CN105264705B - 用于从气体流产生能量的方法以及用于从烟道气产生能量的系统与设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于从气体产生能量的方法、系统和设备，所述方法包括以下步骤：向流动通道提供气体流；产生阳离子和阴离子；使阳离子朝向阳离子选择性电极扩散以及使阴离子朝向阴离子选择性电极扩散；通过电极吸附阳离子和阴离子；以及通过电路运输电子以维持电极的电中性并且产生电能。

Description

用于从气体流产生能量的方法以及用于从烟道气产生能量的 系统与设备
本发明涉及用于从包含CO2的气体流比如烟道气产生能量的方法。
全世界的能量需求正在上升。尽管可再生能量和/或可持续能量如风能和太阳能的使用正在增长，但预计化石燃料将仍然在一定时间段内是主要能源。发电厂比如发电站和制炼厂(process plant)仍然排放不断增加的量的CO2。很大程度上，该CO2排放物由化石燃料的燃烧造成。为了最小化该CO2排放物可能对环境和气候的影响，捕获并且存储这该CO2排放物。针对应用这种技术的实际障碍之一是需要的能量输入。
本发明的目的是提供用于从包含CO2的气体流产生能量的方法，其消除或至少减少上述问题并且有助于总体效率能量产生和使用。
该目的通过根据本发明的用于从气体产生能量和/或从气体流分离气体组分比如CO2的方法来实现，所述气体包含气体组分比如CO2，所述方法包括以下步骤：
-向流动通道提供气体流，其中气体流具有相对高分压的气体组分；
-向隔室提供气体，所述隔室用膜与流动通道分开，所述膜对气体组分具有选择性；以及
-通过所述膜将气体组分从流动通道转移至气体隔室。
在目前优选的实施方案中，气体组分是CO2。通过从气体流分离气体组分来实现纯化的气体流。此外，通过将气体组分转移至气体隔室，气体隔室中的气压将增大。这种增大的气压可以有助于能量产生，例如通过将气体从气体隔室提供至涡轮机。
在根据本发明的可选择的实施方案中，电极用于从气体流产生能量、更具体地从CO2流产生能量。这类方法包括以下步骤：
-向流动通道提供气体流；
-产生阳离子和阴离子；
-使阳离子朝向阳离子选择性电极扩散以及使阴离子朝向阴离子选择性电极扩散；
-通过电极吸附阳离子和阴离子；以及
-通过电路运输电子以维持电极的电中性并且产生电能。
提供能够吸着、优选地分别地吸收(包括吸附)阴离子和阳离子的至少两个电极(其中一个电极是阴离子选择性的并且另一个电极是阳离子选择性)，能量可以通过这种吸着过程产生。这种吸着过程开始于还没有被离子饱和的至少两个电极。
作为实施例，在本发明的目前优选的实施方案中，流动通道(包括任何类型的流动隔室)中的气体是具有比如说15％的CO2水平的烟道气。首先，根据反应R1，气态CO2吸收在水中：
R1：
接着，被吸收的CO2与水反应以产生碳酸(R2)，碳酸(R2)可以离解成质子和碳酸氢根离子(R3)。根据反应R2、R3和R4，碳酸氢根离子可以进一步离解成碳酸根离子和第二质子(R4):
R2：
R3：
R4：
当电极还没有被离子饱和时，质子和碳酸氢根离子将自发地朝向电极扩散。碳酸根可能几乎没有影响，因为预计该物质具有非常低的浓度。离子交换膜(一种离子交换膜允许运输阳离子，一种离子交换膜允许运输阴离子)的存在导致质子和碳酸氢根离子被吸收在不同的电极中：质子将被吸附在阳离子选择性电极中，并且碳酸氢根离子将被吸附在阴离子选择性电极中。为了维持电中性，电子将通过(外部)电路从阴离子吸附侧朝向阳离子吸附电极运输。这种选择性吸附过程从而引起电流。该过程将继续直到电极饱和。
可以以不同的方式来实现阴离子选择性电极和阳离子选择性电极。例如，可以通过由聚电解质凝胶填充碳颗粒之间的颗粒间孔隙和/或通过将离子选择性层比如膜放置在电极前面来化学地改性(碳)电极。这类离子交换膜是薄的水填充的多孔结构，其包含高的内部浓度的正号或负号的固定电荷基团(例如膜中5M/体积的水)。在这些基团是正(例如，来自存在于膜中的季铵基)的情况下，膜具有高选择性以允许阴离子(负号的离子)通过，而阻挡阳离子(比如质子)进入。这被称为阴离子交换膜。用磺酸基来实现相反的情况，并且这被称为阳离子交换膜。提供选择性电极的其它选择包括使用化学选择性无机材料。
每个电极由将系统连接至外部电路的电流收集器组成。
电流收集器与具有高电容的导电材料直接接触，所述导电材料优选地是多孔碳电极。在多孔碳内的高的内表面区域处，离子可以靠近电荷存储：形成所谓的双电层(EDL)。EDL实现在碳/水界面处，电荷仅仅可以处于碳中，并且离子(离子电荷)仅仅可以处于水中。两种电荷将非常接近，仅仅间隔几纳米。在量值上，两种电荷彼此互相抵消：因此，整体上，EDL是电中性的。当电荷是负号时，因此电极将吸引并且吸附碳中水填充的微孔中的阳离子(靠近碳表面)。该电极被称为阴极。在相反的电极中，所有过程的符号相反，这是阳极。
在目前优选的实施方案中，电极、优选地多孔碳电极用阳离子交换膜或阴离子交换膜密封或与流动通道分开。在目前优选的实施方案中，膜之间的间隔即流动隔室用水填充，烟道气以气泡的形式流动通过水。水在两种不同电极之间提供离子连接。
在可选择的实施方案中，电极通过CO2选择性膜或离子选择性膜分开，而没有电容电极。如早期提到的，可以应用离子选择性电极，从而消除对膜的需求。
根据前述操作，在开始时将存在高电势和高电流，并且两者将缓慢减小，而电极达到饱和。在再生步骤中从电极移除阳离子和阴离子之后，电极可以被再次用于从气体流产生能量。
从具有相对高水平CO2的气体流产生能量的优点之一是，这类气体流是通常可获得的，例如烟道气。这致使根据前述方法的能量产生是非常成本有效的。尽管前述方法提到质子和碳酸氢根作为阳离子和阴离子，但将理解，使用与其组合的其它阳离子和阴离子和/或作为对其的备选是可能的。烟道气的具体示例是由因大量产生CO2而著名的发电站产生的烟道废气。
在根据本发明的有利实施方案中，所述方法还包括通过将受体气体提供至流动通道而从电极解吸质子和离子的步骤。
通过由受体气体替换供体气体，优选地提供CO2，随着阳离子比如质子和阴离子解吸至受体气体，电极再生。这提供了时间上交替发生的吸收和解吸的有效循环。
这种具有电极再生的吸收和解吸的循环将被称为CO2的可逆电容吸收。该可逆电容吸收是利用存在于烟道气中的混合能量的用途广泛的过程。
在根据本发明的有利实施方案中，受体气体具有相对低的CO2浓度，使得CO2自发地解吸。
当供体气体在解吸步骤中被具有相对低的CO2浓度的受体气体替换时，这将导致CO2的自发解吸。该解吸将从水相开始并且因此还从电极扩散开始。为了维持电极的电中性，电流将开始以相对于CO2吸收步骤期间产生的电流相反的方向流动。这意味着在具有电极再生的该解吸步骤期间，也可以产生能量。当电极的再生已经完成时，电极可以再次暴露于供体气体并且循环将再次开始。
在目前优选的实施方案中，受体气体是具有相对低的CO2浓度的外部空气。
为了维持受体气体的相对低的CO2浓度，该气体应被定期地或甚至连续地补充。
在根据本发明的另外有利的实施方案中，当从电极解吸阳离子和阴离子时，电极被提供有电能以促使CO2解吸至受体气体，以产生具有高的CO2浓度的气体。
通过提供和/或产生具有相对高的CO2的受体气体，将产生CO2流。与吸附步骤组合，这有效地使CO2与原始引入的气体例如烟道气分离。对于解吸，必须提供电势，因为当电极已经再生时，与已经在解吸步骤开始时和确定在该解吸步骤结束时的供体气体相比，受体气体的CO2含量可以具有较高的CO2含量。
因此，这种分离方法为现有汽提操作提供备选方案。这可以能够实现CO2排放物的减少。与涉及需要有机溶剂、洗涤器和汽提塔，使用蒸汽从而需要热量，使得该过程的总效率相当受限的碳捕获以及存储的常规技术相比，由于在第一吸附步骤中可以产生能量，所以当汽提CO2时，总能量使用可以保持为最小值。
在根据本发明的另外有利的实施方案中，当将离子解吸至受体气体时产生的能量被提供至第二组电极和第二流动通道，以促使CO2解吸至第二受体气体以用于CO2分离。
通过平行和/或连续地操作至少两个过程，在自发解吸步骤中产生的能量可以被提供至促使解吸步骤。这意味着，部分的CO2解吸用于能量产生，从而能够在促使解吸过程中产生CO2气体。即使在不添加外部能量的情况下也可以进行CO2的促使解吸，从而能够实现可以能量中性操作的CO2分离过程。可以计算的是，存在于燃烧气体或烟道气中的CO2的70％可以在这种能量有效的组合过程中浓缩成纯的CO2流。如上文所描述的，这通过将烟道气中CO2的一部分用于产生电能来实现，其中该电能用于分离和浓缩CO2的另一部分。
作为另外的优点，可以计算的是，尽管不同的温度对可以产生的电的量具有实质影响，但对于能量中性分离的工作点的温度效应相当有限。这进一步有助于导致能量有效的CO2分离的这种组合的自发且促使的解吸过程的实际实施的可能性。
任选地，根据本发明的方法可以包括将电极转移至另一流的另外的步骤，例如从受体气体转移至供体气体或反之亦然。这意味着电极代替流被转换。可以使用转移机构来转移电极。电极可以成形为板、线和/或可流动/浮动的电极。将关于系统讨论转移机构的另外的细节和可转移电极的不同实施方案。
在本发明的优选实施方案中，用于从包含CO2的气体流产生能量的方法包括：
-提供第一隔室、第二隔室和第三隔室，其中第一隔室通过阳离子交换膜与第二隔室分开，并且第二隔室通过阴离子交换膜与第三隔室分开；
-在隔室中提供水；
-向第二隔室提供气体流，以用于使CO2溶解于第二隔室中的水中；
-产生阳离子和阴离子；
-使阳离子朝向第一隔室扩散并且使阴离子朝向第三隔室扩散，从而产生电势差；以及
-产生电能。
该方法采用称为反向电渗析(RED)的过程。反向电渗析的常规方法利用两种水流之间氯化钠(NaCl)浓度的差异。相反，根据本发明的方法利用溶解的CO2的浓度差来产生电能。碳酸氢根离子和碳酸根离子将通过阴离子交换膜扩散至第三隔室，而质子(H+离子)通过阳离子交换膜扩散至第一隔室。这产生带电颗粒的流动并且因此产生电流。
优选地，一堆交替的阴离子膜和阳离子膜用于增大由于阴离子和阳离子的扩散产生的电势差。
优选地，提供电解质以例如借助于氧化还原反应将离子流转化到电子流中。电解质可以以反向电渗析堆来提供在外部隔室中。
优选地，所述方法包括使用CO2吸附材料比如活性碳。例如，第一隔室、第二隔室和/或第三隔室被提供有CO2吸附材料。
在本发明的优选实施方案中，用于从包含CO2的气体流产生能量的方法包括以下步骤：
-提供通过膜分开的第一隔室和第二隔室；
-在隔室中提供水；
-向第一隔室提供气体流，以用于使CO2溶解于水中，使得两个隔室之间的渗透压促使水从第二隔室到第一隔室，从而增加第一隔室中的水位，所述方法还包括：
-通过将第一隔室连接到用于由第一隔室中的水的压力产生电能的装置来产生电能。
该方法采用被称为压力延迟渗透(PRO)的过程。压力延迟渗透的常规方法利用两种水流之间氯化钠(NaCl)浓度的差异。PRO利用允许水通过但阻挡水中的离子的膜。由于渗透压，淡水从第一隔室通过膜扩散至第二隔室中的盐水，从而增加第二隔室中的水位。通过采用常规的水压涡轮机，可以使用这种增加的水位来产生电能。
相反，本发明利用溶解的CO2的差异。由于溶解的CO2，离子(质子、碳酸氢根和碳酸根)的浓度在第一隔室中比在第二隔室中高。因此，渗透压建立在膜上。水将通过膜从具有低的离子浓度的第二隔室扩散至具有较高的离子浓度的第一隔室，从而恢复平衡。第一隔室中的水位将因此增加。增加的水位导致增大的水压，这可以用于驱动涡轮机，如在常规水力发电装置中。
优选地，所述方法包括使用CO2吸附材料，比如活性碳。例如，第一隔室和/或第二隔室被提供有CO2吸附材料。
本发明还涉及用于从气体流产生能量和/或分离气体组分的系统，包括：
-气体入口；
-流动室或气体通道，所述流动室或流动通道用于具有气体组分的气体流；以及
-气体隔室，其用气体组分选择性膜与流动室分开。
这种系统提供与关于所述方法提到的效果和优点相同的效果和优点。这些优点包括使用前述方法的电能的有效能量产生。另外，气体组分比如CO2可以以能量有效的方式从烟道气中分离。
本发明还涉及用于从烟道气产生能量的系统以及包括这种系统的设备，其中所述系统包括：
-气体入口；
-至少两个电容电极，所述至少两个电容电极包括电流收集器和具有电容的导电材料；
-流动通道，其可操作地连接至至少两个电极之间的气体入口；
-其中至少一个电极用阴离子交换膜与流动通道分开，并且至少一个电极用阳离子交换膜与流动通道分开。
这种系统和设备提供与关于所述方法提到的效果和优点相同的效果和优点。这些优点包括使用前述方法的电能的有效能量产生。另外，CO2可以以能量有效的方式从烟道气中分离。实际上，根据本发明的系统能够实现CO2的可逆电容吸附。这能够实现有效能量产生和/或CO2分离。
在根据本发明的有利实施方案中，系统还包括固定的电解质结构以最小化气流阻力。
在本发明的目前优选的实施方案中，包含供体气体的CO2与水反应，以形成碳酸，其转而离解以产生用于吸附所需要的离子。这将暗示着，在至少两个电极之间提供电解质层。在目前优选的实施方案中，在流动通道中使用水。为了最小化气流阻力，提供固定的电解质结构。这最小化对气体流的阻力，从而有助于有效能量产生和/或CO2分离。
在目前优选的实施方案中，固定的电解质结构可以是固体聚合物电解质，例如线网。
在目前优选的实施方案中，电极包括平板。这使得能够提供用于吸附离子的相对大的表面。用于这种平板配置的备选方案，或除这种平板配置之外，电极可以包括基于线的电极。与平板相比，这种线状电极增强传质，因为流体力学阻力可以保持为最小值。这类线状电极的另外的优点是相对容易的制造过程，其可以利用能够大体上在一个步骤中产生吸收体结构的挤压技术。这可以进一步改进根据本发明的系统的效率。
在本发明的可选择的实施方案中，电极包括浮动电极/可流动电极。这可以通过将电极提供为悬浮物来实现。这致使电极更容易转移至另一流，即供体流或受体流。
根据本发明，所述系统还包括将电极转移至另一流动通道的转移机构。
作为用受体气体替换供体气体以及反之亦然或与其组合的备选方案，运输机构可以将电极从第一气相转移至另一气相。例如，在吸收步骤中使用电极。在电极饱和之后，将电极转移至另一流动通道，从而能够实现解吸步骤和电极的再生。例如，该转移机构可以通过提起电极来从第一系统反应器物理地转换电极的位置，并且将电极转移至第二系统反应器。可以设想该转移机构的其它实施方案。例如，分开的电极颗粒可以作为悬浮物通过流动载体液体来输送。
任选地，根据本发明的系统包含一种或更多种缓冲剂。例如，这些缓冲剂可以包括氨(NH3)和/或胺比如单乙醇胺(C2H7NO)。优选地，例如通过将缓冲溶液添加至流动通道中的水来在流动通道中提供缓冲剂。
缓冲剂或缓冲溶液的使用增大了导电性和pH差。这降低了内电阻。空气和CO2饱和溶液之间的pH差的增大提供较高的功率密度。这致使根据本发明的系统更加有效。
在根据本发明的另外优选的实施方案中，所述系统包括反向电渗析堆。这种堆包括界定室的交替的阴离子交换膜和阳离子交换膜，所述室交替容纳包含高浓度的溶解CO2的水和包含低浓度的溶解CO2的水。
在根据本发明的优选的实施方案中，用于从烟道气产生能量的系统包括：
-第一隔室和第二隔室，所述第一隔室和所述第二隔室用于容纳水，通过膜分开，所述膜用于允许水通过但阻挡离子；
-气体入口，其连接至第一隔室，以用于使烟道气溶解于第一隔室中的水中；以及
-用于由水压产生电能的装置，所述装置连接至第一隔室，以用于由第一隔室中的水的压力产生电能。
关于方法描述的特征还可以应用到系统，并且反之亦然。
基于本发明优选的实施方案来阐明本发明的另外的优点、特征和细节，其中对附图作出参考，在附图中：
-图1示出用于进行根据本发明的方法的系统；
-图2示出根据本发明的方法的示意性概览；
-图3示出图1的系统的某些实验结果；
-图4示出图1的系统的可选择的实施方案；
-图5示出根据本发明的系统的另外的实施方案；
-图6示出图5的实施方案的实验结果；
-图7示出用于进行根据本发明的方法的第二实施方案的系统；
-图8示出用于进行根据本发明的方法的第三实施方案的系统；
-图9示出根据本发明的用于从气体流产生能量和/或分离气体组分而没有电极的系统。
系统2(图1)包括流动通道4、第一电极6以及第二电极8。电极6、8包括具有高电容的导电材料10。在例证性实施方案中，导电材料10包括多孔碳。电极6、8的电流收集器12与导电材料10接触。离子可以存储或吸附在多孔碳10内的相对大的内表面区域处。电流收集器12通过电路14连接。在例证性实施方案中，离子靠近电荷存储，从而形成如早期提到的所谓的双电层，其中在碳/水界面处，电荷仅仅可以处于碳中，并且离子(离子电荷)仅仅可以处于水中。具有负号的电荷的电极将吸引并且吸附碳中水填充的微孔中的阳离子。该电极表现为阴极。在对电极中，过程相反并且该电极表现为阳极。电极6用阳离子交换膜16与流动通道4分开或被阳离子交换膜16密封。电极8用阴离子交换膜18与流动通道4分开或被阴离子交换膜18密封。在例证性实施方案中，流动通道4填充有液体20，在例证性实施方案中，流动通道4填充有水。气体比如烟道气以气泡22的形式流动通过液体20。液体20在至少两个电极6、8之间提供离子连接。
根据本发明的方法24(图2)以在入口26处提供气体开始。在反应步骤28中，较早描述的反应R1-R4发生在流动通道4中。在扩散步骤30中，阳离子和阴离子朝向电极6、8扩散，经过选择性膜16、18。在吸附步骤32中，离子被吸附并且在电路14中产生电能。
当电极6、8饱和时，系统2在转换步骤34中从吸附状态转换为解吸状态。接着，解吸将发生在解吸步骤36中。能量38从吸附步骤32产生。从解吸步骤36产生一定量的能量40和/或在流42中产生一定量的分离的CO2，任选地具有被提供以能够实现CO2分离的一定量的能量44。可以由在吸附步骤32和/或解吸步骤36中的产生的能量38、40来提供所述一定量的能量44。可选择地，由外部源来提供能量44。
在第一实验中，在流动通道4中提供CO2饱和的水的实验中使用系统2。在实验中，将使用恒定的外电阻形成电势，使得电势与产生的电流成比例。实验结果在图3示出，图3是关于基于图1的系统2的电容电极电解槽(cell)中的CO2吸附期间产生的电压(左轴)以及功率(右轴)的升高和下降。
在另外的实验中，示出随着受体气体相对于烟道气的渐增的补充，可获得的可提取的能量的量增加。能量的该量强烈地取决于气体温度。例如，在150℃的温度下，烟道气仅仅经历有限的处理，而50℃是用于以湿法洗涤的系统的特征温度，并且20℃是代表性环境温度。据估计，当系统2应用到普通发电站时，可以收获的能量的量相当于这种普通发电站中产生的电的多达10％。
在另外的实验中，在解吸步骤36中，将导致能量40的净产生的自发解吸与导致CO2流42的产生的促使解吸进行组合。尽管温度对可以产生的电具有一定影响，但用于促使解吸过程的能量消耗相比于解吸步骤中自发能量产生的能量产生之间的平衡令人惊讶地保持大约相同，使得在该平衡下，约70％的CO2可以在根据本发明的可逆电容吸附过程中分离。因此，CO2的可逆电容吸附提供用途广泛的过程，其用于可以应用于发电站并且还应用于精炼厂、油气勘探、钢材生产、温室等的能量产生和CO2分离。
作为利用鼓泡平板反应器类型的系统2的备选方案，可以提供可选择的系统44(图4)。系统44包括通过电路49连接的阴极46和阳极48。基于线的电极46、48还包括膜50和固体聚合物电解质52，可以围绕固体聚合物电解质52提供包含CO2的流54。在另外可选择的配置(未示出)中，电极可以呈流动悬浮物的形式，该流动悬浮物被缓慢地泵送为围绕在闭合回路中，从而将电极运输至第二通道4。在例证性实施方案中，示意性示出的转移机构56将电极46、48从第一流动室转移至第二流动室。
在实验中，电解槽58(图5)包括铝端板60、提供有石墨电极64的中空的聚甲基丙烯酸甲酯塑料板62、具有带有活化的碳涂层68的石墨箔电流收集器的硅垫圈66、来自Fumatech的阴离子交换膜70、特氟隆垫圈72、聚合物垫片74、来自Fumatech的阳离子交换膜76、具有活化的碳涂层的石墨箔电流收集器78、硅垫片80、提供有石墨电极82的中空的聚甲基丙烯酸甲酯塑料板84、铝端板86。电解槽58连接至电路88。流90在板60处进入电解槽58，经过提供有垫片74的空间并且在板86处离开电解槽58。
阴离子交换膜70在0.25M KHCO3溶液中被预调节并且更新两次(一次在2.5天之后并且一次在额外的一天之后)。阳离子交换膜76在0.25M HCl溶液中被预调节并且在2.5天之后更新一次。电极64、82两者均是以10％pvdf为基础的Norit super 30(以500微米铸造)并且浸泡在最初CO2饱和的脱矿物质水溶液(逐渐脱气的起泡的脱矿物质水)中，其中电极64、82在该溶液中停留持续3.5天。将CO2在脱矿物质水中鼓泡之后获得CO2饱和溶液。在开始测量之前，将CO2鼓泡至少1h30。通过根据标准构建线使压缩空气鼓泡来获得空气饱和溶液。
在两个电极64、82之间测量内电阻并且其在空气饱和溶液中是83Ω并且在CO2饱和溶液中是13.5Ω。pH测量为在空气饱和溶液中是5.53并且在CO2饱和溶液中是3.96。电解槽电势(图6)以mV测量。在CO2中，电势由于饱和效应返回至零，并且通过电解槽58的流90转换为空气。电势转换符号并且在时间上略减小。这些结果示出根据本发明的实施方案中的电解槽58的操作。
进行具有这种实验设置的另外的实验。约每400秒转换CO2丰富和CO2贫乏的气体的流在约20℃的温度和1巴的分压下示出约-15mV至约+40mV的测量的开路电解槽电压。
提供另外的实验，其中电极6、8被提供在缓冲溶液中。实验中使用的缓冲溶液是乙醇胺。关于若干pH差的结果在表1中呈现。
表1：功率密度(mW/m2)相对于pH差
结果示出较高的功率密度伴随较大的pH差，从而示出提供缓冲剂的效果。
系统92(图7)包括第一隔室94和第二隔室96，所述第一隔室94和第二隔室96被允许水通过但不可渗透离子的类型的膜98分开。隔室94、96两者均提供有水。第二隔室96包括气体入口100，用于在隔室96中进料包含CO2的气体。CO2溶解于水中，导致隔室96中水中的质子、碳酸根离子和碳酸氢根离子的浓度增大。相反，隔室94中的水具有相对低的离子浓度。这在隔室94、96之间产生渗透压。这促使水根据箭头102通过膜98。因此，如由箭头104所指示的，隔室96中水的水位上升。该增加的水位导致增大的水压，其用于水力发电涡轮机106中。
隔室94、96可以连接至入口和/或出口以用于连续和/或分批操作。
系统108(图8)包括用于包含CO2的水的第一入口110。可选择地，为CO2和水提供单独的入口，并且提供混合室以使CO2溶解于水中。
系统108还包括水入口112，其连接至隔室114、116、118。包含CO2的水从入口110进料到相邻的隔室120、122、124。
外部隔室126、128包括电解质。这些隔室通过线130彼此连接。
隔室114、116、118借助于阳离子交换膜132和阴离子交换膜134与隔室120、122、124分开。
电解质隔室126、128被提供有电极136、138。
隔室114、116、118、120、122、124被提供有出口。系统108可以以连续或分批的操作来操作。
质子(H+)通过阳离子交换膜132从CO2丰富的水扩散至CO2贫乏的水，而碳酸根离子和碳酸氢根离子通过阴离子交换膜扩散。得到的离子流借助于外部隔室126、128中的电解质和/或电极136、138转化为电子流。例如，电解质包括铁离子(Fe2+作为还原剂和/或Fe3+作为氧化剂)。还原和氧化反应如下：
Fe3++e-→Fe2+
Fe2+→Fe3++e-。
当电极136、138连接至电路时，电流产生。
系统202(图9)包括被膜207分开的气体流动通道204和气体隔室206。在例证性实施方案中，膜是CO2选择性的。这种膜是已知的(例如见“Future Directions of MembraneGas Separation Technology”Richard W.Baker,Industrial&Engineering ChemistryResearch 2002 41(6),1393-1411)。通过通道204的气体流具有高的CO2浓度，相比于隔室206中的浓度，至少显著较高。例如，在烟道气中，CO2浓度是约10％，并且分压在这种情况下将是约0.1巴。在例证性实施方案中，通道204中的气压是约1巴。例如，泵208提供气体，比如具有约390ppm的CO2含量具有约50巴的压力的外部空气。这导致隔室206中CO2的分压为约1950Pa，并且CO2将从通道204转移至隔室206。这增大了隔室206中的压力。隔室206的流出物被进料到涡轮机210以产生能量。
应当理解，可以组合例证性和/或描述的不同的实施方案的特征。例如，关于基于线类型的系统44例证性的转移机构56也可以应用于平板反应器系统2。
本发明决不受限于其上述优选的实施方案。寻求的权利由以下权利要求界定，在以下权利要求的范围内可以设想许多修改。因此根据本发明组合描述的实施方案、特征和测量是可能的。

Claims (17)

1.用于从气体流产生能量和/或从气体流分离气体组分的方法，所述气体流包括气体组分，所述方法包括以下步骤：
-向流动通道提供所述气体流，其中所述气体流具有相对高分压的所述气体组分；
其特征在于：所述方法还包括：
-从与水反应的被吸收的所述气体组分产生阳离子和阴离子的步骤(28)；
-提供能够分别地吸附阳离子和阴离子的阳离子选择性电极和阴离子选择性电极；
-使所述阳离子朝向所述阳离子选择性电极扩散以及使所述阴离子朝向所述阴离子选择性电极扩散，其中所述阳离子选择性电极用阳离子交换膜与所述流动通道分开，所述阴离子选择性电极用阴离子交换膜与所述流动通道分开；
-通过所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极分别吸附所述阳离子和所述阴离子的步骤(32)；
-通过电路(14)运输电子以维持所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极的电中性；并且
-通过解吸来自所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极的所述阳离子和阴离子的步骤(36)产生电能和/或将所述气体组分从所述气体流中分离，其中通过将受体气体提供至所述流动通道进行解吸步骤。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述气体组分是CO2。
3.根据权利要求2所述的方法，其中所述受体气体具有相对低的CO2浓度，使得CO2被解吸。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述受体气体是外部空气。
5.根据权利要求2所述的方法，其中所述受体气体是外部空气。
6.根据权利要求3所述的方法，其中所述受体气体是外部空气。
7.根据权利要求2所述的方法，其中在解吸期间所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极被提供有电能以促使CO2解吸至所述受体气体，以产生具有高CO2水平的气体。
8.根据权利要求2-3和5-7中任一项所述的方法，其中当将离子解吸至所述受体气体时产生的能量被提供至第二组电极和第二流动通道，以促使CO2解吸至第二受体气体以用于CO2分离。
9.根据权利要求2-3和5-7中的一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一隔室、第二隔室和第三隔室，其中所述第一隔室通过阳离子交换膜与所述第二隔室分开，并且所述第二隔室通过阴离子交换膜与所述第三隔室分开；
-在所述第一隔室、第二隔室和第三隔室中提供水；
-向所述第二隔室提供所述气体流，以用于使所述CO2溶解于所述第二隔室中的所述水中；
-在所述第二隔室中产生阳离子和阴离子；
-使所述阳离子朝向所述第一隔室扩散以及使所述阴离子朝向所述第三隔室扩散，从而产生电势差；以及
-产生电能。
10.根据权利要求8所述的方法，所述方法包括以下步骤：
-提供第一隔室、第二隔室和第三隔室，其中所述第一隔室通过阳离子交换膜与所述第二隔室分开，并且所述第二隔室通过阴离子交换膜与所述第三隔室分开；
-在所述第一隔室、第二隔室和第三隔室中提供水；
-向所述第二隔室提供所述气体流，以用于使所述CO2溶解于所述第二隔室中的所述水中；
-在所述第二隔室中产生阳离子和阴离子；
-使所述阳离子朝向所述第一隔室扩散以及使所述阴离子朝向所述第三隔室扩散，从而产生电势差；以及
-产生电能。
11.用于从气体流产生能量和/或从气体流分离气体组分的方法，所述气体流包括气体组分，所述方法包括以下步骤：
-向第一隔室(114)、第二隔室(116)和第三隔室(118)提供水；
-向第四隔室(120)、第五隔室(122)和第六隔室(124)提供水和包含气体组分的气体流，其中所述第四隔室(120)借助于阳离子交换膜(132)与所述第一隔室(114)分开并借助于阴离子交换膜(134)与所述第二隔室(116)分开，所述第二隔室(116)借助于阴离子交换膜(134)与所述第四隔室(120)分开并借助于阳离子交换膜(132)与所述第五隔室(122)分开，所述第五隔室(122)借助于阳离子交换膜(132)与所述第二隔室(116)分开并借助于阴离子交换膜(134)与所述第三隔室(118)分开，所述第三隔室(118)借助于阴离子交换膜(134)与所述第五隔室(122)分开并借助于阳离子交换膜(132)与所述第六隔室(124)分开；
在所述第四隔室(120)、所述第五隔室(122)和所述第六隔室(124)中产生阳离子和阴离子；
提供外部的第一电解质隔室(126)和外部的第二电解质隔室(128)，所述第一电解质隔室(126)提供有第一电极(136)，所述第二电解质隔室(128)提供有第二电极(138)；
使所述阳离子朝向所述第一电解质隔室(126)扩散以及使所述阴离子朝向所述第二电解质隔室(128)扩散，从而得到离子流；
通过电路产生电子流；以及
-通过解吸所述阳离子和阴离子的步骤产生电能和/或将所述气体组分从所述气体流中分离。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述气体组分是CO2。
13.用于从气体流产生能量和/或分离气体组分的系统(2)，包括：
-气体入口(24)；
-用于具有所述气体组分的所述气体流的流动通道，所述流动通道被配置用于从与水反应的被吸收的所述气体组分中产生阳离子和阴离子；
-配置用于分别吸附阳离子和阴离子的阳离子选择性电极和阴离子选择性电极，其中所述阳离子选择性电极用阳离子交换膜与所述流动通道分开，所述阴离子选择性电极用阴离子交换膜与所述流动通道分开；
-电路(14)，所述电路与所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极连接以维持所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极的电中性；以及
其中所述系统被配置用于从所述气体流产生电能和/或分离所述气体组分。
14.根据权利要求13所述的系统，其中：
-所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极包括至少两个电容电极，所述至少两个电容电极包括电流收集器和具有电容的导电材料；
-所述流动通道被可操作地连接至所述至少两个电容电极之间的所述气体入口；以及
-其中所述至少两个电容电极中的至少一个电极用所述阴离子交换膜与所述流动通道分开，并且所述至少两个电容电极中的至少另一电极用所述阳离子交换膜与所述流动通道分开。
15.根据权利要求14所述的系统，还包括固定的电解质结构以最小化气流阻力，其中所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极包括平板和/或其中所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极包括基于线的电极和/或所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极包括可流动或可浮动的电极。
16.根据权利要求14或15所述的系统，还包括将所述阳离子选择性电极和所述阴离子选择性电极转移至另一个流动通道的转移机构，和/或还包括缓冲剂，和/或其中所述系统包括反向电渗析堆。
17.包括根据权利要求13-16中的一项所述的系统的设备，所述设备用于用所述气体流产生能量和/或从所述气体流分离CO2，其中所述气体流是烟道气。
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