(57)【要約】【課題】浄水は色々な方法で行われているが例えば、逆浸透圧（ＲＯ）、イオン交換法、電気透析が主である。環境に対する考慮が高まる中で理想の浄水技術は、性能が高くコストが低いことが大事である。本発明品は組み立て式高性能電極を積み重ねて二極式ＦＴＣモジュールを構築するものである。この電極でローコスト、低維持費、高性能ＦＴＣモジュールを実現する。現在の技術では薬品を多用したり施設の規模が大掛かりで手軽なモジュール型も存在しない。【解決手段】二極式電極を準備することで本発明はＦＴＣ電極の１００％使用効率を達成するだけでなくＦＴＣモジュールの作成コストも削減できる。２つのキャパシターの“エネルギー交換”つまりＦＴＣモジュールとスーパーキャパシターを使い、活性炭素リフレッシュの革新的使用がポイントであるが、飽和ＦＴＣ電極は最低の量の洗浄水の使用で急速リフレッシュができる。【選択図】図３
2008161846.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
液体中のＴＤＳ（総溶解物質）除去のための本発明である電気容量性脱イオン（ＣＤＩ）システムの構成は以下の通り。
１．主電源。
２．上記の主電源から直流電圧を通すことで液体中からイオンを除去するための、最低一つのＦＴＣ（流水通過式キャパシター）モジュール。
３．上記のＦＴＣモジュール内の積み重ねた複数の電極を両側から挟む二枚の先端電極。これら二枚の先端電極は同時に上記のＦＴＣモジュールを上記の主電源に接続する役目も持つ。
４．上記二枚の先端電極の間に配置される少なくとも一つの二極式電極。この二極式電極は、上記の主電源に接続なしで、電流を通過させる。
５．上記ＦＴＣモジュールによる上記イオン除去を行う為の上記主電源の電力を増幅できるスーパーキャパシター少なくとも一つ。
６．上記の積み重ねた複数の電極のリフレッシュ時の上記ＦＴＣモジュールから解放されるエネルギーを回収し貯蔵する、少なくとも一つのスーパーキャパシター
７．上記イオン除去、上記エネルギー回収そして上記リフレッシュを調節する一つの電気的コントローラー。
【請求項２】
請求項１記載の電気容量性脱イオン（ＣＤＩ）システムで、スーパーキャパシターは最低３０Ｖの動作電圧を出力し、最低６Ｆのキャパシタンスを持つ。
【請求項３】
請求項２記載の電気容量性脱イオン（ＣＤＩ）システムで、スーパーキャパシターはイン・セル式直列接続、イン・セル式並列接続、そして両接続の組み合わせによるり製造される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明はイオン除去による水の消毒を行うために要するエネルギーの貯蔵方法の部品構造に関する。具体的には本発明は水中の総溶解物質（ＴＤＳ）削減に、二極式電極を内蔵するキャパシターを用いて水中内に電気を通してイオンを吸収するのである。
【背景技術】
【０００２】  浄水は色々な方法で行われているが例えば、逆浸透圧（ＲＯ）、イオン交換法、電気透析が主である。環境に対する考慮が高まる中で理想の浄水技術は、性能が高くコストが低いことが大事である。浄水と器材メンテナンスに電力のみによる電気容量性脱イオン（ＣＤＩ）技術は化学薬品は一切使用せず二次汚染も全く無い。ＣＤＩ式はＦＴＣ（水流通過式キャパシター）内の正極と負極の電極を充電、放電を繰り返すことによる方式である。ＦＴＣ電極を充電するとき静電場が出来、電極間のギャップを通過する水からイオンを吸収し浄水する。ＦＴＣ電極の表面を吸収されたイオンが覆いつくすと、飽和状態になるため、一度電極表面のイオンを脱着させなければ、新たイオン吸収が出来なくなる。イオン除去時にＦＴＣ電極を充電するときの電力は低く、同条件のＲＯ方式浄水の約三分の一である。更に飽和したＦＴＣ電極の放電は、再利用可能の電気エネルギーを作りイオンも直接回収する機会を提供することになる。よってＣＤＩ方式は節電を行いながら様々な水（海水、イオン汚染水、工業廃水等）を効果的に真水に変えることが出来る。ＣＤＩ方式を使う浄水の商業的実用性は、イオン吸収性能と電極リフレッシュの効果性で決定されるであろう。【０００３】  ＲＯ，イオン交換法式と比べてＣＤＩ方式は比較的新しく、特に水中のＴＤＳ削減の観点からは一般には知られていない。またＣＤＩ技術はイオン交換や電気透析よりは学会や産業界でも深く研究されていない。夥しい量の文献が既存の浄水技術の改善について存在するが、ＦＴＣの部品設計とＣＤＩの稼動方法についてはほんの少しの特許しか見当たらず、専門誌も同様である。浄水と海水淡水化の商業ベースに乗るかどうかのＣＤＩ技術の構築にＦＴＣの構成とＣＤＩの性能が揃って、大きく関わってくる。商業目的の最初のＦＴＣは数百枚の電極をペアにして直列につないだ大規模な構成であった（米国特許５，９８０，７１８、他多数）。“７１８”では電極の各ペアは低い直流電流を均等に受けるが電気接続が複雑で高価である。もっと節電的でコストも低い方法が米国特許６，４６２，９３５（本発明の発明人シーによる）である。“９３５”では電気接続が大幅に単純化されたが、ＦＴＣのシリンダー形状が高濃度の水（海水等）の浄水では性能が著しく低下する問題があった。結果としてＣＤＩ稼動能力がＦＣＴのイオン吸収低下のため極度に落ちた。【０００４】  ＣＤＩの稼動は表面吸着するイオンの除去、つまりＦＴＣ内にある静電場に依存するので、ＦＴＣと電源の間の電気接続は最低でも二箇所（正極と負極）である。これが“９３５”でのＦＴＣの電気接続そのもので、わずか二枚の電極シートが同心円状にＦＴＣロールとして巻かれ必要な表面積を形成する。ＦＴＣ内の電極間が狭く固く形成されるため、内部ロールに水が残りＣＤＩ稼動中の汚染源となる。飽和したＦＴＣ電極を急速に効果的に電気回生（リフレッシュ）させるとき、電極の積み上げ式構成のほうがイオンを洗い流す水を電極表面にアクセスさせるのに都合がいい。電源と積み上げ電極を電気的に接続させるが、経済性と効果性を考慮すべきである。最もシンプルな電気接続は単純に電源と両端の電極をつなげることだが、途中にある複数の電極と電極は絶縁していなければならない。途中の電極群はその間を通る水を経由して接続しているだけである。両端電極二枚に電流を通すことで電流は水流と一緒に、一番上の先端電極から、途中にある一番目の電極の一面側に流れ、一面側に（先端電極と）逆の極性をもたらす。水と電流が間にある一番目の電極の二面側に到着すると、電極の二面側は先端電極と同じ極性になる。同様の極変換がシステム内を水と電流が通ることで起こり、次々と２枚目の電極から、最後の電極まで繰り返す。間にある電極はそれぞれ両側が異なる極性を持ち、二極式電極と名づける。直列つなぎでは途中に存在する電極は二極式で、並列につなぐと途中の電極は電源と物理的につながり二極式でなくなる。【０００５】  二極式電極は物理化学分野では様々な用途で利用されている。例として金属の電着（米国特許４，０４３，８９１）、有機化合物の電気合成（米国特許５，３２２，５９７、６，７８７，００９、７，０１８，５１６）、水の電気分解式殺菌（米国特許５，４３９，５７７、５，７４４，０２８）、液体燃料の負荷平準（“Ｐｕｒｅ  Ａｐｐｌ．Ｃｈｅｍ．，Ｖｏｌ．７３，Ｎｏ．１２，ｐｐ．１８１９−１８３７（２００１）”）等である。二極式電極は二枚の両端電極間に固く固定されるよりは取り外し可能が望ましく（米国特許６，２２４，７２０）、プレート（板）状でなく球体でも構成される（米国特許６，３０６，２７０）。異なる材料を使うことで二極式電極はＣＤＩ技術に適用できる。米国特許６，７８８，３７８では電極が直列、並列を併用した例を示している。ＣＤＩ技術の観点では特許“３７８”はイオン吸収物質にＲｕＯ２・ｘＨ２Ｏを使い、電極の外側の淵をシーリング（密閉）していないため、不完全である。ＲｕＯ２・ｘＨ２Ｏはエネルギー貯蔵用スーパーキャパシターを作るうえで高エネルギー密度を持つが、この高価なエネルギー容量は表面還元酸化から発生しおり、残念ながらＣＤＩ技術ではイオン吸収しか必要としない。更に電極の外端が露出しているため処理水が他の水と混じり合ってしまうし、電極の露出部分で電気抵抗的発熱と損傷が起きてしまう。上記の諸問題を解決するため、本発明ではＦＴＣを電気回生によりリフレッシュするユニークな方法を提示し、ＣＤＩ技術が水の殺菌と海水淡水化の新たなアプローチを生み出す。
【特許文献】
2008161846.tif 000003
2008161846.tif 000004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】  本発明品は組み立て式高性能電極を積み重ねて二極式ＦＴＣモジュールを構築するものである。この電極でローコストで、低維持費の高性能ＦＴＣモジュールを実現する。イオン吸収を最大化にするため、活性炭素、カーボンナノチューブ等の表面積の多い材料を選択し、ＣＤＩ稼働中に正負両方の極性を変換する両先端電極および中間電極を製造する。吸収性素材は繊維質を混合しカーボン布を使うか、結合剤により、あるいは直接金属基板に蒸着等で固定する。電極には２つの条件があり、それは水の通過性と高電気伝導性である。イオン化される水は片端の先端電極からすべての中間電極を経由してもう片方の先端電極を流れ通る。システムのすべての電極において水は電極の広い表面積に触れる。二つの先端電極のみが電源と接続されて、動作電圧はシステム内のすべての電極に均等に行き渡る。電極の伝導率が高いとき、具体的には０．０１シーメンス／ｃｍ以上で、すべての正負の電極で強い電界が生じてイオン除去が効果的に行われる。【０００７】  イオン除去率をさらに改善するため電極はポリマー材でシールドし電極の外淵を完全に密閉する。ポリマーで密閉すると同時に電極の表面にポリマー材で一定のパターン模様（ポリマーストライプ）を形成する。ポリマー材のシールドで水の混入と漏電を防ぎ、ポリマーストライプが電気ショートを防ぐスペーサーの役割をする。電極淵で漏電が起きるとイオン除去を損なうだけでなく、オーム抵抗発熱や他のダメージによりＦＴＣモジュールに悪影響を及ぼす。電極淵を不完全処理水が漏れるのは電流の漏れよりもっと深刻な影響をイオン除去に及ぼす。未処理水のわずか一滴が処理済み水４リットルに混じるだけで、処理済み水全体は汚染水となってしまう。電極にモールドされたポリマー材とポリマーストライプは予め製造しておけばＦＴＣモジュールの現場での構築を容易にする。【０００８】  電界が存在していない場合でも炭素質物質は水中からイオンを吸収する性質があるので、活性物質として使われる。高価な逆浸透圧メンブレン、イオン交換樹脂による浄水システムでも広く併用されている。飽和するとシステムの全ての炭素（時には数百トンの重さになる）は表面の孔が汚染され、そのまま廃棄されるか、エネルギーと水を多大に浪費してリフレッシュする必要がある。本発明ではスーパーキャパシターを使用しＦＴＣシステム内の吸着物質を二つの方法で急速リフレッシュする。第一にスーパーキャパシターが飽和ＦＴＣモジュールから放電されるエネルギーを貯蔵する役割をする。次にＦＴＣモジュールのリフレッシュは、ＦＴＣモジュールとスーパーキャパシター間で繰り返されるエネルギー交換および同時に行われる洗浄水の利用により促進される。リフレッシュの間、ＦＴＣモジュールの電極の極性は繰り返し変換され、ＦＴＣモジュールとスーパーキャパシターの残存エネルギーはお互いに放電充電を繰り返す。ＦＴＣモジュールの残存エネルギーは一連の小規模電気ショートで即座に消費され、一方で吸収されたイオンは電極から駆逐され流通水で流れ去る。その結果、ＦＴＣモジュールは効果的経済的に再びＣＤＩオペレーションを行う。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】    本発明の二極式電極を使った流水通過式キャパシター（ＦＴＣ）の最適な形態を説明する。図１はＦＴＣ内に並んだ電極とスペーサーの構成で、上下の１０２と１１０は二枚の先端電極で、端子１２０と１４０により電源に接続される。上下二枚の先端電極にはニッケル、ステンレススチール、チタニウム等の金属基板を使い、水が通過しやすいように直径１ｍｍ（ミリメートル）の孔をパターン状に開ける。それ以外にメッシュ、ネット（網）、スクリーン等が同じ目的で使用できる。金属基板は更に活性物質または炭素質素材や金属酸化物でコーティングされ、物理化学反応からの侵食を防ぎ、通過水中のイオンを吸収する。複数の電極１０４と電極間に挟まれる同枚数のスペーサー１０６が図１に示される。中間電極１０４は上下の先端電極と全く同じか、或いはカーボン布、活性炭素製繊維で製造すればよい。スペーサー１０６は厚さが０．６から１．０ミリメートルのプラスチックまたはポリマー製の板で、これもメッシュ、網、スクリーン等でもよい。電気ショートを防ぐため電極間に配置される。主電源と各中間電極の間には一切の接続は存在しない。しかし直流の電流が先端電極１０２と１１０に通過流水とともに通電すると、システム内に起きた電界により中間電極は流水により帯電する。図１の通り、正極の先端電極からＦＴＣ内に水が入るとすると、水は第一の中間電極の第一面に到達し、第一面は負の極性を帯びる。水が第一の中間電極の第二面に到達すると正の極性が生じる。水が連続してＦＴＣ内を通過していくと、すべての中間電極は次々に帯電し第一の中間電極と同じ極性を持つ。すべての中間電極は両面に異なる極性を持つので二極式電極と称する。一方、ＦＴＣシステム内を通過する電流は水とともにすべての中間の二極式電極を通る。【００１０】  ＣＤＩオペレーションに図１のＦＴＣ構成を使うメリットは最低でも２つある。第一にＣＤＩ技術で処理される水は、ＦＴＣシステムの電極版すべてと均等に接触する機会を得ることである。次にＣＤＩ技術は水中のＴＤＳ削減で帯電した電極表面の吸着イオンに依存するので、水は効果的効率的に処理されるには電極に接触する必要がある。ＣＤＩ処理中、水はＦＴＣシステム全体を満たす。重力も手伝って水の触れない電極は存在しない。そのため図１のＦＴＣの電極の効率は高く、ＣＤＩ処理には都合が良い。第二に、図１のＦＴＣの流水経路は単純で袋小路や停滞部分が無く、そのまま水はＦＴＣを退出する。イオン吸収によるＦＴＣ電極の急速な飽和のため、ＦＴＣは頻繁にリフレッシュが必要である。ＦＴＣのリフレッシュは電気回生によるが、システム内に閉じ込められた汚染物の処理が一番の課題である。特に流水経路が長く曲がりくねっているなら一層そうである。図１のＦＴＣシステム内の二枚の電極の対面する正と負の側は一対としてキャパシターを構成する。塩水がＦＴＣを通過すると水中の陽イオンはすべての正極側に吸収され、陰イオンはすべての負極側に吸収される。電気容量性（キャパシター）イオン吸収こそが電気エネルギーを貯蔵する物理化学上のキャパシターのメカニズムである。
ＦＴＣをリフレッシュするとき、電極は、負荷（すなわち空のスーパーキャパシター）につながる二つの端子１２０と１４０による放電でイオン脱離するが、その時スーパーキャパシターはエネルギーを回収したのである。その脱離イオンは水を通ることでＦＴＣシステムから流れ去る。図１のＦＴＣはオープン式であるので水により汚染物質は電極を離れる。【００１１】処理中の汚染の回避と同様に重要なのは、スペーサー１０６がきちんとＦＴＣシステム内の電界を迂回してしまう水を防止することである。４リットル中僅か一滴でも汚染水が混じると処理水は不合格である。さらに電流が中間に位置する二極式電極の淵を回って水と一緒に漏れるのである。この漏れ電流は中間の電極の淵で電気抵抗発熱を起こし、ＦＣＴシステムでの脱イオン率を落とす箇所になってしまう。この“エッジ効果”は水の電気分解を誘発しＴＤＳを増加させ、ＣＤＩ処理の能力を下げる。図２は水の迂回と漏れ電流を避ける方法を示し、エッジ密封材２０３とパターンストライプのスペーサー２０５に電極１０４を組み込む。２０３と２０５は同じ材質でモールドして形成できる。スペーサーの材料はＥＰＤＭ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｐｒｏｐｙｌｅｎｅ  ｄｉｅｎｅ  ｍｏｎｏｍｅｒ），ｅｐｏｘｙ  ｍｏｄｉｆｉｅｄ  ｓｉｌｉｃｏｎｅ，ＥＶＡ（ｅｔｈｙｌｅｎｅ  ｖｉｎｙｌ  ａｃｅｔａｔｅ）、ナイロン、テフロン等がある。電極１０４の上につける密封材、スペーサー２０３、２０５を予め準備することにより図１のＦＴＣ組み立ての労力を著しく簡単化する。２０３と２０５を予め作成することによりＦＴＣシステムに要求される電極間の距離を一定（例えば１ミリ）に固定し、ＦＴＣシステムの重要な均等電圧維持を実現できる。ＦＴＣの電極は直列なので先端電極１０２，１１０にかかる電圧は中間のすべての二極電極で共有される。電圧は均等にかからなければならない。一番高い電圧の電極がＦＴＣ内で最弱あるいは極部的に発熱するからである。一定の電極間ギャップがＦＴＣシステムの電極を安定化し電極間の電圧分布を均等に保つ。もうひとつの電極安定性を決めるのは電極１０４の伝導率である。それはイオン吸収物質、材質等の電極の素材に依存する。すべての電極が一つの動作電圧を共有するのだが、ＦＴＣシステム全体の全電極には一つの動作電流が存在する。直流電圧がＦＴＣにかかるとき、動作電流が電極上のイオン吸収率の目安である。動作電流が高いとイオン吸収は素早く行われＣＤＩ処理の生産性が向上する。ＣＤＩ過程はコンスタントな電圧で行われ、それに対応する電流の量はデンアツ、イオン濃度、電極表面積、電極伝導率、電極間ギャップで決定される。これらパラメーターで伝国伝導率は電極の製造過程で最適化される。望ましい電極伝導率は０．００１ジーメンス／ｃｍ以上である。【００１２】  大量の水、例えば毎時１０トンを処理する場合、ＦＴＣシステムは処理水に見合う電極の表面積が必要である。図１のＦＴＣシステムでは複数枚の中間に介在する二極式電極を直列につないでいるが、電極の使用枚数は稼動電圧によって制限される。ＣＤＩ処理がセル当たり直流１ボルトだと、安全上からも全体の稼動電圧は直流４０ボルトに制限し、中間の二極電極枚数は３９枚にする��先端電極１０２と１１０があるのでＦＴＣシステムの総セル数は４０セルで４０ボルトを均等に共有することになる。さらにマルチセルＦＴＣモジュール単体を複数つないで大規模な水処理施設ＣＤＩシステムとしてスケールアップすることも可能である。図３は絶縁用インターフェイス板３１１でセパレートした二つのＦＴＣモジュールを直列でつなげた例である。それぞれのＦＴＣモジュール単体１００は２枚の先端電極を持ち、もう一方のＦＴＣモジュールあるいは電源と接続する。しかし図３では電気端子３３０しか示していないがこれは図の複雑さを避けるためである。図３の通り二つのＦＴＣモジュール１００はプラスチック筐体３００、二つのスクリューキャップ３０５と３０７で密閉され、水の注入排水口上下で構成される。ＦＴＣモジュール単体は筐体３００内にいくらでも入れることが出来、ＦＴＣおよび筐体は処理能力に応じてどのような寸法でも組み合わせが可能である。インターフェイス板３１１は小さな孔が開いていてＦＴＣからＦＴＣへと水がモジュール内を流れていく。したがって水はシステム内を通りながら徐々に継続的に処理されていく。なるべく低い稼動電圧、例えば直流４０ボルトに抑えるためすべてのＦＴＣ単体はモジュール内で並列に接続される。この方法で全体の稼動電流はそれぞれのＦＴＣでの必要電流の総和である。ＦＴＣの数と寸法が大規模のとき総電流は大きくなる。しかし５０アンペア以上の電流は電気料金としては高価である。その経費を削減するためスーパーキャパシターを利用して電力需要に応える。スーパーキャパシターはエネルギー貯蔵媒体として優れており、さらに脱イオン、脱塩処理のＦＴＣを充電する経済的な電源としても最適である。最近式電力供給技術に比べるとスーパーキャパシターによる電力補助は単純であるが能力は高く、低コスト、高信頼性である。【００１３】  ＦＴＣモジュールの規模と処理水能力次第であるが、飽和ＦＴＣ電極のリフレッシュは数分から数時間である。電極を効果的に洗浄することはＣＤＩ処理能力と経済観点から重要なファクターである。ＦＴＣ電極はイオン吸収媒体として活性炭素を使うことが多いので電極のリフレッシュ（電気回生）は吸収したイオン汚染物を炭素表面から剥離させることである。直流の電源がたとえ無くとも活性物質は性質上、水中からイオンを吸収する。この自然な性質が様々な水処理でもっとも一般的にフィルターとして用いられる理由である。活性炭素をリフレッシュすることは容易でない。工業分野では炭素リフレッシュの方法が４つ存在する。液体洗浄、酸または腐食剤洗浄、蒸気再活性、熱回生である。ＣＤＩ処理は薬品不使用の省エネアプローチであるので前述の四つの方法の内、液体（すなわち水）洗浄のみをＦＴＣ電極リフレッシュに適用できる。【００１４】  飽和ＦＴＣは、状態的にはフル充電のスーパーキャパシターと同じである。スーパーキャパシターそのものである。ＦＴＣシステムもスーパーキャパシターも充電時にイオン吸収をして電気エネルギーを貯蔵し、電極表面に集まったイオンはエネルギーが貯まった状態である。同様にこれら二つのものは急速に負荷装置に向かってエネルギーを放電できるが、電極からは自動的に吸着イオンが表面を離れる。���の放電原則でＦＴＣ電極は“エネルギー回収”でリフレッシュする。第一にＦＴＣの充電と水の流入を止める。それから洗浄用の水で電極を洗い、電極は直ぐに負荷装置、例えば空のスーパーキャパシターに接続しＦＴＣの貯蔵エネルギーを放電し、イオンを脱離する。スーパーキャパシターは乾電池よりずっと早く貯蔵エネルギーを自然放電するので、飽和ＦＴＣは電源がオフになると貯蔵していたエネルギーを直ぐに以前よりもっと早い率でエネルギーを失っていく。ワット測定器でＦＴＣの残存エネルギーを測るとイオン吸収での僅か３０％のエネルギーしか回収できない。さらにＦＴＣ残存エネルギーのほとんどは充電が始まる瞬間に負荷装置に移ってしまい、ＦＴＣと負荷装置すなわちスーパーキャパシターは均衡状態になり両者は同じ電圧を持つ。ＦＴＣの残存電圧がある限りＦＴＣ電極には常に吸収されたイオンが存在し、これが汚染源となる。回収エネルギーがすぐに他のエネルギー貯蔵媒体に移るか、さもなければ別の充電が充分でないスーパーキャパシターに、ＦＴＣの残存エネルギーを回収させるかである。【００１５】“エネルギー交換”過程で電源はオフでＦＴＣ電極の極性は予め決定しておいた間隔で変換させる。よって並列につながるＦＴＣシステムとスーパーキャパシターはお互いに対して充電と放電を行う。ＦＴＣシステムの正の電極が負に変換されるとＦＴＣ内の残存エネルギーも同様に負になる。その結果、スーパーキャパシターの極は変わらないのでそのままＦＴＣを充電する。極性変換でＦＴＣシステムとスーパーキャパシターで電気ショートが起こり、“エネルギースウィング”になりお互いのエネルギーが急速にニュートラルになろうとする。この電気ショートはどちらの側でも残存エネルギー量は小さいので特にダメージを与えない。しかしＦＴＣシステム内のエネルギーは急速に減衰し、最小量の洗浄用水で吸収イオンを急速かつ完全に除去する。動作電圧を落とすためＦＴＣシステムは並列で電流を通し、内部のすべてのＦＴＣ単体は一つの電圧で稼動する。しかしＦＴＣ電極のリフレッシュを促進するためＦＴＣモジュールは直列で放電しより高い電圧で放電率も多くなる。その結果、スーパーキャパシターは高電圧のモジュール構成であるべきである。それで放電時のすべてのＦＴＣセットからの総和電圧に対応する。有機的電気分解システムを使い、スーパーキャパシターの動作電圧は２．５ボルトくらいで一般に製造されるが、これは本発明ＦＴＣ単体の定格電圧４０ボルトから比べるとずっと小さい。ＦＴＣシステムの充放電への電力供給をするスーパーキャパシターは、米国特許６，７６２，９２６の“セル内直列接続”技術を応用した高電圧、高エネルギーモジュールとして製造する。これで作られるスーパーキャパシター・モジュールは最低３０ボルトの定格電圧と最低６Ｆのキャパシタンスを持つ。【００１６】  本発明で記述する“エネルギー交換”を使うＦＴＣのリフレッシュは米国特許７，１３８，０４２、“Ａｌｔｅｒｎａｔｉｖｅ−Ｐｏｌａｒｉｔｙ  Ｏｐｅｒａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｃｏｍｐｌｅｔｅ  Ｒｅｇｅｎｅｒａｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ  Ｓｙｓｔｅｍ”（Ｔｒａｎその他）に類似して���るようにみえる。両特許とも極変換が使われているが、稼動方法が以下の点で異なっている。本発明ではＦＴＣ内の残存エネルギーを急速にスーパーキャパシターに貯蔵することでリフレッシュが始まる。そしてＦＴＣとスーパーキャパシターは並列につながっており、ＦＴＣの端子を繰り返し極性反転させることでエネルギー交換を行いＦＴＣ内の残存エネルギーを出来るだけ回収する。ＦＴＣのリフレッシュが完了するのは１０分以内である。特許“０４２”における“バッテリーセル”の電気回生の第一段階では３０分間すべてのセルをショートさせる。そしてショート時と同じ強さの逆の電圧を今度は３０秒かける。特許“０４２”ではエネルギーの回収は無く、リフレッシュ時間も長い。それ以外にも相違点が多々ある。本発明の方が特許“０４２”より処理濃度と処理能力が高いことを次に例で示す。【００１７】  例１として図２のように二枚の先端電極、２０枚の二極式電極を使うＦＴＣシステムで、それぞれの二極式電極は直径５４ミリメートルあり、水道水から硬度を除去する。つまりＭｇ２＋  ａｎｄ  Ｃａ２＋除去する。二枚の先端電極はステンレススチール製で同じ直径を持つが活性炭素をコーティングしてある。先端電極は、直径２ミリメートルの金属棒が溶接されていてＦＴＣを固定し電源と端子を接続する役目をする。二極性電極は、伝導率が０．０００１Ｓ／ｃｍの活性炭素繊維製の市販のカーボン布で作る。電極に付随するスペーサーは１ミリメートルの電極ギャップをつくる。ＦＴＣシステムはスクリュー式キャップで孔の開いた電極をプラスチックの筐体に密閉し、上下のキャップからは水が流出入する口を設け、ＦＴＣ用の接続端子が外部に出ている。  ＦＴＣ内部で二極電極が固定したまま動かないように金属棒をしっかりと筐体内に収まるよう仕組みを工夫する。電極の配置がずれると電界に影響が生じ処理水も迂回してしまう。【００１８】  ＴＤＳ汚染度１６０ｐｐｍの水道水１５０ｍｌを上記のＦＴＣに毎分５０ｍｌの速度で通す。水が第一の先端電極に触れると３５ボルトの直流電圧がＦＴＣ電極の２つの端子を通じて流れ、硬度（イオン）を表面吸収する。脱イオン処理中、稼動電流は０．５アンペアで電圧はそのままである。水がＦＴＣ内を通過するのに３分かかり、処理後の水のＴＤＳは８０ｐｐｍである。この実験で本発明の技術が次の３点で立証された。
１．水がほかに漏れず１００％の効率でＦＴＣモジュール内の電極を通過した。
２．中間電極２０セットはセル間を均等に共有された電圧で直列つなぎの回路として機能した。もし中間電極が直列接続で無ければ、動作電圧３５ボルト直流はＦＴＣを流れる水を電気分解し熱湯にするだろう。ＴＤＳが著しく減ったことは水の加水分解が起きていないことと、水温が以前と変化が無く抵抗発熱も無かったことを示す。
３．電源に直接接続しない二極電極方式は表面吸収による水のＴＤＳ削減目的のＣＤＩ技術に応用できる。【００１９】  例として図１のＦＴＣモジュール単体を５台直列につなぎ海水の淡水化を行う。水の通過のため構造上は直列につないであるが、電気的には並列に接続し３５ボルト直流を流す。濾過後（前処理）のＴＤＳ汚染率が３５，０００ｐｐｍである海水を用いて毎分５０ｍｌの速度で５台のＦＴＣセットを通す。充電期間の稼動電流は３アンペアで、水のＴＤＳは一回の処理で２，５００ｐｐｍ減らすことが出来た。３つのスーパーキャパシター（それぞれ３０ボルト、２０Ｆ）を使ったモジュールを直列でつなぎ９０ボルトｘ６．７Ｆのパックを構成しＦＴＣのリフレッシュ用エネルギー貯蔵装置とする。小さい寸法のＦＴＣモジュールは少量のイオンのみが吸収されるので、スーパーキャパシターパックの電圧で５台のＦＴＣモジュールの残存エネルギーの電圧に対応できる。表１が“エネルギー交換”の効果を５台ＦＴＣモジュールのリフレッシュ結果で示した。
【表１】
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表１でわかるとおり“エネルギー交換”法はＦＴＣリフレッシュに対するシナジー効果をもたらした。ＦＴＣは水のみの洗浄時よりより早くより少ない貴重な水の使用でリフレッシュが出来た。ＦＴＣリフレッシュの新しい方法は薬品も使わずエネルギーも余計に使っていない。ところが特許“０４２”では２時間から４時間もかかり１４リットルのＮａＣｌ水溶液を８００ｐｐｍから３００ｐｐｍに下げるのに、セル当たり２００平方センチメートルの吸収表面積を持つセルを１５０使った“バッテリー”を使用とある。言い換えると４時間で３０，０００平方センチの表面積を使い７，０００ミリグラム（１４ｘ５００）の塩を除去したことになる。この特許の率は毎分０．０００９７ミリグラム／平方センチで、本発明は２０分で、２，０００平方センチで２，５００ミリグラムの塩除去であるから毎分０．０６２ミリグラム／平方センチである。【００２０】水処理技術の採択基準はエネルギー消費率と環境への配慮の２点である。すでに市場に出ている方法と比較してＣＤＩ技術はエネルギー効率の高さ（エネルギーの直接回収）、水回収率の高さ、薬品未使用のためメリットは大きい。ＣＤＩ技術が実際の水処理の方法として一般化するために次のパラメーターを最適化する。
１．ＦＴＣ電極の利用効率
２．ＦＴＣ電極のリフレッシュ
二極式電極を準備することで本発明はＦＴＣ電極の１００％使用効率を達成するだけでなくＦＴＣモジュールの作成コストも削減できる。２つのキャパシターの“エネルギー交換”つまりＦＴＣモジュールとスーパーキャパシターを使い、活性炭素リフレッシュの革新的使用がポイントであるが、飽和ＦＴＣ電極は最低の量の洗浄水の使用で急速リフレッシュができる。高い表面積を持つイオン吸収物質、高い伝導率、高いメソフェーズ（２ナノメートルから５０ナノ）がＦＴＣ電極製造に必要だが、電極の塩除去率は例２の値より改善が出来る。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】２本の端子で接続される両端電極、複数の中間電極、スペーサーを含むＦＴＣユニットの構成。
【図２】ポリマー材でしっかり淵をモールドされ、表面をポリマー材でストライプ模様を施されたＦＴＣ電極。
【図３】防水筐体に入った二つの直列につながれたＦＴＣユニット。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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