JP2012518530A - 水質浄化および水質向上のシステム - Google Patents

Abstract

浄水システムは、第２の混入物によって飽和する前に猶予をともなって、第１の混入物によってまず飽和するような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体を備えている。

Description

本発明は、飲用水の安価な浄化システム、および水が安全に飲めないときにユーザに警告するためのセンサに関する。この飲用水の安価な浄化システムは、有益な不純物および分子を上記水に添加し得る追加の機能を組み込んでいる。

浄水システムは、水から不純物を除去する様々な機構を用いている多数の異なる構成部品によって構成され得る。従来の浄水システムの一種は、家庭用（ＰＯＵ）システムと一般的に呼ばれている。このようなＰＯＵシステムは、巨大な中心施設（例えば、地方自治体の水処理施設）ではなく、比較的に小さい規模（例えば、卓上システムまたは住宅用のシステム）において、水の不純物を除去する構成部品によって構成されている。

一般的なＰＯＵシステムは、高性能市場、つまり、ＰＯＵシステムにおけるより高めのコストが許容され得る市場向きにつくられている。低コスト環境における独創的な設計の欠如のために、ＰＯＵシステムは、規模の大きい低価格市場には実質的に浸透していない。

典型的なＰＯＵシステムは、沈殿物を除去するためのプレフィルタ、それに続いて、病原体または無機金属の除去を保障する機構を有し得る。消耗品（例えばフィルタ）を含んでいるＰＯＵシステムの最も重要な局面の１つは、ユーザまたはサービス提供者に対してフィルタを交換すべき時期に達していることを警告する“限界点”の検知システムである。ほとんどのＰＯＵシステムは、或る一定の時間を経ると、フィルタを交換すべき時期であることを知らせるランプが点灯する（または他の或る表示）、時間に基づくシステムを使用している。この比較的に低コストなセンサは不適当である。浄水システムが異なる環境に配置されている場合には、混入を回避するために複数のフィルタ交換をする間に求められる期間の長さが大きく変化し得、したがって、個人が混入物の入っている水にさらされる。

水の組成（および安全性）を測定する主な方法は、定期的に水のサンプルを採取し、比較的に大きな設備が水の組成の分析に使用している研究所に、これらのサンプルを発送することである。この情報は、ユーザまたはサービス提供者に対して水に含まれているものの結果を供給する。さらに、特定の混入物（例えば塩素）について試験し得る現場キットがある。一般的には、規格化されているこれらの試験方法のいずれもが、十分に汎用的ではないか、またはＰＯＵ給水システムと適合していない。さらに、これらの試験方法は消費者には扱い難い。

現在のＰＯＵの浄水システムは有益な成分を水に加えていない。分子または化合物を水に付与する典型的なシステムが、菓子製造業または飲食業において見出されている。ソーダ水は、例えば、液体の流れを単に混合することによって、炭酸水に風味を与える分子および化合物を加えているが、当該分子および化合物はユーザの健康に有益な成分ではない。

水を浄化するか、および／または水に有益な成分を加えるために、改良されているシステムに対する要求が存在している。本発明はこの要求を満たすことを目的としている。

１つの局面において、水における第１の混入物によってまず飽和し、第２の混入物によって飽和する前に猶予をもたらすような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体を備えている浄水システムが提供される。他の局面において、水における第１の混入物によってまず飽和し、第２の混入物によって飽和する前に猶予をもたらすような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体を備えているシステムに上記水を通すことを包含している、水を浄化する方法が提供される。

本システムの重要な局面は、病原体または危険な要素の限界点の検出者としてシステムのユーザを採用していることである。システムのこの局面は、低コストの浄水および水の安全性において最高のものを可能にする。本発明のシステムは、ユーザの視覚および味覚を介して、限界点の検出者としてユーザを採用している。浄水システムにおける機序は、ウォーターフィルタが寿命の末期に達しているか、または寿命の末期に達し始めているとき、色成分を放出する。さらにまた、上記システムは、フィルタが寿命の末期に達していることをユーザに警告し得る、異なる味質を水に放出する能力を有している。さらに、これらの検出の機序は、低コストな手法において導入されているので、同じ機序は、浄化されている水に対して所望の分子または化合物を付与するために利用されて、このようにして健康な飲料、および／または薬用飲料を製造し得る。

本発明の実施例１に係る、低コストなヒ素浄化システムを示している本発明の第１の実施形態の概略図である。 水がヒ素によって汚染され始める前の或る猶予の期間において、どのようにして、味質除去媒体をまず通過し、所望されないかび臭さまたは土の臭いを水が有しているかを示す図である。 下流の媒体によって吸収され、適切な時点において当該媒体を飽和させる味質物質を、どのようにして時限放出カプセルが一定速度において放出し得るかを示す図である。 浄化システムの終端に配置されている場合の時限放出カプセルが、どのようにして突発性の放出の形態に設計されているかを示す図である。 長期にわたって等しい量の香料を投入するように設計されている時限放出カプセルを示す図である。 ヒ素の媒体の使用期限がまもなく終了するとき、可能な限り突発的に香料が放出される速度において、外殻が溶解するように設計されている時限放出カプセルを示す図である。 フィルタの寿命の全体にわたるChapala水に対する組合せＡＣ/ＧＦＯフィルタのヒ素除去の結果を示した図である。 フィルタの寿命の全体にわたるChapala水に対する組合せＡＣ/ＧＦＯフィルタのヒ素除去の結果を示した図である。

図面を参照すると、図１は、低コストなヒ素浄化システムの、本発明の第１の実施形態の概略図である。システム２は、浄化される水を収容している貯水槽４を含んでおり、貯水槽４は、連続する汚染除去媒体１２、１４、１６を有しているフィルタ領域と、バルブ８を介して接続されている。ろ過領域１０を通過する水は、バルブ２０を介してノズル１８を通って、受け入れ容器２２に流出する。

プレフィルタ１２は、大きな粒子または沈殿物を水から除去するために設計されている。プレフィルタ１２に続いて連続するフィルタ媒体がある。連続するフィルタ媒体は、標的とする原子、分子または化合物を水から除去するために設計されているか、および／または上記媒体が混入物によって飽和させられ、上記水をもはや浄化できないときに、色もしくは味質の変化を水に付与する（すなわち本発明は水がまもなく安全ではなくなることを示す）ために採用され得る。図１に示されている特定の実施形態において、プレフィルタ媒体１２に続いて、味質除去媒体１４およびヒ素除去媒体１６がある。

類似の構造が、有益な化合物を水に加えるために採用され得る。有益な化合物は、例えば、ビタミン、アミノ酸、ミネラルおよび／またはハーブの抽出物であり得る。いくつかの例としては、ビタミンＡ、ビタミンＣ、ビタミンＤ、およびビタミンＥ、ビタミンＫ、ビタミンＢ_６、ビタミンＢ_１２、チアミン、リボフラビン、ナイアシン、葉酸、ビオチン、パントテン酸、カルシウム、鉄、リン、ヨウ素、マグネシウム、亜鉛、セレン、銅、マンガン、クロム、モリブデン、カリウム、ホウ素、ニッケル、シリコン、スズ、バナジウム、ルテイン、およびリコペンが挙げられる。

本発明のシステムは、塩素を用いて殺菌されている水の処理のために主に設計されている。上述の通り、１つの汚染除去媒体１４は、所望されない味質を除去するために設計され得、他の汚染除去媒体１６は、ヒ素を除去するために選択され得る。

異なる地理的地域は水に関する異なる問題を有しており、したがって混入物を適切に除去するための媒体の種類、媒体の数、または媒体の比率の調整が必要とされ得る。フィルタシステムは、それぞれの媒体が標的の混入物の十分な除去を可能にするための適切な空筒接触時間（ＥＢＣＴ）をともなって、設計されている。典型的なＥＢＣＴは１から１０分間のオーダーであり、これらの指針が媒体フィルタ容積を通る水の流速を決定する。

浄水システムは、上述の汚染除去媒体に続いて、フィルタ段階（図示せず）をさらに含み得る。例えば媒体の微粉を除去するためのフィルタ（例えば、繊維を巻きつけたフィルタ）、および／または微生物の混入物を除去するフィルタが、汚染除去媒体段階の後に導入され得る。水の味質の問題における一般的な原因は、かび臭さまたは土の臭いを水に付与するような味質を付与する藻の代謝産物（例えば、ゲオスミンまたは２−メチルイソボルネオール（ＭＩＢ））である（例えば、Bottani およびTasconによって編集されているAdsorption by Carbonにおけるchapter 26を参照すればよい）。本システムにおける媒体の順序は重要ではないが、図１に示されている実施形態において、味質除去フィルタ媒体１４は、プレフィルタ１２に接し、かつ続いて配置されており、味質除去フィルタ媒体１４に続いてヒ素除去媒体１６が配置されている。

他の実施形態において、上記媒体は、混合され得るか、交互に並べられ得るか、または積み重ねられ得る。さらに、上述の処理の両方を実施し得る、見込みのある他の媒体がある。しかし、活性炭（activated carbon）（または活性炭（activated chacorl））が、味質を除去するろ過媒体１４として典型的に選択され、粒状の水酸化第二鉄、活性アルミナ、粒状の酸化第二鉄、酸化チタン、酸化ジルコニウム、または他の金属酸化物もしくは金属酸化物の混合物のうちの１つが、ヒ素除去媒体１６として選択され得る。

この発明のシステムの設計は、２つの主要な理由のために非常に低コストである。第１に、このシステムは、水に関して生じる２つの主な問題、つまり有毒なヒ素の濃度および所望されない味質を対象としている。第２に、限界点を検出する方法は、期間、またはより重要には味質である。ヒ素除去媒体が飽和する前に味質除去媒体が飽和するような大きさに味質除去媒体およびヒ素除去媒体を形成することによって、本システムは、限界点を検出する機序としてユーザの味覚を採用可能である。これらの媒体の容積が上記のような大きさに作られている場合、水がヒ素によって汚染され始める前の或る猶予の期間にわたって、味質除去媒体をまず通過し、水が所望されないかび臭さまたは土の臭いを有している。

この作用は、図２に示されているグラフに概略的に表されている。土の臭いまたはかび臭さが水に感じられるときユーザは媒体を交換すべきことを知らされるので、ユーザが検出者である場合に、この機能的な作用を達成するための媒体の容積のサイズ決定は、以下に記載のような一連の工程において実現される。

まず、或る地域の水は、当該水における味質を付与する化合物（例えば、ゲオスミンまたはＭＩＢ）のレベル、および当該水におけるヒ素のレベルを決定するために測定される。つぎに、味質除去媒体およびヒ素除去媒体は、ゲオスミンおよび／またはＭＩＢ、またはヒ素によって、或る容積の媒体が飽和されるまでの期間を決定するために試験される。この第２の段階が完了すると、本システムにおける上記媒体の容積は、図２に示されている作用を達成するために選択され得る。

例えば、２つの構成部材のＰＯＵシステムは、味質の向上のための活性炭およびヒ素の除去のための粒状の酸化第二鉄（ＧＦＯ）を用いて構成され得る。適切な大きさの媒体を作ることによって、味質の向上は、フィルタを交換する時期であることをユーザに対して早期に警告するシステムの役割を果たす。関連するパラメータは、標的の混入物に関する媒体の吸着容量（１グラムの媒体について吸着される混入物のｍｇ数が典型的に挙げられる）である。活性炭に対するＭＩＢの吸着容量は、活性炭の構造（炭素を含んでいる原料、細孔径分布（pore size distribution）および表面積）および水の化学的性質に依存して、１〜３ｍｇ／ｇの範囲である（例えば、Chapter 26 in Adsorption by Carbon, edited by Bottani and Tascon, p.683, (2008)を参照すればよい）。同様に、ＧＦＯに対するヒ素（Ｖ）の吸着容量は、水の化学的性質に依存して０．５〜１ｍｇ／ｇの範囲である（参考文献、AWWA publishing.，Adsorption Treatment Technologies for Arsenic Removal，Capter 6, (2005））。

好適な活性化炭素は、Calgon Carbon Corporation（http://www.calgoncarbon.com/solutions/?view=ChallengeProduct&Industry=10&Application=7&Challenge=7）から入手され得る。同様に、ＧＦＯは、Severnt Trent Corporation（http://severntrentservice.com/Water_Wastｅwater_Treatment/Arsenic_Removal_prod_52.aspx）から入手され得る。

例えば、投入される水におけるＭＩＢおよびヒ素（Ｖ）の濃度を、いずれも０．０５ｍｇ/Ｌであると仮定し、さらに、それらの除去システムのそれぞれに対する両方の混入物の吸収容量を１ｍｇ／ｇであると仮定する。ＧＦＯおよびＡＣはいずれも他の混入物に対して考慮すべき吸着容量を有していない。したがって、ヒ素がＧＦＯを通過する前に、ＭＩＢが活性化炭素を通過するフィルタを設計するためには、炭素に対するＧＦＯの比率が１以上であることが必要である。好適な比率は、２：１＝ＧＦＯの質量：活性炭の質量であり得る。このような比率は、ユーザが上昇した濃度のヒ素にさらされる前にフィルタを交換する時期であるという、所望されない味質によるユーザに対する通知をもたらす。もちろん、媒体全体の質量（したがってフィルタの容積）は、目的とする水の流量およびフィルタの寿命に関して適切に選択される必要がある。ゲオスミンまたはＭＩＢの濃度が十分に大きくない場合、または味質を付与する好適な他の化合物が水に存在していない場合、上述のような方法は、限界点を検出するセンサとして使用され得ない。

一定速度において味質化合物がＰＯＵシステムの外部から加えられている場合、ゲオスミンまたはＭＩＢの味質除去媒体が意図的に導入されている味質化合物を除去する媒体と置き換えられているので、本発明は、図１に示されるような類似の設計を有している。代替的に、味質物質または味質化合物は、時限放出カプセルを採用することによってＰＯＵシステム内に加えられ得る。

図３は、領域２４が味質除去媒体１４の下流に備えられていることを除いて、図１に示されているシステムと類似のシステムを示している。領域２４は、一定速度において味質物質を放出して加えるカプセルを収納している。これらの時限放出カプセルは、下流の媒体によって吸着され、適切な時点において当該媒体を飽和させる味質物質を一定速度において放出し得る（図３に見られる）か、または当該カプセルは、この場合に浄化システムの終端における最終段階として配置されている突発性の放出形態２６として設計され得る（図４を参照）。第１の場合（持続性）において、時限放出カプセルは長期にわたって等しい量の香料を投入するために設計されている（図５）。図６に示されているカプセルにおいて、これカプセルは、ヒ素の媒体の使用期限がまもなく終了するときに可能な限り突発的に香料が放出されるような速度において、外殻が溶解するように設計されている。

また、本発明の浄水システムに使用される独創的な時限放出カプセルは、味質に加えてか、または味質の代わりに色素を放出するために使用され得る。例えば、香料の放出のための上述した両方の方法は、色素の放出のために使用され得る。第１の場合に、一定速度において放出する時限カプセルは、フィルタシステムにおける１つの媒体によって吸着される色素を放出するために使用され得る。そして、除去されるべき所望されない（複数の）原子、分子または化合物によって浄化媒体が飽和状態になる直前に、色素の当該媒体の飽和は、当該媒体において色化合物が飽和に達するように設計されている。したがって、水は上記浄化媒体を交換すべき時期に変色する。水が変色しているが、当該水が或る猶予期間において未だに安全であるような時間の猶予が、同様にこのシステムに対して設計されている。猶予は、時限放出カプセルによって放出される色化合物の濃度の飽和速度、および除去されるべき所望されない原子、分子または化合物の飽和を理解することによって設計されている。

同様に、突発性の放出カプセルは、上記浄化媒体を交換すべき時期を示すために、水に色を付与するために使用され得る。この実施形態において、時限放出カプセルの外殻は、水から除去されるべき原子、分子または化合物によって上記浄化媒体が飽和させられる直前に、色素が突発的に放出されるような速度において溶解する。

また、本明細書に記載の時限放出カプセルは、所望の原子、分子または化合物を水に加えることにとって有用である。これまでに記載されている一定速度の時限放出カプセルは、この有益な放出にとって好ましい。上記カプセルは、媒体の中に配置されているか、または水浄化システムの最終段階に分けて配置されている（他の媒体が所望の原子、分子または化合物を除去しないように）。香料および薬用物質（例えばビタミン）がこれらのカプセルによって放出され得る。

本発明の重要な局面は、以下の点を認識することである。当該認識は、ＰＯＵによるヒ素の最適な除去にとって最も低コストかつ適切な媒体であって、家庭において好適な量の飲料水を生成するために十分な寿命を有している媒体を選択するために、或る地域の水の状態が詳細に評価されるべきであるということである。例えば、１つの特定の地域において、最も適切なヒ素除去媒体を選択するときに塩素の含有量、ヒ素の価数およびｐＨが主に考慮されるべきであることが、試験によって決定された。同様に、ろ過システムにおける媒体の比率は、水の特性、所望される寿命、およびろ過後の水の品質に基づいて調整されるべきである。塩素の除去に活性炭が必要である一方で、ヒ素の除去に金属酸化物（例えばＧＦＯ）が必要である。上述の例において、他の金属酸化物の媒体（例えば活性アルミナ）と比較して、高いｐＨにおいて、或る地域の上水に存在しているＡｓ（Ｖ）の優れた除去を示すので、ＧＦＯ媒体が選択された（参考文献、AWWA publishing.，Adsorption Treatment Technologies for Arsenic Removal，Capter 6, (2005)）。

配管接続を最小化し、ユニットの組立てコストを低減させるために、標準的な単一のフィルタの筐体において、媒体を組み合わせた。７０００リットルの設計されたフィルタの寿命を達成するために、地域の水の条件のもとに５５０ｇのＧＦＯ（１．１リットルの乾燥容量）が、十分なヒ素除去容量を示すと評価した。フィルタ全体の容積を、ＰＯＵ装置の標準的な１３０ｃｃフィルタ要素の容積に固定した。１：１の媒体の割合において１．１ＬのＧＦＯおよび１．１ＬのＡＣを収納している要素が、上記例における条件にとって最も良好に機能することがわかった。

上述の過程に続いて、媒体の割合は、地域の水の特性が評価されてから過度の実験を行うことなく、調整され得る。上記媒体は２つの別個の層を形成し、水はＧＦＯの前にＡＣを通って流れた。図７および８は、フィルタの寿命の全体にわたる、組合せＡＣ／ＧＦＯフィルタの、Chapala水に関するヒ素の除去の結果を示している。ヒ素は試験の間において０．０１ｍｇ／Ｌ未満の範囲に収まって維持されている。さらに、塩素は処理済の水において検出されず、地域の居住者にとって好ましい風味をもたらした。地域の水の品質の要因、ＰＯＵフィルタのサイズ、および予定される運転寿命に依存して、ＡＣに対するＧＦＯの割合は、必要に応じて調整され得る。ＰＯＵ装置に存在しているフィルタを小型化するために、活性炭に対するＧＦＯヒ素除去媒体の適切な割合は、およそＧＦＯの容積：ＡＣの容積＝１：１、またはそれを超える（例えば、２：１）と予想される。これらの容積は、土地の水の状態にとって適切な異なる媒体のヒ素除去容量および密度について、調整されるべきである。必要に応じて、追加の媒体が、水における他の混入物を除去するためにフィルタ要素に加えられ得、３つ、４つまたはそれを超える媒体の構成部品を有している要素をもたらす。個々の媒体は、上述の例のように、分離され（すなわち層状化され）得るか、または混合され得る。

本発明は、最も実用的であり、好ましい実施形態であると現時点において考えられるものに関して記載されている。一方で、本発明は、開示されている実施形態に限定されず、むしろ、添付の特許請求の範囲の精神および範囲に含まれている種々の変更および等価な構成を包含していると意図されていることが理解される。

Claims (20)

1. 水における第１の混入物によってまず飽和し、第２の混入物によって飽和する前に猶予をもたらすような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体を備えている、浄水システム。
2. 家庭用のシステムである、請求項１に記載の浄水システム。
3. 上記少なくとも２つのろ過媒体は貯水槽の下流に配置されている、請求項１に記載の浄水システム。
4. 大きな粒子および沈殿物を上記水から除去するプレフィルタが、少なくとも２つのろ過媒体に接して上流に備えられている、請求項１に記載の浄水システム。
5. 塩素およびヒ素が混入物である、請求項１に記載の浄水システム。
6. 上記第１の混入物が塩素であるとき、上記第１の媒体は活性炭であり、上記第２の混入物がヒ素であるとき、上記第２の媒体は、活性アルミナ、顆粒状の酸化第二鉄、および／または粒状の水酸化第二鉄である、請求項１に記載の浄水システム。
7. 水における第１の混入物によってまず飽和し、第２の混入物によって飽和する前に猶予をもたらすような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体；および、
   上記ろ過媒体の限界点の検出を表す風味を付与するための時限放出カプセルを備えている、浄水システム。
8. 上記時限放出カプセルが持続性である、請求項７に記載の浄水システム。
9. 上記時限放出カプセルが突発性である、請求項７に記載の浄水システム。
10. 突発性の上記カプセルが上記システムの最後段に配置されている、請求項９に記載の浄水システム。
11. 或る時点において飽和し、上記水に対する味質の付与を可能にする他の媒体の上流に、上記持続性のカプセルが配置されている、請求項８に記載の浄水システム。
12. 水における第１の混入物によってまず飽和し、第２の混入物によって飽和する前に猶予をもたらすような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体；および、
    上記ろ過媒体の限界点の検出を表す色を付与するための色素時限放出カプセルを備えている、浄水システム。
13. 上記色素時限放出カプセルが持続性である、請求項１２に記載の浄水システム。
14. 上記色素時限放出カプセルが突発性である、請求項１２に記載の浄水システム。
15. 突発性の上記カプセルが上記システムの最後段に配置されている、請求項１４に記載の浄水システム。
16. 或る時点において飽和し、上記水に対する色の付与を可能にする他の媒体の上流に、持続性の上記カプセルが配置されている、請求項１３に記載の浄水システム。
17. 水における第１の混入物によってまず飽和し、第２の混入物によって飽和する前に猶予をもたらすような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体；および、
    上記水に香料または薬用物質を持続的に導入する時限放出カプセルを備えている、浄水システム。
18. 上記時限放出カプセルが、上記システムの最後段において上記水に香料が導入されるように配置されている、請求項１７に記載の浄水システム。
19. 水を浄化する方法であって、
    上記水における第１の混入物によってまず飽和し、第２の混入物によって飽和する前に猶予をもたらすような、互いに対する大きさに作られている少なくとも２つのろ過媒体を備えているシステムに上記水を通すことを包含している、方法。
20. 上記水が測定されて、味質付与化合物のレベルおよび上記水におけるヒ素のレベルを決定し；上記ろ過媒体が試験されて、媒体の或る容積が味質付与化合物およびヒ素によって飽和されるまでの期間を決定し；上記システムにおける上記媒体の上記或る容積が選択されて、上記水における上記味質付与化合物によってまず飽和し、上記ヒ素が飽和する前に猶予をもたらさせる、請求項１９に記載の方法。

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