炭酸塩水溶液および炭酸水素塩溶液からのガスの電気透析分離
【課題】混合ガス流からＣＯ２などのガスを捕捉前溶液に捕捉させて捕捉後溶液とし、捕捉後溶液を電気透析装置を用いてガス、液体、または超臨界流体などの生成物として生成して除去する方法を提供する。
【解決手段】電気透析装置１１０を用いて、ガス、液体、または超臨界流体のような生成物を発生させるプロセスが、本装置へ少なくとも２つの溶液を第１溶液タンク１００、第２溶液タンク１０１から流入させ、電極溶液をタンク１０２，１０３から流入させるステップと、第２溶液から生成物が発生するように、温度および圧力を調整するステップと、第２溶液内に生成物が発生するように、本装置の電気透析スタックへ電圧を加えるステップと、本装置から第２溶液を流出させるステップと、第２溶液から生成物を再生するステップとを含む。
【解決手段】電気透析装置１１０を用いて、ガス、液体、または超臨界流体のような生成物を発生させるプロセスが、本装置へ少なくとも２つの溶液を第１溶液タンク１００、第２溶液タンク１０１から流入させ、電極溶液をタンク１０２，１０３から流入させるステップと、第２溶液から生成物が発生するように、温度および圧力を調整するステップと、第２溶液内に生成物が発生するように、本装置の電気透析スタックへ電圧を加えるステップと、本装置から第２溶液を流出させるステップと、第２溶液から生成物を再生するステップとを含む。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
混合ガス流からＣＯ２を除去する技術は、典型的には捕捉および再生という２ステップのプロセスが必要である。最初に、ガスは水の「捕捉前溶液」と接触し、捕捉前溶液は、混合ガス流内のＣＯ２ガスと反応し、ＣＯ２を「捕捉後溶液」内へ「捕捉する」。次に、このＣＯ２を多く含む捕捉後水溶液から、純粋なＣＯ２ガス流が再生される。種々の捕捉前溶液が存在する。ＣＯ２濃度が３８６ｐｐｍの雰囲気などの低濃度のＣＯ２を有する混合ガス流にとって、水酸化カリウム（ＫＯＨ）もしくは水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの水酸化物捕捉前水溶液、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）もしくは炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）などの炭酸塩捕捉前水溶液、または炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）もしくは炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）などの炭酸水素塩捕捉前水溶液は、ＣＯ２捕捉前溶液として有望な候補である。他の捕捉前溶液では、例えば、モノエタノールアミン（ＭＥＡ：ｍｏｎｏｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）が知られており、これは、例えば燃焼排ガスからのＣＯ２を除去するために、ガス流浄化用途に用いられる。これらの捕捉前溶液内へＣＯ２ガスを捕捉すると、元の水酸化物／炭酸塩／炭酸水素塩の捕捉前溶液は、水酸化物（ＫＯＨもしくはＮａＯＨ）、炭酸塩（Ｋ２ＣＯ３もしくはＮａ２ＣＯ３）、および／または炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）もしくは炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）捕捉後溶液から成る混合物で構成される、より酸性の捕捉後溶液へ変換される。
【０００２】
ＣＯ２ガスが、ＣＯ３（２−）および／またはＨＣＯ３−というイオンの形態で捕捉されて、捕捉後溶液を形成すると、典型的には溶液から純粋なＣＯ２ガスが再生される。このプロセスが与える全体にわたる効果は、比較的低いモル（ｍｏｌｅ）分率のＣＯ２ガスを有する分離前混合ガス流から、分離前ガス流よりも高いモル分率のＣＯ２ガスを有する分離後ガス流へ、ＣＯ２ガスの分離および濃縮を行うことである。次いで、捕捉および再生後、分離後ガスは、地質学的に隔離されるか、またはコンクリート、プラスチック、もしくは液体炭化水素燃料などの有益な生成物内へ包含されるか、することができる。再生されたＣＯ２のうちの可能性がある用途の多くは、１気圧よりも高い圧力へＣＯ２を加圧する必要がある。
【０００３】
バイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ：ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ）は、他の化学薬品を追加せずに、塩類水溶液を酸および塩基へ変換するのに用いることができる。ＢＰＭＥＤデバイスのコンポーネントは、溶液内のイオン種を分離するのに用いられるイオン交換膜であり、複数の膜を横切って電界が加えられるときに分離される。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、高圧電気透析システムの一実施の形態の概略図である。
【図２】図２は、高圧電気透析システムに用いる高圧電気透析装置の一実施の形態の分解図である。
【図３】図３は、一実施の形態に従ってＣＯ２ガスを発生させる電気透析膜スタック動作の概略図である。
【図４】図４は、一実施の形態に従ってＣＯ２ガスを発生させる電気透析膜スタック動作の概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
現在利用可能なバイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）装置は、少なくとも１つの電気透析セルで構成される電気透析スタックを含む。電気透析セルは、少なくとも１つのバイポーラ膜（ＢＰＭ：ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を含み、セルを横切る両端間に電位が加えられると、水素（Ｈ＋）イオンおよび水酸化物（ＯＨ−）イオンへの水の解離が発生するようにする。
【０００６】
ＢＰＭＥＤ膜スタックは、２室構成または３室構成を有することができる。２室構成では、隣接する膜は、ＢＰＭとＡＥＭとの間で交互に並べて、ＢＰＭ、ＡＥＭ、ＢＰＭ、ＡＥＭなどの形式の膜スタックを形成してもよいし、または隣接する膜は、ＢＰＭとＣＥＭとの間で交互に並べて、ＢＰＭ、ＣＥＭ、ＢＰＭ、ＣＥＭなどの形式の膜スタックを形成してもよい。３室セルでは、隣接する膜は、ＢＰＭからＡＥＭ、ＣＥＭまでを循環させて、ＢＰＭ、ＡＥＭ、ＣＥＭ、ＢＰＭ、ＡＥＭ、ＣＥＭなどの形式の膜スタックを形成してもよい。バイポーラ膜を有しない電気透析も可能性があり、交互に並ぶ一連のＡＥＭおよびＣＥＭによって形成された２室構成で構成されて、ＡＥＭ、ＣＥＭ、ＡＥＭ、ＣＥＭ、ＡＥＭなどの形式の膜スタックを形成する。
【０００７】
市販のＢＰＭＥＤシステムの内部にあるガス気泡により、膜表面の近傍にガス気泡が生じ、同ガス気泡により、この領域内のイオン輸送が阻止されて、膜の有効な表面面積が縮小されることがあり、その結果、抵抗が増加し、極めて高い電流密度の局所的な「ホットスポット」が発生して、膜寿命を短くすることになる。結果として、一般に使用される入力溶液および出力溶液は、周囲圧力において膜スタック内部に大した量のガスを放出しないように選択される。電気透析処理による全クラスのガス放出溶液は、このことから除外される。
【０００８】
一実施の形態では、これらの課題は、高圧で、すなわち周囲圧力を超える圧力で、電気透析装置を動作することによって克服される。動作圧力は十分に高く、他のプロセス条件であれば、典型的には周囲圧力において溶液から膜スタック内へ放出することになるガスが、代わりに溶液内に溶解した状態のままであり、結果的に膜スタックの内部におけるガス気泡の放出が防止される。溶解ガスを含有する溶液の圧力は、スタックの下流で低減することができ、その結果溶解ガスは溶液から放出されて、他の用途に収集することができる。低減される、溶液の圧力は、膜スタックの動作圧力未満の任意の圧力とすることができる。このように、ガスは、周囲圧力よりも大きい圧力で放出することができ、必要に応じて周囲圧力未満の圧力で放出することもできる。
【０００９】
本明細書で説明されるプロセスを用いて、ガス、液体、超臨界流体、またはこれらの何らかの組み合わせのうちのいずれが発生するかは、１）電気透析が実行される温度および圧力、および２）入力溶液組成物に依存する。例えば、ＣＯ２を含有する入力溶液が用いられるとき、ＣＯ２ガス、ＣＯ２液体、または超臨界ＣＯ２のうちのいずれかが、使用される温度および圧力に依存して発生してもよい。動作圧力および動作温度がＣＯ２相図のガス部分に入ると、例えば大略１０気圧の圧力および大略２０°Ｃの温度で、ＣＯ２は、ガスとして出力溶液内に発生する。用いられる動作圧力および動作温度がＣＯ２相図の液体部分内に収まると、例えば大略１００気圧および２０°Ｃで、ＣＯ２液体が発生する。動作圧力および動作温度がＣＯ２の臨界点を通過するのに十分に高いと、例えば大略７５気圧および３５°Ｃで、超臨界ＣＯ２流体が発生する。これらの場合のうちのいずれかでは、ＣＯ２ガス、液体、または超臨界流体は、ガス／液体分離、液体／液体分離または液体／超臨界流体分離などの、既知の方法によって、出力溶液から再生することができる。用いられる入力溶液に依存して、ＣＯ２以外に、ＳＯ２またはＮＨ３などの他のガス、液体、または超臨界流体生成物が発生することもできる。電気透析プロセスの温度は、例えば入力溶液を直接に加熱することによって、制御してもよい。
【００１０】
スタック内の溶液（電極溶液、第１溶液、第２溶液、および任意の第３溶液）を加圧し、その後で溶液内へイオン輸送を実行して同溶液からガスが放出されることによって、標準プロセスの場合よりも効率的に、加圧が成し遂げられる。これにより、ＣＯ２の場合には、液体燃料に対する隔離および反応などの一定の用途に必要な圧力で、ＣＯ２を直接に発生させることが可能となる。これにより、引き続く反応ステップに必要な高められた圧力で、直接に再生することもできる他のガスに対しても、利益を享受することができる。例えば、ＳＯ２ガスは、亜硫酸塩水溶液または硫酸水素塩水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由して、より酸性にされるときに、生成することができ、ＮＨ３ガスは、アンモニウム水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由して、よりアルカリ性にされるときに、生成することができる。
【００１１】
図１は、一実施の形態の高圧電気透析システムを示す。２室式電気透析を行う装置を含むシステムは、３つのループ、すなわち第１溶液ループ、第２溶液ループ、および電極溶液ループで構成される。３室式電気透析を行う装置を含むシステムは、追加の第３溶液ループを含む。
【００１２】
一実施の形態では、第１溶液はアルカリ性溶液、および第２溶液は酸性溶液である。代わりの構成としては、第１溶液は酸性溶液、および第２溶液はアルカリ性溶液である。電極溶液は、例えば電解液でもよい。４つのループを包含する一実施の形態では、第３溶液は、例えば動作中の電気透析ユニットの中を通過しながら希薄化された塩類溶液でもよい。
【００１３】
各ループは、１つ以上のタンク（例えば、第１溶液タンク１００）、ポンプ（例えば、第１溶液ポンプ１０４）、振動吸収材（例えば、第１溶液振動吸収材１０７）、１つ以上の温度計およびｐＨ計（例えば、計器１１６）、１つ以上の温度計および導電率計（例えば、計器１１７）、１つ以上の圧力計および流量計（例えば、計器１２３および１２３）、バイパスモードとスタックモードとの間で動作モードを変化させるバルブ（例えば、バルブ１１２および１２０）、ならびに電気透析装置１１０の圧力を調整するバルブ（例えば、バルブ１２１）を含む。
【００１４】
一実施の形態では、本システムは、高圧電気透析装置１１０も含む。図２は、一実施の形態に従うシステムに用いる高圧電気透析装置の分解図を示す。高圧電気透析装置は、アノード端部２０１およびカソード端部２０２を含む。本装置は、軸支持メンバ２０３および補強メンバ２０４を有する筺体を含む。本装置が組み立てられるとき、軸支持メンバ２０３は、いっしょにつがいにされて、電気透析膜スタック２０５を収容するセルチャンバを形成する。補強メンバ２０４は、同メンバが結合されるとき、軸方向に圧縮力を加えるように構成され、それによって、軸支持メンバ２０３がつがいにされるようにするとともに、電気透析装置が、本装置の周囲の環境内で自然に生じる圧力として定義される周囲圧力を超える圧力で、動作することができるようにする。周囲圧力は、海水面の高度において、典型的には大略１気圧、または１０１．３２５ｋＰａである。高圧電気透析装置は、２０気圧を含めて最大２０気圧までの圧力で、または２０気圧を超える圧力で、動作することができる。一実施の形態では、アノード端部２０１における軸支持メンバ２０３は、少なくとも１つの加圧ポート２１６を含み、同ポートは、電気透析膜スタック２０５の内部と、軸支持メンバ２０３のつがいによって形成されるセルチャンバとの間の圧力が、電極溶液の一部を電気透析スタック２０５の外側にあるセルチャンバの領域へ転換することによって、等しくなることを可能にする。
【００１５】
電気透析スタック２０５は、バイポーラ膜なしに電気透析を実行するように構成される１つ以上の電気透析セル２０６、またはＢＰＭＥＤを実行するように構成される１つ以上のセルを含む。ＢＰＭＥＤを実行するように構成されるセルは、２室セルまたは３室セルのいずれかとすることができる。例えば、図２の電気透析セル２０６は、第１イオン交換膜２０８および第２イオン交換膜２０９に対して交互となるように配置された、２つのセルガスケット２０７を含む。例えば、第１イオン交換膜２０８がＡＥＭであり、第２イオン交換膜２０９がＣＥＭであれば、セル２０６は、バイポーラ膜なしに電気透析を実行することもできる。代わりの構成としては、例えば、第１イオン交換膜２０８がＢＰＭであり、第２イオン交換膜２０９がＡＥＭまたはＣＥＭであれば、セルは、ＢＰＭＥＤを実行することもできる。
【００１６】
電気透析スタック２０５は、スタックの一方または両方の端部において端部ガスケット２１１、スタックの一方または両方の端部において端部イオン交換膜２１０、および膜スタック２０５のカソード端部２０２においてｎ番目の電気透析セル２０６と端部イオン交換膜２１０との間に挿入される追加のセルガスケット２１２も含むことができる。端部イオン交換膜２１０および追加のセルガスケット２１２が必要となるかどうか、およびどんなタイプのイオン交換膜２１０が適切であるかは、使用される入力溶液および所望の出力溶液に依存する。
【００１７】
図３は、１つの２室ＢＰＭＥＤセルを収容する高圧電気透析装置内で、ＣＯ２ガスを発生させるのに用いられる電気透析膜スタック動作の概略図を示す。図示されるスタック構成およびプロセスを用い、本システム内への入力に依存して、他のガスが発生してもよい。
【００１８】
１つの２室ＢＰＭＥＤセル３０２を含む電気透析スタック３０１では、電気透析セル３０２は、２つのセルガスケット３０３および３０５、ならびにセルガスケット３０３および３０５に対して軸方向に交互となるように配置された２つのイオン交換膜３０４および３０６で構成される。電気透析スタック３０１はまた、２つの端部イオン交換膜３０７および３０８を含み、電気透析セル３０２は、２つの端部イオン交換膜３０７および３０８の間に挿入される。電気透析スタックはまた、電気透析セル３０２の第２イオン交換膜３０６と第２端部イオン交換膜３０８との間に挿入される追加のセルガスケット３０９を含む。電気透析スタック３０１はまた、２つの端部ガスケット３１０および３１１を含み、第１端部ガスケット３１０は、本装置のアノード端部電極３１２と第１端部イオン交換膜３０７との間に挿入され、第２端部ガスケット３１１は、本装置のカソード端部電極３１３と第２端部イオン交換膜３０８との間に挿入される。
【００１９】
電気透析スタックが２室ＢＰＭＥＤを実行するように構成される一実施の形態では、第１イオン交換膜３０４はＢＰＭであり、第２イオン交換膜３０６はＡＥＭであり、端部イオン交換膜３０７および３０８はＣＥＭである。第１ＣＥＭ３０７とＢＰＭ３０４との間に、アルカリ性溶液が発生し、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間に、酸性溶液が発生する。溶存種の濃度、ｐＨ、および絶対圧力などのシステムパラメータに依存して、ガスは、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間の酸性溶液から放出してもよいし、酸性溶液内に溶解した状態のままでもよい。例えば、所与の濃度の溶解ＣＯ２および所与のｐＨの酸性溶液に対して、ＣＯ２ガスが酸性溶液内に溶解しているとき、圧力が十分に高ければ、全ＣＯ２ガスは、溶液内に溶解した状態のままであることになる。例えば、入力水溶液は、いずれかの電極に流れるＫＯＨの電極溶液であり；ガスケット３０３によって定義される溶液室内にある端部ＣＥＭ３０７とＢＰＭ３０４との間、およびガスケット３０９によって定義される溶液室内にあるＡＥＭ３０６と端部ＣＥＭ３０８との間、に流れるＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３の塩基溶液であり；ガスケット３０５によって定義される溶液室内にあるＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間に流れるＫＨ２ＰＯ４およびＨ３ＰＯ４の酸溶液である。Ｋ＋イオンは、ガスケット３１０によって定義される室内にある電極溶液から、端部ＣＥＭ３０７を横切って移送され、ＯＨ−およびＨ＋イオンは、ＢＰＭ３０４を横切る両端間で解離し、ＨＣＯ３−およびＣＯ３２−は、ガスケット３０９によって定義される室内にあるアルカリ性溶液から、ＡＥＭ３０６を横切って移送される。Ｋ＋イオンは、解離したＯＨ−イオンと化合して、第１ＣＥＭ３０７とＢＰＭ３０４との間にＫＯＨを発生させ、Ｈ＋イオンは、ＨＣＯ３−イオンおよびＣＯ３２−イオンと化合して、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間のガスケット３０５によって定義される溶液室内に、Ｈ２ＣＯ３および溶解ＣＯ２を形成する。
【００２０】
一実施の形態では、電気透析スタックは、代わりに１つ以上の３室セルを含む。図４は、１つの３室セルを収容する高圧ＢＰＭＥＤ装置内で、ＣＯ２ガスを発生させる電気透析スタック動作の概略図を示す。図示されるスタック構成およびプロセスを用い、本システム内への入力に依存して、他のガスが発生してもよい。
【００２１】
１つの３室式電気透析セル４０２を含む電気透析スタック４０１の一実施の形態では、電気透析セル４０２は、３つのセルガスケット４０３、４０５、４０７、およびセルガスケット４０３、４０５、４０７に対して軸方向に交互となるように配置された３つのイオン交換膜４０４、４０６、４０８で構成される。電気透析スタック４０１はまた、２つの端部ガスケット４１１および４１２を含み、第１端部ガスケット４１１は、本装置のアノード端部電極４１３と端部イオン交換膜４０９との間に挿入され、第２端部ガスケット４１２は、本装置のカソード端部電極４１４と電気透析セル４０２との間に挿入される。電気透析スタック４０１はまた、電気透析セル４０２と端部ガスケット４１１との間に挿入される１つの端部イオン交換膜４０９を含む。
【００２２】
本実施の形態では、第１膜４０４はＢＰＭであり、第２膜４０６はＡＥＭであり、第３膜４０８はＣＥＭであり、端部膜４０９はＣＥＭである。アルカリ性溶液は、端部イオン交換膜４０９とＢＰＭ４０４との間に発生し、酸性溶液およびＣＯ２ガスは、ＢＰＭ４０４とＡＥＭ４０６との間に発生し、脱塩入力溶液は、ＡＥＭ４０６とＣＥＭ４０８との間に発生する。例えば、入力溶液は、ガスケット４１１および４１２によって定義される室内にあるＫＯＨの電極溶液、ガスケット４０３および４０７によって定義される室内にあるＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３のアルカリ性溶液、ならびにガスケット４０５によって定義される室内にあるＫＨ２ＰＯ４およびＨ３ＰＯ４の酸性溶液を含むことができる。このような条件のもとで、Ｋ＋イオンは、端部ガスケット４１１によって定義される室内にある電極溶液から端部ＣＥＭ４０９を横切って、および端部ガスケット４１２によって定義される室内にある電極溶液内へＣＥＭ４０８を横切って移送され、ＯＨ−およびＨ＋イオンは、ＢＰＭ４０４を横切る両端間で解離し、ＨＣＯ３−およびＣＯ３２−は、ガスケット４０７によって定義される室内にあるアルカリ性溶液から、ＡＥＭ４０６を横切って移送される。Ｋ＋イオンは、解離したＯＨ−イオンと化合して、端部イオン交換膜４０９とＢＰＭ４０４との間にＫＯＨを発生させ、Ｈ＋イオンは、ＨＣＯ３−およびＣＯ３２−イオンと化合して、ＢＰＭ４０４とＡＥＭ４０６との間のガスケット４０５によって定義される溶液室内に、Ｈ２ＣＯ３および溶解ＣＯ２を形成し、入力溶液ほど濃縮されていない、希薄化されたＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３溶液は、ＡＥＭ４０６とＣＥＭ４０８との間に発生する。
【００２３】
図２へ戻ると、高圧電気透析装置はまた、溶液が本装置へ流入するおよび本装置から流出することを可能にするポートを含む。ポートは、軸支持メンバ２０３内に形成される飾りポートであって、補強メンバ２０４内に形成される飾りポート穴を通してスライドする飾りポートでもよいし、フランジアダプタ２１３は、各飾りポートにぴったりかぶせて、補強メンバ２０４へ取り付けてもよい。本装置の流れは、アノード端部２０１にあるポートが放出口ポートであり、カソード端部２０２にあるポートが注入口ポートであるように、必要に応じて逆にすることができる。加えて、この流れは、アノード端部２０１において、一方の溶液用に入力ポートおよび他方の溶液用に出力ポートがあり、カソード端部２０２において、アノード端部に入力ポートがある溶液用に出力ポートおよびアノード端部に出力ポートがある溶液用に入力ポートがあるようにすることができる。本装置の各端部は、電極溶液注入口ポートおよび電極溶液放出口ポートを両方とも有する。
【００２４】
高圧電気透析装置はまた、２つの電極であって、スタック２０５のいずれの端部にもそのうちの１つがある２つの電極２１４、および２つの電極格子であって、電極２１４のうちの１つと電気透析スタック２０５との間に各電極格子が挿入される２つの電極格子２１５を含む。一実施の形態では、本装置はまた、２つの応力低減シリンダ２１７を含み、そのうちの１つが各補強メンバ２０４へ取り付けられる。
【００２５】
一実施の形態では、図２に示される電気透析装置は、図１に示される高圧電気透析システムへ、電気透析装置１１０として包含される。電気透析装置１１０が、ＢＰＭＥＤ電気透析スタックを含むとき、図１の電気透析システムは、例えば、炭酸塩水溶液および炭酸水素塩溶液からＣＯ２ガスを再生するのに用いることができる。
【００２６】
図１に戻ると、タンク１００〜１０３は、周囲圧力と電気透析スタックの絶対圧力との間の任意の圧力に加圧することができる。タンクがこのように加圧されると、周囲圧力を超える圧力で、すなわちタンク１００〜１０３の圧力と実質的に同じ圧力で、溶液からガスが放出される。
【００２７】
一実施の形態では、第１溶液タンク１００および第２溶液タンク１０１はそれぞれ、バイパスまたは電気透析装置１１０から入る注入口と、第１溶液ポンプ１０４または第２溶液ポンプ１０５へ向う放出口との両方を有する。タンク１００および１０１は、ｐＨ計１１６ならびに導電率計１１７を溶液に差し込むためのフィードスルーを有する。第２溶液タンク１０１のカバーは、通気孔およびガス注入用の１／８インチ導管を備える。
【００２８】
一実施の形態では、第１溶液タンク１００および第２溶液タンク１０１は両方とも、タンクの状態に関する一定の情報を測定し、示し、および記録するための計器を有する。例えば、第１溶液タンク１００は、第１溶液の温度およびｐＨを測定し、示し、および記録するコンピュータ（ＴＸＩＲ）計器１１６への、温度情報およびｐＨ情報ならびに記録動作を含んでもよい。第１溶液タンク１００は、第１溶液の温度および導電率を測定し、示し、および記録するＴＸＩＲ計器１１７をさらに含んでもよい。第２溶液タンク１０１は、第２溶液に対して同一の機能を実行するＴＸＩＲ計器１１６およびＴＸＩＲ計器１１７をさらに有してもよい。
【００２９】
一実施の形態では、第２溶液タンク１０１は、電気透析スタックを通して動作している間、ガスを再生するために、第２溶液へガスを注入する手段をさらに有してもよい。例えば、第２溶液タンク１０１は、例えば導管によって接続されるＣＯ２ガスボトルを有する塩基溶液タンクでもよい。ガスの第１溶液タンク１０１への注入は、バルブ１１８を用いて、オンまたはオフすることができる。
【００３０】
一実施の形態では、第１溶液ループはまた、第１溶液ループを排液するバルブ１１９、およびバイパスモードから電気透析スタックモードへ動作を変化させるバルブ１２０を含む。第２溶液ループもまた、第２溶液ループに対して同一の機能を実行するバルブ１１９および１２０を含む。第１溶液ループはまた、本システム内の圧力を変化させるバルブ１２１、およびサンプルを取り込むバルブ１２２を含む。第２溶液ループもまた、第２溶液ループに対して同一の機能を実行するバルブ１２１および１２２を含む。一実施の形態では、第１溶液ループの圧力および流量は、それぞれ、コンピュータ（ＰＩＲ）計器１２３への圧力情報および記録動作、ならびにコンピュータ（ＦＩＲ）計器１２４への圧力情報および記録動作によって、測定され、記録される。第２溶液ループもまた、第２溶液ループに対して同一の機能を実行するＰＩＲ計器１２３およびＦＩＲ計器１２４を含む。
【００３１】
一実施の形態では、電極溶液ループは、２つのタンク１０２〜１０３を有する。各タンク１０２〜１０３は、バイパスまたは電気透析装置１１０から入る注入口、および電極溶液ポンプ１０６へ向う放出口を有する。電極溶液タンク１０２は、酸素を放出することになる電気透析装置１１０のアノード端部２０１から入る電極溶液のためのものである。電極溶液タンク１０３は、水素を放出することになる電気透析装置１１０のカソード端部２０２から入る流体のためのものである。
【００３２】
一実施の形態では、電極溶液ループもまた、電極溶液ループを排液するバルブ１１１を有する。電極溶液ループもまた、バイパスモードから電気透析スタックモードへ動作を変化させる２つのバルブ１１２を含んでもよい。電極溶液ループもまた、本システム内の圧力を変化させるように変更することができる２つのバルブ１１３を含んでもよい。一実施の形態では、電極溶液ループの圧力および流量は、それぞれＰＩＲ計器１１４およびＦＩＲ計器１１５によって測定され、記録される。
【００３３】
一実施の形態では、電気透析装置１１０の各ポートは、本システムがバイパスモードで動作中に、任意の溶液が電気透析装置１１０内へ流れることを回避する、チェックバルブ１２８を備える。各ループは、容積型ポンプ１０４の動作によって引き起こされる圧力振動を減衰させる振動吸収材１０７を有する。
【００３４】
一実施の形態では、本システムは、家庭用真空器へ接続される、三方弁であるバルブ１３１を含む。本システムが使用される前に、バルブ１３１は、バルブ１１８を用いて交互に開閉することができ、バルブ１１８は、本システムが使用中に発生させるどんなガスでも含むシリンダへ接続される。これにより、本システムが使用中に発生させるどんなガスでも、それ以外にヘッドスペースが何も含有しないように、第１溶液タンク１００のヘッドスペースから空気が除去される。ヘッドスペースをこのように浄化することによって、ＦＩＲ計器１３０を流れるガスがすべて純粋になること、またはできる限り純粋に近いものとなることが確実にされ、ＦＩＲ計器１３０によるガス流量の正確な測定が保障される。
【００３５】
一実施の形態では、電気透析システムは、各溶液ループ用に各１つのモータ１２５、および各溶液ループ用に各１つのＨｚ／ＲＰＭコントローラ１２６を含む。電気透析システムはまた、各溶液ループ用に各１つの圧力軽減バルブ１２７を含む。電気透析システムはまた、真空またはガスシリンダからの流れを接続するまたは阻止することを可能にする双方向バルブであるバルブ１３２を含み、この流れは、バルブ１３１およびバルブ１１８の設定に依存して阻止される。電気透析システムはまた、ＦＩＲ計器１３０を流れるガス流量を制御するバルブ１３３を含む。本システムはまた、タンク１００〜１０３からそれぞれバルブ１１１および１１９を経由して排液される任意の溶液を受ける排液管１２９を含む。
【００３６】
高圧電気透析装置を包含する電気透析システムを用いることによって、ガスは、任意のガス放出溶液から、周囲圧力と電気透析スタックの絶対圧力との間の任意の圧力で生成することができる。次の図および説明では、ＣＯ２ガスを発生させる一実施の形態に従うプロセスが、参照される。しかしながら、高圧電気透析システム、プロセス、および本明細書で説明される好ましい条件の実施の形態は、どんな溶液が用いられるかに依存して、ＣＯ２以外の他のガスを発生させるのに用いることができる。
【００３７】
電気透析スタック内で行われるイオン輸送は、高圧電気透析システムを用いてＣＯ２ガスを放出するプロセスを説明することによって、もっともよく理解される。Ｋ２ＣＯ３などの炭酸塩、およびＫＨＣＯ３などの炭酸水素塩の水溶液に関する電気透析において、ＣＯ２が発生する場合、電気透析装置内の圧力を増加させると、電気透析膜スタック内で膜面積を縮小する気泡が抑圧され、それによって所与の速度に対するＣＯ２発生の電圧およびエネルギ消費が減少する。次の図は、この原理を説明する。
【００３８】
高圧電気透析システムが、炭酸塩／炭酸水素塩水溶液からＣＯ２ガスを放出するのに用いられるとき、次のようないくつかの性能特性が理解される：１）ＣＯ２流量は、電流密度が増加するにつれて増加する、２）電圧は、所与の電流密度および塩基溶液に対して、圧力が増加するにつれて減少する、３）電圧減少の大きさは、電流密度が増加するにつれて増加する、４）ＣＯ２のモル当たりに必要なエネルギは、設定された電流密度およびＣＯ２輸送速度に対して、圧力が増加するにつれて減少する。これらの性能特性が生じるのは、高圧電気透析を実行する結果として、電気透析スタック内におけるガス気泡の放出を抑圧するからである。これらの特性は、次の表および図面を参照することによって、より良好に理解されることになる。
【００３９】
表１〜５は、１．５気圧から１０気圧までの絶対圧力において、図２に示される本実施の形態などの高圧電気透析装置の性能を特徴付けるように行われた実験に対して、ＣＯ２流量（ｓｌｐｍ）（表１）、効率（表２）、電圧（ボルト）（表３）、分数電圧低減量（表４）、およびエネルギ（ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２）（表５）の測定値を示す。これらの実験は、すべて次の条件のもとで実行された：使用されたＢＰＭ、ＡＥＭ、およびＣＥＭは、それぞれネオセプタ（Ｎｅｏｓｅｐｔａ）ＢＰ−１Ｅ、ネオセプタＡＨＡ、ネオセプタＣ６６−１０Ｆであった；ＫＨＣＯ３の塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略８．６であった；Ｋ２ＣＯ３の塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略１１．６であった；ＫＯＨの塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略１３．６であった；すべての電極溶液は、２ＭのＫＯＨであった；すべての酸溶液は、０．３ＭのＫＨ２ＰＯ４および純水（ＤＩ ｗａｔｅｒ）５Ｌ当たり３０ｍＬのＨ３ＰＯ４であり、ｐＨは大略２．６であった。本実施の形態における７つのセルの高圧電気透析ユニット（図２を参照）を通る体積流量は、酸および塩基溶液に対して２．３３ｌｐｍ、電極溶液に対して６．９ｌｐｍであった。
【００４０】
次の塩基溶液／圧力組み合わせが調査された：１．５気圧、５気圧、および１０気圧における０．５ＭのＫＨＣＯ３；１．５気圧および５気圧における０．５ＭのＫ２ＣＯ３；ならびに１．５気圧、５気圧、および１０気圧における０．５ＭのＫＯＨ。
【００４１】
表１は、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧の絶対圧力から１気圧へ減圧後、酸タンクからＣＯ２ガスが放出される速度の測定値を示す。ＣＯ２流量は、所与の電流密度において、ＫＨＣＯ３に対してはＫ２ＣＯ３よりも２倍高く、電流密度が増加するにつれて線形的に増加する。
【表１】
【００４２】
表２は、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧の絶対圧力に対する効率を示す。効率は、電流の電子電荷当たりに放出されるガスの分子比率として定義される。この定義のもとで起こりうる最大効率は、ＫＨＣＯ３に対しては１．０であり、Ｋ２ＣＯ３に対しては０．５である。ＫＯＨが塩基溶液として用いられるとき、ＣＯ２流量はゼロになるので、ＫＯＨの塩基溶液に対するどんなデータも収集されなかった。表３は、効率が圧力に依存しないことを示す。さらに、電流密度が増加するにつれて、効率は、Ｋ２ＣＯ３に対して大略０．４５およびＫＨＣＯ３に対して０．８５の漸近値に達する。
【表２】
【００４３】
表３は、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧の絶対圧力に対する測定電圧を示す。表３は、１）所与の電流密度および塩基溶液に対して、絶対圧力が増加するにつれて、電気透析スタックを横切る両端間の全電圧は減少すること、および２）この減少量は、ＫＯＨに対してよりも、Ｋ２ＣＯ３およびＫＨＣＯ３の塩基溶液に対して大きくなること、を示す。表４は、１．５気圧で測定された電圧に関して、圧力ｐにおいて、式（Ｖ１．５気圧−Ｖｐ）／Ｖ１．５気圧によって決定される分数電圧低減量を示す。表４は、１）Ｋ２ＣＯ３およびＫＨＣＯ３に対する分数低減量が、高電流密度においてそれぞれ大略２０％および１５％である一方で、ＫＯＨに対する低減量は、多くても５％であること、および２）分数電圧低減量は、電流密度が増加するにつれて増加すること、を示す。これらの観察は、両方とも、電気透析システムの絶対圧力を増加させる効果が、電気透析スタックの内部の溶液から放出するＣＯ２ガスの量を減少させることになっているという事実によって説明することができる。
【表３】
【表４】
【００４４】
一定の電流密度および効率に対して、一定量のＣＯ２が、膜を横切って、ＨＣＯ３−およびＣＯ３（２−）イオンの形態の酸溶液内へ、輸送されることになる。酸溶液のｐＨが、溶液内に溶解したＣＯ３（２−）、ＨＣＯ３−、およびＣＯ２ガスの濃度の比率を決定し、他方、酸溶液と平衡にあるＣＯ２ガスの分圧が、溶液内に溶解したＣＯ２の濃度の絶対値を決定する。電気透析システムの内部の酸溶液と平衡にあるガスは、定常状態では純粋ＣＯ２であり、その結果、酸溶液と平衡にあるＣＯ２の分圧は、酸室の絶対圧力となる。一定の電流密度において、一定量のＣＯ２が酸溶液内へ輸送されるとすると、一定の電流密度に対して圧力が増加するにつれて、ＡＥＭを横切って酸溶液内へ輸送されるＣＯ２の割合が増加し、それによって、溶解ＣＯ２、ＨＣＯ３−、およびＣＯ３（２−）として、酸溶液ｐＨによって決定されるこれらの種の濃度比率で、溶液内に溶解した状態のままのようになる。各ＣＯ２輸送速度に対して、すなわち何らかの効率にある各電流密度に対して、輸送されるすべてのＣＯ２が、溶液内の状態のままであることになるための圧力が存在し、この点を超えて圧力を増加させても、さらなる効果は何も与えないはずである。
【００４５】
電気透析スタックそれ自体の内部でガスが放出されると、膜表面上にガス気泡が捕捉されるようになることが知られている。これにより、膜の有効な表面面積が縮小されて、電流密度および抵抗が増加するとともに、局所的に限定された極めて高い電流密度の領域、すなわち「電流集中現象」が発生し、結果として膜にダメージを与えることがある。一実施の形態では、高圧電気透析システムは、所与の電流密度およびしたがって所与のＣＯ２輸送速度に対して、圧力を増加させると、電気透析スタックそれ自体の内部にある溶液から生じるガス気泡の量が削減され、それによって抵抗が小さくなり、スタックを横切る両端間の全電圧が低減される。代わりに、電気透析スタックから物理的に分離された酸タンク内で、酸溶液が大略１気圧まで、または周囲圧力と電気透析装置の圧力との間の何らかの圧力まで減圧されると、溶液からＣＯ２が生じる。分数低減量は、所与の電流密度において、Ｋ２ＣＯ３に対してよりもＫＨＣＯ３に対して大きくなるが、これは、所与の電流密度において、ＫＨＣＯ３に対するＣＯ２輸送速度が、Ｋ２ＣＯ３に対するよりも高くなるからである。同様に、ＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３に対する低減量は、ＫＯＨに対するよりもさらに大きく、これは、ＫＯＨに対してどんなＣＯ２放出も発生しないからであり、絶対圧力が増加することによって、電極において化学的活性が増加するために、ＫＯＨに対して観察される小さな低減が起こりうる。
【００４６】
最後に、圧力が増加すると、一定のＣＯ２発生速度に必要な電圧が低減されるという事実により、表５に示されるデータが得られるが、同表では、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧のモルＣＯ２当たりのエネルギが示される。一定の電流密度およびＣＯ２輸送速度において、ＣＯ２のモル当たりに必要なエネルギは、圧力が増加するにつれて、電気透析スタックの内部におけるガス気泡の放出が抑圧されるために、低減される。
【表５】
【００４７】
図５Ａ〜５Ｄは、４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、図２に示される本実施の形態などの高圧電気透析装置の性能を特徴付ける実験に対して、ＣＯ２流量（ｓｌｐｍ）（図５Ａ）、効率（図５Ｂ）、電圧（ボルト）（図５Ｃ）、およびエネルギ（ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２）（図５Ｄ）の測定値を示す。各実験の実行は、一定の電流密度において、圧力が増加するにつれて電圧がその漸近値に達するまで行われた。本実施の形態における実験設定によって可能となる最大電流は、２５Ａであったが、別の実施の形態の場合には、より大きな電流の可能性があってもよいことが理解されるだろう。本実験における各膜に対する膜面積は、大略１８０ｃｍ２であったが、これは２５Ａが、１３９ｍＡ／ｃｍ２の電流密度に対応することを意味する。次の条件が使用された：使用されるＢＰＭ、ＡＥＭ、およびＣＥＭは、それぞれネオセプタＢＰ−１Ｅ、ネオセプタＡＨＡ、およびネオセプタＣ６６−１０Ｆであった；ＫＨＣＯ３の塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略８．６であった；すべての電極溶液は、２ＭのＫＯＨであった；すべての酸溶液は、０．３ＭのＫＨ２ＰＯ４および純水５Ｌ当たり３０ｍＬのＨ３ＰＯ４であり、ｐＨは大略２．６であった。高圧電気透析ユニットを通る体積流量は、酸および塩基溶液に対して２．３３ｌｐｍ、電極溶液に対して６．９ｌｐｍであった。実験は、１．５気圧から１０．２気圧までの圧力において０．５ＭのＫＨＣＯ３の塩基溶液を調査した。
【００４８】
図５Ａは、絶対圧力（気圧）に対して、１気圧に減圧後に酸タンクからＣＯ２ガスが放出される速度の測定値のプロットを示す。図５Ｂは、同一のデータ点に対して、効率対絶対圧力のプロットを示す。効率は、電流の電子電荷当たりに放出されるガスの分子比率として定義される。図５Ａは、電流密度が大略線形的に増加するにつれて、すべての圧力において、ＣＯ２流量が多くなることを示す。図５Ｂは、高い電流密度において、ＣＯ２流量が線形的増加よりも若干高く増加するのは、電流密度が増加するにつれて、効率がわずかに増加することに起因することを示す。
【００４９】
図５Ｃは、５つの種々の総電流値：４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａに対して、測定電圧対絶対圧力のプロットを示す。図５Ｃは、１）所与の電流密度および塩基溶液に対して、電気透析スタックを横切る両端間の全電圧は、絶対圧力が増加するにつれて、減少すること、２）この減少量は、電流密度が高くなるにつれて、ますます大きくなること、３）一定の電流密度に対して、電圧は、圧力が増加するにつれて、最低電圧に漸近的に接近すること、を示す。圧力が増加するにつれて、電圧が漸近的に振る舞うのは、各ＣＯ２輸送速度に対して、すなわち何らかの効率にある各電流密度に対して、輸送されるすべてのＣＯ２が、溶液内の状態のままであることになるための圧力があるからであり、この点を超えて圧力を増加させても、さらなる効果は何も与えないはずである。
【００５０】
図５Ｃもまた、所与の電流密度、およびしたがって所与のＣＯ２輸送速度に対して、圧力を増加させると、膜スタックそれ自体の内部にある溶液から生じるガス気泡の量を削減することによって、抵抗が小さくなり、スタックを横切る両端間の全電圧が低減されることを示す。代わりに、膜スタックから物理的に分離された酸タンク内で、酸溶液が１気圧まで減圧されると、溶液からＣＯ２が生じる。この低減量は、電流密度の増加に対して増加するが、これはＣＯ２輸送速度が電流密度とともに増加するからである。この低減量は、圧力が増加するにつれて、漸近的限界に達するが、これは、ある圧力を超える圧力では、すべてのＣＯ２は溶液内に溶解した状態のままであるからである。
【００５１】
図５Ｄは、５つの値の電流密度に対して、モルＣＯ２当たりのエネルギ対圧力のプロットを示す。一実施の形態では、装置内にある膜の膜面積は大略１８０ｃｍ２であり、その結果、２５Ａの電流は、大略１４０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度に対応する。図５Ｄは、圧力が増加すると、一定のＣＯ２発生速度に必要な電圧が低減されることを示す。一定の電流密度およびＣＯ２輸送速度において、圧力が増加するにつれて、電気透析スタックの内部におけるガス気泡の放出が抑圧され、それによってＣＯ２のモル当たり必要なエネルギは、低減される。２５Ａに対して、１０．２気圧において必要なエネルギ、すなわち３３３ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２は、１．５気圧において必要なエネルギ、すなわち４７１ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２よりも大略３０％少ない。それゆえに、電流密度およびしたがってＣＯ２発生速度が増加するにつれて、圧力を増加させると、１気圧における動作と比較して、エネルギ消費の分数低減量はますます大きくなる。
【００５２】
高圧電気透析システムは、小型の信頼性のあるユニット内で、ガス、例えばＣＯ２のエネルギ効率の優れた高速濃縮を可能にする。ＣＯ２の場合には、これは、例えば図２に示される本実施の形態などの高圧ＢＰＭＥＤシステムを用いて、炭酸塩／炭酸水素塩捕捉水溶液上で、高圧ＢＰＭＥＤを実行することによって行うことができる。これにより、周囲圧力と同等以上かつ電気透析装置の圧力未満の圧力において、捕捉溶液から純粋ＣＯ２の放出が可能となるが、このようなＣＯ２は、例えば、液体燃料、隔離、またはセメントのような他の部材への組み込みに対する反応に適している。さらに、一実施の形態では、高圧電気透析システムは、エネルギ効率の優れたＣＯ２分離用に能動型ｐＨ制御（ｐＨ塩基−ｐＨ酸≦７）、およびガス放出システム内で高圧動作によって可能となる高電流密度（≧１００ｍＡ／ｃｍ２）を含む。このように高圧動作をｐＨ制御および高電流密度と組み合わせることによって、小型の信頼性のあるユニット内で、エネルギ効率の優れた高速ＣＯ２分離が可能となる。
【００５３】
一実施の形態では、高圧電気透析システムは、所与の流量に対して発生したＣＯ２のモル当たりに消費されるエネルギを、最小化することを可能にする。例えば、ＣＯ２について一定の体積流量が望ましい場合、再生されるＣＯ２のモル当たりに消費されるエネルギは、１）すべてのＣＯ２が、炭酸水素塩（ＨＣＯ３−）イオン、例えばＫＨＣＯ３の形態で含有されるような塩基溶液を用いること、２）ＨＣＯ３−イオンの濃度が０．５Ｍの塩基溶液を用いること、３）少なくとも１０気圧の絶対圧力という電気透析スタック圧力で動作すること、および４）膜スタックを横切る両端間に適用される電流密度を、所望のＣＯ２体積流量に一致するように設定すること、によって最小化することができる。
【００５４】
一実施の形態では、高圧電気透析システムはまた、一定の電流密度が与えられたとすると、電圧を最小化することを可能にする。例えば、一定の電流密度ならびに溶液濃度および流量などの他の一定のパラメータに対して、電圧は、十分に大きい電気透析スタック圧力で動作することによって最小化することができる。所与のパラメータセットに対して、電気透析スタックの絶対圧力が、１気圧を超えて増加するにつれて、どんな追加の圧力増加も、もはや電圧に影響を及ぼさないような、あるしきい値電圧に至るまで、電圧は減少する。このしきい値電圧の値は、残りのプロセス条件の値に依存することになり、ＣＯ２ガス再生の体積流量に直接に関連している。
【００５５】
一実施の形態では、電気透析のイオンが移送された後、動作圧力および動作温度により、ガス状ＣＯ２が溶液内に溶解した状態となる場合、ＣＯ２再生は、溶剤からのＣＯ２のガス／液体分離によって実行される。電気透析のイオンが移送された後、動作圧力および動作温度により、溶液／液体ＣＯ２混合物または溶液／超臨界ＣＯ２混合物の状態となる場合には、ＣＯ２再生は、高圧電気透析、続いて溶剤からのＣＯ２の液体／液体分離または液体／超臨界流体分離によって、実行される。
【００５６】
一実施の形態では、ＣＯ２以外のガスを放出する溶液が用いられてもよい。例えば、ＳＯ２ガスは、亜硫酸塩水溶液または硫酸水素塩水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由してより酸性にされると、生成することができ、ＮＨ３ガスは、アンモニウム水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由してよりアルカリ性にされると、生成することができる。
【００５７】
一部の実施の形態では、ガスは、ある圧力ｐｌｏｗにおいて水溶液内へ吸収される。次いで、溶液上で高圧電気透析が実行され、その後で同一のガスが、ｐｈｉｇｈ＞ｐｌｏｗとなる圧力ｐｈｉｇｈで再生される。このように、本実施の形態は、非効率的な機械式のコンプレッサを置き換えることができる、新規なガス加圧プロセスとして用いることができる。
【背景技術】
【０００１】
混合ガス流からＣＯ２を除去する技術は、典型的には捕捉および再生という２ステップのプロセスが必要である。最初に、ガスは水の「捕捉前溶液」と接触し、捕捉前溶液は、混合ガス流内のＣＯ２ガスと反応し、ＣＯ２を「捕捉後溶液」内へ「捕捉する」。次に、このＣＯ２を多く含む捕捉後水溶液から、純粋なＣＯ２ガス流が再生される。種々の捕捉前溶液が存在する。ＣＯ２濃度が３８６ｐｐｍの雰囲気などの低濃度のＣＯ２を有する混合ガス流にとって、水酸化カリウム（ＫＯＨ）もしくは水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）などの水酸化物捕捉前水溶液、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）もしくは炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）などの炭酸塩捕捉前水溶液、または炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）もしくは炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）などの炭酸水素塩捕捉前水溶液は、ＣＯ２捕捉前溶液として有望な候補である。他の捕捉前溶液では、例えば、モノエタノールアミン（ＭＥＡ：ｍｏｎｏｅｔｈａｎｏｌａｍｉｎｅ）が知られており、これは、例えば燃焼排ガスからのＣＯ２を除去するために、ガス流浄化用途に用いられる。これらの捕捉前溶液内へＣＯ２ガスを捕捉すると、元の水酸化物／炭酸塩／炭酸水素塩の捕捉前溶液は、水酸化物（ＫＯＨもしくはＮａＯＨ）、炭酸塩（Ｋ２ＣＯ３もしくはＮａ２ＣＯ３）、および／または炭酸水素カリウム（ＫＨＣＯ３）もしくは炭酸水素ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）捕捉後溶液から成る混合物で構成される、より酸性の捕捉後溶液へ変換される。
【０００２】
ＣＯ２ガスが、ＣＯ３（２−）および／またはＨＣＯ３−というイオンの形態で捕捉されて、捕捉後溶液を形成すると、典型的には溶液から純粋なＣＯ２ガスが再生される。このプロセスが与える全体にわたる効果は、比較的低いモル（ｍｏｌｅ）分率のＣＯ２ガスを有する分離前混合ガス流から、分離前ガス流よりも高いモル分率のＣＯ２ガスを有する分離後ガス流へ、ＣＯ２ガスの分離および濃縮を行うことである。次いで、捕捉および再生後、分離後ガスは、地質学的に隔離されるか、またはコンクリート、プラスチック、もしくは液体炭化水素燃料などの有益な生成物内へ包含されるか、することができる。再生されたＣＯ２のうちの可能性がある用途の多くは、１気圧よりも高い圧力へＣＯ２を加圧する必要がある。
【０００３】
バイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ：ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ）は、他の化学薬品を追加せずに、塩類水溶液を酸および塩基へ変換するのに用いることができる。ＢＰＭＥＤデバイスのコンポーネントは、溶液内のイオン種を分離するのに用いられるイオン交換膜であり、複数の膜を横切って電界が加えられるときに分離される。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】図１は、高圧電気透析システムの一実施の形態の概略図である。
【図２】図２は、高圧電気透析システムに用いる高圧電気透析装置の一実施の形態の分解図である。
【図３】図３は、一実施の形態に従ってＣＯ２ガスを発生させる電気透析膜スタック動作の概略図である。
【図４】図４は、一実施の形態に従ってＣＯ２ガスを発生させる電気透析膜スタック動作の概略図である。
【図５Ａ】図５Ａは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【図５Ｂ】図５Ｂは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【図５Ｃ】図５Ｃは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【図５Ｄ】図５Ｄは、０．５ＭのＫＨＣＯ３溶液を流れる４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、高圧電気透析装置の一実施の形態の性能を特徴付けるように設計された実験の測定値を示す。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
現在利用可能なバイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）装置は、少なくとも１つの電気透析セルで構成される電気透析スタックを含む。電気透析セルは、少なくとも１つのバイポーラ膜（ＢＰＭ：ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ）を含み、セルを横切る両端間に電位が加えられると、水素（Ｈ＋）イオンおよび水酸化物（ＯＨ−）イオンへの水の解離が発生するようにする。
【０００６】
ＢＰＭＥＤ膜スタックは、２室構成または３室構成を有することができる。２室構成では、隣接する膜は、ＢＰＭとＡＥＭとの間で交互に並べて、ＢＰＭ、ＡＥＭ、ＢＰＭ、ＡＥＭなどの形式の膜スタックを形成してもよいし、または隣接する膜は、ＢＰＭとＣＥＭとの間で交互に並べて、ＢＰＭ、ＣＥＭ、ＢＰＭ、ＣＥＭなどの形式の膜スタックを形成してもよい。３室セルでは、隣接する膜は、ＢＰＭからＡＥＭ、ＣＥＭまでを循環させて、ＢＰＭ、ＡＥＭ、ＣＥＭ、ＢＰＭ、ＡＥＭ、ＣＥＭなどの形式の膜スタックを形成してもよい。バイポーラ膜を有しない電気透析も可能性があり、交互に並ぶ一連のＡＥＭおよびＣＥＭによって形成された２室構成で構成されて、ＡＥＭ、ＣＥＭ、ＡＥＭ、ＣＥＭ、ＡＥＭなどの形式の膜スタックを形成する。
【０００７】
市販のＢＰＭＥＤシステムの内部にあるガス気泡により、膜表面の近傍にガス気泡が生じ、同ガス気泡により、この領域内のイオン輸送が阻止されて、膜の有効な表面面積が縮小されることがあり、その結果、抵抗が増加し、極めて高い電流密度の局所的な「ホットスポット」が発生して、膜寿命を短くすることになる。結果として、一般に使用される入力溶液および出力溶液は、周囲圧力において膜スタック内部に大した量のガスを放出しないように選択される。電気透析処理による全クラスのガス放出溶液は、このことから除外される。
【０００８】
一実施の形態では、これらの課題は、高圧で、すなわち周囲圧力を超える圧力で、電気透析装置を動作することによって克服される。動作圧力は十分に高く、他のプロセス条件であれば、典型的には周囲圧力において溶液から膜スタック内へ放出することになるガスが、代わりに溶液内に溶解した状態のままであり、結果的に膜スタックの内部におけるガス気泡の放出が防止される。溶解ガスを含有する溶液の圧力は、スタックの下流で低減することができ、その結果溶解ガスは溶液から放出されて、他の用途に収集することができる。低減される、溶液の圧力は、膜スタックの動作圧力未満の任意の圧力とすることができる。このように、ガスは、周囲圧力よりも大きい圧力で放出することができ、必要に応じて周囲圧力未満の圧力で放出することもできる。
【０００９】
本明細書で説明されるプロセスを用いて、ガス、液体、超臨界流体、またはこれらの何らかの組み合わせのうちのいずれが発生するかは、１）電気透析が実行される温度および圧力、および２）入力溶液組成物に依存する。例えば、ＣＯ２を含有する入力溶液が用いられるとき、ＣＯ２ガス、ＣＯ２液体、または超臨界ＣＯ２のうちのいずれかが、使用される温度および圧力に依存して発生してもよい。動作圧力および動作温度がＣＯ２相図のガス部分に入ると、例えば大略１０気圧の圧力および大略２０°Ｃの温度で、ＣＯ２は、ガスとして出力溶液内に発生する。用いられる動作圧力および動作温度がＣＯ２相図の液体部分内に収まると、例えば大略１００気圧および２０°Ｃで、ＣＯ２液体が発生する。動作圧力および動作温度がＣＯ２の臨界点を通過するのに十分に高いと、例えば大略７５気圧および３５°Ｃで、超臨界ＣＯ２流体が発生する。これらの場合のうちのいずれかでは、ＣＯ２ガス、液体、または超臨界流体は、ガス／液体分離、液体／液体分離または液体／超臨界流体分離などの、既知の方法によって、出力溶液から再生することができる。用いられる入力溶液に依存して、ＣＯ２以外に、ＳＯ２またはＮＨ３などの他のガス、液体、または超臨界流体生成物が発生することもできる。電気透析プロセスの温度は、例えば入力溶液を直接に加熱することによって、制御してもよい。
【００１０】
スタック内の溶液（電極溶液、第１溶液、第２溶液、および任意の第３溶液）を加圧し、その後で溶液内へイオン輸送を実行して同溶液からガスが放出されることによって、標準プロセスの場合よりも効率的に、加圧が成し遂げられる。これにより、ＣＯ２の場合には、液体燃料に対する隔離および反応などの一定の用途に必要な圧力で、ＣＯ２を直接に発生させることが可能となる。これにより、引き続く反応ステップに必要な高められた圧力で、直接に再生することもできる他のガスに対しても、利益を享受することができる。例えば、ＳＯ２ガスは、亜硫酸塩水溶液または硫酸水素塩水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由して、より酸性にされるときに、生成することができ、ＮＨ３ガスは、アンモニウム水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由して、よりアルカリ性にされるときに、生成することができる。
【００１１】
図１は、一実施の形態の高圧電気透析システムを示す。２室式電気透析を行う装置を含むシステムは、３つのループ、すなわち第１溶液ループ、第２溶液ループ、および電極溶液ループで構成される。３室式電気透析を行う装置を含むシステムは、追加の第３溶液ループを含む。
【００１２】
一実施の形態では、第１溶液はアルカリ性溶液、および第２溶液は酸性溶液である。代わりの構成としては、第１溶液は酸性溶液、および第２溶液はアルカリ性溶液である。電極溶液は、例えば電解液でもよい。４つのループを包含する一実施の形態では、第３溶液は、例えば動作中の電気透析ユニットの中を通過しながら希薄化された塩類溶液でもよい。
【００１３】
各ループは、１つ以上のタンク（例えば、第１溶液タンク１００）、ポンプ（例えば、第１溶液ポンプ１０４）、振動吸収材（例えば、第１溶液振動吸収材１０７）、１つ以上の温度計およびｐＨ計（例えば、計器１１６）、１つ以上の温度計および導電率計（例えば、計器１１７）、１つ以上の圧力計および流量計（例えば、計器１２３および１２３）、バイパスモードとスタックモードとの間で動作モードを変化させるバルブ（例えば、バルブ１１２および１２０）、ならびに電気透析装置１１０の圧力を調整するバルブ（例えば、バルブ１２１）を含む。
【００１４】
一実施の形態では、本システムは、高圧電気透析装置１１０も含む。図２は、一実施の形態に従うシステムに用いる高圧電気透析装置の分解図を示す。高圧電気透析装置は、アノード端部２０１およびカソード端部２０２を含む。本装置は、軸支持メンバ２０３および補強メンバ２０４を有する筺体を含む。本装置が組み立てられるとき、軸支持メンバ２０３は、いっしょにつがいにされて、電気透析膜スタック２０５を収容するセルチャンバを形成する。補強メンバ２０４は、同メンバが結合されるとき、軸方向に圧縮力を加えるように構成され、それによって、軸支持メンバ２０３がつがいにされるようにするとともに、電気透析装置が、本装置の周囲の環境内で自然に生じる圧力として定義される周囲圧力を超える圧力で、動作することができるようにする。周囲圧力は、海水面の高度において、典型的には大略１気圧、または１０１．３２５ｋＰａである。高圧電気透析装置は、２０気圧を含めて最大２０気圧までの圧力で、または２０気圧を超える圧力で、動作することができる。一実施の形態では、アノード端部２０１における軸支持メンバ２０３は、少なくとも１つの加圧ポート２１６を含み、同ポートは、電気透析膜スタック２０５の内部と、軸支持メンバ２０３のつがいによって形成されるセルチャンバとの間の圧力が、電極溶液の一部を電気透析スタック２０５の外側にあるセルチャンバの領域へ転換することによって、等しくなることを可能にする。
【００１５】
電気透析スタック２０５は、バイポーラ膜なしに電気透析を実行するように構成される１つ以上の電気透析セル２０６、またはＢＰＭＥＤを実行するように構成される１つ以上のセルを含む。ＢＰＭＥＤを実行するように構成されるセルは、２室セルまたは３室セルのいずれかとすることができる。例えば、図２の電気透析セル２０６は、第１イオン交換膜２０８および第２イオン交換膜２０９に対して交互となるように配置された、２つのセルガスケット２０７を含む。例えば、第１イオン交換膜２０８がＡＥＭであり、第２イオン交換膜２０９がＣＥＭであれば、セル２０６は、バイポーラ膜なしに電気透析を実行することもできる。代わりの構成としては、例えば、第１イオン交換膜２０８がＢＰＭであり、第２イオン交換膜２０９がＡＥＭまたはＣＥＭであれば、セルは、ＢＰＭＥＤを実行することもできる。
【００１６】
電気透析スタック２０５は、スタックの一方または両方の端部において端部ガスケット２１１、スタックの一方または両方の端部において端部イオン交換膜２１０、および膜スタック２０５のカソード端部２０２においてｎ番目の電気透析セル２０６と端部イオン交換膜２１０との間に挿入される追加のセルガスケット２１２も含むことができる。端部イオン交換膜２１０および追加のセルガスケット２１２が必要となるかどうか、およびどんなタイプのイオン交換膜２１０が適切であるかは、使用される入力溶液および所望の出力溶液に依存する。
【００１７】
図３は、１つの２室ＢＰＭＥＤセルを収容する高圧電気透析装置内で、ＣＯ２ガスを発生させるのに用いられる電気透析膜スタック動作の概略図を示す。図示されるスタック構成およびプロセスを用い、本システム内への入力に依存して、他のガスが発生してもよい。
【００１８】
１つの２室ＢＰＭＥＤセル３０２を含む電気透析スタック３０１では、電気透析セル３０２は、２つのセルガスケット３０３および３０５、ならびにセルガスケット３０３および３０５に対して軸方向に交互となるように配置された２つのイオン交換膜３０４および３０６で構成される。電気透析スタック３０１はまた、２つの端部イオン交換膜３０７および３０８を含み、電気透析セル３０２は、２つの端部イオン交換膜３０７および３０８の間に挿入される。電気透析スタックはまた、電気透析セル３０２の第２イオン交換膜３０６と第２端部イオン交換膜３０８との間に挿入される追加のセルガスケット３０９を含む。電気透析スタック３０１はまた、２つの端部ガスケット３１０および３１１を含み、第１端部ガスケット３１０は、本装置のアノード端部電極３１２と第１端部イオン交換膜３０７との間に挿入され、第２端部ガスケット３１１は、本装置のカソード端部電極３１３と第２端部イオン交換膜３０８との間に挿入される。
【００１９】
電気透析スタックが２室ＢＰＭＥＤを実行するように構成される一実施の形態では、第１イオン交換膜３０４はＢＰＭであり、第２イオン交換膜３０６はＡＥＭであり、端部イオン交換膜３０７および３０８はＣＥＭである。第１ＣＥＭ３０７とＢＰＭ３０４との間に、アルカリ性溶液が発生し、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間に、酸性溶液が発生する。溶存種の濃度、ｐＨ、および絶対圧力などのシステムパラメータに依存して、ガスは、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間の酸性溶液から放出してもよいし、酸性溶液内に溶解した状態のままでもよい。例えば、所与の濃度の溶解ＣＯ２および所与のｐＨの酸性溶液に対して、ＣＯ２ガスが酸性溶液内に溶解しているとき、圧力が十分に高ければ、全ＣＯ２ガスは、溶液内に溶解した状態のままであることになる。例えば、入力水溶液は、いずれかの電極に流れるＫＯＨの電極溶液であり；ガスケット３０３によって定義される溶液室内にある端部ＣＥＭ３０７とＢＰＭ３０４との間、およびガスケット３０９によって定義される溶液室内にあるＡＥＭ３０６と端部ＣＥＭ３０８との間、に流れるＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３の塩基溶液であり；ガスケット３０５によって定義される溶液室内にあるＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間に流れるＫＨ２ＰＯ４およびＨ３ＰＯ４の酸溶液である。Ｋ＋イオンは、ガスケット３１０によって定義される室内にある電極溶液から、端部ＣＥＭ３０７を横切って移送され、ＯＨ−およびＨ＋イオンは、ＢＰＭ３０４を横切る両端間で解離し、ＨＣＯ３−およびＣＯ３２−は、ガスケット３０９によって定義される室内にあるアルカリ性溶液から、ＡＥＭ３０６を横切って移送される。Ｋ＋イオンは、解離したＯＨ−イオンと化合して、第１ＣＥＭ３０７とＢＰＭ３０４との間にＫＯＨを発生させ、Ｈ＋イオンは、ＨＣＯ３−イオンおよびＣＯ３２−イオンと化合して、ＢＰＭ３０４とＡＥＭ３０６との間のガスケット３０５によって定義される溶液室内に、Ｈ２ＣＯ３および溶解ＣＯ２を形成する。
【００２０】
一実施の形態では、電気透析スタックは、代わりに１つ以上の３室セルを含む。図４は、１つの３室セルを収容する高圧ＢＰＭＥＤ装置内で、ＣＯ２ガスを発生させる電気透析スタック動作の概略図を示す。図示されるスタック構成およびプロセスを用い、本システム内への入力に依存して、他のガスが発生してもよい。
【００２１】
１つの３室式電気透析セル４０２を含む電気透析スタック４０１の一実施の形態では、電気透析セル４０２は、３つのセルガスケット４０３、４０５、４０７、およびセルガスケット４０３、４０５、４０７に対して軸方向に交互となるように配置された３つのイオン交換膜４０４、４０６、４０８で構成される。電気透析スタック４０１はまた、２つの端部ガスケット４１１および４１２を含み、第１端部ガスケット４１１は、本装置のアノード端部電極４１３と端部イオン交換膜４０９との間に挿入され、第２端部ガスケット４１２は、本装置のカソード端部電極４１４と電気透析セル４０２との間に挿入される。電気透析スタック４０１はまた、電気透析セル４０２と端部ガスケット４１１との間に挿入される１つの端部イオン交換膜４０９を含む。
【００２２】
本実施の形態では、第１膜４０４はＢＰＭであり、第２膜４０６はＡＥＭであり、第３膜４０８はＣＥＭであり、端部膜４０９はＣＥＭである。アルカリ性溶液は、端部イオン交換膜４０９とＢＰＭ４０４との間に発生し、酸性溶液およびＣＯ２ガスは、ＢＰＭ４０４とＡＥＭ４０６との間に発生し、脱塩入力溶液は、ＡＥＭ４０６とＣＥＭ４０８との間に発生する。例えば、入力溶液は、ガスケット４１１および４１２によって定義される室内にあるＫＯＨの電極溶液、ガスケット４０３および４０７によって定義される室内にあるＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３のアルカリ性溶液、ならびにガスケット４０５によって定義される室内にあるＫＨ２ＰＯ４およびＨ３ＰＯ４の酸性溶液を含むことができる。このような条件のもとで、Ｋ＋イオンは、端部ガスケット４１１によって定義される室内にある電極溶液から端部ＣＥＭ４０９を横切って、および端部ガスケット４１２によって定義される室内にある電極溶液内へＣＥＭ４０８を横切って移送され、ＯＨ−およびＨ＋イオンは、ＢＰＭ４０４を横切る両端間で解離し、ＨＣＯ３−およびＣＯ３２−は、ガスケット４０７によって定義される室内にあるアルカリ性溶液から、ＡＥＭ４０６を横切って移送される。Ｋ＋イオンは、解離したＯＨ−イオンと化合して、端部イオン交換膜４０９とＢＰＭ４０４との間にＫＯＨを発生させ、Ｈ＋イオンは、ＨＣＯ３−およびＣＯ３２−イオンと化合して、ＢＰＭ４０４とＡＥＭ４０６との間のガスケット４０５によって定義される溶液室内に、Ｈ２ＣＯ３および溶解ＣＯ２を形成し、入力溶液ほど濃縮されていない、希薄化されたＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３溶液は、ＡＥＭ４０６とＣＥＭ４０８との間に発生する。
【００２３】
図２へ戻ると、高圧電気透析装置はまた、溶液が本装置へ流入するおよび本装置から流出することを可能にするポートを含む。ポートは、軸支持メンバ２０３内に形成される飾りポートであって、補強メンバ２０４内に形成される飾りポート穴を通してスライドする飾りポートでもよいし、フランジアダプタ２１３は、各飾りポートにぴったりかぶせて、補強メンバ２０４へ取り付けてもよい。本装置の流れは、アノード端部２０１にあるポートが放出口ポートであり、カソード端部２０２にあるポートが注入口ポートであるように、必要に応じて逆にすることができる。加えて、この流れは、アノード端部２０１において、一方の溶液用に入力ポートおよび他方の溶液用に出力ポートがあり、カソード端部２０２において、アノード端部に入力ポートがある溶液用に出力ポートおよびアノード端部に出力ポートがある溶液用に入力ポートがあるようにすることができる。本装置の各端部は、電極溶液注入口ポートおよび電極溶液放出口ポートを両方とも有する。
【００２４】
高圧電気透析装置はまた、２つの電極であって、スタック２０５のいずれの端部にもそのうちの１つがある２つの電極２１４、および２つの電極格子であって、電極２１４のうちの１つと電気透析スタック２０５との間に各電極格子が挿入される２つの電極格子２１５を含む。一実施の形態では、本装置はまた、２つの応力低減シリンダ２１７を含み、そのうちの１つが各補強メンバ２０４へ取り付けられる。
【００２５】
一実施の形態では、図２に示される電気透析装置は、図１に示される高圧電気透析システムへ、電気透析装置１１０として包含される。電気透析装置１１０が、ＢＰＭＥＤ電気透析スタックを含むとき、図１の電気透析システムは、例えば、炭酸塩水溶液および炭酸水素塩溶液からＣＯ２ガスを再生するのに用いることができる。
【００２６】
図１に戻ると、タンク１００〜１０３は、周囲圧力と電気透析スタックの絶対圧力との間の任意の圧力に加圧することができる。タンクがこのように加圧されると、周囲圧力を超える圧力で、すなわちタンク１００〜１０３の圧力と実質的に同じ圧力で、溶液からガスが放出される。
【００２７】
一実施の形態では、第１溶液タンク１００および第２溶液タンク１０１はそれぞれ、バイパスまたは電気透析装置１１０から入る注入口と、第１溶液ポンプ１０４または第２溶液ポンプ１０５へ向う放出口との両方を有する。タンク１００および１０１は、ｐＨ計１１６ならびに導電率計１１７を溶液に差し込むためのフィードスルーを有する。第２溶液タンク１０１のカバーは、通気孔およびガス注入用の１／８インチ導管を備える。
【００２８】
一実施の形態では、第１溶液タンク１００および第２溶液タンク１０１は両方とも、タンクの状態に関する一定の情報を測定し、示し、および記録するための計器を有する。例えば、第１溶液タンク１００は、第１溶液の温度およびｐＨを測定し、示し、および記録するコンピュータ（ＴＸＩＲ）計器１１６への、温度情報およびｐＨ情報ならびに記録動作を含んでもよい。第１溶液タンク１００は、第１溶液の温度および導電率を測定し、示し、および記録するＴＸＩＲ計器１１７をさらに含んでもよい。第２溶液タンク１０１は、第２溶液に対して同一の機能を実行するＴＸＩＲ計器１１６およびＴＸＩＲ計器１１７をさらに有してもよい。
【００２９】
一実施の形態では、第２溶液タンク１０１は、電気透析スタックを通して動作している間、ガスを再生するために、第２溶液へガスを注入する手段をさらに有してもよい。例えば、第２溶液タンク１０１は、例えば導管によって接続されるＣＯ２ガスボトルを有する塩基溶液タンクでもよい。ガスの第１溶液タンク１０１への注入は、バルブ１１８を用いて、オンまたはオフすることができる。
【００３０】
一実施の形態では、第１溶液ループはまた、第１溶液ループを排液するバルブ１１９、およびバイパスモードから電気透析スタックモードへ動作を変化させるバルブ１２０を含む。第２溶液ループもまた、第２溶液ループに対して同一の機能を実行するバルブ１１９および１２０を含む。第１溶液ループはまた、本システム内の圧力を変化させるバルブ１２１、およびサンプルを取り込むバルブ１２２を含む。第２溶液ループもまた、第２溶液ループに対して同一の機能を実行するバルブ１２１および１２２を含む。一実施の形態では、第１溶液ループの圧力および流量は、それぞれ、コンピュータ（ＰＩＲ）計器１２３への圧力情報および記録動作、ならびにコンピュータ（ＦＩＲ）計器１２４への圧力情報および記録動作によって、測定され、記録される。第２溶液ループもまた、第２溶液ループに対して同一の機能を実行するＰＩＲ計器１２３およびＦＩＲ計器１２４を含む。
【００３１】
一実施の形態では、電極溶液ループは、２つのタンク１０２〜１０３を有する。各タンク１０２〜１０３は、バイパスまたは電気透析装置１１０から入る注入口、および電極溶液ポンプ１０６へ向う放出口を有する。電極溶液タンク１０２は、酸素を放出することになる電気透析装置１１０のアノード端部２０１から入る電極溶液のためのものである。電極溶液タンク１０３は、水素を放出することになる電気透析装置１１０のカソード端部２０２から入る流体のためのものである。
【００３２】
一実施の形態では、電極溶液ループもまた、電極溶液ループを排液するバルブ１１１を有する。電極溶液ループもまた、バイパスモードから電気透析スタックモードへ動作を変化させる２つのバルブ１１２を含んでもよい。電極溶液ループもまた、本システム内の圧力を変化させるように変更することができる２つのバルブ１１３を含んでもよい。一実施の形態では、電極溶液ループの圧力および流量は、それぞれＰＩＲ計器１１４およびＦＩＲ計器１１５によって測定され、記録される。
【００３３】
一実施の形態では、電気透析装置１１０の各ポートは、本システムがバイパスモードで動作中に、任意の溶液が電気透析装置１１０内へ流れることを回避する、チェックバルブ１２８を備える。各ループは、容積型ポンプ１０４の動作によって引き起こされる圧力振動を減衰させる振動吸収材１０７を有する。
【００３４】
一実施の形態では、本システムは、家庭用真空器へ接続される、三方弁であるバルブ１３１を含む。本システムが使用される前に、バルブ１３１は、バルブ１１８を用いて交互に開閉することができ、バルブ１１８は、本システムが使用中に発生させるどんなガスでも含むシリンダへ接続される。これにより、本システムが使用中に発生させるどんなガスでも、それ以外にヘッドスペースが何も含有しないように、第１溶液タンク１００のヘッドスペースから空気が除去される。ヘッドスペースをこのように浄化することによって、ＦＩＲ計器１３０を流れるガスがすべて純粋になること、またはできる限り純粋に近いものとなることが確実にされ、ＦＩＲ計器１３０によるガス流量の正確な測定が保障される。
【００３５】
一実施の形態では、電気透析システムは、各溶液ループ用に各１つのモータ１２５、および各溶液ループ用に各１つのＨｚ／ＲＰＭコントローラ１２６を含む。電気透析システムはまた、各溶液ループ用に各１つの圧力軽減バルブ１２７を含む。電気透析システムはまた、真空またはガスシリンダからの流れを接続するまたは阻止することを可能にする双方向バルブであるバルブ１３２を含み、この流れは、バルブ１３１およびバルブ１１８の設定に依存して阻止される。電気透析システムはまた、ＦＩＲ計器１３０を流れるガス流量を制御するバルブ１３３を含む。本システムはまた、タンク１００〜１０３からそれぞれバルブ１１１および１１９を経由して排液される任意の溶液を受ける排液管１２９を含む。
【００３６】
高圧電気透析装置を包含する電気透析システムを用いることによって、ガスは、任意のガス放出溶液から、周囲圧力と電気透析スタックの絶対圧力との間の任意の圧力で生成することができる。次の図および説明では、ＣＯ２ガスを発生させる一実施の形態に従うプロセスが、参照される。しかしながら、高圧電気透析システム、プロセス、および本明細書で説明される好ましい条件の実施の形態は、どんな溶液が用いられるかに依存して、ＣＯ２以外の他のガスを発生させるのに用いることができる。
【００３７】
電気透析スタック内で行われるイオン輸送は、高圧電気透析システムを用いてＣＯ２ガスを放出するプロセスを説明することによって、もっともよく理解される。Ｋ２ＣＯ３などの炭酸塩、およびＫＨＣＯ３などの炭酸水素塩の水溶液に関する電気透析において、ＣＯ２が発生する場合、電気透析装置内の圧力を増加させると、電気透析膜スタック内で膜面積を縮小する気泡が抑圧され、それによって所与の速度に対するＣＯ２発生の電圧およびエネルギ消費が減少する。次の図は、この原理を説明する。
【００３８】
高圧電気透析システムが、炭酸塩／炭酸水素塩水溶液からＣＯ２ガスを放出するのに用いられるとき、次のようないくつかの性能特性が理解される：１）ＣＯ２流量は、電流密度が増加するにつれて増加する、２）電圧は、所与の電流密度および塩基溶液に対して、圧力が増加するにつれて減少する、３）電圧減少の大きさは、電流密度が増加するにつれて増加する、４）ＣＯ２のモル当たりに必要なエネルギは、設定された電流密度およびＣＯ２輸送速度に対して、圧力が増加するにつれて減少する。これらの性能特性が生じるのは、高圧電気透析を実行する結果として、電気透析スタック内におけるガス気泡の放出を抑圧するからである。これらの特性は、次の表および図面を参照することによって、より良好に理解されることになる。
【００３９】
表１〜５は、１．５気圧から１０気圧までの絶対圧力において、図２に示される本実施の形態などの高圧電気透析装置の性能を特徴付けるように行われた実験に対して、ＣＯ２流量（ｓｌｐｍ）（表１）、効率（表２）、電圧（ボルト）（表３）、分数電圧低減量（表４）、およびエネルギ（ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２）（表５）の測定値を示す。これらの実験は、すべて次の条件のもとで実行された：使用されたＢＰＭ、ＡＥＭ、およびＣＥＭは、それぞれネオセプタ（Ｎｅｏｓｅｐｔａ）ＢＰ−１Ｅ、ネオセプタＡＨＡ、ネオセプタＣ６６−１０Ｆであった；ＫＨＣＯ３の塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略８．６であった；Ｋ２ＣＯ３の塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略１１．６であった；ＫＯＨの塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略１３．６であった；すべての電極溶液は、２ＭのＫＯＨであった；すべての酸溶液は、０．３ＭのＫＨ２ＰＯ４および純水（ＤＩ ｗａｔｅｒ）５Ｌ当たり３０ｍＬのＨ３ＰＯ４であり、ｐＨは大略２．６であった。本実施の形態における７つのセルの高圧電気透析ユニット（図２を参照）を通る体積流量は、酸および塩基溶液に対して２．３３ｌｐｍ、電極溶液に対して６．９ｌｐｍであった。
【００４０】
次の塩基溶液／圧力組み合わせが調査された：１．５気圧、５気圧、および１０気圧における０．５ＭのＫＨＣＯ３；１．５気圧および５気圧における０．５ＭのＫ２ＣＯ３；ならびに１．５気圧、５気圧、および１０気圧における０．５ＭのＫＯＨ。
【００４１】
表１は、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧の絶対圧力から１気圧へ減圧後、酸タンクからＣＯ２ガスが放出される速度の測定値を示す。ＣＯ２流量は、所与の電流密度において、ＫＨＣＯ３に対してはＫ２ＣＯ３よりも２倍高く、電流密度が増加するにつれて線形的に増加する。
【表１】
【００４２】
表２は、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧の絶対圧力に対する効率を示す。効率は、電流の電子電荷当たりに放出されるガスの分子比率として定義される。この定義のもとで起こりうる最大効率は、ＫＨＣＯ３に対しては１．０であり、Ｋ２ＣＯ３に対しては０．５である。ＫＯＨが塩基溶液として用いられるとき、ＣＯ２流量はゼロになるので、ＫＯＨの塩基溶液に対するどんなデータも収集されなかった。表３は、効率が圧力に依存しないことを示す。さらに、電流密度が増加するにつれて、効率は、Ｋ２ＣＯ３に対して大略０．４５およびＫＨＣＯ３に対して０．８５の漸近値に達する。
【表２】
【００４３】
表３は、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧の絶対圧力に対する測定電圧を示す。表３は、１）所与の電流密度および塩基溶液に対して、絶対圧力が増加するにつれて、電気透析スタックを横切る両端間の全電圧は減少すること、および２）この減少量は、ＫＯＨに対してよりも、Ｋ２ＣＯ３およびＫＨＣＯ３の塩基溶液に対して大きくなること、を示す。表４は、１．５気圧で測定された電圧に関して、圧力ｐにおいて、式（Ｖ１．５気圧−Ｖｐ）／Ｖ１．５気圧によって決定される分数電圧低減量を示す。表４は、１）Ｋ２ＣＯ３およびＫＨＣＯ３に対する分数低減量が、高電流密度においてそれぞれ大略２０％および１５％である一方で、ＫＯＨに対する低減量は、多くても５％であること、および２）分数電圧低減量は、電流密度が増加するにつれて増加すること、を示す。これらの観察は、両方とも、電気透析システムの絶対圧力を増加させる効果が、電気透析スタックの内部の溶液から放出するＣＯ２ガスの量を減少させることになっているという事実によって説明することができる。
【表３】
【表４】
【００４４】
一定の電流密度および効率に対して、一定量のＣＯ２が、膜を横切って、ＨＣＯ３−およびＣＯ３（２−）イオンの形態の酸溶液内へ、輸送されることになる。酸溶液のｐＨが、溶液内に溶解したＣＯ３（２−）、ＨＣＯ３−、およびＣＯ２ガスの濃度の比率を決定し、他方、酸溶液と平衡にあるＣＯ２ガスの分圧が、溶液内に溶解したＣＯ２の濃度の絶対値を決定する。電気透析システムの内部の酸溶液と平衡にあるガスは、定常状態では純粋ＣＯ２であり、その結果、酸溶液と平衡にあるＣＯ２の分圧は、酸室の絶対圧力となる。一定の電流密度において、一定量のＣＯ２が酸溶液内へ輸送されるとすると、一定の電流密度に対して圧力が増加するにつれて、ＡＥＭを横切って酸溶液内へ輸送されるＣＯ２の割合が増加し、それによって、溶解ＣＯ２、ＨＣＯ３−、およびＣＯ３（２−）として、酸溶液ｐＨによって決定されるこれらの種の濃度比率で、溶液内に溶解した状態のままのようになる。各ＣＯ２輸送速度に対して、すなわち何らかの効率にある各電流密度に対して、輸送されるすべてのＣＯ２が、溶液内の状態のままであることになるための圧力が存在し、この点を超えて圧力を増加させても、さらなる効果は何も与えないはずである。
【００４５】
電気透析スタックそれ自体の内部でガスが放出されると、膜表面上にガス気泡が捕捉されるようになることが知られている。これにより、膜の有効な表面面積が縮小されて、電流密度および抵抗が増加するとともに、局所的に限定された極めて高い電流密度の領域、すなわち「電流集中現象」が発生し、結果として膜にダメージを与えることがある。一実施の形態では、高圧電気透析システムは、所与の電流密度およびしたがって所与のＣＯ２輸送速度に対して、圧力を増加させると、電気透析スタックそれ自体の内部にある溶液から生じるガス気泡の量が削減され、それによって抵抗が小さくなり、スタックを横切る両端間の全電圧が低減される。代わりに、電気透析スタックから物理的に分離された酸タンク内で、酸溶液が大略１気圧まで、または周囲圧力と電気透析装置の圧力との間の何らかの圧力まで減圧されると、溶液からＣＯ２が生じる。分数低減量は、所与の電流密度において、Ｋ２ＣＯ３に対してよりもＫＨＣＯ３に対して大きくなるが、これは、所与の電流密度において、ＫＨＣＯ３に対するＣＯ２輸送速度が、Ｋ２ＣＯ３に対するよりも高くなるからである。同様に、ＫＨＣＯ３およびＫ２ＣＯ３に対する低減量は、ＫＯＨに対するよりもさらに大きく、これは、ＫＯＨに対してどんなＣＯ２放出も発生しないからであり、絶対圧力が増加することによって、電極において化学的活性が増加するために、ＫＯＨに対して観察される小さな低減が起こりうる。
【００４６】
最後に、圧力が増加すると、一定のＣＯ２発生速度に必要な電圧が低減されるという事実により、表５に示されるデータが得られるが、同表では、増加中の電流密度において、１．５気圧、５気圧、および１０気圧のモルＣＯ２当たりのエネルギが示される。一定の電流密度およびＣＯ２輸送速度において、ＣＯ２のモル当たりに必要なエネルギは、圧力が増加するにつれて、電気透析スタックの内部におけるガス気泡の放出が抑圧されるために、低減される。
【表５】
【００４７】
図５Ａ〜５Ｄは、４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａの電流において、図２に示される本実施の形態などの高圧電気透析装置の性能を特徴付ける実験に対して、ＣＯ２流量（ｓｌｐｍ）（図５Ａ）、効率（図５Ｂ）、電圧（ボルト）（図５Ｃ）、およびエネルギ（ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２）（図５Ｄ）の測定値を示す。各実験の実行は、一定の電流密度において、圧力が増加するにつれて電圧がその漸近値に達するまで行われた。本実施の形態における実験設定によって可能となる最大電流は、２５Ａであったが、別の実施の形態の場合には、より大きな電流の可能性があってもよいことが理解されるだろう。本実験における各膜に対する膜面積は、大略１８０ｃｍ２であったが、これは２５Ａが、１３９ｍＡ／ｃｍ２の電流密度に対応することを意味する。次の条件が使用された：使用されるＢＰＭ、ＡＥＭ、およびＣＥＭは、それぞれネオセプタＢＰ−１Ｅ、ネオセプタＡＨＡ、およびネオセプタＣ６６−１０Ｆであった；ＫＨＣＯ３の塩基溶液は０．５Ｍであり、ｐＨは大略８．６であった；すべての電極溶液は、２ＭのＫＯＨであった；すべての酸溶液は、０．３ＭのＫＨ２ＰＯ４および純水５Ｌ当たり３０ｍＬのＨ３ＰＯ４であり、ｐＨは大略２．６であった。高圧電気透析ユニットを通る体積流量は、酸および塩基溶液に対して２．３３ｌｐｍ、電極溶液に対して６．９ｌｐｍであった。実験は、１．５気圧から１０．２気圧までの圧力において０．５ＭのＫＨＣＯ３の塩基溶液を調査した。
【００４８】
図５Ａは、絶対圧力（気圧）に対して、１気圧に減圧後に酸タンクからＣＯ２ガスが放出される速度の測定値のプロットを示す。図５Ｂは、同一のデータ点に対して、効率対絶対圧力のプロットを示す。効率は、電流の電子電荷当たりに放出されるガスの分子比率として定義される。図５Ａは、電流密度が大略線形的に増加するにつれて、すべての圧力において、ＣＯ２流量が多くなることを示す。図５Ｂは、高い電流密度において、ＣＯ２流量が線形的増加よりも若干高く増加するのは、電流密度が増加するにつれて、効率がわずかに増加することに起因することを示す。
【００４９】
図５Ｃは、５つの種々の総電流値：４Ａ、８Ａ、１６Ａ、２２Ａ、および２５Ａに対して、測定電圧対絶対圧力のプロットを示す。図５Ｃは、１）所与の電流密度および塩基溶液に対して、電気透析スタックを横切る両端間の全電圧は、絶対圧力が増加するにつれて、減少すること、２）この減少量は、電流密度が高くなるにつれて、ますます大きくなること、３）一定の電流密度に対して、電圧は、圧力が増加するにつれて、最低電圧に漸近的に接近すること、を示す。圧力が増加するにつれて、電圧が漸近的に振る舞うのは、各ＣＯ２輸送速度に対して、すなわち何らかの効率にある各電流密度に対して、輸送されるすべてのＣＯ２が、溶液内の状態のままであることになるための圧力があるからであり、この点を超えて圧力を増加させても、さらなる効果は何も与えないはずである。
【００５０】
図５Ｃもまた、所与の電流密度、およびしたがって所与のＣＯ２輸送速度に対して、圧力を増加させると、膜スタックそれ自体の内部にある溶液から生じるガス気泡の量を削減することによって、抵抗が小さくなり、スタックを横切る両端間の全電圧が低減されることを示す。代わりに、膜スタックから物理的に分離された酸タンク内で、酸溶液が１気圧まで減圧されると、溶液からＣＯ２が生じる。この低減量は、電流密度の増加に対して増加するが、これはＣＯ２輸送速度が電流密度とともに増加するからである。この低減量は、圧力が増加するにつれて、漸近的限界に達するが、これは、ある圧力を超える圧力では、すべてのＣＯ２は溶液内に溶解した状態のままであるからである。
【００５１】
図５Ｄは、５つの値の電流密度に対して、モルＣＯ２当たりのエネルギ対圧力のプロットを示す。一実施の形態では、装置内にある膜の膜面積は大略１８０ｃｍ２であり、その結果、２５Ａの電流は、大略１４０ｍＡ／ｃｍ２の電流密度に対応する。図５Ｄは、圧力が増加すると、一定のＣＯ２発生速度に必要な電圧が低減されることを示す。一定の電流密度およびＣＯ２輸送速度において、圧力が増加するにつれて、電気透析スタックの内部におけるガス気泡の放出が抑圧され、それによってＣＯ２のモル当たり必要なエネルギは、低減される。２５Ａに対して、１０．２気圧において必要なエネルギ、すなわち３３３ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２は、１．５気圧において必要なエネルギ、すなわち４７１ｋＪ／ｍｏｌＣＯ２よりも大略３０％少ない。それゆえに、電流密度およびしたがってＣＯ２発生速度が増加するにつれて、圧力を増加させると、１気圧における動作と比較して、エネルギ消費の分数低減量はますます大きくなる。
【００５２】
高圧電気透析システムは、小型の信頼性のあるユニット内で、ガス、例えばＣＯ２のエネルギ効率の優れた高速濃縮を可能にする。ＣＯ２の場合には、これは、例えば図２に示される本実施の形態などの高圧ＢＰＭＥＤシステムを用いて、炭酸塩／炭酸水素塩捕捉水溶液上で、高圧ＢＰＭＥＤを実行することによって行うことができる。これにより、周囲圧力と同等以上かつ電気透析装置の圧力未満の圧力において、捕捉溶液から純粋ＣＯ２の放出が可能となるが、このようなＣＯ２は、例えば、液体燃料、隔離、またはセメントのような他の部材への組み込みに対する反応に適している。さらに、一実施の形態では、高圧電気透析システムは、エネルギ効率の優れたＣＯ２分離用に能動型ｐＨ制御（ｐＨ塩基−ｐＨ酸≦７）、およびガス放出システム内で高圧動作によって可能となる高電流密度（≧１００ｍＡ／ｃｍ２）を含む。このように高圧動作をｐＨ制御および高電流密度と組み合わせることによって、小型の信頼性のあるユニット内で、エネルギ効率の優れた高速ＣＯ２分離が可能となる。
【００５３】
一実施の形態では、高圧電気透析システムは、所与の流量に対して発生したＣＯ２のモル当たりに消費されるエネルギを、最小化することを可能にする。例えば、ＣＯ２について一定の体積流量が望ましい場合、再生されるＣＯ２のモル当たりに消費されるエネルギは、１）すべてのＣＯ２が、炭酸水素塩（ＨＣＯ３−）イオン、例えばＫＨＣＯ３の形態で含有されるような塩基溶液を用いること、２）ＨＣＯ３−イオンの濃度が０．５Ｍの塩基溶液を用いること、３）少なくとも１０気圧の絶対圧力という電気透析スタック圧力で動作すること、および４）膜スタックを横切る両端間に適用される電流密度を、所望のＣＯ２体積流量に一致するように設定すること、によって最小化することができる。
【００５４】
一実施の形態では、高圧電気透析システムはまた、一定の電流密度が与えられたとすると、電圧を最小化することを可能にする。例えば、一定の電流密度ならびに溶液濃度および流量などの他の一定のパラメータに対して、電圧は、十分に大きい電気透析スタック圧力で動作することによって最小化することができる。所与のパラメータセットに対して、電気透析スタックの絶対圧力が、１気圧を超えて増加するにつれて、どんな追加の圧力増加も、もはや電圧に影響を及ぼさないような、あるしきい値電圧に至るまで、電圧は減少する。このしきい値電圧の値は、残りのプロセス条件の値に依存することになり、ＣＯ２ガス再生の体積流量に直接に関連している。
【００５５】
一実施の形態では、電気透析のイオンが移送された後、動作圧力および動作温度により、ガス状ＣＯ２が溶液内に溶解した状態となる場合、ＣＯ２再生は、溶剤からのＣＯ２のガス／液体分離によって実行される。電気透析のイオンが移送された後、動作圧力および動作温度により、溶液／液体ＣＯ２混合物または溶液／超臨界ＣＯ２混合物の状態となる場合には、ＣＯ２再生は、高圧電気透析、続いて溶剤からのＣＯ２の液体／液体分離または液体／超臨界流体分離によって、実行される。
【００５６】
一実施の形態では、ＣＯ２以外のガスを放出する溶液が用いられてもよい。例えば、ＳＯ２ガスは、亜硫酸塩水溶液または硫酸水素塩水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由してより酸性にされると、生成することができ、ＮＨ３ガスは、アンモニウム水溶液が本システム内へ入力され、本システムの工程を経由してよりアルカリ性にされると、生成することができる。
【００５７】
一部の実施の形態では、ガスは、ある圧力ｐｌｏｗにおいて水溶液内へ吸収される。次いで、溶液上で高圧電気透析が実行され、その後で同一のガスが、ｐｈｉｇｈ＞ｐｌｏｗとなる圧力ｐｈｉｇｈで再生される。このように、本実施の形態は、非効率的な機械式のコンプレッサを置き換えることができる、新規なガス加圧プロセスとして用いることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気透析装置を用いて、ガスを生成するプロセスであって、
前記電気透析装置へ、少なくとも第１溶液および第２溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置へ電極溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置をスタック圧力で加圧するステップと、
前記第２溶液内に溶解ガスが発生するように、前記電気透析装置の電気透析スタックへ電圧を加えるステップと、
前記電気透析装置から前記第２溶液を流出させるステップと、
前記第２溶液から前記ガスを再生するステップと、
前記ガスを収集するステップとを含む、プロセス。
【請求項２】
前記スタック圧力は、周囲圧力よりも大きい、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
電気透析装置を用いて、入力溶液から生成物を発生させるプロセスであって、
前記電気透析装置へ、少なくとも第１溶液および第２溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置へ電極溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置の温度および圧力を調整するステップであって、該温度および圧力は、前記第２溶液から前記生成物が発生するように選択される、調整するステップと、
前記第２溶液内に前記生成物が発生するように、前記電気透析装置の電気透析スタックへ電圧を加えるステップと、
前記電気透析装置から前記第２溶液を流出させるステップと、
前記第２溶液から前記生成物を再生するステップとを含む、プロセス。
【請求項４】
前記温度および前記圧力は、前記生成物が、ガス、液体、および超臨界流体のうちの１つ以上を含むように選択される、請求項３に記載のプロセス。
【請求項１】
電気透析装置を用いて、ガスを生成するプロセスであって、
前記電気透析装置へ、少なくとも第１溶液および第２溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置へ電極溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置をスタック圧力で加圧するステップと、
前記第２溶液内に溶解ガスが発生するように、前記電気透析装置の電気透析スタックへ電圧を加えるステップと、
前記電気透析装置から前記第２溶液を流出させるステップと、
前記第２溶液から前記ガスを再生するステップと、
前記ガスを収集するステップとを含む、プロセス。
【請求項２】
前記スタック圧力は、周囲圧力よりも大きい、請求項１に記載のプロセス。
【請求項３】
電気透析装置を用いて、入力溶液から生成物を発生させるプロセスであって、
前記電気透析装置へ、少なくとも第１溶液および第２溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置へ電極溶液を流入させるステップと、
前記電気透析装置の温度および圧力を調整するステップであって、該温度および圧力は、前記第２溶液から前記生成物が発生するように選択される、調整するステップと、
前記第２溶液内に前記生成物が発生するように、前記電気透析装置の電気透析スタックへ電圧を加えるステップと、
前記電気透析装置から前記第２溶液を流出させるステップと、
前記第２溶液から前記生成物を再生するステップとを含む、プロセス。
【請求項４】
前記温度および前記圧力は、前記生成物が、ガス、液体、および超臨界流体のうちの１つ以上を含むように選択される、請求項３に記載のプロセス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５Ａ】
【図５Ｂ】
【図５Ｃ】
【図５Ｄ】
【公開番号】特開２０１２−１２５７６１（Ｐ２０１２−１２５７６１Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２６８３７６（Ｐ２０１１−２６８３７６）
【出願日】平成２３年１２月７日（２０１１．１２．７）
【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２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１２月７日（２０１１．１２．７）
【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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