(57)【要約】  廃水処理用の電気化学セルのスタックが開示され、これは固体高分子膜と、膜の各側に隣接するアノード触媒層およびカソード触媒層と、各触媒層の隣に配置された開孔メッシュと、各開孔メッシュの隣に配置された圧縮フレームとを有する１以上の電気化学セルを備える。スタック内の２つの隣接する電気化学セルの圧縮フレームの間にはカバーが配置され、それにより２つの隣接する電気化学セル間の距離にまたがるエンクロージャが形成され、スタックが浸漬される反応槽内の溶液からカソード触媒層またはアノード触媒層が隔離される。【選択図】図１
2020508849.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも１つの電気化学セルを含む廃水処理用の電気化学セルのスタックであって、前記電気化学セルは、
ａ．固体高分子電解質膜と；
ｂ．前記固体高分子電解質膜の第１の側に隣接するアノード触媒層と、当該第１の側とは反対側の固体高分子電解質膜の第２の側に隣接するカソード触媒層と、
ｃ．前記アノード触媒層に隣接する第１の開孔メッシュと、前記カソード触媒層に隣接する第２の開孔メッシュと、
ｄ．前記第１の開孔メッシュに隣接する第１の圧縮フレームと、前記第２の開孔メッシュに隣接する第２の圧縮フレームとであって、各圧縮フレームは、フレームの周縁部で区切られた領域内に広がる圧縮アームを有し、これらの圧縮アームは接続部位で互いに接続されている、圧縮フレームと、
ｅ．前記接続部位において前記第１および第２の圧縮フレームの圧縮アームに設けられた穴を通り、前記第１および第２の開孔メッシュに設けられた穴を通り、前記固体高分子電解質膜および前記アノード触媒層とカソード触媒層を貫通して突出する留め具と、
を備え、カバーが、前記第１の圧縮フレームまたは第２の圧縮フレームに取り付けられて、前記アノード触媒層またはカソード触媒層を隔離するエンクロージャを形成することを特徴とするスタック。
【請求項２】
前記カバーが、当該カバーによって形成された前記エンクロージャに廃水、カソード溶液またはアノード溶液を供給するための入口パイプを備え、片側には、廃水、アノード溶液またはカソード溶液が前記スタック内の電気化学セルのアノード触媒層またはカソード触媒層にアクセスできるようにする開口が設けられており、前記アノード触媒またはカソード触媒で形成された反応生成物を前記カバーによって形成されたエンクロージャから除去するための出口パイプと、前記カバーによって形成されたエンクロージャからガスを除去するための通気パイプとを備える、請求項１に記載のスタック。
【請求項３】
前記開口が設けられた前記カバーの側と、その側の隣の前記圧縮フレームとの間にシールをさらに備える、請求項２に記載のスタック。
【請求項４】
前記カバーが非導電性材料で作られている、請求項１に記載のスタック。
【請求項５】
隣接する電気化学セルからある距離で前記スタック内の１つの電気化学セルを保持するロッドを介して接続された複数の電気化学セルを備える、請求項１に記載のスタック。
【請求項６】
２つの電気化学セルを有する１以上の繰り返しユニットを備える廃水処理用の電気化学セルのスタックにおいて、各電気化学セルが：
ａ．固体高分子電解質膜と；
ｂ．前記固体高分子電解質膜の第１の側に隣接するアノード触媒層と、当該第１の側とは反対側の固体高分子電解質膜の第２の側に隣接するカソード触媒層と、
ｃ．前記アノード触媒層に隣接する第１の開孔メッシュと、前記カソード触媒層に隣接する第２の開孔メッシュと、
ｄ．前記第１の開孔メッシュに隣接する第１の圧縮フレームと、前記第２の開孔メッシュに隣接する第２の圧縮フレームとであって、各圧縮フレームは、フレームの周縁部で区切られた領域内に広がる圧縮アームを有し、これらの圧縮アームは接続部位で互いに接続されている、圧縮フレームと、
ｅ．前記接続部位において前記第１および第２の圧縮フレームの圧縮アームに設けられた穴を通り、前記第１および第２の開孔メッシュに設けられた穴を通り、前記固体高分子電解質膜および前記アノード触媒層とカソード触媒層を貫通して突出する留め具と、
を備え、前記スタックはさらに、
−前記繰り返しユニット内の第１の電気化学セルを前記繰り返しユニット内の第２の電気化学セルから距離を置いて保持し、前記第１の電気化学セルのアノード側が前記第２の電気化学セルのアノード側に面するか、前記第１の電気化学セルのカソード側が前記第２の電気化学セルのカソード側に面するように、前記スタック内の電気化学セルを接続する１以上のロッドと、
−前記繰り返しユニットの２つの電気化学セルの圧縮フレーム間に配置されたカバーであって、前記繰り返しユニットの２つの電気化学セル間の距離に及ぶエンクロージャを形成し、それによって前記反応槽内の溶液から、前記繰り返しユニットの２つの電気化学セルのアノード触媒層またはカソード触媒層を隔離するカバーと、
を備えることを特徴とするスタック。
【請求項７】
前記カバーが、アノード溶液、廃水またはカソード溶液を前記カバーによって形成された前記エンクロージャに供給するための入口パイプと、前記アノード触媒またはカソード触媒において形成される反応生成物を前記カバーによって形成された前記エンクロージャから除去するための出口パイプと、前記カバーによって形成されたエンクロージャからガスを除去するための通気管と、互いに反対側の第１の側部および第２の側部とを備え、各側部には、前記アノード溶液、廃水またはカソード溶液の、前記繰り返しユニットの２つの電気化学セルのアノード触媒層またはそれぞれのカソード触媒層へアクセスできるようにする開口が設けられている、請求項６に記載のスタック。
【請求項８】
前記カバーの各側部と、その側部に隣接する前記圧縮フレームとの間にシールをさらに備える、請求項７に記載のスタック。
【請求項９】
前記固体重合体電解質膜が陰イオン固体重合体電解質である、請求項６に記載のスタック。
【請求項１０】
前記固体重合体電解質膜が陽イオン固体重合体電解質である、請求項６に記載のスタック。
【請求項１１】
前記カバーが非導電性材料でなる、請求項６に記載のスタック。
【請求項１２】
請求項１に記載の電気化学セルのスタックを１以上備える廃水処理システムであって、前記スタックは、廃水またはカソード溶液を含む反応槽に浸漬されるシステム。
【請求項１３】
前記スタックが直列または並列に接続されている、請求項１２に記載のシステム。
【請求項１４】
請求項６に記載の電気化学セルのスタックを１以上備える廃水処理システムであって、前記スタックが廃水またはカソード溶液を含む反応槽に浸漬される、システム。
【請求項１５】
前記スタックが直列または並列に接続されている、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
廃水処理方法であって：
ａ．処理される廃水を含む反応槽に浸漬される請求項１に記載の少なくとも１つの電気化学セルを提供するステップと、
ｂ．アノード側の第１の圧縮フレームに取り付けられたカバーによって形成されたエンクロージャにアノード溶液を供給するステップと、
ｃ．電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップと、を含むことを特徴とする方法。
【請求項１７】
廃水処理方法において：
ａ．カソード溶液を含む反応槽に浸漬される請求項１に記載の少なくとも１つの電気化学セルを提供するステップと、
ｂ．アノード側の第１の圧縮フレームに取り付けられたカバーによって形成されたエンクロージャに処理される廃水を供給するステップと、
ｃ．前記電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．前記電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップと、を含む方法。
【請求項１８】
廃水処理方法において：
ａ．処理される廃水を含む反応槽に浸漬される請求項１に記載の少なくとも１つの電気化学セルを提供するステップと、
ｂ．カソード側の第２の圧縮フレームに取り付けられたカバーによって形成されたエンクロージャにカソード溶液を供給するステップと、
ｃ．前記電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．前記電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップと、を含む方法。
【請求項１９】
廃水処理方法において：
ａ．処理される廃水を含む反応槽に浸漬される請求項６に記載の少なくとも１つの繰り返しユニットを提供するステップと、
ｂ．前記繰り返しユニットの第１の電気化学セルの第２の圧縮フレームおよび繰り返しユニットの第２の電気化学セルの第２の圧縮フレームに取り付けられたカバーによって形成されたエンクロージャに、処理されるカソード溶液を供給するステップと、
ｃ．前記第１および第２の電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．前記電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップと、を含む方法。
【請求項２０】
廃水処理方法において：
ａ．処理される廃水を含む反応槽に浸漬される請求項６に記載の少なくとも１つの繰り返しユニットを提供するステップと、
ｂ．前記繰り返しユニットの第１の電気化学セルの第１の圧縮フレームと前記繰り返しユニットの第２の電気化学セルの第１の圧縮フレームに取り付けられたカバーによって形成されるエンクロージャにアノード溶液を供給するステップと、
ｃ．前記電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．前記電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップと、を含む方法。
【請求項２１】
廃水処理方法において：
ａ．カソード溶液を含む反応槽に浸漬される請求項６に記載の少なくとも１つの繰り返しユニットを提供するステップと、
ｂ．前記繰り返しユニットの第１の電気化学セルの第１の圧縮フレームと前記繰り返しユニットの第２の電気化学セルの第１の圧縮フレームとの間に取り付けられたカバーによって形成されるエンクロージャに廃水を供給するステップと、
ｃ．前記電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．前記電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップと、を含む方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
［０００１］本発明は、廃水処理用の電気化学セルのスタックに関し、特に、反応槽に浸漬された少なくとも１つの電気化学セルを備え、電気化学セルの１つの電極が、廃水や反応槽内の他の溶液から隔離するカバーで保護されている、有機および無機汚染物質を除去するための電気化学セルのスタックに関する。
【背景技術】
【０００２】
［０００２］新しい廃水処理ソリューション、特に、費用対効果が高く、持続可能で、二次汚染を発生せず、水質基準に準拠し、運用および保守の要件が最小限である水処理システムの需要が高まっている。廃水処理の好ましいアプローチは、例えば電気化学的酸化による非化学的酸化技術によるものである。電気化学的酸化は、残留性有機汚染物質、ダイオキシン、窒素種（アンモニアなど）、医薬品、病原体、微生物、重要汚染物質および農薬の大部分など、広範囲の汚染物質を除去するのに効果的である。
【０００３】
［０００３］廃水処理の直接的および間接的な電気化学酸化のために、フロースルー平行プレート、分割チャンバ、充填層電極、積層ディスク、同心円筒、移動層電極、フィルタプレスを含む様々なセル構成が開発されている。
【０００４】
［０００４］廃水処理用の電解セルの１つの構成は、例えば、出願人の特許公開ＷＯ２０１２１６７３７５に記載されているような固体高分子電解質（ＳＰＥ）を使用する。このシステムは、カソードガス拡散層およびカソード触媒層を備えたカソードと、アノード拡散層およびアノード触媒層を備えたアノードと、アノード層とカソード層を分離する固体高分子膜電解質を備えた電解セルを備える。廃水は、アノード流体送達層の隣に配置されたアノードフローフィールドプレートに設けられたフローフィールドチャネルを介して誘導することにより、アノード流体送達層との間で均一に送達される。廃水の電気化学的処理中に生成された水素ガスは、カソードから回収され、カソード流体送達層の隣に配置されたフローフィールドプレートに設けられたフローフィールドチャネルを介して電解槽の外に導かれる。このシステムは、複数の電解セルをスタックで、直列および／または並列配置で構成することができ、陰極液または他の支持電解質なしで動作可能である。
【０００５】
［０００５］出願人はさらに、出願人の特許出願ＷＯ２０１７１２３９６９に開示されているシステムを開発しており、ここでは電気化学セルのスタックが、処理される廃水を含む反応槽に浸漬され、各電気化学セルは固体高分子電解質（ＳＰＥ）膜と、アノードおよびカソード触媒層とを備え、各触媒層は固体高分子電解質膜の片側に隣接し、開孔メッシュを備え、各開孔メッシュは触媒層に隣接している。システムは圧縮フレームをさらに備え、各フレームは、開孔メッシュに隣接し、その周縁部で区切られた領域内に広がる圧縮アームを有し、圧縮アームは接続部位で互いに接続されている。このシステムはさらに、接続部位で圧縮フレームのアームに設けられた穴を通り、開孔メッシュに設けられた穴を通り、触媒層付き膜を通って、固体高分子電解質膜、触媒層、および２つの圧縮フレーム間の開孔メッシュを圧縮する留め具を備える。このシステムは、フローフィールドプレートとランダムで不均一な多孔質媒体（ガス拡散層）の除去により、運用コストが低くより高い汚染物質除去率を達成することが実証されている。このシステムは低い電圧動作とエネルギー消費を提供し、様々な排水流量で動作することができる。
【０００６】
［０００６］出願人の同時係属中の特許出願に記載されているような、処理される廃水にさらされるカソードおよびアノード触媒層の両方を有する反応槽に電気化学セルのスタックが浸漬されるシステムでは、廃水の酸化中にアノードで形成される中間反応物がカソード触媒を汚染する可能性がある。さらに、アノード側で酸化され、重要汚染物質は実質的に除去されているが、酸化プロセスの中間反応物を潜在的に含む可能性がある廃水は、カソード触媒と接触する可能性があり、中間反応物を減らすことができるため、アノード側で生じる洗浄酸化プロセスが逆となる。さらに、場合によっては、例えばアンモニアを含む廃水の処理の場合、その場での次亜塩素酸塩の形成を誘発し、汚染水の間接酸化を完了するために、反応槽に塩化ナトリウム（ＮａＣｌ）が添加される。これらの場合、塩化ナトリウムの一部は反応槽内の処理水に残る可能性があり、処理水を処理水回収タンクに移送する出口配管を通じて槽から廃棄されることがある。塩化ナトリウムは高い導電性を呈するため、場合によっては、処理システムの下流の配管を腐食させるリスクがある。
【０００７】
［０００７］したがって、電気化学セルのスタックが反応槽に浸漬されるシステムのパフォーマンスは、反応槽内のバルク溶液からアノードまたはカソードのいずれかを隔離することによってさらに改善することができる。本発明は、本書に開示されるいくつかの利点を提供する要望に対処するものである。
【発明の概要】
【０００８】
［０００８］本発明は、少なくとも１つの電気化学セルを含む廃水処理用の電気化学セルのスタックを記載するものであり、電気化学セルは、固体高分子電解質膜と、当該固体高分子電解質膜の第１の側に隣接するアノード触媒層と、前記固体高分子電解質膜の第１の側とは反対側の第２の側に隣接するカソード触媒層とを備える。電気化学セルはさらに、アノード触媒層に隣接する第１の開孔メッシュおよびカソード触媒層に隣接する第２の開孔メッシュと、アノード触媒層に隣接する第１の開孔メッシュに隣接する第１の圧縮フレームおよびカソード触媒層に隣接する第２の開孔メッシュに隣接する第２の圧縮フレームとを備え、各圧縮フレームは、フレームの周縁部で区切られた領域内に広がる圧縮アームを有し、圧縮アームは、接続サイトにおいて互いに接続されている。留め具が、接続部位において第１および第２の圧縮フレームの圧縮アームに設けられた穴を出て、第１および第２の開孔メッシュに設けられた穴を出て、固体高分子電解質膜、アノードおよびカソード触媒層を貫通する。留め具と圧縮フレームは、固体高分子電解質膜、触媒層、および２つの圧縮フレーム間の開孔メッシュを圧縮する力を提供する。セルのアノード触媒層側に配置された第１の圧縮フレームまたはセルのカソード触媒層側に配置された第２の圧縮フレームにカバーが取り付けられており、スタックが反応槽内に浸漬されるとき、アノードまたはカソード触媒層を反応槽内の溶液から隔離することによりそれらを保護するエンクロージャを形成する。
【０００９】
［０００９］本発明のこの第１の実施形態では、カバーの片側に、スタック内の電気化学セルのアノードまたはそれぞれカソード触媒層への、廃水、アノード溶液またはカソード溶液のアクセスを可能にする開口が設けられている。カバーは、カバーによって形成されるエンクロージャに廃水、アノード溶液またはカソード溶液を供給するための入口パイプと、アノード触媒またはカソード触媒で形成される反応生成物を、カバーによって形成されたエンクロージャから除去するための出口パイプと、カバーによって形成されたエンクロージャからガスを除去するための通気パイプとを備える。
【００１０】
［００１０］スタックはさらに、開口部が設けられたカバーの面とその面の隣の圧縮フレームとの間にシールを含む。
【００１１】
［００１１］カバーは非導電性材料でなる。
【００１２】
［００１２］スタックは、隣接する電気化学セルからある距離でスタック内の電気化学セルを保持する１以上のロッドを介して接続された複数の電気化学セルを含む。
【００１３】
［００１３］本発明の別の実施形態では、電気化学セルのスタックは、２つの電気化学セルを有する１以上の繰り返しユニットを備え、ここでは各電気化学セルが固体高分子電解質膜と、固体高分子電解質膜の第１の側面に隣接するアノード触媒層と、固体高分子電解質膜の第１の側の反対側の第２の側に隣接するカソード触媒層とを備える。各電気化学セルは、アノード触媒層に隣接する第１の開孔メッシュおよびカソード触媒層に隣接する第２の開孔メッシュと、第１の開孔メッシュに隣接する第１の圧縮フレームおよび第２の開孔メッシュに隣接する第２の圧縮フレームとを備え、各圧縮フレームは、フレームの周縁部で区切られた領域内に広がる圧縮アームを有し、圧縮アームは接続部位で互いに接続されている。留め具が、接続部位の第１および第２の圧縮フレームの圧縮アームに設けられた穴を通り、第１および第２の開孔メッシュに設けられた穴を通り、固体高分子電解質膜およびアノードおよびカソード触媒層を貫通し、圧縮フレームとともに、電気化学セルの構成要素の圧縮に必要な力を提供する。スタックはさらに、第１の電気化学セルのアノード側が第２の電気化学セルのアノード側に面するか、第１の電気化学セルのカソード側が第２の電気化学セルのカソード側に面するように、スタック内の電気化学セルを接続し、繰り返しユニット内の第１の電気化学セルを繰り返しユニット内の第２の電気化学セルから距離を置いて保持するための１以上のロッドを備える。
【００１４】
［００１４］この実施形態では、繰り返しユニットの２つの隣接する電気化学セルの圧縮フレームの間にカバーが配置され、２つの隣接するセル間の距離に及ぶエンクロージャを形成して、それによって繰り返しユニットの２つの隣接する電気化学セルのアノード触媒層またはカソード触媒層を反応槽内の溶液から隔離する。
【００１５】
［００１５］一実施形態において、スタックの繰り返しユニット内の電気化学セルは、繰り返しユニットの第１の電気化学セルのカソード触媒層の隣の開メッシュに隣接する圧縮フレームが、スタック内の繰り返しユニットの第１の電気化学セルに隣接している繰り返しユニットの第２の電気化学セルのカソード触媒層に隣接する開メッシュに隣接する圧縮フレームに面するように配置される。。
【００１６】
［００１６］この実施形態において、カバーは、繰り返しユニットの隣接する電気化学セルの圧縮フレームの間に配置され、カバーは、カバーによって形成されるエンクロージャにカソード溶液を供給するための入口パイプと、反応生成物を除去するための出口パイプと、カバーによって形成されたエンクロージャからガスを除去するための通気パイプと、それぞれ２つの隣接するセルのカソード触媒層へのカソード溶液のアクセスを可能にする開口が設けられた、互いに反対側の第１の側および第２の側とを有する。
【００１７】
［００１７］別の実施形態において、スタック内の電気化学セルは、繰り返しユニットの第１の電気化学セルのアノード触媒層の隣の開メッシュに隣接する圧縮フレームが、スタック内の繰り返しユニットの第１の電気化学セルに隣接する、繰り返しユニットの第２の電気化学セルのアノード触媒層の隣の開メッシュに隣接する圧縮フレームに面するように配置される。
【００１８】
［００１８］この実施形態において、カバーは、アノード触媒の隣に、繰り返しユニット内の第１および第２の電気化学セルの圧縮フレームの間に配置され、カバーは、廃水またはアノード溶液をカバーによって形成されるエンクロージャ内に供給するための入口パイプと、アノード触媒層に形成された反応生成物をカバーによって形成されたエンクロージャから除去するための出口パイプと、カバーによって形成されたエンクロージャからガスを除去するための通気パイプと、それぞれ繰り返しユニットの２つの隣接するセルのカソード触媒層への廃液またはアノード溶液のアクセスを可能にする開口が設けられた、互いに反対側の第１の側および第２の側とを有する。
【００１９】
［００１９］それぞれ開口を有する２つの対向する側が設けられた実施形態では、カバーの各側とその側の隣の圧縮フレームとの間にシールが配置される。
【００２０】
［００２０］提示されたすべての実施形態において、固体高分子電解質膜は、陰イオン固体高分子電解質または陽イオン固体高分子電解質であり得、カバーは非導電性材料でできている。
【００２１】
［００２１］本発明はまた、本書記載の電気化学セルの少なくとも１つのスタックを含む廃水処理システムに関し、スタックは廃水またはカソード溶液を含む反応槽に浸漬される。スタックは、直列または並列に接続することができる。
【００２２】
［００２２］また、廃水処理の方法が記載されており、この方法は：
ａ．電気化学セルの少なくとも１つのスタックであって、アノード側のスタックの少なくとも１つの電気化学セルの圧縮フレームに取り付けられたカバーを備え、カバーは電気化学セルのアノード触媒層側に面する開口を有する側を有し、処理される廃水を含む反応槽に浸漬されるスタックを提供するステップと、
ｂ．カバーと圧縮フレームによって形成されたエンクロージャにアノード溶液を供給するステップと、
ｃ．電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．電気化学セルをある電流密度で動作させ、それによって廃水中の汚染物質を分解するステップとを含む。
【００２３】
［００２３］また、廃水処理の方法が記載されており、この方法は：
ａ．電気化学セルの少なくとも１つのスタックであって、アノード側のスタックの少なくとも１つの電気化学セルの圧縮フレームに取り付けられたカバーを備え、カバーは電気化学セルのアノード触媒層側に面する開口を有する側を有し、カソード溶液を含む反応槽に浸漬されるスタックを提供するステップと、
ｂ．カバーと圧縮フレームで形成されたエンクロージャに、処理される廃水を供給するステップと、
ｃ．電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．電気化学セルをある電流密度で動作させ、それによって廃水中の汚染物質を分解するステップとを含む。
【００２４】
［００２４］本発明の別の実施形態による廃水処理の別の方法は：
ａ．電気化学セルの少なくとも１つのスタックであって、カソード側のスタックの少なくとも１つの電気化学セルの圧縮フレームに取り付けられたカバーを備え、カバーは電気化学セルのカソード触媒層側に面する開口を有する側を有し、処理される廃水を含む反応槽に浸漬されるスタックを提供するステップと、
ｂ．圧縮フレームに取り付けられたカバーで形成されたエンクロージャにカソード溶液を供給するステップと、
ｃ．電気化学セルに電圧を提供するステップと、
ｄ．電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップとを含む。
【００２５】
［００２５］廃水処理の別の方法が記載されており：この方法は、
ａ．２つの電気化学セルと、繰り返しユニットの２つの隣接する電気化学セルの圧縮フレーム間に配置されたカバーとを有する少なくとも１つの繰り返しユニットを提供するステップであって、カバーは、その２つの対向する側のそれぞれに開口を有し、各開口は、２つの隣接するセルのうちの１つのカソード触媒層に面し、スタックは、処理される廃水を含む反応槽に浸漬される、ステップと、
ｂ．カバーと２つの隣接するセルの圧縮フレームとによって形成されるエンクロージャにカソード溶液を供給するステップと、
ｃ．繰り返しユニットの電気化学セルに電圧を提供するステップと、
ｄ．電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップとを含む。
【００２６】
［００２６］廃水処理の方法が開示されており、
ａ．２つの電気化学セルと、繰り返しユニットの２つの隣接する電気化学セルの圧縮フレーム間に配置されたカバーとを有する少なくとも１つの繰り返しユニットを提供するステップであって、カバーは、その２つの対向する側のそれぞれに開口を有し、各開口は、２つの隣接するセルのうちの１つのアノード触媒層に面し、スタックは、処理される廃水を含む反応槽に浸漬される、ステップと、
ｂ．カバーと２つの隣接するセルの圧縮フレームとによって形成されるエンクロージャにアノード溶液を供給するステップと、
ｃ．繰り返しユニットの電気化学セルに電圧を提供するステップと、
ｄ．電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップとを含む。
【００２７】
［００２７］廃水処理の方法が開示されており、
ａ．２つの電気化学セルと、繰り返しユニットの２つの隣接する電気化学セルの圧縮フレーム間に配置されたカバーとを有する少なくとも１つの繰り返しユニットを提供するステップであって、カバーは、その２つの対向する側のそれぞれに開口を有し、各開口は、２つの隣接するセルのうちの１つのアノード触媒層に面し、スタックは、カソード溶液を含む反応槽に浸漬される、ステップと、
ｂ．カバーと繰り返しユニットの２つの隣接するセルの２つの圧縮フレームによって形成されるエンクロージャに廃水を供給するステップと、
ｃ．電気化学セルに電圧を供給するステップと、
ｄ．電気化学セルをある電流密度で動作させ、それにより廃水中の汚染物質を分解するステップとを含む。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
［００２８］図面は、本発明の特定の好ましい実施形態を示しているが、決して本発明の精神または範囲を制限するものと見なされるべきではない。
【図１】［００２９］図１は、本システムで使用される廃水処理用の電気化学セルの分解図を示す。
【図２】［００３０］図２は、本システムによる、スタック内の２つの隣接するセルのカソード間に配置されたカバーを含む電気化学セルのスタックの概略図を示す。
【図３】［００３１］図３は、図２に示す反応槽と電気化学セルのスタックとを含む廃水処理用モジュールの分解図を示す。
【図４】［００３２］図４は、本発明の第１の実施形態による電気化学セルのスタックの概略図を示す。
【図５】［００３３］図５は、本発明による２つの隣接するセルの間に配置できるカバーの分解図を示している。
【図６】［００３４］図６は、本発明による、反応槽内の廃水に浸漬されたスタック内の２つの隣接するセルのアノード間に配置されたカバーを含む電気化学セルのスタックの概略図を示す。
【図７】［００３５］図７は、反応槽内のカソード溶液に浸漬されたスタック内の２つの隣接するセルのアノード間に配置されたカバーを含む電気化学セルのスタックの概略図であり、廃水がカバーと２つの隣接するセルとによって形成されるエンクロージャを通して循環されている。
【図８】［００３６］図８は、スタック内の各セルのカソード側に配置されたカバーを有する電気化学セルのスタックの概略図を示す。
【図９】［００３７］図９は、図８に示すスタック内の電気化学セルの１つに取り付けることができるカバーの分解図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
［００３８］本明細書で使用される特定の用語は、以下に提供される定義に従って解釈されることを意図している。さらに、「ａ」や「ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ」などの用語は、オープンエンドと解釈される。さらに、本書で引用するすべての米国特許公報や他の参考文献は、参照によりその全体が組み込まれることを意図している。
【００３０】
［００３９］本書において、ＳＰＥは固体高分子電解質の略であり、Ｎａｆｉｏｎ（商標名）などの任意の適切なイオン伝導イオノマー（陰イオンまたは陽イオン、有機または無機形態のいずれか）とすることができる。したがって、ＳＰＥ電気化学セルは、電気エネルギーが供給されると、所望の電気化学反応（セルのアノードに正の電圧が印加される）を生じさせる電解質としてのＳＰＥを含む。
【００３１】
［００４０］本システムで使用される廃水処理用の例示的な電気化学セルが、図１の分解図に示されている。電気化学セル１００は、触媒層付き膜１０２（ＣＣＭ）を備え、これは、その両側のそれぞれに触媒層１０６でコーティングされた固体重合体電解質膜１０４からなる。膜の第１の側の１つの触媒層１０６のみが図１に示されており、例えば、これはアノード触媒層であり得るが、当業者は膜の反対側も、本例ではアノード触媒層と実質的に同じ面積を有するカソード触媒層でコーティングされていることを容易に理解するであろう。これに関連して、本開示では、電気化学セルのアノード活性領域は、アノード側の触媒層でコーティングされた膜（または、代替実施形態で以下で詳述する開孔メッシュ）の領域として定義され、カソード活性領域は、カソード側の触媒層でコーティングされた膜（または開孔メッシュ）の領域として定義される。図示の実施形態では、固体高分子電解質膜１０４には、以下で詳述するように、電気化学セルの組み立て中に膜を通る留め具１２２の貫通を可能にする穴１０５が設けられている。別の実施形態では、固体高分子電解質膜１０４には事前に穴が設けられず、この場合、留め具は電気化学セルの組み立てプロセス中に膜に貫通される。電気化学セルは、ＣＣＭの各側の触媒層付き膜１０２の隣に配置された開孔メッシュ１０８および１１０と、開孔メッシュ１０８とそれぞれ１１０の隣にそれぞれ配置された圧縮フレーム１１２および１１４をさらに含む。開孔メッシュ１０８および１１０は、当該メッシュに比較的高い多孔性を与える開孔が設けられたメッシュであり、電気化学セルの組み立て中に留め具１２２が貫通可能な穴１１６も設けられている。開孔メッシュ１０８および１１０のそれぞれの面積は、膜の触媒被覆領域である電気化学セルのアノード活性領域およびそれぞれカソード活性領域と実質的に同じである。ＣＣＭ（１０２）の周辺の領域１２８は、その周囲に沿って、触媒でコーティングされておらず、電気絶縁性を有する。
【００３２】
［００４１］図示された実施例では四辺を有する長方形の形状を有する圧縮フレーム１１２、１１４は、それぞれ、接続部位１２０で互いに接続され、圧縮フレームの四辺の間の領域内に広がる圧縮アーム１１８を備える。圧縮フレームには接続部位１２０に穴１１９が設けられており、電気化学セルの組み立て時に留め具１２２の貫通を可能にしている。接続部位は、各圧縮フレームの四辺の間の領域内に分散されている。圧縮フレーム１１２および１１４には、電源、一般的にはＤＣ電源との電気接続を行うためのリード１３０が設けられている。当業者は、圧縮フレーム１１２および１１４は、本図に示される長方形とは異なる形状を有することができ、圧縮アーム１１８および接続部位１２０は、各圧縮フレームにおいてその周縁部で区切られた領域内に分散されることを理解するであろう。長方形の圧縮フレームの場合、フレームの周縁部はその側縁によって画定される。
【００３３】
［００４２］図１〜３において、留め具１２２は、必要な圧縮力を確保するためにナット１２６と協働するねじボルトとして示されているが、当業者は、リベット等の他の留め具を使用して圧縮フレームから開孔メッシュやＣＣＭに圧縮を提供できること、およびそのような留め具は、必要な圧縮力を確保するためにナット１２６などの追加要素を必要としないことを容易に理解するであろう。
【００３４】
［００４３］ＳＰＥ膜１０４は、電極間のギャップ（膜のアノード側とカソード側の触媒層）を減少させる。本発明では、触媒層を支持するガス拡散層はなく、電極は、本実施形態では、膜の片側にそれぞれ堆積されたアノードおよびカソード触媒層１０６のみを含み、これも運用コストの低減に寄与する。開孔メッシュ１０８、１１０は、局所的な電流回収を提供し、それらの比較的高い多孔性により、触媒層の反応部位へ／からの汚染水および処理水の容易なアクセスを実現し、触媒層の隣で形成されるガスの除去を容易にする。圧縮フレーム１１２および１１４は、開孔メッシュ１０８および１１０の周囲電流収集を可能にし、それらの圧縮アーム１１８は、主に圧縮アームとそれぞれの接続部位の分布によって、膜の開孔メッシュおよびアノードおよびそれぞれカソードの活性領域全体にわたる触媒層の実質的に均一な圧縮を達成する。圧縮フレーム１１２および１１４は、例えば、０．５〜５ｍｍの厚さを有する導電性金属またはセラミックでできている。当業者は、接続部位の数および圧縮フレームの縦横比を変更し、開孔メッシュおよびＣＣＭの実質的に均一な圧縮を可能にし、市場で入手可能な異なるサイズの固体高分子膜を利用できることを理解するであろう。
【００３５】
［００４４］開孔メッシュ１０８および１１０は、上記目的のために比較的高い多孔性を有する。本発明の文脈において、多孔性とは、開孔面積とメッシュの体積との間の比として定義される。利用可能なメッシュの種類には、メッシュの厚さが２５０〜５５０ミクロン、繊維直径が２２〜５０ミクロン、気孔率が５０〜８５％のＢｅｋａｅｒｔが提供する焼結チタン繊維メッシュや、１０〜５，０００ミクロンのメッシュ厚、０．０４〜０．０５５インチのストランド幅、３０〜９５％の気孔率、平方インチあたり約３３〜４９３の開口数であり、菱形であってＬＷＤ（菱形の長い距離）は０．０７５〜０．２８９インチ、ＳＷＤ（菱形の短い距離）は０．０３２〜０．２インチの寸法の開口部を有するＤｅｘｍｅｔが提供するエキスパンドメタルメッシュが含まれるが、これらに限定されない。ここでＬＷＤとＳＷＤは、菱形の開口部の対角線の寸法であり、例えば提供者のウェブサイトで説明されている。好ましくは、開孔メッシュは導電性金属またはセラミックでなり、厚さが１０〜５，０００ミクロンであり、気孔率が約３０〜９５％である。
【００３６】
［００４５］電気化学セルは、接続部位１２０で圧縮アーム１１８に設けられた穴１１９を貫通し、開孔メッシュ１０８および１１０に設けられた孔１１６を通り、触媒層１０６、および固体高分子電解質膜１０４に設けられた孔１０５を通る留め具１２２を用いて、開孔メッシュ１０８と１１０の間、および圧縮フレーム１１２と１１４の間でＣＣＭ１０２を圧縮することによって一緒に組み立てられる。固体高分子電解質膜１０４が穴を有さない場合、電気化学セルの組み立て時に、留め具１２２が膜を直接貫通するようにしてもよい。留め具１２２には、留め具から圧縮アーム１１８に圧縮力を拡散するワッシャ１２４を設けることができ、あるいは、圧縮力を拡散できる形状を有してもよい。
【００３７】
［００４６］留め具１２２、ワッシャ１２４、およびナット１２６は、非導電性材料で作られている。本発明の電気化学セルにおいて、留め具１２２は、接続部位、開孔メッシュおよびＣＣＭを貫通して、電気化学セルの活性領域全体にわたって圧縮力の実質的に均一な分布を確保し、電極間のギャップを小さく維持する。これは、圧縮手段がＳＰＥ、特にＳＰＥ膜を貫通するのを回避するために、電気化学セルの圧縮が、バネ付きボルトを介したフレームの周辺圧縮によってのみ達成される既存の従来技術に記載された圧縮システムとは異なる。
【００３８】
［００４７］本システムで使用される電気化学セルのスタックを図２に示す。スタック２００は、上述の図１に示されたものと同じ構成を有する複数の電気化学セル１００を含む。セルは、個々の電気化学セル１００間に必要な間隔を提供する１以上のロッド２０２を介して互いに接続されている。図示されたスタックは６個の電気化学セルを含むが、当業者は、本発明によるスタックがより多くの電気化学セルを含むことができることを理解するであろう。好ましい実施形態では、１つのスタックは５０個のセルを含むが、スタックは約５００個までの個々の電気化学セルを有してもよい。以下に詳述し図４に示すように、カバー２６０は、隣接するセル１００の間に配置され、２つの隣接するセルのカソードを反応槽内の溶液から隔離する。
【００３９】
［００４８］本発明の実施形態でさらに示すように、スタックへと組み立てられると、電気化学セルは、１つの電気化学セルのアノード側が隣接するセルのカソード側に面するように、あるいは１つの電気化学セルのカソード側が隣接するセルのカソード側に面し、１つの電気化学セルのアノード側が隣接するセルのアノード側に面するように配置することができる。
【００４０】
［００４９］図３の分解図に示されるように、廃水処理用のモジュール３００は、反応槽に浸漬された電気化学セルのスタック２００を備える。スタック２００は、スタック内の各電気化学セルの一方の電極（後述するようにアノードまたはカソードのいずれか）が反応槽に含まれる廃水および汚染物質または溶液に直接さらされ、他方の電極がカバーによって反応槽内の廃水または溶液から隔離されるように、反応槽３０２内に収容される。モジュール３００はさらに、供給口（図示せず）およびガス排出口３１４を備えた外蓋３０４と、供給口（図示せず）およびガス排出口３１６を備えた内蓋３０６とを備え、廃水およびスタック２００を収容するとともにモジュールからの放出を制御するために、内蓋および外蓋の両方が反応槽３０２をその頂部で覆う。モジュール３００には、水位が所望の閾値を下回るとスタック動作が停止することを保証するレベルセンサ３０８も設けられ、これにより抵抗燃焼および不均一な水和から膜や電極システムが保護される。反応槽内では、槽内の水位を監視するために使用されるレベルセンサ３０８がチューブ３１０内に収容される。モジュール３００にはさらに、槽内の水位が所定のレベルに達したときに反応槽への廃水の流入を止めるためのレベルスイッチ３１２が設けられている。
【００４１】
［００５０］２つの隣接するセルの間に配置されたカバーは図２および３に概略的に示されているだけであり、当業者は、各カバーが追加の要素、例えば図５および９で説明され図示されるような入口パイプや出口パイプや通気パイプを備えてもよいことを容易に理解するであろう。
【００４２】
［００５１］廃水に、より具体的にはアンモニアを含む廃水にアノードとカソードの両方がに直接さらされる従来の電気化学セルのスタック内の個々の電気化学セルレベルで生じる反応の概略レビューでは、アノードでの電気化学酸化プロセスは、使用される固体高分子電解質（ＳＰＥ）の種類、触媒の選択、および廃液の組成に依存する特定の反応を伴う、直接、間接表面媒介酸化、または間接二次酸化剤媒介酸化のカテゴリーに分類される。正の電荷キャリアは陽イオンＳＰＥを用いて移送され、負の電荷キャリアは陰イオンＳＰＥを用いて移送される。アノード側では、汚染廃水がアノード触媒層にさらされると、陽イオンＳＰＥの式１〜３と陰イオンＳＰＥのそれぞれ式６、７に示すように、直接、間接表面媒介または間接二次酸化剤媒介酸化のいずれかを含む段階的な酸化プロセスが行われる。
【００４３】
［００５２］陽イオンＳＰＥベースのセルの場合、廃水（例えばアンモニア汚染物質を含む廃水）がアノード触媒層にさらされると、式１に示すような直接酸化、または、式２（ａ）および２（ｂ）または式３（ａ）および３（ｂ）に示すような間接酸化を伴う段階的な酸化プロセスがアノードで行われる。
【００４４】
［００５３］式１：アンモニアの直接酸化（アノード半反応）：
2020508849.tif 000003
［０００１］式２：（ａ）水からのヒドロキシル表面種の生成と、（ｂ）表面ヒドロキシル種を介したアンモニアの酸化によるアンモニアの間接酸化（アノード半反応）：
2020508849.tif 000004
【００４５】
［００５４］式３：（ａ）ＮａＣｌからの次亜塩素酸塩種の生成と、（ｂ）次亜塩素酸塩によるアンモニアの間接酸化による間接的な二次酸化剤媒介アンモニアの酸化（アノード半反応）：
2020508849.tif 000005
【００４６】
［００５５］式１または式２にアノード半反応が示されている陽イオンＳＰＥベースの電気化学セルの場合、式４に示すように、カソード反応はＳＰＥを介して転送されるプロトンからの水素の直接生成を伴う：
2020508849.tif 000006
【００４７】
［００５６］式５（ａ）に示すように、アノード半反応が式３に示されている陽イオンＳＰＥベースの電気化学セルの場合、カソード反応は、ＳＰＥにわたってナトリウムイオンの転送による水酸化ナトリウムの直接生成を伴う。次に、水酸化ナトリウムは、式５（ｂ）に示すように、溶液中でアノード反応の生成物と反応し、塩と水を再形成する。
【００４８】
［００５７］式５：
2020508849.tif 000007
【００４９】
［００５８］あるいは、陰イオンＳＰＥベースの電気化学セルの場合、廃水（この場合はアンモニア汚染物質）がアノード触媒層にさらされると、式６と式７にそれぞれ示されるようにヒドロキシル表面種または次亜塩素酸塩のいずれかを含む段階的な間接酸化プロセスがアノードで行われる。
【００５０】
［００５９］式６：表面ヒドロキシル種を介したアンモニアの間接酸化（アノード半反応）：
2020508849.tif 000008
【００５１】
［００６０］式７：（ａ）ＳＰＥにわたるＣｌイオン転送からの次亜塩素酸塩種の生成と、（ｂ）次亜塩素酸塩を介したアンモニアの間接酸化、を介したアンモニアの間接酸化（アノード半反応）：
2020508849.tif 000009
【００５２】
［００６１］アノード半反応が式６に示される陰イオンＳＰＥベースの電気化学セルの場合、カソード反応は、式８に示されるような、水からのヒドロキシル電荷キャリアと水素の生成を伴う：
2020508849.tif 000010
【００５３】
［００６２］式７にアノード半反応が示される陰イオンＳＰＥベースの電気化学セルの場合、カソード反応は、式９に示されるような、ＮａＣｌと水からの塩素イオン電荷キャリアと水素の生成を伴う：
2020508849.tif 000011
【００５４】
［００６３］式１〜３およびそれぞれ式６〜７に示される反応はアノード半反応であり、当業者に公知のように、多くの場合、反応には多数の中間段階があり得、その結果として多くの中間種があり得る。しかし、そのような中間種は一般に酸化されて最終生成物となり、典型的には、炭素含有汚染物質の場合はＣＯ２、窒素含有汚染物質の場合はＮ２、硫黄含有汚染物質の場合はＳＯｘを含有する。
【００５５】
［００６４］カソードでは、カソード触媒層と接触すると汚染物質も減少する場合があり、このような還元反応は、廃水汚染物質の段階的除去とアノードで形成される中間化合物の酸化を促進し得る。
【００５６】
［００６５］従来技術に記載のように、アノードとカソードの両方が反応槽内の廃水に直接さらされる電気化学セルのスタックがあるシステムでは、アノードで生成されるか廃水のバックグラウンド種として存在する中間種の一部は、完全に酸化されるわけではなく、廃水によって運ばれて、カソードに到達して汚染を引き起こす可能性がある。例えば、バックグラウンド有機種はカソード上で重合し、および／または溶液中の微量金属がカソード上に電着して、式５（ａ）、式５（ｂ）、式８および式９に示す所望の電気化学反応が生じなくなる場合がある。
【００５７】
［００６６］さらに、アンモニアの間接酸化プロセスの場合にカソードで起こる廃水削減プロセスは、槽内の廃水と混合し、カソードに到達し、廃水からアンモニアを除去するシステム効率を低下させ得るアンモニア酸化反応全体からの中間アンモニア酸化生成物を電気化学的に低減させ得る。
【００５８】
［００６７］アンモニアの間接酸化中に、塩（ＮａＣｌ）が汚染廃水に加えられ、アノードで酸化され、その場で次亜塩素酸塩種が生成され、これが廃水中のアンモニア汚染物質を酸化する。廃水からの塩は、槽内の除染水と混ざり、配管に到達し、槽から市の廃水処理プラントなどの選択された排出場所にきれいな水が送られる。
【００５９】
［００６８］本発明は、上述したすべての欠点に対処するものであり、それによってシステムの除去速度をさらに向上させ、それにより、スタック内の少なくとも１つの電気化学セルのアノードまたはカソードがそれぞれ槽内の溶液から隔離されるシステムを記載する。
【００６０】
［００６９］本システムの第１の実施形態が、図４に概略的に示されている。このシステムは、カソード側「Ｃ」が互いに向かい合う２つの電気化学セル４１０および４２０を有する繰り返しユニット４００を備えるスタックを有するシステムとして示されており、当業者は、本発明によるスタックがより多くの繰り返しユニット４００を含み、１つの繰り返しユニット４００内の電気化学セルの各アノードが、その隣に位置する繰り返しユニット内の電気化学セルの１つのアノードに面するように、１以上のロッド４０２を通して一緒に組み立てられてもよいことを理解するであろう。
【００６１】
［００７０］２つの電気化学セル４１０および４２０のそれぞれは、一方の側がそれぞれアノード触媒層４１２、４２２でコーティングされ、他方の側がそれぞれカソード触媒層４１３、４２３でコーティングされた固体高分子電解質膜４１１、４２１からなる触媒層付き膜（ＣＣＭ）を含む。各電気化学セルはさらに、触媒層付き膜の両側に、それぞれアノードおよびカソード触媒層の隣に配置された開孔メッシュ４１４、４１５、およびそれぞれ４２４、４２５と、開孔メッシュの隣にそれぞれ圧縮フレーム４１６、４１７、およびそれぞれ４２６、４２７を備える。図２に関して記載され、図４にさらに示されるように、セルは、個々のセル４１０と４２０との間にいくらかの間隔を提供するロッド４０２を介して互いに接続される。図４ではアセンブリが２本のロッド４０２を有するように示されているが、当業者はスタック内の電気化学セルを所望の間隔で配置するために少なくとも１本のロッド４０２が必要であることを理解するであろう。
【００６２】
［００７１］カバー４６０が、２つの電気化学セル４１０および４２０の間に配置され、２つの隣接する電気化学セル４１０および４２０のそれぞれのカソード側の開孔メッシュの隣にそれぞれ配置される圧縮フレーム４１７および４２７を接続している。このカバーは、これらの電気化学セルのカソード間に廃水を透過しないエンクロージャ４９０を形成し、それにより槽内の排水からカソードを隔離する。図４のアセンブリの概略図は、２つの圧縮フレーム４１６および４１７と固体高分子膜４１１の間、およびそれぞれ圧縮フレーム４２６および４２７と固体高分子膜４２１の間の隙間を示しており、当業者は、Ｘ軸に沿った触媒層と開孔メッシュの寸法が非常に小さいため（例えば、５ｍｍ未満）、および圧縮システムはこれらの要素を一緒に圧縮するため、圧縮フレーム４１６および４１７と膜４１１の間、およびそれぞれ圧縮フレーム４２６および４２７と膜４２１の間に非常に小さなギャップがあることを理解するであろう。膜４１１および４２１のいくらかの部分は、活性領域（膜の触媒被覆領域）を越えて延在し、圧縮フレーム間に挿入されてそれらを互いに電気的に絶縁する。
【００６３】
［００７２］繰り返しユニット４００から形成されたスタック全体は、汚染された廃水４５０を含むタンク４３０に浸漬される。
【００６４】
［００７３］カソード溶液４７０がエンクロージャ４９０に供給され、カソード側で起こる反応の生成物４８０がエンクロージャから除去される。アンモニア除去プロセス中、例えば、塩（ＮａＣｌ）と水を含む溶液４７０がエンクロージャ４９０に供給される。塩素イオン（ＣＩ−）は、陰イオン交換膜を介してアノード側に移動して次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を形成し、これがさらに、アンモニアの酸化と廃水からの除去に使用される。カソード側で発生する反応の生成物４８０（例えば、ＮａＯＨを含む）は、エンクロージャから流出される。カソード側で生じる反応中に生成されたガス（水素など）を除去するために、通気口４７５が設けられている。
【００６５】
［００７４］カバー４６０の三次元図が図５に示されている。このカバーは、図４に示される実施形態の組み立てられたスタックにおいて、２つの隣接する電気化学セルのそれぞれのカソード側に面する圧縮フレームの隣に配置される、互いに反対の２つの側４６１および４６２を有する本体４６６を備える。各側４６１および４６２のそれぞれには、入口パイプ４６４を介して導入されたカソード溶液が、組み立てられたスタックの電気化学セルのカソード側にアクセスできるようにする開口４６７と、反応槽から、カバーと組み立てられたスタック内の隣接セルの圧縮フレームとによって形成されるエンクロージャ４９０への廃水の漏れを防ぐとともに、カソード溶液がエンクロージャ４９０から反応槽へと漏れることを防ぐシール４６３が設けられている。カバーには、カソード溶液４７０をエンクロージャに流すことができる入口パイプ４６４と、カソード触媒で起こる反応の生成物４８０をエンクロージャから排出できる出口パイプ４６５が設けられている。ガスがエンクロージャ４９０から通気口４７５を通って大気またはガス封じ込めタンクに排出できるように、通気パイプ４７６が設けられている。入口パイプ４６４、出口パイプ４６５および通気パイプ４７６は、カバーの本体にねじ込まれてもよいし、カバーの本体と一体成形してもよいし、溶接してもよい。カバーの入口パイプと出口パイプの位置は、本発明の異なる実施形態のスタック設計に従って変えることができるが、一般に、カバーにはそれぞれ入口パイプ、出口パイプおよび通気パイプが設けられることを理解されたい。
【００６６】
［００７５］図４に示される電気化学セルは、同時に係属している出願人の出願６２／２７９、６３１に記載され、図１に示されているものと類似の構造を有する。これは、本発明のすべての実施形態に適用される。
【００６７】
［００７６］図４に示すスタックの電気化学セルは、２つの隣接する電気化学セルのカソードが互いに向き合い、カバー４６０によって形成されるエンクロージャ４９０にさらされ、それによって槽内の廃水溶液から隔離されるように構成されている。図６に概略的に示される本発明のさらに別の実施形態では、電気化学セルは、２つの隣接する電気化学セル５１０および５２０のアノード側「Ａ」を互いに向き合わせることによりスタックに組み立てられ、電気化学セル５１０および５２０のアノード側の触媒層が、カバー５６０と２つの隣接するセルの圧縮フレームとによって形成されるエンクロージャ５９０にさらされ、それにより槽内の廃水溶液５５０から隔離される。図６は、各電気化学セルまたはカバーの構造のさらなる詳細を示していないが、この実施形態の電気化学セルは、図１〜５に示す電気化学セルと同じ構造を有し、より具体的には、２つの開孔メッシュと２つの圧縮フレームの間に配置された触媒層付き膜と、ＣＣＭによって形成されたアセンブリを貫通する留め具と、スタックの圧縮を確保するためのメッシュと圧縮フレームとを備える。カバー５６０は、図５に示すカバーと同様の構造を有する。
【００６８】
［００７７］図６に示す実施形態では、１以上の繰り返しユニット５００を有するスタックは、反応槽５３０内の廃水５５０に浸漬される。カバー５６０が、各電気化学セルのアノード（「Ａ」）側に位置する２つの隣接する電気化学セル５１０および５２０の圧縮フレーム間に配置される。カバー５６０は、これら２つの電気化学セルのアノード（アノード触媒層）を反応槽内の廃水から隔離するエンクロージャ５９０を形成する。本実施形態では、廃水中の汚染物質は、電気化学セルのカソード（「Ｃ」）側で削減され、一方、例えばＨ２Ｏおよび場合によってはＮａＯＨまたはＨ２ＳＯ４などの電解質を含むアノード溶液５７０がエンクロージャ５９０に導入されて、電気化学セル５１０および５２０のアノードに到達する。アノード側では、水が電気分解されて、カソード側に移動するプロトンが生成される。カソード側において、プロトンが廃水の組成物（硝酸塩、亜硝酸塩、尿素など）の電解還元に関与する。反応生成物５８０は、エンクロージャ５９０から流出する。反応ガス（Ｏ２、Ｎ２など）は、通気口５７５を介してエンクロージャから排出される。
【００６９】
［００７８］図７に示される実施形態では、１以上の繰り返しユニット６００を有するスタックが、反応槽６３０内のカソード溶液６５０に浸漬される。カバー６６０が、アノード（「Ａ」）側の２つの隣接するセル６１０および６２０の圧縮フレーム（図示せず）の間に配置され、２つの隣接する電気化学セルのアノード（アノード触媒層）を反応槽内の溶液から隔離するエンクロージャ６９０を作成する。廃水流６７０がエンクロージャ６９０内に導入され、廃水が電気化学セルのアノードで酸化されて汚染物質が除去され、きれいな水流６８０がエンクロージャ６９０から流出する。アノード側で起こる反応中に生成されたガスを除去するために、通気口６７５が設けられている。図７に示す実施形態の構造は、図６に示した実施形態と同じであるが、唯一の違いは、図７の反応槽内の溶液が廃水の代わりにカソード溶液となり、アノード溶液の代わりに廃水がエンクロージャ６９０を循環することである。
【００７０】
［００７９］電気化学セル６１０および６２０のアノードおよびカソードで起こる反応は、図４に示す実施形態で起こる反応と同様である。例えば、アンモニア除去プロセスの場合、槽内のカソード溶液６５０は、塩（ＮａＣｌ）と水とを含む。塩素イオンＣＩ−が、陰イオン交換膜を通ってアノード側に移動し、次亜塩素酸（ＨＣｌＯ）を形成し、これがさらに、アノード側でアンモニアの酸化と廃水からの除去に使用される。カソード側で発生する反応生成物（ＮａＯＨなど）は槽内に残る。カソード側で発生する反応中に形成される水素は、反応槽の上部から排出されるか捕捉される。
【００７１】
［００８０］本発明の別の実施形態が図８に示されており、図１に示す電気化学セルと同様の構造を有する電気化学セル７１０および７２０を含むスタック７００が示されている。当業者は、必要に応じて、スタックが電気化学セルを１つのみ、またはより多く含んでもよいことを理解するであろう。スタックが複数の電気化学セルを含む場合、電気化学セルは、１の電気化学セルのアノード側Ａがスタック内の隣接する電気化学セルのカソード側Ｃに面するように配置されることが好ましいが、他の配置も可能であり、１の電気化学セルのアノードが隣接するセルのアノードに面し、１つの電気化学セルのカソードが隣接するセルのカソードに面してもよい。スタック７００は、反応槽７３０内の廃水７５０に浸漬される。カバー７６０Ａおよび７６０Ｂはそれぞれ、カソード側の電気化学セル７１０および７２０それぞれの圧縮フレーム（図示せず）に取り付けられている。カソード溶液７７０は、カバー７６０Ａおよび７６０Ｂと、カソード側に配置された電気化学セルの圧縮フレームとの間に形成されるエンクロージャ７９０Ａおよび７９０Ｂに供給され、カソードで生じる反応により形成される反応生成物の流れ７８０Ａおよび７８０Ｂは、エンクロージャから除去される。
【００７２】
［００８１］排水中の汚染物質は、アノード触媒で起こる酸化反応によって除去され、カソード側で形成され膜を越えてアノード側に入る中間生成物も、例えば図４に示す実施形態の場合にアノードで起こるアンモニア酸化に関して説明したプロセスと同様に、汚染物質の除去に寄与する。図８の概略図に示されていなくても、カバー７６０Ａ、７６０Ｂには、図９に示す通気口７７５と同様の、エンクロージャ７９０Ａおよび７９０Ｂからのガスの通気を可能にする通気口が設けられている。
【００７３】
［００８２］図示しない本発明の別の実施形態では、１の電気化学セルのアノードが隣接セルのカソードに面する電気化学セルのスタックは、アノード側でその圧縮フレームに取り付けられたカバーを有する少なくとも１つの電気化学セルを含み、またはスタック内の電気化学セルの多くまたはすべてが、それぞれがアノード側のそれぞれの圧縮フレームに取り付けられたカバーを有する。アノード溶液または廃水は、図６および７に示す実施形態に関連して記載されたのと同様の方法で、このように形成されたエンクロージャに供給され得る。
【００７４】
［００８３］図８に示される実施形態において電気化学セルのカソードを隔離するために使用されるカバー７６０Ａおよび７６０Ｂは、図５に示されるカバー４６０とは異なる構造を有する。そのようなカバーが、図９にカバー７６０として示されている。カバー７６０は、図８に示される実施形態の組み立てられたスタックにおいて、電気化学セルのカソード側に面する圧縮フレームの隣に配置される開口７６７を備え、ただ１つの開放側面７６１を有する本体７６６を有する。開放側面７６１にはシール７６３が設けられ、これがカバーと電気化学セルの圧縮フレームとで形成されるエンクロージャ７９０への反応槽からの廃水の漏れを防ぐとともに、カソード側に配置されエンクロージャ７９０から反応槽へのカソード溶液の漏れを防ぐ。側面７６１の反対側の側面７６２は、開口のない連続パネルであり、反応槽からの廃水がエンクロージャ７９０に到達するのを防止する。カバーには、カソード溶液をエンクロージャに流すことができる入口パイプ７６４と、カソードで起こる反応の生成物をエンクロージャから流出させることができる出口パイプ７６５とが設けられている。ガスをエンクロージャ７９０から通気口７７５を介して大気またはガス封じ込めタンクへと排出できるように、通気パイプ７７６が設けられている。
【００７５】
［００８４］廃水処理システムは、図３に示す複数のモジュール３００を含み得る。汚染廃水は貯蔵タンクに保存され、ここから汚染物質を除去するために処理されるモジュール３００の反応槽にポンプで送られる。いくつかの実施形態では、反応槽は、再循環ポンプまたは撹拌機構を含むことができ、または生成ガスを使用して槽内の廃水を混合するのを補助してもよい。システムが２以上のモジュール３００を備える場合、モジュール３００のスタックは、例えば出願人の共同所有の米国特許出願番号１４／６４８，４１４に示されるように、直列または並列に接続することができる。
【００７６】
［００８５］本書に提示される実施形態では、各電気化学セルは、図１に示されるような触媒層付き膜（ＣＣＭ）を含むことができる。代替の実施形態では、アノードおよびカソード触媒が、例えば、電気化学セルが一緒に組み立てられるときに膜に面する開孔メッシュの面に堆積されてもよい。さらに、他の実施形態では、アノード触媒を膜の片側に堆積するとともにカソード触媒を膜の反対側に面している開孔メッシュの面に堆積するか、カソード触媒を膜の片側に堆積するとともにアノード触媒を電気化学セルを組み立てたときに膜の反対側に面している開孔メッシュの側に堆積させることができる。すべての実施形態において、システムの均一な圧縮システムにより固定される電極（膜のアノード側およびカソード側に隣接配置または堆積される触媒層）間のギャップが減少する。
【００７７】
［００８６］本発明のすべての実施形態において、電極がガス拡散層を有さず、アノードが実際にアノード触媒層であり、カソードがカソード触媒層であることから、「電極」とは触媒層であると理解される。アノード触媒およびカソード触媒は、白金および、イリジウム、ルテニウム、ロジウム、パラジウム、コバルト、ニッケル、鉄および鉄合金、銅および銅合金、混合金属酸化物、ダイヤモンド、およびセラミック由来の触媒を含む白金誘導合金を含むがこれらに限定されない様々な触媒材料を含むことができる。当技術分野で知られているように、担持触媒を使用すると、触媒材料の分散が改善され、したがって特定の触媒と支持体の利用および相互作用も触媒活性と耐久性を向上させる。本発明の触媒材料のリストと組み合わせて使用できる担持触媒の例には、チタン、ニオブ、ニッケル、鉄、グラファイト、混合金属酸化物、およびセラミックが含まれる。アノード触媒およびカソード触媒は、ステンレス鋼またはグラファイトを含むこともできる。
【００７８】
［００８７］本発明に記載されるカバーは、例えば、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）またはＰＶＤＦ、あるいは他のそのようなプラスチック材料などの非導電性材料でなる。
【００７９】
［００８８］廃水処理のための本電気化学セルおよびその運用方法の利点は、従来技術の解決策と比べて非常に多い。これらの利点には、（１）運用中のカソードの汚損や汚染を防ぐために処理される廃水からカソード電極を隔離すること、（２）閉ループの高濃度塩水を使用できる陰イオン型ＳＰＥ材料をカソードに組み合わせて、オンデマンドで次亜塩素酸をアノードで生成すること、および（３）アノードを隔離して、例えば、アンモニアへ尿素還元し、生成アンモニアをアノードエンクロージャに通して酸化させるといった還元による廃水の事前処理をカソードで行うことができる、ことが含まれる。
【００８０】
［００８９］２０１７年３月１日に出願された米国仮特許出願第６２／４６５，４４８の開示は、その全体が本明細書に組み込まれる。
【００８１】
［００９０］本発明の特定の要素、実施形態および用途を示して説明したが、当然のことながら、本発明はそれらに限定されず、当業者は特に前述の教示に照らして、本開示の精神および範囲から逸脱することなく修正を加えることができる。そのような修正は、本明細書に添付される特許請求の範囲および範囲内で考慮されるべきである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【国際調査報告】
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