(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
無排水浄水システムであって、
（ａ）第１の流体排出ライン（５６）を有する第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０）と流体連通した第１の流体投入ライン（５４）と、
（ｂ）第２の流体排出ライン（５６ｓ）を有する第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０ｓ）と流体連通した第２の流体投入ライン（５４ｓ）と、
（ｃ）交互にかつ相互に排他的に前記第１の流体排出ライン（５６）又は第２の流体排出ライン（５６ｓ）のいずれかを接続できる共通の沈澱ユニット（４６）と、
（ｄ）交互にかつ相互に排他的に第１の流体排出ライン（５６）又は第２の流体排出ライン（５６ｓ）のいずれかに接続できる生成物産出ライン（５９）と、
（ｅ）交互にかつ相互に排他的に第１の流体投入ライン（５４）又は第２の流体投入ライン（５４ｓ）のいずれかと前記共通の沈澱ユニット（４６）との間に接続される流体戻りループ（６４）と
を備えてなり、
前記第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０，１０ｓ）を前記第１の流体投入ライン（５４）もしくは第２の流体投入ライン（５４ｓ）を通して前記生成物産出ライン（５９）に又は前記第１の流体排出ライン（５６）もしくは第２の流体排出ライン（５６ｓ）を通して前記共通の沈澱ユニット（４６）に交互にかつ相互に排他的に接続できる、無排水浄水システム。
【請求項２】
前記第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０）が前記共通の沈澱ユニット（４６）に接続されるときに、前記第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０）が前記流体戻りループ（６４）にも接続され、かつ前記第１の流体投入ライン（５４）の少なくとも一部分が前記流体戻りループ（６４）に接続される、請求項１記載のシステム。
【請求項３】
前記第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０）が前記生成物産出ライン（５９）に接続されるときに、前記第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０ｓ）が前記共通の沈澱ユニット（４６）及び前記流体戻りループ（６４）に接続され、かつ前記第２の流体投入ライン（５４ｓ）の少なくとも一部分が前記流体戻りループ（６４）に接続される、請求項１又は請求項２記載のシステム。
【請求項４】
前記第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（１０，１０ｓ）が、２つ以下の弁（５２，５８）を使用して、前記生成物産出ライン（５９）又は前記共通の沈澱ユニット（４６）に交互にかつ相互に排他的に接続できる、請求項１乃至請求項３のいずれか１項記載のシステム。
【請求項５】
流体ポンプ（６０）をさらに備える、請求項１乃至請求項４のいずれか１項記載のシステム。
【請求項６】
前記共通の沈澱ユニット（４６）が補給流体入口（６２）及び連続濾過装置を備える、請求項１乃至請求項５のいずれか１項記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、水性液の精製の分野に関し、詳細には水性液の脱塩の分野に関する。本発明の実施形態は、脱塩装置及び脱塩装置を使用する方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地球の表面上の水のうち、家庭用又は産業用で直接消費するのに適しているのは、１パーセントに満たない。天然の飲料水源は限られているので、一般に脱塩として知られている海水又は汽水の脱イオンが、淡水を生成する方法となる。水源を脱イオン又は脱塩するために、いくつかの脱塩技法が現在用いられている。
【０００３】
容量性脱イオンは、低い電圧（約１ボルト）及び低い圧力（１５ｐｓｉｇ）で動作する静電プロセスである。塩水をポンプで汲み上げて表面積の大きい電極アセンブリに通すと、溶解した塩、金属、及び何らかの有機物などの水中のイオンは、反対の極性に帯電している電極に引き付けられる。これにより、電極でイオンが濃縮し、水中のイオンの濃度が低下する。電極容量を使い果たすと、塩分を含む供給水の流れが停止され、任意選択で別個の、より濃縮された溶液にキャパシタが放電される。次いでこのサイクルが繰り返される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００３／０９８２６６号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
現在利用可能な装置又はシステムとは異なる脱塩のための装置又はシステムを有することが望ましいであろう。現在利用可能なそれらの方法とは異なる脱塩のための装置又はシステムを作製又は使用する方法を有することが望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態では、本発明は、水性液を精製する方法であって、イオン溶質を含む水性供給溶液を第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ｂ）を排出して、濃縮液Ｂを共通沈澱ユニット内へ導入し、その後、水性供給溶液を第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ａ）を排出して、濃縮液Ａを共通沈澱ユニット内へ導入し、精製された液体及び沈澱物を回収することを含んでなる方法を提供する。
【０００７】
別の実施形態では、本発明は、海水脱塩の方法であって、海水を第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ｂ）を排出して、濃縮液Ｂを共通沈澱ユニット内へ導入し、その後、海水を第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ａ）を排出して、濃縮液Ａを共通沈澱ユニット内へ導入し、精製された水を回収し、任意選択で塩沈澱物を回収することを含んでなる方法を提供する。
【０００８】
さらに別の実施形態では、本発明は、水性液を精製する方法であって、イオン溶質を含む水性供給溶液を第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ｂ）を排出して、濃縮液Ｂを共通沈澱ユニット内へ導入し、その後、水性供給溶液を第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ａ）を排出して、濃縮液Ａを共通沈澱ユニット内へ導入し、精製された液体及び沈澱物を回収することを含んでなり、前記第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットがそれぞれ、１対以上の、反対の極性に帯電している表面を含み、共通沈澱ユニット内での濃縮液Ａ又はＢの滞留時間が約５分〜約４時間の範囲であることを特徴とし、充電時間と放電時間が実質的に同じであり、約５分〜約４時間の範囲であることを特徴とし、前記１対の交互に帯電している表面の両端間で電位降下が約１ボルトであることを特徴とし、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの１つ以上がエネルギー回収装置を通って放電されることを特徴とする、方法を提供する。
【０００９】
さらに別の実施形態では、本発明は、（ａ）第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、（ｂ）第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、（ｃ）共通沈澱ユニット、（ｄ）第１の流体投入ライン及び第２の流体投入ライン、（ｅ）第１の流体排出ライン及び第２の流体排出ライン、（ｆ）生成物産出ライン、並びに（ｇ）流体戻りループを備えてなり、第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットを生成物産出ライン又は共通沈澱ユニットに交互にかつ相互に排他的に接続できる、無排水浄水システムを提供する。
【００１０】
本発明の上記その他の特徴、態様、及び利点は、以下の詳細な説明を参照することによってより容易に理解することができる。
【００１１】
図全体にわたって、同じ番号は実質的に同じ部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】スーパーキャパシタ脱塩ユニット装置の概略図である。
【図２】代替スーパーキャパシタ脱塩ユニット装置の図である。
【図３】図１のスタックの一部の分解斜視図である。
【図４】本発明の特定の実施形態による充電動作モード中のスーパーキャパシタ脱塩セルの斜視図である。
【図５】本発明の特定の実施形態による放電動作モード中のスーパーキャパシタ脱塩セルの斜視図である。
【図６】充電及び放電動作モード中の無排水浄水システムのブロック図である。
【図７】本発明の実施形態による無排水浄水システムのブロック図である。
【図８】本発明の実施形態による無排水浄水システムのブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下の明細書と、それに続く特許請求の範囲では、複数の用語を参照する。これらの用語は、以下の意味を有するものと定義されるものとする。
【００１４】
単数形の「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」は、文脈上別途明確な指示がない限り、複数の指示対象を含む。
【００１５】
「任意選択の」又は「任意選択で」とは、後に記載の事象又は状況が発生しても発生しなくてもよいこと、そして記載には事象が発生する例及び事象が発生しない例が含まれることを意味する。
【００１６】
本明細書及び特許請求の範囲全体を通して使用される近似を表す語は、関連付けられている基本機能が変化することなく許容可能に変わることができる任意の定量的表現を修飾するように適用することができる。したがって、「約」及び「実質的」などの１つ以上の用語によって修飾された値は、指定の厳密な値に限定されるものではない。少なくともいくつかの例では、近似を表す語は、値を測定する計器の精度に対応することができる。明細書及び特許請求の範囲全体にわたって、文脈又は言語上別段指定のない限り、範囲の限定は、組合せ及び／又は交換が可能であり、そのような範囲は特定されており、その中に包含されるすべての部分範囲を含む。
【００１７】
一実施形態に記載のように、本発明は、水性液を精製する方法であって、イオン溶質を含む水性供給溶液を第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ｂ）を排出して、濃縮液Ｂを共通沈澱ユニット内へ導入し、その後、水性供給溶液を第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット内へ導入しながら、同時に第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットからの濃縮液（濃縮液Ａ）を排出して、濃縮液Ａを共通沈澱ユニット内へ導入し、精製された液体及び沈澱物を回収することを含んでなる方法を提供する。
【００１８】
本発明によって提供される方法によって精製できる１種以上のイオン溶質を含む水性液について、海水、汽水、冷却塔ブローダウン水、化学工程の廃水流、ブライン、湖沼の水、河川の水、貯水池の水、及びこれらの組合せによって説明する。海水は、相対的に豊富であるため、本発明の方法によって精製できる特に重要な供給溶液である。一実施形態では、汽水は、精製すべき供給溶液として働くことができる。一実施形態では、水溶液は、有機イオン溶質、例えば第４級アンモニウム塩を含む。本明細書では、塩水という用語は、大まかにいえば、１種以上のイオン溶質を含有する水溶液を指す。通常、塩水中に存在するイオン溶質は、塩化ナトリウム、臭化ナトリウム、炭酸ナトリウム、硫酸ナトリウム、塩化カルシウム、フッ化リチウムなどの無機塩である。
【００１９】
本発明の様々な実施形態では、イオン溶質を含有する水性供給溶液は、直列で働く２つ以上のスーパーキャパシタ脱塩ユニットを用いて精製される。第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットは、「充電」モード（「充電」）で動作して精製された生成液を生成し、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットは、「放電」モード（「放電」）で動作して濃縮液を生成する。第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットの産出物（精製された生成液）は、精製された生成物流としてシステムから取り出される。第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットの産出物は濃縮液であり、共通沈澱ユニットへ誘導され、そこでイオン溶質の一部は沈澱して残りの液相から分離され、残りの液相は「放電」モードで動作する第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットへ再び循環する。沈澱物に付着し、又は沈澱物内に含有される液体は別として、この段落に記載のシステム及びこの開示全体にわたる同様の実施形態は無排水が可能であり、本明細書で時として無排水浄水システムと呼ぶことができることが、当業者には理解されるであろう。
【００２０】
以下に詳述するように、「充電」モードのスーパーキャパシタ脱塩ユニットは、イオン溶質を有効に保持するための容量を超過するまで「充電」モードで動作することができ、その後、スーパーキャパシタ脱塩ユニットは「放電」モードで動作し、保持されたイオン溶質がスーパーキャパシタ脱塩ユニットから解放される。従来の無排水浄水システムは、単一のスーパーキャパシタ脱塩ユニット及び単一の沈澱ユニットを用いる。その結果、スーパーキャパシタ脱塩ユニットが「充電」モードであるとき、沈澱ユニットは濃縮液を受け取らない。スーパーキャパシタ脱塩ユニットを完全に「充電」及び「放電」するのに必要な時間は概ね等しいため、従来の無排水浄水システム内の沈澱ユニットは十分に利用されておらず、定常状態条件下で運転されていない。本発明によって提供される方法及びシステムの重要な利点は、共通沈澱ユニットへの濃縮液の供給が連続しており、共通沈澱ユニットは、定常状態条件下、又は定常状態に非常に近い条件下で動作でき、それによって共通沈澱ユニットの動作をますます効率的にすることである。
【００２１】
一実施形態では、本発明の方法及びシステムを用いて海水の脱塩又は他の汽水の脱イオンを行い、家庭用及び産業用の使用に許容されるレベルまで塩の量を低減させることができる。
【００２２】
本発明及びその利点をよりよく理解できるように、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの特定の基本的な原理について、本明細書で簡単に示す。したがって、スーパーキャパシタとは、従来のキャパシタと比較すると比較的高いエネルギー密度を有する電気化学キャパシタである。本明細書では、スーパーキャパシタは、ウルトラキャパシタなどの他の高性能キャパシタを含む。キャパシタとは、１対の密に離間された導体（「プレート」と呼ぶ）間の電界内にエネルギーを蓄積できる電気的装置である。キャパシタに電圧が印加されると、各プレート上に、大きさは等しいが反対の極性の電荷が蓄積する。
【００２３】
図１を参照すると、この図は、制御装置（図示せず）を有し、筐体１２を用いる例示的なスーパーキャパシタ脱塩ユニット（装置とも呼ぶ）１０を表す。筐体の内側表面は、容積を画定する。この容積内に、筐体はスーパーキャパシタ脱塩スタック１４を収容する。脱塩スタックは、複数のスーパーキャパシタ脱塩セル１６を含む。複数のセル１６はそれぞれ、１対の電極、絶縁スペーサ、及び１対の集電板を含む。さらに、筐体は、供給液がそこを通ってスーパーキャパシタ脱塩ユニットに入る１つ以上の入口１８と、スーパーキャパシタ脱塩セルと接触した後に液体がそこを通ってスーパーキャパシタ脱塩ユニットから出る出口２０とを含む。スーパーキャパシタ脱塩ユニットを通る供給液の移動は、重力、吸引、及びポンプなどの様々な手段によって容易にすることができる。
【００２４】
さらに図１を参照すると、供給入口１８を介して「充電」モードで動作しているスーパーキャパシタ脱塩ユニットに入る供給液（図示せず）が塩分を含む溶液、例えば海水であるとき、流体出口２０を通ってスーパーキャパシタ脱塩ユニットから出る生成液の塩度は、供給液の塩度より低い。対照的に、スーパーキャパシタ脱塩ユニットが「放電」モードで動作しているとき、流体出口２０を通ってスーパーキャパシタ脱塩ユニットから出る流体の塩度は通常、供給液の塩度より大きい。記載のように、スーパーキャパシタ脱塩ユニットは制御装置を備えており、制御装置は、個々のスーパーキャパシタ脱塩セル１６の電極の両端間の電位降下の制御を実現する。さらに、制御装置は、規定の基準に応答して動作モードを「充電」モードから「放電」モードへ可逆的に切り換えることができるように、適切な弁、センサ、スイッチなどと連通し、これらを制御することができる。そのような基準は、経過時間、イオン溶質の濃度、導電率、抵抗率などを含むことができる。
【００２５】
さらに図１を参照すると、「充電」モードでは、流体出口２０から出る生成流体中の特定レベルの塩分濃度を実現するように、スーパーキャパシタ脱塩ユニットスタック１４内の供給液の滞留時間を制御することができる。すなわち、制御装置と連通する適切に配置されたセンサによって測定して荷電種の規定のレベルまで供給液を脱イオンするために、必要な時間が長くなることも短くなることもある。特定の実施形態では、複数のそのようなセルは、スーパーキャパシタ脱塩ユニット内で、第１のセルの産出物を第２のセルに対する供給液として処理できるように構成することができる。
【００２６】
図２を参照すると、この図は、支持板３２によって支持され、複数のスーパーキャパシタ脱塩セル１６を含むスーパーキャパシタ脱塩スタック１４を表す。前記セルは、絶縁スペーサ２８によって分離された電極２４及び２６を含む。スーパーキャパシタ脱塩スタックは、任意選択で集電板３０を含む。集電板３０を使用して、「充電」中にスーパーキャパシタ脱塩ユニット内に蓄積され、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの「放電」中に解放された電気的エネルギーを回収することができる。
【００２７】
図３を参照すると、この図は、スーパーキャパシタ脱塩スタック１４を、図１及び図２に比べてより詳細に表す。この図は、支持板３２と、スーパーキャパシタ脱塩セル１６と、前記セル１６間に配置された集電板３０とを含むスーパーキャパシタ脱塩スタック１４を示す。スーパーキャパシタ脱塩セル１６は、電極２４及び２６並びに絶縁スペーサ２８を含む。この図はまた、孔又は開口２１を使用することを示し、液体は、スタック１４を含むスーパーキャパシタ脱塩ユニット内に存在しながら、開口２１を通って流れることができる。例えば、流体は、方向矢印２２によって示すように開口２１を通ってスタック１４内へ導入され、方向矢印２３によって示すようにスタックの少なくとも一部分を流れて、方向矢印２５によって示すようにスタックから出ることができる。
【００２８】
図４を参照すると、この図は、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの「充電」中のスーパーキャパシタ脱塩セル（絶縁スペーサは図示せず）１６を表す。したがって、陽イオン３６及び陰イオン３８を含むイオン溶質を含む供給流３４がセル内へ導入される。反対の極性に帯電している電極２４及び２６は、供給流がセルを通過するとき、供給流から反対の電荷をもつイオンを引き付けて保持する。スーパーキャパシタ脱塩セルを離れる生成流体は、供給流より少ないイオン溶質を含有しており、図では精製された液体を表す「希釈流」４０と呼ぶ。通常、電極２４及び２６は、約１〜約２ボルト（直流）の電位差を規定する。イオン溶質は、表面が飽和するまで、反対の極性に帯電している電極２４及び２６で吸着され、表面が飽和した時点で、供給流は、イオン溶質の濃度を変化させずにセルを通過する。本発明の様々な実施形態では、スーパーキャパシタ脱塩ユニットのスーパーキャパシタ脱塩セルの電極は、本明細書で「反対の極性に帯電している表面」と呼ぶことがある。
【００２９】
図５を参照すると、この図は、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの放電モード中のスーパーキャパシタ脱塩セル１６を表す。スーパーキャパシタ脱塩セルの放電モード中、電極２４及び２６は短絡（又は蓄積されたエネルギーを回収するために負荷を通って制御された条件下で放電）され、陽イオン３６及び陰イオン３８は電極２４及び２６の表面から解放される。この例では、放電モード中にセルに入る流体は、飽和又は過飽和したイオン溶質流である。この流体４２は、沈澱ユニット４６を離れる。放電モード中にセルから出る流体（この図では「排出流」４４と呼ぶ）は、イオン溶質の過飽和した溶液を表す。排出流は、沈澱ユニット４６へ伝達され、そこでイオン溶質の一部は、固体沈澱物４８として排出流から分離される。イオンの固体が沈澱した後、沈澱ユニット内の流体は、イオン溶質で飽和又は過飽和したままである。この流れは、沈澱ユニット４６内でイオン種が沈澱したため、排出流４４ほど濃縮していない。この流体（この図では「飽和した供給流」４２と呼ぶ）はセルを再循環して、セルから陽イオン３６及び陰イオン３８を取り出すのを助ける。したがって、放電中のスーパーキャパシタ脱塩セルの生成物は、固体沈澱物４８及び飽和した供給流４２である。固体沈澱物は、イオン溶質を含む流体で濡れていることがあり、沈澱ユニットから周期的に又は連続して排出することができる。
【００３０】
図６を参照すると、この図は、交互に「充電」モードと「放電」モードで動作するスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０及び沈澱ユニット４６を備える従来の無排水浄水システム５０を表す。「充電」モード中、イオン溶質を含む水性供給流３４が弁５２を介してシステム内へ導入され、流体投入ライン５４に沿ってスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０へ流れる。「充電」モードでは、スーパーキャパシタ脱塩ユニット１０から出る流体４０は精製された液体であり、流体排出ライン５６に沿って弁５８へ伝えられ、その後回収される。弁５８は、「充電」モード中、生成物産出ライン５９に接続される。
【００３１】
さらに、図６の従来の無排水浄水システム５０を参照すると、この図はまた、「放電モード」で動作するシステムを示す。「放電モード」では、スーパーキャパシタ脱塩ユニットから出る排出流４４が、弁５８を介し、ポンプ６０を介して沈澱ユニット４６へ誘導される。沈澱ユニット内の条件は、沈澱ユニット内に固体沈澱物４８として沈澱するイオン溶質内で排出流が過飽和するように維持される。固体沈澱物４８は、遠心分離機などの濾過装置上で収集することができる。沈澱ユニット内に存在する液相は、流体戻りループ６４、弁５２、及び流体投入ライン５４を通って再びスーパーキャパシタ脱塩ユニットへ誘導されて、スーパーキャパシタ脱塩ユニットからイオン溶質を取り出すのを助ける。したがって、「放電」モード中、スーパーキャパシタ脱塩ユニットは、沈澱ユニット内で広まっている条件に対して飽和又は過飽和した溶液４２で洗われる。
【００３２】
図６で取り上げた従来の無排水浄水システム５０が「充電」モードで動作しているとき、沈澱ユニットはアイドル状態になることが、当業者には理解されるであろう。「放電」モードでは、沈澱ユニットは動作しているが、非定常状態条件下である。したがって、沈澱ユニットが定常状態条件下で動作している状態では、従来の無排水浄水システムは、連続して動作することができない。機器を効果的に使用し、高レベルのプロセス制御を行うには、連続するユニット動作が定常状態条件下で動作していることが望ましいことが、当業者には理解されるであろう。
【００３３】
図７を参照すると、この図は、本発明のいくつかの実施形態を示す。第１の実施形態では、図７は、「充電」モード及び「放電」モードで同時に動作し、定常状態条件下で動作できる共通沈澱ユニット４６を備える無排水浄水システム７０を示す。図７ａは、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓ、共通沈澱ユニット４６、第１の流体投入ライン５４及び第２の流体投入ライン５４ｓ、第１の流体排出ライン５６及び第２の流体排出ライン５６ｓ、生成物産出ライン５９、ポンプ６０、任意選択の補給水入口６２、並びに流体戻りループ６４を備える本発明の無排水浄水システムを示す。無排水浄水システム７０は、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓを生成物産出ライン５９又は共通沈澱ユニット４６に交互にかつ相互に排他的に接続できるように構成されることが、当業者には理解されるであろう。これは、動作中、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの一方の産出物を生成物産出ライン５９へ誘導でき、同時に第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットの産出物がポンプ６０を介して共通沈澱ユニット４６へ誘導されることを意味する。共通沈澱ユニットによって提示される利点が、当業者にはさらに理解されるであろう。すなわち、共通沈澱ユニットには、「充電」モードと「放電」モードで交互に動作する第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットと、次いで別のスーパーキャパシタ脱塩ユニットによって交互に供給されるため、共通沈澱ユニットを連続して定常状態条件下で動作することができる。
【００３４】
さらに図７を参照すると、この図は、本発明の第２の態様、すなわち水性液を精製する方法を示す。したがって、図７ａは、水性供給溶液３４が弁５２及び流体投入ライン５４を介して「充電」モードで動作している第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０内へ導入される方法を示す。供給溶液がスーパーキャパシタ脱塩ユニット内に存在するスーパーキャパシタ脱塩セル１６（図３参照）を通過すると、供給溶液内に存在するイオン溶質の一部はセル内に保持され、図４に示すように、正に帯電している電極（アノード）上で陰イオンが保持され、負に帯電している電極（カソード）上で陽イオンが保持される。スーパーキャパシタ脱塩ユニット１０から生成物流４０が出て、流体排出ライン５６及び弁５８を通って生成物産出ライン５９へ運ばれる。生成物流４０は、供給流３４より実質的に少ないイオン溶質を含有するという意味で、精製された液体を構成する。
【００３５】
さらに図７を参照すると、図７ａは、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０が充電されるとき、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット（便宜上、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０と区別するために、１０ｓで示す）が放電されるという本発明の特徴を示す。起動時に、スーパーキャパシタ脱塩ユニット１０及び１０ｓを順次充電することができ、その結果動作中、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットが充電される間、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットが放電されるように、スーパーキャパシタ脱塩ユニットは位相を異にして動作することが、当業者には理解されるであろう。第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓが放電されると、イオン溶質を含む濃縮した溶液（「濃縮液Ｂ」又は排出流４４ｓと呼ぶことがある）が第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットから出て、ポンプ６０によって提供される力を受けて第２の流体排出ライン５６ｓ及び弁５８を通って伝達される。濃縮液Ｂは、共通沈澱ユニット４６内へ導入される。共通沈澱ユニット内で広まっている条件下で、濃縮液Ｂは過飽和した溶液であり、イオン溶質の一部は、固体沈澱物４８として沈澱する。共通沈澱ユニットは、例えば遠心分離機又は回転真空フィルタなどの固体沈澱物を連続して取り出す手段と、流体戻りループ６４、弁５２、及び第２の流体投入ライン５４ｓを通って再び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓへ誘導される上澄み液を回復する手段とを装備する。上澄み液は、所望のレベルの排出が実現されるまで、スーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓを通って再循環することができる。共通沈澱ユニットは、排出流４４ｓ内に存在する溶解した溶質の量の変動が、確立した後の共通沈澱ユニット４６の定常状態動作に悪影響を及ぼさないように適切に寸法設定できることが、当業者には理解されるであろう。
【００３６】
さらに図７を参照すると、図７ｂは、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０が放電モードで動作し、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓが「充電」モードで動作する本発明の特徴を示す。図７に示す実施形態では、スーパーキャパシタ脱塩ユニットは、スーパーキャパシタ脱塩セル内の電極を短絡させ、弁５２及び５８を回転させることによって、簡単に「充電」モードから放電モードへ切り換えることができる。別法として、スーパーキャパシタ脱塩ユニットは、スーパーキャパシタ脱塩セルの電極の両端間に電圧電位を印加し、弁５２及び５８を切り換えることによって、簡単に「放電」モードから「充電」モードへ切り換えることができる。
【００３７】
図８を参照すると、この図は、本発明の方法によって使用できるプロトコルを示す。図８ａは、図７ａに示す構成から図７ｂに示す構成へ切り換えるときに有用な無排水浄水システム７０の中間構成を表す。この構成により、これらの蓄積物の値を取り込むために、そして濃縮流と精製流が混合するのを回避するために、スーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓ及び１０と関連する配管５６ｓ及び５６の両方の蓄積物を押し流すことができる。またこの段階により、図７ｂによって示すモードでの動作に備えて、供給ライン５４ｓ及び５４を正しい組成物で充填することができる。図８ａに示すモードでの動作の持続時間は、図７ａ及び７ｂに示すモードでの動作持続時間に比べて短い。図７ａ及び図８ａの構成は関連しており、弁５２を切り換えることによって交換可能であることが、当業者には理解されるであろう。図８ａを参照すると、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓへ供給流３４を再導入して、セル１０ｓ及びライン５６ｓの濃縮した蓄積物を共通沈澱ユニットの方へ押し流す。この結果、ライン５４ｓ及びセル１０ｓは、塩気を含まない供給で少なくとも部分的に満たされ、したがって充電モードにできる状態になる。またこの結果、ライン５４及びセル１０は、濃縮液で少なくとも部分的に満たされ、したがって放電モードにできる状態になる。また、図８ａによって示すモードで動作すると、清浄な生成物をスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０、流体排出ライン５６から弁５８を介して生成物産出ライン５９へ押し流す。事前設定タイマによって又は適切な導電率若しくは濃度測定によって示されて、この押し流す段階が完了すると、弁５８を切り換えて図７ｂに示す構成を提供する。
【００３８】
図８ｂは、図７ｂに示す構成から再び図７ａに示す構成へ切り換えるときに有用な無排水浄水システム７０の中間構成を表す。図７ｂ及び図８ｂの構成は関連しており、弁５２を切り換えることによって交換可能であることが、当業者には理解されるであろう。図８ｂを参照すると、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０へ供給流３４を再導入して、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０及び流体排出ライン５６の濃縮した蓄積物を共通沈澱ユニットの方へ押し流す。この結果、ライン５４及びセル１０は、塩気を含まない供給で少なくとも部分的に満たされ、したがって充電モードにできる状態になる。またこの結果、ライン５４ｓ及びセル１０ｓは、濃縮液で少なくとも部分的に満たされ、したがって放電モードにできる状態になる。また、図８ｂによって示すモードで動作すると、清浄な生成物を第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット１０ｓ及び流体排出ライン５６ｓから弁５８を介して生成物産出ライン５９へ押し流す。事前設定タイマによって又は適切な導電率若しくは濃度測定によって示されて、この押し流す段階が完了すると、弁５８を切り換えて図７ａに示す構成を提供する。
【００３９】
本発明の様々な態様で取り上げた共通沈澱ユニット４６は湿潤固体を生成することがあり、任意選択でこの固体を熱晶析器などの別個の作業で乾燥し、追加の水回復を可能にできることが、当業者には理解されるであろう。さらに、本発明の様々な態様で取り上げた共通沈澱ユニット４６は、パージ流を含むことができる。また、パージ流を熱晶析器内で処理し、追加の水回復を可能にすることもできる。共通沈澱ユニットの実質的に定常状態の動作を可能にするために、パージ流、固体生成物の水分、又は両方に代表される沈澱器からの水の損失は、少量の塩気を含まない供給を、補給水入口６２を介して沈澱器へ導入することによって補給することができる。
【００４０】
記載のように、本発明の様々な実施形態では、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、及び共通沈澱ユニットを備える無排水浄水システムを使用してイオン溶質を含む水性液を精製する方法が提供される。
【００４１】
別の実施形態では、本発明は、１種以上のイオン溶質を含む水性液を精製するのに有用な無排水浄水システムを提供する。このシステムは、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、共通沈澱ユニット、第１の流体投入ライン及び第２の流体投入ライン、第１の流体排出ライン及び第２の流体排出ライン、生成物産出ライン、並びに流体戻りループを備える。一実施形態では、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの１つ以上は、エアロゲル、例えば電気抵抗が低く比表面積が大きい炭素エアロゲルを含む１つ以上の電極を備える。いくつかの実施形態では、スーパーキャパシタ脱塩ユニットの１つ以上は、電極のイオン保持能を実行する１対の反対の極性に帯電している表面を含む。したがって特定の実施形態では、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットと第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットのいずれか、又は両方は、１対以上の、反対の極性に帯電している表面を含むことができ、これらの表面の１つ以上はエアロゲルを含む。別の実施形態では、第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットの１つ以上は、エアロゲルを含む１対以上の、反対の極性に帯電している表面を含む。
【００４２】
一実施形態では、本発明は、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、共通沈澱ユニット、第１の流体投入ライン及び第２の流体投入ライン、第１の流体排出ライン及び第２の流体排出ライン、生成物産出ライン、並びに流体戻りループを備えてなり、第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットを生成物産出ライン又は共通沈澱ユニットに交互にかつ相互に排他的に接続できる、無排水浄水システムを提供する。一実施形態では、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニットは、共通沈澱ユニットに接続されるとき、流体戻りループにも接続され、また第１の流体投入ラインの少なくとも一部分は、流体戻りループに接続される。一実施形態では、２つ以下の弁を使用して、第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットを生成物産出ライン又は共通沈澱ユニットに交互にかつ相互に排他的に接続することができる。一実施形態では、無排水浄水システムは、流体ポンプをさらに備える。別の実施形態では、共通沈澱ユニットは、補給水入口及び連続濾過装置を備える。一実施形態では、共通沈澱ユニットは、Ｂｉｒｄフィルタ、ドラムフィルタ、回転真空フィルタ、遠心分離機、及びこれらの組合せからなる群から選択される連続濾過装置を備える。一実施形態では、本発明によって提供される無排水浄水システムは、Ｂｉｒｄフィルタを備える共通沈澱ユニットを備える。
【００４３】
一実施形態では、本発明は、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット、共通沈澱ユニット、第１の流体投入ライン及び第２の流体投入ライン、第１の流体排出ライン、第２の流体排出ライン、生成物産出ライン、並びに流体戻りループを備えてなり、第１及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットを生成物産出ライン又は共通沈澱ユニットに交互にかつ相互に排他的に接続でき、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット及び第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニットの１つ以上が、エネルギー回収装置、例えばインバータを備える、無排水浄水システムを提供する。
【００４４】
一実施形態では、本発明は、イオン透過性の有機被覆、例えばイオン透過性の有機ポリマーを含む１対以上の、反対の極性に帯電している表面を含む無排水浄水システムを提供する。
【００４５】
記載のように、本発明の様々な実施形態では、固体沈澱物を連続して取り出す働きをすることができる共通沈澱ユニットが使用され、又はシステムは、この共通沈澱ユニットを備える。共通沈澱ユニットは、沈澱物を上澄み液から分離する連続濾過装置を備えることができる。一実施形態では、共通沈澱ユニットは、Ｂｉｒｄフィルタ、ドラムフィルタ、回転真空フィルタ、遠心分離機、及びこれらの組合せからなる群から選択される連続濾過装置を備える。代替実施形態では、共通沈澱ユニットは、遠心分離機である連続濾過装置を備える。さらに別の実施形態では、共通沈澱ユニットは、回転真空フィルタである連続濾過装置を備える。
【００４６】
本発明によって提供される方法は、本発明を実施するために使用されるシステムの特定の構成要素内での材料の滞留時間が様々であることを特徴とすることができる。一実施形態では、本発明の方法は、共通沈澱ユニット内での濃縮液Ａ又はＢの滞留時間が約１分〜約２４時間の範囲であることを特徴とする。代替実施形態では、本発明の方法は、共通沈澱ユニット内での濃縮液Ａ又はＢの滞留時間が約１０分〜約４時間の範囲であることを特徴とする。
【００４７】
様々な実施形態では、本発明によって提供される方法は、充電時間及び放電時間を特徴とすることができる。充電時間とは、スーパーキャパシタ脱塩ユニットが「充電」モードで動作する時間間隔である。放電時間とは、スーパーキャパシタ脱塩ユニットが「放電」モードで動作する時間間隔である。充電時間及び放電時間は、イオン溶質を含む水性液の連続する精製中、必要に応じて変動することがあるが、順次関連する充電時間と放電時間は、ほぼ同じ長さとすることができる。
【００４８】
一実施形態では、本発明によって提供される方法は、１対以上の、反対の極性に帯電している表面の両端間で電位降下が約１ボルトであることを特徴とする。一実施形態では、本発明によって提供される方法は、スーパーキャパシタ脱塩セル内の１対以上の、反対の極性に帯電している電極の両端間で電位降下が約１ボルトであることを特徴とする。
【００４９】
記載のように、「充電」モードから「放電」モードへ切り換えると、充電されたスーパーキャパシタ脱塩ユニット内のスーパーキャパシタ脱塩セルの電極又は反対の極性に帯電している表面が短絡され、又は制御された放電を受ける。制御された放電手法をとると、充電中にスーパーキャパシタ脱塩ユニット内に蓄積されたエネルギーを回収することができる。一実施形態では、本発明によって提供される方法で使用されるスーパーキャパシタ脱塩ユニットの１つ以上は制御された放電を受け、充電中にスーパーキャパシタ脱塩ユニット内に蓄積されたエネルギーは、１つ以上のエネルギー回収装置で回収される。一実施形態では、エネルギー回収装置はインバータである。
【００５０】
一実施形態では、本発明は、１つ以上のエネルギー回収装置を備える無排水浄水システムを提供する。一実施形態では、エネルギー回収装置はインバータである。一実施形態では、本発明は、インバータを備える無排水浄水システムを提供する。
【００５１】
本明細書に記載の実施形態は、特許請求の範囲に記載の本発明の要素に対応する要素を有する組成物、構造、システム、及び方法の例である。ここに記載の説明により、特許請求の範囲に記載の本発明の要素に同様に対応する代替の要素を有する実施形態を作製及び使用することが、当業者には可能であろう。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲の文字どおりの言語と変わらない組成物、構造、システム、及び方法を含み、また特許請求の範囲の文字どおりの言語と実質的に差のない他の構造、システム、及び方法をさらに含む。特定の特徴及び実施形態のみについて本明細書に図示及び説明したが、多くの修正及び変更が当業者には想到されよう。添付の特許請求の範囲は、すべてのそのような修正及び変更を包含する。
【符号の説明】
【００５２】
１０  スーパーキャパシタ脱塩ユニット、第１のスーパーキャパシタ脱塩ユニット
１０ｓ  第２のスーパーキャパシタ脱塩ユニット
１２  筐体
１４  スーパーキャパシタ脱塩スタック
１６  スーパーキャパシタ脱塩セル
１８  供給入口
２０  流体出口
２１  孔又は開口
２２  方向矢印
２３  方向矢印
２４  電極
２５  方向矢印
２６  電極
２８  絶縁スペーサ
３０  集電板
３２  支持板
３４  水性供給流、水性供給溶液
３６  陽イオン
３８  陰イオン
４０  希釈流、生成物流
４２  飽和した供給流
４４  排出流
４４ｓ  排出流
４６  沈澱ユニット、共通沈澱ユニット
４８  固体沈澱物
５０  無排水浄水システム
５２  弁
５４  流体投入ライン、第１の流体投入ライン
５４ｓ  第２の流体投入ライン
５６  流体排出ライン、第１の流体排出ライン
５６ｓ  第２の流体排出ライン
５８  弁
５９  生成物産出ライン
６０  ポンプ
６２  補給水入口
６４  流体戻りループ
７０  無排水浄水システム
【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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【図８】
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