使用二氧化碳?xì)怏w的低能量4-電池電化學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利說(shuō)明】使用二氧化碳?xì)怏w的低能量4-電池電化學(xué)系統(tǒng)
[0001] 本申請(qǐng)是申請(qǐng)日為2009年6月24日、申請(qǐng)?zhí)枮?00980101611. 2、發(fā)明名稱為"使 用二氧化碳?xì)怏w的低能量4-電池電化學(xué)系統(tǒng)"的發(fā)明專利申請(qǐng)的分案申請(qǐng)。
[0002] 對(duì)相關(guān)申請(qǐng)的奪叉引用
[0003] 依據(jù)35U. S. C. §119(e)，本申請(qǐng)要求2008年7月16日提交的名稱為："Low Energy pH Modulation for Carbon Sequestration Using Hydrogen Absorptive Metal Catalysts (使用氫吸收性金屬催化劑的碳封存的低能量pH調(diào)節(jié)）"的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)臨 時(shí)專利申請(qǐng)no. 61/081，299 ;和2008年8月25日提交的名稱為："Low Energy Absorption of Hydrogen Ion from an Electrolyte Solution into a Solid Material (氫離子從電 解質(zhì)溶液低能量吸收到固體材料中）"的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)no. 61/091，729的 優(yōu)先權(quán)，兩者均全文經(jīng)此引用并入本文。
[0004] 依據(jù) 35U. S. C. § 119(a)和依據(jù) 35U. S. C. § 365,本申請(qǐng)要求 2008 年 12 月 23 日 提交的名稱為"Low Energy Electrochemical Hydroxide System and Method(低能量電 化學(xué)氫氧化物系統(tǒng)和方法）"的共同轉(zhuǎn)讓的PCT專利申請(qǐng)no. PCT/US08/88242 ;和2009年I 月 28 日提交的名稱為"Low Energy Electrochemical Bicarbonate Ion Solution(低能 量電化學(xué)碳酸氫根離子溶液）"的共同轉(zhuǎn)讓的PCT專利申請(qǐng)no. PCT/US09/32301的優(yōu)先權(quán)， 兩者均全文經(jīng)此引用并入本文。
[0005] 置量
[0006] 通常需要?dú)溲蹼x子、碳酸根離子和/或碳酸氫根離子的溶液以從溶液中除去質(zhì) 子，或緩沖溶液的pH值，或從溶液中沉淀不可溶的氫氧化物和/或碳酸鹽和/或碳酸氫 鹽。傳統(tǒng)上，可以通過水解堿例如熟化的生石灰；或通過電解鹽溶液例如電解氯化鈉水溶液 (如氯堿工藝中那樣）來(lái)生產(chǎn)氫氧離子。傳統(tǒng)上，可以通過將二氧化碳?xì)怏w溶解在水中或通 過將可溶碳酸鹽或碳酸氫鹽例如碳酸氫鈉溶解在水中來(lái)生產(chǎn)碳酸根離子或碳酸氫根離子。
[0007] 盡管水解堿或電解鹽溶液可產(chǎn)生氫氧離子，但氫氧離子的傳統(tǒng)生產(chǎn)消耗大量能 量；該傳統(tǒng)方法也將大量二氧化碳釋放到環(huán)境中。因此，例如，在生石灰的生產(chǎn)中，燃燒大 量化石燃料以煅燒石灰石和將石灰石轉(zhuǎn)化成氧化鈣，結(jié)果大量二氧化碳釋放到環(huán)境中。類 似地，在通過氯堿工藝生產(chǎn)氫氧離子時(shí)，由于在陽(yáng)極和陰極之間需要通常至少3V以驅(qū)動(dòng)該 反應(yīng)，使用了大量能量。由于該能量通常來(lái)自化石供以燃料的發(fā)電廠，這種工藝也造成大量 二氧化碳釋放到環(huán)境中。類似地，在通過將二氧化碳溶解在水性溶液中來(lái)生產(chǎn)碳酸根離子 和碳酸氫根離子時(shí)，需要相當(dāng)大量的能量將該氣體加壓以改進(jìn)溶解度，結(jié)果由于所用能量， 大量二氧化碳釋放到環(huán)境中。因此，非常需要?dú)溲蹼x子、碳酸根離子和碳酸氫根離子的高效 能量生產(chǎn)。
[0008]
[0009] 在各種實(shí)施方案中，本系統(tǒng)和方法涉及生產(chǎn)氫氧離子和/或碳酸氫根離子和/或 碳酸根離子的低電壓、低能量電化學(xué)系統(tǒng)和方法。在各種實(shí)施方案中，該系統(tǒng)和方法利用明 顯低于在傳統(tǒng)陽(yáng)極和陰極之間使用的一般3V的電壓生產(chǎn)離子；因此，本系統(tǒng)和方法造成的 二氧化碳排放明顯降低。
[0010] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包含：與陰極接觸的第一電解質(zhì)；與陽(yáng)極接觸的第二 電解質(zhì)；被第一離子交換膜與第一電解質(zhì)隔開的第三電解質(zhì)；被第二離子交換膜與第二電 解質(zhì)隔開的第四電解質(zhì)；和隔開第三和第四電解質(zhì)的第三離子交換膜。
[0011] 在一個(gè)實(shí)施方案中，該方法包括：與陰極接觸地安置第一電解質(zhì)；與陽(yáng)極接觸地 安置第二電解質(zhì)；安置第三電解質(zhì)以使其通過第一離子交換膜與第一電解質(zhì)隔開；安置第 四電解質(zhì)以使其通過第三離子交換膜與第三電解質(zhì)隔開和通過第二離子交換膜與第二電 解質(zhì)隔開；和通過在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓來(lái)在第一電解質(zhì)中形成氫氧離子。
[0012] 在另一實(shí)施方案中，該方法包括：與陰極接觸地安置第一電解質(zhì)；與陽(yáng)極接觸地 安置第二電解質(zhì)；安置第三電解質(zhì)以使其通過第一離子交換膜與第一電解質(zhì)隔開；安置第 四電解質(zhì)以使其通過第三離子交換膜與第三電解質(zhì)隔開和通過第二離子交換膜與第二電 解質(zhì)隔開；和向第一電解質(zhì)供應(yīng)二氧化碳?xì)怏w。
[0013] 在各種實(shí)施方案中，第一離子交換膜包含陽(yáng)離子交換膜；第二離子交換膜包含陽(yáng) 離子交換膜；和第三離子交換膜包含陰離子交換膜。在各種實(shí)施方案中，第一電解質(zhì)是與陰 極接觸的陰極電解質(zhì)，且第二電解質(zhì)是與陽(yáng)極接觸的陽(yáng)極電解質(zhì)。
[0014] 在各種實(shí)施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于經(jīng)由流出流提取部分或所有陰極電解質(zhì) 和/或經(jīng)由該陰極電解質(zhì)隔室的流入流補(bǔ)充該電解質(zhì)。在各種實(shí)施方案中，該系統(tǒng)和方法 適用于從流出流提取部分或所有第四電解質(zhì)和經(jīng)由第四電解質(zhì)隔室的流入流補(bǔ)充該電解 質(zhì)。在各種實(shí)施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于分批、半分批或連續(xù)流作業(yè)，伴隨或不伴隨提 取和補(bǔ)充該系統(tǒng)中的電解質(zhì)。
[0015] 在各種實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括適用于將陰極處生成的氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極的氫氣轉(zhuǎn)移 系統(tǒng)。在另一實(shí)施方案中，該系統(tǒng)包括二氧化碳輸送系統(tǒng)，其適用于將二氧化碳?xì)怏w輸送到 陰極電解質(zhì)中，在此其溶解并可能根據(jù)該電解質(zhì)的PH值形成碳酸氫根和/或碳酸根離子。 在通過將該氣體溶解在陰極電解質(zhì)中來(lái)向陰極電解質(zhì)供應(yīng)二氧化碳的實(shí)施方案中，該溶解 在一些實(shí)施方案中可以在位于流出流中或位于流入流中或位于它們之間的一個(gè)或多個(gè)隔 室中發(fā)生。在各種實(shí)施方案中，該系統(tǒng)有效地連接到包含燃燒氣體的工業(yè)廢氣流以向該陰 極電解質(zhì)供應(yīng)氣體例如二氧化碳。在各種實(shí)施方案中，該廢氣流包括來(lái)自化石供以燃料的 發(fā)電廠、水泥制造廠和/或其它工廠的燃燒氣體。在各種實(shí)施方案中，該廢氣包括酸性氣 體，例如氮氧化物（一氧化二氮、氧化一氮）和硫氣體（二氧化硫、硫化氫），其在該陰極電 解質(zhì)中溶解形成陰離子。在一些實(shí)施方案中，在與陰極電解質(zhì)接觸之前處理該廢氣以除去 其非二氧化碳組分的部分或全部。
[0016] 在各種實(shí)施方案中，該系統(tǒng)和方法的產(chǎn)物，包括氫氧離子、碳酸氫根離子、碳酸根 離子、鹽酸和已從中除去了某些陽(yáng)離子和陰離子的部分脫鹽水，如全文經(jīng)此引用并入本文 的2008年12月24日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)no. 12/344,019中所述，用于通過使 廢氣與包含二價(jià)陽(yáng)離子和氫氧根、碳酸氫根和/或碳酸根離子的溶液接觸以沉淀碳酸鹽和 碳酸氫鹽來(lái)封存二氧化碳和工業(yè)廢氣的其它成分，例如硫氣體、氮氧化物氣體和其它燃燒 氣體。包含例如鈣和鎂的碳酸鹽和碳酸氫鹽的沉淀物在各種實(shí)施方案中用作建筑材料，例 如用作水泥和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó) 專利申請(qǐng)no. 12/126, 776中所述。
[0017] 在另一用途中，已從中除去了陽(yáng)離子和陰離子的部分脫鹽水，例如通過從第三電 解質(zhì)中除去鈉離子和氯離子而形成的部分脫鹽水用作脫鹽系統(tǒng)中的進(jìn)料水，在此如全文經(jīng) 此引用并入本文的2008年6月27日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng)no. 12/163,205中所 述進(jìn)一步加工該水。
[0018] 在另一實(shí)施方案中，在第四電解質(zhì)中制成的酸和/或在陰極電解質(zhì)中制成的堿溶 液用于溶解包含二價(jià)陽(yáng)離子例如Ca++和Mg++的礦物和廢料，以產(chǎn)生在使用本陰極電解質(zhì) 制造二價(jià)金屬離子碳酸鹽沉淀物時(shí)使用的二價(jià)陽(yáng)離子溶液。在各種實(shí)施方案中，該沉淀 物用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的共同轉(zhuǎn)讓的美國(guó)專利申請(qǐng) no. 12/126, 776 中所述。
[0019] 附圖簡(jiǎn)沐
[0020] 下列附圖舉例而非限制性闡述本系統(tǒng)和方法的實(shí)施方案。
[0021] 圖1是本系統(tǒng)的一個(gè)實(shí)施方案的圖示。
[0022] 圖2是本方法的一個(gè)實(shí)施方案的流程圖。
[0023] 圖3是本方法的一個(gè)實(shí)施方案的流程圖。
[0024] 圖4所示為在25°C不同pH下H2O中的碳酸鹽/碳酸氫鹽物種形成。
[0025] 圖5所示為情況1的陰極電解質(zhì)中的碳酸氫根離子生成&
[0026] 詳沭
[0027] 在詳細(xì)描述本方法和系統(tǒng)之前，應(yīng)該理解的是，本系統(tǒng)和方法不限于本文描述和 例舉的具體實(shí)施方案，因此可變。還要理解的是，本文所用的術(shù)語(yǔ)僅用于描述具體實(shí)施方案 并且不是限制性的，因?yàn)槠浞秶鷥H受所附權(quán)利要求書的限制。
[0028] 在本文中，在提供數(shù)值范圍時(shí)，應(yīng)該理解的是，在該范圍的上限和下限之間的各居 間值（除非文中明確地另行指明，以下限的單位的1/10為間隔）以及在該指定范圍內(nèi)的任 何其它指定值或居間值包含在本系統(tǒng)和方法內(nèi)。除在該指定范圍內(nèi)明確排除的任何界限值 外，這些較小范圍的上限和下限可獨(dú)立地包括在這些較小范圍內(nèi)并且也包含在本發(fā)明內(nèi)。 如果該指定范圍包括界限值之一或兩者，排除這些包括的界限值的任一或兩者的范圍也包 括在本系統(tǒng)和方法中。
[0029] 在本文中，在描述范圍時(shí)，數(shù)值前用術(shù)語(yǔ)"大約"修飾。術(shù)語(yǔ)"大約"在本文中用于 為其后的確切數(shù)值以及與該術(shù)語(yǔ)后的數(shù)值接近或近似的數(shù)值提供字面支持。在確定一數(shù) 值是否接近或近似明確列舉的數(shù)值時(shí)，接近或近似的未列舉的數(shù)值可以是在其陳述背景中 與明確列舉的數(shù)值基本等效的數(shù)值。
[0030] 除非另行指明，本文所用的所有技術(shù)和科技術(shù)語(yǔ)具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員的通常理解相同的含義。盡管也可以使用與本文描述的那些類似或等效的任何方 法、系統(tǒng)和材料實(shí)施本系統(tǒng)和方法，在本文中僅描述代表性的方法、系統(tǒng)和材料。
[0031] 本說(shuō)明書中引用的所有公開文獻(xiàn)和專利都經(jīng)此引用并入本文，就像各個(gè)公開文獻(xiàn) 或?qū)＠鞔_并逐一被指明經(jīng)此引用并入本文，和為了公開和描述與引用的公開文獻(xiàn)相關(guān)的 方法和/或材料而經(jīng)此引用并入本文。任何公開文獻(xiàn)的引用是針對(duì)其在提交日前的公開內(nèi) 容，并且不應(yīng)該被視為承認(rèn)本發(fā)明無(wú)權(quán)利用優(yōu)先發(fā)明先于該公開文獻(xiàn)。此外，所提供的公開 日可能不同于實(shí)際公開日，這可能需要逐一確認(rèn)。
[0032] 除非文中明確地另行指明，本文和所附權(quán)利要求中所用的單數(shù)形式"a"、"an"和 "the"包括復(fù)數(shù)對(duì)象。權(quán)利要求書也可能起草成排除任何任選要素。因此，這種聲明旨在充 當(dāng)與權(quán)利要求要素的列舉聯(lián)用的如"只"、"僅"之類的排他性術(shù)語(yǔ)的使用或"否定性"限制 的使用的先行基礎(chǔ)。
[0033] 本領(lǐng)域技術(shù)人員會(huì)看出，本文描述和例舉的各實(shí)施方案具有分立的組分和特征， 它們可以在不背離本發(fā)明范圍的情況下容易地與任何其它幾個(gè)實(shí)施方案的特征分開或組 合。任何列舉的方法可以以所列舉的事件次序進(jìn)行或以任何邏輯上可行的次序進(jìn)行。
[0034] 在各種實(shí)施方案中，本系統(tǒng)和方法涉及通過低電壓、低能量電化學(xué)方法在水溶液 中制造氫氧離子和/或碳酸氫根和/或碳酸根離子。在一個(gè)實(shí)施方案中和參照?qǐng)D1，通過 在陰極104和陽(yáng)極108之間施加低于3V的電壓，在陰極電解質(zhì)102中產(chǎn)生氫氧離子，同時(shí)： i)在陽(yáng)極108處將氫氣氧化產(chǎn)生質(zhì)子；ii)使質(zhì)子從陽(yáng)極108經(jīng)由陽(yáng)極電解質(zhì)106和穿過 第二陽(yáng)離子交換膜118迀移到第四電解質(zhì)116中；iii)使陽(yáng)極108和陰極104之間的電壓 保持為在陽(yáng)極108