JP5126772B2 - 水処理システム及び方法 - Google Patents

Description

本発明は水を浄化又は処理する、より具体的には水中の全溶解固形物を減少又は除去する方法及び装置を対象にする。

カルシウム及びマグネシウムのような硬度種を含む水は、産業、商業及び家庭用途でのある種の使用に望ましくないことがある。水の硬度分類の典型的な指針は、炭酸カルシウムとして１リットル当たりゼロ〜６０ミリグラム（ｍｇ／ｌ）が軟らかい、６１〜１２０ｍｇ／ｌが中程度に硬い、１２１〜１８０ｍｇ／ｌが硬い、かつ１８０ｍｇ／ｌ超が非常に硬いと分類される。

硬水は、硬度イオン種を除去又は減少させることによって軟水にできるか、又は浄化できる。かかる種を除去するシステムの例は、イオン交換床を使用するものを含む。かかるシステムにおいて、硬度イオンは、イオン交換樹脂の表面で混合される逆帯電したイオン種にイオン結合される。イオン交換樹脂は、最終的にはイオン結合した硬度イオン種で飽和するようになり、再生されねばなならい。再生は通常、結合した硬度種を塩化ナトリウムのような可溶性が高いイオン種と置換することを伴う。イオン交換樹脂に結合した硬度種は、ナトリウムイオンによって置換され、イオン交換樹脂は、再度その後の軟水化ステップに使用できる状態になる。

このようなシステムが開示されている。例えばＤｏｓｃｈは、米国特許第３１４８６８７号明細書でイオン交換樹脂を使用する軟水装置を含む洗浄機を教示している。同様に、Ｇａｄｉｎｉらは、国際特許出願公開第ＷＯ００／６４３２５号で、水の硬度を減少させる改良された装置を有する水を使用する家庭用器具を開示している。Ｇａｄｉｎｉらは、制御システム、外部源からの送水システム、及び電気化学電池による軟化システムを有する家庭用器具を教示している。

電気再生式脱イオン方式（ＥＤＩ）は、水を軟水にするために使用できる１つの工程である。ＥＤＩは、イオン輸送に影響を与えるために電気的活性媒体及び電位を使用して液体からイオン性種を除去する工程である。電気的活性媒体は、イオン化可能な種の収集と放出を交互に行うか、又はイオン若しくは電子置換メカニズムによって連続的にイオンの輸送を容易にするために機能し得る。ＥＤＩ装置は、永久的又は一時的電荷を有する媒体を含むことができ、かつ性能を達成又は強化することを目的とする電気化学反応を引き起こすために操作できる。これらの装置は、半透性イオン交換又は両極性膜のような電気活性膜も含む。

連続電気再生式脱イオン方式（ＣＥＤＩ）は、一次サイジングパラメータが、媒体による輸送であって、媒体のイオン容量でない工程である。典型的なＣＥＤＩ装置は、電気的活性半透性アニオン及びカチオン交換膜を交互に含む。膜間の空間は、入口及び出口を有する液体流れ区画を作るように構成される。横方向直流電界が、膜及び区画の境界で電極を使用して外部電源によって与えられる。多くの場合、電解液区画が、電極からの反応生成物が他の流れ区画から分離できるように提供される。電界を与えると、液体中のイオンは、そのそれぞれの対電極に引き付けられる。陽極に面する電気的活性アニオン浸透膜、及び陰極に面する電気的活性カチオン膜に接する隣接区画は、通常、イオン減耗されるようになり、かつ陽極に面する電気活性カチオン浸透膜、及び陰極に面する電気活性アニオン膜に接する区画は、通常、イオン濃縮されるようになる。イオン減耗区画、及び実施態様によってはイオン濃縮区画内の容量は、電気的活性媒体を同様に含む。ＣＥＤＩ装置において、媒体は、密接に混合したアニオン及びカチオンイオン交換樹脂を含み得る。イオン交換媒体は、通常、区間内のイオンの輸送を強化し、かつ制御された電気化学反応の基質として関与し得る。電気再生式脱イオン方式は、例えば米国特許第４６３２７４５号、第４９２５５４１号、及び第５２１１８２３号明細書でＧｉｕｆｆｒｉｄａらによって、米国特許第５２５９９３６号及び第５３１６６３７号明細書でＧａｎｚｉによって、米国特許第５１５４８０９号明細書でＯｒｅｎらによって、かつ米国特許第５２４０５７９号明細書でＫｅｄｅｍによって記載されている。

一つの形態として、本発明は、陰極区画と、陽極区画と、少なくとも１つのイオン減耗区画とを含み、少なくとも１つのイオン減耗区画の一部が、陰極区画及び陽極区画の間に設置されており、陰極区画は、イオン減耗区画に流体的に接続される浄水装置を提供する。

もう１つ形態において、本発明は、第２流体を生成するために、第１流体の一部を電気化学装置のイオン減耗区画に通すことと、第２流体の少なくとも一部を電気化学装置の陰極区画に通すこととを含む流体を浄化する方法を提供する。

もう１つ形態において、本発明は、第２水流を生成するために、第１水流の第１部分を浄水装置の陰極区画に通すことと、第２水流の少なくとも一部を浄水装置のイオン減耗区画に通すこととを含む水を浄化する方法を提供する。

もう１つ形態において、本発明は、第２流体を生成するために、第１流体の第１部分を電気化学装置のイオン濃縮区画に通すことと、第３流体を生成するために、第１流体の第２部分を電気化学装置の減耗区画に通すことと、第２流体のｐＨを減少させることと、第３流体の腐食性を減少させることとを含む方法を提供する。

もう１つ形態において、本発明は、軟水を家庭消費用に連続的に提供するように構成可能である電気再生式脱イオン装置を提供する。

本発明の好ましい、但し必ずしもこれに限るわけではない実施態様は、例として、かつ添付図面を参照して記載される。

本発明は、消費及び家庭用の上質な水を生成するために、使用地点で、又はその近くで、例えば住宅で使用できる水の浄化又は処理方法及び装置を提供する。本発明は、とりわけ設置面積が小さい、電力消費量が低い、保守負担が軽い、化学物質添加がない、及び溶解固形物の純増加がないなどの特性を有する低コスト装置を使用して、軟水のような処理された水道水を提供することができる。

ここで記載された例は、電気再生式脱イオン装置を使用しているが、容量脱イオン化、及び電気透析のような他の浄水及び水処理装置及び技術も応用可能である。すなわち、電気再生式脱イオン装置に言及する場合、本発明のシステム及び技術は、電気透析装置及び／又は脱イオン化装置のような他の浄水装置とともに、かかる装置の使用が本発明の原理と矛盾しないという条件で、使用できる。

１つの実施態様において、本発明は家庭用の浄水又は処理水を提供するために連続的電気再生式脱イオン装置を含む。このＣＥＤＩ装置は、１つ以上のイオン減耗区画と、１つ以上のイオン濃縮区画と、陰極区画と、陽極区画とを有する電気脱イオン化モジュールを含むことができる。原水がＣＥＤＩ装置に供給され、かつ２つ以上の別個の水流に分割できる。第１水流はイオン減耗区画及び陰極区画の両方に供給でき、他方で第２水流はイオン濃縮区画及び陽極区画に供給できる。もう１つの実施態様において、水流はイオン減耗区画及び両方の電極区画に、直列又は並列に供給できる。

電気再生式脱イオン装置の効率的な操作は、１つ以上の区画、又はポンプ、オリフィス及び弁のような装置の外側部分の中の堆積物及びスケール蓄積によってしばしば妨げられ得る。主にカルシウム塩からなるスケールの堆積は、ランゲリア飽和指数が０を超える時に起きる。通常、ｐＨ、全溶解固形物（ＴＤＳ）、温度、硬度、アルカリ度及び二酸化炭素濃度を含むが、それらの限定されない、幾つかの要因がＬＳＩに寄与する。ＬＳＩは、どれ程スケール形成が起きるかを示さないが、水がスケールを堆積させるか（ＬＳＩ＞０）、カルシウム堆積物を溶解するか（ＬＳＩ＜０）、又はカルシウム堆積物に関して平衡であるか（ＬＳＩ＝０）に関する情報を提供できる。一般的に、ＬＳＩは、水を平衡状態に至らせるために必要とされるｐＨ変化に等しい。例えば、１．０のＬＳＩを示す水は、１．０ｐＨ単位だけ水のｐＨを減少させることによって、平衡状態に至らせることができる。水のＬＳＩの算出に適した式及びチャートは、ＡＳＴＭ Ｍｅｔｈｏｄ Ｄ−３７３９に見られる。

ＣＥＤＩ装置において、スケール形成は、しばしば、カルシウム及び他の溶解種濃度が増加するイオン濃縮区画内の問題である。幾つかのスケール形成のケースは、陽極の機能と陰極を交互に行い、かつイオン減耗及びイオン濃縮区画の機能も交互に行える、逆極性システム及び技術を使用することによって回避又は除去できる。このようにして高ＬＳＩ水は、スケールが蓄積されかねない広範囲な期間にわたって同じ区画に曝露されることはない。かかるシステム及び技術は、例えば米国特許第４９５６０７１号明細書でＧｉｕｆｆｒｉｄａらによって記載された。

イオン濃縮区画のみならず、スケール形成は、その１つが水酸化物イオンの純生成量によるｐＨ増加であり得る、幾つかの要因のために、陰極区画内でも現れる。このようにして、低いＬＳＩ、負のＬＳＩさえも有する給水は、ｐＨ増加のためにスケールを堆積させ始めることがある。かかるｐＨ増加は、幾つかのＣＥＤＩシステムにおいて１、２、３又はそれ以上までのｐＨ単位を包含する。

所与の陰極区画に関して、陰極区画を通過する電解質中のｐＨ増加は多くの要因に依存する。これらの要因としては陰極区画を通る電解質の流れ、並びに区画を通過する電流などがあるが、それらに限定されない。従って、いかなるｐＨ増加も、例えば陰極区画を通る流体の流量を増加させること、又は電流値を減少させることによって最小限に抑えることができる。増加した流体の流れは、通常、増加した水の使用を引き起こすが、しかしながら、かつ従ってシステムから得られる処理水の収率を減少させる。

本発明の１つ以上の実施態様によれば、水の使用も減少させながら、いかなるｐＨ増加も減少させる方法が提供される。水は、陰極区画及び１つ以上のイオン減耗区画を通すことができ、かつ本来は陰極区画のみに割り当てられるであろう水は、生成水及び陰極区画の電解液の両方の役目を果たすことができる。水は、生成水として使用する前に、最初に１つ以上、又は全部のイオン減耗区画に、かつ次に陰極区画に供給される。あるいは、給水は、最初に陰極区画を通り、次に１つ以上のイオン減耗区画を通り、そして次に使用地点に移動する。このようにして、陰極区画を通過する水の全部又は一部は、生成水として使用でき、水節約がもたらされる。陰極区画が、１つ以上のイオン減耗区画に流体的に接続され得るかかる構成は、同様に陰極を介した水システムの有効な接地を与えることができ、それ故に、例えば家庭用水システムのような特殊な設置に好まれる、より高いレベルの安全性及び供給能力をもたらす。

水は、陰極区画への流入時から流出時まで約２未満のｐＨ単位のｐＨの増加をもたらす速度で、陰極区画に供給され得る。他の実施態様においては、ｐＨ増加は、約１、０．５、０．２、０．１又はそれ未満のｐＨ単位に限定され得る。ｐＨ増加を減少させるいかなる技術も用いることができる。陰極液中でｐＨ増加を制御する１つの方法は、陰極区画を通る流体の流れを増加させることによる。陰極区画を通る水の流れを、モジュール内の減耗区画の１つを通る流れと比較すると、約１：２、１：５、１：１０、１：５０又はそれを超える流れ比率が、好ましいＬＳＩを示す水を提供できる。例えば、１つのイオン減耗区画を通る流れが、１時間当たり約４０リットルならば、陰極区画を通る流れは、１時間当たり約４００リットルで、イオン減耗区画を通る流れ及び陰極区画を通る流れの間で約１：１０の比率となる。モジュール内の全部のイオン減耗区画を通過する水が、同様に陰極区画を通って導かれるならば、（各区画を通る流れが等しいと仮定して）陰極区画及び個別のイオン減耗区画の間の流れの比率は、モジュール内のイオン減耗区画の数と等しい。例えば、２５のイオン減耗区画を含むモジュールにおいて、イオン減耗区画を通過する全ての水が陰極区画も通過するならば、イオン減耗区画のいずれかを通過する水の流れの陰極区画に対する比率は、各イオン減耗区画を通過する流れが同じであれば、約１：２５になる。

生成水を陰極液として使用することは、いくつかの理由で直感に合わないように見えることがある。例えば、陰極区画内の生成水の高い抵抗率は通常は低い抵抗率の水よりも良好に機能する、などの理由により。しかしながら生成水は、陰極区画を通る導電率がモジュールの性能が著しく低下する範囲に変更されないように、十分に低い抵抗率、例えば約１メガオーム未満であっても良い。更に、生成水が陰極区画を通過する際に、生成水へ溶解水素ガスを添加することにより、ＬＳＩの同時増加なしに低い腐食性の水を提供できる。この水は、例えば抗酸化活性により、健康上の利点も提供できる。これを使用して生成された水は、未加工の水道水又は従来の手段によって軟化された水よりも、銅又は銅含有部品への腐食性が低い。

陰極区画を通る流量は、スケール形成を最小限に抑えるために適切であるように設定又は調整できる。好ましくは、陰極区画を通る流量は、モジュールを流れる電流１アンペア当たり、毎分約５リットルを超える水である。より好ましくは、陰極区画を通る水の流量は、モジュールを通って印加される１アンペア当たり、毎分約１２リットル以上である。通常、陰極区画内で起きるｐＨ上昇は、要因の中でもとりわけ、区画を流れる電流との相関関係にあるので、ｐＨ増加は、電流増加に対応して、区画を通る流量を増加することによっても緩和できる。

従来のＣＥＤＩモジュールは、しばしばイオン濃縮区画内のスケール形成に遭う。このことは、その中の水中のカルシウム濃度増加の結果であり得る、ＬＳＩ増加に起因することもある。

もう１つの実施態様において、イオン濃縮区画内のスケール形成は、濃縮区画を通過する水のＬＳＩを下げることによって減少できる。この減少を達成する１つの方法は、陽極液として水流濃縮物の少なくとも一部を使用することによる。このようにして、カルシウム及び他の溶解イオン成分の高い濃度の結果生じるＬＳＩ増加は、ＬＳＩのｐＨ成分を下げることによって対抗できる。このことは、陽極区画に濃縮物を通すことによって行うことができる。例えば水は、最初にＣＥＤＩモジュール内の１つ以上の濃縮区画を通過でき、かつ次に陽極液として陽極区画を通り導かれ得る。次に水は、廃棄物として放出されるか、又は高濃度の溶解種を作るために、それによって放出せねばならない水量を減少させるか又は節約するために、システムを通して再循環される。それ故に、少なくとも１つの濃縮区画及び少なくとも１つの陽極区画を含む「ループ」を用いることができる。水の一部は、スケール形成をもたらし得るレベルへのカルシウム又は他のイオン成分の蓄積を妨げるために、かかる濃縮区画／陽極区画ループから絶えず又は断続的に抜き取るか、又は放出できる。あるいは、廃棄物になる代わりに、このイオン濃度が高められた水は、処理水を必要としない用途、例えば灌漑、及び他の従来の家庭雑排水用途で使用できる。

水は、最初に陽極区画、又は最初に１つ以上のイオン濃縮区画を通過できる。例えば、最小ｐＨ水を所望するのであれば、陽極区画内の流体滞留時間は、例えば数個又は唯一のイオン濃縮区画と流体的に連通させることによって増加できる。これと異なって、全てのイオン濃縮区画が、陽極区画と連通しているのであれば、これらの水流の各々は流体に寄与し、また陽極区画を通る流れはより大きくなり、結果としてより小さいｐＨ減少をもたらすことになる。

水は、最初に陽極区画、かつ次に１つ以上のイオン濃縮区画を通過できるか、あるいは水は、最初に１つ以上のイオン濃縮区画、かつ次に陽極区画を通過できる。イオン濃縮区画内でのスケール形成を妨げるためには、最初に流体の水流を陽極区画に、かつ次にイオン濃縮区画に供給することが好ましい。このようにして、供給のｐＨが、イオン濃縮区画に導入される前に（ＬＳＩのように）下げられる。水が陽極区画を通過し、かつイオン濃縮区画が、再循環ループの一部である時には、水を最初に陽極区画に通すことは、重要でないことがある。その理由は再循環ループ内の（通常、その一部が陽極区画をすでに通過した）流体は、新鮮な供給を２つの区画に導入する順序に拘わらず、１つ又は全部のイオン濃縮区画に減少したｐＨを有する水を一貫して提供できるからである。

本発明のもう１つの実施態様において、モジュールの少なくとも１つのイオン減耗区画は、陰極区画と連通し、かつモジュールの少なくとも１つのイオン濃縮区画は、陽極区画と流動連通する。本発明の更にもう１つの実施態様において、モジュールの印加電気極性が切り替えられた時、極性反転が完成した直後に、２つの流体の水流がこれに対応してそれぞれの機能を交換できるように、陽極／濃縮区画の構成は、陰極／減耗区画の構成と類似又は同一であって良い。このことは、多くのＣＥＤＩ極性反転システムと比較して、要求される弁の数を減少させる極性反転システムを提供できる。それ故に、極性反転の必要性は他の設計変更に起因するＬＳＩ減少のために縮小し得るが、極性反転を望むならば、ループの機能は極性変更に適応させるために切り替えることができる。

２つのループの各々を、濃縮／陽極ループ及び減耗／陰極ループの役目を交互に果たせるように構築することによって、ループ全体及びその関連する部品は、高いＬＳＩ流体に連続的に曝露されることがなくなる。すなわち、各ループは、各ループが交互の濃縮及び減耗の役割を果たすことを可能にする、ある程度の機能対称性を有する部品で構成することができる。

本発明のもう１つの実施態様によれば、水処理システム、好ましくは図３に示されたもののようなＣＥＤＩに基づくシステムは、処理水が再生なしに連続的に家庭消費用に生成できるように使用地点に提供される。処理水の供給は、再装入可能な軟水装置のような従来の水処理装置が再生を必要とする時に中断される。しかしながら、本発明は、軟水の中断なしの供給を可能にできる。その上、このシステムは、伝統的な水処理システムの設置及び保守の訓練を受けた技術者によって設置され、かつサービスの提供を受けることができる。

図１は、本発明の１つの実施態様を示す。モジュール１００は、平行かつ交互に設置されたイオン減耗及びイオン濃縮区画の群、並びにモジュールの反対端の関連する陰極及び陽極区画を示す断面図である。粒子及び／又は炭素フィルタを通過することによって処理された、又は処理されていない家庭用水源、例えば井戸水又は都市用水からの水は、導管１１６のような１つ以上の導管によってシステムに供給される。導管１１６から、水は、イオン減耗区画１４０ａ、１４０ｂ及び１４０ｃを通って供給される。水は、導管１１８からイオン濃縮区画１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃへ供給される。減耗及び濃縮区画の両方は、通常、電気的活性物質又は（結合、又は非結合であっても良い）イオン交換樹脂若しくは繊維のようなイオン交換物質によって満たされ、かつ各区画は、アニオン浸透膜及びカチオン浸透膜によって結合されている。但し、他の実施態様において、区画は、２つの類似タイプの膜によって結合できる。イオン減耗区画１４０ａ、１４０ｂ及び１４０ｃを通過した後、水中のＴＤＳの一部、例えば３０％、及び特にカルシウム及びマグネシウムのような硬度イオンの一部は、通常イオン減耗区画から隣接するイオン浸透膜を通り、隣接するイオン濃縮区画に移る。次に水は、各イオン減耗区画の底部を通り、導管１６０に移り、それは次に陰極１２２を含む陰極区画１２０に注ぎ込む。陰極区画１２０は、イオン交換物質を含んでも含まなくても良く、かつ電流がモジュールを通過する間に、水が区画を通ると、水のｐＨは、通常、増加し、かつ水素ガスが、通常、１００万分の１の量で水中に溶解する。導管１８０を経由して陰極区画から出た後、水は、保存タンクと連通した再循環ループに合流できるか、又は使用地点に直接注ぎ込むことができる。

導管１１８を経由してモジュールに入る水は、アニオン浸透膜又はカチオン浸透膜のようなイオン半透膜によって結合される濃縮区画１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃを通過する。イオン濃縮区画は、電気的活性媒体又はイオン交換樹脂若しくは繊維のようなイオン交換材料によって満たされ得る。イオン濃縮区画を通過した後、水は、隣接するイオン減耗区画から受けたイオン性物資によってイオン濃度が高められる。これらの区画に入った時よりも高いレベルのＴＤＳを今や含むこの水は、導管１５０を経由して区画から出て、かつイオン交換材料で満たされていても、満たされていなくても良い陽極１１２を含む陽極区画１１０に入る。水が陽極区画１１０を通過する時、水のｐＨは、下げられることがあり、それ故に濃縮流体のＬＳＩを減少させる。次に水は、水の全部又は一部が廃棄物で抜き取られるか、又は断続的に廃棄物で放出され得る導管１７０を経由して出る。水は、再循環され、連続的に濃縮区画１３０ａ、１３０ｂ及び１３０ｃに注ぎ込む、ループにも入ることができる。このようにして、カルシウム、マグネシウム及びその他のイオン種が、モジュール又は配管、フィルタ及び弁というその関連部品の区間のスケール形成又は目詰まりによるような、効率を減少させるほどのレベルまで蓄積されないように、十分に高い濃縮物を抜き取りながら、水を節約できる。このようにして、システムから除去されねばならない濃縮物の総計を最小限に抑えながら、カルシウム及びその他の硬度寄与種は、水から除去できる。例えば、約１５、１０又は更に５％未満の処理される水の量が、廃棄物として放出できる。更に、このシステムから除去される濃縮物は、灌漑又は硬度レベルによって悪影響を受けないことがあるその他の使用のような非軟水用途で有用であり得る。ｐＨを上昇又は緩和するための高レベルのカルシウムの添加は、芝生保守のような、ｐＨに敏感な幾つかの用途に利益になり得る。

代替的実施態様を、モジュール２００を断面図で表す図２に示す。水は、陰極区画に供給する導管２１８、又は陽極区画２１０に供給する導管２１６を通って、保存タンクを含む保存ループの一部であっても良い、原水、処理された又は濾過された水の給水路からモジュールに入る。陰極区画２２０は、陰極板２２２を含み、他方で陽極区画２１０は、陽極板２１２を含む。システム内のスペーサ及び電極は、エンドブロック２１４及び２２４を通過するコネクタによって一緒に保持できる。陽極区画２１０を通過する水は、この区画に入った時よりも低いｐＨで、導管２６０を経由して区画から出る。この水のｐＨは、区画を通る水の流量を含む幾つもの要因によって、並びにモジュールを通過する電流の規模によって制御できる。例えば、電流が大きく、かつ流量が低いほど、ｐＨ減少は、大きくなり得る。導管２６０から、水は、濃縮区画２３０ａ、２３０ｂ及び２３０ｃを通過する。これらの区画は、イオン交換樹脂又は繊維のようなイオン交換物質を含むことができ、かつアニオン、カチオン又は両方の浸透性であっても良い半透膜２９０によって結合できる。水が区画２３０ａ、２３０ｂ及び２３０ｃを通過する時、通常、隣接イオン減耗区画２４０ａ、２４０ｂ及び２４０ｃからのイオン性種の移行によってイオン濃度を増加させる。イオン濃縮区画から出た後、水は、導管２７０に導かれ、かつ水の一部又は全部は、絶えず又は断続的に廃棄物として導かれる。導管２７０は、水が、廃棄物として放出される前に、更に濃縮できるように、導管２１６及び陽極区画２１０に水を戻すことに役立つ、再循環ループの一部であっても良い。廃棄物として失われたいかなる水の量も、入口２１６からの給水の添加によって補給できる。

導管２１８を通って入る水は、陰極２２２を含む陰極区画２２０に導くことができる。水は、陰極区画の頂部から陰極区画の底部に移動し、かつ入った時より高いｐＨで区画から出る。水は、陰極区画に入った時よりも高い溶解水素濃度で出ることもできる。陰極区画から出て、かつ導管２５０に入った後、水は、イオン減耗区画２４０ａ、２４０ｂ及び２４０ｃに導くことができる。これらの区画は、イオン交換物質、例えばイオン交換樹脂又は繊維を含むことができる。減耗区画に含まれるイオン交換材料は、アニオン交換材料、カチオン交換材料、混合イオン交換材料、又はアニオン交換材料、カチオン交換及び／若しくは混合イオン交換材料が交互に重なった層であっても良い。好ましくは、イオン減耗区画は、隣接濃縮区画のように、混合イオン交換樹脂を含み、区画が逆極性となった場合に機能を変更することを可能にする。イオン減耗区画通過後、水は、入った時よりも浄化された状態で、例えば、元のイオン濃度（及び特に硬度イオン濃度）の約２０、４０、６０又は８０％未満を含んで、出る。次に水は、水を使用地点又はループに送ることができる導管２８０、及び水を追加の源水と混合でき、かつ１回以上、モジュールを通って再循環できる保存システムに導くことができる。このようにして、水中に含まれる比較的低い率、例えば約１０、２０又は４０％のイオン種を除去することにより、水は、同じ除去効率で、数回のシステム通過後に著しく更に浄化できる。例えば、（使用比率によって決まる）被処理水が、源水によって希釈される比率に応じて、各通過で、約４０％、水中の硬度イオン種の濃度を減少させるモジュールは、源水自体の硬度の２０％しか含まない浄水をもたらし得る。このようにして、処理水は、低い流れかつ低い電流条件で稼働する、比較的小さいモジュールによって提供できる。例えば、濃度ベースで、約１８００ｐｐｍ以上までの硬度濃度を有する給水は、再循環ループシステムを実施することによって約６００ｐｐｍ以下に減少できる。

このモジュールは、逆極性モードでも操作できる。２つの電極の極性が反転された直後、陽極及び濃縮区画を含むループは、陰極及び希釈区画を含むループと機能を交換することができる。このようにして、区画２２０は、陽極区画になり、かつ区画２１０は、陰極区画になる。同様に、区画２４０ａ、２４０ｂ及び２４０ｃは、イオン濃縮区画になることができ、かつ２３０ａ、２３０ｂ及び２３０ｃは、イオン減耗希釈区画になることができる。電極区画を一連のイオン交換区画に結合させることによって、極性反転で駆動されるために必要な弁の数は、減少できる。例えば、図２に例として示したモジュールにおいて、導管２７０及び導管２８０の機能は、２つの弁を単に切り替えることによって変更できる。このことは、多数の独立弁付き部品を含むシステムと対照的である。例えば、陽極区画、陰極区画、イオン減耗区画及びイオン濃縮区画が、別個に配管を設けられたならば、電極の極性を反転した後、これらの各区画の機能を対応して変えるためには、追加の弁が必要となる。この追加の弁を付けることは、コスト及び保守要件の増加につながる。

図３は、図１又は２に表したものと同じような、電気再生式脱イオン装置内で部品として使用できる本発明のシステムを示す。

操作中、水は、例えば井戸、又は都市用水源から入口点１４でシステムに入ることができる。入口点１４から供給された水は、２つ以上の水流に分割することができ、かつ一方の水流は導管９４及び流量計２０ａを通過した後、保存容器１２に注ぎ込むことができる。入口点１４から受けた水のもう１つの部分は、通常、脱イオン化装置、電気再生式脱イオン装置及び／又は電気透析装置のような電気化学装置を利用できる、軟水処理装置ループの一部をなすことができる導管６６に供給される。第１極性モードにおいて、導管６６からの水は、通常、導管６８を通り、弁３２ｃに移動し、弁３２ｃで水は導管７０及びポンプ３０Ａに導くことができ、ポンプ３０Ａは、次に水を導管７２、及び例えば粒子フィルタ、又は炭素フィルタでも良い前処理ユニット２８ａに導く。前処理ユニット２８ａを離れた後、水は、例えば電気再生式脱イオン装置１００の導管６０を通過し、かつ陽極区画及びイオン濃縮区画の両方を含むループに注ぎ込むことができる。陽極区画及びイオン濃縮区画の両方を通過した後、水は、通常、導管６３を通って出て、かつ弁３２ｅに供給でき、弁３２ｅで、導管６５及び６７に導くことができる。導管６７は、ドレン２６で、濃縮物を廃棄物として放出することを可能にできる弁３２ｇに通じる。水は、ドレン２６から断続的に又は連続的に移動し、かつこの水は、例えば灌漑用家庭雑排水として更に使用できる。導管６７を通過する水の一部は、入口点１４から供給される追加の水から補給されるドレン２６を経由して失われるいかなる水量によってもループを完成する導管６６に導くこともできる。

同時に、水は、通常、保存容器１２から出口６４を通り、圧力指示器２０ｂを過ぎ、導管９６並びに導管９８に移動する。導管９８を通過する水は、通常、圧力指示器２０ｄを通り過ぎ、電磁弁３２ａ、手動弁３２ｂを通り、かつ使用地点に移動する。水は、要求に応じて使用地点に供給することができる。導管９６を通過する水は、導管５４に進むことができ、かつ弁３２ｄで導管８８、ポンプ３０ｂ、導管９０、及び例えば炭素又は粒子フィルタでも良い、前処理ユニット２８ｂに導くことができる。前処理ユニット２８ｂを通過した後、水は、通常、導管８０を通過し、イオン減耗区画及び１つ以上の陰極区画の両方を含むことができる装置１００内のループに入る。水は、これら２つの区画タイプを任意の順序で通過することができ、かつ次に弁３２ｆによって条件センサ２０ｃ、例えば導電率検出器を供給する導管９２、及び次に保存容器１２に通じる導管９４に導かれる導管８２で受けられ、このようにして軟化ループを画定し、かつ完成する。使用地点１８から引き出されたいかなる水も、Ｔ字管２２でループに結合する入口点１４からの給水によって補給できる。

極性が反転すると、イオン減耗及びイオン濃縮ループの機能を逆にできる。この場合、導管６６からの水は、導管８６、弁３２ｄを通って、ポンプ３０ｂ、導管９０、前処理ユニット２８ｂ及び導管８０に供給する導管８８に導くことができる。しかしながら、このモードにおいて、導管８０は、イオン濃縮区画及び陽極区画の両方を含み得るループを供給し、それ故にイオン含量を高めた導管８２を通って出る。次に水は、弁３２ｆを通って導管８４及び導管６４に導くことができ、水の一部は、ドレン２６に弁３２ｇを通って放出できる。水の残りは、導管６６を通過し、かつ同じループを通って再び導かれる。ドレン２６で失われたいかなる水も、入口点１４からの補給水の添加により回復できる。

この逆極性モードにおいて、保存容器１２からの水は、出口６４、条件センサ２０ｂ、導管９６、及び導管５２を通過でき、かつ弁３２ｃを経由して導管７０に導かれる。ポンプ３０ａ、導管７２、前処理ユニット２８ａ及び導管６０を通過した後、水は、通常、装置スタック１００に入り、かつ例えばイオン減耗区画及び１つ以上の陰極区画を含むループを通過する。イオン含量、及び特に硬度誘発イオン種が減耗された後、水は、導管６２内に移動でき、かつ弁３２ｅによって導管９２、条件センサ２０ｃに、Ｔ字管２２に、かつ次に導管９４を通って保存容器１２に導かれる。使用地点１８で失われ得るいかなる生成水も、使用地点１４及びＴ字管２２を通る給水点の追加によって補給できる。

極性反転は、水質の低下又はスケール形成可能性の増加のような、多くの要因によって行うことができる。各反転モードの時間は、例えば、単純なタイマ、水の利用、水の状態、又はこれら及びシステムの操作に影響を及ぼし得るその他の要因のどのような組み合わせによっても決定できる。その上、極性は、住宅所有者又は保守技術員のような操作者によって何時でも手動で反転できる。

本発明のこれら及びその他の実施態様の機能及び利点は、以下の実施例からより完全に理解されるであろう。次の実施例は、本発明の利点を示すことが意図されているが、本発明の全範囲を例証するものではない。

１つの実験において、電極供給として陰極へ希釈水流を一部転換することの有効性が評価された。２５セル対スタックを有する電気再生式脱イオン装置に 約１８ｇｐｇ（１ガロン当たりの粒子）の硬度及び約７３０μＳ／ｃｍの導電率を有する水が供給された。供給圧力は、約２０ｐｓｉであり、かつ電圧は、約３０ボルトで印加された。イオン減耗区画を通る全体希釈流れは、約１５００ｍｌ／ｍｉｎであり、かつこの流れの一部は、約２５０ｍｌ／ｍｉｎの電極部の流れを供給するために、陰極区画に供給された。イオン濃縮区画からの排出流れは、約４８０ｍｌ／ｍｉｎであった。スタックは、タンクシステムとは無関係に操作された。この実験の結果は、以下の表１及び図４に示す。

硬度排除は、約４５％であり、かつＴＤＳ排除は、約４１％であった。約１日の操作後、スケール蓄積が陰極区画内ではっきり見えるようになり、操作は中止された。

もう１つの実験において、図３に示すシステムは、実施例１のスタックによって操作された。しかしながら、スタックを通る流路の変更がなされた。この場合において、生成水の一部を電極チャンバに分流する代わりに、原水が、陰極供給流体として使用された。排出放出を約２５０ｍｌ／ｍｉｎで制御するために毛細管が使用され、かつ排出水流の３０秒の洗浄が各サイクル間で実行された。約１０ガロンの水が３時間毎にタンクから放出され、１日当たり約８０ガロンの放出となった。タンクの導電率は、始動の約１−１／２時間内では減少したが、電極毛細管は、スケール形成によって塞がれた。種々の流体のデータが、以下の表２に提供されている。

この実施例は、このタンクシステムが、非タンクシステムと比較して減少した硬度及び減少したＴＤＳの水を提供することが可能であるが、スケール蓄積を除去するという要件が付くことを示した。

もう１つの実験において、上記実施例２で使用した同じシステムが、スタックを更に変更して用いられた。この場合において、イオン減耗区画チャンバは全ての生成水が陰極区画を通って流れるように陰極区画に直接配管された。このようにして陰極を通る流量は約１５００ｍｌ／ｍｉｎに増加した。約５２ボルトが２５セル対スタックに印加された。図５に示すように、タンクから約１２ガロン放出した後の約２時間以内に、タンク出口の純度は、約２２０μＳ／ｃｍの遮断値を達成した。左軸は、μＳ／ｃｍで導電率を与え、かつ右軸は、アンペアで電流を与えた。（遮断値に到達後の）システムが停止された時点の排出率は、約６４％であった。陰極区画内にスケール形成の形跡がないことも注目すべきである。

このことは生成水の大きな部分、例えば生成水の１００％が陰極区画を通過する時、スケールの堆積は減少又は除去されることを証明する。更に、低いＴＤＳのような付加的な利点は、タンクシステムが陰極を通して生成物を利用するスタックと共に用いられる時に実現される。かかる特徴は、低い保守要件から恩恵を受けられる軟水システムで特に有用となり得る。

もう１つの実験において、上記実施例３で使用された同じシステムが使用され、かつ水質は各々タンクからの、２回引続いての約１１ガロン毎の放出を通じて監視された。スタックは、約４０ボルトがスタックに印加されたことを除き、同じような条件で操作された。図６から明白なように、タンクからの第１次放出はおよそ１０：４８ＰＭであり、原水の流入は、結果として、システム起動を引き起こすに十分な導電率の増加をもたらさなかった。およそ２：００ＡＭでのタンクからの第２次放出は、システムを起動するために適切な導電率の増加をもたらし、かつタンクからの放出水の導電率は、約３時間未満で遮断値に回復した。この場合もまた、上記実施例３のように、陰極区画内にスケール形成がないことが明白であった。このことは、例えば、１家族用住宅で使用される典型的な容量のタンクからの１回を超える放出サイクルにわたるシステムの頑丈さを証明する。実施例３及び４でスケール堆積がないことを説明する幾つかの要因があり得るが、その中に低いＬＳＩがある。そのことは、陰極部分へのより高い流量に、かつ増加した流量によって陰極区画に現れた付加的な擾乱にも部分的に起因し得る。

本発明の１つ以上の実施態様によれば、処理システムの１つ以上の部品は、何らかの汚染生物、すなわち細菌又はその他の微生物を除去、又は少なくともその一部を少なくとも非活性化するために、定期的に又は必要に応じて洗浄できる。例えば、細菌を集積する可能性のある湿った表面は、酸、塩基、又はアルコール若しくは他の消毒化合物のような、但しそれらに限定されない他の何らかの典型的な洗浄化学物質のような１つあるいはそれ以上の洗浄剤に曝露することができる。他の場合においては、処理システムの１つ以上の部品は、処理システム及び／又はその部品内で集積することがある細菌を不活性にするために十分に上昇した温度の水に曝露することができる。本発明の他の実施態様によれば、前処理システムは、処理する水中の細菌のような微生物を不活性にできるいかなる装置も含むことができる。例えば、前処理システムは、細菌を化学線又はオゾンに曝露することによって、細菌を不活性にする１つあるいはそれ以上の装置を含むことができる。本発明の１つ以上の実施態様によれば、処理システムは、例えば細菌又はその他の微生物を含むいかなる望ましくない種も、それらを使用地点に導入又は通過する前に除去するために、後処理システムを含むことができる。適切な後処理装置の例には、例えば微生物を化学線及び／又はオゾンに曝露するものを含む。適切な後処理システムの他の例には、精密濾過又は限外濾過装置のような濾過を含む。かかる後処理システムは、水処理システム内のどの点においても組み込むことができるが、好ましくは使用地点又はその近傍で、あるいは流体分配システム内の適切な接合点で利用される。

本発明の１つ以上の実施態様によれば、処理装置は、いかなる蓄積又は沈殿した硬度種も更に除去するために、性能強化技術を利用できる。例えば、電気再生式脱イオン装置は、ここで論じたように定期的に反転でき、かついかなる沈殿した物質も溶解するように、内部に可溶化物質を注入させることができる。かかる物質の例には、沈殿した化合物の溶解を促進できる塩を含む。

当業者は、ここに記載された全てのパラメータ及び構成が、例となることが意図され、かつ実際のパラメータ及び構成は、本発明のシステム及び方法が使用される具体的な用途によって決まることを容易に認めるであろう。当業者は、定常の実験法の域を出ないものを使用すれば、ここに記載された本発明の具体的な実施態様の多くの等価物を認識する又は確認できるであろう。例えば、当業者は、本発明によるシステム及びその部品が、システムのネットワークを更に含めること、又は家庭若しくは住宅用管理システムのようなシステムの部品であり得ることを認識できる。従って、前述の実施態様は、専ら例として提示されること、並びに添付の請求項及びその等価物の範囲内で、本発明が具体的に記載された以外の方法で実施できることが理解されるべきである。例えば、用語「底部」は、ここで水流の方向又は方角を指すために使用されたが、この用語は、例示する目的でのみ使用され、かつその使用は、請求項の範囲を特定の方向に限定するものではない。本発明は、ここに記載された各個別の特徴、システム、又は方法を対象とする。その上、２つ以上のかかる特徴、システム、又は方法のいかなる組み合わせも、かかる特徴、システム、又は方法が互いに矛盾していないならば、本発明の範囲内に含まれる。

本発明の１つ以上の実施態様による、電気化学装置又はモジュールの略図である。 本発明の１つ以上の実施態様による、電気再生式脱イオン装置モジュールの概略図である。 本発明の１つ以上の実施態様による、システムの略図である。 本発明の１つ以上の実施態様による、電気化学装置を使用するシステムの、時間の経過による水質結果を示すグラフである。 本発明の１つ以上の実施態様による、電気化学装置を使用するもう１つのシステムの、時間の経過による水質結果を示すグラフである。 本発明の１つ以上の実施態様による、電気化学装置を使用するシステムの、時間の経過による水質結果を示すグラフである。

符号の説明

１８ 使用地点
１００、２００ 電気再生式脱イオン装置
１１０、２１０ 陽極区画
１２０、２２０ 陰極区画
１２２、２２２ 陰極
１３０ａ、１３０ｂ、１３０ｃ、２３０ａ、２３０ｂ、２３０ｃ イオン濃縮区画
１４０ａ、１４０ｂ、１４０ｃ、２４０ａ、２４０ｂ、２４０ｃ イオン減耗区画

Claims (31)

1. 被処理水の導入部及び処理水の排出部と、陰極を有する陰極区画及び陽極を有する陽極区画と、イオン交換物質とアニオン浸透膜とを有し、前記アニオン浸透膜をカチオン交換膜と共に交互に配列し、または、前記アニオン浸透膜をアニオン交換膜と共に交互に配列して形成した複数のイオン減耗区画と、イオン交換物質とカチオン浸透膜とを有し、前記カチオン浸透膜をアニオン交換膜と共に交互に配列し、または、前記カチオン浸透膜をカチオン交換膜と共に交互に配列して形成した複数のイオン濃縮区画とを備え、前記複数のイオン減耗区画と前記陰極区画とを流体的に直列に接続し、かつ、前記複数のイオン濃縮区画と前記陽極区画とを流体的に直列に接続し、前記被処理水を前記イオン減耗区画または陰極区画に導入し、浄化された処理水を前記陰極区画またはイオン減耗区画から排出するようにしてなる浄水装置。
2. 陰極区画が浄化された流体の出口と流体的に連通する請求項１に記載の浄水装置。
3. 浄化された流体の出口が陰極区画の下流である請求項２に記載の浄水装置。
4. 装置内の水の少なくとも一部が、陰極を経由して接地される請求項１に記載の浄水装置。
5. 第２流体を生成するために、第１流体の一部を、請求項１から４のいずれか１項に記載の浄水装置のイオン減耗区画に通すことと、
   第２流体の少なくとも一部を前記浄水装置の陰極区画に通すこととを含む流体を浄化する方法。
6. 第２流体の全体が、陰極区画を通過する請求項５に記載の方法。
7. 第２流体中で水素を溶解することを更に含む請求項５に記載の方法。
8. 第１流体の第２部分を前記浄水装置のイオン濃縮区画に通すことと、
   第１流体の第２部分を前記浄水装置の陽極区画に通すことと、
   第１流体の第２部分のＬＳＩ（ランゲリア飽和指数）を減少させることとを更に含む請求項５に記載の方法。
9. ＬＳＩを、０またはそれ未満に減少させる請求項８に記載の方法。
10. 第２流体が陰極区画を通って流れた後、第２流体を使用地点に移動することを更に含む請求項５に記載の方法。
11. 第２流体の腐食性を減少させることを更に含む請求項５に記載の方法。
12. １０％を超え、かつ９０％未満の硬度が、第２流体から除去される請求項５に記載の方法。
13. ３０％を超え、かつ７０％未満の硬度が、第２流体から除去される請求項１２に記載の方法。
14. ５０％を超える硬度が第２流体から除去される請求項１２に記載の方法。
15. 前記浄水装置が電気脱イオン化装置を含む請求項５に記載の方法。
16. 前記浄水装置が電気透析装置を含む請求項５に記載の方法。
17. 第２水流を生成するために、第１水流の第１部分を、請求項１から４のいずれか１項に記載の浄水装置の陰極区画に通すことと、
    浄水を生成するために、第２水流の少なくとも一部を、前記浄水装置のイオン減耗区画に通すこととを含む水を浄化する方法。
18. 第２流体中で水素を溶解することを更に含む請求項１７に記載の方法。
19. 第１水流の第２部分を、請求項１から４のいずれか１項に記載の浄水装置のイオン濃縮区画に通すことと、
    第１水流の第２部分を、前記浄水装置の陽極区画に通すことと、
    第１水流の第２部分のＬＳＩを減少させることを更に含む請求項１７に記載の方法。
20. 第２水流を使用地点に送り出すことを更に含む請求項１７に記載の方法。
21. 第２水流の腐食性を減少させることを更に含む請求項１７に記載の方法。
22. １０％を超え、かつ９０％未満の硬度が、第２水流から除去される請求項１７に記載の方法。
23. ３０％を超え、かつ７０％未満の硬度が、第２水流から除去される請求項２２に記載の方法。
24. ５０％を超える硬度が、第２水流から除去される請求項２２に記載の方法。
25. ＬＳＩが、０未満に減少する請求項１７に記載の方法。
26. 浄水装置が電気脱イオン化装置を含む請求項１７に記載の方法。
27. 第２流体を生成するために、第１流体の第１部分を、請求項１から４のいずれか１項に記載の浄水装置のイオン濃縮区画に通すことと、
    第３流体を生成するために、第１流体の第２部分を、前記浄水装置のイオン減耗区画に通すことと、
    第２流体のｐＨを減少させることと、
    第３流体の腐食性を減少させることとを含む方法。
28. 第３流体の腐食性が、水素ガスを流体に添加することによって減少する請求項２７に記載の方法。
29. 第３流体中のいかなる酸化性種の濃度も陰極区画で減少する請求項２７に記載の方法。
30. 第３流体を家庭用使用点に移動することを更に含む請求項２７に記載の方法。
31. 第３流体をイオン減耗区画を通じて再循環させることを更に含む請求項２７に記載の方法。

Images