JP7015388B2 - 電気膜プロセスにおける非対称極性反転のための方法とデバイス - Google Patents
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Description
‐ 一方の電極がアノード(5)として機能し他方の電極がカソード(6)として機能する極性反転に適した一対の電極と、複数の膜とを備える電気膜セル(4)を提供するステップ;
‐ 通常動作条件において一部の素子(8、11)が閉じて他の素子(9、10)が開いて各方向に電流を流すように電流の方向を制御するためのHブリッジ構成で少なくとも四つの固体電子素子を備えるバイポーラスイッチを提供するステップ;
‐ EMプロセスを行う際のシステムの要求に応じて極性反転を適用するパルスの周波数とパルス幅を変更するデバイスを提供するステップ;
‐ 電気膜セルにエネルギーを伝達するための一つの電源、又はパルスの強度を調整するために互いに異なる二つの電源であって、一方の電源(1)が通常条件において電気膜プロセスを促進し、他方の電源(2)が電気膜セルに逆極性パルスを印加することを促進する二つの電源を提供するステップ;
‐ 酸化還元反応が行われるように電極に向けて異なる方向で前記バイポーラスイッチに直流を流すステップ;
‐ 電気膜セルの異なる区画に向かうイオンの移動を誘起するように電極に電気化学ポテンシャルを誘起するステップ;
‐ 極性を変更することをスイッチに命令するマイクロコントローラ又はパルス発生器を提供するステップ;
‐ 電気膜セルの電圧降下及び/又は電気抵抗を連続的に測定するステップ;
‐ 電気膜セルの電圧降下及び/又は電気抵抗の閾値を定めるステップ;
‐ 閾値に達すると、可変周波数と短パルス幅で好ましくは通常条件での動作の強度よりも大きな強度で逆極性非対称パルスを印加することによって、又は一時停止パルスを印加することによって、前記膜を洗浄するステップ。
‐ 一方の電極がアノード(5)として機能し他方の電極がカソード(6)として機能する極性反転に適した一対の電極と、複数の膜とを備える電気膜セル(4);
‐ 二つの素子(8、11)が閉じて他の二つの素子(9、10)が開いて電流の方向を制御するためのHブリッジ構成で少なくとも四つの固体電子素子(8、9、10、11)を備えるバイポーラスイッチ(3);
‐ 電気膜プロセスが行われる際のシステムの要求に応じて印加される逆極性パルスの周波数とパルス幅を変更するデバイス;
‐ 電気膜セル(4)にエネルギーを伝達するための一つの電源又はパルスの強度を調整するための互いに異なる二つの電源(1、2);
‐ 電気膜プロセスの変数に応じてスイッチが極性を変化させることを命令するマイクロコントローラ又はパルス発生器(マイクロコントローラはバイポーラスイッチ(3)の回路に組み込まれている);
‐ ここで、バイポーラスイッチ(3)は電源(1、2)の中に位置するか又は電源(1、2)と電気膜セル(4)との間に位置し得る。
以下の例では、電気膜システムに結合されたバイポーラスイッチを用い、好ましくはマイクロコントローラ、そうでなければパルス発生器にプログラムすることで、システムの極性を変化させる。バイポーラスイッチは、理想的には電源に組み込まれ得て、又は、電源と電気膜セルとの間の個別部品として物理的に配置され得る。後者の選択肢は、既に導入済みのプロセスを改善するために好適である。
図4Aは、逆極性パルスを用いて改善されたEDRである。所定の閾値周波数F4は、23における液流の変化を伴う永続的な極性反転のための指標である。液流の変化と同時に、任意選択的に、101~104秒にわたって101~107Hzの値で高周波パルスを印加し得る。単一の電源1がEDRセル22にエネルギーを伝達しているので、動作期間における処理の振幅A4又は強度は、パルスの振幅A5に等しい。この場合、パルス幅T4は可変であり得て、その値はプロセスの特性に依存する。
図4Bは、逆極性パルスを用いた電気膜プロセスの改善を示す。所定の閾値周波数F4は、20におけるCIP用の指標である。単一の電源1でシステムを駆動させているので、動作の振幅A4又は強度は適用されるパルスの振幅A5に等しい。この改善に必要なのは、バイポーラスイッチ3と、セル4の極性反転に適した一対の電極5と6である。
図5Aは、通常動作の強度よりも大きな強度を有する逆極性パルスを用いたEDRの改善を示す。所定の周波数F4は、23における液流の変化を伴う永続的な極性反転のための指標である。液流を変化させるのと同時に、任意選択的に、101~104秒にわたって101~107Hzの値を有する高周波パルスを印加することができる。二つの電源1と2でシステムに電力供給しているので、動作期間における処理の振幅A6又は強度は、パルスA7の振幅と異なる。パルスの振幅A7は、短時間で析出物を防ぐ程度に高強度のものとなり得る。また、パルスの振幅A7は、一時停止で動作させるために0ともなり得るが、プロセスの強化とシステムの自浄が目的である場合には、このモードは推奨されない。結果として、析出物の形成や濃度分極現象の防止に関して同様の結果を得るためには、パルス幅又はパルス時間T5は、強度が高いほど短くなり、強度が低いほど長くなる。この改善は、EDRの電気的及び液体的な極性反転のサイクルとサイクルとの間の動作時間を延ばし、液体流の混合と液体系を変更するための時間に起因する生産性の損失を減らす。この動作モードに必要なのは、バイポーラスイッチ3と、第二電源2である。
図5Bは、通常動作の強度よりも大きな強度を有する逆極性パルスを用いたEDRの改善を示す。二つの電極1と2を用いることで、EMセル4に通常動作とは異なる強度を与えることができる。第二電源2が、極性を変更する際の良好な安定性と性能を保証する。パルスの振幅A7は、膜の表面上の析出物を簡単に防ぐ程度に高強度のものとなり得る。振幅A7がゼロである場合には一時停止を適用することもできるが、この動作モードは、自浄と限界電流密度の増加のためにはあまり向いていない。結果として、周期的洗浄において同じ効果を達成するためには、パルスのパルス幅T5は、強度が高いほど狭くなり、強度が低いほど広くなる。この動作に必要なのは、第二電源2と、バイポーラスイッチ3と、極性を反転させるのに適した一対の電極5と6である。
本発明の方法及びシステムを適用することによって、従来技術と比較して以下の利点を達成することができる:
システムの永続的な自浄性能を有することで、膜の機能を回復するのに必要な化学物質の量と洗浄の頻度が減る;
濃度分極を防ぐことで、従来のシステムと比較して限界電流密度が増大して、電気膜プロセスが強化される;
プロセスを強化することによって、システムのサイズが小さくなり、作業時間が減り、プロセスが加速される;
濃度分極を防ぐことで、pHがより良好に制御されて、水の解離を防ぎ、結果として、鉱物スケールとコロイド析出物の形成を防ぐ;
鉱物スケールが減ることで、スケール防止用の化合物の使用が減る;
極性転換方式電気透析のサイクルの変化の間の時間が増えることによって、生産性が増大する;
高濃度の有機物やスケール性の種を有する新たな種類のサンプルを処理することができる。
2 第二電源
3 バイポーラスイッチ
4 電気膜(EM)セル
5 電極
6 電極
8、9、10、11 固体電子素子
12、13、14、15 回路
22 極性転換方式電気透析(EDR)セル
Claims (23)
- 電気膜プロセスにおける膜の表面上のファウリングとスケール発生を軽減し、濃度分極を防ぐために極性を非対称に反転させる方法であって、
一方の電極がアノード(5)として機能し他方の電極がカソード(6)として機能する極性反転に適した一対の電極と、複数の膜とを備える電気膜セルを提供することと、
通常動作条件において一部の素子(8、11)が閉じて他の素子(9、10)が開いて電流の方向を制御して強度を調整するためのHブリッジ構成で少なくとも四つの固体電子素子を備えるバイポーラスイッチを提供すること、
前記電気膜プロセスを行う際のシステムの要求に応じて適用される極性反転パルスの周波数とパルス幅を変更するデバイスを提供することと、
前記電気膜セルにエネルギーを伝達するための一つの電源、又はパルスの強度を調整するために互いに異なる二つの電源であって、一方の電源(1)が通常条件において前記電気膜プロセスを促進し、他方の電源(2)が前記電気膜セルに逆極性パルスを印加することを促進する二つの電源を提供することと、
酸化還元反応が行われるように前記一対の電極に向けて異なる方向で前記バイポーラスイッチに直流を流すことと、
前記電気膜セルの異なる区画に向かうイオンの移動を誘起するように前記一対の電極に電気化学ポテンシャルを発生させることと、
極性を変更することを前記バイポーラスイッチに命令するマイクロコントローラ又はパルス発生器を提供することと、
前記電気膜セルの電圧降下及び/又は電気抵抗を連続的に測定することと、
前記電気膜セルの電圧降下及び/又は電気抵抗の閾値を定めることと、
前記閾値に達すると、可変周波数と短パルス幅を有し好ましくは通常条件での動作の強度よりも大きな強度を有する逆極性非対称パルスを印加することによって、又は一時停止パルスを印加することによって、前記膜を洗浄することと、を備えることを特徴とする方法。 - 前記膜を洗浄するために極性を反転させる必要性を示す電圧降下及び/又は電気抵抗の閾値が前記マイクロコントローラ又はパルス発生器にプログラムされることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 高強度の非対称逆極性パルスを印加して、前記固体電子素子を反転させ、閉じていた一部の素子(8、11)が開き、開いていた他の素子(9、10)が閉じ、前記一対の電極の極性を反転させ、アノード(5)として機能していた電極がカソードとして機能し、カソード(6)として機能していた電極がアノードとして機能し、10-5~100秒のパルス幅で10-2~103Hzの周波数を有するパルスを印加することによって、前記膜の洗浄が行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 10-2~103秒のパルス幅で100~103秒毎に印加されるパルスに対応する一時停止パルスを印加し、一時停止が適用されている期間において全ての固体電子素子(8、9、10、11)が開くことによって、前記膜の洗浄が行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電気膜プロセスが連続的であり、閾値周波数に達するまで大きくなる周波数でパルスを印加し、動作を停止し、前記膜を完全に洗浄するために10-1~104秒にわたって101~107Hzの高周波パルスを印加することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 定置洗浄(CIP)法で前記膜を完全に洗浄する必要性を示す閾値周波数が、前記電気膜プロセスのデューティサイクルが80.0から99.9%である際に選択されることを特徴とする請求項5に記載の方法。
- 前記膜の洗浄が従来の定置洗浄(CIP)法と共に行われることを特徴とする請求項6に記載の方法。
- 従来のシステムで達成される限界電流密度と比較して限界電流密度を増大させることによって、前記電気膜プロセスを強化することを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電気膜プロセスが、従来の電気透析(ED)と、極性転換方式電気透析(EDR)と、バイポーラ膜電気透析(BMED)と、容量性脱イオン化(CDI)と、電気脱イオン化(EDI)と、逆電気透析(RED)と、微生物燃料電池(MFC)システムと、イオン濃度分極(ICP)を用いた脱塩とのうちから選択されたプロセスであることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電気膜プロセスが極性転換方式電気透析(EDR)プロセスであり、反転極性を維持して通常動作を続け、EDRプロセスの各液体流を変化させて、パルス発生を続けることを特徴とする請求項3又は9に記載の方法。
- 前記パルスの強度が調整されない場合に単一の電源が使用され、前記パルスの強度を増大させる場合又は一時停止を行う場合に二つの電源が使用されることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 前記電気膜プロセスが逆電気透析(RED)プロセスであり、塩濃度勾配で生じる電気化学ポテンシャルが電気エネルギーを発生させて、前記電気エネルギーの一部が前記膜の周期的な自浄と定置洗浄(CIP)法とに使用されることを特徴とする請求項9に記載の方法。
- 洗浄プロセスが10-2~103Hzの周波数で行われることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 前記電圧降下及び/又は電気抵抗の閾値が通常条件における値の1.1~10倍であることを特徴とする請求項1に記載の方法。
- 電気膜プロセスにおける膜の表面上のファウリングとスケール発生を軽減し、濃度分極を防ぐために極性を非対称に反転させるシステムであって、
一方の電極がアノード(5)として機能し他方の電極がカソード(6)として機能する極性反転に適した一対の電極と、複数の膜とを備える電気膜セル(4)と、
二つの素子(8、11)が閉じて他の二つの素子(9、10)が開いて逆極性パルスの強度を調整するためのHブリッジ構成で少なくとも四つの固体電子素子(8、9、10、11)を備えるバイポーラスイッチ(3)と、
前記電気膜プロセスが行われる際のシステムの要求に応じて印加される逆極性パルスの周波数とパルス幅を変更するデバイスと、
前記電気膜セル(4)にエネルギーを伝達するための一つの電源又はパルスの強度を調整するための互いに異なる二つの電源(1,2)と、
前記電気膜プロセスの変数に応じて前記バイポーラスイッチが極性を変化させることを命令するマイクロコントローラ又はパルス発生器と、を備え、
前記マイクロコントローラが前記バイポーラスイッチ(3)の回路に組み込まれていて、
前記バイポーラスイッチ(3)が前記電源(1、2)の中に位置するか又は前記電源(1、2)と前記電気膜セル(4)との間に位置することを特徴とするシステム。 - 前記バイポーラスイッチ(3)が、導入済みの電気膜プロセスシステムの電源(1,2)と電気膜セル(4)との間に位置することを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記電気膜セル(4)が、従来の電気透析(ED)、極性転換方式電気透析(EDR)、バイポーラ膜電気透析(BMED)、容量性脱イオン化(CDI)、電気脱イオン化(EDI)、逆電気透析(RED)、微生物燃料電池(MFC)システム、又は、イオン濃度分極(ICP)を用いた脱塩用のセルに対応することを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記電気膜セル(4)の膜がイオン交換膜又はバイポーラ膜に対応していることを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記固体電子素子(8、9、10、11)が、MOSFET(金属酸化物半導体電界効果トランジスタ)型又はIGBT(絶縁ゲートバイポーラトランジスタ)型のトランジスタで使用される素子に対応していることを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記固体電子素子(8、9、10、11)が、多量のエネルギーをセルに供給するために並列で接続されていることを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記固体電子素子(8、9、10、11)が、セルの区画の塩濃度勾配によって生じる逆起電力から保護する保護ダイオードを有することを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- 前記バイポーラスイッチ(3)に組み込まれているマイクロコントローラが、パルス印加変数を変更するためにシステムからの情報を処理することを特徴とする請求項15に記載のシステム。
- パルスの強度を調整しない場合には単一の電源を使用し、パルスの強度を増大させる場合又は一時停止を適用する場合に二つの電源を使用することを特徴とする請求項17に記載のシステム。
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