JP7305742B2 - Faradic porous cell - Google Patents
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Description
[発明の背景]
(発明の分野)
[001]本発明の分野は、選択したファラディック反応を炭素電極細孔口径プロファイリングと組み合わせることによる、溶液からの金属イオン、ハロゲン化物イオン、金属及びハロゲン化物の誘導体、並びにイオン性粒子状物質の除去、例えば、水からの鉛の除去である。
[Background of the Invention]
(Field of Invention)
[001] The field of the invention is the production of metal ions, halide ions, metal and halide derivatives, and ionic particulate matter from solution by combining selected faradic reactions with carbon electrode pore size profiling. Removal, eg removal of lead from water.
[定義]
[002]「吸着」は、インプット流中のイオンを電極表面に引きつけ、そのイオンを電極表面に保持することを意味する。
[definition]
[002] "Adsorption" means attracting ions in an input stream to an electrode surface and retaining the ions on the electrode surface.
[003]「凝集」は、金属イオン、ハロゲン化物イオン、金属若しくはハロゲン化物の誘導体、又は粒子状金属を、下記のうちの1つ又は複数によりセルへのインプット流から除去することを意味する:(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び金属固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H2O2)発生及び金属酸化;(v)電着又は電気めっき;(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル、(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計。 [003] "Flocculation" means removing metal ions, halide ions, metal or halide derivatives, or particulate metal from the input stream to a cell by one or more of the following: (ii) capacitive adsorption; (iii) electrochemical pH control and metal immobilization ; (iv) electrochemical peroxide ( H2O2 ) generation and metal oxidation; (v) electrodeposition. (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) deposition; (viii) pore size profile, (ix) electrode treatment, (x) electrode spacing, and (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block. cell design.
[004]「BET表面積」は、窒素を使用して材料の表面積を判定する物理吸着ベースの方法である、ブルナウアー-エメット-テラー法により判定される表面積を意味する。 [004] "BET surface area" means surface area as determined by the Brunauer-Emmett-Teller method, a physisorption-based method that uses nitrogen to determine the surface area of a material.
[005]「破過曲線」は、固定吸着器の出口での流出物の吸着濃度の経過を意味する。破過曲線は、技術的に使用可能な収着容量の計算を可能とする。破過曲線は、典型的には、標的種濃度対処理された体積をプロットする。例えば、図14を参照されたい。 [005] "Breakthrough curve" means the course of the adsorbed concentration of the effluent at the outlet of a stationary adsorber. The breakthrough curve allows calculation of the technically usable sorption capacity. A breakthrough curve typically plots target species concentration versus treated volume. For example, see FIG.
[006]「炭素ブロック」は、炭素粒子がポリマーと結合してバルク固体形態となっている押し出し炭素材料である。典型的には、脱塩素及び粒子フィルターに使用される。FPCで使用される炭素ブロックセルの設計では、1つ又は複数の純粋な炭素ブロックのそれぞれが、典型的にはFPCにおいて電気的に絶縁された2つの半分に分割され;各ブロックの一方の半分がアノードとして使用され、各ブロックの他方の半分がカソードとして使用される。 [006] A "carbon block" is an extruded carbon material in which carbon particles are combined with a polymer into a bulk solid form. Typically used for dechlorination and particulate filters. In the design of carbon block cells used in FPCs, each of the one or more pure carbon blocks is typically split into two electrically isolated halves in the FPC; one half of each block is used as the anode and the other half of each block is used as the cathode.
[007]「容量吸着」は、電気的引力の結果としてのイオン又は他の荷電種の電極への吸着を意味する。 [007] "Capacitive adsorption" means the adsorption of ions or other charged species to an electrode as a result of electrical attraction.
[008]「CCC」又は「容量性凝固セル」又は「CCCデバイス」は、主に容量吸着を使用して、金属イオン、金属の誘導体、又は粒子状金属を液体(典型的には水性)インプット流から除去し、政府が規制する制限を下回る金属、金属誘導体、又は微粒子含有量のアウトプット流を生成する浄化セルを意味する。例えば、米国EPAは、飲用水又は灌漑用水に対する「対策レベル」として、15ppbの鉛含有量を規定している。 [008] A "CCC" or "capacitive coagulation cell" or "CCC device" primarily uses capacitive adsorption to transfer metal ions, metal derivatives, or particulate metals to a liquid (typically aqueous) input. means a purification cell that removes from a stream and produces an output stream with a metal, metal derivative, or particulate content below government regulated limits. For example, the US EPA specifies a lead content of 15 ppb as an "action level" for drinking or irrigation water.
[009]「CCCパラメータ」は、CCCにおいてユーザが選択したFPCパラメータを意味する。 [009] "CCC parameters" means user-selected FPC parameters in a CCC.
[0010]「セル」は、一般に、インプット流(流入物)にさらされる複数の電極を意味し、動作時のアウトプット流(流出物)用の出口、電極に取り付けられた短絡スイッチ又は電源、電源と任意の流入バルブを制御する手動又はコンピュータ化された手段、及びセルの動作を監視し、手動又はコンピュータ化された制御手段とインターフェース接続するセンサを備える。セルは、例えば、セルの動作中に様々なアウトプット流収集容器又は他の配置を選択するために、インプット流及びアウトプット流を制御する更なる手段を任意選択で含むことができる。容量性脱イオン化セルとは異なり、FPCは、動作中に電極を再生(脱着とも呼ばれる)して脱着された標的種の廃棄物流を生成しない。代わりに、例えば、アウトプット流中の標的種の濃度がユーザが選択した閾値を超えた場合、CCC又はEDCを含むFPCは交換される。アウトプット流中の標的種濃度以外の交換基準、例えば、所与のFPCに関する通過流の累積体積、及び特定の反応副生成物の存在を指定してもよい。 [0010] "Cell" generally means a plurality of electrodes exposed to an input stream (inflow), an outlet for an output stream (outflow) during operation, a shorting switch or power source attached to the electrodes, Manual or computerized means for controlling the power supply and any inlet valves, and sensors for monitoring the operation of the cell and interfacing with the manual or computerized control means. The cell may optionally include further means of controlling the input and output streams, for example to select various output stream collection vessels or other arrangements during operation of the cell. Unlike capacitive deionization cells, FPCs do not regenerate electrodes (also called desorption) during operation to produce a waste stream of desorbed target species. Alternatively, for example, the FPC containing CCC or EDC is replaced if the concentration of the target species in the output stream exceeds a user-selected threshold. Exchange criteria other than the target species concentration in the output stream may be specified, such as the cumulative volume of the flow-through for a given FPC and the presence of certain reaction by-products.
[0011]「充電電位」は、作業を遂行するためにセルに印加される電圧を意味する。 [0011] "Charging potential" means the voltage applied to a cell to perform work.
[0012]「導電率」は、インプット流、通過流、アウトプット流、又は廃棄物流の電気導電率を意味する。導電率は、インプット流、アウトプット流、又は廃棄物流中のイオンのモル濃度の代理測定である。導電率は、そうした液体流中のイオンのモル濃度に正比例する。 [0012] "Conductivity" means the electrical conductivity of an input, through, output, or waste stream. Conductivity is a surrogate measure of the molar concentration of ions in an input, output, or waste stream. Conductivity is directly proportional to the molar concentration of ions in such a liquid stream.
[0013]「CG」は、主にメソ多孔性構造を有し、公称表面積が約700m2/gの炭素を意味する。CGは、本発明者らにより、本明細書に開示する細孔口径プロファイル法を用い策定され、Calgon Corporation(Naperville、IL)により、本発明者らのために作製された。CGは、表においてカルゴン(Calgon)(登録商標)と記載される場合がある。 [0013] "CG" means carbon with a predominantly mesoporous structure and a nominal surface area of about 700 m2 /g. CG was formulated by the inventors using the pore size profile method disclosed herein and manufactured for the inventors by Calgon Corporation (Naperville, Ill.). CG is sometimes referred to as Calgon® in the tables.
[0014]「CV」は、サイクリックボルタモグラムを意味する。 [0014] "CV" means cyclic voltammogram.
[0015]「CX」は、炭素キセロゲルを意味する。CX電極は、メソ多孔性構造を有し、公称表面積が約200m2/gである。 [0015] "CX" means carbon xerogel. The CX electrode has a mesoporous structure and a nominal surface area of about 200 m 2 /g.
[0016]「サイクル」は、正に次いで負、又は負に次いで正の一連の電位がFPC電極に印加される動作のサイクルを意味する。 [0016] "Cycle" means a cycle of operation in which a series of positive then negative or negative then positive potentials are applied to the FPC electrodes.
[0017]「DO」は、溶存酸素を意味する。 [0017] "DO" means dissolved oxygen.
[0018]「E」は、電圧を意味し、電位とも呼ばれる。直流の場合、Eは一定の極性(正又は負)を有する。 [0018] "E" means voltage, also called potential. For DC, E has a fixed polarity (positive or negative).
[0019]「電極」は、導電性の材料、典型的には多孔質炭素を意味する。 [0019] "Electrode" means an electrically conductive material, typically porous carbon.
[0020]「EDC」は、本願に開示される電気脱ハロゲン化セルを意味する。EDCは、FPCに属する水浄化セルの一種である。 [0020] "EDC" means an electrodehalogenation cell disclosed herein. EDC is a kind of water purification cell belonging to FPC.
[0021]「EDCパラメータ」は、EDCにおいてユーザが選択したFPCパラメータを意味する。 [0021] "EDC parameters" means user-selected FPC parameters in the EDC.
[0022]「EDX」は、エネルギー分散型X線分析を意味する。 [0022] "EDX" means energy dispersive X-ray analysis.
[0023]「Eo」は、電極が短絡しているときの対参照電極電位である(即ち、Eoは、短絡状態時の電位である)。 [0023] " Eo " is the potential versus the reference electrode when the electrodes are shorted (ie, Eo is the potential during the shorted condition).
[0024]「EPZC」又は「ゼロ電荷の電位」は、表面でのイオン吸着が最小になる電極の電位を意味する。EPZCは、炭素電極の表面改質により意図的にシフトさせることができる、又は拡張された印加電位又は電圧による電極表面の酸化の結果として本質的に移動させることができる。純粋な炭素電極のEPZCは、典型的には-0.1Vから+0.1Vの間である。表面改質による電極のEpzcのシフトは、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702286号に詳細に開示されている。所与の標的種の場合のFPC電極のEPZCは、水の化学的性質によって異なり、実験的に判定される。 [0024] " EPZC " or "potential of zero charge" means the potential of an electrode at which ion adsorption on the surface is minimal. E PZC can be intentionally shifted by surface modification of the carbon electrode, or can be inherently displaced as a result of oxidation of the electrode surface by extended applied potentials or voltages. The E PZC of a pure carbon electrode is typically between -0.1V and +0.1V. Shifting Epzc of electrodes by surface modification is disclosed in detail in US Provisional Patent Application No. 62/702,286, which is incorporated herein. The E PZC of the FPC electrode for a given target species varies with water chemistry and is determined experimentally.
[0025]「ファラディック固定化」は、電解質中の標的種への電子移動、又は電解質中の種への電子移動と、それに続く対象の標的種との溶液中での均一反応を意味し、その後、反応生成物は、電極に吸着される。 [0025] "Faradic immobilization" means electron transfer to a target species in an electrolyte, or electron transfer to a species in an electrolyte, followed by a homogeneous reaction in solution with the target species of interest, The reaction products are then adsorbed onto the electrodes.
[0026]「フローバイ」セル設計は、FPC内の通過流が、電極を通過するのではなく、FPC内の電極の表面を横切って流れることを意味する。フローバイセル設計は、フロースルーセル設計と比較して、下記の利点を提供することができる:低い圧力降下、高い流量、炭素電極の同等の劣化、各電極のペアに対して生成される同等のpH領域。 [0026] A "flow-by" cell design means that the flow through the FPC flows across the surfaces of the electrodes in the FPC, rather than through the electrodes. A flow-by-cell design can offer the following advantages compared to a flow-through-cell design: lower pressure drop, higher flow rate, equivalent degradation of carbon electrodes, equivalent pH region.
[0027]「流量」は、インプット、スループット、アウトプット、又は廃棄物流の流量を意味し、典型的にはL/時、ml/分等の単位である。 [0027] "Flow rate" means the flow rate of an input, throughput, output, or waste stream, typically in units of L/hr, ml/min, and the like.
[0028]「フロースルー」セル設計は、FPC内の通過流を強制的にFPC内の電極を通過させることを意味する。フロースルーセル設計は、フローバイセル設計と比較して下記の利点を提供することができる:極端なpH領域、出口pHに対する良好な制御。 [0028] A "flow-through" cell design means that the flow through the FPC is forced through the electrodes in the FPC. A flow-through cell design can offer the following advantages compared to a flow-by-cell design: extreme pH range, better control over outlet pH.
[0029]「FPC」又は「ファラディック多孔性セル」又は「FPCデバイス」は、凝集を使用して液体(典型的には水性)インプット流から金属イオン、ハロゲン化物イオン、標的金属若しくは標的ハロゲン化物の誘導体(例えば、他の種)、又は粒子状金属を除去し、金属、ハロゲン化物、又は微粒子含有量が低下したアウトプット流を生成する浄化セルを意味する。異なる種のFPCを直列又は並列に使用して浄化システムへの水性流入物から複数の標的種を除去することができる。「FPCシステム」は、1つ又は複数のFPCと、任意選択で他のタイプの浄化セル(「ハイブリッドシステム」の定義を参照されたい)、例えば容量性脱イオン化(「CDI」)セル、膜CDIセル(「MCDI」)、逆CDI(「i-CDI」)セル、並びに非電気化学セル及びフィルターとを含有する水浄化システムを意味する。CDI、MCDI、i-CDIセル、又は類似の脱着セルのFPCシステムへの組み入れには、廃棄物流の提供と、CDI、MCDI、i-CDI、及び類似の脱着セルからの廃棄物流への脱着に対応するためのFPCシステムにおける関連するセルの制御が必要である。CCC及びEDCは、FPCの一種である。 [0029] An "FPC" or "Faradic porous cell" or "FPC device" uses aggregation to extract metal ions, halide ions, target metals or target halides from a liquid (typically aqueous) input stream. (eg, other species), or a purification cell that removes particulate metals and produces an output stream that is reduced in metal, halide, or particulate content. Different species of FPC can be used in series or parallel to remove multiple target species from the aqueous influent to the purification system. "FPC system" means one or more FPCs and optionally other types of purification cells (see definition of "hybrid system"), e.g. capacitive deionization ("CDI") cells, membrane CDI means water purification systems containing cells (“MCDI”), inverse CDI (“i-CDI”) cells, and non-electrochemical cells and filters. Incorporation of CDI, MCDI, i-CDI cells or similar desorption cells into the FPC system involves providing a waste stream and desorbing the waste stream from the CDI, MCDI, i-CDI and similar desorption cells. Control of the relevant cells in the FPC system to accommodate is required. CCC and EDC are types of FPC.
[0030]「FPCパラメータ」は、(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節;(iv)電気化学的過酸化物(H2O2)発生及び標的種の酸化;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル、(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計のFPCにおいてユーザが選択した値を意味する。1つ又は複数のFPCパラメータが、所与のインプット水の化学的性質に関する実験的データに基づき、通過流から標的種を除去するために選択、又は「調整」される。 [0030] "FPC parameters" are: (i) physical adsorption; (ii) capacitive adsorption; (iii) electrochemical pH adjustment; ( iv ) electrochemical peroxide ( H2O2 ) generation and (v) electrodeposition (e.g., electroplating, electrophoretic deposition); (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) deposition; (viii) pore size profile, (ix) electrode treatment, (x) Means electrode spacing and (xi) user-selected values in FPC for flow-by vs. flow-through vs. carbon block cell designs. One or more FPC parameters are selected or "tuned" to remove target species from the flow-through based on empirical data for a given input water chemistry.
[0031]「ハロゲン化物誘導体」は、ハロゲン化物を含有する分子又は化合物を意味する。 [0031] "Halide derivative" means a molecule or compound that contains a halide.
[0032]「HE」は、高効率のメソ多孔性炭素を意味する。HE炭素で作られた電極は、主にメソ多孔性構造を有し、公称表面積が約380m2/gである。HEは、メソ多孔性炭素が98%を超え、残部がマクロ多孔性炭素である配合を有する。HEは、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702286号に開示の細孔口径プロファイル法を使用して策定される。 [0032] "HE" means high efficiency mesoporous carbon. Electrodes made of HE carbon have a predominantly mesoporous structure with a nominal surface area of about 380 m 2 /g. HE has a formulation of greater than 98% mesoporous carbon and the balance macroporous carbon. HE is formulated using the pore size profile method disclosed in US Provisional Patent Application No. 62/702,286, which is incorporated herein.
[0033]「ハイブリッドシステム」は、少なくとも1つのFPC(CCC又はEDC)と、少なくとも1つの他のタイプの水浄化セル、例えば、過酸化セル、CDI、MCDI、i-CDI、又は非電気化学セル若しくはフィルターを収容する水浄化システムを意味する。ハイブリッドシステムの最小構成は、直列(FPCが他のセルタイプに供給する、又はその逆)である。より大きなシステムは、直列のみとすることも、並列にした直列通路を(スループットを増加させるために)有することもできる。 [0033] A "hybrid system" includes at least one FPC (CCC or EDC) and at least one other type of water purification cell, such as a peroxide cell, CDI, MCDI, i-CDI, or non-electrochemical cell. Or means a water purification system containing a filter. The minimum configuration for a hybrid system is serial (FPC feeding other cell types or vice versa). Larger systems may be serial only or may have serial paths in parallel (to increase throughput).
[0034]「固定化」は、その後の浄化されたアウトプット流への脱着を伴わない標的種のFPC電極への吸着を意味する。 [0034] "Immobilization" means adsorption of a target species to an FPC electrode without subsequent desorption to a clarified output stream.
[0035]「インプット流」は、セルへの入口を通って送り込まれる、様々なイオン及び金属を含有する液体、典型的には水を意味する。 [0035] "Input stream" means a liquid, typically water, containing various ions and metals that is fed through the inlet to the cell.
[0036]「KN」は、American Kynol,Inc(ニューヨーク州プレザントビル)から入手可能なカイノール(Kynol)(登録商標)として販売されているミクロ多孔性炭素を意味する。KN炭素で作られた電極は、ミクロ多孔性構造を有し、公称表面積が約1800m2/gである。 [0036] "KN" means microporous carbon sold as Kynol® available from American Kynol, Inc. (Pleasantville, NY). Electrodes made of KN carbon have a microporous structure and a nominal surface area of about 1800 m 2 /g.
[0037]「金属」は、プールベ線図が存在し、As、Se、Pb、Ni、Zn、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuを含む群から選択される金属を含有する金属、金属イオン、金属錯体、金属粒子、又は毒素を意味する。 [0037] "Metal" is defined by the Pourbaix diagram of As, Se, Pb, Ni, Zn, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb , Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb , Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu.
[0038]「金属誘導体」は、金属又は半金属を含有する分子又は化合物を意味する。 [0038] "Metal derivative" means a molecule or compound containing a metal or metalloid.
[0039]「金属種形成」は、所与の環境における金属の様々な化学形態(「種」)を意味する。例えば、As(III)及びAs(V)は、所与のpHの水溶液中に共存できるヒ素の種である。 [0039] "Metal speciation" means different chemical forms ("species") of a metal in a given environment. For example, As(III) and As(V) are arsenic species that can coexist in aqueous solutions at a given pH.
[0040]「NHE」は、通常の水素電極を意味する。 [0040] "NHE" means normal hydrogen electrode.
[0041]「アウトプット流」は、FPCを通過して、インプット流よりも低いモル濃度の標的種を含有する液体を意味する。 [0041] "Output stream" means the liquid that has passed through the FPC and contains a lower molar concentration of the target species than the input stream.
[0042]「並列システムアーキテクチャ」は、並列に接続されたFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)を意味し、即ち、各FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)の出口が、システムアウトプットを供給する。並列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のFPC、プロセスコントローラ、相互接続ライン、センサ、及びラインとセルに配置されたバルブを含むこともできる。 [0042] "Parallel system architecture" means FPCs (and optionally other types of cells and filters) connected in parallel, i.e., each FPC (and optionally other types of cells and filters) outputs provide the system output. The parallel system architecture can be fixed or include multiple FPCs, process controllers, interconnecting lines, sensors, and valves located in lines and cells.
[0043]「物理吸着」は、標的種の電極細孔への物理的捕捉を意味する。 [0043] "Physisorption" means physical entrapment of a target species in the electrode pores.
[0044]「PMD」は、細孔口径を意味し、それは、炭素電極表面での細孔の直径である。細孔は、炭素電極内の行き止まりチャネルでも貫通チャネルでもよく、典型的には可変のチャネル直径を有する。 [0044] "PMD" means pore size, which is the diameter of the pores at the carbon electrode surface. The pores may be dead-end or through-channels within the carbon electrode and typically have variable channel diameters.
[0045]「流入地点」又は「POE」は、給水設備が住宅、商業/工業ビル、又は他の構造物における配水システムに供水する場所を意味する。 [0045] "Point of entry" or "POE" means the location where a water supply supplies water to a water distribution system in a residential, commercial/industrial building, or other structure.
[0046]「使用地点」又は「POU」は、配水システムから消費者、飲料ディスペンサ、厨房機器、又は他の最終用途に水が分配される場所を意味する。 [0046] "Point of use" or "POU" means a location where water is dispensed from a water distribution system to a consumer, beverage dispenser, kitchen appliance, or other end use.
[0047]「極性」は、DC電圧の正又は負いずれかの極性を意味する。 [0047] "Polarity" means either positive or negative polarity of a DC voltage.
[0048]「細孔口径プロファイル」は、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702,286号及び米国特許出願第16/417,574号に開示の細孔口径プロファイル法に従い作製された、電極中のミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性炭素の体積比(複数可)を意味する。一般的に言えば、平均細孔口径が大きいほど、電極の耐用年数が長く、通過流に対する電極の透過性が高い。平均細孔口径は、所与の炭素電極を作製するために使用するミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性炭素の比により制御される。 [0048] A "pore size profile" is made according to the pore size profile method disclosed in US Provisional Patent Application No. 62/702,286 and US Patent Application No. 16/417,574, which are incorporated herein. It also refers to the volume ratio(s) of microporous, mesoporous, and macroporous carbon in the electrode. Generally speaking, the larger the average pore size, the longer the service life of the electrode and the higher the permeability of the electrode to flow-through. Average pore size is controlled by the ratio of microporous, mesoporous, and macroporous carbon used to make a given carbon electrode.
[0049]「プールベ線図」(電位/pH図、EH-pH図又はpE/pH図とも呼ばれる)は、水性電気化学系の可能な安定(平衡)相を示す。優勢なイオン境界が、線で表される。そのため、プールベ線図は、軸の組が異なる標準的な状態図と同様に読み取ることができる。状態図と同様に、プールベ線図は、反応速度又は速度効果を扱わない。可溶性の種の場合、プールベ線図の線は通常、1M又は10-6Mの濃度について描画される。他の濃度の場合は、追加の線が描画されることもある。 [0049] A "Pourbaix diagram" (also called a potential/pH diagram, E H -pH diagram, or pE/pH diagram) shows the possible stable (equilibrium) phases of an aqueous electrochemical system. Dominant ionic boundaries are represented by lines. As such, the Pourbaix diagram can be read like a standard state diagram with a different set of axes. Like state diagrams, Pourbaix diagrams do not address reaction rates or rate effects. For soluble species, Pourbaix diagram lines are usually drawn for concentrations of 1M or 10-6M . Additional lines may be drawn for other densities.
[0050]「プールベ作動領域」は、FPC中の所与の電極でのpH及び印加されるEをプールベ線図と関連づけて、所与の水の化学的性質において標的種の固定化を選択することを意味する。 [0050] The "Pourbaix operating region" relates the pH at a given electrode in the FPC and the applied E to the Pourbaix diagram to select the immobilization of the target species at a given water chemistry. means that
[0051]電極に関連する「純粋」は、表面改質されていないことを意味する。例えば、スペクトラカーボ(Spectracarb)(商標)電極は、製造業者から供給された状態では、純粋である。 [0051] "Pure", in reference to an electrode, means not surface modified. For example, Spectracarb™ electrodes are pure as supplied by the manufacturer.
[0052]「プロセスコントローラ」は、FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)のシステム内に配置されたセンサを監視して、1つ又は複数のFPC、及び任意選択で1つ又は複数の他のタイプの水浄化セル又はフィルターを含む水浄化システムにおけるインプット、通過、及び/又はアウトプット流、並びにFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)の状態をサンプリングするプロセス制御アプリケーションを操作するコンピュータを意味する。プロセスコントローラは、処理すべき水溶液の供給源、FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)、及びシステム出口を相互接続するライン内のバルブを作動させ、それにより、様々なFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)が、直列システムアーキテクチャ、直並列システムアーキテクチャ、又は並列システムアーキテクチャで構成されることを可能にする。センサデータに基づき、プロセスコントローラは、システム内のFPCのFPCパラメータを動的に調節する(任意選択でシステム内の他のセルとフィルターも調節する)ことができる。 [0052] A "process controller" monitors sensors placed within a system of FPCs (and optionally other types of cells and filters) to Process control sampling the input, through, and/or output flow and FPC (and optionally other types of cells and filters) conditions in a water purification system containing multiple other types of water purification cells or filters A computer that operates an application. The process controller actuates valves in lines interconnecting the source of aqueous solution to be treated, the FPC (and optionally other types of cells and filters), and the system outlet, thereby activating the various FPCs (and optionally other types of cells and filters) can be configured in series, series-parallel, or parallel system architectures. Based on the sensor data, the process controller can dynamically adjust the FPC parameters of the FPCs in the system (and optionally other cells and filters in the system as well).
[0053]「浄化する」は、通過流から1又は複数種の標的種を除去することを意味する。浄化は、プールベ線図が存在する金属(例えば、As、Pb、Ni、Zn、Al、Cr、Mn、Fe、及びCu)、ハロゲン化物(例えば、Cl、Br、クロラミン)、有機物、及び生体化合物の除去を含む。 [0053] "Cleaning" means removing one or more target species from a flow-through. Purification includes metals for which Pourbaix diagrams exist (e.g., As, Pb, Ni, Zn, Al, Cr, Mn, Fe, and Cu), halides (e.g., Cl, Br, chloramines), organics, and biological compounds. including removal of
[0054]「巻回セル設計」は、連続セパレータと多孔質炭素系電極材料が物理的にらせん状に巻回されて、多孔質炭素電極の中を通る複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダが創出されるFCPセル設計を意味する。巻回セルを製造するため、アノード材料、セパレータ材料、及びカソード材料のシートを積層し、次いで、巻回してシリンダを形成する。集電体が、電気的損失を低減するため、通常は複数箇所でアノードとカソードに取り付けられる。 [0054] A "wound cell design" is one in which the continuous separator and porous carbon-based electrode material are physically spirally wound to provide multiple, primarily flow-by, flow channels through the porous carbon electrode. It refers to the FCP cell design in which the cylinder with which it is created is created. To manufacture a wound cell, sheets of anode material, separator material, and cathode material are laminated and then rolled to form a cylinder. Current collectors are usually attached to the anode and cathode at multiple points to reduce electrical losses.
[0055]「SC」は、Engineered Fibers Technology,LLC(コネチカット州シェルトン)から入手可能な、スペクトラカーボ(商標)として販売されているミクロ多孔性炭素を意味する。SC炭素で作られた電極は、ミクロ多孔性構造を有し、公称表面積が約1900m2/gである。 [0055] "SC" means microporous carbon sold as Spectracarb™ available from Engineered Fibers Technology, LLC (Shelton, Conn.). Electrodes made of SC carbon have a microporous structure and a nominal surface area of about 1900 m 2 /g.
[0056]「SCE」は、飽和カロメル電極を意味し、例えば、サイクリックボルタンメトリにおいて、参照電極として一般に使用される標準的な参照電極である。 [0056] "SCE" means saturated calomel electrode, which is a standard reference electrode commonly used as a reference electrode, eg, in cyclic voltammetry.
[0057]「直列システムアーキテクチャ」は、直列に接続されたFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)を意味し、即ち、第1のFPCの出口が入口と第2のFPCに供給し、第2のFPCの出口が入口と第3のFPCに供給する、等となる。直列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)、プロセスコントローラ、センサ、相互接続供給ライン、及び1つのFPCの出口と第2のFPCの入口との間の供給ラインに配置されるバルブを含むこともできる。 [0057] "Serial system architecture" means FPCs (and optionally other types of cells and filters) connected in series, ie, the outlet of a first FPC feeds the inlet and the second FPC and the outlet of the second FPC feeds the inlet and the third FPC, and so on. A series system architecture can be fixed or include multiple FPCs (and optionally other types of cells and filters), process controllers, sensors, interconnecting feed lines, and outlets on one FPC and inlets on a second FPC. It can also include a valve placed in the supply line between the
[0058]「直並列システムアーキテクチャ」は、FPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)を直列又は並列に接続することができるシステムを意味する。直並列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)、プロセスコントローラ、相互接続供給ライン、センサ、及び1つのFPCの出口と第2のFPCの入口との間の供給ラインに配置されるバルブを含むこともでき、そのバルブは、プロセスコントローラが作動させる。典型的な直並列システムアーキテクチャは、複数のランクの所与の一連のセルを含み、それにより、複数の直列通路によりスループットが向上した状態で通過流を同様に処理する。 [0058] "Series-parallel system architecture" means a system in which FPCs (and optionally other types of cells and filters) can be connected in series or in parallel. A series-parallel system architecture can be fixed or include multiple FPCs (and optionally other types of cells and filters), process controllers, interconnecting feed lines, sensors, and outlets of one FPC and a second FPC. It can also include a valve located in the supply line to and from the inlet, which is actuated by the process controller. A typical series-parallel system architecture includes multiple ranks of a given series of cells, thereby similarly processing the through-flow with the increased throughput provided by multiple serial paths.
[0059]「SHE」は、標準水素電極を意味する。 [0059] "SHE" means standard hydrogen electrode.
[0060]「シフト」は、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702,286号に開示の方法を使用した、電極表面の意図的又は非意図的な化学的又は電気化学的改質(例えば、印加電位又は電圧による電気化学的酸化)により、電極のEPZCの電位(「位置」とも呼ばれる)を変更することを意味する。 [0060] A "shift" is an intentional or unintentional chemical or electrochemical modification of an electrode surface using the methods disclosed in US Provisional Patent Application No. 62/702,286, incorporated herein. By quality (eg, electrochemical oxidation by applied potential or voltage), it is meant to change the potential (also called "position") of the EPZC of the electrode.
[0061]「種」は、水流中の、又はセル電極に吸着された分子、化合物、又は微粒子を意味する。 [0061] "Seed" means a molecule, compound, or particulate in a water stream or adsorbed to a cell electrode.
[0062]「種形成」は、システム内又はFPC内での定義された化学種間の元素の分布を意味する。例えば、所与の金属の非荷電性金属粒子、金属イオン、及び金属錯体は、所与のpHで溶液又は懸濁液中に共存することがあり、その分布は、pHが変化するにつれて変化し得る。 [0062] "Speciation" means the distribution of an element between defined chemical species within a system or FPC. For example, uncharged metal particles, metal ions, and metal complexes of a given metal can coexist in a solution or suspension at a given pH, and their distribution changes as the pH changes. obtain.
[0063]「積層セル設計」は、セパレータと多孔質炭素系電極材料の別々の小片が層毎に積層されて、多孔質炭素電極の中及び/又は近くを通る複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダを創出するFCPセル設計を意味する。集電体が、電気的損失を低減するため、通常は複数箇所でアノードとカソードに取り付けられる。図23は、積層セル設計を示す。 [0063] A "stacked cell design" is one in which separate pieces of separator and porous carbon-based electrode material are stacked layer-by-layer to provide multiple, primarily flow-by, flow-through cells through and/or near the porous carbon electrode. We mean an FCP cell design that creates a cylinder with channels. Current collectors are usually attached to the anode and cathode at multiple points to reduce electrical losses. FIG. 23 shows a stacked cell design.
[0064]「表面電荷強化面」は、化学的又は電気化学的方法によって表面電荷が付与された電極表面を意味する。 [0064] "Surface charge enhanced surface" means an electrode surface to which a surface charge has been imparted by chemical or electrochemical methods.
[0065]「システム」は、手動で、又はプロセスコントローラにより制御される、複数の相互接続されたFPC(及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター)である。 [0065] A "system" is a plurality of interconnected FPCs (and optionally other types of cells and filters) controlled either manually or by a process controller.
[0066]「標的金属」は、CCCを使用して除去される所与の金属又は金属誘導体の1又は複数の種を意味する。 [0066] "Target metal" means the species or species of a given metal or metal derivative to be removed using CCC.
[0067]「標的種形成」は、標的種のプールベ線図に示すように、セル電極に印加されるEとpHの関数として、標的種が水性電気化学セルにおいて取り得るいくつかのイオン状態又は錯体形成のうちの1つを意味する。 [0067] "Target speciation" refers to the number of ionic states or It means one of complex formation.
[0068]「標的種」は、FPCを使用して除去される分子、化合物、又は微粒子を意味する。「標的種」は、FPCへのインプット流中に検出される(「プールベ線図において種として識別される」とも呼ばれる)分子、化合物、又は微粒子だけでなく、分子、化合物、又は微粒子を含むFPCにおいて創出される1又は複数種の中間体及び最終反応生成物も含む。 [0068] "Target species" means a molecule, compound, or microparticle to be removed using FPC. A “target species” is not only a molecule, compound or microparticle that is detected in the input stream to the FPC (also called “identified as a species in the Pourbaix diagram”), but also a molecule, compound or microparticle that contains the FPC Also includes one or more intermediates and final reaction products created in
[0069]「通過流」は、セル内で処理されている液体流を意味する。別の言い方をすれば、通過流は、セル内であって、セルへの入口とセルからの出口の間にある液体流を意味する。 [0069] "Through-flow" means a liquid stream being processed within a cell. Stated another way, through flow means the liquid flow within the cell and between the inlet to the cell and the outlet from the cell.
[0070]「処理する」は、作動中のFPC又はFPCを収容するシステムにインプット流を供給し、浄化されたアウトプット流を回収することを意味する。 [0070] "Treat" means providing an input stream to an operating FPC or system containing FPCs and recovering a clarified output stream.
[0071]「処理済電極」は、本明細書に開示される電極表面改質を受けた電極を意味する。 [0071] "Treated electrode" means an electrode that has undergone an electrode surface modification disclosed herein.
[0072]「TDS」は、総溶解固体を意味する。一般的な操作的定義は、固体は、2ミクロンの細孔を備えるフィルターを通してのろ過に耐える程度に十分に小さくなければならない、というものである。 [0072] "TDS" means total dissolved solids. A common operational definition is that solids must be small enough to withstand filtration through filters with 2 micron pores.
[0073]「未処理電極」は、本明細書に開示される電極表面改質を受けていない電極、即ち、純粋な炭素電極を意味する。 [0073] "Untreated electrode" means an electrode that has not undergone the electrode surface modification disclosed herein, ie, a pure carbon electrode.
[0074]「電圧」及び「電位」は、本明細書においては同義語である。電圧は、特別の定めがない限り直流電流(「DC」)である。 [0074] "Voltage" and "potential" are synonymous herein. Voltage is direct current (“DC”) unless otherwise specified.
[0075]「廃棄物流」は、CDI、MCDI、i-CDIセル、逆浸透、イオン交換、又は吸着と脱着を繰り返す他の水浄化セルを通過して、インプット流よりも高いモル濃度のイオンを含有する液体を意味する。脱イオン化セル、例えば、容量性脱イオン化セルを、FPCを収容するシステムに使用することができる。FPCは、廃棄物流を有さない。FPCからのアウトプット流は、浄化水である。分子を定期的に脱着する脱イオン化セルを収容するシステムは、(i)FPCアウトプット流と組み合わされた、吸着状態で作動する脱イオン化セルからの浄化されたアウトプット流、及び(ii)脱着状態で作動する脱イオン化セルからの廃棄物流を有する。 [0075] A "waste stream" passes through a CDI, MCDI, i-CDI cell, reverse osmosis, ion exchange, or other water purification cell that cycles between adsorption and desorption to remove ions at a higher molar concentration than the input stream. means the liquid it contains. A deionization cell, such as a capacitive deionization cell, can be used in the system containing the FPC. FPC has no waste stream. The output stream from the FPC is purified water. A system containing a deionization cell that periodically desorbs molecules provides (i) a purified output stream from the deionization cell operating in adsorption combined with the FPC output stream, and (ii) desorption It has a waste stream from a deionization cell operating under conditions.
(関連技術)
[0076]飲用水及び作物灌漑用水に含まれる有毒金属、とりわけ鉛は、主要な、世界的な健康問題である。この問題、及び健康への影響は、都市水道システムの水が鉛汚染によって有毒となるような危機が発生するまで、ほとんど報告されることがない。昨年、少なくとも1800万人のアメリカ人が、鉛で汚染された水を飲む危険にさらされていた。5,000を超える公共給水システムが、連邦鉛規則に違反していた。小児における血液鉛レベルの上昇は、不可逆的な神経及び行動障害を引き起こし、たとえ低レベルでも、IQ及び生涯達成度の低下に関連してきた。米国環境保護局(「EPA」)は、鉛曝露の安全なレベルは存在しないことを強調している。住居用の使用地点/流入地点(POU/POE)の鉛低減用に最も一般に使用されているフィルター、例えば、ゼオライト及びイオン交換を使用するフィルターでは、不十分である。それらは、有効寿命が限られ、実質的な鉛特異性に欠け、高価である。
(Related technology)
[0076] Toxic metals, especially lead, in drinking water and crop irrigation water are a major global health problem. This problem, and its impact on health, go largely unreported until a crisis occurs when the water in the municipal water system becomes toxic due to lead contamination. Last year, at least 18 million Americans were at risk of drinking lead-contaminated water. Over 5,000 public water systems were in violation of federal lead regulations. Elevated blood lead levels in children cause irreversible neurological and behavioral deficits and have been associated with reduced IQ and lifelong achievement, even at low levels. The US Environmental Protection Agency ("EPA") emphasizes that there is no safe level of lead exposure. Most commonly used filters for residential point-of-use/point-of-entry (POU/POE) lead reduction, such as filters using zeolites and ion exchange, are inadequate. They have a limited useful life, lack substantial lead specificity, and are expensive.
[0077]図1は、都市飲用水中の鉛レベルが危険なほど高い米国の場所と、米国の幼児における血液鉛レベル上昇の発生頻度を示し、そこでは、幼児は、永続的な脳損傷、発作、昏睡、更には鉛中毒死のリスクにさらされている。米国天然資源保護協議会(「NRDC」)は最近、水中の鉛と銅のレベルを監視する連邦基準であるEPAの鉛及び銅規則(https://www.epa.gov/dwreginfo/lead-and-copper-rule)に違反する5,363の公共給水システムを発見した。NRDC報告書は、鉛についての対策レベル(試験を行った住宅の少なくとも10パーセントで15ppb)を超える1,110の水道システムも発見している。これらのシステムは、合計で約4百万人にサービスを提供している。EPAは、1991年の鉛と銅規則を改定して規制をより厳格にすることを検討しており、EPAの行政官は、EPAが「鉛に対する戦争を宣言する」という野心的な10年間の戦略に取り組んでいると述べており、飲用水中の鉛について、「我々が国として直面する最大の環境脅威の1つ」であると説明した。 [0077] FIG. 1 shows locations in the United States with dangerously high lead levels in municipal drinking water and the incidence of elevated blood lead levels in US infants, where infants are susceptible to permanent brain injury, They are at risk of seizures, coma, and even death from lead poisoning. The Natural Resources Defense Council (“NRDC”) recently released the EPA's Lead and Copper Regulation (https://www.epa.gov/dwreginfo/lead-and-), a federal standard for monitoring lead and copper levels in water. We found 5,363 public water systems that violated the copper-rule. The NRDC report also found 1,110 water systems that exceeded the action level for lead (15 ppb in at least 10 percent of homes tested). Together, these systems serve approximately 4 million people. The EPA is considering revising the 1991 Lead and Copper Regulations to make the regulations more stringent, and EPA officials have announced an ambitious 10-year plan for the EPA to "declare war on lead." It said it was working on a strategy, describing lead in drinking water as "one of the greatest environmental threats we face as a nation."
[0078]ミシガン州フリントにおける都市水道システムの2018年の試験では、13,000ppbの鉛レベルが示され、これは、飲用水における鉛についてのEPA対策レベルの866倍である。人々は、家庭、学校、及び地域社会での水質に対してより意識するようになり、懸念を強めている。ニューヨーク州、カリフォルニア州、オハイオ州、及びイリノイ州の公立学校の水飲み器は、試験で15ppbの対策レベルを遙かに超えていた。古いインフラから飲用水システムへパイプが鉛を浸出させるリスクを最小限に抑えるために公共水道当局が講じた腐食防止策にもかかわらず、飲用水中の鉛濃度は一般に、全国的に上昇している。飲用水から鉛を排除する最も効果的な方法は、鉛ラインを交換することであるが、それには、推定300億ドルの費用がかかる。飲料水用のより良好なPOU/POEデバイスは、遙かに簡単で費用効果の高い解決策となり得る。既存の解決策は、高額な費用、不十分な有効性、及び/又は短いデバイス寿命に圧倒されているため、鉛汚染の問題は、十分に対処されていない。 [0078] A 2018 test of a municipal water system in Flint, Michigan showed a lead level of 13,000 ppb, which is 866 times the EPA action level for lead in drinking water. People are becoming more aware and concerned about water quality in their homes, schools, and communities. Public school water bottles in New York, California, Ohio, and Illinois far exceeded the 15 ppb action level in testing. Despite corrosion control measures taken by public water authorities to minimize the risk of lead leaching from pipes from older infrastructure into drinking water systems, lead concentrations in drinking water are generally rising nationwide. there is The most effective way to eliminate lead from drinking water is to replace lead lines, at an estimated cost of $30 billion. A better POU/POE device for drinking water could be a much simpler and cost effective solution. The problem of lead contamination is not adequately addressed as existing solutions are overwhelmed by high cost, poor efficacy, and/or short device lifetimes.
[0079]現在市場に出回っている鉛除去デバイスは、鉛に対する特異性に欠けており、デバイス寿命は、鉛の濃度に関係なく、ろ過した水体積の総量によって制限される。時間の経過と共に、フィルター前後の圧力降下が大きくなり、フィルター内の吸着剤が完全に消費されていなくても、水がフィルターを通って流れることができなくなって、役に立たなくなる。 [0079] Lead removal devices currently on the market lack lead specificity and device life is limited by the total filtered water volume, regardless of lead concentration. Over time, the pressure drop across the filter becomes so large that even if the adsorbent in the filter is not completely depleted, water cannot flow through it, rendering it useless.
[0080]塩素及び/又はクロラミンは、微生物の増殖を制御するための消毒剤として米国の飲用水供給に日常的に添加されている。微生物の除去は人間の消費にとって有益であるが、塩素及び/又はクロラミンは、水道水の不快な味や臭いの一因となる。したがって、最終使用の前に塩素及びクロラミンを除去することが望ましい。塩素は、クロラミンよりも揮発性が高く、典型的な消費者のフィルターピッチャーで容易に除去することができる。しかし、クロラミンを除去するには、活性炭(触媒炭素)を含有する特別に配合したフィルターが必要である。塩素及び/又はクロラミンの存在はまた、高分子膜、例えば逆浸透(RO)に依存する水浄化プロセスにとっても有害である。ほとんどの膜はこれらの消毒剤に耐性がなく、曝露されると分解し、不可逆的損傷及び高価なRO膜の交換の原因となる。飲用水及び熱電プラントや他の工業プロセスで使用する他の水(「プロセス水」)は、プロセスシステムの腐食及び汚染を低減するため、塩素、クロラミン、及び他のハロゲン化物(とりわけ、臭素及びヨウ素)、並びにハロゲン化物誘導体を除去する必要がある。RO膜に損傷を与えることなく、活性炭フィルターの使用を低減して水の供給源から塩素とクロラミンの両方を除去するという技術的問題の解決策は、水浄化コストを削減するだけでなく、飲用水及びプロセス水の質を改善する。水浄化プロセスとしての水質汚染物質の酸化は通常、過酸化水素又はオゾンを用いて行われる。ある特定の水質汚染物質の酸化は、更なる介入なしに汚染物質の更なる分解と最終的な破壊を促進する。 [0080] Chlorine and/or chloramines are routinely added to US drinking water supplies as disinfectants to control microbial growth. While microbial removal is beneficial for human consumption, chlorine and/or chloramines contribute to the unpleasant taste and odor of tap water. Therefore, it is desirable to remove chlorine and chloramines prior to final use. Chlorine is more volatile than chloramines and can be easily removed with a typical consumer filter pitcher. However, removal of chloramines requires specially formulated filters containing activated carbon (catalytic carbon). The presence of chlorine and/or chloramines is also detrimental to water purification processes that rely on polymeric membranes such as reverse osmosis (RO). Most membranes are not resistant to these disinfectants and degrade upon exposure, causing irreversible damage and costly RO membrane replacement. Drinking water and other waters used in thermoelectric plants and other industrial processes (“process water”) should contain chlorine, chloramines, and other halides (especially bromine and iodine) to reduce corrosion and contamination of process systems. ), as well as halide derivatives. A solution to the technical problem of removing both chlorine and chloramines from water sources by reducing the use of activated carbon filters without damaging RO membranes would not only reduce water purification costs, but also improve drinking water quality. Improves water and process water quality. Oxidation of water pollutants as a water purification process is usually performed using hydrogen peroxide or ozone. Oxidation of certain water pollutants promotes further decomposition and eventual destruction of the pollutant without further intervention.
[0081]解決すべき技術的問題は、(i)浄化水を生成するためのより効率的でより安価な浄化デバイス、とりわけ、飲料水中の可溶性及び不溶性の鉛を15ppb未満にまで除去するデバイスを提供することであり、その浄化デバイスは、(ii)住居用、都市用、商業用、及び工業用として容易に拡張可能であることである。出願人は、標的種の凝集によりこの技術的問題を解決するファラディック多孔性セル(「FPC」)を開発した。本明細書では電気脱ハロゲン化セル(「EDC」)と呼ばれる、新規な電気脱ハロゲン化技術を使用して水から塩素、他のハロゲン化物、クロラミン消毒剤、及び他のハロゲン化物誘導体を除去する第1の種;及び、本明細書では、容量性凝固セル(「CCC」)と呼ばれる、新規な容量性凝固技術を使用して金属、金属誘導体、及び粒子状金属を除去する第2の種の2種のFPCが、本明細書に開示される。出願人のファラディック多孔性技術は、一般に使用されるプロセス、例えば化学凝固、イオン交換、及び吸着剤よりも、水の浄化に著しく効果的である。EDCは、飲用水及びプロセス水から塩素、クロラミン、並びに他のハロゲン化物及びハロゲン化物誘導体を除去するコストを削減し、効率を向上させるという技術的問題を解決する。CCCは、飲用水及びプロセス水から金属、金属誘導体、及び粒子状金属を除去するコストを削減し、効率を向上させるという技術的問題を解決する。 [0081] The technical problems to be solved are: (i) more efficient and cheaper purification devices for producing purified water, especially devices that remove soluble and insoluble lead in drinking water to less than 15 ppb; (ii) the purification device is readily scalable for residential, urban, commercial and industrial use; Applicants have developed a Faradic Porous Cell (“FPC”) that solves this technical problem by aggregation of target species. Remove chlorine, other halides, chloramine disinfectants, and other halide derivatives from water using a novel electrodehalogenation technology, referred to herein as an Electrodehalogenation Cell (“EDC”) A first species; and a second species that uses a novel capacitive coagulation technology, referred to herein as a capacitive coagulation cell (“CCC”), to remove metals, metal derivatives, and particulate metals. Two types of FPC are disclosed herein. Applicant's Faradic porosity technology is significantly more effective at purifying water than commonly used processes such as chemical coagulation, ion exchange, and adsorbents. EDC solves the technical problem of reducing the cost and increasing the efficiency of removing chlorine, chloramines, and other halides and halide derivatives from drinking and process waters. CCC solves the technical problem of reducing the cost and improving the efficiency of removing metals, metal derivatives and particulate metals from drinking water and process water.
[発明の概要]
[00123]典型的には一定の印加電位下で作動する電気化学的デバイスを使用して水から金属及びハロゲン化物汚染物質を除去する効率を高めるために、出願人は、容量吸着、セル電極付近又は上でのファラディック反応、及び電極細孔口径プロファイリングを組み合わせて、新しいタイプの電気化学的デバイスである、ファラディック多孔性セルを創出する。ファラディック多孔性セルにおける第1の考慮事項は、反応を起こし、アノード(水による炭素酸化)とカソード(溶存酸素還元)の両方で、長期間にわたりpHを変化させることができる炭素系材料の選択及び使用である。適切な多孔性とバルク材料特性を有する炭素材料は、長期間にわたりこれらの反応を引き起こすことができ、それにより、水溶液から除去すべき入ってくる成分(標的種)との標的反応が可能となる。
[Summary of Invention]
[00123] To increase the efficiency of removing metal and halide contaminants from water using electrochemical devices that typically operate under a constant applied potential, Applicants have proposed capacitive adsorption, near the cell electrodes. Or combine the faradic reaction above and electrode pore size profiling to create a new type of electrochemical device, the faradic porous cell. A primary consideration in Faradic porous cells is the selection of carbon-based materials that can undergo reactions and change pH over time at both the anode (carbon oxidation by water) and cathode (dissolved oxygen reduction). and use. Carbon materials with suitable porosity and bulk material properties can induce these reactions over extended periods of time, thereby allowing targeted reactions with incoming components (target species) to be removed from aqueous solutions. .
[00124]次の設計上の考慮事項は、アノードとカソードの間の間隔である。間隔を減少させると、電極間の電気的な絶縁を維持したまま反応速度を上げることが可能であり、ある特定の「反応及び固定化」プロセスを達成するために必要な滞留時間が制限される。電極間隔は、典型的には1mm未満であり、アノードとカソードの短絡を引き起こしたり、FPC内での許容できない圧力降下(その結果としての滞留時間の増加と流量の減少)を引き起こしたりしなければ、可能な限り近いことが望ましい。好ましい電極間隔は、1mm未満、好ましくは200ミクロン未満、より好ましくは50ミクロン未満、最も好ましくは20ミクロン未満である。 [00124] The next design consideration is the spacing between the anode and cathode. Decreasing the spacing can increase the reaction rate while maintaining electrical isolation between the electrodes, limiting the residence time required to achieve a certain "react and immobilization" process. . Electrode spacing is typically less than 1 mm and must not cause anode-cathode shorting or unacceptable pressure drop in the FPC (with consequent increase in residence time and decrease in flow rate). , preferably as close as possible. Preferred electrode spacing is less than 1 mm, preferably less than 200 microns, more preferably less than 50 microns, most preferably less than 20 microns.
[00125]標的種のうちのいくつかの種は、物理的な捕捉(「物理吸着」)により、又は電気的引力(「容量吸着」)により、電極に吸着する。標的種の他の種は、電極に固定化される標的種の新しい種を直接的又は間接的に創出する反応(典型的には、酸化)のための出発物質である。固定化は、標的種を溶液から除去する。電極間の所与の間隔と、対応する炭素電極材料の特性で、インプット流中の標的種のプールベ線図に基づき、アノードとカソードに印加される電位が選択される。様々な標的種の場合のFPCパラメータの例を、表1に示す。例えば、銅を除去するには、めっきによる電極への固定化は、0~14のpH領域では、対NHEで約0.3V~-0.4Vの範囲の電位で起こる可能性がある。加えて、対NHEで0Vを超える電位及び4より高いpH値では、アノードで水酸化銅(Cu(OH)2)の形態で析出が起こる可能性がある(図17参照)。ファラディック多孔性セルでの銅の除去には、約0.4Vの総セル電位が望ましい。 [00125] Some of the target species adsorb to the electrode either by physical entrapment ("physisorption") or by electrical attraction ("capacitive adsorption"). Other species of target species are starting materials for reactions (typically oxidations) that directly or indirectly create new species of target species immobilized on the electrode. Immobilization removes the target species from solution. The potentials applied to the anode and cathode are selected based on the Pourbaix diagram of the target species in the input stream, given the spacing between the electrodes and the properties of the corresponding carbon electrode material. Examples of FPC parameters for various target species are shown in Table 1. For example, to remove copper, immobilization to electrodes by plating can occur at potentials ranging from about 0.3 V to -0.4 V versus NHE in the pH range of 0-14. In addition, at potentials above 0 V versus NHE and pH values above 4, deposition in the form of copper hydroxide (Cu(OH) 2 ) can occur at the anode (see Figure 17). A total cell potential of about 0.4 V is desirable for copper removal in Faradic porous cells.
[00126]他の標的種は、同様の機構であるが、異なる電圧領域で除去することができる。例えば、鉛の析出は、電極表面で生成されるpHと電位から発生する可能性がある。対NHEで約-0.4Vよりも負の電位及び0~14のpH領域で、鉛は、カソードで固体としてめっきされる可能性がある。pHを1.5より高く保ち、対NHEで0.5Vを超える電位を使用した場合、アノードでの析出は、PbO2としても起こる可能性がある(図16)。最後に、カソードで発生するH2O2からの酸化も、標的種の析出を引き起こす可能性がある。カソード近くでの溶存酸素(「DO」)の還元速度は、例えば、カソードのEPZCの酸化的シフトによる、又はin situでの使用の結果としてのカソード炭素の酸化に依存する。 [00126] Other target species can be removed by similar mechanisms but in different voltage regimes. For example, lead deposition can arise from the pH and potential generated at the electrode surface. At potentials more negative than about -0.4 V versus NHE and in the pH range of 0-14, lead can plate as a solid at the cathode. Deposition at the anode can also occur as PbO 2 if the pH is kept above 1.5 and potentials above 0.5 V versus NHE are used (FIG. 16). Finally, oxidation from H 2 O 2 occurring at the cathode can also cause deposition of the target species. The rate of dissolved oxygen (“DO”) reduction near the cathode depends on the oxidation of cathode carbon, for example, by oxidative shift of the EPZC at the cathode or as a result of in situ use.
[00127]材料に関するプールベ線図を使用すると、ファラディック多孔性セルにおいて対象の標的種を除去するのに必要なpHと電圧を定義することができる。ファラディック多孔性セルは、一連の多孔質炭素アノードとカソードを含み、典型的には還元カソード(負のEPZCと正の表面電荷)と純粋なアノード(ただし、アノードは、使用中に正のEPZCシフト((負の表面電荷))を被る)からなり、電極両端に小さな電圧、例えば、1.2Vを印加することにより作動する。FPCのCCC実施形態の概略図を図2に示す。浄化すべき水性インプット流がセルへの入口を通ってFPCに導入され、FPC中の電極が水流に漬かり、標的種が通過流から除去される。FPCでの標的種の除去後、通過流は、使用、保存、又は更なる処理のために、出口を通ってセルから排出される。セルの電極は、E+又はE-を所与の電極に印加できる電源に接続されている。FPCの中核となる進歩性は、セルアノードに印加されるE+とセルカソードに印加されるE-との正確なマッチング、電極材料の細孔口径プロファイル、及び選択されるプールベ作動領域であり、それにより浄化効率が向上し、費用/便益が向上する。プールベ線図作動領域は、印加されるEとpHに基づく種形成を示す。FPCにおいて、種形成は、電極に印加される電位E+及びE-によって推進される。細孔口分布(「PMD」)プロファイルが最適化された電極を用い、選択したプールベ作動領域でFPC動作を維持すると、未処理電極で発生する従来の吸着を遙かに超えるほど標的種の除去が増加する。 [00127] The Pourbaix diagram for materials can be used to define the pH and voltage required to remove the target species of interest in a Faradic porous cell. A Faradic porous cell contains a series of porous carbon anodes and cathodes, typically a reduced cathode (negative E PZC with a positive surface charge) and a pure anode (where the anode becomes positive during use). E PZC shift (suffer (negative surface charge))) and is actuated by applying a small voltage, eg, 1.2 V, across the electrodes. A schematic diagram of a CCC embodiment of the FPC is shown in FIG. An aqueous input stream to be purified is introduced into the FPC through an inlet to the cell, electrodes in the FPC are immersed in the water stream, and target species are removed from the flow-through. After removal of target species at the FPC, the flow-through exits the cell through an outlet for use, storage, or further processing. The electrodes of the cell are connected to a power supply capable of applying E+ or E- to a given electrode. The core advances of FPC are the precise matching of the E+ applied to the cell anode and the E− applied to the cell cathode, the pore size profile of the electrode materials, and the selected Pourbaix operating area, which This improves purification efficiency and improves cost/benefit. The Pourbaix diagram operating region shows seeding based on applied E and pH. In FPC, seeding is driven by potentials E+ and E− applied to the electrodes. Using electrodes with optimized pore mouth distribution (“PMD”) profiles and maintaining FPC operation in the selected Pourbaix operating regime removes target species far beyond conventional adsorption occurring on untreated electrodes. increases.
[00128]好ましい平均細孔口径は、0.8nm~50nmの範囲であり、より好ましい平均細孔口径の範囲は、2nm~20nmである。印加される電位は、標的種の酸化還元反応(例えば、めっき、酸化、還元、過酸化等)を引き起こし、アノード(酸性)及びカソード(塩基性)での局所的pH領域を変化させる炭素電極上でのファラディック反応を推進する。標的種の反応とpHの変化の組み合わせは、印加される電位により制御される。印加されるEは、典型的には定電圧であり、定常状態でほぼ定電流に到達する。一般的に言って、印加される電圧は、どんなファラディック反応がFPC内で起こるかを決定づける。FPCは、処理済(即ち、シフトされたEPZC)電極を使用することなく通過流から標的種を除去するが、処理済電極を使用すると、ある特定の水の化学的性質では標的種の除去が増加する。処理済電極を使用した場合、使用電圧ウィンドウ(アノードのEPZCとカソードのEPZCの電位差)は、典型的には0.3V~1.23Vの範囲である。 [00128] Preferred average pore sizes range from 0.8 nm to 50 nm, with a more preferred average pore size range from 2 nm to 20 nm. The applied potential causes redox reactions (e.g., plating, oxidation, reduction, peroxidation, etc.) of the target species on the carbon electrodes, altering the local pH regions at the anode (acidic) and cathode (basic). drive the faradic reaction in . The combination of target species reaction and pH change is controlled by the applied potential. The applied E is typically a constant voltage and reaches a near constant current at steady state. Generally speaking, the applied voltage determines what Faradic reactions occur within the FPC. FPC removes target species from the flow-through without the use of treated (i.e., shifted E PZC ) electrodes, whereas the use of treated electrodes results in less target species removal for certain water chemistries. increases. Using the treated electrodes, the working voltage window (potential difference between the E PZC at the anode and the E PZC at the cathode) is typically in the range of 0.3V to 1.23V.
[00129]FPCの発明は、電極の多孔性、印加されるE、及びプールベ作動領域を最適化することにより、標的種(例えば、鉛、鉄、マンガン、カドミウム、クロム、塩素、クロラミン等)の吸着(物理的及び容量性)と、吸着された標的種の固定化(凝固とも呼ばれる)を組み合わせるものである。(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び標的種固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H2O2)発生;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル;(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計の最適化は、標的種、インプット流の水の化学的性質、及び通過流の水の化学的性質に依存する。 [00129] The FPC invention can be used to target species (e.g., lead, iron, manganese, cadmium, chromium, chlorine, chloramines, etc.) by optimizing electrode porosity, applied E, and Pourbaix actuation area. It combines adsorption (both physical and capacitive) and immobilization (also called coagulation) of the adsorbed target species. (ii) capacitive adsorption; (iii) electrochemical pH adjustment and target species immobilization ; (iv) electrochemical peroxide ( H2O2 ) generation; (v) electrodeposition (e.g. (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) deposition; (viii) pore size profile; (ix) electrode treatment, (x) electrode spacing, and (xi) flow-by pair Optimization of the flow-through versus carbon block cell design depends on the target species, the input stream water chemistry, and the through-stream water chemistry.
[00130]還元は、FPCのカソードでのみで起こる。電気化学的還元は通常、セルに印加される電位として説明される。アノードとカソードの間の電圧分布は、印加される電圧の量、電極の材料特性、及び水溶液の化学的性質に基づいて自発的に起こる。 [00130] Reduction occurs only at the cathode of the FPC. Electrochemical reduction is usually described as a potential applied to the cell. The voltage distribution between the anode and cathode occurs spontaneously based on the amount of voltage applied, the material properties of the electrodes, and the chemistry of the aqueous solution.
[00131]本発明の一実施形態は、プールベ線図が存在する金属イオン又は粒子状金属、例えばAs、Se、Pb、Ni、Zn、Al、Sc、Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuを、それぞれがCCCパラメータである下記の方法のうちの1つ又は複数によりインプット流から除去する1つ又は複数の容量性凝固セルを使用する容量性凝固システム及び方法である:(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び金属固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H2O2)発生及び金属酸化;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化又は還元;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル;(ix)電極処理、(x)電極間隔、並びに(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計。CCCは、水から鉛を除去して、鉛濃度が飲用又は灌漑用水用のEPA対策レベルである15ppb未満の水を生成することができる。 [00131] An embodiment of the present invention relates to metal ions or particulate metals for which Pourbaix diagrams exist, such as As, Se, Pb, Ni, Zn, Al, Sc, Ti, V, Cr, Mn, Fe, Co. , Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ce, Pr, Nd , Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, and Lu from the input stream by one or more of the following methods, each of which is a CCC parameter: A capacitive coagulation system and method using multiple capacitive coagulation cells: (i) physisorption; (ii) capacitive adsorption; (iii) electrochemical pH control and metal immobilization; (v) electrodeposition (e.g., electroplating, electrophoretic deposition) ; (vi) electrochemical oxidation or reduction; (vii) deposition; (viii) pore size. Profile; (ix) electrode treatment, (x) electrode spacing, and (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block cell design. CCC can remove lead from water to produce water with lead concentrations below 15 ppb, the EPA action level for drinking or irrigation water.
[00132]先行技術のデバイスと比較して、出願人のCCCは、鉛及び他の金属に対する特異度が高く、溶解及び微粒子の鉛と他の金属の両方を除去し、日又は週単位ではなく、年単位で測定できるデバイス寿命を有し、低コスト材料を使用する。出願人のCCCは、電気化学と炭素材料とを組み合わせて水中の他の成分、例えば鉄、揮発性有機化合物(VOC)、粒子状物質及び天然有機物(NOM)により飽和、汚染、又は阻害されないシステムを提供することにより、その長寿命と効率を達成する。出願人のデバイスの寿命は、炭素ろ過、イオン交換ろ過、ゼオライト吸着剤、及び逆浸透(RO)の先行技術よりも、数倍長い。 [00132] Compared to prior art devices, Applicants' CCC has a high specificity for lead and other metals, removing both dissolved and particulate lead and other metals, and takes less time than days or weeks. , have device lifetimes that can be measured in years, and use low-cost materials. Applicant's CCC combines electrochemistry with carbon materials to create a system that is not saturated, polluted, or inhibited by other constituents in water such as iron, volatile organic compounds (VOCs), particulate matter and natural organic matter (NOM). It achieves its long life and efficiency by providing The lifetime of Applicant's device is several times longer than the prior art of carbon filtration, ion exchange filtration, zeolite adsorbents, and reverse osmosis (RO).
[00133]CCCにおいて、最適化されたPMD、印加されるE、化学的操作、及び電気化学的操作を組み合わせることで、鉛の炭素電極への固定化(凝固)が容易になる。吸着された鉛は、溶液から恒久的に除去される(図13)。この方法論は、鉄、マンガン、カドミウム、クロム、並びに他の金属及び金属誘導体の処理に容易に適合可能であり、適用可能である。CCCを「調整」することは、主に、(ii)標的種のプールベ線図における作動領域を分析し選択することに基づき、(i)CCCアノードとカソードの間に印加される電圧を選択すること、及び(iii)標的種の除去を最大化するCCC炭素電極の細孔口径プロファイルを選択することを意味する。CCCからの流出物は、更なる処理をせずに使用することも、他の標的種の更なる除去のために1つ又は複数のEDC、CCC、又は先行技術の水浄化セルに送ることもできる。調整は、任意選択で、電極処理によって更に最適化することができる。 [00133] In CCC, a combination of optimized PMD, applied E, chemical and electrochemical manipulations facilitate immobilization (coagulation) of lead on carbon electrodes. Adsorbed lead is permanently removed from the solution (Fig. 13). This methodology is readily adaptable and applicable to the treatment of iron, manganese, cadmium, chromium, and other metals and metal derivatives. "Tuning" the CCC is primarily based on (ii) analyzing and selecting the operating region in the Pourbaix diagram of the target species, and (i) selecting the voltage applied between the CCC anode and cathode. and (iii) choosing a pore size profile for the CCC carbon electrode that maximizes the removal of the target species. The effluent from the CCC can be used without further treatment or sent to one or more EDC, CCC, or prior art water purification cells for further removal of other target species. can. Conditioning can optionally be further optimized by electrode treatments.
[00134]金属の種形成と化学的性質を活用して、水の化学的性質に関係なく、高い有効性と選択性で水から鉛(及び他の標的金属)を選択的に除去することができる。この操作により、出願人のCCCは、(i)飲用水源から鉛及び他の標的種を電気化学的、化学的、及び物理的に除去することができ、現在必要とされ、インプット流の状態及びpHを変化させることにより駆動される多数の分離技法の必要性を排除し、(ii)飲用水及びプロセス水を浄化するためのより効率的で、安価で、拡張可能なデバイス、とりわけ、可溶性及び不溶性の鉛を15ppb未満にまで除去するデバイスを提供するという技術的問題を解決する。インプット流のpHの調節は、標的種の凝集を改善するために、とりわけ金属の除去のために必要な場合がある。 [00134] Metal speciation and chemistry can be exploited to selectively remove lead (and other target metals) from water with high efficacy and selectivity regardless of water chemistry. can. Through this operation, Applicant's CCC can (i) electrochemically, chemically, and physically remove lead and other target species from drinking water sources, currently requiring and input stream conditions. and (ii) more efficient, inexpensive and scalable devices for purifying drinking and process waters, especially soluble and solve the technical problem of providing a device that removes insoluble lead to less than 15 ppb. Adjustment of the pH of the input stream may be necessary to improve aggregation of the target species, especially for metal removal.
[00135]FPC技術のEDCの実施形態において、EDCパラメータは、EDC流入物から他の非金属標的種、例えば、塩素、クロラミン、並びに他のハロゲン化物及びハロゲン化物誘導体を除去するように「調整」される。EDCを「調整」することは、主に、(ii)標的種のプールベ線図における作動領域を分析し選択することに基づき、(i)EDCアノードとカソードの間に印加される電圧を選択すること、及び(iii)標的種の除去を最大化するEDC炭素電極の細孔口径プロファイルを選択することを意味する。EDCからの流出物は、更なる処理をせずに使用することも、他の標的種の更なる除去のために1つ又は複数のEDC、CCC、又は先行技術の水浄化セルに送ることもできる。調整は、任意選択で、電極処理によって更に最適化することができる。デバイスの特徴及び利点を以下並びに図面の表2及び表3に列挙する。 [00135] In EDC embodiments of FPC technology, EDC parameters are "tuned" to remove other non-metal target species such as chlorine, chloramines, and other halides and halide derivatives from the EDC influent. be done. "Tuning" the EDC is primarily based on (ii) analyzing and selecting the operating region in the Pourbaix diagram of the target species, and (i) selecting the voltage applied between the EDC anode and cathode. and (iii) choosing a pore size profile for the EDC carbon electrode that maximizes the removal of the target species. The effluent from the EDC can be used without further treatment or sent to one or more EDC, CCC, or prior art water purification cells for further removal of other target species. can. Conditioning can optionally be further optimized by electrode treatments. Device features and advantages are listed below and in Tables 2 and 3 of the drawings.
[00136]EDC又はCCCは、任意選択で、一方又は両方の電極のEpzcが、純粋な電極のEpzcと比較してシフトされている炭素で作られた処理済アノード及びカソードを使用する。電極のEpzcをシフトさせると、起こる反応の速度を(正方向又は負方向のいずれかに)変化させることができる。シフトさせるのをアノードのみとするか、カソードのみとするか、両方のタイプの電極とするか、及びどの程度のEpzcシフトを使用するかは、インプット水の化学的性質と標的種に依存する。 [00136] EDC or CCC optionally use treated anodes and cathodes made of carbon in which the Epzc of one or both electrodes is shifted compared to the Epzc of the pure electrodes. Shifting the Epzc of an electrode can change the rate of reaction that occurs (either positively or negatively). Whether to shift anodic only, cathodic only, or both types of electrodes, and how much Epzc shift to use depends on the input water chemistry and the target species.
[00137]炭素電極は、3Vの高電位が電極に印加された場合に、電気分解又は水分解を回避又は低減する点で、金属電極よりも優れている。1.23Vを超える印加電位(「過電位」)は、水の電気分解を引き起こす可能性があり、それは、危険な水素ガスを生成する。金属電極は、2V未満で水素ガスの生成を引き起こす可能性がある。対照的に、炭素電極は、実質的な水の電気分解を回避しながらより高い印加電圧に耐えることができる。 [00137] Carbon electrodes are superior to metal electrodes in avoiding or reducing electrolysis or water decomposition when a high potential of 3V is applied to the electrodes. Applied potentials above 1.23 V (“overpotentials”) can cause electrolysis of water, which produces hazardous hydrogen gas. Metal electrodes can cause the generation of hydrogen gas below 2V. In contrast, carbon electrodes can withstand higher applied voltages while avoiding substantial water electrolysis.
[00138]EDCの進歩性は、(i)特定の炭素電極と印加電圧による塩素及びクロラミン(味と臭いの原因)の削減に必要な電力消費の削減、(ii)オンデマンドで、又は連続処理として使用できること、(iii)大幅に低コストのPOU/POEデバイスと低コストの都市、商業、及び工業用の大規模システムを実現する、拡張可能性が非常に高く、単純な設計であること、(iv)従来の炭素ブロック(例えば活性炭/活性木炭)と同様の性能であるが、必要な炭素が大幅に少ないこと、(v)遙かに短い滞留時間での同様な遊離塩素の除去性能、(vi)使用する炭素が少ないこと、(vii)とりわけ塩素及びクロラミンの除去の場合の電極寿命が長いこと、(viii)特定の除去量とアウトプット水質に対するより微細な制御、(ix)標的種除去対電極寿命のバランスを取る速度に対するより良好な制御、及び(x)FPC電極用の炭素の選択によりFPCの費用/便益が調節できること、である。 [00138] EDC's inventiveness is due to (i) the reduction in power consumption required to reduce chlorine and chloramines (sources of taste and odor) due to specific carbon electrodes and applied voltages, (ii) on-demand or continuous processing (iii) a highly scalable and simple design that enables significantly lower cost POU/POE devices and lower cost urban, commercial and industrial large scale systems; (iv) similar performance to conventional carbon blocks (e.g. activated carbon/activated charcoal) but requiring significantly less carbon; (v) similar free chlorine removal performance at much shorter residence times; (vi) use less carbon, (vii) longer electrode life, especially for chlorine and chloramine removal, (viii) finer control over specific removal rate and output water quality, (ix) target species. (x) the ability to adjust the cost/benefit of FPC through the choice of carbon for the FPC electrode;
[好ましい実施形態の詳細な説明]
[00139]容量性充電プロセス中は、一定の電流又は電圧を使用して、エネルギー貯蔵、脱塩、又は他の有用な容量性技法を目的として電極表面を充電する。電極の充電とそれに続く放電は多くの場合、意図する用途に応じ、ある範囲の電圧と電流にわたって数千サイクル行われる。活性炭で作られた炭素電極は、(i)比表面積が大きく、その結果静電容量が大きいこと、及び、(ii)官能基を追加して、とりわけ、金属及び他の標的種の除去、エネルギー貯蔵、並びに脱イオン化(例えば、海水又は汽水の脱塩)を改善する表面改質を行う機会があるため、こうした容量ベースの充電及び放電プロセスに採用されることが多い。活性炭は、吸着又は化学反応に利用可能な表面積を増加させる多数の小さな低体積の細孔を有するように処理された炭素の形態である。FPCは、廃水、冷却水、洗濯廃水、人間の消費のために浄化すべき水、農業用に浄化すべき水、園芸用に浄化すべき水、食品に使用するために浄化すべき水、軟化すべき水、人間の消費のために浄化すべき海水、実験室での使用のために浄化すべき水、人間の消費又は農業での使用のために浄化すべき汽水、及び医療用の使用のために浄化すべき水の浄化に使用することができる。
Detailed Description of Preferred Embodiments
[00139] During the capacitive charging process, a constant current or voltage is used to charge the electrode surface for energy storage, desalination, or other useful capacitive techniques. Electrode charging and subsequent discharging are often performed over thousands of cycles over a range of voltages and currents, depending on the intended application. Carbon electrodes made of activated carbon (i) have a large specific surface area, resulting in a large capacitance, and (ii) add functional groups to, among other things, scavenging metals and other target species, energy These capacity-based charge and discharge processes are often employed because of the opportunity for surface modification that improves storage and deionization (eg, desalination of seawater or brackish water). Activated carbon is a form of carbon that has been treated to have a large number of small, low volume pores that increase the surface area available for adsorption or chemical reactions. FPC can be used in wastewater, cooling water, laundry wastewater, water to be purified for human consumption, water to be purified for agriculture, water to be purified for horticulture, water to be purified for food use, softening sea water to be purified for human consumption; water to be purified for laboratory use; brackish water to be purified for human consumption or agricultural use; can be used to purify water to be purified.
[00140]炭素電極中の細孔径の分布は、従来の水浄化技術では見過ごされてきた重要なFPCパラメータである。 [00140] Pore size distribution in carbon electrodes is an important FPC parameter that has been overlooked in conventional water purification techniques.
[00141]電極特性を表4に示す。電極の供給元が、表4の最初の列に記載されている。細孔径、又は細孔口径(「PMD」)は、通過する電荷を維持する上で極めて重要であり、EDC電極の寿命に直接関係する。PMDは通例、炭素電極内の関連する細孔チャネルの直径の代表として使用される。図9は、通過する電荷の安定性に対するPMDの影響を示している。電圧又は電位の印加とそれに続く逆電圧又は電位(又はアノード(複数可)及びカソード(複数可)の短絡若しくは開回路)のサイクルが繰り返された後、細孔チャネルが(及び細孔口さえも)「崩壊」する(より正確には、細孔が閉塞する)ことがある。細孔口が「屋根付き」となる、及び/又は細孔チャネルが「閉鎖」となり、炭素の表面積(とりわけ、細孔チャネルの直径及び長さ)が減少し、その結果、細孔がもはや効果的に機能しなくなる。「屋根付き」細孔口は、細孔内部へのアクセスをブロックする。細孔口の屋根形成及び細孔チャネルの崩壊は、先行技術セルの電極性能の低下や最終的な故障を引き起こす。 [00141] The electrode properties are shown in Table 4. The electrode supplier is listed in the first column of Table 4. Pore size, or pore diameter (“PMD”), is critical in maintaining charge passing through and is directly related to EDC electrode lifetime. PMD is commonly used as representative of the diameter of the relevant pore channels in carbon electrodes. FIG. 9 shows the effect of PMD on the stability of passing charge. After repeated cycles of application of voltage or potential followed by reverse voltage or potential (or short or open circuit of anode(s) and cathode(s)), the pore channel (and even the pore mouth) ) may "collapse" (more precisely, the pores are clogged). The pore mouth becomes "covered" and/or the pore channel becomes "closed", reducing the surface area of the carbon (especially the diameter and length of the pore channel) so that the pores are no longer effective. ceases to function effectively. A "covered" pore mouth blocks access to the interior of the pore. Pore mouth roofing and pore channel collapse cause poor electrode performance and eventual failure of prior art cells.
[00142]FPCにおいて、標的種は、イオン化されている、電荷を帯びている、又は化学結合における電子の非対称分布のために部分的な電荷を帯びている場合、印加された電位のために炭素電極に引きつけられる可能性があり、それが標的種を炭素電極に近づける(又は接触させる)駆動力を発生させる。標的種の非イオン及び非荷電種は、電極表面に衝突する可能性がある。電極表面と接触すると、標的種の固定化への多数の径路が生じる可能性がある。局所的で大きなpHの変動を制御してアルカリ性の環境を電気化学的に生成することができ、それにより、例えば、不溶性の金属酸化物が生成され、電極の近く又は上に析出し、電極細孔に捕捉される。ファラディック反応、例えばカソードでの酸素還元反応は、過酸化水素を生成する可能性があり、過酸化水素は、電極から拡散して近接している標的金属分子を酸化する可能性がある。過酸化水素は、無差別な酸化を遂行する。電極により近い標的種が局所的に高濃度であるほど、過酸化水素が標的種を酸化する統計的確率が高くなる。他のファラディック反応、例えば標的種と電極の間の直接的な電子移動(還元又は酸化)も起こる可能性がある。標的種が電極表面に引きつけられると、炭素電極は、(1)電極から標的種へ電子(複数可)を移動させて標的種を還元し、電極上に堆積するようにするか、(2)標的種から炭素電極に電子(複数可)を移動させて標的種を酸化し、不溶性の酸化物若しくは水酸化物のいずれかにする、又は追加の電子移動反応若しくはpH調節により固定化できるより反応性の高い種にすることができる。析出した種及び電気的に引きつけられた種は、電極細孔に捕捉される。 [00142] In FPC, the target species is ionized, charged, or partially charged due to the asymmetric distribution of electrons in the chemical bond, because of the applied potential, the carbon It can be attracted to the electrode, which creates a driving force that brings the target species closer to (or in contact with) the carbon electrode. Non-ionic and uncharged species of the target species can impinge on the electrode surface. Contact with the electrode surface can result in multiple pathways to immobilization of the target species. An alkaline environment can be electrochemically produced by controlling large local pH fluctuations, which, for example, produces insoluble metal oxides, deposits near or on the electrode, and deposits on the electrode fines. trapped in the pores. Faradic reactions, such as oxygen reduction reactions at the cathode, can produce hydrogen peroxide, which can diffuse out of the electrode and oxidize target metal molecules in close proximity. Hydrogen peroxide performs indiscriminate oxidation. The higher the local concentration of target species closer to the electrode, the higher the statistical probability that hydrogen peroxide will oxidize the target species. Other faradic reactions, such as direct electron transfer (reduction or oxidation) between the target species and the electrode may also occur. When the target species is attracted to the electrode surface, the carbon electrode either (1) transfers electron(s) from the electrode to the target species to reduce the target species and cause it to deposit on the electrode, or (2) Transfer electron(s) from the target species to the carbon electrode to oxidize the target species to either an insoluble oxide or hydroxide, or a reaction that can be immobilized by an additional electron transfer reaction or pH adjustment. It can be made into a high quality seed. Deposited and electrically attracted species are trapped in the electrode pores.
[00143]活性炭内の実際の細孔のサイズ及び体積は、所与の細孔の形状、屈曲度(通常、細孔直径の変化に関連する)、及びチャネル長さに依存する。活性木炭の顕微鏡写真に基づき、活性化及び/又は合成手順に応じ、活性炭内の細孔は、チューブ状チャネル、多角形チャネル、回転楕円体チャンバ、表面スリット等となるものがある。チャネル及びチャンバは、「行き止まり」又は「貫通」(即ち、「細孔口」とも呼ばれる2つの表面出現部を有し、2つの細孔口間にチャネル連続性のあるチャネル又はチャンバ)であり得る。活性炭内の細孔は、平均細孔チャネル直径(以下、「細孔チャネル直径」)及び平均細孔口径を有するチューブ状のチャネルであるとして一般化される。活性炭の塊の中で一定の細孔チャネル直径を持つことがほとんどない数十億の細孔の実際の細孔チャネル直径を測定することは非常に困難な作業であり、ここでは報告されない。一般化として、細孔チャネル直径は、細孔口径と同一であると仮定される。 [00143] The actual pore size and volume within an activated carbon depends on a given pore shape, tortuosity (usually associated with changes in pore diameter), and channel length. Based on micrographs of activated charcoal, depending on the activation and/or synthesis procedure, the pores within activated charcoal can be tubular channels, polygonal channels, spheroidal chambers, surface slits, and the like. Channels and chambers can be "dead-end" or "through" (i.e., a channel or chamber having two surface emergences, also called "pore mouths", with channel continuity between the two pore mouths). . The pores in activated carbon are generalized as being tubular channels having an average pore channel diameter (hereinafter "pore channel diameter") and average pore size. Measuring the actual pore channel diameters of the billions of pores that rarely have a constant pore channel diameter in a mass of activated carbon is a very difficult task and is not reported here. As a generalization, the pore channel diameter is assumed to be the same as the pore diameter.
[00144]細孔口の直径、即ち、細孔の電解質への開口部は、吸着のためのその細孔の利用、及び容量性凝固におけるマルチサイクル性能に大きな影響を与え、小さな細孔口径では、影響は支配的である。細孔口径(したがって、細孔口表面積)が大きいほど、細孔チャネルと電解質との間に有意な接触面積を提供する。小さな細孔口径は、より限定された接触面積(即ち、「細孔口表面積」)を有する。細孔口径は、IUPACにより、細孔口径が2nm未満、2~50nm、及び50nm超がそれぞれミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性であると定義されている。吸着媒体の寿命は、材料の表面に存在する細孔口径と直接的な相関関係を有する。活性炭電極を使用した吸着と脱着のサイクルを繰り返した後の、細孔口閉塞とも呼ばれる「細孔口屋根形成」の概念と影響について、以下に説明する。FPCの極性反転サイクルを繰り返した後に細孔口は「屋根形成」又は「閉鎖」し、細孔チャネルが「崩壊」し、その結果、細孔の表面積は、標的種の捕捉及び吸着に効果的に機能しなくなる。 [00144] The diameter of the pore mouth, i.e., the opening of the pore to the electrolyte, has a significant impact on its pore utilization for adsorption and multi-cycle performance in capacitive coagulation; , the influence is dominant. Larger pore diameters (and thus pore mouth surface areas) provide significant contact area between the pore channels and the electrolyte. A small pore size has a more limited contact area (ie, "pore mouth surface area"). Pore size is defined by IUPAC as microporous, mesoporous, and macroporous pore sizes of less than 2 nm, 2-50 nm, and greater than 50 nm, respectively. The lifetime of an adsorption medium has a direct correlation with the pore size present on the surface of the material. The concept and effects of "pore pore roofing", also called pore mouth plugging, after repeated cycles of adsorption and desorption using activated carbon electrodes are described below. After repeated FPC polarity reversal cycles, the pore mouth "roofs" or "closes" and the pore channel "collapses" so that the pore surface area becomes more efficient for trapping and adsorbing target species. ceases to function.
[00145]容量性凝固技術を組み込んだ出願人のデバイスは、最大約300ppbの鉛濃度を混入させたサンプルの水道水から可溶性(溶解)及び不溶性(微粒子)の鉛種を、EPA対策レベルを遙かに下回るまで除去した。効率的な鉛除去は、インプット流中の鉛の濃度が5ppbと低く、対策レベルを遙かに下回っていても実証された。プロトタイプのデバイスは、水道水に一般に見られる他の成分、例えばカルシウム(Ca2+)よりも、鉛除去に対して90%以上、多くの場合99%を超える特異度を達成した。出願人の容量性凝固の発明は、鉛種が市販の既製製品では除去することが難しい錯体形成種を形成する傾向がある硬アルカリ性水でこの性能を達成することができた。CCCはまた、可溶性(溶解)及び不溶性(微粒子)両方の鉛、ヒ素、ニッケル、及び銅種を予想外に除去することができる。 [00145] Applicants' devices incorporating capacitive coagulation technology remove soluble (dissolved) and insoluble (particulate) lead species from sample tap water spiked with lead concentrations up to about 300 ppb, well beyond EPA action levels. was removed until it fell below Efficient lead removal was demonstrated even at lead concentrations as low as 5 ppb in the input stream, well below action levels. Prototype devices have achieved greater than 90% and often greater than 99% specificity for lead removal over other components commonly found in tap water, such as calcium (Ca 2+ ). Applicant's capacitive coagulation invention was able to achieve this performance in hard alkaline water, where lead species tend to form complexing species that are difficult to remove with commercial off-the-shelf products. CCC can also unexpectedly remove both soluble (dissolved) and insoluble (particulate) lead, arsenic, nickel, and copper species.
[00146]出願人の容量性凝固の発明は、鉛除去のための一実施形態において、インプット水源条件、即ち硬度、pH、アルカリ度、及び消毒のタイプに関係なく、1ガロン毎分(gpm)の最小流量で、NSF/ANSI53及び61認証を満たすことができるPOU/POE水浄化デバイスを提供する。加えて、デバイスは、(i)標的金属、例えば、ヒ素、鉛、ニッケル、銅、カドミウム、鉛、マンガン、水銀、及び放射性金属に対して高度に特異的であり、最新の解決策よりも(ii)信頼性が高く、(iii)効率的であり、(iv)長持ちする。出願人の容量性凝固セルは、可溶性及び不溶性の鉛を15ppb未満にまで除去し、住居用としてだけでなく、より高度なスループットシステムへの規模拡大にも好適な、より効率的で、安価な、非常に拡張性の高い水浄化デバイスを実現する。以下の詳細な実施例は、容量性凝固セルを使用した鉛除去に焦点を当てているが、CCCパラメータの調節により、CCCを「調整」して、プールベ線図が存在する任意の他の金属又は金属誘導体、例えばヒ素、カドミウム、マンガン、及び水銀、更にSe、Ni、Zn、Al、Sc、Ti、V、Cr、Fe、Co、Ni、Cu、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、及びLuを除去することが可能である。 [00146] Applicant's capacitive coagulation invention, in one embodiment for lead removal, provides one gallon per minute (gpm) provides a POU/POE water purification device capable of meeting NSF/ANSI 53 and 61 certification with a minimum flow rate of . In addition, the device is (i) highly specific for target metals such as arsenic, lead, nickel, copper, cadmium, lead, manganese, mercury, and radioactive metals, which is better than state-of-the-art solutions ( ii) reliable, (iii) efficient, and (iv) long lasting. Applicant's capacitive coagulation cell removes soluble and insoluble lead to less than 15 ppb, making it a more efficient, less expensive cell suitable not only for residential use but also for scaling up to higher throughput systems. , to realize a highly scalable water purification device. Although the detailed examples below focus on lead removal using a capacitive coagulation cell, adjustment of the CCC parameters allows the CCC to be "tuned" for any other metal for which a Pourbaix diagram exists. or metal derivatives such as arsenic, cadmium, manganese and mercury, also Se, Ni, Zn, Al, Sc, Ti, V, Cr, Fe, Co, Ni, Cu, Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru , Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm, Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm , Yb, and Lu can be eliminated.
[00147]図3に示す直接比較において、出願人のCCCは、市販のPOU/POE水浄化デバイス、例えばブリタ(Brita)(登録商標)ロングラスト(Longlast)(商標)及びブリタ(登録商標)PURフィルター、並びにカルゴンGACフィルター材料よりも優れていた。ブリタ(登録商標)ロングラスト(商標)ピッチャーフィルターは、ケンタッキー州レキシントン都市水道システムにより供給されている水の化学的性質の変化に基づき、異なる2日に試験を行った際に、極端に異なる性能であった。この異なる性能は、日々発生する変化する水の化学的性質で良好に機能するより信頼性の高いデバイスに対する必要性を強調するものである。出願人の発明は、どちらの場合でもブリタ(登録商標)ロングラスト(商標)デバイスよりも優れていた。 [00147] In the direct comparison shown in Figure 3, Applicant's CCC compares with commercially available POU/POE water purification devices such as Brita® Longlast™ and Brita® PUR. Filter, as well as Calgon GAC filter material. Brita® Long Last™ Pitcher Filters have shown dramatically different performance when tested on two different days based on changes in the chemistry of the water supplied by the Lexington, Kentucky Municipal Water System. Met. This different performance highlights the need for more reliable devices that perform well in the changing water chemistries that occur daily. Applicant's invention outperformed the Brita® Long Last™ device in both cases.
[00148]可溶性の鉛イオンは、物理的及び/又は化学吸着により炭素電極に吸着し、このプロセスは、十分に立証されており(J.Chem.Technol.Biotechnol.2002、77、458~464ページ、Shekinah,P.;Kadirvelu,K.;Kanmani,P.;Senthilkumar,P.;Subburam,V.及びCarbon.2004、42、3057~3069ページ、Swiatkowski,A.;Pakula,M.;Biniak,S.;Walczyk,M.)、印加電位の下では、カソードへの更なる電気的吸着を受ける。pHの調節も、水道水中の鉛の種形成を制御するのに活用することができる。1.2Vの作動電圧(図4に示すような)では、デバイス全体の電位分布によりアノードで+0.9V、カソードで-0.3Vが得られ、電極間でpHが変動し、全体ではほぼ中性のpHが生成される。しかし、全体のpHは比較的一定のままであるが、pH2の酸性からpH10のアルカリ性まで大幅なpHの変動(「プラグ」とも呼ばれる)があり、電極表面での酸/塩基の化学的性質に大きな変化をもたらす。各電極での電圧とpHをプールベ線図と関連づけると、作動条件を選択して、所与の水の化学的性質において所望の鉛種形成を得ることができる(図4、図中、DICは溶存無機炭素である)。pHを操作する同様のアプローチを利用し、容量性脱イオン化(CDI)を使用してホウ酸が除去されている。Electrochimica Acta.2011、56、248~54ページ、Avraham,E.;Noked,M.;Soffer,A.;Aurbach,D。ほとんどの住居及び商業用途では、インプット流の圧力は60psi未満であり、電極の多孔性は、典型的には、入口圧力と比較してFPC出口での20psiを超える低下を回避する。
[00148] Soluble lead ions adsorb to carbon electrodes by physical and/or chemisorption, a process that has been well documented (J. Chem. Technol. Biotechnol. 2002, 77, 458-464). Kadirvelu, K.; Kanmani, P.; Senthilkumar, P.; Subburam, V. and Carbon. Walczyk, M.), under applied potential, undergoes further electroadsorption to the cathode. Adjustment of pH can also be utilized to control lead speciation in tap water. At an actuation voltage of 1.2 V (as shown in FIG. 4), the potential distribution across the device yields +0.9 V at the anode and −0.3 V at the cathode, with pH varying between the electrodes and an overall A neutral pH is produced. However, while the overall pH remains relatively constant, there are significant pH fluctuations (also called "plugs") from acidic at
[00149]CCCにおいては、作動中、鉛除去に関し、複数の作用メカニズム、即ち物理的及び電気化学的吸着、酸/塩基化学作用を生じるpH調節、及び酸化鉛や他の不溶性種を生成する電気化学的/化学的酸化が同時に発生する。水道水からの鉛除去に対する印加電位とH2O2発生の影響を、実験データにより検証した。表5に示すように、開回路での炭素電極では、ある程度の鉛の物理吸着が起こる。短絡では、鉛除去にわずかな改善が見られるが、最も劇的な結果は、1.2Vの印加電圧で発生し、鉛濃度はほぼ0ppbに低下する。実験で使用したCCCでは、「供給物」はインプット流であり、「処理済」はアウトプット流である。 [00149] In CCC, during operation, there are multiple mechanisms of action for lead removal: physical and electrochemical adsorption, pH regulation resulting in acid/base chemistry, and electrical adsorption to produce lead oxide and other insoluble species. Chemical/chemical oxidation occurs simultaneously. The effects of applied potential and H 2 O 2 evolution on lead removal from tap water were verified by experimental data. As shown in Table 5, some lead physisorption occurs on the carbon electrode at open circuit. For shorts, there is a slight improvement in lead removal, but the most dramatic results occur at an applied voltage of 1.2 V, dropping the lead concentration to nearly 0 ppb. In the CCC used in the experiments, "feed" is the input stream and "processed" is the output stream.
[00150]図4では、炭酸塩水溶液中の鉛(Pb)のプールベ線図において、アノードとカソードに印加されるEの交点におけるCCCでの鉛種除去のためのプールベ作動領域が示されている。フロースルーセルでは、カソードの開始時のpH領域が酸性(pH2~3)であるのに対し、アノードの開始時のpH領域は塩基性(pH9~10)であることを図2が示している。フロースルーセル設計(図2)では、これらのpH領域は、電極表面で起こる反応の結果であり、2~10のpHの変動をもたらす。図4において、Pb2+は、暗色のPbO2(s)とPb(s)の領域の間のほとんどの白色領域(約pH7)で溶液平衡状態にある。しかし、アノードとカソードに最も近い溶液中では、Pb2+は、(i)反応性となるか、(ii)他のPb種として固定化される。図5は、Pbが溶液から除去される反応機構を示す。フロースルーセルでは、アノード近くのアルカリ性(pH9~pH10)領域(0.9Vの印加されるEで、カソードから生じたpHから発生)では、Pb2+は、PbCO3-2Pb(OH)2、2Pb(OH)2、及びPbO2として固定化される(アノードに吸着される)。アノード近くのアルカリ性領域では、Pb2+は、イオン性化合物と水酸化鉛(図5の中央のボックスに示すように)も形成し、それらは次いで酸化されてPbO2、Pb3O4、及びPb(OH)2となり、次いで、これらの反応生成物は、固定化される(吸着される)。また、フロースルーセルでは、溶存酸素の還元によってカソードで発生し、-0.4Vの印加されるEでアノードから生じる酸性のpH(pH2~pH3)と組み合わされる過酸化水素は、強力な酸化剤である。過酸化水素は、それが上記の中間反応で鉛種を酸化するアノード近くの領域を含む通過流中に拡散する。これにより、固定化された鉛種は、溶液から除去される。追加の鉛種は、カソードでの酸素還元により発生する過酸化水素との反応により固定化されやすくなる(「過酸化セル」)。Water Research.2017、120、229~237ページ、Tang,W.;He,D.;Zhang,C.;Kovalsky,P.;Waite,T.D。ハイブリッドシステムでは、FPCを過酸化セルと直列に使用して、鉛除去の増加を実現することができる。 [00150] In FIG. 4, the Pourbaix diagram for lead (Pb) in aqueous carbonate solution shows the Pourbaix operating region for lead species removal at the CCC at the intersection of E applied to the anode and cathode. . In the flow-through cell, FIG. 2 shows that the starting pH range of the cathode is acidic (pH 2-3), while the starting pH range of the anode is basic (pH 9-10). . In the flow-through cell design (FIG. 2), these pH regions are the result of reactions occurring at the electrode surface, resulting in pH fluctuations of 2-10. In FIG. 4, Pb 2+ is in solution equilibrium in the mostly white region (approximately pH 7) between the darker PbO 2 (s) and Pb(s) regions. However, in the solution closest to the anode and cathode, Pb 2+ either (i) becomes reactive or (ii) becomes immobilized as other Pb species. FIG. 5 shows the reaction mechanism by which Pb is removed from solution. In the flow-through cell, in the alkaline (pH 9-pH 10) region near the anode (at 0.9 V applied E, generated from the pH generated at the cathode), Pb 2+ is PbCO 3 −2Pb(OH) 2 , 2Pb (OH) 2 and immobilized as PbO 2 (adsorbed to the anode). In the alkaline region near the anode, Pb 2+ also forms ionic compounds and lead hydroxides (as shown in the middle box of FIG. 5), which are then oxidized to PbO 2 , Pb 3 O 4 , and Pb (OH) 2 and these reaction products are then immobilized (adsorbed). Also, in the flow-through cell, hydrogen peroxide generated at the cathode by reduction of dissolved oxygen and combined with the acidic pH (pH 2-pH 3) generated at the anode at an applied E of −0.4 V is a strong oxidant. is. Hydrogen peroxide diffuses into the flow-through including the region near the anode where it oxidizes the lead species in the intermediate reactions described above. This removes the immobilized lead species from the solution. Additional lead species are more likely to be immobilized by reaction with hydrogen peroxide generated by oxygen reduction at the cathode (“peroxide cell”). Water Research. 2017, 120, pp. 229-237, Tang, W.; He, D.; Zhang, C.; Kovalsky, P.; Waite, T.; D. In a hybrid system, an FPC can be used in series with a peroxide cell to achieve increased lead removal.
[00151]EDCでは、化学-電気化学-化学-電気化学反応のカスケード連鎖が発生しており、遊離塩素とクロラミンを分解する。pHと作動電圧は、標的種についてのプールベ線図を介して相関している。次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、及びモノクロラミンについての例を以下に示し、それぞれ図6、図7及び図8に示す。各電極でのpHと電位分布に基づき、pHと印加する電圧を選択することにより標的種形成を制御することができる。この較正プロセスが、所与の流入物の水の化学的性質において、どの種がどの電圧で分解されるかを決定し、制御する。図6~8において、y軸は、アノードとカソードの間に印加される対標準水素電極(SHE)電圧であり、x軸は、pHである。 [00151] In EDC, a cascade of chemical-electrochemical-chemical-electrochemical reactions occur to decompose free chlorine and chloramines. pH and actuation voltage are correlated via the Pourbaix diagram for the target species. Examples for hypochlorite, hypobromite, and monochloramine are given below and shown in Figures 6, 7 and 8, respectively. Based on the pH and potential distribution at each electrode, target species formation can be controlled by selecting the pH and applied voltage. This calibration process determines and controls which species are decomposed at which voltage for a given influent water chemistry. In FIGS. 6-8, the y-axis is the standard hydrogen electrode (SHE) voltage applied between the anode and cathode, and the x-axis is pH.
[00152]図6を参照すると、対NHEで1.5V未満のアノード電位及びアノードとカソードの両端に印加される2.5V未満の全セル電位では、電気化学的に発生する過酸化水素が、pHが7を超える溶液中の「遊離塩素」と反応する。炭素カソードからの次亜塩素酸(HOCl)と次亜塩素酸イオン(OCl-)の直接的な電気化学的還元は、それらを遊離塩化物イオンと水に変換する。次いで、塩化物イオンは容量的に吸着(固定化)される。pHに上限はないが(例えば、H2O2を使用して苛性/塩素臭気洗浄装置からの流出物を脱塩素化することができる)、現実問題としては、瞬間的な反応を実現するには、pH8.5が好ましい。 [00152] Referring to FIG. 6, at anode potentials of less than 1.5 V versus NHE and total cell potentials of less than 2.5 V applied across the anode and cathode, the electrochemically generated hydrogen peroxide Reacts with "free chlorine" in solutions with a pH greater than 7. Direct electrochemical reduction of hypochlorous acid (HOCl) and hypochlorite ions (OCl − ) from a carbon cathode converts them to free chloride ions and water. The chloride ions are then capacitively adsorbed (immobilized). There is no upper limit to the pH (e.g., H2O2 can be used to dechlorinate the effluent from a caustic/chlorine odor scrubber), but in practice the is preferably pH 8.5.
[00153]次亜塩素酸塩の場合のプールベ線図である図7を参照すると、対NHEで1.2V未満のアノード電位、対NHEで-1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.2V未満の全セル電位では、電気化学的に発生する過酸化水素が、pHが7を超える溶液中の「遊離臭素」と反応する。炭素カソードからの次亜臭素酸(HOBr)と次亜臭素酸イオン(OBr-)の直接的な電気化学的還元は、それらを遊離塩化物イオンと水に変換する。次いで、臭素イオンは、容量的に吸着(固定化)される。 [00153] Referring to Figure 7, Pourbaix diagram for hypochlorite, anodic potential below 1.2 V vs NHE, cathodic potential above -1.0 V vs NHE, and At total cell potentials of less than 2.2 V applied across the electrochemically generated hydrogen peroxide reacts with "free bromine" in solutions with a pH greater than 7. Direct electrochemical reduction of hypobromite (HOBr) and hypobromite ions (OBr − ) from a carbon cathode converts them to free chloride ions and water. The bromide ions are then capacitively adsorbed (immobilized).
[00154]モノクロラミンについてのプールベ線図である図8を参照すると、対NHEで1.4V未満のアノード電位、対NHEで-1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.4V未満の全セル電位では、酸性条件下でのクロラミンの直接的な電気化学的変化がアンモニウム塩を生成する。電気化学的に発生する(EDCカソードで)過酸化水素は、クロラミンと直接反応して生成物、即ち塩化物イオン、亜硝酸イオン、プロトン(酸)、及び水の混合物を生成する。クロラミンは、電気化学的に発生する過酸化水素と反応してアンモニアを生成し、アンモニアは、1)電気化学的に発生する過酸化水素と反応して窒素及び水素ガスと水を生じる、又は2)酸と反応してアンモニウム塩を生じる、2つの方式で更に反応する。クロラミンは、電気化学的に発生する酸ともカスケードプロセスで直接反応してトリクロラミンを生じ、これは、水中で次亜塩素酸に変換される。 [00154] Referring to Figure 8, which is a Pourbaix diagram for monochloramine, an anodic potential of less than 1.4 V vs. NHE, a cathodic potential of greater than -1.0 V vs. NHE, and a At total cell potentials below 2.4 V, the direct electrochemical transformation of chloramines under acidic conditions produces ammonium salts. Electrochemically generated hydrogen peroxide (at the EDC cathode) reacts directly with chloramines to produce a mixture of products: chloride ions, nitrite ions, protons (acids), and water. Chloramines react with electrochemically generated hydrogen peroxide to produce ammonia, which 1) reacts with electrochemically generated hydrogen peroxide to produce nitrogen and hydrogen gases and water, or 2. ) reacts further with acids to give ammonium salts in two ways. Chloramines also react directly with electrochemically generated acids in a cascade process to produce trichloramines, which are converted to hypochlorous acid in water.
[00155]EDCは、典型的には、アノードとカソードの両端に印加される3.0V未満の全セル電位で作動する。標的種とインプット水の化学的性質に応じ、EDC内のアノードとカソードの両端に印加される3.0V未満の全セル電位は、通常1.0Vから3.0Vの間である。 [00155] EDCs typically operate at a total cell potential of less than 3.0 V applied across the anode and cathode. Depending on the target species and input water chemistry, the total cell potential below 3.0V applied across the anode and cathode in the EDC is typically between 1.0V and 3.0V.
[00156]図9に示すように、SC、KN、及びCG炭素電極の活性表面積は、印加電圧のサイクルへの曝露によって減少する。CXの通過する比電荷は、サイクルを繰り返しても安定しているが、試験を行った他の炭素よりも低い。対照的に、PMDを伴って策定された出願人のHE電極は、約220サイクル後でも他の電極より良好に機能し、優れた性能を維持する。SC、KN、CG、及びCX電極では、酸化物基が表面に形成され、細孔屋根形成及び細孔崩壊を引き起こし、抵抗の増加を招く(バルク酸化)。或いは、酸化物基は、抵抗性酸化物層を形成する可能性がある(表面酸化)。どちらのシナリオも、オームの法則に従い、同じ量の電流を維持してこの抵抗の増加を補償するため、印加電圧を増加させることが必要である:V=IR、式中、Vは電圧(V)、Iは電流(A)、Rは抵抗(Ω)である。 [00156] As shown in Figure 9, the active surface area of SC, KN, and CG carbon electrodes decreases with exposure to cycles of applied voltage. The specific charge passing through of CX is stable over cycling, but lower than the other carbons tested. In contrast, Applicants' HE electrode formulated with PMD performs better than the other electrodes and maintains superior performance after about 220 cycles. In SC, KN, CG, and CX electrodes, oxide groups form on the surface, causing pore roofing and pore collapse, leading to increased resistance (bulk oxidation). Alternatively, oxide groups may form a resistive oxide layer (surface oxidation). In both scenarios, according to Ohm's law, it is necessary to increase the applied voltage to maintain the same amount of current and compensate for this increase in resistance: V=IR, where V is the voltage (V ), I is the current (A), and R is the resistance (Ω).
[00157]図10は、所与の印加電圧で、CCC内のアノードとカソードの間に電位分布が存在することを示している。電圧は電極間で分割されるが、等しくならない場合がある。例えば、1.6VがFPCに印加される場合、カソードは、対SCEで-0.9Vとなり、アノードは対SCEで+0.7Vとなり得る(図10)。これは次に、FPCの作動パラメータと、EDCにおける操作の各サイクルで遂行される極性切り替えの頻度に影響する。活性表面積、炭素材料、及び印加電圧は、とりわけ、電位分布に影響する。電極のEpzcは、電極の最初の使用時に印加されるEの分布に影響を与え、電位分布はわずかに変化する。アノード及びカソードでのファラディック反応速度のバランスを取ることが、究極的には電位分布を安定化させる。 [00157] Figure 10 shows that at a given applied voltage, a potential distribution exists between the anode and cathode in the CCC. The voltage is divided between the electrodes, but may not be equal. For example, if 1.6V is applied to the FPC, the cathode can be −0.9V vs SCE and the anode can be +0.7V vs SCE (FIG. 10). This, in turn, affects the operating parameters of the FPC and the frequency of polarity switching performed in each cycle of operation in the EDC. Active surface area, carbon material, and applied voltage, among others, affect the potential distribution. The Epzc of the electrode affects the distribution of E applied during the first use of the electrode, and the potential distribution changes slightly. Balancing the faradic kinetics at the anode and cathode ultimately stabilizes the potential distribution.
[00158]図11に示す加速酸化研究は、ミクロ多孔性炭素で観察される細孔の「崩壊及び屋根形成」の影響を示す。これは、メソ多孔性炭素が、電荷効率を維持し、細孔崩壊及び屋根形成の影響を回避しながら大きな印加電圧を処理できることを強調する。FPCデバイスに使用するPMDを慎重に選択すると、デバイスの信頼性と寿命が大幅に向上し、それによって水処理コストが削減される。 [00158] The accelerated oxidation studies shown in Figure 11 demonstrate the effect of pore "collapse and roofing" observed in microporous carbon. This highlights that mesoporous carbon can handle large applied voltages while maintaining charge efficiency and avoiding pore collapse and roofing effects. Careful selection of PMDs used in FPC devices can greatly improve device reliability and lifetime, thereby reducing water treatment costs.
[00159]ベンチスケールのCCCシステムを、図12に示す。容量性凝固システムは、非金属イオンに対して50%を超える鉛除去選択性を実現する。鉛を除去するように(CCCパラメータを用いて)調整されたCCC(「鉛除去CCC」)では、鉛除去は、100%に近づく可能性がある。鉛除去CCCの一実施形態において、様々な酸素ベースの表面基が電極に付加され、1.2VのCCC作動電圧で、鉛が約50ppbの水道水インプット流に対して全ての場合に15ppb未満の鉛除去が達成される。本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第62/702286号に記載されるようなカルボキシル官能化電極(処理済電極とも呼ばれる)を使用すると、鉛除去CCCは、アウトプット流の鉛の濃度をわずか0.05ppbにまで低下させ、これは、99.9%の除去効率に相当する。 [00159] A bench-scale CCC system is shown in FIG. Capacitive coagulation systems achieve lead removal selectivities greater than 50% relative to non-metallic ions. In a CCC tuned (using the CCC parameters) to remove lead (“lead removal CCC”), lead removal can approach 100%. In one embodiment of the lead-removing CCC, various oxygen-based surface groups were added to the electrodes, and at a CCC operating voltage of 1.2 V, lead was reduced to less than 15 ppb in all cases for a tap water input stream of about 50 ppb. Lead removal is achieved. Using carboxyl-functionalized electrodes (also referred to as treated electrodes) as described in US Provisional Patent Application No. 62/702,286, incorporated herein, the lead removal CCC reduces the concentration of lead in the output stream to down to 0.05 ppb, which corresponds to a removal efficiency of 99.9%.
[00160]ICP-MSで確認し、種の除去率として計算すると、溶存鉛の除去選択性は、鉛濃度が約10ppmと高い水道水の連続5ガロンの処理では、Ca2+と比較して、一貫して99%以上であった(表6)。鉛固定化が確認されたろ過後の電極の走査電子顕微鏡法(SEM)及びエネルギー分散型X線分光法(EDX)分析を、図13に示す。 [00160] Confirmed by ICP-MS and calculated as percent removal of species, the removal selectivity for dissolved lead was : It was consistently above 99% (Table 6). Scanning electron microscopy (SEM) and energy dispersive X-ray spectroscopy (EDX) analyzes of the filtered electrode confirming lead immobilization are shown in FIG.
[00161]鉛除去に対する印加電位の影響を更に研究するため、鉛を混入させた水道水を、活性炭で満たされた充填カラムで電位を印加せずにろ過し(受動的ろ過/物理吸着)、1.2Vで作動させたCCC(能動的ろ過/容量性凝固)と比較した。両方の実験には同量の炭素と流量を使用した。これらの研究に関する破過曲線を、図14に示す。充填カラムは、濃度の急激な低下によって示されるように、当初は鉛を吸着したが、わずか約0.3Lの水が炭素を通過した後、飽和し始めた。対照的に、CCCは、5ガロン(約19L)の水を驚異的な10,000ppbまでろ過し、性能を維持し、2ppbの濃度未満の鉛を一貫して除去することができた。これは、外挿すると、炭素電極1グラム当たり1g以上の鉛が除去される推定デバイス容量になる。図9に示すプロトタイプデバイスは、500g以上の鉛の全体容量を生み出し、それは、150ppbの鉛というインプット流濃度を仮定すると、約880万ガロンの理論体積容量に相当する。他の要因もPOU構成のCCC性能影響を与え、100,000ガロンの予測CCC体積容量をもたらす。対照的に、現在のPOUフィルターは、約1,500ガロンの体積容量しか有さない。 [00161] To further study the effect of applied potential on lead removal, lead-spiked tap water was filtered with no applied potential (passive filtration/physisorption) through a packed column filled with activated carbon. A comparison was made with CCC (active filtration/capacitive coagulation) operated at 1.2V. The same amount of carbon and flow rate was used for both experiments. The breakthrough curves for these studies are shown in FIG. The packed column initially adsorbed lead as indicated by a sharp drop in concentration, but began to saturate after only about 0.3 L of water passed through the carbon. In contrast, the CCC was able to filter 5 gallons of water to a staggering 10,000 ppb, maintain performance, and consistently remove lead at concentrations below 2 ppb. This is extrapolated to an estimated device capacity of 1 g or more of lead removed per gram of carbon electrode. The prototype device shown in FIG. 9 produced a total capacity of over 500 g of lead, which corresponds to a theoretical volumetric capacity of approximately 8.8 million gallons assuming an input stream concentration of 150 ppb lead. Other factors also affect the CCC performance of the POU configuration, resulting in a predicted CCC volumetric capacity of 100,000 gallons. In contrast, current POU filters have a volumetric capacity of only about 1,500 gallons.
[00162]加えて、溶存酸素(DO)は、飽和の約10%に低下し、それは、1ppm未満のDOに相当し、1.2Vの印加電位でのろ過後に1.25ppmのH2O2が測定された(図15)。これらの観察結果は、鉛除去が、電位とH2O2発生の組み合わせによって影響を受けることを明らかにする。図4のプールベ線図は、鉛種形成がわずかな水の化学的性質の変化、例えばpH及び電圧の変動にいかに影響を受けやすいかを強調する。これらの機構の組み合わせが、CCCで使用される容量性凝固で観察される利点を生み出す。 [00162] In addition, dissolved oxygen (DO) dropped to about 10% of saturation, which corresponds to less than 1 ppm DO and 1.25 ppm H2O2 after filtration at an applied potential of 1.2V. was measured (Fig. 15). These observations reveal that lead removal is affected by a combination of potential and H2O2 generation. The Pourbaix diagram of FIG. 4 highlights how sensitive lead speciation is to small changes in water chemistry, such as pH and voltage fluctuations. The combination of these mechanisms produces the observed advantages of capacitive coagulation used in CCC.
[00163]出願人のCCCデバイスの限界を試験するため、鉛濃度が5ppbと低い水道水と、10,000ppbと高い水道水をCCCで処理した。1.2Vの印加電圧で、全ての場合において鉛の除去に成功した(表7)。平衡ベースの吸着からなる受動的なろ過では難しい極めて希薄な条件であっても、容量性凝固の能動的ろ過プロセスは卓越しており、選択性は99%以上である(表6)。
先行技術のデバイスに対するCCCデバイス性能の重要な向上:
99.9%の鉛除去
約5ppbの鉛に至るまで維持される99%以上の選択性
開発された能動的鉛ろ過システム(容量性凝固)
恒久的鉛除去
[00163] To test the limits of Applicants' CCC device, tap water with lead concentrations as low as 5 ppb and as high as 10,000 ppb were treated with CCC. An applied voltage of 1.2 V resulted in successful lead removal in all cases (Table 7). Even at very dilute conditions where passive filtration consisting of equilibrium-based adsorption is difficult, the active filtration process of capacitive coagulation is excellent, with selectivities greater than 99% (Table 6).
Important improvements in CCC device performance over prior art devices:
99.9% lead removal >99% selectivity maintained down to about 5 ppb lead Developed active lead filtration system (capacitive coagulation)
permanent lead removal
[00164]より高いスループットのCCCシステムは、より多くの容量性凝固セルを追加することにより、及び/又は各セルにより大きな電極を使用することにより、作製される。こうした大型のシステムは、1gpm以上の流量で150ppb~10ppb以下の鉛除去有効性を実現する。 [00164] Higher throughput CCC systems are created by adding more capacitive coagulation cells and/or by using larger electrodes in each cell. These large systems achieve lead removal efficiencies of 150 ppb to 10 ppb or less at flow rates of 1 gpm and above.
[00165]FPCを使用したAl、Ag、Au、Br、Cl、Co、Cu、Fe、Hg、Ir、Mn、Pb、Pd、Pt、Ni、Zn、及びクロラミンの除去のために好ましい印加されるEを、表1に示す。 [00165] Preferred applied for removal of Al, Ag, Au, Br, Cl, Co, Cu, Fe, Hg, Ir, Mn, Pb, Pd, Pt, Ni, Zn, and chloramines using FPC E is shown in Table 1.
[00166]CCCシステムは、インプット流が鉛含有量、水硬度、アルカリ度、消毒剤、及びpHの様々な組み合わせを有する場合でも、EPA対策レベル未満にまで鉛を除去する。水の化学的性質は、鉛の種形成に影響を与える(例えば、都市水道の化学的性質は日々変動し、その影響は、上記の図4に示されている)。現在、全ての形態の鉛を処理できる1つのデバイスは存在しない。先行技術のデバイスは、典型的にはより高いpHでは物理的捕捉を、より低いpHではゼオライト媒体を使用する。対照的に、CCCは、飲用水源に一般に見られる全ての形態(種)の鉛を除去することができる。 [00166] The CCC system removes lead to below EPA action levels even when the input stream has various combinations of lead content, water hardness, alkalinity, disinfectant, and pH. The chemistry of the water affects the speciation of lead (eg, the chemistry of the municipal water supply varies daily, and the effect is shown in Figure 4 above). Currently, there is no single device that can handle all forms of lead. Prior art devices typically use physical trapping at higher pH and zeolitic media at lower pH. In contrast, CCC can remove all forms (species) of lead commonly found in drinking water sources.
[00167]水のタイプに応じて様々な作動パラメータが検討される。内部材料の腐食は、電気化学ベースのシステムに共通の懸念事項であるが、FPCシステムでは、腐食の証拠はほとんど観察されていない。極めて堅牢で、安定し、電解及び化学腐食に対して不活性となるように内部部品は設計され、材料が選ばれている。本発明の一実施形態において、オン/オフ操作後、又はクロラミンの添加により鉛の浸出が発見された場合、FPCシステムは、使用されていないときに開回路又は小さな電位に切り替わるように設計することができ、クロラミンを除去するために、安価な炭素ブロック前置フィルターが追加される。時間の経過と共に炭素布の小片が剥がれ落ちたことが発見された場合は、任意選択の後置フィルターが追加される。 [00167] Various operating parameters are considered depending on the type of water. Corrosion of internal materials is a common concern in electrochemical-based systems, but little evidence of corrosion has been observed in FPC systems. The internal parts are designed and materials are chosen to be extremely robust, stable and inert to electrolytic and chemical corrosion. In one embodiment of the present invention, the FPC system is designed to switch to an open circuit or small potential when not in use after on/off operation or if lead leaching is found due to the addition of chloramines. An inexpensive carbon block prefilter is added to remove chloramines. An optional post-filter is added if it is discovered that small pieces of carbon cloth have fallen off over time.
[00168]特定の水の化学的性質ための操作上の調節。所与のFPCデバイスに供給される典型的なインプット流の分析により、特定の水の化学的性質用に作動パラメータを最適化するための調節が可能となる(調節は、鉛の物理的及び電気化学的吸着、pH調節、並びに酸化鉛及び他の不溶性種への酸化を最適化するためのものである)。典型的な作動パラメータは、下記のように調節される: [00168] Operational adjustments for specific water chemistries. Analysis of a typical input stream supplied to a given FPC device allows for adjustments to optimize operating parameters for specific water chemistries (adjustments include physical and electrical lead to optimize chemisorption, pH control, and oxidation to lead oxide and other insoluble species). Typical operating parameters are adjusted as follows:
[00169]作動電圧。電位分布を得るため、カソード、アノード、及び参照としての標準カロメル電極(SCE)を用いた3電極設定を使用する。各電極での電位が、開回路、短絡、及び0.2V刻みで1.4Vの電圧まで記録される。pHと作動電圧は、プールベ線図を介して相互に関連づけられる。各電極でのpHと電位分布に基づき、印加する電圧を選択することにより鉛種形成を制御することができる。この較正プロセスが、所与のインプット流の水の化学的性質において、どの鉛種がどの電圧で析出するかを決定し、制御する。 [00169] Operating Voltage. To obtain the potential distribution, a three-electrode set-up is used with the cathode, anode, and a standard calomel electrode (SCE) as a reference. The potential at each electrode is recorded for open circuits, short circuits, and up to a voltage of 1.4 V in 0.2 V steps. pH and actuation voltage are correlated via the Pourbaix diagram. Lead species formation can be controlled by selecting the applied voltage based on the pH and potential distribution at each electrode. This calibration process determines and controls which lead species will deposit at which voltage for a given input stream water chemistry.
[00170]酸素還元及びH2O2発生。カソードでの酸素還元によりH2O2が発生し、鉛種と反応して酸化鉛の形成を促進することができる。1.2Vの印加電圧でDOが大幅に減少し、ろ過した水で1.25ppmのH2O2が測定される。作動電圧は、この反応を増幅して鉛除去が最大となるように制御される。開回路、短絡、及び0.2V刻みで最大電圧1.4Vまで実験を行い、出口でのpH、DO、及びH2O2濃度が、典型的には鉛をEPA対策レベル未満にまで除去する。 [00170] Oxygen reduction and H2O2 evolution . Oxygen reduction at the cathode generates H 2 O 2 which can react with lead species to promote the formation of lead oxide. An applied voltage of 1.2 V significantly reduces DO and 1.25 ppm H 2 O 2 is measured in filtered water. The actuation voltage is controlled to amplify this reaction and maximize lead removal. Experiments were run with open circuits, short circuits, and a maximum voltage of 1.4 V in 0.2 V increments, where pH, DO, and H 2 O 2 concentrations at the outlet typically remove lead below EPA action levels. .
[00171]炭素導電率。FPCデバイスは、典型的には、導電率が中程度のミクロ多孔性炭素(表8の炭素B)を使用する。容量性凝固による鉛除去への影響を解明するため、表8の特性が異なる炭素の比較研究を行った。 [00171] Carbon conductivity. FPC devices typically use medium conductivity microporous carbon (carbon B in Table 8). To elucidate the effect of capacitive solidification on lead removal, a comparative study of carbons with different properties in Table 8 was performed.
[00172]CCC鉛除去技術は、(i)物理吸着;(ii)容量吸着;(iii)電気化学的pH調節及び金属固定化;(iv)電気化学的過酸化物(H2O2)発生&金属酸化;(v)電着(例えば、電気めっき、電気泳動堆積);(vi)電気化学的酸化;(vii)析出;(viii)細孔口径プロファイル、(ix)電極処理、(x)電極間隔、及び(xi)フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計に依存する。これらの要因の組み合わせ、又はこれらの要因のカスケードが、炭素電極の細孔ネットワークに捕捉される標的種の種形成と固定化を引き起こし、それにより、浄化された流出物がもたらされる。炭素電極は導電性であることが不可欠である。炭素材料の導電率が高いほど、電極全体の電流分布が均一となり、典型的にはH2O2の発生の増加とより効率的な鉛除去プロセスがもたらされる。細孔径と表面積は、材料の吸着容量と屈曲度に関連している。細孔径と表面積は、FPCデバイスにおけるH2O2発生にも影響を及ぼす。 [ 00172] CCC lead removal techniques include: (i) physisorption; (ii) capacitive adsorption; (iii) electrochemical pH adjustment and metal immobilization; (iv) electrochemical peroxide ( H2O2 ) generation; (v) electrodeposition (e.g., electroplating, electrophoretic deposition); (vi) electrochemical oxidation; (vii) deposition; (viii) pore size profile, (ix) electrode treatment, (x) Dependent on electrode spacing and (xi) flow-by vs. flow-through vs. carbon block cell design. A combination of these factors, or a cascade of these factors, causes speciation and immobilization of target species that are trapped in the pore network of the carbon electrode, resulting in a clarified effluent. It is essential that the carbon electrode be electrically conductive. Higher conductivity carbon materials result in more uniform current distribution across the electrode, typically leading to increased H 2 O 2 generation and a more efficient lead removal process. Pore size and surface area are related to the adsorption capacity and tortuosity of the material. Pore size and surface area also affect H 2 O 2 generation in FPC devices.
[00173]POU/POEデバイス設計。POU/POEのFPC製品の設計パラメータは、(1)1.5gpmの流量を達成するために特定される、デバイスの滞留時間とサイズ;及び(2)1.5gpmで少なくとも150ガロンの水を処理した際に、150ppbから10ppb以下への溶存鉛レベルの低下と、非金属二価イオンに対する90%を超える除去選択性により定義される効果的な鉛除去を含む。 [00173] POU/POE device design. The POU/POE FPC product design parameters are: (1) device residence time and size specified to achieve a flow rate of 1.5 gpm; and (2) processing at least 150 gallons of water at 1.5 gpm. effective lead removal defined by a reduction in dissolved lead levels from 150 ppb to less than 10 ppb and a removal selectivity of greater than 90% for non-metallic divalent ions.
[00174]水の滞留時間:滞留時間は、ある体積の水がデバイス内に留まる平均時間(体積/流量)の尺度である。換言すれば、所与の量の水をろ過するのに必要な時間である。デバイスの内部容積と流量によって、滞留時間が決まる。ベンチスケールのCCCデバイスでは、20ml/分の流量で、5分の滞留時間で典型的には所望の除去が得られる。性能がピークに達する流量での滞留時間が設計仕様として選択され、デバイスは適切なサイズにされる。 [00174] Water residence time: Residence time is a measure of the average time (volume/flow rate) that a volume of water stays in the device. In other words, it is the time required to filter a given amount of water. The internal volume of the device and the flow rate determine the residence time. For a bench-scale CCC device, a flow rate of 20 ml/min and a residence time of 5 minutes typically gives the desired removal. The residence time at the flow rate at which performance peaks is chosen as a design specification and the device is sized appropriately.
[00175]圧力降下:FPCデバイス前後の圧力降下は、流量の増加と共に、益々重要となる。20psi未満の圧力降下は許容できるとみなされ、住居及び都市のビル用の通常の入口水圧である約45psiを下回る。 [00175] Pressure drop: The pressure drop across the FPC device becomes increasingly important with increasing flow rates. A pressure drop of less than 20 psi is considered acceptable and below the normal inlet water pressure of about 45 psi for residential and urban buildings.
[00176]FPCデバイスの極限容量。NSF/ANSI認証では、鉛濃度を150から10ppbに低下させなければならず、市場に出回っているPOUシステムは、最大120ガロンの水を処理すると評価されている。これは、ピッチャーシステムの場合、炭素1グラム当たり約1ガロンの水が処理され、シンク下のシステムの場合、炭素1グラム当たり約1.6ガロンの水が処理されることを意味する。CCCデバイスの一実施形態は、1.5gpmで2ガロンの水を処理し、鉛レベルを150ppbから10ppb以下にすることができる。システムの極限容量は、鉛除去曲線から得られる。圧力降下の問題は、典型的には、FPC炭素電極1グラム当たり1gを超える鉛を除去した後に生じる。POU/POE使用のためのCCCの実施形態は、ユーザにデバイスの交換を警告するための鉛センサ及び/又は圧力降下センサを含むことができる。 [00176] Ultimate capacity of FPC devices. NSF/ANSI certification requires lead levels to be reduced from 150 to 10 ppb, and POU systems on the market are rated to treat up to 120 gallons of water. This means that about 1 gallon of water per gram of carbon is treated for the pitcher system and about 1.6 gallons of water per gram of carbon is treated for the under-sink system. One embodiment of the CCC device can process 2 gallons of water at 1.5 gpm and lead levels from 150 ppb to 10 ppb or less. The ultimate capacity of the system is obtained from the lead removal curve. Pressure drop problems typically occur after removing more than 1 g of lead per gram of FPC carbon electrode. Embodiments of the CCC for POU/POE use may include lead sensors and/or pressure drop sensors to alert the user to device replacement.
[00177]様々な実施形態の場合のFPC交換閾値範囲。一般に、CCCは、アウトプット流中の標的金属濃度が関連する閾値レベル、例えば、鉛濃度の場合は15ppb、銅の場合は1.3ppmを超えると交換される(1991年にEPAが公表した規制であるthe Lead and Copper Rule(https://www.epa.gov/ground-water-and-drinking-water/national-primary-drinking-water-regulations)を参照されたい)。閾値レベル(収着容量とも呼ばれる)は、政府機関が指定することも、ユーザが選択することもできる。都市及び産業廃水排出制限は、飲用水の制限とは異なる。金属濃度閾値は、典型的にはより高くなっている。様々な業界向けの排水ガイドラインが存在する(https://www.epa.gov/eg)。 [00177] FPC replacement threshold range for various embodiments. Generally, CCCs are exchanged when target metal concentrations in the output stream exceed the relevant threshold levels, e.g. the Lead and Copper Rule (https://www.epa.gov/ground-water-and-drinking-water/national-primary-drinking-water-regulations)). The threshold level (also called sorption capacity) can be specified by the agency or selected by the user. Municipal and industrial wastewater discharge limits are different from potable water limits. Metal concentration thresholds are typically higher. Effluent guidelines exist for various industries (https://www.epa.gov/eg).
[00178]FPCの再生。FPCアウトプット流の金属濃度が閾値レベル以上となった場合、FPCを交換する代わりに、ある種のFPCは、再生する(例えば、CCCにおいて、吸着された金属イオン及び粒子をCCC電極から脱着(除去)する)ことができる。CCC再生の1つの方法は、セルに酸を流して凝固した金属を溶解させ、電極を再生することである。この「酸再生」工程の間、アウトプット流は、容器に送られ、そこに高度に濃縮された廃棄物流が他の処理のために収集される。酸再生工程の後、CCCにはアウトプット流がpH7(又は他の標的pH)に到達するまで水が流され、その後通常のCCC操作(即ち、通過流からの金属イオン及び粒子の除去)が再開される。CCC再生の別の方法は、酸性溶液中での電気分解又は電気化学的再生によるものである。電気分解(電気化学的とも呼ばれる)再生は、金属酸化物を可溶性の金属イオンに変換し、それをCCCから水で洗い流し、廃棄物容器に収集する。電気分解は、非自発的な反応を促進するための外部電圧の印加を必要とする電気化学反応である。電極上に形成された不溶性金属種はいずれも、CCCの両端に印加される小さな電圧、典型的には5V以下を使用して溶液に溶解させることができる。CCC再生はまた、酸再生とそれに続く電気分解の連続、又はその逆とすることができる。 [00178] FPC regeneration. Instead of replacing the FPC, some FPCs regenerate (e.g., desorb adsorbed metal ions and particles from the CCC electrode in CCCs when the metal concentration in the FPC output stream rises above a threshold level). can be) removed. One method of CCC regeneration is to flush the cell with acid to dissolve the solidified metal and regenerate the electrodes. During this "acid regeneration" step, the output stream is sent to a vessel where a highly concentrated waste stream is collected for further processing. After the acid regeneration step, the CCC is flushed with water until the output stream reaches pH 7 (or other target pH), after which normal CCC operation (i.e., removal of metal ions and particles from the flow-through) is performed. resumed. Another method of CCC regeneration is by electrolysis or electrochemical regeneration in acidic solutions. Electrolytic (also called electrochemical) regeneration converts metal oxides to soluble metal ions, which are washed out of the CCC with water and collected in a waste container. Electrolysis is an electrochemical reaction that requires the application of an external voltage to promote non-spontaneous reactions. Any insoluble metal species formed on the electrodes can be dissolved into solution using a small voltage, typically 5 V or less, applied across the CCC. CCC regeneration can also be a sequence of acid regeneration followed by electrolysis or vice versa.
[00179]それぞれ同じ種又は異なる種を標的とする直列の複数のFPC。同じ標的種を除去するように調整された、直列(出口から入口)に接続された複数のFPCは、直列に接続されたFPCにインプット流を1回通すと、標的種の濃度を連続的に低下させるように作用する(バッチモードの単一のセルを複数回作動させるのと同じレベルの標的種除去を達成する)。直列に接続された複数のセルのFPCパラメータ、例えば、通過流のpH及び所与のセルのセル電極に印加される電圧を、異なるFPCパラメータ及びEDCパラメータに調節することで、場合によっては、1回の通過で直列の各セルが通過流から異なる標的種を除去することを可能にする。所与の電圧及びpHでの標的種の種形成を示すプールベ線図は、「セル直列」の概念を最もよく説明する。鉛(図16)及び銅(図17)の場合のプールベ線図は、CCC直列における異なる金属の固定化を説明するために使用される。水平の破線は印加電圧を表し、印加電圧は、縦軸に沿って移動する可能性がある。垂直な破線はpHを表し、pHは、横軸に沿って移動する可能性がある。これらの線が交差する領域が、これらの条件で存在する金属の種を表す。図16及び図17aに図示する作動条件は、PbとCuをPbO2(s)(図16)及びCu(OH)2(s)(図17)として固定化(CCC電極に吸着)し、それぞれの金属を供給物流から効果的に除去する。図17bに図示する作動条件では、Cuが電極にCu(s)として電着又は電気めっきされる。ニッケル、鉄、マンガン、アルミニウム、及び亜鉛の場合のプールベ線図も含まれている(図18~図22)。印加電圧とpHを操作する同様のアプローチを用いて、これらの金属を除去することができる。不溶性種を形成するために選択される作動条件は、標的種毎に異なる場合があり、プールベ線図に図示される種形成に応じ、所与の標的種に対していくつかの可能性があり得る。 [00179] Multiple FPCs in series, each targeting the same or different species. Multiple FPCs connected in series (outlet to inlet), tuned to remove the same target species, continuously increase the target species concentration with a single pass of the input stream through the series-connected FPCs. Acts to reduce (achieving the same level of target species removal as running a single cell in batch mode multiple times). By adjusting the FPC parameters of multiple cells connected in series, e.g., the pH of the flow-through and the voltage applied to the cell electrodes of a given cell, to different FPC and EDC parameters, in some cases, 1 Each pass in series allows each cell to remove a different target species from the pass-through. A Pourbaix diagram showing speciation of a target species at a given voltage and pH best illustrates the concept of "cell series." Pourbaix diagrams for lead (FIG. 16) and copper (FIG. 17) are used to illustrate the immobilization of different metals in the CCC series. The horizontal dashed line represents the applied voltage, which can be moved along the vertical axis. The vertical dashed line represents pH, which can be shifted along the horizontal axis. The areas where these lines intersect represent the metallic species present at these conditions. The operating conditions illustrated in Figures 16 and 17a were to immobilize (adsorb to the CCC electrode) Pb and Cu as PbO2(s) (Figure 16) and Cu(OH) 2(s) (Figure 17), respectively. of metals from the feed stream. At the operating conditions illustrated in Figure 17b, Cu is electrodeposited or electroplated on the electrodes as Cu (s) . Pourbaix diagrams for nickel, iron, manganese, aluminum and zinc are also included (FIGS. 18-22). A similar approach of manipulating applied voltage and pH can be used to remove these metals. The operating conditions chosen to form the insoluble species may differ for each target species, and there are several possibilities for a given target species, depending on the species formation illustrated in the Pourbaix diagram. obtain.
[00180]以下に説明するように、それぞれ図18~22に示すプールベ線図を使用して、印加電圧と電気化学的pH調節が、Ni、Fe、Mn、Al、及びZnの標的種をCCC流入物から除去するために選択される。当業者は、印加電圧と電気化学的pH調節を選択して、標的元素又は錯体の所与の種を除去することができる。銅は、電着、水酸化物析出、及び/又は酸化銅への酸化により、CCCによって除去される。 [00180] As explained below, using the Pourbaix diagrams shown in FIGS. selected for removal from the influent. Applied voltages and electrochemical pH adjustments can be selected by one skilled in the art to remove a given species of target element or complex. Copper is removed by CCC by electrodeposition, hydroxide deposition, and/or oxidation to copper oxide.
[00181]FPC制御システム。所与のFPCに関するFPCパラメータが、様々なセンサ、インターフェース、バルブ、及び周辺機器を監視及び/又は制御するコンピュータシステムを使用して監視及び制御され、これは、一般にプロセス制御コンピュータ(プロセスコントローラとも呼ばれる)として公知であり、一般に、液体、固体、又は気相を問わず、材料、例えば化学物質及び石油に関連する連続又は半連続生産活動と関連づけられたコンピュータである。プロセス制御コンピュータは、FPCパラメータをシステム内の1つ又は複数のFPCに適用すること、及び通過流の径路の変更、例えば、直列システムアーキテクチャを直並列システムアーキテクチャに変換する変更を可能とする。 [00181] FPC control system. FPC parameters for a given FPC are monitored and controlled using a computer system that monitors and/or controls various sensors, interfaces, valves, and peripherals, commonly referred to as a process control computer (also called a process controller). ) and are generally associated with continuous or semi-continuous production activities associated with materials, such as chemicals and petroleum, whether in liquid, solid, or gas phase. The process control computer allows FPC parameters to be applied to one or more FPCs in the system and to change the path of the flow through, eg, to convert a serial system architecture to a series-parallel system architecture.
[00182]プールベ線図が存在する他の標的種へのFPC設計の拡張。Pb、Ni、Zn、Al、Cu、Fe、Mn、Cl、Br、及びクロラミンに加えて、FPCパラメータ、及び上記に開示するシステムと方法は、As、Se、Sc、Ti、V、Cr、Co、Y、Zr、Nb、Mo、Tc、Ru、Rh、Pd、Ag、Cd、La、Hf、Ta、W、Re、Os、Ir、Pt、Au、Hg、Ce、Pr、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、Ho、Er、Tm、Yb、Lu、及び他のハロゲン化物の場合のプールベ線図で特定される金属及びハロゲン化物種の除去に適用することができる。 [00182] Extension of FPC design to other target species for which Pourbaix diagrams exist. In addition to Pb, Ni, Zn, Al, Cu, Fe, Mn, Cl, Br, and chloramines, the FPC parameters and systems and methods disclosed above can be used for As, Se, Sc, Ti, V, Cr, Co , Y, Zr, Nb, Mo, Tc, Ru, Rh, Pd, Ag, Cd, La, Hf, Ta, W, Re, Os, Ir, Pt, Au, Hg, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm , Eu, Gd, Tb, Dy, Ho, Er, Tm, Yb, Lu, and the removal of metal and halide species identified in the Pourbaix diagram for other halides.
[00183][実施例]
[00184]EDCの性能試験を行い、炭素電極と3.0V未満の電圧を使用して全塩素、遊離塩素、クロラミン、及び過酸化物(H2O2)の除去を検証した。測定は、分析試験キットを使用して行った。実験は、フローバイセル設計と、アノード-カソード-アノード-カソード(アノード-カソードの可変数の繰り返し)アノード-カソードと交互に連続する14対の電極を用いて行った(図23)。図23に示すフローバイ設計では、インプット流は、セル容器の壁近くの環状の空間を通って進み、次いで、電極表面上を中心に向かって軸方向チャネルへと流れ、次いで、軸方向チャネルを通ってFPC出口へと排出される。正電圧がアノードに印加され、負電圧がカソードに印加される。全ての電極が同じ速度で劣化することを確実にし、EDCデバイスの寿命を伸ばすため、所与の電極に印加される電圧の極性は定期的に切り替えられる(各アノードをカソードに、各カソードをアノードに変換する)。一例を図24に示す。所与のEDCの場合の極性切り替えの間隔は、任意に(例えば、1時間毎に)設定することも、1つ又は複数のEDCパラメータ、例えば、電流閾値、電圧閾値、定電圧での電流減少速度、定電圧での電流減少率、定電流での電圧減少速度、定電流での電圧減少率、処理した総体積、及びEDC流出物中の標的種の濃度に基づき設定することもできる。好ましい極性切り替えポイントは、(i)一定の印加電圧での電流の低下率、(ii)一定の印加電流での電圧の増加率、(iii)処理した総体積、及び(iii)流出物中の標的種の濃度である。標的種によっては、流出物中の標的種の濃度上昇が検出される前に減少又は増加率が検出されることがあり、その逆もある(V対流出物中の標的種の濃度をプロットした以下の図を参照されたい)。3種類の炭素を調べた。電極特性を表4に示す。
[00183] [Example]
[00184] EDC performance tests were performed to verify the removal of total chlorine, free chlorine, chloramines, and peroxides ( H2O2 ) using carbon electrodes and voltages below 3.0V. Measurements were made using analytical test kits. Experiments were performed using a flow-by-cell design and 14 pairs of electrodes in alternating series anode-cathode-anode-cathode (a variable number of repetitions of anode-cathode) anode-cathode (FIG. 23). In the flow-by design shown in FIG. 23, the input flow travels through an annular space near the wall of the cell vessel, then flows over the electrode surface toward the center into the axial channel and then through the axial channel. and discharged to the FPC outlet. A positive voltage is applied to the anode and a negative voltage is applied to the cathode. To ensure that all electrodes degrade at the same rate and extend the life of the EDC device, the polarity of the voltage applied to a given electrode is periodically switched (each anode to cathode, each cathode to anode ). An example is shown in FIG. The interval between polarity switching for a given EDC can be set arbitrarily (e.g., every hour) or one or more EDC parameters, e.g. current threshold, voltage threshold, current reduction at constant voltage It can also be set based on rate, rate of current reduction at constant voltage, rate of voltage reduction at constant current, rate of voltage reduction at constant current, total volume processed, and concentration of target species in the EDC effluent. Preferred polarity switching points are (i) the rate of decrease in current at constant applied voltage, (ii) the rate of increase in voltage at constant applied current, (iii) the total volume treated, and (iii) is the concentration of the target species. Depending on the target species, the rate of decrease or increase may be detected before an increase in concentration of the target species in the effluent is detected, and vice versa (V vs. concentration of the target species in the effluent is plotted). See figure below). Three types of carbon were investigated. Table 4 shows electrode characteristics.
[00185]容量性凝固実験を行い、16対の炭素電極(約13gの炭素)を使用してCu除去を試験した。カソードは純粋なSCであり、アノードは硝酸で酸化させたSCであった。FPCは、短絡(0V)で作動させた。直接注入(「DI」)したH2O中Cu[Cu(NO3)2]が約100ppmの供給物溶液1Lを20ml/分の流量で処理した。サンプルを光学発光分光計(OES)を用いた誘導結合プラズマ(ICP)により分析し、表9の結果は、1回の通過でCuの約1/3が除去されたことを示している。 [00185] Capacitive solidification experiments were performed to test Cu removal using 16 pairs of carbon electrodes (~13 g of carbon). The cathode was pure SC and the anode was SC oxidized with nitric acid. The FPC was operated with a short circuit (0V). 1 L of feed solution of about 100 ppm Cu[Cu(NO 3 ) 2 ] in direct injected (“DI”) H 2 O was processed at a flow rate of 20 ml/min. The sample was analyzed by inductively coupled plasma (ICP) using an optical emission spectrometer (OES) and the results in Table 9 show that about 1/3 of the Cu was removed in one pass.
[00186]容量性凝固実験を行い、12対の炭素電極(約10gの炭素)を使用してCu除去を試験した。カソードとアノードは、両方とも純粋なSCであった。FPCは、カソードへの印加電位1.2Vで作動させた。DIH2O中Cu[Cu(NO3)2]が約50ppmでCa(CaCl2)が約50ppmの供給物溶液18.5Lを20ml/分の流量で処理した。作動中、Cuが溶液からカソードにめっきされ、図25aに灰色がかった堆積物として示されている。 [00186] Capacitive solidification experiments were performed to test Cu removal using 12 pairs of carbon electrodes (~10 g of carbon). Both cathode and anode were pure SC. The FPC was operated with a potential of 1.2 V applied to the cathode. 18.5 L of a feed solution of about 50 ppm Cu[Cu(NO 3 ) 2 ] and about 50 ppm Ca(CaCl 2 ) in DIH 2 O was processed at a flow rate of 20 ml/min. During operation, Cu is plated onto the cathode from solution and is shown as a grayish deposit in Figure 25a.
[00187]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Cu除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道H2O中Cu[Cu(NO3)2]が約2ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Cu2+濃度をICP-OESで測定した。試験を行った全ての条件で、約78%のCu除去が達成された(表10)。 [00187] Flow-by capacitive coagulation experiments were performed using 14 pairs of carbon electrodes (approximately 30 g of carbon) to test Cu removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0 and 1.2V. 1.5 L of feed solution of about 2 ppm Cu[Cu(NO 3 ) 2 ] in tap H 2 O was processed at a flow rate of 100 mL/min. Samples were taken before and after cell filtration and the Cu 2+ concentration was measured by ICP-OES. Approximately 78% Cu removal was achieved for all conditions tested (Table 10).
[00188]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、低pHでのCu除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、1.2Vで作動させた。水道H2O中Cu[Cu(NO3)2]が約10ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。pHは、濃H2SO4を使用して2.8に調節した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Cu2+濃度をICP-OESで測定した。Cuは、非常に効果的に除去され(表11)、99.8%の除去であった。 [00188] Flow-by capacitive coagulation experiments were performed using 14 pairs of carbon electrodes (approximately 30 g of carbon) to test Cu removal at low pH. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at 1.2V. 1.5 L of feed solution of about 10 ppm Cu[Cu(NO 3 ) 2 ] in tap H 2 O was processed at a flow rate of 100 mL/min. The pH was adjusted to 2.8 using concentrated H2SO4 . Samples were taken before and after cell filtration and the Cu 2+ concentration was measured by ICP-OES. Cu was removed very effectively (Table 11) with 99.8% removal.
[00189]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ni除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道H2O中Ni[Ni(Cl)2]が約50ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ni2+濃度をICP-OESで測定した。1.2Vで約63%の最大除去が達成された(表12)。 [00189] A flow-by capacitive coagulation experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (~30 g of carbon) to test Ni removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0 and 1.2V. 1.5 L of feed solution of about 50 ppm Ni[Ni(Cl) 2 ] in tap H 2 O was processed at a flow rate of 100 mL/min. Samples were taken before and after cell filtration and the Ni 2+ concentration was measured by ICP-OES. A maximum rejection of about 63% was achieved at 1.2V (Table 12).
[00190]16対の炭素電極(約14gの炭素)を使用して容量性凝固実験を行い、Fe除去を試験した。カソードは、純粋なSCであり、アノードは、硝酸で酸化させたSCであった。セルは、短絡(0V)で作動させた。DIH2O中Fe[Fe(Cl)3]が100ppm又はFeCl3が25ppmの供給物溶液18.5Lを20ml/分の流量で処理した。Feの濃度は、処理により着実に低下し、ICP-OESの結果を表13に示す。高濃度の実験(Fe100ppm)の場合、Fe酸化物がカソードでさび色の析出物としてセパレータ上に形成され、灰色がかった堆積物として示されている(図26)。 [00190] Capacitive coagulation experiments were performed using 16 pairs of carbon electrodes (approximately 14 g of carbon) to test Fe removal. The cathode was pure SC and the anode was SC oxidized with nitric acid. The cell was operated with a short circuit (0V). 18.5 L of feed solution of 100 ppm Fe[Fe(Cl) 3 ] or 25 ppm FeCl 3 in DIH 2 O was treated at a flow rate of 20 ml/min. The concentration of Fe steadily decreased with treatment and the ICP-OES results are shown in Table 13. For high concentration experiments (100 ppm Fe), Fe oxides formed at the cathode as a rust-colored deposit on the separator, shown as a grayish deposit (FIG. 26).
[00191]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Fe除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道H2O中Fe[Fe(Cl)3]が約15ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Fe3+濃度をICP-OESで測定した。試験を行った全ての条件で約99.9%のFe除去が達成された(表14)。 [00191] A flow-by capacitive coagulation experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (approximately 30 g of carbon) to test Fe removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0 and 1.2V. 1.5 L of feed solution of about 15 ppm Fe[Fe(Cl) 3 ] in tap H 2 O was processed at a flow rate of 100 mL/min. Samples were taken before and after cell filtration and the Fe 3+ concentration was measured by ICP-OES. Approximately 99.9% Fe removal was achieved for all conditions tested (Table 14).
[00192]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Mn除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.8、1.0、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道H2O中Mn[Mn(SO4)]が約20ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Mn2+濃度をICP-OESで測定した。1.2Vで約99.8%のMn除去が達成された(表15)。 [00192] Flow-by capacitive coagulation experiments were performed using 14 pairs of carbon electrodes (approximately 30 g of carbon) to test Mn removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.8, 1.0 and 1.2V. 1.5 L of feed solution of about 20 ppm Mn[Mn(SO 4 )] in tap H 2 O was processed at a flow rate of 100 mL/min. Samples were taken before and after cell filtration and the Mn 2+ concentration was measured by ICP-OES. About 99.8% Mn removal was achieved at 1.2 V (Table 15).
[00193]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Al除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.4、0.8、及び1.2Vの印加電位で作動させた。廃水サンプルからのAlが約30ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Al3+濃度をICP-OESで測定した。0.4Vで約99.9%のAl除去が達成された(表16)。 [00193] Flow-by capacitive coagulation experiments were performed using 14 pairs of carbon electrodes (approximately 30 g of carbon) to test Al removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.4, 0.8 and 1.2V. 1.5 L feed solution with about 30 ppm Al from a wastewater sample was processed at a flow rate of 100 mL/min. Samples were taken before and after cell filtration and the Al 3+ concentration was measured by ICP-OES. About 99.9% Al removal was achieved at 0.4 V (Table 16).
[00194]14対の炭素電極(約30gの炭素)を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Zn除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたKNであり、アノードは、純粋な炭素であった。FPCは、0.4、0.8、及び1.2Vの印加電位で作動させた。水道H2O中Zn[Zn(Cl2)]が約35ppmの供給物溶液1.5Lを100mL/分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Zn2+濃度をICP-OESで測定した。1.2Vで約40.8%のZn除去が達成された(表17)。 [00194] A flow-by capacitive coagulation experiment was performed using 14 pairs of carbon electrodes (approximately 30 g of carbon) to test Zn removal. The cathode was KN oxidized with nitric acid and the anode was pure carbon. The FPC was operated at applied potentials of 0.4, 0.8 and 1.2V. 1.5 L of feed solution of about 35 ppm Zn[Zn(Cl 2 )] in tap H 2 O was processed at a flow rate of 100 mL/min. Samples were taken before and after cell filtration and the Zn 2+ concentration was measured by ICP-OES. About 40.8% Zn removal was achieved at 1.2 V (Table 17).
[00195]純粋及び酸化させたカイノールへのPbの物理吸着を調査するため、充填カラムを約5gの炭素で満たし、Pb[Pb(NO3)2]が約100ppmのDIH2Oを1L、20ml/分の流量でろ過した。表18の結果は、Pbが炭素に物理的に吸着している証拠を提供する。加えて、ろ過後、純粋なカイノール電極上に、相当量の白色析出物が存在し(図27)、エネルギー分散型X線分光法(EDX)により、酸化鉛であることが確認された(図28)。 [00195] To investigate the physisorption of Pb on pure and oxidized kynol, a packed column was filled with about 5 g of carbon and 1 L, 20 ml of DIH2O with about 100 ppm of Pb [Pb( NO3 ) 2 ]. /min flow rate. The results in Table 18 provide evidence that Pb is physically adsorbed on carbon. In addition, after filtration, there was a significant amount of white precipitate on the pure Kynol electrode (Fig. 27), which was confirmed to be lead oxide by Energy Dispersive X-ray Spectroscopy (EDX) (Fig. 27). 28).
[00196]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約50ppbの供給物溶液1L、12対の純粋な炭素電極(約10g)及び20mL/分の流量を使用したフロースルー容量性凝固実験は、1回の通過で連邦対策レベル15ppbを遙かに下回るまでのPb除去を示した(表19及び表20)。セルは、短絡(0V)、並びに0.8及び1.2Vの印加電位で作動させた。除去を試験するため、Pbを数回混入させた。表20の実験は、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソードを使用し、1.2Vで遂行した。セルを通すろ過の前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度を、ANDalyze製手持ち式センサ及び/又は誘導結合プラズマ質量分光法(ICP-MS)で測定した。表中の「\」は、「測定されず」を意味する。 [ 00196 ] Flow-through capacitive using 1 L feed solution of ~50 ppb Pb[Pb( NO3 ) 2 ] in tap H2O, 12 pairs of pure carbon electrodes (~10 g) and a flow rate of 20 mL/min Coagulation studies showed Pb removal to well below federal action levels of 15 ppb in a single pass (Tables 19 and 20). The cell was operated with a short circuit (0V) and applied potentials of 0.8 and 1.2V. Pb was spiked several times to test the removal. The experiments in Table 20 were performed at 1.2 V using a pure anode and a cathode oxidized with nitric acid. Samples were taken before and after filtration through the cell and Pb 2+ concentrations were measured with an ANDalyze handheld sensor and/or inductively coupled plasma mass spectroscopy (ICP-MS). "\" in the table means "not measured".
[00197]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約5~約275ppbの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソード、及び100mL/分の流量を使用したフローバイ容量性凝固実験も、1回の通過で連邦対策レベル15ppbを遙かに下回るまでのPb除去を示した(表21)。セルは、1.2Vの印加電位で作動させた。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサ及び/又はICP-MSで測定した。結果から、Pbが溶液から恒久的に除去されていることが明らかとなった。 [00197] 1.5 L feed solution of about 5 to about 275 ppb Pb[Pb(NO 3 ) 2 ] in tap H 2 O, 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g), pure anode and oxidized with nitric acid Flow-by capacitive coagulation experiments using the cathode and a flow rate of 100 mL/min also showed Pb removal to well below the federal action level of 15 ppb in a single pass (Table 21). The cell was operated with an applied potential of 1.2V. Samples were taken before and after cell filtration and Pb 2+ concentrations were measured with ANDalyze handheld sensors and/or ICP-MS. The results revealed that Pb was permanently removed from the solution.
[00198]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約50ppbの供給物溶液1L、12対の炭素電極(約10g)、及び20mL/分の流量を使用したフロースルー容量性凝固実験を、開回路電圧(OCV)、短絡(0V)、及び0.2V刻みの0.4~1.4Vの印加電位で行った。様々な酸素含有表面基と、特性が異なる炭素を試験した。セルに1回通過させた後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサ及び/又はICP-MSで測定した。 [00198] Flow-through capacitive coagulation using 1 L of feed solution of ~50 ppb Pb[Pb( NO3 ) 2 ] in tap H2O , 12 pairs of carbon electrodes (~10 g), and a flow rate of 20 mL/min. Experiments were performed at open circuit voltage (OCV), short circuit (0 V), and applied potentials from 0.4 to 1.4 V in 0.2 V steps. Various oxygen-containing surface groups and carbons with different properties were tested. Samples were taken after one pass through the cell and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalyze handheld sensor and/or ICP-MS.
[00199]表22の実験結果は、純粋なアノードとクエン酸で酸化させたカソードの場合である。Pbは、OCV及び短絡で除去されたが、印加電位下ではより効果的に除去された。最良の結果は、1.2Vで得られ、92%のPbが除去された。 [00199] The experimental results in Table 22 are for a pure anode and a cathode oxidized with citric acid. Pb was removed by OCV and short circuit, but was removed more effectively under applied potential. Best results were obtained at 1.2 V, with 92% Pb removal.
[00200]表23の実験結果は、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソードの場合である。測定されたPbの濃度は、混入させた値の約50ppbを下回っている。pHは、9に近く、測定では不溶性のPb種が含まれていない可能性があった。最後の純粋な炭素片(アノード)上には橙色の析出物も観察され、フィルター紙の周囲に認められた。 [00200] The experimental results in Table 23 are for a pure anode and a cathode oxidized with nitric acid. The measured Pb concentration is below the spiked value of about 50 ppb. The pH was close to 9 and was likely free of insoluble Pb species as measured. An orange deposit was also observed on the last piece of pure carbon (anode) and was found around the filter paper.
[00201]表24の実験結果は、純粋なアノードとオーブンで340℃で72時間酸化させたカソードの場合である。Pb除去は、短絡及び1.2Vで観察された。溶存酸素(DO)も実験を通して監視され、印加電圧と共に減少し、酸素がH2O2に還元されていることを示唆する(表25)。 [00201] The experimental results in Table 24 are for a pure anode and a cathode oxidized in an oven at 340°C for 72 hours. Pb removal was observed at short and 1.2V. Dissolved oxygen (DO) was also monitored throughout the experiment and decreased with applied voltage, suggesting that oxygen is being reduced to H2O2 (Table 25) .
[00202]カイノール、ゾーフレックス(Zorflex)、及びフュールセルアースの3種の炭素を試験した。これらの特性を、表26に列挙する。ゾーフレックスを使用した結果を表27及び表28に示す。印加電圧によりDOは減少し、鉛除去が向上した。 [00202] Three carbons were tested: Kynor, Zorflex, and Fulcell Earth. These properties are listed in Table 26. Results using Zoflex are shown in Tables 27 and 28. DO decreased with applied voltage and lead removal improved.
[00203]カイノールを使用した結果は、表18~表24と、以下の表29、表32及び表36に示されている。表29に示す結果では、OCV、短絡、及び1.2Vの印加電位のみ試験を行った。約10ppbの開始濃度であっても、非常に低いレベルへの鉛除去が達成され、DO濃度は、1.2Vで6%未満に低下した。SEM/EDXにより、電極上へのPb堆積が確認された(図13)。 [00203] Results using Kynol are shown in Tables 18-24 and Tables 29, 32 and 36 below. For the results shown in Table 29, only OCV, short circuit, and applied potential of 1.2V were tested. Even with a starting concentration of about 10 ppb, lead removal to very low levels was achieved and the DO concentration dropped below 6% at 1.2V. SEM/EDX confirmed Pb deposition on the electrodes (FIG. 13).
[00204]フュールセルアース(www.fuelcellstore.com)は、グラファイト布であり、高度に導電性である。結果を表30及び表31に示す。表面積が非常に小さいため、どちらの場合も、測定可能な電流はなかった。最初の実験(表30)後にセルを分解すると、セル内での位置に関係なく、全てのフィルター紙上に橙色の析出物があった。アノードとカソードの両方に純粋な炭素を用いて実験を繰り返し、1回の通過ではなく、3時間の繰り返しの後にサンプルを採取した(表31)。この場合、開回路では鉛は除去されず、短絡では幾分除去され、1.2Vの印加電位では遙かに多く除去された。DOは、印加電位に関係なく変化しないままで、H2O2は、1.2Vで0ppmであると測定された。Pb除去は、H2O2との反応によって起こるのではなく、電極表面でのpH変動により起こる可能性がある。 [00204] Fuelcell ground (www.fuelcellstore.com) is a graphite cloth and is highly conductive. The results are shown in Tables 30 and 31. In both cases there was no measurable current due to the very small surface area. When the cell was disassembled after the first experiment (Table 30), there was an orange deposit on all filter papers regardless of location within the cell. The experiment was repeated using pure carbon for both the anode and cathode, and samples were taken after the 3-hour repetition instead of one pass (Table 31). In this case, no lead was removed for an open circuit, some was removed for a short, and much more was removed for an applied potential of 1.2V. DO remained unchanged regardless of applied potential and H 2 O 2 was measured to be 0 ppm at 1.2V. Pb removal may not occur by reaction with H2O2 , but by pH fluctuations at the electrode surface.
[00205]Pbを合成水道水に混入して上記と同じ一連の実験を行った(表32及び表33)。この水は、炭酸塩を含有せず、他のイオン種の濃度は、我々の水道水と同様であった。OCV及び短絡でPb除去が観察され、1.2Vではわずかに多く除去された。DO濃度は、実験を通して低かった。 [00205] The same series of experiments were conducted with Pb mixed into synthetic tap water (Tables 32 and 33). This water contained no carbonate and the concentrations of other ionic species were similar to our tap water. Pb removal was observed at OCV and short, with slightly more removal at 1.2V. DO concentrations were low throughout the experiment.
[00206]純粋又は硝酸で酸化させた炭素(約5g)の充填カラムの場合の破過曲線を得て、Pb[Pb(NO3)2]が約150ppbの水道H2O1Lを20mL/分の流量でろ過した(表34及び表35)。この場合、Pb除去は、我々のデバイスによる容量吸着及び凝固(能動的ろ過)ではなく、物理吸着(受動的ろ過)により起きている。初期Pb濃度は劇的に低下するが、約0.3Lの水を処理した時点で炭素は両方とも急速に飽和し、効果がなくなる。試験を行った条件では、酸化させた炭素と比較して、純粋な炭素が鉛の物理吸着により効果的であるように見える。FPCデバイスのフロースルーの実施形態がいつ飽和するかを判定するため、12対の電極(約10g)を用い、1回の通過で5ガロンの水を1.2Vで20mL/分で処理した。処理した5ガロンの水に対し、持続的な性能が得られた(表36)。ろ過後の鉛の濃度は低いままであった一方、カルシウム(Ca2+)の濃度はほぼ一定であり、鉛に対する99%を超える選択性が実証された。この実験をフローバイデバイスを用いて繰り返し、14対の電極(約30g)を用い、5ガロンの水を1.2Vで100mL/分で1回の通過で処理した(表37)。Pb除去は、極端に高い開始Pb濃度からでも、通過させた総体積に対して維持された。
[00206] A breakthrough curve for a packed column of pure or nitric acid oxidized carbon (about 5 g) was obtained and 1 L of tap H2O with Pb[Pb( NO3 ) 2 ] of about 150 ppb at 20 mL/min. Flow filtered (Tables 34 and 35). In this case, Pb removal is occurring by physisorption (passive filtration) rather than capacitive adsorption and coagulation by our device (active filtration). The initial Pb concentration drops dramatically, but both carbons quickly saturate and become ineffective after about 0.3 L of water. Under the conditions tested, pure carbon appears to be more effective at physisorbing lead compared to oxidized carbon. To determine when the flow-through embodiment of the FPC device saturates, 12 pairs of electrodes (approximately 10 g) were used to process 5 gallons of water in one pass at 1.2 V at 20 mL/min. Sustained performance was obtained for 5 gallons of water treated (Table 36). The lead concentration remained low after filtration, while the calcium (Ca 2+ ) concentration remained nearly constant, demonstrating a selectivity to lead of greater than 99%. This experiment was repeated using a flow-by device, using 14 pairs of electrodes (approximately 30 g) and
[00207]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約150ppbの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、及び300mL/分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位1.2Vで行った(表38)。セルに1回通過させる前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。処理したサンプルは、センサの検出限界であった。 [ 00207 ] Flow-by capacitive using 1.5 L feed solution of ~150 ppb Pb[Pb( NO3 ) 2 ] in tap H2O, 14 pairs of carbon electrodes (~30 g), and a flow rate of 300 mL/min. Coagulation experiments were performed at an applied potential of 1.2 V (Table 38). Samples were taken before and after one pass through the cell and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalyze handheld sensor. Samples processed were at the detection limit of the sensor.
[00208]濃H2SO4で調節したpH2.83の水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約150ppbの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、及び100ml/分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位1.2Vで行った(表39)。セルに1回通過させる前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。処理したサンプルは、センサの検出限界未満であった。 [00208] 1.5 L of a feed solution of about 150 ppb Pb[Pb( NO3 ) 2 ] in tap H2O at pH 2.83 adjusted with concentrated H2SO4 , 14 pairs of carbon electrodes (about 30 g), and flow-by capacitive coagulation experiments with a flow rate of 100 ml/min were performed at an applied potential of 1.2 V (Table 39). Samples were taken before and after one pass through the cell and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalyze handheld sensor. Samples processed were below the detection limit of the sensor.
[00209]Pbが約150ppbのPb酸バッテリー製造業者の廃水サンプルの供給物溶液1.5L、14対の炭素電極(約30g)、及び100ml/分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位1.2Vで行った(表40)。セルに1回通過させる前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。流出物は、割り当てられたPb排出制限の0.6ppmを遙かに下回っていた。 [00209] A flow-by capacitive coagulation experiment using 1.5 L of feed solution of a wastewater sample from a Pb-acid battery manufacturer with Pb of ~150 ppb, 14 pairs of carbon electrodes (~30 g), and a flow rate of 100 ml/min was performed by: The applied potential was 1.2 V (Table 40). Samples were taken before and after one pass through the cell and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalyze handheld sensor. The effluent was well below the assigned Pb emission limit of 0.6 ppm.
[00210]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約150ppbの供給物溶液1.5L、約14gの炭素電極、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソード、及び50、100、及び200ml/分の流量を用いた容量性凝固実験に巻回セル設計を使用し、全て1回の通過で連邦対策レベルの15ppb未満へのPb除去を示した(表41)。セルは、1.2Vの印加電位で作動させた。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Pb2+濃度をANDalyze製手持ち式センサで測定した。 [00210] 1.5 L feed solution of about 150 ppb Pb[Pb( NO3 ) 2 ] in tap H2O, about 14 g carbon electrode, pure anode and nitric acid oxidized cathode, and 50, 100, and a wound cell design for capacitive coagulation experiments with a flow rate of 200 ml/min, all showing Pb removal to less than the federal action level of 15 ppb in a single pass (Table 41). The cell was operated with an applied potential of 1.2V. Samples were taken before and after cell filtration and the Pb 2+ concentration was measured with an ANDalyze handheld sensor.
[00211]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約50ppbとPbが2.5ppm、及び水道水中Cuが約10ppmである供給物溶液1.5Lを用いた容量性凝固実験に巻回セル設計を使用した。Pb除去は、低濃度の場合は連邦対策レベルの15ppb未満であり、高濃度の場合は1ppm未満であった(表42)。Cu除去は、99%を超えていた(表43)。巻回セルの概略図を図29に示す。 [00211] In a capacitive coagulation experiment using 1.5 L of feed solution with about 50 ppb Pb [Pb( NO3 ) 2 ] and 2.5 ppm Pb in tap water H2O and about 10 ppm Cu in tap water. A wound cell design was used. Pb removal was below the federal action level of 15 ppb for low concentrations and below 1 ppm for high concentrations (Table 42). Cu removal was over 99% (Table 43). A schematic diagram of a wound cell is shown in FIG.
[00212]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が2.5ppmの溶液、及び約30gの炭素電極を1.2Vで用いた容量性凝固実験に直列セルアーキテクチャを使用した。連続5ガロンの水を処理し、濃度は一貫して48ppb未満であった(表44)。 [00212] A series cell architecture was used for capacitive coagulation experiments using a 2.5 ppm solution of Pb[Pb( NO3 ) 2 ] in tap H2O and approximately 30 g of carbon electrodes at 1.2 V. Five consecutive gallons of water were processed and concentrations were consistently less than 48 ppb (Table 44).
[00213]水道H2O中Pb[Pb(NO3)2]が約50ppbの供給物溶液1.5Lを用いた容量性凝固実験に炭素ブロックを使用した(表45)。Pb除去は、連邦対策レベルの15ppb未満であった。 [00213] The carbon block was used in capacitive coagulation experiments with 1.5 L feed solution of ~50 ppb Pb[Pb( NO3 ) 2 ] in tap H2O (Table 45). Pb removal was below the federal action level of 15 ppb.
[00214]複数の金属種、Cu、Fe、及びMnをppm範囲の濃度で含有する工業廃水をフローバイ容量性凝固実験に使用した。0.5、1.0、及び1.5L/分の流量を1.2Vで試験した。Cuは、98%を超え、Feは14%を超え、Mnは87%を超える減少であった(表46)。 [00214] Industrial wastewaters containing multiple metal species, Cu, Fe, and Mn at concentrations in the ppm range, were used for flow-by capacitive coagulation experiments. Flow rates of 0.5, 1.0, and 1.5 L/min were tested at 1.2V. Cu was reduced by over 98%, Fe by over 14%, and Mn by over 87% (Table 46).
[00215]複数の金属種、Cu、Fe、及びMnをppb範囲の濃度で含有する逆浸透(RO)濃縮物、又はブラインを、フローバイ容量性凝固実験に使用した。0.1、0.5、及び1.0L/分の流量を1.2Vで試験した。Cuは、99%を超え、Feは、99%を超え、Mnは、74%を超える減少であった(表47)。 [00215] Reverse osmosis (RO) concentrates containing multiple metal species, Cu, Fe, and Mn at concentrations in the ppb range, or brines, were used for flow-by capacitive coagulation experiments. Flow rates of 0.1, 0.5, and 1.0 L/min were tested at 1.2V. Cu over 99%, Fe over 99% and Mn over 74% reduction (Table 47).
[00216]全塩素及び遊離塩素を、塩素除去用に調整したEDCでの処理の前後に測定した。クロラミンは、全塩素と遊離塩素との差から推定した。99%を超える遊離塩素除去と、最大99%のクロラミン除去が得られた。作動中、3.0V未満の電圧をセルに印加した。100~500ml/分の流量を試験した。厳密には細孔崩壊による電荷損失による性能の低下が観察される前に、合計約210ガロンの水が処理された。 [00216] Total chlorine and free chlorine were measured before and after treatment with EDC conditioned for chlorine removal. Chloramine was estimated from the difference between total chlorine and free chlorine. Greater than 99% free chlorine removal and up to 99% chloramine removal were obtained. A voltage of less than 3.0 V was applied to the cell during operation. Flow rates of 100-500 ml/min were tested. A total of about 210 gallons of water was treated before performance degradation was observed due to charge loss strictly due to pore collapse.
[00217]V>0の場合、酸化させたカイノール(硝酸処理)をアノードとして、純粋なカイノールをカソードとして使用し、V<0の場合、電極を切り替えた。供給物(流入物)及び生成物(流出物)流中の全塩素を、図30に示す。流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図31及び図32は、それぞれ供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図33は、各消毒剤の除去%を示す。99%を超える遊離塩素除去と、約80%のクロラミン除去が得られた。EDCでの処理後に、最大100%の過酸化物除去も達成された。 [00217] When V>0, oxidized kynol (nitric acid treatment) was used as the anode and pure kynol was used as the cathode, and when V<0, the electrodes were switched. The total chlorine in the feed (influent) and product (effluent) streams is shown in FIG. A clear reduction in total chlorine in the effluent was observed. Figures 31 and 32 show the concentration of free chlorine and chloramine in the feed and product streams, respectively. Figure 33 shows the % removal for each disinfectant. Greater than 99% free chlorine removal and about 80% chloramine removal were obtained. Up to 100% peroxide removal was also achieved after treatment with EDC.
[00218]酸化させたカイノール(硝酸処理)をカソードとして、フュールセルアースをアノードとして使用した。供給物及び生成物流中の全塩素を、図34に示す。2.0Vの印加電圧で、流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図35及び図36は、それぞれ供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図37は、各消毒剤の除去%である。99%を超える遊離塩素除去と、約40%のクロラミン除去が得られた。EDCでの処理後に、約60%の過酸化物除去も達成された。 [00218] Oxidized Kynol (nitric acid treatment) was used as the cathode and fuel cell ground as the anode. The total chlorine in the feed and product streams is shown in FIG. A clear reduction in total chlorine in the effluent was observed at an applied voltage of 2.0V. Figures 35 and 36 show the concentrations of free chlorine and chloramines in the feed and product streams, respectively. Figure 37 is the % removal for each disinfectant. Greater than 99% free chlorine removal and about 40% chloramine removal were obtained. About 60% peroxide removal was also achieved after treatment with EDC.
[00219]V>0の場合、酸化させたカルゴン(硝酸及び電気化学的処理)をアノードとして、純粋なカルゴンカソードとして使用し、V<0の場合、電極を切り替えた。供給物及び生成物流中の全塩素を、図38に示す。流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図39及び図40はそれぞれ、供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図41は、各消毒剤の除去%を示す。最大96%の遊離塩素除去と、約57%のクロラミン除去が得られた。EDCでの処理後に、約57%の過酸化物除去も達成された。 [00219] When V>0, oxidized Calgon (nitric acid and electrochemical treatment) was used as anode and pure Calgon cathode, and when V<0, the electrodes were switched. The total chlorine in the feed and product streams is shown in FIG. A clear reduction in total chlorine in the effluent was observed. Figures 39 and 40 show the concentrations of free chlorine and chloramines in the feed and product streams, respectively. Figure 41 shows the % removal for each disinfectant. Up to 96% free chlorine removal and about 57% chloramine removal were obtained. About 57% peroxide removal was also achieved after treatment with EDC.
[要約]
[00220]要約すると、FPCの発明は、水溶液を浄化するための電気化学的デバイスであって、少なくとも1つの炭素系アノードと少なくとも1つの炭素系カソード(前記アノード及びカソードはそれぞれ、Epzcシフトのない純粋な電極である)が、容器内に交互に並んでおり、前記容器は、水溶液を容器に供給する少なくとも1つの入口と、浄化されたアウトプットを容器から排出する少なくとも1つの出口とを備えて構成されており、セパレータが各電極の間に配置されており、関連する配線を備えた電源が、DC定電圧又は定電流を炭素系電極に供給し、除去すべき少なくとも1種の標的種を含有する水溶液が、入口を通って送り込まれ、電極のそば又は中を通って少なくとも1つの出口につながる排出チャネルに至り、少なくとも1つのアノードに印加されるDC電圧と少なくとも1つのカソードに印加されるDC電圧が、少なくとも1種の標的種のプールベ線図に示され、容量吸着、ファラディック固定化、及び容量吸着とファラディック固定化の両方からなる群から選択されるメカニズムにより、少なくとも1種の標的種を電極に凝集させるDC電圧である、デバイスを含む。少なくとも1種の標的種の凝集は、少なくとも1つのアノードの近くの4未満のpH領域における標的種の酸化により引き起こされる。或いは、少なくとも1種の標的種の凝集は、少なくとも1つのアノードの近くの4未満のpH領域における標的種の酸化により引き起こされ、酸化は、少なくとも1つのカソードの近くの10を超えるpH領域における酸化剤の生成から生じる。電源は、プロセスコントローラにより、又は手動で制御される。電極を作製する材料は、高い透水性を有し、活性炭布、ミクロ多孔性とメソ多孔性の活性炭の混合物、メソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物、及びミクロ多孔性とメソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物からなる群から選択される。セパレータの厚さは、1nm~100ミクロン、2nm~50ミクロン、2nm~30ミクロン、1~100ミクロン、1~50ミクロン、及び1~30ミクロンの範囲からなる群から選択される。ファラディック固定化を達成するために使用されるDC電圧は、0.6V未満、1.2V未満、及び2.0V未満からなる群から選択される。電極は、任意選択で不透過性の絶縁体により分離されていてもよく、その場合、通過流は、多孔質の電極の中のみを通って流れて排出チャネルに到達する、或いは、透過性のセパレータにより分離されていてもよく、その場合、通過流は、電極のそばを流れ、セパレータを通って排出チャネルに至る。イオン交換膜が、任意選択で少なくとも1つのアノード、少なくとも1つのカソード、又は両方の電極を覆うことができる。少なくとも1つの炭素系電極のゼロ電荷の電位を、カソードの還元、カソードの酸化、アノードの還元、及びアノードの酸化からなる群から選択されるメカニズムによりシフトさせることができる。電極間の間隔は、1mm未満、200ミクロン未満、50ミクロン未満、及び20ミクロン未満からなる群から選択される。FPCのセル設計は、巻回又は積層とすることができる。
[wrap up]
[00220] In summary, the FPC invention is an electrochemical device for purifying an aqueous solution comprising at least one carbon-based anode and at least one carbon-based cathode, the anode and cathode each being Epzc-shift free. pure electrodes) are alternately arranged in a container, said container having at least one inlet for supplying an aqueous solution to the container and at least one outlet for discharging a purified output from the container. A separator is positioned between each electrode, and a power source with associated wiring provides a constant DC voltage or current to the carbon-based electrodes to remove at least one target species to be removed. An aqueous solution containing is shown in the Pourbaix diagram of at least one target species, and the at least one is a DC voltage that agglutinates the target species to the electrodes. Aggregation of at least one target species is caused by oxidation of the target species in a pH region of less than 4 near at least one anode. Alternatively, aggregation of at least one target species is caused by oxidation of the target species in a pH region of less than 4 near at least one anode and oxidation in a pH region of greater than 10 near at least one cathode. It arises from the production of agents. The power supply is controlled by the process controller or manually. The materials from which the electrodes are made have high water permeability and include activated carbon cloth, mixtures of microporous and mesoporous activated carbons, mixtures of mesoporous and macroporous activated carbons, and microporous and mesoporous activated carbons. It is selected from the group consisting of mixtures of macroporous activated carbons. The thickness of the separator is selected from the group consisting of the
[00221]FPCにおけるアノードは、0%~30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%~100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0~10nmの平均細孔口径、及び0%~20%のマクロ多孔性活性炭と、80%~100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5~10nmからなる群から選択される平均細孔口径を有することができる。FPCにおけるカソードは、0%~30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%~100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0~10nmの平均細孔口径、及び0%~20%のマクロ多孔性活性炭と、80%~100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5~10nmからなる群から選択される平均細孔口径を有することができる。 [00221] The anode in the FPC is 0% to 30% microporous activated carbon containing carbon with a conductivity value greater than 10 S/cm and 70% to 100% mesoporous activated carbon. 2.0-10 nm average pore size achieved with a pore size profile of 0%-20% macroporous activated carbon and 80%-100% mesoporous activated carbon with conductive It can have an average pore size selected from the group consisting of 2.5 to 10 nm achieved using a mesoporous activated carbon pore size profile with a modulus value greater than 10 S/cm. The cathode in the FPC is 0%-30% microporous activated carbon containing carbon with a conductivity value greater than 10 S/cm and 70%-100% pores of the mesoporous activated carbon. 2.0-10 nm average pore size achieved using the aperture profile and 0%-20% macroporous activated carbon and 80%-100% mesoporous activated carbon with conductivity values of It can have an average pore size selected from the group consisting of 2.5 to 10 nm, an average pore size achieved with a mesoporous activated carbon pore size profile of greater than 10 S/cm.
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Claims (15)
少なくとも1つの炭素系アノードと少なくとも1つの炭素系カソード(前記アノード及びカソードはそれぞれ、EPZCシフトのない純粋な電極である)が、容器内に交互に並んでおり、前記容器は、水溶液を前記容器に供給する少なくとも1つの入口と、浄化されたアウトプットを前記容器から排出する少なくとも1つの出口とを備えて構成されており、セパレータが各電極の間に配置されており、関連する配線を備えた電源が、DC定電圧又は定電流を前記炭素系電極に供給し、
除去すべき少なくとも1種の標的種を含有する水溶液が、前記入口を通って送り込まれ、前記電極のそば又は中を通って前記少なくとも1つの出口につながる排出チャネルに至り、
前記少なくとも1つのアノードに印加される前記DC電圧と前記少なくとも1つのカソードに印加される前記DC電圧が、前記少なくとも1種の標的種のプールベ線図に関連し、容量吸着、ファラディック固定化、及び容量吸着とファラディック固定化の両方からなる群から選択されるメカニズムにより、前記少なくとも1種の標的種を電極に凝集させるDC電圧であり、前記少なくとも1種の標的種の前記凝集が、前記少なくとも1つのアノードの近くの4未満のpH領域における前記標的種の酸化により引き起こされる、デバイス。 An electrochemical device for purifying an aqueous solution, comprising:
At least one carbon-based anode and at least one carbon-based cathode (each said anode and cathode being a pure electrode with no EPZC shift) are alternately arranged in a container, said container containing an aqueous solution. and at least one outlet for discharging purified output from said vessel, a separator disposed between each electrode and having associated wiring. a power source supplying a DC constant voltage or constant current to the carbon-based electrode;
an aqueous solution containing at least one target species to be removed is pumped through the inlet and past or through the electrode to an exhaust channel leading to the at least one outlet;
wherein said DC voltage applied to said at least one anode and said DC voltage applied to said at least one cathode are related to the Pourbaix diagram of said at least one target species, capacitive adsorption, faradic immobilization, and a DC voltage that causes the at least one target species to aggregate to the electrode by a mechanism selected from the group consisting of both capacitive adsorption and faradic immobilization, wherein the aggregation of the at least one target species comprises: A device caused by oxidation of said target species in a pH region of less than 4 near said at least one anode .
0%~30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%~100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0~10nmの平均細孔口径、
0%~20%のマクロ多孔性活性炭と、80%~100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5~10nmからなる群から選択される平均細孔口径を有する、請求項1に記載のデバイス。 at least one carbon-based anode comprising:
With a pore size profile of 0% to 30% microporous activated carbon containing carbon with a conductivity value greater than 10 S/cm and 70% to 100% mesoporous activated carbon an average pore size of 2.0-10 nm achieved,
0% to 20% macroporous activated carbon and 80% to 100% mesoporous activated carbon, where conductivity values are achieved using mesoporous activated carbon pore size profiles greater than 10 S/cm 2. The device of claim 1, having an average pore size selected from the group consisting of an average pore size of 2.5-10 nm.
0%~30%のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、70%~100%のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される2.0~10nmの平均細孔口径、
0%~20%のマクロ多孔性活性炭と、80%~100%のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が10S/cmを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径2.5~10nmからなる群から選択される平均細孔口径を有する、請求項1に記載のデバイス。 at least one carbon-based cathode comprising:
With a pore size profile of 0% to 30% microporous activated carbon containing carbon with a conductivity value greater than 10 S/cm and 70% to 100% mesoporous activated carbon an average pore size of 2.0-10 nm achieved,
0% to 20% macroporous activated carbon and 80% to 100% mesoporous activated carbon, where conductivity values are achieved using mesoporous activated carbon pore size profiles greater than 10 S/cm 2. The device of claim 1, having an average pore size selected from the group consisting of an average pore size of 2.5-10 nm.
FPCパラメータが0~1.2Vのアノード電圧範囲、-1.1未満のカソード電圧、及び1.2Vの作動電圧であるマンガン;
FPCパラメータが0~1.2Vのアノード電圧範囲、-0.5V未満のカソード電圧、及び0.4~1.2Vの作動電圧範囲である鉄;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧範囲、及び-0.5V未満のカソード電圧であるコバルト;
FPCパラメータが0~1.0Vのアノード電圧範囲、-0.4V未満のカソード電圧、及び1.2Vの作動電圧であるニッケル;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、0V未満のカソード電圧、及び0.8~1.2Vの作動電圧範囲である銅;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、-0.8V未満のカソード電圧、及び0.8~1.2Vの作動電圧範囲である亜鉛;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、-1.3V未満のカソード電圧、及び0.4Vの作動電圧であるアルミニウム;
FPCパラメータが0.5Vを超えるアノード電圧、-0.4V未満のカソード電圧、及び1.2Vの作動電圧である鉛;
FPCパラメータが、0Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧であるパラジウム;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソードである銀;
FPCパラメータが0.4Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧であるイリジウム;
FPCパラメータが0Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧である白金;
FPCパラメータが0.8Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧である金;
FPCパラメータが0.3Vを超えるアノード電圧、及び0V未満のカソード電圧である水銀;
FPCパラメータが対NHEで1.5V未満のアノード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.5V未満の全セル電位である塩素;
FPCパラメータが対NHEで1.2V未満のアノード電位、対NHEで-1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.2V未満の全セル電位である臭素;並びに
FPCパラメータが対NHEで1.4V未満のアノード電位、対NHEで-1.0Vを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される2.4V未満の全セル電位であるクロラミン、からなる群から選択される、請求項1に記載のデバイス。 The average pore mouth distribution range is 0 to 50 nm, and the target species and FPC parameters are
Manganese with FPC parameters of 0 to 1.2 V anode voltage range, cathode voltage less than -1.1, and working voltage of 1.2 V;
iron with FPC parameters in the anode voltage range of 0-1.2V, the cathode voltage of less than -0.5V, and the working voltage range of 0.4-1.2V;
Cobalt with FPC parameters anodic voltage range above 0V and cathodic voltage below -0.5V;
Nickel with FPC parameters 0-1.0V anode voltage range, cathode voltage less than -0.4V, and working voltage 1.2V;
Copper with FPC parameters anodic voltage above 0V, cathodic voltage below 0V, and working voltage range of 0.8-1.2V;
zinc with FPC parameters greater than 0 V anode voltage, less than -0.8 V cathode voltage, and a working voltage range of 0.8-1.2 V;
Aluminum with FPC parameters anode voltage above 0V, cathode voltage below -1.3V, and working voltage of 0.4V;
Lead with FPC parameters anode voltage above 0.5V, cathode voltage below -0.4V, and working voltage of 1.2V;
Palladium with FPC parameters anodic voltage above 0 V and cathodic voltage below 0 V;
Silver with FPC parameters anodic voltage above 0V and cathode below 0V;
Iridium with FPC parameters anode voltage above 0.4V and cathode voltage below 0V;
platinum with FPC parameters anodic voltage above 0V and cathodic voltage below 0V;
gold with FPC parameters anodic voltage above 0.8V and cathodic voltage below 0V;
Mercury with FPC parameters anodic voltage above 0.3V and cathodic voltage below 0V;
chlorine whose FPC parameters are less than 1.5 V anodic potential versus NHE and less than 2.5 V total cell potential applied across the anode and cathode;
Bromine whose FPC parameters are anodic potential less than 1.2 V vs NHE, cathodic potential greater than −1.0 V vs NHE, and total cell potential less than 2.2 V applied across the anode and cathode; and FPC The group consisting of chloramines whose parameters are anodic potential less than 1.4 V vs. NHE, cathodic potential greater than -1.0 V vs. NHE, and total cell potential less than 2.4 V applied across the anode and cathode. 2. The device of claim 1, selected from:
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