JP6891121B2 - 浄水システムおよび方法 - Google Patents

Description

本発明は、浄水システムおよび水を精製する方法に関し、いずれも、水道水から３００ｌ／ｈまでの脱イオン化２型純水を生成することを伴う、実験室規模上のものである。さらに、システムおよび方法は、特に逆浸透ステージ（ＲＯ）と電気脱イオン化ステージ（ＥＤＩ）の組み合わせによって給送水道水を扱う状況に向けられる。

技術的背景
脱イオン化水は、２型純水ともいう。２型純水の典型的な物理的特性は、５ＭΩ・ｃｍを超える抵抗性および３０ｐｐｂより下の全有機炭素（ＴＯＣ）量（有機化合物において結合される炭素）である。かかる純水は、アカデミック、研究および臨床分野における実験において広く使用され、および、これらの分野における脱イオン化水のための典型的な応用は、緩衝液調製、ｐＨ溶液調製、臨床分析器もしくはウェザロメーター（長期の屋外曝露をシミュレートするために強力な光源および水を使用する実験デバイス）または洗浄器もしくはステンレス鋼オートクレーブへの給送、および、化学分析または合成のための試薬の調製である。実験における２型純水の１日の消費量は、３０００リットルまでである。

２型純水は、水道水から生成される。脱イオン化水を得るのに最も普及している処理は、陰イオンおよび陽イオン交換樹脂を通じて水を通すことであった。この処理は、今日もまだ広く使用されている。イオン交換樹脂は、いくらかの容積の水が扱われた後に消耗し、それゆえ、イオン交換媒体の周期的な化学的再生が求められる。この媒体の化学的再生は、この精製処理の主要な欠点の１つである。

電気脱イオン化（ＥＤＩ）は、連続電気脱イオン化としても同定され、希釈区画から濃縮区画へイオン種を運ぶ電流に依存する。続いて、２つの流動が、ＥＤＩモジュールから出てくる：生成物−２型純水−およびドレインへ行く濃縮物である。ＥＤＩ技術は、水道水が含有する汚染物質のバルクを除去するのに適切でない。それゆえ、精製の第１ステップが求められる。逆浸透（ＲＯ）は、水道水が含有するイオンの９７〜９９％を除去する、精製の第１ステップである。

ＲＯ／ＥＤＩ組み合わせの主要な利益は、媒体が消耗しないため、時間が経っても周期的な化学的再生を要しないことである。他方で、ＲＯおよびＥＤＩ精製ステージの両方が、ドレインへ放出されるわずかな給送水を費やしてイオンを除去する。典型的に、ＲＯステージの間の回収は、３０％〜７０％であり、ＥＤＩステージの間で７５％である。それは、ＲＯ／ＥＤＩ組み合わせの間の回収率が２５％〜５０％の範囲であるという結果になり、換言すれば、１００リットルの２型純水を生成するのに求められる給送水の量は、１７７リットル〜４００リットルの範囲である。日々１０００リットルの２型純水を生成するために動作する典型的な設備を考慮すると、１年あたり３００日として、１年あたりに求められる給送水の量は、６２０立法メートル〜１２００立法メートルの範囲であろうし、それは相当な、かつ増大するコスト要因である。

ＲＯ処理は、塩素化合物および微粒子がない水を要する。脱塩素ステップのための操業コストが、給送水のための操業コストと同じ規模であることを想定すると、予め扱われる給送水のための操業コストの合計は、相当なものになるだろう。ＥＤＩモジュールは、適切に作動するためにその給送水流動特徴が特定の限界内であることを要する、電気化学的デバイスである。ＥＤＩモジュールは、２つの動作上の限界の間で動作されなければならない：
１）不十分な脱イオン化電流：電気抵抗性として表現される期待される質に合わない生成水は、精製水のイオン濃度が高過ぎることを意味する。
２）過大な脱イオン化電流：時間をかけてあまりにも大きく増える、電気供給によって見られるＥＤＩモジュールの電気インピーダンスは、モジュールがスケーリングの対象となり、最終的にモジュールの寿命が大幅に短くなるという結果になることを意味する。

脱イオン化電流は、これらの２つの不足のいずれもが起きないように適切に設定されるべきキーパラメータである。スケーリングの傾向もまた、ＥＤＩ給送水のカルシウムおよびマグネシウムイオン（Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋）含有量に依存する：カルシウム濃度が高くなるにつれ、スケーリングのリスクも高くなる。この点で、ＲＯ／ＥＤＩ組み合わせの制御戦略は、ＥＤＩ給送水イオン負荷ならびにＣａ^２＋およびＭｇ^２＋濃度が特定の限界を超過しないことを保証するように構成される。ＲＯステージは、その特徴がＥＤＩ要件内にあるＥＤＩ給送水を提供することが期待される。

逆浸透（ＲＯ）は、接線の精製処理（tangential purification process）として知られる精製処理である。ＲＯポンプは、ＲＯ膜に対して給送流動を押しつけ、そこで給送流動は、濃縮物および透過物流動に分離される。ＲＯ処理の効率は、「阻止（rejection）」として言及され、典型的な阻止率は、９７〜９９％であり、溶解塩の９７〜９９％がＲＯ給送水から除去されることを意味する。精製処理の間、汚染物質は、膜に沿って濃縮され、汚染物質がＲＯ表面膜上に蓄積することを防ぐために最小接線速度が求められる。給送流動と透過物流動との間の割合を特徴とする典型的な膜回収は、１５％であり、濃縮物の流れは、ＲＯ給送流動の８５％を有効に示す。濃縮物流動の一部は、水を節約するために再循環され、他の部分は、ドレインへ阻止される。再循環される部分は、上述のとおり３０〜７０％内のＲＯステージ回収を有するように計算された割合で、入ってくる水道水に混合される。

いくつかの考慮が、最適ＲＯステージ回収を算定するために考慮されるべきである：
１．ＲＯ膜の不足モード
２．ＥＤＩモジュールの要件、
２．１．最大透過物イオン負荷
２．２．最大透過Ｃａ濃度。

１．ＲＯ膜の不足モード：
ＳＤＩ（シルト密度指数）、ＴＤＳ（総溶解固形分）、ＬＳＩ（ランゲリア飽和指数）および塩素濃度は、ＲＯ膜を保護するために考慮されるべきキーパラメータである。これらのパラメータのうち、ＬＳＩのみがより詳細に議論される。ＲＯステージ回収を増やすと、ＲＯ給送水における全てのミネラル含有量が濃縮されるだろう。ある時点で、カルシウムは、ＲＯ処理の濃縮物流動において沈殿するだろう。これは、ＲＯ膜の詰まりを引き起こすため、避けられるべきである。ランゲリアモデルは、スケーリングのリスクを定量化する。給送水のいくつかの特性：アルカリ度、ｐＨ、ＣＯ_２濃度および温度は、ＬＳＩを算定するために知られなければならない。そのモデルの使用は、スケーリングを防ぐために、ＲＯステージの最大許容可能回収の算定を可能にするだろう。

２．ＥＤＩモジュールの要件
２．１．最大ＲＯ透過物イオン負荷：
イオン負荷は透過伝導率によって最もよく示される。透過伝導率は、伝導率セルおよび適切な電子回路を使用して監視され得る。透過伝導率は、ＲＯ膜阻止およびＲＯ給送水伝導率に依存する。ＲＯ膜阻止が高くなるにつれ、塩透過は低くなり、および、透過伝導率は低くなる。それゆえ最大のＲＯステージ回収は、最大透過物イオン負荷を超過しないように算定され得る。

２．２．最大透過Ｃａ^２＋／Ｍｇ^２＋イオン濃度：
Ｃａ／Ｍｇは、ＲＯ膜によって良好に、通常は約９９．５％阻止される。MerckMillipore（登録商標）ＥＤＩモジュールは、スケーリング抵抗を改良するために、数年に渡って多数の改良を経た。MerckMillipore（登録商標）ＥＤＩモジュールのための典型的な抵抗は、ＣａＣＯ_３として３ｐｐｍである。９９．５％阻止とともに、これは、６００ｐｐｍでＲＯ給送の最大Ｃａ濃度を作る。最大ＲＯ回収は、この第３の制約も考慮に入れる。

ＥＤＩモジュールの第２要件は、給送流量（feed flow rate）である。ＥＤＩモジュールは、電気化学デバイスであり、一定の流量を提供するＲＯステージに全体的に依存する。電気脱イオン化は、適切に実施するのに望ましい条件である定常状態に達するまで時間を要する処理である。流量を増やすことは、イオン負荷を増やし、流量を減らすことは、イオン負荷を減らすだろう。それゆえＥＤＩモジュールは、高過ぎるイオン負荷と関連する、または低過ぎるイオン負荷と関連する不足（不十分な水質およびスケーリングのリスク）を示すだろう。ＲＯ圧力、ＲＯ膜透過率、水温および浸透圧は、ＲＯ流量を制御するための４つのキーパラメータである。

よって、水道水の特徴に応じてＲＯ／ＥＤＩ組み合わせにおいて制御されるキーパラメータは、透過物流量、ＲＯ回収、および電気脱イオン化電流である。さらに、本発明が関係する実験室規模の応用におけるタイプ２精製水の日々のニーズが３００〜３０００リットルであることを考慮すると、ＲＯ／ＥＤＩ組み合わせは、１５バールまでの動作圧力で、１時間あたり７００リットル（ｌ／ｈ）の容量を提供し得るポンプを要する（なぜなら、水道水の特徴−主に温度および伝導率−に依存して、ＲＯ圧力は、３．５バールから１５バールまで変動するかもしれないからである）。７００ｌ／ｈおよび１５バール（１５ｋＰａ）の圧力のための好適なポンプ技術は、容積移送式ポンプの一例としてロータリーベーンポンプである。

水道水分析は、システム設備上で実施され、および、最適ＲＯステージ回収は、普通、ドレインに送られる水の量を最小化する一方で、スケーリングを防ぐように算定される。そして、ＲＯ圧力およびＲＯ回収は、上述の原理によって設備サイト上に設定される。この処理の主要な欠点は、手動の調整を頻繁に要することである。ＲＯ流量が給送水温にきわめて依存するため、年間の季節に渡る給送水温の変化は、透過物流量の変動を引き起こし、水質および精製チェーンの寿命を減少させるだろう。頻繁な調整を避けるために、ＲＯステージ回収は、普通、純水の質を妥協することなく水道水の質の変化を許容するように３３％の低い値に設定され、および維持された。

EP 1457460 A2は、いかなる給送水温でもＲＯ流量を制御することを可能にする浄水システムおよび方法を記載する。システムは、給送水の流れから透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するための逆浸透デバイスを有し、電気脱イオン化手段は、逆浸透デバイスの透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する。ポンプは、給送媒体の圧力を上昇させるために、および、圧力下で給送水を逆浸透デバイスの給送導入口へ供給するために、給送水流路に接続される。逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結する未透過物流路は、システムから未透過物を除去するために提供される。流量は、可変絞りを備えた流量調節器によって制御され得る。

逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結するさらなる未透過物流路は、ポンプの上流位置で、未透過物を給送流路へ再循環させるために提供され、および、再循環流路は、調整可能な圧力調節器を含む。本技術は、ＲＯステージの下流で、透過物の流れ上に流量調節器を置くことによって、一定の流量を伴うＥＤＩモジュールを供給することを含む。流れ調節器は、可変オリフィスを形成する弾性小穴であり−上方への圧力が高くなるにつれ、オリフィスは小さくなり、および小穴に渡る圧力降下は高くなる。弾性体小穴の解決策は、１〜１０バールの範囲においてのみうまくいくため、いくつかの限定を有する。ポンプは、低温給送水、例えばＲＯ透過率の想定される最悪の場合に対応する最大負荷（１５バール）で動作する。さらに、ポンプの最大水力のいくらかが流量制御機構において失われるため（約７％）、この知られているシステムは、相対的に高い電力消費を有し、ポンプの早期摩耗を引き起こし得る。さらに、正確性は限定される（＋／−１５％）。それゆえ、動作中のシステムの平均的なＲＯステージ回収は、５０％に近い。

EP 1466656 A2は、浄水システムを開示し、それにおいて電気脱イオン化モジュールは、連続的な３つのステージを含み、ここで脱イオン化電流は、各ステージにおいて独立して制御され得る。イオン化種は、３つのカテゴリー：高解離種、二酸化炭素（ＣＯ_２）、およびシリカおよびホウ素などの低イオン化種に区別され得ることが知られている。第１に高解離種、第２に二酸化炭素、および第３に低イオン化種を、連続的な方法において除去することは、スケーリングを防ぐために望ましい。３つの異なる脱イオン化電流は、算定され、各脱イオン化ステージに適用される。このシステムは、動作パラメータを調節する特定の技術的解決策：一定の流量を提供するための可変オリフィスを形成する小穴、一定のＲＯ回収を提供するための背圧およびニードルバルブの組み合わせ、および一定の電流を提供するための３通りに調節される直流に依存する。EP 1466656 A2のシステムの制御原理は、以下のとおりである：特定の地理的位置の設備上で水道水分析が実施され（給送伝導率、硬度、二酸化炭素濃度、温度）、ＲＯ回収およびＤＣ脱イオン化電流が、ドレインへ水を最小化するために算定され、および、ＲＯ回収および脱イオン化電流がシステム上で手動で設定される。

給送水の特性（汚染物質濃度、温度）ならびにＲＯ膜の塩阻止が時間をかけて変わるため、周期的な給送水分析および手動の動作パラメータ調整が行われなければならない。現実世界では、設備サイト上の周期的な介入を防ぐために、サービス技術者は、期待される動作パラメータの設定を伴ういくつかの安全性要因を前もって適用するだろう。このアプローチは、水消費およびＥＤＩモジュールの長期の完全性にとって有害である。

それゆえ、本発明の目的は、逆浸透ステージ（ＲＯ）および電気脱イオン化ステージ（ＥＤＩ）の組み合わせに基づく浄水システムおよび水を精製する方法を提供することであり、その両方が、水道水から３００ｌ／ｈまでの脱イオン化２型純水を生成することを伴う実験室規模のために設計され、および、ドレインへ排出される水の量が減少するように水消費に関して改良され、それは、長期に渡ってＲＯデバイスの膜の完全性およびＥＤＩデバイスの完全性を維持し得、および、必要な手動のサービス介入をより少なくする。

本発明の他の側面は、高価な道具および専用のセンサに頼ることなく、好ましくはリアルタイムでも、キーとなる給送（水道）水汚染物質を監視し得る上述のタイプのシステムおよび方法を提供することである。

課題を解決するために、本発明は、請求項１または２によって定義される、水道水から３００ｌ／ｈまでの容積の脱イオン化２型純水を生成するための実験室規模浄水システム、および、請求項１４または１５に記載の、浄水システムを使用して、３００ｌ／ｈまでの容積を伴う実験室規模上の脱イオン化２型純水を生成するために水道水を精製する方法を提供する。

システムおよび方法の好ましい態様は、従属項において定義され、以下の記載から明らかになるだろう。

第１側面によって、本発明は、水道水から３００ｌ／ｈまでの脱イオン化２型純水を生成するための実験室規模浄水システムを提供し、該システムは、
給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイスの給送導入口へ供給するためのポンプを含む給送媒体流路（Ｃ）であって、ここで逆浸透デバイスは、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する、前記給送媒体流路（Ｃ）；
逆浸透デバイスの透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス；
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）であって、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器を含む、前記第１未透過物流路（Ａ）；
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、ポンプの上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）であって、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器を含む、前記第２未透過物流路（Ｂ）；
逆浸透デバイスの透過物排出口の下流にあり、逆浸透デバイスによって生成される透過物流量を検知するための第１流量計；
第１流量調節器の下流の第１未透過物流路（Ａ）に提供され、システムから除去される未透過物の流れの流量を検知するための第２流量計；および
予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイスのために制御されるように、第１および第２流量計からの検知結果に基づいて第１および第２流量調節器を遠隔制御するための自動コントローラ
を含む。

第２側面によって、本発明は、水道水から３００ｌ／ｈまでの脱イオン化２型純水を生成するための実験室規模浄水システムを提供し、該システムは、
給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイスの給送導入口へ供給するためのポンプを含む給送媒体流路（Ｃ、Ｅ）であって、ここで逆浸透デバイスは、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する、前記給送媒体流路（Ｃ、Ｅ）；
逆浸透デバイス（２）の透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス；
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）であって、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器を含む、前記第１未透過物流路（Ａ）；
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、ポンプの上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）であって、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器を含む、前記第２未透過物流路（Ｂ）；
逆浸透デバイスの透過物排出口の下流にあり、逆浸透デバイスによって生成される透過物流量を検知するための第１流量計；
第１未透過物流路（Ａ）に提供され、未透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第１伝導率セル；
給送媒体流路（Ｅ）に提供され、給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第２伝導率セル；および
予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイスのために制御されるように、第１流量計および第１および第２伝導率セルからの検知結果に基づいて第１および第２流量調節器を制御するための自動コントローラ
を含む。

本発明の好ましい態様によって、予め決められた目標透過物流量を制御するために、コントローラは、第１および第２流量調節器を同時に閉めて透過物流量を増やすように、および／または、第１および第２流量調節器を同時に開けて透過物流量を減らすように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、予め決められた目標回収率を制御するために、および、透過物流量を実質的に一定に保つために、コントローラは、第２流量調節器を閉め、かつ第１流量調節器を開けて逆浸透デバイスの回収率を減らすように、および／または、第２流量調節器を開け、かつ第１流量調節器を閉めて逆浸透デバイスのための回収率を増やすように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、予め決められた目標最小圧力を制御するために、コントローラは、第１および第２流量調節器を同時に閉めて、圧力を増やすように適合され、および／または、予め決められた目標最大圧力を制御するために、コントローラは、第１および第２流量調節器を同時に開けて圧力を減らすように適合され、および／または、予め決められた目標圧力変動を制御するために、コントローラは、第１および第２流量調節器の開閉スピードを同時に減らして回収圧力変動を減らすように適合される。

特に本発明の第１側面の他の好ましい態様によって、コントローラは、閉ループ（フィードバック制御）において予め決められた目標回収率を制御するように適合され、およびコントローラは、以下の関係：（逆浸透デバイスの回収率）＝（逆浸透デバイスの排出口での透過物流量）／（逆浸透デバイスの排出口での透過物流量＋システムから除去される未透過物の流れの流量）による、第１および第２流量計の検知結果に基づいて、逆浸透デバイスの現在の回収率を決定するように適合される。

特に本発明の第２側面の他の好ましい態様によって、コントローラは、閉ループ（フィードバック制御）において予め決められた目標回収率を制御するように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、圧力センサは、第１未透過物流路（Ａ）および／または第２未透過物流路（Ｂ）における未透過物の流れの圧力を検知するために提供され、および、コントローラは、予め決められた未透過物圧力値と圧力センサによって検知される値との間の差を決定するように、および、差が閾値を超過する（ＲＯデバイスにおける膜が洗浄されるべき／取り換えられるべきことを意味する）場合に指示／警告を発するように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、圧力センサは、第１未透過物流路（Ａ）および／または第２未透過物流路（Ｂ）における未透過物の流れの圧力を検知するために提供され、および、コントローラは、第２流量調節器を閉じること； 第１流量調節器を閉じることによって未透過物圧力を増やすこと；圧力センサから検知される未透過物圧力を監視すること；および圧力センサによって検知されるものに対応する特定の未透過物圧力値のために予め決められた流量閾値で、第２流量計によって検知される未透過物の流れの流量を比較すること、および、第２流量計によって検知される流量が該閾値よりも低い場合に指示／警告を発すること：を含む、ポンプ試験手順を実施するように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、コントローラは、逆浸透デバイスの予め決められた初期の目標回収率の、および選択的に電気脱イオン化デバイスの初期の脱イオン化電流の（好ましくは手動での）設定を可能にするように配置され、それぞれ給送伝導率、硬度、二酸化炭素濃度、および温度という１以上のパラメータの給送媒体分析に基づいて、および第１未透過物流路（Ａ）を通じてシステムから除去される給送媒体の量を最小化するために予め決められ、ここで電気脱イオン化デバイスは、好ましくは連続的な少なくとも３つのステージを含み、そのために脱イオン化電流は、コントローラによって独立に制御され得る。

本発明の他の好ましい態様によって、実験室規模浄水システムは、給送媒体流路（Ｃ）に提供され、給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第３伝導率セル；逆浸透デバイスの下流の透過物流路（Ｄ）に提供され、透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第４伝導率セル；をさらに含み、および、コントローラは、第３および第４伝導率セルからの検知結果の割合に基づいて逆浸透デバイスの実際の阻止を決定するように、透過物の流れのイオン負荷（Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋負荷）が好ましくはその第１ステージの、電気脱イオン化デバイスのための予め決められた許容値である値へ、またはそれより下である値へ、逆浸透デバイスの決定された実際の阻止に応じて目標逆浸透デバイスの回収率を調整するように、および、必要な場合、それに応じて、好ましくはその第１ステージの、電気脱イオン化デバイスの脱イオン化電流を調整するように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、実験室規模浄水システムは、電気脱イオン化デバイスの精製水排出口の下流に提供され、精製水の伝導率（イオン濃度）を検知するための第５伝導率セル；をさらに含み、および、コントローラは、第５伝導率セルからの検知結果に基づいて精製水のＣＯ_２含有量を決定するように、および、それに応じて好ましくはその第２ステージの、および、提供される場合は第３ステージの、電気脱イオン化デバイスの脱イオン化電流を調整するように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、コントローラは、好ましくはリアルタイムに、好ましくは閉ループ（フィードバック制御による）において提供される場合にその個別のステージの、電気脱イオン化デバイスの目標透過物流量の、および／または、目標回収率の、および／または、目標濃縮係数の、および／または、脱イオン化電流の制御を実施するように適合される。

本発明の他の好ましい態様によって、第１および／または第２流量調節器は、遠隔制御可能なモータ付ニードルバルブである。

第３側面によって、本発明は、浄水システムを使用し、３００ｌ／ｈまでの容積を伴う実験室規模上の脱イオン化２型純水を生成するために水道水を精製する方法を提供し、該方法は、
給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイスの給送導入口へ供給するためのポンプを含む給送媒体流路、ここで逆浸透デバイスは、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する；
逆浸透デバイスの透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス；
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器を含む；および
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、ポンプの上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器を含む；
を含み、ここで該方法は、
透過物排出口の下流で、逆浸透デバイスによって生成される透過物流量を検知すること；
第１流量調節器の下流で、システムから除去される未透過物の流れの流量を検知すること；および
予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイスのために制御されるように、第１および第２流量計からの検知結果に基づいて第１および第２流量調節器を遠隔制御すること
を含む。

第４側面によって、本発明は、 浄水システムを使用し、３００ｌ／ｈまでの容積を伴う実験室規模上の脱イオン化２型純水を生成するために水道水を精製する方法を提供し、該方法は、
給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイスの給送導入口へ供給するためのポンプを含む給送媒体流路、ここで逆浸透デバイスは、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する；
逆浸透デバイスの透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス；
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器を含む；および
逆浸透デバイスの未透過物排出口と流体連結し、ポンプの上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器を含む；
を含み、ここで該方法は、
透過物排出口の下流で、逆浸透デバイスによって生成される透過物流量を検知すること；
未透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；
給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；および
予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイスのために制御されるように、逆浸透デバイスによって生成される透過物流量ならびに未透過物の流れの伝導率（イオン濃度）および給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）に基づいて第１および第２流量調節器を制御すること
を含む。

本発明の第３および第４側面による方法の好ましい態様によって、予め決められた目標透過物流量を制御するために、第１および第２流量調節器は、同時に閉められて透過物流量を増やし、および／または、第１および第２流量調節器は、同時に開けられて透過物流量を減らす。

本発明の第３および第４側面による方法のさらに好ましい態様によって、予め決められた目標回収率を制御するために、および、透過物流量を実質的に一定に保つために、第２流量調節器は閉められ、および第１流量調節器は開けられて逆浸透デバイスの回収率を減らし、および／または、第２流量調節器は開けられ、および第１流量調節器は閉められて逆浸透デバイスのための回収率を増やす。

本発明の第３および第４側面による方法のまたさらに好ましい態様によって、予め決められた目標最小回収圧力を制御するために、第１および第２流量調節器は、同時に閉められて回収圧力を増やし、および／または、予め決められた目標最大回収圧力を制御するために、第１および第２流量調節器は、同時に開けられて回収圧力を減らし、および／または、予め決められた目標回収圧力変動を制御するために、第１および第２流量調節器の開閉スピードは、同時に減らされて回収圧力変動を減らす。

本発明の第３側面による方法のさらに好ましい態様によって、予め決められた目標回収率は、閉ループ（フィードバック制御による）によって制御され、および、逆浸透デバイスの現在の回収率は、逆浸透デバイスの排出口での透過物流量、および、以下の関係：（逆浸透デバイスの回収率）＝（逆浸透デバイスの排出口での透過物流量）／（逆浸透デバイスの排出口での透過物流量＋システムから除去される未透過物の流れの流量）による、システムから除去される未透過物の流れの流量に基づいて決定される。

本発明の第４側面による方法のさらに好ましい態様によって、予め決められた目標回収率は、閉ループ（フィードバック制御による）において制御される。

本発明の第３および第４側面による方法のさらに好ましい態様によって、方法は、第１未透過物流路（Ａ）および／または第２未透過物流路（Ｂ）における未透過物の流れの圧力を検知すること、ならびに、予め決められた未透過物圧力値と未透過物の流れの圧力との間の差を決定すること、および、差が閾値を超過する（ＲＯデバイスにおける膜が洗浄されるべき／取り換えられるべきことを意味する）場合に指示／警告を発することを含む。

本発明の第３および第４側面による方法のさらに好ましい態様によって、方法は、第１未透過物流路（Ａ）および／または第２未透過物流路（Ｂ）における未透過物の流れの圧力を検知すること、ならびに、第２流量調節器を閉じること；第１流量調節器を閉じることによって未透過物圧力を増やすこと；検知される未透過物圧力を監視すること；および、検知される未透過物圧力値に対応する特定の未透過物圧力値のために予め決められた流量閾値で、未透過物の流れの流量を比較すること、および、検知される流量が該閾値よりも低い場合に指示／警告を発すること：を含む、ポンプ試験手順を実施することを含む。

本発明の第３および第４側面による方法のさらに好ましい態様によって、方法は、逆浸透デバイスの予め決められた初期の目標回収率の、および選択的に電気脱イオン化デバイスの初期の脱イオン化電流の、好ましくは手動での設定を含み、それぞれ給送伝導率、硬度、溶解二酸化炭素濃度、および温度という１以上のパラメータの給送媒体分析に基づいて、および第１未透過物流路（Ａ）を通じてシステムから除去される給送媒体の量を最小化するために予め決められ、ここで電気脱イオン化デバイスは、好ましくは連続的な少なくとも３つのステージを含み、そのために脱イオン化電流は、独立して制御され得る。

前述の方法のさらに好ましい態様によって、方法は、給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；および、給送媒体の流れおよび透過物の流れの検知された伝導率（イオン濃度）の割合に基づいて逆浸透デバイスの実際の阻止を決定すること、透過物の流れのイオン負荷（Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋負荷）が好ましくはその第１ステージの、電気脱イオン化デバイスのための予め決められた許容値である値へ、またはそれより下である値へ、逆浸透デバイスの決定された実際の阻止に応じて目標逆浸透デバイスの回収率を調整すること、および、必要な場合、それに応じて、好ましくはその第１ステージの、電気脱イオン化デバイスの脱イオン化電流を調整することを含む。

前述の方法のさらに好ましい態様によって、方法は、精製水の伝導率（イオン濃度）を検知すること；および、検知結果に基づいて精製水のＣＯ_２含有量を決定すること、および、それに応じて好ましくはその第２ステージの、および、提供される場合は第３ステージの、電気脱イオン化デバイスの脱イオン化電流を調整することを含む。

本発明の第３および第４側面による方法のさらに好ましい態様によって、好ましくは提供される場合にその個別のステージの、電気脱イオン化デバイスの目標透過物流量の、および／または、目標回収率の、および／または、目標濃縮係数の、および／または、脱イオン化電流の制御は、好ましくはリアルタイムに、閉ループ（フィードバック制御による）において実施される。

本発明のシステムおよび方法は、ＲＯデバイスおよびＥＤＩデバイスの完全性を保つ一方で、水道水から脱イオン化２型純水を生成する処理における水消費を減少させる機会を提供し、それにおいてＲＯステージの給送水質および好ましくは塩阻止は監視され、および、システム／方法のＲＯ回収および好ましくは電気脱イオン化電流を含む重大な動作パラメータは、好ましくはリアルタイムに、自動的に制御され、調整される。よって、給送水条件の変化は、ＲＯおよびＥＤＩデバイスの水消費および寿命上の悪影響を有さず、コストのかかるサービス介入は、より低い頻度で求められる。

好ましい態様において、キーとなる給送水汚染物質（溶解したＣＯ_２、Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋）は、高価な道具および専用の専門的なセンサに頼ることなく検知され得、および監視され得、それにおいて、浄水システムの既存の、または相対的にコストがかからない資源（流量センサ、伝導率セル）が使用される。

以下は、図面への参照によって説明される本発明のフロー概略図の好ましい態様の非限定的かつ例示の記載であり、それにおいて：
図１は、実験室規模浄水システムの第１の好ましい態様のシステム図であり、 図２は、実験室規模浄水システムの第２の好ましい態様のシステム図であり、および 図３は、第１態様のコントローラの制御入力および出力を示す図である。

図１に示される本発明の、水道水から３００ｌ／ｈまでの脱イオン化２型純水を生成するための実験室規模浄水システムの好ましい態様は、システムにおける逆浸透（以下において「ＲＯ」）デバイスの回収率および／または透過物流量を制御するために、少なくとも２つの流量計を使用する。システムは、給送媒体（水道水）の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体をＲＯデバイス２の給送導入口へ供給するための容積移送式ポンプ１を含む給送媒体流路Ｃを有し、ＲＯデバイス２は、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する。電気脱イオン化（以下において「ＥＤＩ」）デバイス１０は、提供され、および、逆浸透デバイス２の透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する。容積移送式ポンプ１は、加圧された給送ＲＯ流動を発生させるように配置され、該給送ＲＯ流動は、期待されるＲＯ透過物流量ならびに期待される濃縮物流量（濃縮物流量は、広範囲な効果を使用してＲＯ膜から汚染物質を接線で除去するための大きさにされる）を提供するための大きさにされる。ＲＯデバイス２の膜は、与えられたＲＯ圧力での特定の給送水温のために、特定の透過物の流れを発生させるための大きさにされる。

第１未透過物流路Ａは、ＲＯデバイス２の未透過物排出口と流体連結し、および、システムからドレインへ未透過物を除去する役目を果たす。第１未透過物流路Ａは、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器３、および、ＲＯデバイス２の未透過物排出口と流体連結し、ポンプ１の上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路Ｂを含む。第２未透過物流路Ｂは、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器４を含む。よって、第１流量調節器３は、好ましくはドレインへ行く濃縮物流動を制御するためにオリフィスのサイズを制御するモータ付ニードルバルブであるドレインバルブ３の機能を有し、および、第２流量調節器４は、好ましくは再循環される流動を制御するためにオリフィスのサイズを制御するモータ付ニードルバルブである再循環バルブ４の機能を有する。

第１流量計５は、ＲＯデバイス２によって生成される透過物流量を検知するために、透過物排出口の下流に提供され、および、第２流量計６は、ドレインへ行き、システムから除去される未透過物の流れの流量を検知するために、第１流量調節器３の下流の第１未透過物流路Ａに提供される。

ＲＯ透過物流量およびＲＯ回収のリアルタイム遠隔制御
第１態様において、自動コントローラ１３は、予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイス２のために制御されるように、第１流量計５および第２流量計６からの検知結果に基づいて、第１流量調節器３および第２流量調節器４を遠隔制御するために提供される。

よって、透過物流量、ＲＯ回収、最小ＲＯ圧力、最大ＲＯ圧力およびＲＯ圧力変動の調節は、ポンプ１が起動時および動作の間に一定の流れを発生させることにおいてもたらされる。システム起動の間、ドレインバルブ３および再循環バルブ４は、ＲＯ圧力を同時に調整するために、開く位置からＭＩＭＯ（多入力多出力）制御機能１３によって算定される異なる可変速度とともに同時に動かされ、ならびに、流量計５が期待される透過物流量を示すまで、および、流量計６が、期待されるＲＯ回収に達するための、期待されるドレイン流量を示すまで、圧力降下変動とともにドレイン流量は制御され、および、最小および最大ＲＯ圧力は制御される。
（ＲＯ回収）＝（ＲＯ透過物流量）／（ＲＯ透過物流量＋ドレインへの流量）。

システムの動作中、例えば水温変化、タップ給送圧力変動、給送伝導率降下などの摂動が起き、名目上の作動点を変える場合、ドレインバルブ３および再循環バルブ４は、ＲＯ圧力を同時に調整するために、ＭＩＭＯ（多入力多出力）制御機能１３によって算定される異なる可変速度とともに同時に動かされ、ならびに、期待されるＲＯ回収に達するために、流量計５が期待される透過物流量を示すまで、および、流量計６が期待されるドレイン流量を示すまで、圧力降下変動とともにドレイン流量は制御され、および、最小および最大ＲＯ圧力は制御される。

ＭＩＭＯ（多入力多出力）制御機能１３は、実験室規模浄水システムの安定性および実施の確固さを確実にするために設計される。

図２に示される第２態様において、透過物流量を制御し、調節するために、第１流量計５はまた、逆浸透デバイス２によって生成される透過物流量を検知するために、透過物排出口の下流に提供され、および、透過物流量を制御する処理は、第１態様のための上記と同様に作動する。

しかしながら、第２態様は、ＲＯ回収を制御する仕方において第１態様とは異なる。第１（ドレイン）伝導率セル１５は、再循環ループにおけるイオン濃度を反映するＲＯドレイン伝導率を検知し、監視するために提供される。よって、第１伝導率セル１５は、図２に示されるとおり、ＲＯデバイス２の膜の下流または第２流量調節器もしくはドレインバルブ３の下流のいずれかの未透過物流動に提供される。第２伝導率セル１６は、給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するために、給送媒体流路のセクションＥに提供され、セクションＥはさらに、第２未透過物流路Ｂが給送ラインに合流する点の上流に、よって、第２未透過物流路Ｂからの流動と給送流動の混合物の伝導率を計測するための、後述の伝導率センサ７の上流にある。

ＲＯ透過物の流れが定常状態にあるとすぐに、濃縮係数は、ＲＯデバイス２の膜の給送側上のスケーリングを防ぐためのキーパラメータとして使用される。給送水の汚染物質分析は、（上記のランゲリアモデルを使用して）給送水とドレイン水との間の最大濃縮係数を計算することを可能にするだろう。ＲＯ回収（ラムダ）と、給送流イオン濃度およびドレイン流イオン濃度との間の数学的関係がある。濃縮係数設定点は、（濃縮係数を減らすために）同時に再循環バルブ４を閉じ、かつドレインバルブ３を開けることによって、または、（濃縮係数を増やすために）同時に再循環バルブ４を開け、かつドレインバルブ３を閉じることによって合せられる。そして、濃縮係数と同様にＲＯ透過物流量は、予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイス２のために制御されるように、閉ループの仕方において調節される。

図３は、第１態様のコントローラ１３の制御入力および出力を示す図である。この図において、「計測されたＰＦ（PF measured）」という略語は、透過物流量センサ５によって計測された透過物流量を表し、「ＲＯＰ」は、圧力センサ１４によって計測されたＲＯ圧力を表し、「計測されたＳＲＦ（SRF measured）」は、ドレイン流センサ６によって計測されたドレイン流量を表し、「ＣＭＤ１」は、モータ付ニードルバルブ４への制御コマンド出力を表し、「ＣＭＤ２」は、モータ付ニードルバルブ３への制御コマンド出力を表し、「ＰＦ命令」は、予め決められた設定目標透過物流量を表し、「Ｒ命令」は、予め決められた設定目標回収率を表す。

よって、本発明を実行するためのコントローラ１３の最小制御入力は、信号「計測されたＰＦ」および「計測されたＳＲＦ」である。示されないが、システムは、入力手段およびディスプレイなどのシステム上に情報を直接出力する手段を含むユーザーインターフェイス、および／または、システムと、この情報を表示し、およびシステムと通信するように適合される他のデバイスとの間で関連する情報を交換するためのデータインターフェイスを含んでもよい。有用な出力／表示情報は、ＲＯ透過物流量、ＲＯ回収（両方ともシステムによって決定される）、ＲＯ圧力（最小および最大値）およびＲＯ圧力変動である。後者の情報は、上記のとおりＲＯ圧力を検知するための圧力センサ、および、コントローラの側上の対応する入力の提供を要する。

システムはまた、ＲＯ圧力、ＲＯ透過物流量および／またはＲＯ回収のためのある予め定義された限界または閾値を超過する値が検知される状況において、システムの動作を止める機能を含んでもよい。

高価な道具および専用のセンサに頼ることなく、キーとなる給送水汚染物質を監視すること
主な制御目標として回収率および／または透過物流量を制御することにより水消費を減らすことに加えて、本発明のシステムおよび方法の他の側面は、長期に渡ってＲＯデバイスの膜の完全性およびＥＤＩデバイスの完全性を維持する性能である。

固定された設定または目標点の文脈におけるシステムの制御原理は、以下のとおりである：特定の地理的位置の設備上で、水道水分析は実施される（給送伝導率、硬度、溶解二酸化炭素濃度、温度）。そして、ＥＤＩデバイスのためのＲＯ回収および脱イオン化電流は、ドレインに送られる水の量を最小化するために算定される。ＲＯ回収および脱イオン化電流は、システム上に設定され、例えば、好ましくは好適なユーザーインターフェイスを通じてコントローラへ入力される。この点から、ＲＯ回収は、好ましくは透過およびドレイン流動上の流量計５、６からの検知出力を使用するモータ付ニードルバルブアクチュエータを制御することによって、目標値を維持するために、時間をかけて自動的に制御される。

先行技術に関連して記載したとおり、電気脱イオン化モジュール１０が、好ましくは連続的な少なくとも３つのステージを含むことを考慮すると、本発明のシステムのコントローラ１３は、好ましくは各ステージにおいて独立して脱イオン化電流を制御するようにも適合され、第１ステージは、イオン交換のバルク専用であり、第２ステージは、二酸化炭素（ＣＯ_２）の除去専用であり、および、第３ステージは、低イオン化種、例えば反応性シリカおよびホウ素専用である。よって、本発明のシステムのＲＯ／ＥＤＩ組み合わせの制御スキームは、透過物イオン負荷を、ＥＤＩ第１ステージの最大限許容可能な負荷に調整するために、ＲＯ回収を制御することにあるだろう。それゆえ第１ステージの脱イオン化は、ＲＯ回収もまた最大限に動作するために、最大であるだろう。

この以前の算定のためのキーパラメータは、ＲＯデバイスの膜の塩透過またはＲＯ膜阻止として言及される塩透過の逆である。ＲＯ阻止は、膜の使用期間に主に依存して時間をかけて変わり、ＲＯ阻止は、２つの伝導率センサ７および８、例えば、給送媒体流路ＣにおいてＲＯデバイス２の給送媒体流動の伝導率（イオン濃度）を検知するための伝導率セル７、および、ＲＯデバイス２の下流の透過物流路ＤにおいてＲＯ膜の透過物流動の伝導率（イオン濃度）を検知するための第２伝導率セル８を使用して、容易に監視される。阻止は、透過伝導率と給送媒体伝導率との間の割合である。それゆえＲＯ回収は、リアルタイムに、ＲＯ膜の実際の阻止によって調整され得る。

よって、コントローラ１３は、好ましくは伝導率セル７および８からの検知結果の割合に基づいてＲＯデバイス２の実際の阻止を決定するように、ＲＯ透過物イオン負荷および合計／硬度レベルが、好ましくはその第１ステージの、ＥＤＩデバイス１０のための予め決められた許容値である値へ、またはそれより下である値へ、ＲＯデバイス２の決定された実際の阻止に応じてＲＯステージの目標回収率を調整するように、および、必要な場合、それに応じて、好ましくはその第１ステージの、ＥＤＩデバイス１０の脱イオン化電流を調整するように適合される。

ＲＯデバイスの水消費を最小化するのに最適のＲＯ回収を決定しても、構成要素の完全性を維持するために、他の要件も満たされなければならない：ランゲリア指数は、炭酸カルシウム沈殿の規定の限界より下であるべきであり、ＲＯ透過物におけるＣａ^２＋およびＭｇ^２＋含有量は、ＥＤＩの規定の限界より下であるべきである。ランゲリア指数が最大規定限界を超える場合、ランゲリア指数は、ＲＯ回収設定点のためのドライバとなるだろう。ＲＯ透過物におけるＣａ^２＋およびＭｇ^２＋含有量は、それでもＥＤＩモジュールの最大の要件を超過し、そしてＲＯ透過物におけるＣａ^２＋およびＭｇ^２＋含有量は、ＲＯ回収設定点のためのドライバになるだろう。ランゲリア指数または最大Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋のいずれかがＲＯ回収のためのドライバになる場合、透過物のイオン負荷は、ＥＤＩモジュールのための最大の１つにならないだろう。それゆえＥＤＩデバイスの第１ステージのためのＥＤＩ電流は、リアルタイムに再度算定され、適用される必要がある。

ＥＤＩデバイス上に適用される必要がある最後のパラメータは、ステージ２および３上の電流である。以前に見られたとおり、ステージ２上の電流は、給送水の溶解二酸化炭素濃度に依存し、そこで溶解二酸化炭素は、ＲＯデバイスの膜によって除去されない。溶解二酸化炭素濃度は、まず、システム設備上の分析的方法によって定量化される。しかしながら、時間をかけて溶解二酸化炭素濃度を監視することが望ましい。本発明のシステムにおける方法は、以下のとおりである：イオン負荷が、ＥＤＩモジュールのＲＯデバイスおよび第１ステージの両方によって十分に除去されることを想定し、ＥＤＩモジュールのステージ２および３上に適用される電流がなかった場合、ＥＤＩモジュールの後の水伝導率は、（脱イオン化水とともに適用可能なＣＯ_２濃度／水伝導率曲線によって）二酸化炭素含有量にのみ起因し得る。

それゆえＣＯ_２計測専用の周期的な順序は、ステージ２上のＥＤＩ電流を更新するために動作される。ＥＤＩモジュールの最後のステージの電流は、ＥＤＩモジュールによって生成される精製水の抵抗性によって、閉ループの仕方において調整される。よって、第５伝導率セル９は、精製水の伝導率（イオン濃度）を検知するために、好ましくはＥＤＩデバイス１０の精製水排出口の下流に提供され、および、コントローラ１３は、第５伝導率セル９からの検知結果に基づいて精製水のＣＯ_２含有量を決定するように、および、それに応じて好ましくはその第２ステージの、および、提供される場合は第３ステージの、電気脱イオン化デバイス１０の脱イオン化電流を調整するように適合される。

システムにおけるＥＤＩデバイスが上述の制御スキームによって適切に動作されることを想定すると、各ステージのインピーダンスは、ゆっくりと時間をかけて増えるだろう。インピーダンス増加率は、時間をかけて給送水におけるＣａ^２＋およびＭｇ^２＋含有量の指示を提供する。よって、コントローラ１３は、ＥＤＩデバイスのステージのインピーダンス増加率を検知し、監視するための、および、給送水におけるＣａ^２＋およびＭｇ^２＋含有量の検知される、または監視される変化にしたがって目標ＲＯ回収を修正するための、さらなる機能を含んでもよい。

本発明のシステムおよび方法の利点は、部分的には上記のとおりであり、および、部分的には以下に要約される。システムは、ＲＯ回収を制御するためにより少ない構成要素を要する。ソレノイドバルブは、モータ付バルブによって取り換えられ得る。ＥＤＩデバイスの排出口で生成される精製水の質を維持する一方で、水消費は、減少する。増えた給送水温変化が受け入れられ得る一方で、ＲＯデバイスおよびＥＤＩデバイスの完全性は、長期間維持される。

小穴デバイスは、適切に作動するために１バールの最小圧力を要するため（ポンプが１５バールの最大バイパス圧力を有することから、１４バールの最大膜貫通圧力という結果になる）、流量制御デバイスがＲＯ透過物流動において余分な圧力降下を加えるように、変形可能なオリフィスによって一定の流量を提供するために小穴デバイスを使用するEP 1457460 A2に記載された浄水システムと特に比較すると、１５バールの膜貫通圧力は、本発明のフロー概略図とともに利用可能である。よって、本発明は、一定の流量を保つ一方で、動作温度範囲を１０％拡張するシステムを提供する。

給送水温の変化に反応する本発明のシステムおよび方法の性能は、続く動作条件がＲＯ／ＥＤＩ組み合わせを動作範囲の極へ押しつけ、他方で、本発明のフロー概略図は、システムが純水を生成し続けること自動的に可能にする解決を提供するという事実の観点において、特に有利である。

給送水温が高過ぎる：これは、よく知られているＲＯ膜の不足モードである。水温が高くなると、ＲＯ膜透過率は増え、流量を一定に保つためにＲＯ圧力も減ることを要する。技術において知られているとおり、ＲＯ阻止は減り、同時にＲＯ透過物イオン負荷を増やす。ＥＤＩモジュールは、より高い給送水イオン負荷を扱い得ないため、システムは、イオン負荷を一定に保つために、ＲＯ回収を減らすことが期待される。

給送水温が低過ぎる：その場合、ポンプが一定のＲＯ透過物流量を保つために、ＲＯ膜の透過率はもはやＲＯ圧力に対応し得ない点まで減る。ある時点で、システムはもはや期待されるＲＯ透過物流量を提供しないだろうし、それゆえ、ＥＤＩモジュールによって見られるイオン負荷を減らす。システムは、水を生成し続け、ステージ１および２の脱イオン化電流は、それに応じて減るだろう。

上記の態様および結果となる利点の両方によって提供される、基本的な自動制御スキームに加えて、本発明は、システムの本質的な精製構成要素を監視し、および、ある維持作業が、システムの実施を維持し、または取り戻すために求められる外側へ情報を提供するためのＲＯ／ＥＤＩ組み合わせを含む、システムにおいて利用可能な情報を使用する追加機能を提供する。

ＲＯデバイス２の膜の典型的な不足モードは、透過率の損失および阻止の損失である。ＲＯ膜透過率は、特定の水温のためのＲＯ透過物流量を特徴とする。ＲＯ膜は時間が経つと、いくらかのファウリングが起きるかもしれず、ＲＯ膜の透過率は減る。透過率における減少を埋め合わせるために、システムは、普通、ＲＯ圧力を自動的に増やすだろう。圧力センサ１４が、第１未透過物流路Ａおよび／または第２未透過物流路Ｂにおける未透過物の流れの圧力を検知するために選択的に提供されることにおいて、コントローラ１３は、予め決められた、または理論上の未透過物圧力値と、圧力センサ１４によって検知される実際の圧力値との間の差を決定することを可能にする機能を含み得る。検知される差が規定の閾値を超過するとき、コントローラは、ＲＯデバイス２における膜が洗浄され、または取り換えられるべきことを意味する指示／警告の引き金を引き、または発してもよい。

ＲＯデバイスの膜の他の典型的な不足モードは、阻止における降下である。コントローラは、システム構成要素の時間経過に伴い、および、警告または指示の引き金を引く時間で、時間をかけて阻止の損失を記憶する機能を含んでもよい。

圧力センサ１４の検知結果を使用して、システムはまた、時間をかけてポンプの摩耗を監視する機能を含み得る。この目的のために、容積移送式ポンプ１の典型的な不足モードは、そこでＲＯ圧力が増える流量の損失である。コントローラ１３は、ポンプ試験手順を実施する機能を含んでもよく、該手順は、第２流量調節器４を閉じること、第１流量調節器３を閉じることによってＲＯ未透過物圧力を特定の値へ増やすこと、圧力センサ１４から検知される未透過物圧力を監視すること、および、予め決められた設定流量閾値（理論上の最小値）と第２流量計６によって検知される未透過物の流れの流量とを比較すること、ここで該閾値は、圧力センサ１４によって検知される値に対応する特定の未透過物圧力値のために予め決められる、および、第２流量計６によって検知される流量がポンプの予防維持のために該閾値よりも低い場合、指示／警告を発すること、というステップを含む。

他方で、ＥＤＩデバイスの典型的な不足モードは、いくらかのスケーリングがシステムにおいて起きるために、時間をかけて増えるインピーダンスである。コントローラ１３は、ＥＤＩデバイスのステージの電気供給を制御するその能力の文脈において、時間をかけてシステムのインピーダンスを監視し、モジュールのインピーダンスが規定の設定点に達するときに警告または指示の引き金を引くさらなる機能を含んでもよい。

図に明示的には示されないが、ＲＯデバイスは、連続的または平行に配置される１または複数のカートリッジから形成されてもよい。追加のセンサは、システムにおけるそれぞれの位置での流れの追加のパラメータを検知するために提供されてもよい。これらの追加のセンサは、例えば温度センサを含んでもよい。ポンプ１の上流での水道水の前処理は、ＲＯデバイスにおける取り扱いのために水道水を好適な状態にすることが潜在的に求められるため、背景セクションに記載される。それに応じてシステムは、所望の場合、かかる前処理デバイスを含み得る。コントローラ１３は、ブロックとして概略的に示されるが、単一の構成要素において、または、回路の形態において、もしくは、汎用コンピュータが制御処理を行うのに好適な状態にするソフトウェアプログラムが搭載された汎用コンピュータの形態において、実行され得る。さらに、「コントローラ」という用語は、制御をもたらすために求められるいずれの追加の回路網も包含すべきである。

Claims (16)

1. 水道水から３００ｌ／ｈまでの脱イオン化２型純水を生成するための実験室規模浄水システムであって、該システムは、
   給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイス（２）の給送導入口へ供給するためのポンプ（１）を含む給送媒体流路（Ｃ）であって、ここで逆浸透デバイス（２）は、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する、前記給送媒体流路（Ｃ）；
   逆浸透デバイス（２）の透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス（１０）；
   逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）であって、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器（３）を含む、前記第１未透過物流路（Ａ）；
   逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、ポンプ（１）の上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）であって、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器（４）を含む、前記第２未透過物流路（Ｂ）；
   透過物排出口の下流にあり、逆浸透デバイス（２）によって生成される透過物流量を検知するための第１流量計（５）；
   第１流量調節器（３）の下流の第１未透過物流路（Ａ）に提供され、システムから除去される未透過物の流れの流量を検知するための第２流量計（６）；
   予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイス（２）のために制御されるように、第１および第２流量計（５、６）からの検知結果に基づいて第１および第２流量調節器（３、４）を遠隔制御するための自動コントローラ（１３）；
   給送媒体流路（Ｃ）に提供され、給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第３伝導率セル（７）；および
   逆浸透デバイス（２）の下流の透過物流路（Ｄ）に提供され、透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第４伝導率セル（８）；
   を含み、
   コントローラ（１３）が、第３および第４伝導率セル（７、８）からの検知結果の割合に基づいて逆浸透デバイス（２）の実際の阻止を決定するように、透過物の流れのイオン負荷（Ｃａ ^２＋ およびＭｇ ^２＋ 負荷）が、電気脱イオン化デバイス（１０）のために予め決められた許容値である値へ、またはそれより下である値へ、逆浸透デバイス（２）の決定された実際の阻止に応じて逆浸透デバイス（２）の目標回収率を調整するように、および、必要な場合、それに応じて、電気脱イオン化デバイス（１０）の脱イオン化電流を調整するように適合される、
   前記システム。
2. 水道水から３００ｌ／ｈまでの脱イオン化２型純水を生成するための実験室規模浄水システムであって、該システムは、
   給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイス（２）の給送導入口へ供給するためのポンプ（１）を含む給送媒体流路（Ｃ、Ｅ）であって、ここで逆浸透デバイス（２）は、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する、前記給送媒体流路（Ｃ、Ｅ）；
   逆浸透デバイス（２）の透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス（１０）；
   逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）であって、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器（３）を含む、前記第１未透過物流路（Ａ）；
   逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、ポンプ（１）の上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）であって、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器（４）を含む、前記第２未透過物流路（Ｂ）；
   透過物排出口の下流にあり、逆浸透デバイス（２）によって生成される透過物流量を検知するための第１流量計（５）；
   第１未透過物流路（Ａ）に提供され、未透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第１伝導率セル（１５）；
   給送媒体流路（Ｅ）に提供され、給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第２伝導率セル（１６）；および
   予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイス（２）のために制御されるように、第１流量計（５）および第１および第２伝導率セル（１５、１６）からの検知結果に基づいて第１および第２流量調節器（３、４）を制御するための自動コントローラ（１３）
   を含む、前記システム。
3. 予め決められた目標透過物流量を制御するために、コントローラ（１３）が、第１および第２流量調節器（３、４）を同時に閉めて透過物流量を増やすように、および／または、第１および第２流量調節器（３、４）を同時に開けて透過物流量を減らすように適合される、請求項１または２に記載の実験室規模浄水システム。
4. 予め決められた目標回収率を制御するために、および、透過物流量を実質的に一定に保つために、コントローラ（１３）が、第２流量調節器（４）を閉め、かつ第１流量調節器（３）を開けて逆浸透デバイス（２）の回収率を減らすように、および／または、第２流量調節器（４）を開け、かつ第１流量調節器（３）を閉めて逆浸透デバイス（２）のための回収率を増やすように適合される、請求項１〜３のいずれか一項に記載の実験室規模浄水システム。
5. 予め決められた目標最小回収圧力を制御するために、コントローラ（１３）が、第１および第２流量調節器（３、４）を同時に閉めて回収圧力を増やすように適合され、および／または
   予め決められた目標最大回収圧力を制御するために、該コントローラ（１３）が、第１および第２流量調節器（３、４）を同時に開けて回収圧力を減らすように適合され、および／または
   予め決められた目標回収圧力変動を制御するために、該コントローラ（１３）が、第１および第２流量調節器（３、４）の開閉スピードを同時に減らして回収圧力変動を減らすように適合される、
   請求項１〜４のいずれか一項に記載の実験室規模浄水システム。
6. コントローラ（１３）が、閉ループ（フィードバック制御）において予め決められた目標回収率を制御するように適合され、および
   該コントローラ（１３）が、以下の関係：（逆浸透デバイス（２）の回収率）＝（逆浸透デバイス（２）の排出口での透過物流量）／（逆浸透デバイス（２）の排出口での透過物流量＋システムから除去される未透過物の流れの流量）による、第１および第２流量計（５、６）の検知結果に基づいて、逆浸透デバイス（２）の現在の回収率を決定するように適合される、
   請求項１との組み合わせにおける請求項４または５に記載の実験室規模浄水システム。
7. コントローラ（１３）が、閉ループ（フィードバック制御）において、予め決められた目標回収率を制御するように適合される、
   請求項２との組み合わせにおける請求項４または５に記載の実験室規模浄水システム。
8. 圧力センサ（１４）が、第１未透過物流路（Ａ）および／または第２未透過物流路（Ｂ）における未透過物の流れの圧力を検知するために提供され、および、コントローラ（１３）が、予め決められた未透過物圧力値と圧力センサ（１４）によって検知される値との間の差を決定するように、および、差が閾値を超過する（ＲＯデバイスにおける膜が洗浄されるべき／取り換えられるべきことを意味する）場合に指示／警告を発するように適合される、請求項１〜７のいずれか一項に記載の実験室規模浄水システム。
9. 圧力センサ（１４）が、第１未透過物流路（Ａ）および／または第２未透過物流路（Ｂ）における未透過物の流れの圧力を検知するために提供され、および、コントローラ（１３）が、
   第２流量調節器（４）を閉じること；
   第１流量調節器（３）を閉じることによって未透過物圧力を増やすこと；
   圧力センサ（１４）から検知される未透過物圧力を監視すること；および
   圧力センサ（１４）によって検知されるものに対応する特定の未透過物圧力値のために予め決められた流量閾値で、第２流量計（６）によって検知される未透過物の流れの流量を比較すること、および、第２流量計（６）によって検知される流量が該閾値よりも低い場合に指示／警告を発すること：
   を含む、ポンプ試験手順を実施するように適合される、
   請求項１〜８のいずれか一項に記載の実験室規模浄水システム。
10. コントローラ（１３）が、逆浸透デバイス（２）の予め決められた初期の目標回収率の、および選択的に電気脱イオン化デバイス（１０）の初期の脱イオン化電流の設定を可能にするように配置され、それぞれ給送伝導率、硬度、二酸化炭素濃度、および温度という１以上のパラメータの給送媒体分析に基づいて、および第１未透過物流路（Ａ）を通じてシステムから除去される給送媒体の量を最小化するために予め決められ、ここで電気脱イオン化デバイス（１０）が、好ましくは連続的な少なくとも３つのステージを含み、該３つのステージは高解離種除去ステージ、二酸化炭素（ＣＯ_２）除去ステージおよび低イオン化種除去ステージであり、各ステージにおいて脱イオン化電流がコントローラ（１３）によって独立に制御され得る、請求項１または２に記載の実験室規模浄水システム。
11. 給送媒体流路（Ｃ）に提供され、給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第３伝導率セル（７）；
    逆浸透デバイス（２）の下流の透過物流路（Ｄ）に提供され、透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知するための第４伝導率セル（８）；
    をさらに含み、および
    コントローラ（１３）が、第３および第４伝導率セル（７、８）からの検知結果の割合に基づいて逆浸透デバイス（２）の実際の阻止を決定するように、透過物の流れのイオン負荷（Ｃａ^２＋およびＭｇ^２＋負荷）が好ましくはその第１ステージの、電気脱イオン化デバイス（１０）のために予め決められた許容値である値へ、またはそれより下である値へ、逆浸透デバイス（２）の決定された実際の阻止に応じて逆浸透デバイス（２）の目標回収率を調整するように、および、必要な場合、それに応じて、好ましくはその第１ステージの、電気脱イオン化デバイス（１０）の脱イオン化電流を調整するように適合される、請求項２との組み合わせにおける請求項１０に記載の実験室規模浄水システム。
12. 電気脱イオン化デバイス（１０）の精製水排出口の下流に提供され、精製水の伝導率（イオン濃度）を検知するための第５伝導率セル（９）；
    をさらに含み、および
    コントローラ（１３）が、第５伝導率セル（９）からの検知結果に基づいて精製水のＣＯ_２含有量を決定するように、および、それに応じて好ましくはその第２ステージの、および、提供される場合は第３ステージの、電気脱イオン化デバイス（１０）の脱イオン化電流を調整するように適合される、
    請求項１との組み合わせにおける請求項１０に記載の、または請求項１１に記載の実験室規模浄水システム。
13. コントローラ（１３）が、好ましくはリアルタイムに、閉ループ（フィードバック制御による）において、好ましくは提供される場合にその個別のステージの、電気脱イオン化デバイス（１０）の目標透過物流量の、および／または、目標回収率の、および／または、目標濃縮係数の、および／または、脱イオン化電流の制御を実施するように適合される、請求項１〜１２のいずれか一項に記載の実験室規模浄水システム。
14. 第１および／または第２流量調節器（３、４）が、遠隔制御可能なモータ付ニードルバルブである、請求項１〜１３のいずれか一項に記載の実験室規模浄水システム。
15. 浄水システムを使用して、３００ｌ／ｈまでの容積を伴う実験室規模上の脱イオン化２型純水を生成するために水道水を精製する方法であって、該浄水システムは、
    給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイス（２）の給送導入口へ供給するためのポンプ（１）を含む給送媒体流路（Ｃ）であって、ここで逆浸透デバイス（２）は、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する、前記給送媒体流路（Ｃ）；
    逆浸透デバイス（２）の透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス（１０）；
    逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）であって、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器（３）を含む、前記第１未透過物流路（Ａ）；および
    逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、ポンプ（１）の上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）であって、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器（４）を含む、前記第２未透過物流路（Ｂ）；
    を含み、ここで該方法は、
    透過物排出口の下流で、逆浸透デバイス（２）によって生成される透過物流量を検知すること；
    第１流量調節器（３）の下流で、システムから除去される未透過物の流れの流量を検知すること；
    予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイス（２）のために制御されるように、逆浸透デバイス（２）によって生成される透過物流量およびシステムから除去される未透過物の流れの流量に基づいて第１および第２流量調節器（３、４）を遠隔制御すること；
    給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；
    透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；
    給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）および透過物の流れの伝導率（イオン濃度）の割合に基づいて逆浸透デバイス（２）の実際の阻止を決定すること；
    透過物の流れのイオン負荷（Ｃａ ^２＋ およびＭｇ ^２＋ 負荷）が、電気脱イオン化デバイス（１０）のために予め決められた許容値である値へ、またはそれより下である値へ、逆浸透デバイス（２）の決定された実際の阻止に応じて逆浸透デバイス（２）の目標回収率を調整すること；および、必要な場合、
    それに応じて、電気脱イオン化デバイス（１０）の脱イオン化電流を調整すること；
    を含む、前記方法。
16. 浄水システムを使用して、３００ｌ／ｈまでの容積を伴う実験室規模上の脱イオン化２型純水を生成するために水道水を精製する方法であって、該浄水システムは、
    給送媒体の圧力を上昇させるための、および、圧力下で給送媒体を逆浸透デバイス（２）の給送導入口へ供給するためのポンプ（１）を含む給送媒体流路（Ｃ、Ｅ）であって、ここで逆浸透デバイス（２）は、給送媒体から透過物の流れおよび濃縮物の流れを生成するように適合され、および、透過物排出口および未透過物排出口を有する、前記給送媒体流路（Ｃ、Ｅ）；
    逆浸透デバイス（２）の透過物排出口と流体連結する導入口、および精製水排出口を有する、電気脱イオン化デバイス（１０）；
    逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、システムから未透過物を除去するための第１未透過物流路（Ａ）であって、ここで該第１未透過物流路（Ａ）は、遠隔制御されるように適合される第１流量調節器（３）を含む、前記第１未透過物流路（Ａ）；および
    逆浸透デバイス（２）の未透過物排出口と流体連結し、ポンプ（１）の上流位置で未透過物を給送媒体流路へ再循環させるための第２未透過物流路（Ｂ）であって、ここで該第２未透過物流路（Ｂ）は、遠隔制御されるように適合される第２流量調節器（４）を含む、前記第２未透過物流路（Ｂ）；
    を含み、ここで前記方法は、
    透過物排出口の下流で、逆浸透デバイス（２）によって生成される透過物流量を検知すること；
    未透過物の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；
    給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）を検知すること；および
    予め決められた目標回収率および予め決められた目標透過物流量が逆浸透デバイス（２）のために制御されるように、逆浸透デバイス（２）によって生成される透過物流量ならびに未透過物の流れの伝導率（イオン濃度）および給送媒体の流れの伝導率（イオン濃度）に基づいて第１および第２流量調節器（３、４）を制御すること
    を含む、前記方法。

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