(57)【要約】重金属に加えてアルカリ金属硫化物および多硫化物を含有するフィードストリームからナトリウムおよび硫黄を取り出すシステムを提供する。当該システムは、陽極液と接触する陽極を収容する陽極液室を有する電解セルを含む。陽極液は、極性有機溶媒に溶解されたアルカリ金属硫化物および多硫化物を含む。陽極液は重金属イオンを含む。セパレータは、イオン伝導性膜を含み、陰極液と接触する陰極を含む陰極液室から、陽極液室を分離する。陰極液はアルカリイオン伝導性液体を含む。電源は、アルカリ金属を還元し、硫黄イオンを酸化して、アルカリ金属および元素状硫黄の回収を可能にするほど十分に高い電圧を、電解セルに印加する。ナトリウム対硫黄の比率は、電解セルの開路電位が約２．３Ｖよりも大きくなるような比率である。2019500501.tif 000003
2019500501.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非水性フィードストリームから金属および元素状硫黄を回収するためのシステムであって、
陽極液を収容するように構成されている第１陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記陽極液はさらに、重金属、重金属化合物、および重金属イオンのうちの少なくとも一つを含む、第１陽極液室；
前記第１陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第１陽極；
陰極液を収容するように構成されている第１陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第１陰極液室；
前記第１陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第１陰極；
前記第１陽極液室と前記第１陰極液室との間に位置付けられる第１セパレータであって、前記第１陽極液室の前記陽極液および前記第１陰極液室の前記陰極液と連通し、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている、第１セパレータ；ならびに
前記第１陽極および前記第１陰極と電気的に連通する第１電源であって、少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な電圧を第１電解セルに印加するように構成されている、第１電源
を備える第１電解セルを備える、システム。
【請求項２】
前記システムは、前記第１電解セルと流体連通する第２電解セルをさらに備え、
前記第２電解セルは、
陽極液を収容するように構成されている第２陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第２室の前記陽極液は、前記第１電解セルの前記第１陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分をさらに含む、第２陽極液室；
前記第２陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第２陽極；
陰極液を収容するように構成されている第２陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第２陰極液室；
前記第２陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第２陰極；
前記第２陽極液室と前記第２陰極液室との間に位置付けられる第２セパレータであって、前記第２陽極液室の前記陽極液および前記第２陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第２セパレータ；ならびに
前記第２陽極および前記第２陰極と電気的に連通する第２電源であって、前記第２電解セルの開路電位よりも大きい電圧を前記第２電解セルに印加するように構成されている、第２電源
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記陽極液は、元素状硫黄をさらに含む、請求項１または２のいずれかに記載のシステム。
【請求項４】
前記第１セパレータは、カチオン交換膜および微多孔膜のうちの少なくとも一つを備える、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記システムはヒーターをさらに備え、前記第１電解セルおよび前記第２電解セルのうちの少なくとも一つはアルカリ金属の融点を下回る温度で動作し、かつ／または前記第１電解セルおよび前記第２電解セルのうちの少なくとも一つは１００℃から１６０℃までの温度で動作し、かつ／もしくは前記温度は１２０℃から１５０℃までである、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記イオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する陰極液溶媒、および溶融アルカリ金属のうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。前記第１陽極液室は乱流プロモータを備える、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記陽極液室から元素状硫黄を取り出すのを促進するように、前記第１陽極液室および前記第２陽極液室のうちの少なくとも一つと連通する冷却装置をさらに備える、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記システムは、前記第２電解セルと流体連通する第３電解セルをさらに備え、
前記第３電解セルは、
陽極液を収容するように構成されている第３陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第３陽極液室の前記陽極液は、前記第２電解セルの前記第２陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分をさらに含む、第３陽極液室；
前記第３陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第３陽極；
陰極液を収容するように構成されている第３陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第３陰極液室；
前記第３陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第３陰極；
前記第３陽極液室と前記第３陰極液室との間に位置付けられる第３セパレータであって、前記第３陽極液室の前記陽極液および前記第３陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第３セパレータ；ならびに
前記第３陽極および前記第３陰極と電気的に連通する第３電源であって、硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分な電圧を前記第３電解セルに印加するように構成されている、第３電源
を備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項９】
前記第１電解セルの中の少なくとも一つのアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するのに十分な電圧が、前記第１電解セルに印加される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１電源は、前記第１電解セルにおいて少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分な電圧を前記第１電解セルに印加するように構成されている、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項１１】
前記アルカリ金属はナトリウムを含み、前記第１陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第１電解セルの開路電位が２．３Ｖよりも大きくなるような比率である、請求項１、２または３に記載のシステム。
【請求項１２】
前記アルカリ金属はナトリウムを含み、前記第１陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第１電解セルの開路電位が２．６３Ｖよりも大きくなるような比率である、請求項１、２または３に記載のシステム。
【請求項１３】
前記第１電解セルに印加される電圧は、第１電気化学セルのオープンセル電位を少なくとも０．２V下回り、前記第２電解セルに印加される電圧は、前記第２陽極液室の中の硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分である、請求項２に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１電解セルに印加される電圧は、第１電気化学セルのオープンセル電位を下回り、前記第２電解セルに印加される電圧は、前記第２電解セルにおいて少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分であるが、元素状硫黄を形成させるには不十分であり、前記第３電解セルに印加される電圧は、前記第３電解セルにおいて元素状硫黄を形成させるのに十分である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおける前記アルカリ金属は、ナトリウムを含み、前記第２陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．３Ｖ以上となるような比率である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおける前記アルカリ金属は、リチウムを含み、前記第２陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．６３Ｖよりも大きくなるような比率である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
フィードストリームから金属および硫黄を回収するための方法であって、
陽極液を収容するように構成されている、第１陽極液室；
前記第１陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第１陽極；
陰極液を収容するように構成されている第１陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第１陰極液室；
前記第１陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第１陰極；
前記第１陽極液室と前記第１陰極液室との間に位置付けられる第１セパレータであって、前記第１室の前記陽極液および前記第１室の前記陰極液と連通し、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている、第１セパレータ；ならびに
前記第１陽極および前記第１陰極と電気的に連通する、第１電源
を備える、第１電解セルを提供することと、
前記第１電解セルの前記第１陽極液室の中へ陽極液を導入することであって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、前記アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含み、前記陽極液はさらに、重金属、重金属化合物、および重金属イオンのうちの少なくとも一つを含む、導入することと、
前記第１電解セルの前記第１陰極液室の中へ陰極液を導入することであって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、導入することと、
少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な電圧を前記第１電解セルに印加することと、
前記第１電解セルの前記第１陽極液室の前記陽極液の中で、少なくとも一つの硫化物イオンを酸化することと、
前記第１陽極液室と前記第１陰極液室との間に位置付けられかつ前記第１陽極液室および前記第１陰極液室と連通する前記第１セパレータを通してカチオンを移動させることであって、前記カチオンは、前記第１陽極液室から前記第１陰極液室へ進む、移動させることと、
前記陰極液室の中で前記カチオンのうちの少なくとも一つを還元して金属を形成させることと
を含む、方法。
【請求項１８】
前記第１電解セルと流体連通する第２電解セルであって、
陽極液を収容するように構成されている、第２陽極液室；
前記第２陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第２陽極；
陰極液を収容するように構成されている、第２陰極液室；
前記第２陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第２陰極；
前記第２陽極液室と前記第２陰極液室との間に位置付けられる第２セパレータであって、前記第２陽極液室の前記陽極液および前記第２陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第２セパレータ；ならびに
前記第２陽極および前記第２陰極と電気的に連通する、第２電源
を備える第２電解セルを提供することと、
前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中へ陽極液を導入することであって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、前記アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中へ陽極液を導入することは、前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中へ、前記第１電解セルの前記第１陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分を導入することを含む、導入することと、
前記第２電解セルの前記第２陰極液室の中へ陰極液を導入することであって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、導入することと、
前記第２電解セルの開路電位よりも大きい電圧を前記第２電解セルに印加することと、
アルカリ金属カチオンを、前記第２陽極液室から、前記第２電解セルの前記第２セパレータを通して、前記第２陰極液室へ進ませることと、
前記第２陰極液室の中で少なくとも一つの金属カチオンを還元してアルカリ金属を形成させることと、
前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中で、少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めることと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１電源は、前記第１電解セルの中のアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するには不十分な電圧を前記第１電解セルに印加するように構成されていることをさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２０】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおけるアルカリ金属は、ナトリウムを含み、前記第２陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．３Ｖ以上となるような比率である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおけるアルカリ金属は、リチウムを含み、前記第２陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．６３Ｖ以上となるような比率である、請求項２１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１２月２９日出願の米国仮特許出願第６２／２２７，２２４号の利益を主張し、参照することによって明示的に本明細書に援用される。
【０００２】
発明の分野
本発明は、アルカリ金属硫化物および多硫化物を含有するフィードストリームからの、金属および硫黄の回収に関する。より具体的には、本発明は、単一の電気化学システムを使用して、アルカリ金属硫化物および多硫化物ならびに特定の重金属を含有するフィードストリームから、アルカリ金属化合物、還元された重金属、および硫黄を分離および回収する方法および装置に関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
エネルギー、およびエネルギー源である炭化水素への需要が、継続的に増している。しかしながら、このエネルギーを提供するのに使用される炭化水素原材料は、これらの材料の処理を妨害する、除去が困難な硫黄および金属を含有し、それゆえエネルギー源としてのそれらの使用法が制限される。加えて、硫黄は、気体または油などの炭化水素源が消費されるとき、大気汚染を引き起こし得る。硫黄は、自動車排出ガスから炭化水素および酸化窒素を除去するように設計される、触媒の働きを抑制し得る。それゆえ、例えば、原油、ビチューメン、重油、油脂製品、または残留物、減圧残油および蒸留物など、それらの一部分である炭化水素源は、硫黄または窒素などの望ましくない要素を除去するように処置される。
【０００４】
ここ数年で、高い硫黄含有量のために、硫黄の除去または低減なしでは使用不可であろう炭化水素源からの硫黄の除去または低減に、ナトリウムが効果的であると認識されるようになった。ナトリウムは、硫黄および炭化水素源中の他の構成要素（炭化水素源の中に見られる場合がある任意の混入物質を含む）と反応して、硫黄と、窒素などの他の望ましくない要素とを劇的に減らすことができる。硫黄の低減は、ナトリウム金属硫化物、多硫化物、および水硫化物など、硫化ナトリウム化合物の形成によって達成される。リチウムなど、他のアルカリ金属もまた、同じように効果的であることが明らかになっている。
【０００５】
しかしながら、炭化水素源に含有される、重金属を含む他の金属は、硫黄または窒素などの望ましくない材料を、炭化水素源から除去するプロセスを抑止または妨げ得る。例えば、重金属は、水素が苛酷な条件下で反応して有機硫黄分子を持つ硫黄を分解する標準的な改良型水素化脱硫プロセスによって硫黄を除去するのに通常利用される触媒の働きを抑制し得る。少なくとも、これによって、炭化水素源の脱硫または脱窒は、法外に高額になり得る。それゆえ、炭化水素源に含有される重金属の除去もまた望まれている。
【０００６】
重金属は、ナトリウムまたはリチウムなどのアルカリ金属を使用して、炭化水素源から除去されてもよい。ポルフィリン錯体などの有機金属分子に含有される重金属は、アルカリ金属によって金属状態に還元される。重金属は、一旦還元されると、有機構造との化学的結合がなくなるので、炭化水素源から分離され得る。加えて、金属がポルフィリン構造から除去されれば、構造内の窒素ヘテロ原子をさらなる脱窒素化にかけられる。
【０００７】
硫黄または重金属などの他の望ましくない材料を除去するためにアルカリ金属を使用する炭化水素源の処置の結果として生じる副産物は、アルカリ金属硫化物および多硫化物、ならびにある量の重金属を含有する、フィードストリームであり得る。アルカリ金属を使用する炭化水素の処置は、必要な原材料の費用から、高額となる。しかしながら、アルカリ金属を回収して再使用できるならば、費用が抑えられる。さらに、この副産物のフィードストリームから硫黄を回収できる場合、さらに処置費用を削減し、収入源となり得る可能性がある。
【０００８】
しかしながら、脱硫または脱金属プロセスの結果として生み出される溶液からアルカリ金属および硫黄を回収する際の一つの問題に、この溶液フィードストリームもまた、アルカリ金属および硫黄の回収プロセスを妨害し、抑止し、妨げる、重金属などの非アルカリ金属を含有することが挙げられる。
【０００９】
それゆえ、フィードストリームにおける重金属の存在に関わらずフィードストリームからのアルカリ金属および硫黄の分離および回収を促進する方法および装置を提供することは、一つの利点となるであろう。単一のプロセスおよびシステムにおいて効率的に使用する、アルカリ金属および硫黄のそのような回収を提供することは、別つの利点となるであろう。
【発明の概要】
【００１０】
本発明は、当該技術分野の現状に応じて、特に、現在利用可能なアルカリ金属および硫黄回収技術では、まだ完全には解決されていない、当該分野での問題およびニーズに応じて開発された。したがって、本発明は、アルカリ金属硫化物および／または多硫化物ならびに少量の重金属を含有する非水性フィードストリームからアルカリ金属および硫黄を取り出すシステムおよび方法を提供するように開発された。本発明の特徴および利点は、以下の記載および添付の特許請求の範囲から、より完全に明らかとなり、または以下で説明する本発明の実践から学んでもよい。
【００１１】
前述と一致し、本明細書に具体化し広く記載する通りの本発明に従い、重金属も含有する非水性フィードストリームから、金属および硫黄を回収するシステムについて、本明細書に記載する。本明細書を通して使用される、用語「重金属」は、銅、ビスマス、アルミニウム、チタン、バナジウム、マンガン、クロム、亜鉛、タンタル、ゲルマニウム、鉛、カドミウム、インジウム、タリウム、コバルト、ニッケル、鉄およびガリウムを意味する。用語「重金属」はまた、標準条件下で標準還元電位２．７V以下のすべての金属を含んでもよい。使用される標準条件が、２５℃、反応に関与する各イオンに対して活量１、反応の一部である各気体に対して１バールの分圧、および純粋状態にある金属を含むことは、当業者に理解されるであろう。
【００１２】
一実施形態では、陽極液を収容するように構成されている陽極液室を有する、電解セルが利用される。陽極液室は、第１注入口および第１排出口を有してもよい。陽極液は、非水性フィードストリームを含み、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを含む。陽極液はまた、アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する、極性有機溶媒も含む。溶媒はまた、元素状硫黄を溶解する。陽極液のフィードストリームはまた、重金属、重金属化合物、および重金属イオンのうちの少なくとも一つを含有してもよい。陽極は、陽極液室内に位置付けられ、陽極液と連通する。
【００１３】
電解セルはまた、アルカリイオン伝導性液体を含む、陰極液を収容するように構成されている、陰極液室も含む。陰極液室もまた、注入口および排出口を含んでもよい。陰極は、陰極液室内に位置付けられ、かつ陰極液と連通する。セパレータは、陽極液および陰極液の両方と連通するように、陽極液室と陰極液室との間に位置付けられてもよい。セパレータは、非選択的にカチオンを移動させるように構成されてもよい。
【００１４】
電源は、陽極および陰極と電気的に連通する。電源は、陽極液室でアルカリ金属硫化物またはアルカリ金属多硫化物の分解電圧を上回る電圧を、電解セルに印加する。それゆえ、電圧は、アルカリ金属カチオンをアルカリ金属に還元するのに十分である。電圧はまた、陽極液室の中の少なくとも一つの硫黄イオンを酸化して元素状硫黄にするほど十分に高い。アルカリ金属は陰極液室から取り出されてもよく、元素状硫黄は陽極液室から取り出されてもよい。
【００１５】
一実施形態では、元素状硫黄が陽極液室に加えられる。硫黄は、アルカリ金属硫化物および多硫化物を、より高い濃度にまで溶解するのに役立つ。熱もまた、陽極液および／もしくは陰極液室に、ならびに／またはシステムに概して加えられてもよい。一実施形態では、システムは、約１００℃から約１６０℃の間の温度で動作される。これらの温度で、硫黄と、硫化鉄、硫化ニッケルおよび硫化バナジウムなどの固体と両方の溶解性は高い。電圧を印加すると、陰極へ誘引されるアルカリ金属カチオンおよび重金属カチオンは、セパレータを通って陰極液室の中へと流れる。中性電荷を有する硫黄と、負電荷を有する硫化物および多硫化物アニオンとは、陽極液室の中に留まる傾向がある。所定の印加電圧が十分に高ければ、鉄金属カチオン、ニッケル金属カチオン、バナジウム金属カチオン、および類似のものなどの重金属カチオンは、陰極で還元され、そこで槽内析出する。印加電圧によって、ナトリウムカチオンは、陰極溶液の中に溶解したナトリウムカチオンとして留まってもよい。電圧が十分に高い場合、ナトリウムカチオンは、金属状態に還元され、この温度範囲では液体となるであろう。析出した金属は、陰極を取り出して重金属を削り取るなど、当該技術分野において知られる手段で、容易に回収できる。形成される場合、ナトリウム金属は、吸い上げられて回収され得る、またはセルの外側で固相にまで冷却することが可能で、陰極液から分離され得る、第２液相となるであろう。
【００１６】
陽極液室の中の硫化物イオンは、酸化されて、より高次の多硫化物または元素状硫黄になってもよい。元素状硫黄を含有する陽極液の一部分は、取り出されて分離タンク内に置かれてもよい。元素状硫黄は、陽極液を冷却して、元素状硫黄の溶解性を低減させ、元素状硫黄を沈殿させ、陽極液の底から回収するなど、当該技術分野で知られる手段によって回収されてもよい。陽極液はまた、陽極液室の底に積もる結晶を形成するように冷却され、その後、回収されてもよい。あるいは、元素状硫黄は、濾過または遠心分離などの他の手段によって、陽極液から分離されてもよい。
【００１７】
他の実施形態では、複数の電解セルが使用されてもよい。一つのセルは、電圧がアルカリカチオンの分解電圧を下回るように維持される間、陽極液の中の重金属カチオンがセパレータを通って陰極で析出するような所定の電圧およびセパレータを組み合わせてもよい。このように、第１ステップで金属を取り出す（除去する）ことができ、結果生じる陽極液を第２電解セルに渡してもよい。このセルは、アルカリ金属カチオンのみが陽極液から陰極液の中へと進み、既に除去された重金属からの最小限の干渉で、陰極で還元されることができる、カチオン特異的膜を有してもよい。第２セルの電圧は、カチオン特異的膜を通ることを妨げられた硫化物イオンを、その後回収し得る元素状硫黄に酸化するほど十分に高くてもよい。
【００１８】
本発明により、フィードストリームの中に重金属が存在するにもかかわらず、フィードストリームからアルカリ金属および元素状硫黄を回収するためのシステムおよび方法を提供する。本発明の特徴および利点は、以下の記載および添付の請求項から、より完全に明らかとなり、または以下に説明する、本発明の実践から学んでもよい。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
本発明の利点を容易に理解するために、上記では簡潔に記載した本発明を、添付の図面に例示されている特定の実施形態を参照して、より詳細に説明する。これらの図面が本発明の典型的な実施形態のみを表し、本発明の範囲を限定するものとみなされないことを理解して、添付の図面を用いて、本発明をさらに具体的かつ詳細に記載し説明する。
【００２０】
【図１】一つの電解セルを伴うナトリウム‐硫黄取り出しシステムの一実施形態を示す、高レベルブロック図である。
【００２１】
【図２】本発明のナトリウム‐硫黄取り出しシステムで使用される電解セルの実施形態を示す、高レベルブロック図である。
【００２２】
【図３】二つの電解セルを使用するナトリウム‐硫黄取り出しシステムを示す、高レベルブロック図である。
【００２３】
【図４】二つの電解セルを使用するナトリウム‐硫黄取り出しシステムの別の実施形態を示す、高レベルブロック図である。
【００２４】
【図５】本発明のナトリウム‐硫黄取り出しシステムで使用される電解セルの別の実施形態を示す、高レベルブロック図である。
【００２５】
【図６】複数の電解セルを使用するナトリウム‐硫黄取り出しシステムの別の実施形態を示す、高レベルブロック図である。
【００２６】
【図７】単一の電解セルを使用してフィードストリームからナトリウムおよび硫黄を取り出すプロセスの方法ステップを示すブロック図である。
【００２７】
【図８】複数の電解セルを有するシステムを使用してフィードストリームからナトリウムおよび硫黄を取り出すプロセスの方法ステップを示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
発明の詳細な説明
以下の記載では、様々な実施形態の特定の詳細を提供する。本発明は、その精神または基本的な特徴から逸脱することなく、他の特定の形態で具現化されてもよい。記載する実施形態は、あらゆる点で、限定ではなく例示としてのみ考慮されるものとする。実施形態の様々な態様を図面に提示するものの、図面は、特に指摘のない限り、必ずしも正確な縮尺で描かれているとは限らない。そのため、本発明の範囲は、前述の記載によってではなく、添付の特許請求の範囲によって示す。特許請求の範囲と同等の意味および範囲内でのすべての変更は、本発明に含まれるものとする。
【００２９】
本明細書を通して、特徴、利点または実施形態への言及は、本発明を用いて実現されてもよい特徴および利点のすべてが、本発明の任意の単一実施形態の中にあるべきである、またはあることを含意するものではない。むしろ、特徴および利点に言及する表現は、実施形態に関して記載する特定の特徴、利点または特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味するように理解される。それゆえ、本明細書中の特徴および利点に関する議論、ならびに類似の表現は、同一の実施形態に関係してもよいが、必ずしもそうとは限らない。
【００３０】
さらに、記載する本発明の特徴、利点および特性は、一つ以上の実施形態において、任意の好適な方式で組み合わせてもよい。当業者は、ある特定の実施形態の特定の特徴または利点のうちの一つまたは複数がなくとも、本発明を実施し得ることを認識するであろう。他の例では、本発明の全実施形態には存在しなくともよい、追加の特徴および利点が、ある実施形態で認識される場合がある。
【００３１】
本明細書を通して「一実施形態」、「実施形態」または類似の表現への言及は、実施形態に関して記載する、ある特定の特徴、構造または特性が、本発明の少なくとも一つの実施形態に含まれることを意味する。それゆえ、本明細書を通して、語句「一実施形態では」、「実施形態では」および類似の表現の出現は、すべて同一の実施形態に関係してもよいが、必ずしもそうとは限らない。ここに記載する実施形態は、図面を参照することによって、より良く理解され、類似部分は、図面を通して類似の参照符号によって示す。
【００３２】
本実施形態は、アルカリ金属硫化物および多硫化物を含有し、何らかの形態で重金属も含有してもよいフィードストリームから、アルカリ金属および元素状硫黄を分離し取り出す方法およびシステムに関する。本発明の実施形態は、単一の電解セルまたは組み合わせられた複数の電解セルを含んでもよい。ある特定の実施形態では、三つの個別の電解セルのうちの一つ以上を、様々な組み合わせで使用する。
【００３３】
非限定的な明確化のみの手段として、以下の議論において、および本明細書を通して、そのような三つのうちの最初の電解セルの考察は、他の二つの異なるが類似する電解セルと区別するのに役立つように、「第１」電解セルと称する。「第１」電解セルの構成要素は、ある特定の組み合わせで使用される他の電解セルの構成要素と、第１電解セルの構成要素を区別するのに役立つように、表示「第１」を含む。同様に、「第２」の表示は、二つのセルが組み合わせて使用されるときに、第２電解セルおよびその様々な構成要素と共に使用され、両方のセルで使用される類似の構成要素を特定し区別してもよい。加えて、三つの電解セルの実施形態を記載するため、第３電解セルおよびその様々な構成要素は、「第３」の表示を伴って称されてもよい。したがって、ある特定の電解セルと共に使用される表示「第１」は、システムのある特定の実施形態に、一つより多い電解セルがあることを意味すると解釈するべきではない。実際に、本発明のシステムは、一部の実施形態では、電解セルを一つのみ含んでもよい。「第１」の表示は、電解セルのある特定の構成要素と共に使用されるとき、第１電解セルの中に存在してもよいが、任意のそのような構成要素のうち、一つより多い数が必ず存在しなくてはならないことを意味すると解釈すべきではない。同様に、本明細書における実施形態の記載のうちのいずれにおける、表示「第２」の使用は、存在してもよいが、実施形態に二つの電解セルが存在しなくてはならないことを意味すると解釈すべきではなく、または単一の電解セル内に、存在してもよいが、任意のそのような構成要素のうちの二つが存在しなくてはならないことを意味すると解釈すべきではない。ある特定の電解セルと共に使用される表示「第３」は、ある特定の数の電解セル、または任意の一つの電解セルに対するある特定の数の構成要素が、不可欠であることを意味すると、読者によって解釈されるべきではない。表示は単に、どの構成要素がどの特定の電解セルと関連付けられる場合があるのかを、読み取りが特定するのを助けるラベルである。一部の例では、表示「第１」、「第２」または「第３」が使用されない場合があるが、様々な電解セルの様々な構成要素は、議論の文脈から識別可能であってもよい。
【００３４】
ここで図１を参照すると、非水性フィードストリームから金属および元素状硫黄を回収するためのシステムが示されている。一実施形態では、システムは第１電解セル１００である。第１電解セル１００は、第１陽極液室１１０および第１陰極液室１１２を含む。第１陽極１１４は、第１陽極液室１１０と共に位置付けられる。一実施形態では、第１陽極１１４は、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、鉄合金、ニッケル合金、黒鉛および当該技術分野で知られる他の陽極材料など、伝導性材料から製作されてもよい。第１陽極１１４は、白金コーティングチタンなどの電気活性材料、または酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化タンタルおよび類似のものなどの電気活性酸化物、およびそれらの組み合わせ、ならびに当該技術分野で知られる他の酸化物でコーティングされていてもよい。第１陽極１１４は、電解液の中に電位勾配下で正電荷を持つときは酸化しないことがわかっている電子伝導性材料であってもよい。第１陽極１１４は、メッシュの一体構造であってもよいし、陽極液が陽極構造を通過することを可能にする特徴を伴うモノリスであってもよい。第１陽極液室１１０は、第１陽極１１４と陽極液１１６との間で化学的または電気化学的相互作用が可能となるように第１陽極１１４と連通する陽極液１１６を収容する。第１陽極液室１１０は、一つ以上の注入口１１８および排出口１２０を含んでもよい。一実施形態では、第１陽極１１４は、第１陽極液室１１０内に、取り外し可能なように位置付けられる。この構成によって、以下でさらに詳細に論じる通り、第１陽極液室１１０から元素状硫黄を採取するのを促進してもよい。したがって、第１陽極液室１１０および／または第１電解セル１００は、そのような第１陽極１１４を取り出すのを可能にするように構成されている。一実施形態では、第１陽極液室および第１陰極液室（１１０、１１２）のうちの一つまたは両方が、本明細書に記載する装置または方法を使用して、室（１１０、１１２）の中に生成される場合がある、いかなる気体をも出すベント（図示せず）を含んでもよい。これは、例えば、アルカリ金属水硫化物が、陽極液の中にある場合に望まれてもよく、硫化水素が、陽極液１１６または陰極液１２２の中に溶解したままではなく、電気化学プロセスによって放出される。
【００３５】
陽極液１１６は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを含む。一実施形態では、アルカリ金属硫化物は、硫化ナトリウムを含んでもよい。アルカリ金属硫化物はまた、硫化リチウムを含んでもよい。同様に、一実施形態では、アルカリ金属多硫化物は、多硫化ナトリウムを含んでもよい。アルカリ金属多硫化物はまた、多硫化リチウムを含んでもよい。一実施形態では、陽極液１１６は、炭化水素源の中でナトリウムが硫黄と反応する、脱硫プロセスの結果から生じる非水性の流れであるフィードストリームである。したがって、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０の中へ送り込まれた結果生じる流れは、アルカリ金属硫化物および多硫化物を有するであろう。結果生じる流れはまた、金属化合物、または溶解もしくは解離した金属イオンを含む、様々な形態であってもよい、少なくとも一つの重金属も有するであろう。本明細書における「金属」への言及は、いかなる形態で現れてもよい金属を含む。アルカリ金属の非限定的な例には、ナトリウムおよびリチウムを含んでもよい。重金属の非限定的な例には、バナジウム、ニッケル、鉄、銅、鉛、ケイ素および上で言及したものを含んでもよい。
【００３６】
一実施形態では、陽極液１１６は極性有機溶媒を含む。極性有機溶媒は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する。極性有機溶媒はまた、元素状硫黄も溶解する。「溶解する」、「溶解される」および「溶解している」を含むがこれらに限定されない、いかなる形態の用語「溶解する」は、一部溶解することを含むように意図されている。極性有機溶媒は、Ｎ，Ｎ‐ジメチルアニリン、キノリン、テトラヒドロフラン、２‐メチルテトラヒドロフラン、ベンゼン、シクロヘキサン、フルオロベンゼン、トリフルオロベンゼン、トルエン、キシレン、テトラグリム、ジグリム、イソプロパノール、エチルプロピオナール、炭酸ジメチル、ジメトキシ工ーテル（dimethoxy ether）、エタノールおよび酢酸エチル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジエチル、１，３‐ジメチル‐３，４，５，６‐テトラヒドロ‐２‐ピリミジノン、メチルフォミド（Methylformide）、および１，３‐ジメチル‐２‐イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、ならびに類似のもののうちの一つ以上を含んでもよい。
【００３７】
一実施形態では、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物は、陽極液１１６の中で溶解し、より高濃度のアルカリ金属硫化物および多硫化物のイオンを作り出す。イオン濃度がより高いとき、第１電解セル１００はより効率的に機能する。一実施形態では、陽極液は元素状硫黄を含む。溶媒に溶解する元素状硫黄を追加すると、アルカリ金属硫化物および多硫化物の溶解性が増大して、さらに陽極液１１６の中でアルカリ金属硫化物および多硫化物を溶解するのを促進する。溶解したアルカリ金属硫化物および多硫化物によって導入される追加のアルカリ金属カチオンもまた、カチオンの大量移動状況を増大することによって、セルの性能に役立つことは、当業者に理解されるであろう。
【００３８】
第１陰極１２２は、第１陰極液室１１２内に位置付けられる。一実施形態では、第１陰極１２２は、黒鉛、鉄、鋼、ステンレス鋼または他の電子伝導性材料から成ってもよい。第１陰極液室１１２は、第１陰極１２２と陰極液１２４との間で化学的または電気化学的相互作用が可能となるように第１陰極１２２と連通する陰極液１２４を収容する。第１陰極液室は、注入口（図示せず）および排出口１２６を含む。一実施形態では、第１陰極１２２は、第１陰極液室１１２内に、取り外し可能なように位置付けられ、以下にさらに詳細に論じる通り、その表面に析出する（表面をめっきする）金属の採取を促進する。したがって、第１陰極液室１１２および／または第１電解セル１００は、そのような第１陰極１２２を取り出すのを可能にするように構成されている。
【００３９】
陰極液１２４はアルカリイオン伝導性液体を含む。一実施形態では、イオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する陰極液溶媒を含む。陰極液１２４が溶融アルカリ金属を含む場合、アルカリ金属は、陽極液のアルカリ金属硫化物または多硫化物の中のアルカリ金属のはずである。一実施形態では、イオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する陰極液溶媒、および第１陰極１２２にて形成する場合がある、溶融アルカリ金属の液滴の両方を含む。陰極液溶媒は、テトラグリム、ジグリム、炭酸ジメチル、ジメトキシ工ーテル（dimethoxy ether）、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジエチルおよび類似のもののうちの一つ以上を含んでもよい。一実施形態では、陰極液は、アルカリ金属のヨウ化塩もしくは塩化物、過塩素酸塩、またはフルオロホウ酸塩など、アルカリ金属塩を含む。陰極液溶媒および溶融アルカリ金属の溶液によって、必要な酸化還元反応がセル１００の中で発生するのを可能にする、陰極液１２４のイオン伝導率が促進される。
【００４０】
第１陽極液室および第１陰極液室（１１０、１１２）にアクセスするのを可能にするであろう、様々なセル構成があることは、当業者に理解されるであろう。例えば、一実施形態では、陽極液１１６または陰極液１２４のそれぞれの構成要素を、室の外側で混合するのを可能にするのではなく、それらの相互作用または反応を、第１陽極液室または第１陰極液室（１１０、１１２）に限局することを含め、様々な理由から、それぞれの室（１１０、１１２）への複数の注入口を有することが有利である場合がある。同様に、複数の排出口を有することが望ましい場合もある。加えて、必要に応じて、注入口および排出口の機能は、一つの開口部が、注入口および排出口の両方となるように、組み合わせられてもよい。例えば、図１の１２６を参照のこと。それゆえ、第１陽極液室１１０および第１陰極液室１１２が、複数の注入口および排出口を有することは、本発明の範囲内である。また、第１陽極液室１１０の注入口および排出口が、同一の開口部であり、第１陰極液室１１２の注入口および排出口が、同一の開口部であることも、本発明の範囲内である。
【００４１】
一実施形態では、第１セパレータ１２８は、第１陽極液室１１０と第１陰極液室１１２との間に位置付けられる。第１セパレータ１２８は、以下で論じる、ある電気化学的条件下において、イオンが第１陽極液室１１０から第１陰極液室１１２の中へ進み得るように、陽極液１１６および陰極液１２４と連通する。第１セパレータ１２８は、アルカリ金属カチオン、または陽極液の中にあってもよい他の重金属カチオンなど、金属カチオンＭ＋を含むカチオンを非選択的に移動させるように構成されている。本明細書に使用する通り、「Ｍ＋」は、金属カチオンを示し、様々なタイプの金属のカチオン、および一つまたは複数のうちの１個の正電荷を伴う金属または他のイオンを含む。それゆえ、本明細書に使用する通り、表示「Ｍ＋」は、高酸化状態の金属カチオンを含み、それ以外は、例えば、Ｍ’＋＋またはＭ’’＋＋＋と示され得る。一実施形態では、アルカリ金属カチオンはナトリウムまたはリチウムカチオンである。
【００４２】
第１セパレータ１２８は、カチオン交換膜および微多孔膜１３０のうちの少なくとも一つであってもよい。他の実施形態では、第１セパレータ１２８は多孔性で、微孔構造よりも大きな多孔度を有してもよい。一実施形態では、第１セパレータ１２８は、カチオンに対して透過性があり、アニオン、溶媒および溶解した元素状硫黄に対して実質的に不浸透性であってもよい。一実施形態のアルカリ金属は、ナトリウムまたはリチウムのいずれかである。一実施形態では、カチオン交換膜によってより高い電流効率が提供される。カチオン交換膜はまた、第１陽極液室１１０の中の硫化物イオンが、第１セパレータ１２８を通って第１陰極液室１１２の中へ移動するのを、妨害する働きもする。
【００４３】
第１セパレータ１２８は、ポリプロピレンなど、多孔性ポリマーフィルムから成ってもよい。他の実施形態では、第１セパレータ１２８は、陽極液および陰極液の対流または混合を実質的に妨げる、当該技術分野で知られる、マイクロファイバーまたは他のセパレータ材料のマットであり得る。一実施形態では、第１セパレータ１２８は、微多孔有機ポリマー網である。別の実施形態では、第１セパレータ１２８は、ポリプロピレンなどの微多孔ポリマーフィルムである。微多孔ポリマーフィルムの例には、製品名Celgard（登録商標）2400の下販売されているフィルムを含む。Celgardは、Celgard, LLCの登録商標である。第１セパレータ１２８はまた、スルホン化テトラフルオロエチレンを基とするフッ素ポリマー／コポリマーなど、カチオン交換材料から成ってもよい。そのような材料は、E. I. Du Pont De Nemours and Company Corporationの登録商標である、商標Nafion（登録商標）の下で販売されている場合がある。第１セパレータ１２８は、構造内にあり負電荷を持つ固定構成要素、および交換可能で可動性の非固定カチオンを含む、カチオン交換膜であってもよい。そのようなカチオン交換膜材料には、Neoseptaによって製造されたものを含んでもよい。カチオン交換膜は、負電荷を持つアニオンが、陽極液から陰極液へ遊走するのを制限する働きをする。
【００４４】
第１セパレータ１２８は、カチオン交換膜、多孔性材料、および微多孔性またはさらにナノ多孔性材料の組み合わせを備えてもよい。一実施形態では、第１セパレータ１２８は、多孔質基材１３２に付着するカチオン１３０を、非選択的に移動させるように構成されている材料、または非選択的にカチオンを移動させる他の材料を備える。例えば、一実施形態では、カチオン交換膜は、基材に加えられるフィルム、または他の第１セパレータ１２８の材料の形態であってもよい。これらの材料１３０は、積層、スプレー塗装、蒸着塗装、緑色の状態にある多孔質基材への材料の付着または塗布、および対の共燃焼、ならびに類似のものを含むがこれらに限定されない、いくつもの既知の手段で、多孔質基材１３２または他のセパレータ材料１３０に付着させてもよいことは、当業者に理解されるであろう。多孔質基材１３２は、材料１３０と第１陰極１２２との間に位置付けられてもよい。この構成では、多孔質基材は、陰極液／陰極と材料との間の緩衝またはスペーサーであり、例えば、カチオン交換膜であってもよい。
【００４５】
以下でより詳細に論じる通り、電圧がセルに印加されると、第１セパレータ１２８を通る金属カチオンＭ＋は、陰極液の中で還元される。陰極から、または突出する樹状突起を含む、既に陰極の表面に析出した任意の金属から電子を受け取ると即座に還元されるものがあってもよい。多孔質基材１３２の追加が、例えば、カチオン交換膜１３０との緩衝またはスペーサーとして働き、第１陰極液室１１２は、還元が多孔質基材で発生し、カチオン交換膜上では即座には発生しない確率を向上させる。金属がカチオン交換膜上で還元されるとき、セル１００の性能は、最終的に低減してもよい。多孔質基材によって、このプロセスは減速する。加えて、第１陰極１２２が、カチオン交換膜１３０に近接して位置付けられる場合、樹状突起形成が第１陰極１２２に発生する場合があり、カチオン交換膜１３０の中へ進出し、セル１００の性能に悪影響を及ぼし得る。多孔質基材１３２は、第１陰極１２２の樹状突起形成に対して、カチオン交換膜１３０を保護する。
【００４６】
第１電解セル１００はまた、第１陽極１１４および第１陰極１２２と電気的に連通する、第１電源１３４を含む。第１電源１３４は、少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な電圧を第１電解セル１００のセルに印加するように構成されている。一実施形態では、第１電源１３４により第１電解セル１００に印加される電圧は、第１電解セルの中の少なくとも一つのアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するのに十分である。一実施形態では、第１電源１３４は、第１電解セル１００で少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分な電圧を第１電解セル１００に印加するように構成されている。一実施形態では、これは、一硫化物イオンを多硫化物イオンへと高めることを意味してもよい。また、より高次の多硫化物を作り出すことを意味してもよい。例えば、電圧によって、一硫化物Ｓ２−を多硫化物Ｓ２２−に、または多硫化物Ｓ４２−をＳ６２−もしくはＳ８２−などのより高次の多硫化物にしてもよい。一実施形態では、電圧によって、より高次の多硫化物を元素状硫黄にしてもよい。
【００４７】
一実施形態では、第１電源１３４は、第１電解セル１００の開路電位よりも大きい電圧を第１電解セル１００に印加するように構成されている。ある条件下で、第１電解セル１００における構成要素の濃度に関連して、アルカリ金属イオンが電子を獲得すると、アルカリ金属へと還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。一実施形態では、これが第１陰極液室１１２で発生するであろう。
【００４８】
一実施形態では、アルカリ金属硫化物または多硫化物のアルカリ金属が、ナトリウムである場合、第１陽極液室１１０の中のナトリウム対硫黄の比率は、第１電解セル１００の開路電位が２．３Ｖよりも大きくなるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。これらの条件下で、第１陽極液室１１０からセパレータ１２８を通って第１陰極液室１１２へ進むナトリウム金属イオンは、陰極液室１１２でナトリウム金属へと還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。この電圧を伴うこれらの条件下で、第１陽極液室１１０の硫化物イオンが酸化されて元素状硫黄を形成してもよいことは、当業者に理解されるであろう。
【００４９】
一実施形態では、アルカリ金属硫化物または多硫化物のアルカリ金属が、リチウムである場合、第１陽極液室１１０の中のリチウム対硫黄の比率は、第１電解セル１００の開路電位が２．６３Ｖよりも大きくなるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。これらの条件下で、第１陽極液室１１０からセパレータ１２８を通って第１陰極液室１１２へ進むリチウム金属イオンが、陰極液室１１２でリチウム金属へと還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。さらに、この電圧を伴うこれらの条件下で、第１陽極液室１１０の硫化物イオンが酸化されて元素状硫黄を形成してもよいことは、当業者に理解されるであろう。
【００５０】
元素状硫黄、重金属およびアルカリ金属の形成は、第１電解セル１００の中のある特定のイオン濃度レベルを含む、様々な要因から影響を受けることは、当業者に理解されるであろう。したがって、本発明の第１電解セル１００は、第１陽極液室１１０および第１陰極液室１１２に、センサ、コントローラ、モニタ、調節器、流量計、アクセスポートおよび警報機構（図示せず）と、アルカリ金属、元素状硫黄、重金属、溶媒、オープンセル電圧、イオン酸化状態および類似のものなどの構成要素の濃度および比率を、監視し測定し維持することを可能にする、他の特徴部とを伴い構成されてもよい。本発明の第１電解セル１００はまた、第１電源１３４により第１電解セル１００に印加される所定の電圧を監視し測定し維持するように、モニタおよびコントローラを伴い構成されてもよい。
【００５１】
一実施形態では、第１電源１３４は調整可能である。第１電源１３４は、第１電解セル１００の作業効率を最大化、または重金属、アルカリ金属もしくは元素状硫黄のうちのいずれか一つの収率を最大化するように、セル１００のセンサ、コントローラ、調節器、流量計および類似のものから受信する入力に従って、自動で調整可能であってもよい。別の実施形態では、第１電解セル１００は、ある条件が第１電解セル１００に存在するとき、ユーザに警報を出すように構成されてもよい。これによって、ユーザが、電源１３４の排出口を手動で調整することが可能になってもよい。センサ、コントローラ、調節器、流量計（図示せず）、および第１電解セル１００のユーザ（図示せず）に警報を出す手段はまた、温度、流量、濃度、ｐＨおよび類似のものなど、第１電解セル１００の他のパラメータを自動で調整するように、またはユーザが手動で調整するように使用されてもよい。
【００５２】
一実施形態では、第１電源１３４は、５Ｖよりも小さい電圧を第１電解セル１００に印加するように構成されている。類似の条件下で、アルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するのに十分な電圧はまた、「重金属」を上で定義した通り、重金属イオンを重金属に還元するのにも十分であることは、当業者に理解されるであろう。それゆえ、これら金属の陽イオンは、第１陰極１２２へ誘引され、第１セパレータ１２８を通ると、同様に第１陰極液室１１２の中で還元するであろう。
【００５３】
一実施形態では、還元された重金属は第１陰極１２２上に析出し、アルカリ金属イオンはアルカリ金属へと還元されるが、温度がアルカリ金属の融解温度を上回る場合は、液滴として陰極液の中に残存する。この構成で、重金属は、セル１００から第１陰極１２２を取り出して金属を削り取ることを含む、当該技術分野で知られるいくつもの手段で採取され得る。一実施形態では、第１陰極１２２は、採取を可能にするように、継続的または断続的に回転して陰極液１２４から出され、その後、さらに析出させる（めっきする）ために、陰極液１２４の中へ回転して戻る、回転ベルトであってもよい。
【００５４】
また、この構成によって、アルカリ金属をより容易に採取できる。これは、第１陰極１２２を取り出して第１陰極１２２の表面を削り取り、加熱し、化学的もしくは電気化学的プロセスを使用すること、またはそうではなく、第１陰極１２２上に析出したアルカリ金属を分離するもしくは取り除くことを含むがこれらに限定されない、当該技術分野で知られる方法によって達成されてもよい。アルカリ金属は還元したが、陰極液の中に残存した一実施形態では、アルカリ金属は、第１陰極液室１１２の中に形成された、アルカリ金属に富む層を吸い上げることによって、システムから採取されまたは取り出されてもよい。第１陰極液室１１２の中のアルカリ金属および周囲の陰極液１２４の相対的な比重によって、アルカリ金属は、第１陰極液室１１２の上部または底部近くに、取り出し可能な層を形成してもよい。陰極液の特性によって、アルカリ金属を採取または分離する、他の手段を使用してもよい。例えば、陰極液１２４がアルカリイオンを含有する溶媒で、還元されたアルカリ金属が溶融アルカリ金属の液滴の形態のある実施形態では、還元されたアルカリ金属は、アルカリ金属の液滴と共に陰極液１２４を流し、第１電解セル１００の外側の容器に分離することによって、第１陰極液室１１２から取り出されてもよい。他の実施形態では、陰極液１２４はフィルタを通って、より容易に取り出すために、アルカリ金属の液滴と合体してもよい。
【００５５】
硫化物イオンが一旦元素状硫黄に酸化されると、元素状硫黄もまた、当該技術分野で知られるいくつもの手段で、陽極液から分離され得る。非限定的な一例では、冷却ループなどの冷却装置（図示せず）が使用されてもよい。冷却材は、第１陽極液室１１０内に位置付けられる導管（図示せず）を通って、第１陽極液室１１０に入ってもよい。冷却されると、元素状硫黄の溶解性は、周囲の陽極液１１６よりも大きい比重で低減し、第１陽極液室１１０の底部に積もり、第１陽極液室１１０から排出口（図示せず）を通って流れてもよい。あるいは、冷却ループは、陽極液を元素状硫黄の凝固点以下に冷却してもよく、第１陽極液室１１０の底部に積もる元素状硫黄結晶が形成されてもよく、そこから、一つ以上の排出口１２０と組み合わせる、導管、ポンプ、バルブおよび／またはフィルタ（図示せず）の構成を通って、離れたところに運ばれてもよい。あるいは、元素状硫黄は、濾過または遠心分離などの他の手段によって、陽極液１１６から分離されてもよい。一実施形態では、元素状硫黄は、第１陽極液室１１０内で飽和に到達することが可能になり、第１電解セル１００から排出またはそうではなく取り出され得る第２液相（図示せず）の形成をもたらしてもよい。
【００５６】
一実施形態では、第１電解セル１００は、第１陽極液室および第１陰極液室（１１０、１１２）のうちの少なくとも一つと動作可能に連通する、ヒーター１３６を含む。一実施形態では、ヒーター１３６は、第１陽極液室１１０および陰極液室１１２のうちの少なくとも一つを加熱し、システムが、アルカリ金属の融点を下回る温度で動作することが可能になる。この構成では、アルカリ金属は、他の金属と共に陰極１２２上に析出する。アルカリ金属、および重金属などの他の金属は、その後、混合物を加熱し、アルカリ金属が他の固体から分離され得る液相を形成することが可能になることによって、両金属が、陰極１２２から削り取られたまたは取り出された後、互いから分離されてもよい。
【００５７】
ヒーター１３６は、陽極液および陰極液の溶媒の中の構成要素の溶解性を増大させてもよい。例えば、陽極液室１１０を加熱することによって、元素状硫黄が存在する中で、アルカリ金属硫化物または多硫化物の溶解を促進してもよい。極性溶媒によって、高温で硫黄の溶解性を増大しておいてもよいことは、当業者に理解されるであろう。
【００５８】
それゆえ、ヒーター１３６によってイオン伝導率が向上し、そしてセル１００の性能も向上する。一実施形態では、ヒーター１３６によって、第１陽極液室１１０および第１陰極液室１１２のうちの少なくとも一つが、１００℃から１６０°までの温度で動作することが可能になる。別の実施形態では、温度は１２０℃から１５０°までであってもよい。したがって、本発明の範囲内における一実施形態では、アルカリ金属硫化物または多硫化物を電解する、第１電解セル１００が構成され、第１電解セル１００は、アルカリ金属の融解温度を下回る温度で動作する。別の実施形態では、アルカリ金属多硫化物を電解する、第１電解セル１００が提供されてもよく、第１電解セル１００は、アルカリ金属の融解温度を上回る温度で動作し、第１陰極１２２は、溶融アルカリ金属の中にある程度浸漬する。この場合、陰極液１２４は、本質的に溶融金属を含むが、溶媒およびアルカリ金属塩もまた含んでもよい。他の実施形態では、ヒーター１３６は、電解セル１００の特定の室用のヒーターではなく、概して第１電解セル１００全体用のヒーターである。
【００５９】
一実施形態では、第１電解セル１００は、陽極液１１６が注入口１１８を通って第１陽極液室１１０の中へ送り込まれ、陰極液１２４が注入口１２６を通って第１陰極液室１１２の中へ送り込まれる、バッチモードで動かされ得る。元素状硫黄は、注入口１１８を通って、または別の注入口（図示せず）を通って第１陽極液室の中へ送り込まれてもよい。元素状硫黄は、陽極液溶媒の中で溶解し、溶媒と結合した元素状硫黄によって、第１陽極液室１１０の中で溶解アルカリ金属硫化物および多硫化物を促進し、硫化物イオンと共にアルカリ金属およびｄ金属のカチオンＭ＋を作り出す。陽極液の中のアルカリ金属カチオンおよび重金属カチオンを、第１セパレータを通して遊走させて、第１陰極１２２で析出するのに、または第１陰極液室の溶媒の中に溶解した金属として積もらせるのに十分な、電力供給部１３４からの電圧を、第１陽極１１４および第１陰極１２２に印加する。その後、アルカリ金属および重金属を採取または除去する（取り出す）。
【００６０】
第１電解セル１００はまた、継続または半継続モードで動かされてもよい。この実施形態では、第１陽極液室１１０は、継続してまたは半ば継続して、陽極液が第１陽極液室１１０を通って流れるのが可能になるように、構成されてもよい。陽極液１１６は、継続的にまたは断続的に、第１陽極液室１１０を通って、注入口１１８と排出口１２０との間を流れてもよい。この実施形態では、第１陽極液室１１０の排出口１２０は、第１陽極液室１１０の注入口１１８に流動的に接続してもよい。同一セルを通って陽極液を再循環することによって、流速を増大させてもよい。流速の増大が、第１セパレータ１２８で境界層を減弱し、イオン輸送を増大することで、第１電解セル１００の中の物質移動を向上してもよいことは、当業者に理解されるであろう。
【００６１】
一実施形態では、セルは乱流プロモータ１３８を含んでもよい。乱流プロモータ１３８は、乱流を作り出す、当該技術分野で知られるいずれのものであってもよい。乱流プロモータ１３８は、一部流路を遮ること、または流れ方向を変えることによって、乱流を作り出してもよい。一実施形態では、第１陽極１１４は、窪みおよび突起など、第１陽極１１４の表面上にある特徴部によって、乱流プロモータ１３８として機能を果たす。別の実施形態では、第１陽極１１４は、陽極構造を通る陽極液の通過を中断させる特徴部を伴う、メッシュ構造または一体構造であってもよい。乱流プロモータ１３８が、陽極液の境界層を減弱し、イオン輸送を増大することで、第１電解セル１００の中の物質移動を向上してもよいことは、当業者に理解されるであろう。
【００６２】
複数の注入口および排出口が、様々な構成で第１陽極液室１１０または第１陰極液室１１２の中で使用され、システム、または入口もしくは出口を通って、第１陽極液室または第１陰極液室（１１０、１１２）の中へ、様々な流体の流れを促進してもよいことは、当業者に理解されるであろう。様々な構成の複数の注入口および排出口は、本発明の範囲内である。加えて、一部の実施形態では、当該技術分野で知られる同種のポンプ、バルブ、コントローラおよび／またはフィルタ（図示せず）が、システムを通る流体の流れを促進するように使用されてもよい。
【００６３】
ここで図２を参照すると、第２電解セル２００が示されている。第２電解セル２００は、第２陽極液室２１０および第２陰極液室２１２を含む。第２陽極２１４は、第２陽極液室２１０内に位置付けられる。第２陽極２１４は、ステンレス鋼、ニッケル、鉄、鉄合金、ニッケル合金、黒鉛および当該技術分野で知られる他の陽極材料など、伝導性材料から製作されてもよい。第２陽極２１４は、白金コーティングチタンなどの電気活性材料、または酸化ルテニウム、酸化イリジウム、酸化タンタルおよび類似のものなどの電気活性酸化物、およびそれらの組み合わせ、ならびに当該技術分野で知られる他の酸化物でコーティングされていてもよい。一実施形態では、第２陽極２１４は、電解液の中に電位勾配下で正電荷を持つときは酸化しないことがわかっている電子伝導性材料であってもよい。第２陽極２１４は、メッシュの一体構造であってもよいし、陽極液が陽極構造を通過することを可能にする特徴を伴うモノリスであってもよい。
【００６４】
第２陽極液室２１０は、第２陽極液室２１０内で第２陽極２１４と陽極液２１６との間で化学的または電気化学的相互作用が可能となるように第２陽極２１４と連通する陽極液２１６を収容する。第２陽極液室２１０は、一つ以上の注入口２１８、２１９および排出口２２０を含んでもよい。一実施形態では、第２陽極２１４は、第２陽極液室２１０内に、取り外し可能なように位置付けられる。この構成によって、上記で詳細に論じた通り、第２陽極液室２１０から元素状硫黄を採取するのを促進してもよい。第２電解セル２００は、第２陽極液室および第２陰極液室（２１０、２１２）の中に生成される場合がある、いかなる気体をも出す一つ以上のベント（図示せず）を含んでもよい。
【００６５】
第２陽極液室２１０の陽極液２１６は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを含んでもよい。陽極液２１６は極性有機溶媒を含む。一実施形態では、第２陽極液室２１０の陽極液２１６は、元素状硫黄を含む。極性有機溶媒は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する。極性有機溶媒はまた、元素状硫黄も溶解する。極性有機溶媒は、Ｎ，Ｎ‐ジメチルアニリン、キノリン、テトラヒドロフラン、２‐メチルテトラヒドロフラン、ベンゼン、シクロヘキサン、フルオロベンゼン、トリフルオロベンゼン、トルエン、キシレン、テトラグリム、ジグリム、イソプロパノール、エチルプロピオナール、炭酸ジメチル、ジメトキシ工ーテル（dimethoxy ether）、エタノールおよび酢酸エチル、炭酸プロピレン、炭酸エチレン、炭酸ジエチル、１，３‐ジメチル‐３，４，５，６‐テトラヒドロ‐２‐ピリミジノン、メチルフォミド（Methylformide）、および１，３‐ジメチル‐２‐イミダゾリジノン（ＤＭＩ）、ならびに類似のもののうちの一つ以上を含んでもよい。したがって、第２陽極液室２１０の陽極液２１６は、陽極液２１６には重金属がより少なくてもよいし実質的になくてもよいことを除けば、電解セル１００（図１参照）と併せて記載する第１陽極液室１１０の陽極液１１６（図１参照）に類似している。それゆえ、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０の中の陽極液と同様に、陽極液に元素状硫黄を追加することによって、アルカリ金属硫化物、および特にアルカリ金属多硫化物の溶解性が増大する。以下に論じる通り、第２電解セル２００は、いずれは第２陽極液室２１０に進入する陽極液から、重金属の一部またはすべてを取り出す（除去する）こともできた、第１電解セルなどの他の電解セルと併せて、システムで使用されてもよい。
【００６６】
第２陰極２２２は、第２陰極液室２１２内に位置付けられる。一実施形態では、第２陰極２２２は、黒鉛、鉄、鋼、ステンレス鋼または他の電子伝導性材料から成ってもよい。第２陰極液室２１２は、第２陰極液室２１２の中で第２陰極２２２と陰極液２２４との間で化学的または電気化学的相互作用が可能となるように第２陰極２１２と連通する陰極液２２４を収容する。第２陰極液室２１２は、一つ以上の注入口（図示せず）および排出口２２６を含んでもよい。一実施形態では、第２陰極２２２は、取り外し可能なように第２陰極液室２１２内に位置付けられ、その表面に析出する（表面をめっきする）場合がある金属の採取を容易にする。別の実施形態では、第２陰極２２２は、継続的にまたは断続的に第２陰極液室２１２の内外に移動して、第２陰極２２２上に析出した金属を第２陰極２２２から取り出す（除去する）のを可能にする可動バンドである。一実施形態では、その金属は、ナトリウムまたはリチウムなど、アルカリ金属を含んでもよい。別の実施形態では、第２陰極２２２で還元されたアルカリ金属は、陰極液の中に溶解した状態で残存してもよく、当該技術分野で知られる手段を使用して取り出されてもよい。
【００６７】
陰極液２２４は、アルカリイオン伝導性液体または溶融アルカリ金属を含んでもよい。一実施形態では、イオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する一つ以上の陰極液溶媒を含む。陰極液２２４は、第１電解セル１００（図１参照）で使用される陰極液１２４（図１参照）と同一の溶媒および塩を含み、陰極液１２４と実質的に同一であってもよい。
【００６８】
第２セパレータ２２８は、第２陽極液室２１０と第２陰極液室２１２との間に位置付けられる。第２セパレータ２２８は、第２陽極液室２１０の陽極液、ならびに第２陰極液室２１２の陰極液と連通する。一実施形態では、第２セパレータ２２８は、以下に論じるある条件下で、選択アルカリイオンが、第２陽極液室２１０からアルカリイオン選択セパレータ２２８を通って、第２陰極液室２１２へ進むことができるような、アルカリイオン選択セパレータ２２８である。第２セパレータ２２８は、カチオンに対してのみ実質的に透過性があり、アニオン、ポリアニオンおよび溶解硫黄に対しては実質的に不浸透性であってもよい。
【００６９】
一実施形態では、アルカリイオン選択セパレータ２２８は、ナトリウム超イオン伝導体（Sodium Super Ionic Conductor：ＮａＳＩＣＯＮ）である。一実施形態では、第２セパレータ２２８は、Ｎａ１＋ｘＺｒ２ＳｉｘＰ３−ｘＯ１２の組成を有し、式中、０＜ｘ＜３である。他のＮａＳＩＣＯＮ組成が、当該技術分野で知られている。別の実施形態では、アルカリイオン選択セパレータ２２８は、リチウム超イオン伝導体（Lithium Super Ionic Conductor：ＬｉＳＩＣＯＮ）である。別の実施形態では、第２セパレータ２２８は、実質的にＬｉ（１＋ｘ＋４ｙ）ＡｌｘＴｉ（１−ｘ−ｙ）（ＰＯ４）３である組成を伴う、リン酸リチウムチタン（ＬＴＰ）であってもよく、式中、０＜ｘ＜０．４および０＜ｙ＜０．２である。他の好適な材料は、一般組成Ｌｉ１＋ｘＡｌｘＧｅ２−ｘＰＯ４などの、イオン伝導性ガラス族およびガラスセラミック族が原料であってもよい。他のリチウム伝導性材料が、当該技術分野で知られている。アルカリイオン選択セパレータ２２８の選択は、どのアルカリ金属を回収するのが望ましいかによることは、当業者に理解されるであろう。一実施形態では、アルカリイオン選択性第２膜２２８はβ’アルミナを含む。イオン選択性第２膜２２８は、アルカリ金属伝導性ガラスを含んでもよい。
【００７０】
アルカリイオン選択セパレータ２２８は、第２陽極液室２１０および第２陰極液室２１２の液体が、一方の室から他方へは通れないが、ナトリウムイオンまたはリチウムイオンなど、実質的にアルカリイオン（Ｍ＋）のみが、第２陽極液室２１０から第２陰極液室２１２へ進めるような、無視できるほどの通り抜け可能な多孔度を有する、厚さの一部分を有してもよい。第２セパレータ２２８はまた、日本の株式会社オハラによって生産される材料などの、アルカリ金属伝導性ガラスセラミックから一部成ってもよい。
【００７１】
第２電解セル２００はまた、第２陽極２１４および第２陰極２２２と電気的に連通する、第２電源２３４を含む。一実施形態では、第２電源２３４は直流電力供給部２３４である。第２陽極２１４は、直流電力供給部２３４の正端子に接続され、第２陰極２２は、直流電力供給部２３４の負端子に接続される。第２電源２３４は、第２電解セルの開路電位よりも大きい電圧を第２電解セル２００に印加するように構成されている。ある条件下で、システムの中のある特定のイオンの濃度に関連して、この電圧によって、アルカリ金属イオンは、電子を獲得すると、第２陰極液室２１２の中で還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。したがって、本発明の第２電解セル２００は、アルカリ金属、元素状硫黄、重金属、溶媒、酸化状態、オープンセル電圧および類似ものなどの構成要素の濃度および比率を、監視し測定し維持することが可能になるように、第１電解セルと併せて上に記載したような、センサ、コントローラ、モニタ、調節器、流量計、アクセスポートおよび警報機構を伴い構成されてもよい。本発明の第２電解セル２００はまた、第２電源２３４により第２電解セル２００に印加される所定の電圧を監視し測定し維持するように、モニタおよびコントローラを伴い構成されてもよい。
【００７２】
一実施形態では、電源２３４は、第２電解セル２００で少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分な電圧を第２電解セル２００に印加するように構成されている。少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めることは、一硫化物イオンを多硫化物イオンへと高めることを意味してもよい。また、より高次の多硫化物を作り出すことを意味してもよい。例えば、電圧によって、一硫化物Ｓ２−を多硫化物Ｓ２２−に、または多硫化物Ｓ４２−をＳ６２−もしくはＳ８２−などのより高次の多硫化物にしてもよい。一実施形態では、電圧によって、より高次の多硫化物を元素状硫黄にしてもよい。
【００７３】
アルカリ金属硫化物または多硫化物のアルカリ金属がナトリウムである実施形態では、第２陽極液室２１０の中のナトリウム対硫黄の比率は、第２電解セル２００の開路電位が２．３Ｖよりも大きくなるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。これらの条件下で、第２陽極液室２１０から第２セパレータ２２８を通って第２陰極液室２１２へ進むナトリウム金属イオンは、電子を獲得すると、陰極液室２１２でナトリウム金属に還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。この電圧を伴うこれらの条件下で、第２陽極液室２１０の硫化物イオンもまた酸化されて元素状硫黄を形成するであろうことは、当業者に理解されるであろう。
【００７４】
アルカリ金属硫化物または多硫化物のアルカリ金属がリチウムである実施形態では、第２陽極液室２１０の中のリチウム対硫黄の比率は、第２電解セル２００の開路電位が２．６３Ｖよりも大きくなるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。これらの条件下で、第２陽極液室２１０から第２セパレータ２２８を通って第２陰極液室２１２へ進むリチウム金属イオンは、第２陰極液室２１２でリチウム金属に還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。さらに、この電圧を伴うこれらの条件下で、第２陽極液室２１０の硫化物イオンもまた酸化されて元素状硫黄を形成するであろうことは、当業者に理解されるであろう。一実施形態では、第２電解セル２００に印加される電圧は、２．３Ｖおよび５Ｖからの範囲である。
【００７５】
したがって、アルカリイオンをアルカリ金属に還元するのに十分な電圧が、第２電解セル２００に印加されると、正電荷を持つアルカリ金属イオンＭ＋は、第２陰極２２２へ誘引され、アルカリイオン選択第２セパレータ２２８を通って第２陰極液室２１２の中へと進み、還元されてアルカリ金属を形成するであろう。アルカリ金属イオンを還元するのに十分な電圧はまた、第２陽極液室２１０でいかなる重金属をも還元するのに十分であろうことは、当業者に理解されるであろう。しかしながら、第２セパレータ２２８は、アルカリイオンのみに対して選択的であるため、第２陽極液室２１０の中のいずれの重金属イオンも、アルカリイオン選択第２セパレータ２２８を通らず、第２陰極液室２１２で重金属に還元されないであろう。それゆえ、第２電解セル２００は、重金属の干渉が一切なく、または実質的にいかなる重金属の干渉もなく、アルカリ金属を採取するのに、より容易となるように構成される。
【００７６】
アルカリ金属イオンが一旦、第２陰極液室２１２でアルカリ金属に還元されると、還元されたアルカリ金属は、様々な手段でシステムから取り出されてもよい。上記の通り、陰極、この場合は第２陰極２２２が、第２陰極液室２１２から取り出されて、削られ、加熱され、化学的または電気化学的に処理されて、第２陰極２２から析出したアルカリ金属を取り出すかまたはそうではなく分離してもよい。アルカリ金属は還元されたが陰極液の中に残存する一実施形態では、アルカリ金属は、第１陰極液室２１２の中に形成された、アルカリ金属に富む層を吸い上げることによって、システムから採取されるかまたは取り出されてもよい。第１陰極液室２１２の中のアルカリ金属および周囲の陰極液２２４の相対的な比重によって、アルカリ金属は、第１陰極液室２１２の上部または底部近くに、取り出すことができる層を形成し得る。陰極液の特性によってアルカリ金属を採取または分離する他の手段を使用してもよい。例えば、陰極液２２４がアルカリイオンを含有する溶媒で、還元されたアルカリ金属が溶融アルカリ金属の液滴の形態のある実施形態では、還元されたアルカリ金属は、アルカリ金属の液滴と共に陰極液２２４を流し、第２電解セル２００の外側の容器に分離することによって、第１陰極液室２１２から取り出されてもよい。他の実施形態では、陰極液２２４はフィルタを通って、より容易に取り出すために、アルカリ金属の液滴と合体してもよい。
【００７７】
元素状硫黄は、一旦第２陽極液室２１０に形成されると、当該技術分野で知られる手段により取り出されてもよい。非限定的な一例では、冷却ループなどの冷却装置（図示せず）が使用されてもよい。冷却材は、第２陽極液室２１０内に位置付けられる導管（図示せず）を通って、第２陽極液室２１０に入ってもよい。冷却されると、元素状硫黄の溶解性は、周囲の陽極液２１６よりも大きい比重で低減し、第２陽極液室２１０の底部に積もり、第２陽極液室２１０から排出口（図示せず）を通って流れてもよい。あるいは、冷却ループは、陽極液を元素状硫黄の凝固点以下に冷却してもよく、第２陽極液室２１０の底部に積もる元素状硫黄結晶が形成されてもよく、そこから、一つ以上の排出口２２０と組み合わせる、導管、ポンプ、バルブおよび／またはフィルタ（図示せず）の構成を通って、離れたところに運ばれてもよい。元素状硫黄を含有する陽極液２１６は、セルから取り出され、その後冷却されて、硫黄の沈殿をもたらしてもよい。あるいは、元素状硫黄は、濾過または遠心分離などの他の手段によって、陽極液２１６から分離されてもよい。一実施形態では、元素状硫黄は、第２陽極液室２１０で飽和に到達することが可能になり、第２電解セル２００から排出されるかまたはそうではなく取り出され得る、第２液相（図示せず）の形成をもたらしてもよい。
【００７８】
一実施形態では、第２電解セル２００は、第２陽極液室および第２陰極液室（２１０、２１２）のうちの少なくとも一つと動作可能に連通する、ヒーター２３６を含む。一実施形態では、ヒーター２３６は、第２陰極液室２１２を加熱し、システムが、少なくとも一つのアルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物の中の、アルカリ金属の融点を下回る温度で動作することが可能になる。この実施形態では、第２陰極液室２１２の中の溶融アルカリ金属によって、第２陰極２２２でのアルカリ金属の析出を促進する。ヒーター２３６はまた、第２陽極液室２１０を加熱して、元素状硫黄が存在する中で、アルカリ金属硫化物または多硫化物の溶解を促進してもよい。一実施形態では、ヒーター２３６によって、システムおよび／または第２電解セル２００が、１００℃から１６０°までの温度で動作することが可能になる。別の実施形態では、ヒーター２３６によって、システムおよび／または第２電解セル２００が、１２０℃から１５０°までの温度で動作することが可能になる。
【００７９】
第２電解セル２００は、第２陽極液室２１０内の物質移動特性を向上するように、第２陽極液室２３８内に乱流プロモータ２３８を含んでもよい。乱流プロモータにより引き起こされる乱流は、第２セパレータ２２８で境界層を減弱し、イオン輸送を増大することによって、第２電解セル２００の中の物質移動を向上してもよい。第２陽極２１４は、乱流プロモータ２３８として動作してもよく、第２陽極は、図１と併せて記載した、電解セル１００の中の陽極１１４と同一のタイプおよび構成から成ってもよい。本明細書に記載するタイプの乱流プロモータ、または当該技術分野で知られる他の乱流プロモータを、本明細書に記載する電解セルのうちのいずれでも、すなわち、これらのセルの陰極液室の陽極液のいずれでも使用してよいことは、当業者に理解されるであろう。
【００８０】
以下でより詳細に論じる通り、第２陽極液室２１０は、セル２００の性能を向上させるよう、その中に含有される陽極液２１６の一部分を再循環するように構成されてもよい。この実施形態では、第２陽極液室２１０の排出口２２０は、陽極液２１６の一部またはすべてが、１回以上同一の第２陽極液室２１０に出入りするのが可能になるように、第２陽極液室２１０の注入口２１８、２１９と流体連通してもよい。同一室を通って陽極液を再循環することによって、流速を増大させてもよい。流速の増大が、第２セパレータ１２８で境界層を減弱し、イオン輸送を増大することで、第２電解セル２００の中の物質移動を向上してもよいことは、当業者に理解されるであろう。さらに、流速を増大させる、そのような再循環を可能にする注入口および排出口を、本明細書に記載する電解セルのうちのいずれでも、すなわち、これらのセルの陰極液室の陽極液のいずれでも使用してよいことは、当業者に理解されるであろう。
【００８１】
ここで図３を参照すると、フィードストリームから金属および元素状硫黄を取り出す（除去する）ためのシステム２５０の一実施形態が示されており、これは第１電解セル１００および第２電解セル２００を組み合わせて使用している。第１電解セル１００は、上の図１と併せて上に記載した、第１電解セル１００およびその様々な実施形態すべてと同一であってもよいし類似してもよい。第２電解セル２００は、上の図２と併せて上に記載した第２電解セル２００およびその様々な実施形態すべてと同一であってもよいし類似してもよい。システム２５０の一実施形態では、第１電解セル１００は流体連通する第２電解セル２００の中にある。
【００８２】
２セルシステム２５０の一実施形態では、第１電源１３４は、第１電気化学セル１００のオープンセル電位を下回る電圧を第１電解セル１００に印加するように構成されている。別の実施形態では、第１電源１３４は、第１電気化学セルのオープンセル電位を少なくとも０．２V下回る電圧を第１電解セル１００に印加するように構成されている。第１電源１３４はまた、第１電解セル１００の中のアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するには不十分な電圧を第１電解セル１００に印加するように構成されてもよい。一実施形態では、第１電解セル１００に印加される電圧は、約０．７Ｖから約２．０Ｖまでである。したがって、第１電解セル１００に印加される電圧は、重金属イオンを重金属に還元するのに十分だが、アルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するには十分ではない。
【００８３】
上で論じた通り、電圧が第１電解セル１００に印加されると、第１陰極１２２へ誘引される重金属イオンは、第１陽極液１１６から第１セパレータ１２８を通って移動し、第１陰極液１２４の中で電子と結合し、還元されて重金属となる。これが第１陰極１２２で発生してもよく、重金属は第１陰極１２２上に析出（第１陰極１２２表面をめっき）する。その後、重金属は、図１と併せて上で論じた手段によって、システム２５０から取り出され（除去され）得る。
【００８４】
システム２５０の一実施形態では、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０の排出口１２０は、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０の注入口２１８と流体連通する。この構成では、電解セル１００により重金属を除去された元のフィードストリームまたは陽極液は、第２電解セル２００の中へ送り込まれる。実質的に全てではない場合、除去される重金属混入物質の多くと共に、陽極液は、アルカリ金属および元素状硫黄を分離し回収するように、第２電解セルによってさらに処理され得る。アルカリ金属イオンが、第２陽極液室２１６で電子と結合するとき、第２電源２３４が、アルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するのに十分な電圧を第２電解セルに印加するため、第２陽極液室２１０の陽極液溶媒の中に溶解するアルカリイオンは、アルカリイオン選択性の第２膜２２８を通って遊走し、第２陰極液室２１２でアルカリ金属に還元され得る。第２陰極液室２１２の中のアルカリ金属は、上の図１および２の記載と併せて上で論じたものを含む、当該技術分野で知られるいくつもの手段で採取され得る。
【００８５】
図２と併せて上で論じた通り、システム２５０の第２電解セル２００に印加される電圧は、第２陽極液室２１０の中の少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるほど十分に高い。一実施形態では、電圧は、硫化物イオンを酸化して元素状硫黄にするほど十分に高い。元素状硫黄は、図１および２と併せて上で論じた手段で、第２陽極液室２１０の陽極液２１６から分離され、その後、排出口２２０を利用して、第２電解セル２００から取り出され得る。別の実施形態では、元素状硫黄を含有する陽極液は、第２陽極液室２１０から排出口２２０を通って取り出され、電解セル２００の外部に元素状硫黄を取り出す分離プロセスを経ることができる。
【００８６】
一実施形態では、システム２５０は、第１および第２陽極液室（１１０および２１０）、ならびに第１および第２陰極液室（１１２および２１２）のうちの少なくとも一つと動作可能に連通する、ヒーター（図示せず）を備える。一部の実施形態におけるシステムヒーターは、電解セル１００または２００の個々のヒーターの代わりをしてもよい。一実施形態では、システム２５０は、第１陽極液室１１０または第２陽極液室２００の陽極液の、少なくとも一つのアルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のアルカリ金属の融点を下回る温度で、動作するように構成されている。この実施形態では、第１陰極液室１１２または第２陰極液室２１２の陰極液のイオン伝導性液体は、溶融アルカリ金属であってもよい。一実施形態では、溶融アルカリ金属は溶融ナトリウムである。別の実施形態では、溶融アルカリ金属は溶融リチウムである。別の実施形態では、システム２５０は、第１および第２陽極液室（１１０および２１０）、ならびに第１および第２陰極液室（１１２および２１２）のうちの少なくとも一つと、動作可能に連通するヒーターを含み、システム２５０は、１００℃から１６０°までの温度で動作するように構成されている。別の実施形態では、システム２５０は、１２０℃から１５０°までの温度で動作するように構成されている。ヒーターの存在またはヒーターの構成によって、第１および第２陰極液室（１１２および２１２）のイオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する陰極液溶媒、および溶融アルカリ金属の少なくとも一つを含む。
【００８７】
図４を参照すると、システム３５０は、第１電解セル１００および第２電解セル２００の組み合わせの別の実施形態を含む。第１陽極液室１１０の排出口１２０は、二つの電解セル（１００、２００）が互いに流体連通するような、第２陽極液室２１０の注入口２１８と流体連通する。システム２５０（図３）と同様に、システム３５０のこの構成により、上記のプロセスを使用して、第１電解セル１００の陽極液から重金属を除去し、続いて、このときは第２電解セル２００の中にある同一の陽極液から、ナトリウムおよび元素状硫黄を取り出すのが可能になる。本発明のこの実施形態では、第２陽極液室２１０の排出口２２１は、同一の第２陽極液室２１０の注入口２１８と流体連通してもよい。この構成によって、陽極液２１６が、第２陽極液室２１０を通って継続的にまたは断続的に再循環することを可能にする。そのような再循環によって引き起こされる、陽極液とセパレータ２２８との間の相互作用を増大させることで、第２陽極液室２１０内の陽極液の物質移動特性が向上し、電解セル２００の効率が上がるであろうことを、当業者は理解するであろう。さらに、本明細書に記載する陽極液室および陰極液室の実施形態すべてが、この再循環する特徴を含んでもよく、排出口が、同一室の注入口と流体連通することは、当業者に理解されるであろう。
【００８８】
本発明のシステム３５０もまた、第１陽極液室１１０の注入口１１８と流体連通する、第２陽極液室２１０の排出口２２３を含んでもよい。これにより、システム３５０が、継続モードで動くことが可能になるであろう。この構成では、重金属は、第１電解セル１００の中で、元のフィードストリームである場合がある陽極液から取り出され（除去され）てもよい。その後、ナトリウムおよび元素状硫黄が、第２電解セル２００の中で、このときにはより重金属の少ない同一の陽極液から取り出されてもよい。それから、より重金属が少なく、このときにはアルカリ金属および元素状硫黄もより少ない陽極液を、システム３５０を通って循環する陽極液の中にまだ残存する場合がある任意の重金属をさらに取り出す（除去する）ために、第２電解セル２００から移動させて第１電解セル１００の中へ送り返してもよい。重金属、ナトリウム金属、および元素状硫黄の取り出し（除去）を、それぞれの電解セル（１００、２００）のそれぞれの陽極液室（１１０、２１０）から徐々に達成してもよいようなパターンを繰り返してもよい。この実施形態では、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０によって、元のまたは追加のフィードストリーム、元のまたは追加の元素状硫黄、元のまたは追加の溶媒および類似のものを、システム３５０に追加するように、別個のインプット部１１９を含んでもよい。元のまたは追加のフィードストリームを、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０を介して、システムの中へ導入してもよいことは、当業者に理解されるであろう。この実施形態では、第２分析室２１０への追加注入口（図示せず）を、元のまたは追加のフィードストリームだけでなく、元のまたは追加の元素状硫黄、元のまたは追加の溶媒および類似のものを導入するために利用してもよい。
【００８９】
システム２５０および３５０、ならびに実際には陽極液室および陰極液室の全実施形態は、本発明の教示内容を達成するように、様々な構成で複数の注入口および排出口を伴い構成されてもよいことは、当業者に理解されるであろう。非限定的一例において、システム３５０の排出口２２０、２２１および２２３は、バルブによって電子的にまたは手動で制御される同一の排出口であってもよい。加えて、一部の実施形態では、当該技術分野で知られる同種のポンプ（図示せず）および／またはフィルタ（図示せず）が、本明細書を通して記載するシステムおよび室を通る、陰極液または陽極液の流れを促進するように使用されてもよい。さらに、陽極液室および陰極液室、ならびにシステムの全実施形態へのアクセスは、概して、いずれの数の注入口、排出口または当該技術分野で知られるアクセスポイントによって達成されてもよい。
【００９０】
ここで図５を参照すると、第３電解セル３００が示されている。以下により詳細に論じる通り、第３電解セル３００は、第１電解セル１００（図１参照）および第２電解セル２００（図２参照）と併せて、システムで使用されてもよい。第３電解セル３００は、第３陽極液室３１０および第３陰極液室３１２を含む。第３陽極３１４は、第３陽極液室３１０内に位置付けられる。一実施形態では、第３陽極３１４は、様々な実施形態を伴う、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０の第２陽極２１４と実質的に同一である。第３陽極液室３１０は、第３陽極液室３１０内で第３陽極３１４と陽極液３１６との間で化学的または電気化学的相互作用が可能となるように第３陽極３１４と連通する陽極液３１６を収容する。第３陽極液室３１０は、一つ以上の注入口３１８、３１９および排出口３２０を含んでもよい。
【００９１】
第３陰極３２２は、第３陰極液室３１２内に位置付けられる。一実施形態では、第３陰極３２２は、様々な実施形態を伴う、第２電解セル２００の第２陰極液室２１２の第２陰極２１２と実質的に類似してもよい。第３陰極液室３１２は、第３陰極液室３１２の中で第３陰極３２２と陰極液３２４との間で化学的または電気化学的相互作用が可能となるように第３陰極３１２と連通する陰極液３２４を収容する。第３陰極液室３２１は、一つ以上の注入口（図示せず）および排出口３２６を含んでもよい。
【００９２】
第３陽極３１４および第３陰極３２２は、それぞれの第３陽極液室３１０および第３陰極液室３１２内に位置付けられ、図２と併せて記載した、第２陽極２１４および第２陰極２２２と同一または類似するように機能を果たしてもよい。さらに、陽極液３１６および陰極液３２４は、上の図２と併せて記載した、第２電解セル２００のそれぞれの陽極液２１６および陰極液２２４と同一であってもよいし、実質的に類似してもよい。それゆえ、一実施形態では、陽極液３１６は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物、ならびに元素状硫黄を溶解しかつアルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒のうちの少なくとも一つを含んでもよい。以下により詳細に論じる通り、第１電解セル１００および第２電解セル２００と併せて使用されるとき、陽極液３１６は、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０から取り出された陽極液の少なくとも一部分をさらに含んでもよい。
【００９３】
陽極液３１６はまた、第３陽極液３１６の中のいかなるアルカリ金属硫化物または多硫化物の溶解性をも増大するのに役立つように、元素状硫黄を含んでもよい。陰極液３２４は、アルカリ金属イオンを含有する陰極液溶媒、および溶融アルカリ金属の溶液のうちの一つ以上を含んでもよい、アルカリイオン伝導性液体を含んでもよい
【００９４】
第３セパレータ３２８は、第３電解セル３００の第３陽極液室３１０と、第３陰極液室３１２との間に位置付けられてもよい。一実施形態では、第３セパレータ３２８は、様々な実施形態のすべてによって、第２電解セル２００で使用される第２セパレータ２２８（図２参照）と、同じように位置付けられる、同一のセパレータであってもよい。それゆえ、第３セパレータ３２８は、第３陽極液３１６および第３陰極液３２４と連通するアルカリイオン選択セパレータであり、図２と併せて上に記載した第２セパレータ２２８と、同一または類似の機能を果たしてもよい。
【００９５】
一実施形態では、第３電解セル３００は、上の図２と併せて記載したヒーター２３６およびその様々な実施形態と、同一の種類、ならびに同一の目的および構成のヒーター３３６を含んでもよい。第３陽極液室３１０および第３陰極液室３１２もまた、上の図２と併せて記載した乱流プロモータおよびその様々な実施形態と、同一の種類および目的の乱流プロモータを含んでもよい。第３電解セル３００は、第３陽極液室および陰極液室（３１０、３１２）の中に生成される場合がある、いかなる気体をも出す一つ以上のベント（図示せず）を含んでもよい。第３陽極液室３１０は、第１および第２電解セル１００および２００と接続して、上で論じた通りに元素状硫黄の取り出しを促進する、内部または外部冷却機構（図示せず）を含んでもよい。第３電解セル３００はまた、第３陽極３１４および第３陰極３２２と電気的に連通する、第３電源３３４を含む。
【００９６】
以下でより詳細に論じる通り、第３陽極液室３１０は、セル３００の性能を向上させるように、その中に含有される陽極液３１６の一部分を再循環するように構成されてもよい。この実施形態では、第３陽極液室３１０の排出口３２０は、陽極液３１６の一部またはすべてが、１回以上同一の第２陽極液室３１０に出入りするのが可能になるように、第３陽極液室３１０の注入口３１８、３１９と流体連通してもよい。
【００９７】
したがって、一実施形態では、第３電解セル３００は、第３電解セル３００の第３電源３３４が、第２電解セル２００の第２電源２３４とは異なって動作してもよいことを除けば、上の図２と併せて記載した第２電解セル２００およびその様々な実施形態と同一であってもよいし、類似してもよい。
【００９８】
第３電源３３４は、第３陽極液室３１６において硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分な電圧を第３電解セル３００に印加するように構成されている。
【００９９】
元素状硫黄およびアルカリ金属の形成は、電解セル３００の中のある特定のイオン濃度レベルを含む、様々な要因から影響を受けることは、当業者に理解されるであろう。したがって、本発明の第３電解セル３００は、第３陽極液室３１０および第３陰極液室３１２に、センサ、モニタ、コントローラ、調節器、流量計、アクセスポート、警報機構および類似のもの（図示せず）と、アルカリ金属、元素状硫黄、重金属、溶媒、オープンセル電圧、酸化状態および類似のものなどの構成要素の濃度および比率を、監視し測定し維持することを可能にする、他の特徴部とを伴い構成されてもよい。本発明の第３電解セル３００はまた、第３電源３３４により第３電解セル３００に印加される所定の電圧を監視し測定し維持するように、モニタおよびコントローラを伴い構成されてもよい。
【０１００】
一実施形態では、電源３３４は、様々なイオン濃度またはセル条件下で元素状硫黄を作り出すのに十分な電圧を提供することができるよう酸化されるように、硫化物イオンの現酸化状態に従って調整可能である。例えば、硫化物イオンの酸化状態がより低い場合、電源要件は、硫化物イオンを元素状硫黄にまで酸化するために、より大きい必要があってもよいし、より長時間印加される必要があってもよい。硫化物イオンがより高次の多硫化物である場合、電源要件は、硫化物イオンを元素状硫黄にまで酸化するために、長時間印加されるほど大きい必要はなく、または長時間印加する必要もない場合がある。
【０１０１】
一実施形態では、第３電解セル３００は、第３陽極液室３１０の中の硫化物の酸化レベルを判定し、監視し、調節し、制御して、電源３１４を自動的に変更する、または手動で変更するようユーザに警報を出すように構成され、それによって、第３電解セルは、元素状硫黄を形成するのによりエネルギー効率よく動作し得る。
【０１０２】
アルカリ金属硫化物または多硫化物のアルカリ金属がナトリウムである実施形態では、第３陽極液室３１０の中のナトリウム対硫黄の比率は、第３電解セル３００の開路電位が２．３Ｖよりも大きくなるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。これらの条件下で、第３陽極液室３１０から第３セパレータ２２８を通って第３陰極液室３１２へ進むナトリウム金属イオンは、アルカリイオンが電子と結合すると、第３陰極液室３１２でナトリウム金属に還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。この電圧を伴うこれらの条件下で、第３陽極液室３１０の硫化物イオンもまた酸化されて元素状硫黄を形成するであろうことは、当業者に理解されるであろう。
【０１０３】
アルカリ金属硫化物または多硫化物のアルカリ金属がリチウムである実施形態では、第３陽極液室３１０の中のリチウム対硫黄の比率は、第３電解セル３００の開路電位が２．６３Ｖよりも大きくなるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。これらの条件下で、第３陽極液室３１０から第３セパレータ３２８を通って第３陰極液室３１２へ進むリチウム金属イオンが、第３陰極液室３１２でリチウム金属に還元されるであろうことは、当業者に理解されるであろう。さらに、この電圧を伴うこれらの条件下で、第３陽極液室３１０の硫化物イオンもまた酸化されて元素状硫黄を形成するであろうことは、当業者に理解されるであろう。一実施形態では、第３電解セル３００に印加される電圧は、２．３Ｖおよび５Ｖからの範囲である。
【０１０４】
アルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するのに十分高い電圧は、重金属イオンを重金属に還元するのにも十分であろうことは、当業者に理解されるであろう。しかしながら、セパレータ３２８は、アルカリイオンのみに対して選択的であるため、第３陽極液室３１０の中のいずれの重金属イオンも、アルカリイオン選択セパレータ３２８を通らず、第３陰極液室３１２で重金属に還元されないであろう。
【０１０５】
ここで図６を参照すると、三つの電解セルがシステム４５０の中に配設されている。一実施形態では、三つのセルは、第１電解セル１００、第２電解セル２００および第３電解セル３００を含む。電解セル（１００、２００、３００）は互いに流体連通する。システム４５０の一実施形態では、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０の排出口１２０は、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０の注入口２１８と流体連通する。第２電解セル２００の第２陽極液室２２０の排出口２２０は、第３電解セル３００の第３陽極液室３１０の注入口３１８と流体連通する。「システム陽極液」への言及は、電解セル１００、２００および３００のうちの一つ以上の中で処理されてもよく、またはシステム４５０中を移動する、陽極液を含む。
【０１０６】
４５０の構成では、電解セル１００により重金属を除去した元のフィードストリームまたはシステム陽極液は、第２電解セル２００の中へ送り込まれ得る。重金属混入物質の実質的にすべてが除去されるとは限らない場合は多くで、システム陽極液は、重金属イオンからの干渉なしに、または実質的な干渉なしに、アルカリ金属を分離し回収し、多硫化物を産出するように、第２電解セル２００によってさらに処理され得る。第２電源２３４が、アルカリ金属を還元するのに十分な電圧を第２電解セル２００に印加するため、アルカリイオンは、アルカリイオン選択性膜２２８を通って遊走し、第２陰極液室２１２の中でアルカリ金属に還元され得る。アルカリ金属は、図１の記載と併せて上で論じたものを含む、当該技術分野で知られるいくつもの手段で採取され得る。
【０１０７】
上記の通り、システム４５０の第２電解セル２００に印加される電圧は、第２陽極液室２１０の中で、少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるほど十分に高いが、実質的に硫化物イオンまたは多硫化物イオンを、元素状硫黄にするほど十分高くはない。一実施形態では、第２陽極液室の中のアルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つのアルカリ金属が、ナトリウムを含む場合、第２電解セルの第２陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、第２電解セルの開路電位が、２．２Ｖ以下となるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。一実施形態では、第２陽極液室の中のアルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つのアルカリ金属が、リチウムを含む場合、第２電解セルの第２陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、第２電解セルの開路電位が、２．５３Ｖ以下となるような比率であり、またはそのような比率を維持してもよい。
【０１０８】
一実施形態では、電源２３４（図示せず）と共に、システム４５０の中の第２電解セル２００のセンサ、モニタ、調節器、コントローラ、警報機構および類似のもの（図示せず）は、違いに相互作用するように構成され、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０の中の硫化物イオンまたは多硫化物イオンの硫化物の量を、８以下に維持する。別の実施形態では、第２電解セル２００は、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０の中の多硫化物イオンの硫化物の量を、２から７の範囲に維持するように構成されている。別の実施形態では、電解セル２００は、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０の中の、硫化物イオンまたは多硫化物イオンの硫化物の所定の数または範囲が、８以下、または２から７もしくは４から７の範囲内であると、ユーザに警報を出してもよい。
【０１０９】
それゆえ、システム４５０を通るシステム陽極液の流れの中で、電解セル１００および２００を通った陽極液は、そこから取り出される（除去される）重金属およびアルカリ金属の両方を、ここでは有していた。このシステム陽極液はまた、その中により長い多硫化物鎖を有するであろう。その後、システム陽極液は、電解セル３００の中へ移動され得る。第３電解セルに印加される電圧が、より高次またはより長い多硫化物を酸化するほど十分に高いため、システム陽極液は、上の図５の記載と併せて上で論じたものを含む、当該技術分野で知られるいくつもの手段で採取され得る、元素状硫黄を作り出すように、第３電解セルによってさらに処理され得る。特に、アルカリ金属イオンと硫黄含有量の比率を監視し、開路電位を監視することは、第１電解セル１００の中で生み出されるアルカリ金属が最小限で、第３電解セル３００の中での元素状硫黄生成を最大化するような、セルの利用を最適化するのに役立つであろう。
【０１１０】
システム４５０の一実施形態では、第１電解セル１００は、陰極液１２４を陰極液室１１２の中へ導入するため、および陰極液または還元された金属を第１陰極液室１１２から取り出す（除去する）ための、注入口１２５および排出口１２６を伴う第１陰極液室１１２を含んでもよい。第１電解セル１００は、陽極液１１６を第１陽極液室１１０の中へ導入するため、および陽極液または他の構成要素を第１陽極液室１１０から取り出す（除去する）ためのインプット部１１８およびアウトプット部１２０を伴う第１陽極液室１１０を含んでもよい。陽極液１１６は、システム陽極液であってもよい。セパレータ１２８は、第１陽極液室１１０および第１陰極液室１１２を分離する。電力が第１セル１００に印加されると、陽極液１１６の中の重金属カチオンは、セパレータ１２８を通って第１陰極液室１１２の中へ進む。残存する使用済み陽極液は、排出口１２０を通って第１陽極液のセル１１０から出て、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０の排出口と流体連通する注入口と、第２電解セル２００と流体連通する排出口とを有する、タンク４１５へと進んでもよい。本明細書を通して使用される通り、「使用済み陽極液」は、陽極液から構成要素が取り出され（除去され）ている、いずれの陽極液を含んでもよい。第１電解セルから受け取る陽極液の場合、陽極液から金属が取り出され（除去され）ていてもよい。この実施形態では、タンク４１５は溶解タンク４１７であってもよい。溶解タンクは、インプット部４１９およびインプット部４２１を含んでもよい。一実施形態では、硫化物に富む、またはアルカリ金属一硫化物に富む、もしくはアルカリ金属多硫化物に富む固体を伴うフィードストリームは、インプット部４１９を通ってシステム４５０の中へインプットされてもよい。元素状硫黄は、インプット部４２１の中へ充填されてもよい。第２陽極液室２１０からの使用済み陽極液は、第２陽極液室２１０から排出口２１９を通って取り出され、溶解タンク４１７の中へ送り込まれてもよい。陽極液は、第２電解セル２００の陽極液からナトリウム金属が取り出されているため、「使用済み」であってもよい。元素状硫黄は、アルカリ金属硫化物または多硫化物を溶解して、元素状硫黄なしで可能であろうよりも高濃度にするのに役立つ。
【０１１１】
溶解タンク４１７は、溶解タンク４１７と動作可能に連通するヒーター４３６を含んでもよい。溶解タンクのシステム陽極液は、高温で元素状硫黄の溶解性を有する、非水極性溶媒を含む。溶解タンク４１７における定常温度は、約１００℃から約１６０℃の範囲であってもよい。別の実施形態では、溶解タンク４１７における定常温度は、約１２０℃から約１５０℃の範囲であってもよい。これらの温度では、元素状硫黄および固体両方の溶解性が高い。第１電解セル１００から来る使用済み陽極液と比較すると、溶解タンク４１７の中のシステム陽極液のアルカリ金属含有量および元素状硫黄含有量は、より高い。システム４５０は、一部の実施形態では、電解セル１００、２００または３００で使用されるヒーターの代わりをすることができる、システムヒーターを含んでもよい。一実施形態では、システム４５０は、第１陽極液室１１０、第２陽極液室２１０または第３陽極液室３１０の陽極液の、少なくとも一つのアルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のアルカリ金属の融点を下回る温度で、動作するように構成されている。この実施形態では、第１陰極液室１１２、第２陰極液室２１２または第３陰極液室３１２の陰極液のイオン伝導性液体は、溶融アルカリ金属溶液であってもよい。一実施形態では、溶融アルカリ金属溶液は溶融ナトリウム溶液である。別の実施形態では、溶融アルカリ金属溶液は溶融リチウム溶液である。別の実施形態では、システム４５０は、１００℃から１６０°までの温度で、システム４５０を動作するように構成されている、ヒーター（図示せず）を含む。別の実施形態では、システム４５０は、１２０℃から１５０°までの温度で動作するように構成されている。
【０１１２】
加えて、システム４５０の実施形態では、鉄、ニッケル、バナジウムおよび他の重金属など、重金属の濃度は、第１電解セル１００からの陽極液よりも、溶解タンク４１７の中の方が高い。これは、新しいまたは未処理のフィードストリームを、インプット部４１９を通り溶解タンク４１７の地点で追加する限りにおいて、当てはまる場合がある。システム陽極液は、溶解タンク４１７を出てもよく、注入口２１８を通って第２電解セル２００の第２陽極液室に入る前に、フィルタ４４０を通ってもよい。一実施形態では、ポンプ４４２が、システム陽極液を第２陽極液室２１０の中へと汲み出す。フィルタ４４０は、固体がシステム４５０の中へ入るいずれの時点の後に、使用されてもよい。
【０１１３】
システム４５０の一実施形態では、第２電解セル２００は、陰極液２２４を陰極液室２１２の中へ導入するため、および陰極液または還元された金属を第２陰極液室２１２から取り出す（除去する）ための、注入口２２５および排出口２２６を伴う、第２陰極液室２１２を含んでもよい。第２電解セル２００は、陽極液２１６を第２陽極液室２１０の中へ導入するため、および陽極液または他の構成要素を第２陽極液室２１０から取り出す（除去する）ための、インプット部２１８およびアウトプット部２２０を伴う、第１陽極液室２１０を含む。陽極液２１６は、システム陽極液であってもよい。アルカリイオン選択性膜またはセパレータ２２８は、第２陽極液室２１０および第２陰極液室２１２を分離する。電力が第２電解セル２００に印加されると、陽極液２１６の中のアルカリ金属カチオンは、アルカリイオン選択性膜２２８を通って第２陰極液室２１２の中へ進み、アルカリ金属に還元される。同時に、硫化物は、低多硫化物アニオンがより高次の多硫化物アニオンになるように、陽極液室２１０の中で酸化される。残存する使用済み陽極液は、排出口２１９を通って第２陽極液室２１０から出て、溶解タンク４１７の中へ戻ってもよいし、第２電解セル２００の第２陽極液室２１０と流体連通する注入口と、第３電解セルと流体連通する排出口とを有する、別のタンク４１５に送られてもよい。この実施形態では、タンクは収容タンク４１９であってもよい。第２電解セル２００の陽極液からアルカリ金属が移動するため、収容タンク４１９の中のナトリウム濃度は、溶解タンク４１７よりも低い。一実施形態では、第２電解セル２００は、第２電解セル２００の温度を、約１００℃から約１６０℃の範囲に維持するように、ヒーター（図示せず）を伴い構成されてもよい。一実施形態では、第２電解セル２００は、温度を約１２０℃から約１５０℃の範囲に維持するように構成され、硫黄および固体両方の溶解性が高く、ナトリウムが溶融する温度である。
【０１１４】
収容タンク４１９からは、システム陽極液が、第３電解セル３００の第３陽極液室３１０の中へ送り込まれてもよい。第３電解セル３００は、陰極液３２４を陰極液室３１２の中へ導入するため、および陰極液または還元され金属を第３陰極液室３１２から取り出す（除去する）ための、注入口３２５および排出口３２６を伴う、第３陰極液室３１２を含む。第３電解セル３００は、陽極液３１６を第３陽極液室３１０の中へ導入するため、および陽極液または他の構成要素を第３陽極液室３１０から取り出す（除去する）ための、少なくとも一つのインプット部３１８、ならびにアウトプット部３１９および３２０を伴う、第１陽極液室３１０を含む。陽極液３１６は、システム陽極液であってもよい。アルカリイオン選択性膜またはセパレータ３２８は、第３陽極液室３１０および第３陰極液室３１２を分離する。電力が第３電解セル３００に印加されると、陽極液３１６の中のアルカリ金属カチオンは、アルカリイオン選択性膜３２８を通って第２陰極液室３１２の中へ進み、アルカリ金属に還元される。多硫化物は大抵、第３陽極液室３１０の陽極液の中ではより高次であり、そのため、電解セル３００の開路電位は、電解セル３００の中で、元素状硫黄が長い多硫化物の酸化から、第３陽極液室３１０で形成されるように、電解セル２００の中よりも高い。全セル１００、２００および３００と同様に、硫化物の酸化は金属カチオンの還元と同時に起こる。第３陽極液室において、ここでは十分に長い多硫化物イオンを伴う陽極液３１６は、第３陽極液室３１０で酸化されて元素状硫黄を作り出してもよい。
【０１１５】
残存する使用済み陽極液は、排出口３１９を通って第３陽極液室３１０から出て収容タンク４１９の中へ戻ってもよいし、第３電解セル３００の第３陽極液室３１０と流体連通する注入口と、第１電解セル１００と流体連通する排出口とを有する、別のタンク４１５に送られてもよい。この構成によって、システム陽極液が、第２および第３陽極液室（２１０および３１０）を通って、継続的にまたは断続的に再循環することを可能にする。そのような再循環によって引き起こされる、システム陽極液とセパレータ２２８および３２８との間の相互作用を増大させることで、第２および第３陽極液室（２１０および３１０）内のシステム陽極液の物質移動特性が向上し、システム４５０の効率が上がるであろうことを、当業者は理解するであろう。さらに、本明細書に記載する陽極液室および陰極液室の実施形態すべてが、この再循環する特徴を含んでもよく、排出口が、同一室の注入口と流体連通することは、当業者に理解されるであろう。
【０１１６】
タンク４１５は分離タンク４２１であってもよい。セル３００の陽極液からアルカリ金属が一部取り出されるため、セル３００を離れる陽極液のアルカリ金属濃度は、収容タンク４１５からのアルカリ濃度よりも低い。分離タンク４２１は、本明細書で論じるいずれの手段で、元素状硫黄をシステム陽極液から分離するように使用されてもよい。一実施形態では、分離タンク４２１は、冷却ループ（図示せず）などの冷却機構を含み、冷却材がタンクを循環する。あるいは、分離タンク４２１は、濾過または遠心分離機構（図示せず）など、元素状硫黄をシステム陽極液から取り出す（除去する）または分離する他の手段である。元素状硫黄は、排出口４２０を使用して、分離タンク４２１から取り出されてもよい。バッチモードでは、使用済み陽極液は、排出口４２０を使用して、システム４５０から取り出されてもよい。
【０１１７】
元素状硫黄が、分離タンク４２１の中のシステム陽極液から取り出された後、システム陽極液は、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０の中へ送り返されてもよく、プロセスまたは方法４５０を繰り返してもよい。これにより、システム４５０が、継続モードで動くことが可能になるであろう。この構成では、重金属は、第１電解セル１００の中で、元のフィードストリームである場合があるシステム陽極液から取り出され（除去され）てもよい。その後、アルカリ金属が、第２電解セル２００の中で、このときにはより重金属の少ない同一のシステム陽極液から取り出されてもよい。それから、重金属がより少なく、このときには金属がより少なく、ナトリウム金属がより少なく、より長い多硫化物イオンを伴うシステム陽極液は、元素状硫黄を取り出す（除去する）ために、第２電解セル２００から第３電解セルに移動されてもよい。その後、システム陽極液は、システム３５０を通って循環する陽極液にまだ残存する場合がある任意の重金属をさらに取り出す（除去する）ために、電解セル１００の第１陽極液室１１０の中へ送り返されてもよい。重金属、ナトリウム金属、および元素状硫黄の取り出し（除去）を、それぞれの電解セル（１００、２００、３００）のそれぞれの陽極液室（１１０、２１０、３１０）から、徐々に達成してもよいようなパターンを繰り返してもよく、元素状硫黄は、主に第３電解セル３００から取り出される。
【０１１８】
図６に示していないものの、システム４５０はバッチモードで動かされてもよく、システム陽極液は、ある時点でシステム４５０の中へ送り出され、その後、プロセスを繰り返すことなく、そのシステムの電解セルを通ることは、当業者に理解されるであろう。非限定的な例により、バッチシステム構成の一実施形態では、システム陽極液は、重金属を取り出す（除去する）ために第１電解セル１００の中へ送り出され、その後、一つ以上の第２電解セル２００の中へ送り出される。システム陽極液は、少なくとももう一つの第２電解セル２００を通って再循環してもよい。システム陽極液の一部は、第２電解セル２００のうちの一つから、それに続く第２電解セル２００に進んでもよい一方、システム陽極液の別の一部は、同一の電解セル２００を通って再循環する。最終的に、システム陽極液の実質的にすべてが、第３電解セル３００の中へ送り出される。システム陽極液は、元素状硫黄の採取を最大化するように、第３電解セル３００を通って少なくとも一度再循環してもよい。ある時点で、システム陽極液を最初の第１電解セル１００の中へ送り返すのをやめて、プロセスは完了する。
【０１１９】
電解セル１００、２００、および３００は、本発明の教示内容を実践する、いずれの数の構成で組み合わせられてもよいことは、当業者に理解されるであろう。システム４５０の非限定的な一例では、システム構成の一実施形態は、第１電解セル１００と第３電解セル３００との間に位置付けられる、複数の第２電解セル２００を含む。この構成では、重金属は、重金属イオンを還元するには十分高いが、アルカリ金属イオンを還元するほど十分高くはない電圧で、第１電解セルの中のシステム陽極液から分離されてもよい。その後、複数の直列の第２電解セル２００では、アルカリイオンは、アルカリ金属イオンがアルカリ金属に還元されるような、システム陽極液の中のアルカリ金属硫化物および多硫化物の分解電圧を上回る電圧下で、システム陽極液から徐々に分離されてもよい。この同じ直列の第２電解セル２００では、電圧は、陽極液の中の硫化物イオンの酸化状態を高めるほど十分に高いが、単一セルにおいて硫化物イオンを元素状硫黄にする酸化反応を活発にするのに十分なほど高くなくてもよい。すべての連続する第２電解セル２００によって、陽極液は、アルカリ金属が次第に少なくなり、硫化物イオンは長くなり続けるであろうことは、当業者に理解されるであろう。例えば、最初の第２電解セル２００では、溶解された硫化物イオンは、一硫化物イオンＳ２−から多硫化物イオンＳ２２−、Ｓ４２−へ成長してもよい。それに続く第２電解セル２００では、溶解された硫化物イオンは、多硫化物イオンＳ４２−からＳ６２−へと成長してもよい。さらにそれに続く第２電解セル２００では、溶解された硫化物イオンは、多硫化物イオンＳ６２−からＳ８２−へと成長してもよい。その後、還元されたアルカリ金属、およびより長い多硫化物イオンＳ８２−を伴うシステム陽極液は、最後に第３電解セル３００の中へ送り出されてもよく、Ｓ８２−の形態である硫化物イオンが酸化されて元素状硫黄を形成する。バッチモード構成としては、プロセスはそこで終了してもよいし、システム陽極液としては、プロセスは継続モードのために構成されてもよい。
【０１２０】
継続モード構成では、最後の第３電解セル３００の中で元素状硫黄を取り出した（除去した）後、システム陽極液は、第１電解セル１００の中へ送り返されてもよく、上記のプロセス全体が繰り返されてもよい。最初に成長するより長い多硫化物イオンの、この漸進的または段階的な仕組みを使用して、元素状硫黄を作り出す複合エネルギーは、単一セルの中で、一硫化物イオンまたはより短い多硫化物イオンを含有するシステム陽極液を、元素状硫黄にするのに必要なエネルギーよりも少ないことは、当業者に理解されるであろう。
【０１２１】
他の実施形態では、直列である複数の第２セル２００には、任意の重金属を周期的に取り出す（除去する）ように第１電解セル１００が組み入れられ、そして、元素状硫黄を形成するように一つまたは複数の第３電解セル３００が末端に付いていてもよい。複数の第３電解セル３００は、システム陽極液の中で、より長い多硫化物がより多く元素状硫黄になることを確実にするために、直列で使用されてもよい。電解セル１００、２００および３００の各々が、プロセスの中の一つ以上の地点で直列または並列に位置付けられてもよいことは、当業者に理解されるであろう。
【０１２２】
タンク４１５が、本発明の教示内容を達成するように、様々な構成で位置付けられてもよいことは、当業者に理解されるであろう。さらに、注入口４１９および４２１のうちの一つ以上は、収容タンク４１９、または陽極液室１１０、２１０もしくは３１０のいずれかの上に位置付けられてもよい。一実施形態では、フィードストリームは、第１電解セル１００の第１陽極液室１１０に付着する注入口４１９を通って、システム４５０の中へ入ってもよい。溶解タンクは、システムの後に位置付けられ、元素状硫黄の注入口４２１を含有してもよい。第１陽極液室１１０がより少ない元素状硫黄を有するであろうような、第１電解セル１００後の硫黄導入によって、セパレータ１１０に渡って硫黄の拡散を最小化してもよい。一次硫黄取り出し（除去）装置となるように構成される、第３電解セル３００のない実施形態では、分離タンク４２１は、第２電解セル２００の後に位置付けられてもよい。加えて、使用済み陽極液は、システムから取り出されるにつれてアルカリ金属濃度が低下していくため、再充電する必要があってもよい。システム４５０の中のさらなるイオンの存在は、システム４５０が、システム陽極液をシステム４５０を通って移動させるように、必要なさらなるエネルギーなしで動作するのに役立つ。それゆえ、システムへのさらなる未使用の陽極液を可能にする注入口４１９は、複数の位置で、戦略的にあるべき場所にあることが必要となってもよい。
【０１２３】
加えて、システム４５０へのポンプ４４２、フィルタ４４０、バルブ（図示せず）、ならびに他の入口点および出口点の複数の構成が、本発明によって、本発明の範囲内で熟考される。さらに、センサ（図示せず）、調節器（図示せず）およびコントローラ（図示せず）が、電圧を調節し、システム内の様々な場所で、陽極液および陰極液の含有量を測定し、バルブを制御し、流れを方向付け、流れを制御するなどを行うために、システム４５０の中に含まれてもよいことは、当業者に理解されるであろう。
【０１２４】
ここで図７を参照すると、単一電解セルを利用して、フィードストリームから金属および硫黄を回収する方法７００は、電解セルを提供するステップ７１０を含む。電解セルは、本明細書に記載する第１電解セルであってもよく、陽極液を収容するように構成されている、第１陽極液室を含んでもよい。第１電解セルは、第１陽極液室内に位置付けられ、陽極液と連通する、第１陽極を含んでもよい。第１電解セルは、陰極液を収容するように構成されている第１陰極液室を含んでもよい。第１電解セルは、第１陰極液室内に位置付けられ、陰極液と連通する、第１陰極を含んでもよい。第１電解セルの第１セパレータは、第１陽極液室と第１陰極液室との間に位置付けられ、第１室の陽極液および第１室の陰極液と連通してもよい。第１セパレータは、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている。第１電解セルはまた、第１陽極および第１陰極と電気的に連通する、第１電源を含んでもよい。
【０１２５】
方法７００は、第１電解セルの第１陽極液室の中へ陽極液を導入するステップ７２０を含む。陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを含んでもよい。陽極液を導入するステップ７２０はまた、元素状硫黄を第１電解セルの第１陽極液室の中へ導入することを含んでもよい。陽極液はまた、アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する、極性有機溶媒も含む。それゆえ、陽極液を導入するステップ７２０はまた、極性有機溶媒にアルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解するステップを含んでもよい。溶媒はまた、元素状硫黄を溶解する。陽極液は、重金属、重金属化合物、重金属イオンまたはこれらの組み合わせを含有してもよい。方法７００は、第１電解セルの第１陰極液室の中へ、陰極液を導入するステップ７３０を含む。陰極液はアルカリイオン伝導性液体を含む。一実施形態では、アルカリイオン伝導性液体は、溶融アルカリ金属である。別の実施形態では、アルカリイオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する溶媒である。
【０１２６】
一実施形態では、第１陽極液室および第１陰極液室のうちの少なくとも一つを加熱する（７３５）。熱によって、システムの中で陽極液および陰極液の溶解を促進し、イオンの増加を生み出し、セルの性能を向上させることは理解されるであろう。電圧は、少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な第１電源によって、第１電解セルに印加されてもよい（７４０）。一実施形態では、印加電圧は、第１電解セルの中のアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するには十分である。電圧を印加するステップ７４０は、第１電解セルにおいて少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分な電圧を印加することを含んでもよい。一実施形態では、電圧を印加するステップ７４０は、少なくとも一つの硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分な電圧を印加することを含んでもよい。それゆえ、方法７００は、第１電解セルの第１陽極液室の陽極液の中で、少なくとも一つの硫化物イオンを酸化するステップ７５０を含む。
【０１２７】
金属カチオンは、電圧の印加により帯電する第１陰極へ誘引されると、第１陽極液室から第１セパレータを通って第１陰極液室へ移動する（７６０）。方法７００はさらに、第１陰極液室の中で移動した金属カチオンのうちの少なくとも一つを還元して金属を形成させるステップ７７０を備える。一実施形態では、還元するステップ７７０は、第１陽極液室から第１陰極液室の中へ移動する重金属カチオンを、重金属に還元することを含む。別の実施形態では、還元するステップ７７０は、第１陽極液室から第１陰極液室の中へ移動するアルカリ金属カチオンを、アルカリ金属に還元することを含む。
【０１２８】
方法７００は、上で詳細に論じた手段によって、重金属を第１陰極液室から取り出す（除去する）ステップ７８０を含む。一実施形態では、取り出す（除去する）ステップ７８０は、上で詳細に論じた手段によってアルカリ金属および元素状硫黄を第１陽極液室から取り出す（除去する）ことを含む。方法７００はさらに、さらなる処理のため、金属および元素状硫黄を取り出した（除去した）陽極液を第１陽極液室の中へ送り返すステップ７９０を含む。金属および元素状硫黄を回収する方法７００は、図１と併せて本明細書に記載する、使用のシステムおよび方式を参照することによって、さらに理解することができる。
【０１２９】
ここで図８を参照すると、複数の電解セルを伴うシステムを利用して、金属および元素状硫黄をフィードストリームから回収する方法８００が示されている。方法８００は、図７に示す実施形態のステップ７１０、７２０、７３０、７４０、７５０、７６０、７７０および７８０を含んでもよい。それらのステップは、図８に８０５、８１０、８２５、８３０、８３５、８４０および８４５としてそれぞれ示されている。
【０１３０】
方法は、電解セルを提供するステップ８０５を含む。電解セルは、本明細書に記載する第１電解セルであってもよく、陽極液を収容するように構成されている、第１陽極液室を含んでもよい。第１電解セルは、第１陽極液室内に位置付けられ、陽極液と連通する、第１陽極を含んでもよい。第１電解セルは、陰極液を収容するように構成されている第１陰極液室を含んでもよい。第１電解セルは、第１陰極液室内に位置付けられ、陰極液と連通する、第１陰極を含んでもよい。第１電解セルの第１セパレータは、第１陽極液室と第１陰極液室との間に位置付けられ、第１室の陽極液および第１室の陰極液と連通してもよい。第１セパレータは、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている。第１電解セルはまた、第１陽極および第１陰極と電気的に連通する、第１電源を含んでもよい。
【０１３１】
一実施形態では、陽極液は、第１電気化学セルの第１陽極液室の中へ導入される（８１０）。陽極液は、本明細書の様々な場所に記載するような、第１電解セルの第１陽極液室の陽極液であってもよい。方法８００は、第１電解セルの第１陰極液室の中へ陰極液を導入するステップ８１５を含む。一実施形態では、陰極液は、本明細書の様々な場所に記載するような、第１電解セルの第１陰極液室の陰極液である。
【０１３２】
電圧は、第１電解セルに印加されてもよい（８２５）。電圧は、第１電解セルの第１電源によって印加されてもよい（８２５）。印加される電圧（８２５）は、第１電解セルの中の少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分であってもよい。電圧の印加によって、第１電解セルの第１陽極液室の陽極液の中の少なくとも一つの硫化物イオンが酸化されて（８３０）、少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態が高められてもよい。方法８００はまた、第１陽極液室の陽極液の中の金属カチオンを、第１電解セルの第１セパレータを通して、第１陰極液室の中へ移動させる８３５のステップを含む。その後、金属カチオンのうちの少なくとも一つを、金属を形成するように、第１陰極液室の中で還元する（８４０）。
【０１３３】
二つの電解セル構成の一実施形態では、第１電解セルに印加される電圧（８２５）は、少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分である一方で、第１電解セルの中のアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するには不十分である。それゆえ、第１陰極液室の中に形成される金属は、重金属のみであることができる。２セルシステムの第１電解セルに電圧を印加するステップ８２５は、第１電気化学セルのオープンセル電位を下回る電圧を第１電解セルに印加することを含んでもよい。別の実施形態では、２セルシステムの第１電解セルに電圧を印加するステップ８２５は、第１電気化学セルのオープンセル電位を、少なくとも０．２Ｖ下回る電圧を第１電解セルに印加することを含んでもよい。別の実施形態では、２セルシステムの第１電解セルに電圧を印加するステップ８２５は、約０．７Ｖから約２．０Ｖの範囲である電圧を第１電解セルに印加することを含んでもよい。特定の電圧または電圧範囲を印加するように、第１電解セルを構成することによって、アルカリ金属イオンを還元することなく、重金属イオンを還元し得る。それゆえ、アルカリ金属分離プロセスを開始する前に、アルカリ金属の回収を妨害または干渉し得る重金属を、第１電解セルの中で還元し、析出させ、システムから取り出し（除去し）得る（８４５）。
【０１３４】
方法８００はさらに、第１電解セルと流体連通する、第２電解セルを提供するステップ８５０を含む。一実施形態では、第２電解セルは、上に図２と併せて記載した第２電解セルである。第２電解セルは、陽極液を収容するように構成されている、第２陽極液室を含んでもよい。第２電解セルは、第２陽極液室内に位置付けられ、陽極液と連通する、第２陽極を有してもよい。第２電解セルは、陰極液を収容するように構成されている第２陰極液室を含んでもよい。第２電解セルは、第２陰極液室内に位置付けられ、陰極液と連通する、第２陰極を含んでもよい。第２電解セルの第２セパレータは、第２陽極液室と第２陰極液室との間に位置付けられ、第２室の陽極液および第２室の陰極液と連通してもよい。第２電解セルの中の第２セパレータは、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されている、アルカリイオン選択性膜であってもよい。第２電解セルはまた、第２陽極および第２陰極と電気的に連通する、第２電源を含んでもよい。
【０１３５】
方法８００は、第２電解セルの第２陽極液室の中へ陽極液を導入するステップ８５５を含む。陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物うちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含んでもよい。一実施形態では、第２電解セルの第２陽極液室の中へ陽極液を導入するステップ８５５は、少なくとも一部の重金属カチオンが、第１陽極液室から第１電解セルの第１セパレータを通って、第１陰極液室へと進んだ後に、第１電解セルの第１陽極液室から、陽極液の少なくとも一部分を取り出すことと、陽極液の該一部分を、第１陽極液室から第２電解セルの第２陽極液室の中へ送り込むこととを含む。第１電解セルから第２電解セルの第２陽極液室の中へ陽極液を導入するステップ８５５は、残存するステップを並行して行ってもよいように、複数の第２電解セルの第２陽極液室の中へ陽極液を送り込むことを含むことは、当業者に理解されるであろう。
【０１３６】
それゆえ、２セルシステムの中の第２陽極液室の陽極液は、２セルシステムの中の第１陽極液室の陽極液よりも、低い重金属の濃度を有するであろう。
【０１３７】
方法８００は、第２電解セルの第２陰極液室の中へ、陰極液を導入するステップ８５６を含む。一実施形態では、陰極液はアルカリイオン伝導性液体を含む。第１電解セルを提供するステップ、第２電解セルを提供するステップ、陰極液を第１陰極液室の中へ導入するステップ８１５、および陽極液を第１陽極液室の中へ導入するステップ８１０が、一斉に達成されてもよいことは、当業者に理解されるであろう。第２電解セルの第２陰極液室の中へ導入（８５０）される陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含んでもよい。一実施形態では、アルカリイオン伝導性液体は、溶融アルカリ金属である。別の実施形態では、アルカリイオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する溶媒である。
【０１３８】
一実施形態では、第１陽極液室、第１陰極液室、第２陽極液室および第２陰極液室のうちの少なくとも一つを加熱する（８５８）。熱によって、システムの中での陽極液および陰極液の溶解を促進し、イオンの増加を生み出し、セルの性能を向上させることは、当業者に理解されるであろう。
【０１３９】
方法は、第２電解セルに電圧を印加するステップ８６０を含む。電圧は、第２電解セルの開路電位よりも大きくてもよい。印加されるこの電圧（８６０）によって、第１陽極液室の陽極液の中の金属カチオンは、第２電解セルの第２セパレータを通って、第２陰極液室の中へ移動する（８６２）。２電解セルシステムのこの実施形態では、第２電解セルが、第２セパレータとしてアルカリイオン選択性膜を含むため、第２セパレータ膜を通って移動する金属カチオン（８６２）のみが、アルカリ金属カチオンである。アルカリ金属カチオンは、帯電する第２陰極へ誘引され、アルカリ金属を形成するように、第２陰極液室の中で還元される（８６４）。
【０１４０】
第２電解セルの開路電位よりも大きい電圧の印加により、第２陽極液室の陽極液の中で少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高める（８６５）。
【０１４１】
２電解セル構成の一実施形態では、第２電解セルに電圧を印加するステップ８６０は、第２電解セルの開路電位が２．２Ｖ以下となるような、ナトリウム対硫黄の比率を、第２電解セルの第２陽極液室の中で維持することを含む。この実施形態では、回収されているアルカリ金属がナトリウムのとき、ナトリウムイオンはナトリウム金属に還元されるが、第２陽極液室の中の硫化物イオンは、元素状硫黄にまでは酸化されない。代わりに、硫化物イオンが増加し、より高次となる。非限定的な例によって、Ｓ２−は、多硫化物Ｓ２２−に高められてもよいし、多硫化物Ｓ４２−は、Ｓ６２−またはＳ８２−など、より高次の多硫化物に高められてもよい。
【０１４２】
２電解セル構成の一実施形態では、第２電解セルに電圧を印加するステップ８６０は、第２電解セルの開路電位が２．５３Ｖ以下となるような、リチウム対硫黄の比率を、第２電解セルの第２陽極液室の中で維持することを含む。この実施形態では、回収されているアルカリ金属がリチウムのとき、リチウムイオンは、リチウム金属に還元されるが、第２陽極液室の中の硫化物イオンは、元素状硫黄にまでは酸化されない。代わりに、硫化物イオンが増加し、より高次となる。非限定的な例によって、Ｓ２−は、多硫化物Ｓ２２−に高められてもよいし、多硫化物Ｓ４２−は、Ｓ６２−またはＳ８２−など、より高次の多硫化物に高められてもよい。
【０１４３】
２電解セル構成の別の実施形態では、第２電解セルに電圧を印加するステップ８６０は、第２電解セルの開路電位が２．３Ｖ以上となるような、ナトリウム対硫黄の比率を、第２電解セルの第２陽極液室の中で維持することを含む。この実施形態では、回収されているアルカリ金属がナトリウムのとき、ナトリウムイオンはナトリウム金属に還元され、第２陽極液室の中の硫化物イオンは、元素状硫黄にまで酸化される。
【０１４４】
２電解セル構成の一実施形態では、第２電解セルに電圧を印加するステップ８６０は、第２電解セルの開路電位が２．６３Ｖ以上となるような、リチウム対硫黄の比率を、第２電解セルの第２陽極液室の中で維持することを含む。この実施形態では、回収されているアルカリ金属がリチウムのとき、リチウムイオンはリチウム金属に還元され、第２陽極液室の中の硫化物イオンは、元素状硫黄にまで酸化される。
【０１４５】
方法８００はさらに、第２陰極液室からアルカリ金属、および第２陽極液室から元素状硫黄を取り出すステップ８６８を含む。これによって、上の図１および２と併せて記載したものを含むがこれに限定されない、いくつもの方法によって達成されてもよい。方法８００はさらに、第２陰極液室からアルカリ金属、および第２陽極液室から元素状硫黄を取り出すステップ８６８の後、ならびに硫化物イオンの酸化状態が高められた後に、第２陽極液室から陽極液の少なくとも一部分を取り出すステップ８７０を含む。一実施形態では、一部分を取り出すステップ８７０は、その一部分を第２陽極液室の中へ送り返すことを含む。このように、陽極液は再循環され、より多くの陽極液は、アルカリイオン選択性膜と接触し、第２陰極の影響下となり、第２陰極液室の中の還元のため、膜を通ってアルカリ金属カチオンを移送するのに役立つ。一実施形態では、取り出すステップ８７０は、一つ以上の追加の第２電解セル（図示せず）の第２陽極液室の中へ、陽極液の一部分を送り出すことを含む。この実施形態では、プロセスは、直列または並列の第２電解セルを使用して動いてもよい。一実施形態で陽極液の一部分を取り出すステップ８７０はまた、その一部分を第１陽極液室の中へ導入し戻すことを含む。ステップ８７０のこの実施形態を使用することで、システムが、方法８００のその前のステップを繰り返してもよい、継続モードで動作することが可能になる。
【０１４６】
一実施形態では、方法８００はさらに、第２電解セルと流体連通する、第３電解セルを提供するステップ８７５を含む。一実施形態では、第３電解セルは、上に図５と併せて記載した第３電解セルである。第３電解セルは、陽極液を収容するように構成されている第３陽極液室を含んでもよい。第３電解セルは、第３陽極液室内に位置付けられ、陽極液と連通する、第３陽極を有してもよい。第３電解セルは、陰極液を収容するように構成されている第３陰極液室を含んでもよい。第３電解セルは、第３陰極液室内に位置付けられ、陰極液と連通する、第３陰極を含んでもよい。第３電解セルの第３セパレータは、第３陽極液室と第３陰極液室との間に位置付けられ、第３室の陽極液および第３室の陰極液と連通してもよい。第３電解セルの中の第３セパレータは、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されている、アルカリイオン選択性膜であってもよい。第３電解セルはまた、第３陽極および第３陰極と電気的に連通する、第３電源を含んでもよい。
【０１４７】
方法８００は、第３電解セルの第３陽極液室の中へ陽極液を導入するステップ８７８を含む。陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物うちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含んでもよい。一実施形態では、第３電解セルの第３陽極液室の中へ、陽極液を導入するステップ８７８は、少なくとも一部のアルカリ金属カチオンが、第２陽極液室から第２電解セルの第２セパレータを通って、第２陰極液室へと進んだ後に、第２電解セルの第２陽極液室から、陽極液の少なくとも一部分を取り出すことと、陽極液の該一部分を、第２陽極液室から第３電解セルの第３陽極液室の中へ送り込むこととを含む。
【０１４８】
第３電解セルを伴う実施形態では、方法８００は、第３電解セルの第３陰極液室の中へ陰極液を導入するステップ８８０を含む。陰極液はアルカリイオン伝導性液体を含む。一実施形態では、アルカリイオン伝導性液体は、溶融アルカリ金属である。別の実施形態では、アルカリイオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する溶媒である。一実施形態では、第３陽極液室および第３陰極液室のうちの少なくとも一つを加熱する（８８２）。熱によって、システムの中で陽極液および陰極液の溶解を促進し、イオンの増加を生み出し、セルの性能を向上させることは理解されるであろう。電圧はその後、第３電解セルに印加されてもよい（８８５）。電圧は、第３電解セルの第３電源によって印加されてもよい。３電解セル構成の一実施形態では、第３電解セルに印加される電圧（８８５）は、第３電解セルの中で少なくとも一つの硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるには十分である。
【０１４９】
方法８００は、第３陽極液室から第３電解セルの第３セパレータを通して、第３陰極液室へアルカリ金属カチオンを移動させる８８８のステップを含む。アルカリ金属カチオンは、帯電する第３陰極へ誘引され、アルカリ金属を形成するように、第３陰極液室の中で還元される（８９０）。
【０１５０】
所定の電圧の印加８８５によって、第３陽極液室の中の少なくとも一つの硫化物イオンが酸化されて元素状硫黄を形成する（８９２）。３電解セル構成の別の実施形態では、アルカリ金属イオンのアルカリ金属への還元、および硫化物イオンの元素状硫黄への酸化を一斉に引き起こすように、第３電解セルへ電圧を印加するステップ８８５は、第３電解セルの開路電位が２．３Ｖ以上となるような、ナトリウム対硫黄の比率を、第３電解セルの第３陽極液室の中で維持することを含む。この実施形態では、回収されているアルカリ金属がナトリウムのとき、ナトリウムイオンはナトリウム金属に還元され、第３陽極液室の中の硫化物イオンは、元素状硫黄にまで酸化する。
【０１５１】
３電解セル構成の一実施形態では、第３電解セルに電圧を印加するステップ８８５は、第３電解セルの開路電位が２．６３Ｖ以上となるような、リチウム対硫黄の比率を、第３電解セルの第３陽極液室の中で維持することを含む。この実施形態では、回収されているアルカリ金属がリチウムのとき、リチウムイオンはリチウム金属に還元され、第３陽極液室の中の硫化物イオンは、元素状硫黄にまで酸化する。
【０１５２】
方法８００はさらに、第３陽極液室から元素状硫黄、および第３陰極液室からアルカリ金属を取り出すステップ８９４を含む。このステップは、本明細書に記載する分離プロセスのいずれを使用して達成されてもよい。
【０１５３】
方法８００はさらに、アルカリ金属カチオンが、第３陰極液室の中へ移動して還元され、第３陰極液室の中の硫化物イオンの酸化状態が元素状硫黄にまで高められた後、第３陽極液室から陽極液の一部分を取り出すステップ８９８を含む。一実施形態では、第３陽極液室の中の陽極液の一部分を取り出すステップ８９８は、その一部分を第３陽極液室の中へ送り返すことを含む。このように、陽極液は再循環され、より多くの陽極液は、第３電解セルのアルカリイオン選択性膜と接触し、第３陰極の影響下となり、第３陰極液室の中の還元のため、膜を通ってアルカリ金属カチオンを移送するのに役立つ。一実施形態では、取り出すステップ８９８は、一つ以上の追加の第３電解セル（図示せず）の第３陽極液室の中へ、陽極液の一部分を送り出すことを含む。この実施形態では、プロセスは、直列または並列の第３電解セルを使用して動いてもよい。一実施形態で、第３陽極液室から陽極液の一部分を取り出すステップ８９８はまた、その一部分を第１陽極液室の中へ導入し戻すことを含む。ステップ８９８のこの実施形態を使用することで、システムが、方法８００のその前のステップを繰り返してもよい、継続モードで動作することが可能になる。
【０１５４】
金属および元素状硫黄を回収する方法８００は、図５と併せて本明細書に記載するシステムを参照することによって、さらに理解されてもよく、方法８００を使用するいかなる議論も、図８と併せて記載する本発明の方法によって熟考される。
【０１５５】
本発明の特定の実施形態について説明し記載してきたが、本発明の精神から著しく逸脱することなく、数々の修正が思い浮かび、保護の範囲は、添付の請求項の範囲によってのみ限定されるものとする。
【図１】
2019500501.tif 000004
【図２】
2019500501.tif 000005
【図３】
2019500501.tif 000006
【図４】
2019500501.tif 000007
【図５】
2019500501.tif 000008
【図６】
2019500501.tif 000009
【図７】
2019500501.tif 000010
【図８】
2019500501.tif 000011
【手続補正書】
【提出日】平成30年8月30日(2018.8.30)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
非水性フィードストリームから金属および元素状硫黄を回収するためのシステムであって、
陽極液を収容するように構成されている第１陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記陽極液はさらに、重金属、重金属化合物、および重金属イオンのうちの少なくとも一つを含む、第１陽極液室；
前記第１陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第１陽極；
陰極液を収容するように構成されている第１陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第１陰極液室；
前記第１陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第１陰極；
前記第１陽極液室と前記第１陰極液室との間に位置付けられる第１セパレータであって、前記第１陽極液室の前記陽極液および前記第１陰極液室の前記陰極液と連通し、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている、第１セパレータ；ならびに
前記第１陽極および前記第１陰極と電気的に連通する第１電源であって、少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な電圧を第１電解セルに印加するように構成されている、第１電源
を備える第１電解セルを備える、システム。
【請求項２】
前記システムは、前記第１電解セルと流体連通する第２電解セルをさらに備え、
前記第２電解セルは、
陽極液を収容するように構成されている第２陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第２室の前記陽極液は、前記第１電解セルの前記第１陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分をさらに含む、第２陽極液室；
前記第２陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第２陽極；
陰極液を収容するように構成されている第２陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第２陰極液室；
前記第２陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第２陰極；
前記第２陽極液室と前記第２陰極液室との間に位置付けられる第２セパレータであって、前記第２陽極液室の前記陽極液および前記第２陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第２セパレータ；ならびに
前記第２陽極および前記第２陰極と電気的に連通する第２電源であって、前記第２電解セルの開路電位よりも大きい電圧を前記第２電解セルに印加するように構成されている、第２電源
を備える、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
前記陽極液は、元素状硫黄をさらに含む、請求項１または２のいずれかに記載のシステム。
【請求項４】
前記第１セパレータは、カチオン交換膜および微多孔膜のうちの少なくとも一つを備える、請求項１〜３のいずれかに記載のシステム。
【請求項５】
前記システムはヒーターをさらに備え、前記第１電解セルおよび前記第２電解セルのうちの少なくとも一つはアルカリ金属の融点を下回る温度で動作し、かつ／または前記第１電解セルおよび前記第２電解セルのうちの少なくとも一つは１００℃から１６０℃までの温度で動作し、かつ／もしくは前記温度は１２０℃から１５０℃までである、請求項１〜４のいずれかに記載のシステム。
【請求項６】
前記イオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する陰極液溶媒、および溶融アルカリ金属のうちの少なくとも一つを含む、請求項１〜５のいずれかに記載のシステム。
【請求項７】
前記第１陽極液室は乱流プロモータを備える、請求項１〜６のいずれかに記載のシステム。
【請求項８】
前記陽極液室から元素状硫黄を取り出すのを促進するように、前記第１陽極液室および前記第２陽極液室のうちの少なくとも一つと連通する冷却装置をさらに備える、請求項１〜７のいずれかに記載のシステム。
【請求項９】
前記システムは、前記第２電解セルと流体連通する第３電解セルをさらに備え、
前記第３電解セルは、
陽極液を収容するように構成されている第３陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第３陽極液室の前記陽極液は、前記第２電解セルの前記第２陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分をさらに含む、第３陽極液室；
前記第３陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第３陽極；
陰極液を収容するように構成されている第３陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第３陰極液室；
前記第３陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第３陰極；
前記第３陽極液室と前記第３陰極液室との間に位置付けられる第３セパレータであって、前記第３陽極液室の前記陽極液および前記第３陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第３セパレータ；ならびに
前記第３陽極および前記第３陰極と電気的に連通する第３電源であって、硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分な電圧を前記第３電解セルに印加するように構成されている、第３電源
を備える、請求項２に記載のシステム。
【請求項１０】
前記第１電解セルの中の少なくとも一つのアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するのに十分な電圧が、前記第１電解セルに印加される、請求項１に記載のシステム。
【請求項１１】
前記第１電源は、前記第１電解セルにおいて少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分な電圧を前記第１電解セルに印加するように構成されている、請求項１または２に記載のシステム。
【請求項１２】
前記アルカリ金属はナトリウムを含み、前記第１陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第１電解セルの開路電位が２．３Ｖよりも大きくなるような比率である、請求項１、２または３に記載のシステム。
【請求項１３】
前記アルカリ金属はリチウムを含み、前記第１陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第１電解セルの開路電位が２．６３Ｖよりも大きくなるような比率である、請求項１、２または３に記載のシステム。
【請求項１４】
前記第１電解セルに印加される電圧は、第１電気化学セルのオープンセル電位を少なくとも０．２V下回り、前記第２電解セルに印加される電圧は、前記第２陽極液室の中の硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分である、請求項２に記載のシステム。
【請求項１５】
前記第１電解セルに印加される電圧は、第１電気化学セルのオープンセル電位を下回り、前記第２電解セルに印加される電圧は、前記第２電解セルにおいて少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分であるが、元素状硫黄を形成させるには不十分であり、前記第３電解セルに印加される電圧は、前記第３電解セルにおいて元素状硫黄を形成させるのに十分である、請求項９に記載のシステム。
【請求項１６】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおける前記アルカリ金属は、ナトリウムを含み、前記第２陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．３Ｖ以上となるような比率である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１７】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおける前記アルカリ金属は、リチウムを含み、前記第２陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．６３Ｖよりも大きくなるような比率である、請求項１５に記載のシステム。
【請求項１８】
フィードストリームから金属および硫黄を回収するための方法であって、
陽極液を収容するように構成されている、第１陽極液室；
前記第１陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第１陽極；
陰極液を収容するように構成されている第１陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第１陰極液室；
前記第１陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第１陰極；
前記第１陽極液室と前記第１陰極液室との間に位置付けられる第１セパレータであって、前記第１室の前記陽極液および前記第１室の前記陰極液と連通し、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている、第１セパレータ；ならびに
前記第１陽極および前記第１陰極と電気的に連通する、第１電源
を備える、第１電解セルを提供することと、
前記第１電解セルの前記第１陽極液室の中へ陽極液を導入することであって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、前記アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含み、前記陽極液はさらに、重金属、重金属化合物、および重金属イオンのうちの少なくとも一つを含む、導入することと、
前記第１電解セルの前記第１陰極液室の中へ陰極液を導入することであって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、導入することと、
少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な電圧を前記第１電解セルに印加することと、
前記第１電解セルの前記第１陽極液室の前記陽極液の中で、少なくとも一つの硫化物イオンを酸化することと、
前記第１陽極液室と前記第１陰極液室との間に位置付けられかつ前記第１陽極液室および前記第１陰極液室と連通する前記第１セパレータを通してカチオンを移動させることであって、前記カチオンは、前記第１陽極液室から前記第１陰極液室へ進む、移動させることと、
前記陰極液室の中で前記カチオンのうちの少なくとも一つを還元して金属を形成させることと
を含む、方法。
【請求項１９】
前記第１電解セルと流体連通する第２電解セルであって、
陽極液を収容するように構成されている、第２陽極液室；
前記第２陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第２陽極；
陰極液を収容するように構成されている、第２陰極液室；
前記第２陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第２陰極；
前記第２陽極液室と前記第２陰極液室との間に位置付けられる第２セパレータであって、前記第２陽極液室の前記陽極液および前記第２陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第２セパレータ；ならびに
前記第２陽極および前記第２陰極と電気的に連通する、第２電源
を備える第２電解セルを提供することと、
前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中へ陽極液を導入することであって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、前記アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中へ陽極液を導入することは、前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中へ、前記第１電解セルの前記第１陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分を導入することを含む、導入することと、
前記第２電解セルの前記第２陰極液室の中へ陰極液を導入することであって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、導入することと、
前記第２電解セルの開路電位よりも大きい電圧を前記第２電解セルに印加することと、
アルカリ金属カチオンを、前記第２陽極液室から、前記第２電解セルの前記第２セパレータを通して、前記第２陰極液室へ進ませることと、
前記第２陰極液室の中で少なくとも一つの金属カチオンを還元してアルカリ金属を形成させることと、
前記第２電解セルの前記第２陽極液室の中で、少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めることと
をさらに含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１電源は、前記第１電解セルの中のアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するには不十分な電圧を前記第１電解セルに印加するように構成されていることをさらに含む、請求項１８または１９に記載の方法。
【請求項２１】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおけるアルカリ金属は、ナトリウムを含み、前記第２陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．３Ｖ以上となるような比率である、請求項２０に記載の方法。
【請求項２２】
前記第２陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおけるアルカリ金属は、リチウムを含み、前記第２陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第２電解セルの開路電位が２．６３Ｖ以上となるような比率である、請求項２０に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
[本発明1001]
非水性フィードストリームから金属および元素状硫黄を回収するためのシステムであって、
陽極液を収容するように構成されている第1陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記陽極液はさらに、重金属、重金属化合物、および重金属イオンのうちの少なくとも一つを含む、第1陽極液室；
前記第1陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第1陽極；
陰極液を収容するように構成されている第1陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第1陰極液室；
前記第1陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第1陰極；
前記第1陽極液室と前記第1陰極液室との間に位置付けられる第1セパレータであって、前記第1陽極液室の前記陽極液および前記第1陰極液室の前記陰極液と連通し、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている、第1セパレータ；ならびに
前記第1陽極および前記第1陰極と電気的に連通する第1電源であって、少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な電圧を第1電解セルに印加するように構成されている、第1電源
を備える第1電解セルを備える、システム。
[本発明1002]
前記システムは、前記第1電解セルと流体連通する第2電解セルをさらに備え、
前記第2電解セルは、
陽極液を収容するように構成されている第2陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第2室の前記陽極液は、前記第1電解セルの前記第1陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分をさらに含む、第2陽極液室；
前記第2陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第2陽極；
陰極液を収容するように構成されている第2陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第2陰極液室；
前記第2陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第2陰極；
前記第2陽極液室と前記第2陰極液室との間に位置付けられる第2セパレータであって、前記第2陽極液室の前記陽極液および前記第2陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第2セパレータ；ならびに
前記第2陽極および前記第2陰極と電気的に連通する第2電源であって、前記第2電解セルの開路電位よりも大きい電圧を前記第2電解セルに印加するように構成されている、第2電源
を備える、本発明1001のシステム。
[本発明1003]
前記陽極液は、元素状硫黄をさらに含む、本発明1001または1002のいずれかのシステム。
[本発明1004]
前記第1セパレータは、カチオン交換膜および微多孔膜のうちの少なくとも一つを備える、本発明1001〜1003のいずれかのシステム。
[本発明1005]
前記システムはヒーターをさらに備え、前記第1電解セルおよび前記第2電解セルのうちの少なくとも一つはアルカリ金属の融点を下回る温度で動作し、かつ／または前記第1電解セルおよび前記第2電解セルのうちの少なくとも一つは100℃から160℃までの温度で動作し、かつ／もしくは前記温度は120℃から150℃までである、本発明1001〜1004のいずれかのシステム。
[本発明1006]
前記イオン伝導性液体は、アルカリ金属イオンを含有する陰極液溶媒、および溶融アルカリ金属のうちの少なくとも一つを含む、本発明1001〜1005のいずれかのシステム。前記第1陽極液室は乱流プロモータを備える、本発明1001〜1005のいずれかのシステム。
[本発明1007]
前記陽極液室から元素状硫黄を取り出すのを促進するように、前記第1陽極液室および前記第2陽極液室のうちの少なくとも一つと連通する冷却装置をさらに備える、本発明1001〜1006のいずれかのシステム。
[本発明1008]
前記システムは、前記第2電解セルと流体連通する第3電解セルをさらに備え、
前記第3電解セルは、
陽極液を収容するように構成されている第3陽極液室であって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、元素状硫黄を溶解しかつ前記アルカリ金属硫化物および前記アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第3陽極液室の前記陽極液は、前記第2電解セルの前記第2陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分をさらに含む、第3陽極液室；
前記第3陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第3陽極；
陰極液を収容するように構成されている第3陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第3陰極液室；
前記第3陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第3陰極；
前記第3陽極液室と前記第3陰極液室との間に位置付けられる第3セパレータであって、前記第3陽極液室の前記陽極液および前記第3陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第3セパレータ；ならびに
前記第3陽極および前記第3陰極と電気的に連通する第3電源であって、硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分な電圧を前記第3電解セルに印加するように構成されている、第3電源
を備える、本発明1002のシステム。
[本発明1009]
前記第1電解セルの中の少なくとも一つのアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するのに十分な電圧が、前記第1電解セルに印加される、本発明1001のシステム。
[本発明1010]
前記第1電源は、前記第1電解セルにおいて少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分な電圧を前記第1電解セルに印加するように構成されている、本発明1001または1002のシステム。
[本発明1011]
前記アルカリ金属はナトリウムを含み、前記第1陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第1電解セルの開路電位が2．3Ｖよりも大きくなるような比率である、本発明1001、1002または1003のシステム。
[本発明1012]
前記アルカリ金属はナトリウムを含み、前記第1陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第1電解セルの開路電位が2．63Ｖよりも大きくなるような比率である、本発明1001、1002または1003のシステム。
[本発明1013]
前記第1電解セルに印加される電圧は、第1電気化学セルのオープンセル電位を少なくとも0．2V下回り、前記第2電解セルに印加される電圧は、前記第2陽極液室の中の硫化物イオンを酸化して元素状硫黄を形成させるのに十分である、本発明1002のシステム。
[本発明1014]
前記第1電解セルに印加される電圧は、第1電気化学セルのオープンセル電位を下回り、前記第2電解セルに印加される電圧は、前記第2電解セルにおいて少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めるのに十分であるが、元素状硫黄を形成させるには不十分であり、前記第3電解セルに印加される電圧は、前記第3電解セルにおいて元素状硫黄を形成させるのに十分である、本発明1009のシステム。
[本発明1015]
前記第2陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおける前記アルカリ金属は、ナトリウムを含み、前記第2陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第2電解セルの開路電位が2．3Ｖ以上となるような比率である、本発明1015のシステム。
[本発明1016]
前記第2陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおける前記アルカリ金属は、リチウムを含み、前記第2陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第2電解セルの開路電位が2．63Ｖよりも大きくなるような比率である、本発明1015のシステム。
[本発明1017]
フィードストリームから金属および硫黄を回収するための方法であって、
陽極液を収容するように構成されている、第1陽極液室；
前記第1陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第1陽極；
陰極液を収容するように構成されている第1陰極液室であって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、第1陰極液室；
前記第1陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第1陰極；
前記第1陽極液室と前記第1陰極液室との間に位置付けられる第1セパレータであって、前記第1室の前記陽極液および前記第1室の前記陰極液と連通し、非選択的にカチオンを移動させるように構成されている、第1セパレータ；ならびに
前記第1陽極および前記第1陰極と電気的に連通する、第1電源
を備える、第1電解セルを提供することと、
前記第1電解セルの前記第1陽極液室の中へ陽極液を導入することであって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、前記アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含み、前記陽極液はさらに、重金属、重金属化合物、および重金属イオンのうちの少なくとも一つを含む、導入することと、
前記第1電解セルの前記第1陰極液室の中へ陰極液を導入することであって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、導入することと、
少なくとも一つの重金属イオンを重金属に還元するのに十分な電圧を前記第1電解セルに印加することと、
前記第1電解セルの前記第1陽極液室の前記陽極液の中で、少なくとも一つの硫化物イオンを酸化することと、
前記第1陽極液室と前記第1陰極液室との間に位置付けられかつ前記第1陽極液室および前記第1陰極液室と連通する前記第1セパレータを通してカチオンを移動させることであって、前記カチオンは、前記第1陽極液室から前記第1陰極液室へ進む、移動させることと、
前記陰極液室の中で前記カチオンのうちの少なくとも一つを還元して金属を形成させることと
を含む、方法。
[本発明1018]
前記第1電解セルと流体連通する第2電解セルであって、
陽極液を収容するように構成されている、第2陽極液室；
前記第2陽極液室内に位置付けられ、前記陽極液と連通する、第2陽極；
陰極液を収容するように構成されている、第2陰極液室；
前記第2陰極液室内に位置付けられ、前記陰極液と連通する、第2陰極；
前記第2陽極液室と前記第2陰極液室との間に位置付けられる第2セパレータであって、前記第2陽極液室の前記陽極液および前記第2陰極液室の前記陰極液と連通し、選択的にアルカリイオンを移動させるように構成されているアルカリイオン選択性膜である、第2セパレータ；ならびに
前記第2陽極および前記第2陰極と電気的に連通する、第2電源
を備える第2電解セルを提供することと、
前記第2電解セルの前記第2陽極液室の中へ陽極液を導入することであって、前記陽極液は、アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つと、前記アルカリ金属硫化物、アルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つを溶解しかつ元素状硫黄を溶解する極性有機溶媒とを含み、前記第2電解セルの前記第2陽極液室の中へ陽極液を導入することは、前記第2電解セルの前記第2陽極液室の中へ、前記第1電解セルの前記第1陽極液室から取り出された陽極液の少なくとも一部分を導入することを含む、導入することと、
前記第2電解セルの前記第2陰極液室の中へ陰極液を導入することであって、前記陰極液は、アルカリイオン伝導性液体を含む、導入することと、
前記第2電解セルの開路電位よりも大きい電圧を前記第2電解セルに印加することと、
アルカリ金属カチオンを、前記第2陽極液室から、前記第2電解セルの前記第2セパレータを通して、前記第2陰極液室へ進ませることと、
前記第2陰極液室の中で少なくとも一つの金属カチオンを還元してアルカリ金属を形成させることと、
前記第2電解セルの前記第2陽極液室の中で、少なくとも一つの硫化物イオンの酸化状態を高めることと
をさらに含む、本発明1018の方法。
[本発明1019]
前記第1電源は、前記第1電解セルの中のアルカリ金属イオンをアルカリ金属に還元するには不十分な電圧を前記第1電解セルに印加するように構成されていることをさらに含む、本発明1018または1019の方法。
[本発明1020]
前記第2陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおけるアルカリ金属は、ナトリウムを含み、前記第2陽極液室の中のナトリウム対硫黄の比率は、前記第2電解セルの開路電位が2．3Ｖ以上となるような比率である、本発明1020の方法。
[本発明1021]
前記第2陽極液室の中の前記アルカリ金属硫化物およびアルカリ金属多硫化物のうちの少なくとも一つにおけるアルカリ金属は、リチウムを含み、前記第2陽極液室の中のリチウム対硫黄の比率は、前記第2電解セルの開路電位が2．63Ｖ以上となるような比率である、本発明1021の方法。
本発明により、フィードストリームの中に重金属が存在するにもかかわらず、フィードストリームからアルカリ金属および元素状硫黄を回収するためのシステムおよび方法を提供する。本発明の特徴および利点は、以下の記載および添付の請求項から、より完全に明らかとなり、または以下に説明する、本発明の実践から学んでもよい。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００１
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００１】
関連出願の相互参照
本出願は、２０１５年１２月２９日出願の米国仮特許出願第６２／２７２，２２４号の利益を主張し、参照することによって明示的に本明細書に援用される。
【国際調査報告】
2019500501.tif 000012
2019500501.tif 000013
2019500501.tif 000014