JP5785196B2 - 水処理装置及び方法 - Google Patents

Description

本発明は、一般に液体処理装置及び方法に関連する。より具体的には、本発明は水処理装置及び方法に関する。

膜脱塩装置、例えばナノ濾過膜装置又は逆浸透膜装置は、生産水の品質に信頼性があるので、飲料工場で生産水を得るのに使用されている。しかし、膜脱塩装置には、膜にスケールが発生する傾向があるという問題があるため、一般的な膜脱塩装置の生産水回収率は約５０％〜約９０％の範囲にある。給水の残りの部分である１０〜５０％は、通常、廃水として放出される。世界中の飲料工場が日々大量の使用可能な水を消費することになり、膜脱塩装置で処理すべき大量の源水を必要とするだけでなく、大量の廃水を放出するため、高コスト及び大きな浪費をもたらし、望ましくない。

さらに、世界中の人々及びほぼすべての産業もまた、ますます多くの使用可能な水を必要とすることになり、より大量の廃水を放出する余裕はない。

ドイツ特許第１９６０３４９４号

したがって、新規の水処理装置及び方法を開発する必要がある。

一態様では、膜脱塩ユニットと、膜脱塩ユニットと接続され、膜脱塩ユニットに給水の第１の流れを移送するように構成された第１の導管と、膜脱塩ユニットと接続され、膜脱塩ユニットからの給水の第１の流れより塩度が低い生産水の第１の流れを移送するように構成された第２の導管と、電気的分離ユニットと、膜脱塩ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、給水の第１の流れより塩度が高い排水の第１の流れを膜脱塩ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第３の導管と、電気的分離ユニットと接続され、電気的分離ユニットからの排水の第１の流れより塩度が低い生産水の第２の流れを移送するように構成された第４の導管と、沈殿ユニットと、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第１の流れより塩度が高い排水の第２の流れを電気的分離ユニットから沈殿ユニットへ移送するように構成された第５の導管と、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第２の流れより塩度が低い給水の第２の流れを沈殿ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第６の導管と、沈殿ユニットと接続され、水の吐出流れを放出するように構成された第７の導管と、電気的分離ユニット及び沈殿ユニットの少なくとも１つと連通する薬液注入ユニットとを備える、水処理装置が提供される。

別の態様では、方法が提供される。この方法は、膜脱塩ユニットを用意し、膜脱塩ユニットと接続され、膜脱塩ユニットに給水の第１の流れを移送するように構成された第１の導管を用意し、膜脱塩ユニットと接続され、膜脱塩ユニットからの給水の第１の流れより塩度が低い生産水の第１の流れを移送するように構成された第２の導管を用意し、電気的分離ユニットを用意し、膜脱塩ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、給水の第１の流れより塩度が高い排水の第１の流れを膜脱塩ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第３の導管を用意し、電気的分離ユニットと接続され、電気的分離ユニットからの排水の第１の流れより塩度が低い生産水の第２の流れを移送するように構成された第４の導管を用意し、沈殿ユニットを用意し、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第１の流れより塩度が高い排水の第２の流れを電気的分離ユニットから沈殿ユニットへ移送するように構成された第５の導管を用意し、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第２の流れより塩度が低い給水の第２の流れを沈殿ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第６の導管を用意し、沈殿ユニットと接続され、水の吐出流れを放出するように構成された第７の導管を用意し、電気的分離ユニット及び沈殿ユニットの少なくとも１つと連通する薬液注入ユニットを用意することを含む。

本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。

本発明の一実施形態による水処理装置の概略図である。 実験的な実施例に使用される逆電気透析（ＥＤＲ）ユニット及び沈殿ユニットを含む水処理装置の一部分の概略図である。

以下、図面を参照して本発明の好ましい実施形態について説明する。以下の説明では、細かく説明しすぎて開示が曖昧にならないように、周知の機能又は構成については詳しくは説明しない。

本明細書及び請求項で用いる近似表現は、数量を修飾し、その数量が関係する基本機能に変化をもたらさない許容範囲内で変動しうる数量を表現する際に適用される。したがって、「約」又は「実質的に」のような用語で修飾された値はその厳密な数値に限定されない。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。

図１は、本発明の一実施形態による水処理装置１００の概略図である。水処理装置１００は、膜脱塩ユニット１０２と、膜脱塩ユニットと接続され、給水１０６の第１の流れを膜脱塩ユニットに移送するように構成された第１の導管１０４と、膜脱塩ユニットと接続され、膜脱塩ユニットからの給水の第１の流れより塩度が低い生産水１１０の第１の流れを移送するように構成された第２の導管１０８と、電気的分離ユニット１１２と、膜脱塩ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、給水の第１の流れより塩度が高い排水１１６の第１の流れを膜脱塩ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第３の導管１１４と、電気的分離ユニットと接続され、電気的分離ユニットからの排水の第１の流れより塩度が低い生産水１２０の第２の流れを移送するように構成された第４の導管１１８と、沈殿ユニット１２２と、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第１の流れより塩度が高い排水１２６の第２の流れを電気的分離ユニットから沈殿ユニットへ移送するように構成された第５の導管１２４と、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第２の流れより塩度が低い給水１３０の第２の流れを沈殿ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第６の導管１２８と、沈殿ユニットと接続され、水１３４の吐出流れを放出するように構成された第７の導管１３２と、電気的分離ユニット及び沈殿ユニットのうち少なくとも１つと連通する薬液注入ユニット１３６とを備える。

図示の実施形態では、第４の導管１１８は、第１の導管１０４と接続され、生産水１２０の第２の流れを移送し給水１０６の第１の流れと混合するように構成される。膜脱塩ユニット１０２は、ナノ濾過膜装置、逆浸透膜装置又はそれらの組合せを備えることができる。一般的な膜脱塩装置の生産水回収率は、約５０％〜約９０％の範囲内にある。電気的分離ユニット１１２は、逆電気透析（ＥＤＲ）脱塩装置、スーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置又はそれらの組合せを備えることができる。ＥＤＲ又はＳＣＤに沈殿ユニットを加えたときの水の回収は、一般に約８０％〜約９９％の範囲にある。したがって、水処理装置１００の総合的な水の回収は約９０％〜約９９．９％の範囲にあり、生産水１１０の第１の流れの体積流量は、給水１０６の第１の流れの体積流量の約９０％〜約９９．９％の範囲にある。高品質の水を必要とする飲料施設のような用途については、水処理装置１００は、多量の使用可能な生産水を生産し、廃水をほとんど放出しない。

いくつかの実施形態では、第４の導管１１８は、第１の導管１０４に接続しなくてもよく、生産水１２０の第２の流れを、別の水処理装置（図示せず）の中に又は直接外に移送するように構成することができる。水処理装置１００の生産水はこうして２つの別々の流れ１１０、１２０になる。全体の水の回収率は、依然として高いものである。

場合によっては、重炭酸塩など一部の溶解アルカリは、溶けない又はほとんど溶けない塩、例えば炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）になり、電気的分離ユニットに蓄積する／スケールとなる。これは、電気的分離ユニット及び沈殿ユニットが扱う水の濃度が高いからである。いくつかの実施形態では、薬液注入ユニット１３６は、塩酸又は硫酸を重炭酸塩と反応させることによってアルカリ度を低下させるために、塩酸又は硫酸を供給する酸注入ユニットを備える。

薬液注入ユニット１３６は、電気的分離ユニット及び／又は沈殿ユニットと、直接連通するか又は第３の導管１１４及び／又は第５の導管１２４を介して連通することができる。

図示の例では、水処理装置１００は、電気的分離ユニット１１２に粒子（あったとしても図示せず）が入るのを防止するために、第６の導管１２８と連通する濾過装置１３８を備える。濾過装置１３８は、カートリッジフィルタを備えることができる。

別の態様では、方法が提供される。この方法は、膜脱塩ユニット１０２を用意し、膜脱塩ユニットと接続され、膜脱塩ユニットに給水１０６の第１の流れを移送するように構成された第１の導管１０４を用意し、膜脱塩ユニットと接続され、膜脱塩ユニットからの給水の第１の流れより塩度が低い生産水１１０の第１の流れを移送するように構成された第２の導管１０８を用意し、電気的分離ユニット１１２を用意し、膜脱塩ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、給水の第１の流れより塩度が高い排水１１６の第１の流れを膜脱塩ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第３の導管１１４を用意し、電気的分離ユニットと接続され、電気的分離ユニットからの排水の第１の流れより塩度が低い生産水１２０の第２の流れを移送するように構成された第４の導管１１８を用意し、沈殿ユニット１２２を用意し、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第１の流れより塩度が高い排水１２６の第２の流れを電気的分離ユニットから沈殿ユニットへ移送するように構成された第５の導管１２４を用意し、沈殿ユニット及び電気的分離ユニットと接続され、排水の第２の流れより塩度が低い給水１３０の第２の流れを沈殿ユニットから電気的分離ユニットへ移送するように構成された第６の導管１２８を用意し、沈殿ユニットと接続され、水１３４の吐出流れを放出するように構成された第７の導管１３２を用意し、電気的分離ユニット及び沈殿ユニットの少なくとも１つと連通する薬液注入ユニット１３６を用意することを含む。

いくつかの構成については、電気的分離ユニットはＳＣＤ装置とすることができる。用語「ＳＣＤ装置」は、一般に、塩又は他のイオン化不純物の量を家庭用よび工業用の許容基準まで低減するために、海水の脱塩又は他の半塩水の脱イオン化のために使用されるスーパーキャパシタを示すことができる。いくつかの用途では、スーパーキャパシタ脱塩装置は、１以上のスーパーキャパシタ脱塩セル（図示せず）を備えることができる。知られているように、非限定的な例では、各スーパーキャパシタ脱塩セルは、少なくとも１対の電極、スペーサ、及びそれぞれの電極に取り付けられた１対の集電体を備えることができる。共に積み重ねられた複数のスーパーキャパシタ脱塩セルを使用するとき、隣接するＳＣＤセルの各対の間に複数の絶縁セパレータが配置されてもよい。

本発明の実施形態では、電源（図示せず）のプラス端子及びマイナス端子に、それぞれ集電体を接続することができる。電極がそれぞれの集電体に接しているので、電極は、それぞれアノード及びカソードとして働くことができる。

スーパーキャパシタ脱塩装置１１２の充電状態の期間中、膜脱塩装置１０２からの入力流れ１１６は、弁（図示せず）を通って脱塩用のＳＣＤ装置に入る。この状態では、ＳＣＤ装置１１２への入力流れ１３０の流路は、弁（図示せず）によって閉じられている。電源からのプラス電荷が１以上のアノードの表面に蓄積し、イオン化入力流れ１１６から陰イオンを引きつけて１以上のアノードの表面に吸着させ、電源からのマイナス電荷が１以上のカソードの表面に蓄積し、イオン化入力流れ１１６から陽イオンを引きつけて１以上のカソードの表面に吸着させる。１以上のアノード及び１以上のカソード上の電荷蓄積の結果として、ＳＣＤ装置１１２から弁（図示せず）を通る出力流れなどの流出流れは、入力流れ１１６と比較して、より低い塩度（塩又は他のイオンの不純物の濃度）を有することができる。

スーパーキャパシタ脱塩装置１１２の放電状態では、吸着された陰イオン及び陽イオンは、それぞれ１以上のアノード及び１以上のカソードの表面から分離する。入力流れ１３０は、沈殿ユニット１２２からポンプ（図示せず）によって送られ、フィルタ（図示せず）及び弁（図示せず）を通ってＳＣＤ装置１１２に入り、沈殿ユニット１２２からイオン（陰イオン及び陽イオン）を搬送する。ＳＣＤ装置１１２から流れて弁（図示せず）を通る流出流れ１２６は、入力流れ１３０と比較して、より高い塩度（塩分又は他のイオン不純物の濃度）を有する。この状態では、ＳＣＤ装置１１２への入力流れ１１６の流路は、弁（図示せず）によって閉じられている。いくつかの用途では、フィルタが設けられないことがある。

ＳＣＤ装置の放電が完了した後に、ＳＣＤ装置は、次の放電の準備のために、ある期間にわたって充電状態になる。すなわち、ＳＣＤ装置の充電及び放電は、それぞれ入力流れ１１６及び１３０の処理のために交番される。

放電状態では、水がＳＣＤユニット及び沈殿ユニットを通って循環するので、水中の塩分又は他のイオン不純物の濃度は、沈殿ユニット１２２の中で沈殿物を生成するように増加する。指定の直径より大きな直径の沈殿物粒子（固体）は、重力によって沈殿ユニット１２２の下部で安定し得る。指定の直径より小さな直径の他の沈殿物粒子は、水に分散され得る。

流れ１３４の沈殿率に排出率を加えたものが入力流れ１１６からの帯電した種の除去率と等しい（これらの率は１以上の充放電サイクルにわたって平均されたものである）とき、ＳＣＤユニットと沈殿ユニットの間を循環する流れの飽和度又は過飽和度が安定し得て、動的均衡が確立され得る。

いくつかの例では、放電状態で放出されるエネルギーは、電球などの電気器具（図示せず）を駆動するのに用いられるか又は、双方向ＤＣ／ＤＣコンバータなどのエネルギー回収セルを使用して回復されてもよい。

他の非限定的な例では、共に積み重ねられたＳＣＤセルと同様に、スーパーキャパシタ脱塩装置は、１対の電極と、それぞれの電極に取り付けられた１対の集電体と、電極の対の間に配置された１以上の双極電極と、充電状態では排水１１６の第１の流れを処理し、放電状態では給水１３０の第２の流れを処理するための、それぞれの隣接する電極の対の間に配置された複数のスペーサとを備えることができる。それぞれの双極電極は、イオン不浸透性層によって分離されたプラスの面及びマイナスの面を有する。

いくつかの実施形態では、集電体は、板、メッシュ、箔又はシートとして構成され、金属又は合金から形成することができる。金属は、例えばチタン、白金、イリジウム又はロジウムを含むことができる。合金は、例えばステンレス鋼を含むことができる。他の実施形態では、集電体は、黒鉛又はポリオレフィン（ポリエチレンなど）のようなプラスチック材料を含むことができる。いくつかの用途では、プラスチック集電体には、あるレベルの導電率を実現するために、導電性カーボンブラック又は金属粒子を混合することができる。

電極及び／又は双極電極は、導電材料を含むことができ、この導電材料は、熱伝導性又は非熱伝導性であり得て、小さなサイズで大きな表面積を有する粒子を有することができる。いくつかの例では、導電材料は、１種以上の炭素材料を含むことができる。炭素材料の非限定的な例には、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、炭素エーロゲル、多孔質メソカーボンマイクロビーズ又はそれらの組合せが含まれる。他の場合では、導電材料は、マンガン、鉄又はそれらの酸化物、或いはチタン、ジルコニウム、バナジウム、タングステン又はそれらの組合せの炭化物などの導電性複合材料を含むことができる。

さらに、スペーサは、電極の対を分離するために、膜並びに多孔質材料及び非多孔質材料を含む、任意のイオン浸透性の電子的に非導電性の材料を含むことができる。非限定的な例では、スペーサは、処理用の液体が電極の対の間を通る流路を形成するための空間を有するか、或いはスペーサ自体が空間であってもよい。

いくつかの例では、電極、集電体、及び／又は双極電極は、互いに平行に配置された板の形態とすることができ、積み重ねられた構造体を形成する。他の例では、電極、集電体、及び／又は双極電極は、シート、ブロック又は円筒などの様々な形状を有することができる。さらに、電極、集電体、及び／又は双極電極は、様々な構成で配置することができる。例えば電極、集電体、及び／又は双極電極は、螺旋状に、その間に連続した空間を有して同心円状に配置されてもよい。

いくつかの機構に関して、電気的分離ユニットは、逆電気透析（ＥＤＲ）装置とすることができる。用語「ＥＤＲ」は、水及び他の流体からイオン又は帯電した種を除去するためにイオン交換膜を使用する電気化学的分離処理を示すことができる。

いくつかの非限定的な例では、知られているように、ＥＤＲ装置は、アノードとして働くように構成された電極と、カソードとして働くように構成された電極との対を備える。複数の交番する陰イオン透過膜と陽イオン透過膜が、アノードとカソードの間に配置されて、それらの間に複数の交番する希釈流路及び濃縮流路を形成する。１以上の陰イオン透過膜は、陰イオンが通過できるように構成される。１以上の陽イオン透過膜は陽イオンが通過できるように構成される。さらに、ＥＤＲ装置は、膜の各対の間、及び電極と隣接する膜との間に配置された複数のスペーサをさらに備えることができる。

したがって、ＥＤＲ装置１１２に電流が与えられている間に、流れ１１６及び１３０などの水（図１に示されている）が、それぞれの交番する希釈流路及び濃縮流路をそれぞれ通る。希釈流路で、第１の流れ１１６がイオン化される。第１の流れ１１６の陽イオンは、陽イオン透過膜を通ってカソードの方へ移動して隣接流路に入る。陰イオンは、陰イオン透過膜を通ってアノードの方へ移動して他の隣接流路に入る。希釈流路の両側に配置された隣接流路（濃縮流路）では、電界がイオンに対してそれぞれの電極の方へ力を加えたとしても（例えば、陰イオンはアノードの方に引かれる）、陽イオンは陰イオン透過膜を通って移動することができず、陰イオンは陽イオン透過膜を通って移動することができない。したがって、陰イオン及び陽イオンが中に残り、濃縮流路で濃縮される。

結果として、濃縮流路を通る給水１３０の第２の流れが、濃縮された陰イオン及び陽イオンをＥＤＲユニット１１２から搬送し、その結果、流出する流れ１２６は、入力流れ１３０より高い塩度を有することができる。ＥＤＲユニット１１２における液体の循環の後、沈殿ユニット１２２では塩分又は他の不純物の沈殿が起こる可能性がある。

いくつかの例では、濃縮流路の中の陰イオン及び陽イオンが汚れる傾向を低減するように、ＥＤＲ装置１１２の電極の極性を、例えば１５〜５０分ごとに反転することができる。したがって、極性が反転した状態では、通常の極性状態からの希釈流路は、第２の流れ１３０に対して濃縮流路として働くことができ、通常の極性状態からの濃縮流路は、入力流れ１１６に対して稀釈流路として機能することができる。

いくつかのＥＤＲ用途では、電極が導電材料を含むことができ、この導電材料は、熱伝導性又は非熱伝導性であり得て、粒径が小さく表面積の大きい粒子を有することができる。スペーサは、膜並びに多孔質材料及び非多孔質材料を含む、任意のイオン浸透性で電子的に非導電性の材料を含むことができる。非限定的な例では、陰イオン透過膜は第４アミン基を含むことができる。陽イオン透過膜は、スルホン酸基又はカルボン酸基を含むことができる。

いくつかの実施形態では、飽和度又は過飽和度が非常に高くならないうちは、塩分又は他の不純物の沈殿は、あまり迅速に起こり得ない。例えば、沈殿が起こる約５分前に、硫酸カルシウム（ＣａＳＯ４）は、しばしば約４００％の過飽和度に達し、これは沈殿システムにとって不都合なことであり得る。したがって、いくつかの例では、沈殿ユニットの表面上に、塩分又は他のイオンの不純物の、より低い過飽和度で迅速な沈殿を誘起するために、沈殿ユニットの中に種粒子（図示せず）が付加されてもよい。さらに、沈殿ユニットの中の種粒子の懸濁を促進するために、攪拌装置及び／又はポンプが設けられてもよい。

非限定的な例では、種粒子は約１〜約５００μｍの平均直径範囲を有することができ、沈殿ユニットの沈殿区域内に、約０．１重量％〜約３０重量％の濃度範囲で水の重量を有することができる。いくつかの例では、種粒子は、約５〜約１００μｍの平均直径範囲を有することができ、沈殿区域内に、約０．１重量％〜約２０重量％の濃度範囲で液体の重量を有することができる。いくつかの用途では、種粒子は、沈殿を誘起するために、ＣａＳＯ₄粒子及びその水酸化物を含むがこれらに限定されない固体粒子を含むことができる。ＣａＳＯ４粒子は、約１０μｍ〜約２００μｍの平均直径範囲を有することができる。いくつかの例では、ＣａＳＯ４種粒子の濃度は、沈殿区域内の液体の重量の約０．１重量％〜約２．０重量％の範囲内とすることができ、その結果、沈殿ユニット１２２を出る溶液のＣａＳＯ４濃度は、約１００％〜約１５０％の飽和の範囲内に制御され得る。

種粒子は、何らかの特定の種粒子に限定されることはなく、特定の用途に基づいて選択され得ることに留意されたい。

以下の実施例は、当業者に対して、特許請求された発明を実施する際のさらなる手引きを提供するために含まれるものである。したがって、この実施例は、添付の特許請求の範囲で定義される本発明を制限するものではない。

ナノ濾過（ＮＦ）膜又は逆浸透（ＲＯ）膜を使用する実験は行なわれず、工業用ＮＦユニットの供給流れ、生産流れ、及び排出流れの主要なイオン種及び完全溶解固体物質（ＴＤＳ）が、一例として以下の表１に示されている。工業用ＮＦ膜装置の供給流れ、生産流れ、及び排出流れの中の懸濁した固体は、ゼロ又はほぼゼロである。

図２は、逆電気透析（ＥＤＲ）ユニット１１及び沈殿ユニット１２を含み、実験に基づく実施例に使用される水処理装置の一部分の概略図を示す。

ＮＦ排出流れ５４としてシミュレートするために、表１の排出流れと同一の組成を有する水が研究室で作製された。ＮＦ排出流れ５４が給水タンク５０の中に供給され、少なくともそのアルカリ性を部分的に中和するように、酸注入流れ６４と混合された。酸注入流れ６４が、酸のタンク（酸注入ユニット）６０から酸注入ポンプ６２を通って送られた。酸注入流れ６４は、塩酸（約３７重量％の濃度）を含み、これが、ＨＣｌ＋ＨＣＯ３^-→Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋Ｃｌ^-の式で示されるようにアルカリ性と反応した。生じる炭酸ガスは、供給タンク５０から放出された。混合と反応を強化するために、供給タンクの中で攪拌装置（図示せず）が使用された。水からの炭酸ガス除去を強化するために、ガススパージャー装置又は他の脱ガス処理装置（図示せず）も、供給タンクの中又は分離した位置で使用することができる。供給タンク５０の中に、塩酸及び硫酸を含むがこれらに限定されない酸の添加物が付加されてもよい。

供給タンク５０の中のアルカリ度が低下した後、水の流れ１３が、実線３３で示されるように、給水ポンプ５２により、流れ反転弁３１によって導かれて、第１の入力管に沿ってＥＤＲユニット１１の希釈流路に送り込まれた。同時に、沈殿ユニット１２の固液分離区域２４からの濃縮流れ１７が、実線３４で示されるように、濃縮再循環ポンプ１８により、流れ反転弁３２によって導かれて、第１の入力管に沿ってＥＤＲユニット１１の濃縮流路に導入された。ＥＤＲユニット１１の中に粒子が入るのを防止するために、濃縮再循環ポンプ１８とＥＤＲユニット１１の間にカートリッジフィルタ１９が使用された。

電源（図示せず）によってＥＤＲユニット１１に電流が与えられている間に、希釈流路の中の陽イオンが、陽イオン交換膜を通ってカソードの方へ移動し、隣接する濃縮流路に入る。陰イオンは、陰イオン交換膜を通ってアノードの方へ移動し、他の隣接する濃縮流路に入る。希釈流路の両側に配置されている隣接する濃縮流路では、電界がイオンに対してそれぞれの電極の方へ力を加えても（例えば陰イオンはアノードの方に引かれる）、陽イオンは陰イオン透過膜を通って移動することができず、陰イオンは陽イオン交換膜を通って移動することができない。したがって、陰イオン及び陽イオンが中に残り、濃縮流路で濃縮される。

結果として、ＥＤＲユニット１１の希釈流路を通った供給流れ１３は、部分的に脱塩され、その結果対応する流出流れ１４が、入力流れ１３より低い塩度になった。濃縮流路を通った濃縮流れ１７が、ＥＤＲ装置１１からの濃縮された陰イオン及び陽イオンを搬送し、その結果対応する流出流れ１６が入力流れ１７より高い塩度になった。実線３７及び３８によって示されるように、生産流れ１４及び出力塩水流れ１６は、それぞれ流れ反転弁３５及び３６の制御によって流出し、それぞれの第１の出力管に入る。沈殿ユニット１２の沈殿区域２８の中に、塩水流れ１６が供給された。

濃縮流路の中の陰イオン交換膜及び陽イオン交換膜にスケールが発生する傾向を低減するために、ＥＤＲユニット１１の電極の極性が１０００秒ごとに反転された。したがって、極性が反転した状態では、通常の極性状態からの希釈流路は、濃縮流路として働いて濃縮流れ１７を受け取り、通常の極性状態からの濃縮流路は、希釈流路として機能して供給流れ１３を受け取った。流れ１３及び１７は、破線３９及び４０によって示されるように、それぞれの第２の入力管に沿ってＥＤＲ装置１１に入った。希釈流れ１４及び流出流れ１６は、破線４１及び４２によって示されるように、それぞれの第２の出力管に沿って流れた。

沈殿ユニット１２の外部の容器２０は、直径２５０ｍｍで高さ５００ｍｍの円筒状の上部、及び９０度の円錐角を有する円錐状の下部を備える。沈殿ユニット１２の全体の作動容量は、約２０リットルである。沈殿ユニット１２における沈殿を強化するために、実験を開始する前に、石膏粒子（２００ｇ）が、沈殿要素２１及び閉じ込め要素２２の中の沈殿区域２８内に種粒子として付加され、動揺装置２３の攪拌によって懸濁を維持された。

供給流れ１３及び濃縮流れ１７の両方の流速が、毎分０．５リットル（ｌｐｍ）に設定された。沈殿ユニット１２の中で沈殿が起こっていた。沈殿ユニット１２の中に安定した量の種粒子を維持するために、各サイクル（２０００秒）において、約３００ｍｌのスラリが、ポンプ２５によって沈殿ユニット１２の円錐体の下部から吐出流れ３０を通じて放出された。ポンプ２５が、再循環流れ４３が沈殿ユニット１２に戻ること又は吐出流れ３０がスラリを放出することを支援した。弁２６が、吐出流れ３０及び再循環流れ４３を制御した。同時に、沈殿ユニット１２内に一定の水量を保つために、予防策として、沈殿ユニット１２の固液分離区域２４からの溢水用に溢流２９が設計された。吐出流れ３０と溢流は、２９で合流して流れ２７を形成する。ポンプ２５の流速は、毎分約６リットルであった。容器２０を真空にするのを容易にするために、容器２０の下部に弁２０４が配置された。

各サイクルにおいて、溢流２９によって約４００ｍｌの水が放出された。したがって、放出された水の全体積は、１サイクル当たり約７００ｍｌであり、全体の給水量は約１６．７リットルであった。次いで、沈殿ユニット１２とＥＤＲユニット１１の水の回収の合計は約９５．８％と計算された。表２は、ＥＤＲユニット１１及び沈殿ユニット１２に対して出入りする各流れの主要な組成を示す。付加された塩酸と、供給タンク５０の中の重炭酸塩との反応のために、流れ１３は、表１の排出流れより、塩化物濃度が高く、重炭酸塩濃度が低い。

また、上記の結果は、ＥＤＲユニット１１の生産流れ１４の中の完全溶解固体物質（ＴＤＳ）が、生産流れ１４をＮＦユニット向けの供給流れとして送り返すことができるような範囲内にあることを示す。

約８５％の水の回収を有する工業用ＮＦユニットを例にとり、戻って図１を参照すると、１２９６．４ｌｐｍの体積流量を有する給水１０６の第１の流れが第１の導管１０４を通って膜脱塩ユニット１０２の中に移送されるとき、２２７．１ｌｐｍの体積流量と給水１０６の第１の供給流れより高い塩度とを有する排水１１６の第１の流れが、膜脱塩ユニット１０２から、膜脱塩ユニット（工業用ＮＦユニット）及び電気的分離ユニット１１２に接続された第３の導管１１４を通って電気的分離ユニット１１２に移送される。第４の導管１１８は、電気的分離ユニット１１２に接続し、電気的分離ユニット１１２からの排水の第１の流れより塩度が低い生産水１２０（２１７．６ｌｐｍの体積流量を有する）の第２の流れを移送し、給水１０６の第１の流れと混合するように構成される。したがって、膜脱塩ユニット１０２（ＮＦユニット）への全体の供給流れの体積流量は、１５１４．０ｌｐｍである。水の回収率が８５％であれば、膜ユニットの生産水１１０の第１の流れは１２８６．９ｌｐｍの体積流量を有する。

第５の導管１２４は、沈殿ユニット１２２及び電気的分離ユニット１１２に接続し、電気的分離ユニット１１２から沈殿ユニット１２２への排水の第１の流れ１１６より塩度が高い排水１２６の第２の流れを移送するように構成される。沈殿ユニット１２２及び電気的分離ユニット１１２に接続された第６の導管１２８は、沈殿ユニットから電気的分離ユニットへの排水１２６の第２の流れより塩度が低い給水１３０の第２の流れを移送するように構成される。沈殿ユニットに接続された第７の導管１３２は、水１３４の吐出流を放出するように構成される。上記の実験結果は、電気的分離ユニット１１２及び沈殿ユニット１２２が９５．８％の水の回収率を有することを示しており、したがって、水１３４の吐出流れの平均体積流量は９．５ｌｐｍである。

したがって、全体の装置１００（すなわちＮＦ １０２、ＥＤＲ １１２、及び沈殿ユニット１２２）は、１２９６．４ｌｐｍの体積流量の供給流れ、１２８６．９ｌｐｍの体積流量の生産流れ、及び９．５ｌｐｍの体積流量の廃棄流れを有する。したがって、全体の装置１００の水の回収は９９．３％である。重炭酸塩が効果的に除去されており、装置１００にはスケールが発生していない。

本開示が、図示され、一般的な実施形態で説明されてきたが、本開示の趣旨から少しも逸脱することなく様々な変更及び置換を行なうことができるので、本開示は、示された詳細に限定されないものとする。そのため、当業者なら、通常の実験にすぎないものを用いて、本明細書に開示された開示のさらなる変更形態及び均等物を考えつく可能性があり、すべてのこのような変更形態及び均等物は、以下の特許請求の範囲によって定義される開示の趣旨及び範囲の範囲内にあると考えられる。

Claims (10)

1. 水処理装置（１００）であって、
   膜脱塩ユニット（１０２）と、
   給水の第１の流れ（１０６）を前記膜脱塩ユニット（１０２）に移送するように前記膜脱塩ユニット（１０２）に接続された第１の導管（１０４）と、
   前記給水の第１の流れ（１０６）よりも塩度の低い生産水の第１の流れ（１１０）を前記膜脱塩ユニット（１０２）から移送するように前記膜脱塩ユニット（１０２）と接続された第２の導管（１０８）と、
   電気的分離ユニット（１１２）と、
   前記給水の第１の流れ（１０６）よりも塩度の高い排水の第１の流れ（１１６）を前記膜脱塩ユニット（１０２）から受け取って前記電気的分離ユニット（１１２）へと移送するように前記膜脱塩ユニット（１０２）及び前記電気的分離ユニット（１１２）と接続された第３の導管（１１４）と、
   前記排水の第１の流れ（１１６）よりも塩度の低い生産水の第２の流れ（１２０）を前記電気的分離ユニット（１１２）から受け取って給水の第１の流れ（１０６）と混合するように前記電気的分離ユニット（１１２）及び前記第１の導管（１０４）と接続された第４の導管（１１８）と、
   沈殿ユニット（１２２）と、
   前記排水の第１の流れ（１１６）よりも塩度の高い排水の第２の流れ（１２６）を前記電気的分離ユニット（１１２）から受け取って前記沈殿ユニット（１２２）へと移送するように前記沈殿ユニット（１２２）及び前記電気的分離ユニット（１１２）と接続された第５の導管（１２４）と、
   前記排水の第２の流れ（１２６）よりも塩度の低い給水の第２の流れ（１３０）を前記沈殿ユニット（１２２）から受け取って前記電気的分離ユニット（１１２）へと移送するように前記沈殿ユニット（１２２）及び前記電気的分離ユニット（１１２）と接続された第６の導管（１２８）と、
   前記沈殿ユニット（１２２）から水の吐出流れ（１３４）を放出するように前記沈殿ユニット（１２２）と接続された第７の導管（１３２）と、
   前記電気的分離ユニット（１１２）及び前記沈殿ユニット（１２２）のうち少なくとも１つと連通する薬液注入ユニット（１３６）とを含んでなる、水処理装置（１００）。
2. 前記膜脱塩ユニット（１０２）が、ナノ濾過膜装置又は逆浸透膜装置を含んでなる、請求項１記載の水処理装置。
3. 前記電気的分離ユニット（１１２）が、逆電気透析脱塩装置又はスーパーキャパシタ脱塩装置を含んでなる、請求項１又は請求項２記載の水処理装置。
4. 前記薬液注入ユニット（１３６）が、塩酸又は硫酸を含む酸注入ユニットを含んでなる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載の水処理装置。
5. 前記薬液注入ユニット（１３６）が、前記第３の導管（１１４）及び前記第５の導管（１２４）のうち少なくとも１つと連通する、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載の水処理装置。
6. 前記第６の導管（１２８）と連通する濾過装置（１３８）をさらに含んでなる、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載の水処理装置。
7. 水処理方法であって、
   膜脱塩ユニット（１０２）を用意し、
   給水の第１の流れ（１０６）を前記膜脱塩ユニット（１０２）に移送するように前記膜脱塩ユニット（１０２）に接続された第１の導管（１０４）を用意し、
   前記給水の第１の流れ（１０６）よりも塩度の低い生産水の第１の流れ（１１０）を前記膜脱塩ユニット（１０２）から移送するように前記膜脱塩ユニット（１０２）と接続された第２の導管（１０８）を用意し、
   電気的分離ユニット（１１２）を用意し、
   前記給水の第１の流れ（１０６）よりも塩度の高い排水の第１の流れ（１１６）を前記膜脱塩ユニット（１０２）から受け取って前記電気的分離ユニット（１１２）へと移送するように前記膜脱塩ユニット（１０２）及び前記電気的分離ユニット（１１２）と接続された第３の導管（１１４）を用意し、
   前記排水の第１の流れ（１１６）よりも塩度の低い生産水の第２の流れ（１２０）を前記電気的分離ユニット（１１２）から受け取って給水の第１の流れ（１０６）と混合するように前記電気的分離ユニット（１１２）及び前記第１の導管（１０４）と接続された第４の導管（１１８）を用意し、
   沈殿ユニット（１２２）を用意し、
   前記排水の第１の流れ（１１６）よりも塩度の高い排水の第２の流れ（１２６）を前記電気的分離ユニット（１１２）から受け取って前記沈殿ユニット（１２２）へと移送するように前記沈殿ユニット（１２２）及び前記電気的分離ユニット（１１２）と接続された第５の導管（１２４）を用意し、
   前記排水の第２の流れ（１２６）よりも塩度の低い給水の第２の流れ（１３０）を前記沈殿ユニット（１２２）から受け取って前記電気的分離ユニット（１１２）へと移送するように前記沈殿ユニット（１２２）及び前記電気的分離ユニット（１１２）と接続された第６の導管（１２８）を用意し、
   前記沈殿ユニット（１２２）から水の吐出流れ（１３４）を放出するように前記沈殿ユニット（１２２）と接続された第７の導管（１３２）を用意し、
   前記電気的分離ユニット（１１２）及び前記沈殿ユニット（１２２）のうち少なくとも１つと連通する薬液注入ユニット（１３６）を用意する
   ことを含んでなる方法。
8. 前記膜脱塩ユニット（１０２）がナノ濾過膜装置又は逆浸透膜装置を含み、前記電気的分離ユニット（１１２）が逆電気透析脱塩装置又はスーパーキャパシタ脱塩装置を含んでなる、請求項７記載の水処理方法。
9. 前記薬液注入ユニット（１３６）が塩酸又は硫酸を含んでなる、請求項７又は請求項８記載の水処理方法。
10. 前記第６の導管（１２８）と連通する濾過装置（１３８）を用意することをさらに含む、請求項７乃至請求項９のいずれか１項記載の方法。