JP2020518451A - 流体力学的なキャビテーションを利用して逆浸透浄水システムにおける膜のファウリングを防止するためのシステム及び方法 - Google Patents
流体力学的なキャビテーションを利用して逆浸透浄水システムにおける膜のファウリングを防止するためのシステム及び方法 Download PDFInfo
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Abstract
本開示は、少なくとも1つの膜を有する流体処理システムにおいて膜のファウリングを防止する方法を提供する。この方法は、流体の流れを流体処理システムに注入して少なくとも1つの膜に通す前に、流体の流れを流体力学的にキャビテーションすることを記載し、キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、流体中の固体成分がそれらの(i)分子構造、(ii)電荷、又はその両方を変化させ、その結果、それら成分が互いに反発し合い、膜の縁の周りに分散してファウリングを防止する。少なくとも1つの膜を有する流体処理システムにおいて膜のファウリングを防止するためのシステムも提供される。
Description
関連出願の相互参照
本出願は、2017年5月8日に提出された米国仮特許出願第62503313号の利益を主張する。
本出願は、2017年5月8日に提出された米国仮特許出願第62503313号の利益を主張する。
発明の分野
本発明は流体の修復に関し、より詳細には、一般には流体処理システム、より具体的には逆浸透(reverse osmosis;RO)システムに関する膜のファウリング及び/又はスケーリングを防止又は回避するために流体力学的キャビテーションを利用するシステム及び方法に関する。
本発明は流体の修復に関し、より詳細には、一般には流体処理システム、より具体的には逆浸透(reverse osmosis;RO)システムに関する膜のファウリング及び/又はスケーリングを防止又は回避するために流体力学的キャビテーションを利用するシステム及び方法に関する。
発明の背景
人間の多くの多様な活動により、無数の廃棄物と副産物が生産される。汚染物の環境、健康、産業への影響が増大するにつれて、汚染水やその他の液体から広範囲の汚染物質を迅速且つ効率的に除去する新しい方法を開発することがますます重要になっている。修復は、しばしば言及されるように、流体から汚染物及びその他の安全でない物質を削減又は排除することを目的としている。
人間の多くの多様な活動により、無数の廃棄物と副産物が生産される。汚染物の環境、健康、産業への影響が増大するにつれて、汚染水やその他の液体から広範囲の汚染物質を迅速且つ効率的に除去する新しい方法を開発することがますます重要になっている。修復は、しばしば言及されるように、流体から汚染物及びその他の安全でない物質を削減又は排除することを目的としている。
修復の多くの方法が存在する。いくつかの生物学的処理技術には、バイオオーグメンテーション、バイオベンティング、バイオスパージング、バイオスラーピング、及びファイトレメディエーションが含まれる。一部の化学処理技術には、オゾン及び酸素ガスの注入、化学沈殿、膜分離、イオン交換、炭素吸収、水性化学酸化、及び界面活性剤強化回収が含まれる。一部の化学技術は、ナノ材料を使用して実践することができる。物理的処理技術には、ポンプ及び処理、空気散布、及び二相抽出が含まれるが、これらに限定されない。
膜技術の使用を組み込んだ修復技術の一例は、逆浸透(RO)であり、これは、水を圧力下に半透膜に押し通すことによって汚染水からイオン、分子、及びより大きな粒子を除去するために半透膜を使用する浄水技術である。半透膜は、水分子の通過を可能にするが、溶解した塩、有機物、バクテリア、及び発熱物質の大部分を通過させない膜である。
ROは、高圧ポンプを使用することによって機能し、ROの塩側の圧力を高め、水を半透膜に強制的に通し、溶解した塩のほとんどすべてを拒絶ストリーム中に残す。脱塩又は脱イオン化された脱塩水は、透過水と呼ばれる。RO膜を通過しなかった濃縮汚染物質を運ぶ水ストリームは、拒絶(又は濃縮)ストリームと呼ばれる。供給水が圧力下にRO膜に入ると、水分子は半透膜を通過し、塩やその他の汚染物質は通過できず、濃縮物ストリームを介して排出される。一部のROシステムでは、濃縮物ストリームを供給水の供給を介してROシステムに戻し、ROシステムを介してリサイクルすることができる。RO膜を通過する水は透過水又は生産水と呼ばれ、通常は溶解した塩の約95%〜99%が除去されている。
逆浸透は、細菌を含む多くのタイプの溶解及び懸濁種を水から除去することができ、工業プロセス及び飲料水の生産の両方で使用される。その結果、溶質は膜の加圧側に保持され、純粋な溶媒は反対側に通過することができる。「選択的」であるために、この膜は大きな分子又はイオンが細孔(穴)を通過することを許容せず、溶液のより小さな成分(溶媒分子など)が自由に通過することを許容するべきである。溶質には、多くの場合、シリカ、バリウム、その他の固体が含まれる。RO膜の例は、米国特許第4,277,344号に開示されている。これは、少なくとも2つの第一級アミン置換基を有する芳香族ポリアミンと少なくとも3つのアシルハライド置換基を有する芳香族アシルハライドとの界面反応生成物である芳香族ポリアミドフィルムを記載している。
ROはそれ自体効率的であるが、汚染物が膜表面に蓄積する場合に生じ、膜を効果的にふさぎ、その修復効果を劇的に低下させる「膜のファウリング」と呼ばれるものに起因する問題が存在する。通常、ファウリングはROシステムの前端部で発生し、ROシステム全体のより高い圧力損失をもたらし、したがってより低い透過液の流量をもたらす。ファウリングは、主に次の3つの原因によって生じる。すなわち、(i)供給水中の粒子(例えば、溶質又は濃縮物);(ii)まばらに溶解する鉱物の蓄積;及び(iii)微生物の成長の副産物。ファウリングのため、膜は頻繁に洗浄する必要があるが、これは費用がかかり、より多くのメンテナンスを必要とするのでシステムの効率が全体的に低下する。さらに、膜の洗浄は多くの場合高価であり、膜要素の寿命を短くする。これは、膜要素の完全な交換が唯一の適切な解決策である膜を不可逆的に汚す可能性がある複数のファウリング条件が存在する場合に特に当てはまる。
機械的及び化学的処理の両方を使用するいくつかの前処理方法は膜のファウリングを軽減することが示唆されている。例えば、スケール防止剤を、RO膜に到達する前に供給部に注入することができる。しかしながら、これはスケール形成プロセスを遅らせるだけである。この遅延は、炭酸カルシウムと硫酸カルシウムが膜表面に沈殿するのを回避するのに十分である。この遅延は有限期間の間であるため、シャットダウン時にシステムでスケーリングが発生する可能性がある。別の例は、分散剤が供給水に注入され得ることである。分散剤は、微細な懸濁固体が凝固して膜表面に落ちることを防止する。分散剤を適切に使用することで、事前ろ過が困難な問題の微粒子に起因するファウリングを最小限に抑えることができる。しかしながら、分散剤にはスケール防止剤と同じ問題がある。例えば、米国特許第6365101号は、多価金属シリケート及び多価金属炭酸塩の少なくとも1つを含む水系におけるスケール沈積を抑制する方法を開示しており、ここで水系は少なくとも約9のpHを有し、スケール防止剤の平均粒径は約3ミクロン未満である。
別の前処理解決策は、ファウリングの防止を支援するための多媒体フィルタの使用を含む。多媒体フィルタには、通常、無煙炭、砂、ガーネットからなる3つのレベルの媒体が含まれ、底部に砂利の支持層がある。このフィルタ媒体の配置により、媒体床の頂部付近で最大の汚れ粒子を除去し、より小さい汚れ粒子を媒体のより深いところで保持することができる。これにより、床全体が、フィルタの実行時間が大幅に長くなり且つ粒子をより効率的に除去できるフィルタとして機能することが可能になる。さらなる方法は、精密ろ過膜、スケール形成イオンを非スケール形成イオンと交換するのに役立つ軟水剤、重亜硫酸ナトリウムの挿入、及び粒状活性炭の使用も含む。
しかしながら、これらの現在の前処理方法は費用がかかる可能性があり、非効率であると見なされ得る速度でファウリングが依然として発生する。さらに、どの程度の注意を払っても、前処理と洗浄のスケジュールがどれほど効果的であっても、RO膜の非常に微細な細孔サイズを考えると、最終的にある程度のファウリングが発生する。
したがって後処理方法も同様に提案されている。例えば、膜表面の電荷を変化させて特定の溶質をはじく方法が提案されており、膜表面の特定のコーティングが開示されている。例えば、米国特許第6913694号は、以下のことを記載している。すなわち、選択的な膜が、親水性コーティングが膜のポリアミド層に適用された複合ポリアミド逆浸透膜であり、親水性コーティングは(i)少なくとも2つのエポキシ基を含む多官能エポキシ化合物のある量を膜に適用し、(ii)次いで、水不溶性ポリマーを生じるような方法で多官能エポキシ化合物を架橋することによって形成されることを記載している。
さらに、米国特許第9089820号は、親水性化合物をポリアミド膜に共有結合することによって作られた親水性コーティングを有する複合ポリアミド逆浸透膜である選択的な膜を記載しており、前記親水性化合物は(i)ポリアミド膜に直接共有結合するように適合された反応基であって、第一級アミン及び第二級アミンの少なくとも1つである反応基;(ii)非末端ヒドロキシル基;及び(iii)アミド基を含む。別の実施形態では、親水性化合物は、(i)ポリアミド膜に直接共有結合するように適合された反応性基であって、第一級アミン及び第二級アミンの少なくとも1つである反応基;(ii)ヒドロキシル基;及び(iii)アミド基であって、アルキル基及びアルケニル基の一方によってヒドロキシル基に直接結合されているアミド基を含む。
しかしながら、これらの方法は、中程度の成功しか達成しておらず、費用がかかり、また膜の洗浄をより困難にしている可能性がある。したがって、膜のファウリングを防止するための改善されたシステム及び方法が必要とされている。1つの潜在的な解決策は、汚染水がRO膜を通過する前に、流体力学的キャビテーションを使用することであり得る。
キャビテーションは、一般に、小さな液体のないゾーンを作り出す液体中の蒸気空洞の形成である。工学用語では、キャビテーションという用語は狭い意味で使用される、すなわち、液体システムの動的な作用によって生じる局所的な圧力低下によって生じる内部又は固体境界での蒸気で満たされた空洞の形成を表すために使用される。
流体力学的キャビテーションでは、液体中の流体力学的キャビテーション事象を引き起こす水中ジェットの使用により汚染除去を達成することができる。これらのキャビテーション事象は、強力な酸化剤と還元剤を生成し、汚染有機化合物と一部の無機物を効率的に分解及び破壊することにより、化学反応を促進する。これらの同じキャビテーション事象は、微生物(大腸菌及びサルモネラなど)及び幼虫(ゼブラ貝の幼虫など)の細胞壁又は外膜の物理的破壊又は破損、及び、これらの生物の破壊を支援する、過酸化物、ヒドロキシルラジカル等などの殺菌化合物の生成の両方を行う。細胞壁又は外膜の破壊後、内部細胞成分は酸化されやすくなる。
キャビテーション技術は、農業、鉱業、医薬品、食品及び飲料の製造及び加工、漁業、石油及びガスの生産及び加工、水処理及び代替燃料を含むがこれらに限定されない、多種多様な産業的及び生態学的修復環境において使用される。このように幅広い使用分野で、企業はキャビテーション技術をさらに開発することにますます熱心になっている。
いくつかの例は、米国特許第5,749,384号(林ら)及び米国特許第4,508,577号(Connら)に開示されている洗浄及び保守目的のための回転ジェットノズルの使用を含む。林の装置は、ジェットノズル自体を上下に移動させ、回転及び揺動させることができる駆動機構を採用している。Connらは、導管の内壁を洗浄するための少なくとも2つのジェット形成手段を含む洗浄ヘッドの回転を記載している。
これらの現在の流体力学的キャビテーション技術は、多くの場合、ROにおいて膜のファウリングの原因であるとしばしば判明する種類など、懸濁固体の粒子分布サイズを減少させることを目的としている。キャビテーションの利用が進歩したにもかかわらず、膜のファウリングの防止を支援するためにキャビテーションの利点を活用することができるROと組み合わせたキャビテーションの使用は驚くべきことにほとんど又はまったくない。したがって、膜のファウリングの可能性も低減するより効率的且つ効果的なROプロセスを作り出すために流体力学的キャビテーションをROに組み込む新しいシステム及び方法が必要とされている。
発明の概要
本発明のいくつかの態様及び特徴の基本的な理解を提供するために、本発明の以下の概要が提供される。この概要は、本発明の広範な概要ではなく、したがって、本発明の重要な又は決定的な要素を特に識別することも、本発明の範囲を線引きすることも意図していない。その唯一の目的は、以下に提示するより詳細な記載の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。
本発明のいくつかの態様及び特徴の基本的な理解を提供するために、本発明の以下の概要が提供される。この概要は、本発明の広範な概要ではなく、したがって、本発明の重要な又は決定的な要素を特に識別することも、本発明の範囲を線引きすることも意図していない。その唯一の目的は、以下に提示するより詳細な記載の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。
前述の及び他の態様を達成するために、及び本発明の目的によれば、流体処理システムにおける膜のファウリングを防止するためのシステム及び方法。
本発明の一実施形態では、膜のファウリングを防止するためのシステムが提供され、流体処理システムにおける膜のファウリングを防止するためのこのシステムは、少なくとも1つの膜を有し、このシステムは、流体の流れを流体処理システムに注入して少なくとも1つの膜に通す前に、流体の流れをキャビテーションするための流体力学的キャビテーション反応器を備え、キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、流体中の固体成分がそれらの(i)分子構造、(ii)電荷、又はその両方を変化させ、その結果、それら成分が互いに反発し合い、膜の縁の周りに分散してファウリングを防ぐ。
本発明の一実施形態では、少なくとも1つの膜を有する流体処理システムにおいて膜のファウリングを防止する方法が提供される。この方法は、流体の流れを流体処理システムに注入して少なくとも1つの膜に通す前に、流体の流れを流体力学的にキャビテーションすることを含み、キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、流体中の固体成分がそれらの(i)分子構造、(ii)電荷、又はその両方を変化させ、その結果、それら成分が互いに反発し合い、膜の縁の周りに分散してファウリングを防ぐ。
この方法は、例えば、地方自治体による飲料水、脱塩、農業、鉱業、医薬品、食品及び飲料の製造及び加工、漁業、石油及びガスの生産及び処理、水処理及び代替燃料を含む産業的及び環境的修復環境などの分野で有用である。特に、本システム及び方法は、逆浸透システム及び水脱塩など、ファウリングしやすい膜を有するフィルタを利用する環境で有用である。
本発明の別の目的は、構築するのに容易且つ安価である新しく改善されたシステム及び方法を提供することである。
本発明の他の特徴、利点、及び態様は、添付の図面と併せて読まれるべき以下の詳細な記載からより明らかになり、より容易に理解されるであろう。
本発明は添付図面の図において限定としてではなく例として示されており、図中、同様の参照番号は同様の要素を指す。
特に断りのない限り、図中の絵は必ずしも原寸に比例して描かれているわけではない。
好ましい実施形態の詳細な記載
本発明は、本明細書に記載される詳細な図及び記載を参照することにより最良に理解される。
本発明は、本明細書に記載される詳細な図及び記載を参照することにより最良に理解される。
図面を参照して本発明の実施形態を以下で考察する。しかしながら、当業者は、これらの図に関して本明細書で与えられる詳細な記載が説明目的のためであり、本発明はこれらの限定された実施形態を超えて広がることを容易に理解するであろう。例えば、当業者は、記載され示されている以下の実施形態の特定の実装の選択肢を超えて、特定の用途の必要性に依存して、本明細書に記載される任意の所与の機能を実装するための多数の代替的且つ適切なアプローチを本発明の教示に照らして認識するであろうことは理解されるはずである。すなわち、列記するには多すぎるが本発明の範囲内にすべて収まる、本発明の多数の修正及び変形が存在する。
さらに、本発明は、本明細書に記載の特定の方法論、化合物、材料、製造技術、使用、及び用途に限定されず、これらは変化する可能性があることを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記載するためにのみ使用され、本発明の範囲を限定することを意図するものではないことも理解されたい。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される際、単数形「1つの(a)」、「1つの(an)」、及び「その(the)」は、文脈が明確に別の指示をしない限り、複数の言及を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば、「要素(an element)」への言及は、1つ又は複数の要素への言及であり、当業者に知られているその同等物を含む。同様に、別の例では、「ステップ(a step)」又は「手段(a means)」への言及は、1つ又は複数のステップ又は手段への言及であり、サブステップ及び補助手段を含み得る。使用されるすべての接続詞は、可能な限り最も包括的な意味で理解されるべきである。したがって、文脈が明確に別に強制しない限り、「又は(or)」という言葉は、論理的な「排他的な又は」の定義ではなく、論理的な「又は」の定義を有するものとして理解されるべきである。本明細書に記載される構造は、そのような構造の機能的同等物も指すと理解されるべきである。文脈が明確に別の指示をしない限り、近似を表現すると解釈される可能性のある言語は、そのように理解されるべきである。
本明細書で使用される際、「濃縮物ストリーム」という用語は、RO膜を通過しなかった濃縮汚染物質を運ぶ水のストリームを意味するものとする。本明細書では、拒絶水を「拒絶ストリーム」と呼ぶこともある。
本明細書で使用される際、「汚染水」という用語は、溶解塩、有機物、細菌、及び発熱物質と組み合わせた水分子を意味するものとする。
本明細書で使用される際「透過水」という用語は、RO膜を通過した後に脱塩又は脱イオン化された脱塩水を意味するものとする。本明細書では、透過水を「生産水」と呼ぶこともある。
特に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の熟達者によって共通に理解されるのと同じ意味を有する。好ましい方法、技術、デバイス、及び材料が記載されているが、本明細書に記載されているものと類似又は同等の任意の方法、技術、デバイス、又は材料が、本発明の実施又は試験に使用されてよい。本明細書に記載される構造は、そのような構造の機能的同等物も指すと理解されるべきである。ここで、添付図面に示される実施形態を参照して、本発明を詳細に記載する。
当業者は、本発明の教示に従って、前述のステップ及び/又はシステムモジュールのいずれも、適切に交換、並べ替え、除去することができ、追加のステップ及び/又はシステムモジュールを特定の用途の必要性に依存して挿入できること、及び、前述の実施形態のシステムは、多様な適切なプロセス及びシステムモジュールのいずれかを使用して実装でき、いずれの特定のコンピュータハードウェア、ソフトウェア、ミドルウェア、ファームウェア、マイクロコード等にも限定されないことを容易に認識するであろう。コンピューティングマシン上で実行できる本出願に記載のいずれの方法ステップについても、典型的なコンピュータシステムが、適切に構成又は設計されている場合、本発明のこれらの態様を具現化できるコンピュータシステムとして機能することができる。
本発明の例示的な実施形態はキャビテーションが使用される特定の産業を参照して記載されるが、当業者は、本発明の実施形態が、キャビテーションが有益ないずれのタイプの用途にも適用可能であることを認識するだろう。
本発明のシステム及び方法は、膜のファウリングを防ぎ、流体を修復する。このシステムは、通常の環境では濾過システムの膜を詰まらせたりファウリングしたりする有機及び無機濃縮物の分子及び/又は構造特性を変更するように構成されている。本汚染除去システムの詳細な要素及び特定の実施形態は、物理的及び化学的汚染除去反応を促進するために使用されるキャビテーション現象をさらに理解することにより最良に理解することができる。流れの圧力降下が大きいため、圧力降下の領域で微細な気泡が成長し、圧力上昇の領域で崩壊する。キャビテーションにさらされると、液体中の様々な分子が解離し、フリーラジカルを形成する。これは強力な酸化剤又は還元剤である。例えば、水性液体中、微細な気泡の成長と崩壊による激しいキャビテーションの下で、ヒドロキシルラジカルを形成するための水の解離が起こる。他の分子の類似の解離は、水溶液並びに非水性液体及び溶液中のキャビテーションの結果として起こり、本明細書に記載の汚染除去反応を同様に支援するラジカルを生成する可能性がある。さらに、液体環境で生成されるキャビテーションは、特定のラジカルの生成に関係なく、汚染物質の物理的破壊をもたらし得る。本発明の方法及びシステムは、使用されるキャビテーションの物理的及び/又は化学的効果による分解を受けやすい汚染物質を含むすべての流体環境に適用可能である。
本発明者らは、本明細書に記載のシステム及び方法を使用して、本明細書に記載のように、濃縮物が形態を変化させ、RO膜の膜をファウリングしないことを発見した。本発明者らは、本システム及び方法が、膜技術を利用する他のタイプの濾過に有用であることも発見した。
ここで図1を参照すると、本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復システムの概略図が全体的に100で示されている。システム100は、入口102及び様々な出口104A〜Eに結合された流体力学的キャビテーションシステム158とRO膜160とを画定する。現在の実施形態では、1つの入口102及び5つの出口104A〜Eがあるが、任意選択の実施形態では、より多い又はより少ない数の入口及び/又は出口があってもよい。
なおも図1を参照すると、修復チャネル101は、ポンプ126を使用して、162で表される経路に沿って汚染水をシステム100に導入するように構成される。修復チャネル101を通過する汚染水は、最初は未加工で、茶色又は黒色であり得、沈殿物、汚染物等を含み得、流体力学的キャビテーションシステム158に結合されたポンプ126によって流体力学的キャビテーションシステム158に導入される。ポンプ126は、処理のために汚染水を流体力学的キャビテーションシステム158に供給するために使用される。
現在の実施形態では、高圧で動作するように構成されたポンプ148は1つのみ存在する。任意選択の実施形態において、ポンプ148は、汚染水内に見られる異なるタイプの汚染物質(例えば、ヒ素、鉛、ラジウム、カドミウム、及び亜鉛)の濃度を説明するために異なる圧力で運転されてもよい。さらに他の任意選択の実施形態において、複数のポンプ148が使用されてもよい。
図1には単純な長方形タンクが示されているが、様々なサイズ、形状、容器の位置、及び様々なサイズの構成要素の数を使用できることを理解されたい。
なおも図1を参照すると、ここでは入口102を起点として、システムは、センサハウジング106、第1の弁108、複数の注入器コイル110、添加剤ポート112、及び流量計114を備える。本明細書で使用される際、システムのこの領域は、「プリキャビテーションゾーン」又は「混合ゾーン」と呼ばれることがある。システムは、第1の空気注入器116及び第2のセンサアレイ118をさらに備え、その後に渦板146及び第2の空気注入器120が続くことができる。追加のセンサ(例えば、圧力センサ124)及び第2の弁122も示されている。次いで、修復チャネル101は、出口104に続く。本明細書で使用される際、システムのこの領域は、本明細書では「キャビテーションゾーン」144と呼ばれることがある。
なおも図1を参照すると、センサハウジング106は、入口102に近接して配置され、修復チャネル101に通信可能に結合され、その結果、修復される汚染水がプリキャビテーションゾーンに入る前に試験及び監視される。本発明の任意選択の実施形態では、修復流体のサンプルが試験のためにオフショットされるように、分岐経路128及び弁108が提供される。進入経路132は、進入経路132に結合された弁134(例えば、チョーク弁)を介して試験流体を修復チャネル101に注入し戻すためにさらに提供される。センサハウジング106は、プロセスの自動化、特徴付け及び監視に使用されるセンサのアレイを備え得る。例えば、センサアレイは、機械式センサ、電子機器、分析及び化学センサ、制御システム、遠隔測定システム、及び、図9に関連してより詳細に考察する、センサがプログラマブルロジックコントローラ(PLC)と通信することを可能にするソフトウェアを含む、多数の様々な構成要素を含み得る。
なおも図1を参照すると、本発明の現在の実施形態では、センサハウジング106は、機械式センサ、流量を測定する流量計及び圧力計、圧力、比重、液体の存在(水位計及びインターフェースプローブ)、pH、温度、及び導電率などの様々なパラメータを測定する電子センサ、並びに汚染物質濃度などの化学パラメータを測定する分析センサを備え得る。分析センサのいくつかの例には、pHプローブ及び比色測定に使用される光学センサが含まれる。センサと連携して動作する制御システムは、PLC及びその他の電子マイクロプロセッサデバイスを備える。制御システムは、感覚入力を受信し、情報を処理し、特定の動作をトリガすることができる。これらについては、図9に関連してより詳細に考察する。
なおも図1を参照すると、複数のリード136が修復チャネル101に流体的に結合され、リード136は特定の物質を修復チャネル101に注入するように構成される。例として、固相、液相又は気相の前駆体化合物の異なるタイプ及び組み合わせが、選択された流体処理プロセスのタイプ、処理される汚染物質、既存の水質、所望の水質、及び他の変数に依存して使用されてもよい。前駆体化合物140は、ポンプ138A〜Eを介して修復チャネル101にポンプ送給又は注入することができる。現在の実施形態では、5つのポンプ138A〜Eが使用されているが、任意選択の実施形態では、5つより多くのポンプが使用されてもよい。前駆体化合物140は、フィードストックであり得るが、交換可能なカートリッジ、及びライン供給、又は他の同様の化学物質入力、並びにより大きな水流のための様々なフィードストック及び前駆体供給材料のバルク供給も含み得る。
なおも図1を参照すると、例示的な前駆体化合物140は、固体として導入されるか水又は他の溶媒に溶解される、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、硫酸塩、ナトリウム、カリウム等などのハロゲン塩を含み得る化合物を含む。水又は他の溶媒に溶解される、オゾン、過酸化水素、ペルオキシ酸、ブライン溶液、塩素溶液、アンモニア溶液、アミン、アルデヒド、ケトン、メタノール、キレート剤、分散剤、窒化物、硝酸塩、硫化物、硫酸塩等などの液体フィードストックを使用することができる。さらに、オゾン、空気、二酸化塩素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、クリプトン、臭素、ヨウ素等などの気体フィードストックを使用することができ、これらはそれぞれ、流体修復プロジェクトの目標に基づいて所定量で使用することができる。固体化合物の場合、添加剤ポート112が示されている。乾燥剤の注入は、添加剤ポート112に結合された弁142の操作を介して起こり得る。
なおも図1を参照すると、それらの剤を修復チャネル101に導入するためのポート112は、局所的な流れの狭窄部又はその付近で酸化剤を貫流チャネルに導入し得る。図示の例では、ポートは、局所的な流れの狭窄部で流体に酸化剤を導入できるように構成することができる。ポートは、局所的な流れの狭窄部だけでなく、局所的な狭窄部と、キャビテーション気泡が形成されるキャビテーションゾーンに至る領域との間及びそれらを含む領域に沿って、修復チャネル101に酸化剤を導入するように構成できることが理解されよう。
なおも図1を参照し、修復チャネル101を下に移動すると、流量計114などの追加のセンサが経路に沿って配置されている。プリキャビテーションゾーンでは、流量計は、PLCがキャビテーション変数を計算できるようにバルク流体の動きを定量化するように構成され、これについては図9を参照してより詳細に考察する。汚染された水がキャビテーションゾーン144に入ると、流体は様々な程度のキャビテーションを受ける。キャビテーションゾーン144は、空気を修復チャネル101に注入するように構成された第1の空気注入器116と、反応器プレート146と、第2の空気注入器120と、キャビテーションゾーン144を通る流れの割合を制御し且つ修復チャネル101内の流体の平均滞留時間を制御する制御弁124とを備え得る。
なおも図1を参照すると、第1の空気注入器116及び第2の空気注入器120は、液体にキャビテーションを誘発して液体中に蒸気空洞(すなわち、小さな液体のないゾーン、気泡又は空隙)を形成するように構成され、蒸気空洞の形成は圧力が比較的低い空洞の形成を引き起こす圧力の急速な変化に流体が曝される場合に起こる。このようにして、注入器を使用して、化学反応を高め、空洞形成気泡に閉じ込められた蒸気の解離によるプロセス中のフリーラジカル形成による反応を伝播する。
なおも図1を参照すると、反応器プレート146は、第1の空気注入器116と第2の空気注入器120との間の修復チャネル101内に配置される。反応器プレートは、図8に関連してより詳細に考察され、キャビテーションゾーン144において、高い揮発性を有する大量の微細な気泡が存在するように、さらなるキャビテーションを誘発するように構成される。これらの微細な気泡が崩壊すると、500気圧までの瞬間的な圧力と、約5000ケルビン度の瞬間的な温度が流体内に生成される。この現象は、いくつかの重要な化学反応を達成する:(1)H2OはOHラジカルとH+原子に解離する;(2)複雑な有機炭化水素の化学結合が壊れる;及び(3)長鎖化学物質が酸化されてより単純な化学成分になり、その後紫外線によって下流で照射され、酸化プロセスが促進される。
なおも図1を参照すると、本実施形態ではバタフライ弁であるが他の実施形態では他のタイプの弁で構成されてもよい追加の弁124が修復チャネル101に配置され、出口104A〜Eへの流体の流出に必要なときにヘッド圧力を低下させる。弁124は、システム内の他の弁と同様に、完全に自律的であるようにPLCに通信可能に結合されている。
なおも図1を参照すると、流体がキャビテーションゾーン144を通過すると、流体は修復チャネル101を介してRO膜152に向けて供給される。ROポンプ160が修復チャネル101に結合され、ROがRO膜152を横切って発生できるように適切な量の生成を保証する。流体は、出力104A〜Eに到達すると、RO膜152を通過し、そこでROを受ける。汚染水が(浸透圧を克服するのに十分な)圧力下でRO膜152に入ると、水分子はRO膜152を通過し、塩及び他の汚染物質は通過することができず、濃縮物ストリーム162を通して排出され、濃縮物容器156に貯蔵される。RO膜152を通過する透過液は、透過液チャネル154を通過し、透過液容器150に貯蔵される。
流体が図1のキャビテーション反応器を一度通過すると、ROのフィルタが著しくより遅い速度でファウリングし、膜の寿命が著しく延長されたことが分かった。さらに、1日あたり7MGの汽水を飲料水に処理した後、システムは55〜65%のRO濃縮物を回収したことが分かった。これは以前は処理できず、膜をファウリングすることがなかった。表1に示す表中、各縦軸は週を表す:
ROが単独で実行された場合、フィルタはほぼ同じ速度でファウリングしなかった。これは、図2〜4に関連してs=考察されている。
ここで図2を参照すると、本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復及び/又は処理システムのブロック図が全体的に200で示されている。水源102が提供され、これはポンプの作用を受ける、又は別の方法で流体力学的キャビテーション反応器204によって受け取られる。現在の実施形態において、流体力学的キャビテーションについて考察する。しかしながら、任意選択の実施形態では、音響キャビテーション等などであるがこれらに限定されない他のタイプのキャビテーションが主題のシステム及び方法とともに使用され得ることに留意すべきである。流体が流体力学的キャビテーション反応器204内でキャビテーションを受けると、流体は、この例示的な実施形態では汚染水を修復するために膜を有するフィルタを利用する任意のシステムを備える第2の流体処理システム208によって受け取られる。
膜技術を使用する廃水処理の例はROである。ROは、例えば、挿入された透過キャリアが一緒に接着され且つ供給スペーサが対向膜表面間に挿入されて膜パッケージを完成させる2枚の膜シートからなるサンドイッチを含む螺旋状に巻かれた要素である膜を使用し得る。膜パッケージは、透過液がそれを介して要素を出る有孔中央チューブの周りに巻かれる。典型的な設定では、膜は透過液を収集し「ファウリング層」として機能する。ファウリング層は通常、微生物、塩、及びAl、As、Ch、Co、Mg、BaSO4O、S、Ni、P、Si、Fe、Ba、及びSr等などの無機物のコロニーからなる。
反応器204でキャビテーションを受けた後、汽水又は褐色水中の成分は、それらの分子構造及び/又は沈殿物の分子の電荷を変化させて、それらを「自然に」分散させ、それらに膜を詰まらせたりファウリングさせたりしない。このようにして、前処理方法及び修復技術として、流体をキャビテーションすることで、又はRO膜を最初に通過した後に濃縮物をキャビテーションすることでさえ、RO膜が目詰まり又はファウリングする可能性は低減される。キャビテーションが「最初の通過」で使用される場合、RO供給水の効果的な前処理(微粒子、コロイド、及び有機物などの潜在的なファウリング物質を完全又は部分的に除去するため)。
フィルタの外側の堆積物は、少量のより大きな凝集体を含む微細な白色粉末からなり、コーンスターチの外観に非常に似ていることがわかった。ICP/OESを介して出力を分析し、試料内に存在する無機成分を検出した。溶解度試験の結果を考えると、粉末は不溶性塩の不均一な混合物であることが疑われた。したがって、元素分析によって検出された金属成分は、これらの塩結晶のカチオン種であると想定できる。これまで最も豊富な金属はカルシウムであることが分かっており、マグネシウムとカリウムがそれに続く。これらの金属間のモル比は次のように決定された:カルシウム:マグネシウム(モル:モル)18.6:1及びカルシウム:カリウム(モル:モル)114:1。また、微量の以下の金属も検出された(それぞれ1ppm未満):バリウム、コバルト、銅、モリブデン、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、及び銀。以下の元素が機器によって検出され、信頼できるスペクトルを生成したが、それらを定量化することはできなかった:炭素、硫黄、及びリン。
粉末の陰イオン成分を決定するために、少量の試料をイオンクロマトグラフィ(IC)により分析した。試験した陰イオンは、フッ化物、塩化物、亜硝酸塩、硫酸塩、臭化物、及びリン酸塩だった。粉末を溶解するために硝酸が使用されたため、硝酸塩を試験することはできなかった。
入手可能なデータに基づいて、問題の粉末は、主に硫酸カルシウム(>90%)から構成され、硫酸マグネシウム及び微量の前述の金属が粉末の残りの部分を構成していると結論付けられた。この結論は主に定性的手段によって得られたが、観察された経験的データと硫酸カルシウムの既知の特性とによって裏付けられる。硫酸カルシウムの溶解度積(KSP)の文献値は9×10−6であり、これは、粉末が水にやや溶けにくいという我々の観察と一致する。硫酸カルシウムと硫酸マグネシウムはどちらも白色の粉末として現れる。これは実験室で分析された粉末の物理的外観と一致する。
最後に、入力ストリームからのデータに基づいて、カルシウム及びマグネシウムが静水圧キャビテーション装置に入る既知の供給源があるように見える。濃縮物入力蒸気の水質分析により、カルシウムとマグネシウムの両方が高レベルで存在することが判明した。これら2つの陽イオンが硫酸塩と反応して、静水圧キャビテーションプロセスで不溶性凝集体を形成するプロセスがあり、これはフィルタのファウリングを回避するのに役立つように見える。
ここで図3を参照すると、本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復を実行する方法の段階的フローチャートが全体的に300で示されている。このシステムでは、水源302からの汚染水はキャビテーション反応器304にポンプ送給されるか、それによって受け取られる。RO膜306がキャビテーションを受けた汚染水を受け取ると、逆浸透を実行し、濾過された生産水を生産貯蔵タンク308に送り、濃縮物ストリームは消費準備ができていない流体と一緒に保持タンク310に送られる。保持タンク310では、流体は沈降し、粒子は底部に沈降する。次いで、濃縮物を有する流体は、キャビテーション反応器304に送り返され、そこでRO膜306によって再処理される前に、本明細書に記載されるものなどの流体力学的キャビテーションを受ける。
試験中、キャビテーション反応器304に汚染水を流した後、流体の約55〜65%が回収されて生産水に使用可能になっただけでなく、汚染水が全くキャビテーションを受けなかった場合にRO膜306がファウリングするようにRO膜306がファウリングすることはなかった。代わりに、膜にかかる圧力は、毎日のサイクルを通してほぼ安定した圧力に維持された。ROの「通常の」環境では、沈殿物が蓄積するにつれて膜にかかる圧力はプロセス全体を通して高まる。フィルタの試験は、汚染水がキャビテーション反応器304を通過すると、ファウリング層はRO膜306上に蓄積しないか、少なくともはるかに低い速度で蓄積することを示した。RO膜306は、例示的な実施形態では0.0001μmから0.001μmの範囲の孔サイズを有する複数の膜を含み、その結果、水を除くほとんどすべての分子を保持することができ、孔のサイズにより、必要な浸透圧は他の形式の濾過よりも著しく大きい。したがって、粒子の蓄積が発生してRO膜306をファウリングする可能性があり、また、生産能力の損失を引き起こし、故障状態が時々発生し得るまで圧力を上昇させる可能性がある。
なおも図3を参照すると、この例示的な実施形態では、水源302からの汚染水はキャビテーション反応器304に直接送られる。しかしながら、任意選択の実施形態では、水源302からの汚染水は、キャビテーション反応器304に送られる前に、最初にROを受け、それ自体のRO膜に通されてもよい。
ここで図4を参照すると、本発明の一実施形態による逆浸透で使用される膜の正面図が全体的に400で示されている。現在の実施形態では、膜402及び404が示されている。膜402は、本明細書に記載のキャビテーションプロセスを経ていない流体で実行され、膜404は、本明細書に記載のキャビテーションプロセスを経た流体が通過した膜を表示する。見て分かるように、ファウリング層とその粒子406は膜の内側部分に蓄積し、一方、膜404では、最小のファウリング層粒子が膜の外側部分408に蓄積する。これはHP膜とは対照的にLP膜を使用し、コストを大幅に節約できることを意味する。
ここで図5を参照すると、本発明の一実施形態によるキャビテーションに基づく水修復のための例示的な方法を示す流れ図が全体的に500で示されている。現在の実施形態では、方法500は、ステップ502で、入口から始まる修復チャネルを通して汚染水を流し、ポンプを使用して修復チャネルに前記水を供給することを含み得る。
なおも図5を参照すると、方法500は、ステップ504で、修復チャネルと流体連通する注入ポートを使用して少なくとも1種類の薬剤を透過水に注入することをさらに含み得る。方法500は、ステップ506で、注入ポートより下流の修復チャネルと流体連通する空気アクチュエータを使用して流体に空気のバーストを導入することをさらに含み得る。方法500は、ステップ508で、皮質を形成するために流体を反応器プレートに通すことをさらに含み得る。
なおも図5を参照すると、方法500は、ステップ510で、注入ポートより下流の修復チャネルと流体連通する第2の位置で空気アクチュエータを使用して透過水に空気のバーストを導入することをさらに含み得る。方法500は、ステップ512で、修復チャネル内の透過水内に少なくとも1つ及びより頻繁には複数の渦及びキャビテーションポケットを生成することをさらに含み得る。
なおも図5を参照すると、方法500は、ステップ516で、修復チャネル内に配置され且つ空気アクチュエータと電子的に通信する流れ調整弁を使用して流体の流れを調整することをさらに含み得、流れ調整弁は、圧力を最適化して液体内のキャビテーションポケットの数を増やすように構成される。方法500は、ステップ516で、逆浸透修復システムに修復された透過水を出力すること、及び、ステップ518で、逆浸透システムから生産貯蔵タンクに透過水を出力し、及び修復チャネル及び逆浸透システムを介してさらに再処理するために、逆浸透システムから保持タンクへ濃縮物を流すことをさらに含み得る。
実施例1
この例は、実施形態を説明するためのものであり、限定として解釈されるべきではない。
この例は、実施形態を説明するためのものであり、限定として解釈されるべきではない。
ここで図6を参照すると、キャビテーションを利用する修復システムの大規模な商業的実践の任意選択の実施形態が、全体的に600で示されている。この任意選択の実施形態は、本明細書に記載のシステムの複数の列の使用を考慮する。複数の列を連結することにより、列aと列bで生成された濃縮物をそれ自身の逆浸透手順に通すことにより、最高品質の修復が可能になる。これは、最初の2つのステージからの濃縮物が第3のステージへの供給水になる多ステージシステムと見なされる。追加のステージを使用することにより、システムからの透過水の回収率を高めることができる。より大規模なさらなる任意選択の実施形態では、濃縮物を収集して処理する前に2つより多くのステージを使用してもよい。
既存の列Aから始めて、封じ込め水は供給部602から集められる。ポンプ604は、流体力学的キャビテーションシステムを構成する反応器606及び遠心分離機608に向かって汚染水を押す。汚染水が遠心分離機608を通過すると、固体は固体貯蔵タンク610に送られ、残りの水はポンプ612を介して列A RO膜614に送られる。ポンプ612は水が列A RO膜614を通過するときに逆浸透を引き起こすのに十分な圧力を提供するように設計される。RO膜614を通過すると、透過液はポンプ616を介して透過液貯蔵タンク618に送られ、濃縮物はポンプ620を介して濃縮物供給部622に送られる。
なおも図6を参照すると、既存の列Aの作動と同時に、既存の列Bも作動する。列Bは、汚染水が供給部626から収集されると始動する。次に、ポンプ628が、流体力学的キャビテーションが発生する反応器630及び遠心分離機632に向けて汚染水を押す。固体は固体貯蔵タンク636に送達され、残りの水はポンプ634を介して列B RO膜646に送られる。列Aと同様に、ポンプ634は、水が列B RO膜646を通過するときに逆浸透を引き起こすのに十分な圧力を提供する。RO膜646を通過すると、透過液はポンプ624を介して透過液貯蔵部640に送られ、濃縮物はポンプ638を介して濃縮物供給部622に送られる。
なおも図6を参照すると、列Aと列Bの両方が完了し、両方の列からの濃縮物が濃縮物供給部622に送られると、列Cが実行される。反応器642は、濃縮物供給部622から濃縮物を受け取り、次いでそれはポンプ644を介して列C RO膜648を通して送られる。列A及び列Bの両方と同様に、ポンプ644は、濃縮物が列C RO膜648を通過するときに逆浸透を引き起こすのに十分な圧力を生成するように設計されている。列C RO膜648の通過から生成された透過液は、ポンプ650を介して透過液貯蔵部652に送られ、残りの濃縮物はポンプ654を介して濃縮物貯蔵部656に送られる。
図7を参照すると、修復及びキャビテーションを実行するために本明細書に提供されたシステム及び方法を利用する試験ケースから取られたデータを示す表が、全体的に700で示されている。表700は、試験期間にわたる毎日の動作圧力を示す。膜の動作圧力は、膜のファウリング量の指標である。各試験の開始時、動作圧力は330〜350psiの範囲内にあった。圧力は、各試験の最初の4時間で380〜390psiに増加し、その後、試験の残りの間安定したままだった。膜が次第にファウリングされていた場合、動作圧力は試験期間の間に徐々に増加し、各試験の終了時にベースライン値に戻らなかった。動作圧力は、試験期間にわたって明らかな差が出るほど増加せず、したがって試験データは明らかな膜のファウリングを示さなかった。
ここで図8を参照すると、本発明の一実施形態によるシステムで利用される反応器プレートの正面図が、全体的に800で示されている。図1を参照し直すと、実質的に均一に混合されたストリームが、空気注入器116から反応器プレート146に向けられる。反応器プレート146は、流体が通過する所定のサイズの中央開口を含む。均一な条線802が、反応器プレート146の面上に配置され、その数は、使用事例に基づいて事前に決定され、流体を均等に分散させるように構成される。いくつかの実施形態における条線802は、プレートの面の所定の部分にわたってそれぞれ山及び谷を形成する円形リングである。全体的に800で示される実施形態では、条線は、外半径から内側へプレートの面の約半分を覆う。いくつかの任意選択の実施形態では、条線はキャビテーションセクションに対するシールとして機能することができる。図1から分かるように、フランジを使用すると、セクションを簡単に複製することができる。
なおも図8を参照すると、渦発生セクション804が、プレート146の中心に向かって内向きに配置され、最初に上方及び後方に傾斜し、次に連続する凸状の後方曲線において湾曲し、上縁部まで実質的に水平に後方に延びている谷808及びピーク810を有する前縁部分を含む。これらのピーク810は「ベーン」と呼ばれる場合がある。この形状により、気泡が気泡/粒子の付着を促進し且つ継続的に変化する混合環境において最適なサイズと数の気泡を生成する長い範囲の疎水性力を生成するのに十分に小さいサイズで形成を始めることが保証される。反応器プレート146は、一般に、流体中の有機化合物を分解及び/又は酸化することができるヒドロキシルラジカルの量を高め、キャビテーション気泡内に含まれる及び/又はそれに伴うかなりの量の酸化剤をもたらす。
反応器プレート146は、金属合金、又はいくつかの実施形態では弾性エラストマー材料など、キャビテーションに対して比較的不透過性の材料で形成されてもよい。反応器プレート146は、様々な異なる形状及び構成で具体化されてもよい。例えば、プレートは、渦を引き起こす円錐形の表面を含む円錐形であってもよく、又は図示のように完全に周期的であってもよい。様々な程度で他の形状も同様に使用できることを理解されたい。
ここで図9を参照すると、本発明の一実施形態による、インテリジェントプラットフォーム及び自動化ハードウェア/ソフトウェア構成とともに流体力学的キャビテーションを利用する流体修復システムの概略が全体的に900で示されている。「インテリジェントプラットフォーム」は、一般に、可用性の冗長性、拡張可能なオープンアーキテクチャ、アップグレード可能なCPU等を有する、プログラマブルロジックコントロール、高性能及び高性能システム(例えば、PACシステム)コントローラなどのコントローラに関連する。さらに、本発明の実施形態では、効率とデータ配布を最大化するためにPROFINET(登録商標)を利用する分散型I/Oは、I/Oの柔軟性を有し、単純なディスクリートから安全及びプロセスI/Oまで、完全な範囲のI/Oに接続する。
図9に示すように、PLC902は、それぞれが様々な弁及びセンサアレイに結合されている複数のコントローラ904、906、908と電子的に結合されている(例えば、有線、無線、ブルートゥース(登録商標)等)。PLC902は、入力デバイスの状態に関するデータを連続的に収集して出力デバイスの状態を制御するソフトウェアを実行するように構成される。既知のように、PLCは通常、プロセッサ(揮発性メモリを含み得る)、アプリケーションプログラムを含む揮発性メモリ、及びオートメーションシステム内の他の装置に接続するための1つ又は複数の入力/出力(I/O)ポートを備える。さらに、PLCでは、ビジネス分析アプリケーションの場合、制御レベルで利用可能なプロセスに関するコンテキスト知識が失われる。プラットフォームは、監視制御及びデータ収集(Supervisory Control and Data Acquisition;SCADA)、製造実行システム(Manufacturing Execution Systems;MES)、又はエンタープライズリソースプランニング(ERP)システムのより高いレベルのソフトウェア機能をさらに備えている場合がある。任意選択的に、PLCは「インテリジェントPLC」とすることができ、これは制御アプリケーションで強化された機能の品揃えを提供するように構成できる様々なコンポーネントを備える。例えば、いくつかの実施形態では、インテリジェントPLCは、深く統合されたデータヒストリアン及び分析機能を含む。この技術は、水修復のための様々な産業オートメーション設定に特に適しているが、これらに限定されない。動作中、自動化システムのコンテキスト情報には、例えば、データを生成したデバイスの表示、インテリジェントPLCを含む自動化システムの構造記述、システム動作モードインジケータ、及びプロセスイメージ領域のコンテンツが生成されたときに作成された製品に関する情報の1つ又は複数を含み得る。追加又は代替として、コンテキスト化されたデータは、インテリジェントPLCによって利用される自動化ソフトウェアの記述又はプロセス画像領域のコンテンツが生成された間に自動化ソフトウェアのステータスを示すステータスインジケータの1つ又は複数を含み得る。
なおも図9を参照すると、PLCは、ポンプ124及び流体源908、センサハウジング106、弁910、複数の注入器コイル110、添加剤ポート112及び別の感覚アレイ114に電子的に結合されている。追加のダウンラインコントローラ904がPLCに通信可能に結合され、添加剤ポート112及び138とさらに連通している。本発明の任意選択の実施形態では、センサアレイ106は、流体の関連する特性のすべてを取得し、その情報を902のPLCに送信するように構成されている。流体の特性に基づいて、PLCは、修復プロセスを支援する薬剤をストリームに放出するように弁914に指示するように構成されている。いくつかの実施形態では、PLC902には、流体の品質に関する所定の情報がロードされる。例として、固体として導入されるか水又は他の溶媒に溶解されるフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、硫酸塩、ナトリウム又はカリウム等などのハロゲン塩を含み得る化合物など、選択された流体処理プロセスのタイプ、処理される汚染物質、既存の水質、所望の水質、及び他の変数に応じて、固相、液相又は気相の前駆体化合物の異なるタイプ及び組み合わせが使用され得る。処理された流体を試験しそれに関するデータを収集し、適切な圧力と流量が提供され得ることを保証するために、追加のセンサアレイ912が提供される。
第1の空気注入器116は追加のコントローラ906と連通し、追加のコントローラ906はPLC902と連通する。本発明の任意選択の実施形態では、PLC902は、要求されるキャビテーションの程度に基づいて空気圧を制御するように構成される。コントローラ906はまた、反応器プレート146及びバッフル(図示せず)と連通しており、反応器プレートを回転及び傾斜させてキャビテーションの程度を変化させる。第1の空気注入器と同様に、第2の空気注入器120及び制御弁124は、同様の目的のためにコントローラ906と連通している。
なおも図9を参照すると、追加のアクチュエータ918を使用することができ、任意選択のセンサアレイ920及びUV反応器922も同様であり、それぞれRO膜924を通過して最終使用用修復水926になる前にコントローラに接続される。
第1及び第2の空気注入器は、流体にキャビテーションを誘発して、液体中に蒸気空洞(すなわち、小さな液体のないゾーン、気泡又は空隙)を形成するように構成されており、蒸気空洞は、圧力が比較的低い空洞の形成を引き起こす圧力の急激な変化に流体が曝されるときに発生する。このようにして、注入器を使用して、化学反応を高め、キャビテーション気泡に閉じ込められた蒸気の解離によるプロセス中のフリーラジカル形成による反応を伝播する。
反応器プレート146は、第1及び第2の空気注入器の間でライン101内に配置され、PLC902と連通し、PLC902は反応器プレート146を様々な方向(例えば、15度)に傾けるように構成される。反応器プレートは、図2に関連してより詳細に考察され、キャビテーションゾーン144に、高い揮発性を有する大量の微細な気泡が存在するように、さらなるキャビテーションを誘発するように構成される。
追加の弁124、例えばバタフライ弁がラインに配置され、出口104への流体の流出に必要なときにヘッド圧力を低下させる。弁124は、システム内の他の弁と同様に、完全に自律的であるようにPLCに通信可能に結合される。
現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して本発明を記載してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に含まれる様々な修正及び同等の配置のすべてを網羅するように意図される。
本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面で示され、他の図面では示されないことがあるが、これは単に便宜上のためである。本発明の原理によれば、1つの図面の特徴は、他の図面のいずれかの特徴のいずれか又はすべてと組み合わせることができる。本明細書で使用される際「含む」、「備える」、「有する」、及び「とともに」という言葉は、広範且つ包括的に解釈されるべきであり、物理的な相互接続に限定されない。さらに、本明細書に開示されるいずれの実施形態も、唯一の可能な実施形態として解釈されるべきではない。むしろ、修正及び他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。
Claims (15)
- 少なくとも1つの膜を有する流体処理システムで膜のファウリングを防止する方法であって、
流体の流れを前記流体処理システムに注入して前記少なくとも1つの膜に通す前に、前記流体の流れを流体力学的にキャビテーションすることを含み、
キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、前記流体中の固体成分がそれらの(i)分子構造、(ii)電荷、又はその両方を変化させ、その結果、前記成分が互いに反発し合い、前記膜の縁の周りに分散してファウリングを防止する方法。 - 処理すべき流体を第1の逆浸透列にポンプ送給して濃縮物を生成することをさらに含み、前記逆浸透列は複数の膜を備え、前記少なくとも1つの膜は前記複数の膜の1つである、請求項1に記載の方法。
- 流体力学的キャビテーション反応器で前記濃縮物を受け取り、空気アクチュエータを使用して空気のバーストを前記濃縮物に導入することをさらに含む、請求項2に記載の方法。
- 前記流体力学的キャビテーション反応器で前記濃縮物を処理し、前記濃縮物を少なくとも1つの膜を通して送ることをさらに含み、前記少なくとも1つの膜は第1のRO膜を備える、又は第2のRO膜に対して、請求項1に記載の方法。
- 前記流体を流体力学的にキャビテーションした後、前記流体を遠心分離機に通す、請求項1に記載の方法。
- 前記流体が第1のRO処理の生成物である濃縮物であり、前記濃縮物が第2のRO処理に通される前に前記キャビテーション反応器に通される、請求項1に記載の方法。
- 前記濃縮物を前記キャビテーション反応器に通した後、固体の混合物が生成され、前記固体の混合物は、18.6:1のカルシウム:マグネシウム比、及び114:1のカルシウム:カリウム比を含む、請求項6に記載の方法。
- 少なくとも1つの膜を有する流体処理システムで膜のファウリングを防止するためのシステムであって、前記方法が、
流体の流れを前記流体処理システムに注入して前記少なくとも1つの膜に通す前に、前記流体の流れをキャビテーションするための流体力学的キャビテーション反応器を備え、
前記キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、前記流体中の固体成分がそれらの(i)分子構造、(ii)電荷、又はその両方を変化させ、その結果、前記成分が互いに反発し合い、前記膜の縁の周りに分散してファウリングを防止するシステム。 - 処理すべき流体を第1の逆浸透列にポンプ送給して濃縮物を生成するように構成された少なくとも1つのポンプをさらに備え、前記逆浸透列は複数の膜を備え、前記少なくとも1つの膜は前記複数の膜の1つである、請求項8に記載のシステム。
- 前記反応器が前記濃縮物を受け取り、空気アクチュエータを使用して前記濃縮物に空気のバーストを導入する、請求項9に記載のシステム。
- 前記流体力学的キャビテーション反応器の後ろに前記濃縮物を処理するための第2の膜をさらに備える、請求項8に記載のシステム。
- 前記流体から粒子を除去するように構成された、キャビテーション反応器と流体連通する遠心分離機をさらに備える、請求項8に記載のシステム。
- 第2の流体力学的キャビテーション反応器と、前記濃縮物を少なくとも1つの膜に通して送るように構成された流体入口とをさらに備え、前記少なくとも1つの膜が第1のRO膜を備える、又は第2のRO膜に対して、請求項8に記載のシステム。
- 前記濃縮物を前記キャビテーション反応器に通した後、固体の混合物が生成され、前記固体の混合物は、18.6:1のカルシウム:マグネシウム比、及び114:1のカルシウム:カリウム比を含む、請求項13に記載のシステム。
- 前記膜がより低い圧力の膜を備える、請求項8に記載のシステム。
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