JP2003285066A - Pure water apparatus with energy recovery - Google Patents

Pure water apparatus with energy recovery


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    • Y02W10/00Technologies for wastewater treatment
    • Y02W10/30Wastewater or sewage treatment systems with climate change mitigation effect characterised by the origin of the energy
    • Y02W10/37Wastewater or sewage treatment systems with climate change mitigation effect characterised by the origin of the energy using solar energy


<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a pure water apparatus for purifying contaminated water and deionizing seawater having excellent cost efficiency and high productivity and good usability. <P>SOLUTION: The pure water apparatus utilizing an electrode structure of an electrochemical capacitor, especially a super capacitor is provided in order to remove ions from solution. A removing process of ions is called capacitive deionization (CDI). During the deionization, a D.C. electric field is applied to a cell, an electrical potential generated at both ends of electrodes 16 and 18 is followed thereby, and ions are attracted on a surface of the electrode. When electrical attraction reaches the maximum point or a cell voltage increases to an applied voltage, regeneration is required for the further usage of a CDI electrode. The regeneration of the electrode is achieved promptly in a proper quantity by energy release to devices such as the super capacitor and energy storage thereto. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO


【発明の詳細な説明】 【0001】 【発明の属する技術分野】本発明は、水溶液および無機溶液ならびに有機溶液を含む帯電種を含有する液体の容量性脱イオン(capacitive deionization: CDI)に関し、特に反復するイオンの電気的収着(electrosorptio BACKGROUND OF THE INVENTION [0001] [Technical Field of the Invention The present invention is an aqueous solution and inorganic solutions and capacitive deionization of liquids containing charged species including organic solution (capacitive deionization: CDI) relates, in particular electrical sorption repeating ions (Electrosorptio
n)(脱イオン化)および電極の再生に関連し、それによってスーパーキャパシターまたはウルトラキャパシターもしくは電気二重層コンデンサーからエネルギーが抽出および貯蔵される。 n) (in connection with regeneration of deionization) and electrodes, which energy from supercapacitor or ultracapacitor or electric double layer capacitor by are extracted and stored. 本発明は、浄化された液体および電気がコージェネレーションされる純水装置を提供する。 The present invention is clarified liquid and electricity providing pure water device is cogeneration. 【0002】 【従来の技術】エネルギーおよび水は、現代生活の2つの必須成分である。 [0002] energy and water are the two essential components of modern life. 化石燃料は減少しており、しかも発電中に公害を引き起こすということで、人々は代替エネルギー源を捜そうという意欲が盛んである。 Fossil fuel is decreasing, yet the fact that cause the pollution is in the power generation, people are thriving willingness to try to find alternative energy sources. そのため、 for that reason,
太陽熱と、風力と、波力と、地熱といった再生可能なエネルギー源が検討されるとともに商品化されてきた。 And solar thermal, and wind power, and wave power, renewable energy source such as geothermal have been commercialized with be considered. 多くの国際的な自動車メーカーは、無公害電気自動車用の燃料電池の開発に積極的である。 Many of the international automobile manufacturers, which is active in the development of fuel cells for pollution-free electric vehicles. 上記試みの全ては、二酸化炭素(CO 2 )排出を削減するとともに、太陽および水といった無償の天然資源をエネルギー生成に利用することを目的としている。 All of the above attempts, as well as reducing the carbon dioxide (CO 2) emissions, are intended to utilize natural resources free such solar and water energy generation. エネルギー生成はたやすいことではなく、したがってエネルギーについての利用制限および敏感に反応する抽出を含むエネルギー保護が注目に値する。 Energy generation is not easy task, thus energy protection, including the use restriction and sensitively extracted to react for energy noteworthy. さもなければ廃棄物になる残留エネルギーの回収が実行可能な方法は数多くある。 Otherwise how recovery that is viable residual energy becomes waste are numerous. 例えば、Kingほかに付与された米国特許番号6,326,763は、停車または下り坂でブレーキをかけるために減速中の車両の残存運動量から交換される電気を蓄電できる回生制動システムを開示している。 For example, King granted to other U.S. Patent No. 6,326,763 is disclosed a regenerative braking system that can power storage electricity to be exchanged from the residual momentum of the vehicle during deceleration in order to brake at stop or downhill there. '763特許では、熱として通常消散される残留エネルギーを抽出するために、ウルトラキャパシターが提案された。 The '763 patent, in order to extract the residual energy that is normally dissipated as heat, ultracapacitors have been proposed. 別の例において、Wiedmannほかに付与された米国特許番号6,267,045は、エネルギーが潜熱の形で交換されるエネルギー貯蔵およびエネルギー抽出システムを含有する調理装置を示している。 In another example, U.S. Patent No. 6,267,045 granted to another Wiedmann, the energy shows a cooking apparatus containing energy storage and energy extraction system that is exchanged in the form of latent heat. 【0003】地球表面上の1%未満の水が直接利用に適している。 [0003] less than 1% water on the Earth's surface is suitable for direct use. 真水は、21世紀で最も貴重な必需品の1つとなるであろう。 Fresh water will become one of the most valuable commodities in the 21 century. 海水の脱塩は、降雨の代わりに真水を獲得するのにおそらく最も格好な方法である。 Desalination of sea water, is probably the most looking a way to win the fresh water instead of rainfall. 商業用の脱塩方法のうち、蒸留が56%のシェアを市場で独占しており、逆浸透(reverse osmosis: RO)が40%を占め、冷凍および電気透析がその残りを占有している。 Of desalting methods for commercial distillation has a share of 56% monopoly in the market, reverse osmosis (reverse osmosis: RO) accounted for 40%, freezing and electrodialysis occupies the remainder. 前述の方法は、浄化の仕組みでは異なるが、これら全ての方法は、溶液中の帯電種の単位である全溶解固形物(to The aforementioned method is different in purifying mechanism, all of these methods, the total dissolved solids, which is a unit of charged species in solution (to
tal dissolved solids: TDS)を低減させるために用いられ、したがって海水が飲料用となることができる。 tal Dissolved Solids: used to reduce TDS), hence the seawater can be a beverage. TD TD
Sの低減もしくは脱イオン化は、廃液処理の究極の目標でもあり、廃液処理にはイオン交換およびROが最も頻繁に用いられる。 Reducing or deionization of S is also the ultimate goal of wastewater treatment, ion exchange and RO are most frequently used for wastewater treatment. 海水または廃液の浄化で用いる方法は、 Method used in the purification of sea water or waste liquid,
低エネルギー消費および無公害ならびに長い耐用年数の技術であるべきである。 Low energy consumption and pollution-free and should be a long life technology. 前述の必要条件を満たすには、 In the above-mentioned requirements are met,
イオン交換およびROならびに他の脱イオン技術よりも、 Than ion exchange and RO and other deionized technology,
CDIのほうがより優れている。 More of CDI is better. CDIの究極のメリットを証明する5つの理由があり、(1)CDIは、溶液からイオンを吸着および除去するのに直流電界を使用しており、 There are five reasons to prove the ultimate benefits of CDI, we use a DC electric field (1) CDI are ions from the solution to adsorb and remove,
この処理は、最小限のエネルギー消費でもって迅速かつ制御可能である。 This process is rapid and controllable with a minimum of energy consumption. (2)電気的収着のために投入するエネルギーは、後の使用または他の用途に向け抽出および貯蔵される。 (2) energy to be introduced for electrical sorption is extracted and stored for later use or other uses. 前述したどの分離方法においても、エネルギー回収を得ることはできない。 In any separation method described above can not be obtained energy recovery. (3)エネルギーがCD (3) energy CD
I電極から負荷へ移動する間、同時に電極が回復する。 While moving from I electrodes to the load, at the same time the electrode is restored.
エネルギー抽出によるCDI電極の再生は、化学物質を使用せず、しかも公害を発生せずに迅速である。 Regeneration of CDI electrodes by energy extraction without the use of chemicals, yet is quick without generating pollution. (4)CD (4) CD
Iは、TDS35,000ppm以上の海水または溶液を直接イオン除去することができる。 I can be directly ions removed more sea water or solutions TDS35,000ppm. 脱イオン化および再生は、 Deionization and regeneration,
液体が浄化されるまで何度も繰返すことができ、しかも高塩分による電極の退化はない。 Until the liquid is purified it can be repeated many times, yet not degenerate electrode by high salinity. ROおよび電気透析ならびにイオン交換は、低塩分の溶液の処理に利用するほうが良く、そうしないと高価な薄膜および樹脂はすぐに破損する。 RO and electrodialysis and ion exchange, better to use a low salt solution processes well, otherwise the costly films and resins immediately broken. (5)CDI電極に吸着するイオンは、有用な資源リサイクルまたは汚泥処分のため集中リザーバーへ放出することができる。 (5) ions adsorbed to the CDI electrodes may be released to the concentrate reservoir for useful resource recycling or sludge disposal. CDIによるイオン抽出は、非破壊処理であり、したがって多少のイオンを再利用目的に処理してもよい。 Ion extraction with CDI is non-destructive process, thus may be treated for recycling purposes some ions. 本発明は、発明の実施形態において、CD In an embodiment of the present invention, invention, CD
I技術について他とは異なる5つの前述した特徴を全て明示する。 It demonstrates all five aforementioned characteristics different from the other for I technology. 付随的に、本発明の純水装置は、フリーエネルギータッピング(free energy tapping)の根本的な原則と一致しており、つまり、燃料を加えず、しかも公害を出すべきではないということである。 Concomitantly, the pure water device of the present invention is consistent with the fundamental principles of the free energy tapping (free energy tapping), i.e., without the addition of fuel, yet is that it should not give pollution. 【0004】CDIは、少なくとも40年間以上知られる分離方法である(J.Newman他 1971年)。 [0004] CDI is a separation method known more than at least 40 years (J.Newman other 1971). いくつか挙げると、米国特許番号5,799,891、5,858, When some mention, the United States patent number 5,799,891,5,858,
199、5,954,937、および6,309,532は全てCDI技術の商品化を目的としている。 199,5,954,937, and 6,309,532 are for the purpose of commercialization of all CDI technology. 特に、Tranほかに付与された'532特許は、電極の再生に放電の利用を開示した。 In particular, Tran granted '532 patent in addition have disclosed the use of a discharge for the reproduction of the electrode. 残留エネルギーを再生するのではなく、 Instead of reproducing the residual energy,
ショートまたは逆極性により電気を消耗する(請求項4 Consumes electricity by short or opposite polarity (claim 4
と、18と、21と、23)。 And, 18, and 21, 23). フル充電したキャパシターをショートすることは、特に蓄積したエネルギーが膨大な量である場合は、電気的危険源を引き起こす原因となり得る。 Short-circuits fully charged capacitor, especially when stored energy is a huge amount can be a cause of electrical hazards. 逆極性が一時的に吸着したイオンを電極から除去することは、当業者なら知っている。 Removing ions opposite polarity is temporarily adsorbed from electrode know by those skilled in the art. しかしながら、セルから脱離したイオンを洗い流すための多量の流体と連動して、適切な周波数の代替の極性反転が加わらない限り、イオンは一方の電極を離れてもう一方の電極に吸着する。 However, in conjunction with a large amount of fluid to wash away ions desorbed from the cell, the polarity reversal of the appropriate frequency of the alternate unless the applied, ions are adsorbed to the other electrode away one electrode. これは、'532特許の実施例1において、なぜ40リットルの液体が毎回の再生に使用されたのかを説明することができる。 This' 532 in Example 1 of patent, why can 40 l of liquid explaining how was used every reproduction. そのうえ、'532特許のCDI電極の1回の再生周期は、完了まで数時間かかり、このような長時間処理は商業用の応用には無益である。 Moreover, once the reproduction period of the CDI electrodes of '532 patent, it takes several hours to complete, such a long time treatment is useless for applications commercial. '532特許の図12で示すとおり、提案されているような脱イオン化は、150対の10cm×20cmの電極または合計30,000cm 2の幾何学的な面積を用いて、59ppm(100Μsを換算率1.7で割る)までTDS '532 as shown in FIG. 12 of the patent, deionization as proposed, using a geometrical area of 10 cm × 20 cm of the electrode or the total 30,000 2 150 pairs, 59 ppm (in terms of rate 100Μs 1.7 divided by) until the TDS
を低減するのと同等に遅く、10分の処理時間がかかる。 Equivalent to reducing the slow, takes 10 minutes of treatment time. さらに'532特許は、図3のとおり、複雑なセル内の蛇行した液体のフローパターンを教示しており、1 Further '532 patent, shown in Figure 3, teaches a serpentine flow pattern of the liquid in the complex cell, 1
50対もしくは他の組合せの電極が、積重ねもしくは圧縮されたのである。 50 pairs or other combinations of electrodes, it was been stacked or compressed. 液体の通路を作るために、電極支持体に孔が特別に加工され、その支持体の上にカーボンエアロジェルあるいは石版術を用いたパンチ・メタルもしくは高価な金属カーバイドを電気的収着媒質として使用している。 To make the passage of the liquid, the hole is processed specially electrode support, using a punch-metal or expensive metal carbide using carbon airgel or lithographic surgery over the support as the electrical sorption medium doing. 前記の設計および金属の利用は、CDIセルに関するコストが増加するとともに、保守管理のみならず操作の困難さを示している。 Design and use of the metal of the can the cost increases related CDI cell, not maintenance only shows the difficulty of the operation. 相対的に本発明の開示は、 Relatively disclosure of the present invention,
コストパフォーマンスおよび高生産性に優れ、かつ使い勝手の良い純水装置を、汚染水の浄化および海水の脱塩用に提供する。 Excellent cost performance and high productivity, and the pure water device a user-friendly, provide for desalting purification and seawater contaminated water. イオンの部分的または完全な吸着後、本発明の純水装置は要求に応じて異なる率で放電して、定電流またはピーク電流を異なる負荷に流す。 After partial or complete adsorption of ions, pure water device of the present invention is discharged at different rates in response to the request, supplying a constant current or peak current at different loads. 換言すると、前記の純水装置は、液体清浄器およびエネルギー貯蔵装置ならびに電力変換器として利用することができる。 In other words, pure water apparatus described above can be utilized as a liquid purifier and energy storage device and power converter. 【0005】 【発明が解決しようとする課題】実質的にCDIは、溶液からのイオン除去にスーパーキャパシターの充電の仕組みを採用している(この装置についての他の学術用語には、ウルトラキャパシターおよび電気二重層キャパシターが含まれる)。 [0005] [0007] substantially the CDI, Other nomenclature for adoption to that (the device the mechanism of charging the supercapacitors ion removal from the solution, ultracapacitors and an electric double layer capacitor is included). スーパーキャパシターは、数千ファラッド(F)に至るまでの静電気を蓄電でき、しかも瞬時に充電および放電が可能な電気化学的方法によるキャパシターである。 Supercapacitors can power storage electrostatic ranging thousands farad (F), moreover a capacitor of electrochemical methods can be charged and discharged instantaneously. スーパーキャパシターの電極の表面にイオンが堆積すると、キャパシターの正極および負極の両端に電荷が増加するのと一緒に直流電位が発生する。 When the surface of the electrode of the supercapacitors ions deposited, DC potential is generated along with the electric charge is increased at both ends of the positive electrode and the negative electrode of the capacitor. イオン堆積関係をともなうこのような電圧の上昇は、CDI Such an increase in the voltage with the ion deposition relationships, CDI
処理による脱イオン化の最中にもよく見られる。 It is common even in the midst of de-ionized by the processing. したがって、CDI電極が吸着最大限に達しているか、もしくは誘電電位が印加電圧と同等である平衡状態にCDI電極が達しているかの決定に、電圧を使用することができる。 Therefore, it is possible to CDI electrodes to determine if it reached is CDI electrodes equilibrium is equal to the applied voltage or, or dielectric potential reaches the adsorption maximum use voltage.
いずれの場合にせよ、CDI電極は、さらにサービスを提供するのに再生することが必要とされる。 In any case, CDI electrodes is required to be reproduced to provide further services. スーパーキャパシターの一般的な電極の構造、つまり積重ね状または螺旋状にしたがって、CDI電極も同じく構成されるとともに組み立てられるが、2つの変化に富んでいる。 Structure of a typical electrode in supercapacitors, i.e. according stacked or spiral, but assembled with CDI electrodes are also configured similarly rich in two changes. まず、スーパーキャパシター用に 電解液を蓄えておく分離器とは異なり、CDIモジュールにおける電気的収着媒質以外の構成要素は、イオンを吸着も保持もしないのが望ましい。 First, unlike the separators set aside an electrolyte for supercapacitors, components other than the electrical sorption medium in CDI module is desirably not be adsorbed also retain ions. 第二に、スーパーキャパシターの電極が保護ハウジングに密閉されているのとは異なり、CDI電極は、カプセル封入せずにテープなどの単純な手段で単に固定されているだけである。 Secondly, unlike the electrodes of the supercapacitor is sealed in a protective housing, CDI electrodes has only been simply fixed by simple means, such as tape without encapsulation. それ故に本発明のCDI電極は、周囲にさらされており、しかも処理される流体は電極へ自由にアクセスできる。 CDI electrodes of invention therefore, is exposed to the ambient, yet a fluid to be treated freely accessible to the electrode. 前述の通液型設計を使って、CDIモジュールは、脱イオン化のために流体管内に設置するか、あるいは液体中に沈めるとともに潜水艦のように航行してイオンを除去することができる。 Using the above flow-through design, CDI module can sail as submarine removing ions with soaking or placed in fluid conduit for deionization, or in a liquid. 【0006】最小限量の支持体を用いて電極が組み立てられるだけでなく、CDIモジュールの費用をさらに減額するために即入手できる低価格の活性炭を電気的収着媒質として使用する。 [0006] Not only are electrodes with a minimum amount of support is assembled, the use of low cost of the activated carbon that can be immediately available to further reduce the cost of CDI module as electrical sorption medium. ローラーコーティングなど安価な処理により、炭素材料を導電基板に置いてCDI電極を形成する。 The inexpensive process such as roller coating, to form a CDI electrode at a carbon material to the conductive substrate. 費用効果のある材料および容易な電極の製造ならびに電極の簡単な組み立てにより、前記の純水装置は、 A simple assembly of the production as well as the electrodes of a cost-effective materials and easy electrode, pure water apparatus above,
家庭および産業にとって価格が手頃な信頼できる消費者製品になることが可能である。 Price for the home and industry it is possible to become affordable and reliable consumer products. 【0007】スーパーキャパシター内の貯蔵エネルギーが放電により瞬時に抽出することができるのと同様に、 [0007] Just as it is possible to store energy in the supercapacitor is extracted instantaneously by the discharge,
イオンの電気的収着後のCDI電極の残留エネルギーもまた、高速タッピングに有効である。 The residual energy of the CDI electrodes after electrical sorption of ions are also effective for high-speed tapping. 回収されたエネルギーは、脱イオン化に投入されたエネルギーよりもはるかに少量ではあるが、実際の応用に残留エネルギーは自由かつ追加可能である。 Recovered energy, albeit a much less than the energy that is put into deionized but residual energy in practical applications are free and can be added. そのうえ、100%の放電深度を有するスーパーキャパシターと同じく、CDI電極に蓄積したエネルギーも完全に放出され、しかもエネルギー回収の結果としてその電極は完全に洗浄される。 Moreover, like the supercapacitors with 100% depth of discharge, the energy accumulated in the CDI electrodes may be completely released, yet the electrode is completely cleaned as a result of energy recovery. CDIモジュールから回収された残留エネルギーを貯蔵するには、 To store residual energy recovered from CDI module,
スーパーキャパシターあるいはウルトラキャパシターもしくは電気二重層キャパシターが貯蔵装置として大変都合よくできている。 Supercapacitors or ultracapacitors or electric double layer capacitor is made good very convenient as a storage device. これは、前記の装置が、蓄電池やフライ・ホイールなど他の装置よりも、エネルギー貯蔵においてさらに効率的であるためである。 This, said device than other devices such as a battery or a flywheel, is because it is more efficient in energy storage. ソース電圧がスーパーキャパシターの電圧よりも高い限り、キャパシターは充電電流の大きさに関係なく常にいつでも充電することができる。 As long as the source voltage is higher than the voltage of the super capacitor, the capacitor can be charged at any time always, regardless of the magnitude of the charging current. このCDI装置をカルーセル(carrousel) The CDI unit carousel (carrousel)
もしくはフェリスホイール(Ferris wheel)に設置すると、電極は相互にかつ連続的に脱イオン化および再生を行うことができる。 Or when installed in Ferris wheel (Ferris wheel), the electrode can be performed mutually and continuously deionization and regeneration. 迅速に反復する脱イオン化および再生に前記純水装置は、海水の脱塩のみならず汚染液体の浄化にも高い処理能力を有する。 Wherein the deionization and regeneration rapidly repeating pure water device has a high processing capability to remediation of contaminated liquid not only desalination of seawater. 反復する脱イオン化および再生は、前記浄水装置に対して何の破損も引き起こさないのが実験で観察されている。 Deionized repeated and regeneration, not cause any damage to the water purification device has been observed in experiments. 【0008】エネルギー抽出によるCDI電極の回復は、 [0008] The recovery of the CDI electrodes due to energy extraction,
海水をはじめどの液体中でも機能を果たす。 Serve in any liquid, including seawater. 吸着したイオンのみが液体へ放出され、故にその液体は再生に何の影響も及ぼさず、しかも二次的な公害はない。 Only it adsorbed ions are released into the liquid, because the liquid is not any effect on reproduction, yet not secondary pollution. さらには、イオン放出に洗浄用の液体または再生流体を必要とせず、それはエネルギー回収時に自動的に消耗するからである。 Furthermore, without the need for liquid or regeneration fluid for cleaning the ion emission, it is because automatically consumed during energy recovery. 電極の洗浄処理に最小量の上水を必要とするかもしれない点を除いては、再生は廃液を産出しない。 Except for the point that may require a minimal amount of clean water to the washing treatment of the electrode, the reproduction does not produce waste. 直流電界のもとCDI電極は、イオンを吸着し、そのために印加電圧は、イオンの分解電位未満に抑えられる。 Original CDI electrode of the DC electric field is adsorbed ions, the applied voltage to is reduced to below the decomposition potential of the ions. それ故に、前記CDI電極は、液体からイオンを破壊せずに取り除き、そのイオンを1つの集中容器に収納するための磁石として利用することができる。 Thus, the CDI electrodes is removed from the liquid without destroying the ions, it can be used as a magnet for housing the ion into one centralized container. イオンがいったん少量の液体中に集められると、有用な資源が簡単にリサイクルされるか、あるいはヘドロが効果的に処分される。 When ions are collected once a small amount of liquid, or useful resources are easily recycled, or sludge is effectively disposed of.
それは、回復した電極が、集中容器から、洗浄がおそらく必要な脱イオン化室へ戻ってくる間のことである。 It electrodes recovery from concentrate containers, is that during the cleaning comes probably back to deionization chamber required. 【0009】CDIによる溶液の脱イオン化は、低い直流電圧の印加のみを必要とし、そのため蓄電池および燃料電池ならびに太陽電池で作動が可能である。 [0009] deionization of the solution by CDI requires only the application of a low DC voltage, therefore it is possible to operate with battery and fuel cell and a solar cell. 後の方の装置のほとんどが出力密度に乏しい。 Most of the apparatus of the later is poor in output density. それでもやはり、スーパーキャパシターは、残留エネルギーを貯蔵した後、 Nevertheless, the super capacitor is, after storage of residual energy,
次いでピーク電力を種々の重い負荷へ送り込むことができる。 Then it is possible to feed the peak power to the various heavy load. この見地から、前記純水装置は、エネルギー転移に吸着および脱離を利用しながら電力変換器として作動する。 From this point of view, the pure water device is operated as a power converter while utilizing adsorption and desorption on the energy transfer. 種々の電気抵抗、および電気分解など他の形態のエネルギー喪失の理由から、前記した吸着と脱離もしくは充電と放電の周期は永久運動ではない。 Various electrical resistance, and because of the electrolysis and energy loss of other forms, the adsorption and period of elimination or charge and discharge was not a perpetual motion. それでもなお、本発明の純水装置を電力変換装置として使用することは、いくらか実用的な用途を提供し得る。 Nevertheless, the use of pure water device of the present invention as a power conversion device can provide some practical applications. 【0010】そこで、本発明の第1の目的は、費用効率および高生産性に優れ、ならびに使い勝手の良い純水装置を汚染水の浄化および海水の脱塩用に提供することにある。 [0010] Therefore, a first object of the present invention is excellent in cost-effective and high productivity, and to provide a pure water device a user-friendly for desalting purification and seawater contaminated water. この発明の第2の目的は、液体清浄器およびエネルギー蓄積装置ならびに電力変換器として利用することのできる純水装置を提供することである。 A second object of the present invention is to provide a pure water device which can be utilized as a liquid purifier and energy storage device and power converter. 【0011】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決し、所望の目的を達成するために、本発明にかかる純水装置は、 [0011] solve the above problems SUMMARY OF THE INVENTION In order to achieve the desired purpose, pure water apparatus according to the present invention,
下に説明する部品と併せて次に挙げるモジュールのうちの1つで、(1)周囲にさらされている各モジュールにおいて複数の電極を含み、多数の電極の対を並列または直列に積重ねるとともに接続してアノードおよびカソードを形成し、また2つの電極ごとに絶縁スペーサーを挿入して、電気ショートを防止するとともに流体および海水に電極への自由なアクセスを提供する多数のモジュール、(2)アノードおよびカソードならびに2つの絶縁隔離板をそれぞれ含んでオープンロールに螺旋状に巻かれ、液体および海水が電極への自由なアクセスを有する多数のモジュール、(3)電気的収着によって液体および海水からイオンを除去するため、電極モジュールのいくつかに電気を供給する直流電源、(4)脱イオン化に使われていた電極 In one of listed below modules in conjunction with components described below, (1) a plurality of electrodes in each module being exposed to the ambient, with stacking pairs of a large number of electrodes in parallel or in series number of modules an anode and a cathode formed by connecting, also every two electrodes by inserting the insulating spacers, to provide free access to the electrodes in the fluid and seawater as well as prevent electrical shorting, (2) an anode and spirally wound open roll comprising a cathode and two insulating separator, respectively, number of modules in which the liquid and seawater have free access to the electrode, (3) ions from liquids and seawater by electrical sorption for removing a DC power supply for supplying some to electricity electrode module, the electrode had been used (4) deionized ジュールからエネルギーを抽出するためのエネルギー貯蔵装置でもある負荷で、電極モジュールが、負荷へ残留エネルギーを放出することにより、 In also load the energy storage device for extracting energy from Joule, by the electrode module to release residual energy to a load,
脱イオン化の新しい周期に向け洗浄度を回復し、(5) Recover cleanliness for a new cycle of deionized, (5)
要求に応じて電極モジュールを脱イオン化ないし再生へ連続的に交替するための機械セットアップ、および(6)脱イオン化および機械的操作ならびにエネルギー抽出を調節するマイクロプロセッサーから構成される。 Machine setup for continuously alternating the electrode module to deionization or regeneration on demand, and (6) consists of a microprocessor to adjust the de-ionization and mechanical manipulation and energy extraction. 【0012】 【発明の実施形態】以下、本発明にかかる好適な実施形態を図面に基づいて説明する。 [0012] [Embodiment of the present invention will be described with reference to preferred embodiments according to the present invention with reference to the accompanying drawings. 活性炭が液体から汚染物質を除去することによる2つの主要機能があり、それらは表面吸着および接触還元である。 There are two main function by the activated carbon to remove contaminants from a liquid, they are surface adsorption, and catalytic reduction. 吸着は、概して何かの結合性によって汚染物質と吸着表面との間に生じる。 Adsorption occurs between the contaminants and the adsorption surface generally by binding something.
吸着力は弱く、しかも吸着はゆっくりとした熱力学支配に左右されやすいので、活性炭は、大量の洗浄を行うのに広い表面積そしてその表面と汚染物質との間が非常に近接していることに依存しなければならない。 Suction force is weak, and since the adsorption is easily influenced by the slow thermodynamic dominated, activated carbon, that are very close between the surface area and contaminant and the surface to make a large amount of cleaning It must rely. しかしながら、活性炭上の吸着は、直流電界の印加により促進することができる。 However, adsorption on activated carbon can be accelerated by application of a DC electric field. また、活性炭表面に形成された極性に起因して、炭素が反対の極性のイオンを吸着するとともに、選択吸着が生じる。 Further, due to the polarity which is formed on the surface of the activated carbon, with the carbon to adsorb the opposite polarity ions, selective adsorption occurs. 帯電した炭素は、広い表面積を使って瞬時に多数のイオンを吸着することができる。 Charged carbon can adsorb a large number of ions instantly with a large surface area. 吸着したイオンは、電界の印加がなくてもある期間活性炭の表面に残存することができる。 Adsorbed ions can remain on the surface of the period the activated carbon with even without application of an electric field. 前述した特徴は、液体浄化用の電気的収着材料として活性炭を魅力のあるものにする。 Aforementioned features make them an attractive activated carbon as an electrical sorbent material for liquid purification. 広い表面積は、脱イオン化および脱塩のためのみならず、スーパーキャパシターといったエネルギー貯蔵装置の加工のために活性炭が広く使用されている一番の理由である。 High surface area not only for deionization and desalination, a primary reason activated carbon are widely used for processing of the energy storage devices such as supercapacitors. 活性炭が好ましいという他の検討材料としては、不活性な性質(inert nature)と、広く入手が可能なことと、成熟した技術と、低価格であることが含まれる。 Other considerations that activated carbon is preferred, an inert nature (inert nature), widely and it obtainable that is available, and mature technology, involves a low cost. さらに、カーボンナノチューブ(CNT)が適切な価格で大量に入手可能な場合、CNTはCDI電極の電気的収着材料として別の理想的な候補となる。 Furthermore, if the carbon nanotube (CNT) is a large amount available at the right price, CNT is another ideal candidate as an electrical sorbent material CDI electrodes. 【0013】図1(a)は、本発明のある好適な実施形態を示し、7対の電極からそれぞれ成る2つの電極モジュールが、2区画カルーセル10に設置されている。 [0013] Figure 1 (a) shows a preferred embodiment of the present invention, the two electrode module made from each of 7 pairs of electrodes are installed in two-compartment carousel 10. 区画12は、処理される液体20と並列に接続する電極を有する第1電極モジュールとが入ってアノード16およびカソード18をそれぞれ形成している。 Partition 12 forms an anode 16 and cathode 18, respectively contain the first electrode module having an electrode connected in parallel with the liquid 20 to be treated. アノードおよびカソードは、電気ケーブルを使って直流電源Bの対応する正極および負極に接続し、そして液体20のイオン除去のためにモジュールへ電気が供給される。 The anode and cathode are connected to the corresponding positive and negative electrodes of the DC power source B by using the electrical cables, and electricity is supplied to the module for ion removal of the liquid 20. 同様にして、区画14は、その残留エネルギーをアノード16およびカソード18を介して負荷Cに放出するために、再生媒質としての液体24および第2電極モジュールが入っており、第2電極モジュールは脱イオン化に使用されたものである。 Similarly, section 14, in order to release the residual energy to a load through the anode 16 and cathode 18 C, and liquid enters 24 and the second electrode module as a reproduction medium, the second electrode module de those used for ionization. 液体24は、きれいな溶剤あるいは液体20と同一の液体であることが可能であり、放出される吸着イオンに媒質を提供する。 Liquid 24 is can be a clean solvent or liquid 20 the same liquid and provides a medium for adsorption ions emitted. 前記の媒質はイオン放出もしくはエネルギー抽出に何の影響も持たない。 The medium does not have any effect on ion release or energy extraction. カルーセル10は、Aに示す方向へ電極モジュールを回転するために、中心柱22の底部に設けたモーター(図示せず)を有する。 Carousel 10 in order to rotate the electrode module in the direction indicated by the A, having a motor (not shown) provided in the bottom of the central pillar 22. 一方のモジュールが飽和するとともにもう一方が完全に回復するとすぐ、これらのモジュールは、電気的収着および再生の新しい周期に備えて位置を交替する。 As soon as one of the modules other is fully recovered with saturated, these modules, alternate position in preparation for a new cycle of electrical sorption and regeneration. カルーセルが回転する前に、液体20および液体24を排水し(液体の水路および制御弁は図示せず)、故に脱イオン化および再生に新しい液体20および液体24を、区画12および区画14へそれぞれ補充することができる。 Before carousel is rotated, drained fluid 20 and liquid 24 (water channel and control valve of the liquid is not shown), thus each replenished fresh liquid 20 and the liquid 24 in the deionization and regeneration, the compartment 12 and compartments 14 can do. 液体20が低塩分を有し、しかも1 Liquid 20 has a low salinity, moreover 1
周期の脱塩で浄化することができる場合、浄化された液体は、その後の下水への使用あるいは処理に再処理される。 If it is possible to purify with a period of desalting, it clarified liquid is reprocessed for use or processing of the subsequent sewage. 実は液体24は、再生中に放出されるイオン収集に、永久に再利用することができる。 In fact the liquid 24, the ion-collecting emitted during playback can be reused indefinitely. 【0014】反復する脱イオン化と再生あるいは収着と脱離を目的とした設備の別の好適な実施形態は、脱イオン化および再生のために電極モジュールを持ち上げるとともにその位置を交替させることによる。 [0014] Another preferred embodiment of deionized repeating the reproduction or sorption and desorption equipment for the purpose of is by alternating the position with lifting the electrode module for deionization and regeneration. この工程では、液体20および液体24のみならず区画12および区画14の両方とも固定されており、そのため液体20 In this step, it is fixed both compartments 12 and compartment 14 not only the liquid 20 and the liquid 24, therefore the liquid 20
は放出する条件を満たすまで連続的に脱イオン化することができ、一方で液体24は永久に放出されたイオンを受ける目的で使用することができる。 It can be continuously deionized until the condition for release, whereas the liquid 24 in may be used for the purpose of receiving the ions released permanently. 必要であれば、次の脱イオン化の作動に戻す前に、回復したCDIモジュールを純粋な液体ですすぎ洗いしてもよい。 If necessary, before returning to the operation of the next deionization may be rinsed CDI modules recovered in pure liquid. すすぎ洗い後に廃液を再生媒質として液体24のリザーバーに加えてもよい。 Waste after rinsing may be added to the reservoir of liquid 24 as a reproduction medium. 図1(a)では2つの区画および2つの電極モジュールのみが示されているが、用途のニーズに応じてそれ以外の数の区画および電極モジュールを使用することができる。 Only FIGS. 1 (a) in the two compartments and the two electrodes modules are shown, it is possible to use any other number compartments and electrode modules in response to the needs of the application. 本発明は、反復する脱イオン化およびエネルギー抽出を利用して、浄化された液体および電気をコージェネレーションすることができる。 The present invention utilizes a deionization and energy extraction repeated, the clarified liquid and electrical can be cogeneration. 【0015】図1(a)のように、モジュールは、並列に接続する7対を積重なった電極を具備する。 [0015] As in FIG. 1 (a), module comprises an electrode stacked seven pairs connected in parallel. 2つの電極ごとに介在する絶縁スクリーンまたはウェブが、電気ショートの防止用にある(図示せず)。 Insulating screen or web interposed every two electrodes, is for prevention of electrical short-circuit (not shown). 前記スペーサーは、 Said spacer,
その目的を果たすために不活性および非吸着ならびに非浸出である。 Its purpose is inert and non-adsorptive and non-leaching to fulfill. ポリエチレン、ポリプロピレン、塩化ビニル(PVC)、テフロン、ナイロンといった材料が前述の要件を満たすことができる。 Polyethylene, polypropylene, vinyl (PVC) chloride, Teflon, materials such nylon can meet the above requirements. 液体の自由な進路を可能にするため、スペーサーは0.05mm〜0.1mmの厚さを有することが好ましい。 To enable the free path of the fluid, the spacer preferably has a thickness of 0.05 mm to 0.1 mm. ココナッツの殻と、ピッチと、石炭と、ポリウレタンと、ポリアクリロニトリル(PAN) And coconut shell, and pitch, and coal, and a polyurethane, polyacrylonitrile (PAN)
などの先駆物質から作られる活性炭を電気的収着媒質として使用することができる。 Can be used activated carbon made from precursors such as electrical sorption medium. さらには、適切な直径、例えば2nm〜50nmからのカーボンナノチューブ(carbon Furthermore, suitable diameter, such as carbon nanotubes from 2 nm to 50 nm (carbon
nanotube: CNT)がCDI電極を作るのに理想的な材料である。 nanotube: CNT) is an ideal material to make the CDI electrode. フッ素化された結合剤と溶剤とを混合して、活性炭の粉末またはCNTは、基板のローラーコーティングに適した均質のペーストに変えられる。 A mixture of fluorinated binder and a solvent, powder or CNT activated carbon is changed to a homogeneous paste suitable for roller coating of the substrate. 0.05mmの厚さもしくはそれ以下のチタン箔をアノードの基板として使用し、一方0.02mmの厚さもしくはそれ以下の銅箔をカソードを作るために使用する。 Using thickness or less titanium foil 0.05mm as the anode of the substrate, whereas using the thickness or less of the copper foil 0.02mm to make cathode. 適した金属リードが、 Suitable metal leads,
スポット溶接またははんだ付けによって電極に付着される。 It is attached to the electrode by spot welding or soldering. そして2つの電極間ごとに配置するスクリーン・スペーサーとともに電極が積重ねられる。 The electrodes are stacked with screen spacers disposed between every two electrodes. 絶縁テープ、もしくは2枚のプラスチック板および少なくとも2つのボルトと2つのナット(図1(a)に図示せず)を使って電極およびスペーサーの積重ね全体を固定し、CDIモジュールを形成する。 Insulating tape, or two plastic plates and at least two bolts and two nuts (not shown in FIG. 1 (a)) to secure the entire stack of electrodes and spacers using, to form a CDI module. 前述のとおりカプセル封じをせずに組み立てられる前記モジュールを、液体に沈めて脱イオン化処理を行う。 The module to be assembled without encapsulation as described above, performs the deionization treatment submerged in liquid. なお、電極およびスペーサーを螺旋状に巻いて1つのオープンロールにすることが可能な場合、 In the case wound electrodes and spacers in a spiral that can be a single open roll,
それを水路に設置することができ、電極を自由に貫流する液体が脱イオン化する。 It can be installed in waterways, liquid flowing through the electrodes freely is deionized. CDI電極は、より高い表面積の場合は並列に、またはより高い印加電圧の場合は直列に、特別な用途の場合はハイブリッド形態に接続してもよい。 CDI electrodes is parallel with the case of higher surface area, or in series in the case of a higher applied voltage may be connected to a hybrid form in the case of special applications. 【0016】図1(b)は、エネルギー回収をともなう前記純水装置の別の平面図である。 [0016] FIG. 1 (b) is another plan view of the pure water device with energy recovery. Bは、整流した交流電力と、蓄電池と、太陽電池と、燃料電池とを含む直流電源である。 B is a rectified alternating current power, a DC power supply including a battery, a solar cell and a fuel cell. カルーセル10の区画12におけるCDIモジュールの電気的収着を維持するのに、たった1〜3Vだけの電圧が必要とされている。 For maintaining electrical sorption of CDI module in compartment 12 of the carousel 10, there is a need for voltage only only 1 to 3 V. ただし、電気的収着と電気分解との両方を単なる脱イオン化以上の利点と一緒に提供するには、より高い電圧を使用することができる。 However, to provide both electrical sorption and electrolysis with the advantages of more than just deionization may use a higher voltage.
Zappiほかに付与された米国特許番号6,328,875 Zappi were granted in addition to the United States patent number 6,328,875
で開示しているように、微生物および有機性汚染物質の消毒が電気分解の利用により実現され、ここにこの特許を引用文献として加える。 In As disclosed, disinfection of microorganisms and organic contaminants is achieved by use of electrolysis, adding this patent as cited herein. 時には、CDI電極の付着物を防ぐために電気分解を利用して酸素を生成することもある。 Sometimes, sometimes producing oxygen by utilizing electrolysis to prevent fouling of the CDI electrodes. それでもやはり、本発明は脱イオン化用に本来設計されており、電気分解は概して避ける。 Nevertheless, the present invention is originally designed for deionization, electrolysis avoided generally. ブロック26は3つの機能を実行するマイクロプロセッサーであり、その機能は(1)CDIモジュール電極の両端で発生する電位を監視すること、(2)カルーセルのモーターを起動および停止すること、および(3)エネルギー抽出を調節することである。 Block 26 is a microprocessor that performs three functions, the function of monitoring the voltage developed across the (1) CDI module electrode, (2) to start and stop the carousel motor, and (3 ) it is to regulate the energy extraction. 負荷Cは、区画14内のCDIモジュールからアノード16およびカソード18を介して残留エネルギーを抽出することができ、それによってCDIモジュールは同時に回復する。 Load C can extract the residual energy through the anode 16 and cathode 18 from CDI module in the compartment 14, whereby the CDI module recovers simultaneously. スーパーキャパシターまたはウルトラキャパシターもしくは電気二重層キャパシターなどの装置に再生エネルギーを貯蔵することが好ましい。 It is preferable to store renewable energy to devices such as supercapacitors or ultracapacitors or electric double layer capacitor.
前述の全てのキャパシターは、どんな大きさの電流でも機械的な動作なしで受けることが可能なので、蓄電池やフライ・ホイールよりも優れた充電効率を有する。 All capacitors described above, since it can undergo without the mechanical behavior of any magnitude of the current has an excellent charging efficiency than battery or flywheel. そのうえ、キャパシターはフライ・ホイールよりも小型に組み立てることができる。 Moreover, the capacitor can be assembled compact than flywheel. キャパシターの電極の両端で発生する電位がソース電圧と等しいと、エネルギー伝達は止まる。 When the potential developed across the capacitor electrodes is equal to the source voltage, the energy transfer stops. この時点で、CDIモジュールは完全に再生していないかもしれず、その理由はいくらかの残留エネルギーがまだ電極上に存在しているためである。 At this point, CDI module Shirezu may not completely regenerated, the reason is because the some residual energy is present on the still electrodes. この問題を解決する1つの方法は、多数のキャパシターまたは1つの電子エネルギー抽出機(electronic energy-extracto One way to solve this problem, a number of capacitors, or one electronic energy extraction machine (electronic energy-extracto
r)を具備するパワーバンクを利用することである。 It is to use the power bank having a r). エネルギー抽出時の損失を最小限にするために、スーパーキャパシターの内部抵抗または等価直列抵抗(equivale To minimize the losses during energy extraction, the internal resistance or equivalent series resistance of supercapacitors (Equivale
nt series resistance: ESR)は可能な限り低くあるべきである。 nt series resistance: ESR) should be as low as possible. 【0017】図2(a)は、エネルギー回収をともなう純水装置をフェリスホイール構造で配置するさらに別の実施形態の側面図である。 FIG. 2 (a) is a side view of yet another embodiment of placing the pure water device with energy recovery in Ferris wheel structure. 簡略化するため、2つのCDI電極モジュール213および215のみならず、2つの区画205および207を容器201内に示す。 For simplicity, not only two CDI electrode module 213 and 215, showing the two compartments 205 and 207 into the container 201. 電源およびマイクロプロセッサーならびに負荷を含むその他の部品は、図1(b)のものと類似するので省略する。 Power and microprocessor and other components including the load is omitted since similar to that Figure 1 (b). フェリスホイール200は、レバー203が電極モジュール2 Ferris wheel 200, the lever 203 is electrode module 2
13および電極モジュール215と一緒にポジションA Position A with 13 and electrode modules 215
からポジションBに上昇する動作を提供するとともに、 Along with providing an operation for increasing the position B from
脱イオン化から再生へもしくはその逆もまた同様にCDI To or a reverse playback from deionized versa CDI
モジュールが交替されるために、中心柱217の内側にモーターを設ける。 For the module is replaced, providing a motor on the inside of the center pillar 217. AとBとの間の距離は、CDIモジュールが回転するのに十分な間隔の余裕がある実際のサイズを示すよう図示されていない。 The distance between A and B, CDI module is not shown to show the actual size can afford a sufficient distance to rotate. 区画205は、再生用に指定されており、そこには純粋な液体または区画207 Partition 205 is designated for playing, pure liquid or compartments therein 207
で処理された同一の溶液を再生媒質として永遠に使用する。 Use forever in treated the same solution as the regeneration medium. 区画207は、脱イオン化用に指定されており、一回の浄化について廃液または海水が、注入口209から区画に入り、出口211から区画を出ることができる。 Compartment 207 is designated for deionization, waste water or seawater for a single cleaning enters the compartment through the inlet 209, can exit the compartment through the outlet 211.
2つの単純な動作を必要としているため、フェリスホイール200のモーターはほとんどエネルギーを消費せず、しかも脱イオン化を持続する電源と同じ電源で作動することができる。 Because it requires two simple operations, motor Ferris wheel 200 does not consume little energy, yet can operate at the same power supply as the power to sustain the deionization. 【0018】図2(b)は、408に代表する8つのCDIモジュールと一体となった8つの区画を含有するフェリスホイール400を示す。 [0018] Figure 2 (b) shows a Ferris wheel 400 containing eight compartments together with eight CDI modules represented 408. 各モジュールには、CDIモジュールの残留エネルギーを排出するために、マイクロプロセッサーおよびセットアップ回路を含む402に代表する制御モジュールがある。 Each module, in order to discharge the remaining energy of the CDI modules, there is a control module that represents the 402 including a microprocessor and a set-up circuit. 各モジュールは、203に代表するレバーに備え付けられており、制御モジュールが Each module is equipped with the lever representing the 203, the control module
CDIモジュールの上端に配置される。 It is arranged at the upper end of the CDI module. 制御モジュールは、エネルギー抽出を調節するのみならず、脱イオンを監視するとともに機械的な動作を起動および停止する。 Control module, not only to adjust the energy extracted, starting and stopping mechanical operation monitors the deionized.
中心柱217の内側に設けられたモーターがある。 There is a motor which is provided on the inner side of the center pillar 217. 区画は4つ区域に区切られており、404は脱イオン化用、 Compartment is divided into four zones, 404 for deionization,
406は再生用、領域Aおよび領域Bは交差汚染を最小限にするためにCDIモジュールが浄化される待機地区である。 406 for reproduction, areas A and B are waiting areas CDI module is purified to minimize cross-contamination. 【0019】図3は、さらに別の実施形態であり、移動ベルト37は、38に代表されるローラーにかみ合っており、反復する脱イオン化および再生のために、33に代表される多数のCDIモジュールを円筒型で搬送する。 [0019] Figure 3 is yet another embodiment, a moving belt 37 is meshed with a roller represented by 38, for the deionization and regeneration repeating, a number of CDI modules represented by 33 the conveying a cylindrical shape.
処理される液体31および再生媒質35は両方ともCDI Liquid 31 and reproducing medium 35 is processed both CDI
電極を自由に貫流することができる。 It can flow through the electrode free. 脱イオン化の後、 After the de-ionization,
溶出液(effluent)32は洗浄された液体になることができ、一方溶出液36は再生で放出されたイオンで濃縮される。 Eluate (effluent) 32 can be forced to a washing liquid, whereas the eluate 36 are concentrated in ions released in the playback. 図2(b)のように、各CDIモジュールは、34に代表される制御モジュールを備える。 As shown in FIG. 2 (b), the respective CDI module comprises a control module represented by 34. 40とラベル付けされている領域は、交差汚染を避けるためにCDIモジュールを後処理する待機地区である。 40 and labeled with that region is a waiting area for post-processing the CDI module to avoid cross-contamination. 【0020】図4は、セットアップ回路SおよびマイクロプロセッサーPWMならびにスーパーキャパシターLで構成される前述の制御モジュールの図形である。 [0020] Figure 4 is a graphic of the aforementioned control module consists of set-up circuit S and microprocessor PWM and supercapacitors L. 図4において、Bは、脱イオン化のためにCDIへ電気を供給するための直流電源である。 In FIG. 4, B is a DC power source for supplying electricity to CDI for deionization. 次にCDIの残留エネルギーは、Sを経てスーパーキャパシターLへ放出されることができる。 Then the residual energy of CDI can be released into the supercapacitor L through S. 通常Sは、CDIの電位がLの電圧と均一もしくはより小さくなるまで停止している。 Usually S is stopped until the potential of the CDI is less than the voltage and uniformity or the L. 後の方の状況が生じる場合、マイクロプロセッサーPMWは、Sを介してCDIの電位をLの電圧よりも上に上昇させて、CDIの残留エネルギーを完全に放出する。 If the condition of the later occurs, the microprocessor PMW elevates the potential of the CDI over a S above the voltage of L, to completely release the residual energy of CDI. PWMおよびSのような電気エネルギー抽出器を用いて、CDI電極は瞬時に回復することができる。 Using electrical energy extractor such as PWM and S, CDI electrodes may be recovered instantly. マイクロプロセッサーPMWはまた、モーターMを起動および停止し、したがってCDIモジュールを望ましい位置へ交替することができる。 Microprocessor PMW can also motor M starts and stops, thus alternates CDI module to the desired position. 【0021】次の実施例におけるCDIモジュールは、自動カルーセルまたはフェリスホイール・セットアップを用いる代わりに、脱イオン化と再生の間を手動で交替する。 [0021] The CDI module in the following examples, instead of using an automatic carousel or Ferris wheel setup, alternating between the deionization and regeneration manually. CDIモジュールが、1)高塩分の海水または廃液を直接浄化する、2)退化せずに非常に頻繁な周期で収着および脱着を行う、および3)電源の出力密度を変換するということを実証するため、実施例を説明する。 CDI module 1) to purify directly the sea water or waste high salt, 2) performs the sorption and desorption in a very frequent cycle without degeneration, and 3) demonstrated that converts the output density of the power supply to, the embodiment will be described. 【0022】<第1実施例>CDIモジュールは直列接続した4つのセルから構成され、各セルは、中央に配置されたPVCスクリーンとともに2つの平行する電極から成る。 [0022] <First Embodiment> CDI module is composed of four cells connected in series, each cell consists of two parallel electrodes with PVC screen disposed in the center. 各電極は、寸法が6cm×5cm×0.35mmであるとともに、電気的収着媒質として市販の活性炭(表面積1 Each electrode with dimensions of 6 cm × 5 cm × 0.35 mm, a commercially available activated carbon as an electrical sorption medium (surface area 1
050m 2 /g 1ポンドにつき0.3ドル)を使用する。 050m 2 / g 0.3 Doru per lbs) to use.
定電圧脱イオン化のために8ボルトの直流電圧を使って、異なる塩分、5,000ppmおよび20,000ppmならびに35,000ppm(元の値)の海水中にモジュールが設置される。 Using 8.0 volts DC voltage for the constant voltage deionization, different salinity, the module is installed in seawater of 5,000ppm and 20,000ppm and 35,000 ppm (original value). セルの両端で発生した電位が8Vに達するとともに電流が一定値に低下すると、脱イオン化が終了する。 When the current with potential generated at both ends of the cell reaches 8V is lowered to a predetermined value, deionization is completed. 次に、各溶液で行われた脱イオン化の後のモジュールの残留エネルギーは、電子負荷へ放出される。 Then, the residual energy of the module after de-ionization is performed in each solution is discharged to the electronic load. 各エネルギー抽出の回収効率を計算し、表1に挙げる。 The recovery efficiency of the energy extraction is calculated and listed in Table 1. 【表1】 [Table 1] 海水5,000ppm中のエネルギー伝達は、あまりに少ないため測定できない。 Energy transfer in seawater 5,000ppm can not be measured for too little. 塩分が高いほど回収効率が高くなることが現れている。 Salinity is higher recovery efficiency has appeared to be higher high. 【0023】<第2実施例>第1実施例と同一のCDIモジュールを、第1実施例のように海水35,000ppm中でフル充電する。 [0023] <Second Embodiment> same CDI module in the first embodiment, a full charge in seawater 35,000ppm as in the first embodiment. その後、残留エネルギーを2つの商業用スーパーキャパシターの充電に利用する。 Then, using the remaining energy to charge the two commercial supercapacitors. 表2はスーパーキャパシターの充電状態を示す。 Table 2 shows the state of charge of the super capacitor. 【表2】 [Table 2] 表2のように、CDI後の残留エネルギーを実際の応用に向けて蓄えることができ、しかもスーパーキャパシターがその応用によく適している。 As Table 2, it can be stored toward the practical applications the residual energy after CDI, moreover supercapacitor is well suited for its application. 【0024】<第3実施例>第1実施例と同一のCDIモジュールを、定電流5Aを用いて海水35,000ppm中でフル充電する。 [0024] The <Third Embodiment> same CDI module in the first embodiment, a full charge in seawater 35,000ppm using constant current 5A. モジュールは、充電終了後即座に、ピーク電流39Aが計測された電気負荷へ放電した。 Module, immediately after the end of charging, the peak current 39A is discharged to the electrical load that is measured. したがってCDIモジュールは電力変換装置として作動し、その理由はピーク電流が充電電流よりもずっと高いからである。 Therefore CDI module operates as a power conversion apparatus, The reason is because the peak current is much higher than the charging current. 【0025】<第4実施例>寸法6cm×5cm×0.35m [0025] <Fourth embodiment> Dimensions 6cm × 5cm × 0.35m
mの32枚の電極を並列に接続して新しいCDIモジュールを作り、アノードおよびカソードを形成する。 32 sheets of electrodes of m and connected in parallel to make a new CDI module, to form an anode and a cathode. 電極は、 Electrode,
第1実施例と同一の活性炭を電気的収着媒質として使用する。 Using the same activated carbon as in the first embodiment as an electrical sorption medium. モジュールは、染料工場からの塩分122,00 Module, salinity from the dye factory 122,00
0ppm、800mlの廃液のイオンを直接除去する目的で使用する。 0 ppm, is used for the purpose of directly removing ions of effluent 800 ml. それぞれの処理周期において、脱イオン化のために直流電圧3ボルトを5分間モジュールへ印加する。 In each processing cycle, a DC voltage is applied 3 volts to 5 minutes module for deionization. そしてモジュールは、異なる区画で再生媒質に浸かっているモジュールのある負荷へ適量を放出する。 The module emits an appropriate amount to the load with a module that is immersed in regeneration medium with different compartments. その再生媒質は脱イオン水である。 The reproduction medium is deionized water. 脱イオン化および再生の連続周期の最初の6回を表3に示す。 The first six consecutive cycles of deionization and regeneration shown in Table 3. 【表3】 [Table 3] 理論上、表3の列3および列5は、同じ数を含むべきであり、この不一致は交差汚染および/または測定エラーであり得る。 In theory, column 3 and column 5 of Table 3 should contain the same number, this discrepancy may be cross-contamination and / or measurement errors. それにもかかわらず、表3は、反復する脱イオン化および再生と連動してCDIモジュールが、直接かつ連続的に非常に高い塩分の液体を浄化できることを明確に実証している。 Nevertheless, Table 3, deionization and CDI module in conjunction with the playback to iteration, clearly demonstrates the ability to purify the liquid directly and continuously very high salinity. さらには、各周期で除去されたイオンの量は著しく、本発明が非常に有益な分離技術であることを示唆している。 Furthermore, the amount of ions removed in each period significantly, suggesting that the present invention is very useful separation techniques. 【0026】本発明にも電力変換装置として利用されており、この中に電解液は水素イオン(H + )、アンモニウムイオン、アルカリ金属、アルカリ土類金属、遷移金属などの組合わせとなるグループから選択される陽イオンを有し、あるいはOH -イオン、ハロゲン化物、硝酸イオン(NO 3 - )、過塩素酸イオン(ClO 4 - )、亜硫酸イオン(SO 3 2- )、硫酸イオン(SO 4 2- )、リン酸イオン(PO 4 [0026] have been used as a power conversion device in the present invention, the electrolyte is a hydrogen ion in the (H +), ammonium ion, alkali metals, alkaline earth metals, from the group consisting a combination of such transition metals has a cation selected, or OH - ions, halide, nitrate ion (NO 3 -), perchlorate ion (ClO 4 -), sulfite ion (SO 3 2-), sulfate ion (SO 4 2 -), phosphate ion (PO 4
3- )などの組合わせとなるグループから選択される陰イオンを有する純水装置。 Pure water system with an anion selected from the group consisting a combination, such as 3). 別に、水、メタノール、エタノール、アセトン、アセトニトリル、プロピレン・グリコール、プロピレン・カーボネート、エチレン・ガネートと、それらの化合物を含むグループから選択される一つの溶剤を使用する電力変換装置。 Separately, water, methanol, ethanol, acetone, acetonitrile, propylene glycol, propylene carbonate, and ethylene-Ganeto, power converter that uses a single solvent selected from the group comprising those compounds. また、この装置には一つの保護ケースを用い、電極モジュールを密封することが必要である。 Further, using one of the protective case in this device, it is necessary to seal the electrode module. 【0027】以上のごとく、本発明を好適な実施例により開示したが、もとより、本発明を限定するためのものではなく、当業者であれば容易に理解できるように、本発明の技術思想の範囲内において、適当な変更ならびに修正が当然なされうるものであるから、その特許権保護の範囲は、特許請求の範囲および、それと均等な領域を基準として定めなければならない。 [0027] As described above, have been disclosed by the preferred embodiment of the present invention, as well, not intended to limit the invention, as can be readily understood by those skilled in the art, the technical concept of the present invention within the scope, since it is what is appropriate changes and modifications can be naturally made, the scope of the patent protection shall be determined claims and their equivalents. 【0028】 【発明の効果】上記構成により、本発明にかかるエネルギー回収をともなう純水装置は、海水の脱塩のみならず汚染液体の浄化にも高い処理能力を有し、しかも家庭および産業にとって価格が手頃な信頼できる消費者製品になることが可能である。 [0028] With this configuration, according to the present invention, pure water device with energy recovery in accordance with the present invention has a high capacity to remediation of contaminated liquid not only desalination of sea water, yet for household and industrial price it is possible to become affordable and reliable consumer products. したがって、産業上の利用価値が高い。 Therefore, there is a high utility value on the industry.

【図面の簡単な説明】 【図1】図1(a)は、本発明にかかる2区画カルーセルに設置された2つのCDI電極モジュールの第一平面図である。 BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS [FIG. 1 (a) is a first plan view of two CDI electrode module installed in two-compartment carousel according to the present invention. 一方の区画は、脱イオン化用に指定されており、 One compartment is designated for deionization,
もう一方の区画は、再生用である。 The other compartment is for playback. カルーセルが回転すると、再生した電極モジュールは脱イオン化を実行し、 When the carousel is rotated, the electrode module reproduced performs deionization,
一方で飽和したモジュールは再生する。 Meanwhile saturated module plays. 図1(b)は、2 FIG. 1 (b), 2
区画カルーセルの第二平面図である。 It is a second plan view of the compartment carousel. 一方の電極モジュールが脱イオン化のため電源装置Bから電気を受けることができ、もう一方のモジュールが残留エネルギーを負荷Cに放出することができるのを示している【図2】図2(a)は、本発明にかかるフェリスホイールに設置された2つのCDI電極モジュールの側面図である。 Can one electrode module receives electricity from the power supply B for deionization, other modules indicates that it can release the residual energy to a load C [2] FIGS. 2 (a) is a side view of two CDI electrode module installed in accordance Ferris wheel to the present invention. このホイールは、要求に応じ脱イオン化から再生まで、または再生から脱イオン化までにモジュールを交替できる上昇および回転の両方の仕組みを有する。 This wheel, until the reproduction from deionization on demand, or having elevated and rotation of both mechanisms can alternate the module from the reproduction to deionization. フェリスホイール設計を利用することで、少数の組のCDIモジュールだけで汚染液体の浄化および海水の脱塩を十分に行う。 By using the Ferris wheel design, fully desalting purification and seawater contamination liquid only a few sets of CDI module. 図2(b)は、8つの区画および8つのCDIモジュールを含有するフェリスホイールの平面図である。 2 (b) is a plan view of a Ferris wheel containing eight compartments and eight CDI modules. 区画は、脱イオン化用および再生用ならびに後処理用の3つの区間に分かれている。 Compartment is divided into three sections for and for reproducing and after-treatment deionization. 【図3】図3は、本発明にかかる円筒状のCDIモジュールをコンベヤで運搬する別のタイプのフェリスホイールの側面図である。 Figure 3 is a side view of another type of Ferris wheel carrying a cylindrical CDI module according to the present invention with the conveyor. 脱イオン化用および再生用ならびに後処理用の3つの区域がある。 For and for reproducing deionization and there are three zones for post treatment. 【図4】図4は、本発明にかかるセットアップ回路およびマイクロプロセッサーならびにスーパーキャパシターから成る制御モジュールである。 Figure 4 is a control module comprising a set-up circuit and microprocessor as well as supercapacitors according to the present invention. 【符号の説明】 10 カルーセル12 区画14 区画16 アノード18 カソード20 液体22 中心柱24 液体26 ブロック31 液体32 廃液33 CDIモジュール34 制御モジュール35 再生媒質36 廃液37 移動ベルト38 ローラー40 領域200 フェリスホイール201 容器203 レバー205 区画207 区画209 注入口211 出口213 CDI電極モジュール215 CDI電極モジュール217 中心柱400 フェリスホイール402 制御モジュール404 区画406 区画408 CDIモジュール [Description of reference numerals] 10 carousel 12 compartments 14 compartments 16 anode 18 cathode 20 Liquid 22 stele 24 Liquid 26 block 31 liquid 32 liquid waste 33 CDI module 34 control module 35 reproducing medium 36 effluent 37 moving belt 38 the roller 40 regions 200 Ferris Wheel 201 container 203 lever 205 compartment 207 compartment 209 inlet 211 outlet 213 CDI electrode module 215 CDI electrode module 217 stele 400 Ferris wheel 402 control module 404 compartment 406 compartment 408 CDI module

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 薛 家▲青▼ 台湾桃園縣龍潭郷民族路278巷88弄3▲街 ▼11號3樓(72)発明者 謝 翡珍 台湾台中市西區中民里5鄰樂群街154號(72)発明者 謝 玉霞 台湾彰化縣埔心郷瓦北村員鹿路一段466號(72)発明者 周 俊兆 台湾苗栗縣頭▲分▼鎮后庄里八徳二路130 號Fターム(参考) 4D024 AA03 BA02 BB05 BC01 DB09 4D061 DA04 DB13 EA02 EB01 EB04 EB14 EB20 EB29 EB30 EB33 ED12 4K011 AA20 AA21 AA29 CA02 CA06 DA11 ────────────────────────────────────────────────── ─── of the front page continued (72) inventor Xue who ▲ blue ▼ Taiwan Taoyuan 縣龍 潭郷 ethnic channel 278 Lane 88, Lane 3 ▲ city ▼ 11 號 3 Lou (72) inventor Xie 翡珍 Taiwan Taichung City West 區中 people Sato 5 鄰樂 group Street 154 號 (72) inventor Xie Tamakasumi Taiwan Changhua 縣埔 heart Gokawara Kitamura members Shikaro stage 466 號 (72) inventor week Shuncho Taiwan Miaoli 縣頭 ▲ minute ▼ 鎮后 Shosatohachi Tokuji road 130 號 F term (reference) 4D024 AA03 BA02 BB05 BC01 DB09 4D061 DA04 DB13 EA02 EB01 EB04 EB14 EB20 EB29 EB30 EB33 ED12 4K011 AA20 AA21 AA29 CA02 CA06 DA11

Claims (1)

  1. 【特許請求の範囲】 【請求項1】 下に説明する部品と併せて次に挙げるモジュールのうちの1つで、(1)周囲にさらされている各モジュールにおいて複数の電極を含み、多数の電極の対を並列または直列に積重ねるとともに接続して1つのアノードおよび1つのカソードを形成し、また2つの電極ごとに絶縁スペーサーを挿入して、電気ショートを防止するとともに流体および海水に前記電極への自由なアクセスを提供する多数のモジュール、(2)1つのアノードおよび1つのカソードならびに2つの絶縁隔離板をそれぞれ含んで1つのオープンロールに螺旋状に巻かれ、液体および海水が前記電極への自由なアクセスを有する多数のモジュール、(3)電気的収着によって液体および海水からイオンを除去するため、前記電極モジュ In one of Patent Claims 1] mentioned next along with part described below module includes a plurality of electrodes in each module are exposed to ambient (1), a number of connect with stacking pairs of electrodes in parallel or in series to form a single anode and one cathode, also by inserting an insulating spacer for every two electrodes, the electrode fluid and seawater as well as preventing electrical shorting number of modules that provide free access to, (2) one spirally wound anode and one cathode and two insulating separators to each comprise a single open roll, to the liquid and seawater the electrode multiple modules, (3) for removing ions from liquids and seawater by electrical sorption, the electrode module having free access ルのいくつかに電気を供給する1つの直流電源、 One of the DC power source for supplying electricity to several le,
    (4)脱イオン化に使われていた電極モジュールからエネルギーを抽出するためのエネルギー貯蔵装置でもある1つの負荷で、前記電極モジュールが、前記負荷へ残留エネルギーを放出することにより、脱イオン化の新しい周期に向け洗浄度を回復し、(5)要求に応じて前記電極モジュールを脱イオン化ないし再生へ連続的に交替するための1つの機械セットアップ、および(6)脱イオン化および機械的操作ならびにエネルギー抽出を調節する1つのマイクロプロセッサーから構成される液体の浄化および海水の脱塩にエネルギー回収をともなう純水装置。 (4) in one load, which is also the energy storage device for extracting energy from the electrode module that was used in the deionized, by which the electrode module to release the residual energy to the load, a new cycle of deionized the cleanliness recovered towards the, one machine setup, and (6) de-ionization and mechanical manipulation and energy extraction for continuously alternating the electrode module to deionization or regeneration according to (5) requirements pure water device with energy recovery in desalination purification and seawater constituted liquid from one microprocessor to adjust. 【請求項2】 上記電極は、ココナッツの殻と、ピッチと、石炭と、ポリウレタンと、ポリアクリロニトリル(PAN)とから成るグループから選択される1つの先駆物質から作られる活性炭を用いる電気的収着材料を有する請求項1記載の純水装置。 Wherein said electrode includes a coconut shell, pitch and coal and electrical sorption using activated carbon made from one precursor selected from the group consisting of a polyurethane, polyacrylonitrile (PAN) and pure water apparatus according to claim 1, further comprising a material. 【請求項3】 上記電極は、電気的収着材料としてカーボンナノチューブ(CNT)を用いる請求項1記載の純水装置。 Wherein said electrode is pure water apparatus according to claim 1, wherein the use of carbon nanotubes (CNT) as an electrical sorbent material. 【請求項4】 上記アノードは、チタン箔を導電用の基板として用いる請求項1記載の純水装置。 Wherein said anode, pure water apparatus according to claim 1, wherein used as a substrate for conductive titanium foil. 【請求項5】 上記カソードは、アルミニウムおよび銅ならびにチタンから成るグループから選択される1つの導電箔を基板として用いる請求項1記載の純水装置。 Wherein said cathode is pure water apparatus according to claim 1 wherein using one of the conductive foil is selected from the group consisting of aluminum and copper and titanium as the substrate. 【請求項6】 上記絶縁スペーサーは、スクリーンか、 Wherein the insulating spacer, or a screen,
    メッシュか、網状か、網織物か、クモの巣状か、または櫛状の形状である請求項1記載の純水装置。 Mesh or reticulated or, net fabric or, webbed or comb-like pure water device in the form a of claim 1, wherein. 【請求項7】 上記スペーサーは、ポリエチレン(PE) 7. The spacer is polyethylene (PE)
    と、ポリプロピレン(PP)と、塩化ビニル(PVC)と、 If, polypropylene (PP), vinyl chloride (PVC),
    テフロン(登録商標)と、ナイロンとから成るグループから選択される1つの材料である請求項1記載の純水装置。 Teflon and (R), pure water apparatus according to claim 1, wherein the one material selected from the group consisting of nylon. 【請求項8】 上記絶縁スペーサーは、厚さ2mmもしくはそれより薄い請求項1記載の純水装置。 8. The insulating spacer, pure water device having a thickness of 2mm or thinner than claim 1. 【請求項9】 上記直流電源は、整流した交流と、蓄電池と、太陽電池と、燃料電池とから成るグループから選択される請求項1記載の純水装置。 9. The DC power source, a rectified AC, battery and a solar cell, pure water apparatus according to claim 1 wherein is selected from the group consisting of a fuel cell. 【請求項10】 上記エネルギー貯蔵装置は、スーパーキャパシターおよびウルトラキャパシターならびに電気二重層キャパシターから成るグループから選択される請求項1記載の純水装置。 10. The energy storage device, pure water apparatus according to claim 1 wherein is selected from the group consisting of supercapacitors and ultracapacitors and electric double layer capacitor. 【請求項11】 上記機械セットアップは、カルーセルもしくはフェリスホイールである請求項1記載の純水装置。 11. The machine setup, pure water apparatus according to claim 1 wherein the carousel or Ferris wheel. 【請求項12】 上記脱イオン化は、直流電圧3Vあるいはそれ以下で作動する請求項1記載の純水装置。 12. The deionization is pure water apparatus according to claim 1, wherein operating the DC voltage 3V or less. 【請求項13】 上記電極の前記再生は、前記電極の前記残留エネルギーを請求項10の前記エネルギー貯蔵装置に放出することによって行われる請求項1記載の純水装置。 The reproduction of claim 13 wherein said electrode is pure water apparatus according to claim 1, wherein performed by releasing the residual energy of the electrode to the energy storage device of claim 10. 【請求項14】 上記脱イオン化および前記再生は、連続的かつ同時に連動することができる請求項1記載の純水装置。 14. The deionization and the regeneration, pure water apparatus of claim 1, wherein it is possible to work continuously and simultaneously. 【請求項15】 上記再生は、純粋な液体および廃液ならびに海水の中で実施することができる請求項1記載の純水装置。 15. The reproduction is pure water apparatus of claim 1, wherein it can be carried out in a pure liquid and waste as well as seawater. 【請求項16】 浄化された液体および電気は、コージェネレーションされる請求項1記載の純水装置。 16. clarified liquid and electricity, pure water apparatus according to claim 1, wherein the cogeneration. 【請求項17】 下に説明する部品と併せて次に挙げるモジュールのうちの1つで、(1)並列または直列に積重ねるとともに接続して、電気ショートの防止および電極間のイオン浸透の維持のために2つの電極ごとに介在するイオン伝導性スペーサーと一体となった1つのアノードおよび1つのカソードを形成する1つのモジュール、(2)1つのアノードおよび1つのカソードならびに2つのイオン伝導性スペーサーを含んで1つのオープンロールに螺旋状に巻く1つのモジュール、(3)前記電極の可逆の吸着および脱着に陰イオンおよび陽イオンを提供する電解液、(4)前記モジュール(1)または(2)の密封用の1つの保護ケースから構成される電力変換装置。 In one of 17. mentioned next along with part described below module, connected with stacking in parallel or series (1), maintenance of iontophoretic between preventing electrical shorting and electrode one anode and one single module for forming a cathode, (2) one anode and one cathode and two ion-conducting spacer was the ion-conducting spacer integrally interposed every two electrodes for the comprise one open roll to one spirally winding module, (3) electrolytic solution which provides an anion and cation adsorption and desorption of reversible said electrodes, (4) the module (1) or (2 power conversion apparatus comprised of one protective case for sealing). 【請求項18】 上記電解液は、塩分5,000ppmもしくはそれ以上を有する請求項17記載の電力変換装置。 18. The electrolyte solution, a power converter according to claim 17, further comprising a salt 5,000ppm or more. 【請求項19】 上記電解液は、水素イオン(H + )と、 19. The electrolyte solution includes a hydrogen ion (H +),
    アンモニウムイオン(NH 4+ )と、アルカリ金属と、アルカリ土類金属と、遷移金属と、およびそれらの組合わせとから成るグループから選択される陽イオンを有する請求項17記載の電力変換装置。 And ammonium ion (NH 4+), alkali metal and, an alkaline earth metal, a transition metal, and the power converter according to claim 17 further comprising a cation selected from the group consisting of a combination thereof. 【請求項20】 上記電解液は、水酸化物(OH - )と、 20. The electrolytic solution, hydroxide - and, (OH)
    ハロゲン化物と、硝酸イオン(NO 3 - )と、過塩素酸イオン(ClO 4 - )と、亜硫酸イオン(SO 3 2- )と、硫酸(SO 4 And halide, nitrate ions - and a perchlorate ion (NO 3) (ClO 4 - ) and a sulfite ion (SO 3 2-), sulfate (SO 4
    2- )と、リン酸イオン(PO 4 3- )と、それらの組合わせとから成るグループから選択される陰イオンを有する請求項17記載の電力変換装置。 And 2), and phosphate ions (PO 4 3-), the power converter according to claim 17, further comprising an anion selected from the group consisting of a combination thereof. 【請求項21】 上記電解液は、水と、メタノールと、 21. The electrolytic solution, and water, and methanol,
    エタノールと、アセトンと、アセトニトリルと、プロピレン・グリコールと、プロピレン・カーボネートと、エチレン・カーボネートと、それらの組合わせとから成るグループから選択される1つの溶剤を使用する請求項1 Ethanol, acetone, acetonitrile, propylene glycol, propylene carbonate, ethylene carbonate, claim 1 using a single solvent selected from the group consisting of combinations thereof
    7記載の電力変換装置。 7 power converter according.
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