TWI828651B

TWI828651B - 電化學脫鹽系統

Info

Publication number: TWI828651B
Application number: TW108104345A
Authority: TW
Inventors: 尤金Ｓ馬; 潔西卡路易斯貝克李維特; 麥克貝尼迪克特; 艾利卡拉泰
Original assignee: 美商帕洛阿爾托研究中心公司
Priority date: 2018-02-07
Filing date: 2019-02-02
Publication date: 2024-01-11
Also published as: JP7250544B2; US11648506B2; AU2019200391A1; US20190240623A1; CN110117048A; US20190240614A1; BR102019002402A2; TW201934192A; US10821395B2; KR102643196B1; KR20190095905A; JP2019141835A; BR102019002402A8

Abstract

一種系統，其包括含有第一及第二儲集器之一電滲析設備，其中在一操作模式期間，所述第一儲集器中之鹽濃度減少至一臨限值濃度以下，並且所述第二儲集器中之鹽濃度增加。一第一電極包括一第一氧化還原活性電解質材料之一第一溶液，及一第二電極包括一第二氧化還原活性電解質材料之一第二溶液。在所述第一電極及第一電解質材料之間的一可逆氧化還原反應中，從所述第一儲集器接受至少一離子，且在所述第二電極及第二電解質材料之間的一第二可逆氧化還原反應，至少一離子被驅動到所述第二儲集器。一第一類型膜設置在所述第一與第二儲集器之間，且一第二類型膜，與所述第一類型膜不同，設置在所述各別電極與儲集器之間。

Description

電化學脫鹽系統

本揭示案大體上係關於視情況能夠儲能的脫鹽-鹽化系統、其操作方法以及用於系統中的電化學電池。

柵格規模電能儲存之部署使得能夠自間歇可用的可再生能源中深度滲透能量產生。今天的電池提供負載轉移的能力，但高價仍然阻礙了儲存的廣泛整合，因此可能減緩可再生能源的使用。與此同時，水資源日益匱乏迫使安裝了能量密集型脫鹽技術以滿足不斷增長的用水需求。

例如，由於氣候變化及全球人口增長速度不斷加快，淡水供應面臨的壓力愈來愈大。對於位於無法獲得淡水的地區的社區，例如波斯灣及其他沙漠地區，藉由海水脫鹽生產淡水。在此等位置，無論是液壓驅動(例如，藉由反滲透(RO))、熱驅動(例如，藉由閃蒸)、還是電化學驅動(例如，藉由電滲析)，此過程均為高能量密集的。在其他地方，所有此等方法都經常用於處理工業活動中的污染廢水。

另外，來自可再生能源的發電價格迅速下降，主要係由太陽能及風能發電技術改良驅動。如最近的2017年10月，沙特阿拉伯接收了對300MW設備以$17.90/MWh的價格為太陽能發電提供電力的建議。廉價電子的這種現成可用性為水脫鹽(或處理)的電化學方法在滿足不斷增長的水需求方面發揮更大作用提供了機會。本文描述了使用電化學電池降低能量消耗及脫鹽總成本的系統及過程。

本文中所描述的實施例係關於液體乾燥劑再生系統。所述系統包括電滲析設備，所述電滲析設備包括第一及第二儲集器，每個儲集器具有輸入及輸出，其中在操作模式期間輸入溶液的濃度提高至第一儲集器中的臨限值濃度，並且第二儲集器中的輸入溶液的濃度降低。第一氧化還原活性電解質室包括至少一個第一電極及氧化還原活性電解質材料的第一溶液，並且經組態以與第一氧化還原活性電解質材料具有可逆氧化還原反應，以驅動至少一種離子進入第一儲集器中的輸入溶液中。第二氧化還原活性電解質室包括至少一個第二電極及氧化還原活性電解質材料的第二溶液，並且經組態以與第二氧化還原活性電解質材料具有可逆氧化還原反應，以接受來自第二儲集器中的輸入溶液的至少一種離子。第一類型膜，其設置在第一與第二儲集器之間，及第二類型膜，所述第二類型膜與第一類型不同，其設置在第一氧化還原活性電解質室與第一儲集器之間，並設置在在第二氧化還原活性電解質室與第二儲集器之間。

進一步的實施例係關於一種系統，其包括除濕單元，所述除濕單元經組態以將液體乾燥劑自第一濃度稀釋至第二濃度；第一電滲析電池單元；切換單元及輸送系統。電滲析電池包括連接至除濕單元以接收具有第二濃度的液體乾燥劑並且包括輸出的第一儲集器，其中在操作模式期間在第一儲集器中具有第二濃度的液體乾燥劑在濃度上提高至第三濃度或在濃度上降低至第四濃度。第二儲集器亦連接至除濕單元以接收具有第二濃度的液體乾燥劑並包括輸出，其中在操作模式期間第二儲集器中具有第二濃度的液體乾燥劑的濃度以與第一儲集器中的液體乾燥劑相反的方式改變。第一氧化還原活性電解質室包括至少一個第一電極及氧化還原活性電解質材料的第一溶液，並且經組態以與第一氧化還原活性電解質材料具有可逆氧化還原反應，以驅動至少一種離子進入第一儲集器中具有第二濃度的液體乾燥劑中或接受來自所述液體乾燥劑中的至少一種離子。第二氧化還原活性電解質室包括至少一個第二電極及氧化還原活性電解質材料的第二溶液，並且經組態以與第二氧化還原活性電解質材料具有可逆氧化還原反應，以接受來自第二儲集器中具有第二濃度的液體乾燥劑的至少一種離子，或驅動至少一種離子進入其中。電池亦包含設置在第一與第二儲集器之間的第一類型膜，及與第一類型不同的第二類型膜，其設置在第一氧化還原活性電解質室與第一儲集器之間並且設置在第二氧化還原活性電解質室與第二儲集器之間。切換單元包括連接至第一儲集器的輸出的第一開關及連接至第二儲集器的輸出的第二開關。輸送系統連接至切換單元及除濕單元，並經組態以將具有第三濃度的液體乾燥劑自第一或第二儲集器輸送至除濕單元。

另外的實施例係關於方法。所述方法包含在除濕過程中使用液體乾燥劑以自材料中移除水並將液體乾燥劑自第一濃度稀釋至第二濃度。將稀釋的液體乾燥劑輸送至電滲析設備的第一及第二儲集器中，並操作電滲析設備以產生包括具有臨限值濃度的液體乾燥劑的第一輸出，並產生包括大部分水的第二輸出。然後將第一輸出輸送至除濕過程。電滲析設備包括第一及第二儲集器，每個儲集器包括輸入及輸出，其中液體乾燥劑的濃度在操作模式期間在第一儲集器中提高至臨限值濃度並在第二儲集器中降低。第一氧化還原活性電解質室包括至少一個第一電極及氧化還原活性電解質材料的第一溶液，並且經組態以與第一氧化還原活性電解質材料具有可逆氧化還原反應，以驅動至少一種離子進入第一儲集器中的液體乾燥劑中。第二氧化還原活性電解質室包括至少一個第二電極及氧化還原活性電解質材料的第二溶液，並且經組態以與第二氧化還原活性電解質材料具有可逆氧化還原反應，以接受來自第二儲集器中的液體乾燥劑的至少一種離子。所述設備亦包含設置在第一與第二儲集器之間的第一類型膜及不同於第一類型的第二類型膜，其設置在第一氧化還原活性電解質室與第一儲集器之間並設置在第二氧化還原活性電解質室與第二儲集器之間。

100:電池

102:陰極

104:第二儲集器

106:第一儲集器

108:陽極

110:陰離子交換膜

112:陽離子交換膜

114:陰離子交換膜

116:陽離子交換膜

118:陰離子交換膜

120:陽離子交換膜

126:箭頭

128:箭頭

130:鹽漬流

132:脫鹽流

202:腔室/陽極電解液室

204:腔室

206:腔室

208:腔室/陰極電解液室

210:陰離子交換膜

212:陽離子交換膜

214:陰離子交換膜

230:鹽漬流

232:脫鹽流

300:儲能系統

302:陰極電解液室

304:第二水室

306:第一水室

308:陽極電解液室

310:第三離子交換膜

312:第二離子交換膜

314:第一離子交換膜

316:正電極板

318:負電極板

320a:電化學脫鹽電池單元

320b:電池堆

330:第一水罐

332:埠

334:埠

336:埠

338:埠

340a:切換單元

340b:切換單元

342:埠

344:埠

350:第二水罐

352:埠

354:埠

360:脫鹽單元

362:埠

364:埠

370:第三水罐

380:水處理單元

385:過程控制裝置

390:逆變器

392:電力柵格負載監控器

400:輸入/鹽水流

410:系統

420:電力柵格

430:鹽水流

440:鹽度

450:儲罐

460:鹽度

470:除濕模組

472:液體乾燥劑/第一濃度

474:輸入空氣

476:第二濃度/液體乾燥劑

478:輸入

480:脫鹽流

602:電流密度

604:電流密度

1102:步驟

1104:步驟

1202:步驟

1204:步驟

1302:步驟

1304:步驟

1306:步驟

1402:電流密度

1404:電流密度

S1A:電氣開關

S2A:電氣開關

S2B:電氣開關

S3A:電氣開關

S3B:電氣開關

S1B:電氣開關

S4A:電氣開關

S4B:電氣開關

W1:第一類型水

W2:第二類型水

W3:第三類型水

PC1:第一壓力控制器

PC2:第二壓力控制器

PC3:第三壓力控制器

PS:電源供應器單元

以上發明內容並非旨在描述本揭示案的每個揭示的實施例或每種實施。下面的附圖及詳細描述更具體地舉例說明了說明性實施例。

圖1A係根據某些實施例的具有帶正電荷的氧化還原梭的電滲析系統的示意圖；圖1B係根據某些實施例的具有帶負電荷的氧化還原梭的電滲析系統的示意圖；圖2A係根據某些實施例的具有一對帶正電荷的反應物的電滲析電池的充電循環的示意圖；圖2B係根據某些實施例的圖2A的電滲析電池的放電循環的示意圖；圖3A-B係根據某些實施例的連接至電源單元及電力柵格的儲能系統的示意圖；圖4A係根據某些實施例的作為電池充電狀態的函數的開路電勢的曲線圖；圖4B係根據某些實施例的作為電池充電狀態的函數的各個儲集器鹽度的曲線圖；圖5A示出了根據某些實施例的四室電滲析電池的放電操作模式；圖5B示出了根據某些實施例的四室電滲析電池的充電操作模式；圖5C示出了根據某些實施例的四室電滲析電池的電滲析操作模式；圖5D示出了根據某些實施例的四室電滲析電池的除濕操作模式；圖6A-B係示出使用亞鐵氰化物/鐵氰化物作為氧化還原梭的四室電滲析系統的效能量度的曲線圖；圖6C係示出作為在圖6A-B的四室電滲析系統中通過的電荷的函數的鹽濃度的曲線圖；圖6D係示出作為在圖6A-B的四室電滲析系統中的時間的函數的鹽濃度的曲線圖；圖7A係比較圖5的電池堆中的習知及氧化還原輔助電滲析系統的操作電勢及比能耗的曲線圖；圖7B係比較習知及氧化還原輔助的電滲析系統對於每個陽極及陰極的不同數量的鹽漬/脫鹽室對的相對比能耗的曲線圖；圖8A-D係使用水及電的保守價格的四室電滲析電池的系統成本、收入及效能量度的曲線圖；圖9A-D係使用波斯灣地區的水及電最佳化定價的四室電滲析電池的系統成本、收入及效能量度的曲線圖；圖10係根據某些實施例的四室電池的組件成本的曲線圖；圖11-13係根據某些實施例的方法的流程圖；圖14A-B係示出使用BTMAP-Fc作為氧化還原梭的四室電滲析系統的效能量度的曲線圖；圖14C係示出作為在圖14A-B的四室電滲析系統中通過的電荷的函數的鹽濃度的曲線圖；以及圖14D係示出作為在圖14A-B的四室電滲析系統中的時間的函數的鹽濃度的曲線圖。

本揭示案一般係關於電化學脫鹽系統及視情況相應的同時儲能。目前在柵格儲存方面的研究工作已經表現為一種單一的方法-使每kWh的成本最小化，所述方法目前具有2022年$125/kWh的能源部成本目標。另一種策略係增加與每kWh儲存相關的收入，此為習知儲能技術所不具備的替代方案。然而，由於本文所述的電化學電池在充電及放電期間產生有價值的二次產物，脫鹽水，因此此替代方案係可能的。由於水性流體電池與電化學脫鹽技術共用許多資本要求(例如泵、膜、管道)，因此與兩個單獨系統相比，將兩者結合的系統可產生顯著的資本成本節約。來自脫鹽水的收入彌補了另外的資本成本，並利用過程集約化來打破以下傳統儲能技術遇到的$/kWh障礙。脫鹽的電化學方法具有模組化規模及易於斜坡產生的電勢，同時保持高能效及處理高鹽度進料的能力。

本領域電化學脫鹽水的當前狀態係電滲析；然而，與其他脫鹽技術如反滲透(例如0.06至0.08kWh/kg NaCl)相比，其目前消耗相對更多的用於除鹽的能量(例如，約0.26至0.30kWh/kg NaCl)，但是比用於熱技術，如蒸汽壓縮(例如0.6至1.0kWh/kg NaCl)的能量更少。電容性去離子使用電能，但在約0.22kWh/kg NaCl下亦為能量密集的，並且最適合於自水中移除微量溶解的鹽，因為根據定義電極必須為固體。雖然電滲析係一種可用於處理任何鹽度的鹽水的技術，但與反滲透不同，由於其用於除鹽的高比能耗，因此其使用受到限制。

因為電滲析中的能量消耗與施加的電壓成比例，所以降低(或最小化)必須施加至電池的電壓，其將降低電滲析堆的比能耗。在習知的電滲析中，離子藉由陽極及陰極處的法拉第反應被驅出海水或進入海水。在大多數情況下，法拉第反應僅僅為水裂解：水在陽極被氧化為氧，在陰極被還原為氫。這在電極處產生電荷不平衡，所述電荷不平衡經由策略性置放的離子選擇膜藉由離子的移動來平衡。然而，水裂解涉及能量損失，因為需要能量來進行此操作。由於顯著的過電勢與水氧化及還原都有關，因此問題更加嚴重。此外，陽極產生的氧氣及氯氣具有很強的破壞性，並且需要使用鍍鉑/銥的電極。

僅在加利福尼亞州，若所有州內的發電化石燃料來源(0.40四分之一，占所有來源的41%)將被太陽能替換，並與如此處所述的脫鹽電池配對，則可以實現基於成本最佳化的往返能效64%，將另外的0.63四分之一太陽能發電上線。與此同時，脫鹽電池將提供相當於州消費量30%的水資源。

如本文所述，電化學電池被設計成藉由使溶解在水中的氧化還原活性物質自陽極循環至陰極並再次返回，以節能的方式進行電滲析。氧化還原活性物質具有用於還原或氧化的快速動力學，這大大降低了習知電滲析所需的高操作電壓，其中水裂解驅動鹽跨越膜，如離子選擇性膜輸送。降低工作電壓會降低比能耗，因為比能耗與操作電壓成正比。所述系統亦可以藉由在陽極及陰極處配對兩個單獨的氧化還原對而非在兩個氧化還原梭周圍循環的單個氧化還原梭而可逆地適於連接電能儲存。

在節能的低電勢電滲析系統的某些實施例中，溶解在水中的氧化還原載體在陰極處還原，然後穿梭至陽極，在那裏其被再氧化並隨後再傳送至陰極以完成循環。轉向圖1A-B，示出了根據此等實施例提供節能的電滲析的電化學電池100。電池100由四個串聯的腔室組成。每個腔室藉由適當的膜(圖1A、圖1B)與其相鄰腔室分離。兩個中央腔室含有鹽漬流130及脫鹽流132，並且兩個外腔室分別含有陰極及陽極(圖1A)或陽極及陰極(圖1B)。根據電池設計，膜可以係離子選擇性膜，例如陽離子交換膜或陰離子交換膜。若氧化還原梭具有足夠高的分子量(例如，本質上係樹枝狀聚合物或聚合物)，則膜可以係微孔膜。膜亦可以在同一膜內併入一些離子選擇性元素及一些微孔元素。在某些實施例中，膜亦可為複合膜。

例如，圖1A示出了氧化還原輔助的電滲析系統，其具有帶正電荷的氧化還原穿梭(亦即，1,1'-雙(三甲基胺基丙基)二茂鐵二氯化物(BTMAP-Fc))。氧化還原梭自陽極108至陰極102的移動由箭頭128示出，並且自陰極102至陽極108的移動由箭頭126示出。陰極102及第二儲集器104藉由陰離子交換膜110分離，並且陽極108及第一儲集器106亦藉由陰離子交換膜114分離。然而，陰離子交換膜110及陰離子交換膜114可以不必包括相同的材料或具有相似的尺寸。第二儲集器104亦藉由陽離子交換膜112與第一儲集器106分離。可以看出，氯離子及鈉離子分別穿過陰離子交換膜110及陽離子交換膜112進入第二儲集器104中的鹽漬流130，同時其分別穿過陰離子交換膜114及陽離子交換膜112以離開第一儲集器106中的脫鹽液流132。

使用帶負電荷的氧化還原梭(例如，亞鐵氰化物/鐵氰化物(Fe(CN))改變電池100的設計，如圖1B所示。此處，氧化還原梭自陰極102至陽極108的移動由箭頭128示出，並且自陽極108至陰極102的移動由箭頭126示出。陽極108及第二儲集器104藉由陽離子交換膜120分離，並且陰極102及第一儲集器106亦藉由陽離子交換膜116分離。然而，陽離子交換膜120及陽離子交換膜116可以不必包括相同的材料或具有相似的尺寸。第二儲集器104亦藉由陰離子交換膜118與第一儲集器106分離。可以看出，氯離子及鈉離子分別穿過陰離子交換膜118及陽離子交換膜120進入第二儲集器104中的鹽漬流130，同時其分別穿過陰離子交換膜118及陽離子交換膜116以離開第一儲集器106中的脫鹽液流132。

在各種實施例中，可以使用任意數量的交替的鹽漬及脫鹽室。然而，一旦施加的電壓超過1.26V，水裂解可能開始在大量腔室中發生。儘管可以在各種實施例中使用固體氧化還原載體，但其需要大量載體並頻繁切換鹽漬及脫鹽流，因為固體氧化還原活性材料不能容易地自電化學電池的一側輸送至另一側。

電池100的能量效率係藉由氧化還原載體/梭的選擇來實現。有效的氧化還原載體具有以下儘可能多的特性。例如，氧化還原載體在氧化及還原形式中應該係化學穩定的，在氧化及還原形式中保持高度水溶性，並且在氧化及還原形式中不對氧敏感。載體不應該係質子連接的，應該具有快速的氧化還原動力學，並且應該與待處理的水中存在的任何組分化學相容。此外，載體應具有通過離子選擇膜的低滲透性並且係無毒的。

迄今為止報道的最受歡迎的氧化還原載體係含鐵化合物，包含Fe²⁺/Fe³⁺、亞鐵氰化物/鐵氰化物(Fe(CN))連接，及Fe(II)-EDTA/Fe(III)-EDTA。所有這三種都被認為用於反向電滲析，亦即自鹽度梯度產生電力而非消耗電力以產生鹽度梯度。尚未報道使用氧化還原對進行習知電滲析。不幸地，Fe³⁺離子僅在低pH下可溶並且在中性pH下形成不溶性氧化物或氫氧化物，Fe(CN)在與許多過渡金屬(尤其鐵)接觸時形成高度不溶的普魯士藍型化合物，且Fe-EDTA錯合物示出有限的電化學穩定性。

雖然Fe(CN)作為氧化還原載體的系統可以在只有NaCl作為模擬海水的實驗室中成功地證明，但在海水中普遍存在鈣及鐵(通常分別為400份/百萬(ppm)及1-3份/十億(ppb)的水平)，當此等離子交叉進入儲集器時將迅速引起膜污染。在那裏，其在與Fe(CN)接觸時形成鉀鈣及鐵的不溶性沈澱物。此外，即使在陽極產生的中性至弱酸性條件亦會引起劇毒的氰化氫釋放。

但是，具有上述所有屬性的二茂鐵衍生物可以係合適的氧化還原載體，例如BTMAP-Fc。將其與下表1中的各種含鐵氧化還原對進行比較。

^†鉑金上

^‡pH 14下

應注意，除BTMAP-Fc之外的每個氧化還原對具有至少一種與上述電池的有效氧化還原載體的性質不一致的性質。例如，Fe²⁺/Fe³⁺在pH 7下不溶，Fe(EDTA)具有差的化學及電化學穩定性，並且Fe(CN)與其他離子形成不溶性沈澱物並在pH為7或更低時釋放有毒的HCN。原則上，在圖1A至圖1B的電池的實施例中可以使用任何水溶性氧化還原載體而不僅僅係表1中列出之彼等氧化還原載體。例如，根據脫鹽流及鹽漬流的所需pH，其他氧化還原對可能係較佳的。下面進一步描述這種節能的氧化還原輔助電滲析系統的實例。

上面結合圖1A至圖1B論述的四室電池設計亦可適合用作儲能裝置(亦即電滲析電池)。當電池使用少量的鹽漬/脫鹽室對(例如一對)時，效能優於傳統電滲析，如圖7B所示。較少數量的腔室對對於儲能應用亦為有利的，其中較佳的操作電流密度亦低於電滲析的操作電流密度。上述電池適於藉由使用兩種不同的氧化還原活性反應物作為單獨的陽極電解液及陰極電解液而非在陽極與陰極之間穿梭相同的化合物來儲能。與三室電池設計不同(例如，美國專利第9,340,436號；第9,670,077號；及第9,673,472號，其中之每一者以引用的方式併入本文中)，四室設計能夠在操作期間的所有時間連續生產脫鹽水-而非僅僅一半的時間。此外，若發生交叉，則四室設計不會遭受不溶性固體的沈澱。

四室電滲析電池的實施例示於圖2A至圖2B中。脫鹽電池係多室流體電池。在充電半循環期間陽極電解液的還原及陰極電解液的氧化使Na⁺及Cl^-離子移動通過適當的離子選擇膜並進入或離開容納海水的中間室。反向過程在放電半週期期間發生。在循環期間的所有點，一個水室經歷鹽的淨流入，而另一個水室經歷淨流出。實現脫鹽所需的能量僅僅係充電期間輸入的能量與放電期間回收的能量的差異。

在圖2A中，示出了使用帶正電荷的一對反應物的四室電池的充電循環。電池包含四個腔室202、204、206及208以及三個膜。在充電循環期間，鹽漬流230在陽極電解液室202與腔室206之間的腔室204中，所述腔室206含有脫鹽流232。陰極電解液室208藉由陰離子交換膜214與腔室206及脫鹽流232分離，而陽極電解液室202藉由另一個陰離子交換膜210與腔室204及鹽漬流230分離。如上所述，陰離子交換膜210及陰離子交換膜214可以不必包括相同的材料或具有相似的尺寸。鹽漬室204亦藉由陽離子交換膜212與脫鹽室206分離。在充電循環期間，氯離子及鈉離子分別穿過陰離子交換膜210及陽離子交換膜212進入形成鹽漬流230的腔室204，同時其分別穿過陰離子交換膜214及陽離子交換膜212以離開形成脫鹽流232的腔室206。

圖2B示出了放電循環期間的圖2A的相同電池。因此，展示氯離子及鈉離子分別穿過陰離子交換膜210及陽離子交換膜212以離開形成脫鹽流232的腔室204，同時其分別穿過陰離子交換膜214及陽離子交換膜212以進入形成鹽漬流230的腔室206。應注意，若反應物帶負電荷，則膜將反轉：陰離子交換膜210、陰離子交換膜214將為陽離子交換膜，並且陽離子交換膜212將為陰離子交換膜。如前所述，當陰離子交換膜210及陰離子交換膜214為陽離子交換膜時，其可以不必包括相同的材料或具有相似的尺寸。在所示的實施例中，陽極電解液為鋅，並且陰極電解液為BTMAP-Fc。然而，在其他實施例中，可以使用(二茂鐵基甲基)三甲基氯化銨(FcNCl)代替BTMAP-Fc以將電池組電池電勢增加至約1.41V。

陽極電解液及陰極電解液不限於上述實施例。陽極電解液及/或陰極電解液的氧化還原活性組分可以係以下任何組合的水溶液，在其之一種或多種氧化態中，作為其之離子或氧陽離子或氧陰離子及/或與配位體錯合：鈦(III)、鈦(IV)、釩(II)、釩(III)、釩(IV)、釩(V)、鉻(II)、鉻(III)、鉻(VI)、錳(II)、錳(III)、錳(VI)、錳(VII)、鐵(II)、鐵(III)、鐵(VI)、鈷(II)、鈷(III)、鎳(II)、銅(I)、銅(II)、鋅(II)、釕(II)、釕(III)、錫(II)、錫(IV)、鈰(III)、鈰(IV)、鎢(IV)、鎢(V)、鋨(II)、鋨(III)、鉛(II)、鋅酸鹽、鋁酸鹽、氯、氯化物、溴、溴化物、三溴化物、碘、碘化物、三碘化物、聚鹵化物、鹵化物氧陰離子、硫化物、聚硫化物、硫氧陰離子、亞鐵氰化物、鐵氰化物、醌衍生物、咯嗪衍生物、黃素衍生物、紫精衍生物、二茂鐵衍生物、任何其他茂金屬衍生物、氮氧自由基衍生物、N,N-二烷基-N-氧代銨衍生物、硝基氮氧自由基衍生物，及/或併入任何上述物質的錯合或共價鍵合組分的聚合物。

陽極電解液及陰極電解液亦可包含pH緩衝劑組分的水溶液，所述pH緩衝劑在通常的操作條件下可以具有或不具有氧化還原活性。在某些水性實施例中，陽極電解液及陰極電解液的pH與中心腔室中電解質的pH相匹配，所述中心腔室可以例如接近中性(pH 5-9)用於水脫鹽、酸性(pH 0-5)用於處理酸性廢水，或鹼性(pH 9-14)用於處理鹼性廢水。在一些實施例中，陽極電解液pH比其他腔室稍低可能係有利的，例如當陽極電解液為鋅/氯化鋅時。在進一步的實施例中，系統中每種電解質的pH在電化學電池內基本相同。在更進一步的實施例中，陽極電解液、陰極電解液及水各自具有介於3-10且包含3-10的pH。因此，電池可以包含pH監測及調節系統，用於週期性及/或連續的pH監測及調節。

在進一步的實施例中，如圖2A至圖2B所述的電滲析電池組電池被設計為流體電池時可以連接至儲能系統。流體電池對於能量柵格儲存具有吸引力，因為其可以使電池的儲能容量與電池可以傳送的功率分離。水性流體電池可以整合至電化學脫鹽系統中，因為其共用許多常見的脫鹽資本要求，例如泵、管道及電池堆設計，其可以用於進行脫鹽及儲能。原則上，將電能儲存併入至脫鹽電池中將能夠藉由促進電氣柵格上的負載轉移，實現電力套利及/或能夠推遲對輸電及配電基礎設施的投資來進一步降低成本。具有高電池電勢的脫鹽電池將用作可行的儲能裝置。藉由發掘可用於儲能技術的收入流，所述系統可以降低脫鹽成本，同時能夠增加可再生能源的使用。

電化學脫鹽-鹽化系統的實例如圖3所示。所描述的電化學脫鹽電池在某些實施例中可以以分批模式操作或在其他實施例中以連續模式操作。在分批模式中，在氧化還原脫鹽系統中提供(例如，推動)一定量的待處理水。對電極施加電勢，並且在兩個電極中收集離子，直至脫鹽水室中的鹽濃度下降至低於設定極限(例如，5份/千(ppt)或0.5ppt)。然後自系統中移除水。在連續流體模式中，水流過系統，並且系統的每個部分中的一定體積的水的總滯留時間足以實現所需的鹽濃度降低。在某些實施例中，可以將單獨的單元分成不同的階段及/或具有獨立控制的電極的組件，以在脫鹽過程期間在每個連續步驟適應降低的鹽度水平。這亦可在鹽化過程期間在每個連續步驟適應提高的鹽度水平。

轉至圖3，儲能系統300包含電化學脫鹽電池(EDB)單元320a。在儲能系統300內提供一組電氣開關(S1A、S1B、S2A、S2B、S3A、S3B)，以提供多組態電連接，其將儲能系統300的各個節點連接至電源供應器單元PS(根據本文描述的各種實施例，其可以係AC或DC，無論是否如此陳述)、功率(例如電力)柵格，及/或儲能系統300的其他節點，以及其任何組合。如本文所用，「電氣開關」係指能夠改變電路的電連接的任何裝置。電氣開關組(S1A、S1B、S2A、S2B、S3A、S3B)構成控制儲能系統300的操作模式的操作模式控制裝置。如本文所用，「操作模式控制裝置」係指可用於在經組態以以兩個或更多個可選操作模式操作的裝置內選擇操作模式的任何裝置。操作模式控制裝置經組態以基於存在或不存在來自電力柵格的電力需求及/或由電源供應器單元PS提供的用於儲能系統300的操作的外部電力的可用性，在充電、放電及電滲析模式之間進行選擇。

電化學脫鹽電池單元320a包含陽極及陰極，其可以以各種組態實施。陽極能夠接受並且具有與溶解在水中的氧化還原梭的可逆氧化還原反應。陰極能夠接受並且具有與溶解在水中的氧化還原梭的可逆氧化還原反應。陽極包含負電極板318及用於容納電解質溶液(亦即陽極電解液)的陽極電解液室308。陰極包含正電極板316及用於容納電解質溶液(亦即陰極電解液)的陰極電解液室302。在某些實施例中，陰極及陽極中之一者或兩者包含插入材料作為用於使用插入的電池化學的任選組分。當陽極電解液及陰極電解液具有相同的電荷符號時(亦即，兩者都帶正電或兩者都帶負電荷)，四室電池工作。

在陽極及陰極之間提供兩個電解質(例如，具有溶解鹽的水，例如氯化鈉)室，並且分別含有待鹽化及脫鹽的溶液(例如，水)。

在一些實施例中，陽極及陰極之間的間隔距離在操作期間沿水流方向減小。脫鹽由電化學脫鹽電池單元320a中的離子擴散驅動。當脫鹽室中的鹽濃度降低時，離子到達電極(亦即陽極及陰極)需要更大的努力，有效地增加電池電阻。以保持內部電阻基本恆定的速率降低電極距離導致節能脫鹽過程，以及在鹽化過程期間的節能再充電。在某些實施例中，陽極及陰極之間的間隔距離可以大致與處理中的水在充電模式或放電模式下通過第二水室304及第一水室306時離子的濃度成反比。在替代實施例中，陽極及陰極之間的間隔距離保持基本恆定或增加。

負電極板318及正電極板316均包含固體導電材料。在給定的電化學脫鹽電池中，負電極板318及正電極板316可包括相同的導電材料或不同的導電材料。每個負電極板318及正電極板316可包括一種或多種下列固體材料：鋅、鐵、鉻、鎳、鉛、鈦、銅、錫、銀、氧化鉛(IV)、氧化錳(IV)、硫、普魯士藍、普魯士藍衍生物、普魯士藍的過渡金屬類似物、碳纖維、石墨、碳氈、呈固體狀或水性懸浮液的導電碳黑，以及其他導電形式的碳。若負電極板318及正電極板316係多孔的，則其可以佔據陽極電解液室308及陰極電解液室302的一些部分，陽極電解液及陰極電解液流過所述部分。替代地，負電極板318及正電極板316中之一者或兩者可以構造為其中氫氣或氧氣作為反應物的氣體擴散電極。

第一離子交換膜314設置在第一水室306與陽極之間。在某些實施例中，第一離子交換膜314係允許陰離子通過並且不允許陽離子通過的陰離子交換膜(AEM)，或者其可以係允許更小或更大負電荷的陰離子通過而不允許更大或更小負電荷的陰離子或正離子通過的負價選擇性膜。在一個實施例中，第一離子交換膜314可以係半透膜。用於第一離子交換膜的材料的實例係ASTOM公司的NEOSEPTA AFX(8cm²)。

第二離子交換膜312設置在第一水室306與第二水室304之間。在某些實施例中(例如，當第一離子交換膜係陰離子交換膜時)，第二離子交換膜312係允許陽離子通過且不允許陰離子通過的陽離子交換膜(CEM)，或者其可以係允許較小或較大正電荷的陽離子通過而不允許較大或較小正電荷的陽離子或負離子通過的正價選擇性膜。在一個實施例中，第二離子交換膜312可以係半透膜。用於第二離子交換膜的材料的實例係德國FuMA-Tech、GmbH的Fumasep^TM FKE-50(8cm²)。

第三離子交換膜310設置在第二水室304與陰極之間。在某些實施例中(例如，當第一離子交換膜314係陰離子交換膜時)，第三離子交換膜310亦為陰離子交換膜。在第一離子交換膜314係陽離子交換膜的實施例中，第三離子交換膜310亦為陽離子交換膜。第一離子交換膜314及第三離子交換膜310不必由電化學脫鹽電池單元320a內的相同材料及/或尺寸組成。

電化學脫鹽電池單元320a係用於處理水，包含脫鹽及鹽化的電化學電池。第二水室304及第一水室306都接收待處理的水。在充電循環期間，第一水室306中的電解質(例如，鹽)濃度提高並且第二水室304中的電解質濃度降低。因此，在此實施例中，第一水室306係鹽化室，並且第二水室304係脫鹽室。如上所示，此等腔室可以在第一水室306係脫鹽腔室並且第二水室304係鹽化室的情況下切換。然而，在所有實施例中，第二水室304及第一水室306中的電解質濃度將在操作期間沿不同方向改變。

在第二水室304及第一水室306中待處理的水可包含可被處理的一種或多種電解質。例如，第二水室304及第一水室306中的電解質可以係水溶性離子鹽的任何組合，包含但不限於海水或廢水中遇到的彼等離子鹽。可存在於電解質中的陽離子的實例包含但不限於水合氫離子、鋰離子、鈉離子、鉀離子、鎂離子、鈣離子、鋁離子、鋅離子及鐵離子。可存在於電解質中的陰離子的實例包含但不限於氯化物、溴化物、碘化物、鹵化物氧陰離子、硫氧陰離子、磷氧陰離子及氮氧陰離子。儲能系統300經組態以自電解質濃度高達脫鹽室中的離子物質的溶解度極限的水中移除溶解的離子物質，例如上述彼等離子物質。在某些實施例中，電解質濃度可超過60份/千，並且在進一步的實施例中，電解質濃度可超過80份/千。儲能系統300亦經組態以將待處理的水的電解質濃度(例如，鹽度)降低至約5份/千，在進一步的實施例中，降低至約2份/千，或者在更進一步的實施例中，降低至約0.5份/千。

如上文所論述，電化學脫鹽電池單元320a可以作為流體電池操作，其中在輸入端連續供應未處理的水，並且自輸出端連續提取處理的水。電化學脫鹽電池單元320a或電池堆，其包含流體板、電極、墊圈及膜，可以具有平面幾何形狀(類似於通常的燃料電池)，或者所述電池堆疊可以包括縱橫比類似於反滲透脫鹽模組的管狀系統。

在某些實施例中，第一水罐330藉由各別埠332、334連接至第二水室304、第一水室306。第一水罐330含有具有第一鹽度水平(例如，海水)的第一類型水W1。第一類型水W1的壓力可以由第一壓力控制器PC1控制，所述第一壓力控制器PC1可以對第一類型水W1施加壓力。替代地，可以使用以所需流速將水自各別水罐推入電化學脫鹽電池單元320a的水泵(未示出)來代替壓力控制器PC1，或者除了壓力控制器PC1之外。在充電循環期間，第一水室306中的電解質(例如，鹽)濃度提高並且第二水室304中的電解質濃度降低。其經由埠336、338自電化學脫鹽電池單元320a輸出至切換單元340a。這裏，開關S4A、S4B將輸出水經由系統引導至水罐350，或者水經由各別埠342、344排出。因為電化學脫鹽電池單元320a連續產生脫鹽水流，所以切換單元340a控制電化學脫鹽電池單元320a的各別鹽漬及脫鹽流輸出。例如，在排放循環之前，第二水室304及第一水室306的內容物被來自罐330的新輸入水替換。在放電循環期間，第一水室306中的電解質濃度降低並且第二水室304中的電解質濃度提高-與先前半循環中發生的電解質濃度相反。因此，需要交替地收集通過第二水室304及第一水室306並進入罐350的水，在每半循環內變化。

在通過切換單元340a之後，第二水罐350中的水係第二類型水 W2，其不同於第一類型水W1(例如，具有不同鹽度水平的水)。例如，當在第二罐350中收集脫鹽水時，第二類型水可以係微鹹水(例如，鹽度小於約10份/千)。替代地，可以在第二罐350中收集鹽水，使得第二類型水W2將具有比第一類型水W1更高的鹽度。與第一類型水一樣，第二類型水W2的壓力可以由第二壓力控制器PC2控制，第二壓力控制器PC2可以在第二類型水W2及/或水泵上施加壓力。自埠344或埠342排出的水可以完全自系統排出或保存在另一個儲存罐中以供進一步使用。

所述電氣開關組亦判定電化學脫鹽電池單元320a的操作模式。第一組電氣開關(S1A、S1B)控制儲能系統300的陽極及陰極與其他電節點的電連接。為清楚起見，電化學脫鹽電池單元320a的負端子在下文中稱為「陽極」，並且正端子稱為「陰極」，而不管電化學脫鹽電池單元320a在充電還是放電模式下操作。此係因為電池的兩個電極(包含本文所述的電極)可以係陽極或陰極，這取決於電池係充電還是放電的。

在充電模式下的操作期間，第一組電氣開關(S1A、S1B)可以將陽極連接至DC電源供應器單元(亦即，電源供應器單元PS)的負輸出電壓節點，並且可以將陰極分別連接至DC電源供應器單元的正輸出電壓節點。如本文所用，「DC電源供應器單元」係指提供DC功率的電源供應器單元，亦即，不隨時間改變極性的DC功率。離子自陽極及/或陽極電解液與陰極及/或陰極電解液釋放或吸收，以在第一水室306中使水鹽化，並在第二水室304中使水脫鹽。電化學脫鹽電池單元320a可以經組態以具有至少0.8V的電池電勢，或者在某些實施例中具有至少1.25V的單元電勢。

在放電模式下的操作期間，第一組電氣開關(S1A、S1B)可以將陽極連接至電負載的負電極，並且可以將陰極分別連接至電負載的正電極。電化學脫鹽電池單元320a將第一水室306中的水脫鹽並將第二水室304中的水鹽化，同時使用陽極作為負輸出電極且陰極作為正輸出電極釋放儲存的能量作為輸出功率。如本文所用，「DC輸出功率」係指以直流電的形式提供的輸出功率，亦即不隨時間改變極性的輸出功率。

電負載可以包含電力柵格。第二組開關(S2A、S2B)可以將電化學脫鹽電池單元320a的陽極及陰極連接至逆變器390。逆變器390將電化學脫鹽電池單元320a的DC輸出轉換為具有匹配振幅(亦即，與電力柵格的AC電壓的振幅相同的振幅)及同步相的AC功率輸出，以饋入至電力柵格。因此，在放電模式期間自電化學脫鹽電池單元320a釋放的電力可以藉由第一與第二組開關(S1A、S1B、S2A、S2B)及逆變器390傳輸至電力柵格。逆變器390可以作為儲能系統300的一部分提供，或者可以在電力柵格側面的外部提供。在一個實施例中，第二組開關(S2A、S2B)可以由電力柵格負載監控器392控制，所述電力柵格負載監控器392監控電力柵格上的總電力負載，並且在電力柵格上的峰值功率需求處或附近將第二組開關(S2A、S2B)與逆變器390連接。

在某些實施例中，儲能系統300包含其他任選的水處理單元380。例如，罐350可以經由埠352、354連接至另外的水處理單元。其他水處理單元380可以包含由電池堆320b表示的一個或多個另外的電化學脫鹽電池單元。每個另外的電池堆320b將包含由切換單元340b表示的各別切換單元。一個或多個電池堆320b及切換單元340b將如以上針對電化學脫鹽電池單元320a及切換單元340a所論述的那樣操作。其他任選單元可包含一個或多個脫鹽單元，由脫鹽單元360表示。

一個或多個脫鹽單元360可以使用除電化學電池之外的脫鹽技術，例如反滲透、電容性去離子、電滲析及熱技術。在一個實施例中，脫鹽單元360可以根據電化學脫鹽電池單元320a的操作進行第二或進一步的脫鹽或鹽化過程。在進一步的實施例中，即使脫鹽單元360存在於儲能系統300中，即使電化學脫鹽電池單元320a可操作，其亦可能不總是被使用。

脫鹽單元360可具有水埠(此處稱為第三水埠362)，其連接至具有較高總溶解固體(TDS)計數(例如，較高鹽度)的水，以及另一水埠(這裏稱為第四水埠364)連接至具有較低TDS計數的水。例如，具有較高TDS計數的水可以係包括在水罐350內的第二類型水W2或自一個或多個任選電池堆320b接收的水，並且具有較低TDS計數的水可以係包括在第三水罐370中的第三類型水W3。例如，第三類型水W3的TDS計數可以小於約0.5ppt，或者在被視為飲用水的水平，儘管亦可以使用更高的TDS計數。第三水罐370中的第三類型水W3的壓力可以由第三壓力控制器PC3調節，所述第三壓力控制器PC3可以根據需要對第三類型水施加壓力。替代地，代替壓力控制器(PC2、PC3)或除了壓力控制器(PC2、PC3)之外，可以使用以所需流速將水自各別水罐推入一個或多個脫鹽單元360中的水泵(未示出)。

在某些實施例中，根據一個或多個脫鹽單元360以鹽化模式還是以脫鹽模式操作來選擇第二水罐350與第三水罐370之間的水流方向。脫鹽單元360可以交替地以脫鹽模式操作，其中離子自輸入水中移除，同時消耗供應至脫鹽單元360的功率，並且以鹽化模式操作，在鹽化模式中，離子被引入至輸入水中，同時釋放儲存在脫鹽單元360中的能量。

在一個或多個任選的水處理單元380的操作期間，若需要，可以將自電化學脫鹽電池單元320a產生的輸出功率的至少一部分施加至彼等水處理單元380，以提供用於操作的功率輸入。自電化學脫鹽電池單元320a產生的一部分輸出功率至另外的水處理單元380的導引可以藉由第三組電氣開關(S3A、S3B)來實現，所述第三組電氣開關可以相對於電力柵格及第二組電氣開關(S2A、S2B)並聯連接。當相當體積的水通過電化學脫鹽電池單元320a及附加水處理單元380時，操作另外的水處理單元380所需的功率輸入通常係儲存在電化學脫鹽電池單元320a中的功率的一小部分。因此，藉由將自電化學脫鹽電池單元320a釋放的一部分能量經由第三組開關(S3A、S3B)導引至任選的另外水處理單元380，一個或多個水處理單元380可以被充分供電，並且在放電模式期間另外功率可以自電化學脫鹽電池單元320a釋放至電力柵格。

此外，過程控制裝置385可以控制儲能系統300的各種組件的操作模式。過程控制裝置385可包含水流控制裝置作為其中的組件。水流控制裝置藉由第一、第二及/或第三壓力控制裝置(PC1、PC2、PC3)或藉由水泵(未示出)控制第一類型水W1、第二類型水W2及/或第三類型水W3的壓力。水流控制裝置可以經組態以在充電及放電模式期間根據需要引起水在不同方向上的流動，以及用於進一步的鹽化/脫鹽過程。

在圖4A至圖4B中提供了電池的初步效能結果，如上所述，用氯化鋅/鋅金屬作為陽極電解液及(三甲基胺基甲基)二茂鐵氯化物(FcNCl)作為陰極電解液。在圖4A中，示出了高標稱電池電勢(例如，約1.5V)，其實現高往返能量效率。圖4B示出了作為電池充電狀態(SOC)的函數的鹽漬流及脫鹽液流的各別鹽度。可以看出，自海水溶液中大量移除鹽係可能的(例如，35ppt至1.4ppt或96% TDS移除)。然而，80%的移除速率(例如，35ppt至約7ppt)更經濟。即使不能用反滲透處理的高鹼性鹽水(例如，約100ppt)，亦可用所述的四室電池處理。

如上所述，四室電滲析電池在充電及放電半循環期間產生脫鹽水。脫鹽水可以達至或低於0.5ppt的鹽度，但這種實現係以更低的往返能量效率為代價的。由於隨著脫鹽流的電解質含量下降，電池的面積比電阻(ASR)急劇增加，因此發生效率降低。然而，四室電池可以作為電滲析器在第三模式下操作。若陽極電解液或另一種氧化還原載體在陰極電解液及陽極電解液室周圍循環，則結合圖1A至圖1B描述的電池可以在電池不需要充電或放電時作為電滲析器操作。由在電滲析模式操作的裝置產生的中間鹽度(例如，10ppt)的水可以重新引入系統並進一步脫鹽至1.2ppt，或甚至達至或低於0.5ppt(亦即，可飲用)。下面結合圖5A至圖5C進一步描述三種替代操作模式。

圖5A示出了四室電滲析電池的放電操作模式(亦即，第一半循環)。將如海水的水(例如，約35ppt鹽度)輸入400至系統410。所述系統產生電力，及鹽水流430(例如，約60ppt鹽度)，所述電力被送至/儲存在電力柵格420處，所述鹽水流430被處理或進一步處理。系統410亦產生具有中間鹽度440(例如，約10ppt鹽度)的脫鹽水流，其例如儲存在儲罐450中。

圖5B示出了圖5A的四室電滲析電池的第二半循環，充電模式。如海水(例如，約35ppt鹽度)的水與自電力柵格420至系統410的電力一起輸入400。系統產生鹽水流430(例如，約60ppt鹽度)，其被處理或進一步處理。系統410亦產生具有中間鹽度440(例如，約10ppt鹽度)的脫鹽水流，其例如儲存在儲罐450中。電池充電及放電模式使用兩種氧化還原活性材料，如上面結合圖2A至圖2B所論述的。在充電及放電模式下操作的系統亦可視情況在電滲析器模式下操作而無需另外費用。

圖5C示出了當電池不處於充電或放電模式時使用的圖5A至圖5B的四室電滲析電池的第三電滲析操作模式。然而，電池操作的不同之處在於，在電滲析模式中，僅穿梭一種氧化還原活性材料，類似於結合圖1A至圖1B論述的材料。因此，雖然經組態以以充電及放電模式操作的電池可以容易地修改用於電滲析模式，但由於材料量的至少大量增加，相反的情況更複雜且成本更高。

在電滲析模式中，來自具有中間鹽度440(例如，約10ppt鹽度)的儲罐450的水與來自電力柵格420的電力一起輸入至系統410。輸入水可以係來自上述充電及放電模式中之一種或兩種的脫鹽輸出。系統產生與用於充電/放電模式的輸入水類似的鹽水流400(例如，約35ppt鹽度)，其被處理及/或再循環。系統410亦產生具有甚至更低鹽度460(例如，約0.5ppt鹽度)的脫鹽水流。例如，來自電滲析模式的脫鹽輸出流可以係可飲用的並且作為淡水提供給消費者。應注意，電滲析模式不儲存能量。

在每種模式下，連續將供水分成鹽漬及脫鹽流。在各種實施例中，各種供給、鹽漬及脫鹽溶液的鹽度可以基於流速、操作電流密度及許多其他因素獨立地變化。在進一步的實施例中，電滲析電池可以在充電及/或放電模式期間產生等於或低於0.5ppt的脫鹽水。上述模式使得電滲析電池能夠使用現有硬體產生淡水，並且減輕及/或排除對單獨的二級脫鹽系統(例如，二級反滲透系統)的需要。

圖5C的電滲析模式可以用在幾個另外的實施例中。電池亦可再生溶質(亦即液體乾燥劑)的濃縮水溶液，當溶解在足夠高濃度的水中時，所述溶液能夠自溶液接觸的不同材料中移除水。例如，各種系統中的這種四室電池可以應用於涉及脫水及/或乾燥的各種過程，包含但不限於水性噴墨油墨、含有溶解水的非水液體及含水的固體材料。例示性實施例可以與各種除水功能相關，包含空氣的除濕、水性液體的濃縮、無水液體的乾燥及固體的脫水。

結合圖5D進一步描述了針對空氣調節的例示性實施例。已經探索了液體乾燥劑用於室內空氣的節能空調。為了在舒適的溫度及濕度下(例如，如美國採暖、製冷及空調工程師協會所定義)產生室內空氣，空調可能需要過度冷卻進氣以將濕度降低至可接受的水平。然後在重複過程中使用額外的能量將過冷空氣再加熱至所需溫度。

替代地，吸入空氣的較少量冷卻可以與不同的除濕過程組合，以便產生調節空氣。一種方法使用液體乾燥劑空調來實現除濕。例如，水有時經由膜被吸收至對水蒸氣具有高親和力的液體乾燥劑介質中。這種液體乾燥劑的實例包含離子鹽，例如氯化鈣、氯化鋰及溴化鋰的濃縮水溶液。在乾燥劑吸收空氣中的水蒸氣之後，乾燥劑比吸收之前更稀釋，並且必須再濃縮(亦即再生)至原始濃度或大約原始濃度，同時移除自進氣中吸收的額外水，以便再次使用。

雖然有些方法藉由加熱稀釋溶液來蒸發過量的水，但由於隨著溶液的鹽含量及相對濕度增加蒸發速率減慢，此等方法效率低下。此外，然後在開始新的過程之前需要冷卻液體乾燥劑，以避免對被調節的空氣進行不合需要的加熱。如上面結合圖1A至圖1B所論述的，本文所述的四室電池在非熱處理中進行節能電滲析。在電滲析模式下操作的四室電池可以藉由將濃縮的液體乾燥劑流與自進氣中吸收的水分離來再濃縮稀釋的液體乾燥劑溶液。

圖5D示出了在除濕過程中併入四室電池的系統。除濕模組470獲取輸入空氣474(例如，待冷卻的空氣)並將輸入空氣474曝露於具有第一濃度(例如，40%氯化鋰)472的液體乾燥劑。液體乾燥劑472自輸入空氣中移除水蒸氣以對空氣進行除濕。然後冷卻及/或進一步處理除濕空氣並自模組470輸出。在對空氣進行除濕時，液體乾燥劑自空氣中吸收水蒸氣，從而將液體乾燥劑稀釋至第二濃度(例如，35%氯化鋰)476。然後將稀釋的液體乾燥劑476輸入478至包含四室電池的系統410中，如上面結合圖3所述。例如，除濕模組470將替換第一水罐330，輸入478將替換埠332、334。稀釋的液體乾燥劑476將輸入第二水室304及第一水室306以供處理。

然後使用四室電池重新濃縮液體乾燥劑，所述液體乾燥劑通常係無機鹽(例如氯化鋰)的濃縮溶液。在某些實施例中，為降低經由自脫鹽流至鹽漬流的水交叉的損失，系統410可以包含一個或多個另外的不同的四室電池(例如，由電池堆320b表示)，其中鹽度在幾個階段中降低至所需水平。與液體乾燥劑再生相關的實施例利用單個氧化還原梭用於能量效率。在一些實施例中，氧化還原梭亦可包含一定量的溶解無機鹽，其充當支撐電解質，同時保持電池堆320b的所有四室滲透平衡。在某些實施例中，溶解的無機鹽與待再生的液體乾燥劑中的材料相同。與上面論述的實施例類似，系統可以在可忽略的過電勢下操作。單個氧化還原梭亦以降低及/或最小化去向鹽漬流及脫鹽流或來自鹽漬流及脫鹽流的淨水交叉的濃度操作。氧化還原梭的實例係如上所述的BTMAP-Fc，因為其在水中具有非常高的溶解度，所述溶解度可以與乾燥劑流的濃度(例如，至多約為約1.9莫耳或約10莫耳)緊密匹配或匹配，或可以保持溶解在含有高濃度溶解無機鹽的溶液中，所述溶解無機鹽用作支撐電解質，同時保持電池堆320b的所有四室滲透平衡。

系統410輸出具有與第一濃度(例如40%氯化鋰)大致相同或相同濃度的再生液體乾燥劑流472(例如鹽漬流)。然後將所述流回饋至除濕模組470中。類似於圖5C，系統410亦輸出脫鹽流480。脫鹽流亦將包含至少少量溶解的鹽，其可作為廢物排出。替代地，若鹽足夠便宜以丟棄，則脫鹽流480可以作為灰水再利用，從而產生操作成本。在進一步的實施例中，可以使用除電滲析之外的技術(例如膜滲透蒸發)再濃縮脫鹽流480，並將其回饋至系統410的中間處理階段。在HVAC實施例中，可以使用蒸發方法進行再濃縮，以在整合至完整HVAC系統中時實現另外的顯熱冷卻。如上所述，包含液體乾燥劑的再生的除濕過程藉由併入四室脫鹽電池以低比能耗進行。

總之，上述四個(或更多個)腔室脫鹽電池可以使用在陽極及陰極周圍循環的氧化還原活性物質，其中其在兩個電極處經歷法拉第反應，或者分別限制在陽極或陰極的兩種氧化還原活性物質。利用這種電池的各種實施例可以在低比能耗下進行電滲析，無論在充電還是放電半循環期間，連續產生視情況連接至電能儲存的脫鹽及鹽水，並且可以使得連接水脫鹽及儲能的裝置能夠以能夠在低比能耗下進行電滲析的模式可逆地操作。

上述特徵將參照以下實施例進一步詳細論述。

實例1

建構了與圖1B所示一致的節能的氧化還原輔助電滲析系統。陽極及陰極由三片多孔碳纖維紙(SGL 39AA)組成，所述多孔碳纖維紙(SGL 39AA)用蛇形流體通道(Enegreis)壓製在熱密封石墨塊上，並藉由Viton墊圈與中心脫鹽/鹽漬室分離。陰離子交換膜係Fumasep FAS-15，並且陽離子交換膜係Nafion 212。

當0.1M Na₃Fe(CN)₆、0.1M Na₄Fe(CN)₆及1% NaCl(50mL)的溶液流過陽極/陰極並且在鹽漬室及脫鹽室(各50mL)中都有0.6M NaCl時，系統的高頻面積比電阻量測為11.5Ω．cm²並且極化面積比電阻為13.7Ω．cm²。圖6A示出了作為電流密度604(圓點，右軸)的函數的所施加的電勢與所得電流密度602(正方形點，左軸)以及系統極化面積比電阻之間的關係。圖6B示出了作為電流密度(或NaCl輸送速率)的函數的系統的比能耗之間的關係。各別實驗數據點展示為正方形。電流密度與鹽的輸送速率成正比。根據電池的操作方式，在低於約80mA/cm²的電流密度下，比能耗低於習知電滲析的比能耗，並且低於約20mA/cm²的海水反滲透的比能耗，但反滲透的比能耗隨著入口鹽度的提高而急劇增加。

若需要，電池可以以較高的比能耗產生較大體積的脫鹽物。由於面積比電阻降低，預計引起對電池的比能耗的改良。利用此系統，在自海水(例如35ppt NaCl)的單級中可以直接生產可飲用鹽度(例如<0.5ppt NaCl)的水。向電池施加0.5V的恆定電壓，使鹽漬室中的水提高鹽濃度，並使脫鹽室中的水降低鹽濃度。鹽濃度可以降低至可飲用鹽度的臨限值濃度或低於臨限值濃度。鹽漬及脫鹽室中水的鹽濃度的演變在圖6C中示為通過的電荷的函數，在圖6D中示為時間的函數。在實驗結束時，脫鹽室內的水的NaCl濃度為0.3ppt，遠低於可飲用鹽度的臨限值。

為了將氧化還原輔助電池與習知電滲析進行比較，對如上所述在同一電池中運行的習知電滲析過程進行比能耗建模。圖7A針對電池堆中之各別習知及氧化還原輔助電滲析系統以實線展示所得操作電勢且以虛線展示比能耗。電池面積比電阻預期在習知及氧化還原輔助電滲析之間類似，因為面積比電阻由膜電阻、介入腔室中電解質的離子電導率及膜間間距控制。通常，對於每個陽極與陰極之間的每n對鹽漬/脫鹽室，另外加電勢對習知電滲析的比能耗的貢獻可以降低n倍。但是，其永遠不會歸零。圖7B提供了對於每個陽極及陰極具有一對鹽漬/脫鹽室及25對腔室的電池、氧化還原輔助及習知電滲析的相對比能耗的比較。在某些實施例中，例如本實施例中描述的電池堆，n=1，但n=25在習知電滲析中係典型的。

實例2

在另一個實施例中，使用BTMAP-Fc代替Fe(CN)作為氧化還原梭。預期BTMAP-Fc的使用避免了將由Fe(CN)與某些金屬離子反應形成的不溶性固體的形成。第二節能的氧化還原輔助電滲析系統構造成與圖1B所示一致。陽極及陰極由三片多孔碳纖維紙(SGL 39AA)組成，所述多孔碳纖維紙(SGL 39AA)用蛇形流體通道(Enegreis)壓製在熱密封石墨塊上，並藉由Viton墊圈與中心脫鹽/鹽漬室分離。陰離子交換膜係Fumasep FAS-30，並且陽離子交換膜係Fumasep E630。

當包括0.05M BTMAP-Fc、0.05M BTMAP-Fc⁺及1% NaCl(50mL)的溶液流過陽極/陰極並且在鹽漬室及脫鹽室(各50mL)中都有0.6M NaCl時，系統的高頻面積比電阻量測為17.9Ω．cm²並且極化面積比電阻為26.0Ω．cm²。圖14A示出了作為電流密度1404(圓點，右軸)的函數的施加電勢與所得電流密度1402(正方形點，左軸)以及系統極化面積比電阻之間的關係。圖14B示出了作為電流密度(或NaCl輸送速率)的函數的系統的比能耗之間的關係。各別實驗數據點展示為正方形。電流密度與鹽的輸送速率成正比。根據電池的操作方式，在低於約40mA/cm²的電流密度下，比能耗低於習知電滲析的比能耗，並且低於約10mA/cm²的反滲透的比能耗，但反滲透的比能耗隨著入口鹽度的提高而急劇增加。若需要，電池可以以較高的比能耗產生較大體積的脫鹽物。由於面積比電阻降低，預計引起對電池的比能耗的改良。使用此系統，在自海水(例如35ppt NaCl)的單級中可以直接生產可飲用鹽度(<0.5ppt NaCl)的水。向電池施加0.5V的恆定電壓，使鹽漬室中的水提高鹽濃度，並使脫鹽室中的水降低鹽濃度。鹽漬及脫鹽室中水的鹽濃度的演變在圖14C中示為通過的電荷的函數，在圖14D中示為時間的函數。在實驗結束時，脫鹽室內的水的NaCl濃度為0.3ppt，遠低於可飲用鹽度的臨限值。

在又另一實施例中，可以進行幾個脫鹽階段，其中氧化還原活性反應物，視情況使用包括鹽漬/脫鹽的載體電解質，以相對於鹽漬/脫鹽的鹽濃度合適的濃度使用，以便使每個階段中的水輸送最小化。這降低或最小化由自鹽漬/脫鹽室至陽極電解液/陰極電解液室或自陽極電解液/陰極電解液室輸送的水引起的能量低效率。

實例3

為了判定電池尺寸及電流密度(以及因此水輸出)的組合對給定電池容量具有最經濟的意義，建構了與圖2A至圖2B的設計一致的Zn|FcNCl電池之複雜的自下而上成本模型，其中在上述實例中報告的實驗獲得的極化面積比電阻值作為輸入。1MW、12MWh(傳送的)系統能夠以大約10ppt的鹽度以17.5mA/cm²的最佳化電流密度每天生產2000m³微鹹水。此電滲析電池系統的各種效能量度如圖8A至圖8D所示。圖8A示出了使用所述保守價格的上述四室電滲析電池的系統成本及收益。近期(例如，現在)、中期(例如，5年)及長期(例如，10年)係指電池堆的各個組件的價格預測。圖8B示出了包含估計的分流及泵送損失的往返能量效率效能，而圖8C示出了用於近、中及長期的淨系統值(亦即，收益較少的系統成本)。此外，圖8D提供了預計的盈虧平衡時間，其隨著系統的壽命而降低。可以看出，相應的往返能量效率為55%，並且脫鹽的總比能耗為0.196kWh/kg NaCl(或產生10ppt脫鹽物的4.91kWh/m³)。

在13.5%的內部回報率(IRR)下，最小盈虧平衡時間將是7.4年，假定用於電力的保守價格為$0.04/kWh，用於完全脫鹽的水的保守價格為$0.81/m³，以及$0.17/m³作為處理微鹹水輸出的另外成本。將用於儲能的能量成本目標部門($150/kWh)作為用於儲能的「值」的第一近似。

然而，經濟情況在能量容易以太陽日射或化石燃料的形式獲得的世界的乾旱部分變得更加引人注目，並且對淡水的需求很高。此等地方包含沙特阿拉伯及波斯灣周圍的其他國家。在此等地區，淡水的價格較高，約為$1.35/m³，這反映了增加的需求，並且提高了對波斯灣的高鹽水脫鹽的難度，所述高鹽水通常為約45ppt(與通常海水的35ppt相比)。此外，世界上此地區的輸入電價較低，價格約為$0.02/kWh。在圖9A至圖9D中示出了可比較的系統成本、收入及相關效能量度。

近期(例如，現在)、中期(例如，5年)及長期(例如，10年)同樣係指電池堆的各個組件的價格預測。圖9A示出了上述四室電滲析電池的系統成本及收益，所述四室電滲析電池使用樂觀的但可獲得的波斯海灣區域的定價。圖9B示出了包含估計的分流及泵送損失的往返能量效率效能，而圖9C示出了用於近、中及長期的淨系統值(亦即，收益較少的系統成本)。此外，圖9D提供了預計的盈虧平衡時間，其隨著系統的壽命而降低。在這種情況下，對於另一個1MW、12MWh系統進行重新計算，在42%的往返能量效率下，最佳電流密度為25mA/cm²，在10ppt下產生1600m³/天的脫鹽物。預計比能耗為0.293kWh/kg NaCl移除，或產生10.26kWh/m³的脫鹽物。在21.7%的IRR下，最低盈虧平衡時間為4.6年。

在任一種情況下，如圖10所示，組件成本的分解展示成本由電池中的各種離子選擇膜控制。兩種情況下的IRR很大程度上取決於電池堆的極化面積比電阻，其在此基於未最佳化的實驗結果。對面積比電阻的進一步改良可以藉由精煉電池設計來降低及/或最小化膜間間距來實現，這目前係系統面積比電阻的體積的原因。由於操作費用在很大程度上取決於各種膜的壽命，因此可以使用配位體及/或表面處理。例如，Zn²⁺離子穿過陰離子交換膜並進入海水室的交叉可能導致陽極電解液損失。由於鋅價格低廉且易於在下遊移除，因此可以容忍一些膜交叉，並定期添加鋅以進行再平衡。然而，若量測的交叉速率不可接受的高(亦即，太昂貴)，則可以將配位體及/或表面處理添加至膜(亦在陰極電解液側)以降低交叉。基於此分析，預期系統的壽命與習知電滲析(例如，約十年)或更長時間相當，因為膜不會因水裂解或氯演變而曝露於極端pH。下面進一步描述這種電化學脫鹽流體電池的使用。

圖11示出了在儲能系統中使用如上所述的四室電化學脫鹽流體電池的實例方法。更特定言之，裝置用作脫鹽流體電池以在交替循環中儲存電力及脫鹽水。由於循環交替，可以將充電循環或放電循環視為「第一」。在圖11的實例中，電池被放電以產生鹽水輸出，脫鹽輸出，並且在第一半循環中儲存能量1102。在第二半循環中，對電化學電池充電以產生鹽水輸出及脫鹽輸出1104。在某些實施例中，用於進行充電循環的能量可以來自如太陽能或風力的可再生能源。流體電池可以在陽極及陰極周圍循環的單個氧化還原活性物質在兩個電極處進行法拉第反應的情況下操作，或者兩個氧化還原活性物質各自在每個電極處的情況下操作。

下面進一步描述圖11的方法。在放電半循環中，提供電化學脫鹽電池單元。電池單元包括至少一對儲集器，其中每個儲集器包括輸入及輸出。將水(例如，鹽度為約35ppt的海水)輸入兩個儲集器中。在排放模式期間，第一儲集器中的水的鹽度降低至低於臨限值濃度(例如，約10ppt，或在其他實施例中，約0.5ppt)，第二儲集器中的水的鹽度提高(例如，約60ppt)。至少一個陽極包括第一電解質材料的第一溶液，並且經組態以接受並且具有與第一儲集器的水中的至少一種氧化還原活性離子的可逆氧化還原反應，且至少一個陰極包括第二電解質材料的第二溶液，並且經組態以接受並且具有與第二儲集器的水中的至少一種氧化還原活性離子的可逆氧化還原反應。這對儲集器由第一類型交換膜(例如，陰離子交換膜)分離。第二類型的交換膜，其不同於第一類型的交換膜(例如陽離子交換膜)，所述第二類型的交換膜設置在至少一個陽極與第一儲集器之間，並且亦設置在至少一個陰極與第二儲集器之間。在排放期間，待處理的水(例如，海水)被輸送進入/通過第一及第二儲集器。來自第一儲集器的脫鹽水例如保存在儲罐中，而在第二儲集器中產生的鹽水自系統中移除/排出。替代地，可以將鹽漬流保存在例如另一個儲罐中，用於進一步處理或使用。電力亦被產生並儲存至電力柵格。然後，脫鹽的水可以視情況饋入一個或多個具有類似設計的另外的電化學脫鹽電池單元及/或一個或多個另外的脫鹽系統中，所述另外的脫鹽系統使用不同於電化學電池的水處理過程。另外的脫鹽電池及/或脫鹽系統可以以任何順序及組合串聯提供。自系統輸出的水可以係可飲用的，具有例如等於或小於0.5份/千的鹽度。

在進行另一個半循環之前，此為充電半循環，第一對儲集器的內容物用待處理的新的水(例如，新的海水)替換。在充電循環期間，第二儲集器的鹽度降低並且第一儲集器的鹽度提高(儲集器在相反的半循環期間改變角色)。因此，需要交替地收集通過各別儲集器的水。例如，在充電模式期間，自第二儲集器收集並儲存脫鹽水，並且排出自第一儲集器輸出的鹽漬流。在充電、放電及電滲析模式期間，脫鹽電池產生脫鹽水。

由於脫鹽電池能夠進行儲能及脫鹽，並且脫鹽過程與儲能相關聯，因此可以以不同的速率及持續時間進行電池的充電、放電及/或空轉。此變化可以增加或最大化儲存及傳送的電能量、鹽化及/或脫鹽水通量，及/或總系統收益。使用僅能夠進行脫鹽或儲能的系統無法實現這種多功能性。

當上述系統涉及單個氧化還原活性物質並且不充電或放電時，其可以在第三電滲析模式下操作以產生鹽水輸出及脫鹽輸出，如圖12所示。例如，系統可以接收中間鹽度(例如，約10ppt)的微鹹水作為對電池的輸入1202。如結合圖1A至圖1B所描述的操作電池提供了鹽度高於輸入水的至少一種鹽漬流及鹽度低於輸入水的至少一種脫鹽流的輸出，例如飲用水(例如TDS等於或小於0.5ppt的水)1204。

利用以上結合圖11及圖12描述的系統的其他實施例係關於HVAC應用，例如用於空調的除濕，並且在圖13中進一步描述。在輸入至脫鹽系統之前，使用液體乾燥劑自空氣1302中移除水(例如，水蒸氣)。如上所述，將稀釋的液體乾燥劑輸入至系統中1304，並包含四室脫鹽電池。處理輸入液體乾燥劑(例如，代替海水)產生再生液體乾燥劑的鹽漬流(例如，處於或接近在除濕過程中使用的濃度)及脫鹽流1306。所述系統可以以這種方式用於涉及用於分離成鹽漬流及脫鹽流的非水溶液的各種實施例中。

在某些實施例中，混合脫鹽電池可用於自鹽水含水層中脫鹽海水或鹽水。在其他實施例中，電池可用於脫鹽大量工業廢物流或地熱鹽水，其可處於不同的pH值及/或含有各種量的非水溶劑。在進一步的實施例中，電池可用於選擇性地移除/添加離子至一個儲集器中，同時保持電解質的一種或多種性質，例如pH、總懸浮固體及電導率。應注意，混合脫鹽電池可以在類似於進入給水(例如，海水/鹽水)的pH下操作，以降低或最小化pH調節的需要。此外，如上所述，在其他實施例中，一個腔室(例如，陽極電解液)可以具有比其他腔室略低的pH。

除非另有說明，否則在說明書及申請專利範圍中使用的表示特徵尺寸、量及物理特性的所有數字應理解為在所有情況下均由術語「約」修飾。因此，除非有相反的指示，否則在前述說明書及所附申請專利範圍中列出的數值參數係近似值，其可以根據本領域中熟習此項技術者利用本文揭示的教導尋求獲得的期望特性而變化。使用端點數值範圍包含所述範圍內的所有數字(例如，1至5包含1、1.5、2、2.75、3、3.80、4及5)及所述範圍內的任何範圍。