海水からのＣＯ２ガスの電気透析分離
【課題】ＣＯ２の分離のためよりコンパクトなシステムを提供する。
【解決手段】ＢＰＭＥＤ装置の中に処理溶液と電極溶液とを流すことと、処理溶液が酸性化および塩基性化され、溶解されたＣＯ２が、生成されるように電圧を印加することと、装置から処理溶液を流すことと、処理溶液からＣＯ２を脱着することとを含む。海洋からＣＯ２を脱着する方法は、ＢＰＭＥＤ装置の中に海水と電極溶液とを流すことと、溶解されたＣＯ２が、生成されるように電圧を印加することと、装置から海水を流すことと、海水からＣＯ２を脱着することとを含む。脱塩された溶液とＣＯ２ガスとを産出する方法は、１つ以上の３コンパートメントセルを含むＢＰＭＥＤ装置の中に処理溶液と電極溶液とを流すことと、処理溶液が、酸性化、塩基性化、および脱塩されるように電圧を印加することと、装置から処理溶液を流すことと、処理溶液からＣＯ２を脱着することとを含む。
【解決手段】ＢＰＭＥＤ装置の中に処理溶液と電極溶液とを流すことと、処理溶液が酸性化および塩基性化され、溶解されたＣＯ２が、生成されるように電圧を印加することと、装置から処理溶液を流すことと、処理溶液からＣＯ２を脱着することとを含む。海洋からＣＯ２を脱着する方法は、ＢＰＭＥＤ装置の中に海水と電極溶液とを流すことと、溶解されたＣＯ２が、生成されるように電圧を印加することと、装置から海水を流すことと、海水からＣＯ２を脱着することとを含む。脱塩された溶液とＣＯ２ガスとを産出する方法は、１つ以上の３コンパートメントセルを含むＢＰＭＥＤ装置の中に処理溶液と電極溶液とを流すことと、処理溶液が、酸性化、塩基性化、および脱塩されるように電圧を印加することと、装置から処理溶液を流すことと、処理溶液からＣＯ２を脱着することとを含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、米国国防総省の一部局であるＤＡＲＰＡによって認められた契約ＨＲ００１１−１０−Ｃ−０１４７号の下で、米国政府の支援で行われた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
大気二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度は、上昇し続けている。大気ＣＯ２の濃度は、毎年約２パーツ・パー・ミリオン（ｐｐｍ／ｙｒ）の速度で上昇している。大気中のＣＯ２の濃度は、約３８５ｐｐｍである。
【０００３】
世界の海洋は、長い間、大気ＣＯ２を吸収したり、放出したりしてきている。大気ＣＯ２は、海洋の水に溶解し、海水と反応して炭酸を形成する。次に、炭酸が、水素イオン（Ｈ＋）を放出し、重炭酸イオン（ＨＣＯ３−）および炭酸イオン（ＣＯ３−２）を形成する。溶解されたＣＯ２、ＨＣＯ３−、およびＣＯ３−２の相対分率を決定する海水のｐＨは、典型的には、約８．３であり、海水に溶解された全炭素の大部分が、ＨＣＯ３−の形態であることを意味する。海水中のＣＯ２の体積濃度は、比較的に、大気中のものよりもかなり高く、空気１リットル中に存在する量よりも約１００倍も多くの量のＣＯ２が、海水１リットル中に存在する。
【０００４】
混合気体の流れからＣＯ２を分離する技術、例えば、大気からＣＯ２を分離することは、典型的には、捕獲、および脱着／再生の二段階のプロセスを含む。最初に、気体は、混合気体流におけるＣＯ２ガスと反応する「捕獲前水溶液」と接触させられ、それから、「捕獲後溶液」と呼ばれるものの中にＣＯ２を「捕獲」する。次に、純粋なＣＯ２ガスの流れが、ＣＯ２が豊富な捕獲後水溶液から脱着されると同時に、さらなる捕獲サイクルのために再使用されることが出来る捕獲前溶液に捕獲後溶液を再生することが出来る。
【０００５】
捕獲前溶液は、ＣＯ２が捕獲前溶液を用いて分離される混合気体流と接触する構造物である「接触器」に含有される。水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの水酸化物捕獲前水溶液、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）または炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）などの炭酸塩捕獲前水溶液、および炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）または炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）などの重炭酸塩捕獲前水溶液を含む様々な捕獲前溶液が存在する。例えば、煙道ガスからＣＯ２を除去するために、ガス流を洗浄する用途に使用されるモノエタノールアミン（ＭＥＡ）などの他の捕獲前溶液が公知である。水酸化物／炭酸塩／重炭酸塩の捕獲前溶液へのＣＯ２ガスの捕獲は、例えば、水酸化物（ＫＯＨまたはＮａＯＨ）捕獲後溶液、炭酸塩（Ｋ２ＣＯ３またはＮａ２ＣＯ３）捕獲後溶液、および／または炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）または炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）の捕獲後溶液の混合物からなるより酸性の捕獲後溶液に、元々の捕獲前溶液を転換する。
【０００６】
ＣＯ２の捕獲および脱着／再生の後、分離後のＣＯ２は、例えば、地理的に隔離されるか、またはコンクリートなどの有用な製品に組み込まれることが出来る。
【０００７】
混合気体流から分離されたＣＯ２からの液体炭化水素燃料、例えば、ガソリン、ディーゼル、またはＪＰ−８の生成は、遠隔の現場作業において特に重要であり得る。しかしながら、従来のＣＯ２分離ために必要とされる接触器は、サイズが大きいので、液体炭化水素燃料を遠隔の現場で生成することは、これまでのところ実現されていない。
【０００８】
バイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）は、他の化学物質を添加することなく、酸と塩基とに塩類水溶液を転換するために使用されることが出来る。ＢＰＭＥＤデバイスは、電圧が、イオン交換膜のスタックを横断して印加された時に、溶液中のイオン種を分離するためにイオン交換膜を使用する。周囲圧力よりも高い圧力における炭酸塩水溶液のＢＰＭＥＤは、捕獲後溶液からＣＯ２ガスを効率的に脱着することを示された。大気中ではＣＯ２の濃度が、非常に低い（３８５ｐｐｍ）ので、大量の空気が、大気から炭酸塩水溶液システムにＣＯ２を捕獲するように処理されなければならない。これが、遠隔の場所での配備などの特定の用途に対して必要とされるほどにはコンパクトではないことがあり得るシステムという結果になる。海洋の表面は、実質的に、接触器として働くので、海面から直接的にＣＯ２を脱着することは、接触器の必要性を排除し、ＣＯ２の分離のためのよりコンパクトなシステムをもたらす。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態のプロセスによる処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図２】図２は、実施形態のプロセスによる処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図３】図３は、「２コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタックの動作の概略図である。
【図４】図４は、「３コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタックの動作の概略図である。
【図５】図５は、電気透析を使用して、処理溶液からＣＯ２ガスを分離する実施形態のプロセスをテストする実験のために使用されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図６】図６は、電気透析を使用して、処理溶液からＣＯ２ガスを分離する実施形態のプロセスをテストする実験のために使用されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図７】図７は、様々な酸性溶液の最終的なｐＨ値と、真正の海水に対する流速とにおけるエネルギー消費に関するグラフである。
【図８】図８は、様々な酸性溶液の最終的なｐＨ値と、真正の海水に対する流速とにおけるＣＯ２分離の効率に関するグラフである。
【図９】図９は、様々な処理溶液に関する様々な酸性溶液の最終的なｐＨで、流速３．１ｌｐｍにおいて、ＣＯ２を分離する効率に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
上記で考察されたように、液体炭化水素燃料を遠隔の現場で生成するための開発を行う必要性がある。大気からＣＯ２を捕獲して再生し、それから、液体炭化水素燃料を含む様々な有用な製品に組み込まれることが出来るような試みが、行われている。しかしながら、大気からＣＯ２を捕獲して再生するためには、本質的に、大きい「接触器」を使用して、大量の空気が、処理されなければならず、システムが、一部の用途において必要とされるほどにはコンパクトではないことがあり得るという結果になる。
【００１１】
これらの不利な点は、バイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）を使用して、処理溶液から直接的にＣＯ２を獲得する例示的な実施形態によって克服されることが出来る。処理溶液は、「理想的」な（二価カチオンのない）海水溶液、もしくは理想的ではない（海洋において見つけられるような、二価カチオンを有する）海水溶液、逆浸透（ＲＯ）ブライン溶液、または溶解されたＣＯ２ガス、もしくはＨＣＯ３−イオンあるいはＣＯ３−２イオンを含有するその他任意の溶液のいずれかであり得る。理想的ではない海水溶液は、Ｉｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔなどの二価カチオンを含有する溶液から作られるか、または海洋から取られた真正の海水であるかのいずれかであってよい。海水溶液である処理溶液の場合、主に重炭酸イオンの形態である、海水１リットル中のＣＯ２の量が、空気１リットル中の量の約１００倍であることだけでなく、海水から直接的にＣＯ２を抽出することは、海水システムにおいては、海洋の表面が、１つの大きな接触器として効果的に働くので、空気からＣＯ２を捕獲するときに固有の接触器の必要性を排除する。これが、空気からＣＯ２を取得するシステムと比較して、海水からＣＯ２を取得するシステムの設置容積を非常に減少させる。さらに、海水からＣＯ２を取得するシステムに関して、電極洗滌溶液以外の外部の化学物質は、必要とされない。海水および電力だけが、システムへの入力である。
【００１２】
例示的な実施形態が、どのように働くかを理解するためには、最初に、ＢＰＭＥＤを理解することが、必要である。ＢＰＭＥＤは、酸と塩基とに塩類水溶液を転換する。現在利用可能なＢＰＭＥＤ装置は、少なくとも１つの電気透析セルで作成された電気透析膜スタックを含む。電気透析セルは、電位がセルを横断して印加された時に、水素イオン（Ｈ＋）と水酸化物イオン（ＯＨ−）への水の電離が生じるような、少なくとも１つのバイポーラ膜（ＢＰＭ）を含む。
【００１３】
ＢＭＰは、アニオン交換層と共に積層されたカチオン交換層から形成されるだけでなく、カチオン層とアニオン層との間の接合層から形成される。水は、接合層の中に拡散し、その解離定数に従った、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンとの通常の平衡に到達する。典型的には、ＢＰＭは、アニオン交換層が、ＢＰＭＥＤ装置のアノード（正極）端に面し、カチオン交換膜が、装置のカソード（負極）端に面するように配向される。この配向は、電位が膜スタックを横断して印加された時に、ＯＨ−イオンがアニオン交換層を横断して運ばれ、Ｈ＋アニオンがカチオン交換層を横断して運ばれることを可能にする。同時に、投入された塩類溶液の構成要素であるカチオンとアニオンとは、アニオン交換膜（ＡＥＭ）、カチオン交換膜（ＣＥＭ）、またはそれら２つの何らかの組み合わせのいずれかであるイオン交換膜を介して、電位を印加された条件下で分離される。次に、ＢＭＰによって「産出」されたＯＨ−（Ｈ＋）イオンは、投入された塩の親酸と親塩基とを含有する塩基（酸）性産出溶液を産出するように、投入された塩類溶液から分離されたカチオン（アニオン）と組み合わされる。１つ以上の「３コンパートメント」セルから構成される膜スタックなどの膜構成に従って、希釈された塩類溶液もまた、酸性の産出溶液および塩基性の産出溶液に加えて、産出物として産出されてもよい。
【００１４】
図１および図２は、例えば、海水溶液またはＲＯブラインなどの処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用されるＢＰＭＥＤシステムの概略図を示す。システムは、ＢＰＭＥＤ膜スタックを含むＢＰＭＥＤ装置１０１／２０１を含む。膜スタックは、１つ以上の２コンパートメントセル（例えば、図３）、または１つ以上の３コンパートメントセル（例えば、図４）のいずれかからなることが出来る。
【００１５】
図１は、「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムを描く。図２は、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムを描く。「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムと、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムとの間の差は、これらの図を参照して以下で記載される。
【００１６】
図１は、実施形態のプロセスに従った、処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。バッチモードにおいては、処理溶液が、２回以上、装置を通って流される。海水の場合、海水は、海洋から装置の中に直接的にポンプで汲み上げられ、記載されたプロセスのうちの１つを受けるために、複数回、装置１０１を通ってポンプで流され、そして、海に直接的に戻されてもよい。
【００１７】
図１のＢＰＭＥＤシステムは、１つ以上の２コンパートメントセル（図３を参照のこと）、または１つ以上の３コンパートメントセル（図４を参照のこと）のいずれかを有する膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置１０１を含む。ＢＰＭＥＤ装置１０１が、１つ以上の２コンパートメントセルを有する膜スタックを含むシステムにおいて、海水溶液またはＲＯブラインなどの処理溶液が、溶液タンク１０４および１０５に装填される。処理溶液の「バッチ」が、タンクに装填されると、次に、溶液は、タンク１０４および１０５からＢＰＭＥＤ装置１０１の中にポンプで流される。電圧が、電力供給源（図示せず）によってＢＰＭＥＤ装置１０１に印加される。電極溶液１０３もまた、ＢＰＭＥＤ装置１０１のいずれかの端において、装置を通って流され、電極溶液１０３は、ＢＰＭＥＤ装置１０１の電極だけを横断して流される。処理溶液が、ＢＰＭＥＤ装置１０１を通って流れると、ＢＰＭＥＤが、生じる。処理溶液は、膜スタックの酸性化される溶液のコンパートメントにおいて酸性化され、膜スタックの塩基性化される溶液のコンパートメントにおいて塩基性化される（図３を参照のこと）。２つの溶液流が、装置１０１を離れ、酸性化された溶液流は、タンク１０５の中に流れ、塩基性化された溶液流は、タンク１０４の中に流れる。
【００１８】
ＢＰＭＥＤ装置１０１が、１つ以上の３コンパートメントセル（図４を参照のこと）を有する膜スタックを含むシステムにおいて、全般的に同じプロセスが、生じる。処理溶液が、装置１０１の中に流され、電極溶液１０３が、いずれかの端において、電極を横断して装置１０１の中に流され、電圧が、電極供給源を使用して印加され、そして、処理溶液が、装置１０１を通って流れると、ＢＰＭＥＤが、生じる。２コンパートメントセルに関しては、処理溶液は、膜スタックの酸性化される溶液のコンパートメントにおいて酸性化され、膜スタックの塩基性化される溶液のコンパートメントにおいて塩基性化される（図３を参照のこと）。さらに、３コンパートメントセルの場合において、処理溶液は、膜スタックの第３のコンパートメントにおいて脱塩される（図４を参照のこと）。それから、３つの溶液流が、装置１０１を離れ、酸性化された溶液の流れ、は、タンク１０５の中に流れ、塩基性化された溶液の流れは、タンク１０４の中に流れ、そして、脱塩された溶液は、第３のタンク（図示せず）の中に流れる。脱塩された溶液は、例えば、飲料水として使用されてもよい。
【００１９】
一実施形態において、酸性化された溶液の流れは、装置１０１から、酸性化された溶液のタンク１０５には直接的には流ないが、むしろ、最初に、ＣＯ２脱着ユニット１０８を通って流れる。ＣＯ２脱着ユニット１０８は、ＣＯ２ガスがＣＯ２脱着ユニット１０８を通過すると、ＣＯ２ガスが、酸性化された溶液から能動的に抽出されることが出来るように、真空ポンプ１０９に接続される。ＣＯ２が、酸性化された溶液から抽出されると、酸性化された溶液は、ＣＯ２脱着ユニット１０８を出て、酸性化された溶液のタンク１０５に流れる。真空ポンプ１０９は、抽出されたＣＯ２を収集する、タンクなどのＣＯ２収集ユニット１１１に接続されてもよい。システムはまた、酸性化された溶液から抽出されたＣＯ２ガスの流れを監視するために、ＣＯ２脱着ユニット１０８と真空管ポンプ１０９との間に、ＣＯ２流量計１１０を含んでもよい。ＣＯ２脱着ユニット１０８と真空ポンプ１０９とは、２コンパートメントまたは３コンパートメントいずれかのＢＰＭＥＤユニット１０１と共に使用されてもよい。
【００２０】
一実施形態において、ＣＯ２脱着ユニット１０８は、直列した１つ以上の膜接触器（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｉｑｕｉｃｅｌ．ｃｏｍ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ＣＯ２．ｃｆｍ（２０１１年６月２０日現在）のＬｉｑｕｉ−Ｃｅｌ， Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ ｆｒｏｍ Ｗａｔｅｒを参照のこと）からなる。別の実施形態において、ＣＯ２脱着ユニット１０８は、溶液を撹拌する手段、例えば、シャワーヘッド設備を有するタンクである。酸性化された溶液を攪拌し、および／または酸性化された溶液のタンク１０５における気体の上部空間を混合する他の手段もまた、使用されてもよいことが理解される。
【００２１】
別の実施形態において、システムは、酸性化された溶液の流れが、酸性化された溶液のタンク１０５にＢＰＭＥＤ装置１０１から直接的に流れるように、ＣＯ２脱着ユニット１０８を含まない。ＣＯ２ガスは、酸性化された溶液のタンク１０５における酸性化された溶液から受動的に放出し、酸性化された溶液のタンク１０５に取り付けられたＣＯ２収集ユニット１１５に収集されてもよい。あるいは、システムは、ＣＯ２ガスが、酸性化された溶液から能動的に放出されるように、酸性化された溶液において、酸性化された溶液を撹拌する手段、例えば、シャワーヘッド設備または真空ポンプを含んでもよい。能動的に放出されたＣＯ２ガスは、酸性化された溶液タンク１０５に取り付けられたＣＯ２収集ユニット１１５によって制御されてもよい。
【００２２】
酸性化された溶液および塩基性化された溶液が、ＢＰＭＥＤ装置１０１から流れて、酸性化された溶液のタンク１０５および塩基性化された溶液のタンク１０４に流れ込むと、酸性化された溶液および塩基性化された溶液は、ＢＰＭＥＤ装置に戻ってもよい。このようにして、処理溶液は、２回以上、装置を通って流される。
【００２３】
一実施形態において、システムは、再結合ユニット１１４を含む。再結合ユニット１１４は、例えば、溶液が、ＢＰＭＥＤ装置を所望の回数通過した後、酸性化された溶液のタンク１０５および塩基性化された溶液のタンク１０４から酸性化された溶液および塩基性化された溶液を受け取る別個のタンクであってもよい。酸性化された溶液および塩基性化された溶液が、再結合された時、それらは、再び中和され、そして、海水の場合には、海の中に直接的にポンプで戻されることが出来る。追加の化学物質が、溶液に添加される必要がないので、中和された溶液を海の中にポンプで戻すことは、有害な影響が、ほとんどないか、または全くない。それはまた、システムが、地球の海洋からＣＯ２を「洗浄」する方法として使用されることを可能にする。
【００２４】
一実施形態において、ＢＰＭＥＤユニット１０１は、そのユニットを通って酸性化された溶液を定期的に流すことによって湯垢を除去されることが出来る。使用される酸性溶液は、ＢＰＭＥＤプロセスから生じる産出物の酸性溶液であってもよい。このようにして、処理溶液に存在する塩基性化された溶液におけるあらゆる二価のカチオン、例えば、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋から生じるあらゆる湯垢が、酸性溶液との接触を介して定期的にきれいにされる。
【００２５】
図２は、実施形態のプロセスによる処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。貫流モードにおいては、処理溶液は、１回だけ装置を通って流される。海水の場合、海水が、海洋から装置の中に直接的にポンプで汲み上げられ、記載されたプロセスのうちの１つ受け、そして、海に直接的にポンプで戻される。
【００２６】
図２のＢＰＭＥＤシステムは、図１のＢＰＭＥＤシステムと同様に、１つ以上の２コンパートメントセル（図３を参照のこと）、または１つ以上の３コンパートメントセル（図４を参照のこと）のいずれかを有する膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置２０１を含む。
【００２７】
「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムは、「バッチ」モード（図１）で動作されるＢＰＭＥＤシステムと同様に動作する。処理溶液が、装置２０１の中に流され、電圧が、印加され、電極溶液２０３が、いずれかの端においてＢＰＭＥＤ装置２０１の中に流され、そして、溶液が、装置２０１を通って流れると、ＢＰＭＥＤが、生じる。１つ以上の２コンパートメントセルから構成された膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置１０１の場合において、酸性化された溶液の流れおよび塩基性化された溶液の流れが、装置２０１を離れる。１つ以上の３コンパートメントセルから構成された膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置２０１の場合において、酸性化された溶液の流れ、塩基性化された溶液の流れ、および脱塩された溶液の流れが、装置２０１を離れる。
【００２８】
バッチモード（図１）で動作されるＢＰＭＥＤシステムとまた同様に、酸性化された溶液の流れは、酸性化された溶液のタンク２０５に装置２０１から直接的に流れることが出来るか、または最初にＣＯ２脱着ユニット２０８を通って流れることが出来るかのいずれかである。ＣＯ２脱着ユニット２０８は、ＣＯ２ガスが、能動的に抽出されることが出来るように、真空ポンプ２０９に接続されてもよい。真空ポンプ２０９は、抽出されたＣＯ２を収集する、タンクなどのＣＯ２収集ユニット２１１に接続されることが出来る。システムはまた、酸性化された溶液から抽出されたＣＯ２ガスの流れを監視するために、ＣＯ２脱着ユニット２０８と真空ユニット２０９との間に、ＣＯ２流量計２１０を含んでもよい。あるいは、ＣＯ２脱着ユニット２０８は、直列した１つ以上の膜接触器からなってもよく、または溶液を撹拌する手段、例えば、シャワーヘッド設備を有するタンクであってもよい。別の実施形態において、システムは、ＣＯ２脱着ユニット２０８を含まず、酸性化された溶液が、酸性化された溶液のタンク２０５の中に装置２０１から直接的に流れ、ＣＯ２が、タンク２０５において受動的に放出されるか、またはタンク２０５において能動的に放出されるかのいずれであってもよい。受動的に放出されたガスであっても、能動的に放出されたガスであっても、酸性化された溶液のタンク２０５に取り付けられたＣＯ２収集ユニット２１５によって収集されてよい。
【００２９】
「貫流」モード（図２）において動作されるＢＰＭＥＤ装置と、「バッチ」モード（図１）において動作されるＢＰＭＥＤ装置との間の差は、「貫流」モードにおいて動作されたシステムに関しては、酸性化された溶液および塩基性かされた溶液が、酸性化された溶液のタンク２０５および塩基性かされた溶液のタンク２０４の中に装置２０１から流れると、酸性化された溶液および塩基性かされた溶液は、ＢＰＭＥＤ装置の中に戻されないということである。このように、処理溶液は、装置２０１を通って１回流されるだけである。
【００３０】
一実施形態において、システムは、例えば、溶液が、ＢＰＭＥＤ装置を貫流した後、酸性化された溶液のタンク２０５および塩基性化された溶液のタンク２０４から酸性化された溶液および塩基性化された溶液を受け取る別個のタンクなどの再結合ユニット２１４を含む。酸性化された溶液および塩基性化された溶液が、再結合された時、それらは、再び中和され、そして、海水の場合には、海の中に直接的にポンプで戻されることが出来る。追加の化学物質が、溶液に添加される必要がないので、中和された溶液を海の中にポンプで戻すことは、有害な影響が、ほとんどないか、または全くない。それはまた、システムが、地球の海洋からＣＯ２を「洗浄」する方法として使用されることを可能にする。
【００３１】
「バッチ」モード（図１）で動作されるＢＰＭＥＤシステムに関して、ＢＰＭＥＤユニット２０１は、そのユニットを通って酸性溶液を定期的に流すことによって、湯垢が除去されることが出来る。使用される酸性溶液は、ＢＰＭＥＤプロセスから生じる産出物の酸性溶液であってもよい。このようにして、処理溶液に存在する塩基性化された溶液におけるあらゆる二価カチオン、例えば、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋から生じるあらゆる湯垢が、酸性溶液との接触を介して定期的にきれいにされる。
【００３２】
図３は、「２コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して、海水溶液またはＲＯブラインなどの単一の処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタックの動作の概略図を示す。電圧は、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０５との交互のスタックを横断して印加される。酸性化される溶液のコンパートメント３０６は、ＢＰＭ３０４と、隣接するＡＥＭ３０５との間に形成され、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７は、ＡＥＭ３０５と、隣接するＢＰＭ３０４との間に形成される。所与の電気透析スタック３０８における酸性化される溶液のコンパートメント３０６および塩基性化される溶液のコンパートメント３０７の数は、スタック３０８における電気透析セル３０９の数の関数である。電気透析装置は、任意の数の電気透析セル３０９を受け入れるように適合されることが出来る。電気透析スタック３０８はまた、２つの端膜（図示せず）を含み、ＢＰＭＥＤスタック３０８のいずれかの端に１つの端膜を含む。これらの端膜のそれぞれが、使用される膜スタックの構成、使用される処理溶液、および使用される条件に従って、ＢＰＭ、ＡＥＭ、またはＣＥＭとなり得る。
【００３３】
単一の処理溶液３０１が、電気透析スタック３０８の全てのコンパートメント３０６および３０７を通って流される。一実施形態において、処理溶液３０１は、海水溶液である。例えば、電気透析装置は、海の船舶上で使用されてもよく、海水が、海洋から直接的に取られ、電気透析装置の中に流されてもよい。あるいは、海水溶液は、Ｉｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを用いて作成した人工海水溶液などの人工海水溶液であってもよい。あるいは、処理溶液３０１は、ＲＯブラインなどの濃縮処理溶液であってもよい。電気透析装置の中に流される唯一の他の溶液は、ＫＯＨまたはＨ２ＳＯ４／Ｎａ２ＳＯ４などの電極溶液であり、電極溶液は、電極溶液が、スタック３０８の各端に配置された電極３０２および３０３を横断して流れるように、電気透析スタック３０８の各端に配置された２つの電極コンパートメント（図示せず）に流される。
【００３４】
電極３０２および３０３において印加された電圧の下で、ＡＥＭ３０５は、負に帯電されたアニオンが、負極３０３から正極３０２まで膜を横断して通過することを可能にする。海水溶液の場合において、ＡＥＭ３０５を横断したイオンの移動のほとんど全てが、Ｃｌ−イオンの形態である。なぜならば、Ｃｌ−イオンは、海水において高い割合（約５４６ｍＭ）を占めるからである。ＢＰＭ３０４は、印加された電圧の下で、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンに水を効果的に解離させ、Ｈ＋イオンは、ＢＰＭ３０４の中間から負極３０３に向かって移動させられ、ＯＨ−イオンは、ＢＰＭ３０４の中間から正極３０２に向かって移動させられる。このプロセスを介して、処理溶液３０１は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６へのＨ＋イオンの移動により、酸性化される溶液のコンパートメント３０６において酸性化される。処理溶液３０１はまた、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７へのＯＨ−イオンの移動により、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７において塩基性化される。
【００３５】
塩基性化される溶液のコンパートメント３０７から酸性化される溶液のコンパートメント３０６へ移動させられた各Ｃｌ−イオンのため、Ｈ＋イオンは、隣接するＢＰＭ３０４の中間から酸性化される溶液のコンパートメント３０６に移動させられ、ＯＨ−イオンは、隣接するＢＰＭ３０４中間から塩基性化される溶液のコンパートメント３０７に移動させられる。このようにして、電気透析装置の動作は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６のｐＨを減少させ、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７のｐＨを増加させる。投入から産出までのｐＨの変化は、処理溶液３０１の組成と、印加される電流およびシステム効率によって調節されるイオンの移動速度と、装置を通る溶液３０１の流速とに依存する。
【００３６】
ＣＯ２は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６のｐＨが、減少すると、溶解されたＣＯ２への重炭酸塩（ＨＣＯ３−）の転換を介して、酸性化される溶液のコンパートメント３０６を通って流れる処理溶液３０１から抽出される。酸性化される溶液のコンパートメント３０６を通って流れる処理溶液３０１は、本質的に、ＨＣｌによって滴定されている。単一の溶液３０１のｐＨが、約ｐＨ４まで減少させられた時には、約９９％のＨＣＯ３−イオンが、ＣＯ２に転換される（例えば、Ｊａｍｅｓ Ｎ． Ｂｕｔｌｅｒ、Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉａ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｍｅｎｌｏ Ｐａｒｋ、ＣＡ、１９８２、ｐ．１２３、Ｆｉｇｕｒｅ ５．１を参照のこと）。
【００３７】
図４は、「３コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して、海水溶液またはＲＯブラインなどの処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタック構成４１１の概略図を示す。電圧が、ＢＰＭ４０４、ＡＥＭ４０５、およびＣＥＭ４０６の交互のスタックを横断して印加される。図４に示された実施形態において、交互のＢＰＭ４０４、ＡＥＭ４０５、およびＣＥＭ４０６が、「３コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを形成する。酸性化される溶液のコンパートメント４０７が、ＢＰＭ４０４と、隣接するＡＥＭ４０５との間に形成され、塩基性化される溶液のコンパートメント４０９が、ＣＥＭ４０６と、隣接するＢＰＭ４０４との間に形成され、そして、脱塩された溶液が、ＡＥＭ４０５と、隣接するＣＥＭ４０６との間の中央のコンパートメント４０８において産出される。このように、図４に示された実施形態においては、ＢＰＭＥＤ膜スタック４１１は、海水溶液４０１からＣＯ２ガスを生成するだけでなく、飲料水として使用されることが出来る脱塩された水も生成する。ＲＯブラインだけでなく、他の塩類水溶液もまた、中央のコンパートメント４０８において、脱塩された溶液を生成するが、処理溶液４０１が脱塩される程度は、処理溶液４０１の流速、印加される電流の密度、およびイオンの移動効率に依存する。
【００３８】
所与のＢＰＭＥＤスタック４１１における、酸性化される溶液のコンパートメント４０７、塩基性化される溶液のコンパートメント４０９、および中央のコンパートメント４０８の数は、スタック４１１におけるセル４１０の数の関数である。ＢＰＭＥＤ装置は、あらゆる数のセル４１０を受け入れるように適合されることが出来る。ＢＰＭＥＤスタック４１１もまた、２つの端膜を含み、ＢＰＭＥＤスタック４１１のいずれかの端に１つの端膜（図示せず）を含む。各端膜は、膜スタックの構成、ならびに処理溶液、および処理条件に従って、ＢＰＭ、ＡＥＭ、またはＣＥＭであってもよい。
【００３９】
電圧が、電極４０２および４０３において印加された時に、ＡＥＭ４０５は、海水である処理溶液４０１の場合においてはほとんどの場合にＣｌ−イオンである負に帯電されたアニオンが、負極４０３から正極４０２まで膜を横断して通過することを可能にする。ＢＭＰ４０４は、印加された電圧の下で、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンに水を効果的に解離させ、Ｈ＋イオンは、ＢＰＭ４０４の中間から負極４０３に向かって移動させられ、ＯＨ−イオンは、ＢＰＭ４０４の中間から正極４０２に向かって移動させられる。ＣＥＭ４０６は、Ｎａ＋およびＫ＋などの正に帯電されたアニオンが、正極４０２から負極４０３まで膜を横断して通過することを可能にする。このプロセスを介して、処理溶液４０１は、酸性化される溶液のコンパートメント４０７において酸性化され、塩基性化される溶液のコンパートメント４０９において塩基性化され、そして、脱塩された溶液が、中央のコンパートメント４０８において生成される。
【００４０】
図３に示された２コンパートメント構成に関して、酸性化される溶液のコンパートメント４０７のｐＨが減少すると、ＣＯ２が、溶解されたＣＯ２へのＨＣＯ３−イオンの転換を介して、酸性化される溶液のコンパートメント４０７を通って流れる単一の処理溶液４０１から抽出される。酸性化される溶液のコンパートメント４０７を通って流れる処理溶液４０１は、本質的に、ＨＣｌによって滴定されている。処理の溶液４０１のｐＨが、約ｐＨ４まで減少させられた時には、約９９％のＨＣＯ３−イオンが、ＣＯ２に転換される。
【００４１】
図３及び図４において示された処理によって生成された、酸性化された溶液と塩基性化された溶液とは、ＣＯ２ガスが、酸性化された溶液から抽出された後に、再結合されることが出来る。酸性化された溶液と塩基性化された溶液とが、再結合された時には、それらは、中和される。海水溶液である溶液３０１／４０１の場合において、この再結合された溶液は、そのまま海洋にポンプで戻されることが出来る。追加の化学物質が、プロセスのためには必要とされないので、処理後に再結合された溶液は、追加された化学物質を含有する処理後の溶液が、生態学的に有害であり得るようには、生態学的には有害ではない。
【００４２】
図３および図４において示された実施形態に対して、ＣＯ２ガスは、酸性化された溶液から再生される。ＢＰＭ３０４／４０４を横断して、酸性化される溶液のコンパートメント３０６／４０７の中に入るＨ＋イオンの移動により、処理溶液は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６／４０７において酸性化する。海水５０ｍＬのｐＨをｐＨ８からｐＨ４に低下させることは、海水１リットル当たり２．５ｍｍｏｌのＨＣｌの添加に対応する０．０２５ＭのＨＣｌを５ｍＬ必要とする。ＨＣＯ３−イオンは、２．２ｍＭ〜２．５ｍＭの濃度で海水中に見つけられるので、酸性化を介して、海水中の全てのＨＣＯ３−を転換させることが、海水１リットル当たり４９．２ｍＬ〜５６ｍＬのＣＯ２と等しい、海水１リットル当たり約２．２ｍｍｏｌ〜２．５ｍｍｏｌのＣＯ２を生成する。１０−１．５３６モル／リットル気圧である海水中のＣＯ２に対するヘンリーの法則の定数と組み合わされた、海水中のＨＣＯ３−の最初の濃度（２．２ｍＭ〜２．５ｍＭ）は、ＨＣＯ３−から転換された溶解されたＣＯ２が、０．０７６気圧〜０．０８６気圧の気圧における純粋なＣＯ２大気と平衡状態にあることを意味する。従って、純粋なＣＯ２の流れを抽出するために、酸性化された溶液は、酸性化された溶液から溶解されたＣＯ２ガスを抽出するために、真空ポンプを用いてポンプで汲み上げられることが出来る。別の実施形態において、酸性化された溶液は、撹拌され、酸性化された溶液のタンクにおける気体の上部空間が、溶解されたＣＯ２ガスを抽出するために混合される。別の実施形態において、酸性化された溶液は、溶解されたＣＯ２を抽出するために真空ポンプまたはスイープガスを使用する少なくとも１つの膜接触器の上を少なくとも一度通過させられる。あるいは、ＣＯ２ガスは、単に、膜接触器に溶液をポンプで汲み上げたり、攪拌したり、混合したり、または流したりすることなく、ＣＯ２ガスが、溶液から出てき得るあらゆるレベルにおいて、溶液から受動的に放出されることを可能にされることが出来る。
【実施例】
【００４３】
バッチモード（図１）で動作する、図３に示された膜スタック構成を以下の処理溶液からのＣＯ２の除去のためのＢＰＭＥＤの性能を特徴付けるための一組の実験を行うために使用した。脱イオン水、０．５ＭのＮａＣｌ、および２．５ｍＭのＮａＨＣＯ３を使用するが、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを使用することなく調製された「理想的」な海水、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを含むＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」の海水、および２倍のＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」のＲＯブライン。「理想的」な海水から二価カチオンおよび他のイオンを排除することが、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの他のイオンの存在による移動効率の低下や、湯垢の除去という追加の効果を伴うことなく、性能を決定することを可能にした。これらの実験に対して、ＢＰＭＥＤユニットおよび膜接触器ユニットという２つの別個のユニットを使用した。２つのユニットは、図５の概略図によって表されるように、時間によって分離した。
【００４４】
各実験に対して、ＣＥＭ端膜を有するＢＰＭ−ＡＥＭ−ＢＰＭ−ＡＥＭ型の８セルの２コンパートメント電気透析スタックを使用した。各膜の断面積は、約１８０ｃｍ２であった。任意の数であるｎ個のセルから構成される電気透析スタックが、使用されることが出来、これらの実験において使用される８セルのスタックは、考えられる唯一の構成ではないことが、理解される。さらに、図４に示された構成などの、任意の数であるｎ個の３コンパートメントのスタックが、代替え的に使用されることが出来ることが、理解される。異なる断面積の膜が、使用されてもよいことも、理解される。
【００４５】
実験において、使用されるＡＥＭ／ＣＥＭ／ＢＰＭは、Ａｍｅｒｉｄｉａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＮｅｏｓｅｐｔａ ＡＭＸ／Ｃ６６−１０Ｆ／ＢＰ−１Ｅであった。電極溶液は、ニッケルの電極を有する２ＭのＮａＯＨであった。他の製造業者から入手可能な他のＡＥＭ／ＣＥＭ／ＢＰＭ型が、使用されることが出来ることが、理解される。異なる金属で作られた電極を有する他の濃度の他の電極溶液が、使用されることが出来ることも、理解される。例えば、以下で記載されるように、Ｈ２ＳＯ４／Ｎａ２ＳＯ４電極溶液を有する、イリジウム−ルテニウムで被覆されたＴｉで作られた電極が、使用されることが出来る。
【００４６】
表１は、行われた異なる実験を要約する。
【表１】
【００４７】
表１が示すように、流速３．７５ｌｐｍ、４．５Ａの印加電流、２５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において「理想的」な海水と「真正」の海水との間で比較を行った（実験１および実験３）。膜接触器５０２／５０３においてＣＯ２を抽出する前に、電気透析ユニット５０１から出てくる溶液の任意の混合に関する効果を評価するために、電気透析ユニット５０１を通って溶液を流すことと、膜接触器５０２／５０３を通って溶液を流すこととの間に３０秒間の休止を伴って、５ｌｐｍおよび６Ａの電流（３３ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）において、追加の実験を行った（実験１０）。目的はまた、ｐＨの変化における混合の効果があれば、それを見ることであった。
【００４８】
図５は、電気透析ユニット５０１と膜接触器５０２／５０３の組み合わせの流れ図を示すが、簡潔さのために、電解液タンクおよび塩基タンクは、示していない。酸タンク５０５および塩基タンクをそれぞれ、実験（表１を参照のこと）に従って、「理想的」な海水溶液または「真正」の海水溶液のいずれか５Ｌで満たした。電解液タンクを２ＭのＮａＯＨ溶液５Ｌで満たした。次に、海水溶液をＢＰＭＥＤユニット５０１に通すが、膜接触器５０２／５０３には通さず流し、オフセット値を記録するために、真空ポンプ５０４を始動させた。一度与えられた体積流量で正確に電気透析ユニット５０１を通って５Ｌの海水溶液を流すために必要とされる時間として定義される「貫流」時間の間、ＢＰＭＥＤユニット５０１を通って海水溶液を流すことによって、海水溶液のｐＨを約ｐＨ４に下げた。これを、「貫流」時間においてｐＨ４に到達するために必要とされる電流を印加することによって行った。
【００４９】
電気透析ユニット５０１に対する電極供給源を切断し、そして、真空ポンプ５０４を停止することなく貫流時間の直後に、溶液の流れをバイパスモードに切り替え、それにより、海水溶液を膜接触器５０２および５０３に向けた。電解液および塩基の流れもまた、貫流時間に到達した後にバイパスモードに転換した。実験１０（表１）に関しては、電力供給源を停止した後の３０秒間の休止後、溶液の流れを膜接触器５０２および５０３に切り替え、酸タンク５０５において溶液を適切に混合させるために、バイパスモードでシステムを走らせた。
【００５０】
ＣＯ２流量計５０６を通る産出物に関しては、膜接触器５０２および５０３を真空ポンプ５０４によって既にポンプで汲み出していたので、一旦、流れを膜接触器５０２および５０３に切り替えてしまうと、膜接触器５０２および５０３によって抽出された全てのＣＯ２を記録した。図５に示されたシステムで行った実験の結果が、表２に要約される。実験１（理想的な海水溶液）に対する項目と、実験３（真正の海水溶液）に対する項目とは、理想的な海水溶液と真正の海水溶液との間の差が、あまり大きくなかったことを示す。
【表２】
【００５１】
印加電流と流速との異なる組み合わせもまた、調査した（実験２、４〜９）。約４ｌｐｍの流速は、膜接触器の抽出効率を最も高くした。従って、３ｌｐｍ、３．７５ｌｐｍ、４．２５ｌｐｍ、および５ｌｐｍなどの約４ｌｐｍの流速範囲を、ＢＰＭＥＤプロセスの終わりにおいて、酸性化された溶液において約４のｐＨを達成するための印加電流の対応する値と共にテストした。３．７５ｌｐｍの流速と４Ａの電流（２２ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）との組み合わせ（実験２）が、電気透析システムに対して５００ｋＪ／ｍｏｌの最小のエネルギー消費を有し、７６％の効率（ＣＯ２ガスとして抽出されるＨＣＯ３−の形態の投入溶液に存在するＣＯ２の割合）を有する。実験２のために使用される条件もまた、０．１５７ｌｐｍの貫流条件において５Ｌの溶液に対して平均的なＣＯ２抽出率を作り出した。３ｌｐｍの流速と、４Ａの電流（２２ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）を使用した実験５は、ＣＯ２の抽出の点ではわずかに高い効率性（７７％）を作り出したが、流速が遅いことにより貫流時間が増加したので、総エネルギー消費は、増加した（７０９ｋＪ／ｍｏｌ）。ＣＯ２を抽出するための、海水のＢＰＭＥＤのために選択された流速と電流とは、３．７５ｌｐｍと４Ａとである必要はなく、表２の結果が示すように、流速と電流との多くの他の組み合わせ（表２に示されていない組み合わせを含む）が、海水からＣＯ２を抽出することが出来ることが、理解される。
【００５２】
表３は、「理想的」な海水溶液または「真正」の海水溶液ではなく、概ねＲＯのブライン溶液を使用して行われた同様な実験の結果を要約する。多くのＲＯブラインは、海水でみられる濃度のほぼ２倍である濃度を有するので、概ねＲＯのブライン溶液を、Ｉｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔの濃度を２倍にすることによって調製した。
【表３】
【００５３】
表３が示すように、ＲＯブライン溶液の場合、システムは、さらに遅い流速で動作するが、より効率的であった。３ｌｐｍの流速および７Ａの電流（３９ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）においては、６２％の効率と分かった。エネルギー要件は、２．５ｌｐｍの流速と５．５Ａの電流（３１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）とにおいて最も低い。海水溶液に対して見られる滴定（表２）と同様な滴定のためには、ほぼ２倍の電流の大きさを必要とし、ＲＯブラインに対しては、電圧を増加したことにより、抽出されたＣＯ２１ｍｏｌ当たりのエネルギー要件が、海水溶液よりも高いこととなる。
【００５４】
貫流モードで動作するシステムの性能を特徴付けるために、以下の溶液を使用して実験を行った。脱イオン水、０．５ＭのＮａＣｌ、および２．５ｍＭのＮａＨＣＯ３を使用するが、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを使用することなく調製された「理想的」な海水、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを含むＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」の海水、および２倍のＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」のＲＯブライン。
【００５５】
各実験に対して、ＣＥＭ端膜を有するＢＰＭ−ＡＥＭ−ＢＰＭ−ＡＥＭ型の８セルの２コンパートメント電気透析スタックを使用した。各膜の断面積は、約１８０ｃｍ２であった。任意の数のセルから構成される電気透析スタックが、使用されることが出来、これらの実験において使用される８セルのスタックは、考えられる唯一の構成ではないことを理解されたい。さらに、図４に示された構成などの、任意の数であるｎ個の３コンパートメントのスタックが、代替え的に使用されることが出来ることを理解されたい。異なる断面積の膜が、使用されてもよいことも、理解されたい。
【００５６】
図６は、使用された実験の構成に関する概略図を示す。システムは、ＢＰＭＥＤ装置６０１を含んだ。装置６０１は、チタン電極を使用したので、酸性の電極溶液６０２（０．１ＭのＨ２ＳＯ４／０．２５ＭのＮａ２ＳＯ４）を使用した。溶液からＣＯ２を能動的または受動的に引き出す他の方法が、使用されることが出来ることが、理解されるが、使用されたシステムはまた、直列した２つの膜接触器６０３および６０４だけでなく、酸性化された溶液から抽出されたＣＯ２ガスの流れを監視するためのＣＯ２流量計６０５も含んだ。システムはさらに、処理溶液がポンプで汲み上げられる投入タンク６０６と、ＢＰＭＥＤ装置６０１から酸性化された溶液の産出物と塩基性化された溶液の産出物とを受け入れるための収集タンク６０７とを含んだ。
【００５７】
最初に、理想的な海水をテストした。全ての実験に対して、酸性溶液に対して３．１ｌｐｍの流速を使用し、塩基溶液に対して４．０ｌｐｍの流速を使用した。膜接触器は、塩基溶液の流路と比較して酸性溶液の流路において余分の圧力低下を引き起こすので、両溶液の圧力を等しくするために、体積流量のより多い塩基溶液を使用した。電極において、電極溶液６０２をＢＰＭＥＤ装置６０１の中に流し、投入タンク６０６から装置６０１の中に理想的な海水溶液を流した。膜接触器６０３および６０４に接続された真空ポンプ（図示せず）をバイパスモードで始動させ、それから、流量計６０５を通って流れるように切り替えた。定電流モードにおいて手動で電力を装置６０１の膜スタックに供給した。
【００５８】
ｐＨ値が定常になると、定常状態の測定値を取り、異なる定電流値において定常状態の測定を行い、全ての他のパラメータを一定に維持した。実験の結果が、表４に示される。
【表４】
【００５９】
「貫流」ユニットの使用を介して、定常状態の条件が、達成されることが出来る。これが、酸のｐＨを調節するために、一定の流速に対する電流を変更することを容易にする。このようにして、電流は、最少のエネルギー量でＣＯ２の多くを抽出するように最適化されることが出来る。例えば、表４の結果は、１．５Ａの印加電流（８ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）において、２１３ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ２の投入で０．１３ｌｐｍのＣＯ２を抽出し、２Ａ（１１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）において２８５ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ２の投入で０．１４ｌｐｍのＣＯ２を抽出したことを示す。
【００６０】
次に、「真正」の海水およびＲＯブラインをテストした。３つの異なる流速をテストした。各流速に対して、３つの異なる溶液（理想的な海水、真正の海水、およびＲＯブライン）を、選んだ溶液およびその流速に対して適切な電流を印加することによって、４、５、および６のｐＨ値に近づけるために滴定した。
【００６１】
「真正」の海水をテストする実験の結果が、表５に示される。図７は、様々な酸溶液の最終的なｐＨ値と流速とにおけるエネルギー消費を示す、「真正」の海水に対する実験結果のグラフである。
【表５】
【００６２】
表５および図７は、真正の海水を用いた実験に対する実験結果を示す。図７は、１）３．１ｌｐｍ〜４．１ｌｐｍの流速範囲内では、溶液の流速は、結果に顕著な影響を与えないことと、２）分離されたＣＯ２１ｍｏｌ当たりに消費されるエネルギーを最小化するために最適な最終的なｐＨは、ｐＨ約４．５であることとを示す。図７における最適条件は、高いｐＨ値（ｐＨ＝約６）において抽出されるＣＯ２の量が、より少ないことと、低いｐＨ値においては、投入された海水をｐＨ３に酸性化させるために必要とされるエネルギーをさらに消費するため、ＣＯ２抽出という点では収穫逓減することとの間のトレードオフに起因する。これはまた、図８に描かれた効率（投入された溶液に含有された総ＣＯ２によって除された抽出されたＣＯ２）によって説明される。
【００６３】
図９は、３．１ｌｐｍの流速に対する異なる溶液（理想的な海水、真正の海水、およびＲＯブライン）に対するＣＯ２分離の効率を示す。図９は、分離の効率が、酸性溶液の最終的なｐＨに依存するが、所与の最終的なｐＨに対しては、効率は、理想的な海水、真正の海水、およびＲＯブラインに対してほぼ同じであることを示す。
【００６４】
本発明における、現在予期されないか、または現在予測されない様々な代替案、改変、変化形、または改善が、当業者によって後に行われてもよく、それらもまた、以下の特許請求の範囲に包含されることを意図される。
【技術分野】
【０００１】
連邦政府による資金提供を受けた研究開発の記載
本発明は、米国国防総省の一部局であるＤＡＲＰＡによって認められた契約ＨＲ００１１−１０−Ｃ−０１４７号の下で、米国政府の支援で行われた。米国政府は、本発明において一定の権利を有する。
【背景技術】
【０００２】
大気二酸化炭素（ＣＯ２）の濃度は、上昇し続けている。大気ＣＯ２の濃度は、毎年約２パーツ・パー・ミリオン（ｐｐｍ／ｙｒ）の速度で上昇している。大気中のＣＯ２の濃度は、約３８５ｐｐｍである。
【０００３】
世界の海洋は、長い間、大気ＣＯ２を吸収したり、放出したりしてきている。大気ＣＯ２は、海洋の水に溶解し、海水と反応して炭酸を形成する。次に、炭酸が、水素イオン（Ｈ＋）を放出し、重炭酸イオン（ＨＣＯ３−）および炭酸イオン（ＣＯ３−２）を形成する。溶解されたＣＯ２、ＨＣＯ３−、およびＣＯ３−２の相対分率を決定する海水のｐＨは、典型的には、約８．３であり、海水に溶解された全炭素の大部分が、ＨＣＯ３−の形態であることを意味する。海水中のＣＯ２の体積濃度は、比較的に、大気中のものよりもかなり高く、空気１リットル中に存在する量よりも約１００倍も多くの量のＣＯ２が、海水１リットル中に存在する。
【０００４】
混合気体の流れからＣＯ２を分離する技術、例えば、大気からＣＯ２を分離することは、典型的には、捕獲、および脱着／再生の二段階のプロセスを含む。最初に、気体は、混合気体流におけるＣＯ２ガスと反応する「捕獲前水溶液」と接触させられ、それから、「捕獲後溶液」と呼ばれるものの中にＣＯ２を「捕獲」する。次に、純粋なＣＯ２ガスの流れが、ＣＯ２が豊富な捕獲後水溶液から脱着されると同時に、さらなる捕獲サイクルのために再使用されることが出来る捕獲前溶液に捕獲後溶液を再生することが出来る。
【０００５】
捕獲前溶液は、ＣＯ２が捕獲前溶液を用いて分離される混合気体流と接触する構造物である「接触器」に含有される。水酸化カリウム（ＫＯＨ）または水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの水酸化物捕獲前水溶液、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）または炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）などの炭酸塩捕獲前水溶液、および炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）または炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）などの重炭酸塩捕獲前水溶液を含む様々な捕獲前溶液が存在する。例えば、煙道ガスからＣＯ２を除去するために、ガス流を洗浄する用途に使用されるモノエタノールアミン（ＭＥＡ）などの他の捕獲前溶液が公知である。水酸化物／炭酸塩／重炭酸塩の捕獲前溶液へのＣＯ２ガスの捕獲は、例えば、水酸化物（ＫＯＨまたはＮａＯＨ）捕獲後溶液、炭酸塩（Ｋ２ＣＯ３またはＮａ２ＣＯ３）捕獲後溶液、および／または炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）または炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）の捕獲後溶液の混合物からなるより酸性の捕獲後溶液に、元々の捕獲前溶液を転換する。
【０００６】
ＣＯ２の捕獲および脱着／再生の後、分離後のＣＯ２は、例えば、地理的に隔離されるか、またはコンクリートなどの有用な製品に組み込まれることが出来る。
【０００７】
混合気体流から分離されたＣＯ２からの液体炭化水素燃料、例えば、ガソリン、ディーゼル、またはＪＰ−８の生成は、遠隔の現場作業において特に重要であり得る。しかしながら、従来のＣＯ２分離ために必要とされる接触器は、サイズが大きいので、液体炭化水素燃料を遠隔の現場で生成することは、これまでのところ実現されていない。
【０００８】
バイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）は、他の化学物質を添加することなく、酸と塩基とに塩類水溶液を転換するために使用されることが出来る。ＢＰＭＥＤデバイスは、電圧が、イオン交換膜のスタックを横断して印加された時に、溶液中のイオン種を分離するためにイオン交換膜を使用する。周囲圧力よりも高い圧力における炭酸塩水溶液のＢＰＭＥＤは、捕獲後溶液からＣＯ２ガスを効率的に脱着することを示された。大気中ではＣＯ２の濃度が、非常に低い（３８５ｐｐｍ）ので、大量の空気が、大気から炭酸塩水溶液システムにＣＯ２を捕獲するように処理されなければならない。これが、遠隔の場所での配備などの特定の用途に対して必要とされるほどにはコンパクトではないことがあり得るシステムという結果になる。海洋の表面は、実質的に、接触器として働くので、海面から直接的にＣＯ２を脱着することは、接触器の必要性を排除し、ＣＯ２の分離のためのよりコンパクトなシステムをもたらす。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１は、実施形態のプロセスによる処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図２】図２は、実施形態のプロセスによる処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図３】図３は、「２コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタックの動作の概略図である。
【図４】図４は、「３コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタックの動作の概略図である。
【図５】図５は、電気透析を使用して、処理溶液からＣＯ２ガスを分離する実施形態のプロセスをテストする実験のために使用されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図６】図６は、電気透析を使用して、処理溶液からＣＯ２ガスを分離する実施形態のプロセスをテストする実験のために使用されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。
【図７】図７は、様々な酸性溶液の最終的なｐＨ値と、真正の海水に対する流速とにおけるエネルギー消費に関するグラフである。
【図８】図８は、様々な酸性溶液の最終的なｐＨ値と、真正の海水に対する流速とにおけるＣＯ２分離の効率に関するグラフである。
【図９】図９は、様々な処理溶液に関する様々な酸性溶液の最終的なｐＨで、流速３．１ｌｐｍにおいて、ＣＯ２を分離する効率に関するグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
上記で考察されたように、液体炭化水素燃料を遠隔の現場で生成するための開発を行う必要性がある。大気からＣＯ２を捕獲して再生し、それから、液体炭化水素燃料を含む様々な有用な製品に組み込まれることが出来るような試みが、行われている。しかしながら、大気からＣＯ２を捕獲して再生するためには、本質的に、大きい「接触器」を使用して、大量の空気が、処理されなければならず、システムが、一部の用途において必要とされるほどにはコンパクトではないことがあり得るという結果になる。
【００１１】
これらの不利な点は、バイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）を使用して、処理溶液から直接的にＣＯ２を獲得する例示的な実施形態によって克服されることが出来る。処理溶液は、「理想的」な（二価カチオンのない）海水溶液、もしくは理想的ではない（海洋において見つけられるような、二価カチオンを有する）海水溶液、逆浸透（ＲＯ）ブライン溶液、または溶解されたＣＯ２ガス、もしくはＨＣＯ３−イオンあるいはＣＯ３−２イオンを含有するその他任意の溶液のいずれかであり得る。理想的ではない海水溶液は、Ｉｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔなどの二価カチオンを含有する溶液から作られるか、または海洋から取られた真正の海水であるかのいずれかであってよい。海水溶液である処理溶液の場合、主に重炭酸イオンの形態である、海水１リットル中のＣＯ２の量が、空気１リットル中の量の約１００倍であることだけでなく、海水から直接的にＣＯ２を抽出することは、海水システムにおいては、海洋の表面が、１つの大きな接触器として効果的に働くので、空気からＣＯ２を捕獲するときに固有の接触器の必要性を排除する。これが、空気からＣＯ２を取得するシステムと比較して、海水からＣＯ２を取得するシステムの設置容積を非常に減少させる。さらに、海水からＣＯ２を取得するシステムに関して、電極洗滌溶液以外の外部の化学物質は、必要とされない。海水および電力だけが、システムへの入力である。
【００１２】
例示的な実施形態が、どのように働くかを理解するためには、最初に、ＢＰＭＥＤを理解することが、必要である。ＢＰＭＥＤは、酸と塩基とに塩類水溶液を転換する。現在利用可能なＢＰＭＥＤ装置は、少なくとも１つの電気透析セルで作成された電気透析膜スタックを含む。電気透析セルは、電位がセルを横断して印加された時に、水素イオン（Ｈ＋）と水酸化物イオン（ＯＨ−）への水の電離が生じるような、少なくとも１つのバイポーラ膜（ＢＰＭ）を含む。
【００１３】
ＢＭＰは、アニオン交換層と共に積層されたカチオン交換層から形成されるだけでなく、カチオン層とアニオン層との間の接合層から形成される。水は、接合層の中に拡散し、その解離定数に従った、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンとの通常の平衡に到達する。典型的には、ＢＰＭは、アニオン交換層が、ＢＰＭＥＤ装置のアノード（正極）端に面し、カチオン交換膜が、装置のカソード（負極）端に面するように配向される。この配向は、電位が膜スタックを横断して印加された時に、ＯＨ−イオンがアニオン交換層を横断して運ばれ、Ｈ＋アニオンがカチオン交換層を横断して運ばれることを可能にする。同時に、投入された塩類溶液の構成要素であるカチオンとアニオンとは、アニオン交換膜（ＡＥＭ）、カチオン交換膜（ＣＥＭ）、またはそれら２つの何らかの組み合わせのいずれかであるイオン交換膜を介して、電位を印加された条件下で分離される。次に、ＢＭＰによって「産出」されたＯＨ−（Ｈ＋）イオンは、投入された塩の親酸と親塩基とを含有する塩基（酸）性産出溶液を産出するように、投入された塩類溶液から分離されたカチオン（アニオン）と組み合わされる。１つ以上の「３コンパートメント」セルから構成される膜スタックなどの膜構成に従って、希釈された塩類溶液もまた、酸性の産出溶液および塩基性の産出溶液に加えて、産出物として産出されてもよい。
【００１４】
図１および図２は、例えば、海水溶液またはＲＯブラインなどの処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用されるＢＰＭＥＤシステムの概略図を示す。システムは、ＢＰＭＥＤ膜スタックを含むＢＰＭＥＤ装置１０１／２０１を含む。膜スタックは、１つ以上の２コンパートメントセル（例えば、図３）、または１つ以上の３コンパートメントセル（例えば、図４）のいずれかからなることが出来る。
【００１５】
図１は、「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムを描く。図２は、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムを描く。「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムと、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムとの間の差は、これらの図を参照して以下で記載される。
【００１６】
図１は、実施形態のプロセスに従った、処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「バッチ」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。バッチモードにおいては、処理溶液が、２回以上、装置を通って流される。海水の場合、海水は、海洋から装置の中に直接的にポンプで汲み上げられ、記載されたプロセスのうちの１つを受けるために、複数回、装置１０１を通ってポンプで流され、そして、海に直接的に戻されてもよい。
【００１７】
図１のＢＰＭＥＤシステムは、１つ以上の２コンパートメントセル（図３を参照のこと）、または１つ以上の３コンパートメントセル（図４を参照のこと）のいずれかを有する膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置１０１を含む。ＢＰＭＥＤ装置１０１が、１つ以上の２コンパートメントセルを有する膜スタックを含むシステムにおいて、海水溶液またはＲＯブラインなどの処理溶液が、溶液タンク１０４および１０５に装填される。処理溶液の「バッチ」が、タンクに装填されると、次に、溶液は、タンク１０４および１０５からＢＰＭＥＤ装置１０１の中にポンプで流される。電圧が、電力供給源（図示せず）によってＢＰＭＥＤ装置１０１に印加される。電極溶液１０３もまた、ＢＰＭＥＤ装置１０１のいずれかの端において、装置を通って流され、電極溶液１０３は、ＢＰＭＥＤ装置１０１の電極だけを横断して流される。処理溶液が、ＢＰＭＥＤ装置１０１を通って流れると、ＢＰＭＥＤが、生じる。処理溶液は、膜スタックの酸性化される溶液のコンパートメントにおいて酸性化され、膜スタックの塩基性化される溶液のコンパートメントにおいて塩基性化される（図３を参照のこと）。２つの溶液流が、装置１０１を離れ、酸性化された溶液流は、タンク１０５の中に流れ、塩基性化された溶液流は、タンク１０４の中に流れる。
【００１８】
ＢＰＭＥＤ装置１０１が、１つ以上の３コンパートメントセル（図４を参照のこと）を有する膜スタックを含むシステムにおいて、全般的に同じプロセスが、生じる。処理溶液が、装置１０１の中に流され、電極溶液１０３が、いずれかの端において、電極を横断して装置１０１の中に流され、電圧が、電極供給源を使用して印加され、そして、処理溶液が、装置１０１を通って流れると、ＢＰＭＥＤが、生じる。２コンパートメントセルに関しては、処理溶液は、膜スタックの酸性化される溶液のコンパートメントにおいて酸性化され、膜スタックの塩基性化される溶液のコンパートメントにおいて塩基性化される（図３を参照のこと）。さらに、３コンパートメントセルの場合において、処理溶液は、膜スタックの第３のコンパートメントにおいて脱塩される（図４を参照のこと）。それから、３つの溶液流が、装置１０１を離れ、酸性化された溶液の流れ、は、タンク１０５の中に流れ、塩基性化された溶液の流れは、タンク１０４の中に流れ、そして、脱塩された溶液は、第３のタンク（図示せず）の中に流れる。脱塩された溶液は、例えば、飲料水として使用されてもよい。
【００１９】
一実施形態において、酸性化された溶液の流れは、装置１０１から、酸性化された溶液のタンク１０５には直接的には流ないが、むしろ、最初に、ＣＯ２脱着ユニット１０８を通って流れる。ＣＯ２脱着ユニット１０８は、ＣＯ２ガスがＣＯ２脱着ユニット１０８を通過すると、ＣＯ２ガスが、酸性化された溶液から能動的に抽出されることが出来るように、真空ポンプ１０９に接続される。ＣＯ２が、酸性化された溶液から抽出されると、酸性化された溶液は、ＣＯ２脱着ユニット１０８を出て、酸性化された溶液のタンク１０５に流れる。真空ポンプ１０９は、抽出されたＣＯ２を収集する、タンクなどのＣＯ２収集ユニット１１１に接続されてもよい。システムはまた、酸性化された溶液から抽出されたＣＯ２ガスの流れを監視するために、ＣＯ２脱着ユニット１０８と真空管ポンプ１０９との間に、ＣＯ２流量計１１０を含んでもよい。ＣＯ２脱着ユニット１０８と真空ポンプ１０９とは、２コンパートメントまたは３コンパートメントいずれかのＢＰＭＥＤユニット１０１と共に使用されてもよい。
【００２０】
一実施形態において、ＣＯ２脱着ユニット１０８は、直列した１つ以上の膜接触器（例えば、ｈｔｔｐ：／／ｗｗｗ．ｌｉｑｕｉｃｅｌ．ｃｏｍ／ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ／ＣＯ２．ｃｆｍ（２０１１年６月２０日現在）のＬｉｑｕｉ−Ｃｅｌ， Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｒｅｍｏｖａｌ ｆｒｏｍ Ｗａｔｅｒを参照のこと）からなる。別の実施形態において、ＣＯ２脱着ユニット１０８は、溶液を撹拌する手段、例えば、シャワーヘッド設備を有するタンクである。酸性化された溶液を攪拌し、および／または酸性化された溶液のタンク１０５における気体の上部空間を混合する他の手段もまた、使用されてもよいことが理解される。
【００２１】
別の実施形態において、システムは、酸性化された溶液の流れが、酸性化された溶液のタンク１０５にＢＰＭＥＤ装置１０１から直接的に流れるように、ＣＯ２脱着ユニット１０８を含まない。ＣＯ２ガスは、酸性化された溶液のタンク１０５における酸性化された溶液から受動的に放出し、酸性化された溶液のタンク１０５に取り付けられたＣＯ２収集ユニット１１５に収集されてもよい。あるいは、システムは、ＣＯ２ガスが、酸性化された溶液から能動的に放出されるように、酸性化された溶液において、酸性化された溶液を撹拌する手段、例えば、シャワーヘッド設備または真空ポンプを含んでもよい。能動的に放出されたＣＯ２ガスは、酸性化された溶液タンク１０５に取り付けられたＣＯ２収集ユニット１１５によって制御されてもよい。
【００２２】
酸性化された溶液および塩基性化された溶液が、ＢＰＭＥＤ装置１０１から流れて、酸性化された溶液のタンク１０５および塩基性化された溶液のタンク１０４に流れ込むと、酸性化された溶液および塩基性化された溶液は、ＢＰＭＥＤ装置に戻ってもよい。このようにして、処理溶液は、２回以上、装置を通って流される。
【００２３】
一実施形態において、システムは、再結合ユニット１１４を含む。再結合ユニット１１４は、例えば、溶液が、ＢＰＭＥＤ装置を所望の回数通過した後、酸性化された溶液のタンク１０５および塩基性化された溶液のタンク１０４から酸性化された溶液および塩基性化された溶液を受け取る別個のタンクであってもよい。酸性化された溶液および塩基性化された溶液が、再結合された時、それらは、再び中和され、そして、海水の場合には、海の中に直接的にポンプで戻されることが出来る。追加の化学物質が、溶液に添加される必要がないので、中和された溶液を海の中にポンプで戻すことは、有害な影響が、ほとんどないか、または全くない。それはまた、システムが、地球の海洋からＣＯ２を「洗浄」する方法として使用されることを可能にする。
【００２４】
一実施形態において、ＢＰＭＥＤユニット１０１は、そのユニットを通って酸性化された溶液を定期的に流すことによって湯垢を除去されることが出来る。使用される酸性溶液は、ＢＰＭＥＤプロセスから生じる産出物の酸性溶液であってもよい。このようにして、処理溶液に存在する塩基性化された溶液におけるあらゆる二価のカチオン、例えば、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋から生じるあらゆる湯垢が、酸性溶液との接触を介して定期的にきれいにされる。
【００２５】
図２は、実施形態のプロセスによる処理溶液からＣＯ２を抽出するために使用される、「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムの概略図である。貫流モードにおいては、処理溶液は、１回だけ装置を通って流される。海水の場合、海水が、海洋から装置の中に直接的にポンプで汲み上げられ、記載されたプロセスのうちの１つ受け、そして、海に直接的にポンプで戻される。
【００２６】
図２のＢＰＭＥＤシステムは、図１のＢＰＭＥＤシステムと同様に、１つ以上の２コンパートメントセル（図３を参照のこと）、または１つ以上の３コンパートメントセル（図４を参照のこと）のいずれかを有する膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置２０１を含む。
【００２７】
「貫流」モードで動作されるＢＰＭＥＤシステムは、「バッチ」モード（図１）で動作されるＢＰＭＥＤシステムと同様に動作する。処理溶液が、装置２０１の中に流され、電圧が、印加され、電極溶液２０３が、いずれかの端においてＢＰＭＥＤ装置２０１の中に流され、そして、溶液が、装置２０１を通って流れると、ＢＰＭＥＤが、生じる。１つ以上の２コンパートメントセルから構成された膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置１０１の場合において、酸性化された溶液の流れおよび塩基性化された溶液の流れが、装置２０１を離れる。１つ以上の３コンパートメントセルから構成された膜スタックを有するＢＰＭＥＤ装置２０１の場合において、酸性化された溶液の流れ、塩基性化された溶液の流れ、および脱塩された溶液の流れが、装置２０１を離れる。
【００２８】
バッチモード（図１）で動作されるＢＰＭＥＤシステムとまた同様に、酸性化された溶液の流れは、酸性化された溶液のタンク２０５に装置２０１から直接的に流れることが出来るか、または最初にＣＯ２脱着ユニット２０８を通って流れることが出来るかのいずれかである。ＣＯ２脱着ユニット２０８は、ＣＯ２ガスが、能動的に抽出されることが出来るように、真空ポンプ２０９に接続されてもよい。真空ポンプ２０９は、抽出されたＣＯ２を収集する、タンクなどのＣＯ２収集ユニット２１１に接続されることが出来る。システムはまた、酸性化された溶液から抽出されたＣＯ２ガスの流れを監視するために、ＣＯ２脱着ユニット２０８と真空ユニット２０９との間に、ＣＯ２流量計２１０を含んでもよい。あるいは、ＣＯ２脱着ユニット２０８は、直列した１つ以上の膜接触器からなってもよく、または溶液を撹拌する手段、例えば、シャワーヘッド設備を有するタンクであってもよい。別の実施形態において、システムは、ＣＯ２脱着ユニット２０８を含まず、酸性化された溶液が、酸性化された溶液のタンク２０５の中に装置２０１から直接的に流れ、ＣＯ２が、タンク２０５において受動的に放出されるか、またはタンク２０５において能動的に放出されるかのいずれであってもよい。受動的に放出されたガスであっても、能動的に放出されたガスであっても、酸性化された溶液のタンク２０５に取り付けられたＣＯ２収集ユニット２１５によって収集されてよい。
【００２９】
「貫流」モード（図２）において動作されるＢＰＭＥＤ装置と、「バッチ」モード（図１）において動作されるＢＰＭＥＤ装置との間の差は、「貫流」モードにおいて動作されたシステムに関しては、酸性化された溶液および塩基性かされた溶液が、酸性化された溶液のタンク２０５および塩基性かされた溶液のタンク２０４の中に装置２０１から流れると、酸性化された溶液および塩基性かされた溶液は、ＢＰＭＥＤ装置の中に戻されないということである。このように、処理溶液は、装置２０１を通って１回流されるだけである。
【００３０】
一実施形態において、システムは、例えば、溶液が、ＢＰＭＥＤ装置を貫流した後、酸性化された溶液のタンク２０５および塩基性化された溶液のタンク２０４から酸性化された溶液および塩基性化された溶液を受け取る別個のタンクなどの再結合ユニット２１４を含む。酸性化された溶液および塩基性化された溶液が、再結合された時、それらは、再び中和され、そして、海水の場合には、海の中に直接的にポンプで戻されることが出来る。追加の化学物質が、溶液に添加される必要がないので、中和された溶液を海の中にポンプで戻すことは、有害な影響が、ほとんどないか、または全くない。それはまた、システムが、地球の海洋からＣＯ２を「洗浄」する方法として使用されることを可能にする。
【００３１】
「バッチ」モード（図１）で動作されるＢＰＭＥＤシステムに関して、ＢＰＭＥＤユニット２０１は、そのユニットを通って酸性溶液を定期的に流すことによって、湯垢が除去されることが出来る。使用される酸性溶液は、ＢＰＭＥＤプロセスから生じる産出物の酸性溶液であってもよい。このようにして、処理溶液に存在する塩基性化された溶液におけるあらゆる二価カチオン、例えば、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋から生じるあらゆる湯垢が、酸性溶液との接触を介して定期的にきれいにされる。
【００３２】
図３は、「２コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して、海水溶液またはＲＯブラインなどの単一の処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタックの動作の概略図を示す。電圧は、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０５との交互のスタックを横断して印加される。酸性化される溶液のコンパートメント３０６は、ＢＰＭ３０４と、隣接するＡＥＭ３０５との間に形成され、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７は、ＡＥＭ３０５と、隣接するＢＰＭ３０４との間に形成される。所与の電気透析スタック３０８における酸性化される溶液のコンパートメント３０６および塩基性化される溶液のコンパートメント３０７の数は、スタック３０８における電気透析セル３０９の数の関数である。電気透析装置は、任意の数の電気透析セル３０９を受け入れるように適合されることが出来る。電気透析スタック３０８はまた、２つの端膜（図示せず）を含み、ＢＰＭＥＤスタック３０８のいずれかの端に１つの端膜を含む。これらの端膜のそれぞれが、使用される膜スタックの構成、使用される処理溶液、および使用される条件に従って、ＢＰＭ、ＡＥＭ、またはＣＥＭとなり得る。
【００３３】
単一の処理溶液３０１が、電気透析スタック３０８の全てのコンパートメント３０６および３０７を通って流される。一実施形態において、処理溶液３０１は、海水溶液である。例えば、電気透析装置は、海の船舶上で使用されてもよく、海水が、海洋から直接的に取られ、電気透析装置の中に流されてもよい。あるいは、海水溶液は、Ｉｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを用いて作成した人工海水溶液などの人工海水溶液であってもよい。あるいは、処理溶液３０１は、ＲＯブラインなどの濃縮処理溶液であってもよい。電気透析装置の中に流される唯一の他の溶液は、ＫＯＨまたはＨ２ＳＯ４／Ｎａ２ＳＯ４などの電極溶液であり、電極溶液は、電極溶液が、スタック３０８の各端に配置された電極３０２および３０３を横断して流れるように、電気透析スタック３０８の各端に配置された２つの電極コンパートメント（図示せず）に流される。
【００３４】
電極３０２および３０３において印加された電圧の下で、ＡＥＭ３０５は、負に帯電されたアニオンが、負極３０３から正極３０２まで膜を横断して通過することを可能にする。海水溶液の場合において、ＡＥＭ３０５を横断したイオンの移動のほとんど全てが、Ｃｌ−イオンの形態である。なぜならば、Ｃｌ−イオンは、海水において高い割合（約５４６ｍＭ）を占めるからである。ＢＰＭ３０４は、印加された電圧の下で、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンに水を効果的に解離させ、Ｈ＋イオンは、ＢＰＭ３０４の中間から負極３０３に向かって移動させられ、ＯＨ−イオンは、ＢＰＭ３０４の中間から正極３０２に向かって移動させられる。このプロセスを介して、処理溶液３０１は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６へのＨ＋イオンの移動により、酸性化される溶液のコンパートメント３０６において酸性化される。処理溶液３０１はまた、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７へのＯＨ−イオンの移動により、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７において塩基性化される。
【００３５】
塩基性化される溶液のコンパートメント３０７から酸性化される溶液のコンパートメント３０６へ移動させられた各Ｃｌ−イオンのため、Ｈ＋イオンは、隣接するＢＰＭ３０４の中間から酸性化される溶液のコンパートメント３０６に移動させられ、ＯＨ−イオンは、隣接するＢＰＭ３０４中間から塩基性化される溶液のコンパートメント３０７に移動させられる。このようにして、電気透析装置の動作は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６のｐＨを減少させ、塩基性化される溶液のコンパートメント３０７のｐＨを増加させる。投入から産出までのｐＨの変化は、処理溶液３０１の組成と、印加される電流およびシステム効率によって調節されるイオンの移動速度と、装置を通る溶液３０１の流速とに依存する。
【００３６】
ＣＯ２は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６のｐＨが、減少すると、溶解されたＣＯ２への重炭酸塩（ＨＣＯ３−）の転換を介して、酸性化される溶液のコンパートメント３０６を通って流れる処理溶液３０１から抽出される。酸性化される溶液のコンパートメント３０６を通って流れる処理溶液３０１は、本質的に、ＨＣｌによって滴定されている。単一の溶液３０１のｐＨが、約ｐＨ４まで減少させられた時には、約９９％のＨＣＯ３−イオンが、ＣＯ２に転換される（例えば、Ｊａｍｅｓ Ｎ． Ｂｕｔｌｅｒ、Ｃａｒｂｏｎ Ｄｉｏｘｉｄｅ Ｅｑｕｉｌｉｂｒｉａ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ、Ａｄｄｉｓｏｎ−Ｗｅｓｌｅｙ Ｐｕｂｌｉｓｈｉｎｇ Ｃｏｍｐａｎｙ、Ｍｅｎｌｏ Ｐａｒｋ、ＣＡ、１９８２、ｐ．１２３、Ｆｉｇｕｒｅ ５．１を参照のこと）。
【００３７】
図４は、「３コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを使用して、海水溶液またはＲＯブラインなどの処理溶液からＣＯ２ガスを生成するために使用されるＢＰＭＥＤ膜スタック構成４１１の概略図を示す。電圧が、ＢＰＭ４０４、ＡＥＭ４０５、およびＣＥＭ４０６の交互のスタックを横断して印加される。図４に示された実施形態において、交互のＢＰＭ４０４、ＡＥＭ４０５、およびＣＥＭ４０６が、「３コンパートメント」のＢＰＭＥＤスタックを形成する。酸性化される溶液のコンパートメント４０７が、ＢＰＭ４０４と、隣接するＡＥＭ４０５との間に形成され、塩基性化される溶液のコンパートメント４０９が、ＣＥＭ４０６と、隣接するＢＰＭ４０４との間に形成され、そして、脱塩された溶液が、ＡＥＭ４０５と、隣接するＣＥＭ４０６との間の中央のコンパートメント４０８において産出される。このように、図４に示された実施形態においては、ＢＰＭＥＤ膜スタック４１１は、海水溶液４０１からＣＯ２ガスを生成するだけでなく、飲料水として使用されることが出来る脱塩された水も生成する。ＲＯブラインだけでなく、他の塩類水溶液もまた、中央のコンパートメント４０８において、脱塩された溶液を生成するが、処理溶液４０１が脱塩される程度は、処理溶液４０１の流速、印加される電流の密度、およびイオンの移動効率に依存する。
【００３８】
所与のＢＰＭＥＤスタック４１１における、酸性化される溶液のコンパートメント４０７、塩基性化される溶液のコンパートメント４０９、および中央のコンパートメント４０８の数は、スタック４１１におけるセル４１０の数の関数である。ＢＰＭＥＤ装置は、あらゆる数のセル４１０を受け入れるように適合されることが出来る。ＢＰＭＥＤスタック４１１もまた、２つの端膜を含み、ＢＰＭＥＤスタック４１１のいずれかの端に１つの端膜（図示せず）を含む。各端膜は、膜スタックの構成、ならびに処理溶液、および処理条件に従って、ＢＰＭ、ＡＥＭ、またはＣＥＭであってもよい。
【００３９】
電圧が、電極４０２および４０３において印加された時に、ＡＥＭ４０５は、海水である処理溶液４０１の場合においてはほとんどの場合にＣｌ−イオンである負に帯電されたアニオンが、負極４０３から正極４０２まで膜を横断して通過することを可能にする。ＢＭＰ４０４は、印加された電圧の下で、Ｈ＋イオンおよびＯＨ−イオンに水を効果的に解離させ、Ｈ＋イオンは、ＢＰＭ４０４の中間から負極４０３に向かって移動させられ、ＯＨ−イオンは、ＢＰＭ４０４の中間から正極４０２に向かって移動させられる。ＣＥＭ４０６は、Ｎａ＋およびＫ＋などの正に帯電されたアニオンが、正極４０２から負極４０３まで膜を横断して通過することを可能にする。このプロセスを介して、処理溶液４０１は、酸性化される溶液のコンパートメント４０７において酸性化され、塩基性化される溶液のコンパートメント４０９において塩基性化され、そして、脱塩された溶液が、中央のコンパートメント４０８において生成される。
【００４０】
図３に示された２コンパートメント構成に関して、酸性化される溶液のコンパートメント４０７のｐＨが減少すると、ＣＯ２が、溶解されたＣＯ２へのＨＣＯ３−イオンの転換を介して、酸性化される溶液のコンパートメント４０７を通って流れる単一の処理溶液４０１から抽出される。酸性化される溶液のコンパートメント４０７を通って流れる処理溶液４０１は、本質的に、ＨＣｌによって滴定されている。処理の溶液４０１のｐＨが、約ｐＨ４まで減少させられた時には、約９９％のＨＣＯ３−イオンが、ＣＯ２に転換される。
【００４１】
図３及び図４において示された処理によって生成された、酸性化された溶液と塩基性化された溶液とは、ＣＯ２ガスが、酸性化された溶液から抽出された後に、再結合されることが出来る。酸性化された溶液と塩基性化された溶液とが、再結合された時には、それらは、中和される。海水溶液である溶液３０１／４０１の場合において、この再結合された溶液は、そのまま海洋にポンプで戻されることが出来る。追加の化学物質が、プロセスのためには必要とされないので、処理後に再結合された溶液は、追加された化学物質を含有する処理後の溶液が、生態学的に有害であり得るようには、生態学的には有害ではない。
【００４２】
図３および図４において示された実施形態に対して、ＣＯ２ガスは、酸性化された溶液から再生される。ＢＰＭ３０４／４０４を横断して、酸性化される溶液のコンパートメント３０６／４０７の中に入るＨ＋イオンの移動により、処理溶液は、酸性化される溶液のコンパートメント３０６／４０７において酸性化する。海水５０ｍＬのｐＨをｐＨ８からｐＨ４に低下させることは、海水１リットル当たり２．５ｍｍｏｌのＨＣｌの添加に対応する０．０２５ＭのＨＣｌを５ｍＬ必要とする。ＨＣＯ３−イオンは、２．２ｍＭ〜２．５ｍＭの濃度で海水中に見つけられるので、酸性化を介して、海水中の全てのＨＣＯ３−を転換させることが、海水１リットル当たり４９．２ｍＬ〜５６ｍＬのＣＯ２と等しい、海水１リットル当たり約２．２ｍｍｏｌ〜２．５ｍｍｏｌのＣＯ２を生成する。１０−１．５３６モル／リットル気圧である海水中のＣＯ２に対するヘンリーの法則の定数と組み合わされた、海水中のＨＣＯ３−の最初の濃度（２．２ｍＭ〜２．５ｍＭ）は、ＨＣＯ３−から転換された溶解されたＣＯ２が、０．０７６気圧〜０．０８６気圧の気圧における純粋なＣＯ２大気と平衡状態にあることを意味する。従って、純粋なＣＯ２の流れを抽出するために、酸性化された溶液は、酸性化された溶液から溶解されたＣＯ２ガスを抽出するために、真空ポンプを用いてポンプで汲み上げられることが出来る。別の実施形態において、酸性化された溶液は、撹拌され、酸性化された溶液のタンクにおける気体の上部空間が、溶解されたＣＯ２ガスを抽出するために混合される。別の実施形態において、酸性化された溶液は、溶解されたＣＯ２を抽出するために真空ポンプまたはスイープガスを使用する少なくとも１つの膜接触器の上を少なくとも一度通過させられる。あるいは、ＣＯ２ガスは、単に、膜接触器に溶液をポンプで汲み上げたり、攪拌したり、混合したり、または流したりすることなく、ＣＯ２ガスが、溶液から出てき得るあらゆるレベルにおいて、溶液から受動的に放出されることを可能にされることが出来る。
【実施例】
【００４３】
バッチモード（図１）で動作する、図３に示された膜スタック構成を以下の処理溶液からのＣＯ２の除去のためのＢＰＭＥＤの性能を特徴付けるための一組の実験を行うために使用した。脱イオン水、０．５ＭのＮａＣｌ、および２．５ｍＭのＮａＨＣＯ３を使用するが、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを使用することなく調製された「理想的」な海水、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを含むＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」の海水、および２倍のＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」のＲＯブライン。「理想的」な海水から二価カチオンおよび他のイオンを排除することが、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの他のイオンの存在による移動効率の低下や、湯垢の除去という追加の効果を伴うことなく、性能を決定することを可能にした。これらの実験に対して、ＢＰＭＥＤユニットおよび膜接触器ユニットという２つの別個のユニットを使用した。２つのユニットは、図５の概略図によって表されるように、時間によって分離した。
【００４４】
各実験に対して、ＣＥＭ端膜を有するＢＰＭ−ＡＥＭ−ＢＰＭ−ＡＥＭ型の８セルの２コンパートメント電気透析スタックを使用した。各膜の断面積は、約１８０ｃｍ２であった。任意の数であるｎ個のセルから構成される電気透析スタックが、使用されることが出来、これらの実験において使用される８セルのスタックは、考えられる唯一の構成ではないことが、理解される。さらに、図４に示された構成などの、任意の数であるｎ個の３コンパートメントのスタックが、代替え的に使用されることが出来ることが、理解される。異なる断面積の膜が、使用されてもよいことも、理解される。
【００４５】
実験において、使用されるＡＥＭ／ＣＥＭ／ＢＰＭは、Ａｍｅｒｉｄｉａ Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから入手可能なＮｅｏｓｅｐｔａ ＡＭＸ／Ｃ６６−１０Ｆ／ＢＰ−１Ｅであった。電極溶液は、ニッケルの電極を有する２ＭのＮａＯＨであった。他の製造業者から入手可能な他のＡＥＭ／ＣＥＭ／ＢＰＭ型が、使用されることが出来ることが、理解される。異なる金属で作られた電極を有する他の濃度の他の電極溶液が、使用されることが出来ることも、理解される。例えば、以下で記載されるように、Ｈ２ＳＯ４／Ｎａ２ＳＯ４電極溶液を有する、イリジウム−ルテニウムで被覆されたＴｉで作られた電極が、使用されることが出来る。
【００４６】
表１は、行われた異なる実験を要約する。
【表１】
【００４７】
表１が示すように、流速３．７５ｌｐｍ、４．５Ａの印加電流、２５ｍＡ／ｃｍ２の電流密度において「理想的」な海水と「真正」の海水との間で比較を行った（実験１および実験３）。膜接触器５０２／５０３においてＣＯ２を抽出する前に、電気透析ユニット５０１から出てくる溶液の任意の混合に関する効果を評価するために、電気透析ユニット５０１を通って溶液を流すことと、膜接触器５０２／５０３を通って溶液を流すこととの間に３０秒間の休止を伴って、５ｌｐｍおよび６Ａの電流（３３ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）において、追加の実験を行った（実験１０）。目的はまた、ｐＨの変化における混合の効果があれば、それを見ることであった。
【００４８】
図５は、電気透析ユニット５０１と膜接触器５０２／５０３の組み合わせの流れ図を示すが、簡潔さのために、電解液タンクおよび塩基タンクは、示していない。酸タンク５０５および塩基タンクをそれぞれ、実験（表１を参照のこと）に従って、「理想的」な海水溶液または「真正」の海水溶液のいずれか５Ｌで満たした。電解液タンクを２ＭのＮａＯＨ溶液５Ｌで満たした。次に、海水溶液をＢＰＭＥＤユニット５０１に通すが、膜接触器５０２／５０３には通さず流し、オフセット値を記録するために、真空ポンプ５０４を始動させた。一度与えられた体積流量で正確に電気透析ユニット５０１を通って５Ｌの海水溶液を流すために必要とされる時間として定義される「貫流」時間の間、ＢＰＭＥＤユニット５０１を通って海水溶液を流すことによって、海水溶液のｐＨを約ｐＨ４に下げた。これを、「貫流」時間においてｐＨ４に到達するために必要とされる電流を印加することによって行った。
【００４９】
電気透析ユニット５０１に対する電極供給源を切断し、そして、真空ポンプ５０４を停止することなく貫流時間の直後に、溶液の流れをバイパスモードに切り替え、それにより、海水溶液を膜接触器５０２および５０３に向けた。電解液および塩基の流れもまた、貫流時間に到達した後にバイパスモードに転換した。実験１０（表１）に関しては、電力供給源を停止した後の３０秒間の休止後、溶液の流れを膜接触器５０２および５０３に切り替え、酸タンク５０５において溶液を適切に混合させるために、バイパスモードでシステムを走らせた。
【００５０】
ＣＯ２流量計５０６を通る産出物に関しては、膜接触器５０２および５０３を真空ポンプ５０４によって既にポンプで汲み出していたので、一旦、流れを膜接触器５０２および５０３に切り替えてしまうと、膜接触器５０２および５０３によって抽出された全てのＣＯ２を記録した。図５に示されたシステムで行った実験の結果が、表２に要約される。実験１（理想的な海水溶液）に対する項目と、実験３（真正の海水溶液）に対する項目とは、理想的な海水溶液と真正の海水溶液との間の差が、あまり大きくなかったことを示す。
【表２】
【００５１】
印加電流と流速との異なる組み合わせもまた、調査した（実験２、４〜９）。約４ｌｐｍの流速は、膜接触器の抽出効率を最も高くした。従って、３ｌｐｍ、３．７５ｌｐｍ、４．２５ｌｐｍ、および５ｌｐｍなどの約４ｌｐｍの流速範囲を、ＢＰＭＥＤプロセスの終わりにおいて、酸性化された溶液において約４のｐＨを達成するための印加電流の対応する値と共にテストした。３．７５ｌｐｍの流速と４Ａの電流（２２ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）との組み合わせ（実験２）が、電気透析システムに対して５００ｋＪ／ｍｏｌの最小のエネルギー消費を有し、７６％の効率（ＣＯ２ガスとして抽出されるＨＣＯ３−の形態の投入溶液に存在するＣＯ２の割合）を有する。実験２のために使用される条件もまた、０．１５７ｌｐｍの貫流条件において５Ｌの溶液に対して平均的なＣＯ２抽出率を作り出した。３ｌｐｍの流速と、４Ａの電流（２２ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）を使用した実験５は、ＣＯ２の抽出の点ではわずかに高い効率性（７７％）を作り出したが、流速が遅いことにより貫流時間が増加したので、総エネルギー消費は、増加した（７０９ｋＪ／ｍｏｌ）。ＣＯ２を抽出するための、海水のＢＰＭＥＤのために選択された流速と電流とは、３．７５ｌｐｍと４Ａとである必要はなく、表２の結果が示すように、流速と電流との多くの他の組み合わせ（表２に示されていない組み合わせを含む）が、海水からＣＯ２を抽出することが出来ることが、理解される。
【００５２】
表３は、「理想的」な海水溶液または「真正」の海水溶液ではなく、概ねＲＯのブライン溶液を使用して行われた同様な実験の結果を要約する。多くのＲＯブラインは、海水でみられる濃度のほぼ２倍である濃度を有するので、概ねＲＯのブライン溶液を、Ｉｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔの濃度を２倍にすることによって調製した。
【表３】
【００５３】
表３が示すように、ＲＯブライン溶液の場合、システムは、さらに遅い流速で動作するが、より効率的であった。３ｌｐｍの流速および７Ａの電流（３９ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）においては、６２％の効率と分かった。エネルギー要件は、２．５ｌｐｍの流速と５．５Ａの電流（３１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）とにおいて最も低い。海水溶液に対して見られる滴定（表２）と同様な滴定のためには、ほぼ２倍の電流の大きさを必要とし、ＲＯブラインに対しては、電圧を増加したことにより、抽出されたＣＯ２１ｍｏｌ当たりのエネルギー要件が、海水溶液よりも高いこととなる。
【００５４】
貫流モードで動作するシステムの性能を特徴付けるために、以下の溶液を使用して実験を行った。脱イオン水、０．５ＭのＮａＣｌ、および２．５ｍＭのＮａＨＣＯ３を使用するが、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを使用することなく調製された「理想的」な海水、Ｍｇ２＋およびＣａ２＋などの二価カチオンを含むＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」の海水、および２倍のＩｎｓｔａｎｔ Ｏｃｅａｎ（登録商標）Ｓｅａ Ｓａｌｔを使用して調製された「真正」のＲＯブライン。
【００５５】
各実験に対して、ＣＥＭ端膜を有するＢＰＭ−ＡＥＭ−ＢＰＭ−ＡＥＭ型の８セルの２コンパートメント電気透析スタックを使用した。各膜の断面積は、約１８０ｃｍ２であった。任意の数のセルから構成される電気透析スタックが、使用されることが出来、これらの実験において使用される８セルのスタックは、考えられる唯一の構成ではないことを理解されたい。さらに、図４に示された構成などの、任意の数であるｎ個の３コンパートメントのスタックが、代替え的に使用されることが出来ることを理解されたい。異なる断面積の膜が、使用されてもよいことも、理解されたい。
【００５６】
図６は、使用された実験の構成に関する概略図を示す。システムは、ＢＰＭＥＤ装置６０１を含んだ。装置６０１は、チタン電極を使用したので、酸性の電極溶液６０２（０．１ＭのＨ２ＳＯ４／０．２５ＭのＮａ２ＳＯ４）を使用した。溶液からＣＯ２を能動的または受動的に引き出す他の方法が、使用されることが出来ることが、理解されるが、使用されたシステムはまた、直列した２つの膜接触器６０３および６０４だけでなく、酸性化された溶液から抽出されたＣＯ２ガスの流れを監視するためのＣＯ２流量計６０５も含んだ。システムはさらに、処理溶液がポンプで汲み上げられる投入タンク６０６と、ＢＰＭＥＤ装置６０１から酸性化された溶液の産出物と塩基性化された溶液の産出物とを受け入れるための収集タンク６０７とを含んだ。
【００５７】
最初に、理想的な海水をテストした。全ての実験に対して、酸性溶液に対して３．１ｌｐｍの流速を使用し、塩基溶液に対して４．０ｌｐｍの流速を使用した。膜接触器は、塩基溶液の流路と比較して酸性溶液の流路において余分の圧力低下を引き起こすので、両溶液の圧力を等しくするために、体積流量のより多い塩基溶液を使用した。電極において、電極溶液６０２をＢＰＭＥＤ装置６０１の中に流し、投入タンク６０６から装置６０１の中に理想的な海水溶液を流した。膜接触器６０３および６０４に接続された真空ポンプ（図示せず）をバイパスモードで始動させ、それから、流量計６０５を通って流れるように切り替えた。定電流モードにおいて手動で電力を装置６０１の膜スタックに供給した。
【００５８】
ｐＨ値が定常になると、定常状態の測定値を取り、異なる定電流値において定常状態の測定を行い、全ての他のパラメータを一定に維持した。実験の結果が、表４に示される。
【表４】
【００５９】
「貫流」ユニットの使用を介して、定常状態の条件が、達成されることが出来る。これが、酸のｐＨを調節するために、一定の流速に対する電流を変更することを容易にする。このようにして、電流は、最少のエネルギー量でＣＯ２の多くを抽出するように最適化されることが出来る。例えば、表４の結果は、１．５Ａの印加電流（８ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）において、２１３ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ２の投入で０．１３ｌｐｍのＣＯ２を抽出し、２Ａ（１１ｍＡ／ｃｍ２の電流密度）において２８５ｋＪ／ｍｏｌのＣＯ２の投入で０．１４ｌｐｍのＣＯ２を抽出したことを示す。
【００６０】
次に、「真正」の海水およびＲＯブラインをテストした。３つの異なる流速をテストした。各流速に対して、３つの異なる溶液（理想的な海水、真正の海水、およびＲＯブライン）を、選んだ溶液およびその流速に対して適切な電流を印加することによって、４、５、および６のｐＨ値に近づけるために滴定した。
【００６１】
「真正」の海水をテストする実験の結果が、表５に示される。図７は、様々な酸溶液の最終的なｐＨ値と流速とにおけるエネルギー消費を示す、「真正」の海水に対する実験結果のグラフである。
【表５】
【００６２】
表５および図７は、真正の海水を用いた実験に対する実験結果を示す。図７は、１）３．１ｌｐｍ〜４．１ｌｐｍの流速範囲内では、溶液の流速は、結果に顕著な影響を与えないことと、２）分離されたＣＯ２１ｍｏｌ当たりに消費されるエネルギーを最小化するために最適な最終的なｐＨは、ｐＨ約４．５であることとを示す。図７における最適条件は、高いｐＨ値（ｐＨ＝約６）において抽出されるＣＯ２の量が、より少ないことと、低いｐＨ値においては、投入された海水をｐＨ３に酸性化させるために必要とされるエネルギーをさらに消費するため、ＣＯ２抽出という点では収穫逓減することとの間のトレードオフに起因する。これはまた、図８に描かれた効率（投入された溶液に含有された総ＣＯ２によって除された抽出されたＣＯ２）によって説明される。
【００６３】
図９は、３．１ｌｐｍの流速に対する異なる溶液（理想的な海水、真正の海水、およびＲＯブライン）に対するＣＯ２分離の効率を示す。図９は、分離の効率が、酸性溶液の最終的なｐＨに依存するが、所与の最終的なｐＨに対しては、効率は、理想的な海水、真正の海水、およびＲＯブラインに対してほぼ同じであることを示す。
【００６４】
本発明における、現在予期されないか、または現在予測されない様々な代替案、改変、変化形、または改善が、当業者によって後に行われてもよく、それらもまた、以下の特許請求の範囲に包含されることを意図される。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＢＰＭＥＤ装置の中に処理溶液を流すことと、
前記ＢＰＭＥＤ装置の中に電極溶液を流すことと、
前記処理溶液が、酸性化および塩基性化され、溶解されたＣＯ２が、酸性化された処理溶液において生成されるように、前記ＢＰＭＥＤ装置に電圧を印加することと、
前記ＢＰＭＥＤ装置から前記酸性化された処理溶液および前記塩基性化された処理溶液を流すことと、
前記酸性化された処理溶液から前記ＣＯ２を脱着することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記酸性化された処理溶液は、前記脱着がＣＯ２脱着ユニットにおいて生じるように、酸性化された溶液のタンクに流される前に、前記ＣＯ２脱着ユニットを通って前記ＢＰＭＥＤ装置から流される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸性化された処理溶液は、前記脱着が酸性化された溶液のタンクにおいて生じるように、前記酸性化された溶液のタンクの中に、前記ＢＰＭＥＤ装置から流される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＢＰＭＥＤ装置の湯垢を取るために、前記ＢＰＭＥＤ装置を通って戻るように前記酸性化された処理溶液を流すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記処理溶液が、ほぼ中性のｐＨであるように、前記ＣＯ２を脱着した後、前記酸性化された処理溶液と前記塩基性化された処理溶液とを再結合することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項１】
ＢＰＭＥＤ装置の中に処理溶液を流すことと、
前記ＢＰＭＥＤ装置の中に電極溶液を流すことと、
前記処理溶液が、酸性化および塩基性化され、溶解されたＣＯ２が、酸性化された処理溶液において生成されるように、前記ＢＰＭＥＤ装置に電圧を印加することと、
前記ＢＰＭＥＤ装置から前記酸性化された処理溶液および前記塩基性化された処理溶液を流すことと、
前記酸性化された処理溶液から前記ＣＯ２を脱着することと
を含む、方法。
【請求項２】
前記酸性化された処理溶液は、前記脱着がＣＯ２脱着ユニットにおいて生じるように、酸性化された溶液のタンクに流される前に、前記ＣＯ２脱着ユニットを通って前記ＢＰＭＥＤ装置から流される、請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記酸性化された処理溶液は、前記脱着が酸性化された溶液のタンクにおいて生じるように、前記酸性化された溶液のタンクの中に、前記ＢＰＭＥＤ装置から流される、請求項１に記載の方法。
【請求項４】
前記ＢＰＭＥＤ装置の湯垢を取るために、前記ＢＰＭＥＤ装置を通って戻るように前記酸性化された処理溶液を流すことをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【請求項５】
前記処理溶液が、ほぼ中性のｐＨであるように、前記ＣＯ２を脱着した後、前記酸性化された処理溶液と前記塩基性化された処理溶液とを再結合することをさらに含む、請求項１に記載の方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１３−１３８８９（Ｐ２０１３−１３８８９Ａ）
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１２−１４０１２５（Ｐ２０１２−１４０１２５）
【出願日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【出願人】（５０２０９６５４３）パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月２４日（２０１３．１．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２４年６月２１日（２０１２．６．２１）
【出願人】（５０２０９６５４３）パロ・アルト・リサーチ・センター・インコーポレーテッド (393)
【氏名又は名称原語表記】Ｐａｌｏ Ａｌｔｏ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｃｅｎｔｅｒ Ｉｎｃｏｒｐｏｒａｔｅｄ
【Ｆターム（参考）】
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