(57)【要約】  粒状形状で、第１表面及び第２表面によって定義される積層に配置される伝導性材料を備える脱イオン化装置に使用する電極。電極は、第１表面に対して配置される基板と、第２表面に対して配置され、粒状伝導性材料によるイオンの吸収を許容するために、流体が第１部材を通って粒状伝導性材料と接触することを許容するように形成される第１部材とを備える。
2010505601.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱イオン化装置に使用する電極において、
粒状形状であり、第１表面及び第２表面によって定義される積層に配置される伝導性材料と、第１表面に対して配置される基板と、第２表面に対して配置され、流体が第１部材を通って粒状伝導性材料と接触して処理されることを許容するように形成される第１部材と、を備えることを特徴とする電極。
【請求項２】
粒状伝導性材料は、重合性単量体と、架橋体と、触媒と、重合形状で、複数の粒子へと処理されるそれらの反応生成物と、を備えることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項３】
重合性単量体は、ジヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシナフタレン、フルフラールアルコール、及びそれらの混合物からなるグループから少なくとも１つの材料を備えることを特徴とする請求項２に記載の電極。
【請求項４】
基板は、伝導性材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項５】
基板は、電気伝導性板を備えることを特徴とする請求項４に記載の電極。
【請求項６】
基板は、黒鉛、電気伝導性鋼、伝導性重合体、及び電気伝導性非鉄金属からなるグループから選択される材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項７】
粒状伝導性材料は、基板及び第１部材の間で圧縮されることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項８】
粒状伝導性材料は、約０．１ミリオームから約１０オームの間にあるバルク抵抗を有することを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項９】
粒状伝導性材料の積層の幅は、基板及び第１部材の両方の幅より大きいことを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
粒状伝導性材料は、約４０ミクロン及び１２０ミクロンの間の粒子サイズを有することを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１１】
粒状伝導性材料は、ＢＥＴで約１０Ａから約１００Ａ、または、水銀針入度計で．０１００μｍから３０００μｍの範囲にある細孔直径、及び、約１００から約１２００ｍ２／ｇ（ＢＥＴ）の間の表面積を備えることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１２】
第１部材は、多孔質材料から形成される構造を備え、流体が多孔質材料を通って粒状伝導性材料に接触することを許容することを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１３】
多孔質材料の細孔サイズは、粒状伝導性材料が流通することを防止するように、粒状伝導性材料の平均粒子サイズより小さいことを特徴とする請求項１２に記載の電極。
【請求項１４】
第１部材は、その第１部材に形成される複数の貫通開口を有する構造を備え、流体がその開口を通って粒状伝導性材料に接触することを許容することを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１５】
第１部材の構造は、グリット構造を有することを特徴とする請求項１４に記載の電極。
【請求項１６】
第１部材は、非伝導性材料から形成されることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１７】
流体を脱イオン化するシステムにおいて、
処理タンクと、互いに対向する隣接電極の基板に少なくとも数個の電極が配置され、互いに間隔を空けて対向する第１部材に少なくとも数個の電極が配置され、その間に脱イオン化される流体を受け入れる第１空間を定義するように、処理タンクの内部に配置される複数の請求項１に記載の電極と、を備えることを特徴とするシステム。
【請求項１８】
粒状伝動材料は、システムの動作モードで圧縮下に配置される遊離粒子の形態であることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
各電極は、流体を第１空間に移送する第１入口導管と、流体を第１空間から排出する第１出口導管と、粒状伝導性材料を基板と第１部材との間の場所に移送する第２入口導管と、粒状伝導性材料を除去する第２出口導管と、を備えることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２０】
粒状伝導性材料は、動作モード時に圧縮下に配置され、一方、基板及び第１部材は、タンクの内部で、間隔を空けて直立した状態のままであり、圧縮は、粒状伝導性材料が粘性を有して第２出口導管を流れることを許容するように、再生モードでは解除されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
陽極及び陰極を有する電源をさらに備え、第１空間に亘って電位差を生じさせるように、相互電極の基板は、電源の反対極に電気的に接続されることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２２】
第２空間は、互いに対向する少なくとも数個の基板の間に配置され、
膨張部材は、基板に圧力を選択的に与えるために第２空間内に配置され、膨張部材が膨張されるときに、粒状伝導性材料の各積層を圧縮下に配置させることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２３】
膨張部材は、基板の十分な長さに沿って延出する膨張空気袋の形態であり、
膨張時に、空気袋は、２つの離間した基板に力を掛け、そして、電極の粒状伝導性材料の圧縮が起こることを特徴とする請求項２２に記載のシステム。
【請求項２４】
タンクの内部に定義される第１空間に処理流を選択的に移送し、処理流をその脱イオン化の後に選択的に排出する第１流体回路と、基板及び各電極の第１部材の間の場所に粒状伝導性材料を選択的に移送し、正及び負に帯電した粒状伝導性材料をその再生のために、流体処理タンクから選択的に除去する第２流体回路と、をさらに備えることを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２５】
第２流体回路は、正及び負に帯電した粒状伝導性材料に付着した帯電イオンの除去により、粒状伝導性材料の再生を許容するように、所定の条件に維持される再生タンクを備えることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２６】
再生タンクに選択的に移送するように再生タンクに流体的に接続される酸源と、再生タンクに選択的に移送するために再生タンクに流体的に接続される塩基源（任意の化学イオン強度変更子）と、再生タンク内の材料のｐＨを測定するためのｐＨセンサ、及び、再生タンク内の温度を制御するためのヒータと、酸及び塩基源、ｐＨセンサ、及びヒータと通信し、再生タンク内の状態を制御し、所定の動作範囲に維持することを許容するための主制御部と、をさらに備えることを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
粒状伝導性材料を、第２流体回路に沿って、処理タンクから、再生タンクに、そして、元の処理タンクへと移動させる手段をさらに備えることを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項２８】
手段は、一方の場所から他方の場所への粒状伝導性材料の制御された移動を起こすために、第２流体回路内に圧力差を生じさせることにより動作することを特徴とする請求項２７に記載のシステム。
【請求項２９】
粒状伝導性材料は、手段の動作により第２流体回路に沿って移動するスラリーの一部であることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
【請求項３０】
手段は、第２流体回路内に正圧力を生じさせる第１装置と、第２流体回路内に負圧力を生じさせる吸引装置と、を備えることを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
第１流体回路は、脱イオン化される処理流を貯留する第１容器と、廃水を受け入れる第２容器と、脱イオン化した水を受け入れる第３容器と、を備え、各第１、第２、及び第３容器は、処理タンクに流体的に接続され、処理流の流れと、廃水及び処理タンクからの脱イオン化された水の流れとを選択的に制御するための相対弁部材を有することを特徴とする請求項２４に記載のシステム。
【請求項３２】
電極を形成する行程において、
第１部材及び第２部材を供給するステップと、粒状伝導性材料を形成するステップと、第１及び第２部材の間に遊離粒子形状の粒状伝導性材料を配置し、収容するステップと、を備え、
第２部材は流体が第２部材を通って粒状伝導性材料と接触することを許容するように構成されることを特徴とする行程。
【請求項３３】
第１部材は伝導性板を備え、第２部材は多孔質材料及び有孔構造の積層の１つであることを特徴とする請求項３２の行程。
【請求項３４】
粒状伝導性材料を形成するステップが、第１溶液を形成するために第１架橋体に少なくとも１つの重合性単量体を溶解させるステップと、第１溶液が部分反応前駆重合体を形成するまで、第１溶液を十分な時間及び十分な温度で維持するステップと、混合第２溶液を形成するために部分反応溶液を第２架橋体と混合し、混合第２溶液が第１固体ブランクに重合するまで、混合第２溶液を十分な時間及び十分な温度で維持するステップと、第１固体ブランクが電気伝導性部材に炭化するように、第１固体ブランクを十分な温度及び十分な時間で焼成するステップと、第１ブロックが冷えた後、炭化ブランクを粒状炭素材料に粉砕するように、第２固体ブランクを処理するステップと、を備えることを特徴とする請求項３２に記載の行程。
【請求項３５】
重合性単量体は、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシナフタレン、フルフラールアルコール、及びそれらの混合物からなるグループから選択されることを特徴とする請求項３４に記載の行程。
【請求項３６】
第１架橋体及び第２架橋体は、ホルムアルデヒドであることを特徴とする請求項３４に記載の行程。
【請求項３７】
第１固体ブランクを処理するステップが、炭化ブランクを粒状炭素材料に粉砕するステップを備えることを特徴とする請求項３４に記載の行程。
【請求項３８】
粒状伝導性材料を第１及び第２部材の間で圧縮するステップをさらに備えることを特徴とする請求項３２に記載の行程。
【請求項３９】
粒状伝導性材料を圧縮するステップが、隣接電極の第１部材間に第２空間を形成するステップと、第１部材に沿って第１空間内に膨張部材を挿入するステップと、粒状伝導性材料の圧縮を起こす膨張部材を膨張させるステップと、を備えることを特徴とする請求項３８に記載の行程。
【請求項４０】
流体を脱イオン化の方法において、
流体処理構造内に複数の請求項１に記載の第１及び第２電極を配置するステップと、第１電極を正に帯電させ、第２電極を負に帯電させるステップと、流体を隣接する第１及び第２電極の第１部材間の空間に流し、流体が第１部材を通って第１及び第２電極に配置された粒状伝導性材料と接触することを生じさせるステップとを備えることを特徴とする方法。
【請求項４１】
各電極が粒状形状で積層に配置される伝導性材料から形成され、基板が積層に配置され、第１部材が積層に配置され、流体が第１部材を通って粒状伝導性材料と接触することを許容するために形成され、反対に帯電した電極を再生する方法において、
負に帯電した粒状伝導性材料及び流体を有する第１スラリーを形成し、その第１スラリーを第１容器に配置するステップと、負に帯電した粒状伝導性材料からの陽イオンの除去を起こすために第１スラリーを処理するステップと、陽イオン除去の後に第１スラリーを排出するステップと、正に帯電した粒状伝導性材料及び流体を有する第２スラリーを形成し、その第２スラリーを第１容器に配置するステップと、複合スラリーを形成するために第２スラリーを第１スラリーに通して排出するステップと、処理水を複合スラリーに添加するステップと、混合スラリーを形成するために複合スラリーを所定時間加熱し、混合するステップと、全ての流体の混合スラリーを排出するステップと、処理水を混合スラリーに添加するステップと、混合スラリーを所定時間加熱し、混合するステップと、全ての水の混合スラリーを排出し、その混合スラリーを電極への戻りを待つ圧力容器に送るステップと、を備えることを特徴とする方法。
【請求項４２】
所定の範囲のｐＨを有する第１溶液を形成するために酸を第１スラリーに添加するステップと、酸が反応した後、第２スラリーを第１スラリーに添加する前に、第１溶液を排出するステップと、をさらに備えることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
酸は塩酸を含み、第１スラリーのｐＨは、約１０から４５分の間、２．３から３．８の間で維持されることを特徴とする請求項４２に記載の方法。
【請求項４４】
混合スラリーの温度は、約１から８時間の間、大気及び摂氏１００度の間に維持されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４５】
第１及び第２スラリーは、加熱後に排出されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４６】
処理水は、第１及び第２混合物に添加され、加熱され、約１から約８時間の間混合され、混合された第１及び第２スラリーは、加熱後に排出されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４７】
有機物を含む流体の脱イオン化の方法において、
流体処理装置に複数の請求項１に記載の第１及び第２電極を配置するステップと、第１電極を正に帯電させ、第２電極を負に帯電させるステップと、流体を隣接する第１及び第２電極の第１部材間の空間内に流し、流体が第１部材を通って第１及び第２電極に配置された粒状伝導性材料と接触し、有機物の脱イオン化及び除去を起こすステップと、を備えることを特徴とする方法。
【請求項４８】
有機物は、電気を帯びたタンパク質、生重合体、及び有機分子からなるグループから選択されることを特徴とする請求項４７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般的に、水、流体、及び、その他の水性処理流からイオンを除去し、保持し、酸化し、及び汚染物質や不純物を除去し、再生動作中に除去されたイオンを元の溶液に配置する電気化学分離電極に関する。本発明は、さらに、電極を製造する方法、及び、電極を使用する流体処理システム（例えば、脱イオン化システム）に関する。
【背景技術】
【０００２】
流出水等からイオン及び不純物を分離するための多数の異なるシステムがある。例えば、従来の方法は、蒸留、イオン交換、逆浸透、電気透析、電着、及び濾過を含むが、これらに限定されない。長年に亘り、流出水等の脱イオン化、それに続く再生を行うための多数の装置が提案されている。
【０００３】
流出水の脱イオン化及び精製のための１つの提案された装置が開示されている（例えば、特許文献１参照）。分離装置は、容量性脱イオン化（capacitive deionization = CDI）と称される行程を使用している。従来と対照的に、この技術は、脱イオン化行程において化学物質を必要とせず、むしろ、このシステムは電気を使用する。種々の陰イオンと陽イオン、電気双極子、及び／又は帯電懸濁粒子を含み、処理される電解液流は、脱イオン化（精製）サイクルにおいて、多数の電気化学容量性脱イオン化セルを流通する。セル内の電極は、反対電荷の粒子又はイオンを引き付け、これにより、溶液からそれらを除去する。
【０００４】
したがって、システムは、流入水及び流出水の脱イオン化及び精製を行うために構成されている。例えば、一の種類のシステムは、２つの異なる種類の非犠牲電極から形成される複数の脱イオン化セルを有するタンクを備えている。一の種類の電極は、特別設計の不活性炭素マトリクス（inert carbon matrix = ICM）から形成されている。この電極は、電流が供給されると、水溶液からイオンを除去し、保持する。伝導性材料から形成される他の種類の電極は、電流が供給されてもイオンを除去せず、又は、わずかなイオンを除去し、したがって、非吸収性（非ＩＣＭ電極）と分類される。この特性は、炭素布、黒鉛、チタン、白金、及び他の伝導性材料から形成される電極に共通している。非ＩＣＭ炭素電極は、互いに電気的に絶縁された一対の伝導性表面を有する二重電極として形成される。
【０００５】
したがって、一の実施例によれば、装置は、反対電荷対で共に脱イオン化セルを形成するそれぞれ平板状の多数の伝導性、非犠牲電極を備えている。動作中に、一対の隣接電極間に電位差が確立される。これは、その間に電位差を生じさせるように、電源の一方のリード線を電極の一方に接続し、他のリード線を一方の電極に隣接する他方の電極に接続することにより達成される。
【０００６】
安定して丈夫なＩＣＭ電極を構成するため、高度な表面積吸収材料を強化するための補強体が使用可能である。一般に、補強体は、炭素フェルト、粒状炭素、又は炭素繊維のような炭素源の形態であるが、炭素／セルロース、又は炭素シリカ混合物の形態にもなり得る。炭素源は、電極の形成において補強体として使用されるが、異なる形になることも可能であり、炭素補強材は、電気伝導性であり、電極の電気伝導性を減少させないことが重要である。炭素源は、電極が必要な伝導性特性を有することを許容するために選択され、ＩＣＭ電極を形成する他の材料、すなわち、レゾルシノールホルムアルデヒド溶液にもまた十分に分散されなければならず、そしてレゾルシノールホルムアルデヒド溶液は固化し、あるいは、マトリクス中の溶液と同様の量を吸収し、そして固化できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許第６，３０９，５３２号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
繊維補強体を含む従来の電極の非均質性は、その吸収性及び電気特性に影響を及ぼす。より具体的には、炭素補強体としての炭素繊維を使用することは、イオンのためのわずかな付着部位を提供し、電極は、また、陽イオン及び陰イオンの除去において、バランスが低下する傾向がある。したがって、従来の繊維補強体を使用することなく、丈夫で向上した補強特性を有する均質な電極を生産することが望まれている。
【０００９】
一の態様によれば、本発明は、一般的に、処理水及び廃水のような流出水及び流入水の脱イオン化及び精製のためのシステム又は装置、特に、非犠牲電極及びその製造方法を提供することを目的とする。本発明の電極は、炭素繊維を主材料とする補強体を必要としない。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本出願は、参照することにより全てがここに組み込まれる２００６年９月２９日に出願された米国仮出願第６０／８２７，５４５号を基礎とする優先権を主張する。
【００１１】
一の実施例によれば、電極の製造行程は、（１）第１架橋体（架橋剤）に溶解される少なくとも１つのした重合性単量体を含む溶液を製造するステップと、（２）溶液が固体に重合するまで、十分な時間及び十分な温度で溶液を維持するステップと、（３）固体が電気伝導性基板に炭化するまで、十分な時間及び十分な温度で固体を炭化させるステップとを有する。
【００１２】
一の実施例によれば、電極は、（１）ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリドロキシベンゼン、トリドロキシナフタレン、フルフラールアルコール、及び、それらの混合物からなるグループから選択される少なくとも一つの材料を架橋体に溶解して溶液を生成し、（２）溶液が固体（ブランク）に重合するまで、十分な時間及び十分な温度で溶液を維持し、（３）ブランクが電気伝導性部材に炭化するまで、十分な時間及び十分な温度でブランクを焼成し、（４）ブランクが冷えた後、炭化したブランクが粒状伝導性炭素材料に粉砕されるようにブランクを処理することにより形成される。
【００１３】
本粒状伝導性炭素材料の電極を製造する一の特定の例示行程は、（１）架橋体（例えば、ホルムアルデヒド（３７％ホルマリン溶液））により、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリドロキシベンゼン、トリドロキシナフタレン、及び、それらの混合物をからなるグループから選択される少なくとも一つの材料を溶解して溶液を生成するステップ（事前反応）と、（２）溶液が第１固体（ブロック）に重合するまで、十分な時間及び十分な温度で、生じた事前反応の溶液を第２架橋体（３７％ホルマリン溶液）と混合するステップと、（３）第１ブロックが電気伝導性部材に炭化するまで、第１ブロックを十分な時間及び十分な温度で焼成するステップと、（４）第１ブロックが冷えた後、炭化した第１ブロックが粒状伝導性炭素材料に粉砕されるように第１ブロックを処理するステップとを備えている。
【００１４】
粒状伝導性材料は、形成されると、通常個別部品又は積層を有する構造という形態をとる電極構造に配置される。特に、粒状伝導性材料は、基板（例えば、伝導性板）と、流体が流れて粒状伝導性材料と接触し、流体を処理（脱イオン化）させることを許容する部材との間に配置されて、保持される。一の実施例では、流体が流れて粒状伝導性材料と接触することを許容する部材は、流体が流れて粒状伝導性材料と接触することを許容するために、多孔質材構造、又は、そこに形成されるグリッド構造のような開口を有する構造の形態である。上記構造の組み合わせは、プロセス流を処理（例えば、水の脱イオン化）するための流体処理タンク等に、他の電極と一緒に配置される電極（セル）を形成する。
【００１５】
隣接電極間に電位差を確立し、プロセス流が多孔質又は有孔部材中を流れ、粒状伝導性材料と接触できるように、プロセス流が隣接電極間を流れるために、電源が供給され、相互電極の相互基板が電源の両極に接続される。
【００１６】
粒状伝導性材料を再生するためのシステム及び過程は、従来と対照的に、一の電極に対応する粘性のある流通正帯電粒状伝導性材料は、電極構造から除去され、そして、他の電極に対応する粘性のある流通負帯電粒状伝導性材料と混合される。ここで説明したように、付着したイオンの除去後、そして、再生された粒状伝導性材料は、再生ループによって各電極構造に移送される。
【００１７】
本発明の他の特徴及び利点は、以下の図面と併せて読むことにより、以下の詳細な説明をから明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明の上記及び他の特徴は、以下の本発明の実施の形態の詳細な説明及び図面からさらに明らかになる。
【図１】図１は、流体処理ループ及び再生ループを有する脱イオン化システム等の流体処理システムの概略図である。
【図２】図２は、複数の電極が配置された流体処理タンクの断面図である。
【図３】図３は、流体処理タンクに使用される電極の側面図である。
【図４】図４は、電極間に生じる流体の流れとともに示す一対の電極の側面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
上述したように、本発明は、電極、及び、この電極を採用した流体（水）脱イオン化システムを提供することを目的とする。本発明の電極は、水脱イオン化のための従来の電極に比べ、優れた吸収特性を有している。おそらく重要なこととして、製造工程が簡単で、ある実施例では、容易に入手可能な出発物質を採用している。したがって、本発明は、産業用、商業用、及び住居用の汚染除去用途のための費用対効果のある水脱イオン化装置の開発を大いに促進する。
【００２０】
本発明は、ここで、水脱イオン化システム、及び、それに使用する電極として説明されているが、本発明は、この特殊な用途に限定されるものではなく、水溶液以外の流体の処理のために使用されることも可能であることは当然である。
【００２１】
［非犠牲電極］
本発明は、一般に、水、流体、及び、他の水性又は極性液体処理流から、帯電粒子、イオン、汚染物質、及び不純物を除去する電気化学分離電極１００（図２及び図３）と、それに適した応用に関する。例えば、一実施例によれば、本電極１００は、直立して平行に配置される多数の電極１００を有する脱イオン化システムでの使用に特に適している。以下に説明するように、システムは、単一種類の電極、又は、システム内に交互配列で配置された一種類以上の電極からなる装置を備えることができる。例えば、一の脱イオン化案によれば、隣接した電極が反対に帯電した粒子を引き付けるために反対に帯電されるように、単一種類の電極が使用され、また、配置される。図示したシステムは、本電極の一の使用を示すに過ぎず、他の脱イオン化の応用、及び、他の種類の応用を含む電極の多数の他の使用があることは、明らかであり、当然である。
【００２２】
電極１００は、流体が、反対に帯電されたイオン、粒子等を引き付けるための帯電表面積を利用できるように、フロースルー、フローバイ、又はバッチシステム構造に使用できる。電極１００の周囲の周りに構造上の支持体を設けるために、電極２０の周りにフレームを配置することも可能である。
【００２３】
システムは、多数の異なる方法によって構成でき、電極は、装置内に、任意数の異なる配列で配置できる。例えば、参照することにより全てが組み込まれる米国特許第５，９２５，２３０号、第５，９７７，０１５号、第６，０４５，６８５号、第６，０９０，２５９号、及び第６，０９６，１７９号には、それらに含まれる電極の適切な配列が開示されている。上述したように、一実施例では、システムは、それぞれが脱イオン化セルを共に形成する配列部材の構成の形態である多数の伝導性、非犠牲電極を有している。動作中、一対の隣接電極間に電位差が確率される。これは、その間に電位差を生じさせるように、電源の一方のリード線を電極の一方に接続し、他のリード線を一方の電極に隣接する他方の電極に接続することにより達成される。これは、隣接電極が反対に帯電された結果である。しかしながら、上述した電極の実施例は、当然に単なる例示であり、本発明は、異なる部材、又は、互いに配置される材料からなる電極以外の多数の設計を持つように製造されることも可能であるので、本発明を限定するものではないことは明らかである。
【００２４】
本発明の一の態様によれば、重合事前形成体が最初に形成され、そして、最終電極に使用される伝導性炭素材料を形成するために、炭化されて処理される。本電極は、典型的には、炭素フェルト、カーボン紙、炭素繊維、又は、炭素／セルロース混合物のような炭素源の形態である繊維補強体の使用を必要としないように形成される。
【００２５】
以下により詳細に説明するように、伝導性炭素材料を準備するために使用される重合事前形成体は、一般的に、重合性単量体、架橋体、任意の触媒又は活性剤、及び、水、アルコール等のような不活性成分を有する多数の成分から形成される重合体溶液から形成される。
【００２６】
［重合体溶液］
したがって、重合体溶液は、溶液に重合性単量体を留まらせるように、重合性単量体と、重合性単量体を溶解可能な架橋体とを有する混合物とされる。重合体溶液は、水、アルコール等のような不活性成分を有することもできる。重合体溶液は、重合行程を誘発又は促進する重合触媒又は活性剤を添加にも対応できる。
【００２７】
［重合性単量体］
重合性単量体は、（ｉ）重合体を形成するために他の重合体と架橋できるべきであり、重合体は、（ｉｉ）伝導性材料を形成されるために炭化可能である。一実施例では、好ましい重合剤は、ポリヒドロキシアリール基、特に、ジヒドロキシル及びトリヒドロキシルベンゼン、並びにナフタレンの種類である。本発明に使用される特定のジヒドロキシベンゼンは、レゾルシノールである。特定の実施例では、単量体は、フェノール、フルフラールアルコール、ジヒドロキシベンゼン、ジヒドロキシナフタレン、トリヒドロキシベンゼン、トリヒドロキシナフタレン、及び、それらの混合物からなるグループから選択される。
【００２８】
レゾルシノールは多くの異なる等級があり、ペレット、フレーク、及び他の都合の良い形で、多くの供給者から取得できる。例えば、ヘキストセラニーズ社から市販されて入手できる有機化学製剤として適した形のレゾルシノールは、本電極を製造するために使用できる。
【００２９】
上記のように、１つの好ましい材料は、塩基で触媒されるレゾルシノールである。結果物である重合体は炭化でき、高伝導性材料とならなければならない。したがって、材料が形状を保持するならば、炭化工程の任意の間に、液相を形成することに対抗して炭化物を形成しなければならない。結果として、椰子殻のようなある種の天然材料で入手できるリング構造は、利用できる伝導性炭素を形成できるセルロース構造での基本構造を有するとされる。
【００３０】
［架橋体］
重合体液の溶剤は、典型的には、重合体液を形成するために重合剤を溶解できるバイリアクティブ分子、又は架橋剤の形式である。１つの特に好ましい溶剤はホルマリンである。しかしながら、グルテルアルデヒド、又は、パラホルムアルデヒド、メタナミン、ヘキサメチレンテトラミンのようなホルムアルデヒドの固体源を含む他の架橋体が使用できる。ホルムアルデヒドは様々な供給者から入手でき、また、異なる等級と形状として提供される。例えば、一実施例によれば、ホルムアルデヒドは、ホルマリンの形態も可能で、これは、染料、樹脂および生体保存に適し、ジョージア−パシフィック  レジン、スペクトリュウム  ケミカル社から入手できる。
【００３１】
［触媒］
触媒は重合速度を調整し、炭化構造に明らかなある物理的特性を重合体に与える。触媒の種類を変えることにより、最終製品の多孔率と強度を変更できる。架橋を開始または促進することに役立つ限り、任意数の触媒を使用できる。例えば、レゾルシノールホルムアルデヒドタイプの重合体では、アルカリ性触媒または塩基触媒を使用でき、特に、炭酸ナトリウム、水酸化ナトリウム、水酸化カリウム、又は他の塩基触媒は、本発明の使用に適する。メチロール化合物が使用される時、塩基触媒は、そのような反応を開始できる。また、混合物内に最少しか汚染物質を入れないことになる触媒を使用することが望ましい。
【００３２】
［事前に準備される溶液］
粒状材料を形成するブランクの好ましい出発原料は、混合レゾルシノール／ホルムアルデヒド溶液を含むが、これらの反応物を混合するための別の選択肢がある。市販にて入手できる製品、及び、レゾルシノールとホルムアルデヒドの反応混合物は、レゾール及びノボラックの一般的カタログにより入手できる。これらの製品の各々は、結果として固体となるであろうモル比で反応しないレゾルシノール、ホルムアルデヒド、及び触媒の混合物である。これらの選択肢によって、触媒、ホルムアルデヒド、及びレゾルシノールの所要のモル比や粘性率に適合した特注生産の混合物が提供可能である。
【００３３】
［粒状伝導性炭素材料］
以下で詳細に説明し、ここで使用するように、用語「粒状伝導性炭素材料」又は「粒状伝導性材料」は、基礎炭化ブランク材料になることができ、または、別の炭素を主原料とする粒子伝導性材料となることができる粒子材料と称する。好ましい粒状伝導性炭素材料は、電界内で損なわれず、水に溶解せず、帯電したときに、溶液からイオンを除去できる材料である。
【００３４】
一実施例では、粒状伝導性炭素材料は、炭化吸収材料を最初に生成することで形成され、そして、炭化吸収材料を処理し、より小さい粒子に破壊することにより形成されるが、他の実施例では、水を脱イオン化するのに必要な特別な特性を有する粒状伝導性炭素材料が、市販にて購入でき、使用できることは明らかである。結果として、ある種の活性炭素や平坦なガラス状炭素構造は、ある種の応用において満足な結果を生じることができる。また、椰子殻、又は、炭化され、粉末又は粒状形状に粉砕される石炭を主原料とする活性炭素のような電気伝導性炭化物を形成する他の材料が粒状伝導性材料としてある応用に使用可能なことは当然である。
【００３５】
［電極の形成工程］
一の実施例によれば、電極を製造する目的は、電流が供給される時に液体からイオンを除去するために構成される脱イオン装置で、吸収電極構造として機能する粒状電気伝導性で、均質な多孔質炭素構造体を提供することである。
【００３６】
電極を形成する製造工程は、一般的に溶液（ブランク材料）を重合するステップと、重合されたブランク材料を粒状伝導性炭素材料に炭化するステップと、粒状伝導性炭素材料を電極組立品に組み付けるステップを備える。
【００３７】
［ブランクの重合］
一例の製造工程によれば、重合性単量体及び架橋体は、プレ・ブランク部分反応を形成して使用され、混合される重合体溶液を形成するために、適切な量で測定される。最初の重合反応が終了した後で、プレ・ブランク重合体は、所要の物理的特性を持つブランクを形成するために追加の架橋体と混合される。全ての混合物は、均一になるまで撹拌される。反応を加速するために、重合開始剤（触媒）を追加可能であるが、開始剤を使用しなくても重合工程を促進でき、この場合、経過時間の結果として重合が起こる。重合体溶液は、好ましくは制御された温度に保持されるモールド（例えば、トップ開放成形モールド）内に分配される。モールド温度は、所要の温度にモールドを維持できる加熱要素の使用、又は、浴等の使用を含む任意数の従来技術を使用して所要の温度に維持可能である。形成された固体を十分な時間設置した後、硬化された固体はモールドから除去され、炭化される。
【００３８】
そして、ブランク材料を形成する工程は、架橋体と重合性単量体の約０．４から０．６：１．０のモル比で重合体溶液を形成することで始まる。例えば、レゾルシノール固体の７５００ｇバッチが、ホルマリン溶液（１１％のメタノールを持つ３７％ホルムアルデヒド）の２７６５ｇに添加される。最初の反応が終了して冷却された後、最終架橋体容量は、架橋体と重合性単量体の約１．２から１．８：１の最終モル比を生じる混合物に添加される。例えば、ホルマリン溶液（１１％のメタノールを持つ３７％ホルムアルデヒド）の追加の４９７５ｇは、この特定例での混合物に添加される。
【００３９】
上記に列挙した量は、当然に単なる例に過ぎず、これらの量は、ブランクを形成するために使用される初期混合物を異なる全体量とするために、線形に増減できることは明らかである。
【００４０】
重合性単量体が架橋体に溶解する率は、２つの材料間のモル比を含む多数の因子に依存する。合成物を混合又は撹拌することで工程を助成でき、逆に、温度を上げることで工程を加速できる。一般に知られているように、一方の材料を他方の材料に溶解する時に、時間は、温度に置き換えられることが可能で、それ故、重合性単量体を架橋体で溶解するために使用されうる温度及び時間の多数の異なる範囲がある。
【００４１】
それから、重合工程を促進できる適切な条件に重合体溶液を置くことにより、重合体溶液は重合できる。また、重合体の重合を容易にするために触媒を使用できる。重合時間、触媒、温度は制御され、好ましくは、温度は約２１．１℃（７０°Ｆ）及び約５１．７℃（１２５°Ｆ）の間に保持される。前記のことを考慮すると、ブランクを作る最適方法は、固体の均一な構造を生産するための重合中の温度を制御することである。
【００４２】
［モールド］
ブランクを形成するために使用されるモールドは、多数の異なる構成を有することができ、多数の異なる材料で形成できる。例えば、形成モールドは、正方形の形状である３００シリーズのステンレスのようなステンレス鋼形成パンであることも可能である。しかしながら、モールドは、特に、重合体溶液と全く結合特性を持たないアルミニウム及びプラスチックのような他の材料で形成可能であることも当然である。モールドを製造するために適する一の種類のプラスチックはポリエチレンであるが、モールドを形成するために他のプラスチックを使用できる。
【００４３】
モールドは、好ましくは、重合体溶液を受け入れるために準備される。より具体的には、モールドが加工品に固着してしまう組織を持つ場合、モールド中に連続して形成される固体の除去を容易にするために、モールド剥離剤が使用される。モールド剥離剤の一例は、カルナウバろうであり、重合体溶液が加えられる前にモールド表面上に広げられる。モールドに使用することができる他のモールド剥離剤があるは当然である。モールド剥離剤が使用されなければ、ライナーを金属モールドに直接に組み込むことができる。例えば、ポリエチレンライナーは、鋼製モールドに直接に組み込まれることが可能であり、これは、適用される剥離剤の使用の必要性を排除する。しかしながら、モールドライナーは、また、重合体と結合しないクラフト紙又は他の材料のような他の材料で製造可能であることも明らかである。
【００４４】
モールドは、重合体溶液が流入可能な任意の形状又は配置をとることができるが、射出モールドであることも可能である。知られているように、射出モールドは閉鎖体を形成するために対となる２つの補足部分を有している。補足部分の一方又は両方は、重合体溶液が案内される入口を備え、射出モールドは、さらに、通気部を備える。射出は、使用される射出成形技術の種類、射出物の粘度、及び他の因子に依存して幅広い圧力範囲で行われることが可能である。別の実施例では、モールドは蓋を備えた容器である。しかしながら、モールドは、代わりに、その温度に関連して調整される密封された空洞であることも可能であることも当然である。例えば、モールドは、モールド自体の温度を制御するために役立つ温度制御浴に浸漬可能である。しかしながら、モールドは、モールドの温度を制御するために役立つフロースルー温度調整器の固体状態を持つことができる。
【００４５】
［ブランクの硬化］
一実施例では、重合体溶液混合物を含むモールドは、約２４から７２時間の期間、約２１．１℃（７０°Ｆ）から約６２．８℃（１４５°Ｆ）の間の対流式加熱器に導入される。他の熱源を使用してもい。硬化段階中に、モールド内で硬化されたブロックは、硬く、いくらかの反応していないホルムアルデヒドによって湿潤しており、電気的に非伝導性である。このモールド内加熱の１つの目的は、モールドからブロックを除去できるように硬化と収縮を促進することである。
【００４６】
重合溶液は、この時には、典型的にはキセロゲルと称される琥珀状、ガラス状のような重合した固体である。重合体溶液は、固化して固体に変化した後、モールドから除去又は取り外される。
【００４７】
［ブランクの炭化］
非伝導性ブランクは、硬化されてモールドから除去された後、ブランクは、焼成して粒状伝導性炭素材料に炭化するように炉内に設置される。炭化工程は、好ましくは、電気、天然ガス、又は赤外線エネルギー等によって加熱されるのを含む任意数の手段により加熱される炉内で行われるが、これらに限定されない
。
【００４８】
一の実施形態では、加熱装置は、赤外線（ＩＲ）ヒーターである。本出願人は、赤外線ヒーターの使用が準備工程において大幅に時間を節約するなどの、多数の望ましい利点を生じることを発見した。より具体的には、炭化工程は、一般的に従来の炉内では１時間から４時間ほどかかるが、ＩＲ炉を使用すると、炭化工程は、約１０分から約３０分の間に縮められた。これは、大幅な時間の節約のみならず、また、生産時間及びエネルギーが大きく減少されるので費用の節約となる。加えて、赤外線炉の使用は、温度に対する瞬間的なリアルタイム制御を持つ性能を含めて、多数の他の利点／長所を提供する。特に、温度変更が必要となり、炉が温度を変化させる指令を受けた際には、従来の炉では応答時間が遅く、典型的には、そのような新たな温度が実現される前に大きな遅延時間がある。これとは逆に、本電極材料を炭化するための本赤外線炉の使用は、炉内の温度の瞬間的なリアルタイム制御を許容し、温度を急速に変化させることができ、特定の温度に保持できるので、材料の特性が制御できる。リアルタイムで炉の温度加熱特性を正確に制御できることにより、電気性能特性、例えば、電極の伝導性等は、変更可能であり、特定の応用に対応可能である。
【００４９】
好ましくは、炉の構成は、炭化の目的のため炉内に設置されるブランクに熱を導入するより良い方法をもたらすことができる。一の実施例では、炉は、２つの赤外線ヒーターパネルの形態をとることができる２つの加熱要素を有している。他の実施例では、炉は第１耐火物と第２耐火物とを有し、一の実施例によれば、第１耐火物は炉辺耐火物であり、第２耐火物は可動耐火物である。可動耐火物は、炉内に配置され、２つの耐火物の内の上方耐火物を表す。しかしながら、下方耐火物は上方耐火物に対抗して可動耐火物となるように構成できることも当然である。耐火物は、２重の目的を有し、ブランクと炭化工程に使用される時は、耐火物の目的は、ブランク材料が設定温度に完全に上昇されるように熱のグラム当たりの正確な度数を得ることである。例えば、ブランク材料は、約７００℃から１０００℃の間の温度で加熱される。
【００５０】
観察すべき他のパラメータは、炉の気圧である。本工程では、炉の気圧は不活性ガスにより制御されず、むしろ、気圧は炉の設計により制御される。より具体的には、炉の設計は、上方及び下方耐火物の存在と構造のため、ブランクの材料の表面の主要部分と酸素が接触することを防止するようにされている。しかしながら、炉の大気は、不活性ガス及び炉の設計の両方を使用して制御可能であることは当然である。換言すれば、窒素のような不活性ガスは、この特徴を達成するための排気ガスを使用するのに対抗して、炉の気圧を制御するために使用可能である。
【００５１】
一の実施例によれば、耐火物は酸素が侵入するのを防ぐため、材料は酸素不足環境下にある。炉は、炭化の最初の数分で生成される燃焼ガスを通して気圧が抜かれる。これらの最初の数分後には、炉に送られる空気はなく、それ故、材料は酸素減少環境下にある。
【００５２】
ブランク材料を焼成する目的は、材料をフェノール性の重合体又は樹脂から炭素材料に変化させることである、ことは当然である。換言すれば、この焼成工程は炭化工程である。炉にとっての適切な温度範囲は、約７００℃から１０００℃の間である。適切でない温度は、電気伝導性、体積伝導性、強度を含むが、それらに限定されないいくつかの観点に関して、ブランク材料の物理的特性が望ましくなくなる温度である。炭化材料のバルク抵抗率は、温度が７００℃より下の時に高く、炉の温度が高すぎると、材料は黒鉛化になり過ぎてしまう。
【００５３】
ブランク材料を上記の温度に当てると、さらに、乾燥を生じ、原料内にある多くの不純物は燃焼する。そして、ブランクは、炭化工程を完了するために所定期間加熱され、加熱時間及び加熱温度は、共に未加熱材料の重量に応じて決定される。加熱プロトコルは、材料の厚さにより大きく影響される。
【００５４】
熱電対は、材料の頂部に使用可能で、炉温度に保温された材料温度と共に、材料温度と炉温度を比較するのに使用される。バルク抵抗率は、有用な炭素結晶形に変化されたかを見るための主要なチェックの１つである。ブランク材料の炭化は、プラスチック材料を採用し、それを炭素に変化させることを含む。
【００５５】
ブランク材料は、完全に焼成されて炭化された後、炉は開放され、炭化ブランク材料は、材料の温度によりオレンジ色の輝きを持つ。ブランク材料は、炭化工程の結果として破砕されて小片になる。ブランクは、材料の損失を防ぐために、ステンレス鋼パンのような容器内で焼成可能である。パンは、破壊及び破砕された材料を保持し、炉からの回収が完了する。ステンレス鋼は、いくつかの応用に適してもよいが、ステンレス鋼は、容器の選択された材料である必要がない。しかしながら、選択された材料は、高温度に耐えられなくてはならず、ブランク伝導性炭素材料に汚染物質を加えてはならない。
【００５６】
容器を確実に把持し、そして、高熱炉から取り外すことができるトング、プッシャー、又は、他の種類の工具により、容器は機械的に取り外される。パンが炉から取り外されると、ブランク材料が酸素に露呈されるため、ブランク材料から炎が生じる可能性が若干ある。容器が炉から取り出された後に材料が燃焼するのを防止するために、耐火消化ブロックを設けることができ、酸素がブランクに入るのを防止するために容器上に設置できる。水焼入れを有することで、材料が迅速に冷却されうる環境を作り出すこともできる。ブランクの温度が２００℃のような設定温度に達すると、炭化ブランクを、消化ブロックにより作り出される酸素減少環境から取り出すことができる。
【００５７】
［粒状伝導性材料の形成］
ブランクが室温にまで冷却されると、ブランクは、さらに処理される。より具体的には、室温のブランクは、ブランクをより小さい片に破壊するために構成される工程へ導かれる。一の実施例では、ブランクは、ブランクを周知なサイズ及び分布である粒子に破壊するために構成される粉砕ハンマーミル工程を通過する。材料をより小さい片に破壊するために、任意数の異なる方法を使用できる。ブランクを破壊する１つの好ましい方法は、炭化ブランク材料をジェットミルに通すことである。ジェットミルは、直径１／８インチより大きい供給粒子を扱うことができないという事実のために、事前の粉砕段階を必要とする。この事前段階は、ジェットミルのための適切に寸法決めされる供給材料を提供する任意の手段で可能である。この材料は、非常に硬く磨耗作用があるため、ハンマーミル又は類似の設備を使用する時には、炭化タングステン又は同等に硬い材料が破砕材料として考慮されるべきである。
【００５８】
したがって、粒状伝導性材料を形成するために、任意数の従来のミル工程及び技術を使用できることは当然である。ここで開示された技術は、単に例示であって、本発明を限定するものでは決してない。
【００５９】
一の実施例によるば、第１ステップは、大きい塊を粉砕するために粉砕機を使用することであり、例えば、ジェットミル装置を使用する次のステップの前に、ブランクの大きな塊を所定の小さい寸法、例えば、約１／８インチの寸法に減らすことである。したがって、この第１装置は、ジェットミルステップの前に使用される予備の工具又は装置（塊破壊機又は粉砕機）である。そして、１／８インチ材料は、塊破壊機又は粉砕機から取り出され、ジェットミルに入れられる。
【００６０】
ハンマーミル装置は、要求される粒子分布サイズを生産するために、正確なハンマー、隙間及び、回転速度ＲＰＭ（全て変更可能）を備えて構成される。制御可能な別の機能は、ハンマーミルへの破壊されたブランク材料の供給速度である。ブランク材料をより小さい粒子サイズに研削又は減少させるために、他の装置を使用できることは当然である。したがって、ハンマーミルの使用は、本工程に限定されず、代わりに、ピンミル、ボールミル、ローラミル等を使用できる。
【００６１】
破壊されたブランク材料がミルを通過した後、結果物であるブランク材料の粒子のサイズは、実質的に約１ミクロンから約５００ミクロンの範囲内まで後に減少し、好ましくは、４０ミクロンから１５０ミクロンの範囲であり、一の実施例では、４０ミクロンから１２０ミクロンである。しかしながら、この範囲は、単なる例示範囲であり、生じる破砕粒子の適用及び所要のサイズに依存し、所定の要求される寸法の粒子を生産するように設備（例えば、粉砕機及びハンマーミル）は選択でき、配置できることは当然である。
【００６２】
硬化、そして炭化を含むブランクを形成する目的は、伝導性炭素材料を形成することであり、そして、伝導性炭化材料を研削することは、大きい炭化材料を、より小さいミクロンサイズの伝導性材料に変化させることである。この材料は、粒状炭素材料とも称することができる。
【００６３】
粒状炭素材料は、一般的に、非常に多孔質で、非常に親水性な乾燥材料である。
【００６４】
［電極構造への粒状伝導性材料の組み込み］
上述したように、本発明の一の実施例によれば、電極１００は、複数の部材の組立品の形態である。より具体的には、電極１００は、相互に配置される３つの部材、材料、積層からなり、すなわち、基板１１０と、粒状伝導性材料からなる部材１２０と、隔壁部材１３０とであり、粒状伝導性材料１２０は、基板１１０及び隔壁１３０の間に配置される。電極組立品１００は、任意数の異なる形状及びサイズをとることが可能であり、一の実施例によれば、電極組立品１００は、正方形又は長方形形状を有している。しかしながら、これらの形状は、当然に、単に例示及び実例であり、任意数の他の規則的及び不規則な形状を使用できる。電極組立品１００は、流体（例えば、廃水）をその処理（例えば、脱イオン化）に導く流体処理タンクの形状及び寸法にそれぞれ補完的な形状及び寸法を有している。
【００６５】
部材１１０，１２０及び１３０の厚さは、同一にできるが、部材は、典型的には異なる厚さを有することは当然である。
【００６６】
一の実施例では、電極１００は、一般的に、電極１００の下端１０１がタンクの底に対して配置されるように、流体処理タンクの内部内に直立して配置される。部材１１０，１３０は、その間に定義される所定距離を持って直立して設けられ、粒状伝導性材料を配置する隙間を有するように、タンクの内部に固定して設けられる。この実施例では、電極１００の側部は向かい合い、流体処理タンクの各側部と対向する。電極１００は、電極１００によってそれを処理するためにタンクに導かれる流体のための多数の異なる流路を定義する多数の異なる方法にて配置可能である。実施の形態では、複数の電極１００は、互いに対向する一対の隣接電極の隔壁部材１３０とともに、流体処理タンクの長さに沿って並んで配置され、一方、数個の電極１００の基板１１０は、他の電極１００の基板１１０に向かい合う。換言すれば、電極１００は、背中合わせに配置されるように一対で配置され、以下に説明するように、電極１００を圧縮する装置１６０を配置するために、その間に形成された第１空間１４０（縦空間又は縦経路）を有して一対の基板１１０が別のものに向かい合う。この対の隔壁部材１３０は、２つの電極１００の対向する隔壁部材１３０の間となるように、２つの異なる電極１００の対に対応する隔壁層１３０に向き合い、第２空間１５０（縦空間又は縦経路）は、以下に説明するように、流体が処理されて流体処理タンクに導かれることを許容するように形成される。第１空間１４０の幅は、第２空間の幅と異なることも可能である。しかしながら、これらの寸法の適切な関係は、用途によって変更可能である。
【００６７】
基板１１０は、重構造の電極構造１００にとっての骨格として役立ち、任意数の異なる非犠牲材料から形成可能である。例えば、基板１１０は、黒鉛、非犠牲で電気伝導性である任意のスチール合成物、伝導性重合体、エポキシ樹脂、樹脂又はゴム、及び、金、銀、白金、チタン、アルミ等のような非犠牲で電気伝導性である非鉄材料から形成可能である。
【００６８】
処理の種類や、処理タンクの各寸法、タンクを通過する流体の単位時間当たりの量等の他のパラメータに依存して、基板１１０の物理的及び電気的特性は変化することとなる。例えば、基板１１０は、約．００１平方インチから１０，０００平方インチより大きい面積を有することができ、基板１１０の幅は、約．００１インチから１インチより大きくなりうり、基板１１０を形成する伝導性材料のバルク抵抗は、約０．１ミリオームから約１０オームの間になりうる。
【００６９】
実施の形態では、基板１１０は、正方形又は長方形のような任意数の異なる形状、及び、任意数の異なるサイズとなりうる板形状を有している。
【００７０】
一の形態によれば、好ましくは、各電極１００は、均一な電極配列を備えるように、同一寸法、及び、同一の物理的及び電気的特性を有している。
【００７１】
粒状伝導性材料１２０は、上述した方法で形成されるのが好ましく、前述した炭化ブランクの粉々な又は粉砕された破片の形態である。一の実施例では、粒状伝導性材料１２０の粒子サイズは、好ましくは、約１から約５００ミクロンの間であり、一例の範囲は、約４０ミクロンから約１２０ミクロンである。例えば、粒状伝導性材料１２０は、５０ミクロンより大きく、１００ミクロンより小さい平均粒子サイズを有し、あるいは、約１００ミクロンから約１２０ミクロンの間であることも可能である。したがって、粒状伝導性材料１２０は、その正確な粒子サイズ及び動作状態に依存し、異なる特性を有する自由流動の粉状物質とされることが可能である。
【００７２】
部材１２０は、粒状伝導性材料の形態であるので、この材料は、流れの高い度数を有し、それに力がかけられたとき、又は、重力下では、通路に沿って容易に流れることが可能である。換言すれば、粒状伝導性材料は、本質的に高い流体性であり、これは、電極材料（粒状伝導性材料）が流体処理タンクから容易に流れ出ることを許容する。より具体的には、水のような流体からなるスラリー及び粒状伝導性材料１２０は、再生タンクでの粒状伝導性材料１２０の再生を許容し、流体タンクに備えられる電極１００の部材１２０への再生した電極材料の移送を許容する再生ループ内を容易に流通する伝導性である多数の異なる粘度を有することができる。
【００７３】
粒状伝導性材料１２０は、約１０から約１００μｍＡの範囲である相対細孔サイズを有し、約４００から約１２００ｍ２／ｇ（ＢＥＴ）の間の表面積を有することができる。
【００７４】
隔壁部材１３０は、第２空間１５０内を流れる流体（例えば、水）が部材１２０の粒状伝導性材料に流して接触することを許容する多孔質材料からなる構造を有する任意数の異なる形状をとることができる。隔壁１３０は、また、グリッド状の配列を形成するように多数の貫通開口を有するシートとして形成される非多孔質材料（例えば、ポリエチレン（ＰＥ））から形成可能である。
【００７５】
隔壁部材１３０が多孔質材料の形態をとる場合には、隔壁部材１３０は、第２空間１５０を流れる流体がそれを通って部材１２０を形成する粒状伝導性材料と接触することを許容するような多孔率の十分な度数を有する限り、任意数の異なる材料から形成可能である。部材１３０の多孔率は、用途によって異なることが可能である。しかしながら、一の実施例によれば、部材１３０の多孔率は、約１μｍ及び約５０００μｍの間である。他の部材のように、隔壁部材１３０は、例えば、０．００１インチ及び２．００インチの間のように異なる幅で備えられることも可能である。
【００７６】
隔壁１３０は、粒状伝導性材料部材１２０の一表面に対して配置されるので、それは、粒状材料が第２空間１５０に移動することを防ぐ隔壁として動作する。したがって、粒状伝導性材料の粒子サイズ及び隔壁部材１３０の細孔サイズは、隔壁部材１３０の細孔サイズによって、粒状伝導性材料が隔壁１３０に形成される細孔（開口）を通過することを防止するように選択される。
【００７７】
多孔質隔壁部材１３０は、任意数のことなる種類の多孔質材料から形成可能で、好ましくは、実際には非伝導性であるが、これに限定されず、或いは、隔壁部材１３０は、グリッド状構造として形成可能な非伝導性材料から形成可能である。例えば、隔壁１３０は、多孔質樹脂（例えば、ＰＥ、デルリン、超高分子量ポリエチレン、高密度ポリエチレン、ナイロン、ポリカーボネート等）、ポリエステル、ナイロン等からなるメッシュ、非伝導性炭素発砲体、非伝導性セラミック発砲体等からなるグループから選択される材料から形成可能である。
【００７８】
隔壁部材１３０は、樹脂又は合成布状構造から形成可能であり、ハニカム構造のような任意数の異なる構造を有することができることは明らかである。
【００７９】
動作段階では、粒状伝導性材料１２０は、遊離し、自由な粒状伝導性材料がより小さく、定義された積層又は構造になるように所定の圧縮力を粒状伝導性材料１２０に与えるために装置１６０が備えられた圧縮型又は状態に置かれる。圧縮時には、粒状伝導性材料の部材の厚さは減少し、一の実施例では、粒状伝導性材料の部材１２０は、約０．０１０インチ及び約１インチの間の厚さを有している。しかしながら、これらの数値は、単なる例示であり、特定の適用に依存し、部材１２０は、この範囲外の厚さを有することができる。
【００８０】
粒状伝導性材料は、粒状伝導性材料に対して、水平方向に圧力をかけることにより、又は、垂直方向に圧力をかけることにより、圧縮可能である。図４では、矢印１６１は、水平方向にかけられた圧縮を示している。
【００８１】
装置１６０は、それが粒状伝導性材料の部材１２０に正圧力（圧縮力）をかけるように構成される限り、任意数の異なる形状をとることが可能であり、装置１６０は、好ましくは、部材１２０の長さ（高さ）に沿って正圧力をかけるように構成される。例えば、装置１６０は、圧縮空気袋１６０が作動されて膨張されるときに、粒状伝導性材料１２０に正力（圧縮力）がかけられるように、第１空間１４０に配置され、部材１２０の全長又は十分な長さに沿って延びる圧縮空気袋１６０の形態をとることができる。圧縮空気袋は、空気袋構造に流体的に接続される空気圧縮機のような正圧源に動作可能に接続されるとともに、タンクの内部で脱イオン化が行われている際に、空気袋構造が所定の時間で制御され、選択的に膨張されることを許容する主制御システム又は処理装置のような制御システムに動作可能に接続される。空気袋の膨張は、図５で矢印１６１で示すように、その長さに沿った粒状伝導性材料の圧縮を生じさせる。
【００８２】
以下に説明するように、再生が望まれるときには、部材１２０からの粒状伝導性材料の開放を許容するために空気袋１６０内の圧力が開放される（収縮される）。そして、粒状伝導性材料は、タンクから排出され、再生するために再生ループへと移送される。
【００８３】
他の種類の装置１６０を、部材１２０で粒状伝導性材料を圧縮し、そこに保持するため使用できることは明らかである。例えば、機械圧力は、機械装置によって生じさせ、粒状伝導性材料の圧縮を生じさせることが可能である。一の種類の装置は、粒状伝導性材料に、垂直方向に正圧力（圧縮）をかけるように動作可能な機械プランジャーである。この設計では、プランジャーは、部材１２０の上部に接触でき、粒状伝導性材料の部材を圧縮するために下向きの力をかけることができる。この装置１６０は、また、圧力下に配置可能な流動Ｏ−リングの形態をとることも可能である。
【００８４】
これに加え、装置１６０は、機械的、電気的、水圧式、又は空圧式空気袋、あるいは、他の種類の機械的、電気的、水圧式、又は空圧式部品の形態をとることもできる。空気袋は、伝導性材料又は非伝導性材料から形成可能である。したがって、装置１６０は、機械的、電気的、水圧式、又は空圧式手段を構成する任意の容積減少機構の形態をとることができる。
【００８５】
一の実施例によれば、装置１６０は、大気条件及び約１０００ｐｓｉの間に相対圧力を有するような力をかける。しかしながら、この範囲は、単なる例示範囲であり、ある条件や適用において１０００ｐｓｉを超える圧力を使用できることは当然である。装置１６０の動作は、約０．１％から５０％より大きいのに類似する容積減少をもたらす。
【００８６】
さらに、粒状伝導性材料の圧縮は、材料（部材１２０）の任意の又はすべての側部から生じうることは当然である。
【００８７】
図２に示すように、２つの対向する基板１１０の間に形成される第１空間１４０は、動作されたときに、装置１６０が拡大し、対向する基板１１０に圧力をあたえるように、圧縮装置１６０を配置するためのものであることは明らかである。好ましくは、力は、基板１１０の露出表面に対して実質上垂直となるような方向にかけられる。水のような流体は、多孔質樹脂又はくり抜かれた樹脂構造から構成される鋼構造に沿って第２空間１５０に備えられているので、力は、流体及び構造によって、隔壁部材１３０の露出表面に対してかけられ、それ故に、粒状伝導性材料は、他の２つの部材１１０，１３０の間に効果的に挟まれる。換言すれば、水及び鋼構造は、装置１６０によってかけられる力の方向における電極１００の移動に対しての抵抗の高い同数を要求し、これは、粒状伝導性材料が速度の比較的高い度数を有するにもかかわらず、粒状伝導性材料が上述の部材１２０に電極１００の一部として含まれることを許容する。流体処理タンクの端壁に隣接して位置する電極１００の基板１１０は、端壁によって直接支持され、これらの表面に隣接する圧縮装置１６０を必要としない。
【００８８】
［本電極を組み込む流体処理システム］
図１，２を参照し、流体を脱イオン化するためのシステム２００は例示され、一般的に、ある他の場所に排出されうる処理水を生産するために流体を脱イオン化して他の処理をするように、水のような流体を処理する流体処理回路又はループ２１０を有している。流体処理回路２１０は、処理される流体源２２０を有し、一の実施例では、流体２２０は、異なるイオン、金属等のような不要の物質を含む処理水である。流体源２２０は、所定容積の流体を収容する入れ物、容器、又はタンクの形態をとることができ、処理流体をタンクに移送する入口経路に動作可能に接続可能である。この方法では、初回の流体が流体処理回路２１０に移送されると、次いで、次回の流体が容器での貯留のために移送される。例えば、入口経路は、制御された方法で、流体が処理される場所に流体を移送する流体導管（例えば、管）の形態をとることができる。流体を収容する容器のサイズ（容積）は、正確な適用に依存し、処理される流体量に依存して変化することは当然である。
【００８９】
ここで使用される「導管」という用語は、一方の場所から他方の場所に流体を運ぶ個別の、異なる部材として称され、単一の繋がった導管の境界片又は境界部として称されることは明らかである。換言すれば、以下、多数の異なる導管について説明されるが、一又は複数の導管は、単一の繋がった流路を定義してもよい。
【００９０】
流体処理回路２１０は、また、流体源２２０に流体的に接続される第１端部２３２と、ここでの説明では容器２８０に配置される電極１００の動作によって流体源２２０が処理される流体処理容器（タンク）２８０に流体的に接続される反対側の第２端部２３４とを有する第１導管２３０を備えている。第１導管２３０は、任意数の異なる形態をとることができるが、典型的には、管自体の損傷又は弱体化が無く、処理される種類の流体を運ぶように設計されるＰＶＣ管のような管の形態である。図示のように、第１導管２３０は、他の管部分に対して角度をなして形成される多数の異なる管部分によって定義可能で、あるいは、第１導管２３０は、容器２８０と源２２０との間に延出するほとんどの部位で直線な導管であることも可能である。
【００９１】
第１導管２３０は、それが流体源２２０から容器２８０に流れるように、流通方向（流体経路又は通路）、及び／又は、流体の流率を制御するために配置される多数の弁部材を備えている。例えば、第１導管２３０は、第１導管２３０に沿ってその第１端部２３２の近くに配置される第１弁部材２４０と、第１弁部材２４０から遠く下流で、容器に流体的に接続される第２端部の近くで、第１導管２３０内に配置される第２弁部材２４２とを備えている。
【００９２】
以下に当然のように、第１及び第２弁部材２４０，２４２は、第１導管２３０を他の導管と区別し、あるいは、第１導管２３０と、他の導管又は流体処理容器２８０のような他のシステム部品との間に流体的に接続可能とするように、第１導管２３０の一又は複数の部分内の流体の流れを許容し、又は、規制することを動作可能な任意数の弁部材であることが可能である。弁部材２４０，２４２、及び、他の動作可能なシステムの部品は、好ましくは、個々の弁部材２４０，２４２が選択的に制御され、全開位置又は全閉位置のような所望の位置に配置されることを許容する制御部（処理部）等と通信している。
【００９３】
システム２００は、また、所望の流路に沿って流体を選択的に、制御して送るために配置される多数のポンプ等を備えている。例えば、第１導管２３０は、各ポンプが個別に制御されることを許容する主制御部又は処理部のような制御部に制御可能に接続され、通信される第１ポンプ２５０及び第２ポンプ２６０を備えることができる。第１ポンプ２５０は、好ましくは、処理流体源２２０の近くの第１端部２３２に近接し、好ましくは、第１弁２４０の上流に配置される。したがって、第１ポンプ２５０は、流体を源２２０から排出し、そして、第１導管２３０に沿って、別の場所又は別の導管に送るための主要な手段として役立つ。
【００９４】
第２ポンプ２６０は、第１ポンプ機構２５０及び第１弁２４０の両方の下流に配置される。第２ポンプ２６０は、流体を第１導管２３０に沿って遠く送り、あるいは、ｐＨ及び伝導性センサで性質を検査するために、処理容器２８０に、及び、処理容器２８０から流体を再循環させるために動作される。
【００９５】
システム２００は、また、流体処理容器２８０で処理されて排出された流体を収容するためのものである処理流体容器３８０と流体的に接続される第１端部２７２を有する第２導管２７０を備えている。第２導管２７０の反対側の第２端部２７４は、第１導管２３０と流体的に接続され、特に、第２導管２７０が第１導管２３０に合流する場所に第３弁部材２４４が配置されている。したがって、第３弁部材２４４は、第１導管２３０に対して第２導管２７０を選択的に開閉する働きをする。第２弁部材２４２及び第３弁部材２４４は、第３弁部材２４４が閉じられ、第２弁部材２４２が開かれたときに、処理流体容器２２０からの流体が第１導管２３０内を通って流体処理容器２８０に流れるように、第１及び第２導管２３０，２７０間におけるＴ形状の流体交差点の反対の区間に配置される。これは、処理流体（例えば、処理水）がその処理（例えば、脱イオン化）のために流体処理容器２８０に最初に移送される場合である。
【００９６】
システム２００は、また、容器２８０で処理され、処理状態を決定するためにセンサを通った水を再生利用するための第３導管を備え、この第３導管は、流体処理容器２８０からの流体が、第３導管２９０から第１導管２３０へと、性質センサ３７０を通り、ポンプ２６０を通過して、元の処理容器２８０に選択的に送られることを許容するために、流体を受け入れるための流体処理容器２８０の出口ポートに流体的に接続される第１端部２９２と、第１弁２４０の下流で第１導管２３０と流体的に接続される第２端部２９４とを有している。第３導管２９０は、第１弁２４０の下流で第１導管２３０と流体的に接続されているので、第１弁２４０の閉鎖は、流体処理容器２８０からの流体が処理流体源２２０に移送されることを許容し、第３導管２９０内のこの流体は、慎重に収容され、この流体を再汚染するどの流体とも混合されない処理流体とされることが可能である。
【００９７】
第３導管２９０は、また、少なくとも１つの弁を有し、特に、第３導管２９０は、その第１端部２９２に、又は、第１端部２９２の近くに位置する第４弁２４６を備えている。したがって、第４弁２４６は、第４弁２４６が閉じられたときに、流体処理容器２８０にある流体が第３導管２９０に流れることが防止され、それ故、流体を処理するために使用されるときに流体が流体処理容器２８０に残留しているように、流体処理容器の出口ポートの近くに配置される。対照的に、第４弁２４６が開かれたときに、流体処理容器２８０内の流体は、第３導管２９０に自由に流れ、そして、所望の流路に沿って送られる。
【００９８】
第３導管は、第１ポンプ２５０の動作によって第３導管２３０内の流体が第１導管２３０にくみ上げられるように、第１弁２４０の下流で、第１ポンプ２５０の上流で第１導管２３０と交差している。
【００９９】
システム２００は、また、流体廃棄容器３２０と流体的に接続される第１端部３０２と、第１導管２３０と流体的に接続される反対側の第２端部３０４とを有する第４導管３００を備えている。しがたって、第４導管３００は、電極補充サイクルの間に生成される第１導管２３０からの廃棄流体を選択的に受け入れるように構成される。第４導管３００は、弁３１０が開かれたときに第１及び第３導管２３０，３００の間に流体的な接続を許容し、弁３１０が閉じられたときにその間の流体的な接続を防止するように配置される第５弁を備えている。したがって、弁３１０は、好ましくは、第３導管３００が第１導管２３０に流体的に接続される場所に、又は、その近くに配置される。したがって、再循環に使用される第２ポンプ２６０は、第１弁部材２４０と第５弁部材３１０との間に配置される。
【０１００】
第５導管３００が第１導管２３０に選択的に接続される場所は、第３導管２９０が第１導管２３０に選択的に接続される場所の下流で、第２導管２７０が第１導管２３０に選択的に接続される場所の上流である。
【０１０１】
第５導管３３０が設けられ、以下により詳細に説明されるように、再生システム（ループ）４００の部品に接続される第１端部３３２と、処理流体容器３８０に流体的に接続される反対側の第２端部３３４とを備えている。したがって、第５導管３３０は、再生ループ４００と、処理流体が収容される容器３８０との間に直接的な連結を備えている。
【０１０２】
第５導管３３０は、好ましくは、第３ポンプ３４０が第５導管３３０内の流体の選択的動作及び揚水を生じさせるために選択的に制御可能なように、好ましくは、主制御部と動作可能に接続され、通信される他のポンプと同様に、その長さに沿って配置される第３ポンプ３４０を備えている。第６弁部材は、第５導管３３０に配置され、他の弁部材のように同一方法で動作する。
【０１０３】
流体ループ２１０に沿って選択された場所において、流体の異なる物理的特性及びパラメータを監視するために、多数の制御部及びセンサ部品が配置可能である。例えば、処理流体が貯留容器３８０に移送される前に、処理流体の性質（例えば、化学特性）を監視することが望ましい。監視される処理流体の化学特性は、特定の適用に依存し、特に、システム２００が重金属を除去する廃水の処理のために採用される場合、流体処理容器２８０から排出された処理水は、それらの重金属が存在するか検査される（例えば、重金属濃度が所定の限度内かどうかを確認する検査）。
【０１０４】
実施の形態では、システム２００は、流体処理容器２８０から排出されて第３導管２９０を通る流体が、処理流体容器３８０のような別の場所への移送のために第１導管２３０に移送される前に、監視されることを許容するために、第３導管に位置する伝導性センサ３６０及びｐＨセンサ３７０を有している。センサ３６０，３７０は、的確な種類の流体処理に依存する、異なる種類であることが可能であることは明らかである。
【０１０５】
本発明は、また、以下に詳細に説明するように、電極の再生のための再生ループ４００を備えている。流体処理ループ２１０と同様に、再生ループ４００は、流体処理タンク２８０の入口１２１に配置されるループ４００の一端と、流体処理タンク２８０の出口１２３に配置されるループ４００の他端とで、流体処理容器２８０と流体的に接続される。これは、以下に説明される電極材料が流体処理容器２８０から再生タンク４１０に流体的に流れることを許容する。再生ループ４００は、流体処理タンク２８０の出口１２３と流体的に接続される第１端部４２２と、再生容器（タンク）４１０の入口と流体的に接続される反対側の第２端部４２４とを有する第１再生導管４２０を備えている。第１再生導管４２０は、第１再生導管４２０内の電極材料の流れを選択的に制御するための第１弁４４０を備えている。弁４４０は、弁４４０が開かれたときは流体処理タンク２８０から再生タンク４１０への流れを許容し、弁４４０が閉じられたときに、タンク２８０からタンク４１０への電極材料の流れを抑制するように機能する任意数の異なる種類の弁であることも可能である。
【０１０６】
再生タンク４１０は、再生タンク４１０内での所望の再生条件を維持し、電極の再生を促進するために、多数のセンサ及び動作可能な制御機構を備えている。例えば、再生タンク４１０は、再生タンク４１０の内部で所定温度が維持可能なように、再生タンク４１０に動作可能に接続されるヒータ４１２を備えることができる。目的とする使用に適する限り任意数の異なる種類のヒータ４１２を使用することができる。
【０１０７】
再生タンク４１０は、また、再生タンク４１０の内部の一又は複数の状態を監視するための一又は複数のセンサを備えることができる。ｐＨセンサのような第１センサ４１４は、再生タンク４１０の内部を監視するのに使用可能である。第１センサ４１４は、再生中に監視されるべきパラメータに依存するｐＨの他に、別のパラメータを監視できることも当然である。
【０１０８】
以下に説明するように、適切な再生条件を維持するために、第１試薬又は物質は、源４１６に収容可能であり、再生タンク４１０に選択的に移送可能である。一の実施例によれば、源４１６は、再生タンク４１０内のｐＨを所定の範囲に制御及び維持するために、再生タンク４１０の内部に添加されうる塩酸又は塩基の供給の形態である。第２試薬又は物質は、源４１８に収容可能であり、第１試薬又は物質が再生タンク４１０に移送されるのと同じ時間又は異なる時間に選択的に再生器４１０に移送される。したがって、源４１８は、再生タンク４１０に追加された源４１６に含まれるイオン強度調整器の形態をとることが可能である。
【０１０９】
ループ４００は、再生タンク４１０の出口に取り付けられる第１端部４３２と、圧力容器４９０と流体的に接続される反対側の第２端部４３４と有する第２導管４３０を備えている。第２弁４４５は、第２導管４３０に沿って配置され、一の実施例では、第２弁４４５は、第２導管４３０が再生タンク４１０に流体的に接続される場所に近い第１端部４３２に近接して配置される。他の弁のように、第２弁４４５は、電極材料が再生された後に、第２弁４４５が開かれ、圧力容器又は装置４９０の動作中の際に、電極材料が再生タンク４１０から流出することを許容するように動作されるワンウェイバルブのような任意数の異なる種類の弁であることも可能である。反対に、電極材料が再生される際に、第２弁が閉じられたときには、電極材料は、再生タンク４１０の内部に残留している。
【０１１０】
再生ループ４００は、再生された電極材料を流体処理容器２８０に移送するために、圧力容器４９０と流体的に接続される第１端部４５２と、流体処理容器２８０と流体的に接続される反対側の第２端部４５４とを備える第３導管４５０によって完成される。第３導管４５０は、第３導管４５０内での再生電極材料の流れを制御するために、そこに配置され、その長さに沿って形成される第３弁４６０を備えている。第３弁４６０は、他の弁と同様であり、目的とする使用に適した任意数のワンウェイバルブであることが可能である。実施の形態では、第３弁４６０は、第１端部４５２及び圧力容器４９０に近い第３導管４５０に沿って配置されている。
【０１１１】
圧力容器４９０は、再生ループ４００内での電極材料の流れを制御可能に規制する装置の形態である。特に、電極材料は、再生ループ４００内の圧力差の構成により、再生ループ内を移動する。特に、電極材料は、再生ループ内で、圧力容器４９０の動作により圧力が減少された場所に流れる。
【０１１２】
圧力容器４９０は、第２導管４３０の第２端部４３４に接続される入口ポートと、第３導管４５０の第１端部４５２に接続される出口ポートとを備えるタンクのような圧力容器の形態をとることができる。圧力容器４９０は、再生ループ４００内に負圧力及び正圧力の両方を生じさせるように構成される。再生ループ４００内に負圧力及び正圧力の両方を生じさせるために、圧力容器４９０は、動作可能な多数の部品を備えている。例えば、空気圧縮機のような正圧力源４９２は、再生ループ４００、特に、第３導管４６０に正圧力を制御して選択的にかけ、第３導管４６０内の電極材料を流体処理タンク２８０に押し進めるように、流体導管４９３によって、圧力容器４９０に備えられ、動作可能に接続される。空気圧縮機（例えば、ポンプ）は、正圧力源４９２の一部であり、電極材料が再生ループ４００内を移動するように、流体導管４９３及び圧力容器４９０に正圧力を生じさせる。
【０１１３】
吸引装置又はタンクのような負圧力源４７０は、吸引経路４７２によって、圧力容器４９０に備えられ、動作可能に接続される。これに加え、吸引タンク４７０は、吸引ポンプ４７４及び吸引タンク４７０間の第２吸引経路と、第１吸引経路４７２（４７２にある）とに負圧力を生じさせるように動作される吸引ポンプ４７４に動作可能に接続される。圧力容器４９０内に負圧力を生じさせることは、再生ループ４００に負圧力状態が形成されることを許容し、これは、第１及び第２弁が開かれる際に、電極材料（粒状伝導性材料）が流体処理タンク２８０から汲み上げられることを許容する。そして、正圧力源４９２による正圧力の適用により、電極材料が流体処理タンク２８０へと再生ループ４００をさらに移動する。
【０１１４】
また、弁部材、吸引ポンプ４７４、及び空気圧縮機４９２のような再生ループ４００の動作部品は、好ましくは、電極材料を再生するために電極材料が流体処理タンク２８０から再生タンク４１０に流出されるか、電極材料が流体処理タンク２８０から流出し、元の流体処理タンク２８０に送られるかに依存して、電極材料が再生ループ４００の所定の流路に沿って流れることを許容する主制御部（処理部）と動作可能に接続され、通信する。
【０１１５】
流体処理タンク２８０は、流体処理タンク２８０の内部２８１内での所定の配列によって配列される多数の電極１００を備えている。図２は、流体処理タンク２８０の内部２８１内に配置された部品を示し、特に、電極１００の配列を示している。より具体的には、流体処理タンク２８０は、長方形の場合は、対向する端壁及び対向する側壁で定義される壁構造２８３によって定義される。流体処理タンク２８０は、屋根板等を使用して閉鎖可能で、あるいは、適用によって完全に開放可能か少なくとも一部が開放可能な天井又は屋根を定義する上端２８５を備えている。流体処理タンク２８０は、床２８９によって定義される反対側の下端２８７を備えている。以下に説明するような再生電極材料の受け入れ、及び、流体処理タンク２８０で処理（例えば、脱イオン化）される流体の受け入れの両方を許容するように、流体処理タンク２８０の一又は複数の入口ポートが上端２８５に沿って形成され、屋根板等に沿って形成可能である。再生を必要とする電極材料、及び、流体処理タンク２８０で処理に成功した流体の両方の排出を許容するように、流体処理タンク２８０の一又は複数の出口ポートが床２８９に沿って形成される。
【０１１６】
流体処理タンク２８０は、また、各第２空間１５０が、処理される流体を受け入れる相対入口ポート１５１と、流体がタンク２８０から流出されることを許容する相対出口ポート１５３とを有するように形成される。図２に良く示されるように、入口ポート１５１は、タンク２８０の上端に形成可能で、一方、各第２空間１５０のための出口ポート１５３は、タンク２８０の床２８９に形成可能である。上述したように、第２空間１５０への流体（例えば、水）の流れの制御、及び、タンク２８０からの処理水の排出の制御を許容する各入口経路及び出口経路に形成される弁部材がある。主制御部に動作可能に接続される全ての弁部材を備えることによって、全ての弁部材は、流体処理が一回分の方法で行われたときに、タンク２８０を満たし、又は、タンク２８０を放水させるように、同時に開放、又は、閉鎖可能である。
【０１１７】
同様に、図２に示すように、各部材１２０は、タンク２８０への粒状伝導性材料を受け入れるためにそこに形成される入口ポート１２１と、タンク２８０からの粒状伝導性材料を排出させるためにそこに形成される出口ポート１２３とを備えている。入口ポート１２１及び出口ポート１２３は、水ループのような再生ループ４００の一部であり、入口ポート１２１及び出口ポート１２３は、電極材料の再生が必要となり、又は、所望された場合に、選択的に制御される、タンク２８０の空間１５０への粒状伝導性材料の移送と、そこからの排出とを許容するように、そこに形成される弁部材を備えている。
【０１１８】
電極１００の基板１１０は、本質的に伝導性であるので、電源１７０（ＤＣ電源）に動作可能に、また、電気的に接続されるためのものである。より具体的には、電源１７０の一方の極（＋）又は（−）は、この極によって基板１１０を帯電させるために、基板１１０に接続される。対照的に、隔壁部材１３０は、非伝導性接続部を備えるように、非伝導性材料から形成される。粒状伝導性材料１２０は、その長さに沿って基板１１０に隣接し、直接接触しているので、基板１１０に送られる電荷は、また、粒状伝導性材料１２０に送られる。この方法では、粒状伝導性材料の形態の電極材料は、電源１７０を動作させることにより帯電される。
【０１１９】
図２から確認できるように、相互の基板１１０は、タンク２８０の全範囲に亘り、電源１７０の反対極に接続されている。この方法では、第２空間又は経路１５０における流体（例えば、水）は、電極１００を使用する一の好ましい動作においてその脱イオン化を許容するように、反対極の２つの電極１００に接触する。
【０１２０】
電極組立品１００の一部を形成する粒状伝導性材料１２０は、圧縮装置１６０による粒状伝導性材料１２０の圧縮に反比例し、粒状伝導性材料１２０の粒子サイズ（平均粒子サイズ）正比例する相対抵抗値を有している。一の実施例では、伝導性の基板１１０に隣接する第１表面１２２から多孔質非伝導性の隔壁部材１３０に隣接する第２表面まで計測される粒状伝導性材料１２０の抵抗は、約０．１ミリオームから約１０オームである。しかしながら、上記の値は、当然、単なる例示及び実例であり、粒状伝導性材料１２０の抵抗はこの範囲外に位置してもよいので、本発明の範囲を制限するものではないことは当然である。粒状伝導性材料の伝導性は、粒状材料にかけられる圧力の度数、及び、粒状材料の粒子サイズを含む多数の異なるパラメータに依存して、変化することは当然である。
【０１２１】
第２空間１５０の幅は、正確な適用や、タンク２８０のサイズ、及び、タンク２８０の要求を処理する全ての流体の単位時間当たりの量のような他の要因に依存して変化可能である。一の実施例によれば、第２空間１５０の幅（したがって、流体の幅）は、０．０１インチ及び６．００インチの間であるが、しかしながら、他の幅は同様に可能である。
【０１２２】
電源１７０と基板１１０との間の電気接続は、任意数の従来技術を使用することにより達成可能である。電極１００の正確な詳細に関係なく、それが脱イオン化装置で使用されると、粒状伝導性材料は、電圧が印加されなければならない。これは、基板１１０か粒状伝導性材料１２０かに直接接続され、銅や他の導体から形成される棒又は線によって行われる。しかしながら、脱イオン化の際に棒又は線が液体にさらされると、棒又は線は損傷する（犠牲するによって）。したがって、棒又は線と板との間の乾式接続が、好ましくは、確立される。
【０１２３】
乾式接続は、電極１００の基板１１０と、導体、好ましくは絶縁銅線との間に形成可能である。そして、線は、基板に設けられた伝導性支柱へのはんだ材料の又は機械の使用を含む任意数の従来手段によって、基板１１０に確実に取り付けられ、または、接続される。水が電気接続に達して電気接続を遮断するのを防止するため、電気接続を効果的に強化するように、保護被覆が基板１１０に亘り配置される。例えば、基板１１０は、オハイオ州シンシナティ市にあるファイバー  ガラス  エヴァーコート社製の２−パートエポキシ樹脂Ｎｏ．２のようなマリングレードの非伝導性エポキシに浸透可能である。非伝導性エポキシ１４０は、銅線の周囲の領域を密封し、一方、エポキシ線と基板１１０との間の既存の電気接続を阻害しない。保護被覆は、上記材料に限定されるものではなく、材料が基板１１０に浸透でき、電極１００の動作中に犠牲とならなければ、むしろ、任意数の異なる材料であることも可能であることは当然である。これに加え、炭素に保護被覆が施されると、保護被覆の形状の変形が電極の変形、それによる電極１００の品質の低下を引き起こす可能性があるので、保護被覆はその形状を変更できない。
【０１２４】
制御システム（主制御部又は処理部）は、参照することにより全てが組み込まれる国際特許出願第ＰＣＴ／ＵＳ２００５／３８９０９号に開示される制御システムと本質的に同一、又は同等であることが可能である。
【０１２５】
これに加え、システム２００は、流体処理工程の一回分のために設計される代わりに、システム２００が、流体（水）がいくつかの段階を流れ、各段階が部分的な処理を行う段階流体処理タンク２８０を備えるように構成される。段階は、セル空間（電極１００の空間）及び／又は供給される電源レベルに応じて変化可能である。これに加え、システムは、流体（水）が平行処理セル中を連続的に流れるように、設計されることも可能である。また、流体（水）は、２つ又はそれ以上の処理セルが別の１つと直列に配置される処理セル内を蛇行形状の流路にそって流れるように設計されることも可能である。蛇行流は、処理経路の始めから終わりまでのセル（電極）及び／又は異なる電力レベルの間の変更可能な空間を備えることができる。
【０１２６】
これに加え、処理タンク２８０は、同心円層及びらせん状にねじれた積層を含むが、これに限定されない任意数の異なる配列を有することができる。
【０１２７】
さらに、実施の形態は、非吸収性電極の使用を含まないが、非吸収性電極は、システム２００で使用可能で、吸収性電極とともに使用可能であるとされる。
【０１２８】
本発明のさらに別の態様では、電極１００を再生する行程は、設けられ、再生ループ４００の動作を有している。動作時間の期間の後、粒状伝導性材料は、捕獲されたイオンの除去を必要とする。陰極電極材料（負に帯電した材料）は、陽イオンを捕獲し、一方、陽極電極材料（正に帯電した材料）は、陰イオンを捕獲する。粒状伝導性材料からそれぞれのイオンを除去することは、再生と称される。
【０１２９】
電極材料（すなわち、粒状伝導性材料）の再生は、いくつかの方法によって達成可能である。例えば、一の方法は、システムの電力を遮断することを含み、イオンは、陰イオン及び陽イオン側再生流体の静止又は循環量へと、同時にゆっくりと開放される。別の方法は、電極の極性を反転し、電極材料から再生流体にイオンを追い出すことを含む。この行程は、また、非吸収性材料の電極に対する選択的な再生を含んでいる。別の方法は、電極材料から溶液合成物へとイオンを追いやるために、溶液平衡性及びイオン溶解度を変化させる化学物質の使用を含んでいる。さらに、上記方法の任意の組み合わせは、また、再生方法としての使用に適している。
【０１３０】
電極材料（粒状伝導性材料）を再生するための一の好ましい方法は、以下のステップを含んでいる。再生方法は、２つの異なる動作、すなわち、負に帯電した粒状伝導性材料からの陽イオンの除去と、正に帯電した粒状伝導性材料からの陰イオンの除去とを行うこととされうる。
【０１３１】
負に帯電した電極材料からの陽イオンの除去は、システムから負に帯電した電極材料（負に電極した粒状伝導性材料）を除去し、正に帯電した電極材料（正に帯電した粒状伝導性材料）から離反させておくことを含んでいる。このステップは、いくつかの方法によって達成可能である。例えば、電極材料は、システム行程処理水を使用して、電極室（セル２８０）から分離収容容器（タンク４１０）に開放される。捕獲された陽イオンを持つ陰極電極材料は、収容容器（タンク４１０）に入った後、陰極電極材料に配置される任意の水酸化物合成陽イオンを溶解する少量の酸の添加を必要としてもよい。使用される酸の量は、合成陽イオンの沈殿物を溶解させるだけである。一の好ましい酸は塩酸であるが、酢酸、クエン酸、硝酸、硫酸、及びリン酸も使用可能である。また、陰イオン及び陽イオンＩＣＭの比率を調整することでセル内に適切な量の酸を生じさせることもできる。
【０１３２】
２から６ｐＨが維持される。溶液は、所定時間、例えば、およそ５から４０分、あるいは、所望の反応が起こるまで混合される。電極材料を覆う液体の容量は、ｐＨを３より低く調整するために過度の酸を必要としないように、最小限にされるべきである。酸が反応した後、結果物である液体は、陰極電極材料から排出される。
【０１３３】
５から４０分の接触時間の後に陰極電極材料から酸溶液を排出することは、吸引濾過、抗酸材料を通す濾過、及び遠心分離のようないくつかの方法によって達成可能である。これを達成するための一の好ましい技術は、多孔質板及び吸引減を使用することによる液体の取水を含んでいる。
【０１３４】
再生行程は、また、正に帯電した電極材料からの陰イオンの除去を含んでいる。これは、低ｐＨを有する正に帯電された電極材料が、再生容器において、その前に排水された負に帯電した材料に添加されるようにスラリーを除去するステップを含むことができる。この酸性溶液は、電極材料から残留陰イオンを開放するために使用される。この溶液は、完全な強さで使用可能であり、あるいは、特定の濃度に排水又は稀釈可能である。一の好ましい方法は、残留陰イオンを取り除くために酸性液体溶液の一部だけを使用することである。負に帯電した電極材料は、酸性の、正に帯電した電極材料混合物に添加される。化合された混合物は、処理水（ＤＩ）量に移送され、ゆっくりと混ぜられる。イオンの存在に依存して、溶液は、１００℃まで加熱することを必要としてもよいが、これは、特定イオンの存在のような多数のパラメータに依存し、それ故、この値より小さく又はさらに大きくてもよい。また、水酸化ナトリウム、水酸化アンモニウム、炭酸ナトリウム、及び他を有する陰イオンの開放を促進するために、他の化学物質を添加可能かが決定される。
【０１３５】
所望の反応時間の後、液体は、多孔質板及び吸引技術を使用して、複合電極材料（混合物）から追い出される。結果物としての混合材料は排水され、そして、元の電極室（タンク２８０）に配置され、元の動作に配置される。
【０１３６】
［例］
一の実施例によれば、流体処理タンク２８０に移送される処理流は、製造又は処理工場からの廃水流である。良く知られるように、これらの施設からの処理流は、処理流が環境に排出される前に除去されることを必要とする容認できない重金属の沈殿物、すなわち、ニッケル、クロム、水銀、カドミウム、亜鉛、及び鉛イオンを含んでいる。本発明は、粒状伝導性材料が再生され、捕獲された／吸収されたイオンがこの材料から除去される際の再生行程において後に収集されるイオンを除去するための処理流の脱イオン化の効果的及び容易な方法を提供する。
【０１３７】
［例１］
電極、脱イオン化システム、及び再生システムは、ニッケル、水銀、カドミウム等のようなイオンが除去される一般的な水処理工場又は有害廃棄物処理施設のような任意数の他の用途に採用可能であることは当然である。しかしながら、これらのイオンは、処理流から除去されうるイオンの単なる例示である。また、核廃水は、対応する電極表面（粒状伝導性材料）で放射性同位体の吸収のために処理され、蓄積廃棄物は、収集され、再生され、あるいは、放棄される（例えば、動作行程から収集されて凝縮固体板を形成する）とされる。
【０１３８】
［例２］
本発明のさらに別の形態では、ここで説明される電極及び脱イオン化システムは、無機物材料の除去及び抽出に適するだけでなく、一般的に流出水に含まれるタンパク質や他の有機材料のような有機材料を除去及び抽出するために使用されることも可能である。換言すれば、本発明は、電気を帯びたタンパク質、生重合体、及び有機分子を含む有機及び無機の両方のイオンに関係する。本発明は、処理流からの不純物（有機及び無機）の除去と、帯電した分子（有機及び無機）の電極材料での集積との両方に関係する。
【０１３９】
例えば、流れから有機材料を除去するための行程は、脱イオン化されうる有機不純物を供給するステップと、複数の第１及び第２電極を配置することによって有機不純物をイオン化して有機イオンを形成するステップと、を備えている。各電極は、（ａ）粒状形状で、第１表面及び第２表面により定義される積層に配置される伝導性材料と、（ｂ）第１表面に対して配置される基板と、（ｃ）第２表面に配置され、流体が第１部材を通って粒状伝導性材料と接触して処理されることを許容する第１部材とを備えている。行程は、さらに、第１電極を正に帯電させ、第２電極を負に帯電させ、有機不純物を含む流体を第１及び第２電極に隣接する第１部材の間の空間に流し、液体が第１部材を通って第１及び第２電極に配置された粒状伝導性材料と接触させることを含んでいる。
【０１４０】
例えば、本電極及び脱イオン化システムは、製薬及び生命工学の用途や、有機合成物が行き渡り、そのような有機物を除去し分離する必要及び所望のある環境に使用可能である。
【０１４１】
これに加え、本発明は、分子（例えば、有機物）を分離又は排除するために、処理流及び電極材料の間に隔膜を任意に備えることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【国際調査報告】
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