JP6033790B2 - 水処理用の電気透析ユニット - Google Patents

Description

本発明は、微生物を殺す処理のような電気透析による水の処理、好ましくはバラスト水の処理の如き海水の処理に関するものである。

バラスト水とは、バラスト水用のタンク、または場合によっては貨物倉もしくは積荷タンクの如き他の適当なスペースを用いて船により移送される水のことである。積荷および／または燃料が放出／消費される際の重心の変化を補償して安定性を維持するために、水「供給」場所において、バラスト水がタンクの中にポンプにより圧送される。正確なバラストティング（ｂａｌｌａｓｔｉｎｇ（安定化））は、構造の観点から見て重要であり、また、プロペラおよびラダーの適切な浸水、ブリッジからの適切な展望、船舶の望ましい進行、および操作特性の維持を担保するという性能の観点からみても重要である。バラスト水は、通常船に荷物を載せる地域の水「受取」場所まで移送される。船に荷物を載せる地域は、バラスト水を入手する地域の生物地理的領域の外に位置する可能性がある。荷物を載せる際、バラスト水を放出するようにしてもよい。バラスト水は、動物プランクトン、植物プランクトン、バクテリアおよびウイルスを含むさまざまな種（ｓｐｅｃｉｅｓ）を含んでいる恐れがある。これらのさまざまな種は、放出地域では天敵がいない恐れがあり、新しい場所で定着および繁殖し、環境、産業および人間の健康にとって深刻な問題を引き起こしてしまう恐れがある。

微生物を殺すまたは機能不能とするようにおよび他の汚染物質を削減または除去するように水、とくにバラスト水を処理することが望ましい。

ＷＯ２００８／０４７０８４には、膜セルによる電気透析を用いることを含むバラスト水を処理するための方法および装置が記載されている。このタイプの電気透析は、イオン交換膜により分離される２つの電極間に一定のまたはパルス状の電位差の印加することによるイオン分離に基づいた流体処理プロセスである。一方の電極は負の電荷を帯びたイオンを引き付けるアノード（プラスに荷電）として働き、他方の電極は正の電荷を帯びたイオンを引き付けるカソード（マイナスに荷電）として働く。膜とアノードとの間のコンパートメント内の流体は、たとえば、電子が過剰にある負の電荷を帯びたイオンにより特徴付けされ、濃縮物と呼ばれる。また、膜とカソードとの間のコンパートメント内の流体は、電子が不足している陽イオンの存在により特徴付けされ、希釈物と呼ばれる。

電気透析処理によっては、複数の膜セルが電気透析スタックと呼ばれる構造を形成するように配置され、アニオン交換膜およびカチオン交換膜が単一のアノードと単一のカソードとの間に交互に並べられ、複数の膜セルが形成されている場合もある。電気透析の公知の用途には、大規模な塩水および海水の淡水化および塩の生産や、小規模および中規模の飲料水の生産などが挙げられる。また、電気透析は、プロセス産業において重金属の如き汚染物質を分離するためにも用いられている。

ＷＯ２００８／０４７０８４の開示内容によれば、バラスト水の処理が、主水流からバラスト水の一部を分離し、分離された一部を膜セルを通して流し、膜セルからの生成物を主水流に戻すことによりなされている。戻された生成物は主として濃縮物であり、このことには、水中の微生物を機能不能とするまたは殺す効果がある。水の一部のみを電気透析処理ユニットを通して膜セルからの生成物を水に戻すという概念は当該技術分野における進歩を示している。というのは、水流全体を電気透析処理ユニットに通して流すということを必要とすることなく水を効果的に処理することができるからである。

したがって、ＷＯ２００８／０４７０８４の電気透析デバイスは、バラスト水処理の如き水処理に有利に用いられる形態の電気透析処理を提供している。しかしながら、このタイプの電気透析処理をバラスト水の如き海水を処理するために用いることに関する研究がさらになされ、改良しうる領域が特定されている。

本出願の特許請求の範囲は、第四の態様〜第六の態様に関するものである。後述されるその他の態様は本明細書ではクレームアップされておらず、他の関連する発明について説明するために本明細書に含まれている。

第一の態様によれば、本発明にかかる電気透析処理ユニットは、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の膜と、カソード側の膜に沿って流れる水用のカソード流路と、アノード側の膜に沿って流れる水用のアノード流路と、膜とカソードとの間に形成され、カソードがアノードに面している反応ゾーンにとを備えており、カソード流路は、反応ゾーンにおいて層流を形成するように構成されており、電気透析ユニットは、カソード流路に向かって流れてくる水の流れを層流にするよう促進するように構成されている流れ調整エレメントを備えている。

海水は、塩化ナトリウムをだけを含有した水溶液ではなく、他の塩類および組成物も含有しているため、周知の塩化ナトリウムと水との反応に加えて、二次反応をも生じる。たとえば、マグネシウム塩は、海水の塩類の約３〜４％を構成しうる。二次反応のうちの１つとして、電気透析ユニットのカソード側に水滑石、Ｍｇ（ＯＨ）_２が生じることが見出されている。水滑石は、乳白色のねばねばした物質である。思いがけなく、本発明者らは、通常の海水を用いた電気透析処理により電気透析ユニットに水滑石が形成されて水滑石物質が内側流路内に堆積してしまうことを発見した。この問題は公知の従来技術には開示されていない。第一の態様にかかる電気透析ユニットはこの新規の問題に対処するための構成を有している。

典型的には、従来の電気透析ユニットは乱流と二次流れを促進しようとする。というのは、この混合プロセスが電気透析反応の助けとなり膜を横断するイオンの移送を加速させると考えられているからである。したがって、従来、層流は用いられておらず、また公知のデバイスでは、カソード側に層流を担保する手段は取られていない。本構成は、水滑石の堆積が潜在的な問題であって、層流を促進する構成とすることにより水滑石の堆積を回避することができるという認識に基づくものである。水滑石の堆積の形成は、従来の電気透析ユニット内の乱流および不均一または二次的な流れにより促進されたものである。これらの流れのパターンにより、再循環する水の流れにおいてデッドスポットまたはデッドゾーンが生じ、そこに水滑石がトラップされることとなる。このことは、水滑石が凝集または凝固し、大きな堆積物となることを可能にする。

流れが層流である場合、二次流れ構造は生じない。水が反応ゾーンに入る前に層流を促進しようとする構造を組み込むことによって、第一の態様にかかる電気透析ユニットは、反応ゾーンで形成されうる水滑石および他の汚染物質の凝集または凝固の機会を減らすように構成されている。反応ゾーンにおいて層流を維持することにより、汚染物質がデバイス内に閉じこめられるまたは動きが取れなくなる機会が減らされる。反応ゾーンとは、電気透析反応を発生させることができるほど十分にアノードとカソードとが重なり合っている電気透析ユニットの領域のことである。水滑石の堆積の形成を回避することができれば、電気透析ユニットの洗浄頻度を減らすことができる。他の汚染物質の堆積も減らすことができる。

好ましくは、流れ調整エレメントは反応ゾーンに先行する領域の層流を促進するように構成されている。反応ゾーンのカソード流路は、たとえばおおむね一定の寸法を有する真っ直ぐな流路である。流路内における形状およびサイズが変わる領域は、反応ゾーンの外にあることが好ましく、また、反応ゾーンから離れていることが好ましい。

カソード流路は反応ゾーンに障害物がないことが好ましい。このことにより、水が障害物のまわりを流れる時に本来生じうる乱流の発生を回避することができる。一般的に、電気透析ユニットには、膜と電極との間に所望の間隔を維持するためのスペーサエレメントが組み込まれている。従来技術では、これらの間隔は、膜を適切な位置に維持するためにアノード側およびカソード側に設けられている。好ましくは、第一の態様にかかる電気透析ユニットはカソード側にはスペーサエレメントを有していない。すなわちスペーサエレメントはイオン交換膜のアノード側にのみ設けられうる。このことにより、カソード側のスペーサエレメントに由来するいかなる障害をも回避することができるようになり、ひいてはカソード側の乱流を減らすことができるようにもなる。水滑石反応がアノード側では生じないので、アノード流路内に乱流を生じるスペーサエレメントの存在からはどのような問題も生じない。

好ましい実施形態では、電気透析ユニットは、アノード流路の時間当たり流量よりもカソード流路の時間当たり流量のほうが大きくなるように構成されている。このことは、膜のカソード側の圧力を高くするためである。したがって、アノード流路よりもカソード流路の流速の方が大きいことが好ましい。また、カソード流路を流れる流量もアノード流路を流れる流量よりも大きくてもよい。カソード流路の高圧は、カソードから膜を押しのけるように作用し、そのことにより、膜上に水滑石が堆積する機会を減らすことができる。さらに、大きな時間当たり流量を用いると、とくに第一の態様の層流と組み合わせて用いると、生じうる水滑石の堆積物を洗い流すように作用する。カソード流路用の水流入口がアノード流路用の水流入口よりも大きくなっていてもよい。水が同一の圧力で両方の流入口に供給される場合、必要な時間当たり流量が増大し、カソード流路がアノード流路と同じ断面積を有していれば、流速および流量の両方が大きくなる。

電気透析ユニットは、カソード流路および／またはアノード流路の幅方向の流入水の均一な分配を促進する流れ調整エレメントを反応ゾーンに先行して有していてもよい。好ましい実施形態では、カソード流路およびアノード流路は平板状の電極同士の間に形成されるので、細長いスロット形状の断面を有している。流路の断面が細長いスロット形状であると、層流を促進することができる。たとえば、電極と膜との間の流路の断面は、１ｍｍ〜４ｍｍの間の幅、好ましくは約２ｍｍの幅を有するスロットであってもよい。カソード流路およびアノード流路の断面は、同じ幅を有するスロットであってもよい。流入水をスロット形状の断面の幅方向に均等に分布させることを担保するために用いられる流れ調整エレメントは層流を促進する。

流れ調整エレメントは、１つ以上の水流入口流路からアノード／カソード流路への流れを均等に分配するためのチャネル、バッフルおよび／または案内羽根を有していてもよい。好ましくは、流入水の流れは、アノード流路／カソード流路の幅方向に均等に分流される。とくに好ましい実施形態では、流れ調整エレメントは、流入口流路からカソード流路／アノード流路へと扇形状に延びる流路を有している。

好ましい実施形態では、電極スタック内で積層状に複数回繰り返して配置されているカソード板およびアノード板であって、各カソードと各アノードとの間に膜が設けられているカソード板およびアノード板が用いられている。このことにより、各々がそれ自体の電極を有している複数の電気透析チャンバを並列に形成することが可能となるので、水の処理速度を増大させることができるようになる。好ましくは、電気透析ユニットでは、カソード板、膜、アノード板、膜というシーケンスが繰り返されることにより、各電極板の両側が利用される（繰り返しシーケンスの外端にある電極を除く）。このように、電極スタックの中央部の各カソード板はその両側にカソード流路を有しうる。同様に、各アノード板は両側にアノード流路を有しうる。

水が流れ調整エレメントを通過して電極流路の中に流れ込む際の混乱を減らすために、カソードおよび／またはアノードの先端は、幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部であることが好ましい。幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部は、たとえばＶ字形の形状および／または湾曲部を有している。好ましくは、カソード／アノードは、幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部に続いて、一定の幅を有する板の形態を有している。幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部の好ましい形状は、先が丸くなった対称的なＶ字形の形状である。幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部を用いると、流れを電極の両側に沿って徐々に分流していくような働きがある。電気透析ユニットがアノード流路内にスペーサエレメントを有している場合、好ましくは、これらのスペーサエレメントは幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部に後続する（下流側の）位置に設けられる。

カソードおよび／またはアノードの幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部は、たとえば機械加工により電極材料を成形することにより形成されてもよい。それに代えて、幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部は、異なる材料から形成された成形部品を追加することにより形成されてもよい。この方法は、電極材料の成形が困難および／または高価である場合に有利である。たとえば、チタン製の電極が用いられる場合などである。幅が徐々に増大していくような形状に形成された端部はモールド成型されたプラスチック製の挿入部材であってもよい。

好ましくは、電気透析ユニットは、水がカソードに沿って前もって決められた距離だけ流れるまで反応ゾーンが始まらないように構成されていてもよい。このことにより、反応ゾーンのカソード流路内における層流が促進される。好ましい実施形態では、この構成は、アノードの先端よりもカソードの先端の方が流入口からの距離が短くなるようにカソードを水流路内に配置することにより達成される。このように配置すると、カソード板を横切る水の流れが反応ゾーンに先行して（上流側で）安定する機会を有するようになる。というのは、水の流れがアノードとカソードとが十分に接近している領域に到達するまで電気的な反応が始まらないからである。たとえば、カソードの先端が２０ｍｍと６０ｍｍとの間の範囲の距離だけアノードの先端よりも水流入口に近い位置に配置されてもよい。好ましい実施形態では、カソードの先端は、アノードの先端よりも水流入口に約３０ｍｍだけ近い位置に配置される。

流入水は、流れ調整エレメントの端部から水がカソードまたはアノードに到達するまでの前もって決められた距離だけ障害なく流れることが可能となっていてもよい。この乱れのない流れは、上流の流れ調整エレメントまたはこれらの流れ調整エレメントの末端により生じた乱れの影響から水を回復させる助けとなる。たとえば、水は、カソードまたはアノードの先端よりも上流側の少なくとも５ｍｍ、好ましくは少なくとも１０ｍｍの距離だけ乱れることなく流れるようになっていてもよい。この距離が長ければ長いほど、流れが安定して層流パターンとなる機会が増えることになる。しかしながら、通常、距離を長くしたとしてもそれに対応した分だけの流れパターンの一様性の向上がなされなくなってしまうポイントが存在する。スロット幅が約２ｍｍである場合には、水がカソードまたはアノードの先端に達する前約１０ｍｍだけ乱れることなく流れるときに好ましい結果が得られている。電気透析ユニットが、膜により分離されたカソードおよび電極板の繰り返し（積層）から形成されている場合、乱されない流れの領域は、２つの膜の間の空間内の乱されない流路として形成されてもよい。この乱されない流路は、２つの膜の間に位置するカソードまたはアノードの先端に水が到達するまでの前もって決められた距離だけ膜と膜との間に延在している。

電気透析ユニットは、上述のような層状の電極スタックを備えている場合、流入水を各電極チャンバへ同一の量分配するための流れ分配システムを備えていることが好ましい。したがって、電気透析ユニットは、流入水を各カソード水流入口に均等に分配するためのカソード流分配システムと、流入水を各アノード水流入口に均等に分配するためのアノード流分配システムとを有していてもよい。 上述のように、カソード流路はアノード流路よりも高い時間当たり流量の水を受け取りうる。カソード流分配システムにより、複数のカソード流路および複数のカソードに均等な水の流れが供給されることが担保される。同様に、複数のアノード流路にも均等な水の流れが供給されるようになっている。

とくに好ましい実施形態にかかる流れ分布システムは、アノード流路および／またはカソード流路のための流入口マニホルドの形態を有している。当該流入口マニホルドは、長手方向に沿って孔が設けられている第一のチューブと、この第一のチューブ内に位置しこの第一のチューブにより取り囲まれる第二のチューブとを有している。これらの孔は上述の流路に接続されている。第二のチューブは、一方の端部に流入口を有し、第二の端部が閉じている。第二のチューブには、その長手方向に沿って、第一のチューブの中に向いて開いている孔が設けられている。好ましい流入口マニホルドのさらなる構成については後述されている。

第二の態様によれば、本発明にかかる方法は、上述の電気透析ユニットを、海水の処理に用いること、好ましくはバラスト水の処理に用いることを含んでいる。

第三の態様によれば、本発明にかかる電気透析ユニットを製造する方法は、カソードと、アノードと、カソードとアノードとの間の膜と、カソード側の膜に沿った水流のためのカソード流路と、アノード側の膜に沿った水流れのためのアノード流路と、カソードがアノードに面している、膜とカソードとの間に形成される反応ゾーンとを提供するステップと、反応ゾーンに層流用のカソード流路を配置するステップと、反応ゾーンの上流の流入水の流れが層流となるよう促進するように、流入水の流れ領域内に流れ調整エレメントを配置するステップとを有している。

かかる方法は、第一の態様の好ましい構成に関して上述したような電気透析ユニットの構成を提供することを含んでいてもよい。

第四の態様によれば、本発明にかかる電気透析ユニットは、複数のカソードと、複数のアノードと、複数の膜とを備えており、複数のカソードおよび複数のアノードは電極スタックに交互に並べられており、各カソードと各アノードとの間には膜が設けられており、カソードおよびアノードをそれぞれ単一の導電板から形成することにより、電極スタック内の複数のカソード板および複数のアノード板の両面は、使用時、処理中の水と導電可能に接触した状態となっている。

このタイプの従来の電気透析ユニットでは、電極は、銅製のロッドにろう付してサンドイッチ形状を形成する２片のチタンからなっている。次いで、これらの銅製のロッドは、電気透析ユニットから延出して主電源との接続に用いられる。この態様にかかる電気透析ユニットでは、各電極に単一の導電板が用いられる。したがって、電気透析ユニットをより小さくかつよりコンパクトなものとすることができる。それに加えて、導電材料が通常比較的高価であるので、用いられるプレートの数を減らすことによりコストを削減することができる。好ましい実施形態にかかる電気透析ユニットでは、アノード板およびカソード板にチタンが用いられる。

単一の導電板とは、上述の従来技術の場合の２枚の板と比較して、電極の主要な導電性および電気的に活性な部分が単一の板から形成されていることを意味する。電極は、単一の導電板に加えて、固定部、ある形状に成形された端部などの如き他の要素を含んでいてもよい。

これらの電極は、連続して電極を積層した構造（電極スタック）状に配置されて電気透析ユニット全体を形成するようになっていてもよい。しかしながら、このように配置すると、すべての電極が電源に対して並列に接続されることになる。電気透析ユニットの一部を直列接続とすることを可能とすることが有利なことである場合もある。たとえば電源とのインピーダンスマッチングの為などがそうである。したがって、好ましい配置では、電極スタックが複数の組の電極を備え、単一の組では、各電極が並列に接続され、各組の電極では組同士が直列に接続されている。たとえば、５０個のアノードチャンバおよび５０個のカソードチャンバからなる電極スタックが、各組が１０個のアノードチャンバおよび１０個のカソードチャンバからなる５つの組から構成されるようになっていてもよい。

電極スタックまたは各組の電極チャンバの中央部分では、各導電板の両面が水と電気的に接触した状態にあるので、電気透析プロセスでは、電極の両面が活性面として用いられる。電気透析ユニットでは、カソード、膜、アノード、膜というシーケンスが繰り返され、外端にある電極を除いて、各電極板の両側が利用されるようになっている。電極スタック内の各組の電極の外端にある電極は両方ともカソードであることが好ましい。カソードはアノードよりも生産コストが安価である。というのは、アノード反応には高価な電極のコーティングが必要となるからである。したがって、端部電極（電極の一方側のみが反応に利用される）としてさらなるカソードを用いることにより、反応総領域を縮小させることなく、電気透析ユニットを安価に生産するができる。

電極の電気接続は、導電板の導電材料に対して直接なされてもよい。好ましくは、導電板を電気透析ユニットの反応領域の外側まで延ばして電気接続点を形成するようにしてもよい。

好ましい実施形態では、電極を形成する導電板が非電導性のセパレータと非電導性のセパレータとの間に狭持され、支えられるようになっている。非電導性のセパレータは、カソード流路およびアノード流路に流入流出する流体の流れを分離するためのものであってもよい。非電導性のセパレータは、導電板を反応ゾーンに露出する開口部を有していてもよい。これらの開口部を覆うようにアノードとカソードとの間に膜を配置して電気透析反応が生じる膜セルを完成させることができる。

好ましくは、非電導性のセパレータは、流入水用の流入口流路と、流出する希釈物および濃縮物のための流出口流路とを有している。好ましくは、第一の態様に関連して先に説明した流れ調整エレメントの如き流れガイド機構もセパレータに組み込まれている。非電導性のセパレータは、流れガイド機構を有しているので、導電板よりもサイズが大きくなっているのが一般的である。

好ましくは、複数の導電板には、当該複数の導電板に取り付けられて、セパレータの形状に一致する形状を有するシールが設けられている。非電導性のセパレータが導電板よりも大きいので、シールが導電板の縁部を越えて延びている場合もある。たとえば、導電板がおおむね長方形であり、シールが長方形の対向する２つの辺に沿って接合され、次いで長方形の残りの２つの辺を越えて外側に向けて延びている場合もある。導電板とシールが２つのセパレータの間に置かれると、このシールは閉じた電極チャンバを形成する。２つのセパレータは、導電板を取り囲むように適切な手段、たとえば電極スタックを囲むフレームまたは各対のセパレータを繋ぎ合わせるネジにより繋ぎ止められてもよい。

シールは、適切ないかなる材料、すなわち弾力性および耐水性のある材料であってもよい。ゴム製の材料が好ましい。好ましくは、当該シールはゴム製の材料である。比較的高レベルの充填材を含有する高密度のゴムが用いられてもよい。

シールを電極に固定するのは難しく、とくにチタン電極を用いた場合に難しいことが見出されている。好ましい構成では、この問題は、熱硬化性ゴムまたは加硫ゴムを用いて克服されている。熱硬化性ゴムまたは加硫ゴムは、熱処理の前に電極に塗布され、次いてそれが電極に接している間に、ゴムを加熱し、そして場合によっては加圧して熱硬化処理または加硫処理を行なうことにより電極に取り付けられる。電極の表面は、たとえばエッチング処理または他の化学処理により、熱硬化処理前または加硫処理前のゴムを塗布する前に調整するようになっていてもよい。

第一の態様に関連して先に説明されているように、好ましい実施形態では、カソードおよびアノードについて異なる時間当たり流量が用いられる。したがって、この実施形態にかかる電気透析ユニットでは、カソードとアノードとに対して異なるセパレータ構造が用いられることが好ましい。このことにより、アノードとカソードとに対して異なる流れガイド機構を用いることができるようになる。さらに、好ましい実施形態では、アノードとカソードとがそれぞれ水流入口から異なる距離に位置する先端部を有しうるので、異なるセパレータ構造を用いることにより、アノード板とカソード板とを必要な位置で支えることが可能となる。

好ましい実施形態では、電気透析ユニットは、導電板の形態を有しているカソードの両側に配置される第一のカソードセパレータと第二のカソードセパレータとを有するカソードチャンバを備えている。電気透析ユニットは、導電板の形態を有しているアノードの両側に配置される第一のアノードセパレータと第二のアノードセパレータとを有するアノードチャンバを備えていてもよい。次いで、電気透析ユニットは、アノードチャンバとカソードチャンバとが連続して並べられチャンバとチャンバとの間に膜が設けられているシーケンスを有していてもよい。

セパレータは、複数の電極チャンバが積層された場合に水流入口流路と水流出口流路とを形成する貫通孔を有していてもよい。１つ以上のアノード流入口流路およびアノード流出口流路があってもよい。同様に、１つ以上のカソード流入口流路およびカソード流出口流路があってもよい。好ましい実施形態では、カソードの時間当たり流量を大きくするために、各々がほぼ同じ大きさの、２つのカソード流入口流路と、１つのアノード流入口流路と、２つのカソード流出口流路と、１つのアノード流出口流路が設けられている。好ましくは、アノード流体およびカソード流体の分離を維持するために貫通孔のまわりにはシールが設けられている。チューブを電極スタック内のすべてのセパレータの貫通孔に沿って通して流入口流路および流出口流路を完成させるようにしてもよい。これらのチューブは後述されるような流入口マニホルドであってもよい。有利には、貫通孔に沿ったチューブを用いることにより、電極スタック内のチャンバを一直線上に並べる働きもしうる。

第五の態様によれば、本発明にかかる方法は、上述の電気透析ユニットを、海水の処理に用いること、好ましくはバラスト水の処理に用いることを含む。

第六の態様によれば、本発明にかかる方法は、複数のカソードと、複数のアノードと、複数の膜とを備える電気透析ユニットを製造する方法であって、複数のカソードと複数のアノードを電極スタック内に交互に並べ、各カソードと各アノードとの間に膜を設けることを含み、カソードおよびアノードをそれぞれ単一の導電板から形成することにより、電極スタック内において、カソード板およびアノード板の両面が、使用時、処理中の水と導電可能に接触した状態となる。

かかる方法は、シールを設け、シールを導電板へ取り付けること（ｂｏｎｄｉｎｇ）を含んでいてもよい。好ましい実施形態では、熱硬化性ゴムまたは加硫ゴムがシールとして用いられ、かかる方法は、加熱処理前に、ゴムを電極に塗布し、次いで、ゴムが電極に接触している間にゴムを加熱し、場合によっては加圧して熱硬化処理または加硫処理を実行することによりゴムを電極へ取り付けることを含む。電極の表面は、たとえばエッチング処理または他の化学処理により、熱硬化処理前または加硫処理前のゴムを塗布する前に調整されるようになっていてもよい。

好ましくは、かかる方法は、非電導性のセパレータと非電導性のセパレータと間に導電板およびシールを狭持することを含んでいる。２つのセパレータは、たとえば電極スタックを取り囲むフレームや各対のセパレータを結合するネジなどのような任意の適切な手段により導電板を狭持するようになっていてもよい。

非電導性のセパレータは、カソード流路およびアノード流路に流入流出する流体の流れを分離するためのものであってもよい。非電導性のセパレータは、導電板を反応ゾーンに露出する開口部を含んでいてもよい。好ましくは、かかる方法は、これらの開口部を覆うようにアノードとカソードとの間に膜を配置することにより当該膜を隣接する電極の間に挟むことを含んでいる。

非電導性のセパレータは、複数の電極チャンバが積層された場合に水流入口流路と水流出口流路とを形成する貫通孔を有していてもよい。１つ以上のアノード流入口流路およびアノード流出口流路があってもよい。同様に、１つ以上のカソード流入口流路およびカソード流出口流路があってもよい。好ましくは、かかる方法は、電極スタック内のすべてのセパレータの貫通孔に沿ってチューブを通して流入口流路および流出口流路を完成させることを含んでいてもよい。有利なことには、貫通孔に沿ったチューブを用いることは、電極スタック内のチャンバを一直線上に並べるという働きもしうる。

かかる方法は第三の態様に関連して先に説明したステップを有していてもよい。かかる方法は、第一の態様または第四の態様の好ましい構成に関連して上述したような電気透析ユニットの他の構成を提供することを含んでいてもよい。

第七の態様によれば、本発明にかかる電気透析ユニットは、複数のカソードと、複数のアノードと、複数の膜とを備えており、複数のカソードおよび複数のアノードは電極スタック内に交互に並べられ、各カソードと各アノードとの間には膜が設けられ、アノード流路が膜とアノードとの間に形成され、カソード流路が膜とカソードとの間に形成されており、アノード流路および／またはカソード流路に水を分配するための流入口マニホルドの形態を有している。当該流入口マニホルドは、長手方向に沿って孔が設けられている第一のチューブと、この第一のチューブ内に位置しこの第一のチューブにより取り囲まれる第二のチューブとを有している。これらの孔は上述の流路に接続されている。第二のチューブは、一方の端部に流入口を有し、第二の端部が閉じている。第二のチューブには、その長手方向に沿って、第一のチューブに向いて開いている孔が設けられている。

この入れ子になったチューブ配置を用いることにより、水は、電極スタックに沿ってすべての流路に均等に分配することができるようになる。使用時、水は、第二のチューブの流入口から第二のチューブの中へ流れ、第二のチューブを通り、第二のチューブの孔から第一のチューブの中へ流れ、その後、第一のチューブから電極スタックの中へと流れるようになっていてもよい。この水路および孔による流れの制限が電極スタックの長手方向に沿っておおむね一定の圧力を維持するように働くので、すべてのアノード流路／カソード流路に対して水が均等に供給されることになる。

流入口マニホルドは、カソードのみにまたはアノードのみに提供されるようになっていてもよいが、好ましくは、同様の流入口マニホルドがカソードおよびアノードの両方に提供される。上述のように、カソード流路の時間当たり流量がアノード流路の時間当たり流量よりも大きいことが有利である。したがって、好ましくは、電気透析ユニットは、アノード流路用の流入口マニホルドよりも時間当たり流量が大きくなるように構成されているカソード流路用の流入口マニホルドを備えている。このことは、より大きなマニホルドにより達成されてもよい。しかしながら、電気透析ユニットが２つの並列に並んだカソード流路用の流入口マニホルドを備え、これら２つの流入口マニホルドが水をカソード流路に並列に供給することが好ましい。アノード流路用に同じような流入口マニホルドが一つだけある場合には、このことにより、アノード流路と比較してカソード流路の時間当たり流量をおよそ２倍にすることが可能となる。

マニホルドのチューブは円形状であることが好ましい。円形状のチューブは取得および／または製造が容易である。それに加えて、円形状のマニホルドをマウントするための孔の形成も簡単である。しかしながら、流入口マニホルドのチューブは、円形状のチューブに限定されているわけではなく、たとえば矩形断面または他のチューブ形状を備えたチューブであってもよい。

好ましくは、第一のチューブの孔は、たとえば上述の流れ調整エレメントのような流れガイドを介して流路に接続される。第一のチューブの孔は、チューブに横方向に設けられるスリットの形態を有してもよい。

第二のチューブの孔は、チューブに横方向に並べられるスリットであってもよい。第二のチューブは、第一のチューブの孔に面する第一の側部に孔を有していてもよい。その反対側にさらなる孔が設けられていてもよい。

好ましくは、第二のチューブは第一のチューブ内の中央の位置に設けられる。すなわち第一のチューブと第二のチューブとは同心円状に設けられている。

好ましい実施形態では、アノードとカソードとはセパレータにより支えられており、セパレータには貫通孔が設けられており、流入口マニホルドはセパレータ内の貫通孔に沿って配置されており、好ましくは第一のチューブの孔はセパレータ内に形成されている流れガイド機構に向けて開口している。第一のチューブはセパレータ内の貫通孔を一直線上に並べることにより形成されるチューブであってもよい。第二のチューブは第一のチューブの中に挿入されるパイプであってもよい。

好ましい実施形態では、電気透析ユニットは、第一の態様または第四の態様に関連して先に説明されたような構成を有している。

第八の態様によれば、本発明にかかる方法は、上述の電気透析ユニットを、海水の処理に用いること、好ましくはバラスト水の処理に用いることを含む。

第九の態様によれば、本発明は電気透析ユニットを製造する方法を提供しており、当該電気透析ユニットは、複数のカソード、複数のアノードおよび複数の膜を備えており、複数のカソードおよび複数のアノードは電極スタック内に交互に並べられ、各カソードと各アノードとの間には膜が設けられ、アノード流路が膜とアノードとの間に形成され、カソード流路が膜とカソードとの間に形成されている。また、かかる方法は、水をアノード流路またはカソード流路へ分配するための流入口マニホルドを提供することを含んでおり、流入口マニホルドは第一のチューブと第二のチューブとを有し、第一のチューブにはその長手方向に沿って孔が設けられ、第二のチューブにも孔が設けられ、第二のチューブは、その一方の端部に流入口を有し、その第二の端部では閉じている。また、かかる方法は、第一のチューブの孔が流路と接続するように電極スタック内に第一のチューブを提供することと、第二のチューブが第一のチューブ内で第一のチューブにより取り囲まれ、第二のチューブの孔が第一のチューブに開口するように第二のチューブ内に第一のチューブを配置することとをさらに含んでいる。

好ましい実施形態では、アノードとカソードとはセパレータにより支えられており、セパレータには貫通孔が設けられており、かかる方法は、流入口マニホルドをセパレータ内の貫通孔に沿って電極スタック内に設けることを含んでいる。

かかる方法は、第三の態様または第六の態様に関連して上述したようなステップを有していてもよい。かかる方法は、第一の態様または第四の態様の好ましい構成に関連して上述したような電気透析ユニットの構成を提供することを含んでいてもよい。

第十の態様によれば、本発明にかかる水処理のための電気透析ユニットは、膜セルと、流入水の温度を監視するための温度監視デバイスと、流入水が膜セルに到達する前に流入水の温度を上げるためのヒーターとを備えており、ヒーターは、流入水の元の温度が前もって決められたレベル未満である時には流入水の温度を上げるよう動作するように構成されている。

流入水の温度があるレベル未満であると、電気透析ユニットの動作に必要となる電力が著しく増大することが見出されている。この電力の増大はその水を加熱するのに必要となる電力よりも小さい場合もある。したがって、システムの効率は、元の温度が低すぎる場合に水を加熱することにより改善される。

電気透析ユニットは、好ましくは海水を処理するためのものであり、さらに好ましくはバラスト水を処理するためのものである。電気透析ユニットは船の如き入れ物に設置されるようになっていてもよい。

ヒーターは、電動式のヒーターであってもよいしまたは燃料を用いるヒーターであってもよい。しかしながら、ヒーターは、廃熱により加熱力が供給されるようになっていることが好ましい。たとえば、廃熱は、エンジンの冷却システムからの廃熱であってもよいし、またはエンジンの排気から回収される熱によって提供されるものであってもよい。このことにより、効率がさらに改善される。ヒーターは熱交換器または同様のデバイスを有していてもよい。

好ましい実施形態では、ヒーターは、元の温度が１０℃未満である場合、好ましくは元の温度が１５℃未満である場合、さらに好ましくは元の温度が１６Ｃ未満である場合に、流入水の温度を上げるように動作する。海水の場合、温度が１６℃未満にまで落ちた場合に電力使用量の著しい上昇が起きることが見出されている。水は、１６℃を越えるまで、さらに好ましくは少なくとも１８℃まで、場合によっては２０℃以上まで加熱されることが好ましい。海水の場合、温度が約２０℃を超えても電気使用量はそれほど低減されないことが見出されている。

第十一の態様によれば、膜セルを用いた電気透析により水を処理する本発明にかかる方法は、流入水の温度を監視することと、流入水の元の温度が前もって決められたレベル未満である場合には流入水が膜セルに到着する前に流入水の温度を上げることとを含んでいる。

かかる方法は、好ましくは海水を処理する方法であり、より好ましくはバラスト水を処理する方法である。かかる方法は、船のような入れ物に搭載されるバラスト水を処理するためのものであってもよい。

水を加熱するステップにはヒーターが用いられてもよい。ヒーターは、電動式のヒーターであってもよいしまたは燃料を用いるヒーターであってもよい。しかしながら、好ましくはかかる方法は、熱を用いて水を加熱することを含み、この熱は、たとえばエンジン冷却システムからの廃熱により提供されてよいし、またはエンジンの排気から回収される熱によって提供されてもよい。

好ましい実施形態では、元の温度が１０℃未満である場合、好ましくは元の温度が１５℃未満である場合、さらに好ましくは元の温度が１６℃未満である場合、流入水の温度を上げることが含まれている。水は、好ましくは１６℃を越えるまで、さらに好ましくは少なくとも１８℃まで、場合によっては２０℃以上まで加熱される。

十二の態様では、電気透析ユニットを製造する本発明にかかる方法は、膜セルを提供することと、流入水の温度を監視するための温度監視デバイスを提供することと、流入水が膜セルに到達する前に流入水の温度を上げるためのヒーターを提供することと 含んでおり、ヒーターは、流入水の元の温度が前もって決められたレベル未満である場合に流入水の温度を上げるよう動作する。

上述の態様および好ましい実施形態にかかる電気透析ユニットおよび方法が組み合わせられてもよい。上述の態様および好ましい実施形態にかかる電気透析ユニットは、後述の構成のうちの１つ以上を有していてもよいし、および／または、後述の構成のうちのいずれかを備えた水処理装置に組み込まれてもよい。

膜は、水を通さないイオン交換膜の如き水の電気透析での使用に適したいかなる膜であってもよい。たとえば膜セルが、ＡＣ電気により電力が供給されるようなものである場合、イオン選択性膜が任意選択的に用いられてもよい。

好ましくは、電気透析処理が処理水の一部にだけ加えられ、この処理水の一部が処理水の本体から分離され、電気透析ユニットの生成物を残りの処理水に戻すことにより処理水全体が処理される。好ましい水処理装置では、電気透析ユニットにより処理される水の一部は、流入水の流れから丁度処理直前に分離され、残りの処理水が電気透析ユニットによる処理を受けずに通り過ぎる際に、電気透析ユニットを通り抜けるようになっているのが好ましい。したがって、水処理装置は、主流路を有しており、流入口流路は、流れの一部を主流路から分離し、電気透析ユニットの中を通り抜けるよう当該流れの一部を案内するように構成されていてもよい。それに代えて、電気透析ユニットにより処理水の一部は、別個の供給源、たとえばブラインまたは海水の外部にある供給源からから提供されるようになっていてもよい。いずれの場合であっても、水処理装置は、流出口流路から主流路までの接続流路を備え、流出口流路は、電気透析ユニットの生成物を主流路に加えるようになっていてもよい。

電気透析ユニットにより処理されない水は、上述の水の一部分への電気透析処理と実質的に並列に、たとえばキャビテーション処理または窒素注入処理の如き他の処理を受けるようになっていてもよい。これらの他の処理については後で詳細に説明される。

水処理装置の中に流れ込む水全体の好ましくは１０体積％未満、さらに好ましくは５体積％未満、もっと好ましくは２体積％未満の水が電気透析ユニットの中を通り抜ける。約１．６体積％の量が好ましいが、条件に応じて、１％または０．５％という少ない量であってもよい。電気透析ユニットに用いる電流および水の塩分を変更することで、必要な体積流量を変更することができる。したがって、これらの要因および個々の処理用途に応じて、用いられる体積流量が大きな場合もあれば小さな場合もある。

好ましい実施形態では、本発明はバラスト水処理装置である。上述のように、このタイプの水処理はバラスト水にとくに適している。ほとんどの既存の水処理はバラスト水処理には適していない。というのは、短期間に処理する必要のある水の体積量が多いからである。電気透析ユニットの中を通り抜ける必要があるのは水の一部のみだけであり、残りの水は電気透析ユニットの中を通らないので、水全体が直接電気的処理を受けることを必要とする他の水処理に比べ、与えられた時間内にはるかに多くの体積量の水に対して水処理を施すことができる。

電気透析ユニットは、カソードおよびアノードにおいてそれぞれ希釈物ストリームおよび濃縮物ストリームを生成するためのものであってもよい。水に戻される電気透析ユニットの生成物はこれらのストリームの一方または両方の一部または全部から構成されている。電気透析ユニットの生成物は、電気透析ユニットにより生成される濃縮物ストリームのみの一部であってもよいしまたは全部であってもよい。しかしながら、好ましくは、電気透析ユニットの生成物は、濃縮物ストリームの一部または全部との混合物であり、理想的には、当該混合物の主要部分を濃縮物が構成し当該混合物の一部分を希釈物が構成し、また理想的には、濃縮物の量よりも希釈物の量が少ない。濃縮物ストリームは、増大した量の異なる酸化剤を含んでおり、これらの酸化剤は、電気透析ユニットの生成物が主水流に戻された時に水の中の微生物を殺すまたは機能不能とする効果が非常にある。

電気透析処理の後、濃縮物は、処理前の水よりも低いｐＨを有し、希釈物は高いｐＨを有しうる。濃縮物を希釈物の一部または全部と混合することにより、電気透析ユニットの生成物のｐＨを調節することが可能となる。

好ましい実施形態では、濃縮物ストリームと希釈物ストリームの少なくとも１部とが、電気透析ユニットを通り抜けた直後に混合されるようになっている。このことは、希釈物ストリームの１部を取り除き、次いで残りの希釈物を濃縮物ストリームと混合させることにより行われてもよい。取り除かれた希釈物の量はたとえば２０体積％と８０体積％との間の範囲にある。他の好ましい実施形態では、主水流に戻される電気透析ユニットの生成物は、希釈物ストリームの全部と濃縮物ストリームの全部とである。状況によっては、電気透析ユニットの生成物が混合された後の最終的な水流が所望のｐＨおよび他の特性を有するようにするために、希釈物の全部が必要となる場合もあることが見出されている。この場合、希釈物と濃縮物とが反応して水の酸化剤および反応生成物をすべて消費してしまう。しかしながら、酸化剤および反応生成物がすべて希釈物と濃縮物の反応により消費される前に微生物を殺す反応が起きる。さらに、電気透析プロセスは完全には可逆的ではない。たとえば、反応により水素および塩素の如きガスを生成するが、これらは水から出て行ってしまう。

混合比を制御するために、ｐＨが監視され、ｐＨを所望の範囲内に維持するようにバランシング（物質収支）が調整される。ｐＨの監視はｐＨ電極により行われうる。好ましくは、ｐＨは、６未満、たとえば４〜６までの範囲内、通常約ｐＨ５に維持される。電気透析ユニットの生成物の混合比およびｐＨは、たとえば混合前に取り除かれる希釈物の量を変えることで濃縮物に加えられる希釈物の量を変えることにより制御されるようになっていてもよい。ｐＨの制御は、電気透析ユニットに加えられる電流または電圧を制御することで電気透析効果の程度を変えて濃縮物の酸化強度を変えることによって行われてもよい。

水処理装置は、希釈物ストリームの一部を取り除くための希釈物除去流路を備えていてもよい。濃縮物と取り除かれていない希釈物と混合を容易にするために、水処理装置は流出口流路の前に混合領域を備えるようになっていてもよい。１つの好ましい実施形態では、混合領域は緩衝タンクである。それに代えて、濃縮物および希釈物が流出口流路を流れるにつれて混合されるようになっていてもよい。濃縮物ストリームと取り除かれていない希釈物ストリームとが主水流と混合されると同時に混合が起きるようになっていてもよい。すなわち、電気透析ユニットの生成物が２つの部分からなっており、これら２つの部分は、残りの水と混合される時になって初めて混合されるようになっていてもよい。混合は、混合領域または流出口流路の静止ミキサーまたは乱流誘発手段によって促進されてもよい。

取り除かれた希釈物は、電気透析ユニットに先立つ上流側で水に再注入されてもよい。水処理装置に他の処理ステージ、たとえばキャビテーション処理またはろ過処理が含まれている場合、残りの希釈物は、他の処理ステージに先だって、もっといえばバラストポンプに先だって再注入されることが好ましい。希釈物を再注入することにより、希釈物を廃棄する必要が回避されることになる。有利なことには、希釈物は洗浄剤として、特にろ過前に注入されるとろ過処理用の洗浄剤としても働く。

主水流に再注入される濃縮物および希釈物の特性および量は、酸素還元電位（ＯＲＰ）および／または総残留酸化剤（ＴＲＯ）の消費量を監視することにより制御されるようになっていてもよい。ＯＲＰの所望の値の範囲は、２５０〜８００ｍＶ、さらに好ましくは３００〜５００ｍＶである。再注入直後のＴＲＯの初期値は、好ましくは１〜１０ｍｇＣｌ／Ｌ、さらに好ましくは２〜５ｍｇＣｌ／Ｌであって、通常１〜３６時間後には０．０１〜１ｍｇＣｌ／Ｌにまで急速に落ちる。ＴＲＯの消費量は、処理水の特性に強く依存する。電気透析ユニットの性能を最適化するために、実際の水処理を開始する前に流れおよび混合比を前もって設定することを可能とする校正流れループを配置することが望ましい。ＯＲＰおよび／またはＴＲＯの測定値が所望の範囲の外側にある場合、それに合わせて電気透析ユニットの動作が調節される。

水の流れを案内するために、水処理装置は導管、パイプ、調節板などを備えていてもよい。電気透析ユニットが主水流用の流路と統合されうるので、水処理装置は、主水流用の主流管または主導管と、主水流の一部を電気透析ユニット内を通すための小パイプまたは小導管等を有していてもよい。それに代えて、電気透析ユニットが、既存の水用の導管へ接続させてその中の水を処理することができるスタンドアロンユニットとして提供されてもよい。この場合、水処理装置は、必要な弁、計量ポンプなどに加えて、既存の導管へスタンドアロンユニットを接続させるのに適したパイプまたは導管を有していてもよい。

電気透析ユニットの電解質の流入量を増やし、その塩分濃度を高くするために、ブラインの独立供給源が用いられてもよい。これは、たとえば真水を生産する際の副産物として生成されるブラインであってもよいし、または逆浸透プラントの如きブライン専用生産プラントで生産されるブラインであってもよい。流入電解質への追加物として用いられる飽和ブライン溶液を生成するために再循環逆浸透プラントが用いられてもよい。当該システムが真水または薄い塩水を処理するために用いられる場合、ブラインなどを追加することが必要となる。というのは、そうしなければ、水中のイオンの不足により電気的処理が効果的ではなくなってしまうからである。塩分の含有量が低い海水の場合、電解質の塩分含有量をもっと好ましいレベルに上げるためにブラインを海水に加えるようにしてもよい。塩分含有量が低ければ低いほど、電気透析ユニットで同じ処理効果を達成するために必要となる電流がより大きくなる。したがって、塩分含有量を増やすことにより、エネルギー使用量を減らすことができる。たとえば、北海では、２５ｐｐｔｈ以上の塩分濃度が一般的であり、バルト海では、地表水は約７ｐｐｔｈというはるかに低い塩分濃度を有している。好ましくは、２５ｐｐｔｈの塩分濃度を維持するために、電気透析ユニットへ流入する電解質にはブラインが加えられる。

好ましくは、処理後の水は容器またはタンクにある期間保管される。このことにより、電気透析ユニットの生成物に由来する酸化剤および反応物質が水中の微生物および他の不要物に対して十分な影響を与えることができる時間が与えられる。とくに好ましい実施形態では、本発明は、船のバラスト水の処理に用いられ、水は、バラストタンク内に取り入れられる際に処理され、次いで、排出されるまでバラストタンク内に保管される。この状況では、船が港から港へと移動してから積荷を再積み込みし、バラスト水を排出するまで、通常は相当な時間保管される。電気透析ユニットの生成物による処理効果が生じるようにこの時間をうまく用いることができる。

処理流路は、主流路の外側の導管により形成されてもよい。このことにより、適切な流入口ジャンクションおよび流出口ジャンクションの追加により、既存の水用の流路を水処理装置を含むように容易に適合させることが可能となる。それに代えて、処理流路を主流路と統合して単一のユニットとしてもよい。

水処理装置は、電気透析ユニットの生成物が水に戻される前にまたはそれと同時に水に窒素ガスを注入するためのガス圧入ユニットを任意選択的に備えていてもよい。場合によっては、電気透析ユニットの生成物が水に戻された直後に窒素ガスを注入することが好ましい場合もある。水に窒素を注入すると、酸化剤による処理を長引かせると考えられていることに加えて、有益な腐食低減効果もある。

ＷＯ２００８／０４７０８４に記載されているように、窒素は水流の全部に注入されてもよいしまたは一部に注入されてもよい。好ましくは、処理水の中の窒素を確実に過飽和状態にするための十分な量の窒素が注入される。好ましい実施形態では、水流の一部が主水流から分離され、窒素がこの水流の一部に注入される。好ましくは、水流の一部とは、水流の総体積の１５％未満のことである。窒素が注入された水流を主水流に再注入する場合、２つの水流の混合を促進するために静止ミキサーが用いられてもよい。

水処理装置は、水にキャビテーション処理を施すためのキャビテーションユニットを任意選択的に備えていてもよい。キャビテーションユニットを用いると、水中の微生物および他の生物または無生物に物理的な作用を加えるので、このような不必要な要素が破壊される。好ましくは、キャビテーションユニットは電気透析処理を加える前の水を処理するように配置される。したがって、この任意選択的なキャビテーション処理は、より大きくより複雑な有機体を除去し、また他の不必要なもの、とくに微生物の群れまたは集団を破壊するために用いることができる。これは、電気透析ユニットの処理効果のための前処理を提供することができる。というのは、破損され壊された有機体はより容易に攻撃されるので、膜セルの生成物が、いかなる残渣有機体をも抹殺する最終レベルの処理を施すことができ、大きなサイズの有機体および有機体の群れが破壊されているという事実に基づいてより効果的に働くことができるからである。

それに代わる前処理またはさらなる前処理が電気処理ユニットにより任意選択的に提供されるようになっていてもよい。この電気処理ユニットは、水中の微生物を物理的に損傷するのに十分に高い周波数を有する高周波交流を水に加える。電気的処理ユニットは、流水と接触する電極を有している。十分に高いという表現は、周波数が微生物に対して物理的影響を与えることができるほど十分に高いという意味で用いられている。たとえば、少なくとも５０Ｈｚの周波数、好ましくは少なくとも５００Ｈｚ、さらに好ましくは少なくとも１ｋＨｚの周波数が用いられてもよい。好ましくは、周波数は、有機体の細胞壁、膜または核を破壊または弱めることができるほど十分に高い。

電極は、単相構成（１−ｐｈａｓｅ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で接続されていてもよいし、または３相構成（３−ｐｈａｓｅｓ ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ）で接続されていてもよい。印加される周波数は、たとえば掃引周波数またはノイズパターンのように周波数が変わる特性を有していてもよい。好ましくは、中間的なな電圧が用いられる。たとえば、単相構成の場合、１２０ボルト未満の電圧を用いることが可能である。高電圧を回避することにより、高電圧に起因する感電および他の危険の可能性が回避される。

好ましい実施形態中では、上述のさまざまな態様にかかる方法は、上述の好ましい装置の構成に対応する方法の構成を有している。かかる方法はバラスト水の処理に関するものであり、好ましくは、かかる方法は、上述の態様または好ましい実施形態のいずれかに従ってバラストタンクの充填に用いられる水を処理することと、任意選択的に、水の中へ窒素を注入することと、処理された水をバラストタンクに保管することと、タンクから水を排出することと、任意選択的に、酸素含有ガスを注入することにより排出された水を処理することと、任意選択的に、微生物を殺す行為を水に繰り返し加えることと、水を周囲の環境へ放出することとを含んでいる。

水がタンクに流入流出する際にその水を処理することにより、不必要な物、とくに微生物および他の有機物を保管および放出する危険性を著しく減らすことができる。というのは、さまざまな処理ステップにより、不必要な物が危険ではない状態にまで分解されてしまうからである。水に窒素を注入し、その水を保管するという任意選択的なステップは、水中の溶存酸素の量を減らすことによってバラストタンクの腐食を抑制する。それに加えて、水への窒素注入は、被膜および塗料の如き防食システムの風化も抑制する。というのは、酸化がそのような風化作用の原因となっているからである。

下記に、添付の図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態を例示のみを意図して記載する。

電気透析ユニットを備えたバラスト水処理システムを示す図である。 積層された電極を備えた電気透析ユニットを示す図である。 図２の電気透析ユニットに用いられている単一の電極チャンバを示す図である。 電極板とシールとを示す図である。 流れ分配器が視認可能となっている、電気透析ユニットを示す部分切取り図である。 流れ分配器の内部チューブを示す斜視図である。 流れ調整エメントが描かれている、セパレータを示す部分図である。 流れ調整エメントが描かれている、セパレータを示す部分図である。 流れ調整エレメントおよび流れ分配器のさらなる詳細を示す概略ワイヤフレーム図である。 電極の先端が示されている、２つカソードチャンバおよび１つのアノードチャンバの一部分を示す断面図である。 好ましい流れ分配器が用いられていない場合のコンピュータモデルにおける速度を電極スタックに沿ったカソードチャンバの各々に対してプロットしたグラフである。 好ましい流れ分配器が用いられた場合のコンピュータモデルにおける速度を電極スタックに沿ったカソードチャンバの各々に対してプロットしたグラフである。 好ましい流れ調整エレメントが用いられていない場合のコンピュータモデルにおける速度をカソード流路の幅に対してプロットしたグラフである。 好ましい流れ調整エレメントが用いられた場合のコンピュータモデルにおける速度をカソード流路の幅に対してプロットしたグラフである。

図１の構成では、バラスト水処理システム内で電気透析ユニットが用いられているが、いうまでもなく、好ましい電気透析ユニットの用途は他にも存在し、電気透析ユニットをさまざまな要件に適合させることができる。具体的にいえば、本明細書に記載の電気透析ユニットは、図１の例示のシステムに示されているような他のタイプの処理との組み合わせを必要とすることなく、バラスト水を処理する用途に用いることもできればまたは他の水を処理する用途に用いることもできることに留意されたい。

以上のように、図１には、電気透析ユニット８を備えたバラスト水処理システムが例示されている。この実施形態では、水は、濾過され、次いで、キャビテーションユニット１０、ガス圧入ユニット１４および電気透析ユニット８により処理される。この一連の処理により、水中の生物が傷つけられ、死に至らされる。ガス圧入ユニット１４において水に加えられる窒素は、水中の生物に影響を与えることに加えて、水中の溶存酸素のレベルを下げて、生物の再成長の可能性を減らし、コーティングの風化を減らし、腐食の速度を遅らせる。さらに、酸素の減少は、電気透析ユニット８の生成物により水の中に導入される酸化剤の効果を長引かせると考えられている。バラストタンクが空の時に窒素を用いて大気管理を調節することにより、これらの効果をさらに増強させることができる。

バラストタンクの充填時、船のバラストポンプシステム２を用いて、バラスト水が海から流入口パイプ１を通して圧送される。バラストポンプシステム２の後、水は、パイプを流れ、第一のフィルタ４により濾過される。第一のフィルタ４は水から大きな粒子を取り除くようになっている。これらはスラッジを形成する。このスラッジはバラスト水を取り込む部位で放出される。

場合によっては、第一のフィルタ４の下流側に圧力ブースタが設けられてもよい。圧力ブースタは、さらに下流側にあるユニットにおける処理を成功させるために必要とされる水圧レベルを維持するために用いることができる。

次に、この実施形態では、水は流れ続け、キャビテーションユニット１０の中へと流れる。キャビテーションユニット１０では、流体の流速が急激に上昇することにより流体力学的キャビテーションが引き起こされ、そのことにより、流体の静圧を流体の蒸気圧まで急激に降下させることが可能となる。このことにより、蒸気バブルが次に生じることになる。バブルの成長を可能とする制御された期間の後、制御された状態で急激に減速される。このことにより、流体の静圧が急激に上昇するので、蒸気バブルが激しく壊されまたは内破され、水中の生物などが急激な高温高圧パルスにさらされ、水中の生物が破壊される。

キャビテーションユニット１０の後、水の一部は電気透析ユニット８を通る。残りの水は、電気透析ユニット８による処理は受けずに、パイプまたは導管に沿って次の処理ステージまで流れ続けるようになっていてもよい。図１の実施形態では、電気透析ユニットは、主流通管に外部から取り付けられているので、既存の処理システムに後付けすることが可能である。

他の実施形態では、流れてくるバラスト水を電気透析ユニット８により処理することに代えてまたはそれに加えて、他の供給源のブラインまたは塩水２４を電気透析ユニット８へ注入される電解質として用いてもよい。たとえば、これは、船の真水の製造の際の副産物として生成されたブラインであってもよい。

好ましい実施形態にかかる電気透析ユニット８には温度制御システム９が設けられている。これは、電気透析ユニット８により用いられる水が設定温度よりも下がらないことを担保するために用いられる。温度制御システム９は、流入水の温度を監視するための温度監視デバイス９ａと、流入水が電気透析ユニット８の膜セルに到達する前に、流入水の温度を上げるためのヒーター９ｂとを有している。ヒーター９ｂは、流入水の元の温度が前もって決められたレベル未満である時に水温を上げるよう動作するように構成されている。この実施形態では、前もって決められたレベルは１６℃である。流入水の温度が１６℃未満である場合、この流入水はヒーターを用いて約２０℃まで加熱される。ヒーター９ｂには、船のエンジンからの廃熱が利用されている。

図２〜図９を参照してさらに詳細に後述されている電気透析ユニット８は、希釈物ストリーム１１と濃縮物ストリーム１２とを生成する。これらの２つのストリームは、ｐＨバランサまたは混合ユニット１３へと流れる。混合ユニット１３は電気透析ユニット８の生成物１７を生成し、この生成物は主水流に戻される。また、混合ユニット１３は、生成物１７の組成に応じた希釈残渣１８を生成するようになっていてもよい。混合ユニット１３は、電気透析ユニット８の最適化された生成物１７を生成するために濃縮物１２へ加えられる希釈物１１の量を制御するためのポンプなどを有している。

電気透析ユニット８の生成物１７の注入地点の下流側には、サンプリング・測定地点１５がある。サンプリング・測定地点１５では、ＯＲＰおよび／またはＴＲＯが測定され、測定値が混合ユニット１３へ送られる。これらの測定結果を用いて、電気透析ユニット８の水に対する効果が監視され、たとえば投薬ポンプを制御することにより混合ユニット１３が制御される。

希釈残渣１８は、すべての処理ステップの上流側、好ましくはさらにフィルタ４および／またはバラスト水ポンプ２の上流側で、流入水の中に再注入されてもよい。それに代えて、希釈残渣１８は、保持タンク２５または船のビルジ水タンク２６に格納されるようになっていてもよい。

図示されている構成では、電気透析ユニット８の生成物１７が主水流に戻されてから、ガス圧入ユニット１４が水を処理するようになっている。しかしながら、他の構成では、生成物１７はガス圧入ユニット１４の下流側で主水流に戻され、同様に、監視ユニット１５もガス圧入ユニット１４の下流側に設けられ、生成物１７の混入後の水の状態が監視される。

ガス圧入ユニット１４では、酸素レベルを下げることにより有機体を殺すとともに腐食を抑制するのに望ましい水中の窒素の過飽和レベルを達成するために、蒸気／窒素インジェクタまたはガス／水ミキサーを用いて流入水に窒素ガス１６が注入される。このことにより、水中の酸化剤の処理効果が長引かせられる。

これらの処理ユニットの下流側では、処理済みの水は、船のバラスト水配管システム２３によりバラスト水タンクへ分配される。バラスト水タンクでは、安定した状態が達成されるまで過剰のガスが排出される。過剰のガスの排出は、タンク換気システムに組み込まれているバルブによって調節される。これらのバルブにより、バラスト水がタンク内に残っている期間中、タンク内の安定した状態、具体的にいえば水中の過飽和した状態にある高レベルの窒素および低レベルの溶存態酸素が担保される。過飽和状態のレベルを維持することにより、過飽和自体により、および電気透析ユニット８により供給される酸化剤により水処理が継続して行われる。したがって、この処理により、水がバラスト水タンクに格納されている間も処理済みの水は継続して生存している有機体を殺すまたは活動不能とする。

次に、バラスト水タンクの中の水はそのままにされる。バラスト水の放出時、当該バラスト水は、バラスト水の酸素含有量が放出するにあたり環境上容認可能なレベルにまで戻される放出処理行程を通される。バラスト水は、バラスト水タンクから圧送され、少なくともガス圧入ユニット１４を通過する。ガス圧入ユニット１４は、空気が圧入ガスである窒素に取ってかわるため、酸素を水に戻すために用いられる。任意選択的に、バラスト水は、排出される時に、キャビテーションユニット１０により再処理されるようにしてもよい。

以下には、電気透析ユニット８の動作が説明されている。図２〜図９を参照して、ある実施形態にかかる電気透析ユニット８の構造、配置が後述されている。上述のように、電気透析とは、流体システムにおいてイオンがイオン交換膜を通って移動する電気膜プロセスのことである。電気透析ユニットの最も単純な実施形態では、２つの電極の間に単一の膜が配置されている。流体が導電性を有している場合、２つの電極間に電圧を印加して電荷が形成されると、イオンは膜を通り抜け可能となる。電圧は、図示されていない従来型の電力接続点により印加される。２つの電極はそれぞれアノードとカソードとである。電荷は異なる電極で異なる反応を発生させる。アノードでは、電解質が酸性特性を有し、カソードでは、電解質がアルカリ特性を有するようになる。電気透析において用いられる膜としては、液体は通さないもののイオン交換は可能とする機能を有した膜が選ばれる。このことにより、アルカリ性溶液を酸性溶液から分離したままにおくことが可能となる。

次の表１には、電気透析膜セル内で生じるさまざまな反応が示されている。流入する電解質はバラスト水配管から得られるバラスト水（すなわち、海水）である。この表には、水滑石（Ｍｇ（ＯＨ）_２）を生成するカソード側の反応が含まれている。バラスト水の中にはナトリウム塩およびマグネシウム塩に加えてさまざまな組成物が存在しうるので、他の反応も生じる。

次の表２には、アノードで生じる酸性溶液およびカソードで生じるアルカリ性溶液の典型的な特性が例示されている。酸性溶液は濃縮物ストリームを形成し、アルカリ性溶液は希釈物ストリームを形成する。

上述の２つの分離されたストリームは、電気透析ユニットの生成物（ｐｒｏｄｕｃｔ）と、任意選択的に、表３に示されている代表的な特性を備えた残渣（ｒｅｓｉｄｕｅ）とを提供するある比率で混合される。この生成物は、主としてアノードからの濃縮物であり、場合によってはｐＨレベルの調整のために希釈物が追加されていることもある。残渣は、生成物に混入されていない希釈物から形成されている。好ましい実施形態にかかる電気透析処理の生成物のｐＨは４〜６の間にあるのが一般的であるが、バラスト水の処理は後述のより広いｐＨ範囲内でも行われる。

２つのストリームの化学的特性を調整するために、クロス処理（ｃｒｏｓｓ ｔｒｅａｔｍｅｎｔ）が用いられてもよい。これは、一方または両方のストリームの全部または一部をそれが流れてきたコンパートメントとは反対側のコンパートメントの流入口に再注入することを可能にする構成でありうる。したがって、アノードにより生成された濃縮物ストリームを電気透析ユニットのカソード側に再注入することによってクロス処理することができる。この方法により、ｐＨ、ＯＲＰおよびＴＲＯにより表される上述のストリームの特性がさらに調整され、それに加えてさらに混合が用いられると、混合後の希釈物残渣の量を減らすことができるようになる。

混合比は、原料電解質の「質」、電極のサイズおよび加えられる電力に応じて異なる。

電気透析ユニットの生成物は、Ｎ_２の注入時点と同時、好ましくはその直後にバラスト水流の中に入るので、過飽和／酸素削除のプロセスと同時にバラスト水の中に注入される。残渣がある場合、当該残渣は、主水流におけるフィルタの直前の上流側に注入される。

図２〜図９には、水を処理するために用いることができる電気透析ユニット８のある実施形態が示されている。この電気透析ユニットは、図１のバラスト水処理システムに用いられてもよいし、または他の適切ないかなる水処理システムに用いられてもよい。この電気透析ユニットは、処理効果の実現にあたって、単独で用いられてもよいし、またはそれに代えて、他の水処理デバイスと組み合わせて用いられてもよい。

図２には、２つの端板３２の間に挟まれている積層された電極チャンバ３０を備えている電気透析ユニット８が示されている。電極スタックはネジ３４により二つの端板３２の間に狭持されている。電極チャンバ３０は、１０個で１組となっているとともに絶縁層により分離されている複数の組の膜セルとして積層されている。図５には、複数の組の電極チャンバ３０およびプラスチック絶縁層が明瞭に示されている。このように、電極チャンバ３０は、複数の組で構成され、複数の組のチャンバ３０を直列に接続することができるようになっている。水は、電極チャンバ３０の基部のカソード水流入口５０およびアノード水流入口５２を通って電極スタックの中に流れ込み、次いでアノードチャンバおよびカソードチャンバを上方に向かって流れる。水流入口５０、５２は、図２の電気透析ユニット８の裏側にあるものの、反対側から見た電気透析ユニット８が示されている図５に示されている。カソード反応からの希釈物ストリーム１１およびアノード反応からの濃縮物ストリーム１２は、濃縮物流出口３６および希釈物流出口３８を通って電極スタックから出て行く。上述のように、カソード側で時間当たり流量が高いことが有利なので、好ましい実施形態では、カソード側用の２つの水流入口管、ひいては希釈物用の２つの流出口管３８が設けられ、濃縮物用には、１つの流出口３６のみが設けられている。さらに図２には、電極の露出端部４０と、電極に電気を供給するための電気接続ボード４２とが示されている。

図３には、単一の電極チャンバ３０が示されている。図２の電気透析ユニット８は、積層された多数のこれらの電極チャンバ３０からなっている。電極チャンバ３０はチタン製の電極板４４を有しており、このチタン製の電極板４４は、当該電極４４の両側に１つずつ配置されている２つのセパレータ４６により狭持されている。ゴムシール４８が、セパレータ４６の外縁のまわりに延設され、電極チャンバ３０を取り囲む水密バリアを提供している。電極の露出端部４０は、反応ゾーンの外側に電気接続部４２を形成することができるようにゴムシール４８を越えて延びている。

水は、電極チャンバ３０の一方側の端部にある貫通孔５４を通って電極チャンバ３０に流入し、他方側の端部にある貫通孔５４を通って流出する。貫通孔５４は、それらに対応する水流入口５０、５２および水流出口３６、３８と連通している。各セパレータ４６は、３つの流入口５０、５２および３つの流出口３６、３８の各々について貫通孔５４を有している。電極チャンバ３０内では、セパレータ４６には、適切な水流入口から適切な水流出口へと水を流すための流れガイドが設けられている。したがって、カソード電極チャンバは流れガイドを有し、流入口側の２つの外側貫通孔５４を通してカソード水流入口５０から水を取り込み、カソードを横切って流れるように案内し、そしてカソード反応からの希釈物をさらなる流れガイドを通して流出口側の外側貫通孔５４、ひいては希釈物流出口３８へ流す。アノード電極チャンバは流れガイドを有し、流入口側の中央貫通孔５４を通してアノード水流入口５２から水を取り込み、アノードを横切って流れるように案内し、そしてアノード反応からの濃縮物をさらなる流れガイドを通して流出口側の中央貫通孔５４、ひいては希釈物流出口３６へ流す。

図４には、セパレータ４６を取り付ける前の電極板４４およびシール４８が示されている。このゴムシール４８は、図示されているように２つの側面に沿って電極板４４に接合されている。また、このゴムシール４８は、電極板４４の前面および後面にも取り付けられている。電極板４４の露出した端部４０は、電極板の一方の側面のシールを越えて延びることにより上述の電気接続を可能としている。

図５は、カソード水流入口５２のうちの１つについての流れ分配器５６の詳細を示している電気透析ユニットの部分切り取り図である。また、図５には、プラスチック製絶縁層により分離されている５組の膜セルが明瞭に示されている。膜セルの構造については、下記に、図９を参照してより詳細に説明されている。図５では、端板３２のうちの１つと電極チャンバ３０の各々を部分的に切り取ることにより、一直線上に並べられた貫通孔５４（やはり部分的に切り取られている）により形成されている円形状の流路が暴露されている。この円形状の流路は、流れ分配器５６の第一のチューブ５８を形成している。図８のワイヤフレームダイヤグラム図には、第一のチューブ５８がより明瞭に示され、カソードの流体の流れの構成がさらに詳細に示されている。また、流れ分配器５６は、貫通孔５４内に同心状に配置される第二のチューブ６０をさらに有している。図５では、この第二のチューブ６０は、カソード流入口５０のうちの一方に挿入されているが、第二のチューブ６０は、カソード流入口５０のうちの他方については図示されていないし、アノード流入口５２についても図示されていない。電気透析ユニット８が必要な構成要素をすべて含んでいる場合には、第二のチューブ６０が、各水流入口内に、各組の貫通孔５４と同心状になるように取り付けられている。

第二のチューブ６０はその長手方向に沿って複数の孔６２を有している。これらの孔６２は、第二のチューブ６０の２つの側部に切り抜かれた横方向のスリットの形態を有し、第一のチューブ５８の中に挿入された場合に第二のチューブ６０の上側部および下側部に配置される。図６には、流れ分配器５６の第二のチューブ６０の斜視図が示され、第二のチューブ６０の第二の側部、すなわち下側部の孔６２を含むさらなる詳細が示されている。

図７Ａは、カソードセパレータ４６’の下側部分を示す部分図であり、カソードチャンバ用のセパレータ４６’の流れ調整エレメント６４を示している。流れ調整エレメント６４は、カソード流路の幅Ｗ方向に流れを均等に分配するためのものである。

３つの貫通孔５４は、電極スタック内の他のセパレータ４６の貫通孔５４と一直線上に並んで流れ分配器の第一のチューブ５８を形成している。一直線上に並べられている貫通孔５４の中に図７には示されていない第二のチューブ６０が挿入され、第二のチューブ６０の孔６２により、水が第一のチューブ５８の中に流れ込むのが可能となる。図７Ａでは、セパレータ４６がカソードチャンバ用なので、外側貫通孔５４はカソード流路に向けて開いており、中央貫通孔５４は、アノード流入口５２からの水がカソードチャンバに入らないようにシールされている。このシールは、中央貫通孔のまわりにシールとしてＯ−リングを設けることにより達成されてもよい。したがって、水を水流入口５０からチューブ６０、５８に沿って流し、そして流れ調整エレメント６４を通してカソード反応領域へと流すことを可能とするための孔が、２つの外側の貫通孔５４における第一のチューブ５８内に形成される。

流れ調整エレメント６４は、カソード流路の幅Ｗ全体に均等に水を分配するために貫通孔５４から扇形状に延びる複数のチャネルの形態を有している。これらのチャネルは、セパレータ４６'内の凹みとして形成され、壁６６により互いに分離されている。カソードチャンバを形成する２つのセパレータ４６’が接合されると、各セパレータ４６’の壁６６同士が向き合ってチャネルを密閉するように接触するようになる。各チャネルは、カソード流路を通る流れ方向に対して平行な端部を有している。このことは、乱れを減らして層流を促進する助けとなる。

図７Ｂは、アノードチャンバ用のセパレータ４６”を示す同様の部分図である。このアノードセパレータは、アノード流路用の流れ調整エレメント６５を有している。カソード用の流れ調整エレメント６４の場合と同様に、アノード用の流れ調整エレメント６５は、アノード流路の幅Ｗ全体に均等に水を分配するために貫通孔５４から扇形状に延びるチャネルの形態を有している。アノード流路には、単一の中央貫通孔５４からしか水が供給されないので、アノード用の流れ調整エレメント６５は、カソード用の流れ調整エレメント６４の場合よりも大きな角度で扇形状に広がっている。このことにより、中央貫通孔５４の流れ分配器５６からの水をアノード流路に均等に分配することが可能となる。２つの外側貫通孔は、たとえばＯ−リングにより、カソード水供給源からに水の進入を防ぐためにシールされている。アノード用の流れ調整エレメント６５は、壁６７により分離される凹みとして形成されているチャネルである。アノード用のセパレータ４６”の流れ調整部は貫通孔５４からより長い距離延びている。というのは、図９を参照して詳細に後述されるように、水流入口からアノードの先端の位置までの距離が長いからである。

図８は、電極スタック内のカソード流路用の流れ分配器５６および流れ調整エレメント６４のさらなる詳細を示す、概略ワイヤフレーム図である。明瞭さのため、流れ調整エレメント６４の詳細は省略されているが、扇形状は示されている。各カソードチャンバは対称な２組の流れ調整エレメント６４を有しており、これら対称な２組の流れ調整エレメント６４は、同じ様に、セパレータ４６の２つの外側貫通孔５４の２つの流れ分配器５６と結合されている。上述のように、貫通孔５４は流れ分配器５６の第一のチューブ５８を形成するように一直線上に並べられている。第一のチューブ５８は、上側部の孔を通じて複数の組の流れ調整エレメント６４のそれぞれと接続されている。第一のチューブ５８内に同心円状に設けられる第二のチューブ６０は、２つのカソード流入口５０からの水を第一のチューブ５８へ供給するようになっている。水は、第二のチューブの上側面および下側面のスリット形状の孔６２を通って第一のチューブ５８と第二のチューブ６０との間を流れるようになっている。

これら２つのチューブを備えた流れ分配器５６は、電極スタック３０の長手方向に沿って設けられている各カソードチャンバに均等に水を分配するように働く。流れ調整エレメント６４は、各カソード流路の幅Ｗ方向に水を均等に分配することに加えて、カソード流路内の層流を促進する。

アノードチャンバの場合、図８に示されている構成と同様の構成であるが、２つの外側貫通孔５４に代えて中央貫通孔５４のみから水が分配されている。アノード水流路は、第一のチューブ５８および第二のチューブ６０を用いて、上述の流れ分配器５６と同じ構造の流れ分配器５６を通るようになっている。この流れ分配器５６は、アノード水流入口５２に接続される一直線上に並べられた中央貫通孔５４により形成される第一のチューブ５８を用いて形成される。

流入水が流れ分配器５６を通り抜けて流れ調整エレメント６４、６５から流れ出した後、その水は、カソードチャンバおよびアノードチャンバの内部のカソード流路およびアノード流路の中に流れ込む。この時点では、図１０〜図１３を参照して後述されているように、水は、電極スタックに沿って各流路に均一に分配され、各流路の幅Ｗ方向に均等に分配されている。水が均等に分配されると、電極スタック内の各膜セルにおける反応速度が等しくなることが担保される。各流路の幅Ｗ方向に水が均等に分配されることは、反応が電極の幅に対して均等に生じることと、カソード流路内の層流が促進されることとを意味する。

図９は、水がカソードチャンバおよび電極チャンバに流れ込む地点での２つのカソード６８および１つのアノード７０の一部を示す断面図である。膜７１は、膜セルを形成するように電極と電極との間に配置されている。図９は、２つの完全な膜セル（アノード７０の両側に１つずつ）および２つの部分的な膜セル（２つのカソード６８の外側の部分）を示す部分断面図である。

図９には、電極チャンバ、とくにカソード流路の反応ゾーンにおいて層流を促進するために用いられるさらなる構成が示されている。カソード流路７２の流入水は、矢印Ｃにより表されているように、セパレータ４６’の流れ調整エレメント６４から流れてきている。アノード流路７４の水は、矢印Ａにより表されているように、流れ調整エレメント６５から流れてきている。流れ調整エレメント６４、６５を流れる水は、カソード６８またはアノード７０の２つの側面の各々に沿って延びている２つの流路７２、７４を流れる。

流れ調整エレメント６４、６５から流れ出る水は、障害物のない一定の距離だけ流れ、その後、その流れが、電極の両側の流路７２、７４に流れ込む２つの等しい流れに徐々に分割される。この障害物のない一定の距離は、上流側の流れガイドから生じうるいかなる流れを乱す衝撃からでも流れを回復させる助けとなる。この流れは、電極の先端７６の形状、すなわち乱れを最小限に抑えるＶ字形の形状により緩やかに分流される。好ましい実施形態では、上述の障害物のない一定の距離とは約１０ｍｍのことである。

いうまでもなく、アノード７０の先端７６が、カソード６８の先端７６よりも水流入口からの距離が大きく離れている位置に配置されるようになっていてもよい。この電気透析ユニットは、水が反応ゾーンにおいて電気処理を受ける前にカソードに沿ってさらに一定の距離Ｘだけ流れるように設計されている。このさらなる一定の距離Ｘは、残っている乱れの消滅を可能とし、海水がいかなる電流に晒される前にその流れを層流にする助けとなる。このことは、異なる長さのアノード７０とカソード６８とを用いることでオフセットカソード／アノード構造を可能とすることにより達成される。本明細書に記載の好ましい設計では、この一定の距離Ｘは約３０ｍｍであり、カソード６８と膜との間のギャップは２ｍｍである。反応ゾーンは、アノード７０およびカソード６８が十分に接近したところ、この場合には図９においてマークされている距離Ｘの後から始まる。反応ゾーンでは、電気透析が生じ、水がアノード流路７４およびカソード流路７２に沿って流れるにつれて、イオン交換が膜７１を横切って生じ、上述のように酸性濃縮物がアノード側に生成され、アルカリ性希釈物がカソード側に生じる。濃縮物および希釈物は、流出口３６、３８を通って電気透析ユニットから流れ出し、濃縮物を希釈物のうちの一部または全部と混合して微生物にとって有害である電気透析ユニットの生成物を生成して水処理に用いられる。

アノード７０の両側のアノード流路７４には、スペーサエレメント７８が設けられている。乱れを回避するために、カソード流路７２にはスペーサエレメントは設けられていない。カソード流路７２では、流れは、流れ調整エレメント６４により調整されている。この流れは、当該流れが、障害物のない１０ｍｍの領域を通り抜け、カソード６８のＶ字形の先端７６により分流されるにつれてより層流になる。次いで、この水は、２つのカソード流路７２に沿って３０ｍｍの距離さらに流れる。このさらなる３０ｍｍの距離は層流をさらに促進するように働く。流入水がカソード流路７２の反応ゾーンの中に入る時までには、流れはおおむね層流となっている。上述のように、この層流は、水滑石の堆積を回避し、他の汚染物質の堆積を回避する助けとなる。

上述のように、好ましい電気透析ユニットは、複数の組の膜セルから構成されており、各組のセルには、５つのアノードおよび６つのカソードが設けられ、カソードが外端に配置されている。このように配置すると、外側のカソードには、活動側が１つ、すなわち外側のカソードの内側に沿った１つの流路しか存在しないことになる。外側のカソードの外面は、活動せず、水の流れを防ぐために塞がれている。

この好ましい実施形態の有利な効果を示すためにコンピューターモデリングが用いられている。

図１０および図１１には、２管式流れ分配器システムの効果が示されている。図１０には、好ましい流れ分配器５６が用いられなかった場合のコンピュータモデルにおいて、速度を電極スタックに沿ったカソードチャンバの各々に対してプロットしたグラフが示されている。図１１には、好ましい流れ分配器５６が用いられた場合のコンピュータモデルにおいて、速度を電極スタックに沿ったカソードチャンバの各々に対してプロットしたグラフが示されている。これらのグラフでは、縦方向の軸線が流速を示し、横方向の軸線が電極スタックの端部にあるカソード水流入口５０からのカソード流路７２の距離を示している。これらの図面から分かるように、流れ分配器５６が用いられなかった場合、水流入口５０から大きく離れているカソード流路７２の速度が相当に高くなる。流れ分配器５６が用いられている場合、水は、電極スタックの長手方向に沿ってより均等に分配されている。

図１２および図１３には、カソード流路７２を渡る水の流れに対する流れ調整エレメント６４の効果が示されている。図１２には、好ましい流れ調整エレメント６４が用いられず、水がチャネル６４も壁６６もない扇形状の領域を通り抜けるようになっている場合のコンピュータモデルにおいて、速度をカソード流路の幅に対してプロットしたグラフが示されており、図１３には、好ましい流れ調整エレメント６４が用いられた場合のコンピュータモデルにおいて、速度をカソード流路の幅に対してプロットしたグラフが示されている。縦方向の軸線は流速を示し、横方向の軸線はカソード流路７２の幅方向の距離が示されている。各プロットのピーク値は、カソード流路７２の幅方向Ｗの位置における可能性の高い速度を示している。急激な底値は、チャンバの流出口での流れ調整エレメントの影響に起因するものであり、すぐに消える。チャンバを横切る平均流量を観察する場合、チャネル６４および壁６６は、カソード流路７２の幅方向Ｗに対してより均等な速度分布、ひいては流れを実現する。チャネル６４および壁６６が存在しない場合、速度、ひいては流れはより不均等であり、このことにより、カソード流路７２の後続する部分に乱流および二次流れが生じてしまう恐れがある。

Claims (22)

1. 電気透析ユニットであって、
   複数のカソード、複数のアノードおよび複数の膜を備えており、
   前記複数のカソードと前記複数のアノードとが電極スタック内で交互に並べられ、各カソードと各アノードとの間には膜が設けられており、
   前記各カソードおよび前記各アノードが、それぞれ単一の導電板から形成され、前記電極スタック内の前記各カソードの前記導電板と前記各アノードの前記導電板の両方の表面が、使用時、処理中の水と導電可能に接触した状態となり、
   前記電極を形成する前記導電板が、カソード流路およびアノード流路に流入流出する流体を分離するための非電導性のセパレータと非電導性のセパレータとの間に狭持され、支えられるように構成されてなり、
   前記導電板には、該導電板に接合され、前記非電導性のセパレータの外縁の形状に対応する形状を形成するシールが設けられ、
   該シールは前記導電板の縁部を越えて延び、前記導電板の両側にてセパレータに接して、前記導電板の周りに、囲まれた電極チャンバを形成する、電気透析ユニット。
2. 前記電極スタックが、複数の膜セルを形成する複数の組の電極を有し、単一の組内では各電極が並列に接続され、各組の電極については、組同士が直列に接続されてなる、請求項１に記載の電気透析ユニット。
3. 前記電極スタック内の各組の電極のうちの外端の電極が両方ともカソードである、請求項２に記載の電気透析ユニット。
4. 各電極の電気接続が、前記導電板の導体材料に対して直接になされる、請求項１、２または３に記載の電気透析ユニット。
5. 前記導電板が、前記電気透析ユニットの反応領域の外側にまで延びて電気接続点を形成するように構成されてなる、請求項１乃至４のうちのいずれか一項に記載の電気透析ユニット。
6. 前記非電導性のセパレータが前記導電板を反応ゾーンに露出させる開口部を有しており、この開口部を覆うように、アノードとカソードとの間には前記膜が配置され、膜セルが完成されるように構成されてなる、請求項１乃至５のうちのいずれか一項に記載の電気透析ユニット。
7. 前記非電導性のセパレータが、流入水用の流入口流路と、流出する希釈物および濃縮物用の流出口流路とを有してなる、請求項１乃至６のうちのいずれか一項に記載の電気透析ユニット。
8. 前記非電導性のセパレータが、カソード流路および／またはアノード流路に均等かつ／または層流の流れを提供するための流れガイド構造を有してなる、請求項１乃至７のうちのいずれか一項に記載の電気透析ユニット。
9. 前記カソードおよび前記アノードのために、互いに異なるセパレータ構造を有してなる、請求項１乃至８のうちのいずれか一項に記載の電気透析ユニット。
10. 前記カソードおよび前記アノードのための互いに異なるセパレータが、異なる流れガイド構造を有し、ならびに／または、カソードおよび前記アノード流路に対して異なる時間当たり流量を実現するように構成されてなる、請求項９に記載の電気透析ユニット。
11. 前記異なるセパレータ構造では、カソード板およびアノード板が、前記電極スタック内に取り付けられた時、異なる位置で支えられるように構成されてなる、請求項９または１０に記載の電気透析ユニット。
12. 導電板の形態を有しているカソードの両側に位置する第一のカソードセパレータおよび第二のカソードセパレータを有しているカソードチャンバと、導電板の形態を有しているアノードの両側に位置する第一のアノードセパレータおよび第二のアノードセパレータを有しているアノードチャンバとをさらに備えており、前記電気透析ユニットが、カソードチャンバとアノードチャンバとが連続して配列されチャンバとチャンバとの間には膜が設けられているシーケンスを有してなる、請求項１乃至１１のうちのいずれか一項に記載の電気透析ユニット。
13. 前記セパレータが、前記電極スタック内で一直線上に並んで水流入口流路および水流出口流路を形成する貫通孔を有してなる、請求項１乃至１２のうちのいずれか一項に記載の電気透析ユニット。
14. ２つのカソード流入口流路、１つのアノード流入口流路、２つのカソード流出口流路および１つのアノード流出口流路が設けられており、各々をほぼ同じサイズとすることにより、前記カソード流路の時間当たり流量を増大させるように構成されてなる、請求項１３に記載の電気透析ユニット。
15. アノード流体およびカソード流体の分離を維持するために、貫通孔のまわりにはシールが設けられてなる、請求項１３または１４に記載の電気透析ユニット。
16. 請求項１乃至請求項１５のうちのいずれか一項に記載の前記電気透析ユニットを用いて海水を処理する方法。
17. バラスト水の処理に用いられる、請求項１６に記載の方法。
18. 複数のカソード、複数のアノードおよび複数の膜を備える請求項１乃至１５の何れかに記載の電気透析ユニットを製造する方法であって、
    前記複数のカソードおよび前記複数のアノードを電極スタック内に交互に並べ、各カソードと各アノードとの間に膜を設けることを含み、
    前記カソードおよび前記アノードをそれぞれ単一の導電板から形成することにより、前記電極スタック内において、カソード板およびアノード板の両面が、使用時、処理中の水と導電可能に接触した状態となり、
    電極を形成する導電板は、カソード流路およびアノード流路に流入流出する流体を分離するための非電導性のセパレータと非電導性のセパレータとの間に狭持され、支えられ、
    前記導電板には、該導電板に接合され、前記非電導性のセパレータの外縁の形状に対応する形状を形成するシールが設けられる、方法。
19. 各導電板用のシールを提供し、該シールを前記各導電板に接合することを含む、請求項１８に記載の方法。
20. 前記シールとして熱硬化性ゴムまたは加硫ゴムが用いられ、前記方法が、加熱処理前に、前記ゴムを前記電極に載置した後、前記ゴムが前記電極に接触している間に熱硬化処理または加硫処理を実行して前記ゴムを前記電極に取り付けることを含む、請求項１９に記載の方法。
21. 前記方法が、各導電板と各シールとを非導電性セパレータと非導電性セパレータとの間で狭持することを含む、請求項１９または２０に記載の方法。
22. 前記導電板を反応ゾーンに露出する開口部を前記セパレータ内に形成し、この開口部を覆うようにアノードとカソードとの間に膜を設けて該膜が隣接する電極間に挟まれるようにすることを含む、請求項２１に記載の方法。

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