JP2010504200A - 脱塩のための方法及び装置 - Google Patents

Abstract

水を浄化するための方法及び装置が提供される。海水のような供給水を微多孔膜又はナノ濾過膜のようなフィルタに供給して、透過水を生成し、更に、この透過水を電気脱イオンシステムに供給して、淡水を生成することが可能である。

Description

本発明は、浄水のための方法及び装置に関するものであり、とりわけ、濾過及び電気脱イオンを利用した水の脱塩に関するものである。

飲料用途、工業用途及び農業用途用の淡水に対する世界的な需要の増大によって、海水、汽水又は他の高塩分の水を供給源として用いる浄化方法の必要性が高まっている。塩のような溶解固形物の除去による高塩分の水の浄化は、蒸留及び逆浸透（ＲＯ）を始めとするいくつかの方法で実施されてきた。これらの方法においては、海水又は他の汽水を前処理して供給することから始まり、次に、その水が人間による消費又は他の目的に適したレベルにまで浄化（例えば脱塩）される。海水及び、多くの場合、汽水は豊富な出発原料であるが、現在のＲＯ又は蒸留技術を用いて飲料水に変換するために必要なエネルギには、しばしば、法外なコストがかかる。

環境へ少ししか影響を与えずに効率のよい脱塩技術を開発することができれば、海は無限の水源となる。設備コストが高くつく可能性はあるが、高塩分の水の脱塩において、エネルギに最大の費用が掛かり続ける。エネルギ効率の僅かな改善であっても、脱塩システムによって典型的に処理される水が大量であるため、著しいコスト削減をもたらす可能性がある。

例えば、ＲＯ法によって海水から飲用水を生産するのに必要なエネルギは、主として、処理中の無駄な圧力損失及び海水の浸透圧を克服するのに必要なエネルギから構成される。ＲＯ透過水及びＲＯ排水の両方（システムに供給される水の７０％が、しばしば、無駄に失われる。）に加圧しなければならないので、ＲＯエネルギ消費は、脱塩のための理論上の熱力学的最小量よりもはるかに多くなる。加圧に必要な損失エネルギの一部を回収しようとする試みには、高価な機械的圧力回収装置が、通常、必要になる。

海水には、典型的には、約２０，０００〜４０，０００ｐｐｍ（ｍｇ／ｌ）の全溶解固形物（ＴＤＳ）が含まれており、汽水源には２，０００ｐｐｍ〜２０，０００ｐｐｍものＴＤＳが含まれている可能性がある。これらの溶解固形物には、一価、二価、多価（ｐｏｌｙｖａｌｅｎｔ）及び／又は多重価（ｍｕｌｔｉｖａｌｅｎｔ）の、様々な塩又は化学種が含まれており、典型的には、塩化ナトリウムが全固形物含有量の約７５％以上を構成している。

伝統的に、蒸留のような蒸発法を用いて飲用水を生産してきたが、これらの方法は、一般に逆浸透技術を利用するシステムよりも更に多量のエネルギを必要とする。更に、これらのシステムは、典型的には、複雑な熱回収技術を用いてエネルギ効率を改善する。ＲＯ又は蒸留に基づく方法が高圧又は高温で機能するものであるため、且つ、高塩分の水は腐食性が極めて高いものであるため、操作条件に耐えるには普通でない金属及び合金が必要になり、従って、これらの方法ではエネルギを節約するのに複雑な設備を追加することが必要になるため、設備の初期コストが更に増大し、装置の信頼性が大幅に低下する。

逆浸透技術は、海水からイオン化合物を除去するという点では有効である可能性がある。しかしながら、ＲＯシステムの重大な欠点の１つは、ＲＯ膜が一価塩よりも高い程度で非一価又は多重価塩を選択的に排除するということである。従って、カルシウム及びマグネシウム等の大部分の二価イオンが潅漑用に実際に有益である農業等の用途における浄水を目的とする場合、これらのイオンが選択的に排除され、その結果、必要とされるよりも高い操作圧、膜の汚損及びスケール生成の可能性の増大、及び／又は、作物生産に用いられる貴重なミネラルの損失が生じる。

３．５％を超える固形物を含む海水と１，０００ｐｐｍ未満又は５００ｐｐｍ未満のＴＤＳを有する飲用水との浸透圧の差によって、ただ単に熱力学的自由エネルギポテンシャルを克服するために、高圧を利用して飲用品質の透過水を生産しなければならなくなる。実際には、海水は、処理に備えて有効に前処理することが必要な水の量を減らすことによって前処理コストを削減するために通常高い水回収率で処理されるので、必要な浸透圧は、３．５％固形物含量の海水を処理するのに必要な浸透圧より更に高くなる。例えば、ＲＯシステムで利用される圧力は、典型的には、８００、９００、或いは、１，０００ｐｓｉをさえ超えることになり、高圧操作、耐食性、エネルギ損失の回避、二価選択性によるスケール生成の防止及びシリカ排除を実際に考慮した場合、約３０％〜４０％の水回収率（生成水生産量対総水生産量の比）に制限される。この制限の結果、水回収率が約６７％から約３３％に変化することによって、一定の浄水の要求に関して、前処理設備コストが２倍になり、全水消費量が２倍になる点を考慮すると、ＲＯシステムの前処理の増加コスト及び水使用は極めて高いものになる。ＲＯ膜及びエネルギ再利用技術の最近の進歩によって、ＲＯシステムを利用した飲用水生産の電力消費は生産される水１，０００ガロンにつき約７〜１４ｋｗｈ（１４ｋｗｈ／ｋｇａｌ）にまで低下している。

海水の淡水への変換におけるエネルギ消費の低減のために、いくつかの方法の組合せを利用する代替技術も提案されている。例えば、２回通過式ナノ濾過システムは、第１段階における約５００ｐｓｉ及び第２段階における約２５０ｐｓｉの合計約７５０ｐｓｉの操作圧力を用いて飲用水を生産することが可能であることが、示されている。エネルギ使用量は操作圧に関連しているので、約７５０ｐｓｉの全操作圧力は、８００ｐｓｉを超える圧力で作動する典型的なＲＯシステムに比べてよりエネルギ効率の良いシステムを提供することになる。例えば、参照のために本明細書に組み入れられている先行技術文献（特許文献１）の教示を参照されたい。

海水から淡水を生産するために用いられるもう１つの方法では、ナノ濾過技術が、ＲＯ及びフラッシュ蒸留技術のどちらかと組み合わせて使用される。例えば、参照のために本明細書に組み入れられている先行技術文献（特許文献２）の教示を参照されたい。

米国特許出願公開第２００３／０２０５５２６号明細書 米国特許第６，５０８，９３６号明細書

本出願の主題は、ある場合には、相互関連製品、特定の問題に対する代替解決法、及び／又は、単一システム若しくは物品の複数の異なる利用に関連する。

本発明の１つの側面では、浄水方法が提供される。この方法は、約１，０００ｐｐｍを超える全溶解固形物を含有する供給水をナノ濾過装置に供給して、全溶解固形物が減少した第１の濾過水を生産し、この第１の濾過水を電気脱イオン装置に供給して、約１，０００ｐｐｍ未満の全溶解固形物を含有する第２の濾過水を生産するといった１つ以上の行為を含んでなる。

本発明のもう１つの側面によれば、海水の脱塩装置が提供される。この装置は、ナノ濾過装置とこのナノ濾過装置に流体的に連通している電気脱イオン装置とを含有してなる。

本発明の更にもう１つの側面によれば、海水又は他の高塩分の水源を処理して全溶解固形物を減少させるための方法が提供される。この方法は、濾過水１ｋｇａｌにつき約７ｋｗｈ未満の量のエネルギを装置に加えながら、源水に装置を通過させ、装置から濾過水を除去するといった１つ以上の行為を含んでなる方法であって、ここで、濾過水は約１，０００ｐｐｍ未満の全溶解固形物を含有している。

１つ以上の実施態様によれば、本発明は海水処理方法を対象としている。この方法は、第１段階において海水からの１つ以上の非一価化学種の濃度を減少させる行為と、第２段階において海水からの１つ以上の一価化学種の濃度を減少させて、約１，０００ｐｐｍ未満のＴＤＳを有する水を生産する行為が含まれている。第１及び第２の段階は、生産水１ｋｇａｌにつき約７ｋｗｈ未満の正味エネルギ消費率で実施される。

１つ以上の実施態様によれば、本発明は、水からの一価溶解化学種の濃度を減少させて副生成物流を生じさせる行為と、水からの二価溶解化学種の濃度を減少させる行為と、電気脱イオン装置において水からの溶解固形物の濃度を約１，０００ｐｐｍ未満に減少させる行為とを含んでなる、溶解固形物を有する水の処理方法を対象としている。

本発明の他の利点、特徴及び用途については、本発明の非限定実施態様に関する下記の詳細な説明から、概略であって一定の比率で描かれているわけではない添付の図面と併せて検討すれば、明らかになるであろう。分かりやすくするため、当業者が本発明を理解するために図解の必要がない場合は、全ての構成要素に標識付けしているわけではなく、本発明の各実施態様の全ての構成要素を示しているわけでもない。

本発明の１つ以上の実施態様によるシステムを図解した概略図である。 本発明の１つ以上の更なる実施態様によるシステムを図解した概略図である。

本発明は、その応用において、以下の説明に記載されているか又は図面に図解されている構成要素の構成及び配置の細部に制限されるものではない。本発明は、他の実施態様も可能であり、様々なやり方で実践又は実施することが可能である。更に、本明細書において用いられる表現及び専門用語は、説明のためのものであって、制限的なものとみなすべきではない。本明細書における「始めとする、含有してなる、有する、含む、伴う（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ、ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ、ｈａｖｉｎｇ、ｃｏｎｔａｉｎｉｎｇ、ｉｎｖｏｌｖｉｎｇ）、及び、それらの変形の使用は、その後に列挙される項目及びそれらの等価物、並びに追加項目を包含するように意図されている。本明細書及び参照のために組み入れられている文献に相反する開示が含まれている場合には、本明細書によって統制するものとする。

飲用水のＴＤＳ含有率は、典型的には、約１，０００ｐｐｍ未満であるが、場合によっては、飲用水のＴＤＳ含有率が約５００ｐｐｍ未満になる可能性もある。非飲用水の例には、海水又は塩水、汽水、生活雑排水、及び、何らかの工業用水がある。本明細書における海水への言及は、一般に他の形態の非飲用水に適用可能である。

本発明のいくつかの側面は、とりわけ電気脱塩及び電気化学システム並びに圧力駆動膜システム及び／又は水処理システムと組み合わせることが可能な技術を利用する、海水及び他の非飲用水の浄化のための方法及び装置に関するものである。電気化学技術は、連続脱イオン、充填電解槽電気透析、エレクトロダイアレシス（ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｒｅｓｉｓ）及び電流逆転電気透析のような方法を包含してもよい。本明細書において用いられる限りにおいて、「浄化」は、浄水が飲用になり、人間及び動物による消費、潅漑、及び、工業用途といった（これらに限るわけではないが）淡水用途に利用可能になるレベルまで、全溶解固形物含有量を減少させること、更に、所望により、源水中における懸濁固形物、コロイド状含有物、並びに、イオン化及び非イオン化不純物の濃度を低下させることに関連する。脱塩は、海水から塩が除去される一種の浄化である。本発明は、いくつかの側面において海水の脱塩に関係する。処理すべき供給水又は水は、約３，０００ｐｐｍ〜約４０，０００ｐｐｍの、又はそれ以上のＴＤＳ含有率を有する水源を始めとする様々な水源からのものであってよい。供給水は、例えば、海水、汽水、生活雑排水、工業排水及び油入り回収水であってよい。供給水は、高レベルの一価塩、二価及び多重価の塩、並びに、有機化学種を含有していてもよい。

１つ以上の実施態様によれば、本発明は、源水が二価及び他の多重価イオンの濃度に比べて一価イオンの濃度がより高い溶質混合物を含んでなるものである、海水又は汽水の処理方法を対象とする。懸濁固形物、コロイド状物質、及び／又は、分子量の高い溶質を除去するために、精密濾過処理又は限外濾過処理からなる任意の初期ステップが提供される。この実施態様では、この任意のステップの後に、一価イオンの一部を除去するための特殊電気脱塩処理の第１段階が設けられており、第１段階の後には、任意の中間処理ステップに続いて、所望の最終純度の水を提供するための電気脱イオンのような第２の膜処理ステップからなる段階が続く。このプロセス全体を、３０％〜７０％又はそれ以上の水回収率で操作することが可能である。

電気脱イオン（ＥＤＩ）は、電気的に活性な媒体とイオン輸送に影響する電位とを利用して、水から１つ以上のイオン化された又はイオン化可能な化学種を除去し又は少なくとも減少させる方法である。電気的に活性な媒体は、典型的には、イオンの形の化学種及び／又はイオン化可能な化学種を収集したり放出したりする働きをし、場合によっては、イオン的又は電子的な置換メカニズムによる、連続的であってもよい、イオン輸送を促進する働きもする。ＥＤＩ装置は、永久荷電又は一時的荷電を有する電気化学的に活性な媒体を含有していてもよく、また、バッチ式に、断続的に、連続して、及び／又は、更に反転極性モードで、操作してもよい。ＥＤＩ装置は、機能を果たすか又は強化するように特別に設計された１つ以上の電気化学的反応を促進するように操作することが可能である。更に、こうした電気化学的装置は、半透過性若しくは選択的透過性のイオン交換膜又は双極膜のような電気的活性膜を含有していてもよい。連続電気脱イオン（ＣＥＤＩ）装置は、イオン交換材料を連続して再荷電しながら、浄水を連続して進行させることが可能なように操作される、当業者にとって既知の、ＥＤＩ装置である。例えば、それぞれ、参照のために本明細書に組み入れられている、米国特許第６，８２４，６６２号明細書、米国特許第６，３１２，５７７号明細書、米国特許第６，２８４，１２４号明細書、米国特許第５，７３６，０２３号明細書、及び、米国特許第５，３０８，４６６号明細書を参照されたい。ＣＥＤＩ技術は、連続脱イオン、充填電解槽電気透析、エレクトロダイアレシス等の方法を包含してよい。ＣＥＤＩシステムにおいては、制御された電圧及び塩分条件下で、水分子を分割することにより水素イオン若しくはヒドロニウムイオン又は化学種及び水酸化物イオン若しくはヒドロキシルイオン又は化学種を生成することが可能であり、これらは、装置内のイオン交換媒体を再生し、従って捕獲された化学種の解放を促進することが可能である。こうして、イオン交換樹脂の化学的再荷電を必要とすることなく、処理すべき水流を連続して浄化することが可能になる。

電気透析（ＥＤ）装置は、膜と膜との間に電気的活性媒体を含んでいないという点を除いて、ＣＥＤＩと同様の原理で作動する。電気的活性媒体がないので、ＥＤは、高電気抵抗のため、低塩分の供給水に対する作動が阻害される可能性がある。また、高塩分の供給水に対してＥＤを作動させると、電流消費が大きくなる可能性があるので、ＥＤ装置は、これまで中間塩分の源水に対して最も有効に用いられてきた。ＥＤに基づくシステムの場合、電気的活性媒体がないので、水の分割は非効率的であり、こうした方式での作動は一般に避けられる。

ＣＥＤＩ及びＥＤ装置の場合、典型的には、複数の隣接セル又はコンパートメントが、正荷電化学種又は負荷電化学種のどちらかの通過を許すが典型的には両方ともの通過は許さない選択的に透過性の膜によって、分離されている。こうした装置では、典型的には、希釈又は減少コンパートメントの間に濃縮又は集中コンパートメントが設けられている。水流が減少コンパートメントを通るに連れて、イオン化学種及び他の荷電化学種が典型的にはＤＣ電界のような電界の影響下にある濃縮コンパートメントに引き込まれる。正荷電化学種は、典型的には多重の減少及び濃縮コンパートメントのスタックの一端部に配置される、陰極に引き寄せられ、負荷電化学種は、典型的には同様にコンパートメントのスタックの他端部に配置される同様の装置の、陽極に引き寄せられる。電極は、典型的には、減少及び／又は濃縮コンパートメントと通じる流体から通常部分的に隔離されている、電解質コンパートメントに収容されている。一旦濃縮コンパートメントに入ると、荷電化学種は、典型的には、濃縮コンパートメントを少なくとも部分的に画定する選択的透過性膜の障壁によって、捕獲される。例えば、陰イオンは、陽イオン選択膜によって、濃縮コンパートメントから陰極に向かってそれ以上移動するのを、阻止される。捕獲荷電化学種が濃縮コンパートメント内で一旦捕獲されると、これを濃縮流から除去することが可能になる。

ＣＥＤＩ及びＥＤ装置の場合、ＤＣ電界が典型的には電圧源からセルに印加され、電流が電極（陽極、即ち正電極及び陰極、即ち負電極）に印加される。電圧及び電流源（総称して「電源」）は、それ自体が、ＡＣ電源とか、或いは、例えば太陽光、風力又は波力発電から得られる電源といった、様々な手段によって電力供給を受けることが可能である。電極／液体界面において、膜及びコンパートメントを介したイオンの移動を開始及び／又は促進する電気化学的半電池反応が生じる。電極／液体界面で生じる特定の電気化学的反応は、電極アセンブリを収容する特殊コンパートメント内の塩濃度によって、ある程度、制御することが可能である。例えば、塩化ナトリウムの濃度が高い陽極電解質コンパートメントに給電すると、塩素ガス及び水素イオンが発生する傾向があり、陰極電解質コンパートメントにこうした給電を行なうと、水素ガス及び水酸化物イオンを発生する傾向がある。一般に、陽極コンパートメントで生じる水素イオンは、塩素イオンのような遊離陰イオンと会合して、電荷的中性を保って塩酸溶液を生成し、同様に、陰極コンパートメントで生じる水酸化物イオンは、ナトリウムイオンのような遊離陽イオンと会合し、電荷的中性を保って水酸化ナトリウム溶液を生成する。本発明の更なる実施態様によれば、生成された塩素ガス及び水酸化ナトリウムのような電極コンパートメントの反応生成物は、プロセスにおいて必要に応じて、消毒のため、膜洗浄及び膜汚れ除去のため、並びに、ｐＨ調整のために利用することが可能である。

本発明のいくつかの実施態様によれば、処理システムの複数の段階を利用して、水を浄化するか、又は、その中の溶解固形物の濃度を少なくとも低下させることが可能である。例えば、処理すべき水をいくつかの段階で浄化し、各段階で１つ以上のタイプの溶解固形物を選択的に除去することによって、浄化された水、例えば脱塩された水を、又は飲用に適した水をさえも、生産することが可能である。場合によっては、１つ以上の段階に、あるタイプの溶解化学種の選択的保持を行なう１つ以上の単位操作を備えるようにし、これらの溶解化学種を、１つ以上の後続又は下流段階において１つ以上の他の単位操作を利用して、除去することも可能である。従って、本発明の浄化システムのいくつかの実施態様では、第１の段階で、あるタイプの溶解化学種を除去するか又は少なくともその濃度を低下させることが可能である。他の実施態様では、第１の段階で、あるタイプの溶解化学種以外の全てを除去するか又はそれらの濃度を低下させることが可能である。水から除去されなかった残留化学種は、その後、１つ以上の後続段階で、除去するか又はその濃度を低下させることが可能である。

本発明のいくつかの実施態様は、１つ以上の段階からの副生成物流を有利に利用して、１つ以上の他の段階での再生又は再荷電を行なう側面に関するものである。本発明のシステムの１つ以上の段階からの放出可能流又は副生成物流は、処理すべき水から除去された高濃度の第１の溶解化学種を含んでいる可能性がある。こうした流れに第１の溶解化学種が存在することによって、１つ以上の他の浄化段階における他の単位操作による再生を促進することが可能になる。例えば、電気透析段階において、海水から一価化学種を除去するか又はその濃度を低下させることが可能である。例えば、表１には、典型的な海水に含まれる塩を構成することが見出された主な典型的一次溶質の濃度が示されている。これらの成分に基づき、且つ、一価選択性の陰イオン及び陽イオン交換膜を具備し約６７％の水回収率で作動する第１段階での全ＴＤＳ（全溶解固形物）除去を約８０％と仮定すると、この段階から流出する減少及び濃縮流の溶質構成を、膜選択係数の関数として、求めることが可能である。膜選択係数は下記のように定義することが可能である。

ここで、νはイオン化学種ｉのモル濃度であり、Δνはイオン化学種のモル濃度の変化である。表２には、１（非選択性）、５、及び、１０の選択性を有する一価選択性の陰イオン及び陽イオン交換膜を具備する第１段階分離装置から放出されるイオン減少流及びイオン濃縮流に残存する溶質の計算値が示されている。表２のデータは、約２０，０００ｐｐｍのＴＤＳを含有し、推定回収率が約６７％の生産水に関して導き出されたものである。

表２に明らかなように、一価選択性膜を具備する装置の場合、カルシウム、マグネシウム及び硫酸塩のような、装置の濃縮コンパートメントの膜汚れ及びスケールを生じさせる傾向がある溶質の濃度は、濃縮流における濃度レベルにおいて、非選択性膜を利用し具備する装置よりも比較的低く保たれる。その結果、一価選択性膜装置を利用すると、塩の沈殿を引き起こして、その結果、性能損失を生じたり脱塩装置を閉塞させたりすることなく、水の回収率を高めることが可能になる。濃縮流における重炭酸塩のレベルが一価選択性によって必ずしも不均衡に低下するわけではないが、それにもかかわらず、濃縮流における（例えばナトリウムに対する）カルシウムのレベルが不均衡に低下するので、重炭酸カルシウムのような重炭酸塩化合物の沈殿する可能性は低くなる。更に、この後、詳細に議論するように、電解質として高塩分の塩化ナトリウムを用いることで生じる酸性電解質生成物を濃縮流への試薬供給物として利用することにより、濃縮流のｐＨを調整して低下させ、その結果、重炭酸塩平衡を炭酸塩形態からシフトさせることによって、濃縮流における残留重炭酸カルシウムによるスケール形成の可能性を、抑制することができる。

副生成物流（例えば一価選択性ＥＤ段階の濃縮流）は、例えば塩化ナトリウムのような高濃度のこうした種を含んでおり、従って、これを利用して、イオン交換単位操作による再生を促進することが可能であり、更に、所望により、この操作を利用して、処理すべき水から溶解二価化学種を選択的に除去するか又はその濃度を低下させることが可能である。更に、他のタイプの単位操作を含む後続段階を利用して、減少流の一部又は全てから残留化学種及び／又は微量不純物を更に除去するか又はその濃度を低下させ、第１段階から放出された減少流に残留する問題成分が、最終使用の前に選択的に除去される（例えば、農業用潅漑水に提供される前に選択的イオン交換によってホウ素が除去される）か、又は、全システムの第２の膜状態に供給される前に選択的に除去される（第２の膜段階における詰まり及びスケール生成を回避するために、化学的に再生可能な陽イオン交換によって、例えばカルシウム及びマグネシウムが除去される）ことになる。

第１の一価選択性除去段階の下流に、所望により、イオン交換ユニットを配置することによって、イオン交換ユニットの機能に関して更なるプロセス上の利点が得られる。例えば源水からカルシウム及びマグネシウムを除去するための陽イオン交換装置といったイオン交換装置の機能は、源水の全塩分濃度が高い場合、その除去能力において大幅に非効率的となる。従って、第１の塩除去段階の下流でイオン交換装置を作動させると、これによって源水に比べて塩の大部分が既に除去されているので、イオン交換装置は、より効率よく作動して、より高品質の放出水を生じ、化学的に再生する必要が低下する。

更に、いくつかのタイプの操作単位を含む後続段階を利用して、水流から残留化学種を除去するか又はその濃度を低下させる場合、そこからの任意の副生成物流を利用して、他の段階における１つ以上の他の単位操作による再生を促進することも可能になる。

本発明の他の側面は、処理すべき水の浄化に関連した全副生成物又は廃棄物の放出の負担の軽減を対象とするものとみなすことが可能である。実際、１つ以上の段階又は単位操作からの副生成物流は、１つ以上の上流又は下流の段階又は単位操作に導いて、処理すべき水と組み合わせ、及び／又は、こうした単位操作の作動を促進するように利用することが可能である。

本発明の１つ以上の側面によれば、ＣＥＤＩシステムを始めとするＥＤＩシステム及び技術と１つ以上の技術とを組み合わせて、例えば約５，０００ｐｐｍを超えるＴＤＳを含む水のような、非飲用水を浄化し、飲用水を生産することが可能である。本発明の１つ以上の実施態様によれば、非飲用水源から水中のＴＤＳの一部を除去するための、濾過等の圧力駆動分離技術からなる１つ以上の状態、及び、第１の濾過水中のＴＤＳの更なる一部を除去して、最終的に飲用水を生産するための、電気脱イオン等の１つ以上の電気駆動分離技術が提供される。圧力駆動分離技術は、場合によっては、ナノ濾過（ＮＦ）システム及び技術に基づくものであってもよい。他の実施態様によれば、電気透析又はエレクトロダイアレシスのような（これらに限るわけではないが）電気駆動分離技術を、例えば濾過及び／又はＥＤＩシステム及び技術と併用して、水を浄化、例えば脱塩、することが可能である。本発明の更なる実施態様では、こうしたシステム及び技術の組合せを利用することが検討されている。従って、例えば、電気脱イオンシステムを、組み合わせることによって１つ以上のタイプの溶解固形物を選択的に除去する２つ以上のシステムと、併用することが可能である。実際、本発明の１つ以上の実施態様によれば、電気透析段階及び／又はイオン交換段階と共に、電気脱イオン段階を利用することが可能である。

限外濾過（ＵＦ）技術によって除去可能なものより小さい化学種を除去するためにナノ濾過技術を使用することができる。しかし、典型的には、逆浸透技術によって除去可能な全ての化学種が、ナノ濾過技術によって、除去されるわけではない。ナノ濾過膜は、溶解化学種の除去又は選択的分離において、立体効果と電気的効果との両方を取り入れることが可能である。従って、例えば、ナノ濾過膜によって、例えば、分子量が約１５０ダルトンを超え、場合によっては約３００ダルトンを超える、有機分子を含む非荷電有機分子を除去するか又はその濃度を低下させることも可能である。二価及び／又は多重価イオンは、典型的には、約９０％を超える率で除去される。しかしながら、こうした選択技術によって、場合によっては９５％を超える、また用途によっては９８％を超える多重価化学種を除去することが可能である。しかしながら、ナノ濾過システムは、典型的には、二価又は非一価イオンの除去に比べて一価イオンの除去における効率が悪く、例えば、除去できるのは、処理すべき供給水に存在する一価イオンの約１０％未満、約２５％未満、約５０％未満、約７５％未満、又は、約９０％未満である。ナノ濾過膜は、例えばポリアミド材料を始めとする様々な材料から製造することが可能である。それぞれ、参照のために本明細書に組み入れられている、例えば、米国特許第６，７２３，２４１号明細書及び米国特許第６，５０８，９３６号明細書、並びに米国特許出願公開第２００３／０２０５５２６号明細書を参照されたい。

上述のように、事例によっては、ナノ濾過システム及び技術によって、効率よく、或いは、少なくとも望ましい程度及び／又は経済的に現実的な程度に、一価イオンを除去することができないこともある。しかしながら、典型的には、海水のＴＤＳ含有量の約３／４が一価塩の形態のものである。表１には、必ずしも全てではないが、海水中における様々な化学種の典型的な濃度が記載されている。

ナノ濾過膜を利用して水を処理するのに必要な関連操作圧は、水をＲＯ膜に通すのに必要な操作圧よりかなり低くなる可能性があり、一価塩は供給水と透過水との間に生じる浸透圧の差の大きな要因になる。用途に応じて、供給水はナノ濾過装置によって約６００ｐｓｉ未満の操作圧で浄化することが可能であり、場合によっては、約５００ｐｓｉ未満の操作圧で浄化することが可能であり、他の場合には、約４００ｐｓｉ以下の操作圧で浄化することが可能である。それによって生じる透過水は、典型的には、有機化学種の濃度並びに二価及び非一価イオンの濃度の低下が約９０％を超えるが、約１０％を超える一価イオン成分を保持している。特定の構成及び供給水に応じて、約２５％を超える一価イオンを保持し又は回収することが可能であり、用途によっては、約５０％を超える一価イオンが回収され、他の場合には約７５％を超える一価イオン成分が回収される。従って、同様の組成の海水、汽水又は供給水を受け入れるナノ濾過装置は、二価及び非一価イオン成分及び／又は有機成分が大幅に減少しているが、塩化ナトリウムのような、当初の一価イオン成分の相当部分を保持している可能性のある濾過水を生じさせることが可能である。この濾過水は、供給水と比べると、約３０％以上の（場合によっては約９５％までの、９５％を含む）ＴＤＳの減少を示す可能性がある。しかしながら、ほとんどの場合、１回通過ナノ濾過による海水からの濾過水は、人間による消費又は淡水を必要とする用途での使用には適しておらず、この濾過水をそれらに適したものにするには更なる処理が必要になる可能性がある。

本発明の１組の実施態様によれば、ナノ濾過段階からの濾過水のような生成物は、（ＣＥＤＩ装置のような）電気脱イオン段階に供給される。硬度に典型的に寄与する、マグネシウム及びカルシウムのような、二価及び多重価陽イオンは、一価選択性ＥＤ段階の下流のナノ濾過段階又は中間イオン交換軟化剤によって、大部分、除去することが可能である。次に、電気脱イオン装置によって塩化ナトリウムのような一価陽イオン及び／又は陰イオンを除去することが可能であり、更に、電気脱イオン装置は二価イオンを欠く供給水に対してより少ない電力消費で作動することが可能である。従って、主として一価塩からなるＴＤＳを含有する供給水は、１つ以上の電気脱イオン装置及び１つ以上のナノ濾過装置に水を通すことによって効率よく浄化することが可能である。各段階において１回以上の通過を行なわせることが可能であり、２つ以上の電気脱イオン装置を直列配列又は任意の適切な配列で用いることも可能である。典型的には、必ずしもそうとは限らないが、ナノ濾過段階は電気脱イオン段階に先行する。こうした構成にすると、下流単位操作の、及び／又は、濃縮コンパートメント及び電気脱イオン装置の関連ハウジングアセンブリ並びに取付け部品及び導管における構成部品の、汚損を減少させるか、或いは無くすことにさえなる可能性がある。従って、１つ以上のナノ濾過装置を有利に利用して、硬度を生じる化学種のような二価及び／又は多重価イオンを除去することができるし、１つ以上の電気脱イオン装置を有利に利用して一価イオンを除去し、それによって汚損傾向を抑え又は無くすることも可能である。実際、本発明は、水流から１つ以上の二価及び／又は多重価化学種を除去するか又は少なくともその濃度を低下させることが可能な１つ以上の段階又は単位操作、及び、水流から１つ以上の一価化学種を除去するか又は少なくともその濃度を低下させることが可能な１つ以上の段階又は単位操作をもたらすシステム及び技術を対象とすることが可能である。従って、結果得られる生産水は飲用にすることが可能である。

本発明の他の側面は、第１段階又は予備段階で、水流中の１つ以上の化学種が膜装置にスケールを生じ又は膜を汚染させる傾向を軽減するか又は最小限にまで抑え、第２段階又は後続段階で一価化学種を除去するか又は少なくともその濃度を低下させることによって、水流を浄化するシステム及び技術を対象とする。

第１段階、例えばナノ濾過等の濾過、は、約４．７ｋｗｈ／ｋｇａｌ以下のエネルギ必要量で作動可能である。例えば、電気脱イオン等の電気化学的処理による第２段階は、約２．３ｋｗｈ／ｋｇａｌ以下で作動可能である。従って、約７ｋｗｈ／ｋｇａｌの全エネルギ使用量が予測されるが、その結果、蒸発技術、ＲＯ技術、２回通過ナノ濾過技術又はナノ濾過／ＲＯハイブリッド型技術、及び、ナノ濾過／蒸発技術といった他の脱塩技術に比べてエネルギ消費が大幅に節減されることになる。

本発明の１つ以上の実施態様によれば、プロセスから生じる流体を含有する被保持物水（廃水）及び濃縮水は、典型的には、それぞれの供給水よりも多量のＴＤＳを含んでいるのだが、給水源に対して又は従来の廃水処理施設に対して放出することが可能である。例えばＣＥＤＩ装置から排出される濃縮水は、ナノ濾過装置への供給水として再循環し又はナノ濾過装置への供給水と合一することが可能である。いくつかの事例では、例えばＣＥＤＩ装置の濃縮コンパートメントから濃縮塩水が生じる場合、この塩水は、実質的に又は本質的に二価及び多重価イオンを含まないか又はスケール形成化学種のレベルが低下しているのだが、次亜塩素酸ナトリウムのような、これに限られるわけではないが、殺菌剤の生産のための塩水源として用いることが可能である。軟化塩溶液は、例えば電解装置を利用することが可能な殺菌剤生成システムに用いられる電解可能塩素種源となることが可能である。従って、本発明のいくつかの側面を利用して生産された浄水に殺菌を後で施すことが有効である場合には、軟化濃縮塩水及び／又は殺菌剤の源を直ちに低コストで利用できるようになっている。

供給水の処理に先立って、様々な前処理過程を採用することが可能である。例えば、前処理技術は、ナノ濾過装置若しくはＥＤＩ装置のような任意の段階若しくは装置の効率に影響するか又はその効率を低下させる固形物若しくは他の材料を含んでいる可能性のある供給水に対して利用することが可能である。前処理プロセスは、ナノ濾過装置及び／又はＥＤＩ装置の上流で実施することが可能であり、例えば、微粒子濾過、砂濾過、炭素濾過、十字流精密濾過（ＣＭＦ）のような精密濾過、それらの組合せ、及び、微粒子の減少を対象とする他の方法を含むことが可能である。例えば、酸、塩基若しくは緩衝剤の添加によって又はエアレーションによって、供給水のｐＨ及び／又はアルカリ度に対する調整を実施することも可能である。

第１の一価選択段階を含む実施態様の特に重要な付加的な利点は、こうしたシステムの水回収率が、現在の技術を利用して可能であるものよりも、高いので、供給水の処理に必要な前処理量が大幅に減少するという点にある。従って、必要な前処理機器の量も、比例して減少する。その結果、前処理機器のコスト及びサイズが減少し、及び／又は、通常は経済的に実現可能とみなされない前処理システムの導入が可能になる。例えば、膜精密濾過は、源水中のバルク粒子だけでなく汚染微生物及び他の有害なコロイド状成分をも除去する技術であるが、従来の有効性の低い砂濾過システムの代わりとして、よりコスト効率よく用いることが可能である。これによって、最終用途水の質が改善され、一方、下流処理構成部品の信頼性が高くなる。

図１には、本発明のシステムの１つの実施態様が図示されている。システム１００には、１つ以上のナノ濾過装置１１０及び１つ以上の電気脱イオン装置１２０が含まれている。ナノ濾過装置１１０は、ハウジング内に配置されたナノ濾過膜を含有している。電気脱イオン装置１２０には、１つ以上の陽極、陰極、濃縮及び減少コンパートメントが含まれている。水源が、電気脱イオン装置１２０の減少、濃縮及び電極コンパートメントに対して用意される。給水源１４０は、例えば海であってもよい。供給水は、ポンプ１３０によって導管１５０を介して送り、加圧して、ナノ濾過装置１１０のナノ濾過膜に通すことが可能である。典型的には、ポンプ１３０は、供給水を約６００ｐｓｉ以下の操作圧にまで加圧する。ナノ濾過装置１１０からの、多価イオン含有量の低下した透過水は、供給流として導管１６０を介して電気脱イオン装置１２０に送られる。装置１１０からの廃流体が導管１７０を通過するが、例えば給水源１４０に戻すことが可能である。

被保持物水流からエネルギを回収して、システム１００に直接関連付ける必要のない他のプロセス又は単位操作のために、例えば、供給水を加熱し、電気を供給し及び／又はエネルギを供給するために使用してもよい。導管１６０内の水は、電気脱イオン装置１２０の減少、濃縮及び／又は電極コンパートメントのいずれにでも供給することが可能である。電気脱イオン装置１２０は、典型的には、可逆電界を生じるように構成することが可能な電流源（図示せず）による電力供給を受ける。浄化希釈水は導管１８０に注入され、飲用水として利用又は貯蔵するために送ることが可能になる。飲用水は貯蔵することもできるし、所望の場合には更に殺菌することも可能である。電気脱イオン装置１２０からの濃縮流は、導管１９０を介して放出し、廃棄することも可能であり、導管１９２を介してシステムを再循環させることも可能であり、又は、導管１９４を介して塩水源として利用することも可能である。濃縮流は、海水と同様の塩化ナトリウム含有率を有している可能性があり、ナノ濾過装置１１０に対する給水源とすることが可能である。

本発明のシステム及び技術は、連続的に又はバッチ式に作動させることが可能であり、固定位置で又は船上若しくは車上のような移動プラットホームで作動させることが可能である。供給水が典型的には２回以上装置に通され又は所望の第２の装置に通されることが可能な多重通過ＣＥＤＩシステムを用いることも可能である。場合によっては、電気脱イオン装置を加熱して、例えばイオン化学種輸送速度を高めることも可能である。従って、電気脱イオン装置は周囲温度で操作することが可能であり、電気脱イオン装置は、或いは、約３０℃を超える温度、約４０℃を超える温度又は約５０℃を超える温度でさえ操作することが可能である。

場合によっては、電気脱イオン装置の内部電気抵抗を抑えて、エネルギ使用量を最小限にとどめるのが望ましいこともあり得る。従って、本発明の１つ以上の実施態様によれば、電気抵抗の小さい膜を利用して、その減少及び／又は濃縮コンパートメントを分離し又は画定することが可能である。例えば、電気脱イオン装置の個々のコンパートメント又はセルは、約１０ミリメートル未満の幅を有するように構成することが可能である。電気抵抗の小さい膜及び／又は薄いコンパートメントの利用は、電気抵抗又は負荷の低減に役立ち、従って電力必要量を減少させるのに役立つ。本発明のいくつかの実施態様に従って利用することが可能な電気抵抗の小さい膜には、例えば、日本国、東京にあるＡＳＴＯＭ ＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎからＮＥＯＳＥＰＴＡ（登録商標）として市販されている膜が含まれる。本発明のいくつかの実施態様では、膜間距離は、例えば約０．１インチ未満、約０．０６インチ以下又は約０．０５インチ以下とすることが可能である。

用途によっては、水中のホウ素化学種の濃度を、農業用に及び／又は人間による消費に適すると考えられるレベルまで、低下させるのが重要であるか望ましい場合もあり得る。例えば、ホウ素化学種の所望の濃度は約１ｐｐｍ未満が望ましい。場合によっては、ホウ素化学種の濃度は、政府及び／又は保健機関によって勧告されているレベルとほぼ同等であるか又はそれ未満であることが望ましい。例えば、ホウ素の濃度は、世界保健機構によって示唆されているレベル、約０．５ｐｐｍ、とほぼ同等又はそれ未満とすることが可能である。実際、用途によっては、処理水中のホウ素濃度は、好ましくは約０．４ｐｐｍ未満である。

海水には、例えば約１〜約４ｐｐｍの、高レベルのホウ素が含まれているので、従来の脱塩方法を利用したのでは、この勧告又は示唆されているホウ素の目標レベルを達成するのは困難である可能性がある。好都合なことには、本発明のシステム及び技術を利用すると、供給水中のホウ素化学種濃度を許容レベルにまで低下させることが可能になる。実際、本発明の実施態様のいくつかは、供給流のホウ素濃度を約４．６ｐｐｍから約０．５ｐｐｍ未満に低下させるシステム及び技術を対象としている。

エネルギコストの引下げに加えて、本発明のシステム及び技術によれば、資本、操業及び／又は保守コストの引下げも可能になる。例えば、より低い作動圧で作動させることができるので、本発明のシステムには、ＲＯシステムで典型的に必要とされる高圧ステンレス鋼及び／又はチタン合金の代わりに、プラスチック配管のような、より低コストの材料を用いることが可能になる。

海水を浄化するには、その溶解成分から水を分離する必要がある。この分離を実施するのに必要なエネルギは、供給水（海水）と生成物（淡水）との浸透圧の差を克服するのに必要なエネルギ量である。

海水の浸透圧Ｐ_swは、ファントホッフの式Ｐ_sw＝ｃ×Ｒ×Ｔから求めることが可能である。ここで、ｃはイオンモル濃度であり、Ｒは気体定数０．０８２リットル−バール／度−モルであり、Ｔはケルビンを単位とする絶対温度、即ち、Ｔ＝３００Ｋ（約２７℃）である。純塩化ナトリウム溶液と仮定すると、海水中のイオン塩濃度は約１．１２モル／リットルである。従って、浸透圧は、約４００ｐｓｉと決定される（１．１２×０．０８２×３００＝２７．６バール）。

脱塩エネルギ必要量は、典型的には、１時間当たり１，０００ガロンの浄水につき規定される。海水の脱塩に必要な理論的最小エネルギの推定値は、経膜圧が約４００ｐｓｉ（ＮＦ膜の場合）で、ポンプ効率が１００％と仮定すると、下記のようにして求められる、約２．９ｋｗｈ／ｋｇａｌ（即ち、約０．７７ｋｗｈ／ｍ³）である。

海水の脱塩に用いられる（熱又は圧力駆動）方法は、必要な最小エネルギとは無関係であると考えられる。

例１
現在のＲＯに基づくシステムと本発明のシステム及び方法とを比較すると、達成可能なエネルギ節減が明らかになる。従来のＲＯに基づくシステムは、下記の計算で示されるように、海水の脱塩に約１９．２ｋｗ／ｋｇａｌを必要とする。この計算において、仮定経膜圧は約９００ｐｓｉであり、仮定ポンプ効率は約８５％であり、仮定水回収率は約４０％である。更に、入口流量が約４１．６７ｇｐｍの場合、約１６．６７ｇｐｍの透過水及び約２５ｇｐｍの廃水が生じる。エネルギ回収技術は利用されないものと仮定する。

しかしながら、エネルギ回収技術を利用すると、計算エネルギ必要量を減少させることが可能である。エネルギ回収アセンブリ又は技術の例には、例えばペルトン水車のようなタービン又は圧力交換装置がある。両タイプの装置とも、高圧廃水流からエネルギを回収して、そのエネルギをＲＯ装置の供給流に移動させることが可能である。ペルトン水車アセンブリは、典型的には、回収効率が約８０％であり、容積式システムは、典型的には、約９０％から約９５％の回収効率を示す。

全電力消費に対するエネルギ回収の効果を計算するため、約４０％の電力が透過水流において消費されるものと仮定し（０．４×１９．２ｋｗｈ／ｋｇａｌ＝７．６８ｋｗｈ／ｋｇａｌ）、約６０％の電力が廃水流において消費されるものと仮定する（０．６×１９．２＝１１．５２ｋｗｈ／ｋｇａｌ）。廃水流において例えば約９３％のエネルギを回収できると仮定すると、約７％が消費されることになる（０．０７×１１．５２＝０．８１ｋｗｈ／ｋｇａｌ）。従って、エネルギ回収技術を利用するＲＯ装置の全電力消費は、約７．６８＋０．８１＝８．４９ｋｗｈ／ｋｇａｌになる。

例２
ナノ濾過及び電気脱イオン装置の組み合わせを含んでなるシステムを利用して海水を脱塩するのに必要な全エネルギ量を推定するため、それぞれのエネルギ必要量を個別に求め、その後で合計する。

ＮＦ装置に関連したエネルギ必要量は、下記の計算によって示されるように約１０．７ｋｗｈ／ｋｇａｌ（約２．８ｋｗｈ／ｍ³）になるものと概算される。

この推定値は、経膜圧が約５００ｐｓｉであり、ポンプ効率が約８５％であり、水回収率が約４０％であると仮定して導き出された。この推定値は、更に、約４１．６７ｇｐｍの入口流量、及び、約１６．６７ｇｐｍの透過水と約２５ｇｐｍの廃水との生成に基づくものであった。エネルギ回収技術は利用されなかった。

エネルギ技術は、ＲＯに基づく装置に関して上述したのと同様のやり方でナノ濾過装置に利用することも可能である。更に、回収効率に関して同様の仮定が利用される。即ち、約４０％の電力が透過水流において消費されるものと仮定され（０．４×１０．７ｋｗｈ／ｋｇａｌ＝４．２８ｋｗｈ／ｋｇａｌ）、約６０％の電力が廃水流において消費されるものと仮定される（０．６×１０．７＝６．４２ｋｗｈ／ｋｇａｌ）。廃水において約９３％のエネルギが回収され、約７％が消費されると仮定される（０．０７×６．４２＝０．４５ｋｗｈ／ｋｇａｌ）。従って、ナノ濾過装置に関連した電力消費は、約４．７３ｇｗｈ／ｋｇａｌになる（４．２８＋０．４５＝４．７３ｋｗｈ／ｋｇａｌ）。

ＲＯシステムよりエネルギ消費を少なくするためには、ナノ濾過及びＣＥＤＩ段階を含んでなる脱塩システムは、全体で、ＲＯシステム単独より少ないエネルギの消費で済ませることが必要である。上に示すように、ナノ濾過段階では約４．７ｋｗｈ／ｋｇａｌが消費されるが、他方、ＲＯシステムの全エネルギ消費は約８．５ｋｗｈ／ｋｇａｌである。従って、ＲＯシステムのエネルギ消費より少ないエネルギ消費を示すには、ＣＥＤＩ段階の電力消費が約３．８ｋｗｈ／ｋｇａｌ以下であることが望ましい。

ナノ濾過システムにおいて、供給海水に含まれる入口全溶解固形物の約９５％が除去される場合、５００ｐｐｍ未満のＴＤＳという飲料水の規格を水が満たすためには、下流のＣＥＤＩモジュールにおいて残存ＴＤＳの約９０％を除去するのが望ましい。従って、ＲＯシステムに匹敵するには、ＣＥＤＩモジュールは、生産される水から、約３．８ｋｗｈ／ｋｇａｌ未満のエネルギを用いて、この量の固形物を除去することが必要になる。

例３
システムを作動させて、海水を約５００ｐｐｍ未満のレベルのＴＤＳまで浄化（脱塩）することができるか否かが判定された。このシステムは、上述のエネルギ要件（約３．８ｋｗｈ／ｋｇａｌ未満）を満たすナノ濾過装置とＣＥＤＩ装置から構成された。人工海水が、オハイオ州メンター（Ｍｅｎｔｏｒ）のアクアリウム システムズ社（Ａｑｕａｒｉｕｍ Ｓｙｓｔｅｍｓ）から入手可能な合成海塩混合物ＩＮＳＴＡＮＴ ＯＣＥＡＮ（登録商標）から調製された。

ナノ濾過及びＣＥＤＩ装置は、下記の条件下において運転された。

ナノ濾過装置とＣＥＤＩ装置の両方に閉ループが利用された。ナノ濾過生成水から分離されたＣＥＤＩ装置用の電極コンパートメント供給水は、ＲＯ水から調製され、Ｈ₂ＳＯ₄を添加して約２のｐＨを実現した。供給水のカルシウム含有量は、ＣａＣＯ₃として測定して、約５０ｍｇ／ｌであった。

ナノ濾過装置には、ミシガン州ミッドランドのダウ ケミカル社（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）から入手可能なＦＩＬＭＴＥＣ（登録商標）ＮＦ９０（４×４０）膜を利用した。ナノ濾過装置への入口水流は、約５００ｐｓｉまで加圧され、伝導率は４５．５ｍＳ／ｃｍであった。ナノ濾過装置からの透過水は、伝導率が約３．２５ｌ／ｍであり、流量が約４．２ｍＳ／ｃｍであった。廃水流量は約３６ｌ／ｍであった。装置の公称作動温度は約２３℃であった。

スタックＡ（低電気抵抗）及びスタックＢ（標準）と称する２つの異なるＣＥＤＩ装置が評価された。スタックＡ及びＢのそれぞれは、各段毎に１０のセル対を備える２段折返し流路内の２０のセル対から構成された。流路長は約２８インチであった。両スタックは、また、酸化イリジウムに基づく陽極、ステンレス鋼の陰極、及び、ＤＯＷＥＸ（商標）ＭＡＲＡＴＨＯＮ強塩基陰イオン／強酸陽イオン樹脂（両方とも、ミシガン州ミッドランドのダウ ケミカル社（Ｄｏｗ Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｃｏｍｐａｎｙ）製である。）の約５０／５０混合物を利用した。スタックＡ及びＢのそれぞれの膜間距離は約０．０６インチであった。スタックＡには、交互イオン交換膜が含まれていた。

両モジュールの作動条件及び性能は、下記の表３に要約している。表３に記載のエネルギ必要量データは、電源効率を考慮していない。

データから、スタックＡは、スタックＢより約４０％少ないエネルギを利用しながら、同様の速度で同様の質の製品を生成するので、スタックＡのほうが好ましいことが示される。

従って、ナノ濾過装置が約９０％未満の除去という所望の性能を実現するのに約４．７ｋｗｈ／ｋｇａｌを必要とするものと仮定すると、ナノ濾過装置及びＣＥＤＩ装置を含有してなるシステムは、約７ｋｗｈ／ｋｇａｌの電力消費を生じることになる。この全エネルギ必要量は、従来のＲＯに基づくシステムのエネルギ必要量より約１５％少ない。

例４
この例は、海水中の溶解固形物の濃度を低下させるために利用可能な本発明の更なる実施態様について明らかにする。

図２に示すように、このシステムには、１つ以上の一価化学種減少段階及び１つ以上の二価化学種減少段階の下流に配置された、少なくとも１つの電気脱イオン段階を含んでなることが可能である。

一価減少段階には、塩化ナトリウム等の、これに限られないが、一価化学種の濃度を低下させる任意の単位操作を含んでいてもよい。一価溶解固形物の濃度を低下させるのに役立つ単位操作の例としては、これらに限られるわけではないが、電気透析装置及びエレクトロダイアレシス装置が挙げられる。

一価化学種減少段階は、一価化学種対非一価化学種に関する膜の選択係数に応じて、例えば約６０％から７０％又はそれ以上という、高い水回収率で運転可能である。これは、非一価又は多重価化学種が一価化学種と同じ比率で増加するわけではないので、非一価又は多重価化学種によって膜装置にスケール又は汚れを生じる可能性が回避されるためである。こうした装置は、非選択的ＥＤ又は蒸留のような他のプロセスに比べて汚れ及びスケールを生じる傾向がかなり弱く、一価化学種よりも多価種及び汚染物を選択的に濃縮するＮＦ及びＲＯのような方法に比べて、汚れ及びスケールを生じる傾向がはるかに弱い。高い水回収率で運転すると、例えば、前処理機器及び材料に関する量的要件が緩和されることによって、プロセスの効率が良くなるだけではなく、全プロセスに必要な全水量も減少するが、これは、水資源の乏しい地域においてとりわけ重要である。更に、高い水回収率で運転すると、装置の濃縮流中の塩濃度が増し、或る環境では、より役立つことになる。例えば、約３．３３％の供給塩分について約６７％の回収率で運転すると、塩分濃度が約１０％の濃縮流を得ることが可能である。一価のイオンを選択的に前記濃縮流に移動させる場合、生じる濃縮流は、濃度が約１０％のほぼ純粋な一価（例えば塩化ナトリウム）の濃縮流になる可能性がある。こうした濃縮流は、使い果たされたイオン交換カラムを再生するために、塩水洗浄剤としての利用のために、結晶塩を効率よく生産するための晶出装置への供給のために、及び／又は、殺菌又はｐＨ調整のために、例えば塩素及び苛性アルカリを、生産する更なる電気化学プロセスにおいて、部分的に利用することが可能である。更に、濃縮塩はＥＤ装置自体の電解液コンパートメントに循環させることが可能であり、独立した苛性アルカリ／塩素生成システムを必要とすることなく、副生成物である塩素及び苛性アルカリを生産することが可能であり、脱塩すべき供給水に既に存在している塩以外の化学物質を添加する必要性を避けることが可能である。

一価化学種除去段階では、一価陽イオン、一価陰イオン、又は、一価陰イオン及び一価陽イオンの両方を選択的に除去する膜を利用することが可能である。カルシウム塩及び硫酸塩を含む供給水から純粋な塩化ナトリウムを生産するのが望ましい場合、システムは一価陰イオン選択膜と一価陽イオン選択膜との両方を含んでなるものであってよい。また、目的が、硫酸塩レベルを気にすることなく、純ナトリウムイオンを含む濃縮水を生産することだけである場合、システムには、一価陽イオン選択膜だけを含んでなるものであってよい。

一価選択的除去段階からの部分的に脱塩された生成物は、次に、カルシウム塩、マグネシウム塩等の、これらに限定するわけではないが、二価化学種の濃度を低下させる任意の単位操作を含有してなることが可能な二価減少段階に送ることができる。こうした硬度を生じさせる化学種の濃度低下に役立ち得る単位操作の例としては、これらに限るわけではないが、イオン交換装置、とりわけ、陽イオン交換媒体を利用する陽イオン交換カラムが挙げられる。更に、選択的吸収剤及び陰イオン選択媒体を導入したイオン交換媒体を利用して、残留ホウ素及び重炭酸塩のような問題を引き起こす微量イオン並びに硫酸塩のような二価陰イオンを水から選択的に除去することが可能である。塩水再生ステップだけではなく、酸又は苛性アルカリ再生ステップをも必要とする選択的吸収剤の場合、所望により、第１の一価選択膜段階からの第１段階濃縮物流出液からの濃縮純塩溶液から、酸及び苛性アルカリを製造することも可能である。

図２で表される実施態様には、更に、１つの段階からの副生成物流を、他の段階においてその操作を円滑にするために、利用することが示されている。例示されているように、一価減少段階では、処理すべき水の塩化ナトリウム濃度を低下させて、塩化ナトリウムが濃厚な廃液流として典型的には排出される濃縮副生成物流中のこうした化学種を収集することが可能である。この副生成物流を利用して、二価減少段階において陽イオン交換媒体を再生することが可能である。最終段階は、あらゆる望ましくない化学種の濃度を更に低下させて、水を飲用にする仕上げ段階とみなすことが可能である。この段階からの副生成物流は、処理又は排出すべき水に再導入又は混合することが可能である。従って、図示の実施態様は、全体の排出負担を有利に軽減することが可能である。いくつかの事例では、このような濃縮流を利用して二価除去段階を再生するのが実行不可能な場合があるが、一価選択装置は典型的には高濃度で操作するので、イオン交換器の効率の良い再生の可能性はあり得る。また、清浄化、衛生化、殺菌のため、及び、ホウ素選択性イオン交換媒体のような特別選択性イオン交換体の再生補助のため、酸、苛性アルカリ及び塩素の生成も可能である。

一価選択膜装置からの生成水は、それ以上の処理を必要とせず、一価イオンに対して二価イオンを一定のレベルに保っていることが有益な農業用水用といった、特定目的に直接用いることが可能である。或いは、第２段階からの生成水は、例えば、生成水が約９０％脱塩されている場合、及び、水に微量元素及び二価化学種がないか又はそれらのレベルが低下している場合には、直接用いることが可能である。しかしながら代替案として、第２段階からの生成物を、例えば非選択ＥＤ又はＥＤＩ膜を含んでなる第３の膜分離装置に送って、高い純度レベルにまで更に脱塩することも可能である。こうした場合、第３段階からの濃縮溶液には、典型的には、基本的に１つのタイプの一価イオンだけしか含まれておらず、従って、第３段階でスケール又は汚れが生じる可能性は低いので、供給水と同様の濃度で濃縮液を高回収率で再循環することにより、一価選択装置の第１段階の濃縮流を供給することが可能になる。最終結果として、異なる最終用途のための様々なタイプの水を供給することが可能になり、同時に、水の回収率が従来の脱塩技術よりもかなり高く、且つ、再生、微量元素の除去、殺菌、ｐＨ調整及び清浄化のために必要な補助化学物質が源水のイオン組成から得られる、汚れ又はスケールを生じにくい極めて効率の良い条件下において、システムは作動されることになる。

ここまで本発明の少なくとも１つの実施態様のいくつかの側面について述べてきたが、当業者であれば様々な変更、修正及び改良を容易に思い付くことは明らかである。こうした変更、修正及び改良は、本開示の一部をなすものであり、本発明の精神及び範囲内に含まれる。従って、以上の説明及び図面は単なる例証でしかない。

１００ システム
１１０ ナノ濾過装置
１２０ 電気脱イオン装置
１３０ ポンプ
１４０ 給水源
１５０ 導管
１６０ 導管
１７０ 導管
１８０ 導管
１９０ 導管
１９２ 導管
１９４ 導管

Claims (25)

1. 約１，０００ｐｐｍを超える全溶解固形物を含有する供給水をナノ濾過装置に供給して、全溶解固形物が減少した第１の濾過水を生産し、
   この第１の濾過水を電気脱イオン装置に供給して、約１，０００ｐｐｍ未満の全溶解固形物を含有する第２の濾過水を生産する、ことを含んでなる
   水を浄化するための方法。
2. 供給水が海水、汽水又は油田回収水である請求項１に記載の方法。
3. 約９０％を超える多重価イオンがナノ濾過装置によって除去される請求項１に記載の方法。
4. ナノ濾過装置が約６００ｐｓｉ未満の上流圧で操作される請求項１に記載の方法。
5. 更に、供給水中のホウ素含有量を約０．５ｐｐｍ未満にまで低下させることを含んでなる請求項１に記載の方法。
6. 全体として約７ｋｗｈ／ｋｇａｌ未満の割合でエネルギを消費する請求項１に記載の方法。
7. 第２の濾過水が約５００ｐｐｍ以下の全溶解固形物を含有するものである請求項１に記載の方法。
8. ナノ濾過装置と、
   このナノ濾過装置と流体的に連通している電気脱イオン装置とを含有してなる
   海水を脱塩するための装置。
9. 更に、ナノ濾過装置の上流に配置された前処理装置を含有してなり、この前処理装置が、ベッドフィルタ、マイクロフィルタ、十字流マイクロフィルタ、沈降タンク及びエアレータからなる群から選択されるものである、請求項８に記載の装置。
10. 電気脱イオン装置が厚さ約１０ｍｍ未満の希釈セルを含むＣＥＤＩ装置を含有してなるものである請求項８に記載の装置。
11. 複数の請求項８に記載の装置を含有してなるシステム。
12. 水処理装置に海水を通し、同時に濾過水１ｋｇａｌにつき約７ｋｗｈ未満の量のエネルギを当該装置に加え、
    前記装置から濾過水を除去する、ことを含んでなる
    海水を処理して、全溶解固形物を減少させる方法であって、
    前記濾過水が約１，０００ｐｐｍ未満の全溶解固形物を含むものである、
    方法。
13. 水処理装置がナノ濾過装置と電気脱イオン装置とを含んでなるものである請求項１２に記載の方法。
14. 濾過水が約５００ｐｐｍ未満の全溶解固形物を含むものである請求項１２に記載の方法。
15. 第１段階で海水からの１つ以上の非一価化学種の濃度を減少させ、
    第２段階で海水からの１つ以上の一価化学種の濃度を減少させて、約１，０００ｐｐｍ未満のＴＤＳを有する水を生産する、ことを含んでなる、
    海水の処理方法であって、
    前記第１及び第２段階が、生成水１ｋｇａｌにつき約７ｋｗｈ未満の正味エネルギ消費率で実施されるものである、
    海水の処理方法。
16. 第１段階がナノ濾過装置を含んでなるものである請求項１５に記載の方法。
17. 第２段階が電気脱イオン装置を含んでなるものである請求項１６に記載の方法。
18. 電気脱イオン装置からの濃縮流が第１段階の上流で海水と混合される請求項１７に記載の方法。
19. 水から一価溶解化学種の濃度を減少させて副生成物流を生成し、
    前記水から二価溶解化学種の濃度を減少させ、
    電気脱イオン装置において、前記水から溶解固形物の濃度を約１，０００ｐｐｍ未満に減少させる、ことを含んでなる
    溶解固形物を有する水を処理する方法。
20. 一価溶解化学種の濃度を減少させる行為が電気透析装置を利用することを含んでなる請求項１９に記載の方法。
21. 二価溶解化学種の濃度を減少させる行為が陽イオン交換カラムを利用することを含んでなる請求項２０に記載の方法。
22. 副生成物流によって陽イオン交換カラムを再生することを更に含んでなる請求項２１に記載の方法。
23. 第１段階が圧力駆動膜システムを含んでなるものである請求項１５に記載の方法。
24. 圧力駆動膜システムが、ナノ濾過装置、精密濾過装置及び限外濾過装置のうちの少なくとも１つを含んでなるものである請求項２３に記載の方法。
25. 水から二価溶解化学種の濃度を減少させるステップが、ナノ濾過装置、精密濾過装置及び限外濾過装置からなる群から選択される少なくとも１つの圧力駆動装置によって、実施される請求項１９に記載の方法。

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