JP4490422B2 - 電解イオン交換を伴う選択可能なイオン濃度 - Google Patents

Description

背景

本発明の実施形態は、イオン交換プロセスおよび装置に関する。

イオン交換セルは、溶液中の溶解固体またはイオンを除去しあるいは交換するために使用される。例えば、イオン交換膜およびビーズは、都市下水流から汚染物質および他の溶解固体を除去することにより水を脱イオン化して高純度の飲水を生成するために使用される。また、イオン交換は、工業排水の処理においてイオンの選択的な置換を行なうためにも使用される。他の例においては、水道水中のカルシウム等の硬質な二価イオンをナトリウムやカリウム等の軟質な一価イオンと交換することにより、水道水が軟化される。一般に、イオン交換効率は、処理された溶液および処理されていない溶液の全溶解固形物（ＴＤＳ）含有量を決定することにより測定され、パーセンテージリダクション（％Ｒ）として報告される。

電解アシストイオン交換は、イオン抽出効率を向上させるとともに、セル内のイオン交換材料の再生を容易に行なう。そのようなシステムにおいては、Ｎｙｂｅｒｇに対して付与され且つ参照することによりその全体が本願に組み込まれる同一出願人による米国特許第５，７８８，８２６号に記載されるように、水分解イオン交換膜を横切って電界が加えられる。水分解膜は、一般に、強酸陽イオン交換面または層（スルホン酸基；−ＳＯ_３Ｍ）と、強塩基陰イオン交換面または層（第四アンモニウム基；ＮＲ_３Ａ）とを備える。膜は、その陽イオン交換面が第１の電極と対向し且つその陰イオン交換面が第２の電極と対向するように電極間に位置されている。脱イオン化プロセスサイクル中においては、所定の電圧レベルが電極に対して印加されて、水分解膜の面に対して垂直な電界が生成されている状態で、溶液流れがセルを通じて流される。電界は、水を非可逆的に解離させ、水をその成分イオンＨ^＋、ＯＨ⁻に分ける。これらの成分イオンは、イオン交換層を通じて、反対の極性を有する電極の方向へ移動する（例えば、Ｈ^＋はマイナス電極の方へ移動する）。電界は、水分解反応によって生成された溶解固形物イオンの膜と直交する方向での移動を助け、膜を通じた短い経路を与える。したがって、脱イオン化中、電界は、水を解離させるとともに溶液から大部分の溶解固形物を効率的に搬送して除去することができる十分に高い１つのレベルに設定される。イオン抽出を最大にする１つの高いＤＣ電圧を電極に対して印加することにより、所定の固定された電界強度が生成される。電解イオン交換は、膜の全面領域を良好に使用し且つイオン交換効率を高めて溶解固形物の９０％以上を除去できるようにする均一な電界をセル内に有利に形成する。

また、電解アシストイオン交換システムは膜の電気的な再生を可能にし、これは従来の化学的な再生プロセスよりも有利である。従来の陽イオン交換層は、一般に、硫酸等の酸性溶液を使用して再生され、また、陰イオン交換層は、水酸化ナトリウム等のアルカリ性溶液を使用して再生される。再生は、取り込まれた再生溶液を除去する濯ぎステップをもって終了する。これらの化学的なプロセスは、多量の再生薬品および／または水を必要とし、また、セルを周期的に停止させて、再生プロセスを行なえるようにしなければならない。しかしながら、電解アシストイオン交換プロセスにおいて、水分解膜は、電極に対して印加される電圧の極性を単に逆にして、交換されたイオンを膜から吐き出すことにより膜を電気的に再生する逆電界を生成することにより再生される。また、再生サイクル中においては、水分解膜からのイオン排除および／または拒絶効率を最大にする１つの電圧レベルで逆極性電圧も印加される。

しかしながら、従来の電解アシストイオン交換システムは幾つかの限界を有する。１つの限界は、ＴＤＳ除去率が流入溶液の質およびセル動作状態によって変化する可能性があるという点である。例えば、流入溶液の流量または圧力の変化により、除去される溶解固形物の割合が異なってくる。流出溶液における溶解固形物の全含有量も、時間と共に変化する流入溶液のＴＤＳ含有量に起因して変化する。例えば、汚水のＴＤＳは、豪雨に伴って急激に変化する。その結果、９０％のＴＤＳ減少を与える電解セルは、１５０ｐｐｍのＴＤＳを有する流入溶液から、１５ｐｐｍのＴＤＳを有する処理済みの流出溶液を生成するが、流入溶液が１５００ｐｐｍのＴＤＳを含む場合、処理された流出溶液は、１５０ｐｐｍのＴＤＳを有する。そのような出力ＴＤＳ含有量の変化は望ましくない。また、従来の電解イオン交換セルは、しばしば、流出溶液中のＴＤＳ含有量の漸進的な増大を伴う。これは、膜の実際に使えるイオン交換能力が脱イオン化中に使い果たされ、これにより、流出溶液中におけるＴＤＳ含有量の変動が更に大きくなるためである。バッチ脱イオン化プロセス中におけるイオン濃度のゆっくりとした増大により、膜の能力が完全に使い果たされるよりもかなり前に脱イオン化サイクルが早期終了してしまい、それにより、セルにおける資本コストおよび運転コストが増大してしまう可能性がある。したがって、従来のシステムを用いると、出力ＴＤＳ含有量は、流入ＴＤＳ含有量および時間の経過に伴って著しく変化する可能性がある。

また、従来の電解イオン交換システムは、イオン濃度の制御を行なうことができない。工業用途においては、溶液流れからのイオンの抽出を最大にすることが純水および脱イオン水にとって望ましいが、幾つかの用途では、溶液流れにおいて所定レベルの溶解固形物を維持することが望ましい。例えば、飲水および料理用水の用途では、いくらかの溶解固形物が望ましく、そのため、水は、おいしく、人工の味がしない。他の工業用水の用途では、環境基準を満たすために、廃水流中の特定のイオン、例えば硝酸イオンやヒ素イオンのレベルを減少させることも望ましい。工業プロセス、例えばセメント製造や電気メッキにおける溶液の組成を正確に制御するために、化学溶液中において特定のイオンレベルが必要とされる可能性もある。

したがって、流入溶液を処理することにより、流入溶液のＴＤＳの質が処理プロセスにわたって変化する場合であっても、流出溶液において均一で且つ一貫したイオン濃度を与えられることが望ましい。また、イオン交換材料の再生のために電力を使用できる水処理システムであって、再生のために薬品ではなく電力を使用することにより、再生薬品に伴う不都合および環境的有害を減少させあるいは排除するとともに、クリーニングサイクル中の濯ぎ水量を減らす水処理システムも必要である。また、流入溶液を処理することにより、処理された溶液において溶解固形物を所定レベルまたは設定レベルに維持できることが望ましい。

概要

イオンを含む流入溶液を処理し、その結果として得られる流出溶液において選択可能なイオン濃度を得る装置。装置は、第１および第２の電極を含むハウジングを有する電気化学セルを備える。第１および第２の電極間には水分解イオン交換膜が設けられ、この膜は、第１の電極と対向する陰イオン交換面と、第２の電極と対向する陽イオン交換面とを備える。また、ハウジングは、溶液チャンネルを有する流入溶液注入口および流出溶液吐出口を有しており、溶液チャンネルにより流入溶液が水分解イオン交換膜の陰イオンおよび陽イオン交換面の両方を通過して流れることができ、それにより流出溶液が形成される。可変電圧供給源は、イオン交換段階中に第１および第２の電極を複数の電圧レベルに維持することができる。イオン交換段階は、例えば、脱イオン化またはイオン除去ステップ、あるいは、膜再生またはイオン拒絶ステップであってもよい。

一形態において、装置は、流入溶液、少なくとも一部が処理された流入溶液、または、流出溶液のイオン濃度を測定するとともに、イオン濃度信号を生成するためのイオンメータを有する。コントローラは、イオンメータからイオン濃度信号を受けるとともに、イオン濃度信号に応じて第１および第２の電極に対して印加される電圧レベルを調整して流出溶液において所定のイオン濃度範囲を得るために制御信号を可変電圧供給源に対して送る。

他の態様においては、イオンを含む流入溶液を処理して、流出溶液中のイオンの濃度を制御する方法が提供される。方法は、水分解イオン交換膜の陰イオン交換面および陽イオン交換面の両方を通過するように流入溶液を流して、流出溶液を形成するステップと、水分解イオン交換膜の陰イオン交換面および陽イオン交換面にわたって時間平均電界を維持するステップと、時間平均電界の強度を変えて、流出溶液のイオン濃度を制御するステップとを含む。

本発明のこれらの特徴、態様、利点は、以下の説明、添付の請求項、本発明の典型的な特徴を示す添付図面に関して更に良く理解されるようになろう。

説明

本装置２０の一実施形態は、イオンを抽出し、交換し、あるいは、加えることにより所望のイオン濃度を有する流出溶液を生成するため、イオンを含む流入溶液を処理することができる。イオン制御装置２０の典型的な実施形態は、本発明を例示するために与えられているものであり、本発明の範囲を限定するために用いられてはならず、また、当業者であれば分かるように、他のセル配置および構造も本発明の範囲内に入る。図１に示されるように、一般に、装置２０は電気化学セル２２を備えており、この電気化学セル２２は、少なくとも１つの流入溶液注入口３０と少なくとも１つの流出溶液吐出口３５とを有する密閉された耐漏出構造を成すハウジング２５を備える。適したハウジング２５は、一般に、金属またはプラスチックによって形成されたプレート・フレーム構造を備える。１つ以上の吐出口３５を設けることもできるが、ハウジング２５からの流出溶液は、吐出口３５の前または後で例えば異なる溶液流れを混合する排出マニホールド内において形成される１つの流出溶液流れを構成していることが好ましい。随意的に、例えば蠕動ポンプ等のポンプ３８または流量制御装置と組み合わせた水圧を使用して、流入液をハウジング２５の注入口３０へと流すこともできる。

ハウジング２５は、第１および第２の電極４０，４５を内部に有する。電極４０，４５のうちの１つ以上は、ハウジング２５の一部、例えば図３に示されるようなハウジングの導電壁を形成してもよく、あるいは、図１に示されるようにハウジングの内側に支柱なしで立っているプレート等の別個の構造であってもよい。一般に、電極４０，４５は互いにトレースする導電面を有する。陽極電極および陰極の電極４０，４５は、導電材料、例えば、好ましくはセル２２の動作の最中において電極のプラスおよびマイナスの分極中に形成されるｐＨが低いまたは高い化学的環境下で腐食に耐える材料によって形成されている。適した電極は、チタンまたはニオブ等の耐腐食材料によって形成可能であり、また、白金等の貴金属の外側コーティングを有していてもよい。電極４０，４５の形状は、電気化学セル２２の構造およびセル２２を通じて流れる流入溶液７０の導電率によって決まる。適した電極は、その表面にわたって均一な電圧を与え且つ流入溶液の流通を許容する開口を有することができる平板である。他の構成において、電極４０，４５は、螺旋やディスクのような形状を成しており、あるいは、円錐形状を成していてもよい。

水分解イオン交換膜１００は、第１の電極４０と第２の電極４５との間にあり、図１に示されるように、第１の電極４０と対向する陰イオン交換面４６と、第２の電極４５と対向する陽イオン交換面４８とを備える。あるいは、図２に示されるように、交換面の対向する向きが図１と逆であってもよい。水分解膜１００は、互いに隣接する陰イオン層４９および陽イオン層５１をそれぞれ備えていており、電極４０，４５間に位置されて開放フレーム４７内に収容され、あるいは、図２および図３に示されるように螺旋構造で配置されてもよい。水分解膜１００の適した陰イオン交換層４９は、陰イオンを交換できる−ＮＲ_３Ａ，−ＮＲ_２ＨＡ，−ＰＲ_３Ａ，−ＳＲ_２ＡまたはＣ_５Ｈ_５ＮＨＡ（ピリジン）等の１つ以上の塩基性官能基を含む。ここで、Ｒは、アルキル、アリール、または、他の有機基であり、また、Ａは陰イオン（例えば、水酸化物、重炭酸塩、塩化物、または、硫酸イオン）である。陰イオン交換官能基の選択は、用途によっても決まる。水の脱イオン化において、−ＮＲ_３Ａは、良好な膜膨張を与えることができるその能力に関して好ましく、したがって、幅広い範囲のｐＨにわたって低い電気抵抗および高い物質移動速度を与える。特に効率的な再生が必要な場合には、弱塩基性基が好ましい。例えば、−ＮＲ_２ＨＡは、−ＮＲ_２，Ｈ_２Ｏを形成してＡ⁻を除去するための非常に有利な反応において、ＯＨと反応する。適した陽イオン交換層５１は、陽イオンを交換できる−ＣＯＯＭ，−ＳＯ_３Ｍ，−ＰＯ_３Ｍ_２，−Ｃ_６Ｈ_４ＯＭ（Ｍは陽イオン（例えば、水素、ナトリウム、カルシウム、または、銅イオン）である）等の１つ以上の酸性官能基を含むことができる。また、陽イオン交換材料は、中性基または静電結合あるいはイオン結合ではない配位結合によって陽イオンを結合する配位子（例えば、ピリジン基、ホスフィン基、硫化物基）を備える官能基、および、錯化剤またはキレート基（例えば、アミノリン酸、アミノカルボン酸、ヒドロキサム酸から誘導された基）を備える基も含む。陽イオン交換官能基の選択は、セル２２の用途によって決まる。イオンの非選択的除去が必要な水の脱イオン化において、−ＳＯ_３Ｍ基は、良好な膜膨張、高い物質移動速度、幅広い範囲のｐＨにわたる低い電気抵抗を与えることができるその能力に関して好ましい。例えばナトリウムイオン等の他のイオンを含む液体から銅イオンを選択的に除去する場合には、−ＣＯＯＭ等のイオン交換基またはアミノカルボン酸等のキレート基が好ましい。これらの弱酸性基は、−ＣＯＯＨを形成してＭ^＋１（Ｍは金属イオン）を除去するＨ^＋と−（ＣＯＯ）_ｎＭとの非常に有利な反応に起因して再生が特に効率的であるという更なる利益を与える。

また、水分解イオン交換膜１００は、３つ以上の陰イオン交換層４９および陽イオン交換層５１を備えることもできる。例えば、水分解膜１００は、２つの陽イオン交換層と、２つの陰イオン交換層とを有することができる。２つの陽イオン交換層または陰イオン交換層のそれぞれは、イオン交換容量またはイオン交換官能基が異なっている。例えば、水分解膜１００の第１の内側陽イオン交換層は−ＳＯ_３基をかなり含んでいてもよく、外側陽イオン層は−ＣＯＯＨ基を含むことができる。一方、内側陰イオン交換層は−ＮＲ_３基を含んでおり、外側陰イオン層は−ＮＲ_２Ｈ基を含む。また、陰イオン交換層および陽イオン交換層は、溶液を保持するために多孔質であってもよく、例えば、水分解イオン交換膜を通じた高速溶液移動を行なうためにオープンセル発泡体または他の構造を成していてもよい。

ハウジング２５内の溶液チャンネル５２により、注入口３０からの流入溶液７０は、水分解イオン交換膜１００の陰イオン交換面４６および陽イオン交換面４８の両方を通り過ぎて流れることができ、それにより、吐出口３５において流出溶液８０が形成される。溶液チャンネル５２の流路は、ハウジング２５およびハウジング２５内の構造によって規定することができる。例えば、図１に示されるように、水分解膜１００の表面と電極４０，４５とハウジング２５の側壁５４との間にチャンネル５２を形成することができる。また、チャンネル５２は、ハウジング内の管状壁構造（図示せず）であってもよい。溶液チャンネル５２は、注入口３０から吐出口３５へと延びており、処理された流出溶液８０を吐出口３５において排出する。

図２に示されるように、他の実施形態の電気化学セル２２は、外側電極構造を形成する第１の電極４０と、中心電極構造を形成する第２の電極４５とを備える。水分解膜１００は、２つの電極４０，４５間に位置された複数の陰イオン交換層４９および陽イオン交換層５１を備える。膜層４９，５１は、膜の陽イオン交換面４８が第１の電極４０と対向し且つ膜の陰イオン交換面４６が第２の電極４５と対向するようにハウジング２５内に配置されている。図３に示されるように、膜層４９，５１は、陽イオン面４８を陰イオン面４６から分離し且つ溶液チャンネル５２を形成するスペーサ４３と共に、螺旋巻回構造を形成している。このようにして任意の数の膜１００が並列に巻回されることにより、セル２２を通じて所望の圧力降下が与えられてもよい。例えば、３つの膜１００を並列配置で螺旋状に巻回することができる。また、スペーサ４３を溶液チャンネル５２内に位置させることもできる。スペーサ４３は、例えば、セル２２の側壁５４から吊り下げられたプラスチックネット材料から成る層であってもよい。スペーサ４３は、水分解膜１００を分離するため、より均一な流れを形成するため、あるいは、溶液チャンネル５２内に乱流を形成して高いイオン移動速度を与えるために使用できる。２つ以上の水分解膜１００が直接に接触していると、この低抵抗経路を通じて過電流が流れ、それにより、膜１００が過熱して、溶液が迂回して流れる場合がある（これにより、セル性能が低下する）。スペーサ４３は、直径サイズが１０μｍ以上の開口を有していてもよい。

図２および図３に示されたセル２２における、塩化ナトリウムを含む流入溶液の処理および硫酸銅を含む流入溶液の処理に関して、電気化学セル２２の動作方法を説明する。これらの２つの選択された実施例に関してセル２２の動作を説明するが、セル２２および装置２０が多くの他の用途で使用可能であり且つここで与えられた実施例に限定されるべきでないことは言うまでもない。第１の実施例においては、塩化ナトリウムが流入溶液から除去されて集められる。図２に示されるように、電気化学セル２２は、スルフォン酸塩陽イオン交換層５１と第4級アンモニウム陰イオン交換層４９とを有する水分解膜１００を備える。プロセスの第１のステップであるイオン除去においては、陽イオン交換層５１と対向する第１の電極４０がプラスに帯電され（陽極）、第２の電極４５がマイナスに帯電される（陰極）。水分解イオン交換膜１００の陽イオン交換層５１と陰イオン交換層４９との間の界面では、溶液流れ中の水がその成分イオンＨ^＋，ＯＨ⁻に分けられ、ＯＨ⁻が陽イオン交換面４８を通じて第１の（プラス）電極４０へ向かって移動し、Ｈ^＋が陰イオン交換面４６を通じて第２の（マイナス）電極４５へ向かって移動する。このステップにおいて、Ｎａ^＋は、拡散するとともに、陽イオン交換面４８を通じてマイナス電極の方向へ移動する。陽イオン交換層５１で生じる反応は以下の通りである。
（１）Ｐ−ＳＯ_３Ｈ＋Ｎａ^＋＝Ｐ−ＳＯ_３Ｎａ＋Ｈ^＋
（２）Ｈ^＋＋ＯＨ⁻＝Ｈ_２Ｏ
ここで、“Ｐ”は、イオン交換基が付加されるソリッドサポートまたはポリマーを示している。水分解反応によって生成され且つ陽イオン交換面４８を通じて移動するＯＨ⁻は、Ｈ^＋と反応して水を形成する。Ｈ^＋の消費により、溶液からのＮａ^＋の除去速度を促進する電気・濃度勾配が維持される。

陰イオン交換層４９内では、Ｃｌ⁻が拡散するとともに陰イオン交換層４９を通じてプラス電極の方向へ移動する。陰イオン交換層４９内で生じる反応は以下の通りである。
（３）Ｐ−ＮＲ_３ＯＨ＋Ｃｌ⁻＝Ｐ−ＮＲ_３Ｃｌ＋ＯＨ⁻
（４）Ｈ^＋＋ＯＨ⁻＝Ｈ_２Ｏ
陽イオン交換層５１における状況と同様に、水分解反応によって生成されたＨ^＋は、ＯＨ⁻と反応して、溶液からのＣｌ⁻の除去速度を促進させる。

電圧（または電流）が無くてもイオン除去ステップを行なうことができるが、前述した化学的中和効果および移動が無いため、イオン除去速度はかなりゆっくりとしている。電圧が無いと、不可逆水分解反応が生じず、したがって、中和反応（２）（４）を起こすことができない。その結果、イオン除去速度は、陽イオンおよび陰イオン交換層５１，４９によるＮａ^＋，Ｈ^＋，Ｃｌ⁻，ＯＨ⁻の拡散速度によって専ら左右される。

水分解膜の陽イオンおよび陰イオン交換層５１，４９内のイオン交換基がＮａ^＋イオンおよびＣｌ⁻イオンのそれぞれによって完全に占められた後、水分解イオン交換膜１００をその反応（１）〜（４）前の当初の化学的態様に戻すため、再生プロセスステップが必要とされる。このステップでは、溶液流れ７０、例えば第１のステップで処理された同じ塩化ナトリウム溶液がセル２２内に導入されるとともに、電極の極性が逆にされ、これにより、第１の電極４０がマイナス電極となり、第２の電極４５がプラス電極となる。このステップでは、水分解反応によって生成されたＨ^＋が、陽イオン交換層５１を通じてマイナス電極の方向へ移動して、以下の反応（５）を引き起こす。
（５）Ｐ−ＳＯ_３Ｎａ＋Ｈ^＋＝Ｐ−ＳＯ_３Ｈ＋Ｎａ^＋
同様に、水分解反応で生成されたＯＨ⁻が陰イオン交換層４９を通じてプラス電極の方向へ移動し、これにより、以下の反応（６）が引き起こされる。
（６）Ｐ−ＮＲ_３Ｃｌ＋ＯＨ⁻＝Ｐ−ＮＲ_３ＯＨ＋Ｃｌ⁻
陽イオンおよび陰イオン交換層５１，４９においてＨ^＋およびＯＨ⁻に取って代えられたＮａ^＋およびＣｌ⁻は、組み合わされることにより、流出溶液流れ８０中でＮａＣｌを形成する。この再生ステップ中に溶液の流量を制御することにより、イオン除去ステップ中において流入溶液流れ７０中に存在していたＮａＣｌ濃度よりも十分に高いＮａＣｌ濃度が得られる。反応（１）〜（４）におけるイオン除去が溶液流れの脱イオン化を意図していた場合には、反応（５）（６）中に形成されたＮａＣｌ凝縮物が廃棄される。この装置におけるＮａＣｌ除去の目的がこの塩を単離することであった場合には、ＮａＣｌ凝縮物が更なる処理のために確保される。

溶液からのＣｕＳＯ_４の除去およびその後の凝縮との関連において、この典型的なセル２２の動作を説明する。水分解膜１００の陽イオンおよび陰イオン交換層５１，４９においては、任意の適したイオン交換材料を使用することができる。例えば、陽イオン交換層５１がＰ−ＣＯＯＨ基を含んでいてもよく、また、陰イオン交換層４９がＰ−ＮＲ_２Ｈ基を含んでいてもよい。イオン除去中、水分解反応で生成されるＯＨ⁻は、この場合も同様に、陽イオン交換層５１を通じてプラス電極の方へ移動し、陽イオン交換層５１内で以下の反応（７）（８）が生じる。
（７）Ｐ−ＣＯＯＨ＋ＯＨ⁻＝Ｐ−ＣＯＯ⁻＋Ｈ_２Ｏ
（８）２Ｐ−ＣＯＯ⁻＋Ｃｕ^＋２＝（Ｐ−ＣＯＯ）_２Ｃｕ
Ｃｕ^＋２は、好ましくない熱力学に起因して、Ｐ−ＣＯＯＨ中のＨ^＋に直接に取って代わることができず、したがって、Ｐ−ＣＯＯＨからＨ^＋を除去して、Ｃｕ^＋２と容易に反応するＰ−ＣＯＯ⁻を形成するために、反応（７）が必要とされる。

陰イオン交換層４９においては、水分解反応で生成されたＨ^＋が陰イオン交換層４９を通じてマイナス電極の方へと移動し、以下の反応（９）（１０）が引き起こされる。
（９）Ｐ−ＮＲ_２＋Ｈ^＋＝Ｐ−ＮＲ_２Ｈ^＋
（１０）２Ｐ−ＮＲ_２Ｈ＋＋ＳＯ_４ ^−２＝（ＰＮＲ_２Ｈ）_２ＳＯ_４
反応（９）は中性のＰ−ＮＲ_２からイオン基を形成し、これにより、反応（１０）におけるその後のＳＯ_４ ^−２との反応が可能になる。

イオン除去が完了すると、同一または異なる溶液をセル２２を通じて流し且つ電極４０，４５の極性を逆にすることにより、陽イオンおよび陰イオン交換層５１，４９がそのイオン除去前の状態に戻される。この時、水分解反応で生成されたＨ^＋が陽イオン交換層５１を通じて移動し、これにより、以下の反応（１１）が得られる。
（１１）（Ｐ−ＣＯＯ）_２Ｃｕ＋２Ｈ^＋＝２Ｐ−ＣＯＯＨ＋Ｃｕ^＋２
また、水分解反応で生成されたＯＨ⁻が陰イオン交換層４９を通じて移動し、これにより、以下の反応（１２）が得られる。
（１２）（Ｐ−ＮＲ_２Ｈ）_２ＳＯ_４＋２ＯＨ⁻＝２Ｐ−ＮＲ_２＋２Ｈ_２Ｏ＋ＳＯ_４ ^−２
両方の反応（１１）（１２）は熱力学的に好ましく、これにより、溶液流れ中でＣｕＳＯ_４を凝縮できる。その後のステップでは、溶液流れから銅および／または硫酸塩が除去されあるいは廃棄されてもよい。

２つの先の実施例で説明したイオン交換材料中でのイオン交換方法は、以下のように一般的な言葉で説明することができる。水分解膜１００はイオン交換層Ａ，Ｂを備えており、その一方が陽イオン交換層５１であり、他方が陰イオン交換層４９であり、これらの層はイオンＩ_１Ａ，Ｉ_１Ｂをそれぞれ含む。イオンを含む溶液は電極４０，４５と水分解膜１００とを電気的に接続し、十分な電圧を２つの電極４０，４５に対して印加する際、イオン交換層Ａ，Ｂ間の界面領域にある水がその成分イオンＨ^＋，ＯＨ⁻に“分けられる”。“水分解反応”と称されるこの現象は、水の成分イオンＨ^＋，ＯＨ⁻への自然解離（この解離は、電場を用いてあるいは用いることなく生じる）と、その後におけるこれらのイオンの電場影響下でのイオン交換層Ａ，Ｂへの移動とを含む。Ｈ^＋はマイナス電極へ向かって移動し、ＯＨ⁻はプラス電極へ向かって移動する。Ｈ^＋，ＯＨ⁻は、イオン交換層Ａ，Ｂへ移動するため、より多くの水が界面領域に広がって水分解反応サイクルが継続される。Ｈ^＋，ＯＨ⁻は、イオン交換層Ａ，Ｂを通じて移動するため、イオンＩ_１Ａ，Ｉ_１Ｂが溶液からのＩ_２Ａ，Ｉ_２Ｂにそれぞれに取って代えられる。イオン交換層Ａ，Ｂにおけるこのイオン交換は、直接的な交換、例えば、Ｐ−ＳＯ_３ ⁻イオン交換基におけるＮａとＨ^＋との交換であってもよく、あるいは、例えば第１のステップでＯＨ⁻がＰ−ＣＯＯＨと反応してＰ−ＣＯＯ⁻が形成された後にＣｕ^＋２を結合するための反応が起こる際に生じるような間接的な交換であってもよい。

装置２０は、イオン交換段階中に第１および第２の電極４０，４５を複数の電圧レベルに維持するための可変電圧供給源５０を更に備える。電圧バイアスレベルは、イオン交換段階中に様々な大きさを有する選択可能な電圧レベルである。例えば、（i）溶液処理ステップ、例えば流入溶液７０からイオンが除去されて流出溶液８０が形成される脱イオン化またはイオン除去ステップや、（ii）膜中のイオンを排除しあるいは交換することにより膜１００が再生される膜再生ステップあるいはイオン拒絶ステップ、（ii）しかし両方ではない、ステップ等の、イオン交換段階の期間の一部である予め定められた期間中において、上記電圧レベルは、所定の一定な電圧レベルまたは所定のパルス電圧レベルである時間平均化された電圧レベルであってもよい。イオン除去ステップは、電気化学セル２２の水分解膜１００の陰イオン面４６および陽イオン面４８を横切って流入溶液を通過させ、流入溶液７０からのイオンの除去またはイオン交換によって流入溶液７０中のイオン濃度レベルを変化させるものである。イオン拒絶ステップは、膜１００中のイオンを追い出しあるいは拒絶することにより水分解膜１００が再生される再生サイクルである。各ステップでは、選択された期間にわたって電極４０，４５に対して印加される電圧の大きさを平均化することにより、時間平均化された時間平均電圧レベルが決定される。期間とは、電圧が略同一を保つピーク絶対値を有する時間の長さである。

図４は、イオン除去ステップ（グラフ（ａ））およびイオン拒絶ステップ（グラフ（ｂ））における可変時間平均電圧レベルの典型的な実施形態を示している。この図では、異なる時間サイクルを示すためにパルス電圧の大きさが経時的にプロットされており、上記各時間サイクルでは、時間平均電圧が１つのレベルで維持される。グラフ（ａ）は電極に対して印加される可変時間平均電圧を示しており、可変時間平均電圧は、第１の期間（Ｔ_２）にわたって略同一値を保つ第１の大きさ（Ｖ₁）と、第２の期間（Ｔ_２）にわたって略同一値を保つ第２の大きさ（Ｖ_２）と、第３の期間（Ｔ_３）にわたって略同一値を保つ第３の大きさ（Ｖ_１）等とを有する。曲線（ｂ）は、イオン拒絶ステップの異なる期間（Ｔ_４）（Ｔ_５）（Ｔ_６）中に使用される電圧（Ｖ_４）（Ｖ_５）（Ｖ_６）のマイナス値を持つ逆極性を有する時間平均電圧を示している。各ステップにおいて、時間平均電圧は、電界強度が異なる時間平均電界をセル内に生成する。変化する電界は、異なる印加電圧レベルに比例する電界強度を有する。なお、イオン拒絶ステップにおいては、膜１００からイオンを放出することだけを目的としているため、サイクル全体にわたって電圧を略一定を保つこともできる。

一形態において、可変電圧供給源５０は、イオン除去ステップ中またはイオン拒絶ステップ中にプラスまたはマイナスを保つ単一の極性を有する時間変調されたあるいはパルス状の直流（ＤＣ）電圧を供給する。一方、交流（ＡＣ）供給電圧等の非ＤＣ電圧は、ほぼゼロの時間平均ＡＣ電圧を有する。電解イオン交換セル２２の動作におけるイオン除去（脱イオン化）ステップまたはイオン拒絶（再生）ステップの間に１つの極性を使用することにより、処理される流入溶液中７０のイオンは、電極４０，４５のうちの一方に向かうあるいは当該電極から離れる１つの方向に移動することができ、それにより、水分解膜１００中へのあるいは水分解膜１００からのイオンの正味の物質移動が行なわれる。平均ＤＣ電圧の大きさは、所定の期間にわたって電圧を数学的に積分した後に積分値を上記期間で割ることにより得られる。積分の極性は、それがイオン除去モードにあるのかあるいはイオン拒絶モードにあるのかを知らせており、この計算値の大きさは、イオン除去またはイオン拒絶において利用可能になる電気エネルギに比例している。この積分値の妥当な概算値は、応答が遅いＤＣ電圧計、例えば２０〜３０ミリ秒等の数十秒の固有応答時間を有する電圧計を用いて観察される時間平均測定値から得られる。また、例えば、イオン除去ステップ中に溶液に対してイオンを瞬時に加えてセル２２内の溶液を所望の濃度に維持するために、あるいは、セル２２内の膜１００を再生してその後の脱イオン化ステップに備えるために、電圧供給源５０は、電極４０，４５に対する極性を切り換えるための極性スイッチ４４を有していてもよい。

可変電圧供給源５０は、ＡＣ電圧の全波整流または半波整流により可変ＤＣ電圧または電流を供給することができる。そのような電圧供給源は、例えば、（i）位相制御電圧供給源５０ａまたは（ii）パルス幅変調を伴う切換電圧供給源５０ｂであってもよい。これらの回路および説明は、可変時間変調ＤＣ電圧を供給する方法についての単なる２つの実施例であり、当業者にとって明らかな他の可変ＤＣ電圧供給回路も使用できる。位相制御サイリスタ（ＳＣＲ）８１を使用する位相制御電圧供給源５０ａの一実施形態が図５に示されている。位相制御電圧供給源５０ａは、線形なあるいは調整されない電力を供給することができる。電圧供給源５０ａは、ＡＣをＤＣへ整流する逆並列ＳＣＲ８１へ直接に入力される図６ａに示されるような従来の単相ＡＣ電源８２（１２０ボルト、６０Ｈｚ）で動作する。整流以外に、ＳＣＲ８１は、非通電状態から通電状態へと非常に急速に切り換わることもできる。ＡＣ電源８２がＳＣＲ８１によって切り換えられると、トリガトランジスタ８９と組み合わせて動作するゼロ交差トリガ９１を使用して電流がゼロに下がる度に電流がＯＦＦに切り換えられる。図６ａは、ＡＣサイクルがゼロ電圧を横切った後に約２ミリ秒であるトリガ点（ｔ）で通電状態へとトリガされるＳＣＲ８１の入力ＡＣサイクル信号７２を示している。この点で、ＳＣＲ８１は、ＯＮに切り換えられるとともに、交流波がゼロ電圧レベルを横切るまでＯＮを保持する。逆並列ＳＣＲ８１は、その電圧出力が図６ｂにおいて点線７６で表わされる全波整流器として機能する。図６ｃは、大きさが変化するパルスＤＣ電圧７８を含む波形の結果を示している。このパルスＤＣ電圧は、その後、セル２２の電極４０，４５に対して供給される。位相制御電圧供給源５０ａにおいて、ＳＣＲ８１は光トライアックトリガＳＣＲ８３によってＯＮに切り換えられ、また、それらのタイミングは、５５５制御チップおよび４０６６制御チップを備えるＲＣ回路８４によって決定される。トリガは、ＲＣタイミング回路８４内の抵抗８６を変えることにより決定されるゼロ交差８５の後、設定された時間遅延で生じる。出力電圧の連続的な変化は、ポテンショメータを使用することにより達成できる。この回路５０ａは、所定のレジスタ８６を使用して６つ（あるいは、特定の他の数）の別個の時間遅延を設定し、それにより交流電圧位相の特定の点でＳＣＲ８１をトリガすることで、出力リード８７において例えば０（ＯＦＦ），３０，１００，２００，３００ボルト等の５つの異なる出力電圧を設定する。

図５に示される位相制御電圧供給源５０ａの実施形態においては、多くの標準的な構成部品、例えばレジスタ、コンデンサ、ダイオード、トランジスタ等が存在する。これらの構成部品において使用できる適切な値および部品数としては、Ｃ_１＝Ｃ_２＝２５０μＦ（２５０Ｖ）、Ｃ_３＝０．０１μＦ（５０Ｖ）、Ｃ_４＝０．１μＦ（２５Ｖ）を挙げることができ、また、Ｄ_１およびＤ_２はＴ６Ａ１００２であり、Ｑ_１およびＱ_２は２Ｎ６５Ｄ７（ＳＣＲ）であり、Ｒ_２＝１００Ω、Ｒ_４＝１ｋΩ、Ｒ_７＝２０ｋΩ、Ｒ_８＝２２ｋΩ、Ｒ_９＝２８ｋΩ、Ｒ_１４＝１４ｋΩである。上記値および構成部品は単なる一例であり、異なる値または構成部品を使用できる。

パルス幅変調を伴う切換電圧供給源５０ｂを備える他の可変電圧供給源５０が図７ａのブロック図に示されている。図７ｃの入力信号が与えられた場合において、図７ｂは、電圧供給源５０ｂの出力を示している。電圧のオフタイムに対するオンタイムの比であるデューティサイクルを変えることによりＤＣ電圧または電流出力が制御されるため、電圧レベルは１つしか存在しない。切換ＤＣ電圧供給源９０である切換電圧供給源５０ｂの一形態が図８に示されている。電圧供給源９０において、ＡＣ電力は、高い周波数および電圧に変換される前に、非調整ＤＣ整流器・フィルタ９３によって整流される。変調器・インバータ９４は、パルス幅変調器９２を使用して、高周波変圧器９９に対して印加される電圧を調整する。フィードバックループは、サンプリングフィードバック電圧９５と基準電圧９６とを比較するとともに、一次トランジスタ９８のデューティサイクルを制御することにより出力電圧９７を制御する。

また、装置２０は、溶液のイオン濃度を測定して溶液イオン濃度信号を生成するために、イオンセンサ５９を有していてもよい。イオンセンサ５９は、例えば、濃度、種のタイプ、または、異なるイオンの濃度の比を測定することができる。一形態において、イオンセンサ５９は、処理された流出溶液８０中の全溶解固形物（ＴＤＳ）濃度を決定して制御するために有用な導電センサである。あるいは、イオンセンサ５９は、例えば硝酸塩、ヒ素、鉛等の特定のイオン種に固有のセンサであってもよい。イオン固有のセンサは、例えばＩＳＥＳ（イオン選択電極）であってもよい。

溶液流れ中におけるイオンセンサ５９の位置は、望まれるイオン濃度信号の性質に応じて選択される。イオンセンサは、（i）流入溶液、少なくとも一部が処理された溶液、あるいは、流出溶液のイオン濃度を測定するため、（ii）イオン濃度信号を生成するために使用することができ、また、一形態において、イオンセンサ５９は、流入溶液７０が水分解膜１００の陽イオンおよび陰イオン面４８，４６の少なくとも一部を通過した後における、少なくとも部分的に処理された溶液中に置かれる。例えば、イオンセンサ５９は、図２に示されるように、流出吐出口３５を通り過ぎた流出溶液流れの近傍に配置することができる。この形態において、イオン濃度信号は、処理された溶液中の１つ以上のイオンの濃度を表わすとともに、セル２２のイオン抽出効率を調整または調節してセル２２内で所望のイオン濃度を得るために使用される。

コントローラ５３は、フィードバック回路ループ５７を介してイオンセンサ５９から信号を受けるとともに、電極４０，４５に対する電圧出力を制御するために制御信号を可変電圧供給源５０へ送る。コントローラ５３は、信号を受けて評価して送るために、電子回路およびプログラムコードを備える。例えば、コントローラ５３は、（i）プログラム可能集積回路チップまたは中央処理ユニット（ＣＰＵ）と、（ii）ランダムアクセスメモリおよび記憶されたメモリと、（iii）キーボードやディスプレイ等の周辺入出力装置と、（iv）アナログ、デジタル入出力ボードおよび通信ボードを備えるハードウェアインタフェースボードと、を備える。また、コントローラは、電気化学セル２２、イオンセンサ５９、電圧供給源５０を制御して監視することができるメモリ内に記憶されたプログラムコード命令を含むこともできる。プログラムコードは、従来の任意のコンピュータプログラミング言語で書き込まれてもよい。適切なプログラムコードは、従来のテキストエディタを使用して１つ以上のファイルに入力されるとともに、メモリ内に記憶されあるいは具現化される。入力されたコードテキストが高レベル言語状態である場合には、コードがコンパイルされ、その後、結果として得られたコンパイラコードが予めコンパイルされたライブラリルーチンのオブジェクトコードに関連付けられる。関連付けられてコンパイルされたオブジェクトコードを実行するために、ユーザがオブジェクトコードを呼び出し、これにより、ＣＰＵは、コードを読み取って実行することにより、プログラム中に特定されたタスクを実行する。

コントローラ５３は、イオンセンサ５９からイオン濃度信号を受けるとともに、電極４０，４５に対して電圧供給源５０により供給される電圧レベルを調整するために制御信号を可変電圧供給源５０へ送る。コントローラ５３により電圧供給源５０に対して送られた信号は、イオンセンサ５９からの信号に応じて電極４０，４５に対して加えられる時間平均電圧レベルを調整するように電圧供給源５０に指示する。例えば、コントローラ５３は、電圧制御信号を電圧供給源５０に対して送って、電圧供給源５０によって供給される時間平均電圧レベルを調整し、後述するように流出溶液８０中において所定のイオン濃度範囲を得ることができる。また、コントローラ５３は、電力変調度または時間平均電圧レベルのデューティサイクルを選択するために、制御信号を可変電圧供給源５０に対して送ることもできる。

セル２２の吐出口３５のすぐ外部に配置されたイオン導電率センサを備えるイオンセンサ５９による処理済みの流出溶液８０のイオン導電率測定を使用して、図２に示されるセル２２によるイオン濃度またはＴＤＳ濃度の制御方法を説明する。１０００μＳ／ｃｍ（〜５００ｐｐｍＴＤＳ）の導電率を有する流入溶液７０が注入口３０からセル２２内に入り、処理された溶液１３０の所望の導電率が２００μＳ／ｃｍ（〜１００ｐｐｍＴＤＳ）であり、セル２２が最初に１００Ｖで給電されると仮定する。流入溶液７０がセル２２を通過すると、面４８を有するイオン交換層により陽イオンが抽出されるとともに、面４６を有するイオン交換層により陰イオンが抽出される。イオンセンサ５９は、吐出口３５を介してセル２２から出る流出溶液８０のＴＤＳ濃度低下を表わす低いイオン導電率を測定するとともに、それに比例したイオン濃度信号を生成する。測定されたイオン濃度信号はコントローラ５３へ中継され、コントローラ５３は、制御信号をフィードバックループ５７により可変電圧供給源５０に対して送る。流出溶液８０の測定された導電率が所望のレベルである２００μＳ／ｃｍよりも低い場合、コントローラ５３は、印加電圧を下げるために制御信号を可変電源５０に対して送る。測定された導電率が所望レベルよりも大きい場合、コントローラ５３は、電圧を増大させるために制御信号を可変電源５０に対して送る。コントローラ５３は、目標値と測定されたイオン導電率との間の差に基づいて電圧を比例レベルに調整するために、プログラムされたマイクロプロセッサまたはプログラムコードを含むことができる。測定された導電率が目標値に近い場合、制御信号は、更に小さな電圧変化を加えるように可変電圧供給源５０に対して指示し、測定された導電率が目標値から遠い場合、制御信号は、更に大きな電圧変化を加えるように電圧供給源５０に対して指示する。例えば、図１の装置を使用して測定されたイオン濃度が特定のイオン、例えば硝酸塩である場合、コントローラ５３は、電圧を所定のレベルに調整してこの特定のイオンの濃度を減少または増大させるための命令を含む制御信号を可変電圧供給源５０に対して送ることができる。

他の形態においては、例えば図１に示されるように、流入溶液７０中のイオン濃度の最も早い測定値を得るために、イオンセンサ５９が流入溶液７０におけるできる限り上流側に位置される。また、イオンセンサは、流入溶液７０が水分解膜１００によって処理される前に流入溶液７０のイオン含有量の所望の検出が行なえる位置で、流入注入口３０の前またはセル２２の内側に配置されてもよい。この形態において、イオンセンサ５９は、イオンセンサ５９を示すイオン濃度信号を生成する。この実施形態では、イオンセンサ５９の測定が早期に決定できればできるほど、処理された溶液のイオン濃度をより正確に制御できる。イオンセンサ５９は、流入溶液７０のイオン濃度を測定するとともに、流入イオン濃度に関連する流入イオン濃度信号を生成する。コントローラ５３は、流入イオン濃度信号を受けるとともに、この信号に応じて時間平均電圧レベルを調整するために制御信号を可変電圧供給源５０に対して送る。フィードバックループ５７、コントローラ５３、可変電圧供給源５０は、制御信号に応じてセル２２への電圧を調整し、流入溶液７０が高いイオン濃度を含む場合には電圧を増大させ、あるいは、流入溶液７０が低いイオン濃度を含む場合には電圧を減少させる。

流入イオン組成または濃度が知られており経時的に予測できる場合、コントローラ５３は、セル２２のイオン除去ステップまたはイオン拒絶ステップ中に所定の選択された時間平均電圧を越すように電圧供給源５０に指示する制御信号を発するべく予め設定することもできる。この実施例において、コントローラ５３は、用途の知識すなわち流入溶液７０の組成および／またはセル２２の経時的な動作が予めプログラムされており、あるいは、流入溶液７０の入力量が予めプログラムされる。イオンセンサ５９およびフィードバックループは無い。コントローラ５３は、流入溶液７０または流出溶液８０のイオン濃度の変化を検出するイオンセンサ５９またはクローズドループ制御を用いることなく時間または量（体積）に応じてセル２２への電圧を調整するように可変電圧供給源５０に対して指示する。

更に他の形態においては、図９に示されるように、流出溶液８０の導電率を決定しあるいは予測して、特定のイオン濃度を制御することなく流出溶液中のＴＤＳを制御するために、セル２２の電気抵抗が使用される。この形態において、装置２０は、セル２２内の電圧バイアスを測定して電圧信号を生成するための電圧計６２と、セル２２内の電流を測定して電流信号を生成するための電流計６０とを備える。コントローラ５３は、電圧計６２から電圧信号を受け且つ電流計６０から電流信号を受けるとともに、電圧信号と電流信号との比から溶液中のイオン濃度を計算する。電流／電圧の比は、セル２２の電気抵抗を表わしているとともに、セル２２内の溶液の導電率の指標であり、したがって、流出溶液導電率の予測判断材料である。電流計６０および電圧計６２からのフィードバックループ５７は、コントローラ５３がセル２２への印加電圧を調整してイオン濃度を所望のレベルに維持できるようにする信号をコントローラ５３に対して供給する。測定されたセル抵抗は水の抵抗と膜の抵抗との和であり、したがって、コントローラ５３は、フィードバックループ５７からの信号を解釈して、膜電気抵抗の経時的変化を捕らえることもできる。動作時、電流／電圧の比の測定値はイオン濃度を評価するために使用され、また、コントローラ５３は、測定された電流／電圧比に応じて電圧を調整するために制御信号を可変電圧供給源５０に対して送る。

装置２０は、１つのセル２２ではなく、並列配置または直列配置で流体的に接続された溶液注入口３０と吐出口３５とを有する複数のセル２２を備えることもできる。例えば、その流入注入口３０ａ，ｂが並列に接続された２つのセル２２ａ，ｂを備える構成が図１０ａに示されている。この構成においては、流入水の流れが２つの流れに分けられ、それぞれの流れが別個のセル２２ａ，ｂの流入注入口３０ａ，ｂへ供給される。流出溶液は、セルのそれぞれの吐出口３５ａ，ｂから出て、イオンセンサ５９を通過する前または通過した後で再び混ぜ合わされる。電圧供給源５０は両方のセル２２ａ，ｂに同時に給電する。イオンセンサ５９からの信号がフィードバックループ５７によってコントローラ５３に伝えられ、それに伴い、コントローラ５３からの制御信号中の命令に応じて可変電圧供給源５０が調整される。この形態は、低圧または高流量での動作において有用である。

更に他の配置構成においては、２つ以上のセル２２が流体的に直列に接続される。この場合、図１０ｂに示されるように、流入溶液は、注入口３０ａから第１のセル２２ａ内に入って、第１のセルの吐出口３５ａから出るとともに、第２のセル２２ｂの注入口３０ｂ内に入って、第２のセルの吐出口３５ｂから排出され、最終的に、イオンセンサ５９を通過する。両方のセル２２ａ，ｂの電極４０ａ，ｂ，４５ａ，ｂを１つの電圧供給源５０に対して並列に接続することができ、あるいは、各セルが別個の電圧供給源５０を有することもできる。コントローラ５３は、連続的に処理された溶液のイオン含有量に関するイオンセンサ５９からの信号を受けるとともに、各セル２２ａ，ｂの電極４０ａ，ｂ，４５ａ，ｂに対して印加される電圧を制御して、各セル２２ａ，ｂにおけるイオン除去を制御する。図１０ｃに示される形態において、第１のセル２２ａは、１つの一定の電圧をセル２２ａに対して供給する定電圧供給源５０ｃにより給電され、また、第２のセル２２ｂは可変電圧供給源５０によって給電される。イオンセンサ５９は、第２のセル２２ｂの吐出口３５ｂの外側で、処理された流出溶液８０中に位置されている。この配置構成において、セル２２ａは、第２のセル２２ｂの流入溶液のための前処理として最大脱イオン化を行ない、第２のセル２２ｂでは、所望のイオンレベルを得るために、セルのイオン含有量が制御される。イオンセンサ５９、フィードバックループ５７、コントローラ５３、可変電圧供給源５０は、セル２２ａではなく、セル２２ｂへの電圧の調整のみを行なうことができる。

［実施例１：定電圧］
この実施例は、イオン除去サイクルにわたる水分解イオン交換膜１００のイオン除去効率の損失について実証する。ＴＤＳ含有量減少実験において、円筒状のハウジング２５内に螺旋状に巻回された水分解膜１００を備えるセル２２が使用された。電流制限が１Ａの定電圧電源が使用され、そのため、フィードバック回路が使用されなかった。セル２２は、中心電極と外側電極との間に膜１００の３０個の層を備えていた。膜１００の陽イオン交換層５１が外側に面し、陰イオン交換層４９が内側に面した。最初に、〜５０μＳ／ｃｍの供給水流を使用して１６０ｍｌ／分および３００Ｖでイオン拒絶ステップにより２０分間、セル２２を再生し、脱イオン化またはイオン除去ステップに備えた。再生ステップ中、電極４０，４５に対する電流が０．５〜１．０アンペアに維持され、セル２２内の螺旋状の膜１００の内側から外側に向けて流入溶液７０が流された。

その後、脱イオン化またはイオン除去ステップにおいて、流入溶液の流れ方向およびセル２２の電極４０，４５に対して印加される時間平均電圧の極性が逆にされた。溶解固体またはイオンを有する水を含み且つ初期イオン導電率が５０４μＳ／ｃｍの流入溶液７０が、１．５リットル／分で、セル２２を通じて圧送された。電極４０，４５に対して印加された電圧は、可変電圧電源５０から利用できる最大電圧、すなわち、１アンペア最大電流に制限される３００Ｖであった。その結果は、イオン交換サイクルの全体にわたって全電力が印加された定電圧曲線として図１１のグラフに示されている。初期の高い導電率は、最初の３０秒にわたるセル２２からの最後の再生溶液のパージに起因しており、その後、かなり安定した導電率が４分間にわたって出力された後、流出水導電率の一様な増大が、実験が停止された１６分における２５０μＳ／ｃｍまで生じた。この実施例は、流入溶液７０から除去されたイオンで水分解膜１００が飽和するように、流出溶液８０中のイオン含有量が経時的に徐々に増大することを示している。その結果、流出溶液８０のイオン濃度は、処理サイクル中に一定に保たれないが、その代わり、１５０μＳ／ｃｍから２５０μＳ／ｃｍへの導電率の増大に対応する５のファクタ分だけ変化する。

［実施例２：可変電圧］
この実施例において、装置２０は、イオンセンサ５９を有する実施例１のセル２２を備えていた。イオンセンサ５９は、イオン濃度信号を解釈して可変電圧供給源５０の出力電圧を制御するためのマイクロプロセッサを備えるコントローラ５３に対して接続された導電率センサであった。この実験における目標イオン導電率は１２５μＳ／ｃｍであった。先の実験は、流出溶液８０のイオン導電率における目標導電率からの様々な偏差に関して使用される出力電圧を決定した。その結果は、可変電圧曲線として図１１に示されている。測定された導電率が目標値の１２５μＳ／ｃｍを超えると、コントローラ５３がセル２２への電圧を増大し、その直後に流出溶液８０の導電率が減少した。流出溶液８０におけるゆっくりとした増減変化は、システムの限られた応答時間の結果である。これは、セル２２の空隙容量および流量に大きく依存している。この図からわかるように、流出溶液の導電率は、１６分全体にわたってあるいは処理された２４リットルの溶液に関して、１２５±２５μＳ／ｃｍに制御されている。一方、実施例１の全（または単一）電力実験は、処理された流出溶液８０をこの目標範囲で３分間だけあるいは４．５リットルの体積だけ供給した。

本装置２０および方法により、流入溶液７０の処理は、流出溶液において選択されたあるいは制御されたイオン濃度を与えることができる。例えば、本装置２０および方法は、流出溶液８０が飲水としての風味があるかどうか、軟水における硬さがあるかどうか、あるいは、工業プロセスにおける特定のＴＤＳ含有量があるかどうかにかかわらず、特定の目的に最も適した制御された濃度のイオンを有する水を含む処理済みの流出溶液８０を供給できる。また、本発明は、水の過度の脱イオン化を回避することにより、電解イオン交換装置の脱イオン化サイクルの作業能率を伸ばすこともでき、それにより、更なる水処理のためのイオン交換能力を保つことができる。化学的なシステムではなく可変電圧を使用することにより、装置２０の複雑度が減少し、資本コストおよび作業コストを低減できる。また、流入溶液および流出溶液は、イオン濃度を制御するための溶液流出時に生じ得る二次汚染の虞を避ける。また、装置２０は、良好なイオン選択性、ミネラルスケールの汚染に対する耐性、濃縮再生流出溶液型の従来のイオン交換も与える。

その典型的な形態に関して本発明をかなり詳細に説明してきたが、当業者であれば分かるように、他の形態も可能である。例えば、流入イオン濃度、体積、または、望まれる処理に応じて、他の配置構成の電気化学セルを使用することもできる。また、他の電圧供給源は、他の用途に適した電圧、例えばＡＣ成分を有する単一極性の電圧を供給するように設計可能である。更に、第１、第２、外側、内側等の相対語は、本発明を説明するためだけに与えられており、互いに置き換え可能である。例えば、第１の電極が第２の電極であってもよい。したがって、添付の請求項の思想および範囲は、ここに含まれる好ましい形態の説明に限定されるべきではない。

電解イオン交換セル、電源、制御システムを示す本発明の装置の一実施形態の概略側断面図である。 螺旋状の膜を備える電解イオン交換セルを有する装置の他の実施形態の側断面図である。 図２の電解イオン交換セルの平面図である。 イオン除去ステップ（ａ）およびイオン拒絶ステップ（ｂ）における可変時間平均電圧を示すグラフである。 位相制御電圧供給源を備える可変電圧供給源の回路図である。 図５の位相制御電圧供給源によって生成される典型的な入力ＡＣ電圧およびＤＣ出力電圧波形を示すグラフである。 図５の位相制御電圧供給源によって生成される典型的な入力ＡＣ電圧およびＤＣ出力電圧波形を示すグラフである。 図５の位相制御電圧供給源によって生成される典型的な入力ＡＣ電圧およびＤＣ出力電圧波形を示すグラフである。 パルス幅変調を伴う切換電圧供給源のブロック図である。 図７ａの電圧供給源により生成される出力デューティサイクル変調ＤＣ電圧を示すグラフである。 図７ａの電圧供給源により生成される入力ＡＣ電圧信号を示すグラフである。 切換ＤＣ電圧供給源９０の回路図である。 セルの電極に印加される電圧を制御するために電流測定値および電圧測定値を使用する装置の一実施形態の概略断面図である。 並列に接続された２つのセルを備える本発明の一実施形態である。 直列に接続された２つのセルを備える一実施形態である。 直列に接続された２つのセルを備え且つ定電圧電源および可変電圧電源を使用する一実施形態である。 定電圧レベル（一定の電圧）または可変電圧レベル（変化可能な電圧）で処理された流出溶液において得られる導電率レベルを比較して示すグラフである。

Claims (22)

1. イオンを含む流入溶液を処理し、その結果として得られる流出溶液において選択可能なイオン濃度を得る装置であって、
   （ａ）電気化学セルであって、
   （ｉ）第１および第２の電極を備えるハウジングと、
   （ｉｉ）前記第１の電極と前記第２の電極との間に設けられ、（ｉ）互いに接触する陽イオン交換層と陰イオン交換層、（ｉｉ）前記第１の電極と対向する陽イオン交換面、および（ｉｉｉ）前記第２の電極と対向する陰イオン交換面を備える水分解イオン交換膜と、
   （ｉｉｉ）間に溶液チャンネルを有する流入溶液注入口および流出溶液吐出口であって、前記溶液チャンネルにより流入溶液が前記水分解イオン交換膜の前記陽イオン交換面および前記陰イオン交換面の両方を通過して流れることができ、それにより流出溶液が形成される流入溶液注入口および流出溶液吐出口と、
   を備える電気化学セルと、
   （ｂ）イオン交換段階中に前記第１および第２の電極を複数の選択可能な電圧レベルに維持することができ、各選択可能な電圧レベルが異なる大きさを有すると共に、流出溶液において異なるイオン濃度を与えるようになっている可変電圧供給源と、
   を具備する装置。
2. 前記電圧レベルが、それぞれ大きさは異なるが、ほぼ同じ極性を有する時間平均電圧レベルを含む、請求項１に記載の装置。
3. 前記イオン交換段階が、イオン除去ステップまたはイオン拒絶ステップを含む、請求項１に記載の装置。
4. 前記可変電圧供給源が、
   （１）位相制御電圧供給源を備え、
   （２）パルス幅変調を伴う切換電圧供給源を備え、
   （３）変化可能な所定の大きさのパルス電圧を供給し、または
   （４）所定の大きさのパルス電圧を供給する、
   請求項１に記載の装置。
5. 前記セル内の電圧バイアスを測定して電圧信号を生成するための電圧計と、前記セル内の電流を測定して電流信号を生成するための電流計と、前記電圧信号と前記電流信号との比から溶液中のイオン濃度を決定するとともに、イオン濃度に応じて前記電極に対して印加される電圧レベルを調整するために制御信号を前記可変電圧供給源に対して送るコントローラとを備える、請求項１に記載の装置。
6. （１）（ｉ）流入溶液、少なくとも一部が処理された溶液、または、流出溶液のイオン濃度を測定するとともに、（ｉｉ）イオン濃度信号を生成するためのイオンセンサと、
   （２）前記イオン濃度信号を受けるとともに、前記イオン濃度信号に応じて電圧レベルを調整するために制御信号を前記可変電圧供給源に対して送るコントローラと、
   を備える請求項１に記載の装置。
7. イオンを含む流入溶液を処理して、流出溶液中のイオンの濃度を制御する方法であって、
   （ａ）互いに接触する陽イオン交換層および陰イオン交換層を備える水分解イオン交換膜の陰イオン交換面および陽イオン交換面の両方を通過するように流入溶液を流して、流出溶液を形成するステップと、
   （ｂ）前記水分解イオン交換膜の前記陰イオン交換面および前記陽イオン交換面にわたって時間平均電界を維持するステップと、
   （ｃ）それぞれが異なる大きさを有する複数の選択可能な電圧レベルの一つを選択することにより、流入溶液のイオン交換段階中に前記時間平均電界の強度を変えて、流出溶液のイオン濃度を制御するステップと、
   を含む方法。
8. 前記ステップ（ｃ）が、
   （ｉ）前記水分解イオン交換膜の前記陰イオン交換面および前記陽イオン交換面の周囲で前記電極に対して印加される変化可能な大きさのパルス電圧の時間平均電圧レベルを変えること、
   または、
   （ｉｉ）前記水分解イオン交換膜の前記陰イオン交換面および前記陽イオン交換面の周囲で前記電極に対して印加される所定の大きさのパルス電圧レベルのデューティサイクルを変えること、
   を含む、請求項７に記載の方法。
9. 少なくとも一部が処理された流入溶液のイオン濃度を測定するとともに、測定されたイオン濃度に応じて前記時間平均電界の強度を変えるステップを含む、請求項７に記載の方法。
10. 溶液および前記水分解イオン交換膜を通じて流れる電流および電圧を測定するとともに、電圧測定値と電流測定値との比から溶液中のイオン濃度を決定するステップを含む、請求項７に記載の方法。
11. イオンを含む流入溶液を処理し、流出溶液中のイオンの濃度を制御する方法であって、（ａ）互いに接触する陽イオン交換層および陰イオン交換層を備える水分解イオン交換膜の陰イオン交換面および陽イオン交換面の両方を通過するように流入溶液を流して、流出溶液を形成するステップと、
    （ｂ）前記水分解イオン交換膜の前記陰イオン交換面および前記陽イオン交換面にわたって時間平均電界を維持するステップと、
    （ｃ）それぞれが異なる大きさを有するとともに、流出溶液において異なるイオン濃度を与える複数の選択可能な電圧レベルの一つを選択することにより、流入溶液のイオン交換段階中に前記時間平均電界の強度を設定するステップと
    を含む方法。
12. 少なくとも一部が処理された流入溶液のイオン濃度を測定するとともに、測定されたイオン濃度に応じて前記時間平均電界の強度を変えるステップを含む、請求項１１に記載の方法。
13. 溶液を処理するための装置であって、
    （ａ）第１および第２の電極を有するハウジングと、これらの電極間のイオン交換膜と、溶液チャンネルとを備える電気化学セルと、
    （ｂ）前記第１および第２の電極間に電圧を印加するための電圧供給源と、
    （ｃ）前記電気化学セルの前記溶液チャンネルを通る溶液の流れを制御する流れ制御装置と、
    （ｄ）（ｉ）イオン除去ステップにおいて、陽極として前記第１の電極を維持するとともに、前記第１の電極に対して陰極として前記第２の電極を維持するように前記電圧供給源を制御し、かつ、前記溶液チャンネルを通して溶液を流すように前記流れ制御装置を制御するコントローラであり、
    （ｉｉ）イオン拒絶ステップにおいて、陰極として前記第１の電極を維持するとともに、前記第１の電極に対して陽極として前記第２の電極を維持するように前記電圧供給源を制御し、かつ、前記溶液チャンネルを流れる溶液の流れを反転させるように前記流れ制御装置を制御する前記コントローラと、
    を具備する装置。
14. 前記電圧供給源が、前記第１及び第２の電極に印加される電圧の極性を切り換える極性スイッチを含み、
    前記イオン拒絶ステップにおいて、前記コントローラが、前記イオン除去ステップにおける前記第１および第２の電極の極性に対して前記第１および第２の電極の極性が逆になるよう前記極性スイッチを制御する、請求項１３に記載の装置。
15. 前記イオン除去ステップにおいて、前記電圧供給源が前記第１および第２の電極に対して第１の時間変調電圧を印加し、
    前記イオン拒絶ステップにおいて、前記電圧供給源が前記第１および第２の電極に対して第２の時間変調電圧を印加し、
    前記第１の時間変調電圧が第１の大きさを有し、前記第２の時間変調電圧が前記第１の時間変調電圧と異なる大きさを有している、請求項１３に記載の装置。
16. 前記イオン除去ステップまたは前記イオン拒絶ステップにおいて、前記電圧供給源が前記第１および第２の電極に対して定電圧レベルまたはパルス電圧レベルを印加する、請求項１３に記載の装置。
17. 前記電圧供給源が、ＡＣ電圧の半波整流または全波整流により可変ＤＣ電圧を供給する、請求項１３に記載の装置。
18. 前記イオン交換膜が、前記第１の電極と対向する陽イオン交換面と、前記第２の電極と対向する陰イオン交換面とを備え、前記溶液チャンネルにより溶液が前記水分解イオン交換膜の前記陽イオン交換面および前記陰イオン交換面の両方を通過して流れることができるようになっている、請求項１３に記載の装置。
19. 前記電気化学セルが、前記第１の電極に隣接する流入溶液注入口と、前記第２の電極に隣接する流出溶液吐出口とを備え、
    イオン除去ステップにおいて、前記コントローラが、前記流入溶液注入口を通して溶液を供給するように前記流れ制御装置を制御し、イオン拒絶ステップにおいて、前記コントローラが、前記流出溶液吐出口を通して溶液を供給するように前記流れ制御装置を制御するようになっている、請求項１３に記載の装置。
20. イオンを含む溶液を処理するための装置であって、
    （ａ）第１および第２の電極を有するハウジングと、これらの電極間のイオン交換膜と、溶液チャンネルとを備える電気化学セルと、
    （ｂ）前記第１および第２の電極間に電圧を印加するための可変電圧供給源と、
    （ｃ）前記電気化学セルの前記溶液チャンネルを通る溶液の流れを制御する流れ制御装置と、
    （ｄ）（ｉ）イオン除去ステップにおいて、溶液を脱イオン化するよう前記第１および第２の電極に電圧を印加しながら、前記溶液チャンネルを通して溶液を流すよう、前記可変電圧供給源および前記流れ制御装置を制御するコントローラであり、
    （ｉｉ）イオン拒絶ステップにおいて、前記溶液チャンネルを通して溶液を流すことにより前記イオン交換膜を再生するように、かつ、（１）第１の再生ステップにおいて、所定の時間、前記電気化学セルの前記第１および第２の電極に第１の電圧を供給し、（２）第２の再生ステップにおいて、所定の時間、前記電気化学セルの前記第１および第２の電極に、前記第１の電圧とは異なる第２の電圧を供給するように、前記可変電圧供給源および前記流れ制御装置を制御する前記コントローラと、
    を具備する装置。
21. 前記第１の電圧および前記第２の電圧は、
    （１）前記第１の電圧および前記第２の電圧が異なる大きさを有すること、
    （２）前記第１の電圧および前記第２の電圧が、前記イオン除去ステップにおいて印加される電圧に対して反対の値を有すること、および、
    （３）前記第１の電圧が第１のデューティサイクルを有するパルス電圧からなり、前記第２の電圧が第２のデューティサイクルを有するパルス電圧からなること
    の少なくとも一つによって特徴付けられている、請求項２０に記載の装置。
22. 前記可変電圧供給源が、
    （１）前記イオン除去ステップにおいて前記第１および第２の電極に与えられる極性に対して前記イオン拒絶ステップにおいて前記第１および第２の電極に与えられる極性を切り換えるための極性スイッチ、
    （２）溶液の流れを制御する流れ制御装置であり、前記コントローラにより、前記イオン除去ステップにおける前記溶液チャンネルを通る溶液の流れの方向に対して、前記イオン拒絶ステップにおいて、前記溶液チャンネルを通る溶液の流れの方向を逆転させるようになっている、前記流れ制御装置、および、
    （３）再生された廃棄溶液のイオン濃度を測定しイオン濃度信号を生成するイオンセンサであり、前記コントローラが、前記イオン濃度信号を受けるとともに、前記イオン濃度信号に応じて前記第１および第２の電極に印加される電圧を調整するために制御信号を前記可変電圧供給源に対して送るようになっている、前記イオンセンサ、
    の少なくとも一つを含む、請求項２０に記載の装置。

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