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特表2022-521401流体中の分極分子を除去するための非一様な電場を作り出すための電極装置
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2022-04-07
(54)【発明の名称】流体中の分極分子を除去するための非一様な電場を作り出すための電極装置
(51)【国際特許分類】
C02F 1/48 20060101AFI20220331BHJP
B03C 9/00 20060101ALI20220331BHJP
【ＦＩ】
C02F1/48 B
B03C9/00
【審査請求】有
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2021548657
(86)(22)【出願日】2020-02-18
(85)【翻訳文提出日】2021-10-19
(86)【国際出願番号】 US2020018585
(87)【国際公開番号】W WO2020172132
(87)【国際公開日】2020-08-27
(31)【優先権主張番号】62/807,797
(32)【優先日】2019-02-20
(33)【優先権主張国・地域又は機関】US
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】502243376
【氏名又は名称】ボード オブ トラスティーズ オブ ミシガン ステート ユニバーシティ
(71)【出願人】
【識別番号】518044240
【氏名又は名称】フラウンホーファー・ユー・エス・エイ・インコーポレイテッド
【氏名又は名称原語表記】ＦＲＡＵＮＨＯＦＥＲ ＵＳＡ， ＩＮＣ．
(74)【代理人】
【識別番号】110000338
【氏名又は名称】特許業務法人ＨＡＲＡＫＥＮＺＯ ＷＯＲＬＤ ＰＡＴＥＮＴ ＆ ＴＲＡＤＥＭＡＲＫ
(72)【発明者】
【氏名】ファン，チー ファ
(72)【発明者】
【氏名】ワン，コーリアン
【テーマコード（参考）】
4D054
4D061
【Ｆターム（参考）】
4D054HA01
4D061DA03
4D061DB18
4D061DC11
4D061EA10
4D061EB04
4D061EB14
4D061EB19
4D061EB23
4D061EB28
4D061EB29
4D061EB30
4D061EB35
4D061EB40
4D061FA06
(57)【要約】
電極装置（２１）および方法は、流体中の分極分子を除去する。別の態様では、非一様な電場は、アノード（４３、１０５）とカソード（４１、１０７）との間に作り出され、前記流体は、前記カソードと前記アノードとの間のギャップ（４５、１３５）内を流れ、前記分極分子は、化学反応を受けることなく、静電気力によって前記アノードへと押しやられ、前記アノードに吸着される。
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体中の分極分子を除去するための方法であって、（ａ）アノードとカソードとの間に電圧を供給する工程と、
（ｂ）前記アノードと前記カソードとの間に、非一様な電場を作り出す工程と、
（ｃ）カソードと前記アノードとの間のギャップ内に前記流体を流す工程と、
（ｄ）対応する電流の流れを生じさせることなく、工程（ｂ）の助けにより、前記流体中の前記分極分子の前記アノードへの移動を生じさせる工程と、
（ｅ）前記分極分子を前記アノード上にトラップする工程と、
を含む、方法。
【請求項2】
前記流体が気体であり、かつ前記アノードが導電性の多孔質材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記流体が液体であり、かつ前記アノードが導電性の多孔質材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記カソードが前記アノードの周囲を取り囲んでおり、前記分極分子が前記流体から除去されるとき、前記分極分子に対して化学反応が起こらない、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記流体を流す前記工程が、給水栓に取り付けられた前記カソードと前記給水栓に取り付けられた前記アノードとの間の前記ギャップを通じて、飲料水を流すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記流体を流す前記工程が、前記アノードおよび前記カソードが取り付けられた工業用水処理配管システムを通じて行われる工程であり、前記システムが、汚染水供給リザーバと、電極ベースのプレシピテータと、水ポンプと、複数のセンサと、複数のパイプと、を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記カソードが、長手方向に細長く、かつ実質的に円筒形であり、前記ギャップが、円筒形であり、かつ前記アノードを取り囲んでおり、
前記アノードが、前記カソードの内径の半分未満の外径を有し、
前記ギャップが、前記アノードと前記カソードとの間にある、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記アノードと前記カソードとの間に電位差を作り出す工程をさらに含み、前記分子を除去することが、追加のフィルタリングなしで、複数のＰＦＡＳ分子を前記アノードの方へ押しやるか、または引きつけることによって、前記流体から前記複数のＰＦＡＳ分子を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記アノードと前記カソードとの間に電位差を作り出す工程をさらに含み、前記分子を除去することが、追加のフィルタリングなしで、前記分子を前記アノードの方へ押しやるか、または引きつけることによって、前記流体からベンゼン、二酸化炭素、または二酸化硫黄のうちの少なくとも１つを除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
バッテリから前記アノードに電力を供給することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項11】
前記アノードが、固体棒上におけるプラズマ活性炭を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項12】
流体中の分極分子を除去するための方法であって、（ａ）アノードとカソードとの間に電圧を供給する工程であって、前記アノードが、（ｉ）導電性の多孔質材料、または（ｉｉ）プラズマ活性炭のうちの少なくとも一方を備える工程と、
（ｂ）前記アノードと前記カソードとの間に電位差を作り出す工程と、
（ｃ）カソードと前記アノードとの間のギャップ内に前記流体を流す工程と、
（ｄ）対応する電流の流れを生じさせることなく、かつ前記分子において化学反応を引き起こすことなく、工程（ｂ）の助けにより、前記流体中の前記分極分子の前記アノードへの移動を生じさせる工程と、
を含む、方法。
【請求項13】
前記流体が気体であり、前記アノードが前記導電性の多孔質材料を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項14】
前記流体が液体であり、前記アノードが前記導電性の多孔質材料を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項15】
前記流体を流す前記工程が、給水栓に取り付けられた前記カソードと前記給水栓に取り付けられた前記アノードとの間の前記ギャップを通じて、飲料水を流すことを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項16】
前記流体を流す前記工程が、前記アノードおよび前記カソードが取り付けられた工業用水処理配管システムを通じて行われる工程であり、前記システムが、汚染水供給リザーバと、電極ベースのプレシピテータと、水ポンプと、複数のセンサと、複数のパイプと、を備える、請求項１２に記載の方法。
【請求項17】
前記カソードが、長手方向に細長く、かつ実質的に円筒形であり、前記ギャップが、円筒形であり、かつ前記アノードを取り囲んでおり、
前記アノードが、前記カソードの内径の半分未満の外径を有し、
前記ギャップが、前記アノードと前記カソードとの間にある、請求項１２に記載の方法。
【請求項18】
前記分子を除去することが、追加のフィルタリングなしで、複数のＰＦＡＳ分子を前記アノードの方へ押しやるか、または引きつけることによって、前記流体から前記複数のＰＦＡＳ分子を除去することを含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項19】
バッテリから前記アノードに電力を供給することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項20】
前記アノードが、固体棒上における前記プラズマ活性炭を含む、請求項１２に記載の方法。
【請求項21】
電極装置を作る方法であって、（ａ）（ｉ）プラズマ活性炭、または（ｉｉ）導電性の多孔質金属のうちの少なくとも一方を備える棒状の細長いアノードを作り出す工程と、
（ｂ）前記アノードの周囲をカソードで取り囲む工程と、
（ｃ）前記アノードおよび前記カソードを流体の流れる導管に接続する工程と、
（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間に電位差および非一様な電場を作り出して、前記アノードと前記カソードとの間を作用可能に通過する流体から汚染物質を除去するように構成された電気回路を、前記アノードおよび前記カソードに結合する工程と、
を含む方法。
【請求項22】
前記アノードが前記プラズマ活性炭を備え、前記汚染物質がＰＦＡＳを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項23】
前記アノードが前記導電性の多孔質金属を備え、前記汚染物質がＰＦＡＳを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項24】
前記導管を飲料水の給水栓に結合する工程と、バッテリを前記回路に接続する工程と、
をさらに含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項25】
（ａ）（ｉ）プラズマ活性炭、または（ｉｉ）導電性の多孔質金属のうちの少なくとも一方を備える細長いアノードと、（ｂ）流体が間を流れることができるように構成された、前記アノードの外表面の周りに同軸状に位置するカソードと、
（ｃ）前記アノードと前記カソードとの間に（ｉ）非一様な電場、または（ｉｉ）電位差のうちの少なくとも一方を作り出すように構成された、前記アノードおよび前記カソードに結合された電気回路と、
を備える電極装置。
【請求項26】
前記アノードが前記プラズマ活性炭を備え、前記汚染物質がＰＦＡＳを含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項27】
前記アノードが前記導電性の多孔質金属を備え、前記汚染物質がＰＦＡＳを含む、請求項２５に記載の装置。
【請求項28】
前記アノードと前記カソードとが結合された飲料水給水栓と、前記回路に接続されたバッテリと、
をさらに備える、請求項２５に記載の装置。
【請求項29】
前記カソードが、長手方向に細長く、かつ実質的に円筒形であり、前記ギャップが、円筒形であり、かつ前記アノードを取り囲んでおり、
前記アノードが、前記カソードの内径の半分未満の外径を有し、
前記ギャップが、前記アノードと前記カソードとの間にある、請求項２５に記載の装置。
【請求項30】
前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードと前記カソードとの間に電流の流れを生じさせることなく、かつ化学反応を引き起こすことなく、前記ギャップを通って流れる前記流体から、（ａ）ＰＦＡＳ、（ｂ）ベンゼン、（ｃ）二酸化炭素、または（ｄ）二酸化硫黄のうちの少なくとも１つを除去するように作用可能である、請求項２５に記載の装置。
【請求項31】
前記アノードと前記カソードとが結合された煙突または排気管をさらに備える、請求項２５に記載の装置。
【請求項32】
前記アノードと前記カソードとが結合された工業用水処理システムをさらに備え、前記システムが、ポンプと、複数のセンサと、リザーバと、複数のバルブと、を備える、請求項２５に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【発明の詳細な説明】
【0001】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、２０１９年２月２０日に出願された米国仮出願第６２／８０７、７９７号の利益を主張する。上記出願の開示の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０１９年２月２０日に出願された米国仮出願第６２／８０７、７９７号の利益を主張する。上記出願の開示の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【0002】
〔政府の権利〕
この発明は、政府の支援を受けてなされたものである（国立科学財団による助成金番号第１７００７８５号、第１７００７８７号および第１７２４９４１号）。本発明において、政府は一定の権利を有する。
この発明は、政府の支援を受けてなされたものである（国立科学財団による助成金番号第１７００７８５号、第１７００７８７号および第１７２４９４１号）。本発明において、政府は一定の権利を有する。
【0003】
〔背景および概要〕
パーフルオロおよびポリフルオロアルキル物質（（Per-and-polyfluoroalkyl substances））（「ＰＦＡＳ」）は、ヒトの健康への悪影響につながり得る、環境内および人体内において非常に高い残存性のある人工の化学物質のグループである。ＰＦＡＳ分子は、フルオロケミカルを製造するために用いられる工業プロセスによって大気中および水中へと放出されるものであり、防水剤および消火泡として一般に使用されている。ＰＦＡＳ分子はまた、廃棄物および下水汚泥の処分を通じて、ならびに消防における使用の結果として、地下水および地表水に入っている。
パーフルオロおよびポリフルオロアルキル物質（（Per-and-polyfluoroalkyl substances））（「ＰＦＡＳ」）は、ヒトの健康への悪影響につながり得る、環境内および人体内において非常に高い残存性のある人工の化学物質のグループである。ＰＦＡＳ分子は、フルオロケミカルを製造するために用いられる工業プロセスによって大気中および水中へと放出されるものであり、防水剤および消火泡として一般に使用されている。ＰＦＡＳ分子はまた、廃棄物および下水汚泥の処分を通じて、ならびに消防における使用の結果として、地下水および地表水に入っている。
【0004】
米国特許出願公開第２０１８／０２２２７８１号は、Ｌｉｕらによるものであり、「Ｗａｔｅｒ Ｐｕｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ Ｐｏｒｏｕｓ Ｃａｒｂｏｎ Ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ」と題され、２０１８年８月９日に公開された。この特許出願公開は、参照により本明細書に組み込まれる。この装置は、並列電極間を流れる電流を用いることにより、電気分解化学反応プロセスを使用して、汚染物質を小さくかつ安定な分子へと分解する。
【0005】
本発明によれば、電極装置および方法は、流体中の分極分子を除去する。別の態様では、前記流体内に位置するアノードに電位が与えられ、前記流体は、前記アノードと周囲のカソードとの間のギャップ内を流れ、前記アノードと前記カソードとの間には、非一様な電場が作り出される。さらなる態様は、液体流体または気体流体中の分極分子のアノードの方への移動を生じさせる。別の態様では、導電性の多孔質材料はアノードであり、かつ当該導電性の多孔質材料は接地されたカソードにより周囲を取り囲まれており、前記アノードと前記カソードとの間を流体が流れ、同態様ではさらに、前記アノードと前記カソードとの間に電流の流れを生じさせることなく、かつ／または、前記分極分子への化学反応なしに、前記流体中の分極分子（例えば、ＰＦＡＳ、またはその他の分子等）が前記アノードの方へ押しやられる。さらなる態様では、アノードは、多孔質（ポーラス）金属および／または多孔質活性炭から作製されている。
【0006】
さらに、別の態様は、多孔質金属の発泡体であり得る金属箔シートを作る工程と、前記箔シートに活性炭層を付着させる工程と、前記箔と前記活性炭とのアセンブリを略円筒形状へと巻くか、または曲げる工程と、を含む、アノードを製造するための方法を含む。この方法はさらに、前記箔／炭素アノードと周囲のカソードとの間に電場を加える工程と、前記アノードと前記カソードとの間に液体流体または気体流体を流す工程と、電流の流れを生じさせることなく、複数の分極分子を前記アノードへと電気的に引きつける工程と、を含み得る。本発明の装置および方法のさらなる態様は、前記アノードおよび前記カソードが取り付けられた飲料水給水栓を含む。本発明の装置および方法のさらに別の態様は、工業用水流体処理配管システムの一部として、前記アノードおよび前記カソードを用いる。さらなる利点および特徴は、添付の図面と併せて、以下の説明および添付の特許請求の範囲において開示されることだろう。
【0007】
〔図面の簡単な説明〕
図１は、本発明の電極装置を用いた工業用水処理装置を示す概略図である；
図２は、本発明の電極装置を示す、図１の線２－２に沿った縦断面図である；
図３は、図２の本発明の電極装置を示す概略図である；
図４は、本発明の電極装置を示す、図３の線４－４に沿った断面図である；
図５は、本発明の電極装置が使用される分極したＰＦＡＳ分子のモデルである；
図６は、本発明の電極装置を用いた飲料水給水栓装置を示す斜視図である；
図７は、本発明の電極装置を示す、図６の線７－７に沿った縦断面図である；
図８は、本発明の電極装置において使用されるアノードを作るための、第１の製造プロセスを示す一連の斜視図である；
図９は、本発明の電極装置において使用されるアノードを示す、図８の線９－９に沿った断面図である；
図１０は、本発明の電極装置のアノードを作るための、第２の製造プロセスを示す一連の斜視図である；
図１１は、本発明の電極装置のアノードを示す、図１０の線１１－１１に沿った断面図である；
図１２は、本発明の電極装置のアノードを作るための、第３の製造プロセスを示す一連の斜視図である；
図１３は、本発明の電極装置のアノードを示す、図１２の線１３－１３に沿った断面図である；
図１４は、本発明の電極装置のアノードにおいて使用されるバイオ炭（biochar）のゼータ電位を示すグラフである。
図１は、本発明の電極装置を用いた工業用水処理装置を示す概略図である；
図２は、本発明の電極装置を示す、図１の線２－２に沿った縦断面図である；
図３は、図２の本発明の電極装置を示す概略図である；
図４は、本発明の電極装置を示す、図３の線４－４に沿った断面図である；
図５は、本発明の電極装置が使用される分極したＰＦＡＳ分子のモデルである；
図６は、本発明の電極装置を用いた飲料水給水栓装置を示す斜視図である；
図７は、本発明の電極装置を示す、図６の線７－７に沿った縦断面図である；
図８は、本発明の電極装置において使用されるアノードを作るための、第１の製造プロセスを示す一連の斜視図である；
図９は、本発明の電極装置において使用されるアノードを示す、図８の線９－９に沿った断面図である；
図１０は、本発明の電極装置のアノードを作るための、第２の製造プロセスを示す一連の斜視図である；
図１１は、本発明の電極装置のアノードを示す、図１０の線１１－１１に沿った断面図である；
図１２は、本発明の電極装置のアノードを作るための、第３の製造プロセスを示す一連の斜視図である；
図１３は、本発明の電極装置のアノードを示す、図１２の線１３－１３に沿った断面図である；
図１４は、本発明の電極装置のアノードにおいて使用されるバイオ炭（biochar）のゼータ電位を示すグラフである。
【0008】
〔詳細な説明〕
工業用水処理システム２３において使用される電極装置２１の第１の好ましい実施形態が、図１～図４に示されている。水処理システム２３は、汚染水供給リザーバまたはタンク２５と、除染された水を受け入れまたは保持するリザーバまたはタンク２７と、１つ以上の電極ベースのプレシピテータ（precipitator：集塵器）または処理ユニット３１および３３と、を含む。処理ユニット３１のバルブ３７は、タンク間を汚染水３５が流れることができるように、オンにされる一方、処理ユニット３３のバルブ３９は、例えばその中のアノードがクリーニングされおよび／または取替えられる必要がある場合に、その中の流体の流れを停止するために、任意選択的にオフにされ得るが、またはその逆もあり得る。さらに、水ポンプ、複数のセンサ、複数のパイプおよびその他の配管系統構成要素が、タンク２５から処理ユニット３１および／または３３を通じてタンク２７へと水３５を流すために、使用され得る。
工業用水処理システム２３において使用される電極装置２１の第１の好ましい実施形態が、図１～図４に示されている。水処理システム２３は、汚染水供給リザーバまたはタンク２５と、除染された水を受け入れまたは保持するリザーバまたはタンク２７と、１つ以上の電極ベースのプレシピテータ（precipitator：集塵器）または処理ユニット３１および３３と、を含む。処理ユニット３１のバルブ３７は、タンク間を汚染水３５が流れることができるように、オンにされる一方、処理ユニット３３のバルブ３９は、例えばその中のアノードがクリーニングされおよび／または取替えられる必要がある場合に、その中の流体の流れを停止するために、任意選択的にオフにされ得るが、またはその逆もあり得る。さらに、水ポンプ、複数のセンサ、複数のパイプおよびその他の配管系統構成要素が、タンク２５から処理ユニット３１および／または３３を通じてタンク２７へと水３５を流すために、使用され得る。
【0009】
より詳細には、各プレシピテータおよび処理ユニット３１および３３は、長手方向に細長くかつ略円筒形状のカソード電極４１の内部に位置する略円筒形状でかつ長手方向に細長いアノード電極４３を同心状に取り囲む、当該長手方向に細長くかつ略円筒形状のカソード電極４１を含む。円筒形ギャップ４５は、アノードの外径周囲とカソード４１の内径面との間においてアノード４３を同心状に取り囲んでおり、その結果、カソードとアノードとは互いに離隔しており、水３５がギャップ４５内を長手方向に流れることができる。アノードは、好ましくはカソードの内径の半分未満の外径を有するが、かかる関係は、異なる使用（用途）に応じてさまざまであり得る。
【0010】
アノード４３は、好ましくは多孔質構造を有する、導電性でかつ耐食性の棒物質４７である。アノード４３は、例えば銅、ステンレス鋼、ニッケル、またはそれらの合金等の金属であり得る。あるいは、アノード４３は、外側に活性炭４９の層を有する、金属のコア４７から構成されている。活性炭４９は好ましくは、２０１８年７月２６日に本発明の共同発明者の一人であるＱｉ Ｈｕａ Ｆａｎにより公開された「Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｆｉｅｌｄ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｐｌａｓｍａ ｆｏｒ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ」という名称のＰＣＴ国際公開第２０１８／１３６５０２号、および、２０１７年９月５日に本発明の共同発明者であるＱｉ Ｈｕａ Ｆａｎに付与された「Ｍｅｔｈｏｄ ｆｏｒ Ｐｌａｓｍａ Ａｃｔｉｖａｔｉｏｎ ｏｆ Ｂｉｏｃｈａｒ Ｍａｔｅｒｉａｌ」という名称の米国特許第９，７５４，７３３号に開示されているようにして、処理される。両者は、参照により本明細書に組み込まれる。活性炭層４９は、少なくとも１μｍの厚さを有し、６００ｍ２／ｇよりも大きな表面積を有することが好ましい。ＰＦＡＳの吸着のためには、相対的に正の表面電位を有するプラズマ活性炭を使用することが好ましい。さらに、カソード４１は、導電性でかつ耐食性のチューブ状（筒状）の金属物質であり、好ましくは銅であるが、あるいはステンレス鋼、ニッケル、またはそれらの合金である。
【0011】
電気回路５１は、直流電源５３をアノード４３の端部５５に電気的に接続し、これに正のＤＣ電圧を供給する。好ましい電圧範囲は１～１００ボルトであり、より好ましくは３～４０ボルトであるが、しかしながら、他の流体に対しては、より大きな電圧が使用され得る。別の電気回路５７は、カソード４１の端部をグラウンド５９に電気的に結合する。電極の非対称性ゆえに、例えば、アノード４３のより小さな外径とカソード４１のより大きな内径との間の流体に曝される（露出した）表面の面積の大きさの差ゆえに、ギャップ４５内に非一様な電場が作り出される。アノード４３とカソード４１との間には電位差が存在するが、しかしながら、ギャップ４５内の淡水は弱い導電体であり、実質的に絶縁体として振る舞うから、これらの電極間には実質的に電流が流れない。ＰＦＡＳの輸送に対応する電流の流れが存在しない。したがって、除去されるべき分極した汚染物質以外に水中の不純物がないものと仮定すると、水中の電極間には電流が存在しない。
【0012】
図２において最もよく見ることができるように、電気コネクタ７１は、アノード４３の結合端部５５を端部取付け部７３内に保持している。本実施例では、端部取付け部７３がＴ字パイプ接合部７５にねじ結合されている。さらに、中間取付け部７７は、カソード４１の結合端部７９をパイプ接合部７５にねじ結合している。追加のパイプまたは汚染水供給管路８１は、別の取付け部８３を介してパイプ接合部７５に結合されている。同様の構成が、処理ユニット３１の反対側の端部に設けられている。カソードおよびアノードの長手方向の長さおよび横手方向の直径、ならびに、それらの間にあるギャップの流通面積（flow through area）は、流体の流量、除去されるべき分極分子の汚染物質の濃度、および使用されるアノードの吸着能力にマッチするような大きさとされる、ということを理解されたい。それにもかかわらず、アノード４３の長手方向長さは、その外径の少なくとも１０倍、より好ましくは少なくとも２０倍であることが想定される。
【0013】
ここで図４および図５を参照するが、本発明の電極装置および方法によって除去されるべき汚染物質は、分極分子９１であり、好ましくは、少なくとも炭素原子およびフッ素原子から構成されるＰＦＡＳ分子である。Ｅは、アノード４３とカソード４１との間の非一様な電場を示す。当該電場は、分極分子９１をアノード４３の方へ押しやるか、または引きつけ、次いで、当該分極分子９１は、多孔質アノード内に吸着される。電極間には、電流が全く流れないか、または最小限の電流しか流れないため、分子９１に対して、化学反応または電気分解が生じない、ということに注意されたい。このように、アノードは、水がアノードを通過して流れるときに、分極分子の汚染物質を水から除去する役割を果たす。流れる飲料水からこれらの分極分子を除去するために、追加のフィルタリング（濾過）または化学反応は必要ではないはずである。定期的に、汚染物質の溜まったアノードが除去されて、取替えまたはクリーニングのいずれかがなされることになる。
【0014】
あるいは、ＰＦＡＳ以外の分極分子が本発明の電極装置および方法の使用によって除去され得る、ということが想定される。さらに、あるいは分極分子は、例えば燃焼煙突内または排気管内等にある、他の液体流体および気体流体から除去され得る。他の分極分子の汚染物質は、ベンゼン、二酸化炭素、および二酸化硫黄等を含む。
【0015】
本発明の電極装置および方法の例示的な第２の好ましい実施形態の住宅用の実装が、図６および図７に示されている。住宅用飲料水給水栓１０１は、その先端部に隣接するアダプタ１０３を含む。アダプタ１０３は、アノード電極１０５、および同心状に取り囲むカソード電極１０７を使用しており、両者ともに長手方向に細長い。ねじ山付き結合部１０９は、カソード１０７の近位端部を、給水栓１０１の出口パイプ１１１に取り外し可能に結合する。さらに、一対のポリマー絶縁体１３１および１３３はそれぞれ、向かい合うアノード１０５の外面とカソード１０７の内面との間に水が流れることができるギャップ１３５を確保しながら、アノード１０５をカソード内に取り付けて絶縁する。また、カソード１０７の段付き凹部１３９内に絶縁体１３１を固定するために、ポリマーのカバープレート１３７が設けられている。カバープレート１３７は、ねじ山、接着剤またはプレスばめによって、カソードの内側に取り付けられ得る。カバープレート１３７は、複数の長手方向に開いた穴１４１を含み、絶縁体１３１は、複数の位置合わせされた（整合した）長手方向にアクセス可能な穴１４３を含み、そして、カソード１０７の遠位端部はさらに、長手方向にアクセス可能な穴１４５を含む結果、飲料水がそれらを通って流れることができるようになっている。バッテリ電源１４７は、アノード１０５に電気的に接続されており、当該バッテリ電源１４７は、絶縁体１３１とカバープレート１３７との間に保持されているか、または、ワイヤ（有線）もしくはスタンプ（印刷）された回路（stamped circuit）により遠隔の異なる場所にあって、アノード１０５の端部に電圧を供給している。Ｏリング１４９は、さまざまな構成要素（コンポーネント）をシールするために使用されている。アノードおよびカソードは、飲料水から分極分子の汚染物質を除去し、それをアノードに吸着するための、従来の工業的な構成と実質的に同じように機能する。
【0016】
本発明のアノード４３の第１の製造方法および構造が、図８および図９に示されている。プラズマ活性炭（plasma activated carbon）４９は、バインダ材料を含み、プレスされ、加熱されて、活性炭およびバインダの組成物が一方の端から他方の端まで断面積全体にわたって均一に広がった、一体でかつ均一な固体棒を形成する。図１０および図１１は、アノード１４３の別の製造プロセスおよび構成を示す。バインダ材料と混合された活性炭４９の層が、例えば銅、ステンレス鋼、ニッケル、またはそれらの合金等の、導電性でかつ耐食性の金属棒１５３の外径表面１５１にコーティングされるか、またはそうでなければ付着される。当該金属棒１５３は、略円筒形状でかつ長手方向に細長い形状を有する。好ましくは、アノード１４３のコーティングされた棒アセンブリは、端部セクション１５７がその上に活性炭４９を有しないように、棒１５１の中央領域１５５においてのみコーティングされる。これは、コーティングされていない当該端部セクション１５７がより容易かつより効果的に電気コネクタに電気的に結合することを、有利に可能にする。
【0017】
アノード２４３の第３の製造プロセスおよび構成は、図１２および図１３において見ることができる。まず、発泡金属シートまたは箔１７１を用意する。発泡箔１７１は好ましくは、約３４６ｇ／ｍ２の面密度と９５％以上のポロシティ（空隙率）とを有し、１インチ当たり８０～１１０個の細孔、および約０．２５ｍｎの平均孔径を有する、ニッケル発泡体である。かかるニッケル発泡箔の１つは、ＭＴＩ社（MTI Corporation）から入手することができる。しかしながら、その他の金属発泡体、または、あまり好ましくはないものの、非発泡金属シートが使用され得ることを理解されたい。
【0018】
次に、好ましくはバインダと混合された活性炭材料を、金属発泡箔１７１の多孔質外表面に、略平坦な状態で堆積させるか、コーティングするか、またはそうでなければ付着させる。一例では、活性炭４９は混合されスラリーとされて、金属発泡体箔１７１の開孔（open pores）内に圧入されるが、それは平坦な状態にある。次に、活性炭スラリーと発泡体とのアセンブリを、約６０～１００℃で熱し、乾燥させる。例示的なバインダは、セルロース系であり得る。続いて、箔と活性炭とのアセンブリを巻き、ロールし、または曲げて、中空中心１７３を有する円筒形状にし、エッジシーム（端の継ぎ目）１７５を互いにくっつけて完全な断面円を形成する。任意選択的に、端部キャップ１７７が、巻かれたアノード２４３の両端部に固定され、中空中心１７３を通る流体の流れを防止する。これらのアノード構成４３、１４３、および２４３のいずれについても、本明細書に開示される工業用装置または住宅用装置のいずれにおいても、相互交換可能に使用され得る。
【0019】
図１４は、当該活性炭のゼータ電位（Zeta potential）を示す。ＣＨ４、Ｏ２Ｈ２およびＮ２等の種々のプラズマガスのプリカーサ（原料物質）の使用は、活性炭の表面電位を効率的に調整し、汚染物質分子の吸着を容易にするために、炭のプラズマ活性化において採用され得る。これは、活性炭の表面電位のチューニングまたはシフトを可能にし、その結果、それは、特定の汚染物質が最も効果的に吸着されるように調整され得る。本実施例では、プラズマ活性化中にＨ２を使用することが、本発明の装置におけるアノード内へのＰＦＡＳ吸着には最も適している。
【0020】
さまざまな実施形態を開示してきたが、当該電極装置および方法の追加の変形実施形態もまた想定されることを理解されたい。例えば、本発明の利点のうちのいくつかが十分には達成されないことがあり得るものの、追加のまたは異なるハードウェアコンポーネントが使用され得る。多孔質金属または他の導電性材料で作られたアノードを使用することもできる。特定の電極およびパイプ形状を開示してきたが、本発明の利点のうちの全てが十分には達成されないことがあり得るものの、代替の形状（例えば、非一様な電場を作り出す、八角形、楕円形またはその他の断面形状）を使用し得ることを理解されたい。また、前述の特徴のいずれもが、他の特徴のいずれもと相互に交換され、かつ相互に組み合わせされ得ることにも注意されたい。したがって、従属請求項のうちの任意のものおよび／またはすべては、その先行する請求項のすべてに依存し得、任意の組合せにおいて一緒に組み合わされ得る。変形実施形態は本開示からの逸脱と見なされるべきではなく、全てのかかる変更（修正）は本発明の範囲および趣旨内に含まれる資格を有する。
【図面の簡単な説明】
【0021】
【図1】本発明の電極装置を用いた工業用水処理装置を示す概略図である。
【図5】本発明の電極装置が使用される分極したＰＦＡＳ分子のモデルである。
【図6】本発明の電極装置を用いた飲料水給水栓装置を示す斜視図である。
【図8】本発明の電極装置において使用されるアノードを作るための、第１の製造プロセスを示す一連の斜視図である。
【図10】本発明の電極装置のアノードを作るための、第２の製造プロセスを示す一連の斜視図である。
【図12】本発明の電極装置のアノードを作るための、第３の製造プロセスを示す一連の斜視図である。
【図14】本発明の電極装置のアノードにおいて使用されるバイオ炭（biochar）のゼータ電位を示すグラフである。
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【手続補正書】
【提出日】2021-10-19
【手続補正1】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項1】
流体中の分極分子を除去するための方法であって、（ａ）アノードとカソードとの間に電圧を供給する工程と、
（ｂ）前記アノードと前記カソードとの間に、非一様な電場を作り出す工程と、
（ｃ）カソードと前記アノードとの間のギャップ内に前記流体を流す工程であって、前記カソードが、前記アノードの少なくとも過半を取り囲んでいる工程と、
（ｄ）対応する電流の流れを生じさせることなく、工程（ｂ）の助けにより、前記流体中の前記分極分子の前記アノードへの移動を生じさせる工程と、
（ｅ）前記分極分子を前記アノード上にトラップする工程と、
を含む、方法。
【請求項2】
前記流体が気体であり、かつ前記アノードが導電性の多孔質材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記流体が液体であり、かつ前記アノードが導電性の多孔質材料を含む、請求項１に記載の方法。
【請求項4】
前記カソードが前記アノードの周囲を取り囲んでおり、前記分極分子が前記流体から除去されるとき、前記分極分子に対して化学反応が起こらず、
前記アノードの電気的に結合された端部が、前記カソードの端部を越えて突き出ている、請求項１に記載の方法。
【請求項5】
前記流体を流す前記工程が、給水栓に取り付けられた前記カソードと前記給水栓に取り付けられた前記アノードとの間の前記ギャップを通じて、飲料水を流すことを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項6】
前記流体を流す前記工程が、前記アノードおよび前記カソードが取り付けられた工業用水処理配管システムを通じて行われる工程であり、前記システムが、汚染水供給リザーバと、電極ベースのプレシピテータと、水ポンプと、複数のセンサと、複数のパイプと、を備える、請求項１に記載の方法。
【請求項7】
前記カソードが、長手方向に細長く、かつ実質的に円筒形であり、前記ギャップが、円筒形であり、かつ前記アノードを取り囲んでおり、
前記アノードが、前記カソードの内径の半分未満の外径を有し、
前記ギャップが、前記アノードと前記カソードとの間にあり、
前記アノード全体が、前記カソードの内部にある、請求項１に記載の方法。
【請求項8】
前記アノードと前記カソードとの間に電位差を作り出す工程をさらに含み、前記分子を除去することが、追加のフィルタリングなしで、複数のＰＦＡＳ分子を前記アノードの方へ押しやるか、または引きつけることによって、前記流体から前記複数のＰＦＡＳ分子を除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項9】
前記アノードと前記カソードとの間に電位差を作り出す工程をさらに含み、前記分子を除去することが、追加のフィルタリングなしで、前記分子を前記アノードの方へ押しやるか、または引きつけることによって、前記流体からベンゼン、二酸化炭素、または二酸化硫黄のうちの少なくとも１つを除去することを含む、請求項１に記載の方法。
【請求項10】
流体中の分極分子を除去するための方法であって、（ａ）アノードとカソードとの間に電圧を供給する工程であって、前記アノードが、（ｉ）導電性の多孔質材料、または（ｉｉ）プラズマ活性炭のうちの少なくとも一方を備える工程と、
（ｂ）前記アノードと前記カソードとの間に電位差を作り出す工程と、
（ｃ）カソードと前記アノードとの間のギャップ内に前記流体を流す工程であって、前記カソードが、前記アノードの少なくとも過半を取り囲んでいる工程と、
（ｄ）対応する電流の流れを生じさせることなく、かつ前記分子において化学反応を引き起こすことなく、工程（ｂ）の助けにより、前記流体中の前記分極分子の前記アノードへの移動を生じさせる工程と、
を含む、方法。
【請求項11】
前記流体が気体であり、前記アノードが前記導電性の多孔質材料を含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項12】
前記流体が液体であり、前記アノードが前記導電性の多孔質材料を含み、
前記アノードの電気的に結合された端部が、前記カソードの隣接する端部を越えて突き出ている、請求項１０に記載の方法。
【請求項13】
前記流体を流す前記工程が、給水栓に取り付けられた前記カソードと前記給水栓に取り付けられた前記アノードとの間の前記ギャップを通じて、飲料水を流すことを含み、
前記アノード全体が、前記カソード内に位置する、請求項１０に記載の方法。
【請求項14】
前記流体を流す前記工程が、前記アノードおよび前記カソードが取り付けられた工業用水処理配管システムを通じて行われる工程であり、前記システムが、汚染水供給リザーバと、電極ベースのプレシピテータと、水ポンプと、複数のセンサと、複数のパイプと、を備える、請求項１０に記載の方法。
【請求項15】
前記カソードが、長手方向に細長く、かつ実質的に円筒形であり、前記ギャップが、円筒形であり、かつ前記アノードを取り囲んでおり、
前記アノードが、前記カソードの内径の半分未満の外径を有し、
前記ギャップが、前記アノードと前記カソードとの間にある、請求項１０に記載の方法。
【請求項16】
前記分子を除去することが、追加のフィルタリングなしで、複数のＰＦＡＳ分子を前記アノードの方へ押しやるか、または引きつけることによって、前記流体から前記複数のＰＦＡＳ分子を除去することを含む、請求項１０に記載の方法。
【請求項17】
バッテリから前記アノードに電力を供給することをさらに含む、請求項１または１０に記載の方法。
【請求項18】
前記アノードが、固体棒上における前記プラズマ活性炭を含む、請求項１または１０に記載の方法。
【請求項19】
電極装置を作る方法であって、（ａ）（ｉ）プラズマ活性炭、または（ｉｉ）導電性の多孔質金属のうちの少なくとも一方を備える棒状の細長いアノードを作り出す工程と、
（ｂ）前記アノードの周囲をカソードで取り囲む工程であって、前記アノードが、（ｉ）前記カソードの隣接する端部を越えて延在するか、または（ｉｉ）前記カソードの内部にあるか、のいずれかである電気的に接続された端部を含む工程と、
（ｃ）前記アノードおよび前記カソードを流体の流れる導管に接続する工程と、
（ｄ）前記アノードと前記カソードとの間に電位差および非一様な電場を作り出して、前記アノードと前記カソードとの間を作用可能に通過する流体から汚染物質を除去するように構成された電気回路を、前記アノードおよび前記カソードに結合する工程と、
を含む方法。
【請求項20】
前記アノードが前記プラズマ活性炭を備え、前記汚染物質がＰＦＡＳを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項21】
前記アノードが前記導電性の多孔質金属を備え、前記汚染物質がＰＦＡＳを含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項22】
前記導管を飲料水の給水栓に結合する工程と、バッテリを前記回路に接続する工程と、
をさらに含む、請求項１９に記載の方法。
【請求項23】
（ａ）プラズマ活性炭を備える細長いアノードと、（ｂ）流体が間を流れることができるように構成された、前記アノードの外表面の周りに同軸状に位置するカソードと、
（ｃ）前記アノードと前記カソードとの間に（ｉ）非一様な電場、または（ｉｉ）電位差のうちの少なくとも一方を作り出すように構成された、前記アノードおよび前記カソードに結合された電気回路と、
を備える電極装置。
【請求項24】
前記流体が水であり、前記アノードの方へ引きつけられる前記水内の汚染物質がＰＦＡＳを含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項25】
前記アノードが多孔質金属の発泡体を備え、前記活性炭が箔シートに付着している、請求項２３に記載の装置。
【請求項26】
前記アノードと前記カソードとが結合された飲料水給水栓と、前記回路に接続されたバッテリと、
をさらに備え、
前記アノード全体が、前記カソードの内部にある、請求項２３に記載の装置。
【請求項27】
前記カソードが、長手方向に細長く、かつ実質的に円筒形であり、前記ギャップが、円筒形であり、かつ前記アノードを取り囲んでおり、
前記アノードが、前記カソードの内径の半分未満の外径を有し、
前記ギャップが、前記アノードと前記カソードとの間にあり、
前記アノードが、前記カソードの隣接する端部を越えて延在する電気的に接続された端部を含む、請求項２３に記載の装置。
【請求項28】
前記アノードおよび前記カソードが、前記アノードと前記カソードとの間に電流の流れを生じさせることなく、かつ化学反応を引き起こすことなく、前記ギャップを通って流れる前記流体から、（ａ）ＰＦＡＳ、（ｂ）ベンゼン、（ｃ）二酸化炭素、または（ｄ）二酸化硫黄のうちの少なくとも１つを除去するように作用可能である、請求項２３に記載の装置。
【請求項29】
前記アノードと前記カソードとが結合された煙突または排気管をさらに備える、請求項２３に記載の装置。
【請求項30】
前記アノードと前記カソードとが結合された工業用水処理システムをさらに備え、前記システムが、ポンプと、複数のセンサと、リザーバと、複数のバルブと、を備える、請求項２３に記載の装置。
【手続補正2】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【0001】
〔関連出願の相互参照〕
本出願は、２０２０年２月１８日に出願されたＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２０／０１８５８５号の国内段階移行であり、２０１９年２月２０日に出願された米国仮出願第６２／８０７、７９７号に対する優先権を主張する。上記出願の開示の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
本出願は、２０２０年２月１８日に出願されたＰＣＴ国際出願第ＰＣＴ／ＵＳ２０２０／０１８５８５号の国内段階移行であり、２０１９年２月２０日に出願された米国仮出願第６２／８０７、７９７号に対する優先権を主張する。上記出願の開示の全体が、参照により本明細書に組み込まれる。
【国際調査報告】