JP2018518367A - 膜加熱による液体浄化 - Google Patents

Abstract

浄化システムは、大量の液体を加熱するのではなく、液体の薄層を加熱することで、液体を蒸発させるのに必要なエネルギーの量を減らすことができる、膜加熱によって、液体の効果的な加熱を提供し得る。膜加熱により、他の方法より少ないエネルギーを用いて液体を蒸発させることが可能となり得る。さらに、溶解固形物（例えば、塩）を有する液体（例えば、海水）を加熱すると、液体および固形物の両方を加熱しなければならない。蒸発が起こると、固形物の濃度は高くなり、蒸発を生じるためにより多くのエネルギーを液体に供給しなければならない。浄化システムは、液体の層のみを加熱することができるので、固形物を加熱するのに必要なエネルギーは少なく、これにより、液体を浄化する上で、より高いエネルギー効率を可能にすることができる。これらの効率性により、飲用水のコストを下げることができる。関連する器具、システム、技術、および物品についても説明する。

Description

開示の内容

〔関連出願〕
本出願は、米国特許法第１１９条（ｅ）の下、２０１５年５月１３日出願の米国仮特許出願第６２／１６０，６６４号の優先権を主張する。この仮特許出願の内容全体が、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。

〔技術分野〕
本明細書に記載する主題は、例えば、熱による膜加熱および蒸発を用いた、液体浄化に関する。

〔背景〕
脱塩（Desalination）、塩分除去（desalinization）、および淡水化（desalinisation）は、いくらか量の塩および他のミネラルを塩水から除去する、いくつかのプロセスのいずれかを指す。脱塩は、液体、特に水を浄化する一形式である。塩水は、人間による消費、灌漑、または他の用途に適した真水を生成するために、脱塩され得る。比較的高いエネルギー消費のため、海水を脱塩する費用は、一般的に、代替物（例えば、川もしくは地下水からの真水、水の循環利用、節水など）より高いが、代替物は常に利用可能であるわけではない。

脱塩への一例としてのアプローチは、低温熱脱塩（low-temperature thermal desalination）（ＬＴＴＤ）であり、これは、低い圧力で沸騰する水を活用するものである。真空ポンプにより、水が２つの水の体積の間の８〜１０℃（４６〜５０°Ｆ）の温度勾配で沸騰し得る、低圧の低温環境を作る。冷却用の海水が、コイルを通って供給されポンプで注入されて、水蒸気を凝縮させ、浄水を生成することができる。別のアプローチは逆浸透であり、これは、飲料水から、より大きい粒子を除去するために半透膜を用いる、水浄化テクノロジーである。

しかしながら、既存のシステムおよび技術で飲用水を製造するのは費用がかかる。ＬＴＴＤは、深海へのアクセス、および海中深くから水をポンプでくみ上げる能力を必要とする。逆浸透は、高価な膜を使用し、高い圧力を作り出さなければならず、これには、かなりのエネルギーを要する。

〔概要〕
これまでの脱塩へのアプローチに関連する問題は、本明細書に記載する主題により解決することができる。浄化システムは、膜加熱による液体の有効な加熱をもたらすことができ、膜加熱は、加熱素子と液体の沸点との温度差が９３℃以上になったときに起こる。膜加熱により、蒸気泡の薄い膜が加熱素子上に形成され得、これは、ライデンフロスト効果としても知られている。蒸気膜は絶縁体として作用して、加熱層の有効表面積を減少させることにより液体が急速に蒸気を形成するのを防ぐことができるので、この蒸気の膜は、蒸発効率に影響し得る。いくつかの実施形態では、本主題は、加熱素子の近くで液体および／もしくは蒸気分子上に電荷を与えることができる。逆電荷の素子と組み合わせて、液体および／または蒸気分子を帯電させた結果、帯電した液体および／または蒸気分子が加熱素子から引き離され、それにより蒸気膜の形成を回避することができる。

ある態様では、液体浄化のための器具は、蒸気用キャノピーと、加熱層と、を含む。蒸気用キャノピーは、蒸気を集めるためのものである。加熱層は、蒸気用キャノピーより下にあり、液体中に浸されるように構成されており、加熱層は、液体によって実質的に囲まれ、液体の表面から１ｍｍ〜２０ｍｍの深さに位置する。加熱層は、液体の沸点を少なくとも９３℃超える温度に加熱されるように、さらに構成されている。

別の態様では、全溶解固形物（ＴＤＳ）が多い液体が、蒸気用キャノピーより下に配列された加熱層に提供され、加熱層は、ＴＤＳの多い液体中に浸され、このため、ＴＤＳの多い液体によって実質的に囲まれ、ＴＤＳの多い液体の表面から１ｍｍ〜２０ｍｍの深さに位置する。加熱層は、ＴＤＳの多い液体の沸点を少なくとも９３℃超える温度に加熱され、蒸気を生成する。蒸気は、蒸気用キャノピーおよび凝縮装置によって集められる。

以下の特徴部のうちの１つ以上を、任意の実現可能な組み合わせで含めることができる。例えば、液体を保持する容器を含めることができる。加熱層は、容器内部に収容され得る。フロートが、加熱層に連結されて、加熱層を液体中に浮遊させることができ、そのため、加熱層の深さは、液体の体積にかかわらず、実質的に一定のままである。フロートは、さらに蒸気用キャノピーに連結され、蒸気用キャノピーを液体の上で支持することができる。蒸気用キャノピーは、水域上に浮遊するように構成されてもよい。

加熱層は、少なくとも１つの加熱素子を含み得る。加熱素子は、電気的加熱素子、気体加熱素子、強制熱水（forced hot liquid）加熱素子、赤外線吸収材料、または電磁吸収材料を含み得る。加熱層は、加熱層の近くの液体または蒸気分子上に電荷を与える帯電素子をさらに含み得る。逆電荷の素子が、帯電した液体または蒸気分子を加熱層から引き離し、加熱層上での蒸気膜の形成に抵抗するために、含まれ得る。加熱層は、加熱素子、帯電フィン（charging fin）、および加熱素子と帯電フィンとの間の絶縁層を含む、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み得る。絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性であってよい。加熱層は、液体の表面から１ｍｍ〜２０ｍｍ、または液体の表面から５ｍｍ〜１４ｍｍの深さで、液体中に浸されるように構成され得る。例えば、加熱層は、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および／または２０ｍｍの深さで、液体中に浸されるように構成され得る（または、液体中に位置づけられ得る）。

加熱源を含むことができる。加熱源は、赤外線源、電磁波源、または電源を含むことができる。加熱源は、赤外線源を含んでよく、加熱層は赤外線吸収材料を含み得る。液体は、海水、廃水、または汽水であってよい。加熱層は、少なくとも１９３℃の温度に加熱されるように構成され得る。入力供給源が、液体の表面高さを制御するように構成され得る。

蒸気は、加熱層上での蒸気層の形成を回避するため、帯電素子を用いて帯電され得る。加熱層は、約１４ｍｍの深さで液体中に浸され得る。ＴＤＳの多い液体を提供することは、蒸気用キャノピーおよび加熱素子を、海水域（body of sea water）に置くことを含み得る。

本主題を用いると、膜加熱により、他の方法よりも少ないエネルギーを用いて液体の蒸発を可能にすることができる。これは、蒸気膜の形成を回避することができるためである。さらに、大量の液体を加熱するのではなく、液体の薄層を加熱し、それにより、液体を蒸発させるのに必要なエネルギーの量を減らすことができる。液体の薄層の深さは、例えば、用途に基づいて、さまざまであってよい。さらに、溶解固形物（例えば、塩）を有する液体（例えば、海水）を加熱する際、液体および固形物の両方を加熱しなければならない。蒸発が起こると、固形物の濃度は高くなり、蒸発を生じるためにより多くのエネルギーを液体に供給しなければならない。浄化システムは、液体の層のみを加熱することができるので、固形物を加熱するのに必要なエネルギーが少なく、これにより、液体を浄化する際にエネルギー効率が高くなる。これらの効率性により、飲用水のコストを下げることができる。

本明細書に記載される主題は、多くの技術的利点をもたらす。例えば、ＴＤＳの多い液体を、液体が水である場合に飲用に適し得る（例えば、人が消費、灌漑などをするのに十分である）ＴＤＳの少ない液体および／または純粋な液体に変換するための低コストのシステムが提供され得る。半透膜は必要でないので、コストを下げることができる。ＴＤＳの多い液体としては、海水；廃水処理プラント、製造および／または工業プロセスからの廃水；ならびに他の同様の液体が含まれ得る。このようなシステムのメンテナンスは、ほとんど、またはまったくしなくてよい。（例えば、大きな工場により生じ得るような）騒音公害を、減らすか、またはなくすことができる。液体は、自律的に（例えば、人の相互作用をまったく、またはほとんどなくして）浄化され得る。いくつかの実施形態では、膜加熱層または素子が、生物分解性であってよく、これにより、汚染および廃棄物が減る。

比較的低い加熱温度でパイプ内部において少量の水を温める、オンデマンド式の住宅用水加熱システムとは異なり、本主題は、より高い温度で大量の液体を加熱して、浄化目的で液体を蒸発させることができる。

本明細書に記載される主題の１つ以上の変形体の詳細が、添付図面および以下の説明に記載されている。本明細書に記載する主題の他の特徴部および利点は、説明、図面、および特許請求の範囲から明らかになるであろう。

さまざまな図面における同様の参照符号は、同様の要素を示している。

〔詳細な説明〕
図１は、海水および／または汽水などの液体を浄化し、膜加熱を用いるための、例としての浄化システム１００の断面図である。半透膜は必要ないので、この例としての浄化システム１００は、逆浸透システムより低いコストで液体を浄化することができる。

浄化システム１００は、膜加熱により液体の効果的な加熱をもたらすことができる。既存の蒸発システムは、プールまたは核加熱／沸騰（pool or nucleate heating/boiling）を使用することができるが、本主題では、加熱素子と液体の沸点（または飽和温度）との温度差が９３℃以上になったときに起こる、膜加熱を用いる。大量の液体を加熱するのではなく、液体の薄層を加熱して、液体を蒸発させるのに必要なエネルギーの量を減少させることができる。膜加熱は、他の方法よりも少ないエネルギーを用いて液体の蒸発を可能にすることができる。さらに、溶解固形物（例えば、塩）を有する液体（例えば、海水）を加熱する際、この液体および固形物の両方を加熱しなければならない。蒸発が生じると、固形物の濃度が高くなり、蒸発を引き起こすために、より多くのエネルギーを液体に供給しなければならない。浄化システムは液体の層のみを加熱することができるので、固形物を加熱するのに必要なエネルギーは少なく、これにより、液体を浄化する上で、より高いエネルギー効率が可能となり得る。これらの有効性により、飲用水のコストが低下し得る。

浄化システム１００は、塩分除去；汚水、工業廃水、農業廃水などといった廃水を処理する廃水処理プラント内；および他の同様の用途を含む、多くの用途に適用され得る。

浄化システム１００は、海水および／または汽水などのＴＤＳの多い液体１１０を保持するための容器１０５を含み得る。容器１０５は、浄化システム１００により生成された蒸気１２０を集めるための、円錐形または同様の形状の蒸気用キャノピー１１５を含み得る。容器１０５は、プラスチック、機能傾斜材料などといった、非金属材料で形成され得る。容器１０５は、絶縁されていても、絶縁されていなくてもよい。

容器１０５の内部には加熱層１２５が存在しており、加熱層１２５は、ＴＤＳの多い液体１１０の表面より下に浮遊していてよく、そのため、加熱層１２５より上には、ＴＤＳの多い液体１１０の液体層１３０がある。加熱層１２５は、容器１０５の底に、またはその付近に位置するのとは対照的に、ＴＤＳの多い液体１１０により実質的に囲まれるように、ＴＤＳの多い液体１１０中に浮遊し得る。加熱層１２５は、フロート１３７を用いて浮遊してよく、フロート１３７は、容器１０５がＴＤＳの多い液体１１０でどれだけ満たされているかに関わらず加熱層１２５より上に液体層１３０が確実に存在するように配列され得る。よって、いくつかの例としての実施形態では、加熱層１２５は、容器１０５内部におけるＴＤＳの多い液体１１０のレベルによって、上下し得る。

加熱層１２５は、加熱層１２５と別個または一体であってよい、１つ以上の加熱素子１３５を含み得る。加熱素子１３５は、（例えば、加熱素子１３５を通過する電流によって加熱素子１３５の温度が上昇するように高い抵抗を有する）電気加熱素子を含み得る。加熱源１４０が含まれ、加熱素子１３５に動作可能に連結されていてよい。加熱源１４０は、電源を含み得る。いくつかの実施形態では、加熱素子１３５および加熱源１４０は、他の加熱手段を含んでよく、例えば、加熱素子１３５は、例えば産業廃棄物処理によって、かつ／またはガス炉によって生成された、高温液または低温液を循環させるパイプを含み得る。よって、加熱源１４０は、他の工業的プロセスおよび／またはガス炉を含み得る。他の実施形態では、加熱素子１３５は、赤外線吸収材料の層を含んでよく、加熱源１４０は、赤外光が加熱素子１３５に当たって加熱素子１３５の温度を上昇させるように位置する、赤外線源を含み得る。いくつかの実施形態では、太陽光が加熱源１４０として使用され得る。他の実施形態では、加熱素子１３５は、電磁吸収材料の層を含んでよく、加熱源１４０は、容器１０５内部に位置する電磁発電機を含み得る。

浄化システム１００は、ＴＤＳの多い液体１１０を容器１０５に提供し、かつ容器１０５内部におけるＴＤＳの多い液体１１０のレベルを制御する入力供給源１４５を含み得る。入力供給源１４５は、ポンプおよび／または他のシステム、ならびに容器１０５内部におけるＴＤＳの多い液体１１０のレベルを制御するフィードバックセンサを含み得る。浄化システム１００は、容器１０５内で生成された蒸気を凝縮して浄化された液体１５５を生じる凝縮装置１５０を含んでよく、浄化された液体１５５は、タンク１６０内に集められ得る。いくつかの実施形態では、凝縮装置１５０は、より冷たいＴＤＳの多い液体１１０と、より温かい蒸気１２０との熱交換を利用するため、蒸気１２０が蒸気用キャノピー１１５の上から加熱層１２５の下へと向けられるように、容器１０５の内側に含まれてよい。いくつかの実施形態では、凝縮装置１５０は、熱交換器である。

いくつかの実施形態では、浄化システム１００は、容器１０５内部の圧力を制御することができる圧力制御装置１７０を含み得る。容器１０５内の圧力を下げることで、ＴＤＳの多い液体１１０の沸点も下げることができる。さらに、容器１０５は、ＴＤＳの多い液体１１０および／または浄化プロセス中に生成されたあらゆる沈殿物を除去するためのポート１７５を含み得る。いくつかの実施形態では、表面張力を和らげ、加熱層１２５から蒸気泡が形成されるのを減少させるか、または妨害するために、攪拌器が含まれ得る。例としての攪拌器は、エアウェーブ発生器（例えば、ファン）、超音波源などを含む。

図２は、海水および／または汽水などの液体を浄化するための、別の例としての浄化システム２００の断面図である。図２の例としての浄化システム２００には容器１０５が無く、代わりに、浄化システム２００は、水域（例えば、海、湖など）の表面上に浮かぶことができる。この例としての実施形態では、フロート１３７は、蒸気用キャノピー１１５と、加熱層１２５と、加熱源１４０と、凝縮装置１５０と、タンク１６０と、を含め、浄化システム２００を支持することができる。

再び図１を参照すると、動作中、入力供給源１４５は、加熱層１２５より上に液体層１３０がくるようにＴＤＳの多い液体１１０を浄化システム１００に提供する。加熱源１４０により、加熱素子１３５の温度が上昇し、それによって、液体層１３０が加熱される。加熱素子１３５は、膜加熱が起こるような温度にされ得る。膜加熱は、加熱素子と液体沸点との温度差が９３℃以上になったときに起こる。蒸気１２０が生成され、これは、蒸気用キャノピー１１５の上部から出て、凝縮装置１５０内で凝縮されて、浄化された液体１５５を生じる。浄化された液体１５５は、タンク１６０の中に集まる。いくつかの実施形態では、界面活性剤が、ＴＤＳの多い液体１１０に添加されて、表面張力を低下させ、蒸発効率を改善することができる。

液体層１３０の厚さ、および加熱素子１３５の温度は、浄化のエネルギー効率を改善する（例えば、浄化された液体の単位当たりのエネルギー消費を減少させる）ように制御され得る。例えば、加熱層１２５は、液体層１３０の厚さが液体の比重の関数として変化し得るように、構成され得る。加熱素子１３５または加熱層１２５の温度は、液体の沸点を９３℃超上回るように制御され得る。いくつかの実施形態では、加熱素子１３５または加熱層１２５の温度は、液体の沸点を９３℃〜２００℃上回ってよい。例としての実施形態では、液体が海水、汽水、または工業廃水である場合、加熱素子１３５または加熱層１２５の温度は、少なくとも１９３℃であってよい。海水の沸点は、ＴＤＳのレベルに基づいて変化し得るが、典型的には１００℃〜１０３℃で変化し、そのため、加熱素子１３５または加熱層１２５の温度は、少なくとも１９３℃、少なくとも１９４℃、少なくとも１９５℃、または少なくとも１９６℃であってよい。他の温度も可能である。

さらに、液体層１３０の最適な厚さ（例えば、加熱層１２５の深さ）は、自由表面；ＴＤＳ；温度（混合平均／乾／湿球（bulk/dry/wet bulb））；境界層速度（boundary layer velocity）；および相対湿度を含む、水および空気（湿り空気の）条件によって左右され得る。いくつかの実施形態では、最適な厚さは、１ｍｍ〜２０ｍｍ、５ｍｍ〜１４ｍｍの範囲であるか、または、例えば、センサ、コントローラ、およびフィードバックシステムを用いて、望ましい蒸発率に従って調節される。最適な厚さは、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８、１９、および／または２０ｍｍを含み得る。いくつかの実施形態では、熱電冷却器／加熱器（ＴＥＣ）が、蒸気への正確な熱エネルギー伝達に用いられ得る（運動エネルギーは、ＫＥ＝３／２ｋ＊Ｔにより特徴づけられ、式中、ｋはボルツマン定数（Boltzman constant）であり、Ｔは温度である）。加熱層１２５の深さは、液体の表面から２０ｍｍ以下であってよいが、いくつかの実施形態では、加熱層１２５は、０．１平方メートル以上、例えば、１０平方メートルの面積を有し得る。

いくつかの実施形態では、膜加熱は、加熱層１２５上に蒸気泡の薄い膜を生じ、これは、ライデンフロスト効果としても知られる。この蒸気の膜は、蒸発効率に影響を及ぼし得る。それは、蒸気膜が、加熱層１２５の有効表面積を減少させ、それによりその液体が急速に蒸気を形成するのを防ぐことができるためである。いくつかの実施形態では、帯電プレートまたは素子が、加熱素子１３５と共に含まれて、加熱層１２５の近くの液体および／または蒸気分子に電荷を与えることができる。浄化システム１００内に配列された逆電荷のプレートと組み合わせて、液体および／または蒸気分子を帯電させると、帯電した液体および／または蒸気分子が加熱層１２５から引き離されて、それにより蒸気膜の形成を回避することができる。

図３Ａは、加熱層１２５の一部、および逆電荷のプレート３０５の断面図である。加熱層１２５は、帯電素子３１０を含み得る。帯電素子３１０は、極性液体および／または蒸気分子に電荷を与えることができ、極性液体および／または蒸気分子は、その後、逆電荷のプレート３０５に引きつけられる。液体および／または蒸気分子の動きにより、蒸気膜の形成を妨げることができる。逆電荷のプレートは、凝縮装置の近く、例えば、蒸気用キャノピー１１５の上部の近くに、位置し得る。いくつかの実施形態では、同じように帯電したプレートが、加熱層１２５に隣接して位置してよく、水分子が帯電すると、水分子は、この同じように帯電したプレートから跳ね返されるようになっている。

いくつかの実施形態では、加熱層１２５は、水分子に熱および電荷の両方を与えることができる、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み得る。図３Ｂは、ハイブリッドの加熱−帯電素子３１５の例としての実施形態の断面図である。ハイブリッドの加熱−帯電素子３１５は、熱電性であるか、または別の加熱手段に基づいていてよい、加熱素子３２０と、チューブ層３２５と、絶縁層３３０と、帯電プレートもしくはフィン３３５を含む。いくつかの実施形態では、絶縁層３３０は、電気絶縁性であるが、熱伝導性である。

いくつかの実施形態では、加熱層１２５は、トッププレートを含み得る。いくつかの実施形態では、加熱層１２５は、チューブまたはパイプから形成されている。図３Ｃは、例としての加熱層１２５の上面図である。チューブまたはパイプは、有効な被覆エリアにわたって延びる。チューブまたはパイプは、いくつかの実施形態では、プレートの実施形態と比べた場合に、周囲の液体に対して加熱層１２５が有する表面積を増やすために、使用され得る。

ＴＤＳの多い液体１１０の分子が蒸発するための十分なエネルギーを与えるために熱が必要である。必要なエネルギーは、溶液中の水の余分な熱力学ポテンシャルとして表され得る。このプロセスは、溶液から水を除去するため、および気化熱を供給するために、十分なエネルギーを必要とする。水を除去する際、必要なエネルギーの９９％超が、気化熱を供給するのに使われる。溶液の表面張力を克服する必要性は、エネルギーも要し得る。水が液体から蒸気になるために相転移が起こらなければならないので、このプロセスのエネルギー要件は、非常に高くなり得る。

一般的に、蒸発プロセスは、図４を参照して説明することができる。図４は、液体を浄化する、特に水を浄化するためのプロセスの概要を示す、プロセスフロー図４００である。このプロセスは、本主題のいくつかの態様によると低コストで高効率の浄化をもたらすことのできる、膜加熱を用いることを含み得る。

４０５で、海水および／または汽水などのＴＤＳの多い液体が提供され得る。海水は、概して３５０００百万分率（ｐｐｍ）の平均塩分濃度を有するが、塩分濃度は、例えば、海水を入手する海の深さに基づいて、さまざまであってよい。海水は、ポンプまたは他のシステムにより、提供され得る。４１０で、ＴＤＳの多い液体をろ過することができる。ろ過により、大きな物体または他のデブリをＴＤＳの多い液体から除去することができる。いくつかの実施形態では、ＴＤＳの多い液体は、ろ過する必要はない。

４１５では、膜加熱により、ＴＤＳの多い液体の温度を上げて蒸発させることができ、これにより蒸気が生成される。４２０では、蒸気は、例えば、蒸気層が加熱素子上で形成されるのを回避するために帯電素子を用いて、帯電され得る。４２５で、蒸気は凝縮され、４３０で（例えば、タンクの中に）集められ得る。４３５では、集められた液体は、調製／調薬され（dosed）てよく、これには、ＴＤＳのバランスを取ることが含まれ得る。これは、カルシウム、マグネシウム、塩化物、硫酸塩など（例えば、軟化水）などを含むＴＤＳを導入することを含み得る。４４０では、集められた液体が、紫外線放射で処理されて、集められた液体を滅菌することができる。４４５で、水がパッケージングおよび／または輸送に適切となり、生産水４５０を生じる。

一般に、蒸発とは、液体（例えば、表面膜）が気化して気相になることである。分子レベルでは、液体状態と蒸気状態との間に境界（厳密な分離点）はない。蒸発の速度は、水分子（例えば、表面）に影響を与える因子によって左右され得る。分子の運動エネルギーは、その温度に比例し、例えば、速いまたは高エネルギーの分子は、遅いまたは低エネルギーの分子と比べて、容易に逃げる。

したがって、蒸発速度は、少なくとも、温度；表面積；圧力；空気の動き；および／または界面からの蒸気除去；および表面張力（例えば、分子間の力（inter molecular forces）、濃度、放射率等）の関数となり得る。図５は、蒸発および凝縮の段階を示す、プロセスフロー図５００である。入力エネルギー５０５が、５１０で液体分子に加えられる。これにより、液体の温度、体積、および圧力を含め、運動エネルギーが増大する。５１５で、分子は蒸気として液体から逃げる。これらの蒸気は、５２０で帯電され、５２５で放電することができる。蒸気は、５３０で凝縮されて、液相に戻ることができる。

一般に、加熱された表面からの液体の気化（例えば、液体から気体への位相変化）は、プール沸騰、核沸騰、および膜沸騰の３つの異なる方法で起こり得る。プール沸騰は、気泡がほとんどもしくはまったく形成されず、かつ加熱素子の温度がほぼＴＤＳの多い液体の沸点である、対流性熱伝達である（例えば、飽和）。核沸騰は、蒸気泡が形成され、加熱素子の温度がＴＤＳの多い液体の沸点より高い、複雑な熱伝達プロセスである（例えば、気化）。膜沸騰は、加熱素子の表面を覆う蒸気の膜を作るものであり、加熱素子と沸点の温度差が２００°Ｆ（９３℃）以上になったときに起こる。

例としての浄化システム１００および２００は、膜加熱が加熱層１２５および加熱素子１３５の温度を制御することによって起こるように、動作され得る。図６は、追加の表示を含む、例としての浄化システム１００の断面図である。固形物がＴＤＳの多い液体１１０から沈殿し、塩分濃度の勾配が生じる。加熱層１２５の体積は、以下のとおり表すことができる。

水は、極性分子であり、（イオン性である）塩のような物質をよく溶解することができる。さらに、水は、熱の不良導体であり、かつ電気（溶解固形物／電極（塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）など）の良導体である。海水のＴＤＳは、３５，０００百万分率（ｐｐｍ）であるが、真水は５０〜５００ｐｐｍを有する。最後に、蒸発は、吸熱プロセスである。

本主題のいくつかの実施形態は、意図する用途によって調整され（scale）得る。例えば、図７は、平行な浄化システム１００_ｉ（ｉ＝１，２，・・・，Ｎ）を有するシステム７００を示すシステムブロック図である。Ｎ個の浄化システムは共通のタンク１６０を共有することができ、各浄化システム１００_ｉからの凝縮した液体は、その共通のタンク１６０に集められる。いくつかの実施形態では、各浄化システム１００_ｉは、共通の凝縮装置１５０を共有することができ、各浄化システム１００_ｉは蒸気を生成し、この蒸気は、共通の凝縮装置１５０により凝縮されて、共通のタンク１６０に集められる。浄化システム１００_ｉは、別個の加熱手段を有し得る（例えば、加熱は、気体、電気、および放射線／光に基づいていてよい）。他の構成も可能である。

エネルギーに関しては、加熱素子１３５を介して浄化システム１００に入力された熱は、ＴＤＳの多い液体１１０により吸収される熱に実質的に等しい。

加熱素子１３５により入力される熱は、以下のとおり表すことができる。

ＴＤＳの多い液体により吸収される熱は、以下のとおり表すことができる。

よって、ｋｇ／ｍ^３での密度は、以下のとおり表すことができる。
ρ（Ｓ，Ｔ）＝ρ_ｗ＝ρ_ｗ０
＋（８．２４４９３×１０^−１−４．０８９９×１０^−３Ｔ−７．６４３８×１０^−５Ｔ^２
−８．２４６７×１０^−７Ｔ^３＋５．３８７５×１０^−９Ｔ^４）Ｓ
＋（−５．７２４６６×１０^−３＋１．０２２７×１０^−４Ｔ−１．６５４６×１０^−６Ｔ^２）Ｓ^３／２
＋４．８３１４×１０^−４Ｓ^２

塩分濃度（Ｓ）は、海水の単位質量当たりの塩の質量であり、パーセンテージで、以下のとおり表すことができる。

温度を１℃上げるのに必要な単位質量当たりの熱量である、海水の比熱は、ｊ／ｋｇ°ｋで、以下のとおり表すことができる。

蒸発率は、以下のとおり表すことができる。

よって、気化の方程式は、以下のとおり表すことができ、

ここで、

である。

蒸発境膜係数（evaporation film coefficients）に対する放射の効果に関しては、加熱素子１３５の温度は、高くなる可能性があり、そのため、放射の効果が検討され得る。放射は、蒸気膜の厚さを増し（すなわち、蒸気膜は、加熱素子の周囲で形成される蒸気の層である）、境膜係数および対流性熱伝達の値を下げる。この効果は、以下のとおり表すことができる。

ここで、膜沸騰における総合熱伝達は、以下のとおり表すことができる。
Ｑ＝ｑＡ＝ｈ_totalＡ（Ｔ_Ｓ−Ｔ_ｓａｔ）
ｈ_ｒ＝放射境膜係数
ｈ_total＝総合境膜係数＝対流および放射熱伝達
かつ、

ここで、すべての性質は、蒸気圧に対応する飽和温度で評価することができる。さらに、以下のとおりである。

図８は、境膜係数と膜温度とのグラフであり、平らなプレートから海水が蒸発する特徴を示している。例示された値は、以下のとおりである。

前述のとおり、液体が、加熱された表面から気化している場合、位相変化は、３通りに起こり得る。プール沸騰では、加熱素子の温度は、液体沸騰／飽和の温度とほぼ等しい。核沸騰では、加熱素子の温度は、沸騰／気化の温度より高い。膜沸騰では、加熱素子と液体沸騰／気化の温度との温度差が、２００°Ｆまたは９３℃より大きい。

自然対流の境膜係数は、以下のとおり表すことができる。

いくつかの変形を詳細に前述してきたが、他の変更または追加も可能である。例えば、本明細書に記載する実施例では脱塩に言及しているが、本主題は、脱塩に限定されず、塩分除去のため；汚水、工業廃水、農業廃水などの廃水を処理する廃水処理プラント内；および他の同様の適用を含む、任意の液体材料の浄化に適用することができる。

さらに、加熱層１２５は、フロート１３７に加えていくつかの方法を使用して、例えば、加熱層１２５を容器１０５の側面に貼り付けて、ＴＤＳの多い液体１１０の体積を制御し、液体層１３０の存在を確実にすることによって、ＴＤＳの多い液体１１０中に浮遊され得る。さらに、加熱の動作原理（例えば、気体、電気、廃棄物処理、赤外線放射、太陽放射、電磁放射など）だけでなく、加熱層１２５のサイズおよび面積は、さまざまであってよい。

前述した説明および特許請求の範囲において、「〜のうちの少なくとも１つ」または「のうちの１つ以上」という語句が、要素または特徴部の結合的なリストに続いて現れる場合がある。「および／または」という用語も、２つ以上の要素または特徴部のリスト内に現れる場合がある。使用される文脈によって暗にまたは明白に否定されない限り、このような語句は、列挙された要素または特徴部のいずれかを個々に、あるいは、列挙された要素または特徴部のいずれかを、列挙された他の要素または特徴部のいずれかと組み合わせたものを、意味することが意図されている。例えば、「ＡおよびＢのうちの少なくとも１つ」、「ＡおよびＢのうちの１つ以上」、「Ａおよび／またはＢ」という語句はそれぞれ、「Ａ単独、Ｂ単独、またはＡとＢとを一緒に」と意味することが意図されている。３つ以上のアイテムを含むリストについても、同様の解釈が意図されている。例えば、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの少なくとも１つ」、「Ａ、Ｂ、およびＣのうちの１つ以上」、「Ａ、Ｂ、および／またはＣ」という語句はそれぞれ、「Ａ単独、Ｂ単独、Ｃ単独、ＡとＢとを一緒に、ＡとＣとを一緒に、ＢとＣとを一緒に、またはＡとＢとＣとを一緒に」と意味することが意図されている。さらに、前記および特許請求の範囲において、「〜に基づいて」という用語を使用することは、「〜に少なくとも部分的に基づいて」と意味することを意図しており、列挙されていない特徴部または要素も許容される。

本明細書に記載する主題は、所望の構成に応じて、システム、器具、方法および／または物品において具体化される。前記の説明に記載した実施形態は、本明細書に記載する主題と一致する全ての実施形態を表しているわけではない。代わりに、これらは、単に、記載する主題に関連した態様と一致するいくつかの例に過ぎない。いくつかの変形を詳細に前述しているが、他の改変または追加が可能である。本明細書に記載したものに加えて、特に、さらなる特徴部および／または変形が、提供され得る。例えば、前記に説明した実施形態は、開示した特徴部のさまざまな組み合わせおよび部分的組み合わせ、ならびに／または前記に開示したいくつかのさらなる特徴部の組み合わせおよび部分的組み合わせに関連し得る。さらに、添付図面に描かれ、かつ／または本明細書に記載された論理の流れは、望ましい結果を達成するために、必ずしも図示した特定の順序、または順番を必要とするわけではない。特許請求の範囲内に、他の実施形態が含まれ得る。

〔実施の態様〕
（１） 液体浄化のための器具において、
蒸気を集めるための蒸気用キャノピーと、
前記蒸気用キャノピーより下にあり、液体中に浸されるように構成された加熱層であって、前記加熱層は、前記液体により実質的に囲まれ、前記液体の表面から１ｍｍ〜２０ｍｍの深さに位置しており、前記加熱層は、前記液体の沸点を少なくとも９３℃超える温度に加熱されるように構成されている、加熱層と、
を含む、器具。
（２） 実施態様１に記載の器具において、
前記液体を保持するための容器をさらに含み、
前記加熱層は、前記容器内部に収容されている、器具。
（３） 実施態様１に記載の器具において、
前記加熱層に連結され、前記液体中で前記加熱層を浮遊させるフロートをさらに含み、前記加熱層の深さは、前記液体の体積に関わらず、実質的に一定のままである、器具。
（４） 実施態様３に記載の器具において、
前記フロートはさらに、前記蒸気用キャノピーに連結され、前記蒸気用キャノピーを前記液体の上で支持し、
前記蒸気用キャノピーは、水域上に浮遊するように構成されている、器具。
（５） 実施態様１に記載の器具において、
前記加熱層は、少なくとも１つの加熱素子を含み、
前記加熱素子は、電気的加熱素子、気体加熱素子、強制熱水加熱素子、赤外線吸収材料、または電磁吸収材料を含む、器具。

（６） 実施態様１に記載の器具において、
前記加熱層は、前記加熱層の近くの液体または蒸気分子上に電荷を与える帯電素子をさらに含む、器具。
（７） 実施態様６に記載の器具において、
帯電した液体または蒸気分子を前記加熱層から引き離し、前記加熱層上での蒸気膜の形成に抵抗するために、逆電荷の素子をさらに含む、器具。
（８） 実施態様１に記載の器具において、
前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
加熱素子と、
帯電フィンと、
前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
を含み、
前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、器具。
（９） 実施態様１に記載の器具において、
赤外線源、電磁波源、または電源を含む加熱源をさらに含む、器具。
（１０） 実施態様９に記載の器具において、
前記加熱源は、赤外線源を含み、前記加熱層は、赤外線吸収材料を含む、器具。

（１１） 実施態様１に記載の器具において、
前記液体は、海水、廃水、または汽水である、器具。
（１２） 実施態様１に記載の器具において、
前記加熱層は、少なくとも１９３℃の温度に加熱されるように構成されている、器具。
（１３） 実施態様１に記載の器具において、
前記液体の表面高さを制御するように構成された入力供給源をさらに含む、器具。
（１４） 実施態様１に記載の器具において、
前記加熱層は、前記液体の表面から５ｍｍ〜１４ｍｍの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。
（１５） 実施態様１に記載の器具において、
前記加熱層は、約１４ｍｍの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。

（１６） 方法において、
全溶解固形物（ＴＤＳ）が多い液体を、蒸気用キャノピーの下に配列された加熱層に提供することであって、前記加熱層は、前記ＴＤＳの多い液体によって実質的に囲まれ、前記ＴＤＳの多い液体の表面から１ｍｍ〜２０ｍｍの深さに位置するように、前記ＴＤＳが多い液体中に浸される、ことと、
前記加熱層を、前記ＴＤＳの多い液体の沸点を少なくとも９３℃超える温度に加熱して、蒸気を生成することと、
前記蒸気用キャノピーおよび凝縮装置により前記蒸気を集めることと、
を含む、方法。
（１７） 実施態様１６に記載の方法において、
帯電素子を用いて前記蒸気を帯電させて、前記加熱層上での蒸気層の形成を回避することをさらに含む、方法。
（１８） 実施態様１６に記載の方法において、
前記加熱層は、約１４ｍｍの深さで前記液体中に浸される、方法。
（１９） 実施態様１６に記載の方法において、
前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
加熱素子と、
帯電フィンと、
前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
を含み、
前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、方法。
（２０） 実施態様１６に記載の方法において、
全溶解固形物（ＴＤＳ）の多い液体を提供することは、前記蒸気用キャノピーおよび加熱素子を海水域中に置くことを含む、方法。

（２１） 本明細書中で説明または例示された、器具、システム、技術、および物品。

海水および／または汽水などの液体を浄化するための、例としての浄化システムの断面図である。 海水および／または汽水などの液体を浄化するための、別の例としての浄化システムの断面図である。 加熱層の一部および逆電荷のプレートの断面図である。 ハイブリッドの加熱−帯電素子の、例としての実施形態の断面図である。 例としての加熱層の上面図である。 液体を浄化するための、例としてのプロセスの概観を示すプロセスフロー図である。 蒸発および凝縮の段階を示すプロセスフロー図である。 追加の表示を含む、例としての浄化システムの断面図である。 平行な浄化システムを含むシステムを示す、システムブロック図である。 平坦なプレートからの海水蒸発の特徴を示す、境膜係数と膜温度とのグラフである。

Claims (21)

1. 液体浄化のための器具において、
   蒸気を集めるための蒸気用キャノピーと、
   前記蒸気用キャノピーより下にあり、液体中に浸されるように構成された加熱層であって、前記加熱層は、前記液体により実質的に囲まれ、前記液体の表面から１ｍｍ〜２０ｍｍの深さに位置しており、前記加熱層は、前記液体の沸点を少なくとも９３℃超える温度に加熱されるように構成されている、加熱層と、
   を含む、器具。
2. 請求項１に記載の器具において、
   前記液体を保持するための容器をさらに含み、
   前記加熱層は、前記容器内部に収容されている、器具。
3. 請求項１に記載の器具において、
   前記加熱層に連結され、前記液体中で前記加熱層を浮遊させるフロートをさらに含み、前記加熱層の深さは、前記液体の体積に関わらず、実質的に一定のままである、器具。
4. 請求項３に記載の器具において、
   前記フロートはさらに、前記蒸気用キャノピーに連結され、前記蒸気用キャノピーを前記液体の上で支持し、
   前記蒸気用キャノピーは、水域上に浮遊するように構成されている、器具。
5. 請求項１に記載の器具において、
   前記加熱層は、少なくとも１つの加熱素子を含み、
   前記加熱素子は、電気的加熱素子、気体加熱素子、強制熱水加熱素子、赤外線吸収材料、または電磁吸収材料を含む、器具。
6. 請求項１に記載の器具において、
   前記加熱層は、前記加熱層の近くの液体または蒸気分子上に電荷を与える帯電素子をさらに含む、器具。
7. 請求項６に記載の器具において、
   帯電した液体または蒸気分子を前記加熱層から引き離し、前記加熱層上での蒸気膜の形成に抵抗するために、逆電荷の素子をさらに含む、器具。
8. 請求項１に記載の器具において、
   前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
   前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
   加熱素子と、
   帯電フィンと、
   前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
   を含み、
   前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、器具。
9. 請求項１に記載の器具において、
   赤外線源、電磁波源、または電源を含む加熱源をさらに含む、器具。
10. 請求項９に記載の器具において、
    前記加熱源は、赤外線源を含み、前記加熱層は、赤外線吸収材料を含む、器具。
11. 請求項１に記載の器具において、
    前記液体は、海水、廃水、または汽水である、器具。
12. 請求項１に記載の器具において、
    前記加熱層は、少なくとも１９３℃の温度に加熱されるように構成されている、器具。
13. 請求項１に記載の器具において、
    前記液体の表面高さを制御するように構成された入力供給源をさらに含む、器具。
14. 請求項１に記載の器具において、
    前記加熱層は、前記液体の表面から５ｍｍ〜１４ｍｍの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。
15. 請求項１に記載の器具において、
    前記加熱層は、約１４ｍｍの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。
16. 方法において、
    全溶解固形物（ＴＤＳ）が多い液体を、蒸気用キャノピーの下に配列された加熱層に提供することであって、前記加熱層は、前記ＴＤＳの多い液体によって実質的に囲まれ、前記ＴＤＳの多い液体の表面から１ｍｍ〜２０ｍｍの深さに位置するように、前記ＴＤＳが多い液体中に浸される、ことと、
    前記加熱層を、前記ＴＤＳの多い液体の沸点を少なくとも９３℃超える温度に加熱して、蒸気を生成することと、
    前記蒸気用キャノピーおよび凝縮装置により前記蒸気を集めることと、
    を含む、方法。
17. 請求項１６に記載の方法において、
    帯電素子を用いて前記蒸気を帯電させて、前記加熱層上での蒸気層の形成を回避することをさらに含む、方法。
18. 請求項１６に記載の方法において、
    前記加熱層は、約１４ｍｍの深さで前記液体中に浸される、方法。
19. 請求項１６に記載の方法において、
    前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
    前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
    加熱素子と、
    帯電フィンと、
    前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
    を含み、
    前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、方法。
20. 請求項１６に記載の方法において、
    全溶解固形物（ＴＤＳ）の多い液体を提供することは、前記蒸気用キャノピーおよび加熱素子を海水域中に置くことを含む、方法。
21. 本明細書中で説明または例示された、器具、システム、技術、および物品。

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