脱塩システム及び方法
脱塩システムは、脱塩のために第１の流れを受容しイオン化するように構成された電気的分離装置及び結晶化装置を含んでいる。結晶化装置は、第２の流れを電気的分離装置に提供して第１の流れからのイオンを運び去るように構成されており、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーンと、析出物の分離のために結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンとを画成する。脱塩方法も提供される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、脱塩システム及び方法に関する。具体的には、本発明は、電気的分離（Ｅ分離）要素を使用する脱塩システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業プロセスでは、塩水溶液のような大量の廃水が生成する。一般に、かかる塩溶液は家庭用又は工業用に直接消費するのに適していない。適格の水源が限られていることから、一般に脱塩といわれる廃水、海水又はかん水の脱イオン化又は脱塩が淡水製造の選択肢の一つとなっている。
【０００３】
現在のところ、水源を脱イオン化又は脱塩するのに、蒸留、気化、逆浸透及び部分凍結のようないろいろな脱塩プロセスが使用されている。しかし、かかるプロセスでは効率が悪くエネルギー消費が高い可能性があり、そのため広く実施するのが阻まれ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６０３０５３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、廃水又はかん水の脱塩のための新しい改良された脱塩システムと方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態では、脱塩システムが提供される。この脱塩システムは、脱塩のために第１の流れを受容するように構成された電気的分離装置と結晶化装置を含む。結晶化装置は、第１の流れから除去されたイオンを運び去るために第２の流れを電気的分離装置に提供するように構成されており、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーンを画成する。結晶化装置はさらに析出物の分離のための結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンを画成する。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、脱塩方法が提供される。この脱塩方法は、第１の流れを脱塩のために電気的分離装置に通し、結晶化装置からの第２の流れを電気的分離装置に通して第１の流れから除去された塩を運び去ることを含んでいる。結晶化装置は、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーンと、析出物の分離のために結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンを画成する。
【０００８】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて本発明の好ましくは実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る脱塩システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置と結晶化装置を含む脱塩システムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る逆電気透析（ＥＤＲ）装置と結晶化装置を含む脱塩システムの概略図である。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面に関連して、本開示の好ましい実施形態について記載する。以下の記載では、不要な詳細により本開示を不明瞭にするのを避けるために周知の機能又は構成・構造について詳細には記載しない。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る脱塩システム１０の概略図である。図示した例の場合、脱塩システム１０は電気的分離（Ｅ分離）装置１１及びＥ分離装置１１と流体連通した結晶化装置１２を含んでいる。
【００１２】
本発明の様々な実施形態では、Ｅ分離装置１１は、（図１に示すように）脱塩のために液体源（図示せず）からの塩その他の不純物のような荷電種を有する第１の流れ１３を受容するように構成されている。従って、Ｅ分離装置１１から出る希薄な液体であり得る出力流（生成物流）１４は、流れ１３よりも低い濃度の荷電種を有し得る。幾つかの例では、出力流１４は、さらなる脱塩のために、Ｅ分離装置１１内に循環させるか又は他のＥ分離装置内に送られてもよい。
【００１３】
結晶化装置１２は、第１の流れ１３の脱塩中又はその後、入力流１３から除かれた荷電種（陰イオン及び陽イオン）をＥ分離装置１１から運ぶようにＥ分離装置１１内に循環される液体１５を提供するように構成されている。従って、流出流（濃縮流）１６は結晶化装置１２からＥ分離装置１１内に入る第２の流れ１７よりも高濃度の荷電種を有し得る。液体１５の循環が続くにつれて、塩その他の不純物の濃度は液体１５中で飽和又は過飽和になるように連続的に増大する。その結果、飽和又は過飽和の程度は、析出が起こり始める点に達し得る。
【００１４】
幾つかの応用において、初期の（第１の）流れ１３及び初期の（第２の）流れ１７は同じ塩又は不純物を含んでいてもいなくてもよく、また、同じ濃度の塩又は不純物を有していてもいなくてもよい。他の例では、最初の（第２の）流れ内の塩又は不純物の濃度は飽和でも過飽和でもよい。
【００１５】
幾つかの実施形態では、Ｅ分離装置１１はスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置を含み得る。用語「ＳＣＤ装置」は、一般に、海水の脱塩又は他のかん水の脱イオン化で、塩その他のイオン化された不純物の量を家庭用及び産業用途に許容されるレベルまで低減するために使用されるスーパーキャパシタを示し得る。
【００１６】
ある種の応用において、スーパーキャパシタ脱塩装置は１以上のスーパーキャパシタ脱塩セル（図示せず）を含み得る。公知のように、非限定例では、各々のスーパーキャパシタ脱塩セルは、少なくとも、一対の電極、スペーサー及びそれぞれの電極に取り付けられた一対の集電器を含み得る。互いに積み重ねた２以上のスーパーキャパシタ脱塩セルを使用する場合、各一対の隣接するＳＣＤセル間に複数の絶縁セパレーターを配置し得る。
【００１７】
本発明の様々な実施形態では、集電器は、それぞれ電源（図示せず）の正及び負の端子に接続し得る。電極はそれぞれの集電器と接触しているので、電極はそれぞれアノード及びカソードとして機能し得る。
【００１８】
スーパーキャパシタ脱塩装置１１の充電状態の間、電源からの正負の電荷がそれぞれアノード（複数でもよい）及びカソード（複数でもよい）の表面に蓄積する。従って、第１の流れ１３（図１に示されている）のような液体が脱塩のためにＳＣＤ装置１１を通るとき、正負の電荷がイオン化された第１の流れ１３中の陰イオン及び陽イオンを引き付けてそれぞれアノード（複数でもよい）とカソード（複数でもよい）の表面に吸着させる。アノード（複数でもよい）とカソード（複数でもよい）上への電荷の蓄積の結果として、出力流１４のような流出流は第１の流れ１３よりも低い塩分濃度を有し得る。幾つかの例ではは、この希薄な流出流を別のＳＣＤ装置に供給することによって再び脱イオン化に付してもよい。
【００１９】
次に、スーパーキャパシタ脱塩装置１１の放電状態において、吸着された陰イオンと陽イオンがそれぞれアノード（複数でもよい）とカソード（複数でもよい）の表面から分離する。従って、第２の流れ１７のような液体がＳＣＤ装置１１を通るとき、脱着された陰イオンと陽イオンはＳＣＤ装置１１から運び去られ得、その結果流出流１６のような出力液体は第２の流れ１７よりも高い塩分濃度を有し得る。液体を循環させて放電状態のＳＣＤ装置に通すと、液体１５中の塩その他の不純物の濃度は析出を生じるように増大する。ＳＣＤ装置の放電が終わったら、次の放電の準備のためにＳＣＤ装置を一定期間充電状態にする。すなわち、第１の流れ１３と第２の流れ１７をそれぞれ処理するためにＳＣＤ装置の充電と放電を交互に行う。幾つかの例では、放電状態で放出されたエネルギーは、電球のような電気装置（図示せず）を駆動させるのに使用できるし、或いは双方向のＤＣ−ＤＣ変換器のようなエネルギー回収セルを用いて回収し得る。
【００２０】
他の非限定例では、互いに積み重ねたＳＣＤセルと同様に、スーパーキャパシタ脱塩装置１１は、充電状態で第１の流れ１３を、そして放電状態で第２の流れ１７を処理するために、一対の電極、それぞれの電極に取り付けられた一対の集電器、一対の電極間に配置された１以上の双極性電極及び各対の隣接する電極間に配置された複数のスペーサーを含み得る。各双極性電極はイオン不透過性層で分離された正の面と負の面を有する。
【００２１】
幾つかの実施形態では、集電器は、プレート、メッシュ、フォイル又はシートとして構成され得、金属又は合金から形成され得る。金属としては、例えばチタン、白金、イリジウム又はロジウムが挙げられる。合金としては、例えばステンレス鋼が挙げられる。他の実施形態では、集電器はグラファイト又はポリエチレンを始めとし得るポリオレフィンのようなプラスチック材料からなり得る。幾つかの応用において、プラスチック集電器には、一定のレベルの導電性を得るために導電性カーボンブラック又は金属粒子を混合し得る。
【００２２】
電極及び／又は双極性電極は熱伝導性であってもなくてもよい電気伝導性材料を含み得、小さめの大きさと大きな表面積の粒子を有し得る。幾つかの例では、電気伝導性材料には１種以上の炭素材料が含まれ得る。炭素材料の非限定例としては、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、炭素エーロゲル、多孔質メソカーボンマイクロビーズ又はこれらの組合せがある。他の例では、電気伝導性材料には、マンガン若しくは鉄若しくは両者の酸化物又はチタン、ジルコニウム、バナジウム、タングステン若しくはこれらの組合せの炭化物のような導電性複合材が含まれ得る。
【００２３】
さらに、スペーサーは一対の電極を分離するために膜及び多孔質及び非多孔質材料を含めていかなるイオン透過性で電子的に非伝導性の材料からなってもよい。非限定例では、スペーサーは処理用の液体が一対の電極間を通るための流路を形成する空間を有し得るか又は自身がそのような空間であり得る。
【００２４】
幾つかの例では、電極、集電器及び／又は双極性電極は、互いに平行に配置されて積み重ねた構造体を形成するプレートの形態であり得る。他の例では、電極、集電器及び／又は双極性電極はシート、ブロック又はシリンダーのような様々な形状を有し得る。さらに、電極、集電器及び／又は双極性電極は様々な構成で配列され得る。例えば、電極、集電器及び／又は双極性電極は螺旋状で連続的な空間を間に有する同心円状に配置され得る。スーパーキャパシタ脱塩装置のその他の説明は米国特許出願公開第２００８０１８５３４６号（援用によりその全体が本明細書の一部をなす）に見ることができる。
【００２５】
ある種の配列の場合、Ｅ分離装置１１は逆電気透析（ＥＤＲ）装置（図示せず）を含み得る。用語「ＥＤＲ」は、イオン交換膜を使用してイオン又は荷電種を水及びその他の流体から除く電気化学分離プロセスを示し得る。
【００２６】
公知のように、幾つかの非限定例では、ＥＤＲ装置はそれぞれアノード及びカソードとして機能するように構成された一対の電極を含む。アノードとカソードとの間に複数の交互の陰イオン及び陽イオン透過膜を配置して複数の交互の希薄及び濃縮チャンネルをその間に形成する。陰イオン透過膜（複数でもよい）は陰イオンが通過できるように構成されている。陽イオン透過膜（複数でもよい）は陽イオンが通過できるように構成されている。また、ＥＤＲ装置はさらに、各一対の膜の間及び電極と隣接する膜との間に配置された複数のスペーサーを含み得る。
【００２７】
従って、ＥＤＲ装置１１に電流が流れる一方で、（図１に示すような）流れ１３と１７のような液体がそれぞれの交互の希薄及び濃縮チャンネルをそれぞれ通る。希薄チャンネル内では、第１の流れ１３がイオン化される。第１の流れ１３内の陽イオンは陽イオン透過膜を通ってカソードの方へ移行して隣接するチャンネル内に入る。陰イオンは陰イオン透過膜を通ってアノードの方へ移行して他の隣接するチャンネルに入る。希薄チャンネルの両側に位置する隣接チャンネル（濃縮チャンネル）では、電場によりそれぞれの電極に向かう力がイオンにかかっている（例えば、陰イオンはアノードの方へ引き寄せられる）にもかかわらず、陽イオンは陰イオン透過膜を通って移行し得ず、陰イオンは陽イオン透過膜を通って移行し得ない。従って、陰イオンと陽イオンは濃縮チャンネル内にとどまり、濃縮される。
【００２８】
その結果、第２の流れ１７が濃縮チャンネルを通って、濃縮された陰イオンと陽イオンをＥＤＲ装置１１から運び、従って流出流１６は入力流よりも高い塩分濃度を有し得る。ＥＤＲ装置１１内の液体１５の循環後、塩その他の不純物の析出が結晶化装置１２内で起こり得る。
【００２９】
幾つかの例では、ＥＤＲ装置１１の電極の極性を、例えば１５〜５０分毎に逆転させて濃縮チャンネル内での陰イオンと陽イオンの汚れ傾向を低減し得る。従って、逆転させた極性状態において、通常の極性状態からの希薄チャンネルは第２の流れ１７に対して濃縮チャンネルとして機能し得、通常の極性状態からの濃縮チャンネルは第１の流れ１３に対して希薄チャンネルとして機能し得る。
【００３０】
幾つかの応用において、電極は、熱伝導性であってもなくてもよい電気伝導性材料を含み得、小さめの大きさと大きな表面積の粒子を有し得る。スペーサーは膜及び多孔質及び非多孔質材料を含むいかなるイオン透過性で電子的に非伝導性の材料からなってもよい。非限定例では、陽イオン透過膜は第四アミン基を含み得る。陰イオン透過膜はスルホン酸基又はカルボン酸基を含み得る。
【００３１】
液体を処理するためにＥ分離装置１１はいかなる特定のスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置又はいかなる特定の逆電気透析（ＥＤＲ）装置にも限定されないことに留意されたい。さらにまた、上記で使用した「（複数でもよい）」とは、通常、その用語の単数と複数の両方を含めて意味しており、従って１以上のその用語を含むものである。
【００３２】
図２は、スーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置１００と結晶化装置１２を含む脱塩システム１０の概略図である。図１〜図５で同じ数字は同様要素を表し得る。
【００３３】
図示した構成の場合、充電状態中、液体源（図示せず）からの第１の流れ１３はバルブ１１０を通り、脱塩のためにＳＣＤ装置１００中に入る。この状態で、入力流１７のＳＣＤ装置への流路はバルブ１１０内で閉じられている。ＳＣＤ装置１００から流れ出、使用のためにバルブ１１１を通る希薄な流れ（生成物流）１４は第１の流れ１３よりも低い濃度の塩その他の不純物を有する。幾つかの例では、希薄な流れはさらに処理するために再度ＳＣＤ装置１１に導いてもよい。
【００３４】
放電状態において、第２の流れ１７はポンプ１８によって結晶化装置１２から送られ、フィルター１９とバルブ１１０を通ってＳＣＤ装置１００に入り、イオン（陰イオンと陽イオン）を運び、流出流１６はＳＣＤ装置１００から流れバルブ１１１を通り、第２の流れ１７よりも高い濃度の塩その他の不純物を有する。この状態において、ＳＣＤ装置への入力流１３の流路はバルブ１１０で閉じられている。さらに、フィルター１９は、幾らかの粒子をろ過してＳＣＤ装置１００の目詰まりを避けるように構成されている。幾つかの応用において、フィルター１９は設置しなくてもよい。
【００３５】
図２に描かれているように、結晶化装置１２は、液体１５（図１に示されている）を収容するために封じ込めゾーン（符号は付けてない）を画成するように構成された容器２０と、封じ込めゾーンと流体連通してその内部に配置された結晶化ゾーン（符号は付けてない）を画成する結晶化要素２１とを含んでいる。こうして、結晶化要素２１と容器２０の外壁との間に固液分離ゾーン２００が固液分離のために画成されて、液体１５が結晶化装置１２からＳＣＤ装置１００のようなＥ分離装置中に循環される前に、塩その他の不純物の析出粒子の一部が容器２０の下部に沈殿することにより分離することができる。
【００３６】
図示した実施形態では、容器２０の底部は円錐形状である。結晶化要素２１は中空円筒形状を有していて結晶化ゾーンを定めており、容器２０と連通した下部開口２０１を含んでいる。幾つかの非限定例では、容器２０は円筒状又は直方体形状のような他の形状を有し得る。同様に、結晶化要素２１もまた、直方体又は円錐形状のような他の形状からなり得る。加えて、容器２０と連通するために、結晶化要素２１の下部開口２０１と連通した上部開口２０２を備えても備えなくてもよい。
【００３７】
従って、図２に示すように、出力流１６は結晶化要素２１の上端（符号は付けてない）から結晶化ゾーン中に再度導かれ、その後固液分離及び循環のために、結晶化要素２１の下部開口２０１及び／又は上部開口２０２から、結晶化要素２１と容器２０との間の固液分離ゾーン２００中に分散させられる。ＳＣＤ装置１００と結晶化装置１２との間に液体１５を循環させることによって、結晶化装置１２内でイオンの（により形成される）析出が起こり、時間と共に増大する。こうして、ある特定の直径よりも大きい直径を有する析出粒子は容器２０の下部に沈降し得る。その間、特定の直径よりも小さい直径を有する他の析出粒子は液体１５内に分散し得る。
【００３８】
放電工程中の流れ２７の析出速度とブローダウン速度の和が充電工程中の荷電種の除去速度と等しいと、ＳＣＤ装置と結晶化装置との間を循環する濃縮流の飽和又は過飽和の程度が安定化され得、動的平衡が確立され得る。
【００３９】
図示した実施形態の場合、閉じ込め要素２２が備えられて閉じ込めゾーンを定めており、その少なくとも一部分は結晶化ゾーン内に配置され、結晶化ゾーン及び封じ込めゾーンと連通している。１つの例では、閉じ込め要素２２は２つの開放端を含み得、中空円筒形状を有して閉じ込めゾーンを定め得る。或いは、閉じ込め要素２２は直方体又は円錐形状のような他の形状を有し得る。
【００４０】
さらに、閉じ込めゾーン内に延び込む撹拌機２３を備えて、結晶化ゾーンと閉じ込めゾーン内の液体１５の流れを促進し得る。撹拌機２３で掻き混ぜられる液体１５の流れ方向は頂部から底部へ（矢印１０２で示す）又は底部から頂部へ向かい得る。
【００４１】
他の例では、ポンプを含む装置２５も備えて、容器２０の底部から液体１５の一部分を導いて、バルブ２６を通し結晶化ゾーン中に入らせて、結晶化ゾーンと閉じ込めゾーン内の液体１５の流れを促進し得る。通常、バルブ２６は放出（廃棄）流２７の流路を遮断する。幾つかの例では、装置２５はさらに、液体１５の一部分の粒子を磨滅するのに使用し得る。
【００４２】
装置２５内での粒子の磨滅により、形成された析出粒子の一部分を液体１５中に懸濁させて、粒子と塩又は不純物との接触面積を増大する種粒子として働かせ、形成された析出粒子の表面への析出量を増やすことができる。幾つかの例では、閉じ込め要素２２は使用しなくてもよい。同様に、特定の例では、撹拌機２３及び／又はポンプ２５も備えなくてもよい。
【００４３】
図２に示した構成では、結晶化ゾーンと固液分離ゾーンが両方とも同じ容器２０内に画成されている。幾つかの非限定例では、結晶化ゾーンと固液分離ゾーンは空間的に互いに分離してもよい。
【００４４】
図３は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システムの概略図である。図を簡略化するために、幾つかの要素は描いてない。図示した構成の場合、結晶化装置１２は結晶化ゾーンを画成する結晶化要素２１と、結晶化要素２１から空間的に分離され固液分離ゾーン２００を画成する分離要素２０５とを含んでいる。
【００４５】
従って、図２に示した構成と同様に、出力流１６は塩その他の不純物の析出を促進するべく再度結晶化ゾーン内に導かれ、その後固液分離ゾーン２００内に流れて析出物の一部を液体１５から分離した後に、液体１５がＥ分離装置１１内に循環させられる。
【００４６】
幾つかの例では、液体１５は初め結晶化要素２１及び／又は分離要素２５内に収容される。結晶化装置１２はそれぞれ結晶化ゾーンと固液分離ゾーンを画成する２以上の空間的に分離した要素を含み得る。幾つかの例では、固液分離ゾーンを画成するための分離要素２０５の非限定例は、容器、ハイドロサイクロン、遠心分離機、フィルタープレス、カートリッジフィルター、精密ろ過及び限外ろ過装置を含み得る。
【００４７】
幾つかの実施形態では、塩その他の不純物の析出は飽和又は過飽和の程度が極めて高くなるまで起こらない。例えば、ＣａＳＯ4は析出が起こる前に５００％の過飽和度に達するが、これはシステムにとって不利であり得る。従って、幾つかの例ではは、種粒子（図示せず）を容器２０に加えて、低い過飽和度で塩その他の不純物の表面への析出を誘発し得る。加えて、容器２０中の種粒子の懸濁を促進するために撹拌機２３及び／又はポンプ２５を備えてもよい。
【００４８】
非限定例では、種粒子は約１〜約５００μｍの平均直径範囲を有し得、また結晶化ゾーン内の液体の重量の約０．１重量％〜約３０重量％の重量範囲を有し得る。幾つかの例では、種粒子は約５〜約１００μｍの平均直径範囲を有し得、また結晶化ゾーン内の液体の重量の約１．０重量％〜約２０重量％の重量範囲を有し得る。幾つかの応用において、種粒子は、限定されることはないが、析出を誘発するＣａＳＯ4粒子及びその水和物を始めとする固体粒子を含み得る。このＣａＳＯ4粒子は約１０μｍ〜約１００μｍの平均直径範囲を有し得る。幾つかの例では、平衡ＣａＳＯ4種粒子添加量は結晶化ゾーン内の液体の重量の約０．１重量％〜約２．０重量％の範囲であり得、その結果結晶化装置１２内のＣａＳＯ4の過飽和はＣａＳＯ4析出が起こる作動中約１００％〜約１５０％の範囲に制御され得る。
【００４９】
他の例では、１種以上の添加剤２４を流出流１６中に添加して、ある種の化学種の飽和又は過飽和度を低下し得る。例えば、酸添加剤を流出流１６中に添加して、ＣａＣＯ3の飽和又は過飽和度を低下し得る。幾つかの例では、添加剤は第１の流れ１３中に添加してもしなくてもよい。
【００５０】
種粒子及び添加剤は特定の種粒子又は添加剤に限定されることはなく、いろいろな用途に基づいて選択し得ることに留意されたい。
【００５１】
幾つかの例では、一定の量の流れ２９を液体１５から取り出して、一定の容積を維持し得及び／又は容器２０内の幾つかの化学種の飽和又は過飽和程度を低下し得る。流れ２９は、ポンプ２５を用いて容器２０の底部から取り出された流れ３０と混合されて放出（廃棄）流２７を形成し得る。
【００５２】
幾つかの例では、流れ３０は１０重量％以上の析出物を含み得る。これらの例の場合、バルブ２６は液体１５の循環のための流路を遮断する。さらに、バルブ２０４も下部に配置して容器２０の排出を促進し得る。
【００５３】
図２に示した構成では、流れ１６は容器２０の上部から容器２０中に供給される。代わりに、流出流１６は容器２０の下部から供給してもよい。脱塩システム１０のその他の局面は既に引用した米国特許出願公開第２００８０１８５３４６に見ることができる。
【００５４】
図４は、本発明の一実施形態に係る逆電気透析（ＥＤＲ）装置１０１と結晶化装置１２を含む脱塩システムの概略図である。図３の構成は図２の構成と同様である。図２と３の２つの構成はＥ分離装置がＥＤＲ装置１０１からなる点で異なっている。
【００５５】
従って、ＥＤＲ装置が正常な極性状態にあるとき、液体源（図示せず）及び容器２０からの流れ１３及び１７は、実線３３及び３４で示すようにそれぞれの第１の入力パイプに沿って第１のバルブ３１及び３２を通過してＥＤＲ装置１０１に入る。希薄な流れ１４及び流出流１６は、第２のバルブ３５及び３６を通り、実線３７及び３８で示すようにそれぞれの第１の出力パイプ中に入る。
【００５６】
ＥＤＲ装置が逆極性状態にあるとき、流れ１３及び１７は破線３９及び４０で示されているそれぞれの第２の入力パイプに沿ってＥＤＲ装置１０１に入り得る。希薄な流れ１４及び流出流１６は破線４１及び４２で示されているそれぞれの第２の出力パイプに沿って流れ得る。こうして、入力流と出力流が交互にそれぞれのパイプに入ってスケール形成傾向を最小にし得る。
【００５７】
流れ２７の析出速度とブローダウン速度との和が荷電種の除去速度と等しい場合、ＥＤＲ装置と結晶化装置の間を循環する濃縮流の飽和又は過飽和度は安定化し得、動的平衡が確立され得る。
【００５８】
図５は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システム１０の概略図である。説明を容易にするために、幾つかの要素は描かれていない。図４に示すように、脱塩システム１０はさらに、放出流２７を蒸発させ結晶化させて流れの利用を改良しゼロ液体放出（ＺＬＤ）を達成するために蒸発器４３と晶析装置４４を含み得る。蒸発器４３と晶析装置４４は当業者が容易に実施し得る。１つの非限定例では、晶析装置４４は乾燥機のような熱的晶析装置であり得る。幾つかの応用において、蒸発器４３及び／又は晶析装置４４は使用してもしなくてもよい。
【００５９】
典型的な実施形態で本開示を例示し説明して来たが、いかなる意味でも本開示の思想から逸脱することなく様々な改変と置換をなすことができるので、示した詳細に限定されることはない。従って、当業者には、通常の実験の範囲内で、本明細書に開示したもののさらなる改変と等価物が自明であろう。また、かかる改変と等価物は全て、以下の特許請求の範囲に定義される本開示の思想と範囲内に入ると考えられる。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、脱塩システム及び方法に関する。具体的には、本発明は、電気的分離（Ｅ分離）要素を使用する脱塩システム及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
工業プロセスでは、塩水溶液のような大量の廃水が生成する。一般に、かかる塩溶液は家庭用又は工業用に直接消費するのに適していない。適格の水源が限られていることから、一般に脱塩といわれる廃水、海水又はかん水の脱イオン化又は脱塩が淡水製造の選択肢の一つとなっている。
【０００３】
現在のところ、水源を脱イオン化又は脱塩するのに、蒸留、気化、逆浸透及び部分凍結のようないろいろな脱塩プロセスが使用されている。しかし、かかるプロセスでは効率が悪くエネルギー消費が高い可能性があり、そのため広く実施するのが阻まれ得る。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第６０３０５３５号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
従って、廃水又はかん水の脱塩のための新しい改良された脱塩システムと方法が求められている。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の一実施形態では、脱塩システムが提供される。この脱塩システムは、脱塩のために第１の流れを受容するように構成された電気的分離装置と結晶化装置を含む。結晶化装置は、第１の流れから除去されたイオンを運び去るために第２の流れを電気的分離装置に提供するように構成されており、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーンを画成する。結晶化装置はさらに析出物の分離のための結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンを画成する。
【０００７】
本発明の別の実施形態では、脱塩方法が提供される。この脱塩方法は、第１の流れを脱塩のために電気的分離装置に通し、結晶化装置からの第２の流れを電気的分離装置に通して第１の流れから除去された塩を運び去ることを含んでいる。結晶化装置は、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーンと、析出物の分離のために結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンを画成する。
【０００８】
本発明の上記その他の特徴、態様及び利点については、図面と併せて本発明の好ましくは実施形態に関する以下の詳細な説明を参照することによって理解を深めることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係る脱塩システムの概略図である。
【図２】図２は、本発明の一実施形態に係るスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置と結晶化装置を含む脱塩システムの概略図である。
【図３】図３は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システムの概略図である。
【図４】図４は、本発明の一実施形態に係る逆電気透析（ＥＤＲ）装置と結晶化装置を含む脱塩システムの概略図である。
【図５】図５は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システムの概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
以下、添付の図面に関連して、本開示の好ましい実施形態について記載する。以下の記載では、不要な詳細により本開示を不明瞭にするのを避けるために周知の機能又は構成・構造について詳細には記載しない。
【００１１】
図１は、本発明の一実施形態に係る脱塩システム１０の概略図である。図示した例の場合、脱塩システム１０は電気的分離（Ｅ分離）装置１１及びＥ分離装置１１と流体連通した結晶化装置１２を含んでいる。
【００１２】
本発明の様々な実施形態では、Ｅ分離装置１１は、（図１に示すように）脱塩のために液体源（図示せず）からの塩その他の不純物のような荷電種を有する第１の流れ１３を受容するように構成されている。従って、Ｅ分離装置１１から出る希薄な液体であり得る出力流（生成物流）１４は、流れ１３よりも低い濃度の荷電種を有し得る。幾つかの例では、出力流１４は、さらなる脱塩のために、Ｅ分離装置１１内に循環させるか又は他のＥ分離装置内に送られてもよい。
【００１３】
結晶化装置１２は、第１の流れ１３の脱塩中又はその後、入力流１３から除かれた荷電種（陰イオン及び陽イオン）をＥ分離装置１１から運ぶようにＥ分離装置１１内に循環される液体１５を提供するように構成されている。従って、流出流（濃縮流）１６は結晶化装置１２からＥ分離装置１１内に入る第２の流れ１７よりも高濃度の荷電種を有し得る。液体１５の循環が続くにつれて、塩その他の不純物の濃度は液体１５中で飽和又は過飽和になるように連続的に増大する。その結果、飽和又は過飽和の程度は、析出が起こり始める点に達し得る。
【００１４】
幾つかの応用において、初期の（第１の）流れ１３及び初期の（第２の）流れ１７は同じ塩又は不純物を含んでいてもいなくてもよく、また、同じ濃度の塩又は不純物を有していてもいなくてもよい。他の例では、最初の（第２の）流れ内の塩又は不純物の濃度は飽和でも過飽和でもよい。
【００１５】
幾つかの実施形態では、Ｅ分離装置１１はスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置を含み得る。用語「ＳＣＤ装置」は、一般に、海水の脱塩又は他のかん水の脱イオン化で、塩その他のイオン化された不純物の量を家庭用及び産業用途に許容されるレベルまで低減するために使用されるスーパーキャパシタを示し得る。
【００１６】
ある種の応用において、スーパーキャパシタ脱塩装置は１以上のスーパーキャパシタ脱塩セル（図示せず）を含み得る。公知のように、非限定例では、各々のスーパーキャパシタ脱塩セルは、少なくとも、一対の電極、スペーサー及びそれぞれの電極に取り付けられた一対の集電器を含み得る。互いに積み重ねた２以上のスーパーキャパシタ脱塩セルを使用する場合、各一対の隣接するＳＣＤセル間に複数の絶縁セパレーターを配置し得る。
【００１７】
本発明の様々な実施形態では、集電器は、それぞれ電源（図示せず）の正及び負の端子に接続し得る。電極はそれぞれの集電器と接触しているので、電極はそれぞれアノード及びカソードとして機能し得る。
【００１８】
スーパーキャパシタ脱塩装置１１の充電状態の間、電源からの正負の電荷がそれぞれアノード（複数でもよい）及びカソード（複数でもよい）の表面に蓄積する。従って、第１の流れ１３（図１に示されている）のような液体が脱塩のためにＳＣＤ装置１１を通るとき、正負の電荷がイオン化された第１の流れ１３中の陰イオン及び陽イオンを引き付けてそれぞれアノード（複数でもよい）とカソード（複数でもよい）の表面に吸着させる。アノード（複数でもよい）とカソード（複数でもよい）上への電荷の蓄積の結果として、出力流１４のような流出流は第１の流れ１３よりも低い塩分濃度を有し得る。幾つかの例ではは、この希薄な流出流を別のＳＣＤ装置に供給することによって再び脱イオン化に付してもよい。
【００１９】
次に、スーパーキャパシタ脱塩装置１１の放電状態において、吸着された陰イオンと陽イオンがそれぞれアノード（複数でもよい）とカソード（複数でもよい）の表面から分離する。従って、第２の流れ１７のような液体がＳＣＤ装置１１を通るとき、脱着された陰イオンと陽イオンはＳＣＤ装置１１から運び去られ得、その結果流出流１６のような出力液体は第２の流れ１７よりも高い塩分濃度を有し得る。液体を循環させて放電状態のＳＣＤ装置に通すと、液体１５中の塩その他の不純物の濃度は析出を生じるように増大する。ＳＣＤ装置の放電が終わったら、次の放電の準備のためにＳＣＤ装置を一定期間充電状態にする。すなわち、第１の流れ１３と第２の流れ１７をそれぞれ処理するためにＳＣＤ装置の充電と放電を交互に行う。幾つかの例では、放電状態で放出されたエネルギーは、電球のような電気装置（図示せず）を駆動させるのに使用できるし、或いは双方向のＤＣ−ＤＣ変換器のようなエネルギー回収セルを用いて回収し得る。
【００２０】
他の非限定例では、互いに積み重ねたＳＣＤセルと同様に、スーパーキャパシタ脱塩装置１１は、充電状態で第１の流れ１３を、そして放電状態で第２の流れ１７を処理するために、一対の電極、それぞれの電極に取り付けられた一対の集電器、一対の電極間に配置された１以上の双極性電極及び各対の隣接する電極間に配置された複数のスペーサーを含み得る。各双極性電極はイオン不透過性層で分離された正の面と負の面を有する。
【００２１】
幾つかの実施形態では、集電器は、プレート、メッシュ、フォイル又はシートとして構成され得、金属又は合金から形成され得る。金属としては、例えばチタン、白金、イリジウム又はロジウムが挙げられる。合金としては、例えばステンレス鋼が挙げられる。他の実施形態では、集電器はグラファイト又はポリエチレンを始めとし得るポリオレフィンのようなプラスチック材料からなり得る。幾つかの応用において、プラスチック集電器には、一定のレベルの導電性を得るために導電性カーボンブラック又は金属粒子を混合し得る。
【００２２】
電極及び／又は双極性電極は熱伝導性であってもなくてもよい電気伝導性材料を含み得、小さめの大きさと大きな表面積の粒子を有し得る。幾つかの例では、電気伝導性材料には１種以上の炭素材料が含まれ得る。炭素材料の非限定例としては、活性炭粒子、多孔質炭素粒子、炭素繊維、炭素エーロゲル、多孔質メソカーボンマイクロビーズ又はこれらの組合せがある。他の例では、電気伝導性材料には、マンガン若しくは鉄若しくは両者の酸化物又はチタン、ジルコニウム、バナジウム、タングステン若しくはこれらの組合せの炭化物のような導電性複合材が含まれ得る。
【００２３】
さらに、スペーサーは一対の電極を分離するために膜及び多孔質及び非多孔質材料を含めていかなるイオン透過性で電子的に非伝導性の材料からなってもよい。非限定例では、スペーサーは処理用の液体が一対の電極間を通るための流路を形成する空間を有し得るか又は自身がそのような空間であり得る。
【００２４】
幾つかの例では、電極、集電器及び／又は双極性電極は、互いに平行に配置されて積み重ねた構造体を形成するプレートの形態であり得る。他の例では、電極、集電器及び／又は双極性電極はシート、ブロック又はシリンダーのような様々な形状を有し得る。さらに、電極、集電器及び／又は双極性電極は様々な構成で配列され得る。例えば、電極、集電器及び／又は双極性電極は螺旋状で連続的な空間を間に有する同心円状に配置され得る。スーパーキャパシタ脱塩装置のその他の説明は米国特許出願公開第２００８０１８５３４６号（援用によりその全体が本明細書の一部をなす）に見ることができる。
【００２５】
ある種の配列の場合、Ｅ分離装置１１は逆電気透析（ＥＤＲ）装置（図示せず）を含み得る。用語「ＥＤＲ」は、イオン交換膜を使用してイオン又は荷電種を水及びその他の流体から除く電気化学分離プロセスを示し得る。
【００２６】
公知のように、幾つかの非限定例では、ＥＤＲ装置はそれぞれアノード及びカソードとして機能するように構成された一対の電極を含む。アノードとカソードとの間に複数の交互の陰イオン及び陽イオン透過膜を配置して複数の交互の希薄及び濃縮チャンネルをその間に形成する。陰イオン透過膜（複数でもよい）は陰イオンが通過できるように構成されている。陽イオン透過膜（複数でもよい）は陽イオンが通過できるように構成されている。また、ＥＤＲ装置はさらに、各一対の膜の間及び電極と隣接する膜との間に配置された複数のスペーサーを含み得る。
【００２７】
従って、ＥＤＲ装置１１に電流が流れる一方で、（図１に示すような）流れ１３と１７のような液体がそれぞれの交互の希薄及び濃縮チャンネルをそれぞれ通る。希薄チャンネル内では、第１の流れ１３がイオン化される。第１の流れ１３内の陽イオンは陽イオン透過膜を通ってカソードの方へ移行して隣接するチャンネル内に入る。陰イオンは陰イオン透過膜を通ってアノードの方へ移行して他の隣接するチャンネルに入る。希薄チャンネルの両側に位置する隣接チャンネル（濃縮チャンネル）では、電場によりそれぞれの電極に向かう力がイオンにかかっている（例えば、陰イオンはアノードの方へ引き寄せられる）にもかかわらず、陽イオンは陰イオン透過膜を通って移行し得ず、陰イオンは陽イオン透過膜を通って移行し得ない。従って、陰イオンと陽イオンは濃縮チャンネル内にとどまり、濃縮される。
【００２８】
その結果、第２の流れ１７が濃縮チャンネルを通って、濃縮された陰イオンと陽イオンをＥＤＲ装置１１から運び、従って流出流１６は入力流よりも高い塩分濃度を有し得る。ＥＤＲ装置１１内の液体１５の循環後、塩その他の不純物の析出が結晶化装置１２内で起こり得る。
【００２９】
幾つかの例では、ＥＤＲ装置１１の電極の極性を、例えば１５〜５０分毎に逆転させて濃縮チャンネル内での陰イオンと陽イオンの汚れ傾向を低減し得る。従って、逆転させた極性状態において、通常の極性状態からの希薄チャンネルは第２の流れ１７に対して濃縮チャンネルとして機能し得、通常の極性状態からの濃縮チャンネルは第１の流れ１３に対して希薄チャンネルとして機能し得る。
【００３０】
幾つかの応用において、電極は、熱伝導性であってもなくてもよい電気伝導性材料を含み得、小さめの大きさと大きな表面積の粒子を有し得る。スペーサーは膜及び多孔質及び非多孔質材料を含むいかなるイオン透過性で電子的に非伝導性の材料からなってもよい。非限定例では、陽イオン透過膜は第四アミン基を含み得る。陰イオン透過膜はスルホン酸基又はカルボン酸基を含み得る。
【００３１】
液体を処理するためにＥ分離装置１１はいかなる特定のスーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置又はいかなる特定の逆電気透析（ＥＤＲ）装置にも限定されないことに留意されたい。さらにまた、上記で使用した「（複数でもよい）」とは、通常、その用語の単数と複数の両方を含めて意味しており、従って１以上のその用語を含むものである。
【００３２】
図２は、スーパーキャパシタ脱塩（ＳＣＤ）装置１００と結晶化装置１２を含む脱塩システム１０の概略図である。図１〜図５で同じ数字は同様要素を表し得る。
【００３３】
図示した構成の場合、充電状態中、液体源（図示せず）からの第１の流れ１３はバルブ１１０を通り、脱塩のためにＳＣＤ装置１００中に入る。この状態で、入力流１７のＳＣＤ装置への流路はバルブ１１０内で閉じられている。ＳＣＤ装置１００から流れ出、使用のためにバルブ１１１を通る希薄な流れ（生成物流）１４は第１の流れ１３よりも低い濃度の塩その他の不純物を有する。幾つかの例では、希薄な流れはさらに処理するために再度ＳＣＤ装置１１に導いてもよい。
【００３４】
放電状態において、第２の流れ１７はポンプ１８によって結晶化装置１２から送られ、フィルター１９とバルブ１１０を通ってＳＣＤ装置１００に入り、イオン（陰イオンと陽イオン）を運び、流出流１６はＳＣＤ装置１００から流れバルブ１１１を通り、第２の流れ１７よりも高い濃度の塩その他の不純物を有する。この状態において、ＳＣＤ装置への入力流１３の流路はバルブ１１０で閉じられている。さらに、フィルター１９は、幾らかの粒子をろ過してＳＣＤ装置１００の目詰まりを避けるように構成されている。幾つかの応用において、フィルター１９は設置しなくてもよい。
【００３５】
図２に描かれているように、結晶化装置１２は、液体１５（図１に示されている）を収容するために封じ込めゾーン（符号は付けてない）を画成するように構成された容器２０と、封じ込めゾーンと流体連通してその内部に配置された結晶化ゾーン（符号は付けてない）を画成する結晶化要素２１とを含んでいる。こうして、結晶化要素２１と容器２０の外壁との間に固液分離ゾーン２００が固液分離のために画成されて、液体１５が結晶化装置１２からＳＣＤ装置１００のようなＥ分離装置中に循環される前に、塩その他の不純物の析出粒子の一部が容器２０の下部に沈殿することにより分離することができる。
【００３６】
図示した実施形態では、容器２０の底部は円錐形状である。結晶化要素２１は中空円筒形状を有していて結晶化ゾーンを定めており、容器２０と連通した下部開口２０１を含んでいる。幾つかの非限定例では、容器２０は円筒状又は直方体形状のような他の形状を有し得る。同様に、結晶化要素２１もまた、直方体又は円錐形状のような他の形状からなり得る。加えて、容器２０と連通するために、結晶化要素２１の下部開口２０１と連通した上部開口２０２を備えても備えなくてもよい。
【００３７】
従って、図２に示すように、出力流１６は結晶化要素２１の上端（符号は付けてない）から結晶化ゾーン中に再度導かれ、その後固液分離及び循環のために、結晶化要素２１の下部開口２０１及び／又は上部開口２０２から、結晶化要素２１と容器２０との間の固液分離ゾーン２００中に分散させられる。ＳＣＤ装置１００と結晶化装置１２との間に液体１５を循環させることによって、結晶化装置１２内でイオンの（により形成される）析出が起こり、時間と共に増大する。こうして、ある特定の直径よりも大きい直径を有する析出粒子は容器２０の下部に沈降し得る。その間、特定の直径よりも小さい直径を有する他の析出粒子は液体１５内に分散し得る。
【００３８】
放電工程中の流れ２７の析出速度とブローダウン速度の和が充電工程中の荷電種の除去速度と等しいと、ＳＣＤ装置と結晶化装置との間を循環する濃縮流の飽和又は過飽和の程度が安定化され得、動的平衡が確立され得る。
【００３９】
図示した実施形態の場合、閉じ込め要素２２が備えられて閉じ込めゾーンを定めており、その少なくとも一部分は結晶化ゾーン内に配置され、結晶化ゾーン及び封じ込めゾーンと連通している。１つの例では、閉じ込め要素２２は２つの開放端を含み得、中空円筒形状を有して閉じ込めゾーンを定め得る。或いは、閉じ込め要素２２は直方体又は円錐形状のような他の形状を有し得る。
【００４０】
さらに、閉じ込めゾーン内に延び込む撹拌機２３を備えて、結晶化ゾーンと閉じ込めゾーン内の液体１５の流れを促進し得る。撹拌機２３で掻き混ぜられる液体１５の流れ方向は頂部から底部へ（矢印１０２で示す）又は底部から頂部へ向かい得る。
【００４１】
他の例では、ポンプを含む装置２５も備えて、容器２０の底部から液体１５の一部分を導いて、バルブ２６を通し結晶化ゾーン中に入らせて、結晶化ゾーンと閉じ込めゾーン内の液体１５の流れを促進し得る。通常、バルブ２６は放出（廃棄）流２７の流路を遮断する。幾つかの例では、装置２５はさらに、液体１５の一部分の粒子を磨滅するのに使用し得る。
【００４２】
装置２５内での粒子の磨滅により、形成された析出粒子の一部分を液体１５中に懸濁させて、粒子と塩又は不純物との接触面積を増大する種粒子として働かせ、形成された析出粒子の表面への析出量を増やすことができる。幾つかの例では、閉じ込め要素２２は使用しなくてもよい。同様に、特定の例では、撹拌機２３及び／又はポンプ２５も備えなくてもよい。
【００４３】
図２に示した構成では、結晶化ゾーンと固液分離ゾーンが両方とも同じ容器２０内に画成されている。幾つかの非限定例では、結晶化ゾーンと固液分離ゾーンは空間的に互いに分離してもよい。
【００４４】
図３は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システムの概略図である。図を簡略化するために、幾つかの要素は描いてない。図示した構成の場合、結晶化装置１２は結晶化ゾーンを画成する結晶化要素２１と、結晶化要素２１から空間的に分離され固液分離ゾーン２００を画成する分離要素２０５とを含んでいる。
【００４５】
従って、図２に示した構成と同様に、出力流１６は塩その他の不純物の析出を促進するべく再度結晶化ゾーン内に導かれ、その後固液分離ゾーン２００内に流れて析出物の一部を液体１５から分離した後に、液体１５がＥ分離装置１１内に循環させられる。
【００４６】
幾つかの例では、液体１５は初め結晶化要素２１及び／又は分離要素２５内に収容される。結晶化装置１２はそれぞれ結晶化ゾーンと固液分離ゾーンを画成する２以上の空間的に分離した要素を含み得る。幾つかの例では、固液分離ゾーンを画成するための分離要素２０５の非限定例は、容器、ハイドロサイクロン、遠心分離機、フィルタープレス、カートリッジフィルター、精密ろ過及び限外ろ過装置を含み得る。
【００４７】
幾つかの実施形態では、塩その他の不純物の析出は飽和又は過飽和の程度が極めて高くなるまで起こらない。例えば、ＣａＳＯ4は析出が起こる前に５００％の過飽和度に達するが、これはシステムにとって不利であり得る。従って、幾つかの例ではは、種粒子（図示せず）を容器２０に加えて、低い過飽和度で塩その他の不純物の表面への析出を誘発し得る。加えて、容器２０中の種粒子の懸濁を促進するために撹拌機２３及び／又はポンプ２５を備えてもよい。
【００４８】
非限定例では、種粒子は約１〜約５００μｍの平均直径範囲を有し得、また結晶化ゾーン内の液体の重量の約０．１重量％〜約３０重量％の重量範囲を有し得る。幾つかの例では、種粒子は約５〜約１００μｍの平均直径範囲を有し得、また結晶化ゾーン内の液体の重量の約１．０重量％〜約２０重量％の重量範囲を有し得る。幾つかの応用において、種粒子は、限定されることはないが、析出を誘発するＣａＳＯ4粒子及びその水和物を始めとする固体粒子を含み得る。このＣａＳＯ4粒子は約１０μｍ〜約１００μｍの平均直径範囲を有し得る。幾つかの例では、平衡ＣａＳＯ4種粒子添加量は結晶化ゾーン内の液体の重量の約０．１重量％〜約２．０重量％の範囲であり得、その結果結晶化装置１２内のＣａＳＯ4の過飽和はＣａＳＯ4析出が起こる作動中約１００％〜約１５０％の範囲に制御され得る。
【００４９】
他の例では、１種以上の添加剤２４を流出流１６中に添加して、ある種の化学種の飽和又は過飽和度を低下し得る。例えば、酸添加剤を流出流１６中に添加して、ＣａＣＯ3の飽和又は過飽和度を低下し得る。幾つかの例では、添加剤は第１の流れ１３中に添加してもしなくてもよい。
【００５０】
種粒子及び添加剤は特定の種粒子又は添加剤に限定されることはなく、いろいろな用途に基づいて選択し得ることに留意されたい。
【００５１】
幾つかの例では、一定の量の流れ２９を液体１５から取り出して、一定の容積を維持し得及び／又は容器２０内の幾つかの化学種の飽和又は過飽和程度を低下し得る。流れ２９は、ポンプ２５を用いて容器２０の底部から取り出された流れ３０と混合されて放出（廃棄）流２７を形成し得る。
【００５２】
幾つかの例では、流れ３０は１０重量％以上の析出物を含み得る。これらの例の場合、バルブ２６は液体１５の循環のための流路を遮断する。さらに、バルブ２０４も下部に配置して容器２０の排出を促進し得る。
【００５３】
図２に示した構成では、流れ１６は容器２０の上部から容器２０中に供給される。代わりに、流出流１６は容器２０の下部から供給してもよい。脱塩システム１０のその他の局面は既に引用した米国特許出願公開第２００８０１８５３４６に見ることができる。
【００５４】
図４は、本発明の一実施形態に係る逆電気透析（ＥＤＲ）装置１０１と結晶化装置１２を含む脱塩システムの概略図である。図３の構成は図２の構成と同様である。図２と３の２つの構成はＥ分離装置がＥＤＲ装置１０１からなる点で異なっている。
【００５５】
従って、ＥＤＲ装置が正常な極性状態にあるとき、液体源（図示せず）及び容器２０からの流れ１３及び１７は、実線３３及び３４で示すようにそれぞれの第１の入力パイプに沿って第１のバルブ３１及び３２を通過してＥＤＲ装置１０１に入る。希薄な流れ１４及び流出流１６は、第２のバルブ３５及び３６を通り、実線３７及び３８で示すようにそれぞれの第１の出力パイプ中に入る。
【００５６】
ＥＤＲ装置が逆極性状態にあるとき、流れ１３及び１７は破線３９及び４０で示されているそれぞれの第２の入力パイプに沿ってＥＤＲ装置１０１に入り得る。希薄な流れ１４及び流出流１６は破線４１及び４２で示されているそれぞれの第２の出力パイプに沿って流れ得る。こうして、入力流と出力流が交互にそれぞれのパイプに入ってスケール形成傾向を最小にし得る。
【００５７】
流れ２７の析出速度とブローダウン速度との和が荷電種の除去速度と等しい場合、ＥＤＲ装置と結晶化装置の間を循環する濃縮流の飽和又は過飽和度は安定化し得、動的平衡が確立され得る。
【００５８】
図５は、本発明の別の実施形態に係る脱塩システム１０の概略図である。説明を容易にするために、幾つかの要素は描かれていない。図４に示すように、脱塩システム１０はさらに、放出流２７を蒸発させ結晶化させて流れの利用を改良しゼロ液体放出（ＺＬＤ）を達成するために蒸発器４３と晶析装置４４を含み得る。蒸発器４３と晶析装置４４は当業者が容易に実施し得る。１つの非限定例では、晶析装置４４は乾燥機のような熱的晶析装置であり得る。幾つかの応用において、蒸発器４３及び／又は晶析装置４４は使用してもしなくてもよい。
【００５９】
典型的な実施形態で本開示を例示し説明して来たが、いかなる意味でも本開示の思想から逸脱することなく様々な改変と置換をなすことができるので、示した詳細に限定されることはない。従って、当業者には、通常の実験の範囲内で、本明細書に開示したもののさらなる改変と等価物が自明であろう。また、かかる改変と等価物は全て、以下の特許請求の範囲に定義される本開示の思想と範囲内に入ると考えられる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
脱塩のための第１の流れを受容するように構成された電気的分離装置と、
第１の流れからイオンを運び去る第２の流れを電気的分離装置に提供するように構成され、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーンと析出物の分離のための結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンとを画成する結晶化装置と
を備える脱塩システム。
【請求項２】
結晶化装置が結晶化ゾーンを画成する結晶化要素を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項３】
結晶化装置がさらに封じ込めゾーンを画成する容器を含み、結晶化ゾーンが封じ込めゾーン内でこれと流体連通して配置されていて、固液分離ゾーンが容器と結晶化要素との間に画成される、請求項２記載の脱塩システム。
【請求項４】
結晶化装置がさらに閉じ込め要素を含み、その少なくとも一部分が結晶化ゾーン内に配置されて、結晶化装置内での析出を促進するために結晶化ゾーンと流体連通した閉じ込めゾーンを画成する、請求項２記載の脱塩システム。
【請求項５】
第１及び閉じ込め要素の各々が円筒状の形状を有する、請求項４記載の脱塩システム。
【請求項６】
結晶化ゾーン及び固液分離ゾーンが互いに空間的に分離されている、請求項２記載の脱塩システム。
【請求項７】
結晶化装置が、結晶化要素から空間的に分離され固液分離ゾーンを画成する分離要素を含む、請求項６記載の脱塩システム。
【請求項８】
固液分離要素が、容器、沈殿器、カートリッジフィルター、フィルタープレス、精密ろ過装置、限外ろ過装置、ハイドロサイクロン及び遠心分離機の１以上を含む、請求項７記載の脱塩システム。
【請求項９】
電気的分離装置がスーパーキャパシタ脱塩装置又は逆電気透析装置からなり、スーパーキャパシタ脱塩装置は充電状態の間第１の流れを受容し、放電状態の間第２の流れを受容し、逆電気透析装置は第１の流れと第２の流れを同時に受容する、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１０】
第２の流れが飽和した流れ又は過飽和した流れからなる、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１１】
第２の流れが、電気的分離装置を通過した後結晶化ゾーンから結晶化装置中へ再度導かれて、電気的分離装置と結晶化装置との間で循環される、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１２】
さらに、結晶化ゾーン中に延び込む撹拌機を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１３】
さらに、結晶化装置と流体連通しており、第２の流れの一部を結晶化装置から及び結晶化装置中に導くように構成された装置を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１４】
装置がさらに、第２の流れの一部内の粒子を磨滅するように構成されている、請求項１３記載の脱塩システム。
【請求項１５】
さらに、析出を誘発するために結晶化装置内に配置された複数の種粒子を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１６】
種粒子が約１μｍ〜約５００μｍの平均直径範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項１７】
種粒子が約５μｍ〜約１００μｍの平均直径範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項１８】
種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約０．１重量％〜約３０重量％の重量範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項１９】
種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約１．０重量％〜約２０重量％の重量範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項２０】
第１の流れを脱塩のために電気的分離装置に通し、
結晶化装置からの第２の流れを電気的分離装置に通して第１の流れからのイオンを運び去ることを含んでなり、結晶化装置が第２の流れを電気的分離装置に提供して第１の流れからのイオンを運び去るように構成されており、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーン及び析出物の分離のために結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンを画成する、脱塩方法。
【請求項２１】
さらに、電気的分離装置を通過した後第２の流れを結晶化装置の結晶化ゾーン中に再度導いて、第２の流れを電気的分離装置と結晶化装置とに循環させることを含む、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項２２】
さらに、第２の流れが電気的分離装置を通過した後１以上の添加剤を第２の流れ中に提供して、第２の流れ内の１以上の化学種の濃度を低減することを含む、請求項２１記載の脱塩方法。
【請求項２３】
さらに、複数の種粒子を結晶化装置中に提供してイオンの析出を促進することを含む、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項２４】
種粒子が約１μｍ〜約５００μｍの平均直径範囲を有し、また種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約０．１重量％〜約３０重量％の重量範囲を有する、請求項２３記載の脱塩方法。
【請求項２５】
種粒子が約５μｍ〜約１００μｍの平均直径範囲を有し、また種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約１．０重量％〜約２０重量％の重量範囲を有する、請求項２４記載の脱塩方法。
【請求項２６】
種粒子がＣａＳＯ4粒子からなる、請求項２３記載の脱塩方法。
【請求項２７】
さらに、結晶化ゾーン内に種粒子を懸濁させることを含む、請求項２３記載の脱塩方法。
【請求項２８】
結晶化ゾーンが封じ込めゾーン内にこれと流体連通して配置されていて、容器と結晶化要素との間に固液分離ゾーンが画成される、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項２９】
電気的分離装置がスーパーキャパシタ脱塩装置又は逆電気透析装置からなり、スーパーキャパシタ脱塩装置は充電状態で第１の流れを受容し、放電状態で第２の流れを受容し、逆電気透析装置は第１の流れ及び第２の流れを同時に受容する、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項３０】
結晶化装置がさらに閉じ込め要素を含んでおり、その少なくとも一部分が結晶化ゾーン内に配置されていて封じ込めゾーン及び結晶化ゾーンと流体連通した閉じ込めゾーンを画成する、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項１】
脱塩のための第１の流れを受容するように構成された電気的分離装置と、
第１の流れからイオンを運び去る第２の流れを電気的分離装置に提供するように構成され、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーンと析出物の分離のための結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンとを画成する結晶化装置と
を備える脱塩システム。
【請求項２】
結晶化装置が結晶化ゾーンを画成する結晶化要素を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項３】
結晶化装置がさらに封じ込めゾーンを画成する容器を含み、結晶化ゾーンが封じ込めゾーン内でこれと流体連通して配置されていて、固液分離ゾーンが容器と結晶化要素との間に画成される、請求項２記載の脱塩システム。
【請求項４】
結晶化装置がさらに閉じ込め要素を含み、その少なくとも一部分が結晶化ゾーン内に配置されて、結晶化装置内での析出を促進するために結晶化ゾーンと流体連通した閉じ込めゾーンを画成する、請求項２記載の脱塩システム。
【請求項５】
第１及び閉じ込め要素の各々が円筒状の形状を有する、請求項４記載の脱塩システム。
【請求項６】
結晶化ゾーン及び固液分離ゾーンが互いに空間的に分離されている、請求項２記載の脱塩システム。
【請求項７】
結晶化装置が、結晶化要素から空間的に分離され固液分離ゾーンを画成する分離要素を含む、請求項６記載の脱塩システム。
【請求項８】
固液分離要素が、容器、沈殿器、カートリッジフィルター、フィルタープレス、精密ろ過装置、限外ろ過装置、ハイドロサイクロン及び遠心分離機の１以上を含む、請求項７記載の脱塩システム。
【請求項９】
電気的分離装置がスーパーキャパシタ脱塩装置又は逆電気透析装置からなり、スーパーキャパシタ脱塩装置は充電状態の間第１の流れを受容し、放電状態の間第２の流れを受容し、逆電気透析装置は第１の流れと第２の流れを同時に受容する、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１０】
第２の流れが飽和した流れ又は過飽和した流れからなる、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１１】
第２の流れが、電気的分離装置を通過した後結晶化ゾーンから結晶化装置中へ再度導かれて、電気的分離装置と結晶化装置との間で循環される、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１２】
さらに、結晶化ゾーン中に延び込む撹拌機を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１３】
さらに、結晶化装置と流体連通しており、第２の流れの一部を結晶化装置から及び結晶化装置中に導くように構成された装置を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１４】
装置がさらに、第２の流れの一部内の粒子を磨滅するように構成されている、請求項１３記載の脱塩システム。
【請求項１５】
さらに、析出を誘発するために結晶化装置内に配置された複数の種粒子を含む、請求項１記載の脱塩システム。
【請求項１６】
種粒子が約１μｍ〜約５００μｍの平均直径範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項１７】
種粒子が約５μｍ〜約１００μｍの平均直径範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項１８】
種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約０．１重量％〜約３０重量％の重量範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項１９】
種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約１．０重量％〜約２０重量％の重量範囲を有する、請求項１５記載の脱塩システム。
【請求項２０】
第１の流れを脱塩のために電気的分離装置に通し、
結晶化装置からの第２の流れを電気的分離装置に通して第１の流れからのイオンを運び去ることを含んでなり、結晶化装置が第２の流れを電気的分離装置に提供して第１の流れからのイオンを運び去るように構成されており、イオンの析出を促進するための結晶化ゾーン及び析出物の分離のために結晶化ゾーンと流体連通した固液分離ゾーンを画成する、脱塩方法。
【請求項２１】
さらに、電気的分離装置を通過した後第２の流れを結晶化装置の結晶化ゾーン中に再度導いて、第２の流れを電気的分離装置と結晶化装置とに循環させることを含む、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項２２】
さらに、第２の流れが電気的分離装置を通過した後１以上の添加剤を第２の流れ中に提供して、第２の流れ内の１以上の化学種の濃度を低減することを含む、請求項２１記載の脱塩方法。
【請求項２３】
さらに、複数の種粒子を結晶化装置中に提供してイオンの析出を促進することを含む、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項２４】
種粒子が約１μｍ〜約５００μｍの平均直径範囲を有し、また種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約０．１重量％〜約３０重量％の重量範囲を有する、請求項２３記載の脱塩方法。
【請求項２５】
種粒子が約５μｍ〜約１００μｍの平均直径範囲を有し、また種粒子が結晶化ゾーン内の第２の流れの重量の約１．０重量％〜約２０重量％の重量範囲を有する、請求項２４記載の脱塩方法。
【請求項２６】
種粒子がＣａＳＯ4粒子からなる、請求項２３記載の脱塩方法。
【請求項２７】
さらに、結晶化ゾーン内に種粒子を懸濁させることを含む、請求項２３記載の脱塩方法。
【請求項２８】
結晶化ゾーンが封じ込めゾーン内にこれと流体連通して配置されていて、容器と結晶化要素との間に固液分離ゾーンが画成される、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項２９】
電気的分離装置がスーパーキャパシタ脱塩装置又は逆電気透析装置からなり、スーパーキャパシタ脱塩装置は充電状態で第１の流れを受容し、放電状態で第２の流れを受容し、逆電気透析装置は第１の流れ及び第２の流れを同時に受容する、請求項２０記載の脱塩方法。
【請求項３０】
結晶化装置がさらに閉じ込め要素を含んでおり、その少なくとも一部分が結晶化ゾーン内に配置されていて封じ込めゾーン及び結晶化ゾーンと流体連通した閉じ込めゾーンを画成する、請求項２０記載の脱塩方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公表番号】特表２０１３−５００１５７（Ｐ２０１３−５００１５７Ａ）
【公表日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−５２２８３１（Ｐ２０１２−５２２８３１）
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３７８６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１４３００
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【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２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月９日（２０１０．６．９）
【国際出願番号】ＰＣＴ／ＵＳ２０１０／０３７８６８
【国際公開番号】ＷＯ２０１１／０１４３００
【国際公開日】平成２３年２月３日（２０１１．２．３）
【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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