(57)【要約】  本発明の液体処理方法は析出または「スケール（または、垢）」を発生せずに、漸次的に強度の強いイオンから弱いイオンへと、イオン種を逐次的に除去する液体の浄化方法である。本発明の実施例は複式の電気脱イオン動作を含む。第１の電気脱イオン動作はスケールを発生せずに、供給水からカルシウムやマグネシウム等の、強度にイオン化したイオン種を取り除くように計算された電圧によって実施される。第１電気脱イオン動作の生成物は次に、第２の電気脱イオン動作を受ける。第２電気脱イオン動作は第１電気脱イオン動作の電圧より高い電圧で実施され、シリカや二酸化炭素等の、弱度にイオン化したイオン種を取り除くように設計される。本発明に従うと、高い電圧でスケールを起こす可能性がある強度のイオン種は第１電気脱イオン動作によって既に除去されているので、弱度のイオン種の電気脱イオン動作中に析出や「スケール」が発生する心配がない。用途によっては、３つ以上の逐次的な電気脱イオン動作が実施されてもよい。本発明の複数の電気脱イオン動作は単一の電気脱イオンスタック内で行われてもよいし、複数の別個の電気脱イオンスタックで行われてもよい。【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体浄化処理方法であって：
（ａ）浄化すべき液体の供給水流を供給すること；
（ｂ）少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備える第１モジュールで前記供給水流を処理することであって、前記供給水流からスケールを生じる少なくとも１つの第１イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードの間に第１電圧を印加して第１生成物流を生成すること；
（ｃ）少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備える第２モジュールで前記第１生成物流を処理することであって、前記第１生成物流から少なくとも１つの第２イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードの間に前記第１電圧とは異なる第２電圧を印加して第２生成物流を生成すること；及び、
（ｄ）前記第２生成物流を受容すること、
のステップから成る処理方法。
【請求項２】
前記第１モジュール及び前記第２モジュールが単一のユニットに含まれている、請求項１に記載の処理方法。
【請求項３】
前記第１モジュール及び前記第２モジュールが別個のユニットに含まれている、請求項１に記載の処理方法。
【請求項４】
前記第２モジュールが少なくとも１つの逐次的に接続するモジュールによって逐次的に接続されており、前記逐次的なモジュールの各々が少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備え、前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードとの間に先行するモジュールの電圧とは異なる電圧が印加され、前記逐次的なモジュールが先行するモジュールからの生成物流を処理する、請求項１に記載の処理方法。
【請求項５】
前記第１モジュール、前記第２モジュール、及び、少なくとも１つの逐次的モジュールが単一のユニットに含まれている、請求項４に記載の処理方法。
【請求項６】
前記第１モジュール、前記第２モジュール、及び、少なくとも１つの逐次的モジュールが別個のユニットに含まれている、請求項４に記載の処理方法。
【請求項７】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、及び、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項１に記載の処理方法。
【請求項８】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記第１排出流データ、及び前記第２排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧及び前記第２電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項７に記載の処理方法。
【請求項９】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、及び、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項２に記載の処理方法。
【請求項１０】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記第１排出流データ、及び前記第２排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧及び前記第２電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項９に記載の処理方法。
【請求項１１】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記第１排出流データ、及び前記第２排出流データのうちの少なくとも１つに基づいて、前記第１生成物流に少なくとも１つの化学物質を付加するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項７に記載の処理方法。
【請求項１２】
（ａ）前記第１モジュールの第１樹脂が消耗した樹脂から成り、さらに、
（ｂ）前記第２モジュールの第２樹脂が少なくとも１つの再生された、または部分的に再生された樹脂から成る、
請求項１に記載の処理方法。
【請求項１３】
前記第１モジュールのモジュールの単位容積当たりのパックされた樹脂の量が前記第２モジュールにより多い、請求項１２に記載の処理方法。
【請求項１４】
前記第１モジュールが少なくとも１つのカチオン浸透性薄膜、及び、少なくとも１つのアニオン浸透性薄膜を備え、前記第１モジュールに薄膜−樹脂双極子界面が存在しない、請求項１に記載の処理方法。
【請求項１５】
前記第２モジュールが第２カチオン浸透性薄膜、及び、第２アニオン浸透性薄膜を備え、前記第２モジュールに薄膜−樹脂双極子界面が存在しない、請求項１４に記載の処理方法。
【請求項１６】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、逐次的生成物流のデータを取得するための前記逐次的生成物水流の条件、最終生成物流のデータを取得するための前記最終生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件、及び、逐次的排出流のデータを取得するための前記逐次的排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項４に記載の処理方法。
【請求項１７】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記逐次的生成物流データ、前記最終生成物流データ、前記第１排出流データ、前記第２排出流データ、及び、前記逐次的排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧、前記第２電圧、及び、逐次的電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項１６に記載の処理方法。
【請求項１８】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、逐次的生成物流のデータを取得するための前記逐次的生成物水流の条件、最終生成物流のデータを取得するための前記最終生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件、及び、逐次的排出流のデータを取得するための前記逐次的排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項５に記載の処理方法。
【請求項１９】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記逐次的生成物流データ、前記最終生成物流データ、前記第１排出流データ、前記第２排出流データ、及び、前記逐次的排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧、前記第２電圧、及び、逐次的電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項１８に記載の処理方法。
【請求項２０】
液体浄化処理方法であって：
（ａ）浄化すべき液体の供給水流を供給すること；
（ｂ）第１生成物流を生成するために少なくとも１つの第１イオン種が前記供給水流から実質的に除去されるように、アノードとカソードの間に複数の希釈区画及び濃縮区画組立品を備える第１電気脱イオンモジュールで前記供給水流を処理することであって、
（ｉ）前記アノードと前記カソードの間に第１電気脱イオンモジュール電圧を印加すること；
（ｃ）第２生成物流を生成するために少なくとも１つの第２イオン種が前記第１生成物流から実質的に除去されるように、アノードとカソードの間に複数の希釈区画及び濃縮区画組立品を備える第２電気脱イオンモジュールで前記第１生成物流を処理することであって、
（ｉ）前記アノードと前記カソードの間に、前記第１電気脱イオンモジュール電圧とは異なる第２電気脱イオンモジュール電圧を印加すること；
（ｄ）前記第２生成物流を受容すること、
のステップから成る処理方法。
【請求項２１】
前記第１電気脱イオンモジュール及び前記第２電気脱イオンモジュールが単一のユニットに含まれている、請求項２０に記載の処理方法。
【請求項２２】
前記第１電気脱イオンモジュール及び前記第２電気脱イオンモジュールが別個のユニットに含まれている、請求項２０に記載の処理方法。
【請求項２３】
前記第２電気脱イオンモジュールが少なくとも１つの逐次的に接続する電気脱イオンモジュールによって逐次的に接続されており、前記逐次的な電気脱イオンモジュールの各々が少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備え、前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードとの間に先行する電気脱イオンモジュールの電圧とは異なる電圧が印加され、前記逐次的な電気脱イオンモジュールが先行する電気脱イオンモジュールからの生成物流を処理する、請求項２０に記載の処理方法。
【請求項２４】
前記第１電気脱イオンモジュール、前記第２電気脱イオンモジュール、及び、少なくとも１つの逐次的電気脱イオンモジュールが単一のユニットに含まれている、請求項２３に記載の処理方法。
【請求項２５】
前記第１電気脱イオンモジュール、前記第２電気脱イオンモジュール、及び、少なくとも１つの逐次的電気脱イオンモジュールが別個のユニットに含まれている、請求項２３に記載の処理方法。
【請求項２６】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、及び、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項２０に記載の処理方法。
【請求項２７】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記第１排出流データ、及び前記第２排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧及び前記第２電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項２６に記載の処理方法。
【請求項２８】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、逐次的生成物流のデータを取得するための前記逐次的生成物水流の条件、最終生成物流のデータを取得するための前記最終生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件、及び、逐次的排出流のデータを取得するための前記逐次的排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項２３に記載の処理方法。
【請求項２９】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記逐次的生成物流データ、前記最終生成物流データ、前記第１排出流データ、前記第２排出流データ、及び、前記逐次的排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧、前記第２電圧、及び、逐次的電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項２８に記載の処理方法。
【請求項３０】
液体浄化処理方法であって：
（ａ）浄化すべき液体の供給水流を供給すること；
（ｂ）少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備える第１モジュールで前記供給水流を処理することであって、前記供給水流から少なくとも１つの第１イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードの間に第１電圧を印加して第１生成物流を生成すること；
（ｃ）変更された第１生成物流を生成するために、前記第１生成物流に化学物質を付加することによって前記第１生成物流を処理すること；
（ｄ）少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備える第２モジュールで前記変更された第１生成物流を処理することであって、前記変更された第１生成物流から少なくとも１つの第２イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードの間に前記第１電圧とは異なる第２電圧を印加して第２生成物流を生成すること；及び、
（ｅ）前記第２生成物流を受容すること、
のステップから成る処理方法。
【請求項３１】
前記第１モジュール及び前記第２モジュールが単一のユニットに含まれている、請求項３０に記載の処理方法。
【請求項３２】
前記第１モジュール及び前記第２モジュールが別個のユニットに含まれている、請求項３０に記載の処理方法。
【請求項３３】
前記第２モジュールが少なくとも１つの逐次的に接続するモジュールによって逐次的に接続されており、前記逐次的なモジュールの各々が少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備え、前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードとの間に先行するモジュールの電圧とは異なる電圧が印加され、前記逐次的なモジュールが先行するモジュールからの生成物流を処理する、請求項３０に記載の処理方法。
【請求項３４】
変更された逐次的生成物流を生成するために、前記第２生成物流及び逐次的生成物流のうちの少なくとも１つが化学物質の付加を介して処理される、請求項３３に記載の処理方法。
【請求項３５】
前記第１モジュール、前記第２モジュール、及び、少なくとも１つの逐次的モジュールが単一のユニットに含まれている、請求項３３に記載の処理方法。
【請求項３６】
前記第１モジュール、前記第２モジュール、及び、少なくとも１つの逐次的モジュールが別個のユニットに含まれている、請求項３３に記載の処理方法。
【請求項３７】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、及び、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項３０に記載の処理方法。
【請求項３８】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記第１排出流データ、及び前記第２排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧及び前記第２電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項３７に記載の処理方法。
【請求項３９】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、逐次的生成物流のデータを取得するための前記逐次的生成物水流の条件、最終生成物流のデータを取得するための前記最終生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件、及び、逐次的排出流のデータを取得するための前記逐次的排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項３３に記載の処理方法。
【請求項４０】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記逐次的生成物流データ、前記最終生成物流データ、前記第１排出流データ、前記第２排出流データ、及び、前記逐次的排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧、前記第２電圧、及び、逐次的電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項３９に記載の処理方法。
【請求項４１】
水の浄化処理方法であって：
（ａ）浄化すべき水の供給水流であって、少なくとも５ｐｐｍの硬度の化学種から成る不純物を含む供給水流を供給すること；
（ｂ）少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備える第１電気脱イオンモジュールで前記供給水流を処理することであって、前記供給水流から少なくともカルシウムアニオンを含む、少なくとも１つの第１イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードの間に第１電圧を印加して第１生成物流を生成すること；
（ｃ）少なくとも１つのアノード及び少なくとも１つのカソードを備える第２電気脱イオンモジュールで前記第１生成物流を処理することであって、前記第１生成物流から少なくともシリカアニオンを含む、少なくとも１つの第２イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つアノードと前記少なくとも１つのカソードの間に前記第１電圧より高い第２電圧を印加して第２生成物流を生成すること；及び、
（ｄ）１８.３オームまでの抵抗及び５ｐｐｂ以下のシリカの濃度を持つ第２生成物流を受容すること、
のステップから成る処理方法。
【請求項４２】
供給水流のデータを取得するための前記供給水流の条件、第１生成物水流のデータを取得するための前記第１生成物水流の条件、第２生成物流のデータを取得するための前記第２生成物水流の条件、第１排出流のデータを取得するための前記第１排出流の条件、及び、第２排出流のデータを取得するための前記第２排出流の条件のうちの少なくとも１つの条件を分析するための、少なくとも１つの手段を備る、請求項４１に記載の処理方法。
【請求項４３】
前記供給水流データ、前記第１生成物流データ、前記第２生成物流データ、前記第１排出流データ、及び前記第２排出流データのうちの少なくとも１つのデータに基づいて、前記第１電圧及び前記第２電圧のうち少なくとも１つの電圧を調整するための、少なくとも１つ手段を備える、請求項４２に記載の処理方法。
【請求項４４】
供給水流を、各々が異なったイオン種を除去するために差別的に選択された少なくとも２つの異なった電圧に逐次的にさらすことによって、前記供給水流から複数のイオン種を逐次的に除去することから成る、液体を浄化するための処理方法。
【請求項４５】
液体を浄化するための処理方法であって、供給水流を、各々が異なったイオン種を除去するために差別的に選択され、かつ、浄化処理中のエネルギー消費を最小にするように選択された少なくとも２つの異なった電圧に逐次的にさらすことによって、前記供給水流から複数のイオン種を逐次的に除去することから成る、液体を浄化するための処理方法。
【請求項４６】
供給水流を脱イオンモジュールを通過させることよって前記供給水流から少なくとも１つのイオン種を除去することから成る液体を浄化するための処理方法であって、前記脱イオンモジュールが少なくとも１つカソード、少なくとも１つのアノード、並びに、複数のアニオン浸透性薄膜及びカチオン浸透性薄膜によって分離された、互い違いになった複数の希釈チャンバー及び濃縮チャンバーを備え、前記脱イオンモジュールに薄膜−樹脂双極子界面が存在しないことを特徴とする液体の浄化処理方法。
【請求項４７】
液体の浄化処理方法であって：
（ａ）浄化すべき液体の供給水流を供給すること；
（ｂ）少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、及び、第１のパックされた樹脂を備える第１モジュールで前記供給水流を処理することであって、
（ｉ）前記第１のパックされた樹脂が完全に消耗した樹脂から成り、
（ii）前記供給水流から第１イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つのアノード及び前記少なくとも１つカソードの間に第１電圧を印加して第１生成物流を生成すること；
（ｃ）少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、及び、第２のパックされた樹脂を備える第２モジュールで前記生成物流を処理することであって、
（ｉ）前記第２のパックされた樹脂が完全に消耗した樹脂から成り、
（ii）前記供給水流から第２イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つのアノード及び前記少なくとも１つカソードの間に前記第１電圧とは異なる第２電圧を印加して第２生成物流を生成すること；及び、
（ｄ）前記第２生成物流を受容すること、
から成る処理方法。
【請求項４８】
液体の浄化処理方法であって：
（ａ）浄化すべき液体の供給水流を供給すること；
（ｂ）第１樹脂、少なくとも１つのアノード、及び、少なくとも１つのカソードを備える第１モジュールで前記供給水流を処理することであって、前記供給水流から第１イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つのアノード及び前記少なくとも１つカソードの間に第１電圧を印加して第１生成物流を生成すること；
（ｃ）第２樹脂、少なくとも１つのアノード、及び、少なくとも１つのカソードを備える第２モジュールで前記生成物流を処理することであって、
（ｉ）前記第２樹脂の組成が前記第１樹脂の組成と実質的に同一であり、
（ii）前記供給水流から第２イオン種を実質的に除去するために前記少なくとも１つのアノード及び前記少なくとも１つカソードの間に前記第１電圧とは異なる第２電圧を印加して第２生成物流を生成すること；及び、
（ｄ）前記第２生成物流を受容すること、
から成る処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本願は２００１年１２月２０日に出願された米国特許出願No.60/343,323「Fractional Deionization Process」の優先権を主張し、その内容は参照として本願にも組み込まれる。
【０００２】
本発明は供給される水の硬度が比較的高いレベルであっても、スケール（または、垢）等を発生せずに、供給用の水流からイオン種を除去するための斬新な技術に関する。本発明は希釈溶液用のセルまたは濃縮用のセルの区画においてスケール（または、垢の発生）の問題を生ぜずに、いくつかのイオン成分を他のイオン成分とは別々に（または、分別的に）除去することを可能にする、制御された処理システムを使用して水を脱イオン（または、消イオン）処理する。スケール（または、垢の発生）の問題は従来の電気脱イオン（ＥＤＩ）システムの動作を制限し、それらのシステムの商業上の成功の妨げとなっている。本発明の分別脱イオン処理（fractional deionization process（ＦＤＩ））における、適当なｐＨ制御による制御された状態でのＨ+及びＯＨ-の発生は供給水流から、スケール（または、垢）に関する問題を伴わずに、エネルギー効率の良い方法でイオン成分を除去するという点で従来のＥＤＩ（電気脱イオン）より信頼できる方法である。また、この処理方法は純水を生成するために弱いイオン性の成分を除去することを可能にするという点でも信頼できる方法である。さらに、汚染を発生せず、化学物質を使用しない、環境にやさしい、この処理方法は水以外の他の流体の分離し対しても容易に使用することができる。
【背景技術】
【０００３】
現代社会の大きな環境問題の１つは水の浄化に関するものである。水は生体に対して本質的なものであり、産業に対しても重要である。これらの理由により、より進んだ水の浄化技術に対する大きな要求が存在する。
【０００４】
水の浄化に対する典型的な従来技術は以下の３つのカテゴリーに分けられる。（１）イオン交換樹脂をベースにしたシステム、（２）イオン交換薄膜をベースにしたシステム、及び、（３）ＥＤＩシステムである。以下に、これらのシステムを簡単に説明する。
【０００５】
イオン交換樹脂をベースにしたシステム
イオン交換樹脂はそれらの対応する活性部位（または、活性サイト）でイオン種を吸収する。これらの活性部位が消耗してしまった場合（または、使い尽くされてしまった場合）、樹脂はＨ+またはＯＨ-イオンを置き換えるために樹脂を酸またはアルカリで洗うことによって再生することができる。この処理は樹脂の再生（regeneration）と呼ばれ、多様な液体からカチオン（陽イオン）及びアニオン（陰イオン）を除去するための主要な手段である。脱塩水はこの技術の主要な生成物である。
【０００６】
イオン交換薄膜をベースにしたシステム
イオン交換薄膜は上述の樹脂と同様な材料から作製されるが、異なった作用をもたらす。イオン交換薄膜をベースにしたシステムにおいては、アニオン及びカチオン薄膜のチャンバー内の水に存在するイオンの動きを起こすために電気駆動力が使用される。イオンは両極に引き寄せられ、イオンの選択的な動きを可能にするイオン選択薄膜に接触する。カチオン薄膜はカチオンが薄膜を通して移動することを可能にし、アニオンの通過を阻止する。同様に、アニオン薄膜はアニオンが薄膜を通して移動することを可能にし、カチオンの通過を阻止する。
【０００７】
この電気透析処理は水中の水の分離が発生する電圧より大幅に小さい電圧を使用する。電気透析処理はシステムの高い抵抗性、及びシリカ等のイオンを除去できないという点で、高純度が要求される水の処理に対して制限を持つ。
【０００８】
ＥＤＩ（電気脱イオン）システム
ＥＤＩは電気透析のイオン交換薄膜とともに、本質的なイオン吸収特性として樹脂を使用する技術である。ＥＤＩは薄膜の間に導入される伝導媒体として、樹脂とともに、電気透析処理を利用する。典型的なＥＤＩは供給水の品質の非常に狭い帯域に対して動作する。要求される供給水の品質は１０００ｐｐｂ未満の硬度（または、強イオン性を持ったイオン種）を持った、逆浸透（reverse osmosis（ＲＯ））の生成物と同等な品質でなければならない。いくつかの従来技術（例えば、特許文献１参照）は処理の前のＲＯ（逆浸透）の使用を提案している。ＲＯは供給水のこの品質を与えることができないので、ソフナー（または、軟化剤）が必須条件となる。
【０００９】
ＥＤＩにおいて、樹脂は水の中に存在するイオンを吸収する。そして、樹脂はこれらのイオンに一定の可動性及び薄膜に向かう方向性を与えながら、これらのイオンを解放する。システム中にはＨ+及びＯＨ-イオンが生成されなければならない。Ｈ+及びＯＨ-イオンによる樹脂の再生は電気駆動力による樹脂の自然な再生を補助する。イオンは薄膜を通して排出チャンバーに移送されなければならない。シリカや炭酸等の比較的弱いイオン種に加え、硬水等の、比較的高いイオン種を含む水の場合、通常のＥＤＩはシステム内にスケール（または、垢）等を生ぜずに、全てのイオン種を除去する能力に対して制限を持つ。ＥＤＩの供給水は基本的に制限を持ち、供給水は１ｐｐｍ未満の硬度である（または、１ｐｐｍ未満の強イオン性イオン種を含む）必要がある。従来技術のＥＤＩシステムは多様な孔の寸法の樹脂イオン交換器を使用するタイプ（例えば、特許文献２参照）や複数の脱イオンスタックを有する複数の種類の樹脂を使用するタイプのものを含む。
【００１０】
多くの給水システムにおいて、除去されるべき不純物はナトリウム及びカルシウム等の、強度にイオン化したカチオン、及び塩化物及び硫酸塩等の、強度にイオン化したアニオンを含む。塩化物及び硫酸塩イオンのイオン種はＥＤＩ内で化学的に析出しにくいので、カルシウムに比べ比較的クリーンな除去が可能である。一方、カルシウム及びマグネシウムは析出を起こしやすい。システムのアルカリ度にもよるが、カルシウム及びマグネシウムは水酸化物や炭酸塩に変換し、析出する可能性が高い。
【００１１】
従来のＥＤＩ技術は全てのイオンが均一な電気駆動力を受ける（例えば、特許文献３及び４参照）ので、強度のイオンと弱度のイオンが混合したサンプルを効率良く分離することができない。この理由により、従来の技術はカルシウムの存在に対して制限を持つか、またはシステムの硬度を１０００ｐｐｂ以下に保持する必要がある。
【００１２】
従来技術のＥＤＩシステムはスケールの生成に対して必要な、硬度に対する許容性を達成することができない。これらのシステムは１ｐｐｍの最大硬度の許容性を宣言しているが、システムは１ｐｐｍであってもスケールに対する問題を呈する可能性が高く、処理装置の使用に制限を与えている。さらに、スケールの防止やシリカの減少のために設計されている、いくつかの従来技術のシステムは複数の脱イオン装置の使用及び付加的な強烈な化学物質の使用（例えば、特許文献５参照）、比標準的な樹脂の使用（例えば、特許文献６参照）、または異なったスタックでの異なった樹脂の使用（例えば、特許文献７、８及び９参照）を必要とする。
【００１３】
【特許文献１】米国特許第６３７９５１８号明細書
【特許文献２】米国特許第６４７１８６７号明細書
【特許文献３】米国特許第４２９８４４２号明細書
【特許文献４】米国特許第６３９１１７８号明細書
【特許文献５】米国特許第６３９８９６５号明細書
【特許文献６】米国特許第６１８７１６２号明細書
【特許文献７】米国特許第３３３０７５０号明細書
【特許文献８】米国特許第３１４９０６１号明細書
【特許文献９】米国特許第６４０２９１７号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は上述の問題を解決することである。すなわち、本発明の目的は供給水がシリカや炭酸等の比較的弱いイオン種に加え、硬水等の比較的高いイオン種を含む場合であっても、スケール（または、垢）等を発生せずに、供給水からイオン種を除去するための斬新な技術を提供することである。本発明のもう１つの目的は１つまたは複数のスタックで動作し、付加的な強烈な化学物質を必要とせず、均一な樹脂成分を利用可能な浄化処理を提供することによって、上述の１つまたは複数の問題を解決することである。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
本発明に従うと、複数のステージ（または、段階）の電気脱イオンを使用する、水の浄化のための分別脱イオン処理（fractional deionization process）が与えられる。本発明のこの処理はマグネシウム、カルシウム、二酸化炭素、及びシリカ等の汚染物（または、不純物）を含む水を浄化するために使用することができるが、もちろん、本発明の処理はこれらの処理だけには限定されない。分別脱イオン処理は第１電圧が適用される第１脱イオンモジュール内の汚染された供給水流の処理を含む。考慮に入れられる脱イオン処理の他の変量として、第１電圧は、脱イオンシステム中の不都合な位置でいくつかのイオンがスケールまたは析出を起こさないような状態にシステムを維持しながら、供給水流から強度のイオン種を除去するように計算される。
【００１６】
供給水流が第１脱イオンモジュールを通過した後、供給水流は第１生成物流となる。第１脱イオンモジュールの動作によって、強度にイオン化されたイオン種は第１生成物流から取り除かれているが、第１生成物流には複数の弱度のイオン種が残されている可能性がある。したがって、第１生成物流は第２脱イオンモジュールに導入される。第２脱イオンモジュールには第２電圧が適用される。第２電圧は第１電圧より高く、第１モジュールで除去されたものよりも弱度のイオン種の除去を促進するように計算される。従来の電気脱イオンにおいて、弱度のイオン種を除去するために十分に高い電圧の適用は望まれないｐＨの生成による強度のイオン種のスケール化（または、垢の発生）を引き起こす可能性がある。本発明においては、強度のイオン種は第１脱イオンモジュールで除去されているので、供給水流中に強度のイオン種は存在しない。したがって、スケールの心配をせずに、弱度のイオン種を効率良く除去することができる。したがって、本発明の処理はエネルギーの効率の観点からも優れている。
【００１７】
本発明で説明される処理は、供給水流がほぼ中性のｐＨで導入され、流速が１００から２００ｃｍ／分に維持されたときに特に効果を発揮する。しかしながら、本発明はもちろん他の用途にも適用可能である。本発明の１つの実施例は２つ以上の電圧をスタックの異なった位置で適用することを可能にするために変形された、単体の脱イオンスタック内で全処理を実施するように説明されているが、他の実施例においては、各ステップが個々の単一電圧スタックで実施されてもよい。
【００１８】
また、本発明の処理は２つの異なった電圧を持った、２つだけの別個の脱イオンモジュールの使用には限定されない。すなわち、各脱イオンモジュールでのイオン種の除去の増大した差別化を可能にするために、複数（すなわち、３つ以上）の脱イオンモジュール及び電圧が使用されてもよい。複数のモジュールが使用される場合、処理は１つまたは複数のスタックで実施することができる。
【００１９】
異なったスタックで異なった種類の樹脂を必要とする従来技術とは異なり、本発明は各スタックで同じタイプの樹脂を使用してもよい。
【００２０】
本発明の他の特徴及び長所は以下の詳細な説明、図面、請求の範囲からより明らかになるだろう。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明のＦＤＩ（分別脱イオン）処理は制御され、かつ逐次的な（または、連続的な）方法で、付加的な水の分離機能とともに、イオン交換樹脂及びイオン交換薄膜の塩／イオン分離を利用する。この構成は浄化システムに対して、スケール化（または、垢の発生）の危険性を伴わずに、比較的高いレベルの硬度（または、比較的高いレベルの硬度の水）を処理することを可能にする。ＦＤＩ処理はカルシウム及びシリカの各々に対して有効な逐次的な（または、連続的な）条件の下でカルシウム及びシリカを除去するために使用される。従来技術のＥＤＩにおいて、シリカの除去に都合のよい条件は硬度（または、強度なイオン種）の除去も行う結果となっていたが、しかしながら、硬度（または、強度なイオン種）の濃度が高い場合、シリカの除去に適した条件では、（強度なイオン種の）析出が発生してしまう可能性がある。本発明はこのような析出を排除することを可能にした。
【００２２】
ＦＤＩ処理は非スケール化に対して好ましく、かつイオンを電気脱イオンスタック内の溶液に保持するために好ましい意図的なｐＨ条件を生成する、異なった電気化学処理条件の下でのイオン種の選択的な除去に関する。従来の電気脱イオンスタックにおいては、薄膜の間に配置された帯電した媒体を含むスタックの両端に単一の電圧が適用される。電圧が低い場合、結果的な電流は、Ｃａ2+及びＭｇ2+等の２価のイオンを除去することができるが、シリカ等の難易なイオンを除去するためには高い電圧が必要とされる。しかしながら、従来のＥＤＩがシリカを除去するために高い電圧で動作させられた場合、Ｃａ2+及びＭｇ2+等の２価イオンは結果として生ずるｐＨによって供給水流から析出してしまい、スタック内にスケール（または、垢）を発生する。
【００２３】
本発明のＦＤＩは従来のＥＤＩシステムの欠点、すなわち、硬度（または、強度のイオン種）に対する許容性の低さを克服することを可能にする。ＦＤＩは樹脂再生イオンの生成を可能にし、除去が予定されているターゲットイオン種（または、目的とするイオン種）に可動性を与えることを可能にする。これは５ｐｐｍの硬度を持った供給水に対しても、システム内にスケールを生ずることなく、イオン種の分離を可能にする。ＦＤＩにおいては、異なった電圧が隣接する電気脱イオンスタック全体、または、単一の電気脱イオンユニット内の隣接する領域に適用される。硬度（または、強度のイオン種）を除去するために、低い電圧が第１スタック全体、または、単一のスタックの一部に適用される。そして、シリカや他の難易なイオンを除去するために、高い電圧が第２スタック全体、または、単一のスタックの一部に適用される。したがって、本発明のＦＤＩにおいて、ｐＨがアルカリ性のシリカ除去ステージにおいて、供給水は除去するための硬度（または、強度のイオン種）を含んでいないので、初期の供給水流中に存在する高い硬度（または、強度のイオン種）によるスケールの形成の問題を発生しない。
【００２４】
本発明のＦＤＩ処理の詳細
分別脱イオン処理は析出を発生せずに、システムの硬度（または、強度のイオン種）に対する許容性を改善する目的とともに考案された。分別脱イオン処理はまた、例えば酸の付加の必要性の排除等の、スケール化を防止するための外的な化学物質の付加を必要としないという要求とともに設計された。また、システムはエネルギー的に高効率の方法で、目的生成物品質の達成、及び、シリカの除去を可能にすることを目的としている。
【００２５】
分別脱イオン処理はまた、以下の内容を考慮にいれて設計された。
１．例えば、Ｃａ2+、Ｍｇ2+、Ｎａ+、Ｃｌ-及び硫酸塩等の特定のイオン種は脱イオン吸収処理への応答に対する本質的な親和性を持ち、樹脂媒体内を駆動力の方向に移動する能力があるので除去しやすい。
２．このようなイオン種は樹脂媒体内で高い可動性を持つので、高い駆動力を必要とせず、緩やかなＤＣ電圧条件でイオン除去することができる。
３．他の特定のイオン種は吸収しやすい形態、または、移送しやすい形態で存在しないので、脱イオン処理への応答させるために、それらの構造に変形または転化をもたらす必要がある。
４．上述の３で規定されるイオン種は高い駆動力を必要とする。
５．水は特定の電圧で分離することが知られており、その分離の大きさは印加する電圧及び結果として生ずる電流によって制御することができる。
６．排出流のｐＨは水の分離の適用の大きさ、並びに、水素及び水酸化物イオンの振る舞いによって制御することができ、スケール化する生成物を溶液中に保持するようにすることができる。
【００２６】
分別脱イオン処理は本発明の目的を達成するために上述の概念を使用する。逐次的な方法、または、同じスタック内で行う方法において、焦点は、セルの組に対して（水の分離電圧より僅かに高い電圧である）３.５Ｖの最小可能電圧を適用することによって、スケールの形成を生ずるイオン種及び他の１価のイオンの除去することに置かれている。２価のイオン及び、Ｎａ+、Ｋ+、Ｃｌ-及びＨＣＯ3-等の、いくらかの１価のイオンの除去は移送の促進及び移送の方向付けによって単一の電気脱イオンスタックで達成することができ、高い再生環境（regenerated environment）を必要としない。水の分離が発生するが、排出のｐＨが中性以下または酸性になるように制御され、潜在的なスケール生成物が溶液中に保持されるように飽和指数を制御することを促進する。これは水酸化物イオンがそれの比較的遅い拡散のために処理に影響を与えることができないのに対して、水素イオンは比較的容易に排出流へ移送することができ、結果としてアルカリ性を生ずることができるので可能となる。
【００２７】
ＯＨ-イオンは希釈溶液区画にとどまるか、または、アニオン消費物（anion consumer）によって消費され、第１ステージ生成物の一部となる。第１ステージの印加電圧はＣａＣＯ3等の硬度を０.５ｐｐｍ未満に減少させるのに十分な値である。しかしながら、この時点でシリカの減少はなく、また、後で詳細に説明するように、他のイオン種の部分的な減少が存在する。ここで、スケールの原因となるイオンは、それらの除去には必要がなく、適用することによってスケールを生ずる高電圧の印加をせずに分別的に除去される。同一のスタックの場合、これは低い電圧の影響下にある、スタックの第１の下方部分を通って流れる供給水によって達成される。スタックのこの部分は硬度除去ゾーンと呼ばれる。単一のスタックで実施される場合、硬度の減少の測定及び他のパラメーターの試験を行うためにサンプリングポイントを介して、スタックのこの部分からサンプルを取り出すことができる。別個のスタックで実施される場合、特性を確認するために、第１スタックの生成物排出口からサンプルを取り出すことができる。
【００２８】
この手法は（同一のスタックの場合であっても、または別個のスタックの場合であっても）供給水が水の高い分離を必要とする難易のイオンを変形（modify）及び移送するために高い電圧による大きい駆動力を必要とする次のステージへ通過することを可能にする。セルの組に対して１０−１５Ｖの高い電圧が適用されると、シリカ以外のアニオンの選択的な除去の後に、アニオン部位（または、アニオンサイト）を再生してシリカを吸収し、薄膜媒体及び薄膜を通して排出流に移送可能な異なったアニオンの形状でシリカのアニオンを再生するために十分な水の分離が存在する。同様に、二酸化炭素は利用可能な水素イオンと結合し、ＨＣＯ3-イオンとして排出流に移送される。ここでの排出流のｐＨは９より大きく、通常９から１０.５である。これは水酸化物イオンが、それらのアニオン樹脂媒体に対する容易な拡散性により、シリカ及び二酸化炭素を排出流に移送するためのキャリアーとして働くからである。これは結果として排出流をアルカリ性のｐＨにし、シリカを完全に溶液中に保持する。この処理中、他の１価のアニオンイオン及びカチオンイオンも期待されたレベルまで除去される。この処理により、析出を起こさずに、５ｐｐｂ未満（最大で、２ｐｐｂ程度まで）シリカを除去することが可能である。同一のスタックでシリカの除去が達成される場合、除去は高い電圧の影響下にある上方部分で行われる。この部分はシリカ除去ゾーンと呼ばれる。伝導性の分析及びシリカの分析を行い、スタックのこの部分の特性を評価するために、サンプルを単独で取り出すことができる。これら２つのステージの排出流は独立して取り扱われ、再循環モードで保持される。
【００２９】
以下の内容はＦＤＩの作用を理解するために重要である。
【００３０】
１．分別脱イオン処理の異なったステージの樹脂の特性
ＦＤＩの異なったステージの樹脂は異なったタイプのイオンの負荷の影響を受けるので、異なったステージの樹脂は異なった特性を持つことが望ましいことが判明した。両方のステージにおいて、薄膜の間の樹脂は完全にパック化され（または、隙間なく詰め込まれた状態にされ）、かつ、薄膜の表面と完全に接触していることが重要である。これは図１に示されているような流れの迂回が存在しないことを確実にするため、及び、媒体を連続的にしてイオンの媒体を通しての薄膜への移送及び排出流への移送を容易にすることを確実するために要求される。
【００３１】
第１ステージの媒体が再生された樹脂で構成されている場合、第１ステージの特性が一貫しないことが判明した。硬度（または、強度のイオン種）に対する結果は一貫性がなく、排出流で収集されたものに対する供給水から除去された硬度（または、強度のイオン種）の物質収支の結果は一致しない。これは樹脂が使用されるときの樹脂の収縮（shrinkage）の結果であり、接触の欠如及び特性の低下の引き起こす。これはこれらの条件下でスタックを開けた後に希釈溶液スペーサーを試験したときに特に顕著になる。しかしながら、媒体が完全にパックされ（または、隙間なく詰め込まれた状態にされ）、消耗された樹脂で作製されている場合、樹脂は動作の開始後、部分的に再生され、樹脂の膨張特性により接触がさらに改善するので、硬度の除去の特性は使用開始から動作に対して一貫した特性を示す。これにより、イオンの物質収支を確立することが困難でなくなる。これは第１ステージの脱イオンが、低電圧の緩い駆動力の影響下の媒体によって促進されるイオンの移送の結果であることを確証する。消耗した樹脂を使用した場合でも目的とする硬度の除去の特性が達成されるという事実から明らかなように、大きな再生は存在しない。水の分離の影響は最小であり、排出流の望まれるｐＨを維持することを促進するだけである。したがって、第１ステージの樹脂は消耗した状態に近い状態にとどまり、希釈溶液チャンバーを充填するときに（または、希釈溶液チャンバーに詰め込まれたときに）、膨張対して必要な体積は５％程度である。
【００３２】
第２ステージにおいて、樹脂は完全に再生され、それは高い電圧での水の分離に依存する。これは媒体が外部で再生された樹脂であっても、特性が確立される前に、そして、樹脂が高度に再生した状態になる前に数時間の再生を必要とする。しかしながら、この場合、特性は時間とともに向上する。また、樹脂は完全にパックされた状態（または、隙間なく詰め込まれた状態）に維持されることが必要である。しかしながら、樹脂の高い再生レベル及び結果としての膨張した状態での占有のために、第２ステージの樹脂の体積は事前のステージで同一の希釈溶液スペーサーの体積に対して要求されるものより小さい。第２ステージの樹脂の正味の体積は第１ステージで要求されるものよりも１０−１２％小さく、膨張に対して１５−２０％の体積が用意される。
【００３３】
このことから、ＦＤＩにおいて、樹脂の特性及び脱イオンのメカニズムは２つのステージで極めて異なることが明らかである。
【００３４】
水の分離の制御及びそれらの部位（または、サイト）
水の分離はシステムの最小電圧より高い電圧で起こることが知られているが、しかしながら、図２ａ及び２ｂに示されているように、それは異種の樹脂−樹脂及び樹脂−薄膜界面で加速される。以下の特徴は水の分離を制御及び利用するためにＦＤＩ処理において重要である。
１．水の分離は制御された方法で起こるので、エネルギーを節約することが必要な場合は回避することができる。これは除去の大部分を水の分離を必要とせずに達成することができるＦＤＩの第１ステージに特に関係がある。
２．水の分離は、設計上、析出や生成物のｐＨへの不必要な影響を伴わずにＨ+及びＯＨ-イオンを再結合または排出流へ排出するためではなく、むしろ、関連する部位（または、関連するサイト）の再生におけるＨ+及びＯＨ-イオンの使用の可能性が高い特定の部位（または、特定のサイト）で発生する。
３．水の分離は局所的な析出の可能性を回避するために、激しい混合の影響下で、かつ、よどんでいない部位（または、サイト）で起こる。
【００３５】
樹脂−樹脂及び樹脂−薄膜界面の間の双極子表面領域（bipolar surface area）の分布の複数の組合せの調査の結果、ＦＤＩの特性は水の分離が樹脂−樹脂双極子の部位（または、サイト）に限定されたときに最も良くなることが観測された。これは再生処理における水の分離の生成物の効果的な利用を可能にし、媒体を介する流動を最大化することを可能にする。これはまた、特に大きな流動下、または、低いレベルのシリカが予想される場合に、薄膜の全領域をイオン拡散が制限された処理に対して利用可能となることを確実にする。
【００３６】
実験の詳細な記述
各々が１００から７００時間動作させられた、複数の試験を実施した。使用された供給水は初期の導電率が５μｓ／ｃｍであり、導電率は１００μｓ／ｃｍに達するまで増大された。導電率の増大は塩化ナトリウム、重炭酸ナトリウム、及び塩化カルシウムの外的な付加（または、添加）によって達成された。調査は供給水へのシリカの付加（添加）とともに詳細に実施された。実験−０１の目的は異なった電圧条件によるＦＤＩ処理の異なった条件を模擬実験しながらｐＨの特性を調査することである。各ケースに対して、電圧の効果及びアンペア数が分析のために記録された。
【００３７】
使用されたスタックは１９０ｍｍ×３５０ｍｍの寸法の効率的な薄膜を備えた、９.５ｍｍの希釈溶液チャンバー及び２.５ｍｍの濃縮溶液チャンバーである。使用された樹脂−樹脂界面の双極子表面領域（bipolar surface area）は有効な薄膜表面領域の半分に等しい。評価は異なった電圧及びアンペア数の条件で、異なった成分を含む供給水によって実施された。以下に選択されたデータは電圧及びアンペア数の効果を類別したものである。
【００３８】
１）低電圧及び低アンペア数条件
供給水はカチオン（ナトリウム及びカルシウム）及びアニオン（塩化物、重炭酸塩、及び溶解した二酸化炭素）の不純物を含む。供給水は生成物が供給水と混合するように再循環させた。供給水の導電率及びｐＨは、上述したように、カチオン及びアニオンの付加（または、添加）により、それらの外的な化学物質の溶解が排出流に排除されたイオンを補うようにして維持された。
【００３９】
【表１】
2005512794.tif 000002
【００４０】
表１から判るように、供給水のｐＨは、一部の７を除いて、６から６.５の間のレベルで観測された。適用された電圧は４から６Ｖ／組であり、消費されたアンペア数は非常に低く、０.２５Ａを超えなかった。
【００４１】
カチオンの除去は８５％以上であり、塩化物の除去は９０％以上であった。水の分離は過度に発生した。ここで、生成物は非常に塩基性（９以上のｐＨ）で排出され、生成されたＯＨ-イオンが薄膜に向かって動くことができず、生成物流中に水の流れともに排出されたことを示している。しかしながら、Ｈ+イオンはチャンバーから容易に排出流に排出され、それを酸性にすることが判明した。１組当たりの電圧を４Ｖ／組に減少させ、水の分離の大きさを減少させると、生成物のｐＨは中性に向かって減少することが判明した。
【００４２】
２）高電圧及び高アンペア数条件
もう１つのケースの結果が表２に示されている。セクションＡは１ｐｐｍを超えないシリカを有し、ナトリウム、炭酸、重炭酸塩、または、溶解した二酸化炭素以外の不純物を含まない。これは水が重炭酸塩塩化物、シリカ、及び炭酸のアニオンを含み、カチオンはナトリウムだけであることを意味している。
【００４３】
セクションＢはシリカの代わりに、１ｐｐｍを超えないカルシウムを有する。したがって、アニオンは塩化物及び炭酸から成り、カチオンはナトリウム及びカルシウムイオンから成る。
【００４４】
全ての条件において、供給水のｐＨは６から７.０の間で観測され、適用された電圧は組に対して１０Ｖ以上であった。全ての条件において、中性または中性に近い生成物のｐＨは、やはり中性または中性に近い供給水のｐＨより大きかった。全ての条件で排出流のｐＨは塩基性であり、９以上であった。
【００４５】
【表２】
2005512794.tif 000003
【００４６】
濃縮流の入口での導電率は、２００μｓ／ｃｍであるＢ−１を除いて４００μｓ／ｃｍから７００μｓ／ｃｍで変化している。ここで、同一の電圧／組が適用されているが、濃縮流の異なった導電率のために異なった量のアンペア数が消費されている表２のＡ−３とＢ−１の条件を比較する。高い導電率（Ａ−３）でのアンペア数は（Ｂ−１）の倍である。この変化はｐＨに大きな変化をもたらしている。導電率が高い方の極限において、排出流のｐＨは１０以上に増大し、低い方の側では９以下に減少する。これは第２ステージで脱イオンを制御するために水の分離を制御するための多様な手段を意味している。
【００４７】
１０Ｖ／組以上の電圧はアニオンを活性化し、（電圧以外の）第２の手段によってアンペア数が増大すると、（Ａ−３のケースのように）同一の電圧がＯＨ-イオンの排出流へのさらなる移送を生じさせる。このようなシステムにおいて、１０Ｖ以上の電圧は高電圧と考えられ、１.５Ａ以上のアンペア数は高電流と考えられる。
【００４８】
低電圧−低アンペア数及び高電圧−高アンペア数の２つの状態はＦＤＩシステムの構成及びさらなる調査に対して重要な役割を果たす。
【００４９】
逐次的なスタック
ケース−１
供給水はカルシウムイオンの不純物を含む。供給水のｐＨは一部の７.５を除いて、６から６.５の間にある。
【００５０】
全てのカルシウムイオンは、生成物がカルシウムを含まず、排出流がカルシウムイオンを含むように排出流に分離される。供給水側には排出流側より少ないカルシウムイオンが存在する。排出流側の析出は回避されなければならず、この条件を達成するために、排出流のｐＨはやや酸性である必要がある。すなわち、より多くのＨ+イオンがカチオンとともに移送されなければならない。ｐＨを中性以下に維持することによりカルシウムの析出が防止されるが、必要以上の作用はエネルギーの損失につながる。
【００５１】
一方、供給水チャンバーは、塩基性が回避されなければならない。生成物のｐＨが中性または中性に近い場合、処理はスムーズに進む。より多くのＨ+イオンが排出流側で使用されると、より多くのＯＨ-イオンが消費された後に生成物に入り込むので、生成物のｐＨが中性でない場合、それを７より僅かに大きくすることは出口の位置において有害とはならない。
排出流：    ｐＨ−−−＞酸性へ
生成物流：  ｐＨ−−−＞僅かに塩基性へ
【００５２】
供給水が上述の２つのケースで言及されたアニオンイオンとカチオンイオンの不純物を一緒に含む場合、すなわち、強度及び弱度のイオンを含む場合、両者に対して必要な特性は互いに相反する。排出流のｐＨは一方のケースが酸性で、もう一方が塩基性の場合に適当となる。個々の条件を得るための方法は異なり、動作条件も異なる。
【００５３】
これは分別脱イオン処理の開発の基礎である。供給水が単一のスタックユニットから成るスタックに供給され、その経路中で第１の電気的ステージに入ると、そこでの目的は硬度（カチオンの不純物）を可能な限り除去することである。低電圧及び低アンペア数の第１の条件が使用され、それによりカルシウムの含有量が５ｐｐｍから１ｐｐｍ未満に減少する。排出流のｐＨレベルは硬度が供給水から析出することを防止する。十分なアンペア数の欠如によって生ずるＯＨ-イオンはシリカをイオン化せず、したがって、シリカの除去はほとんど生じない。生成物チャンバー内のいくらかのＯＨ-イオンの生成はアルカリ度を増大させ、部分的に重炭酸塩を炭酸塩に変換する。
【００５４】
ステージ１の効果
使用されるスタックは以下の特性を持つ。薄膜の有効な寸法は１９０ｍｍ×３５０ｍｍである。希釈溶液チャンバーの厚さは１０ｍｍであり、濃縮溶液チャンバーは２.０ｍｍである。樹脂−樹脂双極子表面領域は薄膜表面領域の半分に等しい。脱塩水は４μｓ／ｃｍの導電率を持つ。カルシウムの硬度は５ｐｐｍ濃度のＣａＣＯ3を得るために外的に加えられた。濃縮の導電率は２００μｓ／ｃｍに維持された。適用された電圧は４から５Ｖ／組である。
【００５５】
実施例−０１
２つのセルの組を備えた２つのスタックは、供給水及び濃縮流が第１スタックに供給され、第１スタックの生成物及び排出流が第２スタックに供給されるように、それぞれが直列に接続され、別個の希釈溶液チャンバーを備えた初期の複式電圧システムを構成する。
全ての試験に使用されたスタックの効果的な薄膜の特性は以下の通りであった。
寸法：１９０ｍｍ幅及び３５０ｍｍ長
希釈チャンバー：各ステージに２つである
薄膜の動作表面領域は各ステージで１３３０ｃｍ2である
両方のステージにおいて、全表面領域は２６６０ｃｍ2である
ステージ当たりの床長（bed length）は０.７ｍであり、全体で１．４ｍである
この設計で得られた生成物流の流速は表面領域の１ｃｍ2当たり、毎分０.５６から０.７１ｃｍ3である。この試験の結果は表３に示されている。
【００５６】
【表３】
2005512794.tif 000004
【００５７】
複ステージ式分別脱イオンシステムの第１ステージは低電圧及び低アンペア数で動作させられる。生成物のｐＨは８以上で観測され、排出流のｐＨは３.６−４.２程度に低かった。ＣａＣＯ3に対する硬度は６ｐｐｍから１ｐｐｍ未満に減少した。このステージでの導電率及び塩の減少は７０％以上であり、それはカルシウムの減少が８５％以上であることを考えると、予想より低かった。低電圧を使用しているので、希釈溶液区画で生成されたＯＨ-は可動性がなく、排出流には移送されず、生成物に流れ込んだ。炭酸の高次の形状である重炭酸塩の変換はＯＨ-イオンによって生じ、生成物のアルカリ性が供給水より上昇したことによって観測されるが、アンペア数はイオンの動きを可能にし、薄膜を通過して移送させる程度には高くない。
【００５８】
ケース２
供給水はシリカ及び炭酸の不純物を含む。供給水のｐＨは６から６.５の間である。
【００５９】
シリカ及び炭酸の含まれない生成物を与えるために、全てのアニオン不純物は供給水から分離され、排出流は全ての分離したイオンを収集する。これを達成するために、反応を起こさせるために十分なＯＨ-イオンが供給水チャンバー内に生成されなければならない。容易な移送のために薄膜表面上で濃縮が十分に高いレベルに維持されるように、高いエネルギーが要求される。これはより多くのＯＨ-イオンが通過することを可能にする。結果として、排出流のｐＨは塩基性となり、生成物側は中性に保たれる。
排出流：    ｐＨ中性−−−＞延期性へ
生成物流：  ｐＨ僅かに塩基性−−−＞中性へ
【００６０】
ステージ２の効果
このステージの供給水は不純物として、主に、第１ステージで除去されなかった弱度のイオン種を含む。上述したように、シリカ及び炭酸のグループはイオン化及び移送のためにＯＨ-イオン及び高いエネルギーを必要とする。第２ステージに対して必要な電圧は１０Ｖ／組以上である。
【００６１】
第２ステージでは第１ステージと同一の寸法及び特性のスタックを使用したが、水の導電率は５μｓ／ｃｍであった。シリカは１ｐｐｍになるように供給水に添加された。用量は短時間的に１ｐｐｍ以上に増大した。水は溶解したＣＯ2を含むが、この時点で硬度（または、強度のイオン種）は存在しない。強度にイオン化したナトリウムの存在はシリカを導入するために使用した供給源によるものである。試験の結果は表４Ａに示されている。
【００６２】
【表４】
2005512794.tif 000005
【００６３】
第２ステージの目的は残った全ての不純物を排除し、１８Ｍオーム以上の抵抗率を有する生成物を得ることである。
【００６４】
床（bed）が再生された後、シリカを含む供給水流の付加（または、添加）が開始した。スタックは１００時間以上稼動させた。排出流の導電率は４００μｓ／ｃｍに維持された。１１から１７Ｖ／組の電圧が適用された。電圧及び排出流の導電率は消費されるアンペア数を決定し、高電流側では２.５Ａ以上であった。
【００６５】
表４Ａはこのような状態で起こる作用を説明するために３つの部分に分けられた。全ての条件は高電圧及び高アンペア数条件を満たしている。
【００６６】
Ｓ−１
付加（または、添加）は再循環の生成物の連続的な抵抗率が少なくとも１８ＭΩであるときに開始された。シリカの付加は供給水において１０００ｐｐｂのレベルで開始され、維持された。シリカのレベルはＨａｃｋ分光光度計によって監視され、２５から４０℃の間の全ての動作温度で２０ｐｐｂ未満であることが観測された。シリカの含有量は生成物内で減少していることが判明したが、生成物の抵抗率は１８から１７ＭΩに落ち始めた。シリカの付加を止めると、抵抗率は１８ＭΩに戻った。
【００６７】
発生した抵抗率の変化は存在する炭酸並びに、使用された高電圧及び高アンペア数によるものである。高電圧及び高アンペア数条件において、ＯＨ-イオンの可動性は非常に速くなり、そして、それらの流れの方向に対する軌跡（または、経路）は短くなり、薄膜を通る速い移送を可能にするが、水を介した移送は理想的でない。短い期間でのみ有効なＯＨ-イオンはシリカと選択的に反応し、炭酸を残したままにする。炭酸の未除去または少ない除去は生成物の抵抗率を小さくする。
【００６８】
Ｓ−２
１７ＭΩに低下した抵抗率はシリカを付加（または、添加）しない状態で、１時間以内に通常の状態に戻った。シリカの付加はシリカのレベルが１ｐｐｍより僅かに高い状態になるように再び開始された。そして、これは３Ａ以上のアンペア数の増加の結果となった。この時点での抵抗率の降下はより急激であり、シリカの付加の停止とともに抵抗率はすぐに改善した。これは、シリカが制御された状態であっても、水の分離を必要以上に生成する大きな電流が抵抗率に対して望ましくないことを示している。
【００６９】
Ｓ−３
Ｓ−２と同様に、消費された電流は４Ａに上昇し、特定のレベル以上のアンペア数が望ましくないことを確実に示している。結果は同様なものであった。
【００７０】
全ての３つの部分において、排出区画に移送されたＯＨ-イオンは、上述したｐＨ条件によって判別することができる。Ｓ−１の２.５Ａのアンペア数の条件で９.２であるｐＨはＳ−２の３Ａのアンペア数で９.８のｐＨに上昇した。電流の４Ａ以上に増大すると、ｐＨは１０以上となることが判明した。この条件は、シリカが制御されている場合であっても、希釈溶液チャンバー内に過度なＯＨ-イオンの移送を発生させ、生成物の抵抗率を劣化させる。
【００７１】
高電圧状態は水が弱度のイオンを含むために必要となる。しかしながら、過度な電圧は動作の効率を上げず、逆に、生成物を劣化させる。
【００７２】
【表５】
2005512794.tif 000006
【００７３】
表４Ｂは３つの結果の組を有する。ここでの変更は排出流の導電率を減少することによって、高い電圧でのアンペア数を減少させることである。導電率は４００から１００μｓ／ｃｍに減少した。２.５から４.５Ａまでの範囲を持ったアンペア数は１Ａに減少した。この３つの組は流れの条件に対してほとんど変化を有さない。
【００７４】
Ｓ−１において、流れは約２１００ｃｃ／分であり、流れの導電率は６μｓ／ｃｍである。
Ｓ−２において、流れは２１００ｃｃ／分で一定に保たれているが、導電率は１１μｓ／ｃｍに上昇しており、結果的に流れも２４００ｃｃ／分に上昇している。
Ｓ−３においては、高い流れの条件が存在する。
【００７５】
これら全ての変更において、電圧は１６.５から１７.５Ｖ／組で適用され、アンペア数は約１Ａ消費されている。排出のｐＨは８.９から９.２であることが判明した。ｐＨが９.４まで上昇していることが観測されているが、それは低いレベルまで落ちている。生成物中のシリカは２０ｐｐｂ未満に維持され、同時に観測された抵抗率は１８ＭΩｃｍに等しい。スタックは、品質の劣化を発生せずに、５０時間以上稼動させられた。
【００７６】
ここで、ＣａＣＯ3による５ｐｐｍ以上の硬度は第１ステージで低電圧及びアンペア数条件で処理されている。ここで、シリカが存在する場合、シリカは除去されず、炭酸は部分的に重炭酸塩として強度のイオングループに変換される、水の中には重炭酸塩が存在する。第１ステージの生成物は、電圧及びアンペア数が高い第２ステージで処理されたときに、残っている不純物から除去され、非常に純度の高い生成物を提供する。この２つのステージは直列に接続された、異なったスタックによって結合されてもよいし、または、２つの電気ステージを収容する特殊なデザインのスタックを使用してもよい。試験では両方の構成が使用された。
【００７７】
複式電圧ＦＤＩ
図４は本発明の１つの実施例を図示している。実施例のスタックは、水が１つの経路中で２つの異なった電圧を受けることができるような特殊なデザインを介して流れるように設計された。第１の半分の経路は１つの種類の電圧を受ける、分別脱イオンシステムの第１ステージであり、強度に帯電したイオン及び硬度を除去するためのものである。第２の半分は弱度に帯電したイオンを含む、残ったイオン性の不純物を除去するためのものである。
【００７８】
実施例−０２
このデザインのスタックの特性は以下の通りである。
薄膜寸法：１９０ｍｍ幅及び３５０ｍｍ長
希釈チャンバー：各ステージに１つ半である
薄膜の動作表面領域は各ステージで９９８ｃｍ2である
両方のステージにおいて、全表面領域は１９９６ｃｍ2である
ステージ当たりの床長は０.５ｍであり、全体で１.０ｍである
【００７９】
第１ステージから第２ステージへの連続的な流れを有する、同様なセルの改良型のスタックにおいて、スタックは分析のためにサンプルが必要なときに、ステージ−１の生成物（すなわち、第２ステージの供給水）の水のサンプルを収集するように構成される。
【００８０】
改良型のツーインワンスタック（two-in-one stack）のデザイン及び動作は以下の通りである。独立した水の循環ループが作製された。１つの供給循環ループはスタックの入口に接続されている。この水流から排出される水は最終的な生成物であり、それは再循環のためにタンクに戻される。供給水タンクは、供給水の導電率の増大が必要な場合に、塩化カルシウム及び（または）塩化ナトリウムの及び重炭酸ナトリウム形態の硬度の付加（または、添加）を可能にする。他のループは両方のステージのスタックの排出区画に接続された濃縮供給水のためのものである。スタックから排出される排出は水流に戻される前に濃縮の導電率を制御するために希釈される。初期状態で、スタックは最小の導電率で数時間稼動され、それによってスタックは準備かつ再生される。上述した薄膜の表面領域の関連及び標準的なスタック流の経験則から、流速は毎分１２００から１４００ｃｍ3の間になると予想される。
【００８１】
スタックは以下の条件及び期待値とともに動作させられる。
１．供給水の硬度：ＣａＣＯ3により５ｐｐｍ
２．供給水の導電率：１３から１６μｓ／ｃｍ
３．生成物第１ステージ：硬度１ｐｐｍ未満
４．生成物第２ステージ：許容可能な硬度
５．第１ステージ：低電圧、第２ステージ：高電圧
【００８２】
スタックの特性は以下の試験の１つとして観測された。
ａ）スタックはそれの安定期間を含め、最初に８０時間稼動された。
ｂ）次の４０時間、供給水流は毎分１２００ｃｍ3に維持され、供給水の導電率は１２から１４μｓ／ｃｍに維持された。（表５参照）
ｃ）４１時間目から、供給水の導電率は塩化ナトリウムの付加によって６０μｓ／ｃｍに上昇され、供給水の硬度は５ｐｐｍに維持された。
【００８３】
【表６】
2005512794.tif 000007
【００８４】
硬度及び導電率は各水流のｐＨとともに測定された。結果は以下の通りである。
ｉ．供給水の硬度は５１ｐｐｍであり、第１ステージの除去はそれの９０％であり、０.５ｐｐｍを超えなかった。最終的な生成物は２４ｐｐｂ以下の硬度であると分析された。
ii．硬度は物質収支を調べるために、除去された塩のキャリアーである排出流でも測定され、測定が正当であることが判明した。
iii.ステージ−１の排出のｐＨは酸性であることが判明し、除去された塩が区画内で析出しないことを確証した。ステージ−２の排出のｐＨはアルカリ性に維持され、イオンの理論を確証した。高電圧での分離は弱度に帯電した、残されたイオンの除去のために必要である。
iv．生成物の抵抗率は１６と１３ＭΩｃｍの間に維持された。主要な分離は第１ステージで起こり、伝導性の材料が第２ステージには存在しないので、抵抗は１６から１３ＭΩｃｍまで変化する。
ｖ．項目４は塩化ナトリウムの付加により供給水の導電率を６０μｓ／ｃｍまで増大させることによって確認された。他の全てのパラメーターは、生成物の抵抗が１７ＭΩｃｍまで向上したことを除いて、同じ値に維持された。
【００８５】
処理は必要な条件に従い、供給水流は毎分１５００ｃｍ3まで増大され、供給水の導電率は６０μｓ／ｃｍの高いレベルに維持された。次の８０時間の動作のデータは以下の通りである。
【００８６】
【表７】
2005512794.tif 000008
【００８７】
ｉ．生成物の抵抗は正常に維持された。
ii．上述の他の全てのパラメーターは必要に応じて維持され、薄膜の両側の塩の収支は正常であった。
処理はこの改良デザインの処理を確認するために複数回繰り返された。そして、改良されたデザインは以下の長所を与えることが判明した。
１）生成物の抵抗は比較的速くまたは良好に達成可能である。
２）達成された、薄膜の単位領域当たりの流速は大きかった。
３）処理中の水の良好な混合は良好かつ安定した結果を与えた。
４）デザインは機械的に頑丈であり、機械的な漏れが最小に抑えられた。
５）高い伝導性のイオンと弱度の伝導性のイオンの分離はシステムの異なった位置で起こるので、効率的に負荷が配分され、処理される水の単位容積当たりの電力消費が大幅に減少した。
【００８８】
実施例−０３
もう１つの実験は４つのセルの構成とともに実施された。システムはシステムの最終ステージの供給水となる水の分析のために、ステージ−１からの中間の生成物を与えるための構成を有する。特に難解さを伴わずに硬度の除去を確認した後の焦点は供給水中に存在するシリカの除去のレベルを調べることである。
【００８９】
双極子表面領域は異なる樹脂と薄膜との間で維持され、以下の特徴を持つ。
１）アニオン樹脂対カチオン樹脂：１４０ｃｍ2
２）カチオン薄膜及びアニオン樹脂：１９８ｃｍ2
３）アニオン薄膜対カチオン樹脂：９９ｃｍ2
４）３つの希釈チャンバーシステムを流れる流速は１７００ｃｃ／分から２０００ｃｃ／分に維持された。
【００９０】
スタックは以下の条件とともに動作させられた。
１）供給水の導電率：１５から２０μｓ／ｃｍ
２）供給水の硬度：ＣａＣＯ3により５ｐｐｍ
３）供給水のＳｉＯ2としてのシリカ：２００−２２５ｐｐｂ
【００９１】
第１ステージで印加された直流は３から５Ｖ／組に等しく、最終ステージで印加された電圧は１５から１８Ｖ／組の範囲であった。硬度の漏れ、残留シリカ、及び生成物の抵抗に対して連続的な監視が行われた。
【００９２】
シリカの除去
３００時間以上に対するシリカ除去の図解的な表記が図５に示されている。図５を参照すると、左側のｙ軸は供給水に保持されたシリカの値、及び、中間的なステージで得られたシリカの値を示しており、それぞれ連続的な実線と点線で示されている。両方の値はほぼ同じ値であり、システムの初期のステージにおけるシリカの除去がほとんど無いことを示している。
【００９３】
右側のｙ軸は最終的な生成物で測定された残留シリカを示している。３００時間の動作に対し、得られた最小のシリカの値は２ｐｐｂであり、得られた最大のシリカの値は１５ｐｐｂであった。残留シリカの平均値は１０ｐｐｂ以下であった。
【００９４】
生成物の抵抗
図６は時間に対する生成物の抵抗を示しており、２０から２５時間の初期の安定期間の後、生成物は３００時間の動作時間全体に対して１７ＭΩｃｍ以上に維持された。
【００９５】
実施例−４
もう１つの実験は同一の構成の４つのセルとともに実施された。３つの希釈溶液チャンバーシステムを流れる流速は１７００ｃｃ／分から２０００ｃｃ／分に維持された。最初に、スタックは２ｐｐｍの硬度及び２００ｐｐｂのシリカ不純物の供給水を供給された。その後、システムの各ステージでの、強度にイオン化したアニオン及びカチオンの除去の計算を可能にするために、それらが付加された。実験の目的はＦＤＩ処理の異なったステージにおける詳細なイオン減少の評価をすることである。３００時間以上のスタックの特性は表８に示されている。
【００９６】
【表８】
2005512794.tif 000009
2005512794.tif 000010
2005512794.tif 000011
2005512794.tif 000012
2005512794.tif 000013
【００９７】
初期の安定期間の後、生成物の抵抗は表８に示されている通りであることが判明した。
【００９８】
第１ステージのイオン除去の効率
ａ．高度なイオン種
【００９９】
【表９】
2005512794.tif 000014
【０１００】
ｂ．弱度なイオン種
２００ｐｐｂの限界値まで供給水に導入されたシリカは第１ステージの後も同じ量で残り、第１ステージでのシリカ減少がほとんど無いことを確証している。
【０１０１】
計算によって測定された全ＣＯ2は第１ステージ中に以下の表の通りに減少することが判明した。
【０１０２】
【表１０】
2005512794.tif 000015
【０１０３】
第２ステージでのイオン除去効率
ａ．高度なイオン種
上述のアニオン及びカチオンは使用された器具の精度の範囲内で、第２ステージには存在しないことが判明した。使用された分析器具の最小の検出限界は以下の通りである。
【０１０４】
【表１１】
2005512794.tif 000016
【０１０５】
ｂ．弱度なイオン種
第１ステージのシリカの排除は最小であることが観測された。供給水に供給された量が、減少が以下の通りに観測された第２ステージに送られた。
【０１０６】
【表１２】
2005512794.tif 000017
【０１０７】
１価のナトリウム及び塩化物を含む全ての２価のイオンの主要な除去が水の分離の値より高い最小の電圧でＦＤＩシステムの第１ステージで起こったことは明白であり、処理のエネルギー効率を高めている。高電圧は水の分離に対して必要なときだけ適用され、それはイオンが重要でないレベルに最小化し、全体的な硬度の許容性が上昇する処理の一部に対するエネルギー的な集約である。
【０１０８】
ここまで、本発明の分別脱イオン処理の好まれる実施例が説明されてきたが、本発明が上述の実施例に限定されず、他の同等な方法も含むことは理解されなければならない。さらに、本発明が水の脱イオンに限定されず、他の液体に対しても同様に適用可能であることは理解されなければならない。
【０１０９】
当業者には明白であるが、上述の説明に基づき」、本発明の多様な変更及び改良が可能であるだろう。したがって、請求の範囲によって規定される本発明は上述の特定の実施以外にも適用される。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】流れの迂回を生じ、かつ、イオンの動きに対して媒体の連続性を維持している、パックされていない希釈区画の流れのパターンを示している。
【図２ａ】樹脂−薄膜界面での加速された水の分離に対する、可能なシナリオの１つを示している。
【図２ｂ】樹脂−樹脂界面での加速された水の分離に対する、可能なシナリオのもう１つを示している。
【図３】第１ステージ除去における、低いｐＨの結果となる、第１ステージ中のイオンの動きに対する可能なシナリオを図示している。
【図４】本発明の１つの実施例を図示している。
【図５】生成物からのシリカの除去を時間とともに追跡しているグラフである。
【図６】時間に対する抵抗（率）の関数として、生成物の品質を追跡しているグラフである。
【図７】時間に対する抵抗（率）の関数として表された生成物の品質のグラフである。
【図１】
2005512794.tif 000018
【図２ａ】
2005512794.tif 000019
【図２ｂ】
2005512794.tif 000020
【図３】
2005512794.tif 000021
【図４】
2005512794.tif 000022
【図５】
2005512794.tif 000023
【図６】
2005512794.tif 000024
【図７】
2005512794.tif 000025
【国際調査報告】
2005512794.tif 000026