JP6800957B2 - 膜加熱による液体浄化 - Google Patents
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Description
本出願は、米国特許法第119条(e)の下、2015年5月13日出願の米国仮特許出願第62/160,664号の優先権を主張する。この仮特許出願の内容全体が、参照により本明細書に明示的に組み込まれる。
本明細書に記載する主題は、例えば、熱による膜加熱および蒸発を用いた、液体浄化に関する。
脱塩(Desalination)、塩分除去(desalinization)、および淡水化(desalinisation)は、いくらか量の塩および他のミネラルを塩水から除去する、いくつかのプロセスのいずれかを指す。脱塩は、液体、特に水を浄化する一形式である。塩水は、人間による消費、灌漑、または他の用途に適した真水を生成するために、脱塩され得る。比較的高いエネルギー消費のため、海水を脱塩する費用は、一般的に、代替物(例えば、川もしくは地下水からの真水、水の循環利用、節水など)より高いが、代替物は常に利用可能であるわけではない。
これまでの脱塩へのアプローチに関連する問題は、本明細書に記載する主題により解決することができる。浄化システムは、膜加熱による液体の有効な加熱をもたらすことができ、膜加熱は、加熱素子と液体の沸点との温度差が93℃以上になったときに起こる。膜加熱により、蒸気泡の薄い膜が加熱素子上に形成され得、これは、ライデンフロスト効果としても知られている。蒸気膜は絶縁体として作用して、加熱層の有効表面積を減少させることにより液体が急速に蒸気を形成するのを防ぐことができるので、この蒸気の膜は、蒸発効率に影響し得る。いくつかの実施形態では、本主題は、加熱素子の近くで液体および/もしくは蒸気分子上に電荷を与えることができる。逆電荷の素子と組み合わせて、液体および/または蒸気分子を帯電させた結果、帯電した液体および/または蒸気分子が加熱素子から引き離され、それにより蒸気膜の形成を回避することができる。
図1は、海水および/または汽水などの液体を浄化し、膜加熱を用いるための、例としての浄化システム100の断面図である。半透膜は必要ないので、この例としての浄化システム100は、逆浸透システムより低いコストで液体を浄化することができる。
ρ(S,T)=ρw=ρw0
+(8.24493×10−1−4.0899×10−3T−7.6438×10−5T2
−8.2467×10−7T3+5.3875×10−9T4)S
+(−5.72466×10−3+1.0227×10−4T−1.6546×10−6T2)S3/2
+4.8314×10−4S2
Q=qA=htotalA(TS−Tsat)
hr=放射境膜係数
htotal=総合境膜係数=対流および放射熱伝達
かつ、
(1) 液体浄化のための器具において、
蒸気を集めるための蒸気用キャノピーと、
前記蒸気用キャノピーより下にあり、液体中に浸されるように構成された加熱層であって、前記加熱層は、前記液体により実質的に囲まれ、前記液体の表面から1mm〜20mmの深さに位置しており、前記加熱層は、前記液体の沸点を少なくとも93℃超える温度に加熱されるように構成されている、加熱層と、
を含む、器具。
(2) 実施態様1に記載の器具において、
前記液体を保持するための容器をさらに含み、
前記加熱層は、前記容器内部に収容されている、器具。
(3) 実施態様1に記載の器具において、
前記加熱層に連結され、前記液体中で前記加熱層を浮遊させるフロートをさらに含み、前記加熱層の深さは、前記液体の体積に関わらず、実質的に一定のままである、器具。
(4) 実施態様3に記載の器具において、
前記フロートはさらに、前記蒸気用キャノピーに連結され、前記蒸気用キャノピーを前記液体の上で支持し、
前記蒸気用キャノピーは、水域上に浮遊するように構成されている、器具。
(5) 実施態様1に記載の器具において、
前記加熱層は、少なくとも1つの加熱素子を含み、
前記加熱素子は、電気的加熱素子、気体加熱素子、強制熱水加熱素子、赤外線吸収材料、または電磁吸収材料を含む、器具。
前記加熱層は、前記加熱層の近くの液体または蒸気分子上に電荷を与える帯電素子をさらに含む、器具。
(7) 実施態様6に記載の器具において、
帯電した液体または蒸気分子を前記加熱層から引き離し、前記加熱層上での蒸気膜の形成に抵抗するために、逆電荷の素子をさらに含む、器具。
(8) 実施態様1に記載の器具において、
前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
加熱素子と、
帯電フィンと、
前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
を含み、
前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、器具。
(9) 実施態様1に記載の器具において、
赤外線源、電磁波源、または電源を含む加熱源をさらに含む、器具。
(10) 実施態様9に記載の器具において、
前記加熱源は、赤外線源を含み、前記加熱層は、赤外線吸収材料を含む、器具。
前記液体は、海水、廃水、または汽水である、器具。
(12) 実施態様1に記載の器具において、
前記加熱層は、少なくとも193℃の温度に加熱されるように構成されている、器具。
(13) 実施態様1に記載の器具において、
前記液体の表面高さを制御するように構成された入力供給源をさらに含む、器具。
(14) 実施態様1に記載の器具において、
前記加熱層は、前記液体の表面から5mm〜14mmの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。
(15) 実施態様1に記載の器具において、
前記加熱層は、約14mmの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。
全溶解固形物(TDS)が多い液体を、蒸気用キャノピーの下に配列された加熱層に提供することであって、前記加熱層は、前記TDSの多い液体によって実質的に囲まれ、前記TDSの多い液体の表面から1mm〜20mmの深さに位置するように、前記TDSが多い液体中に浸される、ことと、
前記加熱層を、前記TDSの多い液体の沸点を少なくとも93℃超える温度に加熱して、蒸気を生成することと、
前記蒸気用キャノピーおよび凝縮装置により前記蒸気を集めることと、
を含む、方法。
(17) 実施態様16に記載の方法において、
帯電素子を用いて前記蒸気を帯電させて、前記加熱層上での蒸気層の形成を回避することをさらに含む、方法。
(18) 実施態様16に記載の方法において、
前記加熱層は、約14mmの深さで前記液体中に浸される、方法。
(19) 実施態様16に記載の方法において、
前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
加熱素子と、
帯電フィンと、
前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
を含み、
前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、方法。
(20) 実施態様16に記載の方法において、
全溶解固形物(TDS)の多い液体を提供することは、前記蒸気用キャノピーおよび加熱素子を海水域中に置くことを含む、方法。
Claims (17)
- 液体浄化のための器具において、
蒸気を集めるための蒸気用キャノピーと、
前記蒸気用キャノピーより下にあり、液体中に浸されるように構成された加熱層であって、前記加熱層は、前記液体により囲まれ、前記液体の表面から1mm〜20mmの深さに位置しており、前記加熱層は、前記液体の沸点を少なくとも93℃超える温度に加熱されるように構成されており、少なくとも蒸気分子に電荷を与える帯電素子が直接的に結合している、加熱層と、
前記加熱層の上方に、帯電した前記蒸気分子を引きつける逆電荷の素子と、を含み、
帯電した前記蒸気分子を前記加熱層から引き離し、前記加熱層上での蒸気膜の形成を防ぐように構成されている、器具。 - 請求項1に記載の器具において、
前記液体を保持するための容器をさらに含み、
前記加熱層は、前記容器内部に収容されている、器具。 - 請求項1に記載の器具において、
前記加熱層に連結され、前記液体中で前記加熱層を浮遊させるフロートをさらに含み、前記加熱層の深さは、前記液体の体積に関わらず、一定のままである、器具。 - 請求項3に記載の器具において、
前記フロートはさらに、前記蒸気用キャノピーに連結され、前記蒸気用キャノピーを前記液体の上で支持し、
前記蒸気用キャノピーは、水域上に浮遊するように構成されている、器具。 - 請求項1に記載の器具において、
前記加熱層は、少なくとも1つの加熱素子を含み、
前記加熱素子は、電気的に、赤外線により、または電磁波により加熱される、器具。 - 液体浄化のための器具において、
蒸気を集めるための蒸気用キャノピーと、
前記蒸気用キャノピーより下にあり、液体中に浸されるように構成された加熱層であって、前記加熱層は、前記液体により囲まれ、前記液体の表面から1mm〜20mmの深さに位置しており、前記加熱層は、前記液体の沸点を少なくとも93℃超える温度に加熱されるように構成されている、加熱層と、を含み、
前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
加熱素子と、
帯電フィンと、
前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
を含み、
前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、器具。 - 請求項1又は6に記載の器具において、
赤外線、電磁波、または電力を提供する加熱源をさらに含む、器具。 - 請求項7に記載の器具において、
前記加熱源は、赤外線を提供し、前記加熱層は、前記加熱源により提供された赤外線を吸収することにより熱を提供する、器具。 - 請求項1又は6に記載の器具において、
前記液体は、海水、廃水、または汽水である、器具。 - 請求項1又は6に記載の器具において、
前記加熱層は、少なくとも193℃の温度に加熱されるように構成されている、器具。 - 請求項1又は6に記載の器具において、
前記液体の表面高さを制御するように構成された入力供給源をさらに含む、器具。 - 請求項1又は6に記載の器具において、
前記加熱層は、前記液体の表面から5mm〜14mmの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。 - 請求項1又は6に記載の器具において、
前記加熱層は、14mmの深さで前記液体中に浸されるように構成されている、器具。 - 方法において、
全溶解固形物(TDS)を含む液体を、蒸気用キャノピーの下に配列された加熱層に提供することであって、前記加熱層は、前記TDSを含む液体によって囲まれ、前記TDSを含む液体の表面から1mm〜20mmの深さに位置するように、前記TDSを含む液体中に浸される、ことと、
前記加熱層を、前記TDSを含む液体の沸点を少なくとも93℃超える温度に加熱して、蒸気を生成することと、
前記加熱層に直接結合した帯電素子により、少なくとも前記蒸気に電荷を与えることと、
前記加熱層の上方に設けられた逆電荷の素子に、帯電した前記蒸気を引きつけて、前記加熱層上での蒸気層の形成を回避することと、
前記蒸気用キャノピーおよび凝縮装置により前記蒸気を集めることと、
を含む、方法。 - 請求項14に記載の方法において、
前記加熱層は、14mmの深さで前記液体中に浸される、方法。 - 方法において、
全溶解固形物(TDS)を含む液体を、蒸気用キャノピーの下に配列された加熱層に提供することであって、前記加熱層は、前記TDSを含む液体によって囲まれ、前記TDSを含む液体の表面から1mm〜20mmの深さに位置するように、前記TDSを含む液体中に浸される、ことと、
前記加熱層を、前記TDSを含む液体の沸点を少なくとも93℃超える温度に加熱して、蒸気を生成することと、
前記蒸気用キャノピーおよび凝縮装置により前記蒸気を集めることと、を含み、
前記加熱層は、ハイブリッドの加熱−帯電素子を含み、
前記ハイブリッドの加熱−帯電素子は、
加熱素子と、
帯電フィンと、
前記加熱素子と前記帯電フィンとの間の絶縁層と、
を含み、
前記絶縁層は、電気絶縁性であり、かつ熱伝導性である、方法。 - 請求項14又は16に記載の方法において、
前記TDSを含む液体を提供することは、前記蒸気用キャノピーおよび加熱素子を海水域中に置くことを含む、方法。
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