JP2003200164A

JP2003200164A - 液体から帯電体を除去する巻込み型の通液型コンデンサおよび液体処理装置

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Publication number: JP2003200164A
Application number: JP2001401080A
Authority: JP
Inventors: Ritsujin Setsu; 立人薛; Kachan Setsu; 家▲チャン▼ 薛; Segen O; 世源王; Hichin Sha; 翡珍謝; Seikei Ri; 靜恵李; Manchin Ra; 萬▲チン▼ 羅; Gyokuka Sha; 玉霞謝
Original assignee: YUKIN KAGI KOFUN YUGENKOSHI
Current assignee: YUKIN KAGI KOFUN YUGENKOSHI
Priority date: 2001-12-28
Filing date: 2001-12-28
Publication date: 2003-07-15

Abstract

(57)【要約】【課題】液体から帯電体を除去する巻込み型の通液型
コンデンサおよび液体処理装置を提供する。【解決手段】巻込み型の通液型コンデンサは、２つの
電極および２つの仕切りを同軸に巻きこんで１つの中心
が空洞のロールにすることにより、構成される。流体を
通液型コンデンサに送り込むために、給液パイプを中心
の空洞部に挿入する。仕切りは、水平のストリップと垂
直の帯状のサポートとで格子状に形成し、水平のストリ
ップは垂直のサポートより高さが高い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、液体から帯電体
（charged species）を除去する巻込み型の通液型コン
デンサ（flow-through capacitors: FTCs）および液体
処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】人類にとって、水は最も貴重な資源の１
つであり、水の重要性を「水が私達人類に生命を与え
る」と表現することがある。地球表面の４分の３は、水
で覆われており、その水の９８％が塩水、残り２％が淡
水である。この淡水の大部分は極氷冠に取り込まれ、僅
か１％以下が直接利用に残されているに過ぎない。都市
化と産業化の進展に伴い人口が増加するにつれ、水の消
費と廃棄物の産出が増大し、それゆえ世界の多くの国で
は、水不足と環境汚染に苦しんでいる。国際連合（UN）
の予想によると、２０２５年までには、世界人口の３２
％の割合を占める４８カ国で水が不足するとされてい
る。水は、生活の質と経済の繁栄のどちらにとっても、
不可欠である。

【０００３】しかし、汚染水は人々に病をもたらし、政
府に何百万ドルもの汚染除去費用を被らせる。水がなけ
れば、人類の日常生活は阻害されることになる。十分な
水資源を国民に提供することは、政府の責務かもしれな
いが、水の利用を保護し、有用な資源を回収し、そして
公害を減少することは、われわれ人類の義務なのであ
る。水の生成には、海水の脱塩がおそらく最も経済的な
方法である。海水は、無料かつ無制限であり、また１年
を通して天候に影響されることなく入手可能である。し
かし、海水は、塩類を含有するあらゆる自然水のうち最
も高い全溶解固形物（total dissolved solid: TDS）含
有量を有する。

【０００４】また、廃水から回収水を得る場合も、廃水
は、自然状態で有機物もしくは無機物のいずれであった
としても、加水分解、腐敗、凝集、溶質の生体反応もし
くは化学反応の結果生じる帯電体を、高い頻度で含有し
ている。ここで、TDSとは、海水および廃水における帯
電体の含有量を表す量であり、単位はppm（parts per m
illion）である。

【０００５】海水淡水化処理あるいは廃水浄化処理のい
ずれにおいても、TDSの低減もしくは脱イオン化が、沈
殿、吸着、濾過、オゾン化等を含む精製プロトコルの主
な目標の１つである。これらの処理工程は、給液の前処
理と後処理とのために、脱イオン化工程の上流もしくは
下流のいずれかに配置される。海水または廃水を一般利
用または産業上利用する場合、海水または廃水のTDSを
一定のppmレベルまで低減しなくてはならない。この場
合、脱イオン化については、イオン交換、蒸発、逆浸透
（RO）、電気透折などの一般的な技術を用いて実現でき
る。これらの技術のうちCDI（capacitive deionizatio
n method：静電容量式脱イオン法）は、相対的に新し
く、一般にもあまり知られていない。脱イオン化方法を
選択する場合においては、材料および作業コスト、なら
びに液体の濾過（または産出）方法と同様に脱塩率につ
いても考慮しなくてはならない。

【０００６】脱イオン化用のイオン交換樹脂の多くは、
費用のかかる合成材料であり、有毒イオンと引き換えに
比較的良性のイオンを放出する。イオン交換樹脂は、使
用していると飽和状態になり、再生が欠かせない。イオ
ン交換樹脂の再生には、強酸および強塩基ならびに洗浄
用の水が必要であり、このため、イオン交換は、水の無
駄遣いで、また再生に使用する化学物質で二次的な公害
を生じるものとなっていた。

【０００７】蒸発により水を作り出すためには、蒸発ポ
ット内の海水または原水を加熱しなくてはならない。そ
の後イオンは、ポット内にスラッジとして残留する。蒸
発は、広大な作業スペースを要するエネルギーの集中的
プロセスであり、例えば、米国特許４,６３６,２８３号
のNasser（ナッサー）の特許が示すところによると、１
００ｍ以上（＞３００ft）の高さの蒸発カラム（evapor
ation column）が用いられている。それにもかかわら
ず、蒸発は、世界で最も広く利用されている海水淡水化
法である。

【０００８】商業的には、逆浸透が次に一般的な脱塩技
術である。逆浸透は、薄膜を用いて塩類のある水から塩
類を除去した水を抽出するものである。逆浸透は、例え
ば８００〜１２００psigの高圧力に依存して、薄膜のナ
ノ細孔（nano-pores）から透過水（真水）を通過させる
ものである。高い動作圧力と流体の濾過の低さが、逆浸
透の不利な２つの点である。逆浸透の高い動作圧力が高
コストを意味する一方で、流体の濾過の低さは低処理量
を意味する。

【０００９】最後に、電気透折は、脱イオン化に直流の
電解とイオン透過薄膜との両方を活用するものである。
少なくとも３つの区画、例えば、アノード、中極、カソ
ードが各電気透折ユニットにあり、塩類のある水は、中
極の区画を流れ、イオンは、薄膜の選択性透過と連動し
て静電気引力により、アノード区画またはカソード区画
に吸い込まれる。電気透折の電極および薄膜の両方と
も、大量の液体処理を行うため、相当コストのかかるも
のとなっていた。公害減少の問題として取り上げると、
逆浸透および電気透折などの薄膜技術において、イオン
は、取り込まれたり回収されたりしない方法である。従
って、これらの技術は、公害低減を目的としたものでは
なく、単なる液体の精製手段にしか過ぎなかったのであ
る。

【００１０】次に、ＣＤＩ法について述べる。以上の水
処理技術とは対照的に、CDIによる水処理技術は、高い
給液リサイクル率のため、精製と公害低減の両方を可能
にする技術である。濾過は固体の粒子を容易に除去する
一方で、電解は帯電体を効果的に除去することができ
る。イオンが静電気引力に迅速かつ反対に反応するの
は、１つの自然現象である。帯電体を含む液体中におい
て、このような静電気引力は、電流の印加により、２つ
の平行する導電板の間に最も便利に生成される。帯電体
は、電荷を帯びた板に沿ってを貫流しながら、その板へ
瞬時に吸着し、その結果TDSが減少する。このような脱
塩方法は、CDI法と名付けられている。CDIを搭載する装
備が、通液型コンデンサ（FTC）として知られている。
通液型コンデンサの実用については、３０年前の１９７
１年３月のJ. Electrochem Soc.: Electrochemical Tec
hnologyの５１０頁〜５１７頁にJ. Newmanが共著「Tech
nology Desalting by Means of Porous Carbon Electro
des」で公開しており、ここに参考文献として加える。

【００１１】次に、３つの代表的なCDIの従来技術を引
用し、商業的な観点から検証する。３つの従来技術と
は、アンデルマン（Andelman）の米国特許５,７７９,８
９１号、ハナク（Hanak）の米国特許５,８５８,１９９
号、およびファーマー（Farmer）の米国特許５,９５４,
９３７号である。これら全ての特許についても参考文献
としてここに加える。

【００１２】最初に、米国特許５,７７９,８９１号につ
いて述べる。米国特許５,７７９,８９１号は、基板とし
てグラファイト・フォイルならびにイオン吸収材料とし
て活性炭を使い、物理的圧縮により電極を形成した。化
学結合は、物理的圧縮よりも電子接続において信頼性が
より高いのだが、ここでは活性物質と基板間に化学結合
は存在しない。ゴールド・コンプレッション・コンタクト
（gold compression contact）も用いて、リード電極と
リード線とを結合し、これらを直流電源に接続するが、
この高価な金属の使用は、通液型コンデンサの消費者製
品化の妨げとなる。さらに、塩素化炭化水素（CHCs）を
電気化学的に破壊するために、プラチナあるいは他の触
媒金属が、炭素電極にドープ処理されている。また解毒
効率をより高くするために、塩素化炭化水素が、電気分
解というよりもオゾンにより処理されている。

【００１３】米国特許５,７７９,８９１号の通液型コン
デンサでは、最短かつ最も一直線な流路を得るために、
給液パイプの穿孔と一線上に合わさるように、穿孔が電
極上にカットされている。これは、吸着領域の能力が弱
められるだけでなく、電極の特定の配置も製造プロセス
を混乱させるので、装置の価格が上昇し、製品の商業上
のメリットが損なわれている。

【００１４】次に、米国特許５,８５８,１９９号につい
て述べる。米国特許５,８５８,１９９号は、液体からの
イオン物質の遊離に、電解および複合の遠心力もしくは
コリオリ効果との組合せを利用している。この装置は、
機械回転装置を組み込むことにより、高い作業コストお
よび使用の困難さが生じる結果となっている。この特許
では、イオン吸着の活性物質として炭素に加え、タンタ
ルおよび酸化ルテニウムなどの混合金属酸化物を示して
いる。これらの酸化物は、高価であり、かつ多量の液体
の処理には適さない。

【００１５】次に、米国特許５,９５４,９３７号につい
て述べる。米国特許５,９５４,９３７号では、高価な合
成カーボンエアロジェル（carbonaerogel）を、脱塩用
のイオン吸着材料として使っている。このような炭素材
料は、圧力が９００psiぐらい、乾燥状態のゲルの炭化
が５００〜１２００℃の状態にあって、液体炭素で乾燥
しながら超臨界点を利用して、ホルムアルデヒドと共に
レゾンシノールの複合物から加工される。この単一バッ
チの加工には、完了するまで２週間かかると、米国特許
４,９９７,８０４号でパカラ（Pakala）が述べている。
この米国特許４,９９７,８０４号をここで参考文献に組
み込む。この時間を要する加工は、高い処理圧力および
温度に関連して、通液型コンデンサの製造に要する材料
コストを高くする。さらに、米国特許５,９５４,９３７
号では、ガスケットと、ボルトと、ナットと、端板と、
多数の電極の対とを用いて、多段式通液型コンデンサを
組立てる。多段式通液型コンデンサのこのような複雑な
配置は、漏れ易く、商業的成長力にも乏しい。

【００１６】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来のＣＤＩ法では、高価な材料を使用したり、装置組立
てが複雑であったり、操作が高コストであったり、処理
量が商用には不向きであったりする。しかしながら、CD
Iは偽りなく、液体中のＴＤＳ減少の実現可能な技術で
ある。この技術を廃水のリサイクル、および海水淡水化
の手頃な価格の商業用装置にするために、CDIで使用さ
れる経済的な材料を特定し、容易な大量生産および使い
易い技術を提供する通液型コンデンサ装置ができるよう
に、更なる調査が必要とされていた。そこで、本発明は
上記問題点に鑑みなされたもので、コスト、性能、操作
面を改善した液体から帯電体を除去する巻込み型の通液
型コンデンサおよび液体処理装置を提供することを目的
とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明は上記の課題を解
決するために、巻込み型の通液型コンデンサは、活性物
質および導電箔を含み、前記活性物質および前記導電箔
がフレキシブル一体構造シートに形成された第１電極
と、前記第１電極上に配置される第1仕切りと、前記活
性物質および前記導電箔を含み、前記活性物質および前
記導電箔がフレキシブル一体構造シートに形成され、前
記第１仕切り上に配置される第２電極と、前記第２電極
上に配置される第２仕切りとを具備する。前記第１電
極、前記第１仕切り、前記第２電極、および前記第２仕
切りは、同軸に巻かれて中心が空洞のロールになり、前
記第１仕切りおよび第２仕切りは、前記第１電極と前記
第２電極との間に間隙を形成する。

【００１８】さらに、前記空洞部に、パイプを挿入し、
前記パイプは、相対する側に配列した孔を有し、液体を
貫流する巻込み型の通液型コンデンサである。前記パイ
プは、好ましくは外部直径が６mmより大きく内部直径が
５mmより大きい巻込み型の通液型コンデンサである。さ
らに、前記仕切りは、水平のストリップと垂直の帯状の
サポートとで格子状を形成し、前記ストリップの高さが
前記サポートの高さより高い巻込み型の通液型コンデン
サである。

【００１９】さらに、前記サポートは、孔を有する巻込
み型の通液型コンデンサである。さらに、前記仕切り
は、幅１mmで高さ約０.５mm〜１.０mmの範囲である水平
の複数のストリップと、幅約２mmで高さ約０.１mmであ
る垂直の複数のサポートとで格子状を形成し、最上端の
前記ストリップと最下端の前記ストリップとの距離は前
記第１電極と前記第２電極の間の長さより約２mm短く、
中間の前記ストリップは、３０mm以下の間隔で配置さ
れ、前記サポートは、３０mm以上の間隔で配置される巻
込み型の通液型コンデンサである。さらに、前記サポー
トは、孔を有する巻込み型の通液型コンデンサである。
また、前記巻込み型の通液型コンデンサのいずれか一つ
を備えた液体処理装置である。

【００２０】

【発明の実施の形態】＜ＣＤＩ装置＞水の危機は、世界
の多くの地域において、現存もしくは差し迫った問題で
ある。水や他の液体中の汚染物質に関しては、重金属も
しくは帯電体が主な汚染物質である。これら汚染物質
は、液体に溶解することができるので、全溶解固形物
（TDS）で特徴付けられている。多くの場合には、液体
のTDSがある一定レベルのppmまで減少するに従い、その
「汚染した」液体が有益なものとなる。例えば、海水の
TDSは、どこにおいても実質上３５,０００ppmである
が、TDSが５００ppmに減らされると灌漑用に適した水に
なる。同じ水が２００ppm以下になれば、塩味のない飲
用に適した水になる。

【００２１】TDSの除去は、脱塩もしくは脱イオンの結
果であり、コンデンサ構造を利用して静電界を応用する
ことにより、最も簡便に成し遂げられる。直流電圧の印
可により、給液中の単一イオンおよび複雑な帯電体が、
瞬間的に電極に引き寄せられ、直流電圧が存在する限り
電極の表面に残存するのである。明らかに吸着領域が大
きければ大きいほど、より多くのイオンが吸着され、給
液中より除去される。電気印加を終了すると引き寄せら
れていた汚染物は開放されので、吸着領域の完全な再生
には、単に電極の極性の急速な反転のみが必要とされ
る。換言すると、給液の脱イオン化および吸着領域の再
生のどちらにおいても、電気を利用するのである。これ
は、最も一般的な脱塩方法であるイオン交換技術よりCD
Iが勝る、１つの有利な点である。イオン交換技術は、
樹脂を再生するのに化学物質を要するため、二次的な汚
染物が発生する結果となる。

【００２２】＜発明の概要＞本発明は、CDIのイオン吸
着電極を加工するため、スーパーキャパシタで実証済み
の活性物質を応用する。可能な限り大きな電極表面領域
を得るために、ソル・ゲル法もしくは電解を用いて、黒
磁鉄鉱（Fe₃O₄）およびその混合物などのフェライトの
ナノ微粒子を加工する。静電容量の測定ならびに他のテ
ストに基づいて、条件に合った量の粒子を、通液型コン
デンサ（FTC）のロール用の電極に加工する。給液パイ
プと共に通液型コンデンサを囲まれた容器に入れて、CD
I処理装置を形成する。

【００２３】CDIによるイオン除去は、スーパーキャパ
シタのエネルギー貯蔵と共通の仕組みを利用している
（スーパーキャパシタは数千ファラッド（Ｆ）の電荷を
蓄電することができる）。CDIとスーパーキャパシタの
どちらも、脱イオン化あるいはエネルギー貯蔵の原理に
おいて、１８７９年にヘルムホルツ（Helmholtz）が初
めて特性を示した二重層コンデンサに主に依存してい
る。

【００２４】本発明によると、1.0≦x≦3.0, 0.0≦y≦
4.0そして0.0≦z≦1.0である水和イオン化合物Fe_xO_yH_z
などのフェライトを含むナノ粒子、および黒磁鉄鉱（Fe
₃O₄）であるそのナノ粒子の主要要素が、先ず合成され
る。その後、ローラーコーティング法、パウダーコーテ
ィング法、もしくは電気泳動法により、ナノ粒子を適し
た集電体を確保し、一体構造である電極を形成する。前
記の水和した粉末の加工は、費用のかからない出発原料
を使用し、また製造工程も迅速かつ単純である。従って
本発明のイオン吸着材料は経済的なのである。

【００２５】本発明の通液型コンデンサーは、ポリマー
製の仕切りを介在した２枚の電極を同軸に巻いた、１つ
の中心が空洞のロールに組み立てられている。中心の開
口部には、通液型コンデンサーに液体を送り込むための
穿孔付きパイプを挿入でき、一方で仕切りには、１）電
極に絶縁物を提供する、２）通液型コンデンサー内の流
体を制限する、３）流体の横方向への流れをコンデンサ
ー内部に作るという３つのタスクを行う。ペリスタティ
ックポンプの原動力により、液体は、電極の全長を自由
に、水平に、そして外側へと流れて、コンデンサーを出
る。このため、イオンは吸着のために接近可能な電極の
全表面と接触する最高の機会を有するのである。

【００２６】電極を作るのに用いる活性物質の量が最小
限であるだけでなく、電極およびコンデンサの製造も簡
単にオートメーション化できる。この通液型コンデンサ
の製造は、従って、液体精製および脱塩用の手頃な消費
者製品になるのである。当業者が知るように、このコン
デンサは、電極の極性の急速転換と相俟って、きれいな
水で洗浄することで、完全に再生可能である。そのう
え、本発明の通液型コンデンサは、さほど高価ではな
く、故に流布することができる。また、脱イオン能力の
回復において再生効果が表れなくなった場合、コンデン
サを交換および廃棄することもできる。本発明における
イオン吸着材料および交換式の通液型コンデンサは両方
とも、リサイクル可能であり環境に優しい。

【００２７】吸着・濾過炭素およびイオン交換樹脂なら
びに逆浸透膜の商用パッケージは、容易に交換できるよ
う小型の形状ではあるが、これらのように、本発明の通
液型コンデンサは、自立式の形状に設計されている。こ
のような通液型コンデンサを、液体の入口および出口
と、電源につながる２つの電極リードと、気密シール用
ガスケット付きのキャップとを備えたハウジングホルダ
に内蔵する。ハウジングホルダの全部品は、射出成形に
より製造される。

【００２８】使用済み通液型コンデンサを新しいものに
交換することは、懐中電灯の電池交換と同じくらい簡単
である。通液型コンデンサをハウジングホルダに入れる
と、給液パイプが瞬時に通液型コンデンサロールの中心
へ挿入され、スナップ方式のコネクターを使い電極リー
ドがホルダキャップ上の電気ピンに接続され、それから
ネジ山付きキャップを締めつつ手動でホルダが密封され
る。このCDI処理装置の再稼動は、何の道具も使わず１
分以内で完了するのである。

【００２９】CDIは、わずか０.５Voltおよび１００mAの
直流電源で作動することができ、これは電池、太陽電
池、もしくは燃料電池から容易に供給できる数値であ
る。蒸発、逆浸透、電気透折と比較して、CDIの電力消
費量はかなり低い。電極の表面の帯電体を動かないよう
にするためだけに、低い直流電圧が必要であるが、一方
で化学反応や電気分解は、エネルギー効率と電極の寿命
とに有害なため、防止する必要がある。通液型コンデン
サの電極を再生するには、化学物質の代わりに電力を利
用するので、二次的な公害が発生することはない。その
上、CDIを利用して、AU³⁺およびPd²⁺などの貴重なイオ
ンを回収し、集束し、有益な形状に変換することができ
る。

【００３０】＜実施の形態＞以下、図面を参照して、本
発明に係る好適な実施形態を詳細に説明する。図１は、
本発明に係る通液型コンデンサのカートリッジホルダ内
部と液体入口及び出口とを示す断面図である。図１は、
図の簡略化のため通液型コンデンサーを省略して、ハウ
ジングホルダの液体入口および液体出口の断面図を示
す。ハウジングホルダは、吸着・濾過炭素およびイオン
交換樹脂ならびに逆浸透膜の収納パッケージに類似して
いる。

【００３１】図１を参照すると、液体入口パイプ１０２
のおよびホルダ本体１０８の両方は、アクリル、ポリカ
ーボネート、ポリ塩化ビニル、ポリエチレン、もしくは
繊維強化プラスチックなどのエンジニアリング・プラス
チックを射出成形して製造することができる。液体は、
中間パイプ１０２の穿孔から射出した後、電極の全長を
移動し、出口１０４を経由してホルダ外に出る。液体
は、接近可能な電極の全表面の隅から隅までを、横方向
および外方向かって流れるため、帯電体と通液型コンデ
ンサの電極との接触時間が増す基となる。処理される液
体は、通液型コンデンサの最長の通路をたどるため、帯
電体を最も効率的に吸着することができる。

【００３２】ガスケット１１０および１１２を圧縮させ
ながらホルダキャップ１０６をホルダ１０８に取りつけ
ることにより、液体漏れを防止する。ホルダキャップ１
０６は、パイプ１０２およびホルダ本体１０８と同じ材
料を使用して成形され、他方ガスケット１１０および１
１２は、ネオプレン、ブチルラバー、シリコンラバーを
原料とする。キャップ１０６の周辺とホルダ１０８の縁
に、ボルトとナットとで固定するために孔１１４を穴開
けする。別の実施例としては、手で締められるように、
キャップ１０６およびホルダ１０８の両方にねじ山をつ
けて、お互いをフィットさせることができる。

【００３３】次に、通液型コンデンサのパッケージの構
成について詳細を説明する。図２は、本発明に係る電極
及び仕切りを同軸に巻いたコンデンサロールを示す斜視
図である。図２を参照すると、２つの電極シート２０１
および２０２、ならびに２つの同一の仕切りシート２０
３が、同軸に巻かれ、中心に開口部を有する1つのロー
ルになる。

【００３４】通液型コンデンサの製造は、コンデンサお
よびバッテリ業界で利用されている巻線機で容易にオー
トメーション化される。望ましい幅の電極シートおよび
仕切りシートが、連続的に送り込まれ、望ましい直径の
ロールに巻き上げられていく。ロールを切断してテープ
で固定した後に、自立式の巻込み型の通液型コンデンサ
のパッケージが形成される。通液型コンデンサのパッケ
ージは実際、電解液とハウジングケースとがないスーパ
ーキャパシタであるため、いったん電極シートを切断す
ると、集電体が露出され、同様にバリが形成される。こ
れらは、通液型コンデンサパッケージに電気ショートな
らびに別の危害を引き起こすことになる。従って、デバ
リングおよび表面安定化処理などの矯正処理が必要とな
る。

【００３５】通液型コンデンサーのパッケージの中心開
口部は、給液パイプ１０２にフィットするように作られ
る。給液パイプ１０２は、望ましい外側直径（ＯＤ）お
よび内側直径（ＩＤ）に作られ、例えばＯＤは６mm以
上、ＩＤは５mm以上である。図２が示すように、給液パ
イプの穿孔は、例えば直径が１/１６インチであり、穿
孔と穿孔との間が約１/２インチ離れて、給液パイプ１
０２の相対する側へ均一に配置される。通液型コンデン
サパッケージの望ましい取扱容量に応じて、ＯＤとＩＤ
とに関して給液パイプ１０２の寸法、ならびに給液用の
穿孔の直径とその数とを、調節することができる。ハウ
ジングホルダ１０８および給液パイプ１０２は、通液型
コンデンサパッケージから絶縁する必要がある。また、
通液型コンデンサパッケージとハウジングホルダ１０８
との間に電気的な伝達が存在すべきではない。

【００３６】電極２０１および電極２０２は、黒磁鉄鉱
（Fe₃O₄）もしくは成形法による黒磁鉄鉱の混合物など
の活性物質により、アルミニウム、銅、チタン、ステン
レス、またはニッケルなどの導電金属箔をコーティング
して製造される。活性物質は、少なくとも１０^-２Sieme
n/cmの導電率ならびに少なくとも１０ガウスの透磁率を
有する。電極を形成するあらゆる成形法、例えばローラ
ーコーティング、浸せきコーティング、スピンコーティ
ング、パワーコーティング、あるいは電気泳動成形法な
どもまた、容易にオートメーション化することができ
る。あるコーティング法、例えばローラーコーティング
などを用いる場合に、前述した粉末を、結合剤、例えば
フッ化ビニリデン樹脂（PVDF）またはポリテトラエチレ
ン（PTFE）などを、適した溶剤で混合し、コーティング
ペーストを形成する。

【００３７】通液型コンデンサの二つの電極として同一
の電極が通液型コンデンサパッケージの製造に用いら
れ、それらの極性は、電極と外部の電源装置との間の接
続方法により決定される。電極２０１と電極２０２との
どちらもが、電源装置を正極へ接続することによりアノ
ードになることができ、そのもう一方の電極２０１もし
くは電極２０２がカノードになる。どちらの配列でも、
通液型コンデンサの脱イオン能力に変わりはない。

【００３８】同業者が知るように、イオン吸着材料を運
ぶ基板箔は、電子も通すので、集電体と名づけられてい
る。集電体は、イオン吸着材料の導電率を増大すること
はないが、通液型コンデンサの電力消費と寿命とに影響
する。図２には示されていないが、電気リードは、基板
箔のつまみになることができ、あるいは集電体に溶接も
しくは機械的にクリンプさせた他の金属ピン・スポット
を使用することもできる。集電体も電気リードも給液と
直接接触させるべきではない。そうしないと、化学反応
が起こりCDIの効率を低減するからである。

【００３９】次に、通液型コンデンサ内部の液体経路の
形成について説明する。図３は、本発明に係る多孔質サ
ポートおよび水平のストリップを有する成形された仕切
りのパターン図である。図３を参照すると、、成形され
た仕切りは、水平のストリップ３０２および垂直のサポ
ート３０４を格子状に具備する。ストリップ３０２は、
サポート３０４よりも高く、例えば０．１mmに対し１mm
の高さであり、通液型コンデンサ内部の液体の流れを誘
導する働きがある。水平のストリップ３０２は、高さ約
０.５mm〜１mm、幅約１mmの寸法を有する矩形の帯の形
状に製造する。中間のストリップは、約３０mm間隔であ
り、上端のストリップと下端のストリップ間の距離は、
電極の長さよりわずかに短く、例えば電極の長さを２mm
下回る。

【００４０】垂直のサポート３０４は、電極表面の最小
限の被覆範囲で、ストリップ３０２の支持に十分な任意
の幅にすることができる。垂直のサポート３０４は、少
なくとも３０mm間隔であり、幅約２mmおよび高さ約０.
１mmを有する。仕切り２０３は、電極２０１と電極２０
２とに接近して介在する（図２に示すとおり）と共に、
仕切りの上端および下端ストリップは、電極の先端と長
さを合わせており、通液型コンデンサ内の液体を制限す
る。仕切りの中間のストリップは、サポート３０４の高
さがストリップの高さより小さいため事実上ゼロ制約の
もとに、約（０.５から１）mm×３０mm×３０mmの空間
を有する複数の横の経路を、液体の流れとして形成す
る。

【００４１】液体はパイプ１０２から放射状にいったん
広がると（図１に示すとおり）、定められた経路内を横
方向および外方向かって流れる。経路に従って、液体
は、接近可能な電極の全表面上を流れる。サポート３０
４は、僅かの量ではあるが電極表面領域をふさぐので、
領域の損失を補うために孔をサポート上に作る。それで
もなお、コンデンサの静電容量は電極間の距離で決定さ
れる。より小さな間隔がより高い静電容量をもたらす一
方で、より大きな制限を液体の流れに生じさせることと
なる。したがって、仕切りストリップの高さは、コンデ
ンサ容量と液体の流動抵抗との間の均衡を保つものとな
っている。仕切りによる電極の間げきは、約０.３mm〜
１mmとさまざまであることができるが、好ましくは０.
５mm〜１mmである。

【００４２】別の実施形態では、垂直のサポートとして
伸縮自在な紙型捺染等を用いて仕切りを形成する。この
場合には、シリコン、ゴム、またはポリウレタンなどの
伸縮自在なポリマーの１mm×１mmの帯である型紙捺染
を、電極に対し縦方向に渡って使用する。仕切りストリ
ップの電極への組み込みは、通液型コンデンサの組立工
程を単純化することができる。

【００４３】本発明において、成形もしくは捺染された
仕切りは、１）電極に絶縁物を提供して電気ショートを
防止する、２）通液型コンデンサの中の流体を制限す
る、３）コンデンサ内部の流体に横方向への流れを作
る、という３つのタスクを行う。通液型コンデンサの仕
切りの加工に使用するポリマー材料は、柔軟性に加え
て、給液中に存在しうる酸、塩基、塩、有機物質、微生
物を含む汚染物質に対して、頑丈かつ抵抗力を有する必
要がある。

【００４４】通液型コンデンサは、液体精製および脱塩
のCDI法の中心の部品である。CDIが、これまでの濾過、
イオン交換、逆浸透のように廃液処理に利用する一般的
な技術になるためには、通液型コンデンサの使用は、よ
り周知された競合技術による方法と同程度に便利である
必要がある。これら競合技術は、通常円筒状の形状に包
装され、ならびに交換式である。一般原則として、廃液
処理法での交換式構成部品の使用は、電球や電池交換と
同じくらい簡単である必要がある。本発明の概要で説明
したように、本発明の通液型コンデンサパッケージは、
この要件を満たすように設計されている。通液型コンデ
ンサパッケージは、単独型であり、また廃液処理を単独
で行うことが可能である。

【００４５】次に、通液型コンデンサパッケージの組立
て、交換について詳細を説明する。図４は、本発明に係
る液体入口、出口、外部電気リード線および通電型コン
デンサのカートリッジを示す図である。図４に示すよう
なホルダー付きで使用するほうが、より優れたものとな
る。図４を参照すると、通液型コンデンサパッケージ４
１５は、ホルダキャップ１０６上の６つのナットでホル
ダ本体１０８へ収められる。別の密閉方法は、キャップ
１０６と本体１０８とにかみ合うねじ山を構成し、構成
部品を手で締められるようにする。ホルダキャップ１０
６の上面には、２つの電気ピン４１１と４１３とがあ
り、電源装置、例えば乾電池、燃料電池、あるいは太陽
電池などに接続するようになっている。通液型コンデン
サ４１５における電気ピン４１１および電気ピン４１３
ならびに通液型コンデンサのパッケージの電極リード
（図示せず）間の電気接続は、スナップ方式のコネクタ
ーにより完全なものとなる。

【００４６】液体は、入口１０２を通じてホルダ１０８
に送り込まれ、通液型コンデンサ４１５を横方向に貫流
するよう誘導され、出口１０４を通じて出ていく。液体
は、入口１０２と出口１０４とに直接的な接触はなく、
出口１０４に到達するまでコンデンサの全長を貫流しな
ければならない。時折、通液型コンデンサ本体のみを交
換する必要はあるが、その他の構成部品は永久に使用す
ることができる。本発明の基となっているスーパーキャ
パシタでは、無機および有機水溶液の両方を電解液とし
て使用しているため、本発明の通液型コンデンサでは、
液体が無機水溶液であろうが有機水溶液であろうが関係
なく、帯電体が存在する限り、あらゆる種類の液体から
帯電体を除去する能力を有する。通液型コンデンサのパ
ッケージ４１５の寸法は、その直径と高さで測定される
のだが、CDI法の望ましい処理能力に基づいて、それ相
応に加工することができる。

【００４７】（実施例）本発明の実施形態の一つとし
て、黒磁鉄鉱粉末もしくはその混合物を使い、CDIによ
るTDS減少に利用される通液型コンデンサの商用モデル
の開発用に、約６０mm×１５０mmの寸法を有する通液型
コンデンサ４１５を製造する。本発明のカギとなる特徴
は、処理される液体を通液型コンデンサの最長経路を貫
流させることにより、通液型コンデンサの電極の有効な
全表面領域を帯電体の吸着に利用することである。それ
ゆえ、脱イオン化の最高処理能力を達成することができ
る。本発明に係る装置を工業的に製造するときは、通液
型コンデンサのサイズと数量を、要望に応じて特注にす
ることができる。本発明に係る装置の液体貫流の方法に
ついてもまた、望ましい目標を達成すべく細心の注意を
払って配置することができる。

【００４８】次に、本発明の実施形態として製造された
通液型コンデンサを用いて、いくつかの実験データを引
用するが、これらの実験データは、液体の精製と脱塩用
の経済的かつ使い易いCDI法を提供することにおいて、
本発明を制限するためではなく、むしろ単に実証するこ
とのみにある。

【００４９】（実験例１）（装置例）１５０mm×４９０mm×０.１mmの寸法のアル
ミ箔に、内部で調合された、水和鉄の混合物の均質なペ
ーストをローラーコーティングして、通液型コンデンサ
を製造する。ペーストは下記による。Fe₃O₄ １gおよび
フッ化ビニリデン樹脂（PVDF[poly(vinylidene fluorid
e)]）０.０３gを、N-メチルピロリドン（NMP(N-methyl-
2-pyrrolidone)）１.５gと混合し、均質化する。溶解
後、ＮＭＰを、ＩＲライトイルミネーション（IR illum
ination）または他の加熱装置で乾燥する。電極と仕切
りとは、図２に示すような１つのロールに巻かれる。

【００５０】アノードおよびカソードの同じ箔より、２
つのつまみを、直流電源装置の電気接続に使用する。ロ
ールの中心に挿入された給液パイプ１０２と共に、通液
型コンデンサをプラスチック製ホルダ本体１０８に入れ
て、ホルダ本体１０８の内側直径は、６０mmで高さは１
５０mmである。それから、ボルトとナットとを用いてキ
ャップ１０６を締めて、ホルダ１０８を封印し、一方で
２つのつまみは、ホルダ１０８の外側に達する。ここで
は、組立による通液型コンデンサとホルダとの組合せ
を、カートリッジと呼ぶ。単一のカートリッジ、もしく
は直列に接続した複数個のカートリッジは、次に説明す
る様々な液体の脱イオン化に使われる。

【００５１】（処理例）液体：導電率１０４０μSの塩化ナトリウム（NaCl）水
溶液電圧：１.０DC Volt 液体流量：５０ml／min カートリッジ数：１、２、３

【００５２】導電率メーターでの計測のために、累積処
理量５０ml毎に処理中の廃水を採集する。カートリッジ
１およびカートリッジ２ならびにカートリッジ３におけ
る最初の５０ml採集の導電率は、それぞれ８４２μS、
６７６μS、３８５μSであり、これらの数値は、通液型
コンデンサ組立品の各セットにおいて１９％、３５％、
６３％の脱塩率もしくはイオン除去率を表している。

【００５３】図６では、流体が通液型コンデンサ組立品
の各セットを単に貫流するときに、除去されたイオンの
量をグラフにしている。図５では、採集した最初の廃水
から後の部分において導電率の急速な増加を示してお
り、これは通液型コンデンサの表面が瞬時に占有される
ことを表している。それでも、廃水は原料の濃度レベル
にまで決して達することはない。

【００５４】（実験例２）（装置例）脱イオン化した水を使用して、廃水が低導電
率（１桁のμS）を示すまで、実施例１で使用した通液
型コンデンサを洗い流す。その再生した通液型コンデン
サを次のテストに利用する。

【００５５】（処理例）液体：導電率１４２０μSの硫酸銅（CuSO₄）水溶液電圧：１.０DC Volt 液体流量：５０ml／min カートリッジ数：２廃水の最初の５０ml採集における導電率は、７２４μS
と計測され、流体が非常に低い電圧に基づきコンデンサ
を単に貫流するときに、イオンが４９％除去されたこと
を表している。

【００５６】（実験例３）（装置例）実施例２と同様の再生方法を用いて、脱塩用
の通液型コンデンサを造る。（処理例）台湾の東海岸にある太平洋に注ぐクリークか
ら海水を採取する。導電率メータの測定限度に従って、
脱イオン化した水を使い海水サンプルを５０倍に稀釈す
る。海水サンプルには２０,０００ppmのTDS（全溶解固
形物）を有すると推定される。さらなる前処理は行わ
ず、希薄にした液体を、次のとおり脱イオン化する。液体：導電率７９３μSの希薄にした海水電圧：１.０DC Volt 液体流量：５０ml／min カートリッジ数：２

【００５７】廃水の最初の５０ml採集での導電率は、６
１９μSと計測され、２１％のイオン除去の割合を示
す。実施例１における同じカートリッジ数の場合と比較
して、今回のケースは、脱イオン化が劣っていることを
示している。これはおそらく、海水のほうが塩化ナトリ
ウム溶液よりも複雑な成分であるためである。

【００５８】（実施例４）（装置例）複合紛Fe₃O₄/Cは、黒磁鉄鉱（Fe₃O₄）の重量
２０％に等しい量の活性炭をソル・ゲル法製造の出発原
料と混合して造る。それは１バッチで合成される。実施
例１と同様、通液型コンデンサの製造と塩水の精製用
に、複合粉のペーストが調合される。

【００５９】（処理例）液体：導電率１０８２μSの塩化ナトリウム水溶液電圧：１.０DC Volt 液体流量：５０ml／min カートリッジ数：１

【００６０】廃水の最初の５０ml採集の導電率は、７７
９μと計測され、廃水が単一のコンデンサを単に貫流す
るときに、イオンの２８％を除去したことを示す。活性
炭は、黒磁鉄鉱よりも多くの表面領域を備えるので、通
液型コンデンサは、この混合物を用いることで、生粋の
金属酸化物よりも高い脱イオン率をもたらすのである。
このような測定値は、スーパーキャパシタのエネルギー
貯蔵の理論に準じている。

【００６１】

【発明の効果】本発明に係る通液型コンデンサは、明ら
かに液体精製および脱塩の実行可能な手段である。本発
明を利用する液体処理装置は、経済的な材料および容易
な製造により、汚染防止および環境保護において使用頻
度の高い技術の一覧に加えることができる。従って、産
業上の利用価値が高い。

【００６２】以上のごとく、実施の形態及び実施例によ
り本発明を開示したが、もとより、本発明を限定するた
めのものではなく、当業者であれば容易に理解できるよ
うに、本発明の技術思想の範囲内において、適当な変更
および修正が当然なされうるものであるから、その特許
権保護の範囲は、特許請求の範囲、およびそれと均等な
領域を基準として定めなければならない。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る通液型コンデンサのカートリッ
ジホルダ内部と液体入口および出口とを示す断面図であ
る。

【図２】本発明に係る電極および仕切りを同軸に巻いた
コンデンサロールを示す斜視図である。

【図３】本発明にかかる多孔質サポートおよび水平のス
トリップを有する成形された仕切りのパターン図であ
る。

【図４】本発明に係る液体の入口と、出口と、外部電気
リードと、通液型コンデンサのカートリッジとを示すCD
Iカートリッジの平面図である。

【図５】本発明に係る通液型コンデンサ１および２なら
びに３を有する構成装備を通じて流れるNaCl（塩化ナト
リウム）溶液を５０ml毎に採集した導電率を示すグラフ
である。、

【図６】本発明に係る通液型コンデンサ１および２なら
びに３を有する構成装備を通じて流れるNaCl（塩化ナト
リウム）溶液を最初の５０ml採集で除去されたイオンの
量を示すグラフである。

【符号の説明】

１０２入口パイプ１０４出口１０６ホルダキャップ１０８ホルダ本体１１０ガスケット１１２ガスケット１１４孔２０１電極２０２電極２０３仕切り３０２水平の細片３０４多孔質サポート４１１電気ピン４１３電気ピン４１５通液型コンデンサーパッケージ４１７ナット

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者王世源台湾台北縣泰山郷明志路三段96巷５号２樓 (72)発明者謝翡珍台湾台中市西区中民里５鄰樂群街154号 (72)発明者李靜恵台湾新竹縣竹北市東海里４鄰東興路312巷 89弄126号 (72)発明者羅萬▲チン▼ 台湾新竹市北区磐石里８鄰西大路780巷６弄23号 (72)発明者謝玉霞台湾彰化縣埔心郷瓦北村員鹿路一段466号Ｆターム(参考） 4D061 DA04 DB18 DB20 DC00 EA02 EB01 EB04 EB16 EB27 EB28 EB30 EB33

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】活性物質および導電箔を含み、前記活性
物質および前記導電箔がフレキシブル一体構造のシート
に形成された第１電極と、前記第１電極上に配置される第1仕切りと、前記活性物質および前記導電箔を含み、前記活性物質お
よび前記導電箔がフレキシブル一体構造のシートに形成
され、前記第１仕切り上に配置される第２電極と、前記第２電極上に配置される第２仕切りとを具備し、前記第１電極、前記第１仕切り、前記第２電極、および
前記第２仕切りは、同軸に巻かれて中心が空洞のロール
を形成し、前記第１仕切りおよび第２仕切りは、前記第
１電極と前記第２電極との間に間隙を形成することを特
徴とする巻込み型の通液型コンデンサ。
【請求項２】前記空洞部に、パイプを挿入し、前記パ
イプは、相対する側に配列した孔を有し、液体を貫流す
ることを特徴とする請求項１に記載の巻込み型の通液型
コンデンサ。
【請求項３】前記パイプは、外部直径が６mm以上より
大きく内部直径が５mmより大きいことを特徴とする請求
項２に記載の巻込み型の通液型コンデンサ。
【請求項４】前記仕切りは、水平のストリップと垂直
の帯状のサポートとで格子状に形成され、前記ストリッ
プの高さが前記サポートの高さより高いことを特徴とす
る請求項１に記載の巻込み型の通液型コンデンサ。
【請求項５】前記サポートは、孔を有すること特徴と
する請求項４に記載の巻込み型の通液型コンデンサ。
【請求項６】前記仕切りは、幅１mmで高さ約０.５mm
〜１.０mmの範囲である水平の複数のストリップと、幅
約２mmで高さ約０.１mmである垂直の複数のサポートと
で格子状を形成し、最上端の前記ストリップと最下端の
前記ストリップとの距離は前記第１電極と前記第２電極
との間の長さより約２mm短く、中間の前記ストリップ
は、３０mm以下の間隔で配置され、前記サポートは、３
０mm以上の間隔で配置されることを特徴とする請求項１
に記載の巻込み型の通液型コンデンサ。
【請求項７】前記サポートは、孔を有すること特徴と
する請求項６に記載の巻込み型の通液型コンデンサ。
【請求項８】請求項１から請求項７までの巻込み型の
通液型コンデンサのいずれか一つを備えること特徴とす
る液体処理装置。