(57)【要約】  電気化学セル（１０２）は、陰イオンおよび陽イオン交換物質を有するイオン交換膜（１０）を備えている。膜（１０）は、それらの間に複合型水分解界面を画成する別個の陰イオンおよび陽イオン交換層（１２，１４）を有することができる。ある形式では、膜（１０）は、ピーク（２８）と谷（３０）が間隔が置かれて配置されたテキスチャー特徴構造（２６）のパターンを有するテキスチャード表面を有する。膜（１０）は、電気化学セル（１０２）のハウジング（１２９）内に挿入するためのインテグラル・スペーサ（８０）を有することもできる。ハウジング（１２９）は、カートリッジ（１００）に適合する取外し可能な蓋（９６）を有することもできる。電気化学セル（１０２）は、イオン制御装置（１２０）の一部であっても差し支えない。
2008507406.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
テキスチャーのある水分解膜であって、
(a)  間に複合型の水分解界面を形成する、陽イオン交換層に隣接した陰イオン交換層、および
(b)  ピークと谷を間隔を置いて有するテキスチャー特徴構造のパターンを持つテキスチャード表面、
を有してなる膜。
【請求項２】
(i)  前記ピークが山の背であり、前記谷が、隣接する山の背の間の畝を含み、前記山の背と畝が、前記膜の使用中に溶液が該膜を横切って移動する方向に対して略平行である、または
(ii)  前記ピークが円錐状突出部またはメサを含み、該ピークが、前記谷を画成する実質的に平らな表面領域から延在している、
いずれかであることを特徴とする請求項１記載の膜。
【請求項３】
前記テキスチャー特徴構造が：
(i)  前記膜の表面を横切って移動する溶液により該膜の表面で形成される停滞層の厚さより大きい寸法、
(ii)  少なくとも約２マイクロメートルの寸法、
(iii)  少なくとも約１０マイクロメートルのピークからピークの距離ｄpp、
(iv)  少なくとも約１０マイクロメートルのピークから谷の距離ｄpv、
(v)  少なくとも約０．１のアスペクト比ｄpv／ｄpp、および
(vi)  約０．１より大きいアスペクト比ｄpv／ｄpp、
の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１記載の膜。
【請求項４】
前記ピークを横切るチャンネルをさらに含むことを特徴とする請求項１記載の膜。
【請求項５】
前記陰イオン交換層が−ＮＲ3Ａ基を含み、前記陽イオン交換層が−ＳＯ3Ｍ基を含むことを特徴とする請求項１記載の膜。
【請求項６】
前記テキスチャード表面上なインテグラル・スペーサをさらに含み、該インテグラル・スペーサが、
(i)  前記テキスチャード表面上のフィラメント、
(ii)  前記テキスチャー特徴構造のピーク上のコーティング、
(iii)  約１０００マイクロメートル未満の厚さ、および
(iv)  約５００マイクロメートル未満の厚さ、
の内の少なくとも１つにより特徴付けられることを特徴とする請求項１記載の膜。
【請求項７】
イオン交換電気化学セルのためのカートリッジであって、
(a)  互いに隣接した複数のテキスチャード膜であって、各々が、
(i)  間に複合型の水分解界面を形成する、陽イオン交換層に隣接した陰イオン交換層、および
(ii)  ピークと谷を間隔を置いて有するテキスチャー特徴構造のパターンを持つテキスチャード表面、
を有する膜、
を備えたカートリッジ。
【請求項８】
(i)  前記ピークが山の背であり、前記谷が、隣接する山の背の間の畝を含み、前記山の背と畝が、前記膜の使用中に溶液が該膜を横切って移動する方向に対して略平行である、または
(ii)  前記ピークが円錐状突出部またはメサを含み、該ピークが、前記谷を画成する実質的に平らな表面領域から延在している、
いずれかであることを特徴とする請求項７記載のカートリッジ。
【請求項９】
前記テキスチャー特徴構造が：
(i)  前記膜の表面を横切って移動する溶液により該膜の表面で形成される停滞層の厚さより大きい寸法、
(ii)  少なくとも約２マイクロメートルの寸法、
(iii)  少なくとも約１０マイクロメートルのピークからピークの距離ｄpp、
(iv)  少なくとも約１０マイクロメートルのピークから谷の距離ｄpv、
(v)  少なくとも約０．１のアスペクト比ｄpv／ｄpp、および
(vi)  約０．１より大きいアスペクト比ｄpv／ｄpp、
の内の少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項７記載のカートリッジ。
【請求項１０】
前記テキスチャード表面上なインテグラル・スペーサをさらに含み、該インテグラル・スペーサが、
(i)  前記テキスチャード表面上のフィラメント、
(ii)  前記テキスチャー特徴構造のピーク上のコーティング、
(iii)  約１０００マイクロメートル未満の厚さ、および
(iv)  約５００マイクロメートル未満の厚さ、
の内の少なくとも１つにより特徴付けられることを特徴とする請求項７記載のカートリッジ。
【請求項１１】
前記テキスチャード膜がコアチューブの周りに螺旋状に巻き付けられており、端部キャップにより囲まれていることを特徴とする請求項７記載のカートリッジ。
【請求項１２】
前記端部キャップの少なくとも１つが、電極が通れる孔を有することを特徴とする請求項１１記載のカートリッジ。
【請求項１３】
前記螺旋状に巻き付けられたテキスチャード膜が互いにずれていることを特徴とする請求項１１記載のカートリッジ。
【請求項１４】
前記テキスチャード膜が互いに距離ｄo＝３．１４×ｄc／ｎだけずれており、ｄcが、前記膜が上に巻かれる前記コアチューブの外径であることを特徴とする請求項１３記載のカートリッジ。
【請求項１５】
前記ずれた膜の上端が互いに付着していることを特徴とする請求項１３記載のカートリッジ。
【請求項１６】
両端の端部キャップがＯリングシールを有することを特徴とする請求項１１記載のカートリッジ。
【請求項１７】
溶液流からイオンを除去するまたは交換するための電気化学セルであって、請求項７記載のカートリッジ、および前記カートリッジの周りに第１と第２の電極を含むハウジングを有することを特徴とする電気化学セル。
【請求項１８】
請求項１７記載の電気化学セルを含む電気化学イオン交換装置であって、
(a)  前記第１と第２の電極に電圧を供給するための電源、および
(b)  前記電気化学セルを通して溶液流を流すためのポンプ、
を含むことを特徴とする電気化学イオン交換装置。
【請求項１９】
イオン交換電気化学セルのためのカートリッジを製造する方法であって、
(a)  各々が、(i)陰イオンおよび陽イオン交換物質、および(ii)互いに間隔が置かれたピークと谷を有するテキスチャー特徴構造のパターンを持つテキスチャード表面、を有する複数のテキスチャード膜を形成し、
(b)  互いにずれたテキスチャード膜のずれた膜積層体を形成し、
(c)  コアチューブを提供し、該コアチューブの周りに前記ずれた膜積層体を巻き付けて、カートリッジロールを形成し、
(d)  前記カートリッジロールの上端と下端に端部キャップを取り付ける、
各工程を有してなる方法。
【請求項２０】
(i)  前記膜の表面を横切って移動する溶液により該膜の表面で形成される停滞層の厚さより大きい寸法、
(ii)  少なくとも約２マイクロメートルの寸法、
(iii)  少なくとも約１０マイクロメートルのピークからピークの距離ｄpp、
(iv)  少なくとも約１０マイクロメートルのピークから谷の距離ｄpv、
(v)  少なくとも約０．１のアスペクト比ｄpv／ｄpp、および
(vi)  約０．１より大きいアスペクト比ｄpv／ｄpp、
の内の少なくとも１つを含むテキスチャー特徴構造を持つテキスチャード膜を形成する工程をさらに含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２１】
工程(b)が、前記膜の上端が同じ方向に互いにずれているように、次々と前記膜を配置する工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２２】
前記膜の上端を、互いに距離ｄo＝３．１４×ｄc／ｎだけずらす工程を含み、ｄcが、前記膜が上に巻かれる前記コアチューブの外径であることを特徴とする請求項２１記載の方法。
【請求項２３】
工程(b)が、膜のサブアセンブリ積層体を１つ以上形成する工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２４】
クリップ、接着剤、熱かしめ、縫い付け、リベット、ステープル、超音波接合または溶接により、前記ずらされた膜の上端を互いに付着させる工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２５】
工程(c)が、前記コアチューブ上に前記ずらされた膜積層体の底面を位置決めし、前記膜積層体を引っぱるまたは半径方向の力を加えることによって、前記積層体に張力を維持しながら、前記コアチューブの周りに該積層体を巻き付ける工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２６】
工程(c)が、前記カートリッジロールの上に外側スリーブを取り付ける工程を含むことを特徴とする請求項１９記載の方法。
【請求項２７】
巻付けの前に、前記膜に外側スリーブを取り付け、該外側スリーブをそれ自体に、接着剤、溶接、または繊維により取り付ける工程を含むことを特徴とする請求項２６記載の方法。
【請求項２８】
電気化学セルを形成する方法であって、溶液の入口と出口を有する電気化学セルのハウジングを提供し、前記コアチューブが前記溶液の出口と流体接続しているように前記ハウジング内に請求項１６記載によるカートリッジを配置する各工程を有してなる方法。
【請求項２９】
イオン交換電気化学セルのためのカートリッジを製造する方法であって、
(a)  各々が、(i)陰イオンおよび陽イオン交換物質、および(ii)互いに間隔が置かれたピークと谷を有するテキスチャー特徴構造のパターンを持つテキスチャード表面、を有する複数のテキスチャード膜を形成し、
(b)  前記膜の上端が同じ方向に互いからずれているように前記膜を互いに重ねることによって前記テキスチャード膜のずれた膜積層体を形成し、ずれた膜の上端を互いに付着させ、
(c)  コアチューブを提供し、該コアチューブの周りに前記ずれた膜積層体を巻き付けて、カートリッジロールを形成し、
(d)  前記カートリッジロールの周りに外部スリーブを巻き付けて、それ自体で重複させ、
(e)  前記カートリッジロールの上端と下端に端部キャップを取り付ける、
各工程を有してなる方法。
【請求項３０】
電気化学セルを形成する方法であって、
(a)  溶液の入口と出口を有するハウジングを提供し、
(b)  カートリッジを、
(1)  膜の上端が同じ方向に互いからずれているように前記膜を互いに重ねることによって膜積層体を形成し、ずれた膜の上端を互いに付着させ、
(2)  コアチューブを提供し、該コアチューブの周りにずれた膜積層体を巻き付けて、カートリッジロールを形成し、
(3)  前記カートリッジロールの上端と下端に端部キャップを取り付ける、
ことによって形成し、
(c)  前記コアチューブが前記電気化学セルのハウジングの出口に流体接続しているように該ハウジング内に前記カートリッジロールを配置する、
各工程を有してなる方法。
【請求項３１】
フランジを持つ端部キャップ延長部を有するカートリッジを含む電気化学イオン交換セルのためのハウジングであって、
(a)  底壁に連結された側壁、溶液の入口、および溶液の出口を有する容器、および
(b)  前記容器の側壁に取り外せるように取り付けられる取外し可能な蓋であって、該取外し可能な蓋が、その中を延在するキーホールを持つプレートを有し、前記キーホールが、前記端部キャップ延長部よりも大きい寸法を持つ第１の孔、および前記端部キャップ延長部の前記フランジよりも小さい寸法を持つ、前記第１の孔に開いた第２の孔を含むものである蓋、
を含むことを特徴とするハウジング。
【請求項３２】
前記キーホールが、円形である第１の孔、および半円形端を持つ細長い開口である第２の孔を含むことを特徴とする請求項３１記載のハウジング。
【請求項３３】
前記プレートが、前記容器の側壁にある受容ネジ中にねじ込むためのネジ山を持つ側面を含むことを特徴とする請求項３１記載のハウジング。
【請求項３４】
前記プレートが、作業者が前記蓋をねじ込むのを補助するハンドルを含むことを特徴とする請求項３１記載のハウジング。
【請求項３５】
請求項３１記載のハウジングを含む電気化学セルであって、テキスチャード表面を持つ、複数の螺旋状に巻かれた膜を有するカートリッジ、および前記膜の周りにある電極をさらに含むことを特徴とする電気化学セル。
【請求項３６】
コアチューブを有するカートリッジを含む電気化学イオン交換セルのためのハウジングであって、
(a)  底壁に連結された側壁、溶液の入口、および溶液の出口を有する容器、および
(b)  前記容器の側壁に取り外せるように取り付けられる取外し可能な蓋であって、該取外し可能な蓋が、そこから外方に延在する中空ポストを持つプレートを含み、該中空ポストが、前記電気化学セルのカートリッジの端部キャップ延長部の内または外に摺動するようなサイズである取外し可能な蓋、
を含むことを特徴とするハウジング。
【請求項３７】
前記中空ポストの基部の周りの溝、および該溝にあるＯリングをさらに含むことを特徴とする請求項３６記載のハウジング。
【請求項３８】
前記プレートが、そこから外方に延在する複数のピンを有する側面を含み、前記ピンが、前記容器の側壁にある窪んだ溝に嵌るようなサイズであることを特徴とする請求項３６記載のハウジング。
【請求項３９】
請求項３６記載のハウジングを含む電気化学セルであって、テキスチャード表面を持つ複数の螺旋状に巻かれた膜を有するカートリッジ、および前記膜の周りの電極をさらに含むことを特徴とする電気化学セル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施の形態は電気化学イオン交換に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、脱イオン化による超純水の製造、廃水処理、および溶液中のイオンの選択的置換において、溶液中のイオンを除去または置換するために、イオン交換セルが用いられる。イオン交換物質としては、溶液流から陽イオンまたは陰イオンそれぞれを交換するために、置換可能なイオンを含有する、または特定のイオンと化学的に反応する、陽イオンおよび陰イオン交換物質が挙げられる。典型的な従来のイオン交換セルは、カラム中に充填されたイオン交換樹脂ビーズを含み、処理すべき溶液の流れをそのカラムに通過させる。溶液中のイオンは、イオン交換物質により除去または置換され、生成物溶液または廃液が、カラムの出口から排出される。イオン交換物質が溶液からのイオンでいっぱいになったときには、そのビーズは適切な溶液により再生される。陽イオン交換樹脂は一般に、酸性溶液またはナトリウム・ブライン（例えば、硬水軟化剤のための）を用いて再生され、陰イオン交換樹脂はほとんどの場合、塩基性溶液またはブラインにより再生される。
【０００３】
電気化学イオン交換では、例えば、ここに引用する同一出願人による特許文献１（ニューバーグ(Nyberg)）に記載されているように、膜の間に誘電スペーサを有する２つの対向電極の間に配置された水分解(water splitting)イオン交換膜（両極性膜、二重膜、または層膜としても知られている）を使用している。水分解膜は、陽イオン交換層および陰イオン交換層の両方を有している。前記２つの電極に電圧を印加することによって膜に十分に高い電場を印加したときに、水は、陽イオン交換膜と陰イオン交換膜との間の境界で、成分イオンＨ+およびＯＨ-に、不可逆的に解離または「分解(split)」される。その結果生成されたＨ+およびＯＨ-イオンは、反対の極性を持つ電極の方向に、イオン交換膜を通って移動し、拡散する（例えば、Ｈ+は、負の電極に移動する）。再生工程中、膜界面で形成されたＨ+およびＯＨ-イオンによって、先の脱イオン化工程で除去された陽イオンおよび陰イオンが拒まれ、陽イオンおよび陰イオン交換物質の酸および塩基の形態が再形成される。電気的再生によって、このようにして、従来のイオン交換ビーズを再生するのに用いられる危険な化学物質を使用せずに済み、その後の廃棄問題が回避される。
【０００４】
従来技術のイオン交換膜は一般に、電気化学セルにおいて膜を横切る電流密度の変動を最小にするために、滑らかかつ平らであり、また均一な断面厚を有することが多い。電流密度の変動をさらに減少させるため、また膜間の間隙に亘る物質移動速度および圧力降下を不変に維持するために、膜を互いから均一な距離に保持するように、プラスチック製ネット材料などの別個の誘電スペーサを、膜の間に配置するのが一般的である。膜の厚さは、イオン交換膜の間の間隙を一定にして、膜表面を横切る均一な電流密度を生成するために、均一に維持される。膜の厚さを均一に維持するために様々な方法を使用できる。電極イオン化装置内のイオン交換樹脂のバックウォッシングを促進し、同様に、これらの樹脂の定期的な交換を促進するために、膜は平らで滑らかであるべきである。膜は、隣接する膜間の圧力降下も減少させる滑らかで平らな表面を有する。しかしながら、従来のイオン交換膜は一般に、従来のイオン交換ビーズシステムよりも、イオン交換速度が遅く、その結果、溶液の処理流量が少なく、その出力が低い。その結果、膜システムは、検討事項全体に亘り、空間容積対溶液処理のために、用途が限られている。
【０００５】
さらに、電気化学セルにおいて膜を分離するのに用いられる誘電スペーサ層は、自立性であるように十分に厚く、セルの製造において膜間に挿入されたときの取扱いに耐えるために構造的に安定していなければならない。一般に、スペーサ層は、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどのポリマーから製造され、これらは規則的なパターンを有することができる。スペーサ層の一般的な厚さは、約０．２５ｍｍから約１ｍｍ（１０から４０ミル）である。０．２５ｍｍより薄いスペーサ層は、取扱いが難しく、セルの組立てにおいて、スペーサスタンドの伸張、裂けまたは折れが生じることがあり、それらは一般に、より高価で、製造が難しい。セルを通過する溶液の圧力は、同じ溶液流量を提供するために増加させる必要があるので、スペーサの厚さを減少させる試みにおいてさらに別の問題が生じる。それゆえ、一般に、電気化学セルにおいては、比較的厚いスペーサ層が用いられ、さらに、セルの嵩体積を増加させ、セル空間の単位体積当たりの溶液処理出力が減少してしまう。
【特許文献１】米国特許第５７８８８１２号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
膜とスペーサの積層体(stack)も、セルに組み込んだり、洗浄または交換のために取り外すことが難しい。一般に、多数の膜およびスペーサがセルに用いられており、膜の積層体をより容易に取り扱えることが望ましい。その膜積層体は、セルの組立て中または使用中に、セル内で容易に向きが狂うことがある。また、膜が水密の電気化学セル中に封止されるときに、セルや膜に損傷を与えずに、セルを開いて膜を取り出すことが難しい。容易に組み立てられるまたは開くことのできるセル構造体が望ましい。
【０００７】
それゆえ、良好なイオン交換速度を提供できる電気化学イオン交換セルを有することが望ましい。取扱いと使用のために十分な強度を持ち、過剰に厚くはない水分解膜およびスペーサを有することも望ましい。さらに、そのようなセルを製造するのに必要な工程の数を制限し、組立てのための部品数を減少させ、組立てのミスを減少させることが望ましい。また、膜に損傷を与えたり、向きを狂わせたりせずに、容易に組み立てたり分解できるセルを有することが望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
テキスチャード水分解膜は、それらの間に複合型(heterogeneous)水分解界面を形成するように陽イオン交換層に隣接した陰イオン交換層およびピークと谷が間隔を置いて配置されたテキスチャー特徴構造のパターンを有するテキスチャード表面を備えている。
【０００９】
この膜は、テキスチャード表面上にインテグラル・スペーサを備えていてもよい。このインテグラル・スペーサは、例えば、膜のテキスチャード表面上のフィラメントまたはテキスチャー特徴構造のピーク上のコーティングであり得る。そのスペーサは、膜を互いから隔てている。
【００１０】
イオン交換電気化学セルのためのカートリッジは、互いに隣接した複数のテキスチャード膜を備え、それぞれの膜は、(i)それらの間に複合型水分解界面を形成するように陽イオン交換層に隣接した陰イオン交換層、および(ii)ピークと谷が間隔を置いて配置されたテキスチャー特徴構造のパターンを有するテキスチャード表面を有する。
【００１１】
前記カートリッジを製造する方法は、複数のテキスチャード膜を形成し、互いからずれたテキスチャード膜のオフセット膜積層体を形成し、コアチューブを提供し、コアチューブの周りにオフセット膜積層体を巻き付けてカートリッジロールを形成し、カートリッジロールに上端と下端のキャップを取り付ける各工程を有してなる。
【００１２】
例えば、オフセット膜積層体は、膜の上端が同じ方向に互いからずれているように、互いの上部に膜を配置することによって形成できる。オフセット膜の上端は互いに取り付けられている。それ自体を重複するように、カートリッジロールの周りに、外側スリーブを必要に応じて巻き付けても差し支えない。
【００１３】
フランジを持つ端部キャップ延長部を有するカートリッジを備えた電気化学セルのためのある形式のハウジングは、底壁に連結された側壁を有する容器、溶液入口、および溶液出口を含む。容器の側壁に取外し可能に取り付けられる取外し可能な蓋が提供される。取外し可能な蓋は、その中を延在するキーホールを有するプレートを備えている。このキーホールは、端部キャップ延長部よりも大きい寸法を持つ第１の孔、および第１の孔中に開きかつ端部キャップ延長部のフランジよりも小さい寸法を持つ第２の孔を有する。別の形式では、容器の取外し可能な蓋は、そこから外方に延在する中空ポストを持つプレートを含み、この中空ポストは、電気化学セルのカートリッジの端部キャップ延長部中にまたはそれを覆って摺動するような大きさである。
【００１４】
溶液流からのイオンを除去するまたは置換するための電気化学セルは、前記カートリッジ、およびそのカートリッジの周りに第１と第２の電極を有するハウジングを備えている。その電気化学セルは、コアチューブがハウジングの溶液出口に流動的に連結されるように、溶液入口と出口を有するハウジング内にカートリッジロールを配置することによって、形成できる。この電気化学セルは、第１と第２の電極に電圧を供給するための電圧源、および溶液流を電気化学セルに流すためのポンプも有する電気化学イオン交換システムに使用できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
電気化学セルは、イオン交換膜１０（両極性膜、二重膜、または層膜としても知られている）を備えており、その例示の実施の形態が図１Ａに示されている。このイオン交換膜は、固体またはゲルの形態であって差し支えなく、溶液流２０からイオンを除去するために特定のイオンと化学的に反応するイオン、他のイオンによって置換可能なイオンを含有する、陰イオンおよび陽イオン交換物質を含む。例えば、適切な陽イオンおよび陰イオン交換物質としては、架橋または非架橋有機高分子もしくはゼオライトなどの無機構造体が挙げられる。陰イオン交換物質は、その構造を永久的に変化させずに陰イオンを交換するものであり、例えば、塩基性基であり得る。他の適切な陰イオン交換物質としては、Ｒがアルキル、アリール、または他の有機基であり、Ａが陰イオン（例えば、水酸化物イオン、重炭酸イオン、塩化物イオン、または硫酸イオン）である、−ＮＲ3Ａ、−ＮＲ2ＨＡ、−ＰＲ3Ａ、−ＳＲ2Ａ、またはＣ5Ｈ5ＮＨＡ（ピリジン）などのイオンを交換できる塩基性官能基が挙げられる。陽イオン交換物質は、その材料の構造を永久的に変化させずに陽イオンと交換するものであり、例えば、酸性基であり得る。適切な陽イオン交換物質としては、Ｍが陽イオン（例えば、水素イオン、ナトリウムイオン、カルシウムイオン、または銅イオン）である、−ＣＯＯＭ、−ＳＯ3Ｍ、−ＰＯ3Ｍ2、および−Ｃ6Ｈ4ＯＭなどの陽イオンを交換できる酸性官能基が挙げられる。陽イオン交換物質は、静電結合またはイオン結合よりむしろ配位結合により陽イオンと結合する天然基または配位子（例えば、ピリジン基、ホスフィン基およびスルフィド基）を含むもの、および錯体形成基またはキレート形成基（例えば、アミノリン酸、アミノカルボン酸およびヒドロキサム基由来のもの）を含むものも挙げられる。
【００１６】
イオン交換膜１０の適切な陽イオンおよび陰イオン交換物質の選択は、膜の用途による。ある形式において、膜１０は、複合型水分解界面１８を形成するように陽イオン交換層１４に隣接する陰イオン交換層１２を備えている。陰イオン交換層１２は陰イオン交換物質を含有し、陽イオン交換層１４は陽イオン交換物質を含有する。例えば、水溶液流の脱イオン化において、膜１０は、トリエチルアンモニウム（−Ｎ（Ｃ2Ｈ5）3基）などの−ＮＲ3Ａ基を持つ陰イオン交換層１２、および−ＳＯ3Ｍまたはカルボン酸（−ＣＯＯＨ）基を含む陽イオン交換層１４を有することができる。そのような膜１０は、水中で膨潤して、幅広いｐＨに亘り、低い電気抵抗および高い物質移動速度を有する。特に効率的なイオン交換再生が要求される場合、弱塩基性基または弱酸性基を含む陰イオン交換物質が好ましい。例えば、−ＮＲ2ＨＡは、非常に好ましい反応においてＯＨ-と反応して、−ＮＲ2、Ｈ2Ｏを形成し、Ａ-を排出する。別の実例として、他のイオン、例えば、ナトリウムイオンを含有する液体からカルシウムイオンまたは銅イオンを選択的に除去する場合、−ＣＯＯＭなどのイオン交換基またはアミノカルボン酸などのキレート形成基が好ましい。これらの弱酸性基は、−ＣＯＯＨを形成し、Ｍ+nを排出する、−（ＣＯＯ）nＭのＨ+との非常に好ましい反応のために、特に効率的な再生の追加の利点を与える。
【００１７】
膜は、ピーク２８および谷３０のアレイなどの、繰り返しの三次元形状のパターンを含むテキスチャー特徴構造２６を持つ少なくとも１つの露出表面２４を有するようにテキスチャーが付けられており、その例示の実施の形態が、図１Ａから１Ｅ、２および３に示されている。テキスチャー特徴構造２６は一般に、以下に説明するようなマイクロメートル以上の寸法を有し、マイクロメートル未満の範囲のサイズにはない。ある形式において、テキスチャー特徴構造２６は、図１Ａに示すように、間隔が置かれ、溶液流２０の流路に平行な山の背(ridge)３７ａ，ｂのような形状のピーク２８、および隣接する山の背３６の間にある畝(furrow)３８ａ，ｂからなる谷３０を有することができる。
【００１８】
山の背３６ａ，ｂおよび畝３８ａ，ｂは、膜１０の両方の表面２４ａ，ｂまたは層１２，１４にあっても差し支えない。例えば、図１Ｂに示す形式において、山の背３６ａ，ｂおよび畝３８ａ，ｂは、膜１０の一方の側（または層）の山の背３６ａが、膜１０の他方の側（または層）の畝３８ａのほぼ反対にあるように、膜１０の両側に配置されている。この配列は、より均一な電流密度を提供するのによりよく、したがって、イオン交換容量をより良好に使用できる。
【００１９】
図１Ｃに示すようなさらに別の形式において、膜１０の全体は、膜１０の第２の表面２４ｂの山の背３６ｂの輪郭に従う第１の表面２４ａの畝３８ａ、および膜１０の第２の表面２４ｂの畝３８ｂの輪郭に同様に従う第１の表面２４ａの山の背３６ａにより、波形になっている。この形式において、波形膜１０は、膜１０の両方の反対側で溶液流２０の方向に延在する山の背２８の列から得られる波形を有している。すなわち、膜１０の一方の側のピーク２８ａは、膜１０の他方の側の谷３０ｂの反対にある。波形膜１０は、図１Ｂに示すような薄い部分と厚い部分の陰イオン層および／または陽イオン層を提供できる他の膜設計とは対照的に、それぞれ、陰イオンおよび陽イオン交換層１２，１４に亘り均一な距離を提供する。これは、さらにより均一な電流密度およびイオン交換容量の使用を提供する。例えば、互いに略非平行またはさらに垂直となるように、ある表面２４ａの山の背３６ａおよび畝３８ａが、他方の表面２４ｂの山の背３６ｂおよび畝３８ｂと非対称である（図示せず）、山の背３６ａ，ｂおよび畝３８ａ，ｂの他の配列を用いても差し支えない。
【００２０】
陽イオンまたは陰イオンいずれかの抽出を増加させるために、水分解膜１０の一方の側のみ、例えば、図１Ｄに示す表面２４に、テキスチャーを付けることも有用であろう。この形態において、陰イオン層１２から形成された表面２４Ａは、山の背３６および畝３８を有し、一方で、他方の表面２４Ｂは平らである。この膜１０は、山の背３６に亘りチャンネル４０が切り込まれた平行な山の背３６も有する。チャンネル４０は、乱流を促進しおよび／または表面積を増加させるために、山の背３６（または畝３８）の向きとは異なる向きに沿って配向されている。例えば、チャンネル４０は、膜１０を横切る溶液流２０の流れの向きを横切る追加の通路を画成するように山の背３６および畝３８の向きに対して略垂直に配向させることができる。チャンネル４０は、山の背３６または畝３８の向きに対して任意の角度の向きに配向させることができる。
【００２１】
テキスチャー特徴構造２６のピーク２８および谷３０は、山の背３６および畝３８以外の構造であっても差し支えない。例えば、ピーク２８は、図２に示すように、ピーク２８の間に谷３０を画成する、そうでなければ実質的に平らな表面領域４９から外方に延在する円錐突起部４８を備えることができる。この形式において、円錐突起部４８は、無作為に間隔が置かれ、膜表面に亘って分布されている。これら円錐突起部４８は、膜１０の露出表面２４に亘って溶液流２０に渦巻の乱流を発生させ、これにより、膜１０上の溶液流２０の滞留時間が増加する。円錐突起部４８は、磨耗、発泡、型押し、または任意の他の適切な手段によって形成してもよい。円錐突起部４８は、円錐形状の代わりに、他の形状および寸法を有することもできる。
【００２２】
さらに別の形式において、膜１０は、図３に示すように、ピーク２８の間に谷３０を画成する、そうでなければ実質的に平らな表面領域４９から外方に延在するメサ(mesas)５０のような形状のピークを含むテキスチャー特徴構造２６を備えている。メサ５０は、平らな切断頂部を有しており、下部の縁が丸まった略円柱状である。メサ５０は、例えば、液圧プレスなどのプレスにより、新たに形成された膜のシートに丸い孔のパターンを持つメッシュスクリーンを押し付けることによって、または膜のシートを、中に孔のパターンが形成されているローラに通すことによって、形成することができる。この形式は、そうしなければ、他のタイプのテキスチャー特徴構造２６の間の微細な孔および空間に捕捉されるであろう多量の溶解した固体を溶液流が有する場合に、特に有用である。
【００２３】
膜１０の露出表面２４上のテキスチャー特徴構造２６は、膜１０と溶液流２０との間のイオンの物質移動を増加させることができ、また溶液を膜の間でテキスチャーの谷に流動させながら、膜を互いに隔てるように働くことができると考えられる。膜１０の露出表面２４上のテキスチャーの効果を説明する上で、幾何学面積、表面積、および表面粗さを区別することが有益である。幾何学面積は、膜１０が平面上に平らに広げられたときに定規により測定される区域である。表面積は、溶液から膜の表面への種、例えば、イオンの物質移動を増加させる尺度で測定される。テキスチャー特徴構造２６は、所定の幾何学面積に対して表面積を増加させるために提供される。表面積を測定する際に考慮しなければならないテキスチャー特徴構造２６のサイズは、溶液の停滞した層厚により決まり、この層厚は一般に、以下に説明するように、１マイクロメートルよりも大きい。表面粗さは、以下に説明するように、微小テキスチャー特徴構造４２を称し、これらは、一般に、溶液の停滞した層厚よりも小さいマイクロメートル未満のサイズの特徴構造であり、それゆえ、溶液から膜１０への物質移動速度に実質的に影響を与えない。
【００２４】
それゆえ、テキスチャー特徴構造２６のある寸法が増加するにつれ、膜１０の露出表面２４の表面積も比例して増加する。テキスチャー特徴構造２６の寸法が停滞した層厚よりも大きい場合には、膜１０に入りそこから出る物質移動速度は増加する。溶液から膜１０または他の表面への物質移動は、停滞した層の表面積に比例する。表面と、撹拌されたまたは流動している溶液との間の界面には、大半の溶液流よりも著しく遅い速度で流動しているまたは動いている溶液の層、すなわち停滞した層がある。その流速は、大半の溶液内から停滞した層に近づくにつれて減少する溶液速度と説明され、この速度は、表面ではゼロである。溶液速度は、大半の溶液の縁から不動の表面へと滑らかな連続関数であるので、停滞した層厚は、溶液速度が、大半のまたは自由流れの溶液速度の９９％まで増加する表面からの距離として数学的に定義される：
【数１】
2008507406.tif 000003
【００２５】
ここで、Ｒｅはチャンネル内の溶液のレイノルズ数であり、Ｒｅが小さい（≦２０００）ときには粘性流が支配し、Ｒｅが大きい（≧２０００）ときには乱流が支配する。テキスチャー特徴構造２６の寸法が、停滞層の厚さδよりも大きい場合には、停滞層は、膜１０の露出表面２４上のテキスチャー特徴構造２６の輪郭に従い始め、それゆえ、停滞層の表面積は、増加する膜の表面積と共に増加する。テキスチャー特徴構造２６が停滞層の厚さδよりも小さい寸法を有する場合、停滞層は、膜１０の露出表面２４上で実質的に平らであり、表面積が減少している。それゆえ、所定の幾何学面積に対して、膜１０の陽イオンおよび陰イオン交換層１２，１４に入りそこから出る物質移動は、停滞層の厚さδよりも大きい寸法を有する特徴構造を使用することによって、停滞層の有効面積を増加させることによって速くなる。次いで、テキスチャード膜１０は、テキスチャー特徴構造２６の渦巻の表面的特徴から生じる大きな面積を含む物質移動に関する効果的な表面積を有する。膜１０の表面２４を横切って通過する溶液流の典型的な溶液速度について、停滞層の厚さδは通常、約１マイクロメートル以上であり、厚さδは、溶液流の流速が減少するにつれて、増加する。それゆえ、膜１０のテキスチャー特徴構造２６の適切な寸法は、少なくとも約１マイクロメートルであり、より一般的には、少なくとも約１０マイクロメートルであるべきである。
【００２６】
先に説明した例示の実施の形態により示されたように、テキスチャー特徴構造２６はその用途に応じて異なる形状を有しており、その形状としては、例えば、山の背３６、円錐突起部４８、またはメサ５０のような形状のピーク２８、および畝３８、溝４６または平らな表面領域４９により形成される谷３０を含むことができる。これらのピーク２８および谷３０の寸法は、例えば、ピーク２８の頂部４４から谷３０の底５２までの距離である距離ｄpv（ピークから谷）である、ピーク高さまたは谷の深さ、またはあるピーク２８ａから隣接するピーク２８ｂまでの距離であるｄpp（ピークからピーク）により適切に説明できる。図２を参照すると、ピーク２８の頂部４４は、膜１０の２つのイオン交換層１２，１４の間の水分解界面１８から最も遠いピークの部分であり、谷３０の底５２は、界面１８に最も近い谷の部分である。選択される絶対寸法は用途に依存する。何故ならば、小さな寸法を持つテキスチャー特徴構造２６を有する薄い膜１０は、セルの所定の容積で大きな表面積を提供するが、特徴構造２６の間の液体流の流れに利用できる小さなチャンネルのために過剰な圧力降下を示すかもしれないからである。ある形式において、テキスチャー特徴構造２６は、少なくとも約１０マイクロメートル、好ましくは少なくとも約１００マイクロメートルの距離ｄpvを含み、距離ｄppは、少なくとも約１０マイクロメートル、好ましくは少なくとも約１００マイクロメートルであって差し支えない。
【００２７】
膜１０のテキスチャー特徴構造２６は、電気化学セルに所望の性質のバランスによるアスペクト比により定義することもできる。それゆえ：
【数２】
2008507406.tif 000004
【００２８】
式１において、ｄpv（ピークから谷の距離）は、ピーク２８ｘの頂部４４ｘから隣接する谷３０ｘの底５２ｘまでの平均距離を称し、ｄpp（ピークからピークの距離）は、隣接するピーク４４ｘ，ｙの頂部４４ｘ，ｙの間の平均距離を称する。山の背、畝、溝、チャンネル、または突起部などのテキスチャー特徴構造２６の任意の所定のタイプについて、アスペクト比は、ｄpvおよびｄppの平均値から推測できる。膜の表面積は、テキスチャー特徴構造のアスペクト比が増加するにつれて、増加する。ｄpv／ｄppの適切な比は、少なくとも約０．１０、より好ましくは少なくとも０．５、最も好ましくは少なくとも１．０である。アスペクト比が過剰に高いと、テキスチャード膜１０がセルの組立て中に折り曲がったりひん曲がったり、溶液圧力が高くなるかもしれず、したがって、そのような高いアスペクト比は望ましくない。
【００２９】
水分解膜１０上にテキスチャー特徴構造２６を製造するために様々な方法を用いてよい。選択される製造方法は、テキスチャー特徴構造２６の形状、寸法、および間隔に依存し得る。例えば、図１Ａに示すような、平行で間隔が置かれた山の背３６として形成されたピーク２８および山の背３６の間の畝３８として形成された谷３０を含むテキスチャー特徴構造２６は、一組のローラ６８ａ，ｂに、ローラ６４上のロール６２として取り付けられたテキスチャー形成前の滑らかな膜のシート６０を通過させることによって形成することができる。ここで、少なくとも１つのローラ６８ａは、図５に示されているように、山の背３６および畝３８に対応する円周隆起部７２ａおよび円周凹部７２ｂの所望のパターンが刻まれた刻印ローラ表面７０を有している。滑らかな膜のシート６０が一組のローラ６８ａ，ｂを通過するときに、ローラ表面７０に刻まれたパターンが、刻印ローラ表面７０に接触した滑らかな膜のシート６０の表面にエンボス加工されて、山の背３６および畝３８の対応するパターンを持つテキスチャード膜１０が形成される。膜１０を形成する他の方法は、例えば、プレートまたはローラの間で滑らかな膜のシート６０に所望のテキスチャーパターンを加圧することにより熱成形することによって、図３に示すようにメサ５０のパターンを形成する工程を含む。円錐突起部４８のパターンは、膜のシート６０をサンドブラストにかけることにより、膜のシート６０を硬いブラシで磨耗することにより、または発泡剤を用いて膜のシート６０の材料中に開放孔を導入することにより、形成できる。停滞層の厚さよりも大きいピークから谷およびピークからピークの寸法、例えば、約１マイクロメートルを持つ膜１０上にテキスチャー特徴構造２６を形成できる他の方法も適している。
【００３０】
別の形式において、巨視的テキスチャー特徴構造２６の上面に、微視的テキスチャー特徴構造４２、例えば、図１Ｄに示すようなピーク２８上に磨耗されたまたは傷付けられた微細な溝７４が重ね合わされている。図示した形式において、微細な溝７４は、ピーク２８の前面に二次的加圧パターンとして形成される。微視的テキスチャーの寸法が停滞層の厚さよりも大きい場合、これにより、物質移動速度が増加する。磨耗マークである微細な溝７４を含む微視的テキスチャー特徴構造４２は、例えば、膜１０にサンドブラストをかけることによって、膜１０上に形成できる。サンドブラストがけは、図５に示すように、それぞれが膜１０に磨耗粒子のジェット７８を向ける、管７６に取り付けられた一連のノズル７５により実施できる。磨耗粒子のジェット７８は、加圧された空気または他のガスにより強制的に排出することができる。適切な磨耗粒子としては、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、または炭化ケイ素が挙げられる。細孔または他の微細なテキスチャー特徴構造は、例えば、膜１０の製造中に細孔形成材料を膜１０に加えることによって、ピーク２８および谷３０により既に粗くテキスチャーが形成された膜１０の表面に形成することができる。その細孔形成材料は、膜１０の製造中に膜１０から溶け出させて、膜の表面に細孔を形成することができる。
【００３１】
本発明の別の態様において、インテグラル・スペーサ８０は、隣接する膜１０の間に間隔を提供して、液体流２０を、膜１０の露出表面２４の実質的に全てに亘り流動させる。このインテグラル・スペーサ８０は、テキスチャード膜１０に連結されて、膜１０とインテグラル・スペーサ８０が１つの構造体を形成するように一体物品を形成する。インテグラル・スペーサ８０は、膜１０に連結されることによって、ロールまたはシートとして膜１０を輸送する工程中、もしくは水分解膜１０を用いたカートリッジまたは電気化学セルの製造中に、膜１０上のその位置から動かされない。インテグラル・スペーサ８０は、膜１０の露出表面２４ａ，ｂの片方または両方いずれにも接着できる。このインテグラル・スペーサ８０は、処理すべき溶液中でその形状を維持する、誘電体などの非導電物質から形成すべきである。インテグラル・スペーサ８０の厚さは、特定のイオン除去用途に応じて幅広い範囲で変動し得る。例えば、厚いスペーサ８０は、螺旋巻き付けセル設計を製造するのには有用ではないであろうが、高い流速でさえも圧力降下が特別に低い硬い膜１０を提供できる。より薄いスペーサ８０は、水分解膜１０を所定の体積でより同心の層に巻き付けることができ、それによって、比体積容量を大きくできる。スペーサ８０は、隣接する膜の間で物理的な接触を実質的に防ぐほど十分に大きい厚さを有し、これは、一般に、少なくとも約１０マイクロメートルである。実際的な理由のために、最大のスペーサ厚は約１０００マイクロメートル未満である。スペーサの厚さが１０００マイクロメートルより大きいと、比体積容量が減少し、ほとんどの用途において圧力降下を減少させることには利点がほとんどない。テキスチャー特徴構造２６により画成される谷３０の閉塞を防いで、膜１０の露出表面２４に亘り、ピーク２８の間を、溶液流２０を実質的に自由に流動させることも重要である。
【００３２】
インテグラル・スペーサ８０は、隣接する膜１０に間隔を与えるどのような方法によって水分解膜１０に施してもよい。インテグラル・スペーサ８０を膜１０に施す適切な方法は、供給管８８を介してポリマータンク８５に連結された噴射ノズル８６を用いて、膜１０のテキスチャー表面２４に連続したポリマーフィラメントを吹き付ける工程を含む。溶融フィラメントポリマーは、供給バルブ９２により制御されたタンク９０から加圧熱気により、供給管８８を通して強制的に送られる。吹き付けられた熱いフィラメントは、冷却されると、フィラメントの無作為に散在したネットであるインテグラル・スペーサを形成する。ポリマータンク８５は、未硬化の液体ポリマー前駆体もしくは溶融した熱可塑性または熱硬化性ポリマーを収容することができる。谷３０または膜１０の露出表面２４に形成されたテキスチャー特徴構造２６の他の凹部に熱いポリマー／繊維層が垂れ下がるのを避けながら、膜１０へのインテグラル・スペーサ８０の良好な接着を提供しながら、インテグラル・スペーサ８０の所望の厚さを形成するために、空気の温度、空気の流速、膜の表面からの距離、およびポリマーの軟化温度を選択する。別の方法において、テキスチャード膜１０が通過させられる溶液により被覆されたフィラメント８２を膜１０に塗布して、インテグラル・スペーサ８０を形成しても差し支えない。さらに別の方法において、テキスチャー特徴構造４２のピーク２８の頂部４４のグラビアコーティングを用いて、インテグラル・スペーサ８０を形成しても差し支えない。インテグラル・スペーサ８０は、例えば、不織布の製造に用いられる方法などの方法により製造しても差し支えない。両方の膜表面２４ａ，ｂに亘り溶液流の均一な流れを得るために、テキスチャード膜１０は１つのみテキスチャード表面を有していてもよいが、インテグラル・スペーサ８０を使用するために両表面に表面テキスチャーを持つテキスチャード膜１０を使用することが好ましい。そうでなければ、膜表面に対して平らに広げられたスペーサ８０が、溶液流の流れを遮断するか、または溶液をテキスチャード表面２４ａを超えて優先的に流動させ、膜１０の対向するすなわち隣接する平らな表面２４ｂに亘り効率的に流れるのを潜在的に妨げる可能性がある。
【００３３】
膜１０の間にインテグラル・スペーサ８０があると、電気化学セル１０２の体積が著しく減少する。従来のスペーサ層は、まだ使用できるが、セル１０２の製造においてテキスチャード膜１０の間に挿入されたときの取扱いに耐えるほど構造的に安定であり自立性であるほど十分に厚い必要がある。一般に、従来のスペーサ層は、ポリエチレンまたはポリプロピレンなどのポリマーから製造され、約０．２５から約１ｍｍの厚さを有する。０．２５ｍｍより薄いスペーサ層は、取扱いが難しく、セルの組立てにおいて、スペーサのスペーサストランドが延伸したり、裂けたり、皺になることがあり、それらの層は、製造するのが一般により難しい。セルを通過する溶液の圧力は、同じ溶液流量を供給するために増加させる必要があるので、スペーサの厚さを減少させる試みにおいてさらに別の問題が生じる。それゆえ、従来は、比較的厚いスペーサ層がセル１０２に用いられ、これにより、セルの体積が増し、セル空間の単位体積当たりの溶液処理出力が減少する。しかしながら、それでも従来のスペーサ層は、特に空間やセルの体積が重要な関心事ではない場合、もしくは例えば、膜１０の間の空間が、インテグラル・スペーサ８０により与えられる空間よりも大きい必要がある場合、効果的な電気化学セル１０２を提供するために、テキスチャード膜１０と共に使用できる。
【００３４】
テキスチャード膜１０および随意的なインテグラル・スペーサ８０、もしくは別個のスペーサ層は、電気化学セル１０２からの膜１０の取付けと取外しを容易にするカートリッジ１００中に組み込まれる。その実施の形態が図６および７に示されている。カートリッジ１００は、セル１０２から容易に取り外すことができる。このことは、膜１０とそのインテグラル・スペーサ８０の隣接する組の間の空間に、例えば、炭酸カルシウム・スケールや他の固体物質が詰まったときに必要になるであろう。このカートリッジ１００により、交換用膜１０のディストリビュータまたはエンドユーザへの出荷が容易になる。さらに、カートリッジ１００により、効率的なイオン交換を促進する特定の膜構成を製造することが可能になる。
【００３５】
ある実施の形態において、カートリッジ１００は、図６に示すように、一般に円筒形であるコアチューブ１０６の周りにインテグラル・スペーサ８０が螺旋状に巻き付けられたいくつかの膜１０を有してなる。螺旋状に巻き付けられた膜１０は、外側スリーブ１１０により囲み、２つの端部キャップ１１４ａ，ｂにより両端で密封することができる。膜１０がインテグラル・スペーサ８０を持たない場合、カートリッジ１００は、例えば、ここに引用する、２００３年８月８日に出願された、「Selectable Ion Concentration with Electrolytic Ion Exchange」と題する、同一出願人による米国特許出願第１０／６３７１８６号に記載されたような、各膜１０の間にスペーサ・スリーブ（図示せず）を介して製造される。外側スリーブ１１０、コアチューブ１０６および端部キャップ１１４ａ，ｂの表面は、溶液流２０を、セル１０２の入口１１６から出口１１８に進行する際にテキスチャード膜１０の露出表面２４を横断する溶液通路１１５に通すように方向付ける。カートリッジ１００は、様々な流動パターン、例えば、端部から端部の流れ（コアチューブ１０６に対して平行）または内側から外側への流れ（コアチューブ１０６へのまたはそこからの半径方向の流れ）のために設計されていてよい。
【００３６】
カートリッジ１００の各端部キャップ１１４ａ，ｂは、コアチューブ１０６の両端に取り付けられた平らなプレートであって差し支えない。コアチューブ１０６、外側スリーブ１１０および端部キャップ１１４ａ，ｂは、膜表面の実質的に全体に亘り所望の流動パターンを提供する溶液通路１１５を提供するように設計されている。例えば、溶液流２０が、各テキスチャード膜１０の内面と外面の両方に亘り、コアチューブ１０６へのまたはそこからの半径方向に流動するために、端部キャップ１１４ａ，ｂは、螺旋状に巻き付けられた膜の端部を封止して、溶液が、入口から出口に行く途中に膜表面を迂回するのを防ぐ。テキスチャード膜１０は、各膜１０の陰イオンおよび陽イオン交換層１２，１４の両方を通り過ぎる一体の隣接した溶液チャンネルを形成する溶液通路１１５を提供するようにカートリッジ１００内に配置することもできる。一体チャンネルは、入口１１６から出口１１８に連続的に延在し、水分解膜１０の各陰イオンおよび陽イオン交換層１２，１４を通り過ぎる連続した列で全体に亘り連結されていることが好ましい。それゆえ、一体の隣接したチャンネルの周囲は、カートリッジ１００内の膜１０の全ての陽イオンおよび陰イオン交換層１２，１４の少なくとも一部を含む。
【００３７】
膜１０は、陽イオン交換層１４を隣接する陰イオン交換層１２から隔て、それらの間に溶液通路１１５を提供する、陽イオン交換層１４の内面に形成されたインテグラル・スペーサ８０により螺旋状に巻き付けることもできる。この実施の形態において、３つの膜１０が螺旋状に巻き付けられて平行な流動構成を形成している。これは、溶液が、膜の層の間の３つの同等な通路内で入口から出口へと流動できることを意味する。例えば、コアチューブ１０６に対して平行または半径方向の、任意の流動パターンに関して、１つ以上の膜１０を、カートリッジ１００を横切る圧力降下を変動させるように平行配置で巻き付けることができる。平行流動構成で巻き付けられる膜１０の数は、セル１０２を通る所望の圧力降下を提供するように選択される。膜１０は一般に互いに対してきつく巻き付けられるが、図で明瞭にするために、これらの膜１０は、それらの間に空間がある状態で緩く巻き付けられているのが示されている。この形式において、巻かれたカートリッジ１００には電極がない。電極は、セル内でカートリッジの外側に配置されている。
【００３８】
図７の流れ図に示されるような、あるカートリッジ製造方法によって、螺旋状に巻き付けられた膜１０を有するカートリッジ１００を製造するのに要する時間と労力が減少する。この方法において、カートリッジ１００は、複数の膜１０、例えば、約２から約１００の膜から製造される。ある形式において、６つのテキスチャード膜１０ａ〜ｆが平行な流動構成で巻かれる。平行な流動構成により、カートリッジ１００中に流れ込む流入溶液流２０が、多数の平行な流路を通って同時に流れることができる。これらの流路の各々は、平行に配置された膜１０の間にある。膜１０ａ〜ｆは、図８Ａに示されているように、膜１０の上端１１３ａ〜ｆが互いからずれているように、平らなテーブル面上に次々と積み重ねられている。ある形式において、膜１０ａ〜ｆの上端１１３ａ〜ｆは、距離ｄo＝３．１４×ｄc／ｎだけずれており、ここで、ｄcは、膜１０ａ〜ｆが巻き付けられているコアチューブ１０６の外径である。膜がずれていることにより、膜１０ａ〜ｆの上端１１３ａ〜ｆがコアチューブ１０６に接触して、流体が全ての膜の間に進入し、その中を流動するように膜１０ａ〜ｆの間の間隙の入口を提供することが確実になる。膜１０ａ〜ｆがずれていない場合、流体の流れは、膜１０ａ〜ｆのいくつかに限られ、それによって、カートリッジの製造が減少するであろう。全ての膜１０ａ〜ｆを距離ｄoだけ均一に間隔を空けることは必要ではないが、上端１１３ａ〜ｆは、同じ方向にずれているべきであり、また全ての膜がコアチューブ１０６の周囲に含まれるように配列されているべきである。アセンブリを形成する間に膜１０ａ〜ｆの上端１１３ａ〜ｆを均一に間隔を空けることによって、カートリッジに入り、そこから出る流れをより均一にして、セルの内側と外側の容積内にある溶液をより完全に置換する。
【００３９】
次いで、膜１０ａ〜ｆのアセンブリを互いに貼り付けて、ずれて組み立てられた膜積層体１１９を形成する。膜１０ａ〜ｆは、例えば、クリップ、接着剤、熱かしめ、縫い付け、リベット、ステープル、超音波接合または溶接により、貼り付けることができる。好ましい貼り付け方法において、膜１０ａ〜ｆの積層体１１９は、両方ともヘンケル(Henkel)社から販売されている、Ｍａｃｒｏｍｅｌｔ  Ｑ５３５３またはＴｅｃｈｎｏｍｅｌｔ  Ｑ５３０５などの接着剤によって、コアチューブ１０６に貼り付けられる。飲料水の用途に関しては、接着剤は、ＦＤＡ２１  ＣＦＲ  １７５．１０５の抽出要件を満たさすべきである。好ましい形式において、接着剤は、図８Ｂに示すように、膜の端部のみを接合するために膜１０ａ〜ｆの全ての上端１１３ａ〜ｆに亘り狭い線またはジグザグの線の接着剤を塗布するようにマルチヘッド・アプリケータから分配される。この接着法により、膜１０ａ〜ｆが、後にコアチューブの周りに巻き付けられときに、互いに摺動して、コアチューブ１０６上で組み立てられた積層体を巻き付けるときにこぶになるのを確実に避ける。
【００４０】
次いで、組み立てられた積層体１０ａ〜ｆの最初の膜１０ａの上面１２３がコアチューブ１０６上に、上端１１３ａ〜ｆがこのチューブに最も近くなるように配置される。積層体１１９は、積層体１１９の下の膜１０ａの上面の縁に接着剤を線状に塗布することによって、コアチューブ１０６に貼り付けてもよい。次いで、積層体１１９は、巻き付き型カートリッジ１００を製造するために、膜１０に圧力を加えながら、コアチューブ１０６の周りに巻き付けられる。巻付け中、積層体１１９は、例えば、一回以上回転させて、積層体１１９を圧迫することによって、コアチューブ１０６の周りに巻き付けられているときに、積層体１１９に圧縮力を印加することによって、引張歪みまたは圧縮歪みの下に維持することができる。あるいは、膜１０ａ〜ｆの反対の下端１１７ａ〜ｆは、積層体１１９がコアチューブ１０６の周りに巻き付けられている間に、膜を張力下に維持するために引っぱることもできる。
【００４１】
カートリッジに所望の膜の総数ｎよりも少ない膜１０のサブアセンブリを用いて、カートリッジ１００を組み立てるのに有する物体の数を減少させることもできる。例えば、膜の二つ以上のサブアセンブリ積層体を積層させて、膜を上述したように互いに貼り付け、各サブアセンブリが、ｎ／ｘシート（図示せず）を含むことができる。ここで、ｎは所望のシートの総数であり、ｘはサブアセンブリの数である。次いで、ｘ個のサブアセンブリ積層体をコアチューブ１０６に別々に貼り付けても、コアチューブに貼り付ける前に、互いに貼り付けてもよい。この工程により、再度、個々の膜１０が、膜の巻き付けプロセス中に、一団となって、コアチューブの表面に隣接してこぶにならずに、巻き付け中に互いに摺動することができる。一団となった任意の膜のこぶは、セル１０２を通る流体の流れを干渉し、また完成したカートリッジ１００の直径を増加させるであろう。
【００４２】
別の形式において、膜１０の上端または下端は、より強靱なアセンブリを提供するように外側スリーブ１１０に取り付けられている。外側スリーブ１１０は、例えば、テキサス州所在のデルスター(Delstar)社から得られるＵｌｔｒａｆｌｏｗ  ３７２５ネットなどの誘電性、または液圧浸透性の材料から作製されたスペーサなどの、多孔質シートであって差し支えない。スペーサネットは、溶液が膜の巻かれた積層体中に浸透できる孔１３３の網状構造を含む。例えば、外側スリーブ１１０は、約０．１ｍｍから約１０ｍｍの大きさの、幅と高さまたは直径などの寸法を持つ孔を有することができる。スリーブ１１０への取付けは、脆いまたは重い膜を用いた場合もより強靱なアセンブリが形成できる。
【００４３】
ある形式において、外側スリーブ１１０は、例えば、図８Ｂに示されているように、上にある膜の１つの膜１０ｄの下端１３５に取り付けられる。この下端は、最初にコアチューブ１０６に巻き付けられる上端１１３ｄの反対側にある。スリーブ１１０は、カートリッジ１００を形成するために、コアチューブ１０６に巻き付けられる膜１０を収容するための収容包装材として機能する。スリーブ１１０は、接着剤の線または点、もしくは他の手段により膜１０ｄに取り付けられる。スリーブ１１０は、それ自体で重複し、螺旋状に巻かれた膜の周りに多孔質シートチューブを形成するまで、巻かれた積層膜を完全に巻くほど十分に長い長さを有する。次いで、スリーブ１１０は、接着剤、溶接、繊維、または他の手段によりそれ自体に取り付けられ、積層体１１９を囲んで、図８Ｃに示すような、組立カートリッジロール１３６を形成してもよい。製造後、カートリッジロール１３６は、電気化学セル１０２のハウジング１２９中に適合するように所望の長さに切断される。次いで、上端と下端のキャップ１１４ａ，ｂが、カートリッジロール１３６の端部に配置され、ロール１３６に接着されて、組立カートリッジ１００が形成される。各端のキャップ１１４ａ，ｂは、流体がコアチューブ１０６に進入できる孔１３３ａ，ｂを有する。
【００４４】
カートリッジ１００は、電気化学セル１０２のハウジング１２９内に配置される。ハウジング１２９は、必須ではなく一般に、ポリマーから製造された円柱体であり、このポリマーは、良好な構造的性質を持ち、非導電性であり、水、酸および塩基中の加水分解に対して耐性である。ハウジングに適したポリマーの例としては、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、ＣＰＶＣ、ポリプロピレン、またはニューヨーク州所在のゼネラル・エレクトリック(General Electric)社のＮＯＲＹＬ（商標）が挙げられる。そのハウジングは、射出成形または他の手段により製造できる。ハウジング１２９は、流入する溶液流２０をセル１０２中に導入するための溶液入口１１６、および流出する溶液流を提供するための溶液出口１１８として機能するスルーホールを有する。ハウジング１２９は、一般に、二つ以上のセクション、例えば、底壁９５と共に管状側壁９４を有してなる容器９３、および容器の側壁９４に適合する取外し可能な蓋９６を含む。カートリッジ１００は、カートリッジ１００のコアチューブ１０６がハウジング１２９内のスルーホールを摺動して、ハウジング１２９内に溶液出口１１８を形成するように、ハウジング１２９内に摺動する。一般に、溶液出口１１８は、下端のキャップ１１４ｂ内の孔１３３ｂが、溶液出口１１８に流体連絡できるように、ハウジングの底面１４５の中心に位置している。溶液出口１１８は、図示したような孔であって、コアチューブ１０６の孔１３３中に摺動するように突出した短い円筒（図示せず）であっても差し支えない。Ｏリングシールおよびガスケットを用いて、孔１３３を封止しても差し支えない。カートリッジ１００は、洗浄のために容易に取り外したり、ハウジング１２９から容易に交換することができる。次いで、上面プレート１４７を用いて、ハウジング１２９の他端が覆われる。
【００４５】
図６に示されるような、外部電極１２４、電極支持体などの追加の層も、カートリッジ１００とハウジング１２９との間に配置されている。例えば、外部電極１２４および中央電極１２８は、膜１０の陽イオン交換層１４が第１の電極１２４に面し、膜１０の陰イオン交換層１２が第２の電極１２８に面するように、ハウジング１２９内に配置されている。電極１２４，１２８は、金属などの導電性物質から製造される。この物質は、セル１０２の動作中、電極の陽と陰の分極中に生成された低いまたは高いｐＨの化学的環境において耐食性であることが好ましい。適切な電極１２４，１２８は、チタンまたはニオブなどの耐食性物質から製造することができ、白金などの貴金属の外部コーティングを有することができる。電極１２４，１２８の形状は、電気化学セル１０２の設計およびセル１０２を流動する溶液流２０の導電率に依存する。適切な電極１２４，１２８は、カートリッジに亘り均一な電圧を提供するように配置されたワイヤを含む。しかしながら、電極１２４，１２８は、円筒形、プレート形、螺旋形、ディスク形、または円錐形などの他の形状を有していても差し支えない。この形式において、コアチューブ１０６は内側電極１２８としても機能する。
【００４６】
図９Ａおよび９Ｂに示すような、ある形式において、ハウジングは、セル１０２の組立て中にカートリッジ１００上で摺動し、これを保持する取外し可能な蓋９６を含む。取外し可能な蓋９６は、セル１０２のハウジング１２９内で受容雌ネジ１３６中にねじ込まれるための外部雄ネジ９９を持つ側面９８を有するプレート９７、および作業者が蓋９６をねじ込んだり外したりするのを補助するハンドル１３７を備えている。取外し可能な蓋９６はさらに、蓋９６の上部から延在する端部キャップ延長部１４３（上端キャップ１１４ａの突出部である）を受容するためにプレート９７を通って延在するキーホール１４０を備えている。カートリッジの上端キャップは、完全に挿入されたときに、そのハウジングへのシールを形成する、Ｏリングを外周に有してなる。蓋９６は、圧力下にあるときに、カートリッジを適所に保持する。端部キャップ延長部１４３はさらに、延長の先端から外方に延在するフランジ１４８を有する。キーホール１４０は、フランジ１４８を有する延長部１４３が第１の孔１４６を通って摺動できるように、端部キャップ延長部１４３のフランジ１４８よりも大きい寸法を持つ第１の孔１４６を有する。端部キャップ延長部１４３が円形である場合、第１の孔１４６は、例えば、約５％以上だけ、端部キャップ延長部１４３の寸法よりも大きい直径を有する。第１の孔１４６は第２の孔１４９に対して開いている。この第２の孔は、延長部１４３の円形外周の周りにすっぽりと嵌るようにフランジ１４８の寸法よりも小さい寸法を持つ半円形輪郭となる細長い開口として形成することができる。セル１０２を組み立てるために、作業者は、図９Ａに示すように、端部キャップ延長部１４３のフランジ１４８を、取外し可能な蓋９６のキーホール１４０の大きい方の第１の孔１４６に挿入し、摺動させる。次いで、蓋９６は、図９Ｂに示すように、端部キャップ延長部１４３がキーホールの小さい方の第２の孔１４９中に入るように、前方に摺動される。今では、フランジ１４８がカートリッジ１００を蓋９６に保持しているので、蓋９６は、カートリッジ１００が蓋９６にしっかりと取り付けられた状態で、容器９３の側壁９４にねじ込むことができる。カートリッジ１００が取り付けられた状態で、容器にねじ込まれた蓋９６の完成した形態が図９Ｃに示されている。
【００４７】
図１０Ａおよび１０Ｂに示すような、さらに別の形式において、取外し可能な蓋９６は、容器９３の側壁にある窪んだ溝１５４中で摺動して所定の位置に係止される少なくとも一対の外方に突出したピン１５２を持つ側面９８を持つプレート９７を含む。しかしながら、この形式において、短い中空ポスト１５６がプレート９７から延在している。ある形式において、この中空ポスト１５６は、プレート９７の底面９１から下方に延在し、図１０Ａに示すように、矢印の方向に端部キャップ延長部１４３の上を摺動するような大きさである。この形式において、ポスト１５６は、延長部１４３の外面にぴったりと嵌るようなサイズの内径を有し、ポスト１５６の内径は、延長部１４３の外面よりも約２％ほど大きいサイズである。別の形式において、中空ポスト１５６は、図１０Ｃに示すように、プレート９７から上方に延在している。さらに別の形式において、中空ポスト１５６は、図１０Ｅに示すように、端部キャップ延長部１４３中で摺動するような大きさであり、この形式において、中空ポスト１５６は、延長部中にぴったりと嵌るような端部キャップ延長部１４３の内径よりもわずかに小さい外径などの寸法を有する。カートリッジ１００を蓋９６に保持するために滑り嵌めが用いられ、蓋９６が容器９３の側壁９４の所定の位置に係止され、回転されて、窪んだ溝１５４中にピン１５２を係合させて気密シールが形成される。溝１５４は、図１０Ｄに示されるように、ステップダウン型ロックチャンネル１０５を持つ傾斜部分１０１を有することができ、したがって、蓋９６は、下方に押され、ステップダウン型ロックチャンネル１０５中で回転させられて、蓋９６を容器９３中に係止することができる。また、窪んだ第１の溝１５８が、Ｏリングシール１６０を保持するために中空ポスト１５６の基部の周りに位置していても差し支えない。このＯリングシールは、コアチューブ１０６の上面にある対応する第２の溝１６２に嵌って、図１０Ａに示すように、中空ポスト１５６のためのより水密なシールを形成する。このシールは、端部キャップ１１４ａの周囲にあるＯリングにより形成される。
【００４８】
セル１０２は、図１１に示すように、例えば、プレートおよびフレームの構成などの他の実施の形態を有することもできる。この実施の形態において、電気化学セル１０２は、矩形の多数のテキスチャード膜１０を有するカートリッジ１００を含む。これらの膜は、互いに積み重ねられ、セルの側壁１２２に取り付けられて、互いにかみあった構成を形成している。膜１０ａ〜ｇは、隣接する膜の対の間にあるガスケット１０４およびスペーサ１０８により隔てられている。開口１２１が、ガスケット１０４の外形のちょうど内側で各膜１０ａ〜ｇの一端に開けられており、膜１０ａ〜ｇは、開口が積層体の交互の端部に配置されて、カートリッジ１００を通る一体の連続した液体通路１１５を形成するように配置されている。ガスケット１０４は、カートリッジ１００の側壁１２２を通って液体が漏れるのを防ぐように柔軟であり、側壁１２２を通る電流チャンネルの短絡または発散を防ぐように電気絶縁物質から作製されている。これにより、電流チャンネル、または電極１２４，１２８の間の電場を、膜１０ａ〜ｇの面を実質的に垂直に通るように強制的に向けさせて、より効率的なイオンの除去または置換を提供する。スペーサ１０８は、プラスチックなどの誘電物質から製造されたネットなどのインテグラル・スペーサ（図示せず）または分離可能なスペーサ１０８（図示のもの）であってよい。スペーサ１０８は、膜１０ａ〜ｇを分離して、より均一な溶液流を提供し、溶液流の通路１１５内に乱流を形成し、より高いイオン輸送速度を提供する。例えば、貴金属触媒が被覆されたチタンのプレートを含む２つの電極１２４，１２８が、積層膜１０ａ〜ｇの両端に配置されている。プラスチックから作製された剛性プレート１２５，１２６が、電極１２４，１２８の上に配置されている。電極１２４，１２８、膜１０ａ〜ｇ、およびガスケット１０４は、膜／ガスケット／電極の積層体の縁を超えて延在する剛性プレート１２５，１２６の縁を通る金属ボルト１２７ａ，ｂを用いて圧迫されている。ボルト１２７ａ，ｂは、ボルトの端部でナット１３１ａ〜ｄにより締め付けられている。電極の端子１３２ａ，ｂに電気接続が行われている。この実施の形態は、膜１０ａ〜ｇ全てに亘り均一な電流密度が要求される場合に有利である。インテグラル・スペーサによるこのセル設計により、溶液流２０と接触する膜１０ａ〜ｇの全表面積が大きいために、高いイオン除去または置換速度が可能になり、それと同時に、大きいイオン交換容量のために、より大きい容積の溶液を処理することができる。
【００４９】
図１２は、カートリッジを収容している電気化学セルを用いた、生成物流に選択されたイオンの濃度を提供するためのイオン制御装置１２０の実施の形態を表している。流動制御装置と組み合わせて、蠕動ポンプまたは水道の供給源からの水圧などのポンプ１３０を用いて、セル１０２を通る溶液流を送り込むことができる。電源１３４が第１と第２の電極１２４，１２８に電気を供給する。この電源１３４は、１つの電圧で、またはイオン交換段階中に複数の電圧レベルで、第１と第２の電極１２４，１２８を維持することができる。電源１３４は、上述した米国特許出願第１０／６３７１８６号明細書に記載されているように、可変直接電圧源または位相制御電圧源であって差し支えない。ある形式において、電源１３４は、イオン除去工程中、またはイオン排除工程中、陽または陰いずれかのままである１つの極性を持つ時間変調またはパルス直流（ＤＣ）電圧を提供する可変電圧源を含む。これとは対照的に、交流（ＡＣ）供給電圧などの非ＤＣ電圧は、ほぼゼロであろう時間平均ＡＣ電圧を有する。電気分解イオン交換セル１０２の動作におけるイオン除去（脱イオン化）またはイオン排除（再生）工程いずれかの過程に亘り１つの極性を用いることによって、処理されている溶液２０中のイオンが、電極１２４，１２８の内の一方に向かうかそこから離れる１つの方向に移動し、それによって、水分解膜１０中へ、またはそこからのいずれのイオンの正味の物質移動を提供することができる。平均ＤＣ電圧の大きさは、ある期間に亘り電圧を数学的に積分し、次いで、その積分をその期間で割ることによって得られる。積分の極性は、そのがイオン除去モードまたは排除モードいずれにあるかを示し、この計算の大きさは、イオン除去または配所に利用できるようになった電気エネルギーに比例する。
【００５０】
出力イオンセンサ１４４を出口１１８の外部（図示のもの）またはハウジング１２９の内部の溶液流内に配置して、処理済み溶液のイオン濃度を測定することもできる。イオンセンサ１４４は、例えば、処理済み溶液中のイオンの濃度、イオン種、または濃度の比を測定することができる。ある形式において、イオンセンサ１４４は導電率センサであり、このセンサは、処理済み流出溶液２０中の総溶解固形物（ＴＤＳ）濃度を測定し、制御するのに有用である。あるいは、イオンセンサ１４４は、特定のイオン種、例えば、硝酸塩、ヒ素または鉛に特異的なセンサであって差し支えない。イオン特異的センサは、例えば、ＩＳＥ（イオン選択電極）であって差し支えない。一般に、最も早い測定値を得るために、イオンセンサ１４４をできるだけ上流に配置することが好ましい。この実施の形態において、イオンセンサの測定が早く行えるほど、処理済み溶液のイオン濃度をより精密に制御することができる。
【００５１】
制御装置１３８が、制御フィードバック閉ループ１４２を介して、イオンセンサ１４４から受信したイオン濃度信号に応答して電源１３４を操作できる。この制御装置１３８は、例えば、ＣＰＵ、メモリ、入力装置およびディスプレイを有する多目的コンピュータ、または適切な回路を備えたハードウェア制御装置などの、電圧レベルを調節するためにイオンセンサ信号を受信し、処理し、それを電源１３４に送信できる任意の装置である。ある形式において、制御装置は、制御信号を電源１３４に送って、電極１２４，１２８への電圧出力を制御する。制御装置１３８は、信号を受信し、評価し、送信するための、電子回路およびプログラムコードを含む。例えば、制御装置は、(i)プログラム可能な集積回路チップまたは中央演算処理装置（ＣＰＵ）、(ii)ランダムアクセスメモリおよび内蔵メモリ、(iii)キーボードおよびディスプレイなどの周辺入力および出力装置、および(iv)アナログ、デジタル入力および出力ボード、および通信ボードを含むハードウェアインターフェースボードを備えることができる。制御装置は、電気化学セル１０２、イオンセンサ１４４、および電源１３４を制御し、監視できる、メモリ内に記憶されたプログラムコード命令を含むこともできる。プログラムコードは、任意の従来のコンピュータ・プログラミング言語で書かれていてもよい。適切なプログラムコードは、従来のテキストエディタを用いて１つのまたは多数のファイルに入力され、メモリに記憶または包含される。入力されたコードテキストが高級言語である場合、コードはコンパイルされ、その結果得られたコンパイラコードが、予めコンパイルされたライブラリ・ルーチンのオブジェクトコードにリンクされる。リンクされたコンパイル済みオブジェクトコードを実行するために、ユーザは、オブジェクトコードを呼び出し、ＣＰＵにそのコードを読ませ、実行させて、プログラム内で同定されたタスクを行わせる。テキスチャード膜１０、および膜１０の上にある随意的なインテグラル・スペーサ８０を有する電気化学セル１０２は、従来の電気化学セルと比較して、処理済み溶液流のイオン組成を良好に制御することができ、処理済み溶液流のイオン濃度は、閉ループ制御システムによってさらに改善できる。
【００５２】
テキスチャーのない膜を持つ従来のセルからのイオン交換結果を、テキスチャード膜１０を有するセル１０２から得られた結果と比較する方法の１つは、式（３）として提供される指数法則方程式である。この式において、Ｌは、それぞれ幾何学面積Ａを有するテキスチャード膜１０のＮ個のセグメントを通過した後の溶液中に残留したイオンの分画である。それゆえ、膜セグメントＡが溶液中に５０％のイオンを残留させた場合、２つの連続した膜セグメントＡは、Ａ2＝０．５2＝０．２５すなわち溶液中に２５％のイオンを残留させることになる（７５％のＴＤＳ減少について）。鍵は、明確かつ一貫した再生および脱イオン化条件（脱イオン水の容積を含む）下での実験からＡの値を測定することである。
【００５３】
Ｌ＝ＡN    ・・・・・・・・・・・・・・（３）
式（３）により、それぞれが異なる総膜面積および／または異なる膜を有するセル１０２についての結果を正規化することができる。例えば、第１のセルが０．０７０ｍ2の総膜面積を有するとすると、式（３）を使用するためには、最初に、全ての計算と比較について一貫して適用される面積Ａを定義しなければならない。例えば、Ａ＝０．１ｍ2（任意の値であって差し支えない）とする。この実例によるセルについて、Ｎ＝０．７０（実際のセルは０．０７０ｍ2であり、それゆえ、所定の膜面積Ａの０．７単位を含有する）。イオン除去または置換実験は、脱イオン化される溶液の容積、この実例については、１リットルを含む特定の条件下で完了する。実験では、処理済み溶液中に残留したイオンの分画Ｌを測定する。このセルについて、Ｌ＝０．６（溶液中に６０％のイオンが残留した）とすると、Ｎ＝０．７０であり、Ａ＝０．４８２と計算される。今では、１ｍ2のこの膜により、任意のＴＤＳ減少レベルまで、この実例について、例えば、９０％の減少まで処理できる供給水のリットル数を決定できる（９０％のＴＤＳ減少および１平方メートルが、正規化因子として機能する）。Ｌ＝０．１、Ａ＝０．４８２なので、Ｎ＝３．１６と計算できる。それゆえ、９０％のＴＤＳ減少まで１リットルの水を処理するための膜の幾何学面積は０．３１６ｍ2であり、特定の条件下で９０％のＴＤＳ減少だけ減少できる水のリットル数は、３．１６リットル／ｍ2である。次いで、例として、１ｍ2の膜当たり、９０％のＴＤＳ減少まで処理できる水の容積によって、テキスチャーのあるものとないものの様々な膜を比較できる。
【実施例】
【００５４】
以下の具体例は、本発明により製造されたイオン制御装置１２０、電気化学セル１０２、および膜１０の効果を実証するものである。これらの実施例において、膜１０は異なる方法により製造し、電気化学セルにおけるそれらのイオン交換性能を比較のために評価した。
【００５５】
具体例１および２
テキスチャーのない膜を有する従来の第１の電気化学セルの性能を、テキスチャード膜１０により製造された第２の電気化学セル１０２の性能を比較するために、これらの具体例を実施した。両方のタイプのセルにおいて、一組の陽イオンおよび陰イオン交換層を一緒に貼り合わせることによって、膜を製造した。陽イオン交換層は、エクソン(Exxon)社からのＳＬＸ９０９０などのポリエチレン結合剤と混合された、レジンテック(Resintech)社から得られる商標名ＣＧ８−ＰＷＤの強酸性イオン交換樹脂粉末７２質量％の混合物から製造した。陰イオン交換層１２は、これもレジンテック社から得られる商標名ＳＢＧ１Ｐ−ＰＷＤの強塩基性イオン交換樹脂粉末６５質量％と同じポリエチレン結合剤との混合物から製造した。陰イオンおよび陽イオン交換材料は、各々別々にバンベリーミキサで混合した。次いで、混合組成物の各々を、別々にスラブにプレスし、水中で膨潤させ、次いで、７×１４ｃｍの小片に切断した。陰イオンおよび陽イオン交換スラブの対を、互いに積み重ねて膜シートを形成した。
【００５６】
具体例１において、図１１に示したものと類似の従来の第１の電気化学セルを、プレートおよびフレームの構成を用いて構築した。各約２ｍｍ厚の７枚のテキスチャーのない（平らな）水で膨潤した膜シートは、約０．０７０２ｍ2の総幾何学面積を与えた。ガスケットの外形の丁度内側の角部で各膜シートの一端に孔を開け、これらの膜シートを、積層体の交互の端部に孔が位置するように互いに積み重ねて、プレートおよびフレームのセルを構築した。膜シートは、膜が互いに接触するのを防ぐために、誘電性ネット（１ｍｍ厚）によるゴム製ガスケット（１ｍｍ厚）により分離した。
【００５７】
エレクトロード社(Electrode Corporation)から得られるＤＳＡ電極と称される、特許の貴金属触媒により被覆された連続シートチタンを各々含む２つの電極を積層体の両端に配置した。この積層体を、厚さ２．５ｃｍで１７ｃｍ×１０ｃｍのサイズの二枚の剛性プラスチックプレートの間に配置した。これらのプレート、膜およびガスケットは、プレートの縁を通る金属ボルトを用いて圧迫した。金属製スプリングを用いてプラスチックプレートの外側に取り付けられた電極とワッシャーとの間を電気的に接続した。
【００５８】
電源を用いて、１２０Ｖの電圧で２４０ｍＡ以下に限られた電流を第１のセルの電極に供給した。次いで、合計で３０分間に亘り、セルを、２０ｍｌ／分で６０μＳ／ｃｍの導電率を持つ水で再生した。７５０ｐｐｍのＮａＣｌ（１５５０μＳ／ｃｍの導電率を持つ）、３８０ｍｌを含む水溶液流を、５０ｍｌ／分の流量で、セル内において脱イオン化した。第１のセルから処理済み溶液から除去された総溶解固形物（ＴＤＳ）は、８９％と測定された。９０％の減少を提供するためのこれらの流動および電力条件下で処理した、膜の平方メートル当たりの水の容積を計算するための指数法則正規化技法を用いて、テキスチャーのない膜を用いた、記載の再生および脱イオン化条件によるこの脱イオン化容積に関して４．７リットル／ｍ2の幾何学膜面積が得られる。
【００５９】
具体例２において、第２の電気化学セル１０２を、具体例１に用いた乾燥した平らな水分解膜シートにエンボス加工することにより作製されたテキスチャード膜１０から製造した。ホットプレス内で、二枚の剛性金属テキスチャードプレートの間に陽イオンおよび陰イオン交換スラブの対をプレスして、膜１０の両側に、溶液流が膜に亘り流れるような方向に対して平行に延在する、平行に間隔の置かれた山の背３６および畝３８として形成されたテキスチャー特徴構造２６を形成した。テキスチャー特徴構造２６は、約０．０８ｃｍのｄpv（ピークから谷）の寸法、および０．１５ｃｍのｄpp（ピークからピーク）の寸法を有した。これらのテキスチャード膜１０を水中で膨潤させ、７枚の７ｃｍ×１４ｃｍのスラブに切断し、約０．０７０２ｍ2の総幾何学面積を提供した。セルの構成と操作は、具体例１におけるように提供した。この第２のセル１０２は、セル中で脱イオン化された７５０ｐｐｍのＮａＣｌ、０．３８リットルについて、９５％のＴＤＳ減少が達成された。これは、これらのテキスチャード膜を用いたときに、９０％ＴＤＳ減少に関して、６．８リットル／ｍ2の膜と等しい。
【００６０】
それゆえ、テキスチャード膜を有する具体例２の第２のセル１０２は、テキスチャーのない膜を持つ具体例１の第１のセルと比較して、膜性能において、４５％の改善が与えられた。これは、同じ幾何学面積の膜とプロセス条件について、膜性能が著しく予期せずに改善されたことを示した。
【００６１】
具体例３および４
これらの具体例において、螺旋状に巻かれたテキスチャーのない膜を有するセルの性能を、螺旋状に巻かれたテキスチャード膜１０を有するセル１０２と比較した。両方のセルにおいて、膜１０は、６０質量％の強酸性イオン交換樹脂粉末（ＣＧ８−ＰＷＤ、レジンテック社から）および４０質量％のポリエチレン（ＳＬＸ−９０９０、エクソン社から）のブレンドから作製された陽イオン交換層１４、および６５質量％の陰イオン交換樹脂粉末（ＳＢＧ１Ｐ−ＰＷＤ、レジンテック社）および３４質量％の前記ポリエチレンから作製した陰イオン交換層１２より製造した。イオン交換樹脂粉末は、１５０μｍ未満であり、２％未満の水を含む。イオン交換樹脂を熱分解させないように注意しながら、陽イオンおよび陰イオン交換物質をバンベリーミキサでそれぞれ混合した。膜シートは、２５．４ｃｍ幅の押出ダイを用いて、シート押出しにより形成した。陽イオン交換層を最初に押し出して、０．０２５ｃｍ厚のシートを形成し、この層の上に陰イオン交換層を押し出して、水分解膜を製造した。押出ロール積層体を用いた第２の圧延工程を利用して、そのシートを０．０２８ｃｍ厚まで薄くし、水中での膨潤の際に、平らな水分解膜は、約０．０３８ｃｍ厚であった。
【００６２】
具体例３において、第３のセルのためのカートリッジは、間に６枚のプラスチックネットスペーサ（０．０１０インチ厚（０．２５４ｍｍ厚））（ネット４１２２、デルスター(Delstar)社）を挟んで、それぞれ１００ｃｍ長、１５ｃｍ幅の６枚の膜片をコアチューブに螺旋状に巻き付けることによって形成した。１２枚の層は、それらを平らな表面上に交互のパターンで重ねて配置することによって巻き付けた。各膜はネットスペーサにより隔てられ、膜の端部は１ｃｍずつずれていた。膜とスペーサを周りに巻き付けるコアチューブとして、１５ｃｍ長の剛性プラスチックネットチューブ（ＲＮ２５４０、インターネット社(Internet, Inc.)）を用いた。１２枚の膜およびスペーサ層をコアチューブの周りに巻き付けた後、巻かれたアセンブリを、平らなネット（ＸＮ１６７８、インターネット社）から作製したより大きなネットチューブ内に収容した。この巻かれたアセンブリを１３．０ｃｍ長に切断し、２つの端部キャップを熱可塑性接着剤により接着した。端部キャップの１つは、水をカートリッジへとそこから流動させるための密封通路を提供するために、Ｏリングを含んだ。端部キャップを備えた最終的なカートリッジは、直径８．９ｃｍで高さ１３．８ｃｍであり、０．７８ｍ2の水分解膜を含んでいた。
【００６３】
具体例３によるカートリッジは、それを、内側および外側電極、１つのハウジングポートとしての中央上昇管、およびハウジングの外壁の上部近くにある第２のポートを含む円筒ハウジング内に配置することにより特徴付けた。カートリッジを、内側から外側の方向に水を流して２０分間に亘り最初に再生し（供給水の導電率は、５０μＳ／ｃｍであった）、電力は、２５０ボルトで０．５アンペアの最大電流に制限し、流量は、２リットルの廃水容積を生じるように０．１リットル／分であった（１７５０μＳ／ｃｍの平均導電率）。脱イオン化について、電極の極性と流動方向を逆にし、供給水（９５０μＳ／ｃｍ）を０．６０リットル／分でセル中にポンプで流し込んで、６７％のＴＤＳ減少を示す６．４リットルを生成した。９０％の減少（ＴＤＳ減少）を生じるためにこれらの流動および電力条件下で各膜の平方メートル当たりが処理できる水の容積を計算するために指数法則正規化技法を用いると、このテキスチャーのない膜についてのこの脱イオン化容積では、４．９リットル／ｍ2面積が得られる。
【００６４】
具体例４において、第４のセル１０２のためのカートリッジは、平行に間隔が置かれた山の背３６および畝３８として形成されたテキスチャー特徴構造２６を持つテキスチャード膜１０から製造した。ｄpv（ピークから谷）の寸法は約０．０２０ｃｍであり、ｄpp（ピークからピーク）の寸法は０．０３０ｃｍであった。テキスチャード膜１０は、具体例３のセルに用いたものと同じ平らな０．０２８ｃｍ厚の二層膜から、図５に示すように、この膜シートを所望のテキスチャーパターンを持つ２つの金属ロールの間に通過させることによって作製した。このテキスチャー付け工程において、平らな膜シートを、膜１０を軟化させるために短い予熱器に通過させ、次いで、テキスチャーを形成するためのロールの間に通過させた。このローラも、テキスチャーパターンを膜シートに付けるために十分に高い温度（１００℃）まで加熱されていた。その後、テキスチャード膜シートを水中で膨潤させて、螺旋状に巻き付けてカートリッジにするためのテキスチャード膜１０を提供した。
【００６５】
具体例４のカートリッジは、具体例３におけるように正確に構成し、同一条件下で同じセル内で特徴付けた。それゆえ、膜の幾何学表面は０．７８ｍ2のままであった。再生水の容積は２４５０μＳ／ｃｍであった。６．４リットルの脱イオン化容積は、９０％のＴＤＳ減少を示した。指数法則正規化技法を用いると、これは、このテキスチャード膜を用いたこの脱イオン化容積に関して９０％のＴＤＳ減少を得るための７．４リットル／ｍ2と等しい。
【００６６】
それゆえ、同じ幾何学面積を持つテキスチャーのない膜から作製された具体例３の螺旋巻き付けセルと比較して、テキスチャード膜を持つ具体例４の螺旋巻き付けセルについて、膜１０の性能が５１％の改善が実現された。
【００６７】
具体例５および６
これらの具体例は、別個のスペーサ層により隔てられたテキスチャード膜１０を持つカートリッジと比較して、インテグラル・スペーサ８０を持つテキスチャード膜１０を含むカートリッジの優れた性能を示す。具体例５において、カートリッジ１００は、約５０質量％の弱酸性陽イオン交換樹脂（ローム・アンド・ハース(Rohm and Haas)社からのＨＰ３３３）および強塩基性陰イオン交換樹脂（レジンテック社からのＳＩＲ１００）を含むテキスチャード膜１０から作製した。各スリーブが約８５ｃｍ長で約０．０６４ｃｍ厚の６枚の膜スリーブを構成し、６枚の０．０２５４ｃｍ（１０ミル）厚のネットスペーサを巻き付け、全長１３．８ｃｍに切り取り、次いで、これに端部キャップを嵌めた。それゆえ、膜表面の全幾何学面積は０．７０ｍ2であり、直径は８．９ｃｍであった。このカートリッジを、具体例３および４に記載したような電気化学セルにおいて特徴付けて、９５０μＳ／ｃｍの初期導電率を持つ水の溶液流６．４リットルから９０％のＴＤＳ減少を得た。０．６０リットル／分・流量を提供するための圧力降下は６ｐｓｉ（約４１．４ｋＰａ）であった。
【００６８】
具体例６において、水でテキスチャード膜１０を膨潤させる前に、膜１０の陽イオン交換層１４上に熱可塑性スプレーガン・アセンブリからフィラメント８２を吹き付けることによって、スペーサ８０を膜１０上に形成した。フィラメント８２は、ミシガン州所在のホット・メルト・テクノロジーズ(Hot Melt Technologies)社から得られるＰｒｏ−Ｆｌｅｘ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎシステムにより製造した。フィラメント８２は、直径が約５０マイクロメートル（０．００２インチ）であり、無作為パターンで吹き付けられた。吹き付けプロセス条件により、図４に示すように、膜１０のテキスチャー特徴構造２６の上面に配置されたインテグラル・スペーサ８０が形成された。各インテグラル・スペーサ８０は、平均厚さが約０．０１７５ｃｍ（０．００７インチ）であった。各７５ｃｍ長の８枚の膜スリーブを、別個のスペーサを使用せずに、それら自体に巻き付け、巻かれた膜を１３．８ｃｍに切り取り、端部キャップを嵌めた。カートリッジ内の総膜面積は０．８３ｍ2であり、直径は８．９ｃｍであった（具体例５に関する同じ容積で１９％の膜面積の増加）。このカートリッジを具体例５において特徴付けて、６．４リットルの供給水から８４％のＴＤＳ減少を得た。０．６０リットル／分・流量を提供するための圧力降下は９ｐｓｉ（約６２ｋＰａ）であった。
【００６９】
これらの結果は、インテグラル・スペーサ８０は、カートリッジの体積を約７％減少させながら、テキスチャード膜１０の間の別個のスペーサのものとほぼ同じＴＤＳ減少を与えることを示している。さらに、インテグラル・スペーサ８０は、膜１０への優れた接着性を有することが分かり、それによって、膜およびスペーサ層をカートリッジ構成に組み立てることが容易になる。
【００７０】
本発明の電気化学セルには、いくつかの利点がある。インテグラル・スペーサ８０を備えた表面にテキスチャーを持つ膜１０は、電気化学セル１０２が占める全体の体積を減少させながら、膜１０の間の小さく均一かつ等しい間隙を維持する。さらに、インテグラル・スペーサ８０によるテキスチャード膜１０の間の一貫した小さな間隙距離により、電流密度の変動が減少し、膜１０の間の間隙に亘る圧力降下と物質移動速度が一貫したものになる。テキスチャード膜１０は、良好なイオン交換速度および高い溶液処理流速と出力も提供する。さらに、膜１０上のテキスチャー特徴構造２６は、膜の性能を著しく改善して、膜１０および電気化学セル１０２に関する予期せぬ利益を提供する。
【００７１】
本発明を、その例示の形式に関してかなり詳しく説明してきた。しかしながら、他の形式も可能であり、これは、当業者には明らかであろう。例えば、電気化学セル内の電極、またはカートリッジ内の膜の他の配列は、溶液流のイオン濃度、処理すべき溶液の容積、または所望のイオン交換処理に応じて、使用して差し支えない。さらに、第１の、第２の、外側、内側などの相対的な用語は、本発明を説明するためだけに用いられ、互いに交換可能である。例えば、第１の電極が第２の電極であって差し支えない。したがって、添付の請求項の精神および範囲は、ここに含まれた好ましい形式の説明に制限されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【００７２】
【図１Ａ】ピークと凹部のパターンであり、約１のアスペクト比を有するテキスチャー特徴構造を持つテキスチャード、水分解イオン交換膜の斜視図
【図１Ｂ】アスペクト比が約０．５である、図１Ａのイオン交換膜の別の実施の形態の斜視図
【図１Ｃ】陰イオンおよび陽イオン交換層の間の境界がテキスチャード表面の輪郭に従って波形層を形成している、図１Ａのイオン交換膜の別の実施の形態の斜視図
【図１Ｄ】山の背と畝に亘りチャンネルが切り込まれている、図１Ａのイオン交換膜の別の実施の形態の斜視図
【図１Ｅ】山の背に誘電コーティングを示す、図１Ａのイオン交換膜の別の実施の形態の斜視図
【図２】平らな表面から延在する円錐突起部を含むテキスチャー特徴構造を持つイオン交換膜の別の実施の形態の斜視図
【図３】平らな表面から外方に延在するメサを含むテキスチャー特徴構造を持つイオン交換膜の別の実施の形態の斜視図
【図４】テキスチャー特徴構造の上に、吹き付けられたフィル面とのインテグラル・スペーサが形成されたイオン交換膜の別の実施の形態の斜視図
【図５】テキスチャード膜を形成するための装置の斜視図
【図６】コアチューブの周りに螺旋状に巻き付けられたインテグラル・スペーサを持つ膜を有するカートリッジを備えた電気化学セルの断面平面図
【図７】螺旋状に巻き付けられた膜を有するカートリッジの製造に含まれる各工程を示す流れ図
【図８Ａ】膜の積層体を組み立てる方法を示す斜視図
【図８Ｂ】組み立てられたオフセット膜積層体上の接着線およびコアチューブ上の積層体の巻付けを示す斜視図
【図８Ｃ】巻かれた膜、端部キャップ、および上部プレートを持つカートリッジを使用した、ハウジングを有する電気化学セルの組立てを示す分解斜視図
【図９Ａ】蓋がカートリッジの端部キャップ延長部に取り付けられているときの、取外し可能な蓋とカートリッジの分解斜視図
【図９Ｂ】蓋がカートリッジに取り付けられた後の図９Ａの取外し可能な蓋とカートリッジの斜視図
【図９Ｃ】図９Ｂの取り付けられたカートリッジが容器内に取り付けられている、取外し可能な蓋の側断面図
【図１０Ａ】蓋がカートリッジのコアチューブに取り付けられているときの、取外し可能な蓋とカートリッジの別の形式の分解斜視図
【図１０Ｂ】蓋がカートリッジに取り付けられた後の図１０Ａの取外し可能な蓋とカートリッジの斜視図
【図１０Ｃ】図１０Ｂの取り付けられたカートリッジが容器内に取り付けられている、取外し可能な蓋の部分側断面図
【図１０Ｄ】図１０Ａの蓋のピンを受け入れるための容器の即へ化にある凹部溝の部分側断面図
【図１０Ｅ】カートリッジのコアチューブ中に延在するポストを含む蓋の部分側断面図
【図１１】プレートおよびフレームセル内に積層された膜を含むカートリッジを備えた電気化学セルの断面図
【図１２】溶液流内の選択されたイオン濃度を提供できる、膜カートリッジを備えた電気化学セルを有するイオン制御装置の概略図
【符号の説明】
【００７３】
１０    テキスチャード膜
１２    陰イオン交換層
１４    陽イオン交換層
１００    カートリッジ
１０２    セル
１０４    ガスケット
１０６    コアチューブ
１０８    スペーサ
１１９    積層体
１２４，１２８    電極
１２９    ハウジング
１３４    電源
１４４    イオンセンサ
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図１Ｃ】
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【図１Ｄ】
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【図１Ｅ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８Ａ】
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【図８Ｂ】
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【図８Ｃ】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図１０Ｃ】
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【図１０Ｄ】
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【図１０Ｅ】
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【図１１】
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【図１２】
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【国際調査報告】
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