(57)【要約】  濃度差エネルギーを用いて塩水を脱塩する方法及び装置が開示される。生産物室中に収容されている塩水を脱塩するために、駆動セルは駆動電圧を発生させるために使われる。充分な電圧が生産物室に印加されるとき、陰イオン及び陽イオンが生産室から移動し、これにより前記水を脱塩するように、生産物室は脱塩電圧を印加される。駆動電圧を含む脱塩電圧以上に充分に大きな電圧が生産物室に印加され、その結果、脱塩が生じる。濃度差エネルギーは、有益に、濃縮液を使って発生することができ、それは、例えば太陽エネルギーを使って生成することができる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
（ａ）駆動電圧を生成するための複数の駆動セルであってそれぞれが第１のイオン濃度の希釈液を収容するための希釈液室と、前記第１のイオン濃度より高い第２のイオン濃度の濃縮液を収容するための濃縮液室と、前記希釈液及び濃縮液の両室との間で共有された境界を形成しまた該両室とイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの一方の交換膜と、各駆動セル及びその隣接する駆動セルとの間で共有された境界を形成しまた該両駆動セルとイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの他方の交換膜とを含む複数の駆動セルと、
（ｂ）生産物室陰イオン交換膜及び生産物室陽イオン交換膜と、
（ｃ）脱塩される塩水を収容する生産物室であって一側で前記生産物室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記生産物陽イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通する前記生産物室陰イオン又は陽イオンの交換膜を経て前記複数の駆動セルとイオン連通する生産物室と、
（ｄ）希釈液を希釈液室へ及び該希釈液室から移し脱塩されるべき前記塩水を前記生産物室へ及び脱塩された塩水を前記生産物室からそれぞれ移すように構成された希釈液、濃縮液及び生産物のマニホルドから成るマニホルドアセンブリとを含む、塩水脱塩装置。
【請求項２】
さらに、前記希釈液室、濃縮液室及び生産物室のそれぞれを取り囲む希釈液室ガスケット、濃縮液室ガスケット及び生産物室ガスケットを含み、前記希釈液室、濃縮液室及び生産物室の各ガスケットは、陽イオン及び陰イオンの両交換膜の分離を維持するためのスペーサをそれぞれに収容する、請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記希釈液、濃縮液及び生産物のマニホルドは、希釈液供給導管及び希釈液出口導管と、濃縮液供給導管及び濃縮液出口導管と、生産物原料供給導管及び生産物材料出口導管とから成り、該各導管が、希釈液、濃縮液及び生産物の前記各ガスケットを通って伸び、
（ａ）希釈液のマニホルドは、さらに、前記希釈液供給導管を前記希釈液室に流体的に結合する前記希釈液室ガスケットの入口ノッチと、前記希釈液出口導管を前記希釈液室に流体的に結合する前記希釈液室ガスケットの出口ノッチとを含み、
（ｂ）前記濃縮液のマニホルドは、さらに、前記濃縮液供給導管を前記濃縮液室に流体的に結合する前記濃縮液室ガスケットの入口ノッチと、前記濃縮液出口導管を前記濃縮液室に流体的に結合する前記濃縮液室ガスケットの出口ノッチとを含み、また
（ｃ）前記生産物マニホルドは、さらに、前記生産物原料供給導管を前記生産物室に流体的に結合する前記生産物室ガスケットの入口ノッチと、前記生産物出口導管を前記生産物室に流体的に結合する前記生産物室ガスケットの出口ノッチとを含む、請求項２に記載の装置。
【請求項４】
さらに、前記生産物室陰イオン交換膜及び生産物室陽イオン交換膜を通して、それぞれ前記生産物室とそれぞれイオン連通する陰イオン解放室及び陽イオン解放室を含む、請求項３に記載の装置。
【請求項５】
さらに、
（ａ）電解質を収容するためのアノード及びカソードの電解質室と、
（ｂ）アノード及びカソードのスタック端イオン交換膜であって該アノード及びカソードのスタック端の両イオン交換膜を通して前記アノード及びカソードの両電解質室は前記複数の駆動セル及び生産物室とそれぞれイオン連通する、アノード及びカソードのスタック端イオン交換膜と、
（ｃ）アノード及びカソードであって、アノード電解質室は一側で前記アノードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記アノードに接し、該アノードと導電状態にあり、前記カソード電解質室は一側で前記カソードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記カソードに接し、該カソードと導電状態にある、アノード及びカソードとを含む、請求項４に記載の装置。
【請求項６】
前記複数の駆動セル、生産物室、陰イオン解放室及び陽イオン解放室は、リング形状に配列されている、請求項４に記載の装置。
【請求項７】
前記複数の駆動セル、生産物室、陰イオン解放室及び陽イオン解放室は、螺旋形状に巻かれている、請求項４に記載の装置。
【請求項８】
さらに、前記アノード及びカソード間で電気的に結合された電圧源を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項９】
さらに、前記アノード及びカソード間で電気的に結合された電気負荷を含む、請求項５に記載の装置。
【請求項１０】
前記アノード及びカソードはそれぞれ被覆膜を有する基板から成り、該基板は、チタン、ニオブ、タンタル、イリジウム、パラジウム、スチール、ステンレススチール、ニッケル及びグラファイトから成るグループから選ばれた素材で構成され、前記被覆膜は、プラチナ、ルテニウム、イリジウムと、プラチナ、ルテニウム及びイリジウムを含む合金とから成るグループから選ばれた素材から成る、請求項５に記載の装置。
【請求項１１】
さらに、
（ａ）前記アノード電解質室を前記カソード電解質室に流体的に結合する電解質室流体導管と、
（ｂ）前記アノード及びカソードの電解質室の一方で形成された電気化学反応の副産物を前記電解質室の他方で反応物として使うことができるように、前記アノード及びカソードの電解質室の一方からその他方へ電解質を汲み上げるように構成された前記電解質室流体導管と流体的に連通するポンプとを含む、請求項５に記載の装置。
【請求項１２】
前記アノード又はカソードの一方で生産されるガスが該アノード又はカソードの他方に循環することができるように、前記アノード及びカソードは、互いとガス連通するガス拡散電極である、請求項１１に記載の装置。
【請求項１３】
さらに、
（ａ）電解質を収容するための第１及び第２の電解質室と、
（ｂ）第１及び第２のイオン交換膜であって該第１及び第２のイオン交換膜を通して前記第１及び第２の電解質室は、前記複数の駆動セル及び生産物室とイオン連通する、第１及び第２のイオン交換膜と、
（ｃ）多孔性の第１及び第２の端板であって前記第１の電解質室は、一側で前記多孔性の第１の端板に接し該端板とイオン連通し、また他側で前記第１のイオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、前記第２の電解質室は、一側で前記多孔性の第２の端板に接し該端板とイオン連通し、また他側で前記第２のイオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通する、多孔性の第１及び第２の端板を含み、前記装置は、該装置が導電性バスに沈められると、イオン電流が前記多孔性の第１及び第２の端板を通して前記第１及び第２の電解質室間を前記導電性バス内に流れるように、封止されている、請求項４に記載の装置。
【請求項１４】
さらに、
（ａ）電解質を収容するための第１及び第２の電解質室と、
（ｂ）第１及び第２のイオン交換膜であって該第１及び第２のイオン交換膜を通して前記第１及び第２の電解質室は、前記複数の駆動セル及び生産物室とイオン連通する、第１及び第２のイオン交換膜と、
（ｃ）第１及び第２の端板であって前記第１の電解質室は、一側で前記第１の端板に接し該端板とイオン連通し、また他側で前記第１のイオン交換膜に接し、前記第２の電解質室は、一側で前記多孔性の第２の端板に接し該端板とイオン連通し、また他側で前記第２のイオン交換膜に接する、第１及び第２の端板と、
（ｄ）前記第１の電解質室を前記第２の電解質室に流体的に結合する電解質室流体導管と、
（ｅ）前記第１及び第２の電解質室の一方からその他方に電解質を汲み上げるように構成された電解質室流体導管と流体的に連通するポンプとを含む、請求項４に記載の装置。
【請求項１５】
順極性及び逆極性で動作可能な塩水を脱塩するための装置であって、
（ａ）第１のイオン濃度の希釈液、該第１のイオン濃度より高い第２のイオン濃度の濃縮液及び脱塩される塩水を受け入れるように構成されたスタックであって
（i）複数の駆動セルであってそれぞれが、希釈液／濃縮液室と、濃縮液／希釈液室と、前記希釈液／濃縮液室及び前記濃縮液／希釈液室との間で共有された境界を形成し該両者とイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの一方の交換膜と、各駆動セル及びその隣接する駆動セルとの間で共有された境界を形成し該両駆動セルとイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの他方の交換膜とを含む複数の駆動セルと、
（ii）生産物／希釈液室陰イオン交換膜及び生産物／希釈液室陽イオン交換膜と、
(iii)生産物／希釈液室であって一側で前記生産物／希釈液室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記生産物／希釈液室陽イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、前記生産物／希釈液室陰イオン又は陽イオン交換膜を経てイオン連通する生産物／希釈液室と、
(iv)希釈液／生産物室陰イオン交換膜及び希釈液／生産物室陽イオン交換膜と、
(v) 希釈液／生産物室であって一側で前記希釈液／生産物室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記希釈液／生産物室陽イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、前記希釈液／生産物室陰イオン又は陽イオンの両交換膜を経て前記駆動セルとイオン連通する、希釈液／生産物室とを含むスタックと、
（ｂ）前記装置が順極性で運転されているとき、希釈液を前記希釈液／濃縮液及び希釈液／生産物室へ及び該希釈液／濃縮液及び希釈液／生産物室から、濃縮液を前記濃縮液／希釈液室へ及び該濃縮液／希釈液室から、また脱塩されるべき前記塩水を前記生産物／希釈液室へ及び脱塩された塩水を前記生産物／希釈液室からそれぞれ移すように構成され、また前記装置が逆極性で運転されているとき、希釈液を前記濃縮液／希釈液及び生産物／希釈液室へ及び該濃縮液／希釈液及び生産物／希釈液室から、濃縮液を前記希釈液／濃縮液へ及び該希釈液／濃縮液から、また脱塩されるべき前記塩水を前記希釈液／生産物室へ及び脱塩された塩水を前記希釈液／生産物室からそれぞれ移すように構成された希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液、及び希釈液／生産物のマニホルドから成るマニホルドアセンブリとを含む、脱塩装置。
【請求項１６】
さらに、前記希釈液／濃縮液室、前記濃縮液／希釈液室、前記生産物／希釈液室及び前記希釈液／生産物室のそれぞれを取り囲む希釈液／濃縮液室ガスケット、濃縮液／希釈液室ガスケット、生産物／希釈液室ガスケットを含み、前記希釈液／濃縮液室、濃縮液／希釈液室、前記生産物／希釈液室の各ガスケットは陽イオン及び陰イオンの両交換膜の分離を維持するためのスペーサをそれぞれに収容する、請求項１５に記載の装置。
【請求項１７】
前記希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液、及び希釈液／生産物のマニホルドは、それぞれ希釈液／濃縮液供給導管及び希釈液／濃縮液出口導管と、濃縮液／希釈液供給導管及び濃縮液／希釈液出口導管と、生産物／希釈液供給導管及び生産物／希釈液出口導管と、希釈液／生産物供給導管及び希釈液／生産物出口導管とから成り、該各導管が、前記希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液及び希釈液／生産物の前記各ガスケットを通って伸び、
（ａ）希釈液／濃縮液のマニホルドは、さらに、前記希釈液／濃縮液供給導管を前記希釈液／濃縮液室に流体的に結合する前記希釈液室ガスケットの入口ノッチと、前記希釈液／濃縮液出口導管を前記希釈液／濃縮液室に流体的に結合する前記希釈液／濃縮液室ガスケットの出口ノッチとを含み、
（ｂ）前記濃縮液／希釈液のマニホルドは、さらに、前記濃縮液／希釈液供給導管を前記濃縮液／希釈液室に流体的に結合する前記濃縮液／希釈液室ガスケットの入口ノッチと、前記濃縮液／希釈液出口導管を前記濃縮液／希釈液室に流体的に結合する前記濃縮液／希釈液室ガスケットの出口ノッチとを含み、
（ｃ）前記生産物／希釈液マニホルドは、さらに、前記生産物／希釈液供給導管を前記生産物／希釈液室に流体的に結合する前記生産物室ガスケットの入口ノッチと、前記生産物／希釈液出口導管を前記生産物／希釈液室に流体的に結合する前記生産物／希釈液室ガスケットの出口ノッチとを含み、また
（ｄ）前記希釈液／生産物マニホルドは、さらに、前記希釈液／生産物供給導管を前記希釈液／生産物室に流体的に結合する前記希釈液／生産物室ガスケットの入口ノッチと、前記希釈液／生産物出口導管を前記希釈液／生産物室に流体的に結合する前記希釈液／生産物室ガスケットの出口ノッチとを含む、請求項１６に記載の装置。
【請求項１８】
さらに、
（ａ）電解質を収容するための第１及び第２の電解質室と、
（ｂ）第１及び第２のスタック端イオン交換膜であって前記第１及び第２の電解質室は前記第１及び第２のイオン交換膜を通して前記希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液及び希釈液／生産物の各室とそれぞれイオン連通する、第１及び第２のスタック端イオン交換膜と、
（ｃ）第１及び第２の電極であって、前記第１の電解質室は、一側で前記第１のスタック端イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記第１の電極に接し該電極と電気的に連通し、前記第２の電解質室は、一側で前記第２のスタック端イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記第２の電極に接し、該電極と電気的に連通する、第１及び第２の電極とを含む、請求項１７に記載の装置。
【請求項１９】
前記第１及び第２の電極はそれぞれ被覆膜を有する基板から成り、該基板は、チタン、ニオブ、タンタル、イリジウム、パラジウム、スチール、ステンレススチール、ニッケル及びグラファイトから成るグループから選ばれた素材で構成され、前記被覆膜は、プラチナ、ルテニウム、イリジウムと、プラチナ、ルテニウム及びイリジウムを含む合金とから成るグループから選ばれた素材から成る、請求項５に記載の装置。
【請求項２０】
塩水を脱塩するためのプラントであって、
（ａ）請求項１から１４のいずれか一項に記載の装置と、
（ｂ）濃縮液を生成するために前記装置を出る前記希釈液から水を除去するように構成された第１の再凝縮器と
（ｃ）前記第１の凝縮器及び前記濃縮液室の両方と流体的に連通する前記濃縮液を入れるための濃縮液貯蔵所とを含む、塩水脱塩プラント。
【請求項２１】
さらに、
（ａ）脱塩されるべき前記塩水を入れるための、前記生産物室に流体的に連通する塩水貯蔵所と、
（ｂ）前記希釈液を入れるための、前記駆動セルに流体的に連通する希釈液貯蔵所と、
（ｃ）脱塩された塩水を蓄えるための、前記生産物室に流体的に連通する希釈液貯蔵所とを含む、請求項２０に記載のプラント。
【請求項２２】
さらに、前記塩水が前記塩水貯蔵所に入るに先立って脱塩されるべき前記塩水を処理するための、前記塩水貯蔵所に流体的に結合された前処理センターを含む、請求項２１に記載のプラント。
【請求項２３】
さらに、前記濃縮液貯蔵所及び前記装置を流体的に連通し、前記装置を出る前記濃縮液から水を除去するように構成された第２の再凝縮器を含む、請求項２２に記載のプラント。
【請求項２４】
前記前処理センターは、前記希釈液が前記希釈液貯蔵所に入るに先立って前記希釈液を処理するために前記希釈液貯蔵所に流体的に結合されている、請求項２２に記載のプラント。
【請求項２５】
前記第１及び第２の再凝縮器の一方又は双方は、蒸発性の池、蒸発性の噴水池、自然通気蒸発塔及び強制通気蒸発塔から成るグループから選ばれる、請求項２３に記載のプラント。
【請求項２６】
さらに、熱源からの熱を前記第１及び第２の再凝縮器の一方又は双方に移送するために、前記第１及び第２の再凝縮器一方又は双方に流体的に結合された熱交換器を含む、請求項２３に記載のプラント。
【請求項２７】
（ａ）駆動電圧を発生させるために複数の駆動セルを使用すること、
（ｂ）脱塩されるべき塩水を収容し前記複数の駆動セルとイオン連通する生産物室を横切るに充分な電圧であって、前記生産物室は一側で生産物室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で生産物室陽イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また脱塩電圧を有し、電圧が脱塩電圧を超えて前記生産物室に印加されたとき、陽イオン及び陰イオンが前記生産物室陽イオン及び陰イオン交換膜のそれぞれを通って前記塩水から移動し、前記駆動電圧を含む前記脱塩電圧以上の充分な電圧を印加することを含む、塩水を脱塩する方法。
【請求項２８】
駆動電圧を発生させるために複数の駆動セルを使用することは、
（ａ）第１のイオン濃度の希釈液を前記複数の駆動セルの希釈液室を通って流すこと、
（ｂ）前記第１のイオン濃度より高い第２のイオン濃度であって、陽イオン又は陰イオン交換膜の一方は、前記濃縮液から前記希釈液へイオンが流れるように前記希釈液及び濃縮液に共有された境界を形成し該両液とイオン連通する前記陽イオン又は陰イオン交換膜の他方は、隣接する一対の駆動セル間で共有された境界を形成し該両セルとイオン連通する、第２のイオン濃度の濃縮液を前記複数の駆動セルの濃縮液室を通って流すことを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
さらに、陰イオン及び陽イオンの解放室を通して脱塩される塩水のイオン濃度以上のイオン濃度を有する溶液を流すことを含み、前記陰イオン及び陽イオンの各解放室は、生産物室陰イオン交換膜及び生産物室陽イオン交換膜を経て前記生産物室とイオン連通する、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記希釈液は、前記陰イオン及び陽イオンの各解放室を通って流れる溶液である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３１】
前記希釈液及び脱塩される塩水は同じでものある、請求項２９に記載の方法。
【請求項３２】
前記希釈液及び前記濃縮液は塩水である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３３】
前記駆動電圧は脱塩電圧以上である、請求項２９に記載の方法。
【請求項３４】
アノード及びカソードの各電解質室を通して電解質を流すことをさらに含み、前記アノード電解質室は、一側でアノードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、他側でアノードに接し該アノードと電気的に連通し、前記カソード電解質室は、一側でカソードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、他側でカソードに接し該カソードと電気的に連通し、前記アノード及びカソードの各電解質は前記アノード及びカソードのスタック端イオン交換膜を経てそれぞれ前記生産物室にイオン的に連通し、前記アノード及びカソードは、電子が前記アノードからカソードに流れるように、互いに電気的に連通する、請求項２９に記載の方法。
【請求項３５】
前記希釈液及び濃縮液は、前記希釈液及び濃縮液の室をそれぞれ逆流方向に流れる、請求項２９に記載の方法。
【請求項３６】
さらに、
（ａ）前記駆動セルと直列にイオン連通し、一側で初期ステージ生産物室陰イオン交換膜に接し該陰イオン交換膜とイオン連通し、他側で初期ステージ生産物室陽イオン交換膜に接し該陽イオン交換膜とイオン連通しする初期脱塩ステージであって、前記初期ステージ生産物室は、前記脱塩電圧を超えて前記初期ステージ生産物室に電圧が印加されたとき陽イオン及び陰イオンが前記初期ステージ生産物室陽イオン及び陰イオン交換膜をそれぞれ通って前記塩水から移動するような脱塩電圧を有する初期脱塩ステージを通って脱塩する塩水を流すこと、
（ｂ）一側で引き続くステージの生産物室陽イオン交換膜に接し該陽イオン交換膜とイオン連通し、他側で引き続くステージ生産物室陽イオン交換膜に接し該陽イオン交換膜とイオン連通する引き続く脱塩ステージ生産物室を含む引き続く脱塩ステージであって前記引き続くステージの生産物室は、前記脱塩電圧を超えて前記引き続くステージ生産物室に電圧が印加されたとき陽イオン及び陰イオンが前記引き続くステージ生産物室陽イオン及び陰イオン交換膜をそれぞれ通って前記塩水から移動し、脱塩される前記塩水が前記初期ステージ及び引き続くステージ生産物室を通って流れるような脱塩電圧を有する引き続く脱塩ステージを通って脱塩される前記塩水を流すこと、及び
（ｃ）前記初期及び引き続くステージ生産物室の脱塩電圧の合計以上の駆動電圧を含む充分な電圧を前記初期及び引き続くステージ生産物室を横切って印加することを含む、請求項２９に記載に方法。
【請求項３７】
前記初期及び引き続くステージの生産物室の一方又は両方が複数の生産物室を含み、前記脱塩される塩水を前記初期及び引き続く脱塩ステージを通して流すことは、前記脱塩される塩水をいずれかのステージの前記複数の生産物室を通って平行に流すことを含む、請求項３６に記載の方法。
【請求項３８】
さらに、前記アノード及びカソード間に電気的に結合された電圧源を使用して前記アノード及びカソードを横切って外部電圧を印加することを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項３９】
さらに、前記駆動電圧が前記脱塩電圧より大きいとき、前記アノード及びカソード間に電気的に結合された電気負荷に電力を供給することを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４０】
前記電解質は、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム又はカリウムの陽イオンを含み、前記アノード及びカソードのイオン交換膜は、いずれも陽イオン交換膜である、請求項３４に記載の方法。
【請求項４１】
前記電解質は、塩素、硫酸塩又は臭素の陰イオンを含み、前記アノード及びカソードのイオン交換膜は、いずれも陰イオン交換膜である、請求項３４に記載の方法。
【請求項４２】
前記電解質は、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、ＨＣｌ、Ｎａ３Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｎａ２Ｓ４Ｏ６、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３、Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｋ４Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３、ＮＨ４Ｃｌ、ＮＨ４、Ｎａ２Ｃｒ２Ｏ７、及びＣｒＣｌ３から成るグループから選ばれる、請求項３４に記載の方法。
【請求項４３】
さらに、前記アノード及びカソードの両電解質室の一方に形成される電気化学反応副産物が前記両電解質室の他方の反応物として使うことができるように、前記アノード及びカソードの両電解質室の前記一方からその前記他方へ電解質を汲み上げることを含む、請求項３４に記載の方法。
【請求項４４】
さらに、
（ａ）第１及び第２の電解質室であって、前記第１の電解質室は、一側で第１のイオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で多孔性の第１の端板に接し該端板とイオン連通し、前記第２の電解質室は、一側で第２の交換膜に接し該交換膜とイオン連通し、他側で多孔性の第２の端板に接し該端板とイオン連通し、前記第１及び第２のイオン交換膜を経て前記生産物室とイオン的に連通する前記第１及び第２の電解質室を通って濃縮液を流すこと、及び
（ｂ）イオン電流が導電性バスと、多孔性の前記第１及び第２の端板との間で流れるように、多孔性の前記第１及び第２の端板を前記導電性バスに沈めることとを含む、請求項２９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は塩水を脱塩する方法、装置及びプラントに関する。より詳細には、本発明は、イオン交換膜によって分離される異なる溶質濃度の２つの溶液間に存在しているエネルギー差を利用することによって塩水を脱塩する方法、装置及びプラントに関する。
【背景技術】
【０００２】
地球上の人口の１／４以上が淡水を充分に手に入れることはできない。淡水を充分に入手できないと、病気や栄養不良、農業開発の制限が引き起こされ、経済成長が抑制されることがあるので、有害である。
【０００３】
しかしながら、淡水と対比すると、塩水は容易に入手可能である。海水という形の塩水は地球上の水の約９７％を占める。しかし、海水が充分に脱塩されない限り、それは飲めないだけでなく農業に不適当である。「脱塩」は、塩水から陰イオン及び陽イオンを取り除くプロセスを指す。海水は、一般的に約３．５％の塩質量濃度であり、すなわち水１リットル当たり約３５グラムの溶解塩を有する。対照的に、飲料水は一般的に高くとも約０．０４％の塩濃度である。
【０００４】
現在、いくつかの脱塩方法が従来技術として知られている。現在、最も普及している方法の1つは、逆浸透法（「ＲＯ」）である。ＲＯは、渦巻き状に巻かれた半透過性の膜を機械的な高圧の強制力で塩水を通過させることを含む。前記膜は塩水から塩を濾過する。ＲＯを使って濾過される塩水は、大規模な前処理を必要とし、それはＲＯのエネルギー必要量を増大させる。塩水の温度が約３０℃以上であると、ＲＯはまた性能問題に不利を招き、例えば塩水源が暖かな海洋又は発電所出口からの水であると、それは事実であり得る。
【０００５】
さらなる脱塩方法は、多重効用蒸留（「ＭＥＤ」）又は多段フラッシュ（「ＭＳＦ」）である。ＭＥＤ及びＭＳＦは、一連の複数のステージの上で繰り返し塩水を蒸発させ、濃縮することにより、塩水を脱塩する。ＭＥＤ及びＭＳＦ法のためのエネルギー源は、通常、低圧蒸気である。ＭＥＤ及びＭＳＦ法の主たる欠点は、これらの処理が消費する大量の熱エネルギーであり、ＲＯで使われる電気エネルギーより典型的には１桁高い。
【０００６】
脱塩の他の方法は、電気透析（「ＥＤ」）である。ＥＤは、溶解した塩のイオンが外部から印加された電位の影響下でイオン交換膜を通して供給ストリームから濃縮ストリームに移される分離プロセスを通して、脱塩を達成する。このイオン移送は、一般に、イオン交換膜の交互配置を使って組み立てられるＥＤスタックを使って、前記膜間への供給及び濃縮の両ストリームの流れを伴って実行される。ＥＤについての１つの問題は、それが海水の脱塩のためにＲＯより多くのエネルギーを消費し、そのようなエネルギー源が完全に外部から印加された電位という形であることである。エネルギー消費に関連した問題に加えて、直流電源、あるいは交流電源から直流を発生させる整流器という形の電気ハードウェアが必要とされる。ＥＤについての第２の問題は、外部から印加された電位の結果として、電圧の勾配が、意図されているようなイオン交換膜を通してだけでなくＥＤスタックに用いられるマニホルド（manifolding）を通しても、塩イオンの移動を引き起こすことがしばしばである。これは、循環するイオンの流れに損失を生じ、ＥＤの効率を低下させる。
【０００７】
その結果、従来技術を改善する塩水脱塩方法及び装置の要望が存在する。
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、塩水を脱塩するための装置が提供される。前記装置は、駆動電圧を生成するための複数の駆動セルであってそれぞれが第１のイオン濃度の希釈液を収容するための希釈液室と、前記第１のイオン濃度より高い第２のイオン濃度の濃縮液を収容するための濃縮室と、前記希釈液室及び濃縮室との間で共有された境界を形成し該両室とイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの一方の交換膜と、各駆動セル及びその隣接する駆動セルとの間で共有された境界を形成し該両駆動セルとイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの他方の交換膜とを有する複数の駆動セルを含む。前記装置は、また、生産物室陰イオン交換膜、生産物室陽イオン交換膜、及び脱塩される塩水を収容する生産物室を含む。前記生産物室は、一側で前記生産物室陰イオン交換膜に接し、該生産物室陰イオン交換膜とイオン連通し、他側で前記生産物陽イオン交換膜に接し、該生産物陽イオン交換膜とイオン連通する。前記生産物室は、前記生産物陰イオン交換膜又は生産物陽イオン交換膜を経て前記複数の駆動セルとイオン連通する。前記装置は、また、希釈液を希釈液室へ及び該希釈液室から運び、濃縮液を前記濃縮液室へ及び該濃縮液室から運び、脱塩されるべき前記塩水を前記生産物室へ及び脱塩された塩水を前記生産物室からそれぞれ運ぶように構成された希釈液、濃縮液及び生産物のマニホルドを有するマニホルドアセンブリを含む。
【０００９】
前記装置は、さらに、前記希釈液室、濃縮液室及び生産物室のそれぞれを取り囲む希釈液室ガスケット、濃縮液室ガスケット及び生産物室ガスケットを含む。前記希釈液室、濃縮液室及び生産物室の各ガスケットは、陽イオン及び陰イオンの両交換膜の分離を維持するためのスペーサをそれぞれに収容することができる。
【００１０】
前記希釈液、濃縮液及び生産物のマニホルドは、希釈液供給導管及び希釈液出口導管と、濃縮液供給導管及び濃縮液出口導管と、生産物原料供給導管及び生産物出口導管とをそれぞれ含むことができ、それぞれの導管が前記希釈液、濃縮液及び生産物の各ガスケットを通って伸びる。前記希釈液のマニホルドは、前記希釈液供給導管を前記希釈液室に流体的に結合する前記希釈液室ガスケットの入口ノッチと、前記希釈液出口導管を前記希釈液室に流体的に結合する前記希釈液室ガスケットの出口ノッチとを有することができる。同様に、前記濃縮液マニホルドは、前記濃縮液供給導管を前記濃縮液室に流体的に結合する前記濃縮液室ガスケットの入口ノッチと、前記濃縮液出口導管を前記濃縮液室に流体的に結合する前記濃縮液室ガスケットの出口ノッチとを有することができ、また、前記生産物マニホルドは、前記生産物原料供給導管を前記生産物室に流体的に結合する前記生産物室ガスケットの入口ノッチと、前記生産物出口導管を前記生産物室に流体的に結合する前記生産物室ガスケットの出口ノッチとを有することができる。
【００１１】
前記塩水脱塩装置は、陰イオン解放室及び陽イオン解放室を有することができ、該解放室は、それぞれ前記生産物室陰イオン交換膜及び前記生産物室陽イオン交換膜を通して前記生産物室をイオン連通する。
【００１２】
前記装置は、また、電解質を収容するためのアノード及びカソードの電解質室と、アノード及びカソードのスタック端イオン交換膜であって該アノード及びカソードのスタック端の両イオン交換膜を通してそれぞれ前記アノード及びカソードの両電解質室は前記複数の駆動セル及び生産物室とイオン連通するアノード及びカソードのスタック端イオン交換膜と、アノード及びカソードとを含むことができる。前記アノード電解質室は、一側で前記アノードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通状態にあり、また他側で前記アノードに接し、該アノードと電気的に連通状態にあることができる。同様に、前記カソード電解質室は、一側で前記カソードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記カソードに接し、該カソードと導電状態にあることができる。
【００１３】
前記複数の駆動セル、生産物室、陰イオン解放室及び陽イオン解放室は、リング形状に配列することができる。これに代えて、前記複数の駆動セル、生産物室、陰イオン解放室及び陽イオン解放室は、螺旋形状に巻くことができる。
【００１４】
さらに、前記アノード及びカソード間に電気的に結合された電圧源又は電気的負荷の一方又は双方を設けることができる。
【００１５】
前記アノード及びカソードは、それぞれ被覆膜を有する基板を備えることができる。前記基板は、チタン、ニオブ、タンタル、イリジウム、パラジウム、スチール、ステンレススチール、ニッケル及びグラファイトから成るグループから選ばれた素材で構成することができ、前記被覆膜は、プラチナ、ルテニウム、イリジウムと、プラチナ、ルテニウム及びイリジウムを含む合金とから成るグループから選ばれた素材で構成することができる。
【００１６】
前記装置は、また、前記アノード電解質室を前記カソード電解質室に流体的に結合する電解質室流体導管と、前記アノード及びカソードの電解質室の一方で形成された電気化学の反応の副産物を前記電解質室の他方で反応物として使うことができるように、前記アノード及びカソードの電解質室の一方からその他方へ電解質を汲み上げるように構成された前記電解質室流体導管と流体的に連通するポンプとを含むことができる。
【００１７】
前記アノード及びカソードは、該アノード及びカソードの一方で生産されるガスが該アノード及びカソードの他方に循環することができるように、互いにガス連通するガス拡散電極とすることができる。
【００１８】
前記脱塩装置は、また電解質を収容するための第１及び第２の電解質室と、第１及び第２のイオン交換膜であって前記第１及び第２の電解質室は、前記第１及び第２のイオン交換膜を通してそれぞれ前記複数の駆動セル及び前記生産物室とイオン連通する第１及び第２のイオン交換膜と、多孔性の第１及び第２の端板とを含むことができる。前記第１の電解質室は、一側で前記多孔性の第１の端板に接し該端板とイオン連通し、他側で前記第１のイオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通することができる。同様に、前記第２の電解質室は、一側で前記多孔性の第２の端板に接し該端板とイオン連通することができる。前記装置は、該装置が導電性のバスに沈められると、イオン電流が前記多孔性の第１及び第２の端板を通して前記第１及び第２の電解質室間を前記導電性バス内に流れるように、封止することができる。
【００１９】
前記装置は、また、電解質を収容するための第１及び第２の電解質室と、第１及び第２のイオン交換膜であって該第１及び第２のイオン交換膜を通してそれぞれ前記第１及び第２の電解質室は前記複数の駆動セル及び生産物室とイオン連通する第１及び第２のイオン交換膜と、第１及び第２の端板であって前記第１の電解質室は、一側で前記第１の端板に接し該端板とイオン連通し、他側で前記第１のイオン交換膜に接し、前記第２の電解質室は、一側で前記多孔性の第２の端板に接し該端板とイオン連通し、他側で前記第２のイオン交換膜に接する第１及び第２の端板と、前記第１の電解質室を前記第２の電解質室に流体的に結合する電解質室流体導管と、前記第１及び第２の電解質室の一方からその他方に電解質を汲み上げるように構成された電解質室流体導管と流体的に連通するポンプとを含むことができる。
【００２０】
本発明のさらに他の態様によれば、順極性および逆極性で動作可能の塩水を脱塩する装置が提供される。前記装置は、第１のイオン濃度の希釈液、該第１のイオン濃度より高い第２のイオン濃度の濃縮液及び脱塩される塩水を受け入れるように構成されたスタックを含む。前記スタックは、複数の駆動セルであってそれぞれが、希釈液／濃縮液室と、濃縮液／希釈液室と、前記希釈液／濃縮液室及び前記濃縮液／希釈液室との間で共有された境界を形成し該両者とイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの一方の交換膜と、各駆動セル及びその隣接する駆動セルとの間で共有された境界を形成し該両駆動セルとイオン連通する、陽イオン又は陰イオンのうちの他方の交換膜とを含む複数の駆動セルと、生産物／希釈液室陰イオン交換膜及び生産物／希釈液室陽イオン交換膜と、生産物／希釈液室であって一側で前記生産物／希釈液室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記生産物／希釈液室陽イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、前記生産物／希釈液室陰イオン又は陽イオン交換膜を経てイオン連通する生産物／希釈液室と、希釈液／生産物室陰イオン交換膜及び希釈液／生産物室陽イオン交換膜と、希釈液／生産物室であって一側で前記希釈液／生産物室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記希釈液／生産物室陽イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、前記希釈液／生産物室陰イオン又は陽イオンの両交換膜を経て前記駆動セルとイオン連通する、希釈液／生産物室と、前記装置が順極性で運転されているとき、希釈液を前記希釈液／濃縮液及び希釈液／生産物室へ及び該希釈液／濃縮液及び希釈液／生産物室から、濃縮液を前記濃縮液／希釈液室へ及び該濃縮液／希釈液室から、また脱塩されるべき前記塩水を前記生産物／希釈液室へ及び脱塩された塩水を前記生産物／希釈液室からそれぞれ移すように構成され、また前記装置が逆極性で運転されているとき、希釈液を前記濃縮液／希釈液及び生産物／希釈液室へ及び該濃縮液／希釈液及び生産物／希釈液室から、濃縮液を前記希釈液／濃縮液へ及び該希釈液／濃縮液から、また脱塩されるべき前記塩水を前記希釈液／生産物室へ及び脱塩された塩水を前記希釈液／生産物室からそれぞれ移すように構成された希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液、及び希釈液／生産物のマニホルドから成るマニホルドアセンブリとを備える。
【００２１】
前記装置は、また、前記希釈液／濃縮液室、前記濃縮液／希釈液室、前記生産物／希釈液室及び前記希釈液／生産物室のそれぞれを取り囲む希釈液／濃縮液室ガスケット、濃縮液／希釈液室ガスケット、生産物／希釈液室ガスケットを含む。前記希釈液／濃縮液室、濃縮液／希釈液室、前記生産物／希釈液室の各ガスケットは、陽イオン及び陰イオンの両交換膜の分離を維持するためのスペーサをそれぞれに収容することができる。
【００２２】
前記希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液、及び希釈液／生産物のマニホルドは、それぞれ希釈液／濃縮液供給導管及び希釈液／濃縮液出口導管と、濃縮液／希釈液供給導管及び濃縮液／希釈液出口導管と、生産物／希釈液供給導管及び生産物／希釈液出口導管と、希釈液／生産物供給導管及び希釈液／生産物出口導管とを含むことができ、該各導管が、前記希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液及び希釈液／生産物の前記各ガスケットを通って伸びる。前記希釈液／濃縮液のマニホルドは、前記希釈液／濃縮液供給導管を前記希釈液／濃縮液室に流体的に結合する前記希釈液室ガスケットの入口ノッチと、前記希釈液／濃縮液出口導管を前記希釈液／濃縮液室に流体的に結合する前記希釈液／濃縮液室ガスケットの出口ノッチとを備えることができる。同様に、前記濃縮液／希釈液のマニホルドは、前記濃縮液／希釈液供給導管を前記濃縮液／希釈液室に流体的に結合する前記濃縮液／希釈液室ガスケットの入口ノッチと、前記濃縮液／希釈液出口導管を前記濃縮液／希釈液室に流体的に結合する前記濃縮液／希釈液室ガスケットの出口ノッチとを備えることができ、前記生産物／希釈液マニホルドは、さらに、前記生産物／希釈液供給導管を前記生産物／希釈液室に流体的に結合する前記生産物室ガスケットの入口ノッチと、前記生産物／希釈液出口導管を前記生産物／希釈液室に流体的に結合する前記生産物／希釈液室ガスケットの出口ノッチとを備えることができ、前記希釈液／生産物マニホルドは、さらに、前記希釈液／生産物供給導管を前記希釈液／生産物室に流体的に結合する前記希釈液／生産物室ガスケットの入口ノッチと、前記希釈液／生産物出口導管を前記希釈液／生産物室に流体的に結合する前記希釈液／生産物室ガスケットの出口ノッチとを備えることができる。
【００２３】
前記装置は、また電解質を収容するための第１及び第２の電解質室と、第１及び第２のスタック端イオン交換膜であって前記第１及び第２の電解質は、前記第１及び第２のイオン交換膜を通して前記希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液及び生産物／希釈液及び希釈液／生産物の各室とそれぞれイオン連通する、第１及び第２のスタック端イオン交換膜と、第１及び第２の電極とを含むことができる。第１の電解質室は、一側で前記第１のスタック端イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で前記第１の電極に接し該電極と電気的に連通することができる。前記第２の電解質室は、一側で前記第２のスタック端イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で前記第２の電極と電気的に連通することができる。
【００２４】
前記第１及び第２の電極は、それぞれ被覆膜を有する基板を備えることができる。前記基板は、チタン、ニオブ、タンタル、イリジウム、パラジウム、スチール、ステンレススチール、ニッケル及びグラファイトから成るグループから選ばれた素材で構成することができ、前記被覆膜は、プラチナ、ルテニウム、イリジウムと、プラチナ、ルテニウム及びイリジウムを含む合金とから成るグループから選ばれた素材から構成することができる。
【００２５】
本発明のさらに他の態様によれば、塩水を脱塩するためのプラントが提供される。前記プラントは、前記したいずれかの塩水脱塩装置と、前記濃縮液を生成するために前記装置を出る前記希釈液から水を除去するように構成された第１の再凝縮器と、前記第１の凝縮器及び前記濃縮液室の両方とに流体的に連通する前記濃縮液を入れるための濃縮液貯蔵所とを含むことができる。
【００２６】
前記プラントは、脱塩される前記塩水を入れるための、前記生産物室に流体的に連通する塩水貯蔵所と、前記希釈液を入れるための、前記駆動セルに流体的に連通する希釈液貯蔵所と、脱塩された塩水を蓄えるための、前記生産物室に流体的に連通する生産物貯蔵所とを含むことができる。
【００２７】
さらに、前記プラントは、前記塩水が前記塩水貯蔵所に入るに先立って脱塩されるべき前記塩水を処理するための、前記塩水貯蔵所に流体的に結合された前処理センターを備えることができる。
【００２８】
前記プラントは、前記濃縮液貯蔵所及び前記装置を流体的に連通し、前記装置を出る前記濃縮液から水を除去するように構成された第２の再凝縮器を含むことができる。
【００２９】
前記前処理センターは、前記希釈液が前記希釈液貯蔵所に入るに先立って前記希釈液を処理するために前記希釈液貯蔵所に流体的に結合することができる。
【００３０】
前記第１及び第２の再凝縮器の一方又は双方は、蒸発性の池、蒸発性の噴水池、自然通気蒸発塔及び強制通気蒸発塔から成るグループから選ぶことができる。さらに、前記プラントは、また熱源からの熱を前記第１及び第２の再凝縮器の一方又は双方に移送するために前記第１及び第２の再凝縮器の一方又は双方に流体的に結合された熱交換器を含むことができる。
【００３１】
本発明のさらに他の態様によれば、塩水脱塩方法が提供される。前記方法は、駆動電圧を発生させるために複数の駆動セルを使用すること、脱塩されるべき塩水を収容し前記複数の駆動セルとイオン連通する生産物室を横切るに充分な電圧であって、前記生産物室は一側で生産物室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で生産物室陽イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また脱塩電圧を有し、電圧が脱塩電圧を超えて前記生産物室に印加されたとき、陽イオン及び陰イオンが前記生産物室陽イオン及び陰イオン交換膜のそれぞれを通って前記塩水から移動し、前記駆動電圧を含む前記脱塩電圧以上の充分な電圧を印加することを含む。
【００３２】
駆動電圧を発生させるために複数の駆動セルを使用することは、第１のイオン濃度の希釈液を前記複数の駆動セルの希釈液室を通って流すこと、前記第１のイオン濃度より高い第２のイオン濃度であって、陽イオン又は陰イオン交換膜の一方は、前記濃縮液から前記希釈液へイオンが流れるように前記希釈液及び濃縮液に共有された境界を形成し該両液とイオン連通する前記陽イオン又は陰イオン交換膜の他方は、隣接する一対の駆動セル間で共有された境界を形成し該両セルとイオン連通する、第２のイオン濃度の濃縮液を前記複数の駆動セルの濃縮液室を通って流すことを含むことができる。
【００３３】
前記方法は、さらに、陰イオン及び陽イオンの解放室を通して脱塩される塩水のイオン濃度以上のイオン濃度を有する溶液を流すことを含むことができ、前記陰イオン及び陽イオンの各解放室は、生産物室陰イオン交換膜及び生産物室陽イオン交換膜を経て前記生産物室とイオン連通する。
【００３４】
前記希釈液は、前記陰イオン及び陽イオンの各解放室を通して流れる溶液とすることができる。さらに、前記希釈液及び脱塩される塩水は、同じとすることができる。前記希釈液及び前記濃縮液の両方を塩水とすることができる。
【００３５】
前記駆動電圧は、前記脱塩電圧以上とすることができる。そのような場合、脱塩は、如何なる外部電圧の適用もなしに行うことができる。
【００３６】
さらに、アノード及びカソードの各電解質室を通して電解質を流すことを含みむことができ、前記アノード電解質室は、一側でアノードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、他側でアノードに接し該アノードと電気的に連通し、前記カソード電解質室は、一側でカソードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、他側でカソードに接し該カソードと電気的に連通し、前記アノード及びカソードの各電解質は前記アノード及びカソードのスタック端イオン交換膜を経てそれぞれ前記生産物室にイオン的に連通し、前記アノード及びカソードは、電子が前記アノードからカソードに流れるように、互いに電気的に連通する。
【００３７】
前記希釈液及び前記濃縮液は、前記希釈液及び濃縮液の室をそれぞれ逆流方向に流すことができる。
【００３８】
前記方法は、さらに、前記駆動セルと直列にイオン連通し、一側で初期ステージ生産物室陰イオン交換膜に接し該陰イオン交換膜とイオン連通し、他側で初期ステージ生産物室陽イオン交換膜に接し該陽イオン交換膜とイオン連通しする初期脱塩ステージであって、前記初期ステージ生産物室は、前記脱塩電圧を超えて前記初期ステージ生産物室に電圧が印加されたとき陽イオン及び陰イオンが前記初期ステージ生産物室陽イオン及び陰イオン交換膜をそれぞれ通って前記塩水から移動するような脱塩電圧を有する初期脱塩ステージを通って脱塩する塩水を流すこと、一側で引き続くステージの生産物室陽イオン交換膜に接し該陽イオン交換膜とイオン連通し、他側で引き続くステージ生産物室陽イオン交換膜に接し該陽イオン交換膜とイオン連通する引き続く脱塩ステージ生産物室を含む引き続く脱塩ステージであって前記引き続くステージの生産物室は、前記脱塩電圧を超えて前記引き続くステージ生産物室に電圧が印加されたとき陽イオン及び陰イオンが前記引き続くステージ生産物室陽イオン及び陰イオン交換膜をそれぞれ通って前記塩水から移動し、脱塩される前記塩水が前記初期ステージ及び引き続くステージ生産物室を通って流れるような脱塩電圧を有する引き続く脱塩ステージを通って脱塩される前記塩水を流すこと、及び前記初期及び引き続くステージ生産物室の脱塩電圧の合計以上の駆動電圧を含む充分な電圧を前記初期及び引き続くステージ生産物室を横切って印加することを含むことができる。
【００３９】
前記初期及び引き続くステージの生産物室の一方又は両方が複数の生産物室を含むことができ、前記脱塩される塩水を前記初期及び引き続く脱塩ステージを通して流すことは、前記脱塩される塩水をいずれかのステージの前記複数の生産物室を通って平行に流すことを含むことができる。
【００４０】
前記アノード及びカソード間に電気に結合された電圧源を使用して前記アノード及びカソードを横切って外部電圧を印加することができる。前記駆動電圧が前記脱塩電圧より大きいとき、前記アノード及びカソード間に電気的に結合された電気負荷に電力を供給することができる。
【００４１】
前記電解質は、ナトリウム、カルシウム、マグネシウム又はカリウムの陽イオンを含み、前記アノード及びカソードのイオン交換膜は、いずれも陽イオン交換膜とすることができる。代わりに、前記電解質は、塩素、硫酸塩又は臭素の陰イオンを含み、前記アノード及びカソードのイオン交換膜は、いずれも陰イオン交換膜とすることができる。
【００４２】
前記電解質は、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＣｌ、ＮａＯＨ、ＨＣｌ、Ｎａ３Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｎａ２Ｓ４Ｏ６、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３、Ｎａ４Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｋ３Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｋ４Ｆｅ（ＣＮ）６、Ｎａ２Ｓ２Ｏ３、ＮＨ４Ｃｌ、ＮＨ４、Ｎａ２Ｃｒ２Ｏ７、及びＣｒＣｌ３から成るグループから選ぶことができる。
【００４３】
前記方法は、さらに、前記アノード及びカソードの両電解質室の一方に形成される電気化学反応副産物が前記両電解質室の他方の反応物として使うことができるように、前記アノード及びカソードの両電解質室の前記一方からその前記他方へ電解質を汲み上げることを含むことができる。
【００４４】
さらに、本方法は、第１及び第２の電解質室であって、前記第１の電解質室は、一側で第１のイオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で多孔性の第１の端板に接し該端板とイオン連通し、前記第２の電解質室は、一側で第２の交換膜に接し該交換膜とイオン連通し、他側で多孔性の第２の端板に接し該端板とイオン連通し、前記第１及び第２のイオン交換膜を経て前記生産物室とイオン的に連通する前記第１及び第２の電解質室を通って濃縮液を流すこと、及びイオン電流が導電性バスと、多孔性の前記第１及び第２の端板との間で流れるように、多孔性の前記第１及び第２の端板を前記導電性バスに沈めることとを含むことができる。
【発明の効果】
【００４５】
本発明の１つの利点は、脱塩のために希釈液と濃縮液との間の濃度差で発生する駆動電圧に依存することによって、駆動電圧を発生させるために使われる濃縮された溶液を生成するために太陽エネルギー又は容易に入手できる低い温度エネルギー（発電所からの廃熱など）の他の形を使うことが可能となることである。このように、そうでなければ浪費されたであろうエネルギーは、濃縮液を生成するため及び脱塩のために使うことができ、従来技術の脱塩のための手段及び方法に比較してより低い電気的集中の脱塩が可能となる。これは、不毛な風土が豊富に入手可能な太陽エネルギーを有し、また、脱塩を必要としそうでもあるので、特に有益である。
【００４６】
本発明のさらなる利点は、駆動セルが、駆動電圧を発生させるために使われるので、外部電源が必要とされていないことであり、それが、本発明の方法を行い、本発明の装置及びプラントを動作することに関する資本コストを下げることを可能とする。
【００４７】
ＥＤとは対照的に、本発明のさらなる利点は、電圧勾配が、ＥＤスタックによると同じ範囲までは、増大されないことであり、その結果、ＥＤスタックで起こるほどにイオン移動がスタックマニホールドを通して起こらない。これは、ＥＤに比較して、本発明の循環イオン電流の損失を減らす。
【００４８】
ＲＯと対比すると、本発明の方法のさらなる利点は、約３０℃より高い暖かな塩水を脱塩するときに、その性能が大幅に否定的な影響を受けず、水が汚染され得る半透過性膜を通るように強制されないので、それほど前処理を必要としないことである。
【００４９】
本発明の装置の利点は、製造の容易さ、耐久力及び頑丈さをもつことである。
【００５０】
本発明の装置のさらなる利点は、同等のＲＯシステムより低圧で前記装置を運転することができることにより、塩水を脱塩する能力をもつことであり、それは、高価な許容されたスチール及びステンレススチールや他の高圧構成部品を組み込んでいるＲＯシステムと比較して、本発明の装置を製造するために使われた構成部品のコストを下げる。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】スタックが「順極性」で動作する第１の実施例に係る塩水を脱塩するための透析スタックの概略図であり、
【図２】透析スタックが「逆極性」で動作する第２の実施例に係る塩水を脱塩するための透析スタックの概略図であり、
【図３】透析スタックがガス拡散電極を使う電解質再循環を採用する第３の実施例に係る塩水を脱塩するための透析スタックの概略図であり、
【図４】透析スタックが導電性バスに沈められるように構成された第４の実施例に係る塩水を脱塩するための透析スタックの概略図であり、
【図５】塩水を脱塩するための複数のセルのリング形状の透析配置の概略図であり、
【図６】塩水を脱塩するためのセルの渦巻き形の透析配置の概略図であり、
【図７】（ａ）及び（ｃ）は単極の透析スタックのそれぞれ断面図及び分解図であり、透析スタック内の種々の流体室のアセンブリ及びマニホルドが示されており、（ｂ）は透析スタックに含まれる種々の流体室を取り囲むガスケットの正面図であり、
【図８】（ａ）〜（ｃ）は順方向及び逆方向の両極性で動作可能の双極透析スタックのそれぞれ結線図、分解図及び斜視図であり、流体室のアセンブリ、マニホルド及びバルブが示されており、
【図９】（ａ）及び（ｂ）は透析スタックが複数の脱塩ステージを有するさらなる実施例に係る塩水を脱塩するための透析スタックの概略図であり、
【図１０】連続的に塩水を脱塩するのに使うことができるプラントの概略図であり、
【図１１】塩水の個別のバッチを脱塩するのに使うことができるプラントの概略図であり、
【図１２】蒸発性の噴水池の概略図であり、
【図１３】自然通気蒸発塔の概略図であり、
【図１４】強制通気蒸発塔の概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００５２】
溶けている溶質の濃度のみが異なる２つのイオン溶液は、異なる化学エネルギー量を持つ。この化学エネルギーの差は、以下では「濃度差エネルギー」と称される。例えば、塩水及び淡水の等しい液量が、隣り合う室に置かれ、透水性の膜でのみ互いに分離されるとき、イオン透過性で無くとも、前記濃度差エネルギーは、淡水の容器からの水を塩水の容器へ流し、該容器内の圧力を高める原因となる。
【００５３】
同様に、塩水及び淡水の等しい液量が、隣り合う室に置かれ、イオン透過性の膜のみにより互いに分離されるとき、透水性ではないが、前記濃度差エネルギーは２つの室の間の電圧差を結果として生じる。透水性ではないが、イオン透過性の膜は、以下で「イオン交換膜」と称される。イオン交換膜は、「陽イオン交換膜」及び「陰イオン交換膜」を含む。陽イオン及び陰イオンの交換膜は、陽イオン(正に帯電したイオン)及び陰イオン(負に帯電したイオン)のみがそれぞれ通過することを可能にする膜である。典型的な陽イオン交換膜は、Neosepta CMX,CM-1、Ralex CMH-PES、Fumasep FKE,FKD、及びSelemion CMVの各膜を含む。典型的な陰イオン交換膜は、Neosepta AM-1, AFN, AMX、Ralex AMH-PES、Fumasep FAD及びSelemion DVS, APSの各膜を含む。
【００５４】
塩水を脱塩するためには、塩水中の陽イオン（第一Na+）及び陰イオン(第一Cl-)の少なくともいくつかを塩水から取り除く必要がある。これらのイオンを取り除くには、エネルギーが必要になる。
【００５５】
ここに説明された実施例は、塩水から陽イオン及び陰イオンを除去する助成に濃度差エネルギーを利用し、これにより塩水を脱塩する。
【００５６】
今、図１を参照するに、塩水を脱塩するための透析スタック１０１の概略図が描かれている。透析スタック１０１は、一連のそれぞれ交互の濃縮液及び希釈液の両室１１０及び１１２で構成されている。各希釈液室１１２を通る流れは、第１のイオン濃度（「希釈液」）の溶液であり、各濃縮液室１１０を通る流れは、第１のイオン濃度より大きい第２のイオン濃度（「濃縮液」）の溶液である。希釈液は、希釈液供給及び出口の各導管１０４及び１３２を経て希釈液室１１２にそれぞれ出入りすることができる。濃縮液は、濃縮液供給及び出口の各導管１０２及び１３０を経て濃縮液室１１０に出入りすることができる。隣り合う希釈液及び濃縮液の両室１１２、１１０は、互いに陽イオン及び陰イオンの交換膜１２０及び１２２の一方によってそれぞれ分離されている。脱塩される塩水（「生産物原料」）が流れる生産物室１１８が、図１の実施例に設置されている。生産物室１１８を通過し、少なくともいくつかの陰イオン及び陽イオンが取り除かれた生産物原料は、以下で「生産物」と称される。前記生産物原料は、生産物原料供給導管１０６を経て生産物室１１８に入ることができ、結果として生じる生産物は生産物出口導管１３４を経て生産物室１１８を出る。前記生産物原料及び前記希釈液は、両方とも、約３．５質量％の塩濃度を有する海水とすることができ、他方、前記濃縮液は約１５−２８質量％の塩濃度を有する超濃縮の海水とすることができる。代わりに、前記希釈液は約３．５質量％から約６質量％の塩濃度を有するわずかに濃縮された塩水とすることができる。前記濃縮液の塩濃度は、前記希釈液の塩濃度より高くなければならず、前記濃縮液で存在する如何なる塩の溶解限度とも同程度に高くあり得る。この超濃縮の海水を生み出すことができる方法は、図１０〜１４についてより詳細な記述で、以下に議論される。
【００５７】
図１に示された実施例で、各一対の室１４０、１４２、１４４、１４６、１４８（各「駆動セル」）は、複数の希釈液室１１２の一つと、複数の濃縮液室１１０の一つとから成り、希釈液及び濃縮液の各室１１２、１１０は、複数の陰イオン交換膜１２２の一つで相互に分離され該膜とイオン連通する。先に議論されたように、濃縮液と希釈液との間に存在している濃度差エネルギーは、前記駆動セルが電圧（駆動電圧）を発生させる結果を生じる。濃縮液が約１８質量％の塩化ナトリウム水溶液であり、希釈液が約３．５質量％の塩化ナトリウム水溶液である実施例では、駆動セル毎の理論的な駆動電圧は約０．０４ボルトである。
【００５８】
図１では、陰イオン交換膜１２２は、任意の所定の駆動セルの前記希釈液及び濃縮液の両室１１２、１１０間で共有された境界を形成し、該両室とイオン連通し、陽イオン交換膜１２０は、任意の所定の駆動セル及び隣り合う駆動セル間で共有された境界を形成し、該両駆動セルとイオン連通する（例えば、駆動セル１４８は、その希釈液及び濃縮液の両室１１２、１１０間に陰イオン交換膜１２２を有し、また駆動セル１４８の濃縮液室１１０と、隣接する駆動セル１４６の希釈液室１１２との間に、陽イオン交換膜１２０を有することを参照されたい）。前記室が流体で満たされたとき、該室中に含まれている前記流体に接触する陽イオン又は陰イオンの交換膜１２０又は１２２は、その室と「接し」、その結果、また、その室とイオン連通する。
【００５９】
前記駆動セルのそれぞれは、隣り合う駆動セルから複数の陽イオン交換膜１２０の一つによって分離されている。イオン交換膜１２０、１２２は、イオンが前記濃縮液室から前記希釈液室に流れることを許すので、駆動セル１４０、１４２、１４４、１４６、１４８は相互にイオン連通する。互いにイオン連通する駆動セルのグループで発生する駆動電圧は、一連の駆動セルのそれぞれによって生成された電圧の合計に等しい。その結果、駆動セル１４０、１４２、１４４、１４６、１４８によって生成される全体の駆動電圧は、約０．２０ボルトである。
【００６０】
透析スタック１０１は、また脱塩セル１５０を含み、該セルは、複数の希釈液室１１２の一つと、生産物室１１８とで構成されている。生産物室１１８は、一側で複数の陰イオン交換膜１２２の一つ（「生産物室陰イオン交換膜」１５４）に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、また他側で複数の陽イオン交換膜１２０の一つ（「生産物室陽イオン交換膜」１５２）に接し、該イオン交換膜とイオン連通する。生産物室１１８から生産物室陰イオン交換膜１５４により分離されまた該イオン交換膜とイオン連通する希釈液室１１２は、以下で「陰イオン解放室」１６２と称される。生産物室１１８から生産物室陽イオン交換膜１５２により分離されまた該イオン交換膜とイオン連通する希釈液室１１２は、以下で「陽イオン解放室」１６０と称される。生産物室１１８は、一側で、生産物室陽イオン交換膜１５２を経て、また他側で、生産物室陰イオン交換膜１５４を経て、前記駆動セルとイオン連通する。生産物室１１８を通る流れは、脱塩される塩水である。一般に、前記生産物原料が透析スタック１０１に入るとき、その塩分濃度は、生産物室１１８に隣り合う室内の前記溶液の濃度以下である。
【００６１】
前記生産物原料を脱塩するために、一定の電圧(「脱塩電圧」)は、生産物室１１８を横切って印加される必要がある。図示の実施例では、前記生産物原料中の陰イオン及び陽イオンが生産物室１１８から約３．５質量％の塩の希釈液がある隣り合う希釈液室１１２へ動くように、約０．０４質量％の塩を結果として生じる生産物濃度に生産物原料を脱塩するために、前記脱塩電圧は約０．０８８ボルトである。
【００６２】
脱塩電圧より大きい充分な電圧が生産物室１１８を横切って印加されると、陰イオンは一方の電極、アノード１２６、に向けて移動し、陽イオンは他方の電極、カソード１２４、に向けて移動する。陰イオンは、生産物室陰イオン交換膜１５４を通って生産物室１１８から、そして陰イオン解放室１６２に移動する。同様に、陽イオンは、生産物室陽イオン交換膜１５２を通って生産物室１１８から、そして陽イオン解放室１６０に移動する。このように、駆動電圧を発生させるために駆動セルを使用することにより、また前記生産物室を横切る駆動電圧を含む充分な電圧を適用することにより、塩水を脱塩することができる。先に説明したように、前記陰イオン及び陽イオンの解放室を通る流れは、前記希釈液など脱塩される塩水のイオン濃度以上のイオン濃度を有する溶液である。
【００６３】
生産物室１１８に印加された充分な電圧が脱塩電圧より大きいか又は越えているときに生じる透析スタック１０１を通るイオンの動きは、イオンの回路を通るイオンの動きを表す。このイオン回路を完成する様々な方法がある。
【００６４】
図１では、前記イオン回路は電気化学的に完成する。前記イオン回路の電気化学の完成は、前記希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０のスタックと、アノード１２６及びカソード１２４との間に、アノード及びカソードの電解質室１１４及び１１６をそれぞれ置くことによって達成される。適切な電解質が、電解質供給導管１０８及び電解質出口導管１３６をそれぞれ経て、該電解質導管内へ及びこれから流れ出る。図１に示された実施例では、前記電解質は、平行な電解質室１１４、１１６を通って流れ、すなわち電解質室１１４、１１６の一方を流れる前記電解質は、他方の室１１４、１１６で使われない。しかしながら、代わりの実施例（図示せず）では、前記電解質は直列の電解質室１１４、１１６を流れることができ、すなわち、前記電解質は電解質室１１４、１１６のうちの一方に流入し、この電解質室を出ると直ちに、他方の電解質室１１４、１１６に導かれ得る。（アノード１２６での）酸化反応と（カソード１２４での）還元反応は、イオンの流れを電流に変換し、イオン回路を完成する。アノード１２６及びカソード１２４は、電線用導管１５６を経て電気的につながり、これにより、アノード１２６からカソード１２４への電子の流れを結果として生じる。
【００６５】
次の表１は、アノード及びカソードの電解質室１１４、１１６で使うことができる典型的な電解質を、アノード及びカソード１２６、１２４で生じる関連した電気化学反応及び還元電位と共に、記載する。
【００６６】
表１: 典型的な電解質
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【００６７】
典型的なアノード及びカソードの素材は、チタン、ニオブ、タンタル、イリジウム、パラジウム、ステンレススチール、スチール、ニッケル及びグラファイトなどの基板金属を含み、該基板金属は、プラチナ、ルテニウム、イリジウムで、又はプラチナ、ルテニウム及びイリジウムのいずれか２つ以上の混じった金属酸化物の組み合わせで任意に被覆することができる。
【００６８】
特に、電解質室１１４、１１６から希釈液及び濃縮液の両室１１２、１１０を分離するために、いずれのタイプのイオン交換膜（「スタック端膜１５８」)を使用するかの選択は、重要である。アノード１２６に最も近いスタック端膜１５８は、以下で「アノードスタック端イオン交換膜」と称され、カソード１２４に最も近いスタック端膜１５８は、以下で「カソードスタック端イオン交換膜」と称される。アノード電解質室１１４は、一側で前記アノードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、またカソード電解質室１１６は、一側で前記カソードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通する。電気化学反応がアノード１２６及びカソード１２４で起こるように、アノード電解質室１１４は、他側でアノード１２６に接し、該アノードと電気的に連通状態にあり、同様に、カソード電解質室１１６は、他側でカソード１２４に接し、該カソードと電気的に連通状態にある。例えば、電解質としてＮａ２ＳＯ４を使う実施例では、陽イオン交換膜１２２がスタック端膜１５８として使われる。これは、Ｎａ２ＳＯ４がＮａ＋陽イオンとＳＯ４２−陰イオンで構成されているためである。陽イオン交換膜１２２を使って、Ｎａ＋陽イオンだけが電解質室１１４、１１６から隣り合う希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０に移動することができる。前記希釈液及び濃縮液が両方とも塩水であるので、前記電解質、希釈液又は濃縮液のいずれも新しいタイプのイオンによって汚染されない。同様に、ＨＣｌが電解質として使われると、陰イオン交換膜が、一般的に、電解質室１１４、１１６と希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０とを隔てるために使われる。
【００６９】
代わりの実施例（図示せず）では、前記希釈液及び濃縮液は、逆すなわち逆流方向に透析スタック１０１を通して流すことができる。そのようにすることは、前記希釈液及び濃縮液の両室１１２、１１０間のより均一な濃度差を維持することに役立つ。
【００７０】
次に図２を参照するに、図１に示された透析スタック１０１の第１の実施例におけると反対の極性を有するように構成された透析スタック２０１の第２の実施例が示されている。図２の透析スタック２０１は、生産物室１１８と、陰イオン及び陽イオンの解放室１６２、１６０とが右に１室シフトされており、先の例では陰イオン解放室１６２として作用した室が濃縮液室１１０で置き換えられ、残りの希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０は交換されている以外、図１の透析スタック１０１と同様である。その結果は、駆動電圧の極性の変更とそれ故イオン移動方向の変更である。図２は、図１に示された実施例に関して右にほんの１室シフトした生産物室１１８と陰イオン及び陽イオンの解放室１６２、１６０とを示すが、これらの室は如何なる奇数室をも右又は左に移し得る。
【００７１】
有益な副産物は、図１及び図２に示された透析スタック１０１、１０２で使用された電解質に応じて、アノード及びカソード１２６、１２４で生じる電気化学反応で生成されるかもしれない。例えば、使われた電解質が含水塩化ナトリウムであるとき、Ｃｌ−陰イオンは、Ｃｌ２ガス（上記の表１、列ii参照）に酸化される。Ｃｌ２ガスは、例えば、塩素処理で水を処理するのに使うことができる。代わりに、ＨＣｌ水溶液が電解質として使われると、Ｈ２ガスが、カソード１２４（上記の表１、列v参照）で生成され、例えば燃料電池でパワーを生み出すために後で使うことができるであろう。電解質室１１４、１１６で生じる酸化還元反応からの他の潜在的に有益な副産物は、Ｎａ２ＳＯ４、ＮａＯＨ又はＨＣｌの電解質を使うときは酸素ガスを含み、また電解質としてＮａＣｌを使うときは水酸化ナトリウムを含む。
【００７２】
図３は、アノード及びカソードの電解質室１１４、１１６の一方で形成された電気化学反応の副産物を電解質室１１４、１１６の他方で反応物として使うことができるように、アノード及びカソードの電解質室１１４、１１６の一方から該アノード及びカソードの電解質室１１４、１１６の他方へ電解質を汲み上げる第３の実施例の透析スタック３０１を示す。透析スタック３０１は、アノード１２６及びカソード１２４のためにガス拡散電極を使い、電気化学反応及びその原形への酸化又は還元の反応物として使用するために、アノード１２６又はカソード１２４の一方からの電気化学反応の副産物をアノード１２６又はカソード１２４の他方へ汲み上げることにより循環する。これは理論上、電気化学反応が必要とする正味の電圧を零に減らす。例えば、図３の透析スタック３０１では、ＨＣｌ及びＮａＣｌの混合水溶液を電解質室１１４、１１６の電解質として使うことができ、スタック端膜１５８は陰イオン交換膜１２２である。カソード１２４では、水素イオンは水素ガスに還元され、これは水素ガスが水素イオンへ再び酸化されるアノード１２６に流れることを強制される。水素イオンは、次に、ポンプ（図示せず）を経てカソード１２４に戻るように再循環され、そこで、それらは再び水素ガスに還元される。使われる前記ガス拡散電極は、先に説明したと同じ基板と、被覆素材とを使って作ることができ、アノード１２６又はカソード１２４でそれぞれ酸化あるいは還元されるガスのために十分な滞留時間を提供すべく構成されている。特には、電気化学反応の副産物はガス状である必要がない。例えば、Ｎａ３Ｆｅ（ＣＮ）６及びＮａ４Ｆｅ（ＣＮ）６の混合水溶液は、電解質として使うことができ、これは、結果的にＦｅ（ＣＮ）６４−を生じ、アノード１２６で酸化されてＦｅ（ＣＮ）６３−になり、これは次にＦｅ（ＣＮ）６４−への還元のためにカソード１２４に循環される。
【００７３】
次に、図３に示された実施例では、５つの駆動セル１４０、１４２、１４４、１４６、１４８は全部で約０．２０ボルトを生成する。Ｎａ３Ｆｅ（ＣＮ）６及びＮａ４Ｆｅ（ＣＮ）６が電解質として使われるなら、酸化還元反応が起こるように克服される必要がある正味の電極還元電位は、０ボルト（表２、列viを参照のこと)である。脱塩セル１５０の脱塩電圧は約０．０８８ボルトである。 Neosepta AFN 及びCM-1イオン交換膜を使用し、厚さが０．０２ｃｍである生産物室１１８を有しまたそれぞれが０．０５ｃｍである希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０を有する透析のスタックについては、５つの駆動セル１４０、１４２、１４４、１４６、１４８は０．２０ボルトの正味駆動電圧を発生させる。生産物室１１８は０．０８８ボルトの脱塩電圧を有し、正味の電極還元電位は０ボルトであり、その結果、結果として生じているスタック開回路電圧は、０．２０ボルト−０．０８８ボルト＝０．１１２ボルトである。この実施例では、前記イオン交換膜及び希釈液、濃縮液及び生産物原料は、４３Ω／ｃｍ２のスタック抵抗損失を与え、それは結果として２．６ｍＡ／ｃｍ２のイオン電流を生じている。生産物室１１８内で前記生産物原料を脱塩するために、十分な駆動電圧は存在している。前記生産物原料中の陽イオン及び陰イオンは、それぞれの生産物室陽イオン及び陰イオンの交換膜１５２、１５４をそれぞれ通して生産物室１１８から、陰イオン及び陽イオンの解放室１６２、１６０に追い遣られる。前記透析スタック１０１を出る生産物溶液は、約０．０４質量％の塩分濃度を有し、飲用である。脱塩をもたらすために外部電圧が必要なら、それは電圧源１２８で供給することができ、該電圧源は電線用導管１５６に電気的に結合される。
【００７４】
いくらかの追加の電圧の供給のために電圧源１２８を利用することに代えて、十分な累積駆動電圧が脱塩の達成をもたらすまで、追加の駆動セルを透析のスタック１０１に追加することができる。脱塩に必要とされる以上の電圧が生じるように、十分な数の駆動セルが追加されるなら、透析のスタック１０１は、また電源として動作することができる。そのような場合、電気的負荷は、それをアノード１２６とカソード１２４との間に電気的に結合することによって、電力を供給される。
【００７５】
図４を参照するに、そこには、貯蔵容器４０６内に収容された導電性バス４０４に透析スタック４０１を水没させることによって流体の循環でイオン回路が完成される透析スタック４０１の他の実施例が描かれている。バス４０４は、例えば濃縮液で構成することができる。図１から３に示された実施例でなされたような電気化学的にイオン回路を完成することに比較すると、流体の循環でイオン回路を完成することは、アノード、カソード又は電圧源を必要とせず、有益である。さらに、イオン回路が電気化学的に完成し、これにより、生産物を脱塩するために必要とされている駆動電圧を減らすときに行われる電気化学反応の標準還元電位に打ち勝つような外部電力を供給する必要はない。
【００７６】
図４の透析スタック４０１は、アノード又はカソードを有していない。代わりに、透析スタック４０１の希釈液室１１２及び濃縮液室１１０は、多孔性の第１及び第２の端板４０８に挟まれており、該端板はポリプロピレンなどの非導電性素材で作ることができる。濃縮液室１１０は、端板４０８と直接に隣接しており、この特定の実施例では、濃縮液である電解質を収容するための第１及び第２の電解質室の働きをする。第１の電解質室は、一側で多孔性の前記第１の端板に接し、該端板とイオン連通し、また他側で第１のイオン交換膜（図４の最左方の陽イオン交換膜１２０）に接し該イオン交換膜とイオン連通し、第２の電解質室は、一側で多孔性の前記第２の端板に接し、該端板とイオン連通し、また他側で第２のイオン交換膜（図４の最右方の陰イオン交換膜１２２）に接し、該イオン交換膜とイオン連通する。これらの第１及び第２の電解質室は、第１及び第２のイオン交換膜（図４で最左方の陽イオン交換膜１２０及び最右方の陰イオン交換膜１２２）をそれぞれ介して希釈液の残部とイオン的に連通する。透析スタック４０１では、図４に示されているように、陰イオンは右から左に移動し、陽イオンは左から右に移動する。その結果、陽イオンは、透析スタック４０１の左方の多孔性の端板４０８の近くの導電性のバス４０４から前記透析スタックに引き入れられ、陰イオンは、透析のスタック４０１の右方の多孔性の端板４０８の近くの導電性のバス４０４から透析スタック４０１に引き入れられる。導電性のバス４０４がより深く、より広く、その濃度がより高いほど、移動イオンが遭遇する抵抗は、より低い。実際には、透析スタック４０１の希釈液及び濃縮液の両室１１２、１１０のすべては、バス４０４と室１１２、１１０との間で如何なる流体移行も起こらないように、封止されている。
【００７７】
代替実施例（図示せず）では、導電性のバス４０４に透析スタック４０１を沈める代わりに、第１及び第２の電解質室が濃縮液で満たされる。これらの濃縮液室は、電解質室流体導管を経て相互に流体的に結合される。この代替的実施例では、端板４０８は多孔性ではない。強制循環は、濃縮液室の１つから他へ濃縮液を循環させるために汲み上げることによって提供され、これによりイオン回路が完成される。
【００７８】
次に図５を参照するに、リング形状の透析セル配置（「透析リング」５０１）が示されている。図５の透析リング５０１は、濃縮液供給マニホルド５１０と、希釈液供給マニホルド５１２とを含み、該両マニホルドは、濃縮液及び希釈液の各供給導管１０４及び１０２から濃縮液及び希釈液をそれぞれ受け取る。希釈液及び濃縮液は、次に、希釈液及び濃縮液の供給マニホルド５１２、５１０に流体的に結合された希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０に運ばれ、前記した実施例におけると同様に、一連の交互の陽イオン及び陰イオンの交換膜１２０、１２２によって互いに分離される。生産物原料は生産物原料供給導管１０６から直接生産物室１１８に送られる。好都合に、陽イオン及び陰イオンは透析リング５０１のまわりを逆方向に移動し、これにより生産物原料の所定量の脱塩が達成される。同じ数及び平均厚さの室１１０、１１２、１１８を有する透析スタック４０１に比較して、透析リング４０１内で陰イオン及び陽イオンが移動する必要がある距離は、それらが透析スタック４０１内で移動する必要がある距離よりも少なく、したがって、透析リング５０１のイオン抵抗は透析スタック４０１のイオン抵抗より少ない。その結果、透析リング５０１と、透析スタック１０１、２０１、３０１とが同じ平均的な厚さの同じ数の室１１０、１１２、１１８を有するなら、抵抗損失は透析スタック１０１、２０１、３０１より透析リング５０１で低くなる。さらに、電極は透析リング５０１に必要とされない。
【００７９】
図５の透析リング５０１は、７つの駆動セルと、１つの脱塩セル１５０とを有する。イオン回路が流体循環を使って完成する透析スタックの実施例におけると同様に、どのような電気化学反応をも促進するためのエネルギーは必要でない。その結果、約１８％の濃縮液の濃度と約３．５％の希釈液の濃度を仮定すると、７つの駆動セルは０．２８ボルトの累積駆動電圧を提供し、それは、生産物原料を約０．０４質量％に脱塩するに必要とされる電圧（約０．０８８ボルトに加えて寄生抵抗による電圧降下分）を超えるに充分である。脱塩の後、生産物は生産物出口マニホルド５０８から透析リング５０１を出て、希釈液は希釈液出口マニホルド５０４から透析リング５０１を出て、濃縮液は濃縮液出口マニホルド５０６から透析リング５０１を出る。
【００８０】
次に、図６を参照するに、渦巻き形状の透析配置（「透析渦巻き」６０１）が示されている。先の実施例のように、透析渦巻き６０１は、陽イオン及び陰イオンの交換膜１２０、１２２の交互配置から成る。生産物原料、希釈液及び濃縮液は、交互のイオン交換膜１２０、１２２間の空間に供給導管１０２、１０４、１０６を通して供給される。透析渦巻き６０１は、例えばイオン交換膜１２０、１２２をチャンバスペーサ及びガスケットと共に平らな表面上に配置し、次に図６に示されているように、それらを巻くことにより、作ることができる。膜１２０、１２２を巻くことは、大量生産に有益な助けとなり、そして、封止表面の露出を減らし、これは前記渦巻き６０１の漏れの可能性を減らす。生産技術は、ＤＯＷTM ２１０ＥＤＩモジュールなどの渦巻き状に巻かれた逆浸透モジュールで使われたものに類似している。
【００８１】
次に図７（ａ）及び（ｃ）を参照するに、塩水の脱塩に使うことができる単極性透析スタック７０１の断面図及び分解図が示されている。「単極」は、透析スタック７０１中のイオンの移動方向を動作中逆にできないことを意味する。図７（ａ）は、希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０の交互配置を有する透析スタック７０１の断面図である。陰イオン交換膜１２２は、如何なるセルでもその隣接した希釈液及び濃縮液の室１１２、１１０で共有された境界を形成し、該両室とイオン連通し、陽イオン交換膜１２０は、如何なる駆動セル及びその隣接セルで共有された境界を形成し、該両駆動セルとイオン連通する。生産物室１１８は透析スタック７０１内に配置され、その一側で生産物室陰イオン交換膜１５４と接しまた該陰イオン交換膜とイオン連通し、その他側で生産物室陽イオン交換膜１５２と接し、該陽イオン交換膜とイオン連通する。アノード及びカソード１２６、１２４と、アノード及びカソードの電解質室１１６、１１４とは、透析スタック７０１のいずれの端にも配置されている。アノード電解質室１１６、前記駆動セル及び生産物室１１８間には、アノード及びカソードスタック端イオン交換膜の形態でスタック端膜１５８がある。アノード電解質室１１６は、一側で前記アノードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、他側でアノード１２６と接し、該アノードと電気的に連通する。アノード電解質室１１６は、アノードスタック端イオン交換膜を経て、駆動セル及び生産物室１１８とイオン連通する。同様に、カソード電解質室１１４は、一側でカソードスタック端イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、他側でカソード１２４に接し、該カソードと電気的に連通する。前記カソード電解質室は、前記カソードスタック端イオン交換膜を経て、前記駆動セル及び生産物室１１８とイオン連通する。前記アノード及びカソードと、イオン交換膜と、希釈液とは、２つの端板７１４間に挟まれている。
【００８２】
また図７（ｂ）を参照するに、そこには、マニホルドセンブリの一部として使われるスペーサ７１０を有するガスケット７０８の正面図が示されており、前記マニホルドアセンブリは、希釈液室１１２へ及び該室から希釈液を移送するように構成された希釈液マニホルド、濃縮液室１１０へ及び該室から濃縮液を移送するための濃縮液マニホルド、及び脱塩される塩水と脱塩された塩水とを生産物室１１８に送る生産物マニホルドを含む。前記室は、過度な圧力低下を招かずまた流体の流れを促進しながら、イオン抵抗を制限するためにでき得る限り薄いことが有利である。図７（ｂ）では、スペーサ７１０は、透析スタック７０１が稼動しているとき、隣り合ったイオン交換膜が前記室１１０、１１２、１１８を通る流体の流れの結果として互いに接触することを防止することによって、前記隣り合ったイオン交換膜の分離を維持するメッシュスペーサである。スペーサ７１０は、産業用ネット（Industrial Netting）のＸＮ−３２３４又はＯＮ−６２００と似たものとすることができる。ガスケット７０８は、エチレンプロピレンジエンＭクラスゴム（EPDM）、シリコン、ニトリル、santoprene、ブィトン、ネオプレン、PTFE(テフロン)、天然ゴム及びPVCなどの素材を使って形成することができる。図７（ｃ）から明らかなように、ガスケット７０８及びイオン交換膜は、種々の希釈液、濃縮液、生産物及び電解質の各室を形成するために交互に連続して積層される。各ガスケット７０８は、希釈液、濃縮液又は生産物の各室の１つとして作用する容積を取り囲み、そのような各室は、一側でイオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で他のイオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通する。
【００８３】
各ガスケット７０８は、希釈液、濃縮液又は生産物の各マニホルドの一部を作り出す一連の穴をその周囲を貫通して打ち抜かれている。図７（ｂ）では、ガスケット７０８の片側は該片側を貫通して延在する希釈液供給導管１０４を有し、ガスケット７０８の他方の反対側は該反対側を貫通して延在する希釈液の出口導管１３２を有する。同様に、ガスケット７０８の両側には、これらを貫通して生産物原料供給導管１０６及び生産物出口導管１３４が延在する。ガスケット７０８は、該ガスケット７０８の片側を通り、濃縮液供給導管１０２に流体的に結合される状態で延在する一連の入口ノッチ７３８（ａ）を有し、また、反対側で該反対側を貫通し、濃縮液出口導管１３０に流体的に結合される状態で延在する一連の出口ノッチ７３８（ｂ）を有する。図７（ｂ）に示されたガスケット７０８は、このように濃縮液室１１０であるように、構成されている。濃縮液供給及び出口導管１０２、１３０のみが入口及び出口ノッチ７３８（ａ）、（ｂ）を経て濃縮液室１１０に流体的に結合されており、その結果、生産物供給導管１０６、生産物出口導管１３４希釈液供給導管１０４及び希釈液出口導管１３２を通過する如何なる生産物（又は生産物原料）及び希釈液も濃縮液室１１０から封止され、他方、濃縮液は、濃縮液供給導管１０２から入口ノッチ７３８（ａ）を通って濃縮液室１１０内へ及び該濃縮液室を通って次にガスケット７０８の反対側の出口ノッチ７３８（ｂ）を通って濃縮液出口導管１３０へ流出する。同様に、生産物室１１８を囲むガスケットについては、生産物原料供給及び出口導管１０６、１３４を流体的に生産物室１１８へ結合するのみのノッチが存在し、希釈液室１１２を囲むガスケットについては、希釈液供給及び出口導管１０４、１３２を希釈液室１１２へ結合するのみのノッチが存在する。ガスケット７０８は、透析スタック７０１を形成すべく相互に押圧されると流動体の密封体を形成し、従って、前記希釈液、濃縮液及び生産物の各室の内容物を確実に収容する。さらに、種々のガスケット７０８からの濃縮液供給及び出口導管１０２、１３０、希釈液供給及び出口導管１０４、１３２、生産物原料供給及び生産物出口導管１０６、１３４は、透析スタック７０１を形成すべくガスケット７０８が押圧されると、同時に整列し、これにより濃縮液、希釈液及び生産物の各マニホルドがそれぞれ形成される。濃縮液、希釈液及び生産物原料は、その結果、濃縮液、希釈液及び生産物の各マニホルドを通って流れ、濃縮液、希釈液及び生産物の各室１１０、１１２、１１８に送られる。
【００８４】
図示の実施例では、電解質は、導管１０８、１３６を経てそれぞれ電解質室１１４へ注ぎ込まれ及びこれからくみ出される。
【００８５】
次に図８を参照するに、双極スタック８０１の概略図（図８（ａ））、分解図（図８（ｂ））及び斜視図（図８（ｃ））が描かれており、マニホルド及びバルブを有する室の組合せが示されている。「双極」は、透析スタック８０１が順極性及び逆極性で動作可能であることを意味する。順極性では、透析スタック８０１の概要図は、図１の透析スタック１０１である。逆極性では、透析スタック８０１の概要図は図２の透析スタック２０１である。１６個の二方バルブ、すなわち入口バルブ８４４（ａ）−（ｈ）及び出口バルブ８４４（ｉ）−（ｐ）を図８（ａ）に見ることができ、それらは順極性及び逆極性の両動作のために構成されている。表２は、以下で、これらの二方バルブ８４４（ａ）−（ｐ）がこれらのモードで如何に設定されるかを指定する。
【００８６】
表２  順極性及び逆極性動作におけるバルブ操作
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【００８７】
図８（ｂ）を参照するに、図１及び２に示された透析スタックの実施例についてと同様、透析スタック８０１は、交互に連続する陽イオン及び陰イオンの交換膜１２０、１２２で構成されている。陽イオン及び陰イオンの交換膜１２０、１２２間が、一連の交互に配置された希釈液／濃縮液室８１２及び濃縮液／希釈液室８１０である。陰イオン交換膜１２２は、如何なる駆動セルの隣接する希釈液／濃縮液及び濃縮液／希釈液室８１２、８１０とで共有された境界を形成し、該両室とイオン連通し、陽イオン交換膜１２０は、如何なる駆動セル及び隣接する駆動セルとで共有された境界を形成し、該両駆動セルとイオン連通する。また、生産物／希釈液室８１８及び希釈液／生産物室８１９は、透析スタック８０１内に位置しており、それらは図示の実施例で相互に隣接している。生産物／希釈液室８１８は、一側で、生産物／希釈液室陰イオン交換膜８５４と接し、また該陰イオン交換膜とイオン連通し、他側で、生産物／希釈液室陽イオン交換膜８５２と接し、該陽イオン交換膜とイオン連通する。同様に、前記希釈液／生産物室は、その一側で希釈液／生産物室陰イオン交換膜８５６に接し該陰イオン交換膜とイオン連通し、他側で、希釈液／生産物室陽イオン交換膜８５２に接し該陽イオン交換膜とイオン連通する。この特定の実施例では、生産物／希釈液及び希釈液／生産物室８１８、８１９が相互に隣接しているので、希釈液／生産物陽イオン交換膜８５２及び生産物／希釈液室陽イオン交換膜８５２は、同じイオン交換膜であるが、室８１８、８１９が隣接していないとき、これは事実ではない。
【００８８】
透析スタック７０１と同様に、透析スタック８０１はマニホルドアセンブリを備え、該マニホルドアセンブリは、希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、生産物／希釈液及び希釈液／生産物のマニホルドを含み、該マニホルドは、透析スタック８０１が順極性で運転されているとき、希釈液を希釈液／濃縮液室８１２及び希釈液／生産物室８１９に及びこれから運び、濃縮液を濃縮液／希釈液室８１０へ及びこれら運び、脱塩されるべき塩水及び脱塩された塩水を生産物／希釈室８１８へ及びこれから運ぶようにそれぞれ構成され、また透析スタック８０１が逆極性で運転されているとき、希釈液を濃縮液／希釈液室８１０及び生産物／希釈液室８１８へ及びこれから運び、濃縮液を希釈液／濃縮液８１２へ及びこれから運び、脱塩されるべき塩水及び脱塩された塩水を希釈液／生産物室８１９へ及びこれから運ぶように構成されている。
【００８９】
透析スタック７０１と同様に、透析スタック８０１は、希釈液／濃縮液、濃縮液／希釈液、希釈液／生産物又は生産物／希釈液の各室の１つとして作用する容積を取り囲むガスケット（図８には参照符号が付されず)を含み、そのような各室は、一側で、1つのイオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通し、他側で、他のイオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通する。構造上、透析スタック８０１の前記マニホルドアセンブリは、透析スタック８０１で使われたガスケットの他側への追加の希釈液／生産物マニホルドの付加を除いて、透析スタック７０１のそれと同一である。構造上、希釈液／濃縮液マニホルド、濃縮液／希釈液マニホルド及び生産物／希釈液マニホルドは、透析スタック７０１の希釈液マニホルド、濃縮液マニホルド及び生産物マニホルドとそれぞれ一致している。例えば、入口ノッチは、透析スタック８０１の前記ガスケットの１つの希釈液／濃縮液供給導管８０４を希釈液／濃縮液室８１２に流体的に結合し、これにより溶液（希釈液又は濃縮液のいずれか）が希釈液／濃縮液導管を通して希釈液／濃縮液室８１２に入ることが可能である。出口ノッチは、希釈液／濃縮液室８１２を希釈液／濃縮液出口導管８３０に流体的に結合し、これにより希釈液／濃縮液室８１２内の溶液がスタック８０１を出ることが可能になる。
【００９０】
第１及び第２の電極８２４、８２６と、第１及び第２の電解質室８１４、８１６とは、透析スタック８０１のいずれの端にも置かれる。両電極８２４、８２６は、透析スタック８０１が順極性で動作しているか逆極性で動作しているかに応じて、アノード又はカソードのいずれかとして動作可能である。第１の電解質室８１４は、一側で第１のスタック端イオン交換膜８５８と接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で第１の電極８２４と電気的に連通する。同様に、第２の電解質室８１６は、一側で第２のスタック端イオン交換膜８５８と接し該イオン交換膜とイオン連通し、他側で第２の電極８２６と電気的に連通する。前記電極、イオン交換膜及び種々の室は、２枚の端板７１４には挟まれている。
【００９１】
電極８２４、８２６は、基板と該基板の上に適用された被覆膜とから構成することができる。前記基板は、例えば、チタン、ニオブ、タンタル、イリジウム又はパラジウムとすることができる。前記被覆膜は、プラチナ、ルテニウム、イリジウム又はこの３つの混合金属の酸化物とすることができる。代わりに、電極８２４、８２６は、犠牲にすることができ、時間とともに劣化する。そのような実施例では、電極８２４、８２６は、ステンレススチール、スチール、ニッケル、銅又はグラファイトの非被覆基板で形成することができる。
【００９２】
順極性での透析スタック８０１の動作を次に説明する。希釈液、濃縮液及び生産物原料は、図７（ａ）の「Ｄ」、「Ｃ」及び「Ｐ」が付された矢印で供給される。希釈液は、バルブ８４４（ａ）、８４４（ｇ）、希釈液／濃縮液供給導管８０４及び希釈液／生産物供給導管８０６を通って透析スタック８０１にポンプで注入される。前記希釈液は、希釈液／濃縮液及び希釈液／生産物の各マニホルドを通して汲み上げられ、透析スタック８０１の希釈液／濃縮液室８１２及び希釈液／生産物室８１９に送られる。希釈液は、希釈液／濃縮液出口導管８３０、希釈液／生産物出口導管８３２及びバルブ８４４（ｉ）、８４４（ｐ）を通って透析スタック８０１を出る。濃縮液は、バルブ８４４（ｄ）及び濃縮液／希釈液供給導管８０２を通って透析スタック８０１にポンプで注入される。前記濃縮液は、濃縮液／希釈液マニホルドを通して汲み上げられ、濃縮液／希釈液室８１０に送られる。前記濃縮液は、濃縮液／希釈液出口導管８２８及びバルブ８４４（ｌ）を通って透析スタック８０１を出る。生産物原料は、バルブ８４４（ｆ）及び生産物／希釈液供給導管８０５を通って透析スタック８０１にポンプで注入される。前記生産物原料は、前記生産物／希釈液マニホルドを通して汲み上げられて、生産物／希釈液室８１８に送られる。前記生産物は、生産物／希釈液出口導管８３１及びバルブ８４４（ｎ）を通って透析スタック８０１を出る。
【００９３】
希釈液、濃縮液及び生産物は、透析スタック８０１を出た後、三方バルブ８４６（ａ）−（ｃ）を通って方向転換される。通常、バルブ８４６（ａ）−８４６（ｃ）は、希釈液、濃縮液及び生産物が「Ｄ」、「Ｃ」及び「Ｐ」が付された導管に向けられるように、設定される。透析スタック８０１は、また、浄化モードで動作することができ、その場合、前記希釈液、濃縮液および生産物のすべては、「Ｗ」が付された「廃棄」導管に方向転換される。順極性モードの動作から逆極性モードに移行している間、又はその逆もまた同様であるが、透析スタック８０１は、前記バルブ及び導管からどのような望まれない希釈液、濃縮液及び生産物も洗い流すように、浄化モードで一時的に稼動することができる。
【００９４】
逆極性で動作しているとき、希釈液は、バルブ８４４（ｃ）、８４４（ｅ）及び濃縮液／希釈液供給導管８０２及び生産物／希釈液供給導管８０５を通して前記透析スタックにポンプで注入される。前記希釈液は、濃縮液／希釈液及び希釈液/希釈液マニホルドを通して汲み上げられ、濃縮液／希釈液室８１２及び生産物／希釈液室８１８に送られる。前記希釈液は、濃縮液／希釈液出口導管８２８、生産物／希釈液出口導管８３１及びバルブ８４４（ｋ）、８４４（ｍ）を通って前記透析スタックを出る。濃縮液は、バルブ８４４（ｂ）を通り、また希釈液／濃縮液供給導管８０４を通って透析スタック８０１にポンプで注入される。前記濃縮液は、希釈液／濃縮液マニホルドを通って汲み上げられ、希釈液／濃縮液室８１２に送られ、希釈液／濃縮液出口導管８３０及びバルブ８４４（ｉ）を通って前記透析スタックを出る。生産物原料は、バルブ８４４（ｈ）及び希釈液／生産物供給導管８０６を通って透析スタック８０１にポンプで注入される。前記生産物原料は、前記希釈液／生産物マニホルドを通して汲み上げられ、希釈液／生産物室８１９に送られ、前記生産物は、希釈液／生産物出口導管８３２及びバルブ８４４（ｏ）を通って前記透析スタックを送出される。順及び逆の両極性で、電解質は、導管１０８、１３６を経て、それぞれ端室１１４、１１６に及びこれからポンプで注入、送出される。
【００９５】
バルブ８４４（ａ）−（ｈ）を通しての前記透析スタックへの生産物原料、希釈液及び濃縮液のポンプ注入と、バルブ８４４（ｉ）−（ｐ）を通しての前記透析スタックからの生産物、希釈液及び濃縮液のポンプ送出（「順流モード」）とに加えて、生産物原料、希釈液及び濃縮液がバルブ８４４（ｉ）−（ｐ）を通って前記透析スタックにポンプで注入され、また生産物、希釈液及び濃縮液がバルブ８４４（ａ）−８４４（ｐ）を通って前記透析スタックから送り出されるように（「逆流モード」）、前記透析スタック中の溶液の流れを反転することができる。逆流モードは、透析スタック８０１を勢いよく水洗するために使うことができる。さらに、透析スタック８０１は、前記溶液のいくらかがバルブ８４４（ａ）−８４４（ｈ）を通って透析スタック８０１に入り、他の溶液がバルブ８４４（ｉ）−８４４（ｐ）を通って前記透析スタックに入るモード（「対向流」モード）で動作することができる。例えば、バルブ８４４（ａ）（ｆ）及び（ｈ）を通って前記生産物原料及び希釈液を透析スタック８０１にポンプで注入するとき、濃縮液は、バルブ８４４（ｌ）を通って透析スタック８０１に供給することができる。これは、前記希釈液及び濃縮液が透析スタック８０１内を反対方向に流れることを可能にし、この反対方向の流れは、上で述べられたように、前記希釈液及び濃縮液室８１２、８１０間でのより均一な濃度差の維持に役立つことを可能にする。
【００９６】
順及び逆の両極性で前記透析スタックを運転することができる利点の１つは、スタック極性の周期的な反転が、膜１２０、１２２及び電極８２４、８２６の水垢（scaling）及び汚れ（fouling）を防止し、これによりイオン交換膜１２０、１２２及び電極８２４、８２６の寿命を伸ばすことができることである。
【００９７】
次に図９（ａ）及び（ｂ）を参照するに、多段透析スタック９０１が示されている。前記多段スタック９０１は、４つの脱塩ステージ１−４を有する。第１ステージへの入力は、濃縮液、希釈液及び生産物原料供給導管１０２、１０４、１０６を通しての濃縮液、希釈液及び生産物原料である。生産物出口導管１３４を通って出る生産物が脱塩されるように、透析スタック９０１の各ステージは、ある値のパーセンテージによって前記生産物を浄化する。図９（ａ）に表わされるように、すべての実施例に必要とされているわけではないが、前記生産物は、図示の透析スタック９０１の隣接する脱塩ステージを逆方向に流れる。
【００９８】
今、図９（ｂ）を参照すると、透析スタック９０１の脱塩ステージ３及び４の一部の詳細が示されている。透析スタック９０１は多数の駆動セルを含み、該駆動セルのそれぞれは、イオン交換膜を通してイオン的に連通された希釈液室１１２及び濃縮液室１１０で構成されている。脱塩ステージ３は、また複数の初期ステージ生産物室９１４を有し、該室のそれぞれは、第１の側で初期ステージの生産物室陰イオン交換膜に接し、該陰イオン交換膜とイオン連通し、また他の側で初期ステージの生産物室陽イオン交換膜に接し、該陽イオン交換膜とイオン連通する。初期ステージの生産物室９１４の出力は、ステージ４の複数の生産物室、すなわち引き続くステージの生産物室９１６に向けられ、該室のそれぞれは、第１の側で、引き続くステージの生産物室陰イオン交換膜に接し該イオン交換膜とイオン連通し、また、他の側で、引き続くステージの生産物室陽イオン交換膜に接し、該イオン交換膜とイオン連通する。初期ステージの生産物室９１４を構成する前記複数の生産物室と、前記引き続くステージの生産物室９１６を構成する前記複数の生産物室とは、如何なるステージにおいても生産物が平行に流れることを可能する。如何なるステージにおいても、複数の生産物室に平行に塩水を浄化させることは、透析スタック９０１によって処理することができる生産物原料の総量が、１ステージ当たり１つの生産物室しか有さない透析スタック９０１に比較して増大することを可能にする。さらに、複数の脱塩ステージを１つのスタックに組み入れることは脱塩ステージ毎で１つの単独のスタックを有するものよりも低い資本コストを結果として生じる。前記初期ステージ及び引き続くステージの生産物室９１４、９１６は、脱塩電圧をそれぞれ有する。その結果、初期ステージ及び引き続くステージの両生産物室９１４、９１４に同時に脱塩を生じさせるために、前記生産物室９１４、９１６を横切って適用される十分な電圧は、生産物室９１４、９１６の脱塩電圧の合計以上でなければならない。この十分な電圧は、駆動セルによって発生された駆動電圧と透析スタック９０１に印加されたすべての外部電圧を含む。
【００９９】
図９の初期及び引き続く脱塩ステージは脱塩ステージ３及び４であるとして示されているが、「初期の脱塩ステージ」と、「引き続く脱塩ステージ」という用語は、引き続く脱塩ステージを通ることに先がけて、脱塩される塩水が初期の脱塩ステージを通る透析スタック中の如何なる２つの脱塩ステージをも指し、すなわち相互に直列な連通状態にある如何なる２つのステージをも指す。
【０１００】
次に図１０を参照するに、連続フロープロセスを使って塩水を脱塩するために使うことができるプラント１００１が示されている。プラント１００１は水源１００４を含み、該水源は、例えば海洋又は汽水源とすることができる。水源１００４からの塩水は、脱塩に先立って塩水を取り扱う前処理システム１００６に向きを変えられる。前処理システム１００６は、プラント１００１で使われる機器を汚し、塞き、損害を与える可能性のあるがれき、固形浮遊物及び有機及び無機物を取り除くように設計される。前処理システム１００６からの処理された塩水は、脱塩されることになっている生産物原料を保持する塩水貯蔵所１０１０に向けられ、また希釈液を保持する希釈液貯蔵所１０２６に向けられる。図示の実施例では、これはすべての実施例の要件ではないが、脱塩される希釈液と生産物原料とは同じである。また、濃縮液を保持するための濃縮液貯蔵所１０２０がプラント１００１に存在する。貯蔵所１０２０、１０２６及び１０１０からの濃縮液、希釈液及び生産物原料は、該生産物原料を脱塩するために一連の３つの透析スタック１００２を通って送り出される。他の実施例では、透析スタックを通る生産物原料の通過に伴って脱塩を段階的に生じる３つより多くの又はそれより少ない透析スタックを使うことができる。プラント１００１は、生産物原料が透析スタック１００２を直列に流れ、また濃縮液及び希釈液が透析スタック１００２を平行に流れる３つの透析スタック１００２を利用する。透析スタック１００２での使用の後、使われた希釈液はバルブ１０４０を経て希釈液貯蔵所１０２６に、また第２のバルブ１０４２を経て水源１００４に、そして以下でより詳細に議論されるように、使われた希釈液から濃縮液を生成するために第１の再凝縮器１０３２に、戻すことができる。使われた濃縮液は、また以下で詳細に議論されるが、濃縮液貯蔵所１０２０での貯蔵に先がけて再凝縮化のために第２の再凝縮器１０３４に返される。生産物は、回収（retrieval）及び使用のために生産物貯蔵所１０１８に蓄えられる。代わりの実施例（図示せず）では、使われた濃縮液は、第１の再の凝縮器１０３２に、それから第２の再凝縮器１０３４に返し、濃縮液貯蔵所１０２０により高い濃度を有益に維持することができる。また、代わりの実施例（図示せず）では、第１の再凝縮器１０３２からの出力は、直接濃縮液貯蔵所１０２０に運ぶことができ、あるいは使われた濃縮液は第２の再凝縮器１０３４へ戻すことに代えて、直接濃縮液貯蔵所１０２０に戻すことができる。
【０１０１】
典型的な第１及び第２の再凝縮器１０３２、１０３４が図１２−１４に示され、以下に議論されている。第１の再凝縮器１０３２は、使われた希釈液を第２の再凝縮器１０３４に移送することに先立って、使われた希釈液の濃度を高めるために使われ、さらに、使われた希釈液の濃度を高めるために濃縮液貯蔵所１０２０に移送することに先立って、また必要なら前記濃縮液貯蔵所に蓄えられた前記溶液の濃度を高めるために、前記第１の再凝縮器を用いることができる。第１及び第２の再凝縮器１０３２、１０３４の両方は、塩水が濃縮液として使うのに適当な塩濃度を達成するまで塩水の濃度を高めるために、大気への蒸発を利用する。１実施例では、（例えば、図１２に示されたように噴水池１２０１に太陽光を照らすことにより、）太陽エネルギーを再凝縮器１０３２、１０３４に直接移すことができる。代わりの実施例（図示せず）では、第１及び第２の再凝縮器１０３２、１０３４は、順に、近くの電力又はプロセスのプラント、又は太陽熱吸収装置などの外部の熱源から熱を得る熱交換器１３２４（図１３及び１４に示されている）に流体的に結合することができる。発電プラントからの低級な熱エネルギーは、例えば、摂氏約３０から１５０度に及ぶかもしれない（発電所などからの）廃熱とすることができる。典型的な熱交換器は、シェルアンドチューブ式、プレート式及び相変化式の熱交換器である。再凝縮器１０３２、１０３４は、熱交換器１３２４を介して又は直接、蒸発を促進する太陽からのエネルギーの組み合わせを使うことができる。
【０１０２】
塩水を脱塩するための既知の手段及び方法と比較すると、プラント１００１は、本質的に濃縮した塩水という形で太陽エネルギーなどの低級な熱エネルギーを蓄えることができ、この蓄えられた化学エネルギーは、透析スタック１００２で生産物原料を脱塩するために変換される。特に、乾燥しており、不毛で、当然淡水化技術を必要としそうな地域は、また、より湿気が多くない雰囲気を有し、多くの太陽輻射を受け、したがって水がすぐに蒸発する環境を持つ傾向がある地域である。プラント１００１が、有益に、最もよく作動しそうな地域は、プラント１００１が最も必要な地域である。
【０１０３】
次に図１１を参照するに、バッチフロー処理で塩水を脱塩するために使うことができるプラント１１０１の第２の実施例を示す。プラント１００１の第１の実施例と同様に、塩水は水源１００４で集められ、前処理システム１００６で前処理を受け、その後、共用の塩水及び生産物の貯蔵所１１１０と、希釈液の貯蔵所１０２６とに向きを変えられる。プラント１１０１は、１つの透析スタック１１０２のみを使用するが、プラント１００１の第１の実施例で示されるように、複数の透析スタックを使うことができる。しかし、３つの透析スタック１００２を通して直列的に生産物原料を汲み上げるプラントの第１の実施例１００１と比較すると、前記プラントの第２の実施例１１０１は、脱塩された生産物を受け取る第１のプラント実施例１００１の生産物原料貯蔵所１０１８を使わない。代わりに、脱塩された生産物は共用の塩水及び生産物貯蔵所１１１０に戻される。このように、脱塩される塩水の個別のバッチは、水源１００４から移されて、共用の塩水及び生産物貯蔵所１１１０に蓄えることができ、共用の塩水及び生産物貯蔵所１１１０中の水が十分に脱塩されるまで、該水を次に透析スタック１００１を通るように汲み上げることができる。
【０１０４】
図１２−１４を参照するに、再凝縮器の３つの例が示されている。図１２は蒸発性の噴水池１２０１を表し、図１３は自然通気蒸発塔１３０１を表し、また図１４は強制通気蒸発塔１４０１を表す。
【０１０５】
図１２に示された蒸発噴水池１２０１は、池集水域１２３２の薄層である池表面１２１４を含む。池集水１２３２は、ノズル取付け部１２０６、ノズル立ち上がり部１２０４及び噴霧ノズル１２０２に流体的に結合されている。図１２には、１つの噴霧ノズル１２０２のみが示されているが、ノズル取付け部１２０６に複数の噴霧ノズル１２０１を結合することができる。集水１２３２から流体導管１２３６を経て、濃縮された海水を濃縮液貯蔵所１０２０に汲み上げることができ、同様に、濃縮液貯蔵所１０２０からの流体を流動体導管１２３８を経てノズル取付け部１２０６に汲み上げて噴霧ノズル１２０２から噴霧することができる。噴霧ノズル１２０２から出る水しぶきのいくらかの水分が集水１２３２に向けて落下するに伴い蒸発し、これにより集水１２３２の塩水の塩濃度が高められる。微小水滴が池１２１２から離れて放散することを防止するためにルーバ付きフェンス１２１２を使うことができる。
【０１０６】
図１２に付されたＡ、Ｂ、Ｃ及びＤは、池表面１２１４を構成する４つの異なる方法を示す。表面Ａは、砂などの熱容量性素材１２１８の層で構成され、該層上に、黒いスチールなどの暗く、高電導性の素材１２１６の層がある。表面Ｂは、よりよく熱を保持するために、断熱材１２２２の層が熱容量性材料下に置かれること以外、表面Ａと同様である。表面Ｃは、ＰＶＣ、ポリプロピレン又はＥＰＤＭのような、暗い封止密封膜面の層が上に形成された熱容量性素材１２１８の層で構成されている。断熱材１２２２の層が熱容量性素材１２１８層の下にある以外、表面Ｄは、表面Ｃと同様である。
【０１０７】
代わりの実施例（図示せず）では、ノズル１２０２、ノズル立ち上がり部１２０４、ノズル取付け部１２０６及びルーバ付きフェンス１２１２は、蒸発性噴水池１２１２から除去することができる。その結果は、蒸発性池であり、該池はまた再凝縮器として使うことができる。
【０１０８】
さらなる代わりの実施例（図示せず）では、熱交換器１３２４は、蒸発処理で使うことができる追加のエネルギーを提供するために、ノズル取付け部１２０６に流体的に結合することができる。多くの熱が熱交換器１３２４を経て供給されるほど、池集水１２３２の領域は、より小さくある必要がある。熱交換器１３２４は、例えば蒸発処理で使われたエネルギーの６０％を供給することができ、残りの４０％が池集水１２３２の表面積で吸収されるエネルギーから来る。
【０１０９】
自然通気蒸発塔１３０１は、内側に浅いタワー集水領域１３１６が位置しまたタワーハウジング１３０２が支持されるタワーベース１３１４で構成されている。噴水池１２０１と同様に、タワー集水領域１３１６は流体導管１２３６を経て濃縮液貯蔵所１０２０に汲み上げられ、濃縮液貯蔵所１０２０からの流体は流体導管１２３８を経て分散ノズル１３０４に汲み上げることができる。前記流体は、最初に、上に説明したように外部熱源に結合される熱交換器１３２４を通過し、蒸発の間に失われた熱を取り替えるために、該熱交換は前記流体に低級な熱を提供する。集水領域１３１６に落ちるとき、ノズル１３０４から落ちている噴霧は蒸発し、空気取入口１３１０を通る空気の流入によって促進され、これによって集水領域１３１６の塩濃度が高められる。前記噴霧は充填材料１３１２に当たり、該充填材料は、これを越えて流れる塩水のための表面積を増大し、また塩水と空気との間の大規模な移動を増大し、これにより蒸発を促進する。
【０１１０】
強制通気蒸発塔１４０１は、内側に浅いタワー集水領域１４２０が位置しまたタワーハウジング１４０２が支持されるタワーベース１３１８で構成されているので、自然通気蒸発塔１３０１と同様である。タワー集水領域１４２０は、流体導管１２３６を経て濃縮液貯蔵所１０２０に汲み上げられ、濃縮液貯蔵所１０２０からの流体は流体導管１２３８を経て分散ノズル１３０４に汲み上げることができる。前記流体は、最初に、上に説明したように外部熱源に結合される熱交換器１３２４を通過し、蒸発の間に失われた熱を取り替えるために、該熱交換は前記流体に低級な熱を提供する。集水領域１３１６に落ちるとき、ノズル１３０４から落ちている噴霧は蒸発し、空気取入口１３１０を通る空気の流入及びファン１４１２によって与えられる通気によって促進され、これによって集水領域１３１６の塩濃度が高められる。前記噴霧は充填材料１３１２に当たり、該充填材料は、これを越えて流れる塩水のための表面積を増大し、また塩水と空気との間の大規模な移動を増大し、これにより蒸発を促進する。デミスタ１４１４は、噴霧がファン１４１２に損傷を与えまたタワー１４０１の頂部から逃げるのを防止することに役立っている。
【０１１１】
図１２−１４に示された再濃縮機のいずれも、陸上に存在するか海上に浮かべることができる。
【０１１２】
例
蒸発噴水池１２０１という形の再濃縮機１０３２に結合された４つのステージの透析スタック９０１から構成されているプラント１００１の例が次に議論される。
【０１１３】
前記透析スタックは全部で８００個の駆動セルと、１００個の脱塩セルとを有する。使われた陽イオン交換膜１２０は、ネオ隔壁AFN膜である。使われた陰イオン交換膜１２２は、ネオ隔壁CM-1膜である。各膜１２０、１２２は、生産物、希釈液又は濃縮液と接触する１５００ｃｍ２の表面積を有する（各膜１２０、１２２は５０ｃｍの高さ及び３０ｃｍの奥行きを有する)。生産物、希釈液及び濃縮液の各室の厚さは０．０２ｃｍである。アノード及びカソード１２４、１２６は、白金メッキされたチタンで作られる。室間のガスケットは、ポリプロピレン製である。
【０１１４】
プラント１００１は、１日あたり０．０４％塩濃度で、１日あたり１ｍ３の飲料水を生成する。生産物原料は、透析スタック９０１に入力されるとき、３．５０％の塩濃度を有する。希釈液及び濃縮液が透析スタック９０１に入力されるとき、希釈液はまた３．５０％の塩濃度を有し、濃縮液は１８．００％の塩濃度を有る。希釈液及び濃縮液が透析スタック９０１を離れるとき、希釈液及び濃縮液は４．９０％及び１６．９０％の塩濃度をそれぞれ有する。希釈液、濃縮液及び生産物原料は、３８．７ｍ３／日、３６．４ｍ３／日及び１．０１ｍ３／日の速度でそれぞれ透析スタック９０１に流入する。希釈液及び濃縮液は、３８．９２ｍ３／日及び３６．１６ｍ３／日で、透析スタック９０１からそれぞれ流出する。
【０１１５】
水源１００４中の水の塩濃度は３．５０％である。水は３９．７５ｍ３／日の速さで水源１００４から汲み上げられる。この水のうち、１．０１ｍ３／日が塩水貯蔵所１０１０に送られ、他方３８．７４ｍ３／日が希釈液貯蔵所１０２６に送られる。使われた希釈液の一部は、透析スタック１００２から１０．９ｍ３／日の速度で濃縮液貯蔵所１０２０に送られる。使われた希釈液の残部は、２８．０ｍ３／日の速度で直接に塩水貯蔵所１０１０に放出され、希釈液貯蔵所１０２６には送られない。
【０１１６】
蒸発噴水池１２０１は７５ｍ２の池表面１２１４領域を有する。池１２０１には３つのノズル１２０２を使う。ノズル噴射サイクルあたり、蒸発する水のパーセントは４．０％である。噴水池１２０１は、１６．９０％の濃度で透析スタック１００２から流体を受け入れ、１８．００％の濃度で流体を濃縮液貯蔵所１０２０に戻す。
【０１１７】
本発明の図示の実施例が説明されたが、本発明の範囲と精神から逸脱せずに様々の変更が可能であることが理解できるであろう。したがって、本発明は、添付の特許請求の範囲の記載によってのみ制限されるように考慮されるものである。
【符号の説明】
【０１１８】
１−４  脱塩ステージ
１０１、２０１、３０１、４０１、５０１、６０１、７０１、８０１、９０１、１００２、１１０２  透析スタック
１１０  濃縮液室
１１２  希釈液室
１０４  希釈液供給導管
１０６  生産物原料供給導管
１１４  カソード電解質室
１１６  アノード電解質室、
１１８  生産物室
１２０  陽イオン交換膜
１２２  陰イオン交換膜
１２４  カソード
１２６  アノード
１２８  電圧源
１３２  希釈液出口導管
１３４  生産物出口導管
１４０、１４２、１４４、１４６、１４８  駆動セル
１５０  脱塩セル
１５２  生産物室陽イオン交換膜
１５４  生産物室陰イオン交換膜
１５８、８５８  スタック端イオン交換膜
１６０  陽イオン解放室
１６２  陰イオン解放室
４０４  バス
４０８  端板
５０４  希釈液出口マニホルド
５０６  濃縮液出口マニホルド
５０８  生産物出口マニホルド
５１０  濃縮液供給マニホルド
５１２  希釈液供給マニホルド
７０８  ガスケット
７１０  スペーサ
７１４  端板
７３８（ａ）  入口ノッチ
７３８（ｂ）  出口ノッチ
８０４  希釈液／濃縮液供給導管
８０５  生産物／希釈液供給導管
８０６  希釈液／生産物供給導管
８１２  濃縮液／希釈液室
８１４、８１６  第１及び第２の電解質室
８１０  濃縮液／希釈液室
８１２  希釈液／濃縮液室
８１８  生産物／希釈液室
８１９  希釈液／生産物室
８２４、８２６  第１及び第２の電極
８２８  濃縮液／希釈液出口導管
８３０  希釈液／濃縮液出口導管
８３１  生産物／希釈液出口導管
８３２  希釈液／生産物出口導管
８４４（ａ）−（ｈ）  入口バルブ
８４４（ｉ）−（ｐ）  出口バルブ
８５２  生産物／希釈液室陽イオン交換膜
８５４  生産物／希釈液室陰イオン交換膜
８５６  希釈液／生産物室陰イオン交換膜
９１４  初期ステージ生産物室
９１６  引き続くステージの生産物室
１００１  プラント
１００４  水源
１００６  前処理システム
１０１０  塩水貯蔵所
１０２０  濃縮液貯蔵所
１０２６  希釈液貯蔵所
【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】
2011525420.tif 000016
【図１３】
2011525420.tif 000017
【図１４】
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【国際調査報告】
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