JP2015512332A - 平面濾過及び選択的分離並びに回収のための装置 - Google Patents

Abstract

濾過または選択的な流体工学的分離及び回収の装置が、入口と出口とを有するハウジングを有している。前記ハウジングは、前記入口から前記出口まで延在する開口と、前記開口内に保持される内部支持構造と、を有している。異なる選択性を有する複数の平面状のグラフェン膜（１２２、１３０）が、前記内部支持構造（１０６）によって保持されており、前記媒体は、前記入口で受容される供給水を、前記出口で分離して流出する２つの異なる浸透物（１１４、１１６）と濃縮物（１１２）とに、分離する。選択的な切替可能な電圧が、汚れ防止のために適用される。

Description

本出願は、２０１２年３月２９日出願の米国仮出願Ｎｏ．６１／６１７，２６１の優先権を主張する。当該仮出願は、参照によってここに取り込まれる。

全体として、本発明は、濾過及び選択的な流体工学的分離及び回収の装置に関する。具体的には、本発明は、層状の平面濾過及び選択的な流体工学的分離及び回収の装置に関する。より具体的には、本発明は、少なくとも１つの高流量の膜材料を含む積層材料に向けられる。

現在、脱塩水の稼働能力（online capacity）の略半分が、逆浸透の濾過工程を通じて達成されている。逆浸透の市場シェアは成長しているが、近年の逆浸透技術は、依然として資本集約的且つエネルギー集約的であり、現在の高分子濾過膜に基づく製品設計及び性能には限界がある。高分子濾過に関する近年の業界標準は、４００から４４０平方フィートの活性膜面積を有する直径８インチで長さ４０インチのスパイラル状の膜である。そのような装置は、浸透性が制限されており、それが今度は、単位面積当たりの出力水または流量を制限し、増大された膜面積及び作動圧力を必要とする。これらの高い膜面積の必要性及び高い作動圧力は、濃度分極、スケール、汚れ等と同様に、膜の抵抗（すなわち、浸透性）の結果である。より高い流れのレート（flux rate）は、濾過膜の汚れを悪化させ得る。このように、これらの濾過装置は、頻繁な清掃及び最終的には交換を必要とする。流れ及び関連する膜面積の要求に関する制限は、著しい資本コストをもたらす。高い圧力装置のニーズは、濾過装置を作動させるために必要とされるエネルギーを増加させ、それは更に、作動コストを増す汚れ及び圧密（compaction）に起因する膜の劣化をもたらす。

現在の逆浸透用の濾過装置は、直径８インチで長さ４０インチのスパイラル状の設計を利用する。濾過媒体の内部には、最大の濾過出力のための活性膜面積を規定する２０枚から３４枚の膜がある。濾過媒体において改良がなされているが、それは、単に逐次的な改良であり、限られた流量のスループット（処理能力）または高い作動圧力の必要性に関連して生じる問題を、処理していない。

濾過及び／または脱塩への逆浸透のアプローチは、ポリイミド成分を利用する活性濾過層を採用することである。これらの構成は、複合材料またはポリマの特性を変更するための化学的処理を、含み得る。全ての場合において、そのような技術は、供給材料を濃縮物と浸透物とに分離するために、溶液分散（solution diffusion）を利用する。逆浸透技術において、膜は、汚れ、スケール及び圧密に、影響を受けやすい。これらの材料はまた、清掃方法が限られているためにわずかな化学的及び生物学的な抵抗力しか有さず、これは、今度は濾過装置の頻繁な交換の必要に関係する。

従って、本技術においては、改善された流れ特性、減少された大きさ及び重量並びに増大された作動寿命を提供する濾過装置のニーズがある。システム全体を交換する代わりに、選択した構成部分の交換によって保守点検され得るような濾過装置のニーズもある。

前述の観点から、本発明の第１の特徴は、平面濾過及び選択的分離並びに回収のための装置を提供することである。

本発明の他の特徴は、入口と出口とを有するハウジングであって、当該入口から当該出口まで延在する開口を有するハウジングと、前記開口内に保持される内部支持構造と、前記内部支持構造によって支持される少なくとも１つの平面状の濾過媒体と、を備え、前記媒体は、前記入口で受容される供給水を少なくとも、前記出口で分離して流出する浸透物と濃縮物とに、分離することを特徴とする濾過または選択的な流体工学的分離及び回収の装置を提供することである。

前記一実施の形態についての本発明の他の特徴は、少なくとも２つの平面チャネルと、前記少なくとも２つの平面チャネル間に配置される少なくとも１つの平面膜と、を有しており、前記平面膜は、前記供給水を前記浸透物と前記濃縮物とに濾過する、という少なくとも１つの濾過媒体を提供することである。

前記一実施の形態についての本発明の更なる特徴は、各前記平面膜に関連付けられ、且つ、前記内部支持構造によって保持される、膜支持構造を更に有しており、前記膜支持構造は、清掃、保守点検または交換のために、前記ハウジングから取外可能であるという少なくとも１つの濾過媒体を提供することである。

本発明の更なる特徴は、前記一実施の形態について、前記少なくとも２つの平面チャネルの一方は、隣接する複数の膜支持構造の間に配置される浸透性スペーサであり、前記少なくとも２つの平面スペーサの他方は、少なくともその一側に隣接する前記平面膜を有する供給チャネルである。

前記一実施の形態についての本発明の更なる特徴は、有孔グラフェン材料から構築される平面膜を、供給することである。

他の実施の形態における本発明の更に他の特徴は、一側上に隣接する膜構造と、隣接する供給チャネルと、の間に配置される各平面膜を、規定することである。

更に他の実施の形態における本発明の更に他の特徴は、少なくとも１つの第１浸透性スペーサ、少なくとも１つの第２浸透性スペーサ及び少なくとも１つの供給チャネルである、少なくとも３つの平面チャネルの１つを、規定することである。前記少なくとも１つの平面膜は、前記供給水の第１成分をブロックするように寸法決めされた開口を有する少なくとも１つの第１有孔グラフェン材料、及び、前記供給水の第２成分をブロックするように寸法決めされた少なくとも１つの第２有孔グラフェン材料である。

前記一実施の形態の本発明の更なる特徴は、前記供給チャネルと第１の前記膜支持構造との間に位置付けられる第１有孔グラフェン膜を、規定することである。前記第２有孔グラフェン膜は、前記少なくとも１つの第１浸透性スペーサと第２の前記膜支持構造との間に位置付けられており、第１の前記少なくとも１つの第２浸透性スペーサは、前記第２有孔グラフェン材料の反対側の、前記第２の前記膜支持構造の一側に隣接して位置付けられている。

本発明の更なる特徴は、前記一実施の形態に対して、前記出口に関連付けられる出口蓋を更に備え、前記出口蓋は、供給水の前記第２成分を収集するために前記少なくとも１つの第１浸透性スペーサに関連付けられている第１浸透管と、前記第１及び第２の膜によってブロックされない供給水の成分を収集するために前記少なくとも１つの第２浸透性スペーサに関連付けられている第２浸透管と、供給水の前記第１成分を収集するために前記供給チャネルに関連付けられている濃縮管と、を有している。

更に他の実施の形態における本発明の更なる特徴は、切替可能な電圧供給源を更に備え、前記平面膜は、導電性の有孔グラフェンであり、前記供給水中に含まれる分極種（polarized species）のために生じる濃度分極の影響を破壊するべく当該平面膜を電気的に帯電させるために、前記切替可能な電圧供給源に接続されている。

更なる実施の形態における本発明の追加的な特徴は、切替可能な電圧供給源を更に備え、前記平面膜は、前記平面膜及び／または周囲の構造の生物学的な汚染物質を破壊または無能化するために、特定の持続期間に亘り、前記切替可能な電圧供給源からの直流の帯電（充電）を受け、その後、取り外される。

他の実施の形態における本発明の更に他の特徴は、間隔が置かれた一対の内部膜と、前記内部膜の間に配置される浸透性スペーサと、を有する濾過媒体を、規定することである。各前記内部膜は、前記膜支持構造に結合される外径を有しており、前記内部支持構造は、前記浸透性スペーサに隣接する複数の開口を有する少なくとも１つの出口流路を有している。

前記一実施の形態についての本発明の更なる特徴は、間隔が置かれた一対の端部膜（end membranes）と、各隣接する端部膜と前記内部膜との間に配置される他の浸透性スペーサと、を更に有する濾過媒体を、規定することである。各前記端部膜は、前記膜支持構造に結合される外径を有しており、前記内部支持構造は、前記他の浸透性スペーサに隣接する複数の開口を有する他の出口流路を有している。

異なる実施の形態における本発明の更に他の特徴は、２以上の濃縮流として、不必要な粒子、溶質または分析物を濾過して除去することに対立するものとして、所望の粒子、溶質または分析物の選択的分離及び回収のために構成されている前記平面状で層状の濾過媒体を、有する。

本発明のこれら及び他の特徴及び利点は、後述の説明、添付の特許請求の範囲、及び、付随する図面を参照することで、より良く理解されるであろう。
本発明のコンセプトによる、ハウジング内に保持されている平面状の濾過装置の右側の概略的な拡大斜視図である。 本発明のコンセプトによる、ハウジング内に保持されている平面状の濾過装置の左側の概略的な拡大斜視図である。 本発明のコンセプトによる濾過装置の概略的な拡大断面図である。 本発明のコンセプトによる選択的な濾過装置の概略的な拡大断面図である。 平面状の膜配置を有する濾過装置からの２以上の出力流を分離するための出口蓋の概略図である。 本発明のコンセプトによる他の選択的な濾過装置の概略的な拡大断面図である。

今、図１及び図２を参照すると、濾過装置が、全体として数字１０によって示されていることが、視認される。図１は入口側の全体的な断面斜視図を表している一方、図２は濾過装置の出口側の全体的な断面斜視図を表している。装置１０は、図示されるように筒状の構造であり得るハウジング１２を有しているが、最終使用の応用によって他の形状が可能であると信じられる。いずれにせよ、ハウジング１２は、濾過または選択的な流体工学的分離及び回収のための供給水１５または他の流体を受容する入口１４を、有する。この説明を通じて供給水という語が使用されるが、濾過装置に供給される供給水または流体材料は、水を含み得ないということが理解されるであろう。ここで使用されているように、供給水とは、複数の成分を含有し、分離及び除去のために濾過装置に供給される媒体を、指す。他の実施の形態では、供給水は、選択的な流体工学的分離及び回収のための関心のある粒子、溶質または分析物を、含み得る。入口１４に取り付けられているものは、供給水がハウジング内に方向付けられることを許容する供給水管１８を有する、入口蓋１６である。当業者によって理解されるであろうが、入口蓋１６は、後述されるように、受容される供給水１５を複数の供給スペーサ内に方向付ける。いくつかの実施の形態では、複数の供給チャネルは、供給水が当該複数の供給チャネル内に方向付けられるように、非多孔性の表面によって囲まれ得る。

出口２２が、ハウジング１２の反対側の端部に配置されており、出口蓋２４を提供している。当該出口蓋２４は、浸透管２６及び濃縮管２７を有している。これらの管または流路は、濾過された供給水―浸透物２８及び濃縮物２９、時に残留物と呼ばれる―を、濾過後のそれらの特性に基づいて更なる使用のために、方向付ける。出口蓋２４は、浸透物と濃縮物との分離を維持するように、構成されている。

今、図１乃至図３を参照すると、ハウジング１２がその全体の長さに延在する開口３２を有しているということが、理解され得る。ハウジング１２内に支持されているものは、内部支持構造である。当該内部支持構造は、全体として数字３６によって示されている濾過媒体を支持するために、一連のリッジ３４及びレッジ３５、ステップまたは他の構造的特徴
を、有している。視認されるように、内部支持構造３４、３５は、ハウジング１２の内部に設けられている。

濾過媒体３６は、少なくとも１つの供給チャネル４０、少なくとも１つの高流量の膜４２、時に多孔性裏打材と呼ばれる少なくとも１つの膜の多孔性支持構造４４、及び、少なくとも１つの浸透性スペーサ５２、を含む平面積層構造を有している。各層について明確な呼称を提供するために、文字の名称ＦＣ（供給チャネル４０）、Ｍ（膜４２）、ＳＳ（支持構造４４）及びＰＳ（浸透性スペーサ５２）が、提供されている。清澄目的のための様々な濾過媒体の層がわずかな隙間を隔てて示されているものの、実務においては、浸透物と濃縮物との間に分離された流路を提供するために、様々な隣接する層は、膜、流れチャネル及び浸透性スペーサの間に適切なシールを伴っておそらく相互に接触している、ということが理解されるであろう。供給水中の成分に応じて、及び、いかにすれば当該成分が最も効率的に互いから分離または濾過され得るかに応じて、前述の構成の異なる位置的配置が利用され得る。ここで使用されているように、供給水は、溶媒または水等の流体媒体によって保持される、ナトリウム、塩素、塩、毒素、ウイルス、バクテリア及び類似の大きさの浮遊汚染物等の不所望の成分を、含有し得る。

一般に、供給水は、支持構造４４によって支持される高流量の膜４２に当該供給水を送る少なくとも１つの供給チャネル４０によって、受容される。供給チャネル４０は、織布または不織布のいずれかを含み得る。供給スペーサの材料は、ポリプロピレン、ポリエチレン、ポリエステル、ポリアミド及び／またはフッ素ポリマ等の高分子材料から、構築されている。多孔質セラミクスまたは多孔質焼結金属等の非高分子材料、あるいは、所望の流体力学的及び応用特有の特性を有する他の材料も、供給スペーサの材料として、使用され得る。供給チャネルの物理的構成は、膜の性能を補佐するように最適化された幾何形状を特徴とし、それは０．０２インチ乃至０．０４インチの間の厚さを有し得る。他の実施の形態では、供給チャネル、及び、使用される場合には対応するスペーサとして、０．０２インチ乃至０．２０インチの厚さが、使用され得る。供給チャネル４０は、供給水が入口から出口に向かって流れることを許容するように、構成されている。各膜支持構造４４は、当該多孔性支持構造が最小の流体抵抗をもたらすように、複数の穴４８を有する。本実施の形態では、支持構造は、ポリカーボネートまたはポリエステル等の高分子材料から構成されており、応用に応じて、薄板状（ラミネート状）のまたは合成の裏打構造を含むような結合で使用され得る。炭素のナノ構造材料、セラミクス及び多孔質焼結金属を含む類似の流体力学的及び構造的な特性を有する他の材料も、使用され得る。穴４８は、直径１５ナノメートル乃至２００ナノメートルの間の任意の値であり、使用される穴の大きさに応じて相互に間隔が置かれ得る。所望の流れを維持するために可能な限り開いている一方、十分に膜を支持するために裏打材料を使用することが好ましい。実際、２５％に達する開口面積を有する構造４４が使用され得る。他の穴の大きさ及び間隔も、使用され得る。スペーサは、供給チャネル４０内で使用される場合、供給水が流入及び通流するようにチャネル高さを位置付けるために、使用され得る。いくつかの実施の形態では、チャネル高さは、供給水が膜４２に進入するに先立って当該供給水に乱流を生成する機械機構５４を受容するためのチャネルスペーサの設計範囲を考慮に入れて、寸法決めされ得る。機械機構５７は、限定されないが、供給チャネル４０に隣接する、または、供給チャネル４０と一体である、リブまたは突起を有し得る。乱流は、複数のリブまたはスペーサで構築されるメッシュの形態の供給スペーサの使用によっても、生成され得る。典型的な材料は、米国デラウエア州のミドルタウンのＤｅｌＳｔａｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ，Ｉｎｃにより、Ｎａｌｔｅｘ^ＴＭの商品名の下で、販売されている。乱流は、交流または直流の電荷（限定されない）を有し得る電気的機構によっても、生成され得る。

本実施の形態では、高流量の膜４２は、米国特許Ｎｏ．８，３６１，３２１において説明されているグラフェン膜であり、当該特許は、参照によってここに取り込まれる。当該グラフェン膜は、複数の炭素原子の単一原子層厚の層であり、１枚のシートを規定するように互いに結合されている。層またはシートと呼ばれ得る単一のグラフェン膜の厚みは、約０．２から０．３ナノメートル（ｎｍ）である。いくつかの実施の形態では、より大きな厚みと相応するより大きな強度とを有する多層のグラフェン層が、形成され得る。多層のグラフェンシートが、膜が成長または形成されるにつれて複数の層で提供され得て、わずか数層のグラフェンとして一般に知られている。あるいは、多層のグラフェンシートは、１枚のグラフェン層を他のグラフェン層の上に積層または配置することによって、達成され得る。ここで開示される全ての実施の形態に対して、単層のグラフェンまたは多層のグラフェンが使用され得る。おそらく自己粘着性の結果としてグラフェンの複数の層がそれらの一体性及び機能を維持するということを、試験が明らかにしている。これは、シートの強度、及び、いくつかの場合において電流性能（flow performance）を、改善する。高流量のスループットを有する材料である有孔グラフェンは、ポリアミドまたは他の高分子材料の濾過材料とは対照的に、非常に改善された濾過特性を提供する。大多数の実施の形態では、グラフェン材料は、厚さが０．５から２ナノメートルである。グラフェン層の複数の炭素原子は、炭素原子のハニカム格子を形成する６つの炭素原子から構築される六角形の環状構造（ベンゼン環）の繰り返しのパターンを、規定する。６つの炭素原子毎の環状構造によって格子間開口がシート内に形成され、この格子間開口は、１ナノメートル未満の幅である。実際、当業者は、格子間開口がその最長の寸法に亘り約０．２３ナノメートルであると信じられているということを、理解するであろう。従って、格子間開口の寸法及び形態、並びに、グラフェンの電子特性（electron nature）は、孔が無いならば当該グラフェンの厚みを横切るあらゆる分子の移動を、排除する。この寸法は、水やイオンの通過を許容するには、あまりにも小さい。

有孔グラフェンを形成するために、１または複数の孔が形成される。全体的にまたは名目上は円形の代表的な開口または孔５５が、グラフェン膜４２を貫通して、規定されている。開口５５は、約０．６ナノメートルの名目上の直径を有している。当該０．６ナノメートルの寸法は、塩または塩水において通常想定される最小のイオンであるナトリウムイオンをブロックするために、選択されている。全体的に円形の開口は、当該開口の縁部がグラフェン膜４２の六角形の炭素の環状構造によって部分的に規定されている、という事実によって影響を受ける。他の開口の大きさは、供給水の成分、及び、ブロックまたは濾過されることを所望する供給水の成分または構成、に応じて選択され得る。従って、開口５５は、いくつかの実施の形態では、大きさが０．５ナノメートルから１．２ナノメートルの範囲に亘り得る。あるいは、他の実施の形態では、大きさが１．０から１０ｎｍの範囲に亘り得る。更に、他の実施の形態では、開口５５の大きさは、１０ｎｍから１００ｎｍの範囲に亘り得る。

グラフェン膜の開口は、選択的酸化によって形成され得る。当該選択的酸化とは、選択された時間に亘り酸化剤に曝すことが意味される。開口５５は、レーザドリルによっても開けられ得ると信じられている。刊行物Nano Lett. 2008, Vol.8, No. 7, pp 1965-1970で説明されているように、最も簡単な穿孔手法は、アルゴン内に希釈された酸素を用いて、高温でグラフェンフィルムを処理することである。そこで説明されているように、５００℃で２時間に亘り１気圧（ａｔｍ）のアルゴン内の３５０ｍＴｏｒｒの酸素を用いると、２０から１８０ｎｍの範囲の貫通孔がグラフェン内にエッチングされる。文献は、孔の数がグラフェンシート内の欠陥に関連し、孔の寸法が滞留時間に関連する、ということを合理的に提唱している。このことは、グラフェン構造内に所望の孔を形成するための好ましい方法であると、信じられている。前記構造は、グラフェンナノプレートレット（graphen nanoplatelets）及びグラフェンナノリボンであり得る。従って、所望の範囲での穿孔が、より短い酸化時間によって形成され得る。Kimらの“Fabrication and Characterization of Large Area, Semiconducting Nanoperforated Graphene Materials,”Nano Letters 2010 Vol.10, No. 4, 2010年3月1日, pp 1125-1131に記載されたような、より入り組んだ他の方法は、反応性イオンエッチングを使用したパターニングに好適なマスクを生成する自己組織化ポリマ（self assembling polymer）を使用する。Ｐ（Ｓ−ブロックＭＭＡ）ブロック共重合体は、再構築（redeveloping）の際にＲＩＥのためのビアを形成するＰＭＭＡコラムの配列を形成する。孔のパターンは、非常に密集している。孔の数及び大きさは、ＰＭＭＡブロックの分子量及びＰ（Ｓ−ＭＭＡ）内のＰＭＭＡの重量分率によって、制御される。どちらの方法も、１または複数の有孔グラフェンシートを生産することの可能性を有している。開口を形成する他の方法も採用され得る。

ここで開示される実施の形態では、開口は、供給水の選択された成分をブロックし、及び、他の成分の通過を許容するように寸法決めされる、ということが理解されるであろう。更に、開口の縁部は、選択された成分のブロックまたは通過を促進するために、変形され得る。グラフェンは、高流量の膜４２として使用するための例示的な２次元的材料であるが、当業者は、濾過の応用へのこれらの材料の使用がグラフェンと同程度に理想的であるとは知られていないものの、窒化ホウ素、金属カルコゲン化合物、シリセン（silicene）及びゲルマネン（germanene）並びに硫化モリブデン等の他の材料も、２次元的薄さを提供する、ということを理解するであろう。いずれにせよ、膜４２は、供給水の不所望の成分の通過を排除する一方、所望の成分がそこを通過することを許容し、それゆえに、構造穴４８を通過することを許容する、というように機能する。このように、減少された作動圧力により、膜によってブロックされない材料は、膜の開口５５及び膜支持構造４４を通流し、浸透性スペーサ５２に送られる。最終結果として、膜によってブロックされた材料は供給チャネル４０を通り続ける一方、ブロックされない材料は浸透性スペーサ５２を進行及び通流する。本実施の形態では、浸透性スペーサ５２は、高圧作動により供給チャネル４０のそれとは実質的に異なる大きさを有する圧縮負荷のために、構築及び寸法決めされる。浸透性スペーサの目的は、それが主に膜に構造的な支持を提供し、供給チャネル４０内に配置される場合に一般に供給スペーサ材料が生成するような乱流を生成するようには機能しないため、異なる。浸透性スペーサはまた、膜の裏側から共通の浸透物収集手段までの浸透流のための流路を、提供する。当業者は、浸透性スペーサの構築及び寸法決めが、供給水の特性に応じて、従って、作動圧力及び浸透物の流れレートに応じて、変更され得るということを理解するであろう。

複数のチャネル４０及び複数のスペーサ５２は、それらのそれぞれの流体を、浸透管２６（浸透性スペーサ５２）及び濃縮管３０（供給スペーサ４２）に、直接的に供給する。

いくつかの実施の形態では、前述の乱流を生成するための電気的機構は、切替電圧源７０である。当該切替電圧源７０は、ハウジングの外側で保持されているがハウジングの内部にあっても良く、一対の導電体７２によって膜４２に接続されている。大多数の実施の形態では、導電体は、膜４２の正反対の両端部に取り付けられる。当業者が理解するように、特に供給水中の分極塩（polarized salt）のイオンにおいて、グラフェン膜またはいくつかの他の導電材料を有する膜４２への電気電圧の適用が、供給水に伝達または移動される乱流を引き起こす斥力を、生成する。いくつかの実施の形態では、当該力は、最大の乱流を生成するように斥力と引力との間で交替されるであろう。この乱流は、様々な層を通過しての浸透物の移動を、支援する。有孔グラフェンの実施の形態では、当該材料は、濃度分極を破壊するように制御され得る電気的電荷を伝導することができ、これにより作動圧力を低下させる。更に、帯電されたグラフェン膜は、膜表面上または周囲の支持構造上の生物学的な蓄積を破壊するために必要な電荷を保持する理想的な導電材料であると、信じられている。特定の持続時間に亘り電圧源７０から直流または交流の帯電（充電）を適用し、その後当該帯電を取り除くことにより、膜上及び／または周囲の構造上の生物学的な汚染物質が、破壊または無能化され得る。

当業者が理解するように、複数のチャネル４０、複数のスペーサ５２、支持構造４４及び膜４２は、平面構造である。換言すれば、各々は、供給物及び濾過流を受容する幅及び長さを有する。

本実施の形態では、支持構造４４は、内部支持構造３４によるそれらの保持力のおかげで、それらが支持する膜４２に沿ってハウジングから取外可能である。支持構造４４は、ハンドル７５を提供する、各側に沿った横方向の縁部７４を有する。各ハンドル７５は、溝７６を有する。各溝７６は、対応するリッジ３４に摺動可能に受容され得る。更に、各ハンドル７５の下側は、対応するレッジ３５上に摺動可能に受容及び支持され得る。支持構造４４は、作動中の圧力を維持するために、内部支持構造−リッジ３４、レッジ３５−に機械的に固定され得る。支持構造の非固定は、ハウジング内に位置付けられた複数の膜へのアクセスを、許容する。

図３に示されている実施の形態では、最も上方の膜支持構造４４は、膜４２を支持する。供給水は、開口５５を介して膜４２を通流し、及び、穴４８を介して膜支持構造４４を通流し、浸透性スペーサ５２によって受容される。その特定の浸透性スペーサ５２の下側に配置されているものは、他の支持構造４４である。当該他の支持構造４４は、他側に他の膜４２を有している。他の供給チャネル４０が、当該膜に隣接して配置されている。このように、複数の内部の供給チャネル４０のうちの１つに進入するあらゆる供給水は、膜４２のすぐ上方またはすぐ下方に進入し得て、そこを通流する材料は、適切な浸透性スペーサ５２に進入する。供給スペーサ材料は、複数の膜を互いから分離されたままに維持するために使用され得る。装置を通流する流れは、浸透チャネルを下って移動する浸透流及び供給水チャネルを下って移動する供給水流と共に、膜表面に接して入口側から出口側までハウジングの長さを下って、移動する。この方向は、図３において視認されるように、ページの内部にある、及び、ページの外部にある。図３（及び図４以降）において提供されている方向矢印は、いかにして供給水がある層から他の層まで流れるかを示すことを、目的としている。濾過媒体３６を視認することによって理解され得るように、各支持構造４４は、その一側で膜４２に、及び、反対側で浸透性スペーサ５２に、関連付けられている。この積層された平面設計は、必要に応じて膜を交換するのに資する。

濾過媒体３６は、様々な層の関係を相互に最適化するために配置されている。このため、各供給チャネル４０は、その一側に少なくとも１つの膜を有しており、いくつかの例では、両側に有する。各浸透性スペーサ５２は、その両側に支持構造４４を有している。最後に、各膜は、一側の支持構造４４と反対側の供給スペーサとの間に、位置付けられている。浸透性スペーサ５２内に集まる濾過された材料は、その後、浸透管２６を通じてハウジングから流出する。供給チャネル内に残留する濾過されないまたはブロックされた材料は、濃縮管２９を通じてハウジングから流出する。

隣接する層が互いに明確に関連付けられ得るということも、理解されるであろう。例えば、膜の葉構造（leaf structure）を形成するために、膜４２、支持構造４４、浸透性スペーサ５２、他の支持構造及び他の膜４２という層状のシーケンスが、構成され得る。当該葉構造は、交換可能なユニットであり得て、欠陥があると認められる場合、除去及び交換が可能である。関連する支持構造は、挿入及び除去を容易にするために、相互に固定され得る。他の反復するシーケンスも、葉構造として構成され得る。

濾過装置１０は、いくつかのすでに明らかとなった利点を有する。極薄のまたは２次元的材料を利用することによって、スパイラル状の設計の代わりに層状の平板設計が取得され得る。有孔グラフェン等の超浸透膜（ultra-permeable membrane）の場合、層状の平板設計は、現状の従来の濾過装置と比較して全体の大きさが削減されて利用され得る一方、線形的な寸法可変性（scalability）、膜のアクセス性、及び、濃度分極、スケーリング、汚れ等を軽減するためのチャネル設計、という利益を維持する。実際、有孔グラフェン等の高流量のスループットを有する材料の使用は、５乃至５０倍の間の任意の倍率による膜の表面積の削減を、許容する。本実施の形態はまた、取外可能な支持構造、スペーサ及び膜の使用によって、組立ての容易さを増大させ、及び、製造に関する要求を減少させるという点に利点がある。濾過装置１０の更に他の利点は、必要に応じて追加的な濾過を提供するために連続的に取り付けられる複数の装置を許容することである。

今、図４及び図５を参照すると、全体として数字８０によって示されている濾過媒体を有する濾過装置の選択的な実施の形態が、示されている。当該濾過媒体８０は、ハウジング１２内に受容され得て、図１に示されている場合と実質的に同一の態様で、供給水の入力を受容する。濾過媒体８０の産出物は異なっており、図５に関連して説明される。いずれにせよ、濾過媒体は層状の平面構造であり、図３に示されているそれに酷似しているが、いくつかの新しい構成部分を有している。前述の実施の形態のように、濾過媒体は、供給チャネル４０（ＦＣ）及び複数の開口５５を有する高流量の膜４２（Ｍ１）を、有している。

支持構造４４（ＳＳ）は、膜４２、及び、スペーサ材料を含み得る供給チャネル４０、を保持しており、及び、当該支持構造４４は、前述の実施の形態と類似する態様で、複数の穴４８を規定している。各支持構造４４は、当該支持構造の各側の縁部７４に技術者による把持のために十分大きく寸法決めされるハンドル７５を、提供している。各ハンドル７５は、ハウジングの壁面から内方へ延在するリッジ３４に沿って摺動可能に移動し得るように、溝７６を有している。各ハンドルは、レッジ３５によって支持され得る。支持構造は、膜及び供給スペーサを容易に保持するように、及び、必要な場合、当該支持構造からのそれらの取外しを許容するように、寸法決めされている。支持構造の下方に位置付けられているものは、浸透性スペーサ５２（ＰＳ１）である。媒体８０内の複数の層は、媒体３６として開示されているそれと、実質的に同一である。

濾過媒体８０に対して、追加的な層が提供されている。これらは、高流量の膜４２の開口５５よりも小さく寸法決めされた複数の開口８４を有する他の高流量の膜８２（Ｍ２）を、含んでいる。他の支持構造４４が、膜８２のすぐ下側に位置付けられている。この特定の支持構造の下側に位置付けられているものは、他の浸透性スペーサ８６（ＰＳ２）である。濾過媒体の残りの構造は、今説明された変化とは鏡面的に反対である。換言すれば、第２の支持構造４４及び浸透性スペーサ８６の下側に位置付けられているものは、その下側に膜８２、他の浸透性スペーサ５２、支持構造４４、膜４２及び供給チャネル４０を有する他の支持構造である。交換を許容するために、前述の実施の形態と類似する態様で、図示されているまたはそのいくつかのバリエーションの層状のシーケンスによって、葉構造が形成され得る。

当業者は、図４において示されている層状の構造が、供給水材料を濾過するために任意の回数で繰り返され得る、ということを理解するであろう。図示されている本実施の形態では、濾過媒体は、供給水、流体媒体または他の材料から２つの成分を分離するために、利用される。例示のみを目的として、図示されている構成は、塩水の脱塩のために利用され得る。適宜に、水分子、１価のイオン及び２価のイオンを含有する供給水は、供給チャネル４０に供給される。当該供給水は、供給チャネル及び提供される場合にはスペーサ材料を通流し、膜４２上に投射される。膜４２の開口５５は、２価のイオンの流れを排除またはブロックするように、寸法決めされている。このため、開口は、約１．４ｎｍ、つまり１．２乃至１．６ｎｍの間の大きさに、寸法決めされている。従って、水分子及び１価のイオンは、これらの開口を通流することが許可される一方、２価のイオンは、ブロックされる。開口５５を通流しないこれらの２価のイオン及び残りの成分は、ハウジングの出口まで供給チャネルを通流し続ける。支持構造４４の開口を通流する水分子及び１価のイオンは、その後、浸透性スペーサ５２によって受容され、膜８２に向かって流れる。当該膜８２は、１価のイオンをブロックするように寸法決めされる開口８４を提供している。本実施の形態では、当該開口は、約０．９ｎｍの直径を有すると信じられる。いくつかの実施の形態では、開口は、０．８ｎｍから１．２ｎｍの寸法に亘り得る。従って、これらの開口は、水分子の通過を許容するのに十分であるが、１価のイオンの移動を排除する。従って、１価のイオンは、開口８４を通流しない任意の水分子と共に浸透性スペーサ５２に沿って流れ、更なる処理のために適切な出口に受容される。膜８２によってブロックされない材料である浄化された水分子は、浸透性スペーサ８６に流入し、同様に更なる処理のために出口まで流れる。

図５において最も良く視認されるように、装置１０は、複数の産出物と共にハウジング１２を提供している。特に、ハウジング１２は、膜４２によってブロックされた材料を保持する供給チャネル４０の伸び(extension）を規定しており、及び、更なる処理のために、供給チャネル４０を適切な出口または流路にルート決めしている。同様の態様で、浸透性スペーサ５２は、１価のイオン及びおそらく多数の水分子を、更なる処理のために適切な出口まで運ぶ。最後に、浸透性スペーサ８６は、塩のイオンが無く、適切な最終用途に使用され得る、水分子を運ぶ。図４及び図５において示されている実施の形態は、供給水の多数の成分が分離及び処理され得る点で、有利である。これは、供給水中に多数の成分が含有されている場合に有用であり、複数の支持構造を利用する層状化の概念が、流体または気体の媒体からの任意の数の成分の濾過を容易にし得る、ということが理解されるであろう。複数枚の膜及び対応する構成部分が、それらが損傷した場合、あるいは、作動しない場合に、必要に応じて交換され得る、ということも理解されるであろう。更に、膜の開口寸法は、特定の供給水材料に対して、必要に応じて調整され得る。図４及び図５において示されている実施の形態は３つの成分を産出するが、層状の濾過構成は、供給水源において提供される成分の数を増加させるために、寸法が変更され得る。換言すれば、異なる開口寸法を有する複数の高流量の膜を取り込むことによって、任意の数の成分が除去され得る。

今、図６を参照すると、選択的な濾過装置が全体として数字１００によって示されているのが、視認され得る。当該装置１００は、ハウジング１０２と、全体として数字１０６で示された少なくとも１つの濾過媒体と、を有している。この特定の実施の形態では、平面状の矩形の濾過媒体を採用する代わりに、濾過された材料のより直接的な収集を許容する平面状の円盤で濾過媒体が構成されていることが、理解されるであろう。このハウジング１０２には多数の入口が設けられ得るが、同一の材料がハウジング１０２に流入する限り、当該ハウジングは、単一の入口１１０を規定する。ハウジング１０２はまた、供給水からの濾過されない濃縮物を方向付けるために利用される出口１１２を、提供している。前述の通り、濃縮物は、後述されるように、フィルタを通じて処理されていないあらゆる材料である。ハウジングはまた、浸透流路１１４及び浸透流路１１６を有している。流路１１４及び流路１１６の双方は、濾過媒体を軸方向に貫通してハウジング１０２から突出して延在するように、提供されている。流路１１４及び１１６は、供給水の直接的な進入を防止するために、シールされている。本実施の形態において、流路１１４及び１１６は、濾過媒体を保持するための内部支持構造が提供されている。

濾過媒体１０６は環状の外側バンド１２０を規定しており、当該外側バンド１０２は、膜支持構造として機能し、後述される複数の膜の間の領域に進入しないように当該バンドを通じての材料の流れを排除する。本実施の形態における複数の膜は、前述の実施の形態において開示された特性及び特徴と同一の特性及び特徴を、有している。また、前述の実施の形態におけるように、媒体１０６は、任意の多成分の供給水を分離及び／または濾過するために、利用され得る。外側バンド１２０の内側表面によって保持されているものは、対向し間隔が開けられた一対の端部膜１２２である。各端部膜１２２の外径は、外側バンド１２０によって保持及びシールされている。各膜１２２は、選択されたイオンをブロックするように寸法決めされる複数の開口を、規定している。前述の脱塩のための実施の形態において論じられたように、複数の膜は、一例として、全ての他の排除された材料と共にハウジング１０２を通流し、その後、出口１１２から流出する２価のイオンをブロックするために利用されるであろう。

中央のハブ１２６が、供給水の流路１１４及び１１６への直接的な流入を排除するために、各端部膜１２２によって提供されている。ハブ１２６の１つは、流路１１４及び１１６を受容し、及び、保持するために、そこを貫通する開口を有するであろう。２つの端部膜の間に配置されているものは、間隔が置かれた一対の内部膜１３０である。各内部膜は、バンド１２０によって確実に受容される外径を有している。内部膜１３０は、前述の実施の形態における態様と同様の態様で１価のイオンをブロックし、且つ、水分子がそこを通過することを許容するように構成される複数の開口１３２を、有している。内部膜にはまた、選択されたイオンの通過を許容し、且つ、選択されていないイオン及び他のデブリの通過を排除するために、流路１１４及び１１６を受容及び保持する内部ハブ１３４が、設けられている。膜を支持するために、浸透性スペーサ１４０が、それぞれの端部膜と内部膜との間に配置され得る。同様の態様で、浸透性スペーサ１４２が、複数の内部膜１３０の間に配置され得る。浸透流路１１６は、端部膜と内部膜との間に配置された複数の流路開口１４４を、提供している。同様の態様で、浸透流路１１４は、複数の内部膜の間に複数の流路開口１４６を提供している。

従って、作動時に、供給水材料は、ハウジング内に投射され、端部膜１２２と接触する。開口１２４を通過するように寸法決めされた材料は、適宜に当該開口１２４を通過する一方、当該開口を通過するには大き過ぎる材料は、ハウジング上を通流して出口１１２から流出する。ひとたび、材料が端部膜を通過したならば、それは内部膜１３０に出会う。当該材料が大き過ぎる場合、それは、流路開口１４４に受容され、及び、そこを通過して、流路１１６を通流するであろう。当該材料が、内部膜１３０の開口１３２を通過のために十分小さい場合、その後、濾過された材料は、流路開口１４６に受容され、及び、そこを通過して、流路１１４を通流する。

本実施の形態は、それが流路が中央に位置付けられ、従って、様々な収集容器への取付を容易にすることを許容する点で、有利である。本実施の形態はまた、媒体１０６がハウジング１０２から取り外されることを許容し、膜１２２、１３０が必要に応じて清掃及び／または交換されることを許容する。

このように、前述の構造及びその使用方法によって、本発明が満足されているということが、理解され得る。特許法に従って、最良の実施の形態及び好ましい実施の形態のみが示され、詳細に説明されたが、本発明は、それによって限定されないということが、理解されなければならない。従って、本発明の真の範囲及び幅の適用について、後続の特許請求の範囲が参照されるべきである。

Claims (14)

1. 入口と出口とを有するハウジングであって、当該入口から当該出口まで延在する開口を有するハウジングと、
   前記開口内に保持される内部支持構造と、
   前記内部支持構造によって支持される少なくとも１つの平面状の濾過媒体と、
   を備え、
   前記濾過媒体は、前記入口で受容される供給水を、前記出口で分離して流出する少なくとも１つの浸透物と１つの濃縮物とに、分離する
   ことを特徴とする濾過または選択的な流体工学的分離及び回収の装置。
2. 前記少なくとも１つの濾過媒体は、
   少なくとも２つの平面チャネルと、
   前記少なくとも２つの平面チャネル間に配置される少なくとも１つの平面膜と、
   を有しており、
   前記平面膜は、前記供給水を前記浸透物と前記濃縮物とに濾過する
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記少なくとも１つの濾過媒体は、各前記平面膜に関連付けられ、且つ、前記内部支持構造によって保持される、膜支持構造を更に有しており、
   前記膜支持構造は、清掃、保守点検または交換のために、前記ハウジングから取外可能である
   ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
4. 前記少なくとも２つの平面チャネルの一方は、隣接する複数の膜支持構造の間に配置される浸透性スペーサであり、
   前記少なくとも２つの平面スペーサの他方は、少なくともその一側に隣接する前記平面膜を有する供給チャネルである
   ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
5. 前記平面膜は、有孔グラフェン材料から構築されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 各前記平面膜は、一側上に隣接する膜構造と、隣接する供給チャネルと、の間に配置されている
   ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 前記少なくとも３つの平面チャネルの１つは、少なくとも１つの第１浸透性スペーサ、少なくとも１つの第２浸透性スペーサ及び少なくとも１つの供給チャネルであり、
   前記少なくとも１つの平面膜は、前記供給水の第１成分をブロックするように寸法決めされた開口を有する少なくとも１つの第１有孔グラフェン材料、及び、前記供給水の第２成分をブロックするように寸法決めされた少なくとも１つの第２有孔グラフェン材料である
   ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
8. 前記第１有孔グラフェン膜は、前記供給チャネルと第１の前記膜支持構造との間に位置付けられており、
   前記第２有孔グラフェン膜は、前記少なくとも１つの第１浸透性スペーサと第２の前記膜支持構造との間に位置付けられており、
   第１の前記少なくとも１つの第２浸透性スペーサは、前記第２有孔グラフェン材料の反対側の、前記第２の前記膜支持構造の一側に隣接して位置付けられている
   ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記出口に関連付けられる出口蓋を更に備え、
   前記出口蓋は、
   供給水の前記第２成分を収集するために前記少なくとも１つの第１浸透性スペーサに関連付けられる、第１浸透管と、
   前記第１及び第２の膜によってブロックされない供給水の成分を収集するために前記少なくとも１つの第２浸透性スペーサに関連付けられる、第２浸透管と、
   供給水の前記第１成分を収集するために前記供給チャネルに関連付けられる、濃縮管と、
   を有している
   ことを特徴とする請求項８に記載の装置。
10. 切替可能な電圧供給源を更に備え、
    前記平面膜は、導電性の有孔グラフェンであり、前記供給水中に含まれる分極種（polarized species）のために生じる濃度分極の影響を破壊するべく当該平面膜を電気的に帯電させるために、前記切替可能な電圧供給源に接続されている
    ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
11. 切替可能な電圧供給源を更に備え、
    前記平面膜は、前記平面膜及び／または周囲の構造の生物学的な汚染物質を破壊または無能化するために、特定の持続期間に亘り、前記切替可能な電圧供給源からの直流または交流の帯電（充電）を受け、その後、取り外される
    ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
12. 前記濾過媒体は、
    間隔が置かれた一対の内部膜と、
    前記内部膜の間に配置される浸透性スペーサと、
    を有しており、
    各前記内部膜は、前記膜支持構造に結合される外径を有しており、
    前記内部支持構造は、前記浸透性スペーサに隣接する複数の開口を有する、少なくとも１つの出口流路を有している
    ことを特徴とする請求項３に記載の装置。
13. 前記濾過媒体は、
    間隔が置かれた一対の端部膜（end membranes）と、
    各隣接する端部膜と前記内部膜との間に配置される他の浸透性スペーサと、
    を更に有しており、
    各前記端部膜は、前記膜支持構造に結合される外径を有しており、
    前記内部支持構造は、前記他の浸透性スペーサに隣接する複数の開口を有する、他の出口流路を有している
    ことを特徴とする請求項１２に記載の装置。
14. 前記平面状で層状の濾過媒体は、２以上の濃縮流として、不必要な粒子、溶質または分析物を濾過して除去することに対立するものとして、所望の粒子、溶質または分析物の選択的分離及び回収のために、構成されている
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

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