(57)【要約】電気化学的脱イオン装置中での水の浄化および脱塩中におけるスケール形成を軽減するための装置および方法。本装置および方法では、未処理の供給水中のスケール形成イオンが、脱イオン装置の脱イオン室から離れている制御された位置で析出される。脱塩生成水を生成するための脱イオン処理中に生じた濃縮水は、脱イオン装置中におけるスケールの形成および蓄積を防止するために、酸性化されて脱イオン装置中を循環される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
陰極室と陽極室との間に介在する少なくとも１つのイオン交換室を含む電気脱イオン装置中におけるスケールの形成を抑制する方法であって、
ａ）前記電気脱イオン装置中にイオン含有供給水を導入し、前記電気脱イオン装置中において前記水からイオンを除去すること、
ｂ）前記イオン交換室により前記供給水から除去したイオンを含む濃縮液流を生成すること、
ｃ）前記イオン交換室および前記陰極室から離れて前記濃縮液流の少なくとも一部を処理し、前記濃縮液流からスケール形成イオンを析出させて除去すること、
ｄ）前記イオン交換室および前記陰極室から離れて酸性化濃縮液を生成すること、及び
ｅ）前記酸性化濃縮液の少なくとも一部を前記電気脱イオン装置に導入し、前記酸性化濃縮液と前記電気脱イオン装置中のスケールが形成されやすい表面とを接触させること、を含む方法。
【請求項２】
前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、
ａ）以下を含む濃縮液流調整ユニットのスケール析出室中に前記濃縮液流を導入すること：
ｉ．少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、
ｉｉ．陽イオン交換膜により前記スケール析出室から隔てられている酸性化室、および
ｉｉｉ．前記陽イオン交換膜の反対側で前記酸性化室に近接して配置されている陽極として少なくとも動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室、及び
ｂ）前記スケール析出室中の前記電極に陰極として電圧を印加し、前記電極上に前記濃縮液流中のスケール形成イオンを析出させること、及び
ｃ）析出したスケールの少なくとも一部を前記スケール析出室から少なくとも周期的に除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記濃縮液流のｐＨを約８．４よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記スケール析出室中における前記濃縮液流のｐＨを約８．４よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５】
前記スケール析出室は１つまたは複数の電極を含み、前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、陰極として電圧を印加した場合に前記１つまたは複数の電極での電流密度が約９０ｍＡ／ｃｍ２以上であるように前記１つまたは複数の電極を構成することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項６】
前記スケール析出室は１つまたは複数の電極を含み、前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、陰極として電圧を印加した場合に前記１つまたは複数の電極での電流密度が約１２０ｍＡ／ｃｍ２以上であるように前記１つまたは複数の電極を構成することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項７】
前記陽極室は、塩化物イオンの前記陽極室への通過を防止する界面により前記酸性化室から隔てられており、前記陽極室は、塩化物イオンを含まない陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂、および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む、請求項２に記載の方法。
【請求項８】
前記塩化物を含まない陽極溶液は硫酸ナトリウム溶液である、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記酸性化濃縮液を生成する工程は、
ａ）以下を含む濃縮液流調整ユニットの酸性化室中に前記濃縮液流を導入すること、
ｉ．少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、
ｉｉ．陽イオン交換膜により前記スケール析出室から隔てられている酸性化室、および
ｉｉｉ．前記陽イオン交換膜の反対側で前記酸性化室に近接して配置されている陽極として少なくとも動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室、及び
ｂ）前記酸性化室中において前記濃縮液流を酸性化させることを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
前記陽極室は双極性界面により前記酸性化室から隔てられており、前記濃縮液を酸性化させる工程は、前記電極に電圧を印加して前記双極性界面において前記酸性化室中で水素イオンを生成することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記陽極室は陽イオン交換膜により前記酸性化室から隔てられており、前記濃縮液を酸性化させる工程は、前記電極に電圧を印加し、前記陽イオン交換膜を超えて前記酸性化室中に移動する水素イオンを前記陽極で生成することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１２】
前記酸性化濃縮液を約３．０未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１３】
前記酸性化濃縮液を約３．０未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項１４】
前記酸性化濃縮液の組成を、約３０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度で不要な水分解を防止するのに十分なイオン強度を有するように制御する、請求項１に記載の方法。
【請求項１５】
前記酸性化室中に導入する前記濃縮液流の組成を、約３０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度で不要な水分解を防止するのに十分なイオン強度を有するように制御する、請求項９に記載の方法。
【請求項１６】
陰極室と陽極室との間に介在する少なくとも１つの脱イオンセルを含む電気脱イオン装置中におけるスケールの形成を軽減する方法であって、
ａ）前記脱イオンセル中にイオン含有供給水を導入し、前記脱イオンセル中において前記水からイオンを除去すること、
ｂ）前記脱イオンセルにより前記供給水から除去したイオンを含む濃縮液流を生成すること、
ｃ）前記脱イオンセルおよび陰極室から離れて前記濃縮液流の少なくとも一部を処理し、前記セルおよび陰極室から離れて前記濃縮液流からスケール形成イオンを析出させて除去すること、及び
ｄ）前記脱イオンセルおよび前記陰極室から離れて酸性化濃縮液を生成すること、及び
ｅ）前記酸性化濃縮液の少なくとも一部を前記電気脱イオン装置に導入し、前記酸性化濃縮液と前記電気脱イオン装置中のスケールが形成されやすい表面とを接触させること
を含む方法。
【請求項１７】
前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、
ａ）以下を含む濃縮液流調整ユニットのスケール析出室中に前記濃縮液流を導入すること、
ｉ．少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、
ｉｉ．陽イオン交換膜により前記スケール析出室から隔てられている酸性化室、および
ｉｉｉ．前記陽イオン交換膜の反対側で前記酸性化室に近接して配置されている陽極として少なくとも動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室、及び
ｂ）前記スケール析出室中の前記電極に陰極として電圧を印加し、前記電極上に前記濃縮液流中のスケール形成イオンを析出させること、及び
ｃ）前記析出したスケールの少なくとも一部を前記スケール析出室から少なくとも周期的に除去することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１８】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記濃縮液流のｐＨを約８．４よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項１９】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記スケール析出室中における前記濃縮液流のｐＨを約８．４よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記スケール析出室は１つまたは複数の電極を含み、前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、陰極として電圧を印加した場合に前記１つまたは複数の電極での電流密度が約９０ｍＡ／ｃｍ２以上であるように前記１つまたは複数の電極を構成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２１】
前記スケール析出室は１つまたは複数の電極を含み、前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、陰極として電圧を印加した場合に前記１つまたは複数の電極での電流密度が約１２０ｍＡ／ｃｍ２以上であるように前記１つまたは複数の電極を構成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２２】
前記陽極室は、塩化物イオンの前記陽極室中への通過を防止する界面により前記酸性化室から隔てられおり、前記陽極室は、塩化物イオンを含まない陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂、および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項２３】
前記塩化物を含まない陽極溶液は硫酸ナトリウム溶液である、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
スケールが形成されやすい表面を接触させる工程を前記電極間に電流がない状態で少なくとも部分的に行う、請求項１に記載の方法。
【請求項２５】
スケールが形成されやすい表面を接触させる工程を前記電極間に電流がない状態で少なくとも部分的に行う、請求項１６に記載の方法。
【請求項２６】
前記酸性化濃縮液を生成する工程は、
ａ）以下を含む濃縮液流調整ユニットのスケール析出室中に前記濃縮液流を導入すること、
ｉ．少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、
ｉｉ．陽イオン交換膜により前記スケール析出室から隔てられている酸性化室、および
ｉｉｉ．前記陽イオン交換膜の反対側で前記酸性化室に近接して配置されている陽極として少なくとも動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室、及び
ｂ）前記酸性化室中に濃縮液流を導入すること、及び
ｃ）前記酸性化室中において前記陽イオン濃縮液を酸性化させることを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項２７】
前記陽極室は双極性界面により前記酸性化室から隔てられており、前記陽イオン濃縮液を酸性化させる工程は、前記電極に電圧を印加して前記双極性界面において前記酸性化室中で水素イオンを生成することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２８】
前記陽極室は陽イオン交換膜により前記酸性化室から隔てられており、前記濃縮液を酸性化させる工程は、前記電極に電圧を印加し、前記陽イオン交換膜を超えて前記酸性化室中に移動する水素イオンを前記陽極で生成することを含む、請求項２６に記載の方法。
【請求項２９】
前記酸性化濃縮液を約３．０未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項３０】
前記酸性化濃縮液を約３．０未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項３１】
前記酸性化濃縮液の組成を、約３０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度で不要な水分解を防止するのに十分なイオン強度を有するように制御する、請求項１６に記載の方法。
【請求項３２】
前記酸性化室中に導入する前記濃縮液流の組成を、約３０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度で不要な水分解を防止するのに十分なイオン強度を有するように制御する、請求項１７に記載の方法。
【請求項３３】
ａ）第１の方向の流れで前記脱イオンセルの陽イオン交換室に前記イオン含有供給水を通過させ、前記陽イオン交換室中において前記水からイオンを除去すること、
ｂ）その後に前記第１の方向の流れと実質的に反対の第２の方向の流れで前記脱イオンセルの陰イオン交換室に前記供給水を通過させ、前記陰イオン交換室中において前記水からイオンを除去することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項３４】
前記電気脱イオン装置は複数の脱イオンセルを含み、
ａ）第１の方向の流れで各前記脱イオンセルの陽イオン交換室に前記イオン含有供給水を通過させ、前記陽イオン交換室中において前記水からイオンを除去すること、
ｂ）その後に前記第１の方向の流れと実質的に反対の第２の方向の流れで前記脱イオンセルの陰イオン交換室に前記陽イオン交換室からの前記供給水を通過させ、前記陰イオン交換室中において前記水からイオンを除去することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項３５】
ａ）電気脱イオンユニットであって、
ｉ）陽イオン交換媒体を含む陽イオン交換室、
ｉｉ）陰イオン交換媒体を含む陰イオン交換室、
ｉｉｉ）前記陽イオン交換室と前記陰イオン交換室とを隔てる双極性界面、
ｉｖ）前記双極性界面の反対側の前記陽イオン交換室側に位置し、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含む陰極室、
ｖ）前記双極性界面の反対側の前記陰イオン交換室側に位置し、少なくとも陽極として動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室、
ｖｉ）前記陽極室と前記陰イオン交換室との間に介在する濃縮液室、および
ｖｉｉ）前記陰極室と前記濃縮液室とに接続されている濃縮液流用流路
を含む電気脱イオンユニットと、
ｂ）前記電気脱イオンユニットにより生成される濃縮液流を収容するために前記濃縮液流用流路に接続されている濃縮液調整ユニットであって、
ｉ）前記濃縮液流の少なくとも一部と液体連通し、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、
ｉｉ）前記スケール析出室に近接する、および陽イオン交換膜により前記スケール析出室から隔てられている酸性化室であって、濃縮液流の供給源に接続されている入口と、酸性化濃縮液流用流路に接続されている出口とを有する酸性化室、及び
ｉｉｉ）前記スケール析出室の反対側で前記酸性化室に近接する、および少なくとも陽極として動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室を含む濃縮液調整ユニットとを備え、
前記電極の活性化時に、前記スケール析出室を通過する濃縮液流中に存在するスケール形成イオンが前記スケール析出室中に析出する、水処理装置。
【請求項３６】
前記電気脱イオンユニットの前記陽極室および前記濃縮液調整ユニットの前記陽極室の少なくとも一方は、塩素イオンが前記陽極室中に運ばれるのを防止するのに適した界面により、それぞれ前記濃縮液室または前記酸性化室に近接する側で結合しており、前記陽極室は、非塩化物イオン含有陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂、および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３７】
前記電気脱イオンユニットの前記陽極室および前記濃縮液調整ユニットの前記陽極室の両方が、塩素イオンが前記陽極室中に運ばれるのを防止するのに適した界面により、それぞれ前記濃縮液室および前記酸性化室に近接する側で結合しており、前記陽極室は、非塩化物イオン含有陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂、および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む、請求項３５に記載の装置。
【請求項３８】
前記界面は双極性膜および陽イオン交換膜から選択される、請求項３６に記載の装置。
【請求項３９】
前記界面は双極性膜および陽イオン交換膜から選択される、請求項３７に記載の装置。
【請求項４０】
前記電気脱イオンユニットおよび前記濃縮液調整ユニットは、前記電気脱イオンユニットの前記陽極室および前記濃縮液調整ユニットの前記陽極室が同じ室であるように構成されており、前記電気脱イオンユニットの前記濃縮液室は前記同じ室の一方の側に配置され、前記濃縮液調整ユニットの前記酸性化室は前記同じ室の反対側に配置されている、請求項３５に記載の装置。
【請求項４１】
前記陽極室は、塩素イオンが前記陽極室中に運ばれるのを防止するのに適した界面により、前記濃縮液室および前記酸性化室から隔てられており、前記陽極室は、非塩化物イオン含有陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂、および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む、請求項４０に記載の装置。
【請求項４２】
前記界面は双極性膜または陽イオン交換膜である、請求項４１に記載の装置。
【請求項４３】
前記濃縮液流の供給源は、前記スケール析出室の少なくとも１つの出口流、未処理の供給水の供給源、または前記濃縮液流用流路に接続されているリザーバであり、前記濃縮液流のイオン強度を不要な水分解を予防するように調整することができる、請求項３５に記載の装置。
【請求項４４】
前記スケール析出室中における前記電極（単数または複数）の表面積は、前記陽極室中における前記電極（単数または複数）の表面積の約１０分の１未満である、請求項３５に記載の装置。
【請求項４５】
前記スケール析出室中における前記電極（単数または複数）の表面積は、前記陽極室中における前記電極（単数または複数）の表面積の約３分の１未満である、請求項３５に記載の装置。
【請求項４６】
前記陽イオン交換室および前記陰イオン交換室は、前記陰イオン交換室を通る水の流れに実質的に反対の方向で水が前記陽イオン交換室を通って流れるように接続されているおよび構成されている入口および出口を有する、請求項３５に記載の装置。
【請求項４７】
前記電気脱イオンユニットは、前記陰極室と前記陽極室との間に配置されている複数の脱イオンセルを含み、前記脱イオンセルは、
ｉ）陽イオン交換媒体を含む陽イオン交換室、
ｉｉ）陰イオン交換媒体を含む陰イオン交換室、
ｉｉｉ）前記陽イオン交換室と前記陰イオン交換室とを隔てる双極性界面、
ｉｖ）前記双極性界面の反対側で前記陽イオン交換室と境界を接する陽イオン交換膜、および
ｖ）前記双極性界面の反対側で前記陰イオン交換室と境界を接する陰イオン交換膜を含み、
前記陽イオン交換室および前記陰イオン交換室は、前記陰イオン交換室を通る水の流れに実質的に反対の方向で水が前記陽イオン交換室を通って流れるように接続されているおよび構成されている入口および出口を有する、請求項３５に記載の装置。
【請求項４８】
前記電気脱イオンユニットは、前記陰極室と前記陽極室との間に配置されている複数の脱イオンセルを含み、前記脱イオンセルは、
ｉ）陽イオン交換媒体を含む陽イオン交換室、
ｉｉ）陰イオン交換媒体を含む陰イオン交換室、
ｉｉｉ）前記陽イオン交換室と前記陰イオン交換室とを隔てる双極性界面、
ｉｖ）前記双極性界面の反対側で前記陽イオン交換室と境界を接する陽イオン交換膜、および
ｖ）前記双極性界面の反対側で前記陰イオン交換室と境界を接する陰イオン交換膜を含み、
近接する脱イオンセルは、前記脱イオンセルの陽イオン交換室および陰イオン交換室それぞれを通る水の流れが実質的に反対の方向であるように構成されている、請求項３５に記載の装置。
【請求項４９】
前記スケール析出室は、前記室内で互いに軸方向に平行で回転可能に取り付けられている陰極として少なくとも動作する一対の円柱状の電極を含み、前記電極は、モータの作動時に前記電極の表面が擦れ違って回転し、表面上に析出したスケールを前記電極から剥落させるように、協働ギアを含み、かつ前記モータと動作可能に接続されている、請求項３５に記載の装置。
【請求項５０】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記濃縮液流のｐＨを約１０よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５１】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記スケール析出室中における前記濃縮液流のｐＨを約１０よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項２に記載の方法。
【請求項５２】
前記酸性化濃縮液を約２．２未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５３】
前記酸性化濃縮液を約２．２未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項９に記載の方法。
【請求項５４】
ａ）電気脱イオンユニットであって、
ｉ）イオン交換媒体を含む少なくとも１つのイオン交換室、
ｉｉ）前記少なくとも１つのイオン交換室の一方の側に位置し、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含む陰極室、
ｉｉｉ）前記陰極室の反対側で前記少なくとも１つのイオン交換室側に位置し、少なくとも陽極として動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室、
ｉｖ）前記イオン交換室中において供給水の供給源から除去したイオンを収容するのに適した少なくとも１つの濃縮液室、および
ｖ）前記電気脱イオンユニット中において生成された濃縮液流を収容するために前記電気脱イオンユニットに接続されている濃縮液流用流路を含む電気脱イオンユニットと、
ｂ）前記電気脱イオンユニットにより生成される濃縮液流を収容するために前記濃縮液流用流路に接続されている濃縮液調整ユニットであって、
ｉ）前記濃縮液流の少なくとも一部と液体連通し、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、
ｉｉ）前記スケール析出室に近接する、および陽イオン交換膜によりスケール析出室から隔てられている酸性化室であって、濃縮液流の供給源に接続されている入口と、酸性化濃縮液流用流路に接続されている出口とを有する酸性化室、及び
ｉｉｉ）前記スケール析出室の反対側で前記酸性化室に近接する、および少なくとも陽極として動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室を含む濃縮液調整ユニットとを備え、
前記電極の活性化時に、前記スケール析出室を通過する濃縮液流中に存在するスケール形成イオンが前記スケール析出室中に析出する、水処理装置。
【請求項５５】
前記濃縮液調整ユニットの前記陽極室は、塩素イオンが前記陽極室中に運ばれるのを防止するのに適した界面により、前記酸性化室に隣接する側で結合しており、前記陽極室は、非塩化物イオン含有陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂から選択される物質を含む、請求項５４に記載の装置。
【請求項５６】
前記界面は双極性膜および陽イオン交換膜から選択される、請求項５５に記載の装置。
【請求項５７】
前記濃縮液流の供給源は、前記スケール析出室の少なくとも１つの出口流、未処理の供給水の供給源、または前記濃縮液流用流路に接続されているリザーバであり、前記濃縮液流のイオン強度を不要な水分解を予防するように調整することができる、請求項５４に記載の装置。
【請求項５８】
前記スケール析出室中における前記電極（単数または複数）の表面積は、前記陽極室中における前記電極（単数または複数）の表面積の約１０分の１未満である、請求項５４に記載の装置。
【請求項５９】
前記スケール析出室中における前記電極（単数または複数）の表面積は、前記陽極室中における前記電極（単数または複数）の表面積の約３分の１未満である、請求項５４に記載の装置。
【請求項６０】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記濃縮液流のｐＨを約１０よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項６１】
前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記スケール析出室中における前記濃縮液流のｐＨを約１０よりも高いｐＨに調整することを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項６２】
前記酸性化濃縮液を約２．２未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項１６に記載の方法。
【請求項６３】
前記酸性化濃縮液を約２．２未満のｐＨを有するように生成することを含む、請求項１７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は水の浄化および脱塩の方法および装置の分野に関する。
【背景技術】
【０００２】
全てではないが殆どの電極脱イオン（ＥＤＩ）システムは、硬度および過剰な溶存固体を除去するために、軟化および逆浸透（ＲＯ）を含む大規模な前処理を必要とする。硬度に関するＥＤＩシステムの流入水の限度は概して、濃縮室および陰極室（cathode chamber）中でのスケール（酸化皮膜）の形成を防止するために、炭酸カルシウムとして＜０．５ｍｇ／Ｌ〜＜２．０ｍｇ／Ｌである。ＥＤＩシステムはまた、最大総溶存固体（ＴＤＳ）および流入水中に存在する可能性がある溶存二酸化炭素に関しても制限されている。この流入水の制限を超える場合には、セルに過負荷がかかり、期待される品質の生成水を生成することができないだろう。例えば、いくつかの市販のＥＤＩシステムに関する流入水の仕様を表１に示す（製造業者の製品カタログからの情報）。
【０００３】
【表１】
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【０００４】
これらの製造業者全ては、供給水がＲＯ浸透する、またはそれと同等である必要があることも指定している。これらの市販のＥＤＩシステムの溶存固体に関する能力が制限されている理由は、該ＥＤＩシステムは連続フロー用に設計されており、溶存イオンがシステムに入るのと同じ速度で溶存イオンを電気で除去するからである。これらのＥＤＩシステムが有する再生樹脂の容量は極度に制限されており、該ＥＤＩシステムは本質的に使用不能な保持容量（stored capacity）を有する。住居での水利用パターンは、ピークフローでは０ｇｐｍから６ｇｐｍを超える範囲で断続的であることから、ピークフローを瞬時に浄化するサイズの浄化装置は、非常に大きくて不経済になる。
【０００５】
イオン交換樹脂を使用する従来の水の軟化の更なる欠点は、水の硬度がＮａＣｌ再生剤由来のナトリウムイオンと置き換わることである。ＮａＣｌ再生により、主にＮａＣｌ、ＣａＣｌ２、ＭｇＣｌ２等からなる塩水廃液が生じる。塩水廃液および塩−塩水再生軟化剤の排出に関する環境規制の強化により、ＮａＣｌを使用して塩水廃液を生じさせることなく飲料水から硬度が除去されることが望まれる。
【発明の概要】
【０００６】
本発明の方法および装置は、浮遊固体を除去するためのろ過以外の如何なる前処理も必要とすることなく、電気脱イオン（ＥＤＩ）技術を使用して水を浄化することを目的とする。本装置および方法は、システムのＥＤＩセル部に有害なスケールを形成することなく、硬度濃度が約３４０ｍｇ／Ｌ以下である水を処理するように設計されている。その代わりに、スケールは、この目的のために設計された専用セル内で意図的に析出される。更に、ＥＤＩユニットの濃縮液室および陰極室を通って低ｐＨ濃縮液を循環させることにより、ＥＤＩユニットへのＤＣ電流を切り、濃縮液室および陰極室を通って低ｐＨ濃縮液を再循環させ続けるだけで、濃縮液室および陰極室に生じる任意のスケールを容易に除去することができる。その上、低ｐＨ濃縮液はＣａＣＯ３およびＭｇＣＯ３等のスケール鉱物の溶解性を高め、濃縮液室および陰極室中でのスケール形成の可能性を低下させる。
【０００７】
加えて、本発明の方法および装置は、再生イオン交換樹脂の比較的大きな保持容量に基づく。この容量は、低速で効率的に再生されるイオン交換樹脂の比較的大きな体積によって実現され、この再生の大部分は、生成水が流れない期間中に起こる。この特徴により、供給物中の溶存固体の１日当たりの全質量が１日で再生される樹脂の容量を超えないという条件で、より高い流入濃度の溶存固体を処理することができる。典型的には、本明細書に記載の方法および装置は、溶存固体に関して４００ｍｇ／Ｌ以下のＴＤＳ濃度で１日当たり１，１３５リットル以下の水を処理することができる。たとえＴＤＳの１日当たりの負荷がより高くてもまたはピーク流量がより高くても、システムのＥＤＩ部に追加の脱イオンセルを加えるだけで対応することもできる。
【０００８】
前述に従って、本発明の一態様では、陰極室と陽極室（anode chamber）との間に介在する少なくとも１つのイオン交換室を含む電気脱イオン装置におけるスケールの形成を軽減する方法が提供され、当該方法は、電気脱イオン装置中にイオン含有供給水を導入し、電気脱イオン装置中において水からイオンを除去すること、イオン交換室により供給水から除去したイオンを含む濃縮液流を生成すること、イオン交換室および陰極室から離間させて前記濃縮液流の少なくとも一部を処理し、濃縮液流からスケール形成イオンを析出させて除去すること、イオン交換室および前記陰極室から離間させて酸性化濃縮液を生成すること、及び酸性化濃縮液の少なくとも一部を電気脱イオン装置に導入し、酸性化濃縮液と電気脱イオン装置中のスケールが形成されやすい表面とを接触させることを含む。
【０００９】
いくつかの実施形態では、前記方法は、陰極室と陽極室との間に介在する少なくとも１つの脱イオンセルを含む電気脱イオン装置中にイオン含有供給水を導入し、および前記脱イオンセルおよび陰極室から離して濃縮液流の少なくとも一部を処理し、前記セルおよび陰極室から離して前記濃縮液流からスケール形成イオンを析出させて除去すること、及び前記脱イオンセルおよび前記陰極室から離れて酸性化濃縮液を生成することを含む。
【００１０】
一態様では、本方法は、第１の方向の流れで前記脱イオンセルの陽イオン交換室に前記イオン含有供給水を通過させ、陽イオン交換室中において前記水からイオンを除去すること、およびその後に前記第１の方向の流れと実質的に反対の第２の方向の流れで前記脱イオンセルの陰イオン交換室に前記供給水を通過させ、陰イオン交換室中において前記水からイオンを除去することを含む。本発明の別の態様では、電気脱イオン装置は複数の脱イオンセルを含み、本方法は、第１の方向の流れで各前記脱イオンセルの陽イオン交換室に前記イオン含有供給水を通過させ、陽イオン交換室中において前記水からイオンを除去すること、およびその後に前記第１の方向の流れと実質的に反対の第２の方向の流れで前記脱イオンセルの陰イオン交換室に前記陽イオン交換室からの前記供給水を通過させ、陽イオン交換室中において前記水からイオンを除去することを含む。
【００１１】
一実施形態では、前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、陽イオン交換膜により前記スケール析出室から隔てられている酸性化室、および前記陽イオン交換膜の反対側で前記酸性化室に近接して配置されている陽極として少なくとも動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室を含む濃縮液調整ユニット（concentrate conditioning unit）のスケール析出室中に前記濃縮液流を導入すること、前記スケール析出室中の前記電極に陰極として電圧を印加（energize）し、該電極上に前記濃縮液流中のスケール形成イオンを析出させること、及び前記析出したスケールの少なくとも一部を前記スケール析出室から少なくとも周期的に除去することを含む。いくつかの実施形態では、前記濃縮液流を処理し、スケール形成イオンを析出させて除去する工程は、前記濃縮液流のｐＨを約８．４よりも高いｐＨに調整することを含む。別の実施形態では、ｐＨは約１０よりも高いｐＨに調整される。
【００１２】
本発明のいくつかの態様では、スケール析出室は１つまたは複数の電極を含み、前記濃縮液流を処理し、スケールを析出させて除去する工程は、陰極として電圧を印加した場合に前記１つまたは複数の電極での電流密度が約９０ｍＡ／ｃｍ２以上であるように前記１つまたは複数の電極を構成することを含む。別の実施形態では、電極は、陰極（単数または複数）で約１２０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度を付与するように構成されている。
【００１３】
更なる実施形態では、前記濃縮液調整ユニットの陽極室は、塩化物イオンの前記陽極室への通過を防止する界面により前記酸性化室から隔てられおり、陽極室は、塩化物イオンを含まない陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂、および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む。特定の態様において、塩化物を含まない陽極溶液は硫酸ナトリウム溶液である。
【００１４】
本発明の方法の一態様によれば、前記酸性化濃縮液を生成する工程は、前記酸性化室中で前記濃縮液流を酸性化することを含む。一実施形態では、陽極室は双極性界面により前記酸性化室から隔てられており、前記濃縮液を酸性化させる工程は、前記電極に電圧を印加して前記双極性界面において前記酸性化室中で水素イオンを生成することを含む。別の実施形態では、陽極室は陽イオン交換膜により前記酸性化室から隔てられており、前記濃縮液を酸性化させる工程は、前記電極に電圧を印加し、前記陽イオン交換膜を超えて前記酸性化室中に移動する水素イオンを前記陽極で生成することを含む。いくつかの実施形態では、濃縮液を約３．０未満のｐＨを有するように酸性化し、別の実施形態では２．２未満のｐＨを有するように酸性化する。いくつかの実施形態では、スケールが形成されやすい表面を接触させる工程を、前記電極間に電流がない状態で少なくとも部分的に行う。
【００１５】
本発明の方法の別の態様では、前記酸性化濃縮液の組成は、約３０ｍＡ／ｃｍ２以上の電流密度で不要な水分解を防止するのに十分なイオン強度を有するように制御されている。
【００１６】
前述から明らかであるように、本発明の別の態様では、陽イオン交換媒体を含む陽イオン交換室、陰イオン交換媒体を含む陰イオン交換室、前記陽イオン交換室と前記陰イオン交換室とを隔てる双極性界面、前記双極性界面の反対側の前記陽イオン交換室側に位置し、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含む陰極室、前記双極性界面の反対側の前記陰イオン交換室側に位置し、少なくとも陽極として動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室、前記陽極室と前記陰イオン交換室との間に介在する濃縮液室、および前記陰極室と前記濃縮液室とに接続されている濃縮液流用流路を含む電気脱イオンユニット、及び加えて、前記濃縮液流の少なくとも一部と液体連通し、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含むスケール析出室、前記スケール析出室に近接する、および陽イオン交換膜によりスケール析出室から隔てられている酸性化室であって、濃縮液流の供給源に接続されている入口と、酸性化濃縮液流用流路に接続されている出口とを有する酸性化室、及び前記スケール析出室の反対側で前記酸性化室に近接する、および少なくとも陽極として動作する少なくとも１つの電極を含む陽極室を含む前記電気脱イオンユニットにより生成される濃縮液流を収容するために前記濃縮液流用流路に接続されている濃縮液調整ユニットを含み、前記電極の活性化時に、前記スケール析出室を通過する濃縮液流中に存在するスケール形成イオンがスケール析出室中に析出する水処理装置が提供される。
【００１７】
いくつかの実施形態では、電気脱イオンユニットは、前記陰極室と前記陽極室との間に配置されている複数の脱イオンセルであって、陽イオン交換媒体を含む陽イオン交換室、陰イオン交換媒体を含む陰イオン交換室、前記陽イオン交換室と前記陰イオン交換室とを隔てる双極性界面、前記双極性界面の反対側で前記陽イオン交換室と境界を接する陽イオン交換膜、および前記双極性界面の反対側で前記陰イオン交換室と境界を接する陰イオン交換膜を含む脱イオンセルを含み、前記陽イオン交換室および前記陰イオン交換室は、前記陰イオン交換室を通る水の流れに実質的に反対の方向で水が前記陽イオン交換室を通って流れるように接続されているおよび構成されている入口および出口を有する。
【００１８】
いくつかの実施形態では、前記電気脱イオンユニットの前記陽極室および前記濃縮液調整ユニットの前記陽極室の少なくとも一方は、塩素イオンが前記陽極室中に運ばれるのを防止するのに適した界面により、各濃縮液室または酸性化室に近接する側で結合しており、前記陽極室は、非塩化物イオン含有陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む。別の実施形態では、前記電気脱イオンユニットの前記陽極室および前記濃縮液調整ユニットの前記陽極室の両方が、塩素イオンが前記陽極室中に運ばれるのを防止するのに適した界面により、それぞれ濃縮液室および酸性化室に近接する側で結合しており、前記陽極室は、非塩化物イオン含有陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む。本発明のある態様では、界面は双極性膜および陽イオン交換膜から選択される。
【００１９】
本発明の更なる実施形態では、電気脱イオンユニットおよび前記濃縮液調整ユニットは、前記電気脱イオンユニットの前記陽極室および前記濃縮液調整ユニットの前記陽極室が同じ室であるように構成されており、前記電気脱イオンユニットの前記濃縮液室は該同じ室の一方の側に配置され、前記濃縮液調整ユニットの前記酸性化室は該同じ室の反対側に配置されている。この実施形態のいくつかの態様では、陽極室は、塩素イオンが前記陽極室中に運ばれるのを防止するのに適した界面により、前記濃縮液室および前記酸性化室から隔てられており、前記陽極室は、非塩化物イオン含有陽極溶液または再生陽イオン交換樹脂および実質的に塩化物を含まない水から選択される物質を含む。この実施形態のいくつかでは、界面は双極性膜または陽イオン交換膜である。
【００２０】
本発明の一態様では、濃縮液流の供給源は、前記スケール析出室の少なくとも１つの出口流、未処理の供給水の供給源、または前記濃縮液流用流路に接続されているリザーバであり、前記濃縮液流のイオン強度を不要な水分解を予防するように調整することができる。
【００２１】
本発明の装置のいくつかの実施形態では、前記スケール析出室中における前記電極（単数または複数）の表面積は、前記陽極室中における前記電極（単数または複数）の表面積の約１０分の１未満である。別の実施形態では、前記スケール析出室中における前記電極（単数または複数）の表面積は、前記陽極室中における前記電極（単数または複数）の表面積の約３分の１未満である。
【００２２】
一実施形態では、陽イオン交換室および前記陰イオン交換室は、前記陰イオン交換室を通る水の流れに実質的に反対の方向で水が前記陽イオン交換室を通って流れるように接続されているおよび構成されている入口および出口を有する。
【００２３】
本発明の一態様では、スケール析出室は、前記室内で互いに軸方向に平行で回転可能に取り付けられている陰極として少なくとも動作する一対の円柱状の電極を含み、前記電極は、モータの作動時に前記電極の表面が擦れ違って回転し、該表面上に析出したスケールを前記電極から剥落させるように、協働ギアを含み、およびモータと動作可能に接続されている。
【００２４】
本発明のこれらのおよび他の態様のより完全な理解が、本発明に関する以下の説明、好ましい実施形態の詳細な説明、および添付図面から得られるだろう。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明に係る装置の主な構成要素を示す概略図である。
【図２】本発明に係る装置の機能的な構成要素を示す概略図である。
【図３】本発明の一実施形態に従う複数の脱イオンセルの構成を示す概略図である。
【図４】本発明の別の実施形態に係る装置を示す概略図である。
【図５】本発明の更なる実施形態に係る装置を示す概略図である。
【図６】本発明の一実施形態に係る濃縮液調整ユニット用の陰極の構成を示す概略図である。
【図７】２４時間にわたる本発明に係る装置の連続再生により生じる処理容量を示すグラフである。
【図８】長期にわたり本発明に係る連続再生を用いる装置の理論的処理容量を示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明に従って水からイオンを除去するための方法および装置は、電気脱イオン（ＥＤＩ）ユニットおよび濃縮液調整ユニット（ＣＣ）の使用を含む。ＥＤＩユニットでは、不要なイオンを未処理の供給水から除去して脱イオン生成水を生成する。弱イオン種を除いて、ＥＤＩユニットは、Ｐｂ、Ｚｎ、ＡｓおよびＵ等の重金属を含む実質的に全ての溶存イオンを１０μＳ／ｃｍ未満まで除去する。参考として、１０μＳの導電率は約５ｍｇ／ＬのＮａＣｌに相当する。次いで、供給水から除去したイオンを水性廃棄物中にまたは濃縮液流中に濃縮し、次に、ＣＣユニットで処理して濃縮液流からスケール形成イオンを析出させて除去する。更にまた、濃縮液流をＣＣユニット中で酸性化させ、その結果、例えばＥＤＩユニットの陰極および陽イオン膜表面でスケールが形成されやすいＥＤＩユニット中でスケール形成を阻害するようにおよび高ｐＨの表面を洗浄するように働くことができるという状態で濃縮液流をＥＤＩユニットに再利用することができる。好都合なことに、この酸性化濃縮液流の高イオン強度はまた、ＥＤＩユニットの制限電流密度（即ち、セル中の水が解離し始めるであろう点）を高めるのにも役立つ。この好都合なことにより、システムをより高い電流密度で動作させることができ、その結果、ユニットは、そのようなより高い電流密度で動作することができないセルに要するであろう大きさを必要としない。
【００２７】
本発明の方法の実施では、未処理の供給水をＥＤＩユニット中に導入する。未処理の供給水をろ過し、該供給物中に浮遊する粒子状物質を除去する。本発明の装置に従って使用するのに適した前置フィルタは概して、１〜５ミクロンのカートリッジを備えるおよび約６ｇｐｍのピーク流量用のサイズである単一のカートリッジフィルタハウジングである。好都合なことに、浮遊固体を除去するための、述べた前置フィルタ以外には、未処理の供給水を前処理してＥＤＩ中への導入前にイオンを除去する必要がない。前述したように、住宅向き用途のために本明細書で説明した方法および装置は、最も住宅向き用途に従って溶存固体に関する４００ｍｇ／Ｌ以下のＴＤＳ濃度で１日当たり１，１３５リットル以下の水を処理することができる。たとえＴＤＳの１日当たりの負荷がより高くても、システムのＥＤＩユニットに追加の脱イオンセルを加えるだけで、より頑強な用途に適応させることができる。当業者は、本開示を考慮して、任意の所望の１日当たりの需要に合うように十分に保持されたイオン除去容量を実現するように装置を構成することできるだろう。
【００２８】
そのため、ＥＤＩユニットは、１つまたは複数の脱イオンセルで構成される。各セルは、双極性界面により隔てられているおよび双極性界面の反対側がそれぞれ陽イオン交換膜および陰イオン交換膜と境界を接している陽イオン交換室および陰イオン交換室で構成される。前記脱イオンセルの内の１つまたは複数を、一方の側で陰極として動作する少なくとも１つの電極と他方の側で陽極として動作する少なくとも１つの電極とを含む一対の電極室の間に配置することができる。装置に必要な容量に応じて、ＥＤＩユニットは任意の所望の数の脱イオンセルを含むことができる。動作中に、イオン交換室中の陽イオン交換媒体および陰イオン交換媒体は、生成水の使用がない期間中または該使用が制限されている期間中を含む、電極間で生じるＤＣ電流の結果として双極性界面でそれぞれ生じる水素イオンおよび水酸基イオンにより常に再生されている。イオン交換媒体が常に再生されることから、イオン交換媒体は、ピーク需要の期間にわたってイオン交換容量を保持する。
【００２９】
本発明に従った使用に適した双極性界面は、本開示を考慮して当業者には明らかであろう。双極性膜が好ましく、例えば、商品名ネオセプタで日本の株式会社アストムから、および商品名ＦｕｍａｓｅｐでドイツのＦｕｍａｔｅｃｈ  Ｇｍｂｈから市販されている。双極性界面の他の形成方法として、混合床樹脂を備えるＥＤＩユニット中において、陰イオン交換樹脂が陽イオン交換膜に接触している、陽イオン交換樹脂が陰イオン交換膜に接触している、または陰イオン樹脂が陽イオン樹脂に接触する界面または表面の製造が挙げられる。
【００３０】
述べたように、セルの陽イオン交換室は前記双極性界面の反対側が陽イオン交換膜と境界を接しており、セルの陰イオン交換室は前記双極性界面の反対側が陰イオン交換膜と境界を接する。適切なイオン交換膜は不均一であることができ、即ち高分子バインダおよび補強布と混合されている磨り潰されたイオン交換樹脂がシート状に形成されており、または均一であることができ、即ち既に官能化されており、補強布を含むまたは含まないシート形状に成型されている単量体樹脂またはノボラック樹脂であることができる。強力な官能基、および存在する場合には動作中に観測する可能性があるｐＨ極値に適合する補強布を有する任意のイオン交換膜は、本装置で機能することができる。本装置に好ましい陽イオン交換膜および陰イオン交換膜は、非常に低い透水性、強力な酸性／塩基性官能基および補強布を備える不均一膜であり、例えばチェコ共和国のＭｅｇａ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎまたは合衆国のＭｅｍｂｒａｎｅｓ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌにより製造されるもの、商品名ネオセプタで日本の株式会社アストムにより製造されるもの、および商品名ＦｕｍａｓｅｐでドイツのＦｕｍａｔｅｃｈ  Ｇｍｂｈにより製造される膜である。当業者は、本開示を考慮して本発明に従った使用に適した陽イオン交換膜および陰イオン交換膜を選択して実施することができるだろう。
【００３１】
電気脱イオンセルの陽イオン交換室および陰イオン交換室はそれぞれ、陽イオン交換媒体および陰イオン交換媒体を含む。本発明に係る適切な陽イオン交換媒体として、任意の強酸性の陽イオン交換媒体、特にスルホン酸基で官能化されているスチレンおよびジビニルベンゼンの高分子が挙げられる。これらとして、陽イオン交換樹脂、例えばＰｕｒｏｌｉｔｅ  ｃｏｍｐａｎｙ製のＣ−１００、Ｃ−１５０およびＳＳＴ６０、及びＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌａｎｘｅｓｓにより製造された、陽イオン交換樹脂に対応する樹脂、及び本開示を考慮して当業者に明らかであろうものが挙げられる。他の高分子もスルホン酸基で官能化される場合には、該高分子も使用することができる。適切な陰イオン交換媒体として、タイプＩおよびタイプＩＩの両方の強塩基性イオン交換樹脂を含む任意の強塩基性陰イオン交換媒体が挙げられる。これらの樹脂は、スチレン−ジビニルベンゼン、またはアミン基で、特にタイプＩまたはタイプＩＩの第４級アミン基で官能化したアクリル高分子のいずれかの高分子として広く入手可能である。これらの内、好ましい樹脂は、Ｐｕｒｏｌｉｔｅ  Ｃｏｍｐａｎｙ製のＡ８５０、Ａ８６０およびＡ８７０、及びＤｏｗ  Ｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｃｏｍｐａｎｙ，Ｌａｎｘｅｓｓおよび当業者に既知の他の製造業者から市販されている類似の樹脂等の、タイプＩの第４級アミン基で官能化したアクリル高分子である。様々な構造骨格および官能基を有する他の陰イオン交換体もある程度は機能することができるが、好ましい樹脂は、セルの動作中により低い電圧降下およびより均一な電流分布になる消耗形態でより高い導電率を有する。
【００３２】
先で示したように、本発明の方法および装置の利点は、少なくとも一部がユニット中におけるイオン交換媒体の低電力で本質的に連続的な再生で生じる、保持されたイオン交換容量への依存に由来する。そのため、ユニットは、予測ピークフローでのイオン交換需要に対応し、次いで特にわずかな流れのまたは流れがない期間中に媒体を連続的に再生するのに十分な量のイオン交換媒体を有するように構成されている。そのようなシステムが特定の用途のために十分に保持された容量を有するように構成することでは、以下の要因を考慮する必要がある。
１．処理される水のＣａＣＯ３としてのＴＤＳ濃度、
２．１日当たりに処理される水の最大量、
３．最大予測流量、
４．実質的に全容量未満であり概して約７０％である、システムで使用するイオン交換樹脂の１リットル当たりの有効容量、
５．樹脂を通って水素イオンおよび水酸基イオンをただ移動させている代わりに消耗したイオン交換樹脂を再生させるＤＣ電流の割合として定義される効率係数、及び
６．浄化した生成水となる供給水の割合として定義されるパーセント回復。
【００３３】
項目１、２および４は、システムのＥＤＩ部が含む必要がある樹脂の最小の総量、即ち、２４時間周期で使用する全ての水を浄化するために完全に再生する場合に十分な有効容量を決定する。項目３は、過剰な圧力低下を避けるためにシステムのＥＤＩ部に必要とされる陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の断面積および深さを決定する。典型的には、システムは、ピークフローで１０ｐｓｉ未満の圧力低下を有するように設計されている。項目５は、システムのＥＤＩ部に印加する必要があるアンペア数を決定し、項目６は、所望の１日当たりの総量を得るために処理する必要がある水の総量を規定する。これらの検討事項と共に、１日で再生される容量を、ユニットの性能に対する電力消費を最適化したいというエンドユーザ特有のニーズのために調整することができる。このことを、以下の計算を使用して実現することができる。
【００３４】
【数１】
2015509048.tif 000004
【００３５】
前述したように、本発明に係るＥＤＩユニットは、電極室間に構成されている前述の１つまたは複数の脱イオンセルを含む。少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含む第１の電極室は、脱イオンセルの陽イオン交換室の陽イオン交換膜に近接して配置され、好ましくは該陽イオン交換膜に隣接して配置されており、少なくとも陽極として動作する少なくとも１つの電極を含む第２の電極室は、脱イオンセルの陰イオン交換室の陰イオン交換膜に近接して配置されているが、隣接する必要はない。
【００３６】
ＥＤＩユニットの陰極室では、陰極として動作する少なくとも１つの電極は、塩水に対して耐食性であり、水素ガス発生または上昇したｐＨ環境によってダメージを受けない任意の材料であることができる。この材料として、３１６、３１７等の様々なグレードのステンレス鋼、Ａｌｌｏｙ２０、ニッケルおよびニッケル合金、及びモネルが挙げられる。ＥＤＩユニットの陽極室では、陽極として動作する少なくとも１つの電極は、曝されるであろう溶液中において寸法的におよび化学的に安定である任意の材料であることができる。この材料として、白金、および酸化イリジウム、酸化ルテニウムまたは混合金属酸化物の触媒コーティングによりコーティングされているチタンが挙げられる。本発明に従って電極として使用するのに適したこれらのおよび他の材料は、本開示を考慮して当業者に明らかであるだろう。
【００３７】
以下により詳細に説明するように、陰極室は濃縮液流用流路と流体連通しており、脱イオンセルの近接する陽イオン交換室から陰極室に入る陽イオンを本発明に従って更に処理するまたは調整するためにＥＤＩユニットの陰極室外に運ぶことができ、および酸性化されたまたは調整された濃縮液は、陰極室中の高ｐＨ表面の洗浄および該表面からのスケールの除去を補助するために、必要に応じて陰極室中に流れることができる。
【００３８】
以下でもより詳細に述べるように、本発明に係るＥＤＩユニットの好ましい構成における陽極室は、陽極室中への塩化物イオンの輸送を防止するのに適した界面により、脱イオンセルの近接する陰イオン交換室からの陰イオンの輸送により生じた濃縮液流の流路から隔てられている。双極性膜はこの目的のために良好に機能することが分かっているが、陽イオン交換膜は、陽極室中への不要な塩化物イオンの輸送も防止することができる。この構成では、ＥＤＩユニット外の濃縮液流用流路と液体連通する濃縮液区画は、脱イオンセルの近接する陰イオン交換室と陽極室との間に配置されており、脱イオンセルの近接する陰イオン交換室から濃縮液区画に入る陰イオンを、本発明に従って更に処理するまたは調整するためにＥＤＩユニット外へ運ぶことができ、および酸性化されたまたは調整された濃縮液流は、陰イオン交換室および濃縮液区画と境界を接している陰イオン交換膜の高ｐＨ表面のスケールの洗浄および該表面からのスケールの除去を補助するために濃縮液区画中に流れることができる。
【００３９】
前述の実施形態では、陽極室は陽極液の供給源に接続されており、該供給源から非塩化物イオン含有陽極溶液が陽極室を通って循環される。適切な非塩化物イオン含有陽極溶液は、高導電性を付与するおよび陽極表面での反応により分解しない任意の溶液を含むことができ、例えば硫酸ナトリウム、硫酸カリウム、硫酸マグネシウムまたはメタンスルホン酸等の酸を含むことができる。好ましい陽極溶液は硫酸ナトリウムを含む。双極性膜が近接する濃縮液区画から陽極室中へのイオン、特に塩化物イオンの輸送に対する効果的な障壁として作用することから、陽極での電極反応は、水素イオンの化学量論的生成を伴う酸素発生だけからほとんど成り、有利には塩素の著しい発生を含まない。塩素発生がないことにより、ユニットの構成要素の望ましくない酸化が回避され、陽極での酸素の発生は、双極性膜の陽イオン表面および陽極表面それぞれでの水素イオンのバランスの取れた生成及び双極性膜の陰イオン表面での水酸化物イオンのバランスの取れた生成の維持に寄与する。この配置により、装置は、ＥＤＩユニットを通じて濃縮液流用流路中に高塩化物強度の濃縮液流を用いることもでき、有利にはＣａＣＯ３の溶解性を高めて低いＥＤＩセル電圧を可能にする。
【００４０】
前述の実施形態のいくつかの構成では、陽極室は陽極液用リザーバに接続されている。実際には、リザーバを、定期的に補充され得る陽極液の供給により満たすことができる。有利には、陽極での酸素ガスの発生も、陽極室を通って非塩化物イオン含有陽極液を循環させるための原動力を付与する。実際には、本開示を考慮して当業者に明らかであるように、陽極溶液の適切な循環を促進するためにポンプまたは他の手段を用いることができる。同様に、ＥＤＩユニットおよびＣＣユニットの両方の陽極室がこの非塩化物含有陽極溶液を用いる実施形態では、各陽極室が共通の陽極液リザーバを共有することができるように装置を構成することができる。
【００４１】
あるいは、導電性を付与するために、ＥＤＩユニットからの生成水等の多少の塩化物イオンを含まない水と共に、再生陽イオン交換樹脂で陽極室を満たすことができる。この目的を達成するために、陽極室への入口を、適切なバルブを介してＥＤＩの脱イオン生成水用流路に接続することができる。以下により詳細に説明するように、本実施形態では、ＣＣユニットの陽極室（以下に説明する）を通って前記脱イオン生成水を更に流すために、ＥＤＩユニットの陽極室は、好ましくは同様に陽イオン交換樹脂が満たされたＣＣユニットの陽極室への入口に接続されている出口を有する。
【００４２】
図に示すように、本発明の方法および装置では、ＥＤＩユニット中において供給水から除去されたイオンの水性濃縮液流は濃縮液調整（ＣＣ）ユニット中で処理され、制御された位置でスケール形成イオンが濃縮液流から析出して除去され、および濃縮液流がＥＤＩユニットに再利用されてスケールが形成される傾向にあるであろうＥＤＩユニットの表面を洗浄するように作用することができるように濃縮液流が更に酸性化される。
【００４３】
本発明のＣＣユニットは、濃縮液流の少なくとも一部を処理すべく収容するために、ＥＤＩユニットからの濃縮液流に接続されている少なくとも１つのスケール析出室と、陽イオン交換膜により前記スケール析出室から隔てられている酸性化室とを含む。陽極室は、前記スケール析出室の反対側で前記酸性化室に近接して配置されている。好ましい実施形態では、前述したＥＤＩユニットの陽極室と同様に、ＣＣの陽極室は、塩化物イオンの陽極室中への輸送を防止するのに適した界面により、酸性化室から隔てられている。実際には、以下により詳細に説明されるいくつかの実施形態では、ＣＣユニットおよびＥＤＩユニットを同じ陽極および陽極室を共有するように構成することができ、その結果、ＣＣユニットを、好都合なことにＥＤＩユニットと単一の機器に統合することができる。
【００４４】
スケール析出室は、該スケール析出室中に配置され、少なくとも陰極として動作する少なくとも１つの電極を含む。電極材料は、ＥＤＩユニットの陰極室に関して先で説明したものと同じであることができる。スケール析出室は、ＥＤＩユニットの濃縮液流に接続されている入口と、濃縮液用リザーバに接続されている出口とを有する。スケール析出室はまた、ユニットの動作により陰極上に析出してその後に陰極から除去されるスケールを捕捉して除去することができるように構成されている回収室も含む。電極に電圧が印加されると、濃縮液流中のスケール形成イオンが陰極上に析出し、陰極で高電流密度を生じさせる大きさである電極の結果、スケールは陰極を吹き飛ばされ、析出室の底および回収室中に沈殿することができる。
【００４５】
動作中に、スケール析出室を通って流れる濃縮液のｐＨは約８．４以上のｐＨに、より好ましくは約ｐＨ１０以上に理想的には調整される。このことは、ＣＣユニット中における電極間の電流およびスケール析出室を通る流量を調整することにより実現することができる。前者は、プロトンの濃度への追加の水酸基イオンの導入およびｐＨの増加の影響を有し、後者は濃縮液を効率的に希釈し、ｐＨを低下させる。本開示を考慮して当業者に完全に明らかであるように、濃縮液用流路中の適当な箇所でｐＨメータを含むことによりｐＨをモニタリングすることができる。
【００４６】
回収室は、減速沈降室、逆洗可能な粒子フィルタ、使い捨てフィルタカートリッジまたは遠心分離機から成ることができる。好ましい実施形態の図に示すように、減速沈降室は、円錐容器の底に位置する自動バルブを介したスケール粒子の回収および最終水洗用の円錐底を備える容器から成ることができる。沈降室の直径はスケール析出室の直径よりも大きいことから、沈降室に入る濃縮液に含有される粒子の直線速度は減速され、粒子は重力により沈降することができる。動作中に、沈降室ではブローダウン処理により蓄積したスケールが周期的にパージされ、バルブは、例えば８０〜１００ｍｌの濃縮液の連続した小さい噴出が沈降室を通って流れて該沈降室中に沈降したスケールを押し流すことができるように動作する。高固体廃棄物を衛生的な廃棄ラインに、あるいはその後の廃棄処分場（disposal off-site）用の貯蔵容器に運ぶことができる。必要に応じて、沈降室を吊下げ型バッグフィルタ等へ水洗することにより、固体を濃縮液から分離することもできる。
【００４７】
ブローダウン処理の量および頻度は、処理する具体的な水の供給源に依存するだろう。いくつかの実施形態では、ブローダウンのタイミングは、濃縮液流が過剰に濃縮される場合に必要な濃縮液流の組成（イオン強度）の周期的な調整と連携している。どんな方法にせよ濃縮液流の一部をこの目的のために抜き取る必要があることから、ブローダウンにこの一部を使用することが有利である。パージのタイミングおよび量を、ＣＣユニットの濃縮液用リザーバを通って循環する濃縮液の導電率をモニタリングすることにより決定することができる。例えば、濃縮液用リザーバの出口および酸性化室への入口に接続されている流路に導電率プローブを設置することにより、濃縮液流の導電率をモニタリングすることができる。濃縮液が例えば１６，０００μＳに達する場合には、次いで、導電率が所望のレベル、例えば１４，０００μＳに達するまで、ブローダウンバルブを、連続した小さい毎時８０〜１００ｍＬ以上の噴出を生じるように作動させることができる。ブローダウン処理中にパージされた濃縮液の量は、次いで、例えば未処理の水供給用のおよび／または生成水用の流路からの補給水で補充される。
【００４８】
述べたように、ＣＣユニットの酸性化室は、陽イオン交換膜によりスケール析出室から隔てられている。酸性化室は、図に示す濃縮液用リザーバ等の濃縮液流の供給源に接続されている入口と、ＥＤＩユニットへの酸性化濃縮液用流路を介してＥＤＩユニットの濃縮液区画の入口に接続されている出口とを含む。酸性化室を通って流れる濃縮液流は、ＣＣユニットの動作により酸性化室中で酸性化され、その後、ＥＤＩユニット中において高ｐＨでスケールが形成されやすい表面の洗浄に使用される。
【００４９】
いくつかの実施形態では、濃縮液用リザーバを、ＣＣユニットの酸性化室を通って循環する濃縮液流の組成を変更することができる水の様々な供給源に接続することができる。好ましい実施形態では、濃縮液用リザーバを、適切なバルブおよび必要に応じてポンプを介して、スケール析出室からの出口流の水、ＥＤＩユニット中への供給水用流路からの未処理の供給水、またはＥＤＩユニットの濃縮液流用流路から分流した水の内の１つまたは複数に接続することができる。これらの水の供給源をそれぞれ、濃縮液用リザーバ中の濃縮液の化学的性質、従ってシステム全体の濃縮液流の組成を調整するのに使用することができる。動作中に、ＣＣユニットの酸性化室を通って流れる濃縮液流は、ＣＣユニットの陽極室が陽イオン交換膜により酸性化室から隔てられている実施形態では陽極で生じるプロトンにより酸性化され、または陽極室が例えば双極性界面により酸性化室から隔てられている実施形態では双極性界面の表面で生じるプロトンにより酸性化される。
【００５０】
前述したようにおよび図４に示すように、ＥＤＩユニットから分離して独立型ユニットとして構成されているよりも、いくつかの実施形態では、少なくとも陽極として動作する１つまたは複数の電極を含む単一の陽極室がＥＤＩユニットおよびＣＣユニットの両方のための陽極（単数または複数）として動作することができるように、ＣＣユニットを、ＥＤＩユニット備える単一の機器に組み込むことができる。この実施形態では、塩素イオンが陽極室中を通過するのを防止するのに適した界面により、陽極室を、一方の側でＥＤＩユニットの近接する濃縮液区画と、反対側でＣＣユニットの近接する酸性化室との両方から隔てることができる。前述したように、双極性膜はこの目的に好ましい。
【００５１】
本発明に係るＣＣユニットの本発明の使用が、本明細書で説明した電気脱イオンユニット中における高ｐＨの表面および膜上でのスケール形成の問題に対処するのに効果的であるとして本明細書に示したおよび説明したが、ＣＣユニットが、陰極室および陽極室、電極の数および位置、電極室およびイオン交換室、イオン交換室を通る流路等に関する多種多様な構成を有する、代替として構成された電気化学セル、例えば参照により本明細書に援用される米国出願第１２／４４５，８４８号（国際公開出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／０５１９５号）で説明されているもの、または双極性膜なしに混合床イオン交換樹脂を用いる従来の電気脱イオンセルのスケール形成の問題に対処するのに有用であることは本開示から当業者には明らかであるだろう。離れてスケールを析出させるという本発明の概念の適用による利益を受けるであろうそのような構成は全て本発明の範囲内であると考えられる。
【００５２】
これらのおよび他の実施形態及び本発明のより完全な理解は、以下の好ましい実施形態の非限定的である詳細な説明から得られるだろう。
【００５３】
好ましい実施形態の詳細な説明
図１に示すように、本発明に従って硬度を除去してスケールを管理すべく陰イオンおよび陽イオンを除去するための好ましい実施形態は、２つの主要な電気化学ベースの構成要素から成る。第１の構成要素は、流路４を介してＥＤＩユニットに入り、次いで生成水用流路１０を介して使用可能になる未処理の供給水からイオン種を除去するための電気脱イオン（ＥＤＩ）ユニット１である。第２の構成要素は、濃縮液流のｐＨを調整するおよび硬度スケールを管理するための濃縮液調整器（ＣＣ）ユニット２０である。電極に電圧を印加して各ユニット中で所望の電気化学処理を行うために、ＥＤＩユニット１およびＣＣユニット２０中の電極はＤＣ電源５０ａ、５０ｂに動作可能に接続されている。
【００５４】
一般に、ＣＣユニット２０は、濃縮液流用流路９ａを介して、ＥＤＩユニット１中で供給水流４から除去されたイオンの濃縮液流に接続されている。ＥＤＩユニット１からの濃縮液流は次いでＣＣユニット２０中で処理されてスケールが除去され、該スケールは廃液用導管３５を経てシステムから排出される。ＣＣユニット２０中で形成される濃縮液流はＣＣユニット２０中の酸性化室（図２）中で酸性化され、酸性化濃縮液流用流路９ｂを介してＥＤＩユニット１に接続されている酸性化濃縮液流が生成され、該酸性化濃縮液流は濃縮液室に入り、ＥＤＩ中の高ｐＨ表面上に形成されるスケールを溶解させることができる。流路９ｂを通る酸性化濃縮液の原動力を付与することができ、例えばポンプ５１により付与することができる。本発明の更なる理解を容易にするために、ＥＤＩユニットおよびＣＣユニットそれぞれを以下でより詳細に説明する。
【００５５】
ＥＤＩユニット
図２に示すように、浮遊固体を除去するためのフィルタ１０４による前処理後に、処理される水（または未処理の水）は、仮想線１で示すＥＤＩユニットに運ばれる。示すように、ＥＤＩユニット１は、未処理の水が通過する陽イオン交換樹脂室２ａおよび２ｂならびに陰イオン交換樹脂室３ａ、３ｂをそれぞれ含む２つの脱イオンセルを含む。これらの陽イオン交換樹脂室および陰イオン樹脂室は双極性膜６により隔てられており、陽イオン交換媒体ＣＲおよび陰イオン交換媒体ＡＲをそれぞれ含み、未処理の水によって運ばれる陽イオンおよび陰イオンの一部または全てを除去して脱イオン生成水を生成するように動作する。
【００５６】
各脱イオンセルの陽イオン交換室は、前記双極性膜６の反対側が陽イオン交換膜７と境界を接しており、陽イオン交換膜７は、ａ）陽イオン交換樹脂由来の陽イオンの近接する濃縮液区画８、８ａ中への通過を可能にし、ｂ）濃縮液区画８、８ａ由来の陰イオンの陽イオン交換樹脂室２ａおよび２ｂ中への移動を防止し、およびｃ）区画２ａおよび２ｂ由来の水流および濃縮液区画８、８ａ由来の水それぞれの混合を防止する。図２に示すように、陰極室８ａはまた、濃縮液区画（単数または複数）８と同様に、ＥＤＩユニットからの濃縮液用流路９ａおよびＥＤＩユニット中への酸性化濃縮液用流路９ｂに接続されている濃縮液区画でもある。この結果、陽イオン樹脂に吸収された陽イオン性不純物が陽イオン交換室２ａ、２ｂに含まれる陽イオン交換樹脂を通って、次いで陽イオン交換膜７を通って濃縮液室８、８ａ中に移動し、濃縮液流用流路９ａ中においてＥＤＩユニット外に移される。
【００５７】
同様に、陰イオン交換室３ａ、３ｂは前記双極性膜６の反対側が陰イオン交換膜１１と境界を接しており、陰イオン交換膜１１は、ａ）陰イオン交換樹脂由来の陰イオンの近接する濃縮液区画８中への通過を可能にし、ｂ）濃縮液区画８由来の陽イオンの陰イオン交換樹脂室３ａおよび３ｂ中への移動を防止し、ならびにｃ）区画３ａおよび３ｂ由来の水および濃縮液区画８由来の水それぞれの混合を防止する。この結果、陰イオン樹脂に吸収された陰イオン性不純物が陰イオン交換樹脂を通って、次いで陰イオン交換膜１１を通って濃縮液区画８中に移動し、濃縮液流用流路９ａ中においてＥＤＩユニット外に移される。
【００５８】
図２を参照すると、未処理の供給水用流路４からの未処理水は、未処理の供給水用流路４ａおよび４ｂを介して陽イオン交換樹脂室２ａおよび２ｂの入口に送られる。必要に応じて、未処理水用導管４は、システムが導電率を、従って供給水中の電解質の濃度を最初に読み取るために導電率センサ２０４を含むことができる。脱イオンセルを通る電流の流れのバランスを取るために、未処理の供給水用流路４からの未処理の供給水は、陽イオン交換室２ａ、２ｂの反対側に位置する入口にそれぞれ接続されている流路４ａおよび４ｂに分岐されている。このため、流路４ａからの未処理の供給水は、流路４ｂを介して陽イオン交換室２ｂに入る未処理の供給水とは反対の方向で陽イオン交換室２ａを通って流れることができる。このフローパターンの目的は、樹脂室および膜を通る電流の流れをより均一にさせることであり、なぜならば、再生した形態と消耗した形態とでのイオン交換樹脂の導電率には著しい差があり、即ち陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂の両方に関して再生した形態は消耗した形態よりも導電性であるからである。説明したおよび図２に示した流路により、電流の分布は、全てのレベルの消耗または再生においてより均一である。この目的を達成するために、未処理の供給水用流路４は２つの流れ４ａ、４ｂに分岐され、流れ４ａ、４ｂは、近接する脱イオンセルの各陽イオン交換室の反対の入口に接続されている。
【００５９】
明らかであるように、未処理の供給水用流路４を、追加の脱イオンセルの追加の交互に対向する陽イオン交換室の入口に分岐して接続し、ＥＤＩユニットに追加の保持容量を生じさせることができる。そのため、示すように、未処理の供給水は、近接する陽イオン（および陰イオン）室における相対的に樹脂が消耗された領域のバランスを取り、それにより各室を通る電流の流れのバランスを取るために、水が近接する陽イオン（および陰イオン）交換樹脂室を通って反対方向に流れるように２つの流路４ａ、４ｂに分岐されるが、追加の脱イオンセルを通る向流を促進するために流路４を追加の流路に分岐することができることは当業者に明らかであろう。
【００６０】
より均一な電流の流れを生じさせる別の方法、例えば参照により本明細書に援用される米国第１２／４４５，８４８号（公開された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／０５１９５号）で説明されているバッフル配置等を本発明に従って用いることもできる。
【００６１】
水は陽イオン交換樹脂室２ａ、２ｂを通って流れることから、水によって運ばれる陽イオン、例えばＣａ＋＋およびＭｇ＋＋は陽イオン交換樹脂に接触し、樹脂中で水素イオン（Ｈ＋）の水中への付随的な正味の放出と交換される。この実質的に脱陽イオン化した水は、陽イオン交換樹脂室２ａ、２ｂから流路５ａおよび５ｂを介して陰イオン交換樹脂室３ａおよび３ｂへと流れ、これにより、近接する陽イオン交換室を通る流れと同様の方法で、近接する陰イオン交換室を通る向流がもたらされる。このことは、各脱イオンセルの全域で相対的に樹脂が消耗された領域のバランスを更に取り、それ故にセルの全域で電流の流れのバランスを更に取る効果を有する。脱陽イオン化水は陰イオン交換樹脂室を通って流れることから、水によって運ばれる陰イオン、例えば重炭酸塩および塩化物は陰イオン交換樹脂と接触し、樹脂中で水酸化物イオン（ＯＨ−）の水中への付随的な放出と交換される。陽イオン交換樹脂室および陰イオン交換樹脂室中において水中に放出された水素イオンおよび水酸化物イオンはそれぞれ、中和反応Ｈ＋＋ＯＨ−＝Ｈ２Ｏに従って実質的に反応する。実質的に脱イオン化された水、即ち軟水または生成水は、それらが通過する連続したイオン交換室中の最後のイオン交換室、即ち示した陰イオン交換室３ａおよび３ｂから、軟水または生成水が例えば使用するための給水栓または貯蔵タンク（図示せず）に分配され得る生成水用流路１０を通って運ばれる。所望の品質の生成水を維持するために、生成水用流路１０は、生成水のｐＨおよび脱塩のレベルを決定すべく様々なセンサ、例えばｐＨセンサ４１０および導電率センサ５１０を含むことができる。
【００６２】
各脱イオンセルの陽イオン交換室および陰イオン交換室が双極性膜６により隔てられている結果として、電源（図１）から電極１３、１４への外部直流の印加時に、水素イオンおよび水酸化物イオンの陽イオン交換樹脂および陰イオン交換樹脂へのそれぞれ安定した流れがもたらされる。これらの水素イオンおよび水酸化物イオンはそれぞれ、陽イオン交換室２ａおよび２ｂならびに陰イオン交換室３ａおよび３ｂでのイオン交換処理で使用する再生剤イオンを構成する。
【００６３】
図２に示す実施形態では、陽極区画１２は双極性膜６により、近接する濃縮液区画８から隔てられており、陽極区画１２には非塩化物イオン含有陽極溶液が導管１７を介してリザーバ１５から供給され、該溶液は導管１８を介してリザーバ１５に戻される。本実施形態では、好ましい陽極溶液は硫酸ナトリウムで構成される。双極性膜６は、近接する濃縮液区画８から陽極室１２への任意のイオンの輸送に対する効果的な障壁であり、特に、塩化物イオンの輸送に対する効果的な障壁である。ある実施形態では、陽イオン交換膜を使用することもできる。再循環する陽極溶液は実質的に塩化物イオンを含有しないため、陽極１４上での電極反応は、ほとんど酸素発生（水素イオンの化学両論的生成を伴う）だけから成り、有利には、塩素の著しい発生を含まない。塩素発生がないことにより、スタック構成要素の望ましくない酸化が回避される。陽極１４上での酸素の発生はまた、非塩化物陽極溶液をリザーバ１５から陽極室１２を通りリザーバに戻す循環のための原動力も付与する。あるいは、この循環ループを駆動させるためにポンプ（図示せず）を流路１７または１８に接続することができる。図５に示す別の好ましい実施形態では、陽極区画１２は陽イオン交換樹脂で満たされており、以下により詳細に説明するように、導管１９およびバルブ１９ａを介して、塩化物を含まない生成水の供給源に接続されている。
【００６４】
図２に示すように、濃縮液区画８、８ａはまた、ＣＣユニットからの酸性化濃縮液用流路９ｂに接続されている入口も有し、未処理水流から除去されたＨ＋および他のイオンが濃縮されている低ｐＨの電解質溶液を含む酸性化濃縮液は、ＣＣユニットから濃縮液区画８、８ａ中に導入されて濃縮液区画８、８ａ中での炭酸塩、水酸化物および酸化物のスケール形成を抑制することができる。特に、酸性のｐＨは、スケール形成鉱物の溶解度を高め、陽イオン交換膜７の陰極側上でのおよび陰イオン交換膜１１の陽極側上での水分解も抑制する。
【００６５】
スケール形成を回避するための更なる工程として、特に陰極室８ａ中において、装置を低い電流の流れまたは電流の流れがない間隔で動作させることができる。これらの間隔中に、酸性化濃縮液用流路９ｂを介して濃縮液区画８、８ａに入る酸性化濃縮液は、陰極室８ａを含む任意の濃縮液区画８中に生じるおよび濃縮液区画の境界を形成する膜中でも生じる任意のスケール結晶またはスケール結晶核を再溶解させることができる。短い時間間隔でこの工程を効率的にするために、流路９ｂを介して濃縮液室８、８ａに運ばれた酸性化濃縮液のｐＨ値を３未満に維持する必要があり、好ましくはｐＨ値を２．２未満に維持する必要がある。このことは、様々なセンサ、例えば酸性化濃縮液流用流路９ｂ中のｐＨセンサ１９０および導電率センサ９０、ならびに関連する回路を含めることにより容易に実現され得る。これらのセンサからのデータをモニタリングすることにより、ｐＨが所望のレベルを超えている場合に濃縮液流の組成およびｐＨを変更するために、流量およびアンペア数を調整することができる。
【００６６】
前述したように、追加の保持容量を付与するために、本発明に係るＥＤＩユニットを追加の脱イオンセルを含むように構成することができる。このことを図３と関連して概略的に示す。図３は、仮想線で示す連続した４つの脱イオンセル１１０、２１０、３１０および４１０を有するＥＤＩの構成を示す。先で論じたように、セルは、矢印で示す供給水の流れが近接するセル１１０〜４１０において逆方向であるように、陰極室と陽極室との間で構成されている。図３に示す実施形態および更に追加の脱イオンセルを包含する更なる実施形態に適応するために必要な未処理水用流路等を構成することは、本開示を考慮して当業者の範囲内であるだろう。
【００６７】
前述を考慮して当業者に明らかであるように、ＥＤＩユニットの様々な室および膜を、スタックおよびフレーム構造、または当業者に既知であり、例えば参照により本明細書に援用する米国第１２／４４５，８４８号（公開された国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ０８／０５１９５号）に開示されているように区画が同心円状に構成されている環状構造に構成することができる。
【００６８】
濃縮液調整ユニット（ＣＣユニット）
図２において仮想線２０で示した本発明のＣＣユニットでは、スケールをシステムから除去して廃棄することができる制御された位置でスケールが意図的に析出される。先で示したように、ＥＤＩユニット１のＥＤＩ濃縮液区画８、８ａは、濃縮液用流路９ａを介してＣＣユニット２０に接続されている。ＣＣユニットは、陽イオン交換膜３１により濃縮液酸性化区画２５から隔てられている陰極として少なくとも動作する電極３０を含むスケール析出室２４と、前記陽イオン交換膜３１およびスケール析出室２４の反対側で前記濃縮液酸性化区画２５に隣接して配置されている陽極として少なくとも動作する電極３３含む陽極室３６とを含むスケール析出セルを含む。
【００６９】
スケール析出室２４は、バルブ４１およびＣＣ入口流路４１ａを介して濃縮液流用流路９ａに接続されている入口と、スケール回収室２６に接続されている出口とを有する。示すように、スケール回収室２６は、任意のフィルタ、導管２８を介して濃縮液用リザーバ２１に接続されている出口と、廃液用導管３５に接続されている出口とを有する減速沈降室を含む。示すように、廃液用導管３５は、システムから沈降室２６中に沈降しているスケールをパージするためのブローダウン処理中に作動され得る自動バルブ２７を含む。
【００７０】
ＣＣユニットはまた、濃縮液用リザーバ２１も含む。濃縮液用リザーバ２１の出口は濃縮液酸性化室２５の入口に接続されており、次に、濃縮液酸性化室２５は、酸性化濃縮液用流路９ｂを介してＥＤＩユニットの濃縮液区画８、８ａの入口に接続されている出口を有する。リザーバ２１から濃縮液酸性化区画２５の入口への濃縮液の原動力を例えばポンプ２３により付与することができる。様々な組成の水を複数の供給源から濃縮液用リザーバ２１中に導入することができる。示すように、リザーバ２１は、流路２８を介してスケール回収室２６の出口に接続されており、バルブ２２および濃縮液用入口流路２２ａを介して濃縮液用流路９ａに接続されており、及びバルブ１６ａおよび未処理水用流路１６ｂを介して導管１６からの未処理の供給水に接続されている。必要に応じてバルブ１６ａ、２２を作動させることにより、リザーバ２１中の濃縮液の組成を調整することができる。前述したように、ｐＨセンサおよび／または導電率プローブにより濃縮液流の組成の適合性をモニタリングすることができる。
【００７１】
図２に示すように、導電率センサ１２９は、濃縮液用リザーバ２１から酸性化室２５に至る導管２９に接続されている。同様に、酸性化濃縮液用流路９ｂは、導電率センサ９０およびｐＨセンサ１９０を含む。これらのセンサからのデータは、濃縮液流における酸性度および電解質の濃度の両方に関する情報を提供することができる。濃縮液流のｐＨまたは導電率がシステムパラメータの範囲外である場合、固体のスケール廃棄物についてのシステムのパージおよび濃縮液流の組成の調整の両方をすることができるブローダウン処理を開始するために、自動バルブ２７を作動させることができる。例えば、システムパラメータが、濃縮液流が約１４，０００μＳの導電率を有することを必要とする場合には導電率を使用し、次いで、導電率センサ１２９または９０が、導電率が約１６，０００μＳに上昇したことを示す場合には、センサ１２９および９０で所望の導電率を生じさせるためにシステムの均衡が取れるまで毎時約８０〜１００ｍＬ以上の連続した短いパージを開始するために、自動バルブ２７を作動させることができる。ブローダウン処理および濃縮液流の組成の調整を制御する様々なセンサおよびバルブを、効率的にモニタリングするおよび装置の動作を制御するために、コンピュータまたは他の電子制御回路（図示せず）に接続することができる。当業者は、本開示を考慮して本主題発明の実施でそのような回路機構を選択するおよび構成することができる。
【００７２】
スケール析出室２４中で硬度を効率的に析出させるために、導管４１ａを通る流れおよび電流密度は、室２４中のｐＨを８．４より高い値で維持するように調整され、好ましくは１０．０より高いｐＨ値で維持するように調整される。この条件下では、陰極表面上にスケールが容易に形成され得る。示すように、スケール析出室２４に入る濃縮液のｐＨを、濃縮液用流路４１ａ上のｐＨセンサ１２４または流路９ａ中の同様のセンサ（図示せず）によりモニタリングすることができる。ｐＨが所望の範囲から外れる場合には、析出室２４を通る濃縮液の流量および電極３０および３３の間の電流を、所望のｐＨが確立されるまで調整することができる。システムを通るフローを、例えば流量計２９０によりモニタリングすることができる。
【００７３】
陰極からスケールを吹き飛ばし、その結果、スケールが重力によりスケール回収室２６中に落下することができるために、電極３０、３３を、相対的に高い陰極電流密度、好ましくは９０ｍＡ／ｃｍ２よりも高い陰極電流密度、好ましくは１２０ｍＡ／ｃｍ２よりも高い陰極電流密度を生じさせるように構成する必要がある。この電流密度では、陰極３０の表面で形成された水素の気泡が陰極の表面を連続して洗浄してスケール粒子を除去する。この目的を達成するために、ＣＣユニット中の陰極（単数または複数）は、陽極（単数または複数）の表面積の５〜１０倍未満の表面積を有する必要がある。様々な陰極材料を使用することができるが、ニッケル２００合金の陰極表面が特に適切であることが分かっている。当業者は、本開示を考慮して９０ｍＡ／ｃｍ２を超える高い電流密度を望ましくは生じるように電極をある大きさに形成するおよび構成することができるだろう。
【００７４】
ＤＣ電源（図１）に接続されている電極３０、３３に電圧が印加される場合、スケールは室２４中において陰極３０上に主に析出し、好ましい実施形態に従う陰極での高電流密度の結果として、室２４中に生じた水素ガスの気泡の作用により電極から強制的に離される。遊離したスケール粒子は、スケールをスケール回収室２６中に落下させるのに十分な大きさおよび高密度であり、自動バルブ２７によって周期的に廃棄するために、スケール粒子をスケール回収室２６から取り出すことができる。導管２８を介してスケール析出室２４から出る脱スケール濃縮液は濃縮液用リザーバ２１に移され、任意選択で、回収室２６中に沈降しない任意のスケール粒子を除去するためにフィルタ（図示せず）を最初に通過する。
【００７５】
陰極のこの連続的な高電流密度洗浄に加えて、装置を低い電流の流れまたは電流の流れがない間隔で動作されることでき、この間隔中に酸性化濃縮液用導管９ｂから濃縮液室８、８ａ中に流れる酸性化濃縮液は、スケール析出室２４中に、例えば電極３０上に、およびスケール析出室の境界を形成する陽イオン交換膜３１上にも蓄積する可能性がある任意のスケール結晶またはスケール結晶核を再溶解させることができる。短い時間間隔でこの洗浄工程を効率的にするために、流路４１ａを介してスケール析出室に運ばれた濃縮液のｐＨを３のｐＨ値未満に維持する必要があり、好ましくは２．２のｐＨの値未満に維持する必要がある。述べたように、このことは、ｐＨセンサ１２４および関連する制御回路により実現され得る。
【００７６】
図６に示す別の実施形態では、スケール析出室２４中の陰極を、室中の電極上でのスケール析出を除去するように動作することができる一対の回転式電極として構成することができる。本実施形態では、スケール析出室は、スケール析出室２４内に固定されるフレーム６０上に装着されている一対の密接した逆回転式電極６１、６２を含む。電極６１、６２はＤＣ電源（図１）に接続されており、少なくとも陰極として動作する。電極６２として示す１つの電極は、低ｒｐｍのモータ（図示せず）に接続されている。駆動電極６２および第２の電極６１は、モータの作動時に電極を回転させるために協働する相補的ギア１６２、１６１を含み、その結果、駆動電極６２および第２の電極６１の表面が擦れ違って回転することから、それらの電極上に析出する任意のスケールは該電極から効率的に削り取られる。前述した実施形態においてのように、電極から剥落するスケールは、重力により、その後の除去のための開口部１２６を介して沈降室２６中に落下することができる。
【００７７】
前述したように、濃縮液酸性化室２５は一方の側が陽イオン交換膜３１と境界を接しており、陽イオン交換膜３１は、濃縮液酸性化室２５とスケール析出室２４との間の共通の境界を形成する。示すように、酸性化室２５は、先で論じたように反対側が双極性膜３２と境界を接しているが、いくつかの実施形態では、塩化物イオンの特に陽極室３６中への通過を防止することができる他の界面を使用することができる。双極性膜３２の陽イオン表面は陽イオン交換膜３１に面しており、陰イオン表面は陽極３３に面している。酸性化室２５は、導管２９を介して濃縮液用リザーバ２１からの濃縮液を収容し、電極３０、３３間の外部の直流の通過により生じる双極性膜由来の水素イオンの流れにより酸性化される。あるいは、双極性膜３２の代わりに陽イオン交換膜が使用される場合には、陽極で生じるプロトンが陽イオン交換膜を横切って酸性化室２５中の濃縮液を酸性化する。
【００７８】
酸性化濃縮液は、酸性化室２５を出て、酸性化濃縮液用流路導管９ｂを介してＥＤＩユニットの濃縮液室８、８ａの入口に運ばれる。この濃縮液の低ｐＨにより、これらの区画で生じる可能性があるスケールの溶解が促され、次いで、ＥＤＩ濃縮液区画８、８ａを最終的に通過させて濃縮液用流路９ａに戻った後に除去するために、スケールをＣＣユニットに戻す。
【００７９】
代替実施形態では、ＥＤＩユニット１の濃縮液室８（ａ）およびＣＣユニット２０の酸性化室２５を独立したループとして接続することができる。この実施形態では、酸性化室２５の出口は陽極／濃縮液室８ａの入口に接続されており、室８ａの出口は濃縮液用リザーバ２１の入口に接続されている。濃縮液用リザーバ２１の出口は、次いで濃縮液室８の入口に接続されている。このため、ＣＣユニットの酸性化室からの酸性化濃縮液はＥＤＩユニットの陰極室に直接供給され、酸性化濃縮液の洗浄機能が実施される。残存する濃縮液室８は、濃縮液用リザーバから循環する濃縮液により洗浄される。
【００８０】
本発明に係るＥＤＩユニットの好ましい陽極室１２と同様に、ＣＣユニットの陽極室３６には導管３９を介してリザーバ３７から非塩化物イオン含有陽極溶液が供給され、該溶液は導管４０を介してリザーバ３７に戻される。再循環する陽極溶液は実質的に塩化物イオンを含有しないことから、陽極３３上での電極反応は、ほとんど酸素発生（水素イオンの化学両論的生成を伴う）だけからなり、有利には、塩素の著しい発生を含まない。塩素発生がないことにより、スタック構成要素の望ましくない酸化が回避される。陽極３３上での酸素の発生は、双極性膜３２の陽イオン表面および陰イオン表面での、及び陽極３３の表面での水素イオン、水酸化物イオンおよび水素イオンそれぞれのバランスの取れた生成の維持に寄与する。陽極での酸素ガスの発生はまた、陽極液をリザーバ３７から電極室３６に循環させてリザーバに戻す原動力も付与する。あるいは、ポンプ（図示せず）をこの循環ループの駆動に使用することができる。
【００８１】
動作中に、スケール回収室２６に接続されている自動バルブ２７は、堆積したスケールおよび液体を除去するために定期的に開かれる。前述したように、析出した固体の除去に加えて、このフローは濃縮液用リザーバ中の塩の蓄積も調節する。この蓄積は、未処理水中に溶解している塩により起こり、該塩は、前述したように生成水から除去されてＥＤＩセル中の濃縮液室に移される。このブローダウン動作により除去される濃縮液の量を補充するために、バルブ１６ａおよび流路１６ｂを介して濃縮液用リザーバ２１に水が加えられる。
【００８２】
先で論じたように、いくつかの好ましい実施形態では、ＥＤＩユニットおよびＣＣユニットを、共通の陽極を共有するように構成することができる。この実施形態を図４に示す。図４に示すように、ＣＣユニットおよびＥＤＩユニットを、陽極室１１２が、反対側が双極性膜１０６と境界を接する陽極として少なくとも動作する電極１１４を含む単一の機器に構成することができる。前述した実施形態と同様に、双極性膜の目的は、塩化物イオンが特に陽極室１１２に入るのを防止することである。この目的を達成するために、当業者は、他の界面、例えば陽イオン交換膜を好ましい双極性膜の代わりに使用することができることを理解するだろう。図４に示すように、ＥＤＩユニットの脱イオンセル１１０、２１０および陰極区画１１３は陽極室１１２の一方の側に配置されており、ＣＣユニットのスケール析出室１２４および酸性化室１２５は反対側に配置されている。この実施形態では、ＥＤＩユニットおよびＣＣユニットの残りを、本発明の様々な実施形態に関連して前述および後述するように別の方法で構成することができる。
【００８３】
先で示唆したように、いくつかの実施形態では、ＥＤＩユニットおよびＣＣユニットの内の一方または両方の陽極室を、陽極液ループの一部を形成するよりも、再生した陽イオン交換樹脂および実質的に塩化物を含まない水で満たすことができる。この構成の好ましい実施形態を図５に示す。図５に示すように、ＥＤＩユニット１の陽極室１２は、バルブ１９ａおよび入口流路１９を介して生成水用流路１０に接続されている入口と、流路４２を介してＣＣユニット２０の陽極室３６への入口に接続されている出口とを含む。陽極室３６の出口は、導管４３およびフロートバルブ４５を介して濃縮液用リザーバ２１に接続されている。この構成では、フロートバルブ４５は、陽極室３６を通って流れる生成水を、バルブ２７の作動時に廃液用導管３５を介したスケール析出室のパージの結果として失われた任意の必要な量のバランスを取るのに十分な量で濃縮液用リザーバ２１に迂回させるように動作する。導管４３からの過剰な水を、導管４４を介してドレインに排出することができる。ＥＤＩユニットおよびＣＣユニットの残りの構成要素を、本明細書で説明した様々な実施形態に従って別の方法で構成することができる。
【００８４】
本発明の方法および装置の更なる理解は、以下の限定されない実施例から得られるだろう。
【実施例１】
【００８５】
図２に従って実験的システムを構築して構成した。ＥＤＩの電極および膜の有効面積は、１．５インチ厚の樹脂室に対して２４平方インチであった。濃縮液室および電極室を、約０．０６０インチ厚のプラスチック製メッシュで支持した。ＣＣ膜の有効面積は、深さ１．５インチの陰極室および深さ０．１３４インチの酸性化室に対して２６．７平方インチであった。陽極室を、約０．０４５インチ厚のプラスチック製メッシュで支持した。システムを好ましい実施形態で説明したように動作させ、ＥＤＩセルを通る１．８５アンペアの電流およびＣＣユニットを通る５アンペアの電流をもたらす電圧を電極に印加した。供給水は、Ｏｎｔａｒｉｏ湖由来のＨａｍｉｌｔｏｎ、Ｏｎｔａｒｉｏ都市用水である。水が以下を有すると分析した。
全溶存固体（ＴＤＳ）−１７７ｍｇ／Ｌ
硬度レベル−ＣａＣＯ３として１４０ｍｇ／Ｌ
平均導電率−３２０マイクロジーメンス／ｃｍ
全アンモニア−０．３５ｍｇ／Ｌ
全ケルダール窒素（ＴＫＮ）−０．５ｍｇ／Ｌ
溶存有機炭素−１．７ｍｇ／Ｌ
ｐＨ−８．１
溶存硫酸塩−２７ｍｇ／Ｌ
アルカリ度（ＣａＣＯ３としての合計）−８０ｍｇ／Ｌ
溶存塩化物−２９ｍｇ／Ｌ
硝酸塩−０．３ｍｇ／Ｌ
【００８６】
家庭での使用パターンの６分の１のスケールをシミュレートする０Ｌ／分〜４．１Ｌ／分の範囲の流量でシステムに供給した。この条件下で、３２００Ｌを超える浄水を生成する４５０時間の連続周期にわたりシステムを動作させた。浄水は、０．１ｍｇ／Ｌの検出限界未満である硬度濃度、および５．６マイクロジーメンスの平均導電率を有した。硬度を、ＣＣユニットの陰極室中でシステムから良好に除去した。このことは、１日当たり複数回ほんの少しの間だけ手動で動作させるソレノイドバルブを作動させることにより実現した。濃縮液の組成変化が最小となるように、およびシステムのＥＤＩ部から加えられる新しい塩の量が排出される塩の量とほぼ等しくなるように、１回の水洗当たりの排出量を少なく抑えた。試験の完了時に、ＥＤＩセルを分解してＥＤＩセル中にスケールが形成されていないことを確認した。
【実施例２】
【００８７】
実施例２は、システムが一連の具体的な設計基準にどのように対応するかの数学的モデルを構築するために計算結果を使用する仮想例である。本実施例はまた、他の流量および負荷量に関してシステムを設計するのに必要な工程も示すだろう。本実施例では、製造業者が公表した陰イオン交換樹脂の全容量を、残存する樹脂容量を算出するために使用する。陽イオン交換樹脂の全容量は概して陰イオン交換樹脂よりも非常に高く、本実施例では４４％高い。実際の樹脂の有効容量は製造業者が公表した総容量よりも著しく低く、概して全容量の約７０％である。
【００８８】
本実施例では、樹脂の１００％容量を、２４時間を超えて設計フローおよび負荷を処理するのに必要な動作中の樹脂の体積量として定義し、また、樹脂は本シミュレーションの最初に１００％再生されていると仮定している。
【００８９】
設計基準
日々の使用  １，４１６リットル／日
ピークフロー  ２３リットル／分
ＴＤＳ  １７７ｍｇ／リットル
１９９９  ＡＷＷＡ  Ｒｅｓｅａｒｃｈ  Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ  Ｓｔｕｄｙ  ｔｉｔｌｅｄ  ”Ｒｅｓｉｄｅｎｔｉａｌ  Ｅｎｄ  Ｕｓｅｓ  ｏｆ  Ｗａｔｅｒ”、３３〜３８頁をベースとする、典型的な家庭での消費に基づくフロー使用パターン
装置
ＥＤＩ：
７５０ｍｌのＰｕｒｏｌｉｔｅ  ＳＳＴ６０Ｈ＋陽イオン樹脂をそれぞれ含む６つの陽イオン室、製造業者が公表した容量の合計である８．１当量を有する合計４．５リットル。
７５０ｍｌのＰｕｒｏｌｉｔｅ  ＰＰＡ８５０ＯＨ−樹脂をそれぞれ含む６つの陰イオン室、製造業者が公表した容量の合計である５．６３当量を有する合計４．５リットル。
６枚の陽イオン膜、６枚の陰イオン膜、および７枚の双極性膜（７枚の内の１枚は陽極を絶縁するために使用する）
ＣＣ：
実施例１で説明したように構成されている。
【００９０】
動作
本実施例の目的のために、図２に示すが６つの陽イオン樹脂室、６つの陰イオン樹脂室および６つの濃縮液室を有するシステムを使用すると仮定する。ＴＤＳ濃度がＣａＣＯ３として１７７ｍｇ／ＬであるＨａｍｉｌｔｏｎ湖のＯｎｔａｒｉｏ市水を、１日当たり合計で１４１６Ｌを生じる家庭での水消費（例えばトイレのフィルレート（fill rate）３．８Ｌ／分、シャワー１０Ｌ／分、多用途２３Ｌ／分）をシミュレートしている水使用パターンでの本シミュレーションの基準として使用した。
【００９１】
ＥＤＩを、１００％／２４時間または４．２％／時間に相当する、意図した日々の処理容量の２倍相当（５０％の効率を考慮して）を処理するのに必要な電流（２．０Ａ）で動作させる。日常使用でのピークフローは、相対的に短い期間（即ち４０分）で１日の容量の２０％を消費する可能性があり、これは、予備容量がない従来のＥＤＩユニットにおいては、膨大な量の電流（例えば、２３Ｌ／分および１８８ｍｇ／Ｌでの６つのセル対の使用では、５０％の電流効率係数に基づいて５９アンペアの電流が必要であるだろう）を必要とするであろう。なぜならば、イオンがシステムに入るのと同じ速度で、リアルタイムでイオンを除去する必要があるであろうからである。
【００９２】
図７は、１日にわたる連続再生でのこの理論的セルの処理容量を示す。図７は、ＥＤＩセルの連続再生と動作の初日での予備容量との関係を示す。１００％は、１８８ｍｇ／Ｌ水の１日当たり１４１６Ｌの処理に必要な全容量を表す。これは陰イオン樹脂の有効容量に基づいており、なぜならば、陰イオン樹脂の容量は陽イオン樹脂の容量よりも低いからである。セルの好ましい動作により、１日目の全容量の５０％をかなり上回る予備容量を保持することができる。図２は、最初のならし運転期間後のシステムの反応を示す。システムは最初の有効容量の１００％に一度も回復していないが、たとえ長期のピーク流量後であっても、常に有効容量の５０％をかなり上回る状態を維持する。このことは安全係数を与える。これらの条件下でピークフローに順応し、更に処理装置は２アンペアという低いアンペア数で動作し続けており、及び家庭での使用にとって適度な大きさであり、および経済的である。
【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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