(57)【要約】出願人のファラディック多孔性セルは、電極の多孔性、印加されるＥ、及びプールベ作動領域を最適化することにより、標的種の吸着（物理及び容量）と、ファラディック固定化とを組み合わせるものである。最適化パラメータは、（ｉ）物理吸着；（ｉｉ）容量吸着；（ｉｉｉ）電気化学的ｐＨ調節；（ｉｖ）電気化学的過酸化物（Ｈ２Ｏ２）発生；（ｖ）電着（例えば、電気めっき、電気泳動堆積）；（ｖｉ）電気化学的酸化又は還元；（ｖｉｉ）析出；（ｖｉｉｉ）細孔口径プロファイル、及び（ｉｘ）電極間隔、並びに（ｘｉ）フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計である。【選択図】図４
2021531158.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
水溶液を浄化するための電気化学的デバイスであって、
少なくとも１つの炭素系アノードと少なくとも１つの炭素系カソード（前記アノード及びカソードはそれぞれ、ＥＰＺＣシフトのない純粋な電極である）が、容器内に交互に並んでおり、前記容器は、水溶液を前記容器に供給する少なくとも１つの入口と、浄化されたアウトプットを前記容器から排出する少なくとも１つの出口とを備えて構成されており、セパレータが各電極の間に配置されており、関連する配線を備えた電源が、ＤＣ定電圧又は定電流を前記炭素系電極に供給し、
除去すべき少なくとも１種の標的種を含有する水溶液が、前記入口を通って送り込まれ、前記電極のそば又は中を通って前記少なくとも１つの出口につながる排出チャネルに至り、
前記少なくとも１つのアノードに印加される前記ＤＣ電圧と前記少なくとも１つのカソードに印加される前記ＤＣ電圧が、前記少なくとも１種の標的種のプールベ線図に関連し、容量吸着、ファラディック固定化、及び容量吸着とファラディック固定化の両方からなる群から選択されるメカニズムにより、前記少なくとも１種の標的種を電極に凝集させるＤＣ電圧である、
デバイス。
【請求項２】
前記少なくとも１種の標的種の前記凝集が、前記少なくとも１つのアノードの近くの４未満のｐＨ領域における前記標的種の酸化により引き起こされる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
前記少なくとも１種の標的種の前記凝集が、前記少なくとも１つのアノードの近くの４未満のｐＨ領域における前記標的種の酸化により引き起こされ、前記酸化が、前記少なくとも１つのカソードの近くの８を超えるｐＨ領域における酸化剤の生成から生じる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項４】
前記電源が、プロセスコントローラにより、又は手動で制御される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項５】
前記電極を作製する材料が、高い透水性を有し、活性炭布、ミクロ多孔性とメソ多孔性の活性炭の混合物、メソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物、及びミクロ多孔性とメソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物からなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項６】
前記セパレータの厚さが、１ｎｍ〜１００ミクロン、２ｎｍ〜５０ミクロン、２ｎｍ〜３０ミクロン、１〜１００ミクロン、１〜５０ミクロン、及び１〜３０ミクロンの範囲からなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項７】
ファラディック固定化を達成するために使用される前記ＤＣ電圧が、０．６Ｖ未満、１．２Ｖ未満、及び２．５Ｖ未満からなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
前記電極が、不透過性の絶縁体により分離されており、通過流が、前記多孔質の電極の中のみを通って流れて排出チャネルに到達する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
前記電極が、透過性のセパレータによって分離されており、通過流が、前記電極のそばを流れ、前記セパレータを通って前記排出チャネルに至る、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１０】
イオン交換膜が前記少なくとも１つのアノード、前記少なくとも１つのカソード、又は両方の電極を覆っている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１１】
少なくとも１つの炭素系電極のゼロ電荷の電位が、カソードの還元、カソードの酸化、アノードの還元、及びアノードの酸化からなる群から選択されるメカニズムによりシフトされている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１２】
少なくとも１つの炭素系アノードが、
０％〜３０％のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、７０％〜１００％のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される２．０〜１０ｎｍの平均細孔口径、
０％〜２０％のマクロ多孔性活性炭と、８０％〜１００％のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径２．５〜１０ｎｍ
からなる群から選択される平均細孔口径を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
少なくとも１つの炭素系カソードが、
０％〜３０％のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、７０％〜１００％のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される２．０〜１０ｎｍの平均細孔口径、
０％〜２０％のマクロ多孔性活性炭と、８０％〜１００％のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径２．５〜１０ｎｍ
からなる群から選択される平均細孔口径を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１４】
電極間の間隔が、１ｍｍ未満、２００ミクロン未満、５０ミクロン未満、及び２０ミクロン未満からなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１５】
セル設計が、巻回、積層、又は炭素ブロックである、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１６】
前記平均細孔口分布範囲が０〜５０ｎｍであり、標的種とＦＰＣパラメータが、
ＦＰＣパラメータが０〜１．２Ｖのアノード電圧範囲、−１．１未満のカソード電圧、及び１．２Ｖの好ましい作動電圧であるマンガン；
ＦＰＣパラメータが０〜１．２Ｖのアノード電圧範囲、−０．５Ｖ未満のカソード電圧、及び０．４〜１．２Ｖの好ましい作動電圧範囲である鉄；
ＦＰＣパラメータが０Ｖを超えるアノード電圧範囲、及び−０．５Ｖ未満のカソード電圧であるコバルト；
ＦＰＣパラメータが０〜１．０Ｖのアノード電圧範囲、−０．４Ｖ未満のカソード電圧、及び１．２Ｖの好ましい作動電圧であるニッケル；
ＦＰＣパラメータが０Ｖを超えるアノード電圧、０Ｖ未満のカソード電圧、及び０．８〜１．２Ｖの好ましい作動電圧範囲である銅；
ＦＰＣパラメータが０Ｖを超えるアノード電圧、−０．８Ｖ未満のカソード電圧、及び０．８〜１．２Ｖの好ましい作動電圧範囲である亜鉛；
ＦＰＣパラメータが０Ｖを超えるアノード電圧、−１．３Ｖ未満のカソード電圧、及び０．４Ｖの好ましい作動電圧であるアルミニウム；
ＦＰＣパラメータが０．５Ｖを超えるアノード電圧、−０．４Ｖ未満のカソード電圧、及び１．２Ｖの好ましい作動電圧である鉛；
ＦＰＣパラメータが、０Ｖを超えるアノード電圧、及び０Ｖ未満のカソード電圧であるパラジウム；
ＦＰＣパラメータが０Ｖを超えるアノード電圧、及び０Ｖ未満のカソードである銀；
ＦＰＣパラメータが０．４Ｖを超えるアノード電圧、及び０Ｖ未満のカソード電圧であるイリジウム；
ＦＰＣパラメータが０Ｖを超えるアノード電圧、及び０Ｖ未満のカソード電圧である白金；
ＦＰＣパラメータが０．８Ｖを超えるアノード電圧、及び０Ｖ未満のカソード電圧である金；
ＦＰＣパラメータが０．３Ｖを超えるアノード電圧、及び０Ｖ未満のカソード電圧である水銀；
ＦＰＣパラメータが対ＮＨＥで１．５Ｖ未満のアノード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される２．５Ｖ未満の全セル電位である塩素；
ＦＰＣパラメータが対ＮＨＥで１．２Ｖ未満のアノード電位、対ＮＨＥで−１．０Ｖを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される２．２Ｖ未満の全セル電位である臭素；並びに
ＦＰＣパラメータが対ＮＨＥで１．４Ｖ未満のアノード電位、対ＮＨＥで−１．０Ｖを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される２．４Ｖ未満の全セル電位であるクロラミン、
からなる群から選択される、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
水溶液を浄化する方法であって、標的種用のＦＰＣパラメータを備えて構成されたファラディック多孔性セルが、浄化すべき溶液のインプット流と、浄化された水のアウトプット流とを有する、方法。
【請求項１８】
前記水溶液が、発電所廃水、発電所冷却水、洗濯廃水、人間の消費のために浄化すべき水、農業用に浄化すべき水、園芸用に浄化すべき水、食品に使用するために浄化すべき水、軟化すべき水、人間の消費するために浄化すべき海水、実験室での使用のために浄化すべき水、人間の消費又は農業での使用のために浄化すべき汽水、及び医療用の使用のために浄化すべき水からなる群から選択される、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【０００１】
［発明の背景］
（発明の分野）
[001]本発明の分野は、選択したファラディック反応を炭素電極細孔口径プロファイリングと組み合わせることによる、溶液からの金属イオン、ハロゲン化物イオン、金属及びハロゲン化物の誘導体、並びにイオン性粒子状物質の除去、例えば、水からの鉛の除去である。
【０００２】
［定義］
[002]「吸着」は、インプット流中のイオンを電極表面に引きつけ、そのイオンを電極表面に保持することを意味する。
【０００３】
[003]「凝集」は、金属イオン、ハロゲン化物イオン、金属若しくはハロゲン化物の誘導体、又は粒子状金属を、下記のうちの１つ又は複数によりセルへのインプット流から除去することを意味する：（ｉ）物理吸着；（ｉｉ）容量吸着；（ｉｉｉ）電気化学的ｐＨ調節及び金属固定化；（ｉｖ）電気化学的過酸化物（Ｈ２Ｏ２）発生及び金属酸化；（ｖ）電着又は電気めっき；（ｖｉ）電気化学的酸化又は還元；（ｖｉｉ）析出；（ｖｉｉｉ）細孔口径プロファイル、（ｉｘ）電極処理、（ｘ）電極間隔、並びに（ｘｉ）フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計。
【０００４】
[004]「ＢＥＴ表面積」は、窒素を使用して材料の表面積を判定する物理吸着ベースの方法である、ブルナウアー−エメット−テラー法により判定される表面積を意味する。
【０００５】
[005]「破過曲線」は、固定吸着器の出口での流出物の吸着濃度の経過を意味する。破過曲線は、技術的に使用可能な収着容量の計算を可能とする。破過曲線は、典型的には、標的種濃度対処理された体積をプロットする。例えば、図１４を参照されたい。
【０００６】
[006]「炭素ブロック」は、炭素粒子がポリマーと結合してバルク固体形態となっている押し出し炭素材料である。典型的には、脱塩素及び粒子フィルターに使用される。ＦＰＣで使用される炭素ブロックセルの設計では、１つ又は複数の純粋な炭素ブロックのそれぞれが、典型的にはＦＰＣにおいて電気的に絶縁された２つの半分に分割され；各ブロックの一方の半分がアノードとして使用され、各ブロックの他方の半分がカソードとして使用される。
【０００７】
[007]「容量吸着」は、電気的引力の結果としてのイオン又は他の荷電種の電極への吸着を意味する。
【０００８】
[008]「ＣＣＣ」又は「容量性凝固セル」又は「ＣＣＣデバイス」は、主に容量吸着を使用して、金属イオン、金属の誘導体、又は粒子状金属を液体（典型的には水性）インプット流から除去し、政府が規制する制限を下回る金属、金属誘導体、又は微粒子含有量のアウトプット流を生成する浄化セルを意味する。例えば、米国ＥＰＡは、飲用水又は灌漑用水に対する「対策レベル」として、１５ｐｐｂの鉛含有量を規定している。
【０００９】
[009]「ＣＣＣパラメータ」は、ＣＣＣにおいてユーザが選択したＦＰＣパラメータを意味する。
【００１０】
[0010]「セル」は、一般に、インプット流（流入物）にさらされる複数の電極を意味し、動作時のアウトプット流（流出物）用の出口、電極に取り付けられた短絡スイッチ又は電源、電源と任意の流入バルブを制御する手動又はコンピュータ化された手段、及びセルの動作を監視し、手動又はコンピュータ化された制御手段とインターフェース接続するセンサを備える。セルは、例えば、セルの動作中に様々なアウトプット流収集容器又は他の配置を選択するために、インプット流及びアウトプット流を制御する更なる手段を任意選択で含むことができる。容量性脱イオン化セルとは異なり、ＦＰＣは、動作中に電極を再生（脱着とも呼ばれる）して脱着された標的種の廃棄物流を生成しない。代わりに、例えば、アウトプット流中の標的種の濃度がユーザが選択した閾値を超えた場合、ＣＣＣ又はＥＤＣを含むＦＰＣは交換される。アウトプット流中の標的種濃度以外の交換基準、例えば、所与のＦＰＣに関する通過流の累積体積、及び特定の反応副生成物の存在を指定してもよい。
【００１１】
[0011]「充電電位」は、作業を遂行するためにセルに印加される電圧を意味する。
【００１２】
[0012]「導電率」は、インプット流、通過流、アウトプット流、又は廃棄物流の電気導電率を意味する。導電率は、インプット流、アウトプット流、又は廃棄物流中のイオンのモル濃度の代理測定である。導電率は、そうした液体流中のイオンのモル濃度に正比例する。
【００１３】
[0013]「ＣＧ」は、主にメソ多孔性構造を有し、公称表面積が約７００ｍ２／ｇの炭素を意味する。ＣＧは、本発明者らにより、本明細書に開示する細孔口径プロファイル法を用い策定され、Ｃａｌｇｏｎ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎ（Ｎａｐｅｒｖｉｌｌｅ、ＩＬ）により、本発明者らのために作製された。ＣＧは、表においてカルゴン（Ｃａｌｇｏｎ）（登録商標）と記載される場合がある。
【００１４】
[0014]「ＣＶ」は、サイクリックボルタモグラムを意味する。
【００１５】
[0015]「ＣＸ」は、炭素キセロゲルを意味する。ＣＸ電極は、メソ多孔性構造を有し、公称表面積が約２００ｍ２／ｇである。
【００１６】
[0016]「サイクル」は、正に次いで負、又は負に次いで正の一連の電位がＦＰＣ電極に印加される動作のサイクルを意味する。
【００１７】
[0017]「ＤＯ」は、溶存酸素を意味する。
【００１８】
[0018]「Ｅ」は、電圧を意味し、電位とも呼ばれる。直流の場合、Ｅは一定の極性（正又は負）を有する。
【００１９】
[0019]「電極」は、導電性の材料、典型的には多孔質炭素を意味する。
【００２０】
[0020]「ＥＤＣ」は、本願に開示される電気脱ハロゲン化セルを意味する。ＥＤＣは、ＦＰＣに属する水浄化セルの一種である。
【００２１】
[0021]「ＥＤＣパラメータ」は、ＥＤＣにおいてユーザが選択したＦＰＣパラメータを意味する。
【００２２】
[0022]「ＥＤＸ」は、エネルギー分散型Ｘ線分析を意味する。
【００２３】
[0023]「Ｅｏ」は、電極が短絡しているときの対参照電極電位である（即ち、Ｅｏは、短絡状態時の電位である）。
【００２４】
[0024]「ＥＰＺＣ」又は「ゼロ電荷の電位」は、表面でのイオン吸着が最小になる電極の電位を意味する。ＥＰＺＣは、炭素電極の表面改質により意図的にシフトさせることができる、又は拡張された印加電位又は電圧による電極表面の酸化の結果として本質的に移動させることができる。純粋な炭素電極のＥＰＺＣは、典型的には−０．１Ｖから＋０．１Ｖの間である。表面改質による電極のＥｐｚｃのシフトは、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６２／７０２２８６号に詳細に開示されている。所与の標的種の場合のＦＰＣ電極のＥＰＺＣは、水の化学的性質によって異なり、実験的に判定される。
【００２５】
[0025]「ファラディック固定化」は、電解質中の標的種への電子移動、又は電解質中の種への電子移動と、それに続く対象の標的種との溶液中での均一反応を意味し、その後、反応生成物は、電極に吸着される。
【００２６】
[0026]「フローバイ」セル設計は、ＦＰＣ内の通過流が、電極を通過するのではなく、ＦＰＣ内の電極の表面を横切って流れることを意味する。フローバイセル設計は、フロースルーセル設計と比較して、下記の利点を提供することができる：低い圧力降下、高い流量、炭素電極の同等の劣化、各電極のペアに対して生成される同等のｐＨ領域。
【００２７】
[0027]「流量」は、インプット、スループット、アウトプット、又は廃棄物流の流量を意味し、典型的にはＬ／時、ｍｌ／分等の単位である。
【００２８】
[0028]「フロースルー」セル設計は、ＦＰＣ内の通過流を強制的にＦＰＣ内の電極を通過させることを意味する。フロースルーセル設計は、フローバイセル設計と比較して下記の利点を提供することができる：極端なｐＨ領域、出口ｐＨに対する良好な制御。
【００２９】
[0029]「ＦＰＣ」又は「ファラディック多孔性セル」又は「ＦＰＣデバイス」は、凝集を使用して液体（典型的には水性）インプット流から金属イオン、ハロゲン化物イオン、標的金属若しくは標的ハロゲン化物の誘導体（例えば、他の種）、又は粒子状金属を除去し、金属、ハロゲン化物、又は微粒子含有量が低下したアウトプット流を生成する浄化セルを意味する。異なる種のＦＰＣを直列又は並列に使用して浄化システムへの水性流入物から複数の標的種を除去することができる。「ＦＰＣシステム」は、１つ又は複数のＦＰＣと、任意選択で他のタイプの浄化セル（「ハイブリッドシステム」の定義を参照されたい）、例えば容量性脱イオン化（「ＣＤＩ」）セル、膜ＣＤＩセル（「ＭＣＤＩ」）、逆ＣＤＩ（「ｉ−ＣＤＩ」）セル、並びに非電気化学セル及びフィルターとを含有する水浄化システムを意味する。ＣＤＩ、ＭＣＤＩ、ｉ−ＣＤＩセル、又は類似の脱着セルのＦＰＣシステムへの組み入れには、廃棄物流の提供と、ＣＤＩ、ＭＣＤＩ、ｉ−ＣＤＩ、及び類似の脱着セルからの廃棄物流への脱着に対応するためのＦＰＣシステムにおける関連するセルの制御が必要である。ＣＣＣ及びＥＤＣは、ＦＰＣの一種である。
【００３０】
[0030]「ＦＰＣパラメータ」は、（ｉ）物理吸着；（ｉｉ）容量吸着；（ｉｉｉ）電気化学的ｐＨ調節；（ｉｖ）電気化学的過酸化物（Ｈ２Ｏ２）発生及び標的種の酸化；（ｖ）電着（例えば、電気めっき、電気泳動堆積）；（ｖｉ）電気化学的酸化又は還元；（ｖｉｉ）析出；（ｖｉｉｉ）細孔口径プロファイル、（ｉｘ）電極処理、（ｘ）電極間隔、並びに（ｘｉ）フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計のＦＰＣにおいてユーザが選択した値を意味する。１つ又は複数のＦＰＣパラメータが、所与のインプット水の化学的性質に関する実験的データに基づき、通過流から標的種を除去するために選択、又は「調整」される。
【００３１】
[0031]「ハロゲン化物誘導体」は、ハロゲン化物を含有する分子又は化合物を意味する。
【００３２】
[0032]「ＨＥ」は、高効率のメソ多孔性炭素を意味する。ＨＥ炭素で作られた電極は、主にメソ多孔性構造を有し、公称表面積が約３８０ｍ２／ｇである。ＨＥは、メソ多孔性炭素が９８％を超え、残部がマクロ多孔性炭素である配合を有する。ＨＥは、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６２／７０２２８６号に開示の細孔口径プロファイル法を使用して策定される。
【００３３】
[0033]「ハイブリッドシステム」は、少なくとも１つのＦＰＣ（ＣＣＣ又はＥＤＣ）と、少なくとも１つの他のタイプの水浄化セル、例えば、過酸化セル、ＣＤＩ、ＭＣＤＩ、ｉ−ＣＤＩ、又は非電気化学セル若しくはフィルターを収容する水浄化システムを意味する。ハイブリッドシステムの最小構成は、直列（ＦＰＣが他のセルタイプに供給する、又はその逆）である。より大きなシステムは、直列のみとすることも、並列にした直列通路を（スループットを増加させるために）有することもできる。
【００３４】
[0034]「固定化」は、その後の浄化されたアウトプット流への脱着を伴わない標的種のＦＰＣ電極への吸着を意味する。
【００３５】
[0035]「インプット流」は、セルへの入口を通って送り込まれる、様々なイオン及び金属を含有する液体、典型的には水を意味する。
【００３６】
[0036]「ＫＮ」は、Ａｍｅｒｉｃａｎ  Ｋｙｎｏｌ，Ｉｎｃ（ニューヨーク州プレザントビル）から入手可能なカイノール（Ｋｙｎｏｌ）（登録商標）として販売されているミクロ多孔性炭素を意味する。ＫＮ炭素で作られた電極は、ミクロ多孔性構造を有し、公称表面積が約１８００ｍ２／ｇである。
【００３７】
[0037]「金属」は、プールベ線図が存在し、Ａｓ、Ｓｅ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕを含む群から選択される金属を含有する金属、金属イオン、金属錯体、金属粒子、又は毒素を意味する。
【００３８】
[0038]「金属誘導体」は、金属又は半金属を含有する分子又は化合物を意味する。
【００３９】
[0039]「金属種形成」は、所与の環境における金属の様々な化学形態（「種」）を意味する。例えば、Ａｓ（ＩＩＩ）及びＡｓ（Ｖ）は、所与のｐＨの水溶液中に共存できるヒ素の種である。
【００４０】
[0040]「ＮＨＥ」は、通常の水素電極を意味する。
【００４１】
[0041]「アウトプット流」は、ＦＰＣを通過して、インプット流よりも低いモル濃度の標的種を含有する液体を意味する。
【００４２】
[0042]「並列システムアーキテクチャ」は、並列に接続されたＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）を意味し、即ち、各ＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）の出口が、システムアウトプットを供給する。並列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のＦＰＣ、プロセスコントローラ、相互接続ライン、センサ、及びラインとセルに配置されたバルブを含むこともできる。
【００４３】
[0043]「物理吸着」は、標的種の電極細孔への物理的捕捉を意味する。
【００４４】
[0044]「ＰＭＤ」は、細孔口径を意味し、それは、炭素電極表面での細孔の直径である。細孔は、炭素電極内の行き止まりチャネルでも貫通チャネルでもよく、典型的には可変のチャネル直径を有する。
【００４５】
[0045]「流入地点」又は「ＰＯＥ」は、給水設備が住宅、商業／工業ビル、又は他の構造物における配水システムに供水する場所を意味する。
【００４６】
[0046]「使用地点」又は「ＰＯＵ」は、配水システムから消費者、飲料ディスペンサ、厨房機器、又は他の最終用途に水が分配される場所を意味する。
【００４７】
[0047]「極性」は、ＤＣ電圧の正又は負いずれかの極性を意味する。
【００４８】
[0048]「細孔口径プロファイル」は、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６２／７０２，２８６号及び米国特許出願第１６／４１７，５７４号に開示の細孔口径プロファイル法に従い作製された、電極中のミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性炭素の体積比（複数可）を意味する。一般的に言えば、平均細孔口径が大きいほど、電極の耐用年数が長く、通過流に対する電極の透過性が高い。平均細孔口径は、所与の炭素電極を作製するために使用するミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性炭素の比により制御される。
【００４９】
[0049]「プールベ線図」（電位／ｐＨ図、ＥＨ−ｐＨ図又はｐＥ／ｐＨ図とも呼ばれる）は、水性電気化学系の可能な安定（平衡）相を示す。優勢なイオン境界が、線で表される。そのため、プールベ線図は、軸の組が異なる標準的な状態図と同様に読み取ることができる。状態図と同様に、プールベ線図は、反応速度又は速度効果を扱わない。可溶性の種の場合、プールベ線図の線は通常、１Ｍ又は１０−６Ｍの濃度について描画される。他の濃度の場合は、追加の線が描画されることもある。
【００５０】
[0050]「プールベ作動領域」は、ＦＰＣ中の所与の電極でのｐＨ及び印加されるＥをプールベ線図と関連づけて、所与の水の化学的性質において標的種の固定化を選択することを意味する。
【００５１】
[0051]電極に関連する「純粋」は、表面改質されていないことを意味する。例えば、スペクトラカーボ（Ｓｐｅｃｔｒａｃａｒｂ）（商標）電極は、製造業者から供給された状態では、純粋である。
【００５２】
[0052]「プロセスコントローラ」は、ＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）のシステム内に配置されたセンサを監視して、１つ又は複数のＦＰＣ、及び任意選択で１つ又は複数の他のタイプの水浄化セル又はフィルターを含む水浄化システムにおけるインプット、通過、及び／又はアウトプット流、並びにＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）の状態をサンプリングするプロセス制御アプリケーションを操作するコンピュータを意味する。プロセスコントローラは、処理すべき水溶液の供給源、ＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）、及びシステム出口を相互接続するライン内のバルブを作動させ、それにより、様々なＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）が、直列システムアーキテクチャ、直並列システムアーキテクチャ、又は並列システムアーキテクチャで構成されることを可能にする。センサデータに基づき、プロセスコントローラは、システム内のＦＰＣのＦＰＣパラメータを動的に調節する（任意選択でシステム内の他のセルとフィルターも調節する）ことができる。
【００５３】
[0053]「浄化する」は、通過流から１又は複数種の標的種を除去することを意味する。浄化は、プールベ線図が存在する金属（例えば、Ａｓ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、及びＣｕ）、ハロゲン化物（例えば、Ｃｌ、Ｂｒ、クロラミン）、有機物、及び生体化合物の除去を含む。
【００５４】
[0054]「巻回セル設計」は、連続セパレータと多孔質炭素系電極材料が物理的にらせん状に巻回されて、多孔質炭素電極の中を通る複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダが創出されるＦＣＰセル設計を意味する。巻回セルを製造するため、アノード材料、セパレータ材料、及びカソード材料のシートを積層し、次いで、巻回してシリンダを形成する。集電体が、電気的損失を低減するため、通常は複数箇所でアノードとカソードに取り付けられる。
【００５５】
[0055]「ＳＣ」は、Ｅｎｇｉｎｅｅｒｅｄ  Ｆｉｂｅｒｓ  Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ＬＬＣ（コネチカット州シェルトン）から入手可能な、スペクトラカーボ（商標）として販売されているミクロ多孔性炭素を意味する。ＳＣ炭素で作られた電極は、ミクロ多孔性構造を有し、公称表面積が約１９００ｍ２／ｇである。
【００５６】
[0056]「ＳＣＥ」は、飽和カロメル電極を意味し、例えば、サイクリックボルタンメトリにおいて、参照電極として一般に使用される標準的な参照電極である。
【００５７】
[0057]「直列システムアーキテクチャ」は、直列に接続されたＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）を意味し、即ち、第１のＦＰＣの出口が入口と第２のＦＰＣに供給し、第２のＦＰＣの出口が入口と第３のＦＰＣに供給する、等となる。直列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）、プロセスコントローラ、センサ、相互接続供給ライン、及び１つのＦＰＣの出口と第２のＦＰＣの入口との間の供給ラインに配置されるバルブを含むこともできる。
【００５８】
[0058]「直並列システムアーキテクチャ」は、ＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）を直列又は並列に接続することができるシステムを意味する。直並列システムアーキテクチャは、固定することも、複数のＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）、プロセスコントローラ、相互接続供給ライン、センサ、及び１つのＦＰＣの出口と第２のＦＰＣの入口との間の供給ラインに配置されるバルブを含むこともでき、そのバルブは、プロセスコントローラが作動させる。典型的な直並列システムアーキテクチャは、複数のランクの所与の一連のセルを含み、それにより、複数の直列通路によりスループットが向上した状態で通過流を同様に処理する。
【００５９】
[0059]「ＳＨＥ」は、標準水素電極を意味する。
【００６０】
[0060]「シフト」は、本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６２／７０２，２８６号に開示の方法を使用した、電極表面の意図的又は非意図的な化学的又は電気化学的改質（例えば、印加電位又は電圧による電気化学的酸化）により、電極のＥＰＺＣの電位（「位置」とも呼ばれる）を変更することを意味する。
【００６１】
[0061]「種」は、水流中の、又はセル電極に吸着された分子、化合物、又は微粒子を意味する。
【００６２】
[0062]「種形成」は、システム内又はＦＰＣ内での定義された化学種間の元素の分布を意味する。例えば、所与の金属の非荷電性金属粒子、金属イオン、及び金属錯体は、所与のｐＨで溶液又は懸濁液中に共存することがあり、その分布は、ｐＨが変化するにつれて変化し得る。
【００６３】
[0063]「積層セル設計」は、セパレータと多孔質炭素系電極材料の別々の小片が層毎に積層されて、多孔質炭素電極の中及び／又は近くを通る複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダを創出するＦＣＰセル設計を意味する。集電体が、電気的損失を低減するため、通常は複数箇所でアノードとカソードに取り付けられる。図２３は、積層セル設計を示す。
【００６４】
[0064]「表面電荷強化面」は、化学的又は電気化学的方法によって表面電荷が付与された電極表面を意味する。
【００６５】
[0065]「システム」は、手動で、又はプロセスコントローラにより制御される、複数の相互接続されたＦＰＣ（及び任意選択で他のタイプのセルとフィルター）である。
【００６６】
[0066]「標的金属」は、ＣＣＣを使用して除去される所与の金属又は金属誘導体の１又は複数の種を意味する。
【００６７】
[0067]「標的種形成」は、標的種のプールベ線図に示すように、セル電極に印加されるＥとｐＨの関数として、標的種が水性電気化学セルにおいて取り得るいくつかのイオン状態又は錯体形成のうちの１つを意味する。
【００６８】
[0068]「標的種」は、ＦＰＣを使用して除去される分子、化合物、又は微粒子を意味する。「標的種」は、ＦＰＣへのインプット流中に検出される（「プールベ線図において種として識別される」とも呼ばれる）分子、化合物、又は微粒子だけでなく、分子、化合物、又は微粒子を含むＦＰＣにおいて創出される１又は複数種の中間体及び最終反応生成物も含む。
【００６９】
[0069]「通過流」は、セル内で処理されている液体流を意味する。別の言い方をすれば、通過流は、セル内であって、セルへの入口とセルからの出口の間にある液体流を意味する。
【００７０】
[0070]「処理する」は、作動中のＦＰＣ又はＦＰＣを収容するシステムにインプット流を供給し、浄化されたアウトプット流を回収することを意味する。
【００７１】
[0071]「処理済電極」は、本明細書に開示される電極表面改質を受けた電極を意味する。
【００７２】
[0072]「ＴＤＳ」は、総溶解固体を意味する。一般的な操作的定義は、固体は、２ミクロンの細孔を備えるフィルターを通してのろ過に耐える程度に十分に小さくなければならない、というものである。
【００７３】
[0073]「未処理電極」は、本明細書に開示される電極表面改質を受けていない電極、即ち、純粋な炭素電極を意味する。
【００７４】
[0074]「電圧」及び「電位」は、本明細書においては同義語である。電圧は、特別の定めがない限り直流電流（「ＤＣ」）である。
【００７５】
[0075]「廃棄物流」は、ＣＤＩ、ＭＣＤＩ、ｉ−ＣＤＩセル、逆浸透、イオン交換、又は吸着と脱着を繰り返す他の水浄化セルを通過して、インプット流よりも高いモル濃度のイオンを含有する液体を意味する。脱イオン化セル、例えば、容量性脱イオン化セルを、ＦＰＣを収容するシステムに使用することができる。ＦＰＣは、廃棄物流を有さない。ＦＰＣからのアウトプット流は、浄化水である。分子を定期的に脱着する脱イオン化セルを収容するシステムは、（ｉ）ＦＰＣアウトプット流と組み合わされた、吸着状態で作動する脱イオン化セルからの浄化されたアウトプット流、及び（ｉｉ）脱着状態で作動する脱イオン化セルからの廃棄物流を有する。
【００７６】
（関連技術）
[0076]飲用水及び作物灌漑用水に含まれる有毒金属、とりわけ鉛は、主要な、世界的な健康問題である。この問題、及び健康への影響は、都市水道システムの水が鉛汚染によって有毒となるような危機が発生するまで、ほとんど報告されることがない。昨年、少なくとも１８００万人のアメリカ人が、鉛で汚染された水を飲む危険にさらされていた。５，０００を超える公共給水システムが、連邦鉛規則に違反していた。小児における血液鉛レベルの上昇は、不可逆的な神経及び行動障害を引き起こし、たとえ低レベルでも、ＩＱ及び生涯達成度の低下に関連してきた。米国環境保護局（「ＥＰＡ」）は、鉛曝露の安全なレベルは存在しないことを強調している。住居用の使用地点／流入地点（ＰＯＵ／ＰＯＥ）の鉛低減用に最も一般に使用されているフィルター、例えば、ゼオライト及びイオン交換を使用するフィルターでは、不十分である。それらは、有効寿命が限られ、実質的な鉛特異性に欠け、高価である。
【００７７】
[0077]図１は、都市飲用水中の鉛レベルが危険なほど高い米国の場所と、米国の幼児における血液鉛レベル上昇の発生頻度を示し、そこでは、幼児は、永続的な脳損傷、発作、昏睡、更には鉛中毒死のリスクにさらされている。米国天然資源保護協議会（「ＮＲＤＣ」）は最近、水中の鉛と銅のレベルを監視する連邦基準であるＥＰＡの鉛及び銅規則（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｐａ．ｇｏｖ／ｄｗｒｅｇｉｎｆｏ／ｌｅａｄ−ａｎｄ−ｃｏｐｐｅｒ−ｒｕｌｅ）に違反する５，３６３の公共給水システムを発見した。ＮＲＤＣ報告書は、鉛についての対策レベル（試験を行った住宅の少なくとも１０パーセントで１５ｐｐｂ）を超える１，１１０の水道システムも発見している。これらのシステムは、合計で約４百万人にサービスを提供している。ＥＰＡは、１９９１年の鉛と銅規則を改定して規制をより厳格にすることを検討しており、ＥＰＡの行政官は、ＥＰＡが「鉛に対する戦争を宣言する」という野心的な１０年間の戦略に取り組んでいると述べており、飲用水中の鉛について、「我々が国として直面する最大の環境脅威の１つ」であると説明した。
【００７８】
[0078]ミシガン州フリントにおける都市水道システムの２０１８年の試験では、１３，０００ｐｐｂの鉛レベルが示され、これは、飲用水における鉛についてのＥＰＡ対策レベルの８６６倍である。人々は、家庭、学校、及び地域社会での水質に対してより意識するようになり、懸念を強めている。ニューヨーク州、カリフォルニア州、オハイオ州、及びイリノイ州の公立学校の水飲み器は、試験で１５ｐｐｂの対策レベルを遙かに超えていた。古いインフラから飲用水システムへパイプが鉛を浸出させるリスクを最小限に抑えるために公共水道当局が講じた腐食防止策にもかかわらず、飲用水中の鉛濃度は一般に、全国的に上昇している。飲用水から鉛を排除する最も効果的な方法は、鉛ラインを交換することであるが、それには、推定３００億ドルの費用がかかる。飲料水用のより良好なＰＯＵ／ＰＯＥデバイスは、遙かに簡単で費用効果の高い解決策となり得る。既存の解決策は、高額な費用、不十分な有効性、及び／又は短いデバイス寿命に圧倒されているため、鉛汚染の問題は、十分に対処されていない。
【００７９】
[0079]現在市場に出回っている鉛除去デバイスは、鉛に対する特異性に欠けており、デバイス寿命は、鉛の濃度に関係なく、ろ過した水体積の総量によって制限される。時間の経過と共に、フィルター前後の圧力降下が大きくなり、フィルター内の吸着剤が完全に消費されていなくても、水がフィルターを通って流れることができなくなって、役に立たなくなる。
【００８０】
[0080]塩素及び／又はクロラミンは、微生物の増殖を制御するための消毒剤として米国の飲用水供給に日常的に添加されている。微生物の除去は人間の消費にとって有益であるが、塩素及び／又はクロラミンは、水道水の不快な味や臭いの一因となる。したがって、最終使用の前に塩素及びクロラミンを除去することが望ましい。塩素は、クロラミンよりも揮発性が高く、典型的な消費者のフィルターピッチャーで容易に除去することができる。しかし、クロラミンを除去するには、活性炭（触媒炭素）を含有する特別に配合したフィルターが必要である。塩素及び／又はクロラミンの存在はまた、高分子膜、例えば逆浸透（ＲＯ）に依存する水浄化プロセスにとっても有害である。ほとんどの膜はこれらの消毒剤に耐性がなく、曝露されると分解し、不可逆的損傷及び高価なＲＯ膜の交換の原因となる。飲用水及び熱電プラントや他の工業プロセスで使用する他の水（「プロセス水」）は、プロセスシステムの腐食及び汚染を低減するため、塩素、クロラミン、及び他のハロゲン化物（とりわけ、臭素及びヨウ素）、並びにハロゲン化物誘導体を除去する必要がある。ＲＯ膜に損傷を与えることなく、活性炭フィルターの使用を低減して水の供給源から塩素とクロラミンの両方を除去するという技術的問題の解決策は、水浄化コストを削減するだけでなく、飲用水及びプロセス水の質を改善する。水浄化プロセスとしての水質汚染物質の酸化は通常、過酸化水素又はオゾンを用いて行われる。ある特定の水質汚染物質の酸化は、更なる介入なしに汚染物質の更なる分解と最終的な破壊を促進する。
【００８１】
[0081]解決すべき技術的問題は、（ｉ）浄化水を生成するためのより効率的でより安価な浄化デバイス、とりわけ、飲料水中の可溶性及び不溶性の鉛を１５ｐｐｂ未満にまで除去するデバイスを提供することであり、その浄化デバイスは、（ｉｉ）住居用、都市用、商業用、及び工業用として容易に拡張可能であることである。出願人は、標的種の凝集によりこの技術的問題を解決するファラディック多孔性セル（「ＦＰＣ」）を開発した。本明細書では電気脱ハロゲン化セル（「ＥＤＣ」）と呼ばれる、新規な電気脱ハロゲン化技術を使用して水から塩素、他のハロゲン化物、クロラミン消毒剤、及び他のハロゲン化物誘導体を除去する第１の種；及び、本明細書では、容量性凝固セル（「ＣＣＣ」）と呼ばれる、新規な容量性凝固技術を使用して金属、金属誘導体、及び粒子状金属を除去する第２の種の２種のＦＰＣが、本明細書に開示される。出願人のファラディック多孔性技術は、一般に使用されるプロセス、例えば化学凝固、イオン交換、及び吸着剤よりも、水の浄化に著しく効果的である。ＥＤＣは、飲用水及びプロセス水から塩素、クロラミン、並びに他のハロゲン化物及びハロゲン化物誘導体を除去するコストを削減し、効率を向上させるという技術的問題を解決する。ＣＣＣは、飲用水及びプロセス水から金属、金属誘導体、及び粒子状金属を除去するコストを削減し、効率を向上させるという技術的問題を解決する。
【図面の簡単な説明】
【００８２】
【図１】国家資源防衛審議会が作製した、水道システムがＥＰＡの鉛及び銅規則に違反している郡の地図（左）、及び２０１２年の血中鉛レベルが高い小児の症例数（右）。
【図２】ＣＣＣコアの一部の概略図。概略図は、ＣＣＣコア内の２対（１対につきアノードとカソード）の電極を示す。ＣＣＣは、典型的には１０対を超える電極を有する。
【図３】出願人のＣＣＣデバイスと市販の先行技術のＰＯＵデバイスとの鉛除去の比較。図２において「ＰＴＷ」と示されている出願人のＣＣＣは、鉛含有量がＥＰＡ対策レベルを超える様々な都市水道の化学的性質について試験を行った。出願人のＣＣＣは、先行技術のデバイス全てを上回った。
【図４】アノードとカソードに印加されるＥと、各電極付近で結果として得られるｐＨの交点での鉛種除去の場合のプールベ作動領域を示す、炭酸塩溶液中の鉛（Ｐｂ）のプールベ線図。
【図５】鉛種形成とＰｂ種の固定化のための径路を示す、鉛（Ｐｂ）除去の場合の凝集機構。
【図６】次亜塩素酸塩の場合のプールベ線図（Ｄｅｂｉｅｍｍｅ−Ｃｈｏｕｖｙ，Ｃａｔｈｅｒｉｎｅ＆Ｈｕａ，Ｙ＆Ｈｕｉ，Ｆ＆Ｄｕｖａｌ，Ｊｅａｎ−Ｌｕｃ＆Ｃａｃｈｅｔ，Ｈ．（２０１４）。「Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  ｔｒｅａｔｍｅｎｔｓ  ｕｓｉｎｇ  ｔｉｎ  ｏｘｉｄｅ  ａｎｏｄｅ  ｔｏ  ｐｒｅｖｅｎｔ  ｂｉｏｆｏｕｌｉｎｇ」の正誤表［Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ５６／２８（２０１１）１０３６４〜１０３７０ページ］。Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ．１２１．４６１．１０．１０１６／ｊ．ｅｌｅｃｔａｃｔａ．２０１４．０１．１３０．）。
【図７】次亜臭素酸塩の場合のプールベ線図（前掲）。
【図８】モノクロラミン（ＮＨ２Ｃｌ）の場合のプールベ線図（ｗｗｗ．ｓｅｄｉｍｅｎｔａｒｙｏｒｅｓ．ｎｅｔ／Ｐｉｐｅ％２０Ｓｃａｌｅｓ／Ｃｈｌｏｒｉｎｅ−ｃｈｌｏｒａｍｉｎｅ．ｈｔｍｌ）。
【図９】印加電圧と短絡電圧を繰り返す間に市販のミクロ多孔性炭素［スペクトラカーボ（ＳＣ）及びカイノール（ＫＮ）］、主にメソ多孔性炭素［カルゴン（ＣＧ）］、メソ多孔性炭素［炭素キセロゲル（ＣＸ）］、並びに発明者の高効率（ＨＥ）炭素電極を用いた場合に通過した電荷。凡例の炭素タイプの順序は、ＣＸがＨＥよりも低いｙ軸値であることを除き、通過した開始比電荷（ｙ軸）の痕跡の順序でもある。
【図１０】４．３ｍＭのＮａＣｌ中の４電極設定におけるカイノール電極の場合の電位分布であり、純粋なカイノールがアノードとカソード、Ｐｔが対電極、標準カロメル電極（ＳＣＥ）が参照であった。電圧は、１．６Ｖから０．８Ｖまで０．２Ｖ刻みで低下させて印加され、１．６Ｖまで戻された。Ｅ０，ａｖｇは、システムの開回路電圧を表す。
【図１１】図８ａ〜ｅは、作用電極として炭素、対電極としてＰｔコーティングしたＴｉ、参照として標準カロメル電極（ＳＣＥ）を用いた、４．３ｍＭのＮａＣｌ中、０．５ｍＶ／ｓのスキャン速度でのサイクリックボルタモグラム（ＣＶ）を示す。ＣＶは、電解質中に配置され、同一の実験期間中、定電圧に保持された炭素電極（示したような様々なタイプ）を使用して収集した。アノードとカソードの間に印加される電圧をスキャン速度で上昇させ、次いで下降させ、電流反応をＣＶとして記録した。純粋な（０ｈ）電極のＣＶに加え、各プロットは、２．０Ｖの一定の印加電位で３及び６時間電極を使用した後に遂行された加速酸化研究の結果（３時間及び６時間の痕跡）を示す。図８ａは、ミクロ多孔性ＳＣの場合のＣＶを示す。３時間の電気化学的酸化の後、ＥＰＺＣは、右にシフトしており、酸素含有官能基と炭素電極の炭素表面の間に共有結合が形成されたことを示した。６時間後、ゼロ電荷（Ｅｐｚｃ）の電位はもはや存在せず、電流が顕著に低下し、細孔の崩壊を示している。同じ傾向が、ミクロ多孔性ＫＮの場合の図８ｂで観察される。図８ｃは、主にメソ多孔性炭素であるＣＧの場合のＣＶを示す。３及び６時間の電気化学的酸化の後、ＥＰＺＣは、右にシフトしているが、未崩壊の細孔のために電流は維持されている。それぞれメソ多孔性ＣＸ及びメソ多孔性ＨＥである図８ｄ及び８ｅは、図８ｃのＣＧの場合に観察されたのと同じ傾向を示すが、ＨＥは、電気化学的活性表面積が大きいため、ＣＸと比較して、３時間及び６時間の時点でＣＶプロット内により大きな面積を呈し、そのため、より大きな電流反応を実現する。ＣＸの細孔径は、ＨＥよりも１０倍大きく、それが、電極の安定性と最終的な寿命に関係している。ただし、ＣＸの細孔径が大きいほど、表面積はＨＥよりも遙かに小さくなる。
【図１２】ベンチスケールの容量性凝固デバイス。
【図１３】固定化された鉛種の最終状態を示す、ＳＥＭ顕微鏡写真及びＥＤＸマッピング。炭素（Ｃ）、鉛（Ｐｂ）、及び酸素（Ｏ）が下の３つのパネルにマッピングされ、それぞれの対応するグレースケール画像において、最も明るいコントラストで表されている。写真に相当するグレースケールでは、炭素電極は、黒色で、銅は灰色で示されている。ＥＤＸマッピングのカラー写真が利用可能である。
【図１４】先行技術の活性炭充填カラム（パネルａ）、及び出願人のＣＣＣデバイス（パネルｂ及びｃ）の実験での破過曲線。左側のｙ軸は、初期鉛濃度に対して正規化されている：（ａ）１２６ｐｐｂ、（ｂ）２９６ｐｐｂ、及び（ｃ）１０，０００ｐｐｂ。右側のｙ軸は、処理された体積に対し除去された総Ｐｂをｍｇ単位で示す。
【図１５】１．２ＶでのＤＯ還元。ＤＯ還元は、強力な酸化剤である過酸化水素を発生させる。
【図１６】Ｐｂの場合のプールベ線図（Ｓｃｈｏｃｋ，Ｍ．Ｒ．、Ｈｙｌａｎｄ，Ｒ．Ｎ．、及びＷｅｌｃｈ，Ｍ．Ｍ．（２００８）。Ｏｃｃｕｒｒｅｎｃｅ  ｏｆ  ｃｏｎｔａｍｉｎａｎｔ  ａｃｃｕｍｕｌａｔｉｏｎ  ｉｎ  ｌｅａｄ  ｐｉｐｅ  ｓｃａｌｅｓ  ｆｒｏｍ  ｄｏｍｅｓｔｉｃ  ｄｒｉｎｋｉｎｇ−ｗａｔｅｒ  ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ  ｓｙｓｔｅｍｓ．Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．４２（１２）、４２８５〜４２９１ページ）。
【図１７】除去方法を示す、Ｃｕの場合のプールベ線図：（ａ）水酸化銅［Ｃｕ（ＯＨ）２］形成、及び（ｂ）銅電着又は電気めっき［Ｃｕ（ｓ）］（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｍｍｏｎｓ．ｗｉｋｉｍｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆｉｌｅ：Ｃｕ−ｐｏｕｒｂａｉｘ−ｄｉａｇｒａｍ．ｓｖｇ）。
【図１８】Ｎｉの場合のプールベ線図（Ｃｉｅｓｉｅｌｃｚｙｋ，Ｆ．，Ｂａｒｔｃｚａｋ，Ｐ．，Ｗｉｅｓｚｃｚｙｃｋａ，Ｋ．，Ｓｉｗｉｎｓｋａ−Ｓｔｅｆａｎｓｋａ，Ｋ．，Ｎｏｗａｃｋａ，Ｍ．，及びＪｅｓｉｏｎｏｗｓｋｉ，Ｔ．（２０１３）．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｎｉ（ＩＩ）  ｆｒｏｍ  ｍｏｄｅｌ  ｓｏｌｕｔｉｏｎｓ  ｕｓｉｎｇ  ｃｏ−ｐｒｅｃｉｐｉｔａｔｅｄ  ｉｎｏｒｇａｎｉｃ  ｏｘｉｄｅｓ．Ａｄｓｏｒｐｔｉｏｎ．１９，４２３〜４３４ページ）。
【図１９】Ｆｅの場合のプールベ線図（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｍｍｏｎｓ．ｗｉｋｉｍｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆｉｌｅ：Ｐｏｕｒｂａｉｘ＿Ｄｉａｇｒａｍ＿ｏｆ＿Ｉｒｏｎ．ｓｖｇ）。
【図２０】Ｍｎの場合のプールベ線図（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｍｍｏｎｓ．ｗｉｋｉｍｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆｉｌｅ：Ｍｎ＿ｐｏｕｒｂａｉｘ＿ｄｉａｇｒａｍ．ｐｎｇ）。
【図２１】Ａｌの場合のプールベ線図（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ−ｄｏｃｔｏｒｓ．ｏｒｇ／Ｃｏｒｒｏｓｉｏｎ−Ｔｈｅｒｍｏｄｙｎａｍｉｃｓ／Ｐｏｔｅｎｔｉａｌ−ｐＨ−ｄｉａｇｒａｍ−ａｌｕｍｉｎｕｍ．ｈｔｍ）。
【図２２】Ｚｎの場合のプールベ線図（ｈｔｔｐｓ：／／ｃｏｍｍｏｎｓ．ｗｉｋｉｍｅｄｉａ．ｏｒｇ／ｗｉｋｉ／Ｆｉｌｅ：Ｚｎ−ｐｏｕｒｂａｉｘ−ｄｉａｇｒａｍ．ｓｖｇ）。
【図２３】積層セル設計のＥＤＣデバイスの概略図。供給物（流入物、又はインプット流）は、デバイスの底物に流入し、セルハウジングの壁の近くの環状空間を通って進み、次いで、電極表面上を中心に向かって軸方向チャネルへと流れ、次いで、軸方向チャネルを通ってＦＰＣ出口へと排出（流出物又はアウトプット流）される。供給物スペーサは、任意選択である；供給物スペーサ（図２３及び２９に示す）は、アノードとカソード間の材料の追加層であり、通過流のためのより大きな流路を創出するために任意選択で追加することができる。
【図２４】カルゴンを両方の電極として行ったＥＤＣ実験での、３００〜５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数としての印加電圧と過渡電流。約１５００及び約１６００ガロンでの電流スパイクは、ノイズ（電気リード線の不用意な物理的な動き）によるものであり、無視できる。約１８００ガロンで、定電圧の印加から約０．２Ａの定電流の印加に操作が切り替えられ、直線として観察された。この条件で見られる電圧減衰（電圧は負であると読み取られるが、合計セル電圧は、定電流と共に上昇する）は、定電流の印加の結果である。それに続く切り替えも定電流で行われたが、電圧は、すぐにカットオフ値に達し、システムは、本質的に定電圧であるかのような挙動を示した。
【図２５】１．２Ｖの印加電位で（ａ）カソードに生じ、（ｂ）アノードには生じない銅堆積。写真のグレースケール同等物において、炭素電極は黒色で、銅は灰色で示されている。カソード上に堆積した銅のカラー写真が利用可能である。
【図２６】実験後のカソード表面のセパレータ上のさび色のＦｅ酸化物堆積物。写真のグレースケール同等物において、白色のセパレータ上に炭素電極は黒色で、鉄は灰色の堆積物として示されている。カソード上の銅堆積物のカラー写真が利用可能である。
【図２７】（ａ）白色析出物のある炭素布、及び（ｂ）Ｐｂ結晶を示す布の走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）顕微鏡写真。
【図２８】鉛と酸素の両方が存在することにより、結晶が酸化鉛であることを確認する図２７からのＰｂ結晶のＥＤＸマッピング。炭素（Ｃ）、鉛（Ｐｂ）、及び酸素（Ｏ）が右側の３つのパネルにマッピングされており、それぞれの対応するグレースケール画像において最も明るいコントラストで表されている。ＥＤＸマッピングのカラー写真が利用可能である。
【図２９】連続セパレータと多孔質炭素系電極材料が物理的にらせん状に巻回されて、多孔質炭素電極を貫通する複数の、主にフローバイ通過流通路を備えるシリンダが創出される巻回セル設計の概略図。
【図３０】カイノールを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数として、供給物及び生成物流中の全塩素の濃度と印加電圧を示す。
【図３１】カイノールを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数として、供給物及び生成物流中の遊離塩素の濃度と印加電圧を示す。
【図３２】カイノールを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数として、供給物及び生成物流中のクロラミンの濃度と印加電圧を示す。
【図３３】カイノールを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数として、水道水をＥＤＣで処理した後の全塩素、遊離塩素、クロラミン及び過酸化物の除去率と印加電圧を示す。
【図３４】酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアース（Ｆｕｅｌ  Ｃｅｌｌ  Ｅａｒｔｈ）を他方の電極として行ったＥＤＣ実験。３００〜５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の全塩素の濃度と印加電圧である。
【図３５】酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアースを他方の電極として行ったＥＤＣ実験。３００〜５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の遊離塩素の濃度と印加電圧である。
【図３６】酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアースを他方の電極として行ったＥＤＣ実験。３００〜５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中のクロラミンの濃度と印加電圧である。
【図３７】酸化させたカイノールを一方の電極として、フュールセルアースを他方の電極として行ったＥＤＣ実験。処理した体積の関数としての水道水をＥＤＣで処理した後の全塩素、遊離塩素、クロラミン及び過酸化物の除去率と印加電圧である。
【図３８】カルゴンを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。３００〜５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の全塩素の濃度と印加電圧である。
【図３９】カルゴンを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。３００〜５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中の遊離塩素の濃度と印加電圧である。
【図４０】カルゴンを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。３００〜５００ｍｌ／分の流量で処理した体積の関数としての供給物及び生成物流中のクロラミンの濃度と印加電圧である。
【図４１】カルゴンを両方の電極として行ったＥＤＣ実験。処理した体積の関数としての水道水をＥＤＣで処理した後の全塩素、遊離塩素、クロラミン及び過酸化物の除去率と印加電圧である。
【００８３】
［発明の概要］
[00123]典型的には一定の印加電位下で作動する電気化学的デバイスを使用して水から金属及びハロゲン化物汚染物質を除去する効率を高めるために、出願人は、容量吸着、セル電極付近又は上でのファラディック反応、及び電極細孔口径プロファイリングを組み合わせて、新しいタイプの電気化学的デバイスである、ファラディック多孔性セルを創出する。ファラディック多孔性セルにおける第１の考慮事項は、反応を起こし、アノード（水による炭素酸化）とカソード（溶存酸素還元）の両方で、長期間にわたりｐＨを変化させることができる炭素系材料の選択及び使用である。適切な多孔性とバルク材料特性を有する炭素材料は、長期間にわたりこれらの反応を引き起こすことができ、それにより、水溶液から除去すべき入ってくる成分（標的種）との標的反応が可能となる。
【００８４】
[00124]次の設計上の考慮事項は、アノードとカソードの間の間隔である。間隔を減少させると、電極間の電気的な絶縁を維持したまま反応速度を上げることが可能であり、ある特定の「反応及び固定化」プロセスを達成するために必要な滞留時間が制限される。電極間隔は、典型的には１ｍｍ未満であり、アノードとカソードの短絡を引き起こしたり、ＦＰＣ内での許容できない圧力降下（その結果としての滞留時間の増加と流量の減少）を引き起こしたりしなければ、可能な限り近いことが望ましい。好ましい電極間隔は、１ｍｍ未満、好ましくは２００ミクロン未満、より好ましくは５０ミクロン未満、最も好ましくは２０ミクロン未満である。
【００８５】
[00125]標的種のうちのいくつかの種は、物理的な捕捉（「物理吸着」）により、又は電気的引力（「容量吸着」）により、電極に吸着する。標的種の他の種は、電極に固定化される標的種の新しい種を直接的又は間接的に創出する反応（典型的には、酸化）のための出発物質である。固定化は、標的種を溶液から除去する。電極間の所与の間隔と、対応する炭素電極材料の特性で、インプット流中の標的種のプールベ線図に基づき、アノードとカソードに印加される電位が選択される。様々な標的種の場合のＦＰＣパラメータの例を、表１に示す。例えば、銅を除去するには、めっきによる電極への固定化は、０〜１４のｐＨ領域では、対ＮＨＥで約０．３Ｖ〜−０．４Ｖの範囲の電位で起こる可能性がある。加えて、対ＮＨＥで０Ｖを超える電位及び４より高いｐＨ値では、アノードで水酸化銅（Ｃｕ（ＯＨ）２）の形態で析出が起こる可能性がある（図１７参照）。ファラディック多孔性セルでの銅の除去には、約０．４Ｖの総セル電位が望ましい。
【００８６】
[00126]他の標的種は、同様の機構であるが、異なる電圧領域で除去することができる。例えば、鉛の析出は、電極表面で生成されるｐＨと電位から発生する可能性がある。対ＮＨＥで約−０．４Ｖよりも負の電位及び０〜１４のｐＨ領域で、鉛は、カソードで固体としてめっきされる可能性がある。ｐＨを１．５より高く保ち、対ＮＨＥで０．５Ｖを超える電位を使用した場合、アノードでの析出は、ＰｂＯ２としても起こる可能性がある（図１６）。最後に、カソードで発生するＨ２Ｏ２からの酸化も、標的種の析出を引き起こす可能性がある。カソード近くでの溶存酸素（「ＤＯ」）の還元速度は、例えば、カソードのＥＰＺＣの酸化的シフトによる、又はｉｎ  ｓｉｔｕでの使用の結果としてのカソード炭素の酸化に依存する。
【００８７】
[00127]材料に関するプールベ線図を使用すると、ファラディック多孔性セルにおいて対象の標的種を除去するのに必要なｐＨと電圧を定義することができる。ファラディック多孔性セルは、一連の多孔質炭素アノードとカソードを含み、典型的には還元カソード（負のＥＰＺＣと正の表面電荷）と純粋なアノード（ただし、アノードは、使用中に正のＥＰＺＣシフト（（負の表面電荷））を被る）からなり、電極両端に小さな電圧、例えば、１．２Ｖを印加することにより作動する。ＦＰＣのＣＣＣ実施形態の概略図を図２に示す。浄化すべき水性インプット流がセルへの入口を通ってＦＰＣに導入され、ＦＰＣ中の電極が水流に漬かり、標的種が通過流から除去される。ＦＰＣでの標的種の除去後、通過流は、使用、保存、又は更なる処理のために、出口を通ってセルから排出される。セルの電極は、Ｅ＋又はＥ−を所与の電極に印加できる電源に接続されている。ＦＰＣの中核となる進歩性は、セルアノードに印加されるＥ＋とセルカソードに印加されるＥ−との正確なマッチング、電極材料の細孔口径プロファイル、及び選択されるプールベ作動領域であり、それにより浄化効率が向上し、費用／便益が向上する。プールベ線図作動領域は、印加されるＥとｐＨに基づく種形成を示す。ＦＰＣにおいて、種形成は、電極に印加される電位Ｅ＋及びＥ−によって推進される。細孔口分布（「ＰＭＤ」）プロファイルが最適化された電極を用い、選択したプールベ作動領域でＦＰＣ動作を維持すると、未処理電極で発生する従来の吸着を遙かに超えるほど標的種の除去が増加する。
【００８８】
[00128]好ましい平均細孔口径は、０．８ｎｍ〜５０ｎｍの範囲であり、より好ましい平均細孔口径の範囲は、２ｎｍ〜２０ｎｍである。印加される電位は、標的種の酸化還元反応（例えば、めっき、酸化、還元、過酸化等）を引き起こし、アノード（酸性）及びカソード（塩基性）での局所的ｐＨ領域を変化させる炭素電極上でのファラディック反応を推進する。標的種の反応とｐＨの変化の組み合わせは、印加される電位により制御される。印加されるＥは、典型的には定電圧であり、定常状態でほぼ定電流に到達する。一般的に言って、印加される電圧は、どんなファラディック反応がＦＰＣ内で起こるかを決定づける。ＦＰＣは、処理済（即ち、シフトされたＥＰＺＣ）電極を使用することなく通過流から標的種を除去するが、処理済電極を使用すると、ある特定の水の化学的性質では標的種の除去が増加する。処理済電極を使用した場合、使用電圧ウィンドウ（アノードのＥＰＺＣとカソードのＥＰＺＣの電位差）は、典型的には０．３Ｖ〜１．２３Ｖの範囲である。
【００８９】
[00129]ＦＰＣの発明は、電極の多孔性、印加されるＥ、及びプールベ作動領域を最適化することにより、標的種（例えば、鉛、鉄、マンガン、カドミウム、クロム、塩素、クロラミン等）の吸着（物理的及び容量性）と、吸着された標的種の固定化（凝固とも呼ばれる）を組み合わせるものである。（ｉ）物理吸着；（ｉｉ）容量吸着；（ｉｉｉ）電気化学的ｐＨ調節及び標的種固定化；（ｉｖ）電気化学的過酸化物（Ｈ２Ｏ２）発生；（ｖ）電着（例えば、電気めっき、電気泳動堆積）；（ｖｉ）電気化学的酸化又は還元；（ｖｉｉ）析出；（ｖｉｉｉ）細孔口径プロファイル；（ｉｘ）電極処理、（ｘ）電極間隔、並びに（ｘｉ）フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計の最適化は、標的種、インプット流の水の化学的性質、及び通過流の水の化学的性質に依存する。
【００９０】
[00130]還元は、ＦＰＣのカソードでのみで起こる。電気化学的還元は通常、セルに印加される電位として説明される。アノードとカソードの間の電圧分布は、印加される電圧の量、電極の材料特性、及び水溶液の化学的性質に基づいて自発的に起こる。
【００９１】
[00131]本発明の一実施形態は、プールベ線図が存在する金属イオン又は粒子状金属、例えばＡｓ、Ｓｅ、Ｐｂ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕを、それぞれがＣＣＣパラメータである下記の方法のうちの１つ又は複数によりインプット流から除去する１つ又は複数の容量性凝固セルを使用する容量性凝固システム及び方法である：（ｉ）物理吸着；（ｉｉ）容量吸着；（ｉｉｉ）電気化学的ｐＨ調節及び金属固定化；（ｉｖ）電気化学的過酸化物（Ｈ２Ｏ２）発生及び金属酸化；（ｖ）電着（例えば、電気めっき、電気泳動堆積）；（ｖｉ）電気化学的酸化又は還元；（ｖｉｉ）析出；（ｖｉｉｉ）細孔口径プロファイル；（ｉｘ）電極処理、（ｘ）電極間隔、並びに（ｘｉ）フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計。ＣＣＣは、水から鉛を除去して、鉛濃度が飲用又は灌漑用水用のＥＰＡ対策レベルである１５ｐｐｂ未満の水を生成することができる。
【００９２】
[00132]先行技術のデバイスと比較して、出願人のＣＣＣは、鉛及び他の金属に対する特異度が高く、溶解及び微粒子の鉛と他の金属の両方を除去し、日又は週単位ではなく、年単位で測定できるデバイス寿命を有し、低コスト材料を使用する。出願人のＣＣＣは、電気化学と炭素材料とを組み合わせて水中の他の成分、例えば鉄、揮発性有機化合物（ＶＯＣ）、粒子状物質及び天然有機物（ＮＯＭ）により飽和、汚染、又は阻害されないシステムを提供することにより、その長寿命と効率を達成する。出願人のデバイスの寿命は、炭素ろ過、イオン交換ろ過、ゼオライト吸着剤、及び逆浸透（ＲＯ）の先行技術よりも、数倍長い。
【００９３】
[00133]ＣＣＣにおいて、最適化されたＰＭＤ、印加されるＥ、化学的操作、及び電気化学的操作を組み合わせることで、鉛の炭素電極への固定化（凝固）が容易になる。吸着された鉛は、溶液から恒久的に除去される（図１３）。この方法論は、鉄、マンガン、カドミウム、クロム、並びに他の金属及び金属誘導体の処理に容易に適合可能であり、適用可能である。ＣＣＣを「調整」することは、主に、（ｉｉ）標的種のプールベ線図における作動領域を分析し選択することに基づき、（ｉ）ＣＣＣアノードとカソードの間に印加される電圧を選択すること、及び（ｉｉｉ）標的種の除去を最大化するＣＣＣ炭素電極の細孔口径プロファイルを選択することを意味する。ＣＣＣからの流出物は、更なる処理をせずに使用することも、他の標的種の更なる除去のために１つ又は複数のＥＤＣ、ＣＣＣ、又は先行技術の水浄化セルに送ることもできる。調整は、任意選択で、電極処理によって更に最適化することができる。
【００９４】
[00134]金属の種形成と化学的性質を活用して、水の化学的性質に関係なく、高い有効性と選択性で水から鉛（及び他の標的金属）を選択的に除去することができる。この操作により、出願人のＣＣＣは、（ｉ）飲用水源から鉛及び他の標的種を電気化学的、化学的、及び物理的に除去することができ、現在必要とされ、インプット流の状態及びｐＨを変化させることにより駆動される多数の分離技法の必要性を排除し、（ｉｉ）飲用水及びプロセス水を浄化するためのより効率的で、安価で、拡張可能なデバイス、とりわけ、可溶性及び不溶性の鉛を１５ｐｐｂ未満にまで除去するデバイスを提供するという技術的問題を解決する。インプット流のｐＨの調節は、標的種の凝集を改善するために、とりわけ金属の除去のために必要な場合がある。
【００９５】
[00135]ＦＰＣ技術のＥＤＣの実施形態において、ＥＤＣパラメータは、ＥＤＣ流入物から他の非金属標的種、例えば、塩素、クロラミン、並びに他のハロゲン化物及びハロゲン化物誘導体を除去するように「調整」される。ＥＤＣを「調整」することは、主に、（ｉｉ）標的種のプールベ線図における作動領域を分析し選択することに基づき、（ｉ）ＥＤＣアノードとカソードの間に印加される電圧を選択すること、及び（ｉｉｉ）標的種の除去を最大化するＥＤＣ炭素電極の細孔口径プロファイルを選択することを意味する。ＥＤＣからの流出物は、更なる処理をせずに使用することも、他の標的種の更なる除去のために１つ又は複数のＥＤＣ、ＣＣＣ、又は先行技術の水浄化セルに送ることもできる。調整は、任意選択で、電極処理によって更に最適化することができる。デバイスの特徴及び利点を以下並びに図面の表２及び表３に列挙する。
【００９６】
[00136]ＥＤＣ又はＣＣＣは、任意選択で、一方又は両方の電極のＥｐｚｃが、純粋な電極のＥｐｚｃと比較してシフトされている炭素で作られた処理済アノード及びカソードを使用する。電極のＥｐｚｃをシフトさせると、起こる反応の速度を（正方向又は負方向のいずれかに）変化させることができる。シフトさせるのをアノードのみとするか、カソードのみとするか、両方のタイプの電極とするか、及びどの程度のＥｐｚｃシフトを使用するかは、インプット水の化学的性質と標的種に依存する。
【００９７】
[00137]炭素電極は、３Ｖの高電位が電極に印加された場合に、電気分解又は水分解を回避又は低減する点で、金属電極よりも優れている。１．２３Ｖを超える印加電位（「過電位」）は、水の電気分解を引き起こす可能性があり、それは、危険な水素ガスを生成する。金属電極は、２Ｖ未満で水素ガスの生成を引き起こす可能性がある。対照的に、炭素電極は、実質的な水の電気分解を回避しながらより高い印加電圧に耐えることができる。
【００９８】
[00138]ＥＤＣの進歩性は、（ｉ）特定の炭素電極と印加電圧による塩素及びクロラミン（味と臭いの原因）の削減に必要な電力消費の削減、（ｉｉ）オンデマンドで、又は連続処理として使用できること、（ｉｉｉ）大幅に低コストのＰＯＵ／ＰＯＥデバイスと低コストの都市、商業、及び工業用の大規模システムを実現する、拡張可能性が非常に高く、単純な設計であること、（ｉｖ）従来の炭素ブロック（例えば活性炭／活性木炭）と同様の性能であるが、必要な炭素が大幅に少ないこと、（ｖ）遙かに短い滞留時間での同様な遊離塩素の除去性能、（ｖｉ）使用する炭素が少ないこと、（ｖｉｉ）とりわけ塩素及びクロラミンの除去の場合の電極寿命が長いこと、（ｖｉｉｉ）特定の除去量とアウトプット水質に対するより微細な制御、（ｉｘ）標的種除去対電極寿命のバランスを取る速度に対するより良好な制御、及び（ｘ）ＦＰＣ電極用の炭素の選択によりＦＰＣの費用／便益が調節できること、である。
【００９９】
［好ましい実施形態の詳細な説明］
[00139]容量性充電プロセス中は、一定の電流又は電圧を使用して、エネルギー貯蔵、脱塩、又は他の有用な容量性技法を目的として電極表面を充電する。電極の充電とそれに続く放電は多くの場合、意図する用途に応じ、ある範囲の電圧と電流にわたって数千サイクル行われる。活性炭で作られた炭素電極は、（ｉ）比表面積が大きく、その結果静電容量が大きいこと、及び、（ｉｉ）官能基を追加して、とりわけ、金属及び他の標的種の除去、エネルギー貯蔵、並びに脱イオン化（例えば、海水又は汽水の脱塩）を改善する表面改質を行う機会があるため、こうした容量ベースの充電及び放電プロセスに採用されることが多い。活性炭は、吸着又は化学反応に利用可能な表面積を増加させる多数の小さな低体積の細孔を有するように処理された炭素の形態である。ＦＰＣは、廃水、冷却水、洗濯廃水、人間の消費のために浄化すべき水、農業用に浄化すべき水、園芸用に浄化すべき水、食品に使用するために浄化すべき水、軟化すべき水、人間の消費のために浄化すべき海水、実験室での使用のために浄化すべき水、人間の消費又は農業での使用のために浄化すべき汽水、及び医療用の使用のために浄化すべき水の浄化に使用することができる。
【０１００】
[00140]炭素電極中の細孔径の分布は、従来の水浄化技術では見過ごされてきた重要なＦＰＣパラメータである。
【０１０１】
[00141]電極特性を表４に示す。電極の供給元が、表４の最初の列に記載されている。細孔径、又は細孔口径（「ＰＭＤ」）は、通過する電荷を維持する上で極めて重要であり、ＥＤＣ電極の寿命に直接関係する。ＰＭＤは通例、炭素電極内の関連する細孔チャネルの直径の代表として使用される。図９は、通過する電荷の安定性に対するＰＭＤの影響を示している。電圧又は電位の印加とそれに続く逆電圧又は電位（又はアノード（複数可）及びカソード（複数可）の短絡若しくは開回路）のサイクルが繰り返された後、細孔チャネルが（及び細孔口さえも）「崩壊」する（より正確には、細孔が閉塞する）ことがある。細孔口が「屋根付き」となる、及び／又は細孔チャネルが「閉鎖」となり、炭素の表面積（とりわけ、細孔チャネルの直径及び長さ）が減少し、その結果、細孔がもはや効果的に機能しなくなる。「屋根付き」細孔口は、細孔内部へのアクセスをブロックする。細孔口の屋根形成及び細孔チャネルの崩壊は、先行技術セルの電極性能の低下や最終的な故障を引き起こす。
【０１０２】
[00142]ＦＰＣにおいて、標的種は、イオン化されている、電荷を帯びている、又は化学結合における電子の非対称分布のために部分的な電荷を帯びている場合、印加された電位のために炭素電極に引きつけられる可能性があり、それが標的種を炭素電極に近づける（又は接触させる）駆動力を発生させる。標的種の非イオン及び非荷電種は、電極表面に衝突する可能性がある。電極表面と接触すると、標的種の固定化への多数の径路が生じる可能性がある。局所的で大きなｐＨの変動を制御してアルカリ性の環境を電気化学的に生成することができ、それにより、例えば、不溶性の金属酸化物が生成され、電極の近く又は上に析出し、電極細孔に捕捉される。ファラディック反応、例えばカソードでの酸素還元反応は、過酸化水素を生成する可能性があり、過酸化水素は、電極から拡散して近接している標的金属分子を酸化する可能性がある。過酸化水素は、無差別な酸化を遂行する。電極により近い標的種が局所的に高濃度であるほど、過酸化水素が標的種を酸化する統計的確率が高くなる。他のファラディック反応、例えば標的種と電極の間の直接的な電子移動（還元又は酸化）も起こる可能性がある。標的種が電極表面に引きつけられると、炭素電極は、（１）電極から標的種へ電子（複数可）を移動させて標的種を還元し、電極上に堆積するようにするか、（２）標的種から炭素電極に電子（複数可）を移動させて標的種を酸化し、不溶性の酸化物若しくは水酸化物のいずれかにする、又は追加の電子移動反応若しくはｐＨ調節により固定化できるより反応性の高い種にすることができる。析出した種及び電気的に引きつけられた種は、電極細孔に捕捉される。
【０１０３】
[00143]活性炭内の実際の細孔のサイズ及び体積は、所与の細孔の形状、屈曲度（通常、細孔直径の変化に関連する）、及びチャネル長さに依存する。活性木炭の顕微鏡写真に基づき、活性化及び／又は合成手順に応じ、活性炭内の細孔は、チューブ状チャネル、多角形チャネル、回転楕円体チャンバ、表面スリット等となるものがある。チャネル及びチャンバは、「行き止まり」又は「貫通」（即ち、「細孔口」とも呼ばれる２つの表面出現部を有し、２つの細孔口間にチャネル連続性のあるチャネル又はチャンバ）であり得る。活性炭内の細孔は、平均細孔チャネル直径（以下、「細孔チャネル直径」）及び平均細孔口径を有するチューブ状のチャネルであるとして一般化される。活性炭の塊の中で一定の細孔チャネル直径を持つことがほとんどない数十億の細孔の実際の細孔チャネル直径を測定することは非常に困難な作業であり、ここでは報告されない。一般化として、細孔チャネル直径は、細孔口径と同一であると仮定される。
【０１０４】
[00144]細孔口の直径、即ち、細孔の電解質への開口部は、吸着のためのその細孔の利用、及び容量性凝固におけるマルチサイクル性能に大きな影響を与え、小さな細孔口径では、影響は支配的である。細孔口径（したがって、細孔口表面積）が大きいほど、細孔チャネルと電解質との間に有意な接触面積を提供する。小さな細孔口径は、より限定された接触面積（即ち、「細孔口表面積」）を有する。細孔口径は、ＩＵＰＡＣにより、細孔口径が２ｎｍ未満、２〜５０ｎｍ、及び５０ｎｍ超がそれぞれミクロ多孔性、メソ多孔性、及びマクロ多孔性であると定義されている。吸着媒体の寿命は、材料の表面に存在する細孔口径と直接的な相関関係を有する。活性炭電極を使用した吸着と脱着のサイクルを繰り返した後の、細孔口閉塞とも呼ばれる「細孔口屋根形成」の概念と影響について、以下に説明する。ＦＰＣの極性反転サイクルを繰り返した後に細孔口は「屋根形成」又は「閉鎖」し、細孔チャネルが「崩壊」し、その結果、細孔の表面積は、標的種の捕捉及び吸着に効果的に機能しなくなる。
【０１０５】
[00145]容量性凝固技術を組み込んだ出願人のデバイスは、最大約３００ｐｐｂの鉛濃度を混入させたサンプルの水道水から可溶性（溶解）及び不溶性（微粒子）の鉛種を、ＥＰＡ対策レベルを遙かに下回るまで除去した。効率的な鉛除去は、インプット流中の鉛の濃度が５ｐｐｂと低く、対策レベルを遙かに下回っていても実証された。プロトタイプのデバイスは、水道水に一般に見られる他の成分、例えばカルシウム（Ｃａ２＋）よりも、鉛除去に対して９０％以上、多くの場合９９％を超える特異度を達成した。出願人の容量性凝固の発明は、鉛種が市販の既製製品では除去することが難しい錯体形成種を形成する傾向がある硬アルカリ性水でこの性能を達成することができた。ＣＣＣはまた、可溶性（溶解）及び不溶性（微粒子）両方の鉛、ヒ素、ニッケル、及び銅種を予想外に除去することができる。
【０１０６】
[00146]出願人の容量性凝固の発明は、鉛除去のための一実施形態において、インプット水源条件、即ち硬度、ｐＨ、アルカリ度、及び消毒のタイプに関係なく、１ガロン毎分（ｇｐｍ）の最小流量で、ＮＳＦ／ＡＮＳＩ５３及び６１認証を満たすことができるＰＯＵ／ＰＯＥ水浄化デバイスを提供する。加えて、デバイスは、（ｉ）標的金属、例えば、ヒ素、鉛、ニッケル、銅、カドミウム、鉛、マンガン、水銀、及び放射性金属に対して高度に特異的であり、最新の解決策よりも（ｉｉ）信頼性が高く、（ｉｉｉ）効率的であり、（ｉｖ）長持ちする。出願人の容量性凝固セルは、可溶性及び不溶性の鉛を１５ｐｐｂ未満にまで除去し、住居用としてだけでなく、より高度なスループットシステムへの規模拡大にも好適な、より効率的で、安価な、非常に拡張性の高い水浄化デバイスを実現する。以下の詳細な実施例は、容量性凝固セルを使用した鉛除去に焦点を当てているが、ＣＣＣパラメータの調節により、ＣＣＣを「調整」して、プールベ線図が存在する任意の他の金属又は金属誘導体、例えばヒ素、カドミウム、マンガン、及び水銀、更にＳｅ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、及びＬｕを除去することが可能である。
【０１０７】
[00147]図３に示す直接比較において、出願人のＣＣＣは、市販のＰＯＵ／ＰＯＥ水浄化デバイス、例えばブリタ（Ｂｒｉｔａ）（登録商標）ロングラスト（Ｌｏｎｇｌａｓｔ）（商標）及びブリタ（登録商標）ＰＵＲフィルター、並びにカルゴンＧＡＣフィルター材料よりも優れていた。ブリタ（登録商標）ロングラスト（商標）ピッチャーフィルターは、ケンタッキー州レキシントン都市水道システムにより供給されている水の化学的性質の変化に基づき、異なる２日に試験を行った際に、極端に異なる性能であった。この異なる性能は、日々発生する変化する水の化学的性質で良好に機能するより信頼性の高いデバイスに対する必要性を強調するものである。出願人の発明は、どちらの場合でもブリタ（登録商標）ロングラスト（商標）デバイスよりも優れていた。
【０１０８】
[00148]可溶性の鉛イオンは、物理的及び／又は化学吸着により炭素電極に吸着し、このプロセスは、十分に立証されており（Ｊ．Ｃｈｅｍ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．Ｂｉｏｔｅｃｈｎｏｌ．２００２、７７、４５８〜４６４ページ、Ｓｈｅｋｉｎａｈ，Ｐ．；Ｋａｄｉｒｖｅｌｕ，Ｋ．；Ｋａｎｍａｎｉ，Ｐ．；Ｓｅｎｔｈｉｌｋｕｍａｒ，Ｐ．；Ｓｕｂｂｕｒａｍ，Ｖ．及びＣａｒｂｏｎ．２００４、４２、３０５７〜３０６９ページ、Ｓｗｉａｔｋｏｗｓｋｉ，Ａ．；Ｐａｋｕｌａ，Ｍ．；Ｂｉｎｉａｋ，Ｓ．；Ｗａｌｃｚｙｋ，Ｍ．）、印加電位の下では、カソードへの更なる電気的吸着を受ける。ｐＨの調節も、水道水中の鉛の種形成を制御するのに活用することができる。１．２Ｖの作動電圧（図４に示すような）では、デバイス全体の電位分布によりアノードで＋０．９Ｖ、カソードで−０．３Ｖが得られ、電極間でｐＨが変動し、全体ではほぼ中性のｐＨが生成される。しかし、全体のｐＨは比較的一定のままであるが、ｐＨ２の酸性からｐＨ１０のアルカリ性まで大幅なｐＨの変動（「プラグ」とも呼ばれる）があり、電極表面での酸／塩基の化学的性質に大きな変化をもたらす。各電極での電圧とｐＨをプールベ線図と関連づけると、作動条件を選択して、所与の水の化学的性質において所望の鉛種形成を得ることができる（図４、図中、ＤＩＣは溶存無機炭素である）。ｐＨを操作する同様のアプローチを利用し、容量性脱イオン化（ＣＤＩ）を使用してホウ酸が除去されている。Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｉｍｉｃａ  Ａｃｔａ．２０１１、５６、２４８〜５４ページ、Ａｖｒａｈａｍ，Ｅ．；Ｎｏｋｅｄ，Ｍ．；Ｓｏｆｆｅｒ，Ａ．；Ａｕｒｂａｃｈ，Ｄ。ほとんどの住居及び商業用途では、インプット流の圧力は６０ｐｓｉ未満であり、電極の多孔性は、典型的には、入口圧力と比較してＦＰＣ出口での２０ｐｓｉを超える低下を回避する。
【０１０９】
[00149]ＣＣＣにおいては、作動中、鉛除去に関し、複数の作用メカニズム、即ち物理的及び電気化学的吸着、酸／塩基化学作用を生じるｐＨ調節、及び酸化鉛や他の不溶性種を生成する電気化学的／化学的酸化が同時に発生する。水道水からの鉛除去に対する印加電位とＨ２Ｏ２発生の影響を、実験データにより検証した。表５に示すように、開回路での炭素電極では、ある程度の鉛の物理吸着が起こる。短絡では、鉛除去にわずかな改善が見られるが、最も劇的な結果は、１．２Ｖの印加電圧で発生し、鉛濃度はほぼ０ｐｐｂに低下する。実験で使用したＣＣＣでは、「供給物」はインプット流であり、「処理済」はアウトプット流である。
【０１１０】
[00150]図４では、炭酸塩水溶液中の鉛（Ｐｂ）のプールベ線図において、アノードとカソードに印加されるＥの交点におけるＣＣＣでの鉛種除去のためのプールベ作動領域が示されている。フロースルーセルでは、カソードの開始時のｐＨ領域が酸性（ｐＨ２〜３）であるのに対し、アノードの開始時のｐＨ領域は塩基性（ｐＨ９〜１０）であることを図２が示している。フロースルーセル設計（図２）では、これらのｐＨ領域は、電極表面で起こる反応の結果であり、２〜１０のｐＨの変動をもたらす。図４において、Ｐｂ２＋は、暗色のＰｂＯ２（ｓ）とＰｂ（ｓ）の領域の間のほとんどの白色領域（約ｐＨ７）で溶液平衡状態にある。しかし、アノードとカソードに最も近い溶液中では、Ｐｂ２＋は、（ｉ）反応性となるか、（ｉｉ）他のＰｂ種として固定化される。図５は、Ｐｂが溶液から除去される反応機構を示す。フロースルーセルでは、アノード近くのアルカリ性（ｐＨ９〜ｐＨ１０）領域（０．９Ｖの印加されるＥで、カソードから生じたｐＨから発生）では、Ｐｂ２＋は、ＰｂＣＯ３−２Ｐｂ（ＯＨ）２、２Ｐｂ（ＯＨ）２、及びＰｂＯ２として固定化される（アノードに吸着される）。アノード近くのアルカリ性領域では、Ｐｂ２＋は、イオン性化合物と水酸化鉛（図５の中央のボックスに示すように）も形成し、それらは次いで酸化されてＰｂＯ２、Ｐｂ３Ｏ４、及びＰｂ（ＯＨ）２となり、次いで、これらの反応生成物は、固定化される（吸着される）。また、フロースルーセルでは、溶存酸素の還元によってカソードで発生し、−０．４Ｖの印加されるＥでアノードから生じる酸性のｐＨ（ｐＨ２〜ｐＨ３）と組み合わされる過酸化水素は、強力な酸化剤である。過酸化水素は、それが上記の中間反応で鉛種を酸化するアノード近くの領域を含む通過流中に拡散する。これにより、固定化された鉛種は、溶液から除去される。追加の鉛種は、カソードでの酸素還元により発生する過酸化水素との反応により固定化されやすくなる（「過酸化セル」）。Ｗａｔｅｒ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ．２０１７、１２０、２２９〜２３７ページ、Ｔａｎｇ，Ｗ．；Ｈｅ，Ｄ．；Ｚｈａｎｇ，Ｃ．；Ｋｏｖａｌｓｋｙ，Ｐ．；Ｗａｉｔｅ，Ｔ．Ｄ。ハイブリッドシステムでは、ＦＰＣを過酸化セルと直列に使用して、鉛除去の増加を実現することができる。
【０１１１】
[00151]ＥＤＣでは、化学−電気化学−化学−電気化学反応のカスケード連鎖が発生しており、遊離塩素とクロラミンを分解する。ｐＨと作動電圧は、標的種についてのプールベ線図を介して相関している。次亜塩素酸塩、次亜臭素酸塩、及びモノクロラミンについての例を以下に示し、それぞれ図６、図７及び図８に示す。各電極でのｐＨと電位分布に基づき、ｐＨと印加する電圧を選択することにより標的種形成を制御することができる。この較正プロセスが、所与の流入物の水の化学的性質において、どの種がどの電圧で分解されるかを決定し、制御する。図６〜８において、ｙ軸は、アノードとカソードの間に印加される対標準水素電極（ＳＨＥ）電圧であり、ｘ軸は、ｐＨである。
【０１１２】
[00152]図６を参照すると、対ＮＨＥで１．５Ｖ未満のアノード電位及びアノードとカソードの両端に印加される２．５Ｖ未満の全セル電位では、電気化学的に発生する過酸化水素が、ｐＨが７を超える溶液中の「遊離塩素」と反応する。炭素カソードからの次亜塩素酸（ＨＯＣｌ）と次亜塩素酸イオン（ＯＣｌ−）の直接的な電気化学的還元は、それらを遊離塩化物イオンと水に変換する。次いで、塩化物イオンは容量的に吸着（固定化）される。ｐＨに上限はないが（例えば、Ｈ２Ｏ２を使用して苛性／塩素臭気洗浄装置からの流出物を脱塩素化することができる）、現実問題としては、瞬間的な反応を実現するには、ｐＨ８．５が好ましい。
【０１１３】
[00153]次亜塩素酸塩の場合のプールベ線図である図７を参照すると、対ＮＨＥで１．２Ｖ未満のアノード電位、対ＮＨＥで−１．０Ｖを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される２．２Ｖ未満の全セル電位では、電気化学的に発生する過酸化水素が、ｐＨが７を超える溶液中の「遊離臭素」と反応する。炭素カソードからの次亜臭素酸（ＨＯＢｒ）と次亜臭素酸イオン（ＯＢｒ−）の直接的な電気化学的還元は、それらを遊離塩化物イオンと水に変換する。次いで、臭素イオンは、容量的に吸着（固定化）される。
【０１１４】
[00154]モノクロラミンについてのプールベ線図である図８を参照すると、対ＮＨＥで１．４Ｖ未満のアノード電位、対ＮＨＥで−１．０Ｖを超えるカソード電位、及びアノードとカソードの両端に印加される２．４Ｖ未満の全セル電位では、酸性条件下でのクロラミンの直接的な電気化学的変化がアンモニウム塩を生成する。電気化学的に発生する（ＥＤＣカソードで）過酸化水素は、クロラミンと直接反応して生成物、即ち塩化物イオン、亜硝酸イオン、プロトン（酸）、及び水の混合物を生成する。クロラミンは、電気化学的に発生する過酸化水素と反応してアンモニアを生成し、アンモニアは、１）電気化学的に発生する過酸化水素と反応して窒素及び水素ガスと水を生じる、又は２）酸と反応してアンモニウム塩を生じる、２つの方式で更に反応する。クロラミンは、電気化学的に発生する酸ともカスケードプロセスで直接反応してトリクロラミンを生じ、これは、水中で次亜塩素酸に変換される。
【０１１５】
[00155]ＥＤＣは、典型的には、アノードとカソードの両端に印加される３．０Ｖ未満の全セル電位で作動する。標的種とインプット水の化学的性質に応じ、ＥＤＣ内のアノードとカソードの両端に印加される３．０Ｖ未満の全セル電位は、通常１．０Ｖから３．０Ｖの間である。
【０１１６】
[00156]図９に示すように、ＳＣ、ＫＮ、及びＣＧ炭素電極の活性表面積は、印加電圧のサイクルへの曝露によって減少する。ＣＸの通過する比電荷は、サイクルを繰り返しても安定しているが、試験を行った他の炭素よりも低い。対照的に、ＰＭＤを伴って策定された出願人のＨＥ電極は、約２２０サイクル後でも他の電極より良好に機能し、優れた性能を維持する。ＳＣ、ＫＮ、ＣＧ、及びＣＸ電極では、酸化物基が表面に形成され、細孔屋根形成及び細孔崩壊を引き起こし、抵抗の増加を招く（バルク酸化）。或いは、酸化物基は、抵抗性酸化物層を形成する可能性がある（表面酸化）。どちらのシナリオも、オームの法則に従い、同じ量の電流を維持してこの抵抗の増加を補償するため、印加電圧を増加させることが必要である：Ｖ＝ＩＲ、式中、Ｖは電圧（Ｖ）、Ｉは電流（Ａ）、Ｒは抵抗（Ω）である。
【０１１７】
[00157]図１０は、所与の印加電圧で、ＣＣＣ内のアノードとカソードの間に電位分布が存在することを示している。電圧は電極間で分割されるが、等しくならない場合がある。例えば、１．６ＶがＦＰＣに印加される場合、カソードは、対ＳＣＥで−０．９Ｖとなり、アノードは対ＳＣＥで＋０．７Ｖとなり得る（図１０）。これは次に、ＦＰＣの作動パラメータと、ＥＤＣにおける操作の各サイクルで遂行される極性切り替えの頻度に影響する。活性表面積、炭素材料、及び印加電圧は、とりわけ、電位分布に影響する。電極のＥｐｚｃは、電極の最初の使用時に印加されるＥの分布に影響を与え、電位分布はわずかに変化する。アノード及びカソードでのファラディック反応速度のバランスを取ることが、究極的には電位分布を安定化させる。
【０１１８】
[00158]図１１に示す加速酸化研究は、ミクロ多孔性炭素で観察される細孔の「崩壊及び屋根形成」の影響を示す。これは、メソ多孔性炭素が、電荷効率を維持し、細孔崩壊及び屋根形成の影響を回避しながら大きな印加電圧を処理できることを強調する。ＦＰＣデバイスに使用するＰＭＤを慎重に選択すると、デバイスの信頼性と寿命が大幅に向上し、それによって水処理コストが削減される。
【０１１９】
[00159]ベンチスケールのＣＣＣシステムを、図１２に示す。容量性凝固システムは、非金属イオンに対して５０％を超える鉛除去選択性を実現する。鉛を除去するように（ＣＣＣパラメータを用いて）調整されたＣＣＣ（「鉛除去ＣＣＣ」）では、鉛除去は、１００％に近づく可能性がある。鉛除去ＣＣＣの一実施形態において、様々な酸素ベースの表面基が電極に付加され、１．２ＶのＣＣＣ作動電圧で、鉛が約５０ｐｐｂの水道水インプット流に対して全ての場合に１５ｐｐｂ未満の鉛除去が達成される。本明細書に組み込まれる米国特許仮出願第６２／７０２２８６号に記載されるようなカルボキシル官能化電極（処理済電極とも呼ばれる）を使用すると、鉛除去ＣＣＣは、アウトプット流の鉛の濃度をわずか０．０５ｐｐｂにまで低下させ、これは、９９．９％の除去効率に相当する。
【０１２０】
[00160]ＩＣＰ−ＭＳで確認し、種の除去率として計算すると、溶存鉛の除去選択性は、鉛濃度が約１０ｐｐｍと高い水道水の連続５ガロンの処理では、Ｃａ２＋と比較して、一貫して９９％以上であった（表６）。鉛固定化が確認されたろ過後の電極の走査電子顕微鏡法（ＳＥＭ）及びエネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）分析を、図１３に示す。
【０１２１】
[00161]鉛除去に対する印加電位の影響を更に研究するため、鉛を混入させた水道水を、活性炭で満たされた充填カラムで電位を印加せずにろ過し（受動的ろ過／物理吸着）、１．２Ｖで作動させたＣＣＣ（能動的ろ過／容量性凝固）と比較した。両方の実験には同量の炭素と流量を使用した。これらの研究に関する破過曲線を、図１４に示す。充填カラムは、濃度の急激な低下によって示されるように、当初は鉛を吸着したが、わずか約０．３Ｌの水が炭素を通過した後、飽和し始めた。対照的に、ＣＣＣは、５ガロン（約１９Ｌ）の水を驚異的な１０，０００ｐｐｂまでろ過し、性能を維持し、２ｐｐｂの濃度未満の鉛を一貫して除去することができた。これは、外挿すると、炭素電極１グラム当たり１ｇ以上の鉛が除去される推定デバイス容量になる。図９に示すプロトタイプデバイスは、５００ｇ以上の鉛の全体容量を生み出し、それは、１５０ｐｐｂの鉛というインプット流濃度を仮定すると、約８８０万ガロンの理論体積容量に相当する。他の要因もＰＯＵ構成のＣＣＣ性能影響を与え、１００，０００ガロンの予測ＣＣＣ体積容量をもたらす。対照的に、現在のＰＯＵフィルターは、約１，５００ガロンの体積容量しか有さない。
【０１２２】
[00162]加えて、溶存酸素（ＤＯ）は、飽和の約１０％に低下し、それは、１ｐｐｍ未満のＤＯに相当し、１．２Ｖの印加電位でのろ過後に１．２５ｐｐｍのＨ２Ｏ２が測定された（図１５）。これらの観察結果は、鉛除去が、電位とＨ２Ｏ２発生の組み合わせによって影響を受けることを明らかにする。図４のプールベ線図は、鉛種形成がわずかな水の化学的性質の変化、例えばｐＨ及び電圧の変動にいかに影響を受けやすいかを強調する。これらの機構の組み合わせが、ＣＣＣで使用される容量性凝固で観察される利点を生み出す。
【０１２３】
[00163]出願人のＣＣＣデバイスの限界を試験するため、鉛濃度が５ｐｐｂと低い水道水と、１０，０００ｐｐｂと高い水道水をＣＣＣで処理した。１．２Ｖの印加電圧で、全ての場合において鉛の除去に成功した（表７）。平衡ベースの吸着からなる受動的なろ過では難しい極めて希薄な条件であっても、容量性凝固の能動的ろ過プロセスは卓越しており、選択性は９９％以上である（表６）。
先行技術のデバイスに対するＣＣＣデバイス性能の重要な向上：
９９．９％の鉛除去
約５ｐｐｂの鉛に至るまで維持される９９％以上の選択性
開発された能動的鉛ろ過システム（容量性凝固）
恒久的鉛除去
【０１２４】
[00164]より高いスループットのＣＣＣシステムは、より多くの容量性凝固セルを追加することにより、及び／又は各セルにより大きな電極を使用することにより、作製される。こうした大型のシステムは、１ｇｐｍ以上の流量で１５０ｐｐｂ〜１０ｐｐｂ以下の鉛除去有効性を実現する。
【０１２５】
[00165]ＦＰＣを使用したＡｌ、Ａｇ、Ａｕ、Ｂｒ、Ｃｌ、Ｃｏ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｈｇ、Ｉｒ、Ｍｎ、Ｐｂ、Ｐｄ、Ｐｔ、Ｎｉ、Ｚｎ、及びクロラミンの除去のために好ましい印加されるＥを、表１に示す。
【０１２６】
[00166]ＣＣＣシステムは、インプット流が鉛含有量、水硬度、アルカリ度、消毒剤、及びｐＨの様々な組み合わせを有する場合でも、ＥＰＡ対策レベル未満にまで鉛を除去する。水の化学的性質は、鉛の種形成に影響を与える（例えば、都市水道の化学的性質は日々変動し、その影響は、上記の図４に示されている）。現在、全ての形態の鉛を処理できる１つのデバイスは存在しない。先行技術のデバイスは、典型的にはより高いｐＨでは物理的捕捉を、より低いｐＨではゼオライト媒体を使用する。対照的に、ＣＣＣは、飲用水源に一般に見られる全ての形態（種）の鉛を除去することができる。
【０１２７】
[00167]水のタイプに応じて様々な作動パラメータが検討される。内部材料の腐食は、電気化学ベースのシステムに共通の懸念事項であるが、ＦＰＣシステムでは、腐食の証拠はほとんど観察されていない。極めて堅牢で、安定し、電解及び化学腐食に対して不活性となるように内部部品は設計され、材料が選ばれている。本発明の一実施形態において、オン／オフ操作後、又はクロラミンの添加により鉛の浸出が発見された場合、ＦＰＣシステムは、使用されていないときに開回路又は小さな電位に切り替わるように設計することができ、クロラミンを除去するために、安価な炭素ブロック前置フィルターが追加される。時間の経過と共に炭素布の小片が剥がれ落ちたことが発見された場合は、任意選択の後置フィルターが追加される。
【０１２８】
[00168]特定の水の化学的性質ための操作上の調節。所与のＦＰＣデバイスに供給される典型的なインプット流の分析により、特定の水の化学的性質用に作動パラメータを最適化するための調節が可能となる（調節は、鉛の物理的及び電気化学的吸着、ｐＨ調節、並びに酸化鉛及び他の不溶性種への酸化を最適化するためのものである）。典型的な作動パラメータは、下記のように調節される：
【０１２９】
[00169]作動電圧。電位分布を得るため、カソード、アノード、及び参照としての標準カロメル電極（ＳＣＥ）を用いた３電極設定を使用する。各電極での電位が、開回路、短絡、及び０．２Ｖ刻みで１．４Ｖの電圧まで記録される。ｐＨと作動電圧は、プールベ線図を介して相互に関連づけられる。各電極でのｐＨと電位分布に基づき、印加する電圧を選択することにより鉛種形成を制御することができる。この較正プロセスが、所与のインプット流の水の化学的性質において、どの鉛種がどの電圧で析出するかを決定し、制御する。
【０１３０】
[00170]酸素還元及びＨ２Ｏ２発生。カソードでの酸素還元によりＨ２Ｏ２が発生し、鉛種と反応して酸化鉛の形成を促進することができる。１．２Ｖの印加電圧でＤＯが大幅に減少し、ろ過した水で１．２５ｐｐｍのＨ２Ｏ２が測定される。作動電圧は、この反応を増幅して鉛除去が最大となるように制御される。開回路、短絡、及び０．２Ｖ刻みで最大電圧１．４Ｖまで実験を行い、出口でのｐＨ、ＤＯ、及びＨ２Ｏ２濃度が、典型的には鉛をＥＰＡ対策レベル未満にまで除去する。
【０１３１】
[00171]炭素導電率。ＦＰＣデバイスは、典型的には、導電率が中程度のミクロ多孔性炭素（表８の炭素Ｂ）を使用する。容量性凝固による鉛除去への影響を解明するため、表８の特性が異なる炭素の比較研究を行った。
【０１３２】
[00172]ＣＣＣ鉛除去技術は、（ｉ）物理吸着；（ｉｉ）容量吸着；（ｉｉｉ）電気化学的ｐＨ調節及び金属固定化；（ｉｖ）電気化学的過酸化物（Ｈ２Ｏ２）発生＆金属酸化；（ｖ）電着（例えば、電気めっき、電気泳動堆積）；（ｖｉ）電気化学的酸化；（ｖｉｉ）析出；（ｖｉｉｉ）細孔口径プロファイル、（ｉｘ）電極処理、（ｘ）電極間隔、及び（ｘｉ）フローバイ対フロースルー対炭素ブロックセル設計に依存する。これらの要因の組み合わせ、又はこれらの要因のカスケードが、炭素電極の細孔ネットワークに捕捉される標的種の種形成と固定化を引き起こし、それにより、浄化された流出物がもたらされる。炭素電極は導電性であることが不可欠である。炭素材料の導電率が高いほど、電極全体の電流分布が均一となり、典型的にはＨ２Ｏ２の発生の増加とより効率的な鉛除去プロセスがもたらされる。細孔径と表面積は、材料の吸着容量と屈曲度に関連している。細孔径と表面積は、ＦＰＣデバイスにおけるＨ２Ｏ２発生にも影響を及ぼす。
【０１３３】
[00173]ＰＯＵ／ＰＯＥデバイス設計。ＰＯＵ／ＰＯＥのＦＰＣ製品の設計パラメータは、（１）１．５ｇｐｍの流量を達成するために特定される、デバイスの滞留時間とサイズ；及び（２）１．５ｇｐｍで少なくとも１５０ガロンの水を処理した際に、１５０ｐｐｂから１０ｐｐｂ以下への溶存鉛レベルの低下と、非金属二価イオンに対する９０％を超える除去選択性により定義される効果的な鉛除去を含む。
【０１３４】
[00174]水の滞留時間：滞留時間は、ある体積の水がデバイス内に留まる平均時間（体積／流量）の尺度である。換言すれば、所与の量の水をろ過するのに必要な時間である。デバイスの内部容積と流量によって、滞留時間が決まる。ベンチスケールのＣＣＣデバイスでは、２０ｍｌ／分の流量で、５分の滞留時間で典型的には所望の除去が得られる。性能がピークに達する流量での滞留時間が設計仕様として選択され、デバイスは適切なサイズにされる。
【０１３５】
[00175]圧力降下：ＦＰＣデバイス前後の圧力降下は、流量の増加と共に、益々重要となる。２０ｐｓｉ未満の圧力降下は許容できるとみなされ、住居及び都市のビル用の通常の入口水圧である約４５ｐｓｉを下回る。
【０１３６】
[00176]ＦＰＣデバイスの極限容量。ＮＳＦ／ＡＮＳＩ認証では、鉛濃度を１５０から１０ｐｐｂに低下させなければならず、市場に出回っているＰＯＵシステムは、最大１２０ガロンの水を処理すると評価されている。これは、ピッチャーシステムの場合、炭素１グラム当たり約１ガロンの水が処理され、シンク下のシステムの場合、炭素１グラム当たり約１．６ガロンの水が処理されることを意味する。ＣＣＣデバイスの一実施形態は、１．５ｇｐｍで２ガロンの水を処理し、鉛レベルを１５０ｐｐｂから１０ｐｐｂ以下にすることができる。システムの極限容量は、鉛除去曲線から得られる。圧力降下の問題は、典型的には、ＦＰＣ炭素電極１グラム当たり１ｇを超える鉛を除去した後に生じる。ＰＯＵ／ＰＯＥ使用のためのＣＣＣの実施形態は、ユーザにデバイスの交換を警告するための鉛センサ及び／又は圧力降下センサを含むことができる。
【０１３７】
[00177]様々な実施形態の場合のＦＰＣ交換閾値範囲。一般に、ＣＣＣは、アウトプット流中の標的金属濃度が関連する閾値レベル、例えば、鉛濃度の場合は１５ｐｐｂ、銅の場合は１．３ｐｐｍを超えると交換される（１９９１年にＥＰＡが公表した規制であるｔｈｅ  Ｌｅａｄ  ａｎｄ  Ｃｏｐｐｅｒ  Ｒｕｌｅ（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｐａ．ｇｏｖ／ｇｒｏｕｎｄ−ｗａｔｅｒ−ａｎｄ−ｄｒｉｎｋｉｎｇ−ｗａｔｅｒ／ｎａｔｉｏｎａｌ−ｐｒｉｍａｒｙ−ｄｒｉｎｋｉｎｇ−ｗａｔｅｒ−ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎｓ）を参照されたい）。閾値レベル（収着容量とも呼ばれる）は、政府機関が指定することも、ユーザが選択することもできる。都市及び産業廃水排出制限は、飲用水の制限とは異なる。金属濃度閾値は、典型的にはより高くなっている。様々な業界向けの排水ガイドラインが存在する（ｈｔｔｐｓ：／／ｗｗｗ．ｅｐａ．ｇｏｖ／ｅｇ）。
【０１３８】
[00178]ＦＰＣの再生。ＦＰＣアウトプット流の金属濃度が閾値レベル以上となった場合、ＦＰＣを交換する代わりに、ある種のＦＰＣは、再生する（例えば、ＣＣＣにおいて、吸着された金属イオン及び粒子をＣＣＣ電極から脱着（除去）する）ことができる。ＣＣＣ再生の１つの方法は、セルに酸を流して凝固した金属を溶解させ、電極を再生することである。この「酸再生」工程の間、アウトプット流は、容器に送られ、そこに高度に濃縮された廃棄物流が他の処理のために収集される。酸再生工程の後、ＣＣＣにはアウトプット流がｐＨ７（又は他の標的ｐＨ）に到達するまで水が流され、その後通常のＣＣＣ操作（即ち、通過流からの金属イオン及び粒子の除去）が再開される。ＣＣＣ再生の別の方法は、酸性溶液中での電気分解又は電気化学的再生によるものである。電気分解（電気化学的とも呼ばれる）再生は、金属酸化物を可溶性の金属イオンに変換し、それをＣＣＣから水で洗い流し、廃棄物容器に収集する。電気分解は、非自発的な反応を促進するための外部電圧の印加を必要とする電気化学反応である。電極上に形成された不溶性金属種はいずれも、ＣＣＣの両端に印加される小さな電圧、典型的には５Ｖ以下を使用して溶液に溶解させることができる。ＣＣＣ再生はまた、酸再生とそれに続く電気分解の連続、又はその逆とすることができる。
【０１３９】
[00179]それぞれ同じ種又は異なる種を標的とする直列の複数のＦＰＣ。同じ標的種を除去するように調整された、直列（出口から入口）に接続された複数のＦＰＣは、直列に接続されたＦＰＣにインプット流を１回通すと、標的種の濃度を連続的に低下させるように作用する（バッチモードの単一のセルを複数回作動させるのと同じレベルの標的種除去を達成する）。直列に接続された複数のセルのＦＰＣパラメータ、例えば、通過流のｐＨ及び所与のセルのセル電極に印加される電圧を、異なるＦＰＣパラメータ及びＥＤＣパラメータに調節することで、場合によっては、１回の通過で直列の各セルが通過流から異なる標的種を除去することを可能にする。所与の電圧及びｐＨでの標的種の種形成を示すプールベ線図は、「セル直列」の概念を最もよく説明する。鉛（図１６）及び銅（図１７）の場合のプールベ線図は、ＣＣＣ直列における異なる金属の固定化を説明するために使用される。水平の破線は印加電圧を表し、印加電圧は、縦軸に沿って移動する可能性がある。垂直な破線はｐＨを表し、ｐＨは、横軸に沿って移動する可能性がある。これらの線が交差する領域が、これらの条件で存在する金属の種を表す。図１６及び図１７ａに図示する作動条件は、ＰｂとＣｕをＰｂＯ２（ｓ）（図１６）及びＣｕ（ＯＨ）２（ｓ）（図１７）として固定化（ＣＣＣ電極に吸着）し、それぞれの金属を供給物流から効果的に除去する。図１７ｂに図示する作動条件では、Ｃｕが電極にＣｕ（ｓ）として電着又は電気めっきされる。ニッケル、鉄、マンガン、アルミニウム、及び亜鉛の場合のプールベ線図も含まれている（図１８〜図２２）。印加電圧とｐＨを操作する同様のアプローチを用いて、これらの金属を除去することができる。不溶性種を形成するために選択される作動条件は、標的種毎に異なる場合があり、プールベ線図に図示される種形成に応じ、所与の標的種に対していくつかの可能性があり得る。
【０１４０】
[00180]以下に説明するように、それぞれ図１８〜２２に示すプールベ線図を使用して、印加電圧と電気化学的ｐＨ調節が、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ａｌ、及びＺｎの標的種をＣＣＣ流入物から除去するために選択される。当業者は、印加電圧と電気化学的ｐＨ調節を選択して、標的元素又は錯体の所与の種を除去することができる。銅は、電着、水酸化物析出、及び／又は酸化銅への酸化により、ＣＣＣによって除去される。
【０１４１】
[00181]ＦＰＣ制御システム。所与のＦＰＣに関するＦＰＣパラメータが、様々なセンサ、インターフェース、バルブ、及び周辺機器を監視及び／又は制御するコンピュータシステムを使用して監視及び制御され、これは、一般にプロセス制御コンピュータ（プロセスコントローラとも呼ばれる）として公知であり、一般に、液体、固体、又は気相を問わず、材料、例えば化学物質及び石油に関連する連続又は半連続生産活動と関連づけられたコンピュータである。プロセス制御コンピュータは、ＦＰＣパラメータをシステム内の１つ又は複数のＦＰＣに適用すること、及び通過流の径路の変更、例えば、直列システムアーキテクチャを直並列システムアーキテクチャに変換する変更を可能とする。
【０１４２】
[00182]プールベ線図が存在する他の標的種へのＦＰＣ設計の拡張。Ｐｂ、Ｎｉ、Ｚｎ、Ａｌ、Ｃｕ、Ｆｅ、Ｍｎ、Ｃｌ、Ｂｒ、及びクロラミンに加えて、ＦＰＣパラメータ、及び上記に開示するシステムと方法は、Ａｓ、Ｓｅ、Ｓｃ、Ｔｉ、Ｖ、Ｃｒ、Ｃｏ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ｍｏ、Ｔｃ、Ｒｕ、Ｒｈ、Ｐｄ、Ａｇ、Ｃｄ、Ｌａ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｗ、Ｒｅ、Ｏｓ、Ｉｒ、Ｐｔ、Ａｕ、Ｈｇ、Ｃｅ、Ｐｒ、Ｎｄ、Ｐｍ、Ｓｍ、Ｅｕ、Ｇｄ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏ、Ｅｒ、Ｔｍ、Ｙｂ、Ｌｕ、及び他のハロゲン化物の場合のプールベ線図で特定される金属及びハロゲン化物種の除去に適用することができる。
【０１４３】
[00183]［実施例］
[00184]ＥＤＣの性能試験を行い、炭素電極と３．０Ｖ未満の電圧を使用して全塩素、遊離塩素、クロラミン、及び過酸化物（Ｈ２Ｏ２）の除去を検証した。測定は、分析試験キットを使用して行った。実験は、フローバイセル設計と、アノード−カソード−アノード−カソード（アノード−カソードの可変数の繰り返し）アノード−カソードと交互に連続する１４対の電極を用いて行った（図２３）。図２３に示すフローバイ設計では、インプット流は、セル容器の壁近くの環状の空間を通って進み、次いで、電極表面上を中心に向かって軸方向チャネルへと流れ、次いで、軸方向チャネルを通ってＦＰＣ出口へと排出される。正電圧がアノードに印加され、負電圧がカソードに印加される。全ての電極が同じ速度で劣化することを確実にし、ＥＤＣデバイスの寿命を伸ばすため、所与の電極に印加される電圧の極性は定期的に切り替えられる（各アノードをカソードに、各カソードをアノードに変換する）。一例を図２４に示す。所与のＥＤＣの場合の極性切り替えの間隔は、任意に（例えば、１時間毎に）設定することも、１つ又は複数のＥＤＣパラメータ、例えば、電流閾値、電圧閾値、定電圧での電流減少速度、定電圧での電流減少率、定電流での電圧減少速度、定電流での電圧減少率、処理した総体積、及びＥＤＣ流出物中の標的種の濃度に基づき設定することもできる。好ましい極性切り替えポイントは、（ｉ）一定の印加電圧での電流の低下率、（ｉｉ）一定の印加電流での電圧の増加率、（ｉｉｉ）処理した総体積、及び（ｉｉｉ）流出物中の標的種の濃度である。標的種によっては、流出物中の標的種の濃度上昇が検出される前に減少又は増加率が検出されることがあり、その逆もある（Ｖ対流出物中の標的種の濃度をプロットした以下の図を参照されたい）。３種類の炭素を調べた。電極特性を表４に示す。
【０１４４】
[00185]容量性凝固実験を行い、１６対の炭素電極（約１３ｇの炭素）を使用してＣｕ除去を試験した。カソードは純粋なＳＣであり、アノードは硝酸で酸化させたＳＣであった。ＦＰＣは、短絡（０Ｖ）で作動させた。直接注入（「ＤＩ」）したＨ２Ｏ中Ｃｕ［Ｃｕ（ＮＯ３）２］が約１００ｐｐｍの供給物溶液１Ｌを２０ｍｌ／分の流量で処理した。サンプルを光学発光分光計（ＯＥＳ）を用いた誘導結合プラズマ（ＩＣＰ）により分析し、表９の結果は、１回の通過でＣｕの約１／３が除去されたことを示している。
【０１４５】
[00186]容量性凝固実験を行い、１２対の炭素電極（約１０ｇの炭素）を使用してＣｕ除去を試験した。カソードとアノードは、両方とも純粋なＳＣであった。ＦＰＣは、カソードへの印加電位１．２Ｖで作動させた。ＤＩＨ２Ｏ中Ｃｕ［Ｃｕ（ＮＯ３）２］が約５０ｐｐｍでＣａ（ＣａＣｌ２）が約５０ｐｐｍの供給物溶液１８．５Ｌを２０ｍｌ／分の流量で処理した。作動中、Ｃｕが溶液からカソードにめっきされ、図２５ａに灰色がかった堆積物として示されている。
【０１４６】
[00187]１４対の炭素電極（約３０ｇの炭素）を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ｃｕ除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたＫＮであり、アノードは、純粋な炭素であった。ＦＰＣは、０．８、１．０、及び１．２Ｖの印加電位で作動させた。水道Ｈ２Ｏ中Ｃｕ［Ｃｕ（ＮＯ３）２］が約２ｐｐｍの供給物溶液１．５Ｌを１００ｍＬ／分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｃｕ２＋濃度をＩＣＰ−ＯＥＳで測定した。試験を行った全ての条件で、約７８％のＣｕ除去が達成された（表１０）。
【０１４７】
[00188]１４対の炭素電極（約３０ｇの炭素）を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、低ｐＨでのＣｕ除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたＫＮであり、アノードは、純粋な炭素であった。ＦＰＣは、１．２Ｖで作動させた。水道Ｈ２Ｏ中Ｃｕ［Ｃｕ（ＮＯ３）２］が約１０ｐｐｍの供給物溶液１．５Ｌを１００ｍＬ／分の流量で処理した。ｐＨは、濃Ｈ２ＳＯ４を使用して２．８に調節した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｃｕ２＋濃度をＩＣＰ−ＯＥＳで測定した。Ｃｕは、非常に効果的に除去され（表１１）、９９．８％の除去であった。
【０１４８】
[00189]１４対の炭素電極（約３０ｇの炭素）を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ｎｉ除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたＫＮであり、アノードは、純粋な炭素であった。ＦＰＣは、０．８、１．０、及び１．２Ｖの印加電位で作動させた。水道Ｈ２Ｏ中Ｎｉ［Ｎｉ（Ｃｌ）２］が約５０ｐｐｍの供給物溶液１．５Ｌを１００ｍＬ／分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｎｉ２＋濃度をＩＣＰ−ＯＥＳで測定した。１．２Ｖで約６３％の最大除去が達成された（表１２）。
【０１４９】
[00190]１６対の炭素電極（約１４ｇの炭素）を使用して容量性凝固実験を行い、Ｆｅ除去を試験した。カソードは、純粋なＳＣであり、アノードは、硝酸で酸化させたＳＣであった。セルは、短絡（０Ｖ）で作動させた。ＤＩＨ２Ｏ中Ｆｅ［Ｆｅ（Ｃｌ）３］が１００ｐｐｍ又はＦｅＣｌ３が２５ｐｐｍの供給物溶液１８．５Ｌを２０ｍｌ／分の流量で処理した。Ｆｅの濃度は、処理により着実に低下し、ＩＣＰ−ＯＥＳの結果を表１３に示す。高濃度の実験（Ｆｅ１００ｐｐｍ）の場合、Ｆｅ酸化物がカソードでさび色の析出物としてセパレータ上に形成され、灰色がかった堆積物として示されている（図２６）。
【０１５０】
[00191]１４対の炭素電極（約３０ｇの炭素）を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ｆｅ除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたＫＮであり、アノードは、純粋な炭素であった。ＦＰＣは、０．８、１．０、及び１．２Ｖの印加電位で作動させた。水道Ｈ２Ｏ中Ｆｅ［Ｆｅ（Ｃｌ）３］が約１５ｐｐｍの供給物溶液１．５Ｌを１００ｍＬ／分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｆｅ３＋濃度をＩＣＰ−ＯＥＳで測定した。試験を行った全ての条件で約９９．９％のＦｅ除去が達成された（表１４）。
【０１５１】
[00192]１４対の炭素電極（約３０ｇの炭素）を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ｍｎ除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたＫＮであり、アノードは、純粋な炭素であった。ＦＰＣは、０．８、１．０、及び１．２Ｖの印加電位で作動させた。水道Ｈ２Ｏ中Ｍｎ［Ｍｎ（ＳＯ４）］が約２０ｐｐｍの供給物溶液１．５Ｌを１００ｍＬ／分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｍｎ２＋濃度をＩＣＰ−ＯＥＳで測定した。１．２Ｖで約９９．８％のＭｎ除去が達成された（表１５）。
【０１５２】
[00193]１４対の炭素電極（約３０ｇの炭素）を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ａｌ除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたＫＮであり、アノードは、純粋な炭素であった。ＦＰＣは、０．４、０．８、及び１．２Ｖの印加電位で作動させた。廃水サンプルからのＡｌが約３０ｐｐｍの供給物溶液１．５Ｌを１００ｍＬ／分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ａｌ３＋濃度をＩＣＰ−ＯＥＳで測定した。０．４Ｖで約９９．９％のＡｌ除去が達成された（表１６）。
【０１５３】
[00194]１４対の炭素電極（約３０ｇの炭素）を使用してフローバイ容量性凝固実験を行い、Ｚｎ除去を試験した。カソードは、硝酸で酸化させたＫＮであり、アノードは、純粋な炭素であった。ＦＰＣは、０．４、０．８、及び１．２Ｖの印加電位で作動させた。水道Ｈ２Ｏ中Ｚｎ［Ｚｎ（Ｃｌ２）］が約３５ｐｐｍの供給物溶液１．５Ｌを１００ｍＬ／分の流量で処理した。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｚｎ２＋濃度をＩＣＰ−ＯＥＳで測定した。１．２Ｖで約４０．８％のＺｎ除去が達成された（表１７）。
【０１５４】
[00195]純粋及び酸化させたカイノールへのＰｂの物理吸着を調査するため、充填カラムを約５ｇの炭素で満たし、Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約１００ｐｐｍのＤＩＨ２Ｏを１Ｌ、２０ｍｌ／分の流量でろ過した。表１８の結果は、Ｐｂが炭素に物理的に吸着している証拠を提供する。加えて、ろ過後、純粋なカイノール電極上に、相当量の白色析出物が存在し（図２７）、エネルギー分散型Ｘ線分光法（ＥＤＸ）により、酸化鉛であることが確認された（図２８）。
【０１５５】
[00196]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約５０ｐｐｂの供給物溶液１Ｌ、１２対の純粋な炭素電極（約１０ｇ）及び２０ｍＬ／分の流量を使用したフロースルー容量性凝固実験は、１回の通過で連邦対策レベル１５ｐｐｂを遙かに下回るまでのＰｂ除去を示した（表１９及び表２０）。セルは、短絡（０Ｖ）、並びに０．８及び１．２Ｖの印加電位で作動させた。除去を試験するため、Ｐｂを数回混入させた。表２０の実験は、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソードを使用し、１．２Ｖで遂行した。セルを通すろ過の前後にサンプルを採取し、Ｐｂ２＋濃度を、ＡＮＤａｌｙｚｅ製手持ち式センサ及び／又は誘導結合プラズマ質量分光法（ＩＣＰ−ＭＳ）で測定した。表中の「＼」は、「測定されず」を意味する。
【０１５６】
[00197]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約５〜約２７５ｐｐｂの供給物溶液１．５Ｌ、１４対の炭素電極（約３０ｇ）、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソード、及び１００ｍＬ／分の流量を使用したフローバイ容量性凝固実験も、１回の通過で連邦対策レベル１５ｐｐｂを遙かに下回るまでのＰｂ除去を示した（表２１）。セルは、１．２Ｖの印加電位で作動させた。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｐｂ２＋濃度をＡＮＤａｌｙｚｅ製手持ち式センサ及び／又はＩＣＰ−ＭＳで測定した。結果から、Ｐｂが溶液から恒久的に除去されていることが明らかとなった。
【０１５７】
[00198]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約５０ｐｐｂの供給物溶液１Ｌ、１２対の炭素電極（約１０ｇ）、及び２０ｍＬ／分の流量を使用したフロースルー容量性凝固実験を、開回路電圧（ＯＣＶ）、短絡（０Ｖ）、及び０．２Ｖ刻みの０．４〜１．４Ｖの印加電位で行った。様々な酸素含有表面基と、特性が異なる炭素を試験した。セルに１回通過させた後にサンプルを採取し、Ｐｂ２＋濃度をＡＮＤａｌｙｚｅ製手持ち式センサ及び／又はＩＣＰ−ＭＳで測定した。
【０１５８】
[00199]表２２の実験結果は、純粋なアノードとクエン酸で酸化させたカソードの場合である。Ｐｂは、ＯＣＶ及び短絡で除去されたが、印加電位下ではより効果的に除去された。最良の結果は、１．２Ｖで得られ、９２％のＰｂが除去された。
【０１５９】
[00200］表２３の実験結果は、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソードの場合である。測定されたＰｂの濃度は、混入させた値の約５０ｐｐｂを下回っている。ｐＨは、９に近く、測定では不溶性のＰｂ種が含まれていない可能性があった。最後の純粋な炭素片（アノード）上には橙色の析出物も観察され、フィルター紙の周囲に認められた。
【０１６０】
[00201]表２４の実験結果は、純粋なアノードとオーブンで３４０℃で７２時間酸化させたカソードの場合である。Ｐｂ除去は、短絡及び１．２Ｖで観察された。溶存酸素（ＤＯ）も実験を通して監視され、印加電圧と共に減少し、酸素がＨ２Ｏ２に還元されていることを示唆する（表２５）。
【０１６１】
[00202]カイノール、ゾーフレックス（Ｚｏｒｆｌｅｘ）、及びフュールセルアースの３種の炭素を試験した。これらの特性を、表２６に列挙する。ゾーフレックスを使用した結果を表２７及び表２８に示す。印加電圧によりＤＯは減少し、鉛除去が向上した。
【０１６２】
[00203]カイノールを使用した結果は、表１８〜表２４と、以下の表２９、表３２及び表３６に示されている。表２９に示す結果では、ＯＣＶ、短絡、及び１．２Ｖの印加電位のみ試験を行った。約１０ｐｐｂの開始濃度であっても、非常に低いレベルへの鉛除去が達成され、ＤＯ濃度は、１．２Ｖで６％未満に低下した。ＳＥＭ／ＥＤＸにより、電極上へのＰｂ堆積が確認された（図１３）。
【０１６３】
[00204]フュールセルアース（ｗｗｗ．ｆｕｅｌｃｅｌｌｓｔｏｒｅ．ｃｏｍ）は、グラファイト布であり、高度に導電性である。結果を表３０及び表３１に示す。表面積が非常に小さいため、どちらの場合も、測定可能な電流はなかった。最初の実験（表３０）後にセルを分解すると、セル内での位置に関係なく、全てのフィルター紙上に橙色の析出物があった。アノードとカソードの両方に純粋な炭素を用いて実験を繰り返し、１回の通過ではなく、３時間の繰り返しの後にサンプルを採取した（表３１）。この場合、開回路では鉛は除去されず、短絡では幾分除去され、１．２Ｖの印加電位では遙かに多く除去された。ＤＯは、印加電位に関係なく変化しないままで、Ｈ２Ｏ２は、１．２Ｖで０ｐｐｍであると測定された。Ｐｂ除去は、Ｈ２Ｏ２との反応によって起こるのではなく、電極表面でのｐＨ変動により起こる可能性がある。
【０１６４】
[00205]Ｐｂを合成水道水に混入して上記と同じ一連の実験を行った（表３２及び表３３）。この水は、炭酸塩を含有せず、他のイオン種の濃度は、我々の水道水と同様であった。ＯＣＶ及び短絡でＰｂ除去が観察され、１．２Ｖではわずかに多く除去された。ＤＯ濃度は、実験を通して低かった。
【０１６５】
[00206]純粋又は硝酸で酸化させた炭素（約５ｇ）の充填カラムの場合の破過曲線を得て、Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約１５０ｐｐｂの水道Ｈ２Ｏ１Ｌを２０ｍＬ／分の流量でろ過した（表３４及び表３５）。この場合、Ｐｂ除去は、我々のデバイスによる容量吸着及び凝固（能動的ろ過）ではなく、物理吸着（受動的ろ過）により起きている。初期Ｐｂ濃度は劇的に低下するが、約０．３Ｌの水を処理した時点で炭素は両方とも急速に飽和し、効果がなくなる。試験を行った条件では、酸化させた炭素と比較して、純粋な炭素が鉛の物理吸着により効果的であるように見える。ＦＰＣデバイスのフロースルーの実施形態がいつ飽和するかを判定するため、１２対の電極（約１０ｇ）を用い、１回の通過で５ガロンの水を１．２Ｖで２０ｍＬ／分で処理した。処理した５ガロンの水に対し、持続的な性能が得られた（表３６）。ろ過後の鉛の濃度は低いままであった一方、カルシウム（Ｃａ２＋）の濃度はほぼ一定であり、鉛に対する９９％を超える選択性が実証された。この実験をフローバイデバイスを用いて繰り返し、１４対の電極（約３０ｇ）を用い、５ガロンの水を１．２Ｖで１００ｍＬ／分で１回の通過で処理した（表３７）。Ｐｂ除去は、極端に高い開始Ｐｂ濃度からでも、通過させた総体積に対して維持された。
【０１６６】
[00207]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約１５０ｐｐｂの供給物溶液１．５Ｌ、１４対の炭素電極（約３０ｇ）、及び３００ｍＬ／分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位１．２Ｖで行った（表３８）。セルに１回通過させる前後にサンプルを採取し、Ｐｂ２＋濃度をＡＮＤａｌｙｚｅ製手持ち式センサで測定した。処理したサンプルは、センサの検出限界であった。
【０１６７】
[00208]濃Ｈ２ＳＯ４で調節したｐＨ２．８３の水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約１５０ｐｐｂの供給物溶液１．５Ｌ、１４対の炭素電極（約３０ｇ）、及び１００ｍｌ／分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位１．２Ｖで行った（表３９）。セルに１回通過させる前後にサンプルを採取し、Ｐｂ２＋濃度をＡＮＤａｌｙｚｅ製手持ち式センサで測定した。処理したサンプルは、センサの検出限界未満であった。
【０１６８】
[00209]Ｐｂが約１５０ｐｐｂのＰｂ酸バッテリー製造業者の廃水サンプルの供給物溶液１．５Ｌ、１４対の炭素電極（約３０ｇ）、及び１００ｍｌ／分の流量を用いたフローバイ容量性凝固実験を、印加電位１．２Ｖで行った（表４０）。セルに１回通過させる前後にサンプルを採取し、Ｐｂ２＋濃度をＡＮＤａｌｙｚｅ製手持ち式センサで測定した。流出物は、割り当てられたＰｂ排出制限の０．６ｐｐｍを遙かに下回っていた。
【０１６９】
[00210]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約１５０ｐｐｂの供給物溶液１．５Ｌ、約１４ｇの炭素電極、純粋なアノードと硝酸で酸化させたカソード、及び５０、１００、及び２００ｍｌ／分の流量を用いた容量性凝固実験に巻回セル設計を使用し、全て１回の通過で連邦対策レベルの１５ｐｐｂ未満へのＰｂ除去を示した（表４１）。セルは、１．２Ｖの印加電位で作動させた。セルでのろ過の前後にサンプルを採取し、Ｐｂ２＋濃度をＡＮＤａｌｙｚｅ製手持ち式センサで測定した。
【０１７０】
[00211]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約５０ｐｐｂとＰｂが２．５ｐｐｍ、及び水道水中Ｃｕが約１０ｐｐｍである供給物溶液１．５Ｌを用いた容量性凝固実験に巻回セル設計を使用した。Ｐｂ除去は、低濃度の場合は連邦対策レベルの１５ｐｐｂ未満であり、高濃度の場合は１ｐｐｍ未満であった（表４２）。Ｃｕ除去は、９９％を超えていた（表４３）。巻回セルの概略図を図２９に示す。
【０１７１】
[00212]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が２．５ｐｐｍの溶液、及び約３０ｇの炭素電極を１．２Ｖで用いた容量性凝固実験に直列セルアーキテクチャを使用した。連続５ガロンの水を処理し、濃度は一貫して４８ｐｐｂ未満であった（表４４）。
【０１７２】
[00213]水道Ｈ２Ｏ中Ｐｂ［Ｐｂ（ＮＯ３）２］が約５０ｐｐｂの供給物溶液１．５Ｌを用いた容量性凝固実験に炭素ブロックを使用した（表４５）。Ｐｂ除去は、連邦対策レベルの１５ｐｐｂ未満であった。
【０１７３】
[00214]複数の金属種、Ｃｕ、Ｆｅ、及びＭｎをｐｐｍ範囲の濃度で含有する工業廃水をフローバイ容量性凝固実験に使用した。０．５、１．０、及び１．５Ｌ／分の流量を１．２Ｖで試験した。Ｃｕは、９８％を超え、Ｆｅは１４％を超え、Ｍｎは８７％を超える減少であった（表４６）。
【０１７４】
[00215]複数の金属種、Ｃｕ、Ｆｅ、及びＭｎをｐｐｂ範囲の濃度で含有する逆浸透（ＲＯ）濃縮物、又はブラインを、フローバイ容量性凝固実験に使用した。０．１、０．５、及び１．０Ｌ／分の流量を１．２Ｖで試験した。Ｃｕは、９９％を超え、Ｆｅは、９９％を超え、Ｍｎは、７４％を超える減少であった（表４７）。
【０１７５】
[00216]全塩素及び遊離塩素を、塩素除去用に調整したＥＤＣでの処理の前後に測定した。クロラミンは、全塩素と遊離塩素との差から推定した。９９％を超える遊離塩素除去と、最大９９％のクロラミン除去が得られた。作動中、３．０Ｖ未満の電圧をセルに印加した。１００〜５００ｍｌ／分の流量を試験した。厳密には細孔崩壊による電荷損失による性能の低下が観察される前に、合計約２１０ガロンの水が処理された。
【０１７６】
[00217]Ｖ＞０の場合、酸化させたカイノール（硝酸処理）をアノードとして、純粋なカイノールをカソードとして使用し、Ｖ＜０の場合、電極を切り替えた。供給物（流入物）及び生成物（流出物）流中の全塩素を、図３０に示す。流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図３１及び図３２は、それぞれ供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図３３は、各消毒剤の除去％を示す。９９％を超える遊離塩素除去と、約８０％のクロラミン除去が得られた。ＥＤＣでの処理後に、最大１００％の過酸化物除去も達成された。
【０１７７】
[00218]酸化させたカイノール（硝酸処理）をカソードとして、フュールセルアースをアノードとして使用した。供給物及び生成物流中の全塩素を、図３４に示す。２．０Ｖの印加電圧で、流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図３５及び図３６は、それぞれ供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図３７は、各消毒剤の除去％である。９９％を超える遊離塩素除去と、約４０％のクロラミン除去が得られた。ＥＤＣでの処理後に、約６０％の過酸化物除去も達成された。
【０１７８】
[00219]Ｖ＞０の場合、酸化させたカルゴン（硝酸及び電気化学的処理）をアノードとして、純粋なカルゴンカソードとして使用し、Ｖ＜０の場合、電極を切り替えた。供給物及び生成物流中の全塩素を、図３８に示す。流出物中の全塩素の明らかな減少が観察された。図３９及び図４０はそれぞれ、供給物及び生成物流中の遊離塩素とクロラミンの濃度を示す。図４１は、各消毒剤の除去％を示す。最大９６％の遊離塩素除去と、約５７％のクロラミン除去が得られた。ＥＤＣでの処理後に、約５７％の過酸化物除去も達成された。
【０１７９】
［要約］
[00220]要約すると、ＦＰＣの発明は、水溶液を浄化するための電気化学的デバイスであって、少なくとも１つの炭素系アノードと少なくとも１つの炭素系カソード（前記アノード及びカソードはそれぞれ、Ｅｐｚｃシフトのない純粋な電極である）が、容器内に交互に並んでおり、前記容器は、水溶液を容器に供給する少なくとも１つの入口と、浄化されたアウトプットを容器から排出する少なくとも１つの出口とを備えて構成されており、セパレータが各電極の間に配置されており、関連する配線を備えた電源が、ＤＣ定電圧又は定電流を炭素系電極に供給し、除去すべき少なくとも１種の標的種を含有する水溶液が、入口を通って送り込まれ、電極のそば又は中を通って少なくとも１つの出口につながる排出チャネルに至り、少なくとも１つのアノードに印加されるＤＣ電圧と少なくとも１つのカソードに印加されるＤＣ電圧が、少なくとも１種の標的種のプールベ線図に示され、容量吸着、ファラディック固定化、及び容量吸着とファラディック固定化の両方からなる群から選択されるメカニズムにより、少なくとも１種の標的種を電極に凝集させるＤＣ電圧である、デバイスを含む。少なくとも１種の標的種の凝集は、少なくとも１つのアノードの近くの４未満のｐＨ領域における標的種の酸化により引き起こされる。或いは、少なくとも１種の標的種の凝集は、少なくとも１つのアノードの近くの４未満のｐＨ領域における標的種の酸化により引き起こされ、酸化は、少なくとも１つのカソードの近くの１０を超えるｐＨ領域における酸化剤の生成から生じる。電源は、プロセスコントローラにより、又は手動で制御される。電極を作製する材料は、高い透水性を有し、活性炭布、ミクロ多孔性とメソ多孔性の活性炭の混合物、メソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物、及びミクロ多孔性とメソ多孔性とマクロ多孔性の活性炭の混合物からなる群から選択される。セパレータの厚さは、１ｎｍ〜１００ミクロン、２ｎｍ〜５０ミクロン、２ｎｍ〜３０ミクロン、１〜１００ミクロン、１〜５０ミクロン、及び１〜３０ミクロンの範囲からなる群から選択される。ファラディック固定化を達成するために使用されるＤＣ電圧は、０．６Ｖ未満、１．２Ｖ未満、及び２．０Ｖ未満からなる群から選択される。電極は、任意選択で不透過性の絶縁体により分離されていてもよく、その場合、通過流は、多孔質の電極の中のみを通って流れて排出チャネルに到達する、或いは、透過性のセパレータにより分離されていてもよく、その場合、通過流は、電極のそばを流れ、セパレータを通って排出チャネルに至る。イオン交換膜が、任意選択で少なくとも１つのアノード、少なくとも１つのカソード、又は両方の電極を覆うことができる。少なくとも１つの炭素系電極のゼロ電荷の電位を、カソードの還元、カソードの酸化、アノードの還元、及びアノードの酸化からなる群から選択されるメカニズムによりシフトさせることができる。電極間の間隔は、１ｍｍ未満、２００ミクロン未満、５０ミクロン未満、及び２０ミクロン未満からなる群から選択される。ＦＰＣのセル設計は、巻回又は積層とすることができる。
【０１８０】
[00221]ＦＰＣにおけるアノードは、０％〜３０％のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、７０％〜１００％のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される２．０〜１０ｎｍの平均細孔口径、及び０％〜２０％のマクロ多孔性活性炭と、８０％〜１００％のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径２．５〜１０ｎｍからなる群から選択される平均細孔口径を有することができる。ＦＰＣにおけるカソードは、０％〜３０％のミクロ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超える炭素を含むミクロ多孔性活性炭と、７０％〜１００％のメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される２．０〜１０ｎｍの平均細孔口径、及び０％〜２０％のマクロ多孔性活性炭と、８０％〜１００％のメソ多孔性活性炭であって、導電率値が１０Ｓ／ｃｍを超えるメソ多孔性活性炭の細孔口径プロファイルを用いて達成される平均細孔口径２．５〜１０ｎｍからなる群から選択される平均細孔口径を有することができる。
【０１８１】
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【０１８２】
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【表２】
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【表３】
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【表４】
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【表５】
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【表６】
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【表７】
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【表８】
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【表９】
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【表１０】
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【表１１】
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【表１２】
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【表１３】
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【表１４】
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【表１５】
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【表１６】
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【表１７】
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【表１８】
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【表１９】
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【表２０】
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【表２１】
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【表２２】
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【表２３】
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【表２４】
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【表２５】
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【表２６】
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【表２７】
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【表２８】
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【表２９】
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【表３０】
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【表３１】
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【表３２】
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【表３３】
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【表３４】
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【表３５】
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【表３９】
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【表４０】
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【表４２】
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【表４３】
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【表４４】
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【表４５】
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【表４６】
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【表４７】
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【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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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１５】
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【図２１】
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【図２６】
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【図３１】
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【図４０】
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【図４１】
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【国際調査報告】
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