(57)【要約】本開示は、いくつかの実施形態によれば、フィード組成物（例えば、流体）からの１つ以上の重金属（例えば、重金属、クロム、リン、リン化合物、窒素、窒素化合物）の還元および／または除去のための装置、システムおよび方法に関する。装置、システムおよび方法は、いくつかの実施形態において、汚染流体を含む汚染物質がほとんど発生しない様態で流体の汚染除去を行うよう動作可能である。【選択図】図１
2015521535.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
汚染物質を含む取込流体から前記汚染物質を除去するための汚染除去システムであって、
（ａ）流体リアクターであって、
（ｉ）前記取込流体を受容し、
（ｉｉ）前記汚染物質を吸着剤と結合させて汚染物質吸着物質を形成し、
（ｉｉｉ）前記汚染物質吸着物質を含む流体リアクター出力ストリームを形成するよう構成された前記流体リアクターと、
（ｂ）触媒回収ユニット（ＣＲＵ）であって、
（ｉ）前記触媒回収ユニットのＣＲＵ不透過部およびＣＲＵ透過部を規定するＣＲＵ多孔性膜を含み、
（ｉｉ）前記ＣＲＵ多孔性膜の前記ＣＲＵ不透過部中において前記流体リアクター出力ストリームを受容し、前記流体リアクター出力ストリームを、
前記汚染物質吸着物質を含む、前記触媒回収ユニットの前記ＣＲＵ不透過部中のＣＲＵ不透過物と、
前記汚染物質を実質的に含まない、前記触媒回収ユニット中の前記ＣＲＵ透過部中のＣＲＵ透過物と、に分画するよう構成され、
前記ＣＲＵ不透過部は、前記取込ストリームと流体連通し、ＣＲＵ濾過物は第１の排出ストリームを形成する、前記触媒回収ユニット（ＣＲＵ）と、
（ｃ）汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）であって、
（ｉ）前記触媒回収ユニットの前記ＣＲＵ不透過部と流体連通し、
（ｉｉ）垂直姿勢で配置され、前記汚染物質濃縮モジュールのＤｅＷＲＳ不透過部およびＤｅＷＲＳ透過部を規定するＤｅＷＲＳ多孔性膜を含み、
（ｉｉｉ）前記ＣＲＵ不透過物の少なくとも一部を前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ不透過部中において受容し、前記ＣＲＵ不透過物を、
前記汚染物質吸着物質を含む、前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ不透過部中のＤｅＷＲＳ不透過物と、
前記汚染物質を実質的に含まない、前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ透過部中のＤｅＷＲＳ透過物と、に分画するよう構成され、
ＤｅＷＲＳ濾過物は、第２の排出ストリームを形成し、
（ｉｖ）前記ＤｅＷＲＳ不透過物中の前記汚染物質吸着物質を、前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜の下側に配置された汚染物質トラップ中に沈降させ、汚染物質トラップスラグを形成するよう構成された、前記汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）と、
（ｄ）酸性組成物または塩基性組成物を収納する第１の保存タンクと、
（ｅ）汚染物質濃縮ミキサータンク（ＤｅＷＭＴ）であって、
（ｉ）前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ不透過部および前記第１の保存タンクと流体連通し、
（ｉｉ）前記汚染物質濃縮ミキサータンクのＤｅＷＭＴ不透過部およびＤｅＷＭＴ透過部を規定するＤｅＷＭＴ多孔性膜を含み、
（ｉｉｉ）前記ＤｅＷＲＳ不透過物の少なくとも一部を前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部中において受容し、前記受容されたＤｅＷＲＳ不透過物を、
前記汚染物質吸着物質を含む、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部中のＤｅＷＭＴ不透過物と、
前記汚染物質を実質的に含まない、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ透過物部中のＤｅＷＭＴ透過物と、に分画し、
ＤｅＷＭＴ濾過物は、第３の排出ストリームを形成し、
前記第１の保存タンクから前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部内に、一定量の前記酸性組成物を受容し、
前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部の内容物を混合して、前記吸着剤からの前記汚染物質の離脱を発生させて、離脱汚染物質ストリーム、離脱吸着剤ストリームおよび任意選択的に残留汚染物質吸着物質を形成し、
前記任意選択の残留汚染物質吸着物質が存在する場合、前記任意選択の残留汚染物質吸着物質を前記第１の保存タンクへ搬送するよう構成された、前記汚染物質濃縮ミキサータンク（ＤｅＷＭＴ）と、
（ｆ）前記離脱吸着剤ストリームおよび前記取込ストリームと流体連通するクリーン吸着剤保存タンクと、
（ｇ）第２の保存タンク流体を収納する第２の保存タンクであって、（ｉ）前記第１の保存タンクが酸性組成物を収納する場合に塩基を含む、または（ｉｉ）前記第１の保存タンクが塩基性組成物を収納する場合に酸を含む、前記第２の保存タンクと、
（ｈ）前記離脱汚染物質ストリームおよび前記第２の保存タンクと流体連通するリンスタンクであって、前記離脱汚染物質ストリームおよび前記第２の保存タンク流体を受容および混合して、汚染物質沈殿物およびリンスタンク上清を形成し、
前記リンスタンク上清は、第４の排出ストリームを形成するよう構成された、前記リンスタンクと、を含む汚染除去システム。
【請求項２】
前記流体リアクターは、前記汚染物質の少なくとも一部の酸化状態を変化させて、還元された汚染物質または酸化した汚染物質を形成するよう構成されている請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項３】
前記流体リアクターは、前記汚染物質を光還元するよう動作可能な光触媒リアクターを含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項４】
前記汚染物質は、クロムである請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項５】
前記汚染物質は、六価クロムである請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項６】
前記還元された汚染物質は、三価クロムである請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項７】
前記吸着剤は、チタンを含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項８】
前記吸着剤は、酸化チタンを含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項９】
前記ＣＲＵ多孔性膜は、セラミック膜を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１０】
前記ＣＲＵセラミック膜は、クロスフロー膜として動作するよう構成されている請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１１】
前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記還元リアクター出力ストリーム中の前記汚染物質吸着物質の濃度よりも約１０〜約２０倍高い請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１２】
前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜は、セラミック膜を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１３】
前記ＤｅＷＲＳセラミック膜は、デッドエンド膜として機能するよう構成されている請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１４】
前記汚染物質トラップスラグ中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度よりも約１０〜約２０倍高い請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１５】
前記汚染物質濃縮モジュールは、前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜に流体衝撃によりパルス付加するようにさらに構成されている請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１６】
前記汚染物質濃縮ミキサータンクは、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部中の前記ＤｅＷＲＳ不透過物の前記少なくとも一部を圧力下において受容するようさらに構成されている請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１７】
前記汚染物質濃縮ミキサータンクは、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部の内容物を通じて気体をバブリングすることにより、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部の前記内容物を混合して、ＤｅＷＭＴ混合物を形成するようさらに構成されている請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１８】
前記汚染物質濃縮ミキサータンクは、前記一定量の前記酸性組成物を約４０ｏＣ〜約６０ｏＣの温度、約５ｗｔ％までの濃度および約１未満のｐＨ値で受容するようさらに構成されている請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項１９】
前記第１の保存タンクは、一定量の補給酸性組成物または一定量の補給塩基性組成物を収納する補給タンクと流体連通する請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２０】
前記第１の保存タンクの前記酸性組成物は、硫酸を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２１】
前記汚染物質は、クロムを含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２２】
前記汚染物質は、リンまたはリン化合物を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２３】
前記汚染物質は、窒素または窒素化合物を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２４】
前記第１の排出ストリーム、前記第２の排出ストリーム、前記第３の排出ストリームおよび前記第４の排出ストリームはそれぞれ、約２０ｐｐｂ未満の前記汚染物質を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２５】
前記第１の排出ストリーム、前記第２の排出ストリーム、前記第３の排出ストリームおよび前記第４の排出ストリームはそれぞれ、約１ｐｐｂ未満の前記汚染物質を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２６】
前記第１の排出ストリーム、前記第２の排出ストリーム、前記第３の排出ストリームおよび前記第４の排出は共に、複合排出ストリームを形成する請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２７】
前記複合排出ストリームは、約２０ｐｐｂ未満の前記汚染物質を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２８】
前記複合排出ストリームは、約１ｐｐｂ未満の汚染物質を含む請求項１に記載の汚染除去システム。
【請求項２９】
汚染物質を含む取込流体を、汚染物質固体留分と、前記汚染物質を実質的に含まない排出流体留分とに分離する方法であって、
（ａ）任意選択的に、還元リアクター中の前記汚染物質を還元し、還元された汚染物質を形成するか、または前記汚染物質を酸化リアクター中において酸化させて、酸化した汚染物質を形成する工程と、
（ｂ）前記還元された汚染物質または前記酸化した汚染物質を吸着剤へ吸着させ、汚染物質吸着物質を形成する工程と、
（ｃ）前記汚染物質吸着物質を含む流体リアクター出力ストリームを形成する工程と、
（ｄ）任意選択的に、前記流体リアクター出力ストリームの一部を取込ストリームと組み合わせる工程と、
（ｅ）前記流体リアクター出力ストリーム全てを、多孔性膜を含む触媒回収ユニット（ＣＲＵ）中において、
前記汚染物質吸着物質を含むＣＲＵ不透過物と、
前記汚染物質を実質的に含まないＣＲＵ透過物と、に分画する工程であって、
ＣＲＵ濾過物は、第１の排出ストリームを形成する工程と、
（ｆ）垂直姿勢で配置されたＤｅＷＲＳ多孔性膜を含む汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）中において、前記ＣＲＵ不透過物を、
前記汚染物質吸着物質を含むＤｅＷＲＳ不透過物と、
前記汚染物質を実質的に含まないＤｅＷＲＳ透過物と、に分画する工程であって、
ＤｅＷＲＳ濾過物は、第２の排出ストリームを形成する工程と、
（ｇ）前記ＤｅＷＲＳ不透過物中の前記汚染物質吸着物質を収集して汚染物質スラグを得る工程と、
（ｈ）ＤｅＷＭＴ多孔性膜を含む汚染物質濃縮ミキサータンク（ＤｅＷＭＴ）中において、前記汚染物質スラグを、
前記汚染物質吸着物質を含むＤｅＷＭＴ不透過物と、
前記汚染物質を実質的に含まないＤｅＷＭＴ透過物と、に分画する工程であって、
ＤｅＷＭＴ濾過物は、第３の排出ストリームを形成する工程と、
（ｉ）酸保存タンクから酸を、前記汚染物質吸着物質を含む前記ＤｅＷＭＴ不透過物へ添加して、酸性のＤｅＷＭＴ不透過物を形成するか、または保存タンクから酸または塩基を、前記汚染物質吸着物質を含む前記ＤｅＷＭＴ不透過物へ添加して、酸性または塩基性のＤｅＷＭＴ不透過物を形成する工程と、
（ｊ）前記酸性または塩基性のＤｅＷＭＴ不透過物を混合して前記汚染物質を前記吸着剤から離脱させ、離脱汚染物質ストリーム、離脱吸着剤ストリームおよび任意選択的に残留汚染物質吸着物質を形成する工程と、
（ｋ）任意選択的に、前記離脱吸着剤ストリーム全体を、前記取込ストリームに組み合わせる工程と、
（ｌ）リンスタンク中において、前記離脱汚染物質ストリームを、汚染物質沈殿物およびリンス水タンク上清を形成するために十分な塩基と組み合わせる工程であって、
前記リンス水タンク上清は、第４の排出ストリームを形成する工程と、
（ｍ）任意選択的に、前記残留汚染物質吸着物質を前記酸保存タンクまたは前記塩基保存タンクへ搬送する工程と、を含み、
前記汚染物質沈殿物は前記汚染物質固体留分を形成し、前記第１の排出ストリーム、前記第２の排出ストリーム、前記第３の排出ストリームおよび前記第４の排出ストリームは共に前記排出流体留分を形成する、取込流体を分離する方法。
【請求項３０】
還元リアクター中において前記汚染物質を還元し、還元された汚染物質を形成する前記工程は、前記汚染物質を光還元する工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３１】
前記汚染物質は、クロムである請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３２】
前記汚染物質は、六価クロムである請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３３】
前記還元された汚染物質は、三価クロムである請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３４】
前記汚染物質は、リンまたはリン化合物を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３５】
前記汚染物質は、窒素または窒素化合物を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３６】
前記吸着剤は、チタンを含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３７】
前記吸着剤は、酸化チタンを含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３８】
前記ＣＲＵ多孔性膜は、セラミック膜を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項３９】
前記ＣＲＵ多孔性膜をクロスフロー膜として機能させる工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４０】
前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記流体リアクター出力ストリーム中の前記汚染物質吸着物質の濃度よりも約１０〜約２０倍高い請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４１】
前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜は、セラミック膜を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４２】
前記ＤｅＷＲＳ膜をデッドエンド膜として機能させる工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４３】
前記汚染物質トラップスラグ中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度よりも約１０〜約２０倍高い請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４４】
前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜に動的衝撃によりパルス付加する工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４５】
前記ＤｅＷＲＳ不透過物を圧力下において前記汚染物質濃縮ミキサータンクへ搬送する工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４６】
前記酸性のＤｅＷＭＴ不透過物を混合する前記工程は、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの内容物を通じて気体をバブリングする工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４７】
前記ＤｅＷＭＴ不透過物へ添加される前記酸は、約４０ｏＣ〜約６０ｏＣの温度まで事前加熱され、約５ｗｔ％までの濃度および約１未満のｐＨ値を有する請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４８】
補給酸を補給酸保存タンクから前記酸保存タンクへ搬送する工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項４９】
前記酸は、硫酸を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５０】
前記汚染物質は、クロムを含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５１】
前記第１の排出ストリーム、前記第２の排出ストリーム、前記第３の排出ストリームおよび前記第４の排出ストリームはそれぞれ、約２０ｐｐｂ未満の前記汚染物質を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５２】
前記第１の排出ストリーム、前記第２の排出ストリーム、前記第３の排出ストリームおよび前記第４の排出ストリームはそれぞれ、約１ｐｐｂ未満の前記還元された汚染物質を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５３】
前記排出流体留分は、約２０ｐｐｂ未満の前記汚染物質を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５４】
前記排出流体留分は、約１ｐｐｂ未満の前記還元された汚染物質を含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５５】
前記塩基は、水酸化ナトリウムを含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５６】
前記取込ストリームと、前記触媒回収ユニット中において分画された前記流体リアクター出力ストリームの一部分とを組み合わせて得られた前記流体リアクター出力の一部分を一定に維持する工程をさらに含む請求項２９に記載の取込流体を分離する方法。
【請求項５７】
濾過膜を含む連続的に動作する濾過システムにおいて、前記濾過膜の少なくとも一部のファウリングを回避、低減または除去する方法であって、
前記膜に対し、逆流圧力の少なくとも１つのパルスを含む少なくとも１つの動的衝撃を付加する工程を含み、
前記パルスの継続時間は約１秒までであり、前記圧力は、前記膜全体に渡って位置する流体中に空洞を形成し、前記空洞を実質的に即座に内破するのに十分である方法。
【請求項５８】
前記少なくとも１つの動的衝撃を付加しても、前記膜における流体の流れの変化を実質的に発生させない請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
連続的に動作する濾過システムにおいて、濾過膜へ動的衝撃を付加する方法であって、
エネルギーを蓄積して衝撃波を形成する工程と、
保存された前記エネルギーを前記濾過システムと別個に維持する工程と、
保存された前記エネルギーを前記システム内において解放して、逆衝撃波を発生させる工程と、を含む方法。
【請求項６０】
前記動的衝撃は、前記膜における流体の流れの変化を実質的に発生させない請求項５９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、米国仮出願第６１／６５８，１８６号（出願日：２０１２年６月１１日）および米国仮出願第６１／６７９，４１０号（出願日：２０１２年８月３日）に基づく優先権の利益を主張する。上記全ての出願の内容の全体は、参照により、本明細書の開示として組み込まれる。
【０００２】
本開示は、いくつかの実施形態において、膜ファウリング（膜への付着物、汚染）を低減させる濾過装置、システムおよび方法に関する。さらに、本開示は、いくつかの実施形態において、フィード組成物（例えば、流体）からの１つ以上の汚染物質（例えば、重金属、クロム、リン、リン化合物、窒素、窒素化合物）の還元および／または除去のための装置、システムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
ほとんど全ての生命体の生存には水が必要となるため、汚染除去システムにおける水質向上には、多大な関心が集まっている。そのため、従来から、汚染流体から汚染物質を除去するための処理システムおよび技術が開発されている。従来におけるアプローチとしては、多様な微生物、水中の微生物のための酵素および栄養素を利用した水処理が挙げられる。他のアプローチとしては、供給物から汚染物質を除去するために、汚染流体内に化学物質（例えば、塩素）を配置する手法が挙げられる。いくつかのこのようなシステムにおいては一定の成功が認められているものの、各アプローチにおいて、重大な欠陥が依然として顕著である。すなわち、いくつかの従来のシステムにおいては、固体反応物を使用前に溶解または分散させることが必要であり、また、固体反応物は、取り扱いが難しく煩雑でもあり、長時間の水処理には不適であり、また多様な異なる種類の用途に使用することもできない。特に、固体反応物を取り扱う場合、異なる溶解速度、濃度および成長速度に対する問題が出てくる。加えて、化学添加剤を用いたシステムの場合、元々の生物学的汚染物質または他の汚染物質を媒体から除去したにもかかわらず、結果として得られた「汚染除去済」流体が、今度は、これらの化学物質によって汚染されてしまう場合が実際にある。微細濾過を用いたシステムの場合、このシステムにおける問題の原因は、任意の種類の添加剤ではなく、汚染除去プロセスによって蓄積した汚染原因物質に起因するフィルタ要素または膜の詰まりである。フィルタ洗浄プロセスは時間がかかり、またシステムダウンタイムにもなるため、精製企業にとってコスト高および非効率となり得る。
【０００４】
表層水および他の汚染流体の処理のための１つのアプローチとして、適切な凝固剤（例えば、塩化鉄、ポリ塩化アルミニウム、ミョウバンまたは当該分野において既知の他の凝固剤）によって水中汚染物質を凝固させる方法がある。化学凝固剤により汚染物質の表面電荷を変化させると、汚染物質間の反発力が低下する。そのため、凝固剤により汚染物質を衝突させ、相互に凝固させて大きなフロックを形成させることができる。さらに、適切なポリマーを汚染流体中に添加することにより、より大きな粒子も形成することができる。ポリマーによってフロック間の橋が形成され、大型集塊が形成される。大型集塊は重力により沈降し、浄化器またはフィルタによって除去され得る。
【０００５】
いくつかの処理プロセスとして、汚染流体のｐＨ値を変化させた後、凝固剤添加を行う方法が挙げられる。なぜならば、いくつかの凝固剤は、特定のｐＨ範囲内において最良に機能するからである。例えば、いくつかの鉄ベースの凝固剤の場合、低いｐＨレベルにおいて最良に機能するため、汚染流体への酸添加が必要になり得る。また、特定のアルカリ度において最良に機能する凝固剤もあり、その場合、アルカリ度の高低に応じて重炭酸塩または酸を添加することが必要になり得る。また、いくつかの場合、凝固剤そのものの添加によってｐＨ値に影響が出る場合もあり、中和が必要になることがある。
【０００６】
汚染流体の処理のための別のアプローチにおいては、無害な分子と対象の汚染物質とのイオン交換を用いる。一例として、六価クロムの除去が挙げられる。この場合、イオン交換媒体の交換部位が消尽された後、交換媒体の再生成により、対象の汚染物質を含む塩水が大量に発生する。
【０００７】
本明細書において用いられる「汚染流体」との用語は、望ましくない有機生成物、無機生成物、金属および恐らくは微生物細胞または他の微生物を含む流体を指す。汚染物質は、ヒトによって摂取されるかまたはヒトと接触すると有毒である場合が多いため望ましくないが、「望ましくない」という表現は、このような有毒物質に限定されないことが理解されるべきである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
よって、フィード組成物からの１つ以上の望ましくない物質の還元および／または除去のための改良された装置、システムおよび方法が必要とされている。
【発明を解決するための手段】
【０００９】
本開示は、いくつかの実施形態によれば、濾過膜中の汚染原因物質を除去するための装置、システムおよび方法に関する。濾過膜は、多孔性基板を含み得る。多孔性基板は、その内部に規定される、複数の長尺状の導管を有する。導管の表面上に、薄膜が配置され得る。汚染媒体が第１の端部において濾過膜中へ送られ、薄膜は、汚染媒体を、薄膜を透過可能な透過流体と、濾過膜の第２の端部において濾過膜から退出する不透過流体とに分離するよう動作可能である。透過流体は、基板の孔部を通過し、少なくとも１つの出口を介して濾過膜から出て行く。透過流体および不透過流体の双方に対し、さらなる処理（例えば、さらなる濾過およびデカンテーション（上澄液取得処理））が行われ得る。
【００１０】
本開示は、いくつかの実施形態によれば、フィード組成物（例えば、取込流体）からの１つ以上の汚染物質（例えば、重金属、クロム、リン、リン化合物、窒素、窒素化合物）の酸化、還元および／または除去のための装置、システムおよび方法に関する。例えば、いくつかの実施形態において、取込流体からの汚染物質の除去のための汚染除去システムが開示される。該汚染除去システムは、（ａ）流体リアクター（例えば、還元リアクター、酸化リアクターまたは混合リアクター）、（ｂ）前記流体リアクターと流体連通する触媒回収ユニット（ＣＲＵ）、（ｃ）前記触媒回収ユニットと流体連通する汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）、（ｄ）前記汚染物質濃縮モジュールと流体連通するよう配置され、酸性組成物および塩基性組成物を収納する第１の保存タンク、（ｅ）前記第１の保存タンクと流体連通する汚染物質濃縮ミキサータンク（ＤｅＷＭＴ）、（ｆ）離脱吸着剤ストリームおよび取込ストリームと流体連通するクリーン吸着剤保存タンク、（ｇ）（ｉ）前記第１の保存タンクが塩基性組成を収納する場合に酸性組成物を収納する、または（ｉｉ）前記第１の保存タンクが酸性組成物を収納する場合に塩基性組成を収納する第２のタンク、および／または（ｈ）離脱汚染物質ストリームおよび前記第２の保存タンクと流体連通するリンスタンクを含み得る。
【００１１】
流体リアクターは、いくつかの実施形態において、（ｉ）前記取込流体を受け取り、（ｉｉ）任意選択的に、前記汚染物質の少なくとも一部を還元または酸化させて、還元された汚染物質または酸化した汚染物質を形成し、（ｉｉｉ）汚染物質（例えば、前記（変化していない）汚染物質、前記還元された汚染物質または前記酸化した汚染物質）を吸着剤と結合させて、汚染物質吸着物質を形成し、および／または（ｉｖ）前記汚染物質吸着物質を含む流体リアクター出力ストリームを形成するよう構成され得る。いくつかの実施形態において、流体リアクターは、汚染物質を光還元可能な光触媒リアクターを含み得る。取込流体は、１つ以上の汚染物質を含み得る。例えば、取込流体は、クロム（例えば、六価クロム、三価クロム）を含み得る。還元された汚染物質は、いくつかの実施形態において三価クロムを含み得る。
【００１２】
システムは、いくつかの実施形態において酸タンクを含み得る。酸タンクは、前記取込ストリームと流体連通し、前記取込ストリームのｐＨ値および／または前記流体リアクターの内容物を調整することができる。酸タンクは、いくつかの実施形態において、酸性組成物を含み得る。酸性組成物は、低ｐＨ値（例えば、〜７未満、〜６未満、〜５未満、〜４未満、〜３未満、〜２未満および／または〜１未満）を有し得る。酸は、強酸、弱酸、鉱酸、有機酸または他の任意の適切な酸であり得る。酸性組成物は、例えばクエン酸を含み得る。本開示を任意の特定の作用機構に限定するものではないが、光触媒還元の内容物を酸性化させることは、汚染物質還元において（例えば酸化よりも）有利であり得る。
【００１３】
いくつかの実施形態によれば、触媒回収ユニット（ＣＲＵ）は、（ｉ）前記触媒回収ユニットのＣＲＵ不透過部およびＣＲＵ透過部を規定するＣＲＵ多孔性膜を含み得る。触媒回収ユニットは、いくつかの実施形態において、（ｉｉ）前記ＣＲＵ多孔性膜の前記ＣＲＵ不透過部中において、前記流体リアクター出力ストリームを受容し、前記流体リアクター出力ストリームを、（Ａ）汚染物質吸着物質を含む、前記触媒回収ユニットの前記ＣＲＵ不透過部中のＣＲＵ不透過物、および／または（Ｂ）前記汚染物質を実質的に含まない、前記触媒回収ユニットの前記ＣＲＵ透過部中のＣＲＵ透過物に分画するよう構成され得る。前記ＣＲＵ不透過部は、前記取込ストリームと流体連通し、ＣＲＵ濾過物は、第１の排出ストリームを形成する。
【００１４】
ＣＲＵ多孔性膜は、例えばセラミック膜を含み得る。触媒回収ユニットおよびそのＣＲＵ多孔性膜は、その膜がクロスフロー（交差流）膜として機能するよう構成され得る。いくつかの実施形態において、前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記流体リアクター出力ストリーム中の前記汚染物質吸着物質の濃度の約１０〜約２０倍高い。
【００１５】
汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）は、（ｉ）前記触媒回収ユニットの前記ＣＲＵ不透過部と流体連通し、かつ／または（ｉｉ）ＤｅＷＲＳ多孔性膜を含む。このＤｅＷＲＳ多孔性膜は、いくつかの実施形態によれば、垂直姿勢で配置され、前記汚染物質濃縮モジュールのＤｅＷＲＳ不透過部およびＤｅＷＲＳ透過部を規定する。汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）は、いくつかの実施形態において、（ｉｉｉ）前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ不透過部中において、前記ＣＲＵ不透過物の少なくとも一部を受容し、前記ＣＲＵ不透過物を、（Ａ）前記汚染物質吸着物質を含む、前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ不透過部中のＤｅＷＲＳ不透過物、および／または（Ｂ）前記汚染物質を実質的含まない、前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ透過部中のＤｅＷＲＳ透過物に分画するよう構成され得る。ＤｅＷＲＳ濾過物は、第２の排出ストリームを形成する。いくつかの実施形態によれば、汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）は、ＤｅＷＲＳ不透過物中の汚染物質吸着物質が、（Ａ）前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜の下側に配置された汚染物質トラップ中に沈降し、かつ／または（Ｂ）汚染物質トラップスラグを形成可能とするよう構成され得る。
【００１６】
ＤｅＷＲＳ多孔性膜は、例えば、セラミック膜を含み得る。汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）およびそのＤｅＷＲＳ多孔性膜は、その膜がデッドエンド膜として機能するよう構成され得る。いくつかの実施形態において、前記汚染物質トラップスラグ中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度よりも約１０〜約２０倍高い。汚染物質濃縮モジュールは、いくつかの実施形態において、（例えば膜をデファウリング（付着物洗浄）するための）動的衝撃によって、前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜にパルス付加するよう構成され得る。
【００１７】
いくつかの実施形態において、膜は、内部に複数の長尺状の導管が規定された多孔性基板を含み得る。薄膜は、前記長尺状の導管の表面上に配置され得る。動的衝撃は、流体パルスを含み得る。この流体パルスは、前記基板および前記薄膜の近隣の前記流体中にキャビテーションを短時間発生させるのに十分に高い量のエネルギーを発生させる。前記動的衝撃によるキャビテーションは、いくつかの実施形態において、前記膜全体の全体に渡って位置する流体中に、空洞を形成し、該空洞を実質的に即座に内破するよう機能可能であり、これにより、生体物質が破壊され、有機物質および無機物質が前記基板および前記薄膜から解放される。キャビテーション生成のための例示的アプローチとして、前記膜中の前記流体を高速圧力変化に晒すことにより、比較的低い圧力で、空洞を形成する方法が挙げられる。
【００１８】
いくつかの実施形態によれば、第１の保存タンク（例えば、酸保存タンク）は、酸性組成物を収納し得る。酸性組成物は、低ｐＨ値（例えば、〜７未満、〜６未満、〜５未満、〜４未満、〜３未満、〜２未満および／または〜１未満）を有し得る。酸は、強酸、弱酸、鉱酸、有機酸、または前記汚染物質および前記吸着剤の解離に適した他の任意の酸であり得る。塩基の選択の際には、前記取込流体および／または添加される前記吸着剤中の前記汚染物質（単数または複数）の量および／または性質が考慮され得る。いくつかの実施形態において、酸性組成物は、硫酸を含み得る。酸保存タンクは、一定量の補給酸性組成物を収納している補給タンクと流体連通し得、補給酸性組成物は、必要に応じておよび／または所望に前記酸保存タンクへ搬送され得る。
【００１９】
いくつかの実施形態によれば、第１の保存タンク（例えば、塩基保存タンク）は、塩基性組成物を含み得る。塩基性組成物は、高ｐＨ値（例えば、〜７よりも上、〜８よりも上、〜９よりも上、〜１０よりも上、〜１１よりも上、〜１２よりも上、および／または〜１４よりも上）を有し得る。塩基は、強塩基、弱塩基、無機塩基、有機塩基、または前記汚染物質および前記吸着剤の解離に適した他の任意の酸であり得る。塩基の選択の際には、前記取込流体および／または添加される前記吸着剤中の前記汚染物質（単数または複数）の量および／または性質が考慮され得る。いくつかの実施形態において、塩基性組成物は、水酸化ナトリウムを含み得る。塩基保存タンクは、一定量の補給塩基性組成物を含む補給タンクと流体連通し得る。補給塩基性組成物は、必要に応じておよび／または所望に塩基保存タンクへ搬送され得る。
【００２０】
汚染物質濃縮ミキサータンク（ＤｅＷＭＴ）は、いくつかの実施形態において、（ｉ）前記汚染物質濃縮モジュールの前記ＤｅＷＲＳ不透過部と流体連通し得、かつ前記酸保存タンクと流体連通し得、かつ／または、（ｉｉ）前記汚染物質濃縮ミキサータンクのＤｅＷＭＴ不透過部およびＤｅＷＭＴ透過部を規定するＤｅＷＭＴ多孔性膜を含み得る。
【００２１】
いくつかの実施形態によれば、汚染物質濃縮ミキサータンクは、（ｉｉｉ）前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部中において、前記ＤｅＷＲＳ不透過物の少なくとも一部を受容し、受容された前記ＤｅＷＲＳ不透過物を、（Ａ）前記汚染物質吸着物質を含む、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部中のＤｅＷＭＴ不透過物、および／または（Ｂ）前記汚染物質を実質的に含まない、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ透過部中のＤｅＷＭＴ透過物に分画するよう構成され得る。ＤｅＷＭＴ濾過物は、第３の排出ストリームを形成する。汚染物質濃縮ミキサータンクは、いくつかの実施形態において、前記酸保存タンクから前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部中へ一定量の酸性組成物を受容し、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部の内容物を混合して、前記吸着剤からの前記汚染物質の離脱を可能とし、離脱汚染物質ストリーム、離脱吸着剤ストリームおよび任意選択的に残留汚染物質吸着物質を形成し、および／または前記任意選択の残留汚染物質吸着物質が存在する場合に、前記任意選択の残留汚染物質吸着物質を前記酸保存タンクへ搬送するよう構成され得る。
【００２２】
汚染物質濃縮ミキサータンクは、いくつかの実施形態において、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部中の前記ＤｅＷＲＳ不透過物の少なくとも一部を圧力下において受容するよう構成され得る。汚染物質濃縮ミキサータンクは、いくつかの実施形態によれば、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴ不透過部の内容物を混合し、前記汚染物質濃縮ミキサータンクの前記ＤｅＷＭＴの内容物を介して気体をバブリングすることにより、ＤｅＷＭＴ混合物を形成するよう構成され得る。汚染物質濃縮ミキサータンクは、約４０ｏＣ〜約６０ｏＣの温度、約５ｗｔ．％までの濃度および／または約１未満のｐＨ値において、酸性組成物を受容するよう構成され得る。
【００２３】
汚染除去システムは、いくつかの実施形態において、前記離脱吸着剤ストリームおよび前記取込ストリームと流体連通するクリーン吸着剤保存タンクを含み得る。クリーン吸着剤保存タンクは、吸着剤を（例えば溶媒混合物中に入れて）取込ストリームおよび／または流体リアクターへ供給するよう構成され得る。供給量は、例えば、取込流体量、取込流体中の汚染物質の予測量または測定量、前記取込流体中の前記汚染物質（単数または複数）の性質、他の任意の必要なまたは所望のパラメータあるいはこれらの組み合わせに従って調節され得る。所望であれば、システムは、吸着剤をリサイクルするよう構成され得る。例えば、吸着剤保存タンクは、例えば、汚染物質濃縮ミキサータンクから脱着吸着剤を受容し得る。いくつかの実施形態によれば、吸着剤は、チタン（例えば、酸化チタン）を含み得る。
【００２４】
いくつかの実施形態において、例えば、前記第１の保存タンクは塩基性組成物を収納し、汚染除去システムは、酸性組成物を収納する第２の保存タンク（例えば、酸タンク）を含み得る。酸性酸化物は、低ｐＨ値（例えば、〜７未満、〜６未満、〜５未満、〜４未満、〜３未満、〜２未満および／または〜１未満）を有し得る。酸は、強酸、弱酸、鉱酸、有機酸、または汚染物質固体（例えば、沈殿物）の形成に適した他の任意の酸であり得る。酸の選択の際には、前記取込流体および／または添加される前記吸着剤中の前記汚染物質（単数または複数）の量および／または性質が考慮され得る。いくつかの実施形態において、酸性組成物は硫酸を含み得る。
【００２５】
いくつかの実施形態において、例えば、前記第１の保存タンクは酸性組成物を収納し、汚染除去システムは、塩基性組成物を収納する第２の保存タンク（例えば、塩基タンク）を含み得る。塩基性組成物は、高ｐＨ値（例えば、〜７よりも上、〜８よりも上、〜９よりも上、〜１０よりも上、〜１１よりも上、〜１２よりも上、および／または〜１４よりも上）を有し得る。塩基は、強塩基、弱塩基、無機塩基、有機塩基、または汚染物質固体（例えば、沈殿物）の形成に適した他の任意の塩基であり得る。塩基の選択の際には、前記取込流体および／または添加される前記吸着剤中の前記汚染物質（単数または複数）の量および／または性質が考慮され得る。いくつかの実施形態において、塩基は、水酸化ナトリウムを含み得る。
【００２６】
いくつかの実施形態によれば、リンスタンクは、前記離脱汚染物質ストリームおよび前記塩基タンクと流体連通し、および／または、前記離脱汚染物質ストリームおよび前記塩基を受容して混合し、汚染物質沈殿物およびリンスタンク上清を形成するよう構成され得る。前記リンスタンク上清は、第４の排出ストリームを形成する。
【００２７】
システムは、各排出ストリーム中に存在する汚染物質の量を調節するよう構成および／または動作し得る。いくつかの実施形態において、汚染除去システムは、１つ以上の排出ストリームを、可能な限り低いか、実行し得る限り低いか、および／または、所望のまたは必要な閾値を下回る残留汚染物質濃度で送達するよう構成および／または動作させることが好ましい。いくつかの実施形態において、第１の排出ストリーム、第２の排出ストリーム、第３の排出ストリームおよび第４の排出ストリームは、約２０ｐｐｂ未満の汚染物質（例えば、クロム）を（それぞれ独立的にまたは集合的に）含み得る。第１の排出ストリーム、第２の排出ストリーム、第３の排出ストリームおよび第４の排出ストリームは、いくつかの実施形態によれば、約１ｐｐｂ未満の還元された汚染物質（例えば、三価クロム）を（各独立的にまたは集合的に）含み得る。各排出ストリームの全体または一部を、独立的に前記システムから排出させ、および／または、所望におよび／または必要に応じて前記システム中へリサイクルさせることができる。いくつかの実施形態によれば、第１の排出ストリーム、第２の排出ストリーム、第３の排出ストリームおよび第４の排出ストリームを組み合わせて、複合排出ストリームとすることができる。
【００２８】
本開示は、いくつかの実施形態によれば、１つ以上の重金属（例えば、重金属、クロム、リン、リン化合物、窒素、窒素化合物）のフィード組成物（例えば、取込流体）からの還元および／または除去のための方法に関する。例えば、いくつかの実施形態において、方法により、汚染物質を含む取込流体を、（Ａ）汚染物質固体留分および（Ｂ）前記汚染物質を実質的に含まない排出流体留分に分離され得る。取込流体を汚染除去する方法は、（ａ）流体リアクター中の前記汚染物質を任意選択的に還元または酸化させて、還元された汚染物質または酸化した汚染物質を形成する工程と、（ｂ）前記汚染物質（例えば、前記還元された汚染物質または前記酸化した汚染物質、または未反応の汚染物質）を吸着剤に吸着させ、汚染物質吸着物質を形成する工程と、（ｃ）前記汚染物質吸着物質を含む流体リアクター出力ストリームを形成する工程と、（ｄ）前記流体リアクター出力ストリームの一部を前記取込ストリーム中に任意選択的に組み合わせる工程と、（ｅ）前記流体リアクター出力ストリームの全てを多孔性膜を含む触媒回収ユニット（ＣＲＵ）において、（ｉ）前記汚染物質吸着物質を含むＣＲＵ不透過物、および／または（ｉｉ）前記汚染物質を実質的に含まないＣＲＵ透過物に分画する工程であって、ＣＲＵ濾過物は第１の排出ストリームを形成する工程と、（ｆ）垂直姿勢で配置されたＤｅＷＲＳ多孔性膜を含む汚染物質濃縮モジュール（ＤｅＷＲＳ）中においてＣＲＵ不透過物を、（ｉ）前記汚染物質吸着物質を含むＤｅＷＲＳ不透過物、および／または（ｉｉ）前記汚染物質を実質的に含まないＤｅＷＲＳ透過物に分画する工程であって、ＤｅＷＲＳ濾過物は第２の排出ストリームを形成する工程と、（ｇ）前記ＤｅＷＲＳ不透過物中の前記汚染物質吸着物質を収集して汚染物質スラグとする工程と、（ｈ）ＤｅＷＭＴ多孔性膜を含む汚染物質濃縮ミキサータンク（ＤｅＷＭＴ）中の前記汚染物質スラグを、（ｉ）前記汚染物質吸着物質を含むＤｅＷＭＴ不透過物、および／または（ｉｉ）前記汚染物質を実質的に含まないＤｅＷＭＴ透過物に分画する工程であって、ＤｅＷＭＴ濾過物は第３の排出ストリームを形成する工程と、（ｉ）酸保存タンクからの酸を、前記汚染物質吸着物質を含む前記ＤｅＷＭＴ不透過物へ添加して、酸性のＤｅＷＭＴ不透過物を形成する工程と、（ｊ）（例えば前記汚染物質濃縮ミキサータンクの内容物を介して、気体をバブリングすることにより）前記酸性のＤｅＷＭＴ濃縮水を混合し、前記汚染物質を前記吸着剤から離脱させ、離脱汚染物質ストリーム、離脱吸着剤ストリームおよび任意選択的に残留汚染物質吸着物質を形成する工程と、（ｋ）任意選択的に前記離脱吸着剤ストリーム全体を前記取込ストリーム中へ組み合わせる工程と、（ｌ）リンスタンク中において、前記離脱汚染物質ストリームを十分な塩基と組み合わせて、汚染物質沈殿物およびリンス水タンク上清を形成する工程であって、前記リンス水タンク上清は第４の排出ストリームを形成する工程と、および／または（ｍ）任意選択的に前記残留汚染物質吸着物質を前記酸保存タンクへ搬送する工程であって、前記汚染物質沈殿物は、前記汚染物質固体留分を形成し、前記第１のストリーム、前記第２のストリーム、前記第３のストリームおよび前記第４の排出ストリームは、前記排出流体留分形成する工程と、を含み得る。
【００２９】
いくつかの実施形態によれば、流体リアクター中の前記汚染物質を還元し、還元された汚染物質を形成する工程は、前記汚染物質を光還元する工程を含み得る。取込流体は、１つ以上の汚染物質を含み得る。例えば、取込流体は、クロム（例えば、六価クロム、三価クロム）を含み得る。いくつかの実施形態において、還元された汚染物質は、三価クロムを含み得る。いくつかの実施形態によれば、吸着剤は、チタン（例えば、酸化チタン）を含み得る。
【００３０】
ＣＲＵ多孔性膜および／またはＤｅＷＲＳ多孔性膜は、例えば、セラミック膜を（独立的に）含み得る。汚染除去方法は、いくつかの実施形態において、前記ＣＲＵ多孔性膜をクロスフロー膜として機能させる工程を含み得る。汚染除去方法は、いくつかの実施形態において、前記ＤｅＷＲｓ多孔性膜をデッドエンド膜として機能させる工程を含み得る。いくつかの実施形態によれば、汚染除去方法は、前記汚染物質吸着物質をいくつかの連続するステップにおいて濃縮する工程を含み得る。例えば、前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記流体リアクター出力ストリーム中の前記汚染物質吸着物質の濃度よりも約１０〜約２０倍高い。例えば、前記汚染物質トラップスラグ中の前記汚染物質吸着物質の濃度は、前記ＣＲＵ不透過物中の前記汚染物質吸着物質の濃度よりも約１０〜約２０倍高い。いくつかの実施形態において、汚染除去方法は、流体衝撃により前記ＤｅＷＲＳ多孔性膜へパルス付加する工程を含み得る。いくつかの実施形態によれば、方法は、圧力（例えば、空気圧）下において前記ＤｅＷＲＳ不透過物を前記汚染物質濃縮ミキサータンクへ搬送する工程を含み得る。
【００３１】
汚染除去方法は、（例えば硫酸を含む）酸性組成物を汚染物質濃縮ミキサータンクへ約４０ｏＣ〜約６０ｏＣの温度、約５ｗｔ．％までの濃度および／または約１未満のｐＨ値において添加する工程を含み得る。方法は、補給酸を補給酸保存タンクから前記酸保存タンクへ搬送する工程を含み得る。
【００３２】
いくつかの実施形態において、汚染除去方法は、前記触媒回収ユニット中において分画された前記流体リアクター出力ストリームの前記一部分および前記取込ストリーム中へ組み合わせられた前記流体リアクター出力ストリームの一部分を一定に保持する工程を含み得る。各排出ストリームの流量は、独立的に約１ガロン／分〜約５００ガロン／分であり得る。
【００３３】
本開示は、いくつかの実施形態において、濾過膜を含む濾過システムを連続的に動作させる際に前記濾過膜の少なくとも一部分のファウリング（汚染）を防止、低減または除去する方法に関する。方法は、例えば、少なくとも１つの逆流圧力パルスを含む少なくとも１つの動的衝撃を膜へ付加する工程を含み得る。各パルスの継続時間は、約１秒（例えば、実質的に瞬間的であり、約１／４秒以下、約１／２秒以下、約３／４秒以下）である。前記圧力は、前記膜全体に渡って位置する流体中に空洞を形成し、該空洞を実質的に即座に内破するのに十分な圧力である。いくつかの実施形態において、少なくとも１つの動的衝撃が付加することは、前記膜における流体の流れを実質的に変化させない。よって、いくつかの実施形態によれば、動作時において濾過膜への動的衝撃の付加を実質的な流れ損失無しに（例えば、流れの遅延または逆流無しに）行うことができる。動的衝撃パルスを所望に繰り返すことができる。
【００３４】
さらに、本開示は、いくつかの実施形態において、連続的に動作する濾過システム中の濾過膜へ動的衝撃を付加する方法に関連する。方法は、例えば、エネルギーを蓄積して（例えば前記システムと別個のチャンバ内に）衝撃波を形成する工程と、保存された前記エネルギーを前記濾過システムと別個に維持する工程と、および／または、前記システム中に保存された前記エネルギーを解放し（例えば、弁を開いて圧力チャンバおよびシステムを接続して）、逆衝撃波を形成する工程と、を含み得る。動的衝撃の付加することは、前記膜において流体の流れは実質的に変化させない。いくつかの実施形態において、流体は、動的衝撃へ晒されるべき膜を通過させる必要は無い。例えば、前記膜中を通過する流れがほとんど無い場合、動的衝撃を濾過膜へ付加してもよい。いくつかの実施形態において、衝撃波を膜内および／または膜の下流において開始することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
本開示のいくつかの実施形態は、本開示および添付図面を部分的に参照することにより、理解され得る。
【００３６】
【図１】図１Ａは、本開示の例示的実施形態に係る濾過膜の斜視図である。図１Ｂは、図１Ａに示す濾過膜の断面図である。
【図２】図２は、本開示の例示的実施形態に係るデファウリング機構を有する濾過システムを示す。
【図３】図３は、本開示の例示的実施形態に係るデファウリング機構を有する濾過システムのエネルギープロファイルを示す。
【図４】図４は、本開示の例示的実施形態に係るデファウリング機構を有する濾過システムの詳細なエネルギープロファイルを示す。
【図５】図５は、デファウリング方法の例示的実施形態を示すブロック図である。
【図６】図６Ａは、本開示の例示的実施形態に係るデファウリング機構を有する濾過システムを示す。図６Ｂは、本開示の例示的実施形態に係るデファウリング機構を有する濾過システムを示す。
【図７】図７Ａは、本開示の例示的実施形態に係る炭化ケイ素濾過膜の斜視図である。図７Ｂは、図７Ａに示す濾過膜の断面図である。
【図８】図８は、汚染除去システムの例示的実施形態を示すブロック図である。
【図９】図９は、開示の原理に従って構築されたフィルタユニットの例示的実施形態を示す。
【図１０】図１０は、開示の原理に従って構築された吸着材回収ユニットの例示的実施形態を示す。
【図１１】図１１は、開示の原理に従って構築された光触媒リアクターを有する汚染除去システムの例示的実施形態を示す。
【図１２】図１２は、開示の原理に従って構築された非光触媒リアクターを有する汚染除去システムの例示的実施形態を示す。
【図１３】図１３は、開示の原理による濾過ユニットの例示的実施形態の第１の実施形態の断面図である。
【図１４】図１４は、効率ｖｓセミバッチプロセス時間の例示的関係を示す。
【図１５】図１５は、汚染除去システムの例示的実施形態を示すブロック図の例示的実施形態を示す。
【図１６】図１６は、バッチモードで動作する汚染除去システムのパイロット試験の結果を示す。
【図１７】図１７は、デッドエンド濾過後において汚染物質吸着物質が収集されるトラップの例示的実施形態を示す。
【図１８】図１８は、中性を超えるｐＨ値（汚染物質沈殿物を含む）まで塩基により中和した後の低ｐＨ汚染物質水の例示的実施形態を示す。
【発明を実施するための形態】
【００３７】
本開示は、いくつかの実施形態において、１つ以上の重金属（例えば、重金属、クロム、リン、リン化合物、窒素、窒素化合物）のフィード組成物（例えば流体）からの還元および／または除去を行うための装置、システムおよび方法に関連する。
【００３８】
本開示は、いくつかの実施形態において、濾過膜中の汚染原因物質を除去するための効率的なデファウリング（付着物除去）機構に関連する。いくつかの実施形態によれば、本開示は、開示のデファウリング機構との使用に最適化された濾過膜に関する。
【００３９】
図１Ａは、例示的な濾過膜１０を示す模式図である。図１Ｂは、図１Ａに示す濾過膜１０の模式的断面図である。図示の濾過膜１０は、内部に複数の長尺状の導管１４が規定された多孔性基板１２を含む。図示の実施形態において、薄膜１６が導管１４の表面上に配置される。汚染媒体は、第１の端部１８において濾過膜１０中へと送られる。薄膜１６は、汚染媒体を、薄膜１６を透過可能な透過流体と、濾過膜１０の第２の端部１１において退出する不透過流体とに分離するよう機能することができる。透過流体は、基板１２の孔部（図示せず）を通過し、少なくとも１つの出口１３を通じて濾過膜１０から退出する。透過流体および不透過流体の双方に対し、さらなる処理（例えば、さらなる濾過またはデカンテーション）を行ってもよい。本明細書において用いられる「汚染媒体」とは、望ましくない有機生成物、無機生成物、金属および恐らくは微生物細胞または他の微生物を含む流体を指す。汚染物質は、ヒトによって摂取されるかまたはヒトと接触すると有毒である場合が多いため望ましくないが、「望ましくない」という表現は、このような有毒物質に限定されないことが理解されるべきである。
【００４０】
濾過膜１０を用いて汚染媒体を汚染除去するプロセスにおいて、プロセス中の有機的、無機的および生物学的なファウリング（付着、汚染）機構に起因して、濾過膜１０の性能が低下する場合がある。例えば、基板１２および／または薄膜１６の過度のファウリングに起因して、フラックス（流動）低下、クロスフロー（交差流）および膜透過圧力の増加、エネルギー消費の増加が発生し得る。
【００４１】
図２は、デファウリング機構を有する濾過システム２０の模式図である。濾過システム２０は、図１Ａおよび図１Ｂに示す濾過膜１０と、ピストン２２と、濾過膜１０の透過出口１３へ接続された弁２４とを含む。動作時において、弁２４は、基板１２および薄膜１６のデファウリングのために濾過プロセスの一時停止が必要となるまで、開口したままであってもよい。実施形態において、弁２４を閉鎖し、ピストン２２を用いて、透過流体を押圧して薄膜１６を通過するように、基板１２内を逆行させることにより、透過流体の逆パルスまたは逆洗を付加することができる。透過流体の排水容積の移動に起因する透過流体のせん断力により、汚染原因物質の一部が基板１２および／または薄膜１６から解放される。このようなピストン２２によって生成される逆パルスまたは逆洗は、非効率である場合がある。第１に、逆パルスまたは逆洗に起因して透過流体が薄膜１６の不透過側へ戻るため、戻った流体の濾過量が無駄になり、また濾過時間も長くなる。また、これらのデファウリング機構を用いた場合、逆パルスまたは逆洗流体の導管配置に起因して、基板１２および／または薄膜１６の洗浄が不均等になり得る。逆パルスまたは逆洗流体は、圧力降下に起因して洗浄用素子（ファウリングした要素内ではない）内を逆流し易い。そのため、最もファウリングがひどい素子では、洗浄が不十分となり、時間と共に劣化し続けることになる。
【００４２】
図３は、逆パルスおよび逆洗の経時的なエネルギープロファイルを示す模式図である。図３中の期間４２は、逆パルス中の透過流体の逆流の継続時間を反映する。期間４４は、逆洗中の透過流体の逆流の継続時間を反映する。流体が基板１２および薄膜１６を横断して物理的に移動するために必要な時間に起因して、逆パルスの期間４２は数秒の範囲であるのに対し、逆洗の期間４４は数分の範囲である。
【００４３】
また、図４中に、膜１０の洗浄に用いられ得る動的衝撃の実施形態の例示的エネルギープロファイルが図示されている。逆パルスまたは逆洗と比較して、図示の動的衝撃に起因して、基板１２および薄膜１６の近隣の流体中にキャビテーションを短時間で発生させるのに十分に高い量のエネルギーが発生する。実施形態において、動的衝撃のキャビテーションは、膜全体に渡って位置する流体中に空洞１０を形成し、該空洞１０を実質的に即座に内破するよう機能することができ、これにより生体物質が破壊され、有機物質および無機物質が基板１２および薄膜１６から解放される。キャビテーション生成のための例示的アプローチとして、膜１０中の流体を高速圧力変化に晒すことにより、比較的低い圧力で、空洞を形成する方法が挙げられる。
【００４４】
図４は、図示の動的衝撃の例示的エネルギープロファイルの模式詳細図である。図５は、図３および図４に示す動的衝撃を生成するための例示的方法を示すフローチャートである。動的衝撃の図示の実施形態は、３つのサブ秒フェーズ５２、５４および５６を含み得る。ステップ６２において、第１のフェーズ５２は、膜１０中の流体および汚染原因物質全体に渡って通過する第１の衝撃波を生成するためのエネルギーの高速蓄積を含む。膜１０中の流体および汚染原因物質へのエネルギー伝達が、高速圧力増加により影響を受ける場合がある。このような実施形態においては、膜１０中の流体の物理的移動は不要であるため、第１のフェーズ５２におけるエネルギー伝達を１秒未満で達成することができる。ステップ６４において、第２のフェーズ５４は、膜１０中の流体および汚染原因物質へ伝達されたエネルギーを、１秒未満保持する工程を含んでもよいし、含まなくてもよい。しかし、第２のフェーズ５４において、弁の開閉速度に制限がある場合がある。ステップ６６において、第３のフェーズ５６は、保存されたエネルギーの高速解放を含み、これにより、膜１０中の流体および汚染原因物質全体に渡る逆衝撃波が爆発的に発生して、汚染原因物質が破壊されるかまたは汚染原因物質が基板１２または薄膜１６から浮き上がる。ここでも、第３のフェーズ５６において、膜１０中の流体の物理的移動は不要であるため、第３のフェーズ５６におけるエネルギー伝達を１秒未満で達成することができる。第１のフェーズ５２において発生した第１の衝撃波および第３のフェーズ５６において発生した第２の逆衝撃波双方により、基板１２および薄膜１６においてキャビテーションを発生させる。
【００４５】
動的衝撃は逆パルスまたは逆洗と明確に区別される別個のものであるため、少なくともいくつかの様態において性能向上を提供可能なことが理解されるべきである。動的衝撃の前述のフェーズは１秒未満で実行することができるため、薄膜１６の不透過側へ戻っていく透過物の損失が実質的にほとんど無くなる。その結果、動的衝撃を所望の頻度で繰り返して実行することができ、物質が膜１０をファウリングすることを回避することができる。例えば、実施形態において、動的衝撃を膜１０へ約１０回／分で付加することで、（汚染原因物質が膜１０上に固定および蓄積する前に）汚染原因物質の堆積（ロッジング）を回避することができる。いくつかの実施形態によれば、動的パルスを約１回／秒〜約１回／５秒、〜約１回／１５秒、〜約１回／３０秒、〜約１回／４５秒、〜約１回／６０秒、〜約１回／７５秒、〜約１回／９０秒、〜約１回／２分、〜約１回／５分、またはこれ以上の範囲で付加することができる。複数のパルスのバースト（例えば、約２〜約５個のパルス全てを約１〜１０秒内に付加すること）を単一パルスとして同一頻度で付加することができる（例えば、約１分毎に１バーストを繰り返す）。
【００４６】
膜１０の洗浄において物理的せん断力の代わりにキャビテーションを用いることにより、水導管配置による影響が無関係になり、膜１０の洗浄を一貫して膜１０全体に渡って行うことが可能になる。膜１０全体の洗浄をより効率的かつ一貫して行うことが可能となることにより、より多数の薄膜１２および導管１４を１つの膜１０内にパッケージングすることが可能になることがさらに理解されるべきである。
【００４７】
本開示の動的衝撃は、膜表面へのエネルギーの高速解放のための任意の機構（例えば、ハンマー効果、塗料除去のためのショットピーニングおよび超音波処理）を用いて生成され得る。図６Ａは、膜１０のデファウリングのための動的衝撃を生成するように動作可能な例示的濾過システム７０の模式図である。実施形態において、システム７０は、本開示において記載される濾過膜１０を含み得る。膜１０をデファウリングするための動的衝撃を提供するために、システム７０は、膜１０から出ていく透過物の流れを制御するための透過物ライン中に、弁７２を含み得る。透過物ラインは、圧縮空気または蒸気供給部７６へ接続され得、透過ライン中への圧縮空気または蒸気の流れを制御するために弁７４が弁７２と平行に配置され得る。弁７２および７４は、コントローラ７８によって制御され得る。コントローラ７８は、弁７２および７４を操作し、動的衝撃を提供するように動作可能に構成され得る。実施形態において、コントローラ７８が弁７２を閉鎖すると、透過物ラインが水圧的に絶縁または閉鎖され、その結果、短時間の水ハンマー（低エネルギー）が発生する。その直後、コントローラ７８は弁７４を開き、その結果、圧縮空気または蒸気が透過物ライン中へ注入され、高圧が透過物中へ高速解放される。実施形態において、圧縮空気または蒸気ライン内の圧力は、透過物ライン中の圧力よりも１００〜２００ｐｓｉ高い。そのため、実施形態において、弁７４が開くと、透過物ライン中の圧力が１００〜２００ｐｓｉだけ高速増加し得、その結果、動的衝撃波が膜１０の透過流体中および膜１０の残り全体に渡って発生する。実施形態において、適切な脱ガス技術を用いて、衝撃波発生のために注入された空気を除去することができる。脱ガス技術により、フィードポンプ圧力の損失を回避することができる。
【００４８】
実施形態において、弁７４を物理的に可能な範囲でできるだけ高速に開閉して、動的衝撃の第１のサブ秒フェーズ５２を完了する。実施形態において、弁７４の開閉を０．５０秒未満で行うことができる。最適な実施形態において、弁７４の開閉を０．２５秒未満で行うことができる。実施形態において、上昇圧力を１秒未満保持した後、第２のサブ秒フェーズ５４が完了し得る。第３のサブ秒セクションにおいて、透過物ライン中の弁７２を開くことにより、透過流体中の高速高圧を解放することができ、その結果、膜１０中の高速減圧が発生し、第２の逆動的衝撃波が発生する。これは、複動効果としてみなされ得る。ここでも、弁７２をできるだけ高速に開くことができる。いくつかの実施形態において、弁７２の開口を０．５０秒未満または０．２５秒未満で行うことができる。動的衝撃を提供するためにシステム７０を動作させる上述のプロセスにより、膜１０のファウリングを実質的に回避することができ、これにより、連続的な濾過プロセスが可能となる。動的衝撃の提供のために他の適切な方法を用いることが可能であることが理解されるべきである。例えば、ダイヤフラム（図示せず）またはラム（図示せず）を用いて必要なエネルギーを（膜１０中の透過流体の移動または変位無しに）高速伝達させることができる。
【００４９】
図６Ｂは、膜１０中のエネルギー伝達の減衰を低減するよう構成された例示的濾過システム７０の配置を示す模式図である。実施形態において、設計考慮事項として、汚染原因物質のキャビテーションまたは浮き上がりの効果を低減させる動的衝撃の減衰を低減するための、膜１０の全部分内における慣性または弾性の実質的な排除がある。システム７０中の慣性を低減または排除する実施形態は、バネまたはダンパーのように動的衝撃のエネルギーを吸収し得る空隙を実質的に排除することを含み得る。別の実施形態において、膜１０を地面７５に対して水平に配置することにより、膜１０およびハウジング７５中に捕獲された空気を低減または排除することができる。同様に、膜１０は、剛体材料により構成することができる。例えば、減衰低減目的のために、ＰＶＣよりもステンレススチールが好適である。実施形態において、膜１０が他の膜材料および設計ではなく炭化ケイ素（ＳｉＣ）製である場合、動的衝撃をより効果的にすることができる。なぜならば、ＳｉＣ膜中の薄膜１６および基板１２により減衰が低減するからである。さらに、実施形態において、圧縮空気または蒸気を直接モジュールへ付加して、減衰効果を低減または排除することができる。また、蒸気の使用により動的衝撃による影響を崩壊および減衰させることがあるため、圧縮空気を使用するとより好適である。
【００５０】
図７Ａは、ＳｉＣ製の膜８０の例示的実施形態を示す。図７Ｂは、ＳｉＣ膜８０の断面図である。ＳｉＣ膜８０は、膜１０と同様に構成され得、本明細書中に開示される濾過膜または濾過システムの任意の実施形態において適切に用いられる。ＳｉＣ膜８０は親水性であるため、ＳｉＣ膜８０を多様な汚染原因物質（例えば、油性汚染原因物質、有機物質および無機物質、および生物汚染原因物質）の濾過に用いることができる。
【００５１】
ＳｉＣ基板８２はアルファアルミナよりも高強度であるため、ＳｉＣ膜８０により膜透過圧力（ＴＭＰ）を低下させることが可能になる。その結果、より小型の孔部を経済的に使用することが可能になる。さらに、ＳｉＣ膜８０はより小型の粒子を有するため、より薄い壁およびより薄い膜が可能になる。図示の寸法（例えば、ＳｉＣ膜８０の六角形の断面図形状、導管８４間の分離、ＳｉＣ膜８０の幅、および導管８４のＳｉＣ膜８０の端部からの距離）は、フラックス、ＴＭＰ、およびクロスフロー圧力降下のために実質的に最適化されている。実施形態において、導管８４間の（中心間の）分離は好適には、０．２〜０．２５インチの範囲である。実施形態において、ＳｉＣ膜８０の幅は好適には、１．２５〜１．７５インチの範囲である。実施形態において、外側の導管８４の中心とＳｉＣ膜８０の端部との間の距離は好適には、０．１４〜０．１８インチの距離である。上記の寸法は、特定の用途に応じて変更可能であることが理解されるべきである。
【００５２】
本開示の濾過膜および濾過システムは、多様な汚染除去技術（例えば、光触媒技術）と統合組み合わせ可能であることが理解されるべきである。このような統合は、タンク破壊、過度のライン圧力損失および／またはブースターポンプ無しに達成され得る。
【００５３】
本明細書中に開示される原理による多様な実施形態が記載されているが、これらの実施形態は例示にすぎず、本発明をこれに限定するものではないことが理解されるべきである。よって、本開示の範囲は、上記の例示的実施形態のいずれによっても限定されるべきではなく、本開示からの任意の特許請求の範囲およびその均等物のみによって規定されるべきである。さらに、実施形態において記載される上記の利点および特徴は、上記利点のいずれかまたは全てに付随するこのような特許請求の範囲をプロセスおよび構造に限定しない。
【００５４】
さらに、本明細書中の見出しは、３７ＣＦＲ１．７７下のセクションに基づくかまたは分類目的のために提供されている。これらの見出しは、本開示からの任意の特許請求の範囲中の実施形態（単数または複数）を限定または特徴つけるものではない。詳細にかつ例示的に、これらの見出しにおいて「技術分野」について言及しているが、特許請求の範囲は、いわゆる分野を記述するためにこの見出し下において選択された文言に限定されない。さらに、「背景技術」部分における技術的記載は、特定の技術が本開示中の任意の実施形態（単数または複数）に対する先行技術であることを認定したものとして解釈されるべきではない。また、「発明の概要」も、特許請求の範囲に記載される実施形態（単数または複数）の特徴付けとしてみなされるべきではない。さらに、本開示において単数形の「発明」について言及する場合、本開示における単一の新規性を議論するために用いられるべきではない。本開示からの複数の請求項の限定に従って複数の実施形態が記載され得、このような請求項は、実施形態（単数または複数）および請求項によって保護されるその均等物を規定する。全ての場合において、このような特許請求の範囲は、本開示の利点に鑑みて考慮されるべきであり、本明細書中の見出しによって限定されるものではない。
【００５５】
いくつかの実施形態において、流体から汚染物質を除去するための汚染除去システムは、濾過ユニットおよび回収ユニットを含む。濾過ユニットは、吸着剤および汚染物質を含む流体を受容するよう動作することができる。濾過ユニットは、フィルタを含む。このフィルタは、流体を吸着剤および吸着剤上に吸着された汚染物質から分離するように機能可能である。フィルタは、膜によって分離された第１の部分および第２の部分を含む。濾過ユニットはまた、第１のフィルタ出力を含む。第１のフィルタ出力は、第１の部分と協働し、吸着剤および吸着剤上に吸着された汚染物質を受容するよう機能することができる。濾過ユニットはまた、第２のフィルタ出力を含む。第２のフィルタ出力は、第２の部分と協働し、廃液を受容するよう機能することができる。回収ユニットは、吸着剤および吸着剤上に吸着された汚染物質を、濾過ユニットの第１のフィルタ出力から受容するよう機能することができる。回収ユニットはまた、吸着剤および吸着剤上に吸着された汚染物質を分離するよう機能することができる。回収ユニットは、汚染物質を吸着剤から剥離するよう機能可能な剥離ユニットと、吸着剤を第１の回収出力へと分離し、かつ汚染物質を第２の回収出力へ分離するよう機能可能な分離ユニットとを含む。
【００５６】
汚染除去システム内において流体から汚染物質を分離するための濾過システムは、いくつかの実施形態において、汚染物質および吸着剤を含む流体を受容可能に構成される。濾過システムは、フィルタと、第１の出力と、第２の出力とを含む。フィルタは、吸着剤および吸着剤上に吸着された汚染物質から、流体を分離するよう機能することができる。フィルタは、膜によって分離された第１の部分および第２の部分を含む。第１の出力は、第１の部分と協働し、吸着剤および吸着剤上に吸着された汚染物質を受容するよう機能可能である。第２の出力は、第２の部分と協働し、廃液を受容するように機能可能である。
【００５７】
いくつかの実施形態によれば、流体から汚染物質を除去する方法は、汚染流体中へ吸着剤を供給する工程を含む。この方法は、第１の分離処理において、吸着剤および吸着剤上に吸着された汚染物質を、流体から分離する工程をさらに含む。この方法は、第２の分離処理において、汚染物質を吸着剤上に吸着された汚染物質から分離する工程をさらに含む。この方法は、吸着剤を回収する工程と、回収した吸着剤を汚染流体中への供給において再利用するために提供する工程とをさらに含む。
【００５８】
汚染流体処理プロセスに関連する直接的処理コストを挙げると、浄化器／濾過コスト、ｐＨ制御コスト、アルカリ度制御コスト、ポリマー添加コスト、凝固剤添加コスト、スラッジ（汚泥）濃縮化コスト、およびスラッジ廃棄（埋め立て）コストの費用がある。これらの費用のうち一部を低減または排除することにより、廃棄流体処理のコストの低減が可能になる。いくつかの処理プロセスにおいては、凝固剤の新規供給を定期的または連続的に行うことが必要になる。なぜならば、凝固剤が汚染流体へ添加されたときに化学反応を起こし、不可逆的に消費されるからである。反応した凝固剤および凝固した汚染物質は、最終的にスラッジまたは固体となり、埋め立てられることが多い。処理プロセス時において化学反応を起こさない吸着剤を用いることにより、吸着剤を分離し、汚染物質から回収することができる。回収した吸着剤を再利用することにより、吸着剤を新規供給する必要が低減または排除され、これにより処理コストの低減につながる。上記したように、いくつかの浄化器動作において、ポリマー材料を添加することにより、浄化器中における固体沈降を支援することができる。しかし、ポリマー材料を添加した場合、コスト増加に繋がる。ポリマー材料の添加の必要性を低減または排除することにより、コスト低減の達成が可能になる。
【００５９】
本開示の一様態は、汚染物質を吸着剤表面上に吸着させること、および離脱プロセスによって汚染物質から剥離させることを可能にするよう機能可能な適切な吸着剤により、汚染流体を処理することに関する。従来の凝固剤の代わりにこのような吸着剤を用いることにより、吸着剤を回収し、再利用することが可能になる。吸着剤の回収および再利用により、未使用の凝固剤およびポリマー材料を処理プロセス中へ新規添加する必要性を低減または排除することができ、処理コストの大幅低減が可能になる。吸着剤を連続的に処理へ添加することによるセミバッチまたは連続プロセスによっても、汚染除去プロセス全体の効率向上に繋がり得る。
【００６０】
本明細書において用いられる「汚染流体」とは、望ましくない有機生成物、無機生成物、金属および恐らくは微生物細胞または他の微生物を含む流体を指す。汚染物質は、ヒトによって摂取されるかまたはヒトと接触すると有毒である場合が多いため望ましくないが、「望ましくない」という表現は、このような有毒物質に限定されないことが理解されるべきである。本明細書において用いられる「汚染除去廃液」という用語は、望ましい物質または受容可能な物質（ここでも通常は無毒な物質）に変換された汚染流体中の望ましくない物質を指す。通常、このような任意の有機物質の変換は、元々の汚染流体よりも分子量が小さな副生成物に当該物質を分解することにより、達成される。「流体」および「廃液」という用語は、液体に限定されるものとして限定して読まれるべきではなく、または解釈されるべきではない点に留意されたい。すなわち、このような用語は、空気などの気体を指すものとしても解釈されるべきである。
【００６１】
図８は、本開示に係る例示的な汚染除去システム１００を示す高次（高レベル）模式図である。システム１００は、フィードストリーム１１０を受容する。フィードストリーム１１０は、濾過が必要な、流入する汚染流体を提供する。実施形態において、フィードストリーム１１０は、多様な汚染物質を含み得る（例えば、多様な有機化合物および無機化合物（例えば、金属、溶解固体、および着色化合物）。金属汚染物質を例示的に羅列すると、リン、鉛、鉄、マンガン、テクネチウム、ヒ素、銀、金、白金、水銀、およびクロムがある。フィードストリーム１１０を、リザーバ１１５から提供された適切な吸着剤とストリーム１２０を介して混合すると、スラリーストリーム１３０が得られる。適切な吸着剤は、フィードストリーム１１０中の汚染物質を吸着する良好な能力を有するが、離脱プロセスにおいて汚染物質から剥離可能な任意の粒子または粒子混合物であり得ることが理解されるべきである。本開示中に記載される任意の不溶性粒子は、適切な吸着剤であり得る。例えば、リン化合物がフィードストリーム１１０中に存在する実施形態において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）が適切な吸着剤であり得る。また、図８中に示すフィルタユニット１４０は、スラリーストリーム１３０を受容し、汚染物質および吸着剤をスラリーストリーム１３０中の流体から分離する。フィルタユニット１４０は、汚染除去ストリーム１５０を出力し得る。実施形態において、分離された汚染物質および吸着剤を廃棄物としてシステム１００から除去することができる。別の実施形態において、システム１００は、離脱ユニット１６０を含み得る。離脱ユニット１６０は、混合物１７０を受容する。混合物１７０は、フィルタユニット１４０中において分離され、汚染物質および吸着剤を含む。離脱ユニット１６０は、汚染物質を吸着剤から剥離させ、再利用のため、回収した吸着剤を再利用のためにフィルタユニット１４０および／またはストリーム１２０中に戻すよう機能可能である。汚染物質１８０は、離脱ユニット１６０から除去され、廃棄物として廃棄および／または回収することができる。例示的実施形態において、離脱ユニット１６０から回収された汚染物質１８０に対してさらなる回収プロセスを行って、汚染物質を再利用のために回収してもよい。例えば、汚染物質（例えば、六価クロム）が吸着剤（例えば、ＴｉＯ２）と混合されており、この汚染物質がフィルタユニット１４０および離脱ユニット１６０を通過した場合、その結果吸着剤から分離された汚染物質に対して沸騰塩浴を行うことにより、クロムを回収することができる。
【００６２】
図９は、フィルタユニット１４０の例示的実施形態を示す模式図である。図示のように、フィルタユニット１４０は、任意選択のミキサー１４２を含み得る。ミキサー１４２により、汚染物質を吸着剤と反応させて、汚染物質および吸着剤の凝固複合物質を形成することができる。実施形態において、ミキサー１４２は、汚染流体中の吸着剤を分散させるためのアクティブ混合機構を含み得る。別の実施形態において、任意選択のミキサー１４２は、シンプルな保持タンク、収容部、または汚染流体および吸着剤の混合物を保存する他の任意の構造であり得る。吸着剤をフィルタユニット１４０中へ導入、および／またはフィルタユニット１４０内へ導入する前に、汚染流体ストリーム１１０へ添加することができる。
【００６３】
フィルタユニット１４０は、吸着剤および吸着された汚染物質を含む高分子を分離するための適切なフィルタ１４４をさらに含み得る。フィルタ１４４は、フィルタ１４４の内部を、外部およびフィルタ１４４の壁内によって規定された孔部（図示せず）から分離する壁（図示せず）を含む膜であり得る。スラリーストリーム１３０がフィルタ１４４の内部を通過すると、フィルタ１４４の孔部により、汚染除去流体がフィルタ１４４の内部から外部へと移動する。フィルタ１４４の平均孔部サイズは、吸着剤上に吸着された汚染物質によって形成される高分子の予測サイズよりも大きい。実施形態において、フィルタ１４４の孔部サイズは、無視できる量の汚染物質吸着高分子のみをフィルタ１４４の孔部を通過させつつ、処理スラリーの微細濾過を誘導させる程度に十分に大きい。別の実施形態において、フィルタ１４４の孔部サイズは、限外濾過用にサイズ決めされ得る。
【００６４】
システム１００の動作中において、スラリー１３０の流量およびフィルタ１４４の膜上の圧力を維持することにより、デッドエンド濾過またはクロスフロー濾過のいずれかが可能になることが理解されるべきである。デッドエンド濾過において、汚染物質吸着高分子がフィルタ１４４の壁に向かって方向付けられ、フィルタ１４４の壁上に収集される。クロスフロー濾過において、２つの方向成分が用いられる。第１に、実質的な直線速度がフィルタを通じて（すなわち、フィルタ１４４の壁に平行に）維持される。第２に、実質的な圧力差（膜透過圧力とも呼ばれる）がフィルタ１４４上に付加される。この膜透過圧力により、汚染除去流体はフィルタ１４４の壁を通過する。その間、高直線速度により、ほとんどの汚染物質吸着高分子が連続的にフィルタ１４０の壁から除去される。その結果、汚染物質吸着高分子がフィルタ１４０の上に蓄積する事態が回避される。
【００６５】
図９に示すように、汚染除去ストリームは、フィルタユニット１４０のフィルタ１４４から退出し得る。多様な方法により、汚染物質吸着高分子をフィルタ１４４から定期的に除去することができる。例えば、高圧空気を用いて、フィルタ１４４の内部上に「衝撃波」を生成することができる。この点について、米国特許出願番号第０８／２０５，６９９号（名称：「Ｍｅｔｈｏｄ  ａｎｄ  Ｓｙｓｔｅｍ  ｆｏｒ  Ｐｈｏｔｏｃａｔａｌｙｔｉｃ  Ｄｅｃｏｎｔａｍｉｎａｔｉｏｎ」、出願日：１９９４年３月３日、本明細書中、同文献をあらゆる目的のため援用する）中にさらなる詳細が開示されている。あるいは、当業者に既知のようなバックフラッシュ技術およびバックパルス技術を用いて、汚染物質吸着高分子の除去を行ってもよい。
【００６６】
汚染物質吸着高分子を離脱ユニット１６０へ提供して、汚染物質を吸着剤から剥離させることができる。離脱ユニット１６０は、当該分野において既知の多様な離脱プロセスに従って構成され得る。実施形態において、離脱ユニットは、温度上昇により吸着剤からの汚染物質の自然離脱を促進するための加熱ユニットを含み得る。図１０に示す例示的実施形態において、離脱ユニット１６０は、剥離タンク１６２を含む。剥離タンク１６２において、混合物１７０中の汚染物質吸着高分子が酸槽へ導入されると、汚染物質が吸着剤から分離および／または溶解される。この槽は、酸槽、塩基槽または汚染物質の吸着剤からの分離および／または溶解に適した他の当該分野において既知の任意の種類の槽でよいことが理解されるべきである。分離および／または溶解された汚染物質を含む酸溶液および吸着剤が、吸着剤２７０を酸溶液から回収するための分離デバイス１６４へ送られ得る。実施形態において、分離デバイス１６４は、当該分野において既知の適切なフィルタ（例えば、セラミックフィルタ）であり得る。凝固剤の代わりに吸着剤をフィードストリーム１３０中において用いることにより、吸着剤および汚染物質の最終的な分離が可能となることが理解されるべきである。その結果、回収した吸着剤をストリーム１２０および汚染物質（例えば、リンおよびクロム化合物）の任意選択の回収において再利用することが可能になる。
【００６７】
いくつかの実施形態において、汚染物質（例えば、リンおよびクロム）を適切な吸着剤（例えば、ＴｉＯ２）上に容易に吸着させることができる。他の実施形態において、汚染物質にＵＶ光を照射して、汚染物質の吸着剤上への吸着を促進することが望ましい場合がある。このようなＵＶ照射により、汚染物質の光触媒酸化および／または還元を行って、吸着を向上させることができる。このようなＵＶ照射は、フィードストリーム１１０および／またはスラリーストリーム１３０へ適用することができ、フィルタユニット１４０内において、またはフィルタユニット１４０内への進入の前に行ってもよい。例えば、鉛汚染物質を酸化させて（ＴｉＯ２への注着がより容易な）酸化鉛とすることができる。実施形態において、鉄、マンガン、テクネチウムおよび／またはヒ素を同様の方法で酸化させて、より効率的な吸着を促進することもできる。別の例において、六価クロムを（ＴｉＯ２への吸着がより容易な）三価クロムへ還元することができる。実施形態において、銀、金、白金および水銀を同様の方法で還元して、より効率的な吸着を促進することもできる。色リガンドの処理などのいくつかの実施形態において、ＵＶ照射により、還元または酸化反応が無くても吸着を向上させることが可能になる。好適な実施形態において、好適にはＵＶ照射をフィードストリーム１１０へ適用した後に吸着剤ストリーム１２０と組み合わせることにより、ＵＶ照射へ晒される汚染物質の表面を最大化することができる。汚染物質の吸着をさらに促進するために、ＵＶ照射をスラリーストリーム１３０および／またはフィルタユニット１４０内にさらに適用することができる。
【００６８】
ＵＶ照射は、汚染除去システム１００において、多様な構成で実行することができる。実施形態において、フィルタユニット１４０は、光源（図示せず）を含み得る。この光源（図示せず）は、フィードストリーム１１０、スラリーストリーム１３０、および／またはフィルタユニット１４０の内容物（例えば、ミキサー１４２の内容物）にＵＶ光を照射して光触媒酸化または還元反応を可能とするよう構成されている。いくつかの実施形態において、フィルタユニット１４０はＵＶ光源を含み得るが、汚染除去システム１００は、図１１に示すようにフィルタユニット１４０の上流に、１つ以上の別個のＵＶリアクター１０２を含み得る。１つ以上のＵＶリアクター１０２は、フィードストリーム１１０および／またはスラリーストリーム１３０を受容するよう構成され得、これにより、光触媒反応によりスラリーストリーム１３０中の汚染物質の組成を変化させた後にフィルタユニット１４０へ供給することが可能になる。
【００６９】
別の実施形態において、適切な酸化化学物質（例えば塩素）または還元剤（例えば、メタ重亜硫酸ナトリウム）を汚染流体１１０中および／またはスラリーストリーム１３０中へ付加することにより、上記したＵＶ照射に加えて、または上記したＵＶ照射の代わりに、汚染物質流体１１０中の汚染物質の非光触媒酸化または還元に影響を与えてもよい。図１２を参照して、汚染除去システム１００は、１つ以上の非光触媒リアクター１０４を含み得る。１つ以上の非光触媒リアクター１０４は、適切な酸化剤または還元剤を受容し、当該酸化剤または還元剤を汚染流体１１０中および／またはスラリーストリーム１３０中の汚染物質と反応させる。前者の場合、その後、リアクター１０４の出力を吸着剤と混合して、スラリーストリーム１３０を得ることができる。例示的実施形態において、図１２に示す実施形態に加えて、または図１２に示す実施形態の代わりに、適切な酸化剤または還元剤をフィルタユニット１４０（例えば、ミキサー１４２中）へ添加することができる。例示的実施形態において、本開示中に記載の原理に従って図１２中のスラリーストリーム１３０にＵＶ光を照射して、吸着材への汚染物質の吸着をさらに促進することができる。例えば、汚染ストリーム１１０をＵＶリアクター１０２および非光触媒リアクター１０４を通過させた後、吸着剤と組み合わせることができる。また、吸着剤を汚染ストリーム１１０と組み合わせた後、フィルタユニット１４０および／またはフィルタユニット１４０（例えば、ミキサー１４２）の内部を通過させることができることが理解されるべきである。
【００７０】
本開示の別の様態は、不溶性粒子と共に相乗的に用いられる濾過ユニットに関する。このような濾過ユニット２００の例示的実施形態を図１３に示す。図１３は、膜２０２の断面図を表す。膜２０２は多様な形状およびサイズで構成可能であるが、図示の実施形態においては、長手方向に延びる側壁２０４を有する円筒型膜２０２である。側壁２０４内には、複数の孔部２０６が規定されている。この構成のように、膜２０２は、汚染物質（図示せず）と、吸着剤（図示せず）と、不溶性粒子２０８とを含む汚染流体が長手方向において膜２０２の内部を流れることを可能にするよう機能可能であり、孔部２０６により、汚染除去流体が膜２０２の外部へ、径方向に流れることが可能になる。
【００７１】
不溶性粒子２０８を膜２０２に関し用いることによる相乗効果は、濾過ユニット２００がクロスフロー条件で機能するように汚染流体の流量および膜透過圧力を維持することにより、達成され得る。クロスフロー条件を維持した場合に得られる１つの相乗効果として、不溶性粒子２０８が膜の側壁２０４に沿って一時的な膜を形成する点が挙げられる。その結果、不溶性粒子２０８によって形成された一時的な膜により、膜上のフラックスが増加する。例えば、微細濾過膜２０２を有する実施形態において、一時的な膜の付加により、微細濾過システムのフラックスを維持しつつ限外濾過性能が実現可能になる。例えば、実施形態において、一時的な膜により、直径約１マイクロメートル〜１ナノメートルの粒子のフィルタリングが可能になる。業界において達成される典型的な限外濾過フラックスは５０〜１００のＧＦＤ範囲であるが、微細濾過システム中の不溶性粒子によって発生した一時的な膜により達成されるフラックスは、２０００のＧＦＤ範囲を達成することができる。
【００７２】
不溶性粒子２０８は本開示中に開示される任意の吸着剤を含み得るが、不溶性粒子２０８は、実質的に非吸着性の粒子を含んでもよい。相乗的な実施形態において、不溶性粒子２０８は、吸着性の非光触媒であり得る。吸着性の不溶性粒子２０８を用いることにより、フラックス増加に加えてさらなる利点を実現することができる。不溶性の吸着性粒子が汚染除去システム１００において用いられ、かつクロスフローがフィルタ１４４内において維持される例示的実施形態において、得られる一時的な膜により、利点の相乗的組み合わせが可能になる（例えば、高フラックス、ポリマー添加の必要性の排除または低減、吸着剤の回収および再利用）。非光触媒粒子２０８を用いることにより、さらなる利点を実現することができる。光触媒プロセスにおける最大のコストの１つを挙げると、ＵＶ光の提供のためのエネルギーコストおよびＵＶ源のメンテナンスコストがある。処理プロセスを非光触媒システム内において実行することにより、これらのコストが無くなり、大幅なコスト節減が可能になる。
【００７３】
再度図１１を参照して、六価クロムを含む汚染物質ストリームについて、上記の例示的実施形態の例示的適用について説明する。第１のステップにおいて、汚染物質ストリーム１３０が光触媒プロセス１０２へ送られた後、六価クロムを三価クロムへ還元する速度を上昇させるように、適切な量のクエン酸を汚染物質ストリーム１１０へ添加する。第２のステップにおいて、濾過ユニット１４０への進入の前後において、ＴｉＯ２吸着剤を汚染物質ストリームへ添加する。濾過ユニット１４０内において、ＴｉＯ２が三価クロムを吸着すると、得られたＴｉＯ２−三価クロム高分子１７０が離脱ユニット１６０へフィルタリングされる。第３のステップにおいて、ＴｉＯ２−三価クロム高分子が離脱ユニット１６０の酸槽タンク１６２に晒され、約６５°Ｃで加熱され、ＴｉＯ２と三価クロムとが分離される。その後、回収したＴｉＯ２吸着剤２７０を回収し、リサイクルして、次のバッチにおいて再利用する。
【００７４】
別の例示的適用において、上記のプロセスが、セミバッチまたは連続プロセス用に若干変更されている。この点について、汚染物質ストリーム１１０が連続的に第１のステップにおいて添加されるため、適切な量のクエン酸も連続的に汚染物質ストリームへ添加された後、汚染物質ストリーム１３０が光触媒プロセス１０２へ供される。第２のステップにおいて、ＴｉＯ２吸着剤も、（濾過ユニット１４０の進入前後において）濾過ユニット１４０中の汚染物質ストリーム１３０へのＴｉＯ２吸着剤の連続的供給が十分な量で、ＴｉＯ２のスリップストリームの形態で、汚染物質ストリームへ連続的に添加される。第３のステップにおいて、酸槽への進入の前後にセラミック膜を用いた脱水ステップが実行される。このステップにおいて、回収したＴｉＯ２吸着剤も連続的に離脱ユニット１６０から除去され、再利用のために連続的にリサイクルされる。セミバッチまたは連続プロセスの実行において、汚染除去プロセス全体により、バッチプロセスにおけるような各バッチにおける効率低下無く、一貫して高効率が達成される。図１４は、２つの別個のバッチによる効率低下の例を示す。図示のように、ＴｉＯ２吸着剤の添加時（Ａ）において汚染除去プロセスの効率は高い。その後、吸着剤がクロムと組み合わさると、表面積の低下に起因してバッチ効率は低下し（Ｂ）、最終的には効率が極めて低い（Ｃ）レベルにまで低下する。
【００７５】
図１５は、本開示に係る汚染除去システム８００の例示的実施形態を示す模式図である。システム８００は、フィードストリーム８２０を受容する。フィードストリーム８２０は、濾過が必要な流入する汚染流体を提供する。実施形態において、フィードストリーム８２０は、多様な汚染物質を含み得る（例えば、多様な有機化合物および無機化合物（例えば、金属、溶解固体、および着色化合物））。金属汚染物質を例示的に羅列すると、リン、鉛、鉄、マンガン、テクネチウム、ヒ素、銀、金、白金、水銀、およびクロムがある。フィードストリーム８２０を、リザーバ８２１からストリーム８０１を介して提供された適切な吸着剤と混合すると、スラリーストリーム１３０が得られる。適切な吸着剤は、フィードストリーム８２０中の汚染物質を吸着する良好な能力を有するが、離脱プロセスにより汚染物質から剥離可能な任意の粒子または粒子混合物であり得ることが理解されるべきである。本開示中に記載される任意の不溶性粒子は、適切な吸着剤であり得る。例えば、クロム化合物がフィードストリーム８２０中に存在する実施形態において、二酸化チタン（ＴｉＯ２）が適切な吸着剤であり得る。いくつかの実施形態において、ストリーム８０１をフィードストリーム８２０中で計測（例えば、連続計測）して、所望の濃度の吸着剤（例えば、ＴｉＯ２）をストリーム８２０中に形成することができる。いくつかの実施形態によれば、吸着剤濃度の代替的測定値として、濁度を用いることができる。ＴｉＯ２の濃度は約３５０ｍｇ／Ｌであれば、３５０ｍｇ／Ｌの濁度が測定され、ＴｉＯ２の添加量を決定するためのセットポイントとして使用され得る。任意の所望の間隔（例えば、連続的、定期的、偶発的および／またはランダム）の後、濁度（または別の測定基準）を評価してもよい。
【００７６】
いくつかの実施形態において、酸ストリーム８０２（例えば、クエン酸）を、タンク８２２からストリーム８２０中へ投与することができる。クエン酸により活性化ＴｉＯ２の光生成孔が塞がれると、記載のような光触媒還元速度の向上のための伝導バンド電子が得られる（例えば、米国特許第５，５５４，３００号参照）。試験によれば、クエン酸の使用により実質的なパワー低減が得られることが分かっている。例えば、六価クロムの一次還元速度における桁数の増加が観察された。
【００７７】
図１５中、光触媒リアクター８２５も図示されている。光触媒リアクター８２５は、スラリーストリーム１３０を受容し、汚染物質を還元する。例えば、六価クロム（Ｃｒ６）をリアクター８２５中において三価クロム（Ｃｒ３）へ還元することができる。リアクター８２５中の条件は、還元された汚染物質の吸着剤上への吸着の実現および／または促進が可能になるよう設定され得る。例えば、三価クロム（Ｃｒ３）をＴｉＯ２の表面上に吸着させることができる。試験によれば、リアクター８２５により、〜１．５ｋＷｈ／ｍ３だけの処理によって、４５０ｐｐｂの六価クロム（Ｃｒ６）を１ｐｐｂ未満まで低減することができる。
【００７８】
いくつかの実施形態において、光触媒リアクター８２５および触媒回収ユニット８３５は、有機物分解に用いられる光触媒システムのように機能することができる。光触媒反応の後、Ｃｒ３−ＴｉＯ２スラリーが光触媒ラックから排出され、大気アキュムレータータンク８３０へ進入する。セラミック膜（触媒回収ユニットまたはＣＲＵ）は、標準的なクロスフロー手法のように機能して、Ｃｒ３−ＴｉＯ２スラリー（８０４）を除去し、処理水８６０（例えば、＜１ｐｐｂＣｒ６）が排出され得る。ＣＲＵは、ＣＲＵループにおいてＴｉＯ２を１０−２０倍に濃縮し得る。
【００７９】
ＣＲＵループ中の汚染物質／吸着剤の濃縮物のスリップストリームは、汚染物質除去および回収プロセスへ排出（例えば、連続排出）され得る。例えば、ループ８０５中のＴｉＯ２濃縮物スリップストリームをＣｒ３除去および回収プロセスへ排出することができる。このステップは、有機物分解のための光触媒プロセスに含んでいなくてもよい。
【００８０】
いくつかの実施形態によれば、Ｃｒ３除去プロセスへのスラリー８０５の流量をシステム最適化のために最小化することができる。同様に、ＣＲＵループ８０３からのＴｉＯ２スラリーの一部をリサイクルして、光触媒リアクター８２５の入口へ戻すことができる。その結果、リザーバ８２１に必要なクリーンな吸着剤（例えば、ＴｉＯ２）の質量を低減できる。リアクター８２５へ戻してリサイクルすべきＴｉＯ２スラリーの量およびスラリー８０５の量は、いくつかの実施形態によれば、排出水８６０を指定閾値以下（例えば、＜１ｐｐｂＣｒ６）に維持しつつ、Ｃｒ３除去プロセスへ送られるＴｉＯ２の質量（例えば、ｋｇ／ｈｒ）を低減するように構成され得る（例えば、最適化され得る）。
【００８１】
いくつか状況下において、ＴｉＯ２上に吸着されるＣｒ３量が増加すると、利用可能なＴｉＯ２表面積の低減に起因して、Ｃｒ６からＣｒ３への光触媒還元の効率が低下し得る。例えば、一定量のＴｉＯ２を標準的光触媒システム中においてバッチ処理した場合、光触媒リアクター中のクロム還元速度が、廃液水中のＣｒ６が増加して所望の閾値（例えば、１ｐｐｂＣｒ６）を超えるまで、（例えば、ＴｉＯ２の表面積の低下と共に効率が低下することにより）効率が連続的に低下し得る。この時点において、システム中のＴｉＯ２を全て除去し、クリーンなＴｉＯ２と交換する必要が出てくる。この種のバッチ処理は、作動が困難であり、Ｃｒ６排出が所望の排出仕様を常に維持することも困難である。図１６は、この傾向を示すバッチＴｉＯ２パイロット試験の結果を示している。検出限界が０．０３ｐｐｍであるポータブルデバイスにより、クロムが検出された。本開示を任意の特定の作用機構に限定するものではないが、ＴｉＯ２の表面積低減に起因してＰｈｏｔｏ−Ｃａｔ中の一定質量のＴｉＯ２の効率が低下し得る。これは望ましくないものとしてみなされ得るため、いくつかの実施形態において、このような効率低下を回避するような様態でシステム８００が動作し得る。例えば、スラリー還流８０３およびスラリー８０５のＣｒ３除去プロセスへの流量を一定に維持することができ、これにより、プロセスにおいて「定常状態運転」が達成される。定常状態運転により、Ｃｒ６の除去を一貫して行うことができ（すなわち、進入するクロム質量＝退出するクロム質量）、また、廃液８６０中のＣｒ６濃度を一定にすることができる。
【００８２】
図１５に示すように、スリップストリーム８０５を脱水モジュール８４０へと送って、吸着剤および汚染物質をさらに濃縮することができる。例えば、ストリーム８０５は、垂直姿勢で配置されたデッドエンドセラミック膜に進入して、ＴｉＯ２およびＣｒ３スラリーをさらに１桁分だけ濃縮することができる。
【００８３】
ＴｉＯ２−Ｃｒ３スラリーがデッドエンド膜中にポンプされると、ＴｉＯ２−Ｃｒ３がフィルタリングされ、フィルタリングされた水が排出８０６へ送られる。膜ハウジング内において、重力および空気衝撃波の組み合わせにより、ＴｉＯ２−Ｃｒ３固体が膜の真下に配置された収集堰（ダム）中へ落下する。このプロセスにより、ＴｉＯ２−Ｃｒ３が濃縮され、ＴｉＯ２−Ｃｒ３がセラミック膜導管中に詰まる事態も回避し、ＴｉＯ２−Ｃｒ３が解放される。解放された導管により、フィルタそのものの内部に蓄積させ（よってフラックスが連続的に低減する）ほとんどのデッドエンドフィルタと対照的に、一貫したフラックスが膜（単数または複数）中において得られる。図１７は、デッドエンド濾過後にＴｉＯ２が落下した堰を示す。
【００８４】
堰がＴｉＯ２−Ｃｒ３でほぼいっぱいになると、弁を開いて、混合物８０７を脱水／ミキサータンク８４５中へ送ることができる。脱水／ミキサータンク８４５は、１つ以上の機能を行うよう構成され得る。例えば、脱水／ミキサータンク８４５は、混合物８０７をさらに脱水するよう構成され得る。いくつかの実施形態において、脱水／ミキサータンク８４５は脱水膜を含み得る。タンク８３６からの圧縮空気８１７を用いて、ＴｉＯ２−Ｃｒ３スラリーを脱水膜中へ押圧することができる。この圧力により、水が膜を通過し、処理水が排出８１０へ送られる。一方、脱水されたＴｉＯ２−Ｃｒ３スラリーはさらなる処理のために保持される。
【００８５】
脱水／ミキサータンク８４５は、いくつかの実施形態によれば、酸保存タンク８５０からの酸８０８を添加することにより、汚染物質（例えば、Ｃｒ３）を吸着剤（例えば、ＴｉＯ２）から離脱させることができる。例えば、一定量の（例えば、〜４０〜〜６０ｏＣまで）加熱された硫酸（例えば、〜１ｗｔ．％〜〜５ｗｔ．％）を脱水／ミキサータンク８４５へ添加し、脱水／ミキサータンク８４５において、脱水されたＣｒ３−ＴｉＯ２と硫酸とを混合することができる。いくつかの実施形態において、加熱された酸を脱水／ミキサータンク８４５へ移動する際にポンプを用いない方が望ましい場合がある。その代わりに、圧縮空気８１７を用いて酸８０８を脱水／ミキサータンク８４５中へ押圧することが望ましい場合がある。酸の添加後、圧縮空気８１７が脱水／ミキサータンク８４５の下部を通じて送られる。脱水／ミキサータンク８４５の内部設計は、小気泡を形成するように配置され得る。これらの小気泡が酸ＴｉＯ２−Ｃｒ３混合物内を上方に持ち上げるため、Ｃｒ３をＴｉＯ２から剥離するために必要な大規模な混合を提供することができる。加熱された酸および攪拌により、ＴｉＯ２から酸混合物中へＣｒ３が移動する。試験によれば、このプロセスの所用時間は約２０〜約３０分間であり得る。いくつかの実施形態において、酸保存タンク８５０の内容物を一定の自由酸濃度（すなわち、ｐＨ値）で維持することが望ましい場合がある。このような場合、補給タンク８４９からの補給酸８１４をタンク８５０へ添加することができる。
【００８６】
流体混合物８０９は、脱水／ミキサータンク８４５から酸保存タンク８５０中へと移動し得る。流体混合物８０９は、酸（例えば、硫酸）および汚染物質（例えば、溶解三価クロム）を含み得るか、または酸（例えば、硫酸）および汚染物質（例えば、溶解三価クロム）からなり得る。タンク８３６からの圧縮空気８１７を用いて、流体混合物８０９を酸保存タンク８５０中へ押圧することができる。
【００８７】
脱水／ミキサータンク８４５中の残りのＴｉＯ２は、一定の酸を溶解Ｃｒ３と共に含むことが予測され得る。いくつかの実施形態において、酸および溶解Ｃｒ３をＴｉＯ２の外へフラッシュした（洗い流した）後、ＴｉＯ２をリザーバ８２１へ送る必要があり得る。これらの実施形態において、このフラッシュが行われない場合、ＴｉＯ２混合物中に含まれるＣｒ３の濃度が高くなり過ぎる。その結果、リザーバ８２１へ戻って（そして最終的に光触媒リアクター８２５へ戻る）汚染物質（例えば、Ｃｒ３）の質量に起因して、汚染物質全体（例えば、クロム）の濃度が所望の閾値濃度（例えば、＜２０ｐｐｂクロム）を超えてしまう。（パイロット実験時において、フィード水中の溶解Ｃｒ３がＴｉＯ２上に吸着される様子は観察されなかった。その代わり、Ｃｒ６還元の後のみに吸着がみられた）。一定量の処理水８１０が脱水／ミキサータンク８４５中へ送られた後、膜を通じて（例えば、上記のストリーム８０７と同様に）押圧され、ストリーム８１２を介してリンス水タンク８５５内に配置される。ストリーム８１２は、低ｐＨ値（例えば、〜０．５から〜３．０）を持ち得、溶解Ｃｒ３を含む。
【００８８】
その後、塩基８１５（例えば、ＮａＯＨ）をリンス水タンク８５５に添加し、水およびＣｒ３を中和してＣｒ（ＯＨ）３とし、沈殿させる。図１８は、ＮａＯＨによってｐＨ値８．５まで中和された（Ｃｒ（ＯＨ）３沈殿物を示す）の後の低ｐＨＣｒ３水を示す。試験によれば、クロム全体の沈殿量を２６．８ｐｐｍから０．０３２ｐｐｍへ低減することができる。よって、所望の閾値（例えば、＜２０ｐｐｂクロム全体）を超えることなく、リンス水タンク８５５からの少量の上清を、排出８１３中へ排出することができる。
【００８９】
沈殿物８６５の回収は、例えば、（ａ）重力濃縮化および／またはセラミック膜濾過の使用および／または（ｂ）上記において用いた脱水アプローチの使用により行うことができる。クロム固体８１６は、回収したクロムであり得、離隔方向に搬送してもよいし、あるいはいくつかの他の製造プロセスにおいて再利用してもよい。クロム固体８１６を再利用する場合、この最処置プロセスを「採掘」プロセスと呼ぶ場合がある。いくつかの実施形態において、汚染除去プロセスの汚染液体排出がゼロになり得る。
【００９０】
ＴｉＯ２のフラッシュおよび脱水を行った後、ＴｉＯ２は「クリーンである」とみなされ、処理水８１０が脱水／ミキサータンク８４５へと返送される。脱水／ミキサータンク８４５において、（搬送に必要なため）ＴｉＯ２がスラリー化された後、クリーンなＴｉＯ２保存タンクへと返送されて、ストリーム８１１を介して圧縮空気８１７を用いて再利用される。
【００９１】
本開示の恩恵を有する当業者であれば理解するように、フィード組成物（例えば、流体）からの１つ以上の重金属（例えば、重金属、クロム、リン、リン化合物、窒素、窒素化合物）の還元および／または除去のための他の均等的または代替的な組成、デバイス、方法およびシステムが本明細書中の記載から逸脱することなく想定され得る。よって、本開示を図示および記載のように実行する方法は、ひとえに例示的なものとして解釈されるべきである。
【００９２】
本文やにおける当業者であれば、部品の形状、サイズ、数および／または配置構成多様な変更を本開示の範囲から逸脱することなく行うことが可能である。例えば、入口、弁、流体接続、タンク、リアクターおよび排出の位置および数の変更が可能である。いくつかの実施形態において、入口、弁、流体接続、タンク、リアクターおよび排出を類似の構造または異なる構造と相互交換的に用いることが可能である。相互交換性により、量、流量、処理時間および収率を個別調整することが可能になる。加えて、デバイスおよび／またはシステムのサイズを（例えば産業用実施形態の用途に合わせて）スケールアップすることも可能であるし、あるいは（例えばポータブル実施形態の用途に合わせて）スケールダウンして、実行者の需要および／または希望に合わせることが可能である。いくつかの実施形態によれば、各開示の方法および方法ステップを、他の任意の開示の方法または方法ステップならびに任意の順序で実行することが可能である。「ｍａｙ（し得る、してもよい）」という助動詞が用いられる場合、任意選択のおよび／または可能条件を意味するが、他に明記無き限り、動作可能性の欠如を意味するものでは全くないことが意図される。当業者であれば、本開示の組成、デバイスおよび／またはシステムの調製および使用の方法において、多様な変更を行うことが可能である。
【００９３】
また、範囲が記載されている場合、開示の終点を、特定の実施形態において所望または必要とされる正確なおよび／またはおおよその値として取り扱うべきである。終点がおおよその値である場合、柔軟性の程度は、１桁分の範囲に比例し得る。例えば、一方、約５〜約５０の範囲の文脈において範囲終点が約５０である場合、当該終点は５０．５を含み得るが５２．５または５５は含まない。他方、約０．５〜約５０の範囲の文脈において範囲終点が約５０である場合、当該終点は５５を含み得るが、６０または７５は含まない。また、いくつかの実施形態において、範囲終点を混合および整合させることが必要であり得る。また、いくつかの実施形態において、（例えば、例、表および／または図面のうち１つ以上における）開示の各図は、範囲の基本（例えば、記載の値の＋／−約１０％、記載の値の＋／−約５０％、記載の値の＋／−約１００％）および／または範囲終点を形成し得る。前者について、例、表および／または図面に記載される５０という値は、例えば約４５〜約５５、約２５〜約１００および／または約０〜約１００の範囲の基本を形成し得る。
【００９４】
フィード組成物（例えば、流体）からの１つ以上の重金属（例えば、重金属、クロム、リン、リン化合物、窒素、窒素化合物）の還元および／または除去のためのデバイスおよび／またはシステムの全体または一部は、使い捨て型、修理可能、相互交換可能かつ／または交換可能に配置および／または構成され得る。これらの均等例および代替例ならびに明白な変更および改変は、本開示の範囲内にあるものとして意図される。よって、上記の実施形態は例示的なものとしてみなされるべきであり、添付の特許請求の範囲に記載のような本開示の範囲を限定するものではない。
【００９５】
さらに、本明細書中の見出しは、３７Ｃ．Ｆ．Ｒ．§１．７７下のセクションに基づくかまたは分類目的のために記載される。これらの見出しは、本開示からの任意の特許請求の範囲中の実施形態（単数または複数）を限定または特徴つけるものではない。詳細には、「背景技術」部分における技術的記載は、特定の技術が本開示中の任意の実施形態（単数または複数）に対する先行技術であることを認定したものとして解釈されるべきではない。さらに、本開示において単数形の「発明」について言及する場合、本開示における単一の新規性を議論するために用いられるべきではない。本開示からの複数の請求項の限定に従って複数の実施形態が記載され得、このような請求項は、実施形態（単数または複数）および請求項によって保護されるその均等物を規定する。全ての場合において、このような特許請求の範囲は、本開示の利点に鑑みて考慮されるべきであり、本明細書中の見出しによって限定されるものではない。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【国際調査報告】
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