特開 2023-70640 流体から溶媒を分離するためのシステム及び方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023070640

(43)【公開日】2023-05-19

(54)【発明の名称】流体から溶媒を分離するためのシステム及び方法

(51)【国際特許分類】

   B01D 61/46 20060101AFI20230512BHJP

   B01D 61/44 20060101ALI20230512BHJP

   B01D 61/54 20060101ALI20230512BHJP

   B01D 61/00 20060101ALI20230512BHJP

   C02F 1/469 20230101ALI20230512BHJP

【ＦＩ】

B01D61/46

B01D61/44 520

B01D61/54 500

B01D61/00 500

C02F1/469

【審査請求】未請求

【請求項の数】20

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2022162860

(22)【出願日】2022-10-11

(31)【優先権主張番号】17/522,076

(32)【優先日】2021-11-09

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(71)【出願人】

【識別番号】504407000

【氏名又は名称】パロ アルト リサーチ センター インコーポレイテッド

(74)【代理人】

【識別番号】100094569

【弁理士】

【氏名又は名称】田中 伸一郎

(74)【代理人】

【識別番号】100109070

【弁理士】

【氏名又は名称】須田 洋之

(74)【代理人】

【識別番号】100067013

【弁理士】

【氏名又は名称】大塚 文昭

(74)【代理人】

【識別番号】100086771

【弁理士】

【氏名又は名称】西島 孝喜

(74)【代理人】

【識別番号】100109335

【弁理士】

【氏名又は名称】上杉 浩

(74)【代理人】

【識別番号】100120525

【弁理士】

【氏名又は名称】近藤 直樹

(74)【代理人】

【識別番号】100139712

【弁理士】

【氏名又は名称】那須 威夫

(72)【発明者】

【氏名】ユージーン、エス．、ベー

(72)【発明者】

【氏名】マイケル、ベネディクト

【テーマコード（参考）】

4D006

4D061

【Ｆターム（参考）】

4D006GA14

4D006GA17

4D006HA42

4D006HA47

4D006JA56Z

4D006KA16

4D006KA26

4D006KA31

4D006KA33

4D006KB30

4D006KD30

4D006KE14R

4D006MA03

4D006MA13

4D006MA14

4D006PA01

4D006PA02

4D006PB15

4D006PB70

4D006PC11

4D006PC17

4D061DA10

4D061DB13

4D061DB18

4D061EA09

4D061EB01

4D061EB13

4D061EB17

4D061EB19

4D061ED12

4D061ED20

(57)【要約】      （修正有）

【課題】レドックスフロー電気化学的分離デバイスを使用して、流体から水などの溶媒を除去するためのシステム及び方法を提供する。
【解決手段】電気化学システムは、供給物流１０２を収容する第１のリザーバ１０６を有する。供給物流は、溶媒及び塩とは異なる溶質を含む。第２のリザーバ１０８は、供給物流よりも高い、高塩濃度を有するブライン流１２２を収容する。電極１１６、１１８が、レドックス活性電解質材料のループ１５４に接触して、可逆的レドックス反応を引き起こす。この反応によって、ループが第１のリザーバ内の塩から第１のイオンを受容し、第２のイオンを第２のリザーバ内のブライン流に送り込む。３つの交互型のイオン交換膜１１０、１１２、１１４が、第１及び第２のリザーバを画定する。濃縮物流１４４が第１のリザーバから排出され、濃縮物流は、第１の溶質濃度を超える第２の溶質濃度を有する。
【選択図】図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

電気化学システムであって、
供給物流を収容する第１のリザーバであって、前記供給物流が、溶媒と、前記供給物流中で第１の塩濃度を有する塩と、第１の溶質濃度で前記塩とは異なる溶質と、を含む、第１のリザーバと、
ブライン流を収容する第２のリザーバであって、前記ブライン流が、前記第１の塩濃度よりも高い第２の塩濃度を有する、第２のリザーバと、
第１のレドックス活性電解質材料の第１の溶液と接触し、前記第１のレドックス活性電解質材料との第１の可逆的レドックス反応を有し、第１のイオンを前記第１のリザーバ内の前記塩から受容するように構成された第１の電極と、
第２のレドックス活性電解質材料の第２の溶液と接触し、前記第２のレドックス活性電解質材料との第２の可逆的レドックス反応を有し、第２のイオンを前記第２のリザーバ内の前記ブライン流に送り込むように構成された第２の電極と、
電位を前記第１及び第２の電極に供給するように構成されたエネルギー供給源と、
前記第１のリザーバと前記第２のリザーバとの間に配置された第１のイオン交換型を有する第１の膜と、
前記第１の電極と前記第１のリザーバとの間に配置された、前記第１のイオン交換型とは異なる第２のイオン交換型を有する第２の膜と、
前記第２の電極と前記第２のリザーバとの間に配置された前記第２のイオン交換型を有する第３の膜と、
前記溶媒及び前記第２のリザーバから排出された第３の塩濃度を含む流出物流であって、前記溶媒が、電気浸透及び順浸透を介して前記第１のリザーバから除去される、流出物流と、
前記第１のリザーバから排出された濃縮物流であって、前記第１、第２、及び第３の塩濃度未満である第４の塩濃度、及び前記第１の溶質濃度を超える第２の溶質濃度を含む、濃縮物流と、を備える、電気化学システム。

【請求項2】

前記電気浸透が、塩イオンが前記溶媒の分子を前記第１及び第２の膜を通して前記第１のリザーバから引きずり出すことを伴う、請求項１に記載のシステム。

【請求項3】

前記順浸透が、前記第１のリザーバ内の前記供給物流よりも高い浸透圧を有する前記第２のリザーバ内の前記ブライン流に起因する、請求項１に記載のシステム。

【請求項4】

前記第４の塩濃度が、０．０５重量％未満である、請求項１に記載のシステム。

【請求項5】

前記溶質が、糖を含む、請求項１に記載のシステム。

【請求項6】

前記溶媒が、水である、請求項１に記載のシステム。

【請求項7】

前記第１の溶液及び前記第２の溶液が同じであり、電荷が前記電極に印加されると、前記第１及び第２の溶液が前記第１の電極と前記第２の電極との間で循環する、請求項１に記載のシステム。

【請求項8】

前記第１のリザーバ、前記第２のリザーバ、前記第１の型の膜、及び前記第２の型の膜が、セルを形成し、前記システムが、前記第１の電極と前記第２の電極との間にともに結合された複数のセルを備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項9】

前記ブライン流の一部が、前記第１のリザーバに供給される、請求項１に記載のシステム。

【請求項10】

前記流出物流に結合され、前記ブライン流を再生し、前記溶媒を含む廃棄物流を生成するように構成された液体濃縮器を更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項11】

前記液体濃縮器が、レドックスシャトルを利用する電気化学的液体再生器である、請求項１０に記載のシステム。

【請求項12】

前記第１の膜及び前記第２の膜が、第１の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有し、前記第３の膜が、前記第１の特性のセットとは異なる第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有し、前記システムが、
前記第２の膜と、前記第１のイオン交換型並びに前記第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有する第４の膜とによって画定された第３のリザーバであって、前記ブライン流の第２の部分が、前記第３のリザーバに投入される、第３のリザーバと、
前記第４の膜と、前記第２のイオン交換型並びに前記第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有する第５の膜とによって画定された第４のリザーバであって、前記ブライン溶液の第３の部分が、前記第４のリザーバに投入される、第４のリザーバと、
前記溶媒及び前記第３のリザーバから排出された第５の塩濃度を含む第２の流出物流であって、前記溶媒が、前記第１及び第４のリザーバから電気浸透及び順浸透を介して前記第３のリザーバに移動する、第２の流出物流と、
前記第４のリザーバから排出された第６の塩濃度を含む溶媒流と、を更に備える、請求項１に記載のシステム。

【請求項13】

前記流出物流及び前記第２の流出物流が組み合わされ、前記第２、第３、及び第４のリザーバへ投入される前記ブライン流として再循環する、請求項１２に記載のシステム。

【請求項14】

前記第１、第２、第３、及び第４のリザーバ、並びに前記第１、第２、第３、及び第４の膜が、再生セルを形成し、前記システムが、第１の再生セルの前記第４の膜と、前記第１の再生セルの前記第４のリザーバを画定する第２の再生セルの前記第３の膜とによってともに結合された複数の再生セルを備える、請求項１２に記載のシステム。

【請求項15】

第１の塩濃度を含む供給物流を、電気化学セルの第１のイオン交換膜及び第２のイオン交換膜によって画定された第１のリザーバに投入することであって、前記第２のイオン交換膜が、前記第１のイオン交換膜とは異なる型の膜であり、前記供給物流が、第１の溶質濃度で前記塩とは異なる溶質を有する、投入することと、
前記第１の塩濃度よりも高い第２の塩濃度を含む第２の流体流を、前記電気化学セルの第２のリザーバに投入することであって、前記第２のリザーバが、前記第１のイオン交換膜及び第３のイオン交換膜によって画定され、前記第３のイオン交換膜及び前記第２のイオン交換膜が、同じ型のものである、投入することと、
外部電圧を前記電気化学セルの第１及び第２の電極に印加することと、
レドックス活性電解質材料を含む溶液を、前記第１の電極と前記第２の電極との間に循環させることであって、前記レドックス活性電解質材料が、前記第１の電極と接触すると還元し、前記第２の電極と接触すると酸化する、循環させることと、
前記レドックス活性電解質材料の還元及び酸化に応じて、前記第１、第２、及び第３のイオン交換膜を横切ってイオンを輸送して、電気浸透及び順浸透を介して前記第１のリザーバから溶媒及び塩を除去することと、
前記第２のリザーバから、前記第２の塩濃度とは異なる第３の塩濃度を含む流出物流を排出することと、
前記第１のリザーバから、前記第１及び第３の塩濃度未満である第４の塩濃度、並びに前記第１の溶質濃度を超える第２の溶質濃度を含む濃縮物流を排出することと、を含む、方法。

【請求項16】

前記第２の流体流の一部を、前記第１のリザーバに供給することを更に含む、請求項１５に記載の方法。

【請求項17】

前記電気浸透が、塩イオンが前記溶媒の分子を前記第１及び第２の膜を通して前記第１のリザーバから引きずり出すことを伴う、請求項１５に記載の方法。

【請求項18】

前記順浸透が、前記第１のリザーバ内の前記供給物流よりも高い浸透圧を有する前記第２のリザーバ内の前記第２の流体流に起因する、請求項１５に記載の方法。

【請求項19】

前記レドックス活性電解質材料を含む前記溶液が、前記第１及び第２のリザーバとは反対側にある前記第１のイオン交換膜と前記第３のイオン交換膜との側面間で循環する、請求項１５に記載の方法。

【請求項20】

前記溶質が、糖を含む、請求項１５に記載の方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、全般的には、レドックスフロー電気化学的分離デバイスを使用して、流体から水などの溶媒を除去するためのシステム及び方法に関する。

【背景技術】

【0002】

一部の産業では、溶液から溶媒（例えば、水、アルコール）を除去するプロセスが利用される。例えば、食品及び飲料産業は、ジュースの濃縮、粉末飲料の形成、ホエイ処理などの、濃縮され出荷しやすい食品を形成するために水を除去したい場合がある。この例では、濃縮物流が生産者にとって価値を持つ。廃棄物処理プラントもまた、廃棄物流から浄水を抽出したい場合がある。この場合、処理業者にとって、溶媒自体が価値を持ち、濃縮物は価値を持たない。

【0003】

現在、溶媒の除去は、溶媒を蒸発させる方法（加熱）、高圧下で溶媒のみを濾過する方法（逆浸透）、膜を横切って溶媒をより高い浸透圧の誘導溶液に抽出する方法（順浸透）などの、様々な方法で行われ得る。熱エネルギーを使用すると、最終生成物に影響を与え得ることもあり（例えば、加熱は、食品の味を変化させ得る）、かなりの量のエネルギーも使用する。順浸透及び逆浸透は、必ずしも流れを加熱しないが、実行するのにより高価であり得る。

【発明の概要】

【0004】

本明細書に記載される実施形態は、電気透析装置に関する。一実施形態では、電気化学システムは、供給物流を収容する第１のリザーバを含む。供給物流は、溶媒と、供給物流中で第１の塩濃度を有する塩と、第１の溶質濃度で塩とは異なる溶質と、を含む。第２のリザーバは、ブライン流を収容し、ブライン流は、第１の塩濃度よりも高い第２の塩濃度を有する。第１の電極は、第１のレドックス活性電解質材料の第１の溶液と接触し、第１のレドックス活性電解質材料との第１の可逆的レドックス反応を有し、第１のリザーバ内の塩から第１のイオンを受容するように構成されている。第２の電極は、第２のレドックス活性電解質材料の第２の溶液と接触し、第２のレドックス活性電解質材料との第２の可逆的レドックス反応を有し、第２のリザーバ内のブライン流に第２のイオンを送り込むように構成されている。エネルギー供給源は、電位を第１及び第２の電極に供給するように構成されている。第１のイオン交換型を有する第１の膜が、第１のリザーバと第２のリザーバとの間に配置されている。第１のイオン交換型とは異なる第２のイオン交換型を有する第２の膜が、第１の電極と第１のリザーバとの間に配置されている。第２のイオン交換型を有する第３の膜が、第２の電極と第２のリザーバとの間に配置されている。溶媒及び第３の塩濃度を含む流出物流が、第２のリザーバから排出される。溶媒が、電気浸透及び順浸透を介して第１のリザーバから除去される。濃縮物流が、第１のリザーバから排出される。濃縮物流は、第１、第２、及び第３の塩濃度未満である第４の塩濃度、並びに第１の溶質濃度を超える第２の溶質濃度を有する。

【0005】

他の実施形態は、第１の塩濃度を含む供給物流を、電気化学セルの第１のイオン交換膜及び第２のイオン交換膜によって画定された第１のリザーバに投入することを伴う方法に関する。第２のイオン交換膜は、第１のイオン交換膜とは異なる型の膜である。供給物流は、第１の溶質濃度で塩とは異なる溶質を有する。本方法は、第１の塩濃度よりも高い第２の塩濃度を含む第２の流体流を、電気化学セルの第２のリザーバに投入することを更に伴う。第２のリザーバは、第１のイオン交換膜及び第３のイオン交換膜によって画定される。第３のイオン交換膜及び第２のイオン交換膜は、同じ型のものである。外部電圧が電気化学セルの第１及び第２の電極に印加される。レドックス活性電解質材料を有する溶液が、第１の電極と第２の電極との間で循環する。レドックス活性電解質材料は、第１の電極と接触すると還元し、第２の電極と接触すると酸化する。レドックス活性電解質材料の還元及び酸化に応じて、第１、第２、及び第３のイオン交換膜を横切ってイオンを輸送して、電気浸透及び順浸透を介して第１のリザーバから溶媒及び塩を除去する。流出物流は、第２のリザーバから排出され、第２の塩濃度とは異なる第３の塩濃度を有する。濃縮物流が、第１のリザーバから排出される。濃縮物流は、第１及び第３の塩濃度未満である第４の塩濃度、並びに第１の溶質濃度を超える第２の溶質濃度を含む。

【0006】

上記の概要は、開示される各実施形態又は本開示の全ての実施を説明することを意図したものではない。図面及び以下の詳細な説明は、例示的な実施形態をより具体的に例示する。

【図面の簡単な説明】

【0007】

以下の考察は、以下の図を参照し、同じ参照番号は、複数の図において類似の構成要素／同じ構成要素を識別するために使用することができる。しかしながら、所与の図の構成要素を指す数字の使用は、同じ数字でラベル付けされた別の図における構成要素を制限することを意図していない。図面は、必ずしも縮尺どおりではない。

【図1】例示的な実施形態による、レドックスフロー電気化学的溶媒除去スタック及びシステムの図である。

【図2】別の例示的な実施形態による、レドックスフロー電気化学的溶媒除去スタック及びシステムの図である。

【図3】例示的な実施形態による、複数の溶媒除去スタックの処理システムへの接続を示す図である。

【図4】例示的な実施形態による、複数の溶媒除去スタックの処理システムへの接続を示す図である。

【図5】特定の実施形態による方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0008】

供給物流から溶質（例えば、塩）を電気化学的に除去することによって、順浸透と電気浸透との組み合わせを使用して、供給物流から水を除去するためのシステム及び方法が記載される。供給物流は、電気化学的塩除去システムへの導入の前に、供給物流中の既存の溶質と同じか、異なるか、又はそれらの何らかの組み合わせのうちのいずれかの溶質を任意選択的に濃縮することができる。図１では、図は、様々な実施形態による流体及びイオンの動きを示す電気化学的液体再生器１００を示す。電気化学デバイス１５０は、２つの電極１１６、１１８、少なくとも３つのイオン交換膜１１０、１１２、１１４、エネルギー供給部１５２、反応混合物、及び収容流体を含む。

【0009】

第１の電極１１６は、第１のレドックス活性電解質材料の第１の溶液と接触し、第１のレドックス活性電解質材料との第１の可逆的レドックス反応を有するように構成されている。第２の電極１１８は、第２のレドックス活性電解質材料の第２の溶液と接触し、第２のレドックス活性電解質材料との第２の可逆的レドックス反応を有するように構成されている。簡略化するために、第１及び第２のレドックス活性電解質材料は、レドックス活性電解質材料を含むレドックスシャトル溶液１１７として、図１において示される。

【0010】

レドックスシャトル溶液の例としては、１、１’－ビス（（３－トリメチルアンモニオ）プロピル）フェロセン（［ＢＴＭＡＰ－Ｆｃ］^２＋）及び１、１’－ビス（（３－トリメチルアンモニオ）プロピル）フェロセニウム（［ＢＴＭＡＰ－Ｆｃ］^３＋）、若しくは１，１’－ビス（（３－ジメチルエチルアンモニオ）プロピル）フェロセン（［ＢＤＭＥＡＰ－Ｆｃ］^２＋）及び１，１’－ビス（（３－ジメチルエチルアンモニオ）プロピル）フェロセニウム（［ＢＤＭＥＡＰ－Ｆｃ］^３＋）（これらは、非毒性で非常に安定であり、非常に迅速な電気化学的速度論及び無視できる膜透過性を有する）、又はフェロシアン化物／フェリシアン化物（［Ｆｅ（ＣＮ）_６］^４－／［Ｆｅ（ＣＮ）_６］^３－）が挙げられる。例えば、レドックスシャトル溶液の追加の詳細は、その全体が参照により本明細書に組み込まれる、同一所有者の、２０２１年７月３０日出願された米国特許出願第１７／３９０，６００号（代理人整理番号２０２１０１７１ＵＳ０１／０６００．３８２ＵＳ０１）に見出され得る。

【0011】

レドックスシャトル１１７は、ループ１５４によって示されるように、２つの電極１１６、１１８の間で循環する。電位がエネルギー供給部１５２によって各電極１１６、１１８に印加されると、レドックスシャトルは、第１の電極（例えば、１１６）で酸化され、反対の電極（例えば、１１８）で還元される。エネルギー供給部１５２は、バッテリ、光起電力パネル、ガルバニックセル、ポテンシオスタット、ＡＣ／ＤＣ電力コンバータなどの、任意の様々な直流（ＤＣ）エネルギー供給部であり得、極性は、全体的に同じに保たれ得るか、又は周期的に反転され得、エネルギー供給部は、電気化学デバイス１５０内に含有され得るか、又は外部にありデバイス１５０に結合され得る。したがって、シャトル１１７が電極間を循環することで、シャトル１１７の一部は、レドックス状態の間で連続的に交互になっている。特定の実施形態では、各電極１１６、１１８は、同じレドックスシャトル溶液１１７がループ内で流れる代わりに、別個のレドックス活性溶液に接触し得る。別個のレドックス活性溶液は、同じレドックス活性電解質材料又は異なるレドックス活性電解質材料を有し得る。異なるレドックス活性溶液がそれぞれの電極１１６、１１８に使用される場合、エネルギー供給部は、電極に供給される電位を周期的に逆転させて、レドックス活性電解質材料溶液の各々の電荷状態（すなわち、還元状態と比較して酸化状態にある、各溶液中のレドックス活性電解質材料の割合）を回復させ得る。

【0012】

電極１１６、１１８の間に位置付けられているのは、イオン交換の型で交互になっている３つ以上のイオン交換膜である。例えば、３つの膜の中で、図１に示されるように、中央の膜１１０は、第２の膜１１２及び第３の膜１１４の陰イオン交換膜に挟まれた陽イオン交換膜であり得る。しかしながら、他の実施形態では、中央の第１の膜は、陰イオン交換膜であり得、第２及び第３の膜は、陽イオン交換膜であり得る。膜１１０、１１２、１１４は、電気化学デバイス１５０内にチャネル又はリザーバを画定する。見られ得るように、第１の膜１１０及び第２の膜１１２は、この例では、脱塩チャンバとして構成されている第１のリザーバ１０６を画定する。第１の膜１１０はまた、第３の膜１１４と組み合わせて、この例では、サリネート（又は濃縮物）チャネルとして構成されている第２のリザーバ１０８も画定する。膜１１０、１１２、１１４は、イオン選択性並びに水透過性であり、有機溶媒に不溶性であり、反応混合物及び／又は生成物において不活性である（例えば、化学的に変化しない）。特定の実施形態では、膜を通る順浸透水輸送の速度を最大化するために、膜は可能な限り薄い（例えば、１０～５０μｍ）。特定の実施形態では、膜は、膜自体に一体化されたポリマーメッシュで補強され、他の実施形態では、膜は補強されない。

【0013】

供給物流１０２は、電気化学デバイス１５０の第１のリザーバ１０６に投入される。供給物流１０２は、少なくとも溶媒（この例では水）及び第１の塩濃度（この例では約５重量％）を有する塩（この例ではＮａＣｌ、しかしＮａ_２ＳＯ_４、ＣａＣｌ_２、ＫＣｌ、及び「塩」の化学的定義における任意の他のイオン塩も）を含む。供給物流１０２はまた、第１の溶質濃度での溶質も含み、溶質は、塩とは異なる。この例では、溶質は、約１２％の濃度で糖であり、任意の型の糖又はそれらの組み合わせ（例えば、スクロース、フルクトース、デキストロースなど）であり得る。他の溶質としては、食品溶質又は粒子、廃棄物質、緩衝剤、アミノ酸、ブライン流１２２に使用される塩とは異なる塩、供給物流内の化学反応を促進するために使用される触媒、グリセロール、エチレングリコールなどが挙げられ得る。ブライン流１２２は、電気化学デバイス１５０の第２のリザーバ１０８に投入される。ブライン流は、第１の濃度よりも高い第２の塩濃度（約２０％）を有する。濃縮ブラインの一部１３０は、供給物流１０２が電気化学デバイス１５０の第１のリザーバ１０６に入る際に、任意選択的に供給物流１０２と混合される。

【0014】

電位が電極１１６、１１８に印加されると、レドックスシャトル１１７は、１つの電極１１６で酸化され、他の電極１１８で還元され、それによって、塩イオン１２７を、第１のリザーバ１０６内の供給物流１０２から、第２のリザーバ１０８内のブライン流１２２に送り込む。特に、第１の電極１１６におけるレドックスシャトル１１７は、第１のリザーバ１０６内の塩から少なくとも１つのイオン１３４を受容する。第２の電極１１８におけるレドックスシャトル１１７は、少なくとも１つのイオン１３３を第２のリザーバ１０８内のブライン流１２２に送り込み、電荷は、イオン１３３、１３４に対する電化の反対の符号の少なくとも１つのイオン１２７を、第１のリザーバ１０６内の供給物流１０２から、中央の膜１１０を横切って、第２のリザーバ１０８内のブライン流１２２に送り込むことによって平衡化される。

【0015】

第１のリザーバ１０６から第２のリザーバ１０８に移動するイオン１２７はまた、電気浸透として既知の現象において、中央の膜１１０を横切って、それらと一緒に溶媒分子（例えば、水１２５）も引きずる。水１２５はまた、第２のリザーバ１０８内のブライン溶液１２２が供給物流１０２よりも高い浸透圧を有し、したがって、誘導溶液としても挙動するため、第１のリザーバ１０６を出て、順浸透を通って第２のリザーバ１０８に入る。結果として、水１２５及び第３の塩濃度を含む流出物流１２３は、第２のリザーバ１０８から排出される。この場合、流出物流１２３の濃度は、投入ブライン流１２２の濃度以下、例えば、前者が１５～２０％に対し、後者が２０％であり得る。移送される塩と水との比に応じて、この流れは、濃度が希釈される場合、又は希釈されない場合があるが、より多くの体積（又は流出する流量）を有することになる。本明細書及び他の場所で使用される「流出物」という用語は、例示の目的で使用され、限定するものではないことに留意されたい。場合によっては、流出物として記載される流れは、再利用、保持、再処理などが行われ得、全体的な流体処理システムの一部としてそれら自体の何らかの価値を有し得る。他の場合には、流出物流は、廃棄生成物として廃棄され得る。

【0016】

第１のリザーバ１０６を通る供給物流１０２の処理によって、第１のリザーバ１０６を出る濃縮物流１４４がもたらされる。第１のリザーバからの濃縮物流１４４は、第１、第２、及び第３の塩濃度未満である第４の塩濃度（例えば、０．０５％未満）を含む。濃縮物流１４４はまた、供給物流１０２よりも高い濃度の溶質、例えば、前者が７０％で、後者が１２％を有する。正味の結果は、供給物流１０２からブライン溶液１２２への水の輸送である。流出物流１２３は、本明細書では液体濃縮器とも称されるデバイス１２４によって示されるように、様々な可能な方法のうちの１つ以上を使用して、再生される（元の濃度及び体積に回復する）。流出物流１２３は、吸収された水を蒸発させることによってデバイス１２４で熱的に、逆浸透によって、又は電気透析、若しくはレドックスシャトルを使用した更に別の電気化学デバイスを使用して電気化学的に再生され得る。デバイス１２４の排出は、主に水又は供給物流１０２中の主溶媒を含む排出物流１２６である。

【0017】

流出物流１２３はまた、溶媒が供給物流から除去されると、同じ電気化学スタック（又は一連の同一スタック）においても再生され得る。図２では、図は、別の例示的な実施形態によるブライン再生特徴を含むレドックス支援溶媒除去スタック２００を示す。デバイス２００は、図１に示され、記載されるものと同様の、第１のリザーバ１０６、供給物流１０２、第２のリザーバ１０８、ブライン流１２２、第１の電極１１６、第２の電極１１８、レドックス活性電解質材料シャトル１１７、第１のリザーバ１０６、第２のリザーバ１０８、第１の膜１１０、第２の膜１１２、第３の膜１１４、流出物流１２３、及び濃縮物流１４４を含む。スタック２００はまた、エネルギー供給部１５２などの明確にするために示されていない他の構成要素も含む。

【0018】

この例では、第１及び第２の膜１１０、１１２は、第１の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有する。第３の膜１１４は、第１の特性のセットとは異なる第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有する。システム２００は、第２の膜１１２によって画定された第３のリザーバ２０２と、第１のイオン交換型（この例では、第１の膜１１０と同じ型、ＣＥＭ）を有する第４の膜２０４と、を更に含む。第４の膜２０４はまた、第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットも有する。ブライン流１２２の第２の部分２０６は、第３のリザーバ２０２に投入される。

【0019】

第４のリザーバ２０８は、第４の膜２０４と、第２のイオン交換型（この例ではＡＥＭ）並びに第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有する第５の膜２１０とによって画定される。ブライン溶液１２２の第３の部分２１２は、第４のリザーバ２０８に投入される。溶媒及び第５の塩濃度を含む第２の流出物流２１４は、第３のリザーバ２０２から排出される。溶媒は、電気浸透及び順浸透を介して第１及び第４のリザーバ１０６、２０８から第３のリザーバ２０２に移動する。第６の塩濃度を有する溶媒流２１６は、第４のリザーバ２０８から排出される。

【0020】

スタック２００は、供給物流１０２を境界とする一対の膜１１０、１１２の反対側に、一対の反対の型（陰イオン対陽イオン又は陽イオン対陰イオン）のイオン交換膜１１４、２０４を加えることによって、ブライン再生を可能にする。外側対のイオン交換膜１１４、２０４は、内部対のイオン交換膜１１０、１１２とは異なる第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性のセットを有するように選択される。第５の膜２１０もまた、これらの第２の電気浸透特性及び浸透輸送特性を有し、第１の電極１１６でレドックスシャトル１１７との所望のイオン交換を得るために含まれる。供給物流１０２は、内部対のイオン交換膜１１０、１１２によって境界を定められるリザーバ／チャンバ１０６に流入し、ブライン溶液１２２は、残りのリザーバ／チャンバ１０８、２０２、２０８に流入する。膜は、低い電気浸透特性及び浸透輸送特性を有する２つの膜によって境界を定められるリザーバ／チャンバ２０８が、別の脱塩チャンバを形成するように配置される。このチャンバに入るブライン溶液２１２の一部は、それによって、最小限の水損失で脱塩されて、電気化学スタック２００を出る溶媒流２１６（水流）を形成する。正味の結果は、希釈供給物流を受容し、２つの流れ、すなわち濃縮生成物流１４４、及び非常に低い塩含有量（例えば、両方とも０．０５％未満）を有する水／溶媒流２１６を排出する単一のスタックである。

【0021】

上に記載される電気化学スタックは、処理のスケール及び／又は所望の溶媒除去量に応じて、様々な方法で組み合わされ得る。図３では、図は、例示的な実施形態による並列スタック配置を示す。希釈供給物リザーバ３００は、マニホールド３０２又は他の流体分配経路に結合され、２つ以上の電気化学スタック３０４、３０５に供給される。スタック３０４、３０５が図１に示されるように構成されている場合、それらは各々、専用の塩再生デバイス（デバイス１２４を参照）を有し得るか、又は単一の（共通に接続された）塩再生デバイスを共有し得る。スタック３０４、３０５の濃縮物流３０６、３０７は、使用又は下流の処理のために濃縮物リザーバ３０８に送られるか、又は例えば廃棄物流として排出され得る。溶媒流３１０、３１１は排出されるが、使用又は下流の処理のためにリザーバ、保持タンクなどにも保持され得る。図３に示されるシステムは、電気を含む他の入力を利用して、スタック３０４、３０５内の電気化学反応を駆動し得、当該技術分野で既知である流体ポンプ（図示せず）を駆動し得る。

【0022】

図３では、図は、例示的な実施形態による直列スタック配置を示す。希釈供給物リザーバ４００は、供給物流４０２を、第２の電気化学スタック４０５に直列に接続された第１の電気化学スタック４０４に提供する。スタック４０４、４０５が図１に示されるように構成されている場合、それらは各々、専用の塩再生デバイス（デバイス１２４を参照）を有し得るか、又は単一の塩再生デバイスを共有し得る。第１のスタック４０４の濃縮物流４０６は、供給物流として第２のスタック４０５に供給され、これは、濃縮物流４０６よりも高濃度の溶質を有するそれ自体の濃縮物流４０７を排出する。溶媒流４１０、４１１は排出されるが、下流の処理の使用のためにリザーバ、保持タンクなどにも保持され得る。スタック４０４、４０５が図１に示されるように構成されている場合、それらは各々、専用の塩再生デバイス（デバイス１２４を参照）を有し得るか、又は単一の塩再生デバイスを共有し得る。図４に示されるシステムは、電気を含む他の入力を利用して、スタック４０４、４０５内の電気化学反応を駆動し得、当該技術分野で既知である流体ポンプ（図示せず）を駆動し得る。図３及び図４に示される並列及び直列の配置が組み合わされ得ることに留意されたい。

【0023】

図５では、フローチャートは、例示的な実施形態による、供給蒸気から溶媒を分離するための方法を示す。本方法は、第１の塩濃度を有する供給物流を、電気化学セルの第１のイオン交換膜及び第２のイオン交換膜によって画定された第１のリザーバに投入することを伴う（５００）。第２のイオン交換膜は、第１のイオン交換膜とは異なる型の膜である。第１の塩濃度よりも高い第２の塩濃度を有する第２の流体流は、電気化学セルの第２のリザーバへの投入である（５０１）。第２のリザーバは、第１のイオン交換膜及び第３のイオン交換膜によって画定される。第３のイオン交換膜及び第２のイオン交換膜は、同じ型のものである（例えば、ＡＥ又はＣＥ）。

【0024】

外部電圧が電気化学セルの第１及び第２の電極に印加され（５０２）、レドックス活性電解質材料を有する溶液は、第１の電極と第２の電極との間で循環する（５０３）。レドックス活性電解質材料は、第１の電極と接触すると還元し、第２の電極と接触すると酸化する。レドックス活性電解質材料の還元及び酸化に応じて、イオンが第１、第２、及び第３のイオン交換膜を横切って輸送されて、第１のリザーバから溶媒及び塩を除去する。第２の塩濃度以下の第３の塩濃度を有する流出物流は、第２のリザーバから排出される（５０５）。第１及び第３の塩濃度未満である第４の塩濃度を有する濃縮物流は、第１のリザーバから排出される（５０６）。

【0025】

特段の指示がない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される特徴サイズ、量及び物理的特性を表す全ての数は、全ての場合において、「約」という用語によって修飾されるものとして理解されるべきである。したがって、それと異なる指示がない限り、前述の明細書及び添付の特許請求の範囲に記載される数値パラメータは、本明細書に開示される教示を利用して当業者が得ようとする所望の特性に応じて変化し得る近似値である。端点による数値範囲の使用は、その範囲内の全ての数（例えば、１～５は、１、１．５、２、２．７５、３、３．８０、４、及び５を含む）、並びにその範囲内の任意の範囲を含む。

【0026】

前述の説明は、例示及び説明の目的のために提示されている。これは、網羅的であること、又は実施形態を、開示される形態に厳密に限定することを意図するものではない。上記の教示に照らして、多くの修正及び変形が可能である。開示される実施形態の任意の又は全ての特徴は、個別に又は任意の組み合わせで適用することができ、限定することを意図するものではなく、単に例示的なものである。本発明の範囲は、この「発明を実施するための形態」に限定されるものではなく、むしろ本明細書に添付の「特許請求の範囲」によって決定されることが意図される。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】