(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気透析装置を使用する電気透析プロセスであって、前記プロセスが、複数のサイクルを含み、前記複数のサイクルのうちの１以上が、
直流電源が、第１の持続時間（ｔ１）の間、第１の電極及び第２の電極に順方向電流密度（Ｉｆ）を持つ順方向直流電流信号を供給して、第１の電極及び第２の電極に給電する、脱イオンステージと、
前記電源が、第２の持続時間（ｔ２）の間、前記順方向直流電流とは反対の方向に、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれに第１の逆方向電流密度（Ｉｒ）を持つ第１の逆方向直流電流信号を供給する、回復ステージとを含み、
動作期間に渡る前記複数のサイクルの各サイクルの周波数は、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲内であり、
さらに、２つのサイクルの間に、前記電源が、第４の持続時間（ｔ４）の間、前記順方向直流電流とは反対の方向に、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれに前記第１の逆方向電流密度（Ｉｒ）よりも大きい第２の逆方向電流密度（Ｉｐ）を持つ第２の逆方向直流電流信号を供給する、逆転ステージを含む、電気透析プロセス。
【請求項２】
前記電気透析装置が、前記体積内に配置されたアニオン交換膜及びカチオン交換膜をさらに備える、請求項１記載の電気透析プロセス。
【請求項３】
前記制御装置が、濃縮イオン室を通って希釈イオン室に流れる流れに原動力を提供するように、前記装置を通る給水の流れを制御するバルブを制御する、請求項１または２に記載の電気透析プロセス。
【請求項４】
前記複数のサイクルのうちの１以上が、時間的に前記第１の動作モードと前記第２の動作モードの間に位置する第３の持続時間（ｔ３）のアイドルステージを含み、該アイドルステージにおいて前記電源は前記第１及び第２の電極に電流を供給しない、請求項１乃至３のいずれかに記載の電気透析プロセス。
【請求項５】
前記アイドルステージが、前記脱イオンステージと前記回復ステージとの間に存在する、請求項４記載の電気透析プロセス。
【請求項６】
第１の電極、及び前記第１の電極から離間してある体積を画定する第２の電極と、
前記第１の電極及び前記第２の電極にパルス直流電流を送ることができる電源と、
前記装置が複数のサイクルに渡って動作するように前記装置を制御することができる制御装置とを備え、
前記複数のサイクルのうちの１以上が、
直流電源が、第１の持続時間（ｔ１）の間、前記第１の電極及び前記第２の電極に順方向電流密度（Ｉｆ）を有する順方向直流電流信号を供給して、前記第１の電極及び前記第２の電極に給電する、脱イオンステージと、
前記電源が、第２の持続時間（ｔ２）の間、前記順方向直流電流とは反対の方向に、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれに逆方向電流密度（Ｉｒ）を有する逆方向直流電流信号を供給する、回復ステージとを含み、
動作期間に渡る前記複数のサイクルの各サイクルの周波数は、１００Ｈｚ〜１０ｋＨｚの範囲内であり、
前記制御装置はさらに、２つのサイクルの間に、前記電源が、第４の持続時間（ｔ４）の間、前記順方向直流電流とは反対の方向に、前記第１の電極及び前記第２の電極のそれぞれに前記第１の逆方向電流密度（Ｉｒ）よりも大きい第２の逆方向電流密度（Ｉｐ）を持つ第２の逆方向直流電流信号を供給する、逆転ステージを実行する、電気透析装置。
【請求項７】
前記体積内に配置されたアニオン交換膜及びカチオン交換膜をさらに備える、請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記制御装置が、濃縮イオン室を通って希釈イオン室に流れる流れに原動力を提供するように、前記装置を通る給水の流れを制御するバルブを制御する、請求項６または７に記載の装置。
【請求項９】
前記複数のサイクルのうちの１以上が、時間的に前記第１の動作モードと前記第２の動作モードの間に位置する第３の持続時間（ｔ３）のアイドルステージを含み、該アイドルステージにおいて前記電源は前記第１及び第２の電極に電流を供給しない、請求項６乃至８のいずれかに記載の装置。
【請求項１０】
前記アイドルステージが、前記脱イオンステージと前記回復ステージとの間に存在する、請求項９記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、水を脱塩する装置に関する実施形態を含む。本発明は、水を脱塩するプロセスに関する実施形態を含む。
【背景技術】
【０００２】
電気透析プロセス及び電気透析装置は、水の脱塩に使用されている。電気透析装置は、一対の電極の間に、イオン交換膜を備えることができる。これらの膜には、カチオン交換膜とアニオン交換膜の２種類がある。カチオン交換膜は、分子量の小さい正に帯電したイオン（「カチオン」）に対する透過性が比較的高く、負に帯電したイオン（「アニオン」）に対する透過性は低い。アニオン交換膜は、分子量の小さいアニオンに対する透過性が比較的高い。カチオン交換膜とアニオン交換膜とが、上述の電極対の間で交互に配置され、各膜の間にコンパートメントが形成されている。電極間に直流電流が流れると、カチオンは負に帯電した電極に引き寄せられ、カチオン交換膜を通過するが、アニオン交換膜は通過しない。それと同時に、溶液中のアニオンは、正に帯電した電極に引き寄せられ、アニオン交換膜を通過するが、カチオン交換膜は通過しない。その結果、アニオン交換膜のカソード側（カチオン交換膜のアノード側）のコンパートメントは、直流電流によって部分的に脱イオン化することができるので、これらのコンパートメントは、「希釈」室と呼ばれることがある。アニオン交換膜のアノード側（カチオン交換膜のカソード側）のコンパートメントは、希釈スペースから取り出されたイオンを蓄積するので、「濃縮」室と呼ばれることがある。電気透析プロセスは、膜の間に溶液を流すことにより、連続的に行うことができる。
【０００３】
脱塩速度は、直流電流の量に関係することがある。電流密度は、膜の単位面積当たりの電流である。電流密度が増加すると、脱塩速度が上昇することがある。ただし、分極効果により、有用な電流密度の上限が決まる可能性がある。分極は、イオン輸送現象によって膜のすぐ近くの溶液から塩が減損することに起因する、不要に高いオーム抵抗をもたらす可能性がある局所的な濃度変化であることがある。膜表面付近の溶液のイオン濃度がゼロに近づいたときに、限界電流に達することがある。実際には、水は、水素イオンと水酸基イオンに電気分解し、イオン輸送の一因となることがあるので、このような水の電気透析は、電流効率を低下させる可能性がある。電解質電位により、有効電流量の上限が決まる可能性もある。膜表面への様々な物質の沈殿を促進して、膜の損傷を引き起こす、ｐＨの変化が誘導されることもある。このような沈殿は、「ファウリング」と呼ばれることもある。
【０００４】
逆電気透析技術は、沈殿又はスケールを防止又は除去するために、電極に印加する電圧／電流の極性を周期的に反転させるものである。極性の反転により、新たに沈殿したスケールを破壊して、フラッシング（ｆｌｕｓｈｉｎｇ）を可能にし、膜の損傷を防止する。しかし、逆電気透析動作では、電圧又は電流の極性が反転したときに、希釈室の機能が濃縮室の機能になり、濃縮室の機能が希釈室の機能になることがある。この反転のために、対応する希釈流路と濃縮流路も、それに応じて切り換える必要があることもある。これにより、過度に複雑な水流路及びバルブの制御が必要になることもある。さらに、逆電気透析プロセスは、かなりの量のエネルギーを消費する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第３０２９１９６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
市販されているこのような装置とは異なる脱塩装置があれば望ましいであろう。現在利用できるこのようなプロセスとは異なるプロセスがあれば、望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
一実施形態では、装置は、第１の電極及び第１の電極から離間してある体積を画定する第２の電極を備える。この体積内に、アニオン交換膜及びカチオン交換膜が配置される。制御装置が、電源から第１の電極及び第２の電極への電流の供給を制御する。電流の供給を制御して、第１の動作モードから第２の動作モードに切り換えて、各サイクル中に逆極性を有する電流を提供する。電流は、制御したサイクル速度で、制御した持続時間だけ供給する。サイクル速度は、約１００Ｈｚ超、約１０キロＨｚ未満である。
【０００８】
一実施形態では、電気透析装置は、第１の電極及び第１の電極から離間してある体積を画定する第２の電極と、第１の電極及び第２の電極にパルス直流電流を送ることができる電源と、装置が複数のサイクルに渡って動作するように装置を制御することができる制御装置とを備える。複数のサイクルのうちの１以上が、直流電源が、第１の持続時間（ｔ１）の間、第１の電極及び第２の電極に順方向直流電流（Ｉｆ）を供給して、第１の正電極及び第２の負電極に給電する脱イオンステージと、電源が、第２の持続時間（ｔ２）の間、順方向直流電流とは反対の方向に、第１の電極及び第２の電極のそれぞれに逆方向直流電流（Ｉｒ）を供給する回復ステージとを含む。動作期間に渡る複数のサイクルの各サイクルの周波数は、約１００Ｈｚ〜約１０ｋＨｚの範囲内である。
【０００９】
一実施形態では、電気透析プロセスは、電気透析装置を使用する。このプロセスは、複数のサイクルを含み、複数のサイクルのうちの１以上が、直流電源が、第１の持続時間（ｔ１）の間、第１の電極及び第２の電極に順方向直流電流（Ｉｆ）を供給して、第１の正電極及び第２の負電極に給電する脱イオンステージと、電源が、第２の持続時間（ｔ２）の間、順方向直流電流とは反対の方向に、第１の電極及び第２の電極のそれぞれに逆方向直流電流（Ｉｒ）を供給する回復ステージとを含む。動作期間に渡る複数のサイクルの各サイクルの周波数は、約１００Ｈｚ〜約１０ｋＨｚの範囲内である。
【００１０】
一実施形態では、電気透析プロセスは、希釈室を有する電気透析装置を使用する。このプロセスは、電気透析装置に給水を流入させる段階と、電気透析装置内の電極に、第１の順方向直流電流を通電する段階と、第１の所定のイオン濃度に対してイオン濃度が増加するかどうか、電気透析装置の希釈室内のイオン濃度を監視する段階と、監視しているイオン濃度が第１の所定のイオン濃度より低くなる前に、上記電極に逆極性の直流電流を通電する段階と、第２の所定のイオン濃度について、電気透析装置の希釈室内のイオン濃度を監視する段階と、希釈室内のイオン濃度が第２の所定のイオン濃度に達したのに応答して、上記電極に第２の順方向直流電流を通電する段階とを含む。
【００１１】
添付の図面では、全ての図面を通じて、同じ符号は同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】例示的な電気透析（ＥＤ）装置を示す図である。
【図２】希釈室のアニオン交換膜近傍の分極の問題を示す図である。
【図３】例示的なＥＤ装置の電圧／電流曲線を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施形態による例示的なパルス信号を示す図である。
【図５】パルス信号の順方向電流信号がＥＤ装置に印加されたときの、第１、第２及び第３の例示的なイオン濃度／電流曲線を示す図である。
【図６】パルス信号の逆方向電流信号がＥＤ装置に印加されたときの、第１、第２及び第３の例示的なイオン濃度／電流曲線を示す図である。
【図７】本発明の第２の実施形態による例示的なパルス信号を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明は、水を脱塩する装置に関する実施形態を含む。本発明は、水を脱塩するプロセスに関する実施形態を含む。
【００１４】
一実施形態では、第１の電極と、第１の電極から離間してある体積を画定する第２の電極と、制御装置とを備えた装置が提供される。制御装置は、電源から第１の電極及び第２の電極への電流の供給を制御することができる。電流の供給を制御して、各サイクル中に、第１の動作モードから第２の動作モードに切り換える。第２の動作モードの電流供給では、第１の動作モードのときに供給される電流とは逆の極性を有する電流が供給される。電流の供給は、サイクル速度及び持続時間を制御して行われる。
【００１５】
電気透析装置は、希釈室を備えることができる。いくつかの実施形態では、制御装置は、さらに、装置を通る給水の流れを遮断又は通過させる弁を制御し、濃縮イオン室を通って希釈イオン室に流れる、または出力される流れに対する輸送力を提供する。
【００１６】
この装置は、給水流路と接触して、且つ電極の１つ以上に近接して配置されたイオン交換膜をさらに含むこともできる。一実施形態では、アニオン交換膜及びカチオン交換膜の一方又は両方を、第１の電極と第２の電極が画定する体積内に配置することができる。いくつかの実施形態では、２つ以上のカチオン交換膜を、第１の電極と第２の電極の間に配置することができる。いくつかの実施形態では、２つ以上のアニオン交換膜を、第１の電極と第２の電極の間に配置することができる。
【００１７】
選択した（１つ又は複数の）サイクル速度は、装置の性能及び寿命に影響を及ぼす。いくつかの実施形態では、サイクル速度は、デューティ期間を通じて一定に維持される。他の実施形態では、サイクル速度を、デューティ期間中に変化するように制御装置によって制御する。センサを制御装置と協働させて、各センサからのフィードバックによって、制御装置が状態の変化に対応できるようにすることもできる。それらの状態としては、給水の含有物及び組成、出力水の塩分濃度又はイオン濃度、出力水の必要量、或いは電流のコスト又は使用可能度などが挙げられる。いくつかの実施形態では、サイクル速度、持続時間、電流量のうちの１以上を、給水の特性を監視するフィードバック機構と関連付ける。
【００１８】
１サイクル中に、脱イオン化ステージ及び回復ステージを含む複数の動作モードが存在してもよい。脱イオン化ステージでは、直流電源が、順方向直流電流（Ｉｆ）を、第１の持続時間（ｔ１）の間、第１及び第２の電極に供給して、第１の正電極及び第２の負電極に給電する。回復ステージでは、電源は、順方向直流電流とは反対の方向に、逆方向直流電流（Ｉｒ）を、第２の持続時間（ｔ２）の間、第１及び第２の電極それぞれに供給する。１動作期間中の複数のサイクルの各サイクルの周波数は、上記で述べた通りにすることができる。
【００１９】
サイクル速度は、約１００Ｈｚより高くすることができる。サイクル速度は、約１０ｋＨｚより低くすることができる。一実施形態では、サイクル速度の範囲は、約１００Ｈｚ〜約５００Ｈｚ、約５００Ｈｚ〜約１ｋＨｚ、約１ｋＨｚ〜約２ｋＨｚ、約２ｋＨｚ〜約５ｋＨｚ、又は約５ｋＨｚ〜約１０ｋＨｚである。サイクル速度の選択は、装置の性能及び寿命に影響を及ぼす可能性があるので、本明細書でさらに述べる。
【００２０】
上述のように、上述のサイクルは、少なくとも第１の動作モード及び第２の動作モードを含む。各サイクルの持続時間は、約１０秒未満とすることができる。一実施形態では、持続時間の範囲は、約１０〜約５秒、約５〜約１秒、約１〜約０．５秒、約０．５〜約０．００５秒、約０．００５〜約０．００００５秒、約０．００００５〜約０．０００００５秒、又は約０．０００００５秒未満とすることができる。
【００２１】
各サイクルにおける第２の動作モードの持続時間に対する第１の動作モードの持続時間の比は、約０．００１より大きくすることができる。いくつかの実施形態では、第２の動作モードの持続時間に対する第１の動作モードの持続時間の比の範囲は、約０．０１〜約０．０２、約０．０２〜約０．０５、約０．０５〜約０．１、約０．１〜約０．１２、約０．１２〜約０．１３、約０．３１〜約０．１５、約０．１５〜約０．１７、約０．１７〜約０．２である。
【００２２】
制御装置は、電源から１つ以上の電極への電流の供給を制御することはできるが、電気エネルギーを所定期間供給することはできない。一実施形態では、制御装置は、電源から電流が供給されない第３の動作モードを規定する。第３の動作モードは、第１の動作モードと第２の動作モードの間に行うことができる。したがって、第３のモードは、アイドル期間でもよいし、所定のドウェル時間を見込んでもよいし、キャパシタンスの電荷蓄積を見込んでもよい。電極の電荷蓄積速度は、第３の動作モードの持続時間などの要因に影響を受けることがある。
【００２３】
２つのサイクルの間に、活性逆転ステージを実施することもできる。電源は、持続時間（ｔ４）の間、順方向直流電流（Ｉｆ）とは逆の方向に、直流電流（Ｉａ）を１つ以上の電極に供給する。
【００２４】
持続時間（ｔ１）と（ｔ２）の合計に対する持続時間（ｔ１）の比の範囲は、約１：１０〜約１：１００である。いくつかの実施形態では、順方向直流電流（Ｉｆ）に対する逆方向直流電流（Ｉｒ）の比である逆方向電流比の範囲は、約１：１０〜約１：１００である。いくつかの実施形態では、サイクルがアイドルステージを含むこともある。アイドルステージは、所定の持続時間（ｔ３）だけ続くことができる。アイドルステージの間、電源は、電極の一方又は両方に直流電流を供給しないこともある。いくつかの実施形態では、アイドルステージは、脱イオン化ステージと回復ステージの間に入る。
【００２５】
このプロセスの間、給水は、電気透析装置に流入することができる。電気透析装置の電極に、第１の順方向直流電流を通電する。第１の所定のイオン濃度に対してイオン濃度が上昇していないか、電気透析装置の希釈室のイオン濃度を監視する。監視しているイオン濃度が第１の所定のイオン濃度より低くなる前に、逆極性の直流電流を、同じ電極に通電する。第２の所定のイオン濃度について、電気透析装置の希釈室のイオン濃度を監視する。希釈室のイオン濃度が第２の所定のイオン濃度に達したのに応答して、第２の順方向直流電流を、同じ電極に通電する。
【００２６】
図１を参照すると、例示的な電気透析（ＥＤ）装置１０は、第１の電極１２と、第１の電極１２から離間してある体積を画定する第２の電極１４とを備える。さらに、ＥＤ装置１０は、２枚のカチオン交換膜１６と、この２枚のカチオン交換膜１６の間のアニオン交換膜１８と、直流（ＤＣ）電源２０とを備える。交互に配置されたアニオン交換膜１８及びカチオン交換膜１６は、積層膜とも呼ばれる。積層膜は、複数の膜を含むことができる。供給流２２は、膜と平行な方向にＥＤ装置１０に流入する。供給流２２は、Ｎａ＋やＣａ２＋などの何らかの溶解したカチオン（Ｍ＋）、及びＣｌ−やＣＯ３２などの何らかのアニオン（Ｘ−）を含むことができる。
【００２７】
ＤＣ電源２０並びに第１の電極１２及び第２の電極１４を含む回路が閉じると、第１の電極１２及び第２の電極１４のうちの一方に正電極として通電し、他方に負電極として通電することができる。カチオンＭ＋は、負電極に向かって移動し、アニオンＸ−は、正電極に向かって移動する。この移動により、供給流２２に溶解したカチオンとアニオンが分離することになる。正電極の方により近いことがある、アニオン交換膜１８の正側に隣接するコンパートメントは、希釈室２４とすることができる。負電極の方により近いことがある、アニオン交換膜１８の負側に隣接したコンパートメントは、濃縮室２６とすることができる。希釈室２４から出る流れ及び濃縮室２６から出る流れは、それぞれ希釈流及び濃縮流である。
【００２８】
アニオン及びカチオンの移動により、膜に隣接した希釈室２４内の境界層で分極が起こることがある。図２を参照すると、アニオン交換膜１８の分極の一例が示してある。実質的に一定の動作電流密度（Ｉ）を有するＤＣ電源を使用した従来のＥＤプロセスでは、最初は、ＥＤ装置１０内のイオン濃度は、供給流２２のイオン濃度と全く同じである。ＤＣ電源が第１の電極１２及び第２の電極１４にＤＣ電流を送り始めると、カチオンＭ＋は、電気力に駆動されて、アニオン交換膜１８から離れて負電極に向かって移動し、アニオンＸ−は、アニオン交換膜１８を通って正電極に向かって移動する。その結果、アニオン交換膜１８の近傍のカチオンの濃度は、低下する可能性がある。一方、アニオン交換膜１８は、濃縮流２６中のカチオンが希釈流２４中へ移動することを妨げる、又は防止する。したがって、アニオン交換膜１８の近傍のカチオンの濃度は、さらに低下する。アニオン交換膜１８の近傍で、濃度勾配２８が形成される可能性がある。イオン濃度の低いネルンスト層、又は境界層３０が、希釈流２４中のアニオン交換膜１８の近傍で形成される可能性がある。境界層３０は、厚さ（Ｄ）を有する。
【００２９】
２つ以上の要因が、境界層３０のカチオン濃度のさらなる低下を妨げる影響を及ぼす可能性がある。第１に、供給流２２中の乱流が、供給流２２中のイオン濃度を一様に保つ可能性がある。濃度低下傾向が供給流２２に達すると、乱流の対流力がその領域で支配的になり、濃度低下傾向を食い止めることができる。乱流の存在及び乱流の量が、境界層３０の厚さ（Ｄ）を決定することができるが、その他の要因もある。そうしたその他の要因としては、混濁度、粘度、温度、流量などがある。第２に、イオン減少中に、拡散力により、カチオンＭ＋及びアニオンＸ−が両方とも、アニオン交換膜１８に向かって移動する。この拡散力は、境界層中のアニオンの移動は促進するが、拡散力は電気的駆動力と逆なので、カチオンの移動は弱める。拡散力が電気的力と等しい場合には、濃度勾配は、境界層３０中で安定する可能性がある。このような状態を、以下では「定常ステージ」と呼ぶ。
【００３０】
動作電流密度（Ｉ）がさらに上昇すると、アニオン交換膜１８の表面上のイオン濃度が低下する。この逆相関関係の原因は、電気的駆動力の増加によって拡散力が強くなることであることがある。アニオン交換膜１８の表面上のカチオン濃度がゼロに近くなる可能性があるときには、それに対応する電流密度が限界電流（Ｉｌｉｍ）である。動作電流密度（Ｉ）がさらに上昇し、限界電流密度（Ｉｌｉｍ）を超えると、塩イオンの電流担持能力が不十分になる可能性がある。電流担持能力が不十分であり、動作電流密度が高すぎると、水分子が構成イオン（Ｈ＋及びＯＨ−）に分解する可能性がある。図４を参照すると、積層膜の電圧／電流曲線が示してある。動作電流密度（Ｉ）が限界電流（Ｉｌｉｍ）未満であるときには、電圧は、動作電流密度（Ｉ）に対して線形に増加する。動作電流密度（Ｉ）が限界電流（Ｉｌｉｍ）を超えると、水が分解し、アニオン交換膜１８の表面で大きな電圧降下が起こるので、積層膜の電圧はそれまでよりはるかに速く電流と共に増大する。望ましくない量のエネルギーが、希釈室２４から塩を除去するためではなく、水を分解するために消費される可能性がある。これにより、水の脱塩効率が低下する可能性がある。電流はＨ＋イオン又はＯＨ−イオンによって担持することができるので、電流効率が低下する可能性がある。
【００３１】
限界電流（Ｉｌｉｍ）は、少なくともいくつかの場合には、積層膜の電気抵抗を積層膜ごとに供給流量及び供給塩濃度の関数となる電流に対してプロットすることによって、実験的に求めることができる。動作電流密度（Ｉ）は、Ｉ＝Ｉｌｉｍ×ｆにより、限界電流から求めることができる。ここで、ｆは、約０．３〜約０．７の範囲内とすることができる。
【００３２】
動作中に、制御装置（図示せず）は、電流源２０に、第１の電極１２及び第２の電極１４にパルスＤＣ電流信号を供給させることができる。例示的なパルスＤＣ電流信号を、図４に示す。パルスＤＣ電流信号は、複数のサイクルを含む。各サイクルは、水の脱塩のための順方向電流信号と、分極の回復のための逆方向電流信号とを含む。順方向電流信号は、順方向電流持続時間（Ｔｆ）を有する電流密度（Ｉｆ）である。逆方向電流信号は、逆方向電流持続時間（Ｔｒ）を有する逆方向電流密度（Ｉｒ）である。各サイクルは、順方向電流持続時間（Ｔｆ）及び逆方向電流持続時間（Ｔｒ）を含むサイクル時間（Ｔ）を有する。順方向電流持続時間（Ｔｆ）の間、第１の電極１２及び第２の電極１４には、それぞれ正電極及び負電極として通電することができる。逆方向電流持続時間（Ｔｒ）の間には、第１の電極１２及び第２の電極１４の極性が反転する。限界電流（Ｉｌｉｍ）に対する順方向電流密度（Ｉｆ）の比は、約０．３１５〜約０．９１の範囲とすることができ、これは、従来のＥＤ装置の動作電流密度（Ｉ）より高い可能性がある。順方向電流密度（Ｉｆ）を、従来の動作電流密度（Ｉ）よりも高いものとして制御して、電気透析装置を管理することができる可能性がある。平均電流（Ｉａ）は、以下のように求めることができる。
【００３３】
【数１】
0005623290.tif 000002
【００３４】
水の脱塩効率は、平均電流（Ｉａ）に比例する可能性がある。より高い順方向電流密度Ｉｆを用いることにより、平均電流（Ｉａ）を動作電流密度Ｉより高くし、脱塩効率を向上させることができる。
【００３５】
各サイクル中、ＤＣ電源２０は、最初に、脱塩のために、順方向ＤＣ電流を第１の電極１２及び第２の電極１４に送る。境界層のイオン濃度が第１の所定値（Ｃ１）より低くなる可能性がある前に、第１の電極１２及び第２の電極１４の極性が反転する、すなわち、ＤＣ電源２０が、分極を回復するために、１逆方向電流持続時間（Ｔｒ）の間、逆方向電流密度（Ｉｒ）を有する逆方向電流信号を送る。
【００３６】
イオン濃度が定常状態に達する前に、ＤＣ電源２０は、逆方向電流を送って、イオン濃度の低下を停止することができる。イオン濃度が上昇し、第２の所定値Ｃ２に達すると、第１及び第２の電極の極性が反転し、第２のサイクルが開始される。したがって、順方向電流密度（Ｉｆ）は、従来のＥＤ装置の動作電流密度（Ｉ）より約５％〜約３０％高く設定することができる。平均電流密度（Ｉａ）を、従来の電流密度（Ｉ）の動作電流より高くして、脱塩の生産性を高めることができる。
【００３７】
いくつかの実施形態では、順方向電流持続時間（Ｔｆ）及び逆方向電流持続時間（Ｔｒ）を、以下のネルンストプランクの式によって計算する。
【００３８】
【数２】
0005623290.tif 000003
【００３９】
順方向電流持続時間（Ｔｆ）及び逆方向電流持続時間（Ｔｒ）は、市販のマルチフィジクス解析ソフトウェアを用いて、数式１〜３によってシミュレートすることができる。適当なソフトウェアは、例えば、ＣＯＭＳＯＬ社（スイス、ベルン）から入手することができる。
【実施例】
【００４０】
実施例１  シミュレーション及びモデリング
ＮａＣｌ溶液を、供給濃度１０００ＰＰＭ、拡散係数Ｄ＝２×１０−９ｍ２／ｓ、及び電流密度２５Ａ／ｍ２で供給する。電位が正であるときの時間に対する濃度低下を、図５に示す。このシミュレーション結果から、膜壁面における濃度が、約１マイクロ秒（ｍｓ）後に、４００ｐｐｍに低下することがわかる。
【００４１】
図５の１マイクロ秒における濃度分布を初期値とし、帯電正電流の１．２倍の大きさの電流（すなわち１．２×２５Ａ／ｍ２）を有する逆方向パルスが生成されるとすると、膜近傍の濃度回復は、図６に示すようになる。この結果から、４００ｐｐｍから６００ｐｐｍまで濃度が回復するのに、０．０３ｍｓかかることがわかる。
【００４２】
このシミュレーションを行った後で、実験により、（Ｉｆ）、（Ｉｒ）、（Ｔｆ）、及び（Ｔｒ）のそれぞれに対して設定される望ましいパラメータを検証し、選択することができる。この実験では、脱イオン化時間（Ｔ１）、順方向電流に対する逆方向電流の比Ｋｉ＝Ｉｒ／Ｉｆ、及び順方向時間に対する逆方向時間の比Ｋｔ＝Ｔ２／Ｔ１が、独立して制御される。
【００４３】
各サイクルで、順方向電流持続時間（Ｔｆ）が、約８０％超を占めていなければならない。一実施形態では、順方向電流持続時間は、サイクル時間Ｔの約８０％〜約８５％、約８５％〜約９０％、約９０％〜約９５％、又は約９５％〜約９９％の範囲となる。順方向電流持続時間を制御して、脱塩の生産性を最適化する。
【００４４】
図４を参照すると、いくつかの実施形態では、パルス電流信号は、隣接する２つのサイクルの順方向電流信号の間に、第２の逆方向電流密度（Ｉｐ）及び第２の逆方向電流持続時間（Ｔｐ）を有する第２の逆方向電流信号をさらに含む。第２の逆方向電流持続時間（Ｔｐ）は、逆方向電流持続時間（Ｔｒ）より長い。第２の逆方向電流密度（Ｉｐ）は、逆方向電流密度より大きくすることができる。これにより、膜に形成されるスケーリング又はファウリングを除去することができる。
【００４５】
図７を参照すると、パルス電流信号の第２の実施形態が示してある。パルス電流信号の第２の実施形態は、第１の電極１２及び第２の電極１４を正に帯電させるための順方向電流信号と、順方向電流信号とは反対の方向の逆方向電流信号と、順方向電流信号と逆方向電流信号の間の、いかなる電流信号も存在しないアイドル状態とを含む。
【００４６】
単数形で記載したものであっても、特記しない限り、その構成要素が複数存在する場合も含む。本明細書及び請求項で用いる近似表現は、数量を修飾し、その数量が関係する基本機能に変化をもたらさない許容範囲内で変動しうる数量を表現する際に適用される。したがって、「約」のような用語で修飾された値はその厳密な数値に限定されない。場合によっては、近似表現は、その値を測定する機器の精度に対応する。同様に、ある用語に関連して「含まない」ということもあるが、実質的でない数或いは痕跡量を含んでよく、それでもその修飾された用語を含まないとみなす。
【００４７】
本明細書に記載した実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の要素に対応する要素を有する物品、システム及び方法の例である。当業者であれば、これらの記載に基づいて、特許請求の範囲に記載された本発明の要素に対応する代替要素を有する実施形態を製作し、使用することができるであろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲の表現と同じ物品、システム及び方法、並びに特許請求の範囲の文言とは若干の相違があるその他の物品、システム、及び方法を含む。本明細書では、一部の特徴及び実施形態を図示及び説明したに過ぎず、当業者なら、多くの修正及び変更を思いつくことができる。添付の特許請求の範囲は、そうした修正及び変更の全てをカバーする。
【符号の説明】
【００４８】
１０  電気透析装置
１２  第１の電極
１４  第２の電極
１６  カチオン交換膜
１８  アニオン交換膜
２２  供給流
２４  希釈室
２６  濃縮室
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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