(57)【要約】【課題】改善された脱塩および浄水システムを提供すること。【解決手段】本発明は、浄水および脱塩の分野に関するものである。特に、本発明の実施形態は、数か月から数年の経過にわたって最小限のクリーニングまたは保守を必要とし、投入水単位当たり比較的高い生成水収率、エネルギー源に関する柔軟性、工業設置面積の小さいコンパクトな設計、貴重な副生成物を回収する能力および非常に低いエネルギー要件を備えた自動化工業プロセスにおいて、水から本質的にすべての広範囲の不純物を除去するシステムおよび方法に関する。【選択図】なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
本明細書に記載の装置、システム、または方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願への相互参照
本出願は、２０１１年９月９日に出願された米国仮特許出願第６１／５３２，７６６号に対する優先権を主張し、この出願の全開示は本明細書において参照として援用される。
【背景技術】
【０００２】
背景
浄水技術は、現代の生活に欠かせない態様に急速になってきている。なぜなら、従来の水資源が益々乏しくなってきており、飲料水用の地方自治体の分配システムが経時的に劣化し、水使用量の増大により井戸および貯水池が使い果たされ、それにより、塩水汚染が引き起こされるからである。加えて、たとえば集約農業、ガソリン添加剤、および重有毒金属を含む水源のさらなる汚染が多様な活動から生じている。これらの問題は、次第に増える好ましくないレベルの細菌、バクテリア、塩、ＭＴＢＥ、クロレート、パークロレート、ヒ素、水銀、および水システムにおいて飲料水を消毒するために使用される化学物質さえもたらしている。
【０００３】
さらに、地球のほぼ３／４が海洋によって覆われているにもかかわらず、淡水資源は、地球上の水のすべての約３％に限られており、人口増加および地球温暖化の結果として益々乏しくなってきている。すべての淡水のおよそ６９％は氷冠および氷河中に保持され、これらは地球規模の溶解の増大に伴って回収不能になっているので、実際に利用できるのは１％未満であり、その大部分（９０％超）は、人的活動および塩分流入によって次第に汚染される帯水層の地下水である。このため、広範囲の汚染物質を除去しつつ海水や塩水を含む塩性水を淡水へ変えることができる技術の要求が差し迫っている。
【０００４】
多重効用蒸留（ＭＥＤ）、多段フラッシュ蒸留（ＭＳＦ）、および蒸気圧縮蒸留（ＶＣ）のような逆浸透（ＲＯ）濾過熱蒸留システムなどの従来の脱塩・水処理技術は、塩性環境で見出される様々な水汚染物質をまれにしか処理できない。加えて、これらの技術は、商業的に利用可能であっても、許容できる水質を得るために複数の処理段階または様々な技術の組合せを必要とすることが多い。ＲＯシステムは、塩分含有量が増大するにつれて高い水圧の要件を被るため、商業的な脱塩において益々高価になるとともに、流入供給水の４０％を超える水を普通、廃棄するので、水が乏しいときには該システムの魅力が次第に薄れる。その上、ＲＯ設備は、通例、海に廃棄される多量の廃塩水を生成し、魚介類にとっては致死的である高い塩性濃度をもたらす。紫外（ＵＶ）光照射またはオゾン処理などのあまり従来的でない技術は、ウイルスおよびバクテリアに対して有効であるが、溶解ガス、塩、炭化水素、および不溶性固体などの他の汚染物質をほとんど除去しない。加えて、大半の蒸留技術は汚染物質の一部を除去するのに優れていることがあるが、これらがあらゆる種類の汚染物質を処理できることはまれである。
【０００５】
商業的な脱塩プラントは通常、建造に１から３年を必要とする複雑な工学プロジェクトであるため、これらは通例、資本集約的であり、１つの場所から別の場所に移動するのは困難である。その複雑さおよび複数の技術への依存により、脱塩プラントの保守費用は高くなる傾向にある。ＲＯプラントは、一定の圧力およびフロー条件下で連続的に動作するように設計されているため、大きな圧力変動または停電は膜に損傷を及ぼすことがあり、膜の交換は費用がかかる；ゆえに入来供給水には、ＲＯ膜の汚損を防止するための高い費用の前処理が必要である。
【０００６】
ＬｅＧｏｌｆ  ｅｔ  ａｌ．（特許文献１）によって記載されたものなどの熱蒸留システムとしてはＭＥＤシステムが挙げられ、ＭＥＤシステムは、水の通常の沸点よりも低い温度にて蒸発を行うために、真空下で動作する複数の蒸発および凝縮ステップに依拠している。このような技術は多様な国々で脱塩のために商業的に使用されているが、これらはすべて異なる物理化学原理に従って動作する。たとえばＭＥＤ、ＭＳＦおよびＶＣシステムはすべて真空を必要とし、このことが生成水を滅菌できないことを意味するのは、蒸発が滅菌に必要な温度よりも低い温度で行われるためである。また、真空システムは漏れる傾向があり、機械的な補強が必要である。加えて、ＭＥＤ、ＭＳＦおよびＶＣシステムにおける熱伝達および熱回収は、膜または薄い金属表面での熱交換を包含するが、熱交換器は汚損およびスケール形成を受けやすく、保守を頻繁に行う必要がある。
【０００７】
より近年には、Ｔｈｉｅｒｓ（２００９年９月１７日に出願された、Ｌａｒｇｅ  Ｓｃａｌｅ  Ｗａｔｅｒ  Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎという名称のＰＣＴ出願番号ＵＳ２００９／５７２７７および２０１０年４月１２日に出願された、Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｒｅｄｕｃｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｓｃａｌｉｎｇ  ｉｎ  Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ａｑｕｅｏｕｓ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎｓという名称のＰＣＴ出願番号ＵＳ２０１０／０３０７５９）は、水流からスケール形成構成成分を除去する前処理の方法および脱塩システムの大規模な実施形態について記載している。しかし、Ｔｈｉｅｒｓによって記載された以前の前処理システムは、技術的には有効であるものの、著しいエネルギー消費に相当する、滞留時間の数分間にわたって１２０℃まで加熱することを包含する最終熱処理に依拠している。エネルギー消費を最小限に抑え、その間にまた、スケール形成構成成分を水流から除去する前処理方法に対する要求がある。加えて、Ｔｈｉｅｒｓによって記載された大規模脱塩および水処理のための実施形態は、起動および停止動作中に遭遇する一時的な現象に対処できず、異なる沸騰段階間の安定な水頭を適正に維持できない。通常動作中に安定であることに加え、起動および停止手順中に安定である工業的構成に対する要求がある。
【０００８】
スケール形成化合物を除去する安価で有効な前処理方法に対する要求がある。連続的でほぼセルフクリーニング型であり、耐食性および耐スケール性であり、モジュラー式で小型であり、投入水の大部分を回収する間に、結晶化して固体塩ケーキとなる高濃度の廃塩水を生成し、比較的安価で保守をあまり必要としない、工業的脱塩および水処理システムに対するさらなる要求がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】米国特許第６，６３５，１５０号明細書
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００１０】
要旨
本発明は、改善された脱塩および浄水システムのための多様な工業的実施形態について記載する。システムは、スケール形成を防止する前処理部と、入口、プレヒータ、脱気装置、複数の蒸発チャンバおよびデミスタ、生成物凝縮器、廃棄物出口、生成物出口、熱伝達および回収用の複数の熱パイプより成る脱塩部と、制御システムを含む。制御システムによって、ユーザ介入および清掃を最小限に抑えた浄水システムの連続動作が可能となる。システムは汚染水試料から、微生物学的汚染物質、放射性汚染物質、金属、塩、揮発性有機物および不揮発性有機物を含む複数の汚染物質種を除去することができる。システムの実施形態において、および入来水流の塩分に応じて、生成される水の体積は、投入水の体積の約２０％から９５％超の範囲に及ぶことがある。システムは、沸騰チャンバ、凝縮器および小型で可搬型のプレヒータの垂直スタック配置を備えている。システムは、１日に付き１，０００から５０，０００，０００ガロンの範囲の水生成が可能である。
【００１１】
前処理部は、ｐＨ調整によってスケール形成化合物を沈殿させる。苛性物または石灰のどちらかを添加することにより、最初に水酸化マグネシウムが沈殿し、続いてこれを濾過もしくは沈降または両方によって除去する。次に、重炭酸イオンの濃度は、残存カルシウム、マグネシウムおよび溶解している他の２価カチオンの化学量論的組成に一致するようにＣＯ２を溶解させることによって、または重炭酸塩もしくは可溶性炭酸塩を添加することによって調整され、ｐＨは、スケール形成化合物を不溶性カーボネートとして沈殿させるために９．８および９．８より上の値に再度調整される。沈殿物を除去するための濾過または沈降の後に、透明な前処理溶液が次に脱塩部に流入する。
【００１２】
脱塩部は、ボイラ、凝縮器、および予熱タンクを有するデミスタ、脱ガス装置（ｄｅｇａｓｓｅｒ）ならびに熱伝達槽の垂直スタックより成る。予熱槽は、入来水（ｉｎｃｏｍｉｎｇ  ｗａｔｅｒ）の温度を沸点付近まで上昇させ、垂直スタックの最上部または底部に置くことができる。予熱タンクを出る水は、少なくとも約９６℃の温度を有することができる。予熱タンクは、入来水がタンク内で数回転して循環し、予熱を行うのに十分な滞留時間を与えるように、らせん状に配置された羽根を有してよい。入来供給水は接線方向で予熱タンクに進入し、必要な温度に達するまで熱パイプによって徐々に予熱され、脱ガス装置と連結されているか、または脱ガスが必要ない場合には低沸騰チャンバと直接連結されている降水管を通じて予熱タンクを出る。
【００１３】
垂直スタックの最上部付近に置かれた脱ガス装置は、ガスおよび揮発性または不揮発性であり得る有機汚染物質を、入来水の低圧流に対する向流ストリッピングによって除去する。脱ガス装置は、実質的に垂直向きとすることができ、上端および下端を有する。予熱水は脱ガス装置の上端に進入して、脱ガスされた水は脱ガス装置の下端近くから出る。システムにおいて、最も上の蒸発チャンバから出た蒸気は、脱ガス装置の下端近くに進入して、脱ガス装置の上端近くから出ることができる。脱ガス装置は、水および蒸気の混合、脱ガス装置内で反対方向のガス流に対して入口水を逆流させることによる、入口水からの本質的にすべての有機物、揮発物およびガスのストリッピングを容易にするのに適したマトリクスを含むことができる。ガスはたとえば、蒸気、空気、窒素などであることができる。マトリクスは、実質的に球状粒子である。しかし、マトリクスは非球状粒子を含むこともできる。マトリクスは、脱ガス装置内に均一に充填されるように選択されたサイズを有する粒子を含むことができる。マトリクスは、サイズが異なる粒子を含むこともでき、粒子は脱ガス装置内でサイズ勾配により配置することができる。水は、有機物および揮発性ガスを実質的に含まずに、脱ガス装置を出ることができる。
【００１４】
熱伝達槽は、システム全体に熱エネルギーを提供し、低圧廃蒸気によって動作する凝縮器チャンバより成ることができる。または、これはいずれの種類の燃料によっても動作する燃焼チャンバまたは復熱装置、ソーラーヒーターもしくはエコノマイザからの動作流体から熱を吸収する槽であることができる。
【００１５】
前処理水は最初に沸点付近まで予熱され、脱ガス装置に垂直スタックの上端付近で進入し、ここでガスおよび炭化水素が除去される。脱ガス水は次に上ボイラに進入し、ここで入来水の一部が蒸気に変わる；上ボイラ内で生成された蒸気の一部を用いて、脱ガスに必要な蒸気を提供することができ、その間に残りは、同伴された微液滴を除去するデミスタに進入して、ボイラのすぐ上の凝縮器チャンバ内で純水へと凝縮される。上ボイラ内の入来水のいくらかが蒸発すると、残りの水は可溶性塩が次第に濃縮され、一連の下ボイラを連続的に流下して、最も下のボイラから塩溶液の溶解限度付近の重塩水として出る。
【００１６】
流下する入来水と同時に、熱が熱伝達槽にて提供され、熱パイプによって次第に上方に伝達される。熱パイプは、その高温端と低温端との間の小さい温度差によって動作する、高効率エンタルピー伝達装置である。いくつかの熱パイプが熱伝達槽にて提供された熱を底部ボイラに伝達する。底部ボイラで生成された蒸気は、底部凝縮器内で凝縮熱として大部分が回収され、凝縮器にて別のセットの熱パイプがこの熱を上ボイラに伝達し、このため複数の蒸発および凝縮チャンバに熱を次第に再使用する。
本発明は、例えば、以下を提供する。
（項目１）
前処理部および脱塩部を備える浄水および脱塩システムであって、
該前処理がスケール形成化合物を永続的に除去し、その間に貴重な副生成物およびＣＯ２隔離を生じ、そして
該脱塩部がユーザ介入またはクリーニングを必要とせずに浄化および脱塩の連続動作を可能にし、そして
該システムが汚染水試料から、微生物学的汚染物質、放射性汚染物質、金属、塩、揮発性有機物および不揮発性有機物から成る群より選択される複数の汚染物質種を除去して、その間に蒸留エネルギーを複数回、回収することが可能であり、そして
該システムのエネルギー源が、電気、地熱エネルギー、太陽エネルギー、または油、炭化水素もしくは天然ガスの燃焼、または廃熱から成る群より選択される、
システム。
（項目２）
水溶液からのスケール形成化合物の除去が、
少なくとも１つのイオンを該溶液に、アルカリ性ｐＨにて第１のスケール形成化合物の沈殿を引き起こすのに十分な化学量論的量で添加すること；
該溶液のｐＨをアルカリ性ｐＨに調整して、これにより該第１のスケール形成化合物を沈殿させること；
該第１のスケール形成化合物を該溶液から除去すること；
別のイオンを該溶液に添加して、その間にｐＨをアルカリ性ｐＨに調整して他のスケール形成化合物の沈殿を引き起こすこと；および
他のスケール形成化合物を該溶液から除去すること；
を含む、項目１に記載の方法。
（項目３）
前記第１のイオンが水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、水酸化カルシウム、および同様の水酸化物から成る群より選択される、項目２に記載の方法。
（項目４）
前記ｐＨが１０．５から１１．０の間に調整される、項目２に記載の方法。
（項目５）
前記第２のイオンが炭酸イオンまたは重炭酸イオンである、項目２に記載の方法。
（項目６）
前記第２のイオンが二価カチオンであり、Ｃａ２＋イオンまたはＭｇ２＋イオンである、項目２に記載の方法。
（項目７）
前記化学量論的量が、前記第１のスケール形成化合物において、前記二価カチオンをバリウム、カドミウム、コバルト、鉄、鉛、マンガン、ニッケル、ストロンチウムおよび亜鉛から成る群より選択される二価カチオンで置換するのに十分である、項目６に記載の方法。
（項目８）
前記化学量論的量が、前記第１のスケール形成化合物において、前記二価カチオンをアルミニウムおよびネオジムから成る群より選択される三価カチオンで置換するのに十分である、項目６に記載の方法。
（項目９）
第２のイオンを添加することが、ＣＯ２ガスによって前記溶液をスパージングすることを含む、項目５に記載の方法。
（項目１０）
前記ＣＯ２が大気中のＣＯ２である、項目９に記載の方法。
（項目１１）
第２のイオンを添加することが前記溶液に重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウムおよび重炭酸アンモニウムから成る群より選択される可溶性重炭酸イオンを添加することを含む、項目５に記載の方法。
（項目１２）
前記第２の沈殿が９．８から１０．０の間のｐＨにて行われる、項目２に記載の方法。（項目１３）
前記第１のスケール形成化合物を除去することが、濾過、沈降および遠心分離から成る群より選択される少なくとも１つのステップを含む、項目２に記載の方法。
（項目１４）
前記第２のスケール形成化合物が不溶性カーボネート化合物を含む、項目２に記載の方法。
（項目１５）
前記第２のスケール形成化合物を除去することが、濾過、沈降および遠心分離から成る群より選択される少なくとも１つのステップを含む、項目２に記載の方法。
（項目１６）
加えて、少なくとも１つのイオンを添加する前に汚染物質を前記溶液から除去することを含む、項目２に記載の方法。
（項目１７）
前記汚染物質が固体粒子および炭化水素液滴から成る群より選択される、項目１６に記載の方法。
（項目１８）
前記水溶液が水道水、汚染水溶液、海水および炭化水素で汚染された塩性塩水から成る群より選択される、項目１６に記載の方法。
（項目１９）
水溶液を提供すること；
項目２に記載の方法を行うこと；
前記第１のスケール形成化合物を回収すること；および
前記第２のスケール形成化合物を回収すること；
を含む、スケール形成化合物を得る方法。
（項目２０）
前記第１および第２のスケール形成化合物が表４に挙げた化合物の群より選択される、項目１９に記載の方法。
（項目２１）
炭酸イオンの存在下でＣＯ２隔離化合物を形成できる少なくとも１つのイオンを含有する水溶液を提供すること；
炭酸イオンを該溶液に、アルカリ性ｐＨにて該ＣＯ２隔離化合物の沈殿を引き起こすのに十分な化学量論的量で添加すること；
該溶液のｐＨをアルカリ性ｐＨに調整して、これにより該ＣＯ２隔離化合物を沈殿させること；および
該溶液から該ＣＯ２隔離化合物を除去すること；
炭酸イオンを添加することが大気中のＣＯ２を該溶液に添加すること；
を含む、大気中のＣＯ２を隔離する方法であって、
該大気中のＣＯ２が該ＣＯ２隔離化合物中に隔離される、
方法。
（項目２２）
前記アルカリ性ｐＨがおよそ９．２または９．２より上のｐＨである、項目２１に記載の方法。
（項目２３）
前記ＣＯ２隔離化合物がＣａＣＯ３、ＢａＣＯ３、ＳｒＣＯ３、ＭｇＣＯ３および同様のカーボネートから成る群より選択される、項目２１に記載の方法。
（項目２４）
前記ＣＯ２隔離化合物を除去することが、濾過、沈降および遠心分離から成る群より選択される少なくとも１つのステップを含む、項目２１に記載の方法。
（項目２５）
水溶液からスケール形成化合物を除去する装置であって：
該水溶液用の入口；
ＮａＯＨ、ＫＯＨ、Ｃａ（ＯＨ）２および同様の水酸化物から成る群より選択される、ｐＨ調整のための苛性溶液源；
該入口および該苛性溶液と流体連通した第１のタンク；
該第１のタンクと流体連通したフィルタであって、該第１のタンク内の該溶液から第１のスケール形成化合物を分離するのに適したフィルタ；
ＣＯ２ガス源；
該苛性溶液源と流体連通することができるｐＨ上昇剤源；
該ｐＨ上昇剤源、該ＣＯ２ガス源および該第１のタンクと流体連通している第２のタンク；ならびに
該第２のタンクと流体連通したフィルタであって、該第２のタンクの該溶液から第２のスケール形成化合物を分離するのに適したフィルタ；
を備える装置。
（項目２６）
前記脱塩システムが入口、プレヒータ、脱ガス装置、複数の蒸発チャンバ、デミスタ、熱パイプおよび生成物凝縮器、廃棄物出口、多数の生成物出口、加熱チャンバおよび制御システムを備え、
前記汚染水が表１に示すレベルよりも最大で２５、５０、１００または１，０００倍高い前記汚染物質種のレベルを有する場合、該システムで浄化された水が表１に示すレベルより低いすべての汚染物質種のレベルを有するように、凝縮熱が回収されて追加の蒸発のために再使用される、
項目１に記載のシステム。
（項目２７）
生成される水の体積が投入水の体積の約２０％から約９９％の間である、項目２６に記載のシステム。
（項目２８）
前記システムが少なくとも約２か月、１年、５年またはそれより長い使用期間を通じてクリーニングを必要としない、項目２６に記載のシステム。
（項目２９）
前記入口を通る水流を調節するための入口スイッチをさらに備える、項目２６に記載のシステム。
（項目３０）
前記スイッチがソレノイド、弁および開口部から成る群より選択される機構を備える、項目２９に記載のシステム。
（項目３１）
前記入口スイッチが制御システムによって制御される、項目２９に記載のシステム。
（項目３２）
遮断制御手段をさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目３３）
前記遮断制御手段が、手動制御手段、溢れ制御手段、凝縮器タンク容量制御手段および蒸発チャンバ容量制御手段から成る群より選択される、項目３２に記載のシステム。
（項目３４）
前記制御システムが、ボイラ内の温度センサ、凝縮器タンクフロートおよび溢れ検出器から成る群より選択される少なくとも１つの検出方法からのフィードバックに基づいて前記入口を制御する、項目３２に記載のシステム。
（項目３５）
前記制御システムが前記前処理および脱塩システムからのフィードバックに基づいて前記スイッチを制御する、項目３１に記載のシステム。
（項目３６）
フローコントローラをさらに備える、項目１に記載のシステム。
（項目３７）
前記フローコントローラが圧力調整器を備える、項目３６に記載のシステム。
（項目３８）
前記圧力調整器が水圧を約０ｋＰａから２５０ｋＰａ（０から３６ｐｓｉ）の間に維持する、項目３７に記載のシステム。
（項目３９）
前記予熱チャンバを出る水が少なくとも約９６℃の温度を有する、項目２６に記載のシステム。
（項目４０）
前記脱ガス装置が実質的に垂直向きであり、上端および下端を有する、項目２６に記載のシステム。
（項目４１）
前記予熱チャンバからの加熱水が前記脱ガス装置の前記上端付近に進入する、項目４０に記載のシステム。
（項目４２）
前記加熱水が前記脱ガス装置の前記下端付近から出る、項目４０に記載のシステム。
（項目４３）
前記蒸発チャンバからの蒸気が前記脱ガス装置の前記下端付近に進入する、項目２６に記載のシステム。
（項目４４）
前記蒸気が前記脱ガス装置の前記上端付近から出る、項目４３に記載のシステム。
（項目４５）
前記脱ガス装置が水および蒸気の混合を容易にするのに適したマトリクスを備える、項目４０に記載のシステム。
（項目４６）
前記マトリクスが実質的に球状粒子を備える、項目４５に記載のシステム。
（項目４７）
前記マトリクスが非球状粒子を備える、項目４５に記載のシステム。
（項目４８）
前記マトリクスが前記脱ガス装置内に均一に充填されるように選択されたサイズを有する粒子を備える、項目４５に記載のシステム。
（項目４９）
前記マトリクスが異なるサイズの粒子を備え、前記粒子が前記脱ガス装置内にサイズ勾配により配置される、項目４５に記載のシステム。
（項目５０）
前記脱ガス装置を出た水が有機物および揮発性ガスを実質的に含まない、項目４２に記載のシステム。
（項目５１）
前記蒸発チャンバが低い凝縮器チャンバから伝達される熱を送達する複数の熱パイプを含む、項目２６に記載のシステム。
（項目５２）
前記蒸発チャンバが排水管をさらに備え、前記排水管が前記チャンバの中央にまたは中央周囲にある、項目５１に記載のシステム。
（項目５３）
前記加熱チャンバが廃熱源から熱を伝達する電熱素子、ガスもしくはオイルバーナーまたは熱パイプをさらに備え、該加熱チャンバが前記蒸発チャンバの底部に隣接している、項目２６に記載のシステム。
（項目５４）
前記デミスタが前記蒸発チャンバの上面近くに位置決めされている、項目２６に記載のシステム。
（項目５５）
前記蒸発チャンバからの蒸気が圧力下で前記デミスタに進入する、項目２６に記載のシステム。
（項目５６）
前記蒸発チャンバがバッフルガードおよび金属溝によって、凝縮した液滴が前記デミスタに進入するのを防止する、項目２６に記載のシステム。
（項目５７）
前記デミスタの制御パラメータが清浄蒸気出口の陥凹位置、該デミスタにわたっての圧力差、蒸気入口の流れに対する抵抗および蒸気出口の流れに対する抵抗から成る群より選択される少なくとも１つのパラメータを含む、項目５４に記載のシステム。
（項目５８）
前記凝縮器の生成物を冷却するための熱パイプをさらに備える、項目２６に記載のシステム。
（項目５９）
生成水が前記生成物出口を通じて前記生成物凝縮器から出る、項目２６に記載のシステム。
（項目６０）
廃水が前記廃棄物出口を通じて前記システムから出る、項目２６に記載のシステム。
（項目６１）
少なくとも１つの汚染物質を第１の濃度で含む入口水源を提供するステップ；
該入口水のｐＨを調整して不溶性水酸化物の沈殿を引き起こし、入来水から沈殿物を分離するステップ；
炭酸イオン源を添加してｐＨを調整して不溶性カーボネートの沈殿を引き起こし、該入来水から該沈殿物を分離するステップ；
スケール除去された前処理水を、該入口水の温度を９０℃超に上昇させることができる予熱チャンバに通過させるステップ；
脱ガス装置内で反対方向のガス流に対して該入口水を逆流させることにより、該入口水から本質的にすべての有機物、揮発物およびガスを除去するステップ；
蒸気の形成を可能にする条件下で、１分から９０分の間のまたはそれより長い平均滞留時間にわたって、水を蒸発チャンバ内に維持するステップ；
蒸気を該蒸発チャンバからデミスタに排出するステップ；
該デミスタ内で清浄蒸気を汚染物質含有廃棄物から分離するステップ；
該清浄蒸気を凝縮して、該少なくとも１つの汚染物質を、該第１の濃度よりも低い第２の濃度で含む浄水を得るステップ；
凝縮器チャンバからの熱を、回収される熱の量が凝縮熱の少なくとも５０％、６０％、７０％、８０％、９０％またはそれより上であるように回収して、上沸騰または予熱チャンバ中に伝達するステップ；
エネルギーを再使用する間に、清浄な水生成を最大化するために、蒸発、凝縮および蒸気除去動作を複数回反復するステップ；
を含む、水を浄化および脱塩する方法。
（項目６２）
前記少なくとも１つの汚染物質が表３に挙げたような微生物、放射性核種、塩、有機物および消毒副生成物から成る群より選択され、
前記第２の濃度が表３に示す濃度より大きくなく、そして
前記第１の濃度が該第２の濃度の少なくとも約１０倍である、項目６１に記載の方法。
（項目６３）
ボイラ、凝縮器およびプレヒータのスタック配置が前記沸騰および凝縮器チャンバを分離する穿孔板を備えた金属シェル内に包囲されている、項目６１に記載の方法。
（項目６４）
前記穿孔板により熱パイプ、前記脱ガス装置、デミスタ、塩水オーバーフロー管および廃棄物蒸気管の通過が可能となる、項目６１に記載の方法。
（項目６５）
前記ボイラ、プレヒータおよび熱パイプが非腐食性材料、たとえばチタン合金またはポリマー被覆金属から構築されている、項目６１に記載の方法。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、前処理プロセスの概略フローシートである。
【図２】図２は、２段を有する脱塩装置の概略図である。
【図３】図３は、脱塩装置段の詳細正面図である。
【図４】図４は、５段を有する脱塩装置の図である。
【図５】図５は、ボイラ、凝縮器およびセパレータ板の正面図、立体図およびプラント図（ｐｌａｎｔ  ｖｉｅｗ）を提供する。
【図６】図６は、熱パイプの概略図である。
【図７】図７は、高性能熱パイプの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
詳細な説明
本発明の実施形態は、いくつかの場合では例示的な形で、または１つ以上の図を参照して、本明細書で開示される。しかし、特定の実施形態のこのような開示のいずれも例示に過ぎず、発明の全範囲を示すものではない。
【００１９】
本発明の実施形態は、浄水および脱塩のためのシステム、方法および装置を含む。好ましい実施形態は、完全に自動化された広範囲の浄水を提供し、クリーニングまたはユーザの介入を必要とせずに非常に長期間にわたって動作することができる。たとえば、本明細書で開示するシステムは、２、４、６、８、１０もしくは１２か月またはそれより長くにわたってユーザの制御または介入なしに運転できる。好ましい実施形態において、システムは、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４もしくは１５年またはそれより長くにわたって自動的に運転できる。
【００２０】
本発明の実施形態はこのため、浄水および脱塩システムであって、少なくとも塩性水、汚染水または海水用の入口、プレヒータ、脱ガス装置、１個以上の蒸発チャンバ、１個以上のデミスタならびに生成物出口、廃棄物出口および制御システムを有する１個以上の生成物凝縮器を含み、出口から出る生成水が実質的に純粋であり、制御システムによりユーザ介入なしに連続的な浄水システムの動作が可能となる、浄水および脱塩システムを提供する。好ましい実施形態において、生成された生成水の体積は、投入水の体積の少なくとも約２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８もしくは９９％またはそれより上である。このため、システムは入口水の取得および／または廃水の廃棄に関連する比較的高い費用または不都合がある状況にて非常に有益である。システムは、投入水または廃水の単位当たりの生成水のシステムによる生成に関して、他の多くのシステムよりも著しく効率的である。
【００２１】
実質的に純水は、異なる実施形態において、以下の基準のいずれかを満足する水であることができる：いずれかの汚染物質に関して、入口水よりも純度が少なくとも２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、１００、１２５、１５０、１７５、２００、２５０、５００、７５０、１０００倍またはその倍数より上の高い純度まで精製された水。他の実施形態において、実質的な純水は、入口水中に存在する複数の汚染物質に関して、上述のレベルの１つまで精製されている水である。すなわち、これらの実施形態において、水の純度または品質は、一連の１つ以上の汚染物質の濃度の関数であり、実質的な純水は、たとえば入口水中のこれらの汚染物質の濃度を、生成水中の同じ汚染物質の濃度と比較して、２５倍または２５倍より上の比を有する水である。
【００２２】
他の実施形態において、水純度は導電率（ｃｏｎｄｕｃｔｉｖｉｔｙ）によって測定することができ、超純水は通例、約１μＳ未満の導電率を有し、蒸留水は通例、約５の導電率を有する。このような実施形態において、生成水の導電率は概して、約１から７の、通例約２から６の、好ましくは約２から５の、２から４の、または２から３の間である。導電率は、総溶解固形分（ＴＤＳ）の尺度であり、塩、イオン、無機物などに関して水純度の良好な指標である。
【００２３】
または、水純度は、多様な標準、たとえば表１および表２に挙げた現行の米国環境保護局（Ｕ．Ｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔａｌ  Ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ  Ａｇｅｎｃｙ（ＥＰＡ））標準ならびに表２に挙げたような他の容認される標準によって測定することができる。したがって、本発明の好ましい実施形態は、たとえば表１に挙げたいずれかの（複数の）汚染物質を含む、広範囲の汚染物質から１つ以上の汚染物質のいずれかを低減することができ、最終生成水は、このような（複数の）汚染物質について、「ＭＣＬ」（最大濃度レベル）と示された列に規定されたレベルか、そのレベル未満のレベルを有し、入口水は、このような（複数の）汚染物質について、規定されたＭＣＬの最大で約２５倍高いレベルを有する。同様に、いくつかの実施形態において、いくらかの汚染物質において、入口水がＭＣＬまたは生成水よりも３０倍、４０倍、５０倍、６０倍、７０倍、８０倍、９０倍、１００倍、１５０倍、２５０倍、５００倍もしくは１０００倍またはその倍数より上である汚染物質を有する場合に、本発明のシステムは、汚染物質をＭＣＬレベルまで除去することができる。
【００２４】
入口水から汚染物質を除去するいずれのシステムの能力も、ある程度までは、入口水中の総不純物レベルの関数であるが、本発明のシステムは特に、単一の供給流から広く異なる種類の複数の異なる汚染物質に十分に適しており、蒸留水に匹敵し、いくつかの場合では超純水に匹敵する水を生成する。表１の「負荷水（Ｃｈａｌｌｅｎｇｅ  Ｗａｔｅｒ）」列は、ＥＰＡ試験において使用される水中の汚染物質の濃度レベルを含有することに留意すべきである。本発明の浄水システムの好ましい実施形態は通例、この列に挙げる量より多量の初期汚染物質を除去することができる。しかし、「負荷水」の列に記載したレベルに相当する汚染物質レベルも同様に、本発明の実施形態の能力の範囲内に十分含まれている。
【００２５】
【表１−１】
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【表１−２】
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【表１−３】
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【表１−４】
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水純度および／または浄化性能の効率は、システムが広範囲の汚染物質を除去する機能に基づいて決定することができる。多くの生物汚染物質については、実質的にすべての生存する汚染物質を除去することが目的である。表２に、源水の追加の一般的な汚染物質およびこれらの汚染物質のレベルを試験するための標準プロトコルを挙げる。表１および表２に挙げるプロトコルは、一般的な汚染物質に関するｗｗｗ．ｅｐａ．ｇｏｖ／ｓａｆｅｗａｔｅｒ／ｍｃｌ．ｈｔｍｌ＃ｍｃｌｓ、ならびにＭｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ  ｉｎ  Ｄｒｉｎｋｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ、ＥＰＡ／６００／４−８８−０３９、Ｄｅｃｅｍｂｅｒ  １９８８、ｒｅｖｉｓｅｄ  Ｊｕｌｙ  １９９１にて公的に入手可能である。方法５４７、５５０、および５５０．１は、Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ  ｉｎ  Ｄｒｉｎｋｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ−Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  Ｉ，ＥＰＡ／６００−４−９０−０２０，Ｊｕｌｙ  １９９０に含まれている。方法５４８．１、５４９．１、５５２．１および５５５は、Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ  ｉｎ  Ｄｒｉｎｋｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ−Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  ＩＩ，ＥＰＡ／６００／Ｒ−９２−１２９，Ａｕｇｕｓｔ  １９９２に含まれている。方法５０２．２、５０４．１、５０５、５０６、５０７、５０８、５０８．１、５１５．２、５２４．２  ５２５．２、５３１．１、５５１．１および５５２．２は、Ｍｅｔｈｏｄｓ  ｆｏｒ  ｔｈｅ  Ｄｅｔｅｒｍｉｎａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｏｒｇａｎｉｃ  Ｃｏｍｐｏｕｎｄｓ  ｉｎ  Ｄｒｉｎｋｉｎｇ  Ｗａｔｅｒ−Ｓｕｐｐｌｅｍｅｎｔ  ＩＩＩ，ＥＰＡ／６００／Ｒ−９５−１３１，Ａｕｇｕｓｔ  １９９５に含まれている。方法１６１３は、“Ｔｅｔｒａ−  ｔｈｒｏｕｇｈ  Ｏｃｔａ−Ｃｈｌｏｒｉｎａｔｅｄ  Ｄｉｏｘｉｎｓ  ａｎｄ  Ｆｕｒａｎｓ  ｂｙ  Ｉｓｏｔｏｐｅ  Ｄｉｌｕｔｉｏｎ  ＨＲＧＣ／ＨＲＭＳ，”ＥＰＡ／８２１−Ｂ−９４−００５、Ｏｃｔｏｂｅｒ  １９９４という名称である。上述はそれぞれ、その全体が参照により本明細書に組み入れられている。
【００２６】
【表２】
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【００２７】
【表３】
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１  ＭＣＬＧ＝最大濃度限界指針
２  ＭＦＬ＝１００万ファイバー／リットル
３  ｐＣｉ／ｌ＝ピコキュリー／リットル
４  検出可能な生物汚染物質が実質的にない。
【００２８】
水前処理システムの全体の説明
前処理システムの目的は、スケール形成化合物が、続いての処理において、特に脱塩の間にスケールを形成することによって干渉しないレベルまで、スケール形成化合物を低減することである。水の硬度は、通常、水中に存在するカルシウムイオン（Ｃａ＋＋）、マグネシウムイオン（Ｍｇ＋＋）および他の２価イオンの量として定義され、通常、これらのイオン、または炭酸カルシウム（ＣａＣＯ３）としてのその等価物の百万分率（ｐｐｍ）で表現される。水が大気からの二酸化炭素を溶解し、そのような二酸化炭素が、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムの両方を形成するように結合する炭酸イオンを提供するので、スケールが発生する；加熱に際して、炭酸カルシウムおよび炭酸マグネシウムの溶解度は、著しく低下して、それらはスケールとして沈殿する。実際は、スケールは、溶液から沈殿するいずれの化学化合物を含む。このため、リン酸鉄および硫酸カルシウム（石膏）もスケールを生成する。表４に、水への低い溶解度を示し、このためスケールを形成し得るいくつかの化学化合物を挙げる。この状況において、低い溶解度は、ここで、溶解度積によって、すなわち、特定の化学物質のカチオンおよびアニオンのイオン濃度の積によって定義され、溶解度は通常は、１リットル当たりのモル（ｍｏｌ／Ｌ）で表現される。
【００２９】
【表４−１】
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【表４−２】
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【表４−３】
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【表４−４】
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【表４−５】
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【表４−６】
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従来のスケール除去技術としては、化学的および電磁的方法が挙げられる。化学的方法は、ｐＨ調整、ポリホスフェート、ゼオライトなどを用いる化学的隔離、またはイオン交換のいずれかを利用する。これらの方法の組合せが通例使用される。通常、化学的方法は、ｐＨを下げ、化学的隔離を用いることによって、スケールが沈殿するのを防ぐことを目的とするが、これらは通例、１００％有効というわけではない。電磁的方法は、非付着性である結晶学的形態に有利となるように、炭酸カルシウムまたは炭酸マグネシウムの電磁的励起に依存している。たとえば電磁的励起は、カルサイトよりむしろアラゴナイトの沈殿に有利であり、アラゴナイトは、炭酸カルシウムのより軟質でより付着性の低い形態である。しかし、電磁的方法は、比較的短い距離および滞留時間に対して有効であるに過ぎない。汚染された水溶液、海水またはさらに処理される生成水からスケール形成構成成分を永続的に取り除く要求がある。
【００３０】
他の因子によって、特に高塩溶液、たとえば海水または生成水（ｐｒｏｄｕｃｅ  ｗａｔｅｒ）において、スケール低減方法が複雑になることがある。これらとしては、高イオン強度溶液の緩衝効果およびあるカチオンが反応するのを遮蔽することができるイオン錯化現象が挙げられる。
【００３１】
本発明の実施形態は、高いｐＨにて水酸化マグネシウム（Ｍｇ（ＯＨ）２）を沈殿させて、次に沈降または濾過のどちらかによって沈殿物を除去することによる、マグネシウムイオンの初期除去を包含する、水道水、汚染水溶液、海水および生成された水などの塩性塩水（ｓａｌｉｎｅ  ｂｒｉｎｅｓ）からスケール形成化合物を除去する方法を提供する。Ｍｇ（ＯＨ）２はたいてい高いｐＨ（およそ１１．０）にて沈殿するが、多くの場合で、マグネシウムのバルクはより低いｐＨにて沈殿する。
【００３２】
Ｍｇ（ＯＨ）２沈殿の後、炭酸イオンは、ほぼ化学量論的量の可溶性炭酸塩または重炭酸塩を添加することによって、ＣＯ２スパージングの形で添加され、続いて、ｐＨを約１０．２または１０．２より上に調整することによって、カルシウム、バリウムおよび他の２価カチオンを炭酸塩として沈殿させる。このプロセスは、大気からＣＯ２を永続的に隔離する正味効果を有し、沈殿物は次に、沈降または濾過のどちらかによって除去される。
【００３３】
この前処理実施形態の詳細な説明は、図１のフローシートに従う。図１において、濾過および脱油された汚染水（１）はライン・ブースタ・ポンプＰ１０１（２０）を通じて前処理システムに進入し、ライン・ブースタ・ポンプＰ１０１（２０）は入来水をミキサ−セトラ槽Ｖ−１０１（４０）中に送達する。槽Ｖ−１０１のｐＨは、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウムまたは同様の化学薬品の形での連続アルカリ添加によって、約１１に維持される。槽Ｖ−１０１におけるｐＨの制御は計量ポンプＰ１０２（２２）によって実現され、計量ポンプＰ１０２（２２）はタンクＴ１０１から可変弁Ｖａ１０１（４５）を通じて苛性溶液を移送する。槽Ｖ１０１内の沈殿したＭｇ（ＯＨ）２スラリは沈降し、底部付近から出て、フィルタＦ１０１（５０）で連続的に濾過されて、このため水酸化マグネシウムの濾過ケーキ（６６）が生じる。
【００３４】
槽Ｖ１０１（４０）でのＭｇ（ＯＨ）２の沈殿後に、透明溶液が最上部付近から出て、スタティックミキサＭ１０１（６０）中に流入して、ここで透明溶液は、フィルタＦ１０１（５０）およびポンプＰ１０３（２４）からの追加の透明濾液ならびにＶ１０２（３２）からの加圧ＣＯ２ガスであることができる炭酸イオン源または可溶性炭酸塩もしくは重炭酸塩の溶液と混合される。
【００３５】
水溶液は次に第２のスタティックミキサＭ１０２に流入し、ここでｐＨを約１０．２まで調整するために追加苛性またはアルカリ性化学薬品が可変弁Ｖａ１０１（４５）から添加され、このｐＨ点において、溶解している二価カチオンの大半が不溶性カーボネートとして沈殿する。沈殿スラリは次にミキサ−セトラＶ１０３（４２）に進入し、ここで不溶性カーボネートが沈降してフィルタＦ１０２（５２）に流入し、ここで第２の濾過ケーキ（６８）が除去される。フィルタＦ１０２からの濾液がポンプＰ１０５（２６）に進入し、ポンプＰ１０５（２６）は可変弁Ｖａ１０２（４７）に供給して、可変弁Ｖａ１０２（４７）は、スケール除去された水生成物（７０）の一部を炭酸塩化ループに戻して循環させる。
【００３６】
さらなる態様において、とりわけ汚染水が過剰な炭酸イオンまたは重炭酸イオンを含有する場合、炭酸塩沈殿のための化学量論的要件を提供するために、カルシウムまたはマグネシウムを添加することができる。またはカルシウムおよびマグネシウムは、カーボネート形態の低溶解度の生成物を有する他の二価カチオン、たとえばバリウム、カドミウム、コバルト、鉄、鉛、マンガン、ニッケル、ストロンチウムまたは亜鉛で置換することができる。
【００３７】
さらなる態様において、カルシウム添加物またはマグネシウム添加物は、そのカーボネート形態または水酸化物形態で低い溶解度の生成物を有する三価カチオン、たとえばアルミニウムまたはネオジムで置換される。
【００３８】
さらなる態様において、ＣＯ２スパージングは、可溶性重炭酸イオン、たとえば重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウムまたは重炭酸アンモニウムの添加と置き換えられる。
【００３９】
さらなる態様において、炭酸塩沈殿およびスケール沈殿物は、沈降または濾過以外の手段、たとえば遠心分離によって除去される。
【００４０】
さらなる態様において、大気からのＣＯ２の永続的な隔離は、従来の脱塩システム、たとえばＭＳＦ蒸発システム、ＭＥＤプラントおよびＶＣ脱塩システムで実現される。
【００４１】
さらなる態様において、スケール形成塩は従来の脱塩システムから永続的に除去される。
【００４２】
さらなる態様において、水道水、都市用水または不快な硬水構成成分、たとえばカルシウムまたはマグネシウムを含有する井戸水は、住宅向け浄水システムでスケール除去される。
【００４３】
さらなる態様において、貴重なスケール形成塩、たとえばマグネシウム、バリウムおよび他の塩は回収される。
【００４４】
さらなる態様において、スケール形成化合物は、非付着性の、容易に濾過可能なまたは沈降可能な固体の形で沈殿して、最後に除去される。
【００４５】
さらなる態様において、発電所からのＣＯ２排出物および同様の煙道ガスは永続的に隔離される。
【００４６】
さらなる態様において、スケール形成化合物は順次、沈殿および除去されるので、スケール形成化合物を下流の工業プロセスで利用および再使用することができる。
【００４７】
本発明のさらなる実施形態は、水溶液からスケール形成化合物を除去する方法であって：少なくとも１つのイオンを溶液に、アルカリ性ｐＨにて第１のスケール形成化合物の沈殿を引き起こすのに十分な化学量論的量で添加すること；溶液のｐＨをアルカリ性ｐＨに調整して、これにより第１のスケール形成化合物を沈殿させること；第１のスケール形成化合物を溶液から除去すること；溶液から第２のスケール形成化合物の沈殿を引き起こすのに十分な温度まで溶液を加熱すること；および第２のスケール形成化合物を溶液から除去すること；を包含する方法を提供する。
【００４８】
さらなる態様において、イオンは炭酸イオンおよび二価カチオンを含む群より選択される。さらなる態様において、炭酸イオンはＨＣＯ３−である。さらなる態様において、二価カチオンはＣａ２＋およびＭｇ２＋を含む群より選択される。
【００４９】
さらなる態様において、化学量論的量は、第１のスケール形成化合物において二価カチオンをバリウム、カドミウム、コバルト、鉄、鉛、マンガン、ニッケル、ストロンチウムおよび亜鉛を含む群より選択される二価カチオンで置換するのに十分である。
【００５０】
さらなる態様において、化学量論的量は、第１のスケール形成化合物において二価カチオンをアルミニウムおよびネオジムを含む群より選択される三価カチオンで置換するのに十分である。
【００５１】
さらなる態様において、少なくとも１つのイオンを添加することは、溶液にＣＯ２ガスをスパージングすることを含む。
【００５２】
さらなる態様において、ＣＯ２は大気中のＣＯ２である。
【００５３】
さらなる態様において、少なくとも１つのイオンを添加することは、重炭酸ナトリウム、重炭酸カリウムおよび重炭酸アンモニウムを含む群より選択される可溶性重炭酸イオンを溶液に添加することを含む。
【００５４】
さらなる態様において、少なくとも１つのイオンを添加することは、ＣａＯ、Ｃａ（ＯＨ）２、Ｍｇ（ＯＨ）２およびＭｇＯを含む群より選択される化合物を溶液に添加することを含む。
【００５５】
さらなる態様において、アルカリ性ｐＨは、およそ９．２または９．２より上のｐＨである。
【００５６】
さらなる態様において、第１のスケール形成化合物は、ＣａＣＯ３およびＭｇＣＯ３を含む群より選択される。
【００５７】
さらなる態様において、溶液のｐＨを調製することは、ＣａＯおよびＮａＯＨを含む群より選択される化合物を溶液に添加することを含む。
【００５８】
さらなる態様において、第１のスケール形成化合物を除去することは、濾過、沈降および遠心分離の少なくとも１つを含む。
【００５９】
本発明のさらなる実施形態は、スケール形成化合物を得る方法であって：水溶液を提供すること；アルカリ性化学薬品を、アルカリ性ｐＨにて第１のスケール形成化合物の沈殿を引き起こすのに十分な量で添加すること；溶液のｐＨをアルカリ性ｐＨに調整して、これにより第１のスケール形成化合物を沈殿させること；第１のスケール形成化合物を溶液から除去すること；溶液から第２のスケール形成化合物の沈殿を引き起こすのに十分なアルカリ性ｐＨを維持しながら、炭酸イオンを添加すること；第２のスケール形成化合物を溶液から除去すること；第１のスケール形成化合物を回収すること；および第２のスケール形成化合物を回収すること；を包含する方法を提供する。
【００６０】
さらなる態様において、第１および第２のスケール形成化合物は、表４に挙げる化合物の群より選択される。
【００６１】
本発明のさらなる実施形態は、大気中のＣＯ２を隔離する方法であって：炭酸イオンの存在下でＣＯ２隔離化合物を形成することができる少なくとも１つのイオンを含有する水溶液を提供すること；アルカリ性ｐＨにてＣＯ２隔離化合物の沈殿を引き起こすのに十分な化学量論的量の炭酸イオンを溶液に添加すること；溶液のｐＨをアルカリ性ｐＨに調整して、これによりＣＯ２隔離化合物を沈殿させること；およびＣＯ２隔離化合物を溶液から除去すること；を含み、炭酸イオンを添加することが大気中のＣＯ２または濃縮されたＣＯ２のどちらか（たとえば燃焼煙道ガス）を溶液に添加することを含み、ＣＯ２がＣＯ２隔離化合物中に隔離される、方法を提供する。
【００６２】
水脱塩システムの全体の説明
好ましい実施形態、たとえば図２に示す実施形態において、浄水および脱塩システムは、ボイラ（９２および９６）および凝縮器（９０、９４および９８）の垂直スタック配置より成り、これにより熱源がスタックの底部に提供され、プレヒータ（７４）がスタックの最上部に提供され、入来水から揮発性有機化合物を除去するための脱ガス装置（８０）がシステムの最上部に提供され、各沸騰チャンバから汚染されたミスト粒子を除去するための複数のデミスタ（図示せず）が提供され、各凝縮器から熱を回収して、このような熱を上沸騰チャンバに伝達するための複数の熱パイプ（７８）が提供され、水汚染物質を除去および排出するための水流出口（１００）が提供される。垂直スタック配置の多様な代替的構成、たとえばボイラ、凝縮器およびプレヒータなどの側方配置が当業者にとって可能である。
【００６３】
図２において、前処理水（７０）が脱塩装置にスタックの上端付近にてパイプライン（７２）を通じて進入して、パイプライン（７２）は流れをプレヒータタンク（７４）中に送達する。プレヒータタンク（７４）内のいくつかの熱パイプ（７８）が熱を送達し、すぐ下に置かれた凝縮器（９０）からの凝縮熱を伝達することによって、入来水を予熱する。予熱水はパイプ（７６）を通じてプレヒータタンク（７４）を出て、パイプ（７６）は予熱水を脱ガス装置（８０）の上端へと送達し、ここで予熱水は重力により下方に流れ、その間に蒸気の向流はボイラ（９２）から脱ガス装置（８０）の底部を通じて上方に流れる。蒸気が有機汚染物質およびガスを予熱水からストリッピングすると、脱ガス水は脱ガス装置（８０）を出て、ボイラ（９２）に進入する。
【００６４】
ボイラ（９２）に進入した前処理および脱ガス水は、凝縮器（９４）からの凝縮熱を伝達する熱パイプ（７８）によってさらに加熱される。ボイラ（９２）にて生成された蒸気は、後述するデミスタにてクリーニングされ、凝縮器（９０）にて凝縮され、清浄な水生成物はパイプ（１０２）を介してシステムを出て、パイプ（１０２）は清浄な水生成物を各凝縮器から収集する。水がボイラ（９２）から蒸発すると、溶解した塩の濃度が上昇する。ボイラ（９２）における沸騰水の水位は、重力によって水をボイラから出すことができる降水管（１０１）によって、定水位に維持される。
【００６５】
ボイラおよび凝縮器の垂直配置における重要な要素は、ボイラ間のわずかな圧力差を維持する機能であるため、下ボイラは、上ボイラよりわずかに高い圧力を有すると考えられ、そのため、下ボイラの温度は上ボイラの温度よりもわずかに高くなると考えられる。この圧力差はポンプによって維持することができるが、好ましい実施形態において、より低圧で作動する弁（１０３）によってこのような圧力差を維持する、降水管（１００）および（１０１）の水頭によって簡単に維持される。
【００６６】
ボイラおよび凝縮器の垂直配置のより詳細な説明が図３に提供されている。図３において、ボイラ（９２）は、上ボイラへの排出、または脱ガス装置からの水の収容のどちらかを行う降水管（１０１）からの高温入来水を収容する。ボイラ（９２）において、熱パイプ（７８）は、温度を沸点にするために必要な熱を伝達し、蒸発熱を提供して、沸騰水の一部を蒸気に変換する。生成された蒸気はデミスタ（１１０）に進入し、デミスタ（１１０）ではミスト粒子が清浄蒸気のみを蒸気管（１１５）に進入させる一連の機械式バリアによって収集され、蒸気管（１１５）はこのような蒸気を上凝縮器チャンバ（９０）まで送達し、上凝縮器チャンバ（９０）は蒸気を清浄な水生成物へと凝縮し、水生成物は生成水排水管（１０２）を通じて排出される。
【００６７】
水がボイラ（９２）にて沸騰すると、水はより高密度となり、可溶性塩がより濃縮されて、降水管（１００）を通じて下ボイラ（９６）内へと出る。降水管（１００）底部の弁（１０３）により、下ボイラ（９６）を上ボイラ（９２）よりわずかに高い圧力で、このためわずかに高い温度で維持するのに必要な水圧が提供される。
【００６８】
管（１２０）および（１３０）ならびに中間弁（１２５）は、２つの作用を果たす。起動手順の間に、圧力調整器またはソレノイドによって制御可能である弁（１２５）は開いていて、蒸気を下ボイラ（９６）から上ボイラ（９２）へ直接移動させ、このため起動手順を加速させる。システムが正しい温度にてひとたび動作すると、弁（１２５）は閉じられる。停止手順の間、熱源は遮断され、すべてのボイラの排水を促進するために弁（１２５）が再び開かれる。
【００６９】
図４は、５つの垂直段を有する脱塩装置の図である。図４において、予熱およびスケール除去された水（７０）は管（７２）を通じて上プレヒータ槽（７４）に進入し、上プレヒータ槽（７４）において熱パイプ（７８）からの熱は、入来水を沸点付近まで、しかし９６℃未満に予熱するために必要なエネルギーを提供する。予熱水はプレヒータ（７４）を出て、脱ガス装置（８０）に進入し、脱ガス装置（８０）では向流蒸気がガスおよび有機汚染物質をストリッピングする。脱ガス水は次に上ボイラ（９２）に流入して、上ボイラ（９２）では熱パイプが入来水の一部を蒸気に変えるのに必要な熱を提供する。上ボイラ（９２）にて生成された蒸気のいくらかは、脱ガス用蒸気を提供するために使用され得るが、残りはデミスタ（１１０）に、続いて上凝縮器（９０）に流入し、上凝縮器（９０）にて蒸気の残りは純生成水へと凝縮される。上ボイラ（９２）にて水が蒸発すると、水は可溶性塩がより濃縮されて、重力によって降水管（１００）を介して下ボイラに流入する。ボイラ水は、ボイラからボイラへ最も下のボイラに達するまで下方に移動するにつれて、可溶性塩が次第により濃縮され、最も下のボイラでは、水が、冷却するとただちに結晶化を開始し得る、高温の濃縮塩水としてシステムを出る。脱塩の場合、高温の廃塩水は、ほぼ２５０，０００ｐｐｍのＴＤＳ濃度を有し得る；この濃度は、ＮａＣｌの溶解限度よりまだ低いが、冷却のときに結晶化を開始するには十分に近い。
【００７０】
水流とは対照的に、熱は、底部の熱投入槽（１５０）から最後に上部の予熱槽（７４）まで、複数の段の熱パイプ（７８）によって、システムを上方へ移動する。各段では、凝縮熱が、または底部の熱投入槽（１５０）の場合は、煙道ガスの潜熱もしくは廃蒸気の凝縮熱が一連の熱パイプによって吸収され、熱パイプは熱を上ボイラに、垂直スタックの最上部では上予熱タンク（７４）に伝達する。
【００７１】
本明細書に記載するシステムの重要な利点は、熱パイプを介した熱伝達機構である。続いてのセクションに示すように、熱パイプは、熱力学的にほぼ可逆性である熱を伝達する手段、すなわち効率をほとんど損失せずにエンタルピーを伝達するシステムを提供する。このため、予熱エネルギーを除いて、底部の熱投入槽（１５０）によって提供されたほぼすべての熱は、熱パイプの凝縮側を沸騰側から分離する壁における熱損失を最小限に抑えることによって、沸騰および凝縮の各段階にて再使用される。その距離は、ごく薄いか、または絶縁体として作製することができる穿孔板（９３）により画定されているため、熱伝達の間の熱損失の量はゼロに近づけることが可能である。ゆえに複数の沸騰および凝縮段階の間に使用されるエネルギーは、水の蒸発熱をシステムの段数で割ることによってただちに概算できる。
【００７２】
しかし、システムにおける段数が増加すると、各段にて生成される蒸気の量は減少する；段数が大きいと、上凝縮器にて凝縮する熱量は、入来水を予熱するのに必要な熱を提供するには不十分であり、脱ガスに必要な蒸気を提供するにも不十分である。表５は、システムにおける段数の関数としての、しかし脱ガス要件は無視した、通常は有機汚染物質を含まない、海水の場合のこれらのエネルギー要件を示す。
【００７３】
【表５】
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上の概算により、システムの底部における高温廃塩水で利用可能な熱および多様な生成水流に含有される熱は、熱交換器または熱パイプのどちらかによって回収されると推定される。簡単な配置では、各生成物流が垂直システムを流下するときに、生成物流に代わって入来水を予熱することにより、この熱の大半を回収することが可能であり、廃塩水からの熱回収が終了し、次にこの予熱水がシステムの最上部まで再圧送され、システムの最上部では温度を沸点まで上昇させるために最小量の補助熱が必要とされる。
【００７４】
代替的実施形態において、各段における生成水を上凝縮器段に再導入して、急速に流し、これにより含有される熱の一部を放出させる。他の実施形態において、前処理された入来水を個別流に分割して、蒸留のために各個別段に導入することができる。
【００７５】
図５は、代表的な段のプラント図、立体図および正面図を示し、６段でほぼ１００，０００ｇｐｄ（３７８．５ｍ３／日）を処理することができるシステムに好適なボイラ、凝縮器およびセパレータ板の寸法を提供する。
【００７６】
本発明において、沸騰および凝縮段の数を最大化できることが有利である。このことは熱パイプの使用により可能であるが、ただし、このような熱パイプの凝縮端と沸騰端の間の温度差（ΔＴ）が熱パイプを通じた最大熱流束を維持するのに十分であるという条件下においてである。商業的に利用可能な熱パイプは通例、ほぼ８℃（１５°Ｆ）のΔＴを有するが、３℃という低いΔＴを有するものもある。ΔＴは、所与の温度にて利用可能な所与の熱量によって実用的である最大段数を定義する。このため、可能な限り小さいΔＴによって機能できる熱パイプへの要求がある。ゆえに、熱パイプにおける熱現象を調査することが有用である。
【００７７】
図６は、普通は、少量の動作流体（８１）を含有する部分真空密閉管（７７）より成る代表的な市販の熱パイプを示す；この流体は通例は水であるが、アルコールまたは他の揮発性液体でもよい。熱がエンタルピーの形で下端に加えられると、熱が管（７７）の金属バリアを渡り、次に動作流体（８１）に蒸発熱を提供するために使用される。動作流体が蒸発すると、生じたガス（水の場合には蒸気である）が管（７７）を満たし、上端に達して、上端ではΔＴによって、凝縮が引き起こされ、凝縮熱としての同じ熱が放出される。連続動作を促進するために、管（７７）の内側は通常は芯（７９）を含み、芯（７９）は、動作流体の凝縮相を管の高温端に戻すように移送する、いずれの多孔性で親水性の層であることもできる。
【００７８】
実験的には、熱パイプにおける熱伝達の最大のバリアとしては：１）熱パイプの外側にすぐ隣接している層、２）熱パイプの材料によって示される伝導バリア、および３）動作流体を熱パイプの高温端に戻すための芯材料の制限が挙げられる。図７は、これらのバリアを最小限に抑える高性能熱パイプを示す。
【００７９】
図７において、振動エネルギー（８７）は、機械的振動、電気機械的振動または高周波数超音波のいずれかの形で熱パイプ（７８）に提供される。この振動は、熱パイプの長さに伝送されて、熱パイプに隣接する層を妨害する。この層の妨害により、層の微視的乱流が促進され、このため熱伝達が生じる。加えて、疎水性コーティングが熱パイプの外側の、とりわけ外部凝縮が起こる範囲に提供される。疎水性コーティングは、ステアリン酸もしくは同様の炭化水素の単層より成ってよく、または疎水性クロロフルオロカーボンの薄層であってよい。熱パイプ外部の疎水性表面により、凝縮および蒸発に必要な範囲が最小限に抑えられ、このため熱伝達のためのバリアが低減される。
【００８０】
熱伝導バリアは、大半の熱パイプの固体金属管の代わりに非常に薄い金属箔（７７）を使用することによっても最小限に抑えられる。金属箔の機械的な支持は、中程度の真空を維持するのに十分でなければならず、金属スクリーン（８５）によって提供され、これは必要な凝縮熱／蒸発熱を提供するために必要な内部表面積を増大させることにより、追加の機能性を提供する。
【００８１】
動作流体の分布の改善は、芯を熱パイプの軸に対して配向させて、これにより熱パイプの壁を渡っての熱伝達による凝縮物の熱干渉を低減することによって実現される。芯材料は、毛細管作用によって動作流体を移送できるいずれの親水性で多孔性の媒体、たとえば金属酸化物、あるセラミック、表面処理セルロース材料などであることができる。
【００８２】
いくつかの実施形態において、水および塩性溶液からスケール除去するためのシステム、その実施形態は本明細書に開示され、他のシステムおよび装置と併用されてさらに有益な特徴を提供することができる。たとえばシステムは：２００５年５月２日に出願された、ＳＯＬＡＲ  ＡＬＩＧＮＭＥＮＴ  ＤＥＶＩＣＥという名称の米国特許仮出願第６０／６７６８７０号；２００５年７月６日に出願された、ＶＩＳＵＡＬ  ＷＡＴＥＲ  ＦＬＯＷ  ＩＮＤＩＣＡＴＯＲという名称の米国特許仮出願第６０／６９７１０４号；２００５年７月６日に出願された、ＡＰＰＡＲＡＴＵＳ  ＦＯＲ  ＲＥＳＴＯＲＩＮＧ  ＴＨＥ  ＭＩＮＥＲＡＬ  ＣＯＮＴＥＮＴ  ＯＦ  ＤＲＩＮＫＩＮＧ  ＷＡＴＥＲという名称の米国特許仮出願第６０／６９７１０６号；２００５年７月６日に出願された、ＩＭＰＲＯＶＥＤ  ＣＹＣＬＯＮＥ  ＤＥＭＩＳＴＥＲという名称の米国特許仮出願第６０／６９７１０７号；２００４年１２月１日に出願されたＰＣＴ出願番号ＵＳ２００４／０３９９９３；２００４年１２月１日に出願されたＰＣＴ出願番号ＵＳ２００４／０３９９９１；２００６年１０月１３日に出願されたＰＣＴ出願番号ＵＳ２００６／０４０１０３；２００８年９月３日に出願された米国特許出願第１２／２８１，６０８；２００８年３月２１日に出願されたＰＣＴ出願番号ＵＳ２００８／０３７４４および２００３年１２月２日に出願された米国特許仮出願第６０／５２６，５８０号に開示されている装置および方法のいずれとも合せて使用することができる；上述の各出願は、その全体が参照により本明細書に組み入れられている。
【００８３】
当業者は、これらの方法および装置が目的を実行し、上述の目的および利点ならびに他の多様な利点および利益を得るのに適し、ならびに適し得ることを認識する。本明細書で説明する方法、手順および装置は、現在の好ましい実施態様を表し、例示的なものであり、本発明の範囲を限定するものとして意図されていない。当業者は、本発明の趣旨に包含され、本開示の範囲によって定義される、その中での変更および他の用途を着想する。
【００８４】
本明細書において例証的に説明した発明は、本明細書で具体的に開示されない１つまたは複数の要素、１つまたは複数の限定のいずれもなしに、好適に実施することができる。用いられてきた用語および表現は、限定ではなく説明の用語として使用され、そのような用語および表現の使用は、図示および説明した特徴の、同等物の除外を示すことを意図しない。開示された発明の範囲内で多様な改変が可能であることが理解される。このため、本発明を好ましい実施態様および任意の特徴によって具体的に開示してきたが、当業者は本明細書における概念の改変および変形をし直してもよく、そのような改変および変形は、本開示によって定義されたような本発明の範囲内にあると見なされるべきである。
【００８５】
当業者は、本明細書で述べる本発明の態様および実施態様が相互から別個に、または相互に組み合わせて実施できることを認識する。ゆえに、別個の実施態様の組合せは、本明細書で開示するような発明の範囲内に含まれる。
【００８６】
すべての特許および刊行物は、個別の各刊行物が、参照により組み入れられることが具体的および個別に指示されているかのように、参照により本明細書に組み入れられている。
【実施例】
【００８７】
実施例１−海水の水スケール除去システム
海水のおよその化学組成は、下の表６に示され、外洋によく見られるが、地理および／または気候に応じて海水組成に顕著な変動がある。
【００８８】
【表６−１】
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【表６−２】
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５０ガロンの外洋の海水を収集し、２０から２００ガロン／日を連続的に扱うことができるパイロット施設にて処理した。最初に、５０ｍＬ／リットルの１０％水酸化ナトリウム（苛性）溶液を使用して海水のｐＨをおよそ１１．２まで上昇させ、生じた沈殿物をシックナーにて沈降させてから、１μポアフィルタを使用して濾過した。次に濾液を０．９ｇ／リットルの重炭酸ナトリウムによってコンディショニングして、ｐＨを１０．２に調整し、炭酸塩の別の沈殿物を得て、この沈殿を再度沈降させて、続いてミクロンフィルタを使用して濾過した。最終濾液の化学分析によって、スケール形成イオン、たとえばカルシウムおよびマグネシウムが約６７％減少し、残りのカルシウムおよびマグネシウムが沸騰時に沈殿しない可溶性塩化物を形成していることが示された。
【００８９】
同様の実験において、１Ｌの外洋の海水を３０ｍＬの１０％水酸化ナトリウム（苛性）溶液を使用して処理し、海水のｐＨを１１．０近くまで上昇させ、生じた沈殿物をシックナーにて沈降させてから、１μポアフィルタを使用して濾過した。次に濾液を０．９ｇ／リットルの重炭酸ナトリウムによってコンディショニングして、別の０．７ｇの苛性溶液を添加することによってｐＨを９．８に調整して、炭酸塩の沈殿物を得て、この沈殿を沈降させて、続いて１μフィルタを使用して濾過した。得られた濾液では、スケール形成化合物は検出されなかった。
【００９０】
処理溶液中のスケール除去の程度を確かめるために、特殊な試験手順を開発した。この試験では、処理溶液の試料をガラスビーカーに収集し、試料を圧力クッカー内で加圧下、１２０℃の温度にて５時間まで沸騰させる。この試験手順の後に、試料を取り出して、目視ならびに顕微鏡下で検査して、いずれの固体沈殿物も検出する。後に続く脱塩部内での滞留時間がわずか２、３時間であるため、この特定の試験ではいずれのスケールも存在しないことによって、脱塩中にスケールが形成しないことが証明される。本明細書に記載するいずれの実施例においても、前処理後にスケールは一切検出されなかった。
【００９１】
実施例２−廃棄流入組成物の処理におけるスケールの除去
肥料処理施設から廃棄物流として得た水性廃棄流入組成物を、スケール形成が非常に望ましくない、別個の浄水装置における生成物の最終的な脱塩に対する前処理として、スケール形成化合物を除去するために上記の様式で処理した。処理装置のスループットは、１日当たり６ガロン（ＧＰＤ）であり、この装置を、２０００ｍ３／日（５２８，４０１．６ＧＰＤ）を必要とする工業用の状況を試験するためのパイロット装置として使用した。関連する元素およびイオンに関する廃棄流入物の組成を下の表７に示す。
【００９２】
【表７】
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廃棄流入物は、３５，０００ｐｐｍ（ｍｇ／Ｌ）のＴＤＳ含有量を有していた。表７から分かり得るように、廃棄流入物は、スケールを引き起こす傾向のある、特に高濃度のカルシウムおよびマグネシウムを有した。
【００９３】
この廃棄流入物を、上に記載される様式で処理した。流入物は、炭化水素をほとんど含まないか、または全く含まないため、脱油および脱ガスを行わなかった。（溶解しているＭｇと反応させるための水酸化物イオンを提供するために）ＣＯ２炭酸塩化およびＮａＯＨの添加に続いて、追加のＮａＯＨを使用して９．３のｐＨへのｐＨ調整を行った。プロセスによって、濾過されたスケール形成組成物（「濾過ケーキ」）および流出物（生成物）が生じた。流出生成物を上に記載した手順に従ってスケール形成について試験を行い、スケールまたは沈殿物は検出されなかった。
【００９４】
実施例３−生成水の処理におけるスケールの除去
本開示の処理プロセスを、プロセスが油抽出動作から生成された水またはガスフラッキング動作からの廃水としてこのような投入溶液を取り扱う能力を試験するために、高レベルのＴＤＳおよび高度の水硬度に調整された海水に適用した。水に本開示のプロセスを使用して前処理を行ってから、米国特許出願第７，６７８，２３５号に記載されている装置などの水脱塩装置で精製した。以下でより詳細に論じるように、本開示の前処理プロセスに供した海水は、浄水装置で供給水として使用される場合に、スケール形成を示さなかった。
【００９５】
以下の量の多様な化合物を、本実施例の投入水溶液を生成するために新鮮な海水に添加した：７．１ｋｐｐｍの目標Ｃａ２＋濃度を生成するために７グラム／リットルのＣａ（ＯＨ）２を添加して、２９グラム／リットルのＮａＣｌも添加した。生じた水試料のＴＤＳは６６ｋｐｐｍであった。
【００９６】
第１の沈殿は、溶液のｐＨを１０．５超まで上昇させるために、必要に応じておよそ５グラム／リットルのＮａＯＨを添加することによって室温にて行った。主に水酸化マグネシウムを含む乳白色沈殿物が、この第１の室温での手順にて沈殿した。水を濾過して固体沈殿物を除去した。
【００９７】
第２の沈殿は、ｐＨを９．８まで調整するために重炭酸ナトリウムおよび十分な苛性を添加することによって行い、主に炭酸カルシウムおよび他の炭酸塩を含有する第２の沈殿物を得た。スケール除去および濾過された水のＴＤＳはおよそ６５ｋｐｐｍであった。
【００９８】
米国特許第７，６７８，２３５号に従って、スケール除去された水を浄水装置への流入物として使用した。生成水を装置から収集して、生成水のＴＤＳを測定した。入口水は６５ｋｐｐｍのＴＤＳを有していたが、浄水装置の生成水は１０ｐｐｍ未満であった。測定可能なスケールの発生は、装置のボイラでは観測されなかった。
【００９９】
実施例４−外洋水の脱塩
５０ガロンの外洋水を先に記載した手順に従って最初に前処理して、５０−２００ＧＰＤのスループット用に設計されたパイロット脱塩装置に供給した。生成水は１０ｐｐｍ未満のＴＤＳを有し、スケール形成の兆候はいずれのボイラでも検出されなかった。
【０１００】
実施例５−生成水の脱塩
１４６，０００ｐｐｍを超えるＴＤＳおよび著しいアルカリ度を含有する５０ガロンの合成生成水を先に記載した手順に従って最初に前処理して、５０−２００ＧＰＤのスループット用に設計されたパイロット脱塩装置に供給した。生成水は４０ｐｐｍ未満のＴＤＳを有し、スケール形成の兆候はいずれのボイラでも検出されなかった。
【０１０１】
実施例６−汽水の脱塩
３，８７０ｐｐｍを超えるＴＤＳを含有する５０ガロンの汽水を先に記載した手順に従って最初に前処理して、５０−２００ＧＰＤのスループット用に設計されたパイロット脱塩装置に供給した。生成水は１０ｐｐｍ未満のＴＤＳを有し、スケール形成の兆候はいずれのボイラでも検出されなかった。
【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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【外国語明細書】
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