电化学系统中的CO₂利用的制作方法

专利名称：电化学系统中的CO₂利用的制作方法
电化学系统中的CO2利用交叉引用本申请要求2008年7月16日提交的名称为“Low Energy pH Modulation for Carbon Sequestration Using Hydrogen Absorptive Metal Catalysts (使用氧吸收性 金属催化剂的碳封存的低能量PH调节)”的共同转让和共同待审的美国临时专利申请 no. 61/081，299，代理人案号no. CLRA-010PRV的优先权，其全文经此引用并入本文。本申请要求2008年8月25日提交的名称为“Low Energy Absorption of Hydrogen Ion from an Electrolyte Solution into a Solid Material (氛离子从 电解质溶液低能量吸收到固体材料中)”的共同转让和共同待审的美国临时专利申请 no. 61/091，729，代理人案号no. CLRA-013PRV的优先权，其全文经此引用并入本文。本申请要求2009年7月1日提交的名称为“C02 Utilization In Electrochemical Systems (电化学系统中的CO2利用)，，的共同转让和共同待审的美国临 时专利申请no. 61/222，456，代理人案号no. CLRA-037PRV的优先权，其全文经此引用并入 本文。本申请是2009年6月25 日提交的名称为“Low Energy 4-Cell Electrochemical System with Carbon Dioxide Gas (使用二氧化碳气体的低能量4_电池电化学系统)”的 共同转让的PCT专利申请no. PCT/US09/48511的部分继续申请案并要求其优先权，其全文 经此引用并入本文。
背景技术：
在许多工业过程中，利用碱溶液中的大量氢氧离子实现所需反应，例如中和酸，或 缓冲溶液的PH值，或从溶液中沉淀不可溶的氢氧化物和/或碳酸盐和/或碳酸氢盐。氢氧 离子的一种制造方法是通过如全文经此引用并入本文的上述专利申请中公开的电化学系 统。在电化学制造氢氧离子时，使用大量电能；因此，非常需要使所用电能最小化。发明概述本发明涉及在将二氧化碳气体溶解在阴极电解质中的同时在阴极电解质中除去 质子和/或制造氢氧离子的低电压、低能量电化学系统和方法。在该系统中，在各种实施方 案中，将阴极电解质分隔成第一阴极电解质隔室和第二阴极电解质隔室以使这两个阴极电 解质隔室中的阴极电解质相互接触。但是，由于限制这两个阴极电解质隔室之间的气流，防 止向第一阴极电解质隔室提供的二氧化碳气体接触第二阴极电解质隔室中的阴极电解质。在该系统中，阴极接触第二阴极电解质隔室中的阴极电解质且阴极电解质和阳极 电解质都由水溶液构成。在该系统中，通过使二氧化碳吸收在阴极电解质中以形成碳酸根 和碳酸氢根离子以及影响该阴极电解质的PH，借助阳极和阴极之间相对较低的电压，例如 3V或更低，如2V或更低，或IV或更低的电压，在该阴极电解质中产生氢氧离子。在该系统中，阴极电解质中的水在阴极处被还原成氢气和氢氧离子。在阳极处，由 外部来源向阳极提供的氢气被氧化成氢离子。在一些实施方案中，将阴极处产生的氢气导 向阳极以便氧化成氢离子。在该系统中，在阳极和阴极之间施加低电压时，在阳极处不产生 气体，例如氧气或氯气。在该系统中，阳极处产生的氢离子迁移到阳极电解质中以在该阳极电解质中形成酸溶液；在该系统中，阴极处产生的氢氧离子迁移到阴极电解质中以在该阴 极电解质中产生碱溶液。在该系统中，向第一阴极电解质隔室中的阴极电解质提供的二氧化碳气体溶解产 生碳酸。根据该阴极电解质的PH，该阴极电解质中的碳酸离解成碳酸根离子和碳酸氢根离 子。因此，在该系统中，由于第一隔室中的阴极电解质可以与第二阴极电解质隔室中的阴 极电解质混合，这两个阴极电解质隔室中的阴极电解质混合会产生包含碳酸、氢氧离子和/ 或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子的阴极电解质。在该系统中，阴极和阳极之间的电压取决于若干因素，包括阳极电解质和阴极电 解质之间的PH值差以及阴极和阳极之间的欧姆电阻。因此，在各种实施方案中，通过控制 阴极电解质和阳极电解质之间的PH差，例如通过将或多或少的二氧化碳溶解在阴极电解 质中，该系统会在使阳极和阴极之间的电压最小化，由此使电能用量最小化的同时在阴极 电解质中产生氢氧离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。在一个实施方案中，本发明提供包含被隔板分隔成第一阴极电解质隔室和第二阴 极电解质隔室的阴极隔室的系统，其中，第二阴极电解质隔室中的阴极电解质与阴极接触， 且阳极隔室中的阳极电解质与阳极接触。在另一实施方案中，本发明提供包括将气体导入第一阴极电解质隔室中的阴极电 解质；和在接触与第一阴极电解质隔室隔开的第二阴极电解质隔室中的阴极电解质的阴极 和接触阳极电解质的阳极之间施加电压的方法。在各种实施方案中，通过将阴极电解质分隔成第一和第二阴极电解质隔室和通过 将二氧化碳气体限制到第一阴极电解质隔室中，限制二氧化碳气体与阴极和/或与阳极和 /或与该系统中的其它电解质之间的接触。因此，有利地，在该系统中，可以利用来自各种来 源的二氧化碳气体，包括来自工业废气，例如来自在发电厂中燃烧化石燃料和来自水泥厂 的二氧化碳。此外，通过将二氧化碳气体限制到第一阴极电解质隔室中，避免二氧化碳气体 与该系统中的其它气体的混合，例如二氧化碳与阴极处生成的氢气的混合或二氧化碳与向 阳极供应的氢气的混合。附图简述下列附图举例而非限制性阐述本系统和方法的实施方案。

图1是本系统的一个实施方案的图示。图2是本系统的一个实施方案的图示。图3是本系统的一个实施方案的图示。图4是阳极和阴极之间的电压vs.通过将CO2添加到阴极电解质中而实现的该阴 极电解质的PH值的图示。图5是本方法的一个实施方案的流程图。发明详述在下列详述中，除非另行指明，所有技术和科技术语具有与本发明所属领域的普 通技术人员的通常理解相同的含义。在本文中，所有引用的公开文献和专利全文经此引用 并入本文。在本文中，引述的
公开日可能不同于实际
公开日；因此，应该逐一确认实际公开 日。在本文中，除非文中明确地另行指明，单数形式“a”、“an”和“the”包括复数对象。在本文中，公开了示例性系统和方法，其中在阳极电解质和阴极电解质之间的一个隔室中使用氯化钠溶液在阴极电解质中制造氢氧化钠和/或碳酸钠离子和/或碳酸氢钠 和在阳极电解质中制造盐酸。但是，本领域普通技术人员会认识到，由于该系统和方法能够 使用同等盐溶液，例如硫酸钾水溶液等产生同等结果，该系统和方法不限于如这些示例性 实施方案中公开的那样使用氯化钠溶液。类似地，在该系统用的电解质的制备中，要认识 到，可以使用来自各种来源的水，包括海水、微咸水、盐水或天然存在的淡水，只要将该水提 纯至可用于该系统的程度。因此，就这类同等物具体体现本系统和方法而言，这些同等物在 所附权利要求的范围内。如全文经此引用并入本文的2008年7月16日提交的名称为“Low Energy pH Modulation for Carbon Sequestration Using HydrogenAbsorptive Metal Catalysts (使用氢吸收性金属催化剂的碳封存的低能量pH调节)，，的美国临时专利申请 No. 61/081, 299中所公开，在各种实施方案中，本系统的阳极和阴极可能包含贵金属、过渡 金属、钼族金属、元素周期表第1VB、VB、VIB或VIII族金属、这些金属的合金或这些金属 的氧化物。示例性材料包括钯、钼、铱、铑、钌、钛、锆、铬、铁、钴、镍、钯-银合金、钯-铜合 金。在各种实施方案中，可以用通过溅射、电镀、气相沉积或在阴极和/或阳极上制造反应 性涂层的任何便利方法形成的包含金属、金属合金或氧化物的反应性涂层涂布阴极和/或 阳极。在另一些实施方案中，该阴极和/或该阳极可包含被设计成提供选择性渗透和/或 某些化学品或氢氧离子的释放和/或防污保护的涂层。示例性涂层包括非金属聚合物；在 本文中的具体实施方案中，使用由20目Ni网(gauze)材料制成的阳极和由100目Pt丝网 材料制成的阴极。在各种实施方案中，例如通过将CO2鼓入电解质，向阴极隔室中的电解质中充入 co2。该CO2源可包括工厂废气，如化石燃料供能的发电厂的烟道气中的co2。在各种实施方 案中，该系统包括增强阴极电解质中的CO2吸收的气体混合器/气体吸收器。在一个实施 方案中，该气体混合器/气体吸收器包含一系列喷嘴，其产生液体平层(flat sheet)或幕 帘，使气体从中通过以便吸收；在另一实施方案中，该气体混合器/气体吸收器包含喷淋吸 收器，其制造雾，将气体导入其中以便吸收；可以使用其它市售气体/液体吸收器，例如可 获自Neumann Systems，Colorado，USA的吸收器。在运行中，该阴极和阳极隔室装有电解质 并在阴极和阳极.之间施加电压。在各种实施方案中，将电压调节至在阳极处不产生气体， 例如氯气或氧气的情况下在阴极处产生氢气的水平。在各种实施方案中，该系统包括促进 使阴极电解质富含氢氧离子和使阳极电解质富含氢离子的反应的阴极和阳极。阴极处的水还原产生氢氧离子，其迁移到阴极电解质中。围绕阴极的阴极电解质 中的氢氧离子生成可提高该阴极电解质的PH值。在各种实施方案中，该具有提高的pH值 的溶液就地使用或提取出并用在单独的反应中，例如用于如其中所述封存C02。根据阴极电 解质中氢氧离子生成速率与二氧化碳吸收速率的平衡，当在与由碳酸离解成碳酸根和碳酸 氢根离子而产生的质子的反应中消耗氢氧离子时，PH值可以保持相同或甚至降低。阳极处的氢气氧化导致在阳极处产生氢离子，其从阳极结构中解吸并迁移到围绕 阳极的电解质中，从而降低该阳极电解质的PH值。因此，可以通过控制阴极和阳极之间的 电压和使用由能够吸收或解吸氢离子的材料构成的电极来调节该系统中电解质的PH值。 在各种实施方案中，该方法在释放到环境中的CO2分子与生成的氢氧离子的比率低于1 1 的溶液中生成氢氧离子。
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在各种实施方案中，该系统包括被构造成将二氧化碳气体输送到第一阴极电解质 隔室中的入口系统；该二氧化碳包括来自化石燃料供能的发电厂、水泥厂等的废气的二氧 化碳。在各种实施方案中，输往该入口系统的二氧化碳气体可能包含其它气体，例如氮氧化 物(一氧化二氮、氧化一氮)和硫气体(二氧化硫、硫化氢)；在各种实施方案中，该系统包 括能在该气体用在阴极隔室中之前除去二氧化碳气体中的成分的气体处理系统。如全文经此引用并入本文的2008年8月25日提交的名称为“Low Energy Absorption of Hydrogen Ion from an Electrolyte Solution into a Sol id Material(氢离子从电解质溶液低能量吸收到固体材料中)”的美国临时专利申请 no. 61/091，729中所公开，本方法在一个实施方案中涉及氢离子从电解流体低能量吸收到 固体材料中。在一些实施方案中，构造氢离子转移元件以在该系统中的阴极电解质和阳极 电解质之间转移氢离子。在各种实施方案中，该方法涉及从阴极电解质中的碳酸氢根离子 或碳酸中除去质子。在各种实施方案中，使用包括储氢材料如钯膜、箔或膜的氢转移元件使 氢离子从一种电解质溶液转移到另一种。在各种实施方案中，氢离子获自质子给体，例如碳 酸、碳酸氢根离子、水等，并转移到第二电解质溶液中。在各种实施方案中，通过使电解质溶 液与CO2接触以从该溶液中存在的碳酸氢根离子中除去质子，制造氢离子和/或碳酸根离 子。在各种实施方案中，在使第一电解质溶液与CO2接触的同时使氢离子转移到第二电解 质溶液中能够实现第一电解质溶液中更高的碳酸氢根离子浓度。在各种实施方案中，该富集氢离子的阳极电解质可用于多种用途，包括溶解矿物 以制造用于封存二氧化碳的二价阳离子的溶液。在各种实施方案中，该电解电池包括阴极 和/或阳极，该阴极和/或阳极能够促进反应以从电解流体中的给体分子中除去来自电解 流体的氢离子，例如以使溶液富集氢氧离子或氢离子，其中所述给体分子包括碳酸、碳酸氢 根离子、水等。氢离子从溶液到阴极结构中的吸收在围绕阴极的溶液中产生过量氢氧离子。在各 种实施方案中，该阴极电解质可以就地使用或提取出并在独立的反应中用于多种用途，包 括如其中所述封存co2。在各种实施方案中，当布置为阳极时，可以从该结构中解吸氢离子 以在与该阳极接触的溶液中产生过量氢离子以降低该溶液的PH值。在一些实施方案中，例如通过将来自来源的CO2鼓泡进入电解质溶液，在半电池中 的电解质溶液中充入CO2的电离形式。CO2的电离形式包括碳酸氢根离子(HCO3-)和碳酸根 离子(αν2)。该二氧化碳源可以是例如，来自工厂的废料进料，如来自化石供以燃料的发 电厂或水泥厂的烟道气。可以用喷雾器或在一些实施方案中通过与水性液体喷雾接触来将 CO2引入该电解质溶液。在一些系统中，可以通过在除去氢时将CO2气体引入储器来使该储 器富含碳酸氢根和/或碳酸根离子。在一些系统中，可以冲洗储器内的电解质溶液以防止 氢离子积聚在该储器中，这会阻碍氢离子在两个储器之间连续转移。在一些实施方案中，在 阳极和阴极之间施加的电压低于1. 24伏或低于1. 0伏。该半电池可以包括混合器以助于 CO2吸收和溶解到电解质溶液中。在各种实施方案中，可以使用导电电解质溶液作为该储器 内的电解质溶液，和在一些实施方案中，该电解质溶液包含海水、盐水或微咸水。如本文所公开，在各种实施方案中，在将二氧化碳溶解在第二阴极电解质隔室中 的阴极电解质中的同时，通过在阴极和阳极之间施加例如低于3V，如低于2V，或低于IV或 低于0. 8V或低于0. 6V或低于0. 4V的相对较低的电压，在第一阴极电解质隔室中的阴极电解质中产生氢氧离子。在各种实施方案中，在与阴极接触的阴极电解质中由水产生氢氧离 子，并通过将二氧化碳气体溶解在第一阴极电解质隔室中的阴极电解质中来在第一阴极电 解质隔室中的阴极电解质中产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。在各种实施方案中，第一阴极电解质隔室中的阴极电解质与第二阴极电解质隔室 中的阴极电解质接触。第一阴极电解质隔室中的阴极电解质可包含气体或溶解在阴极电解 质中的气体。例如，该二氧化碳以二氧化碳气体形式和/或以在阴极电解质中的溶解的二 氧化碳形式存在。在各种实施方案中，该二氧化碳气体与第二阴极电解质隔室中的阴极电 解质隔离。在各种实施方案中，第一阴极电解质隔室中的阴极电解质包含氢氧离子、碳酸、碳 酸根离子和/或碳酸氢根离子。类似地，第二阴极电解质隔室中的阴极电解质包含溶解的 二氧化碳。在另一些实施方案中，第二阴极电解质隔室中的阴极电解质包含氢氧离子、碳 酸、碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。在各种实施方案中，该系统被构造成借助在阳极和阴极之间施加的低于2V的电 压在第二阴极电解质隔室中产生氢氧离子。该系统还被构造成在阴极处产生氢气。在各种 实施方案中，该系统在阳极处不产生气体；但是，该系统被构造成使氢氧离子从第二阴极电 解质隔室迁移到第一阴极电解质隔室中。在另一些实施方案中，该系统包含被构造成将将 阴极处产生的氢气导向阳极的氢气输送系统。在一个实施方案中，该第一阴极电解质隔室 有效地连接到包含二氧化碳的工业废气系统。在各种实施方案中，该二氧化碳来自化石燃 料燃烧。在另一些实施方案中，该阴极隔室有效地连接到废气处理系统，其中该废气系统 包含二氧化碳。在另一些实施方案中，该阴极隔室有效地连接到氢氧化物、碳酸盐和/或碳 酸氢盐沉淀系统。在各种实施方案中，该沉淀系统被构造成利用该阴极电解质制造氢氧化 物、碳酸盐和/或二价阳离子碳酸氢盐。在各种实施方案中，该阳极和阴极有效地连接到非 高峰电力供应系统。在各种实施方案中，该系统包含位于阳极隔室和阴极隔室之间的离子交换膜。在 各种实施方案中，该离子交换膜包含将第二阴极电解质隔室中的阴极电解质与第三电解质 隔开的阳离子交换膜。在各种实施方案中，该离子交换膜包含将阳极电解质与第三电解质 隔开的阴离子交换膜。在各种实施方案中，该第三电解质包含钠离子和氯离子；该系统被构造成使钠离 子从第三电解质穿过阳离子交换膜迁移到阴极电解质中，和使氯离子从第三电解质穿过阴 离子交换膜迁移到阳极电解质中。在各种实施方案中，该系统被构造成在阴极电解质中产生氢氧化钠；该系统也被 构造成在阴极电解质中产生氢氧化钠、碳酸钠和/或碳酸氢钠。在各种实施方案中，该系统 被构造成在第三电解质中产生部分脱盐水；且该部分脱盐水有效地连接到水处理系统。在 另一些实施方案中，将阴极电解质有效地连接到被构造成将二氧化碳溶解在阴极电解质中 的第一二氧化碳气/液接触器；该系统被构造成在阳极和阴极电解质之间产生0至14或更 大PH单位的pH差。在各种实施方案中，通过该方法，在第一阴极电解质隔室中产生氢氧离子、碳酸、 碳酸根离子和/或碳酸氢根离子；且在第二阴极电解质隔室中产生碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。在各种实施方案中，在阴极处产生氢气且在阳极处产生氢离子。在各种实施方案中，通过该方法，在阳极处不产生气体；但是，在阴极处产生氢气 并在一些实施方案中导向阳极。在各种实施方案中，阳极和阴极之间的电压低于2V。通过 该方法，使钠离子从第三电解质穿过阳离子交换膜迁移到阴极电解质中，和使氯离子从第 三电解质穿过阴离子交换膜迁移到阳极电解质中。通过该方法，在阴极电解质中制造碳酸 钠、碳酸氢钠或氢氧化钠，并在阳极电解质中制造盐酸。通过该方法，在阳极电解质中制成 的酸用于溶解镁铁质矿物和/或纤维素材料。通过该方法，在第三电解质中产生部分脱盐水。在一个实施方案中，通过使阴极电 解质与包含二价阳离子、例如钙和镁离子的溶液接触来制造二价阳离子氢氧化物、碳酸盐 和/或碳酸氢盐化合物。在一个实施方案中，该方法包括提取第一部分阴极电解质；将二氧 化碳溶解在该第一部分阴极电解质中以制造第一富集的碳酸化阴极电解质；和用该第一富 集的碳酸化阴极电解质补充阴极电解质的步骤。在另一些实施方案中，该方法包括提取第 二部分阴极电解质；将二氧化碳溶解在该第二部分阴极电解质中以制造第二富集的碳酸化 阴极电解质；和使该第二富集的碳酸化阴极电解质与二价阳离子溶液接触以制造二价阳离 子碳酸盐的步骤。在各种实施方案中，该方法包括在阴极和阳极之间施加非高峰电力供应 以在阳极和阴极之间提供电压。通过该系统和方法，由阴极电解质中的水在阴极处产生氢气。在各种实施方案中， 在阳极处不产生气体，例如氧气或氯气；在各种实施方案中，向阳极提供来自外部来源的氢 气，在此将其氧化成氢离子，其迁移到阳极电解质中以在阳极电解质中制造酸。在各种实施方案中，在第二阴极电解质隔室中在阴极处产生的氢氧离子迁移到阴 极电解质中并可能调节该阴极电解质的PH，例如，根据从该系统中移除阴极电解质的速率， 该阴极电解质的PH值可提高、降低或保持相同。在各种实施方案中，根据该阴极电解质的 PH和二氧化碳在第一阴极电解质隔室中的溶解速率，与第一阴极隔室中的阴极电解质接触 的二氧化碳气体会溶解在该阴极电解质中以产生碳酸，其可根据该阴极电解质的pH值离 解成碳酸氢根离子和碳酸根离子。因此，在各种实施方案中，由于第一和第二阴极电解质隔 室中的阴极电解质可互混，该阴极电解质可能含有碳酸、氢氧离子和/或碳酸根离子和/或 碳酸氢根离子。在各种实施方案中，该系统包括氢气转移系统，其被构造成将氢气导向阳极，在此 将该氢气氧化，且不使该氢气与阴极电解质隔室中存在的二氧化碳互混。在各种实施方案 中，将阴极处产生的氢气导向阳极以便氧化成氢离子。在各种实施方案中，经由流出流从该系统提取一部分或全部量的包含碳酸氢根离 子和/或碳酸根离子/和或氢氧离子的阴极电解质。在一些实施方案中，使一部分取出的 阴极电解质在外源二氧化碳气/液接触器中与二氧化碳气体接触以提高该电解质溶液中 吸收的二氧化碳含量。在一些实施方案中，将该含有吸收的二氧化碳的溶液送回阴极隔室； 在另一些实施方案中，使该含有吸收的二氧化碳的溶液与包含二价阳离子的溶液反应以产 生二价阳离子氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢盐。在各种实施方案中，该系统和方法可被构 造成分批、半分批或连续流作业。在各种实施方案中，利用含有二氧化碳的工业废气在阴极电解质中产生碳酸根和 碳酸氢根离子。在一些实施方案中，防止二氧化碳与该系统中的其它气体，例如与阴极处生成的氢气或与在阳极处氧化的氢气混合。在另一些实施方案中，防止二氧化碳气体接触阴 极和/或阳极。在各种实施方案中，通过在阴极处由水产生氢氧离子和使该氢氧离子迁移到阴极 电解质中，调节该阴极电解质的PH值。也通过将二氧化碳气体溶解在阴极电解质中以在该 电解质中产生碳酸和碳酸离子物类(其与氢氧离子反应产生碳酸根离子或碳酸氢根离子， 或仅碳酸根离子，或仅碳酸氢根离子或其混合物)来调节该PH值。参照图1-3，系统100、200、300在各种实施方案中包含分隔成第一阴极电解质隔 室104和第二阴极电解质隔室106的阴极隔室102，其中第二阴极电解质隔室中的阴极电 解质108与阴极110接触；且其中阳极隔室112中的阳极电解质115与阳极114接触。如 图1-3中所示，该系统包括隔板103，其将阴极隔室102分隔成第一阴极电解质隔室104和 第二阴极电解质隔室106以便在该阴极隔室中放置电解质时，可实现第一阴极电解质隔室 104中的阴极电解质和第二阴极电解质隔室106中的阴极电解质之间的液体流动。在各种 实施方案中，该阴极电解质最初包含通过将该盐溶解在水基溶剂，例如适当清洁的淡水、盐 水、微咸水、海水、人造盐水等中而制成的盐的水溶液，例如氢氧化钠。如图1-3中的截面图中所示，隔板103以大致J-形结构构造并置于第一阴极电解 质隔室104中以在第一阴极隔室中，以在隔板103和该阴极电解质隔室的侧壁111之间限 定向上渐细的通道105。隔板103也在该第一阴极电解质隔室中在该分隔元件和该阴极电 解质隔室的底壁Il3之间限定向下渐细的通道107。在将隔板103置于阴极隔室102中时，将该阴极隔室中的阴极电解质分隔成第一 阴极电解质隔室104和第二阴极电解质隔室106。在各种实施方案中，隔板103被构造成使 得阴极隔室102中的阴极电解质可以在第一和第二电解质隔室之间流动；但是，也构造隔 板103以便在阴极隔室102中存在阴极电解质时，至少在一定深度(在此，该液体密封第一 阴极电解质隔室104中的向下渐细的通道107和第二阴极电解质隔室106之间的通道)处 防止第一电解质隔室104中的气体与该系统中的其它流体混合。参照图1，在存在阴极电解质的第一阴极电解质隔室104的下部引入二氧化碳气 体109A时，一部分该气体可溶解在阴极电解质中，同时比该电解质稀的未溶解的气体在第 一阴极电解质隔室中的向上渐细的通道105中向上起泡，由此作为排出气体109B排出。在 未显示的一些实施方案中，回收该排出气体109B并再用作输入的二氧化碳气体109A。参照图1-3，根据该阴极电解质的pH，引入第一阴极电解质隔室104中的二氧化碳 气体109A会如下溶解在第一阴极电解质隔室104中的阴极电解质中并可逆离解和平衡以 在第一阴极电解质隔室中产生碳酸、质子、碳酸根和/或碳酸氢根离子C02+H20< = = >H2C03< = = >H++HC03X = = >H++C032-由于第一阴极电解质隔室104中的阴极电解质可能与第二阴极电解质隔室106中 的阴极电解质混合，反之亦然，在第一阴极电解质隔室104中通过在该阴极电解质中吸收 二氧化碳而形成的碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子可能迁移和与第二阴极电解质隔室106中 的阴极电解质平衡。因此，在各种实施方案中，第一阴极电解质隔室中的阴极电解质可能包 含溶解和未溶解的二氧化碳气体、和/或碳酸、和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子；而 第二阴极电解质隔室中的阴极电解质可能包含溶解的二氧化碳、和/或碳酸、和/或碳酸氢 根离子和/或碳酸根离子。
也参照图1-3，在阳极114和阴极110之间施加电压时，系统100、200、300如下在 阴极隔室102中由水的还原在第二阴极电解质隔室106中的阴极电解质中产生氢氧离子和 在阴极110处产生氢气2H20+2e- = H2+20F(水在阴极处电解)由于第一阴极电解质隔室中的阴极电解质可以与第二阴极电解质隔室中的阴极 电解质互混，在该第二阴极电解质隔室中形成的氢氧离子可能迁移和与第二阴极电解质隔 室106中的碳酸根和碳酸氢根离子平衡。因此，在各种实施方案中，第一阴极电解质隔室中 的阴极电解质可能包含氢氧离子以及溶解和未溶解的二氧化碳气体、和/或碳酸、和/或碳 酸氢根离子和/或碳酸根离子；而第二阴极电解质隔室中的阴极电解质可能包含氢氧离子 以及溶解的二氧化碳、和/或碳酸、和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。在该阴极电解质中，根据电解质的pH，二氧化碳气体可能如下溶解形成碳酸、质 子、碳酸氢根离子和碳酸根离子H2CHCO2 = H2CO3 = H++HCCV = 2H++C032-由于该阴极电解质中二氧化碳的溶解度以及碳酸氢根和碳酸根离子的浓度取决 于该电解质的PH，第一阴极电解质隔室102(即第一阴极电解质隔室104和第二阴极电解质 隔室106)中的总体反应为情况1 :2H20+2C02+2e- = H2+2HC03"；或情况2 :H20+C02+2e" = H2+C032_或两者的组合，这取决于该阴极电解质的pH。这显示在下列碳酸盐物种形成图 中碳酸盐组成w/pH和温度 对于任一情况，可以由下列公式通过该反应的吉布斯能变化确定该系统的总电池电势
E申池一A G／nF
或，在标准温度和压力条件下
E’电池一一A G’／nF
其中，E电池是电池电压，厶G是该反应的吉布斯能，n是转移的电子数，F是法拉第常数(96485J／Vm01)。这些反应各自的E电池根据如下面对情况l所示的能斯特方程依赖于pH
情况1阴极电解质中的碳酸氢根离子生成
此外，对于任一情况，可以通过各半电池反应的能斯特方程的组合确定总电池电势
E—E‘一R／in(Q)／n F
其中，E’是标准还原电势，R是通用气体常数，(8．314J／mol K)T是绝对温度，n是参与该半电池反应的电子数，F是法拉第常数(96485J／Vm01)，且Q是反应商，以使
E总量E阴极+E阳极
当如下在阳极处将氢氧化成质子时
H一2H’+2e，
E’是0．OOV，n是2，且Q是乎的活性的平方，以使
E阳极+o．059pH。，
其中pH。是阳极电解质的pH。
当如下在阴极处将水还原成氢氧离子和氢气时
2HO+2e—H+20H，
E’是一0．83V，n是2，且Q是。H的活性的平方，以使
E阴极一0．059pH。，
其中pH．是阴极电解质的pH。
对于任一情况，阴极和阳极反应的E随阳极和阴极电解质的pH而变。因此，对于情况1，如果在酸性环境中发生的阳极反应处于PH 0，则对于该半电池反应，该反应的E为 0V。对于阴极反应，如果碳酸氢根离子的生成在PH 7发生，则对于该半电池反应，理论E为 7x(-0. 059V) = -0. 413V，其中负数E意味着需要将能量输入该半电池或整个电池以使该反 应继续进行。因此，如果阳极PH为0且阴极pH为7，则总电池电势为-0. 413V，其中E 总量=-0. 059 (pHa-pHc) = -0. 059 Δ ρΗ·对于情况2——其中产生碳酸根离子，如果阳极pH为0且阴极pH为10，这代表
0.59V 的 E0因此，在各种实施方案中，将CO2气体109Α导入阴极电解质可通过在该阴极电解 质中产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子来降低该阴极电解质的ΡΗ，以及降低用于在该阴 极电解质中制造氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢盐的阳极和阴极之间的电压。因此，可以认识到，如果使阴极电解质升至pH 14或更大，阳极半电池电势(表示 为细水平虚线，上述情况1)和阴极半电池电势(在上述情况1中表示为粗实心斜线)之差 升至0. 83V。随着在没有添加CO2或没有其它干预，例如用水稀释的情况下的电池运行持续 时间的提高，所需电池电势继续提高。电池电势也可能由于电解质中膜上的欧姆电阻损失 和电池的过电压电势而提高。在此，过电压电势是指半电池反应的热力学决定的还原电势和实验观察到的发生 氧化还原反应时的电势之间的电势(电压)差。该术语与电池电压效率直接相关。在电解 电池中，该过电压电势需要的能量多于在热力学上预计的驱动反应所需的能量。在所有情 况下，该额外或流失的能量以热形式损失。过电压电势是各电池设计特有的，并随电池和运 行条件而变(甚至对相同反应而言)。因此可以认识到，在7或更高的阴极pH下运行电化 学电池实现显著的能量节省。在各种实施方案中，对于阴极电解质和阳极电解质中的不同PH值，当在阳极和 阴极之间施加的电压低于 3V、2. 9V、2. 8V、2. 7V、2. 6V、2. 5V、2. 4V、2. 3V、2. 2V、2. IV,2. 0V、
1.9V、1. 8V、1. 7V、1. 6V、1. 5V、1. 4V、1. 3V、1. 2V、1. 1V、1. 0V,0. 9V、0. 8V、0. 7V、0. 6V、0. 5V、 0. 4V、0. 3V、0. 2V或0. IV时，在阴极电解质中产生氢氧离子、碳酸根离子和/或碳酸氢根离 子。对于上述范围内的所选电压，阳极电解质和阴极电解质之间的PH差为0、1、2、3、4、5、6、 7、8、9、10、11、12、13、14 或更大。此外，在需要在阴极电解质中产生碳酸氢根和/或碳酸根离子的实施方案中，如 图1-3中所示且如上文参照阴极电解质中氢氧离子的生成所述的系统可以被构造成通过 将二氧化碳溶解在第一阴极电解质中和在阴极和阳极之间施加低于3V，或低于2. 5V，或低 于2V，或低于1. 5V，如低于1. 0V,或甚至低于0. 8V或0. 6V的电压来在该第一阴极电解质中 产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。在如图1-3中所示的一些实施方案中，该系统包括将第二阴极电解质隔室106中 的阴极电解质与第三电解质122隔开的阳离子交换膜120和将接触阳极114的阳极电解质 115与第三电解质122隔开的阴离子交换膜124。可以认识到，由于阳离子交换膜防止阴离 子迁移穿过阳离子交换膜，因此第二阴极电解质隔室106中的氢氧离子和/或碳酸根离子 和/或碳酸氢根不会穿过第一阳离子交换膜120迁移到相邻第三电解质122中。因此，在 该系统中，氢氧离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子会积聚在阴极电解质108中，或 可以提取出并用于封存二氧化碳，如全文经此引用并入本文的上述2008年7月16日提交的美国临时专利申请no. 61/081，299中所述。参照图1—其中第三电解质122包含溶解的盐，例如氯化钠，由于阳离子交换膜 允许阳离子穿过该阳离子交换膜迁移，因此在阳极110和阴极114之间施加电压时，第三电 解质122中的阳离子例如钠离子，会从第三电解质122穿过阳离子交换膜120迁移到第二 阴极电解质隔室106中的阴极电解质中。在阴极隔室102中，钠离子与阴极电解质中存在 的氢氧离子和由溶解的二氧化碳产生的碳酸根离子一起产生钠盐溶液，例如氢氧化钠和/ 或碳酸钠和/或碳酸氢钠溶液。类似地，参照图1，由于阴离子交换膜允许阴离子穿过该阴离子交换膜迁移，因此 在阳极Iio和阴极114之间施加电压时，第三电解质122中的阴离子例如氯离子会从第三 电解质穿过阴离子交换膜124迁移到阳极电解质115中。在该阳极电解质中，氯离子与阳 极电解质115中存在的质子一起形成酸，例如盐酸。因此，可以认识到，由于阳离子和阴离 子从第三阴极电解质122中迁移出，该系统由第三电解质122产生部分脱盐水。在各种实施方案中，从该系统中移除在阴极电解质中制成的氢氧离子、碳酸根离 子和/或碳酸氢根离子和电解的阳极中制成的盐酸，同时补充第三电解质中的氯化钠以维 持该系统的连续运行。本领域技术人员可以认识到，在各种实施方案中，该系统可以被构造成以各种生 产模式，包括分批模式、半分批模式、连续流模式运行，可选择或不可选择提取一部分在阴 极电解质中制成的氢氧化物或提取全部或一部分在阳极电解质中制成的酸，或将阴极处产 生的氢气导向阳极，在此可将其氧化。在各种实施方案中，当在阳极和阴极之间施加的电压低于3V、2. 9V或更低，2. 8V 或更低，2. 7V或更低，2. 6V或更低，2. 5V或更低，2. 4V或更低，2. 3V或更低，2. 2V或更低， 2. IV或更低，2. OV或更低，1. 9V或更低，1. 8V或更低，1. 7V或更低，1. 6V或更低，1. 5V或更 低，1. 4V或更低，1. 3V或更低，1. 2V或更低，1. IV或更低，1. OV或更低，0. 9V或更低，0. 8V 或更低，0. 7V或更低，0. 6V或更低，0. 5V或更低，0. 4V或更低，0. 3V或更低，0. 2V或更低，或 0. IV或更低时，在阴极电解质中产生氢氧离子、碳酸氢根离子和/或碳酸根离子溶液。在另一实施方案中，可以调节阳极和阴极之间的电压以便在阴极电解质中产生氢 氧离子、碳酸根离子和碳酸氢根离子和在阴极处生成氢气的同时，在阳极处形成气体，例如 氧气或氯气。但是，在此实施方案中，不向阳极供应氢气。本领域普通技术人员可以认识到， 在此实施方案中，阳极和阴极之间的电压高于在阳极处不形成气体的实施方案。参照图1-3，阴离子交换膜114和阳离子交换膜120可以是常规离子交换膜。理 想地，该膜应该能够在酸性和/或碱性电解溶液中工作并表现出高的离子选择性、低离子 电阻、高爆裂强度和在0°C至100°c或更高的温度范围内的酸性电解溶液中的高稳定性。在 一些实施方案中，可以使用在0°C至80°C，或0°C至90°C的范围内稳定但在这些范围以上不 稳定的膜。合适的膜包括可获自Asahi Kasei of Tokyo，Japan的TefIon -基阳离子交换 膜。但是，也可以采用低成本烃基阳离子交换膜，例如可获自例如Membrane International of Glen Rock, NJ, and USA 的烃基膜。在各种实施方案中，阴极隔室102有效地连接到废气处理系统(未显示)，在此利 用在阴极电解质中制成的碱溶液例如通过使废气和阴极电解质与二价阳离子溶液接触以 沉淀氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢盐来封存废气中所含的二氧化碳，如全文经此引用并入本文的2008年12月24日提交的共同转让的美国专利申请no. 12/344,019中所述。包 含例如钙和镁的氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐的沉淀物在各种实施方案中可以如全文经此 引用并入本文的上述2008年5月23日提交的共同转让的美国专利申请no. 12/126，776中 所述用作建筑材料，例如用作水泥和集料。在一些实施方案中，使一部分或全部的该碳酸盐 和/或碳酸氢盐留在水介质，例如浆料或悬浮液中，并弃置在水介质中，例如在深海中。在各种实施方案中，该阴极和阳极也有效地连接至向电极供应非高峰电压的非高 峰电力供应系统。由于非高峰电力的成本低于在高峰电力供应时间供应的电力的成本，该 系统可利用非高峰电力以相对较低的成本在阴极电解质中制造碱溶液。在各种实施方案中，由于阳离子和阴离子从第三电解质迁移到相邻阳极电解质和 阴极电解质中，在第三电解质122中产生部分脱盐水。在各种实施方案中，该部分脱盐水有 效地连接到脱盐系统(未显示)，在此其如全文经此引用并入本文的2008年6月27日提交 的共同转让的美国专利申请no. 12/163，205中所述进一步脱盐。在另一实施方案中，该系统在阳极电解质中制造酸，例如盐酸。因此，在各种实施 方案中，该阳极隔室可有效地连接到用于溶解包含二价阳离子的矿物和废料以产生二价阳 离子(例如Ca++和Mg++)的溶液的系统。在各种实施方案中，该二价阳离子溶液用于如全 文经此引用并入本文的上述2008年12月24日提交的美国专利申请no. 12/344,019中所 述通过使二价阳离子溶液与本碱溶液和二氧化碳气体源接触来沉淀氢氧化物、碳酸盐和/ 或碳酸氢盐。在各种实施方案中，该沉淀物如全文经此引用并入本文的上述共同转让的美 国专利申请no. 12/126，776中所述用作建筑材料，例如水泥和集料。参照图2，在各种实施方案中，该系统包括适用于在该系统中提取和循环阴极电解 质的阴极电解质循环系统126。在一个实施方案中，该阴极电解质循环系统包含适用于将二 氧化碳溶解在循环阴极电解质中和适用于使该电解质在该系统中循环的第一二氧化碳气/ 液接触器128。在此实施方案中，由于可以在阴极电解质隔室外的气/液接触器中将足够的 二氧化碳溶解在电解质中，任选不必如图1中所示和如上所述在阴极电解质中引入二氧化 碳 109A。在如图3中所示的另一实施方案中，该阴极电解质循环系统包含能够在将该电解 质送回阴极隔室的情况下将二氧化碳溶解在一部分该循环阴极电解质126中的第二二氧 化碳气/液接触器130。在此实施方案中，该电解质可用于例如在阴极隔室外沉淀二价阳离 子碳酸盐和/或碳酸氢盐。此外，可以认识到，由于可以通过从该系统中提取和/或循环阴 极电解质来调节该阴极电解质的PH，可以通过经由第二二氧化碳气/液接触器130调节从 该系统中取出的电解质的量来调节该阴极电解质隔室的PH。参照图1-3，系统100、200和300在各种实施方案中包括适用于使阴极110处生成 的氢气循环以在阳极114处氧化的氢气循环系统118。在各种实施方案中，该氢气可有效地 连接到外部氢供应源(未显示)以向阳极114提供氢气，例如当来自阴极的氢供应不足时 在该操作启动时提供。在各种实施方案中，该系统包括能够从阴极隔室102中提取全部或一部分阴极电 解质的阴极电解质提取和补充系统(未显示)。在各种实施方案中，该系统还包括用于提供 作为第三电解质122的盐溶液，例如浓氯化钠的盐溶液供应系统(未显示)。在各种实施方 案中，该系统包括用于向阴极电解质供应二氧化碳气体109A的气体供应系统(未显示)。在各种实施方案中，该系统还包括用于将流体引入电池的入口(未显示)和用于从电池中 移去流体的出口(未显示)。可以认识到，在各种实施方案中和参照图1，尽管阴极电解质与第三电解质被第一 阳离子交换膜隔开且第三电解质与阳极电解质隔开，当在阳极和阴极之间施加电压时，电 解质中的阴离子会试图(attempt)向阳极114迁移，且阳离子会试图穿过阳离子交换膜和 阴离子交换膜向阴极110迁移。参照图1，在阳极和阴极之间施加电压时，如下在阳极处由向该阳极供应的氢气的 氧化形成质子，同时在阴极电解质中由水的还原形成氢氧离子和氢气H2 = 2H++2e_ (阳极，氧化反应)2H20+2e_ = H2+20H_ (阴极，还原反应)当在阳极和阴极之间施加电压时，由于在阳极处由向阳极供应的氢气形成质子； 且由于在阳极处不形成气体如氧气；且由于阴极电解质中的水在阴极处形成氢氧离子和氢 气，该系统在阴极电解质中产生氢氧离子和在阳极电解质中产生质子。此外，可以认识到，在本系统中，，当在阳极和阴极之间施加低于2V时，该系统会 在阴极电解质中产生氢氧离子、和在阴极处产生氢气并在阳极处产生氢离子，与之相对比， 由于在阳极处不形成气体，当在阳极处生成气体例如氯气或氧气时，需要更高的电压。例 如，在各种实施方案中，当在阳极和阴极之间施加低于2. OVU. 5V、1. 4V、1. 3V、1. 2V、1. IV、 1. 0V,0. 9V、0. 8V、0. 7V、0. 6V、0. 5V、0. 4V、0. 3V、0. 2V、0. IV 或更低时，产生氢氧离子。参照图1，在阳极和阴极之间施加电压时，在阳极处形成的带正电的质子试图经由 阳极电解质迁移至阴极，同时在阴极处形成的带负电的氢氧离子试图经由阴极电解质迁移 至阳极。如图1中所示和参照阴极电解质中的氢氧离子，由于第一阳离子交换膜将阴极电 解质限制在阴极隔室中，且由于该阳离子交换膜防止阴离子从阴极电解质迁移到第三电解 质中，会阻止阴极电解质中生成的氢氧离子穿过该阳离子交换膜迁移出阴极电解质。因此， 在阳极和阴极之间施加电压时，阴极处产生的氢氧离子包含在阴极电解质中。因此，根据流 体流入和流出阴极电解质的流速和二氧化碳在阴极电解质中的溶解速率，调节该阴极电解 质的pH，例如该pH可以提高、降低或保持相同。类似地，关于在阳极处生成的质子，在阴极和阳极之间的外加电压下，该质子会进 入阳极电解质并向阴离子交换膜迁移。但是，由于该阴离子交换膜阻止阳离子从阳极电解 质移向第三电解质，会阻止阳极电解质中的质子迁移到第三电解质中。因此，在阳极和阴极 之间施加电压时，阳极处产生的质子包含在阳极电解质中。因此，根据流体流入和流出阳极 电解质的流速，调节该阴极电解质的PH，例如该pH可以提高、降低或保持相同。关于最初含有钠离子和氯离子的浓溶液并被阴离子交换膜和阳离子交换膜包夹 在电化学电池中的第三电解质，在阳极和阴极之间施加电压时，第三电解质中的阴离子例 如氯离子会向阳极迁移，而第三电解质的阳离子例如钠离子会向阴极迁移。由于阴离子交 换膜允许阴离子从第三电解质迁移到阳极电解质中，第三电解质中存在的氯离子会迁移到 阳极电解质中，在此它们与来自阳极的质子形成酸例如盐酸。此外，由于阳离子交换膜允许阳离子从第三电解质迁移到阴极电解质中，第三电 解质中存在的钠离子会迁移到阴极电解质中，在此它们会与阴极处生成的氢氧离子形成氢 氧化钠。因此，如图1-3中所示，在阳极和阴极之间施加电压时，阳离子例如钠离子，和阴离子例如氯离子会从第三电解质中迁移出，由此在第三电解质中形成脱盐水。在各种实施方案中和如图1-3中所示，在阴极处由阴极电解质中的水的还原生成 氢气。可以从阴极排出这种气体或导向阳极，在此如本文所述将其氧化成质子。在各种实施方案中，根据该系统中需要的离子物类，可以采用其它反应物。因此， 例如，如果在阴极电解质中需要钾盐如氢氧化钾或碳酸钾，则可以在第三电解质122中使 用钾盐如氯化钾。类似地，如果在阳极电解质中需要硫酸，则可以在第三电解质122中使用 硫酸盐如硫酸钠。同样，如本文中的各种实施方案中所述，使二氧化碳气体吸收在该阴极电 解质中；但是，要认识到，可以在该电解质中吸收其它气体，包括挥发性蒸气例如二氧化硫 或有机蒸气，以产生所需结果。可以认识到，该气体可以以各种方式添加到该电解质中，例 如通过将其直接鼓泡进入电解质或在连接到阴极隔室的独立隔室中溶解该气体并随后如 本文所述导向阴极电解质。参照图5，方法500包括将气体导入第一阴极电解质隔室中的阴极电解质的步骤 502 ；和在与第二阴极电解质隔室中的阴极电解质接触的阴极和与阳极电解质接触的阳极 之间施加电压的步骤504，其中该第一阴极电解质与第二阴极电解质隔开。在各种实施方案中，该方法进一步包括将二氧化碳添加到该阴极电解质中的步 骤；通过在阳极和阴极之间施加如本文其它地方所述的低电压来在第一阴极电解质隔室中 制造碳酸、氢氧离子、碳酸根离子和/或碳酸氢根离子的步骤；在第二阴极电解质隔室中制 造碳酸根离子和/或碳酸氢根离子的步骤；在阴极处制造氢气和将该气体导向阳极，在此 将其氧化成氢离子的步骤；在阳极处制造氢离子的步骤；在阳极和阴极之间施加本发明的 电压时在阳极处不产生气体的步骤；其中阳极和阴极之间的电压低于2V的步骤；用阳离子 交换膜将阴极电解质与第三电解质隔开的步骤；用阴离子交换膜将阳极电解质与第三电解 质隔开的步骤；其中第三电解质包含钠和氯离子的步骤；使钠离子从第三电解质穿过阳离 子交换膜迁移到阴极电解质中和使氯离子从第三电解质穿过阴离子交换膜迁移到阳极电 解质中的步骤；其中阴极电解质包含碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钠且阳极电解质包含盐酸 的步骤；在阳极电解质中制造酸的步骤；利用该酸溶解镁铁质矿物或纤维素材料的步骤； 在第三电解质中制造部分脱盐水的步骤；包括在水脱盐系统中加工该部分脱盐水的步骤； 使该阴极电解质与二价阳离子溶液接触以产生二价阳离子氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢 盐化合物的步骤；其中该二价碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物包含钙和镁的步骤；提取第一 部分阴极电解质的步骤；将二氧化碳溶解在该第一部分阴极电解质中以制造第一富集的碳 酸化阴极电解质；和用该第一富集的碳酸化阴极电解质补充阴极电解质；提取第二部分阴 极电解质的步骤；将二氧化碳溶解在该第二部分阴极电解质以制造第二富集的碳酸化阴极 电解质；和使该第二富集的碳酸化阴极电解质与二价阳离子溶液接触以制造二价阳离子碳 酸盐；在阴极和阳极之间施加非高峰电力供应以在阳极和阴极之间提供电压的步骤。在各种实施方案中，通过在阳极和阴极之间施加低于2V的电压，在阳极处不形成 气体的情况下，在阴极处和在阴极电解质中形成氢氧离子，同时在阳极处提供氢气以便在 阳极处氧化。在各种实施方案中，当在阳极和阴极之间施加的电压低于3V或更低，2. 9V或 更低，2. 8V或更低，2. 7V或更低，2. 6V或更低，2. 5V或更低，2. 4V或更低，2. 3V或更低，2. 2V 或更低，2. IV或更低，2. OV或更低，1. 9V或更低，1. 8V或更低，1. 7V或更低，1. 6V或更低， 1. 5V或更低，1. 4V或更低，1. 3V或更低，1. 2V或更低，1. IV或更低，1. OV或更低，0. 9V或更低，0. 8V或更低，0. 7V或更低，0. 6V或更低，0. 5V或更低，0. 4V或更低，0. 3V或更低，0. 2V或 更低，或0. IV或更低时，方法500在阳极处不形成气体，同时向阳极提供氢气，在此将其氧 化成质子。本领域普通技术人员会认识到，通过在阳极处不形成气体和通过向阳极提供氢 气以便在阳极处氧化，以及通过以其它方式控制该系统中的电阻，例如通过降低电解质路 径长度和通过选择具有低电阻的离子膜和本领域已知的任何其它方式，可以用本发明的较 低电压在阴极电解质中产生氢氧离子。在各种实施方案中，方法500进一步包括将二氧化碳气体导入阴极电解质的步 骤；在与阴极接触地安置阴极电解质之前或之后将二氧化碳气体导入阴极电解质的步骤； 在阴极处形成氢气的步骤；在阳极处形成质子的步骤；通过在阳极和阴极之间选择性施加 3V至0. 5V或更低的电压，在阳极处不形成气体的情况下在阳极和阴极电解质之间形成1、 2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14 !1单位或更大的？!1差的步骤；在阴极电解质中形成氢 氧离子、碳酸氢根离子、碳酸根离子和/或其组合的步骤；在阴极电解质中形成氢氧化钠、 碳酸氢钠或碳酸钠的步骤；使氯离子从第三电解质穿过阴离子交换膜迁移到阳极电解质中 的步骤；在阳极电解质中形成酸的步骤；在阳极电解质中形成盐酸的步骤；使阳离子从第 三电解质穿过阳离子交换膜迁移到阴极电解质中的步骤；使钠离子从第三电解质穿过阳离 子交换膜迁移到阴极电解质中的步骤；将阴极处形成的氢气导向阳极的步骤；和经由流出 流取出阴极电解质和经由进入该阴极电解质的流入流补充阴极电解质的步骤。本领域普通技术人员会认识到，通过在阳极处不形成气体和通过向阳极提供氢气 以便在阳极处氧化，用本发明的电压在阴极电解质中产生氢氧离子。在各种实施方案中， 与图1-3的系统结合的方法500进一步包括例如在阳极114和阴极110之间施加电压以 防止在阳极处形成气体——氧气或氯气的步骤；在阴极电解质中形成碳酸氢根离子、碳酸 根离子或碳酸氢根和碳酸根离子的混合物的步骤；在阴极和阳极之间施加3V、2. 9V、2. 8V、 2. 7V、2. 6V、2. 5V、2. 4V、2. 3V、2. 2V、2. IV,2. 0V、1. 9V、1. 8V、1. 7V、1. 6V、1. 5V、1. 4V、1. 3V、
1.2V、1. IV、1. 0V,0. 9V、0. 8V、0. 7V、0. 6V、0. 5V、0. 4V、0. 3V、0. 2V 或 0. IV 或更低的电压和在 阴极处形成氢气的同时在阳极处供应和氧化氢气的步骤；在阳极处将氢气氧化以在阳极处 形成质子的步骤；在阳极处不形成气体的情况下在阳极电解质和阴极电解质之间形成1、
2、3、4、5、6、7、8、9、10、ll、12、13、14pH单位或更大的pH差的步骤；在阳极处不形成气体的 情况下在阳极电解质和阴极电解质之间形成1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14ρΗ单位 或更大的PH差的pH梯度的步骤；在阴极电解质中形成碳酸钠、碳酸氢钠或碳酸钠和碳酸 氢钠的混合物的步骤；使阴离子从第三电解质穿过阴离子交换膜迁移到阳极电解质中的步 骤；使氯离子从第三电解质穿过阴离子交换膜迁移到阳极电解质中的步骤；在阳极电解质 中形成酸的步骤；在阳极电解质中形成盐酸的步骤；使阳离子从第三电解质穿过阳离子交 换膜120迁移到阴极电解质中的步骤；使钠离子从第三电解质穿过阳离子交换膜迁移到阴 极电解质中的步骤；将阴极110处形成的氢气导向在阳极114处氧化的步骤；将至少一部 分阴极电解质从流出流导向该阴极电解质的流入流中的步骤；提取第一部分阴极电解质、 将二氧化碳溶解在该第一部分阴极电解质中以制造第一富集的碳酸化阴极电解质和用该 第一富集的碳酸化阴极电解质补充阴极电解质的步骤；和提取第二部分阴极电解质、将二 氧化碳溶解在该第二部分阴极电解质以制造第二富集的碳酸化阴极电解质和使该第二富 集的碳酸化阴极电解质与二价阳离子溶液接触以制造二价阳离子碳酸盐的步骤。
在各种实施方案中，在阳极处不形成气体的情况下，当在阳极和阴极之间施加 的电压低于 3. 0V,2. 9V、2. 8V、2. 7V、2. 6V、2. 5V、2. 4V、2. 3V、2. 2V、2. IV,2. 0V、1. 9V、1. 8V、 1. 7V、1. 6V、1. 5V、1. 4V、1. 3V、1. 2V、1. 1V、1. 0V,0. 9V、0. 8V、0. 7V、0. 6V、0. 5V、0. 4V、0. 3V、
0.2.、0.IV或更低时，在阴极电解质中产生碳酸氢根离子和碳酸根离子。在各种实施方案 中，该方法适用于以分批、半分批或连续运行模式提取至少一部分阴极电解质及阳极电解 质中的酸和补充回该系统。参照图1-3，当在阳极和阴极之间施加电压时，在该阴极电解质中形成氢氧离子和 /或碳酸根和/或碳酸氢根离子，因此调节该阴极电解质的PH值。在一个实施方案中，当阴 极和阳极之间的电压为0. IV或更低，0. 2V或更低，0. 4V或更低，0. 6V或更低，0. 8V或更低，
1.OV或更低，1. 5V或更低，或2. OV或更低时，形成阳极和阴极氢氧离子和/或碳酸根和/或 碳酸氢根离子。例如，当在阳极和阴极之间施加0. 8V或更低的电压时，在阴极电解质溶液 中产生氢氧离子；在另一实施方案中，当在阳极和阴极之间施加0. 01至2. 5V，或0. OlV至
2.0V,或 0. IV 至 2. 0V,或 0. 1 至 2. 0V,或 0. IV 至 1. 5V,或 0. IV 至 1. 0V,或 0. IV 至 0. 8V, 或 0. IV 至 0. 6V,或 0. IV 至 0. 4V,或 0. IV 至 0. 2V,或 0. OlV 至 1. 5V,或 0. OlV 至 1. 0V,或 0. OlV 至 0. 8V,或 0. OlV 至 0. 6V,或 0. OlV 至 0. 4V,或 0. OlV 至 0. 2V,或 0. OlV 至 0. IV,例 如0. IV至2. OV的电压时，在阴极电解质中产生氢氧离子；在再一实施方案中，当在阳极和 阴极之间施加大约0. IV至IV的电压时，在阴极电解质溶液中产生氢氧离子。用电极之间 0. IV 至 0. 8V ；0. IV 至 0. 7V ；0. 1 至 0. 6V ；0. IV 至 0. 5V ；0. IV 至 0. 4V ；和 0. IV 至 0. 3V 的电 压可实现类似结果。在各种实施方案中，当这两种电解质溶液例如被一个或多个离子交换膜隔开时， 且当在阳极和阴极之间施加3V或更低，2. 9V或更低，或2. 5V或更低，或2V或更低的电压 时，该方法和系统能够在阳极电解质溶液和阴极电解质溶液之间产生大于0. 5pH单位的pH 差。在一些实施方案中，当在阳极和阴极之间施加0. IV或更低的电压时，该方法和系统能 够在第一电解质溶液和第二电解质溶液之间产生大于1. OpH单位，或2pH单位，或4pH单 位，或6pH单位，或8pH单位，或IOpH单位，或12pH单位，或14pH单位的pH差，其中第一电 解质溶液接触阳极且第二电解质溶液接触阴极，且这两种电解质溶液例如被一个或多个离 子交换膜隔开。在另一示例性结果中和参照图4，构造如图1中所示的系统并在恒定电流密度下 运行，同时将二氧化碳气体连续溶解到阴极隔室中。在该系统中，监测阴极电解质中的PH 和阳极与阴极之间的电压。在该系统中，使用载钼气体扩散电极作为阳极，并使用镍网作 为阴极。第三电解质122、阴极电解质108和阳极电解质115中的原始电池浓度分别为5M NaCl、lM NaOH和 IM HCl。所用离子膜获自 MembraneInternational，Inc. ,of NJ，USA，特别 地，膜号no. AMI 7001用作阴离子交换膜124，且膜号no. CMI 7000用作阳离子交换膜120。 如图4中可以看出，随着反应进行，随着在阴极电解质中吸收二氧化碳气体，该阴极电解质 的PH值降低。同时，阳极和阴极之间的电压也降低。可以认识到，二氧化碳在阴极电解质中的溶解度取决于该电解质的pH，且阴极和 阳极之间的电压取决于阳极电解质和阴极电解质之间的PH差。因此，如图4中所示，该系 统可以在指定PH和电压下构造和运行以在阴极电解质中吸收二氧化碳和产生碳酸、碳酸 根离子和/或碳酸氢根离子。因此，例如，如图4中所示，该系统可以在阳极上低于IV例如0. 9V的电压下构造和运行以生产10的pH的碱溶液。在另一些实施方案中，该系统可以在 0. 85V下构造和运行以生产9的pH的碱溶液。如图4中所示，其它运行电压包括0. 7V至 IV的电压。类似地，其它工作PH值包括6至12的PH值。如上所述，在阴极电解质中制成 并包含碳酸根和碳酸氢根离子的碱溶液可以与二价阳离子溶液一起用于通过从该溶液中 沉淀二价阳离子碳酸盐和碳酸氢盐来封存二氧化碳。在一些实施方案中，在其中阴极和阳极电解质与离子交换膜接触的部分过程中， 从该阴极电解质溶液中移除二价阳离子例如镁离子或钙离子。如果针对特定膜必要，这是 为了防止膜的结垢。因此，在各种实施方案中，当电解质溶液与离子交换膜接触任何明显时 间时，该电解质溶液中的二价阳离子总浓度低于0. 06摩尔/千克溶液，或低于0. 06摩尔/ 千克溶液，或低于0. 04摩尔/千克溶液，或低于0. 02摩尔/千克溶液，或低于0. 01摩尔/ 千克溶液，或低于0. 005摩尔/千克溶液，或低于0. 001摩尔/千克溶液，或低于0. 0005摩 尔/千克溶液，或低于0. 0001摩尔/千克溶液，或低于0. 00005摩尔/千克溶液。在将二氧化碳气体溶解在阴极电解质中的实施方案中，随着从阴极电解质中除去 质子，可以溶解更多二氧化碳以形成碳酸、碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。根据该阴极电 解质的PH，如本领域中充分理解和如上述碳酸盐物种形成图中所示的那样，该平衡移向碳 酸氢根离子或移向碳酸根离子。在这些实施方案中，根据与二氧化碳引入速率相比的质子 除去速率，该阴极电解质溶液的PH可能降低，保持相同或提高。要认识到，在这些实施方案 中不形成碳酸、氢氧离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子，或碳酸、氢氧离子、碳酸根离子、碳 酸氢根离子可能在一个时期不形成但在另一时期形成。在另一实施方案中，本系统和方法与碳酸盐和/或碳酸氢盐沉淀系统(未显示) 集成，其中二价阳离子溶液在添加到本阴极电解质中时导致形成二价碳酸盐和/或碳酸氢 盐化合物，例如碳酸钙或碳酸镁和/或它们的碳酸氢盐的沉淀物。在各种实施方案中，该沉 淀的二价碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物可以用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文经此 引用并入本文的2008年5月23日提交的共同转让的美国专利申请no. 12/126，776中所述。在另一实施方案中，本系统和方法与矿物和/或材料溶解和回收系统(未显示) 集成，其中使用酸性阳极电解质溶液115或碱性阴极电解质102溶解富含钙和/或镁的矿 物，例如蛇纹石或橄榄石，或废料，例如飞灰、红泥等，以形成可用于例如如本文所述沉淀碳 酸盐和/或碳酸氢盐的二价阳离子溶液。在各种实施方案中，该沉淀的二价碳酸盐和/或 碳酸氢盐化合物可以用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文经此引用并入本文的2008年 5月23日提交的共同转让的美国专利申请no. 12/126，776中所述。在另一实施方案中，本系统和方法与用于封存二氧化碳和工业废气的其它成分例 如硫气体、氮氧化物气体、金属和微粒的工业废气处理系统(未显示)集成，其中如全文经 此引用并入本文的2008年12月24日提交的共同转让的美国专利申请no. 12/344，019中 所述通过使烟道气与包含二价阳离子的溶液和包含氢氧根、碳酸氢根和/或碳酸根离子的 本阴极电解质接触，沉淀二价阳离子碳酸盐和/或碳酸氢盐。该包含例如钙和/或镁的碳 酸盐和碳酸氢盐的沉淀物在各种实施方案中可以如全文经此引用并入本文的2008年5月 23日提交的共同转让的美国专利申请no. 12/126, 776中所述用作建筑材料，例如用作水泥 和集料。在另一实施方案中，本系统和方法与水性脱盐系统(未显示)集成，其中本系统的第三电解质的部分脱盐水用作该脱盐系统的进料水，如全文经此引用并入本文的2008年6 月27日提交的共同转让的美国专利申请no. 12/163，205中所述。在另一实施方案中，本系统和方法与碳酸盐和/或碳酸氢盐溶液处置系统(未显 示)集成，其中，该系统制造包含碳酸盐和/或碳酸氢盐的浆料或悬浮液，而非通过使二价 阳离子的溶液与第一电解质溶液接触以形成沉淀物来制造沉淀物。在各种实施方案中，将 该浆料或悬浮液弃置在使其保持长期稳定的地点，例如如全文经此引用并入本文的2008 年12月24日提交的美国专利申请no. 12/344,019中所述，将该浆料/悬浮液弃置在处于 温度和压力足以无限期地使该浆料保持稳定的深度的海洋中。尽管本文中已经举例说明和描述了本发明的优选实施方案，但本领域技术人员显 而易见的是，这些实施方案仅作为实例而非作为限制提供。本领域技术人员会在不背离本 发明的情况下想到许多变动、修改和替代。应该理解的是，可以使用本文所述的本发明的实 施方案的各种替代方案实施本发明。下列权利要求旨在确定本发明的范围并由此涵盖在这 些权利要求及其对等物的范围内的方法和结构。
权利要求
电化学系统，其包含被隔板分隔成第一阴极电解质隔室和第二阴极电解质隔室的阴极隔室，其中第二阴极电解质隔室中的阴极电解质与阴极接触；且阳极隔室中的阳极电解质与阳极接触。
2.权利要求1的系统，其中第一阴极电解质隔室中的阴极电解质接触第二阴极电解质 隔室中的阴极电解质。
3.权利要求2的系统，其中第一阴极电解质隔室中的阴极电解质包含气体。
4.权利要求3的系统，其中该气体包含二氧化碳。
5.权利要求4的系统，其中使该气体吸收到该阴极电解质中。
6.权利要求4的系统，其中将该二氧化碳气体与第二阴极电解质隔室中的阴极电解质 隔罔。
7.权利要求5的系统，其中第一阴极电解质隔室中的阴极电解质包含氢氧离子、碳酸、 碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。
8.权利要求1的系统，其中第二阴极电解质隔室中的阴极电解质包含溶解的二氧化碳。
9.权利要求7的系统，其中第二阴极电解质隔室中的阴极电解质包含氢氧离子、碳酸、 碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。
10.权利要求4的系统，其中该系统被构造成借助在阳极和阴极之间施加的低于2V的 电压在第二阴极电解质隔室中产生氢氧离子。
11.权利要求10的系统，其中该系统被构造成在阴极处产生氢气。
12.权利要求11的系统，其中该系统在阳极处不产生气体。
13.权利要求12的系统，其中该系统被构造成使氢氧离子从第二阴极电解质隔室迁移 到第一阴极电解质隔室中。
14.权利要求12的系统，进一步包含被构造成将阴极处产生的氢气导向阳极的氢气输 送系统。
15.权利要求1的系统，其中该第一阴极电解质隔室有效地连接到工业废气系统。
16.权利要求15的系统，其中该工业废气系统包含二氧化碳。
17.权利要求16的系统，其中该二氧化碳来自化石燃料的燃烧。
18.权利要求13的系统，其中该阴极隔室有效地连接到废气处理系统。
19.权利要求18的系统，其中该废气系统包含二氧化碳。
20.权利要求1的系统，其中该阴极隔室有效地连接到氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢 盐沉淀系统。
21.权利要求20的系统，其中该沉淀系统构造成利用该阴极电解质制造氢氧化物、碳 酸盐和/或二价阳离子碳酸氢盐。
22.权利要求4的系统，其中该阳极和阴极有效地连接到非高峰电力供应系统。
23.权利要求4的系统，进一步包含在阳极隔室和阴极隔室之间的离子交换膜。
24.权利要求23的系统，其中该离子交换膜包括将第二阴极电解质隔室中的阴极电解 质与第三电解质隔开的阳离子交换膜。
25.权利要求23的系统，其中该离子交换膜包括将阳极电解质与第三电解质隔开的阴2离子交换膜。
26.权利要求25的系统，其中该第三电解质包含钠离子和氯离子。
27.权利要求26的系统，其中该系统被构造成使钠离子从第三电解质穿过阳离子交换 膜迁移到阴极电解质中和使氯离子从第三电解质穿过阴离子交换膜迁移到阳极电解质中。
28.权利要求26的系统，其中该系统被构造成在阴极电解质中产生氢氧化钠。
29.权利要求26的系统，其中该系统被构造成在阴极电解质中产生氢氧化钠、碳酸钠 和/或碳酸氢钠。
30.权利要求26的系统，其中该系统被构造成在第三电解质中产生部分脱盐水。
31.权利要求29的系统，其中该部分脱盐水有效地连接到水处理系统。
32.权利要求26的系统，其中该系统被构造成在阳极电解质中产生盐酸。
33.权利要求26的系统，其中将阴极电解质有效地连接到被构造成以将二氧化碳溶解 在阴极电解质中的第一二氧化碳气/液接触器。
34.权利要求10的系统，其中该系统被构造成在阳极和阴极电解质之间产生0至14或 更大PH单位的pH差。
35.电化学方法，包括将气体导入第一阴极电解质隔室中的阴极电解质；和在与第二阴极电解质隔室中的阴极电解质接触的阴极和与阳极电解质接触的阳极之 间施加电压，该第二阴极电解质隔室与第一阴极电解质隔室隔开。
36.权利要求35的方法，其中该气体包含二氧化碳。
37.权利要求36的方法，包括在第一阴极电解质隔室中制造氢氧离子、碳酸、碳酸根离 子和/或碳酸氢根离子。
38.权利要求36的方法，包括在第二阴极电解质隔室中制造碳酸根离子和/或碳酸氢 根离子。
39.权利要求37的方法，包括在阴极处制造氢气。
40.权利要求39的方法，包括在阳极处制造氢离子。
41.权利要求40的方法，其中在阳极处不产生气体。
42.权利要求41的方法，进一步包含将阴极处产生的氢气导向阳极。
43.权利要求35的方法，其中该电压低于2V。
44.权利要求42的方法，进一步包括用阳离子交换膜将阴极电解质与第三电解质隔开。
45.权利要求38的方法，进一步包括用阴离子交换膜将阳极电解质与第三电解质隔开。
46.权利要求45的方法，其中该第三电解质包含钠和氯离子。
47.权利要求45的方法，进一步包括使钠离子从第三电解质穿过阳离子交换膜迁移到 阴极电解质中，和使氯离子从第三电解质穿过阴离子交换膜迁移到阳极电解质中。
48.权利要求47的方法，其中该阴极电解质包含碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钠，且该阳 极电解质包含盐酸。
49.权利要求48的方法，包括在阳极电解质中制造酸。
50.权利要求49的方法，包括利用该酸溶解镁铁质矿物或纤维素材料。
51.权利要求48的方法，包括在第三电解质中制造部分脱盐水。
52.权利要求48的方法，进一步包含使该阴极电解质与二价阳离子溶液接触以产生二 价阳离子氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物。
53.权利要求52的方法，其中该二价碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物包含钙和镁。
54.权利要求52的方法，进一步包括 提取第一部分的阴极电解质；将二氧化碳溶解在该第一部分的阴极电解质中以制造第一富集的碳酸化阴极电解质；和用该第一富集的碳酸化阴极电解质补充阴极电解质。
55.权利要求54的方法，进一步包括 提取第二部分的阴极电解质；将二氧化碳溶解在该第二部分的阴极电解质以制造第二富集的碳酸化阴极电解质；和 使该第二富集的碳酸化阴极电解质与二价阳离子溶液接触以制造二价阳离子碳酸盐。
56.权利要求35的方法，包括在阴极和阳极之间施加非高峰电力供应以在阳极和阴极 之间提供电压。
全文摘要
利用在阴极隔室中的二氧化碳除去质子和/或制造包含氢氧根和碳酸根/碳酸氢根离子的碱溶液的低电压、低能量电化学系统和方法，该阴极隔室被分隔成第一阴极电解质隔室和第二阴极电解质隔室以便可实现这些阴极电解质隔室之间的液体流动，但其中限制阴极电解质隔室之间的气体交流。在一个阴极电解质隔室中的二氧化碳气体与两个隔室中都存在的阴极电解质一起使用以借助在电极之间施加的小于3V的电压生产碱溶液。
文档编号B01D61/42GK101910469SQ200980101552
公开日2010年12月8日 申请日期2009年7月15日 优先权日2008年7月16日
发明者A·戈里尔, B·博格斯, K·法萨, M·科斯托斯基, N·A·克诺特, N·贾拉尼, R·吉利亚姆, T·A·阿尔布雷希特, V·德克 申请人:卡勒拉公司