電気透析における多孔質スペーサーを含む微視的数値計算による限界電流密度の算出

摘要

近年，多種多様な膜分離技術が用いられており，その中の一つにイオン交換膜を用いた電気透析法がある．図1に示す電気透析法は，イオンを含む溶液に電流を流すことでイオンの濃縮，希釈ができるため，海水の脱塩(1)や重金属の除去(2)などに応用されている．しかし，イオンが膜を通過することにより，膜近傍では濃度分極現象が発生する．すなわち，脱塩側ではイオン濃度が低下し，一方，濃縮側ではイオン濃度が増加する．この現象が進行すると，脱塩側の膜近傍ではイオンが無くなり，電流を流す上で必要となるイオンを補うために水の解離が発生してしまう．その結果として，膜の破損や消費エネルギーの増大を招くため，水が解離する最大電流密度値“限界電流密度”を予測することは，電気透析を行う上で重要な意味を持つ．これまでの研究を通して，多孔質構造体のスペーサーを電気透析内に挿入し，限界電流密度を引き上げることに成功した(3)．しかし，スペーサーの最適形状を議論するには至っていない．そこで，本研究では，数値計算を用いたスペーサーを含む電気透析法の限界電流密度の推定法を提案する．多孔質スペーサーの微小構造体領域内の物質移動に着目した三次元数値シミュレーションにより限界電流密度の見積もりを行う．さらに，本シミュレーションの妥当性を検証するべく，これまでに得られた限界電流密度の測定結果と比較する．