イオン交換デバイス及びそのイオン交換物質の再生方法
電気化学デバイス（１０）は電気化学セル（１１）を含んでいる。電気化学セルは、導電性基板及びこの導電性基板と物理的に接触しているカチオン交換物質を含む複合カチオン交換部材（１２）、導電性基板及びこの導電性基板と物理的に接触しているアニオン交換物質を含む複合アニオン交換部材（１４）、並びに複合カチオン交換部材と複合アニオン交換部材との間のコンパートメント（１６）を含んでなる。コンパートメントは、供給流を導入するための入口、及び出力流がコンパートメントから出て行くための出口を構成している。電気化学デバイスは、再生段階で、複合カチオン交換部材上の導電性基板が電子を失い、複合アニオン交換部材上の導電性基板が電子を獲得するように、複合カチオン交換部材及び複合アニオン交換部材に電流を送るように構成されたコントロールデバイスを含んでいる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般にイオン交換技術に関し、より特定的には、イオン交換物質を利用するイオン交換デバイス及びイオン交換物質の再生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高純度水の製造、廃水の脱イオン化、又は軟水化において、溶液中に溶解している固体、イオン又はその他の荷電種を除去又は交換するためにイオン交換物質が使用される。イオン交換物質は、通例、２種の型、すなわちカチオン交換物質とアニオン交換物質を含み、これら両方の型は一般に、交換可能なイオンを含むか、又は溶液中の特定のイオンと化学的に反応する固体又はゲルである。
【０００３】
イオン交換物質が元の溶液から抽出されたイオンで飽和すると、そのイオン交換物質はもはやイオン交換機能を果たすことができないか、又はイオン交換の効率が低くなる。従って、イオン交換物質を再生して、抽出されたイオンをイオン交換物質から除去する必要がある。イオン交換物質を再生するための１つの従来法は、カチオン交換物質の場合は酸性溶液又は濃縮塩溶液（例えば、飽和塩化ナトリウム溶液）を、またアニオン交換物質の場合は塩基性溶液を使用して、抽出されたイオンを交換する濯ぎ工程を有する化学的方法である。しかし、イオン交換物質の完全な再生のためには、酸性溶液及び塩基性溶液が通常過剰のイオンを含み、そのため廃棄酸又は廃棄塩基が生成し、これは有害な廃棄物であると考えられ、環境へ排出する前に追加の処理を必要とする。イオン交換物質の別の伝統的な再生方法は、ＤＣ電流の下で水をＨ+とＯＨ-に分割した後、このＨ+とＯＨ-によってイオン交換物質を再生する電気化学的方法である。上記化学的方法について述べたのと同様に、完全な再生のためには、生成するＨ+とＯＨ-が一般に過剰であり、結果として廃棄酸又は廃棄塩基が生成する。加えて、電気分解又は水分割プロセスは、電気化学的な水の分割の効率が低いためにかなりの電気を消費する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５９５４９３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一言でいうと、従来のイオン交換樹脂再生方法は効率的ではなく、費用がかかる。かかる従来のアセンブリ及び方法とは異なるイオン交換デバイス及び再生方法があれば望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様は電気化学デバイスを開示する。この電気化学デバイスは電気化学セルを含む。この電気化学セルは、導電性基板及びこの導電性基板と物理的に接触しているカチオン交換物質を含む複合カチオン交換部材、導電性基板及びこの導電性基板と物理的に接触しているアニオン交換物質を含む複合アニオン交換部材、並びに複合カチオン交換部材と複合アニオン交換部材との間のコンパートメントを含んでいる。このコンパートメントは、供給流を導入するための入口、及び出力流がコンパートメントから出て行くための出口を含んでいる。電気化学デバイスは、再生段階において、複合カチオン交換部材上の導電性基板が電子を失い、複合アニオン交換部材上の導電性基板が電子を獲得するように、複合カチオン交換部材及び複合アニオン交換部材に電流を送るように構成されたコントロールデバイスを含んでいる。
【０００７】
本発明の別の態様は電気化学アセンブリを開示する。この電気化学アセンブリは、ケーシング、及びこのケーシング内に並列に配置された複数の複合イオン交換部材を含んでいる。これら複数の複合イオン交換部材は、あらゆる隣接する２つの複合イオン交換部材間に複数のコンパートメントを画定し、２つのコンパートメントの間に少なくとも１つの二極性複合部材を含んでいる。この二極性部材は、少なくとも１つの導電性基板、１つの面上のカチオン交換物質、及び他の面上のアニオン交換物質を含んでいる。電気化学アセンブリは、さらに、再生段階において、二極性複合部材のカチオン交換面上の導電性基板が電子を失い、二極性複合部材のアニオン交換面上の導電性基板が電子を獲得するように、電流を送るように構成されたコントロールデバイスを含んでいる。
【０００８】
本発明のさらに別の態様は、正又は負に帯電し負又は正の化学種を吸収したイオン交換物質の再生方法を開示する。この再生方法は、イオン交換物質を大表面積の導電性基板に接合し、その大表面積の導電性基板に電流を流し、大表面積の導電性基板へ、又はそこから電子を流れさせて、吸収された化学種をイオン交換物質から溶液中に追い出すことを含んでいる。
【０００９】
本発明のさらに別の態様は電気化学プロセスを開示する。この電気化学プロセスは脱イオン化段階と再生段階を含んでいる。脱イオン化段階は、供給流をコンパートメント中に導入し、溶解しているカチオン又はアニオンをイオン交換物質上に吸収させ、希薄流をコンパートメントから流出させることを含んでいる。再生段階は、イオン交換物質を導電性基板に物理的に接触させ、電流を導電性基板に流し、導電性基板に電子を失わせてイオン交換物質上に吸収されたアニオンを追い出すか、又は導電性基板に電子を獲得させてイオン交換物質上に吸収されたカチオンを追い出すことを含んでいる。
【００１０】
添付の図面を通じて、類似の符号は類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスを示す。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る脱イオン化段階における図１の電気化学デバイスの一部分Ａの拡大図を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る再生段階における図１の電気化学デバイスの前記一部分Ａの拡大図を示す。
【図４】図４は、カチオン交換物質の再生のための代表的な構成を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスを示す。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に係る電気化学デバイスを示す。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る二極性複合部材の拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、電気化学デバイス及びイオン交換物質を利用する電気化学デバイスに関する実施形態を含む。本発明は、イオン交換物質の再生方法に関する実施形態を含む。
【００１３】
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイス１０は電気化学セル１１を含んでいる。電気化学セル１１は、複合カチオン交換部材１２、複合アニオン交換部材１４、及びこれら複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間のコンパートメント１６を含んでいる。電気化学デバイス１０は、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４に電流を送るように作動可能な電源１８を含むコントロールデバイス１７を含んでいる。一実施形態では、コンパートメント１６は、イオン種を含有する供給流２２をコンパートメント１６内に導入するための入口２０と、出力流２６がコンパートメント１６から出て行くための出口２４とを有する。幾つかの実施形態では、出力流２６は、脱イオン化段階においては希薄流であり、再生段階においては濃縮溶液であり、これについては以下で詳細に述べる。幾つかの実施形態では、コントロールデバイス１７はさらにスイッチ又はリレー２８を含んでおり、これは一実施形態では複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４と電源１８との接続及び切断を制御する二方向スイッチである。
【００１４】
一実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４は平面状である。別の実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４は円筒状である。再生段階において、複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４はそれぞれ電源１８の正の端子及び負の端子と電気的に結合する。脱イオン化段階においては、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４との接続を切断し、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４とを短絡させる。他の実施形態では、脱イオン化率はカチオン交換部材１２とアニオン交換部材１４との間の電流を抵抗器又はその他の電気的方法により制御することによってさらに制御される。
【００１５】
図２及び３は、それぞれ、図１の電気化学デバイス１０の一部分Ａの拡大図であり、それぞれ本発明の一実施形態に従う脱イオン化段階及び再生段階における複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４をより詳細に示す。代表的な複合カチオン交換部材１２は、電源１８の正の端子に接続されて作動可能な導電性基板３０、及び導電性基板３０と物理的に接触しているカチオン交換物質３２を有する。幾つかの実施形態では、代表的な複合アニオン交換部材１４は、電源１８の負の端子に接続されて作動可能な導電性基板３４、及び導電性基板３４と物理的に接触しているアニオン交換物質３６を有する。
【００１６】
幾つかの実施形態では、導電性基板３０及び３４は各々が大きい表面積を有しており、一実施形態では多孔性電極である。幾つかの実施形態では、大表面積の電極３０及び３４は各々が導電性基材３８と、この導電性基材３８上の導電性の大表面積部分４０とからなる。導電性基材３８は、例えばプレート、メッシュ、フォイル、又はシートのようなあらゆる適切な金属構造体から形成され得る。また、導電性基材３８は、例えばステンレス鋼、グラファイト、チタン、白金、イリジウム、ロジウム、又は導電性ポリマー 導電性酸化物又は導電性ポリマー／炭素複合材のような適切な導電性物質から形成され得る。さらに、これらの金属は被覆されていなくても被覆されていてもよい。１つのかかる例は白金で被覆されたステンレス鋼メッシュである。幾つかの実施形態では、１種以上の導電性ポリマーを導電性基材３８として使用し得る。かかる導電性ポリマーの非限定例としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、及びこれらの組合せを挙げることができる。導電性酸化物の例はインジウムをドープした酸化スズ（ＩＴＯ）、アンチモンをドープした酸化スズ（ＡＴＯ）、及びアルミニウムをドープした酸化亜鉛からなり得る。一実施形態では、導電性基材３８はチタンメッシュである。他の実施形態では、基材３８はステンレス鋼メッシュ、ポリオレフィン／グラファイト複合フィルム、グラファイトプレート、又はチタンプレートである。一実施形態では、導電性の大表面積部分４０は大きい表面積を有する任意の導電性物質又は複合材から形成し得る。導電性の大表面積部分４０のかかる物質の例としては、活性炭、炭素ナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、炭素布、炭素エーロゲル、金属粉末、例えばニッケル、金属酸化物、例えば酸化ルテニウム、導電性ポリマー、及び以上のものの任意の混合物がある。
【００１７】
図面には示してない別の実施形態では、導電性基板３０、３４は、例えばナノ−パターン化又はナノ−構造化された導電性物質からなり、導電性の大表面積部分４０を形成するために微細な突起を有する。一実施形態では、導電性基板３０、３４は炭素ナノワイヤ又はナノチューブ（ＣＮＴ）のパターン化されたアレイからなる。このＣＮＴのパターン化されたアレイは、ナノチューブの化学的結合が全体的にｓｐ2結合からなり、分子に独特な強度を付与するという事実に基づいて作成される。ナノチューブは互いに自然に整列して、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ力により互いに保持されるロープ様の形態になる。別の実施形態では、例えば高い圧力の下で、ナノチューブは互いに合体し、幾らかのｓｐ2結合をｓｐ3結合と置換し、従って強い無限の長さのワイヤを生成する可能性を生じる傾向がある。一実施形態では、ナノチューブは導電性基材３８上で成長する。別の実施形態では、ナノチューブは、追加の導電性基材なしで作動することができるパターンに成長する。
【００１８】
幾つかの実施形態では、カチオン交換物質３２及びアニオン交換物質３６は、脱イオン化段階において供給流中のイオン性化学種を吸収するか又はこれらと反応し、供給流２２を脱イオン化して希薄流２６とする、イオンを含有する固体、粉末、繊維、ゲルである。幾つかの実施形態では、カチオン及びアニオン交換物質はそれぞれ少なくとも０．１ｍｅｑｕｉｖ／ｇのイオン交換能を有する。より好ましくは、０．５ｍｅｑｕｉｖ／ｇより高いイオン交換能を有する。
【００１９】
一実施形態では、カチオン交換物質３２は弱酸性カチオン交換物質及び強酸性カチオン交換物質の少なくとも１種からなる。弱酸性カチオン交換物質は弱酸性官能基を有する無機又は有機物質である。弱酸性官能基の例はカルボン酸官能基、ホウ酸官能基又はリン酸官能基からなる。強酸性カチオン交換物質は強酸性官能基を含む無機又は有機物質である。強酸性基の例はスルホン酸官能基又は硫酸官能基からなる。一実施形態では、例えば、弱酸性カチオン交換物質と強酸性カチオン交換物質の組合せ、無機カチオン交換物質と有機カチオン交換物質の組合せといったように２種以上のイオン交換物質を組み合わせてもよい。
【００２０】
一実施形態では、アニオン交換物質３６は弱塩基性アニオン交換物質及び強塩基性アニオン交換物質の少なくとも１種を含む。弱塩基性アニオン交換物質は弱塩基性官能基を含有する無機又は有機の物質である。弱塩基性官能基の例は第一、第二、第三アミン官能基及びイミダゾリウム、グアニジニウム又はピリジウム官能基からなる。強塩基性アニオン交換物質は強塩基性官能基を含有する無機又は有機の物質である。強塩基性官能基の例は第四アンモニウム官能基からなる。幾つかの実施形態では、１種以上の導電性ポリマーをアニオン交換物質として使用してもよい。かかる導電性ポリマーの非限定例としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、及びこれらの組合せを挙げることができる。
【００２１】
一実施形態では、複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４を製造する方法は大表面積の電極３０、３４を製造することを含む。大表面積の電極を製造する方法は米国特許出願公開第２００８／００５７３９８号及び係属中の出願番号第１１／９４７３２８に記載され例示されている。これらはいずれも本出願人に譲渡されており、その開示内容は援用により全体が本明細書の一部をなす。幾つかの実施形態では、出来上がった大表面積電極３０及び３４はそれぞれが複数の気孔を有する。一実施形態では、大表面積部分３８の表面積は、窒素吸着ＢＥＴ法で測定して約１００ｍ2／ｇ〜約５０００ｍ2／ｇの範囲であり得る。特定の実施形態では、大表面積部分３８の表面積は約７５０ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇの範囲である。さらに特定の実施形態では、大表面積部分３８の表面積は約１５００ｍ2／ｇ〜約２５００ｍ2／ｇの範囲である。一実施形態では、気孔の平均直径は１ナノメートルより大きい。
【００２２】
複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４を製造する方法は、上記で形成された大表面積電極３０及び３４上／内にカチオン交換物質又はアニオン交換物質３２を形成して大表面積部分４０と物理的に接触させることを含んでいる。一実施形態では、この方法は、イオン交換モノマー、架橋剤及び適切な開始剤の混合物を形成し、この混合物を、例えば注入（キャスティング）、浸漬、スプレーコート、スクリーン印刷、又はスピンコートにより、大表面積部分４０上／内に分散させることを含んでいる。アニオン交換モノマーの例としては、２−（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート、４−ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロリド及びその他第四／第三アミノ基を含有する全てのモノマーがある。カチオン交換モノマーの例としては、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、４−スチレンスルホン酸ナトリウム塩及びその他スルホン酸又はカルボキシル基を含有する全てのモノマーがある。架橋剤の例としては、Ｎ、Ｎ−メチレンビスアクリルアミド、エチレングリコールジメタクリレート及びその他単官能性又は多官能性の二価結合(dibond)基を含有する全ての化学物質がある。開始剤の例としては、アゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル及びその他全てのアゾ又は過酸化物化学物質がある。
【００２３】
一実施形態では、カチオン交換物質又はアニオン交換物質３２及び３６と大表面積部分４０との接触界面は大表面積部分４０の表面積の１０パーセントより大きい。１つの特定の実施形態では、カチオン交換物質又はアニオン交換物質３２及び３６と大表面積部分４０との接触界面は大表面積部分４０の表面積の４０パーセントより大きい。さらに特定の実施形態では、カチオン交換物質又はアニオン交換物質３２及び３６と大表面積部分４０との接触界面は大表面積部分４０の表面積の７０パーセントより大きい。
【００２４】
図２を参照して、脱イオン化段階においては、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４との接続を切断し、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４の回路が短絡させられる。供給流２２中のイオン化されたカチオンＭ+はカチオン交換物質３２上に吸収され、供給流２２中のイオン化されたアニオンＸ-はアニオン交換物質３６上に吸収される。こうして、供給流２２が脱イオン化されて、出口２４を通ってコンパートメント１６を出て行く希薄流２６が生成する。
【００２５】
図３を参照して、再生段階においては、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４とを接続し、複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４をそれぞれ正極及び負極として充電する。電流の下で、複合カチオン交換部材１２の導電性基板３４は電子を失い、この電子は幽霊線の矢印で示した方向で複合アニオン交換部材１４の導電性基板３４に送られる。従って、アニオン交換物質３６上に吸収されたアニオンＸ-がコンパートメント１６内の溶液中に追い出され、カチオン交換物質３２上に吸収されたカチオンＭ+がコンパートメント１６内の溶液中に追い出される。再生段階の出力流２６は比較的高い濃度のイオンを含む濃縮溶液である。
【００２６】
一実施形態では、電源１８は、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の電圧の差が０〜１０Ｖであるように制御される。１つの特定の実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の電圧の差は０〜５Ｖである。さらに別の１つの特定の実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の電圧の差は０〜２Ｖである。
【００２７】
一実施形態では、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４との接続を切断し、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の回路を短絡させると、電気化学デバイス１０は脱イオン化段階に戻る。電圧の差により生じた電流が複合カチオン交換部材１２から複合アニオン交換部材１４に流れ、電子が複合アニオン交換部材１４から複合カチオン交換部材１２に流れる。従って、複合アニオン交換部材１４上のより正に帯電した基が放出され、供給流２２中のアニオン化学種を吸収し、複合カチオン交換部材１２上のより負に帯電した基が放出され、カチオンを吸収する。
【００２８】
上記再生方法は、作動対として複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４の両方を使用する場合に限定されない。一実施形態では、別々のカチオン交換物質又はアニオン交換物質の再生方法は、イオン交換物質を大表面積の導電性基板と物理的に接触するように接合し、電力エネルギーを大表面積導電性基板に送って、電子を大表面積導電性基板から、又は大表面積導電性基板に送ることで、吸収されたイオンをカチオン交換物質又はアニオン交換物質から溶液中に追い出すことを含んでいる。図４に、カチオン交換物質３２の再生のための代表的な構成を示す。カチオン交換物質３２は導電性基板３０の大表面積部分４０に接合されている。カチオン交換物質３２の再生中、電源１８が電流を導電性基板３０に送り、導電性基板から電子を引き出す。従って、カチオン交換物質３２上に吸収されたカチオンＭ+が溶液中に追い出される。
【００２９】
図５を参照すると、本発明の別の実施形態に係る電気化学デバイス４２は、ケーシング４４、各々が複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４とその間のコンパートメント１６を含む複数の電気化学セル１１、並びにコントロールデバイス１７を含んでいる。図示した実施形態では、異なるセル１１のカチオン交換部材１２は並列に接続され、異なるセル１１のアニオン交換部材１４は並列に接続されている。コントロールデバイス１７は、各セル１１に電流を送るように作動可能な電源を含んでおり、従ってカチオン交換部材１２は再生段階において対応するアニオン交換部材１４より高い電位を有する。図示した実施形態では、電気化学デバイス４２はさらに、各々の２つの隣接するセル１１間の複数の絶縁性フィルム４６を含んでいる。
【００３０】
図６に、本発明のさらに別の実施形態に係る電気化学デバイス５０を示す。電気化学デバイス５０は、ケーシング５２内に支持された複数並んだ複合イオン交換部材１２、１４及び５４、あらゆる２つの隣接する複合イオン交換部材１２、１４及び５４間に画定された複数のコンパートメント６０、並びに電源１８を有する。各複合イオン交換部材１２、１４及び５４は平面状であり、互いに実質的に平行に配置されている。ケーシング面に最も近い両方の最も外側のイオン交換部材は、それぞれ複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４であり、これらは電気化学デバイス１０に関して記載したものと同様である。複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４はそれぞれ電源１８の正極及び負極に作動可能なように接続されている。
【００３１】
図７を参照して、一実施形態では、２つのコンパートメント間の各複合イオン交換部材５４は二極性複合部材である。二極性複合部材５４は、少なくとも１つの導電性大表面積基板６２、並びにそれぞれ少なくとも１つの導電性大表面積基板６２の反対側にあるカチオン交換物質３２及びアニオン交換物質３６を有する。カチオン交換物質３２は相対的に複合アニオン交換部材１４に近接してコンパートメント６０に隣接しており、アニオン交換物質３６は相対的に複合カチオン交換部材１２に近接してコンパートメント６０に隣接している。一実施形態では、二極性複合部材５４はさらに導電性大表面積基板６２間又は内に導電性でイオン−不透過性の部材６４を含んでいる。ここで「イオン−不透過性」とは実際に「イオンに対しても水に対しても不透過性である」ことを意味する。一実施形態では、導電性でイオン−不透過性の部材６４はポリオレフィンとグラファイトの複合フィルムからなる。一実施形態では、二極性複合部材５４は、１つの導電性でイオン−不透過性の部材６４がカチオン交換部材とアニオン交換部材との間に密に挟まれた複合部品である。代わりの実施形態では、二極性複合部材５４は一体的に作成される。
【００３２】
図示した実施形態では、ケーシング５２は複数の入口５６と複数の出口５８を有する。一実施形態では、これらの入口５６の１つだけがコンパートメント６０の１つに供給流２２を導入し、コンパートメント６０は１つのコンパートメント６０の出口５８が直列の別のコンパートメント６０の入口５６と連通するように相互に接続されていて、結果として供給流２２が各コンパートメント６０を通過する。１つの出口５８だけが、脱イオン化段階においては希薄流であり再生段階においては濃縮溶液である出力流２６を流出させる。従って、供給流２２は複数のコンパートメント６０によって非常にきれいに脱イオン化することができ、これは一実施形態では高純度水を製造するのに使用することができる。代わりの実施形態では、ケーシング５２は、並列の対応するコンパートメント６０中に供給流２２をそれぞれ同時に導入するための複数の入口５６、及び脱イオン化段階においては希薄流であり再生段階においては濃縮溶液である出力流２６が出て行くための複数の出口５８を有する。もう１つ別の実施形態では、電気化学システム５０は、上記並列及び直列モードの組合せとして構成することができる。従って、この電気化学システム５０は高い脱イオン化効率を有する。
【００３３】
図６と７を参照して、電気化学システム５０の脱イオン化段階において、１以上の供給流２２がコンパートメント６０を通って流れ、カチオン交換物質３２が溶液中のカチオンＭ+を吸収し、アニオン交換物質３６が溶液中のアニオンＸ-を吸収する。供給流２２は脱イオン化され、希薄流２６としてコンパートメントから出て行く。
【００３４】
再生段階で、スイッチ２８は電源１８を制御して、最も外側の複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４に、複合カチオン交換部材１２をカソードとして、複合アニオン交換部材１４をアノードとして、電流を送る。図２を参照して述べたように、電流の下で、複合カチオン交換部材１２は電子を失い、複合アニオン交換部材１４は電子を獲得する。従って、複合カチオン交換部材１２上に吸収されたカチオンＭ+と複合アニオン交換部材１４上に吸収されたアニオンＸ-は溶液中に追い出される。同時に、カチオン交換物質３２側の導電性大表面積基板６２は電子を失い、アニオン交換物質３６側の導電性大表面積基板６２は電子を獲得する。電場の下でのこの種の電荷再分配により、二極性複合部材５４内のカチオンとアニオンは溶液中に追い出される。従って、各複合二極性部材５４のカチオン交換物質３２とアニオン交換物質３６の両方が再生される。脱イオン化段階では、導電性大表面積基板６２が再生段階で確立された電荷再分配から回復し、電子がアニオン交換面からカチオン交換面に伝達される。この手段により、アニオン交換物質３６内の正に帯電した基及びカチオン交換物質３２内の負に帯電した基が放出され、それぞれアニオン及びカチオンを吸収する。
【００３５】
単数形態は、文脈から明らかに他の意味を示さない限り複数形態を包含する。本明細書及び特許請求の範囲を通じて使用する概略の言葉は、関連する基本的機能に変化を生じることなく変化することが許容される量的表現を修飾するために適用され得る。従って、「約」のような用語によって修飾された値はその正確な値に限定されない。場合によって、概略の言葉はその値を測定するための機器の精度に対応し得る。同様に、「含まない(free)」は、ある用語と組み合わせて使用することができ、重要でない数又は微量を包含し得るが、それでも修飾された用語を含まないと考えられる。
【００３６】
本明細書に記載した実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の要素に対応する要素を有する物品、システム及び方法の例である。本明細書の記載により、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の要素に同様に対応する代わりの要素を有する実施形態を実施し使用することができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲の文言と異ならない物品、システム及び方法を包含し、さらに特許請求の範囲の文言と実質的な差違のないその他の物品、システム及び方法も包含する。本明細書には特定の特徴及び実施形態についてのみ記載し例示して来たが、本発明の属する技術分野の当業者には多くの修正及び変更が明らかであろう。特許請求の範囲はかかる修正と変更を全て包含する。
【技術分野】
【０００１】
本発明の実施形態は、一般にイオン交換技術に関し、より特定的には、イオン交換物質を利用するイオン交換デバイス及びイオン交換物質の再生方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
例えば、高純度水の製造、廃水の脱イオン化、又は軟水化において、溶液中に溶解している固体、イオン又はその他の荷電種を除去又は交換するためにイオン交換物質が使用される。イオン交換物質は、通例、２種の型、すなわちカチオン交換物質とアニオン交換物質を含み、これら両方の型は一般に、交換可能なイオンを含むか、又は溶液中の特定のイオンと化学的に反応する固体又はゲルである。
【０００３】
イオン交換物質が元の溶液から抽出されたイオンで飽和すると、そのイオン交換物質はもはやイオン交換機能を果たすことができないか、又はイオン交換の効率が低くなる。従って、イオン交換物質を再生して、抽出されたイオンをイオン交換物質から除去する必要がある。イオン交換物質を再生するための１つの従来法は、カチオン交換物質の場合は酸性溶液又は濃縮塩溶液（例えば、飽和塩化ナトリウム溶液）を、またアニオン交換物質の場合は塩基性溶液を使用して、抽出されたイオンを交換する濯ぎ工程を有する化学的方法である。しかし、イオン交換物質の完全な再生のためには、酸性溶液及び塩基性溶液が通常過剰のイオンを含み、そのため廃棄酸又は廃棄塩基が生成し、これは有害な廃棄物であると考えられ、環境へ排出する前に追加の処理を必要とする。イオン交換物質の別の伝統的な再生方法は、ＤＣ電流の下で水をＨ+とＯＨ-に分割した後、このＨ+とＯＨ-によってイオン交換物質を再生する電気化学的方法である。上記化学的方法について述べたのと同様に、完全な再生のためには、生成するＨ+とＯＨ-が一般に過剰であり、結果として廃棄酸又は廃棄塩基が生成する。加えて、電気分解又は水分割プロセスは、電気化学的な水の分割の効率が低いためにかなりの電気を消費する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第５９５４９３７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一言でいうと、従来のイオン交換樹脂再生方法は効率的ではなく、費用がかかる。かかる従来のアセンブリ及び方法とは異なるイオン交換デバイス及び再生方法があれば望ましいであろう。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の１つの態様は電気化学デバイスを開示する。この電気化学デバイスは電気化学セルを含む。この電気化学セルは、導電性基板及びこの導電性基板と物理的に接触しているカチオン交換物質を含む複合カチオン交換部材、導電性基板及びこの導電性基板と物理的に接触しているアニオン交換物質を含む複合アニオン交換部材、並びに複合カチオン交換部材と複合アニオン交換部材との間のコンパートメントを含んでいる。このコンパートメントは、供給流を導入するための入口、及び出力流がコンパートメントから出て行くための出口を含んでいる。電気化学デバイスは、再生段階において、複合カチオン交換部材上の導電性基板が電子を失い、複合アニオン交換部材上の導電性基板が電子を獲得するように、複合カチオン交換部材及び複合アニオン交換部材に電流を送るように構成されたコントロールデバイスを含んでいる。
【０００７】
本発明の別の態様は電気化学アセンブリを開示する。この電気化学アセンブリは、ケーシング、及びこのケーシング内に並列に配置された複数の複合イオン交換部材を含んでいる。これら複数の複合イオン交換部材は、あらゆる隣接する２つの複合イオン交換部材間に複数のコンパートメントを画定し、２つのコンパートメントの間に少なくとも１つの二極性複合部材を含んでいる。この二極性部材は、少なくとも１つの導電性基板、１つの面上のカチオン交換物質、及び他の面上のアニオン交換物質を含んでいる。電気化学アセンブリは、さらに、再生段階において、二極性複合部材のカチオン交換面上の導電性基板が電子を失い、二極性複合部材のアニオン交換面上の導電性基板が電子を獲得するように、電流を送るように構成されたコントロールデバイスを含んでいる。
【０００８】
本発明のさらに別の態様は、正又は負に帯電し負又は正の化学種を吸収したイオン交換物質の再生方法を開示する。この再生方法は、イオン交換物質を大表面積の導電性基板に接合し、その大表面積の導電性基板に電流を流し、大表面積の導電性基板へ、又はそこから電子を流れさせて、吸収された化学種をイオン交換物質から溶液中に追い出すことを含んでいる。
【０００９】
本発明のさらに別の態様は電気化学プロセスを開示する。この電気化学プロセスは脱イオン化段階と再生段階を含んでいる。脱イオン化段階は、供給流をコンパートメント中に導入し、溶解しているカチオン又はアニオンをイオン交換物質上に吸収させ、希薄流をコンパートメントから流出させることを含んでいる。再生段階は、イオン交換物質を導電性基板に物理的に接触させ、電流を導電性基板に流し、導電性基板に電子を失わせてイオン交換物質上に吸収されたアニオンを追い出すか、又は導電性基板に電子を獲得させてイオン交換物質上に吸収されたカチオンを追い出すことを含んでいる。
【００１０】
添付の図面を通じて、類似の符号は類似の部分を表す。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスを示す。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係る脱イオン化段階における図１の電気化学デバイスの一部分Ａの拡大図を示す。
【図３】図３は、本発明の一実施形態に係る再生段階における図１の電気化学デバイスの前記一部分Ａの拡大図を示す。
【図４】図４は、カチオン交換物質の再生のための代表的な構成を示す。
【図５】図５は、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイスを示す。
【図６】図６は、本発明の別の実施形態に係る電気化学デバイスを示す。
【図７】図７は、本発明の一実施形態に係る二極性複合部材の拡大図を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
本発明は、電気化学デバイス及びイオン交換物質を利用する電気化学デバイスに関する実施形態を含む。本発明は、イオン交換物質の再生方法に関する実施形態を含む。
【００１３】
図１を参照して、本発明の一実施形態に係る電気化学デバイス１０は電気化学セル１１を含んでいる。電気化学セル１１は、複合カチオン交換部材１２、複合アニオン交換部材１４、及びこれら複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間のコンパートメント１６を含んでいる。電気化学デバイス１０は、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４に電流を送るように作動可能な電源１８を含むコントロールデバイス１７を含んでいる。一実施形態では、コンパートメント１６は、イオン種を含有する供給流２２をコンパートメント１６内に導入するための入口２０と、出力流２６がコンパートメント１６から出て行くための出口２４とを有する。幾つかの実施形態では、出力流２６は、脱イオン化段階においては希薄流であり、再生段階においては濃縮溶液であり、これについては以下で詳細に述べる。幾つかの実施形態では、コントロールデバイス１７はさらにスイッチ又はリレー２８を含んでおり、これは一実施形態では複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４と電源１８との接続及び切断を制御する二方向スイッチである。
【００１４】
一実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４は平面状である。別の実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４は円筒状である。再生段階において、複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４はそれぞれ電源１８の正の端子及び負の端子と電気的に結合する。脱イオン化段階においては、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４との接続を切断し、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４とを短絡させる。他の実施形態では、脱イオン化率はカチオン交換部材１２とアニオン交換部材１４との間の電流を抵抗器又はその他の電気的方法により制御することによってさらに制御される。
【００１５】
図２及び３は、それぞれ、図１の電気化学デバイス１０の一部分Ａの拡大図であり、それぞれ本発明の一実施形態に従う脱イオン化段階及び再生段階における複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４をより詳細に示す。代表的な複合カチオン交換部材１２は、電源１８の正の端子に接続されて作動可能な導電性基板３０、及び導電性基板３０と物理的に接触しているカチオン交換物質３２を有する。幾つかの実施形態では、代表的な複合アニオン交換部材１４は、電源１８の負の端子に接続されて作動可能な導電性基板３４、及び導電性基板３４と物理的に接触しているアニオン交換物質３６を有する。
【００１６】
幾つかの実施形態では、導電性基板３０及び３４は各々が大きい表面積を有しており、一実施形態では多孔性電極である。幾つかの実施形態では、大表面積の電極３０及び３４は各々が導電性基材３８と、この導電性基材３８上の導電性の大表面積部分４０とからなる。導電性基材３８は、例えばプレート、メッシュ、フォイル、又はシートのようなあらゆる適切な金属構造体から形成され得る。また、導電性基材３８は、例えばステンレス鋼、グラファイト、チタン、白金、イリジウム、ロジウム、又は導電性ポリマー 導電性酸化物又は導電性ポリマー／炭素複合材のような適切な導電性物質から形成され得る。さらに、これらの金属は被覆されていなくても被覆されていてもよい。１つのかかる例は白金で被覆されたステンレス鋼メッシュである。幾つかの実施形態では、１種以上の導電性ポリマーを導電性基材３８として使用し得る。かかる導電性ポリマーの非限定例としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、及びこれらの組合せを挙げることができる。導電性酸化物の例はインジウムをドープした酸化スズ（ＩＴＯ）、アンチモンをドープした酸化スズ（ＡＴＯ）、及びアルミニウムをドープした酸化亜鉛からなり得る。一実施形態では、導電性基材３８はチタンメッシュである。他の実施形態では、基材３８はステンレス鋼メッシュ、ポリオレフィン／グラファイト複合フィルム、グラファイトプレート、又はチタンプレートである。一実施形態では、導電性の大表面積部分４０は大きい表面積を有する任意の導電性物質又は複合材から形成し得る。導電性の大表面積部分４０のかかる物質の例としては、活性炭、炭素ナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、炭素布、炭素エーロゲル、金属粉末、例えばニッケル、金属酸化物、例えば酸化ルテニウム、導電性ポリマー、及び以上のものの任意の混合物がある。
【００１７】
図面には示してない別の実施形態では、導電性基板３０、３４は、例えばナノ−パターン化又はナノ−構造化された導電性物質からなり、導電性の大表面積部分４０を形成するために微細な突起を有する。一実施形態では、導電性基板３０、３４は炭素ナノワイヤ又はナノチューブ（ＣＮＴ）のパターン化されたアレイからなる。このＣＮＴのパターン化されたアレイは、ナノチューブの化学的結合が全体的にｓｐ2結合からなり、分子に独特な強度を付与するという事実に基づいて作成される。ナノチューブは互いに自然に整列して、Ｖａｎ ｄｅｒ Ｗａａｌｓ力により互いに保持されるロープ様の形態になる。別の実施形態では、例えば高い圧力の下で、ナノチューブは互いに合体し、幾らかのｓｐ2結合をｓｐ3結合と置換し、従って強い無限の長さのワイヤを生成する可能性を生じる傾向がある。一実施形態では、ナノチューブは導電性基材３８上で成長する。別の実施形態では、ナノチューブは、追加の導電性基材なしで作動することができるパターンに成長する。
【００１８】
幾つかの実施形態では、カチオン交換物質３２及びアニオン交換物質３６は、脱イオン化段階において供給流中のイオン性化学種を吸収するか又はこれらと反応し、供給流２２を脱イオン化して希薄流２６とする、イオンを含有する固体、粉末、繊維、ゲルである。幾つかの実施形態では、カチオン及びアニオン交換物質はそれぞれ少なくとも０．１ｍｅｑｕｉｖ／ｇのイオン交換能を有する。より好ましくは、０．５ｍｅｑｕｉｖ／ｇより高いイオン交換能を有する。
【００１９】
一実施形態では、カチオン交換物質３２は弱酸性カチオン交換物質及び強酸性カチオン交換物質の少なくとも１種からなる。弱酸性カチオン交換物質は弱酸性官能基を有する無機又は有機物質である。弱酸性官能基の例はカルボン酸官能基、ホウ酸官能基又はリン酸官能基からなる。強酸性カチオン交換物質は強酸性官能基を含む無機又は有機物質である。強酸性基の例はスルホン酸官能基又は硫酸官能基からなる。一実施形態では、例えば、弱酸性カチオン交換物質と強酸性カチオン交換物質の組合せ、無機カチオン交換物質と有機カチオン交換物質の組合せといったように２種以上のイオン交換物質を組み合わせてもよい。
【００２０】
一実施形態では、アニオン交換物質３６は弱塩基性アニオン交換物質及び強塩基性アニオン交換物質の少なくとも１種を含む。弱塩基性アニオン交換物質は弱塩基性官能基を含有する無機又は有機の物質である。弱塩基性官能基の例は第一、第二、第三アミン官能基及びイミダゾリウム、グアニジニウム又はピリジウム官能基からなる。強塩基性アニオン交換物質は強塩基性官能基を含有する無機又は有機の物質である。強塩基性官能基の例は第四アンモニウム官能基からなる。幾つかの実施形態では、１種以上の導電性ポリマーをアニオン交換物質として使用してもよい。かかる導電性ポリマーの非限定例としては、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、及びこれらの組合せを挙げることができる。
【００２１】
一実施形態では、複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４を製造する方法は大表面積の電極３０、３４を製造することを含む。大表面積の電極を製造する方法は米国特許出願公開第２００８／００５７３９８号及び係属中の出願番号第１１／９４７３２８に記載され例示されている。これらはいずれも本出願人に譲渡されており、その開示内容は援用により全体が本明細書の一部をなす。幾つかの実施形態では、出来上がった大表面積電極３０及び３４はそれぞれが複数の気孔を有する。一実施形態では、大表面積部分３８の表面積は、窒素吸着ＢＥＴ法で測定して約１００ｍ2／ｇ〜約５０００ｍ2／ｇの範囲であり得る。特定の実施形態では、大表面積部分３８の表面積は約７５０ｍ2／ｇ〜約３０００ｍ2／ｇの範囲である。さらに特定の実施形態では、大表面積部分３８の表面積は約１５００ｍ2／ｇ〜約２５００ｍ2／ｇの範囲である。一実施形態では、気孔の平均直径は１ナノメートルより大きい。
【００２２】
複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４を製造する方法は、上記で形成された大表面積電極３０及び３４上／内にカチオン交換物質又はアニオン交換物質３２を形成して大表面積部分４０と物理的に接触させることを含んでいる。一実施形態では、この方法は、イオン交換モノマー、架橋剤及び適切な開始剤の混合物を形成し、この混合物を、例えば注入（キャスティング）、浸漬、スプレーコート、スクリーン印刷、又はスピンコートにより、大表面積部分４０上／内に分散させることを含んでいる。アニオン交換モノマーの例としては、２−（ジメチルアミノ）エチルメタクリレート、４−ビニルベンジルトリメチルアンモニウムクロリド及びその他第四／第三アミノ基を含有する全てのモノマーがある。カチオン交換モノマーの例としては、２−アクリルアミド−２−メチルプロパンスルホン酸、４−スチレンスルホン酸ナトリウム塩及びその他スルホン酸又はカルボキシル基を含有する全てのモノマーがある。架橋剤の例としては、Ｎ、Ｎ−メチレンビスアクリルアミド、エチレングリコールジメタクリレート及びその他単官能性又は多官能性の二価結合(dibond)基を含有する全ての化学物質がある。開始剤の例としては、アゾビスイソブチロニトリル、過酸化ベンゾイル及びその他全てのアゾ又は過酸化物化学物質がある。
【００２３】
一実施形態では、カチオン交換物質又はアニオン交換物質３２及び３６と大表面積部分４０との接触界面は大表面積部分４０の表面積の１０パーセントより大きい。１つの特定の実施形態では、カチオン交換物質又はアニオン交換物質３２及び３６と大表面積部分４０との接触界面は大表面積部分４０の表面積の４０パーセントより大きい。さらに特定の実施形態では、カチオン交換物質又はアニオン交換物質３２及び３６と大表面積部分４０との接触界面は大表面積部分４０の表面積の７０パーセントより大きい。
【００２４】
図２を参照して、脱イオン化段階においては、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４との接続を切断し、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４の回路が短絡させられる。供給流２２中のイオン化されたカチオンＭ+はカチオン交換物質３２上に吸収され、供給流２２中のイオン化されたアニオンＸ-はアニオン交換物質３６上に吸収される。こうして、供給流２２が脱イオン化されて、出口２４を通ってコンパートメント１６を出て行く希薄流２６が生成する。
【００２５】
図３を参照して、再生段階においては、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４とを接続し、複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４をそれぞれ正極及び負極として充電する。電流の下で、複合カチオン交換部材１２の導電性基板３４は電子を失い、この電子は幽霊線の矢印で示した方向で複合アニオン交換部材１４の導電性基板３４に送られる。従って、アニオン交換物質３６上に吸収されたアニオンＸ-がコンパートメント１６内の溶液中に追い出され、カチオン交換物質３２上に吸収されたカチオンＭ+がコンパートメント１６内の溶液中に追い出される。再生段階の出力流２６は比較的高い濃度のイオンを含む濃縮溶液である。
【００２６】
一実施形態では、電源１８は、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の電圧の差が０〜１０Ｖであるように制御される。１つの特定の実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の電圧の差は０〜５Ｖである。さらに別の１つの特定の実施形態では、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の電圧の差は０〜２Ｖである。
【００２７】
一実施形態では、二方向スイッチ２８が電源１８と複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４との接続を切断し、複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４との間の回路を短絡させると、電気化学デバイス１０は脱イオン化段階に戻る。電圧の差により生じた電流が複合カチオン交換部材１２から複合アニオン交換部材１４に流れ、電子が複合アニオン交換部材１４から複合カチオン交換部材１２に流れる。従って、複合アニオン交換部材１４上のより正に帯電した基が放出され、供給流２２中のアニオン化学種を吸収し、複合カチオン交換部材１２上のより負に帯電した基が放出され、カチオンを吸収する。
【００２８】
上記再生方法は、作動対として複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４の両方を使用する場合に限定されない。一実施形態では、別々のカチオン交換物質又はアニオン交換物質の再生方法は、イオン交換物質を大表面積の導電性基板と物理的に接触するように接合し、電力エネルギーを大表面積導電性基板に送って、電子を大表面積導電性基板から、又は大表面積導電性基板に送ることで、吸収されたイオンをカチオン交換物質又はアニオン交換物質から溶液中に追い出すことを含んでいる。図４に、カチオン交換物質３２の再生のための代表的な構成を示す。カチオン交換物質３２は導電性基板３０の大表面積部分４０に接合されている。カチオン交換物質３２の再生中、電源１８が電流を導電性基板３０に送り、導電性基板から電子を引き出す。従って、カチオン交換物質３２上に吸収されたカチオンＭ+が溶液中に追い出される。
【００２９】
図５を参照すると、本発明の別の実施形態に係る電気化学デバイス４２は、ケーシング４４、各々が複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４とその間のコンパートメント１６を含む複数の電気化学セル１１、並びにコントロールデバイス１７を含んでいる。図示した実施形態では、異なるセル１１のカチオン交換部材１２は並列に接続され、異なるセル１１のアニオン交換部材１４は並列に接続されている。コントロールデバイス１７は、各セル１１に電流を送るように作動可能な電源を含んでおり、従ってカチオン交換部材１２は再生段階において対応するアニオン交換部材１４より高い電位を有する。図示した実施形態では、電気化学デバイス４２はさらに、各々の２つの隣接するセル１１間の複数の絶縁性フィルム４６を含んでいる。
【００３０】
図６に、本発明のさらに別の実施形態に係る電気化学デバイス５０を示す。電気化学デバイス５０は、ケーシング５２内に支持された複数並んだ複合イオン交換部材１２、１４及び５４、あらゆる２つの隣接する複合イオン交換部材１２、１４及び５４間に画定された複数のコンパートメント６０、並びに電源１８を有する。各複合イオン交換部材１２、１４及び５４は平面状であり、互いに実質的に平行に配置されている。ケーシング面に最も近い両方の最も外側のイオン交換部材は、それぞれ複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４であり、これらは電気化学デバイス１０に関して記載したものと同様である。複合カチオン交換部材１２及び複合アニオン交換部材１４はそれぞれ電源１８の正極及び負極に作動可能なように接続されている。
【００３１】
図７を参照して、一実施形態では、２つのコンパートメント間の各複合イオン交換部材５４は二極性複合部材である。二極性複合部材５４は、少なくとも１つの導電性大表面積基板６２、並びにそれぞれ少なくとも１つの導電性大表面積基板６２の反対側にあるカチオン交換物質３２及びアニオン交換物質３６を有する。カチオン交換物質３２は相対的に複合アニオン交換部材１４に近接してコンパートメント６０に隣接しており、アニオン交換物質３６は相対的に複合カチオン交換部材１２に近接してコンパートメント６０に隣接している。一実施形態では、二極性複合部材５４はさらに導電性大表面積基板６２間又は内に導電性でイオン−不透過性の部材６４を含んでいる。ここで「イオン−不透過性」とは実際に「イオンに対しても水に対しても不透過性である」ことを意味する。一実施形態では、導電性でイオン−不透過性の部材６４はポリオレフィンとグラファイトの複合フィルムからなる。一実施形態では、二極性複合部材５４は、１つの導電性でイオン−不透過性の部材６４がカチオン交換部材とアニオン交換部材との間に密に挟まれた複合部品である。代わりの実施形態では、二極性複合部材５４は一体的に作成される。
【００３２】
図示した実施形態では、ケーシング５２は複数の入口５６と複数の出口５８を有する。一実施形態では、これらの入口５６の１つだけがコンパートメント６０の１つに供給流２２を導入し、コンパートメント６０は１つのコンパートメント６０の出口５８が直列の別のコンパートメント６０の入口５６と連通するように相互に接続されていて、結果として供給流２２が各コンパートメント６０を通過する。１つの出口５８だけが、脱イオン化段階においては希薄流であり再生段階においては濃縮溶液である出力流２６を流出させる。従って、供給流２２は複数のコンパートメント６０によって非常にきれいに脱イオン化することができ、これは一実施形態では高純度水を製造するのに使用することができる。代わりの実施形態では、ケーシング５２は、並列の対応するコンパートメント６０中に供給流２２をそれぞれ同時に導入するための複数の入口５６、及び脱イオン化段階においては希薄流であり再生段階においては濃縮溶液である出力流２６が出て行くための複数の出口５８を有する。もう１つ別の実施形態では、電気化学システム５０は、上記並列及び直列モードの組合せとして構成することができる。従って、この電気化学システム５０は高い脱イオン化効率を有する。
【００３３】
図６と７を参照して、電気化学システム５０の脱イオン化段階において、１以上の供給流２２がコンパートメント６０を通って流れ、カチオン交換物質３２が溶液中のカチオンＭ+を吸収し、アニオン交換物質３６が溶液中のアニオンＸ-を吸収する。供給流２２は脱イオン化され、希薄流２６としてコンパートメントから出て行く。
【００３４】
再生段階で、スイッチ２８は電源１８を制御して、最も外側の複合カチオン交換部材１２と複合アニオン交換部材１４に、複合カチオン交換部材１２をカソードとして、複合アニオン交換部材１４をアノードとして、電流を送る。図２を参照して述べたように、電流の下で、複合カチオン交換部材１２は電子を失い、複合アニオン交換部材１４は電子を獲得する。従って、複合カチオン交換部材１２上に吸収されたカチオンＭ+と複合アニオン交換部材１４上に吸収されたアニオンＸ-は溶液中に追い出される。同時に、カチオン交換物質３２側の導電性大表面積基板６２は電子を失い、アニオン交換物質３６側の導電性大表面積基板６２は電子を獲得する。電場の下でのこの種の電荷再分配により、二極性複合部材５４内のカチオンとアニオンは溶液中に追い出される。従って、各複合二極性部材５４のカチオン交換物質３２とアニオン交換物質３６の両方が再生される。脱イオン化段階では、導電性大表面積基板６２が再生段階で確立された電荷再分配から回復し、電子がアニオン交換面からカチオン交換面に伝達される。この手段により、アニオン交換物質３６内の正に帯電した基及びカチオン交換物質３２内の負に帯電した基が放出され、それぞれアニオン及びカチオンを吸収する。
【００３５】
単数形態は、文脈から明らかに他の意味を示さない限り複数形態を包含する。本明細書及び特許請求の範囲を通じて使用する概略の言葉は、関連する基本的機能に変化を生じることなく変化することが許容される量的表現を修飾するために適用され得る。従って、「約」のような用語によって修飾された値はその正確な値に限定されない。場合によって、概略の言葉はその値を測定するための機器の精度に対応し得る。同様に、「含まない(free)」は、ある用語と組み合わせて使用することができ、重要でない数又は微量を包含し得るが、それでも修飾された用語を含まないと考えられる。
【００３６】
本明細書に記載した実施形態は特許請求の範囲に記載された本発明の要素に対応する要素を有する物品、システム及び方法の例である。本明細書の記載により、当業者は、特許請求の範囲に記載された本発明の要素に同様に対応する代わりの要素を有する実施形態を実施し使用することができる。従って、本発明の範囲は、特許請求の範囲の文言と異ならない物品、システム及び方法を包含し、さらに特許請求の範囲の文言と実質的な差違のないその他の物品、システム及び方法も包含する。本明細書には特定の特徴及び実施形態についてのみ記載し例示して来たが、本発明の属する技術分野の当業者には多くの修正及び変更が明らかであろう。特許請求の範囲はかかる修正と変更を全て包含する。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性基板、及び該導電性基板と物理的に接触しているカチオン交換物質を含む複合カチオン交換部材、
導電性基板、及び該導電性基板と物理的に接触しているアニオン交換物質を含む複合アニオン交換部材、並びに
複合カチオン交換部材と複合アニオン交換部材との間のコンパートメントであり、供給流を導入するための入口、及び出力流が当該コンパートメントから出て行くための出口を含む、前記コンパートメント
を含んでなる電気化学セルと、
再生段階において前記複合カチオン交換部材上の導電性基板が電子を失い、かつ前記複合アニオン交換部材上の導電性基板が電子を獲得するように、前記複合カチオン交換部材及び前記複合アニオン交換部材に電流を送るように構成されたコントロールデバイスと
を含んでなる電気化学デバイス。
【請求項２】
コントロールデバイスが、脱イオン化段階において複合カチオン交換部材及び複合アニオン交換部材を放電させるように作動可能である、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
カチオン交換物質が弱酸性カチオン交換物質、強酸性カチオン交換物質又はこれらの組合せからなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
アニオン交換物質が弱塩基性アニオン交換物質、強塩基性アニオン交換物質又はこれらの組合せからなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
アニオン交換物質が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、又はこれらの任意の組合せを含む導電性ポリマーからなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
導電性基板が導電性基材及び導電性大表面積部分を含んでなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項７】
導電性基材がステンレス鋼、グラファイト、チタン、白金、イリジウム、ロジウム、導電性酸化物、導電性ポリマー、及び炭素複合材のいずれか又は任意の組合せからなる、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項８】
導電性大表面積部分が炭素、炭素ナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、炭素布、炭素エーロゲル、活性炭、金属粉末、及び金属酸化物のいずれか又は任意の組合せからなる、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項９】
導電性大表面積部分が窒素吸着ＢＥＴ法で測定して１００〜５０００ｍ2／ｇの表面積を有する、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項１０】
カチオン交換物質又はアニオン交換物質と導電性大表面積部分の接触界面が導電性大表面積部分の表面積の１０％より大きい、請求項９記載の電気化学デバイス。
【請求項１１】
カチオン交換物質又はアニオン交換物質と導電性大表面積部分の接触界面が導電性大表面積部分の表面積の４０％より大きい、請求項９記載の電気化学デバイス。
【請求項１２】
導電性大表面積部分が複数の気孔を含んでおり、気孔の平均直径が１ナノメートルより大きい、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項１３】
導電性基板が、ナノ−パターン化又はナノ−構造化された導電性物質からなり、大表面積部分を形成するために微細な突起を含んでいる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項１４】
複合カチオン交換部材及び複合アニオン交換部材に送られる電流が、複合カチオン交換部材と複合アニオン交換部材との間の電圧の差が再生段階において０〜１０Ｖであるように制御される、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項１５】
さらに、電気化学セルを支持するためのケーシングを含む、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項１６】
さらに、各々がケーシング内にコンパートメントを画定する少なくとも２つの電気化学セルを含む、請求項１５記載の電気化学デバイス。
【請求項１７】
さらに、隣接する２つの電気化学セル間に少なくとも１つのスペーサーを含む、請求項１６記載の電気化学デバイス。
【請求項１８】
脱イオン化される供給流を誘導するための少なくとも１つの入口、及び脱イオン化段階中に希薄流が出て行くための少なくとも１つの出口を含むケーシングと、
ケーシング内に並列に配置された複数の複合イオン交換部材であって、あらゆる隣接する２つの複合イオン交換部材間に複数のコンパートメントを画定しており、２つのコンパートメント間に少なくとも１つの二極性複合部材を含んでおり、該二極性部材が少なくとも１つの導電性基板、１つの面上のカチオン交換物質、及び他の面上のアニオン交換物質を含む、前記複数の複合イオン交換部材と、
再生段階において、二極性複合部材のカチオン交換面上の導電性基板が電子を失い、かつ二極性複合部材のアニオン交換面上の導電性基板が電子を獲得するように、電流を送るように構成されたコントロールデバイスと
を含んでなる電気化学アセンブリ。
【請求項１９】
二極性複合部材がカチオン交換物質とアニオン交換物質との間に導電性でイオン−不透過性のフィルムを含んでいる、請求項１８記載の電気化学デバイス。
【請求項２０】
導電性でイオン−不透過性のフィルムがポリオレフィン及びグラファイトの複合フィルムからなる、請求項１９記載の電気化学デバイス。
【請求項２１】
複数の複合イオン交換部材が、再生段階で電源の正の端子に接続される１つの複合カチオン交換部材、及び再生段階で電源の負の端子に接続される複合アニオン交換部材を含む、請求項１８記載の電気化学デバイス。
【請求項２２】
二極性複合部材のアニオン交換物質が複合アニオン交換部材よりも複合カチオン交換部材に近接しており、二極性複合部材のカチオン交換物質が複合カチオン交換部材よりも複合アニオン交換部材に近接している、請求項２１記載の電気化学デバイス。
【請求項２３】
正又は負に帯電しており、吸収された負又は正の化学種を有するイオン交換物質の再生方法であって、
イオン交換物質を大表面積導電性基板に接合し、
大表面積導電性基板に電流を流して、電子を大表面積導電性基板に、又は大表面積導電性基板から流れさせることで、吸収された化学種をイオン交換物質から溶液中に追い出す
ことを含んでなる、前記再生方法。
【請求項２４】
イオン交換物質を大表面積導電性基板に接合することがイオン交換物質を導電性基板の大表面積部分に接合することからなり、大表面積部分が１００〜５０００ｍ2／ｇの表面積を有する、請求項２３記載の再生方法。
【請求項２５】
イオン交換物質を導電性基板の大表面積部分に接合することがイオン交換物質を大表面積部分と接触させることからなり、イオン交換物質と大表面積部分の接触界面が大表面積部分の表面積の１０％より大きい、請求項２４記載の再生方法。
【請求項２６】
供給流をコンパートメント中に導入し、
溶解したカチオン又はアニオンをイオン交換物質上に吸収させ、
希薄流をコンパートメントから流出させる
ことを含む脱イオン化段階と、
イオン交換物質を導電性基板と物理的に接触させ、
電流を導電性基板に流し、導電性基板に電子を失わさせてイオン交換物質上に吸収されたアニオンを追い出すか、又は導電性基板に電子を獲得させてイオン交換物質上に吸収されたカチオンを追い出す
ことを含む再生段階と
を含んでなる電気化学プロセス。
【請求項２７】
脱イオン化段階及び再生段階を周期的かつ交互に繰り返す、請求項２６記載の電気化学プロセス。
【請求項１】
導電性基板、及び該導電性基板と物理的に接触しているカチオン交換物質を含む複合カチオン交換部材、
導電性基板、及び該導電性基板と物理的に接触しているアニオン交換物質を含む複合アニオン交換部材、並びに
複合カチオン交換部材と複合アニオン交換部材との間のコンパートメントであり、供給流を導入するための入口、及び出力流が当該コンパートメントから出て行くための出口を含む、前記コンパートメント
を含んでなる電気化学セルと、
再生段階において前記複合カチオン交換部材上の導電性基板が電子を失い、かつ前記複合アニオン交換部材上の導電性基板が電子を獲得するように、前記複合カチオン交換部材及び前記複合アニオン交換部材に電流を送るように構成されたコントロールデバイスと
を含んでなる電気化学デバイス。
【請求項２】
コントロールデバイスが、脱イオン化段階において複合カチオン交換部材及び複合アニオン交換部材を放電させるように作動可能である、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項３】
カチオン交換物質が弱酸性カチオン交換物質、強酸性カチオン交換物質又はこれらの組合せからなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項４】
アニオン交換物質が弱塩基性アニオン交換物質、強塩基性アニオン交換物質又はこれらの組合せからなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項５】
アニオン交換物質が、ポリアニリン、ポリピロール、ポリチオフェン、又はこれらの任意の組合せを含む導電性ポリマーからなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項６】
導電性基板が導電性基材及び導電性大表面積部分を含んでなる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項７】
導電性基材がステンレス鋼、グラファイト、チタン、白金、イリジウム、ロジウム、導電性酸化物、導電性ポリマー、及び炭素複合材のいずれか又は任意の組合せからなる、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項８】
導電性大表面積部分が炭素、炭素ナノチューブ、グラファイト、炭素繊維、炭素布、炭素エーロゲル、活性炭、金属粉末、及び金属酸化物のいずれか又は任意の組合せからなる、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項９】
導電性大表面積部分が窒素吸着ＢＥＴ法で測定して１００〜５０００ｍ2／ｇの表面積を有する、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項１０】
カチオン交換物質又はアニオン交換物質と導電性大表面積部分の接触界面が導電性大表面積部分の表面積の１０％より大きい、請求項９記載の電気化学デバイス。
【請求項１１】
カチオン交換物質又はアニオン交換物質と導電性大表面積部分の接触界面が導電性大表面積部分の表面積の４０％より大きい、請求項９記載の電気化学デバイス。
【請求項１２】
導電性大表面積部分が複数の気孔を含んでおり、気孔の平均直径が１ナノメートルより大きい、請求項６記載の電気化学デバイス。
【請求項１３】
導電性基板が、ナノ−パターン化又はナノ−構造化された導電性物質からなり、大表面積部分を形成するために微細な突起を含んでいる、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項１４】
複合カチオン交換部材及び複合アニオン交換部材に送られる電流が、複合カチオン交換部材と複合アニオン交換部材との間の電圧の差が再生段階において０〜１０Ｖであるように制御される、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項１５】
さらに、電気化学セルを支持するためのケーシングを含む、請求項１記載の電気化学デバイス。
【請求項１６】
さらに、各々がケーシング内にコンパートメントを画定する少なくとも２つの電気化学セルを含む、請求項１５記載の電気化学デバイス。
【請求項１７】
さらに、隣接する２つの電気化学セル間に少なくとも１つのスペーサーを含む、請求項１６記載の電気化学デバイス。
【請求項１８】
脱イオン化される供給流を誘導するための少なくとも１つの入口、及び脱イオン化段階中に希薄流が出て行くための少なくとも１つの出口を含むケーシングと、
ケーシング内に並列に配置された複数の複合イオン交換部材であって、あらゆる隣接する２つの複合イオン交換部材間に複数のコンパートメントを画定しており、２つのコンパートメント間に少なくとも１つの二極性複合部材を含んでおり、該二極性部材が少なくとも１つの導電性基板、１つの面上のカチオン交換物質、及び他の面上のアニオン交換物質を含む、前記複数の複合イオン交換部材と、
再生段階において、二極性複合部材のカチオン交換面上の導電性基板が電子を失い、かつ二極性複合部材のアニオン交換面上の導電性基板が電子を獲得するように、電流を送るように構成されたコントロールデバイスと
を含んでなる電気化学アセンブリ。
【請求項１９】
二極性複合部材がカチオン交換物質とアニオン交換物質との間に導電性でイオン−不透過性のフィルムを含んでいる、請求項１８記載の電気化学デバイス。
【請求項２０】
導電性でイオン−不透過性のフィルムがポリオレフィン及びグラファイトの複合フィルムからなる、請求項１９記載の電気化学デバイス。
【請求項２１】
複数の複合イオン交換部材が、再生段階で電源の正の端子に接続される１つの複合カチオン交換部材、及び再生段階で電源の負の端子に接続される複合アニオン交換部材を含む、請求項１８記載の電気化学デバイス。
【請求項２２】
二極性複合部材のアニオン交換物質が複合アニオン交換部材よりも複合カチオン交換部材に近接しており、二極性複合部材のカチオン交換物質が複合カチオン交換部材よりも複合アニオン交換部材に近接している、請求項２１記載の電気化学デバイス。
【請求項２３】
正又は負に帯電しており、吸収された負又は正の化学種を有するイオン交換物質の再生方法であって、
イオン交換物質を大表面積導電性基板に接合し、
大表面積導電性基板に電流を流して、電子を大表面積導電性基板に、又は大表面積導電性基板から流れさせることで、吸収された化学種をイオン交換物質から溶液中に追い出す
ことを含んでなる、前記再生方法。
【請求項２４】
イオン交換物質を大表面積導電性基板に接合することがイオン交換物質を導電性基板の大表面積部分に接合することからなり、大表面積部分が１００〜５０００ｍ2／ｇの表面積を有する、請求項２３記載の再生方法。
【請求項２５】
イオン交換物質を導電性基板の大表面積部分に接合することがイオン交換物質を大表面積部分と接触させることからなり、イオン交換物質と大表面積部分の接触界面が大表面積部分の表面積の１０％より大きい、請求項２４記載の再生方法。
【請求項２６】
供給流をコンパートメント中に導入し、
溶解したカチオン又はアニオンをイオン交換物質上に吸収させ、
希薄流をコンパートメントから流出させる
ことを含む脱イオン化段階と、
イオン交換物質を導電性基板と物理的に接触させ、
電流を導電性基板に流し、導電性基板に電子を失わさせてイオン交換物質上に吸収されたアニオンを追い出すか、又は導電性基板に電子を獲得させてイオン交換物質上に吸収されたカチオンを追い出す
ことを含む再生段階と
を含んでなる電気化学プロセス。
【請求項２７】
脱イオン化段階及び再生段階を周期的かつ交互に繰り返す、請求項２６記載の電気化学プロセス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公表番号】特表２０１２−５１２０２４（Ｐ２０１２−５１２０２４Ａ）
【公表日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−５４２１７６（Ｐ２０１１−５４２１７６）
【出願日】平成２１年１１月１３日（２００９．１１．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６４３９７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０７７４４８
【国際公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
【公表日】平成２４年５月３１日（２０１２．５．３１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年１１月１３日（２００９．１１．１３）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２００９／０６４３９７
【国際公開番号】ＷＯ２０１０／０７７４４８
【国際公開日】平成２２年７月８日（２０１０．７．８）
【出願人】（３９００４１５４２）ゼネラル・エレクトリック・カンパニイ (6,332)
【Ｆターム（参考）】
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