(57)【要約】  脱塩システムが１以上の脱塩セルを備える。１以上の脱塩セルは、第１及び第２の電極と、第１及び第２の電極上にそれぞれ配設された陰イオン交換層及び陽イオン交換層と、第１の電極と第２の電極の間に配設されたスペーサとを備える。１以上の脱塩セルは、第１の電極と第２の電極の間に配設されたイオン交換樹脂をさらに備える。イオンを水流から除去するための脱塩システム及び方法も示されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水流からイオン除去するための脱塩システムであって、当該脱塩システムが１以上の脱塩セルを備えており、脱塩セルが、
第１及び第２の電極と、
第１及び第２の電極上にそれぞれ配設された陰イオン交換層及び陽イオン交換層と、
第１の電極と第２の電極の間に配設されたスペーサと、
第１の電極と第２の電極の間に配設されたイオン交換樹脂と
備えている、脱塩システム。
【請求項２】
イオン交換樹脂が陰イオン交換樹脂ビーズと陽イオン交換樹脂ビーズの混合物を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項３】
陰イオン交換樹脂ビーズと陽イオン交換樹脂ビーズとの体積比が１：１である、請求項２記載の脱塩システム。
【請求項４】
第１の電極と第２の電極の間の距離が約２ｍｍ〜約２０ｍｍである、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項５】
第１の電極と第２の電極の間の距離が約８ｍｍである、請求項４記載の脱塩システム。
【請求項６】
脱塩システムが、複数の脱塩セルを、隣接する脱塩セル対の間に配設された１以上の絶縁性セパレータと共に積層してなる、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項７】
１以上の脱塩セルからの流出流をさらに処理するための、１以上の脱塩セルと流体連通したＥＤＩ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８】
１以上の脱塩セルが硬度イオンを供給流から除去するように構成されている、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項９】
水流からイオン除去するための脱塩システムであって、当該脱塩システムが脱塩装置を備えており、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１以上のバイポーラ電極と、
各隣接する電極対の間に配設された複数のスペーサと、
各隣接する電極対のそれぞれの電極上に配設された陰イオン及び陽イオン交換層と、
各隣接する電極対の間に配設されたイオン交換樹脂と
を備えている、脱塩システム。
【請求項１０】
イオン交換樹脂が陰イオン交換樹脂ビーズと陽イオン交換樹脂ビーズの混合物を含む、請求項９記載の脱塩システム。
【請求項１１】
陰イオン交換樹脂ビーズと陽イオン交換樹脂ビーズとの体積比が１：１である、請求項１０記載の脱塩システム。
【請求項１２】
各隣接する電極対の間の距離が約２ｍｍ〜約２０ｍｍである、請求項９記載の脱塩システム。
【請求項１３】
各隣接する電極対の間の距離が約８ｍｍである、請求項１２記載の脱塩システム。
【請求項１４】
水流からイオンを除去する方法であって、
脱塩セルの充電状態において、第１の供給流を、脱塩セルの第１及び第２の電極上にそれぞれ配設された陰イオン交換層と陽イオン交換層の間に配設されたイオン交換樹脂を通して流して、流出流を生成することと、
脱塩セルの放電状態において、第２の供給流をイオン交換樹脂を通して流して、第１の供給流から除去されたイオンを脱塩セルの外へ運び、濃縮流を生成することと
を含む方法。
【請求項１５】
追加の処理を行うためのＥＤＩ装置に流出流を導入することをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１６】
濃縮流の向きを変えて第２の供給流に導くことをさらに含む、請求項１４記載の方法。
【請求項１７】
脱塩セルの放電状態において、第１の供給流が第２の供給流として働く、請求項１４記載の方法。
【請求項１８】
イオン交換樹脂が、陰イオン交換樹脂ビーズと、陰イオン交換樹脂ビーズと混合された陽イオン交換樹脂ビーズとを含んでおり、陰イオン交換樹脂ビーズと陽イオン交換樹脂ビーズとの体積比が１：１である、請求項１４記載の方法。
【請求項１９】
第１の電極と第２の電極の間の距離が約２ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲である、請求項１４記載の方法。
【請求項２０】
第１の電極と第２の電極の間の距離が約８ｍｍである、請求項１４記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は広義には脱塩システム及び水回収方法に関する。さらに具体的には、本発明は、脱塩システム及び生産水回収のための硬度イオンの除去方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業プロセスでは、大量の廃水（例えば、食塩水溶液）が生成される。一般的に、このような廃水は、家庭内又は工業用途での直接消費には適していない。適格な水源が限られていることを考えると、適格な水を液体流（例えば廃水、海水又は汽水）から回収することが望ましい。
【０００３】
通常は、連続運転であるために、また生産水の品質が安定して比較的高いために、電気式脱イオン（ＥＤＩ）装置が、このような液体流を処理して例えば純水を製造するために、用いられている。一般的に、ＥＤＩ装置では、従来の電気透析システムにイオン交換樹脂ビーズを満たしたものを用いて、液体流を処理している。しかし、運転中、ＥＤＩ装置には、処理すべき液体流に対して硬度許容範囲がある。例えば、ＥＤＩ装置の硬度許容範囲は約１ｐｐｍ未満であり、液体流の厳密な前処理を行って内部の硬度を減少させることが、液体流をＥＤＩ装置内に導入する前に必要となる場合がある。
【０００４】
液体流を前処理して内部の硬度を下げることが試みられている。例えば、２段の逆浸透（ＲＯ）装置が用いられている。しかし、２段の逆浸透装置を使用しているために、液体流中の硬度を減少させるためにはシステムコストが高くなる場合がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】独国特許出願公開第４４１８８１２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
したがって、新しい改善された脱塩システム及び水回収のための硬度イオンの除去方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一実施形態により水流からイオン除去するための脱塩システムが提供される。脱塩システムは１以上の脱塩セルを備える。１以上の脱塩セルは、第１及び第２の電極と、第１及び第２の電極上にそれぞれ配設された陰イオン交換層及び陽イオン交換層と、第１の電極と第２の電極の間に配設されたスペーサとを備える。１以上の脱塩セルは、第１の電極と第２の電極の間に配設されたイオン交換樹脂をさらに備える。
【０００８】
本発明の別の実施形態により水流からイオン除去するための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１以上のバイポーラ電極と、各隣接する電極対の間に配設された複数のスペーサとを備える。脱塩装置はさらに、各隣接する電極対のそれぞれの電極上に配設された陰イオン及び陽イオン交換層と、各隣接する電極対の間に配設されたイオン交換樹脂とを備える。
【０００９】
本発明の実施形態によってさらに、水流からイオンを除去するための方法が提供される。本方法は、脱塩セルの充電状態において、第１の供給流を、脱塩セルの第１及び第２の電極上にそれぞれ配設された陰イオン交換層と陽イオン交換層の間に配設されたイオン交換樹脂を通して流して、流出流を生成することと、脱塩セルの放電状態において、第２の供給流をイオン交換樹脂を通して流して、第１の供給流から除去されたイオンを脱塩セルの外へ運び、濃縮流を生成することとを含んでいる。
【００１０】
これら及び他の優位性及び特徴は、添付の図面と共に示される本発明の好ましい実施形態の以下の詳細な説明からより良好に理解される。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の一実施形態に係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係る図１に示す脱塩システムの脱塩装置の概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に係る脱塩装置における第１の供給流の脱塩を例示する実験グラフである。
【図４】本発明の一実施形態に係る脱塩中にイオン交換樹脂ビーズを用いた場合及び用いなかった場合の脱塩装置の電圧を例示する実験グラフである。
【図５】本発明の別の実施形態に係る脱塩装置のイオン交換樹脂ビーズの配置の概略図である。
【図６】本発明の別の実施形態に係る脱塩装置のイオン交換樹脂ビーズの配置の概略図である。
【図７】本発明の実施形態に係る脱塩システムの脱塩装置の概略図である。
【図８】本発明の実施形態に係る脱塩システムの脱塩装置の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本開示の好ましい実施形態について添付の図面を参照して説明する。以下の説明では、周知の機能又は構造については詳細に説明することをせず、開示内容が不必要に詳細になって不明瞭になることを避ける。
【００１３】
図１は、本発明の一実施形態に係る脱塩システム１０の概略図である。図１に例示したように、脱塩システム１０は、脱塩装置１１と、脱塩装置１１と流体連通した電気式脱イオン（ＥＤＩ）装置１２とを備える。
【００１４】
脱塩装置１１は、塩又は他の不純物を有する第１の供給（水）流１３を、脱塩用の第１の液体源（図示せず）から受け取って、内部に含まれる荷電種又は標的イオンを除去して流出流１４を生成するように構成されている。非限定的な例では、第１の供給流１３中の塩としては、荷電イオン、例えば、ナトリウム（Ｎａ+）、塩素（Ｃｌ-）、硬度イオン、例えば、マグネシウム（Ｍｇ2+）及び／もしくはカルシウム（Ｃａ2+）、並びに／又は他のイオンを挙げてもよい。１つの非限定的な例では、第１の供給流１３中の荷電イオンは少なくとも標的イオン（例えば硬度イオン）を含む。
【００１５】
例示した配置の場合、脱塩装置１１はさらに、第２の供給流１５を第２の液体源から第１の供給流１３の脱塩後に受け取って、第１の供給流から除去された荷電種又は標的イオン１３を脱塩装置１１の外へ運んで濃縮流１６を生成するように構成されている。濃縮流１６は、荷電種の濃度が第２の供給流１５よりも高い。
【００１６】
例示した例では、第１の供給流１３及び流出流１４を脱塩装置１１内に導入しまた脱塩装置１１から外に出すことをバルブ１７、１８を介して行うことが、脱塩装置１１の充電状態においてそれぞれ行われる。第２の供給流１５及び濃縮流１６を脱塩装置１１内に導入しまた脱塩装置１１から外に出すことをバルブ１７、１８を介して行うことが、脱塩装置１１の放電状態においてそれぞれ行われる。充電状態では、第２の供給流１５及び濃縮流１６の流路が、対応するバルブ１７、１８によって閉じている。放電状態では、第１の供給流１３及び生成物流１４の流路が、対応するバルブ１７、１８によって閉じている。
【００１７】
濃縮流１６の向きを変えて第２の供給流１５内に入れて、脱塩装置１１内に循環させてもよい。濃縮流１６の循環が続くと、塩又は他の不純物の濃度が継続的に増加することが、濃縮流１６が飽和状態又は過飽和状態になるまで起こる。その結果、飽和又は過飽和の度合いが、濃縮流１６中に沈殿が生じ始める点に達する場合がある。いくつかの例では、濃縮流１６の少なくとも一部を通路１００から放出してもよい。
【００１８】
第１の供給流１３と第２の供給流１５とは、同じ塩又は不純物を含んでいてもよいしそうでなくてもよいし、また同じ濃度の塩又は不純物を有していてもよいしそうでなくてもよい。非限定的な例では、第１及び第２の供給流１３、１５を同じ（又は単一の）液体源によって与えてもよい。ある応用例では、第１の供給流１３は、脱塩装置１１の放電状態において第２の供給流１５として働いてもよい。バルブ１７、１８を用いてもよいし用いなくてもよい。
【００１９】
こうして、脱塩装置１１の脱塩のおかげで、第１の供給流１３中の硬度イオンを含む荷電又は標的イオンの少なくとも一部が除去される場合がある。その結果、流出流１４が生成され、そして流出流１４をＥＤＩ装置１２内に導入してさらなる処理を図ってもよい。流出流１４は、希薄液であってもよく、第１の供給流１３と比べて荷電種（例えば硬度イオン）の濃度が低くてもよい。
【００２０】
流出流１４を脱塩装置１１内に循環するか又は他の任意の好適な脱塩装置内に導入して、内部の荷電種を除去するためのさらなる処理を図ることを、ＥＤＩ装置１２内に導入する前に行ってもよい。ある応用例では、ＥＤＩ装置を、異なる応用例に基づいて用いてもよいし用いなくてもよい。
【００２１】
本明細書で用いる場合、用語「ＥＤＩ」の意味するところは、電気化学的な精製プロセスであって、イオン交換膜及びイオン交換樹脂ビーズを用いて標的イオン又は荷電種を水又は他の流体から除去し、より高品質の水（例えば、純水又は超純水）を生成するプロセスである。
【００２２】
ＥＤＩ装置１２は、アノード及びカソードとしてそれぞれ働くように構成された一対の電極を備える。複数の交互の陰イオン及び陽イオン交換膜がアノード及びカソード間に配設されて、複数の交互の第１及び第２のチャンネルがそれらの間に形成されている。これらは、運転条件下で希釈及び濃縮チャンネルともいわれる。複数のスペーサが、各膜対間と、電極及び対応する隣接膜の間とに配設されている。これは、電気透析（ＥＤ）装置の構造と同様の場合がある。同様に、陰イオン交換膜は、陰イオンに対して通過可能に構成されている。陽イオン交換膜は、陽イオンに対して通過可能に構成されている。
【００２３】
加えて、異なる応用例に基づいて、第１のチャンネル又は第２のチャンネルにイオン交換樹脂を満たして、イオン輸送を促進すること、隣接したイオン交換膜間の伝導性を高めること、及び水を電気化学的に分解することを図ってもよい。ある応用例では、第１のチャンネル又は第２のチャンネルは、部分的又は全体的にイオン交換樹脂によって満たされていてもよい。１つの非限定的な例では、第１の（希釈）チャンネルはイオン交換樹脂によって満たされている。
【００２４】
一部の配置に対して、ＥＤＩ装置１２の電極は、積層構造を形成するために互いに平行に配置されたプレートの形態であってもよい。その代わりに、電極を種々の構成で並べてもよい。例えば、電極を、らせん状の連続空間がそれらの間に設けられるように同心円状に配置してもよい。用途によっては、電極は導電性材料を含んでいてもよい。スペーサは、任意のイオン透過性の電子的に非伝導性の材料を含んでいてもよい。例えば、膜並びに多孔質及び無孔材料である。
【００２５】
非限定的な例では、ＥＤＩ装置１２のカソードはステンレス鋼を含んでいてもよい。ＥＤＩ装置１２のアノードは、酸化イリジウム又は白金コーティングされたチタンを含んでいてもよい。陰イオン交換膜は、第４級アミン基を含むポリマー材料を含んでいてもよい。陽イオン交換膜は、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いてもよい。イオン交換樹脂は、架橋ポリスチレン又は他の好適な材料を含んでいてもよい。
【００２６】
運転中に、電流をＥＤＩ装置１２に加える。脱塩装置１１からの流出流１４を、イオン交換樹脂ビーズによって満たされた希釈チャンネル内に導入して、標的イオン（例えば、内部の硬度イオン）のさらなる除去を図り、より高品質の生成物流体１９を生成する。液体源（図示せず）からの入力流２０を濃縮チャンネル内に導入して、対応する希釈チャンネルから除去された標的イオンをＥＤＩ装置１２の外へ運び、濃縮流体２１を生成する。ある応用例では、生成物流体１９をＥＤＩ装置１２内に循環してさらなる処理を図ってもよい。脱塩装置１１からの濃縮流１６をＥＤＩ装置１２の濃縮チャンネル内に導入して、除去された標的イオンを運び去ってもよい。
【００２７】
一方で、水分解反応が第１のチャンネル内のイオン交換樹脂中で起こってＨ+及びＯＨ-を生成してイオン交換樹脂の再生を図り、連続運転の促進を図る。電解質流（図示せず）が電極の表面を通って、運転中に発生したガス（例えば、水素及び塩素）を除去し、電極を保護してもよい。
【００２８】
一般的に、ＥＤＩ装置１２には、内部で処理すべき液体に対して硬度許容範囲がある。例えば、ＥＤＩ装置の硬度許容範囲は通常、約１ｐｐｍ未満である。液体中の硬度を好適なレベルまで下げて、処理中のＥＤＩ装置１２におけるスケーリング又はファウリング傾向を緩和又は回避するために、図１に示したように、脱塩装置１１を用いて第１の供給流１３を前処理して、流出流１４として、好適なレベルの標的イオン（例えば、限定することなく、硬度イオン）を有するものを生成して、ＥＤＩ装置１２におけるさらなる処理を図っている。
【００２９】
図２に、本発明の一実施形態に係る脱塩装置１１の概略図を例示する。図２に例示したように、脱塩装置１１は、第１の電極２２、第２の電極２３、陰イオン交換層２４、陽イオン交換層２５、及びスペーサ２６を備え、脱塩セルともいわれる。本明細書で用いる場合、用語「層」は、特定の厚さの材料を示さない場合がある。
【００３０】
例示した例では、第１及び第２の電極２２、２３が電源（図示せず）の正及び負端子に接続されて、アノード及びカソードとしてそれぞれ働くようになっている。その結果、陰イオン交換層２４はアノード２２と密着状態にあり、陽イオン交換層２５はカソード２３と密着状態にある。その代わりに、第１の電極２２及び第２の電極２３がカソード及びアノードとしてそれぞれ働いてもよく、その結果、陰イオン交換層２４及び陽イオン交換層２５をアノード２３及びカソード２２上にそれぞれ配設してもよい。
【００３１】
一部の配置に対して、第１及び第２の電極２２、２３は、チタンプレートであってもよいし、又は白金コーティングされたチタンプレートであってもよい。他の例では、第１及び第２の電極２２、２３は導電性材料を含んでいてもよい。導電性材料は、熱伝導性であってもなくてもよいし、サイズがより小さくて表面積がより大きい粒子を含んでいてもよい。電気伝導性材料は、１種以上の炭素材料を含んでいてもよい。炭素材料の非限定的な例としては、活性炭粒子、多孔質カーボン粒子、カーボンファイバ、カーボンエアロゲル、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、導電性材料は伝導性の複合材料を含んでいてもよい。例えば、マンガンもしくは鉄もしくは両方の酸化物、又はチタン、ジルコニウム、バナジウム、タングステン、もしくはそれらの組み合わせの炭化物である。
【００３２】
例示した例では、第１及び第２の電極２２、２３は、積層構造を形成するために互いに平行に配置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２２、２３は種々の形状を有していてもよい。例えばシート、ブロック、又は円柱である。加えて、第１及び第２の電極２２、２３を種々の構成で並べてもよい。例えば、第１及び第２の電極２２、２３を、らせん状の連続空間がそれらの間に設けられるように同心円状に配置してもよい。
【００３３】
用途によっては、陰イオン及び陽イオン交換層２４、２５を、供給流から対応する電極までのイオン輸送を促進するように構成してもよい。いくつかの例では、陰イオン交換層２４は、一価の陰イオンだけでなく多価の陰イオンに対しても通過可能に構成された共通の陰イオン交換層を含んでいてもよい。ある応用例では、異なる応用例に基づいて、例えば、一価の陰イオンを除去するために、陰イオン交換層２４は、一価の陰イオンに対して通過可能に構成された一価の陰イオン交換層を含んでいてもよい。同様に、陽イオン交換層２５は、共通の陽イオン交換層又は一価の陽イオン交換層を含んでいてもよい。非限定的な例では、陰イオン交換層２４及び陽イオン交換層２５は共通のイオン交換層であってもよい。
【００３４】
いくつかの実施形態では、陰イオン交換層２４及び／又は陽イオン交換層２５は、対応する電極２２、２３上に配置されるように自立型であってもよい。その代わりに、陰イオン交換層２４及び／又は陽イオン交換層２５を、対応する電極２２、２３の表面上に膜の形態でコーティングしてもよい。ある応用例では、陰イオン交換層２４及び／又は陽イオン交換層２５を、対応する電極２２、２３中に分散させてもよい。スペーサ２６は、陰イオン交換層２４と陽イオン交換層２５との間に配設され、第１の電極２２と第２の電極２３とを分離するための任意のイオン透過性の電子的に非伝導性の材料を含んでいてもよい。
【００３５】
図２における例示した配置の場合、脱塩装置１１の充電状態の間に、電源からの正及び負電荷が、アノード２２及びカソード２３の表面上にそれぞれ蓄積する。荷電種を有する第１の供給流１３がバルブ１７を通って脱塩装置１１内に入り、少なくとも硬度イオン除去が図られる。正及び負電荷の引力が原因で、第１の供給流１３内の陰イオン（例えば、Ｃｌ-）と陽イオン（例えば、硬度イオン）とは、対応する陰イオン及び陽イオン交換層２４、２５を通って、対応する電極２２、２３上に蓄積される。
【００３６】
このような電荷蓄積が脱塩装置１１の内部で起こる結果、流出流１４（脱塩装置１１からバルブ１８を介して出てくる希薄液である）は、荷電種（例えば、硬度イオン及びＣｌ-）の濃度が第１の供給流１３と比べて低くなる。ある実施形態では、流出流１４に再び脱イオン化を施すことを、別の脱塩装置を通して供給することによって行ってもよい。
【００３７】
放電状態の間に、吸着イオン（例えば、硬度イオン及びＣｌ-）は、第１及び第２の電極２２及び２３の表面からそれぞれ解離する。第２の供給流１５が、バルブ１７を通って脱塩装置１１内に入ってイオンを脱塩装置１１の外へ運び出すことが、イオンが、対応する電極から解離して、対応する陰イオン及び陽イオン交換層２４、２５を通って第２の供給流１５と接触する間に行われる。
【００３８】
その結果、濃縮流１６が生成され、荷電種（例えば、硬度イオン）の濃度は第２の供給流１５と比べてより高い場合がある。一実施形態では、放電の際に、第１及び第２の電極２２、２３の極性を同じに維持してもよく、短絡回路を２つの電極間に加えることで、陰イオンと陽イオンとを対応する電極２２、２３から脱離させることができる。別の実施形態では、第１及び第２の電極２２、２３の極性を逆にして、イオンの脱離を図ることができる。ある応用例では、濃縮流１６の向きを変えて第２の供給流１５内に入れて、脱塩装置１１の放電状態における循環を図ってもよい。
【００３９】
図２に示したように、脱塩装置（セル）１１はさらに、陰イオン交換層２４と陽イオン交換層２５との間に配設されたイオン交換樹脂ビーズ２７を備える。非限定の例では、イオン交換樹脂ビーズ２７は、ポリマーであって、内部のイオンを、通過する第１の供給流１３内のイオンと交換して、第１の供給流１３から対応する電極までのイオン輸送を脱塩装置１１の充電状態において行うためのイオンチャンネルとして働くように構成されたポリマーからなっていてもよい。
【００４０】
イオン交換樹脂は、水処理プロセス（例えば、硬水軟化及び浄水用）において広く用いられている。一般的に、イオン交換樹脂は、不溶性材料を、直径約０．５ｍｍ〜約２ｍｍのビーズの形態で有している。不溶性材料の表面には多孔質構造があり、その上にイオンがゆるく保持される。イオンは、通過する供給流内のイオンと、材料の特性に何ら変更を及ぼすことなく、運転中に交換される。非限定的な例では、不溶性材料は酸又は塩基を含んでいて、陽イオン交換樹脂又は陰イオン交換樹脂のいずれかとして働いて、液体中の陽イオン又は陰イオンを交換する。イオン交換樹脂ビーズ２７において用いる材料の非限定的な例としては、架橋ポリスチレン又は他の好適な材料が挙げられる。一例では、イオン交換樹脂ビーズ２７は、ランクセス社（ＬａｎｘｅｓｓＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ）（バーミンガム、ニュージャージー州、米国）によって販売される。
【００４１】
例示した配置の場合、イオン交換樹脂ビーズ２７は、陰イオン交換樹脂ビーズ２８と、陰イオン交換樹脂ビーズ２８と混合された陽イオン交換樹脂ビーズ２９を含んでいる。これらは、イオン交換樹脂ビーズの混合ベッドともいわれる。ある応用例では、異なる応用例に基づいて、例えば、異なる標的イオンの除去を行うために、イオン交換樹脂ビーズ２７は、陰イオン交換樹脂ビーズ及び陽イオン交換樹脂ビーズの一方を含んでいてもよい。
【００４２】
１つの非限定的な例では、陰イオン交換樹脂ビーズ２８と陽イオン交換樹脂ビーズ２９との体積比は１：１であり、陰イオン交換樹脂ビーズ２８と陽イオン交換樹脂ビーズ２９とを均一に混合して、例えば、陰イオン交換樹脂ビーズと陽イオン交換樹脂ビーズとを交互に配設して（図２に例示する）、第１の供給流及び対応する電極の間のイオン輸送効率を向上させてもよい。その代わりに、陰イオン交換樹脂ビーズ２８及び陽イオン交換樹脂ビーズ２９は、体積が異なっていてもよいし、及び／又は均一に混合されていなくてもよい。
【００４３】
その結果、例えば、運転中に、充電状態において、第１の供給流１３がイオン交換樹脂ビーズ２７を通る間に、陰イオン交換樹脂ビーズ２８と陽イオン交換樹脂ビーズ２９とが、対応するイオンを交換して、陰イオンと陽イオンとを対応する電極２２、２３の方へ輸送する。非限定的な例では、運転中に、脱塩装置１１を通る電流を好適なレバーにおいて制御して、水分解反応がイオン交換樹脂ビーズ２７内で起こることを緩和又は回避してもよい。
【００４４】
図３は、本発明による脱塩装置における第１の供給流の脱塩を例示する実験グラフである。この典型的な実験において、実験条件としては、第１の供給流１３の流量が約２４０ｍＬ／分であること、イオン交換樹脂ビーズ２７の高さが第１の供給流の入力方向に沿って約１．５ｍｍであること、第１の供給流１３の伝導度が約４３ｕＳ／ｃｍであること（カラムＡによって例示される）、第１の供給流１３の硬度が約１１ｐｐｍであること（カラムＣによって例示される）、及び脱塩装置１１に加えられる電流が約２００ｍＡであることが挙げられる。一例では、第１の供給流１３は、塩化カルシウム（ＣａＣｌ2）、塩化マグネシウム（ＭｇＣｌ2）、及び重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ3）の混合物（硬度が約１１ｐｐｍである）を含んでいてもよい。
【００４５】
図３に例示したように、第１の供給流を脱塩装置１１内で脱塩した後に、流出流１４の伝導性は約９ｕＳ／ｃｍ（カラムＢによって例示する）であり、流出流の硬度は約０．９ｐｐｍ（カラムＤによって例示する）であり、１ｐｐｍよりも小さい。したがって、脱塩後に、第１の供給流における硬度が約９０％だけ下がっており、硬度イオン除去効率がより高いことを示している。硬度イオン除去効率がより高いので、脱塩装置１１を用いて、第１の供給流中に相対的に低い濃度で存在する硬度イオンを除去して、軟度を高めてもよい。
【００４６】
脱塩装置１１のイオン交換樹脂ビーズ２７のイオン輸送のおかげで、標的イオンが第１の供給流及び対応する電極の間で輸送される間に、イオン輸送に対する抵抗が下がり、その結果、エネルギー消費は相対的に低いものとなる。図４は、イオン交換樹脂ビーズ２７を用いた場合及び用いなかった場合の脱塩装置１１上の電圧の比較を例示する実験グラフであり、約２００ｍＡの電流を脱塩中に加えた場合である。実験条件は、図３に示したものと同じである。
【００４７】
図４に例示したように、イオン交換樹脂ビーズ２７の混合ベッドを使用しなかった場合の脱塩装置１１上の電圧は約１９Ｖである（カラムＦによって例示される）のと比べて、混合したイオン交換樹脂ビーズ２７を使用した場合の電圧は約０．９５Ｖであり（カラムＥによって例示される）、エネルギー消費がより低いことを示している。
【００４８】
ある応用例では、イオン交換樹脂ビーズ２７を使用して、第１及び第２の電極２２、２３間の距離は、約０．５ｍｍ〜約２０ｍｍ、例えば、約２ｍｍ〜約２０ｍｍの範囲である。１つの非限定的な例では、第１及び第２の電極２２、２３間の距離は約８ｍｍである。これは、脱塩装置１１が、より大量の第１の供給流を１回の通過に対して処理し得ることも意味する。
【００４９】
なお、図２における配置は単に例示的である。用途によっては、脱塩装置１１を用いて、異なる標的イオン（例えば、限定することなく、硬度イオン）を除去してもよい。陰イオン交換樹脂ビーズ２８と陽イオン交換樹脂ビーズ２９とを、他の構成で配置してもよい。例えば、限定することなく、図２及び５〜６に示す構成が挙げられる。
【００５０】
図５に例示したように、陰イオン交換樹脂ビーズ２８と陽イオン交換樹脂ビーズ２９とが、第１及び第２の列（標示せず）内に、イオン交換樹脂ビーズ２７の高さ方向に沿ってそれぞれ並べられている。第１及び第２の列は、第１の電極２２と第２の電極２３との間の方向に沿って交互に配設されている。この方向は、イオン交換樹脂ビーズ２５の高さ方向に垂直である。図６に例示したように、陰イオン交換樹脂ビーズ２８と陽イオン交換樹脂ビーズ２９とが、第１及び第２の行（標示せず）内に、第１の電極２２と第２の電極２３との間の方向に沿ってそれぞれ並べられている。第１及び第２の行は、イオン交換樹脂ビーズ２７の高さ方向に沿って交互に配設されている。
【００５１】
一部の配置に対して、脱塩システム１０は、脱塩装置３０として、複数の脱塩装置（セル）１１（図２に示す）を備え、複数の脱塩装置（セル）１１は、各隣接する脱塩装置対１１の間に配設された１以上の絶縁性セパレータ３１（図７に例示する）とともに積層されている脱塩装置３０を含んでいてもよい。その結果、運転中に、より大量の供給流１３が、より高い効率及びより低いエネルギー消費で処理される場合がある。
【００５２】
他の応用例では、脱塩システム１０は脱塩装置３２を備えていてもよい。これを図８に例示する。脱塩装置３２は、第１の電極２２、第２の電極２３、第１及び第２の電極２２、２３間の１以上のバイポーラ電極３３、並びに各隣接する電極対の間に配設された複数のスペーサ２６を備える。イオン交換樹脂ビーズ２７は各隣接する電極対の間に配設され、陰イオン交換層２４と陽イオン交換層２５とは各隣接する電極対の対応する電極上に配設されている。図２及び５〜８における同じ数字は同様の要素を示す。
【００５３】
図８における配置の場合、各バイポーラ電極３３には、正極側と負極側とがあり、これらはイオン不透過性層で隔てられている。いくつかの例では、バイポーラ電極は任意の特定のバイポーラ電極に限定されない。非限定的な例では、バイポーラ電極に関する説明は米国特許出願公開２０１１／００２４２８７号（Ｇｅｎｅｒａｌ  Ｅｌｅｃｔｒｉｃ社）に記載されており、その開示内容は援用によって本明細書の内容の一部をなす。こうして、図７における配置と同様に、処理中に、より大量の供給流１３が、より高い効率及びより低いエネルギー消費で処理される場合がある。
【００５４】
本発明の実施形態では、陰イオン及び陽イオン交換層とイオン交換樹脂ビーズとを用いて、標的イオン（例えば、硬度イオン）を供給流から除去している。非限定的な例では、少なくともイオン交換樹脂ビーズを使用しているために、供給流として、硬度が例えば１０ｐｐｍより大きいものを効率的に処理して、ＥＤＩ装置内でのさらなる処理に備えてもよい。この結果、システムの柔軟性及び硬度許容範囲が増す。
【００５５】
加えて、運転中に、少なくともイオン交換樹脂ビーズを使用しているために、エネルギー消費が相対的に低く運転コストが下がっている。さらに、従来の脱塩システムにおける電極対間の距離（例えば、０．７６ｍｍ）と比べて、例示した配置の場合に、電極対間の距離は０．７６ｍｍを上回っている（例えば、２ｍｍ〜２０ｍｍの範囲）。この距離を、より大きい量の供給流が処理のために通り、システムの効率が向上している。
【００５６】
開示内容は、典型的な実施形態において例示及び説明しているが、本開示の趣旨から決して逸脱することなく種々の変更及び置換を行うことが可能であるため、示した詳細に限定することは意図されていない。こうして、本明細書で開示した開示内容のさらなる変更及び均等物が、日常的な実験作業を用いるだけの当業者に想起される場合があり、このような変更及び均等物はすべて、以下の請求項によって規定される開示内容の趣旨及び範囲内であると考えられる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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