(57)【要約】イオンを生成するために従来のアノードとカソードとの間に使用される典型的な３Ｖよりもはるかに少ない値を使用して水酸化物イオンおよび／または重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを生成する低電圧で低エネルギーの電気化学システムおよび方法；その結果、本発明のシステムおよび方法に起因する二酸化炭素の放出が大幅に減少する。一実施形態において、本発明のシステムは：カソードに接触する第１の電解質と；アノードに接触する第２の電解質と；第１のイオン交換膜によって第１の電解質から分離された第３の電解質と；第２のイオン交換膜によって第２の電解質から分離された第４の電解質と；第３および第４の電解質を分離する第３のイオン交換膜と含む。【特許請求の範囲】
【請求項１】
カソードに接触するカソード電解質である第１の電解質と；
アノードに接触するアノード電解質である第２の電解質と；
第１のイオン交換膜によって前記カソード電解質から分離された第３の電解質と；
第２のイオン交換膜によって前記アノード電解質から分離された第４の電解質と；
前記第３および第４の電解質を分離する第３のイオン交換膜とを含む、電気化学システム。
【請求項２】
前記第１のイオン交換膜が陽イオン交換膜を含み；前記第２のイオン交換膜が陽イオン交換膜を含み；前記第３のイオン交換膜が陰イオン交換膜を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３】
ガスを前記アノードまで誘導するよう構成されたガス移送システムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項４】
前記ガスが水素を含む、請求項３に記載のシステム。
【請求項５】
前記ガス移送システムが、ガスを前記カソードから前記アノードまで誘導するように構成される、請求項３に記載のシステム。
【請求項６】
前記ガスが水素を含む、請求項５に記載のシステム。
【請求項７】
前記アノードにおいて前記ガスを酸化するために、前記ガス移送システムが、水素ガスを前記アノード電解質中、または前記アノード上、またはそれらの組み合わせに誘導するように構成される、請求項３または４に記載のシステム。
【請求項８】
外部ガスを前記電気化学システムの電解質中に送出するように構成された外部ガス送出システムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項９】
前記外部ガスが二酸化炭素を含む、請求項８に記載のシステム。
【請求項１０】
前記外部ガス送出システムが、前記ガスを前記カソード電解質中に送出するよう構成される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１１】
二酸化炭素を前記カソード電解質中に吸収させるように操作可能に構成されたガス吸収システムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項１２】
前記外部ガス送出システムが、燃焼ガスを含む産業排ガス流システムに操作可能に接続される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１３】
前記外部ガス送出システムが、化石燃料発電プラントまたはセメントプラントガス排出システムに操作可能に接続される、請求項８に記載のシステム。
【請求項１４】
前記電極間に電圧を印加すると、前記アノードにおいてガスを形成することなく、水酸化物イオンを前記カソード電解質中に形成することができる、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項１５】
前記アノードとカソードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加すると、水酸化物イオンが形成される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１６】
前記水酸化物イオンが形成され、同時に水素ガスが前記アノードにおいて酸化される、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１７】
前記アノード電解質とカソード電解質との間に、７〜１４ｐＨ単位の間またはそれを超えるｐＨ差を発生させることができる、請求項１４に記載のシステム。
【請求項１８】
前記ｐＨ差が発生し、同時に水素ガスが前記アノードにおいて酸化される、請求項１７に記載のシステム。
【請求項１９】
前記電極間に電圧を印加すると、前記アノードにおいてガスを形成することなく、水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンを前記カソード電解質カソード中に形成することができる、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項２０】
前記電極間の前記電圧が３Ｖ未満である、請求項１４または１９に記載のシステム。
【請求項２１】
前記水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンが形成され、同時に前記システムは水素ガスを前記アノードにおいて酸化する、請求項２０に記載のシステム。
【請求項２２】
前記アノードとカソードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加すると、プロトンを前記アノード電解質中に形成することができる、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項２３】
前記アノードとカソードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加すると、前記アノードにおいてガスを発生することなく、水素ガスを前記カソードにおいて形成することができる、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項２４】
前記アノードとカソードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加すると、前記アノードにおいてガスを形成することなく、ナトリウムイオンおよび塩化物イオンを前記第３の電解質から除去することができる、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項２５】
前記アノードとカソードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加すると、前記アノードにおいてガスを形成することなく、酸溶液を前記第４の電解質中に形成することができる、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項２６】
前記カソード電解質の一部を、前記カソード電解質の流出流から流入流まで循環させるのに適合した循環システムをさらに含む、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項２７】
前記第４の電解質の一部を、前記第４の電解質の流出流から流入流まで循環させるのに適合した循環システムをさらに含む、請求項１または５に記載のシステム。
【請求項２８】
バッチ、セミバッチ、または連続流操作に適合している、請求項１に記載のシステム。
【請求項２９】
連続流操作に適合している、請求項１に記載のシステム。
【請求項３０】
前記カソード電解質が溶存二酸化炭素を含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３１】
前記カソード電解質が水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンを含む、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３２】
前記カソード電解質が重炭酸ナトリウム、炭酸ナトリウム、またはそれらの組み合わせを含む、請求項３０に記載のシステム。
【請求項３３】
前記第４の電解質がプロトンおよび塩化物イオンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３４】
前記アノード電解質がプロトンを含む、請求項１に記載のシステム。
【請求項３５】
電気化学的方法であって：
カソードに接触するカソード電解質である第１の電解質を配置するステップと；
アノードに接触するアノード電解質である第２の電解質を配置するステップと；
第１のイオン交換膜によって前記カソード電解質から分離されるように第３の電解質を配置するステップと；
第３のイオン交換膜によって前記第３の電解質から分離され、第２のイオン交換膜によって前記アノード電解質から分離されるように第４の電解質を配置するステップと；
前記アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、水酸化物イオンを前記カソード電解質中に形成するステップとを含む、方法。
【請求項３６】
前記第１のイオン交換膜が陽イオン交換膜を含み；前記第２のイオン交換膜が陽イオン交換膜を含み；前記第３のイオン交換膜が陰イオン交換膜を含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項３７】
前記アノードにおいてガスが形成されない、請求項３５に記載の方法。
【請求項３８】
水素ガスを前記アノードにおいて酸化するステップをさらに含む、請求項３７に記載の方法。
【請求項３９】
二酸化炭素ガスを前記カソード電解質中に誘導するステップをさらに含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４０】
前記カソード電解質を前記カソードに接触させて配置する前または後に、前記二酸化炭素を前記カソード電解質中に誘導する、請求項３９に記載の方法。
【請求項４１】
前記カソードとアノードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加するステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４２】
水素ガスを前記カソードにおいて形成するステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４３】
プロトンを前記アノードにおいて形成するステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４４】
３Ｖ未満の電圧を前記アノードと前記カソードとの間に印加することによって、前記アノードにおいてガスを形成することなく、前記アノード電解質とカソード電解質との間に７〜１４ｐＨ単位の間またはそれを超えるｐＨ差を発生させるステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４５】
水酸化物イオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、および／またはそれらの組み合わせを前記カソード電解質中に形成するステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４６】
水酸化ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または炭酸ナトリウムを前記カソード電解質中に形成するステップを含む、請求項３９に記載の方法。
【請求項４７】
プロトンを、前記アノード電解質から前記第２の陽イオン交換膜を通過して前記第４の電解質まで移動させるステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項４８】
陰イオンを、前記第３の電解質から前記陰イオン交換膜を通過して前記第４の電解質まで移動させるステップを含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
塩化物イオンを、前記第３の電解質から前記陰イオン交換膜を通過して前記第４の電解質まで移動させるステップを含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５０】
酸を前記第４の電解質中に形成するステップを含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５１】
塩酸を前記第４の電解質中に形成するステップを含む、請求項４９に記載の方法。
【請求項５２】
陽イオンを、前記第３の電解質から前記第１の陽イオン交換膜を通過して前記カソードまで移動させるステップを含む、請求項４８に記載の方法。
【請求項５３】
ナトリウムイオンを、前記第３の電解質から前記第１の陽イオン交換膜を通過して前記カソード電解質まで移動させるステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項５４】
前記カソードにおいて形成された水素ガスを、前記アノードにおいて前記ガスを酸化させるために循環させるステップを含む、請求項４２に記載の方法。
【請求項５５】
前記カソード電解質の流出流から流入流までカソード電解質を循環させるステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項５６】
前記第４の電解質の流出流から流入流まで第４のカソード電解質を循環させるステップを含む、請求項３５に記載の方法。
【請求項５７】
電気化学的方法であって：
カソードに接触するカソード電解質である第１の電解質を配置するステップと；
アノードに接触するアノード電解質である第２の電解質を配置するステップと；
第１のイオン交換膜によって前記カソード電解質から分離されるように第３の電解質を配置するステップと；
第３のイオン交換膜によって前記第３の電解質から分離され、第２のイオン交換膜によって前記アノード電解質から分離されるように第４の電解質を配置するステップと；
二酸化炭素ガスを前記カソード電解質に供給するステップとを含む、方法。
【請求項５８】
前記第１のイオン交換膜が陽イオン交換膜を含み；前記第２のイオン交換膜が陽イオン交換膜を含み；前記第３のイオン交換膜が陰イオン交換膜を含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項５９】
前記アノードにおいてガスが形成されない、請求項５７に記載の方法。
【請求項６０】
重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸イオンと炭酸イオンとの混合物を前記カソード電解質中に形成するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６１】
水素ガスを前記アノードにおいて酸化するステップをさらに含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６２】
前記カソードとアノードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６３】
水素ガスを前記カソードにおいて形成するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６４】
前記アノードおよび前記アノード電解質においてプロトンを形成するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６５】
前記アノードにおいてガスを形成することなく、前記アノード電解質とカソード電解質との間に７〜１４ｐＨ単位の間またはそれを超えるｐＨ勾配を発生させるステップを含む、請求項６４に記載の方法。
【請求項６６】
炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または炭酸ナトリウムと重炭酸ナトリウムとの混合物を前記カソード電解質中に形成するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６７】
プロトンを、前記アノード電解質から前記第２の陽イオン交換膜を通過して前記第４の電解質まで移動させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６８】
陰イオンを、前記第３の電解質から前記陰イオン交換膜を通過して前記第４の電解質まで移動させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項６９】
塩化物イオンを、前記第３の電解質から前記陰イオン交換膜を通過して前記第４の電解質まで移動させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７０】
酸を前記第４の電解質中に形成するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７１】
塩酸を前記第４の電解質中に形成するステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７２】
陽イオンを、前記第３の電解質から前記第１の陽イオン交換膜を通過して前記カソード電解質まで移動させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７３】
ナトリウムイオンを、前記第３の電解質から前記第１の陽イオン交換膜を通過して前記カソード電解質まで移動させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７４】
前記カソードにおいて形成された水素ガスを、前記アノードにおいて酸化させるために循環させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７５】
前記カソード電解質の少なくとも一部を前記カソード電解質の流出流から流入流に循環させるステップを含む、請求項５７に記載の方法。
【請求項７６】
前記第４のカソード電解質の一部を前記第４の電解質の流出流から流入流に循環させるステップを含む、請求項５７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
３５  Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ｅ）に基づき、本出願は、２００８年７月１６日に出願され発明の名称が「水素吸収金属触媒を使用した炭素隔離のための低エネルギーｐＨ調節」（Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  ｐＨ  Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ  ｆｏｒ  Ｃａｒｂｏｎ  Ｓｅｑｕｅｓｔｒａｔｉｏｎ  Ｕｓｉｎｇ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｖｅ  Ｍｅｔａｌ  Ｃａｔａｌｙｓｔｓ）である、本願と同一の譲受人に譲渡された米国仮特許出願第６１／０８１，２９９号明細書、；および２００８年８月２５日に出願され発明の名称が「電解質溶液から固体材料中への水素イオンの低エネルギー吸収」（Ｌｏｗ  Ｅｎｅｒｇｙ  Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ  ｏｆ  Ｈｙｄｒｏｇｅｎ  Ｉｏｎ  ｆｒｏｍ  ａｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｌｙｔｅ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ  ｉｎｔｏ  ａ  Ｓｏｌｉｄ  Ｍａｔｅｒｉａｌ）である、本願と同一の譲受人に譲渡された米国仮特許出願第６１／０９１，７２９号明細書の優先権を主張し、どちらもそれらの記載内容全体が参照により本明細書に援用される。
【０００２】
３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§１１９（ａ）および３５Ｕ．Ｓ．Ｃ．§３６５に基づき、本出願は、２００８年１２月２３日に出願された「低エネルギー電気化学的水酸化物システムおよび方法」（Ｌｏｗ−ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｈｙｄｒｏｘｉｄｅ  Ｓｙｓｔｅｍ  ａｎｄ  Ｍｅｔｈｏｄ）と題される、本願と同一の譲受人に譲渡されたＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０８／８８２４２号明細書；および２００９年１月２８日に出願され「低エネルギー電気化学的重炭酸イオン溶液」（Ｌｏｗ−ｅｎｅｒｇｙ  Ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ  Ｂｉｃａｒｂｏｎａｔｅ  Ｉｏｎ  Ｓｏｌｕｔｉｏｎ）と題される、本願と同一の譲受人に譲渡されたＰＣＴ特許出願ＰＣＴ／ＵＳ０９／３２３０１号明細書の優先権を主張し、どちらもそれらの記載内容全体が参照により本明細書に援用される。
【背景技術】
【０００３】
水酸化物イオン、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンの溶液は、プロトンを溶液から除去するため、または溶液のｐＨを緩衝するため、または不溶性水酸化物および／またはカーボネートおよび／またはバイカーボネートを溶液から沈殿させるために多くの場合に必要とされる。従来、水酸化物イオンは、塩基の加水分解、たとえば消石灰の消和によって；あるいは塩溶液の電気分解、たとえば、塩素アルカリ法の場合のような塩化ナトリウム水溶液の電気分解によって生成することができる。従来、炭酸イオンまたは重炭酸イオンは、二酸化炭素ガスを水中に溶解させることによって、あるいは可溶性炭酸塩または重炭酸塩、たとえば、重炭酸ナトリウムを水中に溶解させることによって生成することができる。
【０００４】
塩基の加水分解または塩溶液の電気分解によって水酸化物イオンを生成することができるが、水酸化物イオンの従来の生成では大量のエネルギーを消費し；従来方法では大量の二酸化炭素も環境中に放出する。したがって、たとえば生石灰の製造において、大量の化石燃料を燃焼させて石灰石を焼成して酸化カルシウムに変換し、その結果大量の二酸化炭素が環境中に放出される。同様に、塩素アルカリ法による水酸化物イオンの生成では、反応を進行させるためにアノードとカソードとの間に典型的には少なくとも３Ｖが必要となるため、大量のエネルギーが使用される。このエネルギーは典型的には化石燃料発電プラントから得られるため、この方法によって大量の二酸化炭素も環境中に放出される。同様に、二酸化炭素を水溶液中に溶解させることによる炭酸イオンおよび重炭酸イオンの生成においては、溶解性を改善するためにガスを加圧するのに大量のエネルギーが必要であり、その結果として使用されたエネルギーに起因する大量の二酸化炭素が環境中に放出される。したがって、水酸化物イオン、炭酸イオン、および重炭酸イオンのエネルギー効率の良い製造が非常に望ましい。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、水酸化物イオンおよび／または重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを生成する低電圧で低エネルギーの電気化学システムおよび方法に関する。種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、イオンの生成のために従来のアノードとカソードとの間に使用される典型的な３Ｖよりも顕著に低い値を使用し、その結果、本発明のシステムおよび方法に起因する二酸化炭素の放出が顕著に減少する。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
一実施形態において、本発明のシステムは：カソードに接触する第１の電解質と；アノードに接触する第２の電解質と；第１のイオン交換膜によって第１の電解質から分離された第３の電解質と；第２のイオン交換膜によって第２の電解質から分離された第４の電解質と；第３および第４の電解質を分離する第３のイオン交換膜と含む。
【０００７】
一実施形態において、本発明の方法は：カソードに接触させて第１の電解質を配置するステップと；アノードに接触させて第２の電解質を配置するステップと；第１のイオン交換膜によって第１の電解質から分離するように第３の電解質を配置するステップと；第３のイオン交換膜によって第３の電解質から分離し、第２のイオン交換膜によって第２の電解質から分離するように第４の電解質を配置するステップと；アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって第１の電解質中に水酸化物イオンを形成するステップとを含む。
【０００８】
別の一実施形態において、本発明の方法は：カソードに接触させて第１の電解質を配置するステップと；アノードに接触させて第２の電解質を配置するステップと；第１のイオン交換膜によって第１の電解質から分離するように第３の電解質を配置するステップと；第３のイオン交換膜によって第３の電解質から分離し、第２のイオン交換膜によって第２の電解質から分離するように第４の電解質を配置するステップと；二酸化炭素ガスを第１の電解質に供給するステップとを含む。
【０００９】
種々の実施形態において、第１のイオン交換膜は陽イオン交換膜を含み；第２のイオン交換膜は陽イオン交換膜を含み；第３のイオン交換膜は陰イオン交換膜を含む。種々の実施形態において、第１の電解質はカソードに接触するカソード電解質であり、第２の電解質はアノードに接触するアノード電解質である。
【００１０】
種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、流出流を介してカソード電解質の一部または全てを抜き取ったり、および／または流入流を介してこの電解質をカソード電解質室に補充したりするのに適合している。種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、第４の電解質の一部または全てが流出流から抜きとられ、このエレクトロライトが第４の電解質室の流入流を介して補充されるよう適合している。種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、システム中の電解質の抜き取りおよび補充を行うまたは行わない、バッチ、セミバッチ、または連続流操作に適合している。
【００１１】
種々の実施形態において、本発明のシステムは、カソードで発生した水素ガスをアノードに誘導するに適合した水素ガス移送システムを含む。別の一実施形態において、システムは、二酸化炭素ガスをカソード電解質中に送出するのに適合した二酸化炭素送出システムを含み、カソード電解質中で二酸化炭素は溶解して、電解質のｐＨに依存して重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを形成することができる。カソード電解質中にガスを溶解させることによってカソード電解質に二酸化炭素が供給される実施形態において、この溶解は、ある実施形態では、流出流中、または流入流中、またはそれらの間に配置された１つ以上の室で起こりうる。種々の実施形態において、本発明のシステムは、ガス、たとえば二酸化炭素をカソード電解質に供給するための燃焼ガスを含む産業排ガス流に操作可能に接続される。種々の実施形態において、排ガス流は、化石燃料発電プラント、セメント製造プラント、および／またはその他の工業プラントからの燃焼ガスを含む。種々の実施形態において、排ガスは、カソード電解質中に溶解して陰イオンを形成する酸性ガス類、たとえば、窒素酸化物類（亜酸化窒素、酸化窒素）および硫黄ガス類（二酸化硫黄、硫化水素）を含む。ある実施形態においては、カソードエレクトロライトと接触する前に、排ガスは、その非二酸化炭素成分の一部または全てを除去する処理が行われる。
【００１２】
種々の実施形態において、水酸化物イオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、塩酸、ならびに特定の陽イオンおよび陰イオンが除去されている部分的に脱塩された水を含む本発明のシステムおよび方法の生成物を使用して、排ガスを、二価の陽イオン、ならびに水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンを含む溶液と接触させて、二価の陽イオンの炭酸塩および重炭酸を沈殿させることによって、二酸化炭素および産業排ガスの他の成分、たとえば、硫黄ガス類、酸化窒素ガス類、およびその他の燃焼ガスが隔離され、このことは、２００８年１２月２４日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／３４４，０１９号明細書に記載されており、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される。たとえば、カルシウムおよびマグネシウムの炭酸塩および重炭酸塩を含む沈殿物は、種々の実施形態において、建築材料として、たとえば、セメントおよび骨材として利用され、このことは２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されており、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される。
【００１３】
別の用途では、陽イオンおよび陰イオンが除去されている部分的に脱塩された水、たとえば、ナトリウムイオンおよび塩化物イオンを第３の電解質から除去することによって形成された部分的に脱塩された水が、脱塩システム中の給水として使用され、この水は、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年６月２７日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１６３，２０５号明細書に記載のようにさらに処理される。
【００１４】
別の一実施形態において、第４の電解質中で生成される酸、および／またはカソード電解質中で生成される塩基溶液を使用して、二価陽イオン、たとえば、Ｃａ＋＋およびＭｇ＋＋を含む無機物および廃棄物を溶解させて、二価陽イオン溶液を生成し、この溶液は、本発明のカソードエレクトロライトを使用した二価金属イオン炭酸塩沈殿物の生成に使用される。種々の実施形態において、この沈殿物は、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように建築材料、たとえばセメントおよび骨材として使用される。
【００１５】
以下の図面は、例として示されるものであり、本発明のシステムおよび方法の実施態様を限定するものではない。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明のシステムの一実施形態の図である。
【図２】本発明の方法の一実施形態のフローチャートである。
【図３】本発明の方法の一実施形態のフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本発明の方法およびシステムを詳細に説明する前に、本発明のシステムおよび方法は、それ自体が変化しうる本明細書に記載され例示される特定の実施形態に限定されるものではないことを理解されたい。本発明の範囲は添付の特許請求の範囲によってのみ限定されるため、本明細書において使用される専門用語は特定の実施形態の説明のみを目的としており、限定的なものではないことも理解されたい。
【００１８】
本明細書において、ある範囲の値が提供される場合、（文脈が明確に他のことを示すのでない限り）その範囲の上限と下限との間の下限の単位の１０分の１までの介在するそれぞれの値、ならびにその記載の範囲内のあらゆる他の記載の値または介在する値が、本発明のシステムおよび方法に含まれるものと理解されたい。これらのより小さい範囲の上限および下限は、独立してより小さな範囲内に含まれて良いし、それらも本発明のシステムおよび方法に含まれ、これらの範囲は、記載の範囲内のいずれかの具体的に排除される制限値に従う。記載の範囲が制限値の一方または両方を含む場合、含まれるこれらの制限値のいずれかまたは両方を排除する範囲も、本発明のシステムおよび方法に含まれる。
【００１９】
本明細書において、範囲は、用語「約」が前に付けられる数値で表される。本明細書において、用語「約」は、この用語が前に付けられる正確な数値、ならびにこの用語が前に付けられる数値に近いまたはほぼ同じ数値を文字通り支持するために使用される。具体的に列挙される数値に近いまたはほぼ同じであるかどうかの決定において、近いまたはほぼ同じである列挙されていない数値は、その数値が提示されている状況において、具体的に列挙されている数値と実質的に同等となる数値であってよい。
【００２０】
特に定義しない限り、本明細書において使用されるすべての技術用語および科学用語は、本発明が属する当業者によって一般に理解されている意味と同じ意味を有する。本明細書に記載されているものと類似または同等であるあらゆる方法、システム、および材料も本発明のシステムおよび方法の実施に使用することができるが、代表的な方法、システム、および材料のみを本明細書において説明する。
【００２１】
本明細書に引用されるすべての刊行物および特許は、それぞれの個別の刊行物または特許が具体的および個別に参照により援用されることが示されかのように参照により本明細書に援用され、引用される刊行物と関連する方法および／または材料を開示および説明するために参照により本明細書に援用される。あらゆる刊行物の引用は、本願出願日前のその刊行物の開示のためのものであり、先行発明の理由でこのような刊行物に先行する権利を本発明が有さないことを認めるものと解釈すべきではない。さらに、提供される刊行物の日付は、別個に確認する必要が生じうる実際の刊行日とは異なる場合がある。
【００２２】
本明細書中および添付の特許請求の範囲において使用される場合、単数形の「ａ」、「ａｎ」、および「ｔｈｅ」は、文脈が明確に他のことを示しているのでなければ、複数への言及を含んでいる。また、特許請求の範囲は、あらゆる任意選択の要素を排除するように作成される場合がある。そのようなものなので、この言明は、「単独の」、「唯一の」などの排他的な用語と請求要素の詳述との併用、または「消極的な」限定の使用に関する先行する基準として機能することを意図している。
【００２３】
当業者には明らかなように、本明細書で説明され例示される各実施形態は、本発明の範囲から逸脱することなく他のいくつかの実施形態のいずれかの特徴と容易に分離したり組み合わせたりすることができる別個の成分および特徴を含む。列挙されるあらゆる方法は、列挙される事象の順序で行うことができるし、可能性のあるあらゆる論理的な順序で行うこともできる。
【００２４】
種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、低電圧で低エネルギーの電気化学的方法による、水溶液中での水酸化物イオンおよび／または重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンの生成に関する。一実施形態において、図１を参照すると、カソード１０４とアノード１０８との間に３Ｖ未満の電圧を印加することによって、水酸化物イオンがカソード電解質１０２中で生成し、同時に：ｉ）水素ガスがアノード１０８において酸化されてプロトンを生成し；ｉｉ）プロトンが、アノード１０８からアノード電解質１０６を介し、第２の陽イオン交換膜１１８を通過して、第４の電解質１１６まで移動し；ｉｉｉ）アノード１０８とカソード１０４との間の電圧が、アノード１０８においてガスが生成しない電圧に維持され；ｉｖ）水がカソード１０４において還元されて水酸化物イオンおよび水素ガスを形成し；ｖ）第１の陽イオン交換膜１１２をカソード電解質１０２と第３の電解質１１０との間に配置することによって、カソード電解質１０２中の水酸化物イオンが、カソード電解質１０２から隣接する第３の電解質１１０まで移動するのが防止され；ｖｉ）ナトリウムイオンが第３の電解質１１０からカソード電解質１０２に移動し、そこで水酸化物イオンと結合して、カソード電解質１０２中に水酸化ナトリウムを形成し；ｖｉｉ）塩化物イオンが第３の電解質１１０から陰イオン交換膜１２０を通過して第４の電解質１１６まで移動し、そこでアノード１０８から移動したプロトンと結合して塩酸を形成し；ｖｉｉ）第２の陽イオン交換膜１１８によって、アノード電解質１０６を第４の電解質１１６から分離する。
【００２５】
種々の実施形態において、カソードにおいて得られる水素ガスは、アノードに誘導され、そこで水素ガスは酸化される。種々の実施形態において、カソード電解質中で生成した水酸化ナトリウムおよび第４の電解質中で生成した塩酸は、システムから絶えず除去され、一方、カソード電解質と第３の電解質中の塩化ナトリウムとは、絶えず水が補充されることで、システムの連続生成運転が維持される。別の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、他の操作方式、たとえば、バッチまたはセミバッチ流に適合している。
【００２６】
別の一実施形態においては、二酸化炭素ガスをカソード電解質中に溶解させ、アノードとカソードとの間に３Ｖ未満の電圧を印加することによって、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンがカソード電解質中に生成される。二酸化炭素ガスは、カソード電解質中に溶解させることができるし、またはカソード電解質室１２２に接続された別個の二酸化炭素室１５２中で溶解させることで、溶液中に溶解した二酸化炭素をカソード電解質室に供給することもできる。この実施形態において、二酸化炭素がカソード電解質中に溶解するため、以下の３つの反応が起こる：
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−＝Ｈ２＋２ＯＨ−
（水がカソードにおいて還元される）
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＝Ｈ２ＣＯ３＝Ｈ＋＋ＨＣＯ３−＝Ｈ＋＋ＣＯ３２−
（電解質のｐＨに依存して、炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンがカソード電解質中で形成される）、および
Ｈ＋＋ＯＨ−→Ｈ２Ｏ
これらの反応はｐＨに依存するため、全体的なカソード反応は、カソード電解質のｐＨに依存して：
２Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２＋２ｅ−＝Ｈ２＋２ＨＣＯ３−、
または    Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−＝Ｈ２＋ＣＯ３２−
または両方の反応の組み合わせのいずれかとなる。
【００２７】
この実施形態において、図１を参照すると、カソード１０４とアノード１０８との間に３Ｖ未満の電圧を印加することによって、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンがカソード電解質１０２中で生成し、同時に：ｉ）水素ガスがアノード１０８において酸化されてプロトンがアノード１０８において生成し；ｉｉ）アノード１０８において形成されたプロトンは、アノード１０８からアノード電解質１０６を介し、第２の陽イオン交換膜１１８を通過して、第４の電解質１１６まで移動することができ；ｉｉｉ）アノード１０８においてガスが発生しないように、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧が印加され；ｉｖ）水素ガスがカソード１０４において生成し、場合によりこのガスをアノード１０８まで循環させ；ｖ）第１の陽イオン交換膜１１２をカソード電解質１０２と第３の電解質１１０との間に配置することによって、カソード電解質１０２中で生成した炭酸イオンおよび／または重炭酸陰イオンが、隣接する第３の電解質１１０に移動するのが防止され、この陽イオン交換膜は、陰イオンのカソード電解質１０２からの移動を阻止するように選択され；ｖｉ）ナトリウムイオンが、第３の電解質１１０から、第１の陽イオン交換膜１１２を介して、カソード電解質１０２まで移動し；ｖｉｉ）カソード電解質１０２中で、ナトリウムイオンと炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンとが結合して、炭酸ナトリウムおよび／または重炭酸ナトリウムをカソード電解質１０２中に形成し；ｖｉｉｉ）塩化物イオンが、第３の電解質１１０から、陰イオン交換膜１２０を通過して、第４の電解質１１６まで移動し；ｉｘ）第４の電解質１１６中で、塩化物イオンが、アノード電解質１０６から移動したプロトンと結合して塩酸を形成し；ｘ）第２の陽イオン交換膜を第４の電解質１１６とアノード電解質１０６との間に配置することによって塩化物イオンの第４の電解質１１６からアノード電解質１０６への移動が防止され、この第２の陽イオン交換膜１１８は、陰イオンの、第４の電解質１１６からアノード電解質１０６への移動を阻止するように選択される。
【００２８】
本発明のシステムのこの実施形態において、前述の水酸化物イオンを生成する実施形態と同様に、カソードにおいて生成した水素ガスは、場合によりアノードまで誘導され、そこで酸化されるか、またはそのガスは排出される。水素ガスが排出される実施形態においては、別の水素ガス源によって水素ガスがアノードに供給される。このシステムの種々の実施形態において、水酸化物イオンの生成と同様に、カソード電解質中で生成した炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンは、システムから絶えず除去され、一方、カソード電解質および第３の電解質中の塩化ナトリウムには、絶えず水が補充されることで、システムの連続運転が維持される。種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、他の操作方式、たとえば、バッチまたはセミバッチ流に適合可能である。
【００２９】
種々の実施形態において、当業者には明らかなように、アノードとカソードとの間の電圧は、アノード電解質およびカソード電解質のｐＨ、ならびにこれらの電解質の間のｐＨ差に依存する。したがって、種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に印加される電圧が、３未満、２．９  ２．８、２．７、２．６  ２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、または０．１Ｖ以下であり、同時に、アノード電解質とカソード電解質との間のｐＨ差が、０、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超え；同時に、アノード電解質のｐＨが１〜７ｐＨ単位を変動し、およびカソード電解質のｐＨが７〜１４ｐＨ単位またはそれを超える値で変動する場合に、水酸化物イオン、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンがカソードエレクトロライト中で生成される。
【００３０】
種々の実施形態において、図１を参照すると、アノード電解質１０６と第４の電解質１１６との間に第２の陽イオン交換膜１１８を選択的に配置し、アノード１０８とカソード１０４との間に本発明の電圧を印加することによって、アノード１０８において水素ガスの酸化によって形成されたプロトンは、アノード電解質１０６中に移動し、そこからプロトンは第２の陽イオン交換膜１１８を介して第４の電解質１１６まで移動する。しかし、第４の電解質１１６は、陰イオン交換膜１２０によって第３の電解質１１０から分離されているので、第４の電解質１１６から第３の電解質１１０を介してカソードに向かうプロトンのさらなる移動は阻止され；したがって、プロトンは第４の電解質１１６中で蓄積して酸、たとえば塩酸を形成する。
【００３１】
同様に、図１を参照すると、カソード電解質１０２と第３の電解質１１０との間に第１の陽イオン交換膜１１２を選択的に配置し、アノード１０８とカソード１０４との間に低電圧を印加することによって、水酸化物イオンまたは炭酸イオンまたは重炭酸イオンがカソード電解質１０２中で形成され、それらの電解質１０２から第３の電解質１１０への移動は第１の陽イオン交換膜１１２によって阻止される。したがって、水酸化物イオン、または炭酸イオン、または重炭酸イオンは、カソード電解質１０２中に含まれる。同時に、カソード１０４における水の還元からカソード１０４において形成される水素ガスは、排出されるか、またはアノードにおいてガスを酸化するためにアノードに誘導される。水素が排出される場合、別の外部の水素源が、水素ガスをアノードに供給するために使用される。
【００３２】
種々の実施形態において、図１を参照すると、第１の陽イオン交換膜１１２は、第３の電解質１１０からカソード電解質１０２への陽イオンの移動を可能にし、陰イオン交換膜１２０は、第３の電解質１１０から第４の電解質１１６への陰イオンの移動を可能にするので、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって、陽イオン、たとえばナトリウムイオンは、第３の電解質１１０からカソード電解質１０２に移動し、陰イオン、たとえば塩化物イオンは、第３の電解質１１０から第４の電解質１１６に移動する。
【００３３】
したがって、第３の電解質１１０に最初に塩化ナトリウムが投入される実施形態においては、ナトリウムイオンは、第３の電解質からカソード電解質１０２に移動して、カソード電解質１０２のｐＨに依存して水酸化ナトリウムまたは重炭酸ナトリウムまたは炭酸ナトリウムを形成する。同様に、塩化物イオンは、第３の電解質１１０から第４の電解質に移動して、アノード電解質１０６から移動するプロトンとともに塩酸１４８を形成する。したがって、種々の実施形態において、ナトリウムイオンおよび塩化物が除去された部分的に脱塩された水１５０が、第３の電解質１１０中で生成する。
【００３４】
水素ガスが、アノードにおける酸化のために供給されない種々の実施形態においては、本発明のシステムおよび方法は、アノードにおいてガス、たとえば酸素または塩素を生成し、同時に、カソード電解質中に水酸化物イオン、重炭酸イオン、および炭酸イオンを生成し、カソードにおいて水素ガスを生成するように適合させることができる。別の実施形態と同様に、この実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、第４の電解質中で酸を形成し、第３の電解質中で部分的に脱塩された水を形成し、同時に、アノードにおいてガス、たとえば酸素または塩素を形成するように適合させることができる。この実施形態において、しかし、水素ガスがアノードにおいて酸化されないので、システム中の電気化学反応を進行させるために、カソードとアノードとの間に一般により高い電圧が必要となる。
【００３５】
種々の実施形態において、図１を参照すると、カソード１０４とアノード１０８との間に印加される本明細書に記載の電圧を使用すると、アノードにおいて形成され、アノード電解質１０６中に移動し、第２の陽イオン交換膜１１８を通過して第４の電解質１１６まで移動するプロトンによって、システムを流れる電解質の流れに依存して、アノード電解質１０６および第４の電解質１１６のｐＨを調整することができる。同時に、カソード電解質１０２中で形成される水酸化物イオン、重炭酸イオン、または炭酸イオンが、カソード電解質から第１の陽イオン交換膜を通過して移動するのが阻止されるので、システムを流れる電解質の流れに依存して、カソード電解質１０２のｐＨを調整することができる。したがって、種々の実施形態において、システムを流れる電解質の流れに依存して、カソード電解質１０２とアノード電解質１０６との間にｐＨ差、たとえば、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、または１４ｐＨ単位、あるいはそれを超える差が得られる。同様に、プロトンがアノード電解質１０６から第４の電解質１１６に移動するため、システムを流れる電解質の流れに依存して、第４の電解質１１６とカソード電解質１０２との間にｐＨ差、たとえば、少なくとも１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、または１４ｐＨ単位あるいはそれを超える差が得られる。
【００３６】
説明を目的とした、本発明のシステムおよび方法の特定の実施形態の以下の例示的な説明において、あるシステムが図１中のように構成され、ここで塩化ナトリウムの濃厚水溶液１４２が、第１の陽イオン交換膜１１２と陰イオン交換膜１２０との間の初期の第３の電解質１１０として使用される。またこのシステムにおいて、導電性の水あるいは低濃度の水酸化ナトリウム溶液または重炭酸ナトリウム溶液または炭酸ナトリウム溶液が、初期のカソード電解質１０２として使用され；このシステムにおいて、導電性の水がアノード電解質１０６として使用され；さらにこのシステムにおいて、第４の電解質１１６中で生成される低濃度の塩酸が初期の第４の電解質として使用される。
【００３７】
したがって、このシステムにおいて、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加すると、ナトリウムイオンが第３の電解質１１０からカソード電解質１０２に移動し、塩化物イオンが第３の電解質から第４の電解質１１６に移動し；水酸化物イオン、あるいは炭酸イオンまたは重炭酸イオンがカソード電解質１０２中で生成し（二酸化炭素ガスが電解質に加えられるかどうかに依存する）；水素ガスがカソード１０４において生成し；アノード１０８に供給される水素ガスはアノードにおいて酸化されてプロトンになり；プロトンは、アノード電解質１０６中に移動し、そこから第２の陽イオン交換膜１１８を通過して第４の電解質１１６まで移動し、陰イオン交換膜１２０によって第３の電解質１１０へのさらなる移動は阻止されるため、プロトンはそこで蓄積される。
【００３８】
したがって、種々の実施形態において、このシステム中のアノードとカソードとの間に電圧を印加すると、水酸化ナトリウムがカソード電解質中で生成し；塩酸が第４の電解質中で生成し；第３の電解質中の塩化ナトリウム濃度が低下し；水素ガスがアノードにおいて酸化され；水素ガスがカソードにおいて発生する。
【００３９】
二酸化炭素ガスがカソード電解質中に溶解されるこのシステムの一実施形態においては、本発明のシステムおよび方法は、カソード電解質中で重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンをさらに生成し；したがって、この実施形態においては、カソード電解質のｐＨに依存して、重炭酸ナトリウムおよび／または炭酸ナトリウムがカソード電解質中で生成する。この実施形態においては、二酸化炭素がカソード電解質中に溶解されない実施形態と同様に、本発明のシステムおよび方法では、塩酸が第４の電解質中で生成し；第３の電解質中の塩化ナトリウム濃度が低下し；水素ガスがアノードにおいて酸化され；水素ガスがアノードにおいて発生する。
【００４０】
当業者には明らかなように、本発明のシステムおよび方法は、第３の電解質としてのこの塩化ナトリウム溶液の代表的な使用に限定されるものではなく、第３の電解質中での同等のイオン性塩溶液、たとえば、硫酸カリウムの使用に適合させることもできる。したがって、たとえば、硫酸カリウムが使用される場合、硫酸が第４の電解質中で生成し、水酸化カリウム、重炭酸カリウム、および／または炭酸カリウムがカソード電解質中で生成する。理解できるように、硫酸カリウムを第３の電解質として使用する本発明のシステムおよび方法では、アノードに供給される水素ガスが酸化されることによってアノードにおいてプロトンが生成し；水素ガスがカソードにおいて形成され；第３の電解質はカリウムイオンおよび硫酸イオンが欠乏する。二酸化炭素ガスがカソード電解質中に溶解される実施形態においては、硫酸カリウムが第３の電解質として使用される本発明のシステムおよび方法では、重炭酸イオンおよび炭酸イオンがカソード電解質中で生成する。したがって、この同等のシステムにおいては、カソード電解質のｐＨに依存して、水酸化カリウム、重炭酸カリウム、および／または炭酸カリウムがカソード電解質中に生成する。本発明のシステム中の電解質の生成に使用可能な他の電解質としては、海水、汽水、およびブラインが挙げられる。したがって、このような同等のシステムおよび方法は、本発明のシステムおよび方法の範囲内にある。
【００４１】
これも当業者には明らかなように、二酸化炭素がカソード電解質中に溶解して重炭酸陰イオンおよび炭酸陰イオンを生成する実施形態において、水中で反応溶解およびイオン化する他の同等のガスでも同等の結果が得られるであろう。したがって、たとえば、カソード電解質中に可溶性である二酸化硫黄および窒素酸化物類などの酸性ガスによって、カソード電解質中に同等の陰イオンが生成されるであろう。したがって、同等のガスが第３の電解質中に溶解して、二酸化炭素の場合と同様に同等の陰イオンを生成する範囲において、このようなシステムおよび方法もまた本発明のシステムおよび方法の範囲内である。
【００４２】
種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、一部またはすべてのカソード電解質をカソード室の流出流から流入流に抜き取るのに適合している。また、本発明のシステムおよび方法は、一部またはすべての第４の電解質を第４の電解質の流出流から流入流に抜き取るのに適合している。種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、カソードで発生した水素ガスをアノードで酸化するために誘導する場合または誘導しない場合、ならびにシステム中の電解質の抜き取りおよび補充を行う場合または行わない場合の、バッチ、セミバッチ、または連続流操作に適合している。
【００４３】
種々の実施形態において、本発明のシステムは、水素ガスをカソードからアノードに循環させるための水素ガス移送システムを含む。別の一実施形態において、本発明のシステムは、二酸化炭素ガスをカソード電解質中に溶解させるための二酸化炭素送出システムを含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、ガス、たとえば二酸化炭素をカソード電解質に供給するための燃焼ガスを含む産業排ガス流に操作可能に接続される。種々の実施形態において、排ガス流は、化石燃料発電プラント、セメント製造プラント、およびその他の工業プラントからの燃焼ガスを含む。種々の実施形態において、排ガスは、カソード電解質中に溶解して陰イオンを形成する酸性ガス、たとえば、窒素酸化物類（亜酸化窒素、酸化窒素）および硫黄ガス類（二酸化硫黄、硫化水素）を含み、このことは、二酸化炭素がカソード電解質中に溶解する場合に重炭酸イオンおよび炭酸イオンを生成するのと類似している。
【００４４】
図１を参照すると、一実施形態において、システム１００は：カソード１０４に接触するカソード電解質１０２である第１の電解質；アノード１０８に接触するアノード電解質１０６である第２の電解質；第１の陽イオン交換膜１１２によってカソード電解質１０２から分離された第３の電解質１１０；第２の陽イオン交換膜１１８によってアノード電解質１０６から分離された第４の電解質１１６；第３の電解質１１０と第４の電解質１１６とを分離する第３のイオン交換膜１２０を含む。種々の実施形態において、第１のイオン交換膜は陽イオン交換膜を含み；第２のイオン交換膜は陽イオン交換膜を含み；第３のイオン交換膜は陰イオン交換膜を含む。
【００４５】
図１中に示されるシステムにおいて、カソード電解質１０２はカソード１０４に流体接触し、どちらも第１の陽イオン交換膜１１２および第１の側壁１２４によって画定される第１のセル１２２中に収容される。同様に、アノード電解質１０６はアノード１０８に流体接触し、どちらも第２の陽イオン交換膜１１８および第２の側壁１２８によって画定される第２のセル１２６中に収容される。第３の電解質１１０を収容する第３のセル１３０は、第１の陽イオン交換膜１１２および陰イオン交換膜１２０によって画定され；第４の電解質１１６を収容する第４のセル１３２は、陰イオン交換膜１２０および第２の陽イオン交換膜１１８によって画定される。
【００４６】
また、図１を参照すると、種々の実施形態におけるシステム１００は、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加することができる電圧源１３４を含む。種々の実施形態において、システム中のカソードおよびアノードは、ニッケルまたは白金などの非反応性導電性材料で構成される。本発明のシステムは、カソード１０４において発生した水素ガスを、アノード１０８における酸化のために循環させるのに適合した水素ガス循環システム１３６を含む。種々の実施形態において、水素ガスが外部水素源（図示せず）に操作可能に接続されることで、水素ガスがアノードに供給され、たとえばカソードからの水素供給では不十分である場合に運転が開始される。
【００４７】
種々の実施形態において、本発明のシステムは、カソード電解質を収容する第１のセル１２２からカソード電解質１０２の全てまたは一部を抜き取るのに適合したカソード電解質抜き取りおよび補充システム１３８を含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、第４の電解質を収容する第４のセル１３２に対して第４の電解質１１６のすべてまたは一部の抜き取りおよび補充を行うための第４の電解質抜き取りおよび補充システム１４０を含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、塩溶液１４２、たとえば濃厚塩化ナトリウムを第３の電解質セル１３０に供給するための塩供給システムを含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、ガス、たとえば二酸化炭素をカソード電解質１０２に供給するためのガス供給システム１４４を含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、流出流中、または流入流中、またはそれらの間に配置された１つ以上の室中のカソード中にガスを溶解させることによって、二酸化炭素をカソード電解質に供給する二酸化炭素混合システム１５２を含む。種々の実施形態において、本発明のシステムは、流体をセル（１２２、１２６、１３０、１３２）中に導入するための入口（図示せず）、およびセルから流体を取り出すための出口（図示せず）を含む。
【００４８】
種々の運転方式、たとえば、連続流、バッチ流、または混合方式において、塩化ナトリウム溶液１４２が投入される場合の本発明のシステムによって、水酸化ナトリウム溶液１４６がカソード電解質１０２中で生成され、塩酸１４８が第４の電解質１１６中で生成され、陽イオンおよび陰イオンの含有率が減少した部分的に脱塩された水溶液１５０が生成される。種々の実施形態において、部分的に脱塩された水溶液１５０は、脱塩水処理プラント（図示せず）への給水に利用されて、たとえば、溶液中に存在する他のイオンを除去するためにさらに処理される。別の実施形態において、水溶液１５０は、第１のセル１２２、第２のセル１２６、第３のセル１３０、および第４のセル１３２に投入される初期電解質溶液のために電解質とともに使用される。
【００４９】
種々の実施形態および図１を参照すれば理解できるように：ｉ）カソード電解質１０２は第１の陽イオン交換膜１１２によって第３の電解質１１０から分離しており；ｉｉ）第４の電解質１１６は第２の陽イオン交換膜１１８によってアノード電解質１０６から分離しており；ｉｉｉ）第４の電解質１１６は陰イオン交換膜１２０によって第３の電解質１１０から分離しているが；にもかかわらず、電圧１３４がアノード１０８とカソード１０４との間に印加されると、電解質中の負に帯電した陰イオンは正のアノード１０８に向かって移動しようとし、正に帯電した陽イオンは、第１の陽イオン交換膜１１２、第２の陽イオン交換膜１１８、および陰イオン交換膜１２０を介して負のカソード１０４に向かって移動しようとする。
【００５０】
たとえば、図１を参照すると、カソード電解質１０２およびアノード電解質１０６が、それぞれ少量の水酸化ナトリウムおよび塩酸を電解質に加えることによって最初に導電性にされており；第４の電解質１１６が、少量の塩酸を溶液に加えることによって最初に導電性にされた水溶液であり；最初に塩化ナトリウムの濃厚溶液が第３の電解質１１０中に入れられ；最初に水素ガス流１３６が、アノード電解質１０６を介して、アノード１０８における酸化のためにアノード１０８まで誘導される場合、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧１３４を印加すると、以下に示すように、アノードに供給された水素ガス１３６が酸化されることによってプロトンがアノード１０８において形成され、同時に、水が還元されることによって水酸化物イオンおよび水素ガス１３８がカソード電解質１１６において形成される：
Ｈ２＝２Ｈ＋＋２ｅ−    （アノード、酸化反応）
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−＝Ｈ２＋２ＯＨ−    （カソード、還元反応）
【００５１】
当業者には明らかなように、図１を参照すると、アノード１０８に供給された水素ガス１３６からプロトンがアノード１０８において形成され；酸素などのガスはアノード１０８において形成されず；水がカソード電解質中で電気分解されて水酸化物イオンおよび水素ガス１３８がカソード１０４において形成されるため、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加すると、本発明のシステムは、水酸化物イオンをカソード電解質１０２で生成し、プロトンをアノード電解質１０６中で生成する。
【００５２】
さらに、当業者には明らかなように、本発明のシステムにおいて、アノードにおいてガスが形成されないため、本発明のシステムは、３Ｖ未満がアノードとカソードとの間に印加される場合に、水酸化物イオンをカソード電解質中で生成し、水素ガスをアノードにおいて生成し、このことは、ガス、たとえば塩素をアノードにおいて発生する従来のシステムにおいて必要なより高い電圧とは対照的である。たとえば、種々の実施形態において、２．０未満、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１Ｖ以下がアノードとカソードとの間に印加される場合に、水酸化物イオンが生成する。
【００５３】
さらに、当業者にはあきらかなように、図１を参照すると、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加すると、アノードにおいて形成された正に帯電したプロトンは、アノード電解質１０６を介してカソード１０４の方へ移動しようとし、一方、カソード１０４において形成された負に帯電した水酸化物イオンは、カソード電解質１０２を介してアノード１０８の方へ移動しようとする。
【００５４】
しかし、図１中に示されるように、カソード電解質１０２中の水酸化物イオンに関して、第１の陽イオン交換膜１１２は、第１のセル１２２内のカソード電解質１０２を含有し、第１の陽イオン交換膜１１２によって、陰イオンのカソード電解質１０２から第３の電解質１１０への移動が防止されるため、カソード電解質１０２において生成した水酸化物イオンは、第１の陽イオン交換膜１１２を介したカソード電解質からの移動が妨害される。したがって、アノードとカソードとの間に電圧１３４を印加すると、カソードにおいて生成した水酸化物イオンはカソード電解質１０２中に含まれる。したがって、カソード電解質を出入りする流体の流量に依存して、カソード電解質のｐＨが調整され、たとえば、ｐＨは増加したり、減少したり、または同じ値を維持したりすることができる。
【００５５】
同様に、アノード１０８において生成したプロトンに関して、カソード１０４とアノード１０８との間に電圧１３４を印加すると、プロトンはアノード電解質１０６に入って、第２の陽イオン交換膜１１８を介して第４の電解質まで移動する。しかし、第４の電解質１１６と第３の電解質１１０との間の陰イオン交換膜１２０が、第４の電解質１１６から第３の電解質１１６への陽イオンの移動を阻止するため、第４の電解質１１６中のプロトンの第４の電解質から第３の電解質１１０への移動が妨害される。したがって、アノードとカソードとの間に電圧１３４を印加すると、アノードにおいて生成したプロトンは第４の電解質１１６中に含まれる。したがって、第４の電解質を出入りする流体の流量に依存して、第４の電解質のｐＨが調整され、たとえば、ｐＨは増加したり、減少したり、または同じ値を維持したりすることができる。
【００５６】
ナトリウムイオンおよび塩化物イオンの濃厚溶液が最初に投入され、陰イオン交換膜１２０および第１の陽イオン交換膜１１２によって第３のセル１３０中に収容される第３の電解質１１０に関して、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加すると、第３の電解質１１０中の陰イオン、たとえば塩化物イオンは、アノード１０８の方へ移動しようとし、一方、第３の電解質中の陽イオン、たとえばナトリウムイオンはカソード１０４の方へ移動しようとする。陰イオン交換膜１２０によって、陰イオンの第３の電解質１１０から第４の電解質１１６への移動が可能となるので、第３の電解質１１０中に存在する塩化物イオンは第４の電解質まで移動し、そこで、アノードからのプロトンとともに酸、たとえば塩酸を形成する。
【００５７】
さらに、第１の陽イオン交換膜１１２によって、陽イオンの第３の電解質１１０からカソード電解質１０２への移動が可能となるので、第３の電解質１１０中に存在するナトリウムイオンはカソード電解質１０２まで移動し、そこで、カソード１０４において生成した水酸化物イオンとともに水酸化ナトリウムを形成する。したがって、図１中に示されるように、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加すると、陽イオン、たとえばナトリウムイオン、および陰イオン、たとえば塩化物イオンは、第３の電解質１１０から移動して、それによって脱塩水が第３の電解質中に形成される。
【００５８】
種々の実施形態において、図１に示されるように、カソード電解質中で水が還元されることによって、水素ガス１２０がカソード１０４において発生する。このガスは、カソードから排出することができるし、または、本明細書に記載されるように、アノード１０８まで誘導して、そこで酸化してプロトンにすることもできる。
【００５９】
別の実施形態において、所望のイオン種に依存して、別の反応物質をカソード電解質中に溶解させて所望のイオンを生成することができる。したがって、たとえば、種々の実施形態において、二酸化炭素をカソード電解質に加えることで、炭酸イオンおよび重炭酸イオンが生成される。二酸化炭素ガスは、電解質中に直接バブリングすることによって電解質に加えることができるし；あるいは、二酸化炭素ガスをカソード電解質中に溶解させることができるし、または前述したように、導管によってカソード室に接続した別の室１５２中で溶解させて、溶解した二酸化炭素を含有する溶液をカソード室中に供給することもできる。
【００６０】
二酸化炭素がカソード電解質中で溶解される実施形態においては、前述したように、図１を参照すると、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加すると、以下のようにシステム１００によって、水酸化物イオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、および水素ガスが生成される：
カソード１０４において、以下のように水は還元されて水酸化物イオンおよび水素ガスになる：
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−＝Ｈ２＋２ＯＨ−（水がカソードにおいて還元される）。
カソード電解質１０２中で、以下のように、二酸化炭素ガスが溶解することで、電解質のｐＨに依存して、炭酸、プロトン、重炭酸イオン、および炭酸イオンを形成する：
Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＝Ｈ２ＣＯ３＝Ｈ＋＋ＨＣＯ３−＝２Ｈ＋＋ＣＯ３２−
二酸化炭素の溶解、カソード電解質１０２中の重炭酸イオンおよび炭酸イオンの濃度はｐＨに依存するので、第１の（カソード）セル１２２中の全体的な反応は、カソード電解質１０２のｐＨに依存して：
シナリオ１：２Ｈ２Ｏ＋２ＣＯ２＋２ｅ−＝Ｈ２＋２ＨＣＯ３−；または
シナリオ２：Ｈ２Ｏ＋ＣＯ２＋２ｅ−＝Ｈ２＋ＣＯ３２−
またはこれらの組み合わせのいずれかであり、以下のカーボネートのスペシエーション図に示される通りである：
【００６１】
【表１】
2011528405.tif 000002
いずれのシナリオの場合の、全体的なセルの電位は式：
Ｅｃｅｌｌ＝−ΔＧ／ｎＦ
による反応のギブスエネルギー変化によって求めることができる。または、標準温度および圧力条件において：
Ｅ°ｃｅｌｌ＝−ΔＧ°／ｎＦ
であり、式中、Ｅｃｅｌｌはセル電圧であり、ΔＧは反応のギブスエネルギーであり、ｎは移動した電子の数であり、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｊ／Ｖｍｏｌ）である。これらの反応のそれぞれのＥｃｅｌｌは、以下のようにシナリオ１の場合に示されるようにネルンストの式に基づいてｐＨに依存する：
【００６２】
【表２】
2011528405.tif 000003
いずれのシナリオの場合も、全体のセル電位は、各半電池反応の場合のネルンストの式の組み合わせによって求めることができ：
Ｅ＝Ｅｏ−ＲＴｌｎ（Ｑ）／ｎＦ
（式中、Ｅｏは標準還元電位であり、Ｒは一般ガス定数であり（８．３１４Ｊ／ｍｏｌＫ）、Ｔは絶対温度であり、ｎは半電池反応に関与する電子数であり、Ｆはファラデー定数（９６４８５Ｊ／Ｖｍｏｌ）であり、Ｑは反応商である）、そのため：
Ｅｔｏｔａｌ＝Ｅｃａｔｈｏｄｅ＋Ｅａｎｏｄｅ
となる。以下のように：
Ｈ２＝２Ｈ＋＋２ｅ−
アノードにおいて水素が酸化されてプロトンとなる場合、Ｅｏは０．００Ｖであり、ｎは２であり、ＱはＨ＋の活性の２乗であるので：
Ｅａｎｏｄｅ＝−０．０５９ｐＨａ
となり、式中、ｐＨａはアノード電解質のｐＨである。
以下のように：
２Ｈ２Ｏ＋２ｅ−＝Ｈ２＋２ＯＨ−
カソードにおいて水が還元されて水酸化物イオンおよび水素ガスになる場合、Ｅｏは−０．８３Ｖであり、ｎは２であり、ＱはＯＨ−の活性の２乗であるので：
Ｅｃａｔｈｏｄｅ＝−０．０５９ｐＨｃ
となり、式中、ｐＨｃはカソード電解質のｐＨである。
【００６３】
いずれのシナリオの場合も、カソード反応およびアノード反応のＥはアノード電解質およびカソード電解質のｐＨとともに変動する。したがって、シナリオ１の場合、酸性環境で起こるアノード反応がｐＨ０である場合、その反応のＥは半電池反応で０Ｖとなる。カソード反応の場合、重炭酸イオンの生成がｐＨ７で起こる場合、理論的なＥは、半電池反応で７×（０．０５９Ｖ）＝０．４１３Ｖとなり、ここで負のＥは、反応が進行する半電池または全電池に投入する必要があるエネルギーを意味する。したがって、アノードｐＨが０でありカソードｐＨが７である場合、全体のセル電位は０．４１３Ｖとなり：
Ｅｔｏｔａｌ＝０．０５９（ｐＨａ−ｐＨｃ）＝０．０５９ΔｐＨ
である。
【００６４】
炭酸イオンが生成するシナリオ２の場合、アノードｐＨが０でありカソードｐＨが１０であると、これはＥが０．５９Ｖであることを表している。
【００６５】
したがって、種々の実施形態において、ＣＯ２がカソード電解質中に誘導される効果（カソード電解質のｐＨを減少させるため、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンをカソード電解質中で生成するため）は、水酸化物、カーボネート、およびバイカーボネートをカソード電解質中で生成するためにシステムのアノードとカソードとの間に必要な電圧が低下することである。シナリオ１において、カソード電解質を１４以上のｐＨまで増加させることができると、アノード半電池電位（細い水平の破線で示される）とカソード半電池電位（太いベタの傾斜した線で表される）との間の差が０．８３Ｖまで増加すること分かるであろう。ＣＯ２の添加および水による希釈などの他の介入を行わないセルの動作時間が長くなると、必要なセル電位は増加し続ける。したがって、カソードｐＨを７以上で電気化学セルを動作させると、大きくエネルギーが節約されることが分かる。
【００６６】
したがって、当業者には理解できるように、カソード電解質中とアノード電解質中とでｐＨ値が異なる場合、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３未満、２．９  ２．８、２．７、２．６  ２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、または０．１Ｖ以下であり、アノード電解質とカソード電解質との間のｐＨ差が０を超える、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４、またはそれを超えるときに、水酸化物イオン、炭酸イオン、および／または重炭酸イオンがカソード電解質中で生成される。
【００６７】
また、当業者には明らかなように、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンが生成することが望ましい実施形態において、図１中に示されるシステムは、水酸化物イオンの生成に関して前述したように、二酸化炭素をカソード電解質１０２中に溶解させ、３Ｖ未満、または２．５Ｖ未満、または２Ｖ未満、または１．５Ｖ未満の電圧をカソード１０４とアノード１０８との間に印加することによって、重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンをカソード電解質１０２中で生成するのに適合可能であり、ここで同時に：ｉ）水素ガスがアノード１０８において酸化されて、プロトンをアノード１０８において生成し；ｉｉ）アノード１０８において形成されたプロトンは、アノード１０８から、アノード電解質１０６を介し、第２の陽イオン交換膜１１８を通過して、第４の電解質１１６まで移動することができ；ｉｉｉ）アノード１０８において形成されないように、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧が印加され；ｉｖ）水素ガスがカソード１０４において生成され、場合によりそのガスをアノード１０８まで循環し；ｖ）第１の陽イオン交換膜１１２をカソード電解質１０２と第３の電解質１１０との間に配置することによって、カソード電解質１０２中で生成した炭酸イオンおよび／または重炭酸陰イオンが、隣接する第３の電解質１１０まで移動するのが防止され、ここで陽イオン交換膜は、陰イオンがカソード電解質１０２から移動するのを阻止するように選択され；ｖｉ）ナトリウムイオンが、第３の電解質１１０から、第１の陽イオン交換膜１１２を介して、カソード電解質１０２まで移動し；ｖｉｉ）カソード電解質１０２中、ナトリウムイオンが炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンと結合して、炭酸ナトリウムおよび／または重炭酸ナトリウムをカソード電解質１０２中に形成し；ｖｉｉｉ）塩化物イオンが第３の電解質１１０から、陰イオン交換膜１２０を介して、第４の電解質１１６まで移動し；ｉｘ）第４の電解質１１６中、塩化物イオンが、アノード電解質１０６から移動してきたプロトンと結合して、塩酸を形成し；ｘ）第２の陽イオン交換膜を第４の電解質１１６とアノード電解質１０６との間に配置することによって、塩化物イオンが第４の電解質１１６からアノード電解質１０６まで移動するのが防止され、ここで第２の陽イオン交換膜１１８は、陰イオンが第４の電解質１１６からアノード電解質１０６まで移動するのを阻止するように選択される。
【００６８】
したがって、炭酸イオン／重炭酸イオンのカソード電解質１０２中での生成において、前述のような二酸化炭素をカソード電解質に加えずに水酸化物イオンがカソードエレクトロライト中で生成する実施形態と同様に、アノード１０８、第１の陽イオン交換膜１１８、陰イオン交換膜１２０、第１の陽イオン交換膜１１２、アノード電解質、第４の電解質、および第３の電解質は機能的に同一である。
【００６９】
水酸化物イオンの生成と同様に、カーボネートおよびまたはバイカーボネートの生成において、カソード１０４において生成した水素ガス１３６は、場合によりアノード１０８における水素ガスの酸化のために誘導され；塩化ナトリウムが欠乏した脱塩水１５０が第３の電解質１１０から得られ、塩酸１４８が第４の電解質中で生成される。また、種々の実施形態において、水酸化物イオンの生成と同様に、カソード電解質中で生成された炭酸イオンまたは重炭酸イオンは、システムから絶えず除去することができ、同時に、システムの連続運転を維持するために、カソード電解質中の水および第３の電解質中の塩化ナトリウムが絶えず補充される。種々の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、他の運転方式、たとえば、バッチまたはセミバッチ流に適合させることができる。
【００７０】
当業者には明らかなように、種々の実施形態において、本発明のシステムは、バッチ方式、セミバッチ方式、連続流方式などの種々の生成方式において、カソード電解質中で生成した水酸化ナトリウムの一部を抜き取る、または第４の電解質中で生成した酸の全てまたは一部を抜き取る、またはカソードにおいて生成した水素ガスを、水素ガスを酸化できるアノードまで案内するという選択を有してまたは有さずに、運転するよう構成することができる。
【００７１】
種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３未満、２．９以下、２．８以下、２．７以下、２．６以下、２．５以下、２．４以下、２．３以下、２．２以下、２．１以下、２．０以下、１．９以下、１．８以下、１．７以下、１．６以下、１．５以下、１．４以下、１．３以下、１．２以下、１．１以下、１．０以下、０．９以下、０．８以下、０．７以下、０．６以下、０．５以下、０．４以下、０．３以下、０．２以下、または０．１Ｖ以下である場合に、水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンの溶液がカソード電解質中で生成する。
【００７２】
別の一実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、ガス、たとえば、酸素または塩素をアノードにおいて形成でき、一方、水酸化物イオン、炭酸イオン、および重炭酸イオンがカソード電解質中で生成し、水素ガスがカソードにおいて発生するように適合可能である。しかし、この実施形態において、水素ガスはアノードに供給されない。この実施形態では、プロトンがアノードにおいて生成し、水酸化ナトリウム、炭酸ナトリウム、および／または重炭酸ナトリウムがカソード電解質中で生成するが、一般に、アノードではガスが形成されないが、その代わりにアノードにおいて水素ガスが酸化される実施形態と比較して、アノードとカソードとの間の電圧が高くなる。
【００７３】
種々の実施形態において、図１を参照すると、使用可能な陰イオン交換膜１２０としては、従来の陰イオン交換イオン交換膜が挙げられる。好ましくは、このような膜は、酸性および／または塩基性の電解質溶液中、約０℃〜約１００℃以上の範囲内の温度において使用可能となるべきである。同様に、第１の陽イオン交換膜１１２および第２の陽イオン交換膜１１８は、従来の陽イオンイオン交換膜から選択することができ、酸性および／または塩基性の電解質溶液中約０℃〜約１００℃以上の範囲内の温度において使用可能となるべきである。
【００７４】
好適な陽イオン交換膜の例としては、たとえば、東京の旭化成より入手可能なＴｅｆｌｏｎ（商標）系の膜が挙げられる。一般に、代表的な陽イオン交換膜は、強塩基性溶液中約０℃〜約１２０℃以上の温度範囲で使用可能となるべきである。しかし、図１を参照すると、理解できるように、本発明のシステムは低電圧および低温で運転されるため、他の低コストの炭化水素系陽イオン交換膜をも利用することができる。このような炭化水素系膜は、たとえばＧｌｅｎ  Ｒｏｃｋ（ＮＪ，ＵＳＡ）のＭｅｍｂｒａｎｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌより入手可能である。
【００７５】
同様に、典型的な炭化水素系陰イオン交換膜も、Ｇｌｅｎ  Ｒｏｃｋ（ＮＪ，ＵＳＡ）のＭｅｍｂｒａｎｅ  Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌより入手可能である。一般に、このような陰イオン交換膜は、酸性電解質溶液中約０℃〜約１００℃以上の範囲内の温度で高イオン選択性、低イオン抵抗性、高破裂強度、および高安定性を示すべきである。
【００７６】
当業者には明らかなように、陽イオン交換膜は、２つの隣接する電解質の間での陽イオンの移動に対して選択的であるので、陽イオン交換膜が、図１に示されるような電気化学システム中の２つの電解質の間に配置される場合、この膜によって、カソードの方向での一方の電解質から隣接する電解質への陽イオンの移動が可能となる。したがって、たとえば、図１を参照すると、カソード１０４とアノード１０８との間に電圧を印加すると、陽イオン、たとえばナトリウムイオンは、第３の電解質１１０から第１の陽イオン交換膜１１２を通過してカソード電解質１０２まで移動する。また明らかなように、同時に、陽イオンに対して選択的である第１の陽イオン交換膜１１２は、アノード１０８の方向での陰イオンのカソード電解質から第３の電解質１１０への移動を阻止する。
【００７７】
また、当業者には明らかなように、陰イオン交換膜は、２つの隣接する電解質の間での陰イオンの移動に対して選択的であるので、陰イオン交換膜が、図１に示されるような電気化学システム中の２つの電解質の間に配置される場合、この膜によって、アノードの方向での一方の電解質から隣接する電解質への陰イオンの移動が可能となる。
【００７８】
したがって、たとえば、図１を参照すると、カソード１０４とアノード１０８との間に電圧を印加すると、陰イオン、たとえば塩化物イオンは、第３の電解質１１０から陰イオン交換膜１２０を通過して第４の電解質１１６まで移動する。また明らかなように、同時に、陰イオンに対して選択的である陰イオン交換膜１２０は、カソード１０４の方向での陽イオンの第４の電解質１１６から第３の電解質１１０への移動を阻止する。
【００７９】
図１および２を参照すると、一実施形態における方法２００は、たとえば第１の電解質を配置し、アノードに接触するアノード電解質である第２の電解質を配置するステップ２０２と；たとえば、第１の陽イオン交換膜によってカソード電解質から分離されるように第３の電解質を配置するステップ２０４と；たとえば、陰イオン交換膜によって第３の電解質から分離され、第２の陽イオン交換膜によってアノード電解質から分離されるように第４の電解質を配置するステップ２０６と；たとえば、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって水酸化物イオンをカソード電解質中に形成するステップ２０８とを含む。種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に印加される電圧が、３以下、２．９以下、２．８以下、２．７以下、２．６以下、２．５以下、２．４以下、２．３以下、２．２以下、２．１以下、２．０以下、１．９以下、１．８以下、１．７以下、１．６以下、１．５以下、１．４以下、１．３以下、１．２以下、１．１以下、１．０以下、０．９以下、０．８以下、０．７以下、０．６以下、０．５以下、０．４以下、０．３以下、０．２以下、または０．１Ｖ以下であり、水素ガスがアノードに供給され、そこで酸化されてプロトンとなる場合に、方法２００によってアノードにおいてガスが形成されない。当業者には明らかなように、アノードにおいてガスが形成されず、アノードにおいて酸化するためにアノードに水素ガスを供給し、システム中の抵抗のその他の制御を行うことによって、本発明のより低い電圧で、水酸化物イオンをカソード電解質中で生成することができる。
【００８０】
種々の実施形態において、方法２００は、たとえば、二酸化炭素１４４ガスをカソード電解質１０２中まで誘導するステップ；たとえば、カソード電解質をカソード１０４に接触させて配置する前または後に二酸化炭素ガス１４４をカソード電解質中まで誘導するステップ；たとえば、カソード１０４とアノード１０８との間に３Ｖ未満、または２Ｖ未満、または１．５Ｖ未満、または１Ｖ未満、または０．５Ｖ未満の電圧１３４を印加するステップ；たとえば、水素ガス１３６をカソードにおいて形成するステップ；たとえば、アノード１０８において水素を形成し酸化してプロトンを形成するステップ；たとえば、３Ｖ未満、または２Ｖ未満、または１．５Ｖ未満、または１Ｖ未満、または０．５Ｖ未満の電圧をアノードとカソードとの間に印加することによって、アノードにおいてガスを形成することなく、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超えるｐＨ差をアノード電解質とカソード電解質との間に生じさせるステップ；３Ｖ以下、または２Ｖ未満、または１．５Ｖ未満、または１．０Ｖ未満、または０．５Ｖ未満の電圧をアノードとカソードとの間に印加することによって、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超える間のｐＨ差を第４の電解質１１６とカソード電解質１０２との間に生じさせるステップ；たとえば、水酸化物イオン、重炭酸イオン、炭酸イオン、および／またはそれらの組み合わせをカソード電解質１０２中に形成するステップ；たとえば、水酸化ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または炭酸ナトリウムをカソード電解質１０２中に形成するステップ；たとえば、プロトンを、アノード電解質１０６から第２の陽イオン交換膜１１８を通過して第４の電解質１１６まで移動させるステップ；たとえば、陰イオンを、第３の電解質１１０から陰イオン交換膜１２０を通過して第４の電解質１１６まで移動させるステップのステップ；たとえば、塩化物イオンを、第３の電解質１１０から陰イオン交換膜１２０を通過して第４の電解質１１６まで移動させるステップ；たとえば、酸１４８を第４の電解質中に形成するステップ；たとえば、塩酸１４８を第４の電解質中に形成するステップ；たとえば、陽イオンを、第３の電解質１１０から第１の陽イオン交換膜１１２を通過してカソード１０４まで移動させるステップ；たとえば、ナトリウムイオンを、第３の電解質１１０から第１の陽イオン交換膜１１２を通過してカソード電解質１０２まで移動させるステップ；たとえば、カソード１０４において形成された水素ガスを、アノード１０８におけるガスの酸化のために誘導するステップ；たとえば、流出流を介してカソード電解質１０２を除去し、カソード電解質への流入流を介してカソード電解質を補充するステップ；たとえば、流出流を介して第４のカソード電解質１１６を除去し、第４の電解質の流入流を介して第４の電解質を補充するステップをさらに含む。
【００８１】
図３および１を参照すると、別の一実施形態において、方法３００は、たとえば、カソード１０４に接触させてカソード電解質１０２を配置し、アノード１０８に接触させてアノード電解質１０６を配置する３０２のステップ；たとえば、第１の陽イオン交換膜１１２によってカソード電解質１０２から分離するように第３の電解質１１０を配置するステップ３０４；たとえば、陰イオン交換膜１２０によって第３の電解質１１０から分離し、第２の陽イオン交換膜１１８によってアノード電解質１０６から分離するように第４の電解質１１６を配置するステップ３０６；およびたとえば、アノードとカソードとの間に電圧を印加することによって水酸化物イオンをカソード電解質１０２中に形成するステップ３０８を含む。
【００８２】
種々の実施形態において、方法３００は、方法２００と同様に、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３未満、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、または０．１Ｖ以下であり、水素ガスがアノードに供給され、そこで酸化されてプロトンとなる場合に、アノード１０８においてガスを形成しない。当業者には明らかなように、ガスがアノードにおいて形成されず、アノードにおける酸化のために水素ガスがアノードに供給されることによって、本発明の電圧で、水酸化物イオンがカソード電解質中に生成される。種々の実施形態において、図１のシステムととともに方法３００は：たとえば、ガス、たとえば、酸素または塩素がアノードにおいて形成されるのが防止されるように、アノード１０８とカソード１０４との間に電圧を印加するステップ；たとえば、重炭酸イオン、炭酸イオン、または重炭酸イオンと炭酸イオンとの混合物をカソード電解質１０２中に形成するステップ；たとえば、アノード１０８に水素ガスを供給して酸化させるステップ；３、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、または０．１Ｖ以下の電圧をカソードとアノードとの間に印加するステップ；たとえば、水素ガスをカソード１０４において形成するステップ；たとえば、水素ガスをアノードにおいて酸化してプロトンをアノードにおいて形成するステップ；たとえば、ガスをアノードにおいて形成させずに、１、２、３、４、、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超えるｐＨ差をアノード電解質とカソード電解質との間に生じさせるステップ；たとえば、ガスをアノードにおいて形成させずに、１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１１、１２、１３、１４ｐＨ単位、またはそれを超えるｐＨ差のｐＨ勾配を第４の電解質とカソード電解質との間に生じさせるステップ；たとえば、炭酸ナトリウム、重炭酸ナトリウム、または炭酸ナトリウムと重炭酸ナトリウムとの混合物をカソード電解質１０２中に形成するステップ；たとえば、プロトンを、アノード電解質１０６から第２の陽イオン交換膜１１８を通過して第４の電解質１１６まで移動させるステップ；陰イオンを、第３の電解質１１０から陰イオン交換膜を通過して第４の電解質１１６まで移動させるステップ；たとえば、塩化物イオンを、第３の電解質１１０から陰イオン交換膜１２０を通過して第４の電解質１１６まで移動させるステップ；たとえば、酸１４８を第４の電解質中に形成するステップ；たとえば、塩酸１４８を第４の電解質中に形成するステップ；たとえば、陽イオンを、第３の電解質１１０から第１の陽イオン交換膜１１２を通過してカソード電解質１０２まで移動させるステップ；たとえば、ナトリウムイオンを、第３の電解質１１０から第１の陽イオン交換膜１１２を通過してカソード電解質１０２まで移動させるステップ；たとえば、カソード１０４において形成された水素ガス１３６を、アノード１０８における酸化のために循環させるステップ；たとえば、カソード電解質１０２の少なくとも一部を、カソード電解質の流出流から流入流に循環させるステップ；およびたとえば、第４の電解質１１６の一部を流出流から流入流に循環させるステップをさらに含む。
【００８３】
種々の実施形態において、アノードとカソードとの間に印加される電圧が３．０未満、２．９、２．８、２．７、２．６、２．５、２．４、２．３、２．２、２．１、２．０、１．９、１．８、１．７、１．６、１．５、１．４、１．３、１．２、１．１、１．０、０．９、０．８、０．７、０．６、０．５、０．４、０．３、０．２、０．１Ｖ以下であり、ガスがアノードにおいて形成されない場合に、重炭酸イオンおよび炭酸イオンが生成する。種々の実施形態において、本発明の方法は、カソード電解質および第４の電解質中の酸の少なくとも一部の抜き取りおよび補充を行って、バッチ、セミバッチ、または連続の運転方式のシステムに戻すのに適合している。
【００８４】
図１を参照すると、電圧がアノードとカソードとの間に印加されると、水酸化物イオン、あるいは炭酸イオンおよび／または重炭酸イオンがカソード電解質中で形成され、その結果としてカソード電解質のｐＨが調整される。一実施形態において、約０．１Ｖ以下、０．２Ｖ以下．０．４Ｖ以下、０．６Ｖ以下、０．８Ｖ以下、１．０Ｖ以下、１．５Ｖ以下、または２．０Ｖ以下の電圧、たとえば、０．８Ｖ以下の電圧がアノードとカソードとの間に印加される場合に、カソード電解質溶液のｐＨが増加し；別の一実施形態において、０．０１〜２．５Ｖ、または０．０１Ｖ〜２．０Ｖ、または０．１Ｖ〜２．０Ｖ、または０．１〜２．０Ｖ、または０．１Ｖ〜１．５Ｖ、または０．１Ｖ〜１．０Ｖ、または０．１Ｖ〜０．８Ｖ、または０．１Ｖ〜０．６Ｖ、または０．１Ｖ〜０．４Ｖ、または０．１Ｖ〜０．２Ｖ、または０．０１Ｖ〜１．５Ｖ、または０．０１Ｖ〜１．０Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．８Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．６Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．４Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．２Ｖ、または０．０１Ｖ〜０．１Ｖの電圧、たとえば、０．１Ｖ〜２．０Ｖの電圧がアノードとカソードとの間に印加される場合に、カソード電解質のｐＨが増加し；さらに別の一実施形態では、約０．１〜１Ｖの電圧がアノードとカソードとの間に印加される場合にカソード電解質溶液のｐＨが増加する。電極間の電圧が０．１〜０．８Ｖ；０．１〜０．７Ｖ；０．１〜０．６Ｖ；０．１〜０．５Ｖ；０．１〜０．４Ｖ；および０．１〜０．３Ｖの場合に同様の結果が実現可能である。
【００８５】
本発明のシステムによって達成される代表的な結果を以下の表１にまとめている。２７０ｃｍ２の２０メッシュＮｉ金網をカソードに、５０ｃｍ２の１００メッシュＰｔ金網をアノードとして使用して、アノードへの水素ガス流は室温において２０ｍＬ／分の流量に制御し、同時に種々の電圧をアノードとカソードとの間に印加して、数回の２４時間の実験を行った。Ｓｏｌａｒｔｒｏｎ（商標）ポテンシオスタットを電気化学的測定に使用し、ドイツのＧＭｂＨ（商標）ＭｅｍｂｒａｎｅｓのＰＣ  ＡｃｉｄおよびＰＣ  ＳＫイオン交換膜を、それぞれ陰イオン交換膜および陽イオン交換膜として選択した。
【００８６】
【表３】
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たとえば、特定の実施形態において、本発明の方法およびシステムは、３Ｖ以下、２．９Ｖ以下、または２．５Ｖ以下、または２Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、０．５ｐＨ単位を超えるｐＨ差をアノード電解質溶液とカソード電解質溶液との間に生じさせることが可能であり、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離される。ある実施形態においては、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離される場合に、本発明の方法およびシステムは、０．１Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、１．０ｐＨ単位を超える、または２ｐＨ単位、または４ｐＨ単位、または６ｐＨ単位、または８ｐＨ単位、または１０ｐＨ単位、または１２ｐＨ単位、または１４ｐＨ単位のｐＨ差を第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に生じさせることができる。ある実施形態においては、本発明は、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離される場合に、０．２Ｖ以下の電圧がアノードとカソードとの間に印加すると、２．０ｐＨ単位を超えるｐＨ差を第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に生じさせることが可能なシステムを提供する。
【００８７】
別の実施形態において、本発明の方法およびシステムは、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離される場合に、０．４Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、４．０ｐＨ単位を超えるｐＨ差を第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に生じさせることができる。ある実施形態においては、本発明は、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離される場合に、０．６Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に６ｐＨ単位を超えるｐＨ差を生じさせることが可能なシステムを提供する。ある実施形態においては、本発明は、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上の交換膜によって分離される場合に、０．８Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、８ｐＨ単位を超えるｐＨ差を第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に生じさせることが可能なシステムを提供する。特定の実施形態において、本発明は、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離され、１．０Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、８ｐＨ単位を超えるｐＨ差を第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に生じさせることが可能なシステムを提供する。ある実施形態においては、本発明は、第１の電解質溶液がアノードに接触し、第２の電解質溶液がカソードに接触し、２つの電解質溶液が、たとえば１つ以上のイオン交換膜によって分離される場合、１．２Ｖ以下の電圧をアノードとカソードとの間に印加すると、第１の電解質溶液と第２の電解質溶液との間に１０ｐＨ単位を超えるｐＨ差を生じさせることが可能なシステムを提供する。
【００８８】
当業者には明らかなように、電圧は一定に維持する必要はなくアノードとカソードとの間に印加される電圧は、２つの電解質が同じｐＨまたは同様のｐＨである場合、非常に低く、たとえば、０．０５Ｖ以下とすることができ、ｐＨ差が増加するとともに必要に応じて電圧を増加させることができる。このように、所望のｐＨ差、あるいは水酸化物イオン、炭酸イオン、および重炭酸イオンの生成が、最低限の平均電圧で得ることができる。したがって、先行する段落中に記載されるある実施形態においては、平均電圧は、特定の実施形態に関して先行する段落に記載される電圧の８０％未満、７０％未満、６０％未満、または５０％未満とすることができる。
【００８９】
種々の実施形態において、図１を参照すると、カソード１０４において形成される水素ガスは、アノード１０８まで誘導される。なんらかの理論によって束縛しようとするものではないが、水素ガスは、アノード中に吸着および／または吸収され、その後、アノードにおいて酸化されてプロトンを形成すると考えられる。
【００９０】
ある実施形態においては、電解質がイオン交換膜に接触するプロセスの一部の間に、たとえばマグネシウムまたはカルシウムの二価陽イオンが電解質溶液から除去される。これは、その特定の膜に対して必要であれば、膜のスケーリングを阻止するために行われる。したがって、種々の実施形態において、電解質溶液が長時間イオン交換膜に接触する場合の電解質溶液中の二価陽イオンの全濃度は、０．０６ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０６ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０４ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０２ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０１ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．００５ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．００１ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０００５ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．０００１ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満、または０．００００５ｍｏｌ／ｋｇ溶液未満である。
【００９１】
二酸化炭素ガスがカソード電解質中に溶解する実施形態において、プロトンがカソード電解質から除去されるので、より多くの二酸化炭素が溶解して重炭酸イオンおよび／または炭酸イオンを形成することができる。カソード電解質のｐＨに依存して、バランスがバイカーボネートまたはカーボネートに向かってシフトし、このことは当技術分野において周知であり、前述のカーボネートのスペシエーション図に示す通りである。これらの実施形態において、二酸化炭素の導入速度に対するプロトンの除去速度に依存して、カソード電解質溶液のｐＨは、減少する場合も、同じ値で維持される場合も、増加する場合もある。水酸化物イオン、炭酸イオン、および重炭酸イオンはこれらの実施形態においては形成されず、あるいは水酸化物、カーボネート、バイカーボネートはある期間には形成され別の期間には形成されないこともあることは理解されるであろう。
【００９２】
別の一実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、カーボネートおよび／またはバイカーボネート沈殿システム（図示せず）と一体化され、二価陽イオンの溶液が、本発明のカソード電解質に加えられると、二価のカーボネートおよび／またはバイカーボネート化合物、たとえば、炭酸カルシウムまたは炭酸マグネシウムおよび／またはそれらのバイカーボネートの沈殿が形成される。種々の実施形態において、沈殿した二価のカーボネートおよび／またはバイカーボネート化合物は、たとえば、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように建築材料、たとえば、セメントおよび骨材として利用される。
【００９３】
別の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、鉱物および／または材料溶解および回収システム（図示せず）と一体化され、酸性の第４の電解質溶液１１６または塩基性のカソード電解質１０２を使用して、カルシウムおよび／またはマグネシウムに富む鉱物、たとえば蛇絞石またはカンラン石、あるいは廃棄物、たとえば、フライアッシュ、赤泥などを溶解させて、二陽イオン溶液を形成し、それらが本明細書に記載のようにカーボネートおよび／またはバイカーボネートの沈殿に使用される。種々の実施形態において、沈殿した二価のカーボネートおよび／またはバイカーボネート化合物は、たとえば、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように建築材料、たとえば、セメントおよび骨材として利用される。
【００９４】
別の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、二酸化炭素、ならびに産業排ガスの他の成分、たとえば、硫黄ガス類、酸化窒素ガス類、金属、および粒子を隔離する産業排ガス処理システム（図示せず）と一体化され、燃料排ガスと二価陽イオンを含む溶液と、水酸化物イオン、重炭酸イオン、および／または炭酸イオンを含む本発明のカソード電解質とを接触させることによって、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年１２月２４日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／３４４，０１９号明細書に記載されるように、二価陽イオンのカーボネートおよび／またはバイカーボネートが沈殿する。たとえばカルシウムおよび／またはマグネシウムの炭酸塩および重炭酸塩を含む沈殿物は、種々の実施形態において、たとえば、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年５月２３日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１２６，７７６号明細書に記載されるように建築材料、たとえば、セメントおよび骨材として利用される。
【００９５】
別の一実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、水性脱塩システム（図示せず）と一体化され、その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年６月２７日に出願され本願と同一の譲受人に譲渡された米国特許出願第１２／１６３，２０５号明細書に記載されるように、本発明のシステムの第３の電解質の部分的に脱塩された水１５０が、脱塩システムの給水として使用される。
【００９６】
別の実施形態において、本発明のシステムおよび方法は、カーボネートおよび／またはバイカーボネート溶液廃棄システム（図示せず）と一体化され、二価陽イオン溶液を第１の電解質溶液と接触させて沈殿物を形成することによって沈殿物を製造するのではなく、このシステムはカーボネートおよび／またはバイカーボネートを含むスラリーまたは懸濁液を製造する。その記載内容全体が参照により本明細書に援用される２００８年１２月２４日に出願された米国特許出願第１２／３４４，０１９号明細書に記載されるように、種々の実施形態において、このスラリー／懸濁液は、長期間安定に維持される場所に廃棄され、たとえば、スラリー／懸濁液は、スラリーが無期限で安定に維持されるのに十分な温度および圧力となる深さで海中に廃棄される。
【００９７】
本発明のシステムおよび方法のいくつかの実施形態を本明細書において示し説明してきたが、このような実施形態が例として提供されており、限定のために提供されたものではないことは当業者には明らかであろう。したがって、添付の特許請求の範囲内にある変形、変更、および置換は当業者には明らかであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【国際調査報告】
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