JP2003285067A - Full automatic and energy saving deionization system - Google Patents

Full automatic and energy saving deionization system

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JP2003285067A
JP2003285067A JP2002332416A JP2002332416A JP2003285067A JP 2003285067 A JP2003285067 A JP 2003285067A JP 2002332416 A JP2002332416 A JP 2002332416A JP 2002332416 A JP2002332416 A JP 2002332416A JP 2003285067 A JP2003285067 A JP 2003285067A
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energy
cdi
deionization
liquid
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立人 ▲薛▼
Lih-Ren Shiue
Jitsukei Son
實慶 孫
Koshin Sho
興振 鍾
Hichin Sha
翡珍 謝
Gyokuka Sha
玉霞 謝
Ming-Liang Chiu
明良 邱
▲いん▼仁 ▲頼▼
Ying-Jen Lai
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YUKIN KAGI KOFUN YUGENKOSHI
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YUKIN KAGI KOFUN YUGENKOSHI
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    • C02TREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02FTREATMENT OF WATER, WASTE WATER, SEWAGE, OR SLUDGE
    • C02F1/00Treatment of water, waste water, or sewage
    • C02F1/46Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods
    • C02F1/469Treatment of water, waste water, or sewage by electrochemical methods by electrochemical separation, e.g. by electro-osmosis, electrodialysis, electrophoresis
    • C02F1/4691Capacitive deionisation

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a full automatic and energy saving deionization system for performing deionization and recovery of useful resources with high efficiency using inexpensive materials and easy assemble. <P>SOLUTION: The system has five subsystems, and removes ion contaminant in various kinds of liquids with small energy consumption. Based on a charge and discharge principle of a capacitor, ions are attracted by applying a DC low voltage to an electrode, and the electrode is regenerated by discharging electricity. As a result, 30% or more treatment energy can be recovered and stored. The deionization and regeneration are simultaneously processed by different electrode modules for one minute, and the two treatment processes are instantly changed by the electrode modules for the next one minute. The prompt repeating processes are performed in synchronization and collaboration with the five subsystems such as the electrode, the electrode modules, energy management, liquid transmission and automatic control. The shortest treatment time and the energy recovery is performed at a low cost, as a result, water- saving, reduction of contaminant, resource recovery, desalination of seawater and metal extract from seawater can be realized. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【発明の詳細な説明】Detailed Description of the Invention

【0001】この発明は、エネルギー管理およびその他
の自動制御システムを利用して、液体中から自動的かつ
継続的に帯電種を除去する脱イオンシステムに関し、特
に、多数個の通液式コンデンサー(flow through capac
itor = FTC)において容量性脱イオン(capacitive dei
onization = CDI)によりイオン除去を行うとともに、
スーパーコンデンサー、ウルトラコンデンサーまたは二
重層コンデンサーをもってFTC再生時の電気エネルギ
ーを回収する際の蓄積手段とするに全自動・省エネルギ
ーの脱イオン装置に関する。
The present invention relates to a deionization system for automatically and continuously removing charged species from a liquid by utilizing energy management and other automatic control systems, and more particularly to a large number of flow-through capacitors (flow condensers). through capac
capacitive deionization at itor = FTC)
onization = CDI) while removing ions,
The present invention relates to a fully automatic and energy-saving deionization device that uses a supercapacitor, an ultracapacitor, or a double-layer capacitor as a storage means when recovering electric energy during FTC regeneration.

【0002】[0002]

【従来の技術】汚染された液体および水中には、無数の
有機・無機あるいは生物汚染物が含まれている。汚水の
汚物を除去する方法または技術には、さまざまなものが
あるが、万能なものはない。あらゆる汚染物において、
帯電種またはイオンは、液体中に分解あるいは加水分解
されてイオンとなる。いずれにしても、これらの汚染物
は、いずれも全溶解固形物(total dissolved solids =
TDS)と呼ばれて使用可能あるいは廃棄の基準にあては
められ、濾過よりも複雑な処理方法が採用されなければ
ならない。いずれの方法を採用するにしても、下記の要
求:1)低コスト、2)高効率、3)二次汚染なし、4)耐久
性、5)省エネルギー性を満たすものでなければならず、
そうであって初めて競争力を備えた液体浄化技術と言え
るのである。
BACKGROUND OF THE INVENTION Contaminated liquids and water contain numerous organic, inorganic or biological contaminants. There are various methods or techniques for removing wastewater filth, but none are universal. In every contaminant,
The charged species or ions are decomposed or hydrolyzed in the liquid to become ions. In any case, all of these contaminants are total dissolved solids =
Called TDS), it must meet the criteria for use or disposal, and a more complicated treatment method than filtration must be adopted. Whichever method is used, it must meet the following requirements: 1) low cost, 2) high efficiency, 3) no secondary pollution, 4) durability, 5) energy saving,
Only then can it be said that it is a liquid purification technology with competitiveness.

【0003】イオン交換または逆浸透(reverse osmosi
s = RO)は、TDSを低減するために常用される2つの
技術である。イオン交換樹脂は、使用する前に強酸ある
いは強アルカリのような化学薬品または高品質な純水で
洗浄しなければならず、しかも樹脂は容易に退化するの
で、イオン交換樹脂の再生は、数回しかできない。従っ
て、化学薬品および純水の消費から言えば、イオン交換
法は、資源を浪費するものであり、しかも前処理ならび
に再生において、いずれも二次汚染を引き起こすもので
ある。溶剤が浸透していく自然移動とは異なって、RO
操作において純粋溶剤(例えば純水)が逆方向移動す
る、つまり高濃度側からRO薄膜の細孔を通って低濃度
側へ移動するが、いかなる溶液においても浸透圧が存在
し、その圧力は濃度に比例して高くなるのであるから。
RO薄膜に必ず圧力を加えて溶液の浸透圧に打ち勝って
初めてROは溶液から純粋溶剤を抽出することができ
る。それ故に、ROは、加圧という大きい処理エネルギ
ーが必要であり、さらに問題なのは、大部分の液体がい
ずれも回収されずに、溶剤が奪われて汚染物が溶液中に
留まるので、原溶液の汚染度が大きくなってしまうこと
である。RO薄膜の孔径は、0.5μmと小さいので、
汚物が詰まりやすく、RO薄膜は、費用のかかる設備の
前処理というメンテナンスが必要となる。RO薄膜の再
生も化学薬品および純粋溶剤(例えば純水)を浪費する
ものであるとともに、二次汚染を伴うものである。
Ion exchange or reverse osmosi
s = RO) are two techniques commonly used to reduce TDS. The ion exchange resin must be washed with a chemical such as a strong acid or a strong alkali or high-quality pure water before it is used, and since the resin degenerates easily, the ion exchange resin must be regenerated several times. I can only do it. Therefore, in terms of consumption of chemicals and pure water, the ion exchange method wastes resources, and both pretreatment and regeneration cause secondary pollution. Unlike natural migration in which solvent penetrates, RO
In the operation, the pure solvent (for example, pure water) moves in the reverse direction, that is, moves from the high concentration side to the low concentration side through the pores of the RO thin film, but in any solution, there is an osmotic pressure, and the pressure is the concentration. It will increase in proportion to.
Only when pressure is applied to the RO thin film to overcome the osmotic pressure of the solution, RO can extract the pure solvent from the solution. Therefore, RO requires a large amount of processing energy of pressurization, and the problem is that most of the liquid is not recovered, the solvent is taken away, and the contaminant remains in the solution. That is, the degree of pollution will increase. Since the RO thin film has a small pore size of 0.5 μm,
The fouling tends to be clogged and the RO membrane requires maintenance, which is an expensive pretreatment of the equipment. Regeneration of the RO thin film also wastes chemicals and pure solvents (eg pure water) and is associated with secondary contamination.

【0004】TDSと帯電種とは関わりのあるものであ
るから、電気化学技術、とりわけ容量性脱イオン(capa
citive deionization = CDI)は、イオン交換ならびに
ROよりもイオン汚染物の低減に適したものである。C
DIは、コンデンサー構造、より明確に言うと、通液式
コンデンサー(flow through capacitor = FTC)を利用
して、電極に低いDC(直流)電圧を印加して静電場を
発生させて、静電場を通過する溶液中のイオンを収着す
るものである。電気によりイオンの除去または液体の浄
化を制御することは、多くの調整可能なパラメーターを
含むので、CDIには多様な利用方法が存在することと
なる。アメリカ特許には、多くのCDIおよびFTCに
関するものがあり、典型的なものとしては、例えば、特
許文献1〜9のアメリカ特許があり、これらアメリカ特
許をこの発明の参考資料とする。
Because of the relationship between TDS and charged species, electrochemical techniques, especially capacitive deionization (capa)
Citive deionization = CDI) is more suitable for ion exchange and reduction of ionic contaminants than RO. C
DI is a capacitor structure, more specifically, a through-flow type capacitor (flow through capacitor = FTC) is used to apply a low DC (direct current) voltage to electrodes to generate an electrostatic field. It sorbs ions in the passing solution. Controlling the removal of ions or the purification of liquids by electricity involves many tunable parameters, so that there are various uses for CDI. There are many US patents related to CDI and FTC, and typically, there are US patents of Patent Documents 1 to 9, for example, and these US patents are used as reference materials for the present invention.

【0005】[0005]

【特許文献1】米国特許第3,515,664号明細書[Patent Document 1] US Pat. No. 3,515,664

【特許文献2】米国特許第3,658,674号明細書[Patent Document 2] US Pat. No. 3,658,674

【特許文献3】米国特許第5,514,269号明細書[Patent Document 3] US Pat. No. 5,514,269

【特許文献4】米国特許第5,766,442号明細書[Patent Document 4] US Pat. No. 5,766,442

【特許文献5】米国特許第6,022,436号明細書[Patent Document 5] US Pat. No. 6,022,436

【特許文献6】米国特許第6,325,907号明細書[Patent Document 6] US Pat. No. 6,325,907

【特許文献7】米国特許第6,346,187号明細書[Patent Document 7] US Pat. No. 6,346,187

【特許文献8】米国特許第6,410,428号明細書[Patent Document 8] US Pat. No. 6,410,428

【特許文献9】米国特許第6,413,409号明細書[Patent Document 9] US Pat. No. 6,413,409

【0006】[0006]

【発明が解決しようとする課題】これらのアメリカ特許
には、さまざまな電極ならびに電極モジュールの製造方
法、および各種の流体流動方式が開示されているが、い
ずれも大量の液体を処理するという商業的実施方法を欠
いている。そのうちでも最も多い欠点が、高速充電およ
び高速放電というコンデンサーの基本原理を忘れている
ことである。実際上、CDI電極モジュールのイオン収
着は、すなわちコンデンサーの充電行程であり、CDI
電極モジュールのイオン離脱は、すなわちコンデンサー
の放電行程である。コンデンサーの充放電は、一般に、
数秒間以内に完了するとともに、無数回にわたって繰り
返すことができるので、CDI技術によるイオン収着お
よびイオン離脱も迅速に行うべきであり、不必要な遅延
を行うべきではない。とりわけ優れた点は、コンデンサ
ーを充電するために投資された電気エネルギーは、放電
時にエネルギーとして獲得できることである。従って、
CDI電極を再生する時に、電気エネルギーを回収して
副産物とすることができる。イオン交換ならびにROと
は異なって、CDI電極の再生は、化学薬品および純粋
溶剤を消費しないし、二次汚染も発生させないのであ
る。CDI技術は、環境保護のために使用できる低コス
トおよび高エネルギー生産の方法であって、脱イオンに
は低い処理エネルギーを使用し、再生時には電気エネル
ギーを回収できるとともに、いずれの行程も迅速に完了
することができる。また、この発明は、全自動CDI実
施方法を提供して、海水の淡水化、廃液を回収して商業
的な純水を製造すること、廃液を減少させること、また
は付加価値を発生させることを実施できる。
These U.S. patents disclose various methods of making electrodes and electrode modules, and various fluid flow systems, all of which are commercial methods for treating large volumes of liquids. It lacks a method of implementation. The most common drawback of them is that they forget the basic principles of capacitors: fast charging and fast discharging. In fact, the ion sorption of the CDI electrode module is the charging process of the capacitor,
The desorption of ions from the electrode module is the discharge stroke of the capacitor. Charge and discharge of the capacitor is generally
Ion sorption and ion desorption by the CDI technique should also be rapid, not needlessly delayed, as it can be completed within a few seconds and can be repeated an infinite number of times. A particular advantage is that the electrical energy invested to charge the capacitor can be obtained as energy during discharge. Therefore,
When regenerating the CDI electrode, electric energy can be recovered and used as a by-product. Unlike ion exchange and RO, CDI electrode regeneration does not consume chemicals and pure solvents, nor does it produce secondary contamination. CDI technology is a low cost and high energy production method that can be used for environmental protection, uses low processing energy for deionization, recovers electrical energy during regeneration, and completes both steps quickly can do. The present invention also provides a fully automatic CDI implementation method to desalinate seawater, recover wastewater to produce commercial pure water, reduce wastewater, or generate added value. Can be implemented.

【0007】[0007]

【課題を解決するための手段】CDI電極モジュールの
イオン収着および電極の再生は、自然界における2つの
基本的な物理変化である。表面収着は、静電引力により
発生し、電極の再生は、静電の消失によるものである。
この2つのCDI行程は、コンデンサーの充放電と同様
に外界の誘導により迅速に発生する可逆反応である。そ
こで、この発明の第1の目的は、前述した物理変化を利
用して、高いエネルギー効率により純水、純粋溶剤、有
用物質を製造する全自動システムを提供することにあ
る。この発明の方向性に合わせて、安価な材料を使用し
てイオンの活性収着剤とする。先ず、選択される材料
は、収着性と、導電性と、強酸・強アルカリ・強酸化剤
・有機溶剤という劣悪な環境における不活性とを備えな
ければならない。使用できる材料のうち、活性炭がCD
I応用の理想的なグループである。特殊なカーボン材料
を合成して付加価値を付ける場合を除いて、安価な普通
の活性炭で充分にCDIに使用することができる。ロー
ラー塗布と接着剤の添加という従来技術により普通の活
性炭を金属基板上に固定して、CDI電極とすることが
できる。この発明の第2の目的は、簡単かつ有効な組立
により、CDI電極モジュールを作り出すことにある。
全ての電極モジュールは、いずれもFTCと同様に、液
体を自由に通過させなければならない。高い収着率を獲
得するために、処理すべき液体はモジュール中の電場を
通過しなければならない。言い換えれば、流体が電極間
を通過しなければならず、いかなる液体も電場を経ずに
流出することがあってはならず、FTC容器にも死角を
存在させて液体が未処理となることがあってはならな
い。コンデンサーの一般的で簡単な組立は、螺旋巻き付
けと平行堆積とであり、いずれもFTCの製造に用いる
ことができ、液体処理システムに必要な形状ならびに容
器にぴったりと合わせることができる。FTCおよびそ
の容器からなる処理ユニットにおいて、さらに気密パッ
ケージと流体誘導とを配置することにより、必要な液体
流動方式を確立することができる。
Ion sorption and electrode regeneration of CDI electrode modules are two fundamental physical changes in nature. Surface sorption occurs due to electrostatic attraction, and electrode regeneration is due to the disappearance of static electricity.
These two CDI processes are reversible reactions that occur rapidly by the induction of the external environment, like the charging and discharging of capacitors. Therefore, a first object of the present invention is to provide a fully automatic system for producing pure water, a pure solvent, and a useful substance with high energy efficiency by utilizing the above-mentioned physical changes. In accordance with the direction of the present invention, an inexpensive material is used as an ionic active sorbent. First, the material selected must be sorbent, electrically conductive, and inert in the harsh environment of strong acids, strong alkalis, strong oxidants, and organic solvents. Of the materials that can be used, activated carbon is CD
It is an ideal group for I applications. Except when special carbon materials are synthesized to add value, inexpensive ordinary activated carbon can be sufficiently used for CDI. Ordinary activated carbon can be fixed on a metal substrate to form a CDI electrode by the conventional techniques of roller coating and addition of an adhesive. A second object of the invention is to create a CDI electrode module by simple and effective assembly.
Like all FTCs, all electrode modules must allow liquids to pass freely. In order to obtain a high sorption rate, the liquid to be treated must pass through the electric field in the module. In other words, the fluid must pass between the electrodes, no liquid can flow out without passing through an electric field, and the FTC container can also have blind spots, leaving the liquid untreated. It shouldn't be. A common and simple assembly of capacitors is spiral wrapping and parallel deposition, both of which can be used in the manufacture of FTCs and can fit exactly into the shape and container required for liquid handling systems. By further disposing the airtight package and the fluid guide in the processing unit including the FTC and its container, the required liquid flow system can be established.

【0008】CDI処理ユニットを完成させた後は、エ
ネルギー管理手段により電極モジュールが液体を浄化す
る時の脱イオンおよび再生、あるいは充電および放電を
制御する必要がある。そこで、この発明の第3の目的
は、エネルギー管理サブシステムを設けることにあり、
それには、DC電源と、エネルギー蓄積手段と、必要と
する脱イオンまたは再生の処理時間の長さを設定できる
マイクロコントローラーとが含まれる。脱イオン時に
は、電流が電源から電極へ送られ、再生時には、電極の
余剰エネルギーがエネルギー蓄積手段へ送られる。脱イ
オンおよび再生は、適切な時間に行われるよう制御し、
不必要な遅延がないようにしなければならない。また、
DC電圧もイオン静電引力を発生させるだけのものと
し、電気化学反応を発生させるものであってはならな
い。
After the completion of the CDI processing unit, it is necessary to control deionization and regeneration, or charging and discharging when the electrode module purifies the liquid by the energy management means. Therefore, a third object of the present invention is to provide an energy management subsystem,
It includes a DC power supply, energy storage means, and a microcontroller that can set the length of deionization or regeneration processing time required. During deionization, current is sent from the power supply to the electrode, and during regeneration, surplus energy of the electrode is sent to the energy storage means. Deionization and regeneration should be controlled to occur at the appropriate time,
There should be no unnecessary delay. Also,
The DC voltage should also only generate an ionic electrostatic attraction, not an electrochemical reaction.

【0009】この発明の第4の目的は、マイクロプロセ
ッサーを含んで、オンラインセンサーならびに電磁流体
バルブを有する自動化サブシステムとすることにある。
センサーがある処理ユニットの流出液が事前に設定した
不純度を超過した時、つまり当該ユニットが再生処理を
必要とする時、センサーがマイクロプロセッサーへ信号
を発信して電磁バルブの流動経路を変更し、導入液体を
要処理液体から再生用液体に換えると同時に、電極モジ
ュールが同期して自動的に脱イオンから再生、あるいは
充電から放電に変わる。全てのオンライン計測、液体流
動経路の変更、エネルギー変換が、いずれも必要とする
発生順序および必要とする循環回数をプログラム設定す
ることができ、人間がそばに居て操作する必要がない。
A fourth object of the present invention is to provide an automated subsystem including a microprocessor and having an online sensor as well as a magnetic fluid valve.
When the sensor's effluent of a processing unit exceeds a preset impurity level, i.e. when the unit requires regeneration, the sensor signals the microprocessor to change the flow path of the solenoid valve. At the same time when the liquid to be introduced is changed from the liquid to be treated to the liquid for regeneration, the electrode module is synchronized and automatically changed from deionization to regeneration or charging to discharging. All on-line measurements, liquid flow path changes, and energy conversions can all be programmed with the required sequence of occurrences and the number of circulations required, without the need for human intervention to operate.

【0010】この発明の第5の目的は、高価で脆弱な液
体処理設備、例えばイオン交換およびRO設備用の前処
理として全自動CDI設備を使用することにある。CD
Iは、海水のような高濃度液体を直接浄化して、液体の
TDSをイオン交換およびROの適正範囲にまで低下さ
せることができるので、イオン交換およびRO設備の耐
久寿命を延ばすことができる。使用する材料は、安価で
あり、操作運転エネルギーも低く、汚染がないという特
性により、この発明の全自動CDIシステムは、各種液
体の汚染に対して、多項目にわたるコスト低減効果をも
たらすことができる。
A fifth object of the present invention is to use fully automatic CDI equipment as a pretreatment for expensive and fragile liquid treatment equipment, such as ion exchange and RO equipment. CD
Since I can directly purify a high-concentration liquid such as seawater and reduce the TDS of the liquid to a proper range for ion exchange and RO, the durable life of the ion exchange and RO equipment can be extended. Due to the characteristics that the materials used are inexpensive, have low operating energy, and have no pollution, the fully automatic CDI system of the present invention can bring about a multi-item cost reduction effect against contamination of various liquids. .

【0011】この発明の第6の目的は、有用資源を回収
ならびに再利用する全自動CDI設備を提供することに
ある。CDI電極モジュール再生時に、洗浄液により離
脱イオンを輸送できる、つまり、脱イオンにより液体中
から除去したイオン汚染物を所定の貯蔵タンクへ輸送し
てから、有用資源を濃縮回収することができる。浄化処
理により発生した汚泥を容易に処理できるだけでなく、
廃液を減量処理できる効果もある。
A sixth object of the present invention is to provide a fully automatic CDI facility for recovering and reusing useful resources. When regenerating the CDI electrode module, the desorbed ions can be transported by the cleaning liquid, that is, the ion contaminants removed from the liquid by deionization can be transported to a predetermined storage tank, and then the useful resources can be concentrated and recovered. Not only can sludge generated by the purification process be easily treated,
It also has the effect of reducing the amount of waste liquid.

【0012】[0012]

【発明の実施の形態】以下、この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。コンデンサーは、人
類の生活に深く入り込んでおり、デジタル時代を創造す
る集積回路から、人類が居住する地球まで全てそうであ
る。地球は、事実上、巨大な球体コンデンサーである。
自然界において、重い氷結体と氷結晶とが相互摩擦を起
こして、電荷を発生させるとともに、雲の中に蓄積され
る。蓄積された電荷は、1秒間もかからないで充電およ
び放電を完了することができる。人が作ったコンデンサ
ーも1秒間もかからないで充電および放電を完了する。
コンデンサーには、静電コンデンサーと電気化学コンデ
ンサーとの2種類がある。電気化学コンデンサーは、溶
剤と可溶または分解可能な塩類からなる電解液とを含
み、大きな電気容量を有する。電気化学コンデンサーの
2つの導電板とDC電源の両極とが接続される時、各コ
ンデンサーの極板には、接続された電源端子と同一な電
気的性質および電位が得られると同時に、正極に通電さ
れた極板が電解液のマイナスイオンを収着し、コンデン
サーの負極板にはプラスイオンが収着される。コンデン
サーの極板表面に正負イオンまたはプラス・マイナスイ
オンが収着されると、電気化学コンデンサーの電気容量
が形成される。DC電源をコンデンサーの極板に印加す
ることにより電荷を収集する行程が発生して、コンデン
サーの充電となる。コンデンサーの電気容量および内部
電気抵抗値の違いにより、コンデンサーの充電時間は、
1秒未満から数秒という長さとなる。
DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Preferred embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings. Capacitors are deeply embedded in human life, from the integrated circuits that create the digital age to the earth on which humans live. The Earth is, in effect, a giant spherical condenser.
In nature, heavy ice crystals and ice crystals rub against each other to generate electric charges and are accumulated in clouds. The accumulated charge can be charged and discharged in less than 1 second. Charging and discharging is completed in less than 1 second even with a human-made capacitor.
There are two types of capacitors: electrostatic capacitors and electrochemical capacitors. The electrochemical capacitor contains a solvent and an electrolyte solution containing soluble or decomposable salts and has a large electric capacity. When the two conductive plates of the electrochemical capacitor and both poles of the DC power supply are connected, the electrode plate of each capacitor has the same electrical property and potential as the connected power supply terminal, and at the same time, the positive electrode is energized. The prepared electrode plate sorbs the negative ions of the electrolytic solution, and the negative electrode plate of the capacitor absorbs the positive ions. When positive or negative ions or positive or negative ions are sorbed on the surface of the capacitor plate, the electric capacity of the electrochemical capacitor is formed. By applying a DC power supply to the plates of the capacitor, the process of collecting the charges occurs, and the capacitor is charged. Due to the difference in the electric capacity and internal resistance of the condenser, the charging time of the condenser is
The length is from less than 1 second to several seconds.

【0013】図1(a)において、図中のコンデンサー
の2電極は、2枚の平行プレートを含み、プレート上に
収着剤を塗布したものであり、粗い表面で表示している
が、図を明確なものとするために、図1(a)および図
1(b)の各構成要素には、いずれも数字による符号を
付していない。図1(a)において、2つの導電板が電
池記号により表したDC電源に接続される時、粗い表面
の各高低点において当該通電極板と同一な電気的性質を
得るが、電位は、数値が少し低いものとなる。言い換え
れば、正負の電気を通電した各極板上に無数の静電引力
中心があり、イオンを収着することができる。塩水が、
通電された極板間を通過すれば、プラスイオンは、マイ
ナスを帯びた中心に収着され、マイナスイオンは、プラ
スを帯びた中心に収着される。このような電極表面への
収着がコンデンサーの充電であり、図1(a)の行程も
塩水の脱イオンであり、塩水を淡水に換えることができ
る。図1(a)に示したイオンを除去する方法は、容量
性脱イオン(CDI)と呼ばれる。この技術分野に習熟し
た当業者であれば知っているように、CDIに使用する
導電板を基板または集電板と呼んでおり、その上の収着
剤を活性物と呼んでいる。CDIの主要な目標は、脱イ
オンまたは脱塩であり、この技術は、電気分解を防止す
るために、0.5〜3Vという低いDC電源のみを必要
としている。また、集電板と活性物とは、いずれも収着
性と導電性と各種劣悪な環境における不活性とを備えた
ものでなければならない。もしもCDIにより海水を淡
水化する場合、塩の腐食性への抵抗ならびに材料コスト
から言うと、チタン(Ti)が集電板として最良の選択で
ある。しかし、プラチナ(Pt)およびパラジウム(Pd)
は、腎臓の血液透析のような過酷な応用に使用できる集
電板である。活性炭は、収着能力および大きな表面積な
らびに低コストという条件を備えているため、CDIの
最も便利な活性物である。市場にある活性炭商品は、種
類が多く、使用する材料の選択には、時間をかけなけれ
ばならない。コスト以外にも、選択する活性炭は、少な
くとも1000m/gの重量比表面積を必要とし、粒
径は少なくとも200mesh以下であり、0%の灰分とす
るものでなければならない。その他の高価なカーボン材
料、例えば、C60およびカーボンナノチューブも少量
使用することができる。穏和で中性である液体を処理す
る時、例えば、二酸化マンガン(MnO)ならびに磁
鉄鉱(Fe)のような金属酸化物は、特殊な収着
機能を備えるので、特殊なCDIへの応用に有利であ
る。コンデンサーの充電速度の速さと同様に、CDI電
極表面もイオンによる被覆で迅速に飽和するため、CD
Iの操作も短時間で行わなければならない。低い操作電
圧および短い処理時間という条件のもと、CDIは、液
体のTDSを低下させることにおいて、相当に省エネル
ギーである。CDIが10トンの海水を35,000ppmから2
50ppmの淡水に淡水化する場合を試算すると、約1kwhの
電気エネルギーを消費するものとなる。図1(a)の処
理を経た後、得られる水の純度は、活性炭の有効表面積
およびCDI電極間の距離により決定される。
In FIG. 1 (a), the two electrodes of the capacitor in the figure include two parallel plates, and the sorbent is applied on the plates, which is shown as a rough surface. In order to clarify the above, each constituent element in FIGS. 1A and 1B is not attached with a numerical symbol. In FIG. 1 (a), when two conductive plates are connected to a DC power source represented by a battery symbol, the same electrical property as that of the through electrode plate is obtained at each high and low point of the rough surface, but the potential is a numerical value. Is a little lower. In other words, there are innumerable electrostatic attraction centers on each of the electrode plates that are energized with positive and negative electricity, and ions can be sorbed. Salt water
Positive ions are sorbed at the negative center and negative ions are sorbed at the positive center when they pass between the energized electrode plates. The sorption on the electrode surface is the charging of the condenser, and the process of FIG. 1 (a) is also the deionization of salt water, so that salt water can be replaced with fresh water. The method of removing the ions shown in FIG. 1A is called capacitive deionization (CDI). As known to those skilled in the art, the conductive plate used for CDI is called a substrate or current collector, and the sorbent on it is called an active substance. The main goal of CDI is deionization or desalting, and this technique requires only a low DC power supply of 0.5-3V to prevent electrolysis. Further, both the current collector plate and the active substance must have sorption properties, conductivity, and inertness in various poor environments. If seawater is desalinated by CDI, titanium (Ti) is the best choice as a current collector because of its resistance to salt corrosion and material cost. However, platinum (Pt) and palladium (Pd)
Is a current collector that can be used in harsh applications such as renal hemodialysis. Activated carbon is the most convenient activator of CDI because of its sorption capacity and large surface area and low cost requirements. There are many types of activated carbon products on the market, and it takes time to select materials to be used. In addition to cost, the activated carbon selected must have a weight specific surface area of at least 1000 m 2 / g, a particle size of at least 200 mesh and a ash content of 0%. Other expensive carbon materials such as C 60 and carbon nanotubes can also be used in small amounts. When treating mild and neutral liquids, metal oxides such as manganese dioxide (MnO 2 ) as well as magnetite (Fe 3 O 4 ) have a special sorption function and thus a special CDI It is advantageous for application. Similar to the charging speed of the capacitor, the CDI electrode surface is quickly saturated with ions, so that the CD
The operation of I must also be performed in a short time. Subject to low operating voltages and short processing times, CDI is a considerable energy saver in lowering the TDS of liquids. CDI 10 tons seawater from 35,000ppm to 2
A trial calculation of desalination into 50 ppm fresh water will consume about 1 kwh of electrical energy. The purity of the water obtained after the treatment of FIG. 1 (a) is determined by the effective surface area of activated carbon and the distance between the CDI electrodes.

【0014】図1(a)の電極が飽和した時、電極を再
生またはイオンを離脱させて、その収着能力を回復する
必要がある。電気化学コンデンサーが放電する時と同様
に、イオンが電解液中へ戻るにつれて、図1(b)に示
したように、飽和したCDI電極も負荷へ放電すること
により表面上のイオンを除去することができる。CDI
電極を再生する時には3つの特徴を掌握して初めてCD
Iが環境保護に適した海水を淡水化する商用技術とな
る。第1に、CDI電極の再生は、コンデンサーの充電
と同様に迅速なものでなければならない。第2に、収着
されたイオンが放電にともなってCDI電極を自動的に
離れるので、いかなる溶液も離脱イオンを所定の貯蔵タ
ンクへ輸送してから、濃縮して有用資源を回収するため
に使用することができる。図1(b)に示すように、電
極は、少量の純水による洗浄で相互の汚染を減少させる
ことができる。第3に、飽和したCDI電極上の余剰電
気エネルギーを回収して貯蔵し、他へ供用しなければな
らない。脱イオン時に投入した処理エネルギーは、少な
くとも30%を再生時に回収することができる。回収で
きる電気量は、通常、巨大なものであり、利益に繋げる
ことができる。例えば、CDI技術を利用して日産3万
トンを淡水化する脱塩工場は、3万kwhの電気で脱イオ
ンを行うので、その処理エネルギーの9000kwhを回
収することができる。このように巨大な電気エネルギー
を迅速に回収するためには、スーパーコンデンサーおよ
びウルトラコンデンサーならびに二重層コンデンサーに
より行うしかない。スーパーコンデンサーは、電池また
はインダクタンスあるいはフライホイールよりもこのよ
うなエネルギー蓄積に適している。それは、スーパーコ
ンデンサーが大きな体積エネルギー密度を備えており、
いかなる充電電流を受け容れても発熱あるいは磁気帯び
現象を発生させることがないからである。コンデンサー
は、一般に、螺旋巻き取りまたは周密堆積により製造さ
れ、電極間にはスペーサーを設けて電極を電気絶縁し
て、短絡を防止する。CDI電極は、一般のコンデンサ
ー組立を援用して、液体処理システムに合った容器の各
種モジュールを製作することができる。CDI処理ユニ
ットは、電極モジュールとその容器とから形成される。
処理ユニットは、漏液を防止するだけでなく、同時に全
ての処理すべき液体をモジュール内に形成された静電場
を通過させなければならず、未処理な液体と純化された
液体とを混合させることはできない。CDIは、常温常
圧下で運用されるので、必要とする液流のパイプライン
の設立ならびに接合を容易に行うことができるととも
に、メンテナンス費用も少ない。しかしながら、CDI
モジュール再生時のエネルギー回収は、迅速かつ完全に
行い、液体間の相互汚染を微小なものとしなければなら
ないと同時に、活性物層を長時間にわたって有効なもの
としなければならず、そうして初めてCDIの運転コス
トをこの発明が提示する材料コストと同様に廉価なもの
とすることができる。
When the electrode of FIG. 1 (a) is saturated, it is necessary to regenerate the electrode or desorb ions to recover its sorption capacity. As with the discharge of the electrochemical capacitor, as the ions return into the electrolyte, the saturated CDI electrode also discharges to the load to remove the ions on the surface, as shown in Figure 1 (b). You can CDI
Only when grasping the three characteristics when reproducing the electrode, the CD
I will be a commercial technology for desalination of seawater suitable for environmental protection. First, regeneration of the CDI electrode should be as fast as charging the capacitor. Second, the sorbed ions will automatically leave the CDI electrode upon discharge, so any solution can be used to transport the desorbed ions to a given storage tank and then concentrate them to recover useful resources. can do. As shown in FIG. 1 (b), the electrodes can be cleaned with a small amount of pure water to reduce mutual contamination. Third, the surplus electrical energy on the saturated CDI electrode must be collected and stored for other use. At least 30% of the processing energy input during deionization can be recovered during regeneration. The amount of electricity that can be collected is usually enormous and can be profitable. For example, a desalination plant that desalinates 30,000 tons per day using the CDI technology performs deionization with electricity of 30,000 kwh, so that 9000 kwh of processing energy can be recovered. In order to recover such a huge electric energy rapidly, there is no choice but to use super capacitors, ultra capacitors, and double layer capacitors. Supercapacitors are better suited for such energy storage than batteries or inductances or flywheels. It is because the supercapacitor has a large volume energy density,
This is because even if any charging current is accepted, heat generation or a magnetic tingling phenomenon does not occur. Capacitors are generally manufactured by spiral winding or dense deposition and spacers are provided between the electrodes to electrically insulate the electrodes and prevent short circuits. The CDI electrode can be manufactured by using a general capacitor assembly to manufacture various modules of a container suitable for a liquid processing system. The CDI processing unit is formed of an electrode module and its container.
In addition to preventing leakage, the processing unit must simultaneously pass all the liquids to be processed through the electrostatic field created in the module, which mixes unprocessed liquids with purified liquids. It is not possible. Since the CDI is operated at room temperature and normal pressure, the required liquid flow pipeline can be easily established and joined, and the maintenance cost is low. However, CDI
Energy recovery during module regeneration must be done quickly and completely, with minimal cross-contamination between liquids, and at the same time the active material layer must be effective for a long time. The operating costs of CDI can be as low as the material costs offered by this invention.

【0015】図2において、符号200は、3個が直列
となったCDI処理ユニットの縦型分離器により形成さ
れた全自動CDIシステムを示している。図2は、シス
テムの主要部分だけを示しており、その他の細かい部分
は、明確にするために、省略している。1つの完全なC
DI自動化システムは、5つのサブシステムを含んでお
り、E1,E2,E3で示した電極サブシステムと、
C1,C2,C3で示したCDI処理ユニットサブシ
ステムと、マイクロコントローラー(μC)およびD
C電源ならびにスーパーコンデンサー(S/C)からな
るエネルギー管理サブシステムと、液流パイプおよび
連接器からなる液流サブシステムと、マイクロコント
ローラーμCまたはマイクロプロセッサー(図示せず)
およびオンラインセンサー(S1,S2,S3)ならび
に電磁流体バルブ(T)からなる自動制御サブシステム
とから構成されている。図2は、3個のCDI処理ユニ
ットしか示していないが、必要に応じて、あらゆる数量
の処理ユニットを使用することができ、直列、並列ある
いは混合方式により、理想的なCDI液体処理システム
を構成することができる。また、図2では、電極モジュ
ールE1,E2,E3を円筒形として簡単に図示し、モ
ジュールの容器を長方形とし、電極モジュールと容器と
を緩やかな組み合わせとして図示している。全自動CD
Iシステム200の操作において、海水のような汚水が
ポンプ202により貯蔵タンク201から電磁流体バル
ブ203,204,205を経てCDI処理ユニットC
1,C2,C3へ送られる。汚水がCDI処理ユニット
C1,C2,C3に入ると、マイクロコントローラーμ
Cが、DC電源にCDI処理ユニットC1,C2,C3
の電極モジュールへ電源供給するよう同期で指示を出し
て、所定時間の脱イオンを行う。脱イオン処理が終了し
た時、オンラインセンサーS1,S2,S3が流出液の
導電率・電気抵抗・pH・光吸収率を計測するととも
に、設定基準と比較して、流出液を収集使用できるか否
か、あるいは更に脱イオンが必要か否かを決定する。セ
ンサーの判断に基づいて、流出液が純化基準を達成して
いれば、センサーがマイクロコントローラーμCへ通知
して、電磁流体バルブ206,207,208の流路に
変更させ、純水を電磁流体バルブ209,210,21
1を経て流体パイプ216,218,220からパイプ
222へ送り、貯蔵タンク212に貯蔵または地元の給
水システムへ輸送する。パイプ222には、さらに制御
バルブ(図示せず)を設置して、純水が貯蔵タンク21
2からCDI処理ユニットC1,C2,C3へ逆流する
ことを防止する。流出液が清浄であれば、CDI処理ユ
ニットC1,C2,C3は、さらに多くの汚水を脱イオ
ンするが、そうでなければ、CDI処理ユニットC1,
C2,C3を再生しなければならない。再生時には、流
入液が、汚水(タンク201より)からタンク213お
よびポンプ214に切り替わって純水を供給する。純水
があるCDI処理ユニットへ入る場合には、当該CDI
処理ユニットへの汚水供給が停止されると同時に、マイ
クロコントローラーμCが関連する電磁流体バルブに純
水の通過を指示する。脱イオンと同様に、CDI処理電
極モジュールは純水で所定時間だけ再生される。再生が
終了した時、流出液が離脱イオンとともにパイプ21
5,217,219を経てパイプ221へ入りタンク2
13へ戻る。その後、有用なイオンは、濃縮回収されて
再使用あるいは副産物として販売され、CDI処理に付
加価値を与えるものとなる。
In FIG. 2, reference numeral 200 indicates a fully automatic CDI system formed by vertical separators of three CDI processing units in series. FIG. 2 only shows the main parts of the system, the other details are omitted for clarity. 1 perfect C
The DI automation system includes five subsystems, the electrode subsystems designated by E1, E2 and E3,
CDI processing unit subsystem indicated by C1, C2 and C3, and microcontroller (μC) and D
Energy management subsystem consisting of C power supply and super condenser (S / C), liquid flow subsystem consisting of liquid flow pipe and articulator, microcontroller μC or microprocessor (not shown)
And an on-line sensor (S1, S2, S3) and an automatic control subsystem consisting of a magnetic fluid valve (T). Although FIG. 2 shows only three CDI processing units, any number of processing units can be used if desired, and an ideal CDI liquid processing system can be constructed in series, parallel or mixed manner. can do. Further, in FIG. 2, the electrode modules E1, E2, E3 are simply illustrated as cylindrical shapes, the container of the module is rectangular, and the electrode module and the container are illustrated as a loose combination. Fully automatic CD
In the operation of the I system 200, dirty water such as seawater is pumped from the storage tank 201 by the pump 202 to the CDI processing unit C via the electromagnetic fluid valves 203, 204, 205.
1, C2, C3. When sewage enters the CDI treatment units C1, C2, C3, the microcontroller μ
C is a DC power supply and CDI processing units C1, C2, C3
In order to supply power to the electrode module, the instruction is issued synchronously and deionization is performed for a predetermined time. When the deionization process is completed, the online sensors S1, S2, S3 measure the conductivity, electric resistance, pH, and light absorption rate of the effluent, and compare it with the set standard to collect and use the effluent. Or, if further deionization is required. If the effluent has reached the purification standard based on the judgment of the sensor, the sensor notifies the micro controller μC to change to the flow paths of the electromagnetic fluid valves 206, 207, 208, and the pure water is changed to the electromagnetic fluid valve. 209, 210, 21
1 through the fluid pipes 216, 218, 220 to the pipe 222 for storage in the storage tank 212 or transportation to the local water supply system. A control valve (not shown) is further installed on the pipe 222 so that pure water is stored in the storage tank 21.
Backflow from 2 to the CDI processing units C1, C2, C3 is prevented. If the effluent is clean, the CDI treatment units C1, C2, C3 will deionize more wastewater, otherwise CDI treatment unit C1,
C2 and C3 must be regenerated. During regeneration, the inflow liquid switches from dirty water (from tank 201) to tank 213 and pump 214 to supply pure water. When entering a CDI processing unit with pure water, the CDI
At the same time as the sewage supply to the treatment unit is stopped, the microcontroller μC directs the associated magneto-hydraulic valve to pass pure water. Similar to deionization, the CDI treated electrode module is regenerated with pure water for a predetermined time. When the regeneration is completed, the effluent is separated into the pipe 21 along with the released ions.
The tank 2 enters the pipe 221 through 5, 217 and 219.
Return to 13. The useful ions are then concentrated and recovered and reused or sold as a by-product to add value to the CDI treatment.

【0016】液体の脱イオンとCDI電極の再生とは、
異なるグループのCDI処理ユニットにおいて同時に行
われなければならず、その理由は2つある。第1の理由
は、工業廃液は、通常、大量なものであり、廃液が多数
配列のCDI処理グループを通過するが、各グループに
は幾つかの直列なCDI処理ユニットが含まれており、
最大の生産能力を獲得していることである。第2の理由
は、縦型のCDI処理ユニット電極モジュール再生時の
エネルギー回収をスピードアップできることである。よ
り多くのユニットが直列されればされるほど、エネルギ
ー回収速度および各電極モジュールの放電程度がいずれ
もより大きいものとなる。電位平衡が出現した時、コン
デンサーの放電は停止する。直列なコンデンサーは、比
較的大きな放電範囲を提供できるので、各コンデンサー
が大きな程度の放電を得ることができる。幾つかのグル
ープのCDIユニットを再生する時、その他のグループ
は脱イオンを行うことができる。脱イオンと再生とは、
多くのグループにおける縦型のCDI処理ユニット上で
迅速に繰り返され、交互に行われる。従って、純水およ
び電気エネルギーは、この発明にかかる全自動CDIシ
ステムにおいて同時に生産される。電子反応と比較する
と遥かに遅い流体速度に合わせるために、CDIの脱イ
オンと再生とを適合する操作時間に設定しなければなら
ない。CDIシステム全体の流液方式を通じて、いかな
る液体を任意グループのCDI処理システムに流入さ
せ、任意時間だけ停留させ、任意の発生順位とすること
は、プログラム化により行われる。
Deionization of liquid and regeneration of CDI electrode are
It must be done simultaneously in different groups of CDI processing units for two reasons. The first reason is that industrial effluents are usually large volumes and the effluent passes through multiple arrays of CDI treatment groups, each group containing several in-line CDI treatment units,
That is to have the maximum production capacity. The second reason is that energy recovery during regeneration of the vertical CDI processing unit electrode module can be speeded up. The more units are connected in series, the greater the energy recovery rate and the degree of discharge of each electrode module. When the potential equilibrium appears, the discharge of the capacitor stops. The capacitors in series can provide a relatively large discharge range so that each capacitor can obtain a large degree of discharge. When regenerating some groups of CDI units, other groups can perform deionization. What is deionization and regeneration?
It is rapidly repeated and alternated on vertical CDI processing units in many groups. Therefore, pure water and electric energy are produced simultaneously in the fully automatic CDI system according to the invention. The deionization and regeneration of the CDI must be set to compatible operating times in order to accommodate much slower fluid velocities compared to the electronic reaction. Through the flow system of the entire CDI system, it is programmed that any liquid is made to flow into the CDI processing system of an arbitrary group, is retained for an arbitrary time, and has an arbitrary generation order.

【0017】図3において、海水を例に挙げて操作フロ
ーチャート300を説明すると、ステップ301のCD
I#1で脱イオンした後、ステップ302で流出液が25
0ppm以下であれば、当該流出液を純水の貯蔵タンクに貯
蔵する。そうでなければ、流出液をステップ303のC
DI#2で更に脱イオンし、ステップ304で純水か脱
イオンかを判断するが、脱イオンは、ステップ305の
CDI#nまで続けられる。また、あるCDI処理電極
モジュールが再生を必要とする場合、再生用の純水がタ
ンク310からパイプRE1,RE2,REnを経て当
該モジュールへ入るとともに、エネルギーを回収する
(図示せず)。再生を終了するごとに、離脱イオンをと
もなった汚水がパイプRC1,RC2,RCnを経てタ
ンク320へ送られる。その後、タンク320中の液体
ppmを測定し、タンク310に戻して再生に使用する
か、あるいは濃度が高すぎるから回収ステーションへ送
って金属イオン、例えば海水中のMg2+を抽出または
他の有用なイオンを回収して再利用もしくは販売するか
を決定する。
Referring to FIG. 3, the operation flow chart 300 will be described by taking seawater as an example.
After deionization with I # 1, the effluent is 25
If it is 0 ppm or less, the effluent is stored in a pure water storage tank. If not, flush the effluent at step 303C.
Further deionization is performed with DI # 2, and it is determined in step 304 whether it is pure water or deionization. Deionization is continued until CDI # n in step 305. When a certain CDI treatment electrode module requires regeneration, pure water for regeneration enters the module from the tank 310 via the pipes RE1, RE2 and REn and also recovers energy (not shown). Each time the regeneration is completed, the sewage with the desorbed ions is sent to the tank 320 via the pipes RC1, RC2, RCn. After that, the liquid in the tank 320
Measure ppm and return it to tank 310 for regeneration, or send it to a recovery station because the concentration is too high and extract metal ions, eg Mg 2+ in seawater or recover other useful ions for reuse. Or decide whether to sell.

【0018】[0018]

【実施例】次に、この発明の実行可能性を示すために、
2つの実施例を説明する。 <実施例1>Ti箔を集電板とし、市販されている活性
炭を活性物として図2に示したような円筒型の電極モジ
ュールを製作した。使用した活性炭は、1050m
gの重量比表面積、粒径が約300mesh、価格が0.3
5米ドル/ポンドであった。製作したCDI電極モジュ
ール1140cmの幾何面積を有し、一般の業務用ま
たは家庭用浄水器システムの標準圧力容器に着装した。
モジュールの両極に3V DCを印加するとともに、1
リットル/minの固定流速で34,000ppmの海水を処理層を
通過させて脱イオンを行った。4分間の脱イオンにおい
て、4リットルの海水が3Vの電極モジュールを通過
し、処理過程の電流は6Aから1Aに低下した。1分ご
とに流出液を1分間収集した。言い換えれば、4つのサ
ンプル(各1リットル)が収集され、そのTDSを測定
した。同一な電極モジュールで4回の実験を行い、毎
回、エネルギー回収によりモジュールを設定し直した。
下記の表1は、34,000ppmの海水が円筒型CDI電極モ
ジュール(3V DCを印加)1回通過した後のTDS
低下を示すものである。
EXAMPLES Next, in order to show the feasibility of the present invention,
Two examples will be described. Example 1 A cylindrical electrode module as shown in FIG. 2 was manufactured by using Ti foil as a current collector and commercially available activated carbon as an active material. The activated carbon used is 1050 m 2 /
Weight specific surface area of g, particle size is about 300 mesh, price is 0.3
It was $ 5 / pound. The manufactured CDI electrode module having a geometric area of 1140 cm 2 was attached to a standard pressure vessel of a general commercial or domestic water purifier system.
Apply 3V DC to both poles of the module and
Deionization was performed by passing 34,000 ppm seawater through the treatment layer at a fixed flow rate of liter / min. In 4 minutes of deionization, 4 liters of seawater passed through the 3V electrode module and the process current dropped from 6A to 1A. The effluent was collected for 1 minute every minute. In other words, four samples (1 liter each) were collected and their TDS was measured. Four experiments were carried out with the same electrode module, each time the module was reconfigured by energy recovery.
Table 1 below shows TDS after 34,000ppm of seawater passed through the cylindrical CDI electrode module (3V DC was applied) once.
It shows a decrease.

【0019】[0019]

【表1】 [Table 1]

【0020】図4において、TDS(pptで表示)およ
び脱塩率(%)の収集時間に対する関係を示すと、流速
が1リットル/minであるから、横軸はリットル単位の
流出液体積も示しており、流出液のTDSが急速に流入
液の水準に到達するとともに、脱塩率の低下がTDSの
変化に対応していた。これから分かるように、CDI電
極モジュールは、急速に飽和する、つまり脱イオンの処
理時間は非常に短く、おそらく30秒までは電気エネル
ギー効率が比較的高いものであった。商業・工業・家庭
の水処理への応用においては、電極モジュールの幾何面
積およびCDI処理ユニットの個数につき、いずれも必
要とする純度ならびに生産能力に基づいて決定すること
ができる。3Vおよび6Aを1分間印加すれば、1リッ
トルの希釈されていない海水のTDSが40%以上減少
する。前記したように電気エネルギーをスーパーコンデ
ンサーに蓄積すれば、オモチャの車をかなり長く走らせ
ることができる。従って、この発明の脱イオン速度また
は充電率は極めて速く、エネルギー消費が非常に経済的
である。実施例1は、また、この発明には、いかなる前
処理も必要なく、そのまま希釈していない海水を直接浄
化できると同時に、電極モジュールを設定し直して繰り
返し使用することができ、しかも損傷を受けないことを
示している。処理過程において化学薬品を使用せず、ま
た、二次汚染を発生させない。とりわけ、この発明の脱
イオン装置は、濃度に対して敏感で脆弱なイオン交換お
よびROの前処理を行うことができる。CDI処理ユニ
ットにより大部分のイオンを除去すれば、残りの微量汚
染をイオン交換またはROで完全に取り除くことが容易
なものとなる。
In FIG. 4, the relationship between TDS (expressed in ppt) and desalination rate (%) with respect to the collection time is shown. Since the flow rate is 1 liter / min, the horizontal axis also shows the effluent volume in liters. The TDS of the effluent rapidly reached the level of the influent, and the decrease in the desalination rate corresponded to the change in the TDS. As can be seen, the CDI electrode module saturates rapidly, that is, the deionization process time was very short, and the electrical energy efficiency was relatively high, perhaps up to 30 seconds. In commercial, industrial, and domestic water treatment applications, the geometric area of the electrode module and the number of CDI treatment units can be determined based on the required purity and production capacity. Applying 3V and 6A for 1 minute reduces the TDS of 1 liter of undiluted seawater by more than 40%. As mentioned above, if electric energy is stored in a super capacitor, a toy car can run for a long time. Therefore, the deionization rate or charge rate of the present invention is very fast and the energy consumption is very economical. The first embodiment also shows that the present invention can directly purify undiluted seawater without any pretreatment, and at the same time, the electrode module can be reconfigured and repeatedly used, and is not damaged. It shows that there is no. No chemicals are used in the process and no secondary pollution occurs. Among other things, the deionization apparatus of the present invention is capable of performing concentration sensitive and fragile ion exchange and RO pretreatment. If most of the ions are removed by the CDI processing unit, it becomes easy to completely remove the remaining trace contamination by ion exchange or RO.

【0021】<実施例2>実施例1のCDI処理システ
ムおよび操作電圧と同じ条件で、2000ppmCu を含
むCuSO水溶液を浄化した。3分間の脱イオン処理
において、4つの流出液サンプルを収集した。前半2サ
ンプルは30秒ごとに30秒間収集し、後半2サンプル
は1分ごとに1分間収集したので、前半2サンプルは各
500mlであり、後半2サンプルは各1リットルである。
下記する表2は、2000ppmCu2+を含むCuSO
溶液を1リットル/minで円筒型CDI電極モジュール
(3V DCを印加)を通過した後のTDS低下を示し
ている。
Example 2 Under the same conditions as the CDI treatment system and operating voltage of Example 1, an aqueous solution of CuSO 4 containing 2000 ppm Cu 2 + was purified. Four effluent samples were collected in a 3 minute deionization process. The first half 2 samples were collected every 30 seconds for 30 seconds, and the second half 2 samples were collected every 1 minute for 1 minute.
It is 500 ml, and the latter two samples are 1 liter each.
Table 2 below shows a decrease in TDS after passing an aqueous CuSO 4 solution containing 2000 ppm Cu 2+ at a rate of 1 liter / min through a cylindrical CDI electrode module (3 V DC is applied).

【0022】[0022]

【表2】 [Table 2]

【0023】Cu2+は、陰極上で金属銅に還元されや
すいので、CDI電極の活性表面が減少し、脱塩率は、
表1よりも遥かに低いものとなった。この表2から分か
るように、還元しやすいイオンを処理する時には、使用
する活性物および液流方式を修正する必要がある。
Since Cu 2+ is easily reduced to metallic copper on the cathode, the active surface of the CDI electrode is reduced, and the desalination ratio is
It was much lower than in Table 1. As can be seen from Table 2, it is necessary to modify the active substance used and the liquid flow system when treating the ion which is easily reduced.

【0024】以上のごとく、この発明を好適な実施例に
より開示したが、もとより、この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、この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。
As described above, the present invention has been disclosed by the preferred embodiments, but it is not intended to limit the present invention, and the technical idea of the present invention can be easily understood by those skilled in the art. Appropriate changes and modifications can be made within the scope, and therefore the scope of protection of the patent right should be determined based on the scope of the claims and an area equivalent thereto.

【0025】[0025]

【発明の効果】上記構成により、この発明にかかる全自
動・省エネルギーの脱イオン装置は、CDIモジュール
を利用して高いエネルギー効率(省エネルギー)により
純水・純水溶剤・有用資源などの生産および電気エネル
ギー・有用資源の回収を行うことができ、しかも、二次
汚染を発生することがなく、イオン交換または逆浸透
(RO)設備の前処理を行う場合、イオン交換または逆
浸透(RO)設備の耐久寿命を延ばすことができる。ま
た、安い材料を使って脱イオンを行い、簡単かつ有効な
組立によりシステムを構成することができる。さらに、
自動化サブシステムにより全自動システムとすることが
できる。従って、産業上の利用価値が高い。
With the above structure, the fully automatic energy-saving deionization apparatus according to the present invention uses the CDI module to achieve high energy efficiency (energy saving) for producing pure water, pure water solvent, useful resources, etc. Energy and useful resources can be recovered, and when pretreatment of ion exchange or reverse osmosis (RO) equipment is performed without causing secondary pollution, the ion exchange or reverse osmosis (RO) equipment The durable life can be extended. It is also possible to deionize using cheap materials and configure the system with a simple and effective assembly. further,
The automation subsystem allows for a fully automated system. Therefore, the industrial utility value is high.

【図面の簡単な説明】[Brief description of drawings]

【図1】 (a)は、この発明にかかる1対の塗布極板
にDC電圧を印加して流動中の塩水からイオンを収着す
る様子を説明するもので、極板上の集合イオンが電気化
学コンデンサーの充電に相当することを示す説明図であ
り、(b)は、イオンに覆われた極板と負荷とが接続さ
れる時、電気エネルギーを負荷へ放出することで、イオ
ンが極板から離脱することを説明するもので、電気化学
コンデンサーの放電によりイオンが離脱し、極板が再生
されることに相当することを示す説明図である。
FIG. 1 (a) is a diagram for explaining a state in which a DC voltage is applied to a pair of coated electrode plates according to the present invention to sorb ions from flowing salt water. It is explanatory drawing which shows that it corresponds to the charge of an electrochemical capacitor, (b) shows that when an electrode plate covered with ions and a load are connected to each other, electric energy is released to the load to cause the ions to move to the pole. It is an explanatory view for explaining the detachment from the plate, which is equivalent to the detachment of ions by the discharge of the electrochemical capacitor and the regeneration of the electrode plate.

【図2】 この発明にかかる連続流動する全自動CDI
装置の主要構成を示す配置図であり、3個の直列CDI
処理ユニットによる縦型分離器を含むものである。
FIG. 2 Fully automatic CDI with continuous flow according to the present invention
FIG. 3 is a layout diagram showing the main configuration of the device, showing three serial CDIs.
It includes a vertical separator with a processing unit.

【図3】 この発明にかかる全自動CDI装置の処理フ
ローを示すフローチャートであり、図中では、海水を例
に挙げている。
FIG. 3 is a flowchart showing a processing flow of the fully automatic CDI apparatus according to the present invention, in which sea water is taken as an example.

【図4】 この発明にかかるCDI処理ユニットで海水
を4分間脱イオン処理した後のTDSの低下および脱塩
率の変化を示す折れ線グラフであり、海水の流速を1リ
ットル/minとするものである。
FIG. 4 is a line graph showing a decrease in TDS and a change in desalination rate after deionizing seawater for 4 minutes by the CDI processing unit according to the present invention, in which the flow rate of seawater is 1 liter / min. is there.

【符号の説明】[Explanation of symbols]

200 全自動CDIシステム 201 タンク 202 ポンプ 203〜211 電磁流体バルブ 212,213 タンク 214 ポンプ 215〜220 パイプ 221,222 パイプ E1,E2,E3 電極サブシステム C1,C2,C3 CDI処理ユニットサブシステム μC マイクロコントローラー S/C スーパーコンデンサー S1,S2,S3 オンラインセンサー T 電磁流体バルブ 200 Fully automatic CDI system 201 tank 202 pump 203-211 Electromagnetic fluid valve 212,213 tanks 214 pump 215-220 pipe 221 and 222 pipes E1, E2, E3 electrode subsystem C1, C2, C3 CDI processing unit subsystem μC microcontroller S / C super condenser S1, S2, S3 online sensor T electromagnetic fluid valve

フロントページの続き (72)発明者 鍾 興振 台湾新竹縣竹東鎮頭重里4鄰中興路四段 542號 (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 邱 明良 台湾彰化縣福興▲郷▼▲麦▼▲昔▼村▲麦 ▼▲昔▼街48−8號 (72)発明者 ▲頼▼ ▲いん▼仁 台湾彰化縣員林鎮和平里6鄰中山路2段24 巷7號 Fターム(参考) 4D061 DA04 DA08 DB13 DB18 DC19 DC23 EA02 EB02 EB04 EB14 EB17 EB19 EB28 EB29 EB30 EB31 EB33 EB39 EB40 GC15 GC16 4K011 AA20 AA21 AA29 AA50 AA64 CA05 DA11 Continued front page    (72) Inventor Zhong Xingping             Taiwan Hsinchu County Bamboo East Zhenju Jinri 4 Zhong Zhongxing Road 4th Stage             542 (72) Inventor Xie Jin             No. 154, Jinraku-gai, 5 Minchunri, West District, Taichung City, Taiwan (72) Inventor Xie Tama             Taiwan Changhua Qinpu ▲ Township ▼ Tile North Villager Shiji Road             466 (72) Inventor Akira Ugura             Taiwan Changhua Fu Xing ▲ Township ▼ ▲ Wheat ▼ ▲ Old time ▼ Village ▲ Wheat             ▼ ▲ Old times ▼ Town 48-8 (72) Inventor ▲ Yo ▼ ▲ In ▼ Jin             Taiwan Changhua County Linlin Hepingli 6th Zhongshan Road 2nd tier 24             Street 7 F-term (reference) 4D061 DA04 DA08 DB13 DB18 DC19                       DC23 EA02 EB02 EB04 EB14                       EB17 EB19 EB28 EB29 EB30                       EB31 EB33 EB39 EB40 GC15                       GC16                 4K011 AA20 AA21 AA29 AA50 AA64                       CA05 DA11

Claims (3)

【特許請求の範囲】[Claims] 【請求項1】 導電基板上を活性物質で被覆して形成さ
れる、少なくとも1つずつの陽極および陰極からなると
ともに、少なくとも1つの容器内部に実装される電極モ
ジュールであって、前記電極モジュールならびに前記容
器から構成される処理ユニットと、前記電極モジュール
に直流電源を提供して、液体中の帯電種を除去する脱イ
オン工程のような帯電種除去工程を行うとともに、前記
電極モジュールの再生時に電気エネルギーを抽出蓄積す
る少なくとも1つのコンデンサーと、前記処理ユニット
内部の液体輸送を制御する少なくとも1つのオンライン
センサーおよび少なくとも1つの電磁流体バルブと、前
記帯電種除去工程および前記電気エネルギーの抽出蓄積
ならびに前記液体輸送を制御する少なくとも1つのマイ
クロコントローラーとを具備する全自動・省エネルギー
の脱イオン装置。
1. An electrode module which is formed by coating a conductive substrate with an active substance and which is composed of at least one anode and one cathode and which is mounted inside at least one container. A DC power source is provided to the processing unit composed of the container and the electrode module to perform a charged species removing process such as a deionization process for removing charged species in the liquid, and an electric power is supplied during regeneration of the electrode module. At least one condenser for extracting and storing energy, at least one on-line sensor and at least one magneto-hydraulic valve for controlling liquid transportation inside the processing unit, the step of removing charged species and the extraction and accumulation of electrical energy and the liquid At least one microcontroller for controlling transportation Fully automatic and energy-saving deionization device equipped with.
【請求項2】 上記活性物質が、活性炭、C60、カー
ボンナノチューブ、MnO、およびFeからな
る群より選ばれる請求項1記載の全自動・省エネルギー
の脱イオン装置。
2. The fully automatic energy-saving deionization apparatus according to claim 1, wherein the active substance is selected from the group consisting of activated carbon, C 60 , carbon nanotubes, MnO 2 , and Fe 3 O 4 .
【請求項3】 上記帯電種除去工程が、直流電圧を上記
電極モジュールに30秒から4分間印加することにより
行われる請求項1記載の全自動・省エネルギーの脱イオ
ン装置。
3. The fully automatic energy-saving deionization apparatus according to claim 1, wherein the step of removing charged species is performed by applying a DC voltage to the electrode module for 30 seconds to 4 minutes.
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