(57)【要約】  本発明は、少なくとも１つの電解質が溶解した供給液を少なくとも部分的に脱イオンするための脱イオンデバイスに関し、デバイスは、供給液流（Ｌ）を備えるように、供給液を受け入れるために構成された供給入口と、脱イオン供給液を排出するために構成された供給出口とを有する少なくとも１つのプロセスチャネル（１２）と、供給液から分離されたアニオンおよびカチオンを収集するために構成された１または複数のコレクタチャネル（複数も可）（１４、１４０、１４１、１４２）と、収集されたアニオンおよびカチオンを排出するために構成された電解質出口（１５）と、少なくとも１つのチャネル電極（１３１）、少なくとも１つの分離電極（１３２）、および少なくとも１つのコレクタ電極（１３３）であって、チャネル電極および分離電極は、プロセスチャネルの両側に配置され、分離電極およびコレクタ電極は、コレクタチャネル（複数も可）の両側に配置された、少なくとも１つのチャネル電極（１３１）、少なくとも１つの分離電極（１３２）、および少なくとも１つのコレクタ電極（１３３）と、チャネル電極と分離電極との間、および分離電極とコレクタ電極との間に、電界および／または磁界を発生させるためのフィールド発生器（１３）とを備え、ここでフィールドは可変であり、プロセスチャネルからコレクタチャネル（複数も可）へのイオン流が発生し、イオン流方向はアニオンおよびカチオンに関して同じである。【選択図】図２
2021517511.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電解質が溶解した供給液を少なくとも部分的に脱イオンするための脱イオンデバイスであって、
供給液流（Ｌ）を備えるように、前記供給液を受け入れるために構成された供給入口と、前記脱イオン供給液を排出するために構成された供給出口とを有する少なくとも１つのプロセスチャネル（１２）と、
前記供給液から分離されたアニオンおよびカチオンを収集するために構成された１または複数のコレクタチャネル（複数も可）（１４、１４０、１４１、１４２）と、
前記収集されたアニオンおよびカチオンを排出するために構成された電解質出口（１５）と、
少なくとも１つのチャネル電極（１３１）、少なくとも１つの分離電極（１３２）、および少なくとも１つのコレクタ電極（１３３）であって、前記チャネル電極および前記分離電極が前記プロセスチャネルの両側に配置され、前記分離電極および前記コレクタ電極が前記コレクタチャネル（複数も可）の両側に配置された、少なくとも１つのチャネル電極（１３１）、少なくとも１つの分離電極（１３２）、および少なくとも１つのコレクタ電極（１３３）と、
前記チャネル電極と分離電極との間、および前記分離電極と前記コレクタ電極との間に、電界および／または磁界を発生させるためのフィールド発生器（１３）であって、前記フィールドは、前記プロセスチャネルから前記コレクタチャネル（複数も可）へのイオン流（Ｉ）を発生させるために適合され、前記イオン流方向は、アニオンおよびカチオンに関して同じである、フィールド発生器（１３）と
を備えるデバイス。
【請求項２】
前記電極（１３１、１３２、１３３）は、イオン吸収またはイオン保持のために構成されるように、多孔性かつ大きな内側表面積を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記電極は微多孔性、および／またはメソ多孔性、および／またはナノ多孔性である、請求項１〜２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項４】
前記電極は、ナノフォームカーボン紙および／またはグラフェンを備える、請求項１〜３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項５】
前記電極は、たとえば約２０％など、少なくとも１５％のバルク多孔性を有する、請求項１〜４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項６】
前記電極は、開放気孔率を備えることにより透過性である、請求項１〜５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項７】
前記分離電極（１３２）は、イオン透過性材料を備え、任意選択的に、移流材料を更に備える、請求項１〜６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項８】
前記分離電極は、前記プロセスチャネルを前記コレクタチャネルから分離する、請求項１〜７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項９】
前記コレクタチャネル（複数も可）は、前記プロセスチャネルに沿って伸長する、請求項１〜８のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１０】
前記プロセスチャネルに沿って伸長する２つ以上のコレクタチャネルを備える、請求項１〜９のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１１】
前記２つ以上のコレクタチャネルは、１または複数の第２の分離電極（１３４、１３５）によって分離される、請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
前記コレクタチャネルの各々は、所定の型のイオンおよび／またはイオン濃度を収集するために構成される、請求項１０〜１１のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１３】
前記コレクタチャネルは、第２の液流を備え、前記第２の液流は、前記供給液とは異なる、請求項１〜１２のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１４】
前記供給液または前記第２の液体は、水、真水、ブライン水、海水、水性溶媒、非水性溶媒のグループから選択される、請求項１〜１３のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１５】
前記供給液の前記電解質は、酸、塩、塩基、塩化物塩、次亜塩素酸塩、放射性電解質、金属塩のグループから選択された化合物を備える、請求項１〜１４のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１６】
前記アニオンおよびカチオンは、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、ＣｌＯのグループから選択される、請求項１〜１５のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１７】
前記脱イオン供給液は飲料水である、請求項１〜１６のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１８】
前記フィールド発生器（１３）は、電源と、前記チャネル電極と分離電極との間、および前記分離電極と前記コレクタ電極との間で電界を調整するために構成された電気制御回路とを備える、電気フィールド発生器である、請求項１〜１７のいずれかに記載のデバイス。
【請求項１９】
前記電気制御回路は、
前記電界が、第１の電荷のイオンを、前記プロセスチャネルから前記分離電極における吸収の方向へ駆動するために適合される、第１の希釈位相、
前記電界が、反対電荷のイオンを、前記プロセスチャネルから前記分離電極における吸収の方向へ駆動するために適合される、第２の希釈位相、
前記電界が、電気分離電極において吸収された前記第１の電荷のイオンを、前記コレクタチャネルの方向へ解放するために適合される、第１の解放位相、および
前記電界が、前記分離電極において吸収された前記反対電荷の前記イオンを、前記コレクタチャネルの方向へ解放するために適合される、第２の解放位相
の４つの構成または位相を有するように適合される、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項２０】
前記電気制御回路は、第１の希釈位相、第１の解放位相、第２の希釈位相、第２の解放位相の順序で前記位相を連続的に繰り返すように適合され、任意選択的に、前記サイクルは複数回反復される、請求項１８に記載のデバイス。
【請求項２１】
様々な種類の電解質を液体から分離するための電解質抽出装置として、または海水用の脱塩装置として、または毒性または放射性電解質で汚染された液体を除染するための除染装置として、または液体から金属を回収するための電解回収装置として、請求項１〜２０のいずれかに記載のデバイスを用いること。
【請求項２２】
電解質が溶解した供給液を部分的に脱イオンするための方法であって、
請求項１〜２０のいずれかに記載のデバイスを提供するステップと、
前記供給入口において前記供給液を受け入れるステップと、
前記供給液に前記プロセスチャネルを通過させるステップと、
前記プロセスチャネルにおいて電界および／または磁界を発生させることにより、前記電解質の前記アニオンおよびカチオンが、前記供給液流方向とは異なりアニオンおよびカチオンの両方に関して同じであるイオン流方向へ駆動されるステップと、
前記コレクタチャネルにおいて前記アニオンおよびカチオンを収集するステップと、
前記供給出口において前記脱イオン供給液を排出するステップと、
前記電解質出口において、前記収集されたアニオンおよびカチオンを排出するステップと
を備える方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電解質が溶解した供給液を少なくとも部分的に脱イオンするための脱イオンデバイスおよび方法、ならびにそのようなデバイスを用いる装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電解質が溶解したいくつかの種類の液体に関し、脱イオン技術が既知である。たとえば、逆浸透は、たとえば水などの液体溶媒からイオンを除去するために半透性膜を用いる既知の浄化技術である。逆浸透は、浸透圧に打ち勝ち、除去される電解質を透過させない膜に溶媒を押し通す圧力を溶媒に印加することによって作用する。逆浸透は、多数の様々な電解質を除去することができ、幅広く用いられる。たとえば水の脱塩、すなわち、たとえばＮａＣｌおよびＫＣｌなどの溶解塩の部分的除去に関して、逆浸透は、最も有力な技術である。
【０００３】
容量性脱イオンまたはＣＤＩは、電圧が印加されるとイオンを吸収する多孔性電極のセットを用いる、イオン除去のための他の既知の技術である。ＣＤＩプロセスは、図１に模式的に示される。チャネルの両側に多孔性電極１３１、１３２があり、溶媒および電解質の溶液２、たとえば塩水は、チャネルを通ってそれらの間を流れる。ステップ（Ａ）において、電極１３１、１３２にＤＣ電圧が印加され、これは、正電極１３２へ向かう負イオン３の移動および負電極１３１へ向かう正イオン４の移動をもたらす。その結果、電極１３１、１３２の表面における「イオン二重層」の形成が、電極間を流れる溶液からイオンを枯渇させる。したがって、流出流は、より低い濃度のイオン、たとえば塩を有し、この希釈流は、電極がイオンで完全飽和し、更なるイオンを吸収できなくなる時点まで、出口１１において生成物流として収集され得る。
【０００４】
完全飽和すると、図１のＢで示すように、電極１３１、１３２の再生が必要である。電極を再生するために、電極は、短絡または逆極性にされ、その結果、吸収したイオンを溶液内へ解放する。イオンが自由になると、デバイスは、流入溶媒よりも高いイオン濃度を有する廃水流または濃縮液を生成する。この廃水流を別の出口１５へ分岐することにより、廃水流とＡで生成された生成物流との混合が防がれ得る。
【０００５】
しかし、この不可避の再生は、効率損失をもたらす。またこれは、生成物流および廃水流を異なるそれぞれの出口１１、１５へ分岐することを可能にする機械的介入（すなわち弁またはスイッチ）も必要とする。加えて、再生は、著しい時間量（最大約５０％）を要し得るので、その間、除去プロセスが停止される。
【０００６】
ＵＳ２０１６７０１３０１６１［１］は、溶液から塩を分離するための装置を説明し、ＷＯ２００６／０３９８７３［２］は、海水の脱塩のためのデバイスを説明し、ＵＳ２０１４／０３７４２５８［３］は、脱塩のためのシステムを説明する。
【０００７】
進歩にもかかわらず、より単純で効率的かつ柔軟であり、よりコスト効率の良い脱イオンデバイスへの要望が存在する。
【発明の概要】
【０００８】
本発明は、特許請求の範囲において定義されるとおりである。
【０００９】
本発明は、添付の特許請求の範囲において説明されるようなデバイス、装置、および方法を提供する。
【００１０】
本発明の特定の実施形態は、添付の特許請求の範囲に記載される。
【００１１】
本発明のこれらの態様および他の態様は、以下で説明される実施形態を参照することにより明らかにされ、解明される。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
本発明の第１の態様は、少なくとも１つの電解質が溶解した供給液を少なくとも部分的に脱イオンするための脱イオンデバイスに関し、デバイスは、
供給液流（Ｌ）を備えるように、供給液を受け入れるために構成された供給入口と、脱イオン供給液を排出するために構成された供給出口とを有する少なくとも１つのプロセスチャネル（１２）と、
供給液から分離されたアニオンおよびカチオンを収集するために構成された１または複数のコレクタチャネル（複数も可）（１４、１４０、１４１、１４２）と、
収集されたアニオンおよびカチオンを排出するために構成された電解質出口（１５）と、
少なくとも１つのチャネル電極（１３１）、少なくとも１つの分離電極（１３２）、および少なくとも１つのコレクタ電極（１３３）であって、チャネル電極および分離電極がプロセスチャネルの両側に配置され、分離電極およびコレクタ電極がコレクタチャネル（複数も可）の両側に配置された、少なくとも１つのチャネル電極（１３１）、少なくとも１つの分離電極（１３２）、および少なくとも１つのコレクタ電極（１３３）と、
チャネル電極と分離電極との間、および分離電極とコレクタ電極との間に、電界および／または磁界を発生させるためのフィールド発生器（１３）と
を備え、フィールドは、プロセスチャネルからコレクタチャネル（複数も可）へのイオン流（Ｉ）を発生させるために適合され、イオン流方向は、アニオンおよびカチオンに関して同じである。
【００１３】
好適な実施形態において、フィールド発生器は、たとえば電極間の電位または電圧差などの電界を発生させる。
【００１４】
本発明の第２の態様は、様々な種類の電解質を液体から分離するための電解質抽出装置として、または海水用の脱塩装置として、または毒性または放射性電解質で汚染された液体を除染するための除染装置として、または液体から金属を回収するための電解回収装置として、第１の態様に係るデバイスを用いることに関する。
【００１５】
本発明の第３の態様は、電解質が溶解した供給液を部分的に脱イオンするための方法に関し、方法は、
第１の態様に係るデバイスを提供するステップと、
供給入口において供給液を受け入れるステップと、
供給液にプロセスチャネルを通過させるステップと、
プロセスチャネルにおいて電界および／または磁界を発生させることにより、電解質のアニオンおよびカチオンが、供給液流方向とは異なりアニオンおよびカチオンの両方に関して同じであるイオン流方向へ駆動されるステップと、
コレクタチャネルにおいてアニオンおよびカチオンを収集するステップと、
供給出口において脱イオン供給液を排出するステップと、
電解質出口において、収集されたアニオンおよびカチオンを排出するステップと
を備える。
【００１６】
本発明の更なる詳細、態様、および実施形態は、単に例として、図面を参照して説明される。図面において、類似の参照番号は、類似または機能的に同様の要素を識別するために用いられる。図内の要素は、単純性および明確性のために示され、必ずしも一定比率で拡大縮小されたものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】従来技術の容量性脱イオンまたはＣＤＩデバイスの例の概略図を示す。
【図２】本発明に係る脱イオンデバイスの例の概略図を示す。
【図３】図２の例に適した位相および制御シーケンスを模式的に示す。
【図４】脱イオンデバイスの他の例の斜視分解図を示す。
【図５】図２の例に適した代替制御シーケンスに関して、時間の関数としての電極電圧のグラフを模式的に示す。
【図６】本発明に係る脱イオンデバイスの更なる例の概略図を示す。
【図７】本発明に係る脱イオンデバイスの更なる例の概略図を示す。
【図８】本発明に係る脱イオンデバイスの更なる例の概略図を示す。
【図９】本発明に係る脱イオンデバイスの更なる例の概略図を示す。
【図１０】本発明に係る脱イオンデバイスが用いられる装置の例の斜視図を模式的に示す。
【図１１】実験結果を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
本発明は、添付図面の助けを借りて以下で説明される。当業者には理解されるように、デバイスの同じ特徴または構成要素は、異なる図面において同じ参照番号で示される。参照番号の一覧は、この発明を実施するための形態の最後に見られ得る。
【００１９】
以下、本発明の教示を不明瞭にし、または逸脱することを避けるために、本発明の基礎的概念の理解および認識のために必要であるとみなされる程度を超えて細部が説明されることはない。
デバイス
【００２０】
図２を参照すると、示される脱イオンデバイス１の例は、イオン３、４が示される１または複数の電解質が溶解した供給液２を少なくとも部分的に脱イオンするために用いられ得る。たとえば、１または複数の種類の塩および／または酸および／または塩基が液体２内に溶解され得る。溶液は、たとえば、ＮａＣｌ、ＫＣｌなどの様々な電解質を備えてよい。脱イオンデバイス１は、供給入口１０および希釈出口１１を備える。たとえば、供給入口が入口１０の上流で供給液２の適当な供給源に連結されると、供給入口１０において、供給液２が受け入れられ得る。希釈出口１１において、供給液２よりもイオン３、４の濃度が低い電解質を有する希釈液５は、たとえば希釈出口１１の下流にある更なる処理機器（図１には不図示）へ排出され得る。脱イオンデバイス１は更に、供給液２の液体流動方向Ｌにおいて、上流側１２０において供給入口１０に、かつ下流側１２１において希釈出口１１に連結されたプロセスチャネル１２を備える。
【００２１】
デバイス１は、イオン流動方向においてプロセスチャネルの下流に位置するフィールド発生器１３およびコレクタ１４を備える。電解質出口１５は、コレクタ１４に連結される。
【００２２】
動作中、フィールド発生器１３は、プロセスチャネル１２において、液体流動方向Ｌとは異なりアニオンおよびカチオンの両方に関して同じであるイオン流動方向Ｉへ電解質のアニオン３およびカチオン４を駆動する電界および／または磁界
【数１】
2021517511.tif 000003
を発生させる。コレクタ１４は、プロセスチャネルの外側へ駆動されたアニオンおよびカチオンを収集する。電解質出口において、収集されたアニオンおよびカチオンはその後、この例では出口１５へ流れる濃縮液６の流れとして、希釈液５とは別に排出され得る。
【００２３】
フィールドは、電解質のアニオン３およびカチオン４の両方を同じイオン流動方向Ｉへ駆動し、それらをプロセスチャネル外へ駆動することにより、それらをプロセスチャネル内の供給液から分離する。したがってこのプロセスは、プロセスチャネル内の電解質から捕捉したイオンを解放するために停止される必要はなく、脱イオンは、（半）連続的に行われ得る。これは、電解質流と希釈液流との容易な分離を可能にする。
【００２４】
また、電解質排出および分離された希釈液の経路を確保するために機械部品において予見する必要性も除去される。したがって、機械部品の数を低減することができ、たとえば（供給液の流れを除いて）全電気式の脱イオンデバイスが、電解質の再生の必要性なく作られ得る。初歩的なセットアップを用いる場合でも、何時間も連続的に脱イオンデバイスを作動させるために機械的介入が必要とされることなく、塩度の低い水を生成するために塩水が処理される実験が確証されている。
【００２５】
機械部品を低減し、または完全に排除する可能性は更に、限定的ではないが特に飲料水を生成するための塩水の脱塩に関して興味深い、耐久性のある低コスト脱イオンデバイスを製造することを可能にする。また、脱イオンデバイスは、任意の所望の出力体積に合わせることができるので、特に、たとえば１０００ｌ／日未満、５００ｌ／日未満、５０ｌ／日未満、１０ｌ／日未満など、より小さな体積の脱塩水の生成のために有利であり得る。これは、たとえば、飲料水など一世帯で消費される水の脱塩に用いられ得る。
電解質イオン
【００２６】
収集されたアニオンおよびカチオンは、任意の所望の形式で排出され得る。たとえば、イオンは、電解質の（たとえば質量および／またはｐｐｍおよび／または体積における）濃度が希釈液５内よりも高く、加えて供給液２内よりも高い、たとえば濃縮液６などの適当な溶媒に溶解されると、排出され得る。ただし、これらは、濃度が供給液以下であり、たとえば希釈液以下である液体に溶解されて排出されてもよい。
【００２７】
収集されたイオンは、供給液または他の適当な種類の液体溶媒と同じ液体に溶解されて排出され得る。たとえば、供給液は水溶液であってよく、電解液溶媒は、有機液体または水溶液であってよい。同様に、供給液は水溶液であってよく、電解液溶媒は、たとえば純粋または飲料水などの水であってよい。
フィールド発生器
【００２８】
フィールド発生器１３およびフィールドは、特定の実装に適した任意の方式で実装され得る。フィールドはたとえば、供給液の脱イオン中、極性、強度、方向から成るグループの１または複数においてプロセスチャネル１２内で経時的に変化する可変フィールドであってよい。たとえば、フィールドは、以下で説明するように、所定の位相サイクルに従って経時的に極性を変化させ、または方向を逆転させ得る。
【００２９】
図２の例の脱イオンデバイスにおいて、フィールド
【数２】
2021517511.tif 000004
は電界であり、フィールド発生器１３は、たとえばＤＣ電源などの電源１９に接続可能な電気接点１３０を備える。プロセスチャネル１２の反対側に、電気接点１３０に接続される電極１３１〜１３２が位置する。電極１３１、１３２は向かい合っており、電力が電源１９によって供給されると、電極１３１、１３２の間に電界が発生する。フィールド発生器は更に、動作中、たとえば適当な順序で電極を切り換えることによって電界を制御する電子制御回路１３４を備える。この例において、制御回路は電気接点に接続され、電極および制御回路は、電界を調整する電極のパラメータを制御する。
【００３０】
図２に示すように、フィールド発生器１３は、様々な電極セットを備えてよい。たとえば、プロセスチャネル１２内に電界を発生させることが可能である第１の電極セット１３１、１３２、およびコレクタ１４内に電界を発生させることが可能である第２の電極セット１３２、１３３である。
【００３１】
図２の例において、電極は、チャネル電極１３１、分離電極１３２、およびコレクタ電極１３３を備える。図示するように、コレクタ電極１３３は、分離電極１３２から距離を置いてコレクタ内に位置する。チャネル電極１３１と分離電極１３２との間に適当な電圧を印加することによって、プロセスチャネル１２内にフィールドが発生し、コレクタ電極１３３と分離電極１３２との間に適当な電圧を印加することによって、コレクタ内にフィールドが発生し得る。コレクタ１４内のフィールドは、たとえば、コレクタ内へ駆動されるアニオンおよび／またはカチオンをプロセスチャネル１２から離れる方向へ駆動するため、および／またはコレクタ内へ除去されるように電解質のアニオンおよび/またはカチオンを引き寄せるために用いられ得る。
【００３２】
プロセスチャネルおよびコレクタは、特定の実装に適した任意の方式で実装され得る。図２および図３をなお参照すると、図示するように、脱イオンデバイス１は、プロセスチャネル１２とコレクタ１４との間に分離体を備えてよい。分離体は、液体よりもアニオンおよびカチオンに関して相対的に高い束をもたらし、アニオンおよびカチオンが、分離体のプロセスチャネル１２側から分離体のコレクタ１４側へ通過することを可能にする。この例の脱イオンデバイス１において、コレクタ１４は、濃縮流方向において下流側で、電解質出口１５に連結されたコレクタチャネル１４０（図７も参照）を備える。分離体は、コレクタチャネル１４０をプロセスチャネル１２から分離する。この例の脱イオンデバイス１において、たとえば、分離体は、分離電極１３２を備える。
電極
【００３３】
図２および図３に示すように、プロセスチャネル１２の１または複数の側面において、電極１３１〜１３３の１または複数は、多孔性、たとえば微多孔性、メソ多孔性、またはナノ多孔性であってよく、そのため大きな内側表面を有してよい。これは、電極１３１〜１３３が、イオン二重層内の多数のイオンを収集することを可能にする。たとえば、分離電極１３２は多孔性であってよく、それによって分離電極１３２は、プロセスチャネルからイオンを吸収し、それらをコレクタへ解放する膜としての機能を果たすことができる。ただし、位相制御回路１３５において、フローティング接続も可能である。
【００３４】
この例において、分離電極１３２は、多孔性のイオン透過性材料から成り、イオンは、プロセスチャネルから電極を通ってコレクタ内へ流れる。より具体的には、分離電極１３２は、プロセスチャネルをコレクタから分離する。
【００３５】
「イオン透過性」材料という用語は、イオン（アニオンおよびカチオン）に対し透過性であるように構成され、同時に、移流として知られている液体のバルク流による輸送への高い抵抗を有する材料を意味する。したがって、イオンは材料を貫通または横断し得るが、材料の両側における液体の流れは、材料を貫通または横断することがない。したがって、イオン透過性材料は、イオンに対し透過性であるが、液体をほぼ透過させないように構成される。よって、この材料は、液体に比べてイオンに関する高い選択性を有し、これは、イオンが材料を貫通または横断し得るが、液体は材料を貫通できないことを意味する。材料の移流、すなわち液体流への抵抗または分離能は、移流材料と組み合わせることによって更に向上し得る。移流材料の例は、透析膜および／またはハイドロゲルを含む。したがって、有利には、イオン透過性材料は移流材料と組み合わせられる。本開示の実施形態において、分離電極は更に、移流材料を備える。
【００３６】
ただし、特定の実装に依存して、他の幾何学形状および構成が可能である。たとえば、いくつかの分離電極は、プロセスチャネルに沿って整列され、間隔を空けて、適当な多孔性材料に埋め込まれ、イオンが電極間の空間をコレクタ内へ通過することを可能にする。
電子制御回路−構成または位相
【００３７】
この例において、デバイス１は、交流電流および／または電圧、より具体的には方形波交流電流および／または電圧を受け、ＤＣ電源によって給電される少なくとも３つの電極１３１〜１３３を含み、制御回路１３４は、極性を切り換える。これは、脱イオンが、たとえばバッテリまたは他の単純なＤＣ電源によって給電されることを可能にする。ただし、電極は同様に、異なる方式で制御されてよく、たとえば、正弦波電流および／または電圧または異なるパルス電流および／または電圧によって供給され得る。他の制御回路も同様に用いられ得るが、この例に示される脱イオンデバイス１において、電子制御回路１３４は、所定の順序で所定の位相のセットを繰り返すように電界を制御し、より具体的には、電源の特定の側への電極の接続または切断を可能にするスイッチを備える位相制御回路１３５を備える。
【００３８】
この例に示すように、特定の実装に依存して、様々な位相および制御シーケンスが用いられ得る。
【００３９】
好適には、電子制御回路は、たとえば少なくとも４つの構成または位相など、様々な構成または位相を有するように適合される。
【００４０】
たとえば、位相は、電界が、アニオンまたはカチオンのうち第１型のイオンに関して液体を希釈する流れをコレクタ１４の方向へ駆動する第１の希釈位相と、電界が、第１のイオン型と反対である反対型のイオンに関して液体を希釈する流れをコレクタ１４の方向へ駆動する第２の希釈位相とを備えるグループから選択され得る。加えて、グループには、コレクタ側電極１３２において捕捉された第１型のイオンがコレクタ１４内へ解放されるとともに、捕捉された第１型のイオンがプロセスチャネル１２内へ再び入ることを防ぐ、第１の解放位相が存在し得る。このシーケンスは、コレクタ側電極１３２へ駆動されここで捕捉された第２型のイオンがコレクタ１４内へ解放されるとともに、捕捉された第２型のイオンがプロセスチャネル１２内へ再び入ることを防ぐ、第２の解放位相も有し得る。図３は、電極の制御シーケンスの例と、フィールドの位相とを示す。このシーケンスにおいて、用いられる位相グループは、第１および第２の希釈位相と、第１および第２の解放位相とから成る。制御回路は、第１の希釈位相、第１の解放位相、第２の希釈位相、第２の位相の順序で、位相を繰り返すようにフィールドを制御する。以下の表は、サイクルの様々な位相において電極に印加された電圧を示し、Ｖ−は負電位を示し、Ｖ＋は正電位を示し、Ｓは、電極が同じ電圧、たとえば短絡に設定されていることを示し、空フィールドは浮遊電位を示す。
【表１】
2021517511.tif 000005
【００４１】
この例において、他の溶媒および電解質も用いられ得るが、溶媒は水であり、電解質はＮａＣｌであることが想定される。実験における塩度は、一般的に、１リットル当たり約６ｍＭ  ＮａＣｌであった。制御シーケンスは、この例において、外部ＤＣ電圧発生器の正（＋）および負（−）のワイヤをシステム内の様々な電極に接続することによって電極１３１〜１３３へ伝送される一連のパルスから成る。そのような接続は、完全に電子的に行われ得るので、非機械的であってよく、いかなる場合も、既知の脱イオンデバイスよりも少ない機械部品を伴う。外部電圧は、デバイス内のイオンの移動を駆動する。電圧は、水の電解電圧閾値よりも下、たとえば１．２３Ｖ未満であってよい。この例において、実験中、１．２Ｖの電圧が選択された。ただし、たとえば脱イオンされる溶液に依存して、他の電圧も適当であり得る。
【００４２】
この例において、第１の希釈位相中、図３（Ｉ）に示すように、反対型のイオンは、第１型のイオンの流れと反対の方向へ流れる。より具体的には、チャネル電極１３１はＶ−に設定され、分離電極１３２はＶ＋に設定され、コレクタ電極１３３は浮遊のままである。チャネル電極１３１内の負電荷によって、カチオンはそこへ吸着され、分離電極の正電荷は、そこへ吸着されるアニオンを引き寄せる。言い換えると、チャネル電極１３１と分離電極との間の電界の発生は、プロセスチャネル内でのイオン型の相反する流れを誘発し、カチオンはチャネル電極へ向かって流れ、アニオンは分離電極へ向かって流れる。アニオンの一部はコレクタへ入り得るが、残りの部分は分離電極内に保持され、どちらの部分ももはや供給チャネル内にはなく、その結果、供給液はアニオンから希釈される。
【００４３】
コレクタ１４は、プロセスチャネル１２から距離を置いたところにコレクタ吸着材料を備える。第１の解放位相において、第１型のイオンの流れの少なくとも一部は、吸着材料によって吸着される。脱離位相において、コレクタ１４吸着材料は脱離され、脱離イオンは、電解質出口１５を通って排出される。第２の希釈位相において、反対型のイオンがコレクタ１４において吸着される。この点に関して、本明細書で用いられる「吸着」という用語は一般に、材料へのイオンの物理的結合を備え、そのような結合はたとえば、電気的吸着、吸着、吸収、イオン二重層から成るグループの１または複数であってよい。
【００４４】
この例において、第１の解放位相中、図３（ＩＩ）に示すように、コレクタ電極１３３はＶ＋に設定され、分離電極１３２はＶ−に設定され、チャネル電極は浮遊のままである。分離電極の放電は、吸着されたアニオンの解放をもたらすが、これらは、プロセスチャネル１２内へ再び移動することはできず、プロセスチャネル内の電荷的中性を破壊する過剰な負の電荷をプロセスチャネルに残す。加えて、コレクタ電極１３３は、アニオンを引き寄せる。その結果、アニオンはコレクタチャネル１４０内へ移動し、その一部はコレクタ電極１３３内／上に吸着される。
【００４５】
図３において、プロセスチャネルは、コレクタ１４とは反対側にプロセスチャネル吸着材料を備える。第１の希釈位相において、反対型のイオンは、コレクタ１４から離れる方向へ駆動され、プロセスチャネル１２吸着材料によって吸着され、第２の希釈位相において、反対型のイオンは、プロセスチャネル吸着材料から脱離される。
【００４６】
この例において、第２の希釈位相中、図３（ＩＩＩ）に示すように、分離電極はＶ−に設定され、チャネル電極１３１はＶ＋に設定される。コレクタ電極は浮遊のままである。これによって、チャネル電極１３１において吸着されたカチオンが解放され、分離電極に吸着される。この結果、供給チャネル内のカチオンが少なくなり、供給液はカチオンから希釈される。図示するように、この例において、第２の希釈位相において、第１型のイオンはコレクタ側電極１３２へまたはコレクタ１４内へ駆動され、第１の希釈位相において、そこで保持されるので、供給液は、アニオンから希釈されたまま保たれる。
【００４７】
第２の解放位相中、図３（ＩＶ）に示すように、分離電極およびコレクタ電極は、たとえば電圧を短絡または反転させることによって、放電される。したがって、イオンは、分離電極およびコレクタ電極１３２、１３３から、コレクタチャネル１４０内へ解放される。この場合も、電荷的中性により、カチオンのみがコレクタチャネル１４０内へ移動することができる。プロセスチャネル１２からの最初のイオン枯渇、およびのちのコレクタチャネルにおける解放は、チャネル間でのイオンの正味の輸送をもたらし、したがって供給液の希釈をもたらす。
【００４８】
位相の各々の希釈は、電極へ流れる（経時的に電流の積分である）電荷量が、サイクルの各位相において等しいように選択され得る。デバイス内での損失に起因する、理想的な状況からの逸脱を補償するために、この点に関して何らかの補償が適用され得る。パルスシーケンスは、供給液がプロセスチャネルを流れる間、連続的に反復され得る。この点に関して、供給液は、たとえば連続的に、または「ストップフロー」として流れてよい。プロセスチャネル内での伝搬時間が長いほど多くのイオンが除去されるので、液体の流速は、所望の脱イオンの程度に依存して適当な値に設定され得る。
【００４９】
各位相／パルスの長さは、サイクル中、電解質の輸送を最大限にするように調整され得る。理想的な状況下で、位相の各々の長さは、ワイヤを流れる（電流の積分である）電荷量が、サイクルの各位相において等しいように選択され得るが、デバイス内での損失に起因して、これは実際には厳密に最適な方策ではない可能性がある。理想的なパルスシーケンスが決定されると、水がデバイスを流れる間、それが連続的に反復され得る。いわゆる「ストップフロー」を用いる選択をすることも可能であり、これは、電流セットアップ時に同様に機能するか試験されている。水の流速は、所望の脱塩の程度に従って調整され得る。最適なパルスシーケンスおよび関連するパルス長は、未だ決定されておらず、上述したものとは異なり得る。また、４以上の電極（および後続する３以上のチャネル）の場合、異なるパルスシーケンスが好適であると予想される。
【００５０】
図５に示すように、上記例とは異なるパルスシーケンスが同様に用いられ得る。図５は、電極電圧の展開を時間の関数として示す。以下の表は、電圧源への電極の接続が、位相の各々においてどのように行われるかを記載する。図において、結果として生じる、数サイクルの行程中の分離電極１３２に対するチャネル電極１３１（実線）およびコレクタ電極１３３（破線）の測定電圧が、時間の関数として示される。
【００５１】
図５Ａは、以下のシーケンスに基づく。
【表２】
2021517511.tif 000006
【００５２】
図５Ｂは、以下のシーケンスに基づく。
【表３】
2021517511.tif 000007
【００５３】
図５Ｃは、以下のシーケンスに基づく。
【表４】
2021517511.tif 000008
【００５４】
サイクルの第１の解放位相は、次のサイクルの第１の希釈位相と重ねて行われ得る。たとえば、図５のＡおよびＢならびに表に示すように、プロセスは、第２の解放位相の短絡を次のサイクルの第１の希釈位相と結合することによって加速され得る。たとえば、第１の希釈位相において、電極は、浮遊する他の電極と短絡されるのではなく、他の電極に対して同じ電圧に設定され得る。
【００５５】
Ｃに示すように、シーケンスにおいて追加の位相が用いられてもよく、サイクルは、各サイクル後の完全放電を支援するために、たとえば、第１の希釈位相において、コレクタ電極１３３を浮遊した電極のままにするのではなく既定の電圧に設定すること、または、第２の解放位相において、チャネル電極１３１を浮遊した電極のままにするのではなく既定の電圧に設定することによって、第１の希釈位相および第２の解放位相中に追加の電極接続を追加することによって延長され得る。
【００５６】
図４は、図６に示す実験を行うために用いられた脱イオンデバイス１の例を模式的に示す。ただし、たとえば長方形ではなく円形など、多数の代替の幾何学形状および形状が可能であることは明らかである。脱イオンデバイス１は、上板および下板１６の間に固定された模様付きシートのスタック２０を備え、これは実験においてパースペックス製であるが、他の材料が適当であってもよい。板１６は、この例においてナットおよびボルト１８ａよび１８ｂの形状である締付具によって、互いに対して機械的に固定され、スタックを圧縮するように互いに押し合わされる。
【００５７】
デバイス１は左右対称であり、下板１６とシート形状の分離電極１３２との間に希釈側面を有し、分離電極１３２と上板１６との間に電解質側面を有する。図示するように、分離電極１３２には、電源および制御回路に接続可能なＴｉホイルまたは他の適当な導電材料から成る電気接点１３０が設けられる。
【００５８】
板１６と分離電極１３２との間には、スタック２０の上下側面の両方に、スタックの他の層を圧縮し、板１６を電極１３２から分離するガスケット１７ａ、１７ｂが存在する。この例において、ガスケット１７ａ、１７ｂは、シート状の材料で形成され、たとえば結合されたゴムおよびパースペックス（の層）で作られ得る。各側面において、外側ガスケット１７ｂは、脱イオンデバイスの内側を画定し、板１６とともに、内側を外側から液密方式で閉め切る。分離電極１３２は、取付け時、希釈側面が電解質側面から液密方式で密封されるように、外側ガスケット１７ｂの内縁の向こう側へ突出する。
【００５９】
内側ガスケット１７ａは、外側ガスケット１７によって封入され、そこから間隔を置いてチャネルを画定し、これを通って、動作中に供給液流がスタックへ供給される。図示するように、内側ガスケット１７ａには、チャネルを画定するスロットが設けられ、このチャネルを通って、希釈側では希釈液流が出口１１へ排出され、電解質側では動作中に電解質または濃縮液流が流れる。この例において、チャネル１２は、供給入口１０および液体および電解質出口１１、１５に連結される。
【００６０】
スタックは、板１６から分離電極１３２へ向かう方向に、内側ガスケット１７ａ内のスロットに対応するスロットが設けられ、電極間の間隙を生み出すスペーサ２２によって分離電極１３２から間隔を置いた、シート形状の電極１３１、１３３を備える。
【００６１】
電極１３１〜３３に関して、少なくとも１５％、たとえば約２０％のバルク多孔性を有するシート状材料のバルク多孔性が、良好な流動特性をもたらすことが分かっている。また、ナノおよび／またはメソ多孔性を有する材料は、ＮａＣｌなど特定の塩において、良好なイオンの吸着をもたらすことが分かっている。実験中、電極１３１〜１３３は、厚さ０．２ｍｍのナノフォームカーボン紙製であった。これは、非常に大きな内側表面積、低い電気抵抗、および高い相対キャパシタンスを有する。ただし、他の電極材料が用いられてもよい。
【００６２】
スペーサ２２の材料は、たとえば、ポリエステルマットの層、または電極１３１、１３２および１３２、１３３の間の液流を可能にする他の材料であってよい。したがって、分離電極１３２の両側に、スペーサによって液流チャネルが生み出される。分離電極１３２と同様、電極１３１、１３３には、たとえばＴｉホイル、または電源１９および制御回路１３０に接続可能な他の適当な導電材料から成る電気接点１３０が設けられる。
【００６３】
この例において、動作中、供給液、たとえば塩水は、供給入口１０を形成する上板および下板１６の穴を通って受け入れられ、ガスケット１７ａ、１７ｂの間のチャネルへ入る。供給液は、チャネルを通って分離電極へ流れ、その後、分離電極および他の電極によってスペーサ２１ｓを通るように押し流される。その後、供給液は、上側および下側電極１３１、１３３における穴またはスロットへ向かって流れる。この穴は、液体が収集され、濃縮流の場合は電解質出口１５を、希釈液流の場合は液体出口１１を通ってデバイス外へ輸送されることを可能にする。希釈側と電解質側との間のイオン輸送は、供給液が電極間のスペーサ２２内にある間に発生する。
【００６４】
パルスの適当な持続期間は、実験的に決定され、電解質、プロセスチャネル内の滞留時間、プロセスチャネルの寸法、および電極の透過性に依存して設定され得る。特定の実装に依存するが、適当な時間は、位相ごとに数分間であると確信される。たとえば、図４の例において、０．２ｍｍの分離電極厚さおよび約１０−９ｍ２／ｓのイオン自己拡散係数の場合、位相ごとに分単位での特徴的な時間スケールが用いられた。
【００６５】
実験中、比較的厚いスペーサ（１．０ｍｍ）は、小さな間隙（０．１ｍｍ）と比べて、出力チャネル間で高い塩度差をもたらすことが観測された。理論に縛られることを所望せず、これは、同じ合計流速が同じに保たれる場合、スペーサチャネル内の水の流速が低いことが原因であると確信される。したがって、たとえば１ｍｍ以上など、少なくとも０．５ｍｍの径を有するような比較的幅広のプロセスチャネルは、デバイス１の効果を高め得る。供給液は多数の脱塩サイクルの間、プロセスチャネル内に留まり得ること、および流速は、希釈液内の所望の電解質濃度に調整され得ることは明らかである。これは、最大脱塩容量を制限することなく、液体に関して少ない抵抗しか生まないことによりエネルギ消費を低減することも可能にしながら、より幅広のフローチャネルを用いることを可能にする。
【００６６】
プロセスチャネルおよびコレクタに同じ液体を供給することが選択され得るが、入力流は組成において互いに異なってもよい。コレクタチャネル１４０は、たとえば、供給液２とは異なる液体を供給するために、濃縮流方向において上流側で、分離入口２１に連結され得る。これは、電解質を第１の種類の溶媒から他の種類の溶媒に移すことを可能にする。たとえば、これは、プロセスチャネル内の食品（たとえば乳清または醤油）からの塩をコレクタチャネル１４０内の水へ輸送するために用いられ得る。代替または追加として、コレクタチャネル１４０は、その上流側で供給入口１０に連結されることにより、供給液を受け入れ得る。
【００６７】
図６の脱イオンデバイス１において、コレクタ１４は、第１のコレクタチャネル１４０および第２のコレクタチャネル１４１を備える。第１のコレクタチャネル１４０は、プロセスチャネル１２の第１の側においてプロセスチャネル１２に沿って伸長し、第２のコレクタチャネル１４１は、プロセスチャネル１２の第１の側と対向する第２の側において、プロセスチャネル１２に沿って伸長する。これにより、第１型および第２型のイオンの両方を単一の希釈位相で除去することが可能であり、したがって、希釈速度を増加させることによってサイクル時間を増加させることが可能である。
【００６８】
示された例は、３より多い数の電極を備え、各コレクタチャネルは、プロセスチャネルの電極１３１、１３２に対面する自身の電極１３３、１３４を有する。したがって、電極１３４は、第２の分離電極に対応する。このセットアップは、以下に例示するパルスシーケンスを適用するために用いられ得る。
【表５】
2021517511.tif 000009
【００６９】
ただし、Ｖ２＋およびＶ２−は、第２の電源によって生成され得る第２の電圧差に対応する。「Ｓ」は、短絡に関連する。
【００７０】
したがって、第１の希釈位相において、アニオンは第１のコレクタチャネルへ向かって希釈され、カチオンは第２のコレクタチャネルへ向かって希釈される。第２の希釈位相において、アニオンは第２のコレクタチャネルへ向かって希釈され、カチオンは第１のコレクタチャネルへ向かって希釈される。同様に、第１の解放位相において、電極１３２において吸着されたアニオンは、第１のコレクタチャネル内へ解放されて引き寄せられ、電極１３１において吸着されたカチオンは、第２のコレクタチャネル内へ解放されて引き寄せられる。
【００７１】
図７の脱イオンデバイス１において、コレクタ１４は、プロセスチャネル１２の第１の側に、プロセスチャネル１２に沿って伸長する複数のコレクタチャネル１４０〜１４２を備える。連続的なコレクタチャネル１２４〜１４２は、この例において透過性電極１３３〜１３４〜１３５によって形成されたイオンを透過する分離体によって、イオン流方向において互いに分離され得る。したがって、電極１３４および１３５は、第２の分離電極に対応する。動作中、電解質イオンの濃度は、コレクタチャネル１４０〜１４２の間のイオン流方向において異なる。
【００７２】
図７の脱イオンデバイス１において、フィールド発生器１３は、動作中、選択された型のイオンを、所定の濃度プロファイルに従ってコレクタチャネル１４０〜１４２に分散させるように駆動するフィールドを発生させるように構成される。たとえば、出力流間のイオン濃度差が得られ得る。この方法では、大きな勾配は、多数の隣り合うチャネル間のより小さな勾配を介して獲得され得る。示される例において、全てのコレクタチャネルがそれぞれの出口６、６’および入口に連結されるが、全てのチャネルが出口を有する必要はなく、たとえばいくつかは、所望の勾配を生み出すだけのために、完全に閉め切られてよい。
【００７３】
図８に示すように、電極の中で、プロセスチャネル１２のコレクタ１４と対向する側にある電極１３１は、イオン交換膜１２２によってプロセスチャネル１２から少なくとも部分的に遮蔽される。パルスシーケンスは、チャネル側電極１３２および電極１３１が１つの極性のみを用いるように選択され得るので、これは、それらの吸着能を高めることができる。アニオン交換膜は、正電圧の印加時、電極がチャネル内へ（残留）正を吐き出すことを妨げる。後者は、負のイオンのより多くの吸着をもたらす。カチオン交換膜の場合、正のイオンに関して同じことが言える。
【００７４】
図９の脱イオンデバイス１において、選択された型のイオンは、コレクタチャネル１４０〜１４２の中から選択されたチャネル内に集中するように駆動される。様々な電荷を有するイオン種の分離は、電極の様々なイオン種との親和性（すなわち、有価金属の抽出）の差を利用することによる。この例において、様々なアニオン種が存在し、図９において矢印の長さによって示すように、その中のより感受性が強いものが輸送され得る。たとえば、イオンは、電荷または自己拡散における差を有してよい。その結果、コレクタの出力流は比較的高い割合のアニオン種を有し、一方、プロセスチャネルは、高い割合の第２のアニオン種を生成する。この機構は、様々なカチオンの混合物の場合も同じである。したがってデバイスは、溶液から様々な種類の電解質を分離するために用いられ得る。
【００７５】
脱イオンデバイス１は、供給液２を処理する装置内で用いられ得る。たとえば、脱イオン、すなわち電解質が溶解した液体からの電解質の分離は、ほんの数例を挙げると、たとえば海水の脱塩、軟水化、飲料水からの有害物質の除去、水溶液からのＬｉなどの重要金属および有価元素の選択的抽出、または、化学処理または薬剤処理中の水性または非水性（たとえば有機）溶媒内の電解質を用いた化合物の分離など、広範囲の用途において水性液体または非水性液体のために用いられ得る。
【００７６】
たとえば、脱イオンデバイス１は、そこから供給液２がもたらされ、供給液２を脱イオンデバイス１へ出力するプロセスを行う、脱イオンデバイス１の処理フロー方向上流における処理機器への供給入口１０と連結され得る。追加または代替として、脱イオンデバイス１は、排出された物質の処理を行う、脱イオンデバイス１の処理フロー方向下流における処理機器への液体出口１１および／または電解質出口１５と連結され得る。たとえば、脱イオンデバイス１は、ほんの数例を挙げると、化学または製薬プラントの一部であり、化学または薬品製造プロセスフローにおいて用いられ、または、液体または電解質を浄化する浄水場の一部であってよい。
【００７７】
本脱塩装置は、たとえば海水などの塩水に用いられ得る。示される脱塩装置は、たとえば説明した例の１つのような脱イオンデバイス１を備える。脱イオンデバイス１の供給入口１０は、塩水の供給源に連結される。この例において、供給入口１０は、水処理方向において装置の入水口の下流にある濾過機器に連結される。濾過機器および希釈出口は、浄化機器に連結される。
【００７８】
本装置は、有毒または放射性の電解質によって汚染された液体を除染するための除染装置として用いられ得る。たとえば、装置は、原子力発電所内の水から放射性イオンを除去し、または水道水から有毒化学物質を除去し得る。示される除染装置は、たとえば説明した例の１つのような脱イオンデバイス１を備える。
【００７９】
本装置は、液体から金属を回収するための電解回収装置として用いられ得る。示される電解回収装置は、説明した例の１つのような脱イオンデバイス１を備える。
【００８０】
図６〜９は、電解質が溶解した供給液２を少なくとも部分的に脱イオンする方法を示す。そのような方法は、上述したような脱イオンデバイス１を用いて、または他の方式で行われ得る。図示するように、方法は、供給入口１０において供給液２を受け入れることを備える。供給液２は、供給液２の液流方向において上流側で供給入口１０に連結されたプロセスチャネル１２を通過してよい。プロセスチャネル１２において、供給液２は希釈され、すなわち、液内の１または複数の選択された電解質の濃度を低減するために、選択された溶解電解質のアニオンおよびカチオンがそこから除去される。その結果生じる希釈液は、プロセスチャネル１２に連結された希釈出口において排出され得る。
【００８１】
この例において、アニオンおよびカチオンを除去するために、供給液２よりも低いイオン濃度の電解質を有する希釈液を得るためにプロセスチャネル１２内で電界および／または磁界が発生し得る。図示するように、フィールドは、電解質のアニオンおよびカチオンを、液流方向とは異なりアニオンおよびカチオンの両方に関して同じであるイオン流方向へ駆動する。
【００８２】
フィールドによって駆動されたアニオンおよびカチオンは、イオン流方向においてプロセスチャネル１２の下流に位置するコレクタ１４において収集され得る。収集されたアニオンおよびカチオンは、コレクタ１４に連結された電解質出口１５において、希釈液とは別に排出され得る。
【００８３】
電解質出口１５において排出されたイオンおよび他の物質は、たとえば所望の純度の分離した電解質を得るため、または電解質の化学処理を行い、たとえば処理プラントの他の機器へ供給されるために、その出口の更に下流で処理され得る。
【００８４】
液体出口１１において排出された希釈液は、たとえば所望の純度の液体を得るため、または液体の化学処理を行い、たとえば処理プラントの他の機器へ供給されるために、その出口の更に下流で処理され得る。たとえば、液体は水であってよく、ほんの数例を挙げると、人間または動物による消費に適した純度まで、薬剤的に許容可能なレベルまで、または、十億分率（ｐｐｂ）または一兆分率（ｐｐｔ）の範囲のわずかな汚染しかない純度まで、更に処理され得る。
【００８５】
上記明細書において、本発明は、本発明の実施形態の特定の例を参照して説明された。ただし、添付の特許請求の範囲に記載したような本発明のより広範な範囲から逸脱することなく、様々な修正および変更がなされ得ることは明らかである。
【００８６】
たとえば、示される例において、フィールドは液流方向において同じであるが、個別に制御された電極セットの構成が処理チャネルに沿って配置されてよい。これにより、個別の電極によって発生するフィールドを制御することが可能であり、したがって、液流方向において変化するフィールドを有すること、たとえば、同じ時点において液流方向における様々な位置でフィールドが異なる位相であることが可能である。これは、デバイスの（半）連続的動作を可能にする。たとえば、処理チャネルにおいて、フィールドは、選択されたサイクルと同じ順序で、液流方向において位相を変化させてよく、所与の時点において、全ての位相がチャネル内に存在してよい。これは、連続方式でチャネルの全長にわたり、所望の電解質を設定程度まで除去することを可能にする。たとえば、各セットが位相セット全体を繰り返し得るが、たとえば各セットは、流動方向における次のセットに対して位相をシフトされてよい。たとえば、最上流のセットが位相ｎである場合、次に最上流のセットはサイクルの位相ｎ±１であってよく、３番目に最上流のセットは位相（ｎ±１）±１であってよく、ここで、ｎは正の自然数である。
【００８７】
また、いくつかの位相において、たとえば短絡位相において解放される蓄積静電エネルギは、回収され、他の位相で用いられてよく、あるいは、同じ時間に位相をシフトさせて作動している第２の脱イオンデバイスにおいて用いられ得る。
【００８８】
また、説明された実験において、水が脱塩されたが、液体は他の液体であってよい。たとえば液体は、水、水性溶媒、非水性溶媒のグループから選択された１つであってよい。また、電解質は塩に限定されず、酸、塩、塩基から成るグループから選択された化合物を備えてよい。電解質は、塩化物塩、次亜塩素酸塩、放射性電解質、金属塩から成るグループから選択された化合物であってよい。アニオンおよびカチオンは、たとえば、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、ＣｌＯから成るグループから選択され得る。アニオンおよびカチオンは、たとえばナノ粒子、量子ドット、コロイド粒子、有機分子、鉱物質、生体分子、小タンパク質、ＤＮＡ、微生物、細胞、およびウイルスなどの小さな荷電不純物であってもよい。
【００８９】
また、たとえば、パルスシーケンスおよび関連するパルス長は、上述した例と異なってよいことが明らかである。
【００９０】
なお、供給液内に溶解した電解質の濃度は、任意の適当な濃度であってよい。たとえば供給液は、たとえば３％超過、たとえば＞５％など、０．０５％超過の塩度を有する水であってよい。塩度は、たとえば３％未満など、５％未満であってよい。
【００９１】
図１１は、実験結果を示す。ここで、たとえば表１に示すような脱塩周期が行われる。３時間前後でサイクルが開始され、約１１時間（水平軸）継続された。この図から、溶解したイオンの量に関する尺度である導電性は、約６５０μＳ／ｃｍから約５７０μＳ／ｃｍへ急速に減少しており、従ってイオンが溶液から除去されたことが明らかである。同時に、濃縮流の導電性は約６５０μＳ／ｃｍから約７７０μＳ／ｃｍへ急速に増加したので、イオンはこの流れに集中している。
【００９２】
ただし、他の修正、変動、および代替も可能である。したがって、本明細書および図面は、限定的ではなく例示的なものとみなされるべきである。
【００９３】
特許請求の範囲において、丸括弧内の任意の参照符号は、特許請求の範囲を限定するものと解釈されてはならない。「備える」という言葉は、請求項に記載されたもの以外の要素またはステップの存在を除外するものではない。なお、「ａ」または「ａｎ」という語は、本明細書で用いられる場合、１ではなく１または複数として定義される。
【００９４】
また、発明を実施するための形態および特許請求の範囲における「正面」、「背面」、「上部」、「底部」、「上」、「下」などの用語は、存在する場合、必ずしも永続的な相対位置を表すためではなく、説明目的で用いられる。そのように用いられた用語は、本明細書で説明された本発明の実施形態が、たとえば本明細書で例示または他の方法で説明されたもの以外の配向で動作することができるように、適切な状況下で置換可能である。
【００９５】
また、特許請求の範囲におけるたとえば「少なくとも１つの」および「１または複数の」などの前置表現の使用は、同じ請求項が前置表現「１または複数の」または「少なくとも１つの」およびたとえば「ａ」または「ａｎ」などの不定冠詞を含む場合でも、不定冠詞「ａ」または「ａｎ」による別の請求項要素の前置きが、そのように前置きされた請求項要素を含む任意の特定の請求項を、ただ１つのそのような要素を含む発明に限定することを暗示すると解釈されるものではない。定冠詞の使用についても同じことが言える。特に別に記載しない限り、たとえば「第１の」および「第２の」などの用語は、そのような用語が表す要素を任意に区別するために用いられる。したがって、これらの用語は必ずしも、そのような要素の時間的または他の優先順位を示すことは意図されない。特定の分量が互いに異なる請求項に記載されるという事実のみでは、これらの分量の組み合わせが有利に用いられ得ないことは示されない。
【符号の説明】
【００９６】
１  脱イオンデバイス
２  供給液
３、４  電解質のイオン
５  希釈液
６  濃縮液
１０  供給入口
１１  液体出口
１２  プロセスチャネル
１３  フィールド発生器
１４  コレクタ
１５  電解質出口
１６  板
１７ａ、１７ｂ  ガスケット
１８ａ、１８ｂ  締付具
１９  電源
２０  スタック
２１  分離入口
２２  スペーサ
１２０  上流側
１２１  下流側
１２２  イオン交換膜
１３０  電気接点
１３１  プロセスチャネル電極
１３２  分離電極
１３３  コレクタ電極
１３４  電子制御回路または第２の分離電極
１３５  位相制御回路または第２の分離電極
１４０  第１のコレクタチャネル
１４１  第２のコレクタチャネル
１４２  追加のコレクタチャネル
２００  電解質抽出装置
３００  脱塩装置
４００  除染装置
【数３】
2021517511.tif 000010
電磁界
Ｌ  液流方向
Ｉ  イオン流方向
【００９７】
本開示は、以下の項を参照して更に詳しく説明され得る。
１．少なくとも１つの電解質が溶解した供給液を少なくとも部分的に脱イオンするための脱イオンデバイスであって、
上記供給液を受け入れるための供給入口と、
上記供給液よりも低いイオン濃度の上記電解質を有する希釈液を排出するための希釈出口と、
上記供給液の液流方向において、上流側で上記供給入口に連結され、下流側で上記希釈出口に連結されたプロセスチャネルと、
上記電解質のアニオンおよびカチオンを、上記液流方向とは異なり、アニオンおよびカチオンの両方に関して同じであるイオン流方向へ駆動する電気および／または磁気フィールドを上記プロセスチャネル内に発生させるためのフィールド発生器と、
上記イオン流方向において上記プロセスチャネルの下流に位置する、上記フィールドによって駆動された上記アニオンおよびカチオンを収集するためのコレクタと、
上記収集されたアニオンおよびカチオンを上記希釈液とは別に排出するための、上記コレクタに連結された電解質出口と
を備えるデバイス。
２．上記フィールドは電界であり、上記フィールド発生器は、
電源に接続可能な電気接点と、
上記プロセスチャネルの両側において互いに向かい合い、間に上記電界を発生させるための電極であって、上記電源から電力を受け取るために上記電気接点に接続された電極と、
上記電界を制御するための電子制御回路であって、上記電界を調整する上記電極のパラメータを制御するために、上記電気接点および上記電極に接続された電子制御回路と
を備える、実施形態１に記載のデバイス。
３．上記電極のうち、上記プロセスチャネルの上記コレクタと対向する側にある電極は、イオン交換膜によって前記プロセスチャネルから少なくとも部分的に遮蔽される、実施形態１〜２に記載のデバイス。
４．上記プロセスチャネルの少なくとも片側において、上記電極は多孔性である、実施形態１〜３に記載のデバイス。
５．上記電子制御回路は、
所定の位相のセットを所定の順序で繰り返すように上記電界を制御する位相制御回路を備え、上記位相は、
上記電界が、アニオンまたはカチオンのうち第１型のイオンに関して上記液体を希釈する流れを上記コレクタの方向へ駆動する、第１の希釈位相と、
上記電界が、上記第１型のイオンと反対である反対型のイオンに関して上記液体を希釈する流れを上記コレクタの方向へ駆動する、第２の希釈位相と
から成るグループから選択される、実施形態２または４に記載のデバイス。
６．上記グループは、
コレクタ側電極において捕捉された上記第１型のイオンを上記コレクタ内へ解放するとともに、上記捕捉された上記第１型のイオンが上記プロセスチャネル内へ再び入ることを妨げるための第１の解放位相と、
上記コレクタ側電極へ駆動され捕捉された上記第２型のイオンを上記コレクタ内へ解放するとともに、上記捕捉された上記第２型のイオンが上記プロセスチャネル内へ再び入ることを妨げるための第２の位相と
を備える、実施形態５に記載のデバイス。
７．上記第２の希釈位相において、上記第１の希釈位相において上記コレクタ側電極または上記コレクタへ駆動された上記第１型のイオンは、上記コレクタ側電極または上記コレクタにおいて保持される、実施形態５または６に記載のデバイス。
８．上記第１の希釈位相において、上記反対型のイオンは、上記第１型のイオンの上記流れとは反対の方向へ流れる、実施形態５〜７のいずれか１つに記載のデバイス。
９．上記グループは、上記第１、第２、第３、および第２の位相から成り、上記制御回路は、第１の希釈位相、第１の解放位相、第２の希釈位相、第２の位相の順序で上記位相を繰り返すように上記フィールドを制御する、実施形態５〜８のいずれか１つに記載のデバイス。
１０．サイクルの上記第１の解放位相は、次のサイクルの第１の希釈位相と重複して行われる、実施形態９に記載のデバイス。
１１．上記コレクタは、上記プロセスチャネルから距離を置いてコレクタ吸着材料を備え、上記第１の解放位相において、上記第１型のイオンの上記流れの少なくとも一部は、上記吸着材料によって吸着される、実施形態１〜１０のいずれか１つに記載のデバイス。
１２．脱離位相中、上記コレクタ吸着材料は脱離され、脱離イオンは、上記電解質出口を通って排出される、実施形態１１に記載のデバイス。
１３．上記第２の希釈位相中、上記反対型のイオンが上記コレクタにおいて吸着される、実施形態１１〜１２のいずれか１つに記載のデバイス。
１４．上記プロセスチャネルは、上記コレクタと反対側にプロセスチャネル吸着材料を備え、
上記第１の希釈位相において、上記反対型のイオンは、上記コレクタから離れる方向へ駆動され、上記プロセスチャネル吸着材料によって吸着され、
上記第２の希釈位相において、上記反対型のイオンは、上記プロセスチャネル吸着材料から脱離する、実施形態１１〜１３のいずれか１つに記載のデバイス。
１５．上記プロセスチャネルと上記コレクタとの間に分離体を備え、分離体は、上記液体よりも上記アニオンおよびカチオンに対し高い透過性を有し、上記アニオンおよびカチオンが上記分離体のプロセスチャネル側から上記分離体のコレクタ側へ通過することを可能にする、実施形態１〜１４のいずれか１つに記載のデバイス。
１６．上記コレクタは、濃縮流方向において下流側で上記電解質出口に連結されたコレクタチャネルを備え、
上記分離体は、上記コレクタチャネルを上記プロセスチャネルから分離する、実施形態１５に記載のデバイス。
１７．上記コレクタチャネルは、上記濃縮流方向において上流側で、上記供給液とは異なる液体を供給するための別の入口に連結される、実施形態１６に記載のデバイス。
１８．上記コレクタチャネルは、上流側で上記供給入口に連結される、実施形態１６に記載のデバイス。
１９．上記コレクタは、
上記プロセスチャネルの第１の側に上記プロセスチャネルに沿って伸長する第１のコレクタチャネルと、
上記プロセスチャネルの第２の側に上記プロセスチャネルに沿って伸長する第２のコレクタチャネルと
を備える、実施形態１６〜１８のいずれか１つに記載のデバイス。
２０．上記コレクタは、上記プロセスチャネルの第１の側に、上記プロセスチャネルに沿って伸長する複数のコレクタチャネルを備え、上記コレクタチャネルは、上記イオンに対し透過性の分離体によって互いに分離された上記イオン流方向にある、実施形態１６〜１９のいずれか１つに記載のデバイス。
２１．動作中、電解質イオンの濃度は、上記コレクタチャネル間で上記イオン流方向において異なる、実施形態２０に記載のデバイス。
２２．上記フィールド発生器は、所定の濃度プロファイルに従って、選択された型のイオンを上記コレクタチャネルに分散するように駆動するフィールドを発生させるように構成される、実施形態２１に記載のデバイス。
２３．上記選択された型のイオンは、上記コレクタチャネルのうちの選択されたチャネルに集中するように駆動される、実施形態２２に記載のデバイス。
２４．上記フィールド発生器は、
上記プロセスチャネルにおいて上記電界を発生させるための第１の電極セットと、
上記コレクタにおいて、アニオンおよび／またはカチオンを上記プロセスチャネルから離れる方向へ駆動する電界を発生させるための第２の電極セットと
を備える、実施形態１〜２３のいずれか１つに記載のデバイス。
２５．上記フィールドは、極性、強度、方向から成るグループの少なくとも１つにおいて時間で変化する、実施形態１〜２４のいずれか１つに記載のデバイス。
２６．上記分離体は、電極を備える、実施形態１〜２５のいずれか１つに記載のデバイス。
２７．上記液体は、水、水性溶媒、非水性溶媒から成るグループから選択された１つである、実施形態１〜２６のいずれか１つに記載のデバイス。
２８．上記電解質は、酸、塩、塩基から成るグループから選択された化合物を備える、実施形態１〜２７のいずれか１つに記載のデバイス。
２９．上記電解質は、塩化物塩、次亜塩素酸塩、放射性電解質、金属塩から成るグループから選択された化合物を備える、実施形態２８に記載のデバイス。
３０．上記アニオンおよびカチオンは、Ｎａ、Ｋ、Ｃａ、Ｃｓ、Ｆ、Ｃｌ、Ｂｒ、Ｉ、ＣｌＯから成るグループから選択された化合物を備える、実施形態２９に記載のデバイス。
３１．実施形態１〜３０のいずれか１つに記載のデバイスを備える装置。
３２．上記装置は、様々な種類の電解質を液体から個別に分離するための電解質抽出装置である、実施形態３１に記載の装置。
３３．上記装置は、実施形態１〜３０のいずれか１つに記載のデバイスを備える、海水用の脱塩装置である、実施形態３１に記載の装置。
３４．上記装置は、実施形態１〜３０のいずれか１つに記載のデバイスを備える、毒性または放射性電解質で汚染された液体を除染するための除染装置である、実施形態３１に記載の装置。
３５．上記装置は、実施形態１〜３０のいずれか１つに記載のデバイスを備える、液体から金属を回収するための電解回収装置である、実施形態３１に記載の装置。
３６．電解質が溶解した供給液を少なくとも部分的に脱イオンする方法であって、
供給入口において上記供給液を受け入れることと、
上記供給液に、供給液の液流方向において上流側で上記供給入口に連結されたプロセスチャネルを通過させることと、
上記供給液よりも低いイオン濃度の上記電解質を有する希釈液を得るために、上記プロセスチャネル内に電界および／または磁界を発生させることであって、上記フィールドは、上記電解質のアニオンおよびカチオンを、上記液流方向とは異なり、アニオンおよびカチオンの両方に関して同じであるイオン流方向へ駆動することと、
上記フィールドによって駆動された上記アニオンおよびカチオンを、上記イオン流方向において上記プロセスチャネルの下流に位置するコレクタにおいて収集することと、
上記プロセスチャネルに連結された希釈出口において、上記希釈液を排出することと、
上記コレクタに連結された電解質出口において、上記収集されたアニオンおよびカチオンを上記希釈液とは別に排出することと
を備える方法。
３７．たとえば所望の純度の上記分離された電解質を得るために、上記電解質出口において排出された上記イオンを更に処理することを備える、実施形態３６に記載の方法。
３８．たとえば所望の純度の上記処理された液体を得るために、上記処理された液体を更に処理することを備える、実施形態３６または３７に記載の方法。
３９．上記処理された液体は水であり、上記所望の純度は飲料水の純度である、実施形態３８に記載の方法。
４０．実施形態１〜３０のいずれか１つに記載のデバイスを用いて行われる、実施形態３６〜３９のいずれか１つに記載の方法。
参照文献
［１］ＵＳ２０１６７０１３０１６１
［２］ＷＯ２００６／０３９８７３
［３］ＵＳ２０１４／０３７４２５８
【図１】
2021517511.tif 000011
【図２】
2021517511.tif 000012
【図３】
2021517511.tif 000013
【図４】
2021517511.tif 000014
【図５】
2021517511.tif 000015
【図６】
2021517511.tif 000016
【図７】
2021517511.tif 000017
【図８】
2021517511.tif 000018
【図９】
2021517511.tif 000019
【図１０】
2021517511.tif 000020
【図１１】
2021517511.tif 000021
【国際調査報告】
2021517511.tif 000022
2021517511.tif 000023