JP5834055B2 - 電気脱イオン化装置 - Google Patents

Description

本発明は、一般に電気脱イオン化装置に関し、より具体的には、「超高純度」脱イオン化に適した拡張可能かつ堅牢な電気脱イオン化装置に関する。

浄水は、多くの産業における重要事項である。例えば、製薬産業において、いわゆる「超純」水（すなわち、１８．２ＭΩ／ｃｍの抵抗率を有する水）が、新薬開発研究や薬剤製造に伴う反応の多くに使用されている。このような水における非常に高濃度のイオンおよび他の不純物は、このような反応に悪影響を与え、誤診や欠陥データを招くエラーの原因となりうる。

電気脱イオン化は、液体からイオンを除去するプロセスであり、これらのイオンを、水素イオン（陽イオン）または水酸化物イオン（陰イオン）と交換可能な固体物質にこれらのイオンを収着させ、かつ収着されたイオンを電界の印加によって同時または後で除去するものである。

電気脱イオン化プロセスは、しばしば、陰イオンおよび陽イオン透過膜によって分離された、交互の希釈区画室および濃縮区画室からなる装置で実行される。希釈区画室は、脱イオン化される水が流れる多孔性のイオン交換物質で充填されている。イオン交換物質は、一般に、陽イオン交換樹脂と陰イオン交換樹脂との混合物である。これらの樹脂の交互の層もまた提案されている。織られた繊維および不織繊維からなるイオン交換物質もまた開示されている。濃縮区画室と称される、印加された電界によってイオンが移動させられる希釈区画室に隣接する区画室は、イオン交換物質か不活性液体透過材料で充填されることができる。しばしば「セル対」と称される、１対以上の希釈または濃縮区画室のアセンブリは、両方の側面が陽極および陰極に隣接することによって、液体流の全般的な方向に垂直な電界の印加を可能にする。

従来の電気脱イオン化装置は、有効でありかつ良好な結果を提供しているが、とりわけ、良好な「超高純度」脱イオン化を損なうことなく、予測可能な線形に拡張された増大に従う、このような装置の容量およびスループットを増加させるための更なる改良を継続する必要がある。

上記の必要性に応じて、比較的高速の脱イオン化が、拡張可能な脱イオン化装置において達成されることが見出され、複数のイオン濃縮区画室およびイオン枯渇（ｄｅｐｌｅｔｉｏｎ）または減少区画室を通る廃棄物および生成物ストリームの流れは、実質的に同時に生じる（すなわち「並列」流路）が、各区画室内では、液体は一連のチャネルを通って順次流れる（すなわち「直列」流路）。基本的に、区画室間では、流れは並列であるが、区画室内では、流れは直列である。

本発明は、その説明においていかなる理論にも制限されるべきではないが、装置の並列流路は、（複数の区画室間で同時処理を提供することによって）流量を改善するのに対して、直列流路は、（良好な滞留時間を保証するように十分に長い蛇行した流路を提供することによって）良好な生産水品質を維持すると思われる。並列流路は、各区画室で作用する類似の液体力学により、構成部品に関する装置の線形に拡張可能な構成に適切な基礎を提供する。

装置の新規な構成に加えて、本発明は、あるさらなる関連技術を包含している。これらの追加の主要な１つは、装置の陽極アセンブリおよび／またはその陰極アセンブリに、セグメントに分けられた電極を用いることである。１つの望ましい実施形態においては、陽極アセンブリのみがセグメントに分けられ、陰極アセンブリは、本質的に単一の曲がったプレートを備えている。他の実施形態も可能である。各々において、陽極および陰極アセンブリを（セグメントに分けられていても分けられていなくても）単一の複数出力電源に接続することによって、利点が実現される。

本発明の他の特徴は、新規な液体分配装置、イオン交換媒体の構成物、セグメントに分けられた膜媒体の使用、および対称的に配置されているポートを有する輪郭形成されたフレーム要素を含んでいる。これらおよび他の特徴は、単独または共同で、設計拡張性、良好な膜間圧力制御、（とりわけ漏れに関する）耐久性、堅牢な動作、および確実な電気性能という利点を提供する。

主要な実施形態において、電気脱イオン化装置（第１および第２の流路が流れる）は、陽極アセンブリと陰極アセンブリとの間に介在している、複数の減少区画室と複数の濃縮区画室とを備えている。減少および濃縮区画室は、交互の順番で配置されている。並列流に関して、第１および第２の流路は共に、実質的に同時に、それぞれの減少および濃縮区画室に流体を導入し、かつ減少および濃縮区画室から流体を放出するように構成されている。直列流に関しては、各区画室には、導かれた流体が各チャネルに実質的に順次に流れるように構成されている、複数のチャネル（すなわち電気的刺激による区画室相互のイオン交換が生じる、事実上の機能的部位）が提供されている。

上記に鑑みて、本発明の主要な目的は、線形に拡張可能な、かつ線形に拡張された実施形態に関しては、超高純度脱イオン化を予想通りかつ良好に実行可能な構成を有する、電気脱イオン化装置を提供することである。

本発明の別の目的は、流体が、その減少および濃縮区画室間を「並列に」流れるが、前記区画室内では直列に（すなわち、各区画室に提供されているチャネルを通って）流れる、電気脱イオン化装置を提供することである。

本発明の別の目的は、装置のイオン減少および濃縮区画室の側面に配置される、陰極アセンブリと陽極アセンブリとを有する電気脱イオン化装置であって、陰極および／または陽極アセンブリが、セグメントに分けられた電極を備えている、電気脱イオン化装置を提供することである。

本発明の別の目的は、上記のセグメントに分けられた電極を用い、かつ電極が単一の複数出力電源に接続されている、電気脱イオン化装置を提供することである。

本発明の別の目的は、各々が直列に結合されているチャネルを有するイオン減少および濃縮区画室を備えており、影響を受ける膜間圧力と、前記区画室の任意の１つ内の各チャネルに供給されている電流とに整合性があるように構成される、電気脱イオン化装置を提供することである。

本発明の別の目的は、イオン減少および濃縮区画室を備えており、各前記区画室が、直列に結合されているチャネルを有しており、濃縮区画室内のチャネルおよび減少区画室内のチャネルは、前記チャネルを充填する樹脂ビーズのサイズが異なる、電気脱イオン化装置を提供することである。

本発明の別の目的は、各々が直列に結合されているチャネルを有するイオン減少および濃縮区画室を備えており、各前記チャネルの先端および後端は、一体の実質的に折畳み不可能な液体分配装置によって区切られている、電気脱イオン化装置を提供することである。

本発明の別の目的は、所与の区画室の各チャネルが、区画室間で互いに対面している全チャネルを、「全面的に」分離する単一の膜とは反対に、個々の膜によって隣接する区画室のチャネルから界面で分離されている、上記の電気脱イオン化装置のいずれかを提供することである。

本発明の他の特徴および利点は、添付の図面と関連してなされる、本発明の代表的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになる。

各区画室が、直列に配置されているチャネル２２_Ａ、２２_Ｂ、および２２_Ｃを有しており、各区画室に並列流路を提供するように構成されかつスタック可能である、イオン減少および濃縮区画室２０_Ｄ１、２０_Ｃ１、２０_Ｄ２、および２０_Ｃ２の交互の順番を図示する。 廃棄物ストリームＷＳおよび生成物ストリームＰＳが、「並列に」イオン減少および濃縮区画室２０_Ｄ１、２０_Ｃ１、２０_Ｃ２、および２０_Ｃ２に向かって流れ、かつイオン減少および濃縮区画室２０_Ｄ１、２０_Ｃ１、２０_Ｃ２、および２０_Ｃ２を通って流れる交互の順番を図示している。 本発明に従った電気脱イオン化装置１０を図示している。 従来技術のＥＤＩ装置５の例を図示している。 本発明の電気脱イオン化装置の一実施形態において、単一の複数出力電源に接続されている、セグメントに分けられた陽極（３２ａ、３２ｂ、および３２ｃ）および陰極（４２ａ、４２ｂ、および４２ｃ）端子を図示している。 従来技術ＥＤＩ装置５に用いられている、一般的な単一陽極端子３と一般的な単一陰極端子４とを図示している。 本発明に従った電気脱イオン化装置の構成に使用されている、輪郭形成されたフレーム要素２０の一方の側面を示している。 図５に示されている輪郭形成されたフレーム要素２０の他方の側面を示している。 軸Ａ−Ａに沿った、図５に示されている輪郭形成されたフレーム要素２０の断面を示している。 図５に示されている輪郭形成されたフレーム要素２に使用されている、実質的に折畳み不可能な一体の液体分配装置６０をより詳細に示している。 図５に示されている輪郭形成されたフレーム要素２に使用されている、実質的に折畳み不可能な一体の液体分配装置６０をより詳細に示している。

本発明は、その生成物および廃棄物ストリームの両方に対して確立された並列流路を有する電気脱イオン化装置を提供する。これらのストリームは、それぞれ装置のイオン減少および濃縮区画室に流入し、かつイオン減少および濃縮区画室を通って流れるとき、最初は並列であるが、イオン減少および濃縮区画室に確立されている局所的な流路は、直列（好ましくは曲がった「蛇行」）になる。装置の並列流路は、良好なスループットを促進する。装置の直列流路は、良好な脱イオン化を促進する。装置は、高速、効率的、かつ堅牢であり、その構成は、比較的容易に拡張されて、確実かつ予想通りにより大量の水処理容積を収容することができる。

図２は、装置の廃棄物ストリームＷＳおよび生成物ストリームＰＳの共存する並列流路を概略的に示している。ここに示されているように、流体は、隣接するイオン減少区画室（２０_Ｄ１および２０_Ｄ２）とイオン濃縮区画室（２０_Ｃ１および２０_Ｃ２）に、交互の順番で導入される。区画室の特定の構成の結果として、イオン減少区画室２０_Ｄ１および２０_Ｄ２に流入する流体（すなわち生成物ストリームＰＳ）は、２つの分岐に従って即座に分岐する。一方は、その反対の端部での放出の前に、区画室の狭い流路に（すなわち脱イオン化が生じるチャネル内にかつチャネルを通って）より深く通じている。もう一方の分岐は、（その狭い流路を通過せずに）区画室を直接通り抜けてかつ区画室から外に通じており、流体は、下流側の次のイオン減少区画室２０_Ｄ２への途中の通過のときだけそこに存在する。２つの流路は、下流側に続き、任意の介在する濃縮区画室２０_Ｃ１および２０_Ｃ２を通って流れるか、介在する濃縮区画室２０_Ｃ１および２０_Ｃ２を迂回する。類似の流れパターンが、廃棄物ストリームＷＳにも存在する。すなわち流体は、全ての介在するイオン減少区画室２０_Ｄ１および２０_Ｄ２を迂回して、実質的に同時に、各イオン濃縮区画室２０_Ｃ１および２０_Ｃ２に入り、そこを流れる。

図２に示されている特定の実施形態において、区画室を通る流れは、「実質的に同時」であって、「絶対的に同時」ではない。イオン減少および濃縮区画室のスタックは、流体ストリームＷＳおよびＰＳが、明らかに交互にそれぞれの区画室に実際に接触するように構成されている。しかしながら、このような接触は、区画室により深く入らないストリームの少なくとも分岐の途中でのみ生じる。区画室の入口側において、流体ストリームＷＳおよびＰＳは、それぞれの区画室の各々に実質的に同時に分岐されることによって、流体が、実際にその脱イオン化ゾーンを通過せずに、区画室を横切る（またはある区画室から他の区画室への）流れに対してかかる予想時間を考慮する。このような場合、イオン減少および濃縮区画室への入力流体は、任意の先行する区画室の任意の脱イオン化ゾーンを有意に通過せずに、それぞれ生成物および廃棄物ストリームの両方のための単一の共通ポイントソースに対する上流側で連続的に追跡されることができる。図２参照。

本明細書に開示されている特定の実施形態において、「区画室間」の流れは、「実質的に同時」であるが、当業者は、所望なら、例えば区画室の外側に流体導管の適切なシステムを用いることによって、より完全に同時である流路を構成することができる。このような実施形態は、本発明の範囲内であると意図されている。

図３ａおよび図３ｂの線図は、本発明の電気脱イオン化装置１０の並列流路と、従来技術のＥＤＩ装置５の直列流路とを比較している。図３ａに示されているように、生成物ストリームＰＳおよび廃棄物ストリームＷＳは、本発明の電気脱イオン化装置１０に導かれ、それぞれのイオン減少区画室２０_Ｄとイオン濃縮区画室２０_Ｃ（これらの区画室は、陽極アセンブリ４０と陰極アセンブリ３０との間で交互の順番でスタックされている）の脱イオン化ゾーンに実質的に同時に導かれ、最終的には前記ゾーンを通過した後に、単一のストリームに再び集められる。これは、従来技術のＥＤＩ装置５の直列流路とは対照的であり、従来技術のＥＤＩ装置５では、図３ｂに示されているように、生成物ストリームＰＳおよび廃棄物ストリームＷＳが、これらのスタックされた交互の区画室２_Ｄおよび２_Ｃに順次に入りかつ通過する。

流体が、区画室２０の脱イオン化ゾーンに入ると、流体が廃棄物ストリームＷＳであるか生成物ストリームＰＳであるかに関係なく、流体の流れは、「直列」になる。とりわけ、流体は、曲がった流路を通って導かれ、曲がった流路で、流体は、イオン交換媒体を含んでおりかつ（動作時に）電流が発生する一連のチャネルに遭遇し、その一連のチャネルを通過する。

ある従来技術のＥＤＩ装置と同様に、電気脱イオン化装置１０のチャネルは、幅が長さよりも非常に狭い細長い形状である。細長い形状は、そこを流れる流体の良好な流体速度を促進するために好ましく、流体速度は、良好な脱イオン化のいくつかの重要な決定要因の１つである。電気脱イオン化装置１０の各区画室内で、いくつかのこのようなチャネル（例えば３つ）が、必ずというわけではないが一般的に、並んで提供される。水が、これらの各チャネルを次々と（すなわち順次に）導かれると、本発明は、とりわけ、各区画室の媒体含有ゾーン内の良好な滞留時間を実現することによって、そこで発生した電気脱イオン化電流の影響へ良好にさらされることを確実に（あるいは提供）することができる。

用語「直列」は、複数の可能性を包含しており、それぞれ本発明の範囲内の許容可能な実施を含んでいる。区画室２０_Ｄ１、２０_Ｃ１、２０_Ｄ２、および２０_Ｃ２の各々に関して図１に概略的に示されているような、「曲がりくねった」すなわち「曲がった」流路の構成は、第１かつ主要なものである。とりわけイオン減少区画室２０_Ｄ１に注目すると、例えば、流体が、どのようにチャネル２２ａ、２２ｂ、および２２ｃを「蛇行する」かを想定できる。流体は、ポート２４を介して入り、まずチャネル２２ａの最前端（「上部」）を通って導かれ、その後、（電流に対して一定にさらされた状態で）その中の媒体を介して前方へ浸透し、チャネル２２ａの最後端（「底部」）に出る。次いで流体は、チャネル２２ｂの最近端（「底部」）に導かれ、その後、（これもまた電流に対して一定にされされた状態で）その中に含まれている媒体を介して前方へ浸透し、チャネル２２ｂの最遠端（「上部」）に出る。最終的に流体は、その最遠端（「上部」）から最終チャネル２２ｃに入り、（これもまた電流に対して一定にさらされた状態で）その媒体物を介して前方へ浸透して、チャネル２２ｃの最後端（「底部」）に向かって出て、ポート２６を介して区画室２０_Ｄ１からその外に放出される。

チャネルの出入口のポイントにのみ着目すると、イオン減少区画室２０_Ｄ１のチャネル２２ａ、２２ｂ、および２２ｃを通る流れは、基本的に「上部から底部へ」、「底部から上部へ」、および「上部から底部へ」である。代替的な曲がりくねった配置において、流体が、その「上部」から全チャネルに入り、その「底部」で全チャネルを出る、入口／出口ポイントのパターンを有することが可能である。これは、例えば、もしあれば、チャネルの「底部」から次の隣接するチャネルの「上部」に続く導管を提供するだけで達成可能である。このようなものが「曲がりくねっている」とみなされるか否かは重要ではない。流れは、「順次」のままである。

曲がりくねった流路は、所望の順次の構成であるが、他の構成も可能であろうと考えられる。区画室を通る局所流路（すなわち「区画室内」流路）は、曲がりくねっていなければならないという本発明の要件はない。必要なことは、複数の各チャネルが、順次、すなわち直列に遭遇されることである。また、当業者には理解できるように、複数のチャネルは、複数のパターンで区画室内に配置されることが可能である。前記各チャネルにつながる導管（すなわち、イオン交換媒体を含まず、かつ流体をチャネルに対して出入りさせるためだけに機能する区画室の部分）は、常に曲がりくねっている必要はない。

例えば、流体が、（導管によって）時計回りまたは反時計回り方向のいずれかで順次各チャネルに導入される、２×２アレイの４つのチャネルを配置する可能性もまた考えられる。同様に、流体が第１のチャネル、次いで第３のチャネル、そして中間チャネルに導かれる、１×３アレイの３つのチャネルの配置もまた可能である。これらおよび他の場合、局所流路は、「曲がった」および／または「曲がりくねっている」として正確に特徴付けられなくてもよいが、依然として順次である。

並列および直列流路に関する上記理解に鑑みて、本発明は、以下のように大まかに規定されることができる。第１および第２の流路が提供されている電気脱イオン化装置であって、該電気脱イオン化装置は、陽極アセンブリと陰極アセンブリとの間に介在する、複数の減少区画室と複数の濃縮区画室とを備えており、該減少および濃縮区画室は、交互の順番で配置されており、前記第１の流路は、実質的に同時に、各前記減少区画室に流体を導入し、かつ減少および濃縮区画室から流体を放出するように構成されており、前記第２の流路は、実質的に同時に、各前記濃縮区画室に流体を導入し、かつ各前記濃縮区画室から流体を放出するように構成されており、各減少区画室は、電流が前記陽極アセンブリと前記陰極アセンブリとの間で発生されたときに、そこを通過する流体からのイオンの放出を可能にすることができる複数のイオン減少チャネルを有し、各減少区画室は、その中に導かれた流体が、各前記イオン減少チャネルを実質的に順次流れるように構成されており、各濃縮区画室は、電流が前記陽極アセンブリと前記陰極アセンブリとの間で発生するとき、そこを通過する流体へのイオンの移動を可能にすることができる複数のイオン濃縮チャネルを有し、各減少区画室は、その中に導かれた流体が、各イオン濃縮チャネルを実質的に順次流れるように構成されている。

生成物区画室は、各々、陰イオン透過膜によって陽極側に、および陽イオン透過膜によって陰極側に結合される。隣接する濃縮区画室は、各々、陽極側の陽イオン透過膜および陰極側の陰イオン透過膜によって、対応して結合される。印加された電界によって、陰イオンは、生成物区画室から、陰イオン透過膜を横切ってより陽極に近い濃縮区画室に移動し、陽イオンは、生成物区画室から、陽イオン透過膜を横切ってより陰極に近い濃縮区画室に移動する。陽極に向かう陰イオンの動きは陽イオン透過膜によって妨げられ、かつ陰極に向かう陽イオンの動きは陰イオン透過膜によって妨げられるために、陰イオンおよび陽イオンは、濃縮区画室に「閉じ込められる」ことになる。水の流れは、濃縮区画室からイオンを除去するように設定されている。このプロセスの最終的な結果は、生成物区画室を流れる水ストリームからのイオンの除去と、濃縮区画室を流れる水におけるイオンの濃縮である。

この構成において、生成物区画室の流量は、毎時約５．０リットルであり、濃縮区画室は、毎時約２．０リットルから約２．５リットルである。

輪郭形成されたフレーム要素２０は、その現在の好ましい実施形態において、その構造に一体的であり、かつ電気脱イオン化装置１０の機能および製造の両方に重要な、複数の非装飾マルチ平面特徴を有するモノリシック熱可塑性射出成形要素を備えている。

とりわけ図５および図６に示されている輪郭形成されたフレーム要素２０に関して、チャネル２２ａ、２２ｂ、および２２ｃを形成する各サブチャネル（すなわち、前記図面において、リブ８２によって構成的に交差されているこれらのチャネルの開放領域）は、本来「チャネル」とみなすことができると考えられる。これは容認可能な解釈であり、依然として本発明の限定内にある。とりわけ図５を参照すると、「チャネル」を１２個の別個のサブチャネルとみなしても、あるいは、３つのリブによってセグメントに分けられたコラム２２ａ、２２ｂ、および２２ｃとみなしても、一連のチャネル全体を一方から他方への液体の流れは、「順次」のままである。

輪郭形成されたフレーム要素２０は、そのポート（すなわち入口、出口、および２つのバイパス）の配置に関して対称的であり、１８０度回転すると、フレーム要素２０は、イオン減少区画室またはイオン濃縮区画室のいずれかに使用可能である。このことは、これに関連するコストを削減する。さらに、要素２０の「ポートの対称性」と装置１０の「全並列」構成の双方の結果、適切な数の電気化学セルを追加することによって、浄水の所定流量に対して電気脱イオン化装置を拡張することができる。例えば、毎時５０リットルの浄水を生成可能な装置が必要な場合、各セルが毎時５．０リットルの流量を有する、陽極および陰極アセンブリ間に介在する１０個の同一のセルを使用する。

一般的な順番のフレーム要素２０のポート（２４、２５、２６、および２７）、導管、およびチャネル（２２）の概略的な配置（これは概して、それから形成されている区画室の対応する順番における同一の配置に直接対応している）は、図１に提供されている。各フレーム要素２０_Ｄ１、２０_Ｃ１、２０_Ｄ２、および２０_Ｃ２は同一であり、濃縮区画室（すなわちフレーム要素２０_Ｃ１および２０_Ｃ２）に対応するフレーム要素が、減少区画室（すなわちフレーム要素２０_Ｄ１および２０_Ｄ２）に対応するフレーム要素の方向に対して１８０度回転されている点だけが、異なることが注目される。

同一ではあるが、フレーム要素の配置は、所望の廃棄物および生成物の同時の流路を提供する。とりわけ脱イオン化時に、生成物流路は、入口ポート２４を介してイオン減少区画室２０_Ｄ１に入る。流れの一部は、区画室により深く入り、残りは、（並列に）次のイオン減少区画室２０_Ｄ２に入る。区画室に入る部分は、導管（すなわち、接続流体経路２９ｉ）によって、先頭チャネル２２ａ、次いで（接続流体経路２９ｍを介して）チャネル２２ｂに、そして（接続流体経路２９ｎ）を介してチャネル２２ｃに導かれる。後続のチャネル２２ｃの後端において、流れは、導管（すなわち接続流体経路２９ｏ）によって、出口ポート２６を介して区画室の外に導かれる。次のイオン減少区画室２０_Ｄ２に入っていく生成物流路の部分は、そのバイパスポート２１を介して濃縮区画室２０_Ｃ１を迂回し、その入口ポートを介して減少区画室２０_Ｄ２に入り、順次にチャネルを通って流れ、最終的にそこから放出されることによって同様に動作する。同様に、出口ポート２６を介して減少区画室２０_Ｄ１から放出された流れは、そのバイパスポート２３を介して中間の濃縮区画室２０_Ｃ１を完全に迂回した後に、次の減少区画室２０_Ｄ２から放出された流れと合流する。これは同様に下流側へと続く。

図１に示されているように、区画室を通る経路を追跡することによって、類似の流れおよび迂回パターンが、イオン濃縮区画室２０_Ｃ１および２０_Ｃ２間を導かれる同時に延びる廃棄物流路において確立されており、主な違いは、流体が、そのバイパスポート２５および２７を介して、任意の中間のイオン減少区画室２０_Ｄ１および２０_Ｄ２を迂回して、濃縮区画室２０_Ｃ１および２０_Ｃ２を流れるという点であることが明らかであろう。

輪郭形成されたフレーム要素２０は、ＥＤＩスタックが形成される枠組みを提供する。

製造プロセスは、一方の端で開始し他方の端で終了するプレスにおいて段階的に、区画室を徐々にスタックしかつ融合することによって達成可能である。

実施のあるモードにおいて、プレス動作は、輪郭形成されたフレーム要素２０を獲得し、イオン透過膜を各個々のチャネル２２ａ、２２ｂ、および２２ｃの適切な側面（図６参照）に熱接合することによって開始し、そのタイプ（陰イオンか陽イオン）は、区画室が、イオン減少区画室として機能するかイオン濃縮区画室として機能するかに応じる。

図６から図８に示されているように、輪郭形成されたフレーム要素２には、膜の適切な配置のための取付けガイドが提供されてもよい。とりわけ図７に示されているように（またある程度は図６にも示されているように）、ガイド８６は、フレーム要素の膜の側方位置を画定し、それに対して周辺リッジ８４は、膜８７に画定された取付け領域を提供する。

膜が、適切な位置に配置されかつ取付けられると、各サブチャネルは、適切なイオン交換媒体によって充填され、その構成要素は、また、少なくとも部分的に、区画室がイオン減少または濃縮のいずれに対して機能するかに応じる。

次いで媒体が充填されたフレーム要素は、プレスに配置されて、その後、別のフレーム要素（すでに適切な膜が取付けられている）が、その上に適切な位置合せで、その方向が１８０°回転されてスタックされる。プレスが作動される。圧力および熱の影響下で、これらの２つのフレーム要素は、熱可塑性に結合され、１対のまたがっている膜の間のサブチャネル内のイオン交換媒体を封止する。

次いで上部のフレーム要素のサブチャネルは、イオン交換媒体で充填され、位置合せされおよび適切な方向で、次の膜を担持するフレーム要素で覆われ、プレスで接合される。プロセスは、所望の数の区画室を有するスタックが完成するまで反復される。

（例えば、ホットプレス、溶接、振動プレスなどによる）熱可塑性接合だけではなく、フレーム要素を結合する他の手段は、接着剤やガスケットの使用、およびクランプ、プレート、ボルト、結合器、およびストラップなどの機械的な制限装置の使用を含んでいる。これらは、本発明の範囲内で、本説明に鑑みて、実行者によって単独または組み合わせで使用可能である。

図５から図７に示されているように、チャネル２２ａ、２２ｂ、および２２ｃは、各々、一連のクロスチャネルリブ８２によってサブチャネルに分割されている。リブ８２は、多数の重要な役割を果たしている。まず、リブ８２は、フレーム要素２２（従って完全なＥＤＩスタック）に、電気脱イオン化装置１０を通って流れることが想定されている水の重さおよび圧力を考慮して重要な特徴である、側面剛性を提供する。別の機能は、リブ８６が、緩んだイオン交換媒体（例えば樹脂ビーズ）がチャネルの底部に付着することを実質的に防止することであり、これは、例えば、スタックが、直立した状態での動作を意図している実施形態において生じうる。樹脂ビーズが付着すると、チャネルの上部の領域は、ほとんどまたは全く交換物質を含まないので、（もしあったとしても）ほとんど脱イオン化には寄与せず、また装置の効率を最終的には下げることになってしまう。リブ８６は、イオン交換媒体が、チャネルの全長にわたって広く分散されたままであることを確実にすることによって、そのチャネルの全の部分が脱イオン化に寄与することを確実にする。

図７において最もよくわかるように、リブ８２には、一連の溝が提供されており、あるサブチャネルから次のサブチャネルへの流体の通過を可能にしている。当業者には理解されるように、同様の機能を達成する他の手段も、例えば、リブ８２を通って穿孔されたトンネルまたはスロット（図示せず）の使用によって使用可能である。溝は、単一の共通成形操作で形成可能であるので、これらの溝は、更なるアセンブリおよび／または別の製造ステップを要する手段より好ましい。

望ましくは、リブ８２の溝は、本質的に、輪郭形成されたフレーム要素の背面の主面の下にあるべきであり、前記主面から上方に延びるのとは反対である。これによって製造者は、スタック形成を妨害または干渉する可能性のある、隆起、段差、または同様の突出部なく、長い連続する膜ストリップをその上に本質的に平らに置くことができる。

入口、出口、およびバイパスポートの構成は、比較的簡単である。バイパスポート２５および２７は、本質的に輪郭形成されたフレーム要素２０を完全に通過する孔である。入口ポート２４および出口ポート２６も、また要素全体を通過する孔であるが、また、それぞれチャネル２２ａおよび２２ｃに導かれ、かつチャネル２２ａおよび２２ｃから導かれる導管に開いている、横方向の側壁を有している。輪郭形成されたフレーム要素上のそれらの配置に関して、本発明の好ましい実施形態において、入口ポート２４および出口ポート２６は、輪郭形成されたフレーム要素が１８０度回転されると、バイパスポート２５および２７と整列するべきである。

図８ａおよび図８ｂに示されているように、輪郭形成されたフレーム要素２０には、一体の液体分配装置７０が具備されている。一体の液体分配装置７０は、製造時に形成された輪郭形成されたフレーム要素２０の一体部分であり、かつ（その仕上げ形態では）基本的にシーブとして動作する。その構成のために、一体の液体分配装置７０は、本発明の電気脱イオン化装置のスタックされた区画室の製造でしばしば用いられる圧力および熱による崩壊に対して良好な抵抗性を有している。一体の液体分配装置７０は、また、チャネルから樹脂材料（例えばビーズ）の移動を防止または抑制するように作用し、したがってその位置は、チャネルの後端および先端である。

図８ａに示されているように、未だ組み立てられていない一体の液体分配装置７０は、（例えば型から取り出された直後）複数のフィン７４と、自由端とヒンジ端とを有するフラップ７２とを備え、該ヒンジ端は、複数のヒンジストリップ７５によってチャネル２２の上部の内部縁７９に接続され、この未だ組み立てられていない一体の液体分配装置７０は、さらに、複数のぺグ７６と複数の対応する孔７８とを備えているフラップ固定手段を備えている。

フィン７４は、ガターまたはアレイの並列配置を画定する長い自由直立壁であり、流体の通路を提供し、チャネルに対して出入する導管の構成または配置に起因して、あるいは開放導管から媒体が充填されたチャネルへの移行で結果として生じる流体速度の変化に起因して、またはその他に起因して、流体がチャネルに対して流入および流出する際に生じることがある、乱れ、プーリング、および渦動を最小にする。さらに、フィン７４は、柱のような支持体をフラップに対して提供し、フラップが、（折畳まれた場合に）チャネルに対して流入または流出する流体の通路を下方に崩壊させたり、妨げたり、あるいは制限したりすることを防止する。

図８ｂに示されているように、液体分配装置７０のアセンブリは、フィン７４上にフラップ７２を反転させたり折畳んだりすることを含んでおり、ぺグ７６は、孔７８内に確実に嵌合し、フラップをロックまたは固定するのに役立つ。フラップおよびその固定手段は、組立ておよび固定されると、輪郭形成されたフレーム要素のプロファイルに調和し適合する、一般に妨げにならない平面を提供し、また膜ストリップが製造時にチャネル上に配置される場合に、スタック形成を妨害または干渉する望ましくない隆起、段差、または同様の突出部が生じないように、好ましくは構成されている。

区画室は、イオン交換樹脂材料が、各サブチャネルに収容されるように形成されている。固体のイオン交換材料は、サブチャネル内に配置されており、リブ８２によってサブチャネル間の、イオン透過膜による区画室間の移動を制限されている。代表的な適切な固体のイオン交換材料には、ビーズおよび繊維などがある。イオン交換ビーズを用いる場合、一般的なビーズ直径は、約０．０４インチ以下（約１ｍｍ以下）であり、好ましくは直径約０．０３３インチ（約０．８ｍｍ）から０．０１２インチ（約０．３０ｍｍ）である（２０から５０メッシュ）。

本発明に従った電気脱イオン化装置において、イオン減少チャネルに隣接する濃縮チャネル（すなわち廃棄物チャネル）よりも、装置のイオン減少チャネル（すなわち生成物チャネル）での動作において、より大きな流体圧力が存在することを確実にすることが望ましい。従来のＥＤＩ装置は、このような「確実な圧力差」を生成する種々の手段を提供するが、本発明の構成において、望ましい動作圧力比は、一方で濃縮チャネルである平均サイズのビーズを使用し、他方で減少チャネルで異なる平均サイズのビーズを使用することによって影響されることが見出された。濃縮区画室で実質的により小さいビーズを使用することによって、より大きな圧密が、ビーズ間に生じる。濃縮区画室によりぎっしりと詰められたビーズは、より制限された流路を提供する。このより制限された流路は、他の変数は実質的に一定であるが、隣接する減少区画室よりも前記濃縮区画室において、動作により小さい流体圧力をもたらす。このような「確実な圧力差」を生成することによって、減少区画室から濃縮区画室へのイオンの電気的刺激された流れは、いわゆる「クロスフロー」（すなわち圧力で誘導された逆の流れ）によって、損なわれたり妨害されたりする可能性は低い。

区画室で異なったビーズサイズを選択することは、とりわけ、本発明の「全並列」構成に関して適切であるが、その生成物および廃棄物区画室への流体またはそれらの区画室からの流体の直列の流れに関して構成されている、ＥＤＩ装置においても利点は実現可能であると考えられる。

一般的に最高約５ｐｓｉの動作圧力差に耐える強度を有する陰イオン透過膜または陽イオン透過膜は、本発明に使用可能である。

代表的な適切な陰イオン透過膜には、アイオニクス社（Ｉｏｎｉｃｓ Ｉｎｃ．）から識別名ＣＲ６１−ＣＺＬ−３８６およびＡＲ １０３−ＱＺＬ−３８６として販売されている、スルホン酸または第４級アンモニウム官能基を有する均一タイプのウェブに支持されたスチレン−ジビニルベンゼン系、シブロン／イオナック（Ｓｙｂｒｏｎ／Ｉｏｎａｃ）から識別名ＭＣ−３４７０（陽イオン透過）およびＭＡ−３４７５（陰イオン透過）として販売されている、フッ化ポリビニリデン結合剤での不均一タイプのウェブに支持されたスチレン−ジビニルベンゼン系樹脂、ＲＡＩリサーチ社（ＲＡＩ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）から登録商標Ｒａｉｐｏｒｅとして販売されている、第４級基によってスルホン化またはアミノ化されているポリエチレン系の均一な支持されていない膜シート系、トクヤマソーダ株式会社（Ｔｏｋｕｙａｍａ Ｓｏｄａ Ｃｏ．，Ｌｔｄ）から登録商標Ｎｅｏｓｅｐｔａとして販売されている、スルホン酸または第４級アンモニウム官能基を有する、均一タイプのウェブに支持されたスチレン−ジビニルベンゼン系、旭化成工業株式会社（Ａｓａｈｉ Ｃｈｅｍｉｃａｌ ＩｎｄｕｓｔｒｙＣｏ．，Ｌｔｄ）から名称Ａｃｉｐｉｅｘとして販売されている、スルホン酸または第４級アンモニウム官能基を有する、均一タイプのウェブに支持されたスチレン−ジビニルベンゼン系がある。

図４ａに示されているように、本発明の特定の実施形態に組み込まれているもう１つの重要な特徴は、セグメントに分けられた電流発生手段の使用である。とりわけ、単一の陽極アセンブリおよび／または単一の陰極アセンブリを形成する複数の電極は、複数出力電源５０に接続されて、流体が装置を通って導かれるとき、別個の電流発生回路を確立する。一般に、複数の各電極（３２ａから３２ｃ、および４２ａから４２ｃ）の位置は、各イオン減少および濃縮区画室の各チャネルグルーピング（ＡからＣ）に対応している。

セグメントに分けられた電極の使用は、とりわけ本発明の「全並列」構成に関して好都合であるが、その生成物および廃棄物区画室への流体およびその生成物および廃棄物区画室からの流体の直列の流れのために構成されているＥＤＩ装置においても、利点は実現可能であると考えられる。

セグメントに分けられた陽極およびセグメントに分けられた陰極の数は、望ましくは、１：１：１の比（陽極：陰極：グループ）のイオン減少または濃縮区画室におけるチャネルグループの数に望ましくは関連する。例えば、図４ａに示されているように、各濃縮区画室（２０_Ｄ２および２０_Ｃ２）には、曲がった流路の形態で接続されている３つのチャネルが具備されている。各チャネルグルーピング（重複するクロス区画室スタックの全チャネルを備えている、チャネルグルーピング）には、自身の対にされた電極が具備されている。例えば、チャネルグルーピングＡの陰極３２ａと陽極４２ａ、チャネルグルーピングＢの陰極３２ｂと陽極４２ｂ、およびチャネルグルーピングＣの陰極３２ｃと陽極４２ｃである。電流は、各チャネルグルーピングＡ、Ｂ、およびＣを介して別個に提供される。図４ａに示されているように、陰極および陽極アセンブリの各電極は、複数出力電源５０を有する別個の回路を形成する。

陽極、陰極、およびチャネルグルーピング間の１：１：１の比に代わって、陽極アセンブリ４０または陰極アセンブリ３０のいずれか一方のみが、セグメントに分けられることが可能である。この点でのセグメントに分けられていない電極アセンブリは、例えば、その範囲が、チャネルグルーピングによって占められている領域に全面的に重複している広い矩形領域か、あるいは（図４ｂに示されているように、両電極アセンブリ３および４において）より「形状適合している」曲がった形状を有するように構成されている、単一の一体の導電性プレートであってもよい。

特定の実施形態に対する別の代替として、両方の陰極アセンブリ３０および陽極アセンブリ４０は、セグメントに分けられているが、チャネルグルーピングＡ、Ｂ、およびＣとともに１：１：１の比ではない。例えば、３つのチャネルグルーピングと、３つのセグメントに分けられた陰極と、２つのセグメントに分けられた陽極とを有する電気脱イオン化装置を構成することができる。また、３つのチャネルグルーピングと、２つのセグメントに分けられた陰極と、３つのセグメントに分けられた陽極、または３つのチャネルグルーピングと、２つのセグメントに分けられた陰極と、２つのセグメントに分けられた陽極、または２つのチャネルグルーピングと、３つのセグメントに分けられた陰極と、３つのセグメントに分けられた陽極、などが可能である。本質的に、セグメントに分けることは、電極アセンブリの一方または両方に存在可能であり、「セグメント」数は可変である。

セグメントに分けられてても、個々の電極は、全体として、電気脱イオン化装置の全チャネルグルーピングを覆うことによって、必要なまたは望ましい脱イオン化の程度に応じて、モジュールの特定の領域に適切な電流出力を供給することを可能にする。従って、実施者は、例えばイオン含量および溶解された二酸化炭素含量に応じて、装置の動作を異なる給水タイプに容易にカスタマイズすることができる。

図４ｂに示されている従来技術の装置のように、セグメントに分けられていない電極を使用することによって、電極３および４を通る一定電流の印加は、電圧が、電源６の最大電圧に達するまで、上昇する電圧を結果として生じる。これが生じると、脱イオン化は、もはや電力が供給されないので終了する。セグメントに分けられた電極を使用することによって、電極の１つが最大電力に達すると、当該１つの電極のみが影響を受ける。残りの電極は依然として動作可能であり、浄水は依然として生成される。

いくつかのタイプの複数出力電源が、現在様々な製造業者から市販されている。様々な電源は、機能、電圧、使用可能な出力数などにおいてかなり異なっている。適切な選択は、その適用の特定の必要性に基づくものである。特定の複数出力電源の使用に関して明確な制限はないが、特定の好ましい実施形態においては、電源は、一定電圧での直流電流をセグメントに分けられた電力負荷に供給可能であるべきであり、好ましくは、負荷の残余が動作を継続する一方で、種々のセグメントに分けられた負荷はオフにされるように、冗長な電流の共有が可能であるべきである。

出力水の品質は、部分的にはモジュールを横切る電流に関連しているので、定電流電源が好ましいが、複数出力電源は、定電流電源または定電圧電源であってもよい。好ましくは、電源の出力電流が、所望の入力水の品質および出力範囲に応じて、システムの各使用前に設定可能である。

「完全な」電気脱イオン化装置の他の構成部品は、（当業者には明らかであるように）外部ハウジングまたはキャビネットと、装置の動作に情報を提供するための電子表示器と、装置を通る流体の流れを監視および調整するための検出器およびセンサのシステムと、イオン減少および濃縮区画室へ導きかつイオン減少および濃縮区画室から離れるように導く、ポンプ、弁、および導管のシステムと、システム論理構成部品を含む追加回路および配線と、装置の動作に関する命令および／またはデータを入力するための電子ユーザインタフェースと、他の同様の構成部品とを含むことができる。このような構成部品の選択および構成は、例えば、所与の適用の必要性および特定の目的に応じて、変更および／または置き換えられる。このような他の構成部品の詳細およびこのような他の構成部品を組み込む手段は、例えば、入手可能な技術文献に見出され、かつ／または当業界内にある。

さらに、本発明は、本明細書に説明されている、構成部品、副構成部品、および構成のみを備えている装置に限定されない。本発明は、当業において既に知られているような、任意の数の液体浄化または分離システムまたは方法と単独または組み合わせで使用可能である。本発明は、例えば、本発明の装置の上流側または下流側のいずれかで、有機種を破壊するためのＵＶ照射源と共に使用可能である。

いくつかの実施形態が、本明細書に開示されており、本明細書に示されている教示の恩恵を有する当業者は、多数の変更を実行可能である。これらの変更は、請求項に記載されている本発明の範囲内であることが意図されている。

３、４ 電極
５ ＥＤＩ装置
６ 電源
１０ 電気脱イオン化装置
２０、２０_Ｄ１、２０_Ｃ１、２０_Ｄ２、２０_Ｃ２ 区画室
２２ａ、２２ｂ、２２ｃ チャネル
２４、２５、２６、２７ ポート
２９ｉ、２９ｍ、２９ｎ、２９ｏ 接続流体経路
３０ 陰極アセンブリ
３２ａ、３２ｂ、３２ｃ、４２ａ、４２ｂ、４２ｃ 電極
４０ 陽極アセンブリ
５０ 複数出力電源
７０ 一体の液体分配装置
７２ フラップ
７５ ヒンジストリップ
７６ べグ
７８ 孔
７９ 内部縁
８２ クロスチャネルリブ
８４ 周辺リッジ
８６ リブ
８７ 膜
Ａ、Ｂ、Ｃ チャネルグルーピング

Claims (12)

1. 電気脱イオン化装置であって、該電気脱イオン化装置を通る並列の第１および第２の流体流路が提供され、前記電気脱イオン化装置が、陽極アセンブリと陰極アセンブリとの間に介在する複数のイオン減少区画室と複数のイオン濃縮区画室とを備え、
   前記第１の流体流路が、実質的に同時に、各前記イオン減少区画室に流体を導入し、かつ各前記イオン減少区画室から流体を放出するように構成され、
   前記第２の流体流路が、実質的に同時に、各前記イオン濃縮区画室に流体を導入し、かつ各前記イオン濃縮区画室から流体を放出するように構成され、
   各イオン減少区画室が、複数のイオン減少チャネルを有し、該複数のイオン減少チャネルは、電流が前記陽極アセンブリと前記陰極アセンブリとの間で発生されたときに、イオン減少チャネルを通過する流体からイオン放出を可能にすることができ、各イオン減少区画室は、イオン減少区画室に導かれた流体が、前記イオン減少チャネルの各々を通って順次に流れるように構成され、
   各イオン濃縮区画室が、複数のイオン濃縮チャネルを有し、該複数のイオン濃縮チャネルは、電流が前記陽極アセンブリと前記陰極アセンブリとの間で発生されたときに、イオン濃縮チャネルを通過する流体へのイオンの移動を可能にすることができ、各イオン濃縮区画室は、イオン濃縮区画室に導かれた流体が、各イオン濃縮チャネルを通って順次に流れるように構成されており、
   前記陽極アセンブリおよび前記陰極アセンブリがそれぞれ、単一の複数出力電源に分離して接続された複数のそれぞれの電極プレートを備えており、
   イオン減少および濃縮区画室は、交互の順番でスタックして配置されており、スタックを横断して重なり合うイオン減少および濃縮チャネルが、チャネルグルーピングを形成し、各チャネルグルーピングが、それ自体の、対をなす陽極および陰極電極プレートを備えるようになっており、
   各イオン減少および濃縮区画室が、実質的モノリシックな熱可塑性枠組みを備えており、前記熱可塑性枠組みが、
   （ａ）前記それぞれの区画室の前記チャネルと、
   （ｂ）流体入口および流体出口と、
   （ｃ）前記それぞれの区画室の前記チャネルを通過することなく、前記それぞれの区画室を流体が通り抜けることをできるようにする第１および第２の流体バイパスと、
   （ｄ）（ｉ）前記流体入口を前記それぞれの区画室の最前部のチャネルに接続し、かつ（ｉｉ）前記それぞれの区画室の最後部のチャネルを前記流体出口に接続する一連の接続流体経路と、を画定するように形成されており、
   各前記イオン濃縮区画室および各前記イオン減少区画室の熱可塑性枠組みは、基本的に同じものである、前記電気脱イオン化装置。
2. 各イオン減少区画室および各イオン濃縮区画室が、イオン交換樹脂ビーズを含み、前記イオン濃縮区画室の前記樹脂ビーズの平均サイズが、前記イオン減少区画室の樹脂ビーズの平均サイズよりも小さい、請求項１に記載の電気脱イオン化装置。
3. 陽極電極プレートの数、陰極電極プレートの数、各イオン減少区画室のイオン減少チャネルの数、および各イオン濃縮区画室のイオン濃縮チャネルの数が、同一である、請求項１または２に記載の電気脱イオン化装置。
4. 前記数が３である、請求項３に記載の電気脱イオン化装置。
5. 熱可塑性枠組みがさらに、前記イオン減少および濃縮チャネルの各々の入口および出口に設けられた一体の液体分配装置を備えている、請求項１から４のいずれか一項に記載の電気脱イオン化装置。
6. 一体の液体分配装置が、複数のフィンと、自由端およびヒンジ端を有するフラップと、フラップ固定手段とを備えており、ヒンジ端は、複数のヒンジストリップによって熱可塑性枠組みに接続されている、請求項５に記載の電気脱イオン化装置。
7. フラップ固定手段が、複数のぺグと、これらに対応するフラップの複数の孔とからなる、請求項６に記載の電気脱イオン化装置。
8. チャネルは、熱可塑性枠組みに設けられた一連のクロスチャネルリブによってサブチャネルに分割されている、請求項１から７のいずれか一項に記載の電気脱イオン化装置。
9. 各イオン濃縮および減少チャネルがイオン透過膜を備えており、熱可塑性枠組みがさらに、膜の側方位置を画定すべく熱可塑性枠組みに設けられた複数の取付けガイドを備えている、請求項１から８のいずれか一項に記載の電気脱イオン化装置。
10. 熱可塑性枠組みがさらに、膜のための画定された取付け領域を提供すべく熱可塑性枠組みに設けられた複数の取付けガイドを備えている、請求項９に記載の電気脱イオン化装置。
11. 流体が、イオン濃縮チャネルを蛇行して流れる、請求項１から１０のいずれか一項に記載の電気脱イオン化装置。
12. 流体が、イオン減少チャネルを蛇行して流れる、請求項１から１１のいずれか一項に記載の電気脱イオン化装置。

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