JP2004537411A

JP2004537411A - 可動電極フロースルー・キャパシター

Info

Publication number: JP2004537411A
Application number: JP2003518987A
Authority: JP
Inventors: ファリス、サデグ、エム．
Original assignee: インベントキュージャヤエスディーエヌビーエイチディー
Priority date: 2001-08-07
Filing date: 2002-08-07
Publication date: 2004-12-16
Also published as: US20030029718A1; WO2003014027A1; US20050029182A1; EP1423336A1; US6805776B2

Abstract

【課題】
【解決手段】１つ以上の可動電極をもつフロースルー・キャパシター・システムを提供する。可動電極は、可動ベルト構造またはローラーの形状を採ることがある。前記の装置はさらに、その１つ以上の可動電極に蓄積するイオンを除去するための補助装置を少なくとも１つ含む。
【選択図】図５

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明はフロースルー・キャパシターに関するものであり、より具体的には、電荷を帯びた流体からイオン物質を除去するためのフロースルー・キャパシターに関する。
【背景技術】
【０００２】
フロースルー・キャパシターは、例えば水から塩を取り除くなど、流体の流れから物質を分離するために開発された。例えば、Ａｎｄｌｅｍａｎの米国特許第５，１９２，４３２号、５，１８６，１１５号、５，２００，０６８号、５，３６０，５４０号、５，４１５，７６８号、５，５４７，５８１号、５，６２０，５９７号、５，４１５，７６８号およびＴｏｓｈｉｒｏＯｔｏｗａの米国特許第５，５３８，６１１号は、活性炭交互電極（前記特許のキャパシター）の間で汚染水や塩水をろ過するフロースルー・キャパシター・システムについて記述している。電圧を印加すると、水に含まれる塩、硝酸塩、完全に溶解した固体、およびその他の混和物は高表面積の炭素物質に引き寄せられる。その電極上には固体が生じるため、濃縮した液体として汚染物質を除去するために工程を中断しなくてはならない。これは、前記の電極回路を短絡することによって達成される。
【０００３】
この方法は、逆浸透のように硝酸塩などの汚染物質を通過し、細菌の成長を促進し、１ガロンの水を純化するために１ガロン以上の水を廃水として出す伝統的な装置よりも優れた水の脱塩工程として説かれてきた。さらに、同じく広く使われているイオン交換装置は汚染を生み、樹脂の再生をするために強酸、塩基、塩を使う。
【０００４】
消イオン水は、半導体、クロムメッキ工場、自動車工場、飲料生産、スチール加工など多くの商業用途に用いられている。さらに、住宅ユニット、業務、製造、自治体の施設や、出された水のリサイクルが可能なコスト削減と環境保護につながるその他の用途のための装置が企図されている。
【０００５】
当然、フロースルー・キャパシター技術の第１の目的は、使用可能な水の無尽蔵な供給を水が必要な地域に与えるために、無理のないコストで海水の脱塩をすることである。現在、炭素ナノチューブを含め、新規材料を用いた高度な研究が進行中である。しかし、いまだにナノテクノロジーは経済的な完全に理解された分野にはなっていない。
【０００６】
だが、第三世界における水の需要は緊急を要す問題である。世界人口の３分の２は清浄な水を使うことができない。途上国の病気のほとんどは水に関連している。水を媒介とする下痢、赤痢、コレラなど容易に予防可能な病気のために毎年５百万を超える人々が死亡している。
【０００７】
端的に述べて、飲用水は将来最も価値ある有用品となるだろう。世界人口は今後５０年から９０年のうちに倍増する。一人当たりの水消費量が増える一方、供給量は衰える。世界の人口の８０％は海岸線から２００マイルの範囲内に居住しており、そこでは水は入手可能だが飲用や農業用水としてではなく、地下水の７０％は塩水である。危険な水に関連する病気が，病気全体の８５％を占めている。
【０００８】
ゆえに、水の脱塩、もしくは必要に応じてある物質から他の物質を取り除くための、低コストかつ安全で効果的な装置とプロセスを世界は必要としている。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【０００９】
先行技術がもつ上記およびその他の問題と欠陥は、流体からイオン物質を除去する（例えば水から塩を取り除く）本発明のいくつかの方法と装置によって克服もしくは軽減される。１つ以上の可動電極をもつフロースルー・キャパシター・システムを提供する。可動電極は、可動ベルト構造またはローラーの形状を採ることがある。前記の装置はさらに、その１つ以上の可動電極に蓄積するイオンを除去するための補助装置を少なくとも１つ含む。
【００１０】
１つの実施形態においては、１つの可動電極を第２の静止電極のすぐ近くに配置設定し、それらの間の流体の流れを可能にする。それら電極全体に電圧をかけると、ある電荷のイオンがその反対の電荷の電極に引き寄せられる。例えば、水の脱塩において、塩素イオンは陽極に引き寄せられ、ナトリウムイオンは陰極に引き寄せられる。前記の実施例において、その可動電極は陰極であり、ある固体または水溶液中のナトリウムイオンを、イオン除去のための補助装置によってその可動陰極から取り除くことができる。その塩素イオンを除去するために、前記の装置をショートさせてもよい。これは、塩素が（ナトリウムイオンの除去よりもずっと速い速度で）急速に気体となり、その陽極から引き出される場合において特に望ましい。除去は必要に応じて行っても規則的に行っても差し支えなく、例えば急速に交互に行なう方法でもよい。
【００１１】
また別の実施形態においては、一対の可動電極を互いのすぐ近くに配置設定し、流体の流れを可能にする。前記の電極全体に電圧をかけると、電荷を帯びたイオンはその反対の電荷の電極に引きつけられる。例えば、水の脱塩において、塩素イオンは陽極に引きつけられ、ナトリウムイオンは陰極に引きつけられる。気体形状の塩素イオン（例えばＣｌ2）は、イオンを除去するための第１の補助装置によって前記の可動陰極から除去することができる。固体または溶液のナトリウムイオンは、イオンを除去するための第２の補助装置によって前記の可動陽極から除去することができる。また、塩素イオンは、取り除かれる高濃度の塩水に溶解した状態に維持することができる。
【００１２】
本発明の上述およびその他の特徴と利点は、以下の詳細な説明と図により、この技術分野の技術を有する者に評価および理解されるであろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
１つ以上の可動電極をもつフロースルー・キャパシター・システムを以下に説明する。前記の装置はさらに、その１つ以上の可動電極に蓄積または吸収または吸着されるイオンを除去するための補助装置を含むことがある。
【００１４】
図１を参照すると、フロースルー・キャパシター・システム１００は可動電極１１０と静止電極１０５を含む。電極１０５はシートまたはその他の適切な形態であり、電極１０５、１１０の間の流体の流れを可能にするように可動電極１１０に対して配置されている。可動電極１１０は可動ベルトの形態で描写されており、一対のローラー１１２、１１３の上に載っている。電極１０５、１１０は通常どちらも高表面積の導電性の構成物質を含み、オプションとしてカレント・コレクタを含む。
【００１５】
電圧の印加により（例えば直流電源から、可動電極１１０に付随する接点１１１のような適切な接点を介して前記の電極に接触することにより）イオン流体が通過すると、図２のように、適切な電荷のイオンは前記の電極１０５、１１０に引き寄せられ、電気的な二重層を形成する。この図において描写されているように、可動電極１１０は陰極であるため、イオン流体が塩水である場合、ナトリウムイオンが前記の電極１１０に吸収または吸着され、塩素イオンは陽極１０５に吸収される。ゆえに、装置１００を出て行く水は、流体にとって望ましい消イオンの度合い（例えば実質的に無塩の水の流れ）を達成するために最適化し得るすべての要因、すなわち課する電圧、接触時間、電極の表面積、電極間の距離のほか数多くの要因により、実質的に無塩となることが可能である。
【００１６】
前記の可動電極１１０を含めることで、多くの利益が引き出される。図３のように、イオン抽出補助装置１２０は前記の可動電極の流体の流れと反対側の側面に取り付けることができる。前記のイオン抽出装置１２０は、他の装置の実施形態の説明の中でさらに詳しく以下に説明することになるが、前記の可動電極１１０に吸収または吸着されるイオンの一部またはすべてを継続的に取り除くことができる。ゆえに、両方の電極をショートさせることによってさらに濃度の高い流出水にあるイオンを放出する必要のある従来のフロースルー・キャパシター・システムとは異なり、前記の装置１００は前記の可動電極１０５からイオンを取り除くための抽出補助装置１２０を採用した場合、前記の電極１０５を中和するだけで有効に利用することができる。それらのイオンは流体の流れの有無に関わらず取り除くことができる。例えば、イオンは前記の抽出補助装置１２０から集めることができる。さらに、前記の電極１０５が（例えば局所的に磁場または陽電荷の電場を印加することによって、または前記の電極にかける電圧を遮断することによって）中和されると、前記の電極１０５に吸収または吸着された塩素イオンからの塩素ガスの放出が可能であり、廃水を必要としない。集められたナトリウムイオンと塩素ガスを再び結合させてＮａＣｌを作ることができる。また、ナトリウムと塩素を隔離して収集してもよい。
【００１７】
さらに、前記の抽出補助装置１２０を採用していないシステム１００において、イオンの脱着は一面において従来のシステムと類似しており、両電極が中和される（例えばショートされる）。しかし廃水の流れを設ける必要はない。前記の装置は、前記の可動電極１１０の適切なタイミングによって、例えば前記の電極間のナトリウムと塩素イオンを再び結合させるように設定してもよい。さらに、前記のシステムは、ナトリウム金属と塩素ガスが別々に集められるようにナトリウムイオンと塩素イオンを隔離するように設定してもよい。
【００１８】
図４を参照すると、装置１００’の別の実施形態はローラーの形をした可動陰極１１０’を含んでいる。
【００１９】
図５は、フロースルー・キャパシター・システムの別の実施形態の描写である。フロースルー・キャパシター・システム２００は一対の可動電極２１０、２１５を含む。前記の可動電極２１０、２１５はそれぞれ、２１２、２１３のローラーの対および２１７、２１８のローラーの対によって支えられたベルトの形をしている。
【００２０】
電圧をかけイオン流体の通過が起きると、図６が示すように、適切な電荷のイオンが前記の電極２１０、２１５に引き寄せられ、各電極に電気的二重層を形成する。この図において描写されているように、電極２１０は陰極であり、電極２１５は陽極であるため、イオン流体が塩水である場合、ナトリウムイオンが前記の電極２１０に吸収および/または吸着され、塩素イオンは陽極２１５に吸収される。ゆえに、装置２００を出て行く水は、流体にとって望ましい消イオンの度合い（例えば実質的に無塩の水の流れ）を達成するために最適化し得るすべての要因、すなわち課する電圧、接触時間、電極の表面積、電極間の距離、可動電極２１０、２１５の速度のほか数多くの要因により、実質的に無塩となることが可能である。
【００２１】
前記の可動電極２１０、２１５を含めることで、多くの利益が引き出される。イオンの脱着は前記の電極の中和（例えばショートさせること）によって達成することができる。しかし廃水の流れを設ける必要はない。前記の装置は、前記の可動電極２１０、２１５の適切なタイミングによって、例えば前記の電極間で再び塩になるようにナトリウムと塩素イオンを結合させるように設定してもよい。さらに、前記の装置は、ナトリウム金属と塩素ガスが別々に集められるようにナトリウムイオンと塩素イオンを隔離するように設定してもよい。
【００２２】
図７が描写するように、装置２００は前記の電極２１０、２１５にそれぞれ対応する抽出補助装置２２０、２２５を含む。抽出補助装置２２０、２２５は磁場生産装置、電場生産装置、真空収集装置、コンベア装置、および前記の少なくとも一つを有する組み合わせなどを含むことができるが、これらに限定されるものではない。例えば、抽出補助装置２２０は負の電気または磁場の生産システムを有してもよく、その装置は稼動すると前記の電荷２１０の陽性ナトリウムイオンを引きつける。同様に、抽出補助装置２２５は陽の電気または磁場の生産システムを有してもよく、その装置は稼動すると前記の電荷215の陰性塩素イオンを引き寄せる。
【００２３】
図８を参照すると、装置２００’の別の実施形態はローラーの形をした可動陰極２１０’と可動陰極２１５’を含んでいる。
【００２４】
図９を参照すると、装置３００は一対の可動電極３１０、３１５を含む。脱塩されることになる塩水は、前記の電極の両端以外のポイントで、例えば導管３４０を介して前記の装置３００に供給される。前記の電極にイオンが形成されるにつれ、それらのイオンは前記の可動ベルト電極に乗って運ばれコレクタ３５０上にて再結合する。イオンの再結合による塩の形成は様々な方法で達成することができ、コントロールされた塩の近くで前記の電極を局所的に中和する方法、あるいはコレクタ３５０の近くで前記の電極が作動しないように前記の電極ベルトとＤＣ電圧源のコネクション（図には示されていない）を形作り設定する方法などがある。
【００２５】
図１０を参照すると、例として電極ベルト４１０が描写されている。ベルト４１０は接点４６０に付随し、作動可能なように電圧源に接続している。前記の電極４１０は上述の実施形態のいずれにおいても、陽極、陰極、あるいは陽・陰両極としての役割を果たすことができる。この実施形態において、前記の電極４１０の接触端面４６５は交流する導電性部分４７０と非導電性部分４７５を含む。この配列は前記の電極４１０からイオンを除去するために前記の電極４１０を中和するプロセスを簡易化する。前記の導電性および非導電性部分は、そのイオン抽出の要求により、均等な間隔または不均等な間隔で交替することができる。さらに、前記の導電性および非導電性部分はベルトの２つの端の一方または両端、あるいは図４および/または図８のローラー構造に含めることができる。
【００２６】
ベルト電極のもう１つのバリエーションでは、１つ以上の非導電性または絶縁性の部分をベルトの幅全体に延長する。これにより分離したセクションが設けられ、それらのセクションを電流が通ることになり、その電流を受けることがない電極の前記の分離セクションで簡易化されたイオン収集が行なわれることになる。
【００２７】
高表面積の導電性構成物質を使い、それのみを前記の電極としても、あるいは適切なサポート（前記の電極の形状により導電性または非導電性のいずれか）を用いてもよい。また、カレント・コレクタと高表面積の導電性構成物質は層を形成していても、あるいは単層でもよく、この例は２００２年４月９日に発行されたＷａｙｎｅＹａｏとＴｓｅｐｉｎＴｓａｉの「ＥｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｄｅＦｏｒＦｕｅｌＣｅｌｌ」と題する米国特許第６，３６８，７５１号で明らかにされている空気陰極の例に記述されており、例として以下に参考としてそのまま掲載した。この明細に記述の電極を、低密度のプラスチック材料の層で変更し、本発明の実施形態で使われているベルト構造に柔軟性と強度を与えることができる。
【００２８】
前記のフロースルー・キャパシターに使われる高表面積の導電性材料は広範な伝導性材料を有す場合があり、グラファイト、活性炭粒子、活性炭繊維、結合材料を組み入れて形成した活性炭粒子、活性炭繊維質織物シート、活性炭繊維質織布、活性炭繊維質不織シート、活性炭繊維質不織布、圧縮活性炭粒子、圧縮活性炭粒子繊維、アザイト（ａｚｉｔｅ）、金属電導性粒子、金属電導性繊維、アセチレンブラック、貴金属、貴金属メッキ材料、フラーレン、導電性セラミック、導電性ポリマー、または前記のうち少なくとも一つを有す組み合わせのいずれでもよいが、これらに限定されるものではない。電導性を強化するために、前記の高表面積材料にオプションとしてパラジウム、プラチナシリーズブラックなど導電性物質を含む塗装またはメッキ処理を含めてもよい。前記の高表面積材料はまた、その表面積と導電性を増やすために、例えば水酸化カリウムなど薬品、あるいは例えばフッ素などハロゲンで処理してもよい。１ｇの表面積につき約１０００平方メートル以上の活性炭材料が好ましいが、前記の電極間の距離、課される電圧、望ましいイオン除去の度合い、前記の可動陰極の速度、前記の可動陰極の設定などの要因により、これよりも低い表面積の材料を使ってもよいものと理解されるが、前記の要因に限定されるものではない。
【００２９】
例えば、第１の製作技法に従い、約１から１０ミクロンの厚さの薄い金属層（例えばニッケル）を低密度のプラスチック材料（テープまたはベルトの形状に引き出し切断されたもの）の表面に施す。前記のプラスチック材料はイオン化した流体の存在下において安定であるものを選ぶべきである。この薄い金属層の機能は、前記の電極の表面に効率的な電動力を与えることである。そののち、オプションとして結合材料と混合する場合もある高表面積材料を前記の金属層の表面に塗料として（例えば約１０から１０００ミクロンの厚さで）施す。前記の高表面積材料の層は、前記のイオン化した流体中のイオンが前記の電極間を最小限の電気抵抗で流れることができるように、十分な孔隙率を持つべきである。
【００３０】
第三の製作技法に従い、高表面積材料を低密度のプラスチック基材に混合し、電導性のテープまたはベルトに引き出す。前記の低密度のプラスチック材料は前記のイオン化した流体の存在下において安定であるものを選ぶべきである。前記の電導性のテープまたはベルトは、前記のイオン化した流体中のイオンが前記の電極間を最小限の電気抵抗を受けて流れることができるように、十分な孔隙率を持つべきである。次に、約１から１０ミクロンの厚さの薄い金属層（例えばニッケル）を前記の電導性のテープの表面に施す。
【００３１】
好ましい実施形態を示し説明してきたが、本発明の意図および範囲から逸脱することなく、様々な変更や代用をこれらの実施形態に施すことができる。したがって、本発明の説明は実例を示すものであり限定的なものではないものと理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】図１は、可動電極フロースルー・キャパシターの概略図である。
【図２】図２は、水の脱塩工程の概略図である。
【図３】図３は、抽出補助装置を含む工程の概略図である。
【図４】図４は、別の可動電極フロースルー・キャパシターの概略図である。
【図５】図５は、また別の可動電極フロースルー・キャパシターの概略図である。
【図６】図６は、水の脱塩工程の概略図である。
【図７】図７は、抽出補助装置を含む工程の概略図である。
【図８】図８は、さらに別の可動電極フロースルー・キャパシターの概略図である。
【図９】図９は、さらにまた別の可動電極フロースルー・キャパシター・システムの実施形態の概略図である。
【図１０】図１０は、代案の電極ベルト構造の実施形態である。

Claims

第１の電極と第２の電極を有し、前記第１の電極は可動である、フロースルー・キャパシター・システム。
請求項１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、前記可動電極は可動ベルト構造またはローラーを有する。
請求項１のフロースルー・キャパシター・システムはさらに、その１つ以上の可動電極に蓄積するイオンを除去するための補助装置を有する。
請求項１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極は高表面積の導電性構成物質を有する。
請求項４のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極はさらに、カレント・コレクタを有する。
請求項１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第２の電極は高表面積の導電性構成物質を有する。
請求項１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、電圧源として第１の電極に付随する第１の電気接点と、第２の電極に付随する第２の電気接点とをさらに有する。
請求項７のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、電圧の印加とイオン流体の通過とともに、対応する電極の反対の電荷のイオンが第１の電極と第２の電極に引き寄せられる。
請求項７のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極は第１の電気接点に接触するための端部分を有し、前記端部分は少なくとも１つの電導性材料の領域と少なくとも１つの非電導性材料の領域を有するため、第１の電極に印加される電圧は第１の電気接点が非伝導性材料の少なくとも１つの領域の側に接触すると遮断される。
請求項１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極は電気絶縁材料によって分離されるセクションを有する。
フロースルー・キャパシター・システムであり、第１の可動電極と第２の可動電極を有する。
請求項１１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、前記第１の可動電極は可動ベルト構造またはローラーを有し、前記第２の可動電極は可動ベルト構造またはローラーを有する。
請求項１１のフロースルー・キャパシター・システムであり、前記第１の可動電極に蓄積するイオンを取り除くための第１の補助装置と、前期の第２の可動電極に蓄積するイオンを取り除くための第２の補助装置とをさらに有する。
請求項１１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極は高表面積の導電性構成物質を有する。
請求項１４のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極はさらに、カレント・コレクタを有する。
請求項１１のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第２の電極は高表面積の導電性構成物質を有する。
請求項１６のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極はさらにカレント・コレクタを有する。
請求項１１のフロースルー・キャパシター・システムであり、電圧源として第１の電極に付随する第１の電気接点と、第２の電極に付随する第２の電気接点とをさらに有する。
請求項１８のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、電圧の印加とイオン流体の通過とともに、対応する電極の反対の電荷のイオンが第１の電極と第２の電極に引き寄せられる。
請求項１８のフロースルー・キャパシター・システムにおいて、第１の電極と第２の電極はそれぞれ第１の電気接点に接触するための端部分を有し、前記端部分は電導性材料の領域を少なくとも１つと非電導性材料の領域を少なくとも１つ有するため、第１の電極に課される電圧は第１の電気接点が非伝導性材料の少なくとも１つの領域の側に接触すると遮断される。