JP7273959B2 - 流体及び非流体流れから溶媒を除去するのに使用される電気透析システム - Google Patents

Description

本開示は、流体及び非流体の流れから水を除去するのに使用される電気透析システムに関する。

一実施形態では、システムは、塩水ストリームが流れる塩水チャンバを備えた電気透析装置を含む。脱塩水チャンバは、中央のイオン選択性膜によって塩水チャンバから分離される。脱塩水ストリームは、脱塩水チャンバを通って流れる。陽極液チャンバ及び陰極液チャンバは、塩水チャンバと脱塩水チャンバの対向する外側にあり、第１イオン交換膜及び第２イオン交換膜によって分離されている。陽極液チャンバと陰極液チャンバとの間のイオンの輸送は、陽極液チャンバ及び陰極液チャンバの両端間に印加される電圧によって誘起されるファラデー反応によって駆動される。溶媒交換界面は、第１の側で塩水ストリームと接触しており、第２の側で媒体流れと接触している。溶媒交換界面は、溶媒を媒体流れから塩水ストリームに移動させる。

様々な実施形態のこれら及び他の特徴及び態様は、以下の詳細な説明及び添付図面を考慮して理解することができる。

以下では、下記の図を参照して検討を行い、ここでは複数の図における類似／同じ構成要素を識別するのに同じ参照番号を使用することができる。図面は、必ずしも縮尺通りではない。

例示的な実施形態による液体乾燥剤システムの概略図である。 例示的な実施形態による液体乾燥剤システムの概略図である。 例示的な実施形態による空調システムの斜視図である。 例示的な実施形態による空調システムのブロック図である。 例示的な実施形態による液体乾燥剤システムの概略図である。 例示的な実施形態による電気透析スタックの概略図である。 例示的な実施形態による電気透析スタックの概略図である。 例示的な実施形態による、気液界面で使用される熱交換器の概略図である。 例示的な実施形態による多段電気透析スタックの概略図である。 例示的な実施形態による方法のフローチャートである。 追加の例示的な実施形態による電気透析装置の概略図である。 追加の例示的な実施形態による電気透析装置の概略図である。 例示的な実施形態による、様々な流体及び非流体から溶媒を除去するために使用されるシステムの概略図である。 別の例示的な実施形態による方法のフローチャートである

本開示は、液体乾燥剤システムに関する。液体乾燥剤システムは、とりわけ、暖房、換気、及び空調（ＨＶＡＣ）において用いることができる。米国の電力消費量の約１０％を空調が担っており、湿度の高い地域では除湿が負荷の半分を超えて占めている。本開示は、空調のための除湿に対する効率的な熱力学的手法を記載している。一般的に、システムは、レドックスアシストの電気透析液体乾燥剤コンセントレータと相前後して膜除湿機を含む。

本明細書に記載のシステムは、膜ベースの液体乾燥剤空調システムを可能にするレドックスアシスト電気透析プロセスを利用している。このレドックスアシスト電気透析（ＥＤ）プロセスでは、レドックス活性種の水溶液が電気化学スタックのアノードとカソードとの間で循環させて、イオン溶液を濃縮し、蒸気圧縮（ＶＣ）又は乾燥剤ベースの空調に必要な熱又は圧力によって引き起こされる熱力学的相変化を排除する。液体乾燥剤（例えば、塩化リチウム、ＬｉＣｌの水溶液）は、膜の界面にわたって空気から水分を吸収する。希釈した液体乾燥剤は、効率的に再濃縮されて、水の蒸発に必要な潜熱入力を回避する。この新しく提案されたサイクルの効率の向上は、２０３０年までに年間１．５クワッドのエネルギー節約につながると推定される。

図１の概略図は、例示的な実施形態による電気透析液体乾燥剤空調（ＥＬＤＡＣ）システム１００を示している。システム１００は、乾燥剤セクション１０２及び冷却セクション１０４を含む。乾燥剤セクション１０２において、外気１０６（及び／又は再循環空気）は、本明細書では気液界面とも呼ばれる液体搬送膜ドライヤ１０８にわたって送り込まれる。空気１０６は、高温高相対湿度（ＲＨ）の外気とすることができる。空気１０６からの水１０９は、膜界面１０８にて、例えば、水性ＬｉＣｌの濃縮液体乾燥剤１１０に吸収され、次いで、レドックスアシスト再生器１１２を通過して、希薄ストリーム１１４（例えば、排出水）を分離し、乾燥剤ストリーム１１０を再濃縮する。乾燥剤として、ＬｉＣｌの代わりに、例えば、ＮａＣｌ、ＬｉＢｒ、及びＣａＣｌ₂などの他の濃縮物を使用できる。

湿度は、乾燥剤セクション１０２を離れる空気１１５において減少し、ここで、冷却セクション１０４によって冷却される。この冷却セクション１０４は、蒸発器１１６及び図示されていない他の構成要素（例えば、凝縮器、圧縮機）を含むことができる。冷却セクション１０４に入る空気１１５は、外気／再循環空気１０６に比べて相対湿度が低いので、蒸発器１１６は、蒸発器１１６が流入する空気１１５からの湿気を凝縮するのを必要とする場合よりも効率が高く、冷却空気１２０の温度を大幅に下げることができる。イオン水溶液を濃縮するためにレドックスアシスト電気透析によって使用されるエネルギーを測定した実験結果は、ＥＬＤＡＣシステム１００が、０．０５ ｋＢＴＵ／ｌｂ未満の再生比熱入力（ＲＳＨＩ）を有することができることを示しており、これは、現在使用されている熱再生方法の最大３０分の１である。

図１Ａの詳細図１２２で分かるように、レドックスアシスト再生器１１２は、外側のレドックスチャネル１２６を内側濃縮物１１０及び希釈１１４ストリームから分離する２つの外側イオン交換膜１２４を有する。この例では、外側イオン交換膜１２４は、陰イオン交換膜（ＡＥＭ）として構成されている。濃縮物１１０及び希釈物１１４ストリームは、この例では、陽イオン交換膜（ＣＥＭ）である、中央イオン交換膜１３０によって分離されている。他の構成では、中央イオン交換膜１３０は、ＡＥＭとすることができ、外膜１２４はＣＥＭとすることができる。

外部電圧１３２は、レドックス活性シャトル分子の酸化又は還元を誘起し、水を分割するか、又は他のガス状副生成物（例えば塩素）を生成し２つのストリーム：再濃縮乾燥剤１１０及び排出水１１４を生成することなく、膜１２４、１３０を横切るイオン移動を駆動する。この目標は、複数の段階を経て達成することができる。提案されているレドックスシャトルの１つは、（ビス（トリメチルアンモニオプロピル）フェロセン／ビス（トリメチルアンモニオプロピル）フェロセニウム、［ＢＴＭＡＰ－Ｆｃ］²⁺／［ＢＴＭＡＰ－Ｆｃ］³⁺）１３４などの正に帯電したフェロセン誘導体であり、これは、無毒性で高度に安定しており、極めて迅速な電気化学速度論及び無視できる膜透過性を有する。他のレドックスシャトル溶液は、フェロシアン化物／フェリシアン化物（［Ｆｅ（ＣＮ）６］^4-／［Ｆｅ（ＣＮ）６］^3-）又は負に帯電したフェロセン誘導を含むことができる。システムの可動部分は、液体循環用の低圧ポンプと空気循環用のファンを含むことができる。このタイプの４チャンネル、電気透析、レドックスシャトルアシスト付きスタックの追加の詳細事項は、同一出願人である、米国特許出願第１６／２００，２８９号（代理人整理番号２０１７１２１４ＵＳ０３／ＰＡＲＣ．２２５Ｕ１）において見出すことができ、これは引用により全体が本明細書に組み込まれる。

図２では、斜視図は、例示的な実施形態によるＥＬＤＡＣシステム２００の詳細を示している。図３において、ブロック図は、図２に示される構成要素の幾つかの間の機能的関係を示すと共に、追加の実施形態による他の構成要素を示す。システム２００は、様々な機能的構成要素を保持し且つ空気ダクト経路を提供するエンクロージャ２０２を含む。加湿空気２１４（例えば、外気及び／又は還気）は、送風機２１２を介して第１のダクト２２０を通して送られる。この空気２１４は、気液界面除湿機２０６にわたって送り込まれる。この例では、除湿機２０６は、第１のダクト２２０を満たす矩形の膜要素として構成されている。

除湿機２０６のフレーム２０６ａ内には、液体乾燥剤が循環される１又は２以上の平面膜２０６ｂがある。他の実施形態では、平面膜２０６ｂの代わりに、又はそれに加えて、中空管体、液空表面、及び液体スプレーを除湿機２０６にて使用することができる。膜２０６ｂを通る流体乾燥剤の移動は、毛細管現象、重力供給、液体の直接ポンピングなどの何れかの組み合わせを使用して達成することができる。グリル２０６ｃは、空気流２１４からの空気圧によって引き起こされる屈曲を低減するために、膜２０６ｂの機械的支持を提供することができる。液体ポンプ２０７を用いて、液体乾燥剤を任意選択の貯蔵タンク２１０から膜除湿機２０６に移動させ、ここで液体乾燥剤が空気２１４から水を吸収して、レドックスアシスト再生器２０８にフィードバックされる。レドックスアシスト発生器２０８は、液体乾燥剤から水を分離し、分離された水は、ドレン２０９を介して排出される。構成要素２０７、２０８、２１０及び関連する配管は、例証の便宜上、エンクロージャ２０２の外側に示されているが、これらは、部分的又は完全にエンクロージャ２０２内に配置することができる点に留意されたい。

膜除湿機２０６を通過した空気２１６は、ＲＨが低く、従って、顕熱除去器２０４、例えば、冷媒サイクル空調装置の蒸発器によってより効率的に処理することができる。顕熱除去装置２０４を通過した冷却空気２１８は、供給ダクト２２０を通過し、ここでエンクロージャ２０２から出て、標的空間、例えば、建物、車両、その他を冷却するのに使用される。

図３では、レドックス貯蔵タンク３００は、ＬＤ再生器２０８と流体連通して示されている点に留意されたい。ＥＬＤＡＣシステム２００は、レドックス及び乾燥剤リザーバ３００、２１０の一方又は両方を含むことができる。乾燥剤貯蔵装置２１０は、別個のリザーバ又は２又は３以上のパーティションを有する単一のリザーバを使用することによって、濃縮物ストリーム及び希釈ストリーム（例えば、図１のストリーム１１０及び１１４）の両方の流体を貯蔵できることに留意されたい。レドックス貯蔵部３００は、同様に、レドックスストリームの濃縮部分及び希釈部分（例えば、図１に示されるストリーム１２６の下部及び上部）を貯蔵することができる。これらのリザーバ２１０、３００は、幾つかの実施形態においてバッファとして使用することができる。例えば、ＥＬＤＡＣシステム２００から排出される水が、空気から吸収される水と等しくない場合、濃縮物又は希釈乾燥剤のうちの１つ（又は両方の組み合わせ）がリザーバ２１０から引き出されて、乾燥剤ループが所望の濃縮物レベル及び／又は流量を維持することを確保することができる。

リザーバ２１０、３００は、除湿以外の他の目的に使用するのに十分な容量のものとすることができる。例えば、米国特許出願第１６／２００，２８９号（代理人整理番号２０１７１２１４ＵＳ０３／ＰＡＲＣ．２２５Ｕ１）にて記載されるように、電気透析電池３０２は、レドックス溶液３００を使用して発電を行い、従って、除湿で使用される電気の一部を回収することができる。このようなプロセスは、除湿と共に、又は除湿とは別個に実行することができる。例えば、発電は、システムの使用率が低い又は停止になっている夜間に行うことができる。

図４では、概略図は、例示的な実施形態による液体乾燥剤システムの追加の詳細を示している。電気透析スタック４００は、液体乾燥剤ループ４０２及びレドックスシャトルループ４０４のためのエンクロージャを提供する。ループ４０２、４０４は、外側交換膜４０６によってハウジング４００内で分離され、液体乾燥剤ループ４０２の希釈／濃縮物経路４０２ａ、４０２ｂは、中央交換膜４０８によって分離される。ループ４０２、４０４内の流体は、それぞれポンプ４１２、４１０によって駆動される。

液体乾燥剤ループ４０２は、ポイント４０２ｃにおいて濃縮された液体乾燥剤から始まる。乾燥剤ループ４０２は、水中の塩化リチウムなどのイオン溶液を含む。典型的な開始濃度は、で約３０重量％の乾燥剤となる。濃縮された乾燥剤溶液は、図２及び図３に示される膜除湿機２０６などの空気膜界面／交換器４１４と接触される。交換器４１４では、より高いＲＨ空気４１６が流入し、より低いＲＨ空気４１８が流出する。空気からの水蒸気４２０は、乾燥剤によって交換器４１４の水選択膜４２２（又は他の液体－空気界面）にわたって引き寄せられ、これにより点４０２ｄにおいてより低い濃度で出る乾燥剤溶液を希釈する。

電気透析スタック４００において、低濃度の液体乾燥剤溶液４０２ｄは、分岐点４０２ｅにて、スタック４００の膜４０６、４０８と接触状態になる別個のストリーム４０２ａ、４０２ｂに分割される。ストリーム４０２ｂは、スタック４００を通過するときに濃縮され、ポイント４０２ｃと同じ濃度を有するポンプ４１２に再び入る。他のストリーム４０２ａは、スタック４００を通過するときに希釈され、排出、貯蔵、又は他の目的に使用することができる高度に希釈された水のストリームとして流出する。

ポンプ４１０は、ポイント４０４ａと４０４ｂとの間でレドックスシャトルを循環させ、ここで電極４２４と接触する。電気透析スタックの両端に印加された電圧４２６は、ストリーム４０２ａからストリーム４０２ｂに、ストリーム４０２ａからストリーム４０４ｂに、及びストリーム４０４ａからストリーム４０２ｂにイオンを駆動する。何れの場合も、膜４０６、４０８を通してイオンを駆動することは、濃度に影響を与える。電気透析スタック５００の代替の実施形態が、乾燥剤濃縮物としてＬｉＣｌを使用し、レドックスシャトルとして［ＢＴＭＡＰ－Ｆｃ］²⁺／［ＢＴＭＡＰ－Ｆｃ］³⁺を使用して図５Ａに示されている。ＬｉＣｌ乾燥剤濃縮物は、中央イオン交換膜５０６（この場合はＣＥＭ）によって、脱塩水／希釈ストリームと濃縮ストリーム５０４とに分割される。レドックスシャトルループ５０８は、中央イオン交換膜５０６とは異なるタイプ（この場合はＡＥＭ）のそれぞれの第１及び第２の外側イオン交換膜５０７、５９０によって、液体乾燥剤ループの希釈ストリーム及び濃縮ストリームから分離された第１及び第２のレドックスストリーム５０８ａ～ｂを有する。

電気透析スタック５１０の別の代替の実施形態が、乾燥剤濃縮物としてＬｉＣｌを使用し、レドックスシャトルとして［Ｆｅ（ＣＮ）６］^4-／［Ｆｅ（ＣＮ）６］^3-を使用して図５Ｂに示されている。ＬｉＣｌ乾燥剤濃縮物は、中央イオン交換膜５１６（この場合はＡＥＭ）によって、脱塩水／希釈ストリームと濃縮ストリーム５１４とに分割される。レドックスシャトルループ５１８は、中央イオン交換膜５１６とは異なるタイプ（この場合、ＣＥＭ）のそれぞれの第１及び第２の外側イオン交換膜５１７、５１９によって、液体乾燥剤ループの希釈ストリーム及び濃縮ストリームから分離された第１及び第２のレドックスストリーム５１８ａ～ｂを有する。図５Ａ及び５Ｂに示される電気透析スタック５００、５１０は、本明細書に示される除湿ループの何れかで使用できる点に留意されたい。

上記システムの除湿部分は、ポンプ及び電気透析スタックを駆動するための入力電気、並びに除湿される入力空気ストリームのみを必要とする。水と低ＲＨ空気の出口ストリームが存在することになる。このシステムは、除湿で使用することを意図しているが、例えば、貯蔵されたレドックス溶液から発電することなど、追加の用途に適合させることができる。ＥＬＤＡＣは、過電圧がゼロ又はほぼゼロでの電気透析濃度を使用することに起因して、既存の除湿システムよりも必要とするエネルギーが有意に少ないので、有利である。システムは、イオン運動を駆動するために水分離に依存しないので、ＥＬＤＡＣは、従来の電気透析などの他の電気化学的プロセスとは異なって、濃縮塩溶液で使用したときに有毒ガス又は可燃性ガス（例えば、塩素又は水素）を生成しない。例示的な用途では、通常の空調装置の上流でＥＬＤＡＣを使用して、空調装置への潜熱負荷を排除し、空調費用を低減することができる。

液体乾燥剤中の水分の吸収は発熱性であり、液体乾燥剤を保持する気液界面の温度が上昇することになる。この温度上昇により、気液界面を通過する空気を受け入れる顕熱冷却セクションに作用する負荷の増加をもたらす可能性がある。図６では、概略図は、例示的な実施形態による、気液界面６００から熱を除去するためのシステムを示す。熱交換器６０２は、界面６００の部品（例えば、膜）を通って分配される熱伝達要素６０４に熱的に結合されている。

伝熱要素６０４は、導電性ストリップ（例えば、金属、カーボンナノチューブ、その他）、ガス充填又は液体充填パッシブヒートパイプ（例えば、熱サイフォン）、ガス又は液体がポンプ送給される管体、放射熱吸収体、又は当技術分野で知られている他の熱伝達構造とすることができる。要素６０４を通って伝達される熱は、熱交換器６０２に送られ、熱交換器６０２は、冷却流６０６に晒される。冷却流６０６は、熱交換器６０２から熱を運び去り、最終的に熱を周囲のヒートシンク（例えば、空気、土、水）に放出することができる気体又は液体の流れである。他の実施形態では、熱６０８は、電気透析スタック６１２（界面６００又は異なるスタックに乾燥剤を提供する同じスタックとすることができる）及び／又はシステムからの排出水６１４（例えば、図１の排出水１１４）などの他のヒートシンクに（例えば、熱伝達経路６１０に沿って）伝達することができる。

前述の実施例では、電気透析スタックは単一のレドックスループを含んでいた。他の実施形態では、スタックは、希釈／濃縮レベルを更に増加させるため、及び／又は処理できる乾燥剤の流れの量を増加させるために、複数のレドックスループ及び関連するイオン膜を含むことができる。図７では、ブロック図は、例示的な実施形態による２段電気透析スタック７００を示している。

電気透析スタック７００は、希釈ストリーム７０２ａと第１段７０４を通過する濃縮ストリーム７０２ｂとに分割される液体乾燥剤ループ７０２を処理する。段７０４から流出するストリーム７０２ａは、第２の希釈ストリーム７０２ｄと、第２の段７０６を通過する第２の濃縮ストリーム７０２ｅとに更に分割される。段７０６から流出するストリーム７０２ｅは、段７０４から流出するストリーム７０２ｂよりも低濃度であり、濃縮ストリーム７０２ｂと再混合されて気液界面７０８に再導入されるのではなく、出力ストリーム７０２ｃと再混合されて、前段７０４に再導入することができる。効率を最大化するために、ストリーム７０２ｃと７０２ｅの乾燥剤濃度はほぼ同等である（例えば、０～２０％以内）。

段７０４、７０６の各々は、希釈ストリーム７０２ａ、７０２ｄ及び濃縮ストリーム７０２ｂ、７０２ｅを分離する中央イオン交換膜７０４ａ、７０６ａを有する。段７０４、７０６の各々は、それぞれの第１及び第２の外側イオン交換膜７０４ｃ、７０４ｄ、７０６ｃ、７０６ｄによって、液体乾燥剤ループ７０２の希釈ストリーム７０２ａ、７０２ｄ及び濃縮ストリーム７０２ｂ、７０２ｅから分離された第１及び第２のレドックスストリーム７０４ｂ、７０４ｂｂ、７０６ｂａ、７０６ｂを有するレドックスシャトルループ７０４ｂ、７０６ｂを有する。段７０４、７０６は各々、電気透析スタック７００の段７０４、７０６の両端間に電圧を印加するように動作可能な第１及び第２の電極７０４ｅ、７０４ｆ、７０６ｅ、７０６ｆを含む。

気液界面７０８は、第１の段７０４から出る液体乾燥剤の濃縮ストリーム７０２ｂと流体連通している。気液界面７０８は、液体乾燥剤の濃縮ストリーム７０２ｂを、気液界面７０８にわたって流れる空気に晒し、濃縮ストリームは、空気からの水の吸収を介して希釈されて、出力ストリーム７０２ｃを形成する。出力ストリーム７０２ｃは、第２の段７０６から出る出力ストリーム７０２ｅと組み合わされる。第１のポンプ７１２は、電気透析スタック７００及び気液界面７０８を通って液体乾燥剤を循環させる。気液界面７０８からの出力ストリーム７０２ｃは、出力ストリーム７０２ｅと組み合わされた後に電気透析スタック７００に入ると、希釈ストリーム７０２ａと濃縮ストリーム７０２ｂとに分割される。

電極７０４ｅ、７０４ｆ、７０６ｅ、７０６ｆの両端の電圧は、中央イオン交換膜７０４ａ、７０６ａ及び第１の外側イオン交換膜７０４ｃ、７０６ｃを横切るイオン移動を引き起こし、その結果、乾燥剤濃縮物が第１の希釈ストリーム７０２ａから段７０４の第１のレドックスストリーム７０４ｂａ及び第１の濃縮ストリーム７０２ｂへ移動し、及び同様に、第２の希釈ストリーム７０２ｄから段７０６の第１のレドックスストリーム７０６ｂａ及び第２の濃縮ストリーム７０２ｅへ移動する。第２のポンプ７１４、７１６は、レドックスシャトルループ７０４ｂ、７０６ｂを循環させ、第１のレドックスストリーム７０４ｂａ、７０６ｂａ及び第２のレドックスストリーム７０４ｂｂ、７０６ｂｂが、それぞれの第１の外側イオン交換膜７０４ｃ、７０６ｃ及び第２の外側イオン交換膜７０４ｄ、７０６ｄにわたって流れるようにする。電圧はまた、第２の外部交換膜７０４ｄ、７０６ｄを横切る第２の（及び同様の）イオン移動を引き起こすことになり、その結果、乾燥剤濃縮物が第２のレドックスストリーム７０４ｂｂ、７０６ｂｂから濃縮ストリーム７０２ｂ、７０２ｅに移動する。

段７０４、７０６は同じか、又は異なっていてもよい点に留意されたい。例えば、各段７０４は、レドックスシャトル溶液、中央及び外部交換膜タイプ、電圧、膜形状、乾燥剤流動形状、レドックス流量、その他の異なる組み合わせを使用することができる。このようにして、段７０４、７０６は、希釈ストリーム７０２ａ、７０２ｄ及び濃縮ストリーム７０２ｂ、７０２ｅの一部内の予想される異なる濃度に対して最適化することができる。段７０４、７０６は同時に動作することができ、一部の条件下では、一方又は他方が遮断される場合がある。例えば、希釈ストリーム７０２ａ内の濃縮物レベルがある閾値を下回る場合、エネルギーを節約し、摩耗を低減するために、段７０４、７０６のうちの１つを遮断することができる。希釈ストリーム７０２ａ内の濃縮物レベルがこの閾値を超える場合、非作動段７０４、７０６を再開することができる。

図７に示される実施形態は、３以上の段７０４、７０６に拡張することができる。更に、段７０４、７０６は、単一の電気透析スタックユニット７００の一部として示されているが、例えば、乾燥剤ループ７０２のストリーム７０２ａ、７０２ｂ、７０２ｄ、７０２ｅを運ぶための配管によって結合される別個のエンクロージャとして実装することができる。一実施形態では、例えば、ループ７０４ｂ、７０６ｂを並列又は直列に実行することにより、２つのポンプ７１４、７１６の代わりに１つのレドックスポンプを使用することができる。図７に示すような多段電気透析スタックは、上記で示された実施形態（例えば、図１～５）の何れかで使用することができ、これら及び他の図に示される何れかの特徴、例えば、流体貯蔵リザーバ、熱交換器、その他を組み込むことができる点に留意されたい。

図８では、フローチャートは、例示的な実施形態による方法を示している。この方法は、液体乾燥剤を気液界面を通って循環させるステップ８００を含む。液体乾燥剤が空気から水を吸収するように、空気が気液界面にわたって流れる（８０１）ようにさせる。液体乾燥剤は、水の吸収を介して希釈され、出力ストリームを形成する。出力ストリームは、電気透析スタックへの入力にて希釈ストリームと濃縮ストリームに分割される（８０２）。電気透析スタックは、中央イオン交換膜と、中央イオン交換膜とは異なるタイプ（例えば、陽イオン又は陰イオン）の第１及び第２の外側イオン交換膜とを有する。

希釈ストリームは、中央イオン交換膜と第１の外側イオン交換膜との間を流れるようにされる（８０３）。濃縮ストリームは、中央イオン交換膜と第２の外側イオン交換膜との間を流れるようにされる（８０４）。レドックスシャトルループは、第１及び第２の外側イオン交換膜の周りを循環される（８０５）。電圧が、電気透析スタックの両端に印加され、中央イオン交換膜及び第１の外側イオン交換膜にわたってイオン移動を引き起こす。この移動により、乾燥剤濃縮物が希釈ストリームからレドックスシャトルループ及び濃縮ストリームに移動する。

上記の実施例では、電気透析スタックを使用して、一般に流体として分類される空気などのガスから水を除去する。この技術はまた、空気以外の他の流体から並びに非流体から水（又は他の溶媒）を除去するのに使用できる。例えば、以下に記載される装置は、飲料又は調味料などの水性液体の濃縮からの水の除去、非水性液体の乾燥、固体物の脱水などのために使用することができる。この装置は、水に溶解したレドックス活性種をアノードからカソードに循環させて再び戻すことにより、エネルギー効率の高い方法で、溶解した溶媒から塩を分離するように設計されたレドックスシャトル電気化学セルを利用する。電気化学セルは、水に溶解した塩（又は弱い駆動溶液）の入力を受け入れ、これを水に溶解した濃縮塩（又は強い駆動溶液）の１つの出力ストリームと、水に溶解した枯渇レベルの塩（又は無視できるほおどの僅かなレベルの塩）を有する第２の出力ストリームとに分離する。

レドックスシャトル式電気化学セルは、膜界面モジュールの下流に接続されており、強力な駆動溶液が乾燥される材料と膜接触するための大きな表面積を提供する。膜界面モジュールでは、対象の材料から膜を介して強い駆動溶液に水が吸収され、大量の弱い駆動溶液が形成される。弱い駆動溶液は、少量の強い駆動溶液に再生され、膜界面モジュールに戻される。

正浸透は、入力流体から駆動溶液に水を除去するために一般的に使用される手法である。塩化ナトリウムなどの無機塩の水溶液は、正浸透駆動溶液として普通に使用されている。駆動溶液が流入液から水を吸収した後は、以前よりも希釈されており、吸入空気から吸収された余分な水を除去しながら、元の濃度に再濃縮（又は再生）する必要がある。

駆動溶液を再濃縮するための１つの手法は、希釈された溶液を加熱することによって過剰の水を蒸発させることであった。塩含有量が多く、相対湿度も高い場合、これは、蒸発速度が遅くなるので非効率である。液体乾燥剤溶液を非熱的に濃縮する方法は、これらの問題を回避することになる。電気透析は、前述の駆動溶液などの塩水を濃縮するのに好適であるが、現在では、塩分除去（～０．２６－０．３０ ｋＷｈ／ｋｇ ＮａＣｌ）には、ＲＯ（０．０６－０．０８ｋＷｈ／ｋｇ ＮａＣｌ）などの他の脱塩水技術よりも比較的多くのエネルギーを消費し、蒸気圧縮（０．６－１．０ｋＷｈ／ｋｇ ＮａＣｌ）などの熱技術よりも少なくなる。容量性脱イオンは、電気エネルギーを使用するが、エネルギー集約的（０．２２ ｋＷｈ／ｋｇ ＮａＣｌ）であり、電極は定義上固体でなければならないため、水から極めて微量の溶解塩を除去するのに最適である。電気透析は、ＲＯとは異なり、あらゆる塩分濃度で塩水を処理するのに使用できる技術であるが、塩分除去のための比エネルギー消費量が多いので、使用が限定的であることが分かっている。

従来の電気透析では、イオンは、アノード及びカソードでのファラデー反応によって水との間で出入りする。ほとんどの場合、ファラデー反応は、水分解反応であり、水は、アノードにて酸化されて酸素になり、カソードにて水素に還元され、これにより、電極で電荷の不均衡が生じ、戦略的に配置されたイオン選択性膜を通るイオンの動きによって平衡化される。しかしながら、水分解は、このためにエネルギーが必要となるので、エネルギーペナルティを伴う。この問題は、重大な過電位が水の酸化と還元の両方に関連しているという事実によって悪化する。更に、アノードにて生成される酸素、塩素、又は臭素ガスは、極めて破壊的であり、白金／イリジウムメッキ電極を使用する必要がある。

電気化学セルは、エネルギー効率の高い電気透析に使用して、希釈された塩溶液を再濃縮し、吸収された水から濃縮塩ストリームを分離することができる。図９及び１０において、概略図は、例示的な実施形態による電気化学セル９００、１０００を示している。電気化学セル９００は、直列になった４つのチャンバ９０２～９０５を含み、各々が、適切なイオン選択性膜９０８～９１０によって隣接物から分離されている。この場合、正に帯電したレドックスシャトルＢＴＭＡＰ－Ｆｃ ５０８ａ、５０８ｂが使用される。図１０において、電気化学セル１０００は、膜１００８－１０１０の異なる配置で負に帯電したレドックスシャトルＦｅ（ＣＮ）を使用する。原理的には、塩水チャンバと脱塩水チャンバを交互に任意の数のペアを利用することができるが、印加電圧が１．２６Ｖを超えると、多数のチャンバにて水分解を開始することができる点に留意されたい。

一実施形態では、水に溶解したレドックス担体は、カソードにて還元され、次にアノードにシャトルされ、ここで再酸化されて、続いてカソードに再送達されて、サイクルを完了する。原理的には固体レドックスキャリアも使用できるが、固体レドックス活性物質をセルの片側から反対側に容易には輸送できないので、大量のキャリアと塩水及び脱塩水ストリームの頻繁な切り替えが必要とされる。

原理的には、電気透析は、かなり高い塩分濃度の供給ストリームから開始して、０．５ｐｐｔをはるかに下回る塩分濃度で水を生成することができる。一実施形態では、同じ装置を使用して、典型的には無機塩の濃縮溶液である駆動溶液のストリームを再濃縮する。脱塩水ストリームから塩分ストリームへの水のクロスオーバーによる損失を最小限に抑えるために、装置は、塩分濃度が複数の段において低レベルに引き下げられる複数の異なるセルで作ることができる。更に、レドックスシャトルは、理想的には、塩水ストリームと脱塩水ストリームの両方との間の正味水のクロスオーバーを最小限に抑える濃度で動作する必要がある。この目的のために、ＢＴＭＡＰ－Ｆｃは、乾燥剤ストリームの濃度（最大１．９モル又は約１０モル）に匹敵する水の極めて高い溶解度を有するので、理想的である。

ここで図１１を参照すると、概略図は、溶液のストリーム、例えば塩溶液を再濃縮することによって入力流体から水を吸収するのに使用することができる例示的な実施形態によるシステムを示している。システムは、塩水ストリーム１１０４が流れる塩水チャンバ１１０２を備えた電気透析（ＥＤ）デバイス１１００を含む。ＥＤデバイス１１００は、中央のイオン選択性膜１１０８によって塩水チャンバ１１０２から分離された脱塩水チャンバ１１０６を含む。脱塩水ストリーム１１１０は、脱塩水チャンバ１１０６を通って流れる。脱塩水ストリーム１１１０は、代替的に、ＥＤデバイス１１００に入る前に塩水ストリーム１１０４から分割することができる（１１１１）。陽極液チャンバ１１１２と陰極液チャンバ１１１４は、塩水及び脱塩水チャンバ１１０２、１１０６の対向する外側にあり、第１、第２イオン交換膜１１１６、１１１８により分離されている。

陽極液チャンバ１１１２と陰極液チャンバ１１１４の間のイオン輸送は、陽極液チャンバ１１１２と陰極液チャンバ１１１４の間に印加される電圧によって誘起されるファラデー反応によって駆動される。一実施形態では、１又は２以上のレドックス担体は、陽極液チャンバ１１１２及び陰極液チャンバ１１１４を通って流れ、例えば、レドックス担体の単一のストリームは、水に溶解し、陽極液チャンバ１１１２から陰極チャンバ１１１４に循環して再び戻る。陽極チャンバ１１１２及び陰極チャンバ１１１４は、例えば、異なるレドックス担体及び膜１１０８、１１１６、１１１８のタイプを使用して、本明細書で示されているものの反対側に配置することができることに留意されたい。

塩水ストリームは、媒体フロー１１２２にも結合された交換ユニット１１２０に送られる。交換ユニット１１２０は、第１の側で塩水ストリーム１１０４と接触し、第２の側で媒体流れ１１２２と接触した水交換界面１１２４（例えば、正浸透膜）を含む。水１１２６は、媒体流れ１１２２から離れて、水交換インターフェース１１２４を横切って、塩水流１１０４に移動する。媒体流れ１１２２は、抽出することができる少なくとも幾らかの水を含む、液体、半固体、固体、ゲル、ミスト、その他とすることができる。

この実施例では、ＬｉＢｒは、塩水ストリーム１１０４及び脱塩水ストリーム１１１０を通って流れる駆動溶液溶質の実施例として示されている。脱塩水ストリーム１１１０についての１％ＬｉＢｒの濃度例が示されているが、それよりも高くても又は低くてもよい。脱塩水ストリーム１１１０は、廃棄するか、又は任意選択的に同じ又は異なる方法を使用して再濃縮し、システムに、例えば、チャンバ１１０２、１１０６の一方又は両方にフィードバックすることができる。他の溶質は、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ２、ＣａＢｒ２、又はＬｉＣｌを含むことができる。

ブロック１１２８によって示されるように、脱塩水ストリーム１１１０は、依然として少量の溶解塩を含み、塩が廃棄するのに十分に安価である場合、廃棄物として排出されるか又は中水として再利用することができ、これにより運用コストが発生する。或いは、脱塩水ストリーム１１１０は、膜パーベーパレーション、逆浸透、又は第１のＥＤデバイス１１００と構造が類似した第２のＥＤデバイスなどの技術を使用して再濃縮し、ＥＤデバイス１１００の中間段にフィードバックすることができる。脱塩水ストリーム１１１０はまた、飲用に適した十分に低い濃度（０．５ｐｐｔ未満）の塩を含むことができる。

図１２において、フローチャートは、例示的な実施形態による方法を示している。本方法は、塩水ストリームを塩水チャンバを通って流すようにするステップ１２００を含む。脱塩水ストリームは、中央のイオン選択性膜によって塩水チャンバから分離された脱塩水チャンバを通って流れるようにされる（１２０１）。電圧は、塩水チャンバと脱塩水チャンバの対抗する外側にあり第１及び第２のイオン交換膜によって分離される陽極液チャンバと陰極液チャンバの間に印加される（１２０２）。電圧は、ファラデー反応を引き起こし、これにより陽極液チャンバと陰極液チャンバの間でイオン輸送が引き起こされる。塩水ストリームは、水交換界面の第１の側にわたって流れるようにする（１２０３）。媒体流れは、水交換界面の第２の側に接触するようにされる（１２０４）。媒体流れから塩水ストリームに水が移動する水交換界面。

再び図１１を参照して、塩水ストリーム１１０４及び１１１０の溶媒は、必ずしも水である必要はなく、何れかの汎用溶媒である。ストリーム１１０４、１１１０中の溶媒の実施例は、混和性溶媒の任意の組み合わせとすることができる。溶媒の実施例は、限定ではないが、水、エタノール、ブタノール、イソプロパノール、エチレングリコール、ジエチレングリコール、Ｎ、Ｎ－ジメチルホルムアミド、１，４－ジオキサン、アセトン、及びテトラヒドロフランを含む。

塩水ストリーム１１０４及び脱塩水ストリーム１１１０中に溶解した溶質は、ＥＤデバイス１１００において濃縮することができる１又は２以上の電解質を含むと理解されるべきである。例えば、ストリーム１１０４、１１１０内の電解質は、限定ではないが、海水又は廃水中で遭遇するものを含む、ストリーム１１０４、１１１０の溶媒に可溶であるイオン性塩の何れかの組み合わせとすることができる。電解質中に存在する可能性のあるカチオンの実施例は、ヒドロニウム、リチウム、ナトリウム、カリウム、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム、アンモニウム、アルキルアンモニウム、及びイミダゾリウムを含むが、これらに限定されない。電解質中に存在することができるアニオンの実施例は、塩化物、臭化物、ヨウ化物、スルホン酸塩、ホスホネート、炭酸塩、炭酸水素塩、カルボキシレート、ハロゲン化物オキシアニオン、硫黄オキシアニオン、リンオキシアニオン、及び窒素オキシアニオンを含むが、これらに限定されない。

他に示さない限り、本明細書及び特許請求の範囲で使用される特徴の大きさ、量、及び物理的特性を表す全ての数字は、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。従って、反対に示されない限り、上記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試みる所望の特性に応じて変えることができる近似値である。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。

例示的な実施形態の前述の記載は、例示及び説明の目的で提示されている。網羅的であること、又は実施形態を開示された正確な形式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形態が実施可能である。開示された実施形態の何れか又は全ての特徴は、個別に又は任意の組み合わせで適用することができ、限定を意味するものではなく、純粋に例示的なものである。本発明の範囲は、この詳細な説明がなく、本明細書に添付された特許請求の範囲によって決定されることが意図される。

１００ 電気透析液体乾燥剤空調（ＥＬＤＡＣ）システム
１０２ 乾燥剤セクション
１０４ 冷却セクション
１０６ 外気
１０８ 液体搬送膜ドライヤ
１０９ 水
１１０ 濃縮液体乾燥剤
１１４ 希薄ストリーム

Claims (17)

1. システムであって、
   電気透析装置を備え、前記電気透析装置は、
   塩水ストリームが流れる塩水チャンバと、
   中央のイオン選択性膜によって前記塩水チャンバから分離され、脱塩水ストリームが通過して流れる脱塩水チャンバと、
   前記塩水チャンバと前記脱塩水チャンバの対抗する外側にあり、第１及び第２のイオン交換膜によって分離される陽極液チャンバ及び陰極液チャンバであって、前記陽極液チャンバと前記陰極液チャンバの間のイオン輸送が、前記陽極液チャンバ及び陰極液チャンバ間に印加される電圧によって誘起されるファラデー反応によって駆動される、陽極液チャンバ及び陰極液チャンバと、
   を含み、
   前記システムが更に、
   第１の側で前記塩水ストリームと接触し、第２の側で媒体流れと接触して、溶媒を前記媒体流れから前記塩水ストリームに移動させる正浸透膜を備え、
   前記ファラデー反応が、前記陽極液チャンバ及び前記陰極液チャンバを通って流れるレドックスキャリアストリームを利用する、
   ことを特徴とするシステム。
2. 前記媒体流れが流体を含む、請求項１に記載のシステム。
3. 前記媒体流れが、固体、半固体、又は流体と固体又は半固体との混合物を含む、請求項１に記載のシステム。
4. 前記レドックスキャリアストリームが、前記陽極液チャンバから前記陰極液チャンバに循環して再び戻る、請求項１に記載のシステム。
5. 前記塩水ストリーム及び前記脱塩水ストリーム中の溶媒が水を含む、請求項１に記載のシステム。
6. 前記塩水ストリーム及び前記脱塩水ストリームが塩溶液を含む、請求項１に記載のシステム。
7. 前記塩溶液が、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ₂、ＣａＢｒ₂、ＬｉＣｌ、又はＬｉＢｒのうちの少なくとも１つを含む、請求項６に記載のシステム。
8. 前記脱塩水ストリームが再濃縮されて、前記電気透析装置に戻される、請求項１に記載のシステム。
9. 塩水ストリームを塩水チャンバに流すステップと、
   中央のイオン選択性膜によって塩水チャンバから分離されている脱塩水チャンバを通って脱塩水ストリームを流すステップと、
   前記塩水チャンバと脱塩水チャンバの対抗する外側にあり、第１及び第２のイオン交換膜によって分離された陽極液チャンバと陰極液チャンバの間に電圧を印加するステップであって、前記電圧が、前記陽極液チャンバと前記陰極液チャンバとの間のイオン輸送を引き起こすファラデー反応を誘起する、ステップと、
   前記塩水ストリームを正浸透膜の第１の側にわたって流すステップと、
   媒体流れを前記正浸透膜の第２の側に接触させ、前記正浸透膜が、溶媒を前記媒体流れから前記塩水ストリームに移動させるステップと、
   を含み、
   前記ファラデー反応が、前記陽極液チャンバ及び前記陰極液チャンバを通って流れるレドックスキャリアストリームを利用する、方法。
10. 前記媒体流れが流体を含む、請求項９に記載の方法。
11. 前記媒体流れが、固体、半固体、又は流体と固体又は半固体との混合物を含む、請求項９に記載の方法。
12. 前記ファラデー反応が、前記陽極液チャンバ及び前記陰極液チャンバを通って流れるレドックスキャリアストリームを利用する、請求項９に記載の方法。
13. 前記レドックスキャリアストリームが、前記陽極液チャンバから前記陰極液チャンバに循環して再び戻る、請求項１２に記載の方法。
14. 前記塩水ストリーム及び脱塩水ストリーム中の溶媒が水を含む、請求項９に記載の方法。
15. 前記塩水ストリーム及び脱塩水ストリームが塩溶液を含む、請求項９に記載の方法。
16. 前記塩溶液が、ＮａＣｌ、ＫＣｌ、ＣａＣｌ₂、ＣａＢｒ₂、ＬｉＣｌ、又はＬｉＢｒのうちの少なくとも１つを含む、請求項１５に記載の方法。
17. 脱塩水ストリームを再濃縮して、再濃縮された脱塩水ストリームを前記塩水チャンバ及び前記脱塩水チャンバのうちの１又は２以上に戻すステップを更に含む、請求項９に記載の方法。

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