(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
引出溶液の溶質を、第１溶液及び濃厚引出溶液を受け取り、濃厚第１溶液及び希薄引出溶液を排出する浸透圧駆動膜システムから回収するための装置であって、
第１蒸留装置であって、
前記第１蒸留装置の第１端部に希薄引出溶液の一部を導入するための、第１希薄引出溶液源に連結した第１入口と、
第２端部において前記第１蒸留装置に連結した第１熱伝達手段であって、第１熱エネルギー源に連結した入口と、熱エネルギーを前記第１蒸留装置に向かわせて前記第１蒸留装置内の前記希薄引出溶液の引出溶質を蒸発させるための、前記第１蒸留装置に連結した出口とを有する、前記第１熱伝達手段と、
前記第１蒸留装置から前記蒸発した引出溶液の溶質を除去するための第１出口と、
前記第１蒸留装置から底部生成物を除去するための第２出口と
を備える、前記第１蒸留装置と、
前記蒸発した引出溶液の溶質を受け取るための前記第１蒸留装置の前記第１出口に連結した圧縮機と、
前記第１蒸留装置と並行に操作を行うように構成された第２蒸留装置であって、
前記第２蒸留装置の第１端部に濃厚第１溶液の一部を導入するための、濃厚第１溶液源に連結した第１入口と、
第２端部において前記第２蒸留装置に連結した第２熱伝達手段であって、第２熱エネルギー源として使用するために、圧縮された、蒸発した引出溶液の溶質を前記圧縮機から受け取るための、前記圧縮機に連結した入口と、前記第２熱エネルギー源を前記第２蒸留装置に向かわせて前記第２蒸留装置内の引出溶液の溶質を蒸発させるための、前記第２蒸留装置に連結した第１出口と、前記第２熱伝達手段内で凝縮した、前記第１蒸留装置からの蒸発した引出溶液の溶質を前記浸透圧駆動膜システムに戻すように構成された第２出口とを有する、前記第２熱伝達手段と、
前記蒸発した引出溶液の溶質を前記第２蒸留装置から除去するための第１出口と、
底部生成物を前記第２蒸留装置から除去するための第２出口と
を備える、前記第２蒸留装置と
を備える装置。
【請求項２】
前記第２蒸留装置の前記第１出口に連結した第２圧縮機と、
少なくとも第３蒸留装置であって、
前記第３蒸留装置の第１端部に希薄引出溶液の一部を導入するための、第２希薄引出溶液源に連結した第１入口と、
第２端部において前記第３蒸留装置に連結した第３熱伝達手段であって、前記第３蒸留装置と共に使用する第３熱エネルギー源として使用するための圧縮された、蒸発した引出溶質を受け取るための、前記第２圧縮機に連結した入口と、前記第３熱エネルギー源を前記第３蒸留装置に向かわせて前記第３蒸留装置内の前記希薄引出溶液の引出溶質を蒸発させるための、前記第３蒸留装置に連結した第１出口と、前記第３熱伝達手段内で凝縮した、前記第２蒸留装置からの前記蒸発した引出溶質を前記浸透圧駆動膜システムに戻すように構成された第２出口とを有する、前記第３熱伝達手段と、
前記蒸発した引出溶液の溶質を前記第３蒸留装置から除去するための第１出口と、
前記第３蒸留装置から底部生成物を除去するための第２出口と
を備える、前記少なくとも第３蒸留装置とをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記第１及び第３蒸留装置が、連続した操作を行うように構成されており、前記第２希薄引出溶液源が、前記第１蒸留装置の前記底部生成物である、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
第１蒸留装置及び第２蒸留装置の少なくとも１つが膜蒸留装置を備える、請求項１に記載の装置。
【請求項５】
第１蒸留装置及び第２蒸留装置の少なくとも１つの下流に配置された少なくとも１つのリサイクルシステムをさらに備える、請求項１に記載の装置。
【請求項６】
少なくとも１つのリサイクルシステムが、圧縮機及びエダクターの少なくとも１つを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項７】
少なくとも１つのリサイクルシステムが吸収システムを備える、請求項５に記載の装置。
【請求項８】
吸収システムが、膜接触器及び充填カラムの少なくとも１つを備える、請求項７に記載の装置。
【請求項９】
吸収システムが、希薄引出溶液及び生成物の溶媒の少なくとも１つを含む吸収剤を含む、請求項７に記載の装置。
【請求項１０】
吸収システムが触媒を含む、請求項７に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、概して、浸透圧駆動膜プロセスに関し、より詳細には、浸透圧駆動膜プロセスの引出溶質回収技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
概略的には、浸透圧駆動膜プロセスは、半透膜によって分離した２つの溶液に関係する。一方の溶液は、例えば、海水でよく、他方の溶液は濃厚溶液であり、海水と濃厚溶液との間に濃度勾配が生じる。この勾配は、選択的に水を通すが塩は通さない膜を横切って海水から濃厚溶液へと水を引き出す。濃厚溶液に入る水は溶液を徐々に希薄化する。その後、飲用水を生成するには、希薄溶液から溶質を除去する必要がある。従来は、例えば蒸留によって飲用水を得ていたが、溶質は、典型的には、回収もリサイクルもされていなかった。
【発明の概要】
【０００３】
本発明は、概して、浸透圧駆動膜システム及び方法、例えば、正浸透（ＦＯ）、圧力遅延浸透（ＰＲＯ）、浸透圧希釈（ＯＤ）、直接浸透圧濃縮（ＤＯＣ）などに、並びに浸透圧駆動膜システム／プロセスにおいて引出溶質を回収するシステム及び方法に関する。
【０００４】
一態様では、本発明は、正浸透分離プロセスの方式の浸透圧駆動膜プロセスに関する。そのプロセスは、半透膜の第１の側に第１溶液を導入するステップと、第１溶液の少なくとも１つの特性を検出するステップと、アンモニア及び二酸化炭素を含む濃厚引出溶液について、少なくとも１つの検出された特性に基づいてモル比を選択するステップと、選択されたモル比でアンモニア及び二酸化炭素を含む濃厚引出溶液を半透膜の第２の側に導入して半透膜を横切る所望の浸透濃度勾配を維持するステップと、半透膜を横切る少なくとも一部の第１溶液の流れを促進して半透膜の第１の側の第２溶液及び半透膜の第２の側の希薄引出溶液を形成するステップと、少なくとも一部の希薄引出溶液を分離操作に導入して引出溶質及び溶媒流を回収するステップと、半透膜の第２の側に引出溶質を再導入して濃厚引出溶液中の選択されたアンモニア対二酸化炭素のモル比を維持するステップと、溶媒流を回収するステップとを含む。
【０００５】
様々な実施形態において、分離操作は、引出溶質を濃厚引出溶液に濃縮するように構成された吸収体の使用を含む。溶媒流、希薄引出溶液、又は濃厚引出溶液を吸収体内の吸収剤として用いることができる。吸収体と共に冷却を用いることができる。いくつかの実施形態では、そのプロセスはさらに、油圧駆動のガス圧縮機又はスチームエダクターを用いて、希薄引出溶液からの引出溶質の分離により生じるガス流を圧縮して濃厚引出溶液への引出溶質の再吸収を促進するステップを含み得る。該プロセスはさらに、第１溶液に圧力をかけて濃厚引出溶液へと半透膜を通過する流束を増大させるか、又は引き起こすステップを含み得る。該プロセスは、さらに、触媒の使用により増進される、引出溶質を溶液から除去する若しくは溶液へ導入する能力により特徴付けられるか、再利用可能な物理的若しくは化学的薬剤により増進される、引出溶質を溶液から除去する若しくは溶液へ導入する能力により特徴付けられるか、又は電気的エネルギー場、磁気エネルギー場若しくは分離されるべき引出溶質の感応性が増加して引出溶質の除去及び再利用を増進するような他の環境変化により増進される、引出溶質を溶液から除去する又は溶液への導入する能力により特徴付けられる引出溶質を含む濃厚引出溶液を選択することを含み得る。
【０００６】
追加の実施形態では、該プロセスは、さらに、第１溶液及び濃厚引出溶液の少なくとも１つについて容積変化を検出するステップと、検出された変化に応じて半透膜についての流路を変更して所望の流束特性を維持するステップとを含み得る。他の実施形態では、該プロセスは、さらに、触媒、試薬、消耗品、再利用可能材料、電気的エネルギー場若しくは磁気エネルギー場を使用する引出溶質の除去又は吸収を増進するステップを含み得る。さらに他の実施形態では、該プロセスは、さらに、機械式蒸気再圧縮、熱蒸気再圧縮、真空蒸留、スイープガス蒸留、パーベーパレーション及び／又は密閉サイクル熱ポンプの少なくとも１つを使用することによりプロセスエネルギーを減少させるステップを含み得る。該プロセスは、さらに、圧力遅延浸透について、二酸化炭素を使用して引出溶質を沈殿させ、アンモニアを使用して沈殿物を再吸収させるステップを含み得る。該プロセスは、さらに、種を添加されたスラリーを第１溶液に導入するステップを含み得る。少なくとも１つの実施形態では、該プロセスは、さらに、第１操作中に第１溶液における塩の過飽和及び、再飽和のために第１操作に戻る前に第２操作中において塩の脱飽和を使用するステップを含み得る。
【０００７】
別の態様では、本発明は、第１溶液からの溶媒の浸透抽出のためのシステムに関する。該システムは、第１溶液の源に流体(fluidly)接続した入口を有する第１チャンバーと、アンモニア及び二酸化炭素を少なくとも１対１のモル比で含む濃厚引出溶液の源に流体接続した入口を有する第２チャンバーと、第１チャンバーを第２チャンバーから分離している半透膜システムと、第２チャンバーの下流に流体接続され、希薄引出溶液を第２チャンバーから受け取り、引出溶質及び溶媒流を回収するように構成された分離システムと、引出溶質を第２チャンバーに再導入することを促進して濃厚引出溶液中のアンモニア対二酸化炭素のモル比を維持するように構成され、吸収体を有するリサイクルシステムとを備え得る。１つの実施形態では、分離システムは蒸留カラムを備える。
【０００８】
いくつかの実施形態では、吸収体は充填カラムを備え得る。少なくとも１つの実施形態では、吸収体は膜接触器を備え得る。膜接触器は、膜接触器において、冷却された吸収剤の並行流及び引出溶質ガスの連続した流れを容易にするように構成され、配置され得る。いくつかの実施形態では、蒸留カラムは膜蒸留装置を備え得る。いくつかの実施形態では、リサイクルシステムは、さらに、吸収体の下流に圧縮操作を含んで引出溶質ガスの濃縮を増進し得る。少なくとも１つの実施形態では、圧縮操作はガス圧縮機、スチームエダクター又は液体流エダクターを備える。分離操作は、さらに、炭素除去(sequestration)ループを含んで引出溶質を吸収し、脱着し得、該炭素除去ループは引出溶質ガスの吸収を完結させ、その圧力を増加させてその濃厚引出溶液への吸収を促進するように構成される。
【０００９】
いくつかの実施形態では、半透膜システムは、第１溶液に浸漬した膜モジュールを備え得、ここで濃厚引出溶液は膜モジュールの内部を通って流れる。少なくとも１つの実施形態では、半透膜システムは、溶媒が抽出される第１溶液に関連する第１流路であって、第１流路の有効容積が第１流路の長さに伴って減少するような、先細りの（tapering）の形状又はフロースペーサーの形状を有する第１流路と、第１溶液から溶媒が抽出される濃厚引出溶液に関する第２流路であって、第２流路の有効容積が第２流路の長さに伴って増加するような拡大形状又はフロースペーサーの形状を有する第２流路とを備える。いくつかの実施形態では、半透膜システムは、ピラミッド状の膜モジュールの配置を含んで第１溶液の容積における減少及び濃厚引出溶液の容積における増加を提供し、該ピラミッド状の膜モジュールの配置は、逆流配置において、引出溶液入口及び供給溶液出口の向きにより少ない膜モジュールが存在し、供給溶液入口及び引出溶液出口の向きにより多い膜モジュールが存在するように配置される。
【００１０】
さらに、該システムは、濃厚溶液を受け取るように構成された入口を有し、下流において液体排出がないこと、又は他の減少した排出流操作を含み得る。該システムは、さらに、引出溶質を除去するのを補助するように構成された真空又は空気スコアリング(scouring)/ストリッピングシステムを備え得る。該システムは、さらに、引出溶質を除去するように構成されたパーベーパレーションシステムを備え得る。いくつかの実施形態では、パーベーパレーションシステムは水蒸気と比較して引出溶質ガスについて選択的である膜を有し得る。該システムは、さらに、引出溶質を除去するための膜蒸留システムを備え得る。少なくともいくつかの実施形態では、モジュールにおいて、膜は引出溶質の分離及び熱交換の両方に使用され得る。いくつかの実施形態では、回収された引出溶質を1つ以上の追加の下流の操作に送達することができる。
【００１１】
別の態様では、本発明は浸透圧発電方法に関する。該方法は、膜分離操作を実施して第１溶液を形成するステップと、引出溶質を第１溶液から沈殿させるステップと、沈殿した引出溶質を分離して第２溶液を形成するステップと、第２溶液からのガスの発生を促進するステップと、速度論に基づいた異なる吸収等の技術によりガスを分離するステップと、膜分離ステップにおける再利用のために、少なくとも１種の分離されたガスを使用して沈殿した溶質を再溶解して第３溶液を形成するステップとを含み得る。
【００１２】
本発明の別の態様では、正浸透分離プロセスは、半透膜の第１の側に第１溶液を導入するステップと、濃厚引出溶液を半透膜の第２の側に導入して半透膜を横切る所望の浸透濃度勾配を維持するステップと、半透膜を横切る少なくとも一部の第１溶液の流れを促進して半透膜の第１の側の第２溶液及び半透膜の第２の側の希薄引出溶液を形成するステップと、少なくとも一部の希薄引出溶液を分離操作に導入して引出溶質及び溶媒流を回収するステップと、半透膜の第２の側に引出溶質を再導入して濃厚引出溶液中の所望のモル比を維持するステップと、溶媒流を回収するステップとを含み得る。１つ以上の実施形態では、分離操作から回収された引出溶質は吸収溶液と接触する。
【００１３】
本発明の別の態様では、第１溶液からの溶媒の浸透抽出のための装置は、第１溶液の源に流体接続した入口を有する第１チャンバーと、濃厚引出溶液の源に流体接続した入口を有する第２チャンバーと、第１チャンバーを第２チャンバーから分離している半透膜と、第２チャンバーの下流に流体接続され、希薄引出溶液を第２チャンバーから受け取り、引出溶質及び溶媒流を回収するように構成された分離システムとを備え得る。該装置は、引出溶質の第２チャンバーへの再導入を促進して濃厚引出溶液中の溶質の所望の濃度を維持するように構成され、吸収体を備える回収システムを備え得る。
【００１４】
様々な実施形態において、分離システム及び回収システムのうちの少なくとも一方は膜デバイスを備え得る。膜デバイスは、回収された引出溶質を吸収溶液に接触させるように構成され、配置され得る。膜デバイスは、さらに、希薄引出溶液から引出溶質を除去するように構成され、配置され得る。いくつかの実施形態では、分離システム及び回収システムのうちの少なくとも一方は、懸濁液膜を備え得る。分離操作は、例えば、カラム又は膜蒸留を用いた多段溶質回収操作を備え得る。多段溶質回収の場合、システムは、材料及びエネルギーの流れが両方とも連続して流れるように構成され、配置され得る。少なくとも１つの実施形態では、多段溶質回収操作は、少なくとも１つの熱ポンプを備え得る。
【００１５】
別の態様では、複数の蒸留カラムを用いて引出溶液から溶質及び生成物の溶媒を分離する方法は、少なくとも第１蒸留カラム及び少なくとも第２蒸留カラムのそれぞれに引出溶液を導入するステップと、熱エネルギー源からの熱エネルギーを第１蒸留カラムに加えて第１蒸留カラムの引出溶液の少なくとも一部を蒸発させるステップと、第１蒸留カラムからの引出溶液の蒸発した部分が第２蒸留カラムのための熱エネルギー源として作用して第２蒸留カラムの少なくとも一部の引出溶液を蒸発させるように、第１蒸留カラムからの引出溶液の蒸発した部分を、エネルギー流として、第２蒸留カラムに向かわせるステップと、少なくとも第１及び第２蒸留カラム内で引出溶液及びエネルギー流の両方を連続して流れさせるステップとを含み得、それにより、引出溶液中に含有される引出溶液の溶質及び生成物の溶媒が、少なくとも第１及び第２蒸留カラム内で分離される。いくつかの実施形態では、該方法は、第１及び第２蒸留カラムの少なくとも一方を熱ポンプで補助するステップを含んでよい。
【００１６】
別の態様では、本発明は、希薄引出溶液から引出溶液の溶質を回収する装置（及び関連の方法）に関する。該装置は、熱的に除去可能な溶質を含む希薄引出溶液源を有する浸透圧駆動膜システムと、浸透圧駆動膜システムと流体接続した分離システムとを備える。分離システムは、第１の側及び第２の側を有する少なくとも１つの膜接触器を備え、ここで、第１の側は希薄引出溶液源と流体接続している。１つ以上の実施形態では、分離システムは、さらに、希薄引出溶液から引出溶質の少なくとも一部を蒸発させるための、希薄引出溶液と接続した熱エネルギー源と、膜接触器の第２の側と流体接続した吸収溶液源とを備える。蒸発した引出溶質の少なくとも一部は、膜接触器の第１の側から第２の側へと通過し、吸収溶液に吸収される。
【００１７】
様々な実施形態において、吸収溶液は、例えば蒸気の形態の熱エネルギー源でもある。分離システムは、吸収溶液が少なくとも１つの膜接触器を出るときに吸収溶液と接続するコンデンサーと、膜接触器と接続した熱ポンプ並びに／又は熱ポンプ及び膜接触器によって排出された水の源と接続したリボイラーとを備えることもできる。１つ以上の実施形態では、膜接触器は、水蒸気の移動を実質的に阻害するが蒸発した引出溶質の移動を容易にする選択膜である。１つの実施形態では、選択膜は懸濁液膜であり得る。
【００１８】
別の態様では、本発明は、引出溶液の溶質を浸透圧駆動膜システムから回収する装置に関する。該装置は、浸透圧駆動膜システムから希薄引出溶液を受け取るように構成された膜モジュールと、膜モジュールに熱エネルギー源を提供する（又は補助する）ための、膜モジュールと流体接続した熱ポンプモジュールとを備える。膜モジュールは、ハウジングに配置できる少なくとも１つの膜システムを備えることができる。１つ以上の実施形態では、少なくとも１つの膜システムは、希薄引出溶液から溶質を除去するための少なくとも１つの膜システム（すなわち、除去膜）と、引出溶液の溶質を吸収溶液に接触させるための少なくとも１つの膜システム（すなわち、吸収膜）とを備える。１つの実施形態では、膜システムは多段溶質回収システムであり、ここで、複数の膜モジュールは、特定の用途に合うように材料及びエネルギーが連続して又は並行して流れる状態で利用される。膜システムは、例えば、懸濁液膜などの選択膜を備えることができる。１つ以上の実施形態では、熱ポンプモジュールは、膜モジュールによって排出された蒸発した引出溶質の源と流体接続した熱ポンプと、膜モジュールによって排出された水の源と流体接続したリボイラーとを備える。
【００１９】
別の態様では、本発明は、複数の蒸留カラム及び／又は膜モジュールを用いる、多段溶質回収を利用する浸透圧駆動膜システムから引出溶液の溶質を回収する装置に関する。１つの実施形態では、該装置は、第１蒸留カラム（又は膜モジュール）、熱ポンプ、及び第２蒸留カラム（又は膜モジュール）を備える。第１蒸留カラムは、第１蒸留カラムの第１端部に希薄引出溶液の一部を導入するための、第１希薄引出溶液源（例えば、浸透圧駆動膜システム）に接続した第１入口と；第２端部において第１蒸留カラムに接続した第１熱伝達手段であって、第１熱エネルギー源に接続した入口と、熱エネルギーを第１蒸留カラムに向かわせて第１蒸留カラム内の希薄引出溶液の溶質を蒸発させるための、第１蒸留カラムに接続した出口とを有する、第１熱伝達手段と；第１蒸留カラムからの蒸発した希薄引出溶液の溶質を除去するための第１出口と；第１蒸留カラムから底部生成物を除去するための第２出口とを備える。あるいは、第１熱エネルギー源は第１蒸留カラムに直接導入することができる。熱ポンプは、第１蒸留カラムの第１出口に接続されている。第２蒸留カラムは、第２蒸留カラムの第１端部に希薄引出溶液の一部を導入するための、第２希薄引出溶液源に接続した第１入口と；第２端部において第２蒸留カラムに接続した第２熱伝達手段であって、第２熱エネルギー源として使用するために蒸発した希薄引出溶液の溶質を受け取るための、熱ポンプに接続した入口と、第２熱エネルギー源を第２蒸留カラムに向かわせて第２蒸留カラム内の希薄引出溶液の溶質を蒸発させるための、第２蒸留カラムに接続した第１出口と、第２熱伝達手段で凝縮した、第１蒸留カラムからの蒸発した希薄引出溶液の溶質を、浸透圧駆動膜システムに戻すように構成された第２出口とを有する、第２熱伝達手段と；第２蒸留カラムからの蒸発した希薄引出溶液の溶質を除去するための第１出口と；第２蒸留カラムから底部生成物を除去するための第２出口とを備える。
【００２０】
様々な実施形態において、該装置は、第２蒸留カラムの第１出口に接続した第２熱ポンプと、少なくとも第３蒸留カラムとを備える。第３蒸留カラムは、第３蒸留カラムの第１端部に希薄引出溶液の一部を導入するための、第３希薄引出溶液源（例えば、浸透圧駆動膜システム）に接続した第１入口と；第２端部において第３蒸留カラムに接続した第３熱伝達手段であって、第３蒸留カラムと共に使用する第３熱エネルギー源として使用するための蒸発した希薄引出溶液の溶質を受け取るための、第２熱ポンプに接続した入口と、第３熱エネルギー源を第３蒸留カラムに向けて第３蒸留チャンバー内の希薄引出溶液の溶質を蒸発させるための、第３蒸留カラムに接続した第１出口と、第３熱伝達手段で凝縮した、第２蒸留カラムからの蒸発した希薄引出溶液の溶質を浸透圧駆動膜システムに戻すように構成された第２出口とを有する、第３熱伝達手段と；蒸発した引出溶液の溶質を第３蒸留カラムから除去するための第１出口と；第３蒸留カラムから底部生成物を除去するための第２出口とを備える。１つ以上の実施形態では、第３蒸留カラムの第１出口は、蒸発した希薄引出溶液の溶質を第３蒸留カラムから浸透圧駆動膜システムに戻すように構成されている。１つの実施形態では、第１及び第２蒸留カラムは、並行に操作を行うように構成されており、第１及び第２希薄引出溶液源は浸透圧駆動膜システムである。別の実施形態では、第１及び第２蒸留カラムは、連続した操作を行うように構成されており、第２希薄引出溶液源は第１蒸留カラムの底部生成物である。
【００２１】
別の態様では、本発明は、浸透圧駆動膜プロセスから引出溶質を回収する装置に関する。該装置は浸透圧駆動膜システムを備え、その浸透圧駆動膜システムは、熱的に除去可能な溶質を有する希薄引出溶液源と、浸透圧駆動膜システムと流体接続した分離モジュールとを備える。分離モジュールは、希薄引出溶液源と流体接続した少なくとも１つの膜デバイス又は蒸留装置と、少なくとも１つの膜デバイス又は蒸留装置に接続した少なくとも１つの熱ポンプとを備える。熱ポンプは、少なくとも１つの膜デバイス又は蒸留装置に熱エネルギー源を提供して（又は存在する熱エネルギー源を補助して）熱的に除去可能な溶質を蒸発させるように構成されている。
【００２２】
様々な実施形態において、膜デバイスは、少なくとも１つの膜接触器を備え、該膜接触器は、蒸発した引出溶質を吸収溶液に接触させること、又は希薄引出溶液から引出溶質を除去することの少なくとも一方を行うように構成されている。１つ以上の実施形態では、膜接触器は懸濁液膜である。１つ以上の実施形態では、蒸留装置は、多段溶質回収装置、例えば、多段カラム及び／又は膜蒸留装置を備える。１つの実施形態では、多段回収装置は、材料及びエネルギーの流れが両方とも連続して、例えば、第１蒸留カラム及び第２蒸留カラムを通って流れるように構成され、配置されている。
【００２３】
別の態様では、本発明は、引出溶質を浸透圧駆動膜システムから回収する方法に関する。該方法は、浸透圧駆動膜システムから希薄引出溶液源を提供するステップであって、希薄引出溶液が熱的に除去可能な溶質を含む前記ステップと、希薄引出溶液の少なくとも一部を分離システムに導入するステップと、熱エネルギー源を分離システムに導入するステップと、希薄引出溶液の溶質を希薄引出溶液から蒸発させるステップと、蒸発した希薄引出溶液の溶質を回収するステップと、分離システムからの引出溶液の溶質を浸透圧駆動膜システムにリサイクルするステップとを含む。
【００２４】
１つ以上の実施形態では、希薄引出溶液の溶質を蒸発させるステップは、膜接触器を介して希薄引出溶液の溶質を熱エネルギー源に曝露して希薄引出溶液から溶質を除去するステップを含む。蒸発した引出溶液の溶質を回収するステップは、膜接触器を介して、蒸発した引出溶液の溶質を吸収溶液に曝露するステップを含むことができる。さらに他の実施形態では、希薄引出溶液の溶質を蒸発させるステップは、希薄引出溶液を多段溶質回収プロセス、例えば、多段カラム蒸留に曝露するステップを含む。１つの実施形態では、希薄引出溶液及び熱エネルギー源は、多段溶質回収プロセスを通して連続して、例えば、少なくとも第１蒸留カラム（又は膜モジュール）及び第２蒸留カラム（又は膜モジュール）を通って流れる。さらに、希薄引出溶液の溶質を蒸発させるステップは、熱ポンプで熱エネルギー源を補助するステップを含む。
【００２５】
本明細書で開示する本発明の利点及び特徴と共に、これらの及び他の目的が以下の説明及び添付の図面を参照することで明らかになるであろう。さらに、本明細書で説明する様々な実施形態の特徴が互いに排他的ではなく、様々な組み合わせ及び順序で存在できることを理解されたい。
【００２６】
図面において、同様の参照文字は、概して、様々な図全体を通して同じ部分を指す。さらに、図面は必ずしも縮尺が正確ではなく、その代わりに、本発明の原理を例示する際に全体的に強調しており、本発明の範囲を定義するものではない。明確にするために、全ての成分が全ての図に表示されてはいない。以下の説明において、以下の図面を参照しながら本発明の様々な実施形態を説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は本発明の１つ以上の実施形態による溶質回収システムを用いた例示的な浸透圧駆動膜システム／プロセスの概略図である。
【図２】図２は本発明の１つ以上の実施形態による浸透圧駆動膜システム／プロセスの概略図である。
【図３】図３は本発明の１つ以上の実施形態による代替の浸透圧駆動膜システム／プロセスの概略図である。
【図４】図４は本発明の１つ以上の実施形態による別の代替の浸透圧駆動膜システム／プロセスの概略図である。
【図５】図５は本発明の１つ以上の実施形態による別の代替の浸透圧駆動膜システム／プロセスの概略図である。
【図６】図６は本発明の１つ以上の実施形態による、膜接触器を用いて引出溶液の蒸気の吸収を容易にする引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図７】図７は本発明の１つ以上の実施形態による、膜接触器を用いて引出溶質の除去を容易にする引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図８】図８は希薄引出溶液の除去機能と吸収機能が単一のモジュールに一体化された、引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図９】図９は本発明の１つ以上の実施形態による、密閉サイクル熱ポンプと一体化された膜蒸留を用いた引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図１０】図１０は本発明の１つ以上の実施形態による、開放サイクルの熱ポンプと一体化された膜蒸留を用いた引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図１１】図１１は本発明の１つ以上の実施形態による引出溶質回収システムで使用するための選択膜の概略図である。
【図１２】図１２は本発明の１つ以上の実施形態による、引出溶質の除去及び吸収を同時に行うための選択膜を用いた引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図１３】図１３は本発明の１つ以上の実施形態による引出溶質回収システムの部分概略図である
【図１４】図１４は本発明の１つ以上の実施形態による、多段溶質回収を用いた溶質回収システムの部分概略図である。
【図１５】図１５は本発明の１つ以上の実施形態による、熱ポンプに補助された多段溶質回収を用いた溶質回収システムの部分概略図である。
【図１６】図１６は本発明の１つ以上の実施形態による、カラム蒸留及び熱ポンプを用いた引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図１７】図１７は本発明の１つ以上の実施形態による、カラム蒸留及び熱ポンプを用いた引出溶質回収システムの部分概略図である。
【図１８】図１８は本発明の１つ以上の実施形態による、エダクターを用いた引出溶質回収システムの部分概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明の様々な実施形態は、ＦＯ、ＰＲＯ、ＯＤ、ＤＯＣなど、任意の浸透圧駆動膜プロセスで使用できる。溶液から溶媒を抽出する浸透圧駆動膜プロセスは、概して、正浸透膜の第１の面に溶液を曝露することを含み得る。いくつかの実施形態では、第１溶液（プロセス溶液又は供給溶液として知られている）は、海水、汽水、廃水、汚染水、プロセス流、又は他の水溶液でよい。少なくとも１つの実施形態では、溶媒は水であるが、他の実施形態では非水性溶媒を用いてもよい。第１溶液に対して溶質の濃度が高い第２溶液（引出溶液として知られている）を、正浸透膜の第２の反対側の面に曝露させることができる。次いで、溶媒（例えば水）は第１溶液から正浸透膜を通過して第２溶液へと引き出すことができ、正浸透により溶媒濃厚溶液を生成する。
【００２９】
正浸透は、一般に、より濃厚でない溶液からより濃厚な溶液への溶媒の移動に関する流体移動性を利用する。浸透圧は、一般に、供給溶液から引出溶液への正浸透膜を横切る溶媒の移動を促進する。溶媒濃厚溶液（希薄引出溶液とも呼ばれる）は、第１出口で回収でき、別の分離プロセスを経得る。いくつかの非限定的実施形態では、精製水を溶媒濃厚溶液からの製品として製造できる。第２の製品の流れ（すなわち、消耗した(depleted)又は濃厚処理溶液）は、排出又は別の処理のために第２出口で回収できる。濃厚処理溶液は、下流における使用のために濃縮する又は単離することが望ましいことがあり得る１種以上の目的化合物を含有し得る。
【００３０】
図１は、本発明の１つ以上の実施形態による、引出溶質回収システム２２を用いた例示的な浸透圧駆動膜システム／プロセス１０の一つを示す。図１に示すように、そのシステム／プロセス１０は、参照によりその開示全体が本明細書に組み込まれる米国特許第６，３９１，２０５号及び第７，５６０，０２９号、並びに国際公開第２００９／１５５５９６号及び第２０１１／０５３７９４号（その開示は、その全体が本明細書によって参照により本明細書に組み込まれる）に記載されているような正浸透モジュール１２を備える。モジュール１２は、供給溶液源又は供給溶液流１４及び引出溶液源又は引出溶液流１６と流体接続している。引出溶液源１６は、例えば、海水などの塩水流、又は本明細書で説明する、モジュール１２内の正浸透膜を通過して浸透作用によって供給溶液源１４を脱水するような浸透物質として作用できる別の溶液を含むことができる。モジュール１２は、供給流１４から、さらに処理できる濃厚溶液流１８を排出する。モジュール１２はまた、本明細書で説明するような、引出溶質及び目的溶媒を回収できる回収システム２２によってさらに処理できる希薄引出溶液２０も排出する。本発明の１つ以上の実施形態によれば、引出溶質は再利用のために回収される。様々な浸透圧駆動膜システム／プロセスを図２〜図５に記載した。
【００３１】
図２及び図３は、本発明の１つ以上の実施形態による正浸透を用いた浸透圧駆動膜プロセスを示す。図２に示すように、第１溶液と称される溶液１４(例えば、海水、汽水、廃水、汚染水、又は他の溶液)は第１チャンバー９に導入又は配置される。第１チャンバー９は、矢印Ａで示すように半透膜１２と流体接続している。第１溶液よりも濃度が高い第２溶液が、第２チャンバー１１に導入又は配置される。矢印Ｂで示すように、濃度の高い溶液により、第１チャンバー９の第１溶液からの溶媒(例えば、水)が半透膜１２を横切って、第２チャンバー１１内に位置するより濃厚な第２溶液へと浸透することが可能になる。その溶媒の大部分を失うので、第１チャンバー９の残りの第１溶液は溶質が濃縮されている。溶質は、廃棄物と見なされる場合は矢印Ｃで示すように廃棄することができる。あるいは、溶質は目的化合物であり得、別の処理又は所望の製品としての下流における使用のために回収することができる。次いで、矢印Ｄで示すように、第２チャンバー１１中の得られた溶媒富化第２溶液は第３チャンバー１３に導入される。第３チャンバー１３において、溶媒富化第２溶液中の溶質は分離することができ、矢印Ｅで示すように、リサイクルして第２チャンバー１１に戻して第２溶液の濃度を維持することができる。１つ以上の実施形態では、第３チャンバー１３及びリサイクル操作（矢印Ｅ）は任意である。その後、第３チャンバー１３に残っている溶媒富化第２溶液は、矢印Ｆで示すように、第４チャンバー１５に導入することができる。第４チャンバー１５において、残りの溶媒富化第２溶液を加熱して残っている溶質を除去して、矢印Ｇで示すように、溶媒流を生成させることができる。例えば、廃水の処理であるようないくつかの実施形態では、溶媒流は精製水であり得る。第４チャンバー１５において、加熱によって溶質をその構成ガスへと分解することにより、残っている溶質を除去することができ、矢印Ｈで示すように、このガスを第２チャンバー１１に戻してチャンバー１１中の第２溶液の濃度勾配を維持することができ、試薬として作用させることができる。
【００３２】
一般に、正浸透膜は半透性であり得、例えば、溶媒（例えば、水）を通過させるが、その中に溶解した溶質（例えば、塩化ナトリウム、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム、カルバミン酸アンモニウム、その他の塩、糖、薬剤又は他の化合物）を除く。溶媒（例えば、水）の通過を許容することができるが、溶質の通過を遮断することができ、溶液中で溶質と反応することができないという条件で、多くの種類の半透膜がこの目的に好適である。膜は薄膜、中空繊維膜、スパイラル型膜、単一繊維及び円盤管等の種々の形状であり得る。水を通すことができるが、溶質分子（例えば、塩化ナトリウム及びそのイオン分子種（例えば、クロリド）を排除するのに十分に小さい孔を有することにより特徴付けられる、多数の良く知られた市販の半透膜が存在する。かかる半透膜は有機又は無機材料で製造することができる。いくつかの実施形態では、セルロースアセテート、セルロースニトレート、ポリスルホン、ポリビニリデンフルオリド、ポリアミド及びアクリロニトリルコポリマー等の材料で製造された膜を使用できる。他の膜はＺｒＯ２及びＴｉＯ２等の材料で製造される鉱物膜又はセラミック膜であり得る。
【００３３】
一般に、半透膜としての使用のために選択される材料は、膜が受け得る様々な処理条件に耐え得るべきである。例えば、膜は殺菌に関連する昇温又は他の高温プロセスに耐え得ることが望ましいことがあり得る。いくつかの実施形態では、正浸透膜モジュールは摂氏約０度〜摂氏約１００度の範囲の温度で取り扱われ得る。いくつかの非限定的実施形態では、処理温度は摂氏約４０度〜摂氏約５０度の範囲であり得る。同様に、膜について、様々なｐＨ条件下で品質が維持されることが望ましいことがあり得る。例えば、膜周囲の１種以上の溶液（例えば引出溶液）は、多かれ少なかれ酸性又は塩基性であり得る。いくつかの非限定的実施形態では、正浸透膜モジュールは約２〜約１１のｐＨで取り扱われ得る。特定の非限定的実施形態において、ｐＨは約７〜約１０であり得る。使用される膜はこれらの材料の１つから製造される必要はなく、種々の材料の複合物であり得る。少なくとも１つの実施形態では、膜は、例えば、活性層を第１表面に有し、支持層を第２表面に有する非対称膜であり得る。いくつかの実施形態では、一般に、活性層は排斥層であり得る。例えば、いくつかの非限定的実施形態では、排斥層は塩の通過を阻止し得る。いくつかの実施形態では、一般に、支持層（例えば、バッキング層）は不活性であり得る。
【００３４】
１つ以上の実施形態によると、少なくとも１つの正浸透膜はハウジング又はケーシングの中に置くことができる。一般に、ハウジングはその中に置かれる膜に対応する大きさ及び形状であり得る。例えば、スパイラル型の正浸透膜を収納する場合、ハウジングは実質的に円筒状であり得る。モジュールのハウジングは、供給及び引出溶液をモジュールに提供するための入口、並びにモジュールからの産物流の引出のための出口を含有し得る。いくつかの実施形態では、ハウジングはモジュールに導入されるべき、又は、モジュールから引出されるべき流体を維持する又は貯蔵するための少なくとも１つのリザーバ又はチャンバーを提供し得る。少なくとも１つの実施形態では、ハウジングは孤立し得る。
【００３５】
１つ以上の実施形態によると、引出溶質は再利用のために回収することができる。溶質を希薄引出溶液から除去（ストリッピング）して実質的に溶質を含まない生産水を製造することができる。その後、ガス状溶質を濃縮するか、又は吸収して濃厚引出溶液を形成することができる。吸収体は希薄引出溶液を吸収剤として使用できる。他の実施形態では、溶質リサイクルシステム由来のガス流の全部又は一部の吸収のために、生産水を吸収剤として使用できる。
【００３６】
１つ以上の実施形態によると、希薄引出溶液の一部は、例えば、蒸留カラムから引出溶質ガスを吸収するのに使用できる。少なくとも１つの実施形態では、本明細書に記載されるように、冷却及び吸収剤との混合をいずれも吸収カラム又は膜モジュール中で実施することができる。吸収剤として作用する希薄引出溶液の一部（その後、濃厚引出溶液になる）とのガスの混合は容器中で実施することができる。一般に、容器は吸収剤とガスの間の相互作用を促進するのに十分に大きい面積を提供する大きさであり得る。いくつかの実施形態では、充填カラムを吸収体として使用できる。１つ以上の実施形態では、ストリッピング蒸留カラム及び吸収カラムを共に使用できる。加熱は蒸留カラム中で実施することができ、冷却及び希薄引出溶液吸収剤との接触は吸収カラム中で実施することができる。１つの実施形態では、約２５％の希薄引出溶液流が吸収流体として働くために吸収体に向かい得、残っている約７５％の希薄流はその供給流としてストリッパーに向かう。これらの２つの流れの間のバランスは、膜システムに戻される再濃縮された引出溶液の濃度、吸収体及び／又はストリッパーの大きさ、並びにストリッパーに必要とされる加熱の量、及び、吸収体又は吸収段階の前、後及び／又は間に必要とされる冷却の量に影響する。
【００３７】
１つ以上の実施形態によると、低温の熱源はコストが低く、代わりの使用がほとんどないか、全くないという観点から、溶質を除去するために低温を使用することが望ましいことがあり得る。しかし、除去する際の温度が低くなると、その圧力も低くなり、低圧凝縮及び吸収は速度が遅く、場合によっては、特定の化合物（例えば、二酸化炭素）の吸収を非常に困難にする。溶質が除去され、これらの一部（典型的には、約６０〜８０％）が凝縮された後に残っているガスを吸収するために種々の方法を使用できるが、残っているガスは短期間に吸収し続ける傾向が低い。
【００３８】
いくつかの実施形態では、残っている蒸気流を圧縮してその圧力を上げることができ、それにより、吸収速度を増加させる。圧縮機を使用できる。他の実施形態では、スチームジェットを使用することができ、この場合、少量のスチームを蒸気と混合して２つの流れの間の中間圧力まで圧力を増加させることができる。さらに別の実施形態では、吸収溶液を加圧し、エダクタージェットに導入して、溶質蒸気を取り込み、圧縮することができる（例えば、図１６〜１８参照）。
【００３９】
１つ以上の実施形態では、蒸気の連続した流れ及び吸収剤の連続した又は並行の流れを有する吸収体は、膜接触器を使用して、カラム又は同様の機器内に充填して種々の形態で使用できる（例えば、図６〜１８参照）。１つの実施形態では、吸収装置において冷却の必要が生じないように、蒸気の連続の流れは冷却された吸収剤の並行の流れと一緒になり得る。他の実施形態では、冷却は装置中で実施することができる。熱交換領域及び質量界面領域は両方とも１つの装置中に存在し得る。吸収剤は、濃厚引出溶液流に加わる目的であり得る混合物を形成するために使用できる。吸収剤は希薄引出溶液、生産水、アンモニアを添加された水、液体アンモニア及び後に生産水に出るか、又は除去されるか、若しくは破壊される不揮発性二酸化炭素隔離剤(sequestrate)を含み得る。
【００４０】
１つ以上の実施形態によると、二酸化炭素吸収／脱着ループは、溶液を低圧で吸収剤として使用して二酸化炭素を吸収するように実施し得る。その後、溶液に液体形態で圧力をかけ、加熱してより高圧で二酸化炭素を脱着し、コンデンサー又は前記の他の方法で二酸化炭素を吸収させることができる。このように、いくつかの実施形態は二酸化炭素隔離(sequestration)システムと類似し得る。いくつかの実施形態では、吸収溶液は水中にアンモニアを含み得る。他の実施形態では、溶質が吸収システムにおいてリサイクルされるように、吸収溶液は、二酸化炭素と複合し得、その後、それを放出するように誘発され得る不揮発性溶質を含み得る。いくつかの実施形態では、加熱を使用できる。いくつかの実施形態では、触媒及び／又は試薬を使用できる。１つ以上のプロセスにおける、又はコンデンサーにおける触媒又は試薬の使用は、引出溶質の凝縮又は再吸収の速度を増加させ得る。
【００４１】
１つ以上の実施形態では、希薄引出溶液を、低温の加熱により、引出溶質を蒸発させて、前記溶質を実質的に含まない生産水を残すストリッパーに導くことができる(例えば、図７参照)。熱交換器を使用して蒸気の一部を凝縮させることができる。少なくとも１つの実施形態では、約７０％の蒸気を凝縮することができる。吸収システム(例えば、図６参照)を使用して、残っている蒸気の一部を導入して希薄引出溶液流中に吸収させることができる。少なくとも１つの実施形態では、第２吸収システムは濃厚アンモニア溶液を使用して残っている引出溶質蒸気を吸収することができる。コンデンサーを出た液体流並びに第１及び第２吸収体を混合し、濃厚引出溶液の全部又は一部として使用できる。
【００４２】
前記のように、１つ以上の実施形態による分離方法は、第１容器１２に含有される第１溶液から開始し得る。第１溶液は水性又は非水性溶液であり得、精製水の回収の目的で、望ましくない溶質の除去のために、又は所望の溶質の濃縮及び回収のために処理される。望ましくない溶質に含まれるのは、望ましくない化学的に沈殿可能な可溶性の塩（例えば、塩化ナトリウム（ＮａＣｌ））である。第１溶液の典型的な例は、水溶液、例えば海水、塩水及び他の塩溶液、汽水、鉱水、産業廃水、及び、例えば食品産業及び医薬産業に関連する高純度使用に付随する製品流を含む。一般に、引出溶液と相溶性であるいずれの溶媒も使用することができ、例えば、引出溶質を溶解することができる溶媒を使用する。第１溶液は、浸透分離の前に固体及び化学廃棄物、生物的混入物質を除去し、その他の膜の汚れを防止するために公知の技術に従って濾過及び前処理することができ、その後、矢印１０で示すように、第１チャンバー９に供給することができる。
【００４３】
さらに、第１溶液は、溶媒及び、分離、精製又は他の処理が望まれる１種以上の溶質を含有するいずれの溶液でもあり得る。いくつかの実施形態では、第１溶液は非飲料水、例えば、海水、塩水、汽水、家庭雑排水(gray water)及びある種の産業用水であり得る。下流における使用のために、かかる流れから精製水又は飲料水を製造することが望ましいことがあり得る。処理されるべき処理流は塩及び他のイオン種、例えば、クロリド、スルフェート、ブロミド、シリケート、ヨージド、ホスフェート、ナトリウム、マグネシウム、カルシウム、カリウム、ニトレート、ヒ素、リチウム、ホウ素、ストロンチウム、モリブデン、マンガン、アルミニウム、カドミウム、クロム、コバルト、銅、鉄、鉛、ニッケル、セレン、銀及び亜鉛を含み得る。いくつかの例において、第１溶液は塩水（例えば、塩水若しくは海水）、廃水又は他の汚染水であり得る。他の実施形態では、第１溶液は、濃縮し、単離し、又は回収することが望ましい１種以上の溶質（例えば、目的種）を含有する処理流であり得る。かかる流れは医薬品又は食品グレードの用途等の産業プロセスに由来し得る。目的種は医薬品、塩、酵素、タンパク質、触媒、微生物、有機化合物、無機化合物、化学前駆体、化学製品、コロイド、食品又は汚染物質を含み得る。第１溶液は、正浸透膜処理システムに上流のユニット操作（例えば、産業用設備）又は他の源（例えば、海）から送達され得る。
【００４４】
第１溶液と同様に、第２溶液は水溶液であり得、すなわち、溶媒は水である。他の実施形態では、非水溶液（例えば、有機溶媒）を第２溶液として使用できる。第２溶液は第１溶液と比較して高濃度の溶質を含有する引出溶液であり得る。一般に、引出溶液は、浸透圧駆動膜システム内に浸透圧を発生させることができる。浸透圧は脱塩、水処理、溶質濃縮、発電及び他の応用等の種々の目的のために使用できる。幅広い種類の引出溶液を使用できる。いくつかの実施形態では、引出溶液は１種以上の除去可能な溶質を含み得る。少なくともいくつかの実施形態では、熱的に除去可能な（熱分解性）溶質を使用できる。例えば、引出溶液は熱分解性塩溶液を含み得る。いくつかの実施形態では、例えば、米国特許第７５６００２９号に開示されるような、アンモニア及び二酸化炭素引出溶液を使用できる。１つの実施形態では、第２溶液はアンモニア及び二酸化炭素の濃厚溶液であり得る。
【００４５】
１つ以上の実施形態によると、アンモニア対二酸化炭素の比は、システム中の引出溶液の最も高い濃度に基づいて、引出溶液ガスの吸収流体（前記の希薄引出溶液の一部）への完全な吸収を実質的に可能にするべきである。一般に、２つの溶液間の所望の浸透圧差が膜システム及び供給水回収の範囲全体を通して維持されるように、引出溶液の濃度、体積及び流速は、供給溶液の濃度、体積及び流速と合わせるべきである。このことは膜内、及びその表面における内部及び外部濃度分極現象の両方を考慮して１つ以上の実施形態により算出し得る。１つの非限定的な脱塩の実施形態では、濃厚引出溶液の入口流速は塩供給水流速の約３３％であるものが使用でき、典型的には海水脱塩システムについて約２５％〜７５％の範囲である。より低い塩分濃度の供給流は、供給水流の約５％〜２５％の引出溶液入口流速を必要とし得る。希薄引出溶液の出口速度は、典型的には供給水の入口速度の約５０％〜１００％であり得、塩水排出体積の約３〜４倍である。
【００４６】
１つ以上の実施形態によると、アンモニア対二酸化炭素の比は、一般に、引出溶液の濃度及び引出溶質除去及び回収プロセスにおいて使用される温度に合わせるべきである。その比が十分に高くない場合、濃厚溶液において、再利用のために引出溶質ガスを塩に完全に吸収させることができず、その比が高すぎる場合、引出溶液中に、プロセスを駆動するための廃熱の使用に必要であるような所望の温度範囲において適切に濃縮されず、過剰のアンモニアが存在する。例えば、いくつかの実施形態では、蒸留カラムは約５０℃でガスを除去し得、吸収カラムは約２０℃で作動し得る。さらに、アンモニア対二酸化炭素の比は、アンモニアの供給溶液への膜を通る通過を阻止するように考えるべきである。その比が高すぎると、引出溶液（通常、主にアンモニウム）中に、必要であるか、又は望ましいよりもより高い濃度で非イオン化アンモニアが存在することになり得る。他のパラメータ、例えば、供給水の種類、所望の浸透圧、所望の流束、膜の種類及び引出溶液濃度も、好ましい引出溶液モル比に影響を与え得る。アンモニア対二酸化炭素の比は浸透圧駆動膜プロセスにおいてモニターすることができ、制御することができる。少なくとも１つの実施形態では、引出溶液はアンモニア及び二酸化炭素を１対１よりも大きいモル比で含み得る。いくつかの非限定的実施形態では、引出溶液についての比は、約５０℃で、及び、引出溶液中の二酸化炭素のモル濃度として特定される引出溶液のモル濃度で、１モル濃度までの引出溶液について少なくとも約１．１〜１、１．５モル濃度までの引出溶液について約１．２〜１、３モル濃度までの引出溶液について約１．３〜１、４モル濃度までの引出溶液について約１．４〜１、４．５モル濃度までの引出溶液について約１．５〜１、５モル濃度までの引出溶液について約１．６〜１、５．５モル濃度までの引出溶液について約１．７〜１、７モル濃度までの引出溶液について約１．８〜１、８モル濃度までの引出溶液について約２．０〜１、及び１０モル濃度までの引出溶液について約２．２〜１であり得る。実験によると、このおおよその温度において、これらは、これらの濃度の溶液の安定な溶解性のために必要なおおよそ最小の比であることを示す。より低い温度において、アンモニア対二酸化炭素のより高い比が同一の濃度に対して必要である。より高い温度において、より低い比が必要であり得るが、溶質のガスへの分解を防止するために溶液にある程度の圧力を加えることも必要であり得る。２モル濃度未満の全体の濃度においてさえ、１対１よりも大きい比は、適量の加熱及び／又は圧力の減少に応じて、溶液の安定性を大幅に増大させ、二酸化炭素ガスの発生及び一般的な引出溶液の熱分解性分裂を防止する。一般に、引出溶液は供給溶液よりも高い溶質濃度を有する。これは、供給溶液よりも高い濃度を有する溶液を製造するために十分に溶解性である溶質を使用することにより達成できる。引出溶液の１つ以上の特性は、処理のために分離システムに供給される処理流に基づいて調整できる。例えば、供給溶液の体積、流速又は溶質の濃度は引出溶液について選択される１つ以上のパラメータに影響を与え得る。システムに付随する排出流に関連する要件も１つ以上の操作パラメータに影響を与え得る。他の操作パラメータも正浸透分離システムの目的とする応用に基づいて変化し得る。好ましくは、第２溶液中の溶質は溶液から分離プロセスを経て容易に除去可能であるべきであり、ここで前記分離プロセスは、溶液の溶媒により容易に溶解する少なくとも１種の種（すなわち、溶解性種）及び溶媒に容易に溶解しない１つの種（すなわち、より溶解性の低い種）へと分離し、溶質は、得られる溶媒に僅かな量が残っていても、健康上のリスクを全く引き起こさないべきである。溶解性及びより溶解性の低い溶質種の存在は、溶液が必要に応じ調整され、又は操作されることを可能にする。典型的には、溶解及びより溶解性の低い溶質種は溶液中で、特定の条件温度、圧力、ｐＨ等の下で、溶質のいずれの種も他方について増加せず、減少もしない（すなわち、溶質の溶解性種対不溶性種の比が変化しない）点に達する。これは平衡と呼ばれる。溶液の特定の条件において、平衡で、溶質種は１対１の比である必要はない。化学物質（本明細書において試薬と呼ばれる）の添加により、溶質種間の平衡は移動し得る。第１試薬を使用して、溶液の平衡は溶質の溶解性種の量を増加させるように移動し得る。同様に、第２試薬を使用して、溶液の平衡はより溶解性の低い溶質種の量を増加させるように移動し得る。試薬の添加後、溶質種の比は、状態により好ましい新しいレベルで安定化できる。溶質の溶解性種に好ましい平衡を操作することにより、溶液の溶媒が溶質をそれ以上溶解させることができない飽和に近い濃度を有する第２溶液を達成できる。
【００４７】
第２(引出)溶液について好ましい溶質はアンモニア及び二酸化炭素ガス並びにその生成物、炭酸アンモニウム、重炭酸アンモニウム及びカルバミン酸アンモニウムであり得る。水に約１のモル比で溶解した際のアンモニア及び二酸化炭素は、主に重炭酸アンモニウム、並びに、より少ない量の関連生成物である炭酸アンモニウム及びカルバミン酸アンモニウムを含む溶液を形成する。この溶液の平衡は、より溶解性の低い溶質種である重炭酸アンモニウムを、溶解性の溶質種であるカルバミン酸アンモニウム及びより少ない量の炭酸アンモニウムよりも好む。主に重炭酸アンモニウムを含む溶液を、アンモニア対二酸化炭素のモル比が１よりも大きくなるように過剰のアンモニアで緩衝することは、溶液の平衡をより溶解しやすい溶質種であるカルバミン酸アンモニウムへと移動させる。アンモニアは水により溶解性であり、溶液に優先的に吸収される。カルバミン酸アンモニウムは第２溶液の溶媒に容易に吸収され易いので、その濃度は、溶媒が溶質をそれ以上吸収できない点(飽和)まで増加し得る。いくつかの非限定的実施形態では、この操作により達成されるこの第２溶液中の溶質の濃度は約２モル濃度より大きい、約６モル濃度より大きいか、又は約６モル濃度〜約１２モル濃度である。
【００４８】
アンモニアは溶質であるカルバミン酸アンモニウムが分解した際に生じる化学成分(又は構成成分と呼ばれる)の１つであるので、カルバミン酸アンモニウムについて好ましい第１試薬であり得る。一般に、溶媒を除去する際に過剰の試薬を溶液から容易に除去できるので、溶媒についての試薬は溶質の構成成分であることが好ましく、好ましい実施形態では、構成成分は第１試薬としてリサイクルすることができる。しかし、試薬が溶液から容易に除去され、かつ、試薬の僅かな成分が最終的な溶媒中に残っても試薬が健康上のリスクを及ぼすことがない限り、溶液中の溶質種の平衡を操作することができる他の試薬も考えられる。
【００４９】
１つ以上の実施形態によると、引出溶液は、一般に、浸透圧を生じさせるべきであり、再生及びリサイクル等のために取り出し可能であるべきである。いくつかの実施形態では、引出溶液は、触媒された相転移を経る能力により特徴付けることができ、すなわち、引出溶質は、触媒を使用して水溶液から沈殿させることができる固体又はガスへと変換される。いくつかの実施形態では、その機構は加熱、冷却、反応物の添加、又は電場若しくは磁場の導入等の他の手段と併用できる。他の実施形態では、化学物質を導入して引出溶質と可逆的若しくは不可逆的に反応させて、その濃度を減少させ得、膜によるその排斥特性を変化させ得、又は、その他の方法で取り出し易くし得る。少なくとも１つの実施形態では、電場の導入は、相転移、イオン化度における変化、又は、溶質を容易に除去する他の電気的に誘発された変化等の引出溶質における変化を引き起こし得る。いくつかの実施形態では、溶質の通過及び／又は排斥はｐＨを調整すること、溶質のイオン性を調整すること、溶質の物理的大きさを変更すること、又は引出溶質が以前は排斥された膜を容易に通過するようにする別の変化を促進すること等により、操作し得る。例えば、イオン種は非イオン性の状態にされてもよく、又は大きい種は比較的小さくなってもよい。いくつかの実施形態では、加熱を使用しない分離技術、例えば、電気透析（ＥＤ）、冷却、真空又は加圧を実施し得る。少なくとも１つの実施形態では、電気的勾配が１種以上の公知の分離技術に従って実施され得る。いくつかの実施形態では、特定の分離技術（例えば、ＥＤ）を使用して、電気的要件を低くするといったように、分離されるべき種を減少させ得る。少なくとも１つの実施形態では、温度、圧力、ｐＨ又は溶液の他の特性を変更する等により、有機種の溶解性を操作し得る。少なくともいくつかの実施形態では、例えば、アンモニウム塩である引出溶質をリサイクルするために、ナトリウム再供給(recharge)イオン交換技術、又は酸及び塩基再供給イオン交換等のイオン交換分離を実施できる。
【００５０】
１つ以上の実施形態によると、開示された引出溶液は、任意の浸透圧駆動膜プロセス、例えば、圧力遅延浸透、正浸透又は圧力支援正浸透等の用途において使用できる。いくつかの実施形態では、開示された引出溶液は、例えば、国際公開第２００８／０６０４３５号（本明細書により、その全体が本明細書に参照により組み込まれる）に記載されるような浸透熱エンジンに使用できる。浸透熱エンジンは半透膜を使用して浸透圧を電力へと変換し、熱エネルギーを機械仕事へと変換し得る。濃厚アンモニア−二酸化炭素引出溶液は液圧勾配に抗して半透膜を通過する水流束を生成させる、高い浸透圧を生じ得る。タービンにおける増加した引出溶液の体積の減圧は、電力を生成し得る。そのプロセスは、浸透熱エンジンにおける再利用のための再濃縮された引出溶液及び脱イオン化水作動流体への希薄引出溶液の分離により定常状態運転に維持できる。浸透熱エンジンにおける開示された引出溶液の使用を含むいくつかの実施形態では、引出溶質を沈殿させることにより効率を高めることができる。少なくとも１つの実施形態では、開示された引出溶液はグリッドエネルギー貯蔵のためのシステム及び方法に使用でき、ここで、塩分勾配（例えば、浸透圧勾配又は２つの溶液間の差）を濃厚溶液において液圧を生じるのに使用でき、電力の生成を可能にする。国際公開第２００７／１４６０９４号(本明細書により、その全体が本明細書に参照により組み込まれる)に記載されている多段式蒸留カラム等の蒸留カラムを含む１つ以上の実施形態によると、希薄引出溶液は、各段への熱伝達のために、熱交換器又は吸収体において吸収流体として使用できる。１つ以上の実施形態によると、開示された引出溶液は種々の直接浸透濃縮（ＤＯＣ）用にも使用できる。
【００５１】
図２〜図３を参照すると、１つ以上の実施形態によれば、浸透圧駆動膜プロセスは、第１及び第２溶液を半透膜１２の第１及び第２の側に、それぞれ接触させることにより始まめることができる。第１及び第２溶液は停滞したままであり得るが、第１及び第２溶液の両方がクロスフローにより導入される、すなわち、半透膜１２の表面に対して平行に流れることが好ましい。これにより、一定の量の溶液が接触する半透膜１２の表面積が増加し、それにより、正浸透の効率が増大する。第２チャンバー１１中の第２溶液は、第１チャンバー９中の第１溶液よりもより高い溶質濃度を有するので、第１溶液中の溶媒は第２溶液へ正浸透により拡散する。いくつかの実施形態では、２つの溶液間の濃度差は非常に大きいので、溶媒は第１溶液に圧力を加えることなく半透膜１２を通過する。全体として、このプロセスは第１溶液に含有される約５０％〜約９９．９％の溶媒の除去をもたらし得る。分離プロセスにおいて、第１溶液は溶媒を失うのでより濃縮され、第２溶液は、溶媒を得るのでより希薄化される。この現象に関わらず、２つの溶液間の濃度勾配は有意なままである。膜の第１の側で消耗した溶液、及び膜の第２の側で希薄化された溶液は、それぞれ、１種以上の所望の製品の回収のためにさらに処理できる。例えば、膜の第１の側で消耗した溶液は、その濃縮及び回収が望ましい目的種である溶質を含有し得る。また、膜の第１の側で消耗した溶液は廃棄物として廃棄できる。同様に、膜の第２の側で希薄化された溶液は、所望の製品であり得る溶媒が富化され得る。
【００５２】
排出１８(すなわち、濃厚第１溶液)はより高い溶質濃度を有する。従って、第１溶液をその源に戻すか、又は本方法により第１溶液を再循環させる前に、過剰の溶質を濃厚第１溶液から除去できる。このことは、例えば、濃厚第１溶液を、ソーラーエバポレーター、簡単なスクリーン濾過装置、ハイドロサイクロン若しくは沈殿マス(precipitation mass)又は他の核形成点と接触させることにより実施して溶質を沈殿させ得る。この沈殿した溶質は、さらに処理して消費者又は産業目的のために好適にすることができる。
【００５３】
正浸透により第２溶液へと第１溶液の溶媒が抽出され、それにより、溶媒富化第２溶液が形成した後、溶質を溶媒富化第２溶液から除去して溶媒を単離することが望ましいことがあり得る。いくつかの非限定的実施形態では、これは、溶質を溶液から沈殿させること、溶質を溶液から蒸発するその構成ガスへと分解すること、溶媒を溶液から蒸留すること、又はある表面上への溶質の吸収により達成できる。少なくとも１つの実施形態では、溶質の一部を沈殿により除去することは、残っている溶質を分解するために溶液を加熱するのに必要なエネルギー量を減少させ、分解は溶質の完全な除去をもたらす。可能な沈殿及び分解ステップについては、それぞれ第３及び第４チャンバー１３及び１５に関して記載する。
【００５４】
第２チャンバー１１中の溶媒富化第２溶液は、矢印Ｄで示すように、第３チャンバー１３へと導入できる。その後、溶媒富化第２溶液を処理して溶質の一部を溶媒富化溶液から沈殿により除去することができる。第２試薬を導入して、溶解性及びより溶解性の低い溶質種の平衡をより溶解性の低い溶質種に有利なように調整し得る。第１試薬と同様に、溶媒富化第２溶液から容易に除去され、かつ、健康上のリスクを全く及ぼさない限り、平衡を調整することができるいずれの化学物質も好適である。好ましくは、該試薬は溶質の構成成分であり、好ましい溶質であるカルバミン酸アンモニウムの場合は二酸化炭素ガスである。いくつかの非限定的実施形態では、溶媒富化第２溶液に二酸化炭素が拡散すると、溶液中のアンモニア対二酸化炭素の比は約１〜１．５に減少し得、溶媒富化第２溶液中の平衡はより溶解性の低い溶質種である重炭酸アンモニウムの方へ戻され得る。その後、より溶解性の低い溶質種は溶液から沈殿し得る。重炭酸アンモニウムの沈殿の結果、溶媒富化第２溶液中の溶質の濃度は約２〜３モル濃度へ実質的に減少し得る。好ましくは、第３チャンバー１３中の溶媒富化第２溶液の温度は溶質の沈殿を補助するために約１８〜２５℃、好ましくは約２０〜２５℃まで下げられる。その後、沈殿した溶質を溶液から濾過することができる。
【００５５】
いくつかの実施形態では、沈殿した溶質は第３チャンバー１３内で濾過することができるが、図３に示される実施形態では、矢印Ｉで示すように、溶液を濾過チャンバー１７へと導くことができる。よく知られた方法、例えば、ハイドロサイクロン、沈殿(sedimentation)タンク、カラム濾過又は簡単なスクリーン濾過を使用して、沈殿した溶質を溶媒富化溶液から除去することができる。例えば、沈殿物を重力により溶液から沈降させることができ、その時、残っている溶液をサイホンで吸い取ることができる。矢印Ｆで示すように、残っている溶媒富化第２溶液は濾過チャンバー１７から第４チャンバー１５へと移すことができ、その後、加熱して溶質をその構成ガスへと分解する。１つの実施形態では、これらの構成ガスはアンモニア及び二酸化炭素であり得る。分離プロセスに必要なエネルギーは、カルバミン酸アンモニウム溶質の完全な除去をもたらす温度まで溶液の温度を上昇させるのに必要な熱である。さらに、プロセス内でリサイクルされる溶質の気化と溶解のエンタルピーの熱伝達の非効率さ補うために追加の加熱が必要である。具体的には、加熱は溶媒富化第２溶液中に残っている溶質をその構成ガスへと分解させ、このガスは溶液から出て行く。いくつかの実施形態では、効率を改善するため、かつ／又は分解ガスが溶液から蒸発する温度を低くするために、加熱されている間真空又は空気流を溶媒富化第２溶液上に維持し得る。第４チャンバーに対して空気流を発生させることにより、典型的に使用されるよりもより低い温度で全ての溶質を除去できる。この分解は溶媒製品（例えば飲料水製品）をもたらし得、これは最終用途のためにさらに処理できる。一般に、飲料水製品は約ｐＨ７を有するべきであり、水をその意図される目的に好適にするために、さらなるｐＨ調整及び／又は望ましい成分（例えば塩及び／又は残留消毒剤）の添加が必要であり得る。
【００５６】
溶媒富化第２溶液は、外部熱源１９並びにガス及び溶質の発熱導入に由来する、熱交換器３８を経由して組み上げられる熱の組合せ（矢印Ｊ及びＫ）を使用して加熱することができる。外部熱源１９は、太陽及び地熱エネルギー等の熱源により供給できる。その源は蒸留の熱源に類似し得る。いくつかの実施形態では、その源は主にコジェネレーション(cogeneration)環境からであり得、発電又は産業プロセスからの廃熱を利用する。さらに、プロセス効率は、熱交換器３８を使用して本発明の脱塩方法において前のステップで放出された熱を捕獲することにより維持できる。図３の矢印Ｊ及びＫで示すように、第２及び第３チャンバー１１、１３における化学反応から放出される熱は、熱交換器３８へと汲み上げることができ、その後、矢印Ｌで示すように、溶媒富化第２溶液の加熱を補助するためにこの熱は第４チャンバー１５へと汲み上げられる。別の実施形態では、放出された構成ガスを、溶媒富化第２溶液が加熱されるチャンバー１５の外側で凝縮することにより追加の熱が発生し、この発熱反応からのエネルギーが第４チャンバー１５へ伝えられる。凝縮物（１つの好ましい実施形態において、カルバミン酸アンモニウムである）は、その後、第２チャンバー１１の第２溶液にリサイクルできる。
【００５７】
さらに、第２溶液から除去された溶質及び溶質成分をリサイクルして本発明の正浸透分離方法の環境影響及びコストを制限することも好ましい。濾過チャンバーから廃棄された沈殿した溶質は、矢印Ｅで示すように、第２チャンバー１１にリサイクルすることができ、ここで、第２溶液中に溶解でき、それにより、第２溶液の高い濃度を維持できる。さらに、第４チャンバー１５で溶媒富化第２溶液から除去された構成ガスは、矢印Ｈ及びＭで示すように第２又は第３チャンバー１１、１３へとそれぞれリサイクルすることができ、ここで、それらは試薬として作用する。１つの実施形態では、溶質はカルバミン酸アンモニウムであり、それはその構成ガスであるアンモニア及び二酸化炭素へと分解する。その後、これらのガスは、矢印Ｈで示すように、第２チャンバー１１にリサイクルされる。アンモニアは二酸化炭素よりもより溶解性であるので、アンモニアは第２溶液に優先的に吸収され、カルバミン酸アンモニウムに有利な溶質種の平衡を調整することにより試薬として作用する。残りの二酸化炭素は、矢印Ｍで示すように第２チャンバー１１から引き出され、第３チャンバー１３へと移され、ここで試薬として作用し、第２溶液の平衡を、重炭酸アンモニウムに有利なように変更する。いくつかの実施形態では、溶質の分解に由来する構成ガスをリサイクルすることが考えられるので、最適量よりも少ない溶質を沈殿させて、本プロセスの効率を維持するのに十分なガスを確実にリサイクルすることが必要であり得る。典型的には、約半分の溶質を溶液から沈殿により除去することにより、本プロセスを維持するのに十分な量の構成ガスが確実に発生するようにするべきである。本明細書に記載されるプロセスは、本プロセスを経て溶媒から溶質を良好に単離するために、連続的に、又はバッチ式で実施することができる。
【００５８】
本発明の方法を実施するための装置の１つの非限定的実施形態を図４に示す。該装置は入口２１及び出口２３を有する第１チャンバー９を有する。第１チャンバー９の入口２１は、第１溶液源、例えば、前処理を受けたか若しくは上流の操作から導入される溶液のための維持タンクと、又は第１溶液の天然源、例えば、海、湖、小川若しくは他の水塊及び水路と通じている。第１チャンバー９の入口２１は、第１溶液をその源から吸い上げるためのポンプ又は微粒子を除去するためのスクリーン若しくは濾過器を組み込み得る。さらに、場合によって、第１溶液の温度を調整するための加熱又は冷却装置も備え得る。同様に、第１チャンバー９の出口２３は、第１溶液を第１チャンバー９から引き出すためのポンプを組み込み得る。出口２３は第１溶液を第１溶液源に直接再循環させるために使用できるが、好ましくは、第１溶液は、第１溶液源へと戻される前に、沈殿装置へと又は沈殿装置を横切ってポンプで送られる。かかる沈殿装置はソーラーエバポレーションベッド、簡単なスクリーン濾過装置、ハイドロサイクロン又は沈殿マス又は他の核形成点操作又は当業者に公知の他の種類のものを備え得る。第１チャンバー９は第２チャンバー１１から半透膜１２により分離されている。
【００５９】
第２チャンバー１１は入口２５並びに第１及び第２出口２７、２９を有する。入口２５は第２溶液源を提供し、ポンプ及び加熱装置を組み込み得る。第２チャンバー１１の第１出口２７は第３チャンバー１３に通じ、溶媒富化第２溶液を第３チャンバー１３に移動させるための導管を提供する。第２チャンバー１１のこの第１出口２７は水富化第２溶液を第２チャンバー１１から引き出すためのポンプを組み込むことができる。本発明の別の実施形態において、第２チャンバー１１の第１出口２７は、前記のように、溶媒富化第２溶液を冷却するための冷却装置を組み込み得る。第２チャンバー１１の第２出口２９は第４チャンバー１５からのガスが第２溶液に入口２５を通過して導入される際の残りのガスに対する導管を提供し、１つの実施形態では、アンモニアはこの溶液に優先的に吸収されることが期待されるので、それは主に二酸化炭素ガスであり、第３チャンバー１３に移される。
【００６０】
いくつかの実施形態では、第３チャンバー１３において、溶質の一部が溶媒富化第２溶液から沈殿する。第３チャンバー１３は、出口２７、２９に通じる入口に加えて、沈殿物を溶媒富化第２溶液から分離するための濾過装置１７に通じる出口３１を有する。濾過装置１７は前記のいずれの種類でもよいが、１つの実施形態では、沈殿タンクである。濾過装置１７は２つの出口３３、３５を有する。第１出口３３は、沈殿した溶質を廃棄するか、又は第２チャンバーの入口２５を通して第２チャンバー１１へ戻すのに使用することができ、第２出口３５は残りの溶媒富化第２溶液を第４チャンバー１５に移すのに使用できる。別の実施形態において、濾過装置１７は第３チャンバー１３に組み込むことができ、その場合、第３チャンバー１３は、残っている溶媒富化第２溶液を第４チャンバー１５に移すための１つの出口及び沈殿した溶質を廃棄するか、又は、別の実施形態において、沈殿した溶質を第２チャンバー１１に第２チャンバーの入口２５を通して戻すもう１つの出口である、追加の出口を有する。
【００６１】
第４チャンバー１５は残っている溶媒富化第２溶液を加熱するための加熱装置を組み込むことができる。第４チャンバー１５は、構成ガスを放出するために、真空、ファン又は空気流を発生させるための他の装置を組み込み得る第１出口３７も備える。好ましくは、第４チャンバー１５の第１出口３７は、第２溶質としての構成ガスをリサイクルするために第２チャンバー１１の入口２５に通じる。第２出口３９は最終溶媒製品(例えば飲料水又は精製水)を引き出すための導管として働く。
【００６２】
溶液の重量に耐え、溶液中のいずれの溶質とも反応しない限り、任意の材料を、種々の維持及び／又は貯蔵装置(チャンバー、容器及び入れ物)、導管、パイプ及び関連する設備を構成するために使用できる。典型的な材料は非腐食性、非反応性材料、例えば、ステンレス鋼、プラスチック、ポリビニルクロリド（ＰＶＣ）、繊維ガラス等である。容器は任意の好適な形状であることができるが、典型的には円筒状タンク、輪郭(contoured)又は作り付けのタンク等である。入れ物は典型的には給水塔、円筒状タンク、輪郭又は作り付けのタンク等である。前記のように、チャンバーは分離したユニットとして示されているが、本発明はその形態に限定されず、適宜、任意の数のチャンバーを１つの容器中に収容することができ、例えば、半透膜１２により分離された２つのチャンバーに分割され得ることに留意することが重要である。
【００６３】
加熱及び冷却装置は電気ヒーター、冷却ユニット、ソーラーコレクター及び熱交換器、例えば、スチームコンデンサー、サーキュレーター等、当分野においてよく知られているものであることができるが、好ましくは熱交換器である。本発明の方法で使用される他の設備と同様に、所要電力を有し得る加熱及び冷却装置は、例えば、廃棄スチーム、ソーラーエネルギー、風力又は地熱エネルギー及び通常の熱源等のいずれの種類の通常使用される源からもそのエネルギーを得ることができる。
【００６４】
図５において、１つ以上の実施形態による濃縮プロセスが開示される。第１溶液１４は正浸透膜１２の１つの側に曝露される。第１溶液１４が処理されるべき廃棄物流を含む実施形態では、第１溶液１４は、典型的には水性であり、塩、タンパク質、触媒、微生物、有機又は無機化学物質、化学前駆体若しくは生成物、コロイド又は他の成分等の化学種の溶液を含有する。第１溶液１４が濃縮され回収されるべき所望の目的種を含有する実施形態では、第１溶液は医薬品、塩、酵素、タンパク質、触媒、微生物、有機化合物、無機化合物、化学前駆体、化学生成物、コロイド、食品又は汚染物質を含み得る。第１溶液１４を膜１２の１つの側に曝露することは多くの形態において達成され得、そのうちの２つは、溶液中への膜１２の浸漬又は膜１２を通過する溶液の方向付けである。この溶液は連続的に、バッチ式で、一度又は何度も、容器又は方向付け手段に導入できる。この第１溶液１４の流入は図に示されていない。
【００６５】
第１溶液１４よりも高い浸透圧を生じさせることができる、例えば、水、アンモニア及び二酸化炭素等の種を含む第２溶液１６は、膜の第１溶液１４が曝露されるのと反対の側に曝露される。この曝露は多くの技術により達成できるが、第２溶液中へ膜１２の浸漬(第１溶液について浸漬を使用する場合でなくても）又は膜表面を通過する第２溶液の方向付けを含み得る。膜１２は、第１溶液１４の種、例えば塩、荷電及び／又は大きな分子、微生物、並びに粒子状物質の全て又はいくつかに対して不浸透性であるが、溶媒(例えば、水)を通過させ、第１及び第２溶液の浸透圧の差が、第１溶液から第２溶液へ膜を通過する水の流束を誘発し得る。この流束は、有意に、部分的に又は大部分において、第２溶液１６を希薄化しない、かつ／又は第１溶液１４を濃縮しないで許容され得る。いくつかの、全くない、ほとんどない又は１つの第１溶液の選択種又は目的種も膜１２を通過することが期待され得、膜の種類及び／又は処理用途の目的によって決まる。
【００６６】
溶媒富化第２溶液の一部は、引出溶質分離操作２２(例えば、蒸留カラム、膜蒸留操作又はパーベーパレーション操作)に(流れ２０として)向かい、そこでアンモニウム塩の種等の溶媒富化第２溶液中の溶質(例えば、アンモニア及び二酸化炭素溶質)を、引出溶質分離操作２２に熱を加えること、及び／又は、引出溶質分離操作の上方及び／又はその操作により生成したガスに圧力差をかけることにより除去する。１つ以上の実施形態によると、膜分離方法(例えば、パーベーパレーション)は、引出溶液ガスの希薄引出溶液からの分離を可能にし得、その際、水蒸気の流れを大幅に制限し、分離プロセスの効率を増加させ得る。パーベーパレーション材料は、天然又は合成ポリマー(例えば、ポリウレタン若しくは天然ゴム)又は懸濁液膜を備え得、水蒸気と比較してアンモニア及び二酸化炭素に対して受動的又は能動的で選択的な膜として作用する。いくつかの実施形態では、パーベーパレーション又は同様の膜分離方法は、蒸留カラムの代わりに、又は蒸留カラムと併用して使用できる。少なくとも１つの実施形態では、吸収体カラムを使用することもできる。別の実施形態において、流れ２６のガスを圧縮して、引出溶液に完全に、又はほぼ完全に再吸収させることができる点まで温度を上昇させる。１つ以上の実施形態によると、吸収体は引出溶質の再吸収の前に、又は再吸収の間に冷却と共にして使用できる。少なくともいくつかの実施形態では、希薄引出流の一部は、吸収剤流として吸収体へ転送することができる。
【００６７】
引出溶質分離操作は、流れ２０の種の濃度が、部分的に、実質的に又は完全に減少した溶媒流れ(流れ３２で示される)と、流れ２０から除去された種を含有しているガス流（流れ２６で示される）とを生成する。流れ２６は第２溶液１６の特性（例えば、体積又は濃度）を増加させる、置換する又は維持するのに使用する、第２溶液１６を再構成するための操作に向かう。この操作は種を水、第２溶液の一部に溶解させること、沈殿、及び第２溶液と混合すること、又は、操作２２において除去された種を第２溶液に再導入するようないくつかの他の方法を含み得る。この再導入は破線の流れ４５として示される。水を溶液１４から除去する際、溶液１４の排斥された成分は溶液１から定期的に又は連続的に除去できる。この操作は沈降(settling)、ハイドロサイクロン分離、沈殿、（例えば、電気的又は磁気的）力の勾配、ブローダウン(blowdown)又は他のユニット操作を含み得る。溶液１４から除去された成分のこの流れは流れ１８として示される。いくつかの実施形態では、流れ１８は所望の製品流であり得るか、又は廃棄物として廃棄され得る。これらの技術により、浸透圧は、溶媒を溶液から浸透圧駆動流束により半透膜を介して除去するのに使用され、例えば、溶媒を医薬化合物、食品又は溶液中の他の所望の種から分離し、又は望ましくない溶質の除去により処理流を処理して精製された製品流を生じさせる。流れ１８をさらに処理して、膜を通って第１溶液１４へと移動した第２溶液１６由来の引出溶質を除去することができる。この処理は蒸留、空気ストリッピング、パーベーパレーション、不連続点塩素処理(breakpoint chlorination)、イオン交換又は他の方法を含み得る。流れ１８から除去された引出溶質は、流れ４５と混合することにより、又は他の方法により第２溶液１６に再導入することができる。
【００６８】
図６〜１８は、やはり本明細書で説明する浸透圧駆動膜システムと共に使用してよい、本明細書で上記に紹介したような様々な引出溶質回収システム２２を示す。１つ以上の実施形態によれば、回収システム２２は、例えば図６〜１０に示したような膜接触器の使用を含むことができる。液体流とガス流との間で質量及びエネルギーを交換するために膜を用いることは、概して、膜デバイスにおいてカラム蒸留の機能を果たす。この手法の利点の一つは、液体及びガスの体積流量及び速度が、大量の流入、取り込み、フォーミングなどが起きない限り主として独立していることである。液体が多孔質膜を通り抜けてガス流に至る稀なケースにおいて、これは実質的に起きない。さらに、従来の蒸留カラムで行われていたような、密度の差を用いて２つの流れを相互作用させることはない。その代わりに、圧力を用いて、液体のみ又はガスのみを有するパイプにおいて行われていたように、液体及びガス流を流す。そのために、膜ベースの蒸留装置は、従来の蒸留カラムに必要であったように垂直に配置する必要がない。従って、例えば、一連の並行のモジュールなど、コンパクトな水平膜配置を用いて、大径で高さのある従来の蒸留カラムの機能を果たすことができる。それにより、設置面積及び高さの要件を有意に低減させることが可能である。
【００６９】
さらに、従来、蒸留カラムの内部に充填することにより提供された気相と液相との混合は、ここで、膜領域により提供できる。液体流を膜の一方の側に、また、ガス流を他方の側に、膜の孔を通って２相間でガスが自由に交換される状態で流してもよい。孔のコーティングは、コーティングのもたらす利点が補償しきれないほどに気体の移送を阻害しない限りにおいて可能である。膜は、乾燥又は湿潤となるように設計してもよい。乾燥膜の設計において、膜の孔及び膜の材料は、水が孔を通ってガス流に通り抜けるのを表面張力によって防ぐようにしてもよい。湿潤状態の設計において、水は孔を満たしてもよいが、これらの孔を越えてガス流内に有意量流れてはならない。いずれの場合も、気体の交換は、実質的に阻害されない。
【００７０】
開示された膜接触器を蒸留に用いる別の利点は金属が不要であることであり、それによって、非常に高価、かつ、時とともに腐食することもある合金と比較して、接触器が優れて長寿命となる。例えば、１００℃で沸騰する流れ内に数千ｐｐｍのＮａＣｌが存在する場合、チタン又はＨａｓｔｅｌｌｏｙ(登録商標)合金（例えば、インディアナ州ココモ  Ｈａｙｎｅｓから市販されているもの）が必要であるが、高分子(例えば、ポリエーテルエーテルケトン)の接触器モジュールで容易にまかなうことができる。開示された膜接触器を引出溶液の回収に用いる付加的な利点は、こうした回収に必要な温度が、かかる接触器に使用できる高分子の温度許容範囲に十分収まることである。付加的な利点は、ＨＥＴＰ(理論平衡段当たりの流路の長さ)が、従来の充填に比べて非常に小さくてもよいことであり、より大型のカラムと同じ機能の小型で廉価な接触器配置をもたらす。開示された膜接触器における別の利点は、取り込みなどの問題を起こすことなしに、より大きい液体流速が可能であることであり、膜領域(ともに液体負荷速度に関係するため、膜領域はカラムの直径と概念的に等価である)のより効果的な使用をもたらす。別の利点は、従来のカラムは、液相と気相とを互いに分離できるようにするために充填の上方及び下方に追加の高さを必要としたが、開示された膜接触器においては、２相を同じチャネルで混合することは決してなく、離す必要がないので、これは不要であることである。
【００７１】
図６は、膜デバイス２４を使用して、引出溶質回収操作からの蒸発した引出溶質２６を吸収溶液２８と接触させる、引出溶質回収システム２２の１つの実施形態を示す。いくつかの実施形態では、膜デバイス２４は膜接触器であってもよい。図６に示すように、蒸発した引出溶質２６は膜接触器２４の第１の側を(矢印２７で示すように)通り、吸収溶液２８は膜接触器２４の第２の側を(矢印２９で示すように)通る。蒸発した引出溶質は膜接触器２４を(矢印２５で示すように)通過することができ、吸収溶液２８により吸収できる。１つ以上の実施形態では、吸収溶液２８は希薄又は濃厚引出溶液であり、ここで、蒸発した引出溶質を再吸収して、浸透圧駆動膜システム／プロセスにおいて使用／再利用するためのより濃厚な引出溶液源を生成する。
【００７２】
少なくとも１つの実施形態では、図７に示すように、引出溶質回収システム１２２は、ストリッパーの使用を含んで、希薄引出溶液から実質的に全ての引出溶質を除去してもよい。図７に示すように、(例えば、浸透圧駆動膜システムからの)希薄引出溶液１２０は膜接触器１２４の一方の側を通り、スチーム１３０の源(すなわち、熱エネルギー)は膜接触器１２４の第２の側に導入される。希薄引出溶液１２０はスチーム１３０から熱を吸収し、引出溶質はそこから除去される。具体的には、スチーム１３０からの熱は膜接触器１２４を通過し(矢印１３１）、希薄引出溶液１２０を加熱して、その中の引出溶質を蒸発させる。蒸発した引出溶質１２６は、膜接触器１２４を通過して(矢印１２７)、スチーム１３０により吸収され、（実質的に蒸気の形態で）濃厚引出溶液１１６となって、システム１２２を離れる。希薄引出溶液１２０から引出溶質を除去すると、システム１２２から出ていく、水１３２の源がもたらされる。
【００７３】
追加的又は代替的に、次いで、コンデンサーを使用して、蒸気の全て又は一部分を凝縮してもよい（例えば、図９参照）。第２膜デバイスを膜接触器１２４の第１の側の残っている蒸気及びその第２の側の吸収体とともに使用してよい。いくつかの実施形態では、追加の吸収溶液の有無にかかわらず、蒸留は、膜デバイスを通過することにより蒸気が凝縮され得るように、第２の側であってもよい。いくつかの実施形態では、コンデンサーを膜デバイスの上流に配置してもよい。他の実施形態では、様々な流れを中間のユニット操作なしに接触させてもよい。さらに、膜吸収体は、ストリッパー又はその他の引出溶質回収操作からの蒸気を完全に凝縮してもよい。他の実施形態では、コンデンサーに続いて膜吸収体を使用して、より濃厚な引出溶液への溶質の再吸収を完了してもよい。このことは、溶質回収システムの寸法を減らすのに特に役立つ。また、このことは、低い温度及び圧力の場合にも特に役立つ。
【００７４】
溶質回収システムの様々な実施形態で使用するための膜は、その意図した目的に適した本質的に任意の材料から作られることができ、例えば、ポリテトラフルオロエチレン(ＰＴＦＥ)、ポリフッ化ビニリデン（ＰＶＤＦ）、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）、及びポリプロピレン(ＰＰ)を含む。様々な実施形態によれば、膜は、多孔質又は高密度であってよい。多孔質膜内の孔は、液体(例えば、水)が通過せず、気体が通過することができる大きさであり得る。膜は、中空繊維又はフラットシートの形態であってもよい。中空繊維の場合、これらの繊維と、熱伝導を意図したその他の繊維を混合して、膜システムを冷却し、気体を凝縮する能力を強化してもよい。例えば、一部の繊維は不浸透性ながら繊維壁部分における熱伝導を介して引出溶液の加熱又は冷却を可能にし得、他方、他の繊維は選択的であり得、引出溶質の分離及びリサイクルに使用できる。それぞれのタイプの割合を変化させてもよく、様々な繊維の長手方向又は垂直方向の配向が変化してもよく、いくつかの実施形態では、繊維をゾーンで段階分けしてもよい。こうした配置は、浸透熱エンジンなどの用途におけるエネルギー必要量の低減を容易にし得る。比較的小規模な用途を含むいくつかの実施形態では、一体型機構の折り畳み式移動型の構成を実施してよい。フラットシートの形態では、冷却をハウジング内に一体化してもよい。いずれの膜の形態においても、冷却を膜の段階の間で使用してよい。さらに、膜は、特定の用途に合うようにコーティングされても、コーティングされなくてもよく、非対称であっても対称であってもよい。いくつかの実施形態では、膜を含有する、中空繊維、スパイラル型又は板枠式膜モジュールを使用できる。
【００７５】
いくつかの実施形態では、コーティングされた、又は、コーティングなしの多孔質膜を含有する、中空繊維、スパイラル型又は板枠式膜モジュールを、発電及び／又はエネルギー貯蔵を含む浸透圧駆動膜プロセスにおいて使用される熱的に分離可能な引出溶液の蒸留のために使用してよい。１つ以上の実施形態によれば、繊維、膜シート、又はその他の熱伝達材料の形態の熱交換領域は、膜モジュール内に一体化されるか、又は、これらのモジュールと交互にして、熱と質量とを伝達する能力を強化し、溶質ガスを凝縮する。除去機能及び吸収機能は、単一のモジュール内へ一体化されてもよいし、複数の膜ユニットの間に広がってもよい。除去機能及び吸収機能は、単一の膜を横切って実行されてもよい。こうした実施形態において、パーベーパレーション又は膜蒸留による希薄引出溶液からの除去は、第１の側で起こってもよく、その際、膜システムの反対側は溶液内にガスを受け取る。例えば、これは、希薄又は濃厚引出溶液などの吸収流体であってよい。
【００７６】
図８は、希薄引出溶液の除去機能及び吸収機能が単一のモジュール又はデバイス２２４に一体になった、回収システム２２２の１つの例を示す。１つ以上の実施形態によれば、膜モジュール２２４は、引出溶質の除去が１つの膜システムで実行され、また、再利用のためにその濃度を増加させるための引出溶液への気体の吸収がコンデンサー及び／又は第２の膜システムで実行されるように設計されてもよい。代替的又は追加的に、除去は、膜蒸留、パーベーパレーション、又はその他の同様のプロセスによりなされてもよく、また、吸収は、膜接触器、パーベーパレーションプロセス、又はその他の同様の技術によりなされてもよい。
【００７７】
図８に示すように、溶質回収システム２２２は、少なくとも１つの吸収膜２２４ａと少なくとも１つの除去膜２２４ｂとを備える膜モジュール２２４を備える。モジュール２２４は、図６及び図７に関して説明した膜と同様に機能する。具体的には、スチーム２３０が除去膜２２４ｂの１つの側に導入され、他方、希薄引出溶液２２０は除去膜２２４ｂの他方の側に導入される。熱は、希薄引出溶液２２０に伝達されて(矢印２３１）、引出溶質を蒸発させ、これは膜２２４ｂを通過し(矢印２２７）、水２３２をモジュール２２４から排出する。ここで蒸発した引出溶質２２６を含むスチーム２３０は、吸収膜２２４ａの１つの側に導入され、他方、希薄引出溶液２２０は、吸収膜の他方の側に導入され、そこで吸収溶液として働き、膜２２４ａを通過する蒸発した引出溶質２２６(矢印２２５)を吸収して濃厚引出溶液２１６となって、モジュール２２４を離れる。１つの実施形態では、モジュール２２４は、２つの流れからの質量及び／又は熱が互いに相互作用しないように働く、例えば断熱材などの未加工の材料のシート２３４を備える。
【００７８】
追加的な実施形態によれば、図９に示すように、膜ベースの溶質回収システムは、熱ポンプと一体化できて、エネルギー効率を著しく改善する。具体的には、図９は、リボイラー３４２及びコンデンサー３４４とともに密閉サイクル熱ポンプ３４０に連結された膜モジュール３２４を備える溶質回収システム３２２を示す。膜モジュール３２４の操作は、スチーム３３０が(この場合、リボイラー３４２から）モジュール３２４に、２つの膜接触器３２４ａ、３２４ｂの間で導入され、他方、希薄引出溶液３２０がそれらの膜接触器３２４ａ、３２４ｂの反対側に導入される限り、前述のものと同様である。特定の用途に合うように、任意の数及び配置の膜接触器を使用できる。
【００７９】
ここで蒸発した溶質３２６を含有するスチームは、モジュール３２４を出て、コンデンサー３４４に向かい、そこでは、スチーム及び蒸発した引出溶質３２６の少なくとも一部が凝縮され、濃厚引出溶液３１６として排出される。いくつかの実施形態では、コンデンサー３４４を吸収溶液とともに使用できる。コンデンサー３４４において除去された熱を用いる熱ポンプ３４０は、その温度を上げ、リボイラー３４２に同様に向かわせ、スチーム３３０を生成する。熱ポンプ３４０は、電源３４６又はその他の電力手段に連結されてもよい。水３３２は、引出溶質が希薄引出溶液３２０から除去された後、膜モジュール３２４により排出される。水３３２の少なくとも一部をリボイラー３４２により使用して追加のスチーム３３０を生成できる。
【００８０】
図１０は、開放サイクル熱ポンプ４４０及びリボイラー４４２に連結された膜モジュール４２４を備える溶質回収システム４２２の代替の実施形態を示す。システム４２２の操作は、図９に関して説明したものと同様である。例えば、希薄引出溶液４２０はモジュール４２４に、１つ以上の膜接触器４２４ａ、４２４ｂの１つの側に導入され、他方、スチーム４３０は、リボイラー４４２からモジュール４２４に、１つ以上の膜接触器４２４ａ、４２４ｂの反対側に導入される。この場合もやはり、特定の用途に合うように、任意の数及び配置の膜接触器を使用できる。蒸発した引出溶質４２６はモジュール４２４を出て、熱ポンプ４４０に向かい、そこでは、それらの温度が上昇し、リボイラー４４２に向かって除去操作のためのスチーム４３０を生成する。リボイラー４４２は、リサイクルして浸透圧駆動膜システムに戻すことができる濃厚引出溶液４１６を排出する。モジュール４２４はまた、そのまま使用されるか、さらに処理されるか、及び／又は少なくとも一部分がリボイラー４４２に向かう水４３２を排出する。
【００８１】
図１１は、選択膜５２４の一部を、液体内のキャリアの有無によらず、水蒸気の移送を実質的に阻害するが引出溶質の移送を容易にする懸濁液膜の形態で示す。１つ以上の実施形態によれば、選択的材料領域５３６は液体ではなく、ゲルもしくは固体であってよく、又は、別の材料内に含まれているのではなく、膜のほとんど又は全てを含むのであってよい。概して、選択膜は引出溶質回収に使用してもよく、例えば、懸濁液膜は引出溶液のリサイクルに使用してもよいが、ここで、液体、ゲル、高分子、又はその他の材料は、水に対してほとんどが不浸透性であるかもしれないが、ＮＨ３及びＣＯ２に対する透過性がある。他の実施形態では、ＮＨ３及び／又はＣＯ２を移送する「キャリア」を含んでもよい。１つの例は、ＣＯ２を透過させることができるが、水又は水蒸気を透過させることができない無極性液体であり、その内部にＮＨ３キャリア分子を含む。
【００８２】
図１２は、本発明の１つ以上の実施形態による、引出溶質の同時の除去及び吸収を容易にする選択膜６２４の使用を示す。膜６２４の１つの側で、希薄引出溶液流６２０ａを加熱して、例えば、アンモニウム塩に熱分解的に分解し、ＮＨ３及びＣＯ２の蒸気圧を増加させることができる。膜６２４の他方の側で、希薄引出溶液６２０ｂを、ＮＨ３及びＣ０２ガス６２６がその内部に吸収され、アンモニウム塩を形成するように冷却する。このようにして、希薄引出溶液を２つの流れ６２０ａ、６２０ｂに分けてもよく、ここで、一方は、除去されて生産水となり、他方は濃度を高められて再利用のための濃厚引出溶液６１６となる。
【００８３】
１つ以上の実施形態によれば、このタイプのキャリア媒介の懸濁液膜接触器は、引出溶質のリサイクルに必要なエネルギー量を実質的に低減する。これは、分離の一環として、水が蒸気として移送されず、従来型の蒸留により使用される必要熱量の、水分の蒸発エンタルピーを節約するためである。さらに広く見れば、この手法は、例えば、ＦＯ、ＤＯ、ＤＯＣ、ＰＲＯ、ＯＧＳ(浸透グリッド・ストレージ）、又は、懸濁化バリアが水に対して比較的不浸透性であり、引出溶質を移送するか、若しくは引出溶質のためのキャリアを含有するか、又は、これら２つの組み合わせのいずれかである、同様の浸透圧駆動膜システムからの熱的に分離可能な引出溶質のリサイクルに適用できる。
【００８４】
図１３は、浸透圧駆動膜プロセス／システム７１０とともに使用するための引出溶質回収システム７２２の別の実施形態の一部を示す。図示のように、第１希薄引出溶液部分７２０ａは、システム７１０のチャンバー７１１から蒸留カラム７５０へと向かってよく、また、第２希薄引出溶液部分７２０ｂは、チャンバー７１１から吸収モジュール７２７へ向かってよい。蒸留カラム７５０を出る流れ７２９は、吸収モジュール７２７に導入することができ、そこで、それは、引出溶質を正浸透膜７１２の引出側に再導入するようにチャンバー７１１に戻すために、希薄引出溶液７２０ｂと混合される。
【００８５】
いくつかの実施形態では、溶質回収システムは、例えば、多段カラム蒸留又は膜蒸留などの多段溶質回収システムを使用する。多段カラム蒸留では、２つ以上のカラムが希薄引出溶液の並行流を受け取ってもよく、それぞれの流れは完全に処理されて、例えば、約１ｐｐｍ未満のＮＨ３など、残る引出溶質が所望の濃度である生産水を生成する。熱は、カラム間に連続して流れてもよいが、プロセスにより消費される熱は、温度及び圧力が最大の状態でカラムのリボイラーに向かい、このカラムからの頂部蒸気は、次のカラムのリボイラーの熱伝達面の外側で完全に又は部分的に凝縮され、温度及び圧力が連続的に低下する。この凝縮は、これを連続する各カラムに対して繰り返して、温度及び圧力が最低の状態でカラムの頂部蒸気の冷却から廃棄された熱が冷却システムに廃棄されるまで、次のカラムの完全な又は部分的な分離に必要な熱を送ることができる。頂部及び底部の温度間に使用されてもよい段数は、互いに連続して隣接するカラムの凝縮温度及びリボイラー温度間の差により一般に設定し、これは、希薄引出溶液の組成に関係する。熱交換器の所望のΔＴもまた重要な要素である。前述の説明は、多段膜蒸留に同様に適用可能である。
【００８６】
図１４は、本発明の１つ以上の実施形態による、エネルギー及び材料の両方の流れが連続である、多段溶質回収プロセスを使用する溶質回収システム８２２を示す。具体的には、図１４は、多段カラム蒸留を使用する多段溶質回収プロセスを示すが、多段膜蒸留もまた本発明の範囲内であると企図及び考慮される。図１４に示すように、材料流（例えば、浸透圧駆動膜プロセスからの希薄引出溶液８２０）及びエネルギー（例えば、スチーム８３０）流は、両方とも連続して流れてよい。熱エネルギー８３０を比較的高い温度及び圧力で第２入口８０２ａを介して導入して供給流８２０の濃度を下げながら、希薄引出溶液８２０を入口８０１ａを介して第１カラム８５０ａに導入する。第１カラム８５０ａからの蒸気８３０’は、出口８０３ａを介して排出された後、次のカラム８５０ｂに熱を提供するために使用できる。次のカラム８５０ｂは、温度及び圧力がより低い第１カラムの底部生成物８２０’を（出口８０４ａ及び入口８０１ｂを介して）供給されるまま受け取る。加熱された蒸気８３０’は、熱伝達手段(例えば、リボイラー)８４２並びに入口８０５、出口８０６及び第２入口８０２ｂを介して、第２カラム８５０ｂに導入できる。凝縮された蒸気は、出口８０７を介して濃厚引出溶液８１６として排出され、他方、水８３２は、出口８０４ｂを介して最後のカラム８５０ｂから排出される。これを、所望の底部組成が得られるまで、任意のカラムの数で繰り返すことができる。
【００８７】
このことは、材料供給が並行であり、エネルギー流が連続する、ＭｃＧｉｎｎｉｓによる米国特許出願公開第２００９／０２９７４３１号(その開示全体が本明細書に参照により組み込まれる)において開示された実施形態と同様の多くの熱作用を、効果的に生成することができる。この方法は、小型かつ効率的な構成で、異なる圧力下で操作する膜接触器とともに使用できる。より高い濃度の供給流及び／又はより高い温度の熱源について、この代替の方法が好ましいこともある。
【００８８】
追加的な実施形態によれば、多段溶質回収プロセスは熱ポンプにより補助してもよく、例えば、室温よりも２０℃超高い熱源を使用する環境において、エネルギー効率を著しく改善する。いくつかの実施形態では、熱ポンプは、燃料燃焼、より高温の熱源、又は背圧タービンを使用して引出溶質回収プロセスに熱を提供する際に使用できる。
【００８９】
１つ以上の実施形態によれば、熱圧縮機(エジェクタージェットとしても知られる）、機械式圧縮機（ブロアとしても知られる）、吸収式熱ポンプ、密閉サイクル熱ポンプ、冷却型熱ポンプ又はその他の類似のユニットなどの熱ポンプを、カラム(又は膜モジュール)からの１つ以上の蒸気流に使用して、それらが部分的に又は完全に凝縮する温度に上げることができる。これを行うことにより、段間の温度差が低減されて、より低い頂部の圧力及び温度並びに／又はより高い底部の温度及び圧力で、所定の温度差内又は所定の段数内でより多段にできるようできる。これは、第１のケースでエネルギー効率、第２のケースで資本効率、又はこれら２つの組み合わせを高めるのに使用できる。
【００９０】
図１５は、熱ポンプ補助多段溶質回収の１つの例の概略図を示し、ここで、作業は、密閉又は開放サイクル熱ポンプで頂部流になされ、各カラム(又は膜モジュール)の圧力を互いに近づかせ、より多段にすること及び全体の効率をより高めることを可能にする。図１５に示すように、回収システム８２２は、図１４に関して説明したものと同様に、２つ以上の蒸留カラム８５０を備え、ここで、材料流(希薄引出溶液８２０)は、(入口８０１を介して)カラム８５０に並行に導入される。熱エネルギー源(スチーム８３０)は、（入口８０２ａを介して）比較的高い温度及び圧力で第１カラム８５０ａに導入されて、供給流８２０ａの濃度を下げる。第１カラム８５０ａからの蒸気８３０’は、（出口８０３ａを介して）熱ポンプ８４０に向かい、ここで、その温度が上げられ、次いで、次のカラム８５０ｂに送られて第２供給流８２０ｂの濃度を下げる。１つ以上の実施形態では、加熱された蒸気８３０’は、図１４に関して説明したように、熱伝達手段(例えば、リボイラー)８４２を介して導入することができる。凝縮された蒸気は、濃厚引出溶液８１６として排出されるか、そうでなければ、浸透圧駆動膜システムにリサイクルできる。各カラム８５０は、そのまま使用されるか、又はさらに処理される水８３２を排出し、排出される水８３２の質によって決まる。
【００９１】
別の実施形態では、前記のタイプの熱ポンプを、単一のカラム（又は膜モジュール）とともに使用して、小型で資本効率のよい実施において、潜熱生成の低減において熱ポンプの熱効率を最大限に利用してもよい。少なくとも１つの実施形態では、熱ポンプを溶質回収システムで使用して潜熱をリサイクルすることにより、プロセスによって必要とされるエネルギーを低減することができる。これは、単一のカラム／モジュール熱ポンプの実施形態でも実施できる。
【００９２】
溶質回収及びリサイクルシステムにおいて求められるΔＴを低減する追加の技術を実施してもよい。例えば、引出溶液ガスを圧縮して、より小さいΔＴで濃厚溶液を形成することができる。任意のシステムについて所望のΔＴは機械式又は吸収式熱ポンプを組み込むことによっても達成できる。
【００９３】
図１６は、半開放又は半密閉熱ポンプ構成でカラム蒸留を使用する溶質回収システム９２２の１つの実施形態を示し、ここで、リボイラーの有無を問わず、カラム９５０の生産水９３２の一部は、全体として又は一部分が、その圧力を低下させる減圧弁９５６に向かってよく、混合吸収剤の有無を問わず、水９３２は、熱交換器９３８において、頂部蒸気９３０’の凝縮からの熱伝達により部分的に又は完全に蒸発させることができる。次いで、生産水の蒸発により生成するこのスチーム９３０”は、引出溶質の除去のために、カラム９５０(又は前記の膜接触器デバイスの１つ)の底部への供給として直接使用できる点まで、機械式又はサーモジェット手段９５２により圧縮することができる。例えば、２３０トルで操作するカラム９５０は、約３５〜５０℃で熱交換器９３８の１つの側において凝縮する頂部蒸気９３０’を生成し、熱交換器９３８の反対側に、約７５〜９０トルまで圧力が低減された水９３２を生じさせ、部分的にスチーム９３０”に変換する。次いで、このスチーム９３０”は、圧縮されて２３０トルまで圧力を高められて、カラム又は膜モジュールの底部に直接投入される。この構成は、半開放又は半閉鎖熱ポンプ構成と呼ぶことができる。
【００９４】
熱及び／又は機械式熱ポンプのその他の組み合わせは、従来型又は膜ベースのいずれかで、複数段の蒸留カラムと併せて使用してもよく、機器にかかる費用を最小化しながら段の数を増やす要請の最良のバランスを取るようにする。これらは、例えば、１つ以上のカラムに熱圧縮機、１つ以上のその他のカラムに機械式圧縮機、及び、必要に応じて、その他のカラムにその他のタイプの熱ポンプを備えてよく、さらに、吸収式熱ポンプの実施を利するとして熱の流れの統合を含んでもよく、ここで、低い温度で吸収された熱はより高い温度でより少量の熱を送り得る。全ての生成水の相変化を要することもあり得る、膜蒸留又は機械式蒸気再圧縮などの従来型のシステムと比べた、熱的に再生される浸透圧駆動膜システムの熱力学的に有利な点は、最大限に実現されてもよい。
【００９５】
図１７は、図１６と同様の代替の実施形態を示し、ここで、熱圧縮機９５４は、生産水９３２の一部がスチームに（ボイラー９４２を介して）直接変換され、１つ以上のカラム９５０からの蒸気流９３０’の圧力を高めることによってその凝縮温度を高めるために使用される、比較的高い圧力の流れ９３０として導入され得るように使用してよい。１つの実施形態では、システム９２２は、図１６に関して説明したものと同様の任意の熱交換器９３８及び弁９５６の構成を利用して、熱圧縮機９５４に導入するための蒸気流９３０”を生成する。この場合、特定の必要熱(heat duty)における純減を達成し得るが、生産水の量が低下することもある。非限定的な例として、生産水を３８１ＭＪ／ｍ３必要とする２〜３段システム(段のうちの１つが分離のより小さい部分を生成する)は熱圧縮機を使用して、４〜５段設計を可能とすることにより潜在的に２００〜２５０ＭＪ／ｍ３までこの必要熱を低減できる。
【００９６】
別の代替の実施形態では、機械式圧縮機は、電気仕事又は軸仕事を使用して１つ以上のカラムの頂部からの蒸気を圧縮するように使用してもよく、それにより、この流れが凝縮する温度を高め、より多段を使用可能とする。この場合、生産水の量の減少は必要とされないが、必要な熱の一部分に置換するための電気エネルギーが必要となる。非限定的な例として、生産水を３８１ＭＪ／ｍ３必要とする２−３段システムは、機械式圧縮機を使用して、４−５段設計を可能とすることにより潜在的に１５０−２００ＭＪ／ｍ３までこの必要熱を低減できる。電気エネルギーの追加量もまた、ＣＯＰ（性能係数、熱ポンプ効率の一般的な基準）が５の場合におそらく１２．８ｋＷだけ必要とされる。熱エネルギーの電気エネルギーによるさらなる置換は、本発明の範囲内であると企図及び考慮される。
【００９７】
１つ以上の実施形態によれば、図１８に示すように、真空蒸留及び／又はガス吸収を、開示された浸透圧駆動膜システムと一体化してよい。（ポンプ１０６０により補助されてもよい）高圧の水溶液により駆動されるエダクター１０５８を使用して、蒸留カラム１０５０を真空に引くことができる。エダクター１０５８を出るガス−水混合物は、静的ミキサー１０６２を通って流れて、ガスが水に溶解することを確実にできる。次いで、水溶液は、ガス−液体分離器１０６４に流れてよく、ここで、ガスを捕捉し、リサイクルすることができ、一部の溶液１０６６はエダクターを駆動するためにリサイクルされる。
【００９８】
本発明の例示的な実施形態をいくつか説明してきたが、前述のものは単なる例示であり、限定するものではなく、単なる例として示していることは当業者には明らかなはずである。多数の修正形態及び他の実施形態が、通常の技術の範囲内にあり、本発明の範囲内に包含されることが企図される。 具体的には、本明細書で提示した多くの例は方法の作用又はシステムの要素の特定の組み合わせを含むが、それらの作用及びそれらの要素を他の方式で組み合わせて同じ目的を達成することができることを理解されたい。
【００９９】
さらに、本発明は本明細書で説明する各特徴、システム、サブシステム、又は技術、及び本明細書で説明する２つ以上の特徴、システム、サブシステム、又は技術の任意の組み合わせを対象とし、２つ以上の特徴、システム、サブシステム、及び／又は方法の任意の組み合わせは、こうした特徴、システム、サブシステム、及び技術が相互に矛盾していない場合は、任意の請求項において具現化されるように本発明の範囲内に包含されるものとみなされることも理解されたい。さらに、１つの実施形態に関してしか論じられていない作用、要素、及び特徴は、他の実施形態の同様の役割から除外されるものではない。 
さらに、当業者なら、本明細書で説明したパラメータ及び構成は例示であり、実際のパラメータ及び／又は構成は本発明のシステム及び技術が用いられる具体的な用途に応じて変わることを理解すべきである。当業者はまた、単なる通常の実験を用いて、本発明の特定の実施形態の等価物を認識するか又は確認できるべきでもある。従って、本明細書で説明した実施形態は単なる例示として示されており添付の請求項及びその等価物の範囲内に包含され、本発明は具体的に説明したものとは異なる手法で実施できることを理解されたい。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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