(57)【要約】水を軟化するための装置および方法を開示する。詳細には、イオンを廃水の流れに添加することなく水を軟化するための装置および方法を開示する。装置は、一般的には、硬水の入力流動を受け、入力流動の一部を含む浸透性の水の出力流動を排出し、および、入力流れの一部を含む非−浸透性の水の出力流動を排出するように構成および配置される。ナノ濾過フィルターエレメントは、水および一価イオンの通過は許容するが、二価イオンの通過を実質的に妨害する平均孔径を有する。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を軟化するための方法であって：
（ｉ）少なくとも第１のナノ濾過エレメントを提供し；
（ｉｉ）該第１のナノ濾過エレメントと直列で構成された少なくとも第２のナノ濾過エレメントを提供し；
（ｉｉｉ）水道水の源を提供し；
（ｉｖ）該水道水を；
（ａ）最初に第１の時間に第１のナノ濾過エレメントを通過させて、水道水の源よりも低い硬度を有する軟化された水の第１の浸透性の流れ、および水道水の源よりも高い硬度を有する水の第１の濃縮された流れを生成し、ついで
（ｂ）つづいて、該第１の濃縮された流れを該第２のナノ濾過エレメントを通過させて、水道水の源よりも低い硬度を有する軟化された水の第２の浸透性の流れおよび水道水の源よりも高い硬度を有する水の第２の濃縮された流れを生成し；
（ｖ）水道水の流動を逆転させて、水道水の源からのかかる水道水を：
（ａ）最初に第２の時間に第２のナノ濾過エレメントを通過させて、水道水の源よりも低い硬度を有する軟化された水の浸透性の流れ、および水道水の源よりも高い硬度を有する水の濃縮された流れを生成し、ついで
（ｂ）つづいて、該濃縮された流れを該第１のナノ濾過エレメントを通過させて、水道水の源よりも低い硬度を有する軟化された水の浸透性の流れを生成し；ついで
工程（ｉｖ）および（ｖ）を繰り返すことを含む該方法。
【請求項２】
該第１のナノ濾過エレメントがカルシウムイオンの少なくとも８０％を拒絶するように構成された請求項１記載の水を軟化するための方法。
【請求項３】
該第１のナノ濾過エレメントがカルシウムイオンの少なくとも８０％を拒絶するように構成された請求項１記載の水を軟化するための方法。
【請求項４】
さらに、該第１および第２のナノ濾過エレメントの中間に第３のナノ濾過エレメントを含む請求項１記載の方法。
【請求項５】
該第１の時間が期間において２時間未満である請求項１記載の方法。
【請求項６】
該第１の時間が期間において１時間未満である請求項１記載の方法。
【請求項７】
該第１の時間が期間において３０分間未満である請求項１記載の方法。
【請求項８】
該第１の時間が期間において少なくとも１０分間である請求項１記載の方法。
【請求項９】
該第２の時間が期間において２時間未満である請求項１記載の方法。
【請求項１０】
該第２の時間が期間において１時間未満である請求項１記載の方法。
【請求項１１】
該第２の時間が期間において３０分間未満である請求項１記載の方法。
【請求項１２】
該第２の時間が期間において少なくとも１０分間である請求項１記載の方法。
【請求項１３】
さらに、少なくとも３０秒間、該ナノ濾過フィルターエレメントを浄化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１４】
さらに、５分間未満、該ナノ濾過エレメントを浄化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１５】
さらに、軟化時間の１０％未満の時間、該ナノ濾過エレメントを浄化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１６】
さらに、軟化時間の５％未満の時間、該ナノ濾過エレメントを浄化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１７】
さらに、該システムを酸組成物で浄化することを含む請求項１記載の方法。
【請求項１８】
該酸が、塩酸、酢酸、乳酸およびそれらの組合せよりなる群から選択される請求項１記載の方法。
【請求項１９】
該酸が、リン酸、硫酸、クエン酸およびそれらの組合せよりなる群から選択される請求項１記載の方法。
【請求項２０】
水を軟化するための方法であって：
（ｉ）カルシウムイオンの少なくとも８０％を拒絶するように構成された第１のナノ濾過エレメントを提供し；
（ｉｉ）カルシウムイオンの少なくとも８０％を拒絶するように構成された第２のナノ濾過エレメントを提供し、該第２のナノ濾過エレメントは該第１のナノ濾過エレメントと直列しており；
（ｉｉｉ）水道水の源を提供し；
（ｉｖ）水道水を該第１のナノ濾過エレメントを通過させ、ついで第１の時間、該第２のナノ濾過エレメントに通し；
（ｖ）水道水の流動が該第２のナノ濾過エレメントを通過し、ついで第２の時間、該第１のナノ濾過エレメントに通るように水道水の流動を逆転させ、ここに該第２の時間は該第１の時間よりも短く、
当該方法を行う間、工程（ｉｖ）および（ｖ）を繰り返す
ことを含む該方法。
【請求項２１】
さらに、第３の濾過エレメントを含み、ここに該第３の濾過エレメントは該第１および第２のエレメントの間の流動が該第３のエレメントを通過するように第１および第２のエレメントの中間に位置する請求項２０記載の方法。
【請求項２２】
該第１の時間が２０ないし３０分間であって、該第２の時間が２０ないし３０分間である請求項２０記載の方法。
【請求項２３】
さらに、酸の添加を含む請求項２０記載の方法。
【請求項２４】
該入力流動を平方インチ当たり１０ないし２００ポンドの圧力で提供する請求項２０記載の水を軟化するための方法。
【請求項２５】
該入力流動を平方インチ当たり２５ないし５０ポンドの圧力で提供する請求項２０記載の水を軟化するための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は、出典明示して本明細書の一部とみなす２００５年７月１２日に出願された米国仮特許出願番号６０／６９８,６５２の利益を主張する。
本発明は、水を処理するための方法およびシステムに指向される。詳細には、本発明は、飲用水を軟化するための方法およびシステム、ならびに水軟化システムの作動を延長するための方法およびシステムに指向され、詳細には、従来の軟化システムよりも低い水損失でもって飲用水からイオンを除去する方法およびシステムに指向される。
【背景技術】
【０００２】
高レベルのカルシウムおよびマグネシウムイオンを含有する水は、これらの２のイオンが他のイオンおよび化合物と結合して硬質の魅力的でない鱗片を形成し得るために、「硬水」と呼ばれる。数百万件の家庭に硬水が供給されており、特に水源として住宅の井戸または行政による水供給の一部のいずれかとして地下水を使用している家庭に硬水が供給されている。硬水はシンクおよび食器類の周りに魅力的でないフィルムの形成を生じ得、衣類に硬水沈澱物が形成し得、その結果、退色および織物の柔軟性の低下が生じ得る。また、ある種の石鹸および洗浄剤は、軟水を用いた場合のように硬水を用いた場合には作動しない場合がある。かかる状況において、不愉快または見苦しい石鹸フィルムが洗浄する個人または対象に隠れて残り得る。
【０００３】
すべての個人の家庭のほぼ７ないし１２パーセントが軟水器を有している。軟水器を使用している割合は、軟水器を用いる都会の居住者の概算３パーセントでもって、都会におけるよりも田舎において高い。合衆国単独でも毎年概算百万個のイオン交換型軟水器が売れており、数億ドルもが塩に使用されている。これらの軟水器の大部分は家庭に備え付けられており、地下水から給水を獲得する小さなビジネスである。
【０００４】
イオン交換型軟水器は多くの適用に好適であるが、それは重大な制限を有している。詳細には、イオン交換型軟水器は、塩水排出のために排出された水の塩分濃度における正味の増大を生じる。排出塩分濃度におけるこの正味の増大は、塩水排出規制が存在する地域では問題になる。これらの規制は、農業目的で廃水を再使用し、廃水を適用する土地に過剰な塩分を加えることを避けることを望む地方に存在する場合がある。また、イオン交換型軟水器は、樹脂を再充填するためのナトリウム塩の定期的な交換が必要であり、塩の購入に関連する維持費用が必要である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
硬水に関連する重大な課題ならびにイオン交換型軟水器の制限に鑑み、比較的低圧でかつ高い効率でもって住宅水を軟化させるナノ濾過エレメントを使用する軟水器を創製することに最近の開発が行われている。MuralidharaらによるNanofiltration Water-Softening Apparatus and Methodなる発明の名称の米国特許出願番号０９／９０９４８８は、このことに関して特に注目に値する。しかしながら、軟化技術における顕著な最近の進歩にもかかわらず、ナノ濾過フィルターエレメントを用いる水を軟化させるための改善された方法およびシステムに対する要望が残っており、詳細には、より頻度の低い膜交換しか必要としないなおより長期の寿命の膜エレメントに対する要望が残っている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の幾つかの形態は、水を軟化するための方法およびシステムに指向され、詳細には、廃水の流れにイオンを添加しない水を軟化するための方法およびシステムに指向される。当該システムは、廃水の流れに塩分を添加することなく水を軟化するために、ナノ濾過フィルターエレメントを使用して、硬質イオン、詳細には（カルシウムおよびマグネシウムの二価イオンのような）大きなイオンを選択的に除去する。
【０００７】
また、本発明の別の形態は、軟化システム内で使用するナノ濾過エレメントの作動寿命を延長するための方法およびシステム、および軟化システムの性能を改善するための方法およびシステムも提供する。これらの方法およびシステムは、直列して１、２およびそれを超える、典型的には３またはそれを超えるナノ濾過エレメントを有するマルチエレメント・ナノ濾過システムに特に有用である。これらのナノ濾過軟化システムにおいては、飲用水が第１のナノ濾過エレメントに入り、軟化された浸透性の水の流動と保持されたカルシウムおよびマグネシウムイオンを含有する水の濃縮された流動に分けられる。軟化された浸透性の水の流動は使用するために流用され、その間に、第１の膜からの濃縮水の流動は第２のナノ濾過エレメントに送達される。第２のナノ濾過エレメントにおいては、第１のナノ濾過エレメントからの濃縮水が軟化された浸透性の流動と保持されたカルシウムおよびマグネシウムイオンを含有する濃縮された流動に再び分けられる。３−エレメントシステムにおいては、第２のナノ濾過エレメントからの濃縮された流動が第３のナノ濾過エレメントに送達され、そこで、軟化された浸透性の水の流動と保持されたカルシウムおよびマグネシウムイオンを含有する水の濃縮された流動に再び分けられる。
【０００８】
複数のナノ濾過エレメントの使用は有利である。なぜなら、それによってより効率的な水の使用量が許容され、それによって廃水の流れにより少ない水しか排出しないで済むからである。しかしながら、各々のつづくナノ濾過エレメントは、増大する高濃度のカルシウムおよびマグネシウムを受ける。このことは種々の問題を生じ得、最も顕著にはカルシウムおよびマグネシウムの沈澱物での膜の付着を生じ得る。したがって、例えば３−エレメントシステムにおいては、第３のエレメントがナノ濾過エレメントの膜の表面に顕著なカルシウム沈殿を受ける場合があり、それによって膜透過流量が顕著に低下する場合がある。ある状況下では、この沈澱物が、ナノ濾過エレメントを時期尚早に交換しなければならない程度で膜の付着を生じる場合がある。
【０００９】
前記したように、本発明の幾つかの形態は、軟化システム内において使用するナノ濾過フィルターエレメントの作動寿命を延長するための方法およびシステムを提供し、また、軟化システムの性能を改善するための方法およびシステムも提供する。これらの方法およびシステムは、１、２およびより典型的には、３またはそれを超える直列に結合されたナノ濾過エレメントを有するマルチエレメント・ナノ濾過システムに特に有用である。これらの改善の中には、ナノ濾過軟化システムを通して水の流動を定期的に逆流し、それによって膜の鱗片および付着を減少する方法が存在する。また、該形態は、ナノ濾過膜に飲用水を流してナノ濾過エレメントから過剰なカルシウムおよびマグネシウムを除去する洗浄様式の作業を提供する。ある種の形態において、この洗浄には、温和な酸を用いて、ナノ濾過エレメント内のカルシウムおよびマグネシウム沈澱物を溶解することが含まれる。ついで、これらの沈澱物をシステムから除去し、廃水の流れに捨てる。
【００１０】
本発明の幾つかの形態は、イオン交換型の軟水化に対して減少したレベルの細菌および発熱源を有し得る一貫した軟水を含む、従来の軟化システムを超える種々の改善を提供する。さらに、それは、吸水に塩を加える必要を要求せず、それによってより環境に優しい。
【００１１】
ナノ濾過フィルターエレメントは、典型的に、水および大部分の一価イオンの通過を許容するが、大部分の二価イオンの通過を実質的に妨害する平均孔径を有する。したがって、軟化装置は、イオンを水の流動に添加せず、むしろ入力流動から少なくとも幾つかのイオンを除去し、それを捨てる非−浸透性の出力流動に排出する。陽性に荷電した膜を含むフィルターエレメントを含む、種々の異なるナノ濾過フィルターエレメントが本発明での使用に好適である。
【００１２】
本発明の幾つかの形態の上記概要は、本発明の各々の開示した形態またはすべての実施を記載することを意図するものではない。より具体的にあとにつづく図面および詳細な説明は、これらの形態を例示している。
【００１３】
図面
本発明の形態を以下の明細書に記載し、図面で示す。同様の数字は、図面全体を通して同様の部分をいう。
【００１４】
図１は、本発明の実施と一致して作製したナノ濾過水軟化システムの単純化した概略設計を示し、該ナノ濾過システムは３のナノ濾過エレメントを含む。
【００１５】
図２は、本発明の実施と一致して作製したナノ濾過水軟化システムの単純化した概略設計を示し、該ナノ濾過システムは３のナノ濾過エレメントを含み、該システムは給水の標準的な前方の流れで作動する。
【００１６】
図３は、図２に示したナノ濾過水軟化システムの作動の単純化した概略設計を示し、該システムは給水の逆の流れで作動する。
【００１７】
図４は、本発明の手段と一致して作製したナノ濾過水軟化システムの単純化した概略設計を示し、該システムは水流バイパスを用いた洗浄様式で作動する。
【００１８】
図５は、本発明の実施と一致して作製したナノ濾過軟水器の単純化した概略設計を示し、該システムは、ナノ濾過エレメントから沈澱物を除去するための酸洗浄様式のために構成され、それを用いて作動する。
【００１９】
図６は、水軟化システムの流量の対する酸洗浄の効果を示すグラフである。
【００２０】
図７は、軟化システムを通る水の流量（flux of water）をナノ濾過エレメントに流す効果を示している。
【００２１】
図８は、軟化システムを通る水の流量を流す流動反転の効果を示すグラフである。
【００２２】
図９は、軟化システムを通る水の流量に対する酸洗浄の効果を示している。
【００２３】
図１０は、浸透性の水量および拒絶に対する時間の効果を示している。
【００２４】
図１１は、浸透性の水量および硬度に対する時間の効果を示している。
【００２５】
図１２は、浸透性の水量およびボイラー供給に対する時間の効果を示している。
【００２６】
図１３は、浸透水量および硬度に対する時間の効果を示している。
【００２７】
図１４は、浸透水量に対する時間の効果を示し、拒絶を示している。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
（発明の詳細な説明）
以下の本発明の記載は、本発明の種々の形態を説明することを意図する。それ自体、論じる特定の改良は本発明の範囲に対する制限として解釈されるべきものでない。種々の等価物、変化および改良を本発明の範囲を逸脱することなく行い得ることは当業者に明らかであり、かかる等価な形態が本発明の範囲の中に含まれることは理解される。
【００２９】
本発明の１の形態において、水を軟化するための装置および方法を提供し、より詳細には、廃水の流れにイオンを添加することなく水を軟化するための装置および方法を提供する。本発明の形態は、軟化システム内で用いるナノ濾過フィルターエレメントの作動寿命を延長するための方法およびシステムを提供し、また、軟化システムの性能を改善するための方法およびシステムも提供する。これらの改善の中には、ナノ濾過軟化システムを通る水の流動を定期的に逆転し、それによって膜の鱗片化および付着を回避する方法が含まれる。
【００３０】
また、本発明の形態は、各なの濾過膜に水道水を流してナノ濾過エレメントから過剰なカルシウムおよびマグネシウムイオンを除去する作動の洗浄様式を提供する。ある種の形態において、この洗浄には、温和な酸を用いていずれのカルシウムおよびマグネシウム沈澱物を溶解し、ついでそれをシステムから除去し、廃水の流れに捨てることが含まれる。
【００３１】
本発明の形態は、軟化システム内で用いるナノ濾過フィルターエレメントの作動寿命を延長するための方法およびシステムを提供し、軟化システムの性能を改善するための方法およびシステムも提供する。これらの方法およびシステムは、少なくとも１、しばしば２、およびより典型的には３またはそれを超える直列で結合したナノ濾過エレメントを有するマルチエレメント・ナノ濾過システムに特に有用である。これらのナノ濾過軟化システムにおいて、水道水は第１のナノ濾過エレメントに入り、軟化された浸透性の水の流動および保持されたカルシウムおよびマグネシウムイオンを含有する水の濃縮された流動に分かれる。
【００３２】
軟化された浸透性の水の流動は使用するために向きを変えられ、その間に、第１のナノ濾過エレメントからの濃縮された水は第２のナノ濾過エレメントに送達される。第２のナノ濾過エレメントでは、第１のナノ濾過エレメントからの濃縮された水が、軟化された浸透性の流動および保持されたカルシウムおよびマグネシウムイオンを含有する濃縮された流動に再び分けられる。３−エレメントシステムにおいては、第２のナノ濾過エレメントからの濃縮物が第３のナノ濾過エレメントに送達され、そこで、それは軟化された浸透性の水の流動と保持されたカルシウムおよびマグネシウムイオンを含有する水の濃縮された流動に再び分離する。
【００３３】
複数のナノ濾過エレメントを有することは有利である。なぜなら、それは水使用のより高い効率を許容し、それによって典型的には廃水の流れに捨てられる水をより少なくすることを生じるからである。各々のつづくナノ濾過エレメントは増大してゆく高濃度のカルシウムおよびマグネシウムを受ける。このことは、種々の問題を生じ得、最も顕著には、カルシウムおよびマグネシウム沈殿物での膜の付着を生じる。したがって、例えば、３−エレメントシステムにおいては、第３のエレメントが、ナノ濾過エレメントにおける膜の表面に対する顕著なカルシウム沈澱物を受け得、それによって流動が劇的に減少し得る。幾つかの状況において、この沈澱物は、膜を時期尚早に交換しなければならない程度まで膜の付着物を生じ得る。
【００３４】
本発明の第１の手段の一般化した概略図を図１に示す。図１に示すシステム１０には、直列で結合した３のナノ濾過エレメント１２、１４および１６が含まれる。前記したように、本発明と一致して作製したシステムには、３のナノ濾過エレメントを超えるまたはそれよりも少ないものが含まれ得る。したがって、例えば、幾つかの手段において、システム１０はちょうど２のナノ濾過エレメントを含み、一方で他の手段において、システム１０は４、５またはそれを超えるエレメントを含む。また、ナノ濾過エレメントに低ｐＨ溶液を流すような本発明のある種の態様は、ちょうど１のナノ濾過エレメントを使用するのにさえも好適である。
【００３５】
図１のシステム１０は、住宅の井戸または行政的な水源からの水のような、水源の供給７０を含む。図１およびつづく図面は、主要なエレメントおよびこれらのエレメントの配置を示すために単純化されている。例えば、システム１０は、一般的に、流動方向の変化を許容する多数のバルブを含む。典型的に、これらのバルブは図中に示さないが、水の流動の説明から推断する。
【００３６】
典型的に、供給７０からの水は、第１に、微粒子フィルター６０および活性炭フィルター６２を通るような、１またはそれを超えるプレフィルターまたは処理工程を通して進行する。
【００３７】
これらのフィルター６０、６２は、一般的に任意であるが、ナノ濾過エレメント１２、１４、１６の作動寿命を顕著に改善し得る。プレフィルター６０、６２を通過した後、水は管２０（典型的には、プラスチック製または金属製のパイプまたはチューブ）に沿って進んで第１のナノ濾過エレメント１２に入る。水が入るナノ濾過エレメント１２は２の流動に分離する：軟化された水の浸透性の流動および軟化されていない水の濃縮された流動、この濃縮された流動はナノ濾過エレメント１２に入る水よりもより高い硬度を有する。浸透性の流動はナノ濾過エレメント１２を出て、管３０によって保持タンク４０に迂回されるか、または家庭水供給に直接的に配管することによるように、末端使用者に直接送達し得る。
【００３８】
濃縮された流動はナノ濾過エレメント１２を出て、管２２によって第２のナノ濾過エレメント１４に迂回される。第２のナノ濾過エレメント１４に入る水は、浸透性の流動および濃縮された流動の両方に再び分離される。浸透性の流動は、管３２によって保持タンク４０に迂回されるか、または末端使用者に直接的に送達し得る。典型的には、管３０および３２からの浸透性の流動は同様に操作し、共通の保持タンクに送達され、または水供給に直接的に送達される。ナノ濾過エレメント１４からの濃縮された流動は、管２４によってエレメント１４を出て、それは流動をナノ濾過エレメント１６に送達する。ナノ濾過エレメントはこの濃縮された流動をエレメント１４から受け、これはエレメント１２からの濃縮された流動よりもより濃縮されており、それをナノ濾過エレメント１６に送達する。ナノ濾過エレメント１６は、入ってくる流動を２の異なる出て行く流動に再び分離する。第１のものは軟化された浸透性の水の流動であり、これは管３４によってエレメント１６を出て行き、そこでそれは保持タンク４０に指向されるか、さもなければ軟化水として使用される。ナノ濾過エレメント１６からの濃縮された流動は、管２６を通して排出先５０に排出され、それは典型的には衛生上の下水道管か、さもなければ他の廃水先である。
【００３９】
図２は、ナノ濾過エレメント上に沈殿する塩、特にカルシウムおよびマグネシウムの塩の発生を防ぐまたは減少するために、ナノ濾過システム１０がナノ濾過エレメント１２、１４、１６を通る流動を逆転する能力を含む点を除いて、図１に示すものと同様のナノ濾過システムを示す。矢印は、図２のシステム１０内の水流動の方向を示している。ナノ濾過水軟化システム１０は、水源７０から管２６までの水の流動を許容するさらなる管２５を含み、それがナノ濾過エレメント１６、ついでナノ濾過エレメント１４および最終的にはナノ濾過エレメント１２に入った後、ナノ濾過エレメント１２を出て、管２７によって排出先５０に通じる排出管３１に戻されて送達される。管３４、３２および３０はナノ濾過エレメントから軟化された浸透性の水を除去し続け、その間に管２４および２２がナノ濾過エレメントに結合する。
【００４０】
図２に示すシステムの作動の利点は、それが、膜を通してのその順序で流動が定期的に逆転するように、水の流動の循環を許容することである。第１の時間には水は第１の方向で流動し、一方、第２の時間には水は反対方向で流動する。これは、最終的なナノ濾過膜上のカルシウムおよびマグネシウムイオンの過剰な濃縮物の発生を回避する。供給水の特徴に依存して、幾つかの沈澱物は流動の逆転でナノ濾過膜から除去することさえできる。
【００４１】
図３は図２に示すもののような同一のナノ濾過軟化システムを示すが、ナノ濾過エレメント１２、１４、１６を通る流動の順序は流動の矢印によって示すように逆転している。
【００４２】
種々のナノ濾過フィルターエレメントを本発明で使用し得る。フィルターエレメントは、好適に高い流速および回収率を提供しつつ、比較的低圧で硬水を軟化するのに使用するのに好適であるべきである。したがって、すべてのナノ濾過エレメントが適当な硬質のイオン拒絶の比率、水の流動および水の回収率を提供するものではない。好適なナノ濾過エレメントをより詳細に以下に記載する。
【００４３】
ナノ濾過エレメントの寸法は、一般的にそれを使用する適用に基づいて選択する。したがって、ナノ濾過エレメントの長さ、幅および表面積はすべて、具体的な使用に対する軟化装置の好適性を改善するために選択し得る。ナノ濾過エレメントは種々の構成になり；それには螺旋状に巻いた膜、中空ファイバーおよび管状が含まれる。一般的に、ナノ濾過エレメントは、螺旋状に巻いた膜である。
【００４４】
ナノ濾過エレメントは、一般的に、２.０ｍ２より大きく４０ｍ２未満の、より典型的には７ないし４０ｍ２の表面積を有する。ナノ濾過エレメントは、それが居住地内にて適合しないであろう大きなハウジングの作製を必要とするような長さのものであってはならない。一般的に、ナノ濾過エレメントは、軟化装置が家庭の有効面積に適合するであろうように選択される。好適なエレメントは、例えば、４０ないし１２５センチメートルの合計フィルター長を有し得る。本発明で使用するのに好適なナノ濾過フィルターは、典型的に５ないし２５ｃｍの直径を有する。
【００４５】
水軟化装置と使用するのに好適なナノ濾過膜には、例えば、ポリアミド薄フィルムコンポジット膜であるDow Film Tec NF90、ポリアミド薄フィルムコンポジット膜であるDow Film Tec NF270、ポリアミド薄フィルムコンポジットであるDow Film Tec NF200、芳香族ポリアミド薄フィルム膜であるTrisep TS83、芳香族ポリアミドであるTrisep TS80、およびポリアミド薄フィルムコンポジットであるPTI―AFM NP、および薄フィルムコンポジットポリアミド膜であるKoch Membranes TFC-SR1が含まれる。NF90は、１５ｐｐｍの合計硬度、カルシウムイオン３ｐｐｍおよび２ｐｐｍのマグネシウムを有し、約５ないし１５パーセントの溶質通過、および２１.４ＬＭＨの流量を有する特に有用な膜であることが証明されている。
【００４６】
以下の表１は、行政の水を用いた硬度に対する、６の異なる膜を用いた結果ならびに浸透性および供給水の分析の結果を示す。すべての実験は、平面シート膜および室温を用いて７０ｐｓｉで行った。
【００４７】
【表１】
2009501080.tif 000003
【００４８】
一般的に、本発明での使用に好適なナノ濾過エレメントは、大部分の居住者消費者の要求に合致するのに十分に高い水流動速度および回収率を提供するために、比較的低圧でナノ濾過エレメントを通る水の十分な流動とともに、二価イオンの高い拒絶率を有する。これらの二価イオンには多数の硬質イオンが含まれ、それにはカルシウムおよびマグネシウムのようなものが含まれる。流速とは、フィルターを通る平均ピーク流速を意味する。回収率とは、軟水器に入る水の量に対して、軟水として回収される入力水のパーセンテージを意味する。これらの具体的なパラメータはすべて個々に重要であるが、これらのパラメータの組合せが、住宅および小商業で使用するのに好適である軟水器を提供するために特に重要である。
【００４９】
典型的に、ナノ濾過フィルターエレメントは、水および一価イオンの通過を許容するが、二価イオン、詳細には水硬度と関連する二価イオンの通過を実質的に拒絶する平均孔径を有する。種々のイオンを拒絶率を測定するために使用し得るが、かかる決定を行うための１の好適なイオンはカルシウムイオンである。本発明で有用な典型的なナノ濾過フィルターエレメントは、通常、作動条件下でのフィルターエレメントの通過から８０％を超えるカルシウムイオンを制限する。より好適なフィルターエレメントは、作動条件下でフィルターの通過からカルシウムイオンの８５％を超えるカルシウムイオンを制限する。いまだより好適なフィルターエレメントは、９０％を超えるカルシウムイオンの拒絶率を有する。ナノ濾過エレメントは、十分な水の浸透する流量を有しなければならない。例えば、ある種の形態において、ナノ濾過エレメントを通る脱イオン化された水の流量は、３０−６０ｐｓｉでの時間当たりのフィルター膜１ｍ２当たり３０リットル（ｌｍｈ）付近である。
【００５０】
好適なナノ濾過エレメントは、典型的に、２０ないし５００、いまだより一般的には１００ないし４００、および最も一般的には２００ないし３００の分子量濾過カットオフ直径を有する。本明細書で用いるように、濾過カットオフ（分子量で表される）は濾過測定で従来使用されているものに従い、高率で排除される材料の分子量の範囲をいう。しかしながら、一般的に少量の材料は、カットオフ範囲内の分子量を有するかかる膜を通過するであろう。また、カットオフ範囲の外側の分子の比較的高率の排除が起こり得るが、かかる排除は一般的にカットオフ範囲内よりも低い率である。高分子量カットオフを有するフィルターを用いることにより、水の流動を増大することが可能である。このようにして、カルシウムイオンの十分な排除および十分な水の通過が、２００ないし３００の分子量カットオフ範囲を有する濾過エレメントを用いて起こる。
【００５１】
装置は、それが水の入力流動に対して合計塩レベルを実質的に増大しないように、有利に構成する。したがって、軟化装置は、水の流れにイオンを添加せず、むしろ入力流動からイオンの少なくとも幾つかを排除し、非−浸透性の出力流動にそれを排出する。種々の異なるナノ濾過フィルターエレメントが本発明での使用に好適であり、それには、陽性に荷電した膜を含むフィルターエレメントが含まれる。かかる膜は一般的に陽性の二価硬質イオンをはね返し、膜を通してのそこにおける通過を制限するからである。
【００５２】
本発明の軟水器は、一般的に、住宅向け（および同様の）適用に必要な小さなスケールで高品質の水軟化を提供するように設計される。軟水器は、通常、それが軟化された水および貯蔵された水を含む貯蔵または圧力タンクを有する必要がないように、十分な水の流動を提供する。したがって、軟水器は、通常、典型的な家庭の必要性に合致する十分な即座の水軟化を提供する。貯蔵タンクの使用を回避することは有利である。なぜなら、それは、微生物による貯蔵タンクの汚染の確率を低くするからである。また、保持タンクの使用を回避することは、水軟化装置のサイズおよびコストを減少する。しかしながら、幾つかの適用において、ピーク水需要に合致する少なくとも幾つかの軟化水を保持するための容器を使用する。
【００５３】
種々のプレフィルターも、ナノ濾過エレメントの性能および長年作動を改善するために本発明での使用に好適である。例えば、プレフィルターを用いて、さもなければナノ濾過フィルターエレメントを詰まらせるであろう大きな懸濁した材料を除去することもできる。本発明での使用に好適な他のプレフィルターは、入力水源から鉄を除去するための鉄プレフィルター、入力水源から沈澱物を除去するための沈澱物プレフィルター、入力水源から塩素を除去するための塩素プレフィルター、および細菌、原生動物、および他の微生物を除去するための生物学的プレフィルターである。
【００５４】
プレフィルターを用いることに加えて、水を前処理して、鱗片化を生じることなく流速を改善するのに十分な水を加熱するか、または入力水を磁気的に前処理することによって鱗片化を阻害するかのいずれかによって性能を改善し得る。化学前処理のような他の前処理工程は、本発明の実施での使用に好適である。
【００５５】
一般的に、本発明で軟化する水は、地下の供給源から提供されるもののような水道水である。例えば、水は、個人的な居住地の井戸から、行政の給水（典型的には地下水を含む）または他の供給源からのものとし得る。通常、供給される水は水道水であるが、（クリプトスポリジウムのような）汚染物を除去するプレフィルターを提供することによって特定の実施で非−水道水を使用することは可能である。
【００５６】
本発明の軟水器は、通常、従来のイオン交換型軟水器に必要であった空間に等しいかまたはそれよりも小さい空間で位置し得るようなサイズとし得る。このことは、軟化装置を存在する軟水器の交換として使用することを許容する。ある種の実施において、本発明の軟水器は、それが同様の軟水能力のイオン交換型軟水器よりも顕著に小さいように構成される。かかるサイズにおける省力は可能である。なぜなら、イオン交換媒体または再充填タンクを有する必要がないからである。
【００５７】
前記に論じたように、本発明の軟水器は、典型的に、それが比較的低圧で、一般的には２５０ｐｓｉｇ未満で作動し得るように構成および配置される。この低圧は、高価な圧力器具の使用を回避する。本発明の具体的な形態は、２４時間の時間当たり２００ガロン以上の浸透性の水の出力流動を有するように構成および配置された装置を提供する。一般的に、装置は、毎分１０ガロン未満である浸透性の水のピーク出力流速、いまだより一般的には毎分５ないし１０ガロンの浸透性の水のピーク出力流速を有し得る。軟化装置も一般的には非常に効率的であり、入力流動の８０％を超えるものを含有する浸透性の水の出力流動を生成することができる。ある種の形態において、浸透性の水の出力流動は、入力流動の９０％を超えるものを含む。浸透性の水の出力流動は、一般的に、ガロン当たり１.５グレーン未満の硬度を有し得る。
【００５８】
ある種の形態において、膜エレメントの機能は、供給によって膜エレメントと濃縮物を流すことの間に流動を逆転することによって改善して、改善された性能および減少した付着挙動を生じ、それによって持続可能な流量を維持することを支援する。
【００５９】
本発明の形態は、カルシウムおよびマグネシウム沈澱物を溶解する酸溶液で膜を洗浄することによるナノ濾過軟化エレメントの再生にも指向される。酸での濯ぎは、典型的には、ナノ濾過システムが末端使用者に対して水を軟化するよう機能しない間に行い、したがって、それは夜間遅くのような水使用量が低い時間にいずれかの酸での濯ぎ機能を計画することが望ましい。また、一般的に、洗浄すべきナノ濾過エレメントは、酸性の水を末端使用者に送達しない閉まったループ中でナノ濾過エレメントを通して酸を流すことができるように、水系の残りから容易に単離する。その代わりに、ナノ濾過エレメントを通して酸を流した後に、酸性水を廃水ライン、典型的には、最終ナノ濾過エレメントから濃縮物を運ぶ同じラインを通して排出することができる。
【００６０】
ナノ濾過エレメントを再生するために使用する酸は、望ましくはヒトの消費に対して食品医薬品局（ＦＤＡ）が認可したものであって食品等級のものである。好適な酸には、例えば、酢酸、塩酸および乳酸、およびそれらの組合せが含まれる。他の好適な酸には、リン酸、クエン酸、硝酸、硫酸ほかが含まれる。望ましい混合物には、例えば２ないし３％の酢酸、３ないし５％の塩酸、および０.０５ないし０.１％の乳酸が含まれる。
【００６１】
好適なｐＨレベルには、例えば、２ないし２.５のｐＨが含まれる。受入れ可能なｐＨレベルは、しばしば６.０未満、典型的には５.０未満であり、幾つかの実施においては４.０未満および３.０未満とし得る。酸溶液は高温においてより有効となり得、したがってシステムはそれをナノ濾過フィルターに指向する前に酸溶液を温めるためのヒーターも含み得る。酸洗浄に好適な温度は、例えば、２５℃を超え、３０℃を超え、４０℃を超え、かつ５０℃未満である。同様にして、２５ないし４５℃の範囲の温度を使用し得、３０ないし４０℃の温度および４０ないし４５℃の温度とし得る。
【００６２】
図６はナノ濾過エレメントからの増大した流量を促進するためのナノ濾過膜を通る酸での濯ぎを用いる効果を示す。図９、１０および１１に示す実験は、ほぼ２２.３ｍ２の膜面積を有する、Dow Film Tec NF90-4040膜を用いて行った。ミネソタ州のサベッジからの行政給水を４７ｐｓｉの圧力および１８℃で処理した。膜は分当たり２.２５ガロンの元のＤ.Ｉ.水流量を有していたが、１４,２５０ガロンの水を軟化した１６０時間の使用の後には、その流量が分当たりほぼ０.７５ガロンまで減じる点まで膜が付着していた。付着した膜を３−５％の塩酸溶液を含有する１０ガロンの水で３０−４５分間洗浄することによって、流量は分当たり１.２５ガロンまで増大した。付着した膜を０.０５−０.１％の乳酸と一緒に３−５％の塩酸溶液の１０ガロンで３０−４５分間洗浄することによって、Ｄ.Ｉ.水流量は、分当たり２.２ガロンまで増大した。図１０は、浸透性の流量および拒絶に対する時間の効果を示し、時間にわたる流量の減少でもってさえも、拒絶が９５％を超えて維持されることを示しており、図１１は浸透性の流量および硬度に対する時間の効果を示し、時間にわたる流量の減少でもってさえも、合計浸透性の硬度が約１５ｐｐｍ未満に維持されることを示している。図１０および１１は両方とも、本発明の形態が延長した軟化適用に特に好適であることを示している。
【００６３】
幾つかの形態において、ナノ濾過膜は１００時間毎に、４ないし４.５のｐＨを有する酸溶液を用いて、少なくとも３０℃の温度にて５分間洗浄する。他の実施において、ナノ濾過膜は１００時間毎に、３ないし３.５のｐＨを有する酸溶液を用いて、少なくとも２５℃の温度にて５分間洗浄する。いまだ他の実施において、ナノ濾過膜は１００時間毎に、２ないし２.５のｐＨを有する酸溶液を用いて、少なくとも２０℃の温度にて５分間洗浄する。
【００６４】
本発明のもう１の形態において、方法および装置は、ボイラーの有効な長時間使用のためのボイラー給水から硬度を除去するために提供する。ボイラー供給水の硬度を最小限化することによって、ボイラーの寿命を延長することができ、ボイラーを作動するためのエネルギーコストおよび化学処理コストを減少することができる。本発明の形態は、ボイラー給水の処理のための以前の形態の１または組合せの使用を用いる。加えて、前記したナノ濾過より前に、ボイラー給水は、入力ボイラー給水の性質に依存して、炭素または他のフィルターあるいは当該技術分野で知られている他の処理方法を用いて前処理することができる。図１２に言及すると、浸透性の流量に対する時間の効果を示している。図１２に見てとれ得るように、延長した使用の後、８００時間を超える非停止作動の後、流量は３３％低下している。鉱酸または同様のものを用いた処理の際、元の流量を復帰することができる。図１３に言及すると、浸透性の流量および硬度に対する時間の効果を示している。図１３から見てとれ得るように、延長した使用の後、８００時間を超える非停止作業の後、硬度は約８ｐｐｍ未満のままであり、このことは、ボイラー給水適用への本発明の方法および装置の適用可能性を示している。図１４に言及すると、浸透性の流量および拒絶に対する時間の効果を示している。図１４から見てとれ得るように、延長した使用の後、８００時間を超える非停止作業の後、拒絶は約９５％を超えるままであり、再度、ボイラー給水適用への本発明の方法および装置の適用可能性を示している。
【００６５】
本発明の他の形態は、本明細書に開示した発明の明細書および実施の考慮から当業者であれば明らかであろう。明細書は、以下の特許請求の範囲によって示される発明の完全な範囲および意図でもって、例示的なもののみと考えるべきである。
【００６６】
先の明細書において本発明をそのある種の好ましい形態に関連して記載し、多くの詳細を説明目的で記載してきたが、本発明がさらなる形態に対して可能であること、および、本明細書中に記載したある種の詳細が本発明の基本的な原則から逸脱することなくかなり変化することは、当業者に明らかであろう。
【図面の簡単な説明】
【００６７】
【図１】図１は本発明の手段と一致して作製したナノ濾過水軟化システムの単純化した概略設計を示し、該ナノ濾過システムは３のナノ濾過エレメントを含む。
【図２】図２は本発明の手段と一致して作製したナノ濾過水軟化システムの単純化した概略設計を示し、該ナノ濾過システムは３のナノ濾過エレメントを含み、該システムは給水の標準的な前方の流れで作動する。
【図３】図３は図２に示したナノ濾過水軟化システムの作動の単純化した概略設計を示し、該システムは給水の逆の流れで作動する。
【図４】図４は本発明の手段と一致して作製したナノ濾過水軟化システムの単純化した概略設計を示し、該システムは水流バイパスを用いたフラッシュ様式で作動する。
【図５】図５は本発明の手段と一致して作製したナノ濾過軟水器の単純化した概略設計を示し、該システムは、ナノ濾過エレメントから沈澱物を除去するための酸フラッシュ様式のために構成され、かつそれを用いて作動する。
【図６】図６は水軟化システムの流量の対する酸洗浄の効果を示すグラフである。
【図７】図７は軟化システムを通る水の流量（flux of water）をナノ濾過エレメントに流す効果を示している。
【図８】図８は軟化システムを通る水の流量を流す流動逆転の効果を示すグラフである。
【図９】図９は軟化システムを通る水の流量に対する酸洗浄の効果を示している。
【図１０】図１０は浸透性の水量および拒絶に対する時間の効果を示している。
【図１１】図１１は浸透性の水量および硬度に対する時間の効果を示している。
【図１２】図１２は浸透性の水量およびボイラー供給に対する時間の効果を示している。
【図１３】図１３は浸透性の水量および硬度に対する時間の効果を示している。
【図１４】図１４は浸透性の水量に対する時間の効果を示し、拒絶を示している。
【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【国際調査報告】
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