JP5845237B2 - 流体力学的分流を備える電気脱イオン化方法 - Google Patents

Description

本発明は、特殊電気脱イオン化（ＥＤＩ）方法および装置に関する。そのような方法および装置は、液体供給ストリームから脱イオン化された液体を製造するために使用される。

この特許出願において、「脱イオン化」は、「脱アニオン化」、「脱カチオン化」、または「完全脱イオン化」（すなわち、脱アニオン化および脱カチオン化）を意味する。

連続電気脱イオン化、またはただの電気脱イオン化（ＥＤＩ）は、電気的活性媒体および電位差を使用してイオン輸送に影響を及ぼすことによって、水などの液体からイオン化されたスペーシおよびイオン化可能なスペーシを除去するプロセスとして当該技術分野で知られている。ＥＤＩは、現在、標準水脱イオン化技術にかかわっている。その主な原理、つまり、電気透析スタックのディリュエートコンパートメントの混床イオン交換樹脂を使用することは、１９８７年にＭｉｌｌｉｐｏｒｅ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎによって市販化された。

ＥＤＩに関する第１の発明のうちの１つにおいて、ディリュエートコンパートメント内の混床だけでなく、フロー方向と一致され、電界に垂直な（イオン交換膜に平行な）方向のカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の層、または電界と一致され、フローに垂直な交互層またはクラスタが要求される。そのような方向性は、逆接合を防ぐことを目的としたものであり、混床内に存在し、したがって、脱イオン化性能を改善する。イオン交換樹脂のクラスタまたは層は、イオンを再生するための移動経路をもたらし、樹脂を再生し続け、供給水からイオンを除去することができる。混床を備えるＥＤＩと比較すると、クラスタ化床または層状床は、ディリュエートコンパートメントの電気抵抗を減少させ、特に弱解離電解質に関して、脱イオン化性能を改善した。

連続モードで電気化学的に再生された完全分離ディリュエートコンパートメント内でカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂を使用することも知られている。ある方式では、供給水溶液が、連続してカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂床を流れ、例えば電極反応で生成されたＨ^＋およびＯＨ⁻イオンが樹脂を再生するために使用される。

ＥＤＩの知られている方法およびイオン交換材料を電気化学的に再生する関連する装置において、液体フローは供給され、すべてのコンパートメントから別々に流れ出る、またはコンパートメント外に設置された共通コレクタを通ってモジュールの平行コンパートメント間で分配される。供給使用される典型的な液体は、逆浸透透過水などのあらかじめ処理された水である。

市販のＥＤＩ装置では、液体の概略フロー方向は、イオン交換膜または電極の表面に対して接線方向である。しかしながら、米国特許出願公開第２００３／０２１３６９５号および米国特許出願公開第２００６／０２３１４０３号などのいくつかの開示は、液体の概略フロー方向が電極の表面に完全にまたは部分的に垂直である装置を取り扱う。

図１は、先行技術、すなわちＵＳ２００６／０２３１４０３の図６に基づいて開示された装置１００での概略説明図である。

装置１００は、汚染物質アニオンおよびカチオンを含む水ストリームからアニオンおよびカチオンを除去するために使用される。装置１００は、カソード１１１およびアノード１０９を含むハウジングからなる。カソード１１１は、発電機の（−）側１１３に電気的に接続されている。アノード１０９は、発電機の（＋）側１１２に電気的に接続されている。電界は電極１１１、１０９間で生成される。ハウジングは５つのコンパートメントを含み、それらは、カソードコンパートメント１１０、カチオン減少コンパートメント１０２、中央アニオン／カチオン減少コンパートメント１０３、アニオン減少コンパートメント１０１、およびアノードコンパートメント１０８である。

それらのコンパートメント１１０、１０２、１０３、１０１および１０８は、２つのカチオン交換膜１０６および１０７、および２つのアニオン交換膜１０５および１０４によってハウジング内部で分割されている。カチオン交換膜１０６は、カソードコンパートメント１１０を閉じ、カソード１１１に近接している。アニオン交換膜１０４は、アノードコンパートメント１０８を閉じ、アノード１０９に近接している。中央アニオン／カチオン減少コンパートメント１０３は、カチオン減少コンパートメント１０２側のカチオン交換膜１０７およびアニオン減少コンパートメント１０１側のアニオン交換膜１０５によって分割されている。

カチオン減少コンパートメント１０２は、カチオン交換樹脂で均一に満たされており、カチオン交換樹脂は、それを通る液体フローのカチオンを保持する。アニオン減少コンパートメント１０１は、それを通る液体フローのアニオンを保持するアニオン交換樹脂で均一に満たされている。アニオン交換樹脂およびカチオン交換樹脂は連続的に再生される。

中央アニオン／カチオン減少コンパートメント１０３は異成分からなり、つまり、アニオンおよびカチオン交換樹脂の混床で満たされている。この中央コンパートメント１０３では、ヒドロニウムイオンＨ_３Ｏ^＋（さらにＨ^＋として書かれる）および水酸化物イオンＯＨ⁻の生成が生じる。ＯＨ⁻は、フローから捕捉されたアニオンを交換することによって、アニオン交換樹脂を再生するアニオン減少コンパートメント１０１中にアニオン交換膜１０５を通って移動し、アノード１０９の方に移動する。Ｈ^＋は、フローから捕捉されたカチオンを交換することによって、カチオン交換樹脂を再生するカチオン減少コンパートメント１０２中にカチオン交換膜１０７を通って移動し、カソード１１１の方に移動する。

電極洗浄ストリーム１２２は、アノードコンパートメント１０８に入り、アノード１０９に対して接線方向に移動し、一見したところ、ストリーム１１４の入口と同じ側でストリーム１２０で流出する。ストリーム１２０は、カソードコンパートメント１１０に入り、カソード１１１に対して接線方向に移動し、一見したところ、ストリーム１１５の入口と同じ側で電極洗浄ストリーム１２１で流出する。

ハウジングは、アニオン交換膜１０４に近接する位置でアニオン減少コンパートメント１０１に入る水ストリーム１１４用の入口を有する。水ストリーム１０１は、アニオンの移動に対して逆流方向に流れる。アニオン減少水１１５は、アニオン交換膜１０５に接近して位置する出口から流出し、さらに、カチオン交換膜１０６に近接するカチオン減少コンパートメント１０２に入る。このアニオン減少水１１５は、カチオンの移動に対して逆流方向に流れる。したがって、アニオン／カチオン減少水１１６は、カチオン交換膜１０７に接近して位置する出口から流出する。このアニオン／カチオン減少水１１６は、イオン交換膜１０５および１０７に対して接線方向にアニオン／カチオン減少コンパートメント１０３を通って流れ、完全に脱イオン化された生成水１１７は装置１００から出る。

電極に垂直な、つまり、対イオンの移動に対して逆流方向のフロー方向の装置は、より高い電流効率を有するように要求され、イオン交換膜に対して接線方向で、電界に垂直なフローのＥＤＩ装置に、有利により良好な脱イオン化性能をもたらすことができる。

米国特許出願公開第２００３／０２１３６９５号明細書 米国特許出願公開第２００６／０２３１４０３号明細書 国際公開第２００６／０６２１７６号 米国特許出願公開第２００８／３０８４８２号明細書 国際公開第９８／５１６２１号 国際公開第２００８／１３０５７８号

一般に、電極の表面に垂直な方向の液体フローのＥＤＩ装置の先行技術の開示は、軽減することが可能な以下の「欠点」を有する：
ユニットは、２から３のコンパートメントを含み、各々は、それ自体の入口および出口、および少なくとも２つの別個の供給ストリーム（１つは脱イオン化用のストリーム、もう１つは濃縮物、例えば電極、コンパートメントの洗浄用のストリーム）を備える。したがって、上記のような装置１００は、装置内に５つのコンパートメントを画定する４つのイオン交換膜を必要とするので相対的に複雑である、
イオン交換膜と樹脂との境界を使用して電気化学的に向上された水解離をもたらす装置において、所定の電位差でのＨ^＋およびＯＨ⁻の発生の強度は、両方の材料の特性およびそれらの間の接触表面積に依存し、条件に応じて強く変化する可能性がある、
混床において、ビード間の逆接合はイオン除去の効率および能力を低減する。

したがって、簡単で、効率的で、コスト効率の良いＥＤＩ装置が依然として必要である。従って、有利には、本発明は、上記検討された問題の１つ以上に対応することができる方法および装置を開示する。

アニオンまたはカチオンを除去するために使用される方法および装置に加えて、液体の完全な脱イオン化のための方法および装置が本発明において開示され、それらは、Ｈ^＋イオンおよびＯＨ⁻イオンのソースとして、電気化学的に再生されたイオン交換材料および両極性膜を利用し、イオン交換材料中のイオンのエレクトロマイグレーションに対する逆流方向の液体フローをもたらす。本発明では、新しいフロー分配方法が開示され、ここで、液体ストリームは、コンパートメント自体の内部で、イオン除去のために使用される第１のストリームおよび分離されたイオンを洗浄するために使用される第２の濃縮ストリームに分離される。ストリームの流量は、好ましくは流出ストリームの圧力低下の流体力学的調節によって調整される。本発明は、装置のより多くの簡単な構成および省材料、つまりコンパートメントを分離するのに必要なイオン交換膜がないまたはわずかであることをもたらす。これらおよび他の利点は、以下に記載されるような本発明に従って達成される。

本発明は、少なくとも１つのプロセスを含む、極性液体からイオンを除去する方法を開示し：
上記極性液体は、第１のストリームおよび第２のストリームに分割され、
上記第１のストリームは、電界が印加される２つの電極間に位置する電気化学的に再生可能なイオン交換材料を通り、上記第１のストリームは、除去されるイオンが、上記イオン交換材料を貫流する第１のストリームに対して逆方向に移動するように、一方の電極から他方の電極に流れ、
上記第２のストリームは、上記一方の電極、または電極間に設置されたイオン交換膜を洗浄し、
上記材料は、他方の電極または上記イオン交換膜で形成されるイオンによって再生される。

本発明によれば、一方の電極から他方の電極に流れる上記第１のストリームは、他方の電極に達する前に、イオン交換膜、例えば、両極性膜によって止めることができる。

本発明によれば、イオン交換膜は、概してアニオン交換膜またはカチオン交換膜または両極性膜である。好ましくは、イオン交換膜は両極性膜である。

「両極性膜」は、一般に、互いに接触する２つの逆帯電イオン交換層を含む合成非多孔性イオン交換膜である。

本発明によれば、一方の電極の洗浄は強制的であり、他方の電極、すなわち対向電極の洗浄は任意である。

好ましくは、第２のストリームは、上記電極に対して接線方向に通るおよび／または上記電極を通ることによって、好ましくは電極を通ることによって、一方の電極を洗浄する。

変形例では、第３のストリームは、上記電極に対して接線方向に通るおよび／または上記電極を通ることによって、好ましくは電極を通ることによって、他方の電極を洗浄する。

好ましい実施によれば、一方の電極を洗浄するために使用されるストリームの少なくとも１つは、上記電極に対して接線方向に通るおよび／または上記電極を通る前に膜を通る。膜は好ましくはイオン交換膜であり、一般に非多孔性である。膜は多孔質膜とすることもできる。

電極間に電界が印加される。電極は対向することができる。

本発明はまた以下の方法を含む：
２つの上記プロセスは、電気化学的に再生可能なアニオン交換材料および電気化学的に再生可能なカチオン交換材料によって、アニオンおよびカチオンをそれぞれ除去するために使用され、
アニオン交換材料およびカチオン交換材料のために、ＯＨ⁻アニオンおよびＨ^＋カチオンをそれぞれ再生するソースを準備するための手段が使用される。

好ましくは、２つのプロセスは同時に行われ、より好ましくは、２つのプロセスは同時に一意的な装置内で行なわれる。

本発明による方法は、液体フローは、少なくとも１つの、好ましくは全ての流出ストリームの圧力低下の流体力学的調節によって調整することができる。

流出ストリームは出口を流れるストリームであり、流入ストリームは入口に流入するストリームである。

本発明は、また、極性液体からイオンを除去する装置を開示し、装置は、少なくとも１つのコンパートメントを含む少なくとも１つのハウジングを含み、電極および対向電極が、装置の２つの異なる端に位置し、電気化学的に再生可能なイオン交換材料が、電極と対向電極との間に設置され、ハウジングは、装置の電極の端に位置する流入液体フロー用の１つの入口と、装置の対向電極の端、または任意に装置のイオン交換膜の端に位置する脱イオン液体用の出口とを含み、上記イオン交換膜は、電極間に設置され、上記イオン交換膜は、好ましくは両極性膜であり、装置は、流入液体フローを分割するための手段を含み、電極を洗浄するために使用される液体用の第２の出口が少なくともあり、上記第２の出口は、装置の電極の端に位置することを特徴とする。

イオン交換膜の存在は任意である。任意に、電極と対向電極との間に設置された電気化学的に再生可能なイオン交換材料があるということは、この材料が電極間の空間を完全に満たすことを必ずしも意味しない。この材料は、一般に、電極間の区域、例えば、電極の１つと電極間に位置するイオン交換膜との間の区域を満たす。区域は、この空間容積またはその一部のみとすることができる。

本発明によれば、電極端に位置する入口および第２の出口は、電極端によって形成された区域内で互いに近接している。より好ましくは、それらは他方の電極端の前方の区域にある。これは、流体力学的抵抗の点から有利である。

好ましくは、装置は、対向電極または存在する場合、イオン交換膜を洗浄するために使用される液体用の第３の出口を含み、上記第３の出口は、装置の対向電極の端または装置のイオン交換膜の端に位置する。

変形例では、ハウジングは、ハウジング内部で２つのコンパートメントを画定するＯＨ⁻およびＨ^＋イオンのソースを準備するための手段を含み、各コンパートメントは、流入液体フローを分割するための手段と、脱イオン液体用の出口と、電極または対向電極または存在する場合、イオン交換膜を洗浄するために使用される液体用の出口と、１つのコンパートメントの入口を他のコンパートメントの出口に接続するパイピングとを含むように装置はできる。

流入液体フローと流出液体フローとの差に対応する装置の流体力学的抵抗は、装置の設計に緊密に関係する。本発明によれば、装置は、好ましくは、流入液体フローおよび流出液体フローの流体力学的抵抗を調節するための装置の出口下流に位置するバルブ、毛細管などの手段を含む。

本発明の好ましい実施形態では、コンパートメントは、電気化学的に再生可能なイオン交換材料に接触して、少なくとも１つの壁によって電極に垂直な方向に画定されており、本発明による装置は、上記壁が、少なくとも一部、好ましくはすべてにおいて波形をつけられており、その表面は、上記イオン交換材料の方を向くことを特徴とする。

本発明によれば、「波形」は、「折り目、溝、概して平行な隆線または溝をつけられる、またはアレイ状につけられる」を意味する。これは、当業者に知られているように異なる形状によって実現することができる。

電気化学的に再生可能なイオン交換材料は、ビード、特に、球状ビードからなる場合、最も良好な波打ち壁は、ビードが完全に適合する壁である。

コンパートメント内の球状ビードの充填によって、コンパートメント中心で最密ビードのバルクは、０．７４の最大密度充填に達することができる。壁が平面である場合、コンパートメントの壁に近接する充填密度は０．５２より低い。この影響は、１０から２０を越えるビード直径の距離で無視できるものとして考えられることができる。この影響は、わずかしかないビード直径の距離でより顕著である。このより高い空隙容積により、層中の局部的流速は、壁に近接し、ビード直径の下半分の厚さを有し、バルク中より高い。経路厚さより大きいフローのそのような不均等な分配によって、化学的に再生可能なイオン交換材料の使用はそれほど効率的でない。壁が波打ち壁である場合、この欠点は解決され、壁付近で充填されたビードの密度は、有利に改善される。

本発明によれば、充填された床の壁の影響は、壁が特定の波形を示す場合、有利に除去され、経路の中央および壁に近接してビードの充填密度を平衡に保つ。そのような波形は、ビード直径の約１／２の高さを有するはずであり、内部（雌）ねじ、平行ノッチ、ピラミッド型突出物のアレイなどの異なる形状を有することができる。

電気化学的に再生可能なイオン交換材料は繊維である、または多孔性ブロックからなる場合、波打ち壁によって、コンパートメント内で材料が良好に固定され、壁とイオン交換材料との間のフローチャンネリングが防止される。

したがって、本発明の装置は、少なくとも２つの電極、アノードおよびカソードを含み、イオン導電性材料は電極間に設置され、イオン導電性経路が設けられる。外部電圧差が電極間に適用される場合、反応がそれらの表面で起こり、イオンのエレクトロマイグレーションが電極間の電界で起こり、電流を導く。本発明の装置は、電極間に位置する少なくとも１つのコンパートメントを含み、それは脱イオン化コンパートメントであり、イオン交換材料を含む。イオン交換材料は、一般に、イオン交換貫流媒体、例えば、イオン交換樹脂床である。イオン交換材料内部で過半数を占めている可動イオンは対イオンであり、それらは、カチオン交換材料用のカチオンおよびアニオン交換材料用のアニオンである。これらのイオンは、イオン交換材料内部の電流の伝導性の原因であるが、カチオン交換材料内部のカチオンはアノードからカソードへの方向に移動し、一方、アニオン交換材料内部のアニオンはカソードからアノードへの方向に移動する。

イオン除去に使用される液体フローは、イオン交換材料内部のイオンの移動に対して逆流方向、つまり逆流である。供給ストリームからの対応イオンはイオン交換によって除去され、さらに、イオン交換材料内部を移動し、最後には廃棄物になる濃縮ストリームに電極で解放される。

対イオン移動および電極面に垂直な向きの電界を検討すると、フローと対イオン移動との角度は、フローがイオン交換材料内部の対イオン移動に対して完全に逆流方向であるために約１８０°である。装置の設計に応じて、この角度からのある偏差が許容され、フローがイオン交換材料内部のイオン移動に対して逆流であるとして本明細書で記載されるために、角度は１８０°±８０°とすることができる。

イオン交換材料は一般に連続的に電気化学的に再生される。したがって、供給ストリームからのイオンは連続的に交換することができ、対応する塩イオンがない水溶液が得られる。

本発明によれば、アニオン交換材料を含む装置は、上記されるように供給ストリーム中に存在するアニオン塩の効率的な除去のために使用することができる。炭酸（またはＣＯ_２）、ケイ酸、ホウ酸などの非解離分子の形態で存在する弱解離酸を除去することもできる。

本発明によれば、カチオン交換材料で満たされた装置は、上記されるように、供給ストリーム中に存在するカチオン塩の効率的な除去のために使用することができる。ＮＨ_４ＯＨ（またはＮＨ_３）、アミンなどの非解離分子の形態で存在する塩基を除去することもできる。

以下に記載される装置は、対応するイオンをＯＨ⁻イオンまたはＨ^＋イオンで交換して、極性液体から酸または塩基を除去する、またはその水溶性塩溶液から塩基または酸を製造するために使用することができる。

再生可能なイオン交換材料は、通常イオン交換樹脂の床である。より一般には、従来のイオン交換材料は、樹脂ビード、イオン交換樹脂の高いメッシュビード、粉末樹脂、さらに繊維または多孔性イオン交換材料である。それらは床またはブロックとして積み重ねられることができる。

本発明によれば、電極コンパートメントは、電極が存在する脱イオン化コンパートメントと異なるコンパートメントである。電極コンパートメントは、金属または炭素などの導電性貫流材料を多孔性ブロックまたはビード床の形態で含むことができる。それは、また、充填物を含むことができないか、炭素ビードなどの、中性、カチオン交換、アニオン交換または電子伝導特性を有する貫流材料で満たすことができる。

本発明によれば、装置は、１から５のコンパートメント、好ましくは１から３のコンパートメントを含む。

カチオンおよびアニオンの両方を除去するために、つまり、完全な脱イオン化のために、解決法は、直列で２つの装置（カチオン交換材料で満たされたのもの、アニオン交換材料で満たされたもの）を使用することである。この場合、直列の好ましい一連の装置は、汚染物の種類を検討することによって規定されなければならない。天然水または処理された（例えば、逆浸透によって）天然水の典型的な汚染物質について、カチオン交換材料−アニオン交換材料のシーケンスが通常有利であるが、それに限定されない。望む場合、両方の装置は、本発明の範囲外ではなく、１つのハウジング内部で一体化することができる。

他の解決法は、有利には本発明による完全脱イオン化のために使用され、液体フローがイオン交換材料内部のイオンのエレクトロマイグレーションに対して逆流方向である装置を使用することにあり、ここで、双極電極またはイオン交換膜、好ましくは両極性膜が、Ｈ^＋イオンおよびＯＨ⁻イオンを再生する構成のために利用される。両極性膜を使用することは、Ｈ^＋イオンおよびＯＨ⁻イオンへの水解離が、電極で起こるときにガスおよび他の副生成物を形成することなく、電気化学的に向上されることのみがもたらされるので、極性液体が水溶液である場合に有利である。

本発明によれば、電極洗浄は、好ましくは本発明の上記実施形態で記載された方法に類似してもたらされる。電極の洗浄は、以下に記載される任意の方法によって、つまり、電極コンパートメントを分離する膜がない、または有するコンパートメント内部で流体力学的供給分流を使用することによって構成することができる。

流体力学的分流および必要に応じて電極洗浄は、当業者に明らかなように、図に開示されるような装置および方法の異なる変形例で構成することができる。したがって、イオンを除去するために使用される本発明の装置は、この材料内部のイオンのエレクトロマイグレーションに対する逆流方向の、電気化学的に再生されたイオン交換材料をメインストリームが流れるハウジングを有し、一方、少なくとも一方の電極（カソードまたは／およびアノード）の洗浄は、以下に記載される任意の方法によって、つまり、膜がないまたは膜を備えるコンパートメント内部の流体力学的分流を使用する、または独立供給電極コンパートメントを使用することによって管理することができる。

本発明の技術は、脱イオン化される水溶液の場合には、添付図面と関連して次の詳細な説明を検討することによって容易に理解される。

典型的な先行技術の脱イオン化装置の概略説明図である。 本発明による脱イオン化装置の第１の実施の概略説明図である。 本発明による脱イオン化装置の第２の実施の概略説明図である。 本発明による脱イオン化装置の第３の実施の概略説明図である。 本発明による脱イオン化装置の第４の実施の概略説明図である。 本発明による脱イオン化装置の第５の実施の概略説明図である。 図４の装置の一部の概略説明図である。 図６の装置の一部の概略説明図である。 図６の装置の細部の概略説明図である。 図６の装置の変形例の概略説明図である。

理解を容易にするために、可能な場合、図に共通の同一要素を示すために、同一の参照符号が使用された。図面は正確な縮尺ではなく、図面のさまざまな要素の相対寸法が概略的に表され、縮尺通りではない。電気化学的に再生可能なイオン交換材料は、常に実質的に同じ直径のビードからなる。

図１は、典型的な先行技術の脱イオン化装置の概略説明図であり、上記されている。

図２は、本発明による脱イオン化装置３２の第１の実施の概略説明図である。

装置３２は、アニオンを除去する、またはカチオンを除去するために使用することができる。それは、本明細書で、水からアニオンを除去する、例えば、アニオン塩をＯＨ⁻で置換する、および／または解離形態または非解離形態で存在する酸を除去するために使用される装置３２として説明される。

装置３２は、例えば、円筒形状または他の形状のハウジング２１を含み、ハウジング２１は、内部に、アノード４と、カソード５と、電極間のアニオン交換材料２とを含む。ハウジング２１は、１つのコンパートメントを画定し、電気化学セルを形成する。ハウジング２１は、水溶性供給溶液フロー１０用の入口７と、アノード洗浄ストリーム１２用の出口８と、アニオン塩１１がない生成物ストリーム用の出口９とを有する。

供給１０は、アノード４の端に接近して位置する入口７を通ってセルに入る。入口７およびアノード４は、アノード端であるハウジング２１の一端に位置する。ハウジング２１は、アノード端の反対端に位置する、カソード５の端である他端を有する。２つの出口８および９がある場合、フロー１０は、イオン除去に使用される第１のストリーム（矢印Ｆ１）およびアノードを洗浄する第２のストリーム（矢印Ｆ２）に分割されることとなる。イオン除去用のストリームＦ１は電極４および５に垂直な方向に向き、アノード４からカソード５に（図２の右から左に）流れる。

電極４、５間に電圧差が印加され、したがって、ハウジング２１によって形成されたセルを通って電流が導かれる。水分離の電気化学反応はカソード５で起こり、Ｈ_２およびＯＨ⁻を生成する。ＯＨ⁻イオンは、カソード５からアノード４への方向、つまり、フローＦ１に対して逆流方向にアニオン交換材料２内部を移動する。フローＦ１のアニオン塩とアニオン交換材料２のＯＨ⁻との間で交換が生じる。したがって、アノード４の端に近いアニオン交換材料は、ほとんど塩の形態で存在し、一方、カソード５の端に近接するアニオン交換材料は、ほとんど、再生されたＯＨ⁻形態で存在する。処理されたストリーム１１はアニオン塩が実質的になく、出口９からハウジング２１を出て、出口９の流体力学的抵抗はバルブ１９によって調整される。出口９は、カソード５に接近したカソード端に位置する。

除去されたアニオン、およびアノード４で生成されたＨ^＋アニオンおよびＯ_２ガスは、アノード洗浄ストリームによって洗浄され、アノード廃棄物１２として出口８を通ってハウジング２１を出て、出口８の流体力学的抵抗はバルブ１８によって調整される。

生成物１１用のフローと廃棄物１２用のフローとの比率は、装置の回収を決める。有利には、本発明によれば、それは両方の経路の流体力学的抵抗によって調節することができ、それら経路は装置に依存し、装置の１つ以上の出口下流のバルブ、毛細管などによってさらに調整することができる。図２に示される実施形態では、出口９および８にそれぞれ設置されたバルブ１９および１８によって主に調整は実行される。

上記されるように、同じ主要部がカチオンを除去するために使用することができる。この場合、図２のいくつかの番号は、異なる意味を有し、したがって、（２）はカチオン交換材料を意味し、極性が逆にされ、例えば（５）はアノードを意味し、（４）はカソードを意味する。装置は、水溶液からカチオンを除去する、例えばカチオン塩をＨ^＋で置換するおよび／または解離形態または非解離形態で塩基を除去するために使用される。除去されたカチオン、およびカソードで生成されたＯＨ⁻カチオンおよびＨ_２ガスは、カソード洗浄ストリーム（１２）によって洗浄される。

図３は、本発明による脱イオン化装置３４の第３の実施の概略説明図である。装置３４は、アニオンを除去するまたはカチオンを除去するために使用することができる。それは、本明細書で、水溶液からアニオンを除去するために使用される装置３４として説明される。

装置３４はハウジング２２を含み、ハウジング２２は、円筒形状または他の形状でもよく、アノード４と、カソード５と、電極間のアニオン交換材料２とを含む。ハウジング２２は１つのコンパートメントを画定し、電気化学セルを形成する。ハウジング２２は、水供給溶液フロー１０用の入口７と、アノード洗浄ストリーム１２用の出口８と、カソード洗浄ストリーム１４用の出口１３と、アニオン塩１１が実質的にない生成物ストリーム用の出口９とを有する。

供給１０は、アノード４の端に接近して位置する入口７を通ってセルに入る。入口７およびアノード４は、アノード端であるハウジング２１の一端に位置する。ハウジング２１は、アノード端の反対端に位置する、カソード端である他端を有する。出口９および１３は、カソード５に接近するカソード５の端に位置し、出口１３は出口９よりもカソード５に接近している。３つの出口８、１３および９がある場合、フロー１０は、イオン除去に使用される第１のストリーム（矢印Ｆ１）およびアノード４を洗浄する第２のストリーム（矢印Ｆ２）に分割される。イオン除去用のストリームＦ１は電極４および５に垂直な方向に向き、アノード４からカソード５に流れ、ここで、さらに、アニオン塩１１が実質的にない生成物ストリーム（矢印Ｆ’１）および第３のストリームのカソード洗浄ストリーム１４（矢印Ｆ３）に分割される。

したがって、カソード洗浄ストリーム１４用の別個の出口１３が設けられ、カソード５は流体力学的分割フローを使用して洗浄される。このカソード洗浄ストリーム１４は、有利には、ガス（複数可）（カソード５で生成されたＨ_２など）および電極反応の考えられる副生成物を含み、そうして、生成物ストリーム１１は実質的に純粋となる。本発明によれば、イオン除去のために使用される液体ストリームは、イオン交換材料２内部のイオンのエレクトロマイグレーションに対して逆流方向であるのに対して、処理された液体の一部は生成物１１として出口９を通ってハウジング２２を出て、一方、他の部分はカソード５を洗浄するために使用され、出口１３を通って廃棄物１４としてコンパートメントを出る。

この場合、ハウジング２２内部の水溶液流体力学的分割は２回起こり、主液体フローの方向（矢印Ｆ１）において、まず、ハウジング２２の入口７に近接して起こり、次に、出口９に近接して起こる。上記説明された実施形態のように、出口８、９および１３を通る流量の比率は、３つの経路の流体力学的抵抗によって決まり、３つの経路は装置３４の設計によって決まり、装置３４の出口の下流でバルブ、毛細管などによって調整することができる。

図３の実施では、液体は電極４を通って流れることができ、電極洗浄１２用の出口８は、電極４背後のコンパートメント６内に設けられている。したがって、電極洗浄用の第２のストリーム（矢印Ｆ２）は、電極４を通り、除去されたイオンおよび電極反応生成物と一緒に、廃棄物１２として出口８を通ってセル２１を出る。

この場合、電極はメッシュ形態の金属とすることができ、または多孔性金属材料または非多孔性金属とすることができる。また、それは異なる材料または構造からなる複合電極とすることができる。コンパートメント６は導電性貫流材料で満たすことができる。これは有効な電極表面を増大させ、イオン濃度、ｐＨの局部的変化、および電極表面での大きな気泡の形成を減少させることができる。ある場合には、スケーリングの形成を防止することが効率的になり得る。電極４がカソードである場合、これは硬度イオンを含む水溶液が使用される場合、カソード４の表面の局部的ｐＨの増大に関連するスケーリングの危険性を低減するのに特に有利である。

図４は、本発明による脱イオン化装置３５の第３の実施の概略説明図である。装置３５は、アニオンを除去するまたはカチオンを除去するために使用することができる。それは、本明細書で、水溶液からアニオンを除去するために使用される装置３５として説明される。

装置３５は、電気化学セルを形成するハウジング２４を含む。ハウジング２４は、供給ストリーム１０用の入口７と、電極洗浄ストリーム１２用の出口８と、アニオン塩１１が実質的にない生成物ストリームの出口９と、アノード４と、カソード５と、電極間のアニオン交換材料２とを有する。イオン除去用のハウジング２４内の液体フロー（矢印Ｆ１）は、イオン交換材料２内部の対イオンの移動に対して逆流方向である。

ハウジングは、円筒を形成するように閉じられた平面である１つの壁４２によって、電極４、５に垂直な方向に形成されている。壁４２は、電気化学的に再生可能なイオン交換材料２ｃと接触している。上記壁４２の一部は図７に詳細に示されている。液体のフローは、矢印Ｆによって表わされている。ｄは、材料２のビードの半径である。ｄの長さは、上記材料２のバルク中よりもさらに空隙がある壁層の厚さである。

装置３５は、本明細書において、膜３が好ましくはイオン交換膜であり、ハウジング２４を浄化コンパートメント１６およびメイン脱イオン化コンパートメント４０に分離することを除いて、図２に説明された装置３２に概して類似する。供給ストリーム１０（矢印Ｆ’２）の一部は、図４で概略的に示されるように、ハウジングおよび／または膜３の下部で、例えば穴（または気孔）を使用して、アノードコンパートメント１６を洗浄するために使用される。この膜３は、ハウジング２４を２つのコンパートメント１６および４０に分離し、有利には、より良好な流体力学的分離をもたらす。

本明細書では、アニオン除去用の装置の場合には、膜３は好ましくはアニオン交換膜である。カチオン除去の場合には、膜３は好ましくはカチオン交換膜である。

電極コンパートメント１６はフィラーを有することができず（説明されたように）、または貫流導電性材料によって満たすことができる。

生成物ストリーム１１中にカソード５でのガスおよび他の反応副生成物が存在することが望まれない場合、カソード５洗浄用の別個の出口が、図５に示されるように流体力学的分流を使用して設けられることができる。

図５は、本発明による脱イオン化装置３６の第４の実施の概略説明図である。装置３６は、アニオンを除去するまたはカチオンを除去するために使用することができる。それは、本明細書で、水溶液からアニオンを除去するために使用される装置３６として説明される。

装置３６は、ハウジング２０を含み、ハウジング２０は、供給ストリーム１０用の入口７と、実質的にアニオン塩がない生成物ストリーム１１用の出口９と、カソード５と、カソード洗浄ストリーム１４用の出口１３と、膜３、１５間のアニオン交換材料２と、アノード４と、アノード洗浄ストリーム１２用の出口８と、膜３によって分離されたアノードコンパートメント１６とを有する。イオン除去用のハウジング２０の液体フロー（矢印Ｆ１）は、イオン交換材料２内部の対イオンの移動に対して逆流方向である。

膜１５が好ましくはイオン交換膜であり、カソードコンパートメント１６’を分割する以外は、装置３６は図４に説明された装置３５に概して類似する。脱イオン化された供給ストリームの一部は、図５で概略的に示されるように、ハウジングおよび／または膜１５の下部で、例えば穴（または気孔）を使用して、電極コンパートメント１６’を洗浄するために使用される。この膜１５は、さらに、装置３６をコンパートメント１６’およびメイン脱イオン化コンパートメント４１（図４のメイン脱イオン化コンパートメント４０の代わり）に分離し、それは、有利には、より良好な流体力学的分離をもたらす。ハウジング２０は、３つのコンパートメント、すなわちカソードコンパートメント１６’、アノードコンパートメント１６およびそれらの間のメイン脱イオン化コンパートメント４１を含む。

本明細書では、アニオン除去用の装置の場合には、膜１５は好ましくはアニオン交換膜である。カチオン除去の場合には、（４）はカソードを表し、（５）はアノードを表し、（１５）は好ましくはカチオン交換膜である。

電極コンパートメント１６’はフィラーを有することができず、または、中性、カチオン交換、アニオン交換（説明されたように）または電子伝導特性を有する材料で満たすことができる。

好ましくは、カソードコンパートメント１６’は電子伝導性貫流材料で満たされ、アノードコンパートメント１６はアニオン交換貫流材料で満たされる。

この場合、入口７を通ってハウジング２０に入る供給ストリーム１０は、まず、イオン除去のために使用される第１のストリーム（矢印Ｆ１）および電極洗浄のための第２のストリーム（矢印Ｆ２）に分割され、膜３を通り、除去されたイオンおよび電極反応生成物と一緒に廃棄物１２として出口８を通ってセル２０を出る。第１のストリームは、イオン交換材料２を通った後、実質的に脱イオン化された生成物１１として出口９を通ってセル２０を出るストリーム（矢印Ｆ”１）および膜１５を通り、電極反応生成物と一緒に廃棄物１４として出口１３を通ってセル２０を出る第３のストリーム（矢印Ｆ’３）に分割される。

図４および図５に示される実施では、本発明者らは、イオン交換材料２で満たされた脱イオン化コンパートメント（４０、４１）から絶縁された電極コンパートメント（１６、１６’）を使用することが可能であり、一方、このコンパートメントを通るフロー（矢印Ｆ１）はイオン交換材料２内部のイオン移動に対して逆流方向であることを実証した。

図６は、本発明による脱イオン化装置３７の第５の実施の概略説明図である。

装置３７は、円筒形状のハウジング２５を含み、ハウジング２５は、内部にアノード４と、カソード５と、両極性膜１７と、アノード４と両極性膜１７との間に位置する脱イオン化コンパートメント３９内のアニオン交換材料２ａと、両極性膜１７とカソード５との間に位置する脱イオン化コンパートメント３８内のカチオン交換材料２ｃとを含む。

ハウジング２５は電気化学セルを形成する。ハウジング２５は、円筒を形成するように閉じられた平面である１つの壁４３によって、電極４、５に垂直な方向に形成されている。図９に示されるように、壁４３は波形をつけられている。波形の深さは寸法ａである。

壁４３は電気化学的に再生可能なイオン交換材料２ａおよび２ｃに接触する。上記壁４３の一部は、電気化学的に再生可能なアニオン交換材料２ａに接触し、液体フローが矢印Ｆによって表された図８に詳細に示されている。材料２ｃのビードは波形にぴったり適合する。波形の各部分は波の形状を有し、図８に示されるように、その深さは寸法ａであり、長さは寸法ｂである。

波形の他の変形例が図１０に示されており、三角形部分を有する波形（図１０Ａ）、およびおおよそ半球部分を有する波形（図１０Ｂ）を含む。

ハウジング２５は、カソード洗浄ストリーム１４用の出口１３と、アノード洗浄ストリーム１２用の出口８と、カチオン交換材料２ｃに流れ込む水供給溶液フロー１０用の入口７と、実質的にカチオン塩がなく、パイプ３０を介して入口２７に流れ、さらにアニオン交換材料２ａに流れ込むストリーム２６用の出口２８と、カチオン塩およびアニオン塩が実質的にない生成物ストリーム１１用の出口９とを有する。両極性膜１７は、少なくとも２層、すなわちアノード対向アニオン交換層およびカソード対向カチオン交換層を含み、水解離からＯＨ⁻アニオンおよびＨ^＋カチオンを生成することができる。

供給１０は、カソード５に接近して位置する入口７を通ってセルに入る。２つの出口１３および２８がある場合、フロー１０は、イオン除去のために使用されるストリーム（矢印Ｆｌ１）およびカソードを洗浄するストリーム（矢印Ｆｌ２）に分割される。イオンの除去のために使用されるストリームＦｌ１は電極４および５に垂直な方向に向き、カソード５からアノード４（図６の左から右）に流れ、両極性膜１７によって流体力学的に制限され、出口２８から流出する。

供給２６は、アノード４の端に接近して位置する入口２７を通ってセルに入る。２つの出口８および９がある場合、フロー２６は、イオンの除去に使用されるストリーム（矢印Ｆｌ３）およびアノードを洗浄するストリーム（矢印Ｆｌ４）に分割される。イオンの除去のために使用されるストリームＦｌ３は電極４および５に垂直な方向に向き、アノード４の端からカソード５の端に流れ（図７の右から左）、両極性膜１７によって流体力学的に制限され、出口９から流出する。

この脱イオン化用装置３７は、水解離が電気化学的に向上されるための両極性膜１７によって分離されたカチオン交換材料２ｃおよびアニオン交換材料２ａを使用し、一方、フロー（Ｆｌ１、Ｆｌ３）は、上記材料内部のイオンのエレクトロマイグレーションに対して逆流方向であり、ここで、脱イオン化コンパートメント３９および３８内部の流体力学的分流が流入電極を洗浄するために使用され、電極４または５背面の空間６または１６は、電子導電性材料（図示せず）で満たされる。

本発明によれば、出口８を通るフロー１２はバルブ１８によって調整され、出口１３を通るフロー１４はバルブ２３によって調整される。

脱イオン化用装置は、図６に存在する一連のフローに限定されず、ここで、供給フローは、まず、カチオン交換材料２ｃを備えるコンパートメント３８を流れ、次いで、アニオン交換材料２ａで満たされたコンパートメント３９を流れる。他の一連のものも可能であり、ここで、供給フローは、図６で次の一連の入口および出口（２７−９−７−２８）を使用して、まず、アニオン交換材料２ａを備えるコンパートメント３９を通り、次いで、カチオン交換材料２ｃを備えるコンパートメント３８を通り、パイプ３０は出口９と入口７との間に位置している。

他の実施（図示せず）は、流体密封イオン交換膜によって脱イオン化コンパートメントから分離され、それ自体の入口、および任意に、分離された洗浄ストリーム用のそれ自体の出口を有する電極コンパートメント（複数可）の少なくとも１つ、好ましくは両方を含む。

本発明によれば、この実施形態は、第２のストリームによる洗浄を妨げない。したがって、この場合、電極は、その２つの側、すなわち電極コンパートメント側および脱イオン化コンパートメント側で２回洗浄される。

そのような場合、ち密（穴または気孔がない）イオン交換膜は、脱イオン化コンパートメントから電極コンパートメントを分離するために使用される。生成物ストリームまたは供給ストリームの一部、他方の電極コンパートメントの洗浄、および他の液体（複数可）が、そのような分離された電極コンパートメントを洗浄するために使用することができる。

必要に応じて、両極性膜に近接する空間も、イオン交換膜のないコンパートメント、イオン交換膜を備えるコンパートメント内部で流体力学的分流の同じ原理を使用することによって、または単独で供給されたコンパートメントを使用することによって別々に洗浄することができる。例えば、両極性膜１７は、選択透過性が限定することができ、したがって、いくらかの汚染物が移動し、および／または２ｃで満たされたコンパートメントから２ａで満たされたコンパートメントに拡散することを可能にする。この場合、これらの汚染物のいくらかが、生成物１１に現われることもあり得る。これを防ぐために、２ａで満たされたコンパートメント内で両極性膜に隣接する空間は、イオン交換膜なしでまたはイオン交換膜で流体力学的分流を使用して、またはイオン交換膜によって完全に分離されたさらなるコンパートメントを使用して洗浄することができる。両極性膜に隣接する別個のコンパートメントが使用される場合、それは、両極性膜のアニオン交換層に隣接するアニオン交換材料、または両極性膜のカチオン交換層に隣接するカチオン交換材料で満たされるはずである。したがって、本発明は、電極コンパートメントまたは両極性膜に近接するコンパートメントを分離するためのイオン交換膜を使用することも含む。

本発明によれば、第１の脱イオン化コンパートメントと第２の脱イオン化コンパートメントとの間の水溶液ストリーム、水生成物溶液、および他の液体ストリームも、分離された電極コンパートメントまたは外部入口および外部出口を備える両極性膜に隣接するコンパートメントを洗浄するために、一部または全体として利用することができる。

直列に脱イオン化コンパートメントを通るフローのための好ましいシーケンスは、汚染物の種類を検討することによって規定されなければならない。天然水または処理された（例えば、逆浸透によって）天然水の典型的な汚染物質について、まず、カチオン交換材料で満たされたコンパートメントを流れ、次いで、アニオン交換材料で満たされたコンパートメントを流れる液体シーケンスが、通常有利であるが、それに限定されない。

本発明の方法および装置は、高電流効率、高緩衝能力、優れた脱イオン化性能、簡単な構成および低い材料コストの観点から有利である。小型寸法および好ましくは０から５０Ｌ／ｈまたはより好ましくは０．０５から５Ｌ／ｈの流量の装置により適用可能であるはずであり、それに限定されない。

本発明の装置は、従来の加圧板（ｐｌａｔｅ−ａｎｄ−ｆｒａｍｅ）または渦巻形モジュール設計と概して異なる。それは、さらなる特徴、例えば装置用のオリジナル３Ｄ設計を作成する可能性を付与する。一般的な設計は、互いに平行に、および電極間で直線コンパートメントに平行に設置された平面電極に限定されず、イオンのエレクトロマイグレーションに逆流方向の液体フローをもたらす。

供給として使用される典型的な液体は、あらかじめ処理された水、例えば、逆浸透、ナノ濾過または限外濾過の透過水である。

極性液体からイオンおよび／またはイオン化可能な成分を除去するために使用される本発明の方法および装置の原理は、水性電解質溶液だけでなく、他の極性溶媒または水／極性溶媒混合物における溶液に適用することができる。

水／極性溶媒混合物の場合には、イオン輸送の原理は、水溶液の原理と類似しており、つまり、電気化学的水分割が電極でまたは両極性膜内で起こり、イオン交換材料の電気化学的再生のため、および液体からのイオンとの交換のために使用されるＨ^＋およびＯＨ⁻を生成する。

いくつかの極性溶媒の電気化学的分割は、電極でまたは両極性膜内において可能であることが知られている。両極性膜では、いくつかの有機酸は電界によってＨ^＋およびカルボン酸イオンに分割されてもよく、アルコールのいくつかは、Ｈ^＋およびライエイトイオンに分割されてもよい。例えば、両極性膜内部でのメタノールの分割によって、Ｈ^＋およびＣＨ_３Ｏ⁻（メトキシド）イオンが生成される。生成されたイオンは、イオン交換材料中を移動することができ、液体ストリームから除去されるイオンとのイオン交換のために使用することができる。このような次第ではあるが、説明を簡単にするために、本明細書で使用された説明図は、電気化学的な水の分割の生成物としてのＨ^＋および／またはＯＨ⁻イオンがイオン交換材料を電気化学的に再生するために使用される、水溶液、つまり、イオンまたはイオン化可能な汚染物を有する水を使用することに基づく。

２、２ａ、２ｃ イオン交換材料
３、１５ 膜
４、１０９ アノード、電極
５、１１１ カソード、電極
６、１６ 空間
７、２７ 入口
８、９、１３、２８ 出口
１０、２６ 供給、極性液体、液体フロー
１１ アニオン塩、液体フロー、流出ストリーム、脱イオン液体、生成物（ストリーム）
１２ アノード洗浄ストリーム、液体フロー、流出ストリーム
１４ カソード洗浄ストリーム、液体フロー、流出ストリーム
１６ 浄化コンパートメント
１６’、１１０ カソードコンパートメント
１７ 両極性膜、イオン交換膜
１８、１９、２３ バルブ
２０、２１、２２、２４、２５ ハウジング
３０ パイプ
３２、３４、３５、３６、３７ 脱イオン化装置
３８、３９ 脱イオン化コンパートメント
４０、４１ メイン脱イオン化コンパートメント
４２、４３ 壁
１００ 装置
１０１ アニオン減少コンパートメント
１０２ カチオン減少コンパートメント
１０３ 中央アニオン／カチオン減少コンパートメント
１０４、１０５ アニオン交換膜
１０６、１０７ カチオン交換膜
１０８ アノードコンパートメント
１１２ 発電機の（＋）側
１１３ 発電機の（−）側
１１４、１２０ ストリーム
１１５ アニオン減少水
１１６ アニオン／カチオン減少水
１１７ 生成水
１２１、１２２ 電極洗浄ストリーム
Ｆ１、Ｆｌ１、Ｆｌ３ 第１のストリーム
Ｆ２、Ｆ’２、Ｆｌ２、Ｆｌ４ 第２のストリーム
Ｆ３、Ｆ’３、Ｆｌ４ 第３のストリーム
ｄ ビードの半径

Claims (4)

1. 極性液体からイオンを除去する方法であって、
   少なくとも１つのハウジングを含み、電極および対向電極が装置の２つの異なる端に位置し、イオン交換膜を収容する装置を提供することを含み、電気化学的に再生可能なイオン交換材料が、電極と対向電極との間に設置されており、イオン交換膜が、両極性膜であり、且つ、ハウジング内部に２つのコンパートメントを画定するように電極と対向電極との間に設置されており、各コンパートメントが、装置の電極または対向電極の端に位置する流入液体フロー用の１つの入口と、装置のイオン交換膜の端に位置する脱イオン液体用の出口と、流入液体フローを分割するための弁と、電極または対向電極を洗浄するために使用される液体用の第２の出口とを含み、前記第２の出口が、装置の電極または対向電極の端に位置しており、前記弁は、前記第２の出口の下流に位置しており、一方のコンパートメントの脱イオン液体用の出口は、他方のコンパートメントの入口に接続されており、方法が、
   前記極性液体を、第１のストリームおよび第２のストリームに分割することと、
   前記第１のストリームを、前記電気化学的に再生可能なイオン交換材料を通して流し、イオンを、前記電気化学的に再生可能なイオン交換材料を通して第１のストリームに対して逆方向に移動させることと、
   前記第２のストリームにより、前記電極および対向電極を洗浄することと、
   前記イオン交換材料を、前記対向電極または前記イオン交換膜で形成されるイオンによって再生することと、
   を含む方法。
2. 前記第２のストリームが、前記電極に対して接線方向に流れるまたは前記電極を通ることによって、前記電極を洗浄する、請求項１に記載の方法。
3. 前記出口からの第１のストリームの流れを、前記第１のストリームにおける流体動力学的な圧力低下を調節することによって調整することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記第２の出口からの第２のストリームの流れを、前記第２のストリームにおける流体動力学的な圧力低下を調節することによって調整することをさらに含む、請求項１に記載の方法。

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