JP6374619B2 - 水から異物を取り除くための電気吸着システム - Google Patents

Description

本発明は、家庭用水、水道水、およびプール用水に存在し得る有機および無機の汚染物質ならびに微生物を化学薬品を使用することなく水から除去するための水処理システムに関する。

重金属イオンを水溶液から除去するために、沈殿、イオン交換、および逆浸透が、従来技術において広く用いられている。また、有機化合物を除去するために、曝気が半世紀にわたって使用され続けている。しかしながら、この方法は、揮発性の有機化合物の除去を可能にするにすぎない。有機汚染物質は、オゾン、過マンガン酸塩、および塩素を使用して実行される化学酸化によって、およびＵＶ／Ｈ２Ｏ２またはＵＶ／ＴｉＯ２を使用して実行される光酸化によって、さらに腐りやすい性質の生成物へと分解される。しかしながら、これらの方法は、さらなる処理を必要とし、コストの上昇につながるとともに、分解によって生じ得る有毒な生成物が、二次汚染を引き起こす。

有機汚染物質の大部分は、有毒であり、好気性消化に耐性を有する。したがって、有機汚染物質は、生物学的な浄化方法において細菌の増殖を妨げることで、この方法の効率を低下させる。飲料水を得るために使用される最も一般的な装置は、逆浸透の原理に基づいて動作する装置である。この方法は確実かつ有効であるが、処理能力が低く、使用される膜が高価であり、その動作原理に起因して、得られる清浄水よりも多くの廃水が生じ、結果として得られる水のコストが高い。さらに、ケイ砂またはマイクロフィルタを用いて製造される装置は、一定の大きさの固体粒子しか除去することができず、より重要なことには、殺虫剤などの溶解した化合物を除去することができない。

吸着剤として主に活性炭を使用する吸着は、他の方法と比べて複雑かつ高価なシステムを必要とせず、とくには化学的および生物学的に安定な化合物を吸着によって或る程度まで除去することができるため、より有利であり、市販の装置において最もよく使用されている方法である。他方で、吸着剤の再生には限界があり、汚染物質を或る程度までしか除去することができず、処理能力が低いため、コストの上昇につながる。さらに、吸着は、典型的には長い時間を要し、吸着剤における微生物の増殖ゆえに、得られる水に匂いの問題が存在する。

家庭用水およびプール用水に関する問題は、以下のとおりである。
１．有機化学物質
２．微生物
３．無機イオン
４．ｐＨ

これらの問題の解決において技術的に重要なパラメータは、以下のとおりである。
ａ）除去率
ｂ）効率
ｃ）処理能力
ｄ）経済性

現在の適用の中では、逆浸透が、最初の４つの問題に対処するが、パラメータｄに関して不利である。さらに、水中の全てのイオンを除去するがゆえに、ミネラル不足に起因する二次的な健康問題を引き起こす。イオン交換法は、第３の問題だけを解決する。吸着は、第１、第２、および第３の問題について或る程度の解決策をもたらし、パラメータｄに関して適しているが、パラメータａ、ｂ、およびｃに関して不利である。

本発明によれば、水源から得られ、異物を含んでいる水から異物を除去するとともに、この水のｐＨ値を調節するための水処理システムが提供される。この水処理システムは、少なくとも１つの本体と、前記水源から受け取った水を本体へと供給するための少なくとも１つの汚染水入口と、汚染水入口から受け取った水を、水に含まれる異物の除去後に、本体から排出するための少なくとも１つの清浄水出口と、少なくとも１つが汚染水入口に近接し、少なくとも他の１つが清浄水出口に近接するように、本体内に配置された少なくとも２つの有孔プレートと、本体内に配置され、少なくとも１つの絶縁層を間に位置させており、電位（または、電流）が加えられたときに汚染水入口から受け取った水に含まれる異物を電気吸着法によって集め、活性炭を含んでいる少なくとも２つの電極とを有する少なくとも１つの電気吸着ユニット、および電気吸着ユニットの電極のうちの少なくとも１つに０．５〜１．５Ｖの範囲の電位を供給し、少なくとも他の１つに−０．５〜−１．５Ｖの範囲の電位を供給する少なくとも１つの電源を備える。

本発明に係る水処理システムの電気吸着ユニットによれば、水に含まれる無機イオンならびに有機微生物および微生物学的汚染物質が、化学薬品を使用することなく水から除去される。さらに、この電気吸着ユニットのおかげで、水のｐＨを所望の値へと調節し、飲料水を得ることができる。

発明の目的
本発明の目的は、家庭用水またはプール用水において電気吸着の原理に基づいて動作する汚染水の浄化に用いられる水処理システムを提供することにある。

本発明の別の目的は、水から有機および無機イオンだけでなく、微生物学的汚染物質も除去するための水処理システムを提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、所望のｐＨ値の飲料水を得るための水処理システムを提供することにある。

本発明に係る水処理システムの典型的な実施形態が、添付の図面に示されている。

本発明に係る水処理システムの概略図である。 本発明に係る水処理システムの電気吸着ユニットの側面断面図である。

水を使用可能にするために、水溶液から異物を除去することが重要である。従来技術において、水を浄化するために、種々の方法およびシステムが使用されている。しかしながら、伝統的な方法において、水処理は高価であり、あるいは効率的ではない。したがって、本発明によって、費用対効果に優れ、かつ効率的である水処理システムが提供される。

本発明に係る水処理システム（Ｓ）は、図１に示されるように、水源から受け取った、異物を含んでいる水（汚染水）からの異物の除去、ならびに水のｐＨ値の調節を可能にする。この水処理システム（Ｓ）は、異物の除去およびｐＨ値の調整に役立つ少なくとも１つの電気吸着ユニット（Ｅ）を備える。図２に詳しく示される電気吸着ユニット（Ｅ）は、少なくとも１つの本体（Ｇ）と、前記水源から受け取った水を本体（Ｇ）へと供給するための少なくとも１つの汚染水入口（１）と、汚染水入口（１）から受け取った水を、そこに含まれる異物の除去後に、本体（Ｇ）から排出するための少なくとも１つの清浄水出口（２）と、少なくとも１つが汚染水入口（１）に面し、少なくとも他の１つが清浄水出口（２）に面するように、本体（Ｇ）内に配置された少なくとも２つの有孔プレート（４）と、本体（Ｇ）内に配置され、少なくとも１つの絶縁層（６）を間に位置させており、電位が加えられたときに汚染水入口（１）から受け取った水に含まれる異物を電気吸着（電気吸着）法によって集め、活性炭を含んでいる少なくとも２つの電極（３）とを備える。前記水処理システム（Ｓ）は、電気吸着ユニット（Ｅ）の電極（３）のうちの少なくとも１つの電極に０．５〜１．５Ｖの範囲の電位を供給し、少なくとも他の１つの電極に−０．５〜−１．５Ｖの範囲の電位を供給する少なくとも１つの電源（８）をさらに備える。

本発明の例示的実施形態においては、水源（すなわち、蛇口または水タンク（Ｄ））から受け取り、異物を含んでいる水が、汚染水入口（１）から本体（Ｇ）へと供給される。本体（Ｇ）に導入された水は、前記プレート（４）のうちの少なくとも１つによって少なくとも１つの電極（３）へと運ばれる。プレート（４）の有孔構造が、電極（３）の電気吸着率が高くなるように、電極（３）への水の分配を保証する。本体（Ｇ）内に設けられた電極（３）（少なくとも１つが陽極として機能し、少なくとも他の１つが陰極として機能する）に、電源（８）によって電位が印加されると、本体（Ｇ）の内部の水に含まれる異物が、活性炭を含んでいる電極上に集められる。含有していた異物が除去された水が、清浄水出口（２）を通って本体から排出され、使用される。本実施形態においては、電極（３）へと供給される電位が０．５〜１．５Ｖ／−０．５〜−１．５Ｖの範囲にあるため、本体（Ｇ）の内部の水のｐＨ値も調節される。

本発明の好ましい実施形態において、本体（Ｇ）内の電極（３）の長さは、互いに異なっている。固体電極が水性電解質溶液に沈められると、水の相から固相への不連続が生じ、電解質の濃度が劇的に変化する。２つの相の間の化学ポテンシャルの相違ゆえに、界面が生じ、この界面領域において電荷分離が生じる。この電荷分離は、双極性分子、分極した原子、自由電子、またはイオンによって生じる。固体電極が外部の電源によって充電されると、充電された電極上の電荷は、界面の溶液部分のイオンによる反対の電荷によって補償され、最終的にイオンおよび／または分子が界面に集まる。このようにして、界面は、全体として電気的に中性である。印加される電荷が増加すると、静電相互作用またはイオン双極子相互作用ゆえに、イオンおよび／または極性分子の移動が、界面における電荷の釣り合いをもたらすように、溶液から電極表面へと生じる。したがって、電極（３）の表面積が大きいほど、溶液から電極表面へと移動するイオン／分子の量が多くなる。これは、電気吸着プロセスと呼ばれる。使用される電極の種類および特徴に応じて、このプロセスは、電気化学的な電荷の移動が生じる潜在値に達するまで維持される。この潜在値に達するまで、電極（３）の表面に蓄積される電荷の総量は、キャパシタンスとして知られている。この潜在値の後で、電気吸着プロセスに加えて、ファラデー反応も始まる。本発明に係る水処理システム（Ｓ）においては、少なくとも２つの電極（３）が存在し、少なくとも１つが陽極であり、少なくとも他の１つが陰極である。ここで、０．５〜１．５Ｖの範囲の電位が供給される電極（３）（陽極）の長さが、−０．５〜−１．５Ｖの範囲の電位が供給される電極（３）（陰極）の長さよりも大きい場合、水のｐＨ値が、電気吸着プロセスにおいて上昇する。反対に（陰極の電極（３）の長さが陽極の電極（３）の長さよりも長い場合には）、水のｐＨ値が低下する。したがって、電気吸着プロセスの継続時間を調節することによって、水のｐＨが所望の値とされる。

本発明の別の好ましい実施形態において、前記電気吸着ユニット（Ｅ）は、本体（Ｇ）内に位置するプレート（４）、電極（３）、および絶縁材料（６）を一体に保持する少なくとも１つの接続部材（７）を備える。好ましくは、前記接続部材（７）は、ねじの形態である。この実施形態において、接続部材（７）は、プレート（４）、電極（３）、および絶縁材料（６）の位置ずれを防止し、例えば電極（６）の短絡に起因する電気吸着ユニット（Ｅ）の損傷を防止する。

本発明の別の好ましい実施形態において、電気吸着ユニット（Ｅ）は、それぞれが一方側において少なくとも１つの電極（３）に接続され、少なくとも他方側が本体（Ｇ）から突出した少なくとも２つの電極接続部（５）を備える。この実施形態において、水処理システム（Ｓ）は、それぞれが一方側において前記電源（８）に接続され、他方側において電極接続部（５）に接続され、電源（８）からもたらされる電位を電極接続部（５）を介して電極（３）へと供給する少なくとも２つの電極接続線（９）を備える。これらの電極接続線（９）は、好ましくはケーブルの形態である。

本発明の別の好ましい実施形態において、水処理システム（Ｓ）は、異物を含む水が貯留された少なくとも１つのタンク（Ｄ）と、タンク（Ｄ）の内部の水を電気吸着ユニット（Ｅ）の汚染水入口（１）へと運ぶ少なくとも１つの汚染水移送ライン（１０）と、電気吸着ユニット（Ｅ）において異物が除去された水を前記清浄水出口（２）を介して受け取り、少なくとも１つの清浄水移送ライン（１１）を介して再びタンク（Ｄ）へと送る少なくとも１つのポンプ（１２）とを備える。この実施形態において、前記タンク（Ｄ）は、水源として機能する。タンク（Ｄ）から受け取った汚染水は、電気吸着ユニット（Ｅ）において清浄化され、再びタンク（Ｄ）へと送られる。タンク（Ｄ）と電気吸着ユニット（Ｅ）との間の水の循環により、タンク（Ｄ）内の水を清浄化することができる。この実施形態において、前記タンク（Ｄ）は、水室またはプールのような構造体であってもよい。

本発明の例示的実施形態において、水処理システム（Ｓ）は、前記タンク（Ｄ）内に配置され、前記タンク（Ｄ）の内部の水のｐＨおよび清浄度の値を測定する少なくとも１つのセンサ（１３）を備える。前記センサ（１３）は、水の導電率の値を測定することによって、水の清浄度を明らかにすることができる。この実施形態において、前記センサ（１３）を、測定の結果をユーザに視覚的に提示する少なくとも１つのインジケータ（１４）に接続することができる。このようにして、タンク（Ｄ）の内部の水は、所望のｐＨおよび清浄度の値に達するまで、タンク（Ｄ）と電気吸着ユニット（Ｅ）との間を循環させられる。別の実施形態において、前記センサ（１３）は、前記ポンプ（１２）の動作を制御する少なくとも１つの制御ユニット（図示せず）に接続される。この実施形態において、制御ユニットは、センサ（１３）によって測定されるｐＨおよび清浄度の値が所望のレベルに達するまで、ポンプ（１２）の動作を可能にする。このようにして、タンク（Ｄ）の内部の水が、ユーザの観測を必要とすることなく、所望のｐＨおよび清浄度の値にされる。前記タンク（Ｄ）は、内部の水が所望のｐＨおよび清浄度の値に達した後にタンク（Ｄ）から水を取り出すための少なくとも１つの出口ライン（１５）をさらに含む。このようにして、タンク（Ｄ）の内部の浄化された水が、ユーザへと供給される。

本発明の例示的実施形態において、前記電極（３）は、互いに間隔を空けて位置する活性炭顆粒と、これらの顆粒を一体に保持するポリエチレンとを含む。好ましい実施形態において、活性炭顆粒の重量パーセントは、８５％であり、ポリエチレンの重量パーセントは、１５％である。

本発明の別の実施形態において、前記電気吸着ユニット（Ｅ）は、互いに直列または並列に接続された複数の電極（３）を備える。本発明の別の実施形態において、前記電極（３）は、円筒の形態を有する。この円筒の形態においては、一方の電極（３）が、中空の円筒の形態を有し、他方の電極（３）が、この中空部に受け入れられた円筒の形態を有する。

本発明に係る水処理装置（Ｓ）の電気吸着ユニット（Ｅ）によれば、水に含まれる有機分子、有機および無機イオン、ならびに微生物が、化学薬品を使用することなく水から除去される。さらに、この電気吸着ユニット（Ｅ）によれば、水のｐＨを所望の値へと調節して、飲料水を得ることができる。

図面に示されている全ての部品には、参照番号が個々に割り当てられており、これらの番号について対応する用語が以下のとおりに挙げられる。

水処理システム （Ｓ）
水タンク （Ｄ）
電気吸着ユニット （Ｅ）
本体 （Ｇ）
汚染水の入口 （１）
清浄水の出口 （２）
電極 （３）
プレート （４）
電極接続部 （５）
絶縁層 （６）
接続部材 （７）
電源 （８）
電極接続線 （９）
汚染水移送ライン （１０）
清浄水移送ライン （１１）
ポンプ （１２）
センサ （１３）
インジケータ （１４）
出口ライン （１５）

Claims (13)

1. 水源から得られ、異物を含んでいる水から異物を除去するとともに、該水のｐＨ値を調節するための水処理システム（Ｓ）は、
   少なくとも１つの本体（Ｇ）と、前記水源から受け取った水を前記本体（Ｇ）へと供給するための少なくとも１つの汚染水入口（１）と、前記汚染水入口（１）から受け取った水を、該水に含まれる異物の除去後に、前記本体（Ｇ）から排出するための少なくとも１つの清浄水出口（２）と、少なくとも１つが前記汚染水入口（１）に面し、少なくとも他の１つが前記清浄水出口（２）に面するように、前記本体（Ｇ）内に配置された少なくとも２つの有孔プレート（４）と、前記本体（Ｇ）内に配置され、少なくとも１つの絶縁層（６）を間に位置させており、電位が加えられたときに前記汚染水入口（１）から受け取った水に含まれる異物を電気吸着法によって集め、活性炭を含んでいる少なくとも２つの電極（３）と、を有しており、前記有孔プレート（４）が、電気吸着率が高くなるように、前記電極（３）へ水を分配し、前記電極（３）の長さが互いに異なっており、異なる長さの電極（３）により該水のｐＨ値が調整されるよう構成された、少なくとも１つの電気吸着ユニット（Ｅ）、および
   前記電気吸着ユニット（Ｅ）の前記電極（３）のうちの少なくとも１つに０．５〜１．５Ｖの範囲の電位を供給し、少なくとも他の１つに−０．５〜−１．５Ｖの範囲の電位を供給する少なくとも１つの電源（８）、を備えることを特徴とする水処理システム（Ｓ）。
2. 前記電気吸着ユニット（Ｅ）は、前記本体（Ｇ）内に位置する前記有孔プレート（４）、前記電極（３）、および前記絶縁層（６）を一体に保持する少なくとも１つの接続部材（７）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の水処理システム（Ｓ）。
3. 前記接続部材（７）は、ねじの形態である、ことを特徴とする請求項２に記載の水処理システム（Ｓ）。
4. 前記電気吸着ユニット（Ｅ）は、それぞれが一方側において少なくとも１つの電極（３）に接続され、少なくとも他方側が前記本体（Ｇ）から突出する少なくとも２つの電極接続部（５）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の水処理システム（Ｓ）。
5. それぞれが一方側において前記電源（８）に接続され、他方側において前記電極接続部（５）に接続され、前記電源（８）からもたらされる電位を前記電極接続部（５）を介して前記電極（３）へと供給する少なくとも２つの電極接続線（９）を備える、ことを特徴とする請求項４に記載の水処理システム（Ｓ）。
6. 異物を含む水が貯留される少なくとも１つのタンク（Ｄ）と、前記タンク（Ｄ）の内部の水を前記電気吸着ユニット（Ｅ）の前記汚染水入口（１）へと運ぶ少なくとも１つの汚染水移送ライン（１０）と、前記電気吸着ユニット（Ｅ）において異物が除去された水を前記清浄水出口（２）を介して受け取り、少なくとも１つの清浄水移送ライン（１１）を介して再び前記タンク（Ｄ）へと送る少なくとも１つのポンプ（１２）と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の水処理システム（Ｓ）。
7. 前記タンク（Ｄ）内に配置され、前記タンク（Ｄ）の内部の水のｐＨおよび清浄度の値を測定する少なくとも１つのセンサ（１３）を備える、ことを特徴とする請求項６に記載の水処理システム（Ｓ）。
8. 前記センサ（１３）に接続され、前記センサ（１３）によって得られた測定結果をユーザに視覚的に提示する少なくとも１つのインジケータ（１４）を備える、ことを特徴とする請求項７に記載の水処理システム（Ｓ）。
9. 前記センサ（１３）に接続され、前記センサ（１３）によって得られた測定結果に基づいて前記ポンプ（１２）の動作を制御する少なくとも１つの制御ユニットを備える、ことを特徴とする請求項７に記載の水処理システム（Ｓ）。
10. 前記タンク（Ｄ）に位置する少なくとも１つの出口ライン（１５）を備える、ことを特徴とする請求項６に記載の水処理システム（Ｓ）。
11. 前記電極（３）は、互いに間隔を空けて位置する活性炭顆粒と、該活性炭顆粒を一体に保持するポリエチレンとを含む、ことを特徴とする請求項１に記載の水処理システム（Ｓ）。
12. 前記電気吸着ユニット（Ｅ）は、互いに直列または並列に接続された複数の電極（３）を備える、ことを特徴とする請求項１に記載の水処理システム（Ｓ）。
13. 前記電極（３）は、円筒の形態を有する、ことを特徴とする請求項１に記載の水処理システム（Ｓ）。

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