JP2023525253A - 精製水を提供するための装置および方法 - Google Patents

Abstract

（ａ）飲用水道供給水を第１の貯蔵タンクに供給するステップと、（ｂ）充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを含む第１の精製再循環ループを通して第１の貯蔵タンク内の供給水を１回以上循環させ、供給水よりも低い導電率を有する第１の精製水流を提供するステップと、（ｃ）充電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを含む第２の精製再循環ループを通して第１の精製水流を１回以上循環させ、第１の精製水流よりも低い導電率を有する第２の精製水流を提供するステップと、を少なくとも含む、飲用水道供給水を処理して導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供する方法を開示する。【選択図】図１

Description

本発明は、超純水を提供するための方法および装置に関し、特に、これに限定するものではないが医療用超純水および実験用超純水を提供するための方法および装置に関する。

実験室および医療施設で使用される浄水装置は、既知である。一般的に、それらは、水源から汚染物質および不純物を非常に低いレベルまで低減および／または除去することならびに装置自体の内部に由来する任意の不純物を除去することを伴う。それらは、通常、粒子、コロイド、細菌、イオン種、有機物質および／または分子を除去するさまざまな技術を使用する。これらの技術には、通常、逆浸透、精密濾過、イオン交換、限外濾過、吸着、ＵＶ照射が含まれる。

通常の浄水装置は、通常、逆浸透を含む、部分的精製水を貯蔵タンクに提供する第１の精製段階に水を提供するための入口を有する。貯蔵タンクからの再循環ループは、通常、イオン交換である、第２の精製段階を通過し、第２の精製段階を出る水は、生成水として浄水装置から取り出されるかもしくは場合によっては、通常は細菌フィルタである第３の精製段階を分配の箇所で通過するかのいずれかであり、または第２の精製段階を出る水は、貯蔵タンクに戻る。水の再循環は、必要な高レベルの純度を維持するのに役立つ。

第１の精製段階で使用される脱イオン技術は、通常、逆浸透である。逆浸透では、０．００１～０．０００１ミクロンの範囲のスケールの細孔を有する膜を使用する。このスケールは、細菌やウイルスよりも桁違いに小さく、溶解塩および水和塩のイオン半径に類似する。逆浸透膜は、膜の供給側に高圧を印加する必要があり、給水を必要な圧力までポンピングするのにコストがかかる。通常、小型の実験室用浄水装置は、４～６バールの逆浸透供給圧力を有し、より大型の実験室用浄水装置は、８～１２バールの供給圧力を有する。

より大型の工業用逆浸透膜は、高回収率で動作し得る。すなわち、給水の約７０％は、生成水として回収され得る。これは、逆浸透膜への給水を軟化して、カルシウムおよびマグネシウムなどの硬度形成イオンをナトリウムなどの溶解度の高いイオンと交換することによって達成可能である。これによって、沈殿物が装置内の表面を覆い、流れを阻害し得または精製技術が効率的に機能するのを妨げ得る、水中の塩からの問題のある沈殿物の形成の可能性が減少する。この可能性は、しばしばスケーリング可能性と呼ばれ、ランゲリア飽和指数（ＬＳＩ）として挙げられ得る。

この給水を軟化する方法は、軟化剤のサイズおよび樹脂を再生するために塩が必要であるため、実験室で使用される小規模ユニットにおいてはほとんど実用的ではない。実験室の浄水装置では、スケーリングの可能性を低く維持するために、逆浸透モジュールは、通常、約１５％の回収率で操作され、これは、さらなる精製のために通過するように排水管を通過する水の最大６倍である。第１の逆浸透モジュールからの濃縮物を第２の逆浸透モジュール、場合によっては第３の逆浸透モジュールに通過させることによって、水の回収率は、約４０％まで高められ得るが、圧力要件およびモジュールへの供給の濃縮は、後者のモジュール効率が低下し、透過品質が低下することを意味する。

本発明の目的は、実験室規模の浄水装置で水を精製するための、装置内で必要とされる圧力を低下させ、水の回収率を増加させる、改良された方法を提供することである。

本発明の一態様によれば、飲用水道供給水を処理して導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供する方法であって、
（ａ）飲用水道供給水を第１の貯蔵タンクに供給するステップと、
（ｂ）充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを含む第１の精製再循環ループを通して第１の貯蔵タンク内の供給水を１回以上循環させ、供給水よりも低い導電率を有する第１の精製水流を提供するステップと、
（ｃ）充電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを含む第２の精製再循環ループを通して第１の精製水流を１回以上循環させ、第１の精製水流よりも低い導電率を有する第２の精製水流を提供するステップと、
を少なくとも含む、方法を提供する。

飲用水道供給水（potable mains feed water）は、通常、地方自治体または民間などの管轄によって、人間が消費するのに適した家庭用および工業用の場所に送られる水である。これは、河川、貯蔵タンクまたは地下帯水層から採取され得、家庭用および工業用の場所にポンプで送られる前に、地方自治体の水処理施設において部分的に精製され得る。これは、通常、５０～１０００μＳ／ｃｍの導電率を有する。通常、地下水は、地表水よりも高いレベルで溶解した「硬度形成イオン」を有する。

飲用水道供給水に溶解するすべてのイオンを除去する浄水方法および装置が開発されているため、「超純水」の導電率は、水分子のヒドロニウムイオンと水酸化物イオンとへの解離のみの結果である。解離のレベルは、温度によって変化し、イオンの伝導率も温度によって変化するが、通常、精製水の導電率限界が０．０５５μＳ／ｃｍである、２５℃の標準が取られる。この値はまた、抵抗率の逆数でも表され得る。つまり、０．０５５μＳ／ｃｍの導電率は、１８．２ＭΩ．ｃｍの抵抗率に相当する。

所望の純度のレベルが上がるにつれて、浄水のコストも増加し、ユーザが操作に必要とする実際の純度が非常に重要になり得る。さまざまな純度要件を有する規格を発行する、国際標準化機構（ＩＳＯ）などの国内機関および国際機関が存在する。その結果、例えば、「ＩＳＯ３６９６ １級の水」は、２５℃で０．１μＳ／ｃｍに相当する１０ＭΩ．ｃｍの抵抗率を必要とし、「２級の水」は、１μＳ／ｃｍに相当する１ＭΩ．ｃｍの抵抗率を必要とし、「３級の水」は、５μＳ／ｃｍに相当する０．２ＭΩ．ｃｍの抵抗率を必要とする。

本明細書で使用される「供給水（feed water）」という用語は、本発明の方法および装置に提供されることを意図した水の流に関する。

本明細書で使用される「給水（feedwater）」という用語は、モジュール、ユニットなどに供給される任意の水の流を指す用語である。

本発明は、第１および第２の静電容量性脱イオンモジュールにおいて静電容量性脱イオン法を使用する。第１の静電容量性脱イオンモジュールは、供給水の第１の精製を提供し、第２の静電容量性脱イオンモジュールは、さらなる精製を提供する。

静電容量性脱イオン法（capacitive deionisation；ＣＤＩ）は、ＣＤＩモジュールを形成するハウジング内に位置する１対以上の離間した電極に水流を通過させるプロセスである。電極は、大きい表面積およびその間の低い電気抵抗を有する。ＣＤＩは、電極の表面への電気引力と吸着とを使用して水からイオンを「捕捉」することによって、水からイオンを除去することが可能である。

ＣＤＩの例は、当技術分野で既知であり、米国特許第５１９２４３２号明細書および米国特許第ＵＳ５４２５８５８号明細書に記載されているものなどである。ＣＤＩモジュールへの流入水は、概して、電極間に流れ、または電極自体を通って流れ、またはＣＤＩモジュール内の単一もしくは複数のチャンバのモジュール内のいずれかに位置する複数の電極の間もしくは電極の周囲を流れる。これらの配置は、さまざまな利点を有するが、これらは全て、イオンが除去された精製水流を提供することに関連する。

ＣＤＩモジュール内の水から「硬度形成イオン」を含むイオンを除去する操作は、概して「充電」と呼ばれ、そのため、その動作時間は、概して「充電時間」と呼ばれる。同様に、続いて同じイオンをＣＤＩ電極から除去する（他の場所でイオンを収集可能にする）操作は、通常「放電」と呼ばれ、そのため、その操作時間は、通常「放電時間」と呼ばれる。

「充電」と比較して、電極は、短絡または電流の方向を逆にすることによって、比較的迅速に放電され得、電極の間のさらなる水流と共に、電極からそのように収集されたイオンを次いで濃縮水流としてモジュールから溶出され得るような水に放電する。イオンのフラッシングのために、充電と放電との間に短い期間が存在することもあり得る。充電と放電との両方の合計時間は、通常、（ＣＤＩまたはＣＤＩモジュールの）「動作時間」と呼ばれる。

ＣＤＩは、電極が通常電極のマクロ孔およびメソ孔内において汚染物質を静電的に吸着および脱着するため、酸化還元反応が発生する必要なく水を精製し得る。サイクルの充電または吸着部分では、イオンが電極に移動し、水が精製される。一方、放電または脱着部分では、イオンが電極から移動し、水がより濃縮される。

ＣＤＩの１つの特定の形態は、米国特許第６７０９５６０明細書に記載されており、これは、ＣＤＩ電極と、電極の一方または両方の前に、通常は両方の電極の前に配置されたイオン交換膜などの、電荷バリアとの組み合わせを記載する。イオン交換膜は、スルホン酸または第４級アミンなどの結合基を有するため、高い内部電荷を有する。これによって、正または負のいずれかの結合基と反対の電荷のイオン（対イオン）へ容易にアクセスすることが可能になり、同じ電荷タイプのイオン（共イオン）のアクセスをブロックすることが可能になる。それらは、次いで、放電中にイオンが電極に入ることを防ぐ。この形式の静電容量性脱イオン法は現在、一般に「膜静電容量性脱イオン法」（ＭＣＤＩ）と呼ばれる。

イオン交換膜を使用すると、除去するイオンに応じて、ＣＤＩモジュールまたはＣＤＩプロセスの塩吸着電荷効率およびエネルギー消費の点で、性能を大幅に改善し得る。

従来、ＣＤＩは、大規模なＣＤＩの「設備」によって提供され、ＣＤＩ設備によって生成される水の量は、実験室で使用される水の量よりも数倍多い。これらの例では、多数のＣＤＩユニットは、並列操作のバンクにおいて使用され、その結果、一部は、充電モードにおいて操作され、一部は、放電モードにおいて操作されて、そこからの一定レベルの不純物を有する給水および生成水の安定した流を有するシステムを形成し、電気エネルギーを回収し得る。ただし、この操作方法は、実験室規模には適していない。

ＣＤＩ電極は、イオンの等価電荷、すなわち除去された電荷のモルによって表され得るイオンの静電容量を有し、その結果、静電容量性脱イオンモジュールの電極は、Ｘ電荷当量／メートル平方（ｅｑ／ｍ^２）の静電容量を有し得、Ｙｍ^２の電極を備えたモジュールは、Ｘ．Ｙに相当する全体の静電容量を有する。例えば、小型のＣＤＩモジュールは、０．４ｍ^２の膜面積、０．０５ｅｑ／ｍ^２の電極静電容量、０．０２ｅｑの全静電容量を有し得る。

それゆえ、ＣＤＩユニットは、イオンを除去し得なくなる前に除去され得るイオンまたはイオン電荷の量に制限または「静電容量」を有する。それらの静電容量が満杯に到達すると、電極内のイオンを保持する力が低下し、イオンを捕捉する効率が低下する。したがって、１００％の静電容量に達する前に放電するようにＣＤＩユニットを設定することが好ましい。しかしながら、これによって、水が排水管を通過し、浄水プロセスの水の回収率が減少するため、放電に切り替えるのが早すぎないようにすることもまた重要である。そのため、充電時間と各充電に使用される静電容量との間でバランスを取る必要がある。

また、精製サイクルの最後に最高の純度を達成するために、電極中に保持されるイオンの量を制限して、溶液中の低レベルのイオンの除去を最大するべきである。したがって、必要に応じて、第２のＣＤＩモジュールは、第１のＣＤＩモジュールよりも低い静電容量で動作し、その結果、第２のＣＤＩモジュールは、その入口水をより低い導電率の出口に還元する能力を維持し、ユーザが希望するときにより純粋な水を装置から分配することを可能にする。

特に、第１および第２の静電容量性脱イオンモジュールは、放電前に所定の静電容量を有し得、第２の静電容量性脱イオンモジュールは、第１の静電容量性脱イオンモジュールよりも低い静電容量で動作する。

好ましくは、第１のＣＤＩモジュールは、放電前にその静電容量の７０％超に充電され、第２のＣＤＩモジュールは、放電前にその静電容量の７０％未満に充電される。

充電から放電に切り替えた直後に、ＣＤＩユニット内の水、およびＣＤＩユニットとバルブの間のライン内の水を、放電効果によってイオン含有量が増加する前に移動させなければならない時間が存在するため、放電に切り替えた後の短時間の間、このような水を排水管に向けるために１つ以上のバルブを操作することもまた有利であり得る。同様に、ＣＤＩユニットからの放電から充電に変更するとき、バルブ操作における遅延によって、ＣＤＩユニット内およびＣＤＩユニットとバルブとの間のイオンが排水管に移動することが可能となる。

必要に応じて、第１の精製ループおよび第２の精製ループは、第１の貯蔵タンクから再循環し、第１の貯蔵タンクに戻る。

必要に応じて、第１の精製再循環ループの経路の一部は、第２の精製再循環ループの経路と同じである。このように、第１の精製再循環ループおよび第２の精製再循環ループは、異なる静電容量性脱イオンモジュールおよび他の構成要素を使用しながら、同じ貯蔵タンク、ポンプ、センサおよびバルブを使用し得る。

本発明の一実施形態では、方法は、
（ｄ）第２の貯蔵タンクに水を供給するステップと、
（ｅ）放電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを含む第１の濃縮再循環ループを通して第２の貯蔵タンク内の水を１回以上循環させ、第１の濃縮水流を提供するステップと、
（ｆ）放電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを含む第２の濃縮再循環ループを通して第２の貯蔵タンク内の水を１回以上循環させ、第２の濃縮水流を提供するステップと、
（ｇ）第１の濃縮水流もしくは第２の濃縮水流または両方の濃縮水流を排水管に通過させるステップと、
をさらに含む。

必要に応じて、第１の濃縮ループおよび第２の濃縮ループは、第２の貯蔵タンクから再循環し、第２の貯蔵タンクに戻る。

必要に応じて、第１の濃縮再循環ループの経路の一部は、第２の濃縮再循環ループの経路と同じである。このように、第１の濃縮再循環ループおよび第２の濃縮再循環ループは、異なる静電容量性脱イオンモジュールおよび他の構成要素を使用しながら、同じ貯蔵タンク、ポンプ、センサおよびバルブを使用し得る。

必要に応じて、この方法は、第１の貯蔵タンクから、放電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを有する第１の濃縮再循環ループに第１の精製水流を提供することをさらに含む。

好ましくは、第１の貯蔵タンクは、水が第１および／または第２のＣＤＩモジュールによってＣＤＩ充電段階中に精製されるにつれて、水の貯蔵器として機能し、一方、第２の貯蔵タンクは、第１および／または第２のＣＤＩモジュールのＣＤＩ放電段階中に濃縮される水の貯蔵器として機能する。

必要に応じて、第１の精製再循環ループ、第１の濃縮再循環ループ、第２の精製再循環ループおよび第２の濃縮再循環ループ中の水流は、１つのポンプによって提供される。

必要に応じて、ポンプからの圧力および再循環ループ内のすべての箇所の圧力を２バール未満、必要に応じて１バール未満に維持する。

必要に応じて、装置は、例えばクエン酸などの消毒液を用いて、装置の全部または少なくとも一部を定期的または断続的に消毒またはその他の方法で洗浄するための衛生手段を含む。

本発明は、上記で定義したステップ（ｂ）を含む第１の水精製段階と上記で定義したステップ（ｅ）を含む第１の水濃縮段階との第１の交互サイクルの１つ以上のセットを提供または実行することおよび上記で定義されたステップ（ｃ）を含む第２の水精製段階と上記で定義されたステップ（ｆ）を含む第２の水濃縮段階との第２の交互サイクルの１つ以上のセットを提供または実行することに基づくことがわかり得る。

好ましくは、ステップ（ａ）は、第１の交互サイクルの前にのみ実行される。

水濃縮段階の水は、供給水または第１の貯蔵タンクから取り出した水である場合があり得る。

水濃縮段階の１つ、各々、いくつかまたはすべての後、濃縮水流を排水管に通過させ得る。

１つまたはいくつかの水濃縮段階の後、濃縮水流は、次の水濃縮段階で使用するために第２の貯蔵タンク内に保持され得る。

このようにして、第１の交互サイクルは、供給水の第１のレベルの導電率への初期精製を提供し、第２の交互サイクルは、第１の交互サイクルの精製水のさらなる精製を提供し、より低い導電率を有する最終水を提供する。したがって、第２の交互サイクルは、第１の交互サイクルによって提供された精製水をさらに精製または浄化する。

第１の交互サイクルは、そこに供給される給水の導電率を低下させる第１のＣＤＩモジュールを通る第１の水精製段階と、それに続く第１の水濃縮段階によって各精製段階後の第１のＣＤＩモジュールの「洗浄」とを含む。第１の交互サイクルは、１セット以上の第１の水精製段階および１つ以上の第１の水濃縮段階を含み得、好ましくは少なくとも３～８回の各段階、場合によってはそれ以上を含み得る。

同様に、第２の交互サイクルは、そこに供給される給水の導電率をさらに低下させる第２のＣＤＩモジュールを通過する第２の水精製段階を含み、続いて、第２の水濃縮段階による各水精製段階の後に第２のＣＤＩモジュールを「洗浄」する。第２の交互サイクルは、１セット以上の第２の水精製段階および１つ以上の第２の水濃縮段階を含み得、好ましくは少なくとも３～６回の各段階、場合によってはそれ以上を含み得る。

第１の精製段階と第１の濃縮段階とは交互に行われ得るため、第１の交互のサイクルは、精製水流の提供が必要とされない期間にわたって起こり得る。通常、これは、ピーク時以外の時間帯または「夜間」など、通常は「作業時間」もしくは「作業日」の水の需要のある時間帯の間に発生する、需要のない時間帯であり得る。特に、第１および第２の交互サイクルは、「夜間」発生し得、通常は朝の時間である次の「作業日」の開始時にすぐに使用可能な、所定の導電率を有する精製水流のある体積を提供し得る。

当業者は、本発明が、次の作業要件ですぐに使用可能な必要な導電率の精製流を提供するために、夜間または他の非使用期間中の自動繰り返し適用を可能にすることを理解し得る。

第１の交互サイクルは、所定の導電率であり得る目標導電率または飲用供給水の導電率の割合である導電率を有する精製水流を提供し得る。第２の交互サイクルは、例えば２０μＳ／ｃｍ未満である、第２の所定の導電率である目標導電率を有するさらなる精製水を提供し得る。

本発明は、第１および／または第２の目標導電率またはアルゴリズムがそれらを生成することを可能にし、サービスエンジニアもしくはユーザのいずれか、またはその両方によって設定される。すなわち、第１の交互サイクルもしくは第２の交互サイクル内またはその両方の内のサイクル数、およびそれらの間のタイミングは、任意の所望のレベルの導電率を達成するように編成され得る。導電率レベルを感知し、本発明の任意の部分における所定の導電率の達成を決定するセンサまたは手段は、当技術分野で既知であり、本明細書ではこれ以上説明しない。

本発明はまた、本発明から提供される最終精製水流の純度および／または体積に適合するように、タイミング、サイクル数、構成要素のサイズなどを適合させる汎用性を有する。

本発明の一実施形態では、本発明の方法は、
ステップ（ａ）の第１の貯蔵タンクに飲用水道供給水を供給するステップと、
ステップ（ｂ）を含む第１の水精製段階とステップ（ｅ）とを含む第１の水濃縮段階の１回以上の第１の交互サイクルを実行するステップと、
第１の濃縮水流を排水管に通過させるステップと、
必要に応じて、第１および第２の水濃縮段階の一方または両方の前に、第１の貯蔵タンク内の水を第２の貯蔵タンクに供給するステップと、
ステップ（ｃ）を含む第２の水精製段階とステップ（ｆ）を含む第２の水濃縮段階との１回以上の第２の交互サイクルを実行するステップと、
第２の濃縮水流をステップ（ｇ）の排水管に通過させるステップと、を含む。

必要に応じて、１つ以上の第１の交互サイクルは、導電率４００μＳ／ｃｍ未満、または３００μＳ／ｃｍ未満、または２００μＳ／ｃｍ未満、または１００μＳ／ｃｍ未満、または５０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供する。

必要に応じて、１つ以上の第１の交互サイクルは、浄水装置への飲用供給水の導電率の４０％未満、３０％未満、２０％未満または１０％未満の導電率の精製水流を提供する。

当業者は、第１の精製水流の導電率が第１の精製水の導電率の適切な測定に基づいて、必要に応じて第１の精製再循環ループまたは第１の貯蔵タンク内において、任意の適切な所定の値または割合に調整され得ることを理解し得る。

必要に応じて、第１および第２のサイクルは、少なくとも３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２時間またはそれ以上にわたって発生する。これは、「夜間」または精製水流を必要としない別の期間にわたって発生し得る。

必要に応じて、第１および第２のサイクルは、１２、１１、１０、９、８、７、６時間未満にわたって発生する。

必要に応じて、第１の交互サイクルは、各々少なくとも３回発生する。

必要に応じて、本発明の方法は、導電率１０μＳ／ｃｍ未満、または５μＳ／ｃｍ未満、または１μＳ／ｃｍ未満、またはそれより低い、精製水流を提供し得る。

必要に応じて、本発明は、分配の前に電気脱イオン装置またはモジュールに水を通過させることをさらに含む。電気脱イオン法（ＥＤＩ）は、イオン交換樹脂ベッド全体に電場を適用し、イオン選択膜を使用して水からイオン化された種およびイオン化可能な種を除去する。水は、陽イオン選択膜と陰イオン選択膜との間に保持されたイオン交換樹脂で満たされた１つ以上のチャンバを通過する。溶液中のイオンは、樹脂上で水酸化物イオンまたは水素イオンと交換され、脱イオン水が生成される。次に、不要なイオンは、電場の影響下でイオン交換樹脂およびイオン選択膜を通って別々の濃縮チャンバに移動し、そこから電気脱イオン装置を出て洗い流され得る。

通常、ＥＤＩチャンバは、２つの主電極間に「スタック」の形で配置される。除去され得るイオンの量は、印加される電流の関数であり得るため、水流中に高レベルの塩または他のイオン種またはイオン化可能な種が存在する場合、スタックは、容易に過負荷になり得る。微粒子および有機物の汚れもまた、スタックの性能を低下させ得る。ＥＤＩスタックは特に、カルシウムまたはマグネシウムなどの「硬度形成イオン」の難溶性塩の沈殿によって形成される、膜上の硬度スケールの形成を被りやすい。これは、ＥＤＩへの給水が、適切な機能を維持するためにイオンを形成するそのような溶解硬度の非常に低いレベルを有しなければならないことを必要とする。Ｅｖｏｑｕａ Ｉｏｎｐｕｒｅ ＬＸなどのＥＤＩユニットの通常の仕様要件は、ＥＤＩへの給水入口における０．４ｐｐｍのカルシウムに相当する、ＣａＣＯ_３として１ｐｐｍ未満である。

したがって、ＥＤＩによって達成可能な最高レベルまで精製することを意図した水は、「事前調製」または「前処理」されるのが一般的である。従来は、この前処理には、イオン性汚染物質の大部分を除去するために、少なくとも逆浸透が含まれていた。従来のナトリウム形態のイオン交換材料による逆浸透の前または後の軟化処理は、より多くのまたは残りの硬度形成イオンを除去するために使用されてきた。

本発明のＥＤＩモジュールへの給水はすでに高純度であるため、本発明のＥＤＩモジュールは、スタック内に３つまたは５つのチャンバのみを有し得、その結果、本発明のＥＤＩモジュールは、陰イオン交換樹脂を使用して陰イオンを除去するためのチャンバを１つのみ有し、陽イオン交換樹脂を使用して陽イオンを除去するための１つまたは混合樹脂チャンバ内の陰イオンと陽イオンとの両方を除去するための１つを有する。

必要に応じて、ＥＤＩモジュールは、第１の貯蔵タンクから形成されるかまたはそこから延在する第３の浄水再循環ループ内に位置し得、その結果、第１の貯蔵タンク内の水をＥＤＩモジュールを通して再循環させることによって、第１の貯蔵タンク内に貯蔵された水を精製する。第３の浄水再循環ループは、ループの大部分を第２の浄水再循環ループと共有し得る。代替的に、ＥＤＩモジュールは、本発明の方法を使用して、浄水装置からの分配ラインに位置し得る。

ＥＤＩモジュールは、浄水中に連続的または断続的に電力を供給され得、それによってイオン交換樹脂によって除去されたイオンを濃縮チャンバに移動させ得、濃縮流を生成する濃縮流で連続的または断続的に洗い流し得る。代替的に、ＥＤＩモジュールは、多数の動作サイクル後に周期的に動作し得る特定の再生モード中に電力を供給し得る。後者の場合、濃縮水は、この特定の再生サイクル中にのみＥＤＩモジュールから生成される。

必要に応じて、本発明におけるＥＤＩモジュールの使用は、導電率０．５μＳ／ｃｍ未満、または０．２μＳ／ｃｍ未満、または０．１μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供し得る。

シリカは、飲用給水中にも存在し得る。しかし、シリカは、非常に小さい解離定数を有するため、その結果、ＣＤＩの使用による除去は非常に不十分となる。したがって、ＥＤＩモジュールのさらなる関与は、最終精製された分配水流中のシリカの量をイオン化および除去し得分、その結果、配水流中のシリカの量は、５重量％未満であり得、好ましくは飲用給水中のシリカ量の重量％が１重量％未満または０．１重量％未満であり得る。

必要に応じて、本方法は、水を脱気膜に通過させることをさらに含む。二酸化炭素の除去は、第２の浄水再循環ループ、第３の浄水再循環ループまたは２つの結合部分に必要に応じて配置される脱気膜の使用によって支援され得る。脱気膜は、当技術分野で既知であり、それを通して二酸化炭素または他のガスを通過させ得る膜の片側に真空、ガス、または空気流を使用して、その結果、ガスが膜の反対側を流れる液体から真空またはガスの流へと通過する。脱気膜は、大きい膜面積を有し、通常、液体中の二酸化炭素の量を減らすが、すべてを除去するわけではない。これによって、他のプロセスによって除去する必要がある二酸化炭素の量が減少するが、これらのプロセスでは、導電率０．５μＳ／ｃｍ未満または抵抗率２ＭΩ．ｃｍ超まで水を精製する必要がある。

必要に応じて、浄水装置は、塩素、細菌および粒子などの非イオン性汚染物質を除去するための補完的な精製技術を含有し得る。塩素は、当技術分野で既知であるように、例えば活性炭によって除去され得る。細菌は、１つ以上の再循環ループまたは分配導管に設置された紫外線照射装置、好ましくはＵＶ ＬＥＤ消毒装置を使用して不活性化され得る。大きな粒子は、入口のストレーナまたはフィルタで除去され得る。細菌を含むより小さな粒子は、精製水が装置から分配される場所に設置されたユースポイントデバイスによって除去され得る。

必要に応じて、脱気膜は、第２の精製再循環ループ、第３の精製再循環ループまたは２つの結合部分に位置し得る。

本発明は、第１の貯蔵タンクに供給される飲用水道供給水の体積の５０％超、好ましくは７０％超または８０％超である、導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水の体積を生成し得ることが分かった。

このレベルの水の「回収率」（飲用給水の入力と比較して生成される精製水生成物）は、実験室規模の浄水装置にとって劇的な増加であり、実験室規模の逆浸透で通常達成可能なものよりも高く、その逆浸透モジュール、それに伴う高圧、ＣＡＰＥＸおよびＯＰＥＸの必要性を回避する。

本発明の第２の態様によれば、
飲用水の入口と、
第１の貯蔵タンクと、
ポンプと、
第１の貯蔵タンクから充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを通り第１の貯蔵タンクに戻る第１の精製再循環ループと、
第２の貯蔵タンクと、
第２の貯蔵タンクから放電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを通り第２の貯蔵タンクに戻る第１の濃縮再循環ループと、
第１の貯蔵タンクから充電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを通り第１の貯蔵タンクに戻る第２の精製再循環ループと、
第２の貯蔵タンクから放電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを通り第２の貯蔵タンクに戻る第２の濃縮ループと、
精製水の出口と、
を備える、飲用水道供給水から導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供することが可能である浄水装置が提供される。

必要に応じて、浄水装置は、ハウジングまたはカバーを備えた単一のシャーシまたはフレーム内に構築され、その結果、これは、実験台の上または下に位置するか、または実験室の壁に取り付けられ得、飲用水の供給源、排水管および電源に接続することのみが必要であり得る、１つの完全なユニットとして表示される。

好ましくは、第１の貯蔵タンクは、第１および／または第２のＣＤＩモジュールによって充電段階中に精製されるため、水の貯蔵器として機能し、一方、第２の貯蔵タンクは、第１および／または第２のＣＤＩモジュールの放電段階中に濃縮される水の貯蔵器として機能する。

必要に応じて、第１の貯蔵タンクは、通常作業日中に実験室で使用される水の量と、精製プロセス中に第２の貯蔵タンクに移送される水の量とを、精製時に、好ましくは夜間、保持するように設計される。

必要に応じて、第２の貯蔵タンクの作業容積は、第１の貯蔵タンクの１０％以下にする必要がある。例えば、第１の貯蔵タンクの水の総作業容積は、２５リットル未満、好ましくは２０リットル未満であり、第２の貯蔵タンクの水の総作業容積は、２リットル未満、好ましくは１リットル未満であり得る。

好ましくは、精製される飲用水道供給水は、直接的または間接的のいずれかにおいて浄水装置に入り、第１の静電容量性脱イオンモジュールの使用静電容量が７０％超になるまで充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを通って再循環される第１の貯蔵タンクに入り、この第１の精製水の導電率は、システム内のイオンの質量バランスによって示されるように、比例した量で減少する。

適切な段階で、飲用水道供給水はまた、「濃縮水流」として第２のタンクに取り込まれ、そのような水は、放電モードのときに濃縮水流として第１の静電容量性脱イオンモジュールを通して再循環され、その結果、充電中に第１の静電容量性脱イオンモジュールで収集されたイオンが濃縮水に入り、再循環ループ内のイオンの質量バランスに合わせて導電率が増加する。イオンの大部分またはほぼすべてが第１の静電容量性脱イオンモジュールから除去されたとき、濃縮流は、排水管へと行き先を変え得、および浄水装置から排出され得る。

第１の静電容量性脱イオンモジュールは、第１の貯蔵タンク内の第１の精製水からより多くの電荷を受け入れる準備ができており、この水は、充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを通して再び再循環され、第１の精製水のイオン含有量および導電率をさらに低下させる。

この充電段階および放電段階は、第１の精製水の導電率が所望の導電率またはイオン含有量に達するまで、「第１の交互サイクル」として繰り返され得る。この期間中、第２の貯蔵タンク内の濃縮水流は、各放電サイクルについて新鮮な量の飲用水道供給水または一部の飲用水道供給水を含むことが好ましいが、第１の精製水の純度がより高くなるにつれて、追加的または代替的に、濃縮流中に使用される水としてある量の第１の精製水を使用することが可能であり得る。この場合、水は、放電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを通過しそこから再循環される前に、第１の貯蔵タンクから取り出され得、第１の静電容量性脱イオンモジュールを通過し、第２の貯蔵タンクに分流され得る。

濃縮流において低い導電率から開始すると、濃縮流は、より少ない水で動作し、放電プロセスの最後に同じ濃度で動作することが可能となる。代替的に、同じ量の濃縮水を使用する場合、より低い濃度、したがってより低いスケールリングの可能性が濃縮水において達成され得る。

放電終了時に濃縮水のスケーリングの可能性が高い場合は、クエン酸などの適切な溶液を定期的または不定期に再循環させて、濃縮ループからスケールを除去することを開始し得る。

一定量の充放電サイクルの後または第１の精製水が所望の導電率もしくはイオン含有量もしくは初期給水導電率の割合に達した後、適切なセレクタ、バルブまたは他のバルブ操作によって、第１の精製水を、純度を高めるために第２の静電容量性脱イオンモジュールに通すことおよび第２の静電容量性脱イオンモジュールを通して通過させることが可能となる。第２の静電容量性脱イオンモジュールは、第１の静電容量性脱イオンモジュールと同じ方法で充電サイクルと放電サイクルで操作され得、精製される水を第２の精製水として第１の貯蔵タンクに通過させる。

必要に応じて、第２の静電容量性脱イオンモジュールの動作中、第２の静電容量性脱イオンモジュールの静電容量は、好ましくは、第１の静電容量性脱イオンモジュールの動作中に使用された程度よりも少ない程度で使用され、その結果、例えば静電容量の７０％未満が、各充電サイクルにおいて使用される。

第２の静電容量性脱イオンモジュールは、第１の静電容量性脱イオンモジュールと同じサイズであり得、より少ないイオンを除去する必要があるため、第１の静電容量性脱イオンモジュールの電極面積の５０％を有するなど、第１の静電容量性脱イオンモジュールよりも小さい場合があり得る。

必要に応じて、第２の静電容量性脱イオンモジュールの動作中、新規または新鮮な水道供給水は浄水装置に取り込まれず、放電サイクル用の水は、第２の精製水の一部から第２の貯蔵タンクに濃縮流として取り込まれる。

精製がサイクルを経るにつれて、各精製もしくは充電段階またはサイクルにおいて除去されるイオンの量が減少するため、濃縮もしくは放電段階またはサイクル中の水の濃度が低下し、同じ濃縮水で２つ以上の放電サイクルを操作することが可能になり、これによって、排水管を通過する水が減少し、浄水装置の水の回収率が増加する。

充放電サイクルを繰り返すことによって、第２の精製水は、第２の精製水の導電率が所望の導電率またはイオン含有量、通常１０μＳ／ｃｍ未満に達するまで、連続的に精製される。ただし、操作者が希望する場合は、より高い制限を使用し得る。

したがって、高導電率の飲用水道供給水であっても、本発明の精製プロセス中に排水管を通過する水の量は、装置に入る水の量の５０％未満であり得、したがって水の回収率は、５０％超であり、従来の逆浸透ベースの実験室用浄水ユニットで発生するよりも大幅に高くなる。

飲用水道供給水の導電率が比較的低い場合、必要とされ得る精製サイクルの量は、さらに減少し得、その結果、本発明の精製プロセス中に排水管を通り得る水の量は、装置に入る水の量の３０％未満または２０％未満であり得、したがって水の回収率は、７０％超または８０％超である。

二酸化炭素は、空気から水中に溶解し、水が１μＳ／ｃｍ未満の導電率に達する場合は、除去する必要がある。静電容量性脱イオン法は、水中の強イオン化イオンまたは解離したイオンの優れた精製法であるが、シリカおよび二酸化炭素などの弱イオン化可能な分子を除去するには不十分である。代替プロセスは、弱イオン化可能な分子を除去することが可能であり、そのような代替プロセスの１つは、電気脱イオン法である。

本発明の別の実施形態では、第２の精製水は、浄水装置から分配される前に、電気脱イオン装置またはモジュールを通過する。

必要に応じて、装置は、装置内の再循環ループの周りに水を再循環させるための再循環ポンプをさらに備える。

必要に応じて、装置は、実験台の上または下に配置可能であるかまたは実験室の壁に取り付けられる。

必要に応じて、装置は、浄水装置から分配する前に、電気脱イオン装置またはモジュールをさらに備える。

必要に応じて、装置は、脱気膜をさらに備える。

必要に応じて、装置は、第１の精製再循環ループもしくは精製水の出口またはその両方内で水の導電率を測定するための１つ以上のセンサをさらに備える。

必要に応じて、装置は、第１の精製再循環ループ、第２の精製再循環ループ、第１の濃縮再循環ループおよび第２の濃縮再循環ループを含む群のうちの１つ以上において水流を制御するための１つ以上の制御をさらに備える。

必要に応じて、浄水装置は、塩素、細菌および粒子などの非イオン性汚染物質を除去するための補完的な精製技術を含み得る。塩素は、当技術分野で既知であるように、例えば活性炭によって除去され得る。細菌は、１つ以上の再循環ループまたは分配導管内に設置された紫外線照射装置、好ましくはＵＶ ＬＥＤ消毒装置を使用して不活性化され得る。より大きな粒子は、入口のストレーナまたはフィルタで除去され得る。細菌を含むより小さな粒子は、精製水が装置から分配される場所に設置されたユースポイントデバイスによって除去され得る。

浄水装置は、装置を操作するのに必要な電子制御装置を含む。これは、通常、１つ以上のプリント回路基板に位置する１つ以上のマイクロプロセッサを含むが、代替的にプログラマブルロジックコントローラが使用され得る。電子制御は、装置内のセンサ、バルブ、ポンプなどのデバイスへの入力および出力をも含み、浄水装置の外部の構成要素または管理システムにリンクし得る。

必要に応じて、貯蔵タンク内のレベル制御装置は、ユニット操作を停止および開始し、並びに、操作者に情報を提供するために使用され得る。

必要に応じて、水処理方法または装置は、１つ以上のパラメータを監視する流量センサなどの１つ以上のセンサ、または導電率測定デバイスまたは特定のイオン決定センサなどの水質センサを備える。

本発明は、装置内の異なる位置で異なるセンサを使用し、方法の異なる段階でそれらを参照し得る。

必要に応じて、本発明は、通常、装置における方法もしくは精製技術の異なる段階の１つ以上の排出の前もしくは放電の後に、またはその両方で、１つ以上の水質センサを使用する。

一実施形態では、装置および方法は、１つ以上の水質センサを含み、１つ以上のセンサからのデータは、静電容量性脱イオンユニットに印加される電圧または電流を制御するか、充電から放電へのサイクルの切り替えを開始するために使用される。

別の実施形態では、装置および方法は、１つ以上の水質センサを含み、１つ以上のセンサからのデータは、その特定のサイクルにおいて第１の静電容量性脱イオンモジュールまたは第２の静電容量性脱イオンモジュールのいずれを使用するかを制御するために使用される。

後者の精製サイクルから排水管へ排出される水は、通常、精製されている元の飲用水よりも純度が高いため、後者のＣＤＩ放電サイクルからの水またはＥＤＩ濃縮物は、次の新鮮な精製操作のための給水の一部として使用するために、装置内に、必要に応じて第３の貯蔵タンク内に、保持され得る。これによって、必要な給水の量が減るため、水の回収率が向上し、その後の精製に必要な電力が削減される。

好ましくは、装置および方法は、タッチスクリーン、ボタンまたは当技術分野で既知である他の形態などの入力デバイスを含む。本発明の装置の使用者は、所望の水の純度、すなわち必要な導電率または抵抗率などの用途の要件を入力することが可能であり得る。

ユーザは、必要な水の「回収率」レベル（給水の入力体積と比較した精製水の出力体積）などの環境要件をも入力し得る。これは、施設の環境規制または報告に必要な場合があり得る。次いで、装置は、それらの環境限界を満たしながら得られる水の純度を決定することが可能であり得、または放電を実行する前に濃縮物再循環を繰り返すことによって所望の水純度要件を満たしながら水を濃縮するなどの、そのプログラムを修正し得る。

ユーザはまた、本発明の浄水装置に供給するためにその供給を使用し得る他の用途のための軟化剤が部位にある場合など、飲用水道供給水がイオンを形成する硬度が低い場合に入力し得る。次いで、ユニットの制御システムは、サイクルを修正して、濃縮水の濃度を高め、装置の水の回収率をさらに増加させ得る。

したがって、本発明のさらなる態様では、本明細書に定義され、１０μＳ／ｃｍ未満の水を提供可能である実験室用浄水装置を操作する方法であって、提供される水の純度をユーザが選択するステップを含む、方法が提供される。

このようにして、ユーザは、ガラス洗浄または希釈などの一般的な実験室での水の活動のみを行う日には純度の低い水を指定し得るが、分析機器の操作などのより高い純度の操作が計画される日には、より高い純度を選択し得る。次いで、装置の制御システムは、その動作を変更し得、その結果、精製サイクルの数は、減少し得、ＥＤＩは、使用されない場合があり得、および／または水の放電時間は、変更され得る。

装置はまた、電気脱イオンモジュールおよび／または脱ガスモジュールおよび／またはＵＶ ＬＥＤデバイスをも含み得る。

本発明の装置および方法は、夜間に水のバッチを作り、その水を実験室の昼間の作業中に使用することが期待される。それによって、方法および装置の調製時間は１２時間未満であり、使用時間は、通常、その日の残りの時間までである。

実験室が１日に２４時間稼働している場合、装置および方法は、第２の第１の貯蔵タンクまたは第１の貯蔵タンクと第２の貯蔵タンクとの第２の対のいずれかで変更され得、精製水を使用可能な第１の貯蔵タンクの内部に保持しながら昼間および夜間の精製を可能にする。代替的に、第１の貯蔵タンクは、精製水を第３のタンクに移して最終精製水を保持し得る。したがって、本発明は、３つ以上のタンクを有する実施形態を含む。

ここで、本発明の実施形態を、単なる例として、添付の図面を参照して、説明する。

本発明の第１の実施形態の概略図である。 図２ａ～ｄは、本発明の第１の実施形態の動作を示す一連の概略図であり、図２ａは、充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールに基づく第１の精製段階を示す。 放電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールに基づく第１の濃縮段階を示す。 充電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールに基づく第２の精製段階を示す。 放電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールに基づく第２の濃縮段階を示す。 第２の静電容量性脱イオンモジュールへの供給において脱気膜を追加した本発明の第１の実施形態の概略図である。 本発明の第２の実施形態の概略図である。 本発明の第３の実施形態の概略図である。 本発明の反復サイクルによる水の純度の変化を表示するグラフである。 本発明の反復サイクルによる水の純度の変化を表示するグラフである。 本発明の反復サイクルによる水の純度の変化を表示するグラフである。

図面を参照して、図１は、第１の貯蔵タンク１２、第２の貯蔵タンク１４、ポンプ１６、第１の静電容量性脱イオン（ＣＤＩ）モジュール１８および第２の静電容量性脱イオンモジュール２０を組み込んだ浄水装置１０を示す。

貯蔵タンク、ポンプおよびＣＤＩモジュールは、当技術分野で既知であるように、チューブ、パイプまたは導管によって接続され、添付の図１～５中の線によって示される。浄水装置１０の操作は、マイクロプロセッサまたはプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ、図示せず）などのコントローラによって行われる。コントローラは、必要に応じて下記に記載するプロセスの実行を可能にするために、ポンプ１６および水をチューブ、パイプおよび導管に流させるために必要な二方弁または三方弁などに接続される。

浄水装置１０は、供給水入口導管２２を有し、これは、精製される任意の適切な飲用水道水源、好ましくは地域の水道局によって供給される飲用水源に接続され得る。装置はまた、用途によって適切なユースポイントで精製水を分配するための生成水出口導管２４と、装置１０から廃水（除去されたイオンを含有する）を除去するための濃縮水出口導管２６と、を有する。

図２ａ～ｄは、本発明の方法の異なる段階およびサイクルに基づく装置１０の操作を示す。各段階またはサイクルで使用される図１の水の経路および構成要素は、明確にするために完全に残される。図２ａは、第１の精製再循環ループの一部としての第１のＣＤＩ１８の充電段階を示し、図２ｂは、第１の濃縮再循環ループの一部としての第１のＣＤＩ１８の放電段階を示し、図２ｃは、第２の精製再循環ループの一部としての第２のＣＤＩ２０の充電段階を示し、図２ｄは、第２の精製再循環ループの一部としての第２のＣＤＩ２０の放電段階を示す。

図２ａは、飲用水道供給水を第１の貯蔵タンク１２に提供するステップと、供給水よりも低い導電率を有する第１の精製水流を提供するための充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュール１８を含む第１の精製再循環ループを１回以上通して第１の貯蔵タンク内の供給水を循環させるステップと、を示す。供給水は、第１の貯蔵タンク１２内にある体積の水２８が存在するように、貯蔵タンク１２に入る。第１の貯蔵タンク１２内の水の量は、すべて当技術分野で既知であるレベルセンサー、質量もしくは圧力測定によって決定され得るか、または導管内の流量測定によって決定され得る。

次に、水２８は、第１の貯蔵タンク１２からポンプ供給導管３０および適切なバルブ操作を介してポンプ１６を通過し、第１のＣＤＩモジュール供給導管３２および適切なバルブ操作を介して第１のＣＤＩモジュール１８に入る。第１のＣＤＩモジュール１８では、電極間に電圧が印加され、イオンは、電極に引き込まれ、その結果、第１のＣＤＩモジュール１８を出る水は、そこに入る水よりも少ないイオンを含むように、すなわち部分的に精製されるようになる。次に、この部分的精製水は、再循環導管３４および適切なバルブ操作を介して第１の貯蔵タンク１２に戻され、第１の精製再循環ループ（１２、３０、１６、３２、１８、３４）を完了し、第１の精製段階としての複数の循環のうちの１回の循環を完了する。第１の貯蔵タンク１２から充電モードにおける第１のＣＤＩモジュール１８を通る再循環が進行するにつれて、第１の貯蔵タンク１２内の水２８の体積内にあったイオンの一部は、第１のＣＤＩモジュール１８の電極によって取り込まれ、第１の貯蔵タンク１２内の水２８の導電率が低下する。

第１の精製段階は、所定の時間または水が所定の純度に達するまで続けられ得る。代替的または追加的に、イオンに対する第１のＣＤＩモジュール１８の電極の静電容量が制限されるため、さらなるイオンが電極に取り込まれなくなるときがあり得るか、またはその取り込みの効率が低下し得る。

次いで、装置１０は、第１の濃縮段階を開始し、図２ｂに示すように、放電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュール１８を含む第１の濃縮再循環ループを通して第２の貯蔵タンク１４内の水を１回以上循環させて、排水管２６を通過し得る第１の濃縮水流を提供する。

図２ｂにおいて、再循環導管３４内の水は、第２の貯蔵タンク１４内の水３６の量が所望の量に達するまで、適切なバルブ操作によって一時的に第２の貯蔵タンク１４に向けられ得る。望ましくは、第２の貯蔵タンク１４内の水３６の量は、第１の貯蔵タンク１２内の水２８の量よりもはるかに少ない。代替的または追加的に、新鮮な量の給水は、供給水入口導管２２から第２の貯蔵タンク１４を直接通過する。この配置は、本発明の第１の交互サイクルを操作している間、好ましい場合があり得る。

第２の貯蔵タンク１４がその中に所望の量の水３６を有すると、ポンプ１６への供給は、それが第２の貯蔵タンク１４から入来するように変更される。第２の貯蔵タンク内の水３６は、ポンプ１６によって第１のＣＤＩモジュール１８を通過し、第１の濃縮ループ（１４、３０、１６、３２、１８、３４ａ）を形成する導管３０、３２および３４ａによって第２の貯蔵タンクに戻され、適切なバルブ操作を使用して、水濃縮段階として複数の循環のうちの１つの循環を完了する。第１のＣＤＩモジュール１８は、放電モードにおいて動作する。放電モードは通常、充電モード中に使用された電流の方向の逆である。電極上のイオンは、水が第１のＣＤＩモジュール１８を通過するにつれて水中を通過し、その結果、第１のＣＤＩモジュールを出る水のイオン含有量は、第１のＣＤＩモジュール１８に入る水のイオン含有量よりも大きくなる。第２の貯蔵タンク１４内の水３６がこのように再循環されると、そのイオン含有量および導電率が増加する。

第１のＣＤＩモジュール１８の電極がイオンを使い果たすと、適切なセンサによって監視される導電率の増加が減少または停止する。次いで、弁の操作によって、第１のＣＤＩモジュール１８から出る水は、濃縮物出口導管または排水管２６を介して浄水装置１０の外に出され、第１の濃縮段階が完了する。

第１のＣＤＩモジュール１８のこの充電モードおよび放電モードは、第１のＣＤＩモジュール１８の第１の交互サイクルの１つを構成する。第１のサイクルによって、第１の貯蔵タンク１２内の水２８中にあったイオンは、最終的に少量の濃縮水として浄水装置１０から除去される。第１の貯蔵タンク１２内の残りの水２８は、より純粋である、すなわち、第１のサイクルの前よりもイオン含有量および導電率が低い。

第１の水精製段階と第１の水濃縮段階との第１の交互サイクルを繰り返すことによって、第１の貯蔵タンク内の水２８のイオン含有量は、順次低下され得る。水の導電率の低下のパターンの例を図７に示し、下記でさらに説明する。

第１の貯蔵タンク内の水２８の純度が高まるにつれて、第１のＣＤＩモジュール１８の精製品質が制限されるようになる。最終生成水のより低い導電率に到達できるようにするために、第２のＣＤＩモジュールが使用される。

図２ｃおよび２ｄは、第２のＣＤＩモジュール２０の充電および放電サイクルの動作を示す。特に、図２ｃは、充電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュール２０を含む第２の精製再循環ループ（１２、３０、１６、３２、２０、３４）を１回以上通して第１の精製水流を循環させ、第１の精製水流よりも低い導電率を有する第２の精製水流を提供することに基づく第２の水精製段階を示す。図２ｄは、放電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュール２０を含む第２の濃縮再循環ループ（１４、３０、１６、３２、２０、３４ａ）を１回以上通して第２の貯蔵タンク１４内の水を循環させ、第２の濃縮水流を提供することに基づく第２の濃縮段階を示す。

図２ｃおよび２ｄは、共に、本発明の第２の交互サイクルを示す。サイクルは、第１のＣＤＩモジュール１８について上述したものと同様の方法で発生する。

第２の精製段階は、第１の貯蔵タンク１２からの水２８の再循環、および第２のＣＤＩモジュール２０内への充電から始まり、水２８からイオンを除去する。第２のＣＤＩモジュール２０の充電が減少するかまたは第２のＣＤＩモジュールが静電容量に近づくと、少量の水は、第１の貯蔵タンク１２から第２の貯蔵タンク１４へ通過し、次いで第２の貯蔵タンク内の水３６は、第２のＣＤＩモジュール２０から排出されたイオンを有するそのように形成された第２の濃縮流が放出導管または排水管２６を介して浄水装置１０の外に出される前に、放電モードに設定されている第２のＣＤＩモジュール２０を通って再循環される。

第１の貯蔵タンク１２内の水２８が所定の純度の品質になるとき、第１の貯蔵タンク１２内の水は、使用者が使用できる状態になる。水は、生成水出口導管２４を介して、当技術分野で知られている適切なユースポイントに放出され得る。

図３は、第２の静電容量性脱イオンモジュール２０への導管内に脱気膜４２を追加した本発明の第１の実施形態を示す。脱気膜は、当技術分野で既知であり、それらを通過する水から溶解二酸化炭素を除去することが可能である。二酸化炭素は、当技術分野で既知である方法で、膜を介して水から排気ガスまたは真空に輸送される。

図４は、本発明の第２の実施形態を示す。第２の浄水装置１１０は、図１に示される第１の浄水装置１０のすべての特徴、すなわち、第１の貯蔵タンク１１２、第２の貯蔵タンク１１４、ポンプ１１６、第１のＣＤＩモジュール１１８、第２のＣＤＩモジュール１２０、給水導管１２２、生成水導管１２４および排出導管１２６を、上記で定義した再循環導管とともに共有する。

第２の浄水装置１１０は、強イオン化不純物と溶存二酸化炭素またはシリカなどの弱イオン化不純物との両方を除去することが可能である第３の浄水デバイス１４０を含み、その結果、水の純度は、１μＳ／ｃｍ未満、好ましくは０．１μＳ／ｃｍ未満の導電率に達し得、場合によっては、水のイオン純度の最大レベルである０．０５５μＳ／ｃｍに近づく。そのような浄水デバイスの１つは、電気脱イオンモジュールである。

第２の浄水装置１１０は、脱気膜１４２をさらに含み得る。脱気膜は、ポンプ１１８からの複合導管内に示されるが、第１のＣＤＩモジュール１１８、第２のＣＤＩモジュール１２０または第３の浄水デバイス１４０への導管の１つまたはすべての内に位置し得る。脱気膜は、水の純度が高いほど効果が大きいため、第２のＣＤＩモジュール１２０用の導管および第３の浄水デバイス１４０用の導管の少なくとも一方に位置することが好ましい。

第２の浄水装置１１０は、第１の貯蔵タンク１１２内の水１２８が、好ましくは１０μＳ／ｃｍ未満、より好ましくは５μＳ／ｃｍ未満の導電率である所定のまたは所望の水の純度に達するまで、第１および第２のＣＤＩモジュール１１８、１２０を通る同じ第１および第２の交互の水のサイクルで動作し、第１および第２のＣＤＩモジュール１１８、１２０は、上記と同じ充電および放電モードにおいて動作する。

次に、水は、第３の浄水デバイス１４０の周りに再循環され、そこで弱イオン化分子を含むイオンが再循環水から除去される。このようにして、第１の貯蔵タンク１１２内の水は、水の純度を１μＳ／ｃｍ未満の導電率までさらに高め得る。

図５は、第３の浄水デバイス１４０が第２のＣＤＩモジュール１２０から生成水導管１２４までの導管内に位置する、図４の構成要素の代替配置を示す。

第３の浄水デバイス１４０が電気脱イオン装置である場合、これは、濃縮水流を生成するための精製中の電力印加でまたは別の放電モードでのいずれかで操作され得、この放電モードは、設定時間の操作後もしくは一定量のイオンが除去された後もしくは性能の低下に基づいて適用され得る。

図６、７、および８は、下記の実施例に基づく、図３に示される操作方法および装置からの導電率データを示す。

各々１７ｍｅｑの静電容量の第１および第２の静電容量性脱イオンモジュール１８、２０を備えた図３に示される装置を操作して、第１の貯蔵タンク１２に取り込まれた導電率１０７０μＳ／ｃｍの供給水１９．３リットルを精製した。水は、ポンプ１６によって毎分１リットルで再循環され、ポンプ１６からの圧力は、０．５バールであった。

図６は、浄水装置１０の動作中に第１の貯蔵タンク１２内の水の導電率がどのように低下したかを示す。

（図２ａに示すように）充電モードにおける第１のＣＤＩモジュール１８を通る第１の精製再循環ループに基づく第１の精製段階は、１／２時間または３０分続き、結果として第１の貯蔵タンク内の水の導電率は９２３μＳ／ｃｍへと減少する。

次いで、（図２ｂに示すように）放電モードにおける第１のＣＤＩモジュール１８を通る第１の濃縮再循環ループに基づき、１２分間持続する第１の濃縮段階が存在し（図６の導電率ラインのギャップとして示される）、これらの第１の段階の第１の交互のセットを完了した。

充電モードにおける第１のＣＤＩモジュール１８を通る第１の精製再循環ループに基づく別の第１の精製段階または第２の第１の精製段階は、さらに３０分間続き、第１の貯蔵タンク１２内の水の導電率を７５７μＳ／ｃｍまで低下させた。これに続いて、第２の濃縮段階（放電モードにおける第１のＣＤＩモジュール１８を通る第１の濃縮再循環ループに基づき、図６では第２のギャップとして示される）が続き、第１のサイクルの第２の交互セットを完了する。

これらの第１の交互サイクルを８セット行った後、第１の水貯蔵タンク１２内の水を、（図２ｃに示すように）充電モードにおける第２のＣＤＩモジュール２０を通る第２の精製再循環ループに基づき各回１／２時間または３０分持続する第２の精製段階と、次いで（図２ｄに示されるように）放電モードにおける第２のＣＤＩモジュール２０を通る第２の濃縮再循環ループに基づき各回１２分間持続する第２の濃縮段階（各回図６の導電ラインのギャップとして示される）との第２の交互サイクルを６セット行う方法で、第２のＣＤＩモジュール２０を使用して精製した。

図６は、第１の貯蔵タンク内の水の導電率を１１μＳ／ｃｍに減少させる（および第２のＣＤＩモジュール２０を出る５μＳ／ｃｍの導電率の水において）、第１およびその後の第２の交互サイクルのこれらの１４セットを示す。第１の４回の第１の濃縮段階の各々について、６８０ｍｌの飲用給水は、第２の貯蔵タンク１４に取り込まれ、第１のＣＤＩモジュール１８への濃縮流に使用された。一方、他の１０回の（第１および第２の）濃縮段階では、６８０ｍｌの濃縮水３６は、第２の貯蔵タンク１４に取り込まれた第１の貯蔵タンク１２内の部分的に精製された水２８を使用することに基づいた（そこから、サイクルに応じて関連する静電容量性脱イオンモジュールの周りを再循環した）。

精製の最後に、１２．５リットルの水を分配することが可能であった。これは、装置に取り込まれた全水の５７％であった。

図７は、３回の第１の精製段階および２回の交互の第１の濃縮段階中に第１のＣＤＩモジュールを出る水が、別の供給水を用いる本発明を使用して最初の２時間にわたってどのように変化したかを示す。

使用した浄水装置は、実施例１と同じであり、図３に示される。装置は、当初の１９．３リットルの供給水と共に操作された。これは、当初、６１０μＳ／ｃｍの導電率を生じさせるイオン汚染を有していた（図７の時間Ａ）。この供給水は、第１の精製段階において、図２ａに示すように、ポンプ１６から０．５バールの圧力と共に毎分１リットルで、ポンプによって再循環された。

充電モードにおいて動作する第１のＣＤＩモジュール１８で水２８中のイオンが除去されるにつれて、第１のＣＤＩモジュール１８がイオンで飽和するまで、第１の精製ループを再循環する水２８の導電率が低下した。その結果、図７の時間Ｂでは、第１のＣＤＩモジュール１８は、図２ｂに示されたようにおよび上記のように、第１の濃縮段階を開始するために放電モードに変更された。好ましくは、この変更は、第１のＣＤＩモジュール２０が高静電容量、例えば７０％超に達した後に発生し、その静電容量の大部分が使用される。これは、時間ベースでまたは除去されたイオンの統合として開始され得る。

時間Ｂでは、７００ｍｌの供給水がユニット内に取り込まれ、濃縮水３６として使用され、第１のＣＤＩモジュール１８を通して再循環された。第１のＣＤＩモジュール１８は、時間Ｃに到達するまで、充電中に電極に取り込まれたイオンを放電した。時間Ｃでは、濃縮水は、放出導管２６を介して浄水装置１０から放出され、次の第１の精製段階（図２ａに示され、上記した）が開始された。第１の精製／充電および濃縮／放電のサイクルが交互に続くにつれて、第１の貯蔵タンク１２内の水２８のイオン含有量が減少し、その結果、点Ｂで５１５μＳ／ｃｍ、点Ｄで４４６μＳ／ｃｍ、点Ｆで３２７μＳ／ｃｍとなる。

サイクルは、各サイクルを通して水２８の導電率を減少させるように継続した。第１の４回のサイクルの後、上記のように、７００ｍｌの濃縮水を第１の貯蔵タンク１２から第２の貯蔵タンク１４に取り出した。第１のＣＤＩモジュール１８を使用した８回目の充電および放電サイクルの後、第２のＣＤＩモジュール２０が使用された。

図８は、図７から始まり、現在第２のＣＤＩモジュールを出る水の導電率が、６．５時間から８．８時間の間、１０秒から１３秒の交互サイクルに基づいてどのように変化するかを示す。

６．５時間の処理後（時間Ｇ）、第２のＣＤＩモジュール２０に供給される第１の貯蔵タンク１２内の水２８は、４６μＳ／ｃｍの導電率をもたらすイオン汚染を有していた。この水は、図３に示されるように脱気膜を通過しながら、第２のＣＤＩモジュール２０の前に、別の第２の精製段階（すなわち、図２ｃのように再循環される）を受けた。水２８中のイオンが第２のＣＤＩモジュール２０で除去されるにつれて、システムの周りを再循環する水２８の導電率が時間Ｈまで低下した。図８の時間Ｈで、第２のＣＤＩモジュールは、放電モードに切り替えられ、別の第２の濃縮段階が開始された。好ましくは、これは、第２のＣＤＩモジュール２０が高静電容量、例えば７０％未満に達する前に生じ、その結果、これは、効果的に放電され得、時間ベースでまたは除去されたイオンの統合として開始され得る。

濃縮水３６を図２ｄに従って再循環させ、第２のＣＤＩモジュール２０から電極に取り込まれたイオンを放出した（時間Ｉまでの図８の導電率のギャップとして示す）。時間Ｉでは、濃縮水は、放出導管２６を介して浄水装置１０から放出され、次の精製充電段階（図２ｃに示され、上記で説明されている）が開始された。

充電および放電サイクルが続くにつれて、第１の貯蔵タンク１２内の水２８のイオン含有量が減少し、その結果、図８中の点Ｊで１３μＳ／ｃｍまで減少し、点Ｌで５μＳ／ｃｍまで減少し、点Ｎで２．５μＳ／ｃｍまで減少した。時間Ｎまでに、第１の貯蔵タンク内の水の導電率は、２．５μＳ／ｃｍであり、浄水装置に入った全水の６２％が残っていた。

その後の第２のＣＤＩモジュール２０の放電によって、濃縮水の導電率は、４２０μＳ／ｃｍに達した。この導電率は、当初の供給水よりも小さいため、これは、次の浄水セッションの第１の放電サイクルまで保持され得、それによって、複数のセッションにわたる装置の水の回収率がさらに改善される。

Claims (32)

1. 飲用水道供給水を処理して導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供する方法であって、
   （ａ）前記飲用水道供給水を第１の貯蔵タンクに供給するステップと、
   （ｂ）充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを含む第１の精製再循環ループを通して前記第１の貯蔵タンク内の前記供給水を１回以上循環させ、前記供給水よりも低い導電率を有する第１の精製水流を提供するステップと、
   （ｃ）充電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを含む第２の精製再循環ループを通して前記第１の精製水流を１回以上循環させ、前記第１の精製水流よりも低い導電率を有する第２の精製水流を提供するステップと、
   を少なくとも含む、飲用水道供給水を処理して導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供する方法。
2. 前記第１および第２の静電容量性脱イオンモジュールは、放電前に所定の静電容量を有し、前記第２の静電容量性脱イオンモジュールは、前記第１の静電容量性脱イオンモジュールよりも低い静電容量で動作する、請求項１に記載の方法。
3. 前記第１の静電容量性脱イオンモジュールは、放電前にその静電容量の７０％超に充電され、前記第２の静電容量性脱イオンモジュールは、放電前にその静電容量の７０％未満に充電される、請求項２に記載の方法。
4. 前記第１の精製ループおよび前記第２の精製ループは、前記第１の貯蔵タンクから再循環し、前記第１の貯蔵タンクに戻る、請求項１から３のいずれか一項に記載の方法。
5. 前記第１の精製再循環ループの経路の一部は、前記第２の精製再循環ループの経路と同じである、請求項１から４のいずれか一項に記載の方法。
6. （ｄ）第２の貯蔵タンクに水を供給するステップと、
   （ｅ）放電モードにおける前記第１の静電容量性脱イオンモジュールを含む第１の濃縮再循環ループを通して前記第２の貯蔵タンク内の前記水を１回以上循環させ、第１の濃縮水流を提供するステップと、
   （ｆ）放電モードにおける前記第２の静電容量性脱イオンモジュールを含む第２の濃縮再循環ループを通して前記第２の貯蔵タンク内の前記水を１回以上循環させ、第２の濃縮水流を提供するステップと、必要に応じて、
   （ｇ）前記第１の濃縮水流もしくは前記第２の濃縮水流または両方の濃縮水流を排水管に通過させるステップと、
   をさらに含む、請求項１から５のいずれか一項に記載の方法。
7. 前記第１の濃縮ループおよび前記第２の濃縮ループは、前記第２の貯蔵タンクから再循環し、前記第２の貯蔵タンクに戻る、請求項６に記載の方法。
8. 前記第１の濃縮再循環ループの経路の一部は、前記第２の濃縮再循環ループの経路と同じである、請求項６または７に記載の方法。
9. 前記第１の貯蔵タンクからの第１の精製水流を、放電モードにおける前記第１の静電容量性脱イオンモジュールを有する前記第１の濃縮再循環ループに提供することをさらに含む、請求項６から８のいずれか一項に記載の方法。
10. 前記第１の精製再循環ループ、前記第１の濃縮再循環ループ、前記第２の精製再循環ループおよび前記第２の濃縮再循環ループにおける水流は、１つのポンプによって提供される、請求項６から９のいずれか一項に記載の方法。
11. 前記ポンプからの圧力および前記再循環ループ内のすべての箇所での圧力は、２バール未満、必要に応じて１バール未満に維持される、請求項１０に記載の方法。
12. ステップ（ａ）の第１の貯蔵タンクに前記飲用水道供給水を供給することと、
    ステップ（ｂ）を含む第１の水精製段階とステップ（ｅ）を含む第１の水濃縮段階との１回以上の第１の交互サイクルを実行することと、
    ステップ（ｃ）を含む第２の水精製段階とステップ（ｆ）を含む第２の水濃縮段階との１回以上の第２の交互サイクルを実行することと、
    前記第１の濃縮水流および前記第２の濃縮水流をステップ（ｇ）の排水管に通過させることと、
    を含む、請求項６から１１のいずれか一項に記載の方法。
13. 前記１回以上の第１の交互サイクルは、導電率２００μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供する、請求項１２に記載の方法。
14. 前記第１および第２のサイクルは、少なくとも６時間にわたって発生する、請求項１２または請求項１３に記載の方法。
15. 前記第１および第２のサイクルは、１２時間未満にわたって発生する、請求項１２から１４のいずれか一項に記載の方法。
16. 前記第１の交互サイクルは、各々少なくとも３回発生する、請求項１２から１５のいずれか一項に記載の方法。
17. 導電率１０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供することが可能である、請求項１から１６のいずれか一項に記載の方法。
18. 水を分配する前に電気脱イオン装置またはモジュールに通過させることをさらに含む、請求項１から１７のいずれか一項に記載の方法。
19. 導電率０．２μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供することが可能である、請求項１８に記載の方法。
20. 前記電気脱イオンモジュールは、前記第１の貯蔵タンクから形成されるかまたは前記第１の貯蔵タンクから延在する第３の精製再循環ループ内に位置する、請求項１９に記載の方法。
21. 水を分配する前に脱気膜に通過させることをさらに含む、請求項１から２０のいずれか一項に記載の方法。
22. 前記脱気膜は、前記第２の精製再循環ループ、第３の精製再循環ループまたはこれら２つの結合部分内に位置する、請求項２１に記載の方法。
23. 前記第１の貯蔵タンクに供給される前記飲用水道供給水の５０％超、好ましくは７０％超または８０％超である、導電率２０μＳ／ｃｍ未満の体積の精製水を生成することが可能である、請求項１から２２のいずれか一項に記載の方法。
24. 飲用水道供給水から導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供することが可能である浄水装置であって、
    飲用水の入口と、
    第１の貯蔵タンクと、
    ポンプと、
    前記第１の貯蔵タンクから充電モードにおける第１の静電容量性脱イオンモジュールを通り前記第１の貯蔵タンクに戻る第１の精製再循環ループと、
    第２の貯蔵タンクと、
    前記第２の貯蔵タンクから放電モードにおける前記第１の静電容量性脱イオンモジュールを通り前記第２の貯蔵タンクに戻る第１の濃縮再循環ループと、
    前記第１の貯蔵タンクから充電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを通り前記第１の貯蔵タンクに戻る第２の精製再循環ループと、
    前記第２の貯蔵タンクから放電モードにおける第２の静電容量性脱イオンモジュールを通り前記第２の貯蔵タンクに戻る第２の濃縮ループと、
    精製水の出口と、
    を備える、飲用主供給水から導電率２０μＳ／ｃｍ未満の精製水流を提供することが可能である浄水装置。
25. 単一のシャーシまたはフレーム内に構築される、請求項２４に記載の浄水装置。
26. 実験台の上もしくは下に配置可能であるか、または実験室の壁に取り付けられる、請求項２４または２５に記載の浄水装置。
27. 前記第２の貯蔵タンクの作業容積は、前記第１の貯蔵タンクの１０％以下である、請求項２４から２６のいずれか一項に記載の浄水装置。
28. 前記第１の貯蔵タンクの水の総作業容積は、２０リットル未満であり、前記第２の貯蔵タンクの水の総作業容積は、２リットル未満である、請求項２７に記載の浄水装置。
29. 前記浄水装置から分配する前に、電気脱イオン装置またはモジュールをさらに備える、請求項２４から２８のいずれか一項に記載の浄水装置。
30. 脱気膜をさらに備える、請求項２４から２９のいずれか一項に記載の浄水装置。
31. 前記第１の精製再循環ループもしくは精製水の出口またはその両方の内で水の導電率を測定するための１つ以上のセンサをさらに備える、請求項２４から３０のいずれか一項に記載の浄水装置。
32. 前記第１の精製再循環ループ、前記第２の精製再循環ループ、前記第１の濃縮再循環ループおよび前記第２の濃縮再循環ループを含む群のうちの１つ以上において水の流を制御するための１つ以上の制御をさらに備える、請求項２４から３１のいずれか一項に記載の浄水装置。

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