JP2021531158A - Faradick porous cell - Google Patents

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Abstract

出願人のファラディック多孔性セルは、電極の多孔性、印加されるE、及びプールベ作動領域を最適化することにより、標的種の吸着(物理及び容量)と、ファラディック固定化とを組み合わせるものである。最適化パラメータは、(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節;(iv)電気化学的過酸化物(H2O2)発生;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル、及び(ix)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計である。【選択図】図4Applicant's Faradic Porous Cell combines the adsorption (physical and volumetric) of the target species with the Faradic immobilization by optimizing the porosity of the electrode, the applied E, and the Pourbaix working region. Is. The optimization parameters are (i) physical adsorption; (ii) volumetric adsorption; (iii) electrochemical pH control; (iv) electrochemical peroxide (H2O2) generation; (v) electrodeposition (eg, electroplating). , Electrochemical deposition); (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) precipitation; (viii) pore size profile, and (ix) electrode spacing, and (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block cell design. be. [Selection diagram] FIG. 4

Description

発明の詳細な説明Detailed description of the invention

[発明の背景]
(発明の分野)
[001]本発明の分野は、選択したファラディック反応を炭素電極細孔口径プロファイリングと組み合わせることによる、溶液からの金属イオン、ハロゲン化物イオン、金属及びハロゲン化物の誘導体、並びにイオン性粒子状物質の除去、例えば、水からの鉛の除去である。
[Background of invention]
(Field of invention)
[001] The art of the present invention is the combination of selected faradic reactions with carbon electrode pore size profiling of metal ions, halide ions, metal and halide derivatives, and ionic particulate matter from solution. Removal, eg removal of lead from water.

[定義]
[002]「吸着」は、インプット流中のイオンを電極表面に引きつけ、そのイオンを電極表面に保持することを意味する。
[Definition]
[002] “Adsorption” means attracting ions in the input flow to the surface of the electrode and retaining the ions on the surface of the electrode.

[003]「凝集」は、金属イオン、ハロゲン化物イオン、金属若しくはハロゲン化物の誘導体、又は粒子状金属を、下記のうちの1つ又は複数によりセルへのインプット流から除去することを意味する:(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び金属固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H)発生及び金属酸化;(v)電着又は電気めっき;(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル、(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計。 [003] "Aggregation" means removing a metal ion, a halide ion, a metal or a derivative of a halide, or a particulate metal from the input stream to the cell by one or more of the following: (I) Physical adsorption; (ii) Capacitive adsorption; (iii) Electrochemical pH control and metal immobilization; (iv) Electrochemical peroxide (H 2 O 2 ) generation and metal oxidation; (v) Electrodeposition Or electroplating; (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) precipitation; (viii) pore size profile, (ix) electrode treatment, (x) electrode spacing, and (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block. Cell design.

[004]「BET表面積」は、窒素を使用して材料の表面積を判定する物理吸着ベースの方法である、ブルナウアー−エメット−テラー法により判定される表面積を意味する。 [004] "BET surface area" means the surface area determined by the Brunauer-Emmett-Teller method, which is a physisorption-based method of determining the surface area of a material using nitrogen.

[005]「破過曲線」は、固定吸着器の出口での流出物の吸着濃度の経過を意味する。破過曲線は、技術的に使用可能な収着容量の計算を可能とする。破過曲線は、典型的には、標的種濃度対処理された体積をプロットする。例えば、図14を参照されたい。 [005] The "break curve" means the course of the adsorption concentration of the effluent at the outlet of the fixed adsorber. The breakthrough curve allows the calculation of technically usable sorption capacity. The breakthrough curve typically plots the target species concentration vs. the treated volume. See, for example, FIG.

[006]「炭素ブロック」は、炭素粒子がポリマーと結合してバルク固体形態となっている押し出し炭素材料である。典型的には、脱塩素及び粒子フィルターに使用される。FPCで使用される炭素ブロックセルの設計では、1つ又は複数の純粋な炭素ブロックのそれぞれが、典型的にはFPCにおいて電気的に絶縁された2つの半分に分割され;各ブロックの一方の半分がアノードとして使用され、各ブロックの他方の半分がカソードとして使用される。 [006] A "carbon block" is an extruded carbon material in which carbon particles are bonded to a polymer to form a bulk solid. Typically used for dechlorination and particle filters. In the design of carbon block cells used in FPCs, each of one or more pure carbon blocks is typically split into two electrically isolated halves in the FPC; one half of each block. Is used as the anode and the other half of each block is used as the cathode.

[007]「容量吸着」は、電気的引力の結果としてのイオン又は他の荷電種の電極への吸着を意味する。 [007] “Volume adsorption” means the adsorption of ions or other charged species to the electrodes as a result of electrical attraction.

[008]「CCC」又は「容量性凝固セル」又は「CCCデバイス」は、主に容量吸着を使用して、金属イオン、金属の誘導体、又は粒子状金属を液体(典型的には水性)インプット流から除去し、政府が規制する制限を下回る金属、金属誘導体、又は微粒子含有量のアウトプット流を生成する浄化セルを意味する。例えば、米国EPAは、飲用水又は灌漑用水に対する「対策レベル」として、15ppbの鉛含有量を規定している。 [008] A "CCC" or "capacitive coagulation cell" or "CCC device" is a liquid (typically aqueous) input of metal ions, metal derivatives, or particulate metals, primarily using capacitive adsorption. It means a purification cell that is removed from the stream and produces an output stream with a metal, metal derivative, or particulate content below government-regulated limits. For example, the US EPA defines a lead content of 15 ppb as a "countermeasure level" for drinking or irrigation water.

[009]「CCCパラメータ」は、CCCにおいてユーザが選択したFPCパラメータを意味する。 [009] “CCC parameter” means an FPC parameter selected by the user in the CCC.

[0010]「セル」は、一般に、インプット流(流入物)にさらされる複数の電極を意味し、動作時のアウトプット流(流出物)用の出口、電極に取り付けられた短絡スイッチ又は電源、電源と任意の流入バルブを制御する手動又はコンピュータ化された手段、及びセルの動作を監視し、手動又はコンピュータ化された制御手段とインターフェース接続するセンサを備える。セルは、例えば、セルの動作中に様々なアウトプット流収集容器又は他の配置を選択するために、インプット流及びアウトプット流を制御する更なる手段を任意選択で含むことができる。容量性脱イオン化セルとは異なり、FPCは、動作中に電極を再生(脱着とも呼ばれる)して脱着された標的種の廃棄物流を生成しない。代わりに、例えば、アウトプット流中の標的種の濃度がユーザが選択した閾値を超えた場合、CCC又はEDCを含むFPCは交換される。アウトプット流中の標的種濃度以外の交換基準、例えば、所与のFPCに関する通過流の累積体積、及び特定の反応副生成物の存在を指定してもよい。 [0010] A "cell" generally means a plurality of electrodes exposed to an input flow (inflow), an outlet for an output flow (outflow) during operation, a short circuit switch or power supply attached to the electrode, It comprises a manual or computerized means of controlling the power supply and any inflow valve, and a sensor that monitors the operation of the cell and interfaces with the manual or computerized control means. The cell can optionally include additional means of controlling the input and output flows, for example, to select various output flow collection vessels or other arrangements during the operation of the cell. Unlike capacitive deionization cells, the FPC does not regenerate (also called desorption) the electrodes during operation to generate a waste distribution of the desorbed target species. Alternatively, for example, if the concentration of the target species in the output stream exceeds a user-selected threshold, the FPC containing the CCC or EDC will be replaced. Exchange criteria other than the target species concentration in the output stream may be specified, eg, the cumulative volume of the passing stream for a given FPC, and the presence of certain reaction by-products.

[0011]「充電電位」は、作業を遂行するためにセルに印加される電圧を意味する。 [0011] "Charging potential" means the voltage applied to a cell to perform a task.

[0012]「導電率」は、インプット流、通過流、アウトプット流、又は廃棄物流の電気導電率を意味する。導電率は、インプット流、アウトプット流、又は廃棄物流中のイオンのモル濃度の代理測定である。導電率は、そうした液体流中のイオンのモル濃度に正比例する。 [0012] "Conductivity" means the electrical conductivity of an input stream, a passing stream, an output stream, or a waste distribution. Conductivity is a surrogate measurement of the molar concentration of ions in the input stream, output stream, or waste distribution. Conductivity is directly proportional to the molar concentration of ions in such a liquid stream.

[0013]「CG」は、主にメソ多孔性構造を有し、公称表面積が約700m/gの炭素を意味する。CGは、本発明者らにより、本明細書に開示する細孔口径プロファイル法を用い策定され、Calgon Corporation(Naperville、IL)により、本発明者らのために作製された。CGは、表においてカルゴン(Calgon)(登録商標)と記載される場合がある。 [0013] "CG" means carbon having a predominantly mesoporous structure and a nominal surface area of about 700 m 2 / g. The CG was formulated by us using the pore size profile method disclosed herein and was made for us by Calgon Corporation (Naperville, IL). CG may be referred to as Calgon® in the table.

[0014]「CV」は、サイクリックボルタモグラムを意味する。 [0014] "CV" means a cyclic voltammogram.

[0015]「CX」は、炭素キセロゲルを意味する。CX電極は、メソ多孔性構造を有し、公称表面積が約200m/gである。 [0015] "CX" means carbon xerogel. The CX electrode has a mesoporous structure and has a nominal surface area of about 200 m 2 / g.

[0016]「サイクル」は、正に次いで負、又は負に次いで正の一連の電位がFPC電極に印加される動作のサイクルを意味する。 [0016] By "cycle" is meant a cycle of operation in which a series of positive and then negative or negative and then positive potentials are applied to the FPC electrode.

[0017]「DO」は、溶存酸素を意味する。 [0017] "DO" means dissolved oxygen.

[0018]「E」は、電圧を意味し、電位とも呼ばれる。直流の場合、Eは一定の極性(正又は負)を有する。 [0018] "E" means a voltage and is also called an electric potential. In the case of direct current, E has a certain polarity (positive or negative).

[0019]「電極」は、導電性の材料、典型的には多孔質炭素を意味する。 [0019] "Electrode" means a conductive material, typically porous carbon.

[0020]「EDC」は、本願に開示される電気脱ハロゲン化セルを意味する。EDCは、FPCに属する水浄化セルの一種である。 [0020] "EDC" means an electrodehalogenated cell disclosed in the present application. EDC is a kind of water purification cell belonging to FPC.

[0021]「EDCパラメータ」は、EDCにおいてユーザが選択したFPCパラメータを意味する。 [0021] "EDC parameter" means an FPC parameter selected by the user in EDC.

[0022]「EDX」は、エネルギー分散型X線分析を意味する。 [0022] "EDX" means energy dispersive X-ray analysis.

[0023]「E」は、電極が短絡しているときの対参照電極電位である(即ち、Eは、短絡状態時の電位である)。 [0023] "E o " is the pair reference electrode potential when the electrode is short-circuited (that is, E o is the potential in the short-circuited state).

[0024]「EPZC」又は「ゼロ電荷の電位」は、表面でのイオン吸着が最小になる電極の電位を意味する。EPZCは、炭素電極の表面改質により意図的にシフトさせることができる、又は拡張された印加電位又は電圧による電極表面の酸化の結果として本質的に移動させることができる。純粋な炭素電極のEPZCは、典型的には−0.1Vから+0.1Vの間である。表面改質による電極のEpzcのシフトは、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702286号に詳細に開示されている。所与の標的種の場合のFPC電極のEPZCは、水の化学的性質によって異なり、実験的に判定される。 [0024] "E PZC " or "zero charge potential" means the potential of the electrode that minimizes ion adsorption on the surface. The E PZC can be intentionally shifted by surface modification of the carbon electrode, or can be essentially displaced as a result of oxidation of the electrode surface by the extended applied potential or voltage. The EPZC of a pure carbon electrode is typically between -0.1V and + 0.1V. The Epzc shift of the electrode due to surface modification is disclosed in detail in US Patent Application No. 62/702286 incorporated herein. The EPZC of the FPC electrode for a given target species depends on the chemistry of the water and is determined experimentally.

[0025]「ファラディック固定化」は、電解質中の標的種への電子移動、又は電解質中の種への電子移動と、それに続く対象の標的種との溶液中での均一反応を意味し、その後、反応生成物は、電極に吸着される。 [0025] “Faradic immobilization” means electron transfer to a target species in an electrolyte, or electron transfer to a species in an electrolyte, followed by a homogeneous reaction in solution with the target species of interest. The reaction product is then adsorbed on the electrode.

[0026]「フローバイ」セル設計は、FPC内の通過流が、電極を通過するのではなく、FPC内の電極の表面を横切って流れることを意味する。フローバイセル設計は、フロースルーセル設計と比較して、下記の利点を提供することができる:低い圧力降下、高い流量、炭素電極の同等の劣化、各電極のペアに対して生成される同等のpH領域。 [0026] The "flow-by" cell design means that the flow through the FPC does not pass through the electrodes, but flows across the surface of the electrodes in the FPC. The flow-by-cell design can provide the following advantages over the flow-through cell design: low pressure drop, high flow rate, comparable degradation of carbon electrodes, equivalent generated for each pair of electrodes. pH range.

[0027]「流量」は、インプット、スループット、アウトプット、又は廃棄物流の流量を意味し、典型的にはL/時、ml/分等の単位である。 [0027] "Flow rate" means the flow rate of an input, throughput, output, or waste distribution, typically in units of L / hour, ml / min, and the like.

[0028]「フロースルー」セル設計は、FPC内の通過流を強制的にFPC内の電極を通過させることを意味する。フロースルーセル設計は、フローバイセル設計と比較して下記の利点を提供することができる:極端なpH領域、出口pHに対する良好な制御。 [0028] The "flow-through" cell design means that the passing flow in the FPC is forced to pass through the electrodes in the FPC. The flow-through cell design can provide the following advantages over the flow-by-cell design: extreme pH range, good control over outlet pH.

[0029]「FPC」又は「ファラディック多孔性セル」又は「FPCデバイス」は、凝集を使用して液体(典型的には水性)インプット流から金属イオン、ハロゲン化物イオン、標的金属若しくは標的ハロゲン化物の誘導体(例えば、他の種)、又は粒子状金属を除去し、金属、ハロゲン化物、又は微粒子含有量が低下したアウトプット流を生成する浄化セルを意味する。異なる種のFPCを直列又は並列に使用して浄化システムへの水性流入物から複数の標的種を除去することができる。「FPCシステム」は、1つ又は複数のFPCと、任意選択で他のタイプの浄化セル(「ハイブリッドシステム」の定義を参照されたい)、例えば容量性脱イオン化(「CDI」)セル、膜CDIセル(「MCDI」)、逆CDI(「i−CDI」)セル、並びに非電気化学セル及びフィルターとを含有する水浄化システムを意味する。CDI、MCDI、i−CDIセル、又は類似の脱着セルのFPCシステムへの組み入れには、廃棄物流の提供と、CDI、MCDI、i−CDI、及び類似の脱着セルからの廃棄物流への脱着に対応するためのFPCシステムにおける関連するセルの制御が必要である。CCC及びEDCは、FPCの一種である。 [0029] The "FPC" or "Faradic porous cell" or "FPC device" uses agglomeration to form a metal ion, halide ion, target metal or target halide from a liquid (typically aqueous) input stream. A purification cell that removes a derivative (eg, another species) of a metal, a halide, or a purifying cell that produces an output stream with a reduced content of metal, halide, or fine particles. Different species of FPC can be used in series or in parallel to remove multiple target species from the aqueous influx into the purification system. An "FPC system" is one or more FPCs and optionally other types of purification cells (see definition of "hybrid system"), such as capacitive deionization ("CDI") cells, membrane CDI. It means a water purification system containing a cell (“MCDI”), a reverse CDI (“i-CDI”) cell, and a non-electrochemical cell and a filter. Incorporation of CDI, MCDI, i-CDI cells, or similar detachable cells into the FPC system includes providing waste logistics and desorption from CDI, MCDI, i-CDI, and similar detachable cells to waste logistics. Control of the associated cells in the FPC system to accommodate is required. CCC and EDC are a type of FPC.

[0030]「FPCパラメータ」は、(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節;(iv)電気化学的過酸化物(H)発生及び標的種の酸化;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル、(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計のFPCにおいてユーザが選択した値を意味する。1つ又は複数のFPCパラメータが、所与のインプット水の化学的性質に関する実験的データに基づき、通過流から標的種を除去するために選択、又は「調整」される。 [0030] "FPC parameter" is, (i) physical adsorption; (ii) capacity adsorption; (iii) electrochemically pH adjusted; (iv) Electrochemical peroxide (H 2 O 2) generation and target species Oxidation; (v) electrodeposition (eg, electroplating, electrophoresis deposition); (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) precipitation; (viii) pore size profile, (ix) electrode treatment, (x) It means the electrode spacing and the value selected by the user in the FPC of (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block cell design. One or more FPC parameters are selected or "adjusted" to remove the target species from the flow through, based on experimental data on the chemistry of a given input water.

[0031]「ハロゲン化物誘導体」は、ハロゲン化物を含有する分子又は化合物を意味する。 [0031] "Halogen derivative" means a molecule or compound containing a halide.

[0032]「HE」は、高効率のメソ多孔性炭素を意味する。HE炭素で作られた電極は、主にメソ多孔性構造を有し、公称表面積が約380m/gである。HEは、メソ多孔性炭素が98%を超え、残部がマクロ多孔性炭素である配合を有する。HEは、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702286号に開示の細孔口径プロファイル法を使用して策定される。 [0032] "HE" means highly efficient mesoporous carbon. Electrodes made of HE carbon have a predominantly mesoporous structure with a nominal surface area of approximately 380 m 2 / g. HE has a formulation in which mesoporous carbon exceeds 98% and the balance is macroporous carbon. HE is formulated using the pore size profile method disclosed in US Patent Application No. 62/702286 incorporated herein.

[0033]「ハイブリッドシステム」は、少なくとも1つのFPC(CCC又はEDC)と、少なくとも1つの他のタイプの水浄化セル、例えば、過酸化セル、CDI、MCDI、i−CDI、又は非電気化学セル若しくはフィルターを収容する水浄化システムを意味する。ハイブリッドシステムの最小構成は、直列(FPCが他のセルタイプに供給する、又はその逆)である。より大きなシステムは、直列のみとすることも、並列にした直列通路を(スループットを増加させるために)有することもできる。 [0033] A "hybrid system" is an FPC (CCC or EDC) and at least one other type of water purification cell such as a peroxide cell, CDI, MCDI, i-CDI, or non-electrochemical cell. Or it means a water purification system that houses a filter. The minimum configuration of a hybrid system is series (FPC supplies other cell types or vice versa). Larger systems can be series-only or have parallel series passages (to increase throughput).

[0034]「固定化」は、その後の浄化されたアウトプット流への脱着を伴わない標的種のFPC電極への吸着を意味する。 [0034] "immobilization" means adsorption of the target species to the FPC electrode without subsequent desorption into the purified output stream.

[0035]「インプット流」は、セルへの入口を通って送り込まれる、様々なイオン及び金属を含有する液体、典型的には水を意味する。 [0035] "Input flow" means a liquid containing various ions and metals, typically water, which is delivered through the inlet to the cell.

[0036]「KN」は、American Kynol,Inc(ニューヨーク州プレザントビル)から入手可能なカイノール(Kynol)(登録商標)として販売されているミクロ多孔性炭素を意味する。KN炭素で作られた電極は、ミクロ多孔性構造を有し、公称表面積が約1800m/gである。 [0036] "KN" means microporous carbon sold as Kynol®, available from American Kynol, Inc. (Pleasantville, NY). The electrode made of KN carbon has a microporous structure and a nominal surface area of about 1800 m 2 / g.

[0037]「金属」は、プールベ線図が存在し、As、Se、Pb、Ni、Zn、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuを含む群から選択される金属を含有する金属、金属イオン、金属錯体、金属粒子、又は毒素を意味する。 [0037] "Metal" has a Pourbe diagram, and As, Se, Pb, Ni, Zn, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb. , Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb , Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu means a metal containing a metal selected from the group, a metal ion, a metal complex, a metal particle, or a toxin.

[0038]「金属誘導体」は、金属又は半金属を含有する分子又は化合物を意味する。 [0038] "Metal derivative" means a molecule or compound containing a metal or metalloid.

[0039]「金属種形成」は、所与の環境における金属の様々な化学形態(「種」)を意味する。例えば、As(III)及びAs(V)は、所与のpHの水溶液中に共存できるヒ素の種である。 [0039] "Speciation" means various chemical forms ("species") of a metal in a given environment. For example, As (III) and As (V) are arsenic species that can coexist in an aqueous solution at a given pH.

[0040]「NHE」は、通常の水素電極を意味する。 [0040] "NHE" means a normal hydrogen electrode.

[0041]「アウトプット流」は、FPCを通過して、インプット流よりも低いモル濃度の標的種を含有する液体を意味する。 [0041] By "output stream" is meant a liquid that has passed through the FPC and contains a target species with a lower molar concentration than the input stream.

[0042]「並列システムアーキテクチャ」は、並列に接続されたFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)を意味し、即ち、各FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)の出口が、システムアウトプットを供給する。並列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のFPC、プロセスコントローラ、相互接続ライン、センサ、及びラインとセルに配置されたバルブを含むこともできる。 [0042] "Parallel system architecture" means FPCs connected in parallel (and optionally other types of cells and filters), i.e., each FPC (and optionally other types of cells and filters). Exit provides system output. The parallel system architecture can be fixed or include multiple FPCs, process controllers, interconnect lines, sensors, and valves located on the lines and cells.

[0043]「物理吸着」は、標的種の電極細孔への物理的捕捉を意味する。 [0043] "Physisorption" means the physical capture of the target species into the electrode pores.

[0044]「PMD」は、細孔口径を意味し、それは、炭素電極表面での細孔の直径である。細孔は、炭素電極内の行き止まりチャネルでも貫通チャネルでもよく、典型的には可変のチャネル直径を有する。 [0044] "PMD" means pore diameter, which is the diameter of the pores on the surface of the carbon electrode. The pores may be dead-end channels or through-channels within the carbon electrode and typically have a variable channel diameter.

[0045]「流入地点」又は「POE」は、給水設備が住宅、商業/工業ビル、又は他の構造物における配水システムに供水する場所を意味する。 [0045] "Inflow point" or "POE" means the place where the water supply facility supplies water to the water distribution system in a residential, commercial / industrial building, or other structure.

[0046]「使用地点」又は「POU」は、配水システムから消費者、飲料ディスペンサ、厨房機器、又は他の最終用途に水が分配される場所を意味する。 [0046] "Point of use" or "POU" means the place where water is distributed from the water distribution system to the consumer, beverage dispenser, kitchen equipment, or other end use.

[0047]「極性」は、DC電圧の正又は負いずれかの極性を意味する。 [0047] "Polarity" means either the positive or negative polarity of the DC voltage.

[0048]「細孔口径プロファイル」は、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702,286号及び米国特許出願第16/417,574号に開示の細孔口径プロファイル法に従い作製された、電極中のミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性炭素の体積比(複数可)を意味する。一般的に言えば、平均細孔口径が大きいほど、電極の耐用年数が長く、通過流に対する電極の透過性が高い。平均細孔口径は、所与の炭素電極を作製するために使用するミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性炭素の比により制御される。 [0048] A "porosity profile" is made according to the porosity profile method disclosed in U.S. Patent Application No. 62 / 702,286 and U.S. Patent Application No. 16 / 417,574 incorporated herein. It also means the volume ratio (s) of microporosity, mesoporosity, and macroporosity carbon in the electrode. Generally speaking, the larger the average pore diameter, the longer the useful life of the electrode and the higher the permeability of the electrode to the passing flow. The average pore size is controlled by the ratio of microporous, mesoporous, and macroporous carbon used to make a given carbon electrode.

[0049]「プールベ線図」(電位/pH図、E−pH図又はpE/pH図とも呼ばれる)は、水性電気化学系の可能な安定(平衡)相を示す。優勢なイオン境界が、線で表される。そのため、プールベ線図は、軸の組が異なる標準的な状態図と同様に読み取ることができる。状態図と同様に、プールベ線図は、反応速度又は速度効果を扱わない。可溶性の種の場合、プールベ線図の線は通常、1M又は10−6Mの濃度について描画される。他の濃度の場合は、追加の線が描画されることもある。 [0049] "Pourbaix diagram" (potential / pH diagram, also referred to as E H-pH diagram or pE / pH diagram) shows a possible stable (equilibrium) phase of the aqueous electrochemical systems. The predominant ionic boundaries are represented by lines. Therefore, the Pourbaix diagram can be read in the same way as a standard phase diagram with different sets of axes. Like the phase diagram, the Pourbaix diagram does not deal with reaction rates or rate effects. For soluble seeds, the lines of the Pourbaix diagram are usually drawn for concentrations of 1 M or 10-6 M. For other densities, additional lines may be drawn.

[0050]「プールベ作動領域」は、FPC中の所与の電極でのpH及び印加されるEをプールベ線図と関連づけて、所与の水の化学的性質において標的種の固定化を選択することを意味する。 [0050] The "Pourbaix working region" associates the pH at a given electrode in the FPC and the applied E with the Pourbaix diagram to select immobilization of the target species in a given water chemistry. Means that.

[0051]電極に関連する「純粋」は、表面改質されていないことを意味する。例えば、スペクトラカーボ(Spectracarb)(商標)電極は、製造業者から供給された状態では、純粋である。 [0051] "Pure" associated with an electrode means that it has not been surface modified. For example, the Spectracarb ™ electrode is pure as supplied by the manufacturer.

[0052]「プロセスコントローラ」は、FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)のシステム内に配置されたセンサを監視して、1つ又は複数のFPC、及び任意選択で1つ又は複数の他のタイプの水浄化セル又はフィルターを含む水浄化システムにおけるインプット、通過、及び/又はアウトプット流、並びにFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)の状態をサンプリングするプロセス制御アプリケーションを操作するコンピュータを意味する。プロセスコントローラは、処理すべき水溶液の供給源、FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)、及びシステム出口を相互接続するライン内のバルブを作動させ、それにより、様々なFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)が、直列システムアーキテクチャ、直並列システムアーキテクチャ、又は並列システムアーキテクチャで構成されることを可能にする。センサデータに基づき、プロセスコントローラは、システム内のFPCのFPCパラメータを動的に調節する(任意選択でシステム内の他のセルとフィルターも調節する)ことができる。 [0052] A "process controller" monitors sensors located within the system of FPCs (and optionally other types of cells and filters) and one or more FPCs, and optionally one or more. Process control to sample input, passage, and / or output flow in a water purification system including multiple other types of water purification cells or filters, as well as the state of the FPC (and optionally other types of cells and filters). Means the computer that operates the application. The process controller activates a valve in the line that interconnects the source of the aqueous solution to be processed, the FPC (and optionally other types of cells and filters), and the system outlet, thereby various FPCs (and optionally). (Optionally, other types of cells and filters) can be configured with a series system architecture, a series-parallel system architecture, or a parallel system architecture. Based on the sensor data, the process controller can dynamically adjust the FPC parameters of the FPC in the system (and optionally adjust other cells and filters in the system).

[0053]「浄化する」は、通過流から1又は複数種の標的種を除去することを意味する。浄化は、プールベ線図が存在する金属(例えば、As、Pb、Ni、Zn、Al、Cr、Mn、Fe、及びCu)、ハロゲン化物(例えば、Cl、Br、クロラミン)、有機物、及び生体化合物の除去を含む。 [0053] By "purifying" is meant removing one or more target species from the passing stream. Purification involves metals (eg, As, Pb, Ni, Zn, Al, Cr, Mn, Fe, and Cu), halides (eg, Cl, Br, chloramines), organics, and biocompounds in which the Pourve diagram is present. Including removal of.

[0054]「巻回セル設計」は、連続セパレータと多孔質炭素系電極材料が物理的にらせん状に巻回されて、多孔質炭素電極の中を通る複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダが創出されるFCPセル設計を意味する。巻回セルを製造するため、アノード材料、セパレータ材料、及びカソード材料のシートを積層し、次いで、巻回してシリンダを形成する。集電体が、電気的損失を低減するため、通常は複数箇所でアノードとカソードに取り付けられる。 [0054] In the "winding cell design", a continuous separator and a porous carbon-based electrode material are physically wound in a spiral shape to form a plurality of, mainly flow-by passages, through the porous carbon electrode. It means the FCP cell design in which the cylinder to be provided is created. To manufacture a wound cell, a sheet of anode material, separator material, and cathode material is laminated and then wound to form a cylinder. Current collectors are typically mounted at multiple locations on the anode and cathode to reduce electrical loss.

[0055]「SC」は、Engineered Fibers Technology,LLC(コネチカット州シェルトン)から入手可能な、スペクトラカーボ(商標)として販売されているミクロ多孔性炭素を意味する。SC炭素で作られた電極は、ミクロ多孔性構造を有し、公称表面積が約1900m/gである。 [0055] "SC" means microporous carbon sold as Spectracarbo ™, available from Enginiered Fibers Technology, LLC (Shelton, Connecticut). Electrodes made of SC carbon have a microporous structure and a nominal surface area of approximately 1900 m 2 / g.

[0056]「SCE」は、飽和カロメル電極を意味し、例えば、サイクリックボルタンメトリにおいて、参照電極として一般に使用される標準的な参照電極である。 [0056] "SCE" means a saturated calomel electrode, which is a standard reference electrode commonly used as a reference electrode in, for example, cyclic voltammetry.

[0057]「直列システムアーキテクチャ」は、直列に接続されたFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)を意味し、即ち、第1のFPCの出口が入口と第2のFPCに供給し、第2のFPCの出口が入口と第3のFPCに供給する、等となる。直列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)、プロセスコントローラ、センサ、相互接続供給ライン、及び1つのFPCの出口と第2のFPCの入口との間の供給ラインに配置されるバルブを含むこともできる。 [0057] "Series system architecture" means FPCs connected in series (and optionally other types of cells and filters), i.e., the exit of the first FPC supplies the inlet and the second FPC. Then, the exit of the second FPC supplies to the entrance and the third FPC, and so on. The serial system architecture can be fixed, multiple FPCs (and optionally other types of cells and filters), process controllers, sensors, interconnect supply lines, and one FPC exit and a second FPC inlet. It can also include valves located in the supply line between and.

[0058]「直並列システムアーキテクチャ」は、FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)を直列又は並列に接続することができるシステムを意味する。直並列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)、プロセスコントローラ、相互接続供給ライン、センサ、及び1つのFPCの出口と第2のFPCの入口との間の供給ラインに配置されるバルブを含むこともでき、そのバルブは、プロセスコントローラが作動させる。典型的な直並列システムアーキテクチャは、複数のランクの所与の一連のセルを含み、それにより、複数の直列通路によりスループットが向上した状態で通過流を同様に処理する。 [0058] A "serial-parallel system architecture" means a system in which FPCs (and optionally other types of cells and filters) can be connected in series or in parallel. The series-parallel system architecture can be fixed, multiple FPCs (and optionally other types of cells and filters), process controllers, interconnect supply lines, sensors, and one FPC exit and a second FPC. It can also include a valve located on the supply line between the inlet and the valve, which is operated by the process controller. A typical series-parallel system architecture includes a given set of cells of multiple ranks, thereby treating the flow through as well with increased throughput due to multiple series passages.

[0059]「SHE」は、標準水素電極を意味する。 [0059] "SHE" means a standard hydrogen electrode.

[0060]「シフト」は、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702,286号に開示の方法を使用した、電極表面の意図的又は非意図的な化学的又は電気化学的改質(例えば、印加電位又は電圧による電気化学的酸化)により、電極のEPZCの電位(「位置」とも呼ばれる)を変更することを意味する。 [0060] "Shift" is an intentional or unintentional chemical or electrochemical modification of the electrode surface using the method disclosed in US Patent Application No. 62 / 702,286 incorporated herein. It means changing the potential (also called "position" ) of the EPZC of the electrode by quality (eg, electrochemical oxidation by applied potential or voltage).

[0061]「種」は、水流中の、又はセル電極に吸着された分子、化合物、又は微粒子を意味する。 [0061] "Seed" means a molecule, compound, or microparticle in a stream of water or adsorbed on a cell electrode.

[0062]「種形成」は、システム内又はFPC内での定義された化学種間の元素の分布を意味する。例えば、所与の金属の非荷電性金属粒子、金属イオン、及び金属錯体は、所与のpHで溶液又は懸濁液中に共存することがあり、その分布は、pHが変化するにつれて変化し得る。 [0062] "Speciation" means the distribution of elements between defined chemical species within a system or FPC. For example, uncharged metal particles, metal ions, and metal complexes of a given metal may coexist in a solution or suspension at a given pH, and their distribution will change as the pH changes. obtain.

[0063]「積層セル設計」は、セパレータと多孔質炭素系電極材料の別々の小片が層毎に積層されて、多孔質炭素電極の中及び/又は近くを通る複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダを創出するFCPセル設計を意味する。集電体が、電気的損失を低減するため、通常は複数箇所でアノードとカソードに取り付けられる。図23は、積層セル設計を示す。 [0063] In a "laminated cell design", separate pieces of separator and porous carbon electrode material are laminated layer by layer and multiple, predominantly flow-by passages, pass through and / or near the porous carbon electrode. It means FCP cell design that creates a cylinder with a road. Current collectors are typically mounted at multiple locations on the anode and cathode to reduce electrical loss. FIG. 23 shows a laminated cell design.

[0064]「表面電荷強化面」は、化学的又は電気化学的方法によって表面電荷が付与された電極表面を意味する。 [0064] "Surface charge-enhanced surface" means an electrode surface to which a surface charge has been applied by a chemical or electrochemical method.

[0065]「システム」は、手動で、又はプロセスコントローラにより制御される、複数の相互接続されたFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)である。 [0065] A "system" is a plurality of interconnected FPCs (and optionally other types of cells and filters), either manually or controlled by a process controller.

[0066]「標的金属」は、CCCを使用して除去される所与の金属又は金属誘導体の1又は複数の種を意味する。 [0066] "Target metal" means one or more species of a given metal or metal derivative that is removed using CCC.

[0067]「標的種形成」は、標的種のプールベ線図に示すように、セル電極に印加されるEとpHの関数として、標的種が水性電気化学セルにおいて取り得るいくつかのイオン状態又は錯体形成のうちの1つを意味する。 [0067] "Target species formation" is a function of E and pH applied to the cell electrode, as shown in the Pourbaix diagram of the target species, in some ionic states that the target species can take in an aqueous electrochemical cell. It means one of the complex formations.

[0068]「標的種」は、FPCを使用して除去される分子、化合物、又は微粒子を意味する。「標的種」は、FPCへのインプット流中に検出される(「プールベ線図において種として識別される」とも呼ばれる)分子、化合物、又は微粒子だけでなく、分子、化合物、又は微粒子を含むFPCにおいて創出される1又は複数種の中間体及び最終反応生成物も含む。 [0068] By "target species" is meant a molecule, compound, or particulate that is removed using FPC. A "target species" is an FPC containing a molecule, compound, or microparticle as well as a molecule, compound, or microparticle detected in the input stream to the FPC (also referred to as "identified as a species in the Pourbaix diagram"). Also includes one or more intermediates and final reaction products produced in.

[0069]「通過流」は、セル内で処理されている液体流を意味する。別の言い方をすれば、通過流は、セル内であって、セルへの入口とセルからの出口の間にある液体流を意味する。 [0069] By "passing flow" is meant the liquid flow being processed in the cell. In other words, a passing flow means a liquid flow within the cell, between the inlet to the cell and the exit from the cell.

[0070]「処理する」は、作動中のFPC又はFPCを収容するシステムにインプット流を供給し、浄化されたアウトプット流を回収することを意味する。 [0070] "Processing" means supplying an input stream to an operating FPC or a system accommodating the FPC and recovering the purified output stream.

[0071]「処理済電極」は、本明細書に開示される電極表面改質を受けた電極を意味する。 [0071] By "processed electrode" is meant an electrode that has undergone electrode surface modification disclosed herein.

[0072]「TDS」は、総溶解固体を意味する。一般的な操作的定義は、固体は、2ミクロンの細孔を備えるフィルターを通してのろ過に耐える程度に十分に小さくなければならない、というものである。 [0072] "TDS" means total dissolved solids. The general operational definition is that a solid must be small enough to withstand filtration through a filter with 2 micron pores.

[0073]「未処理電極」は、本明細書に開示される電極表面改質を受けていない電極、即ち、純粋な炭素電極を意味する。 [0073] "Untreated electrode" means an electrode that has not undergone electrode surface modification disclosed herein, i.e., a pure carbon electrode.

[0074]「電圧」及び「電位」は、本明細書においては同義語である。電圧は、特別の定めがない限り直流電流(「DC」)である。 [0074] "voltage" and "potential" are synonymous herein. Voltage is direct current (“DC”) unless otherwise specified.

[0075]「廃棄物流」は、CDI、MCDI、i−CDIセル、逆浸透、イオン交換、又は吸着と脱着を繰り返す他の水浄化セルを通過して、インプット流よりも高いモル濃度のイオンを含有する液体を意味する。脱イオン化セル、例えば、容量性脱イオン化セルを、FPCを収容するシステムに使用することができる。FPCは、廃棄物流を有さない。FPCからのアウトプット流は、浄化水である。分子を定期的に脱着する脱イオン化セルを収容するシステムは、(i)FPCアウトプット流と組み合わされた、吸着状態で作動する脱イオン化セルからの浄化されたアウトプット流、及び(ii)脱着状態で作動する脱イオン化セルからの廃棄物流を有する。 [0075] “Disposal logistics” passes through CDI, MCDI, i-CDI cells, reverse osmosis, ion exchange, or other water purification cells that repeat adsorption and desorption, with higher molar concentrations of ions than the input stream. It means the liquid contained. Deionized cells, such as capacitive deionized cells, can be used in systems accommodating FPCs. FPC has no waste logistics. The output flow from the FPC is purified water. Systems containing deionized cells that periodically desorb molecules include (i) a purified output stream from an adsorbed deionized cell combined with an FPC output stream, and (ii) desorption. It has a waste distribution from a deionized cell that operates in the state.

(関連技術)
[0076]飲用水及び作物灌漑用水に含まれる有毒金属、とりわけ鉛は、主要な、世界的な健康問題である。この問題、及び健康への影響は、都市水道システムの水が鉛汚染によって有毒となるような危機が発生するまで、ほとんど報告されることがない。昨年、少なくとも1800万人のアメリカ人が、鉛で汚染された水を飲む危険にさらされていた。5,000を超える公共給水システムが、連邦鉛規則に違反していた。小児における血液鉛レベルの上昇は、不可逆的な神経及び行動障害を引き起こし、たとえ低レベルでも、IQ及び生涯達成度の低下に関連してきた。米国環境保護局(「EPA」)は、鉛曝露の安全なレベルは存在しないことを強調している。住居用の使用地点/流入地点(POU/POE)の鉛低減用に最も一般に使用されているフィルター、例えば、ゼオライト及びイオン交換を使用するフィルターでは、不十分である。それらは、有効寿命が限られ、実質的な鉛特異性に欠け、高価である。
(Related technology)
[0076] Toxic metals in drinking water and crop irrigation water, especially lead, are a major global health problem. This problem, and its health effects, are rarely reported until a crisis occurs in which water in urban water systems becomes toxic due to lead pollution. Last year, at least 18 million Americans were at risk of drinking lead-contaminated water. Over 5,000 public water systems violated federal lead regulations. Elevated blood lead levels in children cause irreversible neurological and behavioral disorders and, even at low levels, have been associated with reduced IQ and lifetime achievement. The US Environmental Protection Agency (“EPA”) emphasizes that there are no safe levels of lead exposure. The most commonly used filters for lead reduction at residential use / inflow points (POU / POE), such as those using zeolites and ion exchange, are inadequate. They have a limited shelf life, lack substantial lead specificity, and are expensive.

[0077]図1は、都市飲用水中の鉛レベルが危険なほど高い米国の場所と、米国の幼児における血液鉛レベル上昇の発生頻度を示し、そこでは、幼児は、永続的な脳損傷、発作、昏睡、更には鉛中毒死のリスクにさらされている。米国天然資源保護協議会(「NRDC」)は最近、水中の鉛と銅のレベルを監視する連邦基準であるEPAの鉛及び銅規則(https://www.epa.gov/dwreginfo/lead−and−copper−rule)に違反する5,363の公共給水システムを発見した。NRDC報告書は、鉛についての対策レベル(試験を行った住宅の少なくとも10パーセントで15ppb)を超える1,110の水道システムも発見している。これらのシステムは、合計で約4百万人にサービスを提供している。EPAは、1991年の鉛と銅規則を改定して規制をより厳格にすることを検討しており、EPAの行政官は、EPAが「鉛に対する戦争を宣言する」という野心的な10年間の戦略に取り組んでいると述べており、飲用水中の鉛について、「我々が国として直面する最大の環境脅威の1つ」であると説明した。 [0077] Figure 1 shows the location of the United States where lead levels in urban drinking water are dangerously high and the frequency of elevated blood lead levels in infants in the United States, where infants have permanent brain damage. They are at risk of seizures, coma, and even death from lead poisoning. The US Natural Resources Conservation Council (“NRDC”) recently announced the EPA's Lead and Copper Regulations (https://www.epa.gov/dwreginfo/lead-and), a federal standard for monitoring lead and copper levels in water. We found 5,363 public water supply systems that violated -copper-rule). The NRDC report also finds 1,110 water systems that exceed lead countermeasure levels (15 ppb in at least 10 percent of tested homes). These systems serve a total of about 4 million people. The EPA is considering amending the 1991 lead and copper regulations to make the regulations more stringent, and EPA officials said the EPA "declares a war against lead" for an ambitious decade. He said he was working on a strategy and described lead in drinking water as "one of the greatest environmental threats we face as a nation."

[0078]ミシガン州フリントにおける都市水道システムの2018年の試験では、13,000ppbの鉛レベルが示され、これは、飲用水における鉛についてのEPA対策レベルの866倍である。人々は、家庭、学校、及び地域社会での水質に対してより意識するようになり、懸念を強めている。ニューヨーク州、カリフォルニア州、オハイオ州、及びイリノイ州の公立学校の水飲み器は、試験で15ppbの対策レベルを遙かに超えていた。古いインフラから飲用水システムへパイプが鉛を浸出させるリスクを最小限に抑えるために公共水道当局が講じた腐食防止策にもかかわらず、飲用水中の鉛濃度は一般に、全国的に上昇している。飲用水から鉛を排除する最も効果的な方法は、鉛ラインを交換することであるが、それには、推定300億ドルの費用がかかる。飲料水用のより良好なPOU/POEデバイスは、遙かに簡単で費用効果の高い解決策となり得る。既存の解決策は、高額な費用、不十分な有効性、及び/又は短いデバイス寿命に圧倒されているため、鉛汚染の問題は、十分に対処されていない。 A 2018 study of the urban water system in Flint, Michigan showed a lead level of 13,000 ppb, which is 866 times the EPA countermeasure level for lead in drinking water. People are becoming more aware and concerned about water quality in their homes, schools, and communities. Drinking fountains in public schools in New York, California, Ohio, and Illinois far exceeded the 15 ppb level of coverage in the test. Despite the anti-corrosion measures taken by public water authorities to minimize the risk of lead leaching from old infrastructure to drinking water systems, lead levels in drinking water are generally rising nationwide. There is. The most effective way to remove lead from drinking water is to replace the lead line, which costs an estimated $ 30 billion. A better POU / POE device for drinking water can be a much simpler and more cost effective solution. The problem of lead contamination has not been adequately addressed, as existing solutions are overwhelmed by high costs, inadequate effectiveness, and / or short device life.

[0079]現在市場に出回っている鉛除去デバイスは、鉛に対する特異性に欠けており、デバイス寿命は、鉛の濃度に関係なく、ろ過した水体積の総量によって制限される。時間の経過と共に、フィルター前後の圧力降下が大きくなり、フィルター内の吸着剤が完全に消費されていなくても、水がフィルターを通って流れることができなくなって、役に立たなくなる。 [0079] Lead removal devices currently on the market lack specificity for lead, and device life is limited by the total volume of filtered water, regardless of lead concentration. With the passage of time, the pressure drop before and after the filter becomes large, and even if the adsorbent in the filter is not completely consumed, water cannot flow through the filter and becomes useless.

[0080]塩素及び/又はクロラミンは、微生物の増殖を制御するための消毒剤として米国の飲用水供給に日常的に添加されている。微生物の除去は人間の消費にとって有益であるが、塩素及び/又はクロラミンは、水道水の不快な味や臭いの一因となる。したがって、最終使用の前に塩素及びクロラミンを除去することが望ましい。塩素は、クロラミンよりも揮発性が高く、典型的な消費者のフィルターピッチャーで容易に除去することができる。しかし、クロラミンを除去するには、活性炭(触媒炭素)を含有する特別に配合したフィルターが必要である。塩素及び/又はクロラミンの存在はまた、高分子膜、例えば逆浸透(RO)に依存する水浄化プロセスにとっても有害である。ほとんどの膜はこれらの消毒剤に耐性がなく、曝露されると分解し、不可逆的損傷及び高価なRO膜の交換の原因となる。飲用水及び熱電プラントや他の工業プロセスで使用する他の水(「プロセス水」)は、プロセスシステムの腐食及び汚染を低減するため、塩素、クロラミン、及び他のハロゲン化物(とりわけ、臭素及びヨウ素)、並びにハロゲン化物誘導体を除去する必要がある。RO膜に損傷を与えることなく、活性炭フィルターの使用を低減して水の供給源から塩素とクロラミンの両方を除去するという技術的問題の解決策は、水浄化コストを削減するだけでなく、飲用水及びプロセス水の質を改善する。水浄化プロセスとしての水質汚染物質の酸化は通常、過酸化水素又はオゾンを用いて行われる。ある特定の水質汚染物質の酸化は、更なる介入なしに汚染物質の更なる分解と最終的な破壊を促進する。 [0080] Chlorine and / or chloramines are routinely added to US drinking water supplies as disinfectants to control the growth of microorganisms. Although microbial removal is beneficial for human consumption, chlorine and / or chloramines contribute to the unpleasant taste and odor of tap water. Therefore, it is desirable to remove chlorine and chloramines before final use. Chlorine is more volatile than chloramines and can be easily removed by a typical consumer filter pitcher. However, to remove chloramines, a specially formulated filter containing activated carbon (catalytic carbon) is required. The presence of chlorine and / or chloramine is also detrimental to water purification processes that rely on polymer membranes, such as reverse osmosis (RO). Most membranes are not resistant to these disinfectants and will decompose when exposed, causing irreversible damage and replacement of expensive RO membranes. Drinking water and other waters used in thermoelectric plants and other industrial processes (“process water”) are chlorine, chloramine, and other halides (especially bromine and iodine) to reduce corrosion and contamination of the process system. ), As well as the halide derivative needs to be removed. The solution to the technical problem of reducing the use of activated carbon filters and removing both chlorine and chloramines from water sources without damaging the RO membrane not only reduces water purification costs, but is also drinkable. Improve water and process water quality. Oxidation of water pollutants as a water purification process is usually carried out using hydrogen peroxide or ozone. Oxidation of certain water pollutants promotes further decomposition and final destruction of the pollutants without further intervention.

[0081]解決すべき技術的問題は、(i)浄化水を生成するためのより効率的でより安価な浄化デバイス、とりわけ、飲料水中の可溶性及び不溶性の鉛を15ppb未満にまで除去するデバイスを提供することであり、その浄化デバイスは、(ii)住居用、都市用、商業用、及び工業用として容易に拡張可能であることである。出願人は、標的種の凝集によりこの技術的問題を解決するファラディック多孔性セル(「FPC」)を開発した。本明細書では電気脱ハロゲン化セル(「EDC」)と呼ばれる、新規な電気脱ハロゲン化技術を使用して水から塩素、他のハロゲン化物、クロラミン消毒剤、及び他のハロゲン化物誘導体を除去する第1の種;及び、本明細書では、容量性凝固セル(「CCC」)と呼ばれる、新規な容量性凝固技術を使用して金属、金属誘導体、及び粒子状金属を除去する第2の種の2種のFPCが、本明細書に開示される。出願人のファラディック多孔性技術は、一般に使用されるプロセス、例えば化学凝固、イオン交換、及び吸着剤よりも、水の浄化に著しく効果的である。EDCは、飲用水及びプロセス水から塩素、クロラミン、並びに他のハロゲン化物及びハロゲン化物誘導体を除去するコストを削減し、効率を向上させるという技術的問題を解決する。CCCは、飲用水及びプロセス水から金属、金属誘導体、及び粒子状金属を除去するコストを削減し、効率を向上させるという技術的問題を解決する。 The technical problems to be solved are: (i) more efficient and cheaper purification devices for producing purified water, especially devices that remove soluble and insoluble lead in drinking water to less than 15 ppb. To provide, the purification device is (ii) easily expandable for residential, urban, commercial, and industrial use. Applicants have developed a Faradic porous cell (“FPC”) that solves this technical problem by agglutination of target species. A novel electrodehalogenation technique, referred to herein as an electro-halogenation cell (“EDC”), is used to remove chlorine, other halides, chloramine disinfectants, and other halide derivatives from water. First species; and a second species that uses a novel capacitive coagulation technique, referred to herein as a capacitive coagulation cell (“CCC”), to remove metals, metal derivatives, and particulate metals. Two types of FPCs are disclosed herein. Applicant's Faradic porosity technique is significantly more effective in purifying water than commonly used processes such as chemical coagulation, ion exchange, and adsorbents. EDC solves the technical problem of reducing the cost and improving efficiency of removing chlorine, chloramines, and other halides and halide derivatives from drinking and process water. CCC solves the technical problem of reducing the cost and improving efficiency of removing metals, metal derivatives, and particulate metals from drinking water and process water.

国家資源防衛審議会が作製した、水道システムがEPAの鉛及び銅規則に違反している郡の地図(左)、及び2012年の血中鉛レベルが高い小児の症例数(右)。A map of counties where the water system violates EPA lead and copper regulations (left) and the number of children with high blood lead levels in 2012 (right), produced by the National Resource Defense Council. CCCコアの一部の概略図。概略図は、CCCコア内の2対(1対につきアノードとカソード)の電極を示す。CCCは、典型的には10対を超える電極を有する。Schematic diagram of a part of the CCC core. The schematic shows two pairs of electrodes (anode and cathode per pair) in the CCC core. The CCC typically has more than 10 pairs of electrodes. 出願人のCCCデバイスと市販の先行技術のPOUデバイスとの鉛除去の比較。図2において「PTW」と示されている出願人のCCCは、鉛含有量がEPA対策レベルを超える様々な都市水道の化学的性質について試験を行った。出願人のCCCは、先行技術のデバイス全てを上回った。Comparison of lead removal between the applicant's CCC device and a commercially available prior art POU device. The applicant's CCC, designated "PTW" in FIG. 2, tested the chemistry of various urban water services with lead content above EPA countermeasure levels. The applicant's CCC outperformed all prior art devices. アノードとカソードに印加されるEと、各電極付近で結果として得られるpHの交点での鉛種除去の場合のプールベ作動領域を示す、炭酸塩溶液中の鉛(Pb)のプールベ線図。FIG. 2 is a poolbed diagram of lead (Pb) in a carbonate solution showing the poolbe working region in the case of lead species removal at the intersection of E applied to the anode and cathode and the resulting pH near each electrode. 鉛種形成とPb種の固定化のための径路を示す、鉛(Pb)除去の場合の凝集機構。Agglutination mechanism in the case of lead (Pb) removal, which indicates a route for lead speciation and immobilization of Pb species. 次亜塩素酸塩の場合のプールベ線図(Debiemme−Chouvy,Catherine&Hua,Y&Hui,F&Duval,Jean−Luc&Cachet,H.(2014)。「Electrochemical treatments using tin oxide anode to prevent biofouling」の正誤表[Electrochimica Acta56/28(2011)10364〜10370ページ]。Electrochimica Acta.121.461.10.1016/j.electacta.2014.01.130.)。Pourbaix diagram in the case of hypochlorite (Debiemme-Chouvy, Catherine & Hua, Y & Hui, F & Dual, Jean-Luc & Cachet, H. (2014). 28 (2011) pp. 10364-10370]. Electrochimica Acta. 121.461.10.1016 / j. Electta. 2014.01.130.). 次亜臭素酸塩の場合のプールベ線図(前掲)。Pourbaix diagram for hypobromous acid (supra). モノクロラミン(NHCl)の場合のプールベ線図(www.sedimentaryores.net/Pipe%20Scales/Chlorine−chloramine.html)。Pourbaix diagram (www.sedimmentaryores.net/Pipe%20Scales/Chlorine-chloramine.html) in the case of monochloramine (NH 2 Cl). 印加電圧と短絡電圧を繰り返す間に市販のミクロ多孔性炭素[スペクトラカーボ(SC)及びカイノール(KN)]、主にメソ多孔性炭素[カルゴン(CG)]、メソ多孔性炭素[炭素キセロゲル(CX)]、並びに発明者の高効率(HE)炭素電極を用いた場合に通過した電荷。凡例の炭素タイプの順序は、CXがHEよりも低いy軸値であることを除き、通過した開始比電荷(y軸)の痕跡の順序でもある。Commercially available microporous carbon [Spectracarbo (SC) and Kinol (KN)], mainly mesoporous carbon [Calgon (CG)], mesoporous carbon [Carbon xerogel (CX)] while repeating the applied voltage and short-circuit voltage. )], And the charge passed when using the inventor's high efficiency (HE) carbon electrode. The order of carbon types in the legend is also the order of traces of the starting specific charge (y-axis) that have passed, except that CX has a lower y-axis value than HE. 4.3mMのNaCl中の4電極設定におけるカイノール電極の場合の電位分布であり、純粋なカイノールがアノードとカソード、Ptが対電極、標準カロメル電極(SCE)が参照であった。電圧は、1.6Vから0.8Vまで0.2V刻みで低下させて印加され、1.6Vまで戻された。E0,avgは、システムの開回路電圧を表す。It is the potential distribution in the case of the quinol electrode in the 4-electrode setting in 4.3 mM NaCl, where pure quinol was the anode and cathode, Pt was the counter electrode, and the standard caromel electrode (SCE) was the reference. The voltage was applied in 0.2V increments from 1.6V to 0.8V and returned to 1.6V. E 0, avg represents the open circuit voltage of the system. 図8a〜eは、作用電極として炭素、対電極としてPtコーティングしたTi、参照として標準カロメル電極(SCE)を用いた、4.3mMのNaCl中、0.5mV/sのスキャン速度でのサイクリックボルタモグラム(CV)を示す。CVは、電解質中に配置され、同一の実験期間中、定電圧に保持された炭素電極(示したような様々なタイプ)を使用して収集した。アノードとカソードの間に印加される電圧をスキャン速度で上昇させ、次いで下降させ、電流反応をCVとして記録した。純粋な(0h)電極のCVに加え、各プロットは、2.0Vの一定の印加電位で3及び6時間電極を使用した後に遂行された加速酸化研究の結果(3時間及び6時間の痕跡)を示す。図8aは、ミクロ多孔性SCの場合のCVを示す。3時間の電気化学的酸化の後、EPZCは、右にシフトしており、酸素含有官能基と炭素電極の炭素表面の間に共有結合が形成されたことを示した。6時間後、ゼロ電荷(Epzc)の電位はもはや存在せず、電流が顕著に低下し、細孔の崩壊を示している。同じ傾向が、ミクロ多孔性KNの場合の図8bで観察される。図8cは、主にメソ多孔性炭素であるCGの場合のCVを示す。3及び6時間の電気化学的酸化の後、EPZCは、右にシフトしているが、未崩壊の細孔のために電流は維持されている。それぞれメソ多孔性CX及びメソ多孔性HEである図8d及び8eは、図8cのCGの場合に観察されたのと同じ傾向を示すが、HEは、電気化学的活性表面積が大きいため、CXと比較して、3時間及び6時間の時点でCVプロット内により大きな面積を呈し、そのため、より大きな電流反応を実現する。CXの細孔径は、HEよりも10倍大きく、それが、電極の安定性と最終的な寿命に関係している。ただし、CXの細孔径が大きいほど、表面積はHEよりも遙かに小さくなる。8a-e show cyclic at a scanning rate of 0.5 mV / s in 4.3 mM NaCl using carbon as a working electrode, Pt-coated Ti as a counter electrode, and a standard calomel electrode (SCE) as a reference. The voltammogram (CV) is shown. CVs were collected using carbon electrodes (various types as shown) placed in the electrolyte and held at a constant voltage for the same experimental period. The voltage applied between the anode and cathode was increased at scan speed and then decreased, and the current response was recorded as CV. In addition to the CV of the pure (0h) electrode, each plot is the result of accelerated oxidation studies performed after using the electrode for 3 and 6 hours at a constant applied potential of 2.0 V (traces of 3 and 6 hours). Is shown. FIG. 8a shows the CV in the case of microporous SC. After 3 hours of electrochemical oxidation, the EPZC shifted to the right, indicating that a covalent bond was formed between the oxygen-containing functional group and the carbon surface of the carbon electrode. After 6 hours, the zero charge (E pzc ) potential is no longer present and the current drops significantly, indicating the collapse of the pores. The same tendency is observed in FIG. 8b for microporous KN. FIG. 8c shows CV in the case of CG which is mainly mesoporous carbon. After 3 and 6 hours of electrochemical oxidation, the EPZC has shifted to the right, but the current is maintained due to the undisintegrated pores. FIGS. 8d and 8e, which are mesoporous CX and mesoporous HE, respectively, show the same tendency as observed for the CG of FIG. 8c, but HE has a large electrochemically active surface area, so that it is different from CX. By comparison, at 3 and 6 hours, they exhibit a larger area in the CV plot, thus achieving a larger current response. The pore size of CX is 10 times larger than that of HE, which is related to the stability and final life of the electrode. However, the larger the pore diameter of CX, the smaller the surface area than HE. ベンチスケールの容量性凝固デバイス。Bench-scale capacitive coagulation device. 固定化された鉛種の最終状態を示す、SEM顕微鏡写真及びEDXマッピング。炭素(C)、鉛(Pb)、及び酸素(O)が下の3つのパネルにマッピングされ、それぞれの対応するグレースケール画像において、最も明るいコントラストで表されている。写真に相当するグレースケールでは、炭素電極は、黒色で、銅は灰色で示されている。EDXマッピングのカラー写真が利用可能である。SEM micrographs and EDX mappings showing the final state of the immobilized lead species. Carbon (C), lead (Pb), and oxygen (O) are mapped to the three panels below and are represented in the brightest contrast in each corresponding grayscale image. In the gray scale corresponding to the photograph, the carbon electrodes are shown in black and the copper is shown in gray. Color photographs of EDX mapping are available. 先行技術の活性炭充填カラム(パネルa)、及び出願人のCCCデバイス(パネルb及びc)の実験での破過曲線。左側のy軸は、初期鉛濃度に対して正規化されている:(a)126ppb、(b)296ppb、及び(c)10,000ppb。右側のy軸は、処理された体積に対し除去された総Pbをmg単位で示す。Breakthrough curves in prior art activated carbon-filled columns (panel a) and applicant's CCC devices (panels b and c). The y-axis on the left is normalized to the initial lead concentration: (a) 126 ppb, (b) 296 ppb, and (c) 10,000 ppb. The y-axis on the right shows the total Pb removed relative to the treated volume in mg. 1.2VでのDO還元。DO還元は、強力な酸化剤である過酸化水素を発生させる。DO reduction at 1.2V. DO reduction produces hydrogen peroxide, which is a powerful oxidant. Pbの場合のプールベ線図(Schock,M.R.、Hyland,R.N.、及びWelch,M.M.(2008)。Occurrence of contaminant accumulation in lead pipe scales from domestic drinking−water distribution systems.Environ.Sci.Technol.42(12)、4285〜4291ページ)。Pourbaix diagram in the case of Pb (Schock, MR, Hyland, RN, and Welch, MM (2008). Occurs of Sci. Technology. 42 (12), pp. 4285-4291). 除去方法を示す、Cuの場合のプールベ線図:(a)水酸化銅[Cu(OH)]形成、及び(b)銅電着又は電気めっき[Cu(s)](https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Cu−pourbaix−diagram.svg)。Pourbaix diagram for Cu showing the removal method: (a) copper hydroxide [Cu (OH) 2 ] formation, and (b) copper electrodeposition or electroplating [Cu (s) ] (https://commons). .Wikimedia.org/wiki/File: Cu-copurbaix-diagram.svg). Niの場合のプールベ線図(Ciesielczyk,F.,Bartczak,P.,Wieszczycka,K.,Siwinska−Stefanska,K.,Nowacka,M.,及びJesionowski,T.(2013).Adsorption of Ni(II) from model solutions using co−precipitated inorganic oxides.Adsorption.19,423〜434ページ)。Pourbaix diagram for Ni (Ciesielczyk, F., Barticzak, P., Wieszczykka, K., Siwinska-Stephanska, K., Nowacka, M., and Jessionowski, T. (2013). from model solutions using co-precipitated inorganic oxides. Adsorption. 19, pp. 423-434). Feの場合のプールベ線図(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Pourbaix_Diagram_of_Iron.svg)。Pourbaix diagram in the case of Fe (https://comons.wikimedia.org/wiki/File:Pourbaix_Diagram_of_Iron.svg). Mnの場合のプールベ線図(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Mn_pourbaix_diagram.png)。Pourbaix diagram in the case of Mn (https://comons.wikimedia.org/wiki/File:Mn_pourbaix_diagram.png). Alの場合のプールベ線図(https://corrosion−doctors.org/Corrosion−Thermodynamics/Potential−pH−diagram−aluminum.htm)。Pourbaix diagram in the case of Al (https://corrosion-doctors.org/Corrosion-Thermodynamics / Potential-pH-diagram-aluminum.html). Znの場合のプールベ線図(https://commons.wikimedia.org/wiki/File:Zn−pourbaix−diagram.svg)。Pourbaix diagram in the case of Zn (https://comons.wikimedia.org/wiki/File: Zn-pourbaix-diagram.svg). 積層セル設計のEDCデバイスの概略図。供給物(流入物、又はインプット流)は、デバイスの底物に流入し、セルハウジングの壁の近くの環状空間を通って進み、次いで、電極表面上を中心に向かって軸方向チャネルへと流れ、次いで、軸方向チャネルを通ってFPC出口へと排出(流出物又はアウトプット流)される。供給物スペーサは、任意選択である;供給物スペーサ(図23及び29に示す)は、アノードとカソード間の材料の追加層であり、通過流のためのより大きな流路を創出するために任意選択で追加することができる。Schematic diagram of an EDC device in a stacked cell design. The feed (inflow or input flow) flows into the bottom of the device, travels through the annular space near the wall of the cell housing, and then flows centered on the electrode surface into the axial channel. Then, it is discharged (outflow or output flow) to the FPC outlet through the axial channel. The feed spacer is optional; the feed spacer (shown in FIGS. 23 and 29) is an additional layer of material between the anode and cathode and is optional to create a larger flow path for the throughflow. It can be added by selection. カルゴンを両方の電極として行ったEDC実験での、300〜500ml/分の流量で処理した体積の関数としての印加電圧と過渡電流。約1500及び約1600ガロンでの電流スパイクは、ノイズ(電気リード線の不用意な物理的な動き)によるものであり、無視できる。約1800ガロンで、定電圧の印加から約0.2Aの定電流の印加に操作が切り替えられ、直線として観察された。この条件で見られる電圧減衰(電圧は負であると読み取られるが、合計セル電圧は、定電流と共に上昇する)は、定電流の印加の結果である。それに続く切り替えも定電流で行われたが、電圧は、すぐにカットオフ値に達し、システムは、本質的に定電圧であるかのような挙動を示した。Applied voltage and transient current as a function of volume processed at a flow rate of 300-500 ml / min in EDC experiments with Calgon as both electrodes. Current spikes at about 1500 and about 1600 gallons are due to noise (inadvertent physical movement of electrical leads) and are negligible. At about 1800 gallons, the operation was switched from applying a constant voltage to applying a constant current of about 0.2 A and observed as a straight line. The voltage decay seen under this condition (the voltage is read as negative, but the total cell voltage rises with a constant current) is the result of the application of a constant current. Subsequent switching was also done at constant current, but the voltage quickly reached the cutoff value and the system behaved as if it were essentially constant voltage. 1.2Vの印加電位で(a)カソードに生じ、(b)アノードには生じない銅堆積。写真のグレースケール同等物において、炭素電極は黒色で、銅は灰色で示されている。カソード上に堆積した銅のカラー写真が利用可能である。Copper deposits that occur at (a) cathodes and not (b) anodes at an applied potential of 1.2 V. In the grayscale equivalent in the photo, the carbon electrode is shown in black and the copper is shown in gray. Color photographs of copper deposited on the cathode are available. 実験後のカソード表面のセパレータ上のさび色のFe酸化物堆積物。写真のグレースケール同等物において、白色のセパレータ上に炭素電極は黒色で、鉄は灰色の堆積物として示されている。カソード上の銅堆積物のカラー写真が利用可能である。Rust-colored Fe oxide deposits on the separator on the cathode surface after the experiment. In the grayscale equivalent in the photo, the carbon electrode is black on the white separator and the iron is shown as a gray deposit. Color photographs of copper deposits on the cathode are available. (a)白色析出物のある炭素布、及び(b)Pb結晶を示す布の走査電子顕微鏡法(SEM)顕微鏡写真。(A) Scanning electron micrograph (SEM) micrograph of a carbon cloth with white precipitates and (b) a cloth showing Pb crystals. 鉛と酸素の両方が存在することにより、結晶が酸化鉛であることを確認する図27からのPb結晶のEDXマッピング。炭素(C)、鉛(Pb)、及び酸素(O)が右側の3つのパネルにマッピングされており、それぞれの対応するグレースケール画像において最も明るいコントラストで表されている。EDXマッピングのカラー写真が利用可能である。EDX mapping of Pb crystals from FIG. 27 confirming that the crystals are lead oxide due to the presence of both lead and oxygen. Carbon (C), lead (Pb), and oxygen (O) are mapped to the three panels on the right, represented by the brightest contrast in each corresponding grayscale image. Color photographs of EDX mapping are available. 連続セパレータと多孔質炭素系電極材料が物理的にらせん状に巻回されて、多孔質炭素電極を貫通する複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダが創出される巻回セル設計の概略図。Outline of winding cell design in which a continuous separator and a porous carbon-based electrode material are physically wound in a spiral to create a cylinder having multiple, mainly flow-by passages, penetrating the porous carbon electrode. figure. カイノールを両方の電極として行ったEDC実験。500ml/分の流量で処理した体積の関数として、供給物及び生成物流中の全塩素の濃度と印加電圧を示す。EDC experiments with quinol as both electrodes. As a function of the volume processed at a flow rate of 500 ml / min, the concentration and applied voltage of total chlorine in the feed and product stream are shown. カイノールを両方の電極として行ったEDC実験。500ml/分の流量で処理した体積の関数として、供給物及び生成物流中の遊離塩素の濃度と印加電圧を示す。EDC experiments with quinol as both electrodes. As a function of the volume processed at a flow rate of 500 ml / min, the concentration of free chlorine and the applied voltage in the feed and product stream are shown. カイノールを両方の電極として行ったEDC実験。500ml/分の流量で処理した体積の関数として、供給物及び生成物流中のクロラミンの濃度と印加電圧を示す。EDC experiments with quinol as both electrodes. As a function of the volume processed at a flow rate of 500 ml / min, the concentration of chloramine and the applied voltage in the feed and the product stream are shown. カイノールを両方の電極として行ったEDC実験。500ml/分の流量で処理した体積の関数として、水道水をEDCで処理した後の全塩素、遊離塩素、クロラミン及び過酸化物の除去率と印加電圧を示す。EDC experiments with quinol as both electrodes. As a function of the volume treated at a flow rate of 500 ml / min, the removal rate of total chlorine, free chlorine, chloramine and peroxide and the applied voltage after treating tap water with EDC are shown. 酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアース(Fuel Cell Earth)を他方の電極として行ったEDC実験。300〜500ml/分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の全塩素の濃度と印加電圧である。An EDC experiment in which oxidized quinol was used as one electrode and Fuel Cell Earth was used as the other electrode. The concentration and applied voltage of total chlorine in the feed and product stream as a function of the volume processed at a flow rate of 300-500 ml / min. 酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアースを他方の電極として行ったEDC実験。300〜500ml/分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の遊離塩素の濃度と印加電圧である。An EDC experiment in which oxidized quinol was used as one electrode and furcell earth was used as the other electrode. The concentration and applied voltage of free chlorine in the feed and product logistics as a function of the volume processed at a flow rate of 300-500 ml / min. 酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアースを他方の電極として行ったEDC実験。300〜500ml/分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中のクロラミンの濃度と印加電圧である。An EDC experiment in which oxidized quinol was used as one electrode and furcell earth was used as the other electrode. The concentration and applied voltage of chloramines in the feed and product stream as a function of the volume processed at a flow rate of 300-500 ml / min. 酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアースを他方の電極として行ったEDC実験。処理した体積の関数としての水道水をEDCで処理した後の全塩素、遊離塩素、クロラミン及び過酸化物の除去率と印加電圧である。An EDC experiment in which oxidized quinol was used as one electrode and furcell earth was used as the other electrode. The removal rate and applied voltage of total chlorine, free chlorine, chloramine and peroxide after tap water as a function of the treated volume is treated with EDC. カルゴンを両方の電極として行ったEDC実験。300〜500ml/分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の全塩素の濃度と印加電圧である。EDC experiment with Calgon as both electrodes. The concentration and applied voltage of total chlorine in the feed and product stream as a function of the volume processed at a flow rate of 300-500 ml / min. カルゴンを両方の電極として行ったEDC実験。300〜500ml/分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の遊離塩素の濃度と印加電圧である。EDC experiment with Calgon as both electrodes. The concentration and applied voltage of free chlorine in the feed and product logistics as a function of the volume processed at a flow rate of 300-500 ml / min. カルゴンを両方の電極として行ったEDC実験。300〜500ml/分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中のクロラミンの濃度と印加電圧である。EDC experiment with Calgon as both electrodes. The concentration and applied voltage of chloramines in the feed and product stream as a function of the volume processed at a flow rate of 300-500 ml / min. カルゴンを両方の電極として行ったEDC実験。処理した体積の関数としての水道水をEDCで処理した後の全塩素、遊離塩素、クロラミン及び過酸化物の除去率と印加電圧である。EDC experiment with Calgon as both electrodes. The removal rate and applied voltage of total chlorine, free chlorine, chloramine and peroxide after tap water as a function of the treated volume is treated with EDC.

[発明の概要]
[00123]典型的には一定の印加電位下で作動する電気化学的デバイスを使用して水から金属及びハロゲン化物汚染物質を除去する効率を高めるために、出願人は、容量吸着、セル電極付近又は上でのファラディック反応、及び電極細孔口径プロファイリングを組み合わせて、新しいタイプの電気化学的デバイスである、ファラディック多孔性セルを創出する。ファラディック多孔性セルにおける第1の考慮事項は、反応を起こし、アノード(水による炭素酸化)とカソード(溶存酸素還元)の両方で、長期間にわたりpHを変化させることができる炭素系材料の選択及び使用である。適切な多孔性とバルク材料特性を有する炭素材料は、長期間にわたりこれらの反応を引き起こすことができ、それにより、水溶液から除去すべき入ってくる成分(標的種)との標的反応が可能となる。
[Outline of the invention]
[00123] In order to increase the efficiency of removing metal and halide contaminants from water using electrochemical devices that typically operate under constant applied potentials, Applicants have requested volume adsorption, near cell electrodes. Alternatively, the faradic reaction above and the electrode pore size profiling are combined to create a new type of electrochemical device, the faradic porous cell. The first consideration in Faradic porous cells is the selection of carbon-based materials that can react and change the pH over a long period of time at both the anode (carbon oxidation with water) and the cathode (dissolved oxygen reduction). And use. Carbon materials with appropriate porosity and bulk material properties can trigger these reactions over a long period of time, allowing for targeted reactions with incoming components (target species) to be removed from the aqueous solution. ..

[00124]次の設計上の考慮事項は、アノードとカソードの間の間隔である。間隔を減少させると、電極間の電気的な絶縁を維持したまま反応速度を上げることが可能であり、ある特定の「反応及び固定化」プロセスを達成するために必要な滞留時間が制限される。電極間隔は、典型的には1mm未満であり、アノードとカソードの短絡を引き起こしたり、FPC内での許容できない圧力降下(その結果としての滞留時間の増加と流量の減少)を引き起こしたりしなければ、可能な限り近いことが望ましい。好ましい電極間隔は、1mm未満、好ましくは200ミクロン未満、より好ましくは50ミクロン未満、最も好ましくは20ミクロン未満である。 [00124] The next design consideration is the spacing between the anode and the cathode. Reducing the spacing allows the reaction rate to be increased while maintaining electrical insulation between the electrodes, limiting the residence time required to achieve a particular "reaction and immobilization" process. .. The electrode spacing is typically less than 1 mm and must not cause an anode-cathode short circuit or an unacceptable pressure drop within the FPC (resulting in increased residence time and decreased flow rate). , It is desirable to be as close as possible. The preferred electrode spacing is less than 1 mm, preferably less than 200 microns, more preferably less than 50 microns, and most preferably less than 20 microns.

[00125]標的種のうちのいくつかの種は、物理的な捕捉(「物理吸着」)により、又は電気的引力(「容量吸着」)により、電極に吸着する。標的種の他の種は、電極に固定化される標的種の新しい種を直接的又は間接的に創出する反応(典型的には、酸化)のための出発物質である。固定化は、標的種を溶液から除去する。電極間の所与の間隔と、対応する炭素電極材料の特性で、インプット流中の標的種のプールベ線図に基づき、アノードとカソードに印加される電位が選択される。様々な標的種の場合のFPCパラメータの例を、表1に示す。例えば、銅を除去するには、めっきによる電極への固定化は、0〜14のpH領域では、対NHEで約0.3V〜−0.4Vの範囲の電位で起こる可能性がある。加えて、対NHEで0Vを超える電位及び4より高いpH値では、アノードで水酸化銅(Cu(OH))の形態で析出が起こる可能性がある(図17参照)。ファラディック多孔性セルでの銅の除去には、約0.4Vの総セル電位が望ましい。 [00125] Some of the target species are adsorbed to the electrode by physical capture (“physical adsorption”) or by electrical attraction (“capacitive adsorption”). Other species of the target species are starting materials for reactions (typically oxidation) that directly or indirectly create new species of the target species that are immobilized on the electrodes. Immobilization removes the target species from the solution. Given spacing between electrodes and the characteristics of the corresponding carbon electrode material, the potentials applied to the anode and cathode are selected based on the Pourbaix diagram of the target species in the input stream. Examples of FPC parameters for various target species are shown in Table 1. For example, to remove copper, plating immobilization on the electrodes can occur at potentials in the range of about 0.3V to −0.4V against NHE in the pH range 0-14. In addition, at potentials above 0 V and pH values above 4 for NHE, precipitation can occur in the form of copper hydroxide (Cu (OH) 2) at the anode (see FIG. 17). A total cell potential of about 0.4 V is desirable for copper removal in the Faradic porous cell.

[00126]他の標的種は、同様の機構であるが、異なる電圧領域で除去することができる。例えば、鉛の析出は、電極表面で生成されるpHと電位から発生する可能性がある。対NHEで約−0.4Vよりも負の電位及び0〜14のpH領域で、鉛は、カソードで固体としてめっきされる可能性がある。pHを1.5より高く保ち、対NHEで0.5Vを超える電位を使用した場合、アノードでの析出は、PbOとしても起こる可能性がある(図16)。最後に、カソードで発生するHからの酸化も、標的種の析出を引き起こす可能性がある。カソード近くでの溶存酸素(「DO」)の還元速度は、例えば、カソードのEPZCの酸化的シフトによる、又はin situでの使用の結果としてのカソード炭素の酸化に依存する。 [00126] Other target species have a similar mechanism but can be removed in different voltage regions. For example, lead precipitation can occur from the pH and potential generated on the electrode surface. At potentials negative than about -0.4 V to NHE and in the pH range 0-14, lead can be plated as a solid at the cathode. Precipitation at the anode can also occur as PbO 2 if the pH is kept above 1.5 and a potential above 0.5 V vs. NHE is used (FIG. 16). Finally, oxidation from H 2 O 2 that occurs at the cathode can also cause precipitation of target species. The rate of reduction of dissolved oxygen (“DO”) near the cathode depends, for example, on the oxidation of the cathode carbon due to the oxidative shift of the cathode's EPZC or as a result of its use in situ.

[00127]材料に関するプールベ線図を使用すると、ファラディック多孔性セルにおいて対象の標的種を除去するのに必要なpHと電圧を定義することができる。ファラディック多孔性セルは、一連の多孔質炭素アノードとカソードを含み、典型的には還元カソード(負のEPZCと正の表面電荷)と純粋なアノード(ただし、アノードは、使用中に正のEPZCシフト((負の表面電荷))を被る)からなり、電極両端に小さな電圧、例えば、1.2Vを印加することにより作動する。FPCのCCC実施形態の概略図を図2に示す。浄化すべき水性インプット流がセルへの入口を通ってFPCに導入され、FPC中の電極が水流に漬かり、標的種が通過流から除去される。FPCでの標的種の除去後、通過流は、使用、保存、又は更なる処理のために、出口を通ってセルから排出される。セルの電極は、E+又はE−を所与の電極に印加できる電源に接続されている。FPCの中核となる進歩性は、セルアノードに印加されるE+とセルカソードに印加されるE−との正確なマッチング、電極材料の細孔口径プロファイル、及び選択されるプールベ作動領域であり、それにより浄化効率が向上し、費用/便益が向上する。プールベ線図作動領域は、印加されるEとpHに基づく種形成を示す。FPCにおいて、種形成は、電極に印加される電位E+及びE−によって推進される。細孔口分布(「PMD」)プロファイルが最適化された電極を用い、選択したプールベ作動領域でFPC動作を維持すると、未処理電極で発生する従来の吸着を遙かに超えるほど標的種の除去が増加する。 [00127] Pourbaix diagrams for materials can be used to define the pH and voltage required to remove the target species of interest in a Faradic porous cell. Faradic porous cells include a series of porous carbon anodes and cathodes, typically a reducing cathode (negative EPZC and positive surface charge) and a pure anode (although the anode is positive during use). It consists of an E PZC shift (subject to (negative surface charge)) and operates by applying a small voltage, eg 1.2V, across the electrodes. A schematic diagram of the CCC embodiment of the FPC is shown in FIG. The aqueous input stream to be purified is introduced into the FPC through the inlet to the cell, the electrodes in the FPC are immersed in the water stream and the target species are removed from the passing stream. After removal of the target species in the FPC, the passing stream is expelled from the cell through the outlet for use, storage, or further processing. The electrodes of the cell are connected to a power source that can apply E + or E- to a given electrode. The core inventive step of the FPC is the exact matching of E + applied to the cell anode and E-applied to the cell cathode, the pore size profile of the electrode material, and the pool bed operating region of choice. As a result, purification efficiency is improved and costs / benefits are improved. The Pourbaix diagram working region shows speciation based on the applied E and pH. In FPC, speciation is driven by the potentials E + and E− applied to the electrodes. Using electrodes with an optimized pore size distribution (“PMD”) profile and maintaining FPC operation in the selected Pourbaix operating region will remove target species far beyond conventional adsorption occurring on untreated electrodes. Will increase.

[00128]好ましい平均細孔口径は、0.8nm〜50nmの範囲であり、より好ましい平均細孔口径の範囲は、2nm〜20nmである。印加される電位は、標的種の酸化還元反応(例えば、めっき、酸化、還元、過酸化等)を引き起こし、アノード(酸性)及びカソード(塩基性)での局所的pH領域を変化させる炭素電極上でのファラディック反応を推進する。標的種の反応とpHの変化の組み合わせは、印加される電位により制御される。印加されるEは、典型的には定電圧であり、定常状態でほぼ定電流に到達する。一般的に言って、印加される電圧は、どんなファラディック反応がFPC内で起こるかを決定づける。FPCは、処理済(即ち、シフトされたEPZC)電極を使用することなく通過流から標的種を除去するが、処理済電極を使用すると、ある特定の水の化学的性質では標的種の除去が増加する。処理済電極を使用した場合、使用電圧ウィンドウ(アノードのEPZCとカソードのEPZCの電位差)は、典型的には0.3V〜1.23Vの範囲である。 [00128] The preferred average pore diameter is in the range of 0.8 nm to 50 nm, and the more preferred average pore diameter is in the range of 2 nm to 20 nm. The applied potential causes a redox reaction of the target species (eg, plating, oxidation, reduction, peroxide, etc.) on a carbon electrode that changes the local pH range at the anode (acidic) and cathode (basic). Promote the Phaladic reaction in. The combination of the reaction of the target species and the change in pH is controlled by the applied potential. The applied E is typically a constant voltage and reaches a near constant current in a steady state. Generally speaking, the applied voltage determines what faradic reaction occurs in the FPC. FPC removes target species from the flow through without using treated (ie, shifted EPZC ) electrodes, but using treated electrodes removes target species in certain water chemistries. Will increase. When using the processed electrode, using voltage window (the anode of E PZC and the cathode potential difference E PZC) is typically in the range of 0.3V~1.23V.

[00129]FPCの発明は、電極の多孔性、印加されるE、及びプールベ作動領域を最適化することにより、標的種(例えば、鉛、鉄、マンガン、カドミウム、クロム、塩素、クロラミン等)の吸着(物理的及び容量性)と、吸着された標的種の固定化(凝固とも呼ばれる)を組み合わせるものである。(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び標的種固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H)発生;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル;(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計の最適化は、標的種、インプット流の水の化学的性質、及び通過流の水の化学的性質に依存する。 [00129] The invention of FPC is to optimize the porosity of the electrode, the applied E, and the working region of the adsorbate to accommodate the target species (eg, lead, iron, manganese, cadmium, chromium, chlorine, chloramine, etc.). It combines adsorption (physical and capacitive) with immobilization (also called coagulation) of the adsorbed target species. (I) Physical adsorption; (ii) Volumetric adsorption; (iii) Electrochemical pH control and target species immobilization; (iv) Electrochemical peroxide (H 2 O 2 ) generation; (v) Electrodeposition (eg) , Electroplating, electrophoresis deposition); (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) precipitation; (viii) pore size profile; (ix) electrode treatment, (x) electrode spacing, and (xi) flow-by pair. Optimization of flow-through vs. carbon block cell design depends on the target species, the chemistry of the input flow water, and the chemistry of the passing flow water.

[00130]還元は、FPCのカソードでのみで起こる。電気化学的還元は通常、セルに印加される電位として説明される。アノードとカソードの間の電圧分布は、印加される電圧の量、電極の材料特性、及び水溶液の化学的性質に基づいて自発的に起こる。 [00130] Reduction occurs only at the cathode of the FPC. Electrochemical reduction is usually described as the potential applied to the cell. The voltage distribution between the anode and cathode occurs spontaneously based on the amount of voltage applied, the material properties of the electrodes, and the chemistry of the aqueous solution.

[00131]本発明の一実施形態は、プールベ線図が存在する金属イオン又は粒子状金属、例えばAs、Se、Pb、Ni、Zn、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuを、それぞれがCCCパラメータである下記の方法のうちの1つ又は複数によりインプット流から除去する1つ又は複数の容量性凝固セルを使用する容量性凝固システム及び方法である:(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び金属固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H)発生及び金属酸化;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル;(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計。CCCは、水から鉛を除去して、鉛濃度が飲用又は灌漑用水用のEPA対策レベルである15ppb未満の水を生成することができる。 [00131] One embodiment of the present invention is a metal ion or particulate metal in which a pool bed diagram is present, such as As, Se, Pb, Ni, Zn, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co. , Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ce, Pr, Nd , Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu are removed from the input stream by one or more of the following methods, each of which is a CCC parameter. Capacitive coagulation systems and methods that use multiple capacitive coagulation cells: (i) physical adsorption; (ii) capacitive adsorption; (iii) electrochemical pH control and metal immobilization; (iv) electrochemical over. Oxide (H 2 O 2 ) generation and metal oxidation; (v) electrodeposition (eg, electrochemical deposition, electrophoresis deposition); (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) precipitation; (viii) pore diameter Profiles; (ix) electrode treatment, (x) electrode spacing, and (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block cell design. The CCC can remove lead from water to produce water with a lead concentration of less than 15 ppb, which is the EPA countermeasure level for drinking or irrigation water.

[00132]先行技術のデバイスと比較して、出願人のCCCは、鉛及び他の金属に対する特異度が高く、溶解及び微粒子の鉛と他の金属の両方を除去し、日又は週単位ではなく、年単位で測定できるデバイス寿命を有し、低コスト材料を使用する。出願人のCCCは、電気化学と炭素材料とを組み合わせて水中の他の成分、例えば鉄、揮発性有機化合物(VOC)、粒子状物質及び天然有機物(NOM)により飽和、汚染、又は阻害されないシステムを提供することにより、その長寿命と効率を達成する。出願人のデバイスの寿命は、炭素ろ過、イオン交換ろ過、ゼオライト吸着剤、及び逆浸透(RO)の先行技術よりも、数倍長い。 [00132] Compared to prior art devices, Applicant's CCC has higher specificity for lead and other metals, dissolves and removes both lead and other metals in particulates, rather than on a daily or weekly basis. Uses low cost materials with a device life that can be measured on a yearly basis. Applicant's CCC is a system that combines electrochemical and carbon materials and is not saturated, contaminated, or inhibited by other components in water, such as iron, volatile organic compounds (VOCs), particulate matter and natural organics (NOMs). By providing, achieve its long life and efficiency. The life of the applicant's device is several times longer than the prior art of carbon filtration, ion exchange filtration, zeolite adsorbents, and reverse osmosis (RO).

[00133]CCCにおいて、最適化されたPMD、印加されるE、化学的操作、及び電気化学的操作を組み合わせることで、鉛の炭素電極への固定化(凝固)が容易になる。吸着された鉛は、溶液から恒久的に除去される(図13)。この方法論は、鉄、マンガン、カドミウム、クロム、並びに他の金属及び金属誘導体の処理に容易に適合可能であり、適用可能である。CCCを「調整」することは、主に、(ii)標的種のプールベ線図における作動領域を分析し選択することに基づき、(i)CCCアノードとカソードの間に印加される電圧を選択すること、及び(iii)標的種の除去を最大化するCCC炭素電極の細孔口径プロファイルを選択することを意味する。CCCからの流出物は、更なる処理をせずに使用することも、他の標的種の更なる除去のために1つ又は複数のEDC、CCC、又は先行技術の水浄化セルに送ることもできる。調整は、任意選択で、電極処理によって更に最適化することができる。 [00133] In the CCC, the combination of optimized PMD, applied E, chemical manipulation, and electrochemical manipulation facilitates the immobilization (solidification) of lead to the carbon electrode. The adsorbed lead is permanently removed from the solution (FIG. 13). This methodology is readily applicable and applicable to the treatment of iron, manganese, cadmium, chromium, as well as other metals and metal derivatives. "Adjusting" the CCC is primarily based on (ii) analyzing and selecting the working region in the Pourbaix diagram of the target species, and (i) selecting the voltage applied between the CCC anode and cathode. It means selecting the pore size profile of the CCC carbon electrode that maximizes the removal of (iii) target species. The effluent from the CCC can be used without further treatment or sent to one or more EDCs, CCCs, or prior art water purification cells for further removal of other target species. can. The adjustment is optional and can be further optimized by electrode treatment.

[00134]金属の種形成と化学的性質を活用して、水の化学的性質に関係なく、高い有効性と選択性で水から鉛(及び他の標的金属)を選択的に除去することができる。この操作により、出願人のCCCは、(i)飲用水源から鉛及び他の標的種を電気化学的、化学的、及び物理的に除去することができ、現在必要とされ、インプット流の状態及びpHを変化させることにより駆動される多数の分離技法の必要性を排除し、(ii)飲用水及びプロセス水を浄化するためのより効率的で、安価で、拡張可能なデバイス、とりわけ、可溶性及び不溶性の鉛を15ppb未満にまで除去するデバイスを提供するという技術的問題を解決する。インプット流のpHの調節は、標的種の凝集を改善するために、とりわけ金属の除去のために必要な場合がある。 [00134] Utilizing the seed formation and chemistry of metals, it is possible to selectively remove lead (and other target metals) from water with high efficacy and selectivity, regardless of the chemistry of water. can. This operation allows Applicant's CCC to (i) remove lead and other target species from drinking water sources electrochemically, chemically, and physically, as is currently required and in the state of input flow. And eliminate the need for numerous separation techniques driven by varying pH, (ii) more efficient, cheaper and expandable devices for purifying drinking and process water, especially soluble. And solve the technical problem of providing a device that removes insoluble lead to less than 15 ppb. Adjustment of the pH of the input stream may be necessary to improve the aggregation of the target species, especially for the removal of metals.

[00135]FPC技術のEDCの実施形態において、EDCパラメータは、EDC流入物から他の非金属標的種、例えば、塩素、クロラミン、並びに他のハロゲン化物及びハロゲン化物誘導体を除去するように「調整」される。EDCを「調整」することは、主に、(ii)標的種のプールベ線図における作動領域を分析し選択することに基づき、(i)EDCアノードとカソードの間に印加される電圧を選択すること、及び(iii)標的種の除去を最大化するEDC炭素電極の細孔口径プロファイルを選択することを意味する。EDCからの流出物は、更なる処理をせずに使用することも、他の標的種の更なる除去のために1つ又は複数のEDC、CCC、又は先行技術の水浄化セルに送ることもできる。調整は、任意選択で、電極処理によって更に最適化することができる。デバイスの特徴及び利点を以下並びに図面の表2及び表3に列挙する。 [00135] In an EDC embodiment of the FPC technique, the EDC parameter is "adjusted" to remove other non-metal target species such as chlorine, chloramines, and other halides and halide derivatives from the EDC influx. Will be done. "Adjusting" the EDC is primarily based on (ii) analyzing and selecting the working region in the Pourbaix diagram of the target species, and (i) selecting the voltage applied between the EDC anode and cathode. It means selecting the pore size profile of the EDC carbon electrode that maximizes the removal of (iii) target species. The effluent from the EDC can be used without further treatment or sent to one or more EDCs, CCCs, or prior art water purification cells for further removal of other target species. can. The adjustment is optional and can be further optimized by electrode treatment. The features and advantages of the device are listed below and in Tables 2 and 3 of the drawing.

[00136]EDC又はCCCは、任意選択で、一方又は両方の電極のEpzcが、純粋な電極のEpzcと比較してシフトされている炭素で作られた処理済アノード及びカソードを使用する。電極のEpzcをシフトさせると、起こる反応の速度を(正方向又は負方向のいずれかに)変化させることができる。シフトさせるのをアノードのみとするか、カソードのみとするか、両方のタイプの電極とするか、及びどの程度のEpzcシフトを使用するかは、インプット水の化学的性質と標的種に依存する。 [00136] The EDC or CCC optionally uses a treated anode and cathode made of carbon in which the Epzc of one or both electrodes is shifted compared to the Epzc of a pure electrode. Shifting the Epzc of the electrodes can change the rate of the reaction that occurs (either in the positive direction or in the negative direction). Whether to shift only the anode, only the cathode, both types of electrodes, and how much Epzc shift is used depends on the chemistry of the input water and the target species.

[00137]炭素電極は、3Vの高電位が電極に印加された場合に、電気分解又は水分解を回避又は低減する点で、金属電極よりも優れている。1.23Vを超える印加電位(「過電位」)は、水の電気分解を引き起こす可能性があり、それは、危険な水素ガスを生成する。金属電極は、2V未満で水素ガスの生成を引き起こす可能性がある。対照的に、炭素電極は、実質的な水の電気分解を回避しながらより高い印加電圧に耐えることができる。 [00137] The carbon electrode is superior to the metal electrode in that it avoids or reduces electrolysis or water splitting when a high potential of 3 V is applied to the electrode. An applied potential above 1.23 V (“overpotential”) can cause electrolysis of water, which produces dangerous hydrogen gas. Metal electrodes can cause the production of hydrogen gas below 2V. In contrast, carbon electrodes can withstand higher applied voltages while avoiding substantial water electrolysis.

[00138]EDCの進歩性は、(i)特定の炭素電極と印加電圧による塩素及びクロラミン(味と臭いの原因)の削減に必要な電力消費の削減、(ii)オンデマンドで、又は連続処理として使用できること、(iii)大幅に低コストのPOU/POEデバイスと低コストの都市、商業、及び工業用の大規模システムを実現する、拡張可能性が非常に高く、単純な設計であること、(iv)従来の炭素ブロック(例えば活性炭/活性木炭)と同様の性能であるが、必要な炭素が大幅に少ないこと、(v)遙かに短い滞留時間での同様な遊離塩素の除去性能、(vi)使用する炭素が少ないこと、(vii)とりわけ塩素及びクロラミンの除去の場合の電極寿命が長いこと、(viii)特定の除去量とアウトプット水質に対するより微細な制御、(ix)標的種除去対電極寿命のバランスを取る速度に対するより良好な制御、及び(x)FPC電極用の炭素の選択によりFPCの費用/便益が調節できること、である。 [00138] EDC advances include (i) reduction of power consumption required to reduce chlorine and chloramine (causes of taste and odor) with specific carbon electrodes and applied voltage, (ii) on-demand or continuous processing. It can be used as (iii) a highly expandable and simple design that enables significantly lower cost POU / POE devices and lower cost urban, commercial, and industrial large-scale systems. (Iv) Performance similar to conventional carbon blocks (eg activated carbon / activated carbon), but significantly less carbon required, (v) Similar free chlorine removal performance with much shorter residence time, (Vi) Low carbon used, (vii) long electrode life, especially in the case of chlorine and chloramine removal, (viii) finer control over specific removal amounts and output water quality, (ix) target species Better control over the rate at which the removal vs. electrode life is balanced, and (x) the choice of carbon for the FPC electrode can regulate the cost / benefit of the FPC.

[好ましい実施形態の詳細な説明]
[00139]容量性充電プロセス中は、一定の電流又は電圧を使用して、エネルギー貯蔵、脱塩、又は他の有用な容量性技法を目的として電極表面を充電する。電極の充電とそれに続く放電は多くの場合、意図する用途に応じ、ある範囲の電圧と電流にわたって数千サイクル行われる。活性炭で作られた炭素電極は、(i)比表面積が大きく、その結果静電容量が大きいこと、及び、(ii)官能基を追加して、とりわけ、金属及び他の標的種の除去、エネルギー貯蔵、並びに脱イオン化(例えば、海水又は汽水の脱塩)を改善する表面改質を行う機会があるため、こうした容量ベースの充電及び放電プロセスに採用されることが多い。活性炭は、吸着又は化学反応に利用可能な表面積を増加させる多数の小さな低体積の細孔を有するように処理された炭素の形態である。FPCは、廃水、冷却水、洗濯廃水、人間の消費のために浄化すべき水、農業用に浄化すべき水、園芸用に浄化すべき水、食品に使用するために浄化すべき水、軟化すべき水、人間の消費のために浄化すべき海水、実験室での使用のために浄化すべき水、人間の消費又は農業での使用のために浄化すべき汽水、及び医療用の使用のために浄化すべき水の浄化に使用することができる。
[Detailed Description of Preferred Embodiment]
[00139] During the capacitive charging process, a constant current or voltage is used to charge the electrode surface for energy storage, desalting, or other useful capacitive techniques. Electrode charging and subsequent discharging are often done in thousands of cycles over a range of voltages and currents, depending on the intended use. Carbon electrodes made of activated carbon have (i) a large specific surface area, resulting in a large capacitance, and (ii) the addition of functional groups, among other things, the removal of metals and other target species, energy. It is often used in these capacity-based charging and discharging processes because of the opportunity to perform storage and surface modifications to improve deionization (eg, desalting of seawater or steam water). Activated carbon is in the form of carbon treated to have a large number of small, low volume pores that increase the surface area available for adsorption or chemical reactions. FPC is waste water, cooling water, washing waste water, water to be purified for human consumption, water to be purified for agriculture, water to be purified for gardening, water to be purified for use in food, softening. Water to be purified, seawater to be purified for human consumption, water to be purified for laboratory use, brackish water to be purified for human consumption or agricultural use, and medical use It can be used to purify water that should be purified.

[00140]炭素電極中の細孔径の分布は、従来の水浄化技術では見過ごされてきた重要なFPCパラメータである。 [00140] The distribution of the pore size in the carbon electrode is an important FPC parameter that has been overlooked in conventional water purification techniques.

[00141]電極特性を表4に示す。電極の供給元が、表4の最初の列に記載されている。細孔径、又は細孔口径(「PMD」)は、通過する電荷を維持する上で極めて重要であり、EDC電極の寿命に直接関係する。PMDは通例、炭素電極内の関連する細孔チャネルの直径の代表として使用される。図9は、通過する電荷の安定性に対するPMDの影響を示している。電圧又は電位の印加とそれに続く逆電圧又は電位(又はアノード(複数可)及びカソード(複数可)の短絡若しくは開回路)のサイクルが繰り返された後、細孔チャネルが(及び細孔口さえも)「崩壊」する(より正確には、細孔が閉塞する)ことがある。細孔口が「屋根付き」となる、及び/又は細孔チャネルが「閉鎖」となり、炭素の表面積(とりわけ、細孔チャネルの直径及び長さ)が減少し、その結果、細孔がもはや効果的に機能しなくなる。「屋根付き」細孔口は、細孔内部へのアクセスをブロックする。細孔口の屋根形成及び細孔チャネルの崩壊は、先行技術セルの電極性能の低下や最終的な故障を引き起こす。 [00141] The electrode characteristics are shown in Table 4. The source of the electrodes is listed in the first column of Table 4. The pore diameter, or pore diameter (“PMD”), is crucial in maintaining the charge passing through and is directly related to the lifetime of the EDC electrode. The PMD is typically used as a representative of the diameter of the associated pore channel within the carbon electrode. FIG. 9 shows the effect of PMD on the stability of the passing charge. After repeated cycles of voltage or potential application followed by reverse voltage or potential (or short circuit or open circuit of anode (s) and cathode (s)), the pore channel (and even the pore opening) ) May "collapse" (more precisely, the pores are blocked). The pore openings become "covered" and / or the pore channels become "closed", reducing the surface area of carbon (particularly the diameter and length of the pore channels), so that the pores are no longer effective. Does not work. A "covered" pore opening blocks access to the inside of the pore. Roof formation of pore openings and collapse of pore channels cause deterioration of electrode performance and final failure of prior art cells.

[00142]FPCにおいて、標的種は、イオン化されている、電荷を帯びている、又は化学結合における電子の非対称分布のために部分的な電荷を帯びている場合、印加された電位のために炭素電極に引きつけられる可能性があり、それが標的種を炭素電極に近づける(又は接触させる)駆動力を発生させる。標的種の非イオン及び非荷電種は、電極表面に衝突する可能性がある。電極表面と接触すると、標的種の固定化への多数の径路が生じる可能性がある。局所的で大きなpHの変動を制御してアルカリ性の環境を電気化学的に生成することができ、それにより、例えば、不溶性の金属酸化物が生成され、電極の近く又は上に析出し、電極細孔に捕捉される。ファラディック反応、例えばカソードでの酸素還元反応は、過酸化水素を生成する可能性があり、過酸化水素は、電極から拡散して近接している標的金属分子を酸化する可能性がある。過酸化水素は、無差別な酸化を遂行する。電極により近い標的種が局所的に高濃度であるほど、過酸化水素が標的種を酸化する統計的確率が高くなる。他のファラディック反応、例えば標的種と電極の間の直接的な電子移動(還元又は酸化)も起こる可能性がある。標的種が電極表面に引きつけられると、炭素電極は、(1)電極から標的種へ電子(複数可)を移動させて標的種を還元し、電極上に堆積するようにするか、(2)標的種から炭素電極に電子(複数可)を移動させて標的種を酸化し、不溶性の酸化物若しくは水酸化物のいずれかにする、又は追加の電子移動反応若しくはpH調節により固定化できるより反応性の高い種にすることができる。析出した種及び電気的に引きつけられた種は、電極細孔に捕捉される。 [00142] In FPC, if the target species is ionized, charged, or partially charged due to the asymmetric distribution of electrons in the chemical bond, carbon due to the applied potential. It can be attracted to the electrode, which creates a driving force that brings the target species closer to (or comes into contact with) the carbon electrode. Nonionic and uncharged target species can collide with the electrode surface. Contact with the electrode surface can result in multiple routes to immobilization of the target species. Local and large pH fluctuations can be controlled to electrochemically create an alkaline environment, which, for example, produces insoluble metal oxides that precipitate near or above the electrodes and are fine. It is captured in the hole. A faradic reaction, such as an oxygen reduction reaction at the cathode, can produce hydrogen peroxide, which can diffuse from the electrode and oxidize nearby target metal molecules. Hydrogen peroxide carries out indiscriminate oxidation. The higher the local concentration of the target species closer to the electrode, the higher the statistical probability that hydrogen peroxide will oxidize the target species. Other faradic reactions, such as direct electron transfer (reduction or oxidation) between the target species and the electrode, can also occur. When the target species is attracted to the surface of the electrode, the carbon electrode either (1) transfers electrons (s) from the electrode to the target species to reduce the target species and deposits them on the electrode (2). More reactions that can be immobilized by transferring electrons (s) from the target species to the carbon electrode to oxidize the target species into either an insoluble oxide or hydroxide, or by an additional electron transfer reaction or pH control. It can be a highly sexual species. Precipitated and electrically attracted seeds are trapped in the electrode pores.

[00143]活性炭内の実際の細孔のサイズ及び体積は、所与の細孔の形状、屈曲度(通常、細孔直径の変化に関連する)、及びチャネル長さに依存する。活性木炭の顕微鏡写真に基づき、活性化及び/又は合成手順に応じ、活性炭内の細孔は、チューブ状チャネル、多角形チャネル、回転楕円体チャンバ、表面スリット等となるものがある。チャネル及びチャンバは、「行き止まり」又は「貫通」(即ち、「細孔口」とも呼ばれる2つの表面出現部を有し、2つの細孔口間にチャネル連続性のあるチャネル又はチャンバ)であり得る。活性炭内の細孔は、平均細孔チャネル直径(以下、「細孔チャネル直径」)及び平均細孔口径を有するチューブ状のチャネルであるとして一般化される。活性炭の塊の中で一定の細孔チャネル直径を持つことがほとんどない数十億の細孔の実際の細孔チャネル直径を測定することは非常に困難な作業であり、ここでは報告されない。一般化として、細孔チャネル直径は、細孔口径と同一であると仮定される。 [00143] The actual size and volume of the pores in the activated carbon depends on the shape of the given pores, the tortuosity (usually associated with changes in pore diameter), and the channel length. Based on micrographs of activated charcoal, the pores in the activated carbon may be tubular channels, polygonal channels, spheroidal chambers, surface slits, etc., depending on the activation and / or synthesis procedure. The channel and chamber can be a "dead end" or "penetration" (ie, a channel or chamber having two surface appearances also called "pore openings" and having channel continuity between the two pore openings). .. The pores in the activated carbon are generalized as tubular channels having an average pore channel diameter (hereinafter, "pore channel diameter") and an average pore diameter. Measuring the actual pore channel diameter of billions of pores, which rarely have a constant pore channel diameter in a mass of activated carbon, is a very difficult task and is not reported here. As a generalization, the pore channel diameter is assumed to be the same as the pore diameter.

[00144]細孔口の直径、即ち、細孔の電解質への開口部は、吸着のためのその細孔の利用、及び容量性凝固におけるマルチサイクル性能に大きな影響を与え、小さな細孔口径では、影響は支配的である。細孔口径(したがって、細孔口表面積)が大きいほど、細孔チャネルと電解質との間に有意な接触面積を提供する。小さな細孔口径は、より限定された接触面積(即ち、「細孔口表面積」)を有する。細孔口径は、IUPACにより、細孔口径が2nm未満、2〜50nm、及び50nm超がそれぞれミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性であると定義されている。吸着媒体の寿命は、材料の表面に存在する細孔口径と直接的な相関関係を有する。活性炭電極を使用した吸着と脱着のサイクルを繰り返した後の、細孔口閉塞とも呼ばれる「細孔口屋根形成」の概念と影響について、以下に説明する。FPCの極性反転サイクルを繰り返した後に細孔口は「屋根形成」又は「閉鎖」し、細孔チャネルが「崩壊」し、その結果、細孔の表面積は、標的種の捕捉及び吸着に効果的に機能しなくなる。 [00144] The diameter of the pore opening, i.e., the opening of the pore to the electrolyte, has a significant effect on the utilization of the pore for adsorption and the multicycle performance in capacitive coagulation, with small pore diameters. , The influence is dominant. The larger the pore diameter (and thus the pore surface area), the more significant contact area is provided between the pore channel and the electrolyte. Small pore diameters have a more limited contact area (ie, "pore mouth surface area"). Porosity is defined by IUPAC as microporous, mesoporous, and macroporous with pore diameters of less than 2 nm, 2-50 nm, and more than 50 nm, respectively. The lifetime of the adsorption medium has a direct correlation with the pore size present on the surface of the material. The concept and effect of "pore mouth roof formation", which is also called pore mouth blockage, after repeating the adsorption and desorption cycle using the activated carbon electrode will be described below. After repeated FPC polarity reversal cycles, the pore openings "roof" or "close" and the pore channels "collapse", so that the surface area of the pores is effective in capturing and adsorbing the target species. Does not work.

[00145]容量性凝固技術を組み込んだ出願人のデバイスは、最大約300ppbの鉛濃度を混入させたサンプルの水道水から可溶性(溶解)及び不溶性(微粒子)の鉛種を、EPA対策レベルを遙かに下回るまで除去した。効率的な鉛除去は、インプット流中の鉛の濃度が5ppbと低く、対策レベルを遙かに下回っていても実証された。プロトタイプのデバイスは、水道水に一般に見られる他の成分、例えばカルシウム(Ca2+)よりも、鉛除去に対して90%以上、多くの場合99%を超える特異度を達成した。出願人の容量性凝固の発明は、鉛種が市販の既製製品では除去することが難しい錯体形成種を形成する傾向がある硬アルカリ性水でこの性能を達成することができた。CCCはまた、可溶性(溶解)及び不溶性(微粒子)両方の鉛、ヒ素、ニッケル、及び銅種を予想外に除去することができる。 [00145] The applicant's device incorporating the capacitive coagulation technology can remove soluble (dissolved) and insoluble (fine particles) lead species from tap water of a sample mixed with a lead concentration of up to about 300 ppb, far from the EPA countermeasure level. It was removed until it fell below the water level. Efficient lead removal was demonstrated even when the concentration of lead in the input stream was as low as 5 ppb, well below the countermeasure level. The prototype device achieved a specificity of more than 90%, and often more than 99%, for lead removal over other components commonly found in tap water, such as calcium (Ca 2+). The applicant's invention of capacitive coagulation was able to achieve this performance in hard alkaline water, where lead species tend to form complex-forming species that are difficult to remove with off-the-shelf products on the market. CCC can also unexpectedly remove both soluble (dissolved) and insoluble (fine particles) lead, arsenic, nickel, and copper species.

[00146]出願人の容量性凝固の発明は、鉛除去のための一実施形態において、インプット水源条件、即ち硬度、pH、アルカリ度、及び消毒のタイプに関係なく、1ガロン毎分(gpm)の最小流量で、NSF/ANSI53及び61認証を満たすことができるPOU/POE水浄化デバイスを提供する。加えて、デバイスは、(i)標的金属、例えば、ヒ素、鉛、ニッケル、銅、カドミウム、鉛、マンガン、水銀、及び放射性金属に対して高度に特異的であり、最新の解決策よりも(ii)信頼性が高く、(iii)効率的であり、(iv)長持ちする。出願人の容量性凝固セルは、可溶性及び不溶性の鉛を15ppb未満にまで除去し、住居用としてだけでなく、より高度なスループットシステムへの規模拡大にも好適な、より効率的で、安価な、非常に拡張性の高い水浄化デバイスを実現する。以下の詳細な実施例は、容量性凝固セルを使用した鉛除去に焦点を当てているが、CCCパラメータの調節により、CCCを「調整」して、プールベ線図が存在する任意の他の金属又は金属誘導体、例えばヒ素、カドミウム、マンガン、及び水銀、更にSe、Ni、Zn、Al、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuを除去することが可能である。 [00146] Applicant's invention of capacitive coagulation, in one embodiment for lead removal, is 1 gallon per minute (gpm) regardless of the input water source conditions, ie hardness, pH, alkalinity, and type of disinfection. Provided is a POU / POE water purification device capable of satisfying NSF / ANSI53 and 61 certifications at the minimum flow rate of. In addition, the device is (i) highly specific for target metals such as arsenic, lead, nickel, copper, cadmium, lead, manganese, mercury, and radioactive metals, and is more specific than the latest solutions ( ii) Reliable, (iii) efficient, and (iv) long lasting. Applicant's capacitive coagulation cell removes soluble and insoluble lead to less than 15 ppb, making it more efficient and cheaper, suitable not only for residential use but also for scaling to higher throughput systems. , Realize a highly expandable water purification device. The following detailed examples focus on lead removal using capacitive coagulation cells, but by adjusting the CCC parameters, the CCC is "adjusted" to any other metal for which a Pourve diagram is present. Or metal derivatives such as arsenic, cadmium, manganese, and mercury, as well as Se, Ni, Zn, Al, Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru. , Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm , Yb, and Lu can be removed.

[00147]図3に示す直接比較において、出願人のCCCは、市販のPOU/POE水浄化デバイス、例えばブリタ(Brita)(登録商標)ロングラスト(Longlast)(商標)及びブリタ(登録商標)PURフィルター、並びにカルゴンGACフィルター材料よりも優れていた。ブリタ(登録商標)ロングラスト(商標)ピッチャーフィルターは、ケンタッキー州レキシントン都市水道システムにより供給されている水の化学的性質の変化に基づき、異なる2日に試験を行った際に、極端に異なる性能であった。この異なる性能は、日々発生する変化する水の化学的性質で良好に機能するより信頼性の高いデバイスに対する必要性を強調するものである。出願人の発明は、どちらの場合でもブリタ(登録商標)ロングラスト(商標)デバイスよりも優れていた。 [00147] In the direct comparison shown in FIG. 3, the applicant's CCC is a commercially available POU / POE water purification device such as Brita® Longlast® and Brita® PUR. It was superior to the filter as well as the Calgon GAC filter material. Brita® Longlast® Pitcher Filters have extremely different performance when tested on different two days based on changes in the chemistry of water supplied by the Lexington Urban Water System, Kentucky. Met. This different performance underscores the need for more reliable devices that work well with the ever-changing chemistry of water. The applicant's invention was superior to the Brita® Long Last® device in both cases.

[00148]可溶性の鉛イオンは、物理的及び/又は化学吸着により炭素電極に吸着し、このプロセスは、十分に立証されており(J.Chem.Technol.Biotechnol.2002、77、458〜464ページ、Shekinah,P.;Kadirvelu,K.;Kanmani,P.;Senthilkumar,P.;Subburam,V.及びCarbon.2004、42、3057〜3069ページ、Swiatkowski,A.;Pakula,M.;Biniak,S.;Walczyk,M.)、印加電位の下では、カソードへの更なる電気的吸着を受ける。pHの調節も、水道水中の鉛の種形成を制御するのに活用することができる。1.2Vの作動電圧(図4に示すような)では、デバイス全体の電位分布によりアノードで+0.9V、カソードで−0.3Vが得られ、電極間でpHが変動し、全体ではほぼ中性のpHが生成される。しかし、全体のpHは比較的一定のままであるが、pH2の酸性からpH10のアルカリ性まで大幅なpHの変動(「プラグ」とも呼ばれる)があり、電極表面での酸/塩基の化学的性質に大きな変化をもたらす。各電極での電圧とpHをプールベ線図と関連づけると、作動条件を選択して、所与の水の化学的性質において所望の鉛種形成を得ることができる(図4、図中、DICは溶存無機炭素である)。pHを操作する同様のアプローチを利用し、容量性脱イオン化(CDI)を使用してホウ酸が除去されている。Electrochimica Acta.2011、56、248〜54ページ、Avraham,E.;Noked,M.;Soffer,A.;Aurbach,D。ほとんどの住居及び商業用途では、インプット流の圧力は60psi未満であり、電極の多孔性は、典型的には、入口圧力と比較してFPC出口での20psiを超える低下を回避する。 [00148] Soluble lead ions are adsorbed to the carbon electrode by physical and / or chemisorption, and this process has been well documented (J. Chem. Technology. Biotechnol. 2002, 77, 458-464). , Shekinah, P .; Kadirvelu, K .; Kanmani, P .; Senthirkumar, P .; Subburam, V. and Carbon. 2004, 42, 3057-3069, Switakowski, A .; Pakula, M .; Bina. .; Walkzyk, M.), under applied potential, undergoes further electrical adsorption to the cathode. pH regulation can also be used to control lead speciation in tap water. At an operating voltage of 1.2V (as shown in FIG. 4), the potential distribution across the device yields +0.9V at the anode and -0.3V at the cathode, with pH fluctuating between the electrodes, almost medium overall. Sexual pH is produced. However, although the overall pH remains relatively constant, there are significant pH fluctuations (also called "plugs") from acidic pH 2 to alkaline pH 10, which contributes to the acid / base chemistry on the electrode surface. Make a big difference. By associating the voltage and pH at each electrode with the Pourbaix diagram, operating conditions can be selected to obtain the desired lead species formation in the chemistry of a given water (FIG. 4, DIC in the figure). Dissolved inorganic carbon). Boric acid is removed using capacitive deionization (CDI), utilizing a similar approach of manipulating pH. Electrochimica Acta. 2011, 56, 248-54, Avraham, E. et al. Noked, M. et al. Soffer, A. Aurora, D. In most residential and commercial applications, the input flow pressure is less than 60 psi and the porosity of the electrodes typically avoids a drop of more than 20 psi at the FPC outlet compared to the inlet pressure.

[00149]CCCにおいては、作動中、鉛除去に関し、複数の作用メカニズム、即ち物理的及び電気化学的吸着、酸/塩基化学作用を生じるpH調節、及び酸化鉛や他の不溶性種を生成する電気化学的/化学的酸化が同時に発生する。水道水からの鉛除去に対する印加電位とH発生の影響を、実験データにより検証した。表5に示すように、開回路での炭素電極では、ある程度の鉛の物理吸着が起こる。短絡では、鉛除去にわずかな改善が見られるが、最も劇的な結果は、1.2Vの印加電圧で発生し、鉛濃度はほぼ0ppbに低下する。実験で使用したCCCでは、「供給物」はインプット流であり、「処理済」はアウトプット流である。 [00149] In the CCC, there are multiple mechanisms of action for lead removal during operation: physical and electrochemical adsorption, pH regulation to produce acid / basic chemistry, and electricity to produce lead oxide and other insoluble species. Chemical / chemical oxidation occurs at the same time. The effect of applied potential and H 2 O 2 generated for lead removal from tap water, was verified by experimental data. As shown in Table 5, some degree of physical adsorption of lead occurs in the carbon electrode in the open circuit. With a short circuit, there is a slight improvement in lead removal, but the most dramatic result occurs at an applied voltage of 1.2 V, with the lead concentration dropping to almost 0 ppb. In the CCC used in the experiment, "supply" is the input stream and "processed" is the output stream.

[00150]図4では、炭酸塩水溶液中の鉛(Pb)のプールベ線図において、アノードとカソードに印加されるEの交点におけるCCCでの鉛種除去のためのプールベ作動領域が示されている。フロースルーセルでは、カソードの開始時のpH領域が酸性(pH2〜3)であるのに対し、アノードの開始時のpH領域は塩基性(pH9〜10)であることを図2が示している。フロースルーセル設計(図2)では、これらのpH領域は、電極表面で起こる反応の結果であり、2〜10のpHの変動をもたらす。図4において、Pb2+は、暗色のPbO(s)とPb(s)の領域の間のほとんどの白色領域(約pH7)で溶液平衡状態にある。しかし、アノードとカソードに最も近い溶液中では、Pb2+は、(i)反応性となるか、(ii)他のPb種として固定化される。図5は、Pbが溶液から除去される反応機構を示す。フロースルーセルでは、アノード近くのアルカリ性(pH9〜pH10)領域(0.9Vの印加されるEで、カソードから生じたpHから発生)では、Pb2+は、PbCO−2Pb(OH)、2Pb(OH)、及びPbOとして固定化される(アノードに吸着される)。アノード近くのアルカリ性領域では、Pb2+は、イオン性化合物と水酸化鉛(図5の中央のボックスに示すように)も形成し、それらは次いで酸化されてPbO2、Pb、及びPb(OH)となり、次いで、これらの反応生成物は、固定化される(吸着される)。また、フロースルーセルでは、溶存酸素の還元によってカソードで発生し、−0.4Vの印加されるEでアノードから生じる酸性のpH(pH2〜pH3)と組み合わされる過酸化水素は、強力な酸化剤である。過酸化水素は、それが上記の中間反応で鉛種を酸化するアノード近くの領域を含む通過流中に拡散する。これにより、固定化された鉛種は、溶液から除去される。追加の鉛種は、カソードでの酸素還元により発生する過酸化水素との反応により固定化されやすくなる(「過酸化セル」)。Water Research.2017、120、229〜237ページ、Tang,W.;He,D.;Zhang,C.;Kovalsky,P.;Waite,T.D。ハイブリッドシステムでは、FPCを過酸化セルと直列に使用して、鉛除去の増加を実現することができる。 [00150] FIG. 4 shows a Pourbaix working region for lead species removal at the CCC at the intersection of E applied to the anode and cathode in the Pourbaix diagram of lead (Pb) in an aqueous carbonate solution. .. In the flow-through cell, FIG. 2 shows that the pH range at the start of the cathode is acidic (pH 2-3), whereas the pH range at the start of the anode is basic (pH 9-10). .. In the flow-through cell design (FIG. 2), these pH ranges are the result of reactions occurring on the electrode surface, resulting in pH variations of 2-10. In FIG. 4, Pb 2+ is in solution equilibrium in most white regions (about pH 7) between the dark PbO 2 (s) and Pb (s) regions. However, in the solution closest to the anode and cathode, Pb 2+ becomes (i) reactive or (ii) immobilized as another Pb species. FIG. 5 shows the reaction mechanism by which Pb is removed from the solution. Flow In-through cell, (in E the applied of 0.9V, generated from pH resulting from the cathode) anode Near alkaline (PH9~pH10) region in, Pb 2+ is, PbCO 3 -2Pb (OH) 2 , 2Pb Immobilized as (OH) 2 and PbO 2 (adsorbed to the anode). In the alkaline region near the anode, Pb 2+ also forms lead hydroxide with ionic compounds (as shown in the central box in FIG. 5), which are then oxidized to PbO 2, Pb 3 O 4 , and Pb. (OH) 2 and then these reaction products are immobilized (adsorbed). Also, in the flow-through cell, hydrogen peroxide, which is generated at the cathode by the reduction of dissolved oxygen and combined with the acidic pH (pH2 to pH3) generated from the anode at E applied at -0.4 V, is a powerful oxidant. Is. Hydrogen peroxide diffuses into the passing stream containing the region near the anode where it oxidizes lead species in the above intermediate reactions. This removes the immobilized lead species from the solution. Additional lead species are more likely to be immobilized by reaction with hydrogen peroxide generated by oxygen reduction at the cathode (“peroxide cell”). Water Research. 2017, 120, pp. 229-237, Tang, W. et al. He, D. Zhang, C.I. Kovalsky, P. et al. Waite, T.I. D. In hybrid systems, FPCs can be used in series with cells peroxide to achieve increased lead removal.

[00151]EDCでは、化学−電気化学−化学−電気化学反応のカスケード連鎖が発生しており、遊離塩素とクロラミンを分解する。pHと作動電圧は、標的種についてのプールベ線図を介して相関している。次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、及びモノクロラミンについての例を以下に示し、それぞれ図6、図7及び図8に示す。各電極でのpHと電位分布に基づき、pHと印加する電圧を選択することにより標的種形成を制御することができる。この較正プロセスが、所与の流入物の水の化学的性質において、どの種がどの電圧で分解されるかを決定し、制御する。図6〜8において、y軸は、アノードとカソードの間に印加される対標準水素電極(SHE)電圧であり、x軸は、pHである。 [00151] In EDC, a chemistry-electrochemical-chemical-electrochemical reaction cascade chain occurs, decomposing free chlorine and chloramines. pH and working voltage are correlated via a Pourbaix diagram for the target species. Examples of hypochlorite, hypobromous acid, and monochloramine are shown below and are shown in FIGS. 6, 7 and 8, respectively. Target speciation can be controlled by selecting the pH and the voltage to be applied based on the pH and potential distribution at each electrode. This calibration process determines and controls which species are decomposed at what voltage in the chemistry of the water of a given influx. In FIGS. 6-8, the y-axis is the counter-standard hydrogen electrode (SHE) voltage applied between the anode and the cathode, and the x-axis is the pH.

[00152]図6を参照すると、対NHEで1.5V未満のアノード電位及びアノードとカソードの両端に印加される2.5V未満の全セル電位では、電気化学的に発生する過酸化水素が、pHが7を超える溶液中の「遊離塩素」と反応する。炭素カソードからの次亜塩素酸(HOCl)と次亜塩素酸イオン(OCl)の直接的な電気化学的還元は、それらを遊離塩化物イオンと水に変換する。次いで、塩化物イオンは容量的に吸着(固定化)される。pHに上限はないが(例えば、Hを使用して苛性/塩素臭気洗浄装置からの流出物を脱塩素化することができる)、現実問題としては、瞬間的な反応を実現するには、pH8.5が好ましい。 [00152] Referring to FIG. 6, at an anode potential of less than 1.5 V relative to NHE and a total cell potential of less than 2.5 V applied across the anode and cathode, the electrochemically generated hydrogen hydrogen is generated. Reacts with "free chlorine" in solutions with a pH above 7. Direct electrochemical reduction of hypochlorous acid (HOCl) and hypochlorite ion (OCl ) from the carbon cathode converts them to free chloride ions and water. The chloride ion is then capacitively adsorbed (immobilized). There is no upper limit to the pH (e.g., it can be dechlorinated effluent from caustic / chlorine odor cleaning apparatus using H 2 O 2), as a practical matter, to achieve instantaneous reaction Is preferably pH 8.5.

[00153]次亜塩素酸塩の場合のプールベ線図である図7を参照すると、対NHEで1.2V未満のアノード電位、対NHEで−1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.2V未満の全セル電位では、電気化学的に発生する過酸化水素が、pHが7を超える溶液中の「遊離臭素」と反応する。炭素カソードからの次亜臭素酸(HOBr)と次亜臭素酸イオン(OBr)の直接的な電気化学的還元は、それらを遊離塩化物イオンと水に変換する。次いで、臭素イオンは、容量的に吸着(固定化)される。 [00153] With reference to FIG. 7, which is a Pourbe diagram for hypochlorite, the anode potential with respect to NHE is less than 1.2 V, the cathode potential with respect to NHE is greater than −1.0 V, and the anode and cathode. At a total cell potential of less than 2.2 V applied to both ends, the electrochemically generated anode reacts with "free bromine" in a solution having a pH above 7. Direct electrochemical reduction of hypobromous acid (HOBr) and hypobromous acid ion (OBr ) from the carbon cathode converts them to free chloride ions and water. The bromine ion is then capacitively adsorbed (immobilized).

[00154]モノクロラミンについてのプールベ線図である図8を参照すると、対NHEで1.4V未満のアノード電位、対NHEで−1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.4V未満の全セル電位では、酸性条件下でのクロラミンの直接的な電気化学的変化がアンモニウム塩を生成する。電気化学的に発生する(EDCカソードで)過酸化水素は、クロラミンと直接反応して生成物、即ち塩化物イオン、亜硝酸イオン、プロトン(酸)、及び水の混合物を生成する。クロラミンは、電気化学的に発生する過酸化水素と反応してアンモニアを生成し、アンモニアは、1)電気化学的に発生する過酸化水素と反応して窒素及び水素ガスと水を生じる、又は2)酸と反応してアンモニウム塩を生じる、2つの方式で更に反応する。クロラミンは、電気化学的に発生する酸ともカスケードプロセスで直接反応してトリクロラミンを生じ、これは、水中で次亜塩素酸に変換される。 [00154] With reference to FIG. 8, which is a pool diagram for monochromamine, an anode potential of less than 1.4 V with respect to NHE, a cathode potential of more than −1.0 V with respect to NHE, and applied to both ends of the anode and cathode. At total cell potentials below 2.4 V, direct electrochemical changes in chloramine under acidic conditions produce ammonium salts. The electrochemically generated hydrogen peroxide (at the EDC cathode) reacts directly with chloramines to produce a product, a mixture of chloride ions, nitrite ions, protons (acids), and water. Chloramine reacts with electrochemically generated hydrogen to produce ammonia, and ammonia reacts with 1) electrochemically generated hydrogen to produce nitrogen, hydrogen gas and water, or 2 ) It reacts with an acid to produce an ammonium salt, which is further reacted by two methods. Chloramine also reacts directly with electrochemically generated acids in a cascade process to produce trichloramine, which is converted to hypochlorous acid in water.

[00155]EDCは、典型的には、アノードとカソードの両端に印加される3.0V未満の全セル電位で作動する。標的種とインプット水の化学的性質に応じ、EDC内のアノードとカソードの両端に印加される3.0V未満の全セル電位は、通常1.0Vから3.0Vの間である。 [00155] The EDC typically operates at a total cell potential of less than 3.0 V applied across the anode and cathode. Depending on the target species and the chemistry of the input water, the total cell potential below 3.0 V applied across the anode and cathode in the EDC is typically between 1.0 V and 3.0 V.

[00156]図9に示すように、SC、KN、及びCG炭素電極の活性表面積は、印加電圧のサイクルへの曝露によって減少する。CXの通過する比電荷は、サイクルを繰り返しても安定しているが、試験を行った他の炭素よりも低い。対照的に、PMDを伴って策定された出願人のHE電極は、約220サイクル後でも他の電極より良好に機能し、優れた性能を維持する。SC、KN、CG、及びCX電極では、酸化物基が表面に形成され、細孔屋根形成及び細孔崩壊を引き起こし、抵抗の増加を招く(バルク酸化)。或いは、酸化物基は、抵抗性酸化物層を形成する可能性がある(表面酸化)。どちらのシナリオも、オームの法則に従い、同じ量の電流を維持してこの抵抗の増加を補償するため、印加電圧を増加させることが必要である:V=IR、式中、Vは電圧(V)、Iは電流(A)、Rは抵抗(Ω)である。 [00156] As shown in FIG. 9, the active surface area of the SC, KN, and CG carbon electrodes is reduced by exposure to the cycle of applied voltage. The specific charge that the CX passes through is stable over repeated cycles, but is lower than the other carbons tested. In contrast, the applicant's HE electrode formulated with the PMD functions better than the other electrodes after about 220 cycles and maintains excellent performance. In SC, KN, CG, and CX electrodes, oxide groups are formed on the surface, causing pore roof formation and pore collapse, leading to increased resistance (bulk oxidation). Alternatively, the oxide group may form a resistant oxide layer (surface oxidation). In both scenarios, according to Ohm's law, it is necessary to increase the applied voltage in order to maintain the same amount of current and compensate for this increase in resistance: V = IR, in the equation, V is the voltage (V). ), I is the current (A), and R is the resistance (Ω).

[00157]図10は、所与の印加電圧で、CCC内のアノードとカソードの間に電位分布が存在することを示している。電圧は電極間で分割されるが、等しくならない場合がある。例えば、1.6VがFPCに印加される場合、カソードは、対SCEで−0.9Vとなり、アノードは対SCEで+0.7Vとなり得る(図10)。これは次に、FPCの作動パラメータと、EDCにおける操作の各サイクルで遂行される極性切り替えの頻度に影響する。活性表面積、炭素材料、及び印加電圧は、とりわけ、電位分布に影響する。電極のEpzcは、電極の最初の使用時に印加されるEの分布に影響を与え、電位分布はわずかに変化する。アノード及びカソードでのファラディック反応速度のバランスを取ることが、究極的には電位分布を安定化させる。 [00157] FIG. 10 shows that at a given applied voltage, there is a potential distribution between the anode and cathode in the CCC. The voltage is split between the electrodes but may not be equal. For example, when 1.6V is applied to the FPC, the cathode can be -0.9V vs. SCE and the anode can be +0.7V vs. SCE (FIG. 10). This in turn affects the operating parameters of the FPC and the frequency of polarity switching performed in each cycle of operation in the EDC. The active surface area, carbon material, and applied voltage affect the potential distribution, among other things. The Epzc of the electrode affects the distribution of E applied during the first use of the electrode, and the potential distribution changes slightly. Balancing the faradic reaction rate at the anode and cathode ultimately stabilizes the potential distribution.

[00158]図11に示す加速酸化研究は、ミクロ多孔性炭素で観察される細孔の「崩壊及び屋根形成」の影響を示す。これは、メソ多孔性炭素が、電荷効率を維持し、細孔崩壊及び屋根形成の影響を回避しながら大きな印加電圧を処理できることを強調する。FPCデバイスに使用するPMDを慎重に選択すると、デバイスの信頼性と寿命が大幅に向上し、それによって水処理コストが削減される。 The accelerated oxidation study shown in FIG. 11 shows the effect of pore "collapse and roof formation" observed in microporous carbon. This emphasizes that mesoporous carbon can handle large applied voltages while maintaining charge efficiency and avoiding the effects of pore collapse and roof formation. Careful selection of PMDs for FPC devices can significantly improve device reliability and life, thereby reducing water treatment costs.

[00159]ベンチスケールのCCCシステムを、図12に示す。容量性凝固システムは、非金属イオンに対して50%を超える鉛除去選択性を実現する。鉛を除去するように(CCCパラメータを用いて)調整されたCCC(「鉛除去CCC」)では、鉛除去は、100%に近づく可能性がある。鉛除去CCCの一実施形態において、様々な酸素ベースの表面基が電極に付加され、1.2VのCCC作動電圧で、鉛が約50ppbの水道水インプット流に対して全ての場合に15ppb未満の鉛除去が達成される。本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702286号に記載されるようなカルボキシル官能化電極(処理済電極とも呼ばれる)を使用すると、鉛除去CCCは、アウトプット流の鉛の濃度をわずか0.05ppbにまで低下させ、これは、99.9%の除去効率に相当する。 [00159] A bench-scale CCC system is shown in FIG. Capacitive solidification systems provide over 50% lead removal selectivity for non-metal ions. With CCCs (“lead removal CCCs”) tuned to remove lead (using CCC parameters), lead removal can approach 100%. In one embodiment of the lead-removing CCC, various oxygen-based surface groups are added to the electrodes and at a CCC operating voltage of 1.2 V, lead is less than 15 ppb in all cases for a tap water input stream of about 50 ppb. Lead removal is achieved. Using a carboxyl-functionalized electrode (also referred to as a treated electrode) as described in US Patent Application No. 62/702286 incorporated herein, the lead-removing CCC has a low lead concentration in the output stream. Reduced to 0.05 ppb, which corresponds to a removal efficiency of 99.9%.

[00160]ICP−MSで確認し、種の除去率として計算すると、溶存鉛の除去選択性は、鉛濃度が約10ppmと高い水道水の連続5ガロンの処理では、Ca2+と比較して、一貫して99%以上であった(表6)。鉛固定化が確認されたろ過後の電極の走査電子顕微鏡法(SEM)及びエネルギー分散型X線分光法(EDX)分析を、図13に示す。 [00160] Confirmed by ICP-MS and calculated as the seed removal rate, the removal selectivity of dissolved lead is higher than that of Ca 2+ in the treatment of continuous 5 gallons of tap water with a high lead concentration of about 10 ppm. It was consistently above 99% (Table 6). FIG. 13 shows scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analysis of the electrodes after filtration with confirmed lead immobilization.

[00161]鉛除去に対する印加電位の影響を更に研究するため、鉛を混入させた水道水を、活性炭で満たされた充填カラムで電位を印加せずにろ過し(受動的ろ過/物理吸着)、1.2Vで作動させたCCC(能動的ろ過/容量性凝固)と比較した。両方の実験には同量の炭素と流量を使用した。これらの研究に関する破過曲線を、図14に示す。充填カラムは、濃度の急激な低下によって示されるように、当初は鉛を吸着したが、わずか約0.3Lの水が炭素を通過した後、飽和し始めた。対照的に、CCCは、5ガロン(約19L)の水を驚異的な10,000ppbまでろ過し、性能を維持し、2ppbの濃度未満の鉛を一貫して除去することができた。これは、外挿すると、炭素電極1グラム当たり1g以上の鉛が除去される推定デバイス容量になる。図9に示すプロトタイプデバイスは、500g以上の鉛の全体容量を生み出し、それは、150ppbの鉛というインプット流濃度を仮定すると、約880万ガロンの理論体積容量に相当する。他の要因もPOU構成のCCC性能影響を与え、100,000ガロンの予測CCC体積容量をもたらす。対照的に、現在のPOUフィルターは、約1,500ガロンの体積容量しか有さない。 [00161] In order to further study the effect of the applied potential on lead removal, tap water mixed with lead was filtered with a packed column filled with activated carbon without applying the potential (passive filtration / physical adsorption). Compared to CCC (active filtration / capacitive coagulation) operated at 1.2 V. Equal amounts of carbon and flow were used in both experiments. The breakthrough curves for these studies are shown in FIG. The packed column initially adsorbed lead, as indicated by the sharp drop in concentration, but after only about 0.3 L of water had passed through the carbon, it began to saturate. In contrast, the CCC was able to filter 5 gallons (about 19 L) of water to an astonishing 10,000 ppb to maintain performance and consistently remove lead below concentrations of 2 ppb. This is an estimated device capacity that, when extrapolated, removes more than 1 g of lead per gram of carbon electrode. The prototype device shown in FIG. 9 produces an overall volume of lead of 500 g or more, which corresponds to a theoretical volume capacity of about 8.8 million gallons, assuming an input flow concentration of 150 ppb lead. Other factors also affect the CCC performance of the POU configuration, resulting in a predicted CCC volume capacity of 100,000 gallons. In contrast, current POU filters have a volume capacity of only about 1,500 gallons.

[00162]加えて、溶存酸素(DO)は、飽和の約10%に低下し、それは、1ppm未満のDOに相当し、1.2Vの印加電位でのろ過後に1.25ppmのHが測定された(図15)。これらの観察結果は、鉛除去が、電位とH発生の組み合わせによって影響を受けることを明らかにする。図4のプールベ線図は、鉛種形成がわずかな水の化学的性質の変化、例えばpH及び電圧の変動にいかに影響を受けやすいかを強調する。これらの機構の組み合わせが、CCCで使用される容量性凝固で観察される利点を生み出す。 [00162] In addition, dissolved oxygen (DO) drops to about 10% of saturation, which corresponds to less than 1 ppm DO and 1.25 ppm H 2 O 2 after filtration at an applied potential of 1.2 V. Was measured (Fig. 15). These observations lead removal, it reveals that affected by a combination of potential and H 2 O 2 generation. The Pourbaix diagram of FIG. 4 emphasizes how lead speciation is susceptible to slight changes in water chemistry, such as changes in pH and voltage. The combination of these mechanisms produces the advantages observed in the capacitive coagulation used in CCC.

[00163]出願人のCCCデバイスの限界を試験するため、鉛濃度が5ppbと低い水道水と、10,000ppbと高い水道水をCCCで処理した。1.2Vの印加電圧で、全ての場合において鉛の除去に成功した(表7)。平衡ベースの吸着からなる受動的なろ過では難しい極めて希薄な条件であっても、容量性凝固の能動的ろ過プロセスは卓越しており、選択性は99%以上である(表6)。
先行技術のデバイスに対するCCCデバイス性能の重要な向上:
99.9%の鉛除去
約5ppbの鉛に至るまで維持される99%以上の選択性
開発された能動的鉛ろ過システム(容量性凝固)
恒久的鉛除去
[00163] To test the limits of the applicant's CCC device, tap water with a low lead concentration of 5 ppb and tap water with a high lead concentration of 10,000 ppb were treated with CCC. Lead was successfully removed in all cases at an applied voltage of 1.2 V (Table 7). Even under extremely dilute conditions, which are difficult with passive filtration consisting of equilibrium-based adsorption, the active filtration process of capacitive coagulation is predominant and the selectivity is 99% or better (Table 6).
Significant improvements in CCC device performance over prior art devices:
99.9% Lead Removal 99% or More Selectivity Maintained Up to Approximately 5 ppb Lead Developed Active Lead Filtration System (Capacitive Coagulation)
Permanent lead removal

[00164]より高いスループットのCCCシステムは、より多くの容量性凝固セルを追加することにより、及び/又は各セルにより大きな電極を使用することにより、作製される。こうした大型のシステムは、1gpm以上の流量で150ppb〜10ppb以下の鉛除去有効性を実現する。 [00164] Higher throughput CCC systems are made by adding more capacitive coagulation cells and / or by using larger electrodes in each cell. Such a large system realizes lead removal effectiveness of 150 ppb to 10 ppb or less at a flow rate of 1 gpm or more.

[00165]FPCを使用したAl、Ag、Au、Br、Cl、Co、Cu、Fe、Hg、Ir、Mn、Pb、Pd、Pt、Ni、Zn、及びクロラミンの除去のために好ましい印加されるEを、表1に示す。 [00165] Preferred applied for removal of Al, Ag, Au, Br, Cl, Co, Cu, Fe, Hg, Ir, Mn, Pb, Pd, Pt, Ni, Zn, and chloramine using FPC. E is shown in Table 1.

[00166]CCCシステムは、インプット流が鉛含有量、水硬度、アルカリ度、消毒剤、及びpHの様々な組み合わせを有する場合でも、EPA対策レベル未満にまで鉛を除去する。水の化学的性質は、鉛の種形成に影響を与える(例えば、都市水道の化学的性質は日々変動し、その影響は、上記の図4に示されている)。現在、全ての形態の鉛を処理できる1つのデバイスは存在しない。先行技術のデバイスは、典型的にはより高いpHでは物理的捕捉を、より低いpHではゼオライト媒体を使用する。対照的に、CCCは、飲用水源に一般に見られる全ての形態(種)の鉛を除去することができる。 [00166] The CCC system removes lead below EPA countermeasure levels, even when the input stream has various combinations of lead content, water hardness, alkalinity, disinfectant, and pH. The chemistry of water affects lead seed formation (eg, the chemistry of urban waterworks varies from day to day, the effect of which is shown in Figure 4 above). Currently, there is no single device that can handle all forms of lead. Prior art devices typically use physical capture at higher pH and zeolite media at lower pH. In contrast, CCC is capable of removing all forms (species) of lead commonly found in drinking water sources.

[00167]水のタイプに応じて様々な作動パラメータが検討される。内部材料の腐食は、電気化学ベースのシステムに共通の懸念事項であるが、FPCシステムでは、腐食の証拠はほとんど観察されていない。極めて堅牢で、安定し、電解及び化学腐食に対して不活性となるように内部部品は設計され、材料が選ばれている。本発明の一実施形態において、オン/オフ操作後、又はクロラミンの添加により鉛の浸出が発見された場合、FPCシステムは、使用されていないときに開回路又は小さな電位に切り替わるように設計することができ、クロラミンを除去するために、安価な炭素ブロック前置フィルターが追加される。時間の経過と共に炭素布の小片が剥がれ落ちたことが発見された場合は、任意選択の後置フィルターが追加される。 [00167] Various operating parameters are considered depending on the type of water. Corrosion of internal materials is a common concern in electrochemical-based systems, but little evidence of corrosion has been observed in FPC systems. The internal components are designed and the materials are selected to be extremely robust, stable and inert to electrolytic and chemical corrosion. In one embodiment of the invention, the FPC system shall be designed to switch to an open circuit or small potential when not in use if lead leaching is found after an on / off operation or by the addition of chloramines. And an inexpensive carbon block pre-filter is added to remove chloramines. If it is discovered that a small piece of carbon cloth has fallen off over time, an optional post-filter is added.

[00168]特定の水の化学的性質ための操作上の調節。所与のFPCデバイスに供給される典型的なインプット流の分析により、特定の水の化学的性質用に作動パラメータを最適化するための調節が可能となる(調節は、鉛の物理的及び電気化学的吸着、pH調節、並びに酸化鉛及び他の不溶性種への酸化を最適化するためのものである)。典型的な作動パラメータは、下記のように調節される: [00168] Operational adjustments for specific water chemistries. Analysis of the typical input flow supplied to a given FPC device allows adjustments to optimize operating parameters for specific water chemistries (adjustments are the physical and electrical of lead). To optimize chemical adsorption, pH regulation, and oxidation to lead oxide and other insoluble species). Typical operating parameters are adjusted as follows:

[00169]作動電圧。電位分布を得るため、カソード、アノード、及び参照としての標準カロメル電極(SCE)を用いた3電極設定を使用する。各電極での電位が、開回路、短絡、及び0.2V刻みで1.4Vの電圧まで記録される。pHと作動電圧は、プールベ線図を介して相互に関連づけられる。各電極でのpHと電位分布に基づき、印加する電圧を選択することにより鉛種形成を制御することができる。この較正プロセスが、所与のインプット流の水の化学的性質において、どの鉛種がどの電圧で析出するかを決定し、制御する。 [00169] Operating voltage. A three-electrode configuration with cathode, anode, and standard caromel electrode (SCE) as a reference is used to obtain the potential distribution. The potential at each electrode is recorded up to a voltage of 1.4V in open circuit, short circuit, and 0.2V increments. The pH and the working voltage are interrelated via the Pourbaix diagram. Lead speciation can be controlled by selecting the applied voltage based on the pH and potential distribution at each electrode. This calibration process determines and controls which lead species are deposited at what voltage in the chemistry of water in a given input stream.

[00170]酸素還元及びH発生。カソードでの酸素還元によりHが発生し、鉛種と反応して酸化鉛の形成を促進することができる。1.2Vの印加電圧でDOが大幅に減少し、ろ過した水で1.25ppmのHが測定される。作動電圧は、この反応を増幅して鉛除去が最大となるように制御される。開回路、短絡、及び0.2V刻みで最大電圧1.4Vまで実験を行い、出口でのpH、DO、及びH濃度が、典型的には鉛をEPA対策レベル未満にまで除去する。 [00170] Oxygen reduction and H 2 O 2 generation. Oxygen reduction at the cathode produces H 2 O 2, which can react with lead species to promote the formation of lead oxide. At an applied voltage of 1.2 V, DO is significantly reduced and 1.25 ppm H 2 O 2 is measured in filtered water. The working voltage is controlled to amplify this reaction and maximize lead removal. Open circuit, short circuit, and conducted experiments to the maximum voltage 1.4V in 0.2V increments, pH at the outlet, DO, and H 2 O 2 concentration, typically remove lead to below EPA action level ..

[00171]炭素導電率。FPCデバイスは、典型的には、導電率が中程度のミクロ多孔性炭素(表8の炭素B)を使用する。容量性凝固による鉛除去への影響を解明するため、表8の特性が異なる炭素の比較研究を行った。 [00171] Carbon conductivity. FPC devices typically use microporous carbon (Carbon B in Table 8) with moderate conductivity. In order to elucidate the effect of capacitive solidification on lead removal, a comparative study of carbons with different characteristics in Table 8 was conducted.

[00172]CCC鉛除去技術は、(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び金属固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H)発生&金属酸化;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル、(ix)電極処理、(x)電極間隔、及び(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計に依存する。これらの要因の組み合わせ、又はこれらの要因のカスケードが、炭素電極の細孔ネットワークに捕捉される標的種の種形成と固定化を引き起こし、それにより、浄化された流出物がもたらされる。炭素電極は導電性であることが不可欠である。炭素材料の導電率が高いほど、電極全体の電流分布が均一となり、典型的にはHの発生の増加とより効率的な鉛除去プロセスがもたらされる。細孔径と表面積は、材料の吸着容量と屈曲度に関連している。細孔径と表面積は、FPCデバイスにおけるH発生にも影響を及ぼす。 [00172] CCC lead removal techniques include (i) physical adsorption; (ii) volumetric adsorption; (iii) electrochemical pH control and metal immobilization; (iv) electrochemical peroxide (H 2 O 2 ) generation. & Metal Oxidation; (v) Electrodeposition (eg, Electroplating, Electromagnetic Deposit); (vi) Electrochemical Oxidation; (vii) Precipitation; (viii) Pore Diameter Profile, (ix) Electrode Treatment, (x) Depends on electrode spacing and (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block cell design. The combination of these factors, or the cascade of these factors, causes speciation and immobilization of the target species captured in the pore network of the carbon electrode, thereby resulting in a purified effluent. It is essential that the carbon electrode is conductive. The higher the conductivity of the carbon material, the current distribution across the electrodes is uniform, typically results in more efficient lead removal process with an increased occurrence H 2 O 2. Pore diameter and surface area are related to the adsorption capacity and tortuosity of the material. Pore diameter and surface area also affect H 2 O 2 generation in FPC devices.

[00173]POU/POEデバイス設計。POU/POEのFPC製品の設計パラメータは、(1)1.5gpmの流量を達成するために特定される、デバイスの滞留時間とサイズ;及び(2)1.5gpmで少なくとも150ガロンの水を処理した際に、150ppbから10ppb以下への溶存鉛レベルの低下と、非金属二価イオンに対する90%を超える除去選択性により定義される効果的な鉛除去を含む。 [00173] POU / POE device design. The design parameters for POU / POE FPC products are: (1) device residence time and size specified to achieve a flow rate of 1.5 gpm; and (2) treating at least 150 gallons of water at 1.5 gpm. Includes effective lead removal as defined by the reduction of dissolved lead levels from 150 ppb to 10 ppb or less and removal selectivity of more than 90% for non-metal divalent ions.

[00174]水の滞留時間:滞留時間は、ある体積の水がデバイス内に留まる平均時間(体積/流量)の尺度である。換言すれば、所与の量の水をろ過するのに必要な時間である。デバイスの内部容積と流量によって、滞留時間が決まる。ベンチスケールのCCCデバイスでは、20ml/分の流量で、5分の滞留時間で典型的には所望の除去が得られる。性能がピークに達する流量での滞留時間が設計仕様として選択され、デバイスは適切なサイズにされる。 Water Dwelling Time: Dwelling time is a measure of the average time (volume / flow rate) that a volume of water stays in the device. In other words, the time required to filter a given amount of water. The dwell time is determined by the internal volume and flow rate of the device. Bench-scale CCC devices typically provide the desired removal at a flow rate of 20 ml / min with a residence time of 5 minutes. The dwell time at the peak performance flow rate is selected as a design specification and the device is sized appropriately.

[00175]圧力降下:FPCデバイス前後の圧力降下は、流量の増加と共に、益々重要となる。20psi未満の圧力降下は許容できるとみなされ、住居及び都市のビル用の通常の入口水圧である約45psiを下回る。 [00175] Pressure drop: The pressure drop before and after the FPC device becomes more and more important as the flow rate increases. Pressure drops below 20 psi are considered acceptable and are below the normal inlet water pressure for residential and urban buildings of about 45 psi.

[00176]FPCデバイスの極限容量。NSF/ANSI認証では、鉛濃度を150から10ppbに低下させなければならず、市場に出回っているPOUシステムは、最大120ガロンの水を処理すると評価されている。これは、ピッチャーシステムの場合、炭素1グラム当たり約1ガロンの水が処理され、シンク下のシステムの場合、炭素1グラム当たり約1.6ガロンの水が処理されることを意味する。CCCデバイスの一実施形態は、1.5gpmで2ガロンの水を処理し、鉛レベルを150ppbから10ppb以下にすることができる。システムの極限容量は、鉛除去曲線から得られる。圧力降下の問題は、典型的には、FPC炭素電極1グラム当たり1gを超える鉛を除去した後に生じる。POU/POE使用のためのCCCの実施形態は、ユーザにデバイスの交換を警告するための鉛センサ及び/又は圧力降下センサを含むことができる。 [00176] Extreme capacity of the FPC device. NSF / ANSI certification requires the lead concentration to be reduced from 150 to 10 ppb, and POU systems on the market are rated to treat up to 120 gallons of water. This means that for pitcher systems, about 1 gallon of water is treated per gram of carbon, and for subsink systems, about 1.6 gallons of water is treated per gram of carbon. One embodiment of the CCC device can treat 2 gallons of water at 1.5 gpm to bring lead levels from 150 ppb to 10 ppb or less. The ultimate capacity of the system is obtained from the lead removal curve. The problem of pressure drop typically arises after removing more than 1 g of lead per gram of FPC carbon electrode. CCC embodiments for POU / POE use can include lead sensors and / or pressure drop sensors to warn the user of device replacement.

[00177]様々な実施形態の場合のFPC交換閾値範囲。一般に、CCCは、アウトプット流中の標的金属濃度が関連する閾値レベル、例えば、鉛濃度の場合は15ppb、銅の場合は1.3ppmを超えると交換される(1991年にEPAが公表した規制であるthe Lead and Copper Rule(https://www.epa.gov/ground−water−and−drinking−water/national−primary−drinking−water−regulations)を参照されたい)。閾値レベル(収着容量とも呼ばれる)は、政府機関が指定することも、ユーザが選択することもできる。都市及び産業廃水排出制限は、飲用水の制限とは異なる。金属濃度閾値は、典型的にはより高くなっている。様々な業界向けの排水ガイドラインが存在する(https://www.epa.gov/eg)。 [00177] FPC exchange threshold range for various embodiments. In general, CCCs are exchanged when the target metal concentration in the output stream exceeds the relevant threshold level, eg, 15 ppb for lead concentration and 1.3 ppm for copper (regulation published by EPA in 1991). See The Lead and Copper Rule (https://www.epa.gov/ground-water-and-drinking-water/national-primary-drinking-water-regulations). The threshold level (also called the harbor capacity) can be specified by a government agency or selected by the user. Urban and industrial wastewater emission limits are different from drinking water limits. The metal concentration threshold is typically higher. There are drainage guidelines for various industries (https://www.epa.gov/eg).

[00178]FPCの再生。FPCアウトプット流の金属濃度が閾値レベル以上となった場合、FPCを交換する代わりに、ある種のFPCは、再生する(例えば、CCCにおいて、吸着された金属イオン及び粒子をCCC電極から脱着(除去)する)ことができる。CCC再生の1つの方法は、セルに酸を流して凝固した金属を溶解させ、電極を再生することである。この「酸再生」工程の間、アウトプット流は、容器に送られ、そこに高度に濃縮された廃棄物流が他の処理のために収集される。酸再生工程の後、CCCにはアウトプット流がpH7(又は他の標的pH)に到達するまで水が流され、その後通常のCCC操作(即ち、通過流からの金属イオン及び粒子の除去)が再開される。CCC再生の別の方法は、酸性溶液中での電気分解又は電気化学的再生によるものである。電気分解(電気化学的とも呼ばれる)再生は、金属酸化物を可溶性の金属イオンに変換し、それをCCCから水で洗い流し、廃棄物容器に収集する。電気分解は、非自発的な反応を促進するための外部電圧の印加を必要とする電気化学反応である。電極上に形成された不溶性金属種はいずれも、CCCの両端に印加される小さな電圧、典型的には5V以下を使用して溶液に溶解させることができる。CCC再生はまた、酸再生とそれに続く電気分解の連続、又はその逆とすることができる。 [00178] Playback of FPC. When the metal concentration in the FPC output stream is above the threshold level, instead of replacing the FPC, certain FPCs regenerate (eg, in the CCC, the adsorbed metal ions and particles are desorbed from the CCC electrode (eg, in the CCC). Can be removed). One method of CCC regeneration is to flow an acid through the cell to dissolve the solidified metal and regenerate the electrode. During this "acid regeneration" process, the output stream is sent to a container where highly concentrated waste logistics are collected for other processing. After the acid regeneration step, the CCC is flushed with water until the output stream reaches pH 7 (or other target pH), followed by normal CCC operations (ie, removal of metal ions and particles from the passing stream). It will be resumed. Another method of CCC regeneration is by electrolysis or electrochemical regeneration in an acidic solution. Electrolytic (also called electrochemical) regeneration converts metal oxides into soluble metal ions, rinses them with water from the CCC, and collects them in waste containers. Electrolysis is an electrochemical reaction that requires the application of an external voltage to promote an involuntary reaction. Any insoluble metal species formed on the electrodes can be dissolved in solution using a small voltage applied across the CCC, typically 5 V or less. CCC regeneration can also be a sequence of acid regeneration followed by electrolysis, or vice versa.

[00179]それぞれ同じ種又は異なる種を標的とする直列の複数のFPC。同じ標的種を除去するように調整された、直列(出口から入口)に接続された複数のFPCは、直列に接続されたFPCにインプット流を1回通すと、標的種の濃度を連続的に低下させるように作用する(バッチモードの単一のセルを複数回作動させるのと同じレベルの標的種除去を達成する)。直列に接続された複数のセルのFPCパラメータ、例えば、通過流のpH及び所与のセルのセル電極に印加される電圧を、異なるFPCパラメータ及びEDCパラメータに調節することで、場合によっては、1回の通過で直列の各セルが通過流から異なる標的種を除去することを可能にする。所与の電圧及びpHでの標的種の種形成を示すプールベ線図は、「セル直列」の概念を最もよく説明する。鉛(図16)及び銅(図17)の場合のプールベ線図は、CCC直列における異なる金属の固定化を説明するために使用される。水平の破線は印加電圧を表し、印加電圧は、縦軸に沿って移動する可能性がある。垂直な破線はpHを表し、pHは、横軸に沿って移動する可能性がある。これらの線が交差する領域が、これらの条件で存在する金属の種を表す。図16及び図17aに図示する作動条件は、PbとCuをPbO2(s)(図16)及びCu(OH)2(s)(図17)として固定化(CCC電極に吸着)し、それぞれの金属を供給物流から効果的に除去する。図17bに図示する作動条件では、Cuが電極にCu(s)として電着又は電気めっきされる。ニッケル、鉄、マンガン、アルミニウム、及び亜鉛の場合のプールベ線図も含まれている(図18〜図22)。印加電圧とpHを操作する同様のアプローチを用いて、これらの金属を除去することができる。不溶性種を形成するために選択される作動条件は、標的種毎に異なる場合があり、プールベ線図に図示される種形成に応じ、所与の標的種に対していくつかの可能性があり得る。 [00179] Multiple FPCs in series, each targeting the same or different species. Multiple FPCs connected in series (outlet to inlet), tuned to eliminate the same target species, can continuously concentrate the target species once the input stream is passed through the FPCs connected in series. Acts to reduce (achieves the same level of target species removal as operating a single cell in batch mode multiple times). By adjusting the FPC parameters of multiple cells connected in series, such as the pH of the passing flow and the voltage applied to the cell electrodes of a given cell, to different FPC and EDC parameters, in some cases 1 Each pass allows each cell in series to remove different target species from the pass stream. Pourbaix diagrams showing speciation of target species at a given voltage and pH best explain the concept of "cell series". Pourbaix diagrams for lead (FIG. 16) and copper (FIG. 17) are used to illustrate the immobilization of different metals in the CCC series. The horizontal dashed line represents the applied voltage, which can move along the vertical axis. The vertical dashed line represents pH, which can move along the horizontal axis. The area where these lines intersect represents the metal species present under these conditions. The operating conditions shown in FIGS. 16 and 17a are that Pb and Cu are immobilized (adsorbed to the CCC electrode) as PbO 2 (s) (FIG. 16) and Cu (OH) 2 (s) (FIG. 17), respectively. Effectively removes metal from the supply logistics. Under the operating conditions shown in FIG. 17b, Cu is electrodeposited or electroplated on the electrodes as Cu (s). Pourbaix diagrams for nickel, iron, manganese, aluminum, and zinc are also included (FIGS. 18-22). Similar approaches can be used to manipulate the applied voltage and pH to remove these metals. The operating conditions selected to form an insoluble species may vary from target species to target species, and there are several possibilities for a given target species, depending on the speciation illustrated in the Pourbaix diagram. obtain.

[00180]以下に説明するように、それぞれ図18〜22に示すプールベ線図を使用して、印加電圧と電気化学的pH調節が、Ni、Fe、Mn、Al、及びZnの標的種をCCC流入物から除去するために選択される。当業者は、印加電圧と電気化学的pH調節を選択して、標的元素又は錯体の所与の種を除去することができる。銅は、電着、水酸化物析出、及び/又は酸化銅への酸化により、CCCによって除去される。 [00180] As described below, using the Pourbaix diagrams shown in FIGS. 18-22, respectively, the applied voltage and electrochemical pH control CCC target species of Ni, Fe, Mn, Al, and Zn. Selected for removal from influx. One of ordinary skill in the art can choose the applied voltage and electrochemical pH adjustment to remove a given species of target element or complex. Copper is removed by CCC by electrodeposition, hydroxide precipitation, and / or oxidation to copper oxide.

[00181]FPC制御システム。所与のFPCに関するFPCパラメータが、様々なセンサ、インターフェース、バルブ、及び周辺機器を監視及び/又は制御するコンピュータシステムを使用して監視及び制御され、これは、一般にプロセス制御コンピュータ(プロセスコントローラとも呼ばれる)として公知であり、一般に、液体、固体、又は気相を問わず、材料、例えば化学物質及び石油に関連する連続又は半連続生産活動と関連づけられたコンピュータである。プロセス制御コンピュータは、FPCパラメータをシステム内の1つ又は複数のFPCに適用すること、及び通過流の径路の変更、例えば、直列システムアーキテクチャを直並列システムアーキテクチャに変換する変更を可能とする。 [00181] FPC control system. FPC parameters for a given FPC are monitored and controlled using a computer system that monitors and / or controls various sensors, interfaces, valves, and peripherals, which is commonly referred to as a process control computer (also referred to as a process controller). ), Which is generally a computer associated with continuous or semi-continuous production activities related to materials such as chemicals and petroleum, whether liquid, solid or vapor phase. The process control computer allows the FPC parameters to be applied to one or more FPCs in the system and to change the path of the throughflow, eg, to convert a series system architecture to a series-parallel system architecture.

[00182]プールベ線図が存在する他の標的種へのFPC設計の拡張。Pb、Ni、Zn、Al、Cu、Fe、Mn、Cl、Br、及びクロラミンに加えて、FPCパラメータ、及び上記に開示するシステムと方法は、As、Se、Sc、Ti、V、Cr、Co、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、及び他のハロゲン化物の場合のプールベ線図で特定される金属及びハロゲン化物種の除去に適用することができる。 [00182] Extension of FPC design to other target species in which Pourbaix diagram exists. In addition to Pb, Ni, Zn, Al, Cu, Fe, Mn, Cl, Br, and chloramine, the FPC parameters and the systems and methods disclosed above include As, Se, Sc, Ti, V, Cr, Co. , Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm , Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and other halides can be applied to the removal of metal and halide species identified in the Pourbe diagram.

[00183][実施例]
[00184]EDCの性能試験を行い、炭素電極と3.0V未満の電圧を使用して全塩素、遊離塩素、クロラミン、及び過酸化物(H)の除去を検証した。測定は、分析試験キットを使用して行った。実験は、フローバイセル設計と、アノード−カソード−アノード−カソード(アノード−カソードの可変数の繰り返し)アノード−カソードと交互に連続する14対の電極を用いて行った(図23)。図23に示すフローバイ設計では、インプット流は、セル容器の壁近くの環状の空間を通って進み、次いで、電極表面上を中心に向かって軸方向チャネルへと流れ、次いで、軸方向チャネルを通ってFPC出口へと排出される。正電圧がアノードに印加され、負電圧がカソードに印加される。全ての電極が同じ速度で劣化することを確実にし、EDCデバイスの寿命を伸ばすため、所与の電極に印加される電圧の極性は定期的に切り替えられる(各アノードをカソードに、各カソードをアノードに変換する)。一例を図24に示す。所与のEDCの場合の極性切り替えの間隔は、任意に(例えば、1時間毎に)設定することも、1つ又は複数のEDCパラメータ、例えば、電流閾値、電圧閾値、定電圧での電流減少速度、定電圧での電流減少率、定電流での電圧減少速度、定電流での電圧減少率、処理した総体積、及びEDC流出物中の標的種の濃度に基づき設定することもできる。好ましい極性切り替えポイントは、(i)一定の印加電圧での電流の低下率、(ii)一定の印加電流での電圧の増加率、(iii)処理した総体積、及び(iii)流出物中の標的種の濃度である。標的種によっては、流出物中の標的種の濃度上昇が検出される前に減少又は増加率が検出されることがあり、その逆もある(V対流出物中の標的種の濃度をプロットした以下の図を参照されたい)。3種類の炭素を調べた。電極特性を表4に示す。
[00183] [Example]
[00184] EDC performance tests were performed to verify the removal of total chlorine, free chlorine, chloramines, and peroxide (H 2 O 2) using carbon electrodes and voltages below 3.0 V. The measurements were made using an analytical test kit. The experiment was performed using a flow-by-cell design and 14 pairs of electrodes alternating with the anode-cathode-anode-cathode (variable number of anode-cathode repetitions) anode-cathode (FIG. 23). In the flow-by design shown in FIG. 23, the input flow travels through an annular space near the wall of the cell vessel, then flows centered on the electrode surface into the axial channel and then through the axial channel. Is discharged to the FPC exit. A positive voltage is applied to the anode and a negative voltage is applied to the cathode. To ensure that all electrodes deteriorate at the same rate and extend the life of the EDC device, the polarity of the voltage applied to a given electrode is periodically switched (each anode as the cathode, each cathode as the anode). Convert to). An example is shown in FIG. The interval of polarity switching for a given EDC can be set arbitrarily (eg, hourly) or with one or more EDC parameters such as current threshold, voltage threshold, current reduction at constant voltage. It can also be set based on the rate, the rate of decrease in current at constant voltage, the rate of decrease in voltage at constant current, the rate of decrease in voltage at constant current, the total volume processed, and the concentration of the target species in the EDC effluent. Preferred polarity switching points are (i) the rate of decrease in current at a constant applied voltage, (ii) the rate of increase in voltage at a constant applied current, (iii) the total volume treated, and (iii) in the effluent. The concentration of the target species. Depending on the target species, a decrease or rate of increase may be detected before an increase in the concentration of the target species in the effluent is detected, and vice versa (V vs. concentration of the target species in the effluent is plotted. See the figure below). Three types of carbon were examined. The electrode characteristics are shown in Table 4.

[00185]容量性凝固実験を行い、16対の炭素電極(約13gの炭素)を使用してCu除去を試験した。カソードは純粋なSCであり、アノードは硝酸で酸化させたSCであった。FPCは、短絡(0V)で作動させた。直接注入(「DI」)したHO中Cu[Cu(NO]が約100ppmの供給物溶液1Lを20ml/分の流量で処理した。サンプルを光学発光分光計(OES)を用いた誘導結合プラズマ(ICP)により分析し、表9の結果は、1回の通過でCuの約1/3が除去されたことを示している。 [00185] Capacitive solidification experiments were performed and Cu removal was tested using 16 pairs of carbon electrodes (about 13 g of carbon). The cathode was pure SC and the anode was SC oxidized with nitric acid. The FPC was operated with a short circuit (0V). Direct injected ( "DI") was in H 2 O Cu [Cu (NO 3) 2 ] is the feed solution 1L of about 100ppm was treated with 20 ml / min flow rate. Samples were analyzed by inductively coupled plasma (ICP) using an optical emission spectrometer (OES) and the results in Table 9 show that about one-third of Cu was removed in a single pass.

[00186]容量性凝固実験を行い、12対の炭素電極(約10gの炭素)を使用してCu除去を試験した。カソードとアノードは、両方とも純粋なSCであった。FPCは、カソードへの印加電位1.2Vで作動させた。DIHO中Cu[Cu(NO]が約50ppmでCa(CaCl)が約50ppmの供給物溶液18.5Lを20ml/分の流量で処理した。作動中、Cuが溶液からカソードにめっきされ、図25aに灰色がかった堆積物として示されている。 [00186] Capacitive solidification experiments were performed and Cu removal was tested using 12 pairs of carbon electrodes (about 10 g of carbon). Both the cathode and the anode were pure SC. The FPC was operated at an applied potential of 1.2 V to the cathode. 18.5 L of the feed solution containing about 50 ppm Cu [Cu (NO 3 ) 2 ] and about 50 ppm Ca (CaCl 2 ) in DIH 2 O was treated at a flow rate of 20 ml / min. During operation, Cu is plated from the solution to the cathode and is shown as a greyish deposit in FIG. 25a.

[00187]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Cu除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道HO中Cu[Cu(NO]が約2ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Cu2+濃度をICP−OESで測定した。試験を行った全ての条件で、約78%のCu除去が達成された(表10)。 [00187] A flow-by capacitive solidification experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g of carbon) to test Cu removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0, and 1.2 V. 1.5 L of a feed solution containing about 2 ppm Cu [Cu (NO 3 ) 2 ] in water H 2 O was treated at a flow rate of 100 mL / min. Samples were taken before and after filtration in the cell and the Cu 2+ concentration was measured by ICP-OES. Approximately 78% Cu removal was achieved under all conditions tested (Table 10).

[00188]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、低pHでのCu除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、1.2Vで作動させた。水道HO中Cu[Cu(NO]が約10ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。pHは、濃HSOを使用して2.8に調節した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Cu2+濃度をICP−OESで測定した。Cuは、非常に効果的に除去され(表11)、99.8%の除去であった。 [00188] A flow-by capacitive coagulation experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g of carbon) to test Cu removal at low pH. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at 1.2V. 1.5 L of a feed solution containing about 10 ppm Cu [Cu (NO 3 ) 2 ] in water H 2 O was treated at a flow rate of 100 mL / min. The pH was adjusted to 2.8 using concentrated H 2 SO 4. Samples were taken before and after filtration in the cell and the Cu 2+ concentration was measured by ICP-OES. Cu was removed very effectively (Table 11), with 99.8% removal.

[00189]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ni除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道HO中Ni[Ni(Cl)]が約50ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ni2+濃度をICP−OESで測定した。1.2Vで約63%の最大除去が達成された(表12)。 [00189] A flow-by capacitive solidification experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g of carbon) to test Ni removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0, and 1.2 V. 1.5 L of the feed solution containing about 50 ppm of Ni [Ni (Cl) 2 ] in the water H 2 O was treated at a flow rate of 100 mL / min. Samples were taken before and after filtration in the cell and the Ni 2+ concentration was measured by ICP-OES. A maximum removal of about 63% was achieved at 1.2 V (Table 12).

[00190]16対の炭素電極(約14gの炭素)を使用して容量性凝固実験を行い、Fe除去を試験した。カソードは、純粋なSCであり、アノードは、硝酸で酸化させたSCであった。セルは、短絡(0V)で作動させた。DIHO中Fe[Fe(Cl)]が100ppm又はFeClが25ppmの供給物溶液18.5Lを20ml/分の流量で処理した。Feの濃度は、処理により着実に低下し、ICP−OESの結果を表13に示す。高濃度の実験(Fe100ppm)の場合、Fe酸化物がカソードでさび色の析出物としてセパレータ上に形成され、灰色がかった堆積物として示されている(図26)。 [00190] Capacitive solidification experiments were performed using 16 pairs of carbon electrodes (about 14 g of carbon) to test Fe removal. The cathode was pure SC and the anode was SC oxidized with nitric acid. The cell was operated with a short circuit (0V). 18.5 L of the feed solution containing 100 ppm Fe [Fe (Cl) 3 ] or 25 ppm FeCl 3 in DIH 2 O was treated at a flow rate of 20 ml / min. The concentration of Fe was steadily decreased by the treatment, and the results of ICP-OES are shown in Table 13. For high concentration experiments (Fe 100 ppm), Fe oxides are formed on the separator as rusty precipitates at the cathode and are shown as greyish deposits (FIG. 26).

[00191]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Fe除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道HO中Fe[Fe(Cl)]が約15ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Fe3+濃度をICP−OESで測定した。試験を行った全ての条件で約99.9%のFe除去が達成された(表14)。 [00191] A flow-by capacitive solidification experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g of carbon) to test Fe removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0, and 1.2 V. Water in H 2 O Fe [Fe (Cl) 3] is the feed solution 1.5L approximately 15ppm was treated with 100 mL / min flow rate. Samples were taken before and after filtration in the cell and Fe 3+ concentration was measured by ICP-OES. Approximately 99.9% Fe removal was achieved under all conditions tested (Table 14).

[00192]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Mn除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道HO中Mn[Mn(SO)]が約20ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Mn2+濃度をICP−OESで測定した。1.2Vで約99.8%のMn除去が達成された(表15)。 [00192] A flow-by capacitive solidification experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g of carbon) to test Mn removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0, and 1.2 V. 1.5 L of the feed solution having Mn [Mn (SO 4 )] of about 20 ppm in water H 2 O was treated at a flow rate of 100 mL / min. Samples were taken before and after filtration in the cell and the Mn 2+ concentration was measured by ICP-OES. Approximately 99.8% Mn removal was achieved at 1.2 V (Table 15).

[00193]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Al除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.4、0.8、及び1.2Vの印加電位で作動させた。廃水サンプルからのAlが約30ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Al3+濃度をICP−OESで測定した。0.4Vで約99.9%のAl除去が達成された(表16)。 [00193] A flow-by capacitive solidification experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g of carbon) to test Al removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.4, 0.8, and 1.2 V. 1.5 L of the feed solution containing about 30 ppm Al from the wastewater sample was treated at a flow rate of 100 mL / min. Samples were taken before and after filtration in the cell and the Al 3+ concentration was measured by ICP-OES. Approximately 99.9% Al removal was achieved at 0.4 V (Table 16).

[00194]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Zn除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.4、0.8、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道HO中Zn[Zn(Cl)]が約35ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Zn2+濃度をICP−OESで測定した。1.2Vで約40.8%のZn除去が達成された(表17)。 [00194] A flow-by capacitive solidification experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g of carbon) to test Zn removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.4, 0.8, and 1.2 V. 1.5 L of the feed solution containing about 35 ppm of Zn [Zn (Cl 2 )] in the water H 2 O was treated at a flow rate of 100 mL / min. Samples were taken before and after filtration in the cell and the Zn 2+ concentration was measured by ICP-OES. Approximately 40.8% Zn removal was achieved at 1.2 V (Table 17).

[00195]純粋及び酸化させたカイノールへのPbの物理吸着を調査するため、充填カラムを約5gの炭素で満たし、Pb[Pb(NO]が約100ppmのDIHOを1L、20ml/分の流量でろ過した。表18の結果は、Pbが炭素に物理的に吸着している証拠を提供する。加えて、ろ過後、純粋なカイノール電極上に、相当量の白色析出物が存在し(図27)、エネルギー分散型X線分光法(EDX)により、酸化鉛であることが確認された(図28)。 [00195] To investigate the physical adsorption of Pb to pure and oxidized quinol, the packed column is filled with about 5 g of carbon and 1 L, 20 ml of DIH 2 O with a Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] of about 100 ppm. Filtered at a flow rate of / min. The results in Table 18 provide evidence that Pb is physically adsorbed on carbon. In addition, after filtration, a significant amount of white precipitate was present on the pure Kinol electrode (FIG. 27) and was confirmed to be lead oxide by energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) (FIG. 27). 28).

[00196]水道HO中Pb[Pb(NO]が約50ppbの供給物溶液1L、12対の純粋な炭素電極(約10g)及び20mL/分の流量を使用したフロースルー容量性凝固実験は、1回の通過で連邦対策レベル15ppbを遙かに下回るまでのPb除去を示した(表19及び表20)。セルは、短絡(0V)、並びに0.8及び1.2Vの印加電位で作動させた。除去を試験するため、Pbを数回混入させた。表20の実験は、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソードを使用し、1.2Vで遂行した。セルを通すろ過の前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度を、ANDalyze製手持ち式センサ及び/又は誘導結合プラズマ質量分光法(ICP−MS)で測定した。表中の「\」は、「測定されず」を意味する。 [00196] Flow-through capacitance using 1 L of feed solution with about 50 ppb of Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in water H 2 O, 12 pairs of pure carbon electrodes (about 10 g) and a flow rate of 20 mL / min. Coagulation experiments showed Pb removal well below federal countermeasure level 15 ppb in a single pass (Tables 19 and 20). The cell was operated with a short circuit (0V) and applied potentials of 0.8 and 1.2V. Pb was mixed several times to test the removal. The experiments in Table 20 were performed at 1.2 V using a pure anode and a cathode oxidized with nitric acid. Samples were taken before and after filtration through the cell and Pb 2+ concentrations were measured by ANDallyze handheld sensors and / or inductively coupled plasma mass spectrometry (ICP-MS). "\" In the table means "not measured".

[00197]水道HO中Pb[Pb(NO]が約5〜約275ppbの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソード、及び100mL/分の流量を使用したフローバイ容量性凝固実験も、1回の通過で連邦対策レベル15ppbを遙かに下回るまでのPb除去を示した(表21)。セルは、1.2Vの印加電位で作動させた。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサ及び/又はICP−MSで測定した。結果から、Pbが溶液から恒久的に除去されていることが明らかとなった。 [00197] Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in tap water H 2 O was oxidized with 1.5 L of feed solution of about 5 to about 275 ppb, 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g), pure anode and nitric acid. Flow-by capacitive coagulation experiments using the cathode and a flow rate of 100 mL / min also showed Pb removal well below federal countermeasure level 15 ppb in a single pass (Table 21). The cell was operated at an applied potential of 1.2 V. Samples were taken before and after filtration in the cell and Pb 2+ concentrations were measured with an ANDalize handheld sensor and / or ICP-MS. The results revealed that Pb was permanently removed from the solution.

[00198]水道HO中Pb[Pb(NO]が約50ppbの供給物溶液1L、12対の炭素電極(約10g)、及び20mL/分の流量を使用したフロースルー容量性凝固実験を、開回路電圧(OCV)、短絡(0V)、及び0.2V刻みの0.4〜1.4Vの印加電位で行った。様々な酸素含有表面基と、特性が異なる炭素を試験した。セルに1回通過させた後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサ及び/又はICP−MSで測定した。 [00198] Flow-through capacitive coagulation using 1 L of feed solution with about 50 ppb of Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in tap water H 2 O, 12 pairs of carbon electrodes (about 10 g), and a flow rate of 20 mL / min. Experiments were performed with open circuit voltage (OCV), short circuit (0V), and applied potentials of 0.4-1.4V in 0.2V increments. Various oxygen-containing surface groups and carbons with different properties were tested. A sample was taken after passing through the cell once and the Pb 2+ concentration was measured by an ANDalize handheld sensor and / or ICP-MS.

[00199]表22の実験結果は、純粋なアノードとクエン酸で酸化させたカソードの場合である。Pbは、OCV及び短絡で除去されたが、印加電位下ではより効果的に除去された。最良の結果は、1.2Vで得られ、92%のPbが除去された。 [00199] The experimental results in Table 22 are for a pure anode and a cathode oxidized with citric acid. Pb was removed by OCV and short circuit, but was removed more effectively under the applied potential. Best results were obtained at 1.2V with 92% Pb removed.

[00200]表23の実験結果は、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソードの場合である。測定されたPbの濃度は、混入させた値の約50ppbを下回っている。pHは、9に近く、測定では不溶性のPb種が含まれていない可能性があった。最後の純粋な炭素片(アノード)上には橙色の析出物も観察され、フィルター紙の周囲に認められた。 [00200] The experimental results in Table 23 are for a pure anode and a cathode oxidized with nitric acid. The measured concentration of Pb is below the mixed value of about 50 ppb. The pH was close to 9, and it was possible that the measurement did not contain insoluble Pb species. An orange precipitate was also observed on the last pure carbon piece (anode) and was found around the filter paper.

[00201]表24の実験結果は、純粋なアノードとオーブンで340℃で72時間酸化させたカソードの場合である。Pb除去は、短絡及び1.2Vで観察された。溶存酸素(DO)も実験を通して監視され、印加電圧と共に減少し、酸素がHに還元されていることを示唆する(表25)。 [00201] The experimental results in Table 24 are for a pure anode and a cathode oxidized at 340 ° C. for 72 hours in an oven. Pb removal was observed at short circuit and 1.2V. Dissolved oxygen (DO) is also monitored throughout the experiment, and decreases with the applied voltage, it suggests that oxygen is reduced to H 2 O 2 (Table 25).

[00202]カイノール、ゾーフレックス(Zorflex)、及びフュールセルアースの3種の炭素を試験した。これらの特性を、表26に列挙する。ゾーフレックスを使用した結果を表27及び表28に示す。印加電圧によりDOは減少し、鉛除去が向上した。 [00202] Three carbons, Kynol, Zorflex, and Fuelcell Earth, were tested. These characteristics are listed in Table 26. The results of using Zoflex are shown in Tables 27 and 28. The applied voltage reduced DO and improved lead removal.

[00203]カイノールを使用した結果は、表18〜表24と、以下の表29、表32及び表36に示されている。表29に示す結果では、OCV、短絡、及び1.2Vの印加電位のみ試験を行った。約10ppbの開始濃度であっても、非常に低いレベルへの鉛除去が達成され、DO濃度は、1.2Vで6%未満に低下した。SEM/EDXにより、電極上へのPb堆積が確認された(図13)。 [00203] The results of using quinol are shown in Tables 18-24 and Table 29, Table 32 and Table 36 below. In the results shown in Table 29, only OCV, short circuit, and 1.2V applied potentials were tested. Lead removal to very low levels was achieved even at a starting concentration of about 10 ppb, and the DO concentration dropped to less than 6% at 1.2 V. Pb deposition on the electrodes was confirmed by SEM / EDX (FIG. 13).

[00204]フュールセルアース(www.fuelcellstore.com)は、グラファイト布であり、高度に導電性である。結果を表30及び表31に示す。表面積が非常に小さいため、どちらの場合も、測定可能な電流はなかった。最初の実験(表30)後にセルを分解すると、セル内での位置に関係なく、全てのフィルター紙上に橙色の析出物があった。アノードとカソードの両方に純粋な炭素を用いて実験を繰り返し、1回の通過ではなく、3時間の繰り返しの後にサンプルを採取した(表31)。この場合、開回路では鉛は除去されず、短絡では幾分除去され、1.2Vの印加電位では遙かに多く除去された。DOは、印加電位に関係なく変化しないままで、Hは、1.2Vで0ppmであると測定された。Pb除去は、Hとの反応によって起こるのではなく、電極表面でのpH変動により起こる可能性がある。 [00204] Fuelcell earth (www.feelcellstore.com) is a graphite cloth and is highly conductive. The results are shown in Tables 30 and 31. Due to the very small surface area, there was no measurable current in either case. When the cells were disassembled after the first experiment (Table 30), there were orange precipitates on all filter papers, regardless of their position within the cells. Experiments were repeated with pure carbon on both the anode and cathode, and samples were taken after 3 hours of repetition rather than a single pass (Table 31). In this case, lead was not removed in the open circuit, somewhat in the short circuit, and much more in the applied potential of 1.2V. DO remained unchanged regardless of the applied potential, and H 2 O 2 was measured to be 0 ppm at 1.2 V. Pb removal, rather than caused by reaction with H 2 O 2, can occur by pH change at the electrode surface.

[00205]Pbを合成水道水に混入して上記と同じ一連の実験を行った(表32及び表33)。この水は、炭酸塩を含有せず、他のイオン種の濃度は、我々の水道水と同様であった。OCV及び短絡でPb除去が観察され、1.2Vではわずかに多く除去された。DO濃度は、実験を通して低かった。 [00205] Pb was mixed with synthetic tap water and the same series of experiments as above was performed (Tables 32 and 33). This water did not contain carbonate and the concentration of other ionic species was similar to our tap water. Pb removal was observed at OCV and short circuit, with slightly more removal at 1.2V. The DO concentration was low throughout the experiment.

[00206]純粋又は硝酸で酸化させた炭素(約5g)の充填カラムの場合の破過曲線を得て、Pb[Pb(NO]が約150ppbの水道HO1Lを20mL/分の流量でろ過した(表34及び表35)。この場合、Pb除去は、我々のデバイスによる容量吸着及び凝固(能動的ろ過)ではなく、物理吸着(受動的ろ過)により起きている。初期Pb濃度は劇的に低下するが、約0.3Lの水を処理した時点で炭素は両方とも急速に飽和し、効果がなくなる。試験を行った条件では、酸化させた炭素と比較して、純粋な炭素が鉛の物理吸着により効果的であるように見える。FPCデバイスのフロースルーの実施形態がいつ飽和するかを判定するため、12対の電極(約10g)を用い、1回の通過で5ガロンの水を1.2Vで20mL/分で処理した。処理した5ガロンの水に対し、持続的な性能が得られた(表36)。ろ過後の鉛の濃度は低いままであった一方、カルシウム(Ca2+)の濃度はほぼ一定であり、鉛に対する99%を超える選択性が実証された。この実験をフローバイデバイスを用いて繰り返し、14対の電極(約30g)を用い、5ガロンの水を1.2Vで100mL/分で1回の通過で処理した(表37)。Pb除去は、極端に高い開始Pb濃度からでも、通過させた総体積に対して維持された。 [00206] Obtaining a breakthrough curve for a pure or nitric acid oxidized carbon (about 5 g) packed column, 20 mL / min of water H 2 O 1 L with a Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] of about 150 ppb. Filtered by flow rate (Tables 34 and 35). In this case, Pb removal is caused by physical adsorption (passive filtration) rather than capacity adsorption and coagulation (active filtration) by our device. The initial Pb concentration drops dramatically, but after treating about 0.3 L of water, both carbons rapidly saturate and become ineffective. Under the conditions tested, pure carbon appears to be more effective by physisorption of lead compared to oxidized carbon. To determine when the flow-through embodiment of the FPC device saturates, 12 pairs of electrodes (about 10 g) were used and 5 gallons of water per pass was treated at 1.2 V at 20 mL / min. Sustainable performance was obtained for treated 5 gallons of water (Table 36). The concentration of lead after filtration remained low, while the concentration of calcium (Ca 2+ ) was nearly constant, demonstrating a selectivity of over 99% for lead. This experiment was repeated using a flow-by device and treated with 5 gallons of water at 1.2 V at 100 mL / min in a single pass using 14 pairs of electrodes (about 30 g) (Table 37). Pb removal was maintained for the total volume passed, even from extremely high starting Pb concentrations.

[00207]水道HO中Pb[Pb(NO]が約150ppbの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、及び300mL/分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位1.2Vで行った(表38)。セルに1回通過させる前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。処理したサンプルは、センサの検出限界であった。 [00207] Flow-by capacitance using 1.5 L of feed solution with about 150 ppb of Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in water H 2 O, 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g), and a flow rate of 300 mL / min. The solidification experiment was performed at an applied potential of 1.2 V (Table 38). Samples were taken before and after passing through the cell once, and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalize handheld sensor. The processed sample was the detection limit of the sensor.

[00208]濃HSOで調節したpH2.83の水道HO中Pb[Pb(NO]が約150ppbの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、及び100ml/分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位1.2Vで行った(表39)。セルに1回通過させる前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。処理したサンプルは、センサの検出限界未満であった。 [00208] 1.5 L of feed solution with about 150 ppb of Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in tap H 2 O at pH 2.83 adjusted with concentrated H 2 SO 4 , 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g), And a flow-by capacitive coagulation experiment using a flow rate of 100 ml / min was performed at an applied potential of 1.2 V (Table 39). Samples were taken before and after passing through the cell once, and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalize handheld sensor. The processed sample was below the detection limit of the sensor.

[00209]Pbが約150ppbのPb酸バッテリー製造業者の廃水サンプルの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、及び100ml/分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位1.2Vで行った(表40)。セルに1回通過させる前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。流出物は、割り当てられたPb排出制限の0.6ppmを遙かに下回っていた。 [00209] A flow-by capacitive coagulation experiment using 1.5 L of a feed solution of a wastewater sample from a Pb acid battery manufacturer with a Pb of about 150 ppb, 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g), and a flow rate of 100 ml / min. This was performed at an applied potential of 1.2 V (Table 40). Samples were taken before and after passing through the cell once, and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalize handheld sensor. The effluent was well below the assigned Pb emission limit of 0.6 ppm.

[00210]水道HO中Pb[Pb(NO]が約150ppbの供給物溶液1.5L、約14gの炭素電極、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソード、及び50、100、及び200ml/分の流量を用いた容量性凝固実験に巻回セル設計を使用し、全て1回の通過で連邦対策レベルの15ppb未満へのPb除去を示した(表41)。セルは、1.2Vの印加電位で作動させた。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。 [00210] 1.5 L of feed solution with Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in tap water H 2 O of about 150 ppb, about 14 g of carbon electrode, pure anode and cathode oxidized with nitric acid, and 50, 100, And a wound cell design was used in the capacitive coagulation experiment with a flow rate of 200 ml / min, all showing Pb removal to less than the federal countermeasure level of 15 ppb in one pass (Table 41). The cell was operated at an applied potential of 1.2 V. Samples were taken before and after filtration in the cell and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalize handheld sensor.

[00211]水道HO中Pb[Pb(NO]が約50ppbとPbが2.5ppm、及び水道水中Cuが約10ppmである供給物溶液1.5Lを用いた容量性凝固実験に巻回セル設計を使用した。Pb除去は、低濃度の場合は連邦対策レベルの15ppb未満であり、高濃度の場合は1ppm未満であった(表42)。Cu除去は、99%を超えていた(表43)。巻回セルの概略図を図29に示す。 [00211] For a capacitive coagulation experiment using 1.5 L of a feed solution in which Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in tap water H 2 O is about 50 ppb and Pb is 2.5 ppm, and Cu in tap water is about 10 ppm. A winding cell design was used. Pb removal was less than federal countermeasure level 15 ppb at low concentrations and less than 1 ppm at high concentrations (Table 42). Cu removal was over 99% (Table 43). A schematic diagram of the winding cell is shown in FIG.

[00212]水道HO中Pb[Pb(NO]が2.5ppmの溶液、及び約30gの炭素電極を1.2Vで用いた容量性凝固実験に直列セルアーキテクチャを使用した。連続5ガロンの水を処理し、濃度は一貫して48ppb未満であった(表44)。 [00212] A series cell architecture was used in a capacitive coagulation experiment using a solution with Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in 2.5 ppm in water H 2 O and a carbon electrode of about 30 g at 1.2 V. Continuously treated with 5 gallons of water, the concentration was consistently less than 48 ppb (Table 44).

[00213]水道HO中Pb[Pb(NO]が約50ppbの供給物溶液1.5Lを用いた容量性凝固実験に炭素ブロックを使用した(表45)。Pb除去は、連邦対策レベルの15ppb未満であった。 [00213] A carbon block was used in a capacitive coagulation experiment using 1.5 L of a feed solution in which Pb [Pb (NO 3 ) 2 ] in water H 2 O was about 50 ppb (Table 45). Pb removal was less than the federal response level of 15 ppb.

[00214]複数の金属種、Cu、Fe、及びMnをppm範囲の濃度で含有する工業廃水をフローバイ容量性凝固実験に使用した。0.5、1.0、及び1.5L/分の流量を1.2Vで試験した。Cuは、98%を超え、Feは14%を超え、Mnは87%を超える減少であった(表46)。 [00214] Industrial wastewater containing a plurality of metal species, Cu, Fe, and Mn at concentrations in the ppm range was used in the flow-by volumetric solidification experiment. Flow rates of 0.5, 1.0, and 1.5 L / min were tested at 1.2 V. Cu decreased by more than 98%, Fe decreased by more than 14%, and Mn decreased by more than 87% (Table 46).

[00215]複数の金属種、Cu、Fe、及びMnをppb範囲の濃度で含有する逆浸透(RO)濃縮物、又はブラインを、フローバイ容量性凝固実験に使用した。0.1、0.5、及び1.0L/分の流量を1.2Vで試験した。Cuは、99%を超え、Feは、99%を超え、Mnは、74%を超える減少であった(表47)。 [00215] Reverse osmosis (RO) concentrates or brines containing multiple metal species, Cu, Fe, and Mn at concentrations in the ppb range were used in flow-by capacitive coagulation experiments. Flow rates of 0.1, 0.5, and 1.0 L / min were tested at 1.2 V. Cu decreased by more than 99%, Fe decreased by more than 99%, and Mn decreased by more than 74% (Table 47).

[00216]全塩素及び遊離塩素を、塩素除去用に調整したEDCでの処理の前後に測定した。クロラミンは、全塩素と遊離塩素との差から推定した。99%を超える遊離塩素除去と、最大99%のクロラミン除去が得られた。作動中、3.0V未満の電圧をセルに印加した。100〜500ml/分の流量を試験した。厳密には細孔崩壊による電荷損失による性能の低下が観察される前に、合計約210ガロンの水が処理された。 [00216] Total chlorine and free chlorine were measured before and after treatment with EDC prepared for chlorine removal. Chloramine was estimated from the difference between total chlorine and free chlorine. More than 99% free chlorine removal and up to 99% chloramine removal were obtained. During operation, a voltage of less than 3.0 V was applied to the cell. A flow rate of 100-500 ml / min was tested. Strictly speaking, a total of about 210 gallons of water was treated before performance degradation due to charge loss due to pore collapse was observed.

[00217]V>0の場合、酸化させたカイノール(硝酸処理)をアノードとして、純粋なカイノールをカソードとして使用し、V<0の場合、電極を切り替えた。供給物(流入物)及び生成物(流出物)流中の全塩素を、図30に示す。流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図31及び図32は、それぞれ供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図33は、各消毒剤の除去%を示す。99%を超える遊離塩素除去と、約80%のクロラミン除去が得られた。EDCでの処理後に、最大100%の過酸化物除去も達成された。 [00217] When V> 0, oxidized quinol (nitric acid treatment) was used as an anode, pure quinol was used as a cathode, and when V <0, the electrodes were switched. Total chlorine in the feed (inflow) and product (outflow) streams is shown in FIG. A clear reduction in total chlorine in the effluent was observed. 31 and 32 show the concentrations of free chlorine and chloramine in the feed and product stream, respectively. FIG. 33 shows the percentage of removal of each disinfectant. More than 99% free chlorine removal and about 80% chloramine removal were obtained. Up to 100% peroxide removal was also achieved after treatment with EDC.

[00218]酸化させたカイノール(硝酸処理)をカソードとして、フュールセルアースをアノードとして使用した。供給物及び生成物流中の全塩素を、図34に示す。2.0Vの印加電圧で、流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図35及び図36は、それぞれ供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図37は、各消毒剤の除去%である。99%を超える遊離塩素除去と、約40%のクロラミン除去が得られた。EDCでの処理後に、約60%の過酸化物除去も達成された。 [00218] Oxidized quinol (nitric acid treatment) was used as the cathode and furcell earth was used as the anode. The total chlorine in the feed and product distribution is shown in FIG. A clear reduction in total chlorine in the effluent was observed at an applied voltage of 2.0 V. 35 and 36 show the concentrations of free chlorine and chloramines in the feed and product stream, respectively. FIG. 37 shows the removal% of each disinfectant. More than 99% free chlorine removal and about 40% chloramine removal were obtained. After treatment with EDC, about 60% peroxide removal was also achieved.

[00219]V>0の場合、酸化させたカルゴン(硝酸及び電気化学的処理)をアノードとして、純粋なカルゴンカソードとして使用し、V<0の場合、電極を切り替えた。供給物及び生成物流中の全塩素を、図38に示す。流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図39及び図40はそれぞれ、供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図41は、各消毒剤の除去%を示す。最大96%の遊離塩素除去と、約57%のクロラミン除去が得られた。EDCでの処理後に、約57%の過酸化物除去も達成された。 [00219] When V> 0, oxidized calgon (nitric acid and electrochemical treatment) was used as the anode and as a pure calgon cathode, and when V <0, the electrodes were switched. Total chlorine in the feed and product distribution is shown in FIG. 38. A clear reduction in total chlorine in the effluent was observed. 39 and 40 show the concentrations of free chlorine and chloramines in the feed and product stream, respectively. FIG. 41 shows the removal% of each disinfectant. Up to 96% free chlorine removal and about 57% chloramine removal were obtained. After treatment with EDC, about 57% peroxide removal was also achieved.

[要約]
[00220]要約すると、FPCの発明は、水溶液を浄化するための電気化学的デバイスであって、少なくとも1つの炭素系アノードと少なくとも1つの炭素系カソード(前記アノード及びカソードはそれぞれ、Epzcシフトのない純粋な電極である)が、容器内に交互に並んでおり、前記容器は、水溶液を容器に供給する少なくとも1つの入口と、浄化されたアウトプットを容器から排出する少なくとも1つの出口とを備えて構成されており、セパレータが各電極の間に配置されており、関連する配線を備えた電源が、DC定電圧又は定電流を炭素系電極に供給し、除去すべき少なくとも1種の標的種を含有する水溶液が、入口を通って送り込まれ、電極のそば又は中を通って少なくとも1つの出口につながる排出チャネルに至り、少なくとも1つのアノードに印加されるDC電圧と少なくとも1つのカソードに印加されるDC電圧が、少なくとも1種の標的種のプールベ線図に示され、容量吸着、ファラディック固定化、及び容量吸着とファラディック固定化の両方からなる群から選択されるメカニズムにより、少なくとも1種の標的種を電極に凝集させるDC電圧である、デバイスを含む。少なくとも1種の標的種の凝集は、少なくとも1つのアノードの近くの4未満のpH領域における標的種の酸化により引き起こされる。或いは、少なくとも1種の標的種の凝集は、少なくとも1つのアノードの近くの4未満のpH領域における標的種の酸化により引き起こされ、酸化は、少なくとも1つのカソードの近くの10を超えるpH領域における酸化剤の生成から生じる。電源は、プロセスコントローラにより、又は手動で制御される。電極を作製する材料は、高い透水性を有し、活性炭布、ミクロ多孔性とメソ多孔性の活性炭の混合物、メソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物、及びミクロ多孔性とメソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物からなる群から選択される。セパレータの厚さは、1nm〜100ミクロン、2nm〜50ミクロン、2nm〜30ミクロン、1〜100ミクロン、1〜50ミクロン、及び1〜30ミクロンの範囲からなる群から選択される。ファラディック固定化を達成するために使用されるDC電圧は、0.6V未満、1.2V未満、及び2.0V未満からなる群から選択される。電極は、任意選択で不透過性の絶縁体により分離されていてもよく、その場合、通過流は、多孔質の電極の中のみを通って流れて排出チャネルに到達する、或いは、透過性のセパレータにより分離されていてもよく、その場合、通過流は、電極のそばを流れ、セパレータを通って排出チャネルに至る。イオン交換膜が、任意選択で少なくとも1つのアノード、少なくとも1つのカソード、又は両方の電極を覆うことができる。少なくとも1つの炭素系電極のゼロ電荷の電位を、カソードの還元、カソードの酸化、アノードの還元、及びアノードの酸化からなる群から選択されるメカニズムによりシフトさせることができる。電極間の間隔は、1mm未満、200ミクロン未満、50ミクロン未満、及び20ミクロン未満からなる群から選択される。FPCのセル設計は、巻回又は積層とすることができる。
[wrap up]
[00220] In summary, the invention of FPC is an electrochemical device for purifying an aqueous solution, with at least one carbon-based anode and at least one carbon-based cathode (the anode and cathode, respectively, without Epzc shifts). (Pure electrodes) are alternated within the container, said container comprising at least one inlet for supplying the aqueous solution to the vessel and at least one outlet for draining purified output from the vessel. At least one target species to be removed by supplying a DC constant voltage or constant current to the carbon-based electrode and a power supply with associated wiring, with a separator located between each electrode. An aqueous solution containing the above is pumped through an inlet to an exhaust channel that passes by or through an electrode and connects to at least one outlet, and is applied to a DC voltage applied to at least one anode and to at least one cathode. The DC voltage is shown in the pool bed diagram of at least one target species and is at least one by a mechanism selected from the group consisting of capacitive adsorption, faradic immobilization, and both capacitive adsorption and faradic immobilization. Includes a device, which is a DC voltage that aggregates the target species of. Aggregation of at least one target species is caused by oxidation of the target species in the pH range less than 4 near at least one anode. Alternatively, aggregation of at least one target species is caused by oxidation of the target species in a pH region of less than 4 near at least one anode, and oxidation is oxidation in a pH region greater than 10 near at least one cathode. It results from the production of the agent. The power supply is controlled by the process controller or manually. The materials used to make the electrodes are highly permeable, activated carbon cloth, a mixture of microporous and mesoporous activated carbon, a mixture of mesoporous and macroporous activated carbon, and microporous and mesoporous. Selected from the group consisting of a mixture of macroporous activated carbon. The thickness of the separator is selected from the group consisting of 1 nm to 100 microns, 2 nm to 50 microns, 2 nm to 30 microns, 1 to 100 microns, 1 to 50 microns, and 1 to 30 microns. The DC voltage used to achieve faradic immobilization is selected from the group consisting of less than 0.6V, less than 1.2V, and less than 2.0V. The electrodes may optionally be separated by an impermeable insulator, in which case the passing flow flows only through the porous electrode and reaches the discharge channel, or is permeable. It may be separated by a separator, in which case the passing flow will flow by the electrode and through the separator to the discharge channel. An ion exchange membrane can optionally cover at least one anode, at least one cathode, or both electrodes. The zero charge potential of at least one carbon-based electrode can be shifted by a mechanism selected from the group consisting of cathode reduction, cathode oxidation, anode reduction, and anode oxidation. The spacing between the electrodes is selected from the group consisting of less than 1 mm, less than 200 microns, less than 50 microns, and less than 20 microns. The cell design of the FPC can be wound or laminated.

[00221]FPCにおけるアノードは、0%〜30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%〜100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0〜10nmの平均細孔口径、及び0%〜20%のマクロ多孔性活性炭と、80%〜100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5〜10nmからなる群から選択される平均細孔口径を有することができる。FPCにおけるカソードは、0%〜30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%〜100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0〜10nmの平均細孔口径、及び0%〜20%のマクロ多孔性活性炭と、80%〜100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5〜10nmからなる群から選択される平均細孔口径を有することができる。 [00221] The anode in the FPC is a microporous activated carbon of 0% to 30%, a microporous activated carbon containing carbon having a conductivity value of more than 10 S / cm, and a 70% to 100% mesoporous activated carbon. 2.0-10 nm average porosity and 0% -20% macroporous activated carbon and 80% -100% mesoporous activated carbon achieved using the pore caliber profile of. It is possible to have an average pore diameter selected from the group consisting of an average pore diameter of 2.5-10 nm achieved using the pore diameter profile of mesoporous activated carbon with a rate value greater than 10 S / cm. The cathode in the FPC is 0% to 30% microporous activated carbon, and the pores of the microporous activated carbon containing carbon having a conductivity value of more than 10 S / cm and the pores of 70% to 100% mesoporous activated carbon. Average pore diameter of 2.0-10 nm achieved using the caliber profile, and 0% -20% macroporous activated carbon and 80% -100% mesoporous activated carbon with conductivity values. It is possible to have an average pore diameter selected from the group consisting of an average pore diameter of 2.5 to 10 nm achieved using a pore size profile of mesoporous activated carbon above 10 S / cm.

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Claims (18)

水溶液を浄化するための電気化学的デバイスであって、
少なくとも1つの炭素系アノードと少なくとも1つの炭素系カソード(前記アノード及びカソードはそれぞれ、EPZCシフトのない純粋な電極である)が、容器内に交互に並んでおり、前記容器は、水溶液を前記容器に供給する少なくとも1つの入口と、浄化されたアウトプットを前記容器から排出する少なくとも1つの出口とを備えて構成されており、セパレータが各電極の間に配置されており、関連する配線を備えた電源が、DC定電圧又は定電流を前記炭素系電極に供給し、
除去すべき少なくとも1種の標的種を含有する水溶液が、前記入口を通って送り込まれ、前記電極のそば又は中を通って前記少なくとも1つの出口につながる排出チャネルに至り、
前記少なくとも1つのアノードに印加される前記DC電圧と前記少なくとも1つのカソードに印加される前記DC電圧が、前記少なくとも1種の標的種のプールベ線図に関連し、容量吸着、ファラディック固定化、及び容量吸着とファラディック固定化の両方からなる群から選択されるメカニズムにより、前記少なくとも1種の標的種を電極に凝集させるDC電圧である、
デバイス。
An electrochemical device for purifying an aqueous solution,
At least one carbon-based anode and at least one carbon-based cathode (each of which is a pure electrode without an EPZC shift) are arranged alternately in the container, and the container contains an aqueous solution. It is configured with at least one inlet to supply the container and at least one outlet to drain the purified output from the container, with a separator located between each electrode and associated wiring. The provided power supply supplies a DC constant voltage or a constant current to the carbon-based electrode.
An aqueous solution containing at least one target species to be removed is fed through the inlet and reaches a discharge channel that passes by or through the electrode and leads to the at least one outlet.
The DC voltage applied to the at least one anode and the DC voltage applied to the at least one cathode are associated with a pool bed diagram of the at least one target species, capacitive adsorption, faradic immobilization, and the like. And a DC voltage that aggregates at least one target species onto the electrode by a mechanism selected from the group consisting of both capacitive adsorption and faradic immobilization.
device.
前記少なくとも1種の標的種の前記凝集が、前記少なくとも1つのアノードの近くの4未満のpH領域における前記標的種の酸化により引き起こされる、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the aggregation of the at least one target species is caused by oxidation of the target species in a pH region of less than 4 near the at least one anode. 前記少なくとも1種の標的種の前記凝集が、前記少なくとも1つのアノードの近くの4未満のpH領域における前記標的種の酸化により引き起こされ、前記酸化が、前記少なくとも1つのカソードの近くの8を超えるpH領域における酸化剤の生成から生じる、請求項1に記載のデバイス。 The aggregation of the at least one target species is caused by the oxidation of the target species in a pH region of less than 4 near the at least one anode, and the oxidation exceeds 8 near the at least one cathode. The device of claim 1, which results from the production of an oxidant in the pH range. 前記電源が、プロセスコントローラにより、又は手動で制御される、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the power source is controlled by a process controller or manually. 前記電極を作製する材料が、高い透水性を有し、活性炭布、ミクロ多孔性とメソ多孔性の活性炭の混合物、メソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物、及びミクロ多孔性とメソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物からなる群から選択される、請求項1に記載のデバイス。 The material for making the electrode has high water permeability, activated carbon cloth, a mixture of microporous and mesoporous activated carbon, a mixture of mesoporous and macroporous activated carbon, and microporous and mesoporous. The device according to claim 1, which is selected from the group consisting of a mixture of activated carbon and macroporous activated carbon. 前記セパレータの厚さが、1nm〜100ミクロン、2nm〜50ミクロン、2nm〜30ミクロン、1〜100ミクロン、1〜50ミクロン、及び1〜30ミクロンの範囲からなる群から選択される、請求項1に記載のデバイス。 Claim 1 in which the thickness of the separator is selected from the group consisting of 1 nm to 100 microns, 2 nm to 50 microns, 2 nm to 30 microns, 1 to 100 microns, 1 to 50 microns, and 1 to 30 microns. The device described in. ファラディック固定化を達成するために使用される前記DC電圧が、0.6V未満、1.2V未満、及び2.5V未満からなる群から選択される、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the DC voltage used to achieve faradic immobilization is selected from the group consisting of less than 0.6V, less than 1.2V, and less than 2.5V. 前記電極が、不透過性の絶縁体により分離されており、通過流が、前記多孔質の電極の中のみを通って流れて排出チャネルに到達する、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the electrodes are separated by an impermeable insulator so that the passing flow flows only through the porous electrodes and reaches the discharge channel. 前記電極が、透過性のセパレータによって分離されており、通過流が、前記電極のそばを流れ、前記セパレータを通って前記排出チャネルに至る、請求項1に記載のデバイス。 The device according to claim 1, wherein the electrodes are separated by a permeable separator, and a passing flow flows by the electrodes and reaches the discharge channel through the separator. イオン交換膜が前記少なくとも1つのアノード、前記少なくとも1つのカソード、又は両方の電極を覆っている、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the ion exchange membrane covers the at least one anode, the at least one cathode, or both electrodes. 少なくとも1つの炭素系電極のゼロ電荷の電位が、カソードの還元、カソードの酸化、アノードの還元、及びアノードの酸化からなる群から選択されるメカニズムによりシフトされている、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the zero charge potential of at least one carbon-based electrode is shifted by a mechanism selected from the group consisting of cathode reduction, cathode oxidation, anode reduction, and anode oxidation. .. 少なくとも1つの炭素系アノードが、
0%〜30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%〜100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0〜10nmの平均細孔口径、
0%〜20%のマクロ多孔性活性炭と、80%〜100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5〜10nm
からなる群から選択される平均細孔口径を有する、請求項1に記載のデバイス。
At least one carbon-based anode
Using a pore size profile of 0% to 30% microporous activated carbon containing carbon with a conductivity value greater than 10 S / cm and 70% to 100% mesoporous activated carbon. Achieved average porosity of 2.0-10 nm,
Achieved using a pore size profile of 0% to 20% macroporous activated carbon and 80% to 100% mesoporous activated carbon with a conductivity value greater than 10 S / cm. Average porosity 2.5-10 nm
The device according to claim 1, which has an average pore diameter selected from the group consisting of.
少なくとも1つの炭素系カソードが、
0%〜30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%〜100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0〜10nmの平均細孔口径、
0%〜20%のマクロ多孔性活性炭と、80%〜100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5〜10nm
からなる群から選択される平均細孔口径を有する、請求項1に記載のデバイス。
At least one carbon-based cathode
Using a pore size profile of 0% to 30% microporous activated carbon containing carbon with a conductivity value greater than 10 S / cm and 70% to 100% mesoporous activated carbon. Achieved average porosity of 2.0-10 nm,
Achieved using a pore size profile of 0% to 20% macroporous activated carbon and 80% to 100% mesoporous activated carbon with a conductivity value greater than 10 S / cm. Average porosity 2.5-10 nm
The device according to claim 1, which has an average pore diameter selected from the group consisting of.
電極間の間隔が、1mm未満、200ミクロン未満、50ミクロン未満、及び20ミクロン未満からなる群から選択される、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the distance between the electrodes is selected from the group consisting of less than 1 mm, less than 200 microns, less than 50 microns, and less than 20 microns. セル設計が、巻回、積層、又は炭素ブロックである、請求項1に記載のデバイス。 The device of claim 1, wherein the cell design is winding, laminating, or carbon block. 前記平均細孔口分布範囲が0〜50nmであり、標的種とFPCパラメータが、
FPCパラメータが0〜1.2Vのアノード電圧範囲、−1.1未満のカソード電圧、及び1.2Vの好ましい作動電圧であるマンガン;
FPCパラメータが0〜1.2Vのアノード電圧範囲、−0.5V未満のカソード電圧、及び0.4〜1.2Vの好ましい作動電圧範囲である鉄;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧範囲、及び−0.5V未満のカソード電圧であるコバルト;
FPCパラメータが0〜1.0Vのアノード電圧範囲、−0.4V未満のカソード電圧、及び1.2Vの好ましい作動電圧であるニッケル;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、0V未満のカソード電圧、及び0.8〜1.2Vの好ましい作動電圧範囲である銅;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、−0.8V未満のカソード電圧、及び0.8〜1.2Vの好ましい作動電圧範囲である亜鉛;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、−1.3V未満のカソード電圧、及び0.4Vの好ましい作動電圧であるアルミニウム;
FPCパラメータが0.5Vを超えるアノード電圧、−0.4V未満のカソード電圧、及び1.2Vの好ましい作動電圧である鉛;
FPCパラメータが、0Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧であるパラジウム;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソードである銀;
FPCパラメータが0.4Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧であるイリジウム;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧である白金;
FPCパラメータが0.8Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧である金;
FPCパラメータが0.3Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧である水銀;
FPCパラメータが対NHEで1.5V未満のアノード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.5V未満の全セル電位である塩素;
FPCパラメータが対NHEで1.2V未満のアノード電位、対NHEで−1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.2V未満の全セル電位である臭素;並びに
FPCパラメータが対NHEで1.4V未満のアノード電位、対NHEで−1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.4V未満の全セル電位であるクロラミン、
からなる群から選択される、請求項1に記載のデバイス。
The average pore size distribution range is 0 to 50 nm, and the target species and FPC parameters are
An anode voltage range with FPC parameters from 0 to 1.2 V, a cathode voltage below -1.1, and manganese, which is the preferred operating voltage of 1.2 V;
Iron with FPC parameters in the anode voltage range from 0 to 1.2 V, cathode voltage below -0.5 V, and preferred operating voltage range from 0.4 to 1.2 V;
Cobalt with Anode voltage range with FPC parameters above 0V and cathode voltage below -0.5V;
Anode voltage range with FPC parameters from 0 to 1.0 V, cathode voltage below -0.4 V, and nickel, which is the preferred operating voltage of 1.2 V;
Anode voltage with FPC parameters above 0V, cathode voltage below 0V, and copper in the preferred operating voltage range of 0.8-1.2V;
Anode voltage with FPC parameters above 0V, cathode voltage below -0.8V, and zinc in the preferred operating voltage range of 0.8-1.2V;
Anode voltage with FPC parameters above 0V, cathode voltage below -1.3V, and aluminum, which is the preferred operating voltage of 0.4V;
Anode voltage with FPC parameters above 0.5V, cathode voltage below -0.4V, and lead, which is the preferred operating voltage of 1.2V;
Palladium whose FPC parameters are the anode voltage above 0V and the cathode voltage below 0V;
Anode voltage with FPC parameters above 0V, and silver with a cathode below 0V;
Anode voltage with FPC parameters above 0.4V and cathode voltage below 0V Iridium;
Platinum with Anode voltage with FPC parameters above 0V and cathode voltage below 0V;
Gold with Anode voltage with FPC parameters above 0.8V and cathode voltage below 0V;
Anode voltage with FPC parameters above 0.3V and cathode voltage below 0V mercury;
Chlorine with an Anode potential of less than 1.5 V for NHE with FPC parameters and a total cell potential of less than 2.5 V applied across the anode and cathode;
An anode potential with an FPC parameter of less than 1.2 V for NHE, a cathode potential of more than -1.0 V for NHE, and a total cell potential of less than 2.2 V applied across the anode and cathode; and FPC. Chloramine, whose parameters are an anode potential of less than 1.4 V for NHE, a cathode potential of more than -1.0 V for NHE, and a total cell potential of less than 2.4 V applied across the anode and cathode.
The device according to claim 1, which is selected from the group consisting of.
水溶液を浄化する方法であって、標的種用のFPCパラメータを備えて構成されたファラディック多孔性セルが、浄化すべき溶液のインプット流と、浄化された水のアウトプット流とを有する、方法。 A method of purifying an aqueous solution, wherein a faradic porous cell configured with FPC parameters for the target species has an input flow of solution to be purified and an output flow of purified water. .. 前記水溶液が、発電所廃水、発電所冷却水、洗濯廃水、人間の消費のために浄化すべき水、農業用に浄化すべき水、園芸用に浄化すべき水、食品に使用するために浄化すべき水、軟化すべき水、人間の消費するために浄化すべき海水、実験室での使用のために浄化すべき水、人間の消費又は農業での使用のために浄化すべき汽水、及び医療用の使用のために浄化すべき水からなる群から選択される、請求項17に記載の方法。 The aqueous solution is purified for use in power plant wastewater, power plant cooling water, washing wastewater, water to be purified for human consumption, water to be purified for agriculture, water to be purified for gardening, and food. Water to be purified, water to be softened, seawater to be purified for human consumption, water to be purified for laboratory use, brackish water to be purified for human consumption or agricultural use, and 17. The method of claim 17, selected from the group consisting of water to be purified for medical use.
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