JP2018509297A - ソノエレクトロケミストリーによって流体を処置するためのシステム及び方法 - Google Patents

Abstract

流体処置ユニット（ＴＵ）は、第１のアノード電極（５）と、第２の接地電極（７）と、接地電極（７）に取り付けられた超音波発生器（１２）と、を含み、接地電極（７）及び対向する第１のアノード電極（５）が、それらの間に処置領域（９）を画定し、ユニット（ＴＵ）が、流体を処置領域（９）に導入するための流入部（２）及び、処置領域（９）から処置された流体を排出するための流出部（３）を有し、処置領域（９）が流動経路を提供し、流動経路に沿って、流入部（２）を通って入る流体が流出部（３）の方へ流れることが可能であり、流動経路が第２の接地電極（７）及びそれに面する第１のアノード電極（５）の両方の表面に実質的に沿って延設する。

Description

本発明は、流体の処置に関する。より具体的には、本発明は、ソノエレクトロケミストリーを用いた流体の処置または汚染の除去に関する。

流体の処置または汚染の除去は、同伴物質（例えば、浮遊物質または溶解物質）の除去及び／または不純物の除去のために必要とされることが多い。処置または汚染除去される流体は、特に、汚染された水、例えば飲料水、廃水、産業廃液、船舶に積載された水、処理水、地下流出水または浸出水でありうる。流体は、１つまたは複数の汚染物質、例えば、無機物質、有機物質、浮遊物質、コロイド物質、金属、有機半金属、放射性核種、除草剤、殺虫剤、バクテリア、ウイルス、及びその他の微生物を含みうる。

これまで、汚染除去は、物理的及び／または化学的手段によって幅広く行われてきた。例えば、酸化還元の利用、フィルター、沈殿槽の使用、化学物質及び生物学的処理である。流体中の汚染物質は、工業化の進展に起因して、前世紀にわたってより複雑になってきているため、従来の処置方法の使用は、効果が少なくなってきている。同時に、流動廃水、具体的には、流動廃液の純度に関する要求の厳しさの増大は、廃水またはその他の流動流体の汚染除去が必要とされ、または要求される産業上の操作の領域を増大させている。

液体の処置に関する電気分解の使用は、よく文献化されている。同様に、液体を処置するためのソノケミストリーの使用も、流体の化学特性を変化させるための手段とともに提案されている。典型的には、電気分解において、流体（電解質）内に浸されたアノード電極とカソード電極との間に印加されたＤＣまたはＡＣ電流は、アノードを溶解して反応性リガンド（例えばアルミニウムイオン、第３鉄及び第２鉄イオン）を生成することになる一方で、カソード電極では水が分解して水素イオンと水酸化物イオンを生成する。これらの反応の全体的な結果は、例えば、水酸化アルミニウム、水酸化第３鉄または水酸化第２鉄の生成であり、これらは凝固剤として働き、流体から汚染物質を吸収する。これらの反応は、典型的には電気凝固及び電気凝集と呼ばれる。ソノケミストリー（超音波）は、洗浄及び混合、並びに化学プロセスの加速のために長年確立されてきた。超音波（典型的には１５から２００ｋＨｚまたは２０から２００ｋＨｚの周波数）は、流体内に低圧波及び高圧波を交互に発生させ、これは小さな真空の泡の形成及び激しい破壊につながる。この現象はキャビテーションと名付けられており、高速で衝突する液体ジェット及び強い水力学的剪断力を生じる。これらの効果は、印加されるエネルギーの入力及び流体の境界層を通過する物質の移動とともに、汚染物質の凝集の分解、細胞の分解、反応物質の混合、フリーラジカル（例えば水酸化物ラジカル）の生成のために使用される。そのようなソノケミカル効果は、反応時間の実質的な低減及び超音波デバイスに浸漬された対象物の洗浄効果につながる。

電気分解とソノケミストリーの組み合わせは、化学反応の速度の増大の効果をもたらし、アノード電極表面上のヘルムホルツ・スターン境界層及び電気的に励起された場合にはパシベーションを破壊することによって電極付着物を防止し、水酸化物ラジカルの発生を通して酸化反応を増大させ、反応デバイス内の混合効果を増大させる。現時点における従来技術の文献は、そのようなデバイスを、汚染された流体を含む電気分解反応器内に浸された金属超音波ホーン（音響ホーン、ソノトロード、音響導波路、超音波プローブとしても知られる）並びに電源に取り付けられたアノード及びカソードからなるものとして説明している。

超音波プローブ及び電気分解セルを利用する液体の汚染除去の周知のプロセスの欠点は、超音波プローブ及び電極の両方が印加電圧を受けた場合における、超音波プローブとアノード及びカソード電極または反応デバイスとの間の電気短絡の可能性である。超音波プローブの配置及び電気分解セルの操作を慎重に行うことは、感電またはデバイスへの電気的損傷を避けるために必要とされる。

本発明の目的は、従来技術に関する欠点の１つ、いくつかまたはすべてを少なくとも部分的に改善することである。

本発明は、第１の態様において、第１のアノード電極と、第２の接地電極と、接地電極に取り付けられ、または動作可能に接続された超音波発生手段と、を含む流体処置ユニットであって、処置領域が、第１のアノード電極と第２の接地電極との間に画定され、処置領域が、処置される流体を処置領域に導入するための流入部及び、処置領域から流体を排出するための流出部を有し、処置領域が流動経路を提供し、流動経路に沿って、流入部を通って入る流体が流出部の方へ流れることが可能であり、流動経路が、電極のそれぞれの表面に実質的に沿って延設する。

本発明のユニットは、流体、特に汚染水及び廃液流動の汚染除去を、単純、有効かつ効率的に行うことができる。特に、汚染除去は、少なくとも部分的に超音波分解及び電気分解によることができ、既存の技術と比較して、液体化学物質を追加する必要性を避けることができる。さらに、超音波分解は、処置領域内の電極表面に沿った電極への付着物及びパシベーション層の成長を防ぐことができる。本発明のユニットは、液体流動が、電気分解及び超音波分解反応が生じることができる電極の表面に沿って流れるような構成であるため、連続的な汚染除去プロセス及び／またはバッチプロセスの両方に、電気分解及び超音波分解を十分に適用することができ、バッチモードでは超音波分解プロセスは、電極にわたって電流を低下させ、電圧出力を上昇させる可能性のある気泡の成長や「綿状沈殿」物質などのパシベーションの電極への付着を防ぐ。しかし、本発明のユニットでは、最大１０ＭＬＤ（Ｍｉｌｌｉｏｎ Ｌｉｔｅｒｓ ｐｅｒ Ｄａｙ、１日当たり１００万リットル）、最大１００ＭＬＤ以上、最大２００ＭＬＤ以上、または最大５００ＭＬＤ以上の流速で処置しうる反応器で、そのような反応生成物が生じることを防ぐ。

流入部は処置領域にわたって、処置領域内の流動の主方向を横切る方向に延設する流路を含みうる。そのような構造の目的は、比較的均一な層流で、処置領域内に流体を導入することを可能にすることである。流出部は、処置領域内の流動の主方向に対して横切る方向に処置領域にわたって延設する流路を含みうる。

ユニットはさらに、ユニットを通過する流体を照射するように構成されたＵＶ光源を含みうる。ＵＶ光源は、処置領域の下流で流体を照射するように配置されうる。ＵＶ光源は、流出手段に隣接して、またはその近傍に置かれうる。

超音波発生手段は、１つの圧電素子または第２の接地電極上にアレイとして配置された複数の圧電素子を含みうる。超音波発生手段は、１５から２００ｋＨｚまたは２０から２００ｋＨｚの動作周波数で動作可能または動作しうる。

好適には、接地電極はタンクまたはコンテナを画定する。第１のアノード電極は、一対の適合する主面を有する平板電極を含みうる。第１のアノード電極は、流入部から流出部へ流れる流体が、アノード電極の主面の１つ、または両方の上を、及び／または横切って流れうるように、タンクまたはコンテナ内に配置されうる。アノード電極は、接地電極から電気的に絶縁される。

本発明はまた、本発明に従う流体処置ユニットを含む流体処置システムを提供する。システムは、第１の電極に正の電圧を、第２の接地電極に接地（アース）を印加するための電源を含みうる。可変周波数及び波形のＡＣ電圧及び／またはＤＣ電圧が第１の電極に印加されて、１から１０００００アンペアまたは１から１００００アンペアの動作電流を提供するような構成でありうる。システムは、電圧を超音波発生手段に印加するための電源を含みうる。

システムは、有利には処置領域内の第１の電極と第２の電極との間で１つまたは複数の電気的特性を監視するための手段を含み、第１の電極と第２の電極との間の電圧は、第１及び第２の電極にわたる設定電流のアンペア値を達成するように自動的に変動することができるようにされてもよく、監視手段は、処置領域の上流または下流で、流体の１つまたは複数の化学的パラメータを監視し、第１及び第２の電極によって画定される処置領域について動作アンペアを自動的に設定しうる。

有利には、システムは制御手段を含みうる。制御手段は、監視手段によって監視された１つまたは複数の特性に応じて、好適には電気分解のために印加される電流並びに／または超音波発生手段及び圧電素子のアレイに印加される周波数及び／または出力を制御するように構成される。

システムはまた、処置ユニットの下流に混合ユニットまたは領域を含みうる。システムはまた、混合ユニットまたは領域の下流に浄化ユニットまたは領域を含みうる。

本発明はさらに、第１のアノード電極及び第２の対向する接地電極のそれぞれの表面にそって流体が流れるようにする段階と、流動する液体を通して電気分解電流を発生させることができるように第１及び第２の電極にわたる電圧の印加並びに、第２の電極に取り付けられた超音波発生手段にエネルギーを供給し、流動する液体を通した超音波の発生を同時に行う段階と、を含む流体を処置する方法を提供する。有利には、液体は、対向する電極によって両側に境界を画定された流動経路に沿って流れるようにされる。好適には、流動方向に対して横切る断面において、流動経路は細長い長方形の構成である。しかし、有利には、流動経路の断面の面積は、流体の流動方向に沿って実質的に均一である。

第１のアノード電極と、対向する第２の接地電極との間の間隔は、１００ｍｍ以下でありうる。有利には、第１のアノード電極と第２の電極との間の間隔は８０ｍｍ以下である。有利には、第１の電極と第２の電極との間の間隔は５ｍｍ以上である。

流動経路の長さは１００ｍｍ以上、好適には５００ｍｍ以上でありうる。有利には、流動経路の長さは２０００００ｍｍ以下、または１００００ｍｍ以下である。

酸化剤及び酸化または水酸化物ラジカルが、流体が処置領域を通過する際に超音波プローブ及び／または電極によって流体内に生じうる。過酸化水素が、流体が処置領域を通過する際にソノエレクトロケミストリーの結果として発生しうる。（鉄電極が使用される場合に生じうる）第１鉄イオンまたは第２鉄塩の存在下における過酸化水素は、有機鉱化に関するフェントン化学によって、水酸化物ラジカルをさらに発生可能である。さらに、塩素イオンが酸素過電位電極と反応すると、有機及び窒素系汚染物質の破壊に関して強力な酸化剤及びラジカルを発生することができる。さらにＵＶ光源と組み合わせた場合、光−フェントン反応が、有機汚染物質の破壊に関して開始されうる。水酸化物ラジカルを発生させるそのような反応は、促進酸化処理（Ａｄｖａｎｃｅｄ Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ、ＡＯＰ）と通常呼ばれる。

本発明は、第１のアノード電極と、第２の接地電極と、外部に取り付けられた超音波プローブと、を含む流体処置ユニットを提供し、第１のアノード電極と第２の接地電極との間に、処置領域内に流体を導入するための流入手段及び処置領域から流体を排出するための流出手段を有する処置領域を画定し、処置領域は、流入手段を通って入る流体が、それに沿って流出手段の方へ流れることができる流動経路を提供し、流動経路は、電極のそれぞれの表面に実質的に沿って延設する。

本発明のユニットは流体、特に汚染水及び廃液流動の汚染除去を、単純、有効かつ効率的に行うことができる。特に、汚染除去は少なくとも部分的に超音波分解及び電気分解によるので、既存の技術と比較して液体化学物質の追加を避けることができ、処置領域の電極表面に沿ったパシベーション層の電極付着物及び成長を防ぐことができる。本発明のユニットは、液体流動が、電気分解及び超音波分解反応が発生している電極の表面に沿って流動するように構成されるため、連続的な汚染除去処置及び／またはバッチプロセスの両方に対して十分に電気分解及び超音波分解を適用することができ、バッチモードの場合には、超音波分解プロセスは、電流の低下及び電極間の電圧出力の増大を生じうる気泡または「綿状沈殿」物質の成長のようなパシベーションからの電極付着物を防ぐと考えられる。しかし、本発明のユニットでは、最大１０ＭＬＤ（１日当たり１００万リットル）、いくつかの場合にはそれ以上の流速で処置しうる反応器内で、そのような反応生成物の発生が防止される。

流入手段は、処置領域内で流動方向に対して横切る方向において、処置領域にわたって延設する流路を含みうる。これにより、流体を、比較的均一な層流で処置領域内に導入することが可能になる。流出手段は、処置領域内の流動方向に対して横切る方向において、処置領域にわたって延設する流路を含みうる。

ユニットはさらに、ユニットを通過する流体を照射するように構成されたＵＶ光源を含みうる。ＵＶ光源は、処置領域の下流で流体を照射するように配置されうる。ＵＶ光源は、流出手段の位置に、または近傍に配置されうる。

本発明はまた、本発明に従う流体処置ユニットを含む流体処置システムを提供する。システムは、第１の電極に正の電圧を、第２の接地電極に接地（アース）を印加するための電源を含みうる。可変周波数及び波形のＡＣ電圧及び／またはＤＣ電圧が第１の電極に印加されて、１から１００００アンペアの動作電流を提供しうるように構成される。システムは、電圧を超音波プローブに印加するための電源を含みうる。超音波プローブは、１つの圧電素子または第２の接地電極上にアレイ状に配置された複数の圧電素子からなりうる。可変出力及び周波数のＡＣまたはＤＣ電圧が、２０から２００ｋＨｚの動作周波数を提供するような構成でありうる。

システムは、有利には第１の電極と第２の電極との間の電圧が、第１の電極及び第２の電極にわたる設定電流のアンペア値を達成するように自動的に変動可能であるように、処置領域内の第１の電極と第２の電極との間の１つまたは複数の電気的特性を監視するための手段を含み、監視手段は、処置領域の上流または下流の流体の１つまたは複数の化学的パラメータを監視し、第１及び第２の電極によって画定される処置領域に関して動作アンペアを自動的に設定可能である。

有利には、システムは制御手段を含む。制御手段は、監視手段によって監視された１つまたは複数の特性に応じて、好適には電気分解のために印加される電流並びに／または超音波プローブ及び圧電素子のアレイに印加する周波数を制御するように構成される。

本発明はさらに、第１のアノード電極及び第２の対向する接地電極のそれぞれの表面にそって流体を流動させる段階と、流動する液体を通して電気分解電流を発生させるために第１及び第２の電極にわたって電圧を、流動する液体を通して超音波を発生させるために超音波プローブ及び圧電素子のアレイに電圧を同時に印加する段階と、を含む流体を処置する方法を提供する。有利には、液体は、対向する電極によって両側に境界を画定された流動経路に沿って流される。好適には、流動方向に対して横断する断面において、流動経路は細長い長方形の構成である。しかし、有利には、流動経路の断面積は、流体の流動方向に沿って実質的に均一である。第１の電極と第２の電極との間の間隔は、１００ｍｍを超えなくてよい。有利には、第１の電極と第２の電極との間の間隔は、８０ｍｍを超えなくてよい。有利には、第１の電極と第２の電極との間の間隔は、５ｍｍ未満とならない。

流動経路の長さは、１００ｍｍ未満でなくてもよく、有利には、５００ｍｍ未満でなくてもよい。有利には、流動経路の長さは１００００ｍｍを超えない。

水酸化物ラジカルが、流体が処置領域を通過する際に超音波プローブによって流体内に生じうる。過酸化水素が、流体が処置領域を通過する際にソノエレクトロケミストリーの結果として発生しうる。鉄電極を使用する場合、第１鉄イオンまたは第２鉄塩の存在下における過酸化水素はさらに、有機鉱化に関してフェントン化学を介して水酸化物ラジカルを発生させうる。さらにＵＶ光源と組み合わせた場合、光−フェントン反応が、有機汚染物質の破壊に関して開始されうる。水酸化物ラジカルを発生させるそのような反応は、促進酸化処理（ＡＯＰ）と通常呼ばれる。

本発明の処置方法は、どのような流体の処置にも、特に廃水、産業廃液、処理水、地下水、河川及び浸出水から選択される汚染水流動のような汚染液体流動に使用されうる。本方法は、処置領域内の条件の適切な選択によって、無機物質、有機物質、浮遊及びコロイド状物質、金属、有機半金属、放射性核種、バクテリア、ウイルス及びその他の微生物を含む流体を汚染除去するために使用されうる。

ＵＶ照射が含まれる場合、処置方法は、金属の除去及び、ＰＣＢや界面活性剤、殺虫剤、除草剤または長鎖有機物の短鎖残留物への分解などの有機汚染物質の酸化破壊に特に有効である。

以下、本発明を、添付した図面を参照して単に例として説明する。

本発明に従う処置ユニットの長手方向の切断面である。 図１の処置ユニットの横断切断面である。 本発明のシステムの概略的な図である。 本発明に従う水処置プラントの前面等角図である。 図４Ａのプラントの後方等角図である。 図４Ａのプラントの平面図である。 図４Ａのプラントの等角切断図である。 図４ＣのＡ−Ａ線に沿った断面図である。 図４Ｃのプラントの、蓋を取り除いた平面図である。

図１を参照すると、ソノエレクトロケミカル処置システムＴＳは、処置ユニットＴＵを含み、処置ユニットＴＵは、ソノエレクトロケミカルセル１、本実施形態では一対の平行なソノエレクトロケミカルセル１ａ、１ｂと、流入導管２と、出力導管３と、を含む。システムＴＳはさらに、電気分解電源４と、バスバー６によって電気分解電源４に接続された各セル１ａ、１ｂのための電極５と、を含む。接地された電極７は、流入導管２及び流出導管３と流体的に接続された反応器ハウジングまたはタンクＴを提供する。流入導管は、セル１（本実施形態では各セル１ａ、１ｂ）のための処置領域９内に均一な層流を提供するために、穴をあけられた流路８を有して提供され、または形成される。処置領域９は、電極５と接地電極７（ハウジングまたはタンクＴを提供する）空間として定義され、横断流出堰１０の方へ延設する。電極５は各セル１ａ、１ｂの処置領域９内へ延設し、絶縁されて覆われた固定部１１（３個図示されている）によって接地電極７に固定される。超音波プローブは、超音波電源１３に接続された圧電トランスデューサ１２（８個図示されており、各セル１ａ、１ｂに対して４個）のアレイからなる。選択的なＵＶランプ１４は、横断流出堰１０の後方で処置領域９の下流に固定されてもよく、好適にはＵＶ電源１６から電力を受ける。

ＵＶランプ１４に加えて、またはＵＶランプ１４の代わりに、水質監視デバイス１７を水質プローブ１８とともに含んでもよい。

電気分解電源４内に、電気監視機器１９を含んでもよい。電気監視機器１９、水質監視デバイス１７、ＵＶランプ電源１６、超音波電源１３は、マスターコントローラ２０にフィードバックする。オーバーフロー流出口１５が、ソノエレクトロケミカルセル１内に設けられる。所望の場合、流入導管２及び流出導管３の位置は相互に交換され（もしくは流動の方向が逆にされ）、または流入導管２及び流出導管３の位置が交換され、液体が処置のための電極５を横切って通過するように設けられうることが好適となる。いくつかの状況では、オーバーフロー流出口１５を、ソノエレクトロケミカルセル１を通したリサイクルのために、部分的に処置された液体を戻す帰還流出口として使用することが有利でありうる。そのようなリサイクルの設備は、電導率の低い液体、困難な「ハード」液体、または高汚染ローディングを有する液体を、適切なレベルの必要な処置を達成するために複数回の通過を受けることができる。接地電極７は好適にはステンレス鋼または類似の材料からなるが、電極５（アノード）は様々な導体材料から構成されてもよい。適切な材料の選択は、廃液流動の特性及び処置の要件に基づきうる。例えば、鉄は、油の除去に関して効果的な不安定化をもたらすため、油の除去については特に有利であり、アルミニウムは、リン酸化物、浮遊固体及び金属の除去について効果的であり、白金の混合金属酸化物などの酸素過電位材料は、酸化について効果的である。

図２を参照すると、接地電極７は、流入導管２及び流出導管３を集約し、反応タンクＴを提供する。電極５は、接地電極７が電極５の外側の対向する表面を取り囲んで包むように、絶縁されて覆われた固定部１１によって中央に固定される。圧電トランスデューサ１１は、接地電極上に外部に設けられ、そのため接地電極７、電極５及び接地電極７の間に画定された２つの対向する処置領域９が存在する。そのような電極の設計は単極性であり、単純な設計という利点を有し、流動及び処置能力を２倍にし、双極性電極の構成に対して静電容量を増加させ、処置ユニットＴＵに要求される電圧を低下させる。接地電極７の底辺に沿って穴をあけられた流路８は、電極５の外面のそれぞれを通過する層流を提供する。本実施形態では、電極５の厚さが好適には３から２５ｍｍ、３から５０ｍｍ、または３から１００ｍｍの範囲であることが示され、２つの電極がそれぞれ約１２００ｍｍ×８００ｍｍであることを示している。有利には、複数の電極５を収容する設備を有することにより、アルミニウム、鉄、マグネシウム、酸素過電位金属、炭素系材料、含侵炭素及びグラファイト並びにその他の導体及び半導体材料などの様々な電極材料を同時に処置領域９内で使用することも可能になる。そのような反応セルでは、典型的な流動の体積は、１時間に２００００リットルでありうる。処置ユニットＴＵは、処置される液体の適切な体積の要求に応じるために、第１のアノード電極を追加し、または取り外して大きさを変更し、第２の接地電極ケーシングの大きさを変更しうる。図２を参照すると、本実施形態において８つの圧電トランスデューサが、処置領域９を横切って延設する接地電極７の両側に示されている。複数の圧電トランスデューサが、処置ユニットの大きさ、用途、汚染レベル及び所望の処置結果に応じて必要とされうることは了解されるであろう。図面において、ソノエレクトロケミカルセルは長方形として示されているが、正方形、円筒形またはその他どのような形状であってもよく、電極及び接地電極が互いに空間をあけ、液体が処置領域に出入りできるように設けられうる。

使用時には、液体は制御された速度でソノエレクトロケミカルセル１の流入導管２を通して外部ポンプ（ポンプは図示されていない）によってポンプされ、穴をあけられた流路８を通過して処置領域９に入り、外側の接地電極７と内側の電極５との間を流れ、これらの電極はそれ自体が電気監視機器１９によって流体−電極媒体の電気的特性を監視するためのプローブとして働く。次いで、流体は、流出導管３を介してソノエレクトロケミカルセル１を出る前に、横断流出堰１０を超えて、ＵＶランプ１４及び／または水質監視デバイス１７の水質プローブ１８を含むチャンバー内に流入する。水質プローブ１８はまた、処置領域９内であって、ソノエレクトロケミカルセル１の上流またはソノエレクトロケミカルセル１の下流に、幅広い水質特性を監視するために複数のデバイスの組み合わせとともに配置されうることが望ましい。全自動化の場合、液体の特性は、電気監視機器９及び水質監視デバイス１７によって、流速などの外部データに従って決定され、マスターコントローラ２０に通信される。情報は、マスターコントローラ２０によって、電気分解電源４の電圧及び電流並びに、超音波電源１３の超音波周波数及び出力の適切な設定を決定するために使用される。正しい処置方式は、例えば、保存された数学的−化学的モデル、日常の流速、汚染物質のローディングプロファイル、アルゴリズムを参照して決定されてもよく、ファジー論理制御、ニューラルネットワーク及び予測的計算ソフトウェアの使用を伴ってもよい。手動または半自動モードでは、電圧、電流、超音波周波数及び出力は、マスターコントローラ２０上のスイッチ、ＨＭＩなどによって手動で選択されうる。マスターコントローラ２０に中継して戻された情報は、内部データカードに保存され、ＨＭＩスクリーンなどに表示され、またはデータ伝送によって遠隔地に中継されうる。ソノエレクトロケミカルセル１の遠隔制御はまた、ウェブ上で使用可能なソフトウェアまたは類似のデータ伝送ネットワークを使用することによって制御されうる。

動作の間、ポンプされた流速、電圧、電流、超音波周波数及び出力は、最適な処置及び効率を与えるように選択される。これは、前述のように手動で、または自動的になされうる。通常の動作中は、液体をソノエレクトロケミカルセル１を通して連続的にポンプし、電極５に連続的に電圧、電流、超音波周波数及び出力を加えることが好適である。ソノエレクトロケミカルセル１は液体の連続流動の処置において使用することに適しているが、ユニットは、所定の体積の液体が処置領域９内にポンプされるバッチモードにおいて使用されてもよく、電気分解システム及び超音波分解システムがオフにされ、ポンプが処置された液体を処置ユニットから流出させ、処置のために次の分量の液体を導入した後所定の時間の間に液体を処置するために処置領域に電圧、電流、超音波周波数及び出力が印加される。

前述の実施形態において、ＵＶ処置プロセスは、電気分解及びソノケミストリーと統合される。固体ローディングが高い場合、ＵＶプロセスが透明な液体を通過する光によるため、ＵＶ処置の前に物質を除去するように、処置プロセスの効率を向上させることが望ましい場合がありうる。これは、ＵＶ処置の前に固体−液体分離または分画を行うことによって達成されうる。そのため、ＵＶ光源がソノエレクトロケミカルセル１の下流に設けられることが好適でありうる。

前述の、及び図に示された実施形態において、ただ１つの（平行セルユニット１ａ、１ｂを有する）単極電極構成のソノエレクトロケミカルセルのみが示されている。体積の大きな廃液流動では、複数の電極及び大きなソノエレクトロケミカルセルを含み、処置プロセスへのソノエレクトロケミカルセルの数を増加させることが有利でありうる。その場合、各セルについて電極が双極性または多極性として構成されうるように、複数のセルが構成可能である。処置セルも、単一性（単一ユニット）、二重性（負荷、待機、負荷及び支援）または多段式として構成可能である。これらの場合、個別の処置ユニットは、共通流入マニフォルド及び流出マニフォルドを有する支持フレームに取り付けられたユニットからなることができる。そのようなシステムは、廃液流動の特性及び必要な処置の程度に応じて、直列または平行配置のセルからなることができる。混合廃液流動については、異なる電極材料及び組み合わせを有する処置ユニットを含むことも有利でありうる。固体スループットが高い場合、液体がユニット内に導入される前に、事前処置を実行することも有利でありうる。

また、本実施形態は平行セル１ａ、１ｂを示しているが、異なるアノード５を有する直列のセル１ａ、１ｂを使用することも可能である。

前述のソノケミカル処置ユニットＴＵまたは別の本発明のソノエレクトロケミカル処置ユニットは、図３に示されるように水処置プラント１００の一部として設けられうる。プラント１００は、本発明に従うソノエレクトロケミカル領域またはユニット１０１と、混合領域またはユニット１０２と、浄化領域またはユニット１０３と、を含む。

混合領域またはユニット１０２は、ソノエレクトロケミカル領域またはユニット１０１から流体を受け取り、浄化領域またはユニット１０３に流体を送達するタンク１２０を含みうる。

タンク１２０は、通過する流体の混合を促進する手段１２１を含みうる。そのような混合手段１２１は、１つまたは複数の機械的混合手段及び／またはタンク１２０を通過する蛇行した流動経路を提供するように配置されたバッフルを含みうる。タンク１２０は、同伴粒子がタンク１２０に沿って、またはタンク１２０を通って移動する際に大きさが増加することができるように、内部に粒子の凝集及び／または軟凝集を引き起こすように設計されうる。バッフルの存在は、流体の流動経路の有効長さを増加させ、そのため所定の流体の流速（及び／または体積スループット）に対して滞留時間を増加させ、それによって、通過する流体内の粒子に、凝集及び／または軟凝集する機会を提供する。機械的混合手段が設けられる場合、混合領域またはユニットの上流端部において、下流端部と比較して混合の程度がより大きくなることが有利でありうる。これは、例えば、パドル撹拌機の上流に水流混合器を有することによって達成されうる。混合領域またはユニットの異なる部分が、例えば、１つまたは複数のバッフルによって境界を画定され、または、上流部および下流部が形状的に境界を画定されないことがありうる。

混合領域またはユニット１０２の下流は、浄化領域またはユニット１０３である。浄化領域またはユニット１０３内には、同伴流体内の粒子を沈殿させるか、そうでなければ流体から除去する浄化手段が設けられてもよく、それによって、浄化領域またはユニット１０３を出る流体は、含まれる粒子が（例えば、浄化領域またはユニット１０３に入る場合と比べて、立方センチメートル当たりの粒子のグラム数または立方センチメートル当たりの粒子の数で測定して）減少する。そのような浄化手段１３１の例は、フィルター、薄板沈殿器、遠心分離機などを含む。

実際に、本発明のソノケミカル処置ユニットの特有の構造によって、非常に小さな占有面積及び付随するエネルギー需要が低い、完全な水処置プラントを構築することが可能である。

図４Ａ、４Ｂ、４Ｃを参照すると、非常に小さな占有面積を有する水処置プラント２００が示されている。水処置プラント２００は、一対の壁２５１及び接続ストラット２５２を有するフレーム２５０を含む。握り２５３が壁２５１に設けられ（本実施形態では各壁２５１に４つ）、プラント２００は持ち上げて手で動かすことが可能である。水処置プラント２００は、流体流入部２５５及び蓋２５６を有して設けられた前面カバー２５４を含む。

処置プラント２００の背面には、処置された流体を放出するための流体流出部２５７及び廃棄物を放出するための廃棄物流出部２５８が存在する。

使用時には、処置される流体の供給部が流入部２５５に接続され、処置された流体は流出部２５７から集められる。（図示されない）ポンプが、源流から流入部２５５へ流体を移送するために使用される。

電源はポンプにエネルギーを供給するために使用され、電流源は、処置プラント２００にエネルギーを供給するために使用される。

ここで図５Ａ、５Ｂ、５Ｃを参照すると、ソノエレクトロケミカル領域２０１、混合領域２０２及び浄化領域２０３を含む処置プラント２００の様々な内部構成要素が示されている。

ソノエレクトロケミカル領域２０１は、相対的に低い流入部２１１及び相対的に高い堰流出部２１２を有して設けられたタンク２１０を含む。流入部２１１は流体流入部２５５と連通し、堰流出部２１２は混合領域またはユニット２０２への流出点を提供する。

複数の超音波発生手段２１３がタンク２１０に取り付けられる。タンク２１０内には電極２１４が配置される。電極２１４は、非導電性シース要素２１６によってタンク２１０から電気的に離隔される。タンク２１０は接地電極であり、または接地電極を形成し、電極２１４はアノードである。典型的には、タンクはステンレス鋼またはその他の鉄合金から形成され、電極２１４は前述のような様々な材料から形成されうる。

混合領域２０２は、流体を堰流出部２１２から受容し、水を流出堰２２１を介して浄化領域２０３へ送達する混合タンク２２０を含む。混合タンク２２０内には、混合領域２０２を通過する流体に対して蛇行流動経路（矢印Ｐで示される）を画定する複数のバッフル２２２が存在する。バッフル２２２は、タンク２２０を通過する流体の流動経路Ｐの長さを増加させる役目を果たす。バッフル２２２は、等間隔であるものとして示されているが、好適にはバッフル２２２は、混合領域またはユニット２０２の流入端において相対的に近接した間隔を有し、混合領域またはユニット２０２の流出端において相対的に離れた間隔を有する（間隔がより近いと、通過時に生じる乱流の量及びそのため混合が増加する傾向にある）。

流出堰２２１の上方で混合領域またはユニット２０２を出る流体は、浄化領域またはユニット２０３へ向けて通過する。本実施形態において、浄化領域またはユニットは薄板沈殿ユニット２３０を含む。薄板沈殿ユニット２３０は、混合領域またはユニット２０２の下に部分的に配置されるような角度を有し、それによって確実にユニット２００の専有面積を小さくすることが便利である。浄化領域またはユニット２０３を出る流体は、流出堰２３２の上方を通過し、そこから流出部２５７へ向かう。薄板沈殿ユニット２３０は、流体から分離された廃棄スラッジ、スラリーまたは粒子の除去のために、流出部２５８に流体的に接続された廃液流出部２３３を有して設けられる。

使用時には、電源によってエネルギーを供給された電極２１０、２１４と、同じまたは専用の電源（電源が同じ場合、回路は、電極２１０、２１４のそれぞれ及び超音波発生手段２１３に確実に電力を供給するように設けられることが適切である）によってエネルギーを供給された超音波発生手段２１３とによって、処置される流体（例えば、汚水または廃水）は、ポンプ（図示されない）によって源流から流入部２５へ、そこからソノエレクトロケミカル領域２０１にポンプされ、流体はタンク２１０の壁（接地電極である）とアノード電極２１４との間を通過し、その間の電場にさらされる。同時に流体は超音波発生手段２１３によって発生した超音波エネルギーにさらされることとなる。

処置された流体は、堰流出部２１２を介してソノエレクトロケミカル領域またはユニット２０１から出て、そこから混合領域２０２に入る。流体がバッフル２２２の周囲の流動経路Ｐに沿ってタンク２２０を通過すると、内部に同伴された粒子または生物は、凝集及び／または軟凝集を開始する。流体が混合領域またはユニット２０２を出て浄化領域またはユニット２０３へ通過すると、同伴粒子はそれとともに運ばれる。浄化領域またはユニット２０３では、薄板沈殿ユニット２３０の働きによって、同伴した（凝集及び／または軟凝集した）粒子は、流体から沈殿し、浄化した（または少なくとも相対的に浄化した）流体は堰２３３及び流出部２５７を介して出ることができる。

発明者の最初の試験では、折り畳み太陽パネルから電力を供給された場合に、非常に小さな占有面積のユニット（１２００ｍｍ×５７０ｍｍ）が、１日に最大２００人に対して、１０リットルの清浄な飲料水を生成することができた。太陽パネルは１２Ａで５Ｖを発生し、これは汚れた水源から飲料水を連続的に提供するのに充分であった。発明者は、これは、本発明に従って製造され、人力で移動可能である小さな占有面積の水プラント２００が、最も離れた場所でさえも、複数の家族または個人のために汚れた水源から飲料水を提供するために使用可能であることを示しているものと考えている。さらに、または代替的に、その他の再生可能エネルギー源、例えばタービン、燃料電池、熱ポンプなども、外部電力の電源として使用可能である。

そのような小さな水処置プラントは、遠隔地に標準パレット（１０００×１２００ｍｍのプラットフォームを提供する）で発送可能であるため、極めて有益である。太陽パネルから電力が提供される場合、その場に位置したまま、プラント２００は自己電源で数分間動作可能である。

了解されるように、より大きなユニットを設けることも可能であり、遠隔地でない場合（または電源が利用可能である場合）、電力は任意の適切な発電手段によって供給可能である。

以下の非限定的な実施例は、本発明を例示する。

実施例
主に汚染された水からなる液体廃液流動が、図１及び２に従う処置ユニットを通して、５／１１リットル毎秒の流速でポンプされた。アルミニウム電極とステンレス鋼接地電極との間に１アンペアの電流が維持された。電圧は、超音波プロセスがオフの時に測定され、次いで超音波プロセスがオンの時に繰り返され、電気分解プロセスに超音波を含むことによってエネルギー効率の増幅があるか否かを決定するために５回繰り返された。

第２の実施例において、液体の成分は、７０ｍｇｌ^−１の濃度で溶解した鉄を含む、鉄分の多い酸性鉱水（Ａｃｉｄ Ｍｉｎｅ Ｗａｔｅｒ、ＡＭＤ）であった。液体は、１時間に５０００リットルの流速でユニットを通してポンプされた。白金のＭＭＯ（Ｍｉｘｅｄ Ｍｅｔａｌ Ｏｘｉｄｅ、混合金属酸化物）が、ステンレス鋼接地カソードとともに電極として使用された。処置は、超音波をオフにして行われ、次いで超音波をオンにして繰り返された。その結果得られたサンプルを３０分間放置して、鉄の綿状沈殿物質を沈殿させ、残留鉄について上澄みが測定された。この試験は、２４時間の沈殿後に繰り返された。

第３の実施例において、第１の中心アノード電極が単一の接地電極によって両側に対向された提案された電気分解電極構成の効率が、外側の２つの電極が接地カソードとして接続され、中心アノードがアノードとして接続された３電極フィラメントと比較された。各試験について、１アンペアの固定電流設定点が選択された。次いで、液体が、各ユニットを通してポンプされ、電圧が記録された。カソードとアノードとの間の間隔は、各処置ユニットについて１０ｍｍに固定された。

電気分解とソノケミストリーの組み合わせは、流体の汚染除去に使用される場合、従来の水及び廃水処置、産業廃水処理及びソノケミストリーまたは電気分解に対して利点をもたらす。既存の処置の欠点は、２つの処置システムを組み合わせた場合に、電気的界面が電気分解ユニットの電極と超音波分解ユニットのトランスデューサとの間に生じることである。本発明は、圧電（超音波）トランスデューサを接地電極（カソード）の外面に配置することによって、この電気的界面を解消する。アノード電極は接地電極の反対側に配置され、液体が通過し、電気分解及び超音波分解によって同時に処置可能な処置領域を画定する。本発明を用いて行われた試験では、処置の有効性、効率が向上し、単純な電気分解と比較してコストが減少した。

１、１ａ、１ｂ ソノエレクトロケミカルセル
２ 流入導管
３ 流出導管
４ 電気分解電源
５ 電極
６ バスバー
７ 接地電極
８ 流路
９ 処置領域
１０ 横断流出堰
１１ 固定部
１２ 圧電トランスデューサのアレイ
１３ 超音波電源
１４ ＵＶランプ
１５ オーバーフロー流出口
１６ ＵＶ電源
１７ 水質監視デバイス
１８ 水質プローブ
１９ 電気監視機器
２０ マスターコントローラ
１００、２００ 水処置プラント
１０１、２０１ ソノエレクトロケミカル領域
１０２、２０２ 混合領域
１０３、２０３ 浄化領域
１２０ タンク
１２１ 混合手段
１３１ 浄化手段
２１０ 電極
２１１ 流入部
２１２ 堰流出部
２１３ 超音波発生手段
２１４ 電極
２１６ 非導電性シース要素
２２０ 混合タンク
２２１ 流出堰
２２２ バッフル
２３０ 薄板沈殿ユニット
２３２ 流出堰
２３３ 廃液流出部
２５０ フレーム
２５１ 壁
２５２ 接続ストラット
２５３ 握り
２５４ 前面カバー
２５５ 流体流入部
２５６ 蓋
２５７ 流出部
２５８ 流出部
Ｔ タンク
ＴＵ 処置ユニット

Claims (26)

1. 第１のアノード電極と、
   第２の接地電極と、
   前記接地電極に取り付けられた超音波発生器と、を含む流体処置ユニットであって、
   前記接地電極及び前記第１のアノード電極が、それらの間に処置領域を画定し、
   前記ユニットが、流体を前記処置領域に導入するための流入部及び、前記処置領域から処置された流体を排出するための流出部を有し、
   前記処置領域が流動経路を提供し、前記流動経路に沿って、前記流入部を通って入る流体が前記流出部の方へ流れることが可能であり、
   前記流動経路が前記第２の接地電極及びそれに面する第１のアノード電極の両方の表面に実質的に沿って延設する、流体処置ユニット。
2. 前記第２の接地電極が、前記流体が内部を前記流入部から前記流出部まで流れることができるタンクの少なくとも一部を提供する、請求項１に記載のユニット。
3. 前記第１のアノード電極が、少なくとも部分的に前記タンク内に配置された、請求項２に記載のユニット。
4. 前記第１のアノード電極が一対の主面を有し、処置領域が前記第１のアノード電極の主面と、前記第２の接地電極のそれに面する部分との間に設けられた、請求項３に記載のユニット。
5. 前記第１のアノード電極が前記タンク内に対称に配置された、請求項３または４に記載のユニット。
6. 前記超音波発生器が、前記第２の接地電極の外面に直接取り付けられたアレイ状に構成された複数の圧電素子を含む、請求項１から５のいずれか一項に記載のユニット。
7. 前記第２の接地電極が、前記第１のアノード電極と前記超音波発生器との間の電気的界面を防ぐように、電気的に絶縁された、請求項１から６のいずれか一項に記載のユニット。
8. 前記流入部が、流入穴部または開口部を有して設けられた流入流路に流体的に接続された、請求項１から７のいずれか一項に記載のユニット。
9. 前記流入流路が前記処置領域にわたって、好適には前記処置領域内の流動の主方向を横切る方向に延設する、請求項８に記載のユニット。
10. 前記流出部が、好適には前記処置領域を横切って、前記処置領域内の流動の方向を横切る方向に配置されたオーバーフロー流出部を含む、請求項１から９のいずれか一項に記載のユニット。
11. 前記ユニットを通過する液体に照射するように構成されたＵＶ光源をさらに含む、請求項１から１０のいずれか一項に記載のユニット。
12. 前記ＵＶ光源が前記流出部に、または前記流出部の近傍に存在する、請求項１１に記載のユニット。
13. 請求項１から１２のいずれか一項に記載のユニットを含む流体処置システムであって、前記システムがさらに、前記第１のアノード電極に電圧を印加するための、及び／または超音波発生器に電圧を印加するための電源を含む、流体処置システム。
14. 前記処置システム内の流体の１つまたは複数の特性を監視するためのモニターまたは監視手段を含む、請求項１３に記載の流体処置システム。
15. 前記処置ユニットの上流の流体の１つまたは複数の特性を監視するための、及び／または前記処置ユニットの下流の流体の１つまたは複数の特性を監視するためのモニターまたは監視手段を含む、請求項１３または１４に記載の流体処置システム。
16. 前記モニターまたは監視手段が、電極及び接地電極にわたって流体の電気的特性の測定を行うように動作可能であり、及び／または前記モニターが液体の水質特性の測定を行う、または決定するように動作可能である、請求項１４または１５に記載の流体処置システム。
17. 前記処置システムの前記モニターまたは監視手段からの情報及び流速に関する外部情報を受け取る制御手段またはコントローラをさらに含む、請求項１４から１６のいずれか一項に記載の流体処置システム。
18. 前記コントローラまたは制御手段が、前記モニターまたは監視手段によって監視される１つまたは複数の特性に応じて、前記電極に印加される電流及び電圧を制御するように動作可能であり、及び／または前記コントローラまたは制御手段が、前記モニターまたは監視手段によって監視される１つまたは複数の特性に応じて、前記超音波発生器に印加される超音波周波数及び出力を制御するように動作可能である、請求項１７に記載の流体処置システム。
19. 前記コントローラまたは制御手段が、前記監視手段とは独立して、電極に印加される電流及び電圧並びに超音波プローブに印加される周波数及び出力を制御するように動作可能である、請求項１７または１８に記載の流体処置システム。
20. 前記処置ユニットから放出される流体を受容するように構成された混合領域またはユニットをさらに含む、請求項１３から１９のいずれか一項に記載の流体処置システム。
21. 前記処置ユニットから放出された流体を受容するように構成された浄化領域またはユニットをさらに含む、請求項１３から２０のいずれか一項に記載の流体処置システム。
22. 前記処置ユニットから放出される流体を受容するように構成された混合領域またはユニット、及び前記混合領域またはユニットからの流体を受容するように構成された浄化領域またはユニットをさらに含む、請求項１３から１９のいずれか一項に記載の流体処置システム。
23. １０００×１２００ｍｍよりも小さな占有面積を有する、請求項２２に記載の流体処置システム。
24. 液体を、第１のアノード電極及び対向する第２の接地電極のそれぞれの表面に沿って流動させる段階を含み、
    超音波発生器が前記第２の接地電極に取り付けられ、電源によって、前記第１のアノード電極及び前記第２の接地電極に同時に電圧を印加して、流動する液体を通して電気分解電流を発生させ、前記第１のアノード電極と対向する前記第２の接地電極との間に、前記超音波発生器を介して、流動する液体を通して超音波を発生させる、流体を処置する方法。
25. 処置される流体を、対向する前記アノード電極と接地電極とによって両側で境界を画定された流動経路に沿って流動させる段階を含む、請求項２４に記載の方法。
26. 処置される流体を、実質的に層流として前記処置領域内に流動させる段階を含む、請求項２４または２５に記載の方法。

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