(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
非犠牲吸収電極であって、
レソルシノール、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群から選択された少なくとも１つの反応体と、
ホルムアルデヒドと、
炭素強化剤と、
触媒とを含み、
それによって、少なくとも１つの反応体と、ホルムアルデヒドと、炭素強化剤と、触媒との間の反応により、炭化形態を有する重合体を生成させるようになっており、
前記電極は、厚さが３mmよりも大きく、前記炭素強化剤は、前記厚さの全体にわたって実質的に分散していることを特徴とする電極。
【請求項２】
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群から選択された前記１つは、レソルシノールであることを特徴とする請求項１記載の電極。
【請求項３】
前記炭素強化剤は、炭素繊維、炭素フェルト及びセルロースから成る群から選択された少なくとも１つであることを特徴とする請求項２記載の電極。
【請求項４】
液体の脱イオン装置であって、
前記液体を入れるための少なくとも１つの開口部を備えた第１の槽部材と、
前記第１の槽内に配置されていて、各々が互いに異なる方向に向いた一対の側面を有し、かつ互いに間隔を置いた複数の第１形式の非犠牲吸収電極と、
前記第１形式の電極の各々の各側に配置されていて、前記第１形式の電極とは異なる組成を有する複数の第２形式の非犠牲電極と、
少なくとも１つの第１形式の電極と、前記少なくとも１つの第１形式の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第１の電圧を印加するよう構成された第１の電圧源とを備え、
第１形式の前記電極は、
レソルシノール、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群から選択された少なくとも１つの反応体と、
ホルムアルデヒドと、
炭素強化剤と、
触媒とを含み、
それによって、少なくとも１つの反応体と、ホルムアルデヒドと、炭素強化剤と、触媒との間の反応により、炭化形態を有する重合体を生成させるようになっており、
第１形式の前記電極の厚さは、少なくとも１mmである、
ことを特徴とする装置。
【請求項５】
第２形式の前記電極は、炭素布、炭素フェルト、黒鉛、金、プラチナ、導電性プラスチック及びガラス状炭素から成る群から選択された１つであることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項６】
前記槽内に配置されると共に、前記槽内で脱イオンされるべき液体を混合するように構成された混合手段を更に有することを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項７】
前記混合手段は、前記槽の内側底面に沿って配置された曝気装置を更に有し、前記曝気装置は、ガスを液体中へ導入するように構成されていることを特徴とする請求項６記載の装置。
【請求項８】
前記第１形式の電極は、前記第１の槽部材内では、前記第２形式の電極に対して角度をなして傾斜していることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項９】
少なくとも１つの第２形式の電極が、実質的に平らな非導電性構造的支持部材の互いに逆方向に向いた第１の側部と第２の側部の各々に取り付けられ、前記構造的支持部材の第１の側部に取り付けられた第２形式の電極は、前記構造的支持部材の第２の側部に取り付けられた第２形式の電極から電気的に絶縁されており、第２形式の前記電極が取り付けられている前記構造的支持部材は、第１形式の２つの電極相互間に位置していることを特徴とする請求項４記載の装置。
【請求項１０】
液体の脱イオン装置であって、
前記液体を入れるための少なくとも１つの開口部を備えた第１の槽部材と、
前記第１の槽内に配置されていて、各々が互いに異なる方向に向いた一対の側面を有し、かつ互いに間隔を置いた複数の第１形式の非犠牲吸収電極と、
前記第１形式の電極の各々の各側に配置されている複数の第２形式の非犠牲電極とを備え、前記第２形式の電極は、前記第１形式の電極とは異なる組成を有しており、
前記液体の脱イオン装置は、さらに、
少なくとも１つの第１形式の電極と、前記少なくとも１つの第１形式の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第１の電圧を印加するよう構成された第１の電圧源と、
前記互いに間隔を置いた第１形式の電極相互間で、前記第１の槽部材の底部材に設けられた複数の穴とを備え、前記穴は、前記第１の電圧の極性を逆にすると、固形フロックの除去に適合するように寸法決めされており、
少なくとも１つの第２形式の電極が、実質的に平らな非導電性構造的支持部材の互いに逆方向に向いた第１の側部と第２の側部の各々に取り付けられ、前記構造的支持部材の第１の側部に取り付けられた第２形式の電極は、前記構造的支持部材の第２の側部に取り付けられた第２形式の電極から電気的に絶縁されており、
第２形式の前記電極が取り付けられている前記構造的支持部材は、前記第１形式の２つの電極相互間に位置しており、
第１形式の前記電極は、
レソルシノール、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群から選択された少なくとも１つの反応体と、
ホルムアルデヒドと、
炭素強化剤と、
触媒とを含み、
それによって、少なくとも１つの反応体と、ホルムアルデヒドと、炭素強化剤と、触媒との間の反応により、炭化形態を有する重合体を生成させるようになっており、
第１形式の前記電極の厚さは、少なくとも１mmである、
ことを特徴とする装置。
【請求項１１】
前記槽内に配置されると共に、前記槽内で脱イオンされるべき液体を混合するように構成された混合手段を更に有することを特徴とする請求項１０記載の装置。
【請求項１２】
前記混合手段は、前記槽の内側底面に沿って配置された曝気装置を更に有し、前記曝気装置は、ガスを液体中へ導入するよう構成されていることを特徴とする請求項１１記載の装置。
【請求項１３】
液体の脱イオン装置であって、
前記液体を入れる少なくとも１つの開口部を備えた第１の槽部材と、
前記第１の槽部材内に配置され、かつ、互いに間隔を置いた複数の第１形式の非犠牲吸収電極とを備え、前記第１形式の電極の各々は、互いに異なる方向に向いた一対の側面を有しており、
第１形式の前記電極は、
レソルシノール、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群から選択された少なくとも１つの反応体と、
ホルムアルデヒドと、
炭素強化剤と、
触媒とを含み、
それによって、少なくとも１つの反応体と、ホルムアルデヒドと、炭素強化剤と、触媒との間の反応により、炭化形態を有する重合体を生成させるようになっており、
第１形式の前記電極の厚さは、少なくとも１mmであり、
前記脱イオン装置は、さらに、
前記第１形式の電極の各々の各側に配置されていて、前記第１形式の電極とは異なる組成を有する複数の第２形式の非犠牲電極と、
少なくとも１つの第１形式の電極と、前記少なくとも１つの第１形式の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第１の電圧を印加するよう構成された第１の電圧源と、
第１形式の別の電極と、第１の槽部材内で前記第１形式の別の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第２の電圧を印加するよう構成された第２の電圧源と、
を備えることを特徴とする装置。
【請求項１４】
前記第１の電圧と前記第２の電圧は、互いに異なる極性を有していることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１５】
前記第１の槽部材の出口に連結された入口を有する第２の槽部材を備え、
さらに、第２の槽部材内の少なくとも１つの第１形式の電極と、第２の槽部材内で前記少なくとも１つの第１形式の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第３の電圧を印加するよう構成された第３の電圧源を備える、
ことを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項１６】
第２の槽部材内の少なくとも１つの別の第１形式の電極と、第２の槽部材内で前記少なくとも１つの別の第１形式の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第４の電圧を印加するよう構成された第４の電圧源を更に有することを特徴とする請求項１５記載の装置。
【請求項１７】
前記第１の電圧と前記第２の電圧は、互いに異なる極性を有し、前記第３の電圧と前記第４の電圧は、互いに異なる極性を有していることを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１８】
前記第２の槽部材の出口に連結された入口を有する第３の槽部材を備え、
さらに、第３の槽部材内の少なくとも１つの第１形式の電極と、第３の槽部材内で前記少なくとも１つの第１形式の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第５の電圧を印加するよう構成された第５の電圧源を備える、
ことを特徴とする請求項１６記載の装置。
【請求項１９】
第３の槽部材内の少なくとも１つの別の第１形式の電極と、第３の槽部材内で前記少なくとも１つの別の第１形式の電極の各側に設けられていて、これと対応した対をなす第２形式の電極との間に第６の電圧を印加するよう構成された第６の電圧源を更に有することを特徴とする請求項１８記載の装置。
【請求項２０】
前記第１の電圧と前記第２の電圧は、互いに異なる極性を有し、前記第３の電圧と前記第４の電圧は、互いに異なる極性を有し、前記第５の電圧と前記第６の電圧は、互いに異なる極性を有していることを特徴とする請求項１９記載の装置。
【請求項２１】
少なくとも１つの第２形式の電極が、実質的に平らな非導電性構造的支持部材の互いに逆方向に向いた第１の側部と第２の側部の各々に取り付けられ、前記構造的支持部材の第１の側部に取り付けられた第２形式の電極は、前記構造的支持部材の第２の側部に取り付けられた第２形式の電極から電気的に絶縁されており、第２形式の前記電極が取り付けられている前記構造的支持部材は、第１形式の２つの電極相互間に位置していることを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項２２】
第２形式の前記電極は、炭素布、炭素フェルト、黒鉛、金、プラチナ、導電性プラスチック及びガラス状炭素から成る群から選択された１つであることを特徴とする請求項２１記載の装置。
【請求項２３】
処理対象の液体の性質を測定して前記性質を表す第１のデータ信号を出力するよう構成された少なくとも１つのセンサと、前記第１のデータ信号を受けてこれに応答して第１の制御信号を出力するコントローラとを更に備え、前記第１の制御信号は、前記第１の電圧源、前記第２の電圧源によりそれぞれ印加される前記第１の電圧、第２の電圧のうち少なくとも一方を調節することを特徴とする請求項１３記載の装置。
【請求項２４】
前記第１の槽内への液体の流量を制御する弁を更に有し、前記コントローラは、前記流量に影響を及ぼすように前記弁の位置を調節する第２の制御信号を出力することを特徴とする請求項２３記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
〔発明の背景〕
本発明は、炭素エーロゲル、電気化学セル及び廃水の脱イオン及び浄化システムに関する。
【０００２】
レソルシノールは、樹脂、染料、接着剤、医薬品、及び他の用途で通常用いられている周知の材料である。これは、種々の等級及び種々の形態、例えば結晶、フレーク、ペレット等で入手できる。種々の形態のレソルシノールは、水、アルコール、エーテル、ベンゼン、グリセロール及びホルムアルデヒドに溶ける。
【０００３】
ファーマー氏に付与された米国特許第５，４２５，８５８号に記載されているように、レソルシノールを用いると炭素エーロゲルを合成できる。具体的に説明すると、炭素エーロゲルは、僅かに塩基性の基材中でレソルシノール及びホルムアルデヒドの重縮合を行い、次に不活性雰囲気中における超臨界乾燥及び熱分解を行うことにより生成できる。かかる炭素エーロゲルで作られた薄型電極は、この米国特許に記載されているように、容量性脱イオン用途に利用できる。なお、かかる米国特許の内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。
【０００４】
しかしながら、この方法で製造された薄いプレート状の電極（厚さ約０．２５mm）は、多くの欠点をもっている。第１に、かかる電極プレートは、高価であって商業規模では実用化できず、１平方インチの表面積当たりの費用は１０００ドル台にもなる。第２に、これら電極を用いる装置は、水の電気分解の際の電圧及び電流よりも低い電圧及び電流で駆動された場合に有効であるに過ぎない。また、プレートが薄いので脱イオン能力が制限される。薄いプレートは、自立形にはならず、これらプレート相互を高信頼度で直に電気接続することは難しい。最後に、これら電極は、チタン製のプレートに接着されるので、これらプレートの各々の一方の側は、脱イオン表面として使えない。
【０００５】
〔発明の概要〕
本発明は、複数の脱イオンセルを有する槽又はタンクを有する脱イオン装置に関する。各脱イオンセルは、２つの互いに異なる形式の３つの非犠牲電極から成る。一電極は、互いに逆の方向に向いた２つの側部又は側面を備えるプレートとして形成された表面積の大きな吸収材料（high surface area absorptive material ）で構成されている（以下、「ＨＳＡＡＭ電極」という）。ＨＳＡＡＭ電極は、脱イオンされるべき液体からイオンを除く。このＨＳＡＡＭ電極は、その各側に設けられていて、脱イオンされるべき液体からイオンを除かない２つの電極と境を接している。
【０００６】
槽の底部は、空気を導入するためのネットワーク状の管を備えるのがよく、各管には、空気を逃がす小さな穴が設けられている。これら管を介して圧送された空気は、脱イオン対象の液体を拡販してこれを混合し、かくしてＨＳＡＡＭ電極へのイオンの接触及び捕捉を促進する。
【０００７】
本発明で用いられる非ＨＳＡＡＭ電極は、平らな非導電性の構造的支持部材の各側に取り付けられた炭素布（ＣＣ）又は黒鉛プレートの形態で設けられる。構造的支持部材の一方の側の非ＨＳＡＡＭ電極は、構造的支持部材の他方の側の非ＨＳＡＡＭ電極から電気的に絶縁されている。かくして、各非ＨＳＡＡＭ電極は、それぞれ別のＨＳＡＡＭ電極と連携する。この結果、第１及び第２の非ＨＳＡＡＭ電極を有する脱イオンセルが得られ、非ＨＳＡＡＭ電極はそれぞれ、異なる構造的支持部材に取り付けられるが、これらの間にサンドイッチされた同一のＨＳＡＡＭ電極に向いている。
【０００８】
脱イオンセルに用いられるＨＳＡＡＭ電極を製造するには、先ず最初に、レソルシノールをホルムアルデヒド中に溶解させて当初のリカーを生じさせる。触媒を添加して重合を促進させると共にＨＳＡＡＭの最終構造を得る。所定量の非犠牲材料を強化材料としてリカーに加える。この混合物を、重合が生じて混合物が強化材料を支持するのに十分な稠度に達するようになるほど十分な温度で又は十分な時間をかけて加熱して十分な熱を加える。次に、その結果得られた粘性のある液体の重合を続行させて成形型内に固体を生じさせる。次いで、その結果得られたブロックを炭化するまでオーブン内で焼き、その後、これを機械加工し、しかる後、脱イオン装置内に使用する。
【０００９】
本発明の上記特徴及び利点並びに他の特徴及び利点は、図面を参照して以下の説明を読むと明らかになろう。
【００１０】
〔好ましい実施形態の説明〕
図１は、本発明に従って構成された装置１８を示している。この装置は、多数の互いに平行に配置された直立の電極２０，２２を有している。以下に説明するように、２つの互いに異なる形式の電極及びこれらの変形例が提供される。
【００１１】
この装置の電極は、実質的に矩形の室又は槽２４内に幅方向に設けられている。槽又はタンク２４自体は、一対の側壁２６，２８と、一対の端壁３０，３２と、平らな底部３４とから成る。槽壁は好ましくは、ガラス、プラスチック、プレキシグラス又は他の電気絶縁性水密材料で作られる。
【００１２】
底部に設けられた入口３６及び第１の端壁に設けられた出口３８は、槽内にある間に脱イオンされる液体の入口及び出口となっている。変形例として、入口を、図３に下線の経路で示すように蛇行状態の流れが望ましい場合には第２の端壁に設けてもよい。また、単一の槽を用いて異なる源からの液体を脱イオンする場合、多数の入口及び出口を底部又は側部に互いに間隔を置いて設けてもよく、各液体は、互いに異なる極性をもっていて除去されるべきサイズのイオンを含んでいる。
【００１３】
槽の底には散気装置４２が設けられ、この散気装置を介して空気が導入される。図２Ａに示すように、散気装置は、スチレン等から形成された多数の互いに平行に配置された管４４から成り、これら管には小さな開口部が設けられている。管４４は、槽の幅全体にわたって延びており、好ましい実施形態では、向い合った電極相互間に配置されている。装置の動作中、空気をこれらの管を介して圧送してこの空気が槽内の液体を曝気して攪拌するようにする。これにより、槽内の液体を混ぜ合わせて互いに反対の極に帯電している電極相互間でイオンを攪拌することにより脱イオンが促進される。
【００１４】
当業者であれば、これらと均等な曝気手段を、開口部が設けられた互いに平行な管のネットワークに代えて使用できることは明らかである。例えば、有孔底又は入れ底を設けてもよく、そして槽底部と有孔底との間に圧送された空気が、有孔底に形成された開口部を通ってパーコレートするようにしてもよい。別法として、槽底部に実質的に平らなプラスチック製の袋を設けることが挙げられ、空気は、袋の中にいったん圧送されると、その上側に設けられた開口部を通って液体に入り込むことができる。
【００１５】
槽の側壁２６，２８の内方に向いた表面には、これまたスチレン又は他のプラスチックで成形された列状の取付けクリップが設けられている。取付けクリップ４６，４８は図２Ａに示すように、槽内に挿入される電極を整列させると共に保持するのに役立つ。取付けクリップ４６，４８は、これらの受入れ設計対象である電極２０，２２の物理的性質及び化学的性質に応じて大きさ、形状及び素材が異なるものであるのがよい。
【００１６】
電極をその各側縁部のところで開口した取付けクリップ内に直接挿入することができる。かかる場合、電極は、これらが取付けクリップ内に挿入される場所に隣接して図３に示すように開口部５０を備えるのがよい。この開口部５０は、液体が槽内を通って流れる時に通過することができる通路としての役目を果たす。
【００１７】
変形例として、電極を、取付けクリップにより、その端部の内の一方又は両方に設けられたアクリル製のスペーサ５２を介して間接的に保持してもよく、このアクリルスペーサは、連結クリップ５４によって電極に固定されている。かかる場合、開口部５６を、アクリルスペーサそれ自体に形成して液体がこれを通過することができるようにするのがよい。この構成は、開口部を構造的観点からの理由、電気的観点からの理由又は他の理由で電極それ自体に形成することができない場合に特に有利である。
【００１８】
加うるに、槽の底部３４は、図２Ｂに示すようなプラスチック製の保護部材５７又は図２Ｃに示すような溝５８を備えるのがよく、これらは槽の幅全体にわたって延びている。かかる保護部材及び溝は、電極を一方の側壁又は他方の側壁に向かって選択的に摺動自在に調節できるようになる。これは、各電極の各フェースを越えて槽の一方の端壁のところの入口から反対側の端壁に形成された出口にいたる液体の蛇行状の流れを設けることが望ましい場合には特に有利である。電極を摺動させる保護部材又は溝に代わる手段として、底壁の中央は、スロットを備えてもよく、これらスロット内に、直立した底部クリップ又はばね押しリテーナが挿入される。次に、電極の底縁部を、いずれか一方の側壁から測って任意所望の距離のところでこれら底部クリップ又はリテーナに挿入するのがよい。上述したように、アクリルスペーサバーを用いると、電極の自由縁部と取付けクリップとの間の隙間を橋渡しすることができる。
【００１９】
母線６０を、槽の外部側壁に設けるのがよい。各母線は、互いに電気的に絶縁された複数の端子６２を備えており、各端子は、関連の電極に接続されるよう配置されている。これにより、各電極に印加される電圧及び電流を個々に制御することができる。個々の端子を、従来型電気リード線、例えばワニクリップ又はこれと均等な接続手段でこれらと関連のある電極に電気的に接続するのがよい。しかしながら、より好ましくは、個々の端子の接続は、非犠牲黒鉛ロッドを介して対応の取付けクリップ又は対応の接続クリップ（用いられた場合）のいずれかに接続された銅線６４によって行うのがよい。すると、電極は、取付けクリップ又は接続クリップに挿入されると黒鉛ロッドに接触する。この電気的接触を容易にするために、板ばね等を周知の方法で導電性ストリップの端部に取り付けるのがよい。次に、板ばねをクリップの溝に固定するのがよく、この溝内には、電極の縁部が挿入される。
【００２０】
上述したように、本発明に従って構成された装置では、２つの形式の導電性非犠牲電極が用いられている。好ましい実施形態では、平らなプレートとして形成された第１の形式の電極は各側部が第２の形式の電極と接している。３つの電極は一緒になって脱イオンセルを形成する。作動中、実質的に同一の電位差又は電圧が第１形式の電極と第２形式の電極の各々との間に生じるのが通例である。これは、電圧源の一リード線を第１の形式の電極に接続すると共にその同一電圧源からの一対の共通リード線を第２形式の２つの電極の各々に接続することによって達成される。共通リード線により、実質的に同一の電位差が、第１形式の電極と、第１形式の電極を境界づける第２の形式の電極の各々との間に維持されるようになる。
【００２１】
第１形式の電極（２２）は、炭素を基材とする表面積の大きな吸収部材から作られている（これを「ＨＳＡＡＭ電極」という）。その電極は、電流を流した時に水溶液からイオンを除いてこれを保持する。好ましい実施形態では、ＨＳＡＡＭ電極は、レソルシノール、ホルムアルデヒド、炭素繊維、炭素フェルト及び炭素セルロールのうち少なくとも１つ、触媒、及び炭化形態のその反応生成物から作られている。ＨＳＡＡＭ電極を製造する方法について以下に詳細に説明する。
【００２２】
第２形式の電極（２０）は、導電性材料から作られているが、電流を流してもイオンを除かず、或いは保持せず、したがって非吸収性である（これを「非ＨＳＡＡＭ電極」という）。この性質は、炭素布、黒鉛、金、プラチナ及び水溶液中の電界内で劣化しない他の導電性材料から作られた電極に共通している。好ましい実施形態では、非ＨＳＡＡＭ炭素電極は、黒鉛から作られるか、或いはより好ましくは、炭素布、例えばゾルテク社から入手できる部品番号ＰＡＮＥＸ３０繊維織物から作られる。
【００２３】
図４Ａに示すように、非ＨＳＡＡＭ炭素電極２０は、互いに電気的に絶縁された状態にある一対の導電性表面を有する点においてデュアル又は複式電極として形成されている。複式電極２０は、別々の炭素布７２ａ，７２ｂを厚さ３／８インチ（９．５mm）のシート状のプレキシグラス７４の各側に固定することによって形成される。プレキシグラスは、非導電性の構造的に剛性の支持部材として役立つと共に、両方の炭素布を直接通る液体の流れを防止する。かくして、プレキシグラスに代えて、ガラス、アクリル樹脂等を用いてもよい。好ましい実施形態では、炭素繊維は、エポキシ系接着剤によってプレキシグラスシートの各側に固定される。当業者には知られているように、他の接着剤及び機械的固定手段、例えばねじ、クリップ等を用いて炭素布（ＣＣ）電極を固定してもよい。
【００２４】
いったんプレキシグラスシート７４の各側に固定すると、炭素布７２ａの一方の側を所望ならば、同一シート７４の他方の側のその対応炭素布７２ｂに電気的に接続してもよい。しかしながら、通常はこのようにはせず、別個独立の電圧源を用いてプレキシグラスの各側の炭素布に互いに異なる電圧を印加できるようにする。かかる場合、単一の槽内の隣り合うセルは、互いに異なる電圧源によって駆動できる。
【００２５】
図４Ｂに示すように、本発明の装置では、これら２つの側部を持つ非ＨＳＡＡＭ電極２０は、槽内でＨＳＡＡＭ電極２２と交互に配置され、かかるＨＳＡＡＭ電極の各々には、任意所与の時期に単一電圧だけを印加できる。かくして、本発明の装置では、ＨＳＡＡＭ電極の一方の側は、プレキシグラスの第１のシート７４に固定されたＣＣ電極７２ｂに対面し、ＨＳＡＡＭ電極の反対側の第２の側は、プレキシグラスの第２のシート７８に取り付けられたＣＣ電極７６ａに対面する。このようにすると、一対の対応した非ＨＳＡＡＭ布電極を備えたＨＳＡＡＭ電極２２の各々は、脱イオンセル８０を形成する。端壁３０，３２は、これらの内方に向いた側部に取り付けられた炭素布電極を有し、この電極はセルの一部となる。
【００２６】
作用を説明すると、同一のＨＳＡＡＭ電極２２に向いた２つのＣＣ電極７２ｂ，７６ａは、通常は、同一の極性及び同一の電圧レベルに維持される。変形例として、所望ならば、かかるＣＣ電極７２ｂがそれぞれ母線６０のそれぞれの端子６２を備えると、これらを互いに異なるレベルに維持することができる。電圧ＨＳＡＡＭ電極２２とその対応の非ＨＳＡＡＭ電極７２ｂ，７６ａとの間に印加すると、セル８０は動作状態になり、脱イオンがＨＳＡＡＭ電極２２の両側で行われる。好ましくは、同一電圧レベルを単一セルの両方の非ＨＳＡＡＭ電極に印加する。しかしながら、もしＨＳＡＡＭ電極の各側の２つの非ＨＳＡＡＭ電極が互いに異なる表面積を有していて、互いに異なる電流密度を維持できる場合には、これらを互いに異なる電圧で駆動することができる。
【００２７】
ＨＳＡＡＭ電極を非ＨＳＡＡＭ電極に対して正又は負に帯電させることができる。ＨＳＡＡＭ電極を正に帯電させると、この電極は負のイオンを引き寄せ、吸着し、保持する。これにより、セルの直ぐ近くに位置する水のｐＨは大きくなり、又は一層苛性になる。ＨＳＡＡＭ電極を負に帯電させると、この電極は正イオンを引き寄せ、吸着し、保持し、かくして水のｐＨを下げてこれを一層酸性にする。
【００２８】
各ＨＳＡＡＭ電極２２は各側がそれ自体対をなすＣＣ電極と接しているので、同一槽内の隣り合う脱イオンセルは、互いに異なる種類のイオンを除くのに用いることができる。かくして、もし一対の互いに間隔を置いた入口又は出口が同一槽の底部又は側部に設けられていると、これらの入口に近い脱イオンセルは、第１の組をなすセルが第１の種類のイオンを除き、第２の組をなすセルが第２の種類のイオンを除くような動作状態になる。同様に、蛇行した流体の流れが望ましい場合、流体が出会う第１の上流側の組をなすセルを動作させて第１の種類のイオンを除き、第２の下流側の組をなすセルを動作させて第２の種類のイオンを除く。
【００２９】
所与の槽内には代表的には複数のセルが設けられる。槽内の水を完全に脱イオンするためには、正に帯電したＨＳＡＡＭ電極と負に帯電したＨＳＡＡＭ電極の両方が設けられるべきである。一般に、イオン除去を行うためには互いに異なる電圧を正のセル及び負のセルに印加すべきであり、正及び負に帯電したセルの数は同一ではないのがよい。これにより、正及び負に帯電したＨＳＡＡＭ電極を互いに独立して且つ互いに異なる電圧レベルで動作状態にすることができる。プレート相互間の間隔及び印加電圧を変えることにより、処理されるべき流体から特定のイオンを除去することができる。
【００３０】
図５に示すように、多数の槽を鎖状に連結してもよく、槽の出口は次の槽の入口に連結されている。かかる場合、各槽内の脱イオンセルは、各槽が一種類のイオンの除去を集中して行うよう共通の仕方で動作状態にするのがよい。変形例として、連続した槽を用いて同一イオンの除去量を次第に減少させてもよい。
【００３１】
図６Ａ及び図６Ｂに示すように、一方の形式の電極を、他方の形式の電極に対して僅かに傾斜させるのがよい。図６Ａでは、ＨＳＡＡＭ電極は、互いに対して平行に且つ直立したものとして示されている。これとは対照的に、ＨＳＡＡＭ電極の各側の非ＨＳＡＡＭ炭素布電極は、ＨＳＡＡＭ電極の回りに対称に傾斜している。かかる場合、隣り合うＨＳＡＡＭ電極は、異なる態様で傾斜したそれぞれの炭素布電極を有している。同様に、図６Ｂに示すように、炭素布電極を直立した状態にし、ＨＳＡＡＭ電極を炭素布電極に対して傾斜させてもよい。図６Ｂの構成例では、ＨＳＡＡＭ電極は、依然として互いに平行であるが、例えば槽の底及び壁に対して傾斜している。
【００３２】
図７は、４つの脱イオンセルを有する槽の平面図である。正に帯電したＨＳＡＡＭプレートを有する第１の対をなす脱イオンセルは、負に帯電したＨＳＡＡＭプレートを有する第２の対と交互に配置されている。槽の底は、各脱イオンセルの下に位置する領域において、列状の穴を備えている。正に帯電した脱イオンセルの場合、これらは、穴８２として示され、負に帯電した脱イオンセルの場合、これらは穴８４として示されている。
【００３３】
穴８２，８４の目的は、槽が動作している時にＨＳＡＡＭプレート上に集められた正及び負のイオンを選択的に除去できるようにすることにある。かくして、正に帯電したＨＳＡＡＭプレートを有するセルでは、負のイオンはプレート上に集まるであろう。セルを再生すると、これらイオンを穴８２を通して集めることができる。同様に、再生中、負に帯電したＨＳＡＡＭプレート上に集められたイオンを穴８４を通して集めることができる。図７に示すように、穴８２，８４は、ほぼ同一の大きさ及び配置状態を有している。しかしながら、これは必ずしも必要ではない。例えば、負に帯電したイオンの穴は、正に帯電したイオンの穴よりも小さくてもよい。また、ＨＳＡＡＭ電極及び非ＨＳＡＡＭ電極に平行に配置された列状の穴の代わりに、一層不規則なパターンの穴、例えばチェス盤又はハチの巣状に見える穴を用いてもよい。
【００３４】
上述したように、ＨＳＡＡＭ電極は、表面積の大きな吸収部材で作られている。本発明では、この材料は、３つの構成成分、即ちレソルシノール、ホルムアルデヒド及び例えば炭素源のような強化剤を必要とする本発明の方法によって製造される。また、触媒を用いてレソルシノール−ホルムアルデヒド樹脂の重合を容易にするのがよい。
【００３５】
レソルシノールには多くの異なる等級があり、これらを多くの供給業者からペレット、フレーク及び他の従来形態で得ることができる。以下の例では、ホーチスト・セラニーズ・カンパニイから入手できる有機化学的処方に適した形態のレソルシノールを用いた。
【００３６】
ホルムアルデヒドは、種々の供給業者から入手でき、かかるホルムアルデヒドには種々の等級及び種々の形態がある。以下に示す例では、ジョージア−パシフィック・レジン・スペクトラム・ケミカル・カンパニイから入手できる染料、樹脂及び生物学的保存に適したホルマリンの形態のホルムアルデヒドを使用した。
【００３７】
ＨＳＡＡＭ電極の製造の際に強化剤として用いられる炭素源には、種々の形態のものがある。例えば、ばらばらの炭素繊維、例えばアモコ社から入手できるＴＨＯＲＮＥＬ（登録商標）Ｐ２５  ４Ｋ１／４インチカット炭素繊維のファイバーを用いると、本発明に用いられるＨＳＡＡＭ電極を製造するのに上首尾であった。また首尾よく用いられた別の例として、カーボンフェルト、黒鉛フェルト等級のｗｄｆ３３３１０６０又はカーボンフェルトＶＤＧ３３３０５００が挙げられ、これらは共にナショナル・エレクトリック・カーボン・カンパニイから入手できる。一般的に言って、比較的純粋であれば任意の炭素源を所定量で用いることができる。ただし、これを後で硬化するレソルシノール−ホルムアルデヒドのリカー中に十分に分散させることができ、或いは、これがマトリックス中のほぼ同一の量のリカーを吸収できて次に硬化できることを条件とする。炭素繊維は導電性であることが重要である。本発明の実施形態は、炭素フェルトから成る炭素布を必要とするが、重要なことは、非犠牲電気導体を用いるということである。したがって、例えば黒鉛、金、プラチナ、導電性プラスチック、ガラス状炭素、例えばペンシルベニア州セントメイズ所在のＳＧＬ・カーボン・グループ社から入手できるＳＩＧＲＡＤＵＲのような材料を、炭素布又は炭素フェルトに代えて用いることができる。
【００３８】
使用する強化剤が何であれ、ＳＡＡＭ電極を製造する方法の開始の仕方は同じである。４ポンドの固形レソルシノールを、３．５リットルのホルムアルデヒドに添加し、室温で約１対２のモル比が得られるようにする。当然のことながら、上述の量を一定の割合でスケールアップ又はスケールダウンすれば、この最初の配合物の量全体を様々な量にすることができる。この最初の配合物を３０分〜９０分間、或いはレソルシノールが溶解するまで混ぜ合わせる。
【００３９】
レソルシノールが完全に溶解すると、その結果得られた混合物は、琥珀色乃至ピンク色である。この混合物を、レソルシノールの溶解後、約１２〜２４時間の間、室温又はそれ以下の温度、即ち約７２°Ｆに維持すれば、この色は、乳白色且つ乳光のリカーに変わる。
【００４０】
所定量の炭酸ナトリウム触媒をリカーの測定部分に添加し、炭素源及びリカーを完全に混ぜ合わせる。
【００４１】
次に、その結果得られた材料を加熱し、厚さ約３／４インチになるまで８インチ×８インチの成形型内に注ぎ込み、ここで硬化させてキセロゲル（これは、重合レソルシノール−ホルムアルデヒドから成る）のブロックにする。成形型を室温で水準面上に置き、ここで、重合反応を空気中で続行させると、その間に材料がキセロゲルブロックになる。成形型内の材料は室温で凝固するのに約２０〜６０分かかる。この材料は凝固すると各寸法が約０．５〜１．０％だけ縮み、成形型の１又は２以上の側壁から離れる。次に、成形型をひっくり返すだけでブロックを取り出すことができる。
【００４２】
各ブロックをその成形型から取り出すと、各ブロックを空気中において約８０°〜９０°Ｆの温度状態で約２時間かかって硬化させ、それにより完全な重合を達成する。従来硬化法とは異なり、本発明の硬化法は、臨界点乾燥法（即ち、超臨界乾燥法）を必要としない。これにより、時間及び費用が相当節約できる。硬化により、過剰液体のうち何割かが除去されるが、その結果得られたブロックは依然として著しい電気不良導体である。
【００４３】
硬化後、ブロックをオーブン内で平らにし、次に炭化させる。炭化中、重しを各ブロックの上に載せて、亀裂、不均等な座屈及びその縁部のカールの発生を防止する。炭化は好ましくは、約１８５０°〜２２００°Ｆ（１０１０℃〜１２０４℃）の温度で行われる。しかしながら、経験の示すところによれば、１７５０°Ｆ（約９５４℃）という低い温度及び１０〜２０分間の炭化時間も又、許容範囲であり、温度が低ければ低いほどそれだけ一層炭化時間が長くなることが分かった。ブロックにこの温度を適用することにより、乾燥保存が一段と達成され、元々の構成成分中に存在している不純物のうち多くが焼失する。好ましい実施形態では、ブロックの厚さは焼失に起因する材料のうち幾分かの損失に耐えることができるので、炭化を空気環境中で実施できる。これは、比較的薄いブロックが炭化中に消費されるのを防ぐために窒素又は他の不活性ガス雰囲気を用いなければならなかった従来法とは対照的である。
【００４４】
炭化がいったん完了すると、次に、その結果得られたＨＳＡＡＭプレートを機械加工又は切削加工し、サンダー仕上げして、所望の形状、サイズ及び厚さのプレーナ電極の状態にすることができる。好ましくは、電極は、自立する（例えば、一端を立てた時にそれ自体の重さに耐えることができる）十分な厚さを有している。このためには、２インチ×４インチ（５．０８cm×１０．１６cm）の電極の場合、少なくとも約１mmの厚さが必要である。これよりも薄いプレートを形成することができるが、材料がもろくなるので、かかる薄いプレートは取扱いが難しくなり、溶液からイオンを除いて保存する能力が著しく制限される。一般に、プレートの厚さは、これらの表面積に比例して設定されるべきであり、一般にプレートが大きければ厚くする必要がある。ブロックは、炭化後においては厚さとは無関係に電気の良導体である。
【００４５】
触媒及び炭素源をリカーに添加する工程の詳細は、使用する炭化源のタイプに応じて、２以上の方法で実施できる。次に、この工程についてより詳細に検討する。
【００４６】
先ず最初に、ＴＨＯＲＮＥＬ（登録商標）炭化繊維を用いる場合について説明する。８００ミリリットル（ｍｌ）のリカーを３オンス（８５．０５グラム）の上述の１／４インチＴＨＯＲＮＥＬ（登録商標）炭化繊維及び重合を促進する触媒として働く１０ｍｌの炭酸ナトリウムの１．０モル溶液と共にブレンダー内に注ぎ込む。次に、この組合せを、約３〜５分間ブレンドしてついには炭素繊維とリカーが完全に結合するようにする。ブレンドの際、炭素繊維を一段と細断して小片の状態にする。このブレンドの結果として、粘性のある黒色のブロス（broth ）が得られ、かかるブロスは、炭酸ナトリウムと混合されたレソルシノールとホルムアルデヒドから成るリカー及びこれと結合された炭素繊維を含む。ブレンド工程実施後のブロスの温度は、約９０°Ｆ（約３２．２℃）である。この例では使用したリカーは８００ｍｌに過ぎないが、この工程は拡大縮小可能であることは注目されるべきである。かくして、数リットル又はそれ以上を同一時間でバッチ処理できる。
【００４７】
次に、この方法で得られたブロスを１６００ｍｌ分、ステンレス鋼製の混合ボウルに移送し、卓上電気ヒータを用いてブロスを次第に加熱する。ブロスを、加熱しながら攪拌し、その温度を厳密にモニターする。このようにしてブロスの温度を２５分間〜４５分間かけて上昇させ、温度を約１３０〜１４０°Ｆ（約５４．４℃〜約６５．６℃）に維持する。なお、１３５°Ｆ（約５７．２℃）が最適温度である。
【００４８】
加熱工程中、ブロスの温度を制御して、この温度が、重合を制御外れにする１５０°Ｆを越えないようにする。温度制御は、多数の手段、例えば熱電セル、冷却剤が循環するコイル、及び混合ボウルを下降させてこれを入れることができる水浴を用いて行うことができる。また、幾つかの周知のモニター及び制御装置のうち任意のものを用いて自動温度調整を行うことができる。
【００４９】
加熱中、ブロスの稠度（コンシステンシー）も又、モニターする。これを行うことにより、炭素繊維が互いにかたまりになり又は集まって、その結果としてマット状炭素繊維の分散度が不均一な凝集が生じることがないようにする。これが生じると、ブロスをブレンダー内に戻してその内容物を一段と均質化するのがよい。
【００５０】
ブロスを約１３５°Ｆの温度に維持し、連続的に攪拌して均一な重合を可能にする。この温度は、約３５分間保たれ、この時点において、ブロスが数秒間攪拌されなくても僅かなスキンがブロスの表面上に生成する。重合が続くと、ブロスは濃厚になり、次第に粘度が大きくなって、ついには炭素繊維がコロイド粒子としてブロス中に懸濁するような稠度に達するようになる。この時点に達すると、加熱されたブロスを約３／４インチの厚さまで８インチ×８インチの成形型内に注ぎ込む。
【００５１】
ブロスを注ぎ込む時のその温度は、１３０°〜１５０°Ｆそこらの範囲にあるべきであることは注目されるべきである。これにより、ブロスが固まると、その結果得られた固形ブロックが等方性の機械的及び電気的性質を有するようになる。ブロスを、１５０°Ｆを越える温度で注ぎ込むと、或いはこの温度を越えるようにすると、暴走反応が生じ、その結果、気泡や他の不均一な表面及び体積的特異部分を有する変形したブロックが生じる。これらの結果として、構造的及び電気的に異方性のブロックが生じることになる。
【００５２】
第２の場合は、炭素フェルト、平滑なセルロース繊維又は活性炭を含浸させたセルロース繊維を用いてレソルシノール−ホルムアルデヒド樹脂を強化する場合である。炭素繊維フェルト又はマットを切断して成形型内に納める。次に、レソルシノール−ホルムアルデヒドから成るリカーを成形型内に注ぎ込んで炭素フェルトを覆い、それによりフェルト内に閉じ込められていた空気を押し退ける。次に、成形型を９２°Ｆ（約３３．３℃）に設定された硬化用オーブン内に移送し、約７２時間かけて重合させてキセルゲルブロックを形成する。次に、キセルゲルをオーブンに入れ、１８５０〜２２００°Ｆで炭化させる。オーブン内での炭化中に、キセルゲルを０．５〜０．８ポンド／平方インチ（３５．１５〜５６．２４ｇ／cm2 ）の力で耐火ブロックの形に拘束した。この目的に用いられるオーブンは、頂部ベントを有する電気マッフル炉であった。この炭化の結果として、ＨＳＡＡＭ生成物が得られる。ＨＳＡＡＭを炉から取り出した後、空気中で放冷した。次に、冷えたＨＳＡＡＭを平らな研磨ホイールで機械加工して所望の一様な厚さにした。最後に、このプレートを卓上超硬のこぎりを利用して正方形にした。使用する炭素源とは無関係に、結果的に得られたブロックは色が黒であり、電気の導体として役立つ。
【００５３】
上述の説明では、レソルシノールは、構成成分又は配合剤の１つとして用いられている。しかしながら、経験の示すところによれば、適当なブロックをレソルシノールに代えて以下の化学薬品のうち１つを用いることにより形成できることが分かった。かかる化学薬品とは、１，５−ジヒドロキシナフタレン、２，３−ジヒドロキシナフタレン、１，４−ジヒドロキシナフタレン及び１，４−ジヒドロキシベンゼンである。これら化学薬品は各々、ホルムアルデヒドとポリマーを形成することが判明し、これを炭化すると首尾よくブロックの状態になり、次に、電流を流すと脱イオン水になった。この場合一般に、レソルシノールに代えて任意のジヒドロキシ又はポリヒドロキシベンゼン又はナフタレンを使用できると考えられる。この理由は、これら化学薬品は化学構造が似ていて、ホルムアルデヒドとポリマーを形成する特性を共有し、イオン除去に用いることができる炭化ブロックを形成しやすいことにある。現時点においては、レソルシノールが好ましい。その理由は、レソルシノールは、費用が安く、多くの量で広範に使用でき、室温及び大気圧でホルムアルデヒドと反応しやすいからである。
【００５４】
図８は、本発明に従って構成された装置を示している。この装置は、３つの槽１０２，１０４，１０６を有している。３つの槽をコロラド州プエブロ市の廃水を脱イオンするために直列に連結して用いた。廃水を第１の槽１０２の入口１０８に導入し、最終生成物が槽１０６の出口１２２からシステムを出た。全体的に、システムは、毎分最高１５００ミリリットル（ｍｌ／分）を脱イオンできた。
【００５５】
このシステムでは、槽１０２，１０６は同一構造のものであった。各槽は、６つの脱イオンセルを備えるものであった。槽１０２，１０６の両方では、隣り合う脱イオンセル内のＨＳＡＡＭ電極は、互いに異なる極性を有していた。これにより、各槽内には、電圧はさみ込み脱イオン装置（voltage-interleaved deionization arrangement）が得られた。その結果、両方の槽１０２，１０６を、正と負の両方のイオンを取り出すよう配列した。したがって、これら槽は各々、２つの電圧源を有しており、一方の電圧源は正に帯電した脱イオンセルを形成するよう配置され、第２の電圧源は負に帯電した脱イオンセルを形成するよう配列された。
【００５６】
槽１０２を中間槽１０４に連結した。槽１０２からの部分的に脱イオンされた廃水は、出口１１０、弁１１２、入口１１４を通り、そして第２の槽１０４に流入した。単一の入口としては示されていないが、入口１１４は事実上、第２の槽１０４に入る多数の導管である。弁１１２の目的は、槽１０２，１０４相互の導通を遮ることにある。また、槽１０２の出口１１０は、槽１０２の性能を評価するために部分的に脱イオンされた廃水を試験するためにブリード（図示せず）を備えるのがよい。
【００５７】
槽１０４は又、６つの脱イオンセルを備えている。しかしながら、これら脱イオンセルは、２つ分の長さのものである。各脱イオンセルのＨＳＡＡＭ電極は、これらの端部にさねはぎ部を備えていて、これら電極は類似のプレートの相補形状の構造と嵌合することができるようになっている。槽１０２とは対照的に、槽１０４内の脱イオンセルは全て、正で帯電したＨＳＡＡＭ電極を有している。これは、負のイオンだけが槽１０４から除かれることを意味している。
【００５８】
槽１０４から出た一段と脱イオンされた廃水は、出口１１６を通って流出し、弁１１８を通り、入口１２０に入り、ここから槽１０６自体に流入する。出口１１６も又、槽１０４からの廃水の試料を採取するようブリードを備えるのがよい。
【００５９】
上述したように、槽１０６は槽１０２と構造が類似している。これは、入口１２０に流入した液体を一段と脱イオンする。槽１０６からの脱イオン流出物は、出口１２２からシステムを出る。
【００６０】
槽１０２，１０６では、ＨＳＡＡＭ電極は、６．５インチ×１３インチ×０．４インチ（１６．５１cm×３３．０２cm×１．０１cm）であり、寸法が６．５×６．５×０．４インチの２枚のプレートから作られていた。槽１０２，１０６のプレートを形成するため、０．２５インチ（６．３５mm）のさねはぎ接合部を一方の縁部に切断形成し、これと相補する接合部を当接プレートから見て反対側の縁部に切断形成した。２枚のプレートをフレーム内に嵌入し、端と端を突き合わせて導電性エポキシで接着した。槽１０４については、４枚のプレートをほぼ同一の方法で嵌め合わせた。全ての槽に関し、電気接続は、炭素繊維ワイヤを、ＨＳＡＡＭプレートをフレームに取り付けるクリップに例えばエポキシで接着することによって行われた。
【００６１】
槽１０２，１０６では、水を単一の箇所でＨＳＡＡＭ電極の頂部近傍で各槽内に導入した。水をいったん槽内に入れると、脱イオン中、水を絶え間なく混合した。混合の目的は、脱イオン中における槽の局所的酸性又は苛性領域の生成の防止を可能にすることにある。混合は、槽をその槽の底部に沿って多数の箇所で曝気することにより達成できる。ただし、他の混合手段、例えば磁気又は機械的攪拌機及びスピナをその代わりに用いてもよい。所与の槽内における水の総保持時間を流量だけで決定し、これは上述したように１５００ｍｌ／分以下であった。
【００６２】
水を槽の各々の単一箇所で導入する代替手段として、各槽にＨＳＡＡＭプレート及び非ＨＳＡＡＭプレートの一端に多数の入口を設けると共にプレートの他端に多数の出口を設けてもよい。かかる場合、水は脱イオンセルの長さ分移動し、その後に流出する。
【００６３】
槽１０２，１０６には、脱イオンされるべき水の導電率で決まる電圧が印加された。印加電圧は、これら２つの槽内における脱イオン中０．０１〜１５ボルトの範囲にある。対応のアンペア数は、脱イオン中０．０１〜１０アンペアの範囲にある。水の脱イオン速度（即ち、イオンの除去速度）は、脱イオンされるべき水の清浄の関数であった。それゆえ、不純物の多い槽１０２内の脱イオン速度は、既に２回脱イオンした水を処理している槽１０６の脱イオン速度よりも大きかった。
【００６４】
第２の槽１０４は負に帯電したイオンを除いた。この結果として、この槽内の水は苛性になり、かくして苛性フロックが形成された。第２の槽は、蛇行状の流れパターンで動作され、入口はＨＳＡＡＭプレートの底部近傍に位置していた。槽１０４内の水に印加された電圧及び電流は、水の電気分解を引き起こすのに十分であった。この第２の槽内の水の処理の結果として、導電率の約３００〜５００μｍｈｏ／cm又はμＳ／cmが除かれた。しかしながら、この槽からの苛性流出物のｐＨは８〜１２の範囲にあり、これは次に第３の槽１０６に送られた。
【００６５】
表１は、図８のシステムを用いて得られた実験結果を示している。特に、表１は、本発明の従って構成された装置を用いた場合の各脱イオン工程の効果を示している。表１の報告の示すところによれば、槽１０６（最後の槽）からのアウトプットが連邦政府の水質基準の規制を満たしているので飲料水と変わらない。
【００６６】
0004431274.tif 000002
備考：図８のシステムを用いたコロラド州プエブロ市の下水の脱イオン
表２は、図８の死す無を用いて得られた実験結果を示している。特に、表２は、本発明の従って構成された装置を用いた場合の各脱イオン工程の効果を示している。
【００６７】
0004431274.tif 000003
備考：コロラド州リードビル付近のアサルコ・インコーポレイテッドにより操業されているヤック・タネル／カリフォルニア・ガルチの試験型スーパー・ファンド・サイトにおいて、図８のシステムを用いた場合の脱イオン結果
連続流脱イオンに加えて、本装置は、バッチ処理方式による脱イオンにも使える。バッチ処理の結果は、図９Ａ〜図９Ｅに示されている。特に、これらの図は、既知の濃度の鉄イオン、ナトリウムイオン及び銅イオンを加えた一バッチの水を脱イオンした場合の結果を示している。鉄及び銅イオンは、１ｐｐｂ以下のレベルまで除かれ、ナトリウムイオンは、２ｐｐｍ以下のレベルまで除かれ、導電率は、１２，１５０μＳから４１０μＳに減少した。
【００６８】
３つの槽の各々の中の水のｐＨレベル及び導電率レベルをモニターしてＨＳＡＡＭプレートの飽和時期を確定した。流出水の導電率が上昇し、これに対応してｐＨが変化すると、これは、ＨＳＡＡＭプレートがイオンで飽和したことを意味し、そして本装置を再生する必要があることを意味する。同様に、蓄えられた電荷は、セル内のｐＨ及び導電率と共に、本装置の再生が必要な時期を指示するのに利用できる。一般に、ＨＳＡＡＭプレートは、水の脱イオンを行うにつれて変色するようになる。変化のタイプ及び色は、処理対象の水の性状で決まる。たとえば、水のサルフェートレベルが高いと、ＨＳＡＡＭプレートは、サルフェートがＨＳＡＡＭプレート上に析出すると白色に変わる。同様に、水中の有機廃材含有量が多いと、ＨＳＡＡＭプレートは茶色に変わる。いずれにしても、この変色により、イオン飽和レベルに起因して再生が必要であることが分かる。
【００６９】
槽１０２，１０６を用いると、再生中、酸化フロック又は濃厚イオン溶液の何れかを生成できた。一方が生成するか他方が生成するかは、印加した電圧レベルで決まった。水の電気分解を引き起こすのに必要な電圧よりも低い電圧を印加すると、イオンに富んだ水を図７に示すように底部穴８２，８４を経て負又は正に帯電した脱イオンセルから集めることができた。他方、水を電気分解させるのに十分な電圧を印加すると、その結果として酸化フロックが生じた。かかる場合、このフロックを生じさせてこれを槽から送り出すためには、再生中、混合が必要であった。
【００７０】
第２の槽１０４では、負に帯電したイオンを除いた。この結果として、水は苛性になり、その結果８〜１２台のｐＨが得られた。また、この結果として、苛性フロックが生じた。作動中、槽１０４内の脱イオンセルに印加された電圧は、水の電気分解を引き起こすのに十分であった。かくして、印加された電圧は、１〜１２ボルト台であり、アンペア数は１．３〜１２アンペアであった。この作用効果として、第２の槽１０４は、導電率の３００〜５００μｍｈｏ／cm又はμＳ／cmが除かれた。
【００７１】
第２の槽１０４内におけるプレートの再生は、セルの蓄積電荷に打ち勝つのに十分な電圧（カウンタＥＭＦ）でプレートに与えられた電流を逆に流すことにより行われた。この場合も又、流出水の導電率が上昇し、これに対応してｐＨが変化すると、これは、第２の槽１０４内のＨＳＡＡＭプレートがイオンで飽和し、そして本装置を再生する必要があることを意味する。これはたいていの場合、ＨＳＡＡＭプレートが著しく変色し、変化のタイプ及び色は、処理されるべき水の清浄で決まるということによって容易に識別できた。再生中、酸化フロックは、システムの作動中に生じたＥＭＦに対抗するのに必要な電圧で装置を作動させることによって得られた。
【００７２】
次に、これらフロックを槽１０４の底部の穴を通して捕集できた。再生後、次いで３つ全ての槽１０２，１０４，１０６を再使用でき、この場合従前と同一の効果が得られる。
【００７３】
好ましくは、脱イオンに必要な電圧を供給するのに用いられる電源を、有限範囲の電圧で制御することができる。この場合、代表的には、電源は、ＡＣコンセントに差込み可能なタイプのものである。しかしながら、かなり低い電圧及び電流が必要な場合、ある特定の装置では持ち運び可能な電池式の電源を使用するのがよい。この場合、太陽電池式脱イオン装置を構成して用いると、これは低い処理量であれば上首尾であった。サイズを小さくした太陽電池式システム及び電池式システムを用いると、費用が安く、且つ携帯性が高いという二重の利点が得られる。
【００７４】
図１０は、本発明の自動脱イオン制御システム１３０の全体図である。このシステムは、水の品質をモニターして自動的に電圧を調整し、それにより目標の脱イオン速度を達成する。この図に示すように、システム１３０は、２つの槽１３２，１３４の作動を制御する。しかしながら、制御システムを単一の槽又は３又は４以上の槽に用いてもよいことは留意されるべきであり、後者の場合、これらは直列又は並列に、或いはこれらの組合せ状態で連結される。
【００７５】
制御システムは、センサモジュール１３８を用い、これらセンサモジュールは脱イオンプラント内における種々の段階での流出液をモニターする。これらセンサモジュール１３８は、かかる特性を流出液のｐＨ、導電率、水の流量、温度、光学特性等として計測するよう構成された１又は２以上のセンサから成る。センサモジュールは、イオン専用プローブ、例えば、弗化物、アンモニア、塩化物及び他のもの、例えば表１及び表２に列記されたパラメータを測定するプローブを更に有するのがよい。センサは、所定の周期で、或いはコントローラ１３６からの要求の際に流出液の試料を連続的に採取することができる。好ましい実施形態ではセンサは槽に連結されている管中の流出液の試料を採取するよう示されているが、センサを槽の内側に配置してもよい。
【００７６】
センサのデータは、プログラムドロジックコントローラ１３６に送られる。コントローラは、マイクロプロセッサ又はこれと均等の装置として実現できる。コントローラ１３６は、センサのデータに基づいて槽１３２，１３４の性能を評価する。コントローラはこれらのデータを用いて、流量及び流れパターンの変化を行うべきかどうかを判定する。もしそうであれば、コントローラは、電動式弁１４０への信号を出力して流量を調節する。これら弁を同時に制御しても別個独立に制御してもよい。多数の入口又は多数の出口が設けられている場合、これらのサブセットだけを制御しても、オーバーフローをどの槽についても生じさせないようにすることができる。
【００７７】
流量を選択的に制御することに加えて、コントローラ１３６は、全体を符号１４２で示す種々の電源によって印加される電圧を制御する。特に、コントローラはセンサのデータを処理し、電源への制御信号を出力し、それにより槽内の脱イオンセルに印加される電圧及び（又は）電流を制御する。コントローラ１３６は、センサのデータを利用して、槽内の電極を再生する必要があるかどうかを判定し、もし必要があれば電源への適当な信号を出力し、再生を実施する。
【００７８】
上述したような制御システムは、１時間当たり数千ガロン台の流量を取り扱うことができる大規模脱イオン装置に有用である。かくして、かかる装置をスケールアップすれば、工業プラント、水道水及び下水の処理施設等の脱イオンの要望に応えることができる。実験結果の示すところによれば、電極の寸法及び電極の本数を、印加される電圧又は流される電流の何れにも著しい影響を及ぼすことなく一定の割合で増加させることができるということが分かった。
【００７９】
本発明の装置は、厳密に言えば、非ＨＳＡＡＭ（非吸収性）電極が実際には電荷を蓄積しないという点において容量性脱イオンを実行しないということは注目されるべきである。たしかに、イオンはこれら電極の帯電方式とは無関係にこれら電極には付着せず、ＨＳＡＡＭ電極だけがイオンを捕捉して蓄積する。
【００８０】
上述の好ましい実施形態はプレーナ電極の形成及び使用法を教示していることは注目されるべきである。しかしながら、電極と脱イオンセルが交互になった幾何学的構成も使用できる。かかる一例は、（１）中実又は環状内側非ＨＳＡＡＭ電極、（２）内側非ＨＳＡＡＭ電極と同心の環状ＨＳＡＡＭ電極、及び（３）最初の２つの電極と同心の環状の外側非ＨＳＡＡＭ電極から成る環状脱イオンセルである。かかる構成により、環状ＨＳＡＡＭ電極と２つの非ＨＳＡＡＭ電極との間に流体を流すことができる。しかしながら、かかる構成では、内側非ＨＳＡＡＭ電極と外側非ＨＳＡＡＭ電極は、ＨＳＡＡＭ電極に向いた表面の表面積は互いに異なる。したがって、２つの非ＨＳＡＡＭ電極とこれら２つの間にサンドイッチされたＨＳＡＡＭ電極との間に互いに異なる電圧又は電流の何れかを用いることが必要となる。
【００８１】
本発明を幾つかの好ましい実施形態を参照して説明したが、これら実施形態は本発明を限定するものではない。当業者であれば、これら実施形態の変形例を容易に想到でき、かかる変形例は、請求の範囲に記載された本発明の範囲に属する。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に従って構成された装置の斜視図である。
【図２Ａ】  本発明の装置で用いられる槽を示す図である。
【図２Ｂ】  槽内のＨＳＡＡＭプレートを固定する一構成例を示す図である。
【図２Ｃ】  槽内のＨＳＡＡＭプレートを固定する別の構成例を示す図である。
【図３】  蛇行した流れのために構成された図１の装置の平面図である。
【図４Ａ】  隣り合う電極で形成された脱イオンセルを示す図である。
【図４Ｂ】  隣り合う電極で形成された脱イオンセルを示す図である。
【図５】  ３つの直列に連結された装置を備えた装置を示す図である。
【図６Ａ】  全ての電極が互いに平行な構成例とは別の構成例を示す図である。
【図６Ｂ】  全ての電極が互いに平行な構成例とは別の構成例を示す図である。
【図７】  イオン出口穴が設けられた槽の平面図である。
【図８】  図５に示す内容に従って構成された実験装置を示す図である。
【図９Ａ】  図８の装置を用いて得られたバッチ処理の結果を示すグラフ図である。
【図９Ｂ】  図８の装置を用いて得られたバッチ処理の結果を示すグラフ図である。
【図９Ｃ】  図８の装置を用いて得られたバッチ処理の結果を示すグラフ図である。
【図９Ｄ】  図８の装置を用いて得られたバッチ処理の結果を示すグラフ図である。
【図９Ｅ】  図８の装置を用いて得られたバッチ処理の結果を示すグラフ図である。
【図１０】  自動脱イオン装置のブロック図である。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図２Ｃ】
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【図３】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図５】
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【図６Ａ】
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【図６Ｂ】
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【図７】
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【図８】
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【図９Ａ】
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【図９Ｂ】
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【図９Ｃ】
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【図９Ｄ】
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【図９Ｅ】
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【図１０】
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