特定物質抽出装置および特定物質抽出方法
【課題】 目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な技術を提供する。
【解決手段】 流体流路(R)内に配置させたパイプ本体(20)を浮遊する微粒子(X)に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子(X)から稀少物質を回収する特定物質抽出装置(100)である。パイプ本体(20)から分岐させた分岐パイプ(30)と、その分岐パイプ(30)とパイプ本体(20)との境界領域で微粒子に超音波を照射させて濃縮させ、分離誘導手段(60)により電界が印加された微粒子(X)が分岐パイプ(30)側に誘導される。続けて、パイプ本体(20)から分岐パイプ(30)に誘導されてきた微粒子(X2) (X3)に対し、第二濃縮手段(22c,22d)が超音波を照射させて濃縮させ、第二分離誘導手段(60b)によって電界が印加された微粒子を第二分岐パイプ(40)側へと誘導する。そして、下流側で分離誘導された微粒子を集積して稀少物質を回収する。
【解決手段】 流体流路(R)内に配置させたパイプ本体(20)を浮遊する微粒子(X)に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子(X)から稀少物質を回収する特定物質抽出装置(100)である。パイプ本体(20)から分岐させた分岐パイプ(30)と、その分岐パイプ(30)とパイプ本体(20)との境界領域で微粒子に超音波を照射させて濃縮させ、分離誘導手段(60)により電界が印加された微粒子(X)が分岐パイプ(30)側に誘導される。続けて、パイプ本体(20)から分岐パイプ(30)に誘導されてきた微粒子(X2) (X3)に対し、第二濃縮手段(22c,22d)が超音波を照射させて濃縮させ、第二分離誘導手段(60b)によって電界が印加された微粒子を第二分岐パイプ(40)側へと誘導する。そして、下流側で分離誘導された微粒子を集積して稀少物質を回収する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中における特定物質を、超音波にて計測・抽出する稀少資源回収装置に関する。特に、所定以上の分散質質量を有する微粒子を分離して稀少資源を回収する特定物質抽出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体中の微粒子を計測する方法としては、特開昭５４−６９６８３号に開示されているように、微粒子に光を照射し、その反射散乱光を検出する方法が知られている（特許文献１参照）。また、微粒子を検出するには、照射光パワーの密度を高めるため照射光を絞り込む必要がある。しかしながら、上記照射光を絞り込むと照射領域が小さくなり、検出効率が低下して実効的な測定流量が小さくなるという問題があった。
【０００３】
上記問題を解決した技術としては特開平６−２４１９７７号に開示された微粒子計測装置が知られている。この技術は、フローセル中の微粒子に超音波振動子による濃縮手段を設け、濃縮領域またはその下流で光照射し、微粒子からの散乱光を光検出器で検出する技術である（特許文献２参照）。この技術によれば、検出感度を低下させずに測定流量が増大でき、流体中の微粒子の物質弁別が可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５４−６９６８３号公報
【特許文献２】特開平６−２４１９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
日本国においては、ウラン、パラジウム、金などのような物質（以下、稀少物質と表記する）は、そのほとんどを他国からの輸入に依存しているのが現状である。これら稀少物質は、海水中に多く含まれていることが知られているが、海水中は濃度が低いため、稀少物質のみを分離抽出することは非常に困難であった。
また、特開平６−２４１９７７号の技術では、検出感度を低下させずに測定流量が増大でき、流体中の微粒子の物質弁別が可能ではあるものの、その弁別した微粒子を分離抽出する方法は開示されていない。したがって、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中から、目的の稀少物質を効率的に分離抽出する装置が望まれていた。
【０００６】
請求項１から請求項６に記載の目的は、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出装置を提供することにある。
請求項７および請求項８に記載の発明の目的は、外部から電力を供給することなく、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（請求項１）
請求項１記載の発明は、流体流路(R)内に配置させたパイプ本体(20)に遊泳する微粒子(X)に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子(X)から稀少物質を回収する特定物質抽出装置(100)に係る。
すなわち、水上に浮上可能な装置本体(1)と、その装置本体(1)に設置された自然エネルギを動力源とする発電装置(2)と、前記パイプ本体(20)から分岐させた分岐パイプ(30)と、その分岐パイプ(30)と前記パイプ本体(20)との境界領域において、対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手段(22a,22b)と、電界を印加して、前記濃縮した微粒子(X)を前記分岐パイプ(30)側に誘導する分離誘導手段(60)と、その分離誘導手段(60)が、前記分岐パイプ(30)の下流側に分離誘導された微粒子(X2)を集積することによって稀少物質(X2)を回収可能な回収手段(70)と、を備えるとともに、前記分岐パイプ(30)から更に分岐させた第二分岐パイプ(40)と、その第二分岐パイプ(40)と前記分岐パイプ(30)との境界領域において対象となる微粒子(X)に超音波を照射させて濃縮させる第二濃縮手段(22c,22d)と、前記濃縮した微粒子に電界を印加して前記第二分岐パイプ(40)側に誘導する第二分離誘導手段(60b)と、前記第二分岐パイプ(40)の下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積する第二回収手段(70b)と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
（用語説明）
「装置本体」を浮上させる「水上」とは、例えば、海洋、湖沼（例えば火山湖）などである。
「稀少物質」とは、海中水のウラン、パラジウム、金などである。
「分離誘導手段」とは、対象のパイプ内に対して電気分解を施すことであり、直流電源、電気分解によって析出したい物質を含む溶液、前記の直流電源に接続する電極を少なくとも備えている。
「回収手段」とは、他の請求項でも特定するが、例えば半透膜や吸着物質、更に具体的には、海水は通過させるものの誘導されてきた稀少物質を通過させないレベルの形態をした半透膜である。
【０００９】
（作用）
パイプ本体(20)内で遊泳する微粒子(X)に対して、濃縮手段(22a,22b)が超音波を照射する。
ここで濃縮された微粒子(X2)は、分離誘導手段(60)によって電界が印加される。ここで、分散質質量が大きい微粒子(X2)は、分岐パイプ(30)側へと誘導されていく。一方、パイプ本体(20)の微粒子(X)は、そのまま水中へ放流される。分離誘導手段(60)によって分岐パイプ(30)側に誘導された微粒子(X2)は、分岐パイプ(30)に配設された回収手段(70)によって集積される。回収手段(70)が回収した微粒子(X2)は、所望する稀少物質を多く含ませて確保することができる。
続けて、パイプ本体(20)から分岐パイプ(30)に誘導されてきた微粒子(X2)に対し、分岐パイプ(30)内の第二濃縮手段(22c,22d)が超音波を照射する。照射された微粒子(X2)は、第二分離誘導手段(60b)によって電界が印加され、分散質質量が大きい微粒子(X3)は第二分岐パイプ(40)側へと誘導されていく。そして、第二回収手段(70b)が稀少物質として回収する。一方、分散質質量の小さい微粒子(X2)は、分岐パイプ(30)側に誘導され、外部へ放流される。または回収手段(70)によって稀少物質を回収しても良い。
すなわち、微粒子を分離誘導する箇所を本体パイプ(20)と分岐パイプ(30)および分岐パイプ(30)と第二分岐パイプ(40)の二段階に設定したことで、所望する稀少物質の回収を、より確実に行うことができる。
【００１０】
（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記装置本体(1)に設置された自然エネルギを動力源として発電する発電装置(2)を備え、その発電装置(2)が発電した電気エネルギは、前記濃縮手段(22a,22b,22c,22d)、分離誘導手段(60,60b)および回収手段(70,70b)に対して供給することとしたことを特徴とする。
【００１１】
（作用）
自然エネルギを、濃縮手段(22a,22b,22c,22d)、分離誘導手段(60,60b)および回収手段(70,70b)の動力として供給する。特定物質抽出装置の動力に自然エネルギを利用することで、電気コストの低減及び環境保全に寄与する。
【００１２】
（請求項３）
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記第二分岐パイプ(40)からさらに分岐させた第三分岐パイプ(50)と、その第三分岐パイプ(50)からさらに分岐させた第四分岐パイプ(55)とを備え、 前記第三分岐パイプ(50)および第四分岐パイプ(55)には、濃縮手段(22a,22b)および分離誘導手段(60)をそれぞれ備えていること特徴とする。
【００１３】
（作用）
本発明は、請求項１に記載の第二分岐パイプからさらに分岐パイプを備えて多段構成としたものである。
第二分岐パイプから誘導されてきた微粒子に対し、第三分岐パイプ(50)の濃縮手段(22a,22b)が超音波を照射し、分離誘導手段(60)によって電界が印加される。そして、第四分岐パイプ(55)側に分離誘導された微粒子は、再び濃縮手段(22a,22b)によって超音波の照射と、分離誘導手段(60)による電界印加が施される。
このようにパイプを多段構成することで、濃縮度合いが高くなり効率的に回収可能となる。
なお、本発明では、分岐パイプを第四分岐パイプ(55)までとしているが、第四分岐パイプ(55)からさらにパイプを分岐させて構成することも可能である。
【００１４】
（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記回収手段(70)は、半透膜もしくは吸着物質を備えていることを特徴とする。
【００１５】
（用語説明）
「半透膜」とは、一定の大きさ以下の分子またはイオンのみを透過させる膜であり、例えば、再生セルロース（セロハン）、アセチルセルロース、ポリアクリロニトリル、テフロン（登録商標）あるいはポリスルホンの多孔質膜などのことである。
「吸着物質」とは、例えば、ウランなどを回収するイオン吸着物質のことである。
【００１６】
（作用）
回収手段(70)に半透膜もしくは吸着物質を備えているので、稀少物質の回収が容易になる。
なお、半透膜を透過しない溶質と透過性を示す溶媒の系では、半透膜を介して２つの濃度の溶液を接すると、隔てて浸透圧が発生し溶媒のみが透過する。理想的な半透膜の場合、浸透圧は溶液のモル濃度に比例し、この原理を用いて高分子などの分散質質量を測定することが可能である。
【００１７】
（請求項５）
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、発電装置(2)は、太陽光、風力、水力、波力、地熱などの自然エネルギを動力源として稼動する。
【００１８】
（作用）
発電装置(2)は太陽光、風力、水力、波力、地熱などの自然エネルギを動力源としているので、屋外で電源の使用できない場所であっても動力を確保することができる。
【００１９】
（請求項６）
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記本体パイプ(20)を複数備えるとともに、その複数の本体パイプ(20)は、垂直方向に並列させたことを特徴とする。
複数の本体パイプ(20)のぞれぞれに対して分岐パイプ(30)や濃縮手段(22a,22b)を備える場合と、本体パイプ(20)は複数であるものの分岐パイプ(30)や濃縮手段(22a,22b)を共通化させる場合とがある。
【００２０】
例えば、海洋に本願請求項に係る特定物質抽出装置を設置した場合、深度の異なる海水を濃縮して、特定物質を抽出することが可能となる。
海水や火山湖などは、その深さに応じてとけ込んでいる特定物質が異なる場合があり、それに対応することが可能となる。
【００２１】
（請求項７）
請求項７に記載の発明は、水上に浮上可能な装置本体に取り付けた流体流路内の流体中を浮遊する微粒子に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子から稀少物質を回収する特定物質抽出方法に係る。
すなわち、前記装置本体に設置された自然エネルギから発電する発電手順と、 前記パイプ本体から分岐させた分岐パイプと前記パイプ本体との境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手順と、 濃縮された微粒子に電界を印加して前記分岐パイプ側に誘導する分離誘導手順と、 その分離誘導手順にて、前記分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積することによって稀少物質を回収可能な回収手順とを備える。
前記発電手順にて発電した電気エネルギは、前記濃縮手順、前記分離誘導手順、前記回収手順に対して供給する。
【００２２】
（請求項８）
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の特定物質抽出方法を限定したものであり、
前記濃縮手順は、分岐パイプを複数段備えることによって複数回行うこととしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１から請求項６に記載の発明によれば、外部から電力を供給することなく、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出装置を提供することができた。
また、請求項７および請求項８に記載の発明によれば、外部から電力を供給することなく、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出方法を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。ここで使用する図面は図１から図１５である。図１は、特定物質抽出装置の全体構成を示した概略図であり、図２は、特定物質抽出装置におけるパイプ本体および分岐パイプの構成を示した概略図であり、図３は、特定物質抽出装置の処理を示したフローチャートであり、図４および図５は、パイプ本体に流入した微粒子から稀少物質を分離抽出する様子を示した概略図である。
【００２５】
(全体構成)
図１および図２に示すように、特定物質抽出装置１００は、海上に浮上可能な装置本体１と、その装置本体１に設置された自然エネルギを動力源とする発電装置２と、海水中における流体流路Ｒ内に配置させたパイプ本体２０と、そのパイプ本体２０内の側壁２５の一部から外側に向かって延出させた分岐パイプ３０とを備える。また、その分岐パイプ３０とパイプ本体２０との境界領域において、微粒子に超音波を照射させて濃縮させる超音波振動子２２ａ，２２ｂ（濃縮手段）と、電界を印加して濃縮された微粒子を分岐パイプ３０側に誘導させる分離誘導手段６０と、分岐パイプ３０の下流側に分離誘導された微粒子を集積して稀少物質を回収可能な回収手段７０と備えて構成されている。
【００２６】
なお、流体流路Ｒ内に配置させたパイプ本体２０で微粒子Ｘを計測および検出する処理については、特開平６−２４１９７７号（特許文献２）に開示された微粒子計測装置の技術を採用しているため、以下に特開平６−２４１９７７号を引用して説明していく。
【００２７】
微粒子計測装置は、流体中の微粒子を濃縮させるために、超音波を用いて微粒子の集中化を行っている。すなわち、液体流路に超音波の定在波を形成し、その節の位置に微粒子を集中させるか、複数の超音波の進行波を重ね合わせて特定位置に微粒子を集合させ、特定の微粒子を分離する。
【００２８】
超音波を用いて微粒子を集合させる方法をつぎに説明する。本発明では、主に輻射圧を利用した定在波または進行波による凝集機構を用いている。
【００２９】
超音波が定在波のとき、上記超音波が微粒子におよぼす力Ｆcsは次式で表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ｋは溶液中の波数、φは（微粒子の密度)／(溶媒の密度）、βは微粒子の弾性率、β０は溶液の弾性率、ρは溶液の密度、ａは微粒子の直径、Ｕsはつぎに定義する量である。Ｕs2＝(２Ｉ／ρＣ）×１０7(cｍ2／Ｓ2）、ただしＩはパワー密度（Ｗ／cｍ2）、Ｃは溶媒中の音速、ｙは超音波進行方向の位置であり、フローセル中央における定在波の節の位置をｙ＝０とする。上記微粒子はＦcsによって節（ｙ＝０）の位置に集中する。
【００３２】
また、超音波が進行波である場合には、微粒子におよぼす力Ｆctは次式で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】
図１４は、微粒子の計測・検出処理を示した図、図１５は微粒子を濃縮する領域を示す断面図で、（ａ）は流路の対向する側面に超音波振動子を用いた場合を示す図、（ｂ）は流路の四方の側面に超音波振動子を用いた場合を示す図である。
【００３５】
図１４に示す実施例の装置は、超音波によって微粒子を集中させる部分からなっている。上記微粒子を集中させる部分では、フローセル４の外表面に１組の超音波振動子５が対向して貼り付けてあり、上記超音波振動子５を用いて、フローセル４内の中央部に節をもつ超音波の定在波を発生させる。純水中での音速度は水温２５度で１５００ｍ／ｓであるから、１ｍｍの幅をもつフローセル４中で１個の節をもつ定在波を発生するには、上記超音波振動子５を振動数７５０ｋＨzで振動させればよい。
【００３６】
１平方センチメートルあたりの超音波強度６.０〜９.０ｍＷの超音波を照射することにより、上記フローセル４中の微粒子は、超音波の音圧および粒子相互の衝突に基づく力学的作用によって、それぞれの微粒子の形状および音響インピーダンスに応じた速度で、定在波の節の位置に集中させることができる。超音波の出力値はキャビテーションが発生しない範囲にとどめるのが望ましい。
【００３７】
本実施例においては超音波定在波の節が１つであるが、必要に応じて複数の節を有する定在波を形成することも可能である。また本実施例では、流路の側面に１組の対向する超音波振動子５を用いているが、流路の四方の側面に対して超音波振動子５を用いてもよい。これらの場合の濃縮状態の違いは、図１５の（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示すとおりであって、超音波振動子５を（ａ）のようにフローセル４の対向する側面に設けた場合よりも、（ｂ）のようにフローセル４の四方の側面に設けた場合の方が、微粒子の濃縮率が高くなる。
【００３８】
次に、本発明の稀少物質の回収処理について図３から図５を用いて説明する。
図３は、特定物質抽出装置１００の各処理について説明したフローチャートであり、図４、図５は微粒子の変化を示している。なお、「稀少物質」とは、海中水のウラン、パラジウム、金などのことである。
【００３９】
これらの図に示すように、パイプ本体２０内の微粒子Ｘが本体パイプ２０の側壁２５に対向配置された超音波振動子２２ａ、２２ｂが、微粒子Ｘに対し超音波を照射する（Ｓ１０１）。超音波の照射によって濃縮された微粒子Ｘに、分離誘導手段６０が電界を印加する（Ｓ１０２）。
【００４０】
分離誘導手段６０により分散質質量が大きい微粒子Ｘは、分岐パイプ３０側に誘導される（Ｓ１０３）。一方、分散質質量が小さい微粒子は、分岐パイプ３０側には誘導されず、そのまま本体パイプ２０に誘導され（Ｓ１０４）、本体パイプの下流側の開口から放流される（Ｓ１０５）。
【００４１】
前述の分離誘導手段６０は、分岐パイプ３０内に対して電界を印加して微粒子Ｘを分離誘導する機能であり、直流電源、電気泳動させたい物質を含む溶液および電源に接続する電極を少なくとも備えている。すなわち、微粒子の流れと垂直な電圧を掛けることで、微粒子を流れと垂直に泳動させ、微粒子を分岐パイプ３０に誘導されるようにしている。このようにすると、本体パイプ２０は、海水と同じような低い濃度であるが、分岐パイプ３０は、海水よりも高い濃度になる。
【００４２】
そして、分離誘導手段６０によって分岐パイプ３０側に誘導された微粒子Ｘ２は、分岐パイプ３０に配設された回収手段７０が稀少物質として集積して回収する（Ｓ１０６）。
この回収手段７０は、いわゆる半透膜で形成されている。「半透膜」とは、例えば、再生セルロース（セロハン）、アセチルセルロース、ポリアクリロニトリル、テフロン（登録商標）あるいはポリスルホンの多孔質膜などのことである。半透膜は、一定の大きさ以下の分子またはイオンのみを透過させる膜であるため、回収手段７０を半透膜で形成することで、稀少物質の回収が容易になるのである。
【００４３】
なお、半透膜を透過しない溶質と透過性を示す溶媒の系では、半透膜を介して２つの濃度の溶液を接すると、隔てて浸透圧が発生し溶媒のみが透過する。理想的な半透膜の場合、浸透圧は溶液のモル濃度に比例し、この原理を用いて高分子などの分散質質量を測定することも可能である。
【００４４】
したがって、回収手段７０が回収した微粒子Ｘ２を所望する稀少物質として回収することができる。これにより、濃度の低い水中であっても、目的の稀少物質を効率的に分離抽出することができる。
【００４５】
また、回収手段７０は、吸着物質としても形成することができる。「吸着物質」とは、例えば、ウランなどを回収するイオン吸着物質のことである。
【００４６】
なお、特定物質抽出装置を稼動させる電源としては、自然エネルギを利用している。自然エネルギとしては、太陽光、水力、風力などのいずれでも良いが、使用場所を考慮すると太陽光が望ましい。また、自然エネルギに加えて所定のバッテリーを装置に積載し、動力補助として装置全体を稼動させることもできる。
また、特に海では、水流の流れが発生することから、潮力を利用して稼動させることも好ましい。
【００４７】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について図６から図１１を参照して説明する。第二実施形態の特定物質抽出装置２００は、上述した第一実施形態の分岐パイプ３０からさらに分岐するパイプを増やして微粒子を分離させる構成となっている。
【００４８】
すなわち、第一実施形態で示した本体パイプ２０、分岐パイプ３０、分離誘導手段６０に加え、分岐パイプ３０の側壁３５の一部から外側に向かって延出された第二分岐パイプ４０と、その第二分岐パイプ４０と分岐パイプ３０との境界領域において、対象となる微粒子Ｘに超音波を照射させて濃縮させる超音波振動子２２ｃ、２２ｄ（第二濃縮手段）と、電界を印加して、濃縮した微粒子Ｘ２を第二分岐パイプ４０側に誘導する第二分離誘導手段６０ｂと、その第二分離誘導手段６０ｂが、稀少物質を回収可能な第二回収手段７０ｂとを備えて構成されている。
【００４９】
図６から図１１に示すように、パイプ本体２０内の微粒子Ｘに超音波振動子２２ａ、２２ｂが超音波を照射する（Ｓ２０１）。超音波の照射によって濃縮された微粒子Ｘに、分離誘導手段６０が電界を印加する（Ｓ２０２）。分離誘導手段６０により分散質質量が大きい微粒子Ｘは、分岐パイプ３０側に誘導される（Ｓ２０３）。一方、分散質質量が小さい微粒子は、分岐パイプ３０側には誘導されず、そのまま本体パイプ２０に誘導され（Ｓ２０４）、本体パイプの下流側の開口から放流される（Ｓ２０５）。
【００５０】
続けて、図８に示すように、分岐パイプ３０側に誘導された微粒子Ｘ２および微粒子Ｘ３は、分岐パイプ３０の側壁３５に配設された第二超音波振動子２２ｃ、２２ｄが微粒子Ｘ２および微粒子Ｘ３に対し超音波を照射する（Ｓ２０６）。超音波照射によって濃縮された微粒子Ｘ２および微粒子Ｘ３に対し、第二分離誘導手段６０ｂが電界を印加する（Ｓ２０７）。
【００５１】
ここでも、第二分離誘導手段６０ｂにより分散質質量が大きい微粒子Ｘ３は、第二分岐パイプ４０側に誘導される（Ｓ２０８）。一方、分散質質量が小さい微粒子は、分岐パイプ３０に誘導される（Ｓ２０９）。ここでは、分岐パイプ３０の下流側の開口から放流する、もしくは、微粒子Ｘ２を稀少資源として回収する（Ｓ２１０）。
また、図１１に示すように、第二分岐パイプ４０に誘導された微粒子Ｘ３は、第二回収手段７０ｂが稀少物質として集積して回収する（Ｓ２１１）。
【００５２】
第二分離誘導手段６０ｂは、直流電源、電気泳動させたい物質を含む溶液および電源に接続する電極を少なくとも備えている点は、上述した分離誘導手段６０と同一である。すなわち、微粒子の流れと垂直な電圧を掛けることで、微粒子を流れと垂直に泳動させ、微粒子を第二分岐パイプ４０側に誘導させるようにしている。このようにすると、第二分岐パイプ４０は、分岐パイプよりもさらに高い濃度になる。
【００５３】
本実施形態では、微粒子Ｘを分離誘導させる箇所を、本体パイプ２０と分岐パイプ３０および分岐パイプ３０と第二分岐パイプ４０の二段階に設定している。これは、分岐パイプ３０に誘導された微粒子Ｘ２においても、ウランや金などの所望する稀少物質を集積することも可能であるが、回収しきれない可能性がある。これに対して、特定物質抽出装置２００では、微粒子Ｘ２をさらに分離抽出して第二分岐パイプ４０に誘導することで、濃度を高めることにより確実に所望する稀少物質Ｘ２を集積して回収することができる。
【００５４】
なお、図１２に示すように、第二分岐パイプ４０の側壁から下流に向かってさらに分岐させた第三分岐パイプ５０を備えることもできる。また、図１３に示すように、第三分岐パイプ５０の側壁から下流に向かってさらに分岐させた第四分岐パイプ５５を備えることもできる。これら第三分岐パイプ５０および第四分岐パイプ５５には、超音波振動子および分離誘導手段をそれぞれ備えており、第二分岐パイプ４０から誘導されてきた微粒子に対し、第三分岐パイプ５０の超音波振動子が超音波を照射し、分離誘導手段によって電界が印加される。そして、第四分岐パイプ５５側に分離誘導された微粒子は、再び濃縮手段によって超音波の照射と、分離誘導手段による電界印加が施される。
【００５５】
すなわち、分岐パイプを多段階に分岐し、下層パイプへ分岐していくほど、微粒子の濃度がより高まる。なお、分岐パイプを何段階に設定するかは、回収対象の稀少物質の分散質質量によって異なる。
【００５６】
本発明に係る特定物質抽出装置は、海水中の微粒子から稀少物質を分離回収することを記載されているが、このほか、火山湖などの湖水などにも適用することができる。火山湖によっては、稀少物質が海水よりも多く含有されていることも考えられるため、効率的に回収作業を実施することができる。
また、本実施形態では、稀少物質の回収を目的として説明してきたが、海水中、湖水中の有害物質の回収にも適用可能である。この場合には、分離誘導手段が有害物質を誘導可能な濃度に変更すればよい。このようにすれば、水中を浄化して各種の公害対策などにも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】特定物質抽出装置の全体構成を示した概略図である。
【図２】特定物質抽出装置におけるパイプ本体および分岐パイプの構成を示した概略図である。
【図３】特定物質抽出装置の処理を示したフローチャートである。
【図４】パイプ本体に流入した微粒子が超音波で照射される様子を示した概略図である。
【図５】分散質質量の異なる微粒子ごとに分離誘導される様子を示した概略図である。
【図６】第二実施形態におけるパイプ本体、分岐パイプおよび第二分岐パイプの構成を示した概略図である。
【図７】第二実施形態における特定物質抽出装置の処理を示したフローチャートである。
【図８】パイプ本体に流入した微粒子が超音波で照射される様子を示した概略図である。
【図９】分散質質量の異なる微粒子ごとに分離誘導される様子を示した概略図である。
【図１０】第二分離誘導手段において、分散質質量の異なる微粒子ごとに分離誘導される様子を示した概略図である。
【図１１】分離誘導された微粒子が回収手段で回収された様子を示した概略図である。
【図１２】三段パイプ構造を示した概略図である。
【図１３】四段パイプ構造を示した概略図である。
【図１４】微粒子の計測・検出処理を示した図である。
【図１５】微粒子を濃縮する領域を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 装置本体
２ 発電装置
２０ パイプ本体
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 超音波振動子
２５ 側壁
３０ 分岐パイプ
３５ 側壁
４０ 第二分岐パイプ
５０ 第三分岐パイプ
５５ 第四分岐パイプ
６０、６０ｂ 分離誘導手段
７０、７０ｂ 回収手段
１００、２００ 特定物質抽出装置
Ｒ 流体流路
Ｘ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ 微粒子
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流体中における特定物質を、超音波にて計測・抽出する稀少資源回収装置に関する。特に、所定以上の分散質質量を有する微粒子を分離して稀少資源を回収する特定物質抽出装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
流体中の微粒子を計測する方法としては、特開昭５４−６９６８３号に開示されているように、微粒子に光を照射し、その反射散乱光を検出する方法が知られている（特許文献１参照）。また、微粒子を検出するには、照射光パワーの密度を高めるため照射光を絞り込む必要がある。しかしながら、上記照射光を絞り込むと照射領域が小さくなり、検出効率が低下して実効的な測定流量が小さくなるという問題があった。
【０００３】
上記問題を解決した技術としては特開平６−２４１９７７号に開示された微粒子計測装置が知られている。この技術は、フローセル中の微粒子に超音波振動子による濃縮手段を設け、濃縮領域またはその下流で光照射し、微粒子からの散乱光を光検出器で検出する技術である（特許文献２参照）。この技術によれば、検出感度を低下させずに測定流量が増大でき、流体中の微粒子の物質弁別が可能となる。
【０００４】
【特許文献１】特開昭５４−６９６８３号公報
【特許文献２】特開平６−２４１９７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
日本国においては、ウラン、パラジウム、金などのような物質（以下、稀少物質と表記する）は、そのほとんどを他国からの輸入に依存しているのが現状である。これら稀少物質は、海水中に多く含まれていることが知られているが、海水中は濃度が低いため、稀少物質のみを分離抽出することは非常に困難であった。
また、特開平６−２４１９７７号の技術では、検出感度を低下させずに測定流量が増大でき、流体中の微粒子の物質弁別が可能ではあるものの、その弁別した微粒子を分離抽出する方法は開示されていない。したがって、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中から、目的の稀少物質を効率的に分離抽出する装置が望まれていた。
【０００６】
請求項１から請求項６に記載の目的は、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出装置を提供することにある。
請求項７および請求項８に記載の発明の目的は、外部から電力を供給することなく、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
（請求項１）
請求項１記載の発明は、流体流路(R)内に配置させたパイプ本体(20)に遊泳する微粒子(X)に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子(X)から稀少物質を回収する特定物質抽出装置(100)に係る。
すなわち、水上に浮上可能な装置本体(1)と、その装置本体(1)に設置された自然エネルギを動力源とする発電装置(2)と、前記パイプ本体(20)から分岐させた分岐パイプ(30)と、その分岐パイプ(30)と前記パイプ本体(20)との境界領域において、対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手段(22a,22b)と、電界を印加して、前記濃縮した微粒子(X)を前記分岐パイプ(30)側に誘導する分離誘導手段(60)と、その分離誘導手段(60)が、前記分岐パイプ(30)の下流側に分離誘導された微粒子(X2)を集積することによって稀少物質(X2)を回収可能な回収手段(70)と、を備えるとともに、前記分岐パイプ(30)から更に分岐させた第二分岐パイプ(40)と、その第二分岐パイプ(40)と前記分岐パイプ(30)との境界領域において対象となる微粒子(X)に超音波を照射させて濃縮させる第二濃縮手段(22c,22d)と、前記濃縮した微粒子に電界を印加して前記第二分岐パイプ(40)側に誘導する第二分離誘導手段(60b)と、前記第二分岐パイプ(40)の下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積する第二回収手段(70b)と、を備えたことを特徴とする。
【０００８】
（用語説明）
「装置本体」を浮上させる「水上」とは、例えば、海洋、湖沼（例えば火山湖）などである。
「稀少物質」とは、海中水のウラン、パラジウム、金などである。
「分離誘導手段」とは、対象のパイプ内に対して電気分解を施すことであり、直流電源、電気分解によって析出したい物質を含む溶液、前記の直流電源に接続する電極を少なくとも備えている。
「回収手段」とは、他の請求項でも特定するが、例えば半透膜や吸着物質、更に具体的には、海水は通過させるものの誘導されてきた稀少物質を通過させないレベルの形態をした半透膜である。
【０００９】
（作用）
パイプ本体(20)内で遊泳する微粒子(X)に対して、濃縮手段(22a,22b)が超音波を照射する。
ここで濃縮された微粒子(X2)は、分離誘導手段(60)によって電界が印加される。ここで、分散質質量が大きい微粒子(X2)は、分岐パイプ(30)側へと誘導されていく。一方、パイプ本体(20)の微粒子(X)は、そのまま水中へ放流される。分離誘導手段(60)によって分岐パイプ(30)側に誘導された微粒子(X2)は、分岐パイプ(30)に配設された回収手段(70)によって集積される。回収手段(70)が回収した微粒子(X2)は、所望する稀少物質を多く含ませて確保することができる。
続けて、パイプ本体(20)から分岐パイプ(30)に誘導されてきた微粒子(X2)に対し、分岐パイプ(30)内の第二濃縮手段(22c,22d)が超音波を照射する。照射された微粒子(X2)は、第二分離誘導手段(60b)によって電界が印加され、分散質質量が大きい微粒子(X3)は第二分岐パイプ(40)側へと誘導されていく。そして、第二回収手段(70b)が稀少物質として回収する。一方、分散質質量の小さい微粒子(X2)は、分岐パイプ(30)側に誘導され、外部へ放流される。または回収手段(70)によって稀少物質を回収しても良い。
すなわち、微粒子を分離誘導する箇所を本体パイプ(20)と分岐パイプ(30)および分岐パイプ(30)と第二分岐パイプ(40)の二段階に設定したことで、所望する稀少物質の回収を、より確実に行うことができる。
【００１０】
（請求項２）
請求項２記載の発明は、請求項１記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記装置本体(1)に設置された自然エネルギを動力源として発電する発電装置(2)を備え、その発電装置(2)が発電した電気エネルギは、前記濃縮手段(22a,22b,22c,22d)、分離誘導手段(60,60b)および回収手段(70,70b)に対して供給することとしたことを特徴とする。
【００１１】
（作用）
自然エネルギを、濃縮手段(22a,22b,22c,22d)、分離誘導手段(60,60b)および回収手段(70,70b)の動力として供給する。特定物質抽出装置の動力に自然エネルギを利用することで、電気コストの低減及び環境保全に寄与する。
【００１２】
（請求項３）
請求項３記載の発明は、請求項１または請求項２に記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記第二分岐パイプ(40)からさらに分岐させた第三分岐パイプ(50)と、その第三分岐パイプ(50)からさらに分岐させた第四分岐パイプ(55)とを備え、 前記第三分岐パイプ(50)および第四分岐パイプ(55)には、濃縮手段(22a,22b)および分離誘導手段(60)をそれぞれ備えていること特徴とする。
【００１３】
（作用）
本発明は、請求項１に記載の第二分岐パイプからさらに分岐パイプを備えて多段構成としたものである。
第二分岐パイプから誘導されてきた微粒子に対し、第三分岐パイプ(50)の濃縮手段(22a,22b)が超音波を照射し、分離誘導手段(60)によって電界が印加される。そして、第四分岐パイプ(55)側に分離誘導された微粒子は、再び濃縮手段(22a,22b)によって超音波の照射と、分離誘導手段(60)による電界印加が施される。
このようにパイプを多段構成することで、濃縮度合いが高くなり効率的に回収可能となる。
なお、本発明では、分岐パイプを第四分岐パイプ(55)までとしているが、第四分岐パイプ(55)からさらにパイプを分岐させて構成することも可能である。
【００１４】
（請求項４）
請求項４記載の発明は、請求項１から請求項３のいずれかに記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記回収手段(70)は、半透膜もしくは吸着物質を備えていることを特徴とする。
【００１５】
（用語説明）
「半透膜」とは、一定の大きさ以下の分子またはイオンのみを透過させる膜であり、例えば、再生セルロース（セロハン）、アセチルセルロース、ポリアクリロニトリル、テフロン（登録商標）あるいはポリスルホンの多孔質膜などのことである。
「吸着物質」とは、例えば、ウランなどを回収するイオン吸着物質のことである。
【００１６】
（作用）
回収手段(70)に半透膜もしくは吸着物質を備えているので、稀少物質の回収が容易になる。
なお、半透膜を透過しない溶質と透過性を示す溶媒の系では、半透膜を介して２つの濃度の溶液を接すると、隔てて浸透圧が発生し溶媒のみが透過する。理想的な半透膜の場合、浸透圧は溶液のモル濃度に比例し、この原理を用いて高分子などの分散質質量を測定することが可能である。
【００１７】
（請求項５）
請求項５記載の発明は、請求項１から請求項４のいずれかに記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、発電装置(2)は、太陽光、風力、水力、波力、地熱などの自然エネルギを動力源として稼動する。
【００１８】
（作用）
発電装置(2)は太陽光、風力、水力、波力、地熱などの自然エネルギを動力源としているので、屋外で電源の使用できない場所であっても動力を確保することができる。
【００１９】
（請求項６）
請求項６記載の発明は、請求項１から請求項５のいずれかに記載の特定物質抽出装置を限定したものである。
すなわち、前記本体パイプ(20)を複数備えるとともに、その複数の本体パイプ(20)は、垂直方向に並列させたことを特徴とする。
複数の本体パイプ(20)のぞれぞれに対して分岐パイプ(30)や濃縮手段(22a,22b)を備える場合と、本体パイプ(20)は複数であるものの分岐パイプ(30)や濃縮手段(22a,22b)を共通化させる場合とがある。
【００２０】
例えば、海洋に本願請求項に係る特定物質抽出装置を設置した場合、深度の異なる海水を濃縮して、特定物質を抽出することが可能となる。
海水や火山湖などは、その深さに応じてとけ込んでいる特定物質が異なる場合があり、それに対応することが可能となる。
【００２１】
（請求項７）
請求項７に記載の発明は、水上に浮上可能な装置本体に取り付けた流体流路内の流体中を浮遊する微粒子に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子から稀少物質を回収する特定物質抽出方法に係る。
すなわち、前記装置本体に設置された自然エネルギから発電する発電手順と、 前記パイプ本体から分岐させた分岐パイプと前記パイプ本体との境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手順と、 濃縮された微粒子に電界を印加して前記分岐パイプ側に誘導する分離誘導手順と、 その分離誘導手順にて、前記分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積することによって稀少物質を回収可能な回収手順とを備える。
前記発電手順にて発電した電気エネルギは、前記濃縮手順、前記分離誘導手順、前記回収手順に対して供給する。
【００２２】
（請求項８）
請求項８に記載の発明は、請求項７に記載の特定物質抽出方法を限定したものであり、
前記濃縮手順は、分岐パイプを複数段備えることによって複数回行うこととしたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１から請求項６に記載の発明によれば、外部から電力を供給することなく、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出装置を提供することができた。
また、請求項７および請求項８に記載の発明によれば、外部から電力を供給することなく、目的とする稀少物質の濃度が極めて低い溶液中であっても、当該稀少物質を効率的に分離抽出することが可能な特定物質抽出方法を提供することができた。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図面を参照して本発明に係る実施形態について説明する。ここで使用する図面は図１から図１５である。図１は、特定物質抽出装置の全体構成を示した概略図であり、図２は、特定物質抽出装置におけるパイプ本体および分岐パイプの構成を示した概略図であり、図３は、特定物質抽出装置の処理を示したフローチャートであり、図４および図５は、パイプ本体に流入した微粒子から稀少物質を分離抽出する様子を示した概略図である。
【００２５】
(全体構成)
図１および図２に示すように、特定物質抽出装置１００は、海上に浮上可能な装置本体１と、その装置本体１に設置された自然エネルギを動力源とする発電装置２と、海水中における流体流路Ｒ内に配置させたパイプ本体２０と、そのパイプ本体２０内の側壁２５の一部から外側に向かって延出させた分岐パイプ３０とを備える。また、その分岐パイプ３０とパイプ本体２０との境界領域において、微粒子に超音波を照射させて濃縮させる超音波振動子２２ａ，２２ｂ（濃縮手段）と、電界を印加して濃縮された微粒子を分岐パイプ３０側に誘導させる分離誘導手段６０と、分岐パイプ３０の下流側に分離誘導された微粒子を集積して稀少物質を回収可能な回収手段７０と備えて構成されている。
【００２６】
なお、流体流路Ｒ内に配置させたパイプ本体２０で微粒子Ｘを計測および検出する処理については、特開平６−２４１９７７号（特許文献２）に開示された微粒子計測装置の技術を採用しているため、以下に特開平６−２４１９７７号を引用して説明していく。
【００２７】
微粒子計測装置は、流体中の微粒子を濃縮させるために、超音波を用いて微粒子の集中化を行っている。すなわち、液体流路に超音波の定在波を形成し、その節の位置に微粒子を集中させるか、複数の超音波の進行波を重ね合わせて特定位置に微粒子を集合させ、特定の微粒子を分離する。
【００２８】
超音波を用いて微粒子を集合させる方法をつぎに説明する。本発明では、主に輻射圧を利用した定在波または進行波による凝集機構を用いている。
【００２９】
超音波が定在波のとき、上記超音波が微粒子におよぼす力Ｆcsは次式で表される。
【００３０】
【数１】
【００３１】
ｋは溶液中の波数、φは（微粒子の密度)／(溶媒の密度）、βは微粒子の弾性率、β０は溶液の弾性率、ρは溶液の密度、ａは微粒子の直径、Ｕsはつぎに定義する量である。Ｕs2＝(２Ｉ／ρＣ）×１０7(cｍ2／Ｓ2）、ただしＩはパワー密度（Ｗ／cｍ2）、Ｃは溶媒中の音速、ｙは超音波進行方向の位置であり、フローセル中央における定在波の節の位置をｙ＝０とする。上記微粒子はＦcsによって節（ｙ＝０）の位置に集中する。
【００３２】
また、超音波が進行波である場合には、微粒子におよぼす力Ｆctは次式で表される。
【００３３】
【数２】
【００３４】
図１４は、微粒子の計測・検出処理を示した図、図１５は微粒子を濃縮する領域を示す断面図で、（ａ）は流路の対向する側面に超音波振動子を用いた場合を示す図、（ｂ）は流路の四方の側面に超音波振動子を用いた場合を示す図である。
【００３５】
図１４に示す実施例の装置は、超音波によって微粒子を集中させる部分からなっている。上記微粒子を集中させる部分では、フローセル４の外表面に１組の超音波振動子５が対向して貼り付けてあり、上記超音波振動子５を用いて、フローセル４内の中央部に節をもつ超音波の定在波を発生させる。純水中での音速度は水温２５度で１５００ｍ／ｓであるから、１ｍｍの幅をもつフローセル４中で１個の節をもつ定在波を発生するには、上記超音波振動子５を振動数７５０ｋＨzで振動させればよい。
【００３６】
１平方センチメートルあたりの超音波強度６.０〜９.０ｍＷの超音波を照射することにより、上記フローセル４中の微粒子は、超音波の音圧および粒子相互の衝突に基づく力学的作用によって、それぞれの微粒子の形状および音響インピーダンスに応じた速度で、定在波の節の位置に集中させることができる。超音波の出力値はキャビテーションが発生しない範囲にとどめるのが望ましい。
【００３７】
本実施例においては超音波定在波の節が１つであるが、必要に応じて複数の節を有する定在波を形成することも可能である。また本実施例では、流路の側面に１組の対向する超音波振動子５を用いているが、流路の四方の側面に対して超音波振動子５を用いてもよい。これらの場合の濃縮状態の違いは、図１５の（ａ）および（ｂ）にそれぞれ示すとおりであって、超音波振動子５を（ａ）のようにフローセル４の対向する側面に設けた場合よりも、（ｂ）のようにフローセル４の四方の側面に設けた場合の方が、微粒子の濃縮率が高くなる。
【００３８】
次に、本発明の稀少物質の回収処理について図３から図５を用いて説明する。
図３は、特定物質抽出装置１００の各処理について説明したフローチャートであり、図４、図５は微粒子の変化を示している。なお、「稀少物質」とは、海中水のウラン、パラジウム、金などのことである。
【００３９】
これらの図に示すように、パイプ本体２０内の微粒子Ｘが本体パイプ２０の側壁２５に対向配置された超音波振動子２２ａ、２２ｂが、微粒子Ｘに対し超音波を照射する（Ｓ１０１）。超音波の照射によって濃縮された微粒子Ｘに、分離誘導手段６０が電界を印加する（Ｓ１０２）。
【００４０】
分離誘導手段６０により分散質質量が大きい微粒子Ｘは、分岐パイプ３０側に誘導される（Ｓ１０３）。一方、分散質質量が小さい微粒子は、分岐パイプ３０側には誘導されず、そのまま本体パイプ２０に誘導され（Ｓ１０４）、本体パイプの下流側の開口から放流される（Ｓ１０５）。
【００４１】
前述の分離誘導手段６０は、分岐パイプ３０内に対して電界を印加して微粒子Ｘを分離誘導する機能であり、直流電源、電気泳動させたい物質を含む溶液および電源に接続する電極を少なくとも備えている。すなわち、微粒子の流れと垂直な電圧を掛けることで、微粒子を流れと垂直に泳動させ、微粒子を分岐パイプ３０に誘導されるようにしている。このようにすると、本体パイプ２０は、海水と同じような低い濃度であるが、分岐パイプ３０は、海水よりも高い濃度になる。
【００４２】
そして、分離誘導手段６０によって分岐パイプ３０側に誘導された微粒子Ｘ２は、分岐パイプ３０に配設された回収手段７０が稀少物質として集積して回収する（Ｓ１０６）。
この回収手段７０は、いわゆる半透膜で形成されている。「半透膜」とは、例えば、再生セルロース（セロハン）、アセチルセルロース、ポリアクリロニトリル、テフロン（登録商標）あるいはポリスルホンの多孔質膜などのことである。半透膜は、一定の大きさ以下の分子またはイオンのみを透過させる膜であるため、回収手段７０を半透膜で形成することで、稀少物質の回収が容易になるのである。
【００４３】
なお、半透膜を透過しない溶質と透過性を示す溶媒の系では、半透膜を介して２つの濃度の溶液を接すると、隔てて浸透圧が発生し溶媒のみが透過する。理想的な半透膜の場合、浸透圧は溶液のモル濃度に比例し、この原理を用いて高分子などの分散質質量を測定することも可能である。
【００４４】
したがって、回収手段７０が回収した微粒子Ｘ２を所望する稀少物質として回収することができる。これにより、濃度の低い水中であっても、目的の稀少物質を効率的に分離抽出することができる。
【００４５】
また、回収手段７０は、吸着物質としても形成することができる。「吸着物質」とは、例えば、ウランなどを回収するイオン吸着物質のことである。
【００４６】
なお、特定物質抽出装置を稼動させる電源としては、自然エネルギを利用している。自然エネルギとしては、太陽光、水力、風力などのいずれでも良いが、使用場所を考慮すると太陽光が望ましい。また、自然エネルギに加えて所定のバッテリーを装置に積載し、動力補助として装置全体を稼動させることもできる。
また、特に海では、水流の流れが発生することから、潮力を利用して稼動させることも好ましい。
【００４７】
（第二実施形態）
次に、本発明の第二実施形態について図６から図１１を参照して説明する。第二実施形態の特定物質抽出装置２００は、上述した第一実施形態の分岐パイプ３０からさらに分岐するパイプを増やして微粒子を分離させる構成となっている。
【００４８】
すなわち、第一実施形態で示した本体パイプ２０、分岐パイプ３０、分離誘導手段６０に加え、分岐パイプ３０の側壁３５の一部から外側に向かって延出された第二分岐パイプ４０と、その第二分岐パイプ４０と分岐パイプ３０との境界領域において、対象となる微粒子Ｘに超音波を照射させて濃縮させる超音波振動子２２ｃ、２２ｄ（第二濃縮手段）と、電界を印加して、濃縮した微粒子Ｘ２を第二分岐パイプ４０側に誘導する第二分離誘導手段６０ｂと、その第二分離誘導手段６０ｂが、稀少物質を回収可能な第二回収手段７０ｂとを備えて構成されている。
【００４９】
図６から図１１に示すように、パイプ本体２０内の微粒子Ｘに超音波振動子２２ａ、２２ｂが超音波を照射する（Ｓ２０１）。超音波の照射によって濃縮された微粒子Ｘに、分離誘導手段６０が電界を印加する（Ｓ２０２）。分離誘導手段６０により分散質質量が大きい微粒子Ｘは、分岐パイプ３０側に誘導される（Ｓ２０３）。一方、分散質質量が小さい微粒子は、分岐パイプ３０側には誘導されず、そのまま本体パイプ２０に誘導され（Ｓ２０４）、本体パイプの下流側の開口から放流される（Ｓ２０５）。
【００５０】
続けて、図８に示すように、分岐パイプ３０側に誘導された微粒子Ｘ２および微粒子Ｘ３は、分岐パイプ３０の側壁３５に配設された第二超音波振動子２２ｃ、２２ｄが微粒子Ｘ２および微粒子Ｘ３に対し超音波を照射する（Ｓ２０６）。超音波照射によって濃縮された微粒子Ｘ２および微粒子Ｘ３に対し、第二分離誘導手段６０ｂが電界を印加する（Ｓ２０７）。
【００５１】
ここでも、第二分離誘導手段６０ｂにより分散質質量が大きい微粒子Ｘ３は、第二分岐パイプ４０側に誘導される（Ｓ２０８）。一方、分散質質量が小さい微粒子は、分岐パイプ３０に誘導される（Ｓ２０９）。ここでは、分岐パイプ３０の下流側の開口から放流する、もしくは、微粒子Ｘ２を稀少資源として回収する（Ｓ２１０）。
また、図１１に示すように、第二分岐パイプ４０に誘導された微粒子Ｘ３は、第二回収手段７０ｂが稀少物質として集積して回収する（Ｓ２１１）。
【００５２】
第二分離誘導手段６０ｂは、直流電源、電気泳動させたい物質を含む溶液および電源に接続する電極を少なくとも備えている点は、上述した分離誘導手段６０と同一である。すなわち、微粒子の流れと垂直な電圧を掛けることで、微粒子を流れと垂直に泳動させ、微粒子を第二分岐パイプ４０側に誘導させるようにしている。このようにすると、第二分岐パイプ４０は、分岐パイプよりもさらに高い濃度になる。
【００５３】
本実施形態では、微粒子Ｘを分離誘導させる箇所を、本体パイプ２０と分岐パイプ３０および分岐パイプ３０と第二分岐パイプ４０の二段階に設定している。これは、分岐パイプ３０に誘導された微粒子Ｘ２においても、ウランや金などの所望する稀少物質を集積することも可能であるが、回収しきれない可能性がある。これに対して、特定物質抽出装置２００では、微粒子Ｘ２をさらに分離抽出して第二分岐パイプ４０に誘導することで、濃度を高めることにより確実に所望する稀少物質Ｘ２を集積して回収することができる。
【００５４】
なお、図１２に示すように、第二分岐パイプ４０の側壁から下流に向かってさらに分岐させた第三分岐パイプ５０を備えることもできる。また、図１３に示すように、第三分岐パイプ５０の側壁から下流に向かってさらに分岐させた第四分岐パイプ５５を備えることもできる。これら第三分岐パイプ５０および第四分岐パイプ５５には、超音波振動子および分離誘導手段をそれぞれ備えており、第二分岐パイプ４０から誘導されてきた微粒子に対し、第三分岐パイプ５０の超音波振動子が超音波を照射し、分離誘導手段によって電界が印加される。そして、第四分岐パイプ５５側に分離誘導された微粒子は、再び濃縮手段によって超音波の照射と、分離誘導手段による電界印加が施される。
【００５５】
すなわち、分岐パイプを多段階に分岐し、下層パイプへ分岐していくほど、微粒子の濃度がより高まる。なお、分岐パイプを何段階に設定するかは、回収対象の稀少物質の分散質質量によって異なる。
【００５６】
本発明に係る特定物質抽出装置は、海水中の微粒子から稀少物質を分離回収することを記載されているが、このほか、火山湖などの湖水などにも適用することができる。火山湖によっては、稀少物質が海水よりも多く含有されていることも考えられるため、効率的に回収作業を実施することができる。
また、本実施形態では、稀少物質の回収を目的として説明してきたが、海水中、湖水中の有害物質の回収にも適用可能である。この場合には、分離誘導手段が有害物質を誘導可能な濃度に変更すればよい。このようにすれば、水中を浄化して各種の公害対策などにも寄与する。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】特定物質抽出装置の全体構成を示した概略図である。
【図２】特定物質抽出装置におけるパイプ本体および分岐パイプの構成を示した概略図である。
【図３】特定物質抽出装置の処理を示したフローチャートである。
【図４】パイプ本体に流入した微粒子が超音波で照射される様子を示した概略図である。
【図５】分散質質量の異なる微粒子ごとに分離誘導される様子を示した概略図である。
【図６】第二実施形態におけるパイプ本体、分岐パイプおよび第二分岐パイプの構成を示した概略図である。
【図７】第二実施形態における特定物質抽出装置の処理を示したフローチャートである。
【図８】パイプ本体に流入した微粒子が超音波で照射される様子を示した概略図である。
【図９】分散質質量の異なる微粒子ごとに分離誘導される様子を示した概略図である。
【図１０】第二分離誘導手段において、分散質質量の異なる微粒子ごとに分離誘導される様子を示した概略図である。
【図１１】分離誘導された微粒子が回収手段で回収された様子を示した概略図である。
【図１２】三段パイプ構造を示した概略図である。
【図１３】四段パイプ構造を示した概略図である。
【図１４】微粒子の計測・検出処理を示した図である。
【図１５】微粒子を濃縮する領域を示す断面図である。
【符号の説明】
【００５８】
１ 装置本体
２ 発電装置
２０ パイプ本体
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ、２２ｄ 超音波振動子
２５ 側壁
３０ 分岐パイプ
３５ 側壁
４０ 第二分岐パイプ
５０ 第三分岐パイプ
５５ 第四分岐パイプ
６０、６０ｂ 分離誘導手段
７０、７０ｂ 回収手段
１００、２００ 特定物質抽出装置
Ｒ 流体流路
Ｘ、Ｘ１、Ｘ２、Ｘ３ 微粒子
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体流路内に配置させたパイプ本体を浮遊する微粒子に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子から稀少物質を回収する特定物質抽出装置であって、
水上に浮上可能な装置本体と、
前記パイプ本体から分岐させた分岐パイプと、
その分岐パイプと前記パイプ本体との境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手段と、
前記濃縮した微粒子に電界を印加して前記分岐パイプ側に誘導する分離誘導手段と、
その分離誘導手段が、前記分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積することによって稀少物質を回収可能な回収手段と、を備えるとともに、
前記分岐パイプから更に分岐させた第二分岐パイプと、
その第二分岐パイプと前記分岐パイプとの境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる第二濃縮手段と、
前記濃縮した微粒子に電界を印加して前記第二分岐パイプ側に誘導する第二分離誘導手段と、
前記第二分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積する第二回収手段と、
を備えたことを特徴とする特定物質抽出装置。
【請求項２】
前記装置本体に設置された自然エネルギを動力源として発電する発電装置を備え、
その発電装置が発電した電気エネルギは、前記濃縮手段、分離誘導手段および回収手段に対して供給することとしたことを特徴とする特定物質抽出装置。
【請求項３】
前記第二分岐パイプからさらに分岐させた第三分岐パイプと、その第三分岐パイプからさらに分岐させた第四分岐パイプとを備え、
前記第三分岐パイプおよび第四分岐パイプには、濃縮手段および分離誘導手段をそれぞれ備えていること特徴とする請求項１または請求項２に記載の特定物質抽出装置。
【請求項４】
前記回収手段は、半透膜もしくは吸着物質を備えていることを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の特定物質抽出装置。
【請求項５】
前記発電装置は、太陽光、風力、水力、波力、地熱などの自然エネルギを動力源として稼動する請求項１から請求項４のいずれかに記載の特定物質抽出装置。
【請求項６】
前記本体パイプを複数備え、
その複数の本体パイプは、垂直方向に並列させたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の特定物質抽出装置。
【請求項７】
水上に浮上可能な装置本体に取り付けた流体流路内の流体中を浮遊する微粒子に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子から稀少物質を回収する特定物質抽出方法であって、
その装置本体に設置された自然エネルギから発電する発電手順と、
前記パイプ本体から分岐させた分岐パイプと前記パイプ本体との境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手順と、
濃縮された微粒子に電界を印加して前記分岐パイプ側に誘導する分離誘導手順と、
その分離誘導手順にて、前記分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積することによって稀少物質を回収可能な回収手順とを備え、
前記発電手順にて発電した電気エネルギは、前記濃縮手順、前記分離誘導手順、前記回収手順に対して供給することを特徴とする特定物質抽出方法。
【請求項８】
前記濃縮手順は、分岐パイプを複数段備えることによって複数回行うこととした請求項７に記載の特定物質抽出方法。
【請求項１】
流体流路内に配置させたパイプ本体を浮遊する微粒子に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子から稀少物質を回収する特定物質抽出装置であって、
水上に浮上可能な装置本体と、
前記パイプ本体から分岐させた分岐パイプと、
その分岐パイプと前記パイプ本体との境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手段と、
前記濃縮した微粒子に電界を印加して前記分岐パイプ側に誘導する分離誘導手段と、
その分離誘導手段が、前記分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積することによって稀少物質を回収可能な回収手段と、を備えるとともに、
前記分岐パイプから更に分岐させた第二分岐パイプと、
その第二分岐パイプと前記分岐パイプとの境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる第二濃縮手段と、
前記濃縮した微粒子に電界を印加して前記第二分岐パイプ側に誘導する第二分離誘導手段と、
前記第二分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積する第二回収手段と、
を備えたことを特徴とする特定物質抽出装置。
【請求項２】
前記装置本体に設置された自然エネルギを動力源として発電する発電装置を備え、
その発電装置が発電した電気エネルギは、前記濃縮手段、分離誘導手段および回収手段に対して供給することとしたことを特徴とする特定物質抽出装置。
【請求項３】
前記第二分岐パイプからさらに分岐させた第三分岐パイプと、その第三分岐パイプからさらに分岐させた第四分岐パイプとを備え、
前記第三分岐パイプおよび第四分岐パイプには、濃縮手段および分離誘導手段をそれぞれ備えていること特徴とする請求項１または請求項２に記載の特定物質抽出装置。
【請求項４】
前記回収手段は、半透膜もしくは吸着物質を備えていることを特徴とする請求項1から請求項３のいずれかに記載の特定物質抽出装置。
【請求項５】
前記発電装置は、太陽光、風力、水力、波力、地熱などの自然エネルギを動力源として稼動する請求項１から請求項４のいずれかに記載の特定物質抽出装置。
【請求項６】
前記本体パイプを複数備え、
その複数の本体パイプは、垂直方向に並列させたことを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の特定物質抽出装置。
【請求項７】
水上に浮上可能な装置本体に取り付けた流体流路内の流体中を浮遊する微粒子に超音波を照射して濃縮させ、濃縮した微粒子から稀少物質を回収する特定物質抽出方法であって、
その装置本体に設置された自然エネルギから発電する発電手順と、
前記パイプ本体から分岐させた分岐パイプと前記パイプ本体との境界領域において対象となる微粒子に超音波を照射させて濃縮させる濃縮手順と、
濃縮された微粒子に電界を印加して前記分岐パイプ側に誘導する分離誘導手順と、
その分離誘導手順にて、前記分岐パイプの下流側に分離誘導された分散質質量の大きい微粒子を集積することによって稀少物質を回収可能な回収手順とを備え、
前記発電手順にて発電した電気エネルギは、前記濃縮手順、前記分離誘導手順、前記回収手順に対して供給することを特徴とする特定物質抽出方法。
【請求項８】
前記濃縮手順は、分岐パイプを複数段備えることによって複数回行うこととした請求項７に記載の特定物質抽出方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２００８−１５５０７７（Ｐ２００８−１５５０７７Ａ）
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−３４３５８７（Ｐ２００６−３４３５８７）
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２０年７月１０日（２００８．７．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成１８年１２月２０日（２００６．１２．２０）
【出願人】（０００００３６８７）東京電力株式会社 (2,580)
【Ｆターム（参考）】
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