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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-08-04
(45)【発行日】2023-08-15
(54)【発明の名称】送水装置及び送水方法
(51)【国際特許分類】
F04D 33/00 20060101AFI20230807BHJP
B01J 4/04 20060101ALI20230807BHJP
F03G 7/05 20060101ALI20230807BHJP
【ＦＩ】
F04D33/00
B01J4/04
F03G7/05 511
【請求項の数】
13
(21)【出願番号】P 2019077845
(22)【出願日】2019-04-16
(65)【公開番号】P2019194470
(43)【公開日】2019-11-07
【審査請求日】2022-04-08
(31)【優先権主張番号】P 2018086714
(32)【優先日】2018-04-27
(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP
(73)【特許権者】
【識別番号】502340996
【氏名又は名称】学校法人法政大学
(73)【特許権者】
【識別番号】593011036
【氏名又は名称】海和工業株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100088616
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邉 一平
(74)【代理人】
【識別番号】100154829
【弁理士】
【氏名又は名称】小池 成
(74)【代理人】
【識別番号】100132403
【弁理士】
【氏名又は名称】永岡 儀雄
(74)【代理人】
【識別番号】100173495
【弁理士】
【氏名又は名称】内田 高正
(72)【発明者】
【氏名】森 隆昌
(72)【発明者】
【氏名】椿 淳一郎
(72)【発明者】
【氏名】山田 克彦
【審査官】丹治 和幸
(56)【参考文献】
【文献】特表２０１６－５１１１４６（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１６－１４７３４８（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２００５－２３３０９４（ＪＰ，Ａ）
【文献】米国特許出願公開第２００５／０２５８０９９（ＵＳ，Ａ１）
【文献】米国特許出願公開第２０１１／０１０８４８３（ＵＳ，Ａ１）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｆ０４Ｄ ７／００、２９／００、３３／００
Ｂ０１Ｊ ４／００－ ７／０２
Ｆ０３Ｇ ７／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
複数の筒状のセルを備える送水装置であって、前記各セルは、下端に半透膜が配設され、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられるとともに、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容し、
前記半透膜は、前記懸濁水と、前記半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設され、
前記半透膜上に前記懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成され、前記半透膜上の前記堆積層は上側に向けて膨張可能に構成され、当該堆積層において、前記粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生し、この浸透圧を駆動源として、前記半透膜を介して隣接する水から送水する送水装置。
【請求項2】
複数の筒状のセルを備える送水装置であって、前記各セルは、下端に半透膜が配設され、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられるとともに、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容し、当該懸濁水の水面と前記セルの内壁との間に空間が形成され、当該空間内において、前記水面よりも上側に空気穴が設置され、
前記半透膜は、前記懸濁水と、前記半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設され、
前記半透膜上に前記懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成され、当該堆積層において、前記粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生し、この浸透圧を駆動源として、前記半透膜を介して隣接する水から送水する送水装置。
【請求項3】
前記セル内において、前記懸濁水中の粒子が沈降し、当該粒子が堆積した堆積層、当該堆積層の上側に隣接し、前記粒子が実質的に含まれない清澄層が形成される請求項１又は２に記載の送水装置。
【請求項4】
前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に空間が形成される請求項３に記載の送水装置。
【請求項5】
前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に形成された空間の圧力が大気圧となる請求項４に記載の送水装置。
【請求項6】
前記粒子が水中で電気二重層を形成する粒子である請求項１～５のいずれか１項に記載の送水装置。
【請求項7】
前記粒子が金属酸化物である請求項１～６のいずれか１項に記載の送水装置。
【請求項8】
水中に粒子が分散させられた懸濁水が充填され、下端に半透膜が配設されたセルを鉛直方向に積み重ねるステップと、最下部に位置するセルの半透膜を当該セルの下端に隣接する水と接触させるステップと、
前記各セル内の前記半透膜上に沈降堆積した前記粒子からなる堆積層が上側に向けて膨張可能に構成され、前記半透膜上に沈降堆積した前記粒子の電気二重層の重なりにより生じる浸透圧を駆動源として、前記各セルの下端に隣接する水から半透膜を介して上方向に送水するステップと、を備える送水方法。
【請求項9】
前記各セル内において、前記懸濁水中の粒子が沈降し、当該粒子が堆積した堆積層、当該堆積層の上側に隣接し、前記粒子が実質的に含まれない清澄層を形成する請求項８に記載の送水方法。
【請求項10】
前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に空間を形成する請求項９に記載の送水方法。
【請求項11】
前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に形成された空間の圧力を大気圧とする請求項１０に記載の送水方法。
【請求項12】
前記粒子を水中で電気二重層を形成する粒子とする請求項８～１１のいずれか１項に記載の送水方法。
【請求項13】
前記粒子を金属酸化物とする請求項８～１２のいずれか１項に記載の送水方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は送水装置及び送水方法に関する。更に詳しくは、モーターなどの動力を使用せずに、水を送水する送水装置及び送水方法に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、地球の砂漠化進行を阻止するため、世界各地の砂漠地帯及び乾燥地帯において、植物による緑化の試みがなされている。しかしながら、砂漠地帯及び乾燥地帯は、大きな河川等の水源から離れた地域に存在することが多く、砂漠の緑化では、植物に必要な水源の確保が重要な課題となっていた。河川等の水源から離れた地域では、井戸が掘削されて、地下水をポンプなどによって汲みあげることによって水源が確保されてきた。砂漠緑化のためには、大量の水を植物に継続的に、かつ安定して給水することが必要である。ポンプには、動力源として、ディーゼル機関、モーター、ガスタービンなどが使用されているので、これらの動力源を駆動するためには、大量の燃料若しくは電力が必要となる。砂漠地帯や乾燥地帯の多くは、辺鄙な場所に存在するので、ポンプの動力源を稼働させるために必要な燃料又は電力の輸送コストが緑化に際しての障害となっていた。
【0003】
従来、ポンプ稼働用の電力供給のために、風力発電や太陽光発電の導入が検討されてきたが、設備等の建設コストや発電効率の観点から導入が進まなかった。砂漠地帯若しくは乾燥地帯での緑化に際しては、燃料や電力を用いずに地下水等を汲み上げるポンプが望まれていた。
【0004】
燃料若しくは電力を使用せずに駆動するポンプとして、半透膜を用いて液体を移動させる浸透圧現象を利用した浸透圧ポンプが提案されている（特許文献１、特許文献２）。
【0005】
また、アルミナ粒子の高充填スラリーを多孔質層として用いて、かかる多孔質層を液体中に浸漬させ、多孔質層の第１の面側の液体層と第２の面側の液体層との間に圧力差を生じさせる揚水装置が提案されている（特許文献３）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２００９－１１５７５５号公報
【文献】特開２０１０－２５０６７号公報
【文献】特開２００５－２３３０９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
しかしながら、特許文献１、２に記載の技術は、半透膜で互いに仕切られた二つの液室内における溶液の濃度差に起因する浸透圧を駆動力として用いるものである。このような浸透圧ポンプは、二つの液室間において、常に溶液の濃度差が必要であり、各液室における濃度調整に手間がかかっていた。また、二つの液室間における溶液の濃度差がやがて一定に落ち着くと浸透圧も発生しなくなるため、長期間にわたって断続的に使用することが困難であった。更に、これらは、基板に形成されたマイクロチャンネルと呼ばれる微細流路やポートなどの微細構造における流体制御のための送液手段に用いられるものであり、送液量が微小であるという問題が存在した。
【0008】
また、特許文献３に記載された技術では、揚水原理が不明であるため、応用展開が困難であり、また、装置の能力を向上させることが困難であるという問題が存在した。
【0009】
本発明は、このような従来技術の有する問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、燃料若しくは電力を必要とする動力源を使用しなくても送水することが可能であり、また、送水量を増大させることができ、更に、揚程の増大が可能な送水装置及び送水方法を提供することにある。
【0010】
また、本発明の目的は、半透膜を介して隣接する各水層の濃度調整や負圧の確保等の煩雑な操作を必要とせず、また、長期間にわたって断続的に使用することが可能な送水装置及び送水方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0011】
本発明者らは、鋭意検討の結果、粒子表面に存在する電気二重層の重なりにより発生する浸透圧を利用して水を送水できることを見出した。本発明によれば、以下に示す送水装置及び送水方法が提供される。
【0012】
［１］複数の筒状のセルを備える送水装置であって、前記各セルは、下端に半透膜が配設され、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられるとともに、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容し、前記半透膜は、前記懸濁水と、前記半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設され、前記半透膜上に前記懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成され、当該堆積層において、前記粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生し、この浸透圧を駆動源として、前記半透膜を介して隣接する水から送水する送水装置。
【0013】
［２］複数の筒状のセルを備える送水装置であって、前記各セルは、下端に半透膜が配設され、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられるとともに、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容し、当該懸濁水の水面と前記セルの内壁との間に空間が形成され、当該空間内において、前記水面よりも上側に空気穴が設置され、前記半透膜は、前記懸濁水と、前記半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設され、前記半透膜上に前記懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成され、当該堆積層において、前記粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生し、この浸透圧を駆動源として、前記半透膜を介して隣接する水から送水する送水装置。
【0014】
［３］前記セル内において、前記懸濁水中の粒子が沈降し、当該粒子が堆積した堆積層、当該堆積層の上側に隣接し、前記粒子が実質的に含まれない清澄層が形成される［１］又は［２］に記載の送水装置。
【0015】
［４］前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に空間が形成される［３］に記載の送水装置。
【0016】
［５］前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に形成された空間の圧力が大気圧となる［４］に記載の送水装置。
【0017】
［６］前記粒子が水中で電気二重層を形成する粒子である［１］～［５］のいずれかに記載の送水装置。
【0018】
［７］前記粒子が金属酸化物である［１］～［６］のいずれかに記載の送水装置。
【0019】
［８］水中に粒子が分散させられた懸濁水が充填され、下端に半透膜が配設されたセルを鉛直方向に積み重ねるステップと、最下部に位置するセルの半透膜を当該セルの下端に隣接する水と接触させるステップと、前記各セル内の前記半透膜上に沈降堆積した前記粒子の電気二重層の重なりにより生じる浸透圧を駆動源として、前記各セルの下端に隣接する水から半透膜を介して上方向に送水するステップと、を備える送水方法。
【0020】
［９］前記各セル内において、前記懸濁水中の粒子が沈降し、当該粒子が堆積した堆積層、当該堆積層の上側に隣接し、前記粒子が実質的に含まれない清澄層を形成する［８］に記載の送水方法。
【0021】
［１０］前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に空間を形成する［９］に記載の送水方法。
【0022】
［１１］前記セル内において、前記粒子が実質的に含まれない前記清澄層液面と前記セル内壁との間に形成された空間の圧力を大気圧とする［１０］に記載の送水方法。
【0023】
［１２］前記粒子を水中で電気二重層を形成する粒子とする［８］～［１１］のいずれかに記載の送水方法。
【0024】
［１３］前記粒子を金属酸化物とする［８］～［１２］のいずれかに記載の送水方法。
【発明の効果】
【0025】
本発明の送水装置によれば、燃料若しくは電力を必要とする動力源を使用しなくても、水を送水することができ、また、送水量と揚程を増大させることができるという効果がある。また、本発明の送水装置によれば、半透膜を介して隣接する各水層の濃度調整等の煩雑な操作を必要とせず、また、長期間にわたって断続的に送水することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【0026】
【図1】水中に分散させられた粒子間の静電的相互作用による斥力の発生を示す模式図である。
【図2】半透膜上に粒子が堆積して形成された堆積層による送水メカニズムを説明するための模式図である。
【図3】本発明の送水装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。
【図4】セル内における懸濁水の様子を示す模式図である。
【図5】本発明の送水装置の他の実施形態で使用されるセルを模式的に示す断面図である
【図6】本発明の送水装置の他の実施形態を模式的に示す断面図である。
【図7】送水メカニズムの確認実験に用いた実験装置を模式的に示す断面図である。
【図8】スラリーのｐＨと静水圧の関係を示す図である。
【図9】スラリーのｐＨとアルミナ粒子のポテンシャルエネルギーとの関係を示す図である。
【図10】時間と静水圧の関係及び時間と吸水速度の関係を示す図である。
【図11】時間と変換エネルギーの関係及び時間と積算吸水量の関係を示す図である。
【図12】性能評価に使用した送水装置の写真である。
【図13】時間と静水圧の関係を示す図である。
【図14】水頭差１９ｃｍの場合の積算吸水量と時間の関係を示す図である。
【図15】粒子帯電符号の影響確認実験に使用した吸水装置を模式的に示す断面図である。
【図16】時間と積算吸水量の関係を示す図である。
【図17】時間と積算吸水量の関係を示す図である。
【図18】時間と積算吸水量の関係を示す図である。
【図19】時間と積算吸水量の関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0027】
以下、本発明の実施形態について説明するが、本発明は以下の実施形態に限定されるものではない。即ち、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、当業者の通常の知識に基づいて、以下の実施の形態に対し適宜変更、改良等が加えられたものも本発明の範囲に属することが理解されるべきである。
【0028】
（１）送水メカニズム
本発明の実施形態の送水装置を説明する前に、送水メカニズムについて説明する。本実施形態の送水装置では、水中に粒子が分散させられた懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成される。そして、粒子が堆積した堆積層で発生する浸透圧を送水の駆動源とする。ここで、最初に、粒子表面に存在する電気二重層による浸透圧の発生について説明する。図１は、水中に分散させられた粒子間の静電的相互作用による斥力の発生を示す模式図である。水中に分散させられた粒子の表面は、解離基や吸着イオン等によって帯電している。粒子表面の電荷と反対符号の電解質イオン（以下、対イオンと称する）が粒子表面近傍に層を形成して分布する。このような対イオンの分布層は電気二重層と称される。このような電気二重層は、固定層（図示しない）と拡散層の２つの部分に分けられる。固定層とは、粒子表面との引力により対イオンが強く固定されている部分をいう。拡散層とは、熱運動によるイオンの拡散によって、対イオン濃度が徐々に減少していく部分をいう。図１に示されるように、電気二重層２を有する粒子１同士が接近すると、それぞれの粒子１が有する電気二重層２が重なる。電気二重層２が重なった領域Ａは周囲よりも対イオン濃度が高くなり、この重なり領域Ａに液体が入っていこうとする圧力（浸透圧）が発生する。この圧力（浸透圧）により、粒子１同士には斥力Ｂが作用する。
本発明の実施形態の送水装置を説明する前に、送水メカニズムについて説明する。本実施形態の送水装置では、水中に粒子が分散させられた懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成される。そして、粒子が堆積した堆積層で発生する浸透圧を送水の駆動源とする。ここで、最初に、粒子表面に存在する電気二重層による浸透圧の発生について説明する。図１は、水中に分散させられた粒子間の静電的相互作用による斥力の発生を示す模式図である。水中に分散させられた粒子の表面は、解離基や吸着イオン等によって帯電している。粒子表面の電荷と反対符号の電解質イオン（以下、対イオンと称する）が粒子表面近傍に層を形成して分布する。このような対イオンの分布層は電気二重層と称される。このような電気二重層は、固定層（図示しない）と拡散層の２つの部分に分けられる。固定層とは、粒子表面との引力により対イオンが強く固定されている部分をいう。拡散層とは、熱運動によるイオンの拡散によって、対イオン濃度が徐々に減少していく部分をいう。図１に示されるように、電気二重層２を有する粒子１同士が接近すると、それぞれの粒子１が有する電気二重層２が重なる。電気二重層２が重なった領域Ａは周囲よりも対イオン濃度が高くなり、この重なり領域Ａに液体が入っていこうとする圧力（浸透圧）が発生する。この圧力（浸透圧）により、粒子１同士には斥力Ｂが作用する。
【0029】
本実施形態の送水装置は、浸透圧による斥力の作用により送水すると考えられる。このような浸透圧による斥力の作用による送水は、図２に示されるようなメカニズムによって行われていると考えられる。図２は、半透膜上に粒子が堆積して形成された堆積層による送水メカニズムを説明するための模式図である。図２に示されるように、各粒子１の表面には電気二重層２が存在し、粒子１を透過させない半透膜３上に沈降した粒子１が堆積して堆積層が形成される。堆積層内においては、粒子１同士の電気二重層２が重なり合う。堆積層の下部においては、粒子１が密に圧縮されているので、粒子１は動かない。堆積層の上部においては、堆積層の下部よりも粒子１は動くことが可能である。この堆積層において、粒子１同士の電気二重層２が重なり合い、浸透圧による斥力が発生する。ここで、粒子１同士の電気二重層２が重なりあう領域に水が浸入すると膨潤により膨張し、電気二重層２の重なりあいが減少して浸透圧が低下する。しかし、半透膜３によって、下方向への粒子１の膨潤による膨張が妨げられ、上側にしか膨張できないため、この膨張により矢印に示されるように上側への水の上昇流が発生する。さらに、堆積層中の粒子１の有効重力が流体効力と斥力による反発力の和に等しくなる平衡状態（動的平衡）となって、膨張が停止し、上方向への送水の継続が可能となる。
【0030】
（２）送水装置
以下、本発明の送水装置の一実施形態を図面を用いて説明する。図３は、本発明の送水装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。
以下、本発明の送水装置の一実施形態を図面を用いて説明する。図３は、本発明の送水装置の一実施形態を模式的に示す断面図である。
【0031】
本実施形態の送水装置は、複数の筒状のセルを備えるものである。各セルは、下端に半透膜が配設され、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられている。各セルは、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容する。セルの下端に配設された半透膜は、懸濁水と、半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設される。半透膜上に懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成され、堆積層において、粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生し、この浸透圧を駆動源として、半透膜を介して隣接する水から送水される。
【0032】
図３に示されるように、送水装置１０は、複数の筒状のセル１３を備えている。セル１３は、筒状であり、上端及び下端がいずれも開口している。セル１３は、このように両端が開口しているので、水がセルの内部空間を通過できる中空構造を有する。鉛直方向に直交する方向におけるセル１３の断面形状として、円形、楕円、長円、多角形等が挙げられるが、これに制限されない。なお、多角形には、三角形、四角形、五角形、六角形等が含まれる。すなわち、セル１３は、鉛直方向に直交する方向における断面形状が円等の円筒状のものとすることができ、又は鉛直方向に直交する方向の断面形状が多角形等の角柱状のものとすることができる。なお、送水効率の観点から、セル１３のそれぞれは、鉛直方向に直交する方向における断面形状及び断面積を、全て同一のものに統一するのが好ましい。また、セル１３のそれぞれは、鉛直方向の長さも同じ長さに統一するのが好ましい。
【0033】
セル１３の各々は、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられている。積み重ねられたセル１３の個数は、２以上であれば、その個数は制限されないが、送水の揚程等を考慮して適宜設定される。
【0034】
ここで、連通とは、積み重ねられた複数の筒状のセル１３が連なって結合され、その内部空間を水が通過できるように構成された状態をいう。なお、隣接するセル１３同士のずれを防止するために、セル１３は互いに接合されているのが好ましい。このようなセル１３同士を接合するために、各種手段を採用できる。例えば、下端が雄型とされ、その上端が雌型とされ、セル１３の上端の雌型が上側に隣接するセル１３の下端の雄型と嵌合して固着されるように構成されているものを採用できる。なお、隣接するセル１３同士を接合する際、鉛直方向に直交する方向における、互いのセル１３の断面形状の中心軸を一致させることが好ましい。なお、送水装置１０において、最上部に位置するセル１３には、水を流出させるための流出口（図示しない）が設けられていてもよい。セル１３の材質としては、アクリル樹脂、ポリプロピレン樹脂、フッ素樹脂等の樹脂、合成ゴム、ポリウレタン、ポリエステルエラストマー等の有機材料、ガラス等の無機材料、ステンレス等の金属が挙げられるが、これに制限されない。
【0035】
図３に示す送水装置１０では、伝達管１１の上側に複数の筒状のセル１３が積み重ねられている。ここで、伝達管１１は、セル１３に送水する水を収容するものである。伝達管１１は、貯水容器Ｃと連結管Ｄを介して連通されている。なお、貯水容器Ｃとの連通は、伝達管１１の底部、側面部等任意の位置にホース等の連結管Ｄを用いて行われていてもよい。また、伝達管１１は、鉛直方向に直交する方向における断面形状が、特に制限されない。例えば、伝達管１１は、鉛直方向に直交する方向の断面形状が円等の円筒状、又は鉛直方向に直交する方向の断面形状が多角形等の角柱状のものとすることができる。なお、伝達管１１は、鉛直方向に直交する方向の断面を、同方向におけるセル１３の断面の形状及び断面積と一致させるのが好ましい。伝達管１１の材質としては、アクリル、ポリプロピレン等の樹脂、合成ゴム、エラストマー等の有機材料、ガラス等の無機材料、ステンレス等の金属が挙げられる。
【0036】
伝達管１１と、その上側に積み重ねられたセル１３とのずれを防止するため、伝達管１１とセル１３とは接合されるのが好ましい。このような接合の手段として、セル１３同士の接合と同じ手段を採用することができる。また、セル１３同士が接合した接合部分、伝達管１１とセル１３とが接合した接合部分は、水漏れを防止する観点から、適宜、ゴム等の弾性素材から形成されたｏリング等のパッキンを使用することが好ましい。
【0037】
セル１３の内部には、水中に粒子が分散させられた懸濁水が収容されている。懸濁水とは、水中に粒子が分散させられたものをいう。水中に分散させられる粒子としては、水中で粒子表面に電気二重層が形成しうるものである。このような粒子として金属酸化物粒子、ポリマー微粒子等を用いることができる。金属酸化物粒子としては、アルミナ粒子、ＴｉＯ２粒子、ＺｒＯ２粒子等が挙げられる。また、ポリマー微粒子等としては、例えば、カーボンブラック、パラフィン、ラテックス等が挙げられる。
【0038】
懸濁水において、水中に分散させられた粒子の表面は、解離基や吸着イオン等によって帯電している。本発明においては、粒子の表面が正に帯電しても粒子表面近傍に電気二重層が形成され、また、粒子の表面が負に帯電しても粒子表面近傍に電気二重層が形成され、いずれの場合も送水が可能である。表面が正に帯電する粒子としては、例えば、アルミナ粒子等が挙げられ、表面が負に帯電する粒子としては、例えば、ＴｉＯ２粒子（チタニア粒子）等が挙げられる。また、粒子に高分子電解質を吸着させることによっても、粒子表面を負に帯電させることができる。このような高分子電解質として、例えば、ポリカルボン酸アンモニウム（ＰＣＡ）等が挙げられる。水中に分散させられて、通常、正に帯電するアルミナ粒子にポリカルボン酸アンモニウムを吸着させることにより、粒子の表面を負に帯電させることもできる。
【0039】
また、水中に分散させられる粒子は、粒子表面間距離を横軸とし、ポテンシャルエネルギーを縦軸とした図において、ポテンシャルエネルギー曲線がピークを有するものである。ポテンシャルエネルギー曲線がピークを有さない粒子の場合、粒子表面に電気二重層が形成されない。
【0040】
セル１３に収容される懸濁水は、例えば、先ず、懸濁水中で所定の濃度となる量の粒子を水中に添加し、適宜、塩酸等の分散剤を配合して混合する。その後、所定時間、ボールミル等を用いて、更に混合し、真空脱泡することにより供され得る。なお、送水能力を最大限に発揮する観点からは、懸濁水の濃度は、高ければ高い程好ましく、粒子の分散が維持される最高の濃度となり、十分な厚さの堆積層を形成できるように適宜選択し得る。
【0041】
セル１３の下端には、半透膜１２が配設されている。半透膜１２は、水分子を透過させて、粒子を透過させない機能を有する膜であればよく、特に制限されない。このような半透膜１２の形態は、送水を行うことができる限り、特に、制限されない。例えば、単層膜であっても、多層膜（複合膜）であってもよい。特に、単層であり、平膜（シート状）であるのが好ましい。半透膜１２の厚さは、適切な強度を確保できるとともに圧力損失が低いものである限り薄いものであるのが好ましい。半透膜１２の材質としては、セルロースエステル等の各種ポリマー、紙、ガラス、セラミックス等が挙げられる。
【0042】
半透膜１２は、セル１３内に収容された懸濁水と、セル１３の下側に隣接する水とを隔てるように配設されている。すなわち、別言すると半透膜１２は、セル同士が積み重ねられたセル１３のうち、セル１３内に収容された懸濁水の水層とセル１３の下側に隣接するセル１３内に収容された懸濁水の水層との間の境界面に配設されている。送水装置１０においては、セル１３内への懸濁水の収容量（充填量）は、懸濁水の水面が、そのセル１３の上側に隣接するセル１３の下端に配設された半透膜１２に接するように調整される。また、半透膜１２は、セル１３のうち最下部に位置するセル１３内に収容された懸濁水層とセル１３の下側に隣接する伝達管１１内に収容された水層との間の境界面に配設されている。伝達管１１内への懸濁水の収容量（充填量）は、懸濁水の水面が、その伝達管１１の上側に隣接するセル１３の下端に配設された半透膜１２に接するように調整される。このように半透膜１２を配設することにより、隣接するセル１３同士は、セル１３の間に配設された半透膜１２を介して連通させられている。また、セル１３のうち最下部に位置するセル１３と伝達管１１は、セル１３と伝達管１１との間に配設された半透膜１２を介して連通させられている。なお、水が半透膜を透過して送水される際に、水の流れにより半透膜１２が動かないように上側からセル１３の断面形状に対応する形状（例えば、輪状）を有する、樹脂製、金属製等の半透膜押え（図示しない）によって半透膜１２の外縁部を固定することが好ましい。また、セル１３内に懸濁水を収容し、セル１３を積み重ねる際に、懸濁水がセル１３の下部から流出することを防止する観点から、セル１３において、半透膜１２は、多孔体の上に配設されることも好ましい。このような多孔体は、セル１３の下部からの懸濁水の流出を妨げつつ、下側からの水の流入を阻害しない程度の抵抗となるものであれば、特に制限されない。例えば、キムワイプ（登録商標）等の紙、パルプから形成される不織布、スポンジ、セラミック、樹脂等からなる多孔体を用いることができる。多孔体の断面の形状は、セル１３の断面の形状に対応させることが好ましく、多孔体の厚みは、下側からの水の流入を阻害しないように適宜設定される。
【0043】
送水装置１０においては、例えば、伝達管１１の上端まで水を充填した後、半透膜１２を伝達管１１の水面と接するように、セル１３の下端に配設する。その後、所定濃度の懸濁水をセル１３内の上端まで、その水面が達するように充填する。このように半透膜１２を配設することにより、セル１３の懸濁水は、セル１３の下側に隣接する伝達管１１に充填された水と隔てられている。引き続き、半透膜１２をセル１３の懸濁水の水面と接するように、上側に隣接するセル１３の下端に配設し、そのセル１３を積み重ねる。このように半透膜１２を配設することにより、セル１３の懸濁水は、セル１３の下側に隣接するセル１３に充填された懸濁水と隔てられている。なお、送水装置１０において、積み重ねられたセル１３の数を段数と称することがある。例えば、伝達管１１の上側に、２個のセル１３が積み重ねられている場合、２段の送水装置と称し、３個のセル１３が積み重ねられている場合、３段の送水装置と称し、以下、Ｎ（２以上）個のセル１３が積み重ねられている場合、Ｎ段の送水装置と称する。
【0044】
送水装置１０においては、セル１３に収容された懸濁水中に含まれる粒子が沈降し、半透膜１２上に粒子の堆積層が形成される。セル１３内の懸濁水の様子を図４を用いて説明する。図４はセル内における懸濁水の様子を示す模式図である。図４に示されるように、懸濁水を、水１４の上側に半透膜１２を介して隣接するセル１３内に上側の半透膜１２に水面が達するまで充填後、時間が経過するにつれて、懸濁水は、半透膜１２上に粒子（図示しない）が沈降した堆積した堆積層１５と、粒子（図示しない）が水中に分散したスラリー層１６と、粒子が実質的に含まれていない上澄みである清澄層１７の三層に分離する。なお、堆積層１５においては、粒子表面に存在する電気二重層同士が重なり合う。なお、懸濁水中の全ての粒子が沈降して、スラリー層１６が視認されないで、堆積層１５と清澄層１７の二層に分離することもある。本実施形態の送水装置１０においては、粒子の堆積層が形成されるまで、セル１３に懸濁水を充填した後、所定時間セル１３を静置するのが好ましい。セル１３を静置する時間は、粒子の種類、粒径、懸濁水の濃度、粘度等に応じて適宜設定すればよく、制限されない。例えば、セル１３内において粒子が堆積した堆積層１５と、上澄みである清澄層１７が分離して、これらを肉眼で確認できれば堆積層１５が形成されたと判断してもよい。
【0045】
本実施形態の送水装置１０は、積み重ねられた複数のセル１３の下端に配設された半透膜１２上に粒子の堆積層が形成される。堆積層が形成されたセル１３の各々において、図２で説明したメカニズムにより水の上昇流が発生する。積み重ねられたセル１３のうち最下部に位置するセル１３内では、下側に隣接する伝達管１１内の水が半透膜１２を介してセル１３内に上昇させられている。セル１３内まで上昇させられた水は、更に、そのセル１３の上側に隣接するセル１３内まで上昇させられる。以下、順に、水が、より上側に隣接するセル１３内に向けて上昇させられる。このようにして、伝達管１１内の水が複数のセル１３が積み重ねられた送水装置１０の最上部まで上昇させられる。なお、堆積層中の粒子の有効重力が流体効力と斥力による反発力の和に等しくなる平衡状態（動的平衡）となって、膨潤が停止し、上側への送水を継続できる。
【0046】
（３）送水装置
次に、本発明の送水装置の他の実施形態を図面を用いて説明する。図５は、本発明の送水装置の他の実施形態で使用されるセルを模式的に示す断面図である。図６は、本発明の送水装置の他の実施形態を模式的に示す断面図である
次に、本発明の送水装置の他の実施形態を図面を用いて説明する。図５は、本発明の送水装置の他の実施形態で使用されるセルを模式的に示す断面図である。図６は、本発明の送水装置の他の実施形態を模式的に示す断面図である
【0047】
本実施形態の送水装置は、複数の筒状のセルを備えるものである。各セルは、下端に半透膜が配設される。各セルは、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられている。各セルは、水中に粒子が分散させられた懸濁水を収容する。懸濁水の水面とセルの内壁との間に空間が形成され、その空間内において、水面よりも上側に空気穴が設置されている。また、セルの下端に配設された半透膜は、懸濁水と、半透膜が配設されたセルの下側に隣接する水とを隔てるように配設される。半透膜上に懸濁水中の粒子が沈降して堆積層が形成される。堆積層において、粒子表面に形成される電気二重層の重なりによる浸透圧が発生する。この浸透圧を駆動源として、半透膜を介して隣接する水から送水される。
【0048】
図５に示されるように、本実施形態の送水装置で使用されるセル２０は、筒状であり、上端及び下端がいずれも開口している。このように、セル２０は、両端が開口しているので水がセルの内部空間を通過できる中空構造を有する。鉛直方向に直交する方向におけるセル２０の断面形状として、円形、楕円、長円、多角形等が挙げられるが、これに制限されない。なお、多角形には、三角形、四角形、五角形、六角形等が含まれる。すなわち、セル２０は、鉛直方向に直交する方向における断面形状が円等の円筒状のものとすることができ、又は鉛直方向に直交する方向の断面形状が多角形等の角柱状のものとすることができる。また、図５に示されるように、セル２０の下端側は、上端の開口よりも開口径が漸次小さくなる漏斗状に形成されていてもよい。なお、上端近傍には、空気穴２３が設けられている。更に、図５に示されるように、セル２０の下端には、内径が上端の開口径よりも小である水吸入口２１が下方向に突出して設けられている。水吸入口２１の突出方向に直交する方向の断面形状は、セル２０の断面形状と同じものとするのが好ましい。また、水吸入口２１は、突出方向に直交する方向の断面は、同方向におけるセル２０の上端の開口の断面と、互いの中心軸を一致させることが好ましい。なお、水吸入口２１には、半透膜２２が配設されている。半透膜２２としては、前述した実施形態で使用されるものと同じものを使用できる。
【0049】
図６に示されるように、本実施形態においては、複数のセル２０が、鉛直方向に積み重ねられた状態で連通させられている。積み重ねられたセル２０は、２以上であれば、その個数は制限されないが、希望する送水の揚程等を考慮して適宜設定される。ここで、連通とは、積み重ねられた複数の筒状のセル２０が連なって結合され、その内部空間を水が通過できるように構成された状態をいう。なお、隣接するセル２０同士のずれを防止するために、セル２０は互いに接合されているのが好ましい。このようなセル２０同士を接合するために、各種手段を採用できる。例えば、下端が雄型とされ、その上端が雌型とされ、セル２０の上端の雌型が上側に隣接するセル２０の下端の雄型と嵌合して固着されるように構成されているものを採用できる。なお、隣接するセル２０同士を接合する際、鉛直方向に直交する方向における、互いのセル２０の断面の中心軸を一致させることが好ましい。なお、送水装置３０において、最上部に位置するセル２０には、水を流出させるための流出口２８が設けられている。セル２０の材質としては、前述した実施形態で使用されるセルと同じものを使用できる。
【0050】
セル２０の内部には、水中に粒子が分散させられた懸濁水が収容されている。懸濁水としては、前述した実施形態で使用される懸濁水と同じものを使用できる。また、送水能力を最大限に発揮する観点からは、収容された懸濁水のセル２０内における高さは（セル底面から懸濁水の液面までの高さ）、ある高さまでは高ければ高い方が好ましく、吸水量が最大となるように適宜選択し得る。なお、懸濁水は、所定時間経過後、堆積層２５と清澄層２６に分離している。本実施形態の送水装置３０においては、粒子の堆積層が形成されるまで、セル２０に懸濁水を充填した後、所定時間セル２０を静置するのが好ましい。セル２０を静置する時間は、粒子の種類、粒径、懸濁水の濃度、粘度等に応じて適宜設定すればよく、制限されない。
【0051】
セル２０は、下端の水吸入口２１に半透膜２２が配設されている。このような半透膜２２は、送水に際して、水の流れにより半透膜２２が動かないように、前述した実施形態と同じ手段により固定されるのが好ましい。なお、半透膜２２は、水吸入口２１内に設けられた多孔体の上に配設されることも好ましい。このような多孔体としては前記したものを使用することができる。
【0052】
送水装置３０では、容器２４の上側に、複数のセル２０が、鉛直方向に積み重ねられている。容器２４は、セル２０に送水する水を収容する。容器２４は、鉛直方向に直交する方向における断面の形状が、特に制限されない。例えば、容器２４は、鉛直方向に直交する方向の断面の形状が円等の円筒状、又は鉛直方向に直交する方向の断面形状が多角形等の角柱状のものとすることができる。容器２４の材質としては、ステンレス等の金属、ガラス、陶器等の無機材料、各種樹脂等の有機材料が挙げられるが、特に制限されない。
【0053】
セル２０には、収容された懸濁水の水面とセル２０の内壁との間に空間２７が形成されている。その空間２７内においては、水面よりも上側に空気穴２３が設置されている。このように空気穴２３が設置されることにより、セル２０内において、懸濁水の水面と、セル２０の内壁との間に形成される空間２７の圧力が大気圧となる。これにより、複数のセル２０を積み重ねても、セル２０の積み重ねに応じて、水頭差が増大することを防止でき、水頭差を一段のセル２０のままとすることができる。このようにセル２０に空気穴２３を設置することにより、水頭差を小さいままとできるので、空気穴２３が設置されていない場合よりも、セル２０を積み重ねることによって揚程を高くすることが可能となる。
【0054】
隣接するセル２０同士が連通させられたセル２０の下端に設けられた水吸入口２１は、下側に隣接するセル２０の懸濁水の清澄層２６に浸漬させられている。また、容器２４の上側に隣接するセル２０の水吸入口２１は、容器２４の内に収容された水に浸漬させられている。セル２０のそれぞれに収容される懸濁水の量は、空気穴２３が懸濁水の清澄層２６の水面よりも上側に位置するように調整されている。また、セル２０の下方向に突出して設けられた水吸入口２１内に配設された半透膜２２は、下側に位置するセル２０内の清澄層２６の水と多孔体を通じて接触させられている。このようにして、半透膜２２は、セル２０内に収容された懸濁水の清澄層２６の水と、そのセル２０の上側に隣接するセル２０の半透膜２２の上に堆積した堆積層２５とを隔てている。また、容器２４に収容される水の量は、その容器２４の上側に隣接するセル２０の下方向に突出して設けられた水吸入口２１が、容器２４の水と接触するように調整されている。なお、容器２４は、外部貯水槽（図示しない）とホース等の連結管によって連結され、送水により容器２４内の水が減少した分だけ、外部貯水槽から水が吸引されて容器２４内の水位が一定となるように構成されることも好ましい。
【0055】
上記のように、セル２０のそれぞれの懸濁水の量を適宜調整することにより、水吸入口２１内に配設された半透膜２２は、セル２０内に収容された懸濁水の堆積層２５の水と、セル２０の下側に隣接するセル２０の懸濁水の清澄層２６の水とを隔てることが可能となる。また、容器２４内の水の量を適宜調整することにより、水吸入口２１内に配設された半透膜２２は、セル２０内に収容された懸濁水と、セル２０の下側に隣接する容器２４の水とを隔てることが可能となる。
【0056】
送水装置３０においては、例えば、予め、セル２０のそれぞれにおいて、下端の水吸入口２１内の所定位置に多孔体を設け、その上に半透膜２２を配設する。その後、セル２０内に懸濁水を収容した際、収容した懸濁水が下側に流れることにより、半透膜２２と多孔体が濡れて、下側から水が吸入されやすくなっている。セル内に収容する懸濁水量は、そのセル２０の上側に隣接するセル２０の水吸入口２１内に配設された半透膜２２が多孔体を通じて透過した水と接触するとともに、空気穴２３が懸濁水の水面より上側に位置するように決定される。懸濁水量を決定後、最も下側に位置するセル２０内に所定量の懸濁水を充填する。その後、懸濁水を収容したセル２０の上に新たなセル２０を積み重ねる。積み重ねられたセル２０内に所定量の懸濁水を充填する。以下、セル２０の積み重ね及び所定量の懸濁水の充填を繰り返す。なお、送水装置３０において、積み重ねられたセル２０の個数を段数と称することがある。例えば、容器２４の上側に、２個のセル２０が積み重ねられている場合、２段の送水装置と称し、３個のセル２０が積み重ねられている場合、３段の送水装置と称し、以下、Ｎ（２以上）個のセル２０が積み重ねられている場合、Ｎ段の送水装置と称する。
【0057】
送水装置３０においても、セル２０に収容された懸濁水中に含まれる粒子が沈降し、半透膜２２上に粒子の堆積層２５が形成され、その上に上澄みである清澄層２６が形成される。
【0058】
本実施形態の送水装置３０においては、堆積層が形成されたセル２０の各々において、図２で説明したメカニズムにより水の上昇流が発生する。積み重ねられたセル２０のうち最下部に位置するセル２０内では、下側に隣接する容器２４内の水が水吸入口２１内に配設された半透膜２２を介してセル２０内に上昇させられている。セル２０内まで上昇させられた水は、更に、そのセル２０の上側に隣接するセル２０内まで上昇させられる。以下、順に、水が、より上側に隣接するセル２０内に向けて上昇させられる。このようにして、容器２４内の水が複数のセル２０が積み重ねられた送水装置３０の最上部まで上昇させられ、流出口２８から流出させられる。なお、堆積層中の粒子の有効重力が流体効力と斥力による反発力の和に等しくなる平衡状態（動的平衡）となって、膨張が停止し、上方向への送水の継続が可能となる。
【0059】
（４）送水方法
本発明の送水方法の一実施形態は、水中に粒子が分散させられた懸濁水が充填され、下端に半透膜が配設されたセルを鉛直方向に積み重ねるステップと、最下部に位置するセルの半透膜をそのセルの下端に隣接する水と接触させるステップと、各セル内の半透膜上に沈降堆積した粒子の電気二重層の重なりにより生じる浸透圧を駆動源として、各セルの下端に隣接する水から半透膜を介して上方向に送水するステップと、を備えるものである。本実施形態の送水方法は、前述した実施形態の送水装置を使用することにより達成される。
本発明の送水方法の一実施形態は、水中に粒子が分散させられた懸濁水が充填され、下端に半透膜が配設されたセルを鉛直方向に積み重ねるステップと、最下部に位置するセルの半透膜をそのセルの下端に隣接する水と接触させるステップと、各セル内の半透膜上に沈降堆積した粒子の電気二重層の重なりにより生じる浸透圧を駆動源として、各セルの下端に隣接する水から半透膜を介して上方向に送水するステップと、を備えるものである。本実施形態の送水方法は、前述した実施形態の送水装置を使用することにより達成される。
【実施例】
【0060】
以下、本発明を実施例に基づいて具体的に説明するが、本発明は、これらの実施例に限定されるものではない。
【0061】
最初に、本発明の送水装置の送水メカニズムの確認実験について説明する。
［送水メカニズム確認実験］
図７は送水メカニズムの確認実験に用いた実験装置を模式的に示す断面図である。図７に示すように、蒸留水を入れた内径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル樹脂製の伝達管７１と内径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル樹脂製の沈降管７２の間にメンブレンフィルター７３（孔径；０．２μｍ、材質；セルロース混合エステル）を配置した。伝達管７１の底部には圧力センサー（図示しない）を取り付けた。圧力センサーは管底位置の水圧を測定した。また、貯水槽７４には蒸留水７９を充填し、連結管７５を用いて伝達管７１と連通させた。貯水槽７４の重量は電子天秤（図示しない）により秤量され、負圧により吸引された水の量を計測した。連結管７５は開放状態とした。
［送水メカニズム確認実験］
図７は送水メカニズムの確認実験に用いた実験装置を模式的に示す断面図である。図７に示すように、蒸留水を入れた内径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル樹脂製の伝達管７１と内径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル樹脂製の沈降管７２の間にメンブレンフィルター７３（孔径；０．２μｍ、材質；セルロース混合エステル）を配置した。伝達管７１の底部には圧力センサー（図示しない）を取り付けた。圧力センサーは管底位置の水圧を測定した。また、貯水槽７４には蒸留水７９を充填し、連結管７５を用いて伝達管７１と連通させた。貯水槽７４の重量は電子天秤（図示しない）により秤量され、負圧により吸引された水の量を計測した。連結管７５は開放状態とした。
【0062】
沈降管７２内のメンブレンフィルター７３の上に易焼結アルミナ（住友化学社製ＡＥＳ１１Ｅ（商品名）、平均粒子径：０．４８μｍ）を分散させてスラリーを調製した。スラリーは、用いるアルミナ粉体、蒸留水、分散剤であるＨＣｌを所定量混合し、ボールミルで１時間混合し、その後、スラリーを真空脱泡し実験に供した。スラリーの初期濃度を２０ｖｏｌ％に調整した。また、スラリーの初期水頭差Δｈ０（沈降管７２内におけるスラリー液面と貯水槽７４内の蒸留水の水面との間の差）を９０ｍｍとした。スラリーは、堆積層７６、スラリー層７７、清澄層７８に分離していた。スラリーにおいてアルミナ粒子は分散状態にあった。
【0063】
スラリーのｐＨと圧力の関係を検討した。図８は、スラリーのｐＨと静水圧の関係を示す図である。図８は、図７の実験装置において易焼結アルミナ（平均粒子径：０．４８μｍ）を用い、初期濃度２０ｖｏｌ％、初期水頭差Δｈ０＝９０ｍｍのスラリーのｐＨを６．８、６．４、５．７、４．２と調整し、静水圧を測定した結果を示す。図８の結果よりｐＨが低くなるほど静水圧と大気圧（０ｋＰａ）との間に差が生じることが示された。
【0064】
また、スラリーのｐＨとアルミナ粒子のポテンシャルエネルギーとの関係を検討した。図９は、スラリーのｐＨとアルミナ粒子のポテンシャルエネルギーとの関係を示す図である。図９は、図７の実験装置において易焼結アルミナ（平均粒子径：０．４８μｍ）を用い、初期濃度２０ｖｏｌ％、初期水頭差Δｈ０＝９０ｍｍのスラリーのｐＨを６．８、６．４、５．７、４．２と調整し、ＤＬＶＯ理論を用いて、粒子表面間距離とポテンシャルエネルギーの関係を算出した結果を示す。図９の結果よりｐＨが低くなるほどポテンシャルエネルギー曲線のピークが鋭くなり、粒子間斥力が強くなることが示された。
【0065】
図７に示される実験装置を用い、連結管７５を開放状態にして、貯水槽７４から伝達管７１を通じて沈降管７２まで水を送水する際の時間と静水圧、時間と吸水速度の関係を検討した。使用したスラリーの種類、スラリー濃度、初期スラリーの初期水頭差Δｈ０は、前記実験と同一条件とした。図１０は、時間と静水圧の関係及び時間と吸水速度の関係を示す図である。図１０において、破線は時間と静水圧の関係を示し、実線は時間と吸水速度の関係を示す。図１０に示されるように、伝達管７１と貯水槽７４の間の連結管７５を開放しても、実験開始後、しばらくは水が吐き出されるが、途中から吸水されることが示された。すなわち、最初に連結管７５を閉止して、伝達管７１及び沈降管７２の系において負圧を確保しなくとも吸水（送水）が行われることが示された。これにより、送水に際し、負圧の確保という操作が必要なく、簡便に送水操作が行える。
【0066】
図７の実験装置において易焼結アルミナ（平均粒子径：０．４８μｍ）を用い、初期濃度４５ｖｏｌ％のスラリーを調製した。初期水頭差Δｈ０＝０ｍｍの場合と１５０ｍｍの場合における、連結管７５を開放状態にして、貯水槽７４から伝達管７１を通じて沈降管７２まで水を送水する際の時間と積算吸水量の関係、時間と変換エネルギー（ポテンシャルエネルギー）の関係を検討した。図１１は、時間と変換エネルギーの関係及び時間と積算吸水量の関係を示す図である。図１１において、破線は時間と変換エネルギー（ポテンシャルエネルギー）の関係を示し、実線は時間と積算吸水量の関係を示す。図１１に示されるように、初期水頭差Δｈ０＝０ｍｍの場合であっても、長期間にわたって送水が持続されることが示された。また、初期水頭差Δｈ０＝１５０ｍｍの場合、長期間にわたって送水が持続されること及び初期水頭差Δｈ０＝０ｍｍの場合よりも変換エネルギーが多くなることが示された。
【0067】
［送水実験］
（実施例１、２、比較例１）
次に、本実施形態の送水装置の性能について説明する。図１２は、性能評価に使用した送水装置の写真である。図１２に示される送水装置は、図３に模式的に示される。図３に示されるように、蒸留水を入れた内径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル樹脂製の伝達管１１の上に、下端にメンブレンフィルター１２（孔径；０．２μｍ、材質；セルロース混合エステル）が配設された、内径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアクリル樹脂製のセル１３を３段積み重ねた（実施例１）。伝達管１１の底部には圧力センサー（図示しない）を取り付けた。圧力センサーは管底位置の水圧を測定した。また、貯水槽Ｃには蒸留水を充填し、連結管Ｄを用いて伝達管１１と連通させた。貯水槽Ｃの重量は電子天秤により秤量され、負圧により吸引された水の量を計測した。連結管Ｄは開放状態とした。セル１３内には、スラリーを収容した。スラリーは、粒子径０．４８μｍの易焼結アルミナをＨＣｌを分散剤として用いて、濃度４５ｖｏｌ％、ｐＨ４．３の条件で混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。セル１３内へのスラリーの投入は、スラリー投入後、その上にセル１３を積み重ねてセル１３同士を接合し、その後、セル１３内へスラリーを投入することによって行った。実施例１におけるスラリーの投入高さは、９０ｍｍであった。最上部に位置するセル１３の水面の高さが貯水槽Ｃの水面の高さより高くなるように設定し、最上部に位置するセル１３内のスラリーの水面の高さと貯水槽Ｃ内の水面の高さとの差を水頭差とした。水頭差を１９０ｍｍとした。また、図３において、メンブレンフィルター１２、メンブレンフィルター１２の２枚を配設した以外は、実施例１の装置と同じ２段の送水装置（実施例２）、メンブレンフィルター１２のみを配設した以外は、実施例１の装置と同じ１段の送水装置（比較例１）を実験に用いた。
（実施例１、２、比較例１）
次に、本実施形態の送水装置の性能について説明する。図１２は、性能評価に使用した送水装置の写真である。図１２に示される送水装置は、図３に模式的に示される。図３に示されるように、蒸留水を入れた内径２０ｍｍ、長さ２００ｍｍのアクリル樹脂製の伝達管１１の上に、下端にメンブレンフィルター１２（孔径；０．２μｍ、材質；セルロース混合エステル）が配設された、内径２０ｍｍ、長さ３０ｍｍのアクリル樹脂製のセル１３を３段積み重ねた（実施例１）。伝達管１１の底部には圧力センサー（図示しない）を取り付けた。圧力センサーは管底位置の水圧を測定した。また、貯水槽Ｃには蒸留水を充填し、連結管Ｄを用いて伝達管１１と連通させた。貯水槽Ｃの重量は電子天秤により秤量され、負圧により吸引された水の量を計測した。連結管Ｄは開放状態とした。セル１３内には、スラリーを収容した。スラリーは、粒子径０．４８μｍの易焼結アルミナをＨＣｌを分散剤として用いて、濃度４５ｖｏｌ％、ｐＨ４．３の条件で混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。セル１３内へのスラリーの投入は、スラリー投入後、その上にセル１３を積み重ねてセル１３同士を接合し、その後、セル１３内へスラリーを投入することによって行った。実施例１におけるスラリーの投入高さは、９０ｍｍであった。最上部に位置するセル１３の水面の高さが貯水槽Ｃの水面の高さより高くなるように設定し、最上部に位置するセル１３内のスラリーの水面の高さと貯水槽Ｃ内の水面の高さとの差を水頭差とした。水頭差を１９０ｍｍとした。また、図３において、メンブレンフィルター１２、メンブレンフィルター１２の２枚を配設した以外は、実施例１の装置と同じ２段の送水装置（実施例２）、メンブレンフィルター１２のみを配設した以外は、実施例１の装置と同じ１段の送水装置（比較例１）を実験に用いた。
【0068】
測定結果を図１３及び図１４に示す。図１３は、時間と静水圧の関係を示す図である。図１３は、１段の送水装置（比較例１）よりも３段の送水装置（実施例１）及び２段の送水装置（実施例２）が、連結管Ｄを開放して系内で負圧を確保しなくても、吸水が初期から行われ、大きな圧力差を発生することを示している。従って、実施例１及び実施例２の多段の送水装置は、比較例１の１段の送水装置よりも送水の駆動力が大きく、送水の初期においても負圧を確保する必要がないので簡便な操作により送水を行うことができる。図１４は、水頭差１９ｃｍの場合の積算吸水量と時間の関係を示す図である。実施例１の３段の送水装置は、時間経過に伴い、積算吸水量が増加しているのに対し、比較例１の１段の送水装置は、時間経過に伴っても積算吸水量が０ｇのままであり、吸水していないことが示された。
【0069】
［粒子帯電符号の影響確認実験］
送水メカニズム確認実験、実施例１、２の送水実験で使用した易焼結アルミナは正に帯電していた。負に帯電した粒子を使用しても送水操作が行われることを確認するため以下の実験を行った。
（実施例３）
図１５は、粒子帯電符号の影響確認実験に使用した吸水装置を模式的に示す断面図である。図１５に示すように、イオン交換水４４が収容された貯水槽４５と、スラリー４２が投入されたセル４１を配置した。貯水槽４５の底部から垂直方向に突出して設けられた凸部４６で、スラリー４２が投入されたセル４１を支持した。セル４１内の底面に開口部が設けられ、その開口部において、メンブレンフィルター４３（孔径；０．２μｍ、材質；セルロース混合エステル）が、セル４１内のスラリー４２と貯水槽４５内のイオン交換水４４との境界となるように設けられた。セル４１の底面に設けられたメンブレンフィルター４３からスラリー４２の液面までの鉛直方向の距離ｈをスラリー投入高さとした。
送水メカニズム確認実験、実施例１、２の送水実験で使用した易焼結アルミナは正に帯電していた。負に帯電した粒子を使用しても送水操作が行われることを確認するため以下の実験を行った。
（実施例３）
図１５は、粒子帯電符号の影響確認実験に使用した吸水装置を模式的に示す断面図である。図１５に示すように、イオン交換水４４が収容された貯水槽４５と、スラリー４２が投入されたセル４１を配置した。貯水槽４５の底部から垂直方向に突出して設けられた凸部４６で、スラリー４２が投入されたセル４１を支持した。セル４１内の底面に開口部が設けられ、その開口部において、メンブレンフィルター４３（孔径；０．２μｍ、材質；セルロース混合エステル）が、セル４１内のスラリー４２と貯水槽４５内のイオン交換水４４との境界となるように設けられた。セル４１の底面に設けられたメンブレンフィルター４３からスラリー４２の液面までの鉛直方向の距離ｈをスラリー投入高さとした。
【0070】
使用したスラリーは、粒子径（ｄ５０）が０．５２μｍのチタニア（富士チタン工業社製ＴＡ－３００、３．９０ｇ／ｃｍ３）をイオン交換水を分散媒として使用して分散させ、濃度４５ｖｏｌ％、ｐＨ６（ζ＝－５５ｍＶ）の条件で混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。スラリーの投入高さｈは、１．０ｃｍ、２．０ｃｍ、３．０ｃｍであった。
【0071】
測定結果を図１６に示す。図１６は、積算吸水量と時間の関係を示す図である。図１６より、負に帯電したチタニア粒子スラリーを使用しても、積算吸水量が増加し、吸水が行われていることが示された。また、スラリー投入高さが増加するにつれて積算吸水量が増加することが示されている。なお、スラリー投入高さ３．０ｃｍの場合、積算吸水量が減少したのは水頭差の影響と推定された。
【0072】
［高分子電解質吸着粒子の送水確認実験］
図１５に示される吸水装置を使用して、高分子電解質を吸着させた粒子によって送水が行われることを確認した。使用したスラリーは、粒子径（ｄ５０）が０．４８μｍの易焼結アルミナ（ＡＥＳ－１１Ｅ、３．９６ｇ／ｃｍ３）と、高分子電解質としてポリカルボン酸アンモニウム（ＰＣＡ、セルナＤ－３０５）とを、イオン交換水を分散媒として、ポリカルボン酸アンモニウムの有効成分濃度を４０ｗｔ％、アルミナの粒子濃度を４５ｖｏｌ％となるように混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。ポリカルボン酸アンモニウムは、アルミナ１ｇに対し、３．６ｍｇの割合で添加した。なお、図１５の吸水装置において、スラリーの投入高さを２．０ｃｍとした。
図１５に示される吸水装置を使用して、高分子電解質を吸着させた粒子によって送水が行われることを確認した。使用したスラリーは、粒子径（ｄ５０）が０．４８μｍの易焼結アルミナ（ＡＥＳ－１１Ｅ、３．９６ｇ／ｃｍ３）と、高分子電解質としてポリカルボン酸アンモニウム（ＰＣＡ、セルナＤ－３０５）とを、イオン交換水を分散媒として、ポリカルボン酸アンモニウムの有効成分濃度を４０ｗｔ％、アルミナの粒子濃度を４５ｖｏｌ％となるように混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。ポリカルボン酸アンモニウムは、アルミナ１ｇに対し、３．６ｍｇの割合で添加した。なお、図１５の吸水装置において、スラリーの投入高さを２．０ｃｍとした。
【0073】
測定結果を図１７に示す。図１７は、積算吸水量と時間の関係を示す図である。図１７より、通常、粒子表面が正に帯電する易焼結アルミナ粒子に高分子電解質であるポリカルボン酸アンモニウムを吸着させることによって、アルミナ粒子表面を負に帯電させても積算吸水量が増加し、吸水が行われていることが示された。
【0074】
［粒子濃度の影響確認実験］
図１５に示される吸水装置を使用して、スラリー中の粒子濃度を変化させた場合の吸水性能に与える影響について確認した。使用したスラリーは、粒子径（ｄ５０）が０．５２μｍの易焼結アルミナ（ＡＥＳ－１１Ｅ、３．９６ｇ／ｃｍ３）をイオン交換水を分散媒として使用して分散させ、濃度２０ｖｏｌ％、４５ｖｏｌ％、ｐＨ調整剤としてＨＣｌを使用し、ｐＨ３（ζ＝６０ｍＶ）の条件で混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。
図１５に示される吸水装置を使用して、スラリー中の粒子濃度を変化させた場合の吸水性能に与える影響について確認した。使用したスラリーは、粒子径（ｄ５０）が０．５２μｍの易焼結アルミナ（ＡＥＳ－１１Ｅ、３．９６ｇ／ｃｍ３）をイオン交換水を分散媒として使用して分散させ、濃度２０ｖｏｌ％、４５ｖｏｌ％、ｐＨ調整剤としてＨＣｌを使用し、ｐＨ３（ζ＝６０ｍＶ）の条件で混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。
【0075】
【0076】
［スラリー投入高さの影響確認実験］
図１５に示される吸水装置を使用して、スラリー投入高さを変化させた場合の吸水性能に与える影響について確認確認した。使用したスラリーは、粒子径（ｄ５０）が０．４８μｍの易焼結アルミナ（ＡＥＳ－１１Ｅ、３．９６ｇ／ｃｍ３）をイオン交換水を分散媒として使用して分散させ、濃度４５ｖｏｌ％、ｐＨ調整剤としてＨＣｌを使用し、ｐＨ３（ζ＝６０ｍＶ）の条件で混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。図１５において、スラリー投入高さｈを０．２５ｃｍ、０．５０ｃｍ、１．０ｃｍ、２．０ｃｍ、３．０ｃｍと変化させた。
図１５に示される吸水装置を使用して、スラリー投入高さを変化させた場合の吸水性能に与える影響について確認確認した。使用したスラリーは、粒子径（ｄ５０）が０．４８μｍの易焼結アルミナ（ＡＥＳ－１１Ｅ、３．９６ｇ／ｃｍ３）をイオン交換水を分散媒として使用して分散させ、濃度４５ｖｏｌ％、ｐＨ調整剤としてＨＣｌを使用し、ｐＨ３（ζ＝６０ｍＶ）の条件で混合し、ボールミルを用いて１時間混合し、真空脱泡することにより調製した。図１５において、スラリー投入高さｈを０．２５ｃｍ、０．５０ｃｍ、１．０ｃｍ、２．０ｃｍ、３．０ｃｍと変化させた。
【0077】
測定結果を図１９に示す。図１９は、積算吸水量と時間の関係を示す図である。図１９より、スラリー投入高さが高い程、積算吸水量が増加することが示された。なお、スラリー高さ３．０ｃｍの場合、積算吸水量が減少しているが、これは、水頭差が原因と推定された。
【符号の説明】
【0078】
１：粒子、２：電気二重層、３：半透膜、１０：送水装置、１１：伝達管、１２：半透膜、１３：セル、１４：水、１５：堆積層、１６：スラリー層、１７：清澄層、２０：セル、２１：水吸入口、２２：半透膜、２３：空気穴、３０：送水装置、３１：セル、３２：水吸入口、３３：空気穴、３４：容器、３５：堆積層、３６：清澄層、３７：空間、３８：流出口、４０：吸水装置、４１：セル、４２：スラリー、４３：メンブレンフィルター、４４：イオン交換水、４５：貯水槽、４６：凸部、７１：伝達管、７２：沈降管、７３：メンブレンフィルター、７４：貯水槽、７５：連結管、７６：堆積層、７７：スラリー層、７８：清澄層、Ａ：電気二重層が重なった領域、Ｂ：斥力、Ｃ：貯水容器、Ｄ：連結管、ｈ：投入高さ
【産業上の利用可能性】
【0079】
本発明の送水装置及び送水方法は、水を送水する送水装置及び送水方法として利用することができる。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
