高圧電気透析装置
【課題】周囲圧力を上回るかもしくは等しい圧力で電気透析を行う装置を提供する。
【解決手段】電気透析膜積層体と筺体とを含む装置で、電気透析膜積層体は、少なくとも１個の電気透析セルと、電気透析積層体の両端に電圧を印加する電極を含み、筺体は、電気透析積層体を受けるセルチャンバを含んでおり、このセルチャンバは電極溶液の一部を電気透析積層体外部のセルチャンバの領域に移送可能とするセルチャンバに連通する少なくとも１個の加圧ポートを含み、積層体圧力にて電気透析積層体を加圧する。周囲圧力を上回る圧力にて電気透析を遂行するシステムは、少なくとも２つの溶液ループと、電極溶液ループと、溶液に作動可能に接続された電気透析装置と、周囲圧力を上回る積層体圧力にて電気透析を遂行する電極溶液ループとを含む。
【解決手段】電気透析膜積層体と筺体とを含む装置で、電気透析膜積層体は、少なくとも１個の電気透析セルと、電気透析積層体の両端に電圧を印加する電極を含み、筺体は、電気透析積層体を受けるセルチャンバを含んでおり、このセルチャンバは電極溶液の一部を電気透析積層体外部のセルチャンバの領域に移送可能とするセルチャンバに連通する少なくとも１個の加圧ポートを含み、積層体圧力にて電気透析積層体を加圧する。周囲圧力を上回る圧力にて電気透析を遂行するシステムは、少なくとも２つの溶液ループと、電極溶液ループと、溶液に作動可能に接続された電気透析装置と、周囲圧力を上回る積層体圧力にて電気透析を遂行する電極溶液ループとを含む。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
混合ガス流からＣＯ２を除去する技術には、通常、捕捉と再生の２段階の工程が含まれる。先ず、ガスは混合ガス流内のＣＯ２ガスと反応する水性「捕捉前溶液」と接触させ、ＣＯ２を「捕捉後溶液」内に捕捉する。次に、この高濃度ＣＯ２水性捕捉後溶液から純ＣＯ２ガス流を再生する。様々な捕捉前溶液が、存在する。ＣＯ２濃度が３８６ｐｐｍ（百万分率）の雰囲気等の低濃度ＣＯ２を有する混合ガス流では、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等の水性の水酸化物捕捉前溶液や、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）や炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）等の水性の炭酸塩捕捉前溶液、あるいは重炭酸カリウム（ＫＨＣＯ３）や重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）等の水性の重炭酸塩捕捉前溶液が、同様にＣＯ２捕捉前溶液の候補となる。捕捉前溶液へのＣＯ２ガスの捕捉が、元々の水酸化物／炭酸塩／重炭酸塩捕捉前溶液を水酸化物（ＫＯＨやＮａＯＨ）、炭酸塩（Ｋ２ＣＯ３やＮａ２ＣＯ３）および／または重炭酸カリウム（ＫＨＣＯ３）あるいは重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）捕捉後溶液の混合物からなる酸性がより強い捕捉後溶液へ転化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
ＣＯ２ガスがイオンの形をとるＣＯ３（２−）および／またはＨＣＯ３−で一旦捕捉され、捕捉後溶液を形成すると、通常溶液から純ＣＯ２ガスが再生される。この工程の全体的な効果は、比較的低モル分率のＣＯ２ガスを有する分離前混合ガス流から分離前の流れよりも高いモル分率のＣＯ２ガスのを有する分離後ガス流へのＣＯ２ガスの分離濃縮である。捕捉再生後、続いて分離後ガスは地質学的に分離するか、あるいはコンクリートやプラスチックや液体炭化水素燃料等の有用な製品に取り込む。再生ＣＯ２の可能な多くの用途は、１気圧を上回る圧力へのＣＯ２の加圧を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
バイポーラ膜電気透析法（ＢＰＭＥＤ；ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ）は、他の化学物質を添加せずに水性食塩溶液を酸とアルカリとに転化させるのに用いることができる。ＢＰＭＥＤ装置の構成要素は、膜全体への電界の印加時に溶液内のイオン種を分離するよう用いられるイオン交換膜である。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】高圧電気透析装置の一実施形態の分解図である。
【図２】高圧電気透析装置の一実施形態の分解図である。
【図３】補強部材の内面の正面図である。
【図４】補強部材の外面の正面図である。
【図５】第１の軸方向支持部材の外面の正面図である。
【図６】第１の軸方向支持部材の内面の正面図である。
【図７】第２の軸方向支持部材の内面の正面図である。
【図８】電極を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
ＢＰＭＥＤ膜積層体は、２隔室構成あるいは３隔室構成のいずれかを持たせることができる。２隔室構成では、隣接膜はバイポーラ膜（ＢＰＭ；ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ）と陰イオン交換膜（ＡＥＭ；ａｎｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）とを交互配置し、ＢＰＭとＡＥＭとＢＰＭとＡＥＭ等の形態の膜積層体を形成するか、あるいは隣接膜をＢＰＭと陽イオン交換膜（ＣＥＭ；ｃａｔｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）とを交互配置し、ＢＰＭとＣＥＭとＢＰＭとＣＥＭの膜積層体等を形成することができる。３隔室セルでは、隣接膜はＢＰＭからＡＥＭ、さらにＣＥＭと一巡りさせ、ＢＰＭとＡＥＭとＣＥＭとＢＰＭとＡＥＭとＣＥＭ等の形態の膜積層体を形成することができる。バイポーラ膜を用いない電気透析もまた可能であり、一連の交互配置されたＡＥＭとＣＥＭにより形成される２隔室構成で構成し、ＡＥＭとＣＥＭとＡＥＭとＣＥＭとＡＥＭ等の形態からなる膜積層体を形成する。
【０００６】
一実施形態では、電気透析装置は高圧、すなわち周囲圧力を上回って動作させる。他の工程条件を考慮し、動作圧力は、通常は周囲圧力にて溶液から膜積層体内に放出される筈のガスが溶液内に溶解残留したままの状態になるように十分高く、膜積層体自体の内部でのガス気泡の放出を防止する。溶解ガスを含む溶液の圧力を膜積層体の下流で減圧し、かくして溶解ガスを溶液外に放出し、他の用途向けに回収することができる。溶液の減圧目標となる圧力は、膜積層体の動作圧力を下回る任意の圧力とすることができる。こうして、ガスは周囲圧力を上回る圧力にて放出させ、あるいは周囲圧力を下回る圧力にて放出させることもできる。
【０００７】
一実施形態では、電気透析装置は周囲圧力を上回るかもしくは等しい圧力にて動作するよう設計され、周囲圧力は装置を囲繞する環境内に自然発生する圧力として定義される。海面上で、周囲圧力は通常はほぼ１気圧、すなわち１０１．３２５ｋＰａとなる。例えば、この装置は最大で２０気圧以下の圧力、あるいは２０気圧を越える圧力で動作させることができる。ガスは、放出ガスが周囲圧力を上回る圧力となるよう放出させることができる。こうして、入力に応じて、様々な種のガスを生成することができる。一例として、水性炭酸塩あるいは重炭酸溶液を入力したときに、ＣＯ２ガスを生成することができる。水性亜硫酸塩あるいは重硫酸塩溶液を入力し、システムの動作を介してより酸性とすると、ＳＯ２ガスを生成することができ、水性アンモニア溶液を入力し、システムの動作を介してよりアルカリ性とすると、ＮＨ３ガスを生成することができる。
【０００８】
図１は、高圧電気透析装置の一実施形態の分解図を示す。この装置は、少なくとも１個の電気透析セル１０２を含む電気透析積層体１０１を含んでいる。
【０００９】
一実施形態では、電気透析セル１０２は第１の角度へ回動させた第１のセルガスケット１０３と、第１のイオン交換膜１０４と、第２の角度へ回動させた第２のセルガスケット１０５と、第２のイオン交換膜１０６とを含む。第１と第２のイオン交換膜１０４，１０６は、使用する入力溶液と所望の出力溶液とに応じ、ＢＰＭかＡＥＭかＣＥＭのいずれかとすることができる。電気透析セル１０２は、必ずというわけではないが、２個の隔室セルとすることができる。例えば、電気透析セル１０２は代りに図８に示す３隔室セル等の３隔室セルとすることもできる。
【００１０】
２隔室セル１０２では、第１の角度は点線１１８で示すアノード端１１６で装置に流入する第１の溶液を、セルガスケット１０３に隣接する膜の面に接触させる方位であり、この第１の角度はまた、点線１１９で示す如く、カソード端１１７にて第１の溶液を装置から流出させる。第２の角度は、第２の溶液が点線１２０で示すアノード端１１６で装置に流入し、セルガスケット１０５に隣接する膜の面に当接できるようにする方位としてあり、この第２の角度はまた、点線１２１で示す如く、カソード端１１７において第２の溶液を装置から流出させる。第１と第２の溶液の流れは、逆転させることができる。こうして、セルガスケット１０３，１０５は別個の溶液受容隔室を画成する。
【００１１】
一実施形態では、その流れが点線１１８，１１９で表わされる第１の溶液はアルカリ溶液（ｐＨ＞７）であり、これは動作中の電気透析ユニットを通過する際によりアルカリ性とされ、セルガスケット１０３のセルガスケット開口１３５が画成する隔室をアルカリ溶液受容隔室とする。その流れが点線１２０，１２１で表わされる第２の溶液は酸性溶液（ｐＨ＜７）であり、これは動作中の電気透析ユニットを通過する際により酸性とされ、セルガスケット１０５のセルガスケット開口１３５が画成する隔室を酸性溶液受容隔室とする。溶液を流入させるポートに応じ、第１の溶液は酸性とすることができ、第２の溶液はアルカリ性とすることができる。
【００１２】
２隔室セルの一実施形態では、第１と第２のセルガスケット１０３，１０５を第１と第２のイオン交換膜１０４，１０６と交互配置し、第１のセルガスケット−第１のイオン交換膜−第２のセルガスケット−第２のイオン交換膜の狭持構造体を形成する。
【００１３】
別の実施形態では、電気透析セルを３隔室ＢＰＭＥＤセル（図８参照）とし、ここでは各セルが３枚の膜を収容し、その１枚をＢＰＭ、もう１枚をＡＥＭ、さらにもう１枚をＣＥＭとする。３隔室セルは、第１のセルガスケットと第１のイオン交換膜と第２のセルガスケットと第２のイオン交換膜と第３のセルガスケットと第３のイオン交換膜とを含む。第１のセルガスケットは第１の角度に回動させ、アノード端１１６の流入ポートを介して装置内に流入した第１の溶液を第１のセルガスケットに隣接する膜の面に接触させ、この第１の溶液をカソード端１１７の流出ポートを介して装置から流出させる。第２のセルガスケットは第２の角度に回動させ、アノード端１１６の流入ポートを介して装置内に流入した第２の溶液を第２のセルガスケットに隣接する膜の面に接触させ、この第２の溶液をカソード端１１７の流出ポートを介して装置から流出させる。第３のセルガスケットは第３の角度に回動させ、アノード端１１６の流入ポートを介して装置内に流入した第３の溶液を第３のセルガスケットに隣接する膜の面に接触させ、この第３の溶液をカソード端１１７の流出ポートを介して装置から流出させる。各溶液の流れは、逆転させることができる。
【００１４】
１個のセル、すなわち２隔室セルか３隔室セルか非ＢＰＭＥＤセルのいずれかの実施形態では、スペーサ（図示せず）を用い、エンドガスケットとセルガスケットのガスケット開口を実質充填する。スペーサは、例えばポリプロピレン製メッシュとすることができる。このスペーサは、イオン交換膜１１２，１０４，１０６，１１４が互いに接触しないようにするものである。それらはまた、隣接する膜面全体に溶液流を分散させることで、隣接膜面に対するイオンの大量移送を最適化する。
【００１５】
一実施形態では、電気透析積層体１０１はまたエンドガスケット１１１，１１５とエンドイオン交換膜１１２，１１４とを含む。エンドイオン交換膜１１２は、第１の電気透析セル１０２の第１のセルガスケット１０３とエンドガスケット１１１との間に実質介挿される。一実施形態では、電気透析積層体１０１はまた追加のセルガスケット１１３を含んでおり、エンドイオン交換膜１１４が追加のセルガスケット１１３とエンドガスケット１１５との間に実質介挿されるようにしてある。エンドガスケット１１１，１１５は、装置に流入出する電極溶液を受容するよう画成されたガスケット開口１３４を含む。一実施形態では、電気透析積層体１０１はエンドガスケット１１１，１１５とエンドイオン交換膜１１２とを含むが、エンドイオン交換膜１１４と追加のセルガスケット１１３は含まない。
【００１６】
少なくとも１個の電気透析セル１０２と、かつ一実施形態においてエンドイオン交換膜１１２，１１４とを含めることで、電気透析積層体１０１は装置を囲繞する周囲圧力もしくはそれを上回る積層体圧力にて溶液に対する電気透析処理を遂行する構成とされる。積層体圧力は装置の内部動作圧力であり、それは周囲圧力に等しいかまたはそれを上回る任意の圧力である。一実施形態では、積層体圧力は処理溶液の圧力、すなわち電極溶液と第１と第２と任意の第３の溶液とにより決まる。例えば、電極溶液と第１および第２の溶液とが装置内に流入する電気透析装置では、第１の溶液と第２の溶液と電極溶液はそれぞれ同一圧力に加圧され、積層体圧力は第１の溶液と第２の溶液と電極溶液が加圧目標とするどのような圧力ともされる。処理溶液の圧力を積層体内と等しくすることで、膜全体に圧力差は皆無となる。別の選択肢として、処理溶液を異なる圧力とすることもできる。積層体圧力は、周囲圧力と２０気圧との間、あるいは２０気圧以上の圧力とすることができる。
【００１７】
例えば、一実施形態では電気透析積層体１０１はＢＰＭとＡＥＭとを用いて構成した１以上の２隔室電気透析セル１０２を含む。酸性溶液は、点線１２０で示す如く、酸入力ポート（図示せず）を介してアノード端１１６にて装置内に流入する。アルカリ溶液もまた、点線１１８で示す如く、アルカリ入力ポート（図示せず）を介してアノード端１１６にて装置内に流入する。１（または複数）の電気透析セル１０２の１（または複数）のＢＰＭは印加電圧を受けて水を解離し、かくしてＯＨ−イオンがＢＰＭを横断してアノード端１１６へ移送され、Ｈ＋イオンがＢＰＭを横断してカソード端１１７へ移送される。アルカリ性溶液からのＨＣＯ３−やＣＯ３（２−）イオンは、アノード端１１６に向け１（または複数）のＡＥＭを横断して酸性溶液内へ移送され、かくして十分に低い圧力にて酸性溶液からＣＯ２ガスが放出される。
【００１８】
一実施形態では、積層体圧力は装置内の酸性溶液からガスが放出されず、その代りに水性酸性溶液内に溶解したままでいるよう十分高く保たれる。酸性溶液が装置を流出した後、酸性溶液の圧力は酸性溶液からガスが放出される十分低い圧力へ降圧される。電気透析システムには、周囲圧力を上回るも積層体圧力を下回り、放出ガス自体が周囲圧力を上回る圧力となるようにするタンク圧力にて加圧されるタンクを含めることができる。タンク圧力は、周囲圧力を上回る任意の圧力とすることができるが、積層体圧力未満とする。
【００１９】
電気透析装置はまた、装置アノード端１１６の第１の電極（図示せず）と装置カソード端１１７の第２の電極１２２とを含んでおり、電気透析積層体１０１の両端に電圧が印加できるようにしてある。装置はまた、第１の電極と積層体１０１と間に介挿した第１の電極格子１２３と、第２の電極１２２と積層体１０１との間に介挿した第２の電極格子（図示せず）とを含んでいる。
【００２０】
装置はまた、２個の軸方向支持部材１２６，１２７と２個の補強部材１２４，１２５とを備える筺体を含んでいる。一実施形態では、第１と第２の軸方向支持部材１２６，１２７は作動可能に互いに接続されてセルチャンバを形成する構成としてある。セルチャンバは電気透析積層体１０１を受け止め、装置が加圧されたときに積層体１０１周りに「加圧バスケット」を提供する。第１の軸方向支持部材１２６は少なくとも１個の加圧ポート１２８を含んでおり、これがセルチャンバに連通し、第１の軸方向支持部材１２６の電極溶液ポート（図示せず）を介して電極チャンバ内に流入する電極溶液の一部が電気透析積層体１０１外部のセルチャンバの所定の領域内に移送可能となるようにしてある。
【００２１】
一実施形態では、軸方向支持部材１２６，１２７は補強部材１２４，１２５内の丸みをつけたポート孔を挿通する浮出し加工ポートを有しており、溶液が電気透析装置に流入出できるようにしてある。浮出し加工ポートは補強部材１２４，１２５内の丸みをつけたポート孔を介して摺動させ、補強部材１２４，１２５が流路の一部を形成しないよう溶液を補強部材１２４，１２５に触れずにそこを通過させるようにできる。これにより、軸方向の支持部材１２６，１２７と補強部材１２４，１２５の形成に異なる材料を用いることができるようになる。
【００２２】
一実施形態では、装置にはまたそれぞれを補強部材１２４，１２５の一方の外面に取着する２個の応力低減シリンダ１３０を含んでいる。
【００２３】
図２を参照するに、一実施形態による第１の補強部材の内面の実質平面図が図示されている。一実施形態による第２の補強部材の内面は、溶液ポート孔の相対的な配置について以外は実質同一である。それ故、第２の補強部材の内面は別個に説明せず、差異を下記に特記することにする。
【００２４】
一実施形態では、第１の補強部材は、この第１の補強部材（図４参照）の浮出し加工電極溶液ポートを第１の補強部材に貫通させる電極溶液ポート孔２０１，２０２を含んでいる。電極溶液ポート孔２０１，２０２は、第１の軸方向支持部材の電極溶液流入ポートと電極溶液流出ポートとに対応するものである。第１の補強部材はまた、第１の軸補強支持部材（図４参照）の浮出し加工した第１および第２の溶液ポートを第１の補強部材に貫通させる第１の溶液ポート孔２０３と第２の溶液ポート孔２０４とを含んでいる。溶液ポート孔２０３，２０４を挿通するポートを流れる溶液種（酸性かアルカリ性）は、セルガスケットの向き（図１参照）と電気透析積層体内の電極の相対的極性（図１参照）とに依存する。
【００２５】
第１の補強部材はまた、第１の電極のステムが第１の補強部材を挿通できるようにする電極ステム孔２０５を含んでいる。
【００２６】
第１の補強部材はまた、少なくとも１個の補強部材接続造作２０６を含んでいる。補強部材接続造作２０６は、例えば第１の補強部材のエッジ近傍に形成されて第１の補強部材を貫通し、接続造作、例えば合釘ピンあるいはボルトがその中を挿通できるようにする孔とすることができる。補強部材接続造作２０６により、第１と第２の補強部材が互いに隣接して実質整列配置されるよう第１の補強部材を第２の補強部材に結合することができる。第１と第２の補強部材をかく結合すると、軸方向に沿って圧縮力が作用し、さらに図５と図６を参照して説明する如く、第１と第２の軸方向支持部材を嵌合させることができる。
【００２７】
補強部材は、電気透析装置に強度をもたらす。例えば、１０気圧の積層体圧力を装置に印加すると、装置を軸方向に分離押動するよう機能するほぼ４．４メートルトンの力が存在する。２０気圧の積層体圧力において、これはほぼ９メートルトン（最大２０，０００ｌｂｆ）まで倍増する。一実施形態では、補強部材はこれらの圧力に耐えるよう、例えば４３４０番鋼等の大強度材料から形成する。
【００２８】
図３は、一実施形態による第１の補強部材の外面の実質平面図を示す。第２の補強部材の外面の平面図は、溶液ポート孔の相対的な配置について以外は実質同一である。それ故、第２の補強部材の外面を別個に説明することはせず、差異を下記に特記することにする。さらに、図３の要素３０１〜３０６は、それらが第１の補強部材の内面ではなく外面から視認できる点を除き、図２の要素２０１〜２０６と同一である。それ故、差異を下記に特記する以外は、要素３０１〜３０６をさらに説明することはしない。
【００２９】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる高圧電気透析装置の一実施形態では、第１と第２の補強部材は共に対応する軸方向支持部材の第３の溶液ポートに対応する所定位置に形成した追加の第３の溶液ポート孔（図示せず）を含んでいる。
【００３０】
第１の補強部材はまた、少なくとも１個の補強部材接続造作３０６を含んでいる。一実施形態では、第１の補強部材はまた各ポート孔３０１〜３０４を囲繞する複数のフランジアダプタ装着孔３０７を含んでいる。一実施形態では、フランジアダプタ装着孔３０７は第１の補強部材の外面にのみ形成され、第１の補強部材に貫通はさせない。フランジアダプタ装着孔３０７は、フランジアダプタ自体（図示せず）上の装着孔に実質整列配置される個数と構成とをもって形成してある。フランジアダプタは軸方向支持部材（図４参照）のポートボス部を覆って装着してあり、これが軸方向支持部材と補強部材とを互いに結合したときに補強部材のポート孔内に突出する。フランジアダプタ装着孔３０７により、フランジアダプタ（図示せず）は突出ポートボス部を覆って装着され、第１の補強部材に取着される。
【００３１】
一実施形態では、第１の補強部材には例えば溶接により第１の補強部材に取着することのできる応力低減シリンダ３０８を含む。応力低減シリンダ３０８は、電気透析装置が周囲圧力を上回る圧力にて動作するときに補強部材に働く応力を低減するよう配設したキャップ付きシリンダである。
【００３２】
図４を参照するに、一実施形態による第１の軸方向支持部材の外面の実質平面図が示してある。第２の軸方向支持部材の外面の平面図は、溶液ポートの相対的な配置ならびに特性について以外は実質同一である。それ故、第２の補強部材の外面を別個に説明はせず、差異を下記に特記することにする。
【００３３】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材は電極溶液ポート４０１，４０２を含んでいる。電極溶液ポート４０１，４０２により、電極溶液は装置に流入出させられる。電極溶液は、例えば水性水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウムの溶液とすることができる。一実施形態では、電極溶液ポート４０１，４０２は浮出し加工してあり、すなわちそれらは第１の軸方向支持部材の外面から突出させてある。これにより、電極溶液ポート４０１，４０２を第１の方向部材（図２と図３参照）に貫通させることができる。
【００３４】
第１の軸方向支持部材はまた、第１の溶液ポート４０３と第２の溶液ポート４０４とを含んでいる。一実施形態では、第１の溶液を酸性溶液とし、第２の溶液をアルカリ性溶液とし、かくして第１の軸方向支持部材の第１の溶液ポート４０３を酸性溶液が流れ、第２の溶液ポート４０４をアルカリ性溶液が流れる。別の実施形態では、第１の溶液をアルカリ性溶液とし、第２の溶液を酸性液とし、かくして第１の軸方向支持部材の第１の溶液ポート４０３をアルカリ性溶液が流れ、第２の溶液ポート４０４を酸性溶液が流れる。ポート５０３，５０４を流れる溶液種（酸性かアルカリ性）は、セルガスケットの向きと膜の配列と電気透析積層体内の電極の相対的な極性（図１参照）とに依存する。
【００３５】
第１と第２の溶液ポート４０３，４０４と加えて第２の軸方向支持部材の第１と第２の溶液ポートもまた、浮出し加工、すなわち支持部材の外面から突出させることができる。これにより、第１と第２の溶液ポート４０３，４０４は補強部材を貫通できるようになる（図２と図３参照）。第１の軸方向支持部材の浮出し加工ポートが溶液流路を作成し、かくして溶液は第１の補強部材に触れることなく第１の補強部材（図３と図４参照）を流れる。これにより、第１の軸方向支持部材と第１の補強部材は異なる材料から形成することができる。
【００３６】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる一実施形態の装置では、第１と第２の軸方向支持部材は共に対応する補強部材の第３の溶液ポート孔に対応する所定位置に形成された追加の第３の溶液ポート（図示せず）を含んでいる。第３の溶液は、例えば動作中の電気透析ユニットの通過時に希釈される塩溶液とすることができる。
【００３７】
第１の軸方向支持部材はまた、第１の電極のステムが第１の軸方向支持部材を挿通できるようにする電極ステム孔４０５を含んでいる。
【００３８】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまたシール４０６を含んでいる。シール４０６は、第１の軸方向支持部材のポート４０１〜４０４に対するフランジアダプタ（図示せず）の接続を支援する。
【００３９】
第１の軸方向支持部材はまた、電気透析装置を組み立てたときに第１の補強部材の内面（図２参照）に実質当接するようになる第１の補強部材当接領域４０７を含んでいる。
【００４０】
図５は、一実施形態による第１の軸方向支持部材の内面の実質平面図を示す。第２の軸方向支持部材の内面を、図６について下記に説明することにする。図５の要素５０１〜５０５は、それらが第１の軸方向支持部材の外面ではなく内面から視認される要素である点を除き、図４の要素４０１〜４０５と同じである。
【００４１】
第１の軸方向支持部材は、電極溶液ポート５０１，５０２を含んでいる。電極溶液ポート５０２は、電極溶液ポート５０１と実質同一の構成をなす。電極溶液ポート５０１，５０２により、電極溶液を装置に進入退出させることができる。
【００４２】
一実施形態では、電極溶液流入口と流出ポート５０１，５０２は第１の軸方向支持部材の肉厚全体を真っすぐに貫通はしていない。むしろ、電極溶液ポート５０１，５０２は外側（図４参照）から第１の軸方向支持部材の肉厚の一部だけを実質真っすぐに貫通し、セル凹部５０６の手前で停止し、各ポートに「有底」孔を形成している。そこから、傾斜楕円形状ポートが各有底孔からセルチャンバに通じ、かくして電極溶液ポート５０１，５０２が第１の電極凹部５０８上に開口する。こうして、電極溶液は電極溶液ポートの一つを介して電極（図示せず）を横断して装置内に流入できるようになる。電極溶液が装置から流出すると、それは他の電極溶液ポートの傾斜部分を通り、続いて溶液ポートの直線部分とを通り、電極全体を流れ、装置を後にする。
【００４３】
第１の軸方向支持部材はまた、第１と第２の溶液ポート５０３，５０４を含んでいる。第１の溶液ポート５０３は、酸性溶液を装置内に流入させる酸性溶液流入口か、アルカリ性溶液を装置内に流入させるアルカリ性溶液流入口のいずれかとすることができる。第２の溶液ポート５０４は、アルカリ性溶液を装置内に流入させるアルカリ性溶液流入口か、酸性溶液を装置内に流入させる酸性溶液流入口のいずれかとすることができる。両実施形態とも、溶液の流れを逆転し、第１と第２の溶液ポート５０３，５０４を溶液流出口とし、酸性溶液とアルカリ性溶液とを装置外部に流出させるようできる。
【００４４】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる一実施形態では、第１の軸方向支持部材は追加の第３の溶液ポート（図示せず）を含んでいる。第３の溶液ポートは、対応する補強部材の第３の溶液ポート孔に対応する位置に形成してある。
【００４５】
第１の軸方向支持部材はまた、第１の電極のステムが第１の軸方向支持部材を挿通できるようにする電極ステム孔５０５を含んでいる。
【００４６】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまた電気透析積層体を受ける構成のセル凹部５０６を含んでいる。セル凹部５０６は、セル凹部５０６が第１の軸方向支持部材よりも小さな大きさを有するように第１の軸方向支持部材内に形成してある。また、セル凹部５０６は、セル凹部５０６が電気透析積層体を上回る大きさを有するよう第１の軸方向支持部材内に形成してある。こうして、セル凹部５０６の周縁に空隙が形成され、かくして第１の軸方向支持部材と第２の軸方向支持部材を嵌合させてセルチャンバを形成したときに、電気透析積層体がセルチャンバの内側壁に接触しないようにされる。
【００４７】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまたセル凹部５０６の実質周縁に形成することのできる１以上の加圧ポート５０７を含んでいる。加圧ポート５０７により、電気透析積層体と内部セルチャンバ壁との間の空隙、すなわち電気透析積層体外部のセルチャンバの領域内へ電極溶液の一部を分流させることで、電気透析積層体内部とセルチャンバとの間の圧力を等化させることができる。こうして、「加圧バスケット」が電気透析積層体の周りに形成される。電極溶液の分流部分は、電極溶液体積全体のうちの無視可能な部分とすることができる。加圧ポート５０７は、例えばポート５０１，５０２のそれぞれから放出孔を機械加工することで電極溶液ポート５０１，５０２に直接接続されるよう形成することができる。
【００４８】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまた第１の電極（図示せず）を受ける構成の第１の電極凹部５０８を含んでいる。第１の電気凹部５０８はまた、第１の電気格子を受けるよう構成してある。第１の電極凹部５０８は第１の軸方向支持部材内に形成し、かくして第１の電極凹部５０８が実質的にセル凹部５０６内に位置するようにしてある。第１の電極凹部５０８は、セル凹部５０６よりも深い。電極は第１の電極凹部５０８内に係止し、かくして電極活性面ディスクの面と電気透析セルとの間に空間が形成されるようにしてある。一実施形態では、電極格子はまた第１の電極凹部５０８内に係止しており、電極活性面ディスクの表面頂部に実質配置する。
【００４９】
一実施形態では、第１の電極凹部５０８は１以上の電極凹部整列配置造作５０９を含んでいる。第１の電極凹部整列配置造作５０９は、例えば第１の電極凹部５０８の周縁に形成する切り込みとすることができる。第１の電極凹部整列配置造作５０９により、第１の電極格子は第１の電極凹部５０８に整列配置させることができる。第１の電極格子凹部５０８内での電極格子の整列配置が、電極溶液ポート５０１，５０２との格子溶液ポートの整列配置を容易にする。
【００５０】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまた１以上の支持部材整列配置造作５１０を含む。支持部材整列配置造作５１０は、セル凹部５０６の実質周縁近傍に形成することができる。支持部材整列配置造作５１０は、第２の軸方向支持部材内の支持部材整列配置造作と加えて電気透析積層体の膜とガスケット内の整列配置造作にも対応する。支持部材整列配置造作５１０により、第１の軸方向支持部材と第２の軸方向支持部材と電気透析積層体の膜とガスケットとを整列配置することができる。整列配置造作、例えばピンが支持部材整列配置造作５１０内に配置され、支持部材と電気透析積層体の整列配置を容易にしている。
【００５１】
第１の軸方向支持部材はまた、嵌合面５１１を含んでいる。一実施形態では、嵌合面５１１はシール５１２を受容する嵌合面内に形成した溝を有する。シール５１２により、嵌合面５１１を第２の軸方向支持部材の嵌合面に選択的に結合させ、セルチャンバを形成することができる。
【００５２】
図６は、一実施形態による第２の軸方向支持部材の内面の実質平面図を示す。図６の要素６０１〜６０５は、それらが第１の軸方向支持部材の要素ではなく第２の軸方向支持部材の要素である点を除き、図５の要素５０１〜５０５と実質同一である。それらはまた、第２の軸方向支持部材の外面ではなく内面から視認される要素である点を除き、図４に示した要素４０１〜４０５と実質同一である。
【００５３】
第２の軸方向支持部材は、電極溶液ポート６０１，６０２を含む。電極溶液ポート６０１は、電極溶液ポート６０２と実質同一構成をなす。電極溶液ポート６０１，６０２により、電極溶液を装置に進入退出させることができる。
【００５４】
一実施形態では、電極溶液ポート６０１，６０２は第２の軸方向支持部材の全肉厚を真っすぐ貫通はしていない。むしろ、電極溶液ポート６０１，６０２は外側（図４参照）から第２の軸方向支持部材の肉厚の一部だけを実質真っすぐに貫通し、嵌合面６０９の手前で停止し、各ポートに「有底」孔を形成している。そこから、傾斜する楕円形状ポートが各有底孔からセルチャンバへ通じ、かくして電極溶液ポート６０１，６０２が第２の電極凹部６０６上に開口する。
【００５５】
第２の軸方向支持部材はまた、第１と第２の溶液ポート６０３，６０４を含む。一実施形態では、第１の溶液ポート６０３を酸性溶液を装置から流出させる酸性溶液流出口とし、第２の溶液ポート６０４をアルカリ性溶液を装置から流出させるアルカリ性溶液流出口とする。一実施形態では、第１の溶液ポート６０３をアルカリ性溶液を装置から流出させるアルカリ性溶液流出口とし、第２の溶液ポート６０４を酸溶溶液を装置から流出させる酸性溶液流出口とする。両実施形態において、溶液の流れを逆転させ、第１と第２の溶液ポート６０３，６０４を溶液流入口とし、酸性溶液とアルカリ性溶液を装置に流入させるようにできる。
【００５６】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる一実施形態の装置では、第２の軸方向支持部材は対応する補強部材の第３の溶液ポート孔に対応する所定位置に形成される追加の第３の溶液ポート（図示せず）を含む。
【００５７】
第２の軸方向支持部材はまた、第２の電極のステムを第２の軸方向支持部材に挿通させる電極ステム孔６０５を含んでいる。
【００５８】
一実施形態では、第２の軸方向支持部材は、図５について前記した如く、第１の電極凹部と同様の第２の電極（図示せず）を受容する構成の第２の電極凹部６０６を含んでいる。第２の電極凹部６０６は、嵌合面６０９よりも深い。第２の電極凹部６０６にはまた、図５について前記した如く、１以上の第２の電極凹部整列配置造作６０７を含めることができる。
【００５９】
一実施形態では、第２の軸方向支持部材はまた図５について前記したものと同様の１以上の支持部材整列配置造作６０８を含んでいる。支持部材整列配置造作６０８は、嵌合面６０９の実質内周近傍に形成することができる。
【００６０】
第２の軸方向支持部材はまた、嵌合面６０９を含んでいる。嵌合面６０９は、第１の軸方向支持部材内に形成した溝内に受容するシールを介して第１の軸方向支持部材の嵌合面に選択的に結合させることができる（図５参照）。
【００６１】
図７は、電気透析セルの一実施形態の分解図を示す。電気透析セル７０５は、第１のセルガスケット７０１と第１のイオン交換膜７０２と第２のセルガスケット７０３と第２のイオン交換膜７０４とを含む。第１と第２のセルガスケット７０１，７０３は軸方向に第１と第２のイオン交換膜７０２，７０４と交互配置され、かくして第１のセルガスケット−第１のイオン交換膜−第２のセルガスケット−第２のイオン交換膜の狭持構造体が形成される。
【００６２】
イオン交換膜７０２，７０４はそれぞれ、複数の膜窓孔７０６を含んでいる。膜窓孔７０６はセルガスケット７０１，７０３のセルガスケット開口７０７もしくはガスケット窓孔７０８のいずれかと整列配置され、第１の溶液ループあるいは第２の溶液ループのいずれかを形成する。各イオン交換膜７０２，７０４ごとに、４個の膜窓孔７０６は、点線７１４で表わされる第１の溶液流入口と、点線７１３で表わされる第２の溶液流入口と、点線７１６で表わされる第１の溶液流出口と、点線７１５で表わされる第２の溶液流出口用の導管として機能する。各線７１３〜７１６の流れは、所望とあらば逆転させることができる。一実施形態では、第１の溶液をアルカリ性溶液とし、第２の溶液を酸性溶液とする。一実施形態では、第１の溶液を酸性溶液とし、第２の溶液をアルカリ性溶液とする。
【００６３】
セルガスケット開口７０７は凸形状とし、セルガスケット開口７０７が同一溶液について流入窓孔と流出窓孔に対応するイオン交換膜用の２箇所の膜窓孔７０６に同時に整列配置させるようにできる。例えば、第２のセルガスケット７０３のセルガスケット開口７０７は第１のイオン交換膜７０２と第２のイオン交換膜７０４の両方の２個の膜窓孔７０６に同時に整列配置する。こうして、第２のセルガスケット７０３のセルガスケット開口７０７は２個のイオン交換膜７０２，７０４間に溶液受容隔室を画成する。
【００６４】
セルガスケット７０１，７０３上のセルガスケット７０７の向きが、セルガスケット７０１，７０３のセルガスケット開口７０７を通して酸性溶液かアルカリ性溶液のいずれを流すか決定する。一実施形態では、セルガスケット７０３上のセルガスケット開口７０７はセルガスケット７０１上のセルガスケット開口７０７に整列配置されていない２個の膜窓孔７０６から溶液を受け入れるよう配向してあり、結果的にセルガスケット７０１，７０３のセルガスケット開口７０７を通って異なる溶液が流れることになる。
【００６５】
セルガスケット７０１，７０３はまた、複数のガスケット窓孔７０８を含んでいる。一実施形態では、セルがバイポーラ膜あるいは２隔室ＢＰＭＥＤを用いずにいずれも電気透析を遂行する構成とされている場合、セルガスケット７０１，７０３はそれぞれ２個のガスケット窓孔７０８を有する。各セルガスケット７０１，７０３ごとに、ガスケット窓孔７０８によりその特定のセルガスケットのセルガスケット開口７０７内を流れない溶液が装置内のその他のガスケットと膜とを流れ続けるようにできる。
【００６６】
一実施形態では、凸形状セルガスケットの開口７０７は実質的にフットボール形状をなす。この修正されたガスケットの「フットボール」様流れ設計パターンが、流れの淀み領域を最小化する。淀み領域は、局所的流速がガスケット表面積全体に平均化された流速をずっと下回る領域として定義される。
【００６７】
一実施形態では、イオン交換膜７０２，７０４は１以上の膜整列配置造作７０９を含んでおり、セルガスケット７０１，７０３は１以上のガスケット整列配置造作７１０を含んでいる。膜整列配置造作７０９とガスケット整列配置造作７１０は共に相互に対応し、第１と第２の軸方向支持体内の支持部材整列配置造作（図５と図６参照）と、加えて全てのエンドイオン交換膜やエンドガスケットあるいは積層体内に組み込まれた追加のセルガスケット内の整列配置造作にも対応する。膜整列配置造作７０９とガスケット整列配置造作７１０により、第１と第２のセルガスケット７０１，７０３と第１と第２のイオン交換膜７０２，７０４を整列配置して相互に接続し、加えて軸方向支持部材、また、存在する場合はエンドガスケット、エンドイオン交換膜および／または追加のセルガスケットにもそうすることができる。合釘ピン等の整列配置造作を膜とガスケット整列配置造作７０９，７１０と、加えて全てのエンドガスケットの整列配置造作とエンドイオン交換膜および／または追加のセルガスケットもまた介して挿入し、続いて軸方向支持部材の整列配置造作に挿入し、整列配置を容易にすることができる。
【００６８】
図８は、電気透析セルの一実施形態の分解図を示す。電気透析セル８０７は、第１のセルガスケット８０１と第１のイオン交換膜８０２と第２のセルガスケット８０３と第２のイオン交換膜８０４と第３のセルガスケット８０５と第３のイオン交換膜８０６とを含んでいる。セルガスケット８０１，８０３，８０５はイオン交換膜８０２，８０４，８０６と軸方向に交互配置され、かくして第１のセルガスケット−第１のイオン交換膜−第２のセルガスケット−第２のイオン交換膜−第３のセルガスケット−第３のイオン交換膜の狭持構造体が形成される。
【００６９】
各膜８０２，８０４，８０６は、３個の溶液ループのそれぞれに２個ずつ計６個の膜窓孔８０８を含む。膜窓孔８０８は、隣接セルガスケットのセルガスケット開口８０９あるいはガスケット窓孔８１０のいずれかに整列配置され、第１の溶液ループか第２の溶液ループか第３の溶液ループのいずれかを形成する。各イオン交換膜８０２，８０４，８０６ごとに、６個の膜窓孔８０８が、点線８１５で表わされる第１の溶液流入口と、点線８１６で表わされる第１の溶液流出口と、点線８１７で表わされる第２の溶液流入口と、点線８１８で表わされる第２の溶液流出口と、点線８１９で表わされる第３の溶液流入口と、点線８２０で表わされる第３の溶液流出口用の導管として機能する。各線８１５〜８２０の流れは、逆転させることができる。一実施形態では、第１の溶液を酸性溶液とし、第２の溶液をアルカリ性溶液とし、第３の溶液を食塩溶液とする。
【００７０】
一実施形態では、セルガスケット開口８０９は図７に示した実施形態について前記した如く、実質凸形状をなす。セルガスケット８０１，８０３，８０５のセルガスケット開口８０９の向きが、酸性溶液かアルカリ性溶液かあるいは塩溶液が所与のセルガスケット開口を介して流れるかどうか決定する。
【００７１】
一実施形態では、セルガスケット８０１，８０３，８０５はそれぞれ複数のガスケット窓孔８１０を有する。一実施形態では、電気透析積層体１２０７の各要素８０１〜８０６は、図７について前記した如く、少なくとも１個の整列配置造作８１１，８１２を有する。
【００７２】
本願明細書に記載した実施形態による高圧電気透析装置は、例えばガス放出溶液の２隔室あるいは３隔室高圧ＢＰＭＥＤあるいはガス放出溶液のバイポーラ膜を用いない高圧電気透析を遂行するのに用いることができる。ガス放出溶液の高圧電気透析は、周囲圧力と膜積層体の絶対圧力との間の任意の圧力にてガスを生成することができる。膜積層体内で液体を加圧し、続いてガスをそこから放出させる溶液内へイオン移送を遂行することで、このガス加圧は通常可能であるよりもずっと効率的に達成される。ＣＯ２の場合、このことで分離や燃料反応や他の用途のいずれか必要とされる圧力でのＣＯ２ガスの直接生成が可能になる。このことは、続く反応工程や他の用途に必要とされる昇圧された圧力で直接生成しうる他のガスに対する利点ともなりうる。
【００７３】
２０気圧以上の圧力を含む周囲圧力を上回る圧力で動作させることで、前記した実施形態による高圧電気透析装置は電気透析膜積層体内部でのガス気泡の放出を抑制し、それによって膜を損傷する高電流密度の局所的「ホットスポット」生成を排除することができる。前記した実施形態による高圧電気透析装置により、周囲圧力での同一溶液の電気透析に比べ改善された膜寿命をもってより高い名目電流密度でのガス放出溶液の電気透析が可能とされる。また、周囲圧力を上回る圧力にて動作させることで、前記実施形態による高圧電気透析装置は周囲圧力において同一溶液の電気透析に比べ低減された電圧ならびにエネルギー消費を達成することができる。このことは、名目動作電流密度の増大に合わせ益々妥当するものとなる。例えば、ＣＯ２放出重炭酸塩溶液からなる２隔室ＢＰＭＥＤを電流密度１３９ｍＡ／ｃｍ２にて行う実施形態では、生成されるＣＯ２のモル当り必要エネルギーは１．５気圧での動作に対し１０気圧の圧力での動作時に３０％低減される。前記実施形態による高圧電気透析装置は、ガス加圧用の標準的な装置を用いるよりも効率のよい効率的電気化学ガス加圧器としても捉えることができる。
【背景技術】
【０００１】
混合ガス流からＣＯ２を除去する技術には、通常、捕捉と再生の２段階の工程が含まれる。先ず、ガスは混合ガス流内のＣＯ２ガスと反応する水性「捕捉前溶液」と接触させ、ＣＯ２を「捕捉後溶液」内に捕捉する。次に、この高濃度ＣＯ２水性捕捉後溶液から純ＣＯ２ガス流を再生する。様々な捕捉前溶液が、存在する。ＣＯ２濃度が３８６ｐｐｍ（百万分率）の雰囲気等の低濃度ＣＯ２を有する混合ガス流では、水酸化カリウム（ＫＯＨ）や水酸化ナトリウム（ＮａＯＨ）等の水性の水酸化物捕捉前溶液や、炭酸カリウム（Ｋ２ＣＯ３）や炭酸ナトリウム（Ｎａ２ＣＯ３）等の水性の炭酸塩捕捉前溶液、あるいは重炭酸カリウム（ＫＨＣＯ３）や重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）等の水性の重炭酸塩捕捉前溶液が、同様にＣＯ２捕捉前溶液の候補となる。捕捉前溶液へのＣＯ２ガスの捕捉が、元々の水酸化物／炭酸塩／重炭酸塩捕捉前溶液を水酸化物（ＫＯＨやＮａＯＨ）、炭酸塩（Ｋ２ＣＯ３やＮａ２ＣＯ３）および／または重炭酸カリウム（ＫＨＣＯ３）あるいは重炭酸ナトリウム（ＮａＨＣＯ３）捕捉後溶液の混合物からなる酸性がより強い捕捉後溶液へ転化する。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
ＣＯ２ガスがイオンの形をとるＣＯ３（２−）および／またはＨＣＯ３−で一旦捕捉され、捕捉後溶液を形成すると、通常溶液から純ＣＯ２ガスが再生される。この工程の全体的な効果は、比較的低モル分率のＣＯ２ガスを有する分離前混合ガス流から分離前の流れよりも高いモル分率のＣＯ２ガスのを有する分離後ガス流へのＣＯ２ガスの分離濃縮である。捕捉再生後、続いて分離後ガスは地質学的に分離するか、あるいはコンクリートやプラスチックや液体炭化水素燃料等の有用な製品に取り込む。再生ＣＯ２の可能な多くの用途は、１気圧を上回る圧力へのＣＯ２の加圧を必要とする。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
バイポーラ膜電気透析法（ＢＰＭＥＤ；ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｅｌｅｃｔｒｏｄｉａｌｙｓｉｓ）は、他の化学物質を添加せずに水性食塩溶液を酸とアルカリとに転化させるのに用いることができる。ＢＰＭＥＤ装置の構成要素は、膜全体への電界の印加時に溶液内のイオン種を分離するよう用いられるイオン交換膜である。
【図面の簡単な説明】
【０００４】
【図１】高圧電気透析装置の一実施形態の分解図である。
【図２】高圧電気透析装置の一実施形態の分解図である。
【図３】補強部材の内面の正面図である。
【図４】補強部材の外面の正面図である。
【図５】第１の軸方向支持部材の外面の正面図である。
【図６】第１の軸方向支持部材の内面の正面図である。
【図７】第２の軸方向支持部材の内面の正面図である。
【図８】電極を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００５】
ＢＰＭＥＤ膜積層体は、２隔室構成あるいは３隔室構成のいずれかを持たせることができる。２隔室構成では、隣接膜はバイポーラ膜（ＢＰＭ；ｂｉｐｏｌａｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ）と陰イオン交換膜（ＡＥＭ；ａｎｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）とを交互配置し、ＢＰＭとＡＥＭとＢＰＭとＡＥＭ等の形態の膜積層体を形成するか、あるいは隣接膜をＢＰＭと陽イオン交換膜（ＣＥＭ；ｃａｔｉｏｎ ｅｘｃｈａｎｇｅ ｍｅｍｂｒａｎｅ）とを交互配置し、ＢＰＭとＣＥＭとＢＰＭとＣＥＭの膜積層体等を形成することができる。３隔室セルでは、隣接膜はＢＰＭからＡＥＭ、さらにＣＥＭと一巡りさせ、ＢＰＭとＡＥＭとＣＥＭとＢＰＭとＡＥＭとＣＥＭ等の形態の膜積層体を形成することができる。バイポーラ膜を用いない電気透析もまた可能であり、一連の交互配置されたＡＥＭとＣＥＭにより形成される２隔室構成で構成し、ＡＥＭとＣＥＭとＡＥＭとＣＥＭとＡＥＭ等の形態からなる膜積層体を形成する。
【０００６】
一実施形態では、電気透析装置は高圧、すなわち周囲圧力を上回って動作させる。他の工程条件を考慮し、動作圧力は、通常は周囲圧力にて溶液から膜積層体内に放出される筈のガスが溶液内に溶解残留したままの状態になるように十分高く、膜積層体自体の内部でのガス気泡の放出を防止する。溶解ガスを含む溶液の圧力を膜積層体の下流で減圧し、かくして溶解ガスを溶液外に放出し、他の用途向けに回収することができる。溶液の減圧目標となる圧力は、膜積層体の動作圧力を下回る任意の圧力とすることができる。こうして、ガスは周囲圧力を上回る圧力にて放出させ、あるいは周囲圧力を下回る圧力にて放出させることもできる。
【０００７】
一実施形態では、電気透析装置は周囲圧力を上回るかもしくは等しい圧力にて動作するよう設計され、周囲圧力は装置を囲繞する環境内に自然発生する圧力として定義される。海面上で、周囲圧力は通常はほぼ１気圧、すなわち１０１．３２５ｋＰａとなる。例えば、この装置は最大で２０気圧以下の圧力、あるいは２０気圧を越える圧力で動作させることができる。ガスは、放出ガスが周囲圧力を上回る圧力となるよう放出させることができる。こうして、入力に応じて、様々な種のガスを生成することができる。一例として、水性炭酸塩あるいは重炭酸溶液を入力したときに、ＣＯ２ガスを生成することができる。水性亜硫酸塩あるいは重硫酸塩溶液を入力し、システムの動作を介してより酸性とすると、ＳＯ２ガスを生成することができ、水性アンモニア溶液を入力し、システムの動作を介してよりアルカリ性とすると、ＮＨ３ガスを生成することができる。
【０００８】
図１は、高圧電気透析装置の一実施形態の分解図を示す。この装置は、少なくとも１個の電気透析セル１０２を含む電気透析積層体１０１を含んでいる。
【０００９】
一実施形態では、電気透析セル１０２は第１の角度へ回動させた第１のセルガスケット１０３と、第１のイオン交換膜１０４と、第２の角度へ回動させた第２のセルガスケット１０５と、第２のイオン交換膜１０６とを含む。第１と第２のイオン交換膜１０４，１０６は、使用する入力溶液と所望の出力溶液とに応じ、ＢＰＭかＡＥＭかＣＥＭのいずれかとすることができる。電気透析セル１０２は、必ずというわけではないが、２個の隔室セルとすることができる。例えば、電気透析セル１０２は代りに図８に示す３隔室セル等の３隔室セルとすることもできる。
【００１０】
２隔室セル１０２では、第１の角度は点線１１８で示すアノード端１１６で装置に流入する第１の溶液を、セルガスケット１０３に隣接する膜の面に接触させる方位であり、この第１の角度はまた、点線１１９で示す如く、カソード端１１７にて第１の溶液を装置から流出させる。第２の角度は、第２の溶液が点線１２０で示すアノード端１１６で装置に流入し、セルガスケット１０５に隣接する膜の面に当接できるようにする方位としてあり、この第２の角度はまた、点線１２１で示す如く、カソード端１１７において第２の溶液を装置から流出させる。第１と第２の溶液の流れは、逆転させることができる。こうして、セルガスケット１０３，１０５は別個の溶液受容隔室を画成する。
【００１１】
一実施形態では、その流れが点線１１８，１１９で表わされる第１の溶液はアルカリ溶液（ｐＨ＞７）であり、これは動作中の電気透析ユニットを通過する際によりアルカリ性とされ、セルガスケット１０３のセルガスケット開口１３５が画成する隔室をアルカリ溶液受容隔室とする。その流れが点線１２０，１２１で表わされる第２の溶液は酸性溶液（ｐＨ＜７）であり、これは動作中の電気透析ユニットを通過する際により酸性とされ、セルガスケット１０５のセルガスケット開口１３５が画成する隔室を酸性溶液受容隔室とする。溶液を流入させるポートに応じ、第１の溶液は酸性とすることができ、第２の溶液はアルカリ性とすることができる。
【００１２】
２隔室セルの一実施形態では、第１と第２のセルガスケット１０３，１０５を第１と第２のイオン交換膜１０４，１０６と交互配置し、第１のセルガスケット−第１のイオン交換膜−第２のセルガスケット−第２のイオン交換膜の狭持構造体を形成する。
【００１３】
別の実施形態では、電気透析セルを３隔室ＢＰＭＥＤセル（図８参照）とし、ここでは各セルが３枚の膜を収容し、その１枚をＢＰＭ、もう１枚をＡＥＭ、さらにもう１枚をＣＥＭとする。３隔室セルは、第１のセルガスケットと第１のイオン交換膜と第２のセルガスケットと第２のイオン交換膜と第３のセルガスケットと第３のイオン交換膜とを含む。第１のセルガスケットは第１の角度に回動させ、アノード端１１６の流入ポートを介して装置内に流入した第１の溶液を第１のセルガスケットに隣接する膜の面に接触させ、この第１の溶液をカソード端１１７の流出ポートを介して装置から流出させる。第２のセルガスケットは第２の角度に回動させ、アノード端１１６の流入ポートを介して装置内に流入した第２の溶液を第２のセルガスケットに隣接する膜の面に接触させ、この第２の溶液をカソード端１１７の流出ポートを介して装置から流出させる。第３のセルガスケットは第３の角度に回動させ、アノード端１１６の流入ポートを介して装置内に流入した第３の溶液を第３のセルガスケットに隣接する膜の面に接触させ、この第３の溶液をカソード端１１７の流出ポートを介して装置から流出させる。各溶液の流れは、逆転させることができる。
【００１４】
１個のセル、すなわち２隔室セルか３隔室セルか非ＢＰＭＥＤセルのいずれかの実施形態では、スペーサ（図示せず）を用い、エンドガスケットとセルガスケットのガスケット開口を実質充填する。スペーサは、例えばポリプロピレン製メッシュとすることができる。このスペーサは、イオン交換膜１１２，１０４，１０６，１１４が互いに接触しないようにするものである。それらはまた、隣接する膜面全体に溶液流を分散させることで、隣接膜面に対するイオンの大量移送を最適化する。
【００１５】
一実施形態では、電気透析積層体１０１はまたエンドガスケット１１１，１１５とエンドイオン交換膜１１２，１１４とを含む。エンドイオン交換膜１１２は、第１の電気透析セル１０２の第１のセルガスケット１０３とエンドガスケット１１１との間に実質介挿される。一実施形態では、電気透析積層体１０１はまた追加のセルガスケット１１３を含んでおり、エンドイオン交換膜１１４が追加のセルガスケット１１３とエンドガスケット１１５との間に実質介挿されるようにしてある。エンドガスケット１１１，１１５は、装置に流入出する電極溶液を受容するよう画成されたガスケット開口１３４を含む。一実施形態では、電気透析積層体１０１はエンドガスケット１１１，１１５とエンドイオン交換膜１１２とを含むが、エンドイオン交換膜１１４と追加のセルガスケット１１３は含まない。
【００１６】
少なくとも１個の電気透析セル１０２と、かつ一実施形態においてエンドイオン交換膜１１２，１１４とを含めることで、電気透析積層体１０１は装置を囲繞する周囲圧力もしくはそれを上回る積層体圧力にて溶液に対する電気透析処理を遂行する構成とされる。積層体圧力は装置の内部動作圧力であり、それは周囲圧力に等しいかまたはそれを上回る任意の圧力である。一実施形態では、積層体圧力は処理溶液の圧力、すなわち電極溶液と第１と第２と任意の第３の溶液とにより決まる。例えば、電極溶液と第１および第２の溶液とが装置内に流入する電気透析装置では、第１の溶液と第２の溶液と電極溶液はそれぞれ同一圧力に加圧され、積層体圧力は第１の溶液と第２の溶液と電極溶液が加圧目標とするどのような圧力ともされる。処理溶液の圧力を積層体内と等しくすることで、膜全体に圧力差は皆無となる。別の選択肢として、処理溶液を異なる圧力とすることもできる。積層体圧力は、周囲圧力と２０気圧との間、あるいは２０気圧以上の圧力とすることができる。
【００１７】
例えば、一実施形態では電気透析積層体１０１はＢＰＭとＡＥＭとを用いて構成した１以上の２隔室電気透析セル１０２を含む。酸性溶液は、点線１２０で示す如く、酸入力ポート（図示せず）を介してアノード端１１６にて装置内に流入する。アルカリ溶液もまた、点線１１８で示す如く、アルカリ入力ポート（図示せず）を介してアノード端１１６にて装置内に流入する。１（または複数）の電気透析セル１０２の１（または複数）のＢＰＭは印加電圧を受けて水を解離し、かくしてＯＨ−イオンがＢＰＭを横断してアノード端１１６へ移送され、Ｈ＋イオンがＢＰＭを横断してカソード端１１７へ移送される。アルカリ性溶液からのＨＣＯ３−やＣＯ３（２−）イオンは、アノード端１１６に向け１（または複数）のＡＥＭを横断して酸性溶液内へ移送され、かくして十分に低い圧力にて酸性溶液からＣＯ２ガスが放出される。
【００１８】
一実施形態では、積層体圧力は装置内の酸性溶液からガスが放出されず、その代りに水性酸性溶液内に溶解したままでいるよう十分高く保たれる。酸性溶液が装置を流出した後、酸性溶液の圧力は酸性溶液からガスが放出される十分低い圧力へ降圧される。電気透析システムには、周囲圧力を上回るも積層体圧力を下回り、放出ガス自体が周囲圧力を上回る圧力となるようにするタンク圧力にて加圧されるタンクを含めることができる。タンク圧力は、周囲圧力を上回る任意の圧力とすることができるが、積層体圧力未満とする。
【００１９】
電気透析装置はまた、装置アノード端１１６の第１の電極（図示せず）と装置カソード端１１７の第２の電極１２２とを含んでおり、電気透析積層体１０１の両端に電圧が印加できるようにしてある。装置はまた、第１の電極と積層体１０１と間に介挿した第１の電極格子１２３と、第２の電極１２２と積層体１０１との間に介挿した第２の電極格子（図示せず）とを含んでいる。
【００２０】
装置はまた、２個の軸方向支持部材１２６，１２７と２個の補強部材１２４，１２５とを備える筺体を含んでいる。一実施形態では、第１と第２の軸方向支持部材１２６，１２７は作動可能に互いに接続されてセルチャンバを形成する構成としてある。セルチャンバは電気透析積層体１０１を受け止め、装置が加圧されたときに積層体１０１周りに「加圧バスケット」を提供する。第１の軸方向支持部材１２６は少なくとも１個の加圧ポート１２８を含んでおり、これがセルチャンバに連通し、第１の軸方向支持部材１２６の電極溶液ポート（図示せず）を介して電極チャンバ内に流入する電極溶液の一部が電気透析積層体１０１外部のセルチャンバの所定の領域内に移送可能となるようにしてある。
【００２１】
一実施形態では、軸方向支持部材１２６，１２７は補強部材１２４，１２５内の丸みをつけたポート孔を挿通する浮出し加工ポートを有しており、溶液が電気透析装置に流入出できるようにしてある。浮出し加工ポートは補強部材１２４，１２５内の丸みをつけたポート孔を介して摺動させ、補強部材１２４，１２５が流路の一部を形成しないよう溶液を補強部材１２４，１２５に触れずにそこを通過させるようにできる。これにより、軸方向の支持部材１２６，１２７と補強部材１２４，１２５の形成に異なる材料を用いることができるようになる。
【００２２】
一実施形態では、装置にはまたそれぞれを補強部材１２４，１２５の一方の外面に取着する２個の応力低減シリンダ１３０を含んでいる。
【００２３】
図２を参照するに、一実施形態による第１の補強部材の内面の実質平面図が図示されている。一実施形態による第２の補強部材の内面は、溶液ポート孔の相対的な配置について以外は実質同一である。それ故、第２の補強部材の内面は別個に説明せず、差異を下記に特記することにする。
【００２４】
一実施形態では、第１の補強部材は、この第１の補強部材（図４参照）の浮出し加工電極溶液ポートを第１の補強部材に貫通させる電極溶液ポート孔２０１，２０２を含んでいる。電極溶液ポート孔２０１，２０２は、第１の軸方向支持部材の電極溶液流入ポートと電極溶液流出ポートとに対応するものである。第１の補強部材はまた、第１の軸補強支持部材（図４参照）の浮出し加工した第１および第２の溶液ポートを第１の補強部材に貫通させる第１の溶液ポート孔２０３と第２の溶液ポート孔２０４とを含んでいる。溶液ポート孔２０３，２０４を挿通するポートを流れる溶液種（酸性かアルカリ性）は、セルガスケットの向き（図１参照）と電気透析積層体内の電極の相対的極性（図１参照）とに依存する。
【００２５】
第１の補強部材はまた、第１の電極のステムが第１の補強部材を挿通できるようにする電極ステム孔２０５を含んでいる。
【００２６】
第１の補強部材はまた、少なくとも１個の補強部材接続造作２０６を含んでいる。補強部材接続造作２０６は、例えば第１の補強部材のエッジ近傍に形成されて第１の補強部材を貫通し、接続造作、例えば合釘ピンあるいはボルトがその中を挿通できるようにする孔とすることができる。補強部材接続造作２０６により、第１と第２の補強部材が互いに隣接して実質整列配置されるよう第１の補強部材を第２の補強部材に結合することができる。第１と第２の補強部材をかく結合すると、軸方向に沿って圧縮力が作用し、さらに図５と図６を参照して説明する如く、第１と第２の軸方向支持部材を嵌合させることができる。
【００２７】
補強部材は、電気透析装置に強度をもたらす。例えば、１０気圧の積層体圧力を装置に印加すると、装置を軸方向に分離押動するよう機能するほぼ４．４メートルトンの力が存在する。２０気圧の積層体圧力において、これはほぼ９メートルトン（最大２０，０００ｌｂｆ）まで倍増する。一実施形態では、補強部材はこれらの圧力に耐えるよう、例えば４３４０番鋼等の大強度材料から形成する。
【００２８】
図３は、一実施形態による第１の補強部材の外面の実質平面図を示す。第２の補強部材の外面の平面図は、溶液ポート孔の相対的な配置について以外は実質同一である。それ故、第２の補強部材の外面を別個に説明することはせず、差異を下記に特記することにする。さらに、図３の要素３０１〜３０６は、それらが第１の補強部材の内面ではなく外面から視認できる点を除き、図２の要素２０１〜２０６と同一である。それ故、差異を下記に特記する以外は、要素３０１〜３０６をさらに説明することはしない。
【００２９】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる高圧電気透析装置の一実施形態では、第１と第２の補強部材は共に対応する軸方向支持部材の第３の溶液ポートに対応する所定位置に形成した追加の第３の溶液ポート孔（図示せず）を含んでいる。
【００３０】
第１の補強部材はまた、少なくとも１個の補強部材接続造作３０６を含んでいる。一実施形態では、第１の補強部材はまた各ポート孔３０１〜３０４を囲繞する複数のフランジアダプタ装着孔３０７を含んでいる。一実施形態では、フランジアダプタ装着孔３０７は第１の補強部材の外面にのみ形成され、第１の補強部材に貫通はさせない。フランジアダプタ装着孔３０７は、フランジアダプタ自体（図示せず）上の装着孔に実質整列配置される個数と構成とをもって形成してある。フランジアダプタは軸方向支持部材（図４参照）のポートボス部を覆って装着してあり、これが軸方向支持部材と補強部材とを互いに結合したときに補強部材のポート孔内に突出する。フランジアダプタ装着孔３０７により、フランジアダプタ（図示せず）は突出ポートボス部を覆って装着され、第１の補強部材に取着される。
【００３１】
一実施形態では、第１の補強部材には例えば溶接により第１の補強部材に取着することのできる応力低減シリンダ３０８を含む。応力低減シリンダ３０８は、電気透析装置が周囲圧力を上回る圧力にて動作するときに補強部材に働く応力を低減するよう配設したキャップ付きシリンダである。
【００３２】
図４を参照するに、一実施形態による第１の軸方向支持部材の外面の実質平面図が示してある。第２の軸方向支持部材の外面の平面図は、溶液ポートの相対的な配置ならびに特性について以外は実質同一である。それ故、第２の補強部材の外面を別個に説明はせず、差異を下記に特記することにする。
【００３３】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材は電極溶液ポート４０１，４０２を含んでいる。電極溶液ポート４０１，４０２により、電極溶液は装置に流入出させられる。電極溶液は、例えば水性水酸化カリウムあるいは水酸化ナトリウムの溶液とすることができる。一実施形態では、電極溶液ポート４０１，４０２は浮出し加工してあり、すなわちそれらは第１の軸方向支持部材の外面から突出させてある。これにより、電極溶液ポート４０１，４０２を第１の方向部材（図２と図３参照）に貫通させることができる。
【００３４】
第１の軸方向支持部材はまた、第１の溶液ポート４０３と第２の溶液ポート４０４とを含んでいる。一実施形態では、第１の溶液を酸性溶液とし、第２の溶液をアルカリ性溶液とし、かくして第１の軸方向支持部材の第１の溶液ポート４０３を酸性溶液が流れ、第２の溶液ポート４０４をアルカリ性溶液が流れる。別の実施形態では、第１の溶液をアルカリ性溶液とし、第２の溶液を酸性液とし、かくして第１の軸方向支持部材の第１の溶液ポート４０３をアルカリ性溶液が流れ、第２の溶液ポート４０４を酸性溶液が流れる。ポート５０３，５０４を流れる溶液種（酸性かアルカリ性）は、セルガスケットの向きと膜の配列と電気透析積層体内の電極の相対的な極性（図１参照）とに依存する。
【００３５】
第１と第２の溶液ポート４０３，４０４と加えて第２の軸方向支持部材の第１と第２の溶液ポートもまた、浮出し加工、すなわち支持部材の外面から突出させることができる。これにより、第１と第２の溶液ポート４０３，４０４は補強部材を貫通できるようになる（図２と図３参照）。第１の軸方向支持部材の浮出し加工ポートが溶液流路を作成し、かくして溶液は第１の補強部材に触れることなく第１の補強部材（図３と図４参照）を流れる。これにより、第１の軸方向支持部材と第１の補強部材は異なる材料から形成することができる。
【００３６】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる一実施形態の装置では、第１と第２の軸方向支持部材は共に対応する補強部材の第３の溶液ポート孔に対応する所定位置に形成された追加の第３の溶液ポート（図示せず）を含んでいる。第３の溶液は、例えば動作中の電気透析ユニットの通過時に希釈される塩溶液とすることができる。
【００３７】
第１の軸方向支持部材はまた、第１の電極のステムが第１の軸方向支持部材を挿通できるようにする電極ステム孔４０５を含んでいる。
【００３８】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまたシール４０６を含んでいる。シール４０６は、第１の軸方向支持部材のポート４０１〜４０４に対するフランジアダプタ（図示せず）の接続を支援する。
【００３９】
第１の軸方向支持部材はまた、電気透析装置を組み立てたときに第１の補強部材の内面（図２参照）に実質当接するようになる第１の補強部材当接領域４０７を含んでいる。
【００４０】
図５は、一実施形態による第１の軸方向支持部材の内面の実質平面図を示す。第２の軸方向支持部材の内面を、図６について下記に説明することにする。図５の要素５０１〜５０５は、それらが第１の軸方向支持部材の外面ではなく内面から視認される要素である点を除き、図４の要素４０１〜４０５と同じである。
【００４１】
第１の軸方向支持部材は、電極溶液ポート５０１，５０２を含んでいる。電極溶液ポート５０２は、電極溶液ポート５０１と実質同一の構成をなす。電極溶液ポート５０１，５０２により、電極溶液を装置に進入退出させることができる。
【００４２】
一実施形態では、電極溶液流入口と流出ポート５０１，５０２は第１の軸方向支持部材の肉厚全体を真っすぐに貫通はしていない。むしろ、電極溶液ポート５０１，５０２は外側（図４参照）から第１の軸方向支持部材の肉厚の一部だけを実質真っすぐに貫通し、セル凹部５０６の手前で停止し、各ポートに「有底」孔を形成している。そこから、傾斜楕円形状ポートが各有底孔からセルチャンバに通じ、かくして電極溶液ポート５０１，５０２が第１の電極凹部５０８上に開口する。こうして、電極溶液は電極溶液ポートの一つを介して電極（図示せず）を横断して装置内に流入できるようになる。電極溶液が装置から流出すると、それは他の電極溶液ポートの傾斜部分を通り、続いて溶液ポートの直線部分とを通り、電極全体を流れ、装置を後にする。
【００４３】
第１の軸方向支持部材はまた、第１と第２の溶液ポート５０３，５０４を含んでいる。第１の溶液ポート５０３は、酸性溶液を装置内に流入させる酸性溶液流入口か、アルカリ性溶液を装置内に流入させるアルカリ性溶液流入口のいずれかとすることができる。第２の溶液ポート５０４は、アルカリ性溶液を装置内に流入させるアルカリ性溶液流入口か、酸性溶液を装置内に流入させる酸性溶液流入口のいずれかとすることができる。両実施形態とも、溶液の流れを逆転し、第１と第２の溶液ポート５０３，５０４を溶液流出口とし、酸性溶液とアルカリ性溶液とを装置外部に流出させるようできる。
【００４４】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる一実施形態では、第１の軸方向支持部材は追加の第３の溶液ポート（図示せず）を含んでいる。第３の溶液ポートは、対応する補強部材の第３の溶液ポート孔に対応する位置に形成してある。
【００４５】
第１の軸方向支持部材はまた、第１の電極のステムが第１の軸方向支持部材を挿通できるようにする電極ステム孔５０５を含んでいる。
【００４６】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまた電気透析積層体を受ける構成のセル凹部５０６を含んでいる。セル凹部５０６は、セル凹部５０６が第１の軸方向支持部材よりも小さな大きさを有するように第１の軸方向支持部材内に形成してある。また、セル凹部５０６は、セル凹部５０６が電気透析積層体を上回る大きさを有するよう第１の軸方向支持部材内に形成してある。こうして、セル凹部５０６の周縁に空隙が形成され、かくして第１の軸方向支持部材と第２の軸方向支持部材を嵌合させてセルチャンバを形成したときに、電気透析積層体がセルチャンバの内側壁に接触しないようにされる。
【００４７】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまたセル凹部５０６の実質周縁に形成することのできる１以上の加圧ポート５０７を含んでいる。加圧ポート５０７により、電気透析積層体と内部セルチャンバ壁との間の空隙、すなわち電気透析積層体外部のセルチャンバの領域内へ電極溶液の一部を分流させることで、電気透析積層体内部とセルチャンバとの間の圧力を等化させることができる。こうして、「加圧バスケット」が電気透析積層体の周りに形成される。電極溶液の分流部分は、電極溶液体積全体のうちの無視可能な部分とすることができる。加圧ポート５０７は、例えばポート５０１，５０２のそれぞれから放出孔を機械加工することで電極溶液ポート５０１，５０２に直接接続されるよう形成することができる。
【００４８】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまた第１の電極（図示せず）を受ける構成の第１の電極凹部５０８を含んでいる。第１の電気凹部５０８はまた、第１の電気格子を受けるよう構成してある。第１の電極凹部５０８は第１の軸方向支持部材内に形成し、かくして第１の電極凹部５０８が実質的にセル凹部５０６内に位置するようにしてある。第１の電極凹部５０８は、セル凹部５０６よりも深い。電極は第１の電極凹部５０８内に係止し、かくして電極活性面ディスクの面と電気透析セルとの間に空間が形成されるようにしてある。一実施形態では、電極格子はまた第１の電極凹部５０８内に係止しており、電極活性面ディスクの表面頂部に実質配置する。
【００４９】
一実施形態では、第１の電極凹部５０８は１以上の電極凹部整列配置造作５０９を含んでいる。第１の電極凹部整列配置造作５０９は、例えば第１の電極凹部５０８の周縁に形成する切り込みとすることができる。第１の電極凹部整列配置造作５０９により、第１の電極格子は第１の電極凹部５０８に整列配置させることができる。第１の電極格子凹部５０８内での電極格子の整列配置が、電極溶液ポート５０１，５０２との格子溶液ポートの整列配置を容易にする。
【００５０】
一実施形態では、第１の軸方向支持部材はまた１以上の支持部材整列配置造作５１０を含む。支持部材整列配置造作５１０は、セル凹部５０６の実質周縁近傍に形成することができる。支持部材整列配置造作５１０は、第２の軸方向支持部材内の支持部材整列配置造作と加えて電気透析積層体の膜とガスケット内の整列配置造作にも対応する。支持部材整列配置造作５１０により、第１の軸方向支持部材と第２の軸方向支持部材と電気透析積層体の膜とガスケットとを整列配置することができる。整列配置造作、例えばピンが支持部材整列配置造作５１０内に配置され、支持部材と電気透析積層体の整列配置を容易にしている。
【００５１】
第１の軸方向支持部材はまた、嵌合面５１１を含んでいる。一実施形態では、嵌合面５１１はシール５１２を受容する嵌合面内に形成した溝を有する。シール５１２により、嵌合面５１１を第２の軸方向支持部材の嵌合面に選択的に結合させ、セルチャンバを形成することができる。
【００５２】
図６は、一実施形態による第２の軸方向支持部材の内面の実質平面図を示す。図６の要素６０１〜６０５は、それらが第１の軸方向支持部材の要素ではなく第２の軸方向支持部材の要素である点を除き、図５の要素５０１〜５０５と実質同一である。それらはまた、第２の軸方向支持部材の外面ではなく内面から視認される要素である点を除き、図４に示した要素４０１〜４０５と実質同一である。
【００５３】
第２の軸方向支持部材は、電極溶液ポート６０１，６０２を含む。電極溶液ポート６０１は、電極溶液ポート６０２と実質同一構成をなす。電極溶液ポート６０１，６０２により、電極溶液を装置に進入退出させることができる。
【００５４】
一実施形態では、電極溶液ポート６０１，６０２は第２の軸方向支持部材の全肉厚を真っすぐ貫通はしていない。むしろ、電極溶液ポート６０１，６０２は外側（図４参照）から第２の軸方向支持部材の肉厚の一部だけを実質真っすぐに貫通し、嵌合面６０９の手前で停止し、各ポートに「有底」孔を形成している。そこから、傾斜する楕円形状ポートが各有底孔からセルチャンバへ通じ、かくして電極溶液ポート６０１，６０２が第２の電極凹部６０６上に開口する。
【００５５】
第２の軸方向支持部材はまた、第１と第２の溶液ポート６０３，６０４を含む。一実施形態では、第１の溶液ポート６０３を酸性溶液を装置から流出させる酸性溶液流出口とし、第２の溶液ポート６０４をアルカリ性溶液を装置から流出させるアルカリ性溶液流出口とする。一実施形態では、第１の溶液ポート６０３をアルカリ性溶液を装置から流出させるアルカリ性溶液流出口とし、第２の溶液ポート６０４を酸溶溶液を装置から流出させる酸性溶液流出口とする。両実施形態において、溶液の流れを逆転させ、第１と第２の溶液ポート６０３，６０４を溶液流入口とし、酸性溶液とアルカリ性溶液を装置に流入させるようにできる。
【００５６】
１以上の３隔室ＢＰＭＥＤセルを用いる一実施形態の装置では、第２の軸方向支持部材は対応する補強部材の第３の溶液ポート孔に対応する所定位置に形成される追加の第３の溶液ポート（図示せず）を含む。
【００５７】
第２の軸方向支持部材はまた、第２の電極のステムを第２の軸方向支持部材に挿通させる電極ステム孔６０５を含んでいる。
【００５８】
一実施形態では、第２の軸方向支持部材は、図５について前記した如く、第１の電極凹部と同様の第２の電極（図示せず）を受容する構成の第２の電極凹部６０６を含んでいる。第２の電極凹部６０６は、嵌合面６０９よりも深い。第２の電極凹部６０６にはまた、図５について前記した如く、１以上の第２の電極凹部整列配置造作６０７を含めることができる。
【００５９】
一実施形態では、第２の軸方向支持部材はまた図５について前記したものと同様の１以上の支持部材整列配置造作６０８を含んでいる。支持部材整列配置造作６０８は、嵌合面６０９の実質内周近傍に形成することができる。
【００６０】
第２の軸方向支持部材はまた、嵌合面６０９を含んでいる。嵌合面６０９は、第１の軸方向支持部材内に形成した溝内に受容するシールを介して第１の軸方向支持部材の嵌合面に選択的に結合させることができる（図５参照）。
【００６１】
図７は、電気透析セルの一実施形態の分解図を示す。電気透析セル７０５は、第１のセルガスケット７０１と第１のイオン交換膜７０２と第２のセルガスケット７０３と第２のイオン交換膜７０４とを含む。第１と第２のセルガスケット７０１，７０３は軸方向に第１と第２のイオン交換膜７０２，７０４と交互配置され、かくして第１のセルガスケット−第１のイオン交換膜−第２のセルガスケット−第２のイオン交換膜の狭持構造体が形成される。
【００６２】
イオン交換膜７０２，７０４はそれぞれ、複数の膜窓孔７０６を含んでいる。膜窓孔７０６はセルガスケット７０１，７０３のセルガスケット開口７０７もしくはガスケット窓孔７０８のいずれかと整列配置され、第１の溶液ループあるいは第２の溶液ループのいずれかを形成する。各イオン交換膜７０２，７０４ごとに、４個の膜窓孔７０６は、点線７１４で表わされる第１の溶液流入口と、点線７１３で表わされる第２の溶液流入口と、点線７１６で表わされる第１の溶液流出口と、点線７１５で表わされる第２の溶液流出口用の導管として機能する。各線７１３〜７１６の流れは、所望とあらば逆転させることができる。一実施形態では、第１の溶液をアルカリ性溶液とし、第２の溶液を酸性溶液とする。一実施形態では、第１の溶液を酸性溶液とし、第２の溶液をアルカリ性溶液とする。
【００６３】
セルガスケット開口７０７は凸形状とし、セルガスケット開口７０７が同一溶液について流入窓孔と流出窓孔に対応するイオン交換膜用の２箇所の膜窓孔７０６に同時に整列配置させるようにできる。例えば、第２のセルガスケット７０３のセルガスケット開口７０７は第１のイオン交換膜７０２と第２のイオン交換膜７０４の両方の２個の膜窓孔７０６に同時に整列配置する。こうして、第２のセルガスケット７０３のセルガスケット開口７０７は２個のイオン交換膜７０２，７０４間に溶液受容隔室を画成する。
【００６４】
セルガスケット７０１，７０３上のセルガスケット７０７の向きが、セルガスケット７０１，７０３のセルガスケット開口７０７を通して酸性溶液かアルカリ性溶液のいずれを流すか決定する。一実施形態では、セルガスケット７０３上のセルガスケット開口７０７はセルガスケット７０１上のセルガスケット開口７０７に整列配置されていない２個の膜窓孔７０６から溶液を受け入れるよう配向してあり、結果的にセルガスケット７０１，７０３のセルガスケット開口７０７を通って異なる溶液が流れることになる。
【００６５】
セルガスケット７０１，７０３はまた、複数のガスケット窓孔７０８を含んでいる。一実施形態では、セルがバイポーラ膜あるいは２隔室ＢＰＭＥＤを用いずにいずれも電気透析を遂行する構成とされている場合、セルガスケット７０１，７０３はそれぞれ２個のガスケット窓孔７０８を有する。各セルガスケット７０１，７０３ごとに、ガスケット窓孔７０８によりその特定のセルガスケットのセルガスケット開口７０７内を流れない溶液が装置内のその他のガスケットと膜とを流れ続けるようにできる。
【００６６】
一実施形態では、凸形状セルガスケットの開口７０７は実質的にフットボール形状をなす。この修正されたガスケットの「フットボール」様流れ設計パターンが、流れの淀み領域を最小化する。淀み領域は、局所的流速がガスケット表面積全体に平均化された流速をずっと下回る領域として定義される。
【００６７】
一実施形態では、イオン交換膜７０２，７０４は１以上の膜整列配置造作７０９を含んでおり、セルガスケット７０１，７０３は１以上のガスケット整列配置造作７１０を含んでいる。膜整列配置造作７０９とガスケット整列配置造作７１０は共に相互に対応し、第１と第２の軸方向支持体内の支持部材整列配置造作（図５と図６参照）と、加えて全てのエンドイオン交換膜やエンドガスケットあるいは積層体内に組み込まれた追加のセルガスケット内の整列配置造作にも対応する。膜整列配置造作７０９とガスケット整列配置造作７１０により、第１と第２のセルガスケット７０１，７０３と第１と第２のイオン交換膜７０２，７０４を整列配置して相互に接続し、加えて軸方向支持部材、また、存在する場合はエンドガスケット、エンドイオン交換膜および／または追加のセルガスケットにもそうすることができる。合釘ピン等の整列配置造作を膜とガスケット整列配置造作７０９，７１０と、加えて全てのエンドガスケットの整列配置造作とエンドイオン交換膜および／または追加のセルガスケットもまた介して挿入し、続いて軸方向支持部材の整列配置造作に挿入し、整列配置を容易にすることができる。
【００６８】
図８は、電気透析セルの一実施形態の分解図を示す。電気透析セル８０７は、第１のセルガスケット８０１と第１のイオン交換膜８０２と第２のセルガスケット８０３と第２のイオン交換膜８０４と第３のセルガスケット８０５と第３のイオン交換膜８０６とを含んでいる。セルガスケット８０１，８０３，８０５はイオン交換膜８０２，８０４，８０６と軸方向に交互配置され、かくして第１のセルガスケット−第１のイオン交換膜−第２のセルガスケット−第２のイオン交換膜−第３のセルガスケット−第３のイオン交換膜の狭持構造体が形成される。
【００６９】
各膜８０２，８０４，８０６は、３個の溶液ループのそれぞれに２個ずつ計６個の膜窓孔８０８を含む。膜窓孔８０８は、隣接セルガスケットのセルガスケット開口８０９あるいはガスケット窓孔８１０のいずれかに整列配置され、第１の溶液ループか第２の溶液ループか第３の溶液ループのいずれかを形成する。各イオン交換膜８０２，８０４，８０６ごとに、６個の膜窓孔８０８が、点線８１５で表わされる第１の溶液流入口と、点線８１６で表わされる第１の溶液流出口と、点線８１７で表わされる第２の溶液流入口と、点線８１８で表わされる第２の溶液流出口と、点線８１９で表わされる第３の溶液流入口と、点線８２０で表わされる第３の溶液流出口用の導管として機能する。各線８１５〜８２０の流れは、逆転させることができる。一実施形態では、第１の溶液を酸性溶液とし、第２の溶液をアルカリ性溶液とし、第３の溶液を食塩溶液とする。
【００７０】
一実施形態では、セルガスケット開口８０９は図７に示した実施形態について前記した如く、実質凸形状をなす。セルガスケット８０１，８０３，８０５のセルガスケット開口８０９の向きが、酸性溶液かアルカリ性溶液かあるいは塩溶液が所与のセルガスケット開口を介して流れるかどうか決定する。
【００７１】
一実施形態では、セルガスケット８０１，８０３，８０５はそれぞれ複数のガスケット窓孔８１０を有する。一実施形態では、電気透析積層体１２０７の各要素８０１〜８０６は、図７について前記した如く、少なくとも１個の整列配置造作８１１，８１２を有する。
【００７２】
本願明細書に記載した実施形態による高圧電気透析装置は、例えばガス放出溶液の２隔室あるいは３隔室高圧ＢＰＭＥＤあるいはガス放出溶液のバイポーラ膜を用いない高圧電気透析を遂行するのに用いることができる。ガス放出溶液の高圧電気透析は、周囲圧力と膜積層体の絶対圧力との間の任意の圧力にてガスを生成することができる。膜積層体内で液体を加圧し、続いてガスをそこから放出させる溶液内へイオン移送を遂行することで、このガス加圧は通常可能であるよりもずっと効率的に達成される。ＣＯ２の場合、このことで分離や燃料反応や他の用途のいずれか必要とされる圧力でのＣＯ２ガスの直接生成が可能になる。このことは、続く反応工程や他の用途に必要とされる昇圧された圧力で直接生成しうる他のガスに対する利点ともなりうる。
【００７３】
２０気圧以上の圧力を含む周囲圧力を上回る圧力で動作させることで、前記した実施形態による高圧電気透析装置は電気透析膜積層体内部でのガス気泡の放出を抑制し、それによって膜を損傷する高電流密度の局所的「ホットスポット」生成を排除することができる。前記した実施形態による高圧電気透析装置により、周囲圧力での同一溶液の電気透析に比べ改善された膜寿命をもってより高い名目電流密度でのガス放出溶液の電気透析が可能とされる。また、周囲圧力を上回る圧力にて動作させることで、前記実施形態による高圧電気透析装置は周囲圧力において同一溶液の電気透析に比べ低減された電圧ならびにエネルギー消費を達成することができる。このことは、名目動作電流密度の増大に合わせ益々妥当するものとなる。例えば、ＣＯ２放出重炭酸塩溶液からなる２隔室ＢＰＭＥＤを電流密度１３９ｍＡ／ｃｍ２にて行う実施形態では、生成されるＣＯ２のモル当り必要エネルギーは１．５気圧での動作に対し１０気圧の圧力での動作時に３０％低減される。前記実施形態による高圧電気透析装置は、ガス加圧用の標準的な装置を用いるよりも効率のよい効率的電気化学ガス加圧器としても捉えることができる。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電気透析装置であって、
電気透析積層体と、
前記電気透析積層体をその間に実質介挿した一対の電極格子と、
その間に前記電気透析積層体と前記一対の電極格子とをそれぞれ実質介挿した一対の電極と、
積層体圧力にて前記電気透析積層体を加圧する構成とした筺体で、前記電気透析積層体を受容する構成のセルチャンバを含み、該セルチャンバが電極溶液の一部が前記電気透析積層体外部のセルチャンバの領域に移送可能となるよう前記セルチャンバと連通する少なくとも１個の加圧ポートを含む前記筺体とを備える、電気透析装置。
【請求項２】
前記電気透析積層体は、
それぞれ１個のエンドガスケット開口と少なくとも４個のエンドガスケット窓孔とを備える２個のエンドガスケットと、
前記２個のエンドガスケット間に実質介挿した少なくとも１個の電気透析セルで、
それぞれ１個のセルガスケット開口と少なくとも２個のセルガスケット窓孔とを備える少なくとも２個のセルガスケットと、
それぞれ少なくとも４個の膜窓孔を備え、前記少なくとも２個のセルガスケットと軸方向に交互配置した少なくとも２個のイオン交換膜とを含む
前記電気透析セルとを備える、請求項１に記載の電気透析装置。
【請求項３】
前記２個のエンドガスケットと少なくとも２個のセルガスケットと少なくとも２個のイオン交換膜は全て、それらを相互にかつ前記筺体に整列配置可能かつ接続可能とするよう少なくとも１個の整列配置造作を備える、請求項２に記載の電極透析装置。
【請求項４】
前記セルガスケット開口は凸形状をなす、請求項３に記載の電気透析積層体。
【請求項１】
電気透析装置であって、
電気透析積層体と、
前記電気透析積層体をその間に実質介挿した一対の電極格子と、
その間に前記電気透析積層体と前記一対の電極格子とをそれぞれ実質介挿した一対の電極と、
積層体圧力にて前記電気透析積層体を加圧する構成とした筺体で、前記電気透析積層体を受容する構成のセルチャンバを含み、該セルチャンバが電極溶液の一部が前記電気透析積層体外部のセルチャンバの領域に移送可能となるよう前記セルチャンバと連通する少なくとも１個の加圧ポートを含む前記筺体とを備える、電気透析装置。
【請求項２】
前記電気透析積層体は、
それぞれ１個のエンドガスケット開口と少なくとも４個のエンドガスケット窓孔とを備える２個のエンドガスケットと、
前記２個のエンドガスケット間に実質介挿した少なくとも１個の電気透析セルで、
それぞれ１個のセルガスケット開口と少なくとも２個のセルガスケット窓孔とを備える少なくとも２個のセルガスケットと、
それぞれ少なくとも４個の膜窓孔を備え、前記少なくとも２個のセルガスケットと軸方向に交互配置した少なくとも２個のイオン交換膜とを含む
前記電気透析セルとを備える、請求項１に記載の電気透析装置。
【請求項３】
前記２個のエンドガスケットと少なくとも２個のセルガスケットと少なくとも２個のイオン交換膜は全て、それらを相互にかつ前記筺体に整列配置可能かつ接続可能とするよう少なくとも１個の整列配置造作を備える、請求項２に記載の電極透析装置。
【請求項４】
前記セルガスケット開口は凸形状をなす、請求項３に記載の電気透析積層体。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２０１２−１２５７６２（Ｐ２０１２−１２５７６２Ａ）
【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２０１１−２６８３９４（Ｐ２０１１−２６８３９４）
【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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