JP2022525031A - 水から難除去性有機化合物を除去するためのシステムおよび方法 - Google Patents

Abstract

【解決手段】本発明は、サブミクロン粉状活性炭を使用して、水、特に地下水および飲料水から、ＰＦＡＳおよび他の難除去性有機化合物汚染物質の除去を増加させるシステムおよび方法に関する。【選択図】図１

Description

本発明は、水からパーフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル物質を含む難除去性有機化合物を除去するためのシステムおよび方法に関する。特に、本発明は、セラミック膜濾過と組み合わせてサブミクロンの粉状活性炭を使用して、そのような汚染物質を水から除去するためのシステムおよび方法に関する。本発明はまた、使用済み炭素の濃縮および除去のためのシステムおよび方法にも関する。

パーフルオロオクタン硫酸（「ＰＦＯＳ」）やパーフルオロオクタン酸（「ＰＦＯＡ」）などのパーおよびポリフルオロアルキル物質（「ＰＦＡＳ」）は、それらの前駆体および関連する範囲内のものを含めて、水および油に耐性を有する化合物である。それらは、敷物類、室内装飾品、消火泡など、種々様々の産業で使用されている人工の化合物である。しかしながら、そのような化合物は、生体内蓄積性で既知の発がん物質であり、水から、特に地下水および飲料水からそれらを除去することは、重要な環境上の問題である。強いフッ素－炭素結合の故に、ＰＦＡＳ化合物は生物学的および化学的酸化を含む一般的処理方法に耐性を有する。

水からＰＦＡＳを除去する、より一般的な方法の１つは、粒状活性炭（「ＧＡＣ」）または粉状活性炭（「ＰＡＣ」）処理システムである。その名前が示すように、ＧＡＣは粒状活性炭を使用して、ＰＦＡＳ等などの有機難除去性化合物を含む様々な汚染物質を除去する。典型的なＧＡＣシステムでは、タンクは粒状活性炭を含んでおり、そのタンクは、汚染物質がＧＡＣと反応するのに十分な時間、処理されるべき水の流れを保持するのに十分なサイズのものである。反応の間、ＰＦＡＳその他の有機化合物は粒状活性炭の表面に付着する、すなわち、それらは粒状活性炭によって吸着される。

使用の後、有機汚染物質化合物の吸着は、システムが機能しなくなる点まで低下する。言い換えれば、汚染物質の吸着量が、求められる処理要件よりも少なくなったときに、破過が生じると言われている。その時点で、典型的なシステムは停止され、粒状活性炭が取り出され、適切に修復されなければならない。濾過された汚染物質に応じて、使用済みＧＡＣ、特にＰＦＡＳを吸着したものは抜き出され、そして焼却処分されなければならない。さらに、ＧＡＣシステムの急速な破過ならびに頻繁なＧＡＣの再生および処理の必要の故に、ＧＡＣ処理の運転コストは比較的高い。比較的大きいプラント設置面積もＧＡＣ処理システムには必要とされる。

ＧＡＣが汚染物質を吸着する能力および典型的な破過時間は、その炭素の平均粒子径（「ＭＰＤ」）と関係している。従来のＧＡＣシステムでは、ＭＰＤはおよそ１，６００ミクロンである。ＰＡＣを使用するシステムでも、ＰＡＣのＭＰＤは４５ミクロン以上である。ＧＡＣとＰＡＣの両方において、ＰＦＡＳの吸着は、マクロ細孔、ミクロ細孔およびメソ細孔を含む炭素の多孔質構造によって促進される。主要な吸着機構は汚染物質のサイズに依存し、マクロ細孔およびメソ細孔がＰＦＡＳの除去のために最も重要であることが分かっている。ＧＡＣとＰＡＣの両方について、より大きいＭＰＤのものを用いると、内部の細孔へのアクセスが制限されて、炭素粒子内の奥深くに吸着する表面積が利用可能であるにもかかわらず破過に至ることが起こり得る。示されているように、ＭＰＤが大きくなると破過時間は短くなり、炭素の除去および廃棄処分コストが増加する。さらに、典型的なＧＡＣシステムは、短鎖長の（すなわち、４、６および７炭素鎖長の）ＰＦＡＳ化合物を有効には除去しない。

したがって、水、特に地下水および飲料水から、ＰＦＡＳおよび他の難除去性有機化合物汚染物質の除去を増加させる必要が存在する。典型的なＧＡＣ濾過システムの破過時間を増加させ、かつ使用済み材料の廃棄処分の負担および費用を減少させる必要もまた存在する。本発明では、サブミクロンの粉状活性炭（「ＳＰＡＣ」）の使用およびそのより小さい粒子サイズが、より大きい表面積および増加したメソ細孔の量を提供し、より低い使用済み率およびより速い吸着をもたらし、必要な容積がより小さくて済むことが見い出された。ＳＰＡＣはまた、既知の処理法では効果がない短鎖ＰＦＡＳの除去にも有効である。ＳＰＡＣおよび本発明によって提供される、より大きい表面積ならびにメソ細孔およびマクロ細孔への改善されたアクセスは、所定の炭素量基準でＰＦＡＳの吸着をＧＡＣのそれの５００倍超増加させることを示した。さらに、本発明は、使用済みＳＰＡＣの増粘または濃縮をもたらして、廃棄処分コストを低減する。

したがって、本発明は、既知のＰＦＡＳ除去システムおよび方法の利点を保持し、さらに新規な特徴および利点を提供する。

本発明の目的は、サブミクロン粉状活性炭（「ＳＰＡＣ」）を使用して、水から難除去性有機化合物汚染物質を除去することであり、この汚染物質にはＰＦＡＳ、１，４－ジオキサン、ＢＴＥＸおよび他の多くのものが含まれる。

本発明の別の目的は、吸着リアクター、好ましくは加圧吸着リアクターを提供して、ＳＰＡＣが、処理されるべき水の流入液から汚染物質を吸着するのに十分なＳＰＡＣと水とのスラリーの滞留時間を与えることである。

本発明の追加の目的は、セラミック膜フィルター、好ましくは高速度クロスフローセラミック膜フィルターを使用して、汚染物質を吸着したＳＰＡＣから濾過された水を分離し、そして大量液体の一部を吸着リアクターに戻すことである。

本発明のさらなる目的は、ＳＰＡＣの回収率および濃度を増加させて、使用済みＳＰＡＣの除去および廃棄処分を低減することである。

本発明のさらに追加の目的は、処理された水が、高強度、高速度のクロスフローセラミック膜フィルターおよびフィードアンドブリード型のＳＰＡＣ保存および回収システムを使用してＳＰＡＣから分離されるときに、ＳＰＡＣを閉ループ系に保持することである。

本発明のさらに別の目的は、ＳＰＡＣおよびその吸着された汚染物質から、処理された水を濾別している間に、セラミック膜濾過システムの膜の汚れを洗い流し、清浄にすることである。

本発明のさらにさらなる目的は、セラミック膜フィルターを使用して、ＳＰＡＣを当該システム内に保持し、それにより、ＳＰＡＣがＰＦＡＳを含む可溶性および難除去性有機化合物の除去を継続することができるようにすることである。

本発明のさらに別の目的は、高速度クロスフローセラミック膜フィルターを使用して、逆流洗浄頻度および逆流洗浄廃棄物を低減することである。

本発明のもうさらなる目的は、汚染物質吸着量を最大限にし、かつＳＰＡＣの使用済み率および廃棄処分を低減することである。

本発明のもうさらなる別の目的は、使用済みＳＰＡＣを濃縮して、除去および／または廃棄処分の頻度および量を低減することである。

本発明の目的に従って、水から汚染物質を除去する方法が提供される。その工程は以下のものを含んでいる：サブミクロン粒状活性炭（ＳＰＡＣ）を、処理されるべき水の流入液流れに加える工程；ＳＰＡＣと、処理されるべき水とを一緒にする工程；ＳＰＡＣと水との混合物またはスラリーを処理のための吸着リアクターに導入する工程；混合物を吸着リアクターの中に、ＳＰＡＣが水の中の汚染物質を吸着するのに十分な滞留時間、保持することを可能にする工程；および吸着リアクターから混合物またはスラリーを、リサイクルポンプを使用してクロスフロー濾過で作動している高速度セラミック膜フィルターユニットへ転送する工程であって、高速度セラミック膜フィルターユニットにおいて、処理された水が透過液として放出され、かつ、ＳＰＡＣスラリーが保持液として吸着リアクターに戻される工程。この方法はまた、以下の工程を含んでいてもよい：ＳＰＡＣが破過に達した後、ＳＰＡＣと吸着された汚染物質との濃縮物をセラミック膜フィルターから濃縮物ラインを経由して除去する工程；および新しいＳＰＡＣを水の流入液流れに加えて、汚染物質の除去を継続する工程。さらに、好ましい方法では、ＳＰＡＣおよび吸着された汚染物質は、保持液が増粘されその後廃棄処分のための濃縮物ラインを経由して除去されるまで、吸着リアクターへの流入液流れを停止してリサイクルポンプの運転を継続することによって、除去のために増粘される。セラミック膜フィルターの膜は、およそ０．１ミクロンの公称細孔サイズ障壁を有する。好ましい方法では、流入液流れの流量は１Ｑｉであり、ＳＰＡＣと流入液との混合物は、流入液の１０倍の流量（１０Ｑｉ）で吸着リアクターからセラミック膜フィルターまでポンプで送られる。また、好ましくは、透過液は、流入液流れの１倍の流量（１Ｑｉ）でセラミック膜フィルターから放出され、かつ、保持液はＱｒの流量で吸着リアクターに戻され、Ｑｒは好ましくは流入液の９倍の流量（９Ｑｉ）である。好ましくは、ＳＰＡＣはおよそ１ミクロン未満の平均粒子径を有する。

また、提供されるのは、水からＰＦＡＳを含む汚染物質を除去するシステムである。このシステムは、以下のものを含んでいる：流入液ラインと流体連結している加圧吸着リアクター；ＳＰＡＣを流入液に加えるための流入液ラインと連結しているＳＰＡＣ供給ライン；処理されるべき水の流入液流れおよびサブミクロン粉状活性炭（「ＳＰＡＣ」）を受け入れる吸着リアクターであって、この吸着リアクターは、除去されるべき汚染物質がスラリー中のＳＰＡＣによって吸着されるように、流入液およびＳＰＡＣスラリーを十分な保持時間、保持する能力を有する、吸着リアクター；吸着リアクターの放出口と連結しているスラリー流出液ラインおよびスラリー流出液ライン中のリサイクルポンプ；吸着リアクターのスラリー流出液ラインと流体連結しているクロスフローセラミック膜フィルター；汚染物質を吸着したＳＰＡＣを高流量でセラミック膜フィルターユニットに移送するリサイクルポンプであって、このセラミック膜フィルターユニットが汚染物質を吸着したＳＰＡＣから処理された水を透過液として分離するリサイクルポンプ；流入液ラインと流体連結している加圧吸着リアクター；ＳＰＡＣを流入液に加えるための流入液ラインと連結しているＳＰＡＣ供給ライン；処理されるべき水の流入液流れおよびサブミクロン粉状活性炭（「ＳＰＡＣ」）を受け入れる吸着リアクターであって、この吸着リアクターは、流入液およびＳＰＡＣスラリーを、除去されるべき汚染物質がスラリー中のＳＰＡＣによって吸着されるように、十分な保持時間、保持する能力を有する、吸着リアクター；吸着リアクターの放出口と連結しているスラリー流出液ラインおよびスラリー流出液ライン中のリサイクルポンプ；吸着リアクターのスラリー流出液ラインと流体連結しているクロスフローセラミック膜フィルター；汚染物質を吸着したＳＰＡＣを高流量でセラミック膜フィルターユニットに移送するリサイクルポンプであって、このセラミック膜フィルターユニットが汚染物質を吸着したＳＰＡＣから処理された水を透過液として分離するリサイクルポンプ；処理された水を透過液として除去するためのセラミック膜フィルターと流体連結している透過液ライン；ＳＰＡＣスラリーを流入液ラインに戻す、セラミック膜フィルターおよび吸着リアクターと流体連結している保持液ライン；および破過の後にＳＰＡＣを除去するための濃縮物ライン。好ましいシステムは、およそ１ミクロン未満の平均粒子径を有するＳＰＡＣを使用し、その場合にセラミック膜フィルターは、およそ０．１ミクロンの公称細孔サイズ障壁を有する。このシステムの１つの実施形態では、流入液ラインと流体連結しているＳＰＡＣ供給システムが含まれていてもよい。
発明者の用語の定義

本特許出願の様々な請求項および／または明細書の中で使用されることがある以下の用語は、法律の要件と整合するそれらの最も広い意味を有することが意図されている：

本明細書で使用される「流入液」または「流入液流れ」（Ｑｉとも呼ばれる。）とは、汚染物質除去システム中に導入される、処理されるべき液体（水または排水）を指す。

本明細書で使用される「透過液」または「濾液」とは、汚染物質除去システムによる処理およびＳＰＡＣとそれに吸着された汚染物質との分離後の、処理された流体または流体流れを指すものとする。

本明細書で使用される「保持液」または「保持液流れ（Ｑｒ）」とは、ＳＰＡＣを含有する大量液体またはスラリーであって、それから「透過液」または「濾液」が除去されたものを指す。

本明細書で使用される「ＳＰＡＣ」とは、サブミクロンの、または超微細の粉状活性炭、好ましくは木質ベースの、また好ましくはおよそ1ミクロン未満の平均粒子径を有するものを指す。

本明細書で使用される「ＰＦＡＳ」とは、広範囲のパーまたはポリフルオロアルキル物質を指し、たとえば、パーフルオロオクタンスルホン酸（ＰＦＯＳ）およびパーフルオロオクタン酸（ＰＦＯＡ）とともに短鎖ポリフルオロアルキル酸（ＰＦＡＡ）およびその前駆体が挙げられる。本明細書で使用されるＰＦＡＳはまた、一般的に他の難除去性有機化合物を指してもよい。

本明細書で使用される「破過」とは、所望の有効な処理のために十分なレベルの汚染物質を吸着することがもはやできないＳＰＡＣを指す。

代替的な意味が可能な場合には、本明細書または特許請求の範囲においては、当業者の理解と一致するその最も広い意味が意図されている。特許請求の範囲で使用されている全ての言葉は、文法、商業取引および英語の通常の慣習的な使用法で使用されることが意図されている。

本発明の記載されたおよび記載されていない目的、特徴および利点（単数形で使用されることもあるが、複数形を排除するものではない。）は、以下に示される記載および図面から明らかになるだろう。その場合に、同じような参照番号は様々な図面において同じような要素を表す。

本発明の好ましい汚染物質除去システムの基本的な形態の概略図である。

本発明のより包括的な好ましい汚染物質除去システムの概略図である。

以下に記載されているのは、特許請求されている本発明の好ましい実施形態または最良の代表的な実施例であると現在のところ考えられているものの記載である。これらの実施形態および好ましい実施形態に対する将来および現在の代替物および実施形態が検討される。機能、目的、構造または結果における実質的でない変更を加えるどのような代替物または変形物も、本特許出願の特許請求の範囲によってカバーされることが意図されている。

本発明の好ましいＰＦＡＳ除去システムおよび方法が、その基本的な形態で図１に示される。本システムは流入液ライン１１を含んでおり、これは処理されるべき水の流入液の流れ（Ｑｉ）を本システムの中に導入する。ＳＰＡＣ１２は、典型的には炭素供給システムまたは以下に記載されるような他の手段を使用して、ＳＰＡＣ供給ライン１３を経由して流入液（Ｑｉ）に加えられる。ミキサー１４が任意的に含まれて、処理されるべき大量液体またはスラリーを形成する、流入水とＳＰＡＣ１２とを混合するのを促進してもよい。ＳＰＡＣ１２と流入液とのスラリーは、次に供給ポンプ１６によってスラリー供給ライン１５を通って吸着リアクター２０へ輸送される。供給ポンプ１６は、流入液流れおよびＳＰＡＣスラリーを設計流量（Ｑｉ）で輸送するようなサイズにされる。供給ポンプ１６は、ＳＰＡＣスラリーとともにＱｉで流入液を、スラリー供給ライン１５を経由して吸着リアクター２０へ輸送する。

好ましい実施形態では、本システムおよび方法は、およそ１ミクロン未満の平均粒子径（ＭＰＤ）を有する木質ベースのＳＰＡＣ１２を使用する。サブミクロンの粉状粒子の使用は、単位質量当たりのより大きい外部表面積および粒子に含まれたメソ細孔の量の増加およびそれへのアクセスを提供して、より速い、より有効な汚染物質の吸着を可能にする。サブミクロンの粉状粒子の使用はまた、汚染物質へのより大きい接触およびより低い使用済み率を可能にする。その結果、それは、とりわけ、短鎖ＰＦＡＳの除去に有効であることが判明した。

ＳＰＡＣ１２は、現行需要が比較的少ないので、在庫が豊富で容易に入手可能な材料であるとは現在のところ考えられていない。しかし、それは、ＧＡＣおよび／またはＰＡＣから容易に製造されることが可能であり、ＧＡＣおよび／またはＰＡＣについては、当業者は理解しているように、多くのメーカーが知られている。いくつかの知られたＧＡＣ／ＰＡＣメーカーとしては、Ａｓｂｕｒｙ Ｃａｒｂｏｎｓ社、Ｎａｌｃｏ Ｗａｔｅｒｓ社およびＣａｌｇｏｎ Ｃａｒｂｏｎｓ社が挙げられる。これらおよび他のＧＡＣ／ＰＡＣメーカーはまた、ＳＰＡＣを製造するのに利用可能な粉砕プロセスを有している。たとえば、Ａｓｂｕｒｙ Ｃａｒｂｏｎｓ社は、容易に利用可能な粉砕プロセスを所有し、それは非常に短いリードタイムでＧＡＣまたはＰＡＣからＳＰＡＣを製造することができる。このように、本発明のＳＰＡＣの供給源は、当業者に容易に入手可能である。

好ましい実施形態では、ＳＰＡＣ１２は、取り扱いの容易さおよび最終使用のために、液体スラリーで製造され、処理サイトへ出荷されるだろう。たとえば、１ミクロンのＳＰＡＣおよび水の１０％スラリー（１００グラム炭素／リットル）が、本発明で使用するのに望ましいことが分かった。以下に記載されるように、当初のＳＰＡＣ１２スラリーは、処理されるべき流入水によって作業濃度にまでさらに希釈されて、吸着リアクター２０に移送される。ＳＰＡＣスラリーが１００グラム炭素／リットルである好ましい実施形態では、そのスラリーは、吸着リアクター２０ではおよそ０．５～２グラム炭素／リットルに希釈される。これらの濃度は単なる例示であり、限定するものではない。

吸着リアクター２０は容器であり、その容器内で、ＰＦＡＳがＳＰＡＣ１２によって吸着されることができるように、とりわけ、処理されるべき水がＳＰＡＣ１２またはＳＰＡＣスラリーと十分な時間、接触している。吸着タンク２０は、ＰＦＡＳおよび他の汚染物質が吸着タンク２０内でＳＰＡＣ１２によって吸着されるように、ＳＰＡＣ１２と処理されるべき水との反応チャンバーとしての役割を果たしている。吸着リアクター２０は、ＰＦＡＳおよび他の汚染物質がＳＰＡＣ１２によって十分に吸着されることができるように、ＳＰＡＣ／流入液スラリーの所望のおよび／または設計された滞留時間を提供する。

好ましい実施形態では、吸着リアクター２０は、以下に記載されるように、流入液流れの少なくとも１０倍（１０Ｑｉ）を収容するようなサイズである。吸着リアクター２０はまた、ＳＰＡＣによるＰＦＡＳおよび他の汚染物質の吸着を促進するために、所望の滞留時間を提供するようなサイズであることも当業者によって理解されるだろう。所与の流量において吸着リアクター２０が大きければ大きいほど、それはそれだけ長い滞留時間を提供することができる。好ましい実施形態では、流入液流量（Ｑｉ）で３０～６０分間の滞留時間は、１００ガロン（３７９リットル）／分の（Ｑｉ）の典型的な流入液を有する流入液中のＳＰＡＣとＰＦＡＳとの間の反応に十分であると確認された。所望の処理パラメーターおよび流入液流れに応じて、他の滞留時間でも十分であろう。したがって、Ｑｉが１００ガロン（３７９リットル）／分であり、吸着リアクター２０中の滞留時間が１時間であるシステムでは、吸着リアクター２０は少なくとも６，０００ガロン（２２．７キロリットル）を収容しなければならない。

本発明の好ましい吸着リアクター２０は、大気から閉ざされた加圧タンクである。近道を防ぐために、バッフル２１（図２を参照）が吸着リアクター２０内に備えられていてもよい。非加圧タンクが使用されてもよいことは当業者に理解されるだろう。しかし、そのようなタンクは比較的背が高くなければならず、および／または実質的により大きいエネルギー必要量が要求されることになるだろう。

ＳＰＡＣは、ＰＦＡＳおよび他の汚染物質を吸着リアクター２０内で吸着する。吸着リアクター２０内での十分な滞留時間の後、ＳＰＡＣと大量液体とが反応したスラリーは、次にスラリー流出液ライン２２を経由してセラミック膜フィルターユニット３０にリサイクルポンプ２６を使用して輸送される。好ましい実施形態では、リサイクルポンプ２６は、スラリー流出液ライン２２を通ってセラミック膜フィルター３０に流入液流れの１０倍（１０Ｑｉ）を輸送するサイズを有する。

セラミック膜フィルターユニット３０は、本発明の重要な独特の機能を提供する。第１に、セラミック膜フィルター３０は、ＳＰＡＣおよび吸着された汚染物質を、処理された液から分離し、この処理された液は透過液ライン３２を経由して清浄な透過液として排出される。セラミック膜フィルターはまた、流入液のさらなる処理のためにＳＰＡＣスラリーを吸着リアクター２０に戻し、これはＳＰＡＣの消費量を低減する。第３に、セラミック膜フィルター３０はまた、破過または消尽後にＳＰＡＣ１２を濃縮し増粘する役割をし、複雑な追加の装置を必要としないでＳＰＡＣ１２の廃棄処分を助ける。

好ましい実施形態では、セラミック膜フィルター３０は、０．１ミクロンの公称細孔サイズ障壁を有する。この小さい細孔サイズは、セラミック膜フィルター３０の各膜を通り抜ける際の高い透過性および低減された圧力損失をもたらす。当業者によって理解されるように、適当なセラミック膜フィルター３０は、Ａｑｕａ－Ａｅｒｏｂｉｃ Ｓｙｓｔｅｍｓ社（ｗｗｗ.ａｑｕａ－ａｅｒｏｂｉｃ.ｃｏｍを見よ。）を含む多数のメーカーから入手可能である。

好ましい実施形態では、セラミック膜フィルター３０は、クロスフロー濾過モードで操作される。好ましくは、リサイクルポンプ２６は、流入液流量の１０倍、すなわち１０ＱｉでＳＰＡＣ／液体スラリーをスラリー流出液ライン２２経由でセラミック膜フィルター３０に送る。セラミック膜フィルター３０の膜は、ＳＰＡＣと液体とのスラリーから、処理された液を分離する。処理された水は、好ましくは、当初流入液の流量Ｑｉとおよそ同じ流量で透過液ライン３２を経由して透過液として放出される。透過液として放出されなかったＳＰＡＣおよび大量液体は、セラミック膜フィルター３０から保持液（Ｑｒ）として保持液ライン３６を経由して、好ましくは当初の流量の９倍、すなわち９Ｑｉで放出される。保持液は吸着リアクター２０の上流で、スラリー供給ライン１５または直接吸着リアクター２０のいずれかに戻される。とりわけ、ＳＰＡＣを含んでいる保持液スラリーの戻しは、吸着リアクター２０中のＳＰＡＣ１２の濃度を増加させ、それによって、システムに追加する必要のある未使用のＳＰＡＣ１２が少なくて済む。これはまた、ＳＰＡＣ１２によって高められたＰＦＡＳ吸着を促進する。セラミック膜フィルター３０はまた、濃縮物出口３７を備えており、これは濃縮物抜き出しライン３８と流体連結していて、破過の後に使用済みＳＰＡＣ１２を除去する。

重要なことは、透過液としてわずか１Ｑｉを除去しながら、セラミック膜フィルター３０へポンプで高速度スラリーを１０Ｑｉで送り込むことは、セラミック膜フィルター３０の内部の膜３１の汚れを洗い流す。これは、清浄な膜３１および膜３１の高い透過性の維持をもたらす。これはまた、逆流洗浄の必要の頻度も低減する。高い速度でセラミック膜フィルター３０を通すことは、生物成長の機会をさらに低減し、これは、濾過効率を維持するのに役立ち、頻繁な逆流洗浄または化学的調整の必要を減らす。好ましい実施形態では、ポンプ２６によって１０Ｑがセラミック膜フィルター３０に送られる場合に、１Ｑｉが透過液として透過液ライン３２を経由して除去される。その結果、９Ｑ（９Ｑｒ）が、保持液として保持液ライン３６を経由して吸着リアクター２０に戻される。これらの流量は例示的および／または好ましいものであり、また他の流量が本発明と一貫性があり使用されてもよいことは当業者によって理解されるだろう。

上記されたものは、本発明のＳＰＡＣ、吸着リアクター２０およびセラミック膜フィルター３０を使用してＰＦＡＳを除去するための基本的なシステムおよび方法である。さらに、本発明のより包括的なシステムが、図２を参照することによって本明細書に記載される。ＳＰＡＣの増粘および除去のシステムおよび方法も、図２を参照することによって記載される。もっとも、増粘および除去はまた、図１に示された基本的なシステムの一部でもある。

図２に示されたように、ＳＰＡＣ供給システム４０は、ＳＰＡＣ１２の流入液ライン１１への直接供給および任意的なミキサー１４の使用の代替物として提供される。ＳＰＡＣ供給システム４０は、タンク４１およびミキサー４２を備えており、ミキサー４２は本システムでの使用のためにＳＰＡＣスラリーを混合する。具体的には、好ましい実施形態では、１０％ＳＰＡＣスラリー（たとえば、炭素１００グラム／リットル）が、タンク４１に加えられミキサー４２によって混合される。ＳＰＡＣスラリーは、タンク４１からＳＰＡＣ供給ポンプ４３を使用してＳＰＡＣ供給ライン１３を通って流入液ライン１１に送られる。混合物またはスラリーはその後、供給ポンプ１６を使用して、好ましくはＱｉの流量でスラリー供給ライン１５を経由して吸着リアクター２０に送られる。好ましい実施形態では、１０％のＳＰＡＣ濃度は、吸着リアクター２０でおよそ炭素０．５～２グラム／リットルに希釈される。概略図で示されたように、好ましい吸着リアクター２０は、近道を防止するのに役立てるために１つ以上のバッフル２１を備えている。ＳＰＡＣ１２が汚染物質を吸着するのに十分な滞留時間の後、大量液体は、スラリー流出液ライン２２およびリサイクルポンプ２６を経由してセラミック膜フィルター３０に送られる。この場合もまた、好ましいポンプ輸送量は、セラミック膜フィルター３０およびそれに応じたサイズを有するリサイクルポンプ２６の中に１０Ｑｉで送り込むことである。

図１の実施形態と同じように、セラミック膜フィルター３０は、ＳＰＡＣ１２およびそれに吸着された汚染物質から透過液を分離する。透過液は、１Ｑｉの流量でセラミック膜フィルター３０から透過液ライン３２を経由して除去される。しかし、この実施形態では、透過液ライン３２と流体連結している透過液タンク５０が設けられている。セラミック膜フィルター３０からの透過液は透過液タンク５０に送られ、処理された流出液として透過液ドレン管５２を経由して除去され、またはこれから先に記載されるように逆流洗浄に使用するために貯蔵されてもよい。

図２の実施形態では、逆流ライン６２は、逆流洗浄に使用するための透過液の抜き出しのために透過液タンク５０と流体連結している。逆流洗浄ポンプ６１も逆流ライン６２に設けられている。逆流ライン６２は逆流洗浄タンク７０と流体連結している。逆流洗浄タンク７０は次に、セラミックフィルター膜ユニット３０の透過液ライン３２と流体連結している。逆流洗浄が望ましいまたは要求される場合には、透過液が、透過液タンク５０から逆流洗浄ポンプ６１によって逆流洗浄タンク７０に送られる。逆流洗浄タンク７０からの透過液は、逆流洗浄ライン６２から透過液ライン３２に流れ、透過液ライン３２はセラミック膜フィルター３０と流体連結している。これは、以下に記載されるように、セラミック膜フィルター３０を通る流れを逆方向にして、膜３１を逆流洗浄する。

任意的な化学薬品タンク６０がまた、設けられてもよい。化学薬品タンク６０は化学薬品供給ライン６５と流体連結しており、化学薬品供給ライン６５は化学薬品供給ポンプ６４を備えている。化学薬品供給ライン６５も、次の順番として逆流ライン６２と流体連結している。化学薬品タンク６０は、セラミック膜フィルター３０の膜を逆流洗浄する場合に使用されてもよい化学薬品の溶液を保有する。そのような化学薬品としては、膜を清浄にするのを促進するためにＮａＯＣｌおよびクエン酸が挙げられてもよい。当業者によって理解されるように、他の化学薬品が使用されてもよい。したがって、化学薬品が逆流洗浄への使用に望まれる場合には、その化学薬品溶液が、化学薬品供給ポンプ６４によって、化学薬品供給ライン６５を通って逆流洗浄ライン６２の透過液流れの中に送り込まれる。

さらに、任意的な空気供給器８０が設けられてもよい。空気供給器８０は、空気供給ライン８１と流体連結している。空気供給ライン８１は、逆流洗浄タンク７０および保持液ライン３６と流体連結している。空気供給器８０は、逆流洗浄に使用されるために特定のステムで提供されてもよい。逆流洗浄が望まれる場合には、空気供給器８０は、圧力設定値に達するまで空気供給ライン８１を介して逆流洗浄タンク７０を加圧し、その後、空気供給バルブ８３が閉じる。それから、その後、逆流洗浄バルブ６３が開かれ、逆流タンク７０から膜フィルター３０を通って加圧された透過液が放出され、膜３１を清浄にするのを助ける。

本発明の重要な態様は、使用済みＳＰＡＣ１２の増粘、脱水および除去である。好ましいシステムおよび方法が、図２を参照することによって記載される。ＰＦＡＳおよび他の有機汚染物質の除去については、Ｑｉの流量での流入液の流れが、流入液ライン１１で導入される（たとえば、１００ガロン（３７９リットル）／分）。ＳＰＡＣ供給ポンプ４３を使用して、ＳＰＡＣ溶液（たとえば、炭素１００グラム／リットル）が、ＳＰＡＣタンク４１からＳＰＡＣ供給ライン１３を経由して、開かれたＳＰＡＣ供給バルブ１８を通って送られる。流入液とＳＰＡＣとのスラリーは、供給ポンプ１６によってスラリー供給ライン１５を経由して吸着タンク２０へ送られる。このスラリーは、Ｑｉの流量で吸着リアクター２０に送り込まれる。このＳＰＡＣ１２と流入液とのスラリーは、所望の保持時間吸着リアクター２０に滞留され、それによってＰＦＡＳおよび他の汚染物質はＳＰＡＣ１２の中に吸着される。吸着リアクター２０の中のＳＰＡＣ１２スラリーの濃度は、典型的には炭素０．５～２グラム／リットルであってもよい。

汚染物質を吸着したＳＰＡＣと大量液体とのスラリーは、吸着リアクター２０から濾過のためにセラミック膜フィルター３０に転送される。具体的には、スラリーは、リサイクルポンプ２６を使用して、スラリー流出液ライン２２を通って、開かれたリサイクルバルブ２７を通ってセラミック膜フィルター３０の中に送り込まれる。先に議論されたように、リサイクルポンプ２６は、流入液流れの１０倍の流量（１０Ｑｉ）をセラミック膜フィルター３０の中に送り込むサイズを有する。セラミック膜フィルター３０の膜は、ＳＰＡＣ／流入液スラリーから透過液を分離する。

透過液は、セラミック膜フィルター３０から透過液ライン３２を経由して送り出され、透過液タンク５０の中に入れられ、そこで透過液は透過液除去ライン５２を経由して除去されてもよい。保持液は、セラミック膜フィルター３０から保持液ライン３６および開かれた保持液バルブ３４を通って送り出され、吸着リアクター２０に戻される。保持液は、Ｑｒの流量で吸着リアクター２０に戻され、この流量は流入液流量の９倍、すなわち９Ｑｉである。典型的な濾過運転の間、逆流洗浄ポンプ６１は停止され、逆流洗浄バルブ６６は閉じられ、また、空気供給バルブ８３および８４が閉じられる。

示されたように、本発明の重要な態様は、使用済みＳＰＡＣ１２（およびそれに吸着された汚染物質）の脱水、増粘および除去である。ＳＰＡＣが破過に達した場合、本システムへの流入液流れは止められ、供給ポンプ１６が停止され、また、ＳＰＡＣ供給バルブ１８が閉じられる。リサイクルポンプ２６は運転し続け、吸着リアクター２０から１０Ｑｉの流量でスラリーを送り出す。脱水プロセスの間、セラミック膜フィルター３０は、１Ｑｉの流量で透過液を送り出し続け、また、保持液は吸着リアクター２０に９Ｑｉの流量で戻され続ける。吸着リアクター２０のサイズ（保持時間）に基く一定の時間の後、使用済みＳＰＡＣは、廃棄処分のために除去されるのに十分な程度に脱水され濃縮される。除去されるときのＳＰＡＣ１２スラリーの望ましい濃度は、例として、炭素１０グラム／リットルである。濃度が高すぎると、本システムから除去するのが難しい。

吸着リアクター２０への流入液流れＱｉが停止された後、除去のために保持液を濃縮する場合、実際には、透過液は、典型的には全体プロセスのために望ましい十分な１Ｑの流量では除去されないこともまた、留意されるべきである。そうではなくて、保持液が本システムからの効果的な除去のために増粘され過ぎまたは濃縮され過ぎることがないように、透過液は１Ｑ未満まで一定の比率で減らされる。

セラミック膜フィルター３０の膜の逆流洗浄が必要とされる場合、脱水のための上記の流入液流れは停止される。リサイクルポンプ２６が閉じられ、ドレンバルブ５９が開かれる。透過液バルブ３３が閉じられ、逆流洗浄バルブ６３および６６が開かれる。逆流洗浄ポンプ６１が始動され、透過液が透過液タンク５０から汲み出される。透過液は逆流洗浄ライン６２を通って逆流洗浄タンク７０まで流れる。所望であれば、化学薬品が、化学薬品ライン６５を経由して逆流洗浄ライン６２を通って透過液に加えられてもよい。透過液または化学的に強化された透過液が、逆流洗浄ライン６２から透過液ライン３２の中に透過液に対して逆流で流れ込む。逆流洗浄された透過液は、濾過とは逆の方向にセラミック膜フィルター３０を通り抜ける。逆流洗浄液体は、スラリー流出液ライン２２まで逆流し、開かれたドレンバルブ５９を通って除去される。

上の記載は、その中で使用された言葉の意味または本発明を画定する以下の請求項の範囲を制限するようには意図されていない。もっと正確に言えば、実質的な変化ではない、構造上、機能上または結果的な修正が存在するであろうこと、および特許請求された発明におけるそのような非実質的な全ての変化は請求項によってカバーされていることが意図されていることが考慮されている。したがって、本発明の好ましい実施形態が例示され記載されてきたけれども、変化および修正が特許請求された発明から逸脱することなく成されることができることが理解されるだろう。さらに、用語「特許請求された発明」または「本発明」が、本明細書において単数形で使用されることがあるけれども、記載されおよび特許請求された複数の発明があることは理解されるだろう。

本発明の様々な特徴は、以下の特許請求の範囲に記載される。

Claims (12)

1. 水から汚染物質を除去する方法であって、以下の工程を含む方法：
   １）サブミクロン粉状活性炭（ＳＰＡＣ）を、処理されるべき水の流入液流れに加える工程；
   ２）前記ＳＰＡＣを、前記処理されるべき水と一緒にする工程；
   ３）前記ＳＰＡＣと水との混合物を処理のための吸着リアクターに導入する工程；
   ４）前記混合物を前記吸着リアクターの中に、前記ＳＰＡＣが前記水の中の汚染物質を吸着するのに十分な時間保持することを可能にする工程；および
   ５）前記混合物を前記吸着リアクターからリサイクルポンプを使用してクロスフロー濾過で作動している高速度セラミック膜フィルターユニットへ移送する工程であって、前記高速度セラミック膜フィルターユニットにおいて前記処理された水が透過液として放出され、かつ、前記ＳＰＡＣが前記吸着リアクターに保持液として戻される工程。
2. 以下の工程を含む、請求項１に記載の方法：
   １）前記ＳＰＡＣが破過に達した後、前記ＳＰＡＣと吸着された汚染物質との濃縮物を前記セラミック膜フィルターから濃縮物ラインを経由して除去する工程；および
   ２）新しいＳＰＡＣを前記水の流入液流れに加えて、汚染物質の除去を継続する工程。
3. 前記流入液流れの流量が１Ｑであり、前記ＳＰＡＣと流入液との混合物が、前記流入液の１０倍の流量（１０Ｑ）で前記吸着リアクターから前記セラミック膜フィルターまでポンプで送られる、請求項１に記載の方法。
4. 前記透過液が、前記流入液流れの１倍の流量で前記セラミック膜フィルターから放出され、かつ、前記保持液が、前記流入液流れの９倍の流量（９Ｑ）で前記吸着リアクターに戻される、請求項３に記載の方法。
5. 前記ＳＰＡＣが、およそ1ミクロン未満の平均粒子径を有する、請求項４に記載の方法。
6. 前記ＳＰＡＣおよび吸着された汚染物質が、前記保持液が増粘されその後廃棄処分のための前記濃縮物ラインを経由して除去されるまで、前記吸着リアクターへの前記流入液流れを停止して前記リサイクルポンプの運転を継続することによって、除去のために増粘される、請求項２に記載の方法。
7. 前記セラミック膜フィルターが、およそ０．１ミクロンの公称細孔サイズ障壁を有する、請求項５に記載の方法。
8. 水から、ＰＦＡＳを含む汚染物質を除去するためのシステムであって、以下を含んでいるシステム：
   １）流入液ラインと流体連結している加圧された吸着リアクター、およびＳＰＡＣを前記流入液に加えるための前記流入液ラインと連結しているＳＰＡＣ供給ライン、および処理されるべき水の流入液流れおよびサブミクロン粉状活性炭（ＳＰＡＣ）を受け入れる前記吸着リアクターであって、前記吸着リアクターは、前記流入液およびＳＰＡＣスラリーを、前記除去されるべき汚染物質が前記スラリー中の前記ＳＰＡＣによって吸着されるように十分な保持時間保持する能力を有する、吸着リアクター；
   ２）前記吸着リアクターの放出口と連結しているスラリー流出液ラインおよび前記スラリー流出液ライン中のリサイクルポンプ；
   ３）前記吸着リアクターの前記スラリー流出液ラインと流体連結しているクロスフローセラミック膜フィルター、および汚染物質を吸着した前記ＳＰＡＣを高流量で前記セラミック膜フィルターユニットに移送する前記リサイクルポンプであって、前記セラミック膜フィルターユニットが前記汚染物質を吸着したＳＰＡＣから処理された水を透過液として分離する、セラミック膜フィルターユニット；
   ４）前記処理された水を透過液として除去するための前記セラミック膜フィルターと流体連結している透過液ライン；
   ５）前記ＳＰＡＣスラリーを前記流入液ラインに戻す、前記セラミック膜フィルターおよび前記吸着リアクターと流体連結している保持液ライン；および
   ６）破過の後にＳＰＡＣを除去するための濃縮物ライン。
9. 前記ＳＰＡＣが、およそ1ミクロン未満の平均粒子径を有する、請求項８に記載のシステム。
10. 前記セラミック膜フィルターが、およそ０．１ミクロンの公称細孔サイズ障壁を有する、請求項９に記載のシステム。
11. 前記流入液ラインと流体連結しているＳＰＡＣ供給システムを含んでいる、請求項１０に記載のシステム。
12. 前記除去されるべき汚染物質が、パーフルオロアルキルおよびポリフルオロアルキル物質を含むものである、請求項８に記載のシステム。

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