多成分イオンのドナン透析に及ぼすイオン泳動の影響

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本研究では、脱塩や有用金属回収などへの応用が期待されている、ドナン透析によるイオンの分離プロセスを設計するための基礎資料収集を目的に、陽イオンおよび陰イオンの透析実験ならびに、イオン交換膜と流体相を含む系全体を総括的に考慮した現象の理論解析を行い、イオンの透析速度に及ぼす諸因子の影響を考察した。実験においては、陽ならびに陰イオン交換膜として、徳山曹達(株)製のネオセプタCM-1ならびにAM-1をそれぞれ使用した。また電解質として、陽イオンの透析実験においてはKClとHClを、陰イオンの場合にはNaClとNaOHを用いた。実験は大きく分けて、膜一液間平衡実験、回分式透析実験および連続式透析実験の3種類を行った。膜一液間平衡実験では、平衡時における溶液中と膜内のイオン濃度の関係を調べ、選択係数を求めた。このデータは、透析プロセスの理論解析において膜一液界面での濃度推算に用いた。回分式透析実験では、イオン交換膜、容積が1500mlの隔室2つ、ならびにスターラーからなる透析装置を製作し、膜内物質移動抵抗支配の条件下でドナン透析実験を行った。そして、得られたデータを用いて、Nernst-planck式に基づきパラメータ・フィッティングを行い、各イオンの膜内自己拡散係数を求めた。連続式透析実験では、イオン交換膜ならびに、その両側に幅30mm、高さ2mmの2つの平行平板流路を持つ透析装置(膜の有効面積60cm^2)を製作さくして、2つの流路にそれぞれの溶液を並流れで連続的に流し、定常状態におけるイオンの透過速度を測定した。次に、連続式透析装置内のイオンの移動現象に関して、泳動の影響を考慮した拡散方程式を誘導し、その数値解を求めたところ、計算値と実験値は良好に一致した。これらより、流路内のレイノルズ数とともに透析速度も増加し、選択係数が1よりもかなり大きい(または小さい)場合には、膜内イオンの濃度勾配が小さくなり、透析速度が減少することがわかった。