(57)【要約】  脱塩システムが提供される。脱塩システムは、脱塩装置を備える。脱塩装置は、第１及び第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間に配設されて、第１の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第１の群のイオン交換膜の対とを備える。第１のチャネルは、脱塩のため第１の流れを受け取るように構成され、第２のチャネルは第２の流れ受け取って第１の流れから除去されたイオンを運び去るように構成される。脱塩装置は、隣接するイオン交換膜の各対の間並びに第１及び第２の電極と個々のイオン交換膜との間に配設された複数のスペーサをさらに備える。第１の群のイオン交換膜はそれぞれカチオン交換膜である。脱塩システム、並びに水流エリアからイオンを除去する方法も提示される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱塩装置を備える脱塩システムであって、脱塩装置が、
第１及び第２の電極と、
第１の電極と第２の電極の間に配設されて、第１の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第１の群のイオン交換膜の対であって、第１のチャネルが脱塩のため第１の供給流を受け取るように構成され、第２のチャネルが第２の供給流受け取って第１の供給流から除去されたイオンを運び去るように構成されている第１の群のイオン交換膜の対と、
隣接するイオン交換膜の各対の間並びに第１及び第２の電極と個々のイオン交換膜との間に配設された複数のスペーサと
を備えており、第１の群のイオン交換膜の各々がカチオン交換膜である、脱塩システム。
【請求項２】
第１の群のイオン交換膜の対のカチオン交換膜が、通常のカチオン交換膜と一価カチオン交換膜を交互に含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項３】
脱塩装置と流体連通したイオン調整ユニットであって、第２の供給流中の活性イオンの量を増加させるように構成されたイオン調整ユニットをさらに備える、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項４】
前記イオン調整ユニットが、活性イオンの量を増加させるため塩化ナトリウム溶液を第２の供給流に導入するように構成される、請求項３記載の脱塩システム。
【請求項５】
前記脱塩装置が、第１の供給流中の硬度イオンの少なくとも一部分を除去するように構成される、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項６】
前記脱塩装置が、第１の群のイオン交換膜と第１及び第２の電極の少なくとも一方との間に配設されて、第２の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第２の群のイオン交換膜の対をさらに備え、第２の群のイオン交換膜が複数のカチオン交換膜及びアニオン交換膜を交互に含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項７】
前記脱塩装置が、第２の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルに充填されたイオン交換樹脂をさらに含む、請求項６記載の脱塩システム。
【請求項８】
第２の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルが、第１の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルから液体を受け取るように構成される、請求項６記載の脱塩システム。
【請求項９】
脱塩装置の第１の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルからの流れを、追加の処理のために受け取るように構成された電気脱塩装置をさらに備える、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１０】
水流から硬度イオンを除去するように構成された脱塩装置を備える脱塩システムであって、脱塩装置が、
第１及び第２の電極と、
第１の電極と第２の電極の間に配設された第１の群のイオン交換膜の対であって、硬度イオンを除去するための第１の供給流と、第１の供給流から除去された硬度イオンを運び去る第２の供給流とをそれぞれ受け取るための第１の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第１の群のイオン交換膜の対と、
第１の群のイオン交換膜と第１及び第２の電極の少なくとも一方との間に配設されて、第２の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第２の群のイオン交換膜の対と、
隣接するイオン交換膜の各対の間並びに第１及び第２の電極と個々のイオン交換膜との間に配設された複数のスペーサと
を備えており、第１の群のイオン交換膜の対のイオン交換膜がそれぞれカチオン交換膜であり、第２の群のイオン交換膜の対が複数のカチオン交換膜及びアニオン交換膜を交互に含んでいる、脱塩システム。
【請求項１１】
第２の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルが、第１の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルから液体を受け取るように構成される、請求項１０記載の脱塩システム。
【請求項１２】
脱塩装置と流体連通したイオン調整ユニットであって、第２の供給流中の活性イオンの量を増加させるように構成されたイオン調整ユニットをさらに備えており、イオン調整ユニットが、活性イオンの量を増加させるため塩化ナトリウム溶液を第２の供給流に導入するように構成されている、請求項１０記載の脱塩システム。
【請求項１３】
第１の群のイオン交換膜に隣接した、第２の群のイオン交換膜の対のイオン交換膜の厚さが、第２の群のうち第１及び第２の電極に隣接していない他のイオン交換膜それぞれの厚さよりも厚い、請求項１０記載の脱塩システム。
【請求項１４】
カチオンの少なくとも一部分を除去して第１の出力流を生成するため、第１の供給流を、脱塩装置の第１の群のカチオン交換膜の対によって画成される第１の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルに通すステップと、
第１の供給流から除去されたカチオンの少なくとも一部分を取り除くため、第２の供給流を、脱塩装置の第１の群のカチオン交換膜の対によって画成される第１の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第２のチャネルに通すステップとを含む、水流からイオンを除去する方法。
【請求項１５】
前記脱塩装置が、
第１及び第２の電極と、
第１の電極と第２の電極の間に配設されて、第１の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第１の群のカチオン交換膜の対と、
隣接するイオン交換膜の各対の間並びに第１及び第２の電極と個々のイオン交換膜との間に配設された複数のスペーサと
を備える、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
第２の供給流が脱塩装置に導入される前に、第２の供給流中の活性カチオンの量を増加させるステップをさらに含む、請求項１４記載の脱塩方法。
【請求項１７】
前記脱塩装置が、カチオン交換膜の第１の群と第１及び第２の電極の少なくとも一方との間に配設されて、第２の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第２の群のイオン交換膜の対をさらに備え、第２の群のイオン交換膜が複数のカチオン交換膜及びアニオン交換膜を交互に含む、請求項１５記載の方法。
【請求項１８】
前記脱塩装置が、第２の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルに充填されたイオン交換樹脂をさらに含む、請求項１７記載の脱塩方法。
【請求項１９】
イオン除去のため、第１の出力流を、脱塩装置の第２の群のイオン交換膜の対によって画成される第２の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルに通すステップと、
第１の出力流から除去されたイオンを運び去るため、第３の流れを、脱塩装置の第２の群のイオン交換膜の対によって画成される第２の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第２のチャネルに通すステップとをさらに含む、請求項１４記載の脱塩方法。
【請求項２０】
追加の処理のため、第１の出力流を電気脱塩装置に通すステップと、
第１の出力流から除去されたイオンを運び去るため、第３の流れを電気脱塩装置に通すステップと
をさらに含む、請求項１４記載の脱塩方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、全体として、純水を生成するための脱塩システム及び方法に関する。より具体的には、本発明は、高純度水を生成するために硬度イオンを除去するイオン交換膜を使用する、脱塩システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
高純度の水は、発電所の高圧ボイラー、半導体素子の生産、プリント回路基板の生産、集積回路の生産、及び医療用の注射水の生産など、多くの工業プロセスに広く使用されている。
【０００３】
一般的に、連続運転の理由から、また生産水が安定した比較的高品質のものであることから、かかる液体流の処理、例えば純水の生成には、電気脱塩（ＥＤＩ；electrodeionization）装置が用いられてきた。一般に、ＥＤＩ装置は、イオン交換樹脂が中に充填された従来の電気透析システムを使用して、液体流を処理する。しかし、運転中、より高濃度の多価カチオンがスケール化傾向を引き起こすことがあるため、ＥＤＩ装置は、処理される液体流に対する硬度耐性を有する。例えば、ＥＤＩ装置の硬度耐性は約１ｐｐｍ未満であるが、それには、液体流に厳密な前処理を施して、液体流がＥＤＩ装置に導入される前に、液体流中の硬度を減少させることを必要とすることがある。
【０００４】
液体流に前処理を施して、液体流中の硬度を減少させる試みがあった。例えば、逆浸透（ＲＯ）装置が用いられる。しかし、液体流中の硬度をＥＤＩ装置に適した特定レベルまで減少させるためには、逆浸透装置の処理能率は比較的低いことがある。その結果、それに応じて加工コストが増加することがある。
【０００５】
したがって、高純度水を生成するために硬度イオンを除去する、新しい改善された脱塩システム及び方法が必要とされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００１−０９７７１４
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態では、脱塩システムが提供される。脱塩システムは、脱塩装置を備える。脱塩装置は、第１及び第２の電極と、第１の電極と第２の電極の間に配設された第１の群のイオン交換膜の対であって、第１の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第１の群のイオン交換膜の対とを備える。第１のチャネルは脱塩のため第１の流れを受け取るように構成され、第２のチャネルは第２の流れ受け取って第１の流れから除去されたイオンを運び去るように構成される。脱塩装置は、隣接するイオン交換膜の各対の間並びに第１及び第２の電極と個々のイオン交換膜との間に配設された複数のスペーサをさらに備える。第１の群のイオン交換膜はそれぞれカチオン交換膜である。
【０００８】
本発明の別の実施形態では、脱塩システムが提供される。脱塩システムは、水流から硬度イオンを除去するように構成された脱塩装置を備える。脱塩装置は、第１及び第２の電極と、硬度イオンを除去するための第１の供給流と、第１の供給流から除去された硬度イオンを運び去る第２の供給流とをそれぞれ受け取るため、第１の電極と第２の電極の間に配設されて、第１の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第１の群のイオン交換膜の対とを備える。脱塩装置は、第１の群のイオン交換膜と第１及び第２の電極の少なくとも一方との間に配設されて、第２の群の第１のチャネルと第２のチャネルを交互に形成する第２の群のイオン交換膜の対と、隣接するイオン交換膜の各対の間並びに第１及び第２の電極と個々のイオン交換膜との間に配設された複数のスペーサとをさらに備える。第１の群のイオン交換膜の対のイオン交換膜はそれぞれカチオン交換膜であり、第２の群のイオン交換膜の対は複数のカチオン交換膜及びアニオン交換膜を交互に含む。
【０００９】
本発明の実施形態は、水流からイオンを除去する方法をさらに提供する。方法は、イオンを除去して第１の出力流を生成するため、第１の供給流を、脱塩装置の第１の群のカチオン交換膜の対によって画成される第１の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１のチャネルに通すステップと、第１の供給流から除去されたイオンを運び去るため、第２の供給流を、脱塩装置の第１の群のカチオン交換膜の対によって画成される第１の群の交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第２のチャネルに通すステップとを含む。
【００１０】
これら及び他の利点と特徴は、添付図面に関連して提供される本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明によって、より良く理解されるであろう。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態による脱塩システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による脱塩装置の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態による脱塩装置の硬度イオン除去効率を示す実験のグラフである。
【図４】本発明の別の実施形態による脱塩システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本開示の好ましい実施形態について、添付図面を参照して以下に記載する。以下の説明では、不要な詳細で本開示が不明瞭になるのを回避するため、周知の機能又は構造については詳細に記載しない。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態による脱塩システム１０の概略図である。図１に示されるように、脱塩システム１０は、脱塩装置１１と、脱塩装置１１と流体連通している電気脱塩（ＥＤＩ）装置１２とを備える。
【００１４】
いくつかの実施形態では、脱塩装置１１は、脱塩のため、第１の液体源（図示なし）から塩及び他の不純物を有する第１の供給流１３を受け取るとともに、第１の供給流１３の脱塩中又は脱塩後に、第２の液体源（図示なし）から第２の供給流１４受け取って第１の供給流１３から除去された標的イオン又は荷電種を脱塩装置１１の外に運び出すように構成される。
【００１５】
非限定例では、第１の供給流１３中の塩は、ナトリウム（Ｎａ+）、塩素（Ｃｌ-）、マグネシウム（Ｍｇ2+）及び／又はカルシウム（Ｃａ2+）を含む硬度イオン、並びに／或いは他のイオンなどの荷電イオンを含んでもよい。一例では、第１の流れ１３の中の荷電イオンは、少なくとも、硬度イオンの一部分などの標的イオンを含む。
【００１６】
したがって、脱塩装置１１の脱塩により、第１の供給流１３中の硬度イオンを含む荷電イオン又は標的イオンの少なくとも一部分が除去されてもよい。その結果、第１の出力流１５が生成され、それが次に、追加の処理のためにＥＤＩ装置１２に導入されてもよく、その出力流は、希釈液であってもよく、第１の供給流１３と比べて低濃度である硬度イオンなどの荷電種を有してもよい。その一方で、第２の出力流（濃縮流（concentrated stream））１６も生成され、それは、第２の供給流１４よりも高濃度である硬度イオンなどの荷電種を有する。
【００１７】
いくつかの用途では、第１の出力流１５は、脱塩装置１１内へと環流させるか、又は、ＥＤＩ装置１２に導入される前に中の荷電イオンを除去する追加の処理のため、逆浸透装置など、他の任意の適切な脱塩装置に導入されてもよい。特定の用途では、ＥＤＩ装置は、異なる用途に基づいて用いられても用いられなくてもよい。
【００１８】
本明細書で使用するとき、「ＥＤＩ」という用語は、より高品質の水、例えば純水又は超純水を生成するために、イオン交換膜及びイオン交換樹脂を使用して水又は他の流体から標的イオンもしくは荷電種を除去する、電気化学的精製プロセスを意味する。
【００１９】
非限定例では、ＥＤＩ装置１２は、アノード及びカソードとしてそれぞれ作用するように構成された一対の電極を備える。複数の交互に並んだアニオン及びカチオン交換膜は、アノードとカソードとの間に配設されて、それらの間に複数の交互に並んだ第１及び第２のチャネルを形成し、それはまた、運転条件下では希釈チャネル及び濃縮チャネル（dilute and concentrate channels）とも呼ばれる。複数のスペーサは、膜の各対の間に、また電極と個々の隣接した膜との間に配設されるが、それは、電気透析（ＥＤ）装置の構造に類似していてもよい。同様に、アニオン交換膜（１つ又は複数）はアニオンを透過可能であるように構成される。カチオン交換膜（１つ又は複数）はカチオンを透過可能であるように構成される。
【００２０】
それに加えて、異なる用途に基づいて、イオンの運搬を容易にして隣接したイオン交換膜間の伝導性を向上させるとともに、水の電気化学的分解を容易にするため、イオン交換樹脂が第１のチャネル又は第２のチャネルに充填されてもよい。非限定例では、イオン交換樹脂は第１の（希釈）チャネルに充填されてもよい。
【００２１】
いくつかの構成の場合、ＥＤＩ装置１２の電極は、積重ね構造を形成するように互いに平行に配設されたプレートの形態であってもよい。或いは、電極は変動する構成で配置されてもよい。例えば、電極は、螺旋状の連続空間を間に有して同心で配設されてもよい。いくつかの用途では、電極は導電性材料を含んでもよい。スペーサは、膜並びに多孔質及び非多孔質材料を含む、任意のイオン透過性で非導電性の材料を含んでもよい。
【００２２】
非限定例では、カソードはステンレス鋼を含んでもよい。アノードは、イリジウム酸化物又はプラチナ被覆チタンを含んでもよい。アニオン交換膜は、第四級アミン基を含むポリマー材料を含んでもよい。カチオン交換膜は、スルホン酸基及び／又はカルボン酸基を含むポリマー材料を含んでもよい。イオン交換樹脂は、架橋ポリスチレン又は他の適切な材料を含んでもよい。
【００２３】
したがって、運転中、電流がＥＤＩ装置１２に印加される。脱塩装置１１からの第１の出力流１５は、その中の硬度イオンなどの標的イオンをさらに除去して、より高品質の生産流体（product fluid）１７を生成するため、イオン交換樹脂が充填された希釈チャネルに導入される。液体源（図示なし）からの第３の流れ１８は、除去された標的イオンを個々の希釈チャネルからＥＤＩ装置１２の外に運び出して、濃縮流体（concentrate fluid）１９を生成するため、濃縮チャネルに導入される。特定の用途では、生産流体１７は、追加の処理のためにＥＤＩ装置１２内へと環流させてもよい。
【００２４】
その一方で、第１のチャネル内のイオン交換樹脂で水分解反応が起こって、連続運転を容易にするためにイオン交換樹脂を再生する、Ｈ+及びＯＨ-が生成される。電極を保護するため、電解質流（図示なし）が電極の表面を通って、運転中に発生する水素及び塩素などのガスが除去されてもよい。
【００２５】
一般に、ＥＤＩ装置１２は、中で処理される液体に対する硬度耐性を有する。例えば、ＥＤＩ装置の硬度耐性は約１ｐｐｍ未満であってもよい。処理中のＥＤＩ装置１２におけるスケール化傾向又は汚損傾向を緩和もしくは回避するような適切なレベルまで、液体の硬度を減少させるために、図１に示されるように、硬度イオンを含むがそれらに限定されない標的イオンの適切なレベルを有する第１の出力流１５を生成するように、第１の供給流１３を前処理する、脱塩装置１１が用いられる。
【００２６】
図２は、本発明の一実施形態による脱塩装置１１の概略図を示す。図２に示されるように、脱塩装置１１は、第１の電極２０と、第２の電極２１と、複数のカチオン交換膜２２と、複数のスペーサ２３とを備える。図示される例では、第１及び第２の電極２０、２１は、アノード及びカソードとしてそれぞれ作用するように、電源（図示なし）の正端子及び負端子に接続される。或いは、第１及び第２の電極２０、２１の極性は逆にされてもよい。
【００２７】
いくつかの例では、第１及び第２の電極２０、２１は、チタンプレート又はプラチナ被覆チタンプレートなど、異なる形状を備えた金属材料を含んでもよい。他の例では、第１及び第２の電極２０、２１は導電性材料を含んでもよく、その導電性材料は、伝熱性であってもなくてもよく、より小さなサイズ及び大きな表面積を有する粒子を有してもよい。いくつかの例では、導電性材料は１つ又は複数の炭素材料を含んでもよい。炭素材料の非限定例としては、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、カーボンアエロゲル、多孔質メソカーボンマイクロビーズ、又はそれらの組み合わせが挙げられる。他の例では、導電性材料は、マンガン、もしくは鉄、もしくはそれら両方の酸化物、又はチタン、ジルコニウム、バナジウム、タングステンの炭化物、又はそれらの組み合わせなどの伝導性複合材料を含んでもよい。
【００２８】
図示される例では、第１及び第２の電極２０、２１は、積重ね構造を形成するように互いに平行に配設されたプレートの形態である。他の例では、第１及び第２の電極２０、２１は、シート、ブロック、又はシリンダなどの多様な形状を有してもよい。それに加えて、第１及び第２の電極２０、２１は様々な構成で配置されてもよい。例えば、第１及び第２の電極２０、２１は、螺旋状の連続空間を間に有して同心で配設されてもよい。
【００２９】
カチオン交換膜２２は、カチオンを透過可能であるように構成され、第１及び第２の電極２０、２１の間に配設されて、運転条件下では希釈チャネル及び濃縮チャネルともそれぞれ呼ばれる、複数の交互に並んだ第１及び第２のチャネル２４、２５を間に形成する。図示される例では、４つのカチオン交換膜２２が用いられて、交互に配設された１つの第１のチャネル２４と２つの第２のチャネル２５とを形成している。或いは、１つ又は複数の第１のチャネルと１つ又は複数の第２のチャネルとを第１及び第２の電極２０、２１の間に形成するように、少なくとも３つのカチオン交換膜２２が用いられてもよい。
【００３０】
いくつかの用途では、カチオン交換膜２２は、一価アニオンだけではなく多価アニオンも透過可能であるように構成された通常のカチオン交換膜を備えてもよい。特定の用途では、異なる用途に基づいて、例えば一価カチオンを除去するため、脱塩装置１１は１つ又は複数の一価カチオン交換膜を備えてもよい。したがって、通常のカチオン交換膜及び一価カチオン交換膜は、硬度イオンの除去を容易にするために交互に配設されてもよい。通常のカチオン交換膜に使用される適切な材料の非限定例としては、カチオンを透過させるための、スルホン酸基及び／又はカルボン酸基を含むポリマー材料が挙げられる。
【００３１】
スペーサ２３は、２つの隣接したイオン交換膜２２の各対の間、並びに第１及び第２の電極２０、２１と個々の隣接した膜２２との間に配設される。いくつかの実施形態では、スペーサ２３は、膜並びに多孔質及び非多孔質材料を含む、任意のイオン透過性で非導電性の材料を含んでもよい。
【００３２】
したがって、運転中、脱塩装置１１が正常極性状態にあって、電流が脱塩装置１１に印加されているとき、第１及び第２の流れ１３、１４などの液体がそれぞれ、第１のチャネル２４及び第２のチャネル２５に導入される。特定の用途では、第１及び第２の流れ１３、１４は、脱塩装置１１に同時に導入されてもされなくてもよい。
【００３３】
第１及び第２の流れ１３、１４が個々の希釈及び濃縮チャネル２４、２５を通っている間、カチオン交換膜２２が希釈チャネル２４内に存在していることにより、Ｍｇ2+及びＣａ2+などの標的イオン並びに第１の供給流１３中のＮａ+などの他のカチオンの少なくとも一部分が、個々のカチオン交換膜２２を通ってアノード２０に向かって移動して、濃縮チャネル２５に入ってもよい。第１の供給流１３中のＣｌ-などのアニオンは、個々のアニオン交換膜を通って移動せず、希釈チャネル２４に留まってもよい。
【００３４】
濃縮チャネル２５では、第２の供給流１４中のＣｌ-などのアニオンは、アニオン交換膜２２を通って移動せず、その中に留まってもよい。特定の用途では、希釈チャネル２４中の第１の供給流１３から濃縮チャネル２５内へと移動したＭｇ2+及び／又はＣａ2+などの除去された標的カチオン、並びにＮａ+等の他のカチオンの一部分は、カチオン交換膜２２を通ってさらに移動して、運転中の個々の隣接した濃縮チャネル２５から希釈チャネル（１つもしくは複数）２４に入ってもよい。
【００３５】
非限定例では、希釈チャネル２４から濃縮チャネル２５内へと移動した、除去された標的イオンの少なくとも一部分が、希釈チャネル２４に入って第１の供給流１３へと再び入るのを防ぐために、第２の供給流１４はＮａ+などの活性一価カチオンを含んでもよく（濃Ｎａ+流と呼ばれる）、それが、運転中にカチオンが濃縮チャネル２５から個々の希釈チャネル２４へと移動するときに、希釈チャネル２４から濃縮チャネル２５内へと移動した標的イオンよりも少なくとも多いイオン電流の一部分を運んでもよい。
【００３６】
非限定例では、活性一価カチオンの濃度は、個々の濃縮チャネル２５の除去された標的イオンの濃度よりも高くてもよい。いくつかの例では、活性一価イオンのイオン移動度は、濃縮チャネル２５から個々の希釈チャネル２４へと移動させたときの、個々の濃縮チャネル２５内の除去された標的イオンのイオン移動度よりも高くてもよい。他の例では、第２の供給流１４中の活性一価カチオンの量は、濃縮チャネル２５から個々の希釈チャネル２４へと移動させたときの、濃縮チャネル２５内の除去された標的イオンの量よりも多くてもよい。
【００３７】
その結果、濃縮チャネル２５内の第２の供給流１４中の活性一価カチオンの少なくともより多い一部分が、カチオン交換膜２２を通って移動して、隣接した希釈チャネル２４内へと入ってもよい。したがって、運転中、第２の供給流１４中の活性一価カチオンは、運転中に濃縮チャネル２５から個々の希釈チャネル２４へと移動させ続けると、濃縮チャネル２５内の除去された標的イオンよりも少なくとも多いイオン電流の一部分を運んでもよいので、希釈チャネル２４から濃縮チャネル２５内へと移動させた、除去された標的イオンの少なくともより多い一部分が、カチオン交換膜２２を通って移動して希釈チャネル２４内へとさらに入って個々の濃縮チャネル２５に留まらなくてもよいので、第１の供給流１３から除去される標的イオンの効率が増加する。
【００３８】
いくつかの構成の場合、濃縮チャネル２５から希釈チャネル２４内へと移動させたときの、第２の供給流１４中の活性一価カチオンによって運ばれるイオン電流を増加させるために、図１に示されるように、脱塩システム１０は、第２の供給流１４中の活性一価アニオンによって運ばれるイオン電流を、濃縮チャネル２５から個々の希釈チャネル２４へと移動させたときの濃縮チャネル２５内の標的イオンによって運ばれるイオン電流よりも大きくするのが容易になるように、第２の供給流１４と流体連通しているイオン調整ユニット（ion adjustment unit）２６をさらに備える。非限定例では、活性一価カチオンは、Ｎａ+、Ｋ+、又はＨ+を含んでもよい。一例では、イオン調整ユニット２６は、塩化ナトリウム溶液を第２の供給流１４に導入して、ナトリウムイオン（Ｎａ+）などの活性一価イオンの濃度を増加させる。特定の用途では、イオン調整ユニット２６は用いられても用いられなくてもよい。
【００３９】
したがって、図２に示されるように、運転中、第２の供給流１４は濃縮チャネル２５を通って、希釈チャネル２４から移動させた硬度イオンなどの除去された標的アニオンの少なくとも一部分を脱塩装置１１の外に運び出すので、適切なレベルの硬度イオンを有する第１の出力流１５が次に、追加の処理のためにＥＤＩ装置１２に導入される。
【００４０】
いくつかの例では、脱塩装置１１の第１及び第２の電極２０、２１の極性は逆にされてもよい。逆極性状態では、正常極性状態からの希釈チャネル２４は、第２の供給流１４を受け取る濃縮チャネルとして作用してもよく、正常極性状態からの濃縮チャネル２５は、脱塩のために、例えば第１の供給流１３中の硬度イオンを除去し、脱塩装置１１におけるアニオン及びカチオンの汚損傾向を緩和するために、第１の供給流１３を受け取る希釈チャネルとして機能してもよい。
【００４１】
図２の構成は単なる例証であることに留意されたい。いくつかの用途では、脱塩装置１１は、異なる活性カチオンを使用して異なる標的イオンを除去するのに用いられてもよい。図示される例では、除去されるべき標的イオンは少なくとも硬度イオンを含み、第２の供給流１４中の活性イオンはＮａ+を含む。他の例では、活性イオンはＫ+及びＨ+を含んでもよいが、それらに限定されない。
【００４２】
図３は、本発明の一実施形態による脱塩装置１１の硬度イオン除去効率を示す実験のグラフである。この実験例では、脱塩装置１１は９つのカチオン交換膜２２を備える。脱塩装置１１におけるＤＣ電圧は約５ボルトである。図３に示されるように、脱塩装置１１における約５０分の連続処理中、約１３ｐｐｍの硬度を有する第１の供給流１３が処理されて、約３ｐｐｍの硬度を有する第１の出力流（生産流）１５が生成される。
【００４３】
したがって、硬度イオンの約７７％が第１の供給流から除去されてもよく、運転中の生産流１５の硬度は約３ｐｐｍのままであり、そのことは、脱塩装置１１が硬度イオンの比較的高く安定した除去効率を有することを示唆することができる。
【００４４】
図１に図示される例では、脱塩装置１１及びＥＤＩ装置１２は別々に配設される。他の例では、図４に示されるように、脱塩システム１０の脱塩装置１１及びＥＤＩ装置１２は、脱塩装置３０として作用する共通のカソード及び共通のアノードを使用することによって一元的に配設されてもよい。図１〜図２及び図４における同じ番号は類似の要素を示してもよい。例証を簡単にするため、いくつかの要素、例えばイオン交換樹脂は、図４の構成には示されていない。
【００４５】
図４に示されるように、脱塩装置３０は、第１の電極３１と、第２の電極３２と、複数のイオン交換膜３８、３９、４０と、複数のスペーサ３３とを備える。図示される例では、第１及び第２の電極３１、３２は、アノード及びカソードとしてそれぞれ作用するように、電源（図示なし）の正端子及び負端子に接続される。
【００４６】
いくつかの用途では、第１及び第２の電極３１、３２は導電性材料を含んでもよい。非限定例では、カソードはステンレス鋼を含んでもよい。アノードは、イリジウム酸化物又はプラチナ被覆チタンを含んでもよい。いくつかの構成の場合、第１及び第２の電極３１、３２は、積重ね構造を形成するように互いに平行に配設されたプレートの形態であってもよい。或いは、電極は様々な構成で配置されてもよい。例えば、第１及び第２の電極３１、３２は、螺旋状の連続空間を間に有して同心で配設されてもよい。
【００４７】
図示される例では、イオン交換膜は、第１及び第２の電極３１、３２の間に配設されて、交互に並んだ第１及び第２のチャネル３４〜３５の第１の群と交互に並んだ第１及び第２のチャネル３４’〜３５’の第２の群とを間に形成する、第１及び第２の群３６、３７に分割され、それら第１及び第２の群はそれぞれ、運転条件下では希釈チャネル及び濃縮チャネルの第１及び第２の群とも呼ばれる。非限定例では、交互に並んだ第１及び第２のチャネルの第１及び第２の群はそれぞれ、複数の交互に並んだ第１及び第２のチャネルを備えてもよい。
【００４８】
第２の群３７は、第１の群３６と第１の電極３１との間に配設されるので、第１及び第２のチャネル３４’〜３５’の第２の群のうち第１のチャネル３４’は、追加の処理のために第１の群３６の第１及び第２のチャネル３４〜３５の第１の群のうち第１のチャネル３４から液体を受け取るように構成される。１つの濃縮チャネル３５は、第１及び第２の群３６、３７の間に形成される。或いは、第２の群３７は、第１の群３６と第２の電極３２との間に配設されてもよい。第１の群３６のイオン交換膜はそれぞれ、カチオンイオン交換膜３８を備える。第２の群３７は、交互に並んだ希釈チャネル及び濃縮チャネル３４’、３５’の第２の群を形成するように、複数の交互に並んだカチオン交換膜及びアニオン交換膜３９、４０を備える。
【００４９】
いくつかの例では、第１の群３６のカチオンイオン交換膜３８はそれぞれ、図２のカチオン交換膜２２の材料に類似した材料を含んでもよい。第２の群３７のカチオン交換膜及びアニオン交換膜３９、４０の非限定例は、電気脱塩（ＥＤＩ）装置１２の個々のカチオン交換膜及びアニオン交換膜に類似した材料を含む。
【００５０】
特定の用途では、運転中、第２の群３７のイオン交換膜を、例えば第１の群３６に隣接して配設されたアニオン交換膜４０を、高い圧力差に耐えるように保護するために、第１の群３６に隣接したアニオン交換膜４０の厚さは、第１及び第２の群３６、３７の個々の電極３１、３２に隣接していない他のイオン交換膜の厚さよりも厚くてもよい。非限定例では、第１の群３６に隣接したアニオン交換膜４０の厚さは、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲、例えば２ｍｍであってもよい。他の例では、個々の第１及び第２の電極３１、３２に隣接した膜も、例えば２ｍｍなど、１ｍｍ〜３ｍｍの範囲のより厚い厚さを有してもよい。
【００５１】
スペーサ３３は、隣接したイオン交換膜の各対の間、並びに第１及び第２の電極３１、３２と個々の隣接した膜３８、３９との間に配設される。いくつかの実施形態では、スペーサ３３はまた、膜並びに多孔質及び非多孔質材料を含む、任意のイオン透過性で非導電性の材料を含んでもよい。
【００５２】
したがって、図２の構成と同様に、運転中、電流が脱塩装置３０に印加されながら、第１の供給流１３などの液体が第１の（希釈）チャネル３４に導入される。第２の供給流１４は、第１の群３６の第２の（濃縮）チャネル３５に、かつ第１及び第２の群３６、３７の間にそれぞれ導入される。その結果、硬度イオンを含むがそれに限定されない標的イオンの少なくとも一部分が、第１の供給流１３から除去されて、第１の出力流（希釈流）１５が生成されてもよい。第２の供給流１４は、第１の供給流１３から除去された標的イオンの少なくとも一部分を、第１の供給流１３の脱塩中又は脱塩後に、脱塩デバイス３０の外に運び出して、第２の出力流（濃縮流）１６が生成される。
【００５３】
それに続いて、図１に示されるＥＤＩ装置１２と同様に、第１の群３６からの第１の出力流１５は、硬度イオンなどの標的イオンをさらに除去してより高品質の生産流体１７を生成するために、第２の群３７のイオン交換樹脂（図示なし）が充填された希釈チャネル３４’に導入される。その一方で、イオン交換樹脂の再生のため、希釈チャネル３４’内のイオン交換樹脂で水分解反応が起こる。液体源（図示なし）からの第３の流れ１８が第２の群３７の濃縮チャネル３５’に導入されて、濃縮流体１９が生成されるように、除去されたイオンを個々の希釈チャネル３４’から脱塩デバイス３０の外に運び出す。
【００５４】
図４の構成は単なる例証であることに留意されたい。図示される例では、ＥＤＩ装置１２は図１に示される脱塩装置１１と統合される。或いは、電気透析（ＥＤ）装置又は逆電気透析（ＥＤＲ）装置などの他の脱塩装置も、共通のカソード及び共通のアノードを使用することによって、脱塩装置１１と一元的に配設されてもよい。同様に、硬度イオンを含むがそれに限定されない他の標的イオンも除去されてもよい。いくつかの例では、第１及び第２の電極３１、３２の極性は逆にされてもよい。
【００５５】
本発明の実施形態では、脱塩装置１１は、中の硬度イオンなどの標的イオンを除去するために液体を処理する、安定した比較的高い除去効率を有する、カチオンイオン交換膜を用いる。その結果、標的イオンの適切な濃度レベルを有する液体が、追加の処理のためにＥＤＩ装置に導入されたとき、スケール化又は汚損の問題が回避もしくは緩和され得るので、ＥＤＩ装置が連続的な安定した運転を維持する。それに加えて、脱塩装置１１は、ＥＤＩ装置もしくは他の脱塩装置とは別個に又は一元的に配設されてもよく、それによって、液体の処理に対するシステムの柔軟性が改善される。
【００５６】
一般的な実施形態において本開示を例証し記載してきたが、本開示の趣旨からいかなる形でも逸脱することなく様々な修正及び置換を行うことができるので、示される詳細に限定されないものとする。そのため、本明細書における開示のさらなる修正及び等価物が、単なる日常的実験を使用して、当業者には想起されることがあり、かかる修正及び等価物はすべて、以下の請求項によって定義されるような本開示の趣旨及び範囲内にあるものと考えられる。
【符号の説明】
【００５７】
１０  脱塩システム
１１  脱塩装置
１２  電気脱塩装置
１３  第１の供給流
１４  第２の供給流
１５  第１の出力流
１６  第２の出力流
１７  生産流体
１８  第３の流れ
１９  濃縮流体
２０  第１の電極
２１  第２の電極
２２  カチオン交換膜
２３  スペーサ
２４  第１のチャネル
２５  第２のチャネル
２６  イオン調整ユニット
３０  脱塩装置
３１  第１の電極
３２  第２の電極
３３  スペーサ
３４、３４’  第１のチャネル
３５、３５’  第２のチャネル
３６  第１の群
３７  第２の群
３８、３９、４０  イオン交換膜（カチオン交換膜、アニオン交換膜）
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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