(57)【要約】  本開示は、少なくとも１つの膜を有する流体処理システムにおいて膜のファウリングを防止する方法を提供する。この方法は、流体の流れを流体処理システムに注入して少なくとも１つの膜に通す前に、流体の流れを流体力学的にキャビテーションすることを記載し、キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、流体中の固体成分がそれらの（ｉ）分子構造、（ｉｉ）電荷、又はその両方を変化させ、その結果、それら成分が互いに反発し合い、膜の縁の周りに分散してファウリングを防止する。少なくとも１つの膜を有する流体処理システムにおいて膜のファウリングを防止するためのシステムも提供される。
2020518451.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの膜を有する流体処理システムで膜のファウリングを防止する方法であって、
流体の流れを前記流体処理システムに注入して前記少なくとも１つの膜に通す前に、前記流体の流れを流体力学的にキャビテーションすることを含み、
キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、前記流体中の固体成分がそれらの（ｉ）分子構造、（ｉｉ）電荷、又はその両方を変化させ、その結果、前記成分が互いに反発し合い、前記膜の縁の周りに分散してファウリングを防止する方法。
【請求項２】
処理すべき流体を第１の逆浸透列にポンプ送給して濃縮物を生成することをさらに含み、前記逆浸透列は複数の膜を備え、前記少なくとも１つの膜は前記複数の膜の１つである、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
流体力学的キャビテーション反応器で前記濃縮物を受け取り、空気アクチュエータを使用して空気のバーストを前記濃縮物に導入することをさらに含む、請求項２に記載の方法。
【請求項４】
前記流体力学的キャビテーション反応器で前記濃縮物を処理し、前記濃縮物を少なくとも１つの膜を通して送ることをさらに含み、前記少なくとも１つの膜は第１のＲＯ膜を備える、又は第２のＲＯ膜に対して、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記流体を流体力学的にキャビテーションした後、前記流体を遠心分離機に通す、請求項１に記載の方法。
【請求項６】
前記流体が第１のＲＯ処理の生成物である濃縮物であり、前記濃縮物が第２のＲＯ処理に通される前に前記キャビテーション反応器に通される、請求項１に記載の方法。
【請求項７】
前記濃縮物を前記キャビテーション反応器に通した後、固体の混合物が生成され、前記固体の混合物は、１８．６：１のカルシウム：マグネシウム比、及び１１４：１のカルシウム：カリウム比を含む、請求項６に記載の方法。
【請求項８】
少なくとも１つの膜を有する流体処理システムで膜のファウリングを防止するためのシステムであって、前記方法が、
流体の流れを前記流体処理システムに注入して前記少なくとも１つの膜に通す前に、前記流体の流れをキャビテーションするための流体力学的キャビテーション反応器を備え、
前記キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、前記流体中の固体成分がそれらの（ｉ）分子構造、（ｉｉ）電荷、又はその両方を変化させ、その結果、前記成分が互いに反発し合い、前記膜の縁の周りに分散してファウリングを防止するシステム。
【請求項９】
処理すべき流体を第１の逆浸透列にポンプ送給して濃縮物を生成するように構成された少なくとも１つのポンプをさらに備え、前記逆浸透列は複数の膜を備え、前記少なくとも１つの膜は前記複数の膜の１つである、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記反応器が前記濃縮物を受け取り、空気アクチュエータを使用して前記濃縮物に空気のバーストを導入する、請求項９に記載のシステム。
【請求項１１】
前記流体力学的キャビテーション反応器の後ろに前記濃縮物を処理するための第２の膜をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１２】
前記流体から粒子を除去するように構成された、キャビテーション反応器と流体連通する遠心分離機をさらに備える、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
第２の流体力学的キャビテーション反応器と、前記濃縮物を少なくとも１つの膜に通して送るように構成された流体入口とをさらに備え、前記少なくとも１つの膜が第１のＲＯ膜を備える、又は第２のＲＯ膜に対して、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記濃縮物を前記キャビテーション反応器に通した後、固体の混合物が生成され、前記固体の混合物は、１８．６：１のカルシウム：マグネシウム比、及び１１４：１のカルシウム：カリウム比を含む、請求項１３に記載のシステム。
【請求項１５】
前記膜がより低い圧力の膜を備える、請求項８に記載のシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１７年５月８日に提出された米国仮特許出願第６２５０３３１３号の利益を主張する。
【０００２】
発明の分野
本発明は流体の修復に関し、より詳細には、一般には流体処理システム、より具体的には逆浸透（reverse osmosis；ＲＯ）システムに関する膜のファウリング及び／又はスケーリングを防止又は回避するために流体力学的キャビテーションを利用するシステム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
人間の多くの多様な活動により、無数の廃棄物と副産物が生産される。汚染物の環境、健康、産業への影響が増大するにつれて、汚染水やその他の液体から広範囲の汚染物質を迅速且つ効率的に除去する新しい方法を開発することがますます重要になっている。修復は、しばしば言及されるように、流体から汚染物及びその他の安全でない物質を削減又は排除することを目的としている。
【０００４】
修復の多くの方法が存在する。いくつかの生物学的処理技術には、バイオオーグメンテーション、バイオベンティング、バイオスパージング、バイオスラーピング、及びファイトレメディエーションが含まれる。一部の化学処理技術には、オゾン及び酸素ガスの注入、化学沈殿、膜分離、イオン交換、炭素吸収、水性化学酸化、及び界面活性剤強化回収が含まれる。一部の化学技術は、ナノ材料を使用して実践することができる。物理的処理技術には、ポンプ及び処理、空気散布、及び二相抽出が含まれるが、これらに限定されない。
【０００５】
膜技術の使用を組み込んだ修復技術の一例は、逆浸透（ＲＯ）であり、これは、水を圧力下に半透膜に押し通すことによって汚染水からイオン、分子、及びより大きな粒子を除去するために半透膜を使用する浄水技術である。半透膜は、水分子の通過を可能にするが、溶解した塩、有機物、バクテリア、及び発熱物質の大部分を通過させない膜である。
【０００６】
ＲＯは、高圧ポンプを使用することによって機能し、ＲＯの塩側の圧力を高め、水を半透膜に強制的に通し、溶解した塩のほとんどすべてを拒絶ストリーム中に残す。脱塩又は脱イオン化された脱塩水は、透過水と呼ばれる。ＲＯ膜を通過しなかった濃縮汚染物質を運ぶ水ストリームは、拒絶（又は濃縮）ストリームと呼ばれる。供給水が圧力下にＲＯ膜に入ると、水分子は半透膜を通過し、塩やその他の汚染物質は通過できず、濃縮物ストリームを介して排出される。一部のＲＯシステムでは、濃縮物ストリームを供給水の供給を介してＲＯシステムに戻し、ＲＯシステムを介してリサイクルすることができる。ＲＯ膜を通過する水は透過水又は生産水と呼ばれ、通常は溶解した塩の約９５％〜９９％が除去されている。
【０００７】
逆浸透は、細菌を含む多くのタイプの溶解及び懸濁種を水から除去することができ、工業プロセス及び飲料水の生産の両方で使用される。その結果、溶質は膜の加圧側に保持され、純粋な溶媒は反対側に通過することができる。「選択的」であるために、この膜は大きな分子又はイオンが細孔（穴）を通過することを許容せず、溶液のより小さな成分（溶媒分子など）が自由に通過することを許容するべきである。溶質には、多くの場合、シリカ、バリウム、その他の固体が含まれる。ＲＯ膜の例は、米国特許第４，２７７，３４４号に開示されている。これは、少なくとも２つの第一級アミン置換基を有する芳香族ポリアミンと少なくとも３つのアシルハライド置換基を有する芳香族アシルハライドとの界面反応生成物である芳香族ポリアミドフィルムを記載している。
【０００８】
ＲＯはそれ自体効率的であるが、汚染物が膜表面に蓄積する場合に生じ、膜を効果的にふさぎ、その修復効果を劇的に低下させる「膜のファウリング」と呼ばれるものに起因する問題が存在する。通常、ファウリングはＲＯシステムの前端部で発生し、ＲＯシステム全体のより高い圧力損失をもたらし、したがってより低い透過液の流量をもたらす。ファウリングは、主に次の３つの原因によって生じる。すなわち、（ｉ）供給水中の粒子（例えば、溶質又は濃縮物）；（ｉｉ）まばらに溶解する鉱物の蓄積；及び（ｉｉｉ）微生物の成長の副産物。ファウリングのため、膜は頻繁に洗浄する必要があるが、これは費用がかかり、より多くのメンテナンスを必要とするのでシステムの効率が全体的に低下する。さらに、膜の洗浄は多くの場合高価であり、膜要素の寿命を短くする。これは、膜要素の完全な交換が唯一の適切な解決策である膜を不可逆的に汚す可能性がある複数のファウリング条件が存在する場合に特に当てはまる。
【０００９】
機械的及び化学的処理の両方を使用するいくつかの前処理方法は膜のファウリングを軽減することが示唆されている。例えば、スケール防止剤を、ＲＯ膜に到達する前に供給部に注入することができる。しかしながら、これはスケール形成プロセスを遅らせるだけである。この遅延は、炭酸カルシウムと硫酸カルシウムが膜表面に沈殿するのを回避するのに十分である。この遅延は有限期間の間であるため、シャットダウン時にシステムでスケーリングが発生する可能性がある。別の例は、分散剤が供給水に注入され得ることである。分散剤は、微細な懸濁固体が凝固して膜表面に落ちることを防止する。分散剤を適切に使用することで、事前ろ過が困難な問題の微粒子に起因するファウリングを最小限に抑えることができる。しかしながら、分散剤にはスケール防止剤と同じ問題がある。例えば、米国特許第６３６５１０１号は、多価金属シリケート及び多価金属炭酸塩の少なくとも１つを含む水系におけるスケール沈積を抑制する方法を開示しており、ここで水系は少なくとも約９のｐＨを有し、スケール防止剤の平均粒径は約３ミクロン未満である。
【００１０】
別の前処理解決策は、ファウリングの防止を支援するための多媒体フィルタの使用を含む。多媒体フィルタには、通常、無煙炭、砂、ガーネットからなる３つのレベルの媒体が含まれ、底部に砂利の支持層がある。このフィルタ媒体の配置により、媒体床の頂部付近で最大の汚れ粒子を除去し、より小さい汚れ粒子を媒体のより深いところで保持することができる。これにより、床全体が、フィルタの実行時間が大幅に長くなり且つ粒子をより効率的に除去できるフィルタとして機能することが可能になる。さらなる方法は、精密ろ過膜、スケール形成イオンを非スケール形成イオンと交換するのに役立つ軟水剤、重亜硫酸ナトリウムの挿入、及び粒状活性炭の使用も含む。
【００１１】
しかしながら、これらの現在の前処理方法は費用がかかる可能性があり、非効率であると見なされ得る速度でファウリングが依然として発生する。さらに、どの程度の注意を払っても、前処理と洗浄のスケジュールがどれほど効果的であっても、ＲＯ膜の非常に微細な細孔サイズを考えると、最終的にある程度のファウリングが発生する。
【００１２】
したがって後処理方法も同様に提案されている。例えば、膜表面の電荷を変化させて特定の溶質をはじく方法が提案されており、膜表面の特定のコーティングが開示されている。例えば、米国特許第６９１３６９４号は、以下のことを記載している。すなわち、選択的な膜が、親水性コーティングが膜のポリアミド層に適用された複合ポリアミド逆浸透膜であり、親水性コーティングは（ｉ）少なくとも２つのエポキシ基を含む多官能エポキシ化合物のある量を膜に適用し、（ｉｉ）次いで、水不溶性ポリマーを生じるような方法で多官能エポキシ化合物を架橋することによって形成されることを記載している。
【００１３】
さらに、米国特許第９０８９８２０号は、親水性化合物をポリアミド膜に共有結合することによって作られた親水性コーティングを有する複合ポリアミド逆浸透膜である選択的な膜を記載しており、前記親水性化合物は（ｉ）ポリアミド膜に直接共有結合するように適合された反応基であって、第一級アミン及び第二級アミンの少なくとも１つである反応基；（ｉｉ）非末端ヒドロキシル基；及び（ｉｉｉ）アミド基を含む。別の実施形態では、親水性化合物は、（ｉ）ポリアミド膜に直接共有結合するように適合された反応性基であって、第一級アミン及び第二級アミンの少なくとも１つである反応基；（ｉｉ）ヒドロキシル基；及び（ｉｉｉ）アミド基であって、アルキル基及びアルケニル基の一方によってヒドロキシル基に直接結合されているアミド基を含む。
【００１４】
しかしながら、これらの方法は、中程度の成功しか達成しておらず、費用がかかり、また膜の洗浄をより困難にしている可能性がある。したがって、膜のファウリングを防止するための改善されたシステム及び方法が必要とされている。１つの潜在的な解決策は、汚染水がＲＯ膜を通過する前に、流体力学的キャビテーションを使用することであり得る。
【００１５】
キャビテーションは、一般に、小さな液体のないゾーンを作り出す液体中の蒸気空洞の形成である。工学用語では、キャビテーションという用語は狭い意味で使用される、すなわち、液体システムの動的な作用によって生じる局所的な圧力低下によって生じる内部又は固体境界での蒸気で満たされた空洞の形成を表すために使用される。
【００１６】
流体力学的キャビテーションでは、液体中の流体力学的キャビテーション事象を引き起こす水中ジェットの使用により汚染除去を達成することができる。これらのキャビテーション事象は、強力な酸化剤と還元剤を生成し、汚染有機化合物と一部の無機物を効率的に分解及び破壊することにより、化学反応を促進する。これらの同じキャビテーション事象は、微生物（大腸菌及びサルモネラなど）及び幼虫（ゼブラ貝の幼虫など）の細胞壁又は外膜の物理的破壊又は破損、及び、これらの生物の破壊を支援する、過酸化物、ヒドロキシルラジカル等などの殺菌化合物の生成の両方を行う。細胞壁又は外膜の破壊後、内部細胞成分は酸化されやすくなる。
【００１７】
キャビテーション技術は、農業、鉱業、医薬品、食品及び飲料の製造及び加工、漁業、石油及びガスの生産及び加工、水処理及び代替燃料を含むがこれらに限定されない、多種多様な産業的及び生態学的修復環境において使用される。このように幅広い使用分野で、企業はキャビテーション技術をさらに開発することにますます熱心になっている。
【００１８】
いくつかの例は、米国特許第５，７４９，３８４号（林ら）及び米国特許第４，５０８，５７７号（Connら）に開示されている洗浄及び保守目的のための回転ジェットノズルの使用を含む。林の装置は、ジェットノズル自体を上下に移動させ、回転及び揺動させることができる駆動機構を採用している。Connらは、導管の内壁を洗浄するための少なくとも２つのジェット形成手段を含む洗浄ヘッドの回転を記載している。
【００１９】
これらの現在の流体力学的キャビテーション技術は、多くの場合、ＲＯにおいて膜のファウリングの原因であるとしばしば判明する種類など、懸濁固体の粒子分布サイズを減少させることを目的としている。キャビテーションの利用が進歩したにもかかわらず、膜のファウリングの防止を支援するためにキャビテーションの利点を活用することができるＲＯと組み合わせたキャビテーションの使用は驚くべきことにほとんど又はまったくない。したがって、膜のファウリングの可能性も低減するより効率的且つ効果的なＲＯプロセスを作り出すために流体力学的キャビテーションをＲＯに組み込む新しいシステム及び方法が必要とされている。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【００２０】
発明の概要
本発明のいくつかの態様及び特徴の基本的な理解を提供するために、本発明の以下の概要が提供される。この概要は、本発明の広範な概要ではなく、したがって、本発明の重要な又は決定的な要素を特に識別することも、本発明の範囲を線引きすることも意図していない。その唯一の目的は、以下に提示するより詳細な記載の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。
【００２１】
前述の及び他の態様を達成するために、及び本発明の目的によれば、流体処理システムにおける膜のファウリングを防止するためのシステム及び方法。
【００２２】
本発明の一実施形態では、膜のファウリングを防止するためのシステムが提供され、流体処理システムにおける膜のファウリングを防止するためのこのシステムは、少なくとも１つの膜を有し、このシステムは、流体の流れを流体処理システムに注入して少なくとも１つの膜に通す前に、流体の流れをキャビテーションするための流体力学的キャビテーション反応器を備え、キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、流体中の固体成分がそれらの（ｉ）分子構造、（ｉｉ）電荷、又はその両方を変化させ、その結果、それら成分が互いに反発し合い、膜の縁の周りに分散してファウリングを防ぐ。
【００２３】
本発明の一実施形態では、少なくとも１つの膜を有する流体処理システムにおいて膜のファウリングを防止する方法が提供される。この方法は、流体の流れを流体処理システムに注入して少なくとも１つの膜に通す前に、流体の流れを流体力学的にキャビテーションすることを含み、キャビテーション反応器内で流体力学的キャビテーションを受けた後、流体中の固体成分がそれらの（ｉ）分子構造、（ｉｉ）電荷、又はその両方を変化させ、その結果、それら成分が互いに反発し合い、膜の縁の周りに分散してファウリングを防ぐ。
【００２４】
この方法は、例えば、地方自治体による飲料水、脱塩、農業、鉱業、医薬品、食品及び飲料の製造及び加工、漁業、石油及びガスの生産及び処理、水処理及び代替燃料を含む産業的及び環境的修復環境などの分野で有用である。特に、本システム及び方法は、逆浸透システム及び水脱塩など、ファウリングしやすい膜を有するフィルタを利用する環境で有用である。
【００２５】
本発明の別の目的は、構築するのに容易且つ安価である新しく改善されたシステム及び方法を提供することである。
【００２６】
本発明の他の特徴、利点、及び態様は、添付の図面と併せて読まれるべき以下の詳細な記載からより明らかになり、より容易に理解されるであろう。
【００２７】
本発明は添付図面の図において限定としてではなく例として示されており、図中、同様の参照番号は同様の要素を指す。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復システムの概略図である。
【図２】本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復システムのブロック図である。
【図３】本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復を実行する方法の段階的なフローチャートである。
【図４】本発明の一実施形態による逆浸透で使用される膜の正面図である。
【図５】本発明の一実施形態によるキャビテーションに基づく水修復のための例示的な方法を示す流れ図である。
【図６】本発明の一実施形態による流体修復システムを使用する農場における修復を詳述する使用事例の概略図である。
【図７】修復を実行するために本明細書に提供されたシステム及び方法を利用する試験ケースから取得したデータを示す。
【図８】本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションシステムで利用される反応器プレートの正面図である。
【図９】本発明の一実施形態によるインテリジェントプラットフォーム及び自動化ハードウェア／ソフトウェア配置とともに流体力学的キャビテーションを利用する流体修復システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
特に断りのない限り、図中の絵は必ずしも原寸に比例して描かれているわけではない。
【００３０】
好ましい実施形態の詳細な記載
本発明は、本明細書に記載される詳細な図及び記載を参照することにより最良に理解される。
【００３１】
図面を参照して本発明の実施形態を以下で考察する。しかしながら、当業者は、これらの図に関して本明細書で与えられる詳細な記載が説明目的のためであり、本発明はこれらの限定された実施形態を超えて広がることを容易に理解するであろう。例えば、当業者は、記載され示されている以下の実施形態の特定の実装の選択肢を超えて、特定の用途の必要性に依存して、本明細書に記載される任意の所与の機能を実装するための多数の代替的且つ適切なアプローチを本発明の教示に照らして認識するであろうことは理解されるはずである。すなわち、列記するには多すぎるが本発明の範囲内にすべて収まる、本発明の多数の修正及び変形が存在する。
【００３２】
さらに、本発明は、本明細書に記載の特定の方法論、化合物、材料、製造技術、使用、及び用途に限定されず、これらは変化する可能性があることを理解されたい。また、本明細書で使用される用語は、特定の実施形態を記載するためにのみ使用され、本発明の範囲を限定することを意図するものではないことも理解されたい。本明細書及び添付の特許請求の範囲で使用される際、単数形「１つの（a）」、「１つの（an）」、及び「その（the）」は、文脈が明確に別の指示をしない限り、複数の言及を含むことに留意しなければならない。したがって、例えば、「要素（an element）」への言及は、１つ又は複数の要素への言及であり、当業者に知られているその同等物を含む。同様に、別の例では、「ステップ（a step）」又は「手段（a means）」への言及は、１つ又は複数のステップ又は手段への言及であり、サブステップ及び補助手段を含み得る。使用されるすべての接続詞は、可能な限り最も包括的な意味で理解されるべきである。したがって、文脈が明確に別に強制しない限り、「又は（or）」という言葉は、論理的な「排他的な又は」の定義ではなく、論理的な「又は」の定義を有するものとして理解されるべきである。本明細書に記載される構造は、そのような構造の機能的同等物も指すと理解されるべきである。文脈が明確に別の指示をしない限り、近似を表現すると解釈される可能性のある言語は、そのように理解されるべきである。
【００３３】
本明細書で使用される際、「濃縮物ストリーム」という用語は、ＲＯ膜を通過しなかった濃縮汚染物質を運ぶ水のストリームを意味するものとする。本明細書では、拒絶水を「拒絶ストリーム」と呼ぶこともある。
【００３４】
本明細書で使用される際、「汚染水」という用語は、溶解塩、有機物、細菌、及び発熱物質と組み合わせた水分子を意味するものとする。
【００３５】
本明細書で使用される際「透過水」という用語は、ＲＯ膜を通過した後に脱塩又は脱イオン化された脱塩水を意味するものとする。本明細書では、透過水を「生産水」と呼ぶこともある。
【００３６】
特に定義されない限り、本明細書で使用されるすべての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の熟達者によって共通に理解されるのと同じ意味を有する。好ましい方法、技術、デバイス、及び材料が記載されているが、本明細書に記載されているものと類似又は同等の任意の方法、技術、デバイス、又は材料が、本発明の実施又は試験に使用されてよい。本明細書に記載される構造は、そのような構造の機能的同等物も指すと理解されるべきである。ここで、添付図面に示される実施形態を参照して、本発明を詳細に記載する。
【００３７】
当業者は、本発明の教示に従って、前述のステップ及び／又はシステムモジュールのいずれも、適切に交換、並べ替え、除去することができ、追加のステップ及び／又はシステムモジュールを特定の用途の必要性に依存して挿入できること、及び、前述の実施形態のシステムは、多様な適切なプロセス及びシステムモジュールのいずれかを使用して実装でき、いずれの特定のコンピュータハードウェア、ソフトウェア、ミドルウェア、ファームウェア、マイクロコード等にも限定されないことを容易に認識するであろう。コンピューティングマシン上で実行できる本出願に記載のいずれの方法ステップについても、典型的なコンピュータシステムが、適切に構成又は設計されている場合、本発明のこれらの態様を具現化できるコンピュータシステムとして機能することができる。
【００３８】
本発明の例示的な実施形態はキャビテーションが使用される特定の産業を参照して記載されるが、当業者は、本発明の実施形態が、キャビテーションが有益ないずれのタイプの用途にも適用可能であることを認識するだろう。
【００３９】
本発明のシステム及び方法は、膜のファウリングを防ぎ、流体を修復する。このシステムは、通常の環境では濾過システムの膜を詰まらせたりファウリングしたりする有機及び無機濃縮物の分子及び／又は構造特性を変更するように構成されている。本汚染除去システムの詳細な要素及び特定の実施形態は、物理的及び化学的汚染除去反応を促進するために使用されるキャビテーション現象をさらに理解することにより最良に理解することができる。流れの圧力降下が大きいため、圧力降下の領域で微細な気泡が成長し、圧力上昇の領域で崩壊する。キャビテーションにさらされると、液体中の様々な分子が解離し、フリーラジカルを形成する。これは強力な酸化剤又は還元剤である。例えば、水性液体中、微細な気泡の成長と崩壊による激しいキャビテーションの下で、ヒドロキシルラジカルを形成するための水の解離が起こる。他の分子の類似の解離は、水溶液並びに非水性液体及び溶液中のキャビテーションの結果として起こり、本明細書に記載の汚染除去反応を同様に支援するラジカルを生成する可能性がある。さらに、液体環境で生成されるキャビテーションは、特定のラジカルの生成に関係なく、汚染物質の物理的破壊をもたらし得る。本発明の方法及びシステムは、使用されるキャビテーションの物理的及び／又は化学的効果による分解を受けやすい汚染物質を含むすべての流体環境に適用可能である。
【００４０】
本発明者らは、本明細書に記載のシステム及び方法を使用して、本明細書に記載のように、濃縮物が形態を変化させ、ＲＯ膜の膜をファウリングしないことを発見した。本発明者らは、本システム及び方法が、膜技術を利用する他のタイプの濾過に有用であることも発見した。
【００４１】
ここで図１を参照すると、本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復システムの概略図が全体的に１００で示されている。システム１００は、入口１０２及び様々な出口１０４Ａ〜Ｅに結合された流体力学的キャビテーションシステム１５８とＲＯ膜１６０とを画定する。現在の実施形態では、１つの入口１０２及び５つの出口１０４Ａ〜Ｅがあるが、任意選択の実施形態では、より多い又はより少ない数の入口及び／又は出口があってもよい。
【００４２】
なおも図１を参照すると、修復チャネル１０１は、ポンプ１２６を使用して、１６２で表される経路に沿って汚染水をシステム１００に導入するように構成される。修復チャネル１０１を通過する汚染水は、最初は未加工で、茶色又は黒色であり得、沈殿物、汚染物等を含み得、流体力学的キャビテーションシステム１５８に結合されたポンプ１２６によって流体力学的キャビテーションシステム１５８に導入される。ポンプ１２６は、処理のために汚染水を流体力学的キャビテーションシステム１５８に供給するために使用される。
【００４３】
現在の実施形態では、高圧で動作するように構成されたポンプ１４８は１つのみ存在する。任意選択の実施形態において、ポンプ１４８は、汚染水内に見られる異なるタイプの汚染物質（例えば、ヒ素、鉛、ラジウム、カドミウム、及び亜鉛）の濃度を説明するために異なる圧力で運転されてもよい。さらに他の任意選択の実施形態において、複数のポンプ１４８が使用されてもよい。
【００４４】
図１には単純な長方形タンクが示されているが、様々なサイズ、形状、容器の位置、及び様々なサイズの構成要素の数を使用できることを理解されたい。
【００４５】
なおも図１を参照すると、ここでは入口１０２を起点として、システムは、センサハウジング１０６、第１の弁１０８、複数の注入器コイル１１０、添加剤ポート１１２、及び流量計１１４を備える。本明細書で使用される際、システムのこの領域は、「プリキャビテーションゾーン」又は「混合ゾーン」と呼ばれることがある。システムは、第１の空気注入器１１６及び第２のセンサアレイ１１８をさらに備え、その後に渦板１４６及び第２の空気注入器１２０が続くことができる。追加のセンサ（例えば、圧力センサ１２４）及び第２の弁１２２も示されている。次いで、修復チャネル１０１は、出口１０４に続く。本明細書で使用される際、システムのこの領域は、本明細書では「キャビテーションゾーン」１４４と呼ばれることがある。
【００４６】
なおも図１を参照すると、センサハウジング１０６は、入口１０２に近接して配置され、修復チャネル１０１に通信可能に結合され、その結果、修復される汚染水がプリキャビテーションゾーンに入る前に試験及び監視される。本発明の任意選択の実施形態では、修復流体のサンプルが試験のためにオフショットされるように、分岐経路１２８及び弁１０８が提供される。進入経路１３２は、進入経路１３２に結合された弁１３４（例えば、チョーク弁）を介して試験流体を修復チャネル１０１に注入し戻すためにさらに提供される。センサハウジング１０６は、プロセスの自動化、特徴付け及び監視に使用されるセンサのアレイを備え得る。例えば、センサアレイは、機械式センサ、電子機器、分析及び化学センサ、制御システム、遠隔測定システム、及び、図９に関連してより詳細に考察する、センサがプログラマブルロジックコントローラ（ＰＬＣ）と通信することを可能にするソフトウェアを含む、多数の様々な構成要素を含み得る。
【００４７】
なおも図１を参照すると、本発明の現在の実施形態では、センサハウジング１０６は、機械式センサ、流量を測定する流量計及び圧力計、圧力、比重、液体の存在（水位計及びインターフェースプローブ）、ｐＨ、温度、及び導電率などの様々なパラメータを測定する電子センサ、並びに汚染物質濃度などの化学パラメータを測定する分析センサを備え得る。分析センサのいくつかの例には、ｐＨプローブ及び比色測定に使用される光学センサが含まれる。センサと連携して動作する制御システムは、ＰＬＣ及びその他の電子マイクロプロセッサデバイスを備える。制御システムは、感覚入力を受信し、情報を処理し、特定の動作をトリガすることができる。これらについては、図９に関連してより詳細に考察する。
【００４８】
なおも図１を参照すると、複数のリード１３６が修復チャネル１０１に流体的に結合され、リード１３６は特定の物質を修復チャネル１０１に注入するように構成される。例として、固相、液相又は気相の前駆体化合物の異なるタイプ及び組み合わせが、選択された流体処理プロセスのタイプ、処理される汚染物質、既存の水質、所望の水質、及び他の変数に依存して使用されてもよい。前駆体化合物１４０は、ポンプ１３８Ａ〜Ｅを介して修復チャネル１０１にポンプ送給又は注入することができる。現在の実施形態では、５つのポンプ１３８Ａ〜Ｅが使用されているが、任意選択の実施形態では、５つより多くのポンプが使用されてもよい。前駆体化合物１４０は、フィードストックであり得るが、交換可能なカートリッジ、及びライン供給、又は他の同様の化学物質入力、並びにより大きな水流のための様々なフィードストック及び前駆体供給材料のバルク供給も含み得る。
【００４９】
なおも図１を参照すると、例示的な前駆体化合物１４０は、固体として導入されるか水又は他の溶媒に溶解される、フッ素、塩素、臭素、ヨウ素、硫酸塩、ナトリウム、カリウム等などのハロゲン塩を含み得る化合物を含む。水又は他の溶媒に溶解される、オゾン、過酸化水素、ペルオキシ酸、ブライン溶液、塩素溶液、アンモニア溶液、アミン、アルデヒド、ケトン、メタノール、キレート剤、分散剤、窒化物、硝酸塩、硫化物、硫酸塩等などの液体フィードストックを使用することができる。さらに、オゾン、空気、二酸化塩素、酸素、二酸化炭素、一酸化炭素、アルゴン、クリプトン、臭素、ヨウ素等などの気体フィードストックを使用することができ、これらはそれぞれ、流体修復プロジェクトの目標に基づいて所定量で使用することができる。固体化合物の場合、添加剤ポート１１２が示されている。乾燥剤の注入は、添加剤ポート１１２に結合された弁１４２の操作を介して起こり得る。
【００５０】
なおも図１を参照すると、それらの剤を修復チャネル１０１に導入するためのポート１１２は、局所的な流れの狭窄部又はその付近で酸化剤を貫流チャネルに導入し得る。図示の例では、ポートは、局所的な流れの狭窄部で流体に酸化剤を導入できるように構成することができる。ポートは、局所的な流れの狭窄部だけでなく、局所的な狭窄部と、キャビテーション気泡が形成されるキャビテーションゾーンに至る領域との間及びそれらを含む領域に沿って、修復チャネル１０１に酸化剤を導入するように構成できることが理解されよう。
【００５１】
なおも図１を参照し、修復チャネル１０１を下に移動すると、流量計１１４などの追加のセンサが経路に沿って配置されている。プリキャビテーションゾーンでは、流量計は、ＰＬＣがキャビテーション変数を計算できるようにバルク流体の動きを定量化するように構成され、これについては図９を参照してより詳細に考察する。汚染された水がキャビテーションゾーン１４４に入ると、流体は様々な程度のキャビテーションを受ける。キャビテーションゾーン１４４は、空気を修復チャネル１０１に注入するように構成された第１の空気注入器１１６と、反応器プレート１４６と、第２の空気注入器１２０と、キャビテーションゾーン１４４を通る流れの割合を制御し且つ修復チャネル１０１内の流体の平均滞留時間を制御する制御弁１２４とを備え得る。
【００５２】
なおも図１を参照すると、第１の空気注入器１１６及び第２の空気注入器１２０は、液体にキャビテーションを誘発して液体中に蒸気空洞（すなわち、小さな液体のないゾーン、気泡又は空隙）を形成するように構成され、蒸気空洞の形成は圧力が比較的低い空洞の形成を引き起こす圧力の急速な変化に流体が曝される場合に起こる。このようにして、注入器を使用して、化学反応を高め、空洞形成気泡に閉じ込められた蒸気の解離によるプロセス中のフリーラジカル形成による反応を伝播する。
【００５３】
なおも図１を参照すると、反応器プレート１４６は、第１の空気注入器１１６と第２の空気注入器１２０との間の修復チャネル１０１内に配置される。反応器プレートは、図８に関連してより詳細に考察され、キャビテーションゾーン１４４において、高い揮発性を有する大量の微細な気泡が存在するように、さらなるキャビテーションを誘発するように構成される。これらの微細な気泡が崩壊すると、５００気圧までの瞬間的な圧力と、約５０００ケルビン度の瞬間的な温度が流体内に生成される。この現象は、いくつかの重要な化学反応を達成する：（１）Ｈ２ＯはＯＨラジカルとＨ＋原子に解離する；（２）複雑な有機炭化水素の化学結合が壊れる；及び（３）長鎖化学物質が酸化されてより単純な化学成分になり、その後紫外線によって下流で照射され、酸化プロセスが促進される。
【００５４】
なおも図１を参照すると、本実施形態ではバタフライ弁であるが他の実施形態では他のタイプの弁で構成されてもよい追加の弁１２４が修復チャネル１０１に配置され、出口１０４Ａ〜Ｅへの流体の流出に必要なときにヘッド圧力を低下させる。弁１２４は、システム内の他の弁と同様に、完全に自律的であるようにＰＬＣに通信可能に結合されている。
【００５５】
なおも図１を参照すると、流体がキャビテーションゾーン１４４を通過すると、流体は修復チャネル１０１を介してＲＯ膜１５２に向けて供給される。ＲＯポンプ１６０が修復チャネル１０１に結合され、ＲＯがＲＯ膜１５２を横切って発生できるように適切な量の生成を保証する。流体は、出力１０４Ａ〜Ｅに到達すると、ＲＯ膜１５２を通過し、そこでＲＯを受ける。汚染水が（浸透圧を克服するのに十分な）圧力下でＲＯ膜１５２に入ると、水分子はＲＯ膜１５２を通過し、塩及び他の汚染物質は通過することができず、濃縮物ストリーム１６２を通して排出され、濃縮物容器１５６に貯蔵される。ＲＯ膜１５２を通過する透過液は、透過液チャネル１５４を通過し、透過液容器１５０に貯蔵される。
【００５６】
流体が図１のキャビテーション反応器を一度通過すると、ＲＯのフィルタが著しくより遅い速度でファウリングし、膜の寿命が著しく延長されたことが分かった。さらに、１日あたり７ＭＧの汽水を飲料水に処理した後、システムは５５〜６５％のＲＯ濃縮物を回収したことが分かった。これは以前は処理できず、膜をファウリングすることがなかった。表１に示す表中、各縦軸は週を表す：
【００５７】
【表１】
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【００５８】
ＲＯが単独で実行された場合、フィルタはほぼ同じ速度でファウリングしなかった。これは、図２〜４に関連してｓ＝考察されている。
【００５９】
ここで図２を参照すると、本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復及び／又は処理システムのブロック図が全体的に２００で示されている。水源１０２が提供され、これはポンプの作用を受ける、又は別の方法で流体力学的キャビテーション反応器２０４によって受け取られる。現在の実施形態において、流体力学的キャビテーションについて考察する。しかしながら、任意選択の実施形態では、音響キャビテーション等などであるがこれらに限定されない他のタイプのキャビテーションが主題のシステム及び方法とともに使用され得ることに留意すべきである。流体が流体力学的キャビテーション反応器２０４内でキャビテーションを受けると、流体は、この例示的な実施形態では汚染水を修復するために膜を有するフィルタを利用する任意のシステムを備える第２の流体処理システム２０８によって受け取られる。
【００６０】
膜技術を使用する廃水処理の例はＲＯである。ＲＯは、例えば、挿入された透過キャリアが一緒に接着され且つ供給スペーサが対向膜表面間に挿入されて膜パッケージを完成させる２枚の膜シートからなるサンドイッチを含む螺旋状に巻かれた要素である膜を使用し得る。膜パッケージは、透過液がそれを介して要素を出る有孔中央チューブの周りに巻かれる。典型的な設定では、膜は透過液を収集し「ファウリング層」として機能する。ファウリング層は通常、微生物、塩、及びＡｌ、Ａｓ、Ｃｈ、Ｃｏ、Ｍｇ、ＢａＳＯ４Ｏ、Ｓ、Ｎｉ、Ｐ、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｂａ、及びＳｒ等などの無機物のコロニーからなる。
【００６１】
反応器２０４でキャビテーションを受けた後、汽水又は褐色水中の成分は、それらの分子構造及び／又は沈殿物の分子の電荷を変化させて、それらを「自然に」分散させ、それらに膜を詰まらせたりファウリングさせたりしない。このようにして、前処理方法及び修復技術として、流体をキャビテーションすることで、又はＲＯ膜を最初に通過した後に濃縮物をキャビテーションすることでさえ、ＲＯ膜が目詰まり又はファウリングする可能性は低減される。キャビテーションが「最初の通過」で使用される場合、ＲＯ供給水の効果的な前処理（微粒子、コロイド、及び有機物などの潜在的なファウリング物質を完全又は部分的に除去するため）。
【００６２】
フィルタの外側の堆積物は、少量のより大きな凝集体を含む微細な白色粉末からなり、コーンスターチの外観に非常に似ていることがわかった。ＩＣＰ／ＯＥＳを介して出力を分析し、試料内に存在する無機成分を検出した。溶解度試験の結果を考えると、粉末は不溶性塩の不均一な混合物であることが疑われた。したがって、元素分析によって検出された金属成分は、これらの塩結晶のカチオン種であると想定できる。これまで最も豊富な金属はカルシウムであることが分かっており、マグネシウムとカリウムがそれに続く。これらの金属間のモル比は次のように決定された：カルシウム：マグネシウム（モル：モル）１８．６：１及びカルシウム：カリウム（モル：モル）１１４：１。また、微量の以下の金属も検出された（それぞれ１ｐｐｍ未満）：バリウム、コバルト、銅、モリブデン、ニッケル、チタン、バナジウム、亜鉛、及び銀。以下の元素が機器によって検出され、信頼できるスペクトルを生成したが、それらを定量化することはできなかった：炭素、硫黄、及びリン。
【００６３】
粉末の陰イオン成分を決定するために、少量の試料をイオンクロマトグラフィ（ＩＣ）により分析した。試験した陰イオンは、フッ化物、塩化物、亜硝酸塩、硫酸塩、臭化物、及びリン酸塩だった。粉末を溶解するために硝酸が使用されたため、硝酸塩を試験することはできなかった。
【００６４】
入手可能なデータに基づいて、問題の粉末は、主に硫酸カルシウム（＞９０％）から構成され、硫酸マグネシウム及び微量の前述の金属が粉末の残りの部分を構成していると結論付けられた。この結論は主に定性的手段によって得られたが、観察された経験的データと硫酸カルシウムの既知の特性とによって裏付けられる。硫酸カルシウムの溶解度積（ＫＳＰ）の文献値は９×１０−６であり、これは、粉末が水にやや溶けにくいという我々の観察と一致する。硫酸カルシウムと硫酸マグネシウムはどちらも白色の粉末として現れる。これは実験室で分析された粉末の物理的外観と一致する。
【００６５】
最後に、入力ストリームからのデータに基づいて、カルシウム及びマグネシウムが静水圧キャビテーション装置に入る既知の供給源があるように見える。濃縮物入力蒸気の水質分析により、カルシウムとマグネシウムの両方が高レベルで存在することが判明した。これら２つの陽イオンが硫酸塩と反応して、静水圧キャビテーションプロセスで不溶性凝集体を形成するプロセスがあり、これはフィルタのファウリングを回避するのに役立つように見える。
【００６６】
ここで図３を参照すると、本発明の一実施形態による流体力学的キャビテーションを組み込んだ流体修復を実行する方法の段階的フローチャートが全体的に３００で示されている。このシステムでは、水源３０２からの汚染水はキャビテーション反応器３０４にポンプ送給されるか、それによって受け取られる。ＲＯ膜３０６がキャビテーションを受けた汚染水を受け取ると、逆浸透を実行し、濾過された生産水を生産貯蔵タンク３０８に送り、濃縮物ストリームは消費準備ができていない流体と一緒に保持タンク３１０に送られる。保持タンク３１０では、流体は沈降し、粒子は底部に沈降する。次いで、濃縮物を有する流体は、キャビテーション反応器３０４に送り返され、そこでＲＯ膜３０６によって再処理される前に、本明細書に記載されるものなどの流体力学的キャビテーションを受ける。
【００６７】
試験中、キャビテーション反応器３０４に汚染水を流した後、流体の約５５〜６５％が回収されて生産水に使用可能になっただけでなく、汚染水が全くキャビテーションを受けなかった場合にＲＯ膜３０６がファウリングするようにＲＯ膜３０６がファウリングすることはなかった。代わりに、膜にかかる圧力は、毎日のサイクルを通してほぼ安定した圧力に維持された。ＲＯの「通常の」環境では、沈殿物が蓄積するにつれて膜にかかる圧力はプロセス全体を通して高まる。フィルタの試験は、汚染水がキャビテーション反応器３０４を通過すると、ファウリング層はＲＯ膜３０６上に蓄積しないか、少なくともはるかに低い速度で蓄積することを示した。ＲＯ膜３０６は、例示的な実施形態では０．０００１μｍから０．００１μｍの範囲の孔サイズを有する複数の膜を含み、その結果、水を除くほとんどすべての分子を保持することができ、孔のサイズにより、必要な浸透圧は他の形式の濾過よりも著しく大きい。したがって、粒子の蓄積が発生してＲＯ膜３０６をファウリングする可能性があり、また、生産能力の損失を引き起こし、故障状態が時々発生し得るまで圧力を上昇させる可能性がある。
【００６８】
なおも図３を参照すると、この例示的な実施形態では、水源３０２からの汚染水はキャビテーション反応器３０４に直接送られる。しかしながら、任意選択の実施形態では、水源３０２からの汚染水は、キャビテーション反応器３０４に送られる前に、最初にＲＯを受け、それ自体のＲＯ膜に通されてもよい。
【００６９】
ここで図４を参照すると、本発明の一実施形態による逆浸透で使用される膜の正面図が全体的に４００で示されている。現在の実施形態では、膜４０２及び４０４が示されている。膜４０２は、本明細書に記載のキャビテーションプロセスを経ていない流体で実行され、膜４０４は、本明細書に記載のキャビテーションプロセスを経た流体が通過した膜を表示する。見て分かるように、ファウリング層とその粒子４０６は膜の内側部分に蓄積し、一方、膜４０４では、最小のファウリング層粒子が膜の外側部分４０８に蓄積する。これはＨＰ膜とは対照的にＬＰ膜を使用し、コストを大幅に節約できることを意味する。
【００７０】
ここで図５を参照すると、本発明の一実施形態によるキャビテーションに基づく水修復のための例示的な方法を示す流れ図が全体的に５００で示されている。現在の実施形態では、方法５００は、ステップ５０２で、入口から始まる修復チャネルを通して汚染水を流し、ポンプを使用して修復チャネルに前記水を供給することを含み得る。
【００７１】
なおも図５を参照すると、方法５００は、ステップ５０４で、修復チャネルと流体連通する注入ポートを使用して少なくとも１種類の薬剤を透過水に注入することをさらに含み得る。方法５００は、ステップ５０６で、注入ポートより下流の修復チャネルと流体連通する空気アクチュエータを使用して流体に空気のバーストを導入することをさらに含み得る。方法５００は、ステップ５０８で、皮質を形成するために流体を反応器プレートに通すことをさらに含み得る。
【００７２】
なおも図５を参照すると、方法５００は、ステップ５１０で、注入ポートより下流の修復チャネルと流体連通する第２の位置で空気アクチュエータを使用して透過水に空気のバーストを導入することをさらに含み得る。方法５００は、ステップ５１２で、修復チャネル内の透過水内に少なくとも１つ及びより頻繁には複数の渦及びキャビテーションポケットを生成することをさらに含み得る。
【００７３】
なおも図５を参照すると、方法５００は、ステップ５１６で、修復チャネル内に配置され且つ空気アクチュエータと電子的に通信する流れ調整弁を使用して流体の流れを調整することをさらに含み得、流れ調整弁は、圧力を最適化して液体内のキャビテーションポケットの数を増やすように構成される。方法５００は、ステップ５１６で、逆浸透修復システムに修復された透過水を出力すること、及び、ステップ５１８で、逆浸透システムから生産貯蔵タンクに透過水を出力し、及び修復チャネル及び逆浸透システムを介してさらに再処理するために、逆浸透システムから保持タンクへ濃縮物を流すことをさらに含み得る。
【実施例】
【００７４】
実施例１
この例は、実施形態を説明するためのものであり、限定として解釈されるべきではない。
【００７５】
ここで図６を参照すると、キャビテーションを利用する修復システムの大規模な商業的実践の任意選択の実施形態が、全体的に６００で示されている。この任意選択の実施形態は、本明細書に記載のシステムの複数の列の使用を考慮する。複数の列を連結することにより、列ａと列ｂで生成された濃縮物をそれ自身の逆浸透手順に通すことにより、最高品質の修復が可能になる。これは、最初の２つのステージからの濃縮物が第３のステージへの供給水になる多ステージシステムと見なされる。追加のステージを使用することにより、システムからの透過水の回収率を高めることができる。より大規模なさらなる任意選択の実施形態では、濃縮物を収集して処理する前に２つより多くのステージを使用してもよい。
【００７６】
既存の列Ａから始めて、封じ込め水は供給部６０２から集められる。ポンプ６０４は、流体力学的キャビテーションシステムを構成する反応器６０６及び遠心分離機６０８に向かって汚染水を押す。汚染水が遠心分離機６０８を通過すると、固体は固体貯蔵タンク６１０に送られ、残りの水はポンプ６１２を介して列Ａ  ＲＯ膜６１４に送られる。ポンプ６１２は水が列Ａ  ＲＯ膜６１４を通過するときに逆浸透を引き起こすのに十分な圧力を提供するように設計される。ＲＯ膜６１４を通過すると、透過液はポンプ６１６を介して透過液貯蔵タンク６１８に送られ、濃縮物はポンプ６２０を介して濃縮物供給部６２２に送られる。
【００７７】
なおも図６を参照すると、既存の列Ａの作動と同時に、既存の列Ｂも作動する。列Ｂは、汚染水が供給部６２６から収集されると始動する。次に、ポンプ６２８が、流体力学的キャビテーションが発生する反応器６３０及び遠心分離機６３２に向けて汚染水を押す。固体は固体貯蔵タンク６３６に送達され、残りの水はポンプ６３４を介して列Ｂ  ＲＯ膜６４６に送られる。列Ａと同様に、ポンプ６３４は、水が列Ｂ  ＲＯ膜６４６を通過するときに逆浸透を引き起こすのに十分な圧力を提供する。ＲＯ膜６４６を通過すると、透過液はポンプ６２４を介して透過液貯蔵部６４０に送られ、濃縮物はポンプ６３８を介して濃縮物供給部６２２に送られる。
【００７８】
なおも図６を参照すると、列Ａと列Ｂの両方が完了し、両方の列からの濃縮物が濃縮物供給部６２２に送られると、列Ｃが実行される。反応器６４２は、濃縮物供給部６２２から濃縮物を受け取り、次いでそれはポンプ６４４を介して列Ｃ  ＲＯ膜６４８を通して送られる。列Ａ及び列Ｂの両方と同様に、ポンプ６４４は、濃縮物が列Ｃ  ＲＯ膜６４８を通過するときに逆浸透を引き起こすのに十分な圧力を生成するように設計されている。列Ｃ  ＲＯ膜６４８の通過から生成された透過液は、ポンプ６５０を介して透過液貯蔵部６５２に送られ、残りの濃縮物はポンプ６５４を介して濃縮物貯蔵部６５６に送られる。
【００７９】
図７を参照すると、修復及びキャビテーションを実行するために本明細書に提供されたシステム及び方法を利用する試験ケースから取られたデータを示す表が、全体的に７００で示されている。表７００は、試験期間にわたる毎日の動作圧力を示す。膜の動作圧力は、膜のファウリング量の指標である。各試験の開始時、動作圧力は３３０〜３５０ｐｓｉの範囲内にあった。圧力は、各試験の最初の４時間で３８０〜３９０ｐｓｉに増加し、その後、試験の残りの間安定したままだった。膜が次第にファウリングされていた場合、動作圧力は試験期間の間に徐々に増加し、各試験の終了時にベースライン値に戻らなかった。動作圧力は、試験期間にわたって明らかな差が出るほど増加せず、したがって試験データは明らかな膜のファウリングを示さなかった。
【００８０】
ここで図８を参照すると、本発明の一実施形態によるシステムで利用される反応器プレートの正面図が、全体的に８００で示されている。図１を参照し直すと、実質的に均一に混合されたストリームが、空気注入器１１６から反応器プレート１４６に向けられる。反応器プレート１４６は、流体が通過する所定のサイズの中央開口を含む。均一な条線８０２が、反応器プレート１４６の面上に配置され、その数は、使用事例に基づいて事前に決定され、流体を均等に分散させるように構成される。いくつかの実施形態における条線８０２は、プレートの面の所定の部分にわたってそれぞれ山及び谷を形成する円形リングである。全体的に８００で示される実施形態では、条線は、外半径から内側へプレートの面の約半分を覆う。いくつかの任意選択の実施形態では、条線はキャビテーションセクションに対するシールとして機能することができる。図１から分かるように、フランジを使用すると、セクションを簡単に複製することができる。
【００８１】
なおも図８を参照すると、渦発生セクション８０４が、プレート１４６の中心に向かって内向きに配置され、最初に上方及び後方に傾斜し、次に連続する凸状の後方曲線において湾曲し、上縁部まで実質的に水平に後方に延びている谷８０８及びピーク８１０を有する前縁部分を含む。これらのピーク８１０は「ベーン」と呼ばれる場合がある。この形状により、気泡が気泡／粒子の付着を促進し且つ継続的に変化する混合環境において最適なサイズと数の気泡を生成する長い範囲の疎水性力を生成するのに十分に小さいサイズで形成を始めることが保証される。反応器プレート１４６は、一般に、流体中の有機化合物を分解及び／又は酸化することができるヒドロキシルラジカルの量を高め、キャビテーション気泡内に含まれる及び／又はそれに伴うかなりの量の酸化剤をもたらす。
【００８２】
反応器プレート１４６は、金属合金、又はいくつかの実施形態では弾性エラストマー材料など、キャビテーションに対して比較的不透過性の材料で形成されてもよい。反応器プレート１４６は、様々な異なる形状及び構成で具体化されてもよい。例えば、プレートは、渦を引き起こす円錐形の表面を含む円錐形であってもよく、又は図示のように完全に周期的であってもよい。様々な程度で他の形状も同様に使用できることを理解されたい。
【００８３】
ここで図９を参照すると、本発明の一実施形態による、インテリジェントプラットフォーム及び自動化ハードウェア／ソフトウェア構成とともに流体力学的キャビテーションを利用する流体修復システムの概略が全体的に９００で示されている。「インテリジェントプラットフォーム」は、一般に、可用性の冗長性、拡張可能なオープンアーキテクチャ、アップグレード可能なＣＰＵ等を有する、プログラマブルロジックコントロール、高性能及び高性能システム（例えば、ＰＡＣシステム）コントローラなどのコントローラに関連する。さらに、本発明の実施形態では、効率とデータ配布を最大化するためにＰＲＯＦＩＮＥＴ（登録商標）を利用する分散型Ｉ／Ｏは、Ｉ／Ｏの柔軟性を有し、単純なディスクリートから安全及びプロセスＩ／Ｏまで、完全な範囲のＩ／Ｏに接続する。
【００８４】
図９に示すように、ＰＬＣ９０２は、それぞれが様々な弁及びセンサアレイに結合されている複数のコントローラ９０４、９０６、９０８と電子的に結合されている（例えば、有線、無線、ブルートゥース（登録商標）等）。ＰＬＣ９０２は、入力デバイスの状態に関するデータを連続的に収集して出力デバイスの状態を制御するソフトウェアを実行するように構成される。既知のように、ＰＬＣは通常、プロセッサ（揮発性メモリを含み得る）、アプリケーションプログラムを含む揮発性メモリ、及びオートメーションシステム内の他の装置に接続するための１つ又は複数の入力／出力（Ｉ／Ｏ）ポートを備える。さらに、ＰＬＣでは、ビジネス分析アプリケーションの場合、制御レベルで利用可能なプロセスに関するコンテキスト知識が失われる。プラットフォームは、監視制御及びデータ収集（Supervisory Control and Data Acquisition；ＳＣＡＤＡ）、製造実行システム（Manufacturing Execution Systems；ＭＥＳ）、又はエンタープライズリソースプランニング（ＥＲＰ）システムのより高いレベルのソフトウェア機能をさらに備えている場合がある。任意選択的に、ＰＬＣは「インテリジェントＰＬＣ」とすることができ、これは制御アプリケーションで強化された機能の品揃えを提供するように構成できる様々なコンポーネントを備える。例えば、いくつかの実施形態では、インテリジェントＰＬＣは、深く統合されたデータヒストリアン及び分析機能を含む。この技術は、水修復のための様々な産業オートメーション設定に特に適しているが、これらに限定されない。動作中、自動化システムのコンテキスト情報には、例えば、データを生成したデバイスの表示、インテリジェントＰＬＣを含む自動化システムの構造記述、システム動作モードインジケータ、及びプロセスイメージ領域のコンテンツが生成されたときに作成された製品に関する情報の１つ又は複数を含み得る。追加又は代替として、コンテキスト化されたデータは、インテリジェントＰＬＣによって利用される自動化ソフトウェアの記述又はプロセス画像領域のコンテンツが生成された間に自動化ソフトウェアのステータスを示すステータスインジケータの１つ又は複数を含み得る。
【００８５】
なおも図９を参照すると、ＰＬＣは、ポンプ１２４及び流体源９０８、センサハウジング１０６、弁９１０、複数の注入器コイル１１０、添加剤ポート１１２及び別の感覚アレイ１１４に電子的に結合されている。追加のダウンラインコントローラ９０４がＰＬＣに通信可能に結合され、添加剤ポート１１２及び１３８とさらに連通している。本発明の任意選択の実施形態では、センサアレイ１０６は、流体の関連する特性のすべてを取得し、その情報を９０２のＰＬＣに送信するように構成されている。流体の特性に基づいて、ＰＬＣは、修復プロセスを支援する薬剤をストリームに放出するように弁９１４に指示するように構成されている。いくつかの実施形態では、ＰＬＣ９０２には、流体の品質に関する所定の情報がロードされる。例として、固体として導入されるか水又は他の溶媒に溶解されるフッ素、塩素、臭素、ヨウ素、硫酸塩、ナトリウム又はカリウム等などのハロゲン塩を含み得る化合物など、選択された流体処理プロセスのタイプ、処理される汚染物質、既存の水質、所望の水質、及び他の変数に応じて、固相、液相又は気相の前駆体化合物の異なるタイプ及び組み合わせが使用され得る。処理された流体を試験しそれに関するデータを収集し、適切な圧力と流量が提供され得ることを保証するために、追加のセンサアレイ９１２が提供される。
【００８６】
第１の空気注入器１１６は追加のコントローラ９０６と連通し、追加のコントローラ９０６はＰＬＣ９０２と連通する。本発明の任意選択の実施形態では、ＰＬＣ９０２は、要求されるキャビテーションの程度に基づいて空気圧を制御するように構成される。コントローラ９０６はまた、反応器プレート１４６及びバッフル（図示せず）と連通しており、反応器プレートを回転及び傾斜させてキャビテーションの程度を変化させる。第１の空気注入器と同様に、第２の空気注入器１２０及び制御弁１２４は、同様の目的のためにコントローラ９０６と連通している。
【００８７】
なおも図９を参照すると、追加のアクチュエータ９１８を使用することができ、任意選択のセンサアレイ９２０及びＵＶ反応器９２２も同様であり、それぞれＲＯ膜９２４を通過して最終使用用修復水９２６になる前にコントローラに接続される。
【００８８】
第１及び第２の空気注入器は、流体にキャビテーションを誘発して、液体中に蒸気空洞（すなわち、小さな液体のないゾーン、気泡又は空隙）を形成するように構成されており、蒸気空洞は、圧力が比較的低い空洞の形成を引き起こす圧力の急激な変化に流体が曝されるときに発生する。このようにして、注入器を使用して、化学反応を高め、キャビテーション気泡に閉じ込められた蒸気の解離によるプロセス中のフリーラジカル形成による反応を伝播する。
【００８９】
反応器プレート１４６は、第１及び第２の空気注入器の間でライン１０１内に配置され、ＰＬＣ９０２と連通し、ＰＬＣ９０２は反応器プレート１４６を様々な方向（例えば、１５度）に傾けるように構成される。反応器プレートは、図２に関連してより詳細に考察され、キャビテーションゾーン１４４に、高い揮発性を有する大量の微細な気泡が存在するように、さらなるキャビテーションを誘発するように構成される。
【００９０】
追加の弁１２４、例えばバタフライ弁がラインに配置され、出口１０４への流体の流出に必要なときにヘッド圧力を低下させる。弁１２４は、システム内の他の弁と同様に、完全に自律的であるようにＰＬＣに通信可能に結合される。
【００９１】
現在最も実用的で好ましい実施形態であると考えられるものに関連して本発明を記載してきたが、本発明はここに開示した実施形態に限定されないことを理解されたい。むしろ、本発明は、添付の特許請求の範囲の趣旨及び範囲内に含まれる様々な修正及び同等の配置のすべてを網羅するように意図される。
【００９２】
本発明の様々な実施形態の特定の特徴は、いくつかの図面で示され、他の図面では示されないことがあるが、これは単に便宜上のためである。本発明の原理によれば、１つの図面の特徴は、他の図面のいずれかの特徴のいずれか又はすべてと組み合わせることができる。本明細書で使用される際「含む」、「備える」、「有する」、及び「とともに」という言葉は、広範且つ包括的に解釈されるべきであり、物理的な相互接続に限定されない。さらに、本明細書に開示されるいずれの実施形態も、唯一の可能な実施形態として解釈されるべきではない。むしろ、修正及び他の実施形態が添付の特許請求の範囲内に含まれることが意図されている。
【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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【図９】
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【国際調査報告】
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