JST大学連携新技術説明会 2017年2月23日（木） JST東京本部別館 エマルション流の制御を利用した 有価物の回収技術 ∼エマルションフロー法∼ 国立研究開発法人 日本原子力研究開発機構 原子力科学研究部門 先端基礎研究センター 長縄 弘親 1 背景 ∼溶媒抽出（液液抽出）∼ 目的成分と結合する薬剤（抽出剤）を含む”油”を使って、水から目的成分だけを 選択的に抽出する方法 界面を通じて、目的成分の 水相から油相への移動が促進 油相 界面 水相 抽出剤 界面 金属イオン （目的成分） 水／油の混 合 水／油の分離 水と油の間の界面 の面積を大きくする 1）排水（水相） 2）目的成分回収（油相） レアメタル、食用油、香料、医薬品、DNAなどの 精製・抽出、等々、産業界で広く用いられている 技術 使用済み核燃料の再処理、高レベル放射性廃棄物の 処理などに用いる技術で、原子力分野でも非常に重要 界面 2 背景 ∼溶媒抽出とカラム分離との比較∼ 水に溶けている有価物・有害物の選択的回収の二大手法 溶媒抽出（液液抽出） カラム分離 (吸着・イオン交換) ＝ 簡便で、扱いやすい 抽出容量が大 簡単な装置 迅速な処理 容易な操作 抽出容量が小 専用の装置が必要 = 非迅速 従来の装置は、簡便ではなく、 扱いづらく、初期コストも大 二大手法の長所と短所は“相補的”な関係にある カラム分離のように、送液だけで簡単に、高効率な溶媒抽出を行うことができれば、 溶媒抽出とカラム分離の両方の長所を持ち、かつ互いの短所を解消した手法になる 3 理想的な溶媒抽出を簡単な仕組みで 理想的な 溶媒抽出 乳濁した状態になるまで、 完全に澄んだ状態にまで、 水と油を 水と油を 十分に混合する ＆ 迅速に分離する 従来の方法 激しく撹拌する 激しく振とうする 超音波をかける 特殊な装置 高コスト 遠心分離する 油水分離膜を使う たとえば、遠心抽出器 エマルションフロー法 ポンプ送液だけで、 水と油を十分に混合 簡単な装置 低コスト ポンプ送液だけで、 水と油を迅速に分離 ※乳濁するまでの「混合」と透明になるまでの「分離」が同時に進行 4 新技術 エマルションフロー法とは？ 送液のみで、水／油の乳濁状態の流れ（エマルション流）の発生と消滅を制御する仕組み → 革新的な液液抽出（溶媒抽出） 水相用 ポンプ 油相 油相用 ポンプ 処理対象の 水溶液 相分離部（上） 水流と油滴 の対向接触 乳濁混合 （混合部） エマルションフロー （水／油の乳濁流）の消滅 混合相 ノズル ヘッド 油滴フローの 急激な減速 混合部 エマルションフロー （水／油の乳濁流）の発生 相分離部（下） エマルションフロー （水／油の乳濁流）の消滅 水相 ノズル微細孔から の油滴発生 “単分散に近い”エマルションが発生 エマルションフロー法の原理と概要 完璧な２液分離 （相分離部） 水滴フローの 急激な減速 卓上型の装置 5 新技術の特徴・従来技術との比較 ＝最も普及しているが・・・ ＝最も低コストだが・・・ ＝最も高性能で小型だが・・・ ＝最も低コストでありながら 最も高性能で小型 インペラー 回転軸＋インペラー パルス発生器 ノズルヘッド 遠心抽出器 ミキサーセトラー インペラー回転 重力分離 パルスカラム パルス振動 重力分離 スプレーカラム 液滴噴出 重力分離 インペラー回転 遠心力分離 6 従来技術との比較 ミキサーセトラーと比較 エマルションフロー（EF） 流量 = ３０ L/h ミキサーセトラー（MS） 不十分な２液相混合 MSの１３倍 流量 = ２．４ L/h インペラ回転 = ６００ rpm Yb抽出率=６０％ やや濁りあり 十分な２液相混合 Yb抽出率=９９％ 流量 = ２．４ L/h インペラ回転 = １２００ rpm 完全な相分離 不十分な相分離 ※ 同じサイズ（体積）の装置でEFとMSとを比較 レアアースの１つであるイッテルビウム（Yb）を硝酸(pH2)から10mM DEHPA（抽出剤）/ヘキサン（溶媒）に抽出 7 混合部での違い 単分散乳濁 多分散乳濁 接触効率の差 機械撹拌での２液混合 液滴噴出での２液混合 単分散に近い乳濁状態は、 発生と消滅を制御しやすい →良好な乳濁から迅速に完璧な相分離へ 界面の比表面積が大きい →２液相の接触効率が高い 単分散乳濁 多分散乳濁 相分離の差 8 混合の違いがもたらすもの ミキサーセトラー エマルションフロー 排水時の水相 排水時の水相 エマルションフローでは、ミキサーセトラーよりも 液滴サイズの分布が狭い（液滴の均質性が高い） 相分離しやすい 油膜ができない 9 相分離部での違い （相分離部） （相分離部） 10 相分離の違いがもたらすもの 流速が増すと 相分離が悪化 相分離部 混合部 相分離部 （油相） 流速が増しても 相分離は良好の まま 混合部 相分離部 （水相） ミキサーセトラーでは、送液流速を大きくすると相分離部に流入する エマルションが増加する。一方、エマルションフローでは、送液流速 を大きくしても相分離部にエマルションはほとんど流入しない。 小型装置で 迅速処理 11 ミキサーセトラーとの比較（まとめ） ● 同じ大きさの装置で、エマルションフローの処理速度は、 ミキサーセトラーの10倍以上 →1/10 以下にダウンサイズ ※ ただし、抽出速度が遅い場合は、1/3 程度のダウンサイズ ● エマルションフローでは、排水への油相漏れ、油膜の発生がない →油相の混入なし →油水分離装置としても利用可能 単分散に近い乳濁は、発生と消滅を容易に制御できるため ● 抽出率でも、エマルションフローはミキサーセトラーに勝る 単分散乳濁に近いことから、２液相の接触効率がより高くなるため ● 送液のみで、撹拌などは、まったく不要 →初期コスト、運転コストを1/5 以下にコストダウン 単分散に近い乳濁は、機械攪拌することなく、送液だけで得られるため 12 従来技術との比較 スプレーカラムと比較 水相ノズルヘッド （微細でない液滴噴出） 非乳濁 有機相ノズルヘッド （微細でない液滴噴出） スプレーカラム 乳濁 有機相ノズルヘッド （微細な液滴噴出） エマルションフロー 両者の構造的な違いは、主として、有機相ノズルヘッドからの 液滴サイズ、積極的な相分離の仕組みの有無の２点である。 エマルションフローでは水相と有機相を乳濁状態にまで混合できる が、スプレーカラムでは２液相を乳濁混合できない。 積極的な相分離の仕組みを持たないスプレーカラムでは、排水の ために、むしろ２液相が乳濁しないための工夫がなされている。 13 発展型のエマルションフロー装置 以前の発明をさらに発展 以前のものと比較して、 １）処理する水溶液の装置内での 滞留時間を長くできる。 ２）比重が大きい水溶液に対して、 より効率的に乳濁化できる。 混合部 ３）混合部の一部で相分離が起こる 容器構造によって、１つの仕組み で、２段に近い性能を発揮できる。 ４）従来型（向流方式）よりも相分離 の性能が向上している。 ５）水溶液中の固形成分を連続的 に捕捉して回収できる。 →次ページ以降 （特開2016-123907） 14 エマルションフロー法での固形成分の回収・除去 粒子（固形物）回収用エマルションフロー方式 ＝ノズルヘッド目詰まりなしの方式 粒子（固形）成分を連続的に回収・除去 水 微細化しない水相 微細化した油相 粒子（固形）成分は、界面 にトラップされ、油相には 侵入しない 抽出溶媒 15 発展型エマルションフロー装置でのスラッジ除去 従来の方法 新しい方法 P P 混合部でのスラッジ蓄積に伴い、目的物の抽出率が低下 →いったん、装置を止めて、ピストンなどでスラッジ回収 連続的にスラッジ回収 （特開2016-123907） 16 実用化に向けた課題 それぞれの用途に応じた抽出条件（pH、塩濃度、抽出剤濃度、抽出時間など）、 装置条件（容器の形状・大きさ、ノズルヘッドの構造・材料、多段化の要否など） の検討が必要 新技術の特徴 処理コストを従来法の5分の1以下、処理スピードを10倍以上（あるいは装置 のサイズを10分の1以下）にできる 排水に油分が混入しないので、環境にやさしい 水溶液中の固形成分（スラッジ、微粒子）も、連続的に回収できる 17 想定される用途 レアメタルの回収・リサイクル 工場排水の浄化 油水の分離 固液分離（固形成分の回収） 企業への期待 本法は、低コストと高性能が両立した革新的な溶媒抽出の 新手法です。よって、これまで、コスト面から見送られてきた レアメタルなどの有価物の回収にも利用できる可能性があり ます。また、油水分離、固液分離など、溶媒抽出以外の用途 にも利用されつつあります。 本法の利用の可能性について、ご提案をいただけますと 幸いです。 18 エマルションフロー法に関する知的財産権 登録特許 【特許１】向流方式エマルションフロー連続液液抽出装置 特許第５３０５３８２号 【特許２】エマルションフローを利用した連続液-液抽出装置 特許第５５６５７１９号 【特許３】塗料廃液処理方法 特許第４７５９７６９号 【特許４】溶液処理装置 特許第５６４８９４３号 【特許５】溶液中粒子成分の連続回収方法 特許第５７３３６９１号 【特許６】揮発性有機化合物除去装置 特許第６０２１０５７号 公開特許 【特許７】エマルション流の制御方法 特開２０１６−１２３９０７ 19 ご清聴、ありがとうございました。 お問い合わせ 国立研究開発法人日本原子力研究開発機構 研究連携成果展開部 E-mail : [email protected] Tel : 029-284-3420 Fax: 029-284-3679 20
© Copyright 2024 ExpyDoc
![[製品分析]スナック菓子](http://s3.expydoc.com/store/data/010047265_1-5fd1625db4281c83f9aebe97e8598e9f-250x500.png)
