(57)【要約】本開示は、流体力学的キャビテーションと、マイクロ波照射と、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方とを含んで、水、流体、及び鉱物のうちの少なくとも１つのフィードストックの浄化をもたらす方法及びシステムを記載する。流体力学的キャビテーションにより破砕され、化学的に分解されてより小さく且つより揮発性の物質にされた汚染物質は、最終的に、１以上の超音波電気分解ステップの過程で破壊される。様々な実施形態において、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方がマイクロ波により照射され、これにより、音響キャビテーション泡内に存在する超音波プラズマを、プラズマ中の汚染物質を破壊するのに十分な温度まで加熱する。
2016528022.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
流体力学的キャビテーションと、
マイクロ波照射と、
酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方と、
を含む方法。
【請求項２】
さらに、濾過を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
さらに、蒸留を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記マイクロ波照射と、前記酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方とが同時に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解が両方ともに存在し、且つ連続的であり、前記酸化的超音波電気分解が前記還元的超音波電気分解よりも前に行われる、請求項４に記載の方法。
【請求項６】
フィードストックを浄化する方法であって、
浄化されるべき少なくとも１つの材料を含むフィードストックを提供するステップと、
前記フィードストックに、流体力学的キャビテーションと、マイクロ波照射と、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方とを施し、それにより、組成が変更された材料を含む生成物流を生成するステップと、
を含む方法。
【請求項７】
さらに、濾過及び蒸留の少なくとも一方を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
前記マイクロ波照射と、前記酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方とが同時に行われる、請求項６に記載の方法。
【請求項９】
前記酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解が両方ともに存在し、且つ連続的であり、前記酸化的超音波電気分解が前記還元的超音波電気分解よりも前に行われる、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記フィードストックが、水、流体、及び、鉱物の少なくとも１つを含む、請求項６に記載の方法。
【請求項１１】
システムであって、
（ｉ）流体力学的キャビテーション装置と、
（ｉｉ）酸化的超音波電気分解マイクロ波装置と、
（ｉｉｉ）還元的超音波電気分解マイクロ波装置と、
を備えたシステム。
【請求項１２】
さらに、濾過器及び蒸留器の少なくとも一方を備えた、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１３】
前記流体力学的キャビテーション装置が少なくとも１つのキャビテーション誘起体を備えた、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１４】
前記キャビテーション誘起体が、ベンチュリ、プロペラ、オリフィスプレート、穿孔シリンダ、穿孔コーン、及びこれらの組合せ物から成る群から選択される、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記酸化的超音波電気分解マイクロ波装置及び前記還元的超音波電気分解マイクロ波装置の少なくとも一方が、マグネトロンを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１６】
前記酸化的超音波電気分解マイクロ波装置及び前記還元的超音波電気分解マイクロ波装置の少なくとも一方が、トランスデューサを含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１７】
前記酸化的超音波電気分解マイクロ波装置が、正電位を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１８】
前記還元的超音波電気分解マイクロ波装置が、負電位を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項１９】
前記酸化的超音波電気分解マイクロ波装置が正帯電電極を含み、前記還元的超音波電気分解マイクロ波装置が負帯電電極を含む、請求項１１に記載のシステム。
【請求項２０】
前記正帯電電極と前記負帯電電極とが共に単一のＤＣ電源を通じて接続されており、これにより、前記正帯電電極がカソードとして機能し、前記負帯電電極がアノードとして機能する、請求項１９に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、概して、浄化方法に関し、詳細には、水、流体、鉱物、及び化合物を浄化するための方法及びシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
水質汚染は、世界中の人々に影響を与える地球的な問題であり続ける。水質汚染は、多くの産業の中でも特に、工業、鉱業、水圧破砕、エネルギ生産、及び、農業の結果といえよう。これら及びその他の活動により汚染された水から検出される汚染物質は広範囲にわたり、例えば、金属、重金属、有機化学薬品、無機化合物、殺生物剤、及び、微生物を含む。
【０００３】
公知の浄化技術を用いて水質汚染に対処しようとする装置、システム、会社、及び技術が数えきれないほどある。これらの技術は、蒸留、イオン交換、カーボン吸収濾過、超濾過、逆浸透、電気脱イオン、様々な化学物質（例えばオゾン、塩素）を用いた処理、紫外線光、Ｘ線及びガンマ放射線、キャビテーション、及び、これの組合せを含む。これらの技術の各々は、個々の又は複数の汚染物質を除去可能であろうが、単一の方法又はこれらの方法の組合せでは、多数の汚染物質に同時に対処できない。また、多くの方法が、ある程度の環境犠牲を伴う。例えば、幾つかの方法は汚染物質を分離するがそれらを破壊しない。また、幾つかの方法は有害副生成物を生成する。汚染物質を切り離すだけ、又は、そのプロセスにおいて危険な副生成を生成するような浄化方法は、汚染問題を解決するのではなく、先送り又は埋め合わせをするだけである。
【０００４】
鉱石、砂、及び沈澱物からの、金属元素及び金属化合物の抽出及び精製は、高エネルギ消費及びコスト高であり続ける。例えば、有益な元素金属及び化合物を鉱石から取り出す作業は、採掘事業に関わるに全く値しないほどコスト高であろう。特にコスト高で環境負荷の大きい作業は、鉱石からの金（Ａｕ）の電気分解及び／又は熱抽出及び精製、二酸化ケイ素（ＳｉＯ２）からのシリコン（Ｓｉ）の精製、及び、希土類元素の分離である。また、浄水のために用いられる浄化プロセスが、金属元素及び金属含有化合物を、鉱石、砂又は沈澱物から精製するのに適しているとは思われない。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、水質改善及び鉱物精製のためのこれらのばらばらなプロセスは存在するけれども、水、流体、元素金属、及び金属化合物を含む広範囲のフィードストックを浄化するのに有用な単一の方法及びシステムが必要である。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、流体力学的キャビテーションと、マイクロ波照射と、酸化的超音波電気分解（oxidative sonoelectrolysis）及び還元的超音波電気分解（reductive sonoelectrolysis）の少なくとも一方とを含む方法を含む。本開示の方法を構成する性質、パラメータ、及び、浄化ステップの逐次的順序は、浄化されるべき材料中に存在する汚染物質の化学的及び／又は機械的分解を最適化するように適切に構成される。本明細書にて開示される方法の様々な実施形態において、浄化されるべき材料中に存在する汚染物質は、分解され、そして、より小さく且つより揮発性の物質へと化学的に分解され、これらの物質は、最終的に破壊され、且つ／又は、浄化中に、より容易に除去される。様々な実施形態において、本発明の方法は、さらに、この方法の最初又はその付近での濾過、及び、この方法の最後又はその付近での蒸留の少なくとも一方を、浄化されるべき材料に応じて含む。様々な実施形態において、流体力学的キャビテーション、マイクロ波照射、並びに、酸化的及び／又は還元的超音波電気分解のステップは、本発明の方法の範囲内で、別々で個別の処理であり得る。様々な実施形態において、マイクロ波照射を、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方と同時に行うことができる。本発明の方法は、水、流体、及び鉱物の少なくとも１つを含むフィードストックのフローストリームの浄化に適応可能であり、鉱物は、本発明の方法にて使用するフィードストックを生成するために液体中に懸濁させることができる。
【０００７】
本開示は、さらに、様々なフィードストックを浄化して生成物流を生成するように設計されたシステムを含む。このシステムにおいて、フィードストック中に存在し、且つ、所定の組成を有する少なくとも１つの材料が、生成物流においては異なる組成を有してシステムから出てくる。様々な実施形態において、本開示によるシステムは、様々な浄化装置を備え、これらの装置は、開示される方法の範囲内の浄化ステップを提供するために装置に必要な部品により構成されている。
【０００８】
本開示のさらなる理解を提供するために添付図面を含む。添付図面は、本明細書に組み込まれて本明細書の一部を構成し、本開示の実施形態を例示し、そして、詳細な説明と共に、本開示の原理を説明する役割を果たす。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本開示による浄化方法の一実施形態を示すフローチャートである。
【図２】本開示による浄化方法の別の実施形態を示すフローチャートである。
【図３】本開示による浄化システムの一実施形態を示す図である。
【図４】本開示による浄化システムの別の実施形態を示す図である。
【図５】本開示による、パイプライン内でのマイクロ波照射を伴う動的且つ連続的な酸化的及び還元的超音波電気分解の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
当業者は、本開示の様々な態様を、意図された機能を実行するように構成された任意の個数の方法及びシステムにより実現できることを容易に理解するであろう。すなわち、意図された機能を実行するために、その他の方法及びシステムを本明細書に組み込むことができる。また、本明細書にて参照される添付図面が全て原寸に比例して描画されておらず、本開示の様々な態様を示すために拡大されている場合もあることにも留意されたい。この点に関し、図面は制限的なものと見なされるべきではない。
【００１１】
従って、以下にさらに詳細に説明するように、本発明の様々な実施形態は、流体力学的キャビテーションと、マイクロ波照射と、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方とを含む浄化方法を含む。本開示の浄化方法を構成する性質、パラメータ、及び、浄化ステップの逐次的順序は、浄化されるべき材料中に存在する汚染物質の化学的及び／又は機械的分解を最適化するように適切に構成される。本明細書にて開示される浄化方法の様々な実施形態において、浄化されるべき材料中に存在する汚染物質は、分解され、そして、より小さく且つより揮発性の物質へと化学的に分解され、これらの物質は、最終的に破壊され、且つ／又は、浄化中に、より容易に除去される。様々な実施形態において、本発明の方法は、さらに、この方法の最初又はその付近での濾過、及び、この方法の最後又はその付近での蒸留の少なくとも一方を、浄化されるべき材料に応じて含む。様々な実施形態において、流体力学的キャビテーション、マイクロ波照射、並びに、酸化的及び／又は還元的超音波電気分解のプロセスは、本発明の浄化方法の範囲内で、別々で個別の処理である。様々な実施形態において、マイクロ波照射は、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方と同時に行われる。マイクロ波照射を使用して、音響キャビテーション泡内部に存在する超音波プラズマを、プラズマ中の汚染物質を変更及び／又は破壊するのに十分な温度まで加熱する。本発明の浄化方法は、水、流体、及び、鉱物の少なくとも１つを含むフィードストックのフローストリームの浄化に適応可能であり、鉱物は、本発明の方法にて使用するフィードストックを生成するために液体中に懸濁されることができる。本開示は、さらに、様々なフィードストックを浄化して生成物流にするように設計されたシステムを含む。様々な実施形態において、本開示のシステムは、浄化ステップを実行するように適切に構成された部品を備えている。
【００１２】
本明細書で用いる用語「フィードストック」（“feedstock”）は、本開示の浄化方法に導入され、且つ、これらの方法により浄化されるべき少なくとも１つの材料を含む、流動可能な混合物を意味する。フィードストックは、液体担体中に溶解及び／又は懸濁された任意の割合の固体（％固体）を含み得る。溶解及び／又は懸濁された固体は、液体担体から除去されるべき汚染物質を含み得る。或いは、固体は、精製されるべき材料を含み得る。このように、フィードストックは、任意の組成、濁度、粘度、及び、流れ特性を有する溶液又は懸濁液の状態であり得る。本発明の方法により浄化されるべき材料はバルク液体、例えば、水又は溶媒であり得、これらが、任意の不都合な、溶解及び／又は懸濁された、有機化合物及び無機化合物、並びに／又は、生きている生物及び／又は死んだ生物を含む。その他の実施態様において、浄化されるべき材料は、固体（例えば、鉱石、砂、又は、対象となる元素若しくは化合物を含むその他の鉱物の沈澱物）であり得る。これらの場合、精製されるべき材料を破砕及び粉砕して、選択された粒径にし、液体担体中に懸濁させて、本発明の方法のための流動可能なフィードストックを形成することができる。例えば、元素金属又は無機化合物に精製されるべき鉱石を粉末化して水中に懸濁させ、それにより、本発明の方法にて使用するためのフィードストックを形成できる。
【００１３】
本明細書で用いる「フローストリーム」（“flowstream”）は、本開示の浄化方法の全体にわたり移動する流動可能な混合物を意味する。様々な実施形態において、本発明の方法はフロープロセスを含む。これはすなわち、浄化されるべき材料が動的なフローストリームとして、本発明の方法の様々な段階を連続的に通って流れることを意味する。その他の実施態様において、流動可能な混合物は、１以上のバッチ浄化段階にて一時的に、例えば、容器又はチャンバ内で保持され、次いで、浄化ステップが完了したならば、フローストリームとして放出される。本明細書における浄化方法は、動的なフロー及び静的なバッチプロセスの任意の組合せを特定のフィードストックのために必要に応じて含むことができる。フローは、任意の手段、例えば、１以上のポンプにより、又は、重力の作用により生成され得る。
【００１４】
本明細書で用いる用語「生成物流」（“product stream”）は、本開示の浄化方法を経て出てくる、浄化された、任意の形態材料、例えば、流動可能な液体又はスラリを意味する。生成物流は、例えば、浄化された液体（例えば、飲用水）、又は、固体材料、例えば、元素金属、例えば、Ａｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｎｉ（ニッケル）、若しくはその他の任意の市販の望ましい金属、若しくは、金属元素を含む任意の無機化合物を含み得る。
【００１５】
本明細書で用いる「浄化」（“purification”）は、材料の組成的構成の所望の変更を意味する。従って、浄化は、例えば、汚染された水中の１以上の汚染物質の割合を低減すること、又は、鉱物中の金属元素の割合を増大することなどを示し得る。不純な材料の完全な（１００％の）浄化が目的であり、水の浄化に関しては、純粋な、例えば蒸留された水（すなわち、完全にＨ２Ｏであり、その水中に、他の検出可能なものを何も含まない）を得ることに等しい。同様に、鉱石の完全な精製は、純粋な金属元素（例えばＡｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｎｉ（ニッケル）など）を、最初の鉱石から残留しているその他の元素又は化合物の形跡がない状態で得ることである。汚染水のために用いられる公知の浄化方法が達成するのは、約６０％〜８０％の浄化に過ぎない。様々な実施形態において、本発明の浄化方法は、材料の少なくとも８０％の浄化を達成するように適切に構成されている。様々な実施形態において、本発明の浄化方法は、材料の少なくとも９０％の浄化を達成する。様々な実施形態において、本発明の浄化方法は、安全な飲用水を、以前に工業工程、採掘作業、水圧破砕作業、エネルギ生産、及び、農業活動により汚染された水から生成する。
【００１６】
本明細書において、「約」（“about”）は、特定のパラメータの前に用いられて、そのパラメータが＋／−１０％も変化し得ることを示す。例えば、電圧パラメータが「約５ボルト」（“about 5 volt”）であることが要求される場合、４．５Ｖ〜５．５Ｖまで変化する電圧も利用可能である。別の例として、「約０．１ｍＡ」（“about 0.1 mA”）のアンペア数が制限として示される場合、０．０９ｍＡ〜０．１１ｍＡのアンペア数がこの制限の範囲内にある。
【００１７】
本明細書で用いる「キャビテーション」（“cavitation”）は、減圧を受けている液体中での一時的な空洞（void）（すなわちキャビティ）の等温形成（isothermal formation）を意味する。これらの空洞は、揮発された液体からの蒸気と、そして、この液体中に存在する材料からのその他の蒸気、例えば、ガス、及び、低分子量の揮発性化合物とから構成されている。空洞は、液体全体にわたって球状の泡として出現する。慣性キャビテーションにおいて、キャビテーション泡は一時的であり、低圧領域内で成長し、増圧領域内への移動時に激しく崩壊する。非慣性キャビテーションにおいて、キャビテーション泡は寸法又は形状が変動する。キャビテーション泡の崩壊のメカニズムは、泡内に入り込んで泡の対向する内面に超音波力により衝突する液体のマイクロジェットにより特徴付けられる。泡崩壊のメカニズムは、崩壊していく泡内で、化学結合を切断し、且つ化学反応を生じるために十分に高い温度及び圧力を発生できる。例えば、化合物を酸化する能力のあるヒドロキシラジカル（・ΟΗ）を、キャビテーション泡内で生成できる。キャビテーションは、任意の数のプロセスにより経時的及び距離における圧力変化を受けている液体にて生じ得る。圧力変化は、液体（例えば、直径が低減された区画を有するパイプ内を流れている液体）の動的フローの結果であり得る。或いは、光学的衝突又は粒子衝突を含むその他の方法の中でも特に、液体の撹拌又は剪断（例えば、プロペラ又はその他のキャビテーション誘起体による）によるもの、又は、超音波処理（例えば、超音波トランスデューサを使用）によるものであり得る。キャビテーションは等温現象（加熱によるものよりもむしろ、局所的減圧による揮発）であるが、液体を、キャビテーション中に、外的手段により加熱又は冷却してもよい。例えば、熱放射又は電磁放射線を用いて、キャビテーション泡内部で気相化学反応を開始及び／又は加速できる。また、キャビテーションを、連続的なフロープロセスに適合させることができる。
【００１８】
本明細書で用いる「流体力学的キャビテーション」（“hydrodynamic cavitation”）は、液体に加えられる動的力（例えば、液体を流し又は剪断しているときに生じる力）により生じる、液体内でのキャビテーションを意味する。本開示のために、流体力学的キャビテーションを誘起及び／又は容易にするように構成された任意のデバイス又は装置を用いることができる。例えば、様々な実施形態において、液体内で回転しているプロペラが、流体力学的キャビテーションを生じることができる。その他の実施態様において、パイプの狭窄セクション（例えば、オリフィス又はベンチュリ）を通って流れる液体が、流体力学的キャビテーションを受けることができる。その他の実施態様において、流体力学的キャビテーションを、少なくとも１つの多孔キャビテーション誘起体を液体内で運動させることにより達成できる。例えば、キャビテーション誘起体は、オリフィスプレート、穿孔されたコーン若しくはシリンダ、又は、液体内で運動若しくは回転されることができるその他の誘起体を含み得る。流体力学的キャビテーションのために有用なキャビテーション誘起体が、任意の個数、組合せ、及び、構成で存在し得る。
【００１９】
本明細書で用いる用語「マイクロ波照射」（“microwave irradiation”）は、電磁（ＥＭ）波を材料上／材料内に放射するプロセスを意味し、ＥＭ放射線は、約０．００１メートル〜約１メートルの範囲の波長、及び、約１×１０−１ワット〜最大約１×１０９ワットの範囲の出力を有する。マイクロ波放射線は、光速と考えて、約３００ＭＨｚ〜約３００ＧＨｚの周波数範囲を有する。本開示の様々な実施形態において、マイクロ波放射源は、マグネトロン、クライストロン、進行波管、ジャイロトロン、電界効果トランジスタ、トンネルダイオード、ガンダイオード、若しくは、ＩＭＰＡＴＴダイオードのいずれか、又は、その他の任意のＥＭ放射源を含み得る。マイクロ波放射源は、マイクロ波が照射される材料に所望の効果をもたらすために必要に応じて選択される。入射光のいずれの単一波長も、また、波長又は波長範囲のいずれの組合せも用い得る。様々な実施形態において、全てのマイクロ波スペクトルを使用できる。本発明の方法の様々な実施形態において、フローストリームはマイクロ波照射を受ける。マイクロ波が極性分子の双極子の回転、局所的加熱、及び、化学反応の加速を生じることが、知られている。
【００２０】
本明細書で用いる用語「音響キャビテーション」（“acoustic cavitation”）は、強い音波を用いる液体の超音波処理による液体のキャビテーションを意味する。音波源は、約０．１０ワット／ｃｍ２〜約１００キロワット／ｃｍ２の範囲の超音波強度を生成できる任意のタイプ及び任意の個数のトランスデューサ又は音響ホーンから選択され得る。
【００２１】
本明細書で用いる用語「超音波電気分解」（“sonoelectrolysis”）は、電位の存在下での音響キャビテーションを意味する。例えば、直流電流（ＤＣ）をパイプに印加した状態でのパイプ内のフローストリームの音響超音波処理が、超音波電気分解の形態である。本明細書において、超音波電気分解は酸化的又は還元的であり得、これは、電位の極性、電極の性質及び個数、及び、フローストリームにて発生された、又は、フローストリームに添加された、還元性反応体若しくは酸化性反応体の存在（存在するならば）に依存する。例えば、金属パイプラインの１つの区画が、パイプラインの別の区画、又は、パイプラインから離れた犠牲電極に関連して正（＋）又は負（−）であり得る。プラスチックパイプの場合、電極として機能する金属のストリップをパイプの内側に配置して電位を帯電させることができる。パイプライン又は超音波処理チャンバは少なくとも１つの電極を含むことができ、これらは、例えば、アノード（陽極）、カソード（陰極）、参照電極、補助電極、犠牲電極、又は作用電極として機能する。これらの電極は、パイプライン内を流れているフローストリームに、又は、チャンバ内に一時的に収容されている材料に浸漬され得る。様々な実施形態において、超音波電気分解のための有効電流密度は、約１ｍＡ／ｃｍ２〜約１００ｍＡ／ｃｍ２の範囲であり得る。様々な実施形態において、約０．０１ボルト〜約１００ボルトの電圧、及び、約１ｍＡ〜約１００Ａｍｐの電流を印加し得る。
【００２２】
本明細書で用いる用語「酸化的超音波電気分解」（“oxidative sonoelectrolysis”）は、音響キャビテーションを酸化電気分解と同時に行い、任意選択的に、酸化剤（例えば、酸素、オゾン、又は、様々な過酸化物）を添加することを意味する。酸化反応は、酸化反応を誘起及び／又は容易にする適切に構成された１以上の電極を用いて達成できる。例えば、ヒドロキシルラジカル基を、電極の中でも特に、ホウ素をドーピングしたダイヤモンド（ＢＤＤ）電極から発生させ得る。様々な実施形態において、金属が、酸化のためのアノード部位として機能できる。
【００２３】
本明細書で用いる用語「還元的超音波電気分解」（“reductive sonoelectrolysis”）は、音響キャビテーションを還元電気分解と同時に行い、任意選択的に、還元剤、例えば、亜硫酸塩、ＣＯ（一酸化炭素）又はＨ２（水素）を添加することを意味する。還元反応は、還元反応を誘起及び／又は容易にする適切に構成された１以上の電極を用いて達成できる。例えば、様々な塩素化合物を還元できる電子（ｅ−）を、電極の中でも特に、グラファイトカーボン電極又はグラッシーカーボン電極から発生させ得る。様々な実施形態において、金属が、還元ためのカソード部位として機能できる。
【００２４】
上述の内容を踏まえ、ここで図１を参照すると、本開示の浄化方法の例示的な実施形態が概略的に示されている。図１に示されているように、浄化方法は、流体力学的キャビテーション１０２、マイクロ波照射１０３、及び、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方１０４を含むことができる。これらの方法の各々は、以上に定義付けた通りであり、また、以下に、より詳細に開示される。図１の方法は、フィードストックを、組成が異なるプロダクトストリーム（生成物流）に変換するために用いることができ、これは、フィードストック中の浄化されるべき材料に施される様々な浄化ステップの作用による。浄化ステップは、図１に示した順序以外の任意の順序であってもよい。また、任意の１つのステップを必要に応じて何回でも繰り返してもよく、これにより、特定の中間結果を、フローストリームが次のステップに移行することが許容される前に達成できる。さらに、２以上のステップが、浄化されるべき材料に同時に作用し得る。様々な実施形態において、その他の浄化ステップ、例えば、濾過及び蒸留を、特定のフィードストック又は所望の結果のために含むことができる。様々な実施形態において、本発明の方法に、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の一方のみを含むことが可能である。その他の実施形態において、本発明の方法に、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の両方を含むことも可能である。両方の音響キャビテーションステップが存在する例において、これらのステップは、逐次的であっても、本発明の方法におけるいずれの順序であってもよい。先に述べたように、本発明の方法にて使用するためのフィードストックは、浄化されるべき少なくとも１つの材料を含み、生成物流は、浄化された材料を含む。例示的な一実施形態において、フィードストックは汚染水を含み、生成物流は飲用水を含む。その他の実施形態において、フィードストックは、水中に懸濁された破砕鉱石を含み、生成物流は、精製された金属、例えば、銅（Ｃｕ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、ニッケル（Ｎｉ）など、又はその他の任意の所望の元素を含む。
【００２５】
引き続き図１を参照する。流体力学的キャビテーション１０２は、大きい分子及び有機体を剪断及び分解できるように最適化されることができる。例えば、タンパク質、脂肪、ワックス、グリース、油、炭化水素、バクテリア、その他の生命体、及び、無機物などを、より低分子量のユニットに変換できる。流体力学的キャビテーション１０２を、本発明の方法にて除去されるべき材料の十分な分解が達成されるまで必要に応じて何回でも繰り返すことができる。例えば、浄化されるべき材料を含むフローストリームに流体力学的キャビテーションを、所望の結果が得られるように必要に応じて何回でも行うことが可能である。このために、１以上の弁を利用してよい。様々な実施形態において、不都合な汚染物質を、手順中に遠心分離して連続的に除去し得る。その他の実施形態において、流体力学的キャビテーションステップにて分解された不都合な汚染物質は、さらなる破壊及び／又は除去のために、本発明の方法における次のステップに送られる。
【００２６】
図１、及び、本明細書に記載するその他の実施形態における流体力学的キャビテーション１０２は、現在知られているか又は以下に考案される任意の個数のキャビテーション誘起体（cavitation inducer）を含む。これらは、流体力学的キャビテーションを誘起及び／又は促進するように適切に構成される。例えば、キャビテーション誘起体は、キャビテーションを実行するために、運動／回転するオリフィスプレート、多孔の円筒状若しくは円錐状のロータ、又は、その他の運動物体を含むことができる。様々な実施形態において、オリフィスプレート、多孔の円筒状若しくは円錐状のロータは、任意の個数の適切な寸法の孔（オリフィス）を、運動／回転要素上に、所望のキャビテーションのために含むことができる。例えば、複数のオリフィスプレートを中心回転軸の周囲に周方向に（例えば観覧車構造で）、各プレートが回転軸に面するか又は任意の角度で固定されるように配置し得る。適切な寸法の穿孔された１対のシリンダを、これらのシリンダが共に同一軸上で回転できるように互いに入れ子（nest）にすることも可能である。同様に、適切な寸法で且つ入れ子にされた１対の穿孔されたコーン（円錐状部）を、流体力学的キャビテーションのために用いてもよい。１対の入れ子にされたシリンダ又は入れ子にされたコーン内の各部材は、同一方向又は反対方向に回転されることができる。任意の個数の適切な寸法のコーン又はシリンダを、任意の組合せで互いに入れ子にし得る（例えば、穿孔されたコーンを、より大きい穿孔されたシリンダ内に入れ子にでき、その逆も可能である）。動的フロープロセスにおいて、流体力学的キャビテーションを受けるべきフローストリームが、入れ子にされた回転コーンの、より大きい端部に向けられ、そして、より小さい直径を有する端部から排出するように向けられ得る。或いは、この逆も可能である。様々な実施形態において、フローストリームは、回転するキャビテーション誘起体の軸に、又は、回転する誘起体の面へと中心方向に供給され得る。液体媒体内でキャビテーション誘起体の運動により生成される流体力学的キャビテーションの強度は、多数の変数に依存する。これらの変数は、特には、誘起体の形状及び寸法、誘起体内の孔の個数及び寸法、誘起体の個数、組合せ、及び配置、誘起体が運動及び／又は回転される速度、誘起体への、及び／又は誘起体と交差する流れの方向、誘起体の膨張側にかかる圧力、液体の蒸気圧、液体の組成、誘起体内の孔を通過する組成物の速度を含む。これらの変数は、特定のフィードストックのために、浄化されるべき材料及び除去されるべき汚染物質の性質を考慮して最適化される。流体力学的キャビテーションのための本発明の方法の様々な実施形態において有用な穿孔されたロータの例が、米国特許第６，５９６，１７８号明細書（アーチバルド（Archibald）ら）の図２及び図３に示されている。
【００２７】
ここで図２を参照すると、本開示による浄化方法の例示的な実施形態が、濾過２０１及び蒸留２０５を含む。これらの浄化ステップのいずれか又は両方が、浄化されるべき材料及び除去されるべき汚染物質の性質に従って、本発明の方法に任意選択的に含まれ得る。図２に示されている実施形態は、逐次的な、マイクロ波照射を伴う酸化的超音波電気分解２０３及びマイクロ波照射を伴う還元的超音波電気分解２０４を含む。これに関しては、以下に、より詳細に説明する。これらの超音波電気分解ステップの順序を逆にしてもよく、また、所望の結果を得るために、各ステップを必要に応じて何回でも繰り返してよい。フィードストック又は所望の結果に応じて、いずれのステップも排除（例えば迂回）可能である。
【００２８】
濾過２０１を、フローストリーム中の浮遊固形物の量を減少させるように構成することができる。従って、濾過は、液体（例えば水）の浄化のために設計された浄化方法に含まれることができる。このステップのために有用な濾過媒体（又は「フィルタ」（“filter”））は、ミクロン寸法〜センチメートル寸法の範囲の孔のいずれも有することができ、また、材料、例えば、スクリーン、紙、多孔質プラスチック、焼結ガラス、シリカ、珪藻土、砂などを含むことができる。任意の個数のフィルタを使用でき、例えば、孔寸法が低減していくように積み重ねたフィルタを使用できる。汚染水に関しては、全溶解固形物（ＴＤＳ）を、約数ミクロンの粒径で約１０グラム／リットル未満に低減するように濾過すると、いずれのｐＨ及びいずれの温度でも、混濁した塩水が得られよう。そして、このように濾過された水を、浄化方法における次のステップ、例えば、流体力学的キャビテーションのために使用できる。フィードストックを様々な濾過媒体に、適切に構成及び配置されたポンプを用いて押し込み又は引いて通すことができる。
【００２９】
引き続き図２を参照すると、蒸留２０５は、液体／蒸気の蒸留を含むことができる。この蒸留は、塩及び不揮発性固体を浄化されるべき液体（例えば水）から脱塩又はその他の方法で分離させるのに必要な任意の気圧での蒸気沸騰により行われる。加熱は、任意の手段、例えば、ガス炎、電気抵抗発熱要素、又は、太陽光若しくは地熱による手段により達成できる。
【００３０】
図２に示した方法は、さらに、マイクロ波照射２０３を伴う酸化的超音波電気分解を含む。このステップのために、パイプラインの一部分又は保持チャンバが、超音波トランスデューサ若しくはその他の音波源、マグネトロン若しくはその他のマイクロ波源を含むことができ、また、酸化電極、或いは、パイプ若しくはチャンバに印加される正（＋）電位を含むことができる。様々な実施形態において、２つ以上の電極を、パイプラインのセクション又は音響キャビテーション容器にて用いて酸化反応を促進できる。加えて、酸素、オゾン、又は、様々な過酸化化合物を超音波源に、若しくは超音波源の付近に、及び／又は、正（＋）電位電極若しくは正電位点に、或いは正（＋）電位電極若しくは正電位点の付近に導入できる。このステップは、浄化されるべきフィードストック中に存在し得る電子リッチな物質をターゲットにしている。可変アンペア数（Ａ）での十分な電圧（Ｖ）が、処理されるべきフローストリームのｐＨ及び導電率の両方に従って印加される。（Ｖ）及び（Ａ）の大きさは、処理される試料に基づいた経験的量であり、試料ごとに異なるであろう。（Ｖ）及び（Ａ）の様々な範囲については先に述べた。様々な実施形態において、これらのパラメータは、フィードストックの測定値（例えば、浸漬プローブを用いる）と、超音波電気分解に必要な（Ｖ）及び（Ａ）の値を計算及び設定するためのコンピュータプログラムとに基づいて自動的に設定されることができる。この場合、コントローラは、超音波電気分解のための（Ｖ）及び（Ａ）を、超音波電気分解ステップよりも上流のいずれかの場所でのフローストリームのモニタリングに基づいて設定できる。このようなフローストリームのモニタリングは、必要に応じて連続的でも、又は断続的でもよい。様々な実施形態において、フローストリームの測定を行い、そして、要求される（Ｖ）値及び（Ａ）値を手動で計算及び調整できる。（Ｖ）及び（Ａ）に従って、プローブのタイプ及び個数、フローストリームの組成、並びに、添加される酸化剤、ベント及び／又はガス収集システムを、超音波電気分解ステップにて生成されるガスのために提供できる。これらのガスは、有用な市販製品、例えば、水素（Ｈ２）、酸素（Ｏ２）、又はその他のガスであり得る。
【００３１】
図２に示した方法は、マイクロ波照射を伴う酸化的超音波電気分解２０３のステップも含む。マイクロ波は、高周波電界として作用し、一般に、可動電荷を含むいずれの物質（例えば、溶媒中の極性分子、又は、固体中の導電性イオン）も加熱する。極性液体（例えば、水）は、液体の成分分子が電界により回転させられ、衝突してエネルギを失うときに加熱される。水双極子は、ＥＭ放射線の電界の振動により連続的に再配向しようとする。周波数に応じて、双極子は電界に時間内に、又は遅れて移動し得る。或いは、双極子が明らかに影響を受けない場合もある。双極子が電界に遅れた場合、双極子と電界との相互作用が、加熱によるエネルギ損失をもたらし、この範囲は、これらの電界の位相差に依存する。このようにして誘起される加熱は、各周期において最大２回である。双極子の運動の容易性は、電子雲の粘度及び可動性に依存する。これらは、水中では、水素結合ネットワークの強度及び範囲に依存する。自由液体において、この双極子の運動は、ＧＨｚ周波数（マイクロ波）で生じる。一方、より制限された「束縛された」（“bound”）水において、双極子の運動はＭＨｚ周波数（短い電波）で生じ、氷においてはｋＨｚ周波数（長い電波）で生じる。マイクロ波の作用は、双極子の回転（例えば約５×１０９Ｈｚの回転速度）の誘起、及び、約１０℃／秒もの迅速な加熱を含む。マイクロ波加熱は、ターゲット化合物を、容器（タンク、パイプなど）の全体を加熱せずに加熱でき、これにより、時間及びエネルギを節約する。また、マイクロ波は、薄い物体も、導電加熱のように最初に外面を通して加熱するよりもむしろ、それらの体積全体にわたり十分に加熱できる。従って、マイクロ波加熱は、より均一な加熱方法といえよう。さらに、マイクロ波加熱は、より穏やかな反応条件下での反応速度加速により、分子及び材料を分解でき、より低いエネルギ使用で、より高い化学収率をもたらす。様々な実施形態において、マイクロ波照射を、定常流（steady-flow）操作又はユニット／バッチプロセスで用いることができる。
【００３２】
キャビテーションをマイクロ波照射と組み合わせると、音響キャビテーション泡の領域内で、より高強度の状態を、キャビテーションの慣性又は非慣性に関係なく、また、酸化的又は還元的電気分解がキャビテーションと同時に存在するかにも関係なく、つくりだすことができる。先に述べたように、慣性キャビテーション中に崩壊していくキャビテーション泡の内部は、数千ケルビンの絶対温度、及び、数百気圧の圧力に到達できる。マイクロ波照射はキャビテーション泡に集束し、そこで、放射線は、泡内に存在する蒸気を局所的に加熱し、化学反応を加速し、また、その他の方法では達成不可能な化学反応を促進する。同様に、非慣性キャビテーションにおいても、適切な寸法又は形状で振動するキャビテーション泡がマイクロ波照射により、様々な化学反応を促進及び加速する温度に加熱されることができる。音響キャビテーションにおいて、キャビテーション泡は、超音波プラズマ（“sonoplasma”）を含み、これは、本開示に従ってマイクロ波照射により加熱できる。
【００３３】
引き続き図２を参照すると、本発明の方法の様々な実施形態は、マイクロ波照射を伴う還元的超音波電気分解２０４のステップをさらに含むことができる。このステップのために、パイプラインの一部分又はチャンバが、超音波トランスデューサ若しくはその他の音波源、マグネトロン若しくはその他のマイクロ波源を含むことができ、また、還元電極、或いは、パイプ若しくはチャンバに印加される負（−）電位を含むことができる。様々な実施形態において、２つ以上の電極を、パイプラインのセクション又は音響キャビテーション容器にて用いて還元反応を促進できる。加えて、亜硫酸塩、ＣＯ又はＨ２を超音波源に、若しくは超音波源の付近に、及び／又は、負（−）電位電極若しくは負電位点に、或いは負（−）電位電極若しくは負電位点の付近に導入できる。このステップは、浄化されるべきフィードストック中に存在し得る電子プアな物質をターゲットにしている。このステップにおいて、同時に行われるマイクロ波照射は、酸化的超音波電気分解ステップで先に述べたのと同様に作用する。すなわち、マイクロ波は、音響キャビテーション泡中に存在する超音波プラズマを、不都合な物質を分解及び／又は破壊する化学反応を促進及び加速するのに十分な温度まで加熱する。例えば、マイクロ波照射下での還元的超音波電気分解は、電子供給源がグラファイトカーボン電極又はグラッシーカーボン電極である場合、塩素化された様々な有機化学薬品を脱塩素できる。本発明方法の様々な実施形態において、塩素化種、例えば幾つかの農薬を、浄水プロセスで破壊できる。酸化的超音波電気分解に関して以上に説明したように、電圧（Ｖ）値及びアンペア数（Ａ）値は手動で設定でき、或いは、浄化方法のこのステップに入るフィードストリームの動的サンプリングに従って、コントローラにより自動的に変更できる。
【００３４】
ここで図３を参照すると、フィードストックの浄化のために有用な例示的なシステム３００が示されている。システム３００は、本開示の方法を実行するために適切に構成された様々な装置を備えている。各装置は、１以上の浄化ステップを提供するために装置に必要な部品を有して構成されることができる。本開示のシステムによる装置は、パイプラインのセクション（一区画）、容器、チャンバ、リアクタ（反応器）などを含むことができ、これらの部品において、関連する浄化ステップが行われる。例示的なシステム３００は、流体力学的キャビテーション装置と、マイクロ波照射装置と、酸化的超音波電気分解装置及び還元的超音波電気分解装置のうちの少なくとも一方とを備えている。先に述べたように、様々な実施形態において、個々の浄化ステップは、パイプラインの任意のセクションにおいて、若しくは、パイプラインの、入口パイプライン及び／又は出口パイプラインよりも大きい断面積を有するセクションにおいて、又は、より大きいハウジングに出入りするパイプラインを有するチャンバ、リアクタ、若しくはその他の適切な容器において実行され得る。様々な実施形態において、少し見ただけでは、通常見ているパイプラインの特定のセクションが浄化装置を含む様子は見えず、おそらく、パイプラインのこの特定のセクションへの導線又はその他の接続部の存在が見えるだけかもしれない。これは、パイプラインのセクションが浄化装置として構成されていることを示す。
【００３５】
図３において、システム３００において様々な装置を接続している直線は、フローストリームを移動させるように構成されたパイプラインを示す。様々な実施形態において、パイプラインは、本開示の方法及びシステムに適した金属、プラスチック、又はその他の材料を含むことができる。パイプラインは、本開示の方法及びシステム全体にフローストリームを移動させるために必要な任意の断面形状（例えば、円）及び寸法を含むことができる。
【００３６】
図示されているように、フィードストック保存ユニット３０２が、本発明の方法の様々な実施形態により浄化されるべきフィードストックを収容し、供給する。先に述べたように、フィードストックは、本開示の浄化方法が施されるときに組成が変化される材料を含む。ポンプ３０３（システム３００に組み込まれている）を使用して、フローストリームを、システム３００の全体にわたって移動させることができる。必要に応じて、追加のポンプをシステム３００内のいずれの場所にも配置し得る。フィルタ３０４が、浮遊固形物を除去するために任意選択的に用いられ、フィルタ３０４は、先に述べたように濾過材料を含むことができる。濾過のために任意の個数のフィルタを使用してよい。図示されているように、分岐点（junction）３０５及び弁３０６をパイプラインに設けることができ、これらは、フローストリームのコースを方向付けるために、必要に応じてシステム３００のその他のいずれの位置にも配置できる。様々な実施形態において、フローストリームの方向変更を用いて、所望の結果が達成されるまでフローストリームの経路変更を特定の浄化装置中で繰り返し行い得る。また、バッチ処理がフローストリームに行われるときに、フローストリームを一時的に、より大きなチャンバ内に、又は、パイプラインの閉鎖されたセクション内に保持してもよい。
【００３７】
システム３００は、さらに、流体力学的キャビテーション装置３０７を含み、装置３０７は、フローストリームの流体力学的キャビテーションを誘起及び／又は促進できる、適切に構成された任意の個数のキャビテーション誘起体（現在知られているか又は今後開発される）を含む。例えば、流体力学的キャビテーション装置３０７は、先に述べたように、オリフィスプレート、多孔シリンダ、及び／又は、多孔コーンを含むことができる。キャビテーション誘起体を運動／回転させるためにモータを用いてもよい。モータは、任意のＡＣ電源又はＤＣ電源に接続されても、或いは、モータを動作させるのに十分なその他の任意の電源に接続されてもよい。このようにして、流体力学的キャビテーション装置３０７内でフローストリームに、高分子量物質が次のステップで容易に除去されるためにより小さいサブユニットに分解されるように十分な流体力学的キャビテーションを行うことができる。例えば、ワックス、オイル、グリース、炭化水素、脂質、有機体、細胞、細胞小器官、タンパク質、ポリペプチド、多糖類、及び、ＤＮＡなどを、流体力学的キャビテーションプロセス中にせん断して、より小さいサブユニットにすることができる。
【００３８】
図３に示されているように、流体力学的キャビテーションに続いて、マイクロ波装置３０８を用いてフローストリームにマイクロ波放射線を照射できる。マイクロ波装置３０８は、先に述べたように、任意のマイクロ波源、例えば、マグネトロン、クライストロン、進行波管、ジャイロトロン、電界効果トランジスタ、トンネルダイオード、ガンダイオード、又は、ＩＭＰＡＴＴダイオードを含むことができる。様々な実施形態において、マグネトロンをパイプラインのセクション上又はセクションの中に配置することが可能であり、こうして、フローストリームがパイプラインのマイクロ波源付近のゾーンを通過するときにフローストリームにマイクロ波を照射し得る。
【００３９】
マイクロ波照射の後、フローストリームは、第１の音響キャビテーション及び電気分解装置３０９に入る。装置３０９において、フローストリームに酸化的超音波電気分解が行われる。このために、超音波トランスデューサ３１０ａが装置３０９に取り付けられ又は挿入され得る。さらに、少なくとも１つの正（＋）電極３１１ａを電子のためのシンクとして設けることができる。電極３１ｌａは装置３０９内でフローストリームにガルバニ半電池電気化学反応を提供でき、従って、任意の個数の追加の電極も含むことができ、これらの電極は、第１装置３０９付近に、或いは、第１装置３０９から離れて配置される。装置３０９は、さらに、イオン溶液又はガスの形態の酸化剤を導入するように構成された入口ポートを含み得る。様々な実施形態において、第１装置３０９は、フローストリームの酸化的超音波電気分解中に生成されたいずれのガスも排出させるための出口をさらに含み得る。
【００４０】
図３に示されているように、フローストリームは、第１装置３０９を迂回されてもよく、或いは、第１装置３０９から出力されたフローストリームが第２の音響キャビテーション及び電気分解装置３１２に入ってもよく、装置３１２にて、フローストリームが還元的超音波電気分解を受ける。このために、超音波トランスデューサ３１０ｂが装置３１２に取り付けられ又は挿入され得る。さらに、少なくとも１つの負（−）電極３１１ｂを電子源として設けることができる。負（−）電極３１ｌｂは、第２装置３１２内でフローストリームにガルバニ半電池電気化学反応を提供でき、従って、任意の個数の追加の電極も含むことができ、これらの電極は、第２装置３１２付近に、或いは、第２装置３１２から離れて配置される。様々な実施形態において、第１装置３０９からの正（＋）電極３１１ａと、第２装置３１２からの負（−）電極３１１ｂとを、共通のＤＣ電源の反対極にそれぞれ接続してガルバニ全電池を生成することができる。第２装置３１２も同様に、還元剤を導入するための入口ポートと、還元的超音波電気分解中に生成されたいずれのオフガスも排出するための出口とをさらに含み得る。
【００４１】
図３にさらに示されているように、システム３００は蒸留器３１３を含み得る。蒸留器３１３は、蒸留により残留固形物をフローストリームから分離して最終生成物流を生成するために使用される。最終生成物流は、必要に応じて生成物流保存部３１５に保持される。固体又は塩水は、必要に応じて塩水及び／又は固体タンク３１４に保持され得る。蒸留器３１３及び固体タンク３１４は、フィードストック及び浄化されるべき材料の性質に従って任意に設けられる。先に述べたように、生成物流は、システム３００内を移動することにより組成が変化する材料を含む。
【００４２】
ここで図４を参照すると、浄化システムの別の例示的な実施形態であるシステム４００が示されている。図３のシステム３００と共通の幾つかの要素については、以上に詳細に説明しており、簡潔化のためにここでは繰り返さない。これらの要素は、フィルタ４０４、ポンプ４０３、流体力学的キャビテーション装置４０７、弁４０６、及び、蒸留器４１３を含む。図示されているように、様々な弁及びパイプラインを、特定のフィードストックのために必要に応じて個々の装置を迂回し又は繰り返し通るように接続できる。システム４００への入口はパイプライン４１６であり、パイプライン４１６を通って、フィードストックが浄化システムに入る。フィードストックは、このシステム４００を通って浄化される少なくとも１つの材料を含む。
【００４３】
装置４０７において、より大きい不純物を除去及びせん断するために濾過及び流体力学的キャビテーションを行った後、フローストリームは、酸化的超音波電気分解マイクロ波装置４１８に入る。装置４１８は、さらに、マグネトロン４１７ａ又はその他の任意の適切なマイクロ波放射源、トランスデューサ４１０ａ又はその他の任意の適切な音響エネルギ源、及び、正（＋）電極４１１ａを含む。先に述べたように、（＋）電極４１１ａは、正（＋）電位が印加された金属パイプラインの一部、プラスチックパイプラインの一部に取り付けられ且つ正（＋）電位が印加された任意の金属のストリップ、又は、任意のタイプの電極、例えば、ホウ素をドーピングしたダイヤモンド（ＢＤＤ）電極を含み得る。これらの３つの要素を有して適切に構成された装置４１８を用いて、装置４１８内のフローストリームに、音響キャビテーションと、電気分解と、マイクロ波照射とを同時に酸化状況下で行うことができる。これらのプロセスの組合せが、フローストリーム中に存在する汚染物質を破壊するように作用して、フローストリーム中の物質をさらに浄化する。音響キャビテーションは、超音波処理条件に応じて、慣性キャビテーション及び非慣性キャビテーションの両方を生成し、また、酸化種、例えばヒドロキシルラジカル基も生成できる。さらに、酸化剤、例えば、酸素、オゾン、又は過酸化物を、システム４００のこの装置に加えることができる。崩壊していくキャビテーション泡は、各泡内での気相化学反応を加速する非常に高い内部温度及び圧力を達成できる。流体力学的キャビテーションステップによる生成物である、より低分子量のサブユニットは、このとき、最終的破壊のためのキャビテーション泡へと気化するのに十分に揮発性であり得る。電気分解は、有機物質（例えば、塩素化された種）をさらに破壊するための電気化学反応を促進する。加えて、マイクロ波放射線が、キャビテーション泡中に存在する超音波プラズマを加熱して、気相化学反応及び電気化学的反応を促進及び加速できる。このように、超音波処理、電気分解、及び、照射を同時に行うことの全体的な結果として、後で廃棄が必要な汚染物質分離よりもむしろ、不都合な汚染物質の破壊となる。
【００４４】
引き続き図４を参照すると、フローストリームは、酸化的超音波電気分解及びマイクロ波照射の後、還元的超音波電気分解装置４１９に向けられることができる。装置４１９は、さらに、マグネトロン４１７ｂ又はその他の任意の適切なマイクロ波放射源、トランスデューサ４１０ｂ又はその他の任意の適切な音響エネルギ源、及び、負（−）電極４１１ｂを含む。先に述べたように、（−）電極４１１ｂは、負（−）電位が印加された金属パイプラインの一部、プラスチックパイプラインの一部に取り付けられ且つ負（−）電位が印加された任意の金属のストリップ、又は、任意のタイプの電極、例えば、グラファイトカーボン電極若しくはグラッシーカーボン電極を含み得る。これらの３つの要素を有して適切に構成された装置４１９を用いて、装置４１９内のフローストリームに、音響キャビテーションと、電気分解と、マイクロ波照射とを同時に還元状況下で行うことができる。先に述べたように、これらのプロセスの組合せが、フローストリーム中に存在する汚染物質を破壊するように作用し、こうして、フローストリーム中の材料をさらに浄化する。還元剤、例えば、亜硫酸塩又は水素（Ｈ２）を、システム４００のこの装置に加えることができる。崩壊していくキャビテーション泡は、各泡内での気相化学反応を加速する非常に高い内部温度及び圧力を達成できる。このように、超音波処理と、電気分解と、照射とを同時に還元状況下で行うことの全体的な結果として、後で廃棄が必要な汚染物質分離よりもむしろ、不都合な汚染物質の破壊となる。
【００４５】
図４に示されているシステム４００は、生成物流を生成して出口パイプ４２０から送り出すように動作する。これらの生成物流は、フィードストックに対して組成的に変化した材料を含む。先に述べたように、フィードストックは、浄化されるべき材料を含み、水、流体、鉱石、砂及び鉱物の沈澱物の少なくとも１つを含む。生成物流内に含まれる材料は、最初にフィードストックに含まれていた材料とは組成が異なる。例えば、汚染水は、システム４００に入るときに汚れたフィードストックであろうが、システム４００から出てくる生成物流は、最初の水の約８０％を超える浄化（約９０％を超えない場合があるにせよ）を示す飲用水を含み得る。
【００４６】
ここで図５を参照すると、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の両方がそれぞれマイクロ波照射を同時に伴う動的フローシステムが示されている。パイプラインのこのセクション（区画）は、本明細書にて開示する方法及びシステムのいずれかの一部、例えば、図３のシステム３００又は図４のシステム４００の一部であり得る。そして、パイプライン５５０の一区画が、フローストリーム５５１のための導管として機能することができる。フローストリーム５５１は、浄化されるべき少なくとも１つの材料を含み、この浄化は、マイクロ波照射を各々が同時に伴う連続的な酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解処理により行われる。図示されているように、パイプライン５５０の第１のセクション５５７は、酸化的超音波電気分解装置として機能する。パイプラインの第１セクション５５７の内部が第１の反応ゾーン５５８であり、反応ゾーン５５８にて、マイクロ波照射を伴う酸化的超音波電気分解がフローストリーム５５１に作用する。このために、マグネトロン５５１ａ又はその他のマイクロ波源をパイプライン５５０内に構成できる。マグネトロン５５１ａ付近に、トランスデューサ５５２ａ又はその他の超音波源を設けることができる。さらに、第１の電極５５３ａを、パイプライン５５０の、マグネトロン５５１ａ及びトランスデューサ５５２ａの両方の付近に設けることができる。
【００４７】
同様に、及び、パイプライン５５０に沿ってさらに下流の第２のセクション５５５に、第２の反応ゾーン５５６を設けることができ、反応ゾーン５５６にて、マイクロ波照射を伴う還元的超音波電気分解がフローストリーム５５１に作用する。図示されているように、パイプライン５５０の第２セクション５５５は、還元的超音波電気分解装置として機能する。このために、マグネトロン５５１ｂ又はその他のマイクロ波源をパイプライン５５０内に構成できる。マグネトロン５５１ｂ付近に、トランスデューサ５５２ｂ又は他の超音波源を設けることができる。さらに、第２の電極５５３ｂを、パイプライン５５０の、マグネトロン５５１ｂ及びトランスデューサ５５２ｂの両方の付近に設けることができる。
【００４８】
ＤＣ（直流）電源５５４、例えば、電池又は整流器を、第１電極５５３ａ及び第２電極５５３ｂの両方に接続できる。第１電極５５３ａをＤＣ電源の（＋）側に接続でき、これにより、パイプライン５５０内に存在する電解セルのカソードとして機能させる。第２電極５５３ｂをＤＣ電源の（−）側に接続でき、これにより、パイプライン５５０内に存在する電解セルのアノードとして機能させる。こうして、フローストリーム５５１は、パイプライン５５０の第１セクション５５７及び第２セクション５５５を通過することにより、マイクロ波照射の存在下での連続的な酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解を受けることができる。この構成の変型例が本発明の範囲内にある。例えば、電極をさらに追加してもよく、１以上の電極が、パイプライン５５０から離れた犠牲電極であってもよい。様々な実施形態において、２つの別々のマイクロ波源を使用するよりもむしろ、１つのマグネトロンのみの使用でも、パイプライン５５０の両方の超音波電気分解領域を照射するのに十分であり得る。また、１つの超音波トランスデューサのみでも、酸化的超音波電気分解ステップ及び還元的超音波電気分解ステップの両方に十分であり得る。様々な実施形態において、パイプライン５５０の、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の個々のステップを分離する任意の長さが存在し得る。また、様々な弁及び追加のパイプライを使用して、フローストリーム５５１がステップの１つを迂回し、及び／又は１つのステップを繰り返し行うようにしてもよい。
【００４９】
［本開示の浄化方法の用途］
様々な方法及びシステムを開示してきた。これらの方法及びシステムの用途が、以下に説明するように、様々な工業分野及び商業分野で認められよう。
【００５０】
Ｉ．水の浄化
１．工業工程中に汚染された水の浄化
米国において、工業は最大の汚染源であり、全ての水質汚染量の半分より多くを占め、最も致命的な汚染物質の要因である。約３７０，０００の製造施設が、膨大な量の淡水を、多くの種類の廃棄物を流し去るために使用する。廃棄物含有水又は廃水が、河川、湖又は海に排出され、これらが汚染物質を拡散させる。米国環境保護庁は、１９９６年の連邦議会で報告された国家水質調査（National Water Quality Inventory）において、国が調査した湖、河川及び河口の約４０％が、飲用供給、釣り、及び水泳などの基本的用途に対して過度に汚染されていると結論付けた。汚染物質は、砂粒、アスベスト、リン酸塩及び硝酸塩、水銀、鉛、苛性ソーダ、並びに、その他ナトリウム化合物、硫黄及び硫酸、油、並びに、石油化学製品を含む。加えて、多数の製造工場が、不希釈腐食剤、毒物、及びその他の有害な副生成物を排出する。建設産業は、石膏、セメント、研磨剤、金属、及び、有毒溶媒のスラリを廃棄する。食物連鎖に入リこむ危険性のあるその他の産業汚染物質は、ポリ塩化ビフェニール（ＰＣＢ）化合物、潤滑剤の成分、プラスチック、及び、接着剤を含む。
【００５１】
本明細書にて開示した浄化方法を、これら及びその他の工業活動により汚染された水の浄化に利用できる。例えば、本開示による浄化方法は、工業用水のフィードストック中に存在する以下の汚染物質、すなわち、砂粒、石膏、セメント、研磨剤、アスベスト、リン酸塩、硝酸塩、水銀、鉛、水酸化ナトリウム、及び、その他のナトリウム化合物、硫黄、硫酸、油、石油化学製品、腐食剤、毒物、金属、有毒溶媒、並びに、ＰＣＢを、除去及び／又は破壊するために用いることができる。様々な実施形態において、本発明の浄化方法を用いることで、少なくとも８０％の純水を、これら及びその他の産業活動により汚染された水から生成できる。
【００５２】
２．採掘作業中に汚染された水の浄化
採掘作業の結果として、水に対する主な４つのタイプの汚染が存在する。これらは、１）鉱山排水からの酸、２）リーチング（浸出）による重金属汚染、３）一般作業による処理化学薬品、４）浸食及び堆積による無機物質及びその他の研磨粒子である。様々な実施形態において、本発明の浄化方法を、用いることで、少なくとも８０％の純水を、これら及びその他の採掘作業により汚染された水から生成できる。
【００５３】
本明細書に開示した浄化方法を、これら及びその他の採掘作業により汚染された水の浄化に用いることができる。例えば、本開示による浄化方法を用いて、採掘作業による汚染水のフィードストック中に存在する、酸、重金属、処理化学薬品、及び無機堆積物を除去及び／又は破壊できる。様々な実施形態において、本発明の浄化方法を用いることで、少なくとも８０％の純水を、これら及びその他の採掘作業により汚染された水から生成できる。
【００５４】
３．ガスの水圧破砕工程中に汚染された水の浄化
誘起された様々な水圧破砕作業中に汚染される水の組成の例として、フェイエットビルシェールガス（Fayetteville Shale）の採掘によるデータは、水圧破砕流体（すなわち、汚染水）が、９０％の水と、９％のプロパント（砂、セラミック、焼結ボーキサイトなど）と、約０．５％未満の化学薬品の混合物とを含むことを示している。化学薬品の混合物は、０．１２３％の塩酸；０．０１％のペルオキシニ硫酸；０．００１％のグルタルアルデヒド及び２−ブロモ−２−ニトロ−１，２プロパンジオール殺菌剤；０．０６％のテトラメチル塩化アンモニウム、塩化カリウム、及びその他の塩類；０．００２％のメタノール；０．００７％の水酸化カリウム；０．０８８％のアクリル酸ナトリウム／アクリルアミド共重合体及びポリアクリルアミド（ＰＡＭ）；０．０５６％のグアーガム；０．００４％のクエン酸、チオグリコール酸、及びその他のキレート（chelant）；０．０４３％の塩化アンモニウム、エチレングリコール、及び、ポリアクリレートスケールコントロール剤；並びに、０．０８５％の界面活性剤を含む。
【００５５】
本明細書にて開示される浄化方法を、これら及びその他の誘起された水圧破砕作業により汚染された水の浄化に用いることができる。例えば、本開示に従う浄化方法は、水圧破砕流体のフィードストック中に存在する以下の汚染物質を除去及び／又は破壊するために用いることができる。これら汚染物質は、砂、セラミック、焼結ボーキサイト、酸、アルカリ、アルコール、溶媒、界面活性剤、ゲル化剤、ペルオキシ化合物、合成ポリマ及びコポリマ、スケールコントロール剤、鉄キレート（chelant）、塩類、殺生物剤、及び腐食防止剤である。様々な実施形態において、本発明の浄化方法を用いて、これら及びその他の誘起された水圧破砕により汚染された水の少なくとも８０％の浄化を行うことができる。
【００５６】
４.エネルギ生産中に汚染された水の浄化
エネルギ生産の過程で、水は、熱的に汚染されるだけではない。例えば、ボイラのブローダウンにおいて、不純物の周期的なパージングにより廃水流が生じ、これが蒸気ボイラシステムに集中する。これらの汚染物質は、金属、例えば、銅、鉄、及びニッケルと、そして、蒸気発生器部品のスケーリング及び腐食を防止するために加えられる化学薬品も含む。石炭パイルの流出のとき、水が発電プラントサイトに保持されている石炭貯蔵管パイルに接触するときに廃水流を生み出す。大部分のパイルは覆われた状態にあるが、発電プラントの差し迫ったニーズを満たすためにすぐ使用できる状態のパイルは、自然条件に晒される場合が多い。金属及びその他の石炭に含有される自然発生する汚染物質は、降雨により浸出し、近隣の水塊に堆積する。冷却プロセスにおいて、発電プラント冷却のために使用される水は、設備の寿命を長くするために、また、効果的な動作を保証するために化学的に変更されている。脱塩試薬及びリンス剤などの化学薬品が、工場の冷却システム用補給水として使用される水を浄化するために用いられる。冷却塔のブローダウンは、冷却塔における生物の増殖を防止するために、及び、コンデンサの腐食を防止するために加えられる化学薬品（例えば、Ｃｒ（ＶＩ）及びＣｒ（ＩＩＩ）化合物）を含む。ボイラの運転において、廃棄物が、スケール及びその他の燃焼の副生成物を除去するための化学添加物から生じる。要約すると、様々な金属的、化学的、及び殺生物性の汚染物質が、エネルギ生産における様々な目的のために使用される水にて検出される。
【００５７】
本明細書において開示した浄化方法は、これら及びその他のタイプのエネルギ生産により汚染された水の浄化に用いられることができる。例えば、本開示による浄化方法を用いることで、エネルギ生成から生じる廃水流のフィードストック中に存在する以下の汚染物質を除去及び／又は破壊できる。これらの汚染物質は、Ｃｒ（ＩＩＩ）化合物、Ｃｒ（ＶＩ）化合物、Ｃｕ（銅）、Ｆｅ（鉄）及びＮｉ（ニッケル）（各々が、元素又は様々な酸化状態）、スケールコントロール剤、殺生物剤、及び、腐食防止剤である。様々な実施形態において、本発明の浄化方法を用いることで、これら及びその他の形態のエネルギ生産により汚染された水の少なくとも８０％の浄化を行うことができる。
【００５８】
５．農業活動中に汚染された水の浄化
現在の米国の水質汚染の主な原因の１つは農業である。農業活動からの水の汚染物質は、例えば、アンモニア、硝酸塩、リン酸塩、病原体、抗生物質、金属、重金属、及び、有機物質を含む。２０００年に米国環境保護庁により行われた国家水質調査（National Water Quality Inventory）において、農業活動は、河川の水の４８％の、そして、湖水の４１％の汚染源となっていると確認された。
【００５９】
本明細書にて開示した浄化方法を、農業動作により汚染された水の浄化に用いることができる。例えば、本開示による浄化方法を用いることで、農業用水を含むフィードストック中に存在する以下の汚染物質を除去及び／又は破壊できる。これらの汚染物質は、特には、アンモニア、硝酸塩、リン酸塩、病原体、抗生物質、金属、重金属、及び、有機物質などである。様々な実施形態において、本発明の浄化方法を用いることで、農業により汚染された水の少なくとも８０％の浄化を行うことができる。
【００６０】
ＩＩ．鉱物の精製
１．鉱石、砂、及び、鉱物の堆積物中に存在する元素金属の精製
本明細書にて開示した浄化方法を、元素金属の精製に用いることができる。本発明の方法のためのフィードストックは、例えば、鉱石、砂、及び、鉱物の堆積物を含む。例えば、金鉱石は、元素金が分散されている岩石を含み得る。様々な実施形態において、斑岩堆積物を含むフィードストックを本発明の方法で処理することにより、元素銅を得ることができる。概して、本発明の方法を用いて、精製されたＡｇ（銀）、Ａｕ（金）、Ｃｕ（銅）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、及びＮｉ（ニッケル）を、様々な鉱石、砂、及び、鉱物の堆積物から生成できる。一般的に、本開示の方法を用いて希土類元素を分離できる。最初の鉱石、砂、又は堆積物を、約１００メッシュに粉砕し、そして、水又はその他の好適な担体液体と混合させて、フィードストックスラリを形成できる。次いで、スラリを、先に述べたように浄化方法の第１のステップに、その方法のためのフィードストックとして導入できる。
【００６１】
２．鉱石、砂、及び、堆積物中に存在する金属化合物の精製
本明細書にて開示される浄化方法を、金属化合物の精製に用いることができる。本発明の方法のためのフィードストックは、例えば、鉱石、砂、及び、鉱物の堆積物を含む。例えば、黄銅鉱に、本発明の方法を施して、精製された硫酸銅（ＩＩ）を生成できる。一般的に、本開示の方法を用いて、例えば、Ｍｇ（マグネシウム）、Ｌｉ（リチウム）、Ａｌ（アルミニウム）、Ｓｉ（ケイ素）、Ｔｉ（チタン）、Ｍｎ（マンガン）、Ｆｅ（鉄）、Ｃｏ（コバルト）、Ｎｉ（ニッケル）、Ｃｕ（銅）、Ｚｎ（亜鉛）、Ｓｅ（セレン）、Ｍｏ（モリブデン）、Ａｕ（金）、Ａｇ（銀）、Ｐｄ（パラジウム）、Ｐｔ（プラチナ）、Ｗ（タングステン）、Ｚｒ（ジルコニウム）、Ｃｄ（カドミウム）などとして知られている（Ｉ）〜（ＶＩＩＩ）周期元素の安定した酸化化合物を、様々な鉱石、砂、及び鉱物の堆積物から生成できる。最初の鉱石、砂、又は堆積物を約１００メッシュに粉砕し、そして、水又はその他の好適な担体液体と混合させて、フィードストックスラリを形成できる。次いで、スラリを、先に述べたように浄化方法の第１のステップに、その方法のためのフィードストックとして導入できる。
【００６２】
当業者には、本開示の精神又は範囲から逸脱せずに本開示に様々な修正及び変更を行えることが明らかであろう。従って、本開示は、本開示の修正及び変更を、それらが添付の特許請求の範囲及びそれらの均等物の範囲内にあるならば、包含するものとする。
【００６３】
同様に、多数の特徴及び利点を上記の説明において記載してきたが、これらも、様々な変型例を、装置及び／又は方法の構造及び機能の詳細と共に含む。本開示は、例示的であることのみを意図されているにすぎず、排他的であることは意図されていない。当業者には、様々な修正が、特には、構造、材料、要素、構成要素、形状、寸法、及び、部品の組合せを含む配置に関し、本開示の原理の範囲内で、添付の請求の範囲がその中に表現される文言の広く一般的な意味により示される全範囲まで行われ得ることが明らかであろう。これらの様々な修正は、添付の請求の範囲の精神又は範囲から逸脱しない限りにおいて、特許請求の範囲内に含まれるものとする。
【図１】
2016528022.tif 000003
【図２】
2016528022.tif 000004
【図３】
2016528022.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【手続補正書】
【提出日】平成28年1月7日(2016.1.7)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
フィードストックを浄化する方法であって、
浄化されるべき少なくとも１つの材料を含むフィードストックを提供するステップと、
前記フィードストックに、流体力学的キャビテーションと、マイクロ波照射と、酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方とを施し、それにより、組成が変更された材料を含む生成物流を生成するステップと、
を含む方法。
【請求項２】
さらに、濾過及び蒸留の少なくとも一方を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記マイクロ波照射と、前記酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解の少なくとも一方とが同時に行われる、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記酸化的超音波電気分解及び還元的超音波電気分解が両方ともに存在し、且つ連続的であり、前記酸化的超音波電気分解が前記還元的超音波電気分解よりも前に行われる、請求項３に記載の方法。
【請求項５】
前記フィードストックが、水、流体、及び、鉱物の少なくとも１つを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
フィードストック中の材料を浄化するためのシステムであって、
（ｉ）前記フィードストックの受け入れおよび流体力学的キャビテーションのために構成された流体力学的キャビテーション装置と、
（ｉｉ）前記流体力学的キャビテーション装置と流体的に接続され、前記フィードストックの超音波処理と照射と電気分解とを酸化状況下で行うように構成された酸化的超音波電気分解マイクロ波装置と、
（ｉｉｉ）前記流体力学的キャビテーション装置及び前記酸化的超音波電気分解マイクロ波装置と流体的に接続され、前記フィードストックの超音波処理と照射と電気分解とを還元状況下で行うように構成された還元的超音波電気分解マイクロ波装置と、
を備え、
前記システムは、前記材料の組成を変化させる、システム。
【請求項７】
前記流体力学的キャビテーション装置が、ベンチュリ、プロペラ、オリフィスプレート、穿孔シリンダ、穿孔コーン、及びこれらの組合せ物から成る群から選択される少なくとも１つのキャビテーション誘起体を備えた、請求項６に記載のシステム。
【請求項８】
前記酸化的超音波電気分解マイクロ波装置及び前記還元的超音波電気分解マイクロ波装置の少なくとも一方が、マグネトロン及びトランスデューサのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項９】
前記酸化的超音波電気分解マイクロ波装置が正帯電電極を含み、前記還元的超音波電気分解マイクロ波装置が負帯電電極を含む、請求項６に記載のシステム。
【請求項１０】
前記正帯電電極と前記負帯電電極とが共に単一のＤＣ電源を通じて接続されており、これにより、前記正帯電電極がカソードとして機能し、前記負帯電電極がアノードとして機能する、請求項９に記載のシステム。
【国際調査報告】
2016528022.tif 000008