JP2023526820A - 水を浄化するためのシステム、方法、および組成 - Google Patents

Abstract

水和物形成チャンバアセンブリと、水和物形成チャンバアセンブリ内の汚染水拡散アセンブリと、水和物形成チャンバアセンブリの壁と拡散アセンブリとの間の空間と、空間内にゲスト化合物を供給し、水およびゲスト化合物を含む水和物を形成するように構成されたゲスト化合物導管とを含むことができる、水から１つまたは複数の汚染物質を除去するためのシステムが提供される。汚染水混合物および１つまたは複数のゲスト化合物を供給することと、水および１つまたは複数のゲスト化合物を含む水和物錯体を形成することと、汚染物質が少ない水を供給するためにゲスト化合物から水を分離することとを含むことができる、水から１つまたは複数の汚染物質を除去するための方法が提供される。水および少なくとも１つの汚染物質を含む液体成分と、水和物錯体を含む固体成分とを含むことができる混合物も提供される。システムの一実施形態は、脱塩プロセスの副産物として余剰電力を生成するための方法を提供する。
【選択図】図１

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２０２０年５月１８日に出願された「Ｍｉｃｒｏｆｌｕｉｄｉｃ Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ Ｕｓｉｎｇ Ｇａｓ Ｈｙｄｒａｔｅｓ」と題する米国仮特許出願第６３／０２６，３２９号の優先権および利益を主張し、その全体が参照により本明細書に組み込まれる。
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の下でなされた開示の権利に関する声明

本開示は、米国エネルギー省によって授与された契約ＤＥ－ＡＣ０５－７６ＲＬ０１８３０に基づく政府の支援を受けてなされた。政府は本発明に一定の権利を有する。

本開示は、一般に、浄水のシステム、方法、および／または組成に関し、より詳細な態様では、水の脱塩技術に関する。

脱塩は、都市用水および農業のための給水を増加させるための重要な解決策であり、様々な工業プロセスならびに石油ガス探査から生成された水を浄化するための不可欠な技術であると考える人もいる。逆浸透（ＲＯ）は、脱塩技術の商業的な参照基準であるが、そのようなプロセスは、一般に、プロセスを実行するための安価で中断なしの電力と、生物付着の影響を受けやすく、運転コストを増加させる定期的なメンテナンスを必要とする膜とを必要とする。さらに、油井およびガス井の現場から得られた水で作業するとき、高い塩分含有量が存在することが多く、掘削作業のほとんどの場所は、ほとんどの逆浸透プロセスを推進するために必要な電力を供給することができるグリッド基盤から離れている。

パイロット規模で以前に開発された熱脱塩方法には、多重効用蒸留（ＭＥＤ）、多段フラッシュ蒸留（ＭＳＦ）膜蒸留（ＭＤ）、および正浸透（ＦＯ）が含まれる。蒸留方法はすべて、以下の欠点を有する溶解した不純物を分離するための水の蒸発を伴う。水温を１００℃に上昇させるために必要な大きい入熱（＞３００ｋＪ／ｋｇ）および気化熱（２２６０ｋＪ／ｋｇ）は、腐食および付着を引き起こす熱交換器上の塩析沈殿を誘発する。ＦＯは依然として膜を必要とするので、ＲＯと同様のメンテナンスおよび制限がある。

凍結脱塩方法は、あまり注目されていない。研究は、他の方法と比較してほとんどまたは全くコスト上の利点を示していない。例外は、ガス水和物を使用する凍結脱塩であり、システムの凝固点温度を上昇させ、したがってエネルギー要件を実質的に減らす。しかしながら、ガス水和物を使用する実用的な脱塩システムは、冷却に必要なエネルギーの重要な課題を依然として克服しなければならない。電動チラーを使用しても、ＲＯに比べてエネルギー上の利点はない。圧力を低く保つために適切な冷媒を使用することができる。メタンで生成されたガス水和物は、例えば、１０００ｐｓｉｇ以上の高圧を必要とする。最後の課題は、残留濃縮塩水および冷媒からガス水和物結晶を分離するための効果的なシステムおよび方法である。

したがって、これらの制限を克服するように動作し、所望の場所および配置での使用を拡大することが可能な高度脱塩システムが必要とされている。例えば、電力の代わりに冷却を実現する太陽熱または産業廃熱の使用を可能にする実施形態は、潜在的に逆浸透よりも実質的に低いコストで水を生成することができ、より多くの場所で展開可能であり、高塩分の生成水さえも処理することができるので、非常に望ましいシステムである。本説明は、この欄に一連の重要な進歩を提供する「チップ上の脱塩」を行うためのマイクロ流体分離方法との冷却熱の新しい組合せに関する情報を提供する。本開示のシステムおよび／または方法の補助的な利点は、一実施形態におけるシステムが飲料水に加えて余剰電力を生成する能力である。

水から１つまたは複数の汚染物質を除去するためのシステムが提供される。システムは、水和物形成チャンバアセンブリと、水和物形成チャンバアセンブリ内の汚染水拡散アセンブリと、水和物形成チャンバアセンブリの壁と拡散アセンブリとの間の空間と、空間内にゲスト化合物を供給し、水およびゲスト化合物を含む水和物を形成するように構成されたゲスト化合物導管とを含むことができる。

水から１つまたは複数の汚染物質を除去するための方法も提供される。方法は、汚染水混合物および１つまたは複数のゲスト化合物を供給することと、水および１つまたは複数のゲスト化合物を含む水和物錯体を形成することと、汚染物質が少ない水を供給するためにゲスト化合物から水を分離することとを含むことができる。

水および少なくとも１つの汚染物質を含む液体成分と、水和物錯体を含む固体成分とを含むことができる混合物も提供される。

以下の添付図面を参照して、以下に本開示の実施形態が記載される。
本開示の一実施形態による、水を浄化するための方法の描写である。 本開示の一実施形態による、水を浄化するために使用されるアセンブリの描写である。 本開示の一実施形態による、水を浄化するために使用される別のアセンブリの描写である。 本開示の一実施形態による、水を浄化するために使用されるさらに別のアセンブリの描写である。 本開示の一実施形態による、水を浄化し発電するためのシステムで使用するためのアセンブリの描写である。 本開示の一実施形態による、水を浄化するための例示的なシステムの図である。 本開示の一実施形態による、水を浄化するための別の例示的なシステムを描写する図である。

本開示は図１～図７を参照して記載される。最初に図１を参照すると、汚染水混合物１０を含み、次いで、濃縮汚染水混合物１６および水和物錯体１４を含む混合物１２に変換される水を浄化するための例示的な方法が提供される。水の汚染物質は「＊」として表され、図示されたように、「＊」の数は元の水混合物１０から水混合物１６へ増加する。

例示的な実装形態によれば、混合物１２は、固体水和物１４および液体濃縮汚染水混合物１６を含むことができる。したがって、混合物１２は、固体成分と液体成分の両方を含むことができる。例示的な実装形態によれば、固体成分および液体成分は、濃縮汚染水１６の別個の混合物と、水和物錯体１４および／またはゲスト化合物の別個の混合物とを形成するために分離することができ、次いで、水和物錯体１４は、ゲスト化合物２０および精製水１８の別個の流れを形成するために解離させることができる。

例示的な実装形態によれば、汚染水は、海水に見られるような塩汚染物質を含む可能性があり、かつ／または汚染水は、水性混合物または水混合物を含む廃棄物に見られ得る他の汚染物質を含む可能性がある。これらの汚染物質は、石油ガス処理および／または他の工業プロセスの間に生成された廃棄物内に見出すことができる。したがって、本開示は、単に水の脱塩に限定されず、他の浄水技術にも使用することができる。

水和物錯体１４内に存在するゲスト化合物は、例えば、炭化水素（例えば、メタン、エタンなど）、ヒドロフルオロカーボンを含むフルオロカーボン（例えば、Ｒ１３４ａ）、ならびに二酸化炭素、Ｈ_２Ｓ、および／または他の冷媒を含む多数のゲスト化合物であり得る。利用され得るさらなるゲスト化合物は、本開示の特定の実施形態を参照するときに以下でより詳細に記載される。

次に図２を参照すると、水を浄化するためのシステムのアセンブリが提供される。例示的な実装形態によれば、水和物形成チャンバアセンブリ２１内に汚染水拡散アセンブリ２２を含むことができる水和物形成チャンバアセンブリ２１が提供される。水和物形成アセンブリ２１は、水和物形成チャンバアセンブリ２１の壁２６と拡散アセンブリ２２との間に空間２４を含むことができる。例示的な実装形態によれば、図２に関して、少なくとも２つの空間２４を含む単一の断面が示されている。ゲスト化合物と汚染水１０の混合を可能にする単一の空間構成を含むことができる他の構成も考えられる。

例示的な実装形態によれば、汚染水が拡散アセンブリ２２に供給され、汚染水は、エアロゾル化して空間２４に入り、特定の温度でゲスト化合物２０と結合して固体水和物１４および濃縮汚染液１６を生成することができる。流れおよび／または温度の詳細は、本開示の特定の実施形態を参照して以下に提供される。

次に図３を参照すると、混合物１２は、次いで、固体水和物を汚染濃縮液から分離して、分離された汚染濃縮液およびゲスト化合物（Ｇ）に懸濁した固体水和物の流れを形成するように構成された液体固体分離アセンブリ３０に供給することができる。この分離は、疎水性水和物／ゲスト化合物の混合物を疎水性経路と会合させ、親水性汚染濃縮液をセパレータ内の親水性経路と会合させることによって実行することができる。

例示的な実装形態によれば、水を浄化するために使用されるシステムの追加のアセンブリが図４の表現と共に提供され、固体水和物は解離アセンブリ４０で解離して精製水１８および液体冷媒ゲスト化合物２０を形成する。ゲスト化合物は、解離時に液体冷媒であり得る。この解離は、固体水和物を液状になるまで加熱し、したがって水和物をゲスト化合物および水流に解離させることによって実行することができる。

例示的な実装形態によれば、本開示は、３～５バール（＜１００ｐｓｉｇ）の低圧でガス水和物を形成する超強力な水和物形成剤、すなわちＲ１３４ａまたは他のフルオロカーボン冷媒などのゲスト化合物を利用することができる。冷却された冷媒に注入されたときに小さいガス水和物結晶を生成して、ガス水和物結晶を濃縮物および冷媒から分離するために、非混和性流体を大量に注入して微粒子化を実行することができる。

次に図５を参照すると、例示的な実装形態によれば、以下の実施形態ならびに本明細書に記載されたアセンブリを含むシステムの構成を参照して、例えば、熱圧縮機および膨張機／発電機のサブアセンブリの間に配置された熱交換器３、４、および５、ならびに水和物形成チャンバアセンブリに入るゲスト化合物流１および２を含むゲスト化合物のフロー図が提供される。例示的な実装形態によれば、ゲスト化合物流は、解離後に戻されるゲスト化合物の膨張を使用して冷却することができる。発電機を膨張機に結合することによって、電気の形態の電力を生成することができる。

次に図６を参照すると、本開示の少なくとも１つの例示的な実施形態によるシステムが描写されている。このシステムは、水を浄化するための包接水和物とも呼ばれるガス水和物の使用を発展させる。上記で参照されたように、これらの包接水和物材料は、水（ホスト化合物）が特定の圧力および温度の条件下で疎水性小分子（ゲスト化合物）と接触したときに形成する氷状結晶「包接」化合物であり得る。ゲスト分子が天然ガスの構成成分であるとき、包接水和物はガス水和物とも呼ばれる。

これらのガス水和物は、塩水供給物を冷却することによって形成される。これは、従来技術の熱脱塩のような水を蒸発させるための加熱と比較して１／５のエネルギーしか必要としない。固形物が解離または溶融すると飲料水が生成され得るように、ガス水和物を形成するときに不純物が排除される。生物付着の影響を受けやすい、または逆浸透システムで必要とされるようにシャットダウン中に正の流体の流れを維持する必要がある感受性膜は使用されない。システムは連続的に運転することができ、拡張可能であり、海水および高塩分の生成水を脱塩するための低コストプロセスである。

塩水内で形成されたときにガス水和物の脱塩特性の活用を可能にする反応器システムと結合されると、そのようなシステムは、熱蒸気圧縮冷却技術および液滴噴霧器技術、ならびに太陽光技術と結合して、連続的な太陽光発電脱塩システムを形成するように構成することができる。セパレータに投入された３つの相（ガス水和物（１４）、塩水濃縮物（１６）、およびゲスト化合物（２０））を分離するために、分岐した親水性チャネルおよび疎水性チャネルを組み込むマイクロ流体セパレータを利用することができる。エネルギー収支計算は、このシステムが＜１５ｋＷｈ_ｔｈ／ｍ^３を必要とすることを示している。熱の平準化コスト（ＬＣＯＨ）がｋＷｈ_ｔｈ当たり約０．０１ドルである場合、償却資本および運転コストの見積りは、このシステムが水の平準化コスト（ＬＣＯＷ）ＬＣＯＷ≦０．５０ドル／ｍ^３を達成することを示している。

本開示の少なくとも１つの実施形態によれば、システムは、水系ガス水和物がＲ１３４ａコア（または他の冷媒）の周りに形成し、分離し、次いで水和物を解離させて純水（１８）を得るプロセスを実行することができる。システムは、疎水性領域および親水性領域を画定することができるセパレータ３０を含むことができる。ガス水和物１４は、混合物１２として塩水濃縮物１６を用いて形成することができる。混合物１２は、固体水和物錯体１４および濃縮汚染混合物１６を含むことができる。混合物１６は親水性であるが、水和物錯体１４およびゲスト化合物は疎水性である。これらの異なる化学的特性を活用して、システムは、混合物１６から錯体を分離し、例えば、塩水濃縮物を海水に戻し、ガス水和物のみを残すことができる。

水和物の分解は、水およびゲスト化合物（例えば、Ｒ１３４ａ）を生成する。さらなる親水性／疎水性分離は、再使用することができる純水およびＲ１３４ａを供給する。例示的な実装形態によれば、これは、マイクロチャネルまたはマイクロ流体セパレータを使用して実行することができる。

従来の多重効用蒸留または蒸気圧縮法と比較してガス水和物脱塩プロセスの重要な利点の１つは、はるかに減らされた（理論的な）エネルギー要件である。水の気化を伴う脱塩プロセスは、水温を上昇させるための顕入熱と約２４００ｋＪ／ｋｇの潜入熱の両方を必要とする。対照的に、ガス水和物の形成熱は、通常、３００ｋＪ／ｋｇと４００ｋＪ／ｋｇとの間であり、強力な水和物形成剤を選択することにより、ソース流体を１５℃まで冷却するだけでよい。したがって、ガス水和物脱塩プロセスは、気化ベースの脱塩と比較して、わずか１／５の固有エネルギー入力しか必要としない。それは、太陽熱脱塩プロセスにとって非常に重要な利点である。

商業的プロセスは、通常、いくつかの理由からガス水和物脱塩の周りで開発されていない。第１に、これらのシステムの冷却要件は、ＲＯの電力要件と比較してほとんどまたは全く利点をもたらさない典型的な電動機械蒸気圧縮システムを想定して分析されている。第２に、研究者が実験室で水和物を生成する方法と同様に、スケールアップされた圧力容器で水和物形成が起こることが想定されている。その手法の困難さには、大型で高価な圧力容器の必要性、濃縮塩水溶液からの水和物結晶の非効率的な機械的分離、水和物結晶凝集体内の塩溶液の捕捉、ならびに表面の汚染および固着が含まれる。それらの問題のどれも、従来設計されたシステムではまだ効果的に解決されていない。

図６および図７を参照すると、分離プロセスは、対向する親水性表面および疎水性表面を有するチャネルに三相流体を入れることによって開始することができる。強い対向する表面張力により、水性濃縮物相（１６）が水和物－冷媒相（１４）から分割される。水性濃縮物（１６）は、親水性チャネルから排出することができる。次いで、水和物－冷媒相（１４）は、マイクロチャネル熱交換部を通過して、流入海水から熱を吸収し、水和物結晶を液体水に解離（縮退）させることができる。次いで、２相の水－冷媒流体は、対向する親水性表面および疎水性表面を有する第２のＴまたはＹ接合部を通過して、排出用の飲料水とリサイクル用の冷媒相とを分離することができる。排出された冷媒は、蒸発器に入る前に標準的な膨張弁を介して冷却され、そこで残りの液体冷媒が膨張されて、熱圧縮機を出る液体冷媒を冷却する。次いで、冷媒蒸気が熱圧縮機に戻されてサイクルを閉じる。

システムは、超撥水特性、すなわち、Ｒ１３４ａのようなフルオロカーボン冷媒に対する非常に高い収着能力および化学親和力を有する吸着材料を使用することができる。これらの特性は、低グレードの熱（９０～１５０℃）を非常に効率的に利用して圧縮効果を実現する多床熱交換器構成において活用される。この熱圧縮機は、典型的なチラーシステムにおける電動圧縮機の当座の代替となり得る。

そのようなシステムは、約１０℃および４バールの適度な温度および圧力でガス水和物を直接形成するために使用することができる低温の加圧された（Ｒ１３４ａなどの）冷媒流への直接変換太陽熱を実現することができる。システムの噴霧器は、バッチシステムにおける水和物形成を阻害する運動障壁を克服するために使用することができる。例えば、噴霧器を出て液体Ｒ１３４ａになる霧化された海水液滴は、ほぼ瞬時にガス水和物を形成し、したがって三相系（マイクロ水和物結晶、水性濃縮物、および冷媒）を生成することが分かった。

三相ガス水和物含有流体を効果的に分離するために、フォトリソグラフィ法を使用してポリマーまたはガラスから作製された「チップ」などのマイクロ流体セパレータは、化学反応が行われるマイクロチャネルをエッチングするために使用することができ、またはこのシステムでは流体の分離を実行することができる。ここで紹介された特有の特徴は、マイクロチャネル内の非混和性水性相および非水性相の流れを効果的に分割し方向付ける親水性チャネルと疎水性チャネルの混合物の使用である。

マイクロ流体セパレータは、ガス水和物プロセスで脱塩を行う最も困難な態様、すなわち相分離に対する技術的解決策である。その上、流路設計が証明されると、チップを非常に低コスト（１プレート当たり５ドル未満）で大量生産することができ、その結果、脱塩システムは、住宅用から本格的な都市水道システムまでの広範囲のニーズをサポートするように製造することができる。供給のための海水の使用にも固有の制限はない。より高い塩分濃度の流体も、蒸発器温度を低下させること、および／または運転圧力を上昇させることによって、このシステムで脱塩することができる。

チップは、（シリカなどの）天然の親水性材料から作製され、対向する疎水性チャネルを有する一連のＹまたはＴ接合部でパターン化され得る。疎水性チャネルは、フルオロカーボン冷媒を非常に強く引き付ける光切断性ニトロベンジル系フルオロシランの単層でチャネル表面をコーティングすることによって製造されてもよい。システムの実施形態は、ガス水和物形成データが限られているか、またはまだ報告されていないＲ３２、Ｒ１２３４ｙｆ、およびＲ１２３３ｚｄｅなどのゲスト化合物として地球温暖化係数（ＧＷＰ）が低い代替冷媒を利用することができる。

本開示の別の実施形態によれば、システムが発電することを可能にすることができるターボエキスパンダまたは他のタイプのガス膨張エンジン（すなわち、スクロールもしくはピストンエキスパンダ）が含まれる。熱圧縮機が３９バールおよび１１０℃でＲ１３４ａを生成し、膨張機からの排出が８バールおよび３５℃であると仮定して、システムから出力される電力を推定するためのＲ１３４ａの流量の例示的な計算推定値（１７．６ｋｇ／ｓ）。これは、ほぼ等エントロピー膨張を与え、システム内の寄生負荷に応じて２００ｋＷと４００ｋＷとの間の電力を生成する。これらの負荷は、噴霧器によるマイクロ流体セパレータ内の未知の損失のために、この時点で精緻化することが困難である。しかしながら、電力生産の下端においてさえ、影響は非常に大きい。電力販売がわずか０．０７ドル／ｋＷｈであると仮定すると、これは、生成される水の平準化されたコストを発電なしの同じシステムから半分に削減する。

Claims (25)

1. 水から１つまたは複数の汚染物質を除去するためのシステムであって、
   水和物形成チャンバアセンブリと、
   前記水和物形成チャンバアセンブリ内の汚染水拡散アセンブリと、
   前記水和物形成チャンバアセンブリの壁と前記拡散アセンブリとの間の空間と、
   前記空間内にゲスト化合物を供給し、水および前記ゲスト化合物を含む水和物を形成するように構成されたゲスト化合物導管と、を備える、システム。
2. 固体水和物と液体汚染濃縮物の混合物を供給するように構成された単一の出口導管をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
3. 前記単一の出口に動作可能に結合され、固体水和物と液体汚染濃縮物の前記混合物を受け取るように構成された分離アセンブリをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
4. 少なくとも２つの分離アセンブリ出口導管をさらに備え、前記導管の一方が固体水和物を運ぶように構成され、前記２つの導管の他方が液体汚染濃縮物を運ぶように構成される、請求項３に記載のシステム。
5. 前記１つの導管に動作可能に結合され、前記固体水和物を受け取り、水および前記ゲスト化合物に解離させるように構成された水和物解離アセンブリをさらに備える、請求項４に記載のシステム。
6. 前記ゲスト化合物を受け取り、前記ゲスト化合物を前記ゲスト化合物導管に供給するように構成された圧縮機をさらに備える、請求項５に記載のシステム。
7. 前記汚染濃縮物から前記水和物を分離するように構成されたマイクロ流体セパレータをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
8. 前記水和物を解離させるように構成されたマイクロ流体セパレータをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
9. 前記ゲスト化合物から水を分離するように構成されたマイクロ流体セパレータをさらに備える、請求項２に記載のシステム。
10. 前記水和物形成チャンバに入る前に前記ゲスト化合物の温度変化を促進するために、前記ゲスト化合物導管と動作可能に位置合わせされた蒸発器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
11. 水から１つまたは複数の汚染物質を除去するための方法であって、
    汚染水混合物および１つまたは複数のゲスト化合物を供給するステップと、
    水および前記１つまたは複数のゲスト化合物を含む水和物錯体を形成するステップと、
    汚染物質が少ない水を供給するために前記ゲスト化合物から前記水を分離するステップと、を含む、方法。
12. 前記汚染水混合物が海水を含む、請求項１１に記載の方法。
13. 前記１つまたは複数のゲスト化合物が、炭化水素、フルオロカーボン、ヒドロフルオロカーボン、ＣＯ_２、および／またはＨ_２Ｓのうちの１つまたは複数を含む、請求項１１に記載の方法。
14. 前記ゲスト化合物をリサイクルするステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
15. 前記ゲスト化合物をリサイクルする前記ステップが、熱交換器に冷却源を供給するために前記ゲスト化合物を熱膨張させるステップを含む、請求項１４に記載の方法。
16. 前記ゲスト化合物を圧縮するステップをさらに含む、請求項１５に記載の方法。
17. 前記ゲスト化合物から前記水を分離するステップより前に、前記水和物錯体を汚染水から分離するステップをさらに含む、請求項１１に記載の方法。
18. 前記ゲスト化合物から前記水を分離するために前記水和物錯体を解離させるステップをさらに含む、請求項１７に記載の方法。
19. 前記汚染水混合物が海水を含み、前記１つまたは複数のゲスト化合物が冷媒を含む、請求項１１に記載の方法。
20. 前記汚染水混合物が海水を含み、前記１つまたは複数のゲスト化合物がＣＯ_２を含む、請求項１１に記載の方法。
21. 水および少なくとも１つの汚染物質を含む液体成分と、
    水和物錯体を含む固体成分と、を含む、混合物。
22. 前記少なくとも１つの汚染物質が塩である、請求項２１に記載の混合物。
23. 前記水和物錯体がゲスト化合物を含む、請求項２１に記載の混合物。
24. 前記ゲスト化合物がフルオロカーボンを含む、請求項２３に記載の混合物。
25. 前記ゲスト化合物がＣＯ_２を含む、請求項２３に記載の混合物。

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