イオン交換材料拡大の測定による電流の制御を含む電気脱イオン化機器および方法

【課題】ＥＤＩ機器で電流を制御する簡単な方法を提供すること。
【解決手段】入る極性液体の流れのための少なくとも１つの入口、および出る脱イオン化された液体の流れ（Ｄ）のための少なくとも１つの出口を含む、液体の流れが通過することができるゾーンを電気化学的に再生できるイオン交換材料が満たす少なくとも１つの区画（１４’）を含む、極性液体（Ｆ）、例えば水からイオンを除去するための機器（２）であって、イオン交換材料の少なくとも１つの寸法変化の１つのセンサ（１）を含むことを特徴とする機器（２）。センサは光センサ、または機械的応力のセンサを含むことができる。好ましくはセンサに接続される装置（１００、１０、１１）が、この寸法変化を分析し、電流を制御することができる。
機器（２）に印加される電流が樹脂の拡大に従って制御される、前記機器（２）を使用する方法。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、特殊な電気脱イオン化（ＥＤＩ）機器および方法に関係する。そのような機器および方法は、極性液体供給ストリームから少なくとも部分的に脱イオン化された液体を生産するために利用される。
【背景技術】
【０００２】
本明細書において「脱イオン化された」は、どの程度の脱イオン化が達成されても、「脱アニオン化された」、「脱カチオン化された」または「完全に脱イオン化された」（すなわち脱アニオン化され、かつ脱カチオン化された）を意味する。
【０００３】
連続ＥＤＩまたは非連続ＥＤＩは、電気的活性媒質および電位差を使用してイオン輸送を駆動して、極性液体、例えば水から少なくとも部分的にイオン化されたおよびイオン化できる化学種を除去する過程として当分野において知られている。脱イオン化は、精製、すなわち汚染物質の除去が行われる電気化学機器内の区画であるＥＤＩの少なくとも１つのディリュエート（ｄｉｌｕａｔｅ）区画で行われる。
【０００４】
ＥＤＩは現在、標準的な水の脱イオン化技術と関係がある。ＥＤＩの本来の原理は、すなわち電気透析スタックのディリュエート区画内での混床イオン交換樹脂の使用は、１９８７年以来ＭｉｌｌｉｐｏｒｅＣｏｒｐｏｒａｔｉｏｎにより商用化された。
【０００５】
一般に、ＥＤＩモジュールは膜により分離されることがある少なくとも一対の電極および区画を含み、１つまたは複数のディリュエート区画がイオン交換材料で満たされる。典型的には、区画は交互にディリュエート区画および濃縮物区画であり、これらの区画を分離している膜はイオン交換膜であり、一般に交互にアニオン交換膜およびカチオン交換膜である。電極を含む区画は、すなわち電極区画は、考え方に応じてディリュエート区画としてまたは濃縮物区画として作用することができる。
【０００６】
イオン交換材料は、一般にビーズ（従来のイオン交換樹脂）、粉末、繊維（織物または不織布）、および多孔性ブロックの形態のカチオン交換材料およびアニオン交換材料である。イオン交換材料は、区画内の床として一定容積を満たし、流体のストリームが空隙容積を通って流れるようにするだけでなく、イオンの電流がイオン交換材料を通って伝導されることができるようにする。イオン交換材料は一般に「樹脂」と呼ばれる。
【０００７】
ＥＤＩのディリュエート区画内のイオン交換材料の様々な配置が従来技術で可能である。本来の配置がイオン交換樹脂の混床である。別の配置がカチオン交換樹脂とアニオン交換樹脂の交互の層であり、層床と呼ばれる。連続モードで電気化学的に再生される、完全に分離されたディリュエート区画内でのカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂の使用も知られている。ある種の方式では、供給水溶液はカチオン交換樹脂およびアニオン交換樹脂の床を直列に通って流れ、例えば電極反応で生成されるＨ^＋イオンおよびＯＨ⁻イオンが樹脂の再生のために使用される。
【０００８】
ＥＤＩの知られている方法、およびイオン交換材料の電気化学的再生で関連する機器では、液体の流れは、別個にすべての区画の中に供給され、すべての区画から別個に外に流れる、または区画の外側に配置される共通の収集機器を通り並列区画のモジュールの間に分配される。供給のときに使用される典型的な液体は前処理された水、例えば逆浸透透過水である。
【０００９】
電極間に電圧が印加されるとき、イオンの電流が主にこのイオン交換材料を通して伝導される。供給ストリームからイオンを除去することがイオン交換材料の中で直接行われ、イオン交換材料では、イオンがＨ^＋−イオンまたはＯＨ⁻−イオンと交換される。再生中、例えば電気化学的に強化された水解離により生成される生成されたＨ^＋イオンおよびＯＨ⁻イオンは、対応するイオン交換材料を再生するが、廃棄物として濃縮物を生成する。イオン交換材料からのイオン汚染物質の十分な除去を提供するため、および水の脱イオン化で適用する場合に高い抵抗力の水を提供するために、通常、樹脂の一定の再生度が必要とされる。樹脂の再生度が十分高くない場合、ディリュエートの抵抗力が、すなわち生成される水の品質が低下する。
【００１０】
固定した供給水の流量および組成では、すなわちすべての汚染物質の濃度では、イオン交換材料の再生度は直流に比例する。再生された形態の、すなわちカチオン交換樹脂についてはＨ^＋−イオンの形態の、およびアニオン交換樹脂についてはＯＨ⁻−の形態の樹脂が、より激しく膨張する、すなわち樹脂の（最初の）塩の形態よりも大きな容積を有する。
【００１１】
ＥＤＩモジュールのディリュエート区画が樹脂により完全に満たされた場合、前記樹脂の再生度の増大が樹脂の拡大、および区画の壁に対する機械的応力をもたらす。この応力は、区画を形成している要素に対して圧縮歪みをもたらす、すなわちこの応力は膜、フレーム、流れのディストリビュータなどを変形させる。この変形が、内部または外部の漏出につながり得る。さらに、必要とされる再生度を保つのに十分なレベルよりもかなり高いレベルに電流を保持することは、過大なエネルギ消費をもたらす。
【００１２】
一方、再生度および床の容積が減少する場合、区画は樹脂床で完全に満たされることができず、そのことが空隙領域内の電気抵抗の増大、樹脂床の流動化、および膜の弱い機械的支持をもたらし得る。これらの現象すべてが、モジュールの性能およびモジュールの寿命にとって好都合でない。さらに、樹脂の十分な再生および汚染物質の十分な除去を生み出すことができるほど十分高くない電流の強さにより、結局、低い水の品質が生成されることとなる。
【００１３】
したがって、ＥＤＩモジュールの持続可能な信頼できる運転のためには、電流の正しい調節が、上述の欠点を防止するために必要とされる。
【００１４】
通常、供給水のパラメータ、例えば逆浸透透過水に対して、解離したＣＯ_２およびケイ素の伝導率および濃度が測定されるとき、ＥＤＩに対する最適な電流が、固定した流量を考慮して計算されることができる。しかしながら、供給水の特性は時がたつにつれて変化し得、この変化は、上流の処置の不安定性により、またはシステムにより使用される水の品質変化により引き起こされることがある。さらに、ＥＤＩ装置を通る流量は、機器の寿命の間に変わり得る。これらすべての可能な変化により、設定された電流は最適な電流から逸脱する可能性があり、このことが機能不全を引き起こし得る。
【００１５】
一部の従来技術の文献が、ＥＤＩ機器での電流制御の重要さを指摘していた。異なるパラメータが通常、電流の制御のための信号として監視される。
【００１６】
例えば、米国特許出願公開第２００４／０６０８２３号明細書が、ＥＤＩユニットを通る設定された電流を自動的に制御する方法を開示している。水がユニットに供給されるイオン負荷は、供給水の伝導率を測定し、伝導率計の出力を使用してＥＤＩユニットを通る電流を自動的に調節することにより連続して監視される。この方法の限界は、伝導率測定が、イオン化された化学種の含有量しか推定せず、イオン化できる分子の含有量を推定しないことである。イオン化できる分子であるＣＯ_２の濃度は通常、ＥＤＩ供給水の典型的な組成では塩イオンの濃度に匹敵する。したがって、この方法による電流の調整は納得がゆくものではない。
【００１７】
米国特許第７２６４７３７号明細書が、ホウ素分析器を含む水処理システムを開示している。コントローラが、ＥＤＩユニット内の電流または電圧を調節し、かつ実質的に再生された状態にあるディリュエート区画内のイオン交換樹脂の一部を保持することにより、生成される水の中で検出されるホウ素濃度に応答する。しかしながら、オンラインホウ素分析器は、費用がかかり特別な保守を必要とし、したがって、本特許によりオンラインホウ素分析器を使用することは当業者にとってたやすい解決策ではない。
【００１８】
米国特許出願公開第２００８／０１５６７１０号明細書では、ＥＤＩ機器を使う水生成装置が、工程の異なる段階で水温を測定する検知手段、およびこれらの水温に基づきＥＤＩ機器に印加される電圧または供給される電流を制御する制御手段を含む。温度は汚染物質レベルと直接関係がないので、ＥＤＩで電流調整のためのパラメータとして温度を使用することは、納得がゆくものではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１９】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００４／０６０８２３号明細書
【特許文献２】米国特許第７２６４７３７号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００８／０１５６７１０号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２０】
ＥＤＩ装置で電流を制御するための従来技術の方法は、不十分である、または法外に費用がかかり、電流を調整しＥＤＩでイオン交換材料の十分な調整度を保持するための簡単で信頼できる方法の必要性が存在する。さらに、これらの従来技術の文献のどれも、電流を制御するためのパラメータとしてイオン交換樹脂の拡大について考慮していない、または示唆さえしていない。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本明細書で開示される解決策は、ＥＤＩ機器で電流を制御する簡単な方法を提供する。問題に対するこの解決策はより費用がかからず、脱イオン化のエネルギ消費（運転コスト）を最適にする可能性をさらに提供する一方で、必要とされる品質の生成される水を提供し、機器内の機械的損傷（例えば激しい膜変形、あるいは内部または外部の漏出）を避ける。
【００２２】
それに応じて有利には、本発明は、上記で議論された問題の１つまたは複数に簡単で効果的で費用効率の高い方法で対処する機器および方法を提供する。
【００２３】
本発明は、電極を含む、極性液体からイオンを除去するための機器と、入る極性液体の流れのための少なくとも１つの入口および出る脱イオン化された液体の流れのための少なくとも１つの出口を含み、液体の流れが通過することができるゾーンを電気化学的に再生できるイオン交換材料が満たす少なくとも１つの区画とを含み、機器が前記ゾーンを満たすイオン交換材料の少なくとも１つの寸法変化の少なくとも１つのセンサを含むことを特徴とする。
【００２４】
区画は精製されたディリュエート液体を生成するので、区画は一般にディリュエート区画または精製区画である。このゾーンは精製ゾーンまたはディリュエートゾーンである。
【００２５】
本発明によれば、区画が、イオン交換媒質、および媒質を区画の内側に保つプラスチック要素であるフレームからなる。本発明によれば、ディリュエート区画は、脱イオン化が行われることができる少なくとも１つのディリュエートゾーンがある区画である。本発明によれば、モジュールが、区画および電極の組立体である。
【００２６】
２つ以上のディリュエート区画が機器内に含まれる場合、本発明によれば、１つのディリュエート区画だけが、少なくとも１つの寸法変化のセンサを含むことが好ましい。その他の１つまたは複数のディリュエート区画が、前記区画のセクタを満たすイオン交換材料の少なくとも１つの寸法変化を和らげるための手段を含むことができる。これらの手段は、例えば、多孔性の流れディストリビュータと組み合わせられたバネ、または前記区画の内側に配置される可撓性のある壁、例えば前記寸法変化のダンパである。有利には、これが前記ディリュエート区画の要素、例えばハウジング、１つまたは複数の膜、および１つまたは複数の流れディストリビュータを損傷する危険性を低減する。有利には、和らげるためのこれらの手段はまた、適切な密度、および区画自体の前記要素とのよい接触と共に、前記区画のセクタの内側のイオン交換材料の一様なパッケージングを提供する。有利には、これらの手段はまた、流れのチャネリングを防ぐ一方で、本発明による機器を使用する過程中に、よい電気的伝導率を提供する。
【００２７】
センサは、イオン交換材料の少なくとも１つの寸法変化を検出することができる、および好ましくは検出し登録することができる要素である。センサは一般に装置または装置の一部である。前記寸法変化は通常、極性液体からイオンを除去するための工程で機器の使用中にイオン交換材料の境界の変位で発生する。前記変位は線形変位となり得る。
【００２８】
イオン交換材料の寸法変化は、主に区画の内側の前記材料の容積の変化であり、機械的応力を引き起こす。容積のこの変化は、材料のイオン含有量に依存する。イオン交換材料の再生された形態でのイオン交換材料の容積は通常、塩の形態でのイオン交換材料の容積よりも大きい。例えば、８重量％の架橋剤を含む典型的なカチオン交換材料が、Ｎａ^＋−イオン形態の容積よりもＨ^＋−イオン形態では７％大きい容積を有する。８％の架橋剤を含む典型的なアニオン交換材料が、Ｃｌ⁻イオン形態の容積よりもＯＨ⁻イオン形態では２０％大きい容積を有する。
【００２９】
イオン交換材料が堅い球状ビーズにより構築されるとき、これらのビーズはこれらのビーズのイオン形態に対してこれらのビーズの直径を変化させ、したがって、これらのビーズにより形成される床の総容積（３つの寸法）の対応する変化につながる。例えば、イオン交換材料の床が壁によりすべての側面で制限される区画を完全に満たす場合、床の総容積の増加が、区画の壁に対して機械的応力を生み出す。
【００３０】
拡大した樹脂により引き起こされる拡大の程度および機械的応力はイオン交換材料のタイプ、架橋の程度、および再生度に依存するだけでなく、区画の幾何形状パラメータ、およびこの区画内に最初に配置されるイオン交換材料の量にも依存する。拡大した樹脂により引き起こされる拡大の程度および機械的応力はまた、温度、膜およびフレームの機械的特性、ならびに当業者に知られている別のパラメータで変化する。
【００３１】
センサの好ましい位置は、樹脂拡大の最も激しい変化が期待される区画の完全に内部である。
【００３２】
本発明によれば、樹脂の拡大により生成される機械的応力は、好ましくは区画のフレームの中に取り付けられる、機械的応力の少なくとも１つのセンサ、例えばピエゾ抵抗センサ、磁気抵抗センサ、または磁歪センサにより測定され、再生度の測度である樹脂拡大による電流の制御のためのパラメータとして使用される。機械的応力のこのセンサの信号は、好ましくはＥＤＩ機器に印加される電流を制御する電子機器に提供される。有利には、区画の内側での機械的応力の測定値は、区画を損傷せずに、必要とされる品質の水を精製するために区画に印加されるべき電流を十分制御するために使用される。
【００３３】
一変形例では、センサは、一般にゾーンの完全に内側にまたはゾーンと接触して配置される機械的応力のセンサを含む。例えば、機械的応力のセンサは区画のフレームの中に、例えば前記フレームの壁の上に取り付けられる。前記センサにより測定される応力は、区画の内側の水力学的水圧と、膨張するイオン交換樹脂材料により機械的に生成される追加の応力の総和である。
【００３４】
機械的応力のセンサはまた、ピエゾ抵抗センサ、磁気抵抗センサ、磁歪センサ、または当業者により知られている別のタイプからなる例えば線形可変差動変圧器を含むことができる。機械的応力のセンサは、一般にイオン交換材料の境界の位置を決定し、この位置と関係がある信号を生成することができる。センサから出力される信号は、典型的には電流の制御のためのパラメータとして使用される。
【００３５】
機械的応力のセンサは、膜を支えること、例えばバネおよび板と関連して使用されることができ、よりよい精度の機械的応力測定を提供する。好ましい実施形態では、イオン交換材料の境界の位置は板により固定され、一般にバネにより支えられる。別の実施形態では、機械的応力のセンサは、イオン交換材料により駆動される可動部分、例えばロッドであり、この可動部分は電流を調整しているポテンショメータの可動部分と機械的に接続される。
【００３６】
本発明によれば、センサは一般に区画の外側に配置される光センサを含むことができる。
【００３７】
好ましい実施形態によれば、センサは、一般にゾーンの内側にまたはゾーンに接触して配置される機械的要素を含む光センサ、および一般に区画の外側に配置されるトランシーバを含む前記機械的要素の変位の光検出器を含み、この場合、機械的要素の周囲の区画は、送信機から受信機への光信号が機械的要素に隣接する前記区画を横断することができるように、少なくとも１つの透明な壁（または窓）を有する。
【００３８】
本説明は、機器のタイプにも（モジュールの設計、センサなど）、もしあれば支える膜にも（バネ、取り付け具など）、センサのタイプにも限定されない。本明細書で開示される電流制御は、異なる考え方のＥＤＩ機器（混床を有する、層床または分離された床を有するなど）、および機器内に異なるイオン交換材料を使用する（樹脂ビーズの床、イオン交換ブロックなど）ＥＤＩ機器に適用されることができる。センサからコントローラへだけでなくコントローラからＥＤＩ電源への信号の伝送が、電線を用いてだけでなく異なる無線技術によっても行われることができる。電流の調整はまた、そのような手段がＥＤＩのある種の構成にとってより有利であると考えられる場合、濃縮物区画内および／または電極区画内のイオン交換材料の拡大に関して行われることができる。
【００３９】
本発明によれば、機器はまた、ゾーンを通って循環することができる液体の流れの水圧を（およびこの水圧だけを）測定することができる、本発明によるセンサと一般に異なる別のセンサを含むことができる。本発明によるセンサが、拡大したイオン交換材料により生成される機械的応力と液体の水圧の両方に反応する場合、極性液体の水圧の追加の測定値が、本発明によるセンサにより実行される測定値から引かれるべきである。したがって、イオン交換材料の寸法変化のより正確な測定値が得られることができる。
【００４０】
本発明によるセンサは通常、区画の内側の液体の水圧、およびイオン交換材料の寸法変化を測定することができるのに対して、その他のセンサは区画の内側の液体の水圧を測定することができる。例えば、別のセンサが区画の下流の圧力を監視する場合、および区画の内側の本発明によるセンサが応力を監視する場合、これら２つのセンサの測定値は、イオン交換材料により引き起こされる機械的応力を計算するために使用されることができる。機器の下流のゲージ圧がゼロに近い場合（例えば大気圧でのタンクへの流れ）、区画、例えばディリュエート区画の出口近くに配置されるセンサに対する応力の測定値は、この区画内のイオン交換材料の寸法変化による機械的応力の測定値と考えられることができる。また、液体の一定の圧力が、例えば圧力調整器または逆止め弁を使用して広範囲の流量で提供される場合、この水圧を追加で監視することは一般に必要とされず、水圧のあらかじめ規定された一定の値が通常、区画の内側のセンサの測定値から減算されて、樹脂拡大の機械的応力を推定する。
【００４１】
一変形例では、本発明による機器はセンサに接続される装置を含み、好ましくは、センサに接続されるこの装置は、イオン交換材料の寸法変化を分析することができ、前記区画を通って、または機器を通って伝導される電流を制御することができる。
【００４２】
本発明はまた、極性液体からイオンを除去する、前記極性液体の少なくとも一部が、除去されるべきイオンが移動するように電場が印加される区画内に配置される電気化学的に再生できるイオン交換材料を通るストリームとして通過する方法を含み、
方法は、前記区画を通って伝導される電流を制御するステップを含み、
方法は、方法がイオン交換材料の少なくとも１つの寸法変化を測定するステップを含むこと、および電流を制御するステップが、イオン交換材料のこの寸法変化を考慮することを特徴とする。
【００４３】
電流を制御するステップは、区画内の電流に少なくとも関係があるが、電流を制御するステップはまた、区画が含まれる機器内の電流も制御することができる。
【００４４】
一実施形態では、除去されるべきイオンの移動は、好ましくは前記イオン交換材料を通るストリームの流れに反対の方向である。したがって、イオン除去のために使用される液体の流れは、イオン交換材料の内側のイオンの移動に対して反対に向けられる、すなわち向流とされることができる。供給ストリームからの対応するイオンは、イオン交換により除去され、イオン交換材料の内側にさらに移動し、最後に廃棄物に進む濃縮物ストリームに電極で解放される。
【００４５】
イオン交換材料は、一般に連続して電気化学的に再生される。したがって、供給ストリームからのイオンは連続して交換されることができ、実質的に対応する塩イオンのない流れが得られる。
【００４６】
前記材料の再生度は、前記材料の容積の変化により電流を制御するためのパラメータとして使用される。
【００４７】
極性液体の特性は、上流の処置の不安定性（例えば、温度、スケーリング、付着物、またはエージングの影響）のために、またはシステムにより利用される水の品質の変化（水供給者による供給源の変化、季節変化など）により、時がたつにつれて変化することができる。また、ＥＤＩを通る流量は、モジュールの寿命の間に変化することができる。有利には、本発明の方法は、良好なレベルの電流の制御を備えすべてのこれらの変化する条件で動作する方法を提供する。
【００４８】
極性液体として使用される典型的液体が、前処理された水、例えば逆浸透、ナノ濾過、または限外濾過の透過水である。
【００４９】
極性液体からイオン成分またはイオン化できる成分を除去するために使用される本発明の方法および機器の原理は、水性電解質溶液に対してだけでなく、別の極性溶媒内または水／極性溶媒混合物内の溶液に対しても適用されることができる。
【００５０】
好ましくは、ＥＤＩ機器に対する電流の最大値を決定する最大の許容される機械的応力は、ＥＤＩ機器の各設計に対して実験的に規定される。この最大が達成される場合、コントローラは、区画を通って伝導される電流を低減して、樹脂の過大な拡大、およびフレームに対するまたは膜に対するその後の応力を防ぐ。これが、起こり得る漏出の危険性、および区画のエネルギ消費を低減する。機械的応力の低い方の限度も、電流を制限するように設定されることができる。例えば、樹脂の塩の形態と再生された形態の間の比が減少する場合、樹脂ビーズは収縮し、センサにより受け取られる機械的応力は消失し得る。この場合、コントローラは、設定された最小値より上の値に到達するように電流の強さを増加させるべきである。
【００５１】
電流の変化と樹脂の拡大の間の時間が、コントローラにより考慮されるべきである。システムは、樹脂拡大が、新しく印加される電流に対応する定常状態に到達するのに長時間かかる可能性があり、このことは電流の制御で考慮されなければならない。制御（調整）アルゴリズム、およびセンサとコントローラと電源との間の通信の詳細は、本明細書では詳細に説明されていないが、当業者には容易に理解できる。
【００５２】
それにもかかわらず、電流調整の可能な方法が、アルゴリズムの詳細を指定することなく本明細書で説明される。
【００５３】
ＥＤＩ機器内の樹脂床の拡大は、ある種のあらかじめ規定された時間で測定される。測定間の時間は、モジュール設計および寸法だけでなく、動作条件にも従って選択されるべきである。測定間の時間は数分の動作から数時間の動作まで継続することができる。好ましくは、いくつかの測定が行われ、平均測定値が計算され、考慮される。
【００５４】
センサにより登録される一定範囲の樹脂拡大が、調節が行われずモジュールが定電流の下で動作している「最適範囲」として規定される。
【００５５】
この最適範囲から、電流が調整される２つの範囲の「許容できる」拡大がある。拡大が最適範囲内にあるものよりも低い場合、電流は増加されるべきである。電流増加の増加量はあらかじめ決定されることができる、または電流増加の増加量は、拡大の測定された値とあらかじめ規定された対応する最適値の間の差に依存することができ、例えば、増加量はこの差に比例して増加する。電流が変更される瞬間と、拡大の次の測定値が考慮されるときとの間の時間は固定されることができる、または例えば電流の強さの増加量に応じて変化することができる。
【００５６】
拡大が「許容できる範囲」内であるが最適範囲よりも高い場合、電流は上記に説明される方法に類似する方法で低減されるべきである。
【００５７】
望ましくないのが、最適範囲および許容できる範囲の外への拡大である。樹脂床の拡大が許容できないほど低いとき、このことが、生成される水の品質の低下につながり得る。樹脂床の拡大が許容できないほど高いとき、このことが、不十分なエネルギ消費および起こり得る漏出につながり得る。拡大が許容できないほど低い場合、樹脂の再生を容易にすること、および最適範囲の樹脂の拡大に近づくことを目指して、電流は最大値に、例えばあらかじめ設定された値、または電源に利用できる最大電流に設定されることができる。拡大が許容できないほど高い場合、電流は最小値に、例えばあらかじめ設定された値、または電源を完全にオフにするまでに設定されることができる。許容できない範囲の拡大は、測定される値が許容できる範囲または最適範囲に移動するまで、連続して監視されるべきである。
【００５８】
本発明によれば、イオン交換材料の寸法変化を測定するステップは、センサを用いて実行される。
【００５９】
一実施形態では、センサは光センサを含む。
【００６０】
前の実施形態と独立したまたは独立していない好ましい実施形態では、センサは機械的応力のセンサを含む。
【００６１】
本発明はまた、イオン交換材料を通過するストリームの流れの水圧を測定するステップをさらに含む方法を開示する。
【００６２】
好ましくは、電流を制御するステップは、ストリームの流れの水圧の影響なしにイオン交換材料の寸法変化を考慮する。
【００６３】
一変形例として、ストリームの流れは、出るストリーム内の圧力低下の流体力学的調節により調整される。
【００６４】
イオン交換膜の存在は選択的である。場合によっては、電気化学的に再生できるイオン交換材料が区画内に配置されているということは、この材料がこの区画を完全に満たすことを必ずしも意味するものではない。この材料は、一般に区画内のゾーンを、例えば２つのイオン交換膜の間、または電極とイオン交換膜の間に含まれるゾーンを満たす。いずれの場合も、イオン交換材料は、一般にイオン交換材料の固定した床としてこのゾーンを満たす。
【００６５】
入る液体の流れと出る液体の流れの間の圧力差に対応する機器の流体力学的抵抗は、当業者に知られているような機器の設計に密接に結びつけられる。
【００６６】
本発明によれば、上記で説明されるようなアニオン交換材料を含む機器が、供給ストリーム中に存在する塩アニオンの効果的除去のために使用されることができる。解離していない分子の形態で存在する弱く解離した酸を、例えば炭酸（またはＣＯ_２）、ケイ酸、ホウ酸などを除去することもできる。
【００６７】
本発明によれば、上記で説明されるようなカチオン交換材料で満たされる機器が、供給ストリーム中に存在する塩カチオンの効果的除去のために使用されることができる。解離していない分子、例えばＮＨ_４ＯＨ（またはＮＨ_３）、アミンなどの形態で存在する塩基を除去することもできる。
【００６８】
以下に説明される機器は、極性液体から酸または塩基を除去するため、あるいはＯＨ⁻−イオンまたはＨ^＋−イオンにより対応するイオンを交換し、極性液体の水性塩溶液から塩基または塩を生成するために使用されることができる。
【００６９】
再生できるイオン交換材料は、通常イオン交換材料の床である。より一般的には、従来のイオン交換材料は樹脂ビーズ、イオン交換樹脂の高度な網目状ビーズ、粉末樹脂だけでなく、繊維状または多孔性のイオン交換体である。従来のイオン交換材料は床またはブロックとして提供されることができる。
【００７０】
カチオンとアニオンの両方の除去のためには、すなわち完全な脱イオン化のためには、一方がカチオン交換材料で満たされ、他方がアニオン交換材料で満たされる直列の２つの機器を使用することが解決策である。この場合、直列の機器の好ましい順序は、汚染のタイプを考慮して規定されなければならない。天然のまたは処置された（例えば逆浸透による）天然水の典型的な汚染物質に対しては、カチオン交換材料−アニオン交換材料の順序が通常有利であるが、それに限定されるものではない。望まれれば、両方の機器が、本発明の範囲外となることなく１つのハウジングの内側に一体化されることができる。
【００７１】
本発明による完全な脱イオン化のために有利に使用される別の解決策が、イオン交換材料の内側へのイオンのエレクトロマイグレーションに対して向流を向けられる液体の流れで機器を使用することにあり、この場合、双極電極、またはイオン交換膜、好ましくは双極性膜が、再生するＨ^＋−イオンおよびＯＨ⁻−イオンの形成のために利用される。極性液体が水性溶液の場合、双極性膜の使用は電極で発生するような気体および別の副産物の形成なしに、Ｈ^＋−イオンおよびＯＨ⁻−イオンの中への電気化学的に強化された水の解離しかもたらさないので、双極性膜の使用は有利である。
【００７２】
本発明の技術は、脱イオン化されるべき水性溶液の場合、添付の図面と併せて以下の詳細な説明を考慮することにより容易に理解されよう。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明による任意の脱イオン化機器を使用する本発明による方法の概略図である。
【図２】本発明による脱イオン化機器の第１の実施形態の概略図である。
【図３】区画が樹脂ビーズで満たされているときの、本発明による脱イオン化機器の第２の実施形態の概略図である。
【図４】区画が樹脂ビーズで満たされ、かつ機械的応力がフレームに伝達されるときの、本発明による脱イオン化機器の第２の実施形態の概略図である。
【図５】区画が樹脂ビーズにより完全に満たされていないときの、本発明による脱イオン化機器の第２の実施形態の概略図である。
【図６】本発明による脱イオン化機器の第３の実施形態の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００７４】
理解を容易にするために、可能なときには、図に共通の同一要素を指定するために同一参照符号が使用された。図面は縮尺通りではなく、図面中の様々な要素の相対寸法は概略的に描かれ、縮尺通りではない。
【００７５】
すべての図で、区画は区画のフレームにより境界を定められる。
【００７６】
図１は本発明によるＥＤＩ機器２の、本発明による方法の概略図である。
【００７７】
機器２は、アニオンの除去のためまたはカチオンの除去のためだけでなく、本発明の方法による完全な脱イオン化のために使用されることができる。
【００７８】
入る極性液体の流れ（矢印Ｆ）が入口４を通って機器２に入る。脱イオン化された液体の流れまたはディリュエート（矢印Ｄ）が出口６を通って機器２から外に進む。濃縮物の流れ（矢印Ｃ）が出口５により出ることができる。２つの端板７および８が、それぞれの１つが１つの電極を含むが、区画（９、１４’）のモジュール（７、８）の境界を定め、区画９および１４’すべてがイオン交換材料（図示せず）で満たされ、端板７および８により積み重ねられる。区画１４’は、機械的応力センサ１’が区画１４’の内側に、好ましくは壁の上に、および出口６の近くに配置されることを除き、任意の別の区画９と同一である。この機械的応力センサ１’は、樹脂の拡大を測定し、品質送信機（ＱｕａｌｉｔｙＴｒａｎｓｍｉｔｔｅｒ、ＱＴ）装置である装置１００を介して電子機器またはコントローラ１０に送信される信号を提供する。このことが、電源１１を用いてＥＤＩ機器２に印加される電流の制御を可能にする。電流は電源１１から電線１２または１３を通ってＥＤＩ機器２に伝導される。
【００７９】
本発明によれば、２つ以上の区画内にセンサ１’を有することができる。
【００８０】
電流の強さと樹脂拡大の相互依存性は以下のように表される。すなわち、ＥＤＩ機器２を通る電流の増加が樹脂の再生度の増大を意味する。樹脂の再生度のこの増大は、前記樹脂のより激しい拡大を起こす樹脂膨張の増大を意味する。本発明による制御は、ＥＤＩ機器の内側の樹脂床のその拡大の測定値に基づいており、電流の強さに対して作用する。
【００８１】
図２は、本発明によるＥＤＩ機器２０の第１の実施形態の概略図である。この機器２０の一部だけが表されている。機器２０は、区画１４および可動貫流電極１５の境界を定めるフレーム１４を含む。区画１４はディリュエート区画であり、樹脂１７の床として示されているイオン交換材料で完全に満たされている。極性液体の流れが入口４により区画１４に入る（矢印Ｆ）。電極１５を洗い流す出る液体のための出口５がある（矢印Ｃ）。液体の流れは、イオン交換材料１７の内側のイオンのエレクトロマイグレーションに向流で向けられる。センサ１は、区画２０のゾーンＺ_２０の完全に中に配置されているが、可動電極１５と機械的応力のセンサ１６の間に存在するバネ３を含む。機械的応力のこのセンサ１６は垂直に固定され、コントローラ（表されていない）に接続される電線２６に接続される。この表現では、バネ３は電極１５を、この電極１５がイオン交換材料１７と接触したままとなるように押す。区画１４の内側のイオン交換材料１７が膨張により拡大を変える場合、電極１５が移動し、センサ１６に伝達される応力が変化する。このことが、この動きの検出、および樹脂の再生度の推定につながる。バネ３は機械的応力を電極１５から機械的応力のセンサ１６に伝達する。
【００８２】
例えば、樹脂の容積が減少する場合、電極１５はバネ３により樹脂１７の方向に移動させられる。したがって、バネ３を通してセンサ１６に伝達される機械的応力は減少させられる。
【００８３】
設定された最低の機械的応力に到達した場合、コントローラは樹脂１７の再生度を増大させるために電流を増加させることができ、樹脂１７の容積が増大する。
【００８４】
この構成は、通常、膨張により激しい拡大を示す低い架橋度を有するイオン交換材料を使用することを可能にする。
【００８５】
図３、図４、および図５は、本発明による脱イオン化機器２２（部分的に示されている）の第２の実施形態の概略図である。
【００８６】
機器２２は、樹脂ビーズの床としてイオン交換材料１７’により満たされる、機器２２のフレームにより境界を定められる区画１４’を含む。本発明によるセンサ１’は、区画１４’のゾーンＺの完全に内側に配置される。センサ１’はバネ３’、流れのディストリビュータである多孔性バー１８、およびＴ要素の形態の機械的応力のセンサ１９を含む。この多孔性バー１８は樹脂の床１７’を区画１４’の一方の側から限定する。流れのストリームは区画１４’の内側に一様に分散されるビーズの床１７’を通って流れ、多孔性バー１８を通過し、多孔性バー１８の上流の出口５’ａにより区画１４’から外に出る（矢印Ｆ’）。機械的応力のセンサ１９は、移動が樹脂床１７’の反対側からバネ３’により伝達されるバー１８の上に固定される。多孔性バー１８は一定の弾力性のあるプラスチック材料とすることができる。
【００８７】
図３の場合、電流に関する条件は正常である。樹脂拡大は正常である。樹脂拡大は「最適範囲」内にある。これは定常状態の動作であり、電流は一定である。
【００８８】
図４に示されるイオン交換材料の過大な拡大の場合、機械的応力がバー１８に伝達され、バー１８が少し変形させられ、機械的応力をセンサ１９に伝達する。変形が検出される。しかしながら、樹脂の拡大は依然として「許容できる範囲」内にあり、電流が低減される。樹脂の拡大が許容できる範囲の外の値に入り込む場合、電流がオフにされる。
【００８９】
図５は、本発明による脱イオン化機器の第２の実施形態の別の概略図である。図３と４の差は、区画１４’が樹脂ビーズで完全に満たされていないことである。ビーズの床１７’ａは、ビーズで完全に満たされていないゾーンＺ’を含む。このゾーンＺ’は、ビーズの流体化された床の上部ゾーンを表すことができる。このゾーンＺ’は電気抵抗が増加したゾーンである。機械的応力がセンサ１’に伝達されず、電流が増加される必要がある。
【００９０】
図６は、本発明による脱イオン化機器２７の第３の実施形態の透視図での概略図であり、この場合１つの区画１４’’だけが示されている。区画１４’’は、本発明に従って光センサがどのように実装されるかを示すために、非常に概略的に表されている。
【００９１】
この場合、本発明によるセンサ１’’は、光信号または光の送信機２３（図６では区画１４’’の前面に表されている）、受信機２４（図６では区画１４’’の背後に表されている）、および送信機２３と受信機２４の両方に接続される分析器２５を含む光センサを含む。分析器２５は、コントローラ（図示せず）に接続される。バネ３’’は区画１４’’と可動板１８’’の間に固定される。可動板１８’’は、この場合センサ１’’の一部と考えられる。樹脂ビーズの形態のイオン交換材料１７’’は、区画１４’’内の床として提供される。ビーズの床１７’’は、区画１４’’の内側の樹脂床１７’’の位置を固定する可動板１８’’の下の区画を満たす。アニオン交換膜２６およびカチオン交換膜２７が、区画１４’’の両側の壁を、すなわちそれぞれ図６に表される右の壁および左の壁の境界を定める。可動板１８’’は透明な窓２８を通して検出できる。透明な窓２８は、区画１４’’の（図６に表されるように）前面壁の一部を形成する。光センサ（２３、２４、２５）は、区画１４’’の外側に配置される。樹脂１７’’の容積の寸法変化に対応する、板１８’’の位置の小さな変化を検出することができ、電流を制御することができるようにする。流れのストリーム（矢印Ｆ）は、区画１４’’の内側に一様に分配されるビーズの床１７’’を通って流れ、多孔性バー１８’’を通過し、出口５’により区画１４’’から外に出る。
【符号の説明】
【００９２】
１、１’、１’’、１６，１９センサ
２、２０ＥＤＩ機器
３、３’ バネ
４入口
５、５’ａ、６出口
７、８端板
９、１４、１４’、１４’’ 区画
１０コントローラ
１１電源
１２、１３電線
１５可動貫通電極
１７、１７’、１７ａ’、１７’’ イオン交換材料
１８多孔性バー
１８’’ 可動板
２２脱イオン化機器
２３送信機
２４受信機
２５分析器
２６アニオン交換膜
２７カチオン交換膜
２８透明な窓
１００ＱＴ装置
Ｚ，Ｚ’ ゾーン
Ｃ，Ｄ，Ｆ，Ｆ’ 流れ

【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、入る極性液体の流れ（Ｆ）のための少なくとも１つの入口（４）および出る脱イオン化された液体の流れ（Ｄ、Ｆ’）のための少なくとも１つの出口（５）を含む、液体の流れが通過することができるゾーンを電気化学的に再生できるイオン交換材料（１７、１７’、１７’’）が満たす少なくとも１つの区画（１４、１４’、１４’’）とを含む、極性液体（Ｆ）からイオンを除去するための機器（２、２０、２２、２７）であって、前記ゾーンを満たすイオン交換材料（１７、１７’、１７’’）の少なくとも１つの寸法変化の少なくとも１つのセンサ（１、１’、１’’）を含むことを特徴とする、機器（２、２０、２２、２７）。
【請求項２】
センサ（１’’）が光センサ（２３、２４、２５）を含む、請求項１に記載の機器（２、２０、２２、２７）。
【請求項３】
センサ（１、１’）が機械的応力のセンサ（１６、１９）を含む、請求項１から２のいずれか一項に記載の機器（２、２０、２２、２７）。
【請求項４】
センサ（１’’）が、機械的要素（１８’’）を含む光センサと、トランシーバ（２３、２４）を含む前記機械的要素の変位の光検出器（２３、２４、２５）とを含み、機械的要素（１８’’）の周囲の区画（１４’’）が、送信機（２３）から受信機（２４）への光信号が機械的要素（１８’’）に隣接する前記区画（１４’’）を横断することができるように、少なくとも１つの透明な壁（２８）を有する、請求項１から３のいずれか一項に記載の機器（２、２０、２２、２７）。
【請求項５】
ゾーンの中で循環することができる液体の流れの水圧を測定することができる別のセンサを含む、請求項１から４のいずれか一項に記載の機器（２、２０、２２、２７）。
【請求項６】
センサに接続される装置（１０、１１、１００）を含み、好ましくは、この装置（１０、１１、１００）が、イオン交換材料の寸法変化を分析し、かつ前記区画を通ってまたは前記機器を通って伝導されることができる電流を制御することができる、請求項１から５のいずれか一項に記載の機器（２、２０、２２、２７）。
【請求項７】
除去されるべきイオンが移動するように電場が印加される区画（１４、１４’、１４’’）内に配置される電気化学的に再生できるイオン交換材料（１７、１７’、１７’’）を通るストリームとして極性液体（Ｆ）の少なくとも一部が通過し、
前記区画（１４、１４’、１４’’）を通って伝導される電流を制御するステップを含む、前記極性液体（Ｆ）からイオンを除去するための方法であって、
前記方法がイオン交換材料（１７、１７’、１７’’）の少なくとも１つの寸法変化を測定するステップを含むこと、および電流を制御するステップがイオン交換材料（１７、１７’、１７’’）のこの寸法変化を考慮することを特徴とする方法。
【請求項８】
イオン交換材料（１７、１７’、１７’’）の寸法変化を測定するステップが、センサ（１；１’；１’’）を用いて実行される、請求項７に記載の方法。
【請求項９】
前記センサ（１’’）が光センサ（２３、２４、２５）を含む、請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記センサが機械的応力のセンサ（１、１’、１８’’）を含む、請求項７から９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１１】
イオン交換材料（１７、１７’、１７’’）を通過するストリームの流れの水圧を測定するステップをさらに含む、請求項７から１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項１２】
電流を制御するステップが、ストリームの流れの水圧の影響なしにイオン交換材料（１７、１７’、１７’’）の寸法変化を考慮する、請求項１１に記載の方法。

【図１】