CN101242885A - 从空气中除去二氧化碳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从空气中除去CO₂的方法，该方法包括将吸收剂覆盖的表面暴露于空气。本发明也提供将空气暴露于CO₂吸收剂的装置。在另一方面，本发明提供分离吸收剂中结合的二氧化碳(CO₂)的方法和装置。

Description

从空气中除去二氧化碳

技术领域

本发明涉及从空气中除去所选择的气体。本发明特别适用于从空气中提取二氧化碳(CO₂)，下面将结合这一用途描述本发明，当然也可以有其它用途。

背景技术

从环境空气中提取二氧化碳(CO₂)，致使可以使用碳基燃料并处理事后相关的温室气体排放。由于含量为百万分之几份的CO₂既无毒也无害，只是因简单地在大气中累积而产生环境问题，因此需要从空气中除去CO₂，以便补偿在别处和在不同时间的排放。空气捕集的总体方案是公知的。

在各种工业应用例如在由煤发电的工厂中和在烃的使用(所述烃典型地为在燃烧装置如发动机中燃烧的燃料的主要组分)中产生CO₂。从这种燃烧装置中排放的废气含有CO₂气体，这些CO₂气体目前被简单地排放到大气中。但随着对温室气体担心的确定，必需减少来自所有来源的CO₂排放。对于可移动的来源来说，最佳的选择可能是直接从空气中而不是从汽车或飞机的可移动的燃烧装置中收集CO₂。从空气中除去CO₂的优点是不需要在可移动的装置中储存CO₂。

已开发了各种方法和装置从空气中除去CO₂。在这些方法和装置之一中，利用被称为Raschig环的东西填充的罐内的碱溶液或吸收剂洗涤空气。为了消除少量的CO₂，还使用了凝胶吸收剂。尽管这些方法有效地除去了CO₂，但它们具有严重的缺点，因为对于它们从空气中有效地除去二氧化碳来说，必需在相当高的压力下通过吸收剂驱动空气，因此在洗涤工艺过程中发生相对高的压力损失。此外，为了获得增加的压力，要求某些性质的压缩设备，且这些设备使用一定量的能量。就该工艺总的二氧化碳平衡来说，压缩空气所使用的这一附加的能量可能具有特别不利的影响，这是因为增加空气压力所要求的能量也将产生必须捕集和处置的CO₂。

因此，现有技术的方法导致从空气中低效地捕集CO₂，这是因为这些工艺加热或冷却空气，或者明显改变空气的压力，即当清洁工艺将CO₂作为驱动该工艺的发电产生的副产物引入到大气内时，CO₂的净减少可以忽略不计。

此外，尽管从空气中分离CO₂的洗涤器设计是已有的，但通常它们受限于填充床类型的装置，这一装置的目的典型地是从另一气体中除去所有痕量的杂质。在美国专利4047894中所述的一种这样的装置包括在外壳内彼此间隔组装的含由聚氯乙烯(PVC)制成的多孔烧结板或者碳泡沫体的吸收元件。在将板组装在外壳内之前，在多孔板内浸渍氢氧化钾。这一装置的缺点是，在没有拆下装置外壳的情况下，不可能补充从空气中分离CO₂所使用的吸收剂材料。

从空气中收集CO₂的方法典型地依赖于从空气中物理或者化学结合CO₂的溶剂。一组实用的CO₂溶剂包括强碱性氢氧化物溶液，例如氢氧化钠和氢氧化钾。过量0.1摩尔浓度的氢氧化物溶液可容易地从空气中除去CO₂，此时其例如以碳酸盐形式结合。较高的氢氧化物浓度是希望的，且有效的空气接触器将使用1mol过量的氢氧化物溶液。氢氧化钠是特别方便的选择，但可使用其它溶剂，例如有机胺。吸收剂的另一选择包括弱碱性盐水，例如碳酸钠或碳酸钾盐水。

也参见公开的PCT申请PCT/US2005/015453和PCT/US2005/015454。

现有技术的以上讨论主要来自我们较早公开的PCT申请PCT/US05/29979，其中提出了从空气中除去二氧化碳的系统，该系统包括将溶剂覆盖的表面暴露于空气流，此时空气流保持为层流或者接近于层流区。使二氧化碳气体由溶剂吸收和从空气中除去。在优选的实施方案中，溶剂包括碱性吸收剂溶液如强氢氧化物溶液。也参见我们较早公开的PCT申请No.PCT/US06/03646，其中我们描述了包括用于支撑液体吸收剂的开孔泡沫的空气/液体交换器。

发明内容

本发明提供相对于上述现有技术的改进。更特别地，本发明提供从空气中除去二氧化碳或其它感兴趣的气体的几种方法和系统。

根据本发明的一个实施方案，提供用于捕集或吸收CO₂的离子交换材料。在一方面，本发明采用固体阴离子交换膜作为主要的CO₂捕集基质。离子交换材料可包括由离子交换材料形成或由离子交换材料涂覆的固体基质。替代地，该材料可包括由离子交换材料涂覆的纤维素基基质。

本发明的另一个实施方案采用湿的泡沫空气交换器(该交换器使用碳酸钠或碳酸钾溶液、或其它弱二氧化碳吸收剂)，以从空气中吸收二氧化碳而形成碳酸氢钠或碳酸氢钾。然后将得到的碳酸氢钠或碳酸氢钾处理以在循环吸收剂的同时更新可以回收和处理的碳酸盐吸收剂。

在本发明的另一个实施方案中，使用离子交换材料从空气中除去二氧化碳，使用液体胺溶液再生该离子交换材料，然后将该胺溶液通入电渗析池进行回收。

在本发明的另一方面，通过调节海水的碱度从空气中除去二氧化碳，调节海水碱度反过来增加二氧化碳从大气进入水的通量。

附图说明

从以下结合附图的详细描述可以看出本发明的进一步特征和优点，其中相同的数字表示相同的部件，和其中

图1(a)是在部分剖视的侧视图和图1(b)是根据本发明另一个实施方案制备的空气洗涤器的另外替代形式的透视图；

图2(a)-2(c)、3(a)-3(b)和4(a)-4(c)是根据本发明其它实施方案制备的空气洗涤单元视情况而定的透视图或侧视图；

图5是描述根据本发明的一个实施方案从空气中除去CO₂的方法的流程框图；

图6-8图示说明随时间的CO₂捕集；

图9是根据本发明实施方案的工艺流程图；

图10是显示根据本发明另一方面从空气中除去CO₂的整合系统的示意性流程图；和

图11-14是根据本发明的替代方面处理海水的池的示意图。

具体实施方式

本发明通常涉及特别地从空气中提取、减少、捕集、处理、隔离或贮存二氧化碳(CO₂)，和包括从环境中降低或消除CO₂的新方法和装置。CO₂的提取和隔离两者由本发明涵盖。

在我们较早的U.S.专利申请系列No.60/603,811中，我们给出了使空气与吸收剂涂覆表面接触的策略。我们指示由于对于吸收CO₂的氢氧化物或碳酸盐溶液典型的缓慢反应动力学，人们应当提供用于层流的直通道以对于经过收集结构的压降中的给定能量投入使CO₂的吸收最大化。如果可以改进液体副反应动力学，更复杂的通道会降低空气侧限制，但对于低反应动力学，具有平滑表面的直通道显得更有效。

本发明在一方面提供从空气物流中吸收二氧化碳的方案，该方案甚至可以用弱吸收剂和在低吸收速率下有效地进行。通过以内部泡沫表面完全或部分由弱吸收剂覆盖的方式润湿含有切割通过其中的直通道的泡沫，可以产生暴露于缓慢气体流的大的吸收剂表面。可以调节通过通道和通过本体泡沫的气流以对于经过多个泡沫层的给定压降优化稀二氧化碳的吸收。对于低浓度气体混合物到气体物流的提取，此技术不再需要具有快吸收速率的强吸收剂。结果是人们可以利用弱吸收剂如碳酸钠来从空气中捕集CO₂，而不是必须依赖于强吸收剂如氢氧化钠。二氧化碳对弱吸收剂的较低结合能极大地简化了随后的吸收剂回收步骤。此公开内容描述了涉及的原则和给出产生潮湿泡沫表面以及从泡沫提取CO₂负载的吸收剂的方法和装置。这些方法可以利用任何可应用的吸收剂回收方法进行。它们不限于从空气中捕集二氧化碳，而且可以容易地延伸到从任何气体物流中捕集痕量气体混合物。如下所述，执行的详细情况依赖于痕量气体的浓度、涉及的吸附或吸收反应速率和流动速度。另外相关的是方法的目的是否是从混合物捕集出所有的痕量气体以清洁气体，或目的是否是从混合物收集有价值的痕量气体物流而不尝试从载气消除几乎所有的痕量物质。

在从空气中收集二氧化碳的过程中，两个不同的传递步骤可潜在地设定速率极限。第一个步骤是将二氧化碳吸收到吸收剂中，第二个步骤是输送二氧化碳通过空气侧边界层到吸收剂表面。在第一种情况下捕集系统受吸收剂侧限制，在第二种情况下它受空气侧限制。在较早公开的PCT申请系列No.PCT/US06/03646中，我们给出优化从稀物流捕集CO₂的设备的一个方案。在此我们给出利用明显不同原则的另一个方案。两个方案的目的在于最小化经过用于从空气流除去一定比例CO₂的洗涤设备要求的压降。由于空气中的CO₂非常稀少，重要的是最小化为推动空气通过空气洗涤系统的能量补偿。理想地，压降较小而使得自然风流动的部分停滞足以提供使空气和吸收剂材料接触的能量。

上述的在先发明提供了通过保证CO₂传送至少部分由空气侧限制而最小化对于固定的流动速度的压降。对于弱吸收剂如碱溶液，这提示产生足够厚边界层的层流大致使空气侧传质系数和吸收剂侧传递系数相等。相反地，本发明涉及将空气流分配成快速移动和缓慢移动物流及向其中空气缓慢流动的物流中插入洗涤器。

作为特定的设计，我们考虑过滤器设备，其中在最近的邻近吸收表面之间的距离与可允许的边界层厚度相比较小。在该情况下表面上的CO₂浓度降低得不太多和因此系统可以考虑为受吸收剂侧限制。在这样的系统中，与二氧化碳的部分损失相比动量的部分损失较大。当人们降低空气流的速度时，系统受吸收剂侧限制和动量的部分损失仍然较高，但可用的动量快速下降。因此对于过滤器系统的给定厚度，动量的总损失降低。压降甚至可以进一步降低，这是因为空气在过滤器中的更长停留时间使空气中的CO₂含量降低更多。如果人们保持部分CO₂提取恒定，可以使过滤器制得更薄和因此要求的压降甚至进一步降低。

但是，如果通过收集器的总流量保持恒定，则过滤器中流动的减缓必须伴随着另一个物流的加速。这可能伴随着将空气物流分配成两个物流。两个物流同时通过过滤器运行。系统经历由过滤器厚度和空气流动速度支配的压降。在方案(panel)B)中，重新组织流动模式使得一个物流首先膨胀，而使另一部分会聚。结果是较宽区段中的空气减速，而较窄区段中的空气加速。在最大横截面的点上，将过滤器安装入缓慢的物流中。在这一点的下游，使膨胀的空气流再次会聚和另一空气物流散开到与更高上游第一流具有的相同的扩展横截面。在这一点将第二物流中的空气的所有或部分CO₂洗涤掉。随后为最终区段，其中将两个物流再调节到它们的初始横截面。为了达到相同的过滤器表现，在这个新设计中的过滤器可以明显更薄。如果系统受吸收剂侧限制，则过滤器的体积不需要变化，但由于横截面增加则因此可以降低过滤器的厚度。由于流动速度更低和过滤器的阻力降低，所以压降减少。

以上例子用于解释基本的物理原理。在如下内容中我们给出用简单的泡沫块作为过滤器材料近似这种行为的具体方法。泡沫块具有许多优点：它们可以成形为任意的形状，它们可保持一些液体和它们容易润湿；和开孔泡沫呈现大的内部表面积，其可用于从流过泡沫的空气中吸收CO₂。

由液体吸收剂如NaOH或Na₂CO₃润湿的大泡沫块会从空气中吸收CO₂。如果我们假定约1mm的典型孔径和约4000m^-1的比面积，则对于吸收剂表面约2μmol m^-2s^-1的典型吸收速率会对于一立方米的泡沫块提供8mmol s^-1的吸收容量。如果我们希望从空气物流提取5mmol/m³，则在3m/sec的流动速度下设备的厚度为约2m。但是，固体泡沫块的压降可能远大于保持这样的高流动速度所需的。但是，如果人们打开通过泡沫的通道，其使90％的空气绕过泡沫层，和然后再次混合空气和在90％绕过的情况下通过另一个层，则泡沫中的有效流动速度只有十分之一，压降降低至十分之一，和吸收速率几乎不变化，这是因为它不受空气流过薄切片的速率限制，但由这些泡沫薄片内部的表面可吸收CO₂的速率限制。

通过形成经过泡沫层的小直通道，人们打开通过泡沫的路径，其使空气本体通过不经过泡沫的通路。通过调节孔的总横截面和孔的直径，可以控制在压降和流动速度之间的关系，和实际经过孔的流量分率。

小直径孔在固定的流量下会导致更高的压降，或替代地在固定的压降下它们会导致更高的流量。实际的系统在两个极限之间操作，其中孔直径和孔数目的调节会改变总体流动阻力和因此改变压降和流动速度。

增加孔数目会增加流量，和因此降低经过泡沫块的压降。经过泡沫块的压降反过来控制通过泡沫本体的流动速度。因此可以优化具体装置来调节此系统的参数使得人们独立于旁路流量的大小控制经过泡沫块的压降。

最终，这些概念概括如下：该概念不限于从空气中提取CO₂，而且它们可以容易地概括到从任何气体物流提取任何痕量气体。最终，尽管在大多数以上讨论中我们假定吸收剂是由泡沫吸收的液体，当然也可以考虑当CO₂通过系统时可吸收CO₂的泡沫状固体材料，包括纤维垫或其它结构。

与采用AQUAFOAM^(其是容易保留液体和因此具有完全由液体填充的孔的非常亲水性的酚醛泡沫)进行的试验形成对照，聚氨酯泡沫基本失去80-90体积％它在沉浸点时包含的液体。与对酚醛泡沫(AQUAFOAM^)进行的试验形成对照，在采用聚氨酯泡沫的试验中吸收的持续时间从数天或数周剧减到几十分钟。作为补偿对于弱吸收剂如半摩尔碳酸钠溶液的吸收速率剧增。在两个试验之间的关键差异是在前面的试验中泡沫由流体填充，而在后面的试验大部分泡沫体积由气体填充。在试验期间聚氨酯泡沫块的间歇浸泡(其会由液体填充孔)导致CO₂吸收立即降低，该CO₂吸收仅在泡沫中包含的液体水平适当地降低之后才恢复。

尽管极大地增强了碳酸盐溶液的CO₂吸收，但水蒸发速率基本未变化。水蒸发不受吸收剂侧限制和因此通过泡沫块的气体物流立即由水饱和和因此停止吸取另外的水。但是，在大多数设计中不能利用此效果，这是因为最大化CO₂吸收的系统会接触所有的空气和因此由水蒸汽饱和所有的空气。

在此并未完全理解亲水性、疏水性及混合表面的作用。它们各自具有优点和缺点。疏水性控制泡沫中保留的液体量和可以均匀地施加这种液体的容易程度。因此，据信孔径略微大于通常孔径的亲水性酚醛泡沫可结合优异的润湿性能与适当的低保水量。将大多数可商购酚醛泡沫设计为保水的，和因此并不完全适合这种应用。

各种泡沫是可商购的和均可以使用。这些包括如果经受明显的压缩会破碎和机械破坏的硬质泡沫、可以″被压挤″的软质弹性泡沫。硬质泡沫仅可以用流体冲洗。为保持适当的饱和水平，必须让这些泡沫排液。另一方面，可以通过在压力下将气体如空气驱入泡沫基体而将液体推出泡沫。

流动模式、排液和干燥速率的不均匀性可使这些泡沫的使用非常具有挑战性。在软质、弹性泡沫的情况下，可以通过压缩泡沫基体将液体移入和移出泡沫。在硬质泡沫的情况下翻转泡沫有助于在整个泡沫体积中均匀分布流体。

该第一实施方案的第二方面因此涉及从软质和弹性泡沫结构以及从不能在不损害泡沫结构的情况下压缩的泡沫施加和提取液体。

润湿泡沫的最简单方案是在顶部施加液体和让液体在重力作用下排液。特别大孔的泡沫或容易排液的网状泡沫适于这个方案。如果通过流动流体和基于重力排液完成泡沫的润湿，则缓慢旋转泡沫有助于获得在泡沫内部均匀的流体覆盖。轴的旋转方向必须具有水平方向分量，使得当旋转改变泡沫随重力方向的取向时，同时改变泡沫内部的流动方向。将旋转速度匹配于泡沫和流体流动性，使得流体的本体在旋转时并不是总能流到泡沫体积的底部。通过适当地将泡沫成型甚至可以在旋转泡沫件的过程中转移流体。作为例子，可以将泡沫成型为如图1(a)所示的密闭螺旋形状200，和围绕它的轴缓慢旋转及它的边缘或外围202浸入包含液体吸收剂流体206的盘或池204中。通道208可以通过泡沫形成以让空气经过。替代地，可以将泡沫成型为如图1(b)所示的开放螺旋形状210和缓慢旋转使它的外围202在包含液体吸收剂流体的盘或池214中。同样如需要，泡沫螺旋的中心轴端可以安装在随泡沫螺旋旋转的吸收剂收集托盘216中。在此情况下的旋转逐渐将流体从形状的边缘移动到它的中心，其中可以从泡沫提取流体。

在可以弹性压缩的泡沫中，可以通过压缩和松弛泡沫以移动流体而保证流体混合。参考图2(a)-2(c)，为通过泡沫结构移动液体，可以通过在泡沫44的表面上移动辊筒42或通过在平板之间压缩泡沫块施加外部压力。辊筒42可以是在泡沫两侧上辊压的平滑圆筒形表面。辊筒将外部泡沫表面朝彼此推动和因此强制流体在整个体积中流动和混合。替代地，人们可以在一侧上使用单一辊筒，和在泡沫背面使用将泡沫定位的刚性表面。这种布置特别适用于相对薄的泡沫，因此对第二辊筒的另外成本和伴随的结构复杂性被证明不是适当的。

与具有平滑表面不同，可以将辊筒的表面结构化和成形以通过局部改变压缩程度强化泡沫中的流体移动。选择包括简单地用辊筒轴之后的脊刻槽。替代地，人们可以考虑在辊筒周围按圆周方式布置的脊或具有凹坑和突起的表面。采用任意的这些结构化表面，可用于匹配在相对辊筒上的表面(或结构化壁中的形状)以优化流体流动模式。必须注意以最大化泡沫中的体积变化同时最小化泡沫中的剪切应变。

参考图2(a)-2(c)的在此为了说明的目的所讨论的特定实施形式可以是矩形形状、具有大的宽度和高度和相对小的厚度的泡沫基体44，作为例子考虑2米高、1米宽和0.3m厚度的泡沫块收集垫。窄的管状通道沿块的0.3m厚度中穿过块。空气沿通道方向流过泡沫，沿其最小尺寸方向穿越泡沫。可以将液体施加到它的两侧或施加到顶部，和辊筒112、114会跨过2米高1米宽的矩形面。辊压作用会压挤在适当位置的液体，具有高压缩程度的向下冲程可用于向下压挤液体并使其从块的底部排出。

辊筒112、114会在泡沫侧面上下移动，和它们可能移入或移出以调节在泡沫收集垫上的压缩。具有较少压缩的向上冲程可用于形成在整个砖形物中填充的均匀流体。

可以将液体116施加在砖块状物的顶部和通过辊筒向下推。将一些流体向下推，和根据辊筒之间的间隙使一定量的流体留在泡沫基体中。如果泡沫的高度不太大，则可以将所有的流体在顶部施加和向下推到底部。替代地，我们可以在辊筒之前将流体喷淋到泡沫的侧面上。如果将压缩设定为高压缩，辊筒可用于压挤出液体，当液体挤出辊筒的侧面时直接在辊筒之前捕集该液体或如果辊筒的速度足够低，将流体推到泡沫垫的底部，在此挤出和收集该液体。因此可以通过注射另外的载体液体或仅仅从泡沫压挤出液体而从该垫除去液体。在第二应用中将新鲜流体施加到泡沫，将该流体在较低压缩水平下均匀地在泡沫垫体积内施加。

也可以通过辊筒移动该垫和在固定的位置安装辊筒。

参考图3(a)-3(b)，辊筒的替代物是压挤泡沫收集垫110整个面积的平板118-120。这特别适用于其中在垂直方向设置空气流和泡沫的压缩用于平行于空气流向将流体压挤入泡沫和从泡沫压挤出的布置，该方向通常表示泡沫垫的最小尺寸。也可以在压挤之前旋转泡沫垫并将其从垂直位置移动到水平位置。

其中泡沫移动而不是辊筒移动的特定实施是其中泡沫作为连续回路移动的设计，如使泡沫饱和及压挤泡沫的辊筒上的带，同时泡沫在环形回路中移动。这些回路可以采用各种方式布置，特别地可以将回路垂直地上下运行，或使其水平运行。

在图4(a)-4(c)中描述的本发明的另一方面中，收集器可包括多个泡沫收集垫50，每个可旋转地悬挂于支撑柱132上，该支撑柱132本身可在分别如图4(a)-4(b)所示的操作和开放位置与图4(c)所示的关闭位置之间水平移动，在图4(c)中可以将液体吸收剂通过喷雾施加和通过端板48压挤过量吸收剂。选择存在的液体量使得通过泡沫的气体流遇到较少的障碍，孔体积的本体由气体填充，和将气体填充的孔隙互连以使得可以通过扩散或其它措施从一个孔向下一个孔转移CO₂直到它被吸收。

对于空气侧限制的流动，通道理想地是直通道，但可以通过在流动场中产生压力波动而提高吸着物气体进入泡沫结构的有效迁移速率。

尽管氢氧化钠溶液可以在上述装置中即根据我们上述公开的PCT申请系列No.PCT/US06/03646的教导用作吸收剂，根据本发明的一个实施方案我们可采用润湿的泡沫空气提取器系统，该系统使用碳酸钠或碳酸钾溶液-或任何其它弱CO₂吸收剂以从空气中吸收二氧化碳和在方法中形成碳酸氢钠或碳酸氢钾；通过在固体吸收剂上渗透碳酸氢盐盐水而更新碳酸盐吸收剂的吸收剂回收步骤，该吸收剂在优选的实施中是离子交换树脂；使用液体吸收剂的树脂回收步骤，该液体吸收剂在优选的实施中是液体胺溶液，和通过变温、变压或电渗析完成的CO₂释放。

因此在CO₂从空气中通过装置之后可以描述如下：空气与弱吸收剂如碳酸钠接触，其依靠它在泡沫表面上的分布可达到较高的吸收速率使得空气侧传送开始限制CO₂吸收。一旦溶液吸收了足够量的CO₂，它在固体吸收剂例如胺基离子交换树脂上滤过，该吸收剂从溶液除去碳酸氢盐和因此恢复它的碱度。现在使CO₂连接到树脂和在随后的步骤中通过采用另一种液体吸收剂、优选胺溶液洗涤树脂而从树脂除去，CO₂，人们可从该液体吸收剂在最终的步骤中回收CO₂。在此选择是变温、变压或电渗析过程。

参考图5，方法的步骤如下：在步骤250在碳酸盐润湿的泡沫上从空气中捕集二氧化碳。在此方法中，将润湿的泡沫结构暴露于环境空气，该环境空气在0.1-100m/sec的速度下流过系统，优选的范围是0.5-10m/sec和最优选的范围是0.5-4m/sec。将这些泡沫结构例如如上所述成形或布置使得它们具有通道，空气通过该通道流动和与润湿的泡沫表面接触。润湿的泡沫表面吸收二氧化碳。在这样的情况下CO₂负载的吸收剂包含碳酸氢根离子。该方法的如下步骤必须从非常稀的碳酸氢盐物流回收碳酸盐，在该物流中可能混入较大浓度的CO₃ ^＝。

碳酸盐对碳酸氢盐的比例依赖于总的碳浓度。为使吸收剂液体移入和移出泡沫，通过别处所述的几种方法之一将液体冲洗出泡沫。优选的方法是其中液体自身靠重力的排出会除去废吸收剂，或水冲洗会移动废吸收剂和在设备底部收集该吸收剂。对于其中最优捕集设计并不是自身导致重力排出的实施，如上所述采用泡沫的移动或压缩的其它方法是可能的。

在任何情况下，获得的溶液均包含稀碳酸氢钠物流。给定低浓度情况下，从该盐水的直接吸收剂和CO₂回收通常不是最有利的方案。作为替代我们提供三阶段方案，其中首先通过使溶液与胺基离子交换树脂接触而浓缩低浓度碳酸氢盐。

在下一步骤252中，与碳酸氢盐溶液接触的离子交换树脂会从盐水吸收碳酸氢根离子，和用氢氧根离子置换它们，该氢氧根离子反过来通过与第二碳酸氢根离子反应而中和，从而形成碳酸根离子和水。树脂可以为各种类型，但几种合适的树脂是可商购的。优选是由胺基团官能化的树脂。重要的考虑是碳酸氢根(或碳酸根)与树脂的结合能。它必须足够大以将CO₂从液体转移到树脂，但也必须足够弱以在随后的处理步骤中释放二氧化碳。典型的结合能为20-60kJ/mole，但更宽的范围也是可能的。尽管为了实用性，优选是有机树脂，但其它固体吸收剂同样可用于实施此转变。一种特别优选的材料是氢氧化镁，尽管可以使用可碳酸化的其它固体材料如作为例子给出的硅酸锂和锆酸锂。这种材料能够吸收CO₂和可以用作本发明的固体吸收剂。相似地，各种可商购离子交换树脂能够通过将碱度提高回到可用于实施本发明的原材料的碱度而回收碳酸盐盐水。

特定的实施是使CO₂负载的吸收剂通过其循环的树脂床。当吸收剂流过该床时，树脂逐渐由二氧化碳饱和。如果流量保持相对低，吸收前沿逐渐通过树脂移动直到它在该床的远端穿透，在该阶段人们会观察到流出物中碳酸氢盐浓度的突然增加和因此知道什么时候树脂已经用尽。一旦已经达到此点，则需要将树脂更新。

空气中二氧化碳的分压非常低，为约380微巴。结果是对于大多数树脂，此前沿相当宽和难以确定，在该情况下有利的是将树脂床分成多个床，和使用几乎用尽的床来开始二氧化碳的除去和因此最大化床的饱和，使用一个或多个级联床以从吸收剂除去CO₂和滤过吸收剂流体最终通过最后的新鲜床，以使提取最大化。通过将固定床用管道和阀门连接在一起，可以在吸收剂更新的链中或在树脂回收步骤中循环它们的合理位置。结果是，操作步骤逐渐通过一系列罐移动。对于一些树脂，不同位置的结合能不同，和在该情况下不利的是将树脂推到它的极限。相反在这样的情况下树脂会在容易接近的结合能范围内前后变化。

在步骤254中通过采用不同的CO₂吸收剂例如胺溶液洗涤树脂而回收树脂，该胺溶液足够强烈地结合二氧化碳以从树脂回收它。这会导致碳酸氢根离子、氨基甲酸根离子或碳酸根离子从树脂转移到胺溶液。这个最后步骤的优点是胺溶液可比树脂自身达到高得多的负载因子即胺溶液对CO₂的重量比。当与初始碳酸盐盐水相比时，改进甚至更大。因此与如果对树脂自身进行热量回收步骤或如果尝试从初始弱吸收剂回收相比，在加热和冷却吸收剂中浪废更少的能量。

将负载CO₂的胺溶液在变温中转变以在步骤256中从胺释放二氧化碳。用于此步骤有几种选择，这是因为胺溶液用于其它二氧化碳吸收系统。在一种选择中，蒸汽用于将热量传递到工艺中。优选地，用于形成蒸汽的热量来自碳中性能源如太阳能，或不存在这些源，来自碳基燃料与纯氧的燃烧，因此产生另外的富CO₂物流，该物流反映CO₂循环过程的能量需求。当然，可以使用包括地热能源、太阳能热源以及废热能源的其它热源。

本发明可进行改进。例如，代替使用液体吸收剂通过其滤过的非活性泡沫，可以使用官能化泡沫或树脂而不使用碳酸盐吸收剂。在这种情况下，润湿的泡沫用于直接从空气中收集二氧化碳。在这种情况下，应当不允许泡沫完全干燥，但对于一些泡沫可能不必注入液体水，这是因为空气中最小量的水分可能足以使胺与空气中的二氧化碳反应。一旦泡沫由CO₂饱和，采用第二CO₂吸收剂的冲洗可用于再生树脂。这可能是碳酸盐溶液，但碳酸钠浓度比以上讨论的系统中高。树脂洗涤剂也可以是胺洗涤剂，在该情况下工艺成为上述主要工艺的最新型版本。

替代地，代替在泡沫中使用碳酸盐吸收剂人们可直接在泡沫中使用胺溶液。这将取消工艺的第二和第三步骤。结果是将工艺改进到用于捕集的单一工艺步骤，随后为用于吸收剂回收和CO₂释放的单一工艺步骤。

也可以采用电渗析过程替代用于CO₂回收的变温过程。电渗析可以遵循例如在我们公开的PCT申请PCT/US06/03646中公开的几种不同方案。可以将电渗析应用到在第一步骤中产生的碳酸氢盐溶液，或替代地，可以将它应用到在最后步骤中产生的胺溶液。

在本发明的另一方面，我们利用固体相阴离子交换材料(AEM)来从空气中直接捕集CO₂和其它酸气体。在此讨论的AEM的应用关于它用于从空气中低(ppm)吸收CO₂，但容易地可用于捕集其它低浓度气体如NOx吸收和SO₄以及浓CO₂或其它气体除去。

两个替代方案是可能的。

一个替代方案是使用中间固体基质，该基质能够暴露于大量的空气和在低浓度下收集CO₂，同时用作具有低蒸气压或不具有蒸气压的固体。可以设想固体基质作为一类网，以化学方式贮存CO₂直到它在以后的时间释放入溶液。此外固体基质能够释放新收集的CO₂回到溶液，因此也再生固体表面。将包含捕集的CO₂的溶液以积极可行的方式再生。挥发性或高蒸气压溶液可用于从基质收集CO₂和可以在低能量消耗下再生。这个中间步骤使得可以断裂连接到基质的CO₂而不将基质暴露于开放环境，从而防止大气污染和损失。

以上方法交换阴离子到固体基质和从固体基质交换阴离子。在此我们采用固定到参与离子转移的固体基质的阴离子交换对。这样的例子是通过氯甲基化的甲基胺到苯乙烯主链上的反应(用于去离子水体系的通用离子交换树脂)。在此类型的体系中将氮基团如胺通过共价键连接到聚合物主链。这个共价键将氨类型分子连接到基质上同时允许它离解(以形成阳离子和阴离子)。如果连接到氮上的所有四个可能的共价键由碳基团填充，则将氮强制达到缺电子态和获得永久的正电荷。铵离子上的永久电荷将它转变为阳离子，该阳离子然后必须通过相邻阴离子的离子连接满足。这是共价连接到固体聚合物基质的盐。

产生表现如强碱溶液的固体表面的能力提供不限于如下的几个特征和优点：

1.CO₂网利用胺盐的阴离子交换性能同时利用固体聚合物主链的零蒸气压。基本上可以通过浓度梯度替代所有它的阴离子而留下连接到固体的OH^-的表面，将胺盐强制变成氢氧根形式(OH^-)。连接的OH^-现在容易与进入的CO₂反应。由于大多数捕集CO₂的技术使用酸气体与液体碱或OH^-表面的反应，这种方法利用快速的酸/碱反应动力学。

2.与目前的方法相比，液体膜中间体的取消允许表面积大幅增加。在气液接触器中挑战是以接触尽可能多空气的方式铺展液体。这通常包括在固体表面上铺展液体以增加它的表面同时不会诱导大的压降以致气体不能适当地流动。固体OH^-表面允许以最小的压降形成最大的表面积。

3.要求最少的水以使反应进行和总体上基本不消耗水。膜能够从空气分离水以促进捕集。当涉及大量的空气时这是主要的益处。

4.由于OH^-连接到聚合物基质，不再能够与环境反应除非存在可用于替代它的阴离子或酸可用于与它反应。这是仅对酸气体具有高度反应性的良性表面。这允许完全除去直接接触环境的强氧化剂，同时仍然促进捕集。

5.采用接触大量开放空气的另一个问题是收集器自身的空气污染。污物和细菌在体系中的累积是不可避免的。只要不存在从污染物到固体自身的阴离子转移，可以将表面在处理或再生之前用水洗涤，从而从进入分离过程的剩余部分起消除污染物。

6.在表面更新之间要求较少的液体泵送或不要求液体泵送。这明显降低在表面上分布流体以产生接触区域的泵送成本。

7.由于连接阴离子交换基团到聚合物的方法相对好理解，但对可以对其应用阴离子交换材料的材料的类型或形状不存在限制。

在一方面本发明采用固体阴离子交换膜作为捕集和随后输送大气CO₂的主要捕集基质。将膜以间隔为1-25mm一起紧密分隔。此间隔允许环境空气以足够低压降通过而不使用机器来移动空气。这符合我们上述PCT申请系列No.PCT/US05/29979中讨论的基体构造。

使用离子交换膜作为基体的材料的优点有几个。一个优点在于如下事实：膜可以采用接近干燥的方式操作，因此排除了以气溶胶的形式通过环境铺展苛性材料的危险。以基本干燥模式操作的另一个优点是不存在由于蒸发的水损失。这个水损失不仅仅在蒸发损失的水量中是明显的，而且在水输送系统的泵送、购买和管道工程中是明显的。另一个优点是在大于采用相同面积的含水表面的可能浓度下膜贮存捕集CO₂的能力。增加的表观活性面积超过当量含水面积。这允许在超过通过使用水溶液的可能速率下捕集。另外，总捕集能力超过采用水溶液的可能捕集能力。

附图6-8描述暴露于连续环境空气流和也暴露于密闭容器(18.9L)的阴离子膜的CO₂捕集性能，在该密闭容器中悬挂小片(2×2cm)活性膜及测量和记录CO₂在密闭瓶中的降低。

另一组数据显示悬挂于更大(128L)密闭容器中的活性膜小片及测量和记录相同的数据。

在另一方面，本发明采用纤维素基垫作为离子交换介质(IEM)的基质。如上所述，IEM通过允许溶液的离子与IEM中的相同带电离子交换而工作。这种交换可以通过几个途径完成。

在一种方法中高浓度的流体诱导IEM上相同带电离子从树脂的离子接收位置迁移入溶液和允许溶液中更高浓度的离子占据所述位置。这可以设想为通过浓度梯度而供给树脂过强的功率。

CO₂在IEM上的吸收通过如下机理进行：

CO₂+H₂O→H₂CO₃

H₂CO₃→H⁺+HCO₃ ^-

树脂(OH^-)+H⁺+HCO₃ ^-→树脂(HCO₃ ^-)

纤维素基IEM变得非常有效。使胺分析(animolysis)的EDM方法以将纤维素官能化为IEM显示与基于苯乙烯二乙烯基苯的可商购IEM几乎相同的贮存属性。这提供纤维素利用的路径。

我们已经发现IEM直接从空气中捕集CO₂和通过浓度梯度将其释放入胺洗涤溶液的能力。这具有许多结论。

由于碳酸化的碱土溶液大的再生能量要求，使用胺基碱性溶液显示明显的能量优点。但是，问题是显示要求的所需特性如高动力学速率和吸收能力的大多数胺溶液也显示高分压。由于必须接触以促进吸收的大空气量(假定200ppm吸收，每吨CO₂约2百万立方米)，即使低蒸气压溶液也具有非常高的损失率。没有在液体胺和空气之间的媒介，大多数胺溶液不适于从空气中直接捕集CO₂。

IEM正好是那种媒介，它可以使我们最小化吸收剂溶液与大量空气之间的接触时间，但仍然利用了液体胺溶液的低再生成本。

由于接触器的表面从吸收剂自身产生，不需要恒定地采用吸收剂液体润湿表面以促进吸收。由于IEM保留显著量的水(一些情况高至50质量％)，这是可能的。这与内部浓度梯度结合而使IEM用作溶液。由于CO₂吸收到IEM上，诱导了浓度梯度，该浓度梯度使HCO₃ ^-离开表面迁移到更低的浓度和OH^-反向迁移以替代它。这有效地使IEM在它的结构中深度贮存HCO₃ ^-而不损失有效的表面积。当然，一旦IEM在设定数量的时间之后变饱和，胺洗涤溶液可用于再生介质到它的OH^-态和在过程中损失非常少的胺。我们的试验显示大于8小时的吸收周期。

通过消除连续自由通过离子液体溶剂的使用，我们也消除了晶体在收集器表面上的形成，否则最终不仅仅导致收集器性能的下降而且导致基质寿命的下降。IEM通过在基质自身中贮存离子产品而在分子水平下解决此问题。代替盐停留在基质表面上(其中它可形成污垢和引起结垢)，在CO₂吸收过程中产生的阴离子不具有能够使它们独立地位于介质表面上的反离子。当将CO₂吸收到介质表面时，它有效地中和树脂的OH^-阴离子部分，并用HCO₃ ^-替代它，从而有效地在基质中贮存它。

本发明的另一实施方案是用于捕集CO₂的离子交换树脂的再生方法。图9显示通用的工艺流程图。

为达到Na₂CO₃的分离和回收，在将液体通过离子交换介质中从NaHCO₃除去CO₂，其中释放CO₂，它经历与液体中剩余的NaHCO₃的酸/碱反应，因此再生Na₂CO₃。Na₂CO₃溶液然后离开离子交换塔和返回上游工艺。

离子交换介质随时间会由CO₂饱和及必须再生。这通过如下方式达到：在除去Na₂CO₃+NaHCO₃物流之后将液体胺溶液通过床层。液体胺溶液释放OH^-到离子交换树脂，所述树脂反过来释放CO₂，从而有效地再生离子交换介质。然后将胺-CO₂溶液除去和将工艺作为循环系统重复。

胺-CO₂溶液也必须通过回收步骤以完成循环。胺-CO₂回收在蒸馏中完成，其中将CO₂在气相中分离和捕集及将胺-OH溶液返回床层。

如下非限制性实施例进一步说明本发明的这一方面。强碱性大网状离子交换树脂用于通过将OH^-离子释放入溶液而从NaHCO₃分裂HCO₃ ^-进入离子交换树脂，其中产生Na₂CO₃。然后滴定通过树脂的溶液以测量从离子交换产生的Na₂CO₃的量。然后充分洗涤树脂直到树脂内不存在NaHCO₃或Na₂CO₃。然后将洗涤的树脂按体积分成两等份和将每一份与液体胺溶液接触，其中一份与伯胺接触，另一份与叔胺接触。伯胺(MEA)和叔胺(MDEA)各自用于除去树脂中贮存的CO₂。MEA溶液显示从树脂断裂碳酸根的更大能力，而MDEA溶液显示相似但略微较低的吸收能力。然后滴定每种胺-CO₂溶液以证实CO₂在溶液中的存在。

本发明的另一方面见图10，它提供在离子交换元件(IEM)502上从环境空气除去CO₂的整合系统。将通过IEM从空气除去的CO₂通过从氢氧化钠供应罐504输送的氢氧化钠从IEM洗涤，产生在收集罐506中收集的碳酸钠(Na₂CO₃)溶液。将碳酸钠溶液在电解池508中中和，其中将氢氧化钠回收和返回罐504。也将一部分碳酸钠溶液送到罐510，其中将碳酸钠送到反应器512，在反应器中碳酸钠与乙酸反应以产生乙酸钠，将乙酸钠送到电渗析塔516，该电渗析塔从乙酸钠盐进料产生氢氧化钠和乙酸。将乙酸返回到罐514，其中它用于与来自罐510的碳酸钠的随后混合/反应，而将氢氧化钠返回罐504。将氧气和氢气在出口518、520收集或排放，而将CO₂在出口522收集和处理，如通过深井灌注或其它措施而处理。

本发明的另一方面采用海水即海洋作为CO₂的收集器。大约顶部几百米的海洋混合层与大气处于化学延迟平衡及空气中的二氧化碳容易与此层中溶解的无机碳交换。溶解的无机碳与空气中的CO₂分压平衡。如果空气中的二氧化碳分压升高或替代地如果海水的碱度增加则二氧化碳进入水中。作为从空气中捕集CO₂的机理将碱度引入海水的概念描述于PCT/US2005/015453。本发明提供相对于此概念的改进。

可以通过将碱加入水中或通过除去酸而调节海水的碱度。在每种情况下，可以通过从水中提取盐酸而增加海水的碱度。在另一种情况下，可以通过引入碱而增加碱度，通过将盐(通常是但不总是海盐)分离成酸和碱而获得该碱。将碱以非常稀的形式加入海水中，而酸通常以更浓的形式保留以用于进一步的处理和/或回收用于工业用途。

为重新建立与大气的平衡，水会从空气中吸收二氧化碳直到CO₂吸收定量地匹配碱度的变化。

对于每摩尔形成的一当量酸，海水从空气中吸收大约一摩尔二氧化碳。略微的不匹配是由于如下事实：无机溶解碳不完全是碳酸氢盐，而是少部分作为碳酸根离子存在。因此海水中碳酸的有效当量浓度略高于它的摩尔浓度。碳酸盐平衡的重新建立在小于一年的短时间内出现和因此没有人为干涉而进行，其中表面水快速下沉的地方除外。因此，几乎整个海洋表面均适于此形式的CO₂处理。本发明此方面的优点是它避免了从空气中除去二氧化碳的空气交换装置的需求。二氧化碳捕集的实际操作自发地进行而不需要吸收剂或物理收集器装置。

由于此方法，人们可采用碳酸以外的酸(典型地比碳酸强很多的盐酸)，和因此可以更容易地由矿物基碱度中和。因此，不尝试处理难以与矿物碱结合的弱酸如碳酸，我们产生更容易由容易获得的矿物质中和的强得多的酸，该容易获得的矿物质具有低反应性水平。替代地，可以收集盐酸用于工业用途。

通过从海水除去盐酸而从大气捕集二氧化碳可以沿海岸进行，或在海洋中间在船舶上进行。重要的事情是对混合表面层中的海水进行酸提取，在将海水处理之后因此该海水在数周或数月内暴露于空气中的二氧化碳。代替处理二氧化碳，人们从海水除去盐酸。此方案的重要优点是它仅要求轻微调节海洋局部区域的碱度，而在并不改变碱度的情况下加入二氧化碳会极大地改变海水的碳酸盐化学。此外，由过量碱度捕集的CO₂是稳定的和不会释放回空气中。

为使这种隔离方法可行，必须处理在此方法中产生的大量盐酸。一种可能性是通过采用容易获得的碱性矿物如玄武岩或蛇纹石岩中和盐酸而处理盐酸。作为替代，可以将盐酸注入地下的可中和酸的碱性流体贮层中。另一种可能性是使用可以用酸转变的开采和粉碎的矿物质。这些方法都是本领域已知的和在文献中有公开。在此将它们与从空气中捕集二氧化碳的具体方法结合以开发与针对此问题的其它方案不同的二氧化碳处理方法。

在其中形成氯化镁和氯化钙的情况下，如果矿物质是清洁的，可以将它们重新注入其中它们容易溶解的海洋。替代地，可以将获得的盐水注入地下。

在本发明的另一方面，电渗析设备用于从海水中提取盐酸。结果是产生可以收集和在工业上使用的浓盐酸，同时仅改变通过系统的海水的水化学情况。这通过如下方式完成：大量的海水通过收集碱的池流动，同时通过变更为酸性的池运行小的材料流量。

在碱性侧输入的是海水，它转化为碱度变化非常小的海水。理想地变化较小使得局部水化学不太受所述变化影响。由于海水的总碱度是约2mM，可以保持所述变化比该值小得多。实际上，它可用于具有略微更大的变化和在系统出口强制进行海水物流中的稀释。另一方面，为避免结垢应当使变化保持尽可能小。当混合物中的溶度积变化较显著时可能容易发生结垢。

酸性侧的输入可以是海水或它也可以是纯水或可用的任何其它盐水。具体地，可以在盐酸的产生中具有多个阶段和因此至少一些池的输入可以是盐酸溶液，该盐酸溶液在其出口处增强了它的摩尔浓度。图11显示这种设备的例子。此设计是基于不使用电渗析塔中通常存在的阳离子膜的特定方案。

存在两种基本不同的方案。第一个方案具有许多由阴离子和双极性膜分隔的池。阴离子和双极性膜与一端为阳极和另一端为阴极的塔交替。更大池中的海水会接收来自双极性膜的氢氧根离子和通过阴离子膜损失氯离子。酸在补充隔间中形成，该隔间接收来自双极性膜的质子和通过阴离子膜的氯离子。由于此处流量低则酸浓度明显上升，而海水化学的变化保持较小。

图11是从海水提取盐酸的电渗析设备的重复区段的简图。海洋隔间经历高流量以最小化水的化学变化。相反酸性池中的流量非常低以最大化获得的流动酸的浓度。可以使用一个HCl池的输出作为下一个池的输入。结果是pH梯度不是到处均被最大化。

池的碱性侧和酸性侧的流量可以相差几个数量级。另一方面，可以在将酸性流体作为产品物流送出之前再使用该酸性流体多次而达到相同的效果。在任一种设计中，输出物流是略微调节的海水和浓盐酸。从海水除去一摩尔盐酸，水会从大气吸收代表一摩尔CO₂量的二氧化碳。由于海水中的碳酸主要离解成碳酸氢根离子和质子及少量碳酸根离子，它要求大约1摩尔CO₂以补偿抽出的盐酸量。

可以在不采用阳离子膜的情况下构造电渗析设备，这是因为海水中的氯离子浓度总是远超过氢氧根离子浓度(由于过程中仅改变pH)。结果是双极性膜分离两种流体，其中在两侧占优势的负离子是氯离子。仅采用阳离子膜与双极性膜交替构造的补充设备表现不好。在此情况下可以将钠离子通过阳离子膜转移出HCl池而形成HCl。一旦HCl开始形成，则质子在转移中与钠竞争和因此产生大的无效性。

也可以在设计中使三种不同的膜交替而设计常规电渗析设备。在该情况下将盐分离成它的阴离子和阳离子。将阳离子加入海水流中，阴离子在酸隔间中结束。如果酸隔间中碱度的降低由从未被中和的高碱性盐水开始，则可以取消阴离子膜。在该情况下人们有效地结合酸中和与酸生产成单一步骤。

图12是交替阳离子、阴离子和双极性膜的电渗析设备的简图。布置该池以在双极性膜的一侧提高海水的碱度和在双极性膜的另一侧产生HCl。在阳离子和阴离子膜之间的池包含盐溶液(在此情况下海水)，它的浓度被稀释。

图12所示的设计允许海水分离轻度稀释的海水物流、略微更碱性物流和分离酸的物流。优选的实施可使用从盐分离获得的轻度稀释的海水物流和使它成为离开时碱度增加的海水的输入物流。也可以在从其中除去阴离子和阳离子的池中使用不同的盐。特定的例子是使用弱酸的钠盐；在该情况下在最后室中产生的酸可能不是HCl，而是可能容易再次处理的不同的酸。参见图13。

图13描述电渗析池组，其采用具有阴离子X的不同盐以提高海水的碱度，同时产生容易处理的单独酸HX。为了说明的目的我们假定盐是NaX，但是可以安全地注入海水的任何阳离子均可用于盐盐水。

图14描述没有阴离子膜的盐分裂池，其立即将产生的酸注入地质学地下盐水。图14中展示的实施方案结合电渗析与盐酸处理，同时避免使用阴离子膜。如果地质盐水的碱性大于海水，则可以采用适当的膜运行系统而不输入电，这是因为它用作由海水和盐水之间的pH差值驱动的电池。热力学自发地朝着降低两种流体之间的pH差值移动。由于没有池在高酸性下操作，可以取消用于标准盐分裂器的阴离子膜。

可以在以上内容中进行各种变化而不背离所述的本发明的精神和范围。通过例子，空气捕集交换膜的形式可以为典型地0.1-10mm宽、优选1-10mm宽的细长丝，形成空气通过其流动的疏松垫。空气捕集交换膜的形式也可以为管、蜂窝结构或泡沫结构。希望附图中所示或在以下权利要求中定义的以上描述中包含的所有主题均解释为说明性的，而不是限制性的。

Claims (115)

1.从空气中除去CO₂的方法，该方法包括如下步骤：

(a)使空气与第一CO₂吸收剂接触以从空气中吸收CO₂；

(b)使步骤(a)的CO₂吸收剂与离子交换树脂接触以从所述第一CO₂吸收剂吸收CO₂；

(c)使步骤(b)的离子交换树脂与第二CO₂吸收剂接触以从所述离子交换树脂吸收CO₂；和

(d)通过变温或变压、或电解方式回收第二CO₂吸收剂。

2.权利要求1的方法，其中所述第一CO₂吸收剂包括碳酸盐盐水。

3.权利要求2的方法，其中所述碳酸盐盐水包括碳酸钠或碳酸氢钾盐水。

4.权利要求1-3任一项的方法，其中所述第一CO₂吸收剂包含氢氧化物。

5.权利要求1-4任一项的方法，其中所述第一和/或第二CO₂吸收剂包含用于调节吸收剂物理性能的化学品。

6.权利要求1-5任一项的方法，其中所述第二CO₂吸收剂与所述第一CO₂吸收剂不同。

7.权利要求6的方法，其中所述第二CO₂吸收剂包括胺基离子交换树脂。

8.权利要求1-7任一项的方法，其中所述离子交换树脂包括固体阴离子交换膜。

9.权利要求1-7任一项的方法，其中将所述离子交换树脂涂覆在聚合物基质上。

10.权利要求8或9的方法，其中所述聚合物基质包括聚合物泡沫。

11.权利要求8或9的方法，其中所述聚合物基质包括纤维素。

12.权利要求5的方法，其中所述第一和/或第二CO₂吸收剂包含用于优化保水和/或粘度的化学品。

13.从空气回收CO₂的装置，该装置以组合方式包括：

(a)其中使空气与第一CO₂吸收剂接触因此从空气中吸收CO₂的设备；

(b)其中使所述第一CO₂吸收剂与离子交换树脂接触因此从所述第一CO₂吸收剂吸收CO₂的设备；

(c)其中使所述离子交换树脂与第二CO₂吸收剂接触的设备，其中从所述离子交换树脂吸收CO₂；和

(d)通过变温或变压、或电解方式回收所述第二CO₂吸收剂的设备。

14.权利要求13的装置，其中所述离子交换树脂包括固体阴离子交换膜。

15.权利要求14的装置，其中所述聚合物基质包括聚合物泡沫。

16.权利要求15的装置，其中所述聚合物基质包括纤维素。

17.权利要求13-16任一项的装置，其中所述第二CO₂吸收剂包括胺。

18.提高二氧化碳从大气进入海水的通量的方法，该方法包括通过从海水除去OH^-、HCO₃ ^-和CO₃ ^-以外的阴离子而增加海水的碱度。

19.权利要求18的方法，其中除去的阴离子包括氯离子。

20.权利要求18或19的方法，其中碱度的变化小于1毫摩尔/升。

21.权利要求18-20的方法，其中通过从海水提取酸而增加碱度。

22.权利要求21的方法，其中电解设备用于提取酸。

23.权利要求22的方法，其中所述电解设备包括交替的双极性和阳离子膜。

24.提高二氧化碳从大气进入海水的通量的方法，该方法包括通过将盐电解分裂成酸/碱对及将获得的阳离子加入海水中而提高海水的碱度。

25.权利要求24的方法，其中所述盐包括钠盐。

26.权利要求25的方法，其中所述盐包括氯化钠。

27.实施权利要求18的方法的装置，该装置包括在其间形成隔间的交替的阳离子和双极性膜，其中海水接收来自双极性膜的OH^-离子，和来自碱性盐水的阳离子通过接收来自双极性膜的质子的隔间。

28.权利要求27的装置，其中所述碱性盐水来自地下地质储存，和包括将盐水再注回地下的步骤。

29.权利要求27或28的装置，其中所述碱性盐水的pH高于海水的pH。

30.权利要求27-29的装置，其中所述碱性盐水的钠浓度大于海水的钠浓度。

30.权利要求27-30的装置，其中所述膜的选择性允许质子和/或阳离子的自发流动以使至少部分由浓度梯度驱动的海水的碱度增加。

32.权利要求27-31的装置，以组合方式包括用于通过从中除去氯离子的海水的高流量隔室，和用于含有富含盐酸的酸性盐水的低流量隔室。

33.权利要求32的装置，包括高流量隔室与低流量隔室交替的组合。

34.权利要求23的方法，其中将盐水多次通过所述电解设备以分阶段升高酸的浓度，从而最小化在隔室之间的平均电压梯度。

35.权利要求24的方法，包括将酸多次通过电解设备的步骤。

36.权利要求35的方法，其中电解设备包括交替的双极性和阳离子膜。

37.权利要求27的装置，包括纯水或海水到选择的隔间的进料。

38.权利要求34的方法，其中所述酸包括盐酸。

39.权利要求24的方法，其中所述盐包括氯化钠盐水。

40.权利要求39的方法，其中所述氯化钠盐水来自海水以外的源。

41.权利要求27的装置，包括海水到选择的隔间的进料。

42.权利要求24的方法，其中从其中除去离子的海水用作电解分裂的原料。

43.权利要求24的方法，包括使用从海水获得的浓盐水作为电解分裂原料的步骤。

44.权利要求21的方法，包括使提取的酸浓缩的步骤。

45.权利要求21的方法，其中将所述提取的酸用碱性矿物中和。

46.权利要求21的方法，其中通过将所述提取的酸注入地下碱性岩层而将其中和及处置。

47.权利要求21的方法，其中将所述提取的酸通过与碱性矿物基材料反应而中和。

48.权利要求47的方法，其中所述碱性矿物基材料选自蛇纹石、橄榄石、橄榄岩和粘土。

49.权利要求47的方法，其中所述碱性矿物基材料选自矿山残渣、废石棉、废混凝土、炼钢炉渣和具有高碱度的其它废材料。

50.权利要求24的方法，包括将过量溶解或中和的盐水释放入水文循环和最终释放入海洋的步骤。

51.权利要求18的方法，其中用于海水、盐盐水和酸盐水的隔间以重复方式夹在双极性、阳离子、阴离子和双极性膜之间。

52.从大气中捕集CO₂的装置，包括暴露于空气流的阴离子膜。

53.权利要求52的装置，包括在一系列平板中布置的多个阴离子膜，其中空气流平行面对所述膜的表面。

54.权利要求53的装置，包括暴露于环境空气流的膜间距为1-25mm的彼此间隔的多个阴离子膜。

55.权利要求53的装置，包括彼此间隔的多个阴离子膜，和进一步包括用于移动空气经过膜表面的动力风机。

56.权利要求52的装置，其中将所述膜以波纹形式布置以使空气流过由波纹形成的通道。

57.权利要求52-56的装置，其中沿所述膜的流程的长度由空气流动速度确定使得空气不过度贫含CO₂。

58.权利要求52的装置，包括以层状堆叠和形成″馅饼形″区段的多个膜，该区段组装入在轴上旋转的轮子。

59.权利要求52-58的装置，进一步包括从膜表面洗涤捕集的CO₂的苛性碱洗涤溶液。

60.权利要求59的装置，其中所述洗涤溶液包括胺或碳酸盐溶液。

61.权利要求52的装置，其中所述膜包括以蛇管形式移动的连续片使得所述膜首先暴露于空气流、浸入苛性胺或碳酸盐溶液和然后重复暴露于空气。

62.从空气中捕集CO₂的方法，该方法包括将阴离子膜暴露于空气流。

63.权利要求62的方法，其中所述膜包括在一系列平板中布置的多个阴离子膜，和空气基本平行于所述膜表面流动。

64.权利要求63的方法，其中所述膜包括膜间距为1-25mm的彼此间隔的多个阴离子膜，和空气在没有辅助推进下流过所述膜。

65.权利要求63的方法，其中所述膜包括彼此间隔的多个阴离子膜，和风机用于推动空气流经过所述膜表面。

66.权利要求62-65任一项的方法，其中匹配空气流和膜表面使得空气不过度贫含CO₂。

67.权利要求63的方法，其中所述膜包括以层状堆叠和形成″馅饼形″区段的多个膜，该区段组装成轮子，和该方法包括旋转轮子外围通过CO₂吸收剂的步骤。

68.权利要求62-67任一项的方法，包括在暴露于空气之后采用洗涤溶液洗涤所述膜以从所述膜表面洗涤捕集的CO₂的步骤，从而使得所述膜可重复用作CO₂吸收器。

69.权利要求68的方法，其中所述洗涤溶液包括胺溶液。

70.权利要求68的方法，其中所述洗涤溶液包括碳酸盐或碳酸氢盐溶液。

71.权利要求62的方法，其中所述膜包括连续片，和该方法包括以蛇管形式移动所述膜的步骤，使得将所述膜首先暴露于空气流、浸入所述洗涤溶液和然后重复暴露于空气。

72.权利要求71的方法，其中所述洗涤溶液包括胺溶液。

73.权利要求71的方法，其中所述洗涤溶液包括碳酸盐或碳酸氢盐。

74.强化在气体物流中痕量气体与液体或固体吸收剂之间接触的方法，其中吸收剂覆盖的表面在开孔和/或网状孔泡沫中形成，该泡沫具有相对于泡沫的孔径较大和导引大部分气体流沿低阻力路径通过泡沫层的流动通道，和其中所述开孔泡沫主要由气体填充和其中在所述泡沫内部的气体体积彼此互连和连接到通过泡沫的通道中的气体流，和连续地或间断地混合通过通道的气体流与通过泡沫本体体积移动的气体流。

75.权利要求74的方法，其中所述吸收剂是在泡沫孔中捕集的液体，和包覆泡沫结构或形成在所述泡沫结构内部捕集的液滴。

76.权利要求74的方法，其中所述吸收剂是泡沫材料或永久地附加到泡沫材料上。

77.权利要求74或75的方法，其中将所述吸收剂作为固体吸收剂颗粒的悬浮液引入和其中所述液体与所述固体颗粒一起保持在泡沫中。

78.权利要求74或75的方法，其中将所述吸收剂作为固体吸收剂颗粒的悬浮液引入和其中在使用吸收剂材料之前从泡沫中蒸发出液体。

79.权利要求74-78任一项的方法，其中所述泡沫被可能具有各种横截面形状的直通道横贯。

80.权利要求79的方法，其中所述通道的横截面是圆筒形。

81.权利要求74-80任一项的方法，其中所述泡沫包括多个单独的泡沫层。

82.权利要求74-81任一项的方法，其中所述泡沫是疏水性的。

83.权利要求74-81任一项的方法，其中所述泡沫是亲水性的。

84.权利要求74-81任一项的方法，其中所述泡沫由亲水性组分和疏水性组分两者组成。

85.权利要求78或79的方法，其中所述吸收剂颗粒粘附到泡沫结构上。

86.权利要求78或79的方法，其中所述吸收剂颗粒由泡沫的笼状结构固定。

87.权利要求83的方法，包括在泡沫结构的不同表面上捕集相对水润湿性的颗粒到本体泡沫的步骤。

88.权利要求84的方法，其中将所述组分作为悬浮液洗涤入泡沫。

89.权利要求84的方法，其中在发泡过程中捕集所述组分。

90.权利要求79-86任一项的方法，其中所述泡沫的孔径小于1mm且大于0.1mm。

91.权利要求79-86任一项的方法，其中所述泡沫的孔径使得过量吸收剂液体在重力作用下从在其间的孔隙排出。

92.权利要求91的方法，其中通过缓慢旋转与液体吸收剂供料接触的泡沫结构外围而在泡沫上和在泡沫中分布所述吸收剂液体，因此过量液体吸收剂在重力作用下从泡沫排出。

93.权利要求92的方法，其中通道平行于旋转轴横贯泡沫。

94.权利要求91或93的方法，其中液体吸收剂包括碱性盐水。

95.权利要求94的方法，其中在暴露于吸着物气体之后将所述液体吸收剂供料与从泡沫返回的流体混合和其中外部流体处理使所述流体以新状态保持在沉浸池中。

96.权利要求92-94任一项的方法，其中泡沫结构在新吸收剂罐和废吸收剂罐之间移动。

97.权利要求74-90任一项的方法，其中使用弹性泡沫，和该方法包括通过压缩泡沫将所述吸收剂液体混入泡沫基体的步骤。

98.权利要求97的方法，其中通过靠着泡沫表面推动的一个或多个辊筒压缩泡沫。

99.权利要求98的方法，其中所述辊筒具有结构化表面。

100.权利要求99的方法，其中所述辊筒具有平行于辊筒轴的脊。

101.权利要求99的方法，其中所述辊筒具有沿圆周方向运行的脊。

102.权利要求99的方法，其中所述辊筒具有不同形状的凹痕和突起。

103.权利要求97-102任一项的方法，其中辊筒对具有匹配以最大化局部压缩的表面图案。

104.权利要求97-103任一项的方法，其中所述辊筒保持静止，和泡沫垫在所述辊筒之间来回移动。

105.权利要求97-103任一项的方法，其中所述辊筒沿所述泡沫垫的侧面移动。

106.权利要求97-103任一项的方法，其中当所述辊筒沿泡沫表面移动时或当泡沫通过所述辊筒移动时，所述辊筒推动流体通过所述泡沫，和其中调节在辊筒之间或辊筒和壁之间的间距以控制泡沫中保留的流体量。

107.权利要求106的方法，其中所述泡沫交替地经受来自辊筒的相对高压缩冲程以从其提取废吸收剂和经受相对低的压缩冲程以分布新吸收剂。

108.权利要求107的方法，其中当辊筒在泡沫顶部或在移动辊筒之前时在高压缩和低压缩冲程之间施加新吸收剂。

109.权利要求107的方法，其中在辊筒的向下运动或泡沫的向上运动中执行高压缩冲程，和在辊筒的向上运动或泡沫的向下运动中执行低压缩冲程。

110.权利要求107的方法，其中在辊筒的向下运动中执行辊压压缩冲程，和将辊筒恢复到向上位置而基本不压缩泡沫。

111.权利要求97-110任一项的方法，其中在两个相对辊筒上拉伸泡沫的连续回路及回路的一端浸入液体吸收剂浴，和驱动辊筒以驱动泡沫回路通过所述液体吸收剂浴。

112.权利要求74-111任一项的方法，其中将表面活性剂加入吸收剂流体。

113.权利要求74-112任一项的方法，其中所述气体物流包括空气，和痕量气体包括CO₂。

114.权利要求14或52的装置，其中空气捕集交换膜包括松散的细丝或管的垫。

115.权利要求14或52的装置，其中空气捕集交换膜包括蜂窝结构或泡沫结构。

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