、陽イオン選択膜および陰イオン選択膜からなる群より選択される、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項６】
前記価に対して特定の膜が、１価陰イオン交換膜および１価陽イオン交換膜からなる群より選択される、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項７】
前記少なくとも１つの電気透析セルが、少なくとも１つのバイポーラ膜をさらに備え、少なくとも１つの選択された濃縮物コンパートメント内のｐＨ値を制御することにより、内部で濃縮した特定のイオンの沈殿物を還元し、それにより前記廃水からの前記特定のイオンの回収を向上させる、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項８】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つと流体連絡する濃縮物貯蔵部をさらに備える、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項９】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、イオン交換樹脂を備える、請求項１に記載の廃水精製機。
【請求項１０】
前記少なくとも１つの濃縮物コンパートメント内の前記イオン交換樹脂が、少なくとも１つの別の濃縮物コンパートメント内の前記イオン交換樹脂と異なる、請求項９に記載の廃水精製機。
【請求項１１】
廃水中の１以上の成分を濃縮する方法であって、
前記廃水を少なくとも１つの電気透析セルに導入する工程と、
前記少なくとも１つの電気透析セル内に、前記１以上の成分に特定の複数の膜と複数の濃縮物コンパートメントとを設ける工程であって、前記濃縮物コンパートメントの各々が隣り合う１対の膜の間に規定され、前記複数の膜がイオンに対して特定の膜または価に対して特定の膜または表面修飾型イオン交換膜の組み合わせを備える、工程と、
前記１以上の成分が、電荷に応じて前記膜を通過して移動するように、前記少なくとも１つの電気透析セル内に電流を発生させる工程と、
前記１以上の成分を夫々の濃縮物コンパートメント内で濃縮させる工程と、
前記夫々のコンパートメントから前記１以上の成分を回収する工程と、
を含む方法。
【請求項１２】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、濃縮物からの成分を選択的に保持し、それにより実質的に除去する、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記少なくとも１つの濃縮物コンパートメントが、前記廃水から単一の成分を効果的に除去する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記少なくとも１つの濃縮物コンパートメントに、イオン交換樹脂またはイオン捕獲樹脂を充填し、前記成分を前記イオン交換樹脂または前記イオン捕獲樹脂から回収する、請求項１２に記載の方法。
【請求項１５】
前記濃縮物コンパートメントのうちの少なくとも１つが、ガス透過性膜または浸透気化膜を含み、前記方法が浸透気化によって１以上の成分を回収するさらなる工程を含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
沈殿によって１以上の成分を回収する工程をさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
前記セル内に電流を発生させる工程を、コンパートメント毎に０．１ボルトから３ボルトの電位を前記電気透析セルを跨いで印加することによって行う、請求項１１に記載の方法。
【国際調査報告】
2015534506.tif 000008
2015534506.tif 000009
2015534506.tif 000010
2015534506.tif 000011
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