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從環(huán)境空氣中提取二氧化碳(CO2)，致使可以使用碳基燃料并處理 事后相關的溫室氣體排放。由于含量為百萬分之幾份的CO2既無毒也 無害，只是因簡單地在大氣中累積而產生環(huán)境問題，因此可從空氣中 除去CO2，以便補償在別處和在不同時間同樣規(guī)模的排放量?？諝獠都?的總體方案是公知的。
在各種工業(yè)應用例如在由煤發(fā)電的工廠中和在烴的使用(所述烴 典型地為在燃燒裝置如發(fā)動機中燃燒的燃料的主要組分)中產生CO2。 從這種燃燒裝置中排放的廢氣含有CO2氣體，這些CO2氣體目前被簡單 地排放到大氣中。但隨著對溫室氣體擔心的確定，必需減少來自所有 來源的CO2排放。對于可移動的來源來說，最佳的選擇可能是直接從 空氣中而不是從汽車或飛機的可移動的燃燒裝置中收集CO2。從空氣中 除去CO2的優(yōu)點是不需要在可移動的裝置中儲存CO2。
已開發(fā)了各種方法和裝置從空氣中除去CO2。在這些方法和裝置之 一中，利用被稱為Raschig環(huán)的東西填充的罐內的堿溶液洗滌空氣。 為了消除少量的CO2，還使用了凝膠吸附劑。盡管這些方法有效地除去 了CO2，但它們具有嚴重的缺點，因為對于它們從空氣中有效地除去二 氧化碳來說，必需在相當高的壓力下通過吸附劑驅動空氣，這是因為 在洗滌工藝過程中發(fā)生相對高的壓力損失。此外，為了獲得增加的壓 力，要求某些性質的壓縮設備，且這些設備使用一定量的能量。就該 工藝總的二氧化碳平衡來說，壓縮空氣所使用的這一附加的能量可能 具有特別不利的影響，這是因為增加空氣壓力所要求的能量也將產生 必須捕集和處置的CO2。
因此，現有技術的方法導致從空氣中低效地捕集CO2，這是因為這 些工藝加熱或冷卻空氣，或者明顯改變空氣的壓力，即當清潔工藝將 CO2作為驅動該工藝所使用的電產生的副產物引入到大氣內時，CO2的 凈減少可以忽略不計。
此外，盡管從空氣中分離CO2的洗滌器設計是已有的，但通常它 們受限于填充床類型的裝置，這一裝置的目的典型地是從另一氣體中 除去所有痕量的雜質。在美國專利4047894中所述的一種這樣的裝置 包括在外殼內彼此間隔組裝的含由聚氯乙烯(PVC)制成的多孔燒結板 或者碳泡沫體的吸收元件。在將板組裝在外殼內之前，在多孔板內浸 漬氫氧化鉀。這一裝置的缺點是，在沒有拆下裝置外殼的情況下，不 可能更換從空氣中分離CO2所使用的吸附元件。
另一方面，本發(fā)明一般涉及分離在溶劑內結合的二氧化碳(CO2)的 方法與裝置。本發(fā)明特別適用于處理含從空氣中捕集的CO2的氫氧化 物溶劑(或者收集CO2所使用的其它堿性吸附劑)，且將結合這一用途 描述本發(fā)明，但其它用途也可以考慮。
從空氣中收集CO2的方法典型地依賴于從空氣中物理或者化學結 合CO2的溶劑。一組實用的CO2溶劑包括強堿性氫氧化物溶液，例如氫 氧化鈉和氫氧化鉀。過量0.1摩爾濃度的氫氧化物溶液可容易地從空 氣中除去CO2，此時其例如以碳酸鹽形式結合。較高的氫氧化物濃度是 希望的，且有效的空氣接觸器將使用1mol過量的氫氧化物溶液。氫氧 化鈉是特別方便的選擇，但可使用其它溶劑，例如有機胺。吸附劑的 另一選擇包括弱堿性鹽水，例如碳酸鈉或碳酸鉀鹽水。下述討論可應 用于至少部分以離子碳酸根或碳酸氫根形式儲存CO2的所有溶劑。
在其它專利和文獻[1、2、3]中給出了旨在針對接觸空氣中的CO2 的空氣接觸器系統(tǒng)的設計。本發(fā)明的這一方面涉及回收吸附劑，其中 再生負載CO2的吸附劑并使CO2與液體分離。我們描述了一組電化學方 法，它可結合空氣捕集單元，以更新氫氧化物溶液并在單獨和在一些 情況下加壓的物流中收集CO2。
所有方法的共同點是，它們通過電化學方式分離氫氧化鈉與碳酸 鹽或其它鹽。盡管存在只包括一對電極的一些電解方法，但大多數方 法包括使用雙極性膜和/或至少一類陽離子或陰離子膜的分離方案。另 外，這些方法中一部分包括常規(guī)的煅燒和/或酸堿反應，這將導致釋放 出氣體CO2。本發(fā)明要求保護數種這樣的方法，且如下所述，它們被分 成7個不同的組。

因此，本發(fā)明的目的是改進從空氣中捕集二氧化碳的工藝設計并 使其精簡化，在碳受限的世界中，該工藝設計在允許使用烴燃料方面 是重要的手段。許多這些方法也可用于其中結合到氫氧化物溶劑內的 CO2必需完全或部分從溶劑中除去的其它應用中。
通過本發(fā)明所囊括的CO2分離膜以及其使用方法，解決并克服了 現有技術的缺點。
從空氣中除去CO2的目的是平衡來自于例如汽車或者發(fā)電廠操作 的CO2排放。盡管可通過本發(fā)明彌補的大多數明顯的CO2排放來源是其 中難以或者不可能在排放點處捕集CO2的那些，但本發(fā)明不限于這種 來源，同樣可彌補任何其它來源。確實，若在將來某些時候，社會認 為空氣中人為導致的二氧化碳濃度太高的話，則可使用這種減少CO2 的方法來降低大氣中的CO2濃度。
盡管本發(fā)明的目的是從空氣中捕集二氧化碳，以便管理大氣中總 的二氧化碳預算，但若從具有低濃度的CO2氣體中捕集二氧化碳的原 因不同時，該概念同樣可以應用。實例包括當它們出現于室內空氣、 隧道或其它密閉環(huán)境內時，為了銷售目的在食品工業(yè)或油工業(yè)中捕集 CO2、從稀釋物流中捕集二氧化碳或其它酸性氣體。
一方面，本發(fā)明涉及空氣洗滌器裝置、從洗滌器內使用的溶劑中 回收CO2的方法、和利用上述裝置和方法除去CO2的商業(yè)方法。本發(fā)明 的空氣洗滌器在最小的空氣壓降下操作并從流經空氣洗滌器的空氣中 有效地除去大部分CO2。由于以下來看更清楚的原因，我們所指的洗滌 器設計為層狀設計?；趯訝畹目諝庀礈炱鲉卧稍谟糜跓煹琅欧趴?氣的較大超結構中成為組件，其可被調整以適合于特定設計。可通過 自然風、通過熱對流或者通過風扇驅動空氣。
在本發(fā)明的另一方面中，提出了回收在洗滌器裝置中捕集的二氧 化碳的方法與裝置。在幾乎所有的空氣捕集設計中，從空氣中捕集CO2 的整個過程需要空氣接觸器，所述空氣接觸器通過將CO2結合到溶劑 或吸附劑內而從空氣中除去CO2。然后處理廢的吸附劑，優(yōu)選在濃縮、 加壓的物流中回收全部或部分CO2。再生的溶劑被循環(huán)到CO2收集器中。
本申請列出了通過可分離酸與堿的電化學方法回收氫氧化物基吸 附劑的數種方法。這些方法是存在的且已經針對多種酸進行了證明。 此處我們利用這些方法并以一定方式組合它們以建造功能和有效的 CO2回收單元。
本發(fā)明還涉及數種單元工藝的新設計，它們具體地適合于此處所 考慮的應用。
本發(fā)明的優(yōu)點有數個：首先，該工藝避免了將碳酸根離子轉化成 碳酸鈣、然后將其煅燒以釋放CO2的中間步驟，從而在很大程度上精 簡化了從空氣中捕集二氧化碳的總流程。這一轉化工藝的物質處理是 復雜的。第二，更加直接的電化學工藝還提供了降低總能耗的途徑。 第三，它大大減少了對處理固體材料物流的復雜移動設備的需要，而 這在常規(guī)的碳酸鈣驅動的回收單元中是必需的。
最后，我們注意到這種裝置也可在需要分離碳酸鹽溶液和氫氧化 物溶液的系統(tǒng)中使用，其中所述溶液來自于空氣提取以外的工藝。
附圖說明
根據下述結合附圖的詳細說明，本發(fā)明的其它特征和優(yōu)點將變得 更明顯，其中類似的標記表示類似的部件，和其中：
圖1是根據本發(fā)明的一個優(yōu)選實施方案制造的空氣洗滌器單元的 透視圖；
圖2是圖1的空氣洗滌器單元的頂視圖；
圖3是圖1的空氣洗滌器單元的主視圖，即空氣入口視圖；
圖4是圖1的空氣洗滌器單元的側視圖；
圖5是根據本發(fā)明另一方面的分離碳酸鹽溶液和氫氧化物溶液的 裝置的示意圖；和
圖6-13是根據本發(fā)明分離碳酸鹽溶液和氫氧化物溶液的各種工 藝和工藝系統(tǒng)的流程圖。

首先參考圖1-4，根據本發(fā)明一個方面的空氣洗滌器單元從通過 低壓力梯度維持的空氣流中除去CO2。該空氣洗滌器單元由層狀的風收 集器10(它是界定薄的空氣空間的覆蓋在向下流動的吸附劑內的兩塊 片材或板5)和液體貯槽12組成。形成層狀的兩塊片材優(yōu)選通過由剛 性框架1支撐的穿連桿2穿在片材之間的間隔器4隔開，但該薄層可 通過其它方式間隔支撐。
一般地，吸附劑材料沿層狀片材向下流，同時空氣流在片材之間 薄的空氣空間之間通過?？諝馀c吸附劑材料之間的接觸引起除去CO2 的化學反應。但空氣洗滌器單元也可捕集存在于空氣內的其它氣體。
根據已經確立的現有技術的方法，例如噴嘴或從集管6供料的波 紋管道3擠出液體，從而將吸附劑施用到層狀片材上，此外，該設計 可潤濕在頂部附近的垂直表面并在重力下使流體在表面上通過，直到 全部面積均被覆蓋。替代地，該表面可成型為平的圓盤，當它們旋轉 通過貯槽時被潤濕。移動使得液體沿著這些表面分配。
用于使空氣流移動通過薄層的典型壓力梯度應使它們可通過自然 空氣流如風或溫度梯度產生。在該單元上的壓降范圍為從幾乎0到數 百帕斯卡，優(yōu)選范圍為1-30Pa，和最佳范圍可以是3-20Pa。但有或者 沒有管道以導引空氣和對流的風扇也可用于驅動空氣流。
薄層
風收集器的目的是使空氣流與洗滌器或者風收集器的吸附劑涂布 表面緊密接觸。風收集器的基本單元是單一的薄層，它是通過兩個吸 附劑覆蓋的片材界定的薄空氣空間。在最簡單的設計中，片材是平的， 但該片材也可以為彎曲狀，只要在所述片材上通過的空氣可沿直線移 動即可，即片材沿與風流垂直的方向彎曲。每一空氣洗滌器裝置包括 在薄層片材上分配吸附劑并重新捕集廢吸附劑的設備。
以下是用于風室薄層的例舉設計清單：
1)彼此平行校準的平的矩形片材或板。
2)彼此平行排列的波紋片材且其表面與空氣流的方向平直。
3)圍繞中心軸旋轉的平圓盤，且空氣流與旋轉軸垂直?？稍趫A周 運動的底部附近通過浸入流體內的輪子施用吸附劑。靜置的吸附劑可 僅僅覆蓋圓盤的外邊緣或者鋪滿到達軸的所有路徑。替代地，可通過 在軸附近潤濕并由于重力和旋轉運動導致圍繞圓盤流動的液體，將吸 附劑注射到邊緣上。
4)其中空氣沿著管軸吹入的同心管道或者類似形狀。這種管道可 針對逆流設計垂直排列，其中在上部邊緣處或者幾乎水平地利用吸附 劑引發(fā)潤濕，所述吸附劑在一端和一點處進入并通過管道緩慢旋轉運 動來分配。
越過薄層的空氣流可以是自然風流，或者可通過其它方式例如通 過工程熱上吸獲得空氣流。然而高的風速將是不利的，因為較高的速 度導致較高的能耗速度。緩慢的空氣流速度最大化空氣與薄層上的吸 附劑材料的接觸時間，同時最小化系統(tǒng)內的動能損失。因此，通過洗 滌器單元的空氣流速范圍可從基本上靜止到數十米/秒。優(yōu)選范圍是 0.5-15m/s，對于風驅動的系統(tǒng)來說，最佳范圍為1-6m/s。
實踐中，通過風收集器的空氣流的流動速度要占典型風速的大部 分。選擇較好幾何形狀可稍微降低流動速度，但這種強化將為2倍， 而不是數量級上的強化。
在本發(fā)明的例舉實施方案中，采用2m/s的空氣流速度，但空氣流 速度范圍可以是0.5-約4m/s。在2m/s的標稱流速下，單位風面積的 CO2流通量為30mmol/m2/s。進入氫氧化鈉溶液內的流通量限制為約 0.06mmol/m2/s的氫氧化物表面，且對于超過約2-4mm的邊界層厚度來 說，空氣側輸送系數占主導。
在這一實施方案中，捕集系統(tǒng)盡可能緊湊，且尺寸限制決定了該 裝置的幾何形狀。相隔約0.5cm設置平的吸附片材提供在1立方米內 接近500m2的片材表面積。實際長度為約1.2m加上片材有限厚度的誤 差。若片材折疊或者成型為管道的話，則可獲得略大的片材表面積。 但由于液體吸附劑從風收集器的頂部流到底部，因此平的垂直片材是 自然的選擇，這是因為斷裂或折疊的片材將使通過的空氣偏移，結果 使該系統(tǒng)的湍流加劇并降低邊界層厚度。由于平板已經在最佳的邊界 層厚度下操作，因此這種湍流不會改進CO2的吸收性能，而是增加在 該裝置內的耗散的能量。
但還考慮到非常大的系統(tǒng)由于結構原因可能具有深度大于1米的 風收集器設計。這一裝置仍將被優(yōu)化為每m2正面開口500m2的片材表 面。在這一實施方案中，板之間的自然間隔將超過最佳邊界層厚度， 因此需要引入引起湍流的形狀。湍流將驅動邊界層厚度返回到所需的 2-4mm的數值。例如，20m深的過濾器系統(tǒng)將要求每立方米約25m2的 填料。且片材的典型間隔為約8cm，這遠大于最佳的邊界層。產生厘 米規(guī)模的旋渦將有效地降低邊界層厚度并因此提供所需的空氣側CO2 流通量。
通過片材或板間隔為0.6cm的1m深的單元的流動將為層流直到相 對高的流動速度。若雷諾數定義為
$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\rho dv}}{\eta }---\left(1\right)$
則層流區(qū)域擴大到約1400。換句話說，對于以0.6cm距離間隔的 板來說，流動保持層流直到約4m/s。在下述內容中，將計算在該板組 內空氣流的阻力。
通過下式給出單位長度上的壓降：
$\frac{\partial P}{\partial x}---\left(2\right)$
若穿過垂直于兩個側壁的平板的壓力假設為恒定，則根據文獻， 通過下式給出在寬度為Δy、高度為h和深度Δχ的空氣部分上的力： $\mathrm{\Delta yh}\frac{\partial P}{\partial x}\mathrm{\Delta x}=-\eta \left(\frac{{\partial }^{2}v}{\partial y^2}\mathrm{\Delta y}\right)\mathrm{h\Delta x}---\left(3\right)$
或
$\frac{{\partial }^{2}v}{\partial y^2}=-\frac{1}{\eta }\frac{\partial P}{\partial x}---\left(4\right)$
或
$v\left(y\right)$$=-\frac{1}{2\eta }\frac{\partial P}{\partial x}{y}^2+C_{1}y+C_2---\left(5\right)$
這兩個積分常數遵守兩個邊界條件，亦即：
v(0)＝v(d)＝0?????????????????????(6)
據此，我們獲得
$v\left(y\right)=\frac{1}{2\eta }\frac{\partial P}{\partial x}y(d-y)---\left(7\right)$
因此板之間的峰值速度為：
$v_{\max }=\frac{d^2}{8\eta }\frac{\mathrm{\Delta P}}{L}---\left(8\right)$
其中L是板的長度，和Δp是穿過該距離的壓降。通過下式給出 平均流速：
$\bar{v}=\frac{1}{d}{\int }_o^{d}v\left(y\right)\mathrm{dy}=\frac{d^2}{12\eta }\frac{\mathrm{\Delta P}}{L}---\left(9\right)$
或
$\mathrm{\Delta P}=\frac{12\mathrm{\eta L}}{d^2}\bar{v}---\left(10\right)$
或
$L=\frac{\mathrm{\Delta P}{d}^2}{12\eta \bar{v}}---\left(11\right)$
若我們想要確定L，以便：
$\frac{\rho {\bar{v}}^2}{2}=\mathrm{\Delta P}---\left(12\right)$
則我們發(fā)現在v＝2m/s、L＝0.2m時，
$L=\frac{\rho \bar{v}{d}^2}{24\eta }=\frac{\mathrm{Re}}{24}d---\left(13\right)$
更一般地，設計規(guī)則是：
d/L～24/Re????????????????????????????(14)
其中Re是流動雷諾數。
且在板之間的流動受到板之間距離波動的影響。注意，通過下式 給出系統(tǒng)單位寬度上的質量流量：
$Q=\rho \bar{v}d=\rho \frac{d^3}{12\eta }\frac{\partial P}{\partial x}---\left(15\right)$
若我們假設Q是常數和d是χ的函數，則我們發(fā)現：
$\mathrm{\Delta P}=\frac{12\mathrm{\eta Q}}{\rho }{\int }_o^L\frac{\mathrm{dx}}{d{\left(x\right)}^3}---\left(16\right)$
在簡化的情況下，薄層一半的寬度為d1和另一半的寬度為d2。我 們進一步假設：
$d_1+d_2=2d$和 $\frac{d_2}{d_1}=\alpha$或 $d_1=\frac{2d}{1+\alpha }$和 $d_2=\frac{2d}{1+1/\alpha }---\left(17\right)$
結果我們發(fā)現：
$\mathrm{\Delta P}=\frac{12\mathrm{\eta L}}{\rho d^3}\frac{d^3}{2}(\frac{1}{d_1^3}+\frac{1}{d_2^3})=\frac{12\mathrm{\eta L}}{\rho d^3}\frac{({(1+\alpha )}^3+{(1+1/\alpha )}^3)}{16}---\left(18\right)$
對于α＝1來說，校正因子為1，但對于α＝2來說，則升高到1.89。 在其中空氣可繞窄的部位流動的完全三維的系統(tǒng)中，總的限制實際上 較小。
注意，以上推導的方程式僅僅應用于板之間的完全發(fā)展的層流。 但存在其中這種流動尚未完全發(fā)展的板的開始部分。在這一區(qū)域中， 壓降最好用在單獨板上的曳力來表征。當邊界層厚度增加和在相鄰的 板處的邊界層開始疊加時，該流動發(fā)展成為在兩塊板之間觀察到的穩(wěn) 定流型。
通過下式給出在無限薄的板的一側單位寬度上的曳力：
$F_{\mathrm{drag}}=C_d\frac{\rho }{2}x{v}^2---\left(19\right)$
其中χ是距板開始處的距離。
根據文獻，通過下式給出曳力系數Cd：
Cd＝1.308Reχ-1/2＝1.308η1/2?ρ-1/2v-1/2χ-1/2??????(20)
通過下式給出在足夠短以致于不會彼此干擾的一組平行板上的壓 降：
$P\left(0\right)-P\left(x\right)=C_d\frac{\rho }{2}x{v}^2\frac{1}{d}---\left(21\right)$
其中d是在無限薄的板之間的間隔，或者
P(0)-P(x)＝1.308η1/2ρ1/2v3/2χ1/2d-1????????(22)
開始時，空氣流看起來不同，這是因為受到開始影響的邊界層較 小。
此外，在一個特定的設計中，可具有環(huán)境風速v0。在薄層的正面， 空氣靜止并緩慢減速到v。通過下式給出驅動空氣通過薄層的壓力：
$\frac{\rho }{2}(v_0^2-v^2)=\frac{12\mathrm{\eta Lv}}{d^2}---\left(23\right)$
或
$\frac{\rho }{2}{v}^2+\frac{12\mathrm{\eta L}}{d^2}v-\frac{\rho }{2}{v}_0^2=0---\left(24\right)$
$v=\sqrt{v_0^2+{\left(\frac{12\mathrm{\eta L}}{{\mathrm{\rho d}}^2}\right)}^2}-\frac{12\mathrm{\eta L}}{{\mathrm{\rho d}}^2}---\left(25\right)$
在二次方程式的兩種解法當中，我們只選擇物理解法，即為正值 的那一個。
吸附劑
已經充分研究了在強氫氧化物溶液內CO2的吸收速度。本發(fā)明的 空氣洗滌器是推動CO2或其它氣體直接離開自然風流體或者離開置于 類似驅動力例如熱誘導對流下的流體的裝置。
在強氫氧化物溶液內CO2的吸收包括化學反應，所述化學反應大 大地促進溶解過程。凈反應為：
CO2(溶解)+2OH-→CO32-+H2O?????????????(26)
存在可以使這一反應發(fā)生的數種不同路徑。在高pH下相關的兩個 步驟是：
CO2(溶解)+OH-→HCO3-??????????????????(27)
接著
HCO3-+OH-→CO32-+H2O??????????????????(28)
已知后一反應非常快速；另一方面，第一反應在相對緩慢的速度 下進行。通過下式描述反應(2)的反應動力學：
$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[{\mathrm{CO}}_2\right]=\kappa \left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]\left[{\mathrm{CO}}_2\right]---\left(29\right)$
因此，描述反應動力學的時間常數是：
$\tau =\frac{1}{k\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}---\left(30\right)$
在20℃和無限稀釋下測量速度常數κ：
κ＝5000?1mol-1s-1＝5m3mol-1s-1??????????(31)
通過下式給出離子強度關系式：
κ＝κ∞100.13A??????????????????????????(32)
在氣體內高的CO2濃度下，反應(2)的速度限制了吸收速度，盡管 對于1mol溶液來說，在0.14ms下的時間常數相當短。
按照標準的化學工程模型，例如Dankwert-或Astarita，人們可 采用標準模型描述氣體組分溶解或化學吸收到吸附劑內的傳遞過程， 所述標準模型組合氣體側流動傳遞系數和液體側傳遞系數來描述通過 界面的凈流量。通過下式給出總的流通量：
F＝κG(ρ(x＝-∞)-ρ(x＝0)}＝κL(ρ′(x＝0)-ρ′(x＝∞)}????(33)
其中ρ和ρ′分別是CO2在氣體內和在溶液內的摩爾濃度。參數x 表征離界面的距離。進入氣體內的距離計算為負值。在邊界處采用 Henry定律，因此
ρ′(0)＝KHρ(0)??????????????????????????(34)
用無量綱因子表達，KH＝0.71。
對于氣體側來說，可如下所述估計傳遞常數：
${\kappa }_G=\frac{D_c}{\Lambda }---\left(35\right)$
其中Λ是在界面表面上形成的薄層亞層的厚度。這一層的厚度取 決于流動的幾何形狀和在氣體流內的湍流。假設給出了流動的幾何形 狀和在氣體流內的湍流，則必需確定Λ的最佳選擇。
對于流體束(fluid?package)來說，估計這一傳遞系數的標準方法 采用在流體表面上部分(parcel)的停留時間τD。這一時間來自于吸附 劑的流動特征且它包括表面產生和表面破壞以及在該表面附近混合的
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1備注，典型地，當在氣體側上的濃度用分壓形式即單位為帕斯卡或者單位為大氣壓(atm)測量時，Henry常數具有量綱， 而液體側濃度典型地以mol/l測量。因此，典型的單位將是l/mol/atm。 湍流液體。
$\lambda =\sqrt{{\mathrm{D\tau }}_D}---\left(36\right)$
由于在時間τD內的擴散可將溶解的CO2混入層厚內，因此通過下 式給出離開該表面的流通量：
$F=D_L\frac{{\partial \rho }^{\prime }}{\partial x}---\left(37\right)$
其中DL是CO2的擴散常數，和ρ′是液體側CO2濃度。在該表面處 估計梯度。根據下式確定液體的傳遞系數：
F＝κL[ρ′(x＝0)-ρ′(x＝∞)}?????????????(38)
用下式近似的梯度
$\frac{\partial \rho }{\partial x}=\frac{{\rho }^{·}\left(0\right)-{\rho }^{\prime }(\infty )}{\lambda }---\left(39\right)$
這表明，對于擴散驅動的吸收過程來說，
${\kappa }_L=\frac{D_L}{\lambda }=\sqrt{\frac{D_L}{{\tau }_D}}---\left(40\right)$
這里，DL是在吸附劑內CO2的擴散速度。
在其中反應時間τR＜＜τD的快速化學反應存在下，吸收CO2的層的 特征在于這一較短的時間，因此通過下式給出傳遞系數：
${\kappa }_L=\sqrt{\frac{D_L}{{\tau }_R}}---\left(41\right)$
在化學反應存在下，傳遞系數因此增加下述倍數：
$\sqrt{\frac{{\tau }_D}{{\tau }_R}}---\left(42\right)$
但只有在吸附劑內反應物的供應沒有受到限制時，這一提高才只 能被維持。在CO2中和氫氧化物溶液的情況下，可能耗盡邊界層內的 氫氧化物。層厚λ含有氫氧根離子的區(qū)域密度ρOHλ，且耗盡速度為 2kL?ρ′CO2。
因此，對于快速反應極限(式41)來說，采用：
$\frac{{\rho }_{{\mathrm{OH}}^{-}}}{2{\rho }_{{\mathrm{CO}}_2}^{\prime }}\frac{{\tau }_R}{{\tau }_D}<<1---\left(43\right)$
在我們的情況下，
${\rho }_{{\mathrm{OH}}^{-}}{\tau }_R=\frac{1}{\kappa }---\left(44\right)$
因此，條件可改寫為：
2ρ′C02κτD＞＞1???????????????????(45)
對于環(huán)境空氣來說，從快速反應動力學過渡到即時反應動力學的 臨界時間為約10秒。這一過渡不取決于溶液內氫氧化物的濃度。但一 旦通過這一過渡，則吸收速度將受限于氫氧根離子可流通到達表面的 速度。因此它低于快速極限，且通過下式給出CO2的流通量：
$F=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{D_{{\mathrm{OH}}^{-}}}{{\tau }_D}}{\rho }_{{\mathrm{OH}}^{-}}---\left(46\right)$
在即時區(qū)域內，流通量與邊界層內CO2的濃度無關。
流通量可由有效的傳遞系數表征，可表示為：
$F={\kappa }_{\mathrm{eff}}({\rho }_{{\mathrm{CO}}_2}-{\rho \prime }_{{\mathrm{CO}}_2}/{\kappa }_H)---\left(47\right)$
此處摩爾濃度是遠離氣體和遠離液體處的漸近值。在氫氧化物溶 液的情況下，后者為0，因此，
$F={\kappa }_{\mathrm{eff}}{\rho }_{C{O}_2}---\left(48\right)$
和
${\kappa }_{\mathrm{eff}}={(\frac{1}{{\kappa }_G}+\frac{1}{{\kappa }_L{K}_H})}^{-1}---\left(49\right)$
最佳設計接近于氣體側極限和液體側極限之間的邊界。因此，我 們對空氣側邊界厚度建立了設計值。
$\Lambda \approx \frac{D_G}{\sqrt{D_L/{\tau }_R}}---\left(50\right)$
對于空氣基CO2提取來說，它為約4mm。
這些限制一起嚴格地限制了實際的設計。對于1mol溶液來說，測 量到總的溶液流速為6×10-5molm-2s-1，將其轉化成有效值為0.4cm/s， 這非常接近于理論值。
關于吸收CO2的吸附劑的類型，存在可使用的寬范圍的選擇。在 一個實施方案中，含水氫氧化物溶液用作吸附劑材料。這些傾向于是 高于0.1mol和最多達最大可能水平(約20mol)的強氫氧化物溶液。
用作吸附劑的氫氧化物可以是多種陽離子。氫氧化鈉和氫氧化鉀 是最常見的，但包括有機吸附劑例如MEA、DEA等在內的其它物質也是 可行的。此外，氫氧化物不需要是純的氫氧化物，它們可能含有為改 變或調節(jié)吸附劑的各種性能而添加的其它材料的混合物。例如，添加 劑可改進氫氧化物與來自空氣中的CO2反應的反應動力學。這種催化 劑可以是表面活性劑或者溶解在液體內的分子。添加有機化合物例如 MEA僅僅是一個例子。其它添加劑可通過使溶液更加吸濕來輔助降低 水的損失。另外其它的添加劑可用于改進流體的流動或潤濕特征或者 輔助保護表面避免氫氧化物溶液的腐蝕作用。另外，本發(fā)明中所使用 的任何吸附劑必需潤濕薄層片材的表面。針對這一目的，存在本領域 已知的各種手段。這些手段包括增加親水性的表面處理、在吸附劑內 的表面活性劑和其它方式。
本發(fā)明包括下述重要的設計特征：
1)在與片材分離規(guī)模一致的尺寸規(guī)模上，薄層片材在空氣流的方 向上是基本上光滑的(但可以使用規(guī)模小得多的附帶或者工程結構，以 改進CO2的傳遞系數)。在與空氣流垂直的方向上的形狀變化相對很少 關注，只要它們不干擾板、片材或表面的有效潤濕即可；
2)片材足夠氣密或堅固地定位，以便其彎曲或者振動不會明顯降 低薄層之間的壓力變化。
3)通過表面內開口的空氣流被抑制，以便它不能明顯影響薄層之 間的壓力變化。
4)選擇薄層之間的間隔，以便該系統(tǒng)不會越出層流區(qū)或者明顯偏 離該區(qū)域。
5)膜單元的深度保持足夠短，以避免幾乎完全耗盡在該單元前面 部分內的空氣。
6)為了利用片材的兩側，優(yōu)選垂直排列薄層。但對于其它流動優(yōu) 化來說，可以考慮偏離這一設計。
7)選擇薄層的高度，以優(yōu)化表面的潤濕性能并最小化多次重復處 理流體的需要。
CO2回收系統(tǒng)的組成部分
在本發(fā)明另一方面中，下述電化學工藝可用于本發(fā)明所述的CO2 捕集系統(tǒng)中或者用于收集CO2的任何其它裝置中。這些電化學工藝全 部基于將鹽分離成其酸和堿，其中酸和堿通過利用雙極性膜的電滲析 保留在溶液內。實例包括由氯化鈉形成氫氧化鈉和鹽酸和由乙酸鈉形 成氫氧化鈉和乙酸。在文獻、專利文獻和工業(yè)實踐中也證明了酸和堿 的其它組合。在本發(fā)明的上下文中，使用這一類型的單元分離氫氧化 物和碳酸鹽溶液，以及將弱酸鹽分離成相應的酸和堿的單元。
以下我們描述了我們所考慮的該工藝的基本組成部分的多個工藝 步驟：
1.將氫氧化鈉和碳酸鈉的混合物電化學分離成氫氧化鈉和碳酸 鈉。對于這一工藝步驟來說，我們可依賴于已有的組成部分或者使用 具體設計的利用用于分離的電滲析的單元。這些技術也可延伸到除了 鈉以外的其它陽離子，例如但不限于鉀和銨以及有機胺的陽離子如單 乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)等。在所有情況下的基本反應是通過膜 工藝分離R-OH和R2CO3的混合物成單獨的R-OH和RHCO3的溶液。
2.電化學分離金屬碳酸氫鹽成金屬碳酸鹽和CO2。這一工藝優(yōu)選 使用包括雙極性膜的電滲析，但在文獻中公開了其它電解工藝且也可 以使用。
3.分離金屬碳酸氫鹽成金屬氫氧化物和CO2。這一工藝仍然優(yōu)選 依賴于利用雙極性膜的電滲析，但它也可通過產生氫的金屬碳酸氫鹽 的電解來實現，所述氫將在產生CO2的氫電極中再次使用。
4.將以上組成部分2和3或4中的兩個或更多個組合成為單一單 元的單元。例如，利用碳酸鹽和氫氧化物的混合物總是變?yōu)闅溲趸?溶液和CO2氣體的工藝。
以下是不涉及電化學的附加的組成部分：
1.利用濃度梯度從溶劑中分離陽離子如鈉以降低或消除在輸入溶 劑內的氫氧化物的膜工藝。在一些情況下，這一單元可部分地將溶劑 從碳酸鹽轉化成碳酸氫鹽。
2.從碳酸鈉和氫氧化鈉的混合物中利用沉淀分離碳酸鈉的變溫工 藝。
3.通過溫度或壓力變動將碳酸氫鹽溶液轉化成碳酸鹽溶液的工 藝。這種工藝常規(guī)地用于一些CO2洗滌系統(tǒng)中，所述系統(tǒng)在足夠高的 CO2壓力下操作以使碳酸鈉或碳酸鉀和CO2之間反應形成碳酸氫鹽。
4.利用碳酸氫鹽溶液并使用蒸發(fā)或變溫從溶液中沉淀碳酸氫鹽的 工藝。
5.煅燒碳酸氫鹽成碳酸鹽的工藝。此處特別令人感興趣的是碳酸 氫鈉或碳酸氫鉀。
6.混合酸與氫氧化物-碳酸鹽混合物以中和該混合物形成這些鹽 的固體沉淀的工藝。該工藝可在純的碳酸鹽下終止或者繼續(xù)形成碳酸 鹽/碳酸氫鹽的混合物或者一直繼續(xù)形成碳酸氫鹽。
7.使用酸驅出碳酸氫鹽或碳酸鹽或氫氧化物混合物中的所有CO2 的工藝。這一工藝可在高壓下進行，以便在管線壓力下輸送CO2。
總的工藝流程的概述
所有工藝始于在此處未進一步規(guī)定的單元內從空氣中提取二氧化 碳。具體的實施方式在本發(fā)明的另一方面交待。這一單元的細節(jié)在此 處并不涉及，但要注意，這一單元將消耗全部或部分轉化成碳酸鹽的 氫氧化物基溶劑。可將溶劑部分轉化成碳酸氫鹽。在后一情況下，人 們也可考慮使用碳酸鹽作為初始溶劑。輸入的溶劑可含有除了氫氧化 物以外的其它化學品。例如，它可含有一些改進工藝性能的添加劑， 但它具體可含有來自前一工藝循環(huán)中的殘留的碳酸鹽。
本發(fā)明這一部分的目的是概述循環(huán)溶劑的工藝和方法以及優(yōu)選在 適合于隨后處理步驟的壓力下在濃縮物流內部分或全部回收CO2。在以 下討論中，為了清楚起見，我們提到具體的氫氧化物和具體的酸。但 我們強調該方法不限于這些具體的化學品，而是可容易地通用化以包 括其它離子物質。
在下述實施例中，空氣接觸器單元使用氫氧化鈉溶液，其濃度超 過1mol/l氫氧化鈉。一些殘留的碳酸鹽仍可保留在來自前一工藝循環(huán) 的溶劑內，但當溶劑暴露于空氣下時，氫氧化物將轉化成碳酸鹽，溶 液中的碳酸鹽濃度開始升高，直到不希望進一步轉化。存在終止吸收 工藝的數個原因。特別地，由于氫氧化物被耗盡，或者碳酸鹽濃度達 到飽和水平，則可終止該工藝。對于大多數捕集設計來說，不希望在 吸收器內沉淀碳酸鹽。所得碳酸鹽溶液然后從捕集單元中返回以供進 一步處理。從概念上說，人們可考慮如下所述的在回收工藝中的三個 步驟：
1.分離未轉化的氫氧化物與碳酸鹽；
2.將碳酸鈉分解成氫氧化鈉和碳酸氫鈉(這是酸堿分解)；和
3.將碳酸氫鈉分解成氫氧化鈉或碳酸鈉和碳酸。
在一些實施方式中，這些步驟可組合在一起成為兩個工藝步驟或 者甚至單一的工藝步驟。
替代地，人們可通過用弱酸中和堿(此處為鈉)，實現這些步驟中 的每一個。若酸的鈉鹽沉淀，則可在任何點處終止該工藝，這是因為 它從液體中直接分離沉淀形式的酸陰離子；在其它情況下，中和工藝 可進行完全，在此情況下，結果是氣體CO2和堿的鹽。若空氣捕集使 用氫氧化鈉和酸是乙酸，則結果是乙酸鈉。所得乙酸鈉將分離成氫氧 化鈉和乙酸。二者均被循環(huán)。最好采用包括雙極性的膜的電滲析單元 來實現乙酸鈉的分解。若要求高壓CO2，則需要比乙酸強的酸。
工藝1：
參考圖5-7，工藝1使溶劑的品位提升(upgrading)分成三個不同 的步驟。首先，它從鹽水中分離大部分碳酸鹽。然后，它使用電化學 步驟有效地從鹽水中引出鈉離子，導致形成氫氧化鈉和碳酸氫鈉。最 后，所得碳酸氫鈉在添加酸的情況下釋放其CO2，所述酸再次被循環(huán)到 電化學步驟中。這一工藝實施方式的優(yōu)點是它組合了高的能量效率與 產生加壓CO2的能力。二氧化碳可在高壓力下輸送，這正是電化學分 離的優(yōu)點。
步驟1.1
通過溫度變動從廢溶劑中提取碳酸鈉。碳酸鈉的溶解度遠小于氫 氧化鈉。(類似的推論適用于部分其它氫氧化物，但這一實施方式限制 于溶解度間距相匹配的那些)。因此，對于濃氫氧化物溶液來說，可通 過CO2吸收轉化成碳酸鈉的最大的碳酸鈉量是有限的。在高的氫氧化 鈉濃度下操作的一個缺點是，廢溶劑仍由氫氧化鈉占主導，而氫氧化 鈉不應當通過多個昂貴的階段來處理。溫度變動方法克服了這一問題， 這是因為它允許人們在不必使所有氫氧化鈉通過膜系統(tǒng)的情況下分離 碳酸鹽。若廢溶劑的碳酸鈉接近飽和，則人們可通過沉淀提取一部分 碳酸鹽。在0-25℃之間，碳酸鈉的溶解度變化超過3倍。因此，可在 進入的流體和流出的流體之間熱交換，通過溫度變動來更新氫氧化鈉 溶液。這一方法可利用在其中最大溫度變動較大的溫暖干燥氣候中的 環(huán)境熱量。更新的氫氧化物溶液被送回到空氣接觸器單元中。這一方 法還更有利地用于其中高NaOH濃度有助于降低同期水損失的干燥氣 候中。
步驟1.2
碳酸鈉沉淀在最大濃度下溶解在水中。進一步在電化學單元中處 理碳酸鈉以供酸/堿分離，所述酸/堿分離可將碳酸鈉分成氫氧化鈉(堿) 和碳酸氫鈉(酸)。對于這一電化學分離來說，可存在數種不同的設計。 一些是常規(guī)的現有技術中通用的使用雙極性膜的酸堿分離器。其它涉 及氫電極。以下我們將描述為碳酸鈉分解而具體設計的特定單元。
步驟1.3
來自于步驟1.2的碳酸氫鹽溶液被注入到壓力容器內，在此它與 弱酸混合。優(yōu)選的酸包括檸檬酸、甲酸和乙酸。但本發(fā)明不局限于任 何特定的酸。酸堿反應從鹽中驅出碳酸。碳酸然后分解成CO2和水。 CO2首先溶解在鹽水內，但迅速達到超過容器壓力的壓力，從而導致釋 放加壓的CO2物流。在這一單元上的設計限制對酸的選擇存在一些限 定條件。最重要的是，需要酸足夠強，以便即使在設計壓力下也從溶 液中驅逐出CO2。有關這一單元的進一步討論參見下文。這一系統(tǒng)的優(yōu) 點是，它允許在不必將大的電化學單元放入壓力容器內的情況下，在 管線壓力下釋放濃縮的CO2。留下的是弱酸鹽的鹽水。它可以是乙酸鈉、 檸檬酸鈉或任何其它弱酸的鹽。
步驟1.4
弱酸的鹽和在捕集中所使用的堿在利用陽離子、陰離子和雙極性 膜的電滲析單元內分解，以回收氫氧化鈉和弱酸。存在可以使用的這 一單元的數種變體。步驟1.4的結論是，回收CO2，并將殘留的氫氧化 鈉返回到總的循環(huán)中。在各種設計選項中選擇時，有利的是使用從溶 液中除去鈉離子而不是從溶液中除去陰離子的單元，因為通常不希望 將殘留的陰離子輸送到空氣接觸器內。這還可以控制氫氧化鈉鹽水的 濃度。取決于實施方式的具體條件，該后一單元因此可用于調節(jié)氫氧 化鈉的水含量，以便與在空氣接觸器所希望的相匹配。盡管我們在這 里一般指弱酸，這是因為電滲析工藝在回收弱酸時要求較少的能量， 因此，我們注意到該工藝原則上也可采用強酸操作。在一些特定情況 下，強酸可具有克服固有地更高的電化學電勢的其它優(yōu)點。例如，與 較大的有機酸相比，部分膜可針對強酸的簡單離子維持較大的電流。
工藝2：
參考圖8，這一工藝非常類似于工藝1，但它用膜分離系統(tǒng)替代第 一步驟。這將產生后續(xù)需要濃縮的相對稀的NaOH溶液。它可在隨后的 步驟中在膜的氫氧化物側作為初始鹽水使用。若在任何情況下，空氣 提取步驟導致從溶劑中水的蒸發(fā)損失，并因此需要添加附加的水到溶 劑中，則工藝2效果特別好。
步驟2.1
使用稀NaOH溶液的隔室(cell)與濃NaOH/Na2CO3鹽水的隔室交替 的周期性系統(tǒng)。該隔室在一側通過陽離子膜隔開，和在另一側通過雙 極性膜隔開。最后一個隔室與第一隔室相連，從而使系統(tǒng)具有周期性。 該設計可縮減成簡單的一對隔室，但幾何形狀的局限性通常有利于多 個隔室的系統(tǒng)。當鈉通過陽離子膜擴散時，隔室的電荷中性要求雙極 性膜提供H+-OH-對。H+中和剩余的OH-；OH-與在其它腔室內抽出的鈉形 成堿。對于首次估計，在兩個腔室內的鈉濃度將平衡，從而若在廢溶 劑內至少一半的NaOH轉化成碳酸鈉的話，表明可在不輸入電功的情況 下進行這一分離。若不是這一情況，則仍可使用這一系統(tǒng)部分降低 NaOH濃度，或者若人們希望增加溶液中的水含量，則可將大部分的鈉 離子轉移到新的氫氧化物腔室內，所述新的氫氧化物腔室需要維持鈉 離子濃度低于系統(tǒng)中碳酸鹽一側的剩余鈉離子濃度。在這一點處稀釋 鹽水實際上是希望的，因為許多空氣接觸器設計將損失最初在溶液內 的部分水。但若氫氧化鈉提取沒有完全完成，則也可進行工藝步驟 2.2(它是步驟1.2的直接模擬)。
通過利用多個這些隔室的布局(在一端沒有密封)并將它們引入到 在步驟2.2中所使用的組件內生成碳酸氫鈉，則人們可利用濃度驅動 的隔室的動力，在轉化中部分提供用于第二步的驅動作用 (expression)(圖8)。
步驟2.2
這一工藝非常類似于以上的步驟1.2。差別在于碳酸鈉以溶解形 式輸送，且在輸入的鹽水內可能存在殘留的氫氧化鈉。
步驟2.3和步驟2.4
與步驟1.3和1.4相同。
工藝3
參考圖9，為了工藝簡單起見，我們省去了電化學分離碳酸鈉成 為氫氧化鈉和碳酸氫鈉的步驟。相反我們使用弱酸直接產生CO2。這一 實施方式因其簡單而被包括，且由于它可以利用本領域將來的狀態(tài)， 即在一些特定的酸/堿對內，可達到極其有效的實施方式以供酸/堿分 離。當然也可以產生混雜工藝，其中可進一步推進(push)步驟1.1和 2.1，而不是僅僅到達碳酸鹽邊界。作為另一替代方法，人們可使用在 步驟1.2和2.2中的電化學分離，但是在沒有完全形成碳酸氫鈉時停 止。
步驟3.1
這一步驟分離輸入鹽水內的碳酸鈉與氫氧化鈉。這一步驟可與步 驟1.1或者與步驟2.1一樣實現。也可通過將氫氧化物碳酸鹽混合物 引入到步驟3.2來完全省去這一步驟。
步驟3.2
這一步驟類似于步驟1.3和2.3，但它要求多達2倍的酸。這一 實施方式的優(yōu)點是流程明顯精簡化。
步驟3.3
該步驟類似于步驟1.4和2.4，但它產生多達兩倍的酸。
工藝4：
參考圖10，工藝4的開始類似于工藝1和2，但利用將CO2驅出 溶液的雙極性膜工藝替代酸分解。
步驟4.1
這一步驟與步驟1.1或步驟2.1相同。
步驟4.2
這一步驟與步驟1.2或步驟2.2相同。
步驟4.3
電化學分離NaHCO3成為CO2和NaOH。這基于利用雙極性膜的電滲 析。為了獲得高壓CO2，電滲析單元應當置于壓力容器內，所述壓力容 器在隔室上維持所需的CO2壓力。針對這一原因，希望不組合步驟4.2 和4.3，因為這將增加需要維持在壓力下的單元尺寸。但可組合兩個 單元成為一個單元。這種設計的優(yōu)點是可以縮減工藝步驟。甚至可能 組合所有三個單元成為一個單元。其它實施方式將利用其它電化學設 備，例如電滲析系統(tǒng)，所述電滲析系統(tǒng)在陰極上產生氫氣和陽極利用 氫電極消耗在陰極處產生的氫氣。
工藝5：
工藝5和6從至少部分產生碳酸鈉的碳酸氫鹽的鹽水中提取CO2， 并因此在最終步驟和上游步驟之間引入新的循環(huán)環(huán)管。工藝5沉淀出 碳酸氫鈉，而工藝6實施該工藝的含水變體。結果這些工藝同樣適合 于僅僅產生碳酸鹽并使用這一碳酸鹽作為CO2捕集用的新鮮吸附劑的 實施方式。參考圖11：
步驟5.1
這一步驟與步驟1.1或步驟2.1相同。
步驟5.2
這一步驟與步驟1.2或步驟2.2相同。但這一單元輸入的物質部 分來自于工藝5.1和部分來自于由步驟5.5得到的循環(huán)的碳酸鈉。
步驟5.3
通過除水來增加碳酸氫鹽的濃度。這最好通過讓水通過可透水膜 進入濃縮鹽水內來實現。這些鹽水存在兩種可能的來源：(1)離開空氣 接觸器的濃鹽水；若步驟5.1緊跟著2.1，則它特別有用；和(2)來自 于步驟5.1的濃鹽水，條件是它類似于1.1并導致固體碳酸鈉沉淀。 結果是碳酸氫鈉的濃鹽水。它需要容納在氣密容器內，以便在溶液上 為高于環(huán)境的CO2分壓。
使鹽水脫水的另一選擇是反向運行常規(guī)的電滲析單元(無雙極性 膜)。與使用純水不同(它將在循環(huán)中在別處再利用(總的系統(tǒng)損失 水))，將收集在膜另一側的濃鹽水以供進一步使用。這一方法的優(yōu)點 是它要求較小的體積通過膜，但它需要電動勢才能成功。
步驟5.4
溫度變動從鹽水中沉淀碳酸氫鈉。該溫度變動不如對于Na2CO3沉 淀來說的溫度變動有效。但在25-0℃之間操作允許人們除去約1/3的 碳酸氫鹽。在輸入和輸出之間的熱交換將最小化系統(tǒng)內的熱損失。剩 余的鹽水被輸送回到步驟5.3以供進一步脫水。
步驟5.5
煅燒固體碳酸氫鈉形成碳酸鈉和加壓CO2。為了給CO2加壓，煅燒 器包含在壓力容器內。這一系統(tǒng)可利用各種廢熱源，例如來自煉油廠 或者發(fā)電廠的廢熱源。另一替代方案可以是太陽能，其優(yōu)點是其碳中 性。若使用化石碳，則該熱源應當使用氧氣而不是空氣并收集來自于 其燃燒的CO2。在上游電滲析單元中產生的氫氣和氧氣將提供另一不含 CO2的能源。替代地，所產生的少部分碳酸鈉可部分用于吸收燃燒工藝 的CO2。將這一碳酸氫鈉鹽水返回到5.3中，以便再次脫水。剩余的碳 酸鈉被輸送回到步驟5.2。CO2物流離開這一單元。
這一實施方式的優(yōu)點是，它降低了電的需求量且用低等級的熱部 分替代電。這一方法因此特別適用于其中電昂貴或者CO2非常密集的 地區(qū)。方法1-4在具有低成本的低碳電例如來自大風車農場的水力發(fā) 電或過多的風力發(fā)電的區(qū)域中是有利的。
工藝6：
工藝6類似于工藝5，但它用直接在溶液內熱分解碳酸氫鈉替代 沉淀/煅燒。工藝5的優(yōu)點是，它可容易地實現CO2物流內的高壓，而 工藝6更容易實施，且它符合常規(guī)的處理物流。參考圖12：
步驟6.1
這一步驟與步驟5.1相同。
步驟6.2
這一步驟與步驟5.2相同。
步驟6.3
這一步驟與步驟5.3相同，但濃度可保持低于5.3，和在一些實 施方式中可省去這一步驟。
步驟6.4
溫度變動以加熱溶液，從鹽水中除去CO2并將富含碳酸鈉的鹽水 返回到步驟6.2中。利用換熱器以最小化能量需求?？稍谠搯卧獌忍?理水的冷凝。見以下討論。潛在的熱源類似于在步驟5.5中列舉的那 些。6.2中產生的部分鹽水可用于吸收在生成熱中產生的CO2。所得富 含碳酸鈉的鹽水返回到步驟6.2中。
工藝7：
工藝7類似于5和6，因為它嚴格地在碳酸氫鹽和碳酸鹽之間操 作CO2生成單元，且沒有嘗試驅動CO2發(fā)生器的電滲析越過(past)這一 點。確實它可稍微提前終止，以便避免產生高pH的溶液。參考圖13：
步驟7.1
這一步驟與步驟6.1相同。
步驟7.2
這一步驟與步驟6.2相同。
步驟7.3
這一步驟與步驟6.3相同。
步驟7.4
隔室中陰離子膜和雙極性膜交替，且堿性鹽水作為碳酸氫鹽溶液 和酸性鹽水作為純水開始進行該工藝，其中所施用的電壓驅動碳酸氫 根離子和碳酸根離子穿過陰離子膜，在酸側生成碳酸(它將釋放CO2)。 在除去碳酸陰離子的情況下，在堿側的鹽水的pH逐漸升高。當OH-濃 度開始與溶解的無機碳競爭時，必須終止該工藝。這將允許碳酸氫鹽 鹽水轉化成碳酸鹽鹽水。
剩余碳酸鹽鹽水被輸送回到前一單元中，以便在部分脫水之后可 將它再轉化成碳酸氫鹽鹽水。
工藝討論
以上列出的工藝代表針對不同情況和不同目標的不同優(yōu)化。證明 哪一個最佳將取決于該單元操作時的典型溫度、區(qū)域成本和電的碳強 度、生成酸和堿的各種電化學流程的進展。由于這一領域仍然年輕且 處于變化中，因此隨著時間流逝，優(yōu)點將越來越向完全的電化學設計 發(fā)展。
工藝1-4完全依賴于第二酸以完成廢溶劑轉化成CO2和新鮮溶劑， 它們可獨立地優(yōu)化酸/堿分離以及給CO2加壓。這些方法的優(yōu)點是，它 們完全不需要壓縮機以供驅動CO2達到管線壓力。對于工藝5來說同 樣如此，但對于工藝6來說，可實現的最大壓力受限于人們愿意驅動 碳酸鹽/碳酸氫鹽鹽水時的溫度。工藝6的一個優(yōu)點是，過去已經大規(guī) 模地實施了步驟6.4，因此降低了與新工藝放大有關的成本不確定性。
其它工藝單元可一體化到總的生產線中，以處理例如雜質。例如， 應當過濾來自空氣接觸器的碳酸鹽鹽水，以除去灰塵的累積。
盡管以下我們更詳細地討論了針對我們的設計而優(yōu)化的單元工藝 的一些專門的實施方式，但人們可使用針對所有工藝單元的標準實施 方式。
實施碳酸鹽分離成為碳酸氫鹽和氫氧化物
原則上，分離酸和堿的已有電化學工藝的任何實施方式均可適合 于這一工藝單元。并非所有的這些工藝都依賴于雙極性膜，但其中多 數是這樣。為此我們開發(fā)的一種工藝組合了一系列陽離子膜和雙極性 膜。該系統(tǒng)終止于產生氫氣和氧氣的兩個標準電極。這些造成數個百 分點的全部能量消耗。它們可利用燃料電池整合到該工藝中，或者在 要求熱量的工藝5和6中，它們可以燃燒產生熱且無CO2排放。
鈉離子按濃度梯度或者電梯度從該混合物進入其中累積氫氧化鈉 的下一隔室中。隔室的不同部分可在不同的濃度下操作，以便最小化 系統(tǒng)內的電勢差。特別地，如前所述，可包括氫氧化物與碳酸鹽的上 游分離，該分離可單獨通過濃度梯度來驅動。由于沒有任何一個單元 達到酸性pH，因此質子濃度到處都足夠小，結果不需要通過陰離子膜 隔開的隔室。因此該系統(tǒng)比需要控制質子電流的常規(guī)的雙極性膜系統(tǒng) 更簡單。在這些隔室中，負離子不離開它們開始存在于其內的隔室。 在這一步驟之前從溶劑鹽水中提取碳酸鈉的優(yōu)點是降低了必須通過這 些膜的鈉的量。但該工藝的簡化變體可省去第一步。
實施酸驅動的CO2生成器
混合酸與碳酸鈉或者碳酸氫鈉導致劇烈地產生CO2。若酸足夠強， 則若該反應包含在保持在所需壓力下的容器內，整個工藝可產生高的 CO2壓力。這一系統(tǒng)的一種可能用途是在高于管線壓力的壓力下生成 CO2，從而不需要后續(xù)壓縮。
這一系統(tǒng)的一種可能的實施方式認為需要三個小的貯池：一個注 入酸，一個注入碳酸氫鹽，和第三個注入所述酸的鹽(如鈉鹽)。碳酸 氫鹽和酸從它們各自的貯池注入到流道內，所述流道的形狀可強化兩 種流體的混合。若酸是弱酸且因此反應緩慢，則還可以引入快速攪拌 的容器室。在快速反應器中，混合通道升高到其中氣體與液體流分離 的高點處，然后再次向下引導所述液體流進入鹽溶液貯池內。向酸和 堿貯池內注入的注射器與鹽的排放貯池機械相連。在出口處利用的機 械能幾乎足以驅動注射泵。直接的機械連接可基于機械連接的活塞移 動泵。小的渦輪機可類似地連接在一起。存在許多允許機械連接的現 有技術方法。
小的系統(tǒng)也可以以間歇操作方式操作，其中輸入罐和輸出罐例如 通過隔膜分隔。當釋放壓力時，填充空的輸入罐迫使?jié)M的輸出罐排空。 然后該系統(tǒng)與其環(huán)境壓力隔離，并且當兩種流體從輸入罐泵送到輸出 罐內時，產生CO2。一旦輸出罐裝滿，則CO2管線閥門關閉，且該循環(huán) 本身將重復。另一實施方式可使用活塞，所述活塞的作用是替代移動 隔膜。
當然，也可通過將鹽物流和CO2物流的輸出能轉化成電能提供電 連接。體積稍微不匹配可通過從CO2輸出管線中引出少許壓力能量來 補償。原則上，這可能是在總的系統(tǒng)內滿足許多泵送所需求的機械能 的重要來源。人們可利用這一能力來調節(jié)碳酸和驅動系統(tǒng)所使用的酸 之間的強度不匹配。
按照這一方式，酸的產生成為提供從排放的二氧化碳中移出的機 械能的方便方式。
在將二氧化碳注入到輸出物流內之前，需要清潔并干燥它，以便 滿足特定應用或特定處置設備對它的任何要求。
在變溫CO2生成器內水的管理
在加熱碳酸氫鹽溶液過程中，CO2將攜帶需要冷凝出來的水蒸氣。 在一定壓力下離開溶液并流出貯池的CO2與水蒸氣混合。在下一步中， 其用于預熱流入溶液，并在該工藝中冷凝出水蒸氣。當增加鹽水濃度 升高溶液的CO2分壓時，所收集的水最好保持與碳酸氫鹽溶液分開。
可使用水用于提供輸入原料，以供在步驟6.2中在電化學酸/堿分 離中生成新鮮的碳酸氫鈉。
由于在油工業(yè)中使用CO2的機會已經很少了，因此將要進行的工 作是在法規(guī)允許限度內通過分配贏得CO2“信用額度”。這些“信用額 度”將具有按多種方式使用的市場價值。一種可能性是對于地方管理 機構來說，提供給汽車制造者或購買者“信用額度證”作為促進運輸 里程的方式，同時允許繼續(xù)使用可能不在理想的水平下運行的大眾車 輛設計。
合理的是預見到當汽車或卡車可用常規(guī)的內燃機技術(或者依賴 于烴燃料的先進的推進系統(tǒng))驅動且與此同時要求零排放汽車的時代， 這是因為通過這一工藝已經從大氣中除去足夠多的CO2。這可設置為附 加于汽車或卡車購買價格的輔助證書，或者作為對運輸工業(yè)的法規(guī)要 求，或尚待確定的一些其它方案?；蛘呔哂猩鐣庾R的人可提前即在 購買汽車之前“買下”碳。
盡管本發(fā)明特別適用于從空氣中提取CO2，但本發(fā)明的空氣洗滌器 可用于通過使用不同的吸附劑材料從空氣中除去其它氣體。