(57)【要約】【課題】水流を処理するための装置、方法、工程及びシステムが提供される。【解決手段】かかる装置、方法、工程及びシステムは、電圧を一対の電極に印加して電界を生成し、かかる電界が一対の電極間を流れる水流に印加されていることを特徴とする。一対の電極のうちの少なくとも一方は金属で構成されており、水流中の１つ以上の複数の正帯電イオンは、金属の１つ以上の正帯電イオンで置換される。さらに、１つ以上の複数の負帯電イオンを金属の１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成することが可能である。１つ以上の任意の残留した複数の正帯電イオンを別の１つ以上の複数の負帯電イオンと反応させてもよい。【選択図】図１
2019107648.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン反応器であって、
１つ以上の槽であって、各槽が一対の電極を含み、前記一対の電極の少なくとも一方が金属を有する、１つ以上の槽と、
複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流であって、前記１つ以上の槽を通じて流れる水流と、
前記水流を通る電界を生成するために前記一対の電極に印加された電圧と、
を備え、
１つ以上の前記複数の正帯電イオンが、前記金属の１つ以上の正帯電イオンによって置換される、イオン反応器。
【請求項２】
１つ以上の前記複数の負帯電イオンを前記金属の前記１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成する、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項３】
１つ以上の任意の残留した複数の正帯電粒子を別の１つ以上の前記複数の負帯電粒子と反応させて別のイオン化合物を生成する、請求項２に記載のイオン反応器。
【請求項４】
前記イオン化合物及び任意の前記別のイオン化合物を前記水流から分離するように構成された分離器をさらに備える、請求項３に記載のイオン反応器。
【請求項５】
前記電圧が交流電圧である、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項６】
前記電圧が波形によって規定されており、前記波形が正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項７】
前記金属がマグネシウム、アルミニウム及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項８】
超音波送信機をさらに備えて、前記一対の電極に沿った沈殿物層の堆積を防止する、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項９】
複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流を供給することと、
少なくともいずれか一方が金属を含む第１電極と第２電極との間に前記水流を流すことと、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記水流を横切る電界を生成することと、
１つ以上の前記複数の正帯電イオンを前記金属の１つ以上の正帯電イオンで置換することと、
を含む水処理方法。
【請求項１０】
１つ以上の前記複数の負帯電イオンを前記金属の前記１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成することをさらに含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
１つ以上の任意の残留した複数の正帯電イオンを、別の１つ以上の前記複数の負帯電イオンと反応させて別のイオン化合物を生成することをさらに含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記イオン化合物及び任意の前記別のイオン化合物を前記水流から除去することをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
前記電圧が交流電圧である、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記電圧が波形によって規定されており、前記波形が正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、請求項９に記載の方法。
【請求項１５】
前記金属がマグネシウム、アルミニウム及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
反応器を備えた水処理システムであって、
１つ以上の槽であって、各槽が一対の電極を含み、前記一対の電極の少なくとも一方が金属を有する１つ以上の槽と、
複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流であって、前記１つ以上の槽を通じて流れる水流と、
前記水流を通る電界を生成するために前記一対の電極に印加された電圧と、
を備え、
１つ以上の前記複数の正帯電イオンが、前記金属の１つ以上の正帯電イオンによって置換される、水処理システム。
【請求項１７】
１つ以上の前記複数の負帯電イオンを前記金属の前記１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成する、請求項１６に記載のシステム。
【請求項１８】
任意の残留した１つ以上の複数の正帯電粒子を、別の１つ以上の前記複数の負帯電粒子と反応させて別のイオン化合物を生成する、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記イオン化合物及び任意の前記別のイオン化合物を前記水流から分離するように構成された分離器をさらに備える、請求項１８に記載のシステム。
【請求項２０】
前記金属がマグネシウム、アルミニウム及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、請求項１６に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、全体として水処理に関し、より具体的には、水を利用する工程において水垢の付着を防ぐ水処理装置及び水処理方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
地殻には天然のカルシウムが存在しており、そのため水中にもカルシウムが自然に存在している。淡水の川におけるカルシウム濃度は１００ｐｐｍほどであるが、カルシウム量は水の硬度によって決まる。カルシウム元素は、室温で容易に水と反応し、以下の反応機構によって水酸化カルシウム（Ｃａ（ＯＨ）2）及び水素ガスを生成する。
Ｃａ＋２Ｈ2Ｏ−＞Ｃａ（ＯＨ）2＋Ｈ2（１）
【０００３】
また、石灰岩やこれ以外の方解石は水を浸透させるため、地球には、これらの堆積物が豊富に存在している。通常の条件では、水中の炭酸カルシウムの溶解度は１４ｍｇ／Ｌである。しかしながら、二酸化炭素（ＣＯ2）が存在すると、以下の反応機構によって水中に炭酸（Ｈ2ＣＯ3）が生成される。
ＣＯ2＋Ｈ2Ｏ＜−＞Ｈ2ＣＯ3（２）
【０００４】
炭酸の存在下では、炭酸カルシウムの溶解度が約５倍以上増加し、水により溶解しやすくなるため、以下の反応機構によってカルシウムイオン（Ｃａ2+）及び重炭酸イオン（ＨＣＯ3-）が生成される。
ＣａＣＯ3＋Ｈ2ＣＯ3＜−＞Ｃａ（ＨＣＯ3）2（３）
Ｃａ（ＨＣＯ3）2＜−＞Ｃａ2+（ａｑ）＋２ＨＣＯ3-（ａｑ）（４）
【０００５】
カルシウムは食物ミネラルであり、水中に存在しても人体に実害を及ぼすものではないが、水中にカルシウムが存在すると、あるいはより具体的には、カルシウムイオン及び重炭酸イオンが存在すると、水の利用に依存するシステムに悪影響を及ぼす恐れがある。例えば、温度上昇に伴い、水中の二酸化炭素濃度が減少して反応（２）及び（３）の平衡状態が左側に移ることにより、炭酸カルシウムが生成されて水から沈殿する。従って、給水システム（例えば、住宅の温水加熱器や工業工程に用いられるボイラー）の表面が高温になると、その内面には付着物、すなわち固形堆積物が生じやすくなる。
【０００６】
水を移送して利用する配管システム及び／または配管工程では、汚れによってミネラル堆積物が集積することが往々にしてあり得る。例えば、水流に存在するミネラルイオンが結合するときに粒状の汚れが生じて、配管システム及び／または配管工程の表面に沈降する粒子が生成される。汚れの沈殿は、水溶液からイオンが分離して、固い結晶質の堆積物、すなわち管または処理装置の内面に固着するようになる付着物が生成されるときに生じ得る。
【０００７】
汚れがあると、処理工程の性能劣化につながる恐れがある。例えば、熱交換器内に水垢が付着することにより、熱交換器の効率が低下する。さらに、これらのシステム内に水垢が付着する問題は、給水システムの溶解度が逆の影響を受けることによって一層悪化する恐れがある。例えば、水中のあるミネラル化合物（例えば、ＣａＣＯ3など）の溶解度は水温の上昇と共に減少し、その結果、溶解したミネラルイオンが水から沈殿して装置表面に堆積することになる。
【０００８】
配管システム及び配管処理装置において水垢の付着を防ぐ従来の方法では、水からイオン化合物を捕集沈殿させるなどの物理的な水処理方法を用いて水からミネラル類を除去してから水を配管システムまたは配管処理装置に導入する必要がある。捕集沈殿による水処理技術では、通常は種粒子を水に導入する必要がある。この種粒子は、水中のイオンと結合して大きな粒子を形成するため、流れからより沈殿しやすくすることが可能である。
【０００９】
さらに、従来の脱カルシウム技術では、汚れを防ぐために、あるいは下流工程でより沈殿しやすいイオンを下流工程でより沈殿しにくいイオンと水中で交換する特殊な塩類を付加することにより、化学薬品を伴った水処理の利用にも依存してきた。
【００１０】
従来のある処理技術では、電界も利用することにより、Ｃａ2+イオンをＨＣＯ3-に引きつけやすくして水流からの固形物の沈殿を促進してきた。しかしながら、工程システムにおいて逆に付着物を生成させるのに電界が有効であるとは判明されていない。なぜなら、これらのシステムでは一般に、捕集沈殿を水中に引き起こすのに十分な強さを持った電界を供給することができないためである。
【００１１】
従来の捕集沈殿法ではさらに、誘起電界も利用して、溶解したミネラルイオンを衝突しやすくすることにより、上述した水処理システムにおいて結合及びかかる結合したイオンによる沈殿物の発生を促進している。
【００１２】
従来技術では、被処理水をさらに利用する配管システム及び配管工程において汚れを防ぐため、水からミネラル類を除去するように工程及び処理装置を改良する必要がある。そこで、従来技術ではさらに、化学処理あるいは水への添加物を利用しなくても水中のイオンを除去することが求められている。
【発明の概要】
【００１３】
従って、本発明の実施形態は、水処理用に提供される。例えば、被処理水を用いて、下流の装置または工程において水垢の付着を低減あるいは回避することが可能である。
【００１４】
本発明の態様は、１つ以上の槽（cell）を備え、各槽が一対の電極を含むイオン反応器を提供する。各槽の一対の電極のうちの少なくとも一方は金属で構成されている。複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流が、イオン反応器の１つ以上の槽を通じて流れる。一対の電極に電圧を印加して、水流を通る電界を生成（generate an electric field through the water stream）する。１つ以上の複数の正帯電イオンは、金属の１つ以上の正帯電イオンによって置換される。
【００１５】
本発明の一実施形態では、１つ以上の複数の負帯電イオンを金属の１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成する。本発明の特定の実施形態では、１つ以上の未置換の複数の正帯電粒子を別の１つ以上の負帯電粒子と反応させて、別のイオン化合物を生成してもよい。
【００１６】
本発明の特定の実施形態では、イオン反応器はさらに、イオン化合物及び水流中で生成された可能性がある任意の別のイオン化合物を除去するように構成された分離器を備える。
【００１７】
本発明の特定の実施形態によれば、電圧は交流電圧であってよい。本発明の特定の実施形態では、電圧が波形によって規定されており、波形は、正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである。
【００１８】
本発明の一実施形態によれば、マグネシウムで金属を構成してよい。本発明の特定の実施形態では、アルミニウムで金属を構成してよい。本発明の特定の実施形態では、マグネシウムとアルミニウムの両方で金属を構成してよい。
【００１９】
本発明の態様は、複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流を供給するステップ、少なくともいずれか一方が金属で構成されている第１電極と第２電極の間に水流を流すステップ、第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより、水流を横切る（across the water stream）電界を生成するステップ、及び１つ以上の複数の正帯電イオンを金属の１つ以上の正帯電イオンで置換するステップを含む水処理方法を提供する。
【００２０】
本発明の実施形態では、水処理方法は、１つ以上の複数の負帯電イオンを金属の１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成するステップをさらに含む。本発明のさらに別の実施形態では、水処理方法は、１つ以上の残留した複数の正帯電イオンを別の１つ以上の複数の負帯電イオンと反応させて別のイオン化合物を生成するステップをさらに含む。
【００２１】
本発明の特定の実施形態では、水処理方法は、イオン化合物及び任意の別のイオン化合物を水流から除去することを含む。
【００２２】
本発明の実施形態では、金属は、マグネシウム、アルミニウム及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである。
【００２３】
本発明の態様は、反応器を備えた水処理システムを提供する。反応器は、１つ以上の槽であって、各槽が一対の電極を含み、一対の電極の少なくとも一方が金属である１つ以上の槽と、複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流と、１つ以上の槽を通じて流れる水流と、水流を通る電界を生成するために一対の電極に印加された電圧と、を備える。
【００２４】
上述の一般的な説明及び以下の詳細な説明は例示的なものであり、本発明の範囲の限定を意図するものではないことを理解すべきである。これらの本発明の実施形態並びに本発明の実施形態及び他の態様は、添付図面と併せて以下の説明を参照することにより明らかになるであろうが、本発明は、添付された特許請求の範囲の特徴によって示される。
【００２５】
このように、一般的な用語を用いて本発明を説明した。以下、添付図面を参照するが、これらの図面は、必ずしも縮尺に合わせて描かれたものではない。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】本発明の一実施形態に係るボイラーに送り出す前に水流を処理するイオン反応器を示す図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る単一槽イオン反応器を示す図である。
【図３】本発明の特定の実施形態に係る水の相対導電率と電界処理期間の関係をグラフで表示したものである。
【図４Ａ】本発明の一実施形態に係る積層型多槽イオン反応器を示す図である。
【図４Ｂ】図４Ａの断面線ＢＢ’に沿った積層型多槽イオン反応器の断面図である。
【図５Ａ】本発明の一実施形態に係る管型多槽イオン反応器を示す図である。
【図５Ｂ】図５Ａの断面線ＢＢ’に沿った管型多槽イオン反応器の断面図である。
【図６Ａ】本発明の一実施形態に係る電界強度を変化させたときの相対導電率と処理期間の関係をグラフで表示したものである。
【図６Ｂ】本発明の一実施形態に係る処理期間を変化させたときの相対導電率と電界強度の関係をグラフで表示したものである。
【図７Ａ】本発明の別の実施形態に係る電界強度を変化させたときの相対導電率と処理期間の関係をグラフで表示したものである。
【図７Ｂ】本発明の別の実施形態に係る処理期間を変化させたときの相対導電率と電界強度の関係をグラフで表示したものである。
【図８Ａ】本発明のさらに別の実施形態に係る電界強度を変化させたときの相対導電率と処理期間の関係をグラフで表示したものである。
【図８Ｂ】本発明のさらに別の実施形態に係る処理期間を変化させたときの相対導電率と電界強度の関係をグラフで表示したものである。
【図９】本発明の例示的実施形態に係る水処理方法の各ステップを示す工程フロー図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明のある実施形態について、添付図面を参照しながらより完全に説明する。これらの図面は、本発明の一部の実施形態を示したものであり、全ての実施形態を示したものではない。実際には、本発明の種々の実施形態を多くの異なる形態において実施してもよく、本明細書に記載された実施形態に限定されるものと解釈すべきではない。むしろこれらの実施形態は、適用され得る法的要件を本開示が満たすために提供されるものである。
【００２８】
本明細書及び添付された特許請求の範囲に用いられるように、単数形「ａ」、「ａｎ」及び「ｔｈｅ」は、文脈においてそれ以外の場合が明確に指示されていない限り、複数の対象物を含む。例えば、「電界」について参照は、複数の同様の電界を含む。
【００２９】
本明細書では具体的な用語を用いているが、これらは一般的かつ記述的な意味のみで使用されており、限定を目的とするものではない。技術用語及び科学用語を含む全ての用語は、本明細書で使用する場合、用語が別段に定義されていない限り、本発明に関係する当業者によって通常理解されるのと同じ意味を持つ。さらに、各用語は、通常使用される辞書に定義されている用語のように、本発明に関係する当業者によって通常理解されるような意味を持つと解釈すべきであることが理解されるであろう。さらに、各用語は、通常使用される辞書に定義されている用語のように、関連技術及び本開示に関連した意味と矛盾しない意味を持つと解釈すべきであることが理解されるであろう。このように通常使用される各用語は、本明細書の開示において別段の場合がそのように明白に定義されていない限り、理想的または過度に公式的な意味として解釈されることはない。
【００３０】
本明細書に用いられる「炭酸イオン」または「ＣＯ32-」は、炭酸塩（ＣＯ32-）または水溶液中で重炭酸塩（ＨＣＯ3-）の形態をとる炭酸塩と同義的な意味を持つ。さらに、本明細書に用いられる「炭酸カルシウム」または「ＣａＣＯ3」は、炭酸カルシウムまたは重炭酸カルシウム（Ｃａ（ＨＣＯ3）2）と同義的な意味を持つ。実際には、重炭酸カルシウムは、固体化合物として存在するものではないが、カルシウムイオン（Ｃａ2+）、重炭酸イオン（ＨＣＯ3-）及び炭酸イオン（ＣＯ32-）を含有すると共に、二酸化炭素が液中に溶解した水溶液中に存在するように表現可能な形をとっている。
【００３１】
本明細書に用いられる「イオン反応器」は、本発明の装置、かかる装置において実施される本発明の方法及び工程、並びに／またはかかる装置及び／もしくは方法を利用する本発明のシステムを含む。理論に束縛されることを意図するものではないが、イオン反応器及びその方法を用いて処理された水は、イオン反応器から流出するときにはイオン濃度が減少し、あるいはイオン密度またはイオンに関する密度が低下しているため、イオン反応器内で処理された水を利用する下流の装置、方法、工程及び／またはシステムでは水垢の付着が大幅に低減され、かつ／または回避される。実際には、かかる装置、方法、工程及び／またはシステムの多くは、より高温で動作し、かつ／または水温を上昇させることが可能であるが、本発明の装置、方法、工程及び／またはシステムを用いて処理していない水を利用した場合に比べると、かかる装置、方法、工程及び／またはシステムにおいて水垢の付着程度を大幅に低減し、あるいはさらに水垢の付着を回避することも可能である。
【００３２】
本発明者らは、水を利用する装置、システム及び／または方法において、水垢の付着をもたらすＣａＣＯ3の望ましくない生成及び沈殿を防ぐ装置、システム及び方法論を想到するに至った。例えば、理論に束縛されることを意図するものではないが、付着物生成イオンの濃度が減少すると、イオン間の衝突頻度が減少する。付着物生成イオンの化合物が生成される前には、イオン同士が衝突する必要がある。従って、イオン間の衝突頻度が減少することにより、付着物生成イオンの化合物が生成されにくくなる。
【００３３】
実際には、付着物生成イオンの化合物を生じさせるイオン種間の衝突確率は、水中のイオン濃度またはイオン密度に比例する。しかしながら、衝突に加えて、イオンは、付着物生成イオンの化合物を生成するのに必要となる活性化エネルギーを克服するため、ある最小限の運動エネルギーを持つ必要がある。
【００３４】
本発明の目的は、水からの炭酸カルシウムの不要な沈殿による水垢の付着を防ぐ方法、工程及び／またはシステムを提供することであり、これらは、例えば、本発明の方法、工程及び／またはシステムに従って処理される水を用いて、これらの工程または下流工程において使用される。一般に、これらのシステムに供給される水は、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンを含んでいるが、ＣＯ32-イオンは、より適切にはＨＣＯ3-イオンの形態をとっている。本発明の特定の実施形態では、これらのシステムに供給される水は、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンを相当の濃度で含んでよい。本発明の特定の実施形態では、これらのシステムに供給される水は、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンで過飽和となっていてもよい。
【００３５】
Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンもしくはＨＣＯ3-イオンの濃度または密度は、３つの異なる機構のいずれか１つまたは任意の組み合わせによってイオン反応器内で減少させることが可能である。Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンもしくはＨＣＯ3-イオンの濃度または密度を減少させる第１の機構は置換である。水は、イオン反応器内の２つの電極間に流れるように向けられる。本明細書にさらに開示されるように、種々の材料をイオン反応器内の２つの電極に用いてよい。２つの電極によって電界が生成されるが、本発明の特定の実施形態では、電極間を流れる水を横切る交流電界が生成される。本発明の特定の実施形態では、交流電界は、パルス状の交流電界であってよい。
【００３６】
電界エネルギーによりＣａ2+イオンに十分な運動エネルギーを与えて、電極の金属を構成する金属格子の結合エネルギーを越え、あるいは克服させることにより、カルシウム原子で電極の金属を置換するようにする。イオン全体の速度は、ブラウン運動に印加された電界の力によって与えられた速度である。特定の場合には、例えば、反対極性の「付着イオン」が結合したイオンに十分大きな速度及びエネルギーを与えることにより、イオンの付着イオンを失わせてイオン自体の速度及びエネルギーをさらに増加させるようにする。水中のＣａ2+イオンと置換される電極に用いられる金属または金属類は、下流工程においてＣａ2+イオンよりもこれらの金属の方がイオン化合物を生成しにくくするように選択する。
【００３７】
下流工程において水垢の付着を低減あるいは回避するのに利用可能な２番目の機構は、イオン反応器内に金属炭酸塩を生成することにより、水中のＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンを中和させるものである。例えば、Ｃａ2+で置換する金属元素としてマグネシウムを選択した場合、イオン反応器内には炭酸マグネシウム（ＭｇＣＯ3）が生成される。本明細書に開示されているように、溶液中の原子またはイオンを衝突させてから、かかる原子またはイオンを相互に反応させる必要がある。加えて、全ての衝突がイオン化合物の生成に有効となるわけではない。すなわち、原子またはイオンが、反応を起こす前に必須となる活性化エネルギーを達成するのに必要な運動エネルギーの最小量を持っているとは限らない。
【００３８】
本発明の特定の実施形態によれば、電界は動的である（すなわち、変化する）。本発明の例示的実施形態では、イオン反応器内の２つの電極間を流れる水を横切る交流電界を利用することにより、水中で置換された正の金属イオン（例えば、本発明の具体的な実施形態によればＭｇ2+イオン）を負極に向かって移動させると共に、負のＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンを正極に向かって移動させる。これらのイオンを反対方向に移動させるのに加えて、かかる移動によってイオン同士が衝突する確率が高まる。さらに、この電界により十分な運動エネルギーがイオンに与えられるため、これらのイオンは、実際に衝突すると、反応を起こすのに必要な活性化を超えることが可能となる。さらに、変動電界（例えば、交流電界）の利用を対象とした本発明の実施形態では、一旦電界が切り替わって電極の極性が変化すると、イオンの移動方向が変化する。従って、この交流電界により、正イオンと負イオンの両方が常に移動して動的分散した溶液が生成され、両イオンが衝突して金属炭酸塩の化合物（本発明の特定の実施形態によればＭｇＣＯ3など）を生成する確率が高まる。
【００３９】
Ｃａ2+で置換するのに用いる金属を選択することにより、水中のＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンを中和させるこの第２の機構が妥当であるかどうかも決定され得る。例えば、Ｃａ2+イオンで置換する金属としてアルミニウムを選択した場合、生成された炭酸アルミニウム（Ａｌ2（ＣＯ3）3）は不安定な化合物であり、以下の反応によって容易に水酸化アルミニウム（Ａｌ（ＯＨ）3）と二酸化炭素（ＣＯ2）に分解する。
Ａｌ2（ＣＯ3）3＋３Ｈ2Ｏ−＞２Ａｌ（ＯＨ）3＋３ＣＯ2（５）
【００４０】
ガスを止める処理がさらに必要になり得るのは言うまでもないが、このようにＣＯ2が生成されるため、特別な設備を設けてイオン反応器を脱気する必要がある。とはいえ、Ａｌ（ＯＨ）3は、水にほとんど溶けないため沈殿することになる。しかしながら、本明細書にさらに開示されるように、水中のＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンを中和するための金属としてのみならず置換金属としてアルミニウムを用いることは、他の金属類（例えば、マグネシウムなど）に比べるとあまり好ましくない場合がある。
【００４１】
水中のＣａ2+イオン及びＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンの濃度を減少させる３番目の機構は、本明細書に開示された置換機構及び中和機構に比べるとより好ましいものではないが、炭酸カルシウム（ＣａＣＯ3）をイオン反応器内で再生成するものである。炭酸カルシウムは、周囲に炭酸カルシウムを続けて生成可能な複数の種結晶を水中にまず生成することにより、イオン反応器内で再生成することが可能である。本発明の特定の実施形態では、例えば、電極を構成する金属結晶構造中の金属では置換することができなかった残留Ｃａ2+イオンを除去または排除するのに、この第３の機構を用いてよい。
【００４２】
本発明の一実施形態では、主として置換機構により、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンの濃度または密度を減少させるものとする。本発明の特定の実施形態では、置換機構及び本明細書で説明する金属炭酸塩の生成により、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンの濃度または密度を減少させるものとする。本発明のさらに別の実施形態では、置換機構並びに金属炭酸塩の生成及び炭酸カルシウムの再生成のうちの少なくとも１つにより、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンの濃度または密度を減少させるものとする。
【００４３】
本発明の特定の実施形態では、化学処理を追加して水に施さずとも、これらの機構のいずれかまたは組み合わせを用いてよい。しかしながら、本発明の特定の他の実施形態では、化学添加剤を用いて、あるいは水に対する化学処理を追加して、これらの機構のいずれかまたは組み合わせを補完してもよい。
【００４４】
本発明の方法、工程及び／またはシステムは、化学添加剤を使用せずにＣａ2+イオン及びＣＯ32-イオンを中和し、これらの工程に関連した装置内に水垢の付着を生じ得るＣａＣＯ3の生成を低減あるいは防止する。本発明者らは、Ｃａ2+イオンを別の金属イオンで置換し、それによって水中のＣＯ32-イオンと結合させることにより、水中に潜在するＣａ2+イオンを中和し、これらの給水システムを構成する装置内に水垢の付着が生じる原因となる化合物の生成を防ぐことを想到するに至った。
【００４５】
例えば、ある物理的方法を用いて、Ｃａ2+イオンを別の金属イオンあるいはさらに他の金属イオン類に強制的に置換することが可能である。本発明の一実施形態では、金属イオンまたは金属イオン類の供給原は、１つ以上の金属電極であってよい。ＣＯ32-イオンを水中に存在する金属イオンと強制的に結合させることにより、金属炭酸塩を生成することが可能である。
【００４６】
これら１つ以上の金属電極を、水の体積領域または反応器（本明細書では、「イオン反応器」としてさらに参照される）中に配置してよい。本発明の一実施形態では、例えば、２つの金属電極間に水を流すことにより、イオンが水に不飽和な状態にして、ＣａＣＯ3の生成確率を低減し、水を実質的に利用するシステムにおいて水垢の付着を回避することが可能である。例えば、水中に残留する付着物生成イオンの濃度を減少させて高温動作工程の各部における水垢の付着を抑制するように、イオン反応器を構成して作動させることが可能である。
【００４７】
図１は、本発明の一実施形態に係るイオン反応器１０を示す図である。このイオン反応器１０は、下流工程または下流工程群（ボイラー１００など）に送り出す前に水流を処理するものである。図１の例示的実施形態では、別工程に導入される前に、イオン反応器１０が水流に配置されている。水は、反応器入口２０からイオン反応器１０に流入する。本発明の特定の実施形態では、イオン反応器１０は、水が反応器入口２０からイオン反応器１０に流入すると作動するように構成されている。入水によりスイッチ３０が作動して、電源（すなわち、本例示の実施形態によれば交流電源４０）から複数の電極５０に電力が供給される。
【００４８】
従って、印加電界（すなわち、本例示の実施形態によれば交流電界）は、電極間を流れる水の体積領域を多数処理し、電極を構成する金属格子中の金属原子でＣａ2+イオンが置換される確率を高める。加えて、電界（すなわち、本例示の実施形態によれば交流電界）は、イオン間の衝突確率を高め、さらに、衝突確率を高めると共に、衝突イオンの速度を確保することにより、ＣＯ32-イオンと金属イオンの置換反応を起こして、水中のＣＯ32-イオンが除去あるいは中和されるようにする。電極を構成する金属格子の金属原子で置換されていないＣａ2+イオンが存在すると、ＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンと衝突することにより、イオン反応器１０内にＣａＣＯ3が生成されて沈殿し得る。
【００４９】
本発明の特定の実施形態では、電極はマグネシウムで構成されており、Ｃａ2+イオンは、電極を構成する金属格子に由来するＭｇ2+イオンで置換される。さらに、ＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンの中和により、イオン反応器１０内にＭｇＣＯ3が生成される。勿論、本明細書でさらに開示するように、ＣＯ32-イオンまたはＨＣＯ3-イオンは、電極に由来する金属イオンで置換されなかったＣａ2+イオンによって中和される場合もある。従って、生成された金属炭酸塩（これは、本発明の上記特定の実施形態によればＭｇＣＯ3である）及び生成されたＣａＣＯ3を沈殿させて、イオン反応器１０から収集することが可能である。本発明の特定の実施形態によれば、水の速度は、生成された金属炭酸塩（これは、本発明の上記特定の実施形態によればＭｇＣＯ3である）及び生成されたＣａＣＯ3を水に乗せて被処理水と共に移送し、反応器出口７０にてイオン反応器１０から流出させるようになっている。本発明の上記実施形態では、金属炭酸塩（例えば、本発明の上記特定の実施形態によればＭｇＣＯ3）及び生成されたＣａＣＯ3を、イオン反応器１０からの流出後に被処理水から除去する必要がある。
【００５０】
イオン反応器１０の複数の電極５０に沿った沈殿物層の堆積を防止するのに、超音波送信機６０を用いてもよい。被処理水は、反応器出口７０にてイオン反応器１０から流出し、配管システム８０を経由してボイラー１００に流れる。
【００５１】
本明細書でさらに開示するように、被処理水におけるイオン密度の減少度は、イオン反応器１０内の水の滞留時間または保持時間に依存する。例えば、イオン反応器１０内の水の滞留時間は、イオン反応器１０のある設計変数によって決定されることが好ましい。例えば、イオン反応器１０の容積によって反応器内の水の滞留時間が定まる。イオン反応器１０内の水の滞留時間に影響を与え得る他の設計要素としては、イオン反応器１０内の複数の槽を通じて水が移動するかどうか、及びこうした流路配置が直列、並列またはこれらの組み合わせであるかどうかなどが挙げられる。さらに、イオン反応器１０内の水の滞留時間は、イオン反応器１０内の水の速度にも影響され得る。
【００５２】
被処理水におけるイオン密度は、例えば、水の導電率を測定して被処理水の残留イオン密度を求めることによって制御することが可能である。本発明の特定の実施形態によれば、制御部は、例えば、ある制御変数を初期化して、目標とした導電率の減少を達成することが可能である。本発明の特定の実施形態では、制御部は、イオン反応器１０に流入する水の流量を初期化して、イオン反応器１０内の水に必要な滞留時間または保持時間を定めることが可能である。本発明の特定の他の実施形態では、制御部は、イオン反応器１０内の電界強度を初期化してもよい。本発明のさらに別の実施形態では、制御部は、イオン反応器１０に流入する水の流量と共に、イオン反応器１０内の電界強度を初期化してもよい。
【００５３】
本発明の一実施形態では、イオン反応器１０に存在する被処理水の導電率は、イオン反応器１０に流入する未処理水の導電率の５０％程度に満たない。本発明の特定の実施形態では、イオン反応器１０に存在する被処理水の導電率は、イオン反応器１０に流入する未処理水の導電率の２５％程度に満たない。本発明のさらに別の特定の実施形態では、イオン反応器１０に存在する被処理水の導電率は、イオン反応器１０に流入する未処理水の導電率の１０％程度に満たない。本発明のなおさらに別の実施形態では、イオン反応器１０に存在する被処理水の導電率は、イオン反応器１０に流入する未処理水の導電率の５％程度に満たない。本発明の特定の実施形態では、イオン反応器１０に存在する被処理水の導電率は、イオン反応器１０に流入する未処理水の導電率の１％程度に満たない場合がある。
【００５４】
下流工程において炭酸カルシウム及び付着堆積物が生成される反応速度は、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンの濃度または密度の減少量の２乗値に等しい分だけ減少することになる。例えば、Ｃａ2+イオン及びＣＯ32-イオンの濃度または密度が２５％減少すると、下流装置においてこれらのイオンが結合する反応速度は、未処理水（すなわち、処理を施していない水）における化合物の反応速度に比べて（１／４）2すなわち１／１６だけ減少する。
【００５５】
図１の例示的実施形態によれば、被処理水は、ボイラー入口１１０からボイラー１００に流入し、ここで加熱素子１２０によって加熱される。図１に表された例示的実施形態では、ボイラーは電気ボイラーであり、交流電源１３０から供給された電気エネルギーによって加熱素子１２０が加熱される。本発明の他の実施形態において利用可能なボイラー１００の他の例としては、蒸気ボイラー、火力ボイラー、廃熱ボイラー、流動床燃焼ボイラー、熱流体ボイラー及び再生可能エネルギーボイラーのうちの１つ以上が挙げられるが、これらに限定されるものではない。加熱された水及び／または蒸気は、ボイラー出口１４０にてボイラー１００から排出される。
【００５６】
図２は、本発明の一実施形態に係る単一槽イオン反応器１５０を示す図である。水は、反応器入口１６０から単一槽イオン反応器１５０に流入する。図２の例示的実施形態では、交流電源１７０は、金属電極表面、すなわち電極１８０、１９０に電力を供給して、交流電界を生成する。水は、電極１８０、１９０の間を流れる。これらの電極により、水が電極１８０、１９０の間を流れるときに水を通る電界が生成される。本発明の一実施形態では、交流電界が生成される。本発明の一実施形態では、電極１８０、１９０の間に電圧を印加して、電界を生成する。本発明の一実施形態では、この電圧は交流電圧であってよい。本発明の特定の実施形態では、上記電圧がパターンを持つように構成されている。限定を意図するものではなく一例にすぎないが、正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちの少なくとも１つとして電圧を構成してよい。
【００５７】
本発明の特定の実施形態では、パルス状の交流電界を生成する。本発明の他の特定の実施形態では、直流電界を生成する各電極にＤＣ電源（図示せず）から電力を供給してよい。本発明のさらに別の特定の実施形態では、電界は、パルス状の直流電界である。本発明のなおさらに別の実施形態では、各電極の極性を変化させる信号を反転するように、パルス状の直流電界を含むいずれかの直流電界を構成してよい。さらに、本発明の上記実施形態に従って、パルス状の電界は、ある周波数にわたって反転するように構成されることになる。
【００５８】
電界強度は、１ｋＶ／ｍ程度から３００ｋＶ／ｍ程度、５ｋＶ／ｍ程度から１５０ｋＶ／ｍ程度、１０ｋＶ／ｍ程度から１００ｋＶ／ｍ程度、２５ｋＶ／ｍ程度から７５ｋＶ／ｍ程度及び３０ｋＶ／ｍ程度から５０ｋＶ／ｍ程度としてよい。本発明の特定の実施形態では、電界強度は４０ｋＶ／ｍ程度としてよい。
【００５９】
イオン反応器１５０の電極１８０、１９０に沿った沈殿物層の堆積を防止するのに、超音波送信機２００を用いてもよい。被処理水は、反応器出口２１０にて単一槽イオン反応器１５０から流出する。
【００６０】
本発明の特定の実施形態では、電極をアルミニウム電極としてよく、あるいは電極の金属格子がアルミニウム（Ａｌ）原子で構成される電極としてよい。例えば上述の条件において、電極を構成する金属格子中のＡｌ原子をＣａ原子で置換することが可能である。アルミニウム原子は３個の価電子を持っているので、アルミニウムイオンの電荷は＋３である。カルシウム原子は２個の価電子を持っているので、前述したようにカルシウムイオンの電荷は＋２である。従って、電極の金属格子構造において、２個のＡｌ原子を置換するのに３個のＣａ原子が必要となる。
【００６１】
本発明の特定の実施形態では、電極をマグネシウム電極としてよく、あるいは電極の金属格子がマグネシウム（Ｍｇ）原子で構成される電極としてよい。Ｃａ原子及びＭｇ原子は共に、２個の価電子を持っている。従って、電極の金属格子構造において、１個のＭｇ原子で置換するのに１個のＣａ原子が必要となる。上述した衝突理論と同様に、Ｍｇ原子で置換するためには、電極を構成する金属格子中のＭｇ原子付近に１個のＣａ原子のみが必要となる。従って、Ａｌ原子で置換するためには、電極を構成する金属格子中のＡｌ原子付近により多くのＣａ原子が必要となる（すなわち、２個のＡｌ原子毎に３個のＣａ原子）ものの、Ｃａ原子によるＭｇ原子の置換確率は、Ｃａ原子によるＡｌ原子の置換確率よりも高くなる。
【００６２】
図３は、本発明の特定の実施形態に係る水の相対導電率と電界処理期間の関係をグラフで表示したものである。ｙ軸２２０は、未処理水の比導電率に対する被処理水の比導電率を相対的に示す。ｘ軸２３０は、イオン反応器内の水の体積領域に電界をかけたときの滞留時間を秒で表す。このグラフが示すように、導電率の相対的な減少度は、水がイオン反応器内にあって電界にさらされているときの滞留時間または保持時間に依存する。アルミニウム曲線２４０は電極をアルミニウム（Ａｌ）で構成したときの結果を示し、マグネシウム曲線２５０は電極をマグネシウム（Ｍｇ）で構成したときの結果を示す。アルミニウム曲線２４０及びマグネシウム曲線２５０が共に示すように、水の体積領域が電界にさらされたときの滞留時間が長くなると、被処理水中のイオン濃度がより減少する。さらに、図３のグラフは、マグネシウムで構成される電極を水の処理に用いた場合、同程度の滞留時間に対してイオン濃度がより減少することを示している。
【００６３】
図４Ａ、Ｂは、積層型多槽イオン反応器を説明する本発明の例示的実施形態を表したものである。限定を意図するものではないが、図４Ａ、Ｂの例示的実施形態によって表された積層型多槽イオン反応器３００は、典型的には、下流での利用のために処理すべき水をより大きな体積で扱うように構成されている。図４Ａは、処理すべき水の入口３１０を備えた積層型多槽イオン反応器３００の破断側面図である。積層型多槽イオン反応器３００は、その名前が示唆する通り、複数の単一槽反応器または複数の槽３２０を互いに重ね合わせて積層することにより構成されている。イオン反応器３００の複数の槽３２０を通じて並列に水を分配することが可能であり、複数の槽３２０は複数の電極３３０によって分離されている。さらに、複数の電極３３０は、複数の槽３２０を画定する壁としても機能するものであり、この代表的実施形態ではそれぞれ１〜１５と記されている。例えば、奇数番号の各電極３３０を電源（ＡＣ供給原など）の一極に、偶数番号の各電極３３０を同電源の他極にそれぞれ接続してよい。
【００６４】
イオン反応器３００の複数の電極３３０に沿った沈殿物層の堆積を防止するのに、超音波送信機３４０を用いてもよい。被処理水は、出口３５０にてイオン反応器３００から流出する。
【００６５】
積層型多槽イオン反応器３００は、断面積Ａ1によって画定されており、これを通じて水がイオン反応器３００に流れるように構成されている。別の断面積Ａ2は、入口３１０を画定する管の断面積と出口３５０を画定する管の断面積とが最小になるように画定されている。積層型多槽イオン反応器３００で処理される水の保持時間または滞留時間は、Ａ1とＡ2の比を任意に設定することによって所望の期間に定まる。例えば、本発明の特定の実施形態によれば、水が流れる反応器と最小断面の入口管及び出口管との断面比（本明細書ではＡ1：Ａ2と定義される）は、４８：１程度から１：１程度、３６：１程度から４：３程度、１８：１程度から２：１程度及び９：１程度から３：１程度であってよい。
【００６６】
本発明の特定の実施形態では、直列構成の複数の槽３２０を通じて水が流れるようにイオン反応器３００を構成してよい。本発明の特定の他の実施形態では、直並列に配置された複数の槽３２０を通じて水が流れるようにイオン反応器３００を構成してよい。理論に束縛されることを意図するものではないが、これらの各種配置を用いて、イオン反応器３００内の水の体積領域に電界をかけたときの滞留時間を長くすることが可能である。
【００６７】
図４Ｂは、図４Ａの断面線ＢＢ’に沿った積層型多槽イオン反応器３００の断面図である。図４Ｂには、複数の槽３２０及び複数の電極３３０が示されている。さらに、この図面は、対をなす電極３６０、３７０が複数の槽３５０の外周に沿って配置された構成を示している。対をなす電極３６０、３７０のそれぞれには、複数の槽３５０のそれぞれに電界を生成するために、電源（図示せず）から電力が供給されている。
【００６８】
図５Ａ及び図５Ｂは、別の多槽イオン反応器を説明する本発明の例示的実施形態を表す図である。限定を意図するものではないが、図５Ａ及び図５Ｂの例示的実施形態によって表される積層型多槽イオン反応器４００は、典型的には、下流での利用のために処理すべき水をより大きな体積で扱うように構成されている。図５Ａ及び図５Ｂに表された例示的実施形態に係る積層型多槽イオン反応器４００は、円形断面を有し、この断面を通じて水が流れるように構成されている。図５Ａは、処理すべき水の入口４１０を備えた多槽イオン反応器４００の破断側面図である。イオン反応器４００の複数の槽４２０を通じて並列に水を分配することが可能であり、複数の槽４２０は、複数の電極４３０によって分離された環状配置で構成されている。さらに、複数の電極３３０は、複数の槽４２０を画定する壁としても機能するものであり、この代表的実施形態ではそれぞれ１〜８と記されている。例えば、偶数番号の各電極４２０を電源（ＡＣ供給原など）の一極に、奇数番号の各電極４３０を同電源の他極にそれぞれ接続してよい。
【００６９】
あるいは、複数の槽４２０を画定する複数の壁の両側に沿って複数の電極を配置してもよく、かかる複数の電極には、複数の槽４２０のそれぞれに電界を生成するために、電源（図示せず）から電力が供給される。
【００７０】
イオン反応器４００の複数の電極４３０に沿った沈殿物層の堆積を防止するのに、超音波送信機４４０を用いてもよい。被処理水は、出口４５０にてイオン反応器４００から流出する。
【００７１】
積層型多槽イオン反応器４００は、断面積Ａ1によって画定されており、これを通じて水がイオン反応器４００に流れるように構成されている。別の断面積Ａ2は、入口４１０を画定する管の断面積と出口４５０を画定する管の断面積とが最小になるように画定されている。積層型多槽イオン反応器３００で処理される水の保持時間または滞留時間は、Ａ1とＡ2の比を任意に設定することによって所望の期間に定まる。例えば、本発明の特定の実施形態によれば、水が流れる反応器と最小断面の入口管及び出口管との断面比（本明細書ではＡ1：Ａ2と定義される）は、４８：１程度から１：１程度、３６：１程度から４：３程度、１８：１程度から２：１程度、及び９：１程度から３：１程度であってよい。
【００７２】
本発明の特定の実施形態では、直列構成の複数の槽４２０を通じて水が流れるようにイオン反応器４００を構成してよい。本発明の特定の他の実施形態では、直並列に配置された複数の槽４２０を通じて水が流れるようにイオン反応器４００を構成してよい。理論に束縛されることを意図するものではないが、これらの各種配置を用いて、イオン反応器４００内の水の体積領域に電界をかけたときの滞留時間を長くすることが可能である。
【００７３】
図５Ｂは、図５Ａの断面線ＢＢ’に沿った積層型多槽イオン反応器３００の断面図である。図５Ｂには、複数の槽４２０及び複数の壁４３０が示されている。
【００７４】
アルミニウム電極を備えたイオン反応器を用いて、一連の試験を実施した。種々の炭酸カルシウム濃度を有する水を、速度を変化させて反応器に供給することにより、所望の電界処理期間を得た。なお、２０ｋＶ／ｍ、３０ｋＶ／ｍ及び４０ｋＶ／ｍの各電界強度を用いて試験を実施した。試験装置には、被処理水の導電率を測定するセンサを設けた。これらの各試験結果を、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ及び図８Ｂに示す。
【００７５】
図６Ａは、本発明の一実施形態に係る相対導電率と処理期間（電界をかけた期間とシステムの全体期間の両方）の関係をグラフで表示したものであり、ここでは電界強度を２０ｋＶ／ｍ、３０ｋＶ／ｍ及び４０ｋＶ／ｍに変化させている。図６Ｂは、本発明の一実施形態に係るμＳｉｅｍｅｎｓで測定した相対導電率と電界強度の関係をグラフで表示したものであり、ここでは電界処理期間を５秒、１２秒及び２４秒に変化させている。図６Ａ及び図６Ｂ共に、未処理水流における炭酸カルシウム濃度は０．２５ｇ／Ｌである。これらの図は、電界強度の増加及び処理期間の増加と共に、置換金属としてアルミニウムを用いた被処理水のイオン濃度が減少する結果を示している。しかしながら、本発明の特定の実施形態では、図３のデータによれば、置換金属としてマグネシウムを用いることがより好ましい。本発明の特定の実施形態では、マグネシウム及びアルミニウムで置換金属を構成してもよい。
【００７６】
図７Ａは、本発明の一実施形態に係る相対導電率と処理期間（電界をかけた期間とシステムの全体期間の両方）の関係をグラフで表示したものであり、ここでは電界強度を２０ｋＶ／ｍ、３０ｋＶ／ｍ及び４０ｋＶ／ｍに変化させている。図７Ｂは、本発明の一実施形態に係るμＳｉｅｍｅｎｓで測定した相対導電率と電界強度の関係をグラフで表示したものであり、ここでは電界処理期間を５秒、１２秒及び２４秒に変化させている。図７Ａ及び図７Ｂ共に、未処理水流における炭酸カルシウム濃度は０．５ｇ／Ｌである。これらの図は、電界強度の増加及び処理期間の増加と共に、置換金属としてアルミニウムを用いた被処理水のイオン濃度が減少する結果を示している。しかしながら、本発明の特定の実施形態では、図３のデータによれば、置換金属としてマグネシウムを用いることがより好ましい。本発明の特定の実施形態では、マグネシウム及びアルミニウムで置換金属を構成してもよい。
【００７７】
図８Ａは、本発明の一実施形態に係る相対導電率と処理期間（電界をかけた期間とシステムの全体期間の両方）の関係をグラフで表示したものであり、ここでは電界強度を２０ｋＶ／ｍ、３０ｋＶ／ｍ及び４０ｋＶ／ｍに変化させている。図８Ｂは、本発明の一実施形態に係るμＳｉｅｍｅｎｓで測定した相対導電率と電界強度の関係をグラフで表示したものであり、ここでは電界処理期間を５秒、１２秒及び２４秒に変化させている。図８Ａ及び図８Ｂ共に、未処理水流における炭酸カルシウム濃度は１ｇ／Ｌである。これらの図は、電界強度の増加及び処理期間の増加と共に、置換金属としてアルミニウムを用いた被処理水のイオン濃度が減少する結果を示している。しかしながら、本発明の特定の実施形態では、図３のデータによれば、置換金属としてマグネシウムを用いることがより好ましい。本発明の特定の実施形態では、マグネシウム及びアルミニウムで置換金属を構成してもよい。
【００７８】
本発明の態様は、水処理用のシステム、工程及び方法を提供する。特に、本システム、工程及び方法は、本明細書でさらに規定される、電極を構成する金属原子の金属イオンでＣａ2+を置換するための機構を取り入れており、さらに、ＣＯ32-及び／またはＨＣＯ3-を、好ましくはこれらの負イオンと金属イオンとの衝突を促進し、反応を起こすのに必要な活性化を与えることによって中和するものである。加えて、本システム、工程及び方法は、好ましくは、これらの負イオンと任意の未置換Ｃａ2+イオンとの衝突を促進し、反応を起こすのに必要な活性化を与えるようにしてもよい。勿論、本発明のシステム、工程及び方法は、被処理水を下流工程に導入する前に、生成されたイオン化合物（金属炭酸塩など）及び生成された炭酸カルシウムを除去することも含むであろう。
【００７９】
図９は、本発明の一実施形態に係る水処理方法の各ステップを示す工程フロー図である。水処理方法５００は、複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを有する水流を供給すること５１０を含む。かかる正帯電イオン及び負帯電イオンは、例えば、ミネラルイオンであってよい。こうしたミネラルイオンは、例えば、変動条件（例えば、温度変化、圧力変化、アルカリ度変化など）において結合及び沈殿しやすくなり得る。
【００８０】
水処理方法５００はさらに、少なくともいずれか一方が金属で構成されている第１電極と第２電極の間に水流を流すステップ５２０、及び水流を横切る電界を生成するために第１電極と第２電極の間に電圧を印加することにより、水流を横切る電界を生成するステップ５３０を含む。この電圧は、典型的には波形によって規定される。
【００８１】
水処理方法５００はさらに、１つ以上の複数の正帯電イオンを、金属の１つ以上の正帯電イオンと置換するステップ５４０を含む。この方法はさらに、１つ以上の負帯電イオンを、金属の１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成するステップ５５０を含む。任意ではあるが、水処理方法５００は、１つ以上の残留した複数の正帯電イオンを、別の１つ以上の複数の負帯電イオンと反応させるステップ５６０を含んでもよい。水処理方法５００はさらに、イオン化合物及び任意の別のイオン化合物を水流から除去すること５７０を含んでもよい。
【００８２】
本発明の特定の実施形態では、本方法の各ステップを規定された順序で構成することが好ましい。本発明の他の実施形態では、各ステップの順序を必ずしも固定する必要はなく、さらには実質的にほぼ同時に行ってもよい。例えば、水を供給するステップと電界を生成するステップは、実質的に同時に行ってもよく、あるいは連続して行ってもよいが、連続工程が特に好ましい。
【００８３】
本発明の特定の実施形態では、電圧は交流電圧であってよい。本発明の特定の実施形態では、パルス状の電圧となるように電圧すなわち交流電圧を構成してよい。本発明の特定の実施形態では、波形は、正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つとしてよい。
【００８４】
本発明の一実施形態によれば、金属はアルミニウムである。本発明の別の実施形態によれば、金属はマグネシウムである。実際には、金属の種類に応じて、１つ以上の負帯電イオンを１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成するステップ５５０を最適化してよい。
【００８５】
さらに、本発明の態様は、本発明のいずれかの方法による被処理水流を製造時に供給する。
実施例
実施例１〜２
【００８６】
図１に示したものと同様の構成でさらに試験を実施して、イオン反応器内のイオン密度またはイオン濃度の減少度を求めた。４０ｋＶ／ｍの交流電界（例えば、図３を参照）を有するイオン反応器に流入する未処理水（すなわち、処理を施していない水）の導電率を、反応器から流出する被処理水の導電率と比較することによって減少度を測定した。実施例１は、マグネシウム電極を備えたイオン反応器での結果を示す。実施例２は、アルミニウム電極を備えたイオン反応器での結果を示す。これらの試験結果を表１にまとめる。
【表１】
2019107648.tif 000003
【００８７】
表１のデータに示すように、これらの試験条件では、理論に束縛されることを意図するものではないが、アルミニウムよりもマグネシウムの方がより有効な置換金属であった。
【００８８】
本明細書に記載された本発明の多くの変型例及び他の実施形態が前述の説明とその関連図面において呈示された教示の利点を持つことが、これらの発明に関係する当業者にとって想到されるであろう。従って、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲内に変型例及び他の実施形態が含まれることを意図するものであることを理解すべきである。さらに、前述の説明とその関連図面は、構成要素及び／または機能のある例示的な組み合わせに関連した例示的実施形態を記載しているが、添付された特許請求の範囲から逸脱することなく、構成要素及び／または機能の種々の組み合わせが代替的実施形態によって提供されることを理解すべきである。その際、例えば、明示的に上述されたもの以外の構成要素及び／または機能の種々の組み合わせも同様に、添付された特許請求の範囲の一部に記載されているものとみなされる。本明細書では具体的な用語を用いているが、これらは一般的かつ記述的な意味のみで使用されており、限定を目的とするものではない。
【図１】
2019107648.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図９】
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【手続補正書】
【提出日】平成31年4月5日(2019.4.5)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオン反応器であって、
１つ以上の槽であって、各槽が一対の電極を含み、前記一対の電極の少なくとも一方がマグネシウム金属を有する、１つ以上の槽と、
複数の正帯電カルシウムイオン及び複数の負帯電炭酸イオンを含む水流であって、前記１つ以上の槽を通じて流れる水流と、
前記水流を通る電界を生成するために前記一対の電極に印加された交流電圧と、
を備え、
前記水流の前記複数の正帯電カルシウムイオンの１つ以上が、前記水流中、１つ以上の正帯電マグネシウムイオンによって置換されるように、前記電界が構成され、
前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンが、前記マグネシウム金属を含む前記一対の電極の少なくとも一方に由来する、イオン反応器。
【請求項２】
前記電界が、１つ以上の前記複数の負帯電炭酸イオンを前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンと反応させて炭酸マグネシウムを生成させる、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項３】
前記電界が、前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンで置換されていない、前記水流の１つ以上の任意の前記複数の正帯電カルシウムイオンを、別の１つ以上の前記複数の負帯電炭酸イオンと反応させて炭酸カルシウムを生成させる、請求項２に記載のイオン反応器。
【請求項４】
前記交流電圧が波形によって規定されており、前記波形が正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項５】
前記電界が、約３０ｋＶ／ｍ〜約５０ｋＶ／ｍの電界強度を含む、請求項１に記載のイオン反応器。
【請求項６】
複数の正帯電カルシウムイオン及び複数の負帯電炭酸イオンを有する水流を供給することと、
少なくともいずれか一方がマグネシウム金属を含む第１電極と第２電極との間に前記水流を流すことと、
前記第１電極と前記第２電極とにわたって交流電圧を印加することにより、前記水流を横切る電界を生成することと、
を含み、
前記水流の前記複数の正帯電カルシウムイオンの１つ以上が、前記水流中、１つ以上の正帯電マグネシウムイオンで置換されるように、前記電界が構成され、
前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンが、前記マグネシウム金属を含む前記一対の電極の少なくとも一方に由来する、水処理方法。
【請求項７】
１つ以上の前記複数の負帯電炭酸イオンを前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンと反応させて炭酸マグネシウムを生成することをさらに含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンで置換されていない、前記水流の１つ以上の任意の前記複数の正帯電カルシウムイオンを、別の１つ以上の前記複数の負帯電炭酸イオンと反応させて炭酸カルシウムを生成することをさらに含む、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記炭酸マグネシウム及び任意の前記炭酸カルシウムを前記水流から除去することをさらに含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記交流電圧が波形によって規定されており、前記波形が正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
前記電界が、約３０ｋＶ／ｍ〜約５０ｋＶ／ｍの電界強度を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１２】
反応器を備えた水処理システムであって、
１つ以上の槽であって、各槽が一対の電極を含み、前記一対の電極の少なくとも一方がマグネシウム金属を有する１つ以上の槽と、
複数の正帯電カルシウムイオン及び複数の負帯電炭酸イオンを含む水流であって、前記１つ以上の槽を通じて流れる水流と、
前記水流を通る電界を生成するために前記一対の電極に印加された交流電圧と、
を有し、
前記水流の前記複数の正帯電カルシウムイオンの１つ以上が、前記水流中、１つ以上の正帯電マグネシウムイオンによって置換されるように、前記電界が構成され、
前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンが、前記マグネシウム金属を含む前記一対の電極の少なくとも一方に由来する、水処理システム。
【請求項１３】
前記電界が、１つ以上の前記複数の負帯電炭酸イオンを前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンと反応させて炭酸マグネシウムを生成させる、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電界が、前記１つ以上の正帯電マグネシウムイオンで置換されていない、前記水流の１つ以上の任意の前記複数の正帯電カルシウムイオンを、別の１つ以上の前記複数の負帯電炭酸イオンと反応させて炭酸カルシウムを生成させる、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記電界が、約３０ｋＶ／ｍ〜約５０ｋＶ／ｍの電界強度を含む、請求項１２に記載のシステム。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００８８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００８８】
本明細書に記載された本発明の多くの変型例及び他の実施形態が前述の説明とその関連図面において呈示された教示の利点を持つことが、これらの発明に関係する当業者にとって想到されるであろう。従って、本発明は開示された特定の実施形態に限定されるものではなく、添付された特許請求の範囲内に変型例及び他の実施形態が含まれることを意図するものであることを理解すべきである。さらに、前述の説明とその関連図面は、構成要素及び／または機能のある例示的な組み合わせに関連した例示的実施形態を記載しているが、添付された特許請求の範囲から逸脱することなく、構成要素及び／または機能の種々の組み合わせが代替的実施形態によって提供されることを理解すべきである。その際、例えば、明示的に上述されたもの以外の構成要素及び／または機能の種々の組み合わせも同様に、添付された特許請求の範囲の一部に記載されているものとみなされる。本明細書では具体的な用語を用いているが、これらは一般的かつ記述的な意味のみで使用されており、限定を目的とするものではない。
本発明のまた別の態様は、以下のとおりであってもよい。
〔１〕イオン反応器であって、
１つ以上の槽であって、各槽が一対の電極を含み、前記一対の電極の少なくとも一方が金属を有する、１つ以上の槽と、
複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流であって、前記１つ以上の槽を通じて流れる水流と、
前記水流を通る電界を生成するために前記一対の電極に印加された電圧と、
を備え、
１つ以上の前記複数の正帯電イオンが、前記金属の１つ以上の正帯電イオンによって置換される、イオン反応器。
〔２〕１つ以上の前記複数の負帯電イオンを前記金属の前記１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成する、前記〔１〕に記載のイオン反応器。
〔３〕１つ以上の任意の残留した複数の正帯電粒子を別の１つ以上の前記複数の負帯電粒子と反応させて別のイオン化合物を生成する、前記〔２〕に記載のイオン反応器。
〔４〕前記イオン化合物及び任意の前記別のイオン化合物を前記水流から分離するように構成された分離器をさらに備える、前記〔３〕に記載のイオン反応器。
〔５〕前記電圧が交流電圧である、前記〔１〕に記載のイオン反応器。
〔６〕前記電圧が波形によって規定されており、前記波形が正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、前記〔１〕に記載のイオン反応器。
〔７〕前記金属がマグネシウム、アルミニウム及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、前記〔１〕に記載のイオン反応器。
〔８〕超音波送信機をさらに備えて、前記一対の電極に沿った沈殿物層の堆積を防止する、前記〔１〕に記載のイオン反応器。
〔９〕複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流を供給することと、
少なくともいずれか一方が金属を含む第１電極と第２電極との間に前記水流を流すことと、
前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加することにより、前記水流を横切る電界を生成することと、
１つ以上の前記複数の正帯電イオンを前記金属の１つ以上の正帯電イオンで置換することと、
を含む水処理方法。
〔１０〕１つ以上の前記複数の負帯電イオンを前記金属の前記１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成することをさらに含む、前記〔９〕に記載の方法。
〔１１〕１つ以上の任意の残留した複数の正帯電イオンを、別の１つ以上の前記複数の負帯電イオンと反応させて別のイオン化合物を生成することをさらに含む、前記〔１０〕に記載の方法。
〔１２〕前記イオン化合物及び任意の前記別のイオン化合物を前記水流から除去することをさらに含む、前記〔１１〕に記載の方法。
〔１３〕前記電圧が交流電圧である、前記〔９〕に記載の方法。
〔１４〕前記電圧が波形によって規定されており、前記波形が正弦波、矩形波、台形波及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、前記〔９〕に記載の方法。
〔１５〕前記金属がマグネシウム、アルミニウム及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、前記〔９〕に記載の方法。
〔１６〕反応器を備えた水処理システムであって、
１つ以上の槽であって、各槽が一対の電極を含み、前記一対の電極の少なくとも一方が金属を有する１つ以上の槽と、
複数の正帯電イオン及び複数の負帯電イオンを含む水流であって、前記１つ以上の槽を通じて流れる水流と、
前記水流を通る電界を生成するために前記一対の電極に印加された電圧と、
を備え、
１つ以上の前記複数の正帯電イオンが、前記金属の１つ以上の正帯電イオンによって置換される、水処理システム。
〔１７〕１つ以上の前記複数の負帯電イオンを前記金属の前記１つ以上の正帯電イオンと反応させてイオン化合物を生成する、前記〔１６〕に記載のシステム。
〔１８〕任意の残留した１つ以上の複数の正帯電粒子を、別の１つ以上の前記複数の負帯電粒子と反応させて別のイオン化合物を生成する、前記〔１７〕に記載のシステム。
〔１９〕前記イオン化合物及び任意の前記別のイオン化合物を前記水流から分離するように構成された分離器をさらに備える、前記〔１８〕に記載のシステム。
〔２０〕前記金属がマグネシウム、アルミニウム及びこれらの任意の組み合わせのうちのいずれか１つである、前記〔１６〕に記載のシステム。
【外国語明細書】
2019107648000001.pdf