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公開番号2025017291
公報種別公開特許公報(A)
公開日2025-02-05
出願番号2023144210
出願日2023-09-06
発明の名称動電学を利用して帯電粒子をろ過する装置
出願人ポステック・アカデミー‐インダストリー・ファウンデーション,エスエンテル株式会社,SNTEL Co.,LTD
代理人弁理士法人オフィス大江山
主分類C02F 1/469 20230101AFI20250129BHJP(水,廃水,下水または汚泥の処理)
要約【課題】水中の微細プラスチックのような帯電粒子を迅速かつ効率的に除去できる帯電粒子ろ過装置を提供する。
【解決手段】帯電粒子を含有する流体が投入されて流動するメインチャンネル(100)、メインチャンネルの内部に流体の流動を許容するように配置される第1の電極(210)、および第1の電極の下流に配置され、帯電粒子がろ過された流体が排出される複数の空隙を備えるイオン交換膜(220)を備えた動電学(Electrokinetic)を利用して帯電粒子(Charged Particle)をろ過する装置とする。
【選択図】図1
特許請求の範囲【請求項１】
動電学（Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ）を利用して帯電粒子（ＣｈａｒｇｅｄＰａｒｔｉｃｌｅ）をろ過する装置であって、
帯電粒子含有流体が投入されて流動するメインチャンネルと、
前記メインチャンネルの内部に流体の流動を許容するように配置される第１の電極と、および
前記第１の電極の下流に配置され、前記帯電粒子がろ過された流体が排出される複数の空隙を備えるイオン交換膜と、を含む、帯電粒子ろ過装置。
続きを表示（約 1,000 文字）【請求項２】
前記第１の電極および前記イオン交換膜は、
前記第１の電極と前記イオン交換膜との間に電場を発生させる、請求項１に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項３】
前記第１の電極には、ろ過対象である帯電粒子と異なる極性が認可され、
前記イオン交換膜は、ろ過対象である帯電粒子と異なる極性のイオンに対するイオン交換膜であり、
前記イオン交換膜には、ろ過対象である帯電粒子と同一の極性の第２の電極が接続される、請求項２に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項４】
前記イオン交換膜の上流方向には、
前記帯電粒子が前記イオン交換膜の空隙に移動することを遮断するイオン空乏領域（Ｉｏｎｄｅｐｌｅｔｉｏｎｒｅｇｉｏｎ）が形成される、請求項３に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項５】
前記イオン空乏領域は、
イオン濃度分極（ＩｏｎＣｏｎｃｅｎｔｒａｔｉｏｎＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ、ＩＣＰ）を基盤として形成される、請求項４に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項６】
前記第１の電極は、
流体の流動を許容する複数の空隙を備えた付加イオン交換膜を含む、請求項１に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項７】
前記イオン空乏領域は、
前記帯電粒子に対して電気泳動力（Ｅｌｅｃｔｒｏｐｈｏｒｅｔｉｃｆｏｒｃｅ）が作用するようにする、請求項４に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項８】
前記帯電粒子は、
流体の流れに沿った抗力（Ｄｒａｇｆｏｒｃｅ）および前記電気泳動力によって前記流体の流れと異なる方向に移動する、請求項７に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項９】
前記イオン空乏領域は、
前記イオン交換膜に備えられた複数の空隙のそれぞれに対応するサブ－イオン空乏領域を含み、複数のサブ－イオン空乏領域を備えることによって予め定められた第１の面積以上の流体の流れ方向の断面積を有するように構成される、請求項４に記載の帯電粒子ろ過装置。
【請求項１０】
前記メインチャンネルの内部に前記イオン交換膜の上流方向に配置され、流体に含まれた粒子中に予め決められた第１の大きさ以上の粒子をろ過するように構成された多孔性レイヤー；をさらに含む、請求項４に記載の帯電粒子ろ過装置。
（【請求項１１】以降は省略されています）
発明の詳細な説明【技術分野】
【０００１】
本発明は、ろ過装置に関し、より具体的には、動電学を利用したろ過装置に関する。非限定的に、より詳しくは、水で、例えば、微細プラスチックのような帯電粒子を迅速かつ効率的に除去するための動電学補助ろ過技術に関するものである。
続きを表示（約 1,900 文字）【背景技術】
【０００２】
上下水道処理と産業廃水または汚水の処理を含み、水処理は、広範囲な領域で非常に重要であると思われている。処理対象流体に含まれるろ過対象物質は多様な性質を有し、そのうちの一つとして帯電粒子に対するろ過が要求される場合がある。代表的なろ過対象の帯電粒子としてプラスチックが例示され得る。
【０００３】
最近、数年の間、プラスチック汚染は、主要環境問題の一つになり、関連憂慮はますます大きくなっている。プラスチックの使用がこつこつと増加するにつれて年間全世界のプラスチック生産量は、現在のところ、約４億トンに達し、２０５０年には約８億トンに達すると予想される。問題はプラスチックが腐らないということである。完全に分解されるのに最小数十年から数百年がかかるため、用いたプラスチックは生態系に持続的に蓄積されている。一方、捨てられたプラスチックごみは、機械的または化学的過程を通じて多様な形態の小さな欠片に分解されるが、このうち５ｍｍより小さな欠片を微細プラスチック（ＭｉｃｒｏＰｌａｓｔｉｃ、ＭＰ）という。微細プラスチックは化学的安定性によって川と海を含んだ水中環境全体に流れ込み、長い間水中に漂うようになる。その結果、水生生物だけでなく人間と動物も必然的にＭＰに露出されて生態的、環境的危険性が高くなる。
【０００４】
また、ＭＰは高い比表面積と疎水性によってバクテリア、重金属、化合物などの有機化学汚染物質を容易に吸着することができ、食物連鎖を通じてヒトが汚染されたＭＰを摂取することになると、人体健康にも有害な影響を及ぼすことになる。特に、ナノプラスチック（ＮａｎｏＰｌａｓｔｉｃ、ＮＰ）と呼ばれる１μｍ未満の極めて小さいプラスチック欠片は、細胞や組織に入って炎症を起こし、細胞活動に悪影響を及ぼす可能性がある。
【０００５】
多様な工学的分離および分解技術のうち、膜ろ過（ＭｅｍｂｒａｎｅＦｉｌｔｅｒａｔｉｏｎ、ＭＦ）は、現在のところ、水中環境でＭＰを成功的に除去することができる有望な戦略であると見なされている。大きさ排除メカニズムを基盤としてメンブレンフィルターの気孔の大きさを調整するだけでＭＦを通じて多様な大きさのＭＰを効果的に除去することができる。最近の研究によれば、ＭＦは既存の水処理工程（例えば、急速サンドろ過、溶存空気ろ過、酸化溝法など）に比べて効果的なＭＰ除去性能をみせる。多様な種類のメンブレンが既存の高分子メンブレンに対する効果的な代案としてＭＰ除去のために開発された。
【０００６】
ただし、優れたＭＰ除去性能にもかかわらず、除去効率と流速間の本質的なトレードオフのため、ＭＦは信頼できる産業応用分野には適合していない問題がある。一般的に、平均気孔の大きさが約１μｍであるメンブレンフィルターには何バールの圧力がかかり、数百Ｌｍ
－２
ｈ
－１
の流速を達成する。しかし、さらに微細な粒子を分離するためにさらに微細な気孔の大きさを有したメンブレンフィルターを用いると、膜通過圧力の降下がさらに増大し、同一水準の流速を確保するためにかなり高いエネルギーの消費が要求される。
【０００７】
除去効率と流速間のトレードオフとともに、膜汚染は、ＭＦにおいて避けられない課題である。膜汚染は深刻な流速減少を誘発し、生産される水の品質に影響を及ぼし、結局、多様な経済的および運営上の問題を誘発する。また、水中環境に存在する最も支配的なＭＰの形態であるファイバー形態のＭＰは、メンブレンフィルターの小さな隙間や気孔に縦に浸透するため、ＭＦを基盤としてファイバー形態のＭＰを除去するには困難がある。
【０００８】
従って、水中環境でＭＰを完全に除去するためには、このような問題点を解決することができる実用的な接近方式が要求される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
韓国特許公開公報第１０－２０２３－００３７５１９号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
前述の問題点を解決するための本発明の一目的は、動電学（Ｅｌｅｃｔｒｏｋｉｎｅｔｉｃ）を利用して帯電粒子をろ過することによって微細な大きさを有するか、またはファイバー形態を有することのように、従来、膜ろ過方式にて除去され難しかったろ過対象物質までろ過することができ、膜汚染問題を解決できる動電学を利用した帯電粒子ろ過装置を提供することである。
（【００１１】以降は省略されています）

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