(57)【要約】電気透析の方法および装置には濃縮液供給源、希薄液供給源、処理濃縮流体収集装置、希薄流体収集装置、アノードおよびカソードが含まれる。複数の一般的には平板なスペーサ（１２，２０，２８、３２）を複数の膜（１８，２９，４０，５２）と交互配置し、当該アノードと当該カソードの間に電気伝導性流体でのつながりを備えている複数の隔室を設ける。当該スペーサの各々が第一の開口（２２，３４，３６）および第二の開口（２２，３４，３６）を設けたガスケットを含む。前記第一の開口（２２）および第二（２２’）の開口の各々は交互配置した膜の間に独立した隔室を設けている。当該左右対称な多分割隔室スペーサ配置経路の流体は２個以上の狭くて細長い通路を流れる。当該分割隔室配列は当該スタックの並列または直列での操作を可能とする。本発明は与えられた膜面積のイオン除去効率を改善し、他の電気透析システムより少ないエネルギーを必要とし、スタックの組立、材料および製作費用を大幅に削減する。
2005532147.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
濃縮流体の供給源、希薄流体の供給源、処理した濃縮流体の収集装置；使用した希薄流体の収集装置、アノード、カソード、複数の一般的には平らなスペーサ、前記アノードおよび前記カソードの間に電気伝導性流体接続を提供する複数隔室を設けるため前記スペーサと交互配置された複数の膜を含み、前記スペーサの各々は：第一の開口および第二の開口を設けたガスケットを含み、前記第一および第二の開口の各々が交互配置された膜の間に独立した隔室を設けている、電気透析システム。
【請求項２】
前記開口が、対角線上反対側の２つの角から四角形を除去した短い長方形の形状を有する、請求項１の装置。
【請求項３】
前記開口の全ての角を丸くしてある、請求項２の装置。
【請求項４】
導管が前記一番の開口および前記二番の開口間に流れのつながりを供する、請求項１の装置。
【請求項５】
前記第一の開口と前記第二の開口の間にて前記スペーサを貫いて１つ以上のボルトが貫通している、請求項１の装置。
【請求項６】
前記ボルトは電気抵抗性材料で被覆されている、請求項５の装置。
【請求項７】
濃縮流体の発生源を備えること、希薄流体の発生源を備えること、処理した濃縮流体の収集装置を備えること；使用済希薄流体の収集装置を備えること、アノードを備えること、カソードを備えること、複数の一般的には平板なスペーサおよび前記スペーサと交互配置した複数の膜を取付けて複数の隔室を設けること、前記アノードおよび前記カソードの間に電気伝導性流体接続を備え、その中では前記スペーサの各々が第一の開口および第二の開口を設けるガスケットを含み、前記第一および第二の開口の各々が２個の通常交互配置膜の間に独立した隔室を設けている、電気透析処理の方法。
【請求項８】
前記開口は対角線上反対側の２つの角を除去した短い長方形の形状を有する、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記開口の全ての角を丸くしてある、請求項８の方法。
【請求項１０】
前記第一の開口から前記第二の開口への流れのつながりを提供する工程を更に含む、請求項８の方法。
【請求項１１】
濃縮流体の発生源、希薄流体の発生源、処理した濃縮流体の収集装置；使用した希薄流体の収集装置、アノード、カソード、複数の一般的には平らなスペーサ、前記アノードおよび前記カソードの間に電気伝導性流体接続を提供している複数の隔室を設けるため前記スペーサと交互配置された複数の膜を含み、前記スペーサの各々は交互配置した膜の間に独立隔室を設ける開口を設けているガスケットを含み、前記開口は２つの対角線の反対側の角を除去した短い長方形の形状を有している、電気透析システム。
【請求項１２】
前記開口の全ての角を丸くしてある、請求項１１の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は汚染された液体の精製および再利用または処分のための方法および装置に関する。より詳しくは、本発明は水溶液およびある種の水溶性／有機性溶液からイオン類を除去および濃縮するための電気透析スタックに関する。
（関連出願の相互参照）
本ＰＣＴ特許出願は２００２年２月２１日に出願した一連番号１０／０８０，３０２の米国特許出願に優先権を主張する。
米国連邦政府後援研究および開発に関する陳述
該当なし
【背景技術】
【０００２】
（関連技術の説明）
現在市場には水溶性および水溶性／有機性廃棄物の流水を処理および再循環するための多くのシステムが存在する。工業的廃棄流水の発生元が利用できる脱イオン化方法を含めた現状の技術システムは、特に少規模から中規模量の液状廃棄物発生の場合において、連続的に再循環および再利用できるような充分な品質の清浄化した流体を恒常的で経済的に製造する能力に欠けている。これらのシステムの多くは購入する際の高い初期コストが多くの企業の経済力を超えているので環境適合性または有益な再利用について費用対効率のある再循環を妨げている。
【０００３】
多隔室電気透析スタックは適応したガスケットにより互いに分離されている膜シートで通常組立てられている。効率的な分離には、当該シート間の間隔（距離）はできるだけ狭いのがよい。多くのデザインでは、個々の膜シートの間にスペーサを入れ、両方で当該膜の支持するのを助け、当該液体の流れの分布の制御を助ける。多くの電気透析プロセス用のスタックはプレートとフレームのフィルタープレス、当該フレームに対応するガスケットおよび当該プレートに対応する膜シートのように、同じ様式で組立てられている。種々の区画および経路へ処理流体を分配するのに必要な多岐管は、当該スタックを組立てる前に当該ガスケット、時には当該膜自身に開けられた穴およびスロットを合致させる精巧な模様で形成されている。数種の異なるガスケットやスペーサの材料および配置と経路の形状は既に使用されているか、または提案されてきた。
【０００４】
典型的な電気透析システムでは、各区画内（即ち、いずれの２つの連続している膜の間）の当該流れのパターンは当該膜の間に使用されているスペーサ要素の構造で決定される。２種の明確に異なる配列を典型的には使用する。１つは屈曲路デザインとして知られており；他の１つはシートフロー原理を使用している。複数膜および多隔室のスタック用の両フロー配列における最も重大なデザインでの問題は、種々の区画に均一な流れおよび当該膜表面へのイオン類の効率的な輸送を確保する問題である。これらの困難さは汽水液の経済的脱塩に対する最も大きな障害である。
【０００５】
特に濃度分極を減らすことが電気透析における最も重要なデザインの課題の１つである。濃度分極とは当該膜区画を通って流れる原溶液の濃度に比べて当該膜表面でのイオン濃度の減少である。大きな濃度分極があると、当該電流を運ぶことが出来る膜に隣接した溶質イオン類の欠乏により当該膜を通る必須な電流キャリアを供するために水の電気分解が生じる。この水分解は電気透析効率にとっては極めて有害である。当該膜の表面で起こる濃度分極の傾向はチャンネルフローの流体力学的特徴によるもので、そこには限られた表面に隣接して薄い粘性の境界層で囲まれた流れの中心乱流核がある。これら粘性の境界層はイオン類の通過に対し、乱流核における同じ厚さの層に比べてより大きな抵抗を与え、そして当該膜表面における分極の可能性を高める。分極はエネルギー消費の非効率的増加の立場のみならず、スケール堆積を生じる傾向がある水分解の結果としての濃縮流水のｐＨ変化についても好ましくない。
【０００６】
非常に低い全蒸発残留物（ＴＤＳ）の液体を処理する際、逆拡散が生じうる。逆拡散は当該濃縮流水におけるイオン濃度が脱鉱物流水中のイオン濃度より相当高い場合に生じる。当該結果は当該濃縮流水からのイオン類の幾らかが、ＤＣ電圧の力に抗して当該膜を通して当該脱鉱物流水へ戻るということである。
【０００７】
スタック内の隔室数は、主に組立および保守管理の必要条件を実施する際に考慮すべき事項により制限される。単一の膜の障害がスタック性能を著しく損なうことがありうるので、膜を交換する際にスタックの分解と再組立ができるようにする必要性およびこれを迅速で容易に実施できるようにする必要性がスタック内で実際に使用することができる膜の数を事実上制限する。結局、１つの大きなスタックより幾つかの小さなモジュールサイズのスタックを使用するのがしばしば望ましい。この問題について幾つかの小さな部分組立品のスタックの使用または約５０から１００隔室ペア（ＣＰ）を含有する一群の使用、および１つの型締圧でこれらの一群を１０ほど直列に配置することで取り組まれてきた。電極の１つのセットを当該全体の組立（スタック）に使用してもよいし、電気的ステージングを供するのに幾つかの電極を使用してもよい。しかしながら、より多くの組立品用につき単一の電極の使用は典型的に末端部隔室加熱を起こし、急速な膜劣化を生じる。当該技術分野では電気透析に先立つ前処理としてナノろ過を使用することも知られている。しかしながら、ナノろ過はある種の欠点を有している。即ち、ナノろ過で生じる不透過液の責任ある処理が更なる問題を提起することである。更に水溶性塩分の削減およびＮＦ不透過液を処理／回収する方法についての必要性が残る。
【０００８】
本発明は電気透析の可能性のある応用面を拡大する役目を果たし、その中で費用効率的な小規模応用ができる一方で、大規模応用においても従来のものより価格競争力をつける構造を有する効率的で小規模電気透析システムを提示する。
【０００９】
本発明に基づけば、独自のガスケットデザインにより従来デザイン固有の細い入口／出口多岐管カットアウトを無くすことにより当該隔室スタック組立物に加わる水圧差を減少させる。水圧が低下するとより早い流速の利用が可能となり、それが特に低電気伝導性溶液に対してより薄い膜と共に乱流を増加させ、更に濃度分極を低下させることで脱塩効率を改善し、同時に浮遊物質の存在に対してもより脆弱でなくなる。
【００１０】
求められるのは、粗処理脱塩装置として操作できるか（またはバッチ再循環法で操作される）単一流路連続流れ用に直列で操作できる新規な多分割隔室デザインである。直列で操作すれば、より高い純度の流体が求められるとき当該分割隔室デザインは別々の電圧や流れの調整が可能となる。当該分割隔室デザインでは濃縮流水塩分含有量の隔室調節が別々にできる。当該粗処理隔室をより高濃縮の流水ＴＤＳにつき操作すると、精製隔室濃縮流水の塩分はそれ相応に脱塩流水の塩分濃度へ低減される。これが逆拡散を防ぎ、低ＴＤＳの供給水中にあるイオン類の効率的除去を可能とする。要約すると、当該分割隔室デザインは市販電気透析システム固有の複雑性および経費なしで、水圧および電気的ステージングの利点を取り入れている。当該分離隔室デザインは当該スタック全体への電圧を最小とし、それにより膜劣化を招く末端部隔室加熱を低減させる。
【００１１】
スタック組立品価格は新規分割隔室／ガスケット配置を受けて、削減される。高価な機械加工部品の数の削減が必要とされる。より簡単でより軽い部品が所定の膜面積につき材料価格低減させる。低価格な中心ボルトが典型的な水圧適用配列の代りとなり、代替物が当該ガスケット区域上の締付け圧力分布の均一性も改良する。植込みボルトが組立労働時間も削減、即ち立体配置を定位置に納めるのがよりやさしくなり、当該隔室配置は幾つかの従来のスタック組立品で固有に見られる集中点応力を低減するので、消耗したときの膜の取替えも容易になる。
【００１２】
ファラディーの法則に基づけば、電気透析（ＥＤ）膜スタックにおける塩類の移送に用いる電流の効率が計算できる。理論的には、各隔室ペアにおいて２６．８アンペア−時間毎に塩の１グラム当量が移送される。その場合、当該プロセスは１００パーセント効率になる。８０％より大きな電流効率は、当該膜スタックに印加された全電流の８０％より大きな部分が脱塩流水から当該濃縮流水へ、効果的にイオン類を移送することを示す。不明な２０％は幾つかの因子に起因し、その中には交差漏損、抵抗加熱および逆拡散がある。逆拡散は当該濃縮（Ｃ）流水のイオン濃度が当該脱鉱物（Ｄ）流水のイオン濃度より顕著に高い場合に生ずる。当該結果は当該濃縮流水からのイオン類の幾らかがＤＣポテンシャルに抗し、当該膜を通して当該脱鉱物流水に拡散して戻るということである。典型的には、当該膜スタックの電流効率は、当該Ｄに対するＣの濃度比が使用した膜に依存する一定の比を越すと減少する。
【００１３】
世界の多くの地域において、良質な水の適切な供給を得ることはますます困難な課題となってきている。利用できる供給物を利用する際には充分な注意をしなければならない。この条件に関わるのは、原水の限られた貯蔵量、廃棄物処理の高い経費および井戸汲上げと原水処理システムの高い経費のような因子である。この状況からみると、水回収（＜排水／流入水＞＊１００％）は脱塩システムの仕様を明らかにするときには重要な考慮事項となった。
【００１４】
更に必要とされるのは資本、操作経費および維持経費を低減させながら、最適化脱イオン化処理に関して配管系統の独創的な配置を可能とさせる２個以上の分割膜隔室の高費用効率配置ができる装置および方法である。
【発明の開示】
【課題を解決するための手段】
【００１５】
（本発明の簡単な概要）
本発明の１つの実施形態によれば、その中に一般的に平面ガスケットの各々が第一の隔室と第二の隔室を設けている電気透析スタックが備えられている。膜は各ガスケットの各側面に隣接して位置する。乱流スペーサは各隔室内に位置している。各隔室は入口および出口を備えていて、各隔室の内部および外部への流体の出入りに供する。流体は各ガスケット中に設けられた２つの隔室を連続的に流れる。好ましくは、当該流体は複数のスペーサで設けられた複数の第一の隔室を通って流れ、その後複数のスペーサ中に設けられた複数の第二の隔室を通って流れる。個々のアノードおよびカソードは第一の隔室と第二の隔室の２つの平行したセットに電気的エネルギーを供給する。当該第一の隔室および第二の隔室のセット全体を直列で操作するとき、別々の整流器は特定の電位を印加するのに使用でき、当該第一の隔室および第二の隔室のセットを並列に使用するときは両方に単一の整流器で電力を供給できる。平行圧縮板を貫通して伸びるボルトのシステムを複数のスペーサおよび交互配置した膜のよい重なりの確保に用い、複数の隔室間に伸びる導管を設ける。
【００１６】
当該電気透析スタックは電気透析システム中に含まれる。当該システムには処理される溶液用の混合タンクが含まれる。混合した溶液は微粒子物質および電位沈殿剤を除去するためにろ剤を通過させる。当該ろ過した溶液は希薄液タンクに集める。濃縮した液体は濃縮液タンクに集める。電解液は電解液タンクからアノード室およびカソード室に供給される。当該アノード室とカソード室は当該隔室スタックを通じて電気伝導性液体接続を有する。当該膜はアニオン交換膜とカチオン交換膜が交互に並ぶ。当該隔室は濃縮流水用隔室と希薄流水用隔室が交互に並ぶ。
（図面の幾つかの目的についての簡単な説明）
本発明の上で論じた特徴は、以下の本発明の詳細な説明を当該図面と共に読むことにより、より明確に理解されるであろう。
【００１７】
（本発明の詳細な説明）
図面を参照するとき、塩を溶解している流体の電気透析処理のための方法および装置が開示されており、その中の同じ参照数字は数種の図の全体において同様な要素を指し示している。そのような流体の１つの例は使用済みの不凍液であるが、それは本発明に従って洗浄化でき、再循環できる。他の応用には工業的やヘルスケアのクリーニング屋排水の再循環および冷却塔放出物の再循環が含まれる。当技術分野の当事者であれば、塩が溶解している液体の電気透析処理について他の数多くの応用例があることは知っているであろう。
【００１８】
図１には側面で分解された電気透析隔室スタック１０の１つの具体例が表されている。一端は、２個の長方体開口１４と１４’が設けられている電極流水スペーサ１２である。描いた具体例では、当該電極流水スペーサは約１４インチ×約２４インチであるが、種々なサイズを用いてもよいことは分かるであろう。同様に当該電極流水スペーサ１２に設けられているのは８個の導管開口の１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ、１６ｅ、１６ｆ、１６ｇおよび１６ｈである。
【００１９】
当該電極流水スペーサ１２に隣接してアニオン交換膜１８があり、その多数が当技術分野では良く知られている。市販されている１つの使用可能な材料はＴｏｋｕｙａｍａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製造のＮｅｏｓｅｐａ  ＡＦＮがある。当技術分野の当事者であれば業界において他の膜も使用できることを知っているであろう。当該アニオン交換膜１８は当該電極流水スペーサ１２とほぼ同じように形作られ、大体同じ大きさであり、当該電極流水スペーサ１２に設けられた導管開口１６ａ〜ｈと良い重なりを示す導管開口１９ａ〜ｈを含んでいる。
【００２０】
当該アニオン交換膜１８に隣接して、２個の開口２２および２２’を設けた濃縮液用分割隔室スペーサ２０がある。当該開口２２および２２’のそれぞれは短い長方形の形状を持ち、その中では対角線上反対側の角から２つの四角を除去しておき、全ての四角は丸くしておく。導管開口２４ａ、２４ｃ、２４ｅおよび２４ｈは当該濃縮液用分割隔室スペーサ中に設けられている。当該濃縮液用分割隔室スペーサ２０は当該電極流水スペーサ１２とほぼ同一に形作られ、大体同じ大きさである。当該開口２２は当該長方形開口１４と良い重なりを示し、当該導管２２’は当該長方形開口１４’と良い重なりを示す。
【００２１】
濃縮液用乱流スペーサ２８は当該開口２２内に設置され、濃縮液用乱流スペーサ２８’は当該開口２２’内に設置されている。当該濃縮液用乱流スペーサ２８と２８’はそれぞれメッシュで形成されていて、濃縮流体が当該開口２２と２２’を通過するときに当該開口２２と２２’内で乱流を保つようしてある。
【００２２】
当該濃縮液用乱流スペーサ２８に隣接してカチオン交換膜２９があり、その多数が当技術分野では良く知られている。１つの市販されている使用可能な材料はＴｏｋｕｙａｍａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製造のＮｅｏｓｅｐａ  ＣＭＸである。当該カチオン交換膜２９は当該電極流水スペーサ１２と大体同一の形状および同じ大きに整えられてあり、当該電極流水スペーサ１２に設けられた導管開口１６ａ〜ｈとよく重なりを示す導管開口３０ａ〜ｈを含んでいる。
【００２３】
当該カチオン交換膜２９に隣接して、２個の開口３４と３４’を設けている希薄流水用分割隔室スペーサ３２がある。当該開口３４と３４’のそれぞれは短い長方形の形で、その中では対角線上反対側の角から２つの四角を除去しておき、全ての四隅は丸くしておく。当該開口２２および２２’は当該開口３４および３４’の鏡像である。導管開口３６ｂ、３６ｄ、３６ｅおよび３６ｇは当該希薄流水用分割隔室スペーサ３２中に設けられている。当該開口３４は当該長方形開口１４と良い重なりを示し、当該導管３４’は当該長方形開口１４’と良い重なりを示し、それぞれ当該開口１４および１４’との電気伝導性流水接続を備える。
【００２４】
希薄流水用乱流スペーサ３８は当該開口３４内に設置され、希薄流水用乱流スペーサ３８’は当該開口３４’内に設置される。当該希薄流水用乱流スペーサ３８および３８’はメッシュからなり、希薄流体が当該開口３４および３４’を通過する際に当該開口３４および３４’内部で定常的な乱流を維持する。
【００２５】
当該希薄流水用乱流スペーサ３８の隣には、アニオン交換膜１８と同一であるアニオン交換膜４０がある。当該アニオン交換膜４０は，当該電極流水スペーサ１２中に設けられている導管開口１６ａ〜ｈと良い重なりを示す導管開口４２ａ〜ｈを設けている。
【００２６】
当該アニオン交換膜４０に隣接して、２個の開口４６と４６’を設けている濃縮液用分割隔室スペーサ４４がある。当該濃縮液用分割隔室スペーサは当該濃縮液用分割隔室スペーサ２０と同一であり、導管開口４８ａ、４８ｃ、４８ｆおよび４８ｈを設けている。当該開口４６は当該長方形開口１４と良い重なりを示し、そして当該導管４６’は当該長方形開口１４’と良い重なりを示し、それぞれ当該開口１４および１４’との電気伝導性流体接続を供する。
【００２７】
濃縮液用乱流スペーサ５０は当該開口４６内に設置され、濃縮液用乱流スペーサ５０’は当該開口４６’内に設置されている。当該濃縮液用乱流スペーサ５０および５０’はメッシュで作られていて濃縮流体が当該開口４６および４６’を通過する際に当該開口４６および４６’内での定常乱流を維持する。
【００２８】
当該濃縮液用乱流スペーサ５０の隣にはカチオン交換膜５２があり、当技術分野ではその多くが良く知られている。当該カチオン交換膜５２は当該カチオン交換膜２９と大体同じように形作られ、大体同じ大きさであり、当該電極流水スペーサ１２に設けられた導管開口１６ａ〜ｈに良い重なりを示す導管開口５４ａ〜ｈを含む。
【００２９】
カチオン交換膜５２の隣には２個の長方形開口５８および５８’が設けられた電極流水スペーサ５６がある。当該電極流水スペーサ５６は当該電極流水スペーサ１２とほぼ同形である。同様に当該電極流水スペーサ中に設けられるのは８個の導管開口６０ａ〜ｈで、それらは当該導管開口１６ａ〜ｈと良い重なりをそれぞれ示している。
【００３０】
当該開口２２の第一の末端区域６２ｂは、当該導管開口１９ｂおよび３０ｂに被さり、当該開口２２のための濃縮液出口を協同で設けている。対角線上反対側にある第二の末端区域６２ｅは導管開口１９ｅおよび３０ｅに被さり、当該開口２２のための濃縮液入口を協同で設けている。当該開口２２’の第一の末端区域６２ｄは当該導管開口１９ｄおよび３０ｄに被さり、当該開口２２’のための出口を協同で設けている。当該開口２２’の対角線上反対側にある第二の末端区域６２ｇは導管１９ｇおよび３０ｇに被さり、当該開口２２’のための入口を協同で設けている。
【００３１】
当該開口３４の第一の末端区域６４ａは導管３０ａおよび４２ａに被さり、協同で当該開口３４のための希薄液出口を設けている。対角線上反対側にある第二の末端区域６４ｆは導管３０ｆおよび４２ｆに被さり、当該開口３４のための希薄液入口を協同で設けている。当該開口３４’の第一の末端区画６４ｃは導管開口３０ｃおよび４２ｃに被さり、協同で当該開口３４’のための出口を定めている。当該開口３４’の対角線上反対側にある第二の末端区域６４ｈは当該導管開口３０ｈおよび４２ｈに被さり、協同で当該開口３４’のための入口を定めている。
【００３２】
当該開口４６の第一の末端区域６６ｂは当該導管開口４２ｂおよび５４ｂに被さり、協同で当該開口４６のための濃縮液出口を設けている。対角線上反対側の第二の末端区域６６ｅは導管開口５４ｂおよび４２ｂに被さり、当該開口４６のための濃縮液入口を協同で設けている。当該開口４６’の第一の末端区域６６ｄは当該導管開口４２ｄおよび５４ｄに被さり、当該開口４６’のための出口を協同で設けている。当該開口４６’の対角線反対側にある第二の末端区域６６ｇは当該導管４２ｇおよび５４ｇに被さり、当該開口４６’のための出口を協同で設けている。この膜とガスケットの配列の複数を、所定の応用に関して望まれる量の膜表面積に応じ積み重ねることができた。
【００３３】
図２および図３には、当該隔室スタック１０が相対している電解液流分配末端板７０ａおよび７０ｂの対の間に植込みボルト６８で取付けられている様子が描かれている。好ましくは、当該ボルト６８はプラスチックか他の高電気抵抗性材料で被覆される。当該植込みボルト６８は末端板７０ａおよび７０ｂの外面全体に配置され、そしてまた図４に示したように当該分割隔室の間の空間を貫いて伸びている。図５で描いたように、カソード７２は当該末端板７０ａを貫ぬき、アノード７４は当該末端板７０ｂを貫いている。整流器７５は当該カソード７２と当該アノード７４の間に電圧を印加する。当該末端板７０ａおよび７０ｂに供給された電解液、連続的に当該開口２２、２２’、４６’および４６に供給される濃縮流水および当該開口３４および３４’に連続的に供給される希薄流水は当該カソード７２および当該アノード７４の間に電気伝導性流体接続を提供する。
【００３４】
１つの実施形態では、当該分割隔室スペーサはＥ．Ｉ．Ｄｕ  Ｐｏｎｔ  ｄｅＮｅｍｏｕｒｓ  ａｎｄ  ＣｏｍｐａｎｙからＮｏｒｄｅｌの名称で販売されているＥＰＤＭ（エチレンプロピレンジエン三元重合体）を使用する。当分野の当事者であれば当該分野では他のガスケットおよびガスケット材料が利用できることは知っているであろう。植込みボルト６８で組立てて固定すると当該膜と当該スペーサの間にはのりや他の接着剤は必要ない。
【００３５】
図６に関しては、上述した隔室スタックを用いる際に適応した電気透析システムの流れ図を表している。当該システムは携帯用で、洗浄を必要とする流体の場所に容易に移動させられる。例えば、使用済不凍液が混合タンク７６に貯蔵されており、そこでは当該流体に溶解している金属を沈殿させるために金属還元剤が混ざられる。当該混合タンク７６はろ過材ポンプ８０、第一の１ミクロンろ過材８２、炭素吸収剤８４および第二の１ミクロンフィルター８６を通して脱塩したタンク７８と流れのつながりがある。
【００３６】
当該脱塩タンク７８はポンプ８８を通して導管で導管開口６０ｆ、５４ｆ、４８ｆおよび４２ｆ（直列で）と流れのつながりがあり、開口３４の入口に入る。当該開口３４の出口は導管９１により当該開口３４’の入口と流れのつながりがある。当該開口３４’の出口は導管開口３０ｃ、２４ｃ、１９ｃおよび１６ｃにより当該脱塩したタンクと流れのつながりがある。
【００３７】
電解液洗浄処理タンク９０中に電解液を貯蔵してあるが、タンクは導管を通して末端板７０ａおよび７０ｂのそれぞれの入口９２ａおよび９２ｂと接続している。当該末端板７０ａおよび７０ｂはそれぞれの出口９４ａおよび９４ｂから当該電解液洗浄処理タンク９０に戻るように接続されている。ポンプ９６は当該電解液を循環させる。
【００３８】
ポンプ１００は濃縮ブラインを濃縮ブラインタンク９８から当該導管開口６０ｅおよび５４ｅを通して開口４６の入口に入れる。当該ブラインは当該開口４６の出口から当該導管開口４２ｂ、３６ｂおよび３０ｂを通して当該開口２２の出口に導かれる。当該ブラインは当該開口２２の出口から導管開口１９ｂと１６ｂ、導管１０２および導管開口６０ｇと５４ｇを通って開口４６’の入口に導かれる。当該ブラインは当該開口４６’の出口から導管開口４２ｄ、３６ｄおよび３０ｄを通して当該開口２２’の出口に導かれる。当該ブラインは当該開口２２’の出口から当該導管開口１９ｄおよび１６ｄを経由して当該濃縮ブラインタンク９８に導かれ戻る。当該濃縮ブラインタンク９８と濃縮液中和タンク１０４は流れのつながりがある。
【００３９】
操業では、電解液は電解液洗浄処理タンク９０と当該末端板７０ａおよび７０ｂの間を循環する。当該電解液のｐＨを一般的な定常範囲で維持するために監視する。必要に応じて中和用の酸は当該タンク１０４から添加してもよい。
【００４０】
濃縮ブラインは当該タンク９８から連続的に当該開口４６、２２、４６’および２２’を通って循環し、それから当該タンク９８に戻る。当該ブラインの濃度は一般的に定常範囲で維持するために監視されている。必要に応じて水を当該タンク９８に加えてもよい。操業の“供給と流出”方式を補充の水に関して準備する。当該ｐＨも同様に監視し、調節を行う。
【００４１】
使用済み不凍液のような洗浄を行う流体を、攪拌機１０６が金属還元剤を伴う流体の攪拌を持続している混合タンク７６の中に導入する。当該流体はその後当該ろ過材８２、当該炭素吸収剤８４および当該ろ過材８６を通って当該脱塩したタンク７８にポンプで送られる。当該流体は当該脱塩したタンク７８から順次当該開口３４および３４’を通り、その後当該脱塩したタンクに循環して戻る。電気透析の分野ではよく認識されているように、当該カソード７２および当該アノード７４に印加した電位で当該流体中のイオン類を当該膜を通過させて当該隣接開口を流れるブライン溶液に導くことで、当該ブライン溶液中の塩類の濃度を増加させ、当該処理流体中の塩類濃度を低減させる。当該流体を当該装置内で繰返し循環させることにより塩類の濃度が望ましい最小程度まで減少させることができる。導電率検出器１０８で当該ポンプ８８を出る時の当該流体を監視し、十分な程度になったときを測定する。制御盤１１０は当該システムを操作する際の目視による読み取りおよび調節用に備えてある。
【実施例１】
【００４２】
2005532147.tif 000003
（使用したアニオン交換膜はＴｏｋｕｙａｍａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎが製造したＮｅｏｓｅｐｔａ  ＡＦＮであった。使用したカチオン交換膜はＴｏｋｕｙａｍａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ製造のＮｅｏｓｅｐｔａ  ＣＭＳであった。当事者であれば他の市販で利用可能な膜も使用できたことは分かるであろう。）
【００４３】
実施例で分かるように、最先端の従来型多区画スタックより本発明の多経路分割隔室システムを製作するのは相当安価であるが、従来型多区画スタックより４倍より早い生産速度で作動する。
【００４４】
研究では本発明の構成は旧来のデザインより相当改良されたものであることを示している。実施例２は本特許に関する生産速度およびＮａＣｌの典型的な除去％を示す；当技術分野の当事者であればこれらの値は本発明が種々の供給物につき経済的に競争力があることが分かるであろう。実施例３は、本特許の性能との対比で旧来のＥＤスタックデザインを用いた脱塩に関する典型的な膜面積および必要エネルギーを示している。当技術分野の当事者であれば、本特許の改良されたデザインは顕著に小さな膜面積を必要とするスタックとなり、それが顕著によりエネルギー効率が良いことが分かるであろう。
【実施例２】
【００４５】
2005532147.tif 000004
【実施例３】
【００４６】
2005532147.tif 000005
【００４７】
ＥＤシステムを説明する重要な変数は電流利用効率である。当該電流使用効率は主に当該ＥＤスタックデザインおよび流速に影響を受けるが、それ以外ではより低い程度で当該供給流水の濃度および組成に影響を受ける。所与のＥＤスタック（ガスケットデザイン、スペーサデザインなど）および供給流水に関しての電流効率は：
【００４８】
2005532147.tif 000006
【００４９】
ＥＤシステムでは、脱塩流水（“Ｄ”）に対する濃縮流水（“Ｃ”）の比率である濃度はチャート１で分かるように電流使用効率に影響する。最適のＣ／Ｄ比は供給塩分、当該脱塩流水の望ましい品質および希薄溶液と濃縮溶液の流速に依存する。当該濃縮流水の再循環は濃縮液リサイクルと言われている。当該膜スタックを通過する当該濃縮液および当該脱塩水の流速は、当該２つの流水間の圧は小さな差でなければならないので基本的には等しい。最も簡単な場合、この等しい流れでは脱塩水の回収は処理される塩類溶液流体の半分にしか相当しない。殆ど全てのＥＤおよびＥＤ極性転換方式（ＥＤＲ）プラントにおいて、当該排出される濃縮液（幾らかの追加供給水を伴う）の多くは当該濃縮流水に再循環され、水を節約する。この濃度レベルは当該濃縮流水の一部を廃棄し、等量の新しい供給水をこの再循環流水に加えることで調整する。高回収率であれば高電流効率はその結果として犠牲にしなければならない。本発明は、顕著に大きいＣ／Ｄ比においてさえも比較的高電流効率が維持できることを示している。
【００５０】
2005532147.tif 000007
【００５１】
当技術分野の当事者であれば、典型的な汽水性水供給を脱塩するためのＥＤの効率的使用に関する現行電気使用効率は＞７０％であるべきで、電流使用は当該生成水濃度が減少するにつれて低減することは知っているだろう。チャート２は、本発明が生成水濃度の広い範囲にわたり優れた電流使用効果（＞９０％）を提供することを示している。当該図は同様に、高品質生成物（Ｃｌ−、＜５ｍｇ／Ｌ）を生産する際でも良好な電流利用が達成されることを示している。同様に、研究では本発明が極端に低い導電度レベル（２．６μＭｈｏ／ｃｍ程度まで）を有する生成物も生産できる。当分野の当事者であれば、これは典型的には＞３０μＭｈｏ／ｃｍの導電率の生成物に限られる旧来のＥＤデザインと比較して相当な改良がされていることが分かるであろう。結果として、本発明は超高純度水生産用の新規前処理の選択肢を示すことになる。
【００５２】
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【００５３】
描いた実施形態は３個の分割隔室スペーサおよび４つの膜に関して説明してきたが、当該プロセスの速度を上げるには追加の分割隔室スペーサおよび膜が望ましいことが分かるであろう。そのような追加の装置は実質的には同じ方式で機能する。本発明の分割隔室デザインの独特な柔軟性は、高電流効率と共に高回収率を達成する比較的簡単な改良を可能とする。
【００５４】
図７ａから７ｇにて図式的に描いたように、当該分割隔室には２個より多い隔室が配置され、当該隔室は並列、直列および並列／直列配置など種々に配列させることができる。図７ａは上述して説明した配置を描いている。図７ｂは２個の分割隔室が並列に配列した配置を描いている。図７ｃは直列に配列された３個の開口を有する分割隔室を描いている。図７ｄは並列に配列した３つの開口を有する分割隔室を描いている。図７ｅは、他の平行隔室のセットを伴っている直列に配列された２個の平行隔室が配列されている４個の開口を有する分割隔室を描いている。図７ｆは直列に配列した４個の開口を有する分割隔室を描いている。図７ｇには３個の隔室が並列に配列され、３個の全てが直列的に第４番目の隔室に流入する４個の開口を有する分割隔室を描いている。当技術分野の当事者であれば、多くの異なる電気透析状況を最適化するためには種々の遣り方で複数の隔室を配列することができることは知っているであろう。
【００５５】
電流使用効率のみを改良するためのＣ／Ｄ比調整を２０ｇｍ／Ｌまでの塩類溶液供給につき応用する。同時にＥＤのような電気−膜方法を他の脱塩技術と比較するとき、高濃度においては費用効率のよいものではない。ナノろ過（“ＮＦ”）はＴＤＳを最大５０％、ＳＯ４−、Ｍｇ＋＋、Ｃａ＋＋、ＨＣＯ３−の硬水イオンおよび総硬度をそれぞれ最大９８パーセント、９５パーセント、８９パーセント、７７パーセントおよび９４パーセント、そして濁度、微生物はほぼ１００パーセント除去できる。ＥＤの前処理としてＮＦ−ＥＤを使用する利点にはＥＤに関するエネルギー消費削減、段階的極性転換の撤廃および淡水生産の回収率増加が含まれる。
【００５６】
図８に描いたように、本発明の分割隔室多スタック１０はＥＤに先立つ流体の前処理のような独特な方法でナノろ過８１０の使用を可能とする。当技術分野の当事者であれば、ＮＦは限外ろ過および逆浸透（“ＲＯ”）の間の性能を持つ膜と規定されることを知っているであろう。ＮＦで容易に排除される分子は多価イオンを伴う大きさがナノメートルまたは１０オングストローム以上程度のものである。適切な分子量分画のＮＦ膜（ＭＷＣＯ）は色、多価イオン類の一部、金属および他の混入物質はそのままでエチレングリコールを通過させることができる。ＮＦを用いると、不凍液の回収率は７０〜９０パーセントとなる。ＮＦはより大きなまたは多価の化学種と共に塩化物および有機酸のような、より小さな化学種を保持／排除しないであろうから、未使用品規格に見合った十分な純度のエンジン冷却剤を作ることはできない。
【００５７】
図８で見られるように、旧来のＮＦはナノろ過で生産される不透過液の処分に関してある種の欠点を有しているが、本発明の分割隔室電気透析スタック１０は、当該分割隔室電気透析スタック１０の第一の希薄液側８２０に当該ＮＦ透過液を供給し、更に当該分割隔室電気透析スタック１０の第二の濃縮液側８２５へ当該ＮＦ不透過液を送り込むことによりＮＦ透過液の精製および当該ＮＦ不透過液の処理と回収を可能とする。望むならば、当該ＮＦ不透過液は８３０で前処理することができる。この配置は規格に合う生成物を作成する性能を可能とし、当該不透過液の最大９０パーセントを回収可能なグリコール／水の流水へ転換して回収率を増加させる。当該ＮＦ透過液を精製するのに必要とされるより７０パーセント多い膜面積がＮＦ脱塩では要求されるが、容積での差で両方の隔室に対する当該脱塩負荷は均一で、釣合いが取れる。ＮＦ−ＥＤの組合せの性能は透過液精製については実施例４で、ＮＦ不透過液の処理については実施例５で示す。
【実施例４】
【００５８】
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【実施例５】
【００５９】
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【００６０】
本発明の分割隔室電気透析スタックは他の配列でも同じように使用できる。例えば、図９で図示した１つの配列で連続向流濃縮を用いると、分割隔室電気透析スタック１０の複数が直列で外部にて倍加されているため、当該脱塩流水は２個以上の隔室を通る単一行路を作り、生成水として現れる。最適の電流使用効率を維持するために、当該Ｄ流水に対するＣ流水の塩類溶液の比は脱塩流体流路を通じて一定とする。高回収率を達成しながらこれを遂行するには、各隔室の濃縮流水を隔離し、複数の隔室濃縮液タンク９２０を経由して各々次隔室からの放出物を前隔室のＣ流水に向流させ、図９で図示したように最終的には先頭（粗脱塩）隔室９１０に流出させる。
【００６１】
本発明の分割隔室電気透析スタックは図１０にて図式で示したようにバッチ式ＥＤシステムでの使用も可能とする。バッチ式ＥＤシステムでは、当該塩類溶液は最終的に望まれる最終純度が得られるまで貯蔵タンク１０２０から第一の隔室１０１０の脱塩スペーサを通して再循環する。それ故生産速度は部分的には仕込み中の溶解無機化合物の濃度および望む脱塩化の程度に依存する。当該濃縮流水は再循環させて廃棄物の量を削減する。しかしながら、再循環は当該Ｃ流水濃度を当該供給水の濃度より相当高いレベルまで増すこと、およびＤ流水に対するＣ流水の濃度比が高くなるにつれ当該プロセスの電流使用効率は対応して減少することは理解されるであろう。当該分割隔室デザインは良い電流使用効率を犠牲にせずに高回収率を可能とする。これは当該分割隔室を隔離することで遂行されるが、それは図１０に示したように当該第一の隔室１０１０が生成物流水脱塩隔室として機能する一方、当該第二の隔室１０３０が隔離されて当該生成物脱塩隔室からのＣ流水放出物に対して濃縮回収隔室として機能するからである。
【００６２】
ここで説明したプロセスの利点には９５％より多い回収率、高い処理量および低設備資本と低操作経費が含まれる。当該システムは有害な副生成物を生成せず、操作、制御および自動化がやさしく、整備も簡単である。同様に、研究は本発明が極度に低電気伝導率レベル（２．６μＭｈｏ／ｃｍ程度まで）の生成物を生産できることを示している。当技術分野の当事者であれば、これは典型的には電気伝導率＞３０μＭｈｏ／ｃｍの生成物に限定される旧来のＥＤデザインと比べて相当な改良であることが分かるであろう。結果として、本発明は超高純度水の生産用の新規な前処理選択肢を説明するものであった。
【００６３】
当該多経路分割隔室デザインは１つまたは複数の中央ボルトの使用が可能となるので、当該スタックに中心圧を与えるための高価な水圧締付組立部品が不必要となり、当該ガスケット域に均一な力の分布を与え、膜間の密閉度を改善し、イオン除去効率を改良する一方、組立作業時間も減少させる。所定の膜区域組立については高価な切削部品が安価な材料であり、より簡単でより軽い部品に置き換わる。
【００６４】
使用済み不凍液を洗浄するための説明した方法および装置に加えて、当該システムは以下の洗浄および／または再循環に使用することができる：洗浄水（車両、洗濯、モップ水、トレイラー／タンク洗浄、繊維洗浄、金属、部品の水溶性洗浄剤）、油田およびガス田の流体（グリコールベースの天然ガス脱水流体、グリコール／水の熱移送流体、天然ガスの処理からのアミン類、副産出水）、他の熱移送流体（ＨＶＡＣシステムからの二次冷却剤およびアイススケート場からの冷却剤）、冷却水再利用、核廃水、混合（核および危険物）廃水、危険廃水、海水または汽水性水の脱塩、飲料水製造および超高純度水製造用の前処理。
【００６５】
本発明は説明で具体的に示し、当該図示した実施形態を相当詳細に説明してきたが、添付請求項の範囲を当該詳細な記述に制限したり、多少なりとも限定したりする積りは出願者の意図にない。追加的利点および変更は当技術分野の当事者であれば容易に分かる筈である。より広い態様において、それゆえ本発明は特定の詳細な記述、代表的な装置および方法、および示したり説明したりした例示的実施例に限定されるものではない。従って、出願人の一般的発明概念の精神と範囲から離れることがなければ、当該詳細な説明からの逸脱は可能である。
【図面の簡単な説明】
【００６６】
【図１】図１は、本発明の種々な特徴を具現化している隔室スタックの側面分解組立図であり；
【図２】図２は、本発明の種々な特徴を具現化している隔室スタックの平面図であり；
【図３】図３は、本発明の種々な特徴を具現化している隔室スタックの側面図であり；
【図４】図４は、本発明の種々な特徴を具現化している隔室スタックの末端側面図であり；
【図５】図５は、本発明の種々な特徴を具現化している電気透析システムの立面図であり；
【図６】図６は、本発明の種々な特徴を具現化している電気透析システムの流れ図であり；
【図７ａ】図７ａは、直列に配列した２個の隔室を有する分割隔室スペーサの概略図であり；
【図７ｂ】図７ｂは、並列に配列した２個の隔室を有する分割隔室スペーサの概略図であり；
【図７ｃ】図７ｃは、直列に配列した３個の隔室を有する分割隔室スペーサの概略図であり；
【図７ｄ】図７ｄは、並列に配列した３個の隔室を有する分割隔室スペーサの概略図であり；
【図７ｅ】図７ｅは、２個の並列隔室を２個の並列隔室に直列に配置した４個の隔室を有する分割隔室スペーサの概略図であり；
【図７ｆ】図７ｆは、直列に配列した４個の隔室を有する分割隔室スペーサの概略図であり；
【図７ｇ】図７ｇは、並列に配列した３個の隔室を１個の精製用隔室へ直列に配置した４つの隔室を有する分割隔室スペーサの概略図であり；
【図８】図８は、本発明の分割隔室電気透析スタックと連結してナノろ過を利用する１つの方法の概略図であり；
【図９】図９は、複数の分割隔室電気透析スタックを直列で配置してある連続的向流濃縮システムの概略図であり；そして
【図１０】図１０は、本発明の分割隔室電気透析スタックを用いたバッチ式電気透析システムを表している概略図である。
【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７ａ】
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【図７ｂ】
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【図７ｃ】
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【図７ｄ】
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【図７ｅ】
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【図７ｆ】
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【図７ｇ】
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【図８】
2005532147.tif 000024
【図９】
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【図１０】
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【国際調査報告】
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