JP6366605B2 - 膜を用いない海水淡水化 - Google Patents
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Description
本願は、米国仮出願第61/740,780号(2012年12月21日出願)の利益を主張するものであり、それはその全体が参照により本明細書に組み入れられる。
本発明は、米国エネルギー省によって付与された協定番号DE−FG02−06ER15758、及び米国環境保護庁によって付与された契約番号EP−D−12−026の下で、政府の支援を受けて為された。政府は、本発明に一定の権利を有する。
本明細書に記述する複数個のマイクロ流体装置を組み合わせて浄水システムを形成できる。
本明細書に記述するマイクロ流体装置及びシステムは、非導電性であり、装置またはシステムのマイクロ流体チャネルを流れる水溶液に適した任意の基板材料から製造できる。例えば、装置またはシステムは、全体または一部において、ガラス、シリコンまたはそれらの組み合わせから製造できる。装置またはシステムは、また、全体または一部において、ポリマー及び/またはプラスチックからも製造できる。例えば、ポリエステル(例えば、ポリエチレンテレフタレート;PET)ポリウレタン、ポリカーボネート、ハロゲン化ポリマー(例えば、ポリ塩化ビニル及び/もしくはフッ素化ポリマー、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(PTFE))、ポリアクリル酸塩及び/もしくはポリメタクリル酸(例えば、ポリメチルメタクリレート;PMMA)、シリコーン(例えば、ポリジメチルシロキサン;PDMS)、熱硬化性樹脂(例えば、ベークライト)、もしくは共重合体、混合物並びに/またはそれらの組み合わせから製造できる。装置またはシステムは、また、全体または一部において、セラミック(例えば、窒化ケイ素、炭化ケイ素、チタニア、アルミナ、シリカなど)からも製造できる。
本明細書に記述するマイクロ流体装置及びシステムを使用して、水の塩分を低減できる。水の塩分の低減は、本明細書に記述する装置またはシステムの淡水化ユニットの中に塩水を流し、淡水化ユニットの交点に近接して位置付けられた電極においてファラデー反応を起こすことによって行うことができる。ファラデー反応によって、塩水中のイオンを淡水化ユニットの希薄出口チャネルから離し、淡水化ユニットの濃縮出口チャネルの方に導く電場勾配が生成される。その結果、希薄出口チャネルに流入する水の塩分が、入口チャネルに流入する塩水の塩分よりも低くなる。
[実施例]
[実施例1]
単一の双極電極(BPE)によってつながれた淡水化ユニット及び補助チャネルを備えたマイクロ電気化学セルを使用して、圧力駆動流(PDF)の存在下で局所的に生成された電場勾配に沿って海水を淡水化した。海水淡水化は、並列の淡水化ユニットと補助チャネルとの間に電位バイアスを印加して、双極電極の陽極における塩素の酸化を駆動することによって達成した。陰極では、水の還元が起こって電流の流れを援助する。
マイクロ流体装置の製造
当技術分野において公知の微細加工法を使用して、PDMS−石英ハイブリッドマイクロ流体装置を用意した。マイクロ流体装置の構造を、図2に概略図に図示する。装置は、単一の双極電極によってつながれた淡水化ユニット及び補助チャネルを備える。
テキサス州ポートアランサスから収集した海水を使用して淡水化を評価した。マイクロ流体チャネルの詰まりを防ぐために、試料を収集する前に、海水試料を簡単な沈殿プロセスに供した。海水にカチオン(20μΜRu(bpy)2+)トレーサを加え、淡水化中に淡水化ユニットを通るイオンの移動を蛍光モニタリングした。
Pt駆動電極を使用して、Etot=3.0Vを容器212及び210に印加し、一方で、流体容器110、112及び114は接地した。電位バイアスによって、BPE(204)の両極間に十分に大きな電位差が作り出され、BPE陽極(206)及び陰極(208)における水の酸化及び還元を駆動した。それぞれ、式1及び式2を参照されたい。さらに、BPE陽極に塩素酸化(206、式3)が発生し、塩素が生成されたときにBPE付近にイオン枯渇領域を直接もたらした。
(式1) 2H2O−4e−←→O2+4H+
(式2) 2H2O+2e−←→H2+2OH−
(式3) 2Cl−−2e−←→Cl2(2)
(式4) Uep=μepV1
希薄出口チャネル及び濃縮出口チャネルが入口チャネルから分岐するところの交点付近に双極電極の陽極によって形成されたイオン枯渇領域付近を除く、図2に描写する装置のすべての領域において、水及びすべての溶存種の輸送は、PDFによって制御される。結果として、すべての中性種及びイオンは、概して装置の中を流れる流体の方向(すなわち、右から左)に移動する。しかしながら、イオンが、交点付近に電極によって形成された局所電場勾配に近づくと、それらは電場強度の増大に伴うUepの増大を受ける。カチオンの場合には、この勾配は、図7に描写するように、イオンの局所電気泳動速度(Uep)が流体の平均対流速度(PDF)を超えた結果として、接地された容器の方にブラインストリームにおいてカチオンの向きを変える。マイクロチャネルにおける電気的中性を維持するために、アニオンも、ブラインストリームに向きを変える。
[実施例2]
マイクロ流体装置の製造
PDMS−ガラスハイブリッドマイクロ流体装置を、当技術分野において公知の微細加工法を使用して用意した。マイクロ流体装置の構造を、図1に概略図に図示する。装置は、淡水化ユニット及び単一電極を備える。
テキサス州ポートアランサスから収集した海水を使用して淡水化を評価した。マイクロ流体チャネルの詰まりを防ぐために、試料を収集する前に、海水試料を簡単な沈殿プロセスに供した。海水にカチオン(20μΜRu(bpy)2+)トレーサを加え、淡水化中に淡水化ユニットを通るイオンの移動を蛍光モニタリングした。
Ptワイヤー対電極及び微細加工されたPt駆動電極を使用して、電極108と流体容器110、112及び114との間に1.4Vバイアスを印加した。流体容器は接地した。電位バイアスによって、電極と溶液との間に、塩素酸化を駆動し、イオン枯渇領域及び局所電場勾配を作り出す十分に大きな電位差が作り出された。
[実施例3]
マイクロ流体装置の製造
前述の実施例に加えて、数値シミュレーションを使用して淡水化をモデル化した。計算法を使用して、図10Bの実施例1に類似する50mS/cmのNaCl溶液の淡水化をモデルした。シミュレートしたシステムの三次元形状は、100μm幅の入口チャネル並びに50μm幅の希薄出口チャネル及び濃縮出口チャネルを有する(5.0mm長及び22μm高)。コンピュータモデルは、淡水化チャネル内の初期の流れ、並びに局所イオン濃度及び局所電場の分布をシミュレートした。Cl−の酸化が、陽極において発生する唯一のファラデー反応であると想定した。モデルは、並列処理による数値スキームに基づいて開発され、最新の高性能計算プラットフォーム(スーパーコンピュータ)における直接的な実施を可能にする。
これらの数値シミュレーションは、淡水化のために提案されたメカニズムと一致した。シミュレーションは、陽極におけるCl−酸化という想定に基づく50mS/cmのNaCl溶液の淡水化である図10Bの実施例1に対応する結果に酷似する。図14Aは、陽極に近い関心のある領域におけるシミュレートした塩分の分布を、淡水化チャネル入口におけるその値によって正規化して示す。結果は、淡水化された出口において塩分が20%低減したことを示す。図14Bは、陽極にわたる電場勾配のシミュレートした発生を示し、これは塩素酸化に起因する電場強度の明らかな増大を示す。
Claims (47)
- マイクロ流体装置であって、
(a)希薄出口チャネル及び濃縮出口チャネルと流体的に接続された入口チャネルを備えており、前記希薄出口チャネル及び前記濃縮出口チャネルが交点において前記入口チャネルから分岐する、淡水化ユニットと、
(b)前記交点に近接した前記淡水化ユニットと電気化学的に接触する電極と
を備えており、
前記電極が、前記交点付近に電場勾配を生成するようにファラデー反応を起こすように構成される、
マイクロ流体装置。 - 前記電極が陽極を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記電極が陰極を含む、請求項1に記載の装置。
- 前記入口チャネルの幅が、1000μmから1μmである、請求項1〜3のいずれか一項に記載の装置。
- 前記入口チャネルの幅が、500μmから10μmである、請求項1〜4のいずれか一項に記載の装置。
- 前記入口チャネルの幅が、150μmから25μmである、請求項1〜5のいずれか一項に記載の装置。
- 前記入口チャネルの高さが、50μm以下である、請求項1〜6のいずれか一項に記載の装置。
- 前記入口チャネルの高さが、50μmから1μmである、請求項1〜7のいずれか一項に記載の装置。
- 前記入口チャネルの高さが、20μmから1μmである、請求項1〜8のいずれか一項に記載の装置。
- 前記希薄出口チャネルの幅が、500μmから0.5μmである、請求項1〜9のいずれか一項に記載の装置。
- 前記希薄出口チャネルの幅が、80μmから10μmである、請求項1〜10のいずれか一項に記載の装置。
- 前記希薄出口チャネルの高さが、50μm以下である、請求項1〜11のいずれか一項に記載の装置。
- 前記希薄出口チャネルの高さが、50μmから1μmである、請求項1〜12のいずれか一項に記載の装置。
- 前記希薄出口チャネルの高さが、20μmから1μmである、請求項1〜13のいずれか一項に記載の装置。
- 前記濃縮出口チャネルの幅が、500μmから0.5μmである、請求項1〜14のいずれか一項に記載の装置。
- 前記濃縮出口チャネルの幅が、80μmから10μmである、請求項1〜15のいずれか一項に記載の装置。
- 前記濃縮出口チャネルの高さが、50μm以下である、請求項1〜16のいずれか一項に記載の装置。
- 前記濃縮出口チャネルの高さが、50μmから1μmである、請求項1〜17のいずれか一項に記載の装置。
- 前記濃縮出口チャネルの高さが、20μmから1μmである、請求項1〜18のいずれか一項に記載の装置。
- 前記希薄出口チャネルの断面積と前記濃縮出口チャネルの断面積との合計が、前記入口チャネルの断面積と実質的に等しい、請求項1〜19のいずれか一項に記載の装置。
- 前記入口チャネルと流体的に接続された、流体入口、流体容器、またはそれらの組み合わせをさらに備える、請求項1〜20のいずれか一項に記載の装置。
- 前記希薄出口チャネルと流体的に接続された、流体出口、流体容器、またはそれらの組み合わせをさらに備える、請求項1〜21のいずれか一項の装置。
- 前記濃縮出口チャネルと流体的に接続された、流体出口、流体容器、またはそれらの組み合わせをさらに備える、請求項1〜22のいずれか一項に記載の装置。
- 前記交点における前記希薄出口チャネルと前記濃縮出口チャネルとの間に形成される角度が、60度以下である、請求項1〜23のいずれか一項に記載の装置。
- 前記淡水化ユニットと流体的に分離された補助チャネルをさらに備える、請求項1〜24のいずれか一項に記載の装置。
- 前記電極が、前記淡水化ユニット及び前記補助チャネルを電気化学的に接続する双極電極を含む、請求項25に記載の装置。
- 前記双極電極が、前記淡水化ユニットと電気化学的に接触する陽極、及び前記補助チャネルと電気化学的に接触する陰極を備える、請求項25または26に記載の装置。
- 前記双極電極が、前記淡水化ユニットと電気化学的に接触する陰極、及び前記補助チャネルと電気化学的に接触する陽極を備える、請求項25または26に記載の装置。
- 前記補助チャネルが、希薄出口チャネル及び濃縮出口チャネルと流体的に接続された入口チャネルを備え、前記希薄出口チャネル及び前記濃縮出口チャネルが、交点において前記入口チャネルから分岐する、
第二の淡水化ユニットと、
前記第二の淡水化ユニットと電気化学的に接触する電極と
を備え、
前記電極が、前記希薄出口チャネル及び前記濃縮出口チャネルが前記入口チャネルから分岐する前記交点付近に電場勾配を生成するように構成される、
請求項25〜28のいずれか一項に記載の装置。 - 前記補助チャネル及び前記淡水化ユニットにわたる電位バイアスを印加するように構成された電源をさらに備える、請求項25〜29のいずれか一項に記載の装置。
- 請求項1〜30のいずれか一項に定義された複数個の装置を備える、浄水システム。
- 前記複数個の装置の前記入口チャネルが水入口と流体的に接続され、前記複数個の装置の前記希薄出口チャネルが水出口と流体的に接続される、請求項31に記載のシステム。
- 流体的に直列に接続された複数個の前記装置を備える、請求項31または32に記載のシステム。
- 並列に配置された複数個の前記装置を備える、請求項31〜33のいずれか一項に記載のシステム。
- 水の塩分を低減させる方法であって、
(a)請求項1〜30のいずれか一項に定義された前記装置の前記入口チャネル、または請求項31〜34のいずれか一項に定義された前記システムの前記水入口を流れるように塩水を供給することと、
(b)電位バイアスを印加することによって、請求項1〜30のいずれか一項に定義された前記装置の前記淡水化ユニット、または請求項31〜34のいずれか一項に定義された前記システムの前記淡水化ユニットを流れるイオンの流れに影響を与える電場勾配を生成することと、
(c)請求項1〜30のいずれか一項に定義された前記装置の前記希薄出口チャネル、または請求項31〜34のいずれか一項に定義された前記システムの前記水出口から水を収集することと
を含み、
請求項1〜30のいずれか一項に定義された前記装置の前記希薄出口チャネル、または請求項31〜34のいずれか一項に定義された前記システムの前記水出口から収集された前記水の電気伝導性が、前記塩水よりも低い、
方法。 - 前記塩水が海水を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記塩水が汽水を含む、請求項35に記載の方法。
- 前記収集された水の導電率が、前記塩水の導電率の80%を超えない、請求項35〜37のいずれか一項に記載の方法。
- 前記収集された水の導電率が、前記塩水の導電率の50%を超えない、請求項35〜38のいずれか一項に記載の方法。
- 前記収集された水の導電率が、前記塩水の導電率の10%を超えない、請求項35〜39のいずれか一項に記載の方法。
- 前記収集された水の導電率が、0.1S/m未満である、請求項35〜40のいずれか一項に記載の方法。
- 前記収集された水の導電率が、0.05S/mから0.005S/mである、請求項35〜41のいずれか一項に記載の方法。
- 前記収集された水の導電率が、0.005S/mから5.5×10−6S/mである、請求項35〜42のいずれか一項に記載の方法。
- 印加される電位バイアスの範囲が、1Vから10Vである、請求項35〜43のいずれか一項に記載の方法。
- 請求項1〜30のいずれか一項に定義された前記装置の前記淡水化ユニット、または請求項31〜34のいずれか一項に定義された前記システムの各淡水化ユニットを流れる前記塩水の流量の範囲が、毎分0.01から1μlである、請求項35〜44のいずれか一項に記載の方法。
- 水の塩分を低減させる方法であって、
(a)希薄出口チャネル及び濃縮出口チャネルと流体的に接続された入口チャネルを備えており、前記希薄出口チャネル及び前記濃縮出口チャネルが交点において前記入口チャネルから分岐する淡水化ユニットに塩水を流すことと、
(b)前記交点に近接して位置付けられた電極においてファラデー反応を起こして電場勾配を生成することと
を含み、
前記電場勾配が、前記塩水中のイオンを前記希薄出口チャネルから離すように導く、方法。 - 前記ファラデー反応が、塩化物の塩素への酸化を含む、請求項46の方法。
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