JP6762291B2 - 電気化学的分離装置のセル対への入口及び出口の設置方法及びシステム - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本願は、米国特許仮出願第６２／０８４，６６０号（出願日：２０１４年１１月２６日、発明の名称：「巻回型装置におけるセル対への入口及び出口の設置方法」）の優先権を主張するものである。この基礎出願の開示は全て、いかなる目的においても、引用により本願に援用する。

本発明の１つ又は複数の態様は、一般的に電気浄化装置及びその組み立て方法に関する。

国際公開第２０１４／０７７８８７号 米国特許第８，７０３，８３１号明細書 米国特許第９，０２３，９０２号明細書

本発明の１つ又は複数の態様は、電気化学的分離装置を開示するものである。当該装置は、第１電極と、該第１電極を巻回するセル束を形成する複数のセル対と、濃縮流チャンネルと、希釈流チャンネル及びセル束を包囲する第２電極とを備える。複数のセル対は、それぞれイオン濃縮室及び隣接するイオン希釈室を有する。イオン濃縮室は、マスキング部分及びポッティング部分を有する第１スペーサを備える。隣接するイオン希釈室は、マスキング部分及びポッティング部分を有する第２スペーサを備える。第１及び第２スペーサのマスキング部分及びポッティング部分は、交互に配列されている。濃縮流チャンネルは、第１スペーサのマスキング部分及び第２スペーサのポッティング部分を通して延在し、イオン濃縮室と流体連通すると共にイオン希釈室から流体分離されている。希釈流チャンネルは、第１スペーサのポッティング部分及び前記第２スペーサのマスキング部分を通して延在し、イオン濃縮室から流体分離されると共にイオン希釈室と流体連通する。

本発明の１つ又は複数の態様に係る装置は、セル束に近接するマニホルドブロックを更に備え、該マニホルドブロックは、希釈流チャンネルと流体連通する希釈流ポートを有する。前記マニホルドブロックは、濃縮流チャンネルと流体連通する濃縮流ポートを更に備えていてもよい。希釈流ポートは、希釈流供給源と流体連通させることができる。濃縮流ポートは、濃縮流供給源と流体連通させることができる。希釈流供給源は、濃縮流供給源とは異なっていてもよい。第１電極は、伸長したＳ字形状のアノードを画定するよう、直線部と、その各端部における半円形部とを備えていてもよい。セル束の断面は、直線部と、該直線部の第１端及び第２端における曲線部とを備えていてもよい。マスキング部分は、それぞれ、スペーサの一部を包囲するスリーブを備えることができる。スリーブは、シームにおいて結合される一対の通気遮断性フィルムを備えることができる。マスキング部分は、それぞれ、スペーサに溶接される一対の通気遮断性フィルムを備える。当該装置は、中央ハブを更に備え、該中央ハブは、希釈流チャンネル及び希釈供給源と流体連通する希釈ポートを有していてもよい。当該中央ハブは、濃縮流チャンネル及び濃縮流供給源と流体連通する濃縮ポートを更に備えることができる。希釈流供給源及び濃縮流供給源は、互いに異なっていてもよい。セル束は、２０対を超えるセル対を備えることができる。セル束は、レーストラック形態を有していてもよい。セル束は、５０対を超えるセル対を備えることができる。前記直線部の長さと、前記曲線部のそれぞれの半径との比は、０よりも大きい。前記曲線部の曲率半径は、セル対の数に依存しない。

本発明の更なる態様及び実施形態と、これら典型的な態様及び実施形態の利点とを以下、詳細に説明する。更に上述の記載及び後述する詳細な説明は、多様な態様及び実施形態を例示するものに過ぎず、態様及び実施形態の性質及び特徴を理解するための概要又は構成を示しているに過ぎない。添付図面は、多様な態様及び実施形態を例示し、それらの理解を助けるためのものであり、本明細書に含まれかつその一部を構成するものである。明細書と共に図面は、詳述する態様及び実施形態の主旨及び実施について説明するためのものである。

以下、添付図面を参照して、複数の実施形態の種々の態様を説明する。この図面は、実寸の比率通りに図示されたものではない。図面は、種々の態様や実施形態を図示することにより更に分かりやすくするためのものであり、本願の開示内容に含まれ、これを構成するものであるが、本発明を限定するためのものではない。図面、詳細な説明、又は、いずれかの請求項における技術的特徴に符号が付されている場合、その符号は単に、図面及び明細書の更なる理解を助けるためのものに過ぎない。図面中、異なる図にて示された構成要素が同一である場合、又はほぼ同一である場合には、その構成要素には同様の番号を付している。簡潔化するため、いずれの図においても構成要素の全てに符号を付していない場合がある。

１つ又は複数の実施形態に係る電気化学的分離装置の概略断面図である。 １つ又は複数の実施形態に係る電気化学的分離装置の概略断面図である。 １つ又は複数の実施形態に係る電気化学的分離装置の斜視図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、容器に収容した電気化学的分離装置の概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、中央ハブから電気化学的分離装置における巻回型セル対の入口へのフローパターンを示す概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、巻回型セル対の出口から集合マニホルドへの多様なフローパターンを示す概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、マスキングされたスペーサスクリーンを示す概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係るセル対の概略分解図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、一対のブロック内に配置されたセル対のセル束の概略分解図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、一対のブロック内に配置されたセル対のセル束の概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、ポッティングされたセル対のセル束の概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、一対のブロック内に配置されたセル対におけるセル束の一部分の概略図である。 希釈室から出口ポートへのフローパターンの概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、マスキングされたスペーサスクリーンの分解図である。 図１３ａのスペーサスクリーンの組み立て状態を示す概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、マスキングされたスペーサスクリーンの概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係るセル対の概略分解図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、イオン交換膜及びコンパートメントスペーサの概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、イオン交換膜及びコンパートメントスペーサの概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、イオン交換膜及びコンパートメントスペーサの概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係るセル対構成要素の分解概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、組み立てたセル対構成要素の概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、エポキシ樹脂のポッティング容器の概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、ポッティングされたセル束の概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、巻回型セル対を有する電気化学的処理装置用の中央ハブの概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、巻回型セル対を有する電気化学的処理装置用の中央ハブの概略断面図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、中央ハブ内の多様なフローパターンの概略図である。 １つ又は複数の実施形態に係る、中央ハブ内の多様なフローパターンの概略図である。

電界を用いて流体を浄化する電気化学的処理装置は、溶解イオン種を含有する水及び他の液体を処理するために一般的に用いられている。このような水処理を行う２種類の装置は、電気脱イオン装置及び電気透析装置である。これらの装置内で、濃縮室と希釈室とはイオン選択膜によって分離される。電気透析装置は通常、交互に設けられた電気活性の半透過性のアニオン交換膜及びカチオン交換膜を含んでいる。膜間の空間は、入口及び出口を有する液体フローの区画室を形成するよう構成されている。電極を介して印加される電界によって、溶解イオンが生じ、これらは各対向電極に引き寄せられ、アニオン及びカチオン交換膜を通って移動する。この結果、一般的には、イオンが除去された希釈室の液体が生じ、濃縮室の液体は移動したイオンにより濃度が上昇する。

電気脱イオン化（ＥＤＩ）は、イオンの移送に作用するよう、電気活性媒体及び電位を用いて、１つ以上のイオン化種又はイオン性種を水から除去し、又は少なくとも減少させる工程である。電気活性媒体は、通常、イオン性種及び／又はイオン化種の収集及び荷電を交互に繰り返し、場合によっては、イオン的又は電気的な置換機構によって（例えば連続的な）イオンの移送を促進するよう作用する。ＥＤＩ装置は、例えば、永久荷電又は一時的荷電を有する電気化学活性媒体を含み、バッチ的、断続的、継続的に及び／又は、反転極性モードにて、作動する。ＥＤＩ装置は、例えば、性能を実現し又は強めるように特に設計された１つ以上の電気化学反応を促進するように作動する。更に、かかる電気化学装置は、半透過性若しくは選択透過性のイオン交換膜、あるいは、二極性膜のような電気活性膜、を有する。連続電気脱イオン（ＣＥＤＩ）装置とは、当業者に知られたＥＤＩ装置であり、イオン交換材料を連続的に再荷電しつつ、水の浄化を連続的に処理可能なように動作する。ＣＥＤＩ技術には例えば連続脱イオン化、充填セル電気透析又は電気透析などの工程が含まれる。制御された電圧及び塩分濃度において、ＣＥＤＩシステムでは、水分子が分解されることで、水素又はヒドロニウムイオン（又は種）と、水酸化物又は水酸基イオン（又は種）とが生成され、これらが装置内のイオン交換媒体を再生し、捕捉された種のイオン交換媒体からの開放を促進する。このような方法を用いることによりイオン交換樹脂の化学的再荷電を要することなく、処理対象の水の流れを連続的に浄化することができる。

電気透析（ＥＤ）装置は、ＣＥＤＩと同様の原理で作動するが、ＥＤ装置は通常、膜間に電気活性媒体を備えない。電気活性媒体が存在しないことで、電気抵抗が上昇し、低塩分濃度の供給水おいて、ＥＤの作動が妨げられる場合がある。また、高塩分濃度の供給水において、ＥＤの作動により電流消費の増大が生じる場合があるため、従来、ＥＤ装置は中程度の塩分濃度の源水に最も効率的に用いられてきた。ＥＤ型のシステムにおいて、電気活性媒体が存在しないことにより、水の分離は非効率的なものとなるため、このような形態の動作は通常、避けられる。

ＣＥＤＩ及びＥＤ装置では、複数の隣接するセル又は区画室は通常、正又は負の荷電種の、通常いずれか一方の種の通過を可能とする選択透過性膜により分離される。希釈室又は除去室は、通常、これらの装置内の濃縮室を間に挟んで設けられている。いくつかの実施形態において、セル対とは、隣接する濃縮室及び希釈室からなる対を指す。水が除去室を通じて流れるのに伴い、イオン性種及び他の荷電種は通常、ＤＣ電界等の電界の作用下で、濃縮室へと導入される。正の荷電種は、通常、一端に位置するカソードへと導入され、負の荷電種は、同様に、他端に位置する当該装置のアノードへと導入される。両電極は、除去室及び／又は濃縮室との流体連結から通常部分的に分離されている電解質区画室内に収容される。濃縮室内に導入されると、荷電種は、濃縮室を少なくとも部分的に画定する選択透過性膜の障壁により捕捉される。アニオンは、カチオン選択膜により、濃縮室からアノードへの更なる移動を妨げられる。濃縮室内に捕捉されると、捕捉された荷電種は濃縮流中にて除去される。

ＣＥＤＩ及びＥＤ装置において、電流源及び電極（アノード又は正電極並びに、カソード又は負電極）に印加される電圧から、ＤＣ電界がセルに印加される。電圧及び電流源（まとめて「電源」という）は、それ自体、ＡＣ電源、又は太陽光、風力又は波力に由来する電源などの種々の手段により駆動することができる。電極／液体界面において生じる電気化学半電池反応により、膜及び区画室を通るイオンの移動は開始及び／又は促進される。電極／界面で生じる特定の電気化学反応は、電極アセンブリを収容する専用区画室内の塩濃度によってある程度制御可能である。例えば、塩化ナトリウム濃度の高いアノード電解質区画室への供給は塩素ガスと水素イオンを生成しやすく、一方、カソード電解質区画室へのそのような供給は水素ガスと水酸化物イオンを生成しやすい。通常、アノード室で生成した水素イオンは遊離アニオン、例えば塩素イオンと会合し、電荷中性が維持することで塩酸溶液を生成し、同様に、カソード室で生成した塩化物イオンは遊離カチオン例えばナトリウムと会合し、電荷中性が維持することで水酸化ナトリウム溶液を生成する。電極室の反応生成物、例えば、生成した塩素ガス及び水酸化ナトリウムは、殺菌用、膜洗浄用及び付着物除去目的、ｐＨ調整目的で、必要に応じて工程中で利用可能である。

板枠式ＥＤ設計において、希釈流及び濃縮流は互いに平行であり、並行流、向流又は直交流である。らせん式設計において、装置は、その中央にて電極をらせん状に巻回する膜及びスクリーンを備え、他の電極はその周囲にて包囲される。希釈流及び濃縮流は、内向き若しくは外向き、あるいは、並行流若しくは向流にて、らせん流路を通じて放射状に流れるようにすることができる。代替的に、流れの１つを放射状とし、他の流れを軸線方向とすることができる。いくつかの構成において、内側電極をアノードとし、外側電極をカソードとすることができる。海水などの供給水を中央に導入し、希釈室及び濃縮室に供給する。希釈流及び濃縮流は共に、らせん流路内にて、外向きにカソードに向かって流れる。らせん状のセル束の端部は、ポッティングされた接着剤により封止される。製品及び廃棄物は、らせん室の外端にて収集される。

従来のらせん状巻回設計は、板枠式ＥＤ設計にて用いる場合に一定の利点を有する。この場合、膜内を通過せずにらせん流路に沿って流れる電流のみが漏洩し、この漏洩電流は、最小限に抑えることができると予想される。装置の組み立ては、少ない工程のみを有し、容易に自動化させることができる。板枠式のスペーサなどの構成要素は不要である。らせん状巻回設計の不利な点として、内側電極からの距離の拡大に伴い、電流密度が低下することにより、希釈流が外向きに巻回するに連れて、希釈流からのイオンの移動率が低下することが挙げられる。当該装置の適用に要する一定量のイオンを除去するよう、らせんの長さを伸張することで膜領域を拡大させ、あるいは希釈速度を低下させることで滞留時間を増加させることができる。膜領域を拡大させ、らせんの長さを伸張することで、膜の形成コストは上昇し、圧力は低下する。追加的な膜領域は、より低い電流密度にて内側電極から更に離れた位置に配置することができる。更に、電気浸透又は浸透によって希釈室から濃縮室への水損失が生じるため、精製水の流量が更に減少する。これにより、製品単位でのエネルギ及び資本コストが上昇する。そのため、価格競争可能な設計とすることができない減少復流シナリオとなる可能性がある。多数のセル対及び製品流量は、アノードセグメント間のギャップの寸法及び多数のシートを屈曲する難度により限定される。セグメントの半径を伸張させることで、プラチナで被覆されたチタンなどの高額な耐酸化材料から構成されるアノードのコストが上昇する。所望程度に塩を除去するために、アノードにおける電流密度を許容範囲以上に高い、数百ａｍｐ／ｍ^２とする。

少なくとも１つの実施形態において、電気化学分離システムの効率を、向上させることができる。電流損失は、非効率性の潜在的な要因の１つである。いくつかの実施形態では、電流漏洩のリスクに対処している。電流効率は、希釈流から濃縮流へのイオンの移動に有効な電流の割合として定義できる。電流非効率の種々の要因は、電気化学分離システムに存在しうる。直交流装置における非効率性の潜在的な要因の１つとして、希釈流及び濃縮流の流入口及び流出口マニホルドを通って流れることによって、セル対を迂回する電流が挙げられる。開放型の流入口マニホルド及び流出口マニホルドは、区画室と直接に流体連通しており、各フロー経路における圧力低下を低減させることができる。一方の電極から他方の電極への電流の一部は、開放領域を通って流れることによりセル対のスタックを迂回しうる。迂回電流は、電流効率を低下させ、エネルギ消費を増大させる。別の潜在的な非効率性の要因として、イオン交換膜の不完全な透過選択性に起因して濃縮流から希釈流に導入されるイオンが挙げられる。いくつかの実施形態において、種々の技術及び設計により、電流漏洩を低減させることができる。少なくとも１つの実施形態において、装置構成を、例えばレーストラック形態とし、らせん状設計と連関させることで、不利な点を最小限としつつ利点を活かすことができる。本願に開示するレーストラック形態に巻回型セル対を備える電気化学的処理システムは、国際公開第２０１４／０７７８８７号（国際出願番号ＰＣＴ／ＵＳ２０１３／０３２０６８、国際出願日：２０１３年３月１５日）に開示されており、いかなる目的においても、引用により本願に援用する。

少なくとも１つの実施形態において、電気化学的分離装置の構成を、例えばレーストラック形態とすることで、一方の電極から他方の電極への電流の一部が開放領域を通って流れることによりセル対のスタックを迂回させることで生じる電流漏洩を制限又は防止することができる。１つ以上の実施形態において、区画室内のフローは、区画室内での膜表面と流体とのより大きい接触を提供するために、調整、再分配又は方向変更されてよい。区画室は、たとえば、区画室内の流体フローを再分配するように構成されかつ配置されている。区画室は、例えば、区画室を通したフローを再分配するように構造を提供しうる障害物、突起、凸部、フランジ又はバッフルを有する。特定の実施形態では、障害物、突起、凸部又はフランジ又はバッフルは、フロー再分配器ともいわれる。フロー再分配器は、たとえば、セルスタックの１つ以上の区画室内に設けられる。

電気浄化装置用のセルスタック内の各区画室は、例えば、流体接触に関して所定割合の表面積又は膜利用率を提供するよう構成されかつ配置されている。より高い膜利用率が電気浄化装置の動作のより高い効率を提供することが確認されている。より高い膜利用率を実現する利点としては、より低いエネルギ消費、より小さい装置設置面積、より少ない装置内小路、より高い品質の精製水を実現できることが挙げられる。特定の実施形態では、実現可能な膜利用率は６５％超である。他の実施形態において、実現可能な膜利用率は７５％超である。特定の他の実施形態では、実現可能な膜利用率は８５％超である。膜利用率は、膜同士を互いに固定するために用いられる方法及びスペーサの設計に少なくとも一部依存してよい。装置内の漏洩を助長すること無く、所定の膜利用率を達成するために適切な固定技術及び構成要素を選択することで、電気浄化装置の最適な動作を実現可能にする封止を確実に行うことができる。いくつかの実施形態において、スタック製造工程は、工程内で用いることのできる膜の大きな表面積を維持しつつ、膜利用率を最大化するための熱接合技術を備えることができる。

本発明に係る電気浄化装置は、セル対を包囲するハウジングを更に備えてもよい。少なくとも１つの実施形態において、ハウジングは電極を備えることができる。一方又は双方の電極は、本明細書に記載するようにセグメント化させることができる。フレーム又は支持構造体をハウジングとセル対との間に配置することで、セル対を更に支持することができる。フレーム又は支持構造体は、セル対に対する液体のフローの出入を可能とする流入口マニホルドおよび流出口マニホルドを更に備えることもできる。フレーム又は支持構造体は、セル対と共に、電気浄化装置のモジュール式ユニットを形成する。電気浄化装置は、ハウジング内に固定された追加的なモジュール式ユニットを更に備えることもできる。

本発明は、電気透析装置への使用に限定されるものではない。他の電気脱イオン化装置、例えば、逆電気透析（ＲＥＤ）、電気脱イオン（ＥＤＩ）又は連続電気脱イオン（ＣＥＤＩ）装置も、同様の構成を用いて構築することができる。潜在的な用途としては、塩水の脱塩、石油およびガス産生物からの海水、半塩水の処理が挙げられる。

少なくとも１つの実施形態には、電気化学的分離装置を提供する。上述したように、いくつかの実施形態において、電気化学的分離装置は、電気透析装置であってもよい。特定の実施形態において、電気化学的分離装置は、電極及び少なくとも１つのセル対を備える。該セル対は、希釈室及び濃縮室を備え、これらはそれぞれ包囲型のアニオン交換膜及びカチオン交換膜により形成される。少なくともいくつかの実施形態において、セル対は、電極を巻回してセル束を形成する。セル束は、電極周りに巻回される１対または複数対のセル対を備える。巻回型セル束は、レーストラック形態を有していてもよい。いくつかの実施形態において、電気化学的分離装置は、レーストラック形態にて巻回型セル束を包囲するように構成された第２電極を更に備える。該電極の一方又は双方は、セル束を収容するようにセグメント化されている。特定の実施形態において、電気化学的分離装置は、セル束の少なくとも１対のセル対を通過する流体フローを促進させるマニホルドを更に備える。

少なくとも１つの実施形態において、レーストラック形態は、板枠式ＥＤ装置及びらせん状巻回式ＥＤ装置の利点を組み合わせることができる。本明細書に記載したように、板枠式装置及び直交流装置において、アノード及びカソードセグメントの実質的に水平又は直線状の側部により結合される膜領域において、膜は、平坦かつ平行に配置されている。電流密度は、実質的に均一であり、希釈室からイオンを除去する除去率は、内側電極からの距離の関数ではない。イオンの移動において非活性の領域は、ポッティングされた化合物にて被包された僅かな部分のみである。直交流装置及びらせん状巻回装置において、膜利用率は８５％超を実現し得る。この場合、膜内を通過せずにレーストラック経路に沿って流れる電流が漏洩する最小限の電流である。この結果、高い電流効率を実現することができる。いくつかの実施形態において、少なくとも約６０％の電流効率を実現することができ、他の実施形態においては、少なくとも約７０％の電流効率を実現することができる。更なる実施形態においては、８０％超の電流効率を実現することができる。いくつかの実施形態においては、８５％以上の電流効率を実現することができる。いくつかの実施形態においては、９５％までの電流効率を実現することができる。本発明に係る構成の利点として、組み立てを比較的簡易に行うことができ、従来の板枠式装置の組み立てよりも少ない工程のみで足りるため、容易に自動化させることができることが挙げられる。

少なくとも１つの実施形態において、レーストラック形態を有する装置は、最適化のための多くの変数が関与する。その変数には、セル対の数、内側電極における実質的に直線状である側部の長さ、内側電極の巻回回数、フロー経路の長さ、入口における希釈室及び濃縮室への流速、内膜の間隔、希釈室及び濃縮室におけるスクリーンのタイプが含まれ、これらは、同一であっても異なっていてもよい。レーストラック経路の曲線側部における膜領域は、らせん状巻回装置と同様に非均一な電流密度に曝される。そのような装置の曲線部においては、内側電極から遠ざかるほどイオン除去率が操作中に減少し、その結果として巻回回数を増加させれば価格競争性が損なわれる場合がある。

図１は、一体型のアノード１１０と、セグメント化されたカソード１２０とを備えることを特徴とするレーストラック形態を有する電気化学的分離モジュール１００の概略断面図である。アニオン交換膜及びカチオン交換膜を備えるセル対の２つのスタックにより、アノード１１０の周囲を巻回することで、セル束を形成する。カソード１２０を、セル束を包囲する２つの部分へとセグメント化する。代替的に、カソードを連続的な構造とすることもできる。海水などの供給水を、アノード１１０付近のモジュールの中央部に配置された入口１３０に導入することができる。供給水を、入口１３０を通じて、モジュールの希釈室及び濃縮室に供給する。水が外向きにカソード１２０に向かって流れることで、水処理を行うことができる。供給水を希釈室及び濃縮室にて処理した後、対応する製品流及び廃棄流は、モジュールの外端にて収集され、出口１４０を通じて導出される。いくつかの実施形態において、アノードからカソードへの実質的な巻回フロー経路内で、希釈流及び濃縮流が互いに並流となるようにモジュールを構成とすることができる。代替的に、希釈流及び濃縮流が、互いに向流となるようにモジュールを構成とすることもできる。他の実施形態において、モジュールは、希釈流及び濃縮流のいずれかが、アノードからカソードへの実質的な巻回フロー経路を通過し、その流れが、もう一方の流れに対して実質的に軸線方向に垂直となるような構成することもできる。この特定の構成は、供給水の伝導率が低い場合に適している。他の実施形態において、希釈流及び濃縮流が外側カソードから内側アノードへと内向きに流れるようにモジュールを構成とすることができる。上述した実施形態は、外側カソード及び内側アノードを備える形態を示すが、代替的な構成においては、内側カソード及び外側アノードを備えていてもよい。

図１において、構成要素の厚さは、理解を容易ならしめるために誇張して示しており、アノードの周囲をセル対により２周巻回した状態の各スタックの２対のセル対のみを図示している。実際には、追加のセル対および関連する巻回が存在し得る。

いくつかの非限定的な実施形態において、アノード１１０は、平坦なプレートを用い、その端部を屈曲させ、又は圧延することで形成することができる。代替的に、アノードは、平坦なプレートの部分を半円筒形状部分に溶接することにより構成することができる。アノードの基材は、チタンなどの多様な材料から製造することができ、更に、例えば、プラチナ、酸化イリジウム、酸化ルテニウム、スズ及びそれらの混合物のような耐酸化材料によって、その表面を被覆することができる。例えば、アノードは、イリジウム及びスズにより被覆されたチタンを用いて形成することができる。カソードは、ステンレス鋼３１６などの多様な材料を用いて形成することができる。いくつかの実施形態において、基材は、均質な構造及び０．０２５ｍｍの厚さを有し、スクリーンは、０．２５ｍｍの厚さを有し、０．５５ｍｍの厚さを有するセル対を形成する。これらの寸法により５０対のセル対のスタックを１３．８ｍｍの半径を有する端部へと実質的に適合させることが可能となる。イオン交換膜は、例えば、上述した従来のＥＤ装置及びＥＤＩ装置のような電気化学的処理装置にて用いられる従来の材料から選択することができる。いくつかの実施形態において用いるイオン交換膜は、米国特許第８，７０３，８３１号明細書（出願日：２０１４年４月２２日）及び米国特許第９，０２３，９０２号明細書（出願日：２０１５年５月５日）に開示されており、いずれも本願の出願人、エヴォクアウォーターテクノロジーズ社（Evoqua Water Technologies Pte. Ltd.）に帰属している。これら両特許の開示は全て、引用により本願に援用する。いくつかの実施形態において、カチオン交換膜は、微孔性支持膜及びその支持膜を充填する架橋カチオン転移ポリマー、並びに少なくとも１つのイオノゲンモノマー、中性モノマー及び多機能モノマーから形成される重合生成物を備える。このようなカチオン交換膜は、約０．０５μｍから約１０μｍの大きさの孔を備える。多孔膜基材は、約１５５μｍ未満の厚さを有することができる。いくつかの実施形態において、多孔膜基材は、約５５μｍ未満の厚さを有することができる。いくつかの実施形態において、カチオン交換膜は、約４５％超の空隙率を有することができる。カチオン交換膜は、約９５％超の透過選択性を有し、約１．０Ω−ｃｍ^２以下の抵抗率を有することができる。

いくつかの実施形態において、アニオン交換膜は、微孔性支持膜及びその支持膜を充填する架橋アニオン転移ポリマー、並びに少なくとも１つのイオノゲンモノマー、中性モノマー及び多機能モノマーから形成される重合生成物を備える。このようなアニオン交換膜は、約０．０５μｍから約１０μｍの大きさの孔を備える。多孔膜基材は、約１５５μｍ未満の厚さを有することができる。いくつかの実施形態において、多孔膜基材は、約５５μｍ未満の厚さを有し得る。いくつかの実施形態において、カチオン交換膜は、約４５％超の空隙率を有することができる。カチオン交換膜は、約９４％超の透過選択性を有し、約１．０Ω−ｃｍ^２以下の抵抗率を有することができる。

図２ａは、セグメント化されたアノード２１０及びセグメント化されたカソード２２０を備え、レーストラック形態を有する電気化学的分離モジュール２００の概略断面図である。アノードは、２つの部分へとセグメント化することができる。アニオン交換膜及びカチオン交換膜を備えるセル対の２つのスタックを、セグメント化されたアノード２１０の周囲に巻回することで、セル束を形成する。図１について詳述し、かつ図示するように、供給水は、アノード２１０付近のモジュールの中央部に配置された入口２３０に導入することができる。その供給水は、外向きにカソード２２０に向かって流れることで、製品出口及び廃棄物出口２４０を通じてモジュールから導出される。図２ｂは、図１に示す代替的な構造を有するモジュールの斜視図である。セグメント化されたアノードにより、モジュールを柔軟に形成することができる。例えば、セグメント化されたアノードの直線部間の距離が可変であることから、アノードの曲線部の半径及びセル束の曲線部は、セル対の対数から独立したものとすることができる。

図３は、容器に巻回型セル束を収容する電気化学的分離モジュールの概略図である。レーストラック形態を有するモジュールは、多様な形状の容器により支持することができる。少なくとも１つの非限定的な実施形態において、少なくとも１つのセル対を内側電極の周囲に巻回した後に、セル束の一端又は両端をポッティングされた接着剤３８０により封止ことができ、ハウジング又は容器内に挿入するよう、この接着剤を必要に応じて、硬化させ、あるいは、切り取ることができる。ポッティングされたセル束を、シリンダ形状容器３９０などの容器に挿入させる。容器は、少なくとも１つの端板（図示せず）、封止材、支持部材、及びセル束への流体連通・電気的接続手段を備える。少なくとも１つの流出口マニホルド３８５は、製品及び廃棄物の出口を備える。流入口マニホルドは、セル束と流体連通させることができる。セル束と容器の内部との間のあらゆるギャップ及び開口部を、輪郭部又は輪郭材料（図示せず）により更に充填することで、容器３９０がセル束の外縁部を支持するように機能する構成とすることができる。上述したように、容器３９０を少なくとも１つの端板（図示せず）により固定及び封止することで、入口及び出口ポートにて連通及び電極の電気接続を可能とすることができる。ハウジング内又は容器内で、輪郭部又は材料をセル対のセル束を固定するために用いる場合、これらの材料は、鋳型工程技術又は機械工程技術により形成されたプラスチック材料のような低価格で、非活性かつ非浸食性の材料としてもよい。輪郭部又は材料は、セル対のセル束の支持機能や他の機能を発揮させることができる。例えば、少なくとも１つの輪郭部又は材料は、製品及び廃棄物群からの流出物を収集し、それらを対応するポートへと導く１つ以上のマニホルドを備えることができる。特定の実施形態において、輪郭部又は充填材料は、モジュール操作に不可欠なものではない。例えば、ポッティングされたセル束を容器に挿入し、端板を取り付けることもできる。続いて、充填材料をセル束と容器の内面との間のキャビティに注入することができる。適切な充填材料の例として、キャビティ内への注入後に膨張・固化させた剛性又は半剛性の、ポッティング化合物及び封止剤が挙げられる。容器３９０は、一般的な形状又は不規則な形状であってもよい。特定の容器形状により、複数の装置を容器内に配置することが可能となる。容器は、上述したセル束構造をハウジングするための任意の適宜形状であってよい。

図面により図示し、詳述したように、いくつかの実施形態において、巻回型のアニオン交換膜及びカチオン交換膜、並びにアノードから形成されるセル束の断面は、実質的に水平又は直線状の側部と、実質的に直線状部分の第１端及び第２端における曲線部を備えることができる。特定の実施形態において、電流密度は、セル束の直線部の全長に亘って実質的に均一である。追加的に、希釈室からイオンを除去する除去率は、内側電極からの距離の関数ではない。本発明は、らせん状巻回装置と比較し利点を有する。らせん状巻回装置においては、内側電極からの距離の拡大に伴い、電流密度が低下するためである。これは、希釈流が外向きに巻回するに連れて、希釈流からのイオンの移動率が低下することを意味する。所望程度にイオンを除去するために、内側電極における電流密度は、許容範囲以上に高い、数百ａｍｐ／ｍ^２となりかねない。追加的に、らせんの長さを伸張させ、あるいは、希釈室を通過する流量を低下させることですることで、膜領域を拡大させることができる。これらの方法は、共により長い滞留時間を要し、装置内の圧力を低下させる。また、膜領域を拡大させ、らせんの長さを伸張することで、膜の製造及び操作コストは上昇する。更に、電気浸透及び浸透によって水損失が生じることで、製品群の流量が低下する。らせん状巻回装置の不利な点として、多数のセル対及び製品流量が、アノードセグメント間のギャップの寸法及び中央電極の周囲にて多数のシートを屈曲する難度により限定されることが挙げられる。セグメントの半径を伸張させることで、コストが上昇し、この追加的なコストは重大な影響を与えかねない。レーストラック形態を用いることで、らせん状巻回装置が有する少なくとも１つの不利な点を解消することができる。

曲線部は通常、その曲率半径の変化に伴って変化し得る非均一な電流密度を示す。従って、この形態は、実質的な直線部を備えることで、より効率的になり得る。実質的な直線部全体を通じて示される均一な電流密度により、曲線部における非均一な電流密度を減少させることができる。種々の実施形態において、実質的な直線部の長さの曲線部の半径に対する比は、０よりも大きい。実質的な直線部の長さが伸張すると前記比が増加し、代替的に、実質的な直線部の長さが減少するとその比は０に近づき得る（球状形態において、セル束が実質的な直線部を有しない場合、前記比は０となる）。少なくとも１つの実施形態において、曲線部の曲率半径は、セル対の数に依存しない構成を有することができる。いくつかの実施形態において、各曲線部の半径は、セル対のスタックの厚さと同等である。種々の態様において、アニオン交換膜及びカチオン交換膜は、セル束の実質的な直線部に沿って、平坦かつ平行に配置されている。いくつかの実施形態において、セル束は、２つの対称的な軸線を備える。他の実施形態において、曲線部は、半円形ではなく、楕円形又は他の曲線状の形状を有していてもよい。

種々の実施形態において、少なくとも１つの電気化学的分離装置を、水処理システムに用いることができる。水処理システムは、センサ及び制御装置、追加的なマニホルド、分配アセンブリ、貯蔵装置などの他の構成要素及び装置、並びに追加的な処理装置を更に備えていてもよい。いくつかの態様において、少なくとも１つの電気化学的分離装置は、既存の水処理システムに組み入れることができる。処理対象の水源の適切な非限定的な例として、水道水又は湧水などを含む飲用水や、海水、塩水、処理前の半純水などの非飲用水、並びにそれらの組み合わせが挙げられる。

装置の入口に供給物を移送する少なくとも１つの実施形態に係る方法及びシステムは、区画室及びセル対に供給するための共通の供給源を要する。結果として、同一の水源から希釈室及び濃縮室に供給することができる。このようなシステムにより、モジュールを水処理システムに組み込む能力が制限されかねない。このようなシステムの汎用性は、特にエネルギ消費及び精製水の品質の制御に関して制限される。図４は、電気化学的分離装置４００の例示的なフローパターンを示す概略図である。この電気化学的分離装置４００において、フロー方向を示す矢印４３０に示すように、中央入口ハブ４１０から巻回型セル対４２０の全ての区画室へと同一の供給水を供給する。

追加的に、電気化学的処理装置における巻回型セル対の出口から製品流及び廃棄流を収集するシステムの少なくとも１つの実施形態によれば、所定の装置及び領域に適用されるセル対の数が制限されかねない。これらの方法及びシステムは、Ｏリングなどの機械的シールを用いるブロックに封止される希釈室及び濃縮室を分離する膜を備えるマニホルドを用いることを要する。このような実施形態に係るマニホルド５００を図５に示す。図５において、各希釈室５１０から導出される製品流５６０は、第１マニホルド５４０及び製品収集マニホルドにて収集され、電気化学的処理装置から排出される。同様に、濃縮室５２０から導出される廃棄流５７０は、第２マニホルド５５０及び廃棄物収集マニホルドにて収集される。

図５に示すように、希釈室５１０及び濃縮室５２０のスペーサは、区画室間に配置されたＯリングシール５３０により間隔をあけて配置される。例えば、約１０ｍｍの間隔をあけることで、セル対は２０ｍｍの間隔を要するようになる。装置内の各マニホルドは、５対のセル対を備え、少なくとも１００ｍｍの長さを有する。このような形態を有する商用の電気化学的装置においては、現状のプロセス及び経済モデルを基づいて、各セル束にて２０〜５０対のセル対を要するであろう。マニホルドのシステム及び方法は、大規模となり、適用することが困難である。

少なくとも１つの実施形態において、代替手段となる供給システム及びマニホルドシステムを開示している。少なくとも１つの実施形態において、システムは、各セル束のより多数のセル対をコンパクトな空間内で収容することができる。

少なくとも１つの実施形態において、電気化学的処理装置の希釈室及び濃縮室の分離供給流に供給し、その供給流から分離製品及び廃棄流を収集する方法及びシステムを開示する。このようなシステムを形成する方法は、構成要素を封止材料に選択的に埋め込んだ後、計画的に経路を穿孔することにより、希釈室及び濃縮室を入口又は出口ポートと連通させることを備えることができる。

少なくとも１つの実施形態において、システムの構成要素を形成する方法は、添付図面を参照し、本明細書に記載する一連の工程を備えていてもよい。図６に示すように、フロー区画室６００は、スペーサスクリーンを備えていてもよい。２つの断片として図示する通気遮断性フィルム６２０は、シーム６７０を備えることができ、このシームは、スペーサスクリーン６１０のマスキング部分６３０を形成するようスペーサスクリーン６１０間にて接着又は溶接されている。溶接されたフィルム６２０は、後続のポッティング工程中にスペーサスクリーン６１０のマスキング部分６３０が、エポキシ樹脂により充填されるのを防止することができる。エポキシ樹脂により充填されていないスペーサスクリーン６１０の隣接部６４０は、ポッティング部分とすることができる。図６に示す実施形態において、スペーサスクリーン６１０に予めホール６６０を穿孔することで、フローチャンネルの位置と寸法を適合させることができる。

フロー方向を表す矢印６５０により示すように、スペーサスクリーン６１０の一部を、らせん流路（区画室への入口）の導入部として図示する。代替的な形態として、反対方向のフローも含む。このような区画室の一部は、開示された方法によると同様、出口として作用し、セル対のセル束の入口及び出口にて、流体の流れの隔離を促すために用いられる。同様に、類似技術を適用することで、スペーサスクリーン６１０を、希釈室又は濃縮室の一部とすることができる。

フィルム６２０を結合又は溶接する工程は、共にあらゆる既知の方法を用いて行うことができる。例えば、フィルム６２０は、加熱バンドを用いるパルスヒータ又は超音波溶接機により熱溶接することができる。特定の実施形態において、後続の工程にて用いる封止材料を遮断するシームを形成するために、フィルム及びスクリーンは共に溶解させる。好適には、スペーサスクリーン及びフィルムの材料及び厚さは、一工程で溶接を達成可能とするものである。代替的に、スクリーン上の溶接領域を余熱して圧縮し、スペーサスクリーンのストランドを崩壊させることができる。続いて、これらのフィルムを、加熱下でスクリーンの両面に配置し、全ての３つの構成要素を貫通させてシームを形成することができる。

フィルムの材料としては、溶接可能な材料及び低浸透性を有する材料が含まれる。このような材料として、限定されるものではないが、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）及びポリエステルが挙げられる。

図７は、セル対７００の分解図である。図６にて詳述した溶接操作を濃縮スペーサスクリーン７２０及び希釈スペーサスクリーン７６０に用いることができる。希釈スペーサスクリーン７６０のマスキング部分７４０及び濃縮スペーサスクリーン７２０は、スペーサスクリーンの長手方向中央軸線に対して対称的に配置され、マスキング部分７４０及びスクリーンのポッティングすべき部分７３０は、交互に配列されている。セル対７００を形成するアニオン交換膜７５０及びカチオン交換膜７１０を図７に示す。

少なくとも１つの実施形態において、セル束を形成する複数のセル対は、２つのブロック間に固定及び挟み込まれ、少なくとも１つのセル対は、ポートに連結される内側経路を備える。図８に示す分解図における例示システム８００において、セル対８１０のセル束は、頂部ブロック８２０及び底部ブロック８３０間に配置される。底部ブロック８３０は、フロー経路８４０及び８４５を備え、操作中に少なくとも１つの供給源と、希釈室及び濃縮室との間にてそれぞれ流体連通を可能とする。

図８及び図９に示すように、システム８００の端部８５０は、電気化学的分離装置内のセル対８１０のセル束の端部に沿う接着剤と共にポッティングされる。図１０に示すように、スペーサスクリーンの端部８６０は、フィルムにより被覆され、同様の接着剤によりポッティングされる。

接着剤を塗布及び硬化させた後、図１１に示すように頂部ブロック８２０を通じて、セル対８１０のポッティングされた端部８６０からチャンネル８７０及び８７５のそれぞれが、内側経路８４０と交差するまで底部ブロック８３０へと穿孔することで、チャンネル８７０及び８７５を形成する。希釈チャンネル８７０は、希釈室のマスキング部分を通過することで、希釈ポート８４０と流体連通可能となる。同様に、濃縮チャンネル８７５が、濃縮室のマスキング部分を通過することで、濃縮ポート８４５と流体連通可能となる。頂部ブロック８２０のホールは、プラグ、接着剤、ねじプラグあるいは、これらの組み合わせ、又は他の手段との組み合わせを用いて封止することができる。

図１２は、製品／希釈流方向の矢印８８０が示すように、希釈室から内側経路を通じて希釈出口ポートへと流れる製品の断面図である。希釈スクリーンに溶接されたフィルムは、スクリーンをマスキングし、接着剤が、出口チャンネル８７０にて希釈室８９０へと浸入することを防止する。濃縮室８９５の隣接スクリーンは、フィルムにより防護されておらず、ポッティングされたスペーサスクリーン部を形成する接着剤により充填されている。そのため、濃縮室８９５と希釈室８７０との間に流体連通が生じない。濃縮出口ポート８７５を通じた断面図は、濃縮出口ポート８７５の経路に沿ってマスキングされた濃縮室８９５を通じて流れる廃棄流を図示している。

図１２に示すフロー方向の矢印は、出口に向かう流れを表し、反対方向への流れは、入口ポートから希釈室への供給水の流れを示す。同様に、図１２は、希釈流を示しているが、濃縮流もこの流れに類似する。供給水とは異なり、希釈室に供給するイオンを含む別個の供給水は、同様の態様で濃縮室に供給することもできる。

上述の工程により形成された入口及び出口は、電気化学的処理装置に組み込むことができる。

少なくとも１つの代替的な実施形態において、フロー区画室を画定するフィルムをスクリーンに対して直接的に溶接しなくてもよい。その代りに、図１３ａに示す様にフィルム１３２０は互いに予め溶接され、シーム１３７０を有するスリーブ１３２５を形成する。スリーブ１３２５をスペーサスクリーン１３１０の端部上に配置可能とするためにスペーサスクリーン１３１０の端部を切り取る。例えば、図１３ｂに示すように、スペーサスクリーン１３１０の三角形の残部１３８０を、配置ピン又は他の手段を用いて所定位置に配置することができる。この代替的な手段を用いることで、フィルム間のスペーサスクリーンとの間で現場溶接を行うよりも、プラスチックフィルム１３２０の溶接を容易かつ迅速に行うことができるため、特定の利点を提供することができる。この代替的な方法により、スリーブの作製を自動化させることができる。

図１４に示す他の実施形態において、フィルム１４２０は、スリーブ１４２５を形成するために互いに溶接することができる。この実施形態において、スクリーンスペーサ１４１０の三角形部１３８０の端部を各スリーブ１４２５の１つのシーム１４７０に挿入し、フィルム１４２０と結合する。図１３ａ及び１３ｂに示す実施形態とは対照的に、この方法により、スクリーンの小片を配置する工程を省略し、セル対のスタックの収集を簡易なものとすることができる。このような実施形態に係るスリーブの作製において、ウェルド内にスクリーン材料を含ませるよう溶接条件を調整することにより自動化させることができる。

他の実施形態において、図１５に示すように多孔性材料１５７０は、各スリーブ１５８０と隣接する膜、カチオン交換膜１５１０又はアニオン交換膜１５５０との間に配置することができる。この構成により潜在的なギャップの形成を防止することができる。ポッティング工程中に接着剤が膜とフィルムとの間に侵入しない場合、流体圧下にてギャップが形成される。あらゆるギャップは、２つの流れ間のクロスリークを生じさせる。多孔性材料１５７０は、フィルムと膜との間のスペースの形成を補助し、これらのスペースに毛細管現象を通じて接着剤が硬化する前に流入又は移動する。

多孔性材料は、ストランドが密接に離間するよう織編され、又は押出された薄いスクリーンや、逆浸透膜又は限外濾過膜用の基材として生成される多孔性フィルムを含む。その材料は、異なる接着剤を用いたポッティング試験に基づいて選択することができる。このような材料の一例として、２８０ストランド／インチ（１１０ストランド／ｃｍ）の寸法を有し、全体の厚さが０．００２４インチ（６０μｍ）であるモノフィラメントポリエステル織編スクリーンが挙げられる。

ポッティング接着剤のために用いる材料の非限定的な例として、エポキシ樹脂及びウレタンが挙げられる。マスキングフィルムのために用いる材料の非限定的な例として、ＰＶＣフィルム及びポリエステルフィルムが挙げられる。これらのフィルムは、ポッティング材料との結合を補助するつや消し面を備えることができる。

少なくとも１つの実施形態において、ポッティング方法は、別個の入口供給源から２つの異なる入口流を形成するように設計された入口システムに組み込まれる。一方の流れを希釈室に流入させ、もう一方の流れを濃縮室に流入させる。濃縮室から希釈室を分離するためにセル対のセル束の初期端部を、例えば、エキポシ接着剤にポッティングした後に完全に硬化させる。異なる区画室に連結されたスクリーンの一部は、標的とされ、エキポシ接着剤にポッティングした材料から分離され、マニホルドからの流体の流れに対して開口したままの状態を保つことができる。スペーサスクリーンの一部を溶接されたプラスチックフィルムのポケットに潜入させる、あるいは、プラスチックフィルムをスペーサスクリーンの一部に溶接することで、エキポシ樹脂により被包されたポッティング部分から分離したスペーサスクリーンのマスキング部分を形成することができる。

図１６〜図１８は、少なくとも１つの実施形態に係るスペーサスクリーンの切断例を示している。図１６ａ，１６ｂ及び１６ｃは、イオン交換膜の一部の形状及びコンパートメントスペーサの一例の概略図である。図示するように組み立てることで、膜及びスペーサスクリーンは、エキポシポッティング材料内で形成され得るチャンネルと抵触しない。図１６ａにおいて、希釈室スペーサ１６１０は、プラスチックフィルムによりエキポシ樹脂から分離されたマスキング部分１６４０を備える。希釈チャンネル１６７０は、流れを連通させるためにスペーサスクリーン１６１０内にて形成される。スペーサスクリーン１６１０の一部を取り除いた後に希釈室のポッティング部分１６５０として、エキポシポッティング材料により充填する。図１６ｂにおいて、濃縮室スペーサスクリーン１６２０は、プラスチックフィルムによりエキポシポッティング材料から分離されるマスキング部分１６４０を備える。濃縮チャンネル１６７５は、流れを連通させるためにスペーサスクリーン１６１０内にて形成される。スペーサスクリーン１６２０の一部を取り除いた後に濃縮室のポッティング部分１６５０として、エキポシ樹脂により充填する。図１６ｃにおいて、イオン交換膜１６３０を、スペーサスクリーン間にて形成及び配置することができる。このような実施形態において、カチオン交換膜及びアニオン交換膜は、同様の形状を有していてもよい。

図１７は、互いに層状となるよう形成されたセル対構成要素の分解図である。図１８は、当該実施形態に係る組み立てたセル対構成要素の概略図である。この実施例において、４つのチャンネルが形成され、２つのチャンネル１６７０は、希釈室にて形成され、２つのチャンネル１６７５は、濃縮室にて形成される。所望及び／又はモジュールの長さ及び予想される流れに応じて、追加的なチャンネルを形成してもよい。

図１９は、セル対のセル束の端部を挿入、固定及びポッティングすることのできるポッティング容器１９００の一実施形態を図示している。図２０は、ポッティング容器１９００の内部に配置されたセル対のセル束の端部を図示している。図２０は、エキポシポッティング材料を注入し、硬化させることのできる概略的な高さも図示している。エキポシ樹脂ライン２０１０の高さが、保護プラスチックフィルムの端部よりも下側に配置されることで、エキポシ樹脂がスクリーンスペーサから流出し、ブロックすること防止することができる。エキポシ樹脂を硬化させた後、ホルダ、エキポシ樹脂及びセル束を通じて、ポート孔を形成することで、分離した希釈室及び濃縮室に対する流れを可能とするチャンネル１６７０ 及び１６７５を形成する。

図２１に中央ハブ２１００の一例を示す。セル対のセル束を中央ハブ２１００に取り付け、巻回する。中央ハブ２１００の頂部に図示するように中央ハブ２１００は、２つの希釈ポート２１１０及び２つの濃縮ポート２１２０を備える。２つの希釈ポート及び２つの濃縮ポートは、中央ハブの底部（図示せず）にも備えられている。操作時に、希釈ポート２１１０は、希釈流チャンネル及び希釈供給入口２１３０を通じて希釈流体源と流体連通することができる。操作時に、濃縮ポート２１２０は、濃縮流チャンネル及び濃縮供給入口２１４０を通じて濃縮流体源と流体連通することができる。このような構成において、希釈供給流及び濃縮供給流は、異なる流れであってもよい。

図２２は、図２１に示す中央ハブ２１００の一例の断面図である。内側希釈導管２１５０及び中央ハブ２１００の濃縮導管２１６０により希釈供給入口２１３０及び濃縮供給入口２１４０から希釈ポート２１１０及び濃縮ポート２１２０、それぞれへの連通を可能とすることができる。希釈導管２１５０及び濃縮導管２１６０は、機械加工性のために実質的に直線状に図示されている。図２３に示すように、他のチャンネル形状によりポート間の流れが促進することができる。曲線チャンネル２３１０は、例えば、鋳型ポートにより形成することができる。図２４は、組み立てられた装置２４００の一例を示す。装置は、中央ハブ２４１０、セル２４３０、及びセグメント化されたアノード２４２０を備える。濃縮流と同様に、希釈流は、セル束２４３０のセル対の両組における希釈室へと供給される。

上記のおよび他の実施形態の機能および利点は、以下の実施例からより十分に理解することができる。いうまでもなく、実施例は、単なる例示に過ぎず、本明細書中に記載の実施形態の範囲の限定として見なすべきものではない。

レーストラック形態を有する電気透析装置は、ＴＤＳを低減させ、流量、効率性、エネルギ消費及び全体的な回収において有効であると評価された。

この装置は、１５対のセル対を２組備え、これらのセル対は、アノードに巻回され、該アノードは、合計で３０対のセル対を有するレーストラック形態を備えるセル束を形成するようＩＯＡ−ＬＣで被覆されたチタンから構成される。セル束は、３１６ステンレス鋼よりなるカソードで包囲される。カチオン交換膜及びアニオン交換膜は、米国特許第８，７０３，８３１号明細書及び米国特許第９，０２３，９０２号明細書に開示されるセル束にて用いられる。３０対のセル対にて用いられる６０個の膜は、平均長さが３４１７ ｍｍ、初期幅が３００ｍｍである。ポッティング後の膜の平均幅は、２５０ｍｍである。従って、総膜領域は、５１．２ｍ^２である。

共通の供給流れを、２組の１５セル対における希釈室及び濃縮室に供給した。表１に示すように８つの異なる供給流を評価した。試験１〜４は、半塩水の領域のＴＤＳを有するが、試験５〜８は、塩水又は海水に近いＴＤＳを有する。

２組の１５対のセル対により回収された製品流を表２に示す。試験５〜８において、１５対のセル対の各セル束のうち１対を、装置内に通過させた後のＴＤＳは、平均で２０％超低減した。

２組の１５対のセル対の濃縮室から修復された廃棄流を表３に示す。試験１〜４のみを評価した。これらの濃縮流は、増大した伝導性及び濃縮性並びに対応して減少する流量を示す。希釈室及び濃縮室に供給される共通の供給流に用いるＥＤ装置においても同様の結果が得られる。上述した他の実施形態においては、希釈室及び濃縮室に供給される異なる供給流を用いることもできる。この特徴により、水の消費を制限し、複数の装置のステージング及び流体連結を制限することで、追加的に工程の効率性を上昇させることができる。

表４は、総製品流量、工程の効率性、エネルギ消費及び及び全体的な回収を示す。これらの結果は、巻回型セル対において、レーストラック形態を有するＥＤ装置は、高ＴＤＳ供給流の処理を行う際に有効であり得ることを示している。３０対のセル対を通じた製品総流量（試験１〜４において平均６２０８ｍｌ／分）は、商業的に応用するのに十分なものである。試験１〜４におけるＴＤＳの平均減少量は、２８％超であり、これは、３０対のセル対を通過するのに十分な値である。２組の１５対のセル対の工程効率性は、あまり大きくなく、試験１〜４において、７０％近くが結合され、試験５〜８においては、６０％近くが結合された。これは、流れが装置を通じて機能することを示している可能性が高い。エネルギ消費及び全体的な回収は、商業的に応用可能な装置であることを示している。全体的な回収は、流れ１〜４において平均で６３．８％であり、流れ５〜８において６４．５％である。

上述した結果により、レーストラック形態を有するＥＤ装置を品質の異なる供給水を効率的に処理するために用いることで、十分な流量、工程の効率性、エネルギ消費及び全体的な回収を提供しながら、ＴＤＳを低減させることが可能となることが分かった。

いくつかの実施形態について上述したが、上記記載は例示に過ぎず、非限定的であることは言うまでもない。種々の変更及び他の実施形態は、当業者にとって本発明の範囲内
にあると理解され、本発明の範囲内にあると意図される。特に、本明細書内に記載される特定の方法又はシステムの構成要素の組み合わせについて、これらの方法及び構成要素システムは、同様の課題を解決するために他の方法により組み合わせることができる。

本明細書中に記載の装置、システム及び方法に係る実施形態は、上述の記載のおよび添付図面に示された構成要素の構成および配置の詳細への適用に限定されない。該装置、システム及び方法は、他の実施形態で実施可能であり、種々のやり方で実行または実施可能である。特定の実施形態の実施例が、本明細書中で例示を目的として提供されているが、限定を意図したものではない。特に、１つ以上のいずれの実施の形態に関連して説明された作用、構成要素及び特徴も、任意の他の実施形態における同様の役割を排除することを意図されない。当業者であれば、本明細書中に示すパラメータ及び形態は、例示的なものであり、実際のパラメータ及び／又は形態は、本発明に係るシステム及び技術に用いる特定の適用に応じて変化する。当業者であれば、本発明に係る特定の実施形態と同等の範囲の通常の実験を超えるものを用いないことを認識及び確認できるであろう。従って、本明細書中に記載される形態は、例示として示すものであり、特許請求の範囲内にある。本発明は、特定して記載する以外の方法で実施することもできる。

更に、本発明は、本明細書に記載する各特徴、システム、サブシステム又は技術、並びにこれらを２つ以上組み合わせたもの、特徴、システム、サブシステム及び／又は方法を２つ以上組み合わせたものに関し、特徴、システム、サブシステム又は技術が互いに適合しない場合においても特許請求の範囲内の発明であると理解される。更に、実施の形態に関連して説明された作用、要素および特徴も、任意の他の実施形態における同様の役割を排除することを意図するものではない。

本明細書中で用いられる表現および用語は、説明を目的としたものであり、限定と見なされるべきではない。本明細書中、「複数」とは、２つ以上の項目又は要素を指す。「備える」、「含む」、「供する」、「有する」、「構成する」、「包含する」は、明細書又は特許請求の範囲等に記載されているか否かに関わらず、「非限定的」であることを意味する開放型専門用語である。従って、このような用語の使用は、その後に示される項目およびその等価物ならびに付加的な項目を含むことを意図する。「から成る」、「のみから成る」という用語は、特許請求の範囲においてそれぞれ、閉鎖型又は半閉鎖型の用語である。特許請求の範囲内で用いる「第１」、「第２」、「第３」等は、それ自体が、優先順位、先行項目又は他の請求項に対する一請求項の配列又は、方法を実施する暫定的な配列を示すものではない。

Claims (15)

1. 第１電極と；
   該第１電極を巻回してセル束を形成する複数のセル対と；
   を備え；
   ・該複数のセル対が、それぞれイオン濃縮室及び隣接するイオン希釈室を有し；
   ・前記イオン濃縮室が第１スペーサを備え、前記第１スペーサの片端がマスキング部分及び隣接するポッティング部分の両方を有し；
   ・前記隣接するイオン希釈室が第２スペーサを備え、前記第２スペーサの片端がマスキング部分及び隣接するポッティング部分の両方を有し；
   ・前記第１及び第２スペーサのマスキング部分及びポッティング部分が交互に配列され；更に、
   前記第１スペーサのマスキング部分及び前記第２スペーサのポッティング部分を通して延在し、前記イオン濃縮室と流体連通すると共に前記イオン希釈室から流体分離された濃縮流チャンネルと；
   前記第１スペーサのポッティング部分及び前記第２スペーサのマスキング部分を通して延在し、前記イオン濃縮室から流体分離されると共にイオン希釈室と流体連通する希釈流チャンネルと；
   前記セル束を包囲する第２電極と；
   を備える、電気化学的分離装置。
2. 請求項１に記載の装置であって、前記セル束に近接するマニホルドブロックを更に備え、該マニホルドブロックが、前記希釈流チャンネルと流体連通する希釈流ポートを有する、電気化学的分離装置。
3. 請求項２に記載の装置であって、前記マニホルドブロックが、前記濃縮流チャンネルと流体連通する濃縮流ポートを更に備える、電気化学的分離装置。
4. 請求項３に記載の装置であって、前記希釈流ポートが、希釈流供給源と流体連通する、電気化学的分離装置。
5. 請求項４に記載の装置であって、前記濃縮流ポートが、濃縮流供給源と流体連通する、電気化学的分離装置。
6. 請求項５に記載の装置であって、前記希釈流供給源が、前記濃縮流供給源とは異なる、電気化学的分離装置。
7. 請求項１に記載の装置であって、前記セル束がレーストラック形態を有する、電気化学的分離装置。
8. 請求項７に記載の装置であって、前記第１電極が、伸長したＳ字形状のアノードを画定するよう、直線部と、その各端部における半円形部とを備える、電気化学的分離装置。
9. 請求項７に記載の装置であって、前記セル束の断面が、直線部と、該直線部の第１端及び第２端における曲線部とを備える、電気化学的分離装置。
10. 請求項１に記載の装置であって、前記マスキング部分のそれぞれが、前記スペーサの一部を包囲するスリーブを備える、電気化学的分離装置。
11. 請求項１０に記載の装置であって、前記スリーブが、シームにおいて結合される一対の通気遮断性フィルムを備える、電気化学的分離装置。
12. 請求項１に記載の装置であって、前記マスキング部分のそれぞれが、前記スペーサに溶接される一対の通気遮断性フィルムを備える、電気化学的分離装置。
13. 請求項１に記載の装置であって、中央ハブを更に備え、該中央ハブが、前記希釈流チャンネル及び希釈流供給源と流体連通する希釈ポートを有する、電気化学的分離装置。
14. 請求項１３に記載の装置であって、前記中央ハブが、前記濃縮流チャンネル及び濃縮流供給源と流体連通する濃縮ポートを更に備える、電気化学的分離装置。
15. 請求項１４に記載の装置であって、前記希釈流供給源及び前記濃縮流供給源が互いに異なる、電気化学的分離装置。