(57)【要約】本開示は、連続フロー電気化学管状反応器などの電気化学フロー反応器に関する。本開示はまた、電気化学フロー反応器を含むプロセス、システム、及び方法に関する。電気化学フローセルは、反応チャンバ、第１の静的ミキサ電極、第２の対電極、第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータを備え得る。
2021532981.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反応チャンバと、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたセパレータとを備える電気化学フローセルであって、
前記セパレータは、第１の流体流を前記第１の電極と接触させて収容するように構成された前記反応チャンバ内の第１のチャネルと、第２の流体流を前記第２の電極と接触させて収容するように構成された前記反応チャンバ内の第２のチャネルとを、少なくとも部分的に画定し、
前記セパレータは、前記流体流を介して前記第１の電極と前記第２の電極との電気的連通を可能にすると同時に、前記流体流間の流体交換を制限する透過膜を備え、
前記第１の電極は、前記第１の電極の長さに沿った複数の位置で前記第１の流体流を複数の支流に分割する複数の分割構造を画定する静的ミキサ部を備える、
前記電気化学フローセル。
【請求項２】
前記電気化学フローセルは、連続フロー管状反応器である、請求項１に記載の電気化学フローセル。
【請求項３】
前記第１の電極の前記静的ミキサ部の直径は、前記第１のチャネルの直径にほぼ等しい、請求項１または２に記載の電気化学フローセル。
【請求項４】
前記第１の電極は、前記セパレータと接触して配置される、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項５】
前記セパレータ及び前記第２の電極は、前記第１の電極の中心長手方向軸と同心円状かつ同軸状に配置される、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項６】
前記セパレータ及び前記第２の電極は、略円筒形である、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項７】
前記第２の電極は、前記反応チャンバの壁の少なくとも一部を形成する、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項８】
前記静的ミキサ部の隣接する分割構造は、前記静的ミキサ部の中心長手方向軸の周りに、異なる回転角で配置される、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項９】
前記静的ミキサ部は、前記静的ミキサ部の長さに沿って連続して配置された複数の実質的に類似する構造モジュールを備える請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１０】
前記静的ミキサ部を備える前記第１の電極は、２００ｍ−１より多く前記第１の流体流を分割することにより、カオス的移流を向上させるように構成され、前記２００ｍ−１は、前記第１の流体流を前記第１の電極の前記静的ミキサ部に沿って所与の長さ内で分割する回数に対応する、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１１】
前記静的ミキサ部を備える前記第１の電極は、少なくとも約１０，０００のペクレ（Ｐｅ）数で作動するように構成される、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１２】
前記静的ミキサ部を備える前記第１の電極は、約１０００〜１００，０００（Ｐａ／ｍ単位）の前記第１の電極にわたる圧力降下で作動するように構成される、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１３】
前記静的ミキサ部を備える前記第１の電極は、前記第１のチャネル内で、少なくとも約０．１ｍｌ／分の前記第１の流体流の体積流量を提供して作動するように構成される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の少なくとも第１の電気化学フローセルを備える、電気化学フローシステム。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の第２の電気化学フローセルと、
前記第１の電気化学フローセルの前記第１のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第２のチャネルと流体連通し、前記第１の電気化学フローセルの前記第２のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第１のチャネルと流体連通するように、前記第１の電気化学フローセルを前記第２の電気化学フローセルに接続する複数のフローラインと、
をさらに備える、請求項１４に記載の電気化学フローシステム。
【請求項１６】
前記流体流の流動性フローを提供するポンプと、
前記電極を流れる電流または前記電極に印加される電圧を制御する電源と、
濃度、流量、温度、圧力、及び滞留時間を含む前記システムの１つ以上のパラメータを制御するコントローラと、
をさらに備える、請求項１４または１５に記載の電気化学フローシステム。
【請求項１７】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気化学フローセル、または請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のシステムを含む流体流の電気化学処理の方法。
【請求項１８】
廃水処理、流体流からの溶存金属イオンの除去、または流体流からの金属回収を行う、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記第１の流体流から溶存金属種の除去を行う前記方法であって、前記金属種の前記除去は、前記第１の電極の前記静的ミキサ部の表面上で行われる、請求項１７に記載の方法。
【請求項２０】
前記静的ミキサ部を含む前記第１の電極を備える前記電気化学フローセルは、２００ｍ−１より多く前記第１の流体流を分割することにより、カオス的移流を向上させるように作動し、前記２００ｍ−１は、前記第１の流体流を前記第１の電極の前記静的ミキサ部に沿って所与の長さ内で分割する回数に対応する、請求項１７〜１９のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２１】
前記静的ミキサ部を含む前記第１の電極を備える前記電気化学フローセルは、少なくとも約１０，０００のペクレ（Ｐｅ）数を提供するように作動する、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記静的ミキサ部を含む前記第１の電極を備える前記電気化学フローセルは、約１０００〜１００，０００（Ｐａ／ｍ単位）の前記第１の電極にわたる圧力降下を提供するように作動する、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気化学フローセルは、少なくとも約０．１ｍｌ／分の前記第１の流体流の体積流量を提供するように作動する、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の流体流は、約０．０１（ｍｏｌ／Ｌ単位）未満の濃度の溶存金属種を含む、請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記電気化学フローセルは、前記第１の流体流内の汚染物質または金属種の回収効率が、前記第１の流体流内に最初に存在する前記汚染物質または前記金属種の少なくとも約９０％となるように作動する、請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記電気化学フローセルは、前記静的ミキサ電極及び前記対電極に対し、１μＡ  ｍ−２〜約１０００Ａ  ｍ−２の範囲の電流密度を提供するように作動する、請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の電気化学フローセルの前記第１のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第２のチャネルと流体連通し、前記第１の電気化学フローセルの前記第２のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第１のチャネルと流体連通するように、複数のフローラインは、前記第１の電気化学フローセルを前記第２の電気化学フローセルに接続する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の第１の電気化学フローセル及び第２の電気化学フローセルの動作を含む請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気化学フローセル、または請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のシステムを含む製品の電気化学合成の方法。
【請求項２９】
前記電気化学フローセルの前記第１のチャネルにおいて、１つ以上の反応物を含む第１の流体流を反応させることと、前記反応の生成物を含む流出流を得ることと、を含む請求項２８に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、連続フロー電気化学管状反応器などの電気化学フロー反応器に関する。本開示はまた、電気化学フロー反応器を含むプロセス、システム、及び方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
連続フロー反応器は一般的に、反応チャンバを備え、反応チャンバでは、反応流体が連続的に供給され、化学反応が起こって生成物が形成され、反応チャンバからの連続的な流出流で生成物が提供される。反応チャンバは通常、反応への熱移動／反応からの熱移動を促進するために、例えばシェルアンドチューブ熱交換器構成で、加熱／冷却流体内に沈められる。
【０００３】
連続フロー反応器は、化学反応が起こり得る触媒面を提供する固体触媒粒子で反応チャンバを充填する充填層反応チャンバを使用し得る。充填層反応チャンバと接触する前に、及びこれらのチャンバの下流において、静的ミキサを使用して流体流が事前に混合され、反応管の中央領域と外側領域との間で熱が移動し得る。静的ミキサは、流体の流れを遮断する固体構造を備え、これにより、充填層反応チャンバでの反応の前に反応物の混合が促進され、これらのチャンバの下流において望ましいパターンの熱移動及び物質移動が促進される。
【０００４】
電気化学フロー反応器は、電気化学フロー反応器に収容された電極の表面に溶存金属イオンが電着して固体金属生成物を形成することにより、溶存金属を除去する流体流処理に使用されている。水処理用の電気化学フロー反応器は、希薄／低濃度の溶存金属イオンを有する水性流体流からの溶存金属の除去に関して効率及び制御力の高い高表面積電極を備える低流量システムを、対象としている。電気化学フロー反応器はまた、様々な生成物の電気合成、具体的には反応物または中間生成物の形成に使用される。
【０００５】
産業用途で効率的混合、高物質移動、及び／または汎用的動作を提供するために、代替的なまたは改良された電気化学フロー反応器が求められている。
【０００６】
本明細書で言及されるいずれの先行技術公表文献も、これらの文献のうちのいずれかがオーストラリアまたはいずれの他の国における当技術分野の一般的知識の一部を形成すると認めるものではないことを理解されたい。
【発明の概要】
【０００７】
本発明者は、代替の電気化学フロー反応器の研究開発に取り掛かり、静的ミキサが、電気化学フロー反応器内の電極として作動して、産業用途で使用する効率的混合、高物質移動、及び／または汎用的動作を達成するように構成できることを特定した。電気化学フロー反応器は、透過膜により対電極から分離された静的ミキサ電極を備え得る。静的ミキサ電極は、物質移動及びカオス的移流を向上させると同時に、実効性能を提供するように構成され得る。静的ミキサ電極は、静的ミキサ部を備える電極であり得る。
【０００８】
一態様では、
反応チャンバと、
第１の電極と、
第２の電極と、
第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータとを備える電気化学フローセルが提供され、
セパレータは、第１の流体流を第１の電極と接触させて収容するように構成された反応チャンバ内の第１のチャネルと、第２の流体流を第２の電極と接触させて収容するように構成された反応チャンバ内の第２のチャネルとを、少なくとも部分的に画定し、
セパレータは、流体流を介して第１の電極と第２の電極とのイオン連通を可能にすると同時に、流体流間の流体交換を制限する透過膜を備え、
第１の電極は、第１の電極の長さに沿った複数の位置で第１の流体流を複数の支流に分割する複数の分割構造を画定する静的ミキサ部を備える。
【０００９】
一実施形態では、電気化学フローセルは、連続フロー管状反応器である。
【００１０】
一実施形態では、第１の電極の静的ミキサ部の直径は、第１のチャネルの直径にほぼ等しくあり得る。第１の電極は、セパレータと接触するように配置され得る。セパレータ及び第２の電極は、第１の電極の中心長手方向軸と同心円状かつ同軸状に配置され得る。セパレータ及び第２の電極は、略円筒形であり得る。第２の電極は、反応チャンバの壁の少なくとも一部を形成し得る。
【００１１】
一実施形態では、静的ミキサ部を備える第１の電極は、第１の電極の長さに沿った複数の位置で流体流を複数の支流に分割する複数の分割構造を画定することにより、物質移動及びカオス的移流を向上させるように構成され得る。
【００１２】
一実施形態では、静的ミキサ部の隣接する分割構造は、静的ミキサ部の中心長手方向軸の周りに、異なる回転角で配置され得る。静的ミキサ部は、静的ミキサ部の長さに沿って連続して配置された複数の実質的に類似する構造モジュールを備え得る。静的ミキサ部を備える第１の電極は、２００ｍ−１より多く第１の流体流を分割することにより、カオス的移流を向上させるように構成され得、２００ｍ−１は、第１の流体流を第１の電極の静的ミキサ部に沿って所与の長さ内で分割する回数に対応する。
【００１３】
別の実施形態では、静的ミキサ部を備える第１の電極は、少なくとも約１０，０００のペクレ（Ｐｅ）数で作動するように構成される。静的ミキサ部を備える第１の電極は、約１００〜１００，０００（Ｐａ／ｍ単位）の第１の電極にわたる圧力降下で作動するように構成され得る。静的ミキサ部を備える第１の電極は、第１のチャネル内で、少なくとも約０．１ｍｌ／分の第１の流体流の体積流量を提供して作動するように構成され得る。
【００１４】
別の態様では、本明細書で説明される電気化学フローセルの任意の態様、実施形態、または実施例による、少なくとも第１の電気化学フローセルを備える電気化学フローシステムが提供される。
【００１５】
一実施形態では、電気化学フローシステムは、本明細書で説明される電気化学フローセルの任意の態様、実施形態、または実施例による、第１の電気化学フローセル及び第２の電気化学フローセルを備える。第１の電気化学フローセルの第１のチャネルが第２の電気化学フローセルの第２のチャネルと流体連通し、第１の電気化学フローセルの第２のチャネルが第２の電気化学フローセルの第１のチャネルと流体連通するように、第１の電気化学フローセルを第２の電気化学フローセルに接続する複数のフローラインが設けられ得る。
【００１６】
一実施形態では、電気化学的フローシステムはさらに、
流体流の流動性フローを提供するポンプと、
電極を流れる電流または電極に印加される電圧を制御する電源と、
濃度、流量、温度、圧力、及び滞留時間を含むシステムの１つ以上のパラメータを制御するコントローラと、
を備える。
【００１７】
別の態様では、本明細書で説明される電気化学フローセル、反応器、またはそのシステムの任意の態様、実施形態、または実施例による、電気化学フローセルを含む流体流の電気化学処理の方法が提供される。方法は、廃水処理、流体流からの溶存金属イオンの除去、または流体流からの金属回収を実行するためのものであり得る。
【００１８】
方法の一実施形態では、静的ミキサ部を備える第１の電極を含む電気化学フローセルは、
２００ｍ−１より多く第１の流体流を分割することによるカオス的移流であって、２００ｍ−１は、第１の流体流を第１の電極の静的ミキサ部に沿って所与の長さ内で分割する回数に対応する、カオス的移流、
少なくとも約１０，０００のペクレ（Ｐｅ）数、
約１００〜１００，０００（Ｐａ／ｍ単位）の第１の電極にわたる圧力降下、
少なくとも約０．１ｍｌ／分の第１の流体流の体積流量、
約１μＡ  ｍ−２〜約１０００Ａ  ｍ−２の第１の電極及び第２の電極の電流密度、
のうちの少なくとも１つを提供するように作動し得る。
【００１９】
方法は、本明細書で説明される電気化学フローセルの任意の態様、実施形態、または実施例による、第１の電気化学フローセル及び第２の電気化学フローセルの動作を含み得、第１の電気化学フローセルの第１のチャネルが第２の電気化学フローセルの第２のチャネルと流体連通し、第１の電気化学フローセルの第２のチャネルが第２の電気化学フローセルの第１のチャネルと流体連通するように、複数のフローラインは、第１の電気化学フローセルを第２の電気化学フローセルに接続する。
【００２０】
別の態様では、本明細書で説明される電気化学フローセル、反応器、またはそのシステムの任意の態様、実施形態、または実施例による、電気化学フローセルを含む製品の電気化学合成の方法が提供される。
【００２１】
別の態様では、本明細書で説明される任意の態様、実施形態、またはその実施例による、電気化学フローセル、反応器、またはそのシステムを含む、流体流から粒子種を除去する方法が提供される。粒子種は、流体流に溶存する金属種であり得る。
【００２２】
電気化学フローセル、反応器、またはシステムの他の態様、実施形態、及び実施例が本明細書で説明されることが理解されよう。
【００２３】
本開示の好ましい実施形態は、下記のように、単なる例として、添付の図面を参照しながらさらに説明及び例示される。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】いくつかの実施形態による、電気化学フローセルの概略図を示す。
【図２】いくつかの実施形態による、セパレータを有する電気化学フローセルの概略図を示す。
【図３Ａ】いくつかの実施形態による静的ミキサ電極の斜視図を示す。
【図３Ｂ】図３Ａの静的ミキサ電極の静的ミキサ部の斜視図を（単独で）示す。
【図３Ｃ】図３Ａの静的ミキサ電極の静的ミキサ部の断面図を（単独で）示す。
【図３Ｄ】図３Ａの静的ミキサ電極の静的ミキサ部の側面図を（単独で）示す。
【図４Ａ】いくつかの実施形態による、電気化学フローセルの斜視図を示す。
【図４Ｂ】分解された構成の図４Ａのフローセルの斜視図を示す。
【図４Ｃ】図４Ａのフローセルの断面図を示す。
【図５】図４Ａのフローセルの端部キャップの斜視図を示す。
【図６】いくつかの実施形態による、２つの電気化学フローセルを含む電気化学フローシステムの概略図を示す。
【図７】（ａ）−１．４Ｖ、（ｂ）−１．６Ｖ、（ｃ）−１．８Ｖ、及び（ｄ）−２Ｖの定電位で、静止モードが５０秒間、及び１０〜４００ｍＬ  ｍｉｎ−１の定流量が５０秒間ある１００秒のクロノアンペロメトリ応答を示す（０．００１ＭのＫ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］）。
【図８】（ａ）−１．４Ｖ、（ｂ）−１．６Ｖ、（ｃ）−１．８Ｖ、及び（ｄ）−２Ｖの定電位で、静止モードが５０秒間、及び１０〜４００ｍＬ  ｍｉｎ−１の定流量が５０秒間ある１００秒のクロノアンペロメトリ応答を示す（０．０１ＭのＫ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］）。
【図９】（ａ）−１．４Ｖ、（ｂ）−１．６Ｖ、（ｃ）−１．８Ｖ、及び（ｄ）−２Ｖの定電位で、静止モードが５０秒間、及び１０〜４００ｍＬ  ｍｉｎ−１の定流量が５０秒間ある１００秒のクロノアンペロメトリ応答を示す（０．１ＭのＫ３［Ｆｅ（ＣＮ）６］）。
【図１０】３つの異なる濃度のＣｕ２＋で、０．０１Ｍの硫酸溶液から銅イオンを除去する場合の電気化学フローセル効率を示す。
【図１１】（ａ）プロセス前及びプロセス後の静的ミキサ作用電極の光学画像、（ｂ）ＥＤＳ分析、及び（ｃ）〜（ｅ）５時間の電気分解後の静的ミキサ電極のＳＥＭ画像を示す。
【図１２】電気化学フローセルの分離構成の実施形態による、２４時間の動作にわたる銅濃度対時間を示す。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
本開示は、産業用途のために効率的混合、高物質移動、及び／または汎用的動作を提供することができる電気化学フロー反応器を特定するために実施された調査に関連する下記の様々な非限定的な実施形態を説明する。驚くべきことに、静的ミキサ部を備える電極は、電気化学フローセル内で、産業用途で使用する効率的混合、高物質移動、及び／または汎用的動作を達成するように構成できることが分かった。静的ミキサ部を備える電極が物質移動及びカオス的移流を向上させるように構成されている場合、効率的な電気化学反応器が提供できることも分かった。システムの動作及び性能に関するさらに驚くべき利点は、静的ミキサ部を備える電極と対電極との間にセパレータを構成して、電極のそれぞれをイオン連通して、別個の流体チャネルに提供することにより、特定された。
【００２６】
用語
本明細書全体を通して、具体的に別段明記されない限り、または文脈上他の意味に解すべき場合を除き、単一のステップ、事象構成、ステップ群、または事象構成群への言及は、これらのステップ、事象構成、ステップ群、または事象構成群のうちの１つ及び複数（すなわち１つ以上）を包含すると解釈されるものとする。従って、本明細書で使用される単数形「ａ」、「ａｎ」、及び「ｔｈｅ」には、文脈上明白に他の意味を指示する場合を除いて、複数の態様が含まれる。例えば、「ａ」への言及には単一並びに２つ以上が含まれ、「ａｎ」への言及には単一並びに２つ以上が含まれ、「ｔｈｅ」への言及には単一並びに２つ以上が含まれることなどが挙げられる。
【００２７】
用語「及び／または」、例えば「Ｘ及び／またはＹ」は、「Ｘ及びＹ」または「ＸまたはＹ」のいずれかを意味し、両方の意味またはいずれかの意味を明示的に含むと解釈されるべきである。
【００２８】
本明細書で使用される用語「約」は、別段明記されない限り、通常、指定された値の＋／−１０％、例えば＋／−５％を指す。
【００２９】
本明細書を通して、単語「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」、または「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｅｓ）」もしくは「備える／含む（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」などの変形は、記載される要素、整数、もしくはステップ、または要素群、整数群、もしくはステップ群を包含することを意味するが、任意の他の要素、整数、もしくはステップ、または要素群、整数群、もしくはステップ群を除外することを意味するわけではないことを理解されたい。
【００３０】
本明細書の開示は、具体的に記載されるもの以外の変形及び変更が可能であることを、当業者は理解するであろう。本開示が全てのこのような変形及び変更を含むことを理解されたい。本開示はまた、本明細書で言及または示されたステップ、特徴、構成、及び化合物の全てを、個別にまたは集合的に含み、並びに当該ステップまたは特徴のあらゆる全ての組み合わせ、または当該ステップまたは特徴のうちの任意の２つ以上を含む。
【００３１】
本明細書に記載の本開示の各実施例は、具体的に別段明記されない限り、他の一つ一つの実施例に必要な変更を加えて準用されるものとする。本開示は、本明細書に記載の特定の実施例により範囲を限定されないものとし、このような特定の例は、例示目的のみであることが意図される。機能的に均等の製品、構成、及び方法は、明らかに、本明細書に記載される本開示の範囲に含まれる。
【００３２】
別途の定義がない限り、本明細書で使用される全ての技術用語及び科学用語は、本発明が属する技術分野の当業者が通常理解する意味と同じ意味を有する。本明細書に記載される方法及び材料と同様または均等の方法及び材料が、本発明の実践または試験では使用することができるが、好適な方法及び材料が下記に記載される。矛盾する場合は、本明細書が定義を含めて優先する。加えて、材料、方法、及び実施例は単なる例示であり、限定する意図はない。
【００３３】
電気化学フロー反応器
反応チャンバ、静的ミキサ部を備える第１の電極、第２の電極、及び第１の電極と第２の電極との間に配置されたセパレータを備える電気化学フローセルが提供され得る。
【００３４】
セパレータは、第１の電極と接触するように第１の流体流を収容する反応チャンバ内の第１のチャネルと、第２の電極と接触するように第２の流体流を収容する反応チャンバ内の第２のチャネルとを、少なくとも部分的に画定し得る。セパレータにより、流体流を介して第１の電極と第２の電極との間でイオン連通が可能となることが理解されよう。セパレータは、流体流間の流体交換を制限する透過膜であり得る。静的ミキサ部は、第１の電極の長さに沿った複数の位置で流体流を複数の支流に分割する複数の分割構造を画定し得る。電極の一部である静的ミキサ部は、導電性であることが理解されよう。電気化学フローセルのさらなる実施形態及び詳細が下記に説明される。
【００３５】
図１を参照すると、電気化学フローセル１００（セパレータは図示せず）は、第１の電極１０４と第２の電極１０６とを含む反応チャンバ１０２を備える。第２の電極１０６は、図１に示されるように、反応チャンバ１０２の壁の少なくとも一部を形成し得る。第１の電極１０４は、静的ミキサを備え得る。第２の電極１０６は、静的ミキサを備え得る。第１の電極１０４及び第２の電極１０６は、一方が他方を取り囲むように同心円状に、または並列構成で、配置され得る。
【００３６】
電源１１０は、第１の電極１０４及び第２の電極１０６に、それぞれの第１の導電体及び第２の導電体、またはケーブル１１４、１１６を介して接続され、電極１０４、１０６にわたり電位差または電圧を印加し得る。いくつかの実施形態では、第１の電極１０４はアノードとして機能し得、第２の電極１０６はカソードとして機能し得る。いくつかの実施形態では、第１の電極１０４はカソードとして機能し得、第２の電極１０６はアノードとして機能し得る。いくつかの実施形態では、負電位が第１の電極１０４に印加され得、正電位が第２の電極１０６に印加され得る。いくつかの実施形態では、正電位が第１の電極１０４に印加され得、負電位が第２の電極１０６に印加され得る。
【００３７】
第１の電極１０４及び第２の電極１０６は、導電性材料で形成され得る、または導電性表面被覆を含み得る。電極１０４、１０６のさらなる特徴は、様々な実施形態及び実施例に従って下記で説明される。
【００３８】
ポンプ１２０は、流体を第１の流体フローライン１２４を介して反応チャンバ１０２の第１の入口１３４を通して反応チャンバ１０２内に流し入れ、第１の電極１０４を通してまたは第１の電極１０４の周りに流体を流すように、構成され得る。ポンプ１２０はまた、流体を第２の流体フローライン１２６を介して反応チャンバ１０２の第２の入口１３６を通して反応チャンバ１０２内に流し入れ、第１の電極１０４と第２の電極１０６との間に流体を流すように、構成され得る。次に流体は、第１の電極１０４に隣接する第１の出口１４４、及び第２の電極１０６に近い第２の出口１４６を介して、反応チャンバ１０２から流出し得る。
【００３９】
いくつかの実施形態では、第１のフローライン１２４及び第２のフローライン１２６は、図２に示されるように、第１のポンプ１２０及び第２のポンプ１２２から個別に流体が供給され得る。いくつかの実施形態では、第１のフローライン１２４及び第２のフローライン１２６は、反応チャンバ１０２に異なる流体を提供し得る。フローライン１２４、１２６には、例えばパイプまたは管が含まれ得る。
【００４０】
図２を参照すると、いくつかの実施形態による電気化学フローセル２００が提供される（セパレータが図示される）。フローセル２００は、図１に関連して説明されたフローセル１００に類似し、同様の構成要素には同様の参照番号が使用される。フローセル１００に示され、上記に列挙された構成要素に加えて、フローセル２００は、セパレータ２０２を備える。図２に示される実施形態のセパレータは、第１の電極１０４と第２の電極１０６との間で、第１の電極１０４の中の、周りの、または隣接する第１の流体を、第２の電極１０６に隣接する第２の流体から、少なくとも部分的に分離する。セパレータ２０２は、反応チャンバ１０２の壁と協働して、第１のチャネル２０４及び第２のチャネル２０６を画定し得る。第１の電極１０４は、第１のチャネル２０４内に配置され得、第２の電極１０６は、第２のチャネル２０６の壁の中に配置され得る、または壁を形成し得る。入口１３４及び１３６及び出口１４４、１４６は、第１の流体が第１のチャネル２０４を通って流れ、第２の流体が第２のチャネル２０６を通って流れるように、構成され得る。いくつかの実施形態では、第１のチャネル２０４と第２のチャネル２０６との横断面積比は、例えば０．０１〜１００、０．１〜１０、０．５〜５、０．３〜１、０．５〜０．９、０．５〜１．５、または０．８〜１．２の範囲であり得る。
【００４１】
セパレータ２０２は、電極１０４、１０６間の電荷の流れを可能にするが、流体の大部分がセパレータ２０２を通過することを制限し得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、第１の電極１０４と第２の電極１０６との間のイオン連通を可能にし得る。例えば、イオンは、第１のチャネル２０４から第２のチャネル２０６へ、または第２のチャネル２０６から第１のチャネル２０４へ通過することができるが、流体の他の成分がセパレータ２０２を通過することは、防げられ得る、または実質的に制限され得る。いくつかの実施形態では、少量の流体はセパレータ２０２を通過し得るが、セパレータ２０２は、流体がセパレータ２０２を通って流れることを実質的に妨げるように構成され得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２には、透過膜、半透膜、または選択的透過膜が含まれ得る。セパレータ２０２の特性は、様々な実施形態に従って下記でさらに詳しく説明される。
【００４２】
いくつかの実施形態では、セパレータ２０２及び反応チャンバ１０２の壁は、並列関係のチャネル２０４、２０６を画定するように構成され得る。セパレータ２０２は、チャネル２０４、２０６の間に延在する略平面であり得る。いくつかの実施形態では、チャネル２０４、２０６は、略平行に延在し得る。いくつかの実施形態では、第２のチャネル２０６は、第１のチャネル２０４を部分的に囲み得る。いくつかの実施形態では、第１のチャネル２０４及び第２のチャネル２０６は、同心円状に配置され得る。いくつかの実施形態では、第１のチャネル２０４は、セパレータ２０２の内面により全体的に確定され得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２及び反応チャンバ１０２は、略円筒形であり得る。いくつかの実施形態では、反応チャンバ１０２は、セパレータ２０２と略同軸状に配置され得る。いくつかの実施形態では、第２の電極１０６は、第１の電極１０４と略同軸状に配置され得る。いくつかの実施形態では、反応チャンバ１０２の壁及びセパレータ２０２は全て、略円筒形であり得、第１の電極１０４の中心長手方向軸と略同軸状に配置され得る。
【００４３】
いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、セパレータ２０２の表面積を増やすように、表面変化または起伏を画定し得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、波形であり得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、長手方向の波形を有する略円筒形であり得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、円周方向の波形を有する略円筒形であり得る。
【００４４】
第１の電極１０４（及び／または第２の電極１０６）は、静的ミキサ部（例えば静的ミキサ要素またはＳＭＥ）を備え得、静的ミキサ部は、流体の大部分と電極表面との間並びに流体自体の中に存在する静的ミキサを通って流れる流体の混合を促進するように構成された形状を有する構造を画定する。第１の電極は、静的ミキサ電極であり得る。静的ミキサ電極１０４は、電極１０４の長さに沿った複数の異なる分割位置で流れを分割して、カオス的移流による完全な混合を促進するように構成され得る。
【００４５】
静的ミキサは、流れを分割するように分割位置に配置された複数の分割構造を画定し得る。分割構造は、異なる角度で流れを分割するように、異なる位置で異なる方位角に配置され得る。いくつかの実施形態では、分割構造は、各分割位置で流れを２つの支流に分割するように構成され得る。いくつかの実施形態では、分割構造は、各分割位置で流れを、少なくとも３つの支流、例えば３つ、４つ、５つ、６つ、７つ、または８つの支流に、分割するように構成され得る。
【００４６】
静的ミキサの形状は、特定の流体の特性に基づいてカオス的移流を向上させるように構成され得る。静的ミキサの構造は、交差するブレードまたはベーン、支柱、凹凸、起伏及び突起、螺旋、波形プレート、開放構成、閉鎖構成、細孔、チャネル、穴、管、並びに多層設計のうちの１つ以上を含む要素のネットワークを含み得る。
【００４７】
形状は、ミキサの長さに沿って定期的に繰り返され得る、あるいは寸法、種類、及び／または形が異なり得る。形状はまた、ミキサの規模からナノメートルまで、その特性的長さが変化し得、その間の全ての長さの規模で特徴が提供され得る。
【００４８】
図３Ａ〜図３Ｄを参照すると、いくつかの実施形態による静的ミキサ電極１０４が示される。電極１０４は、第１の端部３３４と第２の端部３４４との間に延在する静的ミキサ部３０４を備える。端部３３４、３４４は、流体に静的ミキサを通過させる管またはパイプを画定し得る。
【００４９】
図１及び図２に関連して前述されたフローセル１００、２００のように、第１の端部３３４は、フローセルの第１の入口１３４を画定し得、第２の端部３４４は、フローセルの第１の出口１４４を画定し得る。端部３３４、３４４はまた、電極１０４を電源１１０に接続するための電気的接触領域を設け得る。
【００５０】
いくつかの実施形態によれば、図３Ｂ〜図３Ｄでは、静的ミキサ部３０４は、形状をより明確に示すために端部３３４、３４４なしで示される。静的ミキサ部３０４には、複数の直線分割構造が繰り返しモジュールの形態で配置され、各後続モジュールは、一端から他端まで延在する静的ミキサ部の中心長手方向軸の周りで、前のモジュールに対して９０度回転される。静的ミキサ部３０４は、静的ミキサ部３０４の長さに沿った複数の分割位置で流れを分割及び再結合させることにより、静的ミキサ部３０４を通って流れる流体のカオス的移流を、中心長手方向軸に沿った一般的な方向に助長する。分割構造は、各分割位置で流れを複数の支流に分割し、その後、支流は、次の分割位置で次の分割構造により分割される前に再結合される。
【００５１】
流れが分割され再結合されるたびに、流れの大部分から異なる流体群が電極１０４の表面と接触することとなり、静的ミキサの長さに沿って流れを複数回分割することにより、電極１０４と接触する流体量が増加する。
【００５２】
いくつかの実施形態では、静的ミキサ電極１０４の直径は、セパレータ２０２の内径に密接し得る。すなわち、第１の電極１０４は、セパレータ２０２内に密接に適合し得る。第１の電極１０４の静的ミキサ形状の外層膜は、セパレータ２０２により画定される内部体積をほぼ完全に占め得る。いくつかの実施形態では、第１の電極１０４の体積は、チャネル２０４の内部体積に対して、１％〜９９％、任意で１０％〜９０％、２０％〜８０％、３０％〜７０％、または４０％〜６０％の範囲であり得る。いくつかの実施形態では、第１の電極１０４の体積は、チャネル２０４の内部体積の少なくとも約１０％、２０％、３０％、４０％、５０％、６０％、７０％、８０％、９０％、９５％、９８％、または９９％であり得る。静的ミキサのさらなる特性は、様々な実施形態に従って下記で説明される。
【００５３】
図４Ａ〜図４Ｃを参照すると、いくつかの実施形態による電気化学フローセル４００が、組み立てられた構成（図４Ａ）、分解された構成（図４Ｂ）、及び断面図（図４Ｃ）で示される。同様の構成要素は、同様の参照番号で示され、フローセル１００、２００、並びに図１及び図２に関連して説明された構成要素、または図３Ａ〜図３Ｄに関連して説明された静的ミキサ電極１０４の特徴のうちのいずれかを含み得る。
【００５４】
フローセルは、第１の電極１０４、第２の電極１０６、及び第１の電極１０４と第２の電極１０６との間に配置されたセパレータ２０２を備え得る。第１の電極１０４には、例えば図３Ａ〜図３Ｄに関連して説明されたような静的ミキサ電極１０４が含まれ得る。
【００５５】
セパレータ２０２は、透過膜、半透膜、または選択的透過膜を含み得、これは、略円筒形であり、第１の電極１０４の静的ミキサ部３０４を密接に取り囲む。セパレータ２０２及び第１の電極１０４は協働して第１のチャネル２０４を画定し得、流体はこれに沿って流れ、第１の電極１０４に接触し、静的ミキサ部３０４により混合され得る（図４Ｃ参照）。
【００５６】
第２の電極１０６も略円筒形であり、セパレータ２０２及び第１の電極１０４を取り囲む反応チャンバ１０２の外壁を画定し得る。セパレータ２０２及び第２の電極１０６は協働して第２のチャネル２０６を画定し得、流体はこれに沿って流れ、第２の電極１０６に接触し得る（図４Ｃ参照）。
【００５７】
セパレータ２０２及び第２の電極１０６は、第１の電極１０４の中心長手方向軸と略同心円状及び／または略同軸状に配置され得る。
【００５８】
いくつかの実施形態によれば、セパレータ２０２及び電極１０４、１０６は、２つの対向する端部キャップ５００により所定の位置に保持され、図５にさらに詳しく示される。各端部キャップ５００は、セパレータ取り付け部５０２、第１の電極取り付け部５０４、及び第２の電極取り付け部５０６を画定する本体５０１を備える。
【００５９】
第２の電極取り付け部５０６は、第２の電極１０６の端部の少なくとも一部を収容するように構成された本体５０１内の環状陥凹により画定される。フローセル４００は、第２の電極１０６と各端部キャップ５００との間に配置された第２の電極ガスケット４２６を備え得、これは第２の電極１０６と第２の電極取り付け部５０６との間にシールを形成する（図４Ｂ参照）。
【００６０】
セパレータ取り付け部５０２は、セパレータ２０２の第１の端部２３２または第２の端部２４２をそれぞれ収容するように構成された環状陥凹（またはいくつかの実施形態では円形陥凹）により画定される（図４Ｂ参照）。本体５０１は、セパレータ取り付け部５０２と第２の電極取り付け部５０６との間に配置された開口部５１６と、第２の出口１３６または第２の入口１４６をそれぞれ画定する開口部５１６からの通路と、を画定する。
【００６１】
第１の電極取り付け部５０４は、第１の電極１０４のそれぞれの端部３３４、３４４を収容するように構成された円筒形の孔または通路により画定される。第１の電極１０４を第１の電極取り付け部５０４に配置することを支援するように、本体５０１の片側において、第１の電極取り付け部５０４は、面取り部５１４により取り囲まれ得る。通路は、面取り部５１４から、本体５０１の反対側の第１の電極取り付け開口部５２４まで延在し得る（図４Ｂ参照）。第１の電極１０４の第１の端部３３４及び第２の端部３４４は、通路及び開口部５２４を通って延在し、第１の入口１３４及び第１の出口１４４をそれぞれ画定し得る。
【００６２】
シールプレートまたはグランド４１０及び第１の電極ガスケット４２４により、端部３３４、３４４と端部キャップ５００との間に、シールが形成され得る（図４Ｂ参照）。グランド４１０は、端部３３４、３４４の少なくとも一部の通過を可能にする電極開口部４１４と、複数の締結具４１２を受け入れる複数の締結具開孔部（図示せず）とを画定し得る。端部キャップ５００の本体５０１は、締結具４１２を受け入れるように構成された複数の対応する締結具陥凹部５１２を画定し得る。締結具４１２は、締結具陥凹部５１２と係合して（例えばねじ山により）、グランド４１０を端部キャップ５００に対し引き寄せ、第１の電極ガスケット４２４を、端部キャップ５００とグランド４１０との間で、及び端部３３４、３４４に対し圧縮し、これにより、第１の電極１０４と端部キャップ５００との間でシールを形成し得る。
【００６３】
端部キャップ５００は複数の引張棒４４０により共に保持され得、引張棒４４０は、端部キャップ５００の間に、各端部キャップ５００の本体５０１に画定された複数の対応する引張棒開口部５４２を通って延在する。引張棒４４０は、各引張棒４４０の各端部で引張棒締結具４４２を受け入れて、端部キャップ５００を互いに向かって引き寄せ、端部キャップ間にセパレータ２０２、第１の電極１０４、及び第２の電極１０６を保持して、反応チャンバ１０２及びフローセル４００を画定するように構成され得る。
【００６４】
電気化学フローセル１００、２００、及び４００は、第１の電極１０４（及び／または第２の電極１０６）の静的ミキサ形状が、例えば第１の電極１０４及び／または第２の電極１０６と接触する流体量を増加させるカオス的移流などにより、流体混合の向上を促進することで、従来の電気化学フローセルと比較して、電気化学反応の効率を改善することが可能となり得る。
【００６５】
電気化学フローセル２００及び４００は、流体流がセパレータ２０２のいずれかの側のチャネル２０４、２０６で実質的に分離された状態に保たれ得るという点で、さらなる利点を提供し得る。これにより、依然として電気化学反応の発生を可能にしながら、独立した流入流体を実質的に分離された状態に保つことが可能となる。例えば、いくつかのプロセスでは、例えば金属イオンなどの特定の物質は、電着により電極１０４、１０６のうちの１つの電極の表面上に堆積し得る。
【００６６】
図６を参照すると、いくつかの実施形態による電気化学フローシステム６００が示される。システム６００は、直列配置され、かつ２つの電源１１０ａ及び電源１１０ｂにそれぞれ電力供給される第１のフローセル２００ａ及び第２のフローセル２００ｂを備える。しかし、いくつかの実施形態では、単一の電源１１０が、フローセル２００ａ、２００ｂの両方に電力供給し得る。電気化学フローセル２００ａ、２００ｂは、フローセル２００または４００に実質的に類似し、図２〜図５に関連して前述された構成要素の特徴のうちのいずれかを含み得る。
【００６７】
システム６００は、第１の供給源（流入１）から第１のフローセル２００ａの第１のフローライン１２４ａを介して第１のフローセル２００ａの第１の入口１３４ａへ第１の流体を供給する第１のポンプ１２０と、第２の供給源（流入２）から第１のフローセル２００ａの第２のフローライン１２６ａを介して第１のフローセル２００ａの第２の入口１３６ａへ第２の流体を供給する第２のポンプ１２２と、を備え得る。第２のフローセル２００ｂの第１の電極１０４ｂ及び第２の電極１０６ｂには、第１のフローセル２００ａの第１の電極１０４ａ及び第２の電極１０６ａに印加された電圧に関して逆極性の電圧が供給され得る。
【００６８】
システム６００は、第１のフローセル２００ａの第１の入口１３４ａに流入する第１の流体が、第１のチャネル２０４ａを通って流れ、第１のフローセル２００ａの第１の出口１４４ａを通って流出し、次に第２のフローライン１２６ｂを介して第２のフローセル２００ｂの第２の入口１３６ｂに流入し、第２のフローセル２００ｂの第２のチャネル２０６ｂを通って流れ、第２の出口１４６ｂを通って第１のリザーバ（流出１）に流れ出るように、構成され得る。システム６００はさらに、第１のフローセル２００ａの第２の入口１３６ａに流入する第２の流体が、第２のチャネル２０６ａを通って流れ、第１のフローセル２００ａの第２の出口１４６ａを通って流出し、次に第２のフローライン１２４ｂを介して第２のフローセル２００ｂの第１の入口１３４ｂに流入し、第２のフローセル２００ｂの第１のチャネル２０４ｂを通って流れ、第１の出口１４４ｂを通って第２のリザーバ（流出２）に流れ出るように、構成され得る。
【００６９】
例えば、第１の流体源は、銅などの汚染金属を含み得、第１の流体源から汚染物質を除去し、第２の流体に汚染物質を移すことが望まれ得る。汚染物質は、システム６００を通って流れる時、第１の流体から第１のフローセル２００ａの第１の電極１０４ａ上に堆積し、第１のフローセル２００ａを通った後に第１の流体に汚染物質が残っている場合、第１の流体が第２のフローセル２００ｂの第２のチャネル２０６ｂを通って流れる時に、汚染物質は第２のフローセル２００ｂの第２の電極１０６ｂ上にも堆積する。第２の流体は、第１のフローセル２００ａの第２のチャネル２０６ａ及び第２のフローセル２００ｂの第１のチャネル２０４ｂを通過して、電気的接触を可能にし、各フローセル２００ａ、２００ｂのガルバニ回路を完成させる。
【００７０】
従来のシステムでは、汚染物質が電着により電極上に蓄積すると、システムから電極が取り外され、堆積した汚染物質は、電極の表面から機械的に除去される。しかし、システム６００が使用される場合、電極を取り外す必要はない。
【００７１】
汚染物質が第１のフローセル２００ａの第１の電極１０４ａ及び第２のフローセル２００ｂの第２の電極１０６ｂ上に堆積すると、第１の流体が第１のフローセル２００ａの第２のチャネル２０６ａ及び第２のフローセル２００ｂの第１のチャネル２０４ｂを通って流れ、第２の流体が第１のフローセル２００ａの第１のチャネル２０４ａ及び第２のフローセル２００ｂの第２のチャネル２０６ｂを通って流れるように、フローライン１２４ａ、１２６ａを交換する、またはインラインバルブまたはゲート（図示せず）を使用することにより、流体源が切り替えられ得る。このようにして、汚染物質は、第１のフローセル２００ａの第１の電極１０４ａ及び第２のフローセル２００ｂの第２の電極１０６ｂの表面から除去され、より多くの汚染物質が、第１の流体から除去され、第１のフローセル２００ａの第２の電極１０６ａ及び第２のフローセル２００ｂの第１の電極１０４ｂ上に堆積する。
【００７２】
電極上に堆積した物質が特定の閾値に達した時に電極の物理的除去及び交換を必要とする従来のシステムと比較して、電気化学フローシステム６００は、流体経路を切り替える比較的短い中断で、無期限に電気化学反応が進行することを可能にする。
【００７３】
電気化学管状反応器
例えば前述の電気化学フローセルなどの電気化学フロー反応器は、連続フロー電気化学管状反応器の形態で提供され得る。連続フロー電気化学管状反応器は、電気化学フローセルに関して本明細書で説明される任意の実施形態または実施例に従って提供され得る。
【００７４】
管状反応器は、様々な形状、伸長、及び構成で提供され得ることが理解されよう。例えば、管状反応器は、円形または非円形の反応チャンバを含み得、または反応器チャンバが、円形または非円形の円周形状である１つ以上の流体チャネルを備える。非円形の例には、矩形、二等辺三角形、楕円形、台形、及び六角形が挙げられ得る。一実施形態では、管状反応器または反応器チャンバは、略円形または略円筒形である。
【００７５】
連続フロー電気化学管状反応器は、少なくとも１つの対電極から離間した少なくとも１つの静的ミキサ電極を収容するための反応器チャンバを画定する反応器筐体を備え得る。静的ミキサ電極には、本明細書に説明される静的ミキサ部または静的ミキサ要素を備えた電極が提供され得る。静的ミキサ部または静的ミキサ要素、あるいはその上に存在する任意の被覆の少なくとも一部は、導電性であり得ることが理解されよう。反応器はまた、電極間に電気的接続を提供しながら、静的ミキサ電極を対電極から流体的に分離する分離器として機能する透過膜を備える。反応器は、対電極を収容する流体チャネルとは別個の静的ミキサ電極を収容する流体チャネルを提供し得る。電極の対は、管状反応器内で電気化学反応を駆動するためのカソード及びアノードの対を提供し得る。静的ミキサ電極及び対電極は、電気化学セル内の電流の流れに応じて、カソードまたはアノードのいずれかであり得る。例えば、電極対は、電流の流れを切り替えることにより反転され得る。静的ミキサ電極はまた、物質移動及びカオス的移流を向上させるように構成され得る。
【００７６】
少なくとも第１の流体流が静的ミキサ電極にわたり流れ、出口を出る前にカオス的移流及び電気化学反応を受けることを可能にするように、管状反応器は構成されることが理解されよう。管状反応器の各流体チャネルは、少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口を有し得ることも理解されよう。
【００７７】
反応器は、互いに流体連通する１つ以上のチャンバ区分を含み得る。静的ミキサ電極は、連続フロー電気化学反応器に挿入する交換可能な電極として構成されてもよく、または永久電極として構成されてもよい。１つ以上の反応器、または反応器の１つ以上のチャンバ区分は、直列動作または並列動作を行うように構成され得る。
【００７８】
反応チャンバ１０２、セパレータ２０２、及び電極１０４、１０６の長さは、２ｍｍ〜１００ｍ、１０ｍｍ〜１０ｍ、５０ｍｍ〜１ｍ、１００ｍｍ〜５００ｍｍ、または２００ｍｍ〜３００ｍｍの範囲であり得る。反応器筐体またはチャンバは、直径が５ｍｍ〜５ｍであり得、対電極及び作用電極は、効果的な電気化学配置を維持するように寸法が決定される。いくつかの実施形態では、反応器のアスペクト比（Ｌ／ｄ）は、少なくとも約５、１０、１５、２０、２５、３０、４０、５０、６０、７５、または１００であり得る。
【００７９】
セパレータ
セパレータ２０２は、イオン輸送を可能にするが流体の流れを妨げる任意の多孔質材料を含み得る。セパレータには、透過膜、半透膜、または選択的透過膜が含まれ得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、不織布繊維（綿、ナイロン、ポリエステル、ガラス）、ポリマーフィルム（ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリテトラフルオロエチレン、ポリ塩化ビニル）、セラミック、及び自然発生物質（ゴム、アスベスト、木材）という材料のうちのいずれか１つ以上で形成され得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、２０Å未満の細孔を有するポリマー材料を含み得る。セパレータ２０２は、乾式及び／または湿式製造プロセスを使用して形成され得る。不織布セパレータ２０２は、一方向にまたはランダムに配向された繊維で製造されたシート、ウェブ、またはマットを含み得る。
【００８０】
いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、微細孔構造内に含まれた固相または液相を含む支持液膜を含み得る。
【００８１】
いくつかの実施形態では、セパレータ２０２はポリマー電解質を含み得、これはアルカリ金属塩と錯体を形成し、これにより固体電解質として機能するイオン導電体が生成される。固体イオン導電体は、セパレータ及び電解質の両方として機能し得る。
【００８２】
セパレータ２０２は、単層の材料または多層の材料で形成され得る。
【００８３】
いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、セラミック、ガラス、プラスチック、サーメット、及びこれらの組み合わせなどの粉末材料を、膜構造に焼結することにより、作製され得る。
【００８４】
いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、イオン通過を可能にすると同時に、流体の流れを妨げるように構成され得る。いくつかの実施形態では、セパレータ２０２は、少量の流体の通過を可能にし得る。
【００８５】
セパレータ２０２は、第１の電極１０４の周りに密接して適合するように構成された内径を有し得る。例えば、セパレータ２０２の内径は、０．５ｍｍ〜５ｍ、５ｍｍ〜１ｍ、または５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり得る。
【００８６】
セパレータ２０２の厚さは、その多孔性に応じて変わり得る。ナノ多孔性セパレータの場合、厚さは１ミクロン〜１００ミクロンであり得、微多孔性膜の場合、厚さは１００ミクロン〜１０ｍｍであり得る。セパレータ材料内の平均細孔径は、１０Å〜１００ミクロンで変わり得る。
【００８７】
透過膜は通常、静的ミキサ電極及び対電極のそれぞれに対する別個の流体チャネルを確立すると同時に、電気化学フローセルに必要な電気的接続を維持することが理解されよう。透過膜は通常、膜を通る流体の流れを抑止すると同時に、イオン輸送を可能にする。例えば、作動中、静的ミキサ電極が負極（すなわちカソード）として動作し、対電極が正極（すなわちアノード）として動作する場合は、静的ミキサ電極（すなわちカソード）にわたり流れる陰極液流体流は、正の対電極（すなわちアノード）にわたり流れる陽極液流体流とは異なる特定の用途のために準備され得る。言い換えると、透過膜は、２つの電極間のイオン連通を可能にして電気的接続を提供すると同時に、カソード及びアノードのそれぞれを通過して流れる２つの個別の流体流を分離し、これにより、パフォーマンス上の利点及びプロセスの柔軟性が提供される。
【００８８】
透過膜は、静的ミキサ電極を対電極から分離するように管状反応器に沿って同心円状に配置され得る。反応器は、一方の電極を収容する内側同軸流路と、他方の電極を収容する外側同心円流路とを備え得る。静的ミキサ電極は、内側同軸流路、外側同円心流路、または内側同軸流路及び外側同円心流路の両方に、収容することができる。流路は、本明細書では流体チャネルとも称され得る。
【００８９】
セパレータは、半透過膜であってもよい。半透膜は、静的ミキサ電極の密接に囲む多孔質管状フィルム、多孔質セラミックフィルタ管、または多孔質プラスチック管であり得る。半透膜は、流体が膜を通過することを実質的に制限すると同時に、膜を横断するイオン輸送を可能にして、分離された静的ミキサ電極と対電極との電気的連通を維持することが、理解されよう。
【００９０】
セパレータは、選択的透過膜であってもよい。選択的透過膜は、例えば特定の流体またはイオンなど、膜を通って輸送されることが許容されるものの選択性を提供し得る。選択的透過膜は、膜を通過できるものを選択的に制限すると同時に、膜を横断する特定のイオンの輸送を可能にして、分離された静的ミキサ電極と対電極との電気的連通を維持することが、理解されよう。
【００９１】
それぞれの別個の流路には、少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口が設けられていることが理解されよう。内側同軸流路及び外側同心円流路には、別個の流体流が提供され得る。例えば、静的ミキサ電極を収容する内側同軸流路には、陰極液流体流が提供され得、対電極を収容する外側同心円流路には、陽極液流体流が提供され得る。前述のように、静的ミキサ電極はまた、管状反応器の軸に沿って略同軸状に整列され得る。
【００９２】
静的ミキサ電極
上記で論述されたように、第１の電極１０４、または第２の電極１０６、または第１の電極１０４及び第２の電極１０６の両方は、静的ミキサ部を備え得、これは、静的ミキサ部を通ってまたは静的ミキサ部の周りを流れる流体の混合を促進する形状を画定する。これは、静的ミキサ電極、すなわちＳＭＥと称され得る。
【００９３】
反応器は、２つ以上の静的ミキサ電極及び／または２つ以上の対電極を備え得る。対電極にはまた、静的ミキサ電極が提供されてもよく、例えば電気化学フロー反応器内のカソード及びアノードには、別個の静的ミキサ電極がそれぞれ提供され得る。静的ミキサ電極は、内側同軸流路内に同心円状に収容することができ、対電極は、外側同心円流路内に収容することができる。
【００９４】
静的ミキサ電極は、導電性表面を含み得ることが理解されよう。静的ミキサ電極は、印加される電流の方向に応じて、アノードまたはカソードとして動作し得る。電気化学フローセルの場合、アノードは、酸化が起こって反応物により電子が放出される正極であり、カソードは、還元が起こって別の反応物により電子が吸収される負極であることが、一般的に理解されよう。
【００９５】
静的ミキサ電極は、いずれかの電極に１μＡ  ｍ−２〜約１０００Ａ  ｍ−２の範囲の電流密度を与えることができる材料で製造され得る。静的ミキサ電極またはその骨格は、導電性材料、例えばグラファイト、ガラス状炭素、またはボロンドープダイヤモンドなどの導電性炭素材料、粉末、シート、ロッド、またはビレット状態の金属、合金、または金属間化合物、半金属、またはドープ半導体もしくは低バンドギャップ半導体、金属被覆粒子、導電性セラミックを、含み得る。あるいは、骨格は、非導電性材料で作製され、その後に導電体で被覆され得る。非導電性材料は、プラスチック、セラミック、ガラス、または鉱物などの粒子状非導電体、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、並びに、ゴム及び木材などの天然物であり得る。導電性被覆は、金属、金属合金、金属間化合物、導電性化合物、または前述の任意の導電性材料から形成され得る。
【００９６】
静的ミキサ電極は、ミリング、カッティング、ドリル、ターニング、スピニング、ベンディング、ツイストなどの処理技術のうちの１つまたは組み合わせを使用した減法製造により、鋳造、成形、または鍛造により、押し出し成形により、加圧形成により、微小電気機械システム加工（ＭＥＭＳ）、付加製造プロセス、レーザまたは電子ビーム溶接、選択的レーザ焼結、選択的レーザ溶融、直接金属レーザ焼結、レーザ加工正味成形、材料押し出し成形、シート積層、重合及び光重合、材料または接合剤の噴射、及び印刷により、製造され得る。
【００９７】
いくつかの実施形態では、静的ミキサ電極の本体または骨格は、導電性であり得、例えばニッケル、チタンまたはステンレス鋼などの金属または金属合金であり得る。いくつかの実施形態では、例えば白金で被覆されたチタン骨格など、電極表面に導電性被覆材が塗布され得る。被覆は、金属、半金属、またはドープ半導体もしくは低バンドギャップ半導体、導電性セラミックもしくは化合物、導電性形態炭素（例えばグラファイト、グラフェン、またはドープ炭素材料）、導電性ポリマー（例えばポリアニリン）、またはこれらの組み合わせから、形成され得る。電気化学プロセス、金属スプレー、コールドスプレー、化学的または物理的蒸着、浸漬塗装、スプレー塗装、回転塗布、焼結もしくは他の熱処理、または好適な材料の薄層塗布をもたらす任意のこのようなプロセスのうちの１つ以上により、被覆材は表面に塗布され得る。
【００９８】
静的ミキサ電極は、主流を横切る方向、例えば静的ミキサ電極の中心長手方向軸に対して半径方向及び接線方向または方位角方向に流体を再分配する熱及び物質移動特性を含む混合を向上させるように、構成され得る。具体的には、静的ミキサ電極は、カオス的移流を向上させることで、拡散により課される反応速度の制限を低減するように構成され得る。静的ミキサ電極は、可能な限り多くの表面積が流れにあたることを確実にして、電気化学反応を促進するように、及び流れの混合を改善することにより、反応物分子が静的ミキサ電極の表面により頻繁に接触するように、構成され得る。静的ミキサ電極は、特定の用途と相関関係にある様々な幾何学的構成またはアスペクト比が与えられ得る。静的ミキサ電極は、流体流の乱流、混合、及び物質移動の特性を向上させるように構成され得る。構成はまた、効率、化学反応または電気化学反応の程度、あるいは圧力降下（所定の流量を維持しながら）、滞留時間分布、または熱及び物質移動係数などの他の特性を向上させるように設計され得る。
【００９９】
静的ミキサ電極は、例えば通路区分のそれぞれの間を流れる流体流を分割することにより、物質移動及びカオス的移流を向上させるように構成された複数の通路区分を画定する導電性一体型骨格を備えることができる。骨格の表面の本質的部分は、導電性であり得る。
【０１００】
静的ミキサ電極は、流路の長さに沿って同軸状に、かつ流路の直径を横切って延在するように、構成され得る。一実施例では、静的ミキサ電極の外膜は、内側同軸流路の長さに沿って同軸状に、かつ内側同軸流路の直径を横切って延在して、内側同軸流路を実質的に占めるように構成され得る。
【０１０１】
第１の電極１０４は、セパレータ２０２内に密接に適合するように構成された外径を有し得る。例えば、第１の電極１０４の外径は、０．５ｍｍ〜５ｍ、５ｍｍ〜１ｍ、または５ｍｍ〜１０ｍｍの範囲であり得る。図４Ａ〜図４Ｃに関連して説明されたフローセル４００などの実施形態では、第１の電極及び第２の電極が互いに同心状かつ同軸状に配置され、第２の電極１０６の内径は、０．５ｍｍ〜５ｍ、５ｍｍ〜１ｍ、または１０ｍｍ〜２０ｍｍの範囲であり得る。
【０１０２】
セパレータ２０２の内径と第２の電極１０６の内径との比は、例えば０．０２〜０．９９、０．１〜０．９、０．３〜０．７、または０．４〜０．６の範囲であり得る。
【０１０３】
静的ミキサ電極の導電性一体型骨格は、固体導電性要素の隣接ネットワークを備え得、これは、内側同軸流路全体に分布し、内側同軸流路を通って流れる流体のカオス的移流を誘発するように構成される。固体導電性要素の隣接ネットワークには、内側同軸流路を通って流れる流体のカオス的移流を誘発するための複数の開孔部を画定するように構成された相互接続セグメントの格子が提供され得る。
【０１０４】
静的ミキサ電極は、下記の一般的で非限定的で例示的である構成のうちの１つ以上から選択された構成で提供され得る。
・螺旋を有する開放構成
・ブレードを有する開放構成
・波形プレート
・多層設計
・チャネルまたは穴を有する閉鎖構成
・支柱、凹凸、起伏、及び突起の連動ネットワーク
【０１０５】
一実施形態では、静的ミキサ電極の骨格は、１つ以上の流体反応物の混合を促進するように構成された複数の通路を画定する複数の一体型ユニットを有するメッシュ構成で提供され得る。
【０１０６】
別の実施形態では、静的ミキサ電極は、反応器チャンバを通って流れる流体の混合を促進する複数の開孔部を画定するように構成された相互接続セグメントの格子により提供される骨格を備え得る。骨格はまた、熱及び物質移動並びに流体混合を促進するように構成され得る。
【０１０７】
いくつかの実施形態では、静的ミキサ電極は、カオス的移流、及び例えば断面的、横断的（流れに対して）、または局所的な乱流混合などの乱流混合を向上させるように、構成され得る。静的ミキサ電極またはその骨格の形状は、局所的な流れの方向を変更するように、または静的ミキサ要素の長手方向軸に沿った所与の長さ内で流れを特定の回数より多く分割するように構成され得、例えば１００ｍ−１より多く、任意で２００ｍ−１より多く、任意で４００ｍ−１より多く、任意で８００ｍ−１より多く、任意で１５００ｍ−１より多く、任意で２０００ｍ−１より多く、任意で２５００ｍ−１より多く、任意で３０００ｍ−１より多く、任意で５０００ｍ−１より多く、分割するように構成され得る。静的ミキサ電極、その骨格の形状または構成は、静的ミキサの所与の体積内に、特定の数より多くの分流構造を備え得、例えば１００ｍ−３より多く、任意で１０００ｍ−３より多く、任意で１×１０４ｍ−３より多く、任意で１×１０６ｍ−３より多く、任意で１×１０９ｍ−３より多く、任意で１×１０１０ｍ−３より多くの分流構造を備え得る。
【０１０８】
静的ミキサ電極またはその骨格の形状または構成は、管状反応器などの反応器セルのチャネルを伴うように構成され得る。前述のように、用語「管状」には、例えば楕円形などの非円形構成が含まれることが理解されよう。静的ミキサ電極またはその骨格は、複数のセグメントから形成され得る、または複数のセグメントを備え得る。セグメントの一部または全ては、直線セグメントであり得る。セグメントの一部または全ては、例えば直角プリズムなどの多角形プリズムを含み得る。骨格は、複数の平面を含み得る。直線セグメントは、互いに対して角度を付けて配置され得る。直線セグメントは、骨格の長手方向軸に対して、例えば２つ、３つ、４つ、５つ、または６つの異なる角度など、いくつかの異なる角度で配置され得る。静的ミキサ電極またはその骨格は、繰り返される構造を備え得る。静的ミキサ電極またはその骨格は、骨格の長手方向軸に沿って周期的に繰り返される複数の同様の構造を備え得る。形状または構成は、静的ミキサ電極またはその骨格の長さに沿って、一貫していてもよい。形状は、静的ミキサ電極またはその骨格の長さに沿って、変化してもよい。直線セグメントは、１つ以上の湾曲セグメントにより接続され得る。静的ミキサ電極またはその骨格は、１つ以上の螺旋状セグメントを含み得る。静的ミキサ電極またはその骨格は通常、螺旋体を画定し得る。静的ミキサ電極またはその骨格は、螺旋体の表面に複数の開孔部を含む螺旋体を含み得る。
【０１０９】
静的ミキサ電極の寸法は、用途に応じて変わり得る。静的ミキサ電極、または静的ミキサ電極を備える反応器は、管状であり得る。静的ミキサ電極または反応器の管の直径は、例えば１〜５０００、２〜２５００、３〜１０００、４〜５００、５〜１５０、または１０〜１００（ｍｍ単位）の範囲であり得る。静的ミキサ電極または反応器の管の直径は、例えば、少なくとも約１、５、１０、２５、５０、７５、１００、２５０、５００、または１０００（ｍｍ単位）であり得る。静的ミキサ電極または反応器の管の直径は、例えば、約５０００、２５００、１０００、７５０、５００、２５０、２００、１５０、１００、７５、または５０（ｍｍ単位）未満であり得る。静的ミキサ電極、または静的ミキサ電極を備える反応器チャンバのアスペクト比（Ｌ／ｄ）は、特定の反応のための産業規模流量に好適な範囲で提供され得る。アスペクト比は、例えば、約１〜１０００、５〜７５０、１０〜５００、２５〜２５０、５０〜１５０、または７５〜１２５の範囲であり得る。アスペクト比は、例えば、約１０００、７５０、５００、２５０、２００、１５０、１２５、１００、７５、５０、２５、２０、１５、１０、９、８、７、６、５、４、３、または２未満であり得る。アスペクト比は、例えば、約１、２、３、４、５、６、７、８、９、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、または１００を超え得る。アスペクト比は、上記の「〜未満」及び「〜を超える」値のうちのいずれか２つの範囲で提供され得る。
【０１１０】
静的ミキサ電極は、層流量または乱流量のために、混合並びに熱及び物質移動などの特性を向上させるように構成され得る。中空パイプ内を流れるニュートン流体では、層流及び乱流とレイノルズ数（Ｒｅ）値との相関関係により、通常、Ｒｅが２３００より小さい場合は層流量、Ｒｅが２３００より大きく４０００より小さい場合は過渡流量、及びＲｅが４０００より大きい場合は乱流量が通常もたらされることが、理解されよう。静的ミキサ電極は、乱流を生成するこれらの典型的なＲｅ値を低減させることが、理解されよう。静的ミキサ電極は、層流量または乱流量に関して、混合、反応度、熱及び物質移動、カオス的移流、並びに圧力降下のうちの１つ以上から選択される特性の向上を提供するように構成され得る。特定の種類の電気化学反応をさらに向上させるには、それ自体の具体的な考慮が必要となることが、理解されよう。管内の流れに関して、レイノルズ数は、Ｒｅ＝ρｕＤＨ／μで定義され得る（ρはｋｇ．ｍ−３単位の流体密度であり、ｕはｍ．ｓ−１単位の流体平均速度であり、ＤＨはメートル単位のパイプの水力直径であり、μはＰａ．ｓ単位の流体動的粘度である）。
【０１１１】
一実施形態では、静的ミキサ電極は、少なくとも０．０１、０．１、１、５、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２５００、３０００、３５００、４０００、４５００、５０００、５５００、６０００、６５００、７０００、７５００、８０００、８５００、９０００、９５００、１００００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、または１５０００のＲｅで作動するように構成され得る。静的ミキサ電極は、約０．１〜２０００、１〜１０００、１０〜８００、または２０〜５００のＲｅ範囲で作動するように構成され得る。静的ミキサ電極は、約１０００〜１５０００、１５００〜１００００、２０００〜８０００、または２５００〜６０００のＲｅ範囲で作動するように構成され得る。静的ミキサ電極は、前述の「少なくとも」の値のうちのいずれか２つの間の範囲のＲｅで作動するように構成され得る。
【０１１２】
いくつかの実施形態では、静的ミキサ電極は、連続体での輸送現象に関連する別等級の無次元数であるペクレ数（Ｐｅ）により記述され得る。ペクレ数は、流れによる物理的量の移流速度と、好適な勾配により駆動される同量の拡散速度との比を提供する。粒子種または物質の移動に関しては、ペクレ数は、レイノルズ数（Ｒｅ）とシュミット数（Ｓｃ）との積である。熱流体に関しては、熱ペクレ数は、レイノルズ数（Ｒｅ）とプラントル数（Ｐｒ）との積に等しい。ペクレ数は、Ｐｅ＝移流輸送速度／拡散輸送速度と定義される。物質移動では、ＰｅＬ＝Ｌｕ／Ｄ＝ＲｅＬ．Ｓｃと定義される。熱移動では、ＰｅＬ＝Ｌｕ／α＝ＲｅＬ．Ｐｒと定義され、α＝ｋ／ρｃｐである。Ｌは特性的長さ、ｕは局所流速、Ｄは物質拡散係数、及びαは熱拡散率、ρは密度、及びｃｐは熱容量である。静的ミキサ電極は、より高いペクレ値を提供して、拡散に関するカオス的移流を向上させ、より均一な滞留時間分布を提供し、ばらつきを低減させるように構成され得る。言い換えると、より高いペクレ値を提供する静的ミキサ電極の構成は、少なくとも本明細書に説明されるいくつかの実施形態及び実施例によれば、性能及びプロセス制御の向上をもたらし得る。
【０１１３】
一実施形態では、静的ミキサ電極は、少なくとも１００、１０００、２０００、５０００、１００００、１５０００、２００００、２５０００、５００００、７５０００、１０００００、２５００００、５０００００、１０６、または１０７のペクレ（Ｐｅ）値で作動するように構成され得る。静的ミキサ電極は、約１０８、１０７、１０６、５０００００、２５００００、１０００００、７５０００、５００００、２５０００、２００００、１５０００、１００００、５０００、２０００、または１０００未満のペクレ（Ｐｅ）値で作動するように構成され得る。静的ミキサ要素は、約１０３〜１０８、１０３〜１０７、または１０４〜１０６のＰｅ範囲で作動するように構成され得る。静的ミキサ要素は、上記の上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つの間のＰｅ範囲で作動するように構成され得る。
【０１１４】
電極を収容する流路に対する静的ミキサ電極の体積変位％は、約１〜９０、５〜７０、１０〜３０、または５〜２０の範囲であり得る。電極を収容する流路に対する静的ミキサ電極の体積変位％は、９０％、８０％、７０％、６０％、５０％、４０％、３０％、２０％、１０％、または５％未満であり得る。電極を収容する流路に対する静的ミキサ電極の体積変位％は、１％、５％、１０％、１５％、２０％、２５％、３０％、３５％、４０％、５０％、６０％、７０％、または８０％を超え得る。体積変位％は、上記の「〜未満」及び「〜を超える」値のうちのいずれか２つの範囲で提供され得る。
【０１１５】
静的ミキサ電極の構成は、例えば出口断面における温度差の低減など、反応器内の熱及び物質移動特性を向上させるために提供され得る。静的ミキサ電極の熱及び物質移動は、例えば、約２０℃／ｍｍ、１５℃／ｍｍ、１０℃／ｍｍ、９℃／ｍｍ、８℃／ｍｍ、７℃／ｍｍ、６℃／ｍｍ、５℃／ｍｍ、４℃／ｍｍ、３℃／ｍｍ、２℃／ｍｍ、または１℃／ｍｍ未満の温度差を有する断面温度プロファイルまたは横断温度プロファイルを提供し得る。
【０１１６】
静的ミキサ電極またはその骨格は、使用時に、静的ミキサ電極にわたる圧力降下（すなわち圧力差または背圧）（Ｐａ／ｍ単位）が、約０．１〜１，０００，０００Ｐａ／ｍ（すなわち１ＭＰａ／ｍ）の範囲であるように構成され得、これには、当該範囲間の任意の値または任意の値の範囲が含まれる。例えば、静的ミキサ電極にわたる圧力降下（Ｐａ／ｍ単位）は、約５００，０００、２５０，０００、１００，０００、５０，０００、１０，０００、５，０００、１，０００、７５０、５００、２５０、１００、７５、５０、２５、２０、１５、１０、または５Ｐａ／ｍ未満であり得る。例えば、静的ミキサ電極にわたる圧力降下は、少なくとも約１０、１００、１０００、５，０００、１０，０００、５０，０００、１００，０００、または２５０，０００（Ｐａ／ｍ単位）であり得る。静的ミキサ電極にわたる圧力降下（Ｐａ／ｍ単位）は、上記の上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つの範囲で提供され得る。例えば、一実施形態では、静的ミキサ電極にわたる圧力降下は、約１０〜２５０，０００、１００〜１００，０００、または１，０００〜５０，０００（Ｐａ／ｍ単位）の範囲であり得る。静的ミキサ電極は、特定の流量に対して、より低い圧力降下を提供するように構成され得る。これに関して、本明細書に説明される静的ミキサ電極、反応器、システム、及びプロセスは、産業用途に好適なパラメータで提供され得る。上記の圧力降下は、体積流量が少なくとも０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０ｍｌ／分である場合に維持され得る。
【０１１７】
一実施形態では、静的ミキサ電極は、少なくとも０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、７５、１００、１２５、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、６００、７００、８００、９００、または１０００ｍｌ／分の体積流量で作動するように構成され得る。別の実施形態では、体積流量は、約１０００、９００、８００、７００、６００、５００、４５０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、７５、５０、４０、３０、２０、１０、または５ｍｌ／分未満であり得る。流量は、これらの上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つにより提供される範囲、例えば約５０〜４００、１０〜２００、または２０〜２００の範囲であり得る。
【０１１８】
静的ミキサ電極は、連続フロー電気化学反応器またはそのチャンバのモジュラ挿入として構成され得る。静的ミキサ電極は、インライン連続フロー電気化学反応器またはそのチャンバと共に使用するように構成され得る。インライン連続フロー電気化学反応器は、リサイクルループ反応器またはシングルパス反応器であり得る。
【０１１９】
静的ミキサ電極の構成は、計算流体力学（ＣＦＤ）ソフトウェアを使用して決定され得、静的ミキサ電極の表面における反応物の接触及び活性化が向上するように、ＣＦＤソフトウェアを使用して反応物混合の構成が向上され得る。
【０１２０】
静的ミキサ電極は、付加製造された静的ミキサ電極であり得る。任意で触媒及び／または耐食性被覆を用いた静的ミキサ電極の付加製造により、効率的な混合、熱及び物質移動、電気化学反応、またはさらなる触媒反応を行うように構成された静的ミキサ電極が提供され得る。付加製造プロセスにより、静的ミキサ電極の信頼性及び性能を物理的に試験し、任意で、積層造形（例えば３Ｄプリント）技術を使用して、静的ミキサ電極をさらに再設計及び再構成することが可能となる。付加製造は、静的ミキサ電極の予備設計及び試験、さらに再設計及び再構成において、柔軟性をもたらす。電子ビーム３Ｄプリンタまたはレーザビーム３Ｄプリンタが使用され得る。３Ｄプリントの付加材料は、例えば、鉄、コバルト、ニッケル、銅、亜鉛などの純金属、あるいはチタン合金ベース粉末（例えば４５〜１０５マイクロメートルの直径範囲）、コバルトクロム合金ベース粉末（例えばＦＳＸ−４１４またはステライトＳ２１）、またはステンレス鋼もしくはアルミニウムシリコン合金、またはニッケルベース合金のうちのいずれか（例えばインコネル、ハステロイ）などの合金であり得る。レーザビームプリンタに伴う粉末直径は通常、電子ビームプリンタで使用されるものより小さい。あるいは、骨格は、プラスチックまたはガラスなどの不活性材料から付加製造され、その後、好適な導電性材料で被覆され得る。導電性表面に加えて、静的ミキサ電極またはその骨格は、求められる特定の反応または用途に応じて、触媒材料を任意でさらに含み得る。
【０１２１】
対電極
対電極は、導電性であることが理解されよう。対電極は、印加される電流の方向に応じて、アノードまたはカソードとして動作し得る。対電極は、静的ミキサ電極に関して前述された任意の実施形態または実施例に従った材料から成り得る、またはそのような任意の実施形態または実施例に従って構成され得る。
【０１２２】
対電極は、導電性表面を含み得ることが理解されよう。対電極は、いずれかの電極に１μＡ  ｍ−２〜約１０００Ａ  ｍ−２の範囲の電流密度を与えることができる材料で製造され得る。対電極は、導電性材料、例えばグラファイト、ガラス状炭素、またはボロンドープダイヤモンドなどの導電性炭素材料、粉末、シート、ロッド、またはビレット状態の金属、合金、または金属間化合物、半金属、またはドープ半導体もしくは低バンドギャップ半導体、金属被覆粒子、導電性セラミックを、含み得る。対電極は、非導電性材料で作製され、導電体で被覆されてもよい。非導電性材料は、プラスチック、セラミック、ガラス、または鉱物などの粒子状非導電体、熱硬化性樹脂、熱可塑性樹脂、並びに、ゴム及び木材などの天然物であり得る。導電性被覆は、金属、金属合金、金属間化合物、導電性化合物、または対電極もしくは静的ミキサ電極に関して前述された任意の導電性材料から形成され得る。
【０１２３】
反応器及び端部キャップの構成
反応器は、反応器筐体、第１の電極、第２の電極、セパレータ、及び１つまたは２つの任意の端部キャップを備えたアセンブリとして提供され得る。端部キャップは、反応器筐体を密封するように構成され得、さらに任意で、第１の電極、第２の電極、セパレータのうちの１つ以上と結合して、反応器の組み立て及び動作の構造及び配置を支援するように構成され得る。
【０１２４】
一実施形態では、管状反応器は、第１の端部キャップ及び第２の端部キャップを備え得、第１の端部キャップ及び第２の端部キャップはそれぞれ、反応器筐体の両端を固定し、静的ミキサ電極、対電極、及びセパレータの反応器内の配置を支持するように、協調的に構成される。
【０１２５】
端部キャップは、静的ミキサ電極及び／または対電極の一体部分であり得る（例えば端部キャップは電極のうちの１つの電極の一部として製作され得る）。端部キャップは、電気化学フローセルまたは連続フロー電気化学管状反応器の一体部分として提供され得る（例えば電気化学フローセル全体は付加製造により作製される）。
【０１２６】
端部キャップは、本明細書で説明される任意の他の実施形態またはその実施例に従って提供され得る。
【０１２７】
電気化学フローシステム
連続フロー電気化学反応を提供するシステムは、本明細書で説明される任意の１つ以上の態様、実施形態、または実施例による電気化学フローセルまたは電気化学管状反応器を備え得る。
【０１２８】
システムはさらに、反応器を通る１つ以上の流体反応物及びその任意の生成物の流体の流れを提供するポンプを備え得る。システムはさらに、流体流と電極との界面で電気化学反応を駆動するために、電極に印加される電圧または電極を通って流れる電流を提供及び制御する電気ユニットを備え得る。システムはさらに、１つ以上の流体反応物またはその供給源またはその生成物の濃度、流量、温度、圧力、及び滞留時間から選択されるシステムのパラメータのうちの１つ以上を制御するコントローラを備え得る。
【０１２９】
反応器システムは、１つのフローセルアセンブリ、または並列もしくは直列にセットアップされた複数のアセンブリを備え得る。各セットアップの電極の極性は、各セルで同じ方法で接続され得る、または外側の電極が交互にアノード、カソード、アノード、カソード、・・・（またはその逆）であり、内側の電極が交互にカソード、アノード、カソード、アノード、・・・（またはその逆）である交互の方法で接続され得る。システムは、これらの極性の任意の組み合わせでセットアップされ得る。システム内の各セルに印加される電圧または電流の大きさは、同一または多様であり得、システム内のセルを通るポンプ速度は、同一または多様であり得る。
【０１３０】
反応器システムは、例えば再生可能エネルギー源から、時変電力入力を受け入れるように、構築及び制御され得る。例えば、反応物の流量は、電気分解に利用可能な電力に応じて変化し得るため、電源が変動してもフロー反応器は作動し続ける。
【０１３１】
反応器のアスペクト比は、例えば、静的ミキサ電極に関して前述されたアスペクト比と同様であり得、よって、静的ミキサ電極モジュールは反応器に挿入されるように構成され得る。
【０１３２】
反応器は、反応器、チャンバ区分、静的ミキサ、またはそれらの流体構成要素の温度を制御するための任意の熱交換器を備え得る。熱交換器は、シェルアンドチューブ熱交換器の設計または構成であり得る。
【０１３３】
本開示はまた、連続フロー電気化学反応プロセスのためのシステムを提供し、システムは、
本明細書で説明される実施形態または実施例のうちのいずれかによる１つ以上の静的ミキサ電極を備える連続フロー電気化学反応器と、
反応器を通る１つ以上の流体反応物及びその任意の生成物の流体の流れを提供するポンプと、
反応物濃度、流量、電流の流れ、印加電圧、圧力、及び滞留時間から選択されるシステムのパラメータのうちの１つ以上を制御する制御手段と、
を備える。
【０１３４】
システムは、反応器またはその流体構成要素の温度を制御するための任意の熱交換器を備え得る。
【０１３５】
システムはさらに、分光計を備え得、これは、任意の１つ以上の流体反応物またはその生成物の濃度の識別及び決定を行うために使用され得る。
【０１３６】
反応器、反応器チャンバ、チャンバ区分、及び静的ミキサ電極のうちの１つ以上は、それらを相補的に結合するために、それぞれモジュラ形態で提供され得る。システムは、類似するまたは異なる内部構成及び／または外部構成で成り得る複数の反応器を備え得る。反応器は、直列または並列、あるいは両方の組み合わせで、作動し得る。システム、反応器、または各チャンバ区分は、反応物の供給を提供して生成物を得るために、あるいは様々な反応物及び／または生成物を再循環させるために、１つ以上の入口及び出口を含み得ることが、理解されよう。
【０１３７】
反応器またはシステムは、チャンバ区分に提供され生成される様々な反応物、反応物源、中間生成物、または所望の生成物を再利用するように設計され得ることも、理解されよう。反応器またはシステムは、様々な設計及び形態で、例えば管状反応器の形態で、提供され得る。別の実施形態では、反応器はシングルパス反応器である。
【０１３８】
システム及びプロセスはまた、石炭ガス化器、水質浄化及び網状組織、電解槽及び／または天然ガス改質器、化学合成及び精製などを含むシステム及びプロセスのような、より複雑なシステムに統合され得る。
【０１３９】
電気化学的用途
本明細書で説明される任意の実施形態または実施例による電気化学フロー反応器、電気化学フローセル、または連続フロー電気化学管状反応器は、金属回収、廃水及び鉱山廃水からの重金属及び貴金属回収、廃水処理、水の消毒または浄化（例えば飲み水）、及び固体廃棄物（例えばスラッジ、テーリング、及び廃棄生成物）からの金属回収、及び様々な生成物の電気合成（例えばガス生成、エネルギー貯蔵及び変換、試薬再生、及び重合）を含む様々な用途に使用され得る。
【０１４０】
静的ミキサ電極を備える反応器は、連続フロー電気化学反応システム及びプロセスで使用するためのものであり得る。プロセスは、インライン連続フロープロセスであり得る。インライン連続フロープロセスは、リサイクルループプロセスまたはシングルパスプロセスであり得る。一実施形態では、インライン連続フロープロセスは、シングルパスプロセスである。
【０１４１】
上記のように、静的ミキサ電極を備える電気化学反応器は、連続的に反応を実行することが可能である。電気化学反応器は、単相または多相の供給流及び生成物流を使用し得る。一実施形態では、基質供給（１つ以上の反応物を含む）は、連続流体流として、例えば、ａ）好適な溶媒内の溶質としての基質を含む液体流として、またはｂ）共溶媒の有無にかかわらず溶液基質を含む液体流として、提供され得る。流体流は、例えば水素ガスなどの１つ以上のガス流またはその供給源により提供され得ることが理解されよう。基質供給は、例えばポンプによる圧力駆動流を使用して、反応器に注入される。別の実施形態では、基質供給は、流体流内に浮遊する固体で提供され得、さらに別の実施形態では、反応物流体流は、固体、液体、及び気体を含み得る。
【０１４２】
一実施形態では、本明細書で説明される任意の実施形態またはその実施例による電気化学フローセルまたは連続フロー電気化学管状反応器を含む流体流の電気化学処理の方法が提供される。
【０１４３】
上記の方法は、静的ミキサ電極及び対電極にわたり直流を印加して、静的ミキサ電極の表面上に金属及び／または金属化合物を含む固体堆積物を形成することにより、流体流から溶存金属イオンを除去するものであり得る。方法は、鉱山テーリングから得られた流体流から金属を回収するものであり得る。方法は、反応器システムに関して前述されたように、並列及び／または直列で作動することを含み得る。一実施形態では、方法は、直列で行われる。
【０１４４】
一実施例では、方法は、少なくとも第１の連続フロー電気化学管状反応器及び第２の連続フロー電気化学管状反応器を含み、各反応器は、透過膜が静的ミキサ電極を対電極から分離し、一方の電極を収容する内側同軸流路と、他方の電極を収容する外側同心円流路とを画定し、各流路は少なくとも１つの入口及び少なくとも１つの出口を有するように、構成される。方法は、第１の管状反応器の静的ミキサ電極上に金属を積載すると同時に、逆の電極極性の第２の反応器を直列で提供して、第２の管状反応器の静的ミキサ電極上に前に積載された金属を除去することを可能にし得る。
【０１４５】
この上記の方法のさらなる実施例では、第１の流体流は、第１の管状反応器の内側同軸流路に導入され、その流出は、第２の管状反応器の外側同心円流路に導入され得る。第２の流体流は、第１の管状反応器の外側同心円流路に同時に導入され、その流出は、第２の管状反応器の内側同軸流路に導入され得る。第１の管状反応器は、第１の静的ミキサ電極を還元状態にして、固体金属種を蓄積するように作動し、第２の管状反応器は、第２の静的ミキサ電極を酸化状態にして、表面上に存在する全ての金属種を除去するように作動し得る。
【０１４６】
本明細書で説明される様々な実施形態または実施例による電気化学フロー反応器及びそのシステムの別の利点は、電気化学フローセルまたは管状反応器は、分解してカソードを交換する必要がなく、並びに、電流を切り替える及び異なる流体流で切り替えることにより、直列または逆モードで作動して、還元反応のカソードである静的ミキサ電極上に形成された金属、金属化合物、また他の金属含有生成物を除去する、柔軟性をもたらすことである。
【０１４７】
本開示はまた、１つ以上の流体反応物の反応により生成物を合成するプロセスを提供し、プロセスは、
本明細書で説明される実施形態または実施例のうちのいずれかによる静的ミキサ電極またはシステムを備える連続フロー電気化学反応器を提供することと、
少なくとも第１の流体反応物を、反応物入口を介して反応器に提供することと、
静的ミキサ電極を介して少なくとも第１の流体流反応物の流れ及び反応をもたらすように、反応器またはその制御手段を作動させることと、
少なくとも第１の反応物の反応の生成物を含む流出流を得ることと、
のステップを含む。
【０１４８】
電流の流れ、圧力、並びに材料及び反応物の濃度／量など、プロセスで使用される様々なパラメータ及び条件は、合成される生成物、関与する電気化学反応または仕組み、反応物源、または使用される反応器の種類、並びにその材料及び構成を含むプロセスの変動の範囲に応じて、選択され得ることが理解されよう。例えば、１つ以上の流体反応物または共溶媒（例えば不活性担体）などが、気体、液体、固体、またはこれらの組み合わせである場合では、差異が存在する。
【０１４９】
電気化学フロー反応器は、１μＡ  ｍ−２〜約１０００Ａ  ｍ−２の範囲の電流密度で、いずれかの電極に作動し得る。電流密度は、例えば、約１０００、５００、２００、１００、５０、２０、１０、５．０、２．０、１．０、０．５、０．２、０．１、０．０５、０．０２、０．０１、０．００５、０．００２、０．００１、０．０００５、０．０００２、０．０００１、０．００００５、０．００００２、０．００００１、０．０００００５、０．０００００２、または０．０００００１（Ａ  ｍ−２単位）未満であり得る。電流密度は、例えば、約０．０００００２、０．０００００５、０．００００１、０．００００２、０．００００５、０．０００１、０．０００２、０．０００５、０．００１、０．００２、０．００５、０．０１、０．０２、０．０５、０．１、０．２、０．５、１．０、２．０、５．０、１０、２０、５０、１００、２００、または５００（Ａ  ｍ−２単位）を超え得る。電流密度は、上記の値のうちのいずれかから選択された２つの値の任意の範囲で提供され得る。様々な用途及び構成が、異なる電流密度を印加し得ることが理解されよう。
【０１５０】
いくつかの実施例では、電極にわたり印加される電圧は、約２．０、１．８、１．６、１．４、１．２、１．０、０．８、０．６、０．４、または０．２未満であり得る。いくつかの実施例では、電極にわたり印加される電圧は、少なくとも約０．２、０．４、０．６、０．８、１．０、１．２、１．４、１．６、または１．８であり得る。電圧は、これらの上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つにより提供される範囲内であり得る。
【０１５１】
一実施例では、電気化学フロー反応器の動作性能は、その回収効率により測定され得る。回収効率には、電気化学フローセルにより流体から除去され得る、流体内に存在する溶存金属種などの粒子種（例えば汚染物質）の量が含まれる。一実施例では、流体から回収される（または除去される）汚染物質の％で測定される回収効率は、少なくとも５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８、または９９である。いくつかの実施例では、回収効率のうちのいずれも、約４８時間、３６時間、２４時間、１２時間、６時間、３時間、２時間、または１時間未満の期間にわたる連続運転（例えばリサイクルループ反応器での再循環）により、もたらされ得る。別の実施例では、溶存金属種（例えば銅種）などの粒子種（例えば汚染物質）は、粒子種が約１、０．５、０．１、０．０５、０．０１、０．００５、０．００１、０．０００５、０．０００１、０．００００５、または０．００００１（ｍｏｌ／Ｌ単位）未満の濃度で流体内に存在する場合、流体から除去され得る。別の実施例では、溶存金属種などの粒子種（例えば汚染物質）は、粒子種が０．０００１、０．０００５、０．００１、０．００５、０．０１、０．０５、０．１、または０．５（ｍｏｌ／Ｌ単位）を超える濃度で流体内に存在する場合、流体から除去され得る。これらの上限範囲及び／または下限範囲のうちのいずれか２つの間の濃度で、粒子種は除去され得る。上記の回収効率及び／または再循環期間は、これらの粒子種（例えば汚染物質）濃度のうちのいずれにも適用され得る。例えば、反応器、システム、またはその方法の動作性能により、初期濃度が約０．０１ｍｏｌ／Ｌ未満の流体から、溶存金属種の少なくとも約５０％の回収効率がもたらされ得る。別の実施例では、初期濃度が約０．００５ｍｏｌ／Ｌ未満の流体からは、回収効率は、溶存金属種の少なくとも約６０％となり得る。別の実施例では、初期濃度が約０．００１ｍｏｌ／Ｌ未満の流体からは、回収効率は、溶存金属種の少なくとも約７０％となり得る。別の実施例では、初期濃度が約０．０００５ｍｏｌ／Ｌ未満の流体からは、回収効率は、溶存金属種の少なくとも約８０％となり得る。別の実施例では、初期濃度が約０．０００１ｍｏｌ／Ｌ未満の流体からは、回収効率は、溶存金属種の少なくとも約９０％となり得る。
【０１５２】
別の実施例では、溶存金属種（例えば銅種）などの粒子種（例えば汚染物質）は、粒子種が約１０００、７５０、５００、２５０、１００、７５、５０、２５、１０、５、または１（ｐｐｍ単位）以下の初期濃度で流体内に存在する場合、流体から除去され得る。別の実施例では、溶存金属種などの粒子種（例えば汚染物質）は、粒子種が約５、１０、２５、５０、７５、１００、２５０、５００、７５０、または１０００（ｐｐｍ単位）以上の初期濃度で流体内に存在する場合、流体から除去され得る。これらの上限範囲及び／または下限範囲のうちのいずれか２つの間の流体内初期濃度で、粒子種は除去され得る。一実施例では、流体から回収される（または除去される）汚染物質の％で測定される回収効率は、少なくとも５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９６、９７、９８、または９９である。いくつかの実施例では、回収効率のうちのいずれも、約４８時間、３６時間、２４時間、１２時間、６時間、３時間、２時間、または１時間未満の期間にわたる連続運転（例えばリサイクルループ反応器での再循環）により、もたらされ得る。上記の回収効率及び／または再循環期間は、これらの粒子種（例えば汚染物質）濃度のうちのいずれにも適用され得る。例えば、反応器、システム、またはその方法の動作性能により、約３時間未満の連続運転中に、初期濃度が溶存金属種の約１００ｐｐｍの流体から、溶存金属種の少なくとも約５０％の回収効率がもたらされ得る。別の実施例では、約２４時間未満の連続運転中に、初期濃度が約１００ｐｐｍの流体からは、回収効率は、溶存金属種の少なくとも約９５％となり得る。
【０１５３】
プロセスに関連する温度（℃）は、−５０〜４００の範囲、またはその間の任意の整数もしくは任意の整数の範囲であり得る。例えば、温度（℃）は、少なくとも−５０、−２５、０、２５、５０、７５、１００、１５０、２００、２５０、３００、または３５０であり得る。例えば、温度（℃）は、約３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、または５０未満であり得る。温度はまた、これらの値のうちのおよそいずれか、またはこれらの値のうちのいずれかの範囲、例えば約０〜２５０℃、約２５〜２００℃、または約５０〜１５０℃の範囲などで提供され得る。
【０１５４】
一実施形態では、プロセスは、少なくとも０．０１、０．１、１、５、５０、１００、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、５５０、６００、６５０、７００、７５０、８００、８５０、９００、９５０、１０００、１１００、１２００、１３００、１４００、１５００、１６００、１７００、１８００、１９００、２０００、２５００、３０００、３５００、４０００、４５００、５０００、５５００、６０００、６５００、７０００、７５００、８０００、８５００、９０００、９５００、１００００、１１０００、１２０００、１３０００、１４０００、または１５０００のＲｅを提供するように動作し得る。プロセスは、約０．１〜２０００、１〜１０００、１０〜８００、または２０〜５００のＲｅ範囲で動作し得る。プロセスは、約１０００〜１５０００、１５００〜１００００、２０００〜８０００、または２５００〜６０００のＲｅ範囲で動作し得る。プロセスは、上記の「少なくとも」の値のうちのいずれか２つにより提供されるＲｅ範囲で、動作し得る。
【０１５５】
一実施形態では、プロセスは、少なくとも１００、１０００、２０００、５０００、１００００、１５０００、２００００、２５０００、５００００、７５０００、１０００００、２５００００、５０００００、１０６、または１０７のペクレ（Ｐｅ）値で動作し得る。プロセスは、約１０８、１０７、１０６、５０００００、２５００００、１０００００、７５０００、５００００、２５０００、２００００、１５０００、１００００、５０００、２０００、または１０００未満のペクレ（Ｐｅ）値で動作し得る。プロセスは、約１０３〜１０８、１０３〜１０７、または１０４〜１０６のＰｅ範囲で動作し得る。プロセスは、上記の上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つの間のＰｅ範囲で動作し得る。
【０１５６】
プロセスにより、静的ミキサ電極にわたる圧力降下（すなわち背圧）（Ｐａ／ｍ単位）は、約０．１〜１，０００，０００Ｐａ／ｍ（すなわち１ＭＰａ／ｍ）の範囲となり得、これには、当該範囲間の任意の値または任意の値の範囲が含まれる。例えば、静的ミキサ電極にわたる圧力降下（Ｐａ／ｍ単位）は、約５００，０００、２５０，０００、１００，０００、５０，０００、１０，０００、５，０００、１，０００、７５０、５００、２５０、１００、７５、５０、２５、２０、１５、１０、または５Ｐａ／ｍ未満であり得る。例えば、静的ミキサ電極にわたる圧力降下は、少なくとも約１０、１００、１０００、５，０００、１０，０００、５０，０００、１００，０００、または２５０，０００（Ｐａ／ｍ単位）であり得る。静的ミキサ電極にわたる圧力降下（Ｐａ／ｍ単位）は、上記の上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つの範囲で提供され得る。
例えば、一実施形態では、静的ミキサ電極にわたる圧力降下は、約１０〜２５０，０００、１００〜１００，０００、または１，０００〜５０，０００（Ｐａ／ｍ単位）の範囲であり得る。これに関して、本明細書に説明される静的ミキサ電極、反応器、システム、及びプロセスは、産業用途に好適なパラメータで提供され得る。上記の圧力降下またはその範囲は、体積流量が少なくとも０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、１００、５００、１０００ｍｌ／分である場合に提供され得る。
【０１５７】
一実施形態では、体積流量は、少なくとも０．１、０．５、１、１．５、２、２．５、３、３．５、４、４．５、５、６、７、８、９、１０、２０、３０、４０、５０、７５、１００、１２５、１５０、２００、２５０、３００、３５０、４００、４５０、５００、６００、７００、８００、９００、または１０００ｍｌ／分で提供され得る。別の実施形態では、体積流量は、約１０００、９００、８００、７００、６００、５００、４５０、４００、３５０、３００、２５０、２００、１５０、１００、７５、５０、４０、３０、２０、１０、または５ｍｌ／分未満で提供され得る。流量は、これらの上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つにより提供される範囲、例えば約５０〜４００、１０〜２００、または２０〜２００の範囲であり得る。
【０１５８】
プロセスは、静的ミキサまたは反応器での平均滞留時間を約０．１秒〜約６０分の範囲で伴い得る。平均滞留時間は、例えば、約６０分、４５分、３０分、１５分、１０分、５分、１分、３０秒、１０秒、または５秒未満であり得る。平均滞留時間は、例えば、約１秒、５秒、１０秒、３０秒、１分、５分、１０分、１５分、３０分、または４５分を超え得る。平均滞留時間は、これらの上記の値のうちのいずれか２つから選択された範囲で提供され得る。例えば、平均滞留時間は、５秒〜１０分、１秒〜５分、または１分〜６０分の範囲であり得る。
【０１５９】
プロセスは、少なくとも５、１０、１５、２０、２５、３０、３５、４０、４５、５０、５５、６０、６５、７０、７５、８０、８５、９０、９５、９８、または９９のファラデー効率（対象の反応に関与する通過電荷％）を提供し得る。プロセスは、９９、９８、９５、９０、８５、８０、７５、７０、６５、６０、５５、５０、４５、４０、３５、３０、２５、２０、１５、または１０未満のファラデー効率（対象の反応に関与する通過電荷％）を提供し得る。プロセスは、上記の上限値及び／または下限値のうちのいずれか２つにより提供される範囲のファラデー効率（対象の反応に関与する通過電荷％）を提供し得る。
【０１６０】
陽極液流及び／または陰極液流は、任意の好適な溶媒、電気活性種、及び支持電解質を含み得る。溶存粒子種の濃度は、十憶分の一から、粒子種の溶解度限度（１リットルあたり数十モル）まで、様々であり得る。溶存粒子種に加えて、流体流はまた、未溶解固体（例えば流体流内に浮遊する固体）、不混和液体、及び不溶気体の任意の組み合わせで、複数の様相を含み得る。従って、流体流は、水性または非水性溶媒、分子溶媒、溶融塩、イオン液体、超臨界溶媒、またはこれらの混合物を含み得る。溶存粒子種は、液体内でイオン、分子、または実質的にイオン対になり得る。それらは、溶解した固体、気体、混和液体、またはこれらの混合物であり得る。他の存在する様相は、浮遊固体またはゲル、有機または無機ポリマー、天然物、あるいはこれらの混合物であり得る。これらは、流れの作用及び／または電気化学活性により意図的に導入または生成された気体または蒸気であり得る。別の例では、流体は、液体、あるいは固体の溶解及び／または浮遊を含む液体などの複合液体である。
【０１６１】
一実施形態では、本明細書で説明される任意の態様、実施形態、またはその実施例による、電気化学フローセル、またはそのシステムを含む、流体流から粒子種を除去する方法が提供され得る。粒子種は、流体流に溶存する金属種であり得る。電気化学フローセルの性能に関する上記の実施形態または実施例のうちのいずれかが、この実施形態に適用され得ることが理解されよう。
【実施例】
【０１６２】
下記の実施例により、本開示がさらに説明される。下記の説明は、単に特定の実施形態を説明するためのものであり、上記の説明に関して制限する意図はないことを理解されたい。
【０１６３】
実験例１
電気化学フロー反応器が用意され、これは、セパレータ２００（図２）に加えて、セルへ流れ込む電解質を制御する蠕動ポンプ１２０（複数可）（リモートＩ／Ｏ付きＭａｓｔｅｒｆｌｅｘ  Ｌ／Ｓ可変速ドライブ、６００ｒｐｍ）を含む液体供給ラインと、セルを通して流れる印加された電気化学的な電位／電流を制御する電源１１０（オランダＵｔｒｅｃｈｔのＭｅｔｒｏｈｍ  Ａｕｔｏｌａｂ  ＢＶのＡｕｔｏｌａｂ  ３０２Ｎポテンシオスタット）とを備える。
【０１６４】
作用電極として付加製造された金属静的ミキサ電極（ＳＭＥ）１０４、２０４が、作業区画を画定する分離モード構成の管状多孔質ポリマーセパレータ２０２（米国のＧｅｎＰｏｒｅ  Ｒｅａｄｉｎｇ）内に、密接に取り付けられた。流体の流れをつなぐために、電極の両端にある２つのポートは構造に組み込まれている。これらの管を介して、流体が作業区画に流入する。全ての静的ミキサと同様に、溶液の推進力は、ミキサ表面の多数の角度の付いた面を通って流れることで、混合を引き起こす。この特定の実験におけるガラス状炭素でできた不活性管状対電極１０２は、セパレータから少しの距離で作業区間を囲み、低容量の対電極区画を作り、セルの外側筐体を形成した。アセンブリ全体は、２つの端部キャップ５００を使用して密閉されている（図４ａ、４ｂ、及び４ｃ）。端部キャップ内に機械加工されたポート１４４は、対電極区画内に流体の流れを提供する。この構成により、実験で必要な場合、２つの区間で異なる流体を使用することが可能となる。
【０１６５】
セルの作業効率は、様々な流量で測定された限界電流を、同じ溶液での回転ディスク電極（ＲＤＥ）の結果と比較することにより、評価され得る。これらの比較は、性能の有用な指標であり、静的ミキサ表面での流体力学条件について任意の結論を引き出すためには使用されない。
【０１６６】
本電気化学フロー反応器の２つの構成の性能を評価するために、白金被覆された静的ミキサ電極（すなわち作用電極）と、ガラス状炭素管（すなわちアノード）を使用して、支持電解質である０．５Ｍの塩化カリウム内でのフェリシアン化物（［Ｆｅ（ＣＮ）６］３＋）溶液（１０−３〜１０−１Ｍ）の電気化学還元を調査する一連の実験が実施された。反応器の分離構成での典型的な還元反応は、以下のように実施された。
【０１６７】
クロノアンペロメトリ測定は、セルに対し−１．４Ｖ、−１．６Ｖ、−１．８Ｖ、及び−２Ｖが１００秒間印加される電位ステップで実施され、セルは、前半５０秒間は静止モード（すなわち０ｍＬ  ｍｉｎ−１）で作動し、後半５０秒間は１０〜４００ｍＬ  ｍｉｎ−１の定流量で作動する（図７〜図９）。定常電流は、全ての流量で観察され、流量を増やすことにより、記録された電流は、全ての電位ステップで増加した。記録された電流は電位の増加と共に増加したが、−１．８Ｖ及び−２Ｖを印加すると、フローセルを出る溶液内にある程度の気泡が観察された。この実験設定のこれらのより高い電位では、［Ｆｅ（ＣＮ）６］３＋の還元に加えて水素放出がカソードで起こり、これは分析を複雑にし得る。
【０１６８】
実験結果により、反応が物質移動により制限される低濃度の電気活性イオン（すなわち０．００１及び０．０１Ｍの［Ｆｅ（ＣＮ）６］３＋）では、電気化学フローセル構成は反応速度を大幅に向上させることが示された。反応が物質移動及び反応速度因子（混合制御）により制御される高濃度（すなわち０．１Ｍの［Ｆｅ（ＣＮ）６］３＋）では、静的ミキサ電極を使用すると１．５〜３．７倍早くなり、反応速度の向上は小さい。
【０１６９】
実験例２
０．０１ＭのＨ２ＳＯ４内に１０〜１００ｐｐｍのＣｕ２＋を含む酸性汚染液から銅イオンを除去する場合の電気化学フローセルの効率が、電気化学フローセルの分離構成の実施形態で、ステンレス鋼静的ミキサ電極（すなわち作用電極）とガラス状炭素菅（すなわちアノード）とを使用して、１０〜１０００ｍＬ  ｍｉｎ−１の範囲の流量で、評価された。図１０に示されるように、５０ｍＬ  ｍｉｎ−１を超えて流量を増加させると、電気活性イオンが作用電極の表面上で還元反応を完了するための滞留時間が減ったことが原因で、除去効果は低下した（図１０ａ）。一方で、流量を増加させると、作用電極を通過する電荷が増加し、これに応じて電流回復が増加した（図１０ｂ）。ただし、電気活性イオンの電極表面での滞留時間が減ることに起因して効率が低下する点を超えるまでは、流量を増やすことは効率的である。
【０１７０】
実験例３
電気化学フローセルが一定量の汚染された水溶液から銅イオンをいかに効果的に除去できるかを示すために、網羅的な電気分解実験も行われた。銅汚染された２リットルの水溶液（すなわち０．０１ＭのＨ２ＳＯ４内に１００ｐｐｍのＣｕＳＯ４．４Ｈ２Ｏ）が、電気化学フローセルを使用して、２４時間５０ｍＬ  ｍｉｎ−１の一定流量で処理された。光学画像及びＳＥＭ／ＥＤＳの結果により、静的ミキサ作用電極上に銅イオンの堆積が確認され（図１１）、ＩＣＰ−ＭＳ結果により、電気化学フローセルの分離構造において２４時間で９９．７％の銅濃度減少が達成されたことが示された（図１２）。
【図１】
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【図２】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図３Ｃ】
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【図３Ｄ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】令和2年1月16日(2020.1.16)
【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】
反応チャンバと、
第１の電極と、
第２の電極と、
前記第１の電極と前記第２の電極との間に配置されたセパレータとを備える電気化学フローセルであって、
前記セパレータは、第１の流体流を前記第１の電極と接触させて収容するように構成された前記反応チャンバ内の第１のチャネルと、第２の流体流を前記第２の電極と接触させて収容するように構成された前記反応チャンバ内の第２のチャネルとを、少なくとも部分的に画定し、
前記セパレータは、前記流体流を介して前記第１の電極と前記第２の電極との電気的連通を可能にすると同時に、前記流体流間の流体交換を制限する透過膜を備え、
前記第１の電極は、前記第１の電極の長さに沿った複数の位置で前記第１の流体流を複数の支流に分割する複数の分割構造を画定する導電性の静的ミキサ部を備える静的ミキサ電極である、
前記電気化学フローセル。
【請求項２】
前記電気化学フローセルは、連続フロー管状反応器である、請求項１に記載の電気化学フローセル。
【請求項３】
前記静的ミキサ電極は、前記連続フロー管状反応器の軸に実質的に沿って同軸状に整列される、請求項２に記載の電気化学フローセル。
【請求項４】
前記静的ミキサ電極の骨格は、導電性である、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項５】
前記骨格は、金属または金属合金である、請求項４に記載の電気化学フローセル。
【請求項６】
前記静的ミキサ電極は、導電性被覆を有する、請求項１〜５のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項７】
前記静的ミキサ電極は、物質移動及びカオス的移流を向上させるように構成された複数の通路区分を画定する導電性一体型骨格を備える、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項８】
前記第１の電極の前記静的ミキサ部の直径は、前記第１のチャネルの直径にほぼ等しい、請求項１〜７のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項９】
前記第１の電極は、前記セパレータと接触して配置される、請求項１〜８のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１０】
前記セパレータ及び前記第２の電極は、前記第１の電極の中心長手方向軸と同心円状かつ同軸状に配置される、請求項１〜９のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１１】
前記セパレータ及び前記第２の電極は、略円筒形である、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１２】
前記第２の電極は、前記反応チャンバの壁の少なくとも一部を形成する、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１３】
前記静的ミキサ部を備える前記第１の電極は、前記第１のチャネル内で、少なくとも約０．１ｍｌ／分の前記第１の流体流の体積流量を提供して作動するように構成される、請求項１〜１２のいずれか１項に記載の電気化学フローセル。
【請求項１４】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の少なくとも第１の電気化学フローセルを備える、電気化学フローシステム。
【請求項１５】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の第２の電気化学フローセルと、
前記第１の電気化学フローセルの前記第１のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第２のチャネルと流体連通し、前記第１の電気化学フローセルの前記第２のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第１のチャネルと流体連通するように、前記第１の電気化学フローセルを前記第２の電気化学フローセルに接続する複数のフローラインと、
をさらに備える、請求項１４に記載の電気化学フローシステム。
【請求項１６】
前記流体流の流動性フローを提供するポンプと、
前記電極を流れる電流または前記電極に印加される電圧を制御する電源と、
濃度、流量、温度、圧力、及び滞留時間を含む前記システムの１つ以上のパラメータを制御するコントローラと、
をさらに備える、請求項１４または１５に記載の電気化学フローシステム。
【請求項１７】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気化学フローセル、または請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のシステムを含む流体流の電気化学処理の方法。
【請求項１８】
第１の流体流及び第２の流体流は、液体を含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
廃水処理、流体流からの溶存金属イオンの除去、または流体流からの金属回収を行う、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２０】
前記第１の流体流から溶存金属種の除去を行う前記方法であって、前記金属種の前記除去は、前記第１の電極の前記静的ミキサ部の表面上で行われる、請求項１７または１８に記載の方法。
【請求項２１】
前記静的ミキサ部を含む前記第１の電極を備える前記電気化学フローセルは、２００ｍ−１より多く前記第１の流体流を分割することにより、カオス的移流を向上させるように作動し、前記２００ｍ−１は、前記第１の流体流を前記第１の電極の前記静的ミキサ部に沿って所与の長さ内で分割する回数に対応する、請求項１７〜２０のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２２】
前記静的ミキサ部を含む前記第１の電極を備える前記電気化学フローセルは、少なくとも約１０，０００のペクレ（Ｐｅ）数を提供するように作動する、請求項１７〜２１のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２３】
前記電気化学フローセルは、少なくとも約０．１ｍｌ／分の前記第１の流体流の体積流量を提供するように作動する、請求項１７〜２２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２４】
前記第１の流体流は、約０．０１（ｍｏｌ／Ｌ単位）未満の濃度の溶存金属種を含む、請求項１７〜２３のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２５】
前記電気化学フローセルは、前記第１の流体流内の汚染物質または金属種の回収効率が、前記第１の流体流内に最初に存在する前記汚染物質または前記金属種の少なくとも約９０％となるように作動する、請求項１７〜２４のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２６】
前記電気化学フローセルは、前記静的ミキサ電極及び前記対電極に対し、１μＡ  ｍ−２〜約１０００Ａ  ｍ−２の範囲の電流密度を提供するように作動する、請求項１７〜２５のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２７】
前記第１の電気化学フローセルの前記第１のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第２のチャネルと流体連通し、前記第１の電気化学フローセルの前記第２のチャネルが前記第２の電気化学フローセルの前記第１のチャネルと流体連通するように、複数のフローラインは、前記第１の電気化学フローセルを前記第２の電気化学フローセルに接続する、請求項１〜１３のいずれか１項に記載の第１の電気化学フローセル及び第２の電気化学フローセルの動作を含む請求項１７〜２６のいずれか１項に記載の方法。
【請求項２８】
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の電気化学フローセル、または請求項１４〜１６のいずれか１項に記載のシステムを含む製品の電気化学合成の方法。
【国際調査報告】
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