JP2008518758A - ろ過モジュールを有する濃縮リサイクルループ - Google Patents

Abstract

【課題】浄水システムを提供する。
【解決手段】
本浄水システムは、濃縮ろ過膜と電気脱イオンユニットとを含む。電気脱イオンユニットからの濃縮流出流は、濃縮ろ過膜内でろ過され、ろ過濃縮流出流は、電気脱イオンユニットの濃縮区画に供給される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、浄水システムに関する。より具体的には、その中で濃縮流出流をろ過して生物汚損物質のような不純物を除去して電気脱イオンユニットの濃縮区画内で使用するろ過濃縮流出流を生成する浄水システムを提供する。

低濃度のイオン及び他の汚損物質を有する高い純度の水は、多数の産業用途に必要とされる。例えば、無機汚損物質が欠陥を引き起こす可能性があるので、電子マイクロチップの製造では、高純水が使用されなければならない。発電産業では、高純水は、配管の内面上へのスケールの形成を最少にし、それによって熱交換システム内部の良好な熱伝達及び該熱交換システムを通る拘束されない水流を保証するために使用される。高純水の使用は、熱交換システムの水管路内でのスケールの形成及び堆積物を減少させ、従って所要の保守作業間の間隔期間を延長する。熱交換システムの所要の保守作業間の間隔期間は、可能な限り長くすべきである。所要の保守作業間の間隔期間を長くすることは、複雑かつ高価な停止及び起動手順並びに放射線安全手順の順守を必要とする原子力発電システムおいて特に重要である。

イオン交換樹脂の使用を含む、浄水を得るための幾つかの技術的方法が存在する。しかしながら、イオン交換樹脂の定期的な再生の必要性により、関連する大きな資本及び保守コストと化学廃棄物として処分しなければならない再生薬品類の使用とを伴う、ポンプ、配管、弁及び制御機器の複雑な処置が必要となる。

浄水を得るための別の方法には、電気透析法がある。電気透析ユニットは、正に帯電させたアノードと、負に帯電させたカソードと、アノード及びカソード間に交互に配置した濃縮区画及び希釈区画とを含むことができる。両電極間に確立された電場により、負に帯電した陰イオンがアノードに向って拡散しまた正に帯電した陽イオンがカソードに向って拡散することになることが理解される。濃縮区画及び希釈区画は、区画分離膜によって分離される。区画分離膜は、例えば陰イオン交換膜又は陽イオン交換膜を含むことができる。陰イオン交換膜は、アノードにより近接した側面側で希釈区画の境界となり、陰イオンが通過するのを可能にするが陽イオンの通過を抑止することができる。陽イオン交換膜は、カソードにより近接した側面側で希釈区画の境界となり、陽イオンの通過を可能にするが陰イオンの通過を抑止することができる。直流電流がアノードとカソードとの間に流されて、希釈区画からイオンを除去しかつ濃縮区画内にイオンを濃縮する。希釈供給水流は希釈区画に連続的に供給することができ、かつ濃縮供給流は、濃縮区画に連続的に供給することができる。希釈区画から流出する生成物流は、希釈供給流に対して浄化され、希釈供給流よりも低いイオン濃度を含み、生成物流は、さらに浄化するか又は使用のために産業用プロセスに供給することができる。濃縮区画から流出する濃縮流出流は、濃縮供給流よりも高いイオン濃度を含み、リサイクルするか又は廃液ユニットに排出することができる。電気透析ユニットでは、再生化学薬品の使用が不要である。電気透析ユニットは、マサチューセッツ州ウォータータウン所在のＩｏｎｉｃｓ，Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄによって製造されている。

エネルギーは、例えば不純物をろ過して取除く膜を通しての透過を促進させるために供給水流の圧力を増大さる際に、或いは電気透析ユニットの濃縮区画内にイオンを移動促進させるために両電極間に直流電流を印加する際に浄水システムによって消費されることになる。電気透析ユニットでは、希釈区画、濃縮区画又はその両方にわたる大きな抵抗すなわち小さな電気伝導度により、供給された電気エネルギーの大きな部分が多くのイオンの運動を促進せずに熱として消散される結果になる可能性があることが理解される。浄水の単位容積を生産するのに必要な電気エネルギーは、例えば濃縮流出流を濃縮区画の入口にリサイクルすることにより又は濃縮供給流に塩を添加することにより濃縮区画内での高いイオン濃度を保証することによって濃縮区画にわたる電気伝導度を増大させることにより低減することができる。

稀釈区画にわたる低い電気伝導度の問題は、電気脱イオンユニットで解決される。電気脱イオンユニットの基本設計は、電気透析ユニットの基本設計と類似している。しかしながら、電気脱イオンユニットの稀釈区画は、該稀釈区画にわたる電気伝導度を増大させるイオン交換ビーズを含む。イオン交換ビーズは、正及び負に帯電した部位を有し、これらの部位が、たとえ稀釈供給流の電気伝導率が低い場合であっても稀釈区画を通るイオンの有効な移動を可能にする。

電気脱イオンユニットは、汚損した（目詰まりした）状態になりかつそれを通してのイオンの通過が妨げられた状態になった区画分離膜を清浄化するための定期的保守を必要とする可能性がある。そのような清浄化は、浄水システムを数時間又は数日間停止させることを必要とする可能性がある。清浄化作業に関連するコストに加えて、停止時間は、例えば純水（浄水）に依存する製造プロセスの中断を招き、浄水用大型貯蔵能力の投資を必要とするか又は補助浄水システムの投資を必要とするおそれがある。清浄化は、区画分離膜を劣化させ、高価な膜を頻繁に交換する必要性を生じるおそれがある。区画分離膜は、Ｃａ^２＋及びＭｇ^２＋などの多価イオン並びに対イオンで形成されたスケールのような不純物の堆積によって汚損された状態になるおそれがある。生物汚損物質のような他の不純物の堆積が、区画分離膜を汚損するおそれもある。

上述のように、濃縮供給流は、濃縮区画にわたる電気伝導度が大きくなるように、高いイオン濃度を含むべきである。濃縮区画における高いイオン濃度を保証する１つの方法では、浄水システムには、電気脱イオンユニットの濃縮区画から流出する濃縮流出流を該濃縮区画に戻るように循環させるポンプが組み込まれる。ポンプ、ポンプを濃縮区画の入口及び出口に接続する配管、並びに濃縮区画を含むサブシステムは、濃縮ループと呼ばれる場合がある。濃縮ループを組み込んだ浄水システムの実例は、Ｓａｔｏの米国特許第６５６５７２６号に紹介されている。イオンが印加直流電流によって稀釈区画から濃縮区画内に移動促進されるにつれて、濃縮区画を含む濃縮ループ内のイオン濃度は、増大する。最終的に、濃縮区画における高いイオン濃度により、濃縮区画にわたる大きな電気伝導度を得ることができる。しかしながら、電気脱イオンシステムが最初に始動した時には、濃縮区画内には低濃度のイオンだけが存在する可能性があり、始動時における濃縮区画内の流体の電気伝導率及び該濃縮区画にわたる電気伝導度を増大させるために、イオン源としての塩を最初に濃縮ループ内に注入することができる。注入した塩は、一価の塩、すなわち塩を形成するのに関連したイオンが塩化ナトリウムのような一価である塩とすることができる。

稀釈区画から濃縮区画内に移動促進される多価イオンは、濃縮ループ内に蓄積される。蓄積した多価イオンの濃度が十分に高くなると、対イオンに関連した多価イオンは、区画分離膜の濃縮区画に隣接する側面上にスケールとして析出し、それによって膜を汚損するおそれがある。バクテリア及び他の生命体は、濃縮ループ内で成長することができる。例えば生命体及び生命体によって生成された化合物のような生物汚損物質は、区画分離膜上に堆積してそれを汚損するおそれがある。濃縮ループから不純物を除去するために、濃縮ループからの抽出流を使用することができる。連続的に抽出される濃縮ループ内の流体は該濃縮ループに付加的流体を連続的に供給する補給流によって補給することができる。生物汚損物質、スケール及び他の不純物が区画分離膜上に所定の許容速度よりも大きい速度で蓄積しないようなレベルに濃縮ループ内の不純物を低下させるには、抽出流及び補給流の大きな流量が必要となる可能性がある。稀釈供給流及び補給流のために水を供給する供給流の流量に対するＥＤＩ生成物流と呼ぶことができる電気脱イオンユニットから流出する生成物流の流量の比率は、０〜１の範囲とすることができ、比率が１に近ければ近いほど浄水システムがより効率的に供給流の水を使用することになる。浄水システム内に抽出流及び補給流を設けることにより、供給流の流量に対するＥＤＩ生成物流の流量の比率が低下する。補給流として供給される供給流内の水をろ過して濃縮ループ内への生命体、他の生物汚損物質及び多価イオンのような不純物の導入を最小にすることが必要になる場合がある。例えば、Ｔｅｓｓｉｅｒ他の米国特許第６０５６８７８号では、その図３に、逆浸透透過水が稀釈区画に供給され、また補給水として濃縮ループに供給されることを示している。逆浸透膜は、多価イオン及びバクテリアをろ過して取り除き、その結果として、濃縮ループ内での逆浸透透過水の使用は、ろ過していない供給水を使用した場合の速度よりも区画分離膜の汚損速度を低下させることができる。補給流がバクテリア及び他の生命体を全く含まないか又は僅かな量だけ含むようにすることができるが、完全な滅菌を維持することは困難であり、また米国特許第６０５６８７８号の図３に示すシステムは、濃縮ループ内で成長する生命体を除去する方法を全く有していない。補給流において使用する水をろ過することはまた、付加的資本コストを意味する。例えば、米国特許第６０５６８７８号の図３に示すシステム内で補給水として逆浸透透過水を使用することは、所定の容積流量のＥＤＩ生成物流に対して、逆浸透ユニット透過水を補給水として使用しなかった場合よりもさらに大容量の逆浸透ユニットを必要とする。

多価イオン及び関連する対イオンがスケールとして析出するのを防止又は遅延させるために、濃縮供給流内にスケール防止剤を注入することができる。スケール防止剤注入装置は、資本及び保守コストの一因となり、また浄水システムの体積及び重量を増加させる。バクテリア及び他の生命体を死滅させることができる生物防止剤は、濃縮供給流内に注入することができるが、生物防止剤は、最終的には廃棄物として処分されなければならず、また生物防止剤注入装置は、資本及び保守コストの一因となる。特定の生物防止剤はまた、浄水システムの構成要素の寿命を短縮するおそれがある。例えば、塩素は、生物防止剤として機能することができるが、電気脱イオンユニットの区画分離膜及び稀釈区画内のイオン交換樹脂を劣化させるおそれがある。紫外線装置は、濃縮ループ内の流体を照射してバクテリア及び他の生命体を死滅させることができる。しかしながら、紫外線装置及び生物防止剤のいずれも、死滅させた生命体の残骸を排除することはできない。

別の方法では、濃縮ループは、電気脱イオンユニットを組み込んだ浄水システム内では使用されない。代わりに、濃縮供給流内の流体は、該流体のリサイクルを使用しないで、濃縮区画に連続的に供給されかつ該濃縮区画をただ１回のみ通過する。濃縮供給流内の新規流体が、１回通過システムの形態で濃縮区画に連続的に供給されるので、濃縮区画内での多価イオンのような不純物及びバクテリアのような生物汚損物質の濃度は低くすることができる。１回通過システムでは、濃縮ループを組み込んだシステムよりも区画分離膜の清浄化の頻度の必要性をより少なくすることができる。カリフォルニア州ラグーナヒルズ所在のＥｌｅｃｔｒｏｐｕｒｅ，Ｉｎｃ．が、１回通過ユニットであるＥｌｅｃｔｒｏｐｕｒｅ ＥＤＩを製造している。

しかしながら、供給流の一部分を電気脱イオンユニットの稀釈区画に供給しまたその残部を濃縮区画に供給する従来型の１回通過システムは、水消費型であり、供給流流量に対するＥＤＩ生成物流流量の比率が低い。大きな水の消費量は、従来型の１回通過システムの運転コストの一因となる。電気脱イオンユニットの稀釈区画及び濃縮区画に供給する前に例えば逆浸透ユニットによって供給流をろ過する場合には、所定のＥＤＩ生成物流流量に対するろ過ユニットの必要能力及び関連する資本コストは、濃縮ループを組み込んだシステムにおけるよりもさらに大きくなる可能性がある。稀釈区画から濃縮区画内に移動促進されるイオンが濃縮区画にリサイクルされないので、従来型の１回通過システムの濃縮供給流内にイオン源として塩を連続的に注入する必要性が生じる可能性がある。塩を注入する必要性は、塩注入装置に関連する資本及び保守コストの増大をもたらす。従来型の１回通過システムにおいては所定のＥＤＩ生成物流流量に対する供給流水の流量が濃縮ループを組み込んだシステムにおけるよりもさらに大きいことにより、従来型１回通過浄水システムは濃縮ループを組み込んだ浄水システムよりも環境に優しくないという結果になる可能性がある。

Ｓａｔｏ他の米国特許公開第２００２／０１２５１３７号の図１は、ＥＤＩ生成物流の一部分が濃縮供給流として電気脱イオンユニットの濃縮区画に供給されるシステムを示している。このシステムは、濃縮流出流が廃液として処分され、濃縮区画にリサイクルされない点で従来型の１回通過浄水システムに類似している。従って、米国特許公開第２００２／０１２５１３７号の図１に示されたシステムは、供給流の水を効率的に使用しているとは思えない。

従って、蓄積した生物汚損物質を除去するために電気脱イオンユニットの区画分離膜が清浄化されなければならなくなる前に長期間にわたり運転することができ、かつ供給流流量に対するＥＤＩ生成物流の流量の大きな比率を有するという点において環境に優しい浄水システムに対する満たされていないニーズが依然として存在している。
米国特許第６５６５７２６号明細書 米国特許第６０５６８７８号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１２５１３７号明細書 米国特許第６２７４０１９号明細書 米国特許第６３７９５１８号明細書 米国特許出願公開第２００２／００２０６２６号明細書 米国特許第６２４８２２６号明細書 米国特許第６１８７２０１号明細書 米国特許第６１１０３７５号明細書 米国特許第４８０８２８７号明細書 米国特許第３６３９２３１号明細書 米国特許第５９９７７４５号明細書 米国特許第６３０３０３７号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１２５１９１号明細書 米国特許第５２３８５７４号明細書 米国特許第５３１６６３７号明細書 米国特許出願公開第２００２／０１５３３１９号明細書 米国特許第６５３７４５６号明細書 米国特許第５９２５２５５号明細書 米国特許出願公開第２００３／０３４２９２号明細書 米国特許出願公開第２００４／１８８３５２号明細書 ドイツ特許出願公開第４１３５１６６号明細書 国際公開第２００４／０１３０４８号パンフレット 国際公開第２００４／０１３０４８号パンフレット

従って、本発明の目的は、蓄積した生物汚損物質を除去するために電気脱イオンユニットの区画分離膜が清浄化されなければならなくなる前に長期間にわたり運転することができ、かつ供給流流量に対するＥＤＩ生成物流の流量の大きな比率を有するという点において環境に優しい浄水システムを提供することである。

本発明の浄水システムの実施形態は、電気脱イオンユニットと濃縮ろ過膜とを含む。電気脱イオンユニットは、ＥＤＩ生成物流を生産することができ、稀釈供給流を受けるための稀釈区画と濃縮供給流を受けかつ濃縮流出流を送出するための濃縮区画とを含むことができる。濃縮ろ過膜は、電気脱イオンユニットの濃縮流出流から生物汚損物質を除去してろ過濃縮流出流を生成することができる。電気脱イオンユニットの濃縮区画は、ろ過濃縮流出流を受けることができる。生物汚損物質には、バクテリア、原生生物、原虫、藻類、菌類、酵母、花粉、多細胞性生命体の構成細胞、生命体の断片、細胞小器官、細胞壁、生命体内に見られる化合物、生命体によって生成された化合物、タンパク質、タンパク質断片、多糖類、セルロース、及び約１５０ダルトンよりも大きいか又はそれに等しい分子量を有する炭素含有分子を含むことができる。濃縮ろ過膜は、十字流構成を有する濃縮ろ過ユニット内に又はプラグフロー構成を有する濃縮ろ過ユニット内に組み込むことができる。電気脱イオンユニットの濃縮区画は、補給供給源から補給流を受けることができる。廃液ユニットは、濃縮区画から抽出流を受けることができる。

本浄水システムの別の実施形態は、側流ろ過膜と廃液ユニットとを含む。側流ろ過膜は、濃縮区画からの濃縮流出流の一部分をサイド透過流とサイド廃棄流とに分離することができ、廃液ユニットは、サイド廃棄流の実質的に全てを受けることができ、また濃縮ろ過膜は、サイド透過流を受けることができる。それに代えて、側流ろ過膜は、濃縮ろ過膜からのろ過濃縮流出流の一部分をサイド透過流とサイド廃棄流とに分離することができ、廃液ユニットは、サイド廃棄流の実質的に全てを受けることができ、また濃縮区画は、サイド透過流を受けることができる。側流ろ過膜は、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜又はそれらのあらゆる組合せを含むことができる。

本浄水システムの実施形態は、補給流供給源を含む。濃縮区画は、補給流供給源から補給流を受けることができ、ＥＤＩ生成物流は、稀釈供給流及び補給流の総流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有することができる。濃縮ろ過膜は、補給流供給源から補給流を受けることができ、ＥＤＩ生成物流は、稀釈供給流及び補給流の総流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有することができる。

本発明による浄水システムは、稀釈区画と濃縮区画との間を流れる物質をろ過するための区画分離膜を含むことができる。実施形態では、区画分離膜の清浄化は、多くても年間当たり１回ほど必要となる。

好適な濃縮ろ過膜は、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜又はそれらのあらゆる組合せを含むことができる。本発明による浄水システムは、スケール防止剤注入装置、生物防止剤注入装置、アルカリ金属水酸化物注入装置、塩注入装置又はそれらの注入装置のあらゆる組合せを含むことができる。スケール防止剤注入装置は、濃縮流出流及び／又はろ過濃縮流出流内にスケール防止剤を注入することができ、生物防止剤注入装置は、濃縮流出流及び／又はろ過濃縮流出流内に生物防止剤を注入することができ、アルカリ金属水酸化物注入装置は、濃縮流出流及び／又はろ過濃縮流出流内にアルカリ金属水酸化物を注入することができ、また塩注入装置は、濃縮流出流及び／又はろ過濃縮流出流内に塩を注入することができる。本浄水システムは、濃縮流出流及び／又ろ過濃縮流出流から溶解又は混入気体を分離するための気体透過膜、濃縮流出流及び／又ろ過濃縮流出流を照射するための紫外線装置、及び／或いは濃縮流出流及び／又ろ過濃縮流出流を軟水化するためのイオン交換ユニットを含むことができる。

本発明による浄水システムは、濃縮ろ過膜の表面を横切る濃縮流出流の流量を増加させるための再循環ポンプを含むことができる。電気脱イオンユニットは、向流式電気脱イオンユニットを含むことができる。

本発明による浄水方法では、電気脱イオンユニットは、ＥＤＩ生成物流及び濃縮流出流を生成する。濃縮流出流から生物汚損物質を除去して、ろ過濃縮流出流を生成することができる。ろ過濃縮流出流は、電気脱イオンユニットの濃縮区画に供給することができる。濃縮流出流の一部分及び／又はろ過濃縮流出流の一部分から不純物を除去して、サイド透過流を生成することができる。サイド透過流は、濃縮流出流及び／又はろ過濃縮流出流に供給することができる。ＥＤＩ生成物流は、稀釈供給流の流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有することができる。補給流は、濃縮流出流及び／又はろ過濃縮流出流に供給することができる。除去した生物汚損物質は、廃液ユニットに排出することができる。抽出流は、濃縮流出流及び／又はろ過濃縮流出流から取り出すことができ、抽出流は、廃液ユニットに排出することができる。稀釈供給流の流量の９０％よりも大きいか又はそれに等しい、ＥＤＩ生成物流の流量を選択することができる。

本発明の実施形態を以下に詳細に説明する。実施形態の説明では、明確さを目的として、特定の専門用語を使用する。しかしながら、本発明は、そのように選択した専門用語に限定することを意図するものではない。本発明の技術思想及び技術的範囲から離れずに他の均等な構成要素及び開発した方法を使用することができることは、当業者には明らかであろう。本明細書で引用した全ての参考文献は、あたかもその各々が個々に組み込まれていたかのように参考文献として組み入れる。

図１に示す本発明による浄水システムの実施形態では、浄水のＥＤＩ生成物流４を生産するための電気脱イオンユニット２を示している。稀釈区画６は、稀釈供給流８を受けることができる。濃縮区画１０は、濃縮供給流１２を受けることができ、かつ濃縮流出流１４を送出することができる。濃縮ろ過膜１６は、電気脱イオンユニット２の濃縮流出流１４から生物汚損物質並びにコロイド及び粒子状物質のような他の不純物を除去して、ろ過濃縮流出流１８を生成することができる。電気脱イオンユニット２の濃縮区画１０は、ろ過濃縮流出流１８を受けることができる。ポンプ４８は、例えば濃縮流出流１４又はろ過濃縮流出流１８内に設置することができる。

生物汚損物質には、生きている又は死滅した生命体を含むことができる。そのような生命体には、例えばバクテリア、原生生物、原虫、藻類、菌類、酵母、花粉、多細胞性生命体の構成細胞を含むことができる。生物汚損物質にはまた、例えば細胞小器官又は細胞壁のような生命体の断片が含まれる場合がある。生物汚損物質には、例えばタンパク質、タンパク質の断片、多糖類又はセルロースのような生命体内に見られるか又は生命体によって生成された化合物が含まれる場合がある。生物汚損物質にはさらに、例えば約１５０ダルトンよりも大きいか又はそれに等しい分子量を有する炭素含有分子を含むことができる。

濃縮ろ過膜１６は、濃縮ろ過ユニット３２内に組み込むことができる。濃縮ろ過ユニット３２は、十字流構成又はプラグフロー構成を有することができる。濃縮ろ過ユニット３２はまた、十字流構成及びプラグフロー構成の態様を組合せた構成を有することができる。例えば、濃縮ろ過ユニット３２は、一般的にプラグフロー構成で作動するが濃縮ろ過膜１６の表面を清浄化するために十字流構成に切り替えることができるように設計することができる。

本発明の浄水システムは、補給流供給源４２を含むことができる。本浄水システムは、ろ過水、粗ろ過水又は未ろ過水を補給流供給源４２からの補給流４４として受け入れることができる。濃縮ろ過膜１６は、補給流４４内に持ち込まれる可能性がある生物汚損物質のような不純物を除去することができるものが考えられる。十分な純度の水が補給流４４として導入される場合には、補給流４４は、濃縮ろ過膜１６の後方で導入することができる、すなわち補給流４４は、ろ過濃縮流出流１８内に又は濃縮区画１０内に導入することができる。従って、濃縮流出流１４、ろ過濃縮流出流１８、濃縮ろ過膜１６又は濃縮区画１０は、補給流４４を受けることができる。ＥＤＩ生成物流４は、稀釈供給流８及び補給流４４の総流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有することができる。

廃液ユニット４０は、ろ過濃縮流出流１８から又は濃縮流出流１４から抽出流５０を受けることができる。廃液ユニット４０は、濃縮ろ過膜１６から又は濃縮区画１０から抽出流５０を受けることができる。

図２に示すように、本浄水システムは、ろ過濃縮流出流１８の一部分をサイド透過流３６とサイド廃棄流３８とに分離することができる側流ろ過膜３４を含むことができる。サイド廃棄流３８は、抽出流としての役割を果たすことができ、廃液ユニット４０は、サイド廃棄流３８の実質的に全てを受けることができる。濃縮区画１０又は濃縮ろ過膜１６は、サイド透過流３６を受けることができる。

側流ろ過膜３４は、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜、逆浸透膜又はそれらのあらゆる組合せを含むことができる。側流ろ過膜３４によって除去された不純物は、サイド廃棄流３８に流すことができる。不純物をサイド廃棄流３８内に濃縮する（集中させる）ことによって、例えば濃縮区画１０において不純物が特定のレベルを超えるのを防止するために不純物を除去する際に排出される水の流量を減少させることができる。例えばサイド廃棄流３８のような抽出流内に排出される水の流量を減少させることによって、補給流４４内に付加しなくてはならない水の流量が減少し、従ってＥＤＩ生成物流４の単位容積を生産する際の水の全消費量が減少する。ろ過濃縮流出流１８から一価の塩並びに他の不純物を除去する側流ろ過膜３４を、使用することができる。濃縮区画１０にわたって高い電気伝導率を維持するためには該濃縮区画１０内での一価の塩の高い濃度が望ましいが、濃縮区画１０内での一価の塩の濃度は、一定のレベルを超えるべきではない。例えば、側流ろ過膜３４は、一価の塩を除去することができる逆浸透膜を含むことができる。それに代えて、側流ろ過膜３４は、濃縮流出流１４の一部分をサイド透過流３６とサイド廃棄流３８とに分離可能にすることができ、濃縮ろ過膜１６は、サイド透過流３６を受けることができ、またサイド廃棄流３８は、廃液ユニット４０によって受けることができる。

電気脱イオンユニット２は、稀釈区画６を濃縮区画１０から分離する区画分離膜４６を含むことができる。生物汚損物質のような物質が区画分離膜４６上に、例えば区画分離膜４６の濃縮区画１０に隣接する側面上に蓄積した場合には、蓄積した物質は膜４６を通過するイオンの流れを制限して、電気脱イオンユニット２の作動に悪影響を与えるおそれがある。例えば、生物汚損物質のような物質が蓄積した場合には、ＥＤＩ生成物流４内に残留する不純物の濃度が上昇し、或いはＥＤＩ生成物流４内の不純物の濃度を低く維持するために稀釈供給流８、従ってＥＤＩ生成物流４の流量を減少させることが必要になる可能性がある。生物汚損物質のような物質が区画分離膜４６の濃縮区画１０に隣接する側面上に蓄積した場合には、濃縮区画１０を通る流体の所定の流量に関連する圧力損失が増大する可能性がある。その場合には、流量を維持するために、濃縮区画１０の両側、すなわち濃縮供給流１２を受けるための濃縮区画１０の入口と濃縮流出流１４を送出するための濃縮区画１０の出口との間により大きな差圧を加えることが必要になる可能性がある。流量を維持するのに必要となる大きな差圧は、より大きな電力消費を招くおそれがある。例えば約５ｐｐｍ〜約２００ｐｐｍの全溶解固形物の濃度を有する表層水のような表層水が供給される逆浸透膜は、溶解固形物、バクテリア及び他の生物汚損物質のような不純物をろ過することができ、ろ過水は、稀釈供給流８及び補給流４４に供給することができる。

しかしながら、たとえ補給流４４に逆浸透膜によってろ過された水が給水される場合であっても、生物汚損物質は、逆浸透膜を浸透又は迂回して、濃縮区画１０を汚染する可能性がある。例えば、生物汚損物質は、当初から逆浸透膜内に存在していた欠陥又は逆浸透膜に対する損傷によって生じた欠陥のいずれかである逆浸透膜内の欠陥を通り抜けるか或いは逆浸透膜の周りのシール内の漏洩路を通り抜けることができる。一旦濃縮区画１０に存在すると、生物汚損物質は蓄積するおそれがあり、例えばバクテリアのような生きた生物汚損物質は、繁殖及び増殖するおそれがある。区画分離膜４６の化学的劣化を防止するために塩素及び他の生物防止剤は稀釈供給流８及び補給流４４から除去される可能性があるので、濃縮区画１０内での生きた生物汚損物質の繁殖は、問題となるおそれがある。その結果、区画分離膜４６は、定期的に清浄化することが必要であり、このことは、コストがかかりかつ不都合な作業となる可能性がある。区画分離膜４６は、高価であり、またそれらを交換する前に限られた回数だけしか清浄化することができない。濃縮区画からその濃縮区画に戻るように水をリサイクルする従来型の浄水システムにおける区画分離膜は、頻繁な清浄化を必要とする可能性がある。しかしながら、本発明の浄水システムにおける区画分離膜４６は、濃縮ろ過膜１６が生物汚損物質及び他の不純物を除去することができるので、従来型の浄水システムにおける区画分離膜よりも遥かに少ない頻度の清浄化を必要とすることができる。例えば、従来型の浄水システムにおける区画分離膜の必要な清浄化の頻度は、本発明による浄水システムにおける区画分離膜４６の必要な清浄化の頻度よりも約２倍〜約４倍多くなる可能性がある。例えば、所定の供給源からの水が逆浸透膜によってろ過され、補給流として従来型の浄水システムにおける濃縮供給流に供給される場合には、従来型の浄水システムの電気脱イオンユニット内の区画分離膜は、年間当たり約２回〜約４回の清浄化を必要とする可能性がある。これと対照的に、同じ供給源からの水が逆浸透膜によってろ過され、補給流４４として本発明による浄水システムに供給される場合には、電気脱イオンユニット２内の区画分離膜４６は、必要な清浄化を多くても年間当たり１回だけとすることがでる。

濃縮ろ過膜１６は、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜又はそれらのあらゆる組合せを含むことができる。例えば、オランダ国Ｖｒｉｅｚｅｎｖｅｅｎ所在のＸ−Ｆｌｏｗ Ｂ．Ｖによって製造されたＣａｐｆｉｌ限外ろ過膜モデルＵＦＣＭ５は、１５０，０００〜２００，０００ダルトンの分画分子量を有するものとして仕様設定されている。ペンシルバニア州トレボーズ所在のＧＥ Ｗａｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓによって製造されたろ過ユニットの実例は、以下の、すなわち０．０４μｍの孔径を有するものとして仕様設定されたＤＳ−Ｅ−５００精密ろ過膜、１０，０００ダルトンの分画分子量を有するものとして仕様設定されたＰＷシリーズ限外ろ過膜、６，０００ダルトンの分画分子量を有するものとして仕様設定されたＰＴ８０４０Ｆ限外ろ過膜、及び非帯電有機分子の１５０〜３００ダルトンの分画分子量を有するものとして仕様設定されたＤＳ５１ナノろ過膜を含む。カリフォルニア州オーシャンサイド所在のＨｙｄｒａｎａｕｔｉｃｓによって製造されたＨＹＤＲＡｃａｐ（登録商標）中空糸限外ろ過膜モジュールは、１５０，０００ダルトンの分画分子量を有するものとして仕様設定され、プラグフロー（正流又は「デッドエンド」流としても知られている）モードで作動することができまた十字流モードで作動することができる。

本発明の浄水システムは、１つ又はそれ以上の付加的構成要素を含むことができる。例えば、本浄水システムは、濃縮流出流１４及び／又はろ過濃縮流出流１８内にスケール防止剤を注入することができるスケール防止剤注入装置を含むことができる。スケール防止剤の実施例には、硫酸、塩酸、ポリアクリル酸、ポリ（アクリル−コ−スルホネート）、ホスホン酸塩スケール防止剤、ヘキサメタリン酸ソーダ、ＥＤＴＡ錯化剤、ＣＤＴＡ錯化剤、アミドコハク酸キレート剤、重亜硫酸ナトリウム及びそれらの組合せ、並びに他のスケール防止剤が含まれる。

本浄水システムは、生物防止剤注入装置を含むことができる。生物防止剤注入装置は、濃縮流出流１４及び／又はろ過濃縮流出流１８内に生物防止剤を注入することができる。

本浄水システムは、水酸化ナトリウム注入装置を含むことができる。水酸化ナトリウム注入装置は、濃縮流出流１４及び／又はろ過濃縮流出流１８内に水酸化ナトリウムを注入することができる。注入した水酸化ナトリウムは、水内に溶解した二酸化炭素と反応して炭酸ナトリウム及び重炭酸ナトリウムを形成し、それらは、溶液の形態で残存し、電気脱イオンユニット２内でスケール付着又は汚損作用を生じない。

本浄水システムは、濃縮流出流１４及び／又はろ過濃縮流出流１８の流体内に塩、例えば塩化ナトリウムのような一価の塩を注入するための塩注入装置を含むことができる。塩注入装置は、濃縮区画１０内での塩の最小濃度を保証することができる。濃縮区画１０内での十分な塩の濃度は、濃縮区画１０にわたる高い電気伝導度をもたらすことができる。

気体透過膜を有する気体透過ユニットを用いて、水から溶解又は混入気体を除去することができる。例えば、二酸化炭素は、そのような気体透過ユニットを用いて除去することができる。気体透過ユニットは、ろ過濃縮流出流１８を受け、ろ過濃縮流出流１８から溶解又は混入気体を分離し、次にその脱気しかつろ過した流を電気脱イオンユニット２の濃縮区画１０に供給することができる。それに代えて、気体透過ユニットは、濃縮流出流１４を受け、濃縮流出流１４から溶解又は混入気体を分離し、次にその脱気しかつ処理した流を濃縮ろ過膜１６に供給することができる。

本浄水システムは、紫外線装置を含むことができる。この装置は、ろ過濃縮流出流１８が電気脱イオンユニット２の濃縮区画１０に流入する前に、ろ過濃縮流出流１８を紫外線で照射することができる。それに代えて、紫外線装置は、濃縮流出流１４が濃縮ろ過膜１６に流入する前に、濃縮流出流１４を紫外線で照射することができる。

イオン交換ユニットは、ろ過濃縮流出流１８を受け、ろ過濃縮流出流１８の流体を軟水化することができる。この軟水化しかつろ過した流は次に、電気脱イオンユニット２の濃縮区画１０に供給することができる。例えば、イオン交換ユニットは、精密ろ過膜又は限外ろ過膜を組み込んだ濃縮ろ過膜１６からろ過濃縮流出流１８を受入れることができる。イオン交換樹脂は、炭酸カルシウム又は炭酸マグネシウムのような塩をより溶解性のナトリウム塩に変換し、従って電気脱イオンユニット２の濃縮区画１０に面する区画分離膜４６の表面のスケール付着及び汚損作用を軽減させると理解される。それに代えて、イオン交換ユニットは、濃縮流出流１４を受け、濃縮流出流１４の流体を軟水化することができ、この軟水化しかつろ過した流は次に、濃縮ろ過膜１６に供給することができる。

本浄水システムは、濃縮ろ過膜１６の表面を横切る濃縮流出流１４の流量を増加させるための再循環ポンプを含むことができる。再循環ポンプの入口は、例えば濃縮ろ過膜１６の上流でかつ濃縮ろ過膜１６の表面に近接させて流体接続することができ、再循環ポンプの出口は、例えば濃縮流出流１４に流体接続することができる。

実施形態では、電気脱イオンユニット２は向流構成を有する、すなわち濃縮区画１０内の流体が稀釈区画６内の流体が流れる方向と対向する方向に流れる。区画分離膜４６の所定の面積に対して単位時間当たりに稀釈区画６から濃縮区画１０に輸送されるイオン種の質量は、並流構成の場合ものよりも向流構成の場合により大きくすることができる。

本発明による水を浄化する方法では、ＥＤＩ生成物流４及び濃縮流出流１４は、電気脱イオンユニット２で生成される。濃縮流出流１４から生物汚損物質を除去して、ろ過濃縮流出流１８を生成することができる。除去した生物汚損物質は、廃液として排出することができる。ろ過濃縮流出流１８は、電気脱イオンユニット２の濃縮区画１０に供給することができる。

ろ過濃縮流出流１８の一部分から不純物を除去して、サイド透過流３６を生成することができ、サイド透過流３６は、ろ過濃縮流出流１８及び／又は濃縮流出流１４に供給することができる。濃縮流出流１４から不純物を除去して、サイド透過流３６を生成することができ、サイド透過流３６は、濃縮流出流１４及び／又はろ過濃縮流出流１８に供給することができる。補給流４４は、濃縮流出流１４又はろ過濃縮流出流１８に供給することができる。

ＥＤＩ生成物流４は、稀釈供給流８の流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有することができる。

抽出流は、濃縮流出流１４及び／又はろ過濃縮流出流１８から取り出すことができ、抽出流は、廃液として排出することができる。

本方法は、稀釈供給流８の流量の９０％よりも大きいか又はそれに等しいＥＤＩ生成物流４の流量を選択する段階を含むことができる。例えば、補給流４４の流量とサイド廃棄流３８のような抽出流の流量とは、この比率を達成するように選択することができる。

本明細書に示しかつ説明した実施形態は、本発明を製作しかつ使用するための発明者が知る最良の方法を当業者に教示することのみを意図している。本明細書における全てのものは、本発明の技術的範囲を限定するものではないと考えられたい。全ての提示した実施例は、代表的なものであり、また非限定的なものである。本発明の上述の実施形態は、上記の教示に照らして当業者には明らかなように、本発明から逸脱せずに修正又は変更することができる。従って、本発明は、特許請求の範囲及びその均等物の技術的範囲内で、具体的に記載したものとは別の方法で実施することができることを理解されたい。

本発明の実施形態による浄水システムの概略図。 側流ろ過膜、サイド透過流、サイド廃棄流、廃液ユニット、補給流及び補給流供給源を含む、本発明の実施形態による浄水システムの概略図。

符号の説明

２ 電気脱イオンユニット
４ ＥＤＩ生成物流
６ 稀釈区画
８ 稀釈供給流
１０ 濃縮区画
１２ 濃縮供給流
１４ 濃縮流出流
１６ 濃縮ろ過膜
１８ ろ過濃縮流出流
３２ 濃縮ろ過ユニット
３４ 側流ろ過膜
３６ サイド透過流
３８ サイド廃棄流
４０ 廃液ユニット
４２ 補給流供給源
４４ 補給流
４６ 区画分離膜
４８ 再循環ポンプ
５０ 抽出流

Claims (27)

1. 稀釈供給流を受けるための稀釈区画と濃縮供給流を受けかつ濃縮流出流を送出するための濃縮区画とを含む、ＥＤＩ生成物流を生産するための電気脱イオンユニットと、
   前記電気脱イオンユニットの濃縮流出流から生物汚損物質を除去してろ過濃縮流出流を生成するための濃縮ろ過膜と、を含み、
   前記電気脱イオンユニットの濃縮区画が、前記ろ過濃縮流出流に流体接続される、
   浄水システム。
2. 前記生物汚損物質が、バクテリア、原生生物、原虫、藻類、菌類、酵母、花粉、多細胞性生命体の構成細胞、生命体の断片、細胞小器官、細胞壁、生命体内に見られる化合物、生命体によって生成された化合物、タンパク質、タンパク質断片、多糖類、セルロース、及び約１５０ダルトンよりも大きいか又はそれに等しい分子量を有する炭素含有分子からなる群から選択される、請求項１記載のシステム。
3. 前記濃縮ろ過膜が、十字流構成を有する濃縮ろ過ユニット内に組み込まれる、請求項１記載のシステム。
4. 前記濃縮ろ過膜が、プラグフロー構成を有する濃縮ろ過ユニット内に組み込まれる、請求項１記載のシステム。
5. 前記濃縮区画からの前記濃縮流出流の一部分をサイド透過流とサイド廃棄流とに分離することができる側流ろ過膜と、
   前記サイド廃棄流の実質的に全てを受けるための廃液ユニットと、をさらに含み、
   前記濃縮ろ過膜が、前記サイド透過流を受けることができる、
   請求項１記載のシステム。
6. 前記濃縮ろ過膜からの前記ろ過濃縮流出流の一部分をサイド透過流とサイド廃棄流とに分離することができる側流ろ過膜と、
   前記サイド廃棄流の実質的に全てを受けるための廃液ユニットと、をさらに含み、
   前記濃縮区画が、前記サイド透過流を受けることができる、
   請求項１記載のシステム。
7. 前記側流ろ過膜が、精密ろ過膜、限外ろ過膜、ナノろ過膜又は逆浸透膜の少なくとも１つから選択された膜を含む、請求項６記載のシステム。
8. 補給流供給源をさらに含み、
   前記濃縮区画が、前記補給流供給源から補給流を受けることができ、
   前記ＥＤＩ生成物流が、前記稀釈供給流及び補給流の総流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有することができる、
   請求項６記載のシステム。
9. 補給流供給源をさらに含み、
   前記濃縮ろ過膜が、前記補給流供給源から補給流を受けることができ、
   前記ＥＤＩ生成物流が、前記稀釈供給流及び補給流の総流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有することができる、
   請求項６記載のシステム。
10. 前記稀釈区画と前記濃縮区画との間を流れる物質をろ過するための区画分離膜をさらに含み、
    前記区画分離膜が、多くても年間当たり１回の清浄化を必要とする、
    請求項１記載のシステム。
11. 前記濃縮ろ過膜が、精密ろ過膜、限外ろ過膜又はナノろ過膜の少なくとも１つから選択された膜を含む、請求項１記載のシステム。
12. 前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つ内にスケール防止剤を注入するためのスケール防止剤注入装置、
    前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つ内に生物防止剤を注入するための生物防止剤注入装置、
    前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つ内にアルカリ金属水酸化物を注入するためのアルカリ金属水酸化物注入装置、又は
    前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つ内に塩を注入するための塩注入装置、
    の少なくとも１つをさらに含む、請求項１記載のシステム。
13. 前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つから溶解又は混入気体を分離するための気体透過膜をさらに含む、請求項１記載のシステム。
14. 前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つを照射するための紫外線装置をさらに含む、請求項１記載のシステム。
15. 前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つを軟水化するためのイオン交換ユニットをさらに含む、請求項１記載のシステム。
16. 前記濃縮ろ過膜の表面を横切る前記濃縮流出流の流量を増加させるための再循環ポンプをさらに含む、請求項１記載のシステム。
17. 前記電気脱イオンユニットが、向流式電気脱イオンユニットを含む、請求項１記載のシステム。
18. 稀釈供給流を受けるための稀釈区画と濃縮供給流を受けかつ濃縮流出流を送出するための濃縮区画とを含み、ＥＤＩ生成物流を生産するための電気脱イオンユニットと、
    前記濃縮流出流から生物汚損物質を除去してろ過濃縮流出流を生成するための濃縮ろ過膜と、
    補給流供給源と、
    廃液ユニットと、を含み、
    前記濃縮区画が、前記補給流供給源から補給流を受けることができ、
    前記廃液ユニットが、前記濃縮区画から抽出流を受けることができ、
    前記濃縮区画が、前記ろ過濃縮流出流を受けることができる、
    浄水システム。
19. 前記濃縮ろ過膜が、十字流構成を有する濃縮ろ過ユニット内に組み込まれる、請求項１８記載のシステム。
20. 逆浸透膜を含みかつ前記ろ過濃縮流出流の一部分をサイド透過流及びサイド廃棄流に分離することができる側流ろ過膜をさらに含み、
    前記廃液ユニットが、前記サイド廃棄流の実質的に全てを受けることができ、
    前記濃縮区画が、前記サイド透過流を受けることができる、
    請求項１８記載のシステム。
21. 水を浄化する方法であって、
    電気脱イオンユニットを用いてＥＤＩ生成物流及び濃縮流出流を生成する段階と、
    前記濃縮流出流から生物汚損物質を除去してろ過濃縮流出流を生成する段階と、
    前記ろ過濃縮流出流を前記電気脱イオンユニットの濃縮区画に供給する段階と、
    を含む方法。
22. 前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つの一部分から不純物を除去してサイド透過流を生成する段階と、
    前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つに前記サイド透過流を供給する段階と、
    をさらに含む、請求項２１記載の方法。
23. 前記ＥＤＩ生成物流が、稀釈供給流の流量の９７％よりも大きいか又はそれに等しい流量を有する、請求項２２記載の方法。
24. 前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つに補給流を供給する段階をさらに含む、請求項２１記載の方法。
25. 前記除去した生物汚損物質を廃液ユニットに排出する段階をさらに含む、請求項２１記載の方法。
26. 前記濃縮流出流又はろ過濃縮流出流の少なくとも１つから抽出流を取り出す段階と、
    前記抽出流を前記廃液ユニットに排出する段階と、
    をさらに含む、請求項２１記載の方法。
27. 稀釈供給流の流量の９０％よりも大きいか又はそれに等しい、前記ＥＤＩ生成物流の流量を選択する段階をさらに含む、請求項２１記載の方法。

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