JP2014501174A - スケーリング抵抗の向上した電気脱塩デバイス及び方法 - Google Patents

Abstract

電気脱塩装置は、陽極が設けられた陽極コンパートメントと、陽極コンパートメントから離隔し、陰極が設けられた陰極コンパートメントとを含み、陽極及び陰極は直流電源に結合するように構成され、それらの間に電位差をもたらして、電位差の影響によって液体媒体及びイオン交換媒体中のイオン材料の輸送に影響を及ぼす。また、電気脱塩装置は、供給溶液を受け取る供給入口と、生産水出口と、陽極コンパートメントと陰極コンパートメントの間に交互に配置された複数の陰イオン交換膜及び複数の陽イオン交換膜とを含む。また、電気脱塩装置は複数のスペーサを含み、これらのスペーサ及び陰イオン交換膜並びに陽イオン交換膜は、供給入口から供給溶液を受け取る第１の希釈コンパートメント、第１の希釈コンパートメントと直列の、生産水を生産水出口に引き渡す第２の希釈コンパートメント、第１の濃縮コンパートメント及び第２の濃縮コンパートメントを形成するように構成されている。第１及び第２の希釈コンパートメントは、陽極に最も近い側の陰イオン交換膜及び陰極に最も近い側の陽イオン交換膜によって境界が画成される。第１及び第２の濃縮コンパートメントは、陽極に最も近い側の陽イオン交換膜及び陰極に最も近い側の陰イオン交換膜によって境界が画成される。
【選択図】図３

Description

本発明は、水を精製するために電気脱塩を実施するための装置及び方法に関し、より詳細には、スケーリング抵抗の向上した電気脱塩デバイス及び方法に関する。

電気脱塩（ＥＤＩ）は、電気透析技術とイオン交換技術を組み合わせた膜分離脱塩技法である。ＥＤＩ精製装置は、水の連続的な生産、アルカリ及び酸を使用しないイオン交換樹脂再生、自動運転など多くの利点を有している。ＥＤＩは、純水準備システムに使用される最終水処理装置として、混合層の標準的な代替になっている。プレート及びフレームタイプのＥＤＩ装置は、陽極、陰極、陰イオン透過性膜及び陽イオン透過性膜を含む。これらの膜は、陽極と陰極の間のスタック中に濃縮コンパートメント及び脱塩コンパートメント（希釈コンパートメント）が交互に形成されるように交互に配置される。脱塩コンパートメントには、イオン交換樹脂ビーズなどのイオン交換体が充填される。希釈コンパートメント内で処理される液体は、濃縮コンパートメント内の液体が濃縮コンパートメントの個々の膜を通る移動イオンで豊富になり、かつ、それらを濃縮された形態で運んでいる間、イオンが減損する。

ＥＤＩ装置への供給水中のイオンである陽イオン及び陰イオンは、それぞれ陽イオン交換樹脂及び陰イオン交換樹脂中のＨ⁺及びＯＨ^-とのイオン交換を実施することができ、したがって樹脂粒子にイオンによって付着する。イオンは、樹脂粒子によって形成されるイオン流通路を通る電界の影響下で移動する。これは、ＥＤＩの応用システムでは、樹脂の導電率が水溶液の導電率より数桁大きいことによるものである。イオンは、イオン交換膜を介して濃縮チャンバの中へ移動し、したがって水脱塩のプロセスを完了する。特定の電位降下の下では、水は、２種類の異なる樹脂及び膜の界面における促進された水解離のため、Ｈ⁺及びＯＨ^-に分解し、したがって樹脂が再生される。

希釈コンパートメントには、脱塩すべき水が通って流れる空隙を粒子間に生成する多孔性イオン交換固体材料が充填されている。イオン交換材料は、通常、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂の混合物、又は繊維織物と不織繊維の混合物である。「セル対」と呼ばれている１以上の対の希釈コンパートメント及び濃縮コンパートメントのアセンブリは、通常、液体が流れる全体的な方向に対して直角の電界を印加する陽極及び陰極によって両側に境界が画成される。しかしながら他の構成では、電流及び液体は、同じ方向又は逆方向に流れる。印加された電界によって陰イオンが希釈コンパートメントから陰イオン交換膜を横切って陽極に近い濃縮コンパートメントの中へ移動し、また、陽イオンが希釈コンパートメントから陽イオン交換膜を横切って陰極に近い濃縮コンパートメントの中へ移動する。陰イオン及び陽イオンは、陽極へ向かう陰イオンの移動が陽イオン交換膜によって阻止され、また、陰極へ向かう陽イオンの移動が陰イオン交換膜によって阻止されるため、濃縮コンパートメント内にトラップされるようになる。濃縮コンパートメントからイオンが除去されるように水の流れが用意される。このプロセスの正味の結果は、希釈コンパートメントを通って流れる水の流れからイオンが除去され、濃縮コンパートメントを通って流れる水中にイオンが集中することである。

通常、ＥＤＩ供給水は、電気脱塩に先立って、ＥＤＩ供給水中のイオン負荷及びコロイド状汚染物質を低減するために、最初に逆浸透ステップで予備処理される。そうすることにより、電気脱塩に使用される樹脂ビーズの有効寿命が長くなる。しかしながら、逆浸透予備処理ステップを使用しても、カルシウム陽イオン及び／又はマグネシウム陽イオンの濃縮、及び硫酸塩陰イオン及び／又は炭酸塩陰イオンの濃縮は、沈殿のため、濃縮コンパートメント内におけるいわゆる「スケーリング」の原因になりかねない。スケーリングの結果、濃縮流が制限され、スタック電気抵抗が大きくなり、電流密度が小さくなり、最終的には生産水の純度が急激に低下することになる。これは、運転費が増加し、生産水の品質が低下し、或いはＥＤＩスタックが動作不能になるため、性能特性に悪影響を及ぼすことになる。

スケーリング抵抗の向上した電気脱塩デバイス及び方法を有することが望ましい。

国際公開第２００５／０１１８４９号

一態様では、本発明は電気脱塩装置を対象とする。電気脱塩装置は、陽極が設けられた陽極コンパートメントと、陽極コンパートメントから離隔し、陰極が設けられた陰極コンパートメントとを含み、陽極及び陰極は、直流電源に結合して、陽極と陰極の間に電位差をもたらし、電位差の影響によって液体媒体及びイオン交換媒体中のイオン材料の輸送に影響を及ぼすように構成されている。また、電気脱塩装置は、供給溶液を受け取る供給入口と、生産水出口と、陽極コンパートメントと陰極コンパートメントの間に交互に配置された複数の陰イオン交換膜及び複数の陽イオン交換膜とを含む。また、電気脱塩装置は複数のスペーサを含み、これらのスペーサ及び陰イオン交換膜並びに陽イオン交換膜は、供給入口から供給溶液を受け取る第１の希釈コンパートメント、第１の希釈コンパートメントと直列の、生産水を生産水出口に引き渡す第２の希釈コンパートメント、第１の濃縮コンパートメント及び第２の濃縮コンパートメントを形成するように構成されている。第１及び第２の希釈コンパートメントは、陽極に最も近い側の陰イオン交換膜及び陰極に最も近い側の陽イオン交換膜によって境界が画成される。第１及び第２の濃縮コンパートメントは、陽極に最も近い側の陽イオン交換膜及び陰極に最も近い側の陰イオン交換膜によって境界が画成される。

他の態様では、スペーサ及び陰イオン交換膜並びに陽イオン交換膜は、共に電気脱塩グループを形成する。電気脱塩装置は、スタックとしてまとめて組み立てられた複数の反復電気脱塩グループを含む。

従来技術に優る本発明及びその利点は、添付の図面を参照しながら以下の詳細な説明及び添付の特許請求の範囲を読むことによって明らかになるであろう。

本発明の上記及び他の特徴は、添付の図面に関連して行う本発明の実施形態についての以下の説明を参照することによってより明らかになり、また、本発明自体をより深く理解することができるであろう。

本発明の一実施形態による、手に負えない有機汚染物質を少なくするためのシステムの略図である。 本発明の一実施形態による、手に負えない有機汚染物質を少なくするためのシステムの略図である。 本発明の一実施形態による、手に負えない有機汚染物質を少なくするためのシステムの略図である。

対応する参照文字は、すべての図面を通して対応する部品を表している。

以下、本発明について、図面を参照しながら説明するが、以下の詳細な説明では、本発明の実践を可能にするための好ましい実施形態が詳細に説明されている。本発明について、これらの特定の好ましい実施形態を参照して説明されているが、本発明は、これらの好ましい実施形態に限定されないことは理解されよう。それとは逆に、本発明は、以下の詳細な説明を考察すれば明らかになるであろう多くの代替、修正形態及び均等物を含む。

図１を参照すると、以下でさらに説明する複数の希釈チャンバ１２及び複数の濃縮チャンバ１３を有する電気脱塩装置１０が示されており、複数の希釈チャンバ１２及び複数の濃縮チャンバ１３の中には、いずれも陰イオン交換樹脂及び陽イオン交換樹脂が入っている。本発明によれば、個々の希釈チャンバ１２は、第１の希釈コンパートメント１４及び第２の希釈コンパートメント１６をその中に備えている。個々の濃縮チャンバ１３は、第１の濃縮コンパートメント１５及び第２の濃縮コンパートメント１７に分割されている。図１から分かるように、電気脱塩装置１０は、第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６並びに第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７からなる構成要素の反復グループＧでできている。

電気脱塩装置１０は、陽極２２が設けられた陽極コンパートメント２０、及び陽極コンパートメントから離隔し、陰極２５が設けられた陰極コンパートメント２４を含む。コンパートメント２０、２４の各々は、供給水又は水溶液などの電解材料２６の流れを受け取るように構成されている。陽極２２及び陰極２５は、陽極２２と陰極２５の間に電位差をもたらして、電位差の影響によって液体媒体及びイオン交換媒体中のイオン材料の輸送に影響を及ぼすように、直流電源に結合するように構成されている。陽極コンパートメント２０及び／又は陰極コンパートメント２４は、いくつかの実施形態では濃縮チャンバ１３に隣接して配置することができるため、コンパートメント２０及び２４も同じく希釈チャンバ１２と見なすことができる。

陽極コンパートメント２０及び／又は陰極コンパートメント２４が希釈チャンバ１２と見なされる実施形態では、陽極コンパートメント２０及び／又は陰極コンパートメント２４は、供給溶液４０を受け取るように構成される。陽極コンパートメント２０及び／又は陰極コンパートメント２４が濃縮チャンバ１３と見なされる実施形態では、陽極コンパートメント２０及び／又は陰極コンパートメント２４は、第１の濃縮溶液５１又は第２の濃縮溶液５５を受け取るように構成される。

図１では、陽極コンパートメント２０は希釈チャンバ１２として構成されており、供給溶液４０を受け取っている。しかしながら、希釈チャンバ１２又は濃縮チャンバ１３のいずれかとして構成されていない陰極コンパートメント２４は、電解材料２６の流れを受け取ることになる。

複数の陰イオン交換膜２８及び陽イオン交換膜３０は、第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６並びに第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７を形成するために、陽極コンパートメント２０と陰極コンパートメント２４の間に交互に配置されている。本明細書では、「陰イオン交換膜」という用語は、電気脱塩装置１０が動作している間、第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６から第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７への陰イオンの輸送を陽イオンの輸送より優先的に許容するように構成される膜を意味しており、また、「陽イオン交換膜」という用語は、電気脱塩装置１０が動作している間、第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６から第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７への陽イオンの輸送を陰イオンの輸送より優先的に許容するように構成される膜を意味している。図１では、図に示されている、膜２８、３０を横切るイオン束は、分かり易くするためにナトリウムイオン、カルシウムイオン、水素イオン、水酸化物イオン、塩化物イオン及び炭酸塩イオンに限定されている。同様にして他のイオンを移動させることも可能であることは当業者には理解されよう。

第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６の各々は、陽極側（すなわち陽極２２に最も近い側）の陰イオン交換膜２８及び陰極側（すなわち陰極２５に最も近い側）の陽イオン交換膜３０によって境界が画成される。第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７の各々は、陽極側の陽イオン交換膜３０及び陰極側の陰イオン交換膜２８によって境界が画成される。陰イオン交換膜２８は、濃縮コンパートメント１５、１７内への陰イオンの優先的な輸送を許容するように構成されている。陽イオン交換膜３０は、濃縮コンパートメント１５、１７内への陽イオンの優先的な輸送を許容するように構成されている。図１には、３つの反復グループＧを有する電気脱塩装置１０が示されている。反復するグループの数は、本発明の範囲を逸脱することなく、もっと多くすることも、或いはもっと少なくすることも可能であることは当業者には理解されよう。

図１に示されている構成要素は、ボルト又は水圧ラムによって一体に保持された圧力板（図示せず）の間のスタックとしてまとめて組み立てられているか、或いはこれらの構成要素を収納し、かつ、希釈コンパートメント１４、１６及び濃縮コンパートメント１５、１７に流入する液体、及び希釈コンパートメント１４、１６及び濃縮コンパートメント１５、１７から流出する液体を導くためのマニホルドを提供するハウジング内のスタックとしてまとめて組み立てられている。希釈コンパートメント１４、１６及び濃縮コンパートメント１５、１７の厚さは、通常、約１．０ｍｍ〜１０．０ｍｍであり、また、通常、装置１０内には約１０個〜３００個の希釈コンパートメントが存在している。個々の交換膜２８、３０の表面積は、通常、約０．５平方フィート（０．０４６５ｍ²）〜５．０平方フィート（０．４６５ｍ²）である。

供給溶液４０（通常、ＲＯ装置の生産水出力）は、第１の希釈コンパートメント１４の入口４２に流入する。第１の希釈コンパートメントは、陽イオン交換膜３０によって第１の濃縮コンパートメント１５から分離されており、また、陰イオン交換膜２８によって第２の濃縮コンパートメント１７から分離されている。望ましいことには、供給溶液４０に存在するイオン汚染物質の主要な部分は、第１の希釈コンパートメント１４を通過している間に、隣接する第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７へ移動する。したがって陽イオンの大部分は第１の濃縮コンパートメント１５へ移動し、また、陰イオンの大部分は第２の濃縮コンパートメント１７へ移動することになる。

一実施形態では、第１の希釈コンパートメント１４の厚さは第２の希釈コンパートメント１６の厚さよりも大きい。他の実施形態では、第１の希釈コンパートメント１４の厚さは、第２の希釈コンパートメント１６の厚さの約２〜４倍大きい。追加実施形態では、第１の希釈コンパートメント１４の厚さは、第２の希釈コンパートメント１６の厚さの約４〜８倍大きい。

さらに、他の実施形態では、第１の希釈コンパートメント１４の厚さは第２の希釈コンパートメント１６の厚さよりも小さい。他の実施形態では、第１の希釈コンパートメント１４の厚さは、第２の希釈コンパートメント１６の厚さの約１／２〜１／４の厚さである。追加実施形態では、第１の希釈コンパートメント１４の厚さは、第２の希釈コンパートメント１６の厚さの約１／４〜１／８の厚さである。

供給溶液は、第１の希釈コンパートメント１４を通過した後、第２の希釈コンパートメント１６に流入する。このステージの間、残りの微量汚染物質が除去される。第２の希釈コンパートメント１６から隣接する陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜２８、３０を通過する優勢なイオンは、水分解によって生成される水素イオン及び水酸化物イオンである。より詳細には、イオン交換樹脂とイオン交換樹脂並びにイオン交換膜２８、３０の間の界面では、水が能動的に解離してＨ⁺及びＯＨ^-を形成する。このような場合、Ｈ⁺イオンの一部が陽イオン交換膜３０を通過して第２の濃縮チャンバ１７へ透過し、また、ＯＨ^-の一部が陰イオン交換膜２８を通過して第１の濃縮チャンバ１５へ透過することになる。陽イオン交換膜３０の濃縮チャンバ側の表面は、局部的に高いＨ⁺濃度の存在を示す強い酸性を示す。それと比較すると、陰イオン交換膜２８の濃縮チャンバ側の表面は、高いＯＨ^-濃度の存在を示す強いアルカリ性を示す。したがって第１の濃縮コンパートメント１５内の流れは陽イオンの大部分を運んで高いｐＨを有しており、また、第２の濃縮コンパートメント１７内の流れは陰イオンの大部分を運んで低いｐＨを有している。陽イオン／陰イオンの分離により、スケーリング陽イオンとスケーリング陰イオンの間の接触時間が短縮されて、電気脱塩装置内におけるカルシウム／炭酸マグネシウム／硫酸塩スケール形成の危険が低減される。

供給溶液４０は、第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６内で精製され、かつ、精製された液体流として出口４８から吐出される。第１の濃縮コンパートメント１５は、水又は水溶液などの液体の第１の濃縮流５１を受け取るように構成されており、この第１の濃縮流５１は、第１の濃縮コンパートメント１５の外側の隣接する第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６から輸送されるイオンを受け取る。これらのイオンが濃縮した液体流５３は、第１の濃縮コンパートメント１５から吐出される。第２の濃縮コンパートメント１７は、水又は水溶液などの液体の第２の濃縮流５５を受け取るように構成されており、この第２の濃縮流５５は、第２の濃縮コンパートメント１７の外側の隣接する第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６から輸送されるイオンを受け取る。これらのイオンが濃縮した液体流５９は、第２の濃縮コンパートメント１７から吐出される。第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７を通って流れる液体は、第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６を通って流れる供給溶液４０の液体に対して、並流方向もしくは向流方向又は逆流方向に流れることができ、或いは他の可能な流れ構成で流れることができる。

図２に示されている実施形態では、１つの反復グループＧは、流れを希釈するための第１の希釈コンパートメントスペーサ１１４及び第２の希釈コンパートメントスペーサ１１６、流れを濃縮するための第１の濃縮コンパートメントスペーサ１１５及び第２の濃縮コンパートメントスペーサ１１７、２つの陽イオン交換膜３０及び２つの陰イオン交換膜２８からなっている。スペーサ１１４、１１５、１１６、１１７及び膜２８、３０は交互方式で置かれている。陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜２８、３０は、液体流に対して実質的に不浸透性であり、隣接するスペーサ内の流れを分離する。個々のスペーサは、対応する流れの流入及び流出を許容し、或いは以下で説明するように他の流れのための隔離された接続を提供するポートを有している。

グループＧは、（上から下へ）第１の希釈コンパートメント１４、陽イオン交換膜３０、第１の濃縮コンパートメント１５、陰イオン交換膜２８、第２の希釈コンパートメント１６、陽イオン交換膜３０、第２の濃縮コンパートメント１７及び陰イオン交換膜２８からなっている。供給溶液４０は、第１の希釈コンパートメントスペーサ１１４の前側の右隅に示されているポート１２０から第１の希釈コンパートメント１４に流入し、かつ、第１の希釈コンパートメントスペーサの後側の隅の２つのポート１２２から流出する。矢印は流れの方向を示している。流入する供給溶液に存在している陽イオンの大部分は、陽イオン交換膜３０を通って第１の濃縮コンパートメント１５内の濃縮流へ移動する。第１の希釈コンパートメント１４の流出ポート１２２は、第２の希釈コンパートメント１６の入口ポート１２４に水圧で接続されている。図に示されている実施形態では、ポート１２４は、第２の希釈コンパートメント１６を形成する第２の希釈コンパートメントスペーサ１１６の後側の隅に示されている。矢印は、第２の希釈コンパートメント１６内の流れの方向を示している。処理された流れは、前側の左隅に示されているポート１２８を通って第２の希釈コンパートメント１６から流出する。第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７は、流れの矢印で示されているように、対応するスペーサ１１５、１１７を通って平行に流れる流れを有している。濃縮流は、共通の入口ポート１３０（後側の中央）及び共通の出口ポート１３２（前側の中央）を有している。

スペーサ内のポート、スペーサの相対配置及び他の必要な水圧接続により、第１及び第２の希釈コンパートメント１４、１６を直列に接続することができ、また、第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７を並列に接続することができ、これらの接続は、すべて、構成要素の個々の反復グループＧ内で実施することができる。望ましいことには、電気脱塩装置１０の動作パラメータは、供給溶液４０中のスケール形成イオンの実質的な部分が第１の希釈コンパートメント１４から隣接する第１及び第２の濃縮コンパートメント１５、１７へ移動するように選択されている。

第１の希釈コンパートメント１４内の流れは、第２の希釈コンパートメント１６内の流れに対して向流方向又は並流方向に流れることができ、第１の濃縮コンパートメント１５内の流れは、第１の希釈コンパートメント１４内の流れに対して向流方向又は並流方向に流れることができ、第１の濃縮コンパートメント１５内の流れは、第２の濃縮コンパートメント１７内の流れに対して向流方向又は並流方向に流れることができることは当業者には理解されよう。さらに、第１の濃縮コンパートメント１５及び第２の濃縮コンパートメント１７は、電気誘導水分解／再結合が存在しない場所で再結合することができ、或いはスタック内で分離した状態を維持し、かつ、個別のポートから流出させることも可能である。第１の濃縮コンパートメント１５及び第２の濃縮コンパートメント１７には、同じ供給源から供給することも、或いは異なる供給源から供給することも可能である。一実施形態では、濃縮流（２つの濃縮流のうちの少なくとも一方）は希釈供給によって供給される。また、濃縮流（２つの濃縮流のうちの少なくとも一方）は希釈生産水によって供給されること、或いは濃縮流（２つの濃縮流のうちの少なくとも一方）は、第１の希釈コンパートメント１４と第２の希釈コンパートメント１６の間から得られる中間生産水によって供給されることも同じく企図されている。別法としては、濃縮流（２つの濃縮流のうちの少なくとも一方）は、低硬度／低無機炭素水の独立した供給源によって供給することができる。

スペーサ１１４、１１５、１１６、１１７は、対向する陰イオン交換膜２８と陽イオン交換膜３０の間に空間が維持されて、液体が流れるための個々の流路を有するコンパートメント１４、１５、１６、１７が提供されるように、交互に配置された陰イオン交換膜２８と陽イオン交換膜３０の間に挿入されている。スペーサ１１４、１１５、１１６、１１７はメッシュを含むことができ、このメッシュは、電気脱塩装置１０の濃縮チャンバの対向する膜の間、又は対向する膜とエンドフレームアセンブリの間の空間を維持するために提供されておりて、濃縮コンパートメント内における流体流路の準備を容易にする。濃縮コンパートメント内のイオン交換材料は、コンパートメント内における流路の準備を容易にするため、イオン交換材料が入った濃縮コンパートメントには、メッシュを有するスペーサは必ずしも必要ではないことは理解されよう。参照により本明細書に組み込まれているＵＳ２００８００７３２１５Ａに、このような濃縮チャンバイオン交換樹脂構造の１つを見出すことができる。したがってその構造がメッシュを有するスペーサを含む濃縮コンパートメントは、本発明の範囲から排除されない。したがって適切なスペーサはメッシュを有し、或いはメッシュを備えていないスペーサを含む。

図３は、電気脱塩装置１０’の他の実施形態を示したものである。図３には、構成要素の単一の反復グループＧが示されているが、もっと多くのグループを装置１０’内のスタックとして配置することができることは当業者には理解されよう。希釈コンパートメントスペーサ２１２（一番上）は、前側の右隅に入口ポート２２０を有しており、後側の左隅の出口ポート２２２から流出する。この希釈コンパートメントスペーサ２１２の第１の半分は、上で説明した第１の希釈コンパートメント１４の動作と同様にして動作する第１の希釈コンパートメント２１４を形成する。希釈コンパートメントスペーサ２１２の第２の半分は、上で説明した例における第２の希釈コンパートメント１６と同様の第２の希釈コンパートメント２１６を形成する。

希釈コンパートメントスペーサ２１２に隣接する濃縮スペーサ２１３は、その中央部分に濃縮入口ポート２３０を有しており、流入する濃縮流を２つの流れ方向に分割している。濃縮コンパートメントスペーサ２１３は、流れの矢印２６０で示されている第１の方向に導かれる流れの一部を受け取る第１の濃縮コンパートメント２１５を形成しており、また、流れの矢印２６２で示されている第２の方向に導かれる流れの第２の部分を受け取る第２の濃縮コンパートメント２１７を形成する。第１の方向に導かれる流れ２６０は、図２の第１の濃縮コンパートメントスペーサ１１５内の流れと同様である。この流れは、上側を流れる希釈流から陽イオンの大部分を受け取り、また、下側を流れる希釈流からほとんどの水酸化物を受け取ることになる。第２の方向に導かれる流れ２６２は、図２の第２の濃縮コンパートメントスペーサ１１７内の流れと同様の流れにすることができる。この流れは、下側を流れる希釈流から陰イオンを収集することができ、また、上側を流れる希釈流から水素イオンを収集することができる。図３に示されている２つの他のスペーサ２１２’及び２１３’は、スペーサ２１２及び２１３内の流れと同様の流れに適応しているが、導かれる方向は逆方向である。望ましいことには、動作条件によって第１の希釈コンパートメント２１４内のスケール形成イオンの大部分を移動させることができる。

適切なイオン透過性膜２８、３０の例には、非均質イオン交換膜及び均質イオン透過性膜がある。適切な非均質イオン透過性膜には、例えばＭｅｍｂｒａｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＣＭＩ−７０００Ｓ（商標）（陽イオン交換膜）及びＭｅｍｂｒａｎｅｓ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ ＡＭＩ−７００１Ｓ（商標）（陰イオン交換膜）がある。適切な均質イオン透過性膜には、例えばＧＥ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｗａｔｅｒ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（以前はＩＯＮＩＣＳ）ＣＲ６７ＨＭＰ（商標）（陽イオン交換膜）、及びＧＥ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｗａｔｅｒ ａｎｄ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ（以前はＩＯＮＩＣＳ）Ａ１０３ＱＤＰ（商標）（陰イオン交換膜）がある。織布、不織布（無作為に配向されたストランド）又は押出し網織の陰イオン交換材料及び陽イオン交換材料を組み合わせたストランドで固定イオン交換材料を提供することも可能である。また、固定イオン交換材料は、連続気泡発泡体によって、また、交換粒子の組合せによって提供することも可能である。また、織物に使用されるストランドは様々な形態を取ることも可能である。ストランドは、複数のフィラメントの束の形態、編組ストランドの形態、及び結合剤によって一体に保持される陽イオン交換粒子及び陰イオン交換粒子でできた交換粒子フィラメントの組合せの形態で構築することができる。連続気泡発泡体は、陽イオン交換粒子、陰イオン交換粒子及び結合剤を含み、流れの通路が通っている相互接続網を有している。イオン交換粒子の組合せは、陽イオン交換粒子、陰イオン交換粒子及び結合剤でできており、流れの通路内における圧力降下が許容可能に小さくなるように、十分に大きい。いくつかの実施形態では、イオン交換材料は混合されず、その代わりに膜と膜の間の通路、又は膜と膜の間の通路内の領域に、陰イオン交換材料又は粒子、もしくは陽イオン交換材料又は粒子のみを含む。また、イオン交換材料が材料の圧縮によって所定の位置に固定されて、デバイス内における材料の運動が制限される希釈通路及び濃縮通路内の充填イオン交換を使用することも可能であり、これについては、参照により本明細書に組み込まれているＵＳ５９６１８０５を参照されたい。

一実施形態では、希釈コンパートメント１４、１６及び濃縮コンパートメント１５、１７の各々の中にイオン交換材料が配置される。例えば、イオン交換材料は混合されたイオン交換材料である。適切な形態のイオン交換材料の例には、ビーズ、不規則な形の粒子、繊維、棒、織物又は多孔性モノリスがある。イオン交換材料は、天然材料及び合成材料の両方を含むことができる。

本明細書では、「陰イオン交換材料」という用語は、陰イオン種に対して優先的に導電性である材料を意味している。この点に関して、このような材料は、その材料中に存在している陰イオン種を周囲の液体からの陰イオン種に選択的に交換し、かつ、交換された陰イオン種の、印加された電界の下での移動を容易にするように構成される。適切な陰イオン交換材料の例には、ジビニルベンゼンと交差結合した合成ポリスチレンビーズがあり、このようなビーズは、トリメチルアンモニウム基又はジメチルエタノールアンモニウム基を使用して官能化されている（例えばＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＤＩＡＩＯＮ ＳＡ１０Ａ（商標）又はＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＤＩＡＩＯＮ ＳＡ２０Ａ（商標））。本明細書では、「陽イオン交換材料」という用語は、陽イオン種に対して優先的に導電性である材料を意味している。この点に関して、このような材料は、その材料中に存在している陽イオン種を周囲の液体からの陽イオン種に選択的に交換し、かつ、交換された陽イオン種の、印加された電界の下での移動を容易にするように構成される。適切な陽イオン交換材料の例には、ジビニルベンゼンと交差結合した合成ポリスチレンビーズがあり、このようなビーズはスルホン酸基を使用して官能化されている（例えばＭｉｔｓｕｂｉｓｈｉ ＤＩＡＩＯＮ ＳＫ−１Ｂ（商標））。

以上、本開示について、典型的な実施形態によって実例で示し、かつ、説明したが、本開示の精神から何ら逸脱することなく様々な修正及び置換を行うことができるため、示されている詳細に限定されることは意図されていない。したがって本明細書において開示されている本開示の他の修正形態及び均等物は、当業者には日常的な実験を使用するだけで思いつくことができ、このようなすべての修正形態及び均等物は、以下の特許請求の範囲で定義されている本開示の範囲内であると見なされる。

Claims (14)

1. 陽極が設けられた陽極コンパートメントと、
   陽極コンパートメントから離隔し、陰極が設けられた陰極コンパートメントであって、陽極及び陰極が、直流電源に結合して、陽極と陰極の間に電位差をもたらし、電位差の影響によって液体媒体及びイオン交換媒体中のイオン材料の輸送に影響を及ぼすように構成される、陰極コンパートメントと、
   供給溶液を受け取る供給入口と、
   生産水出口と、
   陽極コンパートメントと陰極コンパートメントの間に交互に配置された複数の陰イオン交換膜及び複数の陽イオン交換膜と、
   複数のスペーサと
   を備え、複数のスペーサ及び陰イオン交換膜並びに陽イオン交換膜が、供給入口から供給溶液を受け取る第１の希釈コンパートメント、第１の希釈コンパートメントと直列の、生産水を生産水出口に引き渡す第２の希釈コンパートメント、第１の濃縮コンパートメント及び第２の濃縮コンパートメントを形成するように構成され、第１及び第２の希釈コンパートメントが、陽極に最も近い側の陰イオン交換膜及び陰極に最も近い側の陽イオン交換膜によって境界が画成され、かつ、第１及び第２の濃縮コンパートメントが、陽極に最も近い側の陽イオン交換膜及び陰極に最も近い側の陰イオン交換膜によって境界が画成される、電気脱塩装置。
2. 第１及び第２の希釈コンパートメント並びに第１及び第２の濃縮コンパートメントを形成するスペーサと、陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜とが共に電気脱塩グループを形成し、電気脱塩装置が、スタックとしてまとめて組み立てられた複数の反復電気脱塩グループを備える、請求項１記載の電気脱塩装置。
3. 陽イオンの大部分が第１の濃縮コンパートメントへ移動し、また、陰イオンの大部分が第２の濃縮コンパートメントへ輸送されるように、第１の希釈コンパートメントを通過している間に、供給溶液に存在するイオン汚染物質のほとんどの部分が隣接する第１及び第２の濃縮コンパートメントへ移動する、請求項２記載の電気脱塩装置。
4. 電気脱塩装置内のスケール形成を低減するために、第１の濃縮コンパートメントが陽イオンの大部分を運んで高いｐＨを有し、また、第２の濃縮コンパートメントが陰イオンの大部分を運んで低いｐＨを有する、請求項３記載の電気脱塩装置。
5. 電気脱塩グループが、第１及び第２の陽イオン交換膜並びに第１及び第２の陰イオン交換膜を有し、かつ、第１の希釈コンパートメントに隣接する第１の陽イオン交換膜、第１の陽イオン交換膜に隣接する第１の濃縮コンパートメント、第１の濃縮コンパートメントに隣接する第１の陰イオン交換膜、第１の陰イオン交換膜に隣接する第２の希釈コンパートメント、第２の希釈コンパートメントに隣接する第２の陽イオン交換膜、第２の陽イオン交換膜に隣接する第２の濃縮コンパートメント、及び第２の濃縮コンパートメントに隣接する第２の陰イオン交換膜と共に配置される、請求項２記載の電気脱塩装置。
6. 電気脱塩グループが、第１及び第２の希釈コンパートメントスペーサ並びに第１及び第２の濃縮コンパートメントスペーサを備え、
   第１の希釈コンパートメントスペーサが第１及び第２の希釈コンパートメントを形成し、第１の希釈コンパートメントスペーサがその一方の端部に入口ポートを有し、かつ、反対側の端部に出口ポートを有し、第１の希釈コンパートメントスペーサの第１の部分が、その供給入口から供給溶液を受け取る第１の希釈コンパートメント、及び第１の希釈コンパートメントから供給溶液を受け取る第２の希釈コンパートメントを形成し、
   第２の希釈コンパートメントを通る流れの方向が、第１の希釈コンパートメントスペーサ内の流れの方向と比較して逆方向になるように、第２の希釈コンパートメントスペーサの入口ポート及び出口ポートが第１の希釈コンパートメントスペーサの入口ポート及び出口ポートとは反対側の端部に位置するように構成され、第２の希釈コンパートメントスペーサが、直列に構成された第１及び第２の希釈コンパートメントを形成し、
   濃縮コンパートメントスペーサの各々がその中央部分に濃縮流を受け取る入口ポートを有し、濃縮スペーサが流入する濃縮流を２つの流れ方向に導き、濃縮コンパートメントスペーサが第１及び第２の濃縮コンパートメントを形成し、第１の濃縮コンパートメントが第１の方向に導かれる濃縮流の第１の部分を受け取り、第２の濃縮コンパートメントが第２の方向に導かれる濃縮流の第２の部分を受け取る
   請求項２記載の電気脱塩装置。
7. 電気脱塩グループが、第１及び第２の陽イオン交換膜並びに第１及び第２の陰イオン交換膜を有し、かつ、第１の希釈スペーサに隣接する第１の陽イオン交換膜、第１の陽イオン交換膜に隣接する第１の濃縮コンパートメントスペーサ、第１の濃縮コンパートメントスペーサに隣接する第１の陰イオン交換膜、第１の陰イオン交換膜に隣接する第２の希釈コンパートメントスペーサ、第２の希釈コンパートメントスペーサに隣接する第２の陽イオン交換膜、第２の陽イオン交換膜に隣接する第２の濃縮コンパートメントスペーサ、及び第２の濃縮コンパートメントスペーサに隣接する第２の陰イオン交換膜と共に配置される、請求項６記載の電気脱塩装置。
8. 希釈コンパートメント及び濃縮コンパートメントの厚さが約１．０ｍｍ〜１０．０ｍｍである、請求項１記載の電気脱塩装置。
9. 第１の希釈コンパートメントの厚さが第２の希釈コンパートメントの厚さよりも大きい、請求項１記載の電気脱塩装置。
10. 第１の希釈コンパートメントの厚さが第２の希釈コンパートメントの厚さよりも約２〜４倍大きい、請求項９記載の電気脱塩装置。
11. 第１の希釈コンパートメントの厚さが第２の希釈コンパートメントの厚さよりも約４〜８倍大きい、請求項９記載の電気脱塩装置。
12. 第１の希釈コンパートメントの厚さが第２の希釈コンパートメントの厚さよりも小さい、請求項１記載の電気脱塩装置。
13. 第１の希釈コンパートメントの厚さが第２の希釈コンパートメントの厚さの約１／２〜１／４の厚さである、請求項１２記載の電気脱塩装置。
14. 第１の希釈コンパートメントの厚さが第２の希釈コンパートメントの厚さの約１／４〜１／８の厚さである、請求項１２記載の電気脱塩装置。