JP7093816B2 - 切り替え可能な正浸透システム及びそのプロセス - Google Patents

Description

本出願は、水処理システムの分野に関する。より具体的には、本出願は、切り替え可能な正浸透システムと、関連する組成物及びプロセスに関する。

多くの産業が直面している課題は、工業プロセスによって生じた廃水の浄化又は処分である。例えば、石油・ガス産業での掘削及び水圧破砕は、随伴水を生じ、これは処理するのが難しいことがあり、発展中の処分制約に直面している。随伴水は、石油又はガスの生産中に表面に運ばれる、地下層からの水である。例えば、シェールガスの生産は、地域によって、生産されるガス百万立方フィートあたりおよそ２５～１０００ガロン（ｇａｌ／ＭＭｃｆ）の随伴水を生じることがある［Ｓｈａｆｆｅｒ，Ｄ．Ｌ．ら，Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０１３，４７，９５６９－９５８３］。

このような随伴水は、飲用に通常許容されるよりも高濃度の総溶解固形分（ＴＤＳ）又は表面に排出された水をしばしば含有し、例えば、一部の随伴水は８０００～３６００００ｍｇ／ＬのＴＤＳ範囲を有し、一方、或る水質基準はたったの５００ｍｇ／Ｌを許容する。さらに、随伴水は、石油・ガス回収プロセスで使用した化学物質を含有することがあり、これは結果的に、低い又は高いｐＨ、高い有機分、又は比較的高濃度の懸濁物質を有する随伴水を生じることがある［Ｒ．Ｌ．ＭｃＧｉｎｎｉｓら，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，２０１３，３１２，６７－７４；Ｓｈａｆｆｅｒ，Ｄ．Ｌ．ら，Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０１３，４７，９５６９－９５８３］。

一般的に採用される廃水処分方法は、深坑井注入を含み、これは、廃水を輸送し、以前に掘削された坑井へ注入することを含む。このような処分方法は、費用がかさむことがあり、例えば、カナダ西部のＭｏｎｔｎｅｙ Ｓｈａｌｅからの随伴水の処分コストは、およそ＄５０／ｍ^３である［Ｐａｋｔｉｎａｔ，Ｊ．ら，Ｃａｎａｄｉａｎ Ｓｏｃｉｅｔｙ ｆｏｒ Ｕｎｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ Ｇａｓ／Ｓｏｃｉｅｔｙ ｏｆ Ｐｅｔｒｏｌｅｕｍ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｓ，１４９２７２，２０１１］。深坑井処分に関連したいくつかの危険もあり、例えば、このような処分方法は、既存の断層線に圧力をかけることで、「人工」地震を誘発することがある。アメリカ地質調査所（ＵＳＧＳ）によって報告されたように、１９７０年から２０００までの間に毎年平均２０回の地震が観察されたことに比べて、２０１０年から２０１３年までの間に毎年平均１００回の地震が発生しており、これは水圧破砕及び深坑井注入を通じた廃棄物処分の増加と関連があることが見出されている［２０１５年６月１２日にアクセス時の、ｈｔｔｐ：／／ｔｉｍｅ．ｃｏｍ／８４２２５／ｆｒａｃｋｉｎｇ－ａｎｄ－ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ－ｌｉｎｋ／、２０１５年６月１２日にアクセス時の、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｃｂｃ．ｃａ／ｎｅｗｓ／ｃａｎａｄａ／ｃａｌｇａｒｙ／ｅａｒｔｈｑｕａｋｅ－ｈａｚａｒｄ－ｌｉｎｋｅｄ－ｗｉｔｈ－ｄｅｅｐ－ｗｅｌｌ－ｉｎｊｅｃｔｉｏｎ－ｉｎ－ａｌｂｅｒｔａ－１．２７５１９６３、２０１５年６月１２にアクセス時の、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｕｓｇｓ．ｇｏｖ／ｂｌｏｇｓ／ｆｅａｔｕｒｅｓ／ｕｓｇｓ＿ｔｏｐ＿ｓｔｏｒｙ／ｍａｎ－ｍａｄｅ－ｅａｒｔｈｑｕａｋｅｓ／］。

処分方法の代替として、現在採用されている廃水を浄化するための方法は、蒸留（例えば、機械的蒸気圧縮「ＭＶＣ」）、結晶化、逆浸透、及び正浸透を含む。ＭＶＣは、高い塩分濃度の随伴水から水を蒸発させるために開ループのヒートポンプを用いる蒸発技術である。このような蒸発技術は本質的にエネルギー集約型であり、ＭＶＣユニットは、６０℃で動作することができるが、それらの特異的なエネルギー消費は、１４ｋＷｈ／ｍ^３留出物（例えば、６００ｍ^３留出物／日でエネルギー消費１３．６ｋＷｈ／ｍ^３留出物、及び随伴水からの留出物の回収率３０％）に近いことがある［Ｓｈａｆｆｅｒ，Ｄ．Ｌ．ら，Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０１３，４７，９５６９－９５８３］。対照的に、結晶化は、水の完全な蒸発に関係した蒸発による廃水浄化プロセスであり、これは結果的に固体塩を生じ、したがって液体排出ゼロの浄化プロセスを提供する。しかしながら、結晶化は、その高い機械的／熱エネルギー要件に部分的に起因して、費用がかさむ浄化方法としばしば考えられる。

逆浸透（ＲＯ）は、システムの固有の浸透圧差に打ち勝つように水圧をかけることによって溶媒（例えば、廃水）を高溶質濃度の領域（フィード溶液）から半透過性の塩排除膜を通して低溶質濃度の領域へ強制する、膜に基づく分離プロセスである。一般に、必要とされる水圧は高く（≧５０ａｔｍ）、その結果、ＲＯからのエネルギー消費はＭＶＣと同等であり得る。ＲＯの性能は、膜ファウリングと、フィード溶液濃度に関する７００００ｍｇ／Ｌ ＴＤＳの高圧動作限界によってさらに低下する［Ｓｈａｆｆｅｒ，Ｄ．Ｌ．ら，Ｅｎｖｉｒｏｎ．Ｓｃｉ．Ｔｅｃｈｎｏｌ．２０１３，４７，９５６９－９５８３；Ｓｔｏｎｅ，Ｍ．Ｌ．ら，Ｄｅｓａｌｉｎａｔｉｏｎ，２０１３，３１２，１２４－１２９］。

対照的に、正浸透（ＦＯ）は、別の膜に基づく分離プロセスであり、他の水浄化方法に代わる、より低いコスト、より低い圧力を提供する。ＦＯは、塩排除半透膜の一方の側部のフィード溶液（例えば、廃水）と、膜の他方の側部の高濃度のドロー溶質を含有するドロー溶液との間の固有の浸透圧の差の結果としての、水の自発的に半透膜を渡る移動によって動作する。浸透圧が膜の両側で平衡になると、水の移動が止まる。希釈されたドロー溶液中の水からドロー溶質を分離することによって清浄水を得ることができる。

希釈されたドロー溶液からのドロー溶質の除去によるＦＯシステムからの水の分離を容易にするべく、切り替え可能な及び／又は熱分解性のドロー溶質が開発されてきた。

ＰＣＴ出願のＰＣＴ／ＣＡ２０１１／０５００７５で説明されるように、Ｊｅｓｓｏｐらは、最初のイオン強度と増加したイオン強度との間で切り替え可能である、切り替え可能な水組成物及び関連するシステムを開発しており、この組成物は、水と、切り替え可能なアミン添加剤を含む。プロトン化させるのに十分に塩基性の少なくとも１つの窒素を含むアミン添加剤は、水とイオン化トリガ（例えば、ＣＯ_２）の存在下でアンモニウム塩に可逆的に変換され、これにより、水のイオン強度及び浸透圧を増加させることができる。イオン系を減圧、熱、及び／又はフラッシングガス（例えば、空気、窒素）に曝すことにより、アミン添加剤が脱プロトン化され、水がその最初のイオン強度に戻ることになる。脱プロトン化された添加剤は、通常、そのイオン対の相手と比べて水からより容易に分離可能である。そのイオン強度及び浸透圧を可逆的に増加させる能力と、水から切り替え可能な添加剤を除去可能であることを含む、切り替え可能な水組成物の固有の特徴は、この組成物を、ＦＯドロー溶液としての使用に特に良く適するものにする。

Ｎｅｆｆによって米国特許ＵＳ３１３０１５６で及び後にＭｃＧｉｎｎｉｓによって（例えば、米国特許ＵＳ７５６００２９参照）説明されたように、熱分解性のアンモニアベースのドロー溶液を含むＦＯシステムも開発されている。これらのアンモニアベースのＦＯシステムは、アンモニアを水の存在下でＣＯ_２に曝してアンモニウム塩を生成することによって生じた比較的高い浸透圧のドロー溶液を組み入れている。このようなＦＯシステムからの水の分離は、希釈されたドロー溶液のアンモニウム塩をそれらの成分ガスに分解し、これらのガスを水から分離することによって可能であると言われている。しかしながら、Ｊｅｓｓｏｐらによって説明されたように、アンモニアベースのドロー溶液に関係するプロセスは、アミンベースのドロー溶液に関係するプロセスよりもエネルギー集約型であり、例えば、ＮＨ_４ ^＋塩の脱プロトン化は、比較できるＮＲ_３Ｈ^＋系に関するたったの３６．９ｋＪ／ｍｏｌに対して５２．３ｋＪ／ｍｏｌのエネルギー入力を必要とする［Ｍｕｃｃｉ，Ａ．；Ｄｏｍａｉｎ，Ｒ．；Ｂｅｎｏｉｔ，Ｒ．Ｌ．Ｃａｎ．Ｊ．Ｃｈｅｍ．１９８０，５８，９５３－９５８］。

より最近では、Ｉｋｅｄａら、Ｅｌｉｍｅｌｅｃｈら、及びＦｏｒｗａｒｄ Ｗａｔｅｒ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓが、トリメチルアミン（ＴＭＡ）ベースのドロー溶液を含むＦＯシステムを説明している［例えば、ＰＣＴ出願のＰＣＴ／ＪＰ２０１１／０７２２６１、及びＢｏｏ，Ｃ．，Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｍｅｍｂｒａｎｅ Ｓｃｉｅｎｃｅ，２０１５，４７３，３０２－３０９参照］。ＴＭＡは、中性の形態と、水の存在下でイオン化トリガ（例えば、酸性ガス）に曝したときのイオン化した形態との間で切り替えることができるアミン添加剤であり、したがって、Ｊｅｓｓｏｐらによって最初に説明された切り替え可能な浸透強度を有する溶液を提供するのに有用である。アンモニアのように、ＴＭＡは、周囲温度及び圧力では気体であり、したがって、イオン化したＴＭＡ塩を含む溶液に減圧、熱、又はフラッシングガスを適用することにより、これはＴＭＡガスを含めてその構成成分に戻ることになり、これにより、溶液からのＴＭＡの除去が容易になる。したがって、アンモニアベースのＦＯシステムと同様に、ＴＭＡベースのＦＯシステムは、アンモニアベースのシステムよりも低いエネルギー要件でドロー溶液から水を分離するための簡便な手段を提供する。

Ｉｋｅｄａらは、０．１～３．５ｗｔ％のＴＤＳを含有するフィード溶液でそれらのイオン化したＴＭＡベースのＦＯシステムの使用を実証し、一方、Ｅｌｉｍｅｌｅｃｈらは、ドロー溶質としてのＴＭＡの使用性を単に実証するのにフィード溶液として脱イオン水だけを用いた。両グループは、それらのＦＯシステムにおいてかなり希薄ドロー溶液、すなわち、＜２６ｗｔ％（Ｉｋｅｄａら）及び１１ｗｔ％（Ｅｌｉｍｅｌｅｃｈら）のイオン化したＴＭＡを採用した。Ｉｋｅｄａら及びＥｌｉｍｅｌｅｃｈらによって行われた研究は、淡水のフィードストリーム又は海水にほぼ等しい塩濃度を有するフィードストリームでＦＯシステムのドロー溶液中の切り替え可能な薬剤としてのイオン化したＴＭＡの使用を実証した。これらの研究で用いられたフィードストリームは、ＲＯシステムで容易に採用される。しかしながら、前述のように、ＲＯシステムは、フィード溶液に関する７００００ｍｇ／Ｌ ＴＤＳの高圧動作限界を有し、より濃縮されたフィードストリームは、一般にＲＯを用いて処理することができず、代替的な処理方法を必要とする。

アンモニアベースのＦＯシステムよりも低いエネルギーで動作し、水からドロー溶質を分離する簡便な方法を提供し、ＲＯシステムによる他の方法では処理することができない高ＴＤＳを有する工業プロセス廃水などのフィード溶液の浄化に有用なＦＯシステムが依然として必要とされている。

上記の情報は、本発明に関連している可能性があると出願人が考える公知の情報を提示する目的で提供される。上記の情報のいずれも本発明に対する従来技術を構成することの自認は必ずしも意図しておらず、自認と解釈されるべきではない。

本出願の目的は、切り替え可能な正浸透システム及びそのプロセスを提供することである。

本出願の一態様によれば、水性フィードストリームを処理するためのプロセスであって、≧２０ｗｔ％のドロー溶質濃度を有する水性ドロー溶液を用いる正浸透を含み、ドロー溶質は、イオン化したトリメチルアミンと対イオンを含み、フィードストリームが、（ｉ）≧５ｗｔ％の総溶解固形分を含む、（ｉｉ）≦２０℃の温度である、（ｉｉｉ）≧３０℃から≦６０℃までの間の温度である、（ｉｖ）酸性のｐＨ又は塩基性のｐＨを有する、（ｖ）有機分を含む、（ｖｉ）懸濁物質を含む、又は（ｖｉｉ）ｉ）～ｖｉ）の２つ以上の任意の組み合わせである、プロセスが提供される。

一実施形態によれば、正浸透を含むプロセスであって、正浸透が、ａ）水を選択的に透過させる半透膜の一方の側部にフィードストリームを導入することと、ｂ）半透膜の他方の側部にドロー溶液を導入することと、ｃ）濃フィード溶液及び希薄ドロー溶液を形成するべく水がフィード溶液から半透膜を通してドロー溶液へ流れることを可能にすることとを含む、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、正浸透が、ｄ）希薄ドロー溶液からドロー溶質を分離することと、ｅ）分離されたドロー溶質から濃ドロー溶液を再構成することをさらに含む、正浸透を含むプロセスが提供される。

別の実施形態によれば、希薄ドロー溶液からドロー溶質を分離することが、逆浸透、揮発、加熱、フラッシングガス、真空又は部分真空、攪拌、又はこれらの任意の組み合わせを含む、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、濃ドロー溶液を再構成することが、ａ）トリメチルアミンの水性溶液に二酸化炭素などのイオン化トリガを導入すること、ｂ）二酸化炭素などのイオン化トリガの水性溶液にトリメチルアミンを導入すること、ｃ）水性溶液にトリメチルアミンと二酸化炭素などのイオン化トリガを同時に導入すること、又はｄ）これらの任意の組み合わせを含む、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、プロセスが、ｉ）閉じたプロセス、ｉｉ）継続的にサイクルされるプロセス、又はｉｉｉ）これらの組み合わせである、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、５から３０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に６から１０ｗｔ％までの間の総溶解固形分を含む、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、総溶解固形分が、金属酸化物、鉱物、一価のイオン、二価のイオン、三価のイオン、又はこれらの任意の組み合わせを含む、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、０から１５℃までの間、又は代替的に０から１０℃までの間、又は代替的に０から５℃までの間、又は代替的に３から５℃までの間の温度である、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、３０から６０℃までの間、又は代替的に３０～５０℃、又は代替的に３０～４０℃、又は代替的に３０～３５℃の温度である、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、ｐＨ≦６、又は代替的に≦５、又は代替的に≦３を有する、プロセスが提供される。別の実施形態によれば、フィード溶液が、ｐＨ≧８、又は代替的に≧９、又は代替的に≧１１を有する、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液の有機分が、懸濁又は可溶化した有機化合物、炭水化物、多糖類、タンパク質、藻類、ウィルス、植物質、動物質、又はこれらの任意の組み合わせを含む、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が懸濁物質を含む、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、硬水、プロセス水、随伴水、フローバック水、廃水、又はこれらの任意の組み合わせである、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、ドロー溶液が、≧３０ｗｔ％から飽和までの間、又は代替的に３０から７０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から６０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から５０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から４０ｗｔ％までの間のドロー溶質濃度を有する、プロセスが提供される。別の実施形態によれば、ドロー溶液が、３０から４０ｗｔ％までの間、又は代替的に６０から７０ｗｔ％までの間のドロー溶質濃度を有する、プロセスが提供される。

別の実施形態によれば、フィードストリームが、≧５ｗｔ％の総溶解固形分と、（ｉ）有機分、（ｉｉ）懸濁物質、又は（ｉｉｉ）有機分と懸濁物質との両方を含む、複合フィードストリームである、プロセスが提供される。

本出願の別の態様によれば、正浸透システムであって、（ｉ）≧２０ｗｔ％のドロー溶質濃度を有する水性ドロー溶液と、ドロー溶質は、イオン化したトリメチルアミンと対イオンを含み、（ｉ）少なくとも１つの正浸透要素と、を備え、少なくとも１つの正浸透要素は、第１の側部及び第２の側部を有する、水を選択的に透過させる半透膜と、フィード溶液を膜の第１の側部と流体連通させるための少なくとも１つのポートと、ドロー溶液を膜の第２の側部と流体連通させるための少なくとも１つのポートとを備え、水が、濃フィード溶液及び希釈されたドロー溶液を形成するべくフィード溶液から半透膜を通してドロー溶液へ流れる、システムが提供される。

一実施形態によれば、ａ）希薄ドロー溶液からドロー溶質又はイオン化していない形態のドロー溶質を分離するための手段と、ｂ）分離されたドロー溶質又はイオン化していない形態のドロー溶質からドロー溶液を再構成するための手段とを備えるドロー溶液を再生させるためのシステムをさらに備える、システムが提供される。

別の実施形態によれば、希薄ドロー溶液からドロー溶質を分離するための手段が、逆浸透システム、揮発、加熱、フラッシングガス、真空又は部分真空、攪拌、又はこれらの任意の組み合わせを含む、システムが提供される。

別の実施形態によれば、分離されたドロー溶質又はイオン化していない形態のドロー溶質からドロー溶液を再構成するための手段が、ａ）トリメチルアミンの水性溶液に二酸化炭素などのイオン化トリガを導入するための手段、ｂ）二酸化炭素などのイオン化トリガの水性溶液にトリメチルアミンを導入するための手段、ｃ）水性溶液にトリメチルアミンと二酸化炭素などのイオン化トリガを同時に導入するための手段、又はｄ）これらの任意の組み合わせを含む、システムが提供される。

別の実施形態によれば、システムが、（ｉ）閉じている、（ｉｉ）継続的にサイクルされる、又は（ｉｉｉ）これらの組み合わせである、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、５から３０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１０ｗｔ％までの間、又は代替的に６から１０ｗｔ％までの間の総溶解固形分を含む、システムが提供される。

別の実施形態によれば、総溶解固形分が、金属酸化物、鉱物、一価のイオン、二価のイオン、三価のイオン、又はこれらの組み合わせを含む、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、０から１５℃までの間、又は代替的に０から１０℃までの間、又は代替的に０から５℃までの間、又は代替的に３から５℃までの間の温度である、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、３０から６０℃までの間、又は代替的に３０～５０℃、又は代替的に３０～４０℃、又は代替的に３０～３５℃の温度である、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、ｐＨ≦６、又は代替的に≦５、又は代替的に≦３を有する、システムが提供される。別の実施形態によれば、フィード溶液が、ｐＨ≧８、又は代替的に≧９、又は代替的に≧１０を有する、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が有機分を含む、システムが提供される。別の実施形態によれば、有機分が、懸濁又は可溶化した有機化合物、炭水化物、多糖類、タンパク質、藻類、ウィルス、植物質、動物質、又はこれらの任意の組み合わせを含む、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が懸濁物質を含む、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィード溶液が、硬水、プロセス水、随伴水、フローバック水、廃水、又はこれらの任意の組み合わせである、システムが提供される。

別の実施形態によれば、ドロー溶液が、≧３０ｗｔ％から飽和までの間、又は代替的に３０から７０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から６０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から５０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から４０ｗｔ％までの間のドロー溶質濃度を有する、システムが提供される。別の実施形態によれば、ドロー溶液が、３０から４０ｗｔ％までの間、又は代替的に６０から７０ｗｔ％までの間のドロー溶質濃度を有する、システムが提供される。

別の実施形態によれば、フィードストリームが、≧５ｗｔ％の総溶解固形分と、（ｉ）有機分、（ｉｉ）懸濁物質、又は（ｉｉｉ）有機分と懸濁物質との両方を含む、複合フィードストリームである、システムが提供される。

本出願の別の態様によれば、（ｉ）水と、（ｉｉ）≧２０ｗｔ％の濃度のイオン化したトリメチルアミンと、（ｉｉｉ）イオン化したトリメチルアミンの対イオンとして作用するのに適した濃度の陰イオン種とを含む、正浸透プロセスのためのドロー溶液が提供される。

一実施形態によれば、イオン化したトリメチルアミンが、≧３０ｗｔ％から飽和までの間、又は代替的に３０から７０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から６０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から５０ｗｔ％までの間、又は代替的に３０から４０ｗｔ％までの間の濃度で存在する、ドロー溶液が提供される。

別の実施形態によれば、陰イオン種が、炭酸塩、重炭酸塩、又はこれらの組み合わせである、ドロー溶液が提供される。

別の実施形態によれば、陰イオン種の発生源がＣＯ_２ガスである、ドロー溶液が提供される。

本出願並びにその他の態様及びさらなる特徴のより良い理解のために、付属の図面及び表と併せて用いられることになる以下の説明への参照がなされる。

本明細書で説明され用いられる正浸透（ＦＯ）フローセルの例を示す図である。 イオン化したトリメチルアミンのガスクロマトグラフィ－水素炎イオン型検出器（ＧＣ－ＦＩＤ）分析の検量線である。 イオン化したトリメチルアミンのフーリエ変換赤外分光法（ＦＴ－ＩＲ）分析の検量線である。 時間（３時間）及び種々のフィード溶液濃度に対する６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化を描いているグラフである。 時間（３時間）に対する３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化を描いているグラフである。 ３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液を装備したフローセルにおける、時間（２４時間）に対する３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の、２８日間にわたる２４時間動作に基づく質量の変化を描いているグラフである。 ３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液及び３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液を装備した本明細書で説明されるＦＯフローセルにより得られる２８日間にわたる動作の最初の１時間に基づく流束を描いているグラフである。 ３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液及び３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液を装備した本明細書で説明されるＦＯフローセルにより得られる２８日間にわたる動作の次の１時間後の計算された逆塩流束量を描いているグラフである。 種々の濃度のＮａＣｌ又はＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液（前記ＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液は、％総溶解固形分；％ＴＤＳで示される）を装備したＦＯフローセルにおける、時間（３時間）に対する３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化を描いているグラフである。 種々の濃度のＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液（前記ＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液は、％ＴＤＳで示される）を装備したＦＯフローセルにおける、時間（３時間）に対する６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化を描いているグラフである。 フィード溶液の温度を変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液（ＦＳ）を装備したＦＯフローセルにおける、時間（３時間）に対する６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化を描いているグラフである。 フィード溶液とドロー溶液（ＤＳ）との両方の温度を変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液（ＦＳ）を装備したＦＯフローセルにおける、時間（３時間）に対する６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化を描いているグラフである。 フィード溶液のｐＨを変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液（ＦＳ）を装備したＦＯフローセルにおける、時間（３時間）に対する３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化を描いているグラフである。 本明細書で説明され用いられるイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の再構成のための装置構成の例示的な限定ではない例の図である。 低塩の水性フィード溶液（＜１ｗｔ％ＴＤＳ）を装備したＦＯフローセルにおける、時間（３時間）に対する６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液の質量の変化の対照実験を描いているグラフである。 トリメチルアミンのＦＴ－ＩＲ分析のための検量線である。 より大規模のＦＯフローセルにおける、時間（１時間）に対する１２．５ｗｔ％のＮａＣｌドロー溶液及び３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液の質量の変化を描いているグラフである。 より大規模のＦＯフローセルにおける、時間（１時間）に対する３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液及び３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液の質量の変化を描いているグラフである。 本明細書で説明され用いられる希釈されたドロー溶液からイオン化したトリメチルアミン及び対イオンをドロー溶質として除去するための装置構成の例示的な限定ではない例の図である。 ドロー溶液からのドロー溶質の除去におけるスパージングガス及びそれらの効果の比較を描いているグラフである。 本明細書で説明され用いられるより大規模のＦＯフローセルの例示的な限定ではない例の図である。

表１Ａは、ＮａＣｌフィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したフローセルからの、各ランの最初の１時間に関して計算された流束（ＬＭＨ）値を示す。

表１Ｂは、トリメチルアミンの分析のためのＦＴ－ＩＲ検量線データを示す。

表１Ｃは、イオン化したトリメチルアミンの分析のためのＦＴ－ＩＲ検量線データを示す。

表２は、ＮａＣｌフィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したフローセルに関する、ＧＣ－ＦＩＤによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％トリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表３は、ＮａＣｌフィード溶液及び３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したフローセルに関する、ＧＣ－ＦＩＤによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％トリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表４は、２５℃でのＮａＣｌ又はＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液（ＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液は、％総溶解固形分；％ＴＤＳで示される）を装備したＦＯフローセルに関する、フローセル動作の最初の１時間の計算された流束値（ＬＭＨ）を示す。

表５は、ＮａＣｌ又はＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液（ＮａＣｌ／ＣａＣｌ_２を含有するフィード溶液は、％総溶解固形分；％ＴＤＳで示される）を装備したＦＯフローセルに関する、ＦＴ－ＩＲによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％イオン化したトリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表６は、フィード溶液の温度を変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、フローセル動作の最初の１時間の計算された流束値（ＬＭＨ）を示す。

表７は、フィード溶液の温度を変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、ＦＴ－ＩＲによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％イオン化したトリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表８は、フィード溶液及びドロー溶液の温度を変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、ＦＴ－ＩＲによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％イオン化したトリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表９は、フィード溶液のｐＨを変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液及び３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、フローセル動作の最初の１時間の計算された流束値（ＬＭＨ）を示す。

表１０は、フィード溶液のｐＨを変えた状態での、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液及び３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、ＦＴ－ＩＲによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％イオン化したトリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表１１は、＜１ｗｔ％ＴＤＳ廃水のフィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、フローセル動作の最初の１時間の計算された流束値（ＬＭＨ）と、ＦＴ－ＩＲによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％イオン化したトリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表１２は、ＦＯ処理前の採掘尾鉱サンプルのＣａｄｕｃｅａｎからの最初の誘導結合プラズマ発光分光法（ＩＣＰ－ＯＥＳ）分析を示す。

表１３は、６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルにおける、ＦＯ処理後の採掘尾鉱サンプルのＣａｄｕｃｅａｎからのＩＣＰ－ＯＥＳ分析を示す。

表１４は、採掘尾鉱フィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、フローセル動作の最初の１時間の計算された流束値（ＬＭＨ）を示す。

表１５は、４８時間にわたる、採掘尾鉱フィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、ＦＴ－ＩＲによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％イオン化したトリメチルアミンの逆塩流束（逆塩流束）値を示す。

表１６は、ＦＯ処理前及びＦＯ処理後の、受け入れた濃縮都市下水分析からの選択パラメータの分析を示す。

表１７は、ＦＯ処理前及びＦＯ処理後の、随伴廃水サンプルからの選択パラメータの分析を示す。

表１８は、ＦＯ処理前及びＦＯ処理後の、随伴廃水サンプルのＣａｄｕｃｅａｎからのＩＣＰ－ＯＥＳ分析を示す。

表１９は、フローバック廃水のフィード溶液及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルに関する、フローセル動作の最初の１時間の計算された流束値（ＬＭＨ）を示す。

表２０は、ＦＯ処理前及びＦＯ処理後の、フローバック廃水に関する選択パラメータの分析を示す。

表２１は、ＦＯ処理前及びＦＯ処理後の、受け入れたフローバック廃水のＩＣＰ－ＯＥＳ分析を示す。

表２２は、中空繊維モジュール膜を装備したＦＯフローセルを用いる、ＦＯ処理されるシミュレートされた及び受け入れたフィード溶液とイオン化したＴＭＡドロー溶液のパラメータ及び結果を示す。

表２３は、二酸化炭素の種々の動圧の下での５０ｍＬの４５％ＴＭＡのカーボネーションに関する最高温度を示す図である。

表２４は、大規模のＦＯフローセルにおける、１２．５ｗｔ％のＮａＣｌドロー溶液及び３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液を装備したＦＯフローセルに関する、フローセル動作の最初の１時間の計算された流束値（ＬＭＨ）と、ＦＴ－ＩＲによって計算した場合のフィード溶液中に存在するｗｔ％イオン化したトリメチルアミンの逆塩流束値を示す。

表２５は、ＩＣＰ－ＯＥＳ分析によって求めた場合の、ＦＯ処理される汽水、脱油水、及び弱酸性陽イオン交換処理されたプロセス水に関して計算された％ＴＤＳ阻止率を示す。

他に定めのない限り、本明細書で用いられるすべての技術用語及び科学用語は、この発明が属する技術分野の当業者によって一般に理解されるのと同じ意味をもつ。

本明細書及び請求項で用いられる場合の単数形（「ａ」「ａｎ」及び「ｔｈｅ」）は、文脈上他の意味に明白に規定される場合を除き、複数形の言及を含む。

本明細書で用いられる場合の「備える、含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、以下のリストが、網羅的なものではなく、任意の他のさらなる適切なアイテム、例えば、１つ又は複数のさらなる特徴、コンポーネント、及び／又は成分を適宜含む又は含まない場合があることを意味すると理解される。

「切り替えられる」という用語は、物理的特性、特に、イオン強度が変更されていることを意味する。「切り替え可能」は、物理的特性の第１の組を有する第１の状態（本出願では、これは所与のイオン強度の第１の状態を指す）から物理的特性の第２の組を有する第２の状態（すなわち、より高いイオン強度の状態）に変換することができることを意味する。「トリガ」は、物理的特性、例えば、イオン強度の変化を生じる条件の変化（例えば、ガスの導入又は除去、温度の変化）である。「可逆」という用語は、反応が、反応条件に応じてどちらかの方向（逆方向又は順方向）に進むことができることを意味する。

「炭酸水」又は「ＣＯ_２水溶液」は、ＣＯ_２が溶解している水の溶液を意味する。「ＣＯ_２飽和水」は、ＣＯ_２がその温度で最大限に溶解している水の溶液を意味する。

本明細書で用いられる場合の「二酸化炭素を実質的に含有しないガス」は、該ガスが溶液からのＣＯ_２の除去に干渉するには不十分なＣＯ_２含有量を有することを意味する。いくつかの用途に関して、空気は、ＣＯ_２を実質的に含有しないガスであり得る。未処理の空気、すなわち、ＣＯ_２含有量が自然起源の空気から変化していない空気が上手く採用される場合があり、これはコストの削減を提供するであろう。例えば、いくつかの状況において、空気中に存在するおよそ０．０４体積％のＣＯ_２は、空気が溶液からＣＯ_２を除去するのに用いられるトリガとなって切り替えをもたらすことができるように添加剤を切り替えられた形態に維持するには不十分であることから、空気はＣＯ_２を実質的に含有しないガスであり得る。同様に「ＣＯ_２、ＣＳ_２、又はＣＯＳを実質的に含有しないガス」は、溶液からのＣＯ_２、ＣＳ_２、又はＣＯＳの除去に干渉するには不十分なＣＯ_２、ＣＳ_２、又はＣＯＳ成分を有する。

本明細書で用いられる場合の「添加剤」は、正浸透のための切り替え可能なドロー溶液に用いられる場合のトリメチルアミンを指すのに用いられる場合がある。トリメチルアミン添加剤を含む水性溶液がトリガを受けるときに、添加剤は、２つの状態、すなわち、窒素が三価であり荷電していない、イオン化していない状態と、窒素がプロトン化されることにより正に荷電した窒素原子となる、イオン化した状態との間で可逆的に切り替える。本明細書での便宜のため、荷電していない又は非イオンの形態の添加剤は概して明記されないのに対して、イオンの形態が概して明記される。

本明細書で用いられる場合の「イオン化したトリメチルアミン」という用語は、プロトン化した又は荷電したトリメチルアミンを指し、この場合、トリメチルアミンは、水／水性溶液の存在下で、限定はされないがＣＯ_２、ＣＯＳ、及び／又はＣＳ_２などの酸性ガスに曝すことによってプロトン化されている又は荷電している。

イオン化した形態のトリメチルアミンは、本明細書で「アンモニウム塩」とも呼ばれる。イオン化したトリメチルアミンが水又は水性溶液の存在下で酸性ガスＣＯ_２に曝すことによって形成されるときに、イオンの形態のトリメチルアミンは、炭酸塩と重炭酸塩との両方を含む。その結果、ドロー溶液は、本明細書では、イオン化したトリメチルアミンと呼ばれるが、イオン化トリガがＣＯ_２のとき、ドロー溶液は、イオン化したトリメチルアミンの炭酸塩と重炭酸塩との混合物を含有することになることを理解されたい。この出願で提供される実施例では炭酸（水／水性溶液中のＣＯ_２）が言及され用いられるが、トリメチルアミンの窒素はまた、水／水性溶液中のＣＳ_２及び水／水性溶液中のＣＯＳによってプロトン化されるであろう。したがって、この用語は、窒素の塩基性度を表すことを意図しており、３つの例示的なトリガガス（ＣＯ_２、ＣＳ_２、又はＣＯＳ）のうちのどれが用いられるかを示すことを意図していない。

当業者にはすぐに分かるように、いくつかのプロトン化反応が完了することになるので、トリメチルアミン添加剤が本明細書で「プロトン化されている」とされるときには、化合物の分子のすべて又はその大部分がプロトン化されていることを意味する。例えば、分子の約９０％よりも多く、又は約９５％よりも多く、又は約９５％が炭酸によってプロトン化される。

「イオン」は、正又は負に荷電したイオン、すなわち、荷電した分子の形態を含んでいる又はこれに関係している又はこれを生じていることを意味する。「非イオン」は、実質的に形式電荷を有さない分子を含むことを意味する。非イオンは、どの種類のイオンも存在しないことを示さず、むしろ、かなりの量の塩基性窒素がプロトン化していない状態にあることを示す。本明細書で用いられる場合の「塩」は、正及び負に荷電したイオンから形成された正味電荷を有さない化合物である。

溶液の「イオン強度」は、溶液中のイオンの濃度の尺度である。水に溶解したイオン化合物（すなわち、塩）は、イオンへ解離し、溶液のイオン強度を増加させることになる。溶液中に溶解したイオンの全濃度は、異なる化合物の解離又は溶解性などの溶液の重要な特性に影響することになる。溶液のイオン強度Ｉは、溶液中に存在するすべてのイオンの濃度の関数であり、通常、式（Ａ）によって与えられる。

ここで、ｃは、イオンｉのモル濃度、単位はｍｏｌ／ｄｍ^３であり、ｚは、該イオンの電荷数であり、溶液中に溶解したすべてのイオンの総和がとられる。

非理想溶液では、体積は加法的ではなく、それゆえ、イオン強度は重量モル濃度（ｍｏｌ／ｋｇ Ｈ_２Ｏ）の観点で計算することが好ましい。したがって、イオン強度は、式（Ｂ）によって与えられることができる。

ここで、ｍは、イオンｉの重量モル濃度、単位はｍｏｌ／ｋｇ Ｈ_２Ｏであり、ｚは、式（Ａ）に関して定義した通りである。

「ＩＣＰ－ＯＥＳ」という用語は、本明細書では、誘導結合プラズマ発光分光分析を指すのに用いられ、これは微量金属の検出のために用いられる技術である。

本明細書で用いられる場合の、水圧破砕（又は「フラッキング」）からの廃水を言及するときの、「フローバック水」という用語は、水圧破砕手順が完了し、圧力が解放された後に、表面に戻る水を指す。この水は、圧力の解放後に坑井を上方へ流れて表面に出る塩、ゲル化剤、及び過剰のプロパントを含む。掘削及びフラクチャリングの完了後に、天然ガスと共に水が生じ、その一部は戻ったフラクチャリング流体であり、その一部は天然の地層水であり、この組み合わせが「随伴水」と呼ばれる。

本明細書で用いられる場合の「酸性」は、＜７、例えば、＜７から６までの間のｐＨ、又はｐＨ≦６、又は代替的に≦５、又は代替的に≦３のｐＨを指す。本明細書で用いられる場合の「塩基性」は、＞７、例えば、＞７から８までの間のｐＨ、又はｐＨ≧８、又は代替的に≧９、又は代替的に≧１１のｐＨを指す。本明細書で用いられる場合の「高い酸性」は、ｐＨ≦３を指し、本明細書で用いられる場合の「高い塩基性」は、ｐＨ≧１１を指す。

本明細書で用いられる場合の「有機分」は、限定はされないが、有機化合物（例えば、炭化水素、アルコール、エステル、脂肪酸、有機酸など）、タンパク質、炭水化物、多糖類、植物質、藻類、ウィルス、生体細胞など、又はこれらの任意の組み合わせなどのフィード溶液の炭素ベースの構成成分を指す。

本出願は、正浸透のためのシステム（又は装置）及びプロセスを提供する。システム及びプロセスは、例えば、通常処理するのが困難な又は脱水するのが困難な高い総溶解固形分（ＴＤＳ）を有する塩水などのフィードストリームの処理に有用である。システムは、海水又は汽水の脱塩による淡水の生産にも用いることができる。システム及びプロセスは、廃水、プロセス水、又は他の産業水性溶液（廃棄物又はプロセスのいずれかにおける）の部分脱水に有用である。浸透は、廃水／プロセス水／産業水性溶液を濃縮し、直接リサイクル又は廃棄する、若しくはリサイクル又は処分のためにさらに精製又は処理することができる精製水ストリームを生成する。一実施形態では、精製水ストリームは、≦３．５ｗｔ％の総溶解固形分（ＴＤＳ）を含む。別の実施形態では、精製水ストリームは、≦１ｗｔ％のＴＤＳを含み、さらに別の実施形態では、精製水ストリームは、≦０．５ｗｔ％のＴＤＳを含む。一実施形態では、精製水ストリームは、総溶解固形分の重量パーセントを精製水ストリームの最終用途に適した濃度にさらに減少させるべくさらなる処理及び／又はポリッシングを受ける。

前述のように、イオン化したトリメチルアミンは正浸透のためのドロー溶液に上手く用いられてきた（例えば、参照により本明細書に組み込まれる、国際ＰＣＴ出願のＰＣＴ／ＣＡ２０１１／０５０７７７参照）。高濃度のイオン化したトリメチルアミン（すなわち、＞２０～３０重量％）は、高ＴＤＳ廃水の正浸透処理における効果的なドロー溶質成分として用いることができることが現在見出されている。「高ＴＤＳ」という用語は、本明細書では、海水（およそ３重量％又は３．５重量％）よりも高い、溶解した固体の濃度を指すのに用いられる。逆浸透などの現在の技術は、およそ３％を超える塩濃度のフィードストリームを脱水することができないので、これらのフィードストリームは処理するのが難しい。結晶化又は蒸留などの他の技術が利用可能ではあるが、前述のように、それらは大量のエネルギーを使用し、これは費用がかさみ、環境面で有害である可能性がある。

本出願の正浸透装置は、正浸透プロセスによって分離、濃縮、濾過などを行う任意の装置を指す。したがって、正浸透装置は、高い浸透圧のドロー溶液と（ドロー溶液との関係において）より低い浸透圧のフィードストリームとの間の浸透圧差を人工的に生み出すことによりフィードストリームから水を移動させてドロー溶液を希釈する方法を行うのに有用な装置である。正浸透装置又はプロセスの生成物は、ドロー溶液の希釈から生じた水、又は結果として生じる濃縮されたフィードストリーム、又はその両方とすることができる。

１つの例示的な実施形態では、本発明の正浸透装置及びプロセスは、廃水（限定はされないが、フラッキングからの随伴水又はフローバック水、都市下水、産業廃水、採掘廃水など）、プロセス水又は他の産業水性溶液（廃棄物又はプロセスのいずれかにおける）の部分的脱水に有用である。正浸透は、入力廃水／プロセス水／産業水性フィードストリームを濃縮し、直接リサイクル又は廃棄する、若しくはリサイクル又は処分のためにさらに精製又はポリッシング又は処理することができる精製された又は部分的に精製された水のストリームを生成する。随意的に、精製水は、その最終使用（例えば、環境規制）によって設定又は規定される場合の物理的特徴（塩濃度レベルなど）を有する飲用水又は農業用水又は他の精製水を生成するべくさらに精製又はポリッシングされる。いくつかの代替では、結果的に生じる濃縮されたフィードストリームは、製品として用いる又は有用な成分を分離するべくさらに処理することができる。

特定の実施形態では、本発明の正浸透装置又はシステムは、入力フィードストリームと接触するように構成された半透膜と連通する濃ドロー溶液から本質的になる。装置は、入力フィードストリームを受け入れるための、及びフィードストリームからの水が膜を通ってドロー溶液に移動するのを容易にするべく、フィードストリームを、半透膜を越える又は渡るように流すための種々の手段を備えることができる。

濃ドロー溶液
本発明の正浸透装置又はシステム及びプロセスで用いられる濃ドロー溶液は、処理又は脱水されるべきフィードストリームよりも高い浸透圧を提供するのに適した濃度の、イオン化したＴＭＡ及び対イオンであるドロー溶質を含む。対イオンは、そのイオン化した又は荷電した形態での水への溶解性と、その水から容易に除去される荷電していない形態に変換する及びドロー溶質の再形成のために荷電した形態に再変換する能力に基づいて選択される。好ましくは、荷電していない形態の対イオンは、周囲温度以下では揮発性であり、したがって、正浸透プロセスから形成された希薄ドロー溶液中の水から容易に分離することができる。

或る実施形態では、対イオンは、ＣＯ_２、ＣＳ_２、又はＣＯＳなどの酸性ガスから形成される。好ましくは、対イオンを生成するのに用いられる酸性ガスはＣＯ_２である。この場合、ドロー溶質は、イオン化したＴＭＡと、炭酸塩対イオン、重炭酸塩対イオン、又は炭酸塩対イオンと重炭酸塩対イオンとの混合物を含む。

濃ドロー溶液中のドロー溶質の濃度は、少なくとも２０重量％である。代替的に、ドロー溶質の濃度は、少なくとも３０重量％、又は約２０重量％～約７５重量％、又は約３０重量％～約７０重量％である。特定の実施形態において、濃ドロー溶液中のドロー溶質の濃度は、およそ３０重量％又はおよそ６７重量％である。ドロー溶質の適切な濃度の選択は、フィードストリームの総溶解固形分（「ＴＤＳ」）濃度に部分的に基づく。濃ドロー溶液中のドロー溶質の濃度を求める際に考慮に入れられる他の因子は、例えば、膜を渡る所望の流束流量、システムの動作温度、及びシステムの動作圧力を含む。

フィードストリーム
本発明の正浸透装置及びプロセスは、処理するのが通常は難しいフィードストリームの処理又は脱水の際に特に有用である。このようなフィードストリームは、高いＴＤＳ、高い酸性度又は高い塩基性度、低い温度、有機分の存在、及び／又は懸濁物質の存在によって特徴付けられるものを含むがこれに限定されない。特定の実施形態では、正浸透装置及びプロセスは、≧５ｗｔ％の総溶解固形分を含む、≦２０℃の温度又は≧３０℃から≦５０℃までの間の温度である、酸性のｐＨ又は塩基性のｐＨを有する、有機分を含む、及び／又は懸濁物質を含む、フィードストリームの処理に有用である。

以下の実施例に示すように、本発明の正浸透装置及びシステムは、総溶解固形分が高い濃ドロー溶液を用いてフィードストリームを処理又は脱水する際に効果的である。これは、例えば、２０重量％以上のドロー溶質を含むドロー溶液を用いる際の増加した粘度から予想される難しさに反している。例示的な結果を、以前に採用されたＴＭＡベースの正浸透システムと比較して以下の表にまとめる：

^ａＦｕｊｉｆｉｌｍのＣＤＳに関して、ＴＭＡ：ＣＯ_２のモル比は１：０．７１（ＴＭＡが過剰）であるが、これは、ＣＯ_３ ^２－を有している可能性を示し、単位換算を行うときにドロー溶液は主にＴＭＡＨ－ＨＣＯ_３として存在するとみなされる；^ｂＴＤＳは、９７ｗｔ％のＮａＣｌと３ｗｔ％のＣａＣｌ_２を含む；^ｃこの数値は、膜要素及び液体の流量に応じて変化する；^ｄ石油・ガスのプロセス水のＴＤＳは、主としてＮａＣｌからなる；^ｅフィード溶液とドロー溶液の組み合わせによる。

特に価値があるのは、本発明の正浸透システム及びプロセスは、最小限の前処理で又は前処理なしに複合廃棄物ストリームを処理する際に有用である。これらの複合廃棄物ストリームは、高いＴＤＳ濃度と、例えば、懸濁物質及び／又は有機物質（例えば、有機化合物、細菌など）を含む他の成分の存在によって特徴付けられる。

膜
本明細書で説明される正浸透装置又はシステム及びプロセスは、水を透過させる半透膜を備える。半透膜は、塩を透過させない又は最小限に透過させる。当該技術分野では公知のように、半透膜を製造するのに種々の材料を用いることができ、本発明の装置及びプロセスに用いるのに適した市販の膜が存在する。適切な膜の選択は、入力フィードストリームの性質及び／又は精製水出力の必要とされる特徴に部分的に依存することになる。

一実施形態では、半透膜は、０～１４のｐＨ範囲内のｐＨ許容値を備え、別の実施形態では、半透膜は、２～１３のｐＨ範囲内のｐＨ許容値を備える。一実施形態では、フィード溶液が脱イオン水であり、ドロー溶液が３ｗｔ％の溶質濃度を有するときに、半透膜は≧３３ＬＭＨの流束を備え、別の実施形態では、フィード溶液が脱イオン水であり、ドロー溶液が３ｗｔ％の溶質濃度を有するときに、半透膜は≦３３ＬＭＨの流束を備える。

一実施形態では、半透膜は、≦０．１ｍｏｌ／ｍ^２ｈの逆塩流束を備え、別の実施形態では、半透膜は、≧０．１ｍｏｌ／ｍ^２ｈの逆塩流束を備える。一実施形態では、半透膜は、≧８０％の、又は代替的に９４から９９．９％までの間、又は代替的に≧９９．９％のＴＤＳ阻止率を備える。

別の実施形態では、半透膜は、－１０～７０℃の範囲内のフィード溶液温度許容値を備え、別の実施形態では、半透膜は、０～６０℃の範囲内、又は代替的に３～５０℃の範囲内、又は代替的に３～３５℃の範囲内のフィード溶液温度許容値を備える。

これらの結果及び以下の実施例でのさらなる結果で実証されるように、本発明のシステムは、正浸透を用いて処理するのが通常は難しいフィードストリームを処理する際に特に有用である。

本明細書で説明される本発明のより良い理解を得るために以下の実施例が記載される。これらの実施例は、単に例示する目的のものであることを理解されたい。したがって、それらはこの発明の範囲を多少なりとも限定するものではない。

実施例１：ＮａＣｌフィード溶液での正浸透
材料：
トリメチルアミンは、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈからおよそ４０～４５ｗｔ％の水に溶けた溶液として購入し、そのまま使用した。Ｃｏｌｅｍａｎ機器グレード二酸化炭素（９９．９９％）は、Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅから購入した。脱イオン水（１８ＭΩ・ｃｍ）は、Ｅｌｇａ Ｐｕｒｅｌａｂ Ｐｕｌｓｅシステムを用いて供給した。所与の濃度の塩化ナトリウムのストックフィード溶液は、塩化ナトリウムを脱イオン水に溶かすことによって前もって調製した。３つの異なる市販膜供給業者から、それぞれ様々な厚さの、すなわち、０．０７ｍｍ（ＴＣＭ－１）、０．１５ｍｍ（ＴＣＭ－２）、及び０．０９ｍｍ（ＴＣＭ－３）の複合薄膜（ＴＣＭ）を入手した。膜は、テストのためにカットし（直径４ｃｍ）、使用前に最低でも３０分間、脱イオン水に浸すことによって調整した。湿潤したら、すべての膜は、テストの期間中、脱イオン水中に保存した。

溶液：
Ｐａｒｒ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔ Ｃｏｍｐａｎｙからの５０００ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍを用いて、５０ｍＬのトリメチルアミン水溶液を７５ｍＬ高圧ガス反応器内で９ｂａｒの二酸化炭素圧力でカーボネーションすることによって、およそ６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのストックドロー溶液を作製した。

本明細書及び以下で説明されるストックドロー溶液は４０～４５ｗｔ％の概算濃度の購入したＴＭＡ水溶液から作製されるので、すべての本明細書で報告されるイオン化したＴＭＡの濃度も概算であり、ＴＭＡ水溶液の濃度に応じて、およそ５ｗｔ％変動する場合があることに留意されたい。

装置と分析：
この及び他の実験に用いられる正浸透フローセルが図１Ａに描かれる。フローセルは、（ｉ）フィード溶液及びドロー溶液を循環させるためのポンプと、（ｉｉ）それを通して溶液が循環される膜カートリッジと、（ｉｉｉ）フィード溶液及びドロー溶液を収容する別々のリザーバと、（ｉｖ）時間に伴う質量変化を測定するためにその上にリザーバが置かれる別々の天秤と、（ｖ）全体を通した接続チューブとを備えるものであった。

ＦＯフローセル内で、図１Ａに示されるように、フィード溶液は、フィードリザーバからポンプを通って膜の活性／阻止側を越えてフィードリザーバに戻るように循環され、同時に、ドロー溶液は、ドローリザーバからポンプを通って膜の支持側を越えてドローリザーバに戻るように循環され、フィード溶液とドロー溶液が同時に膜を通過する際に、水がフィード溶液から膜を渡ってドロー溶液へ移動し、リザーバは、時間に伴う溶液の質量変化をコンピュータにより記録するために天秤の上に置かれた。各フローセルのランに関して、質量変化データは、ＬａｂＶＩＥＷ２０１２ソフトウェア（Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ）を備えるコンピュータに結合されたＭｅｔｔｌｅｒ Ｔｏｌｅｄｏ ＰＧ２００２－Ｓ天秤を用いて収集した。

Ａｇｉｌｅｎｔ ＣＰ－ｖｏｌａｍｉｎｅカラム（３０ｍ×０．３２ｍｍ ＩＤ）を装備した、ＦＩＤ検出器に結合されたＶａｒｉａｎ ４５０－ＧＣを用いて、ＧＣ－ＦＩＤクロマトグラムを収集した。ＧＣ分析の温度プロファイルは、最初の温度７５℃に１０分間保持され、その後、５℃／分で９５℃に昇温され２分間保持された。キャリアガスとしてヘリウムを、注入スプリット比２０：１で５ｍＬ／ｍｉｎで用いた。定量のための内標準としてイソプロパノールを用いた。ＧＣ－ＦＩＤ分析のための水性フィード溶液サンプルは、１０ｍＬメスフラスコの中で１ｍＬの溶液を１０μＬのイソプロパノールと組み合わせ、メタノールで１０ｍＬに希釈することによって作製した。イオン化したトリメチルアミンの定量は、トリメチルアミンのピーク及びイソプロパノールのピークの面積を積分し、次いで、図１Ｂに示された検量線と比較することによって行った。

体積：
それぞれの溶液の体積は、正浸透フローセルの全体にわたる溶液の流れを容易にする又はフローセルがより長時間にわたってランすることを可能にするのに必要とされるチューブの浸漬を確実にするためだけ変化させたことに留意されたい。

流束の計算：
流束は、次式を用いて計算した：
流束＝［膜を渡るように駆動された水の体積（Ｌ）］／［膜の面積（ｍ^２）］／［単位時間（時間）］

流束値は、動作の最初の１時間にわたって常に測定され報告された。ＦＯフローランは、時間の経過に伴う膜の安定性、時間の経過に伴う逆塩流束の変化、及びフィード溶液の全体の％減少を判定するために、しばしば１時間よりも長い間、循環しているままにした。

計算を容易にするために、ＴＣＭ－１の製造業者によって提供されたスプレッドシートを用いた。計算に関する他のオプションは、時間に対するフィード溶液又はドロー溶液の質量の変化をグラフにすること、質量の変化の傾きを膜面積で割ること、及び単位をＬ／ｍ^２／ｈに変換することを含む。

イオン化したトリメチルアミンのＦＴ－ＩＲの検量線作成：
イオン化したトリメチルアミンを分析するべくフーリエ変換赤外（ＦＴ－ＩＲ）検量線を引くために、種々の濃度のおよそ２滴の各標準溶液をＡＴＲ－ＦＴ－ＩＲセンサ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｃａｒｙ ６３０ Ｆｔ－ＩＲ）上に滴下した。得られたスペクトルから水のスペクトルを差し引いた。１３６５ｃｍ^－１を中心とした１４４０～１３００ｃｍ^－１の曲線下面積を記録し、次式を提供するべく検量線を引いた（表１Ｃ及び図１Ｃ参照）：
ｗｔ％イオン化したトリメチルアミン＝［面積］／２．６９９４

好気性条件下での正浸透のための代表的なフローセル手順：
調整された膜を、膜の活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態で、フローセルに装填した。セルを、膜のフィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水１００ｍＬずつで３回フラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液のリザーバとしてガラスボトル（２５０ｍＬ）を用いた。好気性条件下でセルをランするために、ボトルを空気に対して開放されたままにした。塩化ナトリウムのストックフィード溶液（３、９、及び１５ｗｔ％）と６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンを前述のように調製し使用した。各塩濃度で各膜に関して繰返しランを行った（フィード溶液／ドロー溶液の組み合わせにつき２回のラン）。ランの完了を時間の長さによって判定し、一部の最初のランは３時間であり、一方、他のランは６時間であった。

塩溶液（２００ｍＬ）をフィード溶液ボトルに装填し、６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミン水溶液（１００ｍＬ）をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、ボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、天秤で風袋引きをし、このときよりも前のどのデータポイントも分析から除外した。１時間単位で、ポンプを止め、ＧＣ－ＦＩＤ（１ｍＬ）又はＦＴ－ＩＲ分析（＜０．２ｍＬ）のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。

二酸化炭素環境下での正浸透のための代表的なフローセル手順：
調整された膜を、活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態で、フローセルに装填した。セルを、フィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水１００ｍＬずつで３回フラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液のリザーバとして２５０ｍＬのガラスボトルを用いた。塩化ナトリウムのストック溶液（３、９、及び１５ｗｔ％）と６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンを前述のように調製し使用した。各塩濃度で各膜に関して繰返しランを行った。

セルを一定のＣＯ_２雰囲気下におくために、２５０ｍＬボトルのキャップをテフロン（登録商標）ライナで作製した。チューブがライナを通って溶液の中に入ることができるようにするためにライナに孔をあけた。ＣＯ_２が針を通って各ボトルの中へ及びバブラーを経由して各ボトルの外へ流れるようにするために、３つのラインを有するガスマニホルドを用いた。気体トリメチルアミンがラインを逆流してＣＯ_２を汚染しないようにするために、各ライン上に逆止め弁を配置した。チューブを溶液に浸した状態で各ボトルを各ランの前に数秒間ＣＯ_２でパージした。

２００ｍＬの塩溶液をフィード溶液ボトルに装填し、１００ｍＬの６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミン水溶液をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、ボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、天秤で風袋引きをし、このときよりも前のどのデータポイントも分析から除外した。１時間単位で、ポンプを止め、ＧＣ－ＦＩＤ（１ｍＬ）又はＦＴ－ＩＲ分析（＜０．２ｍＬ）のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。

結果と考察：
ストックＮａＣｌフィード溶液、イオン化したトリメチルアミンのドロー溶液、及び３つの商業的供給業者からの膜（膜ＴＣＭ－１、ＴＣＭ－２、及びＴＣＭ－３）を装備したフローセルを採用する正浸透システムを調べた。表１参照。

表１に略述したように、ＴＣＭ－１膜、３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液、及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したフローセルから、２６Ｌ／ｍ^２ｈ（ＬＭＨ）の流束が測定された。２６ＬＭＨの流束値は、ＲＯシステムに関して一般に５５～８０ｂａｒの圧力が必要とされ、本明細書で説明されるＦＯシステムが約１ｂａｒの周囲圧力で動作していたことを考慮に入れて、報告された逆浸透（ＲＯ）海水脱塩流束値（３０～４０ＬＭＨ）と比較できるものであったことが観察された。予想通りに、各ランの最初の６０分にわたって計算される場合の流束値は、フィード溶液の塩分濃度が増加するのに伴い減少した（図２参照）。１８ｗｔ％の塩化ナトリウム及びブラインの高い塩分濃度のフィード溶液も、ＴＣＭ－１膜を装備したＦＯフローセルを用いて処理された。フィード溶液から膜を渡ってドロー溶液への流束は、１８ｗｔ％のＮａＣｌ及びブラインに関してそれぞれ９．１ＬＭＨ及び４．６ＬＭＨの値と観察された。これは、本明細書で説明されるＦＯシステムは、高い塩分濃度の溶液を脱水することに適用可能であり得ることを示唆した。

逆塩流束と呼ばれる、ドロー溶液から膜を横断してフィード溶液へ流れたイオン化したトリメチルアミンの量を、ＧＣ－ＦＩＤでの遊離したトリメチルアミン（ＴＭＡ）の存在に関するテスト又はＦＴ－ＩＲでのイオン化したＴＭＡの存在に関するテストのいずれかによるＧＣ－ＦＩＤ分析（表２参照）又はＦＴ－ＩＲ分析によって求めた。ドロー溶質が膜を渡ってフィード溶液へ移動する際の＜１％のイオン化したトリメチルアミンでのドロー溶質の逆塩流束は概して小さかった。

ＴＣＭ－２膜又はＴＣＭ－３膜を用いるときに、流束は概してより低く、ドロー溶質の逆塩流束は概してより高かったことが観察された。理論に拘束されることを望むものではないが、これは、ＴＣＭ－１膜の安定性が、ＴＣＭ－２膜又はＴＣＭ－３膜の安定性よりも相対的に高いことを示していると考えられた。それにもかかわらず、どの場合にも、フィード溶液の顕著な濃縮が存在したという点で有効なＦＯが観察された。

およそ３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミン溶液を、ＦＯドロー溶液としての使用に関して評価した。ドロー溶質の低減された濃度は、正浸透プロセス後に除去する必要があるドロー溶質がより少ないという利点を提供し得ると考えられた。したがって、フローセルに、それぞれＴＣＭ－１又はＴＣＭ－２膜、３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液、及び３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備させ、ランした（図３参照）。

ＴＣＭ－１膜を装備したフローセルに関して、測定された流束は、ドロー溶液の希釈に伴い顕著には減少しなかったことが観察され、例えば、６６ｗｔ％のドロー溶液では２６．１ＬＭＨの流束であり、これに対し、３３ｗｔ％のドロー溶液では２０．０ＬＭＨの流束であった。さらに、＜０．５％で逆塩流束の％は低いままであったことが観察された（表３参照）。

システムの長期の性能安定性を調べるために、ＴＣＭ－１膜、３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液、及び３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備したＦＯフローセルを連続２８日間ランした。フィード溶液とドロー溶液との両方は、２４時間毎にリフレッシュされ、一方、膜は変更されなかった。フィード溶液及びドロー溶液の質量の変化を絶えずモニタリングし、その質量の変化を時間に対してプロットし、２８日の間にかなり一貫した傾向を示した（図４参照）。平均すると、システムに関する記録された流束値は１８．９ＬＭＨであり、２８日間にわたって流束の実質的な減少は観察されなかった（図５参照）。

２時間の動作後のフィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束の量をＧＣ－ＦＩＤ分析によって求めた（図６参照）。２８日間にわたって、各時間間隔での逆塩流束の量は大きく変化しないままであり（平均０．０２８ｗｔ％又は２８０ｐｐｍ）、したがって、膜の劣化がほとんど或いは全く起こっていないと考えられた。

実施例２：廃水での正浸透
廃水は、製造又は処理中にあらゆる原材料、中間生成物、最終製品、副産物、又は廃棄物と直接接触することになる、又はその生産又は使用から生じるあらゆる水としてアメリカ合衆国環境保護庁によって定義され、したがって、廃水又はプロセス水は、発生源に応じて組成が異なることがある。一般に、プロセス水は、海水よりも、より高濃度の総溶解固形分（ＴＤＳ）及び有機分を含有する。プロセス水をフィード溶液としてシミュレートするために、二価の塩である塩化カルシウムを組み入れることによって高ＴＤＳ溶液を調製した。ＮａＣｌとＣａＣｌ_２との比は９７：３に設定した。すなわち、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液が、５．８２％ＮａＣｌ及び０．１８％ＣａＣｌ_２を含み、１０ｗｔ％ＴＤＳフィード溶液が、９．７％のＮａＣｌ及び０．３％のＣａＣｌ_２を含むようにした。

６％ＴＤＳ及び１０％ＴＤＳの両方のフィード溶液を、正浸透フローセルにおいて、３３ｗｔ％及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液と共に用いた（図７及び図８）。

実験方法：
およそ６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのストック溶液は、４５ｗｔ％のトリメチルアミン水溶液溶液を２Ｌずつ、１ガロンのステンレス鋼Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ反応器内で、１０ｂａｒで３０分間、カーボネーションすることによって作製した。結果的に得られるストック溶液は、「濃ドロー溶液」と呼ばれる。３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンの溶液は、濃ドロー溶液を半分に希釈することによって作製した。６％総溶解固形分（５．８２％塩化ナトリウム、０．１８％塩化カルシウム、９４％脱イオン水）及び１０％総溶解固形分（９．７％塩化ナトリウム、０．３％塩化カルシウム、９０％脱イオン水）を含むストックフィード溶液を、必要な量の塩を適切な量の脱イオン水に溶かすことによって調製した。

調整されたＴＣＭ－１膜を、活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態で、フローセルに装填した。セルを、膜のフィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水１００ｍＬずつで３回フラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液を収容するためのリザーバとしてガラスボトル（２５０ｍＬ）を用いた。各フィード／ドローの組み合わせに関して３時間の繰返しランを行った。

高ＴＤＳの塩溶液（２００ｍＬ）をフィード溶液ボトルに装填し、ドロー溶液（１００ｍＬ）をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、溶液が入っているボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、その上に溶液ボトルが置かれた天秤で風袋引きをし、このときよりも前に収集されたどのデータポイントも分析から除外した（実施例１、図１Ａ参照）。１時間単位で、ポンプを止め、逆塩流束の分析のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。逆塩流束量は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入したＣａｒｙ ６３０ ＦＴ－ＩＲ分光器を用いてＦＴ－ＩＲ分析によって求め、データ分析は、既知量のトリメチルアミン塩で作成した検量線を用いてＭｉｃｒｏＬａｂソフトウェアで行った（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
実際のプロセス廃水をシミュレートするために、このような水はカルシウム塩などの二価の塩を含有することが知られているので、カルシウムイオンをストックフィード溶液に組み入れた。しかしながら、カルシウムは、ＦＯシステムでの石灰スケールの形成につながることがあり、これは膜の故障にも寄与することがあることが知られている。本明細書で説明されるＦＯシステムに関して、カルシウムイオンの導入は、それらが二価のカチオンであることに起因して流束の減少をもたらすこともあると考えられた。このような二価の化学種のイオン－イオン相互作用及び水和球（ｈｙｄｒａｔｉｏｎ ｓｐｈｅｒｅ）は、一価の系（例えば、ＮａＣｌ）内で起こるものとは異なることがある。

表４に示されるように、ＴＣＭ－１膜、６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液、及び６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液を装備したフローセルにおいて、１７ＬＭＨの流束が達成された。１０ｗｔ％ＴＤＳフィード溶液がフローセル内にあったときに流束は顕著には減少しなかったことが観察された（１５．０ＬＭＨ）。予想通りに、３３ｗｔ％のドロー溶液から観察された流束は、６６ｗｔ％の溶液のときの流束よりも全体的に低く、ドロー溶液のより低いイオン強度をもたらした。

６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液の流束は、６ｗｔ％ＮａＣｌ系に関して観察された流束よりも僅かに低かったことが観察され、６６ｗｔ％ドロー溶液のときには１７ＬＭＨに対して２０ＬＭＨであった。これは、ＣａＣｌ_２の添加が溶液中に３つのイオン種（１つのＣａ^＋と２つのＣｌ^－）を生成し、それゆえ、このフィード溶液は当量パーセントのＮａＣｌフィード溶液のイオン強度よりも高いイオン強度を有し、結果として、フィード溶液のイオン強度とドロー溶液のイオン強度との間により少ない差が存在したためであると思われる。

図７及び図８に示されるように、ＦＯによるフィード溶液の脱水中にドロー溶液の質量が増加する速度は、フィード溶液の塩濃度が増加するのに伴い減少した（３、６、及び／又は９ｗｔ％ＮａＣｌフィード溶液に関する前述の結果が、比較のために図７及び図８に含まれることに留意されたい）。

フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束を、ＦＴ－ＩＲ分光法によって１時間毎にモニタリングした（表５参照）。より高濃度（３３ｗｔ％に対して６６ｗｔ％）のドロー溶液を用いたときにより大きい度合いの逆塩流束が生じたことが観察された。これは、ドロー溶液の希釈性の結果としてより少ないアミンがフローセルの膜に干渉し、したがって、逆塩流束のポテンシャルが減少することに起因すると考えられた。さらに、フィード溶液のＴＤＳが増加するのに伴い、ドロー溶質の逆塩流束の量が減少したことが観察され、例えば、１８０分後に、１０ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液及び６６ｗｔ％のドロー溶液を装備したフローセルに関する０．０２４ｗｔ％と比べて、６ｗｔ％ＴＤＳのフィード溶液及び６６ｗｔ％のドロー溶液を装備したフローセルに関して０．０６４ｗｔ％の逆塩流束が観察された（表５参照）。これは、フィード溶液のイオン強度、したがって、ドロー溶質のクロスフローへの干渉の増加に起因すると考えられた。

全体として、本明細書で説明されるＦＯフローセルのフィード溶液へのＣａＣｌ_２の組み入れは、結果的に、６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いるシステムに関して測定された場合の流束値の顕著な減少をもたらさなかったことが観察された。さらに、各ランの間にＦＯフローセル内で観察される顕著な石灰スケールの堆積はなかった。ＦＯシステムでのより高濃度のドロー溶液の使用は、シミュレートされたプロセス水サンプルを上手く脱水した。

実施例３：フィード溶液の温度の変化
フィード溶液の温度は、例えば、ＦＯフローセルが配置される地域、フィードストリームの発生源（例えば、工業プロセス水は、プロセスに応じてより高い又は低い温度であり得る）、及びＦＯフローセルにフィード溶液を導入する前の前処理ステップを含む、いくつかの因子に依存することになることが理解される。イオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を含む本明細書で説明されるＦＯフローセルに対するあらゆる温度の影響を評価するために、フィード溶液の温度を変化させ、フィード溶液とドロー溶液との両方の温度を別々に変化させた。

温度の影響を調べるために、フローセルに、イオン化したトリメチルアミンのドロー溶液、高ＴＤＳフィード溶液、４５℃の推奨最高動作温度を有するＴＣＭ－１膜を装備させた。その結果、最低温度及び最高温度は、それぞれ、３～５℃及び３０～３５℃に設定した。

実験方法：
６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンを含むストックドロー溶液と、６ｗｔ％総溶解固形分（５．８２％塩化ナトリウム及び０．１８％塩化カルシウム）を含むストックフィード溶液を前述のように調製した。

膜は、前述のように調整し、活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態で、フローセルに装填した。システムを、膜のフィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水でフラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液のリザーバとしてジャケット付ビーカー（５００ｍＬ）を用いた。温度制御は、ジャケット付ビーカーにヒータ／チラーを取り付け、フィード溶液及びドロー溶液の中にコイルを通すことによって行った。溶液は、ＦＯランの開始前に３０分間、所望の温度に平衡させた。各温度値に関して繰返しランを行った。

塩溶液（２５０ｍＬ）をフィード溶液のリザーバに装填し、６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミン水溶液（１５０ｍＬ）をドロー溶液のリザーバに装填した。チューブを、リザーバの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、その上に溶液が配置された天秤で風袋引きをし、このときよりも前のどのデータポイントも分析から除外した（実施例１、図１Ａ参照）。１時間単位で、ポンプを止め、逆塩流束の分析のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。逆塩流束量は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入したＣａｒｙ ６３０ ＦＴ－ＩＲ分光器を用いてＦＴ－ＩＲ分析によって求め、データ分析は、ＭｉｃｒｏＬａｂソフトウェアで行った（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
ＴＣＭ－１膜の推奨動作温度は最高４５℃であり、さらに、膜は、湿潤したら、凍結しないようにした。選択された膜の劣化が全体的な結果に影響を及ぼさないようにするために、ドロー溶液及び／又はフィード溶液の温度範囲は、３～５℃から３０～３５℃までの間となるように選択した。

最初の実験は、フィード溶液の温度だけを変化させることを含み、後の実験は、フィード溶液とドロー溶液との両方の温度を変化させた。より高い温度では、フィード溶液及びドロー溶液に関して、より良好な溶質の溶解と膜での混合が存在することが予想された。これは、膜の表面及び／又は膜自体の内部での内部濃度分極の形成を減少させることになり、結果的により高い流束値をもたらす可能性があると考えられた。濃度分極、すなわち、内部濃度分極（ＩＣＰ）又は外部濃度分極（ＥＣＰ）のいずれかは、膜の中又は周りの濃度勾配の形成から生じる。それらは、膜にわたる実効浸透圧の差を減少させ、これはより低い流束を意味する。さらに、より低い温度では、ＣＯ_２の溶解性が増加し、その結果、より低い温度は、イオン化したドロー溶質とイオン化していないドロー溶質との間の平衡の維持を容易にすることが予想され、この場合、イオン化した溶質が有利であった。これは、結果的に、フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束の減少をもたらす可能性があると考えられた。一方の溶液の温度だけが変化するときに、膜にわたる温度勾配が生じ得ることも理解された。

フィード溶液の温度が上昇するときに、より大量の水が膜を渡って輸送されたことが観察され、温度の低下は、輸送される水の質量を減少させた（図９参照）。測定された流束値では、この傾向は、流束の３５℃で２８ＬＭＨへの増加及び５℃で１４ＬＭＨへの減少としてさらに確認され、この場合、室温で観察された典型的な流束値は、１７から１９ＬＭＨまでの間であった（表６参照）。より高い温度で観察される流束の増加は、フィード溶液の蒸発によって僅かに影響される可能性がある。

フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束を、ＦＴ－ＩＲ分光法によって１時間毎に測定した（表７参照）。フィード溶液の温度が低下するのに伴い、観察された逆塩流束の僅かな減少が存在した。フィード溶液の温度が上昇したときに、観察された逆塩流束は、室温で観察されたときと同様の大きさであった。これは、逆塩流束に対する温度の全体的な影響が小さいことを示唆した。

フィード溶液とドロー溶液との両方の温度を変化させたさらなる実験を行った。しかしながら、ドロー溶液の温度の変化は、膜の表面での混合とＣＯ_２溶解性に影響し得ると考えられ、これは温度に反比例し、より高い温度は、イオン化したトリメチルアミンのドロー溶質と平衡に存在するトリメチルアミンの蒸発を容易にし得るとも考えられた。

両方の溶液の温度が増加したときに、ガスの発生（例えば、溶液から出る泡）の視覚的に観察された増加と共に、ドロー溶液の質量の最初の減少が観察された（図１０）。これは、温度、潜在的に、トリメチルアミンの蒸発の増加に伴う、ＣＯ_２溶解性の減少の結果と考えられた。流束値を、フローセル動作の最初の１時間にわたるフィード溶液の質量の減少に基づいて求めた（表６参照）。溶液がより低温のときに流束の減少、すなわち、室温での１９ＬＭＨから５℃で１５ＬＭＨへの減少が観察された。溶液がより高温のときに流束の増加、すなわち、室温での１９ＬＭＨから３５℃で２４ＬＭＨへの増加が観察された。

フィード溶液とドロー溶液との両方の温度が変化するときに、フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束のより大きい変化が観察された（表８参照）。より低い温度では、逆塩流束は、室温で観察されたときのほぼ半分であり、より高い温度では、逆塩流束は、およそ１０％増加した。

ＦＯフローセルが温度の変動にどのように応答するのかを調べるために、それぞれ３～５℃及び３０～３５℃の下限温度及び上限温度を選択した。測定した流束及び逆塩流束値に関して観察された変化がほんのわずかであったことは、イオン化したトリメチルアミンをドロー溶質として装備した本明細書で説明されるＦＯフローセルを、広い温度範囲で上手く採用することができるという点で堅牢であることを実証する。しかしながら、ＣＯ_２の溶解を促進し、イオン化したトリメチルアミンの高い濃度を維持するためには、ドロー溶液は、動作中に室温以下に維持されるのが最良であると考えられた。

実施例４：フィード溶液のｐＨの変化
廃水のｐＨも、その発生源（例えば、岩石層、工業プロセス）に応じて変化することがある。イオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備した本明細書で説明されるＦＯフローセルに対するｐＨの影響を調べるために、様々なｐＨの廃水をシミュレートするべく水酸化ナトリウムと塩酸を用いて様々なｐＨのフィード溶液を調製した。最初のｐＨが６．５の、６ｗｔ％総溶解固形分（５．８２％ＮａＣｌ、０．１８％ＣａＣｌ_２）を含むストック溶液を使用し、そのｐＨを、ｐＨ３、５、８、及び１０のフィード溶液を得るべく調節した（図１１参照）。水酸化ナトリウム及び塩酸の添加は、総溶解固形分の量を顕著に増加させることは予想されなかった。

実験方法：
３３ｗｔ％及び６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのストック溶液を前述のように作製した。６ｗｔ％総溶解固形分（５．８２％塩化ナトリウム及び０．１８％塩化カルシウム）を含むストック溶液を前述のように調製し、固体水酸化ナトリウム又は１Ｍ塩酸の添加を通じてｐＨを調節した。

前述のように調整された膜を、活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態で、フローセルに装填した。フローセルを、膜のフィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水１００ｍＬずつで３回フラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液のリザーバとしてガラスボトル（２５０ｍＬ）を用いた。各ｐＨ値に関して繰返しランを行った。

ｐＨ調節された塩溶液（２００ｍＬ）をフィード溶液ボトルに装填し、３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミン水溶液（１００ｍＬ）をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、ボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、その上に溶液が配置された天秤で風袋引きをし、このときよりも前のデータポイントは分析から除外した（実施例１、図１Ａ参照）。１時間単位で、ポンプを止め、逆塩流束の分析のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。逆塩流束量は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入したＣａｒｙ ６３０ ＦＴ－ＩＲ分光器を用いてＦＴ－ＩＲ分析によって求め、データ分析は、ＭｉｃｒｏＬａｂソフトウェアで行った（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
本明細書で説明されるＦＯフローセルに対するフィード溶液のｐＨの影響を調べるために、２～１１の推奨動作ｐＨを有するＴＣＭ－１膜を選択した。フィード溶液のｐＨは３から１０まで変化させた。

フィード溶液は、６．５のベースラインｐＨを有し、３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンをドロー溶液として用いるときに１１．０ＬＭＨの平均流束を生じることが判った。表９にまとめたように、フィード溶液のｐＨの変化は、ドロー溶液の質量の変化と一致してすべてのｐＨ値に関して流束の増加をもたらしたことが観察された（図１１参照）。ｐＨ調節された各フィード溶液は、３時間のＦＯラン後に６から６．５までの間のｐＨに戻ったことが観察された。これは、フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束に起因しており、この場合、イオン化したトリメチルアミンは既知の緩衝系として作用していたと考えられた。

フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束を、ＦＴ－ＩＲ分光法によって１時間毎にモニタリングした（表１０参照）。最初の６ｗｔ％ＴＤＳ溶液は６．５のｐＨを有していたことが観察され、ｐＨが６．５から変化する際に逆塩流束が増加し、最高の逆塩流束は、研究されたｐＨ範囲の上限及び下限での溶液から観察される。

実施例５：石油・ガス廃水の処理
イオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を装備した本明細書で説明されるＦＯフローセルの１つの用途は、石油・ガス産業からの廃水の浄化である。本発明のＦＯシステムのこの適用を実証するために、石油・ガス産業からのプロセス水のサンプルを入手し、本明細書で説明されるＦＯフローセルによって脱水されるべきフィード溶液として用いた。

実験方法：
６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのストック溶液は、４５ｗｔ％のトリメチルアミン水溶液溶液を２Ｌずつ、１ガロンのステンレス鋼Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ反応器内で、１０ｂａｒで３０分間、カーボネーションすることによって作製した。

テストのために３種類のプロセス水、すなわち、（ｉ）汽水、（ｉｉ）軟化処理前の、脱油されたスキミング後の水、（脱油された水は、地下帯水層からのプロセス水である）、及び（ｉｉｉ）軟化処理後の、弱酸性陽イオン交換水、（弱酸性陽イオン交換により処理した、地下帯水層からの脱油された水）を入手した。各廃水サンプルは、＜１ｗｔ％のＴＤＳを含んでいた。

調整されたＴＣＭ－１膜を、活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態で、フローセルに装填した。セルを、膜のフィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水１００ｍＬずつで３回フラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液を収容するためのリザーバとしてガラスボトル（２５０ｍＬ）を用いた。各フィード／ドローの組み合わせに関して３時間にわたって二回ずつランを行った。

プロセス水（２００ｍＬ）をフィード溶液ボトルに装填し、ドロー溶液（１００～１５０ｍＬ）をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、溶液が入っているボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した（実施例１、図１Ａ参照）。３０秒後に、その上に溶液ボトルが置かれた天秤で風袋引きをし、このときよりも前に収集されたどのデータポイントも分析から除外した。１時間単位で、ポンプを止め、逆塩流束の分析のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。逆塩流束量は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入したＣａｒｙ ６３０ ＦＴ－ＩＲ分光器を用いてＦＴ－ＩＲ分析によって求め、データ分析は、ＭｉｃｒｏＬａｂソフトウェアで行った（実施例１、図１Ｃ参照）。ＩＣＰ－ＯＥＳ分析が、Ｑｕｅｅｎ’ｓ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ Ａｎａｌｙｔｉｃａｌ Ｓｅｒｖｉｃｅｓ Ｕｎｉｔ（ＱＡＳＵ，Ｋｉｎｇｓｔｏｎ，ＯＮ）によって行われた。表２５参照。

結果と考察：
スチーム補助重力排油法（ＳＡＧ－Ｄ）プロセス水の３つのサンプル、すなわち、（ｉ）汽水（汽水）、（ｉｉ）軟化前の脱油された水（脱油水）、及び（ｉｉｉ）弱酸性陽イオン交換カラムを用いて軟化された水（ＷＡＣ）は、カナダの石油・ガス会社から得られた。サンプルは、アクティブなＳＡＧ－Ｄシステムから得られ、それらの全懸濁物質濃度から比較的難しいフィード溶液を代表するものであった。前述のように、廃水をフィード溶液として、６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液と共に用いて小規模のＦＯ実験を行い、３時間の連続動作後に、質量の５０～６０％の減少が再現可能に観察された。これは３４～３６Ｌ／ｍ^２ｈの流束に対応し、典型的な脱塩条件下で海水をフィードストリームとして用いて観察されたＲＯ流束値と比較できることがわかった［２０１５年３月１３日にアクセス時の、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｇｅｗａｔｅｒ．ｃｏｍ／ｐｒｏｄｕｃｔｓ／ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ－ｍｅｍｂｒａｎｅｓ．ｈｔｍｌ、２０１５年３月１３日にアクセス時の、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｇｗａｔｅｒｓｏｌｕｔｉｏｎｓ．ｃｏｍ／］。

図１３及び表１１を参照すると、本明細書で説明されるＦＯシステムがフィード溶液を脱水し続けたことが実証され、システムがより長くランしている場合に脱水作用の顕著な減少が観察されないならば、前述のフィード溶液のさらなる濃縮を達成することもできると考えられた。フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束は、シミュレートされた溶液（上記の実施例参照）を用いるときに観察されたものよりも僅かにより高かった。これは、フィード溶液がより低いＴＤＳを含んでおり、したがって、より低いイオン強度を有し、膜を渡るドロー溶質の拡散を概してより起こしやすかったためであると思われた。ＩＣＰによって求めた場合に＞９４％のＴＤＳ阻止率％が観察された（表２５）。

実施例６：採掘尾鉱
採掘水サンプルの作製：
より泥に良く似ていた「乾燥」尾鉱のサンプルは、カナダの採掘組織から受け入れた。水性サンプルを作製するために、採掘スラリーを模擬するべく尾鉱固体（２５０ｇ）を水（７５０ｍＬ）と組み合わせて２５ｗｔ％の固体サンプルを得た。次いで、水性サンプルを、オーバーヘッドスターラ（４ブレードプロペラ）で６５０ｒｐｍで２４時間攪拌した。固体を除去するために０．５ミクロンフィルタを用いてこれらのサンプルを濾過することが供給業者によって（それらの現在の慣習に基づいて）推奨されたが、入手の都合により、エクストラファイン濾紙を用いた（Ｗｈａｔｍａｎ＃５＝２．５ｕｍ）。この手順は、テストのために十分な量の水を作製するべく２回行った。

バッチサンプル＃１： ２５１．５８ｇの泥＋７５１．７５ｇのＤＩ水＝合計１００３．３３ｇ（２５．０７ｗｔ％、導電率＝３４０ｕＳ／ｃｍ、ｐＨ＝３．７５）

バッチサンプル＃２： ３０３．３２ｇの泥＋９１０．２９ｇのＤＩ水＝合計１２１３．６１ｇ（２４．９９ｗｔ％、導電率＝３９３ｕＳ／ｃｍ、ｐＨ＝４）

バッチサンプル＃２をバッチサンプル＃１に加え、組み合わせた後の導電率を測定した（実験誤差の範囲内で、３４０及び３９３μＳが比較できると考えられたことに留意されたい）。

水中６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンを含有するドロー溶液は、Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ反応器を用いて水中約４５ｗｔ％のトリメチルアミンを２Ｌずつのバッチでカーボネーションすることによって作製した。結果的に得られるイオン化したトリメチルアミンのストック溶液は、ガラスボトルの中で密閉保存した。

ＴＣＭ－１膜は、乾燥状態で送付され、どちらが活性側であるかが記されていた。使用前に、膜を、その孔を開くべく脱イオン水の中に少なくとも３０分間浸した。浸漬後に、膜は、水の中に保存することで湿った状態に保った。必要に応じて、円形の膜（直径４ｃｍ）を前述の膜のシートからカットし、使用の前に最低でも３０分間浸漬させた。膜は、セルの周りの液体の漏れを最小にするべくフローセルの膜カートリッジ内に入れられたＯリング内に嵌るようにカットした（実施例１、図１Ａ参照）。

正浸透フローセル：
正浸透（ＦＯ）フローセルを、次いで、実施例１及び図１Ａで説明したように水中６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液（５００ｍＬ）、バッチサンプルフィード溶液（５００ｍＬ）、及びＴＣＭ－１膜を用いて構成した。

ＦＯフローセルを空気の下でランし、フィード溶液とドロー溶液の質量の変化が平坦域に達するまでランを続けた。再現性を判定するべくＦＯランの繰返しのトライアルを行った。結果として生じる希釈されたドロー溶液からのドロー溶質の除去は、溶液を８５℃の金属ヒートン（Ｒａｄｌｅｙｓ製、溶液温度約７０℃）（２Ｌフラスコ）内で加熱しながら溶液に窒素をバブリングすることによって達成された。生じる水の損失が最小限であるように、ドロー溶液が入っているフラスコの出口に凝縮器を取り付けた。

Ｃａｄｕｃｅｏｎによって外部分析が行われた（表１２及び表１３参照）。

第１のＦＯラン後に、分析を可能にするために、フィード溶液は、分析のために十分な溶液にするのに３倍希釈を必要とした（４０ｍＬの濃フィード溶液を１２０ｍＬに希釈した）。

元の水性サンプル中の固形分の判定：
より泥に良く似ていた「乾燥」尾鉱のサンプルを、２．５ｕｍ濾紙に通して濾過し、ブフナー漏斗内で夜通し重力により乾燥させた。最初の質量は１００．２５ｇと記録され、夜通しの乾燥後の質量は８２．１３ｇと記録され、これは１８．１２ｇ（１８％）の質量損失に相当した。サンプルをより泥に良く似たものにする尾鉱中のどの液体も揮発性の性質のものであると考えられ、夜通しの乾燥後に濾過フラスコ内に残っている液体はなかった。

結果と考察：
採掘尾鉱サンプルは、正浸透のためのイオン化したトリメチルアミンのドロー溶質を用いて上手く処理された。２３から２５ＬＭＨまでの間の流束値と、フィード溶液の質量の６０～９０％の減少が、６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いて達成された（表１４参照）。ドロー溶質の逆塩流束（逆塩流束）は、４８時間のテスト後に比較的高いことが分かったが、これは、循環しないバッチシステム（例えば、フィード溶液及びドロー溶液の各体積のユニットがＦＯ膜を１回だけ通るシステム）ではより低いことが予想される。表１５参照。本明細書で用いられ説明されるＦＯセルは、カナダの環境省の容認可能なヒ素レベルの２５ｐｐｍと比べて比較的高いヒ素阻止率（回収した水中で＜１ｐｐｍ）を実証した（表１２及び表１３参照）。この実施例は、処理するのが通常は困難な採掘からの廃棄物ストリームの処理における、イオン化したトリメチルアミンのドロー溶質でのＦＯシステムの使用の成功を実証した。

実施例７：都市下水の処理
６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのストック溶液は、４５ｗｔ％のトリメチルアミン水溶液溶液を２Ｌずつ、１ガロンのステンレス鋼Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ反応器内で、１０ｂａｒで３０分間、カーボネーションすることによって作製した。濃縮都市下水（中国から）は、中国の廃水処理会社から受け入れた。廃水の最初のｐＨ及び導電率は、それぞれ６．９９及び１０．８ｍＳ／ｃｍであり、フィード溶液は、前処理されなかった。前述のように調整されたＴＣＭ－１膜（実施例１参照）を、それらの活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態でＦＯフローセルに装填した。セルを、膜のフィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水１００ｍＬずつで３回フラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液を収容するためのリザーバとしてガラスボトル（５００ｍＬ）を用いた。フィード溶液及びドロー溶液の質量の変化が平坦域に達するまで各ランを実施し、二回ずつ行った。

廃水（５００ｍＬ）をフィード溶液ボトルに装填し、ドロー溶液（２００ｍＬ）をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、溶液が入っているボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、その上に溶液ボトルが置かれた天秤で風袋引きをし、このときよりも前に収集されたどのデータポイントも分析から除外した（実施例１、図１Ａ参照）。周期的に、ポンプを止め、逆塩流束の分析のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。逆塩流束量は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入したＣａｒｙ ６３０ ＦＴ－ＩＲ分光器を用いてＦＴ－ＩＲ分析によって求め、データ分析は、ＭｉｃｒｏＬａｂソフトウェアで行った（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
本明細書で説明されるＦＯフローセル及びプロセスを用いて、どのような前処理も使用せずに、フィード溶液及び／又はそこから分離された水に関して、廃水の質量（約６０％）、導電率、及び全リン含有量（ＩＣＰ－ＯＥＳによって測定した場合）の減少が達成された（表１６参照）。さらに、３５ＬＭＨの平均流束値は、ＲＯ海水脱塩流束値（３０～４０ＬＭＨ）と比較できることが分かった。化学的酸素要求量（ＣＯＤ）は、ドロー溶質の除去後に高いままであったが、ＣＯＤ値は、サンプル中の有機物の濃度（例えば、回収した水中の残留ドロー溶質の量）に依存する。理論に拘束されることを望むものではないが、ＦＯ回収水から残留ドロー溶質を除去するためのさらなる処理ステップが、したがって、より低いＣＯＤをもたらすと予想される。

この実施例は、現在利用可能な方法を用いて処理するのが難しい又は高価である、濃縮都市下水の処理における、ドロー溶液をイオン化したトリメチルアミンのドロー溶質と共に組み入れている本発明のＦＯシステムの使用の成功を実証する。

実施例８：フラッキング作業からの随伴水及びフローバック水の処理
６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのストック溶液は、４５ｗｔ％のトリメチルアミン水溶液溶液を２Ｌずつ、１ガロンのステンレス鋼Ｃｈｅｍｉｎｅｅｒ反応器内で、１０ｂａｒで３０分間、カーボネーションすることによって作製した。

随伴廃水は、それぞれ６．４７及び１９１ｍＳ／ｃｍの最初のｐＨ及び導電率を有するカナダのフラッキング作業（西部のアルバータ州）から受け入れたものであり、最初のＴＤＳはおよそ１９ｗｔ％であった。

第１の最初のＦＯランは、フィード溶液の前処理なしに行った。次いで、さらなるランを、濾過され軟化されたフィード溶液のサンプルを用いて行った。濾過は、エクストラファイン（Ｗｈａｔｍａｎ＃５）の濾紙を用いて行った。ｐＨをモニタリングしながらフィード溶液の軟化を行い、攪拌しながら、濾過したフィード溶液にＮａＯＨ（３．３ｍｇ／ｍＬ）を加え、３０分間の攪拌後に、溶液を再び濾過し、次いで、溶液に炭酸ナトリウム（１５．４ｍｇ／ｍＬ）を加え、さらに３０分間攪拌し、次いで、前述の結果として生じる溶液を濾過し、ＨＣｌで中和させた。正浸透はまた、炭酸ナトリウムだけで軟化させ、その後、濾過し、ＨＣｌで中和させたサンプル、又は炭酸ナトリウムを加えただけのサンプルを用いて行われた。

フローバックフィード溶液もカナダのフラッキング作業から得られ（導電率＝１３０．４ｍＳ／ｃｍ、ｐＨ＝６．３８）、粗目の濾紙による濾過後に処理した。溶液の最初のＴＤＳは、約１３ｗｔ％であった。

調整された膜（実施例１参照）を、膜の活性／阻止層がフィード溶液の方に向けられた状態でＦＯフローセルに装填した。セルを、膜のフィード溶液側とドロー溶液側との両方において脱イオン水１００ｍＬずつで３回フラッシュした。フィード溶液及びドロー溶液を収容するためのリザーバとしてガラスボトル（２５０又は５００ｍＬ）を用いた。各ランは、平衡に達するようにし、二回ずつ行った。

随伴水又はフローバック水（２００又は５００ｍＬ）をフィード溶液ボトルに装填し、濃ドロー溶液（２００又は５００ｍＬ）をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、溶液が入っているボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、その上に溶液ボトルが置かれた天秤で風袋引きをし、このときよりも前に収集されたどのデータポイントも分析から除外した（実施例１、図１Ａ参照）。周期的に、ポンプを止め、逆塩流束の分析のためにシリンジでフィード溶液からサンプルを採取した。逆塩流束量は、Ａｇｉｌｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓから購入したＣａｒｙ ６３０ ＦＴ－ＩＲ分光器を用いてＦＴ－ＩＲ分析によって求め、データ分析は、ＭｉｃｒｏＬａｂソフトウェアで行った（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
随伴廃水のフィード溶液に関して、それぞれスケーリングにつながることもある高いカルシウム含有量を有していたことが分かり、したがって、軟化が必要であった。本明細書で説明されるＦＯフローセルの使用は、随伴水系に関して、フィード溶液の質量のおよそ２０％の全体的な減少につながることが分かり、流束は、ＴＣＭ－１膜ではおよそ９ＬＭＨと計算された。随伴水の処理のために採用される標準的な軟化方法により、濃フィード溶液中の沈殿を回避した。ドロー溶質の除去後に回収された水は、（独自の処理要件のためにフラックオペレータによって要求される場合の）所望の４０００ｐｐｍを下回り、ＴＤＳの９９．９％の阻止率を表した（表１７参照）。ＩＣＰ－ＯＥＳの結果は、ＦＯ処理後のフィード溶液中の元素の濃度を示した（表１８参照）。

フローバック水のＦＯ処理は、およそ１５ＬＭＨの流束と共に、フィード溶液の質量の４０％の減少を示した（表１９参照）。ドロー溶液の除去後に回収された水は、所望の４０００ｐｐｍを優に下回り、ＴＤＳの９９．６％の阻止率を表した（表２０参照）。ＩＣＰ－ＯＥＳの結果は、ＦＯ処理後のフィード溶液中の元素の濃度を示した（表２１参照）。％ＴＯＣ阻止率は、所望よりも低かったが、この値は、サンプル中の有機物の濃度（例えば、回収した水中の残留ドロー溶質の量）に依存する。表２０参照。理論に拘束されることを望むものではないが、ＦＯ回収水中の残留ドロー溶質を減少させ、したがって、より高い％ＴＯＣ阻止率を呈するように、システムを容易に最適化することができると見込まれる。

実施例９：中空繊維モジュールを膜として用いるＦＯの分析
第４の商業的膜供給業者によって提供された２種類の中空繊維膜モジュール（ＨＦＭ－１及びＨＦＭ－２）を、シミュレートされたフィード溶液及びイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いて評価した。一般に、中空繊維膜では、小さいモジュールフットプリントで比較的より高い膜表面積を得ることができる。

実験方法：
ＨＦＭ－１モジュール及びＨＦＭ－２モジュールは中空繊維システムであり、この場合、フィード溶液は繊維の外部を流れ（活性層がフィード溶液に面する）、ドロー溶液は繊維の内部を流れる。外部のフィード溶液は、内部のドロー溶液よりも高い流量で流れなければならない。フィード溶液に関して１Ｌ／ｍｉｎの流量が用いられ、ドロー溶液に関して５～７ｍＬ／ｍｉｎの流量が用いられることが提案された。膜へのドロー溶液の入口は、繊維が破断しないように２ｂａｒよりも低く保たれる必要がある。ドロー溶液の出口は、ドロー溶液の中に固体が形成される場合に備えてドロー溶液のリザーバとは別個のバケツに向けられた。

膜は、フィード溶液とドロー溶液が互いに向流に流れるように構成した。これは、ほとんどの濃ドロー溶液がほとんどの濃フィード溶液と接触し（注：ドロー溶液は、依然としてフィード溶液よりも濃厚であった）、膜を渡る水の移動の効率を最大にすることを意味する。あらゆる貯留溶液を除去するべく膜をＤＩ水でフラッシュし、この状態で膜は送付され得る。次いで、データ収集を開始する前にシステムを適切なフィード溶液及びドロー溶液でリンスした。データ収集は、ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアを用いて行った。

ＨＦＭ－１膜を、ｉ）３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液（１０００ｇ）と３４．５ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液（１５００ｇ）、及びｉｉ）１５ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液と約６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液、及びｉｉｉ）炭酸ナトリウムで軟化したカナダのフラッキング作業からの随伴水と約６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液、及びｉｖ）カナダのフラッキングからのフローバック水と約６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いて調べた。ドロー溶液の入口での圧力は、０．６から０．９ｂａｒまでの間に維持した。各フローセルシステムを、３時間から６時間までの間にわたってランした。ＨＦＭ－１モジュールの膜面積は０．０６２ｍ^２であった。

ＨＦＭ－２モジュールを、３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液と３４．５ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いて調べた。ドロー溶液の入口での圧力は、およそ０．７ｂａｒに維持した。ＨＦＭ－２モジュールの膜面積は０．０８９ｍ^２であった。

膜の％ＮａＣｌ阻止率の判定は、１２０℃におよそ６時間にわたって加熱することによりドロー溶液サンプルから水とアミンを除去した後に残っている残留固体を測定することによって達成された。フィード溶液へのドロー溶質の逆塩流束を、ＦＴ－ＩＲによりモニタリングした（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
２種類の中空繊維膜モジュール、すなわち、ＨＦＭ－１モジュール及びＨＦＭ－２モジュールを調べた。両方のモジュールを、３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液及び３４．５ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いてテストした。

上記の条件下でＨＦＭ－１モジュールを含むＦＯフローセルで５つのランを行い（表２２参照）、第１のトライアルは、３ｗｔ％のフィード溶液で１６０分間ランし（ＨＦＭ－１－Ｔ１）、第２のトライアルは、１５ｗｔ％のフィード溶液で１６０分間ランし（ＨＦＭ－１－Ｔ２）、第３のトライアルは、３ｗｔ％のフィード溶液で３５０分にわたってランし（ＨＦＭ－１－Ｔ３）、第４のトライアルは、軟化した随伴水でランし（ＨＦＭ－１－Ｔ４）、及び第５のトライアルは、フローバック水でランした（ＨＦＭ－１－Ｔ５）。最初の３時間にわたって、ＨＦＭ－１－Ｔ３は、ＨＦＭ－１－Ｔ１と類似していた（同様のフィード溶液及びドロー溶液であるため比較できる）。約６時間後に、ＨＦＭ－１－Ｔ３のフィード溶液は、約８８％濃縮されたが、ドロー溶質の逆塩流束（ｗｔ％ イオン化したＴＭＡ、表２２）は、３時間のランの間に観察されたものよりも相対的に高く、これはフィード溶液の濃度に起因して予想される。６時間のラン後の逆塩流束（ＲＳＦ）は、３時間のラン後に達成された逆塩流束と比較できるものであった。

第４のトライアルに関して、約６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いて、濾過され、炭酸ナトリウムで軟化されている随伴水の脱水をテストするのにＨＦＭ－１－Ｔ４、ＨＦＭ－１モジュールを用いた。モジュールは、観察され前述されているものと類似した高い塩阻止率を維持した。流束の減少は、随伴水が、シミュレートされたＮａＣｌフィード溶液よりも高いＴＤＳを有するためであると思われた。

第５のトライアルに関して、約６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いてフローバック水の脱水をテストするのにＨＦＭ－１－Ｔ５、ＨＦＭ－１モジュールを用いた。モジュールは、観察され前述されたものと類似した高い塩阻止率及び体積減少を維持した。流束の減少は、フローバック水が、シミュレートされたＮａＣｌフィード溶液よりも高いＴＤＳを有するためであると思われた。

１つのトライアルランを、上記の条件下でＨＦＭ－２モジュールを含むＦＯフローセルと３ｗｔ％のフィード溶液で１８０分間行った（表２２参照）。流束と％ＮａＣｌ阻止率は、３時間にわたるフィード溶液の質量の７９％の減少により、ＨＦＭ－１トライアルと比較できるものであることが分かった。同様に、逆塩流束（ＲＳＦ）は所望よりも僅かに高く、理論に拘束されることを望むものではないが、これは、トライアルの持続時間にわたるｐＨの不安定性の表れであり得ると考えられた。しかしながら、ＨＦＭ－２又はＨＦＭ－１膜トライアルに関してｐＨの修正は行わなかった。

実施例１０：ドロー溶質の除去
材料と装置：
本明細書で説明されるドロー溶液からアンモニウムベースのドロー溶質を除去するための手段を調べるために、以下の材料及び／又は装置が必要であった。
ｉ．５Ｌの断熱型のジャケット付反応器
ｉｉ．反応器を加熱するための循環ヒータ
ｉｉｉ．スパージガスのための熱源
ｉｖ．脱気される溶液のための加熱されるリザーバ（ホットプレート／２Ｌの四口フラスコ）
ｖ．循環ポンプ（Ｆｉｓｈｅｒ Ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ（商標）バリアブルフローケミカルトランスファーポンプ）
ｖｉ．反応器の頂部に溶液を注入するためのスプレーノズル
ｖｉｉ．表面積を提供するべく反応器の中に詰め込んだステンレススチールウール（ＳＳウール）
ｖｉｉｉ．スパージガス（圧縮空気）
ｉｘ．反応器の外へ強制されるＴＭＡを取り込むためのトラップ

動作条件：
上記の構成で使用される条件は以下の通りであった。
ｘ．断熱型の反応器及びチューブ
ｘｉ．循環ヒータの設定：７５℃
ｘｉｉ．空気ヒータの設定：７５℃
ｘｉｉｉ．ホットプレートの設定：７０℃
ｘｉｖ．ポンプ速度の設定：５、高速
ｘｖ．空気流の設定：５

動作方法：
８００ｍＬの脱イオン水を入れた２Ｌの四口丸底フラスコを温度プローブ付きのヒートンの中に入れ、７０℃に加熱した。前記丸底フラスコに、ここから水を引き出してスプレーノズル付きのカラムの頂部へ送るべく小型の循環ポンプを接続し、水は、次いで、カラムを下方へ流れ、丸底フラスコに戻った（図１７参照）。

水が循環した後で、すべての熱源をオンにし、設定温度に達するようにし、１時間安定させ、その結果、反応器の内部温度を７０℃と記録した。

温度が安定した後で、分液漏斗を用いて２００ｍｌの濃ドロー溶液を丸底フラスコに加え、濃ドロー溶液を８００ｍＬのＤＩ水に加えることによって、希薄ドロー溶液を表し得る希釈物を得た。さらに、加熱中のＴＭＡの損失を防ぐために、既に加熱された水に濃ドロー溶液を加えた。水とドロー溶液を十分に混合した後で、開始点を確立するために最初の読取値を「０分」でとった。その後、１時間単位で、丸底フラスコから一定分量を採取し、ドロー溶質の濃度を求めるべくＦＴ－ＩＲによって分析した（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
本明細書で説明されるフローセルを用いて正浸透が完了すると、低ＴＤＳの水を生成するべく希釈されたドロー溶液からイオン化したトリメチルアミンのドロー溶質を除去する必要があることが理解された。前述のように（例えば、ＰＣＴ出願のＰＣＴ／ＣＡ２０１１／０５０７７７参照）、イオン化した切り替え可能な添加剤は、中程度の加熱（５０℃）で及び／又は窒素又は空気などの不活性スパージングガスの使用により「オフに切り替える」、すなわちイオン化していない状態にすることができる。

イオン化していない形態の切り替え可能な添加剤及びドロー溶質は、周囲条件下では気体のトリメチルアミンであるため、中程度の加熱又はスパージングは、ドロー溶液からＣＯ_２だけでなくイオン化していないドロー溶質も除去し、水を生成し得ることが予想された。したがって、溶液からＴＭＡベースのドロー溶質を効率よく除去する方法が考えられた。

したがって、ドロー溶質の除去のためのリットル規模のシステムを調べた。ドロー溶液からのガスの除去を最大にするために、加熱される高い表面積がシステムに組み入れられる必要があると認識され、したがって、５Ｌのジャケット付カラムにステンレススチールウールを詰めた。ドロー溶質の分解によりＴＭＡ及びＣＯ_２ガスが遊離する際の前記カラムからの気体蒸気の移動を容易にするためにスパージガスを用いた。システムは、５０℃から７０℃までの間でランし、７０℃を上回るどのランもＴＭＡ及びＣＯ_２と共に水の実質的な損失を示した。このシステムは、３時間以内の循環で＜０．１ｗｔ％の残留ドロー溶質を上手く達成することができ、これにより、希薄ドロー溶液からのドロー溶質の効果的な除去を実証した。

実施例１１：ドロー溶質の除去のためのスパージングガスの比較
６６ｗｔ％のイオン化したＴＭＡ（１００ｍＬ）を２Ｌの三口丸底フラスコの中で脱イオン水（１００ｍＬ）で希釈した。フラスコの１つの口を温度プローブに接続し、第２の口を流量計に接続されたガス分散チューブ（「ｃ」フリット多孔）に接続し、第３の口を氷／塩水浴中で冷却された別の二口丸底フラスコ（２５０ｍＬ）に接続した。２５０ｍＬフラスコの第２の口を排気として換気フードの後方へ向けられた１本のチューブに接続した。

トライアルを３つの異なる温度で、すなわち、４６℃、５６℃、及び７０℃でランした。各温度に関して、１つのトライアルは窒素ガスを用いて行い、別のトライアルは二酸化炭素を用いて行った。４６℃でのトライアルに関して、ガスの流量（ＦＲ）は４標準立方フィート／ｈであり、より高い温度に関して、ガスの流量は８標準立方フィート／時間であった。各トライアルは１時間の長さであり、サンプルは、０、５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、及び６０分でパスツールピペットを用いて採取した。イオン化したＴＭＡ濃度を求めるべく各サンプルに対してＦＴ－ＩＲを行った（実施例１、図１Ｃ参照）。

結果と考察：
いくつかの温度でのイオン化したトリメチルアミンの除去のためのスパージングガスとしてのＮ_２対ＣＯ_２の使用を調べた。スパージングガスとしてのＣＯ_２の使用は、ドロー溶液の再生中にガスを分離する必要性を軽減することが想像された。全体として、Ｎ_２は、イオン化したトリメチルアミンを除去することにおいてＣＯ_２よりも良好に機能するように見え、より低い温度では、イオン化したトリメチルアミンの濃度が最初に増加したため、ＣＯ_２は吸収されているように見えた。Ｎ_２を分散させた７０℃ランに関して、イオン化したトリメチルアミンの残りのｗｔ％は０．５ｗｔ％であり、ＣＯ_２を分散させた溶液に関しては、これは３．３ｗｔ％であった（図１８参照）。

実施例１２：ドロー溶液の再構成
イオン化したトリメチルアミンをドロー溶液として装備した本明細書で説明されるフローセルを採用するＦＯシステムは、閉ループシステムとなるように設計することができる。閉ループシステムは、ＦＯフローセルに用いるための新鮮な濃ドロー溶液を生成するべく希薄ドロー溶液から除去されたＴＭＡ及びＣＯ_２ガスが継続的にリサイクルされることになるので、コスト及び無駄な材料（例えば、ドロー溶質）が最小となるであろう。このようなシステムは、閉ループの連続したシステムとなるであろう。

材料：
トリメチルアミンは、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから４５ｗｔ％の水に溶けた溶液として購入し、そのまま使用した。Ｃｏｌｅｍａｎ機器グレード二酸化炭素（９９．９９％）は、Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅから購入した。重水は、Ｃａｍｂｒｉｄｇｅ Ｉｓｏｔｏｐｅｓ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｉｅｓから購入し、そのまま使用した。

装置と分析：
７５ｍＬの圧力容器と星（十字）形攪拌子を用いてＰａｒｒ ５０００ Ｓｅｒｉｅｓ Ｍｕｌｔｉｐｌｅ Ｒｅａｃｔｏｒ Ｓｙｓｔｅｍを用いてカーボネーションを行った。バッフル及び１つのプロペラを装備した１ガロンのＣｈｅｍｉｎｅｅｒ反応容器内で大規模なカーボネーションを行った。

Ｖａｒｉａｎ ＭＲ４００分光器を用いて^１Ｈ ＮＭＲスペクトルを取得した。溶液中のＴＭＡを表す重要な化学シフトは、Ｄ_２Ｏにおいて２．２３ｐｐｍと識別され、イオン化したトリメチルアミンを表す化学シフトは、Ｄ_２Ｏにおいて２．８７ｐｐｍであった。ＴＭＡとイオン化したトリメチルアミンとの混合物に関して、ＮＭＲスペクトルでさらなるブロードなピークが観察され、この場合、化学シフトは、ＴＭＡとイオン化したトリメチルアミンとの比に応じて、Ｄ_２Ｏにおいて２．２３から２．８７ｐｐｍまでの間の範囲である。ＴＭＡとイオン化したＴＭＡとの比と、このブロードなピークとの間の関係性に絞り込むために検量線は引かなかった。理論に拘束されることを望むものではないが、ブロードなピークは、ＴＭＡとイオン化したＴＭＡとの間の平衡を示していると考えられた。

以下で概説する実験での使用の前に、イオン化したトリメチルアミンのストック溶液を、ＴＭＡのカーボネーションにより作製し、数日間保存した。

手順：
４５ｗｔ％のＴＭＡ水溶液（１ｍＬ）及びＣＯ_２（５又は９ｂａｒ、静圧）を用いて、ＴＭＡにＣＯ_２を導入し、導入したＣＯ_２圧が系内で均等になるのにどれぐらいの時間がかかるかを測定することを含む、圧力低下の観察を行った。

１、５、又は９ｂａｒの動的ＣＯ_２圧に加圧された４５ｗｔ％のＴＭＡ水溶液（５０ｍＬ）を用いて、系内で最高温度に達するのにかかった時間を測定することにより、温度上昇の観察を行った。サンプルの一定分量を、報告された時間（以下参照）で採取し、^１Ｈ ＮＭＲ分光法によって分析した。

６００ｒｐｍで攪拌しながら３０分間にわたって１０ｂａｒの動的ＣＯ_２圧に加圧された４５ｗｔ％のＴＭＡ水溶液（２～２．５Ｌ）を用いて大規模なカーボネーションを行った。３０分後に、ＣＯ_２の流れを止め、反応器を、容器の温度が４０℃以下に戻るまで、その圧力で３．５時間保った。

結果と考察：
ＴＭＡの水への溶解性は高く（飽和時４５ｗｔ％）、一方、ＣＯ_２の溶解性は低い（飽和時＜１％）ため、反対に又は同時に添加をするのではなく、二酸化炭素をＴＭＡ溶液に添加した。したがって、この溶解性の差に起因して、水中のＣＯ_２の溶解（及びその後の重炭酸塩への変換）は律速段階であり、したがって研究（以下参照）の対象となると考えられた。

イオン化したトリメチルアミンを生成するための水中のＴＭＡとＣＯ_２の反応は発熱性であることが観察され、したがって、反応の発熱による最高温度に達するのに要した時間を求めた（表２３参照）。溶液の一定分量を、（前述のように）ＣＯ_２で加圧された５０ｍＬの４５ｗｔ％ＴＭＡ水溶液から周期的に採取し、概算変換を求めるべく^１Ｈ ＮＭＲ分光法によって分析した。

１ｂａｒのＣＯ_２圧の下で、反応混合物の温度は、３時間にわたって４℃上昇し、そこでさらなる３時間にわたって一定のままであった。この時点で一定分量を採取し、^１Ｈ ＮＭＲ分光法によって分析し、より高い圧力が必要であったことを意味する非常に小さいＴＭＡのカーボネーションが実際に起こったことが明らかとなった。

５ｂａｒのＣＯ_２圧の下で、混合物の温度は、１時間後に１２℃上昇し、５時間後に室温に戻った。２時間後の反応混合物の^１Ｈ ＮＭＲ分析は、ＴＭＡのカーボネーションが本質的に完了したことを示し、これは１ｂａｒでの同じプロセスに対するカーボネーションの反応速度の向上を示した。

９ｂａｒのＣＯ_２圧の下で、温度は２５分以内に２１℃上昇した。この時点で採取された一定分量の^１Ｈ ＮＭＲ分析は、ＴＭＡのカーボネーションが本質的に完了したことを明らかに示した。

より産業上代表的な規模での再構成率をさらに研究するために、システムを１０ｂａｒのＣＯ_２圧の下で２～２．５ＬのＴＭＡにスケールアップし、ＴＭＡのカーボネーションは、図１２に示された構成を用いておよそ３０分後に本質的に完了した。

これらの研究は、閉ループの連続したＦＯシステムに用いるのに適した条件下で、ＦＯで用いるためのドロー溶液を再生させるためのドロー溶液成分の効果的な再構成を実証した。

実施例１３：より大規模の正浸透手順
材料：
トリメチルアミンは、Ｓｉｇｍａ Ａｌｄｒｉｃｈから４５ｗｔ％の水に溶けた溶液として購入し、そのまま使用した。塩化ナトリウムは、ＶＷＲから購入した。Ｃｏｌｅｍａｎ機器グレード二酸化炭素（９９．９９％）は、Ａｉｒ Ｌｉｑｕｉｄｅから購入した。脱イオン水（１８ＭΩ・ｃｍ）は、Ｅｌｇａ Ｐｕｒｅｌａｂ Ｐｕｌｓｅシステムを用いて供給した。塩化ナトリウム溶液を所望の濃度で調製した。

より大規模のＦＯユニットパーツリスト：
・ 材料の適合性：トリメチルアミンは真鍮又はＰＳ＝ポリスチレンと適合しなかったため、ステンレス鋼、ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）、ポリエチレン（ＰＥ）、ポリ塩化ビニル（ＰＶＣ）、又はポリプロピレン（ＰＰ）；バイトン及びブチルゴムも時間と共に劣化する場合がある
・ 膜要素：ＴＣＭ－１カスタムＰＦＯユニット（０．４２ｍ^２の膜面積）
・ 膜での圧力を０．５ｂａｒよりも低く保つための４つの圧力計又は圧力センサ（Ｓｗａｇｅｌｏｋ ＰＧＩ－６３Ｃ－ＰＧ１５－ＬＡＯＸ）
・ 構成の要件に応じて２又は４つのリザーバ（Ｕｌｉｎｅ Ｓ－１９４１８）
・ ４～５Ｌ／ｍｉｎの最大流量を与える２つの可変速度ポンプ（Ｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ ＮＥＭＡ－４Ｘ：Ｅｍｅｃ Ｐｒｉｕｓ電動膜ポンプ、フロアマウント、手動ベント付きＰＶＣヘッド、バイトンＯリング、ＰＴＦＥ膜、セラミックボール、ＮＥＭＡモータマウント、Ｅｘｐｏｘｙコーティングされたアルミニウムフレーム、手動ストローク調整、５ｂａｒ（７０ＰＳＩ）で５２０ＬＰＨの定格、ＤＣモータ、３／４ＨＰ、９０ＶＤＣ、５６Ｃフレーム、モータと速度コントローラとの間の配線、Ｌｉｑｕｉｄ Ｔｉｔｅ ＮＥＭＡ ４Ｘエンクロージャ、モータ速度コントローラ用のマウンティングプレート、３０４ＳＳ（上記は、ポンプの製造の形式、モデル、及び材料を提供する））
・ 流量を求めるのに必要であれば２つの流量計（流量計及びコントローラ、Ｉｃｏｎ Ｐｒｏｃｅｓｓ Ｃｏｎｔｒｏｌｓ ＩＰＣ３２１００ＩＬＣＡＮ、ＩＰＣ３２１００３８ＣＡＮ、ＩＰＣ８０５０ＣＡＮ、ＩＰＣ３９９００１ＣＡＮ、及び電源、Ｏｍｅｇａ ＰＳＲ－２４Ｌ：０．３ＬＰＭ～３．８ＬＰＭの流量及び全流量範囲を示すＬＣＤコントローラを備えた１／２” Ｓｉｇｎｅｔ Ｌｏｗ Ｆｌｏｗ、流量計、ＰＶＤＦ Ｂｏｄｙ、ＮＰＴ Ｅｎｄｓ（上記は、メータの製造の形式、モデル、及び材料を提供する））
・ ２又は４つの秤（フィード溶液及びドロー溶液の質量を測定するのに適切なサイズ）
・構成に応じて２つの圧力逃がし弁（Ｓｗａｇｅｌｏｋ ＫＣＢ１Ｃ０Ａ２Ａ５Ｐ２００００）
・ チューブ及び弁（Ｒｏｎａ、Ｈｏｍｅ Ｄｅｐｏｔ、ＣａｎａｄｉａｎＴｉｒｅ、Ｌｏｗｅｓなどのハードウェアストアから購入したＨＤＰＥプラスチックチューブ及びコネクタ）
・ 必要に応じてリザーバ間で切り替えるための三方弁（ＭｃＭａｓｔｅｒ Ｃａｒｒ ４４６７Ｋ４３）
・ より大規模のＦＯユニットの構成に関しては図１９参照。

代表的なより大規模のＦＯラン：
塩化ナトリウム溶液（２０ｋｇ）をフィード溶液のリザーバに装填した。イオン化したトリメチルアミン溶液（２０ｋｇ）をドロー溶液のリザーバに装填した。ドロー溶液を約０．５Ｌ／ｍｉｎの流量でポンピングしながら、フィード溶液のポンピングを、最初に約０．５Ｌ／ｍｉｎの遅い流量で開始した。次いで、フィード溶液の流量を約２Ｌ／ｍｉｎの所望の流量に増加させ、それに続いてドロー溶液の流量を約２Ｌ／ｍｉｎに増加させた。フィードリザーバ及びドローリザーバの下の秤で風袋引きをし、タイマを開始した。質量の読取値を所望の時間間隔で記録した。流束を、テストの最初の３０分に基づいて求めた（特定のＦＯランの詳細については表２４、図１５、及び図１６参照）。

代表的なより大規模の塩化ナトリウムのラン：
３ｗｔ％塩化ナトリウム溶液（２０ｋｇ）をフィード溶液のリザーバに装填した。１２．５ｗｔ％塩化ナトリウム溶液（２０ｋｇ）をドロー溶液のリザーバに装填した。ドロー溶液を約０．５Ｌ／ｍｉｎの流量でポンピングしながら、フィード溶液のポンピングを、最初に約０．５Ｌ／ｍｉｎの遅い流量で開始した。次いで、フィード溶液の流量を約２Ｌ／ｍｉｎの所望の流量に増加させ、それに続いてドロー溶液の流量を約２Ｌ／ｍｉｎに増加させた。フィードリザーバ及びドローリザーバの下の秤で風袋引きをし、タイマを開始した。質量の読取値を所望の時間間隔で記録した。流束を、テストの最初の３０分に基づいて求めた（特定のＦＯランの詳細については表２４、図１５、及び図１６参照）。

結果と考察：
イオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いるときに観察されることが予想された浸透圧の差を模擬するべく塩化ナトリウムのフィード溶液を用いてＦＯフローセルを最初にランした。１２．５ｗｔ％のＮａＣｌ溶液は、３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンと同様の浸透圧を有し、したがって、３ｗｔ％のＮａＣｌフィード溶液及び１２．５ｗｔ％のＮａＣｌドロー溶液を用いるときに得られる流束は、３ｗｔ％のフィード溶液及び３３ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミン溶液を用いるときに得られる流束と比較できるはずである。１つのランは、この仮定を確認するために実際のイオン化したトリメチルアミン溶液を用いて行った。

実施例１４：約６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミンのドロー溶液を用いるグリコール／水混合物の脱水
実験方法：
水サンプルを、本明細書で説明されるＦＯフローセル内でフィード溶液として用いる前に有色の汚染物質を除去するべく活性炭に通して濾過した。濾過した水サンプル（２００ｍＬ）をフィード溶液ボトルに装填し、濃ドロー溶液（１００ｍＬ）をドロー溶液ボトルに装填した。チューブを、溶液が入っているボトルの側部又は底部に触れないように各溶液の中に下した。ＬａｂＶｉｅｗソフトウェアでデータ収集を開始し、それに続いて循環ポンプ及びタイマを開始した。３０秒後に、その上に溶液ボトルが置かれた天秤で風袋引きをし、このときよりも前に収集されたどのデータポイントも分析から除外した（例えば、実施例１、図１Ａ参照）。

結果と考察：
グリコール／水混合物を分離する際の産業上関連のある問題を克服するべく正浸透の使用を調べた。本明細書で前述したＦＯフローセル内でドロー溶液として約６６ｗｔ％のイオン化したトリメチルアミン及びフィード溶液としてグリコール／水混合物（Ｆｉｅｌｄｉｎｇ Ｃｈｅｍｉｃａｌｓから得られた）を用いて、６．１Ｌ／ｍ^２／ｈの流束が得られた。低い流束値は期待されなかったが、グリコールは溶液の浸透圧に寄与することがあり、したがって、期待されるよりも低い流束値に寄与する因子であり得る。

実施例１５：トリメチルアミン及び溶液中のイオン化したトリメチルアミンの分析のためのＦＴ－ＩＲの検量線作成
標準溶液の調製：
トリメチルアミン水溶液（４５ｗｔ％）は、Ｓｉｇｍａ－Ａｌｄｒｉｃｈから購入した（ｃａｔ＃９２２６２）。この溶液の希釈は、分析のために適切な濃度を与えるべく脱イオン水を用いて行った。

イオン化したトリメチルアミン水溶液（６６ｗｔ％）は、２Ｌずつの４５ｗｔ％トリメチルアミン水溶液を、１ガロンのＣｈｅｍｉｎｅｅｒ高圧反応器構成内で、６００ｒｐｍで攪拌しながら９ｂａｒで最低でも３０分間、カーボネーションすることによって作製した。この溶液の希釈は、分析に適した濃度を与えるべく脱イオン水を用いて行った。

トリメチルアミンのＦＴ－ＩＲの検量線作成：
ＡＴＲ－ＦＴ－ＩＲ（Ａｇｉｌｅｎｔ Ｃａｒｙ ６３０ ＦＴ－ＩＲベンチトップ分光器）を用いて、およそ２滴の各標準溶液をセンサ上に滴下した。結果的に得られたスペクトルから水のスペクトルを差し引いた。１２６５ｃｍ^－１を中心とした１２９０～１２４０ｃｍ^－１の曲線下面積を記録し、検量線を引いた。この場合、ｗｔ％ＴＭＡ＝［面積］／０．１８４７であった（表１Ｂ及び図１４参照）。

イオン化したトリメチルアミンのＦＴ－ＩＲの検量線作成：
ＡＴＲ－ＦＴ－ＩＲを用いて、およそ２滴の各標準溶液をセンサ上に滴下した。結果的に得られたスペクトルから水のスペクトルを差し引いた。１３６５ｃｍ^－１を中心とした１４４０～１３００ｃｍ^－１の曲線下面積を記録し、検量線を引いた。この場合、ｗｔ％イオン化したトリメチルアミン＝［面積］／２．６９９４であった（表１Ｃ及び図１Ｃ参照）。

本明細書に記載のすべての刊行物、特許、及び特許出願は、この発明が属する技術分野の当業者のスキルのレベルを示し、本明細書は、各個々の刊行物、特許、又は特許出願が参照により組み込まれるように具体的に個々に示された場合と同じ程度に参照により本明細書に組み込まれる。

本発明はこのように説明されており、本発明が様々に変化し得ることは明白であろう。このようなバリエーションは、本発明の精神及び範囲からの逸脱とみなされず、当業者に明白であろうすべてのこのような修正は、以下の請求項の範囲内に含まれることを意図される。

排他的特性又は特権が特許請求される本発明の実施形態は、以下のように定められる。

Claims (18)

1. 水性フィードストリームを処理するためのプロセスであって、
   ６０から７０ｗｔ％までの間のドロー溶質濃度を有する水性ドロー溶液を用いる正浸透を含み、前記ドロー溶質は、イオン化したトリメチルアミンと対イオンを含み、
   前記水性フィードストリームが、≧５ｗｔ％の総溶解固形分を含む、プロセス。
2. 前記正浸透が、
   ａ．水を選択的に透過させる半透膜の一方の側部に前記水性フィードストリームを導入することと、
   ｂ．前記半透膜の他方の側部に前記水性ドロー溶液を導入することと、
   ｃ．濃フィードストリーム及び希薄ドロー溶液を形成するべく水が前記水性フィードストリームから前記半透膜を通して前記水性ドロー溶液へ流れることを可能にすることと、
   を含む、請求項１に記載のプロセス。
3. ａ．前記希薄ドロー溶液から前記ドロー溶質を分離することと、
   ｂ．前記分離されたドロー溶質から前記水性ドロー溶液を再構成することと、
   をさらに含む、請求項２に記載のプロセス。
4. 前記プロセスが、
   ｉ）閉じたプロセス、
   ｉｉ）継続的にサイクルされるプロセス、又は
   ｉｉｉ）これらの組み合わせ、
   である、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載のプロセス。
5. 前記希薄ドロー溶液から前記ドロー溶質を分離することが、逆浸透、揮発、加熱、フラッシングガス、真空又は部分真空、攪拌、又はこれらの任意の組み合わせを含むか、あるいは前記水性ドロー溶液を再構成することが、
   ａ．トリメチルアミンの水性溶液にイオン化トリガを導入すること、
   ｂ．イオン化トリガの水性溶液にトリメチルアミンを導入すること、
   ｃ．水性溶液にトリメチルアミンとイオン化トリガを同時に導入すること、又は
   ｄ．これらの任意の組み合わせ、
   を含む、請求項３に記載のプロセス。
6. （ｉ）前記水性フィードストリームが、５から３０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に６から１０ｗｔ％までの間の総溶解固形分を含み、且つ前記総溶解固形分が、金属酸化物、鉱物、一価のイオン、二価のイオン、三価のイオン、又はこれらの任意の組み合わせを含み得る、
   （ｉｉ）前記水性フィードストリームが≦２０℃の温度である、又は代替的に０から１５℃までの間、又は代替的に０から１０℃までの間、又は代替的に０から５℃までの間、又は代替的に３から５℃までの間の温度である、
   （ｉｉｉ）前記水性フィードストリームが≧３０℃から≦６０℃までの間の温度である、又は代替的に３０から６０℃までの間、又は代替的に３０～５０℃、又は代替的に３０～４０℃、又は代替的に３０～３５℃の温度である、
   （ｉｖ）前記水性フィードストリームが酸性のｐＨを有する、又は代替的にｐＨ≦６、又は代替的に≦５、又は代替的に≦３を有する、
   （ｖ）前記水性フィードストリームが塩基性のｐＨを有する、又は代替的にｐＨ≧８、又は代替的に≧９、又は代替的に≧１１を有する、
   （ｖｉ）有機分を含む、あるいは
   （ｖｉｉ）懸濁物質を含む、
   請求項１～請求項５のいずれか一項に記載のプロセス。
7. 前記水性フィードストリームの有機分が、懸濁又は可溶化した有機化合物、炭水化物、多糖類、タンパク質、藻類、ウィルス、植物質、動物質、又はこれらの任意の組み合わせを含む、請求項６に記載のプロセス。
8. 前記水性フィードストリームが、硬水、プロセス水、随伴水、フローバック水、廃水、又はこれらの任意の組み合わせである、請求項１～請求項７のいずれか一項に記載のプロセス。
9. 前記水性フィードストリームが、（ｉ）有機分、（ｉｉ）懸濁物質、又は（ｉｉｉ）有機分および懸濁物質の両方を含む、複合フィードストリームである、請求項１～請求項８のいずれか一項に記載のプロセス。
10. 正浸透システムであって、
    ６０から７０ｗｔ％までの間のドロー溶質濃度を有する水性ドロー溶液と、前記ドロー溶質は、イオン化したトリメチルアミンと対イオンを含み、
    少なくとも１つの正浸透要素と、
    を備え、前記少なくとも１つの正浸透要素は、
    第１の側部及び第２の側部を有する、水を選択的に透過させる半透膜と、
    水性フィードストリームを膜の第１の側部と流体連通させるための少なくとも１つのポートであって、前記水性フィードストリームが、≧５ｗｔ％の総溶解固形分を含むものであるポートと、
    水性ドロー溶液を膜の第２の側部と流体連通させるための少なくとも１つのポートと、
    を備え、水が、濃フィードストリーム及び希釈されたドロー溶液を形成するべくフィードストリームから半透膜を通して水性ドロー溶液へ流れる、
    正浸透システム。
11. ａ．希薄ドロー溶液からドロー溶質又はイオン化していない形態のドロー溶質を分離するための手段と、
    ｂ．分離されたドロー溶質又はイオン化していない形態のドロー溶質から水性ドロー溶液を再構成するための手段と、
    を備える、水性ドロー溶液を再生させるためのシステムをさらに備える、請求項１０に記載の正浸透システム。
12. 前記正浸透システムが、
    ｉ）閉じている、
    ｉｉ）継続的にサイクルされる、又は
    ｉｉｉ）これらの組み合わせ、
    である、請求項１０又は請求項１１に記載の正浸透システム。
13. 前記希薄ドロー溶液からドロー溶質を分離するための手段が、逆浸透システム、揮発、加熱、フラッシングガス、真空又は部分真空、攪拌、又はこれらの任意の組み合わせである、あるいは前記分離されたドロー溶質又はイオン化していない形態のドロー溶質から水性ドロー溶液を再構成するための手段が、
    ａ．トリメチルアミンの水性溶液にイオン化トリガを導入するための手段、
    ｂ．イオン化トリガの水性溶液にトリメチルアミンを導入するための手段、
    ｃ．水性溶液にトリメチルアミンとイオン化トリガを同時に導入するための手段、又は
    ｄ．これらの任意の組み合わせ、
    を含む、請求項１１に記載の正浸透システム。
14. （ｉ）前記フィードストリームが、５から３０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から２０ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１５ｗｔ％までの間の総溶解固形分、又は代替的に５から１０ｗｔ％までの間、又は代替的に６から１０ｗｔ％までの間の総溶解固形分を含み、且つ前記総溶解固形分が、金属酸化物、鉱物、一価のイオン、二価のイオン、三価のイオン、又はこれらの組み合わせを含む、
    （ｉｉ）前記フィードストリームが、０から１５℃までの間、又は代替的に０から１０℃までの間、又は代替的に０から５℃までの間、又は代替的に３から５℃までの間の温度である、
    （ｉｉｉ）前記フィードストリームが、３０から６０℃までの間、又は代替的に３０～５０℃、又は代替的に３０～４０℃、又は代替的に３０～３５℃の温度である、
    （ｉｖ）前記フィードストリームが、ｐＨ≦６、又は代替的に≦５、又は代替的に≦３を有する、
    （ｖ）前記フィードストリームが、ｐＨ≧８、又は代替的に≧９、又は代替的に≧１１を有する、
    （ｖｉ）前記フィードストリームが懸濁又は可溶化した有機化合物、炭水化物、多糖類、タンパク質、藻類、ウィルス、植物質、動物質、又はこれらの任意の組み合わせから選ばれる有機分を含む、あるいは
    （ｖｉｉ）前記フィードストリームが懸濁物質を含む、
    請求項１０～請求項１３のいずれか一項に記載の正浸透システム。
15. 前記フィードストリームが、硬水、プロセス水、随伴水、フローバック水、廃水、又はこれらの任意の組み合わせである、請求項１０～請求項１４のいずれか一項に記載の正浸透システム。
16. 前記フィードストリームが（ｉ）有機分、（ｉｉ）懸濁物質、又は（ｉｉｉ）有機分および懸濁物質の両方を含む、複合フィードストリームである、請求項１０～請求項１５のいずれか一項に記載の正浸透システム。
17. 正浸透プロセスのためのドロー溶液であって、水と、ドロー溶質とを含み、前記ドロー溶質がイオン化したトリメチルアミンと、イオン化したトリメチルアミンの対イオンとして作用するのに適した濃度の陰イオン種とを含み、
    前記ドロー溶質の濃度が６０から７０ｗｔ％までの間である、ドロー溶液。
18. 前記陰イオン種が、炭酸塩、重炭酸塩、又はこれらの組み合わせであり、前記陰イオン種の発生源がＣＯ_２ガスである、請求項１７に記載のドロー溶液。

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