CN101252982A - 阳离子卤化物的制备和用途以及二氧化碳的吸纳 - Google Patents

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Abstract

记载了一种吸纳二氧化碳的方法。在该方法中，使一种二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水中得到的物质反应，生成二价阳离子的碳酸氢盐。该二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物具有低水溶性。用一种离子交换介质将如此生成的二价阳离子碳酸氢盐中的二价阳离子交换成一种一价阳离子，生成一价阳离子碳酸氢盐的溶液。

Description

阳离子卤化物的制备和用途以及二氧化碳的吸纳
技术领域
本发明涉及一种制备阳离子卤化物的方法，如此制备的化合物用于吸纳二氧化碳的用途，制备碱土金属卤化物的方法，吸纳大气中二氧化碳的方法，以及从海水中回收方解石、菱镁矿、白云石以及多种其他化合物和物质的方法。
背景技术
据信由燃烧化石燃料产生的过量的存在于大气中的二氧化碳是全球变暖的主要原因。针对此问题，碳信用额(carbon credit)体系正在推动致力于吸收和吸纳大气中的CO2的工业，所述碳信用额可与产生CO2的工业进行交易。
一种可获得碳信用额奖励的碳吸纳的主要方式是种植生物质，例如树木种植。然而通过此方法的碳吸纳是相对短期的，受地质和气候条件的约束，因为一旦生物质被收割，被吸纳的碳又开始释放。
美国专利No6,190,301记载了一种处理二氧化碳气体的方法，其中二氧化碳被固化然后被埋入开放水域的底层沉积物中，选择其中海水的深度和温度以使二氧化碳转化为一种在沉积物形成过程中将其自身包埋的包合物。美国专利6,235,091、5,397,553和6,106,595记载了其他在海中用包合物储存二氧化碳的方法。
美国专利No6,500,216记载了一种使海水脱盐并从其中回收氯化钠的方法。然而，它没有公开吸纳二氧化碳的方法。
发明目的
本发明旨在提供一种有极少量或无CO2释放的无机方法，该方法可制成适用于长期吸纳大气中CO2的阳离子卤化物。
发明内容
二价阳离子卤化物的制备方法
本发明的第一方面提供一种制备二价阳离子卤化物的方法，包括如下步骤：
(a)使一种二价阳离子碳酸盐、氧化物或氢氧化物与CO2(二氧化碳)和水并且/或者与一种由CO2溶于水中得到的物质进行反应，形成二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐；
(b)使用一种离子交换介质使由此得到的二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐的阳离子与一种一价阳离子交换，生成一种一价阳离子碳酸氢盐；和
(c)用一种一价阳离子卤化物对所述离子交换介质进行再生，生成所述二价阳离子卤化物，
其中所述二价阳离子碳酸盐具有低的水溶性。低水溶性可由其溶度积(Ksp)值定义(见下表4)。
所述二价阳离子碳酸盐可以是一种碳酸盐矿物固体。碳酸盐矿物固体可以从它的低溶度积(Ksp值)、在淡水以及海水中的低体积摩尔浓度/重量摩尔浓度以及其溶解度作为随温度而变的一个因素的表现来定义。对于CaCO3，溶解度通常在0-80℃的温度范围内降低，而不是像通常那样升高。应当理解的是，在本发明的范围内，二价阳离子碳酸盐可以是两种或多种二价阳离子碳酸盐的混合物或掺合物，或者可以是混合二价阳离子碳酸盐(即包含两种或多种阳离子的阳离子碳酸盐)。相应地，二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐可以是两种或多种二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐的混合物或掺合物，或者可以是混合二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐，并且二价阳离子卤化物可以是两种或多种二价阳离子卤化物的混合物或掺合物，或者可以是混合二价阳离子卤化物。类似地，所述一价阳离子物质可以含有单一的一价阳离子，或者可以是含有两种或多种一价阳离子的物质的掺合物，或者可以是混合一价阳离子物质。二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐可以是水溶性的。它可以是处于水溶液中。二价阳离子卤化物可以是水溶性的。它可以处于水溶液中。一价阳离子卤化物可以是水溶性的。它可以处于水溶液中。
本文中使用的术语“低溶度”应当被解释为在室温和环境压力下小于约1×10-6的溶度积，任选小于约5×10-7、2×10-7或1×10-7。
本文中使用的术语“二氧化碳的吸纳”应当被解释为包括将二氧化碳以化学形式或物理-化学形式永久性或半永久性地固定，例如以碳酸盐或重碳酸盐形式。
应当理解的是，术语“二价阳离子碳酸盐”指的是一种二价阳离子(或二价阳离子的混合物)的碳酸盐。类似地，一价阳离子碳酸盐是一种一价阳离子(或一价阳离子的混合物)的碳酸盐。类似的定义适用于其它二价盐和一价盐。
二价阳离子碳酸盐的二价阳离子可以选自钙、镁、锶、钡、铅、镉、锌、钴、镍、锰、铁、过渡金属和/或其任何组合。
在理想的开放体系中，大气CO2穿过淡水/海水界面处于永久的交换中。在该过程中，
H2O+CO2H2CO3
H2CO3H++HCO3 -
HCO3 -H++CO3 2-
在溶液保持碱性的条件下，通过二价阳离子与碳酸根阴离子的反应，发生多种二价碳酸盐的沉淀：
M2++CO3 2-→MCO3.
这些沉淀的碳酸盐通常在淡水中和海水中都具有低溶解度。它们通常属于两种主要的类型，但也存在一些其他类型(主要包括混合大小的阳离子)。除了主要的白云石型结构，这里不对混合大小的阳离子作过多的考虑。
二价阳离子碳酸盐物质的两种主要类型的范围是：
1.菱面体(六方晶系)碳酸盐方解石类(具有附属的白云石类)：
阳离子通常具有小于约0.1nm(即10-10m＝1)的晶体化学离子半径。这些阳离子和碳酸盐矿物包括但不限于以下所示。
表1
方解石类(中心对称)
离子     近似离子半径     碳酸盐矿物 方解石类/名称
Ca2+     0.1nm     CaCO3 方解石
Cd2+     0.099nm     CaCO3 菱镉矿
Mn2+     0.092nm     MnCO3 菱锰矿
Zn2+     0.080nm     ZnCO3 菱锌矿
Fe2+     0.075nm     FeCO3 菱铁矿
Ni2+     0.070nm     NiCO3 菱镍矿
Co2+     0.070nm     CoCO3 菱钴矿
Mg2+     0.068nm     MgCO3 菱镁矿
也存在这些端员之间的中间组合物(即混合阳离子物质)，如表2中所示。
表2
白云石类(非中心对称)
离子     近似半径     碳酸盐矿物   白云石类/名称
Ca2+Mg2+     0.1nm/0.068nm     CaMg(CO3)2   白云石
Ca2+/Mg2+/Fe2+     0.1nm/0.68nm/0.075nm     Ca(MgFe)(CO3)2   含铁白云石
Ca2+/Mg2+/Mn2+     0.1nm/0.68nm/0.092nm     Ca(MgFe)(CO3)2   含锰白云石
Ca2+/Fe2+     0.1nm/0.75nm     CaFe(CO3)2   铁白云石
Ca2+/Mn2+     0.1nm/0.92nm     CaMn(CO3)2   镁锰方解石
Fe2+Mn2+Ca2+/Mg2+Fe2+Mn2+配合物矿物     (CaFeMn)(MgFeMn) (CO3)2 专用名称
Ca2+/Zn2+     0.100/0.080nm     CaZn(CO3)2   锌钙白云石
Ba2+/Mg2+     0.130/0.068nm     BaMg(CO3)2   菱钡镁石
Ca2+/Mg2+     0.10/0.068nm     CaMg3(CO3)4   碳酸钙镁石
Ba2+/Sr2+/Ca2+/Mn2+/Mg2+     0.130/0.115/0.100/0.092/0.068nm     (BaSrCa)(CaMnMg) (CO3)2 菱碱土矿
Ca2+/Sr2+     0.1nm/0.115nm     CaSr(CO3)2   专有结构
Ca2+/Ba2+     0.1nm/0.130nm     CaBa(CO3)2
 Ba2+/Sr2+     0.130nm/0.115nm     BaSr(CO3)2   非六方晶系/单斜晶系
2.斜方类
阳离子通常具有大于约0.1nm的晶体化学离子半径。这些阳离子包括但不限于：
表3
斜方类
离子     近似离子半径     碳酸盐矿物   方解石类/名称
Ca2+     0.1nm     CaCO3   霰石
Sr2+     0.115nm     SrCO3   菱锶矿
Pb2+     0.120nm     PbCO3   白铅矿
Ba2+     0.130nm     BaCO3   毒重石
Ba2+/Ca2+     0.130/0.1100     (BaSr)CO3   钡解石
Sr2+/Ca2+     0.115/0.100     (SrCa)CO3   锶方解石
也存在单一矿物之间的一些中间组合物(即混合阳离子物质)。
此外，另一种碳酸盐结构类型，主要为球霰石(亚稳CaCO3)，也由于与本发明相关而要求保护。二价阳离子碳酸盐以及与本发明有关的物质的代表性溶解度值列于下表中：
表4：二价碳酸盐的溶度积值
 组合物和化合物  溶度积(Ksp) Log Ksp
 CaCO3(方解石)  4.8×10-93.31×10-9 -8.319-8.480
 CaCO3(仅为霰石)  6.0×10-94.61×10-9 -8.222-8.33
 CdCO3(菱镉矿)  2.5×10-147.94×10-13 -13.602-12.100
 CoCO3(菱钻矿)  8.0×10-13 -12.097
 SrCO3(菱锶矿) 9.4×10-105.358×10-10 -9.027-9.271
 PbCO3(白铅矿) 1.5×10-137.413×10-14 -12.824-13.129
 BaCO3(毒重石) 8.1×10-92.74×10-9 -8.092-8.562
 FeCO3(菱铁矿) 3.5×10-113.55×10-111388×10-11 -10.456-10.450-10.890
 MnCO3(菱锰矿) 1.8×10-114.074×10-11 -10.745-10.390
 ZnCO3(菱锌矿) 1.5×10-111×10-10 -10.824-10.000
 MgCO3(菱镁矿) 6.8×10-69.35×10-9 -5.167-8.029
 NiCO3(菱镍矿) 6.6×10-91.445×10-7 -8.180-6.842
 CuCO3 2.344×10-10 -9.630
 CaMg(CO3)2(白云石) 3.98×10-182.88×10-17 -17.4-16.54
 CaMg3(CO3)4(碳酸钙镁石) 1.08×10-30 -29.967
 CaMn(CO3)2(镁锰方解石) 1.7×10-21 -20.770
 BaMg(CO3)2(菱钡镁石) 1.91×10-17 -16.719
表5：其它相关物质的溶度积值
  化合物     组成     Ksp     Log Ksp
  水菱镁矿     (Mg5(CO3)4(OH)2     1.730×10-9     -8.762
  硬石膏     CaSO4     4.365×10-5     -4.36
  石膏     CaSO4.2H2O     2.63×10-5     -4.58
  *水镁石     Mg(OH)2     1.8×10-11     -10.745
  苏打石     NaHCO3     2.831×10-1     -0.548
  天然碱     NaHCO3 NaCO3.2H2O     1.603×10-1     -0.795
  泡碱     Na2CO3.10H2O     4.887×10-2     -1.311
  水碱     Na2CO3.1H2O     1.333×100     +0.1249
  天青石     SrSO4     2.344×10-7     -6.630
  重晶石     BaSO4     1.072×10-10     -9.970
  毒重石     BaCO3     2.74×10-9     -8.562
  三水菱镁矿     MgCO3.3H2O     2.393×10-8     -5.533
  硫酸铅矿     PbSO4     1.622×10-8     -7.790
  水白铅矿     2PbCO3Pb(OH)2     3.467×10-18     -17.460
二价阳离子卤化物的制备方法的步骤(a)
用于该方法的步骤(a)即重碳酸化步骤的CO2可以从含有二氧化碳的气体和/或大气中获得，或者可以从一些其它来源获得。含二氧化碳的气体的实例包括空气、尾气、烟道气、发酵气、水泥和石灰煅烧炉排放气等。
该方法可以包括为重碳酸化反应步骤生成至少部分CO2的预备步骤。CO2可以通过阳离子碳酸盐与酸反应而产生，所述酸优选强酸，例如H2SO4、HNO3、H3PO4、CF3CO2H、HBr、HI或HCl，或这些酸的任何组合。
该方法还可以包括使离子交换步骤中形成的一价阳离子碳酸氢盐与一种二价阳离子硫酸盐反应的步骤，该步骤生成相应的阳离子碳酸盐和一价阳离子硫酸盐。该步骤可以包括调节pH值，例如通过加入碱(例如氢氧化物)。
该方法还可以包括将重碳酸化步骤的一个或多个后续步骤中释放的所有CO2回收的步骤。
步骤(a)可以在封闭室中进行。封闭室可以含有处于室温下的、含有CO2的气氛，或者可以处于某些其它温度下，例如约5到60℃之间，或者约5到50、5到30、5到20、5到10、10到60、20到60、40到60、10到50、20到50、10到40或20到30℃之间，例如约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55或60℃，或处于某些其它合适的温度下。含CO2的气氛的总压力可以从约0.0003个大气压到约10个大气压，或者约0.001至10、0.005至10、0.01至10、0.05至10、0.1至10、0.5至10、1至10、2至10、5至10、0.0003至1、0.0003至0.1、0.0003至0.01、0.0003至0.0005、0.001至1、0.01至1、0.1至1或0.001至0.1个大气压，例如约0.0003、0.0004、0.0005、0.0006、0.0007、0.0008、0.0009、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个大气压。它可以具有从约0.0003至约0.5个大气压的CO2分压，或者约0.001至0.5、0.005至0.5、0.01至0.5、0.05至0.5、0.1至0.5、0.2至0.5、0.3至0.5、0.0003至0.1、0.0003至0.01、0.0003至0.0005、0.001至0.2、0.01至0.3或0.001至0.1个大气压，例如约0.0003、0.0004、0.0005、0.0006、0.0007、0.0008、0.0009、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4或0.5个大气压。
含CO2的气氛可以是从烟道气中获得的气体，或者含有烟道气。它也可以是空气或者含有空气。它的CO2含量可以从约300ppm(即约0.03体积％)至约50体积％，或者约0.05至50、0.1至50、0.5至50、1至50、5至50、10至50、20至50、0.03至10、0.03至1、0.03至0.3、0.03至0.1、0.03至0.05、0.05至10、0.1至10、1至10或1至20体积％，例如约0.003、0.005、0.01、0.05、0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、15、20、25、30、35、40、45或50体积％。
步骤(a)中二氧化碳的溶解可以包括下列反应中的第一个或全部三个：
CO2(g)+H2O→H2CO3    (1)
H2CO3→H++HCO3 -      (2)
HCO3 -→H++CO3 2-      (3)
在稀的水溶液中，离子的离解是几乎完全的。然而相反的是，海水是一种复杂的、多组分的、具有相当高离子强度(I通常为约0.75)的电解质水溶液。在这种溶液中离子缔合是明显的，由此每种阳离子在溶液中与每种阴离子发生某种程度的相互作用，在溶液中形成缔合离子。这种相互作用改变了溶液中包括自由离子在内的所有离子的化学活性。
这种相互作用的程度依赖于离子强度(浓度)。通过改变自由离子的活性，溶液中的离子缔合可以在成核、生长和沉淀反应中起重要作用。在约35ppt、pH8.3的海水中(见表6)，下列缔合反应可以简单地定性表示为：
(mNa)总浓度＝mNa+(自由离子)+mNaOH0+mNaCl0+mNaSO4 -+mNaHCO3 0+mNaCO3 -+mNaHSO4 0
(mK)总浓度＝mK+(自由离子)+mKOH0+mKCl0+mKSO4 -+mKHCO3 0+mKCO3 -+mKHSO4 0
(mCa)总浓度＝mCa2+(自由离子)+mCaOH++mCaCl++mCaSO4 0+mCaHCO3 ++mCaCO3 0+mCaHSO4 +
(mMg)总浓度＝mMg2+(自由离子)+mMgOH++mMgCl++mMgSO4 0+mMgHCO3 ++mMgCO3 0+mMgHSO4 +
(mH)总浓度＝mH+(自由离子)+mHOH0+mHCl0+mHSO4 -+m(H0HCO3)0+mHCO3 -+mH2SO4 0
(mCl)总浓度＝mCl-(自由离子)+mNaCl0+mKCl0+mCaCl++mMgCl++mHCl0
(mHCO3)总浓度＝mHCO3 -(自由离子)+mNaHCO3 0+mKHCO3 0+mCaHCO3 ++mMgHCO3 ++mHHCO3 0
(mCO3)总浓度＝mCO3 2-(自由离子)+mNaCO3 -+mKCO3 -+mCaCO3 0+mMgCO3+mHCO3 -
(mSO4)总浓度＝mSO4 2-(自由离子)+mNaSO4 -+mKSO4 -+mCaSO4 0+mMgSO4 0+mHSO4 -
(mHSO4)总浓度＝mNaHSO4 0+mKHSO4 0+mCaHSO4+mMgHSO4 ++mH2SO4 0
表6：35ppt含盐量的海水的基本的主要组分组成
离子     CaCO3ppm     原子量     浓度
Cl-     19.010     35.49     0.536M
SO4 2-     2640     96.08     0.027M
HCO3 -     120     61     0.0020M
Na+     10.800     22.98     0.470M
Mg2+     1300     24.32     0.053M
Ca2+     400     40.08     0.010M
K+     380     39.1     0.0097M
步骤(a)中的重碳酸化反应可以包括下列化学反应中的任何一种或多种：
MgCO3+H2CO3→Mg(HCO3)2            (4)
MgCO3+H2O+CO2→Mg(HCO3)2          (5)
CaCO3+H2CO3→Ca(HCO3)2            (6)
CaCO3+H2O+CO2→Ca(HCO3)2          (7)
MgO+2H2CO3→Mg(HCO3)2+H2O         (8)
MgO+H2O→2CO2→Mg(HCO3)2          (9)
CaO+2H2CO3→Ca(HCO3)2+H2O         (10)
CaO+H2O+2CO2→Ca(HCO3)2           (11)
Mg(OH)2+2H2CO3→Mg(HCO3)2+2H2O    (12)
Mg(OH)2+2CO2→Mg(HCO3)2           (13)
Ca(OH)2+2H2CO3→Ca(HCO3)2+2H2O    (14)
Ca(OH)2+2CO2→Ca(HCO3)2           (15)
对于该组阳离子中的其它成员，包括Sr、Ba、Pb、CO、Ni、Fe、Mn、Zn、Cd和Cu，可以写出类似的反应式。
二价阳离子可以是钙或镁或其组合。因此，在步骤(a)中碳酸钙或碳酸镁或其组合可以与二氧化碳反应，或者在二氧化碳溶解在水中时与其衍生物反应。
如果使用碳酸钙，它可以是方解石或霰石形式。当将碳酸钙与碳酸镁结合时，二价阳离子碳酸盐可以是白云石或碳酸钙镁石形式。碳酸钙和/或碳酸镁可以是还含有一种或多种金属碳酸盐的矿物形式。
碳酸钙和/或碳酸镁可以含有氢氧化物和/或氧化物和/或氢氧化物组，无论是否与其它元素或元素组组合。
可用于步骤(a)中钙的化合物包括氧化物、氢氧化物、石灰石[CaCO3]、方解石[CaCO3]、球霰石[CaCO3]和霰石[CaCO3]。钙的化合物可以是至少部分煅烧过的。
可用于步骤(a)中镁的化合物包括镁的正碳酸盐，包括菱镁矿[MgCO3]、氧化镁[MgO]、水碳镁石[MgCO3·2H2O]、三水菱镁矿[MgCO3·3H2O]和多水菱镁矿[MgCO3·5H2O]；以及具有通式xMgCO3·yMg(OH)2·zH2O的镁的碱式(或含羟基)碳酸盐，包括纤水碳镁石[MgCO3·Mg(OH)2·3H2O]、水菱镁矿[4MgCO3·Mg(OH)2·4H2O]、球碳镁石[4MgCO3·Mg(OH)2·5H2O]，以及一种迄今为止尚未命名的八水合物[4MgCO3·Mg(OH)2·8H2O]。镁的化合物可以为至少部分煅烧过的。
已发现碱式碳酸镁的五水合物或球碳镁石形式效果特别好。
可以使用的碳酸复盐(即混合阳离子)包括碳酸钙镁石[CaMg3(CO3)4]、白云石[CaMg(CO3)2]和其它含有Ca、Mn、Ba和/或Sr的碳酸复盐。碳酸复盐可以含有氢氧化物和/或氧化物和/或氢氧化物组，无论是否与其它元素或元素组组合，并且可以为至少部分煅烧过的。
钙和/或镁的碳酸盐或氧化物可以方便地以无水粉末的形式使用。然而，在碳酸钙和/或碳酸镁能够以含水的浆料或糊状物的形式获得的情况下，其具有能够更容易地与碳酸水混合的优点。典型的颗粒尺寸(即平均颗粒直径)为约0.05μm至约0.20μm，或者约0.05至0.1、0.1至0.2或0.1至0.15μm，例如约0.05、0.06、0.07、0.08、0.09、0.1、0.11、0.12、0.13、0.14、0.15、0.16、0.17、0.18、0.19或0.2μm，或者可以大于约0.2μm，例如0.3、0.4或0.5μm。
在步骤(a)中，二氧化碳的用量、碳酸钙或碳酸镁的用量以及存在的水的量可以为使得在反应混合物中的所述物质反应后形成的溶液中具有期望的重碳酸钙或重碳酸镁浓度。
用于制备步骤(a)中的溶液的二氧化碳的量、混合到步骤(a)的反应混合物中的碳酸钙镁的量、以及存在的水的量，可以为使得在步骤(a)中反应混合物中的所述物质反应后形成的溶液中具有期望的pH值。
碳酸钙和/或碳酸镁优选为微粒形式。碳酸钙和/或碳酸镁可以为粉末形式。或者，它可以为颗粒形式。为了促进碳酸钙和/或碳酸镁在水中的分散，可以首先通过用少量水或其它合适的液体将碳酸钙和/或碳酸镁微粒—也可以是粉末或颗粒形式—润湿来制备碳酸钙和/或碳酸镁的糊状物。
为了阻止二氧化碳从水中逸出，可以在反应混合物中的物质进行反应的过程中将反应置于二氧化碳层中。二氧化碳层可以处于高于大气压的压力下。二氧化碳的压力，以及相应地作用于水体上的压力，可以从几kPa到几百或几千kPa。二氧化碳在水上的压力或分压可以从约0.0003个大气压至约10个大气压，或者约0.001至10、0.005至10、0.01至10、0.05至10、0.1至10、0.5至10、1至10、2至10、5至10、0.0003至1、0.0003至0.1、0.0003至0.01、0.0003至0.0005、0.001至1、0.01至1、0.1至1或0.001至0.1个大气压，例如约0.0003、0.0004、0.0005、0.0006、0.0007、0.0008、0.0009、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个大气压。已发现在上述压力范围内二氧化碳的分压越高，反应完成前二氧化碳从溶液中逸出得越少。本发明方法可以包括在步骤(a)过程中控制压力的步骤，控制在绝对压力为约0.0003个大气压至约10个大气压，或者约0.001至10、0.005至10、0.01至10、0.05至10、0.1至10、0.5至10、1至10、2至10、5至10、0.0003至1、0.0003至0.1、0.0003至0.01、0.0003至0.0005、0.0 01至1、0.01至1、0.1至1或0.001至0.1个大气压，例如约0.0003、0.0004、0.0005、0.0006、0.0007、0.0008、0.0009、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个大气压。
本发明方法可以包括这样一个步骤：用碳酸钙和/或碳酸镁微粒与水制备含水浆料，然后将该浆料与二氧化碳的水溶液或其衍生物混合。该衍生物可以是碳酸，碳酸可以是离解的或部分离解的。
在步骤(a)中，水的温度可以从约0℃至约50℃，或者从约0℃至约40℃，优选从约0℃至约30℃，更优选从约5℃至约30℃，进一步优选从约10℃至约30℃，并且可以为约0、5、10、15、20、25、30、35、40、45或50℃。
已发现，在上述温度和压力范围内，二氧化碳的分压越高并且水的温度越低，越容易使二氧化碳与碳酸盐反应。
本方法可以包括对含有重碳酸钙或重碳酸镁的水溶液的pH值进行控制的步骤，以使得其最终pH值处在约7.5至约9.0范围内，或者在约7.5至约8.5、7.5至8.0、8.0至9.0、8.5至9.0或8.0至8.5之间，优选在约7.8至约8.4之间，例如约7.5、7.6、7.7、7.8、7.9、8.0、8.1、8.2、8.3、8.4、8.5、8.6、8.7、8.8、8.9或9.0。
pH值的控制可以通过在反应混合物中额外溶解或多或少的二氧化碳，从而降低或升高反应混合物的pH值和得到的含有重碳酸钙和/或重碳酸镁的水溶液的pH值来实现。或者，可以通过增加或减少加入悬浮液中的碳酸钙和/或碳酸镁的量来控制反应混合物的pH值。再或者，可以通过向溶液中加入质子或对pH值有影响的物质—例如酸或缓冲剂——来控制pH值。
获得的重碳酸钙和/或重碳酸镁水溶液中的重碳酸根阴离子浓度可以从约120mg每升至约650mg每升，特别是从约180mg每升至400mg每升，尤其是从约180mg每升至250mg每升，例如约120至600、120至500、120至400、120至300、120至200、200至650、300至650、400至650、150至500、150至300或150至200mg每升，例如约120、130、140、150、160、170、180、190、200、250、300、350、400、450、500、550、600或650mg每升。
碳酸钙和/或碳酸镁优选与化学计算量的二氧化碳和/或二氧化碳溶于水得到的物质相接触，或者与超过化学计算量约0％至约20％的二氧化碳或所述物质相接触，优选过量不超过约10％，更优选不超过约1％至约5％，例如不超过约0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13、14、15、16、17、18、19或20％。
应当理解的是，在较低的温度下二氧化碳在水中的溶解程度比在较高的温度下大。
步骤(a)可以连续实施或分批实施。可以通过升高温度或提高二氧化碳与碳酸盐、氧化物和/或氢氧化物之间的接触紧密度来提高反应速率。
二价阳离子卤化物的制备方法的步骤(b)
在本发明方法的步骤(b)中，将步骤(a)中生成的碳酸氢(或重碳酸)钙和/或镁(或阳离子)溶液加入离子交换反应器中，在其中它与离子交换介质接触，使二价阳离子被交换成一价阳离子。
一价阳离子可以是钠或钾。
卤化物可以是氟化物、氯化物、溴化物或碘化物，或者其中任何两种或多种的混合物。优选氯化物。
阳离子交换可以由下列反应式中的一个或多个表示：
通式：
X(HCO3)2+2Na+→2NaHCO3+X2+    (16)
Mg(HCO3)2+2Na+→2NaHCO3+Mg2+  (17)
Ca(HCO3)2+2Na+→2NaHCO3+Ca2+  (18)
Mg(HCO3)2+2K+→2KHCO3+Mg2+    (19)
Ca(HCO3)2+2K+→2KHCO3+Ca2+    (20)
其中X是二价阳离子组中的一个成员。对于二价阳离子组中的其他成员，可以写出类似的反应式。
离子交换反应器可以包括一个离子交换介质的水平床，阳离子碳酸氢盐溶液可以通过该床。或者，离子交换反应器可以包括柱式、管式或者任何其他已知的反应器类型。可以存在多于一种的离子交换介质。这种情况下，它们可以并联连接或串联连接，或者一些为并联一些为串联。可以将离子交换反应器密封，以防止或阻止CO2逃逸到大气中。
离子交换步骤(b)可以在室温下实施，或者在某些其它温度下实施，例如约5至60℃之间，或者约5至30、5至20、5至10、10至60、20至60、10至50、20至50、10至40或20至30℃之间，例如约5、10、15、20、25、30、35、40、45、50、55或60℃，或者某些其他合适的温度。
在离子交换过程中，二价阳离子例如钙或镁离子可以被离子交换介质吸收，作为交换释放出一价阳离子例如钠或钾离子，从而可以生成一价阳离子(例如钠或钾)碳酸氢盐(或重碳酸盐)溶液。
离子交换介质的再生可以这样进行：使钠或钾的卤化物的浓溶液通过床，使得介质吸收钠或钾离子并以二价阳离子——例如钙或镁离子——卤化物溶液的形式释放二价阳离子，例如钙或镁离子。
优选的离子交换介质是能够直接用钠或钾的卤化物溶液——优选NaCl——再生，而不需要一个中间的酸再生步骤的离子交换介质。合适的离子交换介质包括天然铝硅酸盐，例如(天然或合成)沸石和粘土。蒙脱石(蒙脱土)和高岭石(高岭土类)是合适的材料的实例。应当理解的是，虽然这些离子交换介质可以不在每次再生时均需要酸再生，但是当介质的离子交换能力下降时仍然偶尔需要用稀HCl对介质进行再生。
二价阳离子卤化物的制备方法的步骤(c)
一价阳离子卤化物可以是锂、钠或钾的氯化物、溴化物或碘化物的水溶液，或者其中的任意两种或多种的组合的水溶液。
二价阳离子卤化物优选处于溶液中，优选水溶液中。
一价阳离子卤化物的溶液优选具有足够低的浓度，以保证二价阳离子卤化物留存在溶液中。另一方面，一价阳离子卤化物的溶液优选具有足够高的浓度，以保证加入到离子交换介质中的一价阳离子卤化物溶液的体积和从离子交换介质中回收的二价阳离子卤化物溶液的体积较小，以便能将操作成本降至最低。
吸纳二氧化碳的方法
本发明的第二方面提供一种吸纳二氧化碳的方法，包括：
(a)使二氧化碳与一种二价阳离子的碳酸盐(即一种二价阳离子碳酸盐)——例如碳酸钙和/或碳酸镁——和水并且/或者与一种由二氧化碳溶于水中得到的物质进行反应，形成二价阳离子的重碳酸盐——例如重碳酸钙和/或重碳酸镁——的水溶液；
(b)在一种离子交换介质中，使存在于所述水溶液中的二价阳离子，例如钙和/或镁离子，与一种或多种一价阳离子——包括钠和/或钾离子——进行交换，从而形成一价阳离子的重碳酸盐——例如重碳酸钠和/或重碳酸钾——的水溶液；以及
(c)通过蒸发水溶液中的水，从水溶液中回收所述一价阳离子的重碳酸盐(例如重碳酸钠和/或重碳酸钾)。
需要时，可以通过使离子交换介质与一种氢卤酸例如氢氯酸接触，形成相应的卤化钙例如氯化钙的水溶液，从而对离子交换介质进行再生。
用于制备二价阳离子卤化物的装置
本发明的第三方面提供一种用于制备二价阳离子卤化物的装置，包括：
(a)一个重碳酸化反应器，用于使一种二价阳离子碳酸盐与CO2和水和/或其衍生物反应，形成二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐，其中所述二价阳离子能够形成低水溶性的碳酸盐；
(b)一种离子交换介质，用于将重碳酸化反应器中形成的二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐中的阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐；以及
(c)用于用一种一价阳离子卤化物对离子交换介质进行再生从而生成所述二价阳离子卤化物的设备。该设备可以是离子交换介质再生器。
离子交换介质可以位于一个壳体内，例如床、柱或一些其它合适的壳体，这在本领域内是公知的。
重碳酸化反应器可以适于在约0.0003个大气压至约10个大气压的压力下操作，或者约0.001至10、0.005至10、0.01至10、0.05至10、0.1至10、0.5至10、1至10、2至10、5至10、0.0003至1、0.0003至0.1、0.0003至0.01、0.0003至0.0005、0.001至1、0.01至1、0.1至1或0.001至0.1个大气压，例如约0.0003、0.0004、0.0005、0.0006、0.0007、0.0008、0.0009、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个大气压。当用于大规模、单向地从大气中吸收二氧化碳时，它可以在大气压下操作。
用于从烟道气、空气、尾气、废气、发酵气、水泥和石灰煅烧炉排放气中吸纳二氧化碳的装置
本发明的第四方面提供一种用于从烟道气、空气、尾气、废气、发酵气、水泥和石灰煅烧炉排放气中吸纳二氧化碳的装置，包括：
(a)一个重碳酸化反应器，用于使一种二价阳离子碳酸盐在水的存在下与所述烟道气、空气、尾气、废气、发酵气、水泥和石灰煅烧炉排放气反应，形成二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐，其中所述二价阳离子能够形成低水溶性的碳酸盐；
(b)一种离子交换介质，用于将重碳酸化反应器中形成的二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐中的阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐；以及
(c)用于用一种一价阳离子卤化物对离子交换介质进行再生从而生成所述二价阳离子卤化物的设备。
该装置可以含有用于使离子交换介质与氢氯酸接触以形成氯化钙水溶液的设备，例如接触器。
重碳酸化反应器可以含有用于将重碳酸化反应器的压力控制在约0.0003atm和约10atm之间的设备。它可以在大气压下操作。
用于吸纳大气中的CO2的方法
本发明的第五方面提供一种用于制备二价阳离子卤化物的装置，包括：
(a)一个重碳酸化反应器，用于使一种二价阳离子碳酸盐在水的存在下与大气反应，形成二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐，其中所述二价阳离子能够形成低水溶性的碳酸盐；
(b)一种离子交换介质，用于将重碳酸化反应器中形成的二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐中的阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐；以及
(c)用于用一种一价阳离子卤化物对离子交换介质进行再生从而生成所述二价阳离子卤化物的设备。
该装置可以含有用于使离子交换介质与氢氯酸接触以形成氯化钙水溶液的设备。
重碳酸化反应器可以含有用于将重碳酸化反应器的压力控制在约0.0003个大气压至约10个大气压的设备，或者控制在约0.001至10、0.005至10、0.01至10、0.05至10、0.1至10、0.5至10、1至10、2至10、5至10、0.0003至1、0.0003至0.1、0.0003至0.01、0.0003至0.0005、0.001至1、0.01至1、0.1至1或0.001至0.1个大气压，例如约0.0003、0.0004、0.0005、0.0006、0.0007、0.0008、0.0009、0.001、0.005、0.01、0.05、0.1、0.5、1、2、3、4、5、6、7、8、9或10个大气压。
用过饱和的含碳酸盐盐水吸纳CO2的方法
本发明的第六方面提供一种吸纳CO2的方法，包括如下步骤：
-将一种二价阳离子卤化物加入一种过饱和的含碳酸盐盐水中，所述盐水与含CO2的气氛接触，从而使二价阳离子卤化物形成一种低溶解度的二价阳离子碳酸盐；以及
-使二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中沉淀出来。
向盐水中加入二价阳离子卤化物的步骤本身可能使二价阳离子碳酸盐沉淀。作为选择，本发明第六方面的方法可以包括将CO2溶于盐水中的步骤。盐水可以是经过缓冲的，从而减少由碳酸盐形成重碳酸盐。使二价阳离子碳酸盐沉淀的步骤可以包括向含碳酸盐盐水中加入一种成核剂。
该方法还可以包括将沉淀的阳离子碳酸盐收集并处理的步骤。收集可以包括过滤、沉降、离心或一些其他合适的工艺或这些工艺的组合。处理可以包括倾倒、掩埋、封装或一些其他合适的工艺或这些工艺的组合，或者可以任选包括将阳离子碳酸盐纯化并销售，或者可以包括一些其他形式的再利用或回收。
在这一方面，二价阳离子卤化物的二价阳离子与二价阳离子碳酸盐的二价阳离子是相同的。就二价阳离子卤化物中的二价阳离子的碳酸盐而言，盐水是过饱和的。盐水可以就包括碳酸钙和/或碳酸镁在内的二价阳离子的碳酸盐而言是过饱和的。盐水可以是海水。
含CO2的气氛可以是空气或烟道气。
本发明的第七方面提供一种促进碳酸钙从过饱和海水中沉淀的方法，包括向海水中加入一种成核剂，其中的成核剂能促进方解石和/或白云石的形成；以及使方解石和/或白云石从海水中沉淀出来。
本发明的第八方面提供一种促进碳酸镁从过饱和海水中沉淀的方法，包括向海水中加入一种成核剂，其中的成核剂适合于促进菱镁矿的形成；以及使菱镁矿从海水中沉淀出来。
已知沉淀是一种复杂的现象，它包括下列过程中的某些或全部：
-成核
-晶体生长
-奥斯特瓦尔德熟化
-再结晶
-聚沉
-附聚
还已知这些步骤中的每一个必须受到控制，以得到轮廓分明的形态。
在本专利范围内，可以通过以下方法在溶液中实现成核：
●通过包括Ca2+、Mg2+、Na+、CO3 2-和HCO3 -在内的离子的直接反应，提高正在沉淀的溶质的浓度。
●通过加入一种或多种细颗粒或浆状的化合物，促进均相或异相成核步骤，所述化合物提供预先存在的取向表面以使原始晶体形成和生长从而使其获得稳定性。
多种材料可以用于帮助成核，这些材料包括石灰石、方解石、白云石、球霰石、粘土矿、纯化的牛碳酸酐酶、纯化的人碳酸酐酶、草酸钙、碳酸钠、两亲性卟啉、磁场、蛋白质、油酸钠以及多种天然的、成份不甚清楚的皂用香精，包括兽脂皂(酪状皂)、sap durus(硬肥皂(hardshap))和sap mollis(软肥皂)
已知晶体生长过程中形成的颗粒的尺寸分布广泛，并且在生长过程中可能发生二次成核。生长速率可能受溶解的物质向颗粒的扩散的控制，或者受溶解的物质向颗粒凝聚的速率的控制。
此外，奥斯特瓦尔德熟化过程中小颗粒倾向于溶解，而大颗粒再结晶。由于表面上的能量过剩，小颗粒比大颗粒更易溶解，因此大颗粒生长而小颗粒被消耗掉。在聚集过程中，通过小的初级颗粒粘附成较大的次级颗粒而实现颗粒生长。这样的聚集可以通过包括受控的双喷嘴沉淀在内的工艺来实现。
本发明的第九方面提供一种吸纳CO2的方法，包括如下步骤：
(a)使一种二价阳离子碳酸盐、氧化物或氢氧化物与CO2和水和/或与一种由CO2溶于水中得到的物质进行反应，形成二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐；
(b)使用一种离子交换介质使由此得到的二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐的二价阳离子与一种一价阳离子交换，生成一种一价阳离子碳酸氢盐；
(c)用一种一价阳离子卤化物对所述离子交换介质进行再生，生成所述二价阳离子卤化物，
(d)将二价阳离子卤化物加入一种过饱和的含碳酸盐盐水中，所述盐水与含CO2的气氛接触，从而使二价阳离子卤化物形成一种低溶解度的二价阳离子碳酸盐；以及
(e)使二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中沉淀出来。
二价阳离子卤化物中的二价阳离子与二价阳离子碳酸盐中的二价阳离子是相同的。就二价阳离子卤化物中的二价阳离子的碳酸盐而言，盐水是过饱和的。
本发明第九方面的方法可以一种流通(flow through)或连续的工艺实施。在这种方式下，将水分批或连续地加入到系统中，从而使正在进行的二氧化碳的溶解不会使溶液的pH值降低到重碳酸盐形成的点。使二价阳离子碳酸盐沉淀的步骤可以包括向含碳酸盐盐水中加入一种成核剂。
通过使碳酸钙和/或碳酸镁沉淀，海水从大气中吸收更多的二氧化碳，由此通过本发明方法将二氧化碳吸纳。
在一个实施方案中，提供一种吸纳CO2的方法，包括如下步骤：
(a)使一种二价阳离子碳酸盐、氧化物或氢氧化物与CO2和水和/或与一种由CO2溶于水中得到的物质进行反应，形成二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐；
(b)使用一种离子交换介质使由此得到的二价阳离子碳酸氢盐或重碳酸盐的二价阳离子与一种一价阳离子交换，生成一种一价阳离子碳酸氢盐；
(c)用一种一价阳离子卤化物对所述离子交换介质进行再生，生成所述二价阳离子卤化物，
(d)将二价阳离子卤化物加入一种过饱和的含碳酸盐盐水中，所述盐水与含CO2的气氛接触，从而使二价阳离子卤化物形成一种低溶解度的二价阳离子碳酸盐；以及
(e)向含碳酸盐的盐水中加入一种成核剂，从而使二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中沉淀出来。
大气中二氧化碳的浓度通常为大约350ppm。
发明人已发现，即使在闭合环路系统中大气中的二氧化碳浓度降低到约150ppm，二氧化碳也仍然被海水吸收。在自然系统中，大气浓度将局部地降低约50ppm。
还应当理解的是，二氧化碳在海水中的溶解随着温度的升高而降低。因此，具有低的降雨量、靠近海洋且具有低的海水温度的区域对于实现二氧化碳最大程度的过饱和是理想的。
吸纳大气中CO2的装置
本发明的第十方面提供一种用于吸纳CO2的装置，包括：
-用于使一种阳离子卤化物与一种含碳酸盐盐水接触的设备(例如接触器)，所述盐水与含CO2的气氛接触，从而使阳离子卤化物形成一种低溶解度的阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中沉淀出来；以及
-用于将阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中分离的设备(例如分离器)。
本发明的第十一方面提供一种用于吸纳CO2的装置，包括用于向溶液形式的含碳酸根离子的海水中加入一种成核剂的设备(例如成核器)，从而使方解石和/或白云石和/或菱镁矿和/或碳酸钠相从海水中沉淀出来。
过饱和
过饱和是任何结晶的发生所需要的。过饱和的程度越大，形成晶体的驱动力就越大。就碳酸钙(CaCO3)碳酸钙镁相和碳酸镁(MgCO3)而言，海水是过饱和的。然而，由于各种原因，这样的过饱和状态得到维持。
正常的开放海水含有的溶解性总固体的量为约35ppt(或35000ppm)，其中约410ppm为Ca2+形式。在受限的区域内水的曝晒蒸发较高，水的回补稀释至平均浓度受阻或受抑制，在这样的区域溶解性总固体的浓度通常较高。在一些独立的区域，由于海水的蒸发，溶解性总固体可以升高到约42ppt(或42000ppm)。
过饱和海水中存在的Ca2+由于溶液中离子对的形成，由于与有机物形成络合物，由于海水约0.7的高离子强度并且由于其他现象，其沉淀受阻。因此，在给定的温度下，碳酸钙在海水中的溶解度可以最高达其在淡水中溶解度的约10倍。
标准的海水就碳酸钙而言约8倍过饱和，就碳酸镁而言约5倍过饱和。
据估计，海水中存在的约410ppm钙中仅有约155ppm以游离钙离子的形式存在。其余以与硫酸根、碳酸根、磷酸根、氟以及其他阴离子的离子对的形式存在，或者被有机化合物络合。
可以通过以下步骤之一使碳酸钙、白云石碳酸镁和/或碳酸钠相从海水中沉淀出来：
(i)提供一种合适的成核剂或一种结晶模板；和/或
(ii)通过从海水中蒸发水而提高过饱和度；和/或或者
(iii)通过提高海水的温度而提高过饱和度。
成核剂
如上所述，阳离子卤化物，例如氯化钙或氯化镁，可以作为成核剂加到海水中，促进碳酸钙的沉淀。
阳离子卤化物可以通过本发明第一方面的方法获得。通常，氯化钙的浓度最高将达0.1摩尔每升，或以固体形式加入的等当量物料。可以使用获得过量钙浓度的其他方法，包括前述的氢氧化钙及其他。
蒸发
在曝晒蒸发池中，可以将粘土沉积在蒸发池底以阻止海水排走。为了促进结晶，可以将粘土加入正在蒸发的海水中，充当碳酸钙沉淀的成核剂。
蒸发点的深度应当在约1至约1.5米量级，夏天的最大值为约3米。该深度可在约1至3米之间，或者约1至2、2至3或1.5至2之间，可以为约1、1.5、2、2.5或3米。
静态的池塘应当具有约1至约1.5米的深度，或约1至1.3、1.2至1.5或1.1至1.4米，例如约1.0、1.1、1.2、1.3、1.4或15米。
池塘应当具有相对均匀的温度、二氧化碳浓度等。或者，水道流通系统(canal flow through system)可以用于实现蒸发。来自于该水道的水流可以与静态池塘相结合以获得进一步的蒸发或沉淀。
水道可以构建成具有最高达20m宽的水流宽度(例如约5、10、15或20m宽)和最高达2m的深度(例如约0.5、1、1.5或2m深)。深度与宽度之比可以在约1∶50至1∶5之间，或者在约1∶50至1∶10、1∶50至1∶20、1∶20至1∶5、1∶10至1∶5或1∶10至1∶20，例如约1∶5、1∶6、1∶7、1∶8、1∶9、1∶10、1∶11、1∶12、1∶13、1∶14、1∶15、1∶20、1∶30、1∶40或1∶50。水道应当构建成具有最长达80km的蜿蜒路径(例如约10、20、30、40、50、60、70或80km)的水流长度。流速应当最高达5km/小时，但更常见的应当在0.1至2km/小时范围内。流速可以在约0.1至5、1至5、0.1至3、0.1至1或0.5至1km/小时，例如约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5km/小时。
升高或降低海水的温度
应当理解的是，碳酸钙的溶解度反比于温度。因此，海水越热，碳酸钙的溶解度越低。因此，可以有利地加热海水或盐水从而促进沉淀。可以加热到最高达约60℃的温度，或者最高达约50、40或30℃，例如约30、35、40、45、50、55或60℃。加热可以通过任何已知加热器实现，例如电加热器、太阳能加热器、以气或燃料为动力的加热器或者一些其他加热器。
促进结晶
碳酸钙可以以多种形式沉淀，包括方解石、霰石、球霰石、白云石及其他形式。
方解石是一种稳定相。它的溶解度比霰石或球霰石的溶解度低。方解石和/或霰石和/或球霰石和/或白云石可以为无水的，或者可以含有结晶水。一种水合的形式为一水方解石(CaCO3·H2O)。其他的水合物包括晶体碳酸镁水合物。
当碳酸钙和碳酸镁沉淀时，钙离子可以构筑到碳酸镁结构中，也可相反进行。由此，可以形成层状沉积的白云石，它包含碳酸钙和碳酸镁的交替层。
通过酶或其他生物材料的介入，可以形成一水方解石。没有生物介入，方解石、霰石和球霰石通常不从海水中沉淀出来。
在本发明的一个实施方案中，从海水中回收了碳酸钙、碳酸镁、石膏、重碳酸钠、碳酸钠、水镁石和白云石。
与碳酸镁有关的一个问题是它通常具有硅石杂质，这提高了加工设备的维护费用。通过本方法制备的碳酸镁不含显著量的硅石。
本发明方法中的一个关键性控制在于磷酸盐水平。
石膏的溶解度为约105ppt；而碳酸钠的溶解度为约150至1710ppt，它在淡水和盐水之间存在显著不同。
本发明的装置可以包含一个水道系统，其中流动着海水，不同的产物在沿着水道的不同点处沉淀。另外，根据本发明，可以通过将来自两条或多条水道的海水混合而沉淀出想要的产品。
还可预见到其它材料，例如碘或溴，可以用本发明的方法回收。
为了从海水中生产产品，需要大面积的平的土地用于建造曝晒蒸发池。此外，合适的区域必须具有低的降雨量或者低的来自大气的降水，或者在大部分时间或每年除几天之外的全部时间里海水的蒸发超过降水。
通常不沉淀出白云石，除非钙与镁的摩尔比在7至10范围内。
钙在海水中的过饱和在碳酸钙的淡水溶解度的约2至10倍范围内。据信，过饱和水平部分是真实的，部分是由于所使用的模型假设。
用能够得到的计算海水各种组分浓度的各种数学模型获得的结果存在很大不同。
在42℃的温度下，在一个理想的开放系统中，石膏达到最大溶解度并开始沉淀。
本发明的另一方面提供一种吸纳二氧化碳的方法，包括如下步骤：
(a)使一种二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水中得到的物质反应，生成二价阳离子的碳酸氢盐；以及
(b)用一种离子交换介质将(a)中生成的二价阳离子碳酸氢盐中的二价阳离子交换成一种一价阳离子，生成一价阳离子碳酸氢盐的溶液；
其中所述二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物在水中具有低溶解度。
该方法还可以包括：
(c)将离子交换介质用一价阳离子的卤化物或氢卤酸再生，生成二价阳离子的卤化物。
二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物在室温、环境压力下可以具有小于约1×10-6的溶度积(Ksp)值。二价阳离子可以选自钙、镁、锶、钡、铅、镉、锌、钴、镍、锰、铁、过渡金属和其任何组合。用于步骤(a)的二氧化碳可以从含二氧化碳的气体和/或大气中得到。含二氧化碳的气体可以选自尾气、烟道气、发酵气、水泥和石灰煅烧炉排放气，或者可以是某些其他含二氧化碳的气体。该方法还可以包括从含二氧化碳的气体中除去颗粒。这可以采用凝聚器(agglomerator)、静电除尘器和/或湿隧道(wet tunnel)技术。
该方法还可以包括生成至少一部分用于步骤(a)的二氧化碳的预备步骤。步骤(b)中形成的一价阳离子碳酸氢盐可以与一种二价阳离子的硫酸盐反应生成二价阳离子的碳酸盐和一价阳离子的硫酸盐。后续的一个或多个步骤中释放的二氧化碳可以循环到步骤(a)中。
该方法可以在一个封闭室内实施。封闭室内可以含有含二氧化碳的气氛。含二氧化碳的气氛的温度可以在约5至约60℃之间，并且其总压力可以从约0.0003个大气压至约10个大气压。封闭室内的二氧化碳分压可以从约0.0003至约0.5个大气压。含二氧化碳的气氛中的二氧化碳含量可以从约300ppm(即约0.03体积％)至约50体积％。
二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物可以是方解石、霰石、白云石、碳酸钙镁石、石灰石、球霰石、菱镁矿、氧化镁、水碳镁石、三水菱镁矿、多水菱镁矿、纤水碳镁石、水菱镁矿、球碳镁石或者4MgCO3·Mg(OH)2·8H2O，或某些其他合适的材料。它们可以是至少部分煅烧过的。它们可以是无水粉末的形式或含水浆料或糊状物的形式。步骤(a)可以包括由二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物和水制备含水浆料，并将该浆料与二氧化碳的水溶液或其衍生物混合。
二价阳离子的碳酸氢盐可以处于水溶液中，并且可以控制所述水溶液的pH值，使其最终pH值在约7.5至约9.0范围内。
二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物可以与比化学计算量过量约0％至约20％的二氧化碳和/或二氧化碳溶于水得到的物质接触。
一价阳离子可以是钠或钾，或者可以是铷、铯或所述阳离子的混合物。卤化物可以是氟化物、氯化物、溴化物、碘化物或者其中任何两种或多种的混合物。
本方法还可以包括通过从一价阳离子碳酸氢盐溶液中蒸发水从而从所述溶液中回收所述一价阳离子碳酸氢盐。
本发明的另一方面提供一种用于吸纳二氧化碳的装置，包括：
(a)一个重碳酸化反应器，用于使一种二价阳离子碳酸盐与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水形成的物质反应，形成二价阳离子碳酸氢盐，其中所述二价阳离子能够形成低水溶性的碳酸盐；以及
(b)一种离子交换介质，用于将重碳酸化反应器中形成的碳酸氢盐中的二价阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐。
该装置还可以包括一个离子交换介质再生器，用于用一价阳离子的卤化物或氢卤酸对离子交换介质进行再生以生成二价阳离子卤化物。重碳酸化反应器可以适于在约0.0003atm至约10atm的压力操作。该装置可以包括一个进料口用于接收含二氧化碳的气体，例如接收尾气、烟道气、发酵气、水泥和石灰煅烧炉排放气或某些其他含二氧化碳气体。该装置还可以包括一个颗粒脱除器，用于从含二氧化碳的气体中脱除颗粒。颗粒脱除器可以包括凝聚器、静电除尘器和湿隧道技术中的一种或多种。
该装置可以包括将重碳酸化反应器的压力控制在约0.0003atm至约10atm的设备(例如压力控制器)。
本发明的另一方面提供一种用于吸纳二氧化碳的方法，包括如下步骤：
-将一种二价阳离子卤化物加入一种过饱和的含碳酸盐盐水中，所述盐水与含CO2的气氛接触，从而使二价阳离子卤化物形成二价阳离子碳酸盐，所述碳酸盐具有低溶解度；以及
-使二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中沉淀出来。
盐水可以就二价阳离子碳酸盐而言是过饱和的，所述碳酸盐包括碳酸钙和/或碳酸镁。使二价阳离子的碳酸盐沉淀的步骤可以包括向盐水中加入一种成核剂。成核剂能够促进方解石和/或白云石和/或菱镁矿的形成，从而成核剂的加入使得方解石和/或白云石和/或菱镁矿从盐水中沉淀出来。合适的成核剂包括石灰石、方解石、白云石、球霰石、粘土矿、纯化的牛碳酸酐酶、纯化的人碳酸酐酶、草酸钙、碳酸钠、两亲性卟啉、磁场、蛋白质、油酸钠以及多种天然的、成份不甚清楚的皂用香精，包括兽脂皂(酪状皂)、sap durus(硬肥皂)和sap mollis(软肥皂)；以及其中任何两种或多种的组合。
二价阳离子的碳酸盐沉淀后，可以将其收集并处理。处理可包括掩埋或置于废料堆中，或者可以任选包括纯化、包装和/或出售。
该方法可以包括通过例如本说明书前述的方法来提供二价阳离子卤化物的步骤。因此提供二价阳离子卤化物的方法可以包括：
(a)使一种二价阳离子碳酸盐、氧化物或氢氧化物与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水中得到的物质进行反应，形成二价阳离子碳酸氢盐；
(b)使用一种离子交换介质使(a)中得到的二价阳离子碳酸氢盐中的二价阳离子与一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐的溶液；以及
(c)用一价阳离子的卤化物或氢卤酸对所述离子交换介质进行再生，生成二价阳离子卤化物。
其中所述二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物具有低水溶性。
因此，在一个实施方案中，该方法包括：
-使一种二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水中得到的物质进行反应，形成二价阳离子碳酸氢盐；
-使用一种离子交换介质使如此得到的二价阳离子碳酸氢盐中的二价阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐的溶液；
-用一价阳离子的卤化物或氢卤酸对所述离子交换介质进行再生，生成二价阳离子卤化物；
-将该二价阳离子卤化物加入一种过饱和的含碳酸盐盐水中，所述盐水与含CO2的大气接触，从而使得二价阳离子卤化物形成二价阳离子碳酸盐，所述碳酸盐具有低溶解度；以及
-使二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中沉淀出来；
其中所述二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物具有低水溶性。
本发明的另一方面提供一种用于吸纳二氧化碳的装置，包括：
-一个接触器，用于使一种二价阳离子卤化物与一种过饱和的含碳酸盐盐水接触，所述盐水与一种含二氧化碳的气体接触，从而使得二价阳离子卤化物形成二价阳离子碳酸盐并从含碳酸盐盐水中沉淀出来，所述碳酸盐具有低溶解度；以及
-一个分离器，用于将二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中分离出来。
该装置还可以包括下述设备中的一个或多个：
-成核器，用于将一种成核剂加入盐水中从而使方解石和/或白云石和/或菱镁矿和/或碳酸钠相从盐水中沉淀出来；以及
-蒸发器，例如水道，用于从盐水中蒸发水。
在一个实施方案中，提供了一种用于吸纳二氧化碳的装置，包括：
(a)一个重碳酸化反应器，用于使一种二价阳离子碳酸盐与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水形成的物质反应，形成二价阳离子碳酸氢盐，其中所述二价阳离子能够形成低水溶性的碳酸盐；以及
(b)一种离子交换介质，用于将重碳酸化反应器中形成的碳酸氢盐中的二价阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐。
(c)一个离子交换介质再生器，用于将离子交换介质用一价卤化物的卤化物或氢卤酸进行再生，生成二价阳离子的卤化物，
(d)一个接触器，用于使二价阳离子卤化物与一种过饱和的含碳酸盐盐水接触，所述盐水与一种含二氧化碳的气体接触，从而使得二价阳离子卤化物形成二价阳离子碳酸盐并从含碳酸盐盐水中沉淀出来，所述碳酸盐具有低溶解度；
(e)一个蒸发器，用于从盐水中蒸发水；以及
(f)一个分离器，用于将二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中分离出来。
附图说明
现将通过参照附图对本发明的实施方案进行说明，其中：
图1是本发明第一个实施方案的方法的示意图；
图2是图1的重碳酸化步骤的概要图；
图3是图1的离子交换步骤的概要图；
图4是图1的干燥步骤的第一种方式的概要图；
图5A和5B是第二种干燥器设置的俯视图和正视图；
图6是本发明第二个实施方案的方法的示意图；包括CO2生成和作为替代的干燥步骤；
图7是CO2发生器的概要图；
图8是本发明第三个实施方案的示意性工艺流程图，其中二氧化碳在多个步骤中被吸纳；
图9是一种适用于从海水中分级结晶并回收盐的曝晒蒸发池系统的概要图；
图10示出了本发明装置的设备位置的三种不同实例(方案)；
图11示出了本发明的一种吸纳二氧化碳的装置的图解；和
图12示出了本发明的另一种吸纳二氧化碳的装置的图解。
具体实施方式
参见图1和图2，根据本发明第一方面的方法的步骤(a)，将固相碳酸钙和/或碳酸镁、水和含CO2的气体在室温下加入到包括一个槽12的重碳酸化反应器中，在其中保持固体碳酸盐与水接触，并且水与含CO2的气体接触。
A1代表CaCO3或MgCO3
B1代表CO2
C1代表碳酸钙重碳酸化反应器
D1代表Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2
E1代表离子交换沸石
F1代表NaHCO3
G1代表干燥器
H1代表去往蒸发池的NaHCO3
I1代表CaCl2
J1代表循环的CO2
A2代表来自CO2发生器的CO2
B2代表来自干燥器的CO2
C2代表CO2(g)100％
D2代表Ca(HCO3)2(水溶液)
E2代表去往离子交换器的Ca(HCO3)2
F2代表CaCO3(固体)
A3代表Ca(HCO3)2或Mg(HCO3)2
B3代表“密封以保持纯CO2气氛”
C3代表“天然的铝硅酸盐矿物”
D3代表去往干燥器的NaHCO3
E3代表“去往蒸发池的再生洗出液，CaCl2或MgCl2”
在步骤(a)中，CO2分压优选大于1个大气压。
反应后，步骤(a)生成的碳酸氢(或碳酸)钙和/或镁(或阳离子)溶液被送到离子交换步骤20，在这里，根据反应式15至18中的任意一个或多个，它与离子交换介质接触或将阳离子交换成钠离子。
图3是一个合适的离子交换反应器的概要图，该反应器可简单地由离子交换介质的一个水平床22组成，阳离子碳酸氢盐溶液通过该床。或者，离子交换反应器可以由柱式或管式反应器或本领域中已知的其他反应器类型组成。
离子交换优选在室温下进行。优选将离子交换反应器密封，以防止进料溶液中溶解的任何CO2逃逸出去。
离子交换过程中，钙离子或镁离子被离子交换介质吸收，与钠离子交换，从而生成碳酸氢钠溶液。离子交换介质的再生通过如下方式进行：将浓的卤化钠溶液泵送通过离子交换介质床，该介质吸收钠离子并以卤化钙或卤化镁溶液的形式释放钙或镁离子。
优选的离子交换介质为能够直接用卤化钠——优选NaCl——溶液再生、而不需要一个中间的酸再生步骤的介质。合适的离子交换介质包括天然的铝硅酸盐离子交换介质，例如沸石或粘土。应当理解的是，虽然这些优选的离子交换介质可不在每次再生时都需要进行酸再生，但是当介质的离子交换能力下降时仍然偶尔需要用稀HCl进行介质再生。
离子交换步骤产生的NaHCO3溶液可以直接泵送到曝晒蒸发池中，以生成固相重碳酸钠用于出售。
任选地，该溶液可以首先通过一个如图4所示的干燥器30，在其中溶液从一个被热水加热的板32上通过，驱使溶解的CO2从溶液中逸出到气相中。然后将CO2移出、冷却并循环回重碳酸化反应器10的CO2进料中。然后可以将来自干燥器的、脱除了CO2的溶液放到上述的蒸发池中。A4代表“冷却后去往重碳酸化反应器”；B4代表CO2；C4代表流向；D4代表“去往蒸发池”。
本方法的一个目的是产生很少量或没有CO2排放，因此将本方法吸收的净碳量最大化，并进而使碳信用额最大化。如果没有干燥器步骤30，将会有部分CO2由于来自离子交换床的碳酸氢钠溶液中溶解的CO2而排放。因此，是否需要包括干燥器30将取决于可回收CO2的量与干燥器的动力需求和动力源之间的对比。根据预期，本方法将最适合于沙漠环境，在那里土地和太阳能都很充足，因此干燥器步骤通常将是有利的。
离子交换介质再生过程中产生的卤化钙或卤化镁是本方法最有价值的产品，因为它可以用于长期的大气CO2吸纳，这将在下面说明。
本方法中，碳酸钙和碳酸镁相对而言都是非水溶性的，卤化(优选氯化)钙或镁可以加入到预处理过的海水的开放的槽或池中，与溶解在海水中的CO2(以碳酸H2CO3的形式)反应生成相应的碳酸盐沉淀。由此造成的海水中溶解的CO2的耗尽，使得大气CO2穿过空气/水界面进行转移以试图达到空气和水之间的CO2平衡。最终结果是大气CO2被去除并以碳酸钙或碳酸镁的形式被固定在固相中，该固相可以容易地通过从槽或池的底部刮去而去除。碳酸钙是一种稳定的矿物，可以被丢弃到水下，例如深海中，对环境的影响很小。将碳酸镁丢弃到海水中长期而言将会导致反应，生成碳酸钙或碳化钙(calcium carbon)/碳酸镁掺合物，如白云石。
用于CO2吸纳步骤的海水经过过滤预处理，以去除磷酸盐和有机物。合适的过滤介质包括膨润土或0.45μm过滤介质，它们可以根据需要通过稀酸处理进行再生。
作为吸纳步骤中的海水的替代物，可以使用任何具有升高的碳酸钙或碳酸镁浓度的盐水。据信某些地下水，例如某些自流水，会很适合用于此目的。
因此，据信本方法除了产生本身具有商业价值并还可用作生产其他化合物的前体的碳酸氢钠以外，还能实现长期的大气CO2吸纳，而自身在环境温度压力下操作并产生很少量或没有CO2排放，因此有资格获得作为一种有价值商品的碳信用额。
图5A和5B分别是一种作为替代方案的干燥设置30’的俯视图和正视图，其中碳酸氢钠溶液与一股浓硫酸H2SO4(93％)流在一个聚丙烯或其他耐酸容器中对流通过。该容器具有一个封闭的气体空间33，该空间与碳酸氢钠溶液(solon)及酸流两者均接触，从而酸从碳酸氢钠溶液上方的顶部空间中吸收水蒸气。顶部空间中的CO2循环到重碳酸化反应器10中。酸流通过一个部分封闭的、由堰35与封闭的顶部空间隔离的室34返回，在此它被加热以排除水蒸气，并被再次冷却，然后返回对流区域。
A5代表NaHCO3(水溶液)
B5代表风扇
C5代表热交换器
D5代表H2SO4
E5代表冷却
F5代表H2SO4(浓)(小于93％H2SO4)
G5代表“密封以防止CO2逸出”
H5代表“去往步骤2的CO2”
I5代表聚丙烯池
J5代表H2O
K5代表“插入H2SO4中的突出物以防止CO2逸出”
图6和7表示了本方法的一种替代形式。除了按如上所述运行的重碳酸化反应器10和离子交换反应器20之外，图5至6的方法还包括一个CO2发生器50、一个改进的干燥器60和循环工艺。
A6代表离子交换树脂/沸石
B6代表Na2SO4
C6代表Na2SO4(水溶液)废液
D6代表冷却器
E6代表“循环的CO2，循环的CaCO3”
F6代表“CaCl2+盐水形成CaCO3”
A7代表“去往重碳酸化反应器”
B7代表HCl
C7代表CO2
D7代表CaCO3
E7代表CaCl2(水溶液)
图7中所示的CO2发生器50由一个反应容器组成，在该容器中碳酸钙或碳酸镁与酸接触生成CO2气体，例如如下所示：
CaCO3+2HCl→CaCl2(aq)+CO2(g)+H2O    (21)
CO2发生器50仅仅根据需要运行以启动该工艺和补充来自干燥器60的CO2循环流(如下所述)。从发生器50排出的CO2可以直接通往重碳酸化反应器10，该反应器按本发明的第一种实施方式中的叙述工作；或者可以被收集和储存以备用。
离子交换反应器20通常也按如上第一种实施方式中的叙述工作。
图6中所示的第二种实施方式中采用了一种作为替代的干燥器设置60，在其中碳酸氢钠与硫酸钙在加热的条件下反应形成硫酸钠和CO2，如下所示：
2NaHCO3(aq)+CaSO4(s)+CaCO3，H2O+Na2SO4(aq)+CO2(g)    (22)
使这样生成的硫酸钠溶液通过冷却器70，并且硫酸钠和CO2均循环回重碳酸化反应器10。硫酸钠的循环一直进行到Ca2+的比值达到约1∶4，在这一点离子交换步骤将不再进行。然后将得到的溶液通过加热或用硫酸干燥，形成硫酸钠浆料，然后将该浆料放到蒸发池中用于回收和出售。该实施方案将排放到大气中的二氧化碳降至最低。
现参见图8，其中示出了本发明方法的示意性工艺流程图，其中二氧化碳在多个步骤中被吸纳。在该方法中，碎石灰形式的碳酸钙802被传送机804周期性地传送到浆料制备槽806中，在该槽中碎石灰与通过管道808进入浆料制备槽806中的淡水混合。为制备浆料，使用搅拌器810。
从浆料制备槽806中，浆料由浆料泵812通过浆料管814泵入重碳酸化反应器816中。在重碳酸化反应器816中，二氧化碳与浆料接触。二氧化碳通过压缩机818和二氧化碳管道820引入重碳酸化反应器816中。重碳酸化反应器816由压力控制阀822保持处于压力下。
重碳酸化反应器816中的重碳酸化反应可以间歇进行或连续进行。
重碳酸化后，得到的重碳酸钙溶液由输送泵824输送到离子交换柱826，该离子交换柱装填有合适的离子交换树脂例如Chelex 100TM，或装填有合适的天然或合成沸石和/或合适的粘土矿产品。在离子交换柱826中，重碳酸钙溶液将钙离子交换成钠离子，从而使溶液变成重碳酸钠溶液，重碳酸钠溶液从离子交换柱826的底部通过管828排出，该管828将重碳酸钠传送到曝晒蒸发池830，在该池中溶液被蒸发，直至重碳酸钠从得到的卤水中结晶出来。
当离子交换柱826中的离子交换树脂已将其全部或大部分钠离子交换成钙离子时，它需要进行再生。
为了对离子交换柱826中的离子交换树脂进行再生，在盐制备槽832中制备一种盐溶液。在该盐制备槽832中，来自储藏库834的盐由传送机836传送到盐溶液制备槽832中。为了促进盐溶液制备槽832中盐的溶解，使用搅拌器838。盐溶液由盐水泵840泵入离子交换柱826中。离子交换柱826中的离子交换树脂用盐水溶液再生。钠阳离子被交换为钙阳离子，得到含氯化钙的、从离子交换柱826中排出的溶液。该溶液通过氯化钙管道844输送到曝晒蒸发池842中。在将氯化钙溶液输送到曝晒蒸发池842之前，将海水泵入曝晒蒸发池842中。当将氯化钙溶液加入曝晒蒸发池842中的海水中时，碳酸钙从中沉淀出来。该碳酸钙沉淀可以通过碳酸钙循环管道846循环到碳酸钙(或石灰)储料库802中。
现参见图9，其中示出了一系列共五个曝晒蒸发池，分别标为902、904、906、908和910。曝晒蒸发池902可以和图8中的曝晒蒸发池842相同。
通过向曝晒蒸发池902中的海水中加入氯化钙，可以使碳酸钙沉淀出来。可以通过蒸发曝晒蒸发池902中的水而促进碳酸钙的沉淀。
在除碳酸钙或碳酸镁之外的任何钙或镁化合物从海水中沉淀出来之前，将海水由输送泵912通过以下方式从曝晒蒸发池902输送到曝晒蒸发池904中，使用吸入管道914并打开吸入阀916，通过排放管道918排放到曝晒蒸发池904中，排放阀920处于打开位置。类似地，在曝晒蒸发池904中结晶后，可以将海水通过以下方式输送到曝晒蒸发池906中，用输送泵912从曝晒蒸发池904中吸取水，使用吸入管道922并打开其中的吸入阀924，通过排放管道926排放到曝晒蒸发池906中，其中的排放阀928处于打开位置，等等。由此，在曝晒蒸发池906中结晶后，可以将海水通过以下方式输送到曝晒蒸发池908中，用输送泵912从曝晒蒸发池906中吸取水，通过吸入管道930并打开其中的吸入阀932，通过排放管道934排放到曝晒蒸发池908中，其中的排放阀936处于打开位置。最后，在曝晒蒸发池908中结晶后，可以将海水通过以下方式输送到曝晒蒸发池910中，用输送泵912从曝晒蒸发池908中吸取水，通过吸入管道938并打开其中的吸入阀940，通过排放管道942排放到曝晒蒸发池910中，其中的排放阀944处于打开位置。
这样，可以在曝晒蒸发池902、904、906、908和910中发生相继的结晶步骤，从而可以从海水中回收独立的产物，例如CaCO3、NaHCO3、Na2CO3、CaMg(CO3)2、Mg(OH)2MgCO3和Ca(OH)2。
虽然已说明了本发明的具体实施方案，但是对于本领域技术人员而言明显的是，本发明可以在不偏离其必要特征的情况下以其他具体形式实现。因此，本发明的实施方案和实施例在各个方面都应当视为是示例性的而不是限制性的，因此所有对于本领域技术人员而言显而易见的修改都应当包括在本发明内。还应当理解的是，除非出现相反的表示，本说明书中任何对已知现有技术的引用并不表示承认该现有技术是本发明涉及的技术领域中的技术人员公知的。
在本说明书中，术语“包括”应当以其“开放式”的含义来理解，即“包含”的含义，因此不应当限于其“封闭式”的含义，即“仅由......组成”的含义。
图10示出了本发明装置的设备位置的三种不同实例(方案)。
参见图10的方案1，含盐量约35ppt或略高的海水进入水道。在沿着蜿蜒的水道流动过程中，它逐渐蒸发并且含盐量略微升高。在水面蒸发(pan evaporation)率为总降水的约3倍并且湿度通常小于50％的气候条件下，通过模型得到水道的最优流速最可能在0.5至2.0km/小时范围内。用于模型的阴影处环境气温在25℃至35℃范围内，但太阳直射温度可高达60℃。模型涉及的是每年日照8小时以上的天数超过300天的情形。另外，降水明显超过水面蒸发的天数通常为每年少于20天。即，该模型最适合于半干旱季风热带草原型气候。通过修改，该模型可以推广到更典型的地中海式气候类型。
还初步建立了流速在0.1至10km/小时范围内的其他模型，但据信0.5至2.0km/小时的流速就产率而言更有效。因此流速可以在约0.1至10km/小时之间，或者在约0.1至5、0.1至2、0.1至1、0.5至10、1至10、2至10、5至10、0.5至5、0.5至2、0.5至1或1至2km/小时之间，例如约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1、1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5、5、5.5、6、6.5、7、7.5、8、8.5、9、9.5或10km/小时，或某些其他值，这取决于蒸发率、太阳直射温度、日照天数、每天日照时间和其他因素。
在热带草原型气候下，在流经12至24km的水道后，盐水达到39至42ppt范围内的含盐量。在该点——这因地点和时间而异，通过注入一种适宜的二价卤化物或二价氢氧化物溶液以及一种适合的成核剂对该缓慢的水流进行处理。碳酸盐晶体开始形成。在地中海式气候下，蜿蜒的水道可能需要长达80km。
该二价卤化物可以这样制得：用相应的二价重碳酸盐将一种离子交换介质转化成二价离子形式，然后用一种一价卤化物使离子交换介质再生。这可以通过图10中没有示出的离子交换设备实现。
在图10中：
方案1示出了一种简单的大气交换设备；
方案2示出了一种海岸位置——所有设备位于一处；
方案3示出了位置相距数公里的设备和隧道。
1.1代表沉淀(例如NaHCO3；CaCO3)
1.2代表蒸发
1.3代表CO2(大气)
1.4代表去往蒸发池的蜿蜒的流通水道系统
1.5代表池(30或100公顷)
2.1代表重碳酸化反应器和Pond-Greensols P/L
2.2代表静电除尘器/湿隧道技术
2.3代表凝聚器技术
2.4代表“连接”
3.1代表Pond-Greensols P/L
3.2代表静电除尘器/湿隧道技术
3.3代表凝聚器技术
3.4代表距离“x”公里
3.5代表海岸位置
3.6代表内陆位置
结晶可以在水流水道本身中连续进行，或者在一个基本静止的/缓慢搅动的、有水极缓慢流经的池中发生。在该池中发生进一步轻微蒸发，并且可以通过使用合适的结构体(例如混凝土柱)促进结晶。或者，可以使晶体沉到池底然后进行定期的排干和收集。
为了限制反应的程度并保持轻微蒸发的海水通常的化学性质不变，使除去沉淀出的结晶的水流缓慢地流出该池。根据气候条件和具体产物，预计在池中的停留时间在1至10天量级。这样的缓慢流动确保维持有利于结晶的条件，并确保有足够的时间让大气中的二氧化碳溶解到上清溶液中，以试图再次获得大致的正常海水的过饱和和亚稳定状态。通过实验和推理，已发现即使在相当数量的二价碳酸盐固相沉淀出后，排出的溶液中的重碳酸盐水平仍与起始溶液中的很接近。该补偿的二氧化碳的唯一来源是大气。
因此，该方法被认为是在二价碳酸盐结晶后伴有单向的来自大气的二氧化碳交换。该交换的动力学使得在池中的停留时间需要在1至10天范围内。排出的溶液的组成非常接近轻微浓缩的42ppt海水，其中钙水平略微低于预期，重碳酸盐在正常水平。
参见图10的方案2，其中的设备靠近海边的燃煤发电站，来自烟道气的二氧化碳流进入凝聚器中，以便将尺寸小于2.0μm的小颗粒聚集成较大的颗粒。然后通过使用诸如静电除尘器和/或湿隧道等的技术将这些颗粒连同最初尺寸就大于2.0μm的颗粒一起除去。将这些颗粒除去是因为它们通常具有较强的酸性，能使本方法下一步中使用的海水具有较高的酸度。这种酸度最终将会完全破坏碳酸盐沉淀过程。然后，除去夹带的颗粒的二氧化碳烟道气流被通入上述的池或水道系统中。
参见图10的方案3，其中一个燃煤发电站远离海洋，二氧化碳烟道气流可以如上所述通过凝聚器、静电除尘器和/或湿隧道技术进行处理。在这种情况下，清洁后的二氧化碳流排放到大气中。但是，在一个距离电站很多公里之外并靠近海岸的标准的水道/池系统处，可以从大气中吸纳等量的或更大量的二氧化碳，作为对电站排放的二氧化碳的补偿。
图11示出了如本说明书所述用于吸纳二氧化碳的装置100。装置100包括重碳酸化反应器105，用于使一种二价阳离子的碳酸盐与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水得到的物质反应。反应器105由管115连接到离子交换器110，管115装有阀120。阀120可以根据需要让来自反应器105的碳酸氢盐溶液或来自槽125的再生溶液通过离子交换器110。离子交换器110中含有离子交换介质130，离子交换介质130中含有离子交换介质112。离子交换器110的排出物通过管135，并被阀140导引到氯化钙出口145(当进行介质130再生时)或碳酸氢盐出口150(当进行离子交换时)。出口150可以连接到一个蒸发器(未示出)，用于将来自离子交换器110的碳酸氢盐溶液蒸发生成碳酸钠固体。因此该系统包括一个用于使离子交换介质再生的离子交换介质再生器，该再生器包括槽125、阀120和140以及出口145。
重碳酸化反应器105具有入口155，用于接收含二氧化碳的气体，例如用于接收尾气、烟道气、发酵气、水泥和石灰煅烧炉排放气，或者一些其他含二氧化碳气体。入口155装有静电除尘器160，用于从含二氧化碳气体中除去颗粒，以防止它们进入重碳酸化反应器105。重碳酸化反应器105还具有水入口165，用于接收进入反应器的水；还具有碳酸盐入口(未示出)，用于使碳酸钙加入重碳酸化反应器105中。重碳酸化反应器105还具有出口170，用于使已被吸纳掉二氧化碳的气体可以从反应器105排出。出口170装有调压器175，用于将重碳酸化反应器105内的压力控制在约1.1atm和约10atm之间。
重碳酸化反应器105还装有搅拌器180，用于搅拌反应器105内的碳酸钙含水浆料。
在运行时，含二氧化碳的气体通过静电除尘器160进入装置100，静电除尘器从气体中除去颗粒，否则这些颗粒将可能影响作为一个封闭室的反应器105内的pH值。然后气体通过管155进入反应器105。另外，需要时将水通过水入口165加入反应器105中。反应器105中含有碳酸钙的水浆料，如果需要可以用搅拌器180对其进行搅拌。当含二氧化碳的气体与浆料接触时，碳酸钙与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水得到的物质反应，形成碳酸氢钙溶液。废气通过出口170排出反应器105，并且通过压力控制器105将反应器105内的压力控制在想要的压力。碳酸氢钙溶液经过管115和阀120进入离子交换器110，该交换器含有钠形式的离子交换介质130。通过流经离子交换介质130，钙离子被交换成钠离子，从而形成碳酸氢钠溶液，该溶液通过管135和150以及阀140流出离子交换器110。这样逐渐将离子交换介质130从钙形式转化成钠形式。如果需要，可将碳酸氢钠溶液蒸发生成碳酸氢盐固体，该固体可经过或不经过进一步纯化来使用、包装和/或出售。
离子交换介质130可以用离子交换介质再生器再生成钠形式。在该方法中，将阀120设置成可以使得来自槽125的氯化钠通过离子交换器110，并将阀140设置成可以使得得到的氯化钙通过管135和145。氯化钙溶液可以根据需要储存或使用。
图12示出了本发明的另一种用于吸纳二氧化碳的装置。在图12中，装置200包括水道210，该水道将海水引入该装置中并且充当蒸发器。水道210最长可达约80km，并且具有大的表面积，用于从海水中蒸发水以生成过饱和盐水。它也充当溶解器，用于溶解来自大气的二氧化碳。装置200还包括接触器215，用于使水道210中过饱和的含碳酸盐盐水与氯化钙溶液接触。氯化钙溶液从氯化钙源220得到，该氯化钙源可以是例如图11中所示的装置，充当氯化钙发生器，或者可以是一个氯化钙溶液槽。水道210流入池225中，该池能够充当分离器，用于通过沉降从其中的液体中分离固体。池225中可以含有结构体(未示出)，例如水泥或金属结构体、柱等，以促进固体的沉淀和/或分离。该结构体可以是可从池225中拆卸的。池225具有输出渠道230，用于将盐水从池225中移出。水道210还装有成核器235，用于向水道210中的液体中加入成核剂，从而使得或促进方解石和/或菱镁矿从盐水中沉淀出来。
在运行时，海水从海洋流入水道225。海水沿水道前行时通过蒸发失去水分，并溶解额外的二氧化碳，生成过饱和的含碳酸盐盐水。通过接触器215将来自于220源的氯化钙加入盐水中。通过成核器235将一种成核剂例如石灰石粉加入盐水中，以促进碳酸盐的沉淀，但是在加入成核剂之前或者不加的情况下，全部或部分碳酸盐也有可能在接触器215下游的水道225中或池225中发生沉淀。盐水流入池225中，在这里发生碳酸盐的沉淀和沉降。然后盐水通过渠道230流出池225，并且可以返回海洋。如果池225中存在促进固体沉淀和/或分离的结构体，可以将它们间歇性地移出，并可以将其上附着的固体去除。
可以将池225中沉淀的碳酸盐收集(例如通过将池排空并收集余下的淤积物)并处理。处理可以包括掩埋或置于废物堆中，或者可以任选包括纯化、包装和/或出售。
实施例
在该部分中，下列内容是通用的：
●海水取自昆士兰州汤斯维尔克利夫兰湾，靠近大堡礁海洋公园管理局的水族馆的海水入口处。
●海水全部经过0.45μ合成过滤器过滤。
●所使用的化学品均为分析(ANALAR)级。
●所产生的固体均使用粉末X射线衍射技术进行检测。
●如果适用，通过校准峰面积技术和/或SIROQUANT程序的Reitveld技术对存在的固相的比例进行半定量检测。
●如果适用，使用WATEQF4和/或PHREEQC化学模拟程序(chemicalspeciation program)对进入和排出的溶液建立化学模型。
●采用了一系列分析化学技术，包括：
-原子吸收分光光度法
-电感耦合等离子体质谱
-标准水质滴定(standard water quality titration)，选择性离子电极和重量分析技术
方法：
将海水收集在20升塑料容器中。这些容器已经预先用分析级盐酸进行过酸洗，用蒸馏水进行过冲洗，并在收集之前刚刚用周围环境中的海水进行三次洗涤。然后将海水在实验室中通过安装在真空抽滤系统上的0.45μm聚碳酸酯过滤器进行两次过滤，然后在约25℃下储存在暗室中直到使用。
所有实验均在约25℃的室温下、在清洁的条件下进行。所有实验用溶液均使用分析级(Analar)化学品配制。这些溶液配制成合适的浓度，重量用四位小数的分析天平确定，化合物在合适的情况下在105℃干燥约24小时。使用的所有结晶水合物均在现成的条件下使用，因为干燥可能会使化学计量不一致。所有溶液均在大气平衡的蒸馏水中配制。已知含有去离子性树脂的去离子水会抑制某些结晶反应和过程。使用分析级的化学品，是因为已知通常的试剂级化学品可能含有一些可能会抑制或促进结晶反应的杂质。虽然分析级的化学品可能含有类似的杂质，但它们的浓度通常比实验室级试剂的低。已知分析级材料的影响比实验室级材料的小。已知光谱纯级材料在性能上比分析级优越，但它们大量使用时过于昂贵，让人望而却步。
所有反应物的溶液视情况或者在经合适洗涤的塑料瓶中配制，或者在容量分析瓶中配制。根据不同的实验要求使用各种浓度。使用前，所有反应物均通过0.45μm聚碳酸酯过滤器进行两次过滤。这是为了除去可能存在于这些溶液中的所有尺寸大于0.45μm的固体材料。这些固体可能成为异相成核的中心并因此影响实验结果。
实验在多种可获得的反应容器中进行。它们通常为洁净的塑料瓶、塑料罐、家庭酿造用塑料容器，体积最大至200L。有时使用清洁的玻璃反应烧瓶。大部分实验在体积在10至20L范围内的塑料容器中进行。该尺寸便于提供适量的固体用于进一步研究。为了方便，结果以克/200L或克每升表示。
所有溶液均在即将进行反应时进行取样，以便确定溶液的起始组成。
各个反应实验均重复进行两次。
使反应进行各种时间长度，最长达1周。实验在静止条件下进行或者在振动台上在连续的搅动条件下进行。实验结束时，使所含的所有产生的固体处于悬浮状态并使液体通过0.45μm过滤器过滤，直到肉眼判断液体为清澈。然后将所产生的结晶固体干燥，用于进一步分析。此外，对残余的清澈溶液进行取样，用于分析多种被分析物，以便得到各种反应后溶液的最终组成。
使用多种分析技术测定溶液的化学组成。这些包括原子吸收分光光度法、电感耦合等离子体质谱和多种滴定，选择性离子电极和重量分析技术，所有这些均适合于水质分析。
溶液用分析技术通常是列于美国公共健康协会手册(AmericanPublic Health Association Manual)中的各种方案。所有的分析在Stafford Brisbane的澳大利亚实验室服务公司(AustraltanLaboratory Services，ALS)的NATA认证的实验室中进行，或者在汤斯维尔的詹姆斯库克大学(James Cook University)高等分析中心的国际认证的实验室中进行。
制备空气干燥的固体，用以在高等分析中心的实验室中用X射线粉末衍射技术进行分析。该制备过程包括轻柔地研磨至约4-20μm的粒径。然后将得到的粉末涂抹在玻璃片上或者加载到样品孔中。所使用的装样技术部分取决于可得到的结晶固体的量。
对于X射线衍射分析，所采用的实验条件为使用铜K-α射线、带有后衍射(post diffraction)石墨晶体单色仪的西门子(现为布鲁克)D5000衍射仪。所有衍射测量过程都在5至65度2θ角的范围内进行，从过去的经验来看该范围适于鉴定可能存在的晶相。晶相的鉴定通过与粉末衍射标准联合委员会(Joint Committee of Powder DiffractionStandards)的数据库中的标准图样进行比较来完成。
用已有的技术对存在的固相进行一些半定量X射线衍射分析，这些技术包括校准峰面积技术和SIROQUANT程序中使用的基于Reitveld的技术。使用WATEQF4和/或PHREEQC系列程序对12种起始和最终溶液建立化学模拟模型。
在可能的情况下，所有分析技术对应于APHA水质分析方案。
●实验中使用的所有海水具有与表5中一致的组成。
●所使用的所有其他水为大气平衡的蒸馏水。不使用去离子水是因为已知即使极低浓度的去离子性树脂也会抑制某些结晶过程。
制备碳酸钙
由下列X射线衍射线识别：
0.30359nm强度100
0.20953nm强度20
0.22852nm强度15
假定：假定1升35‰(ppt)的海水含有：400mg/Kg(ppm)钙(总)120mg/Kg(ppm)重碳酸盐(总)
实验中采用的沉淀技术 CaCO3产率   CaCO3产率 相当于CO2
●与大气平衡的海水 8.2g/200L   41mg/L＝11mg CO2/L
●仅通过曝气：(pCO2＝3.4×10-4atm)*方案1 1.7g/200L   8.5mg/L＝3.74mg CO2/L
●曝气+蒸发： 42.8g/200L   214mg/L＝94.1mg CO2/L
●曝气+蒸发+Ca(OH)2*方案2 64g/200L   320mg/L＝140.7mg CO2/L
●水与霰石接触*方案3 0.41g/200L   205mg/L＝0.gmg CO2/L
●水与霰石接触+加水(无空气) 2g/200L   10mg/L＝4.4mg CO2/L
●水与霰石接触(pCO2＝1个大气压) 24g/200L   120mg/L＝53mg CO2/L
●使用全部溶解的Ca(OH)2+(KHCO3)-KHCO3*方案4 256g/200L   1280mg/L＝562.8 CO2/L
以上方案中，对四种方案进行详细测试，即方案1-4：
 方案1  方案2  方案3  方案4
 1.7g CaCO3/200L  64g CaCO3/200L(加Ca(OH)2)  41mg CaCO3/200L  256g CaCO3/200L(加Ca(OH)2)和KHCO3
  方案1  1.7g CaCO3/200L.0.0085g/L CaCO3.0.005181g/LHCO3 -.0.003737g/LCO2
  方案2  64g CaCO3/200L.0.320g/L CaCO3.0.1951g/L HCO3 -.0.1407370/LCO2
  方案3  0.41mg CaCO3/200L.0.0205g/L CaCO3.0.0125g/LHCO3 -.0.0090g/LCO2
  方案4  256g CaCO3/200L.1.28g/L CaCO3.0.7808g/L HCO3 -.0.5632g/LCO2
假定在输入的海水中含120ppm HCO3-
在使CaCO3沉淀中所用的HCO3 -在24小时后并      产物的XRD
                                     除去固体后海水     鉴定
                                     中所留存的HCO3 -
                                     (ppm)
方案1  5.181ppm HCO3 - 125 方解石
方案2  195.1ppm HCO3 - 115 方解石
方案3  25ppm HCO3 - 117 方解石
方案4  780ppm HCO3 - N/A加入的HCO3 - 方解石80％霰石10％NaHCO3(苏打石)10％
霰石由下列X射线衍射线识别：
0.3398nm强度100
0.1978nm强度30
0.3275nm强度70
苏打石由下列X射线衍射线识别：
0.2971nm强度100
0.2604nm强度70
0.3084nm强度30
由峰面积法和SIROQUANT定量。
菱镁矿/白云石
菱镁矿由下列X射线衍射线识别：
0.2745nm强度100
0.2104nm强度60
0.1703nm强度20
白云石由下列X射线衍射线识别：
0.2884nm强度100
0.1787nm强度50
0.2190nm强度60
假定：1升35‰(ppt)的海水含有：400ppm(mg/Kg)钙(总)1300ppm(mg/Kg)镁(总)120ppm(mg/Kg)重碳酸盐(总)Ca∶Mg重摩浓度比为1∶5.345
产率 产率 相当于CO2
方案1M仅通过曝气pCO2＝3.4×10-4atm牛碳酸酐酶作为成核剂 1.45g/200L 7.2mg/L菱镁矿 3.75mg CO2/LMag
方案2M1曝气+蒸发+CaCl2溶液 59g/200L 295mg/L无序白云石 141mg CO2/L
方案2M2曝气+蒸发+MgCl2溶液 53.8g/200L 270mg/L菱镁矿 139mg CO2/L
方案3M1水与菱镁矿接触 1.01g/200L 5.03mg/L菱镁矿 2.63mg CO2/L
方案3M2水与白云石接触 1.11g/200L 5.56mg/L无序白云石 2.65mg CO2/L
方案4M1使用CaCl2溶液+KHCO3溶液235g/200L  1180mg/L～562mg/L CO2
+牛碳酸酐酶作为成核    无序白云剂                     石+苏打石+天然碱使用MgCl2溶液+KHCO3溶液216g/200L 1078mg/L～563mg/L CO2+牛碳酸酐酶作为成核    菱镁矿+剂                     苏打石+天然碱
假定在海水中含120ppm HCO3 -：
方案 在使产物沉淀中所用的HCO3 - 在24小时后并除去固体后海水中所留存的HCO3 -(ppm) 产物的XRD鉴定
1  5.20ppm  120 菱镁矿(微量方解石)
2M1  199ppm  123 无序白云石80％方解20％
2M2  193ppm  116 菱镁矿(微量方解石)
3M1  36ppm  125 菱镁矿(微量方解石)
3M2  38ppm  118 白云石90％方解石10％
4M1  781ppm  N/A加入的HCO3 - 白云石80％苏打石20％天然碱-微量
4M2  778ppm  N/A加入的HCO3 - 菱镁矿80％苏打石20％天然碱-微量
苏打石由下列X射线衍射线识别：
0.2972nm强度  100
0.2603nm强度  70
0.3084nm强度  35
天然碱由下列X射线衍射线识别：
0.2648nm强度  100
0.3072nm强度  80
0.4892nm强度  35
在方案4M1和4M2中，通过用蒸馏水或自来水处理分离的固体混合物，使更多的纯NaHCO3从白云石或菱镁矿混合物中结晶出来。不溶性的白云石或菱镁矿不溶解，而明显更易溶的NaHCO3溶解。它通过蒸发从溶液中再结晶出来。

Claims (41)

1.一种吸纳二氧化碳的方法，包括下列步骤：
(a)使一种二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水中得到的物质反应，生成二价阳离子的碳酸氢盐；以及
(b)用一种离子交换介质将(a)中生成的二价阳离子碳酸氢盐中的二价阳离子交换成一种一价阳离子，生成一价阳离子碳酸氢盐的溶液；
其中所述二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物在水中具有低溶解度。
2.权利要求1的方法，还包括：
(c)将离子交换介质用所述一价阳离子的卤化物或氢卤酸再生，生成二价阳离子的卤化物。
3.权利要求1的方法，其中二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物在室温、环境压力下具有小于约1×10-6的溶度积(Ksp)值。
4.权利要求1的方法，其中二价阳离子选自钙、镁、锶、钡、铅、镉、锌、钴、镍、锰、铁、过渡金属和其任何组合。
5.权利要求1的方法，其中用于步骤(a)的二氧化碳从一种含二氧化碳的气体和/或大气获得。
6.权利要求5的方法，还包括将颗粒从含二氧化碳的气体中除去。
7.权利要求1的方法，还包括为步骤(a)生成至少部分CO2的预备步骤。
8.权利要求1的方法，还包括以下步骤：
使步骤(b)中形成的一价阳离子碳酸氢盐与一种二价阳离子的硫酸盐反应生成二价阳离子的碳酸盐和一价阳离子的硫酸盐。
9.权利要求1的方法，还包括将步骤(a)的一个或多个后续步骤中释放的任何二氧化碳循环到步骤(a)中的步骤。
10.权利要求1的方法，其中步骤(a)在一个封闭室内进行。
11.权利要求10的方法，其中封闭室内含有含二氧化碳的气氛。
12.权利要求11的方法，其中含二氧化碳的气氛的温度在约5至约60℃之间。
13.权利要求11的方法，其中含二氧化碳的气氛的总压力为约0.0003个大气压至约10个大气压。
14.权利要求11的方法，其中含二氧化碳的气氛的二氧化碳分压为约0.0003至约0.5个大气压。
15.权利要求11的方法，其中含二氧化碳的气氛的二氧化碳含量为约300ppm(即约0.03体积％)至约50体积％。
16.权利要求1的方法，其中二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物选自方解石、霰石、白云石、碳酸钙镁石、石灰石、球霰石、菱镁矿、氧化镁、水碳镁石、三水菱镁矿、多水菱镁矿、纤水碳镁石、水菱镁矿、球碳镁石和4MgCO3·Mg(OH)2·8H2O。
17.权利要求1的方法，其中二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物是至少部分煅烧过的。
18.权利要求1的方法，其中二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物为无水粉末或含水浆料或糊状物的形式。
19.权利要求1的方法，其中步骤(a)包括由二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物和水制备含水浆料，并将该浆料与二氧化碳的水溶液或其衍生物混合。
20.权利要求1的方法，其中二价阳离子的碳酸氢盐处于水溶液中，并且该方法包括控制所述水溶液的pH值，使其最终pH值在约7.5至约9.0范围内。
21.权利要求1的方法，其中使二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物与比化学计算量过量约0％至约20％的二氧化碳和/或二氧化碳溶于水得到的物质接触。
22.权利要求1的方法，其中一价阳离子是钠或钾。
23.权利要求2的方法，其中卤化物选自氟化物、氯化物、溴化物、碘化物和其中任何两种或多种的混合物。
24.权利要求1的方法，还包括：
(d)通过从所述一价阳离子碳酸氢盐溶液中蒸发水从而从该溶液中回收所述的一价阳离子碳酸氢盐。
25.一种用于吸纳二氧化碳的装置，包括：
(a)一个重碳酸化反应器，用于使一种二价阳离子的碳酸盐与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水形成的物质反应，形成二价阳离子碳酸氢盐，其中所述二价阳离子能够形成低水溶性的碳酸盐；以及
(b)一种离子交换介质，用于将重碳酸化反应器中形成的碳酸氢盐中的二价阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐。
26.权利要求25的装置，还包括：
(c)一个离子交换介质再生器，用于用所述一价阳离子的卤化物或氢卤酸对离子交换介质进行再生并生成二价阳离子卤化物。
27.权利要求26的装置，其中所述重碳酸化反应器适于在约0.0003atm至约10atm的压力下操作。
28.权利要求26的装置，包括一个用于接收含二氧化碳气体的入口。
29.权利要求28的装置，还包括一个用于从含二氧化碳的气体中脱除颗粒的颗粒脱除器。
30.权利要求26的装置，其中重碳酸化反应器包括将重碳酸化反应器的压力控制在约0.0003atm至约10atm的设备。
31.一种用于吸纳二氧化碳的方法，包括如下步骤：
-将一种二价阳离子卤化物加入一种过饱和的含碳酸盐盐水中，所述盐水与含CO2的气氛接触，从而使得二价阳离子卤化物形成所述二价阳离子的碳酸盐，所述碳酸盐具有低溶解度；以及
-使二价阳离子的碳酸盐从含碳酸盐盐水中沉淀出来。
32.权利要求31的方法，其中使二价阳离子的碳酸盐沉淀的步骤包括向盐水中加入一种成核剂，其中成核剂能够促进方解石和/或白云石和/或菱镁矿的形成；以及使得方解石和/或白云石和/或菱镁矿从盐水中沉淀出来。
33.权利要求32的方法，其中成核剂选自石灰石、方解石、白云石、球霰石、粘土矿、纯化的牛碳酸酐酶、纯化的人碳酸酐酶、草酸钙、碳酸钠、两亲性卟啉、磁场、蛋白质、油酸钠以及多种天然的、成份不甚清楚的皂用香精，包括兽脂皂(酪状皂)、sap durus(硬肥皂)和sapmollis(软肥皂)。
34.权利要求31的方法，还包括将沉淀的二价阳离子碳酸盐收集并处理的步骤。
35.权利要求31的方法，其中盐水就二价阳离子碳酸盐而言是过饱和的，所述碳酸盐包括碳酸钙和/或碳酸镁。
36.权利要求31的方法，包括提供二价阳离子卤化物的步骤。
37.权利要求36的方法，其中提供二价阳离子卤化物的步骤包括：
(a)使所述二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水中得到的物质进行反应，形成二价阳离子碳酸氢盐；
(b)使用一种离子交换介质使(a)中得到的二价阳离子碳酸氢盐中的二价阳离子与一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐的溶液；以及
(c)用所述一价阳离子的卤化物或氢卤酸对所述离子交换介质进行再生，生成二价阳离子卤化物。
其中所述二价阳离子的碳酸盐、氧化物或氢氧化物具有低水溶性。
38.一种用于吸纳二氧化碳的装置，包括：
-一个接触器，用于使一种二价阳离子卤化物与一种过饱和的含碳酸盐盐水接触，所述盐水与一种含二氧化碳的气体处于接触中，从而使得二价阳离子卤化物形成一种二价阳离子的碳酸盐并从含碳酸盐盐水中沉淀出来，所述碳酸盐具有低溶解度；以及
-一个分离器，用于将二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中分离出来。
39.权利要求38的装置，还包括一个成核器，用于将一种成核剂加入盐水中从而使得方解石和/或白云石和/或菱镁矿和/或碳酸钠相从盐水中沉淀出来。
40.权利要求38的装置，还包括一个蒸发器，用于从盐水中蒸发水。
41.权利要求40的装置，其中的蒸发器包括一条水道。
42.一种用于吸纳二氧化碳的装置，包括：
(a)一个重碳酸化反应器，用于使一种二价阳离子碳酸盐与二氧化碳和水和/或与一种由二氧化碳溶于水形成的物质反应，形成二价阳离子碳酸氢盐，其中所述二价阳离子能够形成低水溶性的碳酸盐；以及
(b)一种离子交换介质，用于将重碳酸化反应器中形成的碳酸氢盐中的二价阳离子与一种一价阳离子交换，生成一价阳离子碳酸氢盐，
(c)一个离子交换介质再生器，用于将离子交换介质用所述一价阳离子的卤化物或氢卤酸进行再生，生成二价阳离子的卤化物，
(d)一个接触器，用于使二价阳离子卤化物与一种过饱和的含碳酸盐盐水接触，所述盐水与一种含二氧化碳的气体处于接触中，从而使得二价阳离子卤化物形成所述二价阳离子的碳酸盐并从含碳酸盐盐水中沉淀出来，所述碳酸盐具有低溶解度；
(e)一个蒸发器，用于从盐水中蒸发水；以及
(f)一个分离器，用于将二价阳离子碳酸盐从含碳酸盐盐水中分离出来。
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