技术领域
[0001] 本发明涉及一种具有正极和负极的回收系统，所述正极和负极使活性物质相对配置并在其间形成流路，并根据在活性物质之间作用的直流电位吸附离子。
相关背景技术
[0002] 专利文献1公开了一种使用双电层的排水处理系统。排水处理系统具备根据直流电压的施加而形成双电层的正极和负极。正极和负极基于在活性炭纤维的表面上形成的双电层来吸附离子。已吸附的离子能够根据相反方向的电位从正极和负极脱离。这样，离子能够被回收。这样的方法通常被称为CDI(Capacitive Deionization，电容去离子)。现有技术文献
专利文献
[0003] 专利文献1:日本专利第6570692号公报
具体实施方式
[0012] 下面将参考附图对本发明的一个实施方式进行说明。
[0013] 图1示意性地示出了根据本发明的一个实施方式的回收系统的结构。回收系统11具备：形成第一流路12的CDI(Capacitive Deionaization)单元13、在第二流路14与CDI单元13的第一流路12连接的第一液槽15、以及在与第二流路14汇合的第三流路16与CDI单元13的第一流路12连接的第二液槽17。在第一液槽15中充满含有想要回收的离子(例如金属离子)的溶液18。这样的溶液18中可以包含例如电镀处理中使用过的电解液。溶液18中含有所确定的浓度以上的离子(例如铋这样的离子金属)。
[0014] 在第二液槽17中充满稀释液19，该稀释液19在与第一液槽15的溶液18混合时能够降低溶液18中的离子的浓度。这样的稀释液19中可以包含例如水。稀释液19可以是溶液18的溶剂。
[0015] 第二流路14由从第一液槽15至CDI单元13的配管形成，形成含有所确定的浓度以上的离子的液体的通路。第三流路16从第二液槽17由与第二流路14的配管汇合的配管形成，将稀释液19的通路与溶液18的通路结合，使得稀释液19混合于溶液18中。
[0016] 在第二流路14上配置有用于调节通路中流通的溶液18的流量的第一流量控制阀21。第一流量控制阀21例如可以由根据控制信号的供给而以由控制信号设定的开度打开的电磁阀构成。能够根据第一流量控制阀21的开度来调节溶液18的流量。
[0017] 在第三流路16上配置有用于调节通路中流通的稀释液19的流量的第二流量控制阀22。第二流量控制阀22例如可以由根据控制信号的供给而以由控制信号设定的开度打开的电磁阀构成。能够根据第二流量控制阀22的开度来调节稀释液19的流量。
[0018] 回收系统11还包括从CDI单元13的第一流路12至第二液槽17的第四流路24。从CDI单元13流出的稀释液19返回至第二液槽17。在第四流路24上配置有用于调节通路中流通的稀释液(以下称为“返回稀释液”)的流量的第一开关阀25。第一开关阀25例如可以由根据控制信号的供给而开闭的电磁阀构成。根据第一开关阀25的开闭，允许或停止返回稀释液的流通。
[0019] 回收系统11还包括于CDI单元13和第一开关阀25之间在从第四流路24分支的第五流路26上与CDI单元13的第一流路12连接的第三液槽27。在第三液槽27中充满含有在CDI单元13中被脱离的离子的稀释液(以下称为“浓缩液”)。
[0020] 在第五流路26上配置有用于调节通路中流通的浓缩液的流量的第二开关阀28。第二开关阀28例如可以由根据控制信号的供给而开闭的电磁阀构成。对应于第二开关阀28的开闭，允许或停止浓缩液的流通。
[0021] 第二液槽17、第三流路16、CDI单元13(第一流路12)和第四流路24形成循环路径。稀释液19在循环路径中循环。在循环路径上配置有液流泵29。液流泵29在所确定的压力下产生稀释液19的循环。液流泵29例如可以设置在第二液槽17和第二流量控制阀22之间的第三流路16上。
[0022] 也可以在第二流路14上配置用于促进溶液18从第一液槽15流出的液流泵31。液流泵31以所确定的压力排出溶液18。液流泵31例如可以设置在第一液槽15和第一流量控制阀21之间的第二流路14上。
[0023] 如图2所示，回收系统11还具备：用于检测流入第二流路14的溶液18的离子浓度的第一传感器32、用于检测流入第三流路16的稀释液19的离子浓度的第二传感器33、以及与第一传感器32和第二传感器33电连接并根据由第一传感器32和第二传感器33分别检测出的浓度来控制第一流量控制阀21和第二流量控制阀22的开度的控制电路34。第一传感器32例如可以设置于第一液槽15。第二传感器33例如可以设置于第二液槽17。第一传感器32和第二传感器33例如可以由TDS(Total Dissolved Solids，总溶解固体)检测仪构成。
[0024] CDI单元13包括第一电极36和第二电极37，第一电极36和第二电极37设置在形成第一流路12的筒体35内。第一电极36和第二电极37间隔开所确定的电极间距离DE。第一电极36和第二电极37分别由在表面和背面保持活性物质38a、38b的导电材料片39形成。活性物质38a、38b例如可以由粘贴在导电材料片39的表面和背面的活性炭片形成。导电材料片39可以使用石墨片。背面侧的活性物质38b的表面被绝缘体41覆盖。当第一电极36和第二电极37重叠时，绝缘体41使第一电极36和第二电极37绝缘。由于绝缘体41构成为网状结构，因此液体能够在第一电极36和第二电极37之间流动。第一电极36和第二电极37可以多层层叠。
[0025] 绝缘体41例如可以由贴合于活性炭片的表面上的聚乙烯网和贴合于聚乙烯网的表面上的PTFE(聚四氟乙烯)片形成。PTFE片构成为网状结构。聚乙烯网在假设从活性物质38b产生碎片时，在第一电极36和第二电极37起到确保绝缘的作用。PTFE片在第一电极36和第二电极37之间起到确保距离的同时形成液体流路的作用。例如，聚乙烯网可以具有0.1[mm]的厚度。
[0026] 在此，如图3所示，活性物质38a、38b例如由多孔质体形成。当直流电位作用于第一电极36和第二电极37之间时，在细孔42内的活性物质38a、38b的表面上形成有双电层43。基于双电层43，离子44被捕获在细孔42内。此时，双电层43的厚度(＝debye lengthκ‑1)由下式给出。
[0027] [数学式1]“ε”表示液体的介电常数，“k”表示Boltzmann常数，“T”表示绝对温度，“n”表示离子密度，“e”表示电子电荷，“v”表示离子的值(抗衡离子的化合价)。在细孔42内基于离子浓度的调节能够避免双电层43的干扰。
[0028] 向第一电极36和第二电极37供给直流电的电源45与第一电极36和第二电极37连接。由于电源45的作用在第一电极36和第二电极37之间产生电位。电源45能够在第一模式和第二模式之间切换，在第一模式下，在第一流路12中从第一电极36向第二电极37形成直流电流，在第二模式下，在第一流路12中从第二电极37向第一电极36形成直流电流。即，在第一模式下，第一电极36作为正极发挥作用，第二电极37作为负极发挥作用。在第二模式下，第一电极36作为负极发挥作用，第二电极37作为正极发挥作用。在电源45的第一模式下，流过绝缘体41的液体中的阴离子被第一电极36的活性物质38a、38b吸附。液体中的阳离子被第二电极37的活性物质38a、38b吸附。附着在第一电极36上的阳离子从第一电极36脱离。附着在第二电极37上的阴离子从第二电极37脱离。在电源45的第二模式下，流过绝缘体41的液体中的阴离子被第二电极37的活性物质38a、38b吸附。液体中的阳离子被第一电极
36的活性物质38a、38b吸附。附着在第二电极37上的阳离子从第二电极37脱离。附着在第一电极36上的阴离子从第一电极36脱离。这里，绝缘体41例如在第一电极36和第二电极37之间保持至少10[mm]的电极间距离DE。如果电极间距离DE超过10[mm]，则在液体流通时电阻值过度增大，不能确保对阴离子和阳离子的吸附所需的充足的电流。
[0029] 除了第一传感器32和第二传感器33之外，控制电路34还与第一流量控制阀21、第二流量控制阀22、第一开关阀25、第二开关阀28以及液流泵29、31电连接。控制电路34生成第一流量控制阀21、第二流量控制阀22、第一开关阀25、第二开关阀28、液流泵29、31的控制信号。在设定第一流量控制阀21和第二流量控制阀22的开度时，控制电路34计算出从第二流路14流入第一流路12的溶液18与从第三流路16流入第一流路12的稀释液19的混合比。基于该混合比，确定了含有低于所确定的浓度的离子的液体。此外，离子浓度保持在所确定的阈值以上。
[0030] 接下来，对回收系统11的动作进行说明。在控制电路34中设定有吸附模式。在吸附模式下，第一开关阀25打开，第二开关阀28关闭。在第二液槽17中导入稀释液19。当液流泵29工作时，稀释液19在第二液槽17、第三流路16、CDI单元13(第一流路12)和第四流路24中循环。
[0031] 在第一液槽15内导入溶液18。当液流泵31工作时，溶液18流入第二流路14。此时，控制电路34控制第一流量控制阀21的开度和第二流量控制阀22的开度。这样，通过调节溶液18的流量和稀释液19的流量，在流入第一流路12的液体中，离子的浓度被设定为小于所确定的浓度。调节流量时，控制电路34从第一传感器32和第二传感器33接收检测信号。在检测信号中，例如根据电导率来确定离子的浓度。
[0032] 控制电路34对电源45设定第一模式。当直流电位作用于第一电极36(正极)和第二电极37(负极)之间时，在活性物质38a、38b的细孔42内，在活性物质38a、38b的表面形成双电层43。基于双电层43，离子44被捕获在细孔42内。离子从流通于第一流路12中的液体吸附于第一电极36和第二电极37。在第一流路12中，离子的浓度被设定为低于所确定的浓度，因此活性物质38a、38b能够高效地吸附离子。
[0033] 此时，在流入第一流路12的液体中，离子的浓度维持在所确定的阈值以上,因此在活性物质38a、38b的表面，双电层43的厚度能够抑制在根据细孔42的大小所确定的厚度以下。因此，能够避免双电层43在细孔42内的干扰。这样，双电层43能够较好地保持在细孔42内。活性物质38a、38b能够高效地吸附离子。另一方面，如果离子的浓度低于所确定的阈值，则如图4所示，在细孔42内双电层的厚度增大，产生双电层的干扰47。这种双电层的干扰47抑制离子的吸附。导致吸附效率降低。
[0034] 接着，在控制电路34中设定脱离模式。在脱离模式下，第一开关阀25关闭，第二开关阀28打开。当液流泵29工作时，稀释液19从第二液槽17经过第三流路16、CDI单元13(第一流路12)和第五流路26流入第三液槽27。液流泵31停止。第一流量控制阀21关闭。
[0035] 在此，控制电路34对电源45设定第二模式。在第一电极36和第二电极37中，正极和负极互换。当在第一电极36(负极)和第二电极37(正极)之间形成直流电位时，离子从第一电极36和第二电极37脱离到流通于第一流路12的稀释液19中。浓缩液流入第三液槽27。这样，离子作为浓缩液被回收。
[0036] 根据本实施方式的回收系统11具有第三流路16，该第三流路16使稀释液19与溶液18混合，并向第一流路12导入含有离子的浓度低于所确定的浓度的液体。当在正极和负极之间形成直流电位时，离子从流通于第一流路12的液体吸附到正极和负极上。在第一流路
12中，离子的浓度被设定为小于所确定的浓度，因此能够较好地避免(抑制)离子的析出。能够从正极和负极高效地回收离子。
[0037] 在本实施方式中，具有：用于检测流入第二流路14的溶液18的离子浓度的第一传感器32、用于检测流入第三流路16的稀释液19的离子浓度的第二传感器33、配置在第二流路14中用于调节通路中流通的溶液18的流量的第一流量控制阀21以及配置在第三流路16中用于调节通路中流通的稀释液19的流量的第二流量控制阀22。控制电路34基于由第一传感器32和第二传感器33分别检测出的浓度来控制第一流量控制阀21和第二流量控制阀22的开度。基于溶液18中含有的离子的浓度和稀释液19中含有的离子的浓度来控制第一流量控制阀21和第二流量控制阀22的开度。这样，溶液18和稀释液19的混合情况得到调整。能够调节流入第一流路12的液体中含有的离子的浓度。
[0038] 在本实施方式中，吸附离子时，在向CDI单元13进行液体的导入之前，在稀释液19中混合溶液18。即使假设回收的溶液18的流量或总量较少，也能够利用稀释液19充分地确保在第一流路12中流通的液体的流量。在第一流路12中，第一电极36和第二电极37能够浸入流通的液体中。这样，能够高效地吸附离子。能够避免活性物质38a、38b暴露于气体。
[0039] 在根据本实施方式的回收系统11中，能够根据稀释液19和溶液18的混合来调节流入CDI单元13的液体的离子浓度。根据溶液18的稀释化，从CDI单元13流出的液体的离子浓度能够调节为与第二液槽17内的稀释液19的离子浓度相适配。这样，即使在离子的吸附时，在第二液槽17内，稀释液19的离子也能够维持为恒定的浓度。在第二液槽17中能够避免离子的滞留。能够从溶液18中回收全部离子。
