JP2009511258A - 両極性層の生成を含む水精製の方法および装置 - Google Patents

Abstract

水処理の方法および装置であって、これらにより、溶存物質を含む供給水が少なくとも１つの処理表面に送出される、方法および装置。電場が処理表面の近傍に生成されて、水分子の両極性性質により水和層が生成される。その後、水が水和層から抽出される。この抽出は、浸透によりあるいは要素（複数可）上の水和層の水を含む供給水から要素（複数可）を除去することにより行われることができ、次いで脱水層の水が上記要素（複数可）から抽出される。この方法は、海水から飲料水を供給するためのエネルギ消費を減らすために案出された。

Description

本発明は、水の精製処理のための方法および装置に関する。本発明は、飲料水を供給するための海水の塩分除去を目的とした処理でのエネルギ消費を減らすために案出された。

世界の多くの地域において、飲料水の需要を満たすことができる唯一の方法は海水の塩分除去によるものであり、他に実用的な水の供給源はない。残念ながら、既知の塩分除去手法は大量のエネルギを消費することから、世界のエネルギ消費問題を悪化させている。

主に２つの既知の塩分除去手法がある。１つは蒸留であり、塩分を含んだ給水（ｓａｌｉｎｅ ｆｅｅｄ ｗａｔｅｒ）が加熱されて蒸気を発生させ、次いでその蒸気が凝縮されて必要とされる品質の水が供給される。典型的には、４５５リッター（１００ガロン）の海水を使用するごとに６８から２２７リッター（１５から５０ガロン）の淡水が生成され、残りは元の海水より多くの量の溶存固形分を含んだ不用の食塩水となる。この不用の食塩水は放出されて海に戻される。

塩分除去で使用されるもう１つの主な手法は逆浸透であり、取水された海水が半透膜の一方の側に供給されて高い圧力をかけられる。塩の分子はこの膜を通過しないが、水は膜を通過し、海水からの膜のもう一方の側上の水が使用可能な製品となる。

塩分除去手法としての蒸留に付随するエネルギ消費は多量であるが、逆浸透手法を機能させるために必要となる圧力は多量であり、この手法においてもエネルギ消費は多量となることは自明である。

したがって、本発明の目的は、エネルギ消費が少ない方法で、例えば脱塩処理といった水の精製を実現することである。

本発明の一態様によると、溶存物質を含んだ供給源（ｓｕｐｐｌｙ）から比較的精製された水を生成するための水処理の方法が提供され、この方法は、水分子の水和層を供給水（ｓｕｐｐｌｙ ｗａｔｅｒ）内に生成するために電場を生成するステップと、水和層から水を抽出するステップと、を含む。

好ましくは、この方法は、供給水を少なくとも１つの処理表面に送出するステップと、水和層を生成するために表面（複数可）の近傍に電場を生成するステップと、表面（複数可）の近傍から水和層の水を抽出するステップと、を含む。

本発明はまた、溶存物質を含んだ供給源から比較的精製された水を生成するために水を処理する装置を提供し、この装置は、水和層を供給水内に生成するために供給水内に電場を生成する手段と、水和層から水を抽出する手段と、を含む。

供給水を少なくとも１つの処理表面に送出する手段と、処理表面（複数可）の近傍に電場を生成する手段と、表面（複数可）の近傍から水和層の水を抽出する手段とがあってもよい。

本発明は、水分子は、例えば電荷を有する表面の近傍の電場にさらされると電場に従って自身を配向し、さらに水分子は極性分子であることから水分子内の水素結合網目構造が変化する、という原理を利用する。電荷粒子の周りでは、配向された水分子の薄層を含む水和殻が生成される。層の厚さは、分子レベルにおいて、電荷の大きさによって決まる。水和層では、水分子が他の分子およびイオンを排除する。したがって、水和層は薄く、数個の分子のみの厚さであるが（厚さは表面の電場の強さによって決まる）、水和層中の水は実質的に純水であり、この抽出で使用される消費エネルギは水和層が存在しない場合よりかなり少ないエネルギで抽出されることができる。電場の生成にはいくらかのエネルギ消費を伴うが、エネルギ消費の全体としての結果は減少する。

電場がそこにあるいはその近傍に生成される１つまたは複数の処理表面は半透膜を含んでよく、その近傍の水和層からの水が、膜を通る水和層の水の浸透流を引き起こすために供給水に圧力を加えることにより抽出されることができる。

そのとき、膜の一方の側にある、膜を通過した供給水からの水は、実質的に精製例えば脱塩されている。

水和殻からの水の抽出が浸透によって行われる場合、このような浸透を引き起こすのに必要となる圧力は、逆浸透による従来の塩分除去に必要な圧力より実質的に小さい。したがって、塩分除去プロセスでのエネルギ消費は大幅に縮小されることができる。

処理表面の電場は、処理表面にあるいは処理表面の近傍の電極に電荷をかけることにより生成されることができる。電荷は、（ゼロ信号の）空白時間（ｓｐａｃｅ）により分離される正方形のパルスを有する方形波として印加されることができる。

表面の近傍に電場を生成するためにこのような波形を使用することの利点は、パルスの期間において電場が迅速に印加されて水和層が（有限であるが微小時間で）生成されることである。パルス間の空白時間の期間においては、水和層は解放されて圧力下で膜を通過することが可能になる。

膜を通過させることにより水和層の水を抽出することの代替として、水の供給源に対して移動可能である要素上に少なくとも１つの処理表面を用意することにより水を抽出することができ、この処理表面の一部分は、その上にある水和層の水を含む供給水から、水和層の水がその要素から除去されることができる位置まで引っ込められることができる。

この要素は回転可能であってよく、さらに、供給水中に浸漬される周縁部と供給水の上を延在する部分とを有してよく、この要素が回転することにより、水和層の水が、水和層の水がこの要素から抽出されることができる供給水の上の位置まで引き上げられることができるようになる。

この回転可能な要素は、その上に水和層を生成するために電荷を帯びることができさらに水和層の水を解放するために放電されることができる表面を有してよい。この要素は、供給水内のある位置においてこの要素の表面に電荷をかけるための内側帯電電極と、この要素の表面上の水和層の水が抽出されることができる供給水の液位（ｌｅｖｅｌ）より上にある位置に放電電極と、を有する中空ローラの形態であってよい。

別の実施形態では、処理表面は、複数の個別の要素によって与えられてよく、これらの複数の個別の要素は供給水内で移動可能であり、さらに、後でこれらの要素から除去される水和層の水を運びながら処理表面から離脱することができる。

これらの要素は、供給水に入れられるときならびに供給水から取り出されるときにそれぞれ要素に印加されるならびに要素から放電される電荷を有することができる材料であってよい。これらの要素はまた磁気特性を有してよく、その場合、供給水からの要素の取出しは磁気取出し要素によって行われることができる。

本発明を、例として添付の図面を参照しながら説明する。

まず図面の図１を参照すると、本発明による装置の第１の実施形態が示されている。この装置は、ボルト締めされてフランジ付きである耐圧ジョイント１３、１４において中空円筒ケーシング１０にそれぞれが接合されるエンドキャップ１１、１２を有する中空円筒ケーシング１０を含む。エンドキャップ１１、１２は、一方が処理装置への供給水の入口用であり他方が供給水の出口用であるそれぞれのパイプ１５、１６を有する。ケーシング１０の端部に管板１７、１８が設けられており、これら２つのプレートの間を、内側表面と外側表面との間での逆浸透を可能にする半透膜を組み込んだ複数の管状処理要素２０が延在する。ケーシング１０は、一般にその中間領域に、管板１７、１８の間で管２０を囲んでいる空間と連通する排出管２１を有する。

それぞれの管２０の中に、管２０の内側表面に緊密に隣接して置かれている２２で示した螺旋状ワイヤ電極が配置されている。

使用中、例えば海水といった供給水が、パイプ１５、１６のうちの１つを通して導入され、管状要素２０を通過し、パイプ１５、１６のもう一方を通して排出される。間に空白時間がある正方形のパルスを有する方形波電圧が、電極２２に印加される。このパルスの期間では、水和層が要素２０の内側表面に近傍の電極上に形成される。方形波のパルス間の空白時間においては、純粋な水和層の水が解放されて、要素２０の膜を通過することができるようになる。水和層の水のこのような浸透による移動を効率的に行うために十分な圧力が供給水内に維持される。要素２０の膜を通過した後、精製された水和層の水はパイプ２１を通して排出される。装置から排出される供給水は、もちろん、装置に導入される供給水よりも高い塩分濃度を有する。

考えられる代替形態では、螺旋状電極２２を用いた場合のように管状要素２０に緊密に近接するのではなく管状要素２０の内側表面に水和層が生成されるようにするために管状要素２０の内側表面に多孔性導電層を設けることにより、電極２２は置き換えられることができる。水和層が生成されることができる可能な限り大きな表面積をもたらす多孔性導電層は、導電性連続気泡発泡材料（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｅ ｏｐｅｎ−ｃｅｌｌ ｆｏａｍｅｄ ｍａｔｅｒｉａｌ）によって形成されることができる。

図面の図２を参照すると、本発明を実行するための代替の装置での、処理される例えば海水といった供給水を収容する容器３１内の中空円筒処理要素３０が示されている。要素３０は３２で示されたその中心長手軸を中心に矢印３３の方向に回転可能であり、さらには要素３０の表面の３４で示された部分が容器３１内の供給水の通常の液位３５より上に延在することに留意されたい。

要素３０内には帯電電極３６および放電電極３７が配置されており、要素３０は電極３６により電荷を帯びることができるような材料であり、電極３７によって放電されるまでその外側表面上の電荷による電場を維持する。電極３６、３７は、実際には、電場が生成される要素３０の表面に容量結合される。

放電電極３７に隣接して、淡水放出導管３８が要素３０の外側表面に接触している。

使用中、要素３０が矢印３３の方向に回転すると、帯電電極３６によって要素３０上に確立された電荷により純水の水和層４０が要素３０の外側表面上に生成され、さらに、要素３０の回転によりこの水の層が供給水の表面３５の上の放電電極３７の近傍まで運ばれる。この要素上の電場が放電電極３７によりゼロにまで低下したとき、水和層の水は淡水用導管３８内に自由に流れることができるようになり、水が必要とされるあらゆる場所へ誘導される。

次に図面の図３および４を参照すると、例えば海水といった供給水を収容する容器、例えば導管５０が示されている。この装置は図４に示した処理要素を多数使用しており、この処理要素は各々が、磁化されることができさらに電場を維持するために電気を帯びることができるフェライト磁心５１を含む。磁心５１は導電性材料５２で被覆されており、供給水内で浮くのに十分な浮力をこの要素にもたらす。この要素は、陰電荷を帯びた場合、水の水和層５３によって囲まれる。

図３に容器１５の底に設けられた送りスクリュ５５が示されており、この送りスクリュ５５は、図４に示した要素を周縁の４分の３が磁化されている回転可能帯電電極５６へ継続的に誘導している。これらの要素は電極によって集められて電荷を帯び、電極５６が回転したときに磁場が消えて、帯電した要素は海水内へ解放される。これらの要素は容器５０の上部に向かって流れて、構成が帯電電極に類似している収集ローラ５７によって集められる。放電電極５８は要素から電場を取り除いてさらに純水を解放して水排出導管５９内へ流れるようにし、一方、処理要素は６０において送りスクリュ５５へ誘導される。

「含む」、「含んでいる」、「有する」、「有している」という用語、ならびに、これらが語尾変化した用語は、本明細書および特許請求の範囲において使用された場合、指定された特徴、ステップまたは整数が含まれることを意味する。これらの用語は、他の特徴、ステップまたは構成要素の存在を排除すると解釈されるべきではない。

具体的な形態でまたは開示した機能を実行するための手段を用いて表された、先行する記述または特許請求の範囲または添付図面において開示した特徴は、あるいは、開示した結果を達成するための方法またはプロセスは、必要に応じて、個別にあるいはこれらの特徴の任意の組合せで、様々な形態で本発明を実現するために使用されることができる。

本発明の方法を実行する装置の第１の実施形態の斜視図である。 本発明の方法を実行する第２の装置を概略的に示す図である。 本発明を実行する装置の第３の実施形態を概略的に示す図である。 図３の装置を使用するための要素の断面図である。

Claims (23)

1. 溶存物質を含んだ供給源から比較的精製された水を生成するための水処理の方法であって、水分子の水和層を供給水内に生成するために電場を生成するステップと、前記水和層から前記水を抽出するステップと、を含む方法。
2. 前記供給水を少なくとも１つの処理表面に送出するステップと、前記水分子の水和層を生成するために前記表面（複数可）の近傍に電場を生成するステップと、前記表面（複数可）の近傍から前記水和層の水を抽出するステップと、を含む、請求項１に記載の方法。
3. 電場がそこにあるいはその近傍に生成される１つまたは複数の処理表面が半透膜を含み、前記水和層からの水が、前記膜を通る前記水和層の水の浸透流を引き起こすために前記供給水に圧力を加えることにより抽出される、請求項２に記載の方法。
4. 前記処理表面（複数可）の前記電場が、前記表面にあるいは前記表面の近傍の電極に電荷をかけることにより生成される、請求項３に記載の方法。
5. 前記電荷が、空白時間により分離される正方形のパルスを有する方形波信号として印加される、請求項４に記載の方法。
6. 前記処理表面が、前記水の供給源に対して移動可能である少なくとも１つの要素上に用意され、この処理表面の少なくとも一部分が、その上にある前記水和層の水を含む前記供給水から引っ込められることができ、それに続いて、前記水和層の水が前記少なくとも１つの要素から除去される、請求項２に記載の方法。
7. 前記供給水中に浸漬される周縁部と前記供給水の上を延在する部分とを有する要素を回転させるステップであって、水和層の水が、前記回転により、前記水和層の水が前記要素から抽出されることができる前記供給水の上の位置まで引き上げられることができるようになる、ステップを含む、請求項６に記載の方法。
8. 複数の個別の要素上に処理表面を用意するステップであって、前記複数の個別の要素が、前記供給水内で移動可能であり、さらに、後でこれらの要素から除去される水和層の水を運びながら前記処理表面から離脱することができる、ステップを含む、請求項６に記載の方法。
9. 溶存物質を含んだ供給源から比較的精製された水を生成するために水を処理する装置であって、水和層を供給水内に生成するために前記供給水内に電場を生成する手段と、前記水和層から前記水を抽出する手段と、を含む装置。
10. 前記供給水を少なくとも１つの処理表面に送出する手段と、前記処理表面（複数可）の近傍に前記電場を生成する手段と、前記表面（複数可）の近傍から前記水和層の水を抽出する手段と、を含む、請求項９に記載の装置。
11. 前記少なくとも１つの処理表面が半透膜を含み、前記膜を通る前記水和層の水の浸透流を引き起こすために前記供給水に圧力を加える手段が存在する、請求項１０に記載の装置。
12. 前記半透膜が、電荷を印加して前記電場を生成するための導電性要素を有する、請求項１１に記載の装置。
13. 前記半透膜の近傍での前記電場の完全な生成を実現するための、前記半透膜に隣接する電極を含む、請求項１１に記載の装置。
14. 前記膜または電極に方形波の電気信号を印加するための手段を含む、請求項１２または請求項１３に記載の装置。
15. 前記少なくとも１つの処理表面が、その上に水和層を生成するために表面部分が前記供給水内に浸漬されることができるよう、ならびにその上にある前記水和層を含む前記供給水から前記水和層の水が前記要素から除去されることができる位置まで引っ込められることができるようにするために移動可能である少なくとも１つの要素上に設けられる、請求項１０に記載の装置。
16. 前記要素が、回転可能であり、一部分が前記供給水に浸漬される周縁部と前記供給水の上を延在する部分とを有する、請求項１５に記載の装置。
17. 前記回転可能な要素が、その上に水和層を生成するために電荷を帯びることができさらに前記水和層を解放するために放電されることができる表面を有する、請求項１６に記載の装置。
18. 前記回転可能な要素が、前記供給水内のある位置においてこの要素の表面に電荷をかけるための内側帯電電極と、前記供給水の液位より上にある位置に放電電極と、を有する中空ローラを含む、請求項１７に記載の装置。
19. 前記処理表面が複数の個別の要素によって与えられ、前記複数の個別の要素が、前記供給水内で移動可能であり、さらに、後でこれらの要素から除去される前記水和層の水を運びながら前記処理表面から離脱することができる、請求項１５に記載の装置。
20. 前記要素が、前記供給水に入れられるときならびに前記供給水から取り出されるときにそれぞれ前記要素に印加されるならびに前記要素から放電される電荷を有することができる材料である、請求項１９に記載の装置。
21. 前記要素が磁気的に引きつけ可能になることができ、前記供給水からの前記要素の除去を行うための磁気的手段が用意される、請求項２０に記載の装置。
22. 実質的に、添付の図面を参照しながら明細書で説明したようなならびに添付の図面に示したような、水を処理するための方法または装置。
23. 明細書および／または添付の図面内で説明したあらゆる新規の特徴あるいは特徴の新規の組合せ。

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