JPH08197049A

JPH08197049A - ミネラル成分の回収方法

Info

Publication number: JPH08197049A
Application number: JP1348795A
Authority: JP
Inventors: Hideaki Kurokawa; 秀昭黒川; Takayuki Matsumoto; 隆行松本; Kiyomi Funabashi; 清美船橋; Satoshi Sugawara; 敏菅原; Kyosuke Hayashi; 恭輔林; Keiji Nitta; 慶治新田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1995-01-31
Filing date: 1995-01-31
Publication date: 1996-08-06

Abstract

(57)【要約】【構成】尿１０５はｐＨ調整器１０１でｐＨをアルカリ
性に調整されるので、それに含まれる二価イオンがリン
酸塩を作り沈澱物となる。この沈澱物は固液分離器102
で分離される。その後、電気透析部１０３での処理によ
り電気透析部１０３から一価イオンを含む濃縮液１０８
が排出され、温度差晶析部１０４に導かれる。９０℃の
タンク１０９にて濃縮され析出した塩化ナトリウムはフ
ィルタ１１０で分離される。濃縮液１０８は、更にタン
ク１１１に供給され２０℃に冷やされ、塩化カリウムを
析出させる。析出した塩化カリウムは、フィルタ１１２
で除去される。【効果】尿に含まれる人間に有用なミネラル成分である
塩化ナトリウムを高効率かつ高純度に回収できる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ミネラル成分の回収方
法に係り、各種ミネラルを含んだ排水から有用な成分
（例えばＮａＣｌ等）を回収する方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】各種ミネラル成分を含む水から有用成分
を分離回収する方法としては、海水からの塩（食塩）の
回収が考えられる。海水中には約３.４％のＮａＣｌが
含まれており、人間が食する塩はこの海水から製造され
ている。海水からの食塩製造は、塩田法，蒸発濃縮法及
び電気透析法によって行われている。この製塩に関する
従来例としては、例えば「最近の膜処理技術とその応
用」フジテクノシステム５５４頁等がある。

【０００３】これらの従来の塩化ナトリウム回収方法
は、特にミネラル成分を分離・除去することなく含まれ
る塩分を濃縮して全て回収するものである。これは、海
水から塩を回収する場合には、回収する塩の成分と海水
中に含まれる成分との間に差が無いためで、海水中の塩
の大部分がＮａＣｌであることから可能となる。しかし
ながら、排水のように多くのミネラル成分が含まれてい
る場合には、ミネラル成分として必要な物質及び不要な
物質が存在するために、不要な物質を分離除去後に必要
な物質を回収しなければならない。特に、宇宙空間等の
閉鎖環境系では人間の食べる食塩（ＮａＣｌ）を尿から
回収することが考えられている。さらに、ＮａＣｌ除去
後の排水は全て植物の肥料として使用されるが、植物に
とってNaClはあまり良いものでなく、含まれるＮａＣｌ
はなるべく高効率に分離回収する必要がある。また、人
間の食べる塩にあまり不純物が含まれると、これも良い
影響を与えないことから、高純度でＮａＣｌを回収する
必要がある。

【０００４】そこで、ミネラル成分としてＮａＣｌを回
収する場合を想定する。まず、排水に含まれるミネラル
成分中の一価イオン成分と二価以上のイオン成分とを分
離し、分離回収した一価イオン成分の中からＮａＣｌだ
けを分離すれば、多くのミネラル成分を含む排水中から
ＮａＣｌだけを回収することが可能になる。この方法に
よれば、回収する成分と同じ価数のイオンを分離回収す
るために処理液中に含まれるイオン成分の数を大きく低
減することが可能になる。このために、最終的に回収す
るミネラル成分をこの中から分離することが容易になる
とともに、回収物質の純度も向上させることができる。
ここで、排水中に含まれるイオン成分の中から、イオン
の価数で分離できる方法としては、価数選択性を有する
イオン交換膜を用いた電気透析法が考えられる。価数選
択性のイオン交換膜としては研究開発がなされているが
現在では一価選択性の膜が実用の域に達している。電気
透析法は、イオンを通すイオン交換膜を交互に設置しそ
の両端から直流通電することで、イオンを移動させ、イ
オンの濃縮（同時に片方は希釈）を行う方法である。従
って、このイオン交換膜として一価選択性のイオン交換
膜を使用した場合、いろいろなイオン成分を含む溶液か
ら、一価のイオンだけを選択的に分離・濃縮することが
できる。このようにして同じ価数のイオン成分だけを分
離，濃縮した後、さらに、有用な成分を分離する方法と
しては、各成分の溶解度の差を利用した温度差による晶
析法を適用する方法がある。溶解度の差を利用した温度
差晶析法は、例えばＮａＣｌとＫＣｌを分離する場合、
この２成分の溶解度変化を表１に示す。

【０００５】

【表１】

【０００６】ここで、ＮａＣｌ及びＫＣｌを含む混合溶
液をＫＣｌの濃度が２７.２％になるまで混合溶液の濃
縮を行う。この時、ＮａＣｌの濃度が２９.２％以下の
場合には何も析出しないが、その濃度以上になった場合
にはＮａＣｌが析出する。次に、この溶液だけを２０℃
まで冷却した場合、ＮａＣｌの溶解度は変わらないがＫ
Ｃｌの溶解度が１４.９％まで低下するので、ＫＣｌが
析出する。これら処理を繰り返し行うことによって、Ｎ
ａＣｌとＫＣｌを分離することが可能になる。この方法
に関する公知例としては、例えばSAE Technical Pape
r，941449 等がある。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】上記の様な従来の回収
方法では、一価イオン選択透過性イオン交換膜の性能が
完全であり、一価イオンと二価イオンが高効率に分離で
きれば問題ないが、実際には陰イオン交換膜及び陽イオ
ン交換膜のどちらもかなりの二価イオンを透過する。ど
ちらかといえば、陰イオン交換膜における二価イオンの
除去率は高いのに対して、陽イオン交換膜における除去
率はあまり高くない。この結果、二価イオン分離後の晶
析操作によって生じる塩の成分の純度は大きく低下して
しまうという課題がある。ここで、宇宙空間等の閉鎖環
境系で人間の食べる食塩(ＮａＣｌ)を尿から回収するシ
ステムを考えた場合、尿は湿式酸化され、含まれる有機
物成分は完全に分解されることから、このミネラル回収
システムに入る不純物は表２の様になる。

【０００８】

【表２】

【０００９】本発明の目的は、排水から人間に有用な塩
化ナトリウムを高効率かつ高純度に回収できるミネラル
成分の回収方法を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的は、ナトリウム
イオンとカリウムイオンと塩素イオンとリン酸イオンと
を含む複数のミネラル成分を有するミネラル溶液から前
記ナトリウムイオンと前記カリウムイオンと前記塩素イ
オンとを分離する工程の前段において、少なくとも二価
以上の陽イオンを高効率に分離除去することで解決する
ことができる。さらに詳しくは、表２に示すように、尿
を処理して得られるミネラル溶液中にはカルシウム，マ
グネシウムなどの二価の陽イオンと硫酸イオン，リン酸
イオンなどの二価の陰イオンが含まれる。このミネラル
溶液のｐＨをアルカリ性にすることで、カルシウム，マ
グネシウムなどの二価の陽イオンとリン酸イオンからな
る塩（リン酸塩）が沈澱し、かつ、この塩の溶解度は極
めて小さいことから、前記ミネラル溶液中に含まれるカ
ルシウム，マグネシウムなどの二価の陽イオンをほぼ完
全に分離除去することが可能になる。

【００１１】

【作用】リン酸（Ｈ₃ＰＯ₄）は以下に示すように水溶液
中で解離しており、各イオンの存在割合は溶液のｐＨに
依存する。

【００１２】従って、ｐＨが大きくなるにつれてリン酸イオンの価数
は大きくなる。表３には

【００１３】

【表３】

【００１４】リン酸イオンとカルシウムイオンによる塩
の溶解度をリン酸イオンの形態別に示した。

【００１５】リン酸イオンの価数が増大するにつれてそ
の溶解度は小さくなり、水中にほとんど溶けなくなる。
これは、マグネシウム塩においても同様な傾向であるこ
とから、ミネラル溶液中に含まれるカルシウムイオンと
マグネシウムイオンはリン酸塩としてその大部分を沈澱
分離することができる。

【００１６】

【実施例】以下、図１〜図４を用いて本発明の実施例を
詳細に説明する。

【００１７】（実施例１）図１に本発明に係るミネラル
成分回収装置の一実施例を示す。本実施例は、ｐＨ調整
器１０１，固液分離器１０２，電気透析部１０３，温度
差晶析部１０４を有する。ｐＨ調整器１０１，固液分離
器１０２及び電気透析部１０３は、配管１０によって接
続される。温度差晶析部１０４は、タンク１０９，フィ
ルタ110,タンク１１１及びフィルタ１１２を有する。電
気透析部１０３の濃縮室は、配管２０によって温度差晶
析部１０４のタンク１０９に接続される。温度差晶析部
１０４のタンク１０９，フィルタ１１０，タンク１１１
及びフィルタ１１２は、配管３０によって接続される。
電気透析部１０３は、内部に複数の一価イオン選択透過
イオン交換膜を設置し、負の電極１０６及び正の電極１
０７を有している。

【００１８】湿式酸化等によって処理された人間の尿１
０５は、まず、ｐＨ調整器１０１に送られここでｐＨを
アルカリ性に調整される。この結果、前述したように処
理された尿１０５に含まれるリン酸イオン，カルシウム
及びマグネシウムのような二価イオンが溶解度の小さい
リン酸塩を作り、沈澱物を生成する。この沈澱物を含む
溶液は、ｐＨ調整器１０１から固液分離器１０２に導か
れる。固液分離器１０２によって沈澱物が分離される。
沈澱物が除去された溶液が、配管１０を通して電気透析
部１０３に送られる。ここで、電気透析部１０３に送ら
れた溶液中に含まれるイオンの主なものは、ナトリウ
ム，カリウム，塩素，硫酸及びリン酸の各イオンであ
る。電気透析部１０３の左右の電極１０６及び１０７に
直流電流を印加すると、一価イオン選択透過イオン交換
膜によって溶液中の一価イオンが選択的に透過・濃縮さ
れる。前述のイオンのうち濃縮されたナトリウムイオ
ン，カリウムイオン及びそして塩素イオンを含む濃縮液
１０８が、電気透析部１０３の濃縮室から配管２０に吐
出され、温度差晶析部１０４のタンク１０９に導かれ
る。脱塩液は配管１０６によって電気透析部１０３から
排出される。

【００１９】タンク１０９及びフィルタ１１０は９０℃
に保持され、タンク１１１及びフィルタ１１２は２０℃
に保持されている。濃縮液１０８は、まず、９０℃のタ
ンク１０９にて濃縮され塩化ナトリウムを析出させる。
析出した塩化ナトリウムを含む濃縮液１０８は、フィル
タ１１０に送られる。ここで、析出した塩化ナトリウム
はフィルタ１１０で分離される。その後、他のイオンを
含む濃縮液１０８はタンク１１１に供給され、２０℃ま
で冷やされる。この結果、塩化カリウムが析出する。析
出した塩化カリウムは、フィルタ１１２で除去される。
濃縮液１０８は、再びタンク１０９に戻され９０℃の温
度で濃縮される。以上のような温度差晶析部１０４内で
濃縮液１０８の９０℃での加熱及び２０℃での冷却を交
互に数回繰り返すことにより、濃縮液１０８中の塩化ナ
トリウム及び塩化カリウムの回収効率が向上する。ま
た、温度を変えて塩化ナトリウム及び塩化カリウムを個
々に析出させているので、純度の高い塩化ナトリウム及
び塩化カリウムを得ることができる。

【００２０】本実施例は、上記したように高純度の塩化
ナトリウム及び塩化カリウムを高効率で回収できる。ま
た、本実施例は、電気透析法を用いて塩化ナトリウム及
び塩化カリウムの濃縮を行っているので、脱塩液及び濃
縮液が別々になる。このため、電気透析部１０３で溶液
中のイオン濃度を増加させることでき、後段の温度差晶
析部１０４での濃縮液の量を低減できる。これは、温度
差晶析部１０４での加熱，冷却による塩化ナトリウム及
び塩化カリウムの回収効率を向上させる。電気透析部１
０３は、通電することで溶液を連続的に処理できる。

【００２１】本実施例は、宇宙等の閉鎖環境系、特に有
人の人工衛星または宇宙ステ−ション内のシステムとし
て適用することによって、食用となる塩（ＮａＣｌ）を
排水及び人間が排泄した尿等から有効に回収することが
できる。

【００２２】（実施例２）図２に本発明の他の実施例で
あるミネラル成分回収装置を示す。図１の実施例と同じ
構成は、同じ符号で示す。本実施例は、図１の実施例に
おける電気透析部１０３の替りに陽イオン交換樹脂塔２
０１及び陰イオン交換樹脂塔２０２を用いたものであ
る。陽イオン交換樹脂塔２０１は、配管１０によって固
液分離器１０２に接続される。陽イオン交換樹脂塔２０
１，陰イオン交換樹脂塔２０２及び温度差晶析部１０４
のタンク１０９は、配管４０によって接続される。陽イ
オン交換樹脂塔２０１はカリウム型の陽イオン交換樹脂
を充填している。陽イオン交換樹脂のイオン交換器には
カリウムが吸着している。陰イオン交換樹脂塔２０２
は、塩素型の陰イオン交換樹脂を充填している。陰イオ
ン交換樹脂のイオン交換器には塩素イオンが吸着してい
る。

【００２３】前述のようにｐＨ調整器１０１でｐＨをア
ルカリ性に調整され、固液分離器１０２で沈澱物を分離
された溶液は、陽イオン交換樹脂塔２０１に送られる。
陽イオン交換樹脂は、一価イオンのカリウムよりも二価
及び三価の陽イオンを吸着し易い。従って、固液分離器
１０２から吐出された溶液が陽イオン交換樹脂塔２０１
に供給された場合、カリウムイオンが陽イオン交換樹脂
から脱着して溶液中のカルシウムイオン及びマグネシウ
ムイオンが陽イオン交換樹脂に吸着される。陽イオン交
換樹脂塔２０１から流出した溶液は、次に、陰イオン交
換樹脂塔２０２に送られる。陰イオン交換樹脂は一価イ
オンの塩素よりも二価，三価の陰イオンを吸着し易い。
陰イオン交換樹脂塔２０２内の陰イオン交換樹脂は、塩
素イオンを脱着して溶液中の硫酸やリン酸イオンが吸着
する。このように、２つのイオン交換樹脂塔を通過した
溶液は、二価及び三価イオンが除去されイオンとしては
一価のナトリウムイオン，カリウムイオン及び塩素イオ
ンの３種類を含む。この後、その溶液は温度差晶析部１
０４において実施例１と同様に処理される。ここで、析
出した塩化ナトリウム及び塩化カリウムはその溶液から
回収される。陽イオン交換樹脂塔２０１内の陽イオン交
換樹脂、及び陰イオン交換樹脂塔２０２内の陰イオン交
換樹脂は、多くの二価及び三価イオンが吸着した場合、
再生する必要がある。これらの再生は、陽イオン交換樹
脂をカリウム型に、陰イオン交換樹脂を塩素型にするこ
とである。このため、イオン交換樹脂の再生に塩化カリ
ウムを用いることが望ましい。温度差晶析部１０４から
得られる塩化カリウムをイオン交換樹脂の再生に使用す
ることができる。本実施例では陽イオン交換樹脂及び陰
イオン交換樹脂を用いているが、ｐＨ調整によって二価
の陽イオンが分離・除去されているので、陰イオン交換
樹脂のみでも高純度のナトリウム，カリウムそして塩素
イオンの溶液を得ることができる。

【００２４】温度差晶析部１０４から得られる塩化カリ
ウムは、他のミネラル成分とともに植物の肥料には有用
であることから、これらを混合して回収することは妨げ
ない。

【００２５】本実施例は、実施例１と同様に高純度の塩
化ナトリウム及び塩化カリウムを高効率で回収できる。
更に、本実施例は、陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換
樹脂を用いているので、二価及び三価イオンの吸着効率
が高く、回収される塩化ナトリウム及び塩化カリウムの
純度をより高くできる。本実施例は、イオン交換樹脂の
再生操作を必要とするが、再生後、溶液を供給するだけ
で各イオンを除去でき電気を必要とする実施例１に比べ
て安全である。本実施例も、実施例１と同様に有人の人
工衛星または宇宙ステ−ションに適用することができ
る。

【００２６】実施例１及び２に用いる固液分離器１０２
の一例を図３に示す。前述のｐＨ調整器１０１でのｐＨ
調整にて沈澱するリン酸塩の析出物は非常に粘りけのあ
る固体であることから、上澄みである溶液とその析出物
との分離に通常のろ過方式を用いると、ろ過体がすぐに
目詰まりを起こす可能性がある。図３の固液分離器は、
遠心力を用いた分離器である。

【００２７】本固液分離器は、分離槽３０２及びこれを
回転させるモータ３０１を備える。ｐＨ調整器１０１に
接続される配管１０の部分である供給管３０３が、分離
槽３０２内に挿入されている。電気透析部１０３または
陽イオン交換樹脂塔２０１に接続される配管１０の部分
である排出管３０４も分離槽３０２内に挿入されてい
る。アルカリにｐＨ調整されリン酸塩が析出している溶
液は供給管３０３から分離槽３０２内に導入される。こ
の分離槽３０２はモータ３０１によって高速回転してお
り、分離槽３０２内の溶液には遠心力が作用する。この
ため、溶液に含まれるリン酸塩は分離槽３０２の外側に
分離される。排出管３０４はこの分離槽３０２の中心部
に位置しているので、排出管３０４からはリン酸塩の固
体が除去された上澄み溶液を取り出すことができる。ま
た、分離されたリン酸塩はこの分離槽３０２の外側に付
着されていくので、この分離槽３０２内に多くのリン酸
塩の固体を蓄えることができる。このリン酸塩は酸性溶
液に溶解するので、リン酸塩を廃棄するばかりでなく、
酸溶液によってこのリン酸，カルシウム，マグネシウム
イオンを再利用することも可能である。

【００２８】

【発明の効果】本発明によれば、排水から人間に有用な
ミネラル成分である塩化ナトリウムを高効率かつ高純度
に回収できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるミネラル成分回収装置
の構成図である。

【図２】本発明の他の実施例であるミネラル成分回収装
置の構成図である。

【図３】図１及び図２の固液分離器の具体的な一例を示
す構成図である。

【符号の説明】

１０１…ｐＨ調整器、１０２…固液分離器、１０３…電
気透析部、１０４…温度差晶析部、１０９，１１１…タ
ンク、１１０，１１２…フィルタ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｂ０１Ｄ 9/02 ６１９Ｚ 9344−4Ｄ 61/44 ５００５１０５２０Ｃ０１Ｂ 25/45 ＤＣ０１Ｄ 3/04 ＺＣ０２Ｆ 1/38 (72)発明者菅原敏茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者林恭輔茨城県日立市幸町三丁目１番１号株式会社日立製作所日立工場内 (72)発明者新田慶治東京都東久留米市八幡町１−７−23

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ミネラル成分であるナトリウムイオン，カ
リウムイオン，塩素イオン及びリン酸イオンを含むミネ
ラル溶液のｐＨをアルカリ性に調整して二価以上の不純
物陽イオンをリン酸塩として析出させ、このリン酸塩を
前記ミネラル溶液から分離し、その後、このミネラル溶
液から一価イオンを含むミネラル溶液を取り出し、一価
イオンを含むミネラル溶液から塩化ナトリウムを回収す
るミネラル成分の回収方法。
【請求項２】前記ミネラル溶液から一価イオンを含むミ
ネラル溶液を取り出す工程が、一価イオン選択性を有す
るイオン交換膜を使用した電気透析である請求項１のミ
ネラル成分の回収方法。
【請求項３】前記ミネラル溶液から一価イオンを含むミ
ネラル溶液を取り出す工程が、Ｃｌ型の陰イオン交換樹
脂層を通過させることによって、溶液中の二価イオンと
Ｃｌイオンを置換・除去する請求項１のミネラル成分の
回収方法。
【請求項４】前記一価イオンを含むミネラル溶液から前
記塩化ナトリウムを回収する工程に、混合水溶液中の各
成分の溶解度差を利用した濃縮晶析を用いる請求項１の
ミネラル成分の回収方法。
【請求項５】Ｃｌ型の陰イオン交換樹脂の再生に、前記
回収したＫＣｌ溶液を用いる請求項３のミネラル成分の
回収方法。
【請求項６】前記リン酸塩を前記ミネラル溶液からの分
離は、遠心分離である請求項１のミネラル成分の回収方
法。