(57)【要約】脱イオン装置に用いられる電極は、第一面および第二面によって定義される層に配置された粒状の導電性材料を有する。電極は、第一面に対して配置された基質と、第二面に対して配置された第一部材を備え、第一部材は、粒状の導電性材料がイオンを吸収できるように、その中を流体が通って流れ、粒状の導電性材料と接触するように形成されている。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一面及び第二面によって定義される層に配置された粒状の導電性材料と、第一面に対して配置された基質と、第二面に対して配置され、処理される流体が粒状の導電性材料と接触し流体が通過するように形成された第一部材と、を備えることを特徴とする脱イオン装置で用いられる電極。
【請求項２】
粒状の導電性材料が、ポリメリゼーションモノマーと、架橋剤と、触媒と、を含み、ポリメリゼーションモノマー、架橋剤、及び触媒が、多数の粒子に加工された炭化状態であることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項３】
ポリメリゼーションモノマーが、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、及び、トリヒドロキシナフタレンから成るグループと、フルフラールアルコールと、その混合物との少なくとも一つの材料含むことを特徴とする請求項２に記載の電極。
【請求項４】
基質が導電性材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項５】
基質が電気導電性の板を含むことを特徴とする請求項４に記載の電極。
【請求項６】
基質が、グラファイト、電気導電性スチール、導電性ポリマー、および電気導電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ていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項７】
粒状の導電性材料が基質と第一部材の間で加圧されていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項８】
粒状の導電性材料が約０．１ミリオームから約１０オームまでの間の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】
粒状の導電性材料の層の幅は、基質及び第一部材の両方の幅よりも広いことを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１０】
粒状の導電性材料が約４０ミクロンから約１２０ミクロンの間の粒径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】
粒状の導電性材料は、ＢＥＴで約１０Ａから約１００Ａまでの範囲、或いは、水銀針入度計で０．０１００ｕｍから１００００ｕｍの範囲の孔径、そして、約１００から約１２００ｍ２/ｇの表面積（ＢＥＴ）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１２】
第一部材が、流体が通って流れ、粒状の導電性材料と接触することを可能にする多孔性材料から形成される構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１３】
粒状の導電性材料が通過するのを防ぐために、多孔性材料の孔径が、粒状の導電性材料の平均粒径よりも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】
第一部材が、流体が通って流れ、粒状の導電性材料と接触することを可能にする複数の貫通した開口を有する構造を含むことを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１５】
第一部材の構造が格子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】
第一部材が非導電性材料で形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電極。
【請求項１７】
処理タンクと、処理タンクの内部に配置された複数の請求項１に記載の電極と、を含み、少なくともいくつかの電極は、隣接する電極の基質同士が向かい合うように配置され、少なくともいくつかの電極は、第一部材どうしが向かい合い、脱イオンされる流体を受ける第一隙間を形成するように間隔をあけて配置されていることを特徴とする流体の脱イオンシステム。
【請求項１８】
粒状の導電性材料が、システムの運転状態において加圧されて保持されている遊離した粒子の形式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】
各電極が、第一空間に流体を届ける第一注入口導管と、第一空間から流体を引き出す第一排出口導管と、粒状の導電性材料を基質と第一部材の間の位置に届ける第二注入口導管と、粒状の導電性材料を排除するための第二排出口導管とを有す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】
基質及び第一部材がタンク内部で間隔をあけて直立したままで、粒状の導電性材料が運転状態においては圧縮状態に置かれ、再生状態においては粒状の導電性材料が粘性を有して第二排出口導管を通って流れることができるように圧縮を取り除くことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２１】
さらに、陽極及び陰極を有する電源を備え、第一空間にわたって電位を形成するために交互の電極の基質が、電源の逆の極に電気的に接続されてい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】
互いに向かい合う少なくともいくつかの基質の間に第二空間が形成され、第二空間内には拡張式部材が配置され、拡張式部材が膨らんだ時には粒状の導電性材料のそれぞれの層が圧縮状態に置かれるように、基質に選択的に圧力を加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２３】
拡張式部材は、基質の長さに沿って拡張する空気注入式の空気袋の形態であり、膨らんだ際には、空気袋は二つの離れた基質に力を加え、それによって、電極の粒状の導電性材料が圧縮され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】
さらに、タンク内部に設けられた第一空間にプロセス流体を選択的に届け、脱イオン後にプロセス流体を選択的に排出するための第一流体回路と、粒状導電性材料を選択的に基質と第一部材の間の位置に届け、正或いは負に帯電された粒状の導電性材料を再生のために流体処理タンクから選択的に排除する第二流体回路と、を備えたことを特徴とする請求項１７に記載のシステム。
【請求項２５】
第二流体回路は、正或は負に帯電された粒状の導電性材料から電荷イオンを取り除くことで、粒状の導電性材料を再生することができるように、予め定められた条件に維持された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】
さらに、再生タンクに流体接続され、選択的に届けることができる酸供給源と、再生タンクに流体接続され、選択的に届けることができる塩基（任意の化学イオン強化剤）供給源と、再生タンク内の材料のペーハーを計るペーハーセンサー、及び、再生タンク内の温度を制御するヒーターと、酸及び塩基供給源、ペーハーセンサー、及び、ヒーターと通信し、再生タンク内の状態を制御して、予め定められた動作範囲に維持する主制御装置を備えたことを特徴とする請求項２５に記載のシステム。
【請求項２７】
さらに、粒状の導電性材料を、第二流体回路に沿って処理タンクから再生タンクへ、そして処理タンクに戻すための手段を備えた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、粒状の導電性材料をある位置から別の位置への制御された移動が、第二流体回路内で圧力差を生成することで実行され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】
粒状の導電性材料は、手段の実行によって第二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】
第二流体回路内に正圧を生成する第一装置と、第二流体回路内に負圧を生成する真空装置とを備えたことを特徴とする請求項２８に記載のシステム。
【請求項３１】
第一流体回路が、脱イオンされるプロセス流体を保持する第一容器と、廃水を受ける第二容器と、脱イオンされた水を受ける第三容器と、を備え、各第一、第二、及び第三容器が処理タンクに流体連通し、処理タンクからのプロセス流体の流れと、廃水の流れと、脱イオンされた水の流れと、をそれぞれ選択的に制御するバルブ部材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３２】
第一部材、及び、第二部材を形成し、粒状の導電性材料を形成し、そして、浮遊粒子状の粒状の導電性材料を第一部材及び、流体が通って流れ、粒状の導電性材料と接触するように形成された第二部材の間に配置し収容する段階からなることを特徴とする電極を形成するための方法。
【請求項３３】
第一部材が導電性プレートを備え、第二部材が多孔性材料の一層であり、孔の空いた構造であることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３４】
粒状の導電性材料を形成する段階が、第一濃縮溶液を生成するために、少なくとも一つのポリメリゼーションモノマーを架橋剤に溶かし、第一濃縮溶液を、第一濃縮溶液が部分的に反応したｌ前駆体ポリマーに生成されるまで十分な時間、十分な温度に維持し、第二濃縮溶液を生成するために、部分的に反応した濃縮溶液を第二架橋剤と混合し、混合した第二濃縮溶液が第一固体ブランクに重合するまで十分な時間、十分な温度に維持し、第一固体ブランクが炭化し、電気的に伝導性のある部材になるまで、十分な温度で、十分な時間、第一固体ブランクを焼き、第一ブロックが冷えた後に、第一固体ブランクを処理して、炭化したブランクを粒状の炭素材料に粉砕することを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３５】
ポリメリゼーションモノマーが、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、及び、トリヒドロキシナフタレンから成るグループと、フルフラールアルコールと、その混合物との少なくとも一つの材料を含むことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３６】
第一架橋剤および第二架橋剤がホルムアルデヒドであることを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３７】
第一固体ブランクを処理する段階が、炭化したブランクを粒状の炭素材料に粉砕する段階を備えたことを特徴とする請求項３４に記載の方法。
【請求項３８】
さらに、粒状の導電性材料を第一および第二部材の間で圧縮する段階を備えることを特徴とする請求項３２に記載の方法。
【請求項３９】
粒状の導電性材料を圧縮する段階が、隣接する電極の第一部材の間に第一空間を形成し、第一部材に沿って、第一空間内に拡張式部材を挿入し、そして、粒状の導電性材料を圧縮するために、拡張式部材を膨らませる段階を備えることを特徴とする請求項３８に記載の方法。
【請求項４０】
流体処理構造内で、請求項１に記載の複数の第一および第二電極を配置し、第一電極を正に帯電し、第二電極を負に帯電し、第一部材を通過する流体が、第一および第二電極のそれぞれの粒状の導電性材料と接触するように、隣接する第一および第二電極の第一部材間の空間内に流体を流す段階を備えることを特徴とする流体の脱イオン方法。
【請求項４１】
負に帯電された粒状の導電性材料と流体とを有する第一スラリーを生成し、それを第一容器に収容し、負に帯電された粒状の導電性材料から、陽イオンを取り除くために第一スラリーを処理し、陽イオンを取り除いた後に第一スラリーを排出し、正に帯電した粒状の導電性材料と流体とを有する第二スラリーを生成し、それを第一容器に収容し、複合スラリーを生成するために、第二スラリーを第一スラリーを通して排出し、複合スラリーにプロセス水を加え、混合スラリーを生成するために混合スラリーをある時間帯加熱しかき混ぜて、混合スラリーのすべての流体を排出し、混合スラリーに処理水を加え、ある時間帯混合スラリーを加熱しかき混ぜて、混合スラリーの全ての水を排出し、混合スラリーを電極に戻すのを待つために圧力容器に移す、段階を有する、逆に帯電された電極であり、各電極が粒状の導電性材料から形成されて層に配置され、層に対しては基質が形成され、第一部材が層に対して配置されて、第一部材は流体が第一部材を通過して粒状の導電性材料と接触するように形成されたことを特徴とする電極を再生する方法。
【請求項４２】
さらに、予め定められた範囲内のペーハーを有する第一溶液を生成するために、第一スラリーに酸を加え、酸が反応した後で、第二スラリーを第一スラリーに加える前に、第一溶液を排出する段階を備えたことを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【請求項４３】
酸は塩基であり、第一スラリーのペーハーは２．３〜３．８の間で約１０から４５分間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、室温から１００℃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】
第一および第二スラリーが、加熱後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】
処理水が、第一および第二混合物に加えられ、約１から８時間加熱され、かき混ぜられ、混合した第一および第二スラリーは加熱後排出されることを特徴とする請求項４１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は流体、例えば水および他の水性のプロセス流体、からのイオン分離と、汚染物質および不純物の保持、酸化、低減を行う電極を有する電気化学的分離システムに関する。本発明は、さらに、これを用いた、流体処理システム(例えば、脱イオンシステム)に関する。
【背景技術】
【０００２】
廃水などのような流体の流れからイオンと不純物を分離させるための多く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、およびフィルタリング等を含み、またこれらに限定されるものではない。長年にわたって、多くの装置が、廃水などの脱イオン及びそれに続く再生を行うために提案されてきた。
【０００３】
廃水の脱イオン及び浄化のための提案された一つの装置は、米国特許第６，３０９，５３２号に公開されている。この分離装置は容量性の脱イオン(Ｃａｐａｃｉｔｉｖｅ  Ｄｅｉｏｎｉｚａｔｉｏｎ−ＣＤＩ)と呼ぶことができる処理を用いる。従来の処理と対照的に、この技術は脱イオンの過程で化学物質を必要とせず、かわりに、このシステムでは電気を使用している。様々な陰イオンと陽イオン、電気双極子、及び/又は、荷電された懸濁粒子を含む処理されるべき電解質の流れは、脱イオン(浄化)サイクルの間、大量の電気化学的な容量性の脱イオンセルを通過する。セル中の電極は、対立する電荷の粒子或いはイオンを引き付け、これによって、これらを溶液中から取り除く。
【０００４】
したがって、システムは、水の流入物と流出物の脱イオン及び浄化を行うように構成されている。例えば、ある種のシステムは、二つの異なる種の非犠牲電極から成る複数の脱イオンセルを有するタンクを含む。一つのタイプの電極は特定のデザイン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、電流が加えられた時には、水溶液からイオンを分離して保持する。別のタイプの電極は、導電性を有する材料から形成され、電流が加えられた時には、イオンを分離しない、或いは、より少ないイオンを分離するため、非吸収性(非ＩＣＭ電極)であると分類されている。この特性は炭素布、グラファイト、チタニウム、プラチナ、および他の導電性を有する材料から形成された電極に共通する。非ＩＣＭ炭素電極は、互いに電気的に離隔された一対の導電面を有する二重電極として形成されている。
【０００５】
従って、一つの実施形態において、装置は、それぞれ平板状に形成され、対立する電荷を一組にして脱イオンセルを形成する、複数の導電性を有する非犠牲電極を有している。実行中、電位が一対の隣接する電極間で確立する。これは、電源のリード線の一方を電極の一つに接続し、他方のリード線をこの電極に隣接する電極に取付け、これらの電極間で電位を生成することによって達成される。
【０００６】
安定した、丈夫なＩＣＭ電極を形成するために、強化部材を、表面吸収性の高い材料を強化するために用いることができる。通常、強化部材は、炭素フェルト、粒状の炭素、或いは、炭素繊維などの炭素源状であるが、炭素/セルロース、或いは、炭素シリカの混合物状であってもよい。炭素源は、電極の形成において、強化材として用いられ、それは、別の形態であることも可能ではあるが、その炭素系強化材が電気伝導性を有し、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、電極が必要な導電性を有するように選択され、また、ＩＣＭ電極を形成するほかの材料、すなわち、レソルシノールホルムアルデヒド濃縮溶液に完全に分散されて固まる、或いは、成形用の型中の略同量のこの濃縮溶液を吸収して固まらなければならない。
【０００７】
繊維強化材を含む従来技術の電極の非均一性は、その吸収性及び電気的特性に影響する。より具体的に、炭素強化材としての炭素繊維材の使用は、より少ないイオンの付着部位を備えることとなり、また、電極は、陽イオン及び陰イオンの分離において不安定になる傾向がある。したがって、丈夫で、従来の繊維強化材を使用せずに強化特性を向上させた均質な電極を形成することが望ましい。
【０００８】
さらに、本出願者は、同時審理中の米国特許出願第６０／８２７，５４５号（本明細書に参考としてその全体が組み込まれる）に流入物或いは流出物、例えばプロセス水及び、流出廃水の脱イオンと浄化のためのシステム或いは装置、さらに具体的に、炭素繊維強化材を必要としない非犠牲電極を開示している。代わりに、電極が多孔性構造を有するように、電極は、粒状の導電性炭素材電極から形成されている。粒状の導電性炭素材は、処理される流体と接触する層の中に配置されている。米国特許出願第６０／８２７，５４５号中で説明されるように、流体処理の過程は、電極が再生過程或いはサイクル中に再生される前に、複数の脱イオンの前工程を実行することを伴う。再生過程が行われる事が望まれる或いは必要であるタイミングは、処理される流体の種類、前処理工程サイクルの長さ等、複数の異なる変数に依存する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【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】
【００１０】
脱イオンシステムでは、一つの層、或いは、粒状の導電性炭素材の集合が、陽極として作用し、別の層、或いは、粒状の導電性炭素材の集合が、陰極として作用する。しかしながら、時間とともに、また、陽極及び陰極電極の多孔性の性質のため、これらのイオンが陽極および陰極の粒状の導電性炭素材の中に蓄積する可能性がある。本出願者は、このような間隙液状のイオンの蓄積が、脱イオンの過程及びこのシステムの性能に悪影響を与える可能性があることを発見した。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の一態様において、脱イオン装置に使用される電極を提供している。電極は、粒状形であって、積層された導電材料を含んでいる。基質は、電極の第一表面に対して配置され、流体透過性部材は電極の第二表面に対して配置され、流体が流体透過性部材を通過して、粒状の導電体と接触し、処理されるように形成されている。
【００１２】
本発明の更なる態様によると、粒状の導電材料は、複数の粒子に処理された炭化状のポリメリゼーションモノマー、架橋剤、触媒、或いは任意でその反応生成物から形成される。任意に、ポリメリゼーションモノマーは、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およびトリヒドロキシナフタレン、から成るグループ、或いは、フルフラールアルコールおよびそれらの混合物のうち少なくとも一つの材料を含んでいる。
【００１３】
更に本発明の更なる態様において、脱イオン装置に用いられる、上述の逆荷電電極を再生させる方法が提供されている。負に帯電された粒状の導電性材料と流体を含んでいる第一スラリーが生成されて、第一容器に入れられる。第一スラリーは、負に帯電された粒状の導電材料から陽イオンを取り除くために処理される。そして、第一スラリーは、陽イオンが除去された後に排出される。正に帯電された粒状の導電材料と流体を含む第二スラリーが生成されて、第一容器に入れられる。そして、第二スラリーは、複合スラリーを形成するために、第一スラリーを通して排出される。複合スラリーには水が加えられ、混合スラリーを形成するために加熱および混合されて、すべての流体は排出される。混合スラリーには処理水が加えられ、加熱され、全ての水が排出され、電極に戻されるのを待つために圧力容器に移送される。
【００１４】
任意に、所定範囲以内のペーハーを有する溶液を生成するために、第一スラリーに酸を加えることもできる。第一溶液は、酸が反応した後で、第二スラリーを第一スラリーに加える前に排出される。
【００１５】
本発明の更なる態様において、処理タンクと本発明に従って形成された複数の電極を有する流体の脱イオンシステムを提供する。電極は、少なくとも電極のいくつかが、隣接する電極の基質が互いに向かい合い、また、少なくとも電極のいくつかが、第一部材が互いに向かい合い、しかし、流体を脱イオン化するために受け入れられるよう間隔をあけて、処理タンクの内部に配置されているのが望ましい。
【００１６】
本発明の他の特性および効果は、後述の図面と共に後述の詳細な説明を読むことで明らかになる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
本発明の前述の、そして他の、特徴は、本発明の実施形態の以下の詳細な説明および以下の説明図によって更に明らかとなる。
【００１８】
【図１】液体処理ループ及び再生ループを含む脱イオンシステムである液体処理システムの回路図である。
【図２】複数の電極が配置された液体処理タンクの横断面図である。
【図３】液体処理タンクで使用される一本の電極を示す側面斜視図である。
【図４】電極の間に流路を有する一対の電極を示す側面図である。
【図５】本発明の一例である実施形態による酸性／苛性抽出システムを有する電極セルの横断面図である。
【図６】本発明のイオン除去システムを含む前の液体処理システムの性能を示すグラフである。
【図７】本発明のイオン除去システムを含む液体処理システムの１５０回以上の実行の性能を示すグラフである。
【図８】本発明のイオン除去システムを含む液体処理システムの１５０回以上の実行の性能を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
開示された多孔性炭素材（例えば、粒状炭素材）から形成された多孔性の電極は、水の脱イオンシステムの構成要素として有用性を有すると共に、本発明は、この特定の利用に限られるものではなく、水流体以外の別の流体の処理のために用いることができることはいうまでもない。例えば、脱イオンステップを含み、蒸留プロセスを含む化学処理は本発明のシステム及び方法の適切な活用でもある。さらに、本発明によるイオン除去（酸／苛性ソーダ抽出）システムは、同様に水処理を超えて他の応用もあり、具体的には、以下に詳細に説明されたように、イオン除去システムは多孔性の電極が用いられるいかなる液体脱イオン処理プロセスにおいても用いることができる。
【００２０】
本発明に従って、典型的な電気化学的分離システム１００は図示され、導電性の炭素材、とりわけ多孔性構造に形成された電極で、電極自体を形成する多孔性材料（粒子）の間に隙間（領域）を含む電極２００の活用を含む。
【００２１】
例えば、電気化学的分離システム１００で用いられる一つの或いは複数の電極２００は、電極が導電性炭素材の材料特性による隙間を含む限り、いかなる導電性の炭素材からでも形成されることができる。適切な導電性の炭素材は、活性炭、グラファイト化合物、カーボンナノチューブ材、或いは、出願人の米国特許出願第６０／８２７，５４５号に開示された粒状の導電性炭素材を含むが、これらに限定されるものではない。
【００２２】
一実施例によれば、電気化学的分離システム１００は、水、流体および他の水性或いは極性のある液体から荷電粒子、イオン、汚染物質および不純物を除去するための、そして、その適切な応用のための複数の非犠牲の電極２００を含む。電極２００は特に、複数の平行に配置された直立する電極２００を含む脱イオンシステム１００における使用に適している。システム１００は、１種類の単一電極を含んでいても良いし、或いは、システム１００は、複数種類の電極２００をシステム内で交互に配列させて形成されていても良い。例えば、１つの脱イオンの仕組みによれば、隣接する電極が反対の荷電の粒子を引き付けるように、互いに逆帯電となるように配置されている。図示されたシステムが単に、開示された電極の一使用例を示し、この他に、他の脱イオン用途および他の用途を含む多数の使い方があることが当然である。
【００２３】
電極２００は、逆荷電イオンや粒子などを引き付けるのに利用できるように、流体がその帯電表面を通って流れ、接触して流れ、或いはバッチ処理をする形態において用いることができる。また、電極の周辺部に構造上の支えを付すために、電極２００の周りにフレームを配置することも可能である。
【００２４】
システムは多くの異なる態様で構成されることができ、また、電極はいくらでもある異なる形態で装置内に配置されることができる。例えば、本願明細書にその全てが参照される米国特許第５，９２５，２３０号、５，９７７，０１５号、６，０４５，６８５号、６，０９０，２５９号、そして６，０９６，１７９号に、本願に含まれる電極の適切な配列が開示されている。上述の通り、一実施例において、システムは、複数の導電性で非犠牲の電極を含み、それぞれが一体となって脱イオンセルを形成する一構成要素として配置されている。運転中、一組の隣接する電極間には、電位が設けられる。これは、電源のリード線の一方を一つの電極に接続し、もう一方のリード線を、この電極に隣接する電極に接続して、これらの間に電位を生成することで達成される。これによって、隣接している電極が互いに対立する電荷となる。しかしながら、本発明は、互いに関連づけて配置された異なる部材或いは材料から形成された電極の他に、多くの構成を有するように製造することができるため、上述の電極の実施例が実際は単に一例であって、本発明を制限するものではない事は当然である。
【００２５】
電極２００が粒状の導電性炭素材から形成されているときには、それは出願人の米国特許出願第６０／８２７，５４５号に詳細に記載されている方法で好ましく形成することができる。換言すれば、重合する事前形状を形成し、次に炭化させて、最終的に電極に使用される導電性炭素材を形成するための処理を行う。この種の電極２００は、炭素フェルト、紙、或いは繊維、または炭素／セルロース混合物のような一般的に炭素源の形である繊維強化材の使用を必要としないように形成されている。
【００２６】
ここに使用されるように、粒状の導電性炭素材及び粒状導電材という表現は、不電荷の炭化素材あるいは他の炭素系粒子状導電材である素粒子状物質を表している。好適な粒状導電炭素材は、帯電された時に、電場中で犠牲とならず、また水に溶解せず、溶液からイオンを除去する能力を有している材料である。
【００２７】
一実施例において、粒状の導電性炭素材は、まず炭化した吸収性材料を生成し、次にそれを小さな粒子に崩すために処理することで形成されるが、他の実施例においては、水を脱イオンするために必要な特別な特徴を備えている粒状の導電性炭素材は、市販のものを購入して使用しても当然良い。その結果、ある種の活性炭およびガラス状炭素構造でさえも、特定の用途において満足のいく結果をもたらすことができる。また、炭化しそして粉状或いは粒状に崩すことができるココナッツシェル或いは石炭ベースの活性炭などの電気伝導性のある炭化物を形成する別の材料を使用目的によっては粒状の導電性材料として当然用いることができる。
【００２８】
しかしながら、上述のような隙間および複数のほかの材料を有する電極２００を形成する粒状の導電性炭素材の使用が、単に一つの方法であるにすぎず、多孔性構造を有する電極２００を形成するために処理技法を当然用いることができるということが明らかである。
【００２９】
電極２００は、電流が通されたときに、液体からイオンを除去するために形成された脱イオンシステムで利用される吸収電極構造の一部として機能する、導電性、均質、多孔性の炭素構造である。
【００３０】
上述のように、粒状の導電性炭素材から電極２００を製造するための工程および処理条件は、出願人の米国特許出願第６０／８２７，５４５号に詳細に記載されている。
【００３１】
電極２００の一例は、互いに関連付けて配置された部材、材料、或いは層の三つ、すなわち、基質２１０、上述の粒状の導電性材料のような多孔性導電性炭素材から形成された部材２２０、そして障壁部材２３０、から形成され、導電性炭素材２２０は、基質２１０と障壁部材２３０の間に配置されている。電極２００は、いろいろな異なる形状およびサイズとなることができ、一実施例によれば、電極２００は正方形或いは長方形の形状を有している。しかしながら、これらの形状は、単に例であり、実質説明のために用いられ、他のいろいろな標準形状或いは非正規形状を用いることができる。電極２００は、流体（例えば、廃水）がその処理（例えば、脱イオン）のために導かれる液体処理タンクの形状と寸法のそれぞれに相補的である形状および寸法を有している。
【００３２】
部材２１０、２２０、２３０の厚みは同じでも良いが、通常はそれぞれの部材が別の厚みを有していることはいうまでもない。
【００３３】
電極２００は通常、液体処理タンクの内部に直立した状態で配置され、一実施例によれば、電極２００の底縁２０１がタンクの床に対して乗っている。部材２１０、２３０は、多孔性の導電性炭素材を受けるための空間を備えるように、それぞれの間に所定間隔を空けて、タンクの内部に直立した状態で固定して取り付けることができる。本実施例において、電極２００の面は、液体処理タンクのそれぞれの面に逆の面が向くように配置されている。電極２００は、タンクの中に処理のために導かれる流体の複数の異なる流路が電極２００によって規定されるように、多くの異なる方法で配置することができる。図示の実施例では、複数の電極２００を液体処理タンクに沿って隣接させて配列するとともに、互いに隣接して、向かい合う電極の間に障壁部材２３０を設け、電極２００の基質２１０のいくつかが、他の電極２００の基質２１０と向かい合っている。言い換えれば、電極２００は、背中合わせで一対に配置され、一対の基質２１０が、別の一対と向かい合い、その間には、後述のように電極２００を圧縮する装置２６０を受け入れる第一隙間２４０（垂直な隙間或いは垂直な導水路）が形成されるように配置されている。この一対の電極２００の障壁部材２３０は、対向する二つの電極２００の障壁部材２３０間に、処理されるために液体処理タンク内に導かれた液体が後述のように流れる第二隙間２５０（垂直な隙間或いは垂直な導水路）が形成されるように、他の２つの一対の電極２００の障壁部材２３０と向かい合っている。第一隙間２４０の幅は、第二隙間２５０の幅と異なっていても良いが、これらの寸法の正確な関係は、用途用途で違っていても良い。
【００３４】
基板２１０は、積層構造の電極２００の基幹の役割を果たし、いろいろな異なる非犠牲の導電材料から形成することができる。例えば、基質２１０は、グラファイト、非犠牲および電気伝導性の鋼鉄組成、導電性の高分子材料、エポキシ、プラスチック或いはゴム、および、非犠牲および電気伝導性の非鉄材料、例えば金、銀、プラチナ、チタン、アルミニウム、などから形成することができる。
【００３５】
処理の種類および他の要素、例えば、処理タンクの相対寸法、そして、タンクを通過する時間単位あたりの流体の量等、によって電極２１０の物理的及び電気的特性が変化する。例えば、基質２１０は、約０．００１平方インチから１０，０００平方インチより大きいの面積を有することができ、約０．００１インチから１インチより大きいの幅を有することができ、基質２１０を形成する導電性材料の体積抵抗は約０．１ミリオームから約１０オームの間である。
【００３６】
図示の実施例では、基質２１０は、いろいろな異なる形状、例えば正方形或いは長方形、そして異なる寸法の平板状の形状を有する。
【００３７】
好ましくは、また、一実施例によれば、一定の電極配置を提供できるように、それぞれの電極２００は、同じ寸法、および同一の物理的そして電気的特性を有する。
【００３８】
導電性炭素材が、米国特許出願第６０／８２７，５４５号に開示されているように、粒状の導電性材料の形状である場合、粒状の導電性材料の粒子の大きさは、好ましくは、一実施形態において約１〜約５００ミクロンの間で、１つの典型的な範囲は約４０ミクロンから約１２０ミクロンである。例えば、粒状の導体性材料は、平均粒子寸法が５０ミクロン以上で１００ミクロン未満、或いは、約１００ミクロンから約１２０ミクロンの間であってもよい。そのため、粒状の導電性材料は、正確な粒子の大きさ及び処理条件に依存する、異なる特性を有する、自由落下する粉状の物質と考えることができる。
【００３９】
部材２２０は、粒状の導電性材料の形状であるため、この材料は高い流動性を有し、力を加えた場合、或いは、重力によって、経路に沿って容易に流れることができる。言い換えれば、粒状の導電性材料は、実質的に流動性が高く、そして、これによって電極材料（粒状の導電性材料）が液体処理タンクから容易に排出される。より詳しくは、流体、例えば水、と、粒状の導電性材料２２０から形成されるスラリーは、再生タンク内の粒状の導電性材料２２０の再生を可能にし、再生された電極材料が液体処理タンク内部に収容された電極２００の部材２２０の中に戻ることを可能にするように、再生ループ中を容易に流れることができる導電性のある、複数の異なる粘性を有することができる。
【００４０】
粒状の導体性材料２２０は、関連する細孔寸法を有し、それは約１０から約１００μｍÅの範囲内であって、また、約４００〜約１２００ｍ２／ｇ（ＢＥＴ）の間の表面積を有することができる。
【００４１】
上述の粒状の導電性炭素材以外の材料が電極２００の部材２２０を形成するために用いられても、これら全ての材料がある程度の多孔性を有し、そして隙間を含む多孔質構造（部材２２０）を形成することはいうまでもない。
【００４２】
障壁部材２３０は、流体（例えば水）が第二隙間２５０の中を通って流れ出て、部材２２０の導電性炭素材と接触することができるように多孔性材料から形成された構造を含む、複数の異なる形状を有することができる。障壁部材２３０は、例えば格子状の模様を形成するかのように複数の貫通開口を備え、流体がこれらの開口部を通って流れ、部材２２０の導電性炭素材と接触する、シートとして形成された非多孔性材料（例えば、ポリエチレン（ＰＥ））から形成することもできる。
【００４３】
障壁部材２３０が多孔性部材の形状を有するとき、障壁部材２３０は、流体が、第二隙間２５０の中を通って流れ、部材２２０を形成する導電性炭素材と接触することができる充分な多孔性を有する限り、いかなる異なる材料で形成されていても良い。部材２３０の多孔性は、用途用途で変化することができ、しかし、一実施によれば、部材２３０の多孔性は、約１μｍから約５０００μｍの間である。他の部材と同様に、障壁部材２３０は、例えば、約０．００１インチから２．００インチの間の異なる幅で形成されていても良い。
【００４４】
障壁部材２３０が導電性炭素材部材２２０の一表面に対して配置されていることから、粒状材料が第二隙間２５０へ移動するのを防止する障壁として作用することはいうまでもない。このように、粒状導電性材料の寸法および障壁部材２３０の細孔の寸法は、障壁部材２３０の細孔の寸法が粒状の導電性材料が障壁部材２３０を貫通して形成された孔（開口部）を通って移動することがないように選択されている。
【００４５】
多孔性の障壁部材２３０は、複数の異なる種類の、好ましくは、しかし、必然的にではなく、本質的に非導電性の多孔性材料から形成することができ、或いは、障壁部材２３０は、格子状構造に形成された非導電性の材料から形成することができる。例えば、障壁部材２３０は、多孔性のプラスチックからなるグループ（例えば、ＰＥ、デルリン、ＵＨＭＷ、ＨＤＰＥ、ナイロン、ポリカーボネートなど）から選択される材料、ポリエステル、ナイロンなどから形成されたメッシュ、非導電性の炭素発泡体、非導電性のセラミック発泡体等、から形成することができる。障壁部材２３０は、導電性炭素材から形成される構造２２０に補体する形状を有している。
【００４６】
また、障壁部材２３０は、プラスチックまたは合成の布のような構造に形成され、例えばハニカム構造のような、複数の異なる構造を有していても当然良い。
【００４７】
その作動状態において、遊離、解放状態にある多孔性の導電性炭素材をさらにぎっしり詰まった、定義された層あるいは構造にするために、所定量の圧縮力を多孔性の導電性炭素材２２０に加えるように装置２６０が備えられ、多孔性の導電性炭素材２２０は、圧縮された形あるいは圧縮状態にある。圧縮されると、多孔性の導電性炭素材の部材の厚みは減少し、一実施例においては、多孔性の導電性炭素材の部材２２０は、約０．０１０インチから約１インチの間の厚みを有している、しかし、これらの値は単に一例であって、特定の用途によって、部材２２０はこの範囲外の厚みを有することができる。
【００４８】
圧縮状態においても、多孔性の導電性炭素材から形成された部材２２０は、隙間を有する。
【００４９】
導電性炭素材は、導電性炭素材に対して横方向から圧力を加える、あるいは縦方向から圧力を加えて圧縮することができる。図４において、矢印２６１は、圧縮が横方向から加えられているのを示している。
【００５０】
装置２６０は、導電性炭素材の部材２２０に正圧（圧縮力）を加えることができる限り複数の異なる形状で形成することができ、好ましくは、装置２６０は、部材２２０の長さ（高さ）に沿って正圧を加えることができるように形成されている。
【００５１】
さらに、導電性炭素材の圧迫が材料（部材２２０の）のどの面、あるいは、全面から付されても当然良い。
【００５２】
図２に図示され、理解されるように、２つの対向する基質２１０の間に設けられた第一隙間２４０は、圧縮装置２６０を備えるためにあり、これによって、作動された際に、装置２６０が膨張し、対向する基質２１０に圧力を加える。好ましくは、力は、基質２１０の露出面に対して略垂直方向に付される。水または化学溶液等の流体が、多孔性プラスチックまたはくり抜かれた塑性構造物から形成された剛構造に沿って、第二隙間２５０に収容されるため、力は障壁部材２３０の露出面に対して液体あるいは構造物によって付され、これによって、導電性炭素材が効率よく他の二つの部材２１０、２３０に挟まれる。言い換えれば、水及び剛構造は、装置２６０から力が加えられる方向に沿った電極２００の動きに高い抵抗力を付し、これによって、粒状の導電性材料は、比較的高速度にもかかわらず、電極２００の一部として明確に定義された部材２００内に収容される。液体処理タンクの端壁に隣接する電極２００の基質２１０は、端壁に直接支持されるため、圧縮装置２６０をこれらの表面に隣接させて設ける必要がない。
【００５３】
次に、図１−２を参照すると、流体の脱イオンのシステム１００は図示されるように、廃水等の流体を処理し、この流体を脱イオン化、あるいは、この流体を処理し他の場所に排出することができる処理水を生成するための、液体処理回路またはループ３１０を備えている。液体処理回路３１０は、処理される流体３２０の供給源を含み、また、一実施形態においては、流体３２０は、不要物質、例えば異なるイオンや金属等を含むプロセス水である。しかしながら、流体３２０は水以外のいかなる流体であっても良く、そして、例えば、流体は化学的流体の流れ、あるいは、液状化学品をまとめたものであっても良い。流体３２０の供給源は、一定量の流体が入る貯蔵容器、容器またはタンクの形態であっても良く、処理流体をタンクに送る吸込み管に動作可能に連結されている。このようにして、一旦最初の一定量の流体が液体処理回路３１０を通って送り出されると、次の一定量の流体が容器の中の貯蔵庫に送られる。例えば、吸込み管は、制御された方法で、流体が処理される場所に、流体を送る流体導管（例えば、チューブ）から形成されていても良い。流体を保持する容器の寸法（容積）は、正確な用途、および、どれくらいの流体が処理されるかによって変化することはいうまでもない。
【００５４】
「導管」という用語がここに使用されるようにある一つの位置から別のもう一つの位置まで流体を運ぶ別々の、そして、異なった部材、あるいは、一つの連続する導管の区分された断片あるいは部分を言及していても良い。換言すれば、下記の論考が多くの異なる導管について説明している一方、一つあるいは複数の導管は一つの連続する流路を形成していても良い。
【００５５】
液体処理回路３１０は、また、流体源３２０に流体的に取り付けられる第一端部３３２と、本明細書で記載されているように、容器３８０に配置された電極２００の稼働によって、供給源３２０からの流体が処理される液体処理容器（タンク）３８０に流体的に接続している逆の第二端部３３４と、を有する第一導管３３０を備えている。第一導管３３０は、いかなる形状をしていても良いが、チューブ自体が損傷あるいは弱化することなく、処理される液体を運ぶように作られた、チューブ、例えばＰＶＣチューブから形成されていることが一般的である。図示されるように、第一導管３３０は、他のチューブ部分と相対的に角度をなして形成された複数の異なるチューブ部分から形成されていても良く、あるいは、第一導管３３０は、容器３８０と供給源３２０の間に延びる大部分が直線状の導管であっても良い。
【００５６】
第一導管３３０は、供給源３２０から容器３８０への流れる流体の流れ方向（流体経路またはルート）、及び／又は、流量を制御するために、それに連結された複数のバルブ部材を備えている。例えば、第一導管３３０は、第一端部３３２の近くで、第一導管３３０に沿って配置された第一バルブ部材３４０と、第一バルブ部材３４０の下流で、容器３８０に流体的に取り付けられた第二端部３３４の近くで第一導管３３０内に配置された第二バルブ部材３４２と、を備えることができる。
【００５７】
下記で認められるように、第一および第二バルブ部材３４０、３４２は、第一導管３３０を他の導管から隔てる、或いは、第一導管３３０と他の導管との間の、或いは他のシステム構成部品、例えば液体処理容器３８０、との間の流体連通ができるように、第一導管３３０の一つ或いは複数の部分間で流体の流れを可能にし、或いは、制限するように操作されるいかなる数のバルブ部材であっても良い。バルブ部材３４０、３４２、及び、システム内の他の操作可能な構成部品は、個々のバルブ部材３４０、３４２が選択的に制御されて、所望の位置、例えば全開位置または全閉位置、に設置することができる制御装置（プロセッサ）等と交信していることが望ましい。
【００５８】
システム１００もまた、選択的に、そして、制御可能に、流体を所望の流路に沿って導くように複数のポンプ或いはそれと同類のものを有する。例えば、第一導管３３０は、第一ポンプ３５０および第二ポンプ３６０を備えていても良く、それぞれのポンプを独立して制御することができる制御装置、例えば主制御装置或いはプロセッサ、に操作可能に接続されている。第一ポンプ３５０は、望ましくは、プロセス流体の供給源３２０に近い第一端部３３２の近くで、望ましくは第一バルブ３４０の上流に配置されている。第一ポンプ３５０は、主に供給源３２０から流体を引き出し、そしてそれを導管３３０に沿って他の場所或いは他の導管に導く。
【００５９】
第二ポンプ３６０は、第一ポンプ機構３５０および第一バルブ３４０の下流に配置される。第二ポンプ３６０は、更に第一導管３３０に沿って流体を導くか、或いは、ペーハー及び伝導率センサーによる品質テストのために流体を処理ボックス３８０に出入りさせて再循環させるために運転することができる。
【００６０】
システム１００もまた、液体処理容器３８０内で処理され、排出された流体を貯蔵するための流体容器３８０と流体連通している第一端部３７２を有する第二導管３７０を備えている。第二導管３７０の逆の第二端部３７４は、第一導管３３０と流体連通し、特に、第二導管３７０が第一導管３３０に連結する場所に、第三のバルブ部材３４４が設けられている。このように、第三のバルブ部材３４４は、第一導管３３０に対して第二導管３７０を選択的に開閉する。第二バルブ部材３４２および第三のバルブ部材３４４は、第三のバルブ部材３４４が閉じ、第二バルブ部材３４２が開いているときに、流体容器３２０からの流体が第一導管３３０を通って、液体処理容器３８０に中に流れるように、第一及び第二導管３３０、３７０の間のＴ字状の流体交差部の逆端に配置されていても良い。この場合、プロセス流体（例えば、プロセス水）が、最初に液体処理容器３８０に処理（例えば、脱イオン）のために流入される。
【００６１】
システム１００はまた、液体処理容器３８０の排出口に流体連通し、流体を受け取るための第一端部３９２と、液体処理容器３８０からの流体を選択的に第三導管３９０から第一導管３３０へ品質センサー３７０を通過してポンプ３６０を通って処理ボックス３８０に送り込むように第一バルブ３４０の下流で第一導管３３０と流体連通する逆の第二端部３９４とを有し、処理状態を測定するセンサー下流の箱３８０で処理される水を再利用するための第三導管３９０を備えている。第三導管３９０内の流体は、慎重に貯蔵され、再汚染する可能性のある他の流体と混合されない処理された流体であっても良く、第三導管３９０は、第一バルブ３４０の下流で第一導管３３０と流体連通しているため、第一バルブ３４０の閉鎖は、液体処理容器３８０からの流体が、プロセス流体３２０の供給源に送られるのを許容する。
【００６２】
第三導管３９０はまた、少なくとも一つのバルブを備え、詳しくは、第三導管３９０は、第一端部３９２上、或いは、近くに設けられた第四バルブ３４６を備えている。第四バルブ３４６は、そのため、液体処理容器の排出口近くに配置され、これによって、第四バルブ３４６が閉じられたときに、液体処理容器３８０内の流体が第三導管３９０に流れ込むのが防がれ、この流体が処理されやすいように液体処理容器３８０内にとどまる。一方、第四バルブ３４６が開かれているときには、液体処理容器３８０内の流体は第三導管３９０に自由に流れ、望ましい流路に送り込まれる。
【００６３】
第三導管は、第一ポンプ３５０の動作によって第三導管３３０内の流体が第一導管３３０に引き込まれるように、第一バルブ３４０の下流で、第一ポンプ３５０の上流で第一導管３３０と交差する。
【００６４】
システム１００はまた、廃水容器４２０と流体連通する第一端部４０２と、第一導管４３０と流体連通する逆の第二端部４０４とを有する、第四導管４００を備えていても良い。第四導管４００は、そのため、第一導管４３０から、電極充填サイクルの間に生成される廃水を受け取ることができるように形成されている。第四導管４００は、第五バルブ４１０を備え、バルブ４１０が開かれている時に第一導管と第三導管３３０、４００の間の流体連通を可能にし、或いは、バルブ４１０が閉じられているときには、それらの間の流体連通を抑制する。バルブ４１０は、そのため、第三導管４００が第一導管３３０に流体連通する位置或いはその近くにあることが望ましい。再循環に用いられる第二ポンプ３６０は、そのため、第一バルブ部材３４０と第五バルブ部材４１０の間に配置されている。
【００６５】
第四導管４００が第一導管３３０と選択的に連通している場所は、第三導管３９０が第一導管３３０と選択的に連通している場所の下流で、しかし、第二導管３７０が第一導管３３０と選択的に連通している場所の上流である。
【００６６】
再生システム（ループ）５００の構成要素と連通する第一端部４３２と、処理された流体の容器４８０と流体連通する逆の第二端部４３４と、を有する第五導管４３０が備えられている。これによって、第五導管４３０は、再生ループ５００と、処理された流体が収容される容器４８０の間を直接的に連結する。
【００６７】
第五導管４３０は、好ましくは、その長さに沿って配置された第三ポンプ４４０を備え、第三ポンプ４４０は、他のポンプと同様に、選択的な動作及び第五導管４３０内の流体を排出できるように、主制御装置と通信し、主制御装置によって動作可能に接続されている。第六バルブ部材が第五導管４３０内に備えられ、他のバルブ部材と同様に作動する。
【００６８】
流体ループ３１０に沿った選択された位置で、流体の異なる物理的特徴及びパラメータを監視する多くの制御およびセンサー構成部品が備えられても良い。
【００６９】
図示の実施例では、システム１００は、第三導管３９０を通って液体処理容器３８０から排出される流体が、例えば処理された流体の容器４８０等の他の場所に移されるために第一導管３３０に流入する前に監視するよう、第三導管３９０内に共に配置された伝導率センサー４６０と、ペーハーセンサー４７０とを備えている。センサー４６０、４７０は、正確な流体処理の種類によって、別の形態であっても当然良い。
【００７０】
本発明はまた、米国特許出願第６０／８２７，５４５号に詳細に説明されているように電極２００を再生するための再生ループ５００を備えている。
【００７１】
液体処理タンク３８０は、液体処理タンク３８０の内装３８１の内部に予め定められた様式に従って配置された複数の電極２００を備えている。図２は、液体処理タンク３８０の内装３８１の内部に配置された構成部品、特に、電極２００の配置を示している。具体的に、液体処理タンク３８０は、長方形の場合には対向する端壁及び対向する側壁から定義される壁構造３８３によって定義されている。液体処理タンク３８０は、用途によって、蓋板等を用いて閉じることができ、或いは、全開状態のままにすることができる天井或いは屋根を定義する上端３８５備えている。液体処理タンク３８０は、床３８９によって定義される逆の下端３８７を備えている。液体処理タンク３８０の一つ或いは複数の吸込口は、上端３８５に沿って形成され、後述の再生された電極部材と、液体処理タンク３８０で処理される（例えば、脱イオン）流体とを受け入れることができるように、蓋板等を貫通して形成されていても良い。液体処理タンク３８０の一つ或いは複数の排出口は、再生の必要な電極部材と、液体処理タンク３８０内でうまく処理された流体との両方を排出できるように、床３８９に沿って形成されている。
【００７２】
液体処理タンク３８０はまた、第二隙間２５０のそれぞれが連通する、処理される液体を受け入れる吸込口２５１と、液体処理タンク３８０から液体を排出することができる排出口２５３とを有するように備えられている。図２に最も良く示されているように、注入口２５１は、タンク３８０の上端に形成されていても良く、一方、それぞれの第二隙間２５０の排出口２５３は、タンク３８０の床３８９に形成されていても良い。前述のように、それぞれの注入口及び排出口には、第二隙間２５０に流入する流体（例えば、水）の流れ、及び、タンク３８０から処理された流体の排出を制御するバルブ部材が連通している。バルブ部材のすべてを、作動可能に主制御装置に接続したために、液体のバッチ処理が済んだ時には、処理タンク３８０を充たす、或いは、タンク３８０を洗い流すように、全てのバルブ部材は、同時に開く、或いは閉じることができる。
【００７３】
同様に、そして、図２にて示すように、各部材２２０は、多孔性、導電性炭素材をタンク３８０に受け入れるための注入口２２１と、粒状導電材料をタンク３８０から排出するための排出口２２３とを備えている。注入口２２１および排出口２２３は再生ループ５００の一部であり、水ループと同様に、注入口２２１および排出口２２３は、粒状導電材料をタンク３８０の隙間２５０に選択的に監視の下で受け渡すことができるように、及び、電極材料の再生が必要、或いは望まれるときには、それらをそこから排出することができるように、バルブ部材に連通している。
【００７４】
電極２００の基質２１０は、事実上導電性を有するため、意図的に、動作可能に、そして電気的に電源装置２７０（ＤＣ電源装置）に接続されている。より明確には、電源装置２７０の一つの極性、（＋）或いは（−）は、基質２１０をこの一つの極性に従って帯電するために基質２１０に接続されている。対照的に、障壁部材２３０は、非導電性界面を提供するように非導電性材料で形成されている。粒状導電材料２２０は、基質２１０の長さに沿って基質２１０に隣接し、直接接触しているため、基質２１０に分配される電荷は粒状導電材料２２０にも分配される。このように、粒状導電材料２２０として形成された電極材料は、電源装置２７０の動作の結果として、帯電される。
【００７５】
図２で示すように、交互の基質２１０は、タンク３８０の全体にわたって、電源装置２７０の逆の極性に接続されている。このように、電極２００を使用している１つの好適な動作において、第二隙間或いは流路２５０内の流体（例えば、水）は、脱イオンができるように、逆の極性の二つの電極と接触している。
【００７６】
電極アセンブリ２００の一部を形成する多孔性の導電性炭素材２２０は、圧縮装置２６０による導電性炭素材２２０の圧縮に反比例し、導電性炭素材２２０の粒径（平均粒径）に正比例する抵抗値を有する。一実施例において、導電基板２１０に隣接した第一面２２２から、多孔性非導電性障壁部材２３０に隣接した第二面２２４で計測された導電性炭素材２２０の抵抗値は、約０．１ミリオームから約１０オームの間である。しかしながら、導電性炭素材２２０の抵抗値はこの範囲外であっても良く、上記の値は単に一例であり、本発明の範囲を制限するものではない。また、導電性炭素材の伝導度は、炭素材にかけられている圧力の程度、および、多孔性炭素材の粒径等を含む、多くの異なるパラメータに応じて変化する。
【００７７】
第二隙間２５０の幅は、正確な用途および他の要因、例えばタンク３８０の寸法および時間単位当たりのタンク３８０全体の流体処理要件によって変化することができる。一実施例によれば、第二隙間２５０の幅（従って流体の幅）は、約０．０１インチから６．００インチの間であるが、他の幅もまた同様に可能である。
【００７８】
電源装置２７０と基質２１０間の電気接続は、複数の従来技術を使用して達成することができる。電極２００は、脱イオン装置において使用される時、その正確な詳細に関係なく、導電性炭素材に電圧を供給しなければならない。これは、基質２１０或いは、導電性炭素材２２０に直接接続された銅或いは他の伝導体から形成された棒或いは線で行うことができる。しかしながら、棒或いは線が脱イオン化されている液体にさらされる場合、棒或いは線は損傷を受ける（犠牲にされることで）。したがって、棒或いは線とプレートとの間に乾式接続を確立することが望ましい。
【００７９】
電極２００の基質２１０と、伝導体、好ましくは絶縁された銅線との間の乾式接続は、米国特許出願第６０／８２７，５４５号で説明された方法で形成することができる。
【００８０】
制御システム(主制御装置或いはプロセッサ)が本質的には、その全体が本願明細書中に参照さ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同一である、或いは類似していても当然良い。
【００８１】
さらに、システム１００は、バッチ式の流体処理過程として設計される代わりに、システムは、いくつかの段階を経由して流体（水）が流れ、各段階が部分的な処理を行う、段階的な流体処理タンク３８０を備えていても良い。段階は、セル間の隙間（電極２００の隙間）及び／又は印加される電力レベルによって変化することができる。さらに、システムは、並列する処理領域を、流体（水）の連続する流れが通るように設計されていても良い。また、二つ或いはそれ以上の直列に配置された処理領域を経由する、蛇行状に形成され、流路に沿って流体(水)が流れるように設計することができる。蛇行状の流れは、セル（電極）間に可変的な隙間を備え、及び／又は、処理経路の初めから終わりまでで異なる電力レベルを有していても良い。
【００８２】
さらに、処理タンク３８０は、同心の円形層及び螺旋状にねじれた層を含む、いろいろな異なる形状を有することができ、しかしこれに限定されない。
【００８３】
次に、図５を参照すると、本発明の一例示的実施形態におけるイオン除去（酸／苛性ソーダ抽出）システム６００が図示されている。図５は、処理される流体が通って流れる隙間２５０を形成するように互いに間隔をあけて配置された二つの電極２００，２００‘から形成される一つの電極セル７００を示している。図示の実施例では、電極２００は、電源の陽（＋）端子に接続されているため、セル７００の陰イオン除去側であり、一方、電極２００’は、陰（−）端子に接続されているため、陽イオン除去側である。
【００８４】
本出願人は、システム１００（図１）の実行中、層２２０を形成する導電性炭素粒子の間に形成され、図５の６１０に典型が示される隙間にイオンが集められることを発見した。換言すると、導電性の多孔質材料２２０は、隙間６１０を有し、処理される流体は、隙間２５０内を通って流れ、多孔性導電性材料２２０と接触するため、流体は、導電性炭素材の粒子或いは顆粒の間の隙間６１０に入る。
【００８５】
セル７００及びシステム１００の動作中、イオンが電極２００，２００’に引き付けられると（陽イオンが陰電極２００’に、そして、陰イオンが陽電極２００に）、イオンが互いに撥ね返し始める状態まで同荷電のイオンが増加し、各イオンは、逆荷電のＨ＋イオンおよびＯＨ−イオンを引き付け始める。その結果、酸性液が陰イオン除去側内及び近くに、そして、苛性液が陽イオン除去側内及び近くになる。換言すると、電極２００に形成された隙間６１０内にイオンが集められると、電極２００を形成する多孔性電極材料がひたされる溶液は酸性になり、同様に、電極２００’に形成される隙間６１０にイオンが集められると、電極２００’を形成する多孔性電極材料がひたされる溶液は苛性になる。
【００８６】
苛性及び酸性の溶液の濃度及びイオン強度は、システム１００が長時間作動するに従って増加し、隙間２５０内を通って流れる流体から除去されたイオンは、それぞれの電極２００，２００’を形成する多孔性導電性炭素材２２０の隙間６１０内に保持され、収容される。苛性及び酸性の溶液は、溶液（隙間２５０内を流れる流体）に対するバックプレーン（基質２１０）の電気伝導率が、多孔性導電性炭素材２２０経路に対するバックプレーン（基質２１０）の電気伝導率より大きくなるまで濃縮される。多孔性導電性炭素材２２０の経路に対するバックプレーン（基質２１０）の抵抗が大きくなると、システム１００のセル７００はイオン除去を停止し、それぞれのバックプレーン（基質２１０）の近くの高伝導性溶液を電気分解し始める。本発明のイオン除去(酸性／苛性の抽出)システム６００を除いたシステム１００のセル７００の最大能力は図６に示される。図６で示すように、システム１００の初期の運転は（すなわち、隙間２５０を流れる流体の脱イオン）、時間の経過に伴って急激に増加し、システム６００が利用されていない時には合計運転回数が限定され、酸及び塩基の濃度はセル７００内で時間と共に増加する。換言すると、図６は、各運転の平均時間を分単位で示し、この一特定の例によれば、１８回の運転後、一回の運転を行うために必要な分単位の時間が顕著にそして突然増加する。
【００８７】
本発明によれば、各セル７００は、セル７００の両陽及び陰電極２００，２００’の隙間６１０内に集積したイオンを低減するために設計された酸性／苛性抽出或いはイオン除去システム６００を有している。図５に示すように、陽電極２００は、電極２００に付随する多孔性導電性炭素材の層２２０に対して開かれ連通自在な第一端部６２２を備える第一隙間配管或いは排出口６２０を有している。逆の第二端部６２４は、セル７００の外部に対して開かれ、後述のように、導管（チューブ）６２８或いはそれに似たものに、除去した酸性液（流体）を隙間６１０から導くために接続されていても良い。同様に、陰電極２００’は、電極２００’に付随する多孔性導電性炭素材の層２２０に対して開かれ連通自在な第一端部６３２を備える第二隙間配管或いは排出口６３０を有している。逆の第二端部６３４は、セル７００の外部に対して開かれ、後述のように、導管（チューブ）或いはそれに似たものに、除去した酸性液（流体）を隙間６１０から導くために接続されていても良い。第一或いは第二隙間配管或いは排出口６２０，６３０は、セル７００を形成する筐体内に組み込まれ、形成されていても良いが、隙間６１０に含有された流体が第一および第二隙間配管６２０，６３０内に流れる事ができる限り、セル７００に連結された別部材の中に組み込まれ、形成されていても良い。
【００８８】
排出口６２０，６３０は、こうして、各電極２００，２００’の一部を形成する多孔性導電性炭素材の層２２０のそれぞれから隙間間の流体を排出することができることは言うまでもない。また、排出口６２０，６３０は、排出口６２０，６３０から排出される流体が隙間６１０に含有されている流体であり、隙間２５０からの流体ではないように、処理される流体が流れる隙間２５０から隔離され、連通しないように当然形成されている。
【００８９】
各間隙液排出口６２０，６３０は、本発明に従って、間隙液が排出され除去される時に、セル７００から多孔性導電性炭素材２２０が流れ出るのを防ぐフィルター部材６４０を望ましくは有することができる。フィルター部材６４０は、イオンを含む間隙液が流れることができ、しかし、システム６００が作動する際に、多孔性導電性炭素材（例えば粒状材料）が通過するのを防ぐ多孔質膜、スクリーン、或いは網素材で形成することができる。
【００９０】
各排出口６２０，６３０、もしくは導管６２８は、間隙液の除去速度を調整する制御バルブ６５０に接続されていることが望ましい。制御バルブ６５０は、間隙液を各電極２００，２００’から除去する速度を含む、間隙液の除去の遠隔制御を行うことができる制御装置（不図示）に電子的にそして動作可能に接続されている。
【００９１】
また、一つの例示的実施形態において、各電極２００，２００’が隙間排出口或いは排水管を有しているが、電極２００，２００’のどちらか一つだけが隙間排出口或いは排水管を有していることも当然可能である。
【００９２】
それぞれの電極２００，２００’から間隙液を除去する実際の方法或いは構造は、異なる技術及び器材を用いるいくつもの異なる方法で達成することができる。例えば、図５に示すように、システム６００は、排出口６２０，６３０が多孔性導電性炭素材２２０の底縁６０１に沿って、連通して備えられている自重送り構造で動作しても良い。セル７００は、垂直方向に配置されているため、間隙液は、通常の動作条件下では、重力によって材料２２０の底縁６０１に向かって流れる。したがって、排出口６２０，６３０の第一端部６２２，６３２をそれぞれ底縁６０１に沿って配置することで、間隙液は、垂直にぎっしりと詰まった材料２２０の層を通って、流体をセル７００から排出する、排出口６２０、６３０のそれぞれに向かって流れる。
【００９３】
自重送り構造の代わりに、他の構造を用いることもできる。例えば、排出口６２０，６３０から排除される間隙液は、材料２２０の垂直な層を通って排出口６２０，６３０に向かって流れ落ちるように導かれた間隙液に圧力差を作り出す装置を用いて調整することができる。これは、一箇所で間隙液に正圧を加えるか、或いは、底縁６０１で低圧環境を作ることによって、達成することができる。例えば、一実施例によると、各電極２００，２００’の材料層２２０のそれぞれから間隙液を引き出すために真空構造が用いられている。真空構造は、排出口６２０，６３０の端部６２４，６３４に直接接続されていても良いし、或いは、真空構造は、排出口６２０，６３０と流体連通する導管６２８に動作可能に接続されていても良い。
【００９４】
出願人は、システム１００がイオン除去（酸／苛性の抽出）システム６００を備えると、優れた処理システムを提供することができ、また、処理過程の性能及び寿命を大幅に向上させることができることを発見した。初期の脱イオン運転の間に、多孔性導電性炭素材２２０の隙間６１０から間隙液を排除すると、セル７００の再生が必要になる前まで、セル７００及びシステム１００を長期間運転させることができることが究明された。上述のように、及び、図６で示すように、システム６００が含まれていない場合には、システム１００は、１８回実行後に所望の水質に到達することができない。しかし、図７に示すように、酸性／苛性抽出システム６００が、図６に例示される同じ流体処理システム１００に加えられた場合には、顕著な改善がある。図７に示すように、初期の脱イオン運転は１５５回完了されるまで継続されており、システム１００が平均実行効率の観点で減速している、或いは、システム１００が運転に失敗している様子或いは痕跡はない。図８に示すように、同じ条件下でシステム１００が２５０回実行されるまで再び実験を繰り返したが、システム１００の減速或いは失敗は見られなかった。従って、出願人は、運転中、セル７００から間隙液を排除することで、システム１００の性能の著しい向上があることを発見した。
【００９５】
酸性の流体（電極２００からの）或いは苛性の流体（電極２００’からの）の形でセル７００からイオンを除去した場合、それぞれのバックプレーン２１０の近くの溶液の伝導率は、多孔性導電性炭素材２２０の伝導率よりも低い状態が続き、システム１００は、図７及び図８に示すように、各実行に必要な時間が急激に増えることなく運転し続ける。各電極２００，２２０の多孔性導電性炭素材２２０の層と連通するように配置された口（排出口６２０，６３０）からの間隙液の排除は、システム１００の総合的な性能と効率を向上させ、再生に必要な試薬を提供する。
【００９６】
イオン除去システム６００及びその運転方法は、隙間を有する導電性材料で形成された電極を備えるいかなる脱イオンの仕組みでも使用することができることは当然である。換言すれば、イオン除去システム６００は、多孔性導電性炭素材、例えば出願人の米国特許出願第６０／８２７，５４５号で開示された粒状導電性炭素材、或いは、炭素材料が最終形状である電極の形において、隙間が形成される材料特性を有する、他のいかなる導電性炭素材、から形成された電極と共に用いる。他の適切な導電性炭素材は活性炭、グラファイト化合物などを含んでいる。さらに、水処理は流体処理システム１００を使用できる一例であり、本発明は、このような用途に限定されるものではなく、流体脱イオンが実行されるいかなる用途においても用いることができる。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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