(57)【要約】  微生物を死滅させるための処理などの水を処理するための電気透析ユニット8は、膜セルと、流入水流の一部を膜セルのアノード側に向けるアノード流路52と、流入水流の一部を膜セルのカソード側に向けるカソード流路50と、水の温度をモニターするための温度モニタリングデバイス9aと、水が膜セルに達する前にアノード流路52中の水の温度を上げるためのヒーター9bとを備え、元の水の温度が所定のレベルより低い場合に、ヒーター9bがアノード流路52中の水の温度を上げる働きをするように構成されている。膜71は、電極と電極との間（カソード68とアノード70の間）に配置される。【選択図】  図9
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
水を処理するための電気透析ユニットであって、膜セルと、流入水流の一部を前記膜セルのアノード側に向けるアノード流路と、流入水流の一部を前記膜セルのカソード側に向けるカソード流路と、前記水の温度をモニターするための温度モニタリングデバイスと、前記水が前記膜セルに達する前に前記アノード流路中の前記水の温度を上げるためのヒーターとを備え、元の水の温度が所定のレベルより低い場合に、前記ヒーターが前記アノード流路中の前記水の温度を上げる働きをするように構成されている、電気透析ユニット。
【請求項２】
前記カソード流路中の前記水が、何ら予備加熱することなく前記膜セルに通される、請求項１に記載の電気透析ユニット。
【請求項３】
前記アノード流路中の流量が、前記カソード流路中の流量より低い、請求項1または2に記載の電気透析ユニット。
【請求項４】
前記カソード側の体積流量が、前記アノード側の体積流量の少なくとも2倍である、請求項3に記載の電気透析ユニット。
【請求項５】
前記アノード流路中の水の加熱のきっかけとなる前記流入水の所定の温度レベルが、前記アノード反応の効率の低下が避けられるように選択される、請求項1〜4のいずれか1項に記載の電気透析ユニット。
【請求項６】
前記元の温度が10℃より低い場合、前記ヒーターが前記流入水の温度を上げる働きをする、請求項1〜5のいずれか1項に記載の電気透析ユニット。
【請求項７】
前記元の温度が15℃より低い場合、前記ヒーターが前記流入水の温度を上げる働きをする、請求項1〜6のいずれか1項に記載の電気透析ユニット。
【請求項８】
前記ヒーターが、前記アノード流路中の前記水の温度を、15℃を超える温度に上げる働きをするように構成される、請求項1〜7のいずれか1項に記載の電気透析ユニット。
【請求項９】
前記ヒーターが、前記アノード流路中の前記水の温度を、16℃を超える温度に上げる働きをするように構成される、請求項1〜8のいずれか1項に記載の電気透析ユニット。
【請求項１０】
前記ヒーターが、前記膜セルの全体に沿って前記膜セルの前記アノード側で15℃を超える温度に維持するのに十分な温度に、前記アノード流路中の前記水の温度を上げる働きをするように構成される、請求項1〜9のいずれか1項に記載の電気透析ユニット。
【請求項１１】
前記ヒーターが、廃熱、例えば、エンジンの冷却システムまたはエンジンの排気から回収される熱によって駆動される、請求項1〜10のいずれか1項に記載の電気透析ユニット。
【請求項１２】
請求項1〜11のいずれか1項に記載の電気透析ユニットを備えたバラスト水処理装置。
【請求項１３】
請求項１２に記載の前記バラスト水処理装置を備えた船舶。
【請求項１４】
膜セルを使った電気透析による水処理方法であって、前記膜セルは、流入水流の一部を前記膜セルのアノード側に向けるためのアノード流路、および流入水流の一部を前記膜セルのカソード側に向けるためのカソード流路に連結され、前記流入水の温度をモニタリングすることおよび前記元の水の温度が所定のレベルより低い場合に、前記水が前記膜セルに達する前に前記アノード流路中の前記水の温度を上げることを含む方法。
【請求項１５】
前記膜セルのカソード側の前記水が加熱されない、請求項14に記載の方法。
【請求項１６】
大型船などの船舶に搭載されているバラスト水を処理する方法である、請求項14または15に記載の方法。
【請求項１７】
例えば、エンジン冷却システムからの廃熱またはエンジンの排気から回収された熱であってもよい、回収した熱を用いて前記水を加熱することを含む、請求項14、15または16に記載の方法。
【請求項１８】
前記元の温度が10℃未満である場合、好ましくは前記元の温度が15℃未満である場合に、前記流入水の温度を上げることを含む、請求項14〜17のいずれか1項に記載の方法。
【請求項１９】
前記アノード流路中の水の温度を上げることが、前記水を、15℃を超える温度、好ましくは16℃を超える温度に加熱することを含む、請求項14〜18のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２０】
前記アノード水が加熱される温度が、前記膜セルの全体に沿って前記アノード側で15℃を超える温度、好ましくは16℃を超える温度に維持するのに十分である、請求項14〜19のいずれか1項に記載の方法。
【請求項２１】
電気透析ユニットの製造方法であって、膜セルを設けること、流入水流の一部を前記膜セルのアノード側に向けるアノード流路を設けること、流入水流の一部を前記膜セルのカソード側に向けるカソード流路を設けること、前記水の温度をモニターするための温度モニタリングデバイスを設けること、および前記水が前記膜セルに達する前に前記アノード流路中の前記水の温度を上げるためのヒーターを設けることを含み、前記元の水の温度が所定のレベルより低い場合に、前記ヒーターが前記アノード流路中の前記水の温度を上げる働きをするように構成されている方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電気透析による水の処理、例えば、微生物を死滅させるための処理、好ましくはバラスト水処理などの海水の処理に関する。
【背景技術】
【０００２】
本明細書で使用される場合、「水」という用語は、一般に、純水を意味するものではなく、文脈から明らかなように、処理の必要な水、例えば、自然に形成された水域に存在する海水または塩水に関する。
バラスト水は、大型船のバラスト水タンクまたは、場合によっては、貨物倉または積荷タンクなどのそのほかの適切な空間に入れて運ばれる水である。バラスト水は、水「提供（donor）」地でタンク中に圧送され、積荷および／または燃料が降ろされた／消費された際の重心の変化を補償して安定性を維持する。適切なバラスト積載は、構造的な観点から不可欠であり、また、適切なスクリューおよび舵の浸漬、適切な船橋視界ならびに所望の船舶移動および操舵特性の維持を確保するための性能上の理由のためにも使用される。バラスト水は水「受け入れ（recipient）」地、通常、船舶が積荷を積載される地点に運ばれる。この地点は、バラスト水の起原の生物地理区の区域外の可能性がある。その後、積荷が載せられるに伴い、バラスト水は放出することができる。バラスト水は、動物プランクトン、植物プランクトン、細菌およびウイルスを含む一連の種の宿主となる場合がある。これらは、放出の時点では天敵がいない場合があり、新たな場所で定着および繁殖して、環境、産業およびヒトの健康に深刻な問題を引き起こすことがある。
【０００３】
水および特にバラスト水を処理して、微生物を死滅させるかまたは無能力化し、さらに、その他の汚染物質を減らすかまたは除去することが望ましい。
国際公開第2008/047084号パンフレットは、膜セルによる電気透析の使用を含むバラスト水処理の方法および装置を記載している。このタイプの電気透析は、イオン交換膜により分離される2つの電極間に一定のまたはパルス状の電位差を印加することにより起こるイオン分離に基づいた流体処理プロセスである。一方の電極は負に帯電したイオンを引き付けるアノード（正電荷）として働き、他方の電極は正に帯電したイオンを引き付けるカソード（負電荷）として働く。膜とアノードとの間のコンパートメント内の流体は、例えば、電子が過剰にある負に帯電したイオンにより特徴付けされ、濃縮物と呼ばれることもある。また、膜とカソードとの間のコンパートメント内の流体は、電子が不足している陽イオンの存在により特徴付けされ、希釈物と呼ばれることもある。
【０００４】
電気透析プロセスによっては、複数の膜セルが電気透析スタックと呼ばれる構造を形成するように配置され、アニオン交換膜およびカチオン交換膜が単一のアノードとカソードとの間に交互に並べられ、複数の膜セルが形成されている場合もある。電気透析の既知の用途には、大規模な淡海水および海水の淡水化および塩の生産や、小規模および中規模の飲料水の生産などが挙げられる。また、電気透析は、プロセス産業において重金属などの汚染物質を分離するためにも用いられている。
【０００５】
国際公開第2008/047084号パンフレットの開示内容によれば、バラスト水の処理が、主水流からバラスト水の一部を分離し、分離された一部を膜セルを通して流し、膜セルからの生成物を主水流に戻すことによりなされている。戻された生成物は主として濃縮物であり、このことには、水中の微生物を無能力化または死滅させる効果がある。水の一部のみを電気透析処理ユニットを通して膜セルからの生成物を水に戻すという概念は当該技術分野における進歩を示している。その理由は、水流全体を電気透析処理ユニットに通す必要もなく水が効果的に処理されるためである。
【０００６】
従って、国際公開第2008/047084号パンフレットの電気透析デバイスは、バラスト水処理などの水処理での使用に有利な形態の電気透析を提供する。しかし、このタイプの電気透析をバラスト水などの海水を処理するために用いることに関する研究がさらに進められ、改良が可能な領域が明らかになってきている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００７】
発明の第１の態様によれば、本発明は水処理のための電気透析ユニットを提供し、電気透析ユニットは、膜セルと、流入水流の一部を膜セルのアノード側に向けるアノード流路と、流入水流の一部を膜セルのカソード側に向けるカソード流路と、水の温度をモニターするための温度モニタリングデバイスと、水が膜セルに達する前にアノード流路中の水の温度を上げるためのヒーターとを備え、元の水の温度が所定のレベルより低い場合に、ヒーターがアノード流路中の水の温度を上げる働きをするように構成されている。
【０００８】
流入水の温度が一定レベル未満であると、電気透析ユニットを駆動するのに必要となる電力が著しく増大することが明らかになった。この電力の増大はその水を加熱するのに必要となる電力よりも大きくなる可能性がある。従って、システムの効率は、元の温度が低すぎる場合に水を加熱することにより改善される。上記の方法は、膜セルに到着する前にアノード流路中の水が加熱されることを必要とする。好都合にも、カソード流路中の水は何ら予備加熱することなく膜セルに通される。従来は、例えば、英国特許第2487249号明細書に記載されているように、出願者は、加熱の前の水流の分離に関する何の示唆もなしに流入水の加熱を提案した。英国特許第2487249号明細書に記載の一般的な概念は、大きな利点を提供するが、アノード流路中の水のみを予備加熱というより特定の特徴により、さらに優れた利点が提供されることが明らかになった。
【０００９】
この利点は、膜により分離された電気透析セルのアノード側およびカソード側に発生する化学反応の差異により生ずる。アノード側では、酸化剤が生成される。酸化剤形成は、約17℃を超える温度で有利であり、一方、その温度未満では、酸素形成の競合する反応の方が有利である。約14℃〜18℃の遷移温度の範囲が存在し、温度がこの範囲内に入るときと、この範囲から出るときに、効率に大きな変化がある。水の温度が遷移温度、典型的には17℃、より低い場合には、明らかに、アノード側に供給される水を加熱することに大きな利点がある。17℃を超えると、酸化剤形成が安定となるため、温度を継続して上げることの現実的な利点はない。従って、アノード側の水を加熱して、17℃より高い、またはできれば18℃、さらに高くはない温度に上げるのが好ましい。実際に、より高温、例えば、35℃では、化学反応が変化し、望ましくない副産物の生成が始まる場合がある。従って、アノード水は、35℃を超えて加熱しないのが好ましく、25℃を超えて加熱しないのがより好ましい。
【００１０】
カソード側では、水素およびアルカリ性化合物、すなわち、Mg(OH)2が形成される。Mg(OH)2はゲル状物質の形で現れ、セルを通る水流を妨害する場合がある。従って、Mg(OH)2は極めて望ましくない。さらに、水素の形成は、大きな安全上の懸念を生ずる。理想的には、水素およびMg(OH)2の生成を制限すべきである。一般的には、温度は化学反応を加速する効果がある。
従って、カソード水の加熱の回避は、化学反応との関連で好ましい効果があるであろう。また、カソード水の加熱の回避は、全部の水を加熱する先行技術に比べて、エネルギー消費を減らす。
【００１１】
さらに、好ましい実施形態では、アノードおよびカソード流路における水および相対的流量の分布が偏る可能性がある。特に、アノード流路中の流量は、カソード流路中よりもよりも小さい場合がある。例えば、カソード側の体積流量は、アノード側の体積流量の少なくとも2倍、できれば約3対1またはそれより大きい比の場合がある。このことは、カソード側に対する「洗浄効果」を可能とし、水滑石の堆積を最小限にする。この膜の各側面の水流量の不均衡が、膜セルのアノード側に入る水のみを加熱することの利点をさらに増幅する。その理由は、この水量が合計水量の半分に未満であり、また、合計量の4分の1、またはそれより少ない可能性もあるからである。エネルギー消費の利点は、加熱を要する水の体積の減少と完全には整合しない。その理由は、当然のことであるが、カソード側のより冷たい水との熱交換による熱の損失とバランスするのに追加の熱が必要となるためである。それにもかかわらず、利点は依然として大きい。
【００１２】
電気透析ユニットは、好ましくは海水を処理するためのものであり、さらに好ましくはバラスト水を処理するためのものである。電気透析ユニットは大型船（ship）などの船舶（vessel）に設置されるようになっていてもよい。
ヒーターは、電気ヒーターであってもよく、または燃料ヒーターであってもよい。しかしながら、ヒーターは、廃熱により加熱力が供給されるようになっていることが好ましい。例えば、廃熱は、エンジンの冷却システムの廃熱から供給されるものであってもよく、またはエンジンの排気から回収される熱によって供給されるものであってもよい。このことにより、効率がさらに改善される。ヒーターは熱交換器または同様のデバイスを含んでいてもよい。従って、アノード流路は熱伝達のためにヒーターと連結されてもよく、また、例えば、熱交換回路を通る流路を含んでもよい。
【００１３】
温度モニタリングデバイスは、全体流入水流の温度をモニター、すなわち、アノードおよびカソード流路に分離する前に温度をモニターしてもよく、またはアノード流路温度のみをモニタリングするためのものであってもよい。温度モニタリングデバイスは、代わりに、または追加して、膜セルの温度をモニターすることもでき、従って、加熱がすでに行われている場合には、加熱後の温度をモニターすることもでき、および／またはカソード側のより冷たい水との熱伝達後の温度を調べるために、膜セルのアノード側の出口でモニターすることもできる。このように、温度モニタリングデバイスは、2つの機能：加熱が行われていない場合の未加熱水の温度のモニタリング、および必要とする温度に到達し、その温度に維持されているかどうかを判断するために、膜セル中、例えば、膜セルのアノード流路中の加熱水の温度のモニタリングを実行する。温度モニタリングデバイスは、任意の好適な形態であってよく、例えば、1種または複数種の温度センサーおよび制御デバイス、例えば、マイクロプロセッサを含めることができる。
【００１４】
アノード水の加熱のきっかけとなる流入水の所定の温度レベルは、上述のアノード反応の効率の低下が回避されるように設定されるのが好ましい。異なる水組成物に対して、これが起こる温度は変わってもよいが、通常、10℃〜18℃の範囲である。好ましい実施形態では、ヒーターは、元の温度が10℃未満である場合、好ましくは元の温度が15℃未満である場合、さらに好ましくは元の温度が16℃未満である場合に、流入水の温度を上げる働きをする。海水の場合、温度が約15℃または16℃未満にまで下がる場合に電力使用量の著しい上昇が起きることが明らかになっており、これは、上述の化学反応の効率の変化の結果である。水は、15℃を越えるまで、好ましくは16℃を超えるまで、より好ましくは少なくとも17℃まで、より好ましくは少なくとも18℃まで、および随意選択で20℃以上まで加熱してもよい。約20℃を超える温度の海水を使用しても電力使用量の大きな削減はないことが見出されている。アノード水が加熱される温度は、膜セルの全体に沿ってアノード側で15℃を超える温度、好ましくは16℃を超える温度、より好ましくは17℃を超える温度、より好ましくは18℃を超える温度に維持するのに十分であるのが好ましい。
【００１５】
水がセルを通過するのに伴い、熱は失われる可能性があり、従って、必要とする最小限の温度がセル全体に維持されるのを確保するためには、初期の過熱（すなわち、最適温度を超える加熱）が必要となる場合にはこの点に関し妥協されるべきであることは理解されよう。
【００１６】
第２の態様によれば、本発明は膜セルを使った電気透析による水処理の方法を提供し、膜セルは、流入水流の一部を膜セルのアノード側に向けるためのアノード流路、および流入水流の一部を膜セルのカソード側に向けるためのカソード流路に連結され、方法は、流入水の温度をモニタリングすること、および元の水の温度が所定のレベルより低い場合に、水が膜セルに達する前にアノード流路中の水の温度を上げること、を含む。
【００１７】
上記装置と同様に、方法は、膜セルのアノード側の水の加熱を含み、また、好都合にも、膜セルのカソード側の水は加熱されない。
方法は、好ましくは海水を処理する方法であり、より好ましくはバラスト水を処理する方法である。方法は、大型船などの船舶に搭載されているバラスト水を処理するためのものであってもよい。
【００１８】
アノード流路中の水を加熱するステップにはヒーターが用いられてもよい。ヒーターは、電気ヒーターであってもよく、または燃料ヒーターであってもよい。しかしながら、好ましくは、方法は、回収した熱を用いて水を加熱することを含み、この熱は、例えば、エンジン冷却システムからの廃熱であってもよく、またはエンジンの排気から回収された熱であってもよい。アノード流路中の水の加熱は、例えば、エンジン冷却または排気熱により加熱された水と熱交換するために、熱交換回路を通すことを含んでもよい。
【００１９】
好ましい実施形態では、元の温度が10℃未満である場合、より好ましくは元の温度が15℃未満である場合、さらにより好ましくは元の温度が16℃未満である場合、流入水の温度を上げることが含まれる。水は、15℃を越えるまで、好ましくは16℃を超えるまで、より好ましくは17℃を超えるまで、さらにより好ましくは少なくとも18℃まで、および随意選択で20℃以上まで加熱してもよい。
【００２０】
アノード水が加熱される温度は、膜セル全体に沿ってアノード側で15℃を超える温度、好ましくは16℃を超える温度、より好ましくは17℃を超える温度、さらにより好ましくは18℃を超える温度を維持するのに十分であるのが好ましい。
過度の熱は問題を生ずる場合があり、上記で説明したように、追加の省電力化をもたらさない。従って、アノード水は、35℃を超えて加熱しないのが好ましく、25℃を超えて加熱しないのがより好ましい。
【００２１】
第３の態様によれば、本発明は電気透析ユニットの製造方法を提供し、方法は、膜セルを設けること、流入水流の一部を膜セルのアノード側に向けるアノード流路を設けること、流入水流の一部を膜セルのカソード側に向けるカソード流路を設けること、水の温度をモニターするための温度モニタリングデバイスを設けること、および水が膜セルに達する前にアノード流路中の水の温度を上げるためにヒーターを設けることを含み、元の水の温度が所定のレベルより低い場合に、ヒーターがアノード流路中の水の温度を上げる働きをするように構成されている。
【００２２】
上述の態様および好ましい実施形態の電気透析ユニットは、下記の1つまたは複数の特徴を含んでもよく、および／または、下記の特徴のいずれかを含む水処理装置に組み込まれてもよい。
膜は、水不透過性イオン交換膜などの水の電気透析での使用に適したいずれの膜であってもよい。膜セルが、例えば、AC電気により電力が供給される予定の場合、イオン選択性膜が随意選択で用いられてもよい。
【００２３】
好ましくは、電気透析処理は、電気透析ユニットの生成物を製造し、その後、生成物を処理の必要な水と混合して、微生物を死滅させるかまたは無能力化するためのものである。従って、電気透析ユニットは、より大きな水処理システムの一部であってよく、この水処理システムは、電気透析ユニットの生成物およびその他の処理に必要な水の混合物を貯蔵するタンクまたはリザーバーを含むことができる。
【００２４】
処理される水の一部にだけ電気透析処理が適用され、この水の一部が水の本体から分離され（水の残部を後に残す）、電気透析ユニットの生成物を残りの水に戻して、残りの水と、電気透析セルの生成物として形成された水との混合物を処理するのが好ましい。好ましい水処理装置では、電気透析ユニットにより処理された水の一部が、主水流から処理直前に分離されて電気透析ユニットを通過し、残りの水が電気透析ユニットによる処理を受けずに通り過ぎる。従って、水処理装置は、主流路と、流れの一部を主流路から分離し、電気透析ユニットを通る方向に向けるよう構成される入口流路とを有する。あるいは、電気透析ユニットにより処理される水の一部は、別の供給源、例えば、塩水または海水の外部供給源からから供給されてもよい。いずれの場合であっても、水処理装置は、電気透析ユニットの出口流路から主流路まで、またはタンクもしくはリザーバーまでの連結部を含み、出口流路を経由して、処理される水に電気透析ユニットの生成物が添加される。この処理される水は、例えば、上記で考察した水の残りであってもよい。
【００２５】
電気透析ユニットにより処理されない水は、上述の水の一部に対するの電気透析処理と実質的に並行して、例えば、キャビテーション処理または窒素注入処理などの他の処理に供してもよい。これらの他の処理については好ましい実施形態で考察する。
【００２６】
処理装置中に入る全水流の好ましくは10体積％未満、より好ましくは5体積％未満、さらにより好ましくは2体積％未満の水が電気透析ユニットの中を通過する。約1.6体積％の量が好ましいが、条件に応じて、1％または0.5％という少ない量であってもよい。電気透析ユニットに用いる電流および水の塩分を変更することで、必要な体積流量を操作することができる。従って、これらの要因および特定の処理用途に応じて、用いられる体積流量が大きな場合もあれば小さな場合もある。
【００２７】
好ましい実施形態では、電気透析ユニットはバラスト水処理装置に組み込まれる。例えば、主流路は、流入バラスト水の流れであってよく、このバラスト水の一部は電気透析ユニットによる処理のために分離されてもよく、電気透析ユニットの生成物を残りのバラスト水に戻してその水を処理してもよい。また、処理している間、水をバラストタンク中に貯蔵してもよい。電気透析ユニットはバラスト水源に流体連通してしてもよく、また、バラストポンプから水を供給してもよい。また、電気透析ユニットはバラストタンクに流体連通してもよく、電気透析ユニットの生成物をバラストタンクに供給してもよい。
【００２８】
上述のように、このタイプの水処理はバラスト水に特に望ましい。多くの既存の水処理はバラスト水処理には適していない。理由は、大量の水を短期間に処理する必要があるためである。水の一部のみを電気透析ユニットの中を通過させることで十分であり、残りの水は電気透析ユニットの中を通らないので、水全体が直接電気的処理を受けることを必要とする他の水処理に比べ、所定の時間内にはるかに多くの量の水に対して水処理を適用することができる。
【００２９】
電気透析ユニットは、カソードおよびアノードにおいてそれぞれ希釈物流および濃縮物流を生成するためのものであってもよい。処理される水に戻される電気透析ユニットの生成物はこれらの流れの一方または両方の一部または全部から構成されている。電気透析ユニットの生成物は、電気透析ユニットにより生成される濃縮物流のみの一部であってもよいしまたは全部であってもよい。しかし、好ましくは、電気透析ユニットの生成物は、濃縮物流の一部または全部、理想的には、その大部分であり、希釈物流の少なくとも一部を、理想的には、濃縮物よりも少ない量を混合されたものである。濃縮物流は、増大した含量の種々の酸化剤を含んでおり、これらの酸化剤は、電気透析ユニットの生成物が主水流に戻された時に水の中の微生物を死滅させるまたは無能力化するのに特に効果的である。
【００３０】
電気透析処理の後、濃縮物は、処理前の水よりも低いpHを有し、希釈物は高いpHを有し得る。濃縮物を希釈物の一部または全部と混合することにより、電気透析ユニットの生成物のpHを調節することが可能となる。
【００３１】
好ましい実施形態では、濃縮物流と希釈物流の少なくとも一部とが、電気透析ユニットを通り抜けた直後に混合される。このことは、希釈物流の一部を取り除き、次いで残りの希釈物を濃縮物流と混合することにより行ってもよい。取り除かれた希釈物の量は20体積％〜80体積％であってよい。他の好ましい実施形態では、主水流に戻される電気透析ユニットの生成物は、希釈物流の全部と濃縮物流の全部とである。状況次第では、電気透析ユニットの生成物が混合された後の最終水流が所望のpHおよびその他の特性を有するようにするために、希釈物の全部が必要となる場合もあることが明らかになっている。この場合、希釈物と濃縮物とが一緒に反応して水の酸化剤および反応生成物の一部を消費する可能性がある。しかし、希釈物と濃縮物の反応により全ての酸化剤および反応生成物が消費される前に微生物を死滅させる反応が起こるであろう。さらに、電気透析プロセスは完全には可逆的ではない。特に、一般的にバラスト水および天然水、特に塩水との関係においては、希釈物および濃縮物が後で混合される場合には、電気透析ユニット内の反応は、完全には逆転されない。例えば、反応は、水から出て行ってしまう水素および塩素などのガス、ならびに回収不可能な熱を生成する場合がある。
【００３２】
混合比を制御するために、pHがモニターされ、pHを所望の範囲内に維持するように平衡度が制御される。pHのモニタリングはpH電極により行うことができる。好ましくは、pHは、6未満、たとえば4〜6の範囲内、通常は約5のpHに維持される。電気透析ユニットの生成物の混合比およびpHは、例えば、混合前に取り除かれる希釈物の量を変えることで濃縮物に加えられる希釈物の量を変えることにより制御することができる。pHの制御は、電気透析ユニットに加えられる電流または電圧を制御し、それにより、得られる電気透析効果の強さを変えて、濃縮物の酸化強度を変えることによって行ってもよい。
【００３３】
装置は、希釈物流の一部を取り除くための希釈物除去流路を備えていてもよい。濃縮物と取り除かれていない希釈物との混合を容易にするために、装置は出口流路の前に混合領域を備えることができる。1つの好ましい実施形態では、混合領域はバッファタンクである。あるいは、濃縮物および希釈物が出口流路を流れるに伴い混合されてもよい。濃縮物流と取り除かれていない部分の希釈物流とが主水流と混合されると同時に混合が起きてもよい。すなわち、電気透析ユニットの生成物が2つの部分から構成され、これら2つの部分は残りの水と混合される時に単に混合されるだけであってよい。混合は、混合領域または出口流路においてスタティックミキサーまたは乱流誘導手段によって促進されてもよい。
【００３４】
取り除かれた希釈物は、電気透析ユニットの前の上流側で水に再注入されてもよい。水処理装置に他の処理ステージ、たとえばキャビテーション処理またはろ過処理が含まれている場合、残りの希釈物は、他の処理ステージの前に、さらにはバラストポンプの前に再注入されることが好ましい。希釈物を再注入することにより、希釈物を廃棄する必要性が回避される。好都合にも、希釈物は洗浄剤として、特に濾過前に注入されると濾過プロセス用の洗浄剤としても機能する。
【００３５】
主水流に再注入される濃縮物および希釈物の特性および量は、酸素還元電位（ORP）および／または総残留酸化剤（TRO）の消費量をモニタリングすることにより制御してもよい。ORPの所望の値の範囲は、250〜800mV、より好ましくは300〜500mVである。再注入直後のTROの初期値は、好ましくは1〜10mg Cl/L、より好ましくは2〜5mg Cl/Lであり、通常は1〜36時間後には0.01〜1mg Cl/Lにまで急速に落ちる。TROの消費量は、処理される水の特性に強く依存する。電気透析ユニットの性能を最適化するために、実際の水処理を開始する前に、流れおよび混合比を予め設定することを可能とする較正フローループを配置することが望ましい。ORPおよび／またはTROの測定値が所望の範囲の外側にある場合、それに応じて電気透析ユニットの運転が調節される。
【００３６】
水の流れを誘導するために、装置は導管、パイプ、調節板などを備えることができる。電気透析ユニットは主水流用の流路に一体化可能であり、従って、装置は、主水流用の主水流管または主導管と、主水流の一部を電気透析ユニット内に向けるための小パイプまたは小導管等を含むことができる。あるいは、電気透析ユニットは、既存の水導管へ接続してその中の水を処理することができる独立型ユニットとして提供されてもよい。この場合、水処理装置は、必要に応じ弁、計量ポンプ（単一または複数）などに加えて、既存の導管へ独立型ユニットを連結するのに適したパイプまたは導管を含んでもよい。
【００３７】
電気透析ユニットの電解質の流入量を増やし、その塩分濃度を高くするために、塩水の独立供給源を使用することができる。これは、たとえば真水を生産する際の副産物として生成される塩水であってもよいし、または逆浸透プラントなどの塩水専用生産プラントで生産される塩水であってもよい。流入電解質への添加物として用いられる飽和塩水溶液を生成するために再循環逆浸透プラントが用いられてもよい。このシステムが真水または薄い塩水を処理するために用いられる場合、塩水などを追加することが必要となる。そうしなければ、水中のイオンの不足により電気的処理が効果的ではなくなるからである。電解質の塩分含有量をより好ましいレベルにするために、塩分の含有量が低い海水に塩水を加えてもよい。低い塩分含有量では、電気透析ユニットで同じ処理効果を達成するために必要となる電流がより大きくなる。従って、塩分含有量を増やすことにより、エネルギー使用量を減らすことができる。一例として、北海では、25ppth以上の塩分濃度が一般的であり、バルト海では、表層水は約7ppthというはるかに低い塩分濃度である。電気透析ユニットへ流入する電解質に塩水が加えられて、少なくとも25ppthに塩分濃度が維持されるのが好ましい。
【００３８】
好ましくは、処理後の水はリザーバーまたはタンクに一定期間貯蔵される。このことにより、電気透析ユニットの生成物に由来する酸化剤および反応物質が水中の全ての微生物および他の不要物質に対して十分な効力を保持する時間が与えられる。とくに好ましい実施形態では、本発明は、大型船のバラスト水の処理に用いられ、水は、バラストタンク内に取り入れられる際に処理され、次いで、放出されるまでバラストタンク内に保管される。この状況では、積荷を再積み込みし、バラスト水を放出するまでに大型船は港から港へと移動するために、通常は相当な貯蔵の時間がある。電気透析ユニットの生成物による処理効果を生じさせるためにこの時間を都合よく利用することができる。
【００３９】
処理流路は、主流路の外側の導管により形成されてもよい。このことにより、適切な入口接合部および出口接合部の追加により、既存の水の流路を処理装置を含むように容易に適合させることが可能となる。あるいは、処理流路を主流路と一体化して単一のユニットとしてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
下記に、例示の目的のみで、本発明の好ましい実施形態を添付の図面を参照しながら説明する。
【図１】図1は、電気透析ユニットを備えたバラスト水処理システムを示す。
【図２】図2は、積層された電極を備えた電気透析ユニットを示す。
【図３】図3は、図2のユニットに用いられている単一電極チャンバを示す。
【図４】図4は、電極板とシールを示す。
【図５】図5は、流れ分配器が見える電気透析ユニットの部分切取り図である。
【図６】図6は、流れ分配器の内部チューブを示す斜視図である。
【図７】図7は、流れ調整要素を示すセパレータの部分図である。
【図８】図8は、流れ分配器および流れ調整要素のさらなる詳細を示す概略ワイヤフレーム図である。
【図９】図9は、電極の先端を示す2つカソードチャンバおよび1つのアノードチャンバの一部分を通る断面図である。
【図１０】図10は、流れ分配器が用いられていない場合のコンピュータモデルにおける電極スタックに沿ったそれぞれのカソードチャンバを通過する速度のプロットを示す。
【図１１】図11は、流れ分配器が用いられた場合のコンピュータモデルにおける電極スタックに沿ったそれぞれのカソードチャンバを通過する速度のプロットを示す。
【図１２】図12は、流れ調整要素が用いられていない場合のコンピュータモデルにおけるカソード流路の幅を通過する速度のプロットを示す。
【図１３】図13は、流れ調整要素が用いられた場合のコンピュータモデルにおけるカソード流路の幅を通過する速度のプロットを示す。
【発明を実施するための形態】
【００４１】
図1の構成では、バラスト水処理システム内で電気透析ユニットが用いられているが、好ましい電気透析ユニットの他の用途も存在し、電気透析ユニットを異なる要件に合わせるように適合させることができることは理解されよう。特に、本明細書に記載の電気透析ユニットは、図1の例示的構成に示されているような他のタイプの処理との組み合わせを必要とすることなく、バラスト水処理または他の水処理用途に用いることができることが理解されるべきである。
【００４２】
従って、図1には、電気透析ユニット8を含むバラスト水処理システムが示されている。この例では、水は、濾過され、次いで、キャビテーションユニット10、ガス注入ユニット14および電気透析ユニット8により処理される。キャビテーションユニット10およびガス注入ユニット14は、不可欠ではなく、省略することができる。いくつかの好ましい実施形態は、濾過および電気透析の組み合わせを、その他の処理なしに使用する。この処理により、水中の生物の損傷および死滅が生ずる。
【００４３】
注入ユニット14により水に随意に加えられる窒素は、水中の生物に作用することに加えて、水中の溶存酸素のレベルを下げて、生物の再増殖の可能性を減らし、コーティングの風化を減らし、腐食の速度を遅らせる。さらに、酸素の減少は、電気透析ユニット8の生成物により水の中に導入される酸化剤の効果を長引かせると考えられている。バラストタンクが空の時に窒素を用いて雰囲気管理を調節することにより、これらの効果をさらに高めることができる。
【００４４】
バラストタンクの充填時、大型船のバラストポンプシステム2を用いて、海から入口パイプ1を通してバラスト水が圧送される。バラストポンプシステム2の後、水は、パイプ中を流れて、第１のフィルタ4により濾過される。第１のフィルタ4は水からより大きな粒子を取り除く。これらはスラッジを形成する。このスラッジはバラスト水を取り込む地点で放出される。
随意により、第１のフィルタ4の下流側に圧力ブースターを設けてもよい。圧力ブースターは、さらに下流側にあるユニットにおける処理を成功させるために必要とされる水圧レベルを維持するために用いることができる。
【００４５】
次に、この例では、水は流れ続け、キャビテーションユニット10の中へと流れる。このキャビテーションユニットは随意による処理デバイスであり、省略してもよい。キャビテーションユニット10では、流体の流速の急加速により流体力学的キャビテーションが引き起こされ、それにより、流体の静水圧を流体の蒸気圧まで急激に降下させることが可能となる。この結果として、蒸気バブルが発生することになる。バブルの成長を可能とする制御された期間の後、制御された急激な減速が起こる。このことにより、流体の静水圧が急激に上昇し、これにより蒸気バブルが激しく収縮または内破され、水中の生物などが極度の高温高圧パルスにさらされ、水中の生物が破壊される。
【００４６】
キャビテーションユニット10の後、一部の水は電気透析ユニット8を通る。残りの水は、電気透析ユニット8による処理は受けずに、パイプまたは導管に沿って次の処理ステージまでそのまま流れ続けることができる。図1の実施形態では、電気透析ユニットは、主水流導管に外部から取り付けられているので、既存の処理システムに後付けすることが可能である。
【００４７】
好ましい実施形態の電気透析ユニット8には温度制御システム9が設けられている。これは、電気透析ユニット8により用いられる水が設定温度よりも下がらないことを確保するために用いられる。温度制御システム9は、流入水の温度をモニタリングするための温度モニタリングデバイス9aと、流入水が電気透析ユニット8の膜セルに到達する前に、アノード側の流入水の温度を上げるためのヒーター9bとを含む。ヒーター9bは、元の水の温度が所定のレベル未満である時にアノード側の流入水の温度を上げる働きをするように構成されている。膜セルのカソード側の水は、加熱されない。この実施形態では、所定のレベルは16℃である。流入水の温度が16℃未満である場合、この流入水はヒーターを用いて約20℃まで加熱される。熱がカソード側のより冷たい水に熱が奪われた後であっても、アノード水温度が、膜セルの全範囲に沿って、充分に高い、例えば、約16℃を超えるまたは約18℃を超えることを確保する温度が選択される。アノード液の出口に温度を直接モニターする温度センサーがあってもよいが、これは不可欠なことではない。理由は、所定の膜セルおよびカソード／アノード流量に対する熱伝達速度は、日常試験により決定することができるためである。ヒーター9bには、大型船のエンジンからの廃熱を使用し、これは任意の好適な形態とってよく、例えば、チューブ熱交換器のチューブであってもよい。
【００４８】
図2〜図9を参照してさらに詳細に後述されている電気透析ユニット8は、希釈物流11と濃縮物流12とを生成する。これらの2つの流れは、pHバランサーまたは混合ユニット13へと進行する。混合ユニット13は電気透析ユニット8の生成物17を生成し、この生成物は主水流に戻される。また、混合ユニット13は、生成物17の組成に応じて希釈物の残留物18を分配してもよい。
混合ユニット13は、電気透析ユニット8の最適化された生成物17を生成するために濃縮物12へ加えられる希釈物11の量を制御するためのポンプなどを含む。
【００４９】
電気透析ユニット8の生成物17の注入地点の下流側には、サンプリングおよび測定地点15がある。サンプリングおよび測定地点15では、ORPおよび／またはTROが測定され、測定値が混合ユニット13へ送られる。これらの測定により電気透析ユニット8が水に与える効果がモニターされ、例えば、注入ポンプを制御することにより混合ユニット13が制御される。
希釈物の残留物18は、すべての処理ステップの前、好ましくはフィルタ4および／またはバラスト水ポンプ2の前で、流入水の中に再注入されてもよい。あるいは、希釈物の残留物18は、保持タンク25または大型船のビルジ水タンク26に貯蔵されてもよい。
【００５０】
図示されている構成では、電気透析ユニット8の生成物17が主水流に戻された後で、ガス注入ユニット14が水を処理する。しかし、代わりの構成では、生成物17はガス注入ユニット14の下流側で主水流に戻され、同様に、ガス注入ユニット14の下流側に配置されたモニタリングユニット15が、生成物17の混合後の水の状態をモニタリングする。
【００５１】
随意のガス注入ユニット14では、酸素レベルを下げることにより生物を死滅させ、腐食を減らすのに望ましい水中の窒素の過飽和レベルを達成するために、蒸気／窒素インジェクターまたはガス／水ミキサーを用いて流入水に窒素ガス16が注入される。また、これにより、水中の酸化剤の処理効果を引き延ばせる。
【００５２】
処理ユニットの下流側では、処理された水は、大型船のバラスト水配管システム23によりバラスト水タンクへ分配される。バラスト水タンクでは、随意選択で、安定した状態が達成されるまで過剰のガスが放出される。過剰のガスの放出は、タンク換気システムに組み込まれているバルブによって調節される。これらのバルブにより、バラスト水がタンク内に残っている期間中、タンク内の安定した状態、特に、水中の高レベルの窒素過飽和および低レベルの溶存酸素が確保される。過飽和のレベルを維持することにより、過飽和それ自体および電気透析ユニット8により導入された酸化剤の両方による持続的な水処理に繋がる。従って、この処理により、水がバラスト水タンクに格納されている間にも、全ての生き残っている生物を継続して死滅または無能力化する処理をされた水が得られる。
【００５３】
その後、バラスト水タンク中の水はそのまま残される。バラストタンク中では、電気透析処理から生じた化学反応が継続して発生し、バラスト水中の微生物を死滅させおよび／または無能力化する。バラスト水の放出時、水は、放出時の水の酸素含有量を環境上許容可能なレベルにまで戻す放出処理プロセスを通される。水は、バラスト水タンクから圧送され、少なくともガス注入ユニット14を通過する。ガス注入ユニット14は、注入ガスとして空気を窒素に置き換えて、酸素を水に戻すために用いられる。随意選択で、水は、放出される際に、キャビテーションユニット10により再処理されてもよい。
【００５４】
以下では、電気透析ユニット8の動作に関して説明される。図2〜図9を参照して、電気透析ユニット8の構造配置の実施形態が以下に記載される。上述のように、電気透析とは、流体システムにおいてイオンがイオン交換膜を通って移動する電気膜プロセスである。電気透析ユニットの最も単純な実施形態では、2つの電極の間に単一の膜が配置されている。流体が導電性であれば、2つの電極間に電圧を印加して形成された電荷により、イオンは膜を通り抜け可能となる。電圧は、図示されていない従来型の電力接続点により印加される。2つの電極はそれぞれアノードとカソードである。
【００５５】
電荷は異なる電極で異なる反応を引き起こす。アノードでは、電解質が酸性の特性を有し、カソードでは、電解質がアルカリ性になることにより特徴付けられる。電気透析で用いられる膜は、液体には不透過性であるがイオン交換は可能とする能力で選択される。このことにより、アルカリ性溶液を酸性溶液から分離したままに保持することが可能となる。
【００５６】
次の表１には、電気透析膜セル内で生じるさまざまな反応が示されている。この場合、流入する電解質はバラスト水配管から得られるバラスト水（すなわち、海水）である。この表には、水滑石（Mg(OH)2）を生成するカソード側の反応が含まれている。バラスト水の中にはナトリウム塩およびマグネシウム塩に加えてさまざまな化合物が存在することが可能なので、他の反応も生じる。
【表１】
2016533871.tif 000003
【００５７】
下記の表２には、アノードで生成される酸性溶液およびカソードで生成されるアルカリ性溶液の典型的な特性が例示されている。酸性溶液は濃縮物流を形成し、アルカリ性溶液は希釈物流を形成する。
【表２】
2016533871.tif 000004
上述の２つの分離された流れは、表３に示されている代表的な特性を備えた電気透析ユニットの生成物および随意選択の残留物が得られる比率で混合される。この生成物は、主としてアノードからの濃縮物であり、場合によってはpHレベルの調整のために希釈物が添加される。残留物は、生成物に混合されない希釈物から形成されることになる。通常、電気透析処理の好ましい実施形態の生成物のpHは4〜6であるが、水の処理は後述のより広いpH範囲内でも行われる。
【００５８】
【表３】
2016533871.tif 000005
２つの流れの化学的特性を調整するために、クロス処理（cross-treatment）を適用することができる。これは、一方または両方の流れの全部または一部をそれが流れてきたコンパートメントとは反対側のコンパートメントの入口に再注入することを可能にする配置から構成することができる。従って、電気透析ユニットのアノードにより生成された濃縮物流をカソード側に再注入することによってクロス処理可能となろう。この方法により、pH、ORPおよびTROにより表される流れ（単一または複数）の特性がさらに調整され、加えてさらに混合が適用されると、混合後の残留希釈物の量を減らすことが可能となる。
【００５９】
混合比は、原料電解質の「質」、電極のサイズおよび加えられる電力に応じて異なるであろう。
電気透析ユニットの生成物は、随意選択でN2の注入時点と同時に、好ましくはその直後にバラスト水流の中に入り、従って、随意選択で、過飽和／酸素除去のプロセスと同時にバラスト水中に注入される。残留物がある場合、それは、フィルタ直前の主水流の上流側に注入される。
【００６０】
図2〜図9には、水を処理するために用いることができる電気透析ユニット8の実施形態が示されている。この電気透析ユニットは、図1のバラスト水処理システムに用いられてもよいし、または他の適切ないずれの水処理システムに用いられてもよい。電気透析ユニットは、処理効果を提供するために単独で用いられてもよいし、あるいは、他の水処理デバイスと組み合わせて用いられてもよい。
【００６１】
図2には、２枚の端板32の間に挟まれている積層された電極チャンバ30を含む電気透析ユニット8が示されている。電極スタックはネジ34により2枚の端板32の間で締め付けられている。電極チャンバ30は、絶縁層で分離された10個の膜セルの複数組として一緒に配置されている。図5では、複数組の電極チャンバ30およびプラスチック絶縁層をより明確に認めることができる。電極チャンバ30は、複数組のチャンバ30の直列連結を可能にするこの方式により複数組で配置される。水は、電極チャンバ30の基部のカソード水入口50およびアノード水入口52を通って電極スタックの中に入り、次いでアノードチャンバおよびカソードチャンバを通って上方に流れる。水入口50、52は、図2の電気透析ユニット8の裏側にあるが、反対側から見た電気透析ユニット8が示されている図5で見ることができる。カソード反応からの希釈物流11およびアノード反応からの濃縮物流12は、濃縮物出口36および希釈物出口38を通って電極スタックから出て行く。上述のように、カソード側で時間当たりの流量が大きいことが有利なので、好ましい実施形態では、カソード側用の2つの水入口管、従って希釈物用の2つの出口管38が含まれ、濃縮物用には、1つの出口36のみが含まれている。流量の比は、約3：1であってよい。さらに図2には、電極の露出端部40と、電極に電気を供給するための電気接続基板42とが示されている。
【００６２】
図3には、単一の電極チャンバ30が示されている。図2のユニット8は、一緒に積層された多数のこれらの電極チャンバ30からから構成されている。電極チャンバ30はチタン電極板44を含み、このチタン電極板44は、電極44の両側に1つずつ配置されている2つのセパレータ46によりおよびその間に支持されている。ゴムシール48が、セパレータ46の外縁のまわりに伸び、電極チャンバ30を密閉する水密バリアを提供している。電極の露出端部40は、反応ゾーンの外側に電気接続部42を形成することができるようにゴムシール48を越えて延びている。
【００６３】
水は、電極チャンバ30の一端部にある貫通孔54を通って電極チャンバ30に流入し、他端部にある貫通孔54を通って流出する。貫通孔54は、それらに対応する水入口50、52および水出口36、38と流体連通している。各セパレータ46は、３つの入口50、52および３つの出口36、38の各々について貫通孔54を有している。電極チャンバ30内では、セパレータ46には、適切な水入口から適切な水出口へと水を流すための流れガイドが設けられている。従って、カソード電極チャンバは流れガイドを有し、入口側の２つの外側貫通孔54を通してカソード水入口50から水を取り込み、カソードを通って流れるように誘導し、カソード反応からの希釈物を追加の流れガイドを通して出口側の外側貫通孔54、従って希釈物出口38へ流す。アノード電極チャンバは流れガイドを有し、入口側の中央貫通孔54を通してアノード水入口52から水を取り込み、アノードを通って流れるように誘導し、次いでアノード反応からの濃縮物を追加の流れガイドを通して出口側の中央貫通孔54、従って希釈物出口36へ流す。
【００６４】
図4には、セパレータ46を取り付ける前の電極板44およびシール48が示されている。このゴムシール48は、図示されているように２つの側面に沿って電極板44に接合されている。また、このゴムシール48は、電極板44の前面および後面にも取り付けられている。電極板44の露出した端部40は、電極板の一方の側面のシールを越えて延びることにより上述の電気的接続を可能としている。
【００６５】
図5は、カソード水入口52の内の1つについての流れ分配器56の詳細を示している電気透析ユニットの部分的な切取り図である。また、図5には、プラスチック製絶縁層により分離されている5組の膜セルがより明瞭に示されている。膜セルの構造については、下記に、図9を参照してより詳細に説明される。図5では、端板32の内の1つと電極チャンバ30の各々を部分的に切り取ることにより、貫通孔54（これも部分的に切り取られている）を通して整列されることにより形成されている円形状の流路が露出されている。この円形状の流路は、流れ分配器56の第１のチューブ58を形成する。図8のワイヤフレームダイヤグラムには、第１のチューブ58がより明瞭に示され、カソードの流体の流れの構成がさらに詳細に示されている。また、流れ分配器56は、貫通孔54内に同心状に配置される第２のチューブ60をさらに含む。図5では、この第２のチューブ60は、カソード入口50の内の1つに挿入されているが、第２のチューブ60は、もう一方のカソード入口50についても、アノード入口52についても図示されていない。電気透析ユニット8が完全である場合には、各水入口の第２のチューブ60は、各セットの貫通孔54と同心状に取り付けられている。
【００６６】
第２のチューブ60はその長手方向に沿って複数の孔62を含む。これらの孔62は、第２のチューブ60の2つの側面に切りとられた横方向のスリットの形態を有し、第１第１のチューブ58の中に挿入された場合に第２のチューブ60の上側部および下側部に配置される。図6には、流れ分配器56の第２のチューブ60の斜視図が示され、第２のチューブ60の第２の、下側部の孔62を含むさらなる詳細が示されている。
【００６７】
図7Aは、カソードセパレータ46’の下側部分を示す部分図であり、カソードチャンバ用のセパレータ46’の流れ調整要素64を示している。
流れ調整要素64は、カソード流路の幅Wを通って流れを均等に分配するためのものである。
３つの貫通孔54は、電極スタック内の他のセパレータ46の貫通孔54と整列して流れ分配器の第１のチューブ58を形成している。整列された貫通孔54中に図7には示されていない第２のチューブ60が挿入され、第２のチューブ60の孔62により、水が第１のチューブ58中を通るのが可能となる。図7Aでは、セパレータ46がカソードチャンバ用なので、外側貫通孔54はカソード流路に向けて開いているのに対し、中央貫通孔54は、アノードへの入口52からの水がカソードチャンバに入らないようにシールされるということになる。このシールは、中央貫通孔のまわりに配置したO−リングシールにより実現してもよい。従って、水を水入口50からチューブ60、58に沿って通し、流れ調整要素64を経由してカソード反応領域へと流すことを可能とするための孔が、2つの外側の貫通孔54の第１のチューブ58中に形成されることになる。
【００６８】
流れ調整要素64は、カソード流路の幅Wを通って均等に水を分配するために貫通孔54から扇形状に延びる複数の溝の形態を取っている。これらの溝は、セパレータ46’内の凹みとして形成され、壁66により互いに分離されている。カソードチャンバを形成する２つのセパレータ46’が一緒に連結されると、各セパレータ46’の壁66同士が向き合って溝を密閉するように接触するようになる。各溝は、カソード流路を通る流れ方向に対して平行な端部を有している。このことは、乱れを減らして層流を促進する助けとなる。
【００６９】
図7Bは、アノードチャンバ用のセパレータ46”を示す類似の部分図である。このアノードセパレータは、アノード流路用の流れ調整要素65を含む。カソード用の流れ調整要素64の場合と同様に、アノード用の流れ調整要素65は、アノード流路の幅Wを通って均等に水を分配するために貫通孔54から扇形状に延びる溝の形態を有している。アノード流路には、単一の中央貫通孔54からのみ水が供給されるので、アノード用の流れ調整要素65は、カソード用の流れ調整要素64の場合よりも大きな角度で扇形状に広がっている。このことにより、中央貫通孔54の流れ分配器56からの水をアノード流路に均等に分配することが可能となる。2つの外側貫通孔は、例えば、O−リングシールにより、カソード水供給部から水の進入を防ぐためにシールされることになる。アノード用の流れ調整要素65は、壁67により分離される凹みとして形成されている溝である。アノード用のセパレータ46”の流れ調整部は貫通孔54からより長い距離延びている。その理由は、図9を参照してさらに詳細に後で考察されるように、アノードの先端が水入口からより遠くの位置にあるためである。
【００７０】
図8は、電極スタック内のカソード流路用の流れ分配器56および流れ調整要素64のさらなる詳細を示すワイヤフレーム模式図である。わかりやすくするために、流れ調整要素64の詳細は省略されているが、扇形状は見ることができる。各カソードチャンバは対称的な2組の流れ調整要素64を有しており、これらの流れ調整要素64は、同じ方式で、セパレータ46の2つの外側貫通孔54の２つの流れ分配器56と連結されている。上述のように、貫通孔54は流れ分配器56の第１のチューブ58を形成するように整列されている。第１のチューブ58は、上側部の孔を介して複数の組の流れ調整要素64のそれぞれと連結されている。第１のチューブ58内に同心円状に設けられる第２のチューブ60は、２つのカソード用入口50からの水を第１のチューブ58へ供給する。水は、第２のチューブの上側面および下側面のスリット形状の孔62を通って第１のチューブ58と第２のチューブ60との間を通過する。
【００７１】
この２つのチューブを備えた流れ分配器56は、電極スタック30の長手方向に沿って存在する各カソードチャンバに均等に水を分配する作用をする。流れ調整要素64は、各カソード流路の幅Wを通って水を均等に分配し、さらに、カソード流路内の層流化を促進する。
アノードチャンバの場合、図8に示されている構成と同様の構成であるが、２つの外側貫通孔54の代わりに中央貫通孔54のみから水が分配される。アノード水流路は、第１のチューブ58および第２のチューブ60を用いて、上述の流れ分配器56と同じ構造の流れ分配器56を通過する。この流れ分配器56は、アノード水入口52に連結される整列された中央貫通孔54により形成される第１のチューブ58を用いて形成される。
【００７２】
流入水は、流れ分配器56を通過して流れ調整要素64、65を出た後、カソードチャンバおよびアノードチャンバ内のカソード流路およびアノード流路中に流れ込む。この時点では、図10〜図13を参照して後述されているように、水は、電極スタックに沿って各流路に均一に分配され、各流路の幅Wを通って均等に分配されている。水が均等に分配されることにより、電極スタック内の各膜セルを通過する反応速度が等しくなることが確保される。各流路の幅Wを通る水の均等分配は、反応が電極の幅に対して均等に生じること、およびカソード流路内の層流が促進されることを意味する。
【００７３】
図9は、水がカソードチャンバおよび電極チャンバに流れ込む地点での２つのカソード68および１つのアノード70の一部を通る断面図である。膜71は、電極と電極との間に配置されて膜セルを形成する。この図は、２つの完全な膜セル（アノード70の両側に１つずつ）および２つの部分的な膜セル（２つのカソード68の外側の部分）を通る部分断面図である。
【００７４】
図9には、電極チャンバ、とくにカソード流路の反応ゾーンにおいて層流を促進するために用いられるさらなる機構が示されている。カソード流路72の流入水は、矢印Cにより表されているように、セパレータ46’の流れ調整要素64から流れてきている。アノード流路74の水は、矢印Aにより示されるように、流れ調整要素65から流れてきている。流れ調整要素64、65を流れる水は、それぞれカソード68またはアノード70の2つの側面の各々に沿って通る２つの流路72、74を通る。
【００７５】
流れ調整要素64、65から出る水は、乱流形成のない一定の距離を流れ、その後、電極の両側の流路72、74に入る2つの等しい流れに徐々に分割される。この一定の距離は、上流側の流れガイドから生じる可能性のあるどのような流れを乱す作用からも流れを回復させる助けとなる。この流れの徐々に進む分割は、乱流を最小化する楔形の、電極の先端76の形状により実現される。好ましい実施形態では、乱流形成のない一定の距離は約10mmである。
【００７６】
アノード70の先端76が、カソード68の先端76よりも水入口から大きく離れている位置に配置されていることに留意されたい。電気透析ユニットは、水が反応ゾーンにおいて電気処理を受ける前にカソードに沿って追加の一定の距離Xだけ流れるように設計されている。この追加一定の距離Xは、残っている乱流の消滅を可能とし、海水が何らかの電流を印加される前にその流れを層流にする助けとなる。このことは、オフセットカソード／アノード構造（offset cathode/anode configuration）を可能とする異なる長さのアノード70とカソード68とを用いることにより実現される。本明細書に示す好ましい設計では、この一定の距離Xは約30mmであり、カソード68と膜との間のギャップは2mmである。反応ゾーンは、アノード70およびカソード68が十分に接近して存在する場所、この場合には図上で標識されている距離Xの後から始まることになる。反応ゾーンでは、電気透析が生じ、反応ゾーンで水がアノード流路74およびカソード流路72に沿って流れるに伴い、イオン交換が膜71を通過して発生し、上述のように酸性濃縮物がアノード側に、アルカリ性希釈物がカソード側に生成される。濃縮物および希釈物は、出口36、38を通って電気透析ユニットから出て、濃縮物が希釈物の内の一部または全部と混合されることにより水処理に用いられて、微生物にとって有害である電気透析ユニットの生成物を生成する。
【００７７】
アノード70の両側のアノード流路74には、スペーサ要素78が設けられている。乱流形成を回避するために、カソード流路72にはスペーサ要素は設けられていない。カソード流路72では、流れ調整要素64により調整された流れが供給される。この流れは、乱流形成のない10mmの領域を通過して、その後、カソード68の楔形の先端76により分流されるに伴いさらに層流になる。次いで、この水は、２つのカソード流路72に沿ってさらなる30mmの距離を流れる。この30mmの距離は層流化をさらに促進するように作用する。流入水がカソード流路72の反応ゾーンに入る時までには、流れはほぼ層流となっている。上述のように、この層流は、水滑石の堆積を回避し、また、他の汚染物質の堆積を回避する助けともなる。
【００７８】
上述のように、好ましい電気透析ユニットは、いくつかの組の膜セルから構成されており、各組のセルは、５つのアノードおよび６つのカソードにより形成され、カソードは外端に配置されている。この配置により、外側のカソードは、その外側のカソードの内側に沿った1つの流路を備えた活動側面を1つしか有しないことになる。外側のカソードの外面は、活動せず、水の流れを防ぐために塞がれることになる。
【００７９】
流れ分配器および流れ調整要素を含む場合について、コンピューターモデリングを利用して、この好ましい実施形態の有利な効果が例証された。
図10および図11には、２つのチューブの流れ分配器（two tube flow distributor）システムの効果が示されている。図10には、好ましい流れ分配器56が用いられなかった場合のコンピュータモデルにおいて、電極スタックに沿ったカソードチャンバの各々を通る速度のプロットが示されている。図11には、好ましい流れ分配器56が用いられた場合のコンピュータモデルにおいて、電極スタックに沿ったカソードチャンバの各々を通る速度のプロットが示されている。このグプロットでは、縦軸に流速を示し、横軸に電極スタックの端部にあるカソード水入口50からのカソード流路72の距離を示している。これらの図の比較から分かるように、流れ分配器56が用いられなかった場合、水入口50から大きく離れているカソード流路72にかなり高い速度が発生する。流れ分配器56が用いられている場合、水は、電極スタックの長手方向に沿って、従来技術を有意に超える均等さで分配されている。
【００８０】
図12および図13には、カソード流路72を通過する水の流れに対する流れ調整要素64の効果が示されている。図12には、好ましい流れ調整要素64が含まれず、代わりに水が溝64も壁66もない扇形状の領域を通過する場合のコンピュータモデルにおいて、カソード流路の幅を通過する速度のプロットが示されている。図13には、好ましい流れ調整要素64が存在する場合のコンピュータモデルにおいて、カソード流路の幅を通過する速度のプロットが示されている。縦軸は流速を示し、横軸にはカソード流路72の幅方向の距離が示されている。各プロットのピーク値は、カソード流路72の幅方向Wの位置における生じ得る速度を示している。急激な谷の値は、チャンバの出口での流れ調整要素の影響に起因するものであり、すぐに消える。図からわかるように、チャンバを通る平均流量を調査する場合、溝64および壁66は、カソード流路72の幅Wを通る均等な速度分布、従って、流れを与える。溝64および壁66が存在しない場合、速度、従って流れはより不均等であり、このことにより、カソード流路72の後続する部分に乱流および二次流れが生じる可能性がある。
【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７Ａ】
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【図７Ｂ】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【国際調査報告】
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