JP2015515369A - 濾過または選択的な流体工学的分離及び回収の装置のための調整可能な膜構成 - 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のための調整可能な膜構成（１０）は、一側の端部における入口と反対側の端部における出口とを有し、前記入口から前記出口まで延在する開口を有するハウジング（１２）を、備える。内部支持構造が、前記開口内に保持され、グラフェン膜（４２／４３）を含む層状の濾過媒体が、前記内部支持構造に支持され、前記濾過媒体は、前記入口で受容される供給水を少なくとも３つに分かれた出力流（２６、２８、３０）に分離する。濃度分極（８４）および孔の寸法（５５）が、電荷制御（７８）によって制御され得る。

Description

本出願は、２０１２年３月２９日出願の米国仮出願Ｎｏ．６１／６１７，２６４の優先権を主張し、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のための膜構成の設計に関する。具体的には、濾過または選択的な流体工学的分離及び回収の装置のための層状の膜構成に関する。より具体的には、本発明は、少なくとも１つの高流量で高い選択性の膜を有する材料の層状の構成に、向けられる。当該層は、平面状、スパイラル状、または、デッドエンド流れまたは横断流れにおける他の代替的な複数の通路構成で、配置され得る。

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。このため、これらの濾過装置は、頻繁な清掃及び最終的には交換が、必要である。流量及び関連する膜面積の要求に関する制限は、著しい資本コストに帰結する。高い作動圧力の装置のニーズは、濾過装置を作動するために必要とされるエネルギーを増加させ、これは、作動コストを増す汚れ及び圧密（compaction）に起因する膜の劣化に、更に帰結する。

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。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。

膜の材料を保護するために、脱塩に先立つ着手段階として強固な化学的条件付け及び前処理が、必要とされる。前処理は、資本集約的であり、工場スペース、装置、エネルギー及び化学物質を必要とする。現在の前処理方法は、従来の濾過及び膜濾過を含む。従来の濾過のタイプは、カートリッジ濾過、並びに、凝集、沈降、溶解空気浮上、珪藻土、粒状体、圧力濾過及び重力濾過等の媒体濾過（media filtration）を、含む。膜濾過は、水没式の精密濾過／限外濾過、及び、加圧式の精密濾過／限外濾過を、含む。

更に、いくつかの装置における現状の逆浸透膜は、所望の生産水を達成するために多段階の後処理を、必要とする。これらの追加的な段階は、追加の工場スペース及びエネルギー消費を、必要とする。

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一方、広範な前処理及び後処理の必要性を減少させ及び整理統合する濾過装置のニーズがある。

前述の観点から、本発明の第１の特徴は、濾過または選択的な流体工学的分離及び回収の装置のための調整可能な膜構成を提供することである。

本発明の他の特徴は、一側の端部における入口と反対側の端部における出口とを有するハウジングであって、前記入口から前記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支持される層状の濾過媒体であって、前記入口で受容される供給水を少なくとも３つに分かれた出力流に分離する濾過媒体と、を備えた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のための調整可能な膜構成を、提供することである。

本発明の更に他の特徴は、前記濾過媒体が少なくとも３つの流れチャネルと、前記少なくとも３つの流れチャネルの２つに隣接して配置される少なくとも２つの異なる平面膜と、を有し、前記平面膜が、供給水を少なくとも２つの排出物／浸透物に濾過するために、実効的な多孔度を生成する異なる調整可能な選択性を有することを特徴とする前記装置を、提供することである。

前記発明の一実施の形態の他の特徴は、前記濾過媒体が、各前記膜に関連付けられ、且つ、前記内部支持構造に保持される、膜支持構造を更に有するという装置を、提供することである。

前記発明の一実施の形態の更に他の特徴は、前記少なくとも３つのチャネルの１つが、その各側に少なくとも１つの第１平面膜を有する第１チャネルであることを特徴とする前述の装置を、提供することである。

前記発明の一実施の形態の更に他の特徴は、前記少なくとも３つのチャネルの１つが、一側に前記膜支持構造を有し、且つ、反対側に第２平面膜を有する、第２チャネルであることを特徴とする前述の装置を、提供することである。

前記発明の一実施の形態の更に他の特徴は、前記少なくとも３つのチャネルの１つが、その両側に前記膜支持構造を有する、第３チャネルであることを特徴とする前述の装置を、提供することである。

前記発明の一実施の形態の他の特徴は、前記平面膜が、有孔グラフェン材料から構成される
ことを特徴とする前述の装置を、提供することである。

前記発明の一実施の形態の更に他の特徴は、平面膜が、孔寸法を通じて増大した選択性、帯電による荷電特性、または、機能化、のために調整され得ることを特徴とする前述の装置を提供すること、あるいは、電荷を保持することが可能であり、膜表面の濃度分極の効果を破壊するような態様で制御される平面膜を提供すること、あるいは、孔の制御と帯電とを組み合わせて用いることによって前記供給水中の特定の目標の選択的な分離または回収のために使用される平面膜の１つを提供すること、である。

選択的分離の実施の形態の更に他の特徴は、前記供給水中の荷電粒子の排除の増大した選択性のために実効的な多孔度を生成するべく、孔の制御と帯電とを組み合わせて提供することである。

前記発明の第１の実施の形態についての他の特徴は、有孔グラフェンから構成される平面膜を有する濾過媒体であって、前記平面膜が、単一の装置において精密濾過／限外濾過及びナノ濾過／逆浸透を含む多段階の濾過のために、または、より多くの選択的帯域を有する多段階のあるタイプの濾過のために、配置されるという濾過媒体を、提供することである。

前記発明の第１の実施の形態についての更なる特徴は、有孔グラフェンから構成される平面膜を有する濾過媒体であって、前記平面膜が、同一の選択性の膜を使用して、単一の装置で生産水の品質を達成するべく、逆浸透の多段階の脱塩のために配置されるという濾過媒体を、提供することである。

前記発明の第１の実施の形態についての更なる特徴は、有孔グラフェンから構成される平面膜を有する濾過媒体であって、前記平面膜が、各逐次工程の圧力及び前記膜表面での相応する濃度分極を減少させるような前進的選択的段階の逆浸透による脱塩のために配置されるという濾過媒体を、提供することである。

前記発明の第１の実施の形態についての更なる特徴は、有孔グラフェンから構成される平面膜を有する濾過媒体であって、前記平面膜が、１以上の浸透流中の目標の粒子、溶質または分析物の選択的な分離及び回収のために構成されるという濾過媒体を、提供することである。

前記発明の第１の実施の形態についての更なる特徴は、平面状の、チューブ状の、または、スパイラル状の形状で構成され得る層状の濾過媒体を、提供することである。

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、いずれも正確な縮尺ではない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媒体を示す濾過装置の概略断面図である。 膜表面で濃度分極が生じている濾過媒体内の膜を示す概略断面図である。 荷電粒子の濃度分極の境界層を破壊する印加電圧源に接続された膜を示す概略断面図である。 荷電粒子の高流量で高い選択性の濾過のために調整された膜の開口寸法と組み合わせられて印加電圧源に接続された膜の概略断面図である。

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、図示されてい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を有している。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。ここで使用される時、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。

入口に取り付けられるものは、入口蓋１６である。当該入口蓋１６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ような供給水管１８を、規定している。当業者によって理解されるであろうが、入口蓋１６は、受容される供給水１５を今後説明されるような複数の供給チャネルに、方向付ける。いくつかの実施の形態では、蓋１６は、供給水を複数の供給チャネルに方向付けるための流路を、有し得る。他の実施の形態では、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、浸透管及び濃縮管の少なくとも２本の出口管を有している。他の実施の形態では、出口蓋は、浸透管２６、中間浸透管２８及び濃縮管３０を有する。これらの管、出力流または流路は、濾過後のそれらの特性に基づいて、濾過された供給水を更なる使用のために、方向付ける。出口蓋２４は、浸透物、中間浸透物及び濃縮物の互いからの分離を維持するように、構成されている。濃縮物はまた、浸透物としても呼ばれ得るということが、理解されるであろう。

応用に応じて、供給水のあらゆる濾過は、回収のための目標産物または除去のための不純物もしくは汚染物質を、含有し得る。１つの目標浸透物のみが所望される場合、濃縮流は、処分（廃棄）のために併合され得るか、別々に処分され得る。貴金属の回収等では、中間濃縮流を回収することが所望され得る。この場合、ある中間段階が産物であり、他の全段階は、処分または再利用のいずれかのために収集（回収）される。水回収の応用では、典型的には、最後の分離が濾過物を生成し、他の段階は処分のために濃縮される。今後論じられるように、膜及び出口管の重層化は、任意の所望の数の濃縮流及び浸透流に合わせて、調整され得る。

今、図１乃至図３を参照すると、ハウジング１２は、その全体の長さに延びる開口３２を有している。ハウジング１２内に支持されているものは、内部支持構造３４である。当該内部支持構造３４は、全体として数字３６によって示される濾過媒体を支持するために、様々なレッジ、ステップまたは他の構造的特徴を、有している。スパイラル状またはチューブ状の構成を含む他のパッケージ配置も、可能である。

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つの高流量の第１の膜４２、少なくとも１つの高流量の第２の膜４３、少なくとも１つの膜の多孔性支持構造４４、少なくとも１つの第１浸透性スペーサ５２、及び、少なくとも１つの第２浸透性スペーサ５４、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、英数字の名称ＦＣ（供給チャネル４０）、Ｍ１（第１の膜４２）、Ｍ２（第２の膜４３）、ＳＳ（支持構造４４）、ＰＳ１（浸透性スペーサ５２）、ＰＳ２（浸透性スペーサ５４）が、図３において提供されている。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出力流路を提供するために、様々な隣接する層は、膜、供給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相互に接触する、ということが理解されるであろう。膜及び膜の多孔性支持構造は単一の合成物の膜であり得る、ということが更に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。ここで使用される時、供給水は、溶媒または水など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１５は、当該供給水を支持構造４４によって支持される高流量の膜４２に送る少なくとも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から構成されるスペーサ材料を、有し得る。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、構築される。多孔質セラミクスまたは多孔質焼結金属等の所望の流体力学的及び応用特有の特性を有する非高分子材料、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、供給スペーサとして使用され得る。供給チャネルは、０．０２インチ乃至０．０４インチの厚さを有し得る。他の実施の形態では、供給チャネルとして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。各膜支持構造は、当該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。あるパッケージ構成では、供給スペーサは、供給水が通流するようにチャネル高さを位置付けるべく、機能し得る。

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など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。類似の構造的流体力学的特性を有する他の材料も、使用され得る。穴４８は、直径１５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、それと共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。

いくつかの実施の形態では、チャネル高さは、供給水が高流量の膜４２に進入するに先立って流体に乱流を生成する機械機構５７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、または、使用される場合には供給スペーサに、隣接するまたはそれと一体であるリブまたは突起を、有し得る。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及び４３の各々は、米国特許Ｎｏ．８，３６１，３２１において説明され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。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は、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、規定される。グラフェン膜４３は、直径が開口５５よりも小さい開口５６を有する。例えば、開口５５は、名目上の直径が約１．４ナノメートル、つまり、１．２乃至１．６ナノメートルの範囲の直径を有し得る一方、開口５６は、約０．９ｎｍ、つまり、０．８乃至１．２ｎｍの範囲の直径を、有し得る。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は、０．８ナノメートルの寸法が選択される。類似の態様において、塩水中にやはり見られる２価のイオン等のイオンをブロックするためには、１．２ナノメートルの寸法が選択される。供給水を適切に浸透物に濾過するために、当該供給水は、次第により小さい直径を有する２以上の膜を通過するように、方向付けられる。本実施の形態において、第１の膜は２価のイオンをブロックし、第２の膜は１価のイオンをブロックする。全体的に円形の開口は、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及び５６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及び５６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５５／５６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ー（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、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４２／４３に使用するための例示的な材料であるが、当業者は、濾過の応用へのこれらの使用がグラフェンと同様に理想的であると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次元的な薄さを提供する、ということを理解するであろう。いずれにせよ、膜４２／４３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、そこ（支持構造４４）を貫通して提供された構造穴４８のおかげで支持構造４４を通過することを許容する、というように機能する。第１の支持構造４４を通過した後、流体材料は、第１浸透性スペーサ５２に流入する。スペーサ５２の下は、他の下方の支持構造４４によって支持または保持される第２の膜４３である。下方の支持構造４４を通流する流れは、その後、第２浸透性スペーサ５４に受容される。本実施の形態では、浸透性スペーサ５４の両側は、支持構造４４に隣接する。この層状の構造は、供給水を所望の濃縮物と浸透物とに濾過するために、図示されるようにまたは必要に応じて、繰り返される。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スペーサ４２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ている。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、一般に供給スペーサ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、異なっている。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、作動圧力及び浸透流の割合に応じて、変更され得るということを、理解するであろう。

図３に示される実施の形態では、最も上方の膜支持構造４４は、第１の膜４２を支持している。濾過された材料は、膜４２及び膜支持構造４４を通流し、それは、浸透性スペーサ５２によって受容される。スペーサ５２の下側に配置されるものは、他の支持構造４４によって支持される他の膜４３である。その支持構造と他の類似の構造との間に配置されているのは、スペーサ５４である。中央の構成要素としてのスペーサ５４と共に、逆順の層：第２の膜４３、スペーサ５２、支持構造４４、膜４２及び供給チャネル４０、が提供されている。これらの平面層は、所望の材料の流れを提供するために配置されている。装置を通流する流れは、対応する浸透チャネルを下って移動する浸透流と共に、対応する膜表面に接して、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。流れの方向は、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は、様々な層の関係を相互に最適化するために配置される。そのように、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。スペーサが、相互に隣接する膜の間に提供され得る。各浸透性スペーサ５２は、一側に支持構造４４を有し、反対側に第１の膜４２を有している。各第２の膜４３は、一側に浸透性スペーサ５２を有しており、反対側に支持構造４４を有している。各浸透性スペーサ５４は、両側に支持構造４４を有している。最後に、各膜４２は、一側の支持構造４４と反対側の供給チャネルとの間に、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。浸透性スペーサ５４内に集まる濾過材料も、その後、浸透管２６を通じてハウジングから流出する。供給スペーサ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３０を通じてハウジングから流出する。

当業者が理解するように、チャネル４０、スペーサ５２及び５４並びに膜４２及び４３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している。本実施の形態では、支持構造４４は、それらが支持する膜４２に沿って、内部支持構造３４によるそれらの保持力のおかげで、ハウジングから取り外し可能である。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を有している。各ハンドル７５は、溝７６を有している。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スペーサ及び膜へのアクセスを、許容する。他の実施の形態では、本構造は、スパイラル状または複数の通路が達成される他の幾何形状であり得る。前述の通り、膜４２及び４３は、高流量のスループットを有する材料であり得る。

隣接する層は、相互に明確に関連付けられ得る。例えば、膜の葉構造（leaf structure）を形成するように、第１の膜４２、支持構造４４、浸透性スペーサ５２、第２の膜４３、他の支持構造４４、浸透性スペーサ５４、更に他の支持構造４４、他の第２の膜４３、他の浸透性スペーサ５２、一層他の支持構造４４及び他の第１の膜４２の層状のシーケンスが、構成され得る。葉構造は、異なる開口径を有する任意の数の異なる膜を有し得て、必要に応じて除去及び交換され得る。関連する支持構造は、必要に応じて相互に固定され得る。

一実施の形態では、膜は、その例が前述されている、様々な穿孔技術の使用を通じた孔の寸法制御、及び、消イオンのためのグラフェン孔の機能化（functinalization）なる米国特許出願Ｎｏ．１３／４２２，７５３、参照によってここに取り込まれる、で説明されているような電気的帯電または化学的変更を含むいくつかの調整可能な特性を有する有孔グラフェン材料から、構成されている。層状のグラフェンに基づく膜は、多孔性の裏打支持材に結合されたマクロサイズのグラフェンシートにより、または、裏打材上に固形のグラフェン濾過層を効果的に生成するために、裏打支持材上に堆積されたミクロサイズのプレートレットにより、製造され得る。全ての場合において、グラフェンは、所望の流体の流れを許容するように、浸透性である。いくつかの場合では、ナノスケールの欠陥を有して成長したグラフェンは、ある応用に好適であり得る。

いくつかの実施の形態では、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い切替電圧源７８が、一対の導電体８０によって膜４２及び／または４３に接続される。大多数の実施の形態では、導電体は、それぞれの膜４２及び４３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または４３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、浸透物及び濃縮物が膜表面から離れて様々な層を通過しての移動を、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ために制御され得る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。

供給水が膜を通流し、塩が膜によって排除されるにつれて、図４乃至図６に見られるように、膜の表面付近に塩濃度がバルク溶液中の塩濃度を超過する境界層が、形成される。この塩濃度の増大は、濃度分極と呼ばれる。濃度分極の影響は、理論推定値に対する実際の生産水流の割合及び塩の排除を、減少させることである。図４に示されるように、代表的な膜４２／４３及びチャネル４０／５２は、ブロックされたイオンまたは粒子が開口５５付近に蓄積するにつれて、及び、通流領域の後方に向かって蓄積するにつれて生じる、濃度分極の描写と共に示されている。ブロックされたイオンまたは粒子は、図４乃至図６において「イオン／粒子蓄積」として特定されており、ドットとして概略的に示されている。元の場所に残される場合、層８４は、事実上、開口をブロックまたは妨害し得る。このため、膜４２／４３のいずれかまたは全てに接続され得る切替え可能な電圧源７８の使用は、図５に示されるように、ブロックされたイオンを寄せ付けない点で、及び、濾過媒体を通じた濃縮物及び浸透物の流れを維持する点で、有益である。更に、供給源７８によって提供される電荷保持能力は、図６に示されるように、膜内における塩の排除の選択性を増大させるために少なくとも１つの層で孔の寸法制御と、結合され得る。孔の寸法制御は、膜を通過するより大量の流れを許容する一方、今まで通り関心のあるイオン／粒子を十分にブロックする拡大された開口５５’の使用を、許容する。他の実施の形態では、帯電特性が、前述の米国特許出願Ｎｏ．１３／４２２，７５３において説明された化学的機能化を通じて、達成され得る。有孔グラフェンを用いた水濾過の適用では、排除制御が、要求される選択性のために孔の寸法制御を通じて、または、孔の寸法制御と帯電特性との組合せを通じて、調整されるという単一の層を通じて、達成され得る。更に、濃度分極の影響は、図６に示されるように、従来の高分子膜の電流状態に伴って体験される境界層効果を破壊するような電荷の使用により、軽減され得る。

高流量のスループットを有する材料は、ポリイ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０．３から５ナノメートルである。使用される材料の厚さまたはタイプに関わらず、膜４２及び４３は、供給水中の成分を選択的に通過及び／またはブロックするために、異なる多孔率で提供されるであろう。例えば、層状の平面設計を使用して、膜４２は、限外濾過を実行するのに適し、５〜１００ナノメートルの粒子、または、コロイド、タンパク質、微生物学的な汚染物質及び大きな生体分子を含むより大きな範囲の粒子を排除するのに適する多孔率を伴って、構成され得る。濃縮物は、積み重ねられた第１の膜によって保持される一方、未だに１価または２価の塩を含む浸透物は、第２の膜の表面まで通過するであろう。第２の高流量の膜は、塩の排除に適する多孔率を伴って構成され、約１ナノメートルを上回る全ての塩を排除し、純水のみの通過を許容するであろう。これは、所望の場合別々に採取され得る２つの排除された流れ、及び、各膜の積み重ねに対する１つの生産水の流れに、帰結する。この例は、２つの膜の積み重ねにおける２段階の排除のためのものである。必要に応じて、この積み重ねは、多段階の排除に拡張され得る。このコンセプトは、精製した排除（改善された塩の排除、ホウ素の排除）のための多段階の逆浸透のためにも、及び、必要な場合には改善された品質の出力水のためにも、使用され得る。更に、このコンセプトは、各層が塩の排除の選択性を高めるために調整されることを意味する塩の進行的選択的濾過のために、使用され得る。これは、各工程において低圧で逐次的な塩の除去を可能にし、濃度分極、関連する圧力の非能率性及び材料の構造的負荷を軽減する。

他の実施の形態では、調整可能な膜構成は、粒子、溶質または関心のある分析物を
選択的に回収するために、使用され得る。物質は、貴金属等の産物としての価値のために、または、汚染物質等の処分のためにそれを分離することの重要性のために、対象とされ得る。この場合、第１の膜は、目標の物質よりも大きい全ての物質を排除し、当該目標の物質及びそれよりも小さい全ての物質が通過することを許容するように、調整または寸法決めされるであろう。第２の膜は、目標の物質をブロックし、より小さい全ての物質が通過することを許容して関心のある物質を選択的に分離するように、調整または寸法決めされるであろう。再び、有孔グラフェンの実施の形態では、電荷の使用が、濾過及び回収の過程が生じる流れの選択性を増大させるために、更に使用され得る。ここで使用される時、調整可能な選択性とは、穴の周縁部の材料の機能化、または、導電性膜に適用された電荷、の使用による追加的な選択を伴って、膜の孔の制御を介して、物理的な大きさに基づいて膜が排除、回収または分離する特定の溶質または粒子を制御する能力である。

本実施の形態では、複数の膜支持構造４４は、それらが支持する膜４２及び４３に沿っており、内部支持構造３４及び３５によるそれらの支持のおかげで、ハウジングからの取り外しが可能である。

濾過媒体１６は、単一の媒体における精密濾過、限外濾過、ナノ濾過及び逆浸透、並びに／または、各膜において進行的により小さい開口寸法によるより多くの濾過の選択帯域を有する多段階のあるタイプの濾過、を提供するために、開示された様々な層、及び、膜の開口寸法の選択で、構成され得る。他の実施の形態では、濾過媒体は、同一の選択性のの膜を用いた単一の装置で、生産水の品質を達成するための多重状態の逆浸透による脱塩を提供するように、構成され得る。更に他の実施の形態では、濾過媒体は、各逐次的な工程の圧力及び対応する膜表面での濃度分極を低下させるために逆浸透による脱塩の進行的選択的段階を提供するように、構成され得る。

濾過装置１０において示される膜の構成は、いくつかのすでに明らかになった利点を有する。極薄の材料または２次元的な材料を用いることによって、それは、単一の装置設計で複数のレベルの濾過の整理統合を、供給する。設計は、層状の平面状の設計、スパイラル状の設計または複数の通路を収容する幾何形状であり得る。複数の濾過段階の整理統合は、濾過動作に必要とされる全体の大きさを、減少させる。実際、有孔グラフェン材料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体積及び重量の削減を許容する。濾過装置１０の一層他の利点は、必要に応じて追加的な濾過を提供するために複数の装置が連続して取り付けられることを許容する、ということである。他の利点は、調整可能な膜の設計が、供給物の「調整された」濾過を許容する、ということである。換言すれば、選択的材料が、処分または使用という所望の最終使用のために、分離され得る。更に、有効グラフェンと共に、濾過または回収の動作の間の選択性及び流れを更に改善するために、電荷の使用が組み入れられ得る。

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 (16)

1. 一側の端部における入口と反対側の端部における出口とを有するハウジングであって、前記入口から前記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支持される層状の濾過媒体であって、前記入口で受容される供給水を少なくとも３つの分離した出力流に分離する濾過媒体と、
   を備えた
   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のための調整可能な膜構成。
2. 前記濾過媒体は、
   少なくとも３つの流れチャネルと、
   前記少なくとも３つの流れチャネルの（うちの各）２つに隣接して配置される少なくとも２つの異なる平面膜と、
   を有し、
   前記平面膜は、供給水を少なくとも２つの産出物／浸透物に濾過するために、実効的な多孔度を生成する、異なる調整可能な選択性を有する
   ことを特徴とする請求項１に記載の装置。
3. 前記濾過媒体は、各前記膜に関連付けられ、且つ、前記内部支持構造に保持される、膜支持構造を更に有する
   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３つのチャネルの１つは、その各側に少なくとも１つの第１平面膜を有する第１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. 前記少なくとも３つのチャネルの１つは、一側に前記膜支持構造を有し、且つ、反対側に第２平面膜を有する、第２チャネルである
   ことを特徴とする請求項４に記載の装置。
6. 前記少なくとも３つのチャネルの１つは、その両側に前記膜支持構造を有する第３チャネルである
   ことを特徴とする請求項５に記載の装置。
7. 前記平面膜は、有孔グラフェン材料から構成されている
   ことを特徴とする請求項２に記載の装置。
8. 前記平面膜は、貫通孔寸法により増大される選択性、帯電による電荷特性、または、機能化、のために調整され得る
   ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
9. 前記平面膜は、電荷を保持することが可能であり、膜表面の濃度分極の効果を破壊するような態様で制御される
   ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
10. 前記平面膜の１つは、孔の制御と帯電とを組み合わせて用いることによって前記供給水中の特定の目標物の選択的な分離または回収のために、使用される
    ことを特徴とする請求項７に記載の装置。
11. 孔の制御及び帯電は、前記供給水中の荷電粒子の排除の増大される選択性のために実効的な多孔度を生成するべく、組み合わせられ得る
    ことを特徴とする請求項１０に記載の装置。
12. 前記濾過媒体は、有孔グラフェンから構成される複数の平面膜を有し、
    前記複数の平面膜は、単一の装置における精密濾過／限外濾過及びナノ濾過／逆浸透を含む多段階の濾過のために、あるいは、より多くの選択的帯域を有する多段階のあるタイプの濾過のために、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。
13. 前記濾過媒体は、有孔グラフェンから構成される複数の平面膜を有し、
    前記複数の平面膜は、同一の選択性の膜を使用して単一の装置で生産水の品質を達成するように、多段階の逆浸透による脱塩のために、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。
14. 前記濾過媒体は、有孔グラフェンから構成される複数の平面膜を有し、
    前記複数の平面膜は、各逐次工程の圧力及び前記膜表面での対応する濃度分極を減少させるような漸進的選択的段階の逆浸透による脱塩のために、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。
15. 前記濾過媒体は、有孔グラフェンから構成される複数の平面膜を有し、
    前記複数の平面膜は、１以上の浸透流中での目標の粒子、溶質または分析物の選択的な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。
16. 前記層状の濾過媒体は、平面状の、チューブ状の、または、スパイラル状の形態で、構成され得る
    ことを特徴とする請求項１に記載の装置。

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