專利名稱：用于產生可再生氫并截留二氧化碳的電化學系統(tǒng)、裝置和方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用于生產氫(氫氣，hydrogen)、氧(氧氣，oxygen)、酸和堿以及用于 捕獲(俘獲，capture)和截留(扣押，sequester) 二氧化碳的電化學系統(tǒng)、裝置(設備， apparatuse)、和方法。更具體地，本發(fā)明涉及伴隨可再生能源和水電解使用的、用于生產可 再生氫(renewable hydrogen)以及捕獲和截留二氧化碳的電化學系統(tǒng)、裝置和方法
背景技術：
水的電化學裂解傳統(tǒng)上被視為是一種產生氫和氧氣的方法。在傳統(tǒng)的堿性水電解 中，對于產生的每分子的氫，產生和消耗兩分子的氫氧化物堿(hydroxide base)。產生氫氧 化物堿的一種常用方法是使用氯堿。雖然有效，但是氯堿方法產生大量的氯，其是一種毒副 產品，并且在利用從化石燃料產生的電流供能時，每噸制造的堿形成若干噸的二氧化碳污 染物。從大氣(環(huán)境，atmosphere)或從氣體源去除二氧化碳需要非常大量的能量輸入 以克服與分離和濃縮擴散氣體(diffuse gas)相關的熵能。目前用于從大氣截留二氧化碳 或用于生產氫的設備和策略要么效率低要么成本高。為了降低每年釋放入大氣中的二氧化 碳的量，關鍵是開發(fā)經濟上可行的設備和工藝以提供可再生氫作為燃料源，以及通過以穩(wěn) 定的形式截留二氧化碳或通過將其轉化為有價值的商品而從大氣中去除大量的二氧化碳。

發(fā)明內容
在一個實施方式中，本發(fā)明是一種用于產生氫和去除二氧化碳的綜合系統(tǒng)(集成 系統(tǒng)，integrated system)，其包括能源(能量來源，energy source)和水源(水來源，water source) 0所述能源產生電能。水源連接于該能源并包括離子電解質。所述能源向 水源供能以電解水，從而產生氧氣、氫氣、酸和堿。二氧化碳與堿發(fā)生反應。所述綜合系統(tǒng) 基本上不產生二氧化碳。在另一實施方式中，本發(fā)明是一種用于產生氫、增值產品并去除二氧化碳的系統(tǒng)， 其包括水電解過程(水電解工藝，water electrosisprocess)和能源。水電解過程產生氫 氣和氫氧化物堿。所述能源向水電解過程提供電(流)輸入。氫氣被收集并可以補充所述 能源，而堿去除大氣二氧化碳。所述系統(tǒng)去除的大氣二氧化碳多于其產生的二氧化碳。在又一實施方式中，本發(fā)明是一種用于捕獲二氧化碳并將其轉變?yōu)樵鲋诞a品的綜 合系統(tǒng)。該綜合系統(tǒng)包括用于產生電的可再生能源和水電解裝置。來自所述可再生能源的 能量被供應到水電解裝置而產生氫、氧、堿和酸，它們被截留。在從可再生能源將能量供應 到水電解裝置之前，大氣具有初始濃度的二氧化碳。在從可再生能源將能量供應到水電解 裝置之后，產生的堿與來自大氣的二氧化碳反應，使得大氣具有的所得二氧化碳的濃度小 于二氧化碳的初始濃度。然后二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品。在又一實施方式中，本發(fā)明為一種用于回收二氧化碳的系統(tǒng)，包括具有陽極和陰 極的水電解裝置以及連接到該水電解裝置以將電能提供給水電解裝置的可再生能源。水電 解裝置在陽極產生氧和含水酸(水性酸或酸水溶液，aqueous acid)，而在陰極產生氫和含 水堿(水性堿或堿水溶液，aqueous base)。由水電解裝置產生的含水堿被用于捕獲二氧化 碳。該系統(tǒng)捕獲的二氧化碳多于該系統(tǒng)產生的二氧化碳并且產生少于約100mg/L的氯。在又一實施方式中，本發(fā)明為一種用于產生氫、氧、酸和堿的綜合水電解系統(tǒng)。該 系統(tǒng)包括含水電解質溶液(電解質水溶液，aqueous electrolyte solution)、電源、陽極和 陽極區(qū)以及陰極和陰極區(qū)。該陽極和陽極反應區(qū)產生的水合氫離子為電解質溶液中初始存 在的水合氫離子的約100-10，000，000倍，而陰極和陰極反應區(qū)產生的羥離子(氫氧離子， hydroxide ion)為電解質溶液中初始存在的羥離子的約100_10，000，000倍。二氧化碳與 羥離子反應而形成碳酸鹽或碳酸氫鹽。該綜合電解系統(tǒng)基本上不產生二氧化碳。根據(jù)其他實施方式，本發(fā)明涵蓋一種電化學裝置，用來從氣流中截留二氧化碳并 產生用作燃料源的氫。在一個實施方式中，所述電化學裝置包括水電解室、收集和儲存罐、 氣體接觸組件、氣體供應設備和分離室。水電解室適于電解水并適于電連接到電能源。水 電解室具有至少一個陰極、至少一個陽極和含水電解質溶液并且包括在使用期間向該室施 加直流電時，適于濃縮在陰極產生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子 的第二區(qū)。所述裝置包括用于在水電解室中產生的氫、氧、羥離子和水合氫離子每一個的收 集和儲存罐。氣體接觸組件可操作地連接于該(水電解)室的第一區(qū)并適于接收來自該室 的溶液中的羥離子，并適于包含(容納，contain)含有二氧化碳的氣流。氣體供應設備適 于將含有二氧化碳的氣流提供到氣體接觸組件以使二氧化碳與溶液中的羥離子接觸，并使 二氧化碳與羥離子反應而形成溶液中的碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。分離室可操作地連接于氣 體接觸組件并適于從氣體接觸組件中的溶液分離碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。在另一實施方式中，本發(fā)明是一種電化學裝置，包括水電解室、氣體供應設備、分 離室、氫收集設備、可選的氧收集設備和燃料電池。水電解室適于電解水并適于電連接到可 再生能源。水電解室具有至少一個陰極、至少一個陽極和含水電解質溶液并且包括在使用 期間向該室施加直流電時，適于濃縮在陰極產生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)。氣體接觸組件可操作地連接于所述(水電解)室的第一區(qū)并適于 接收來自該室的溶液中的羥離子，并包含含有二氧化碳的氣流。氣體供應設備適于將含有 二氧化碳的氣流提供到氣體接觸組件以使二氧化碳與溶液中的羥離子接觸并使二氧化碳 與羥離子反應而形成溶液中的碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。分離室可操作地連接于氣體接觸組 件并適于從氣體接觸組件中的溶液分離碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。在使用期間，氫收集設備 收集在陰極處產生的可再生氫。在使用期間，可選的氧收集設備收集在陽極處產生的氧。燃 料電池電連接到所述室并可操作地連接于氫收集設備和可選的氧收集設備，并且適于從在 陰極處生成的氫產生直流電。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種電化學裝置，包括水電解室、氣體接觸組件、氣 體供應設備和分離室。水電解室適于電解水并適于電連接到電能源。水電解室具有至少一 個陰極、至少一個陽極和含水電解質并且包括在使用期間向該室施加直流電時，適于濃縮 在陰極產生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)。氣體接觸組 件與所述室的第一區(qū)形成整體(集成)并適于包含含有二氧化碳的氣流。氣體供應設備適 于將含有二氧化碳的氣流提供到氣體接觸組件以使二氧化碳與溶液中的羥離子接觸并使 二氧化碳與羥離子反應而形成溶液中的碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。分離室可操作地連接于氣 體接觸組件并適于從氣體接觸組件中的溶液分離碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。在又一實施方式中，本發(fā)明為一種電化學裝置，包括水電解室、堿供應設備和氣體 接觸組件。水電解室適于電解水并適于電連接到電能源。水電解室具有至少一個陰極、至 少一個陽極和含水電解質并且包括在使用期間向該室施加直流電時，適于濃縮在陰極產生 的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)。堿供應設備可操作地連 接于所述室的第一區(qū)并適于接收來自所述室的含水氫氧化物堿并適于提供作為液滴的氫 氧化物堿。氣體接觸組件使含有二氧化碳的大氣或氣流與氫氧化物堿接觸并使二氧化碳與 氫氧化物堿液滴反應而形成碳酸氫鹽或碳酸鹽離子的溶液。在上面陳述的電化學裝置實施方式的每一個中，所述電化學裝置可以包括另外的 部件。在一個實施方式中，所述裝置包括用于收集在使用期間在陰極處產生的氫的氫收集 設備和用于收集在使用期間在陽極處產生的氧的可選的氧收集設備。在另一實施方式中， 所述裝置包括燃料電池，電連接到所述室并可操作地連接到氫收集設備和可選的氧收集設 備，適于從在陰極處產生的氫和在陽極處產生的可選的氧產生直流電。在又一實施方式中， 所述裝置包括沉淀室，該沉淀室可操作地連接到分離室并適于在使用期間從液相去除固體 碳酸鹽或碳酸氫鹽。在又一實施方式中，所述裝置包括二氧化碳收集設備，用于收集在分離 室中產生的加壓二氧化碳氣體。在又一實施方式中，所述裝置包括電解質供應設備，適于以 各種各樣的遞送結構(配置，configuration)將新電解質供應到所述室。在又一實施方式 中，水電解室包括一個或多個堆疊電極。根據(jù)其他實施方式，本發(fā)明為一種產生氫并從氣態(tài)源截留二氧化碳的電化學方 法。直流電從在預定電壓下的電源供應到到水電解單元，該水電解單元包括至少一個容納 基本上沒有氯離子的含水電解質的電解槽。電解槽包括被動地或主動地與陰極區(qū)分離的陽 極區(qū)。電解槽的陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接。氫和堿在陰極區(qū)產生并作為產品或用于 下游過程的試劑被單獨地分離。氧和酸在陽極區(qū)產生并作為產品或用于下游過程的試劑被 單獨地分離。堿中存在的羥離子進一步與二氧化碳的氣態(tài)源反應，從而作為碳酸鹽、碳酸氫鹽或其混合物截留溶液中的二氧化碳。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種從水產生氫氣和從大氣或氣流的二氧化碳捕獲 形式產生碳酸氫鹽的電化學方法。直流電被供應到水電解槽，該水電解槽具有適于產生氧 和質子的陽極區(qū)以及適于產生氫和羥離子的陰極區(qū)。陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接。羥 離子從陰極區(qū)被移出并與來自大氣或氣流的氣態(tài)二氧化碳接觸而產生碳酸氫鹽、碳酸鹽、 或其混合物的溶液。該溶液被進一步處理以分離碳酸氫鹽。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種從水產生氫氣和從大氣或氣流的二氧化碳捕獲 形式產生碳酸鹽的電化學方法。直流電被供應到水電解槽，該水電解槽具有適于產生氧和 質子的陽極區(qū)以及適于產生氫和羥離子的陰極區(qū)。所述陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接。 羥離子從陰極區(qū)被移出并與來自大氣或氣流的氣態(tài)二氧化碳接觸而產生碳酸氫鹽、碳酸 鹽、或其混合物的溶液。該溶液被進一步處理以分離碳酸鹽。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種生產氫氣和二氧化碳中性或二氧化碳負性氫氧 化物堿的電化學方法?？稍偕蛟幽苤绷麟姳还o電解槽，該電解槽具有適于產生氧 和質子的陽極區(qū)以及適于產生氫和羥離子的陰極區(qū)。該陽極和陰極區(qū)通過電解質被電連 接。一些或全部羥離子以堿的形式從陰極區(qū)被移出。該堿溶液被進一步處理以濃縮和純化 堿，其在沒有任何顯著的二氧化碳產生的情況下被制得。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種生產氫氣和二氧化碳中性或二氧化碳負性酸的 的電化學方法?？稍偕蛟幽苤绷麟姳还o電解槽，該電解槽具有適于產生氧和質子 的陽極區(qū)以及適于產生氫和羥離子的陰極區(qū)。該陽極和陰極區(qū)通過電解質被電連接。一些 或全部質子以酸的形式從陽極區(qū)被移出。該酸溶液被進一步處理以濃縮和純化酸，其在沒 有任何凈二氧化碳釋放的情況下被制得。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種產生和維持電解室中酸和堿的分離區(qū)的方法。 水電解被用于在陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離子和氫。主動和被動屏障 (分隔物，barrier)被用于防止酸和堿的再結合(再組合，recombination)，由此最大化兩 個區(qū)之間的PH梯度。單個的產物被收集和分離。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種從礦物(礦石，mineral)制備氫氣和二氧化碳 截留化合物的電化學方法。水電解被用于在陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離 子和氫。質子以酸的形式存在，并且一些或全部酸從陽極區(qū)被移出(去除，remove)。酸被 處理，隨后與某些礦物接觸，其在活化時形成二氧化碳截留化合物。這些化合物與二氧化碳 的氣態(tài)源進一步反應而從該氣態(tài)源捕獲或截留二氧化碳。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種生產加壓的二氧化碳的方法。水電解被用于在 陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離子和氫。所有的產物被單個地收集。羥離子， 作為堿被處理，與來自大氣或氣流的含有二氧化碳的氣體反應，產生碳酸鹽或碳酸氫鹽或 其混合物的溶液。質子，作為酸被處理，與碳酸鹽或碳酸氫鹽反應以在封閉環(huán)境中釋放二氧 化碳從而產生加壓的二氧化碳。根據(jù)進一步的實施方式，該加壓的二氧化碳可以被加熱和 加壓以生產超臨界二氧化碳。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種生產二氧化碳中性脲的電化學方法。水電解被 用于在陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離子和氫。這些產物的每一個作為試劑 被收集和處理。氫和二氧化碳與一個氮源反應以產生脲。
在另一實施方式中，本發(fā)明為一種生產氫和二氧化碳負性農用石灰的電化學方 法。水電解被用于在陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離子和氫。這些產物的每 一個作為試劑被收集和處理。羥離子，作為堿被處理，與來自大氣或氣流的含二氧化碳的氣 體反應以產生碳酸鹽的溶液。碳酸鹽溶液被進一步用鈣離子源處理以產生碳酸鈣、農用石 灰。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種生產氫氣和二氧化碳中性生石灰的電化學方 法。水電解被用于在陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離子和氫。這些產物的每 一個作為試劑被收集和處理。羥離子，作為堿被處理，與來自大氣或氣流的含二氧化碳的氣 體反應以產生碳酸鹽的溶液。碳酸鹽溶液被進一步用鈣離子源處理以產生碳酸鈣。碳酸鈣 隨后被加熱而產生生石灰。在另一實施方式中，本發(fā)明為一種生產氫和從大氣二氧化碳產生一氧化碳的電化 學方法。水電解被用于在陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離子和氫。這些產物 作為試劑被收集和處理。羥離子，作為堿被處理，與來自大氣或氣流的含二氧化碳的氣體反 應以產生碳酸鹽和碳酸氫鹽或其混合物的溶液。該溶液進一步與質子(作為酸被處理)反 應，以在受控反應環(huán)境中釋放二氧化碳。該二氧化碳進一步與通過水電解過程產生的氫反 應而形成一氧化碳。根據(jù)又一實施方式，本發(fā)明為一種從大氣或氣流生產甲酸的電化學方法。水電解 被用于在陽極區(qū)產生質子和氧，同時在陰極區(qū)產生羥離子和氫。這些產物作為試劑被收集 和處理。羥離子，作為堿被處理，與來自大氣或氣流的含二氧化碳的氣體反應以產生碳酸鹽 和碳酸氫鹽或其混合物的溶液。該溶液進一步與質子(作為酸被處理)反應，以在封閉或 受控反應環(huán)境中釋放二氧化碳。該二氧化碳進一步與通過電解產生的試劑和甲醇反應而形 成甲酸。在閱讀下面結合附圖和實施例的詳細描述后，本發(fā)明的這些和其他方面、過程和 特征將變得更充分地明顯。然而，本發(fā)明的前述總結和下面的本發(fā)明詳細描述代表一個潛 在的實施方式，不是限制本發(fā)明或本發(fā)明的其他可替換的實施方式。


圖1是根據(jù)本發(fā)明的不同實施方式的包括至少一個水電解槽的綜合水電解系統(tǒng) 的示意圖。圖2是根據(jù)本發(fā)明的不同實施方式的水電解槽的示意圖。圖3A和3B是根據(jù)本發(fā)明的其他不同實施方式的水電解槽的示意圖。圖4是根據(jù)本發(fā)明的不同實施方式的水電解槽的示意圖。圖5是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的水電解槽的示意圖。圖6是根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式的水電解槽的示意圖。圖7是可以從圖1的綜合水電解系統(tǒng)處理的增值產品的示意圖。圖8是根據(jù)本發(fā)明的不同實施方式的水電解裝置的示意圖。雖然本發(fā)明服從于各種改變和可替換形式，但是一些實施方式已經在附圖中以實 施例的方式舉例說明并且在下面詳細描述。然而，本發(fā)明不限于那些實施方式的發(fā)明，并且 本發(fā)明意圖覆蓋對在這個說明書中描述的這些實施方式的所有改變、等同替換以及可選替換方案。
具體實施例方式圖1示出了根據(jù)一個實施方式，用于生產可再生氫和捕獲二氧化碳(CO2)的綜合 水電解系統(tǒng)10的示意圖。綜合水電解系統(tǒng)10包括電能源12、可再生能源14、電解槽16 (包 括陰極區(qū)18和陰極18a、陽極區(qū)20和陽極20a)、含水電解質源22、氫收集和儲存罐24、氧收 集和儲存罐26、堿收集和儲存罐28及酸收集和儲存罐30。此外，根據(jù)不同實施方式，綜合 水電解裝置10包括連接到堿收集和儲存罐28的第一二氧化碳捕獲裝置32、間接連接到酸 收集和儲存罐30的第二二氧化碳捕獲裝置34、以及氫/氧燃料電池38。綜合水電解系統(tǒng) 10及其部件通過水電解產生氫、氧、酸和堿，隨后通過這些產物中的一個或多個的后續(xù)加工 以作為碳酸鹽、碳酸氫鹽或礦物碳酸鹽捕獲二氧化碳。當與可再生或非二氧化碳產生能源組合時，綜合水電解系統(tǒng)10形成用于生產清 潔氫燃料的二氧化碳負性能源方案，并且可以用作減少全球二氧化碳污染的大規(guī)模應用。 短語“二氧化碳負性(carbondioxide negative) ”指的是大氣或氣流中的二氧化碳的總體 凈減少。因此，當陳述綜合水電解系統(tǒng)10為二氧化碳負性時，意味著綜合水電解系統(tǒng)10去 除的二氧化碳比它產生的二氧化碳實質上更多。此外，與制造氫氧化物堿的傳統(tǒng)方法不同， 基本上不產生二氧化碳或氯。電能源12是直流(DC)電源并被耦接到可再生能源14。電能源12和可再生能源 14向電解槽16供電。DC電以預定和足夠的電壓使用以電解電解槽16中的水，從而使陰極 區(qū)18和陽極區(qū)20充電(使帶電荷，charge)以向電解槽16供電。在一些實施方式中，DC 電是脈沖化的，以最小化能量消耗以及通過允許氣體在脈沖之間從電極表面離開來優(yōu)化電 解槽16中酸、堿、氫和氧的產生?？稍偕茉?4可以為任何可再生形式的能，如風、太陽、水電、地熱、海洋、波浪、 潮汐和利用可再生氫的燃料電池。這些可再生能源不產生二氧化碳。例如，對風力渦輪發(fā) 電機起作用的風可以用于產生直流電。可能產生二氧化碳的其他能源也可以用于為電能源 提供能量，包括生物燃料、生物質、煤、甲烷等。根據(jù)一個實施方式，核能也可以用于向綜合 水電解系統(tǒng)10提供能量。當通過可再生能供電時，綜合水電解系統(tǒng)10以總二氧化碳負性方式運轉，從空氣 或氣流去除凈二氧化碳，并將其轉化為各種各樣的增值產品。核能是可選替換的電的來源， 并且也允許二氧化碳負性運轉。來自化石燃料燃燒的電是另一可選替換方式，但是目前不 允許二氧化碳負性運轉。隨著電產生的裝置或過程的效率的提高，化石燃料電也將允許綜 合水電解系統(tǒng)10的二氧化碳負性運轉。在一種實施方式中，由可再生能源14產生的能量可以用于補充電能源12。在一個 可選替換的實施方式中，由電能源12產生的能量可以用于補充可再生能源14。過多的電可 以被儲存在電池中，通過變換器轉換成交流電以由極板網柵(grid)使用，或轉化為作為能 量儲存介質的氫。電能源12和可再生能源14供應足夠量的電以啟動電解槽16中的水電解。在一 個實施方式中，大于約1. 2V的最小電壓被施加于電解槽16以啟動和維持電解。根據(jù)其他 實施方式，施加于電解槽16的預定電壓的范圍在約1. 2伏到約10. 0伏。更高電壓的施加可以增大反應速率，伴隨能量效率的降低。電解槽16中電解反應的結果是在陽極區(qū)20形成質子和氧氣，以及在陰極區(qū)18形 成羥離子和氫氣。質子與在含水電解質源22的電解質溶液22a中存在的陰離子結合而形 成酸。同樣地，羥離子與在含水電解質源22的電解質溶液22a中存在的陽離子結合而形成 堿。電解質處理設備經由連續(xù)液流或分批模式向陰極區(qū)18和陽極區(qū)20供應新鮮的電 解質溶液。在一個實施方式中，電解質溶液22a由中心供料罐如含水電解質源22提供，由 半滲透膜或離子選擇膜將陰極區(qū)18和陽極區(qū)20分開。這些離子選擇膜引導陰離子朝向陽 極區(qū)20，而陽離子朝向陰極區(qū)18，最小化酸和堿的鹽污染，同時減少由于再組合造成的酸 和堿的損失。被動半滲透膜也最小化這樣的污染或損失。容納在含水電解質源22中的含水電解質溶液22a包括含水濃電解質溶液，如鈉、 鉀、鈣、或鎂的硫酸鹽、硝酸鹽、或碳酸鹽溶液。根據(jù)不同實施方式，含水電解質包括堿金屬 鹽。堿金屬鹽是周期表的第I(IA)或2(IIA)族的鹽。適于本發(fā)明使用的示例性電解質包 括，但不限于，以下硫酸鈉、硫酸鉀、硫酸鈣、硫酸鎂、硝酸鈉、硝酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸鈉、碳 酸氫鉀、或碳酸鉀。其他合適的電解質溶液包括海水和含水海鹽溶液。在一個實施方式中， 含水電解質溶液22a基本上不包含氯化物，使得電解槽16和/或綜合水電解裝置10基本 上不產生氯氣。在一個實施方式中，綜合水電解系統(tǒng)10每升電解質產生少于約100毫克的 氯，尤其是每升電解質少于約10毫克的氯，更特別地，每升電解質少于約1毫克的氯。根據(jù)本發(fā)明的一個示例性實施方式，含水電解質溶液22a是硫酸鈉的飽和溶液， 其是通過將過量的硫酸鈉加入置于1200升電解質處理(加工，processing)和儲存罐中的 約1000升干凈蒸餾水中而制備的。電解質溶液22a被維持在約30°C同時被機械地混合整 夜。獲得的溶液被過濾并隨后利用泵或重力自流進料而泵入電解槽16中。電解質水溶液22a的濃度根據(jù)電解槽16和整個綜合水電解系統(tǒng)10的需要而變 化。電解質濃度可以隨著溫度、PH、和/或選擇的電解質鹽而變化。根據(jù)一個實施方式，含 水電解質溶液22a的濃度為約1M。根據(jù)另一實施方式，飽和含水電解質溶液22a被維持在 電解槽16內。如圖1所示，綜合水電解裝置10包括至少一個水電解槽16。水電解槽是本領域 技術人員熟知的。水電解槽16由容納含水電解質溶液22a的耐腐蝕室和與一個或多個陰 極20a排列成行的一個或多個陰極18a，它們的構造為最小化電極18a、20a之間的電阻。水 在陰極區(qū)18被還原，而在陽極區(qū)20被氧化。電解質負責電解槽16內的電荷轉移和離子移 動。電解槽16還包括氣體接觸組件和氣體供應設備，以將含二氧化碳的空氣或氣流與來自 電解槽16的氫氧化物堿接觸；以及分離室，以濃縮、處理或分離從堿與二氧化碳的反應形 成的碳酸氫鹽和碳酸鹽。合適的電極材料包括鎳、鉬、碳、不銹鋼，或任何在用于電解水的電 壓下耐受電解質中的化學腐蝕的導電材料。絲電極、片電極、絲網電極或多孔電極是用于 最大化電極表面積的合適可選替換方式。堆疊電極，帶有相同或不同的電壓，最大化氫、氧、 酸、和堿產生。在一些實施方式中，離子選擇性膜可以用來維持分離的陰極區(qū)18和陽極區(qū) 20。在其他實施方式中，多孔玻璃燒結料，其他非選擇性屏障的濾器，被用于維持分離的陰 極區(qū)18和陽極區(qū)20。陰極區(qū)18和陽極區(qū)20通過從含水電解質源22a供應的含水電解質溶液22a電連接。供應到電解槽16中的含水電解質溶液22a的電能引起水的電化學裂解而產生氫、氧、 堿和酸。水電解槽16在陰極區(qū)20產生并捕獲氫和氫氧化物堿，在陽極區(qū)20捕獲氧和濃 酸。含水電解質溶液22a內上升的氣體引起動態(tài)流體對流，其通過電解設計而被最優(yōu)化。 陰極區(qū)18和陽極區(qū)20內的電解質的對流流動最小化通常由傳統(tǒng)電解裝置經歷的新產生的 堿和酸的再組合。通過防止陰極區(qū)18和陽極區(qū)20內的產物在電解槽16內再組合，陰極區(qū) 18和陽極區(qū)20內的堿和酸的濃度可以提高到相對于其初始濃度的約100到約10，000, 000 倍或更高。尤其是，陰極區(qū)18和陽極區(qū)20內的堿和酸的濃度各自相對于其初始濃度提高 到約10，000到約10，000, 000倍或更高。更特別地，陰極區(qū)18和陽極區(qū)20內的堿和酸的 濃度各自相對于其初始濃度提高到約100，000到約10，000, 000倍或更高。甚至更特別地， 陰極區(qū)18和陽極區(qū)20內的堿和酸的濃度各自相對于其初始濃度提高到約1，000，000到約 10，000, 000倍或更高。對于每千克的氫，綜合水電解系統(tǒng)10因而能夠產生高達約40千克 的氫氧化鈉或摩爾當量的氫氧化鉀。此外，根據(jù)一些實施方式，對于每千克的氫，綜合水電 解系統(tǒng)10能夠產生高達約49千克的硫酸。一旦堿和酸的濃度相對于它們的初始電解質濃度達到一百倍的最小增加，則導致 陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之間pH差為約4或更高，新鮮的含水電解質溶液22a從含水電解質 源22被泵入陰極區(qū)18和陽極區(qū)20。為了平衡陰極區(qū)18和陽極區(qū)20內的液體的體積，生 成的堿和酸分別從陰極區(qū)18和陽極區(qū)20被移出。電解質的分批或連續(xù)流動加入可以被用 于最優(yōu)化生產和操作條件。根據(jù)一些實施方式，含水電解質溶液22a可以在進入電解槽16的陰極和陽極區(qū) 18,20之前經歷另外的處理。圖2是用于在引入水電解槽116前處理含水電解質溶液148 的電解槽116的示意圖。如圖2所示，電解槽116包括電解室152，其包括位于陰極區(qū)142 內的陰極118和位于陽極區(qū)144內的陽極120。電解室152流體地耦接到電解質源122。根 據(jù)個種實施方式，電解槽116還包括陰極電解質制備電極156和陽極電解質制備電極158。電解質制備電極156和158位于從電解質源122到電解室152的含水電解質流動 路徑內。根據(jù)不同實施方式，電壓被施加于電解質制備電極156和158，其小于水電解所需 的最小理論電壓。根據(jù)一些實施方式，施加的電壓小于約1.2V。當一個電勢被施加于制備 電極156和158時，制備電極156和158如同帶電電極起作用，吸引相反電荷的離子。根據(jù) 一些實施方式，電解質制備陰極156吸引陽離子并排斥陰離子，而電解質制備陽極158吸引 陰離子并排斥陽離子。這個過程在電解質溶液148引入電解室152前，預先分類電解質溶 液148中存在的離子。連續(xù)或分批液體流被用在水電解槽16中。各種各樣的流動模式被使用以允許電 解質溶液平行于、環(huán)繞、或通過電極而流動。流量控制器、可滲透屏障和反向流流動設計控 制或引導電解質流以最大化效率，并最小化可能通過再組合發(fā)生的酸和堿的任何損失。離 子選擇膜或主動電屏障也選擇性地引導鹽陰離子朝向陽極流動，而鹽陽離子朝向陰極流 動。用來在陽極和陰極區(qū)18、20之間供應新鮮電解質溶液的中心供料罐用于提供酸和堿的 物理分離，并最小化不希望的再組合。電極之間所用的非選擇性離子滲透膜、濾器或凝膠也 可以用于最小化流體混合，同時維持電解質溶液中的高電導率。圖3A為根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的電解槽216A的示意圖。圖3B是根據(jù)本發(fā) 明另一實施方式的另一電解槽216B的示意圖。如圖3A和3B中所示的槽216A和216B各自被構造成利用流體動力學的電解槽216A、216B內的分開的陰極區(qū)242A、242B和分開的陽 極區(qū)244A、244B。此外，根據(jù)另一實施方式，槽216A、216B被構造成維持陰極區(qū)242A、242B 和陽極區(qū)244A、244B之間的pH差異在至少4個pH單位，更具體地，在至少6個pH單位。在一個實施方式中，如圖3A所示，電化學槽216A具有“T”構型。“1~”形槽216八包 括雙向分支到水平部分262中的細長垂直部分260A。新鮮電解質的連續(xù)供應從電解質源 222A向上流動通過“T”形殼的細長部分，以箭頭表示。一旦電解質到達“T”形槽216A的水 平部分260A，隨后電解質以相反方向朝向距離接近的陰極區(qū)242A和陽極區(qū)242B流動。根 據(jù)不同實施方式，由于施加的電場和擴散，通過槽216A的電解質的雙向流動速率大于離子 遷移的速率。因此，陰極區(qū)242A和陽極區(qū)242A的內含物不能重再組合，陽極區(qū)242A和陰 極區(qū)242A之間的pH差異可以被維持。在另一實施方式中，如圖3B所示，陰極區(qū)242B和陽極區(qū)242B內的對流參與維持 電解槽216B的陰極區(qū)242B和陽極區(qū)244B之間的pH差異。如圖3B所示，氫氣在陰極218B 處形成并以氣泡的形式在電解質溶液中上升。上升的氣泡在陰極區(qū)242B內形成對流。類 似地，在陽極220B處產生的氧以氣泡的形式上升，在陽極區(qū)244B中形成對流。此外，電解 槽216B包括流體地耦接陰極242B和陽極區(qū)242B的狹窄路徑264。與陰極242B和陽極區(qū) 242B之間的狹窄流體路徑264組合的陰極242B和陽極區(qū)242B中的對流參與維持陰極242B 和陽極區(qū)242B之間的pH差異為至少4個pH單位，更具體地，至少6個pH單位。在另一實 施方式中，結合圖3A中所示的電解槽216A的特征和圖3] 3中所示的電解槽216B的特征的 電解槽可以被利用。圖4示出了電解槽16的示意圖。水電解槽16包括陰極區(qū)18和陽極區(qū)20，其包含 由半滲透膜46分開的空間接近的電極。半滲透膜46減少水電解裝置16內的液體混合，但 是允許陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之間的離子流動。這種構造維持高電導性，同時最小化水電 解槽16內的酸和堿重組合的損失。陰離子或陽離子特異性膜被用于限制產生的酸或堿的 鹽污染。新鮮的含水電解質溶液22a以相同的方向在陰極18和陽極區(qū)20中流動，逐漸在 陰極區(qū)18中變得更堿性，在陽極區(qū)20中變得更酸性?？商鎿Q地，新鮮的含水電解質溶液22a 可以通過陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之一被引入。在這種情況下，橫跨陰離子或陽離子特異性 膜46的選擇性離子流將確保分別地產生高純度酸或堿。水電解槽16可以以平行或對向流 模式操作。對向流最小化穿過半滲透膜46形成的化學梯度，并可以減少形成這樣的梯度所 需的能量，并產生高濃度的酸和堿。在對向流系統(tǒng)中，最高濃度的水合氫離子和羥離子及它 們的抗衡離子從不互相直接地橫跨半滲透膜46定位，而是在與對向槽中的引入新鮮含水 電解質溶液22a反向上達到最大強度。這種設計避免了形成橫跨半滲透膜46的13-14個 單位的PH梯度的需要，而在強酸性和中性電解質之間、或強堿性和中性電解質之間不產生 高于7個單位的pH梯度。平行流也具有某些能量和設計優(yōu)點。圖5示出了一種可替換的水電解裝置16A的示意圖。水電解裝置16A是對向流或 平行流流動的三室水電解裝置。新鮮含水電解質溶液22a的狹窄中心供料罐(如電解質源 22)在分隔開陰極區(qū)18和陽極區(qū)20的第一半滲透膜48和第二半滲透膜50之間被引入。 在對向流流動中，濃縮的含水電解質溶液22a在水電解裝置16A的第一端處進入中心供料 罐，并且濃的堿和酸分別從陰極區(qū)18和陽極區(qū)20離開。在水電解槽16A的第二端，稀的堿和酸進入陰極區(qū)18和陽極區(qū)20，并且水或稀的含水電解質溶液離開中心供料罐。這種設計 減少了產生的堿和酸的鹽污染并最小化橫跨滲透膜48和50形成的化學梯度。在一些實施 方式中，該設計還可以用于使鹽或海水脫鹽并產生氫、氧、酸、和堿。在實踐中，陰極18a最初用稀堿填充，陽極20a用稀酸填充，維持電極18a、20a之 間的電導率。陽離子從中心供料罐流動通過最接近于陰極18a的第一半滲透膜48，與陰極 18a處形成的羥離子結合而生成濃氫氧化物堿。陰離子從電解質溶液源22流動通過第二半 滲透膜50到陽極20a，與陽極20a處形成的質子結合而產生濃酸。半滲透膜48、50可以為 離子選擇(陰離子或陽離子特異性)膜，或者可以為最小化流體流動的被動屏障，允許陰離 子或陽離子在任一方向通過。不管膜的選擇性，這樣的3-槽系統(tǒng)可以在所有槽中以平行流 動來操作，或者在任何一側以中心供料罐以及陰極18a和陽極20a之間的對向流操作。對 向流流動系統(tǒng)最小化橫跨這些膜的化學梯度，因為高濃度的堿和酸與高濃度的新鮮電解質 進入中心供料罐反向地離開陰極18a和陽極20a。在另一實施方式中，中心供料罐在兩個離子選擇膜之間引入新鮮的電解質溶液 22a，這些膜引導來自鹽溶液的陽離子和陰離子分別到陰極區(qū)18和陽極區(qū)20。置于電解陽極和陰極之間的離子選擇膜或電極篩網用于引導鹽離子朝向恰當電 極流動。這些屏障選擇性地排斥相似帶電離子并吸引相反帶電離子，并且在某些構造中，引 導陽離子流向陰極區(qū)18，而陰離子流向陽極區(qū)20。這些屏障起作用以提高電解槽16中形 成的酸和堿的純度和強度。在電極篩網上的凝膠或膜涂層也用于減少流體混合以及由于再 結合造成的酸和堿的損失。非選擇性離子滲透膜也將減少流體混合。在一個實施方式中，陽極區(qū)18和陰極區(qū)20之間的多孔層包含一種或多種離子交 換樹脂，其用于優(yōu)化鹽離子流向電極并最大化在裝置內產生的酸和堿的純度。鄰近陰極區(qū)18的帶負電荷的陽離子交換樹脂和鄰近陽極區(qū)20的帶正電荷的陰離 子交換樹脂的一個層將用于引導、濃縮或分選陽離子朝向陰極區(qū)18和陰離子朝向陽極區(qū) 20。根據(jù)一些實施方式，含水電解質溶液22a的流速可以被調節(jié)以克服不希望的離子 遷移，消除酸和堿再結合，或混合來自陰極區(qū)18和陽極區(qū)20的電解質溶液。根據(jù)其他實施 方式，含水電解質溶液22a的流速可以被調節(jié)以提高、降低和/或維持電解槽16的它們各 個區(qū)中產生的酸和堿的濃度。圖6為根據(jù)本發(fā)明一些實施方式的一種堆疊水電解槽的示意圖。堆疊的多孔電 極18a和20a可以用在一些實施方式中以最大化酸和堿產生。根據(jù)一個實施方式，如圖6 所示，水電解槽包括以空間緊密的平行構造排列的兩個或更多個多孔陽極-陰極對18a和 20a。一個或多個半滲透膜或離子選擇膜52可選地包括在內部電極對18a和20a之間。膜 52起作用以包含位于內部多孔陽極或陰極對之間的狹窄電解質供料罐。新鮮電解質從該罐 向外流動，接觸第一對電極，其中水氧化在陽極處發(fā)生，而水還原在陰極處發(fā)生。因此，當水 通過每個電極對時，它逐漸變得更加酸性或堿性。在一個實施方式中，電極可以由細孔篩、 多孔微球或納米球材料或薄片(具有許多穿過電極的流動通路)組成。在約1. 2到約10 伏的范圍內變化的DC電壓被提供給這些電極對以最大化陽極室中的酸和陰極室中的堿的 產生。再參照圖1，一旦堿和酸的濃度相對于它們的初始電解質濃度達到約100倍或更高的最小增加，那么堿和酸從電解槽16的陰極區(qū)18和陽極區(qū)20被移出。根據(jù)一個實施方 式，在陰極區(qū)18和陽極區(qū)20形成的堿和酸被泵入綜合水電解系統(tǒng)10中它們各自的收集和 儲存罐。根據(jù)另一實施方式，可以施加正壓力以從陰極區(qū)18和陽極區(qū)20移出堿和酸。根 據(jù)又一實施方式，堿和酸可以經由重力自流進料而從它們各自的區(qū)18、20被移出。隨后新 鮮的含水電解質溶液22a從含水電解質源22被遞送以平衡陰極區(qū)18和陽極區(qū)20中的液 體體積。在含水電解質溶液22a被電解以產生氫、氧、堿和酸后，這些產物被截留和收集。 氣體從陰極區(qū)18或陽極區(qū)20被送到設計用來收集這樣的氣體的儲存或流動系統(tǒng)。相對于 含水電解質溶液，氣體的低密度使得氣體上升。反應區(qū)18、20被設計成引導這個流向上并 到達陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之外而進入相鄰的綜合區(qū)域。氫、堿、氧和酸被物理地轉移以分 別收集在氫收集和儲存罐24、堿收集和儲存罐28、氧收集和儲存罐26、和酸收集和儲存罐 30中。由水電解槽16產生的堿被送到堿收集和儲存罐28并被出售或用作二氧化碳中性 的、高度純化的商品或與二氧化碳氣體化學反應以形成碳酸鹽或碳酸氫鹽。在一個實施方 式中，電解槽16的陰極區(qū)18中產生的堿的pH的范圍為約pH = 8到約pH = 14。當用于捕 獲二氧化碳時，二氧化碳作為碳酸鹽、碳酸氫鹽、或其混合物被捕獲。二氧化碳可以通過反 應、截留、去除、轉化或化學改性大氣或氣流中的氣態(tài)二氧化碳而被捕獲。所述氣流可以為 廢氣、發(fā)酵罐氣體流出物、空氣、生物氣、填埋物甲烷、或任何二氧化碳污染的天然氣源。碳 酸鹽可以隨后被處理以產生各種各樣的碳基產品。例如，碳酸鹽可以被濃縮、純化、富集、化 學反應、轉移、轉化、轉換、蒸發(fā)、結晶、沉淀、壓縮、儲存或分離。堿與二氧化碳的反應可以是被動的，僅依賴天然的氣體-水-固體混合。被動反 應的一個實例包括充滿堿或含堿溶液的露天儲罐、或暴露于空氣或氣流的固體氫氧化物堿 的層。堿-二氧化碳反應是自發(fā)的并可以通過堿或二氧化碳的濃度增加而被增強。該反應 還可以通過設計堿和二氧化碳的主動機制進行?；钚苑磻膶嵗ㄖ鲃訃婌F、使呈霧狀、 或將堿性溶液滴入含二氧化碳的空氣或氣流。在另一實例中，二氧化碳通過鼓泡或迫使氣 流通過由水電解裝置16產生的堿的柱或儲罐而主動與堿反應。也可以設想主動和被動二 氧化碳捕獲系統(tǒng)的組合。在兩種情況中，碳酸氫鈉和碳酸鈉通過綜合水電解系統(tǒng)10形成。 這些反應可以發(fā)生在綜合水電解系統(tǒng)10內或可以從綜合水電解系統(tǒng)10移出并運送到另一 地點用于利用前面描述的被動或主動技術從大氣或氣流捕獲二氧化碳。陰極區(qū)18中產生的氫氧化物堿被運送到氣體_液體接觸裝置。合適的氣體_液 體接觸裝置包括間歇反應器、鼓泡器、氣體_液體吸收-反應裝置、或這些裝置的任何系列。 被動二氧化碳捕獲模式包括將氫氧化物晶體的薄層或溶液暴露于空氣或二氧化碳污染的 氣流。在一個實施方式中，多孔篩網或織物或這樣的篩網或織物的系列用氫氧化物堿潤濕 并暴露于經過的氣流。在另一實施方式中，由用堿飽和的氣體可滲透床或層組成的濕洗器 從經過該床或層的氣流洗滌二氧化碳。在另一實施方式中，堿的細霧被噴灑入空氣或氣流 并且微?；蛐〉翁妓猁}通過重力或過濾被收集。實際上，有效地混合氣體和液體的任何方 法提供了合適的可替換的二氧化碳捕獲方案。由水電解槽16產生的酸被送到酸收集和儲存罐30。根據(jù)一個實施方式，酸的pH 范圍為約PH= 1到約pH= 5。酸可以被處理并從該系統(tǒng)移出而作為商品出售。酸可以用
20于制備某些礦物基二氧化碳截留化合物，其隨后用于從大氣或氣流捕獲二氧化碳。酸還可 以被綜合水電解系統(tǒng)10作為化學試劑使用以形成其他增值產品。在一個方面，碳酸鹽和碳 酸氫鹽在堿與二氧化碳反應后可以被分離。酸隨后可以被用于以受控方式從碳酸鹽或碳酸 氫鹽釋放二氧化碳以進一步將釋放的二氧化碳處理為增值產物。這些產物可以包括，但不 限于一氧化碳、甲酸、脲、甲醇、超臨界二氧化碳、高壓二氧化碳、液體二氧化碳或固體二氧 化碳(干冰)。在水電解槽16的陽極區(qū)20處產生的酸可以可選地被用于從碳酸鹽或碳酸氫鹽釋 放濃的二氧化碳以用于儲存或進一步應用。二氧化碳收集或運送設備容納在大氣壓或更高 壓力下釋放的二氧化碳。來自水電解過程的氫氣和氧氣的膨脹也可以可選地用于進一步壓 縮二氧化碳到超臨界壓力。在水電解期間，酸和堿的連續(xù)產生導致水電解槽16的陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之間 的PH差。根據(jù)一個實施方式，陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之間的pH差為至少4個pH單位。根 據(jù)其他實施方式，陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之間的pH差為至少4個pH單位、至少6個、至少8 個、或至少10個或更高的單位。陰極區(qū)18和陽極區(qū)20之間的pH差可以通過防止陰極區(qū) 18中形成的陰極電解液與陽極區(qū)20中形成的陽極電解液結合來維持。可替換地，堿和/或酸可以從綜合水電解系統(tǒng)10移出并運送到另一地點以利用前 述的被動或主動技術從大氣或氣流捕獲二氧化碳。在通過可再生能量供能時，該系統(tǒng)產生 可以用于從大氣或氣流捕獲二氧化碳的堿和/或酸。在這個模式中，整個綜合水電解系統(tǒng) 10截留的二氧化碳實質上超過它形成的，導致凈負的二氧化碳路徑。任何顯著的二氧化碳 捕獲使得由該系統(tǒng)產生的全部產物為二氧化碳負性的，尤其是那些從大氣二氧化碳合成或 產生的碳產品。氫和氧被分別收集在氫收集和儲存罐24以及氧收集和儲存罐26中，可以用于產 生電以向綜合水電解系統(tǒng)10供能，以補充電能源12或為燃料電池(如燃料電池38)、爐子 或發(fā)動機供能而為水電解提供直流電。氫和/或氧也可以用來與綜合水電解系統(tǒng)10的其 他產物反應而生成更加增值的產品。最后，氫和/或氧可以作為產品從綜合水電解系統(tǒng)10 引出而被出售或用作燃料或化學給料。因為利用綜合水電解系統(tǒng)10產生的氫通過二氧化 碳中性或二氧化碳負性過程產生，所以氫提供了清潔的可再生燃料源。根據(jù)一些實施方式，分離室產生高度濃縮的碳酸鹽和碳酸氫鹽或溶液。富含碳酸 鹽或碳酸氫鹽的溶液可以被冷卻以沉淀這些鹽。從碳酸鹽溶液被動或主動的水的蒸發(fā)可以 單獨地或與這樣的沉淀過程結合使用。太陽、風、加熱、減壓是其他的替換方式。在又一實 施方式中，添加鈣或鎂離子到濃縮或富集的碳酸鹽或碳酸氫鹽的溶液中將從更可溶的碳酸 鈉溶液沉淀碳酸鈣或碳酸鎂鹽。在又一實施方式中，水可溶性的有機溶劑如甲醇、乙醇或丙 酮也將從濃碳酸鹽或碳酸氫鹽溶液沉淀碳酸鹽。與碳酸鹽或碳酸氫鹽反應、或結合碳酸鹽 或碳酸氫鹽的其他化學品也將從溶液濃縮或移出這些鹽。許多碳基產品可以從通過綜合水電解系統(tǒng)10捕獲的二氧化碳生產。從通過綜合 水電解系統(tǒng)10捕獲的二氧化碳制得的商品為二氧化碳負性的，導致大氣二氧化碳的凈總 體減少，因為氣態(tài)二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋堤籍a品。這些產品的出售可以顯著地資助可再生 氫產生，使得清潔的氫成為集中在將大氣二氧化碳轉變?yōu)橛袃r值的碳基產品的工業(yè)過程的 廉價副產物。
圖7示出了可以從利用綜合水電解系統(tǒng)10產生的堿和/或酸捕獲的二氧化碳加 工成的增值產品。綜合水電解系統(tǒng)10從圖的中心向外處理(加工)增值產品。如前所述， 從電解產生的堿與二氧化碳反應而產生碳酸鹽和碳酸氫鹽。碳酸鹽和碳酸氫鹽又可以通過 二氧化碳與氫的化學或電化學還原或反應被轉變?yōu)橐谎趸?。一氧化碳與氫的結合產生合 成氣(Syngas)，一種合成有機化學的關鍵要素。通過這些中心產物的另外處理，許多化學 基礎物質(構成物質，building blocks)，如甲烷、脲、乙二醇、乙醛、甲醛、石灰石、乙酸、甲 醇、甲酸、丙酮和甲酰胺可以被形成。這些增值的化學基礎物質可以作為商品化學品出售或 用于生產第二類的增值產品，包括聚合物、織物、脲、和各種建筑材料。這些增值終產物隨后 從綜合水電解系統(tǒng)10移出并出售，導致二氧化碳有利地轉變?yōu)槎趸钾撔援a物?？稍偕?氫的同時產生通過這些增值產物的出售被資助，降低可再生氫產生的成本，并形成對全球 變暖具有潛在的顯著影響的二氧化碳負性能量方案。圖7的中心圓描述了可以從氫氧化物堿與二氧化碳的反應，或(在一氧化碳的情 況下)通過捕獲的二氧化碳的化學還原而產生的產物。這些化學化合物包括二氧化碳、一 氧化碳、碳酸鹽和碳酸氫鹽，它們均可以容易地相互轉化。它們可以進一步被處理以形成用 作用于大分子的基礎物質的各種各樣的碳基單體。在許多情況下，由電解槽16產生的氫、 氧、酸和堿可以用于這種二次加工。碳基基礎物質還可以在綜合水電解系統(tǒng)中被進一步處 理以產生許多有價值的碳基產品。它們的一些實例在圖7的外環(huán)中被示出。根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，含水電解質溶液在水電解槽中被電解而在陰極區(qū)產 生羥離子。該羥離子以堿的形式存在。一種這樣的示例性堿是氫氧化鈉。接著，堿中的羥 離子通過上述方法的任何一種與氣態(tài)二氧化碳的來源接觸而作為碳酸氫鹽、碳酸鹽、或其 混合物截留溶液中的二氧化碳。碳酸氫鹽和/或碳酸鹽可以從溶液中被分離以產生碳酸氫鹽、碳酸鹽、或其混合 物。這可以通過各種各樣的技術實現(xiàn)。例如，溶液的PH可以被維持在8或9之間以有助于 碳酸氫鹽形成或維持在大于11的PH以有助于碳酸鹽形成。雙置換反應可以用于分離不同 形式的碳酸鹽或碳酸氫鹽。更具體地，碳酸鈉與氯化鈣反應形成碳酸鈣，其可以容易地從溶 液中沉淀。類似地，鎂鹽也可以用于將碳酸氫鹽或碳酸鹽的鈉鹽轉變?yōu)槿芙舛鹊偷逆V鹽。碳 酸鈣和碳酸鎂可以被純化并使用或出售。用于分離碳酸氫鹽或碳酸鹽的其他處理方法包括 濃縮、沉淀、加熱、冷卻、暴曬蒸發(fā)、真空蒸發(fā)、風蒸發(fā)和結晶。根據(jù)不同實施方式，固體碳酸氫鹽和/或碳酸鹽可以用在廣大范圍的建筑材料的 生產中。例如，碳酸氫鹽和/或碳酸鹽可以在塑料、彈性體、粘合劑、和其他聚合物基材料的 生產中用作填料。根據(jù)不同其他實施方式，固體碳酸氫鹽和/或碳酸鹽可以在灰泥、水泥、 石膏、瓦片、水泥漿、建筑紙板、人造石等的生產中被使用。最后，固體碳酸氫鈉可以被純化 并作為發(fā)面蘇打被出售。根據(jù)本發(fā)明的不同實施方式，在電解槽16的陰極區(qū)18處產生的堿可以用于產生 二氧化碳中性或二氧化碳負性農用石灰和生石灰。例如，硫酸鈉溶液在水電解槽16中被電 解而在陰極區(qū)18中形成氫氧化鈉。堿被濃縮使得它達到至少pH = 10的pH，隨后與二氧化 碳的氣態(tài)源接觸以有利于富含碳酸鹽的給料(feedstock)的產生。富含碳酸鹽的給料隨后 與氯化鈣溶液混合。固體碳酸鈣從給料沉淀而產生農用石灰。根據(jù)其他實施方式，熱可以 被施加于根據(jù)上述方法產生的固體碳酸鈣，以產生二氧化碳中性生石灰，或在二氧化碳被再次捕獲的情況下，產生二氧化碳負性生石灰。根據(jù)本發(fā)明的另一實施方式，在水電解槽16的陽極區(qū)20中產生的酸可以用于產 生二氧化碳截留物質。水在水電解槽16中被電解而在水電解槽16的陽極區(qū)20處產生強 酸。至少一部分或全部的酸從陽極區(qū)20被移出并被收集和儲存在酸收集和儲存罐30中。 根據(jù)一個實施方式，酸在水電解槽16的陽極區(qū)20中或在酸收集和儲存罐30中被濃縮以便 所得到的酸的PH的范圍為約pH = 0到約pH = 5。根據(jù)進一步的實施方式，酸被濃縮以便 它具有約pH= 1的pH。隨后酸與在暴露于強酸時被轉變?yōu)槎趸冀亓粑镔|的物質反應。 可以通過與強酸的反應被轉化為二氧化碳截留物質的示例性物質包括，但不限于以下礦 物粘土、海泡石(s印iolite)、蛇紋石(serpentine)、滑石、石棉、及各種采礦副產品，如石 棉采礦廢品。根據(jù)一個示例性實施方式，常見的礦物蛇紋石可以溶解在硫酸中，產生硫酸鎂 的溶液，同時作為沙沉淀二氧化硅。氫氧化鈉的加入形成硫酸鎂和氫氧化鎂的混合物。該 過程還可以將有毒石棉和石棉廢品轉變?yōu)闊o毒二氧化碳結合物質。鎂溶液隨后暴露于來自 大氣或氣流的二氧化碳導致碳酸鎂或菱鎂礦的形成，它們均形成沉淀。這些沉淀良好適合 于產生建筑材料塊。根據(jù)本發(fā)明的進一步實施方式，二氧化碳截留物質可以與強酸進一步 反應而在受控條件下釋放二氧化碳氣體。從二氧化碳截留物質釋放的二氧化碳可以被捕獲 并儲存用于進一步處理。根據(jù)不同其他實施方式，在水電解槽16的陰極區(qū)18中產生的堿和陽極區(qū)20中產 生的酸可以用于在受控反應中產生濃縮或高壓二氧化碳氣體。例如，含水電解質溶液22a 中的水被電解而在陰極區(qū)18產生堿，并在陽極區(qū)20產生酸。一些或全部的堿從陰極區(qū)18 被移出并被收集和儲存在堿收集和儲存罐28中。一些或全部的酸從陽極區(qū)20被移出并被 收集并儲存在酸收集和儲存罐30中。堿中存在的羥離子與二氧化碳的氣態(tài)源反應而產生 包括碳酸氫鹽、碳酸鹽、或其混合物的溶液。酸與包含碳酸鹽的溶液在密閉容器中反應而產 生高度濃縮和加壓的二氧化碳?？商鎿Q地，該二氧化碳氣體可以被釋放入管道或流動系統(tǒng) 中，以運送到更遠的地方。根據(jù)不同實施方式，二氧化碳可以被進一步被濃縮和/或純化。根據(jù)其他實施方式，根據(jù)上面的方法產生的二氧化碳可以被轉變?yōu)殡濉ｋ逶谵r業(yè) 生產中經常作為肥料使用，因為它富含氮。根據(jù)不同實施方式，二氧化碳與無水氨的來源在 加壓氮下接觸而產生脲。根據(jù)其他實施方式，在陰極產生的氫和根據(jù)上述各種方法產生的 二氧化碳在電化學過程中與氮氣反應而產生脲。根據(jù)其他進一步的實施方式，二氧化碳氣體可以被轉變?yōu)橛杏玫漠a品，如超臨界 二氧化碳。例如，根據(jù)一個實施方式，加壓的二氧化碳可以被調節(jié)到臨界溫度和臨界壓力而 產生超臨界二氧化碳。超臨界二氧化碳廣泛用在食品工業(yè)和香精工業(yè)中以從咖啡或茶提取 咖啡因，以及從種子或植物物質提取精油，或用在干冰的生產中。此外，最近的發(fā)展還表明， 超臨界二氧化碳是合成有機化學中有價值的試劑或溶劑。根據(jù)本發(fā)明的其他不同實施方式，根據(jù)上述方法產生的二氧化碳可以被轉變?yōu)橐?氧化碳，多種合成有機化學中的基本基礎物質。工業(yè)上用于將二氧化碳轉變?yōu)橐谎趸嫉?幾個熟知的化學途徑是眾所周知的并在工業(yè)上應用。根據(jù)一個示例性的實施方式，反向水 煤氣轉換反應(Reverse Water Gas Shift reaction)利用在陰極處產生的氫而將二氧化 碳還原為一氧化碳和水。一氧化碳在大批化學品生產中具有許多應用。例如，醛通過烯、一氧化碳、和氫的加氫甲酰化產生。加氫甲?；梢择詈系絊hellHigher Olefin Process (Shell高級烯烴 工藝)而獲得洗滌劑的前體。此外，甲醇可以通過一氧化碳的氫化產生。最后，在Monsanto 過程中，甲醇和一氧化碳在均相銠催化劑和HI存在下反應而產生乙酸。將二氧化碳轉變?yōu)?一氧化碳的任何化學途徑可以應用于本說明書中描述的當前水電解和二氧化碳捕獲技術。 在從大氣二氧化碳制造時，這樣的產物是二氧化碳負性的。根據(jù)本發(fā)明的其他實施方式，甲酸鹽和甲酸可以從上述電解反應的產物產生。在 陰極產生的堿可以與二氧化碳的氣態(tài)源反應而產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽、或其混合物的 溶液。包含碳酸鹽的溶液可以在受控條件下與陽極形成的酸反應而釋放二氧化碳。在一個 實施方式中，1M的碳酸氫銫的溶液，從堿性溶液中截留的二氧化碳被處理，可以利用鈀催化 劑進行電解而以高產率和法拉第效率產生甲酸。在另一實施方式中，碳酸鹽或碳酸氫鹽與 陽極形成的酸反應而在受控過程中釋放二氧化碳。通過水電解產生的氫和甲醇隨后被逐步 加入而產生甲酸。利用來自前述水電解/二氧化碳捕獲技術的產物產生甲酸鹽或甲酸的任 何已知的化學途徑可以通過這些實施方式想到。根據(jù)本發(fā)明的不同其他實施方式，根據(jù)上述方法產生的電解產物可以用于生產甲 醇。許多金屬氧化物，如鋅和鋯催化劑已知將二氧化碳還原為甲醇。根據(jù)一個示例性的實 施方式，利用通過水電解產生的堿從大氣或氣流捕獲的二氧化碳在受控環(huán)境中利用也是從 電解過程產生的酸被釋放。二氧化碳和通過水電解產生的氫被結合并在鎳催化劑上反應而 產生甲醇。在另一實施方式中，F(xiàn)ischer-Tropsch反應在銅或靶上進行以優(yōu)先生成甲醇。利 用來自本發(fā)明水電解和二氧化碳捕獲技術的產物生產甲醇的任何化學途徑是潛在的反應 性途徑。
實施例本發(fā)明將在下面的實施例中更具體地描述，其意圖僅作為舉例說明，因為本發(fā)明 范圍內的多種改變和變化對于本領域的技術人員來說是顯而易見的。除非另外說明，下面 的實施例中報道的所有部分、百分比、和比率是基于重量的，并且在這些實施例中使用的全 部試劑是商業(yè)上獲得的，或者可以通過常規(guī)技術合成。實施例1如圖8所示，水電解裝置被構建成證實產生濃酸和堿用于二氧化碳捕獲的可行 性。它由直徑約2. 5厘米(cm)的垂直中心電解質供料管、在其基部附近被連接到彼此相對 附著的向上傾斜的陽極和陰極管構成。由鎳、不銹鋼或鉬組成的電極絲、篩網狀或平的、線 形電極被放置在陽極和陰極管中，接近它們連接于中心管的點。含水硫酸鈉的濃縮的、不含 氯化物的電解質溶液經由中心供料管被引入系統(tǒng)，形成導電槽，其中水在陽極被氧化，而在 陰極被還原。小的15瓦太陽能電池板被用于向該系統(tǒng)提供可再生電。當來自太陽能電池板的DC電流被施加到系統(tǒng)時，在陰極迅速產生氫和氫氧化物 堿，同時在陽極形成氧和酸。氫和氧氣分別在陰極和陽極管向上流動，在頂部被收集。積聚 在陽極和陰極管中的酸和堿經由旋塞閥被收集。引入中心供料管中的新鮮電解質迫使酸和 堿在陽極和陰極管向上升，防止它們在系統(tǒng)內再結合。在運行的幾分鐘內，陽極槽中的電解 質已經達到約2的pH，而在陰極槽中達到約12的pH，10個pH單位的差異。不同于用于生 產氫氧化物堿的傳統(tǒng)氯堿工藝，該堿生產的可再生方法不產生氯或二氧化碳。硫酸，一種高需求商品化學品產生，而不是氯。在陰極槽中產生的堿開始立即捕獲大氣二氧化碳，一種通過最大化空氣-水暴露 而被極大增強的過程。這通過使空氣或氣體鼓泡通過堿性溶液，或通過噴灑堿經過空氣或 含二氧化碳的氣體的柱來實現(xiàn)。被動捕獲方法也清楚表明從空氣的二氧化碳捕獲。小量(20g)的晶體NaOH以薄 層鋪在暴露于空氣的玻璃板上。在最初幾天，吸濕的NaOH從空氣吸收大量的水蒸氣，變成 潮濕的晶體塊。在接下來的兩周期間，這些晶體逐漸干燥并且顏色變?yōu)椴煌该鞯陌?，一種從 初始半透明NaOH晶體的可見變化。該白色晶體為碳酸氫鈉和碳酸鈉的組合，從大氣的二氧 化碳形成。酸、醋添加到這些晶體導致劇烈的起泡，因為二氧化碳被釋放回空氣。實施例2第二實施例使用在底部用多孔玻璃料密封的1英寸直徑玻璃管。該玻璃料允許玻 璃管的內部和外部之間的流體和離子交換，形成內部陽極或陰極槽。平的鎳或鉬電極被放 置在玻璃料的相對側并連接到15W DC光電板。該裝置形成水電解裝置，其在管的內部產生 濃堿，并在管的外部形成濃酸。依賴于操作模式，在這個系統(tǒng)中迅速形成超過11的pH差異；一個超過200億倍的 酸-堿濃度梯度。管內的電解質達到約13的pH，同時橫跨該玻璃料，少于1/4英寸的距離， 電解質PH達到約1. 6。還觀察到氫和氧的劇烈產生。實施例3第三實施例包括由機械加工的塑料構建的兩室流動-通過裝置。蠕動泵被用于使 電解溶液循環(huán)入陽極和陰極區(qū)，其被半滲透膜或濾器物理分隔開。可變寬度的塑料間隔被 用于改變電極和膜之間的間隙。鎳-銅合金最初被用作電極材料。氫和氧在裝置頂部處的 閥門處被收集，而酸和堿被連續(xù)循環(huán)通過電極直到達到足夠的濃度。可變輸出DC電源被用 于產生足以電解水的電壓。超過約10個單位的pH差異被迅速實現(xiàn)并維持在該裝置中。鎳-銅電極證明對在 某些電壓下的易于腐蝕。耐腐蝕的鎳、鉬、或不銹鋼電極更加抵抗腐蝕?？傊@些實驗清楚地證實，水電解可以以綜合方案使用以產生可再生氫并從空 氣或氣流捕獲二氧化碳。假定通過水電解產生的可再生氫已經作為化石燃料的關鍵清潔替 換物被促進，那么這種組合的可再生氫/二氧化碳捕獲技術代表一個減少全球二氧化碳排 放的重大進步。實施方式實施方式1是一種用于產生氫和去除二氧化碳的綜合系統(tǒng)，包括a)用于產生電能的能源(能量來源，energy source)；以及b)連接到該能源的水源，其中該水源包括離子電解質，并且其中該能源將能量供 應到水源以電解水而產生氧氣、氫氣、酸和堿；c)其中二氧化碳與該堿反應；并且d)其中該綜合系統(tǒng)基本上不產生二氧化碳。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中該能源為可再生能源。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中該能源為可再生能源，并且其中氫用于產生可再生 電以代替或補充可再生能源。
實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中該能源是可再生能源，并且其中該可再生能源是風、 太陽、水電、地熱、海洋、波浪或潮汐之一。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中能源是生物質和生物燃料之一。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中二氧化碳從大氣和氣流之一被捕獲。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品，并且其中該增值產品 為甲烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超臨界二氧化碳、石灰石、乙 醛、乙二醇、乙醇、碳酸氫鹽或碳酸鹽之一。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品并且其中該增值產品為 建筑材料、塑料、聚合物、樹脂、織物、肥料、防凍劑、潤滑劑、緩沖劑、殺蟲劑、纖維、泡沫、薄 膜、涂料、二氧化碳中性燃料、溶劑、二氧化碳的儲存源、鋪筑材料、用于塑料的填料、農用石 灰、發(fā)面蘇打或發(fā)酵粉之一。實施方式1的綜合系統(tǒng)，其中氫被送到所述能源。實施方式2是一種用于產生增值產品，包括可再生氫，并且去除二氧化碳的系統(tǒng)， 包括a)用于在陰極產生氫氣和氫氧化物堿，并在陽極產生氧氣和酸的水電解過程；以 及b)用于將電輸入供應到該水電解過程的能源；c)其中氫氣被收集并補充所述能源；d)其中堿去除大氣二氧化碳；并且e)其中該系統(tǒng)去除的大氣二氧化碳比它產生的更多。實施方式2的綜合系統(tǒng)，其中該能源為可再生能源。實施方式2的綜合系統(tǒng)，其中該能源是可再生能源，并且其中該可再生能源是風、 太陽、水電、地熱、海洋、波浪或潮汐之一。實施方式2的綜合系統(tǒng)，其中二氧化碳通過與氫氧化物堿反應而被捕獲，并被轉 變?yōu)樘妓猁}或碳酸氫鹽的至少一種。實施方式2的綜合系統(tǒng)，其中增值產品為建筑材料、塑料、聚合物、樹脂、織物、肥 料、防凍劑、潤滑劑、緩沖劑、殺蟲劑、纖維、泡沫、薄膜、涂料、二氧化碳中性燃料、溶劑、二氧 化碳的儲存源、鋪筑材料、用于塑料的填料、農用石灰、發(fā)面蘇打或發(fā)酵粉之一。實施方式2的綜合系統(tǒng)，其中氫被用作燃料或化學原料。實施方式3為一種用于捕獲并將二氧化碳轉變?yōu)樵鲋诞a品的綜合系統(tǒng)，該綜合系 統(tǒng)包括a)用于產生能量的可再生能源；以及b)水電解裝置，其中來自該可再生能源的能量被供應到該水電解裝置以產生氫、 氧、堿和酸，并且其中該氫、氧、堿和酸被獨立地截留；c)其中在從該可再生能源將能量供應到水電解裝置之前，大氣具有二氧化碳的一 個初始濃度；d)其中在從該可再生能源將能量供應到水電解裝置之后，產生的堿與來自大氣的 二氧化碳反應使得大氣具有的所得二氧化碳的濃度低于該二氧化碳的初始濃度；并且
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e)其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品。實施方式3的綜合系統(tǒng)，其中該可再生能源為風、太陽、水電、地熱、海洋、波浪或 潮汐之一。實施方式3的綜合系統(tǒng)，其中該增值產品為碳酸鹽或碳酸氫鹽之一。實施方式3的綜合系統(tǒng)，其中該增值產品為碳酸鹽和碳酸氫鹽之一，并且其中所 述酸被用于作為二氧化碳釋放碳酸鹽或碳酸氫鹽以儲存或轉變?yōu)樵鲋诞a品。實施方式3的綜合系統(tǒng)，其中該增值產品為甲烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、 甲酰胺、丙酮、乙酸、超臨界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、脲或乙醇之一。實施方式3的綜合系統(tǒng)，其中氧和氫被運輸并用于燃料電池。實施方式3的綜合系統(tǒng)，其中氫被運送到所述可再生能源。實施方式4為一種用于回收二氧化碳的系統(tǒng)，包括a)具有陽極和陰極的水電解裝置，其中該水電解裝置在陽極產生氧和含水酸，并 在陰極產生氫和含水堿；以及b)可再生能源，耦接于該水電解裝置以將能量提供給水電解裝置；c)其中由該水電解裝置產生的含水堿被用于捕獲二氧化碳；d)其中該系統(tǒng)捕獲的二氧化碳超過該系統(tǒng)產生的二氧化碳；并且e)其中每升電解質，該系統(tǒng)產生少于約lOOmg的氯(mg/L)。實施方式4的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)產生少于約10mg/L的氯。實施方式4的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)產生少于約lmg/L的氯。實施方式4的系統(tǒng)，其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品。實施方式4的系統(tǒng)，其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品，并且其中該增值產品為碳 酸鹽或碳酸氫鹽之一。實施方式4的系統(tǒng)，其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品，并且其中該增值產品為甲 烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超臨界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙 二醇、脲或乙醇之一。實施方式4的系統(tǒng)，其中二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品，并且其中該增值產品為建 筑材料、塑料、聚合物、樹脂、織物、肥料、防凍劑、潤滑劑、緩沖劑、殺蟲劑、纖維、泡沫、薄膜、 涂料、二氧化碳中性燃料、溶劑、二氧化碳的儲存源、鋪筑材料、用于塑料的填料、農用石灰、 發(fā)面蘇打或發(fā)酵粉之一。實施方式4的系統(tǒng)，其中該可再生能源為風、太陽、水電、地熱、海洋、波浪或潮汐之一。實施方式4的系統(tǒng)，其中二氧化碳從大氣或氣流之一被捕獲。實施方式4的系統(tǒng)，其中二氧化碳從大氣和氣流之一被捕獲，并且其中該系統(tǒng)從 氣流捕獲二氧化碳，其中該氣流為廢氣、發(fā)酵罐氣體流出物、空氣、生物氣、填埋物甲烷或二 氧化碳污染的天然氣之一。實施方式4的系統(tǒng)，其中所述能源為生物質或生物燃料之一。實施方式5為一種用于產生氫、氧、酸和堿的綜合水電解系統(tǒng)，包括a)含水電解質溶液；b)電源；
c)包含水合氫離子的陽極和陽極反應區(qū)，其中該水合氫離子的操作濃度為水合氫 離子的初始濃度的至少約100-10，000, 000倍；以及d)包含羥離子的陰極和陰極反應區(qū)，其中該羥離子的操作濃度為羥離子的初始濃 度的至少約100-10，000, 000倍；e)其中二氧化碳與羥離子反應而形成碳酸鹽或碳酸氫鹽；并且f)其中該綜合水電解系統(tǒng)基本上不產生二氧化碳。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中該電解質溶液包含硫酸鹽濃度大于約0. 1摩 爾的硫酸鈉或硫酸鉀。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中產生的堿為氫氧化鈉或氫氧化鉀之一。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中產生的堿為氫氧化鈉和氫氧化鉀之一，并且 其中對于產生的每千克氫，該綜合水電解系統(tǒng)產生大于約40千克的氫氧化鈉或氫氧化鉀。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中產生的酸為硫酸。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中產生的酸為硫酸，并且其中對于每千克產生 的氫，該綜合水電解系統(tǒng)產生大于約49千克的硫酸。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，進一步包括氫燃料電池，其中氫被送到該氫燃料 電池以將直流電提供給所述綜合水電解系統(tǒng)。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中該綜合水電解系統(tǒng)從大氣或氣流去除的二氧 化碳大于其產生的二氧化碳。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中所述碳酸鹽或碳酸氫鹽被轉變?yōu)橛梢韵陆M成 的組中的至少一種甲烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超臨界二氧 化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、脲或乙醇。實施方式5的綜合水電解系統(tǒng)，其中所述碳酸鹽或碳酸氫鹽被轉變?yōu)榻ㄖ牧稀?塑料、聚合物、樹脂、織物、肥料、防凍劑、潤滑劑、緩沖劑、殺蟲劑、纖維、泡沫、薄膜、涂料、碳 基燃料、溶劑、二氧化碳的儲存源、鋪筑材料、用于塑料的填料、農用石灰、發(fā)面蘇打或發(fā)酵 粉之一。實施方式6為一種用于產生可再生氫并從氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包 括a)水電解室，適于電解水并且適于電連接到電能源，包括至少一個陰極、至少一個 陽極和含水電解質溶液，該室包括在使用期間當直流電施加于該室時，適于濃縮在陰極產 生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)；b)氣體接觸組件，可操作地連接到該室的第一區(qū)并且適于接收來自該室的在溶液 中的羥離子和適于包含(容納，contain)含有二氧化碳的氣流；c)氣體供應設備，適于將含二氧化碳的氣流提供到氣體接觸組件，以使二氧化碳 與溶液中的羥離子接觸并使二氧化碳與羥離子反應以形成在溶液中的碳酸氫鹽或碳酸鹽 離子；以及d)分離室，可操作地連接到氣體接觸組件并適于從氣體接觸組件中的溶液分離碳 酸氫鹽或碳酸鹽離子。實施方式7為一種產生可再生氫并從氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包括a)電解室，適于電解水并且適于電連接到電能源，包括至少一個陰極、至少一個陽極和含水電解質，該室包括在使用期間當直流電施加于該室時，適于濃縮在陰極產生的羥 離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)；b)氣體接觸組件，與該室的第一區(qū)整合(集成，integal with)并適于包含含有二 氧化碳的氣流；c)氣體供應設備，適于將含二氧化碳的氣流提供到體接觸組件，以使二氧化碳與 溶液中的羥離子接觸并使二氧化碳與羥離子反應以形成在溶液中的碳酸氫鹽或碳酸鹽離 子；以及d)分離室，可操作地連接到氣體接觸組件并適于從氣體接觸組件中的溶液分離碳 酸氫鹽或碳酸鹽離子。實施方式8為一種產生可再生氫并從氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包括a)水電解室，適于電解水并且適于電連接到可再生能源，包括至少一個陰極、至少 一個陽極和含水電解質溶液，該室包括在使用期間當直流電施加于該室時，適于濃縮在陰 極產生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)；b)氣體接觸組件，可操作地連接到該室的第一區(qū)并適于接收來自該室的在溶液中 的羥離子并包含含有二氧化碳的氣流；c)氣體供應設備，適于將含二氧化碳的氣流提供到氣體接觸組件，以使二氧化碳 與溶液中的羥離子接觸并使二氧化碳與羥離子反應以形成在溶液中的碳酸氫鹽或碳酸鹽 離子；d)分離室，可操作地連接到該氣體接觸組件并適于從氣體接觸組件中的溶液分離 碳酸氫鹽或碳酸鹽離子；e)可再生氫收集設備，用于在使用期間收集在陰極產生的氫；f)可選的氧收集設備，用于在使用期間收集在陽極產生的氧；以及g)燃料電池，電連接到所述室并可操作地連接到可再生氫收集設備和可選的氧收 集設備，適于從在陰極產生的可再生氫產生直流電。實施方式9為一種產生可再生氫并從大氣或氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包 括a)電解室，適于電解水并且適于電連接到電能源，包括至少一個陰極、至少一個陽 極和含水電解質，該室包括在使用期間當直流電施加于該室時，適于濃縮在陰極產生的羥 離子的第一區(qū)和適于濃縮在陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)；b)堿供應設備，可操作地連接到所述室的第一區(qū)并適于接收來自所述室的含水氫 氧化物堿并提供作為液滴的氫氧化物堿；以及c)氣體接觸組件，用于使含二氧化碳的大氣或氣流接觸氫氧化物堿，并使二氧化 碳與氫氧化物堿液滴反應而形成碳酸氫鹽或碳酸鹽離子的溶液。實施方式6-9的裝置，進一步包括沉淀室，該沉淀室可操作地連接到分離室并適 于從液相移出固體碳酸鹽或碳酸氫鹽。實施方式6-9的裝置，其中包含收集的水合氫離子的第二區(qū)被可操作地連接到分 離室，并適于從來自溶液的碳酸鹽或碳酸氫鹽離子釋放二氧化碳。實施方式6-9的裝置，進一步包括二氧化碳收集設備，用于收集分離室中產生的 濃縮二氧化碳氣體。
實施方式6-9的裝置，進一步包括電解質供應設備，適于以分批或連續(xù)方式將新 鮮電解質供應到所述室。實施方式6-9的裝置，進一步包括電解質供應設備，適于以分批或連續(xù)方式將新 鮮電解質供應到所述室，其中該電解質供應設備濃縮電解質中的陰離子和陽離子并在電解 室中將濃縮的陰離子遞送到陽極并將陽離子遞送到陰極。實施方式6-9的裝置，其中所述第一區(qū)和第二區(qū)被被動屏障分隔開，該屏障適于 允許陽極和陰極之間的電流通過并適于限制第一和第二區(qū)之間的電解質溶液混合。實施方式6-9的裝置，其中所述第一區(qū)和第二區(qū)被主動屏障分隔開，該屏障適于 允許陽極和陰極之間的電流通過并適于限制第一和第二區(qū)之間的電解質溶液混合。實施方式6-9的裝置，其中所述第一和第二區(qū)被離子選擇膜、可滲透膜、或一個或 多個離子交換樹脂中的至少一個分隔開。實施方式6-9的裝置，其中氣體接觸組件使含二氧化碳的大氣或氣流與作為噴霧 或煙霧形成的氫氧化物液滴接觸。實施方式6-9的裝置，其中氣體接觸組件包括與含二氧化碳的大氣或氣流接觸的 一個或多個開放室。實施方式6-9的裝置，其中所述碳酸氫鹽或碳酸鹽溶液通過風干、暴曬干燥、溫度 改變、壓力改變或它們的組合而被濃縮。實施方式6-9的裝置，其中多個氣體接觸組件連續(xù)地(串聯(lián)地，in series)布置 并構造成使得重力被用來為下面的室提供富含碳酸氫鹽或碳酸鹽的溶液。實施方式6-9的裝置，其中來自一區(qū)的氫氧化物溶液通過連續(xù)工藝或通過分批工 藝被提供。實施方式6-9的裝置，進一步包括分離室，其可操作地連接到氣體接觸組件并適 于從所述溶液分離碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。實施方式6-9的裝置，進一步包括沉淀室，其可操作地連接到分離室并適于從所 述溶液移出固體碳酸鹽或碳酸氫鹽。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括提供脈沖直流電的直流電組件。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括氫收集設備，用于在使用期間收 集在陰極處產生的氫。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括可選的氧收集設備，用于在使用 期間收集在陽極處產生的氧。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括燃料電池，其電連接到所述室并 可操作地連接到可再生氫收集設備和可選的氧收集設備，適于從在陰極處產生的可再生氫 和可選的在陽極處產生的氧產生直流電。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中氣體接觸組件是間歇反應器或一系列 (串聯(lián)，in series)的間歇反應器、氣體/液體吸收/反應裝置或一系列的氣體/液體吸收 /反應裝置、或鼓泡塔或一系列的鼓泡塔。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括沉淀室，該沉淀室可操作地連接 到分離室并適于在使用期間從液相移出固體碳酸鹽或碳酸氫鹽。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括陽離子交換組件，其適于從溶液沉淀作為鈣或鎂鹽的碳酸鹽或碳酸氫鹽。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括有機溶劑組件，適于從溶液沉淀 碳酸鹽或碳酸氫鹽。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括干燥室，其可操作地連接到分離 室并適于在使用期間從液相移出固體碳酸鹽或碳酸氫鹽。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中包含濃縮的水合氫離子的所述第二區(qū)可 操作地連接到分離室并適于作為濃縮的二氧化碳氣體或超臨界二氧化碳從溶液分離碳酸 氫鹽或碳酸鹽離子。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括二氧化碳收集設備，用于利用所 述室中產生的氫氣和氧氣的膨脹而收集分離室中產生的加壓二氧化碳氣體。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括適于連續(xù)地將新鮮電解質溶液供 應到所述室的電解質供應設備。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括適于連續(xù)地將新鮮電解質溶液供 應到所述室的電解質供應設備，其中該電解質供應設備濃縮或引導電解質溶液中的陰離子 和陽離子并在電解室中選擇性地將濃縮的陰離子遞送到陽極并將陽離子遞送到陰極。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中新鮮電解質溶液以適于濃縮在陰極的羥 離子和濃縮在陽極的水合氫離子的預定流動配置被引入到所述室。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括適于連續(xù)將新鮮電解質溶液供應 到所述室的電解質供應設備，其中該電解質供應設備包括中心供應系統(tǒng)，用于為所述室中 的陽極和陰極區(qū)供應新鮮電解質溶液。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，進一步包括適于以分批方式將新鮮電解質溶 液供應到所述室的電解質供應設備。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述第一和第二區(qū)被被動屏障分隔開， 該屏障適于允許所述陽極和陰極之間的電流和粒子流通過，并限制所述第一和第二區(qū)之間 的電解質溶液混合。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述第一和第二區(qū)被主動屏障分隔開， 該屏障適于允許陽極和陰極之間的電流和選擇性離子流通過，并限制所述第一和第二區(qū)之 間的電解質溶液混合。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述第一和第二區(qū)被至少一個膜分隔開。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述第一和第二區(qū)被凝膠分隔開。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述第一和第二區(qū)被離子特異性屏障分 隔開。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述第一和第二區(qū)被離子交換樹脂分隔 開。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述陽極或陰極包括絲狀、片狀、篩網狀 或多孔微球或納米球電極。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述陽極或陰極包括范圍為約1. 2到約 10伏的相同或不同電壓的、由細孔篩薄板或多孔微球或納米球材料制成的堆疊電極。
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根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述電能源是通過風、太陽、水電、地熱、 海流、潮汐、或生物燃料能產生的可再生電能源。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述電能源為核能發(fā)生器。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述電能源為燃料電池。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述電能源為轉換為直流電的交流電。根據(jù)實施方式6-9的任一個的裝置，其中所述陽極和陰極以堆疊構造布置。實施方式10為一種產生可再生氫并截留氣態(tài)二氧化碳的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個水電解槽的水電解裝置， 該水電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū) 分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極處產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)收集氫氣產物；e)收集氧氣產物；f)從陽極區(qū)移出一部分或全部酸；g)從陰極區(qū)移出一部分或全部堿；以及h)將所述堿中的羥離子與氣態(tài)二氧化碳接觸以在溶液中作為碳酸氫鹽或碳酸鹽 或其混合物截留二氧化碳。根據(jù)實施方式10的方法產生的堿。—種包含根據(jù)實施方式10的方法產生的碳酸氫鹽或碳酸鹽的建筑材料，其中該 建筑材料為清水墻(干壘墻，dry wall)產品、填充聚氯乙烯、瓦片(瓷磚，tile)、薄漿 (grout)、人造石、填充樹脂、或粘合劑中的任一種。根據(jù)實施方式10的方法，進一步包括使在陽極區(qū)產生的酸與無機化合物接觸以 形成二氧化碳截留物質。根據(jù)實施方式10的方法，進一步包括使在陽極區(qū)產生的酸與無機化合物接觸以 形成二氧化碳截留物質，其中所述無機化合物是滑石、礦物粘土、海泡石、蛇紋石、石棉、或 采礦副產物中的任一種。根據(jù)實施方式10的方法，進一步包括使在陽極區(qū)產生的酸與電化學槽中的氣態(tài) 二氧化碳接觸以產生通式為CmHxOn的還原的碳化合物，其中m為1到6之間的整數(shù)，χ為0 到24之間的整數(shù)，η為0到6之間的整數(shù)。根據(jù)實施方式10的方法，進一步包括使在陽極區(qū)產生的酸與電化學槽中的氣態(tài) 二氧化碳接觸以產生還原的碳化合物，其中還原的碳化合物是甲酸、草酸、甲醛、或甲醇中 的任一種。根據(jù)實施方式10的方法，進一步包括通過使系統(tǒng)產生的氫氣與系統(tǒng)捕獲的二氧 化碳反應而化學還原二氧化碳以產生一氧化碳，用于其他合成過程(或工藝)的前體。根據(jù)實施方式10的方法，進一步包括在電化學過程中使二氧化碳氣體和在陰極 產生的氫與氮氣反應以產生脲。根據(jù)實施方式10的方法，進一步包括使在陽極區(qū)產生的酸與給料接觸以產生二 氧化碳氣體以及使二氧化碳氣體與無水氨源在壓力下接觸以產生脲的步驟。
實施方式11是一種生產可再生氫和產生碳酸氫鹽的過程，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氫氣和羥離子；c)從該電解槽的陰極區(qū)移出一部分或全部的含羥離子的所述堿；和d)使該羥離子與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽或其混合物的溶 液；以及e)從該溶液分離碳酸氫鹽。實施方式12是一種生產可再生氫和產生碳酸鹽的過程，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陰極區(qū)產生氫氣和包含羥離子的堿；c)從陰極區(qū)移出一部分或全部的包含羥離子的所述堿；d)使該羥離子與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽、或其混合物的 溶液；以及e)從該溶液分離碳酸鹽。實施方式13是一種生產可再生氫和產生酸的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陰極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)從陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；d)將所述酸收集在儲罐中；以及e)濃縮所述酸。實施方式14是一種生產可再生氫和產生堿的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和該陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；c)從陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；d)收集該堿在儲罐中；以及e)濃縮該堿。實施方式15是一種生產并維持濃縮水合氫離子和濃縮羥離子的分隔區(qū)的方法， 包括a)使包括至少一個適于產生氫氣和羥離子的陰極的陰極區(qū)和包括至少一個適于 產生氧氣和水合氫離子的陽極的陽極區(qū)與含水電解質接觸；b)將1. 2到10伏之間的DC電壓施加到所述陽極和陰極；
c)從陰極區(qū)移出氫氣和羥離子；以及d)從陽極區(qū)移出氧氣和水合氫離子。實施方式15的方法進一步包括利用雙向流動向所述陰極和陽極區(qū)供應新鮮電解 質的步驟。實施方式15的方法進一步包括在所述陽極和陰極區(qū)內形成對流的步驟。實施方式16是一種生產可再生氫并產生二氧化碳截留化合物的方法，包括以下 步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)從陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；d)濃縮所述酸，其中該酸具有范圍在從約pH = 1到約pH = 5的pH ；以及e)使所述酸與當暴露于強酸時被轉變?yōu)槎趸冀亓羧芤旱奈镔|接觸。根據(jù)實施方式16的方法，其中所述物質為礦物粘土、海泡石、蛇紋石、滑石、石棉、 及采礦副產物中的任一種。根據(jù)實施方式16的方法，進一步包括將堿添加到所述二氧化碳截留溶液的步驟。根據(jù)實施方式16的方法，進一步包括使所述二氧化碳截留溶液與氣態(tài)二氧化碳 源接觸的步驟。根據(jù)實施方式16的方法，進一步包括從所述二氧化碳截留溶液沉淀和處理鎂鹽 的步驟。實施方式17為一種生產可再生氫并產生加壓二氧化碳氣體的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使包含羥離子的所述堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽、或 其混合物的溶液；g)使所述溶液與在所述槽的陽極區(qū)產生的酸接觸以產生在壓力下的二氧化碳氣 體；以及h)收集該加壓的二氧化碳氣體。根據(jù)實施方式17的方法，進一步包括從收集的加壓二氧化碳氣體產生超臨界二 氧化碳。實施方式18為一種生產可再生氫并產生脲肥料的方法，該方法包括以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使該堿與氣態(tài)二氧化碳源接觸以產生包含碳酸氫鹽或碳酸鹽或其混合物的給 料(feedstock)；g)使在陽極區(qū)產生的酸與所述給料接觸以產生二氧化碳氣體；以及h)使該二氧化碳氣體在壓力下與無水氨源接觸以產生脲。實施方式19為一種生產可再生氫并產生脲肥料的方法，該方法包括以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從該陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使該堿與氣態(tài)二氧化碳源接觸以產生包含碳酸氫鹽或碳酸鹽或其混合物的給 料；g)使在該陽極區(qū)產生的酸與所述給料接觸以產生二氧化碳氣體；以及h)使該二氧化碳氣體和在陰極產生的氫在電化學過程中與氮氣接觸以產生脲。實施方式20為一種生產可再生氫并產生農用石灰的方法，包括以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從該陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使具有大于約pH = 10的pH的堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生富含碳酸鹽的給 料；g)使所述給料與包含鈣離子的含水組合物接觸；以及h)從所述給料沉淀碳酸鈣以產生農用石灰。實施方式21為一種生產可再生氫并產生生石灰的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；
d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從該陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使具有大于約pH = 10的pH的堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生富含碳酸鹽的給 料；g)使所述富含碳酸鹽的給料與包含鈣離子的含水溶液接觸以產生碳酸鈣；h)向所述碳酸鈣施加熱以產生生石灰。根據(jù)實施方式21的方法，其中從向所述碳酸鈣施加熱釋放的二氧化碳與堿接觸 以再生碳酸鹽給料。根據(jù)實施方式21的方法，其中從向所述碳酸鈣施加熱釋放的二氧化碳被截留和 加壓以作為超臨界二氧化碳。實施方式22為一種生產可再生氫并產生一氧化碳的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質(電解質水溶液，aqueous electrolyte)、以及 與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和 陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從該陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使該堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫鹽或碳酸鹽或其混合物的溶 液；g)使該溶液與所述槽的陽極區(qū)產生的酸接觸以產生在壓力下的二氧化碳氣體；h)收集該加壓的二氧化碳氣體；以及i)用在陰極產生的一部分氫氣還原一部分的二氧化碳氣體以產生一氧化碳。實施方式23為一種生產可再生氫并產生甲酸的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從該陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使該堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫鹽或碳酸鹽或其混合物的溶 液；g)使該溶液與所述槽的陽極區(qū)產生的酸接觸以產生在壓力下的二氧化碳氣體；h)收集該加壓的二氧化碳氣體；以及i)用在陰極產生的一部分氫氣還原一部分的二氧化碳氣體以產生一氧化碳；j)在陰極產生的具有至少10的pH的堿存在下，使一部分的一氧化碳與甲醇反應 以產生甲酸甲酯；以及
k)水解該甲酸甲酯而產生甲酸。實施方式24為一種生產可再生氫并產生甲酸的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔 開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從該陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使該堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫銫的溶液；以及g)電解碳酸氫銫而形成甲酸。實施方式25為一種生產可再生氫并產生甲酸的方法，包括a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，該 電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質、以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分離 的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中該陽極和陰極區(qū)通過電解質電連接；b)在陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中該質子以酸的形式存在；c)在陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中該羥離子以堿的形式存在；d)從該陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從該陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使該堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫鹽或碳酸鹽或其混合物的溶液； 以及g)在催化劑的存在下氫化碳酸氫鹽而產生甲酸。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述氣態(tài)二氧化碳源為大氣二氧化碳。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述氣態(tài)二氧化碳源為氣流。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述截留的二氧化碳的量大于由所述 電源產生的二氧化碳的量。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括向水電解槽施加適于將濃縮的 電解質引入中心供料室的對向流流動，所述室通過半滲透膜與陽極和陰極區(qū)分隔開，使得 電解質的流向與在陽極和陰極區(qū)產生的酸和堿的流向相反。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括通過提供位于電解槽的陽極區(qū) 和陰極區(qū)之間的至少一個離子選擇膜來維持分隔開的陽極和陰極區(qū)。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括通過提供位于電解槽的陽極區(qū) 和陰極區(qū)之間的至少一個非選擇性、半滲透膜來維持分隔開的陽極和陰極區(qū)。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將新鮮電解質連續(xù)供應到電解 槽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括以分批方式將新鮮電解質供應 到電解槽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的pH差異維持在至少6個pH單位。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的pH差 異維持在至少8個pH單位。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的pH差 異維持在至少IOfpH單位根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將陽極區(qū)和陰極區(qū)之間的pH差 異維持在至少4個pH單位根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中陽極區(qū)的pH的范圍為從約pH = 0到 約 pH = 5。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中陰極區(qū)的pH的范圍為從約pH = 8到 約 pH = 14。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中從所述源供應的電的范圍為從約1. 2 到約10.0伏。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中從所述能源供應的電壓為至少1. 2伏。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中在所述陰極區(qū)產生的堿的pH的范圍為 從約pH = 8到約pH = 14。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括向電解槽施加正壓力以從陽極 區(qū)移出酸和從該陰極區(qū)移出堿。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括向電解槽施加重力自流供料以 從陽極區(qū)移出酸和從陰極區(qū)移出堿。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括連續(xù)將來自陽極區(qū)的酸泵到酸 儲存區(qū)和將來自陰極區(qū)的堿泵到堿儲存區(qū)。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述電源為可再生能源。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將氫氣再循環(huán)到可再生能源以 用作燃料。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將氫氣再循環(huán)到可再生能源以 用作燃料，其中該可再生能源為通過可再生氫、合成燃料、生物質、或生物燃料供能的燃料 電池。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將來自可再生能源的可再生能 量供應到所述電能源，其中該可再生能源為風力渦輪機、太陽能電池、水力發(fā)電機、生物燃 料、地熱、潮汐或波浪中的任一種。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括再循環(huán)氫氣以產生可再生電。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括再循環(huán)氫氣和氧氣以再生水和 供應到電解裝置的電。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述電能源不消耗基于化石的燃料。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述電能源是核能發(fā)電機。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述電能源是燃料電池。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述電能源是由通過電解槽產生的可 再生氫供能的燃料電池。
根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述含水電解質包括基本上不含氯離 子的堿金屬鹽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述含水電解質包括基本上不含氯離 子的鈉鹽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述含水電解質選自由硫酸鈉、硫酸 鉀、硫酸鈣、硫酸鎂、硝酸鈉、硝酸鉀、碳酸氫鈉、碳酸鈉、碳酸氫鉀、碳酸鉀、碳酸鈣、及碳酸 鎂組成的組。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述含水電解質包括海水和/或海鹽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述電解質在溶液中是飽和的。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括維持飽和的電解質溶液。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述含水電解質為硫酸鈉或硫酸鉀。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括從所述溶液分離碳酸氫鹽或碳 酸鹽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中通過從所述溶液沉淀碳酸氫鹽或碳酸 鹽而從所述溶液分離碳酸氫鹽或碳酸鹽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括濃縮所述溶液的步驟。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括將所述溶液驟冷到范圍約0°C 到約10°c的溫度，以從所述溶液沉淀碳酸鹽或碳酸氫鹽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括添加包含鈣離子的鹽以從所述 溶液分離碳酸鈣。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括添加包含鎂離子的鹽以從所述 溶液分離碳酸鎂。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括噴霧所述溶液以從所述溶液沉 淀碳酸鹽或碳酸氫鹽。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括通過使從電解槽的陽極區(qū)移出 的酸與氯化鈉反應以產生鹽酸和最初的電解質鹽，而再生供應到電解裝置的電解質。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括收集和濃縮所述堿。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述酸為硫酸。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中所述堿為氫氧化鈉。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中通過利用雙向流供應電解質而在該陽 極區(qū)和陰極區(qū)之間維持至少6個pH單位的差異。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，其中利用通過使陰極區(qū)中的氫氣上升和使 陽極區(qū)中的氧氣上升所產生的對流，在該陽極區(qū)和陰極區(qū)之間維持至少4個pH單位的差
已根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括從電解質濃縮陽離子并將該陽 離子遞送到陰極區(qū)。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括從電解質濃縮陰離子并將該陰 離子遞送到陽極區(qū)。根據(jù)實施方式10-25的任一個的方法，進一步包括利用多孔玻璃燒結料將陽極和陰極區(qū)分隔開的步驟。 雖然本發(fā)明已經參照優(yōu)選的實施方式進行了描述，但是本領域技術人員將認識到 可以在形式和細節(jié)方面進行改變而不偏離本發(fā)明的精神和范圍。
權利要求
一種用于產生氫和去除二氧化碳的綜合系統(tǒng)，包括a)用于產生電能的能源；以及b)連接到所述能源的水源，其中所述水源包含電解質，并且其中所述能源向所述水源供應能量以電解水從而產生氧氣、氫氣、酸和堿；c)其中二氧化碳與所述堿反應；并且d)其中所述綜合系統(tǒng)基本上不產生二氧化碳。
2.一種用于產生可再生或二氧化碳中性氫并且將二氧化碳轉變?yōu)樵鲋诞a品的綜合系 統(tǒng)，包括a)用于產生電能的能源；以及b)連接到所述能源的水源，其中所述水源包含電解質，并且其中所述能源向所述水源 供應能量以電解水從而產生氧氣、氫氣、酸和堿；c)其中二氧化碳與所述堿反應并被轉變?yōu)榧淄?、甲醇、甲酸、甲醛、一氧化碳、甲酰胺?丙酮、乙酸、超臨界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、乙醇、碳酸氫鹽或碳酸鹽中的至少一 種；并且d)其中所述綜合系統(tǒng)從大氣去除的二氧化碳多于其產生的。
3.一種用于從大氣二氧化碳生產增值產品的系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括a)具有陰極和陽極的水電解過程，其中在所述陰極產生氫氣和氫氧化物堿并且在所述 陽極產生氧氣和酸；以及b)用于將電輸入供應到所述水電解過程的能源；c)其中所述氫氣被收集并補充所述能源；d)其中所述堿去除大氣二氧化碳；e)其中所述系統(tǒng)去除的大氣二氧化碳多于其產生的；并且f)其中所述二氧化碳通過與所述氫氧化物堿反應而被捕獲，并被轉變?yōu)樘妓猁}或碳酸 氫鹽中的一種。
4.一種用于捕獲和將二氧化碳轉變?yōu)樵鲋诞a品的綜合系統(tǒng)，所述綜合系統(tǒng)包括a)用于產生能量的可再生能源；以及b)水電解裝置，其中由所述可再生能源產生的能量供應到所述水電解裝置以產生氫、 氧、堿和酸，并且其中所述氫、所述氧、所述堿和所述酸被截留；c)其中在將來自所述可再生能源的能量供應到所述水電解裝置之前，大氣具有二氧化 碳的初始濃度；d)其中在將來自所述可再生能源能量供應到所述水電解裝置之后，所述堿與大氣中的 二氧化碳反應使得所述大氣具有的所得到的二氧化碳的濃度低于所述二氧化碳的初始濃 度；并且e)其中所述二氧化碳被轉變?yōu)樵鲋诞a品。
5.一種用于回收二氧化碳的系統(tǒng)，包括a)具有陽極和陰極的水電解裝置，其中所述水電解裝置在所述陽極產生氧和含水酸， 而在所述陰極產生氫和含水堿；以及b)連接到所述水電解裝置用于向所述水電解裝置提供能量的可再生能源；c)其中由所述水電解裝置產生的含水堿被用于捕獲二氧化碳；d)其中所述系統(tǒng)捕獲的二氧化碳超過所述系統(tǒng)產生的；并且e)其中所述系統(tǒng)產生少于約100mg/L的氯。
6.一種用于產生氫、氧、酸和堿的綜合電解系統(tǒng)，包括a)含水電解質溶液；b)電源；c)陽極和陽極反應區(qū)，其中水合氫離子的操作濃度為所述水合氫離子的初始濃度的至 少約100-10，000, 000倍；以及d)陰極和陰極反應區(qū)，其中羥離子的操作濃度為所述羥離子的初始濃度的至少約 100-10，000，000 倍；e)其中二氧化碳與所述羥離子反應而形成碳酸鹽或碳酸氫鹽；并且f)其中所述綜合電解系統(tǒng)基本上不產生二氧化碳。
7.一種用于產生氫、氧、酸和堿的綜合電解系統(tǒng)，包括a)含水電解質溶液；b)電源；c)陽極；以及d)陰極；e)其中所述綜合電解系統(tǒng)基本上不產生二氧化碳；并且f)其中對于由所述綜合電解系統(tǒng)產生的每千克氫，所述綜合電解系統(tǒng)產生大于約40 千克的氫氧化鈉或氫氧化鉀。
8.—種產生氫并從氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包括a)水電解室，適于電解水并且適于電連接到電能源，包括至少一個陰極、至少一個陽極 和含水電解質，所述室包括在使用期間當向所述室施加直流電時，適于濃縮在所述陰極產 生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在所述陽極產生的水合氫離子的第二區(qū)；b)收集和儲存罐，分別用于所述水電解室中產生的氫、氧、羥離子和水合氫離子；c)氣體接觸組件，可操作地連接到所述室的第一區(qū)并適于接收來自所述室的在溶液中 的羥離子并且適于包含含有二氧化碳的氣流；d)氣體供應設備，適于將所述含有二氧化碳的氣流提供到所述氣體接觸組件，以使二 氧化碳與溶液中的所述羥離子接觸并使所述二氧化碳與所述羥離子反應而形成在溶液中 的碳酸氫鹽或碳酸鹽離子；以及e)分離室，可操作地連接到所述氣體接觸組件并適于從所述氣體接觸組件中的溶液分 離所述碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。
9.一種產生可再生氫并從氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包括a)水電解室，適于電解水并且適于電連接到可再生能源，包括至少一個陰極、至少一 個陽極和含水電解質，所述室包括在使用期間當向所述室施加預定電壓的直流電以電解水 時，適于濃縮在所述陰極產生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在所述陽極產生的水合氫離子 的第二區(qū)；b)氣體接觸組件，可操作地連接到所述室的第一區(qū)并適于接收來自所述室的在溶液中 的羥離子并且適于包含含有二氧化碳的氣流；c)氣體供應設備，適于將所述含有二氧化碳的氣流提供到所述氣體接觸組件，以使二氧化碳與溶液中的所述羥離子接觸并使所述二氧化碳與所述羥離子反應而形成在溶液中 的碳酸氫鹽或碳酸鹽離子；d)分離室，可操作地連接到所述氣體接觸組件并適于從所述氣體接觸組件中的溶液分 離所述碳酸氫鹽或碳酸鹽離子；e)氫收集設備，用于在使用期間收集在所述陰極產生的氫；f)可選的氧收集設備，用于在使用期間收集在所述陽極產生的氧；以及g)燃料電池，電連接到所述室并可操作地連接到所述氫收集設備和可選的氧收集設 備，適于從在所述陰極處產生的氫產生直流電。
10.
11.一種產生可再生氫并從氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包括a)水電解室，適于電解水并且適于電連接到電能源，包括至少一個陰極、至少一個陽極 和含水電解質，所述室包括在使用期間當向所述室施加直流電時，適于濃縮在所述陰極處 產生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在所述陽極處產生的水合氫離子的第二區(qū)；b)氣體接觸組件，與所述室的第一區(qū)整合并適于包含含有二氧化碳的氣流；c)氣體供應設備，適于將所述含有二氧化碳的氣流提供到所述氣體接觸組件，以使二 氧化碳與溶液中的所述羥離子接觸并使所述二氧化碳與所述羥離子反應而形成在溶液中 的碳酸氫鹽或碳酸鹽離子；以及d)分離室，可操作地連接到所述氣體接觸組件并適于從所述氣體接觸組件中的溶液分 離所述碳酸氫鹽或碳酸鹽離子。
12.—種產生可再生氫并從大氣或氣流截留二氧化碳的電化學裝置，包括a)水電解室，適于電解水并且適于電連接到可再生電能源，包括至少一個陰極、至少一 個陽極和含水電解質，所述室包括在使用期間當向所述室施加直流電時，適于濃縮在所述 陰極處產生的羥離子的第一區(qū)和適于濃縮在所述陽極處產生的水合氫離子的第二區(qū)；b)堿供應設備，可操作地連接到所述室的第一區(qū)，并適于接收來自所述室的含水氫氧 化物堿并作為液滴提供所述氫氧化物堿；以及c)氣體接觸組件，用于使大氣或含有二氧化碳的氣流接觸所述氫氧化物堿并使所述二 氧化碳與所述氫氧化物堿液滴反應而形成碳酸氫鹽或碳酸鹽離子的溶液。
13.—種產生氫并截留氣態(tài)二氧化碳的方法，包括以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流點供應給具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中所 述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分 隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和陰極區(qū)通過所述電解質電連接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極處產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)收集所述氫氣產物；e)收集所述氧氣產物；f)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；g)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；h)使所述堿中的羥離子與氣態(tài)二氧化碳的源接觸以在溶液中作為碳酸氫鹽、碳酸鹽或 其混合物截留二氧化碳；以及i)截留的二氧化碳超過由所述方法產生的。
14.一種產生氫并從大氣或氣流二氧化碳產生碳酸氫鹽的方法，包括以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中所 述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分 隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和陰極區(qū)通過所述電解質電連接；b)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子；c)從所述電解槽的陰極區(qū)移出一部分或全部的包含羥離子的所述堿；以及d)使所述羥離子與氣態(tài)二氧化碳的源接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽或其混合物的 溶液；以及e)從所述溶液分離碳酸氫鹽。
15.一種產生氫并從大氣或氣流產生碳酸鹽的方法，包括以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中所 述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分 隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和陰極區(qū)通過所述電解質電連接；b)在所述陰極區(qū)產生氫氣和包含羥離子的堿；c)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的包含羥離子的所述堿；d)使所述羥離子與氣態(tài)二氧化碳的源接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽或其混合物的 溶液；以及e)從所述溶液分離碳酸鹽。
16.一種產生可再生氫并產生二氧化碳中性或二氧化碳負性酸的方法，包括以下步驟a)將來自可再生或核能電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電 解裝置，其中所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離 子的陰極區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和陰極區(qū)通過所述電解 質電連接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；d)將所述酸收集在儲罐中；以及e)濃縮所述酸。
17.—種產生可再生氫和產生二氧化碳中性或二氧化碳負性堿的方法，包括以下步驟a)將來自可再生或核能電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電 解裝置，其中所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離 子的陰極區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述 電解質電連接；b)在所述陰極區(qū)產生氫氣和包含羥離子的堿；c)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的包含羥離子的所述堿；d)將所述堿收集在儲罐中；以及e)濃縮所述堿。
18.—種產生可再生氫并產生二氧化碳截留化合物的方法，包括以下步驟a)將來自可再生電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置， 其中所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰 極區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質電連 接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；d)濃縮所述酸，其中所述酸的pH范圍為從約pH0到約pH 5 ；以及e)使所述酸與暴露于強酸時轉變?yōu)槎趸冀亓粑镔|的溶液接觸，其中所述物質為礦 物粘土、蛇紋石、滑石、石棉、或采礦副產品中的任一種。
19.一種產生可再生氫并從大氣或氣流二氧化碳產生超臨界二氧化碳的方法，包括以 下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中 所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū) 分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質電連 接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使包含羥離子的所述堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽或其混合 物的溶液；g)使所述溶液與在所述槽的陽極區(qū)產生的酸接觸以產生在壓力下的二氧化碳氣體；h)收集所述加壓的二氧化碳氣體；以及i)調節(jié)所述二氧化碳氣體的溫度和壓力到臨界溫度和壓力從而產生超臨界二氧化碳。
20.一種產生可再生氫并產生二氧化碳中性或二氧化碳負性脲肥料的方法，所述方法 包括以下步驟a)將來自可再生或核能能源的DC電流供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其 中所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極 區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質電 連接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使所述堿與二氧化碳的氣態(tài)源接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽或其混合物的給料；g)使在所述陽極區(qū)產生的酸與所述給料接觸以產生二氧化碳氣體；以及h)在已知產生脲的反應條件下使所述二氧化碳氣體與從通過所述方法生成的氫和添 加的氮產生的無水氨的源接觸，或在已知產生二氧化碳中性脲的條件下在催化劑存在下，電化學轉化所述二氧化碳、氫和添加的氮氣。
21.—種生產氫和產生二氧化碳負性碳酸鈣的方法，包括以下步驟a)將來自可再生或核能電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電 解裝置，其中所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離 子的陰極區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述 電解質電連接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使PH大于約pH10的堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生富含碳酸鹽的給料；g)使所述給料與包含鈣離子的含水組合物接觸；以及h)從所述給料沉淀碳酸鈣從而產生固體碳酸鈣。
22.—種產生氫并從大氣或氣流二氧化碳產生一氧化碳的方法，包括以下步驟a)將來自一個源的電流供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中所述電解槽包 括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔開的適于 產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質電連接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使所述堿與氣態(tài)二氧化碳的源接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽或其混合物的溶液；g)使所述溶液與在所述陽極區(qū)產生的酸接觸以產生在壓力下的二氧化碳氣體；h)收集所述加壓的二氧化碳氣體；以及i)在已知產生一氧化碳的反應條件下使一部分的所述二氧化碳氣體與在所述陰極產 生的一部分氫氣接觸。
23.—種產生可再生氫并從大氣或氣流二氧化碳產生甲酸的方法，包括以下步驟a)將來自一個源的電流供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中所述電解槽包 括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū)分隔開的適于 產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質電連接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使所述堿與氣態(tài)二氧化碳的源接觸以產生包含碳酸氫鹽、碳酸鹽或其混合物的溶液；g)使所述溶液與在所述槽的所述陽極區(qū)中產生的酸接觸以產生在壓力下的二氧化碳 氣體；7h)收集所述加壓的二氧化碳氣體；i)利用在所述陰極處產生的一部分氫氣還原一部分的所述二氧化碳氣體以產生一氧 化碳；和j)在所述陰極處產生的具有至少10的pH的堿存在下，使一部分所述一氧化碳與甲醇 反應以產生甲酸甲酯；以及k)水解所述甲酸甲酯而產生甲酸。
24.一種產生可再生氫并從大氣或氣流二氧化碳產生碳化合物的方法，包括以下步驟a)將來自可再生電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置， 其中所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰 極區(qū)分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質 電連接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)收集所述氫氣產物；e)收集所述氧氣產物；f)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；g)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；h)使所述堿中的羥離子與氣態(tài)二氧化碳的源接觸以在溶液中作為碳酸氫鹽、碳酸鹽或 其混合物截留二氧化碳；以及i)在已知產生具有通式CmHx0n的化合物的反應條件下，使在所述陽極區(qū)產生的所述酸 與所述氣態(tài)二氧化碳接觸，其中m為1到6之間的整數(shù)，x為0到24之間的整數(shù)，而n為0 到6之間的整數(shù)。
25.—種生產可再生氫并產生碳酸鹽或碳酸氫鹽填充聚合物的方法，包括以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中 所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū) 分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質電連 接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)收集所述氫氣產物；e)收集所述氧氣產物；f)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；g)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；h)使所述堿中的羥離子與氣態(tài)二氧化碳的源接觸以在溶液中作為碳酸氫鹽、碳酸鹽或 其混合物截留二氧化碳；i)從所述溶液沉淀碳酸氫鹽和/或碳酸鹽；以及j)使所述碳酸氫鹽和/或碳酸鹽與聚合材料混合以產生填充塑料材料，其中所述填充 塑料材料適合用作結構性建筑材料、粘合劑、樹脂或可塑塑料。
26. —種產生可再生氫并從大氣或氣流二氧化碳產生碳酸鈣結構性材料的方法，包括 以下步驟a)將來自電源的預定電壓的直流電供應到具有至少一個電解槽的水電解裝置，其中 所述電解槽包括基本上不含氯離子的含水電解質以及與適于產生氫氣和羥離子的陰極區(qū) 分隔開的適于產生氧氣和質子的陽極區(qū)，其中所述陽極和所述陰極區(qū)通過所述電解質電連 接；b)在所述陽極區(qū)產生氧氣和質子，其中所述質子以酸的形式存在；c)在所述陰極區(qū)產生氫氣和羥離子，其中所述羥離子以堿的形式存在；d)從所述陽極區(qū)移出一部分或全部的所述酸；e)從所述陰極區(qū)移出一部分或全部的所述堿；f)使PH大于約pH10的堿與氣態(tài)二氧化碳接觸以產生富含碳酸鹽的給料；g)使所述給料與包含鈣離子的含水組合物接觸；h)從所述給料沉淀碳酸鈣；以及i)將所述碳酸鈣轉變?yōu)樗唷⒒夷?、石膏、薄漿、建筑紙板、瓷磚、填充塑料或樹脂、或人 造石中的任一種。
全文摘要
本發(fā)明描述了一種生產可再生氫和從空氣或氣流捕獲二氧化碳的二氧化碳負性方法。還描述了一種用于實施所述方法的系統(tǒng)和方法。直流可再生電流被提供到水電解裝置，所述電流具有足夠的電壓以在陰極處產生氫和羥離子，在陽極處產生質子和氧。這些產物被分離并截留，并且利用堿從空氣或氣流作為碳酸氫鹽或碳酸鹽捕獲二氧化碳。這些碳酸鹽、氫、和捕獲的二氧化碳又可以結合到各種各樣的化學和電化學過程中而生成有價值的從大氣二氧化碳制成的碳基材料。所有過程的凈作用是從水產生可再生氫并減少大氣或注定進入大氣的氣體中的二氧化碳。
文檔編號H01M8/06GK101981744SQ200880017219
公開日2011年2月23日 申請日期2008年4月3日 優(yōu)先權日2007年4月3日
發(fā)明者C·戈登·利特爾, C·迪恩·利特爾, 約瑟夫·V·科斯莫斯基, 蒂莫西·C·赫弗南 申請人:新空能量公司