CN101868883A - 低能电化学质子转移系统和方法 - Google Patents

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Abstract

一种在电化学电池中从溶液去除H+的低能方法和系统，其中在第一电解质中的阳极和第二电解质中的阴极两端施加电压时，H+通过质子转移构件转移到第二电解质，而不在电极处生成气体，例如氧或氯。

Description

低能电化学质子转移系统和方法
背景
在很多化学过程中，需要从溶液去除质子(H+)，以达到或调节化学反应。从溶液去除H+的一种方法是在溶液中溶解碱性氢氧化物，如氢氧化钠或氢氧化镁。然而，生产碱性氢氧化物的常规方法非常耗能，例如氯碱法，并且它们使显著量二氧化碳和其他温室气体排放到环境中。
概述
在不同的实施方案中，本发明涉及在电化学电池中利用导电性质子转移构件从溶液去除H+而不在电极处产生气体的低能方法和系统。在一个实施方案中，通过相对于质子转移构件对接触第一电解质的阳极施加正偏压，并且相对于质子转移构件对接触第二电解质的阴极施加负偏压，将H+从第一电解质通过质子转移构件转移到第二电解质。在此系统中，质子转移构件与两种电解质接触，并使第一电解质与第二电解质隔开。通过本发明，在电极两端施加低电压时，H+从第一电解质通过质子转移构件转移到第二电解质，而不在电极处生成气体，例如氧或氯。
在一个实施方案中，所述方法包括相对于导电性质子转移构件对第一电极施加正偏压，并且相对于质子转移构件对第二电极施加负偏压，以在电化学系统中建立通过电极的电流，其中质子转移构件使第一电解质与第二电解质隔开，第一电解质接触第一电极，第二电解质接触第二电极。通过此方法，在电极两端施加低电压时，H+从第一电解质通过质子转移构件转移到第二电解质，而不在电极处生成气体，例如氧或氯。
在另一个实施方案中，所述方法包括用质子转移构件使第一电解质与第二电解质隔开；相对于质子转移构件对接触第一电解质的阳极施加正偏压；并且相对于质子转移构件对接触第二电解质的阴极施加负偏压。在电极两端施加低电压时，H+从第一电解质通过质子转移构件转移到第二电解质，而不在电极处产生气体，例如氯或氧。
在另一个实施方案中，所述系统包括与第一电解质接触的阳极；与第二电解质接触的阴极；使第一电解质与第二电解质隔开的导电性质子转移构件；和调压器，调压器可操作地相对于质子转移构件对阳极施加正偏压，并且相对于质子转移构件对阴极施加负偏压。在此系统中，在电极两端施加低电压时，H+从第一溶液通过质子转移构件转移到第二溶液，而不在电极两端施加低电压时在电极处生成气体，例如氯或氧。
在另一个实施方案中，所述系统包括，包括与第一电解质接触的阳极的第一电解池；包括与第二电解质接触的阴极的第二电解池；布置成使第一电解质与第二电解质隔开的导电性质子转移构件；布置成将正离子供入第一电解质的第一导管；布置成将负离子供入第二电解质的第二导管；和调压器，调压器可操作地通过相对于质子转移构件对第一电极施加正偏压，并相对于质子转移构件对第二电极施加负偏压，建立通过电极的电流。在此系统中，在电极两端施加低电压时，H+从第一溶液通过质子转移构件转移到第二溶液，而不在电极处生成气体，例如氯或氧。
通过本发明，接触阳极的第一电解质中的H+浓度可根据阳极周围的第一电解质流减小、保持不变或增加。类似地，接触阴极的第二电解质中的H+浓度可根据阴极周围的第二电解质流增加、减小或增加。
在一个实施方案中，通过从含溶解的碱金属盐的溶液沉淀碳酸盐和碳酸氢盐，可用去除H+的溶液截存(sequester)CO2。可用不同实施方案中的沉淀碳酸盐作为建筑产物，例如水泥材料，例如描述于2007年5月24日提交的美国临时专利申请60/931,657；2007年6月28日提交的美国临时专利申请60/937,786；2007年12月28日提交的美国临时专利申请61/017,419；2007年12月28日提交的美国临时专利申请61/017,371；和2008年7月16日提交的美国临时专利申请61/081,299，所述专利通过引用结合到本文中。
在另一个实施方案中，可用贫碱金属离子的溶液作为脱盐水，如通过引用结合到本文的美国专利申请所述。在一个实施方案中，含沉淀碳酸盐的溶液可排到温度和压力足以保持碳酸盐稳定的海洋深度，如通过引用结合到本文的美国专利申请所述。另外，可使H+转入的第二溶液酸化，并用于溶解用于截存CO2的碱金属矿物，例如铁镁矿物，如通过引用结合到本文的美国专利申请所述。
附图说明
以下附图采用示例性而非限制性的方式说明了本发明的系统和方法的实施方案。通过参考一个或多个这些附图并结合本文说明，可更好地理解本发明的方法和系统。
图1为本发明的系统的一个实施方案的图示。
图2为本发明的系统的一个实施方案的图示。
图3为本发明的系统的一个实施方案的图示。
图4为本发明的系统的一个实施方案的图示。
图5为本发明的方法的一个实施方案的流程图。
图6为本发明的方法的一个实施方案的流程图。
图7为本发明的方法的一个实施方案的流程图。
详述
在详细描述本发明的方法和系统之前，应了解，本发明不限于本文描述和说明的具体实施方案，因此可以变化。还应了解，本文所用术语只为了描述具体实施方案，并不是要作为限制，原因是本发明的范围只受附加权利要求限制。
在提供一定范围数值时，应了解，那个范围的上限和下限之间的各中间值(到下限单位的十分之一，除非本文另外清楚地指明)和在那个所述范围中的任何其他所述或中间值涵盖在本发明内。这些较小范围的上限和下限可独立地包含在较小范围中并且也涵盖于本发明内，在所述范围内经受任何明确排除限制。在所述范围包括一个或两个界限时，排除一个或两个这些包括界限的范围也包括在本发明中。
在本文中给出数值范围前用术语“约”修饰。本文所用术语“约”提供后面精确数字和接近或近似该术语后面数字的数字的文字支持。在确定一个数是否接近或近似明确列举数字时，接近或近似的未列举数字在其出现的上下文中可为提供基本相当于明确列举数字的数字。
除非另外定义，否则本文所用的所有技术和科学术语均具有本发明所属领域的技术人员普遍了解的相同含义。现在描述代表性说明方法、系统和材料，尽管在本发明的实施和试验中也可使用类似或相当于本文所述的任何方法、系统和材料。
本说明书中引用的所有出版物和专利均通过引用结合到本文中，如同具体地并单独地指定各单独出版物或专利通过引用结合，并且通过引用结合到本文来公开和描述与引用这些出版物相关的方法和/或材料。任何出版物引用的均是提交日前的公开内容，并且不应解释为承认本发明没有权利考虑到现有发明将这类出版物的日期提前。另外，提供的出版日可能不同于实际出版日，实际公布日期可能需要独立确认。
如本文和附加权利要求中所用，除非本文另外清楚地指明，否则单数形式包括复数引用对象。也可将权利要求撰写成排除任何任选元素。因此，在叙述权利要求元素时使用如“唯一”、“仅有”等的排他性术语或使用“否定”限制这类表述旨在作为在先基础。另外，本文所用术语“储器”是指容纳液体的围护结构，如容器、槽、室或袋。
对本领域的技术人员显而易见，在不脱离本发明的范围或精神下，本文描述和说明的各实施方案具有可很容易与任何其他几个实施方案的特征分离或组合的离散元件和特征。任何所述方法可以所述事件次序或任何可能的逻辑次序进行。
本发明涉及在电化学电池中利用质子转移构件使质子(H+)从一种溶液转移到另一种溶液的系统和方法。通过使H+从一种溶液通过质子转移构件转移到另一种溶液，可调节溶液中H+的浓度，即，一种溶液的pH可减小，即，溶液变得更为酸性，而另一种溶液的pH可增加，即溶液变得更为碱性。因此，如果一种溶液包含质子源和/或质子槽，溶液的pH可改变或不改变，或者可缓慢改变，或者可甚至以由除质子或加质子预测的相反方向改变。在不同的实施方案中，可用碱性溶液截存CO2，可用酸性溶液溶解含钙和镁的矿物，以提供用于截存CO2的钙和镁离子的溶液，如通过引用结合到本文的美国专利申请所述。
图1至4说明本发明系统的不同实施方案，这些实施方案只为了说明，绝非限制本发明。参考图1，在一个实施方案中，系统100包括，第一电极102，例如，接触第一电解质104的阳极；第二电极106，例如，接触第二电解质108的阴极；使第一电解质104与第二电解质108隔开的质子转移构件110；和调压器124A和124B，调压器可操作地相对于质子转移构件110对第一电极102施加正偏压，并且相对于质子转移构件对第二电极106施加负偏压。在不同的实施方案中，将调压器设置于一定电压，使得不在电极处生成气体，例如氧气或氯气。
在图1所示的实施方案中，第一电极102和第一电解质104包含在第一电解池112中，第二电极106和第二电解质108包含在第二电解池114中。质子转移构件使第一电解质与第二电解质隔开。如图1-4所示，质子转移构件110可构成电解质104和108之间的整个隔层118或其部分。在质子转移构件110只构成隔层118的一部分的实施方案中，其余隔层可包括绝缘材料。
在不同的实施方案中，质子转移材料110包括贵金属、过渡金属、铂族金属、元素周期表第IVB、VB、VIB或VIII族金属、这些金属的合金、这些金属的氧化物或任何前述的组合。其他示例性材料包括钯、铂、铱、铑、钌、钛、锆、铬、铁、钴、镍、钯-银合金、钯-铜合金或包含一种或多种这些金属的非晶态合金。在不同的实施方案中，质子转移构件包括自钛和钒族的无孔材料，或者包括周期表第一族、第二族和第三族轻元素的配位氢化物，这些轻元素如Li、Mg、B和Al。在其他实施方案中，为了作为质子转移构件，可使不导电或不良导电材料具有导电性，例如通过在基片上沉积薄金属涂层。在不同的实施方案中，质子转移材料110包括负载型薄膜或箔。在一些实施方案中，质子转移材料110包括钯。
在不同的实施方案中，在第一电解池112和第二电解池114中的电解质溶液包括导电含水电解质，如氯化钠溶液，或另一种盐水电解质，包括海水、盐水或半咸淡水(brackish fresh water)。可任何一个电池中，电解质可从天然源得到，或者人工产生，或者为了在本发明方法和/或系统中操作改性的天然源的组合。
在图3和4所示系统的实施方案中，第一电解溶液104充加阳离子，例如通过阳离子膜130A处理氯化钠溶液得到的钠离子。类似地，电解溶液108充加阴离子，例如通过阴离子膜130B处理氯化钠溶液得到的氯离子。如图3所示，通过如本文所述对第一电极102和第二电极106施加偏压，从第一电解质去除质子。如果第一电解质中的质子未补充，或者补充比去除更慢，则去除质子的第一电解质104的pH增加，并将形成碱性溶液，例如氢氧化钠溶液。类似地，通过将氯离子引入第二电解质108，并使质子转移进入第二电解质，如果第二电解质中的质子未去除，或者去除比增加更慢，则质子转移进入的第二电解质184的pH减小，并将形成酸性溶液，例如盐酸溶液。
参照图1-4，在不同的实施方案中，第一电极102包括阳极，第二电极106包括阴极。在不同的实施方案中，阳极102可包括牺牲阳极，例如铁、锡、镁、钙或其组合和/或矿物。示例性材料包括提供阳离子的矿物，如铁镁矿物，例如橄榄石或蛇纹石，如图2所示。在阳极102包括矿物102并作为阳离子源时，例如图2所示的Mg2+，矿物位于化学惰性载体122上，如不锈钢或铂。可使用任何适合矿物，矿物根据释放所需的一种或多种阳离子、可利用性、成本等选择。
系统100、200、300、400也包括调压器和/或电源124A、124B，调压器和/或电源构造成相对于质子转移构件110对第一电极102施加正偏压，并相对于质子转移构件110对第二电极106施加负偏压。在不同的实施方案中，电源包括两个单独的电源124A、124B，如图1-4所示，一个电源构造成相对于质子转移构件对第一电极施加正偏压，另一个电源构造成相对于质子转移构件110对第二电极施加负偏压。电源可以本领域的普通技术人员了解的供选方式构造成。
在操作中，电源124A、124B驱动化学反应，不受任何理论限制，相信在第一电解质溶液104中的氢离子被还原成原子氢，并吸附在与第一电解质102接触的质子转移构件110的表面上。至少一部分被吸附的氢吸附在质子转移构件110的构件体中，并在与质子转移构件110接触的第二电解质108中的质子转移构件110的表面上解吸为质子。不考虑机制，化学反应的结果是将质子从第一电解质104去除，并将质子引入第二电解质108。在电极102包括可氧化物质(例如铁或锡)的实施方案中，电极102氧化，将铁离子(例如Fe2+和/或Fe3+或锡离子Sn2+)释放入第一电解质溶液104，以平衡质子从电解质104的转移。
在本发明的系统中，相对于质子转移构件110对电极102、106施加偏压，使得在电极102、106不生成气体。因此，在第一电解质104包含水时，不在第一电极102上生成氧。类似地，在第一电解质包含氯离子时，例如含盐水的电解质，不在第一电极上生成氯气。本领域的普通技术人员可以理解，根据跨系统施加的电压和电解质通过系统的流速，可调节溶液的pH。在一个实施方案中，当在阳极和阴极两端施加约0.1V或更小、0.2V或更小、…0.1V或更小的电压时，第一电解质溶液的pH增加；在另一个实施方案中，当在阳极和阴极两端施加约0.1至2.0V电压时，第一电解质的pH增加；在又一个实施方案中，当在阳极和阴极两端施加约0.1至1V电压时，第一电解质溶液的pH增加。在电极两端施加0.1至0.8V、0.1至0.7V、0.1至0.6V、0.1至0.5V、0.1至0.4V和0.1至0.3V的电压可得到类似结果。在一个实施方案中，在阳极和阴极两端施加约0.6伏或更小电压；在另一个实施方案中，在阳极和阴极两端施加约0.1至0.6伏或更小电压；在又一个实施方案中，在阳极和阴极两端施加约0.1至1伏或更小电压。在一个实施方案中，在阳极和阴极两端施加约0.6伏或更小电压；在另一个实施方案中，在阳极和阴极两端施加约0.1至0.6伏或更小电压；在又一个实施方案中，在阳极和阴极两端施加约0.1至1伏或更小电压。
在图1-4所示的不同实施方案中，系统100400任选包括CO2源126，CO2源126连接到布置在第一电池112中的注气系统128。注气系统将CO2源提供的包含CO2的气体混入第一电解质溶液104。示例性CO2源描述于通过引用结合到本文的美国专利申请，并且可包括来自发电厂燃烧矿物燃料的烟气，或来自工业过程的废气，例如水泥生产或钢铁生产。在不同的实施方案中，注气系统128包括喷淋器或注射管嘴，然而，可使用将CO2引入水溶液的任何常规机构和装置。
参考图3-4，在供选的实施方案中，系统100包括导管130A，导管130A布置成将正离子(例如钠离子)的溶液供入第一电解质104；和导管130B，导管130B布置成将负离子(例如氯离子)供入第二电解质108。在不同的实施方案中，导管130A、130B可适应间歇或连续流体流。如图3-4所示，系统包括，包括接触第一电解质104的第一电极102的第一电解池112；包括接触第二电解质108的第二电极106的第二电解池114；布置成使第一电解质与第二电解质隔开的质子转移构件110；布置成将正离子供到第一电解质的第一导管130A；布置成将负离子供入第二电解质的第二导管130B；和调压器124A、124B，调压器124A、124B可操作地通过相对于质子转移构件110对第一电极102施加正偏压，并且相对于质子转移构件对第二电极106施加负偏压，建立通过电极102、106的电流。
在一些实施方案中，例如在引入CO2时，质子去除并引入电解质溶液104，净结果(质子净去除，不改变或净引入)取决于质子去除的相对速率和溶液中其他物质的引入(例如CO2引入)。类似地，在电解质溶液108中，如果有去除质子的过程，例如通过溶解碱性物质，则在电解质溶液108中的净结果可以是质子引入、不改变或去除。
在一些实施方案中，在电解质溶液104中质子净去除(与阳离子引入结合)，并且/或者在电解质溶液108中质子净引入(与阴离子例如氯离子引入结合)。因此，在一些实施方案中，在第一电解质溶液104中生成阳离子氢氧根(例如氢氧化钠)，并且/或者在第二溶液108中生成氢阴离子溶液(例如盐酸)。可取出阳离子氢氧根溶液(例如氢氧化钠)或氢阴离子溶液(例如盐酸)之一或两者，并用于别处，例如如上所述用于截存二氧化碳和其他工业应用。
图5至7说明从电解质去除质子的本发明方法的不同实施方案。参照图5和图1-4的系统，在一个实施方案中，方法500包括相对于导电性质子转移构件对第一电极施加正偏压，并且相对于质子转移构件对第二电极施加负偏压，以在电化学系统中建立通过电极的电流的步骤502，其中质子转移构件使第一电解质与第二电解质隔开，第一电解质接触第一电极，第二电解质接触第二电极。在步骤502中，质子转移构件110位于电化学系统100中，以使电解质104与第二电解质108隔开，如关于图1-4所述。
如关于图1-4所述，在步骤502中，氢离子从第一电解质溶液104去除，并通过与第一和第二电解质溶液接触的质子转移构件110引入第二电解质溶液108。在不同的实施方案中，第一电极102构造成为与质子转移构件110相关的阳极，第二电极106构造成为与质子转移构件110相关的阴极。
在不同的实施方案中，相对于导电性质子转移构件对第一电极施加正偏压，和相对于质子转移构件对第二电极施加负偏压，以在电化学系统中建立通过电极的电流的步骤同时进行，其中质子转移构件使第一电解质与第二电解质隔开，第一电解质接触第一电极，第二电解质接触第二电极。在不同的实施方案中，第一电极和质子转移构件之间的偏压与第二电极和质子转移构件之间的偏压近似相等，并且控制防止在电极处生成气体。在一些实施方案中，在系统中基本不从电化学过程生成气体，例如不在电极处生成氢气、氧气或氯气。具体地讲，根据在第一电解质104中存在的离子，施加偏压以防止在第一电极102生成氧，类似地施加偏压以防止在第一电极生成氯气。在一些实施方案中，电压基于使得在系统中基本不生成气体，例如不在电极处生成氧或氯。
如关于图1-4的系统的操作所述，通过相对于质子转移构件110对第一电极102施加正偏压，并且相对于质子转移构件对第二电极106施加负偏压，质子从第一电解质104去除，并引入质子转移构件110相反侧的第二电解质，而不在第一电极上生成气体。另外，由于相对于质子转移构件对电极施加偏压，氢离子从与第二电解质接触的质子转移构件的表面引入第二电解质。因此，在一些实施方案中，在第一电解质104中H+浓度可能减小，导致第一电解质的pH增加，而在第二电解质中H+浓度可能增加，导致第二电解质的pH减小。
如以上关于本发明的系统的操作所述，在不同的实施方案中，第一电解质和第二电解质包括包含足以在系统中建立通过电极102、106的电流的离子的水溶液。在一个实施方案中，第一电解质104包括水，包括咸水、海水、淡水、盐水或半咸水。在图3-4所示的另一个实施方案中，含正离子的溶液经预处理，例如通过离子交换膜(未显示)处理，以选择和或浓缩电解质104、106中的离子。在一个实施方案中，正离子包括钠离子，钠离子通过盐水选择性经过膜离子分离过程130A，以获得浓缩钠离子溶液得到。类似地，在一个实施方案中，负离子包括氯离子，氯离子通过盐水选择性经过膜离子分离过程130B，以获得浓缩氯离子溶液得到。
在图2-3所示的不同实施方案中，第一电极构造成为包含铁、锡或镁的阳极，或包含镁、钙或其组合的材料；或包含一种或多种铁镁矿物、橄榄石、贵橄榄石、石棉、粉煤灰或其组合的材料。在其中需要回收阳极102的牺牲离子(例如锡或镁离子)的图3所示的实施方案中，溶液中来自阳极102的离子作为电解质循环，电解质围绕作为阴极的第二电极134。因此，通过如图3所示转换第二电极106与第一电极102，保存第一电极的牺牲物质。
任选使包含CO2的气体溶入第一电解质。在此任选步骤中，可用第一电解质溶液沉淀碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物，如碳酸钙或碳酸镁和/或其碳酸氢盐。沉淀的碳酸盐化合物可以任何适合方式使用，例如水泥和建筑材料，如通过引用结合到本文的美国专利申请所述。
在另一个任选步骤中，为了用作如上所述沉淀碳酸盐和碳酸氢盐的溶液，用酸化的第二电解质溶液108溶解富钙和/或富镁物质，如铁镁矿物，包括蛇纹石或橄榄石。在不同的实施方案中，得到的溶液可用作第一电解质溶液的部分或全部。类似地，在第二电解质108中产生盐酸的实施方案中，可用盐酸代替或加到酸化的第二电解质溶液。
参照图6，在另一个实施方案中，所述方法600包括用质子转移构件110使第一电解质104与第二电解质108隔开的步骤602；和相对于质子转移构件对接触第一电解质的第一电极102施加正偏压，和相对于质子转移构件对接触第二电解质108的第二电极106施加负偏压的步骤604。通过此方法，质子从第一电解质104去除，并引入第二电解质108，而不在电极处产生气体。
根据图5和6的方法，通过相对于质子转移构件对第一电极102施加正偏压，并且相对于质子转移构件110对第二电极106施加负偏压，质子从第一电解质去除，并引入质子转移构件的另一侧的电解质，而不在第一电极102上生成气体。另外，由于相对于质子转移构件对电极施加偏压，吸附在质子转移构件表面上的至少一部分氢从与第二电解质接触的质子转移构件的表面解吸为氢离子。因此，在一些实施方案中，在第一电解质104包括水溶液时，H+浓度减小，导致第一电解质的pH增加，而在第二电解质108包括水溶液时，H+离子浓度增加将减小第二电解质的pH。
参照图7，方法包括通过第一电解质104与CO2接触从第一电解质生成碳酸氢根和/或碳酸根离子浓化溶液，同时从第一电解质去除质子，并利用质子转移构件110将质子引入第二电解质溶液108的步骤702。根据此方法，调压器124A、124B可操作地通过相对于质子转移构件110对第一电极102施加正偏压，并相对于质子转移构件对第二电极106施加负偏压，建立通过电极的电流。在一个应用中，通过将碳酸根浓化溶液泵送到温度和压力足以保持溶液稳定的海洋深度来截存CO2。在其他实施方案中，可沉淀碳酸盐，例如，沉淀为碳酸钙或碳酸镁，并处理掉或如本文所述商用。
根据本发明的系统取得的示例性结果总结于下表1中。
表1：低能电化学质子转移系统和方法
  电极两端的电压V   时间(min)   初始pH，阳极   最终pH，阳极   初始pH，阴极   最终pH，阴极
  0.45V0.30V在第一隔室，0.15V在第二隔室   30   4.994   5.204   7.801   7.431
  0.50V0.30V在第一隔室，0.20V在第二隔室   45   4.119   4.964   5.750   5.521
在根据图1系统建模的实验中，用包含氢转移膜(hydrogen transfermembrane)110分隔的两个1升隔室122、114的电化学系统使H+从充加CO2的海水104转移。在此系统中，对包含第一电解质的第一隔室充加CO2，直至达到4.994的pH。将牺牲阳极(例如锡阳极)放入第一隔室，并使锡电极和包含钯的质子转移构件保持在100nA/cm2(代表0.30V电压)恒电流控制下。包含第二电解质(例如含氯化钠的海水)的第二隔室与锡电极和溶于海水的SnCl2接触。钯质子转移构件和第二隔室中的锡电极保持在0.15V。使系统运行30分钟。如表1中第1行所示，第一电解质的pH增加，第二电解质的pH减小，表明质子从第一电解质转移到第二电解质。
在根据图1系统建模的另一个示例性实验中，提供包含两个150mL隔室的电化学系统，每种电解质使用一个隔室，钯质子转移构件布置成使电解质隔开。在此实施例中，在各电池中放入0.5摩尔浓度氯化钠溶液。在第一隔室中，第一电解质充加CO2，达到4.119的初始pH，并将牺牲阳极(例如锡阳极)放入第一隔室。使锡电极和包含钯的质子转移构件保持在100nA/cm2(代表在电极两端施加0.5V电压)恒电流控制下。在系统运行45分钟后，第一电解质的pH从4.119变到4.964，而第二电解质的pH从5.750变到5.521，如表1所示。
上述实施方案也可产生能够用于溶解富钙和/或富镁矿物的酸化流。可用碳酸氢根离子充加此溶液，然后使溶液为足够碱性，以便通过从溶液沉淀碳酸盐化合物截存CO2，如通过引用结合到本文的美国专利申请所述。在供选的实施方案中，可不用沉淀碳酸盐矿物来截存CO2，而是将碳酸盐和碳酸氢盐放到其将长时间稳定的位置。例如，可将碳酸盐/碳酸氢盐浓化电解质溶液泵送到温度和压力足以保持溶液稳定至少上述时间的海洋深度。
虽然为了清楚理解已在一些细节上以说明和实例的方式描述了上述发明，但对本领域的普通技术人员显而易见的是，按照本发明的教导，可在不脱离附加权利要求的精神或范围下进行某些变化和改进。
因此，前述只说明本发明的原理。应理解，本领域的技术人员将能够设计体现本发明的原理并且包含在其精神和范围内的本文未明确描述或展示的各种方案。另外，本文中所述的所有实例和条件语言主要用于帮助阅读者理解本发明的原理和发明人为推进此技术提供的概念，并且应理解为不限于这些明确叙述的实例和条件。另外，本文中对本发明的原理、方面和实施方案及其具体实施例的所有说明旨在涵盖其结构和功能等同物。另外，这些等同物旨在包括目前已知的等同物和在未来研发的等同物，即，不考虑结构，完成相同功能的所研发的任何元素。因此，本发明的范围不旨在限于本文所示和所述的示例性实施方案。相反，本发明的范围和精神由附加权利要求体现。

Claims (78)

1.一种电化学方法，所述电化学方法包括：
相对于导电性质子转移构件对第一电极施加正偏压，并且相对于质子转移构件对第二电极施加负偏压，以在电化学系统中建立通过电极的电流，其中质子转移构件使第一电解质与第二电解质隔开，第一电解质接触第一电极，第二电解质接触第二电极。
2.权利要求1的方法，其中第一电极包括阳极，第二电极包括阴极。
3.权利要求1的方法，其中不在电极处生成气体。
4.权利要求1的方法，其中不在电极处生成氧气。
5.权利要求1的方法，其中不在电极处生成氯气。
6.权利要求1的方法，其中将质子从第一电解质去除。
7.权利要求6的方法，其中至少一部分质子通过生成氢气在质子转移构件上去除。
8.权利要求6的方法，其中第一电解质的pH增加。
9.权利要求1的方法，其中质子转移构件在接触第一电解质的表面上吸附氢，并且从接触第二电解质的表面解吸氢。
10.权利要求1的方法，其中第一电解质包括盐水。
11.权利要求1的方法，其中第一电解质包括海水、淡水、盐水或半咸水，第二电解质包括海水、淡水、盐水或半咸水。
12.权利要求1的方法，其中第一电极包括牺牲阳极。
13.权利要求12的方法，其中牺牲电极包括含镁、钙或其组合的物质。
14.权利要求13的方法，其中牺牲电极物质包括一种或多种铁镁矿物、贵橄榄石、石棉、粉煤灰或其组合。
15.权利要求1的方法，其中第一电极包括铁、锡或镁。
16.权利要求1的方法，其中质子转移构件包括钯、铂、钯合金、铱、铑、钌、钛、锆、铬、铁、钴、镍、钯-银合金、钯-铜合金或包含一种或多种这些金属的非晶态合金。
17.权利要求1的方法，所述方法进一步包括使第二电极与电解质接触，所述电解质包含从来自第一电极的离子浓化电解质得到的正离子。
18.权利要求1的方法，所述方法进一步包括用第二电极置换第一电极，并用第一电极置换第二电极。
19.权利要求17的方法，其中正离子包括Sn2+。
20.权利要求1的方法，所述方法进一步包括使二氧化碳溶于第一电解质。
21.权利要求1的方法，其中第一电解质包含碳酸根离子。
22.权利要求1的方法，所述方法进一步包括在第一电解质中沉淀碳酸盐。
23.权利要求22的方法，其中碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁或其组合。
24.权利要求1的方法，所述方法进一步包括将正离子提供到第一电解质，并将负离子提供到第二电解质。
25.权利要求24的方法，其中正离子包括钠离子。
26.权利要求24的方法，其中负离子包括氯离子。
27.权利要求25的方法，其中钠离子通过使盐水去离子得到，氯离子通过使盐水去离子得到。
28.权利要求1的方法，其中第二电极包括锡。
29.一种从电解质去除质子的方法，所述方法包括：
利用质子转移构件使第一电解质与第二电解质隔开；并且相对于质子转移构件对接触第一电解质的第一电极施加正偏压，相对于质子转移构件对接触第二电解质的第二电极施加负偏压，其中，
所述电压将质子从所述第一电解质去除，并将质子引入所述第二电解质。
30.权利要求29的方法，其中不在电极处生成气体。
31.权利要求29的方法，其中第一电极包括阳极，第二电极包括阴极。
32.权利要求29的方法，其中不在电极处生成氧气。
33.权利要求29的方法，其中不在电极处生成氯气。
34.权利要求29的方法，其中将质子从第一电解质去除。
35.权利要求29的方法，其中第一电解质包括盐水。
36.权利要求29的方法，其中第一电解质包括海水、淡水、盐水或半咸水，第二电解质包括海水、淡水、盐水或半咸水。
37.权利要求29的方法，其中第一电极包括牺牲电极。
38.权利要求29的方法，其中第一电极包括铁、锡或镁。
39.一种电化学系统，所述电化学系统包括：
接触第一电解质的第一电极；
接触第二电解质的第二电极；
使第一电解质与第二电解质隔开的质子转移构件；和调压器，所述调压器可操作地用于相对于质子转移构件对第一电极施加正偏压，并且用于相对于质子转移构件对第二电极施加负偏压。
40.权利要求39的系统，其中将调压器设置于一定电压，使得不在电极处生成氧气。
41.权利要求39的系统，其中将调压器设置于一定电压，使得不在电极处生成氯气。
42.权利要求39的系统，其中第一电解质包括盐水。
43.权利要求39的系统，其中电解质包括海水、淡水、盐水或半咸水。
44.权利要求39的系统，其中第一电极包括牺牲阳极。
45.权利要求39的系统，其中第一电极包括铁、锡或镁。
46.权利要求39的系统，其中质子转移构件包括钯、铂、铱、铑、钌、钛、锆、铬、铁、钴、镍、钯-银合金或钯-铜合金。
47.权利要求39的系统，所述系统进一步包括用于使二氧化碳与第一电解质接触的气体注射器。
48.权利要求39的系统，所述系统进一步包括用于将正离子引入第一电解质和将负离子引入第二电解质的导管。
49.权利要求39的系统，其中正离子包括钠离子，负离子包括氯离子。
50.权利要求39的系统，其中第二电极接触包含在第一电极处得到的正离子的电解质。
51.权利要求39的系统，其中正离子包括Sn2+。
52.一种电化学系统，所述电化学系统包括：
第一电解池，第一电解池包括接触第一电解质的第一电极；
第二电解池，第二电解池包括接触第二电解质的第二电极；
布置成使第一电解质与第二电解质隔开的质子转移构件；
布置成将正离子供到第一电解质的第一导管；
布置成将负离子供入第二电解质的第二导管；和
调压器，所述调压器可操作地通过相对于质子转移构件对第一电极施加正偏压，并且相对于质子转移构件对第二电极施加负偏压，以建立通过电极的电流。
53.权利要求52的系统，所述系统进一步包括用于使含二氧化碳的气体分散进入第一电解质的气体注射器。
54.权利要求52的系统，其中导管包括离子交换膜，离子通过离子交换膜供入电解质。
55.权利要求54的系统，其中导管包括提供到第一电解质的正离子可透过的第一离子交换膜，和提供到第二电解质的负离子可透过的第二离子交换膜。
56.权利要求52的系统，其中正离子包括钠离子，负离子包括氯离子。
57.权利要求52的系统，所述系统进一步包含在第一电解质中沉淀的碳酸盐。
58.权利要求52的系统，其中第一电极包括阳极，第二电极包括阴极。
59.权利要求52的系统，其中将调压器设置于一定电压，使得不在电极处生成氧。
60.权利要求52的系统，其中将调压器设置于一定电压，使得不在电极处生成氯气。
61.权利要求52的系统，其中将调压器设置于一定电压，以使第一电解质的pH增加。
62.权利要求52的系统，其中第一电解质包括盐水。
63.权利要求52的系统，其中电解质包括海水、淡水、盐水或半咸水。
64.权利要求52的系统，其中第一电极包括牺牲阳极。
65.权利要求52的系统，其中第一电极包括铁、锡或镁。
66.权利要求52的系统，其中质子转移构件包括钯、铂、铱、铑、钌、钛、锆、铬、铁、钴、镍、钯-银合金或钯-铜合金。
67.一种方法，所述方法包括：
通过第一电解质溶液与CO2接触从第一电解质溶液生成碳酸根离子浓化溶液，同时利用质子转移构件使氢离子从第一电解质溶液转移到第二电解质溶液。
68.权利要求67的方法，所述方法进一步包括从碳酸根浓化溶液沉淀碳酸盐无机物。
69.权利要求67的方法，所述方法进一步包括生成包含碳酸盐无机物的建筑材料。
70.权利要求67的方法，所述方法进一步包括用第二电解质溶液溶解含钙和/或镁的物质。
71.权利要求70的方法，其中含矿物的物质包括铁镁矿物、贵橄榄石、石棉或粉煤灰。
72.权利要求70的方法，所述方法进一步包括：
通过将碳酸根浓化溶液泵送到温度和压力足以保持溶液稳定的海洋深度来截存CO2。
73.权利要求1的方法，其中在阳极和阴极两端施加约0.1伏或更小至约1.0伏或更小的电压。
74.权利要求1的方法，其中在阳极和阴极两端施加约0.1伏或更小至约1.0伏或更小的电压。
75.权利要求1的系统，其中在阳极和阴极两端施加约0.1伏或更小至约1.0伏或更小的电压。
76.权利要求52的系统，其中在阳极和阴极两端施加约0.1伏或更小至约1.0伏或更小的电压。
77.权利要求52的方法，其中在阳极和阴极两端施加约0.1伏或更小至约1.0伏或更小的电压。
78.权利要求52的系统，其中在阳极和阴极两端施加约0.1伏或更小至约1.0伏或更小的电压。
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