CN107109674A - 气体捕获的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

公开了用于从气体流捕获目标气体的捕获设备，该捕获设备可以在不需要消耗目标气体结合盐的情况下连续使用。为此，设备被布置为通过以下方法来生成单独的酸性和碱性流：电解水；将目标气体结合到碱性流体流中的氢氧离子或酸性流中的水合氢离子，并且重组所生成的流，以释放被结合的目标气体并重新生成被电解的水的一部分，用于进一步电解。这种捕获设备例如可以在气体净化系统(例如，用于控制诸如车舱、家庭住宅或办公空间的有限空间中的目标气体水平的空气净化系统)、目标气体生成系统或目标气体丰富系统(例如，用于产生用于园艺目的的目标气体丰富的空气)中使用。还公开了用于从气体流捕获目标气体且可选地使用所捕获的目标气体的方法。

Description

气体捕获的装置和方法
技术领域
本发明涉及用于从基底捕获目标气体的方法和装置，并且涉及包括装置和一个有限空间的系统。本发明还涉及用于控制装置或用于执行方法的步骤的计算机程序产品。
背景技术
二氧化碳(CO2)被认为是为诸如由于地球大气层中增加的CO2水平而引起的全球变暖的气候变化影响至少部分负责的温室窒息气体。另外，因为升高的CO2水平可以根据暴露的水平和连续时间而引起若干不适症状(包括肌肉僵硬、困倦、头疼、视力下降、失去知觉甚至死亡)，所以当人暴露于这样的升高的水平时，这样的升高的CO2水平被认为是危害健康的。然而，例如，大气的CO2水平大约为350-450ppm，僵硬的不适已记录为在600-1000ppm范围中的增加的水平，以及一般的困倦症状被记录为在1000-2500ppm范围中的增加的水平。更严重的不利健康影响的增加的风险被预期为在2500-5000ppm或以上的范围中的增加的水平发生。这些范围是在正常的日常生活期间可能遇到的增加的范围。更少见地，可能遇到进一步升高的CO2水平，这对于高达30000ppm的CO2水平可能引起中毒、呼吸困难以及心悸，除此之外，对于高达50000ppm的CO2水平，头疼和视力下降可能发生，失去知觉在延长暴露于高达100000ppm的CO2水平而发生的风险下导致死亡。
至少出于这些原因，已经努力从气体流(例如，工业烟道流、空气流等)去除CO2，例如以降低温室气体的排放或控制被占用空间(例如，办公空间或家庭住宅)中的CO2水平。从吸收材料(例如，过滤器)到CO2捕获设备的范围的各种不同解决方案可用。这样的捕获设备可以采用化学实体(例如，胺、脒或无机盐)，CO2可以可逆地结合到该化学实体。
基于电解的工业过程的一个示例由WO2011/088515A1给出，其中海水被蒸馏以产生浓缩的盐水溶液。随后浓缩的盐水溶液被电解，以产生氢气和氯气以及氢氧化钠溶液。氢气和氯气随后被施加于一定体积的水，以生成含水盐酸，并且氢氧化钠溶液被暴露于被CO2污染的烟气，以从这些烟气捕获CO2。随后含水盐酸流和包括被捕获的CO2的氢氧化钠溶液流被重新组合，从而以受控方式释放CO2，并且重新生成初始成分气体。然而，这种基于盐水的过程的问题是由于该过程中生成对人高度有毒的氯气而不适于用于小规模应用领域(例如，家用或办公空间)中。即使提供其中氯气以良好受控的方式来生成并管理的装置，也可能难以避免由于这种控制措施的损坏而导致的装置中引起氯气的不希望的释放的意外损坏。
US2008/0248350A1公开了制造可再生H2且从空气或气体流捕集CO2的CO2负极过程。向具有充足电压的水电解装置提供直流可再生电力，以在阴极处生成氢气和氢氧离子，并且在阳极处生成水合氢离子((H3O)+)和氧气。分离并隔离这些产物，并且碱被用于从空气或气体流捕集二氧化碳，作为碳酸氢盐或碳酸盐。进而可以在各种化学和电化学过程中组合这些碳酸盐、氢气以及所捕集的二氧化碳，以产生由大气二氧化碳制成的基于碳的材料。然而，这种过程的特性是其也依赖于用于形成碳酸氢盐和碳酸盐的合适阳离子的存在、连续供给以及消耗，并且难以以连续方式运行该过程。合适阳离子的连续供给的需要还使得该过程不那么适于前面提及的、理想地应作为需要最小用户介入的闭合系统来操作的小规模应用。
发明内容
本发明的目的是至少部分地解决上面指示的问题。
利用本发明的方法和装置来达到该目的。本发明由独立权利要求来限定。从属权利要求提供有利的实施例。注意，除非特别指示这由于技术原因而不可能，否则所有从属权利要求可以与所有相应的独立权利要求组合。
本发明提供用于捕获目标气体的装置和方法，其中在至少一些实施例中，该装置和方法可以用于从人可能存在的有限空间提取目标气体。因此，这需要在没有(普通)用户介入且对有限空间中的人不存在潜在有害或有毒的副产物的散发的风险的情况下，促进这样的目标气体捕获的装置和方法。
本发明基于以下洞察：形成捕获流体和重组流体的单独的流的水的小规模电解在不需要使用盐水的情况下促进使用捕获流体流从有限空间捕获目标气体。借助电解质的电解且在结合目标气体之后从捕获流体获得的交换流体与也从电解获得的重组流体的重新组合使得从混合物释放目标气体，并且导致其中电解水被重新组合的再生流体，其中，捕获流体和重组流体为碱性或酸性(反之亦然)，并且可选地其中，引起捕获流体和重组流体中的酸度和碱度的附加的电解质盐和/或任何被电解种类中的至少一些被重新生成。由此，再生流体可以更紧密甚至可以完全类似初始电解质，并且由此可以再次用于生成设备中，以生成捕获流体和重组流体，从而提供适于在相对小规模上(例如，在具有2-20000m3体积或类似体积的有限空间中)使用的闭环目标气体捕获方法。
为了使这种装置和方法在这种小规模上有效使用，避免在水电解期间，在相应电极处生成的水合氢离子和氢氧离子的过多重组是迫切的。为此，在单独隔室中的相应电极处执行半反应，隔室借助隔室之间的离子连通结构来与彼此离子连通，离子连通结构(例如，离子选择膜或盐桥)实质上不能渗透水合氢离子和氢氧离子。
凭借本发明，目标气体被释放并可以用于如下文将描述的若干目的。如下文还将描述的，本发明具有与这种用途和这种用途的控制有关的大量优点。
本发明允许装置和方法用于或用作连续过程。更具体地，装置被设计为允许流体的连续流动，从而促进连续模式，连续模式在不需要从交换流体提取含有目标气体的盐的情况下将目标气体从捕获位置(优选地但不是必须为有限空间)置换到远离捕获位置的位置。输运(transport)可以为被捕获形式，而且在捕获之后可以为释放形式。由此，本发明使得能够在若干不同环境(例如，园艺、工厂空间或生存空间或运输空间)中对目标气体进行连续气体环境控制。
生成设备的容器可以包括：第一隔室，第一隔室包括第一电极；以及第二隔室，第二隔室包括第二电极。第一隔室可以包括捕获流体出口，并且第二隔室可以包括重组流体出口。隔室是一个或相同容器(例如，用于保持待被电解的电解质的容器)的部分。隔室借助离子连通结构与彼此离子连通，离子连通结构基本上降低水合氢离子和氢氧离子在两个隔室之间的流动。备选地，容器可以由单独的子容器组成，一个子容器包括第一隔室，并且另一个子容器包括第二隔室。子容器被配置为使得离子能够借助前面提及的离子连通结构在第一隔室与第二隔室之间流动。离子的这种流动例如可以借助如在电化学中已知的且将子容器连接和/或将第一和第二隔室连接的盐桥来实现。在另一备选方案中，子容器被配置为各自提供具有另一电极的独立电解池，用于独立电解。这使得能够利用不同类型的电解质来生成捕获流体和重组流体。
电解设备可以具有如在电化学中已知的对照电极。如果电解质包括作为主要溶剂的水，则该对照电极可以是标准甘汞电极甚至可以是铂氢电极。
为了促进装置的闭环操作，装置包括：再生流体入口，再生流体入口流体地连接到生成设备；以及再生流体出口，再生流体出口流体地连接到再生设备且流体地连接到再生流体入口。这提供了独立的操作装置。
装置还包括控制器，控制器电耦合到第一电极和第二电极，其中，控制器适于生成控制信号，控制信号具有足以分别在第一电极和第二电极处生成水电解的最小值，并且控制信号可变，以分别控制第一电极和第二电极处的所述水电解的速率。以该方式，提供了可以使用适应于外部条件(例如，待从有限空间提取的目标气体的变化浓度)的操作参数(例如，流体流量和流体pH)来操作的装置。因为装置可以控制从基底(装置被提供有基底，例如，气态输入流)提取多少目标气体，所以这使得装置特别适于小规模应用。换言之，装置能够控制目标气体中的多少保留在基底中，这例如在以下情况下特别重要：从暴露于例如有限空间内的目标气体的人的健康角度来看，尝试保证诸如CO2的目标气体的浓度保持在最佳极限内，或者从过程控制角度(例如，在园艺设置中控制目标气体的水平时)来看，尝试保证诸如CO2的目标气体的浓度保持在最佳极限内。注意，这清楚地区分了装置与工业规模设置，在工业规模设置中，因为这种工业规模设置的目的是使这种目标气体的去除最大化，所以通常不期望维持流出物(例如，被排出的烟气)中目标气体的残留水平。
在一个实施例中，装置被配置为生成每小时1升至10,000升(优选地为每小时10升至1,000升)的捕获流体和/或重组流体的流量。已经发现，这样的流动速率使得装置特别适于小规模应用领域，但应理解，这些流体的流动速率可能不是由装置的控制器控制的唯一相关参数；这样的参数例如可以结合由装置生成的相应流体的pH来控制和/或可以响应于指示例如从基底(例如，有限空间内一定体积的空气)提取的目标气体的水平的传感器读数来控制。
装置的交换设备可以具有用于向交换设备提供基底的基底入口。交换设备还可以具有基底出口，用于放出至少部分地已与捕获流体接触的基底。基底入口和出口可以分别为气体入口和气体出口。交换设备可以将逆流原理用于增加目标气体捕获或释放的量。例如，交换设备可以为逆流池，逆流池被布置为以与捕获流体的流动方向相对的流动方向(即，基底流的入口与捕获流体的入口相对)来馈送基底流(例如，气体流)通过捕获流体。为此，交换设备包括第一端部处用于接收基底流的基底入口；以及第二端部处用于释放经净化的基底流的基底出口。
装置可以包括一个或多个泵和/或阀，以直接和/或间接控制以下项中的一个或多个的流动速率：捕获流体、重组流体、交换流体、再生流体以及基底。优选地，一个或多个泵和/或阀由控制器控制。流量控制可以为直接或间接的。在直接流量控制中，阀或泵与其控制的流直接接触，而在间接控制中，流借助另一个流的控制和这样的流到另一个流的传递(例如，通过流体静力学(压力))来控制。该间接控制可以包括使用闭合的流体连接，用于维持贯穿装置的流体流动管道的压力。
如在具体实施方式章节中更详细描述的，装置中流体的一个或多个的流量的控制给出对装置的目标气体捕获能力的控制。
优选的装置可以包括泵和/或阀之一，以直接控制捕获流体的流动速率和直接控制重组流体的流动速率；或包括泵和/或阀，以直接控制再生流体的流动速率。
优选的装置包括用于捕获流体的流量控制的一个泵和/或阀，以及用于重组流体的流量控制的一个泵和/或阀。捕获流体控制泵例如可以位于生成设备与交换设备之间，而重组流体控制泵可以位于生成设备与再生设备之间。该设置使得能够独立控制设备中的补充的(待重组的)流体流。因此，可以执行再生流体的pH控制。
备选地，可以仅存在用于再生流体的流量控制的一个或多个泵。因为再生设备的该再生流体流出物将指示交换流体流和重组流体流一起流入，所以一个泵可以足以管理设备的流量控制。作为这一点的进一步改进的实施例，可以在重组流体流和捕获流体流或交换流体流中的一个或两个中存在可控阀。凭借这些设置，可以在仅具有一个泵的同时独立调节流体流量或流动速率。再生流体流中的泵或阀具有以下优点：由于与其他流体流(更酸或更碱)中的任何一个相比具有更温和的化学条件，所以其不易受化学磨损的影响。可以采用更便宜或其他的泵或阀。
交换设备和/或再生设备可以包括搅拌设备，用于交换设备中的暴露和/或再生设备中的接触的主动激励。优选地，搅拌设备由控制器控制。由此，主动搅拌可以提高从基底捕获目标气体的效率和/或从交换流体释放目标气体的效率。主动搅拌还可以提供如下文描述的控制装置的目标气体捕获和释放的效率的方式。
装置可以包括至少一个传感器，用于感测以下感测参数中的一个或多个：以下项中任一个的酸度：一个或多个电解质、捕获流体、重组流体、交换流体以及再生流体；以下项中任一个的流动速率：一个或多个电解质、捕获流体、重组流体、交换流体、再生流体以及基底；基底中在与捕获流体接触之前的目标气体和/或已与捕获流体接触的基底部分中的目标气体的存在或浓度。优选地，控制器响应于至少一个传感器。
优选地，装置包括至少一个目标气体传感器，用于感测进入装置之前基底中目标气体的浓度或含量。传感器可以被遥远地置于其中具有基底的空间中，或者可以位于装置的基底入口附近。该传感器可以用于为装置的控制提供反馈，以提供对所感测的目标气体水平的控制。优选地，装置在基底出口处还具有目标气体传感器。由输入传感器和输出传感器测量的目标气体含量的差指示目标气体捕获的能力。传感器读出或信号提供装置关于目标气体捕获能力或装置功率的设置的指示。基于这种传感器读出或信号，可以如下文中描述的手动或自动地改变装置控制参数设置。
优选的装置可以包括：
-用于感测捕获流体的流动速率的传感器和/或用于感测重组流体的流动速率的传感器；或用于感测再生流体的流动速率的传感器；和
-用于在与捕获流体接触之前感测基底中的目标气体的存在或浓度的传感器、用于感测浓度的传感器，或用于感测捕获流体的pH的、可选地利用用于感测重组流体的pH的传感器来完成的传感器。
利用这些传感器配置，可以获得关于装置的目标气体捕获能力良好反馈，该反馈可以由控制器使用来适应装置的操作，以将目标气体的水平(例如，在有限空间内)维持在可接受范围内。
由此，装置可以包括控制器，用于控制以下控制参数中的一个或多个：向用于电解的电极提供的电压和/或电流；用于电解的电极的机械配置；如上文定义的一个或多个阀或泵的操作：如上文定义的一个或多个搅拌设备的操作。由此，控制器优选地适于至少借助交换设备来调节电解速率和捕获流体的流动速率，并且可选地适于借助交换设备来调节基底流的流动速率。
优选地，控制器被配置为控制向用于电解的电极提供的电压和/或电流以及如上文定义的一个或多个阀和/或泵的操作。
装置还可以包括目标气体传感器和耦合到用于电解的电极的控制器，所述控制器响应于所述目标气体传感器。这种系统例如可以用于通过利用传感器感测目标气体水平并根据所感测的目标气体水平(浓度)操作装置来控制有限空间中的目标气体水平，从而提供能够将这样的有限空间中的目标气体水平维持在期望的(例如，健康的)所需水平的系统。例如可以通过调节如上文所描述的控制参数中的至少一个来控制目标气体水平。
装置的控制器优选地被配置用于接收如上文所定义的、用于感测一个或多个传感器中一个或多个感测参数的一个或多个信号。优选地，控制器用于控制如上文所定义的控制参数(以任何组合)，并且用于接收传感器中如前文所定义的传感器信号(以任何组合)。
优选地，控制器可以被配置为基于所接收的传感器信号中的一个或多个，允许自动调整控制参数。该装置允许随时间而进行自动化调整/稳定，以维持基底中目标气体水平或装置的目标气体捕获能力的预定设置。
控制器可以包括或连接到任何形式(例如，软件(参见下文)或其他)的用户接口。用户接口允许用户检查传感器值或从其导出的装置参数和/或设置控制参数或从其导出的装置参数。装置参数例如可以是：装置目标气体捕获能力或功率、目标气体递送能力或功率、甚至在有限空间中待维持的目标气体水平。
由此，装置可以是或可以用作用于关于目标气体的水平控制有限空间中的气体环境的装置。可以存在由于由其他原因引起的消耗而需要增加目标气体或由于目标气体的连续产生而需要提取目标气体的空间。
装置可以是或可以用作目标气体生成装置。然后，合适的装置是根据前述权利要求中任一项所述的装置，该装置包括目标气体出口，用于作为再生设备中接触的结果而从交换流体释放的任何被捕获的目标气体的流出，其中，目标气体出口可以耦合到目标气体存储槽。该装置可以提供目标气体的中间存储或目标气体的分批输送生产。这种装置促进目标气体在期望时间点和位置处的重新使用，例如以将目标用作反应物来生产价值增加的产品，或者以利用目标气体来丰富例如用于其他消耗性用途的另外的气体流。槽可以可去除地耦合。还在下文的方法权利要求的支持中提供优点。在目标气体出口与存储槽之间可以存在加压系统，以适应增大压力(即，高于大气压力)下的存储。
还可以在携带另一气体的另外器皿或隔室中存在用于其他目的(例如，释放)的目标气体出口的同时耦合槽。
装置可以是或可以用作气体丰富系统。丰富系统适于利用从装置释放的目标气体来丰富另外的气体流。这样的系统可以有利地用于例如诸如园艺的植物生长，以利用二氧化碳或其他气体丰富生长环境，从而激励生长环境中植物的生长。目标气体丰富系统可以适于借助再生设备馈送另外的气体流。这免除系统中对附加级的需要，从而降低其复杂度。丰富系统还可以使用如上文中所描述且定义的、但位于气体出口与用于利用目标气体丰富另外的气体流的另外的气体流隔室之间的目标气体存储槽。这促进在期望时间点利用目标气体周期性地丰富另外的气体流(例如，另外空气流)。
装置还可以是或可以用作基底净化系统。由此，装置可以用于通过从这种基底捕获目标气体来净化基底。由此，装置可以用于关于目标气体净化有限空间中的基底(例如，诸如空气的气态大气)。有限空间可以是建筑物(诸如例如，工厂、办公室、家庭、动物畜舍以及其他)的一部分(房间)。有限空间还可以是任何运输设备(例如，船、飞机或车辆)的一部分(舱)。装置然后被用于从这种有限空间中的基底捕获气体，并将其排出到另一个空间中。这可以在连续生成目标气体的情况下，将目标气体水平保持在所需的水平。一个示例可以是由诸如人或动物的生物生成的二氧化碳。太高的水平可能引起在本发明的背景技术章节中描述的不利影响。相反，运输设备舱中二氧化碳水平的控制可以提高船长、飞行员或驾驶员的警觉，由此提高交通安全。
本发明还提供了包括根据前述权利要求中任一项所述的装置的系统，并且该系统还包括目标气体出口和有限空间，其中，基底入口流体地连接到有限空间，并且目标气体出口流体地连接到与有限空间不同的至少另一空间。有限空间然后可以是建筑物(诸如例如，工厂、办公室、家庭、动物畜舍以及其他)的一部分(房间)。有限空间还可以是任何运输设备(例如，船、飞机或车辆)的一部分(舱)。
备选地，提供了包括根据前述权利要求中任一项所述的装置系统，并且该系统还包括目标气体出口和有限空间，其中，目标气体出口流体地连接到有限空间，并且基底入口流体地连接到与有限空间不同的至少另一空间。有限空间可以是建筑物(诸如例如，工厂、温室或园艺)的一部分(房间)。
如果目标气体是二氧化碳，则该系统对于诸如例如用于生长环境中植物的生长而需要大气中升高的二氧化碳浓度的任何处理是有利的。
本发明还提供了用于从基底捕获目标气体的方法。该方法至少具有如上文对于装置所描述的优点。
方法包括：利用接触步骤，生成再生流体；方法还包括另外的步骤：至少部分地利用再生流体重复所述生成步骤。
方法包括：电解质包括优选地为水的形式的H2O，并且生成包括电解H2O(水)的至少一部分，用于生成捕获流体和/或重组流体，并且其中，电解质包括各自至少具有以下功能中的一个或多个的一个或多个附加物质：降低电解质和/或捕获流体和/或重组流体的冰点；和增大电解质的电导率。这些附加物质是电解惰性的，即，在执行电解半反应的电极处不分解成潜在有害的物质。
本发明的方法可以包括：一个或多个附加物质由至少一种盐构成或包括至少一种盐。液体电解质中的至少一种盐的总浓度优选地在1mM至15M之间。该总浓度可以>5mM、>10mM、>100mM、>0.5M、>1M、>2M、>3M、>5M、>7M、>10M。可以使用电解质溶剂中的盐的饱和浓度。因为不是所有的盐将在所有溶剂中溶解，所以盐的选择可以取决于电解质的溶剂。此外，盐优选地被选择为使得在捕获目标气体之后产生的任何化合物仍可溶解在交换流体中。优选地，至少一种盐可以从包括周期元素表IA族、IIA族、IB族以及IIB族的离子与卤化物、硫酸盐、硝酸盐或磷酸盐离子的组或由其构成的组中选择。优选的是，诸如例如特定锂盐、钠盐以及钾盐中的碱金属盐。优选地使用硫酸盐和硝酸盐。该组包括例如LiNO3、Li2SO4、NaNO3、Na2SO4、KNO3、K2SO4等。Zn和Ag盐(例如，ZnSO4、AgNO3)也将起作用。锂盐在具有除了水之外的其他溶剂的电解质中可以具有更高的溶解度。
优选地，附加的物质因此不包括从氟化物、氯化物以及溴化物的组中选择的任何盐或由其组成的任何盐。
方法可以包括：基底从有限空间收集，并且被捕获的目标气体被释放到与有限空间不同的另一空间中，或者基底从另一空间捕获，并且被捕获的目标气体被释放到与另一空间不同的有限空间中。这样，目标气体可以从有限空间去除或可以被提供给有限空间。换言之，目标气体水平在有限空间中可以被调节。有限空间选择可以用于需要从有限空间去除一个或多个目标气体的水平的气体环境控制，而另一空间选择可以用于需要向有限空间给予目标气体的气体环境控制。另一空间可以是另外的有限空间。虽然有限空间可以是目标气体大量可用且需要被提取的空间，但另外的有限空间可以是存在对目标气体的需要的空间。由此，有限空间可以是人或动物的生存空间，而另外的有限空间可以是温室或用于生长植物的空间。该设置可以提供被捕获形式的目标气体的输运。
由此，方法可以是基底净化系统，诸如例如，用于对有限空间(例如，运输设备(飞机、船、车辆)、工厂空间、办公空间、畜舍或家庭住宅等)中目标气体水平的改进控制的空气净化系统。这可以保证该有限空间内的人或动物不暴露于太高或潜在危险水平的目标气体。二氧化碳可以是这样的目标气体。另一空间可以是开放空间(例如，诸如户外的室外空间)。
备选地，有限空间可以是需要提高目标气体的水平的空间，这需要将被捕获的目标气体释放到有限空间中。该方法具有以下优点：可以利用目标气体来丰富有限空间内的大气。例如，有限空间可以是需要调节或提高二氧化碳水平来调节或激励植物生长的温室。
用于调节有限空间的目标气体水平的方法还可以包括：将目标气体从交换流体释放到另外的气体流中；以及将另外的气体流释放到有限空间或另外的空间中。另外的气体流例如可以是有限空间内的空气流。如果另一空间是另外的有限空间，则该变体可以提供另一气体流形式的被捕获的气体从一个空间到另一空间的输运。
方法还可以包括：在从交换流体释放之后且在将目标气体释放在有限空间或另一空间中之前，临时存储目标气体。这例如促进目标气体用作价值增加的产品(例如，诸如甲醇的基于碳的燃料)合成中的原始材料，或者促进目标气体周期性地释放到前面提及的有限空间中，例如以使用目标气体瓶来激励或调节第二有限空间内的植物生长过程。
优选地，目标气体是二氧化碳，因为然后当作为基底的空气中，目标气体是二氧化碳时，是有用的。
本发明提供了包括计算机代码的计算机程序产品，计算机代码存储在计算机可读介质上或从通信网络可下载，该代码在计算机上运行时，控制装置和/或装置的控制器，和/或控制本发明的方法中的任一个的步骤的执行。
用于控制装置以执行本发明的方法步骤的装置部件中的任一个的自动化可以使用计算机程序来实现。这些程序可以存储在诸如例如以下类型的内部和外部微处理器存储器的计算机可读介质上：RAM、ROM、FLASH、SD、磁盘或光盘或其他，或者这些程序可以借助有线连接或使用wifi或近场或其他的标准协议的无线连接从通信网络(例如，LAN、WLAN、3G、4G或其他)下载。
计算机程序可以包括接口，用于允许输入或设置用于控制前文或下文描述的所有控制参数的参数(诸如例如，在有限空间中维持的目标气体水平、目标气体捕获速率、目标气体捕获类型、装置中一个或多个流体的pH水平、或装置或方法中流体的一个或多个流动速率)。计算机程序可以部分地或整体地是便携式设备(参见下文)上的应用程序(app)的形式。
微处理器可以是基于标准半导体IC的计算机。微处理器可以专用于装置计算机或可以是承载计算机程序产品的至少一部分的便携式设备(例如，智能电话、平板电脑等)。这允许装置的远程且可能的无线控制。
优选地，本发明用于捕获以下气体中的任一种：二氧化碳(CO2)、SOx以及NOx。基底然后优选地是我们的大气(例如，空气)。这些目标气体在我们的大气中丰富，并且经常需要被去除(防止目标气体太高浓度的存在的不利影响的气体环境控制)或需要被增加(在二氧化碳的情况下激励植物的生长)。在这些情况下，捕获流体是碱性的，并且重组流体是酸性的。然后，电解质优选地是添加剂的水溶液，其中，添加剂至少包括一种或多种盐。优选地，这种盐通常不包括含有盐的氯化物或卤化物盐。然后，水被电解成水合氢离子和氢氧离子。然而，注意，用于提供这种碱性和酸性流体的其他电解池可以与本发明一起使用。
附图说明
参考不是等比例的示意附图和曲线图来更详细地描述本发明，其中：
图1描绘了包括目标气体捕获设备的空气净化系统；
图2描绘了包括目标气体捕获设备的目标气体捕获系统；
图3描绘了包括目标气体捕获设备的目标气体丰富系统；
图4是描绘了由若干人占用的办公空间中，CO2目标气体水平随时间发展的曲线图；
图5描绘了空气净化系统在住宅中的使用；
图6描绘了空气净化系统在住宅中的使用；
图7是描绘了在空调机组可操作的车舱中，CO2水平随时间发展的曲线图；
图8描绘了包括空气净化系统的车辆，空气净化系统包括CO2捕获设备；
图9描绘了园艺设置中的CO2丰富系统的使用；
图10描绘了园艺设置中的CO2丰富系统的使用；
图11是目标气体捕获方法的流程图；
图12是目标气体捕获方法的流程图；
图13是目标气体捕获方法的流程图；
图14是描绘了捕获设备降低CO2水平的能力的曲线图；以及
图15是描绘了根据用于一个示例捕获设备所施加的电压的CO2捕获能力的曲线图。
具体实施方式
下文更详细且用非限制性示例的方式描述本发明。贯穿附图，相同的附图标记用于指示相同或类似的部分。
在本发明的上下文内，以下术语具有如下面给出的含义。
术语“电解质”意指含有能够被电解生成用于捕获流体和/或重组流体中的水合氢离子和/或氢氧离子的H20的任何(化学)组成(不论固态、液态或气态，且不论是纯单一化合物的形式还是化合物混合物的形式)。化合物的混合物可以是具有附加物质的一种主要化合物。
优选地，电解质是液体电解质，使得其可以在电解之后方便地充当捕获流体和/或再生流体。电解质或液体电解质包括作为待被电解以生成水合氢离子和/或氢氧离子的成分的水或由水组成。
如果电解质是液体电解质，那么其优选地包括作为主要溶剂甚至作为唯一溶剂的水。液体电解质优选地包括按体积计至少30％的水、或者按体积计至少50％的水或按体积计至少90％的水。液体电解质可以仅包括作为液体的水。
术语“附加的物质”意指包括诸如盐和分子(有机或混合的有机-无机)的化学物质。除此之外，这些物质可以具有以下功能中的一个或多个：提高电解质的电导率(或离子导电率)；将用于本发明中的液体电解质或其他流体(例如，防冻盐或防冻液体)的冰点降低至实践本发明的温度以下；抑制水从电解质蒸发；向捕获流体和/或重组流体中由电解生成的水合氢离子或氢氧离子提供反荷离子。
在向液体电解质添加这些化学实体的情况下，这些化学实体优选地是电解惰性的。电解惰性在这里意指实体在用于设备盐内的电解条件下是稳定的，和/或不与基底(例如，要由设备捕获的目标气体)反应和/或不与基底(例如，目标气体)和液体电解质反应之后产生的反应产物反应。如果基底包括CO2，并且目标气体是CO2，则这种反应产物例如可以是作为CO2与捕获流体中的OH-之间的反应结果的碳酸盐或碳酸氢盐阴离子(参见下文)。
根据本发明的各种装置、设备和/或系统可以或可以不包括水和/或液体电解质(一个或多个)。如果不包括这些中的任何一个，则可以在装置、设备和/或系统的操作之前和/或期间添加水和/或液体电解质。可以利用如一套部件中的设备或系统来提供水和/或液体电解质。本发明的设备或系统可以包括描述要以什么方式、使用什么电解质、溶剂和/或附加的物质、以及哪里获得它们的手册。
术语“基底”意指要从其捕获一种或多种目标气体的任何固态、液态或气态材料样本。本发明特别地可以在基底是包括例如气体混合物的气态基底情况下良好地工作。基底的一个示例可以是空气，例如二氧化碳作为目标气体。基底不必必须含有使本发明具有其有利效果的目标气体。基底可以以任何合适的方式来处理，例如，基底可以以固体、液体、气体、或液体或气体流的形式呈献给捕获流体。
术语“目标气体”意指要由本发明的装置或方法捕获的任何气态种类。在特定时间，在目标气体中可以存在多于一种目标气体。目标气体可以存在于混合物、分散质和/或溶液中的液态、固态或气态形式的基底中。
术语“气体”意指包括普通热力学情况(1大气压和20摄氏温度)下的任何气体或气体混合物，例如，含有要从其中被去除的成分的烟气或大气(例如，空气)。这种成分通常是CO2，但还可以是另一种成分，例如，SOx、NOx和/或可以与氢氧离子或水合氢离子反应的诸如NH3的其他气体。
术语“流体地耦合”意指装置、设备或系统的两个实体被连接为使得诸如液体或气体的流体可以从一个实体流到另一个实体。这可以使用任何合适的流体管道(例如，借助开口、软管、管子等的直接连接)来实现，流体管道可以由任何合适的材料(例如，金属、金属合金、刚性或柔性的聚合物材料等)制成。
术语“酸性的”意指具有可用的过量水合氢离子。在水流体中，“酸性的”意指具有pH<7。类似地，术语“碱性的”意指具有可用的过量氢氧离子。在水流体中，“碱性的”意指具有pH>7。术语酸度意指取决于水合氢离子的实际浓度的酸性(或碱性)程度。因此，酸度是可以用于指示酸性情况(pH<7)、中性情况(pH＝7)以及碱性情况(pH>7)的术语。
主动搅拌可以是增强交换设备中的暴露或再生设备中的接触的任何外部动作驱动方式。其例如可以是：使用任何种类的机械、电、磁或其他类型或材料的部件进行的搅动、混合、摇动、离心、泵送。
有毒物质是可能损伤整个有机体的物质，其中，有机体可以是动物、细菌或植物或这样的有机体的子结构(例如，细胞或器官)。更具体地，有毒物质是关于霍奇(Hodge)和斯特勒(Sterner)衡量标准，具有毒性评级4或更小(优选地具有毒性评级3或更小)的物质。
图1描绘了气体净化系统100。图1中的箭头指示操作时各种流体流在系统100中的预期方向。系统100包括用于捕获基底的目标气体的装置。装置进而包括：生成设备110，具有用于将电解质中的水电解的电解设备；交换设备120和再生设备130，交换设备120和再生设备130这两者均如下面所说明的流体耦合到彼此且流体耦合到生成设备。设备120和130可以被制成装置的隔室的形式。在这种情况下，连接可以仅仅是隔室之间具有或不具有阀的开口。然而，在图1的示例中，设备120和130利用管流体地连接。
电解设备包括：第一隔室111，第一隔室111包括第一电极113；以及第二隔室112，第二隔室112包括第二电极114，并且电解设备还被配置用于使用电极将存在于第一和第二隔室中的电解质的水电解。由此，装置被配置为使得在电解期间且由于电解，可以在第一隔室111中形成捕获流体，并且可以在第二隔室112中形成与捕获流体不同的重组流体。第一电极113和第二电极114可以使用任何合适的电极材料来实现，但优选地使用包括铂、金、碳或由铂、金、碳组成的惰性电极来实现。在这种情况下，电极由铂制成。如下文描述的，可以使用其他电极。
第一隔室111和第二隔室112借助离子连通结构(例如，借助离子选择膜或盐桥)来与彼此离子连通，离子连通结构基本上不可渗透水合氢离子和氢氧离子。以该方式，可以抑制由相应隔室中水电解生成的水合氢离子和氢氧离子的重组，由此维持这样的离子在第一隔室111中生成的捕获流体中和在第二隔室112中生成的重组流体中的足够浓度，该流体具有用途且在下文将更详细地说明。这例如促进生成适于用于家庭和小商业环境中的、特别安全且紧凑的装置，该装置可以在不需要例如引起潜在有害的反应产物(例如，氯气)的形成的、除了水之外的种类的电解的情况下，捕获相对适量的目标气体(例如，CO2)。
为了说明装置可以如何工作，描述了以下示例，其中：目标气体是CO2，电解质是包括盐的水溶液的液体电解质，并且基底是包括CO2的气态基底(诸如例如，空气)。然而，注意，在不损失本发明的优点的情况下，借助图1的设备，可以如下文描述的使用可选地加载有各种电解惰性添加剂/盐的、包括H2O的不同电解质来从众多不同基底捕获其他气体。
因为目标气体在这种情况下是溶解在碱水或碱性水中的CO2，所以在电解期间，第一电极113被布置为阴极，并且第二电极114被布置为阳极。这样，捕获流体将是碱性的，且由此能够根据下文进一步描述的化学性质在交换设备中溶解或吸收CO2。此外，重组流体则将为酸性的。
在电极处，以下的半反应将在设备110中的水的电解时发生：
第二电极(阳极)反应(水的氧化)：
2H2O(l)→O2(g)+4H+(aq)+4e-(E0 red＝+1.23V@pH＝0) (1)
第一电极(阴极)反应(水的还原)：
2H2O(l)+2e-→H2(g)+2OH-(aq)(E0 red＝-0.83V@pH＝14) (2)
由此，水电解由于增加的OH-离子浓度而在第一隔室111中产生具有相对高pH(即，高于7)的捕获流体。由于过量的OH-离子，从具有捕获流体的该隔室111取得/排出的捕获流体是碱性的。过量的OH-离子由事先添加到电解质的盐的阳离子平衡。同时，水电解由于H3O+离子(如果电解质是无水的，则是H+)的形成而在第二隔室112中产生相对低pH(即，低于7)的重组流体。由于过量的H3O+离子，从具有重组流体的该隔室112取得/排出的重组流体是酸性的。这些离子由事先添加到电解质的盐的阴离子平衡。
在水电解中生成的氢气和氧气可以从设备110捕获或排放。所捕获的氢气例如可以用作用于燃料池的燃料，其中，燃料池的反应产物(即，水)可以被馈送回设备100。氢气和/或氧气的一部分可以在不引起任何(健康或其他)麻烦的情况下在设备中循环。
在图1的示例中，为了防止所生成的水合氢离子和氢氧离子的大规模的重组，但维持捕获流体与重组流体之间的电耦合(例如，电势)以保持电解开始，电解设备110还包括作为分离第一隔室111与第二隔室112的离子连通结构的一个实施例的离子选择膜或隔膜115。由此，膜或隔膜115提供减少的离子通道。优选地，膜或隔膜115提供水合氢离子和/或氢氧离子的减少的甚至可忽略的通道，但对于诸如所添加的盐中的一种或多种的阳离子和阴离子的其他离子可渗透。例如，可以使用离子特定的膜(例如，如由Pall公司销售的Mustang Q阴离子交换膜)。因为这种膜或隔膜本身众所周知，所以仅为了简单起见，将不进一步详细说明。注意，降低水合氢离子和氢氧离子重组率的任何合适的膜或隔膜115可以用于该目的。
作为膜隔室分离的备选方案，第一隔室111和第二隔室112可以(如利用两个单独的含电解质的器皿)物理地分离，但也可以借助盐桥形式的离子连通结构电互连，如果在盐桥的盐消耗时需要允许周期性地更换盐桥，则该电桥可以以可更换的方式安装。
在上述池的另一变体中，第一隔室和第二隔室可以根本不分离，或者仅通过膜或仅通过壁而彼此部分地分离。只要电解设备被配置为或操作为在没有完成所生成的H3O+离子和OH-离子的重组的情况下，使得水能够电解，从而使得从设备取得/排出的捕获流体和重组流体仍然为碱性和酸性的，则电解设备将用于本发明。
在图1的示例中，第一隔室111形成第一闭环的一部分，第一闭环还包括交换设备120和再生设备130，而第一隔室111形成第二闭环的一部分，第二闭环还包括再生设备130，但不包括交换设备120。
交换设备120被布置为从第一隔室111接收捕获流体，以使捕获流体与基底接触(即，以使捕获流体暴露于基底)。
在示例中，目标气体是被含在具有气态性质的基底(例如，空气)中的CO2。在将该基底与碱性捕获流体(即，包括氢氧离子(pH<7))接触时，以下反应可以在交换设备120中发生：
由此，CO2随着其溶解在捕获流体中而在基底(空气)与捕获流体之间交换，在CO2溶解在捕获流体中之后，CO2被转换成碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子。由此，接触步骤导致捕获流体变成可以包含任何被捕获的目标气体(在该情况下为CO2)的交换流体。
为了向交换设备输运捕获流体，第一隔室包括捕获流体出口116，并且交换设备120包括流体地连接到出口116的捕获流体入口121。
捕获流体入口121通常与交换流体出口122流体连接，使得可以借助交换设备120将捕获流体从入口121馈送到出口122。
在该示例中，交换设备120还包括用于将基底引入到交换设备中的基底入口123。虽然在这种情况下，基底入口是用于将气体流125馈送到交换设备的气体入口，但通常，基底入口的类型将取决于要进入到交换设备中的基底的性质。基底入口123在该示例中与交换设备的基底出口124流体连接，使得基底在接触交换设备中的捕获流体的同时，借助交换设备120来馈送基底。作为一个备选方案，在交换设备处不存在另外的出口124，并且基底借助交换流体出口122随着捕获流体离开交换设备。基底的去除可以在装置的一些其他位置处执行。
在图1的示例中，进入交换设备的基底的剩余部分借助另外的出口124离开交换设备，作为可以关于目标气体至少部分地被净化的气体流125’。在这种情况下，关于其CO2含量来净化基底。
在交换设备120内，捕获流体与基底之间的接触可以以任何合适的方式来建立。在这种情况下，基底气体被馈送(例如，起泡)通过捕获气体。然而，可以采用其他方法。这些方法可以使用搅动(使用用于增强捕获流体与基底之间的接触的合适的搅动设备)等形式的搅拌。备选地，交换设备120可以包括具有较高表面积的构件(例如：诸如小珠(例如，玻璃珠或其他材料珠)等的小颗粒、多孔材料、布等形式的一种或多种材料)，其中捕获流体被馈送通过所述构件，并且使气体与所述构件接触。
捕获流体入口121可以被布置在交换设备120的第一端部处，而基底入口123可以被布置在交换设备120的第二(例如，相对)端部处，以实现用于提高的交换效率的逆流反应器。
在又一备选方案中，例如可以通过将捕获流体喷射到交换设备120中来将捕获流体喷洒在交换设备120中，以增大捕获流体与气体之间的接触表面积。
用于实现交换设备120内的捕获流体和基底的良好接触的其他合适的解决方案对技术人员是显而易见的。
可以通过设计(例如，重力和/或空气压力)来防止捕获流体借助基底入口和出口逸出，但可以使用附加的预防措施。
虽然未显示，但在一个备选示例中，交换设备120可以被分成由可透过气体的膜分离的两个子隔室，以避免捕获流体借助入口123和出口124中的一个从交换设备120逸出。备选地，入口123和出口124可以为了该目的而安装有可透过气体的膜或疏水膜。这种可透过气体的膜可以具有可以控制被净化气体流125’的湿度的附加的优点。这种膜的存在防止被喷洒或蒸发的流体通过设备随气体流从交换设备120逸出。同样，由例如这种膜分离两个流允许基底流可以是被防止与捕获流体混合的液体流，但允许基底中实际目标气体的交换。在基底流包括不必与捕获流体混合的材料(诸如例如，除了水之外的溶剂)时或在必须防止捕获流体损失水或其他成分时，这可以是有利的。
用于防止捕获流体借助入口123和出口124中的一个从交换设备120逸出的其他措施对技术人员是显而易见的。
在交换设备120中建立的气体捕获流体界面还可以通过使用捕获流体(在图1的情况下这将是水)从气体流125捕获颗粒或其他污染物来充当净化过滤器，作为过滤材料。备选地，基于水的过滤功能可以被并入在交换设备120的前面，使得消费者能够容易地更换用于过滤的水。
在图1的示例中，交换流体出口122流体地连接到再生设备130的交换流体入口131，使得再生设备130可以接收可能具有被捕获的目标气体的交换流体。由此，在具有包括CO2的气态基底的示例中，所接收的捕获流体可以包含例如所溶解的CO2、碳酸氢盐离子以及碳酸盐离子。再生设备130还包括重组流体入口132，重组流体入口132流体地连接到设备110的第二隔室112的重组流体出口117，用于从第二隔室112接收重组流体(在这种情况下为酸性，即，具有pH<7)。
再生设备130被布置为使得从交换设备120接收的交换流体与从第二隔室112接收的重组流体接触。这是为了引起并允许以下项中的一个或多个：借助交换流体的碳酸氢盐离子和/或碳酸盐离子与水合氢离子或重组流体的反应，释放由交换流体捕获的任何CO2的至少一部分；通过重组捕获流体的氢氧离子与重组流体的水合氢离子，重新生成被电解的水的一部分；以及通过重组交换流体的阳离子与再生流体的阴离子，重新生成被添加到电解质的盐。
再生设备中的接触可以通过允许交换流体与重组流体混合的构造来促进。该示例中的设备130包括用于主动混合、搅动或摇动的搅拌布置。作为这一点的备选或与这一点组合，接触还可以利用如对于交换设备所描述的逆流布置来完成，该交换设备具有用于在例如再生设备130的相对端部处首先交换流体和重组流体的入口。可以使用任何合适的混合布置(包括具有诸如用于增强接触的小珠(如针对交换设备所描述的)的被动元件的混合布置)。
所释放的目标气体(在该示例中为CO2)可以从装置或再生设备130排放或收集。这可以借助目标气体出口133来进行，如下面将更详细说明的，在目标气体出口133处，例如可以收集所释放的气体用于另外的用途。
在图1的示例中，被组合的交换流体和重组流体的一部分或整体被馈送回到生成设备(并且特别地被馈送回到电解设备110)，用于重新开始。这可以以任何合适的方式来进行。在图1中，通过流体地连接再生设备130的再生流体出口134与电解设备110的再生流体入口来允许该反馈。因为在该示例中，电解设备具有分离的隔室，所以再生流体被划分到第一隔室111的入口118和第二隔室112的另外的入口119。如果第一隔室和第二隔室如上文所描述的彼此流体接触，则作为定义电解设备的备选方式的这种划分可以不是必须的。
利用如上所述的构造，图1中的装置采用闭环流操作原理。原理包括各自起源于设备110且终止于设备110处的两个部分环路。第一部分环路从第一隔室111延伸通过交换设备120和再生设备，再次到达设备110处。第一部分环路是包括用于捕获目标气体(例如，CO2)的捕获流体和交换流体的流动的环路。第二部分环路从第二隔室112延伸通过再生设备130，再次在设备110处结束。该环路用于向再生设备提供重组流体，以使得释放被捕获的目标气体并重新生成电解质组分。因此，图1的设备可以在不必补充诸如所添加的盐的电解质组分的情况下，以独立步骤或连续的模式操作。在图1的设备中，可能例如由于水通过再生设备130的出口133蒸发而损失一些水，或通过从闭合系统损耗水的任何其他已知方式而损失一些水。可以使用水入口周期性的或连续的补充来补充该水。虽然未具体示出，但这种水入口优选地存在于再生设备与设备100的出口之间。
在可以在非独立步骤或连续模式下操作的一个备选示例中，装置可以是诸如例如水龙头和排出系统的外部电解质/废水/补充环路的一部分。在这种情况下，入口118和118中的一个或多个不连接到出口134，但连接到水源或包括水的液体电解质源。同样，出口134然后连接到液体电解质的排出系统或排水系统。这种连接还可以附加到提供补充水的机会的、如图1中所绘的连接。
为了图示根据本发明(诸如例如图1的本发明)的设备和方法的操作的能力和的重要方面，还可以详细说明CO2捕获的情况。在不想被理论束缚的情况下，可以使用以下考虑来消除操作条件。
由此，从诸如空气的气相基底，CO2气体根据反应等式3(参见上文)溶解在作为盐的水溶液的捕获流体中。流体(主要是水)中CO2的浓度由亨利(Henry)定律来确定；p(CO2)＝kH[CO2(aq)]，其中p(CO2)是部分CO2压力，kH(CO2)＝29.41L*atm/mol(@T＝298K)，并且[CO2(aq)]是水中的浓度。由此，对于p(CO2)～1000ppm@1巴，这导致[CO2(aq)]＝3.410-05mol/L.
被溶解的CO2与水反应，以形成根据以下平衡和相应关联的平衡常数Kh、Ka1以及Ka2部分解离的碳酸：
其中，
从具有[CO2(aq)]＝3.4 10-05mol/L(参见上述内容)的被溶解的CO2继续，且使用HCO3 -到CO3 2-和H3O+(Ka2)的第二解离的上述考虑，忽略存在于纯(半)水中的HCO3 -的最小浓度(处于pH＝6)，并且假定在操作时的装置的整个周期中(由再生设备)从水去除所有CO2，可以对于提供捕获流体的连续流量的设备，在下表中导出用于捕获流体的所需流量的估计。
由此，用于捕获目标气体的能力随着pH近似线性，但在没有上述假定的情况下，不总是需要是这种情况。然而，根据上述内容，为了吸收由1个人生成的所有CO2，近似为需要0.015L/min(0.85L/小时)的pH＝11的连续的水(由此捕获流体)的流量。
在一个实施例中，装置具有控制器140，控制器140电耦合到第一电极113和第二电极114，其中，控制器140适于生成控制信号，控制信号具有足以分别在第一电极113和第二电极114处生成水电解半反应的最小值。控制器140还被配置为改变控制信号的值，以分别控制第一电极113和第二电极114处的水电解速率。以该方式，在一个具体实施例中，装置可以被配置为生成每小时1升至10,000升(优选地为每小时10升至1,000升)的捕获流体和/或再生流体的流量。控制器140可以适于借助装置来控制捕获流体和重组流体的pH以及流体流动速率。控制器140可以独立地或从属地控制pH和流体流动速率，以从具有例如在大约2m3至大约20,000m3范围(更小或更大体积也是可行的)中的体积的闭合空间(即，诸如房间、办公室、会议区域、温室或其他植物生长设施、车辆等的目标闭合空间)捕获诸如CO2的目标气体。
本领域技术人员将能够使用上面使用的参数(诸如例如，这样的气体的相关溶解特性和平衡常数)的相关值来针对其他目标气体(例如，SOx和NOx或例如，NH3)进行类似估计，并且由此针对这些其他目标气体实践本发明。
像图1的装置的本发明的装置优选地被操作为使得捕获流体的pH处于pH＝3与pH＝11之间，并且在极限情况下处于pH＝0与14之间。在不那么严格的pH条件内的设备的操作促进设备的设计，并且允许在提供良好的目标气体能力及其借助pH进行控制的同时，在如下文进一步说明的使用期间，使用不那么严格的参数。因为重要的目标气体的组能够在如上文对于CO2或SOx和NOx阐明的基本条件下溶解，所以优选地，设备被操作为使得捕获流体的pH在7与14之间。
除了设备的绝对标度(固定体积等)之外，因为本发明的方法和设备允许使用上面阐明的气体捕获的化学和物理模型，所以本发明的方法和设备提供其目标气体捕获能力(和释放能力)的有利控制。由此，这种能力除了其他之外取决于捕获流体的pH和流动速率。这种控制鉴于所设想的作为气体环境控制设备的设备(不论是目标气体捕获设备的形式和/或是目标气体提供设备的形式)的应用是有利的。
由此观察到，pH值越极端，捕获流体的流量可以越低，以捕获相同数量/浓度的目标气体。捕获流体中的pH的控制进而取决于设备和/或方法参数的数量。这些参数例如包括电解速率(即，碱或酸的生成速率)以及捕获流体和/或重组流体的流动速率。为了控制的目的，这些参数中的每一个可以单独地或组合地被优化或调节。
由此，图1的设备的控制器140可以能够控制电解速率和/或捕获流体的流动速率。
虽然对于电力供应，装置可以被连接到外部电源(例如，电池)或电网形式的外部标准电力供应网络，但控制器140还被配置用于转换并控制外部电源，例如以向用于电解的第一和第二电极二者之一提供可变的DC电压和/或可变的DC电流(如果这两者均被有效控制，则到电极的功率被可变地控制)。在这种情况下，因为电解利用一个闭合电环路的电极来执行，所以控制器能够借助该环路提供可变的电压差和/或电流。例如可以通过设置和/或调节电极上的DC电压来控制电流。电流的控制与借助发生在相应电极处的氧化还原反应半反应而发生的电解的速率直接相关。
可以通过根据跨越电极施加的电压测量通过电极中二者之一或两者的电流来进行电流的控制。本领域技术人员将了解如何提供能够利用反馈回路等进行电控制(例如，电流和/或电压控制)的控制器。
如上所述，合适的电源可以是设备或控制器的一部分，但还可以外围地存在于设备的使用位置上。设备可以具有电源，该电源可以直接连接到在例如任一特定位置处可用的电网，同时电源可以递送用于电解的DC电流控制。
在图1的设备中，电极是一个和同一电回路的一部分。然而，在备选实施例中，附加的电极可以存在并被电连接为使得电解半反应以解耦合的方式发生。这可能要求电解设备实际上具有两个电解器皿，一个用于氧化，一个用于还原，并且两个电解器皿可以独立于彼此操作。任何类型的参考电极可以用于任何设置中，以定义针对参考的绝对电势。可以如上文关于电解速率所描述的来控制所有这些设置。
控制信号，例如，被施加以操作设备的电压，应足以开始水电解，并且超过该电压仅是为了抵抗电阻而达到特定选择电流的方式。实际上，这意味着所施加的电压应超过1.23V加上由电极表面材料的电化学性质产生的任何过电势。优选地，跨越电极的电压>1.5V、>2V、>3V、>4V、>5V、>7.5V、甚至>10V。
因为用于电解的足够电流是借助捕获流体中达到的pH确定气体捕获能力的参数中的一个，所以该电流对于设备的操作是重要的(参见针对CO2的上述示例)。在情况下需要的电解电流有时可以高达50A。由此，在更大容量的设备中，优选高电流电力供应。例如，关于二氧化碳气体捕获设备，去除1人的二氧化碳(每天1.3千克的二氧化碳)，需要每小时从空气最小恒定去除55克CO2。假定每个电子产生结合到CO2分子的OH-分子，所计算的功率为每人～40W，该功率转换成～33A的电解电流@1.25V的电解电势差。
对于根据本发明的设备中跨越电极的特定电压下的电解可获得的电流可以借助与池的内部电阻有关的若干参数(诸如例如，电极、设备110的设计以及电解质的导电率)来调节或设置。
对于电极的设计，表面积的增大导致池的内部电阻的降低和增大的电流。进一步地，导致第一电极与第二电极之间的距离减小的池的设计将导致减小的内部电阻和增大的电流。电极可以具有固定设计并安装在池中。备选地，可以以可变的形式来提供这些设计中的一个或多个。例如，电极之间的距离可改变，或者接触电解质的电极面积(通过插入电解质或从电解质去除)可改变。这些参数可以被控制器独立地控制和一起控制，以调节电解速率。
可以通过电解质的离子浓度和/或粘度来影响电解质的导电率。增大流体/液体的基于水的电解质中的盐浓度将增大其导电率。如先前所说明的，这种盐通常是电解惰性的。用于本发明的盐浓度可以在1mM至15M之间。优选地，浓度>5mM、>10mM、>100mM、>0.5M、>1M、>2M、>3M、>5M、>7M、>10M。可以使用盐在电解质的溶剂中的饱和浓度。如果电解质主要为水，则一些盐的这样的最大溶解度相当于：NaNO3～900g/l(～10.7M)、Na2SO4～200g/l(～1M)、KNO3～320g/l(3.1M)、K2SO4～120g/l(0.8M)、ZnSO4～550g/l(～3.4M)、AgNO3～2560g/l(～15M)。本领域技术人员将了解如何基于来自文库参考数据(例如，物理和化学常数手册或化学文摘或互联网http://en.wikipedia.org/wiki/Solubility_table)的盐的溶解度或溶度积来选择盐。
优选电解质溶剂中的一种或多种盐的相对高的(总)浓度。这由于电解质中提高的离子电流传导能力而将给出增强的电解。此外，这将增大电解质中反荷离子的量及其针对捕获流体和/或重组流体达到的最大pH。
根据上文描述的方法，为了达到高捕获能力，在低于所述10V的电压下，池的优化结合池电解质中的高盐浓度可能是必要的。
关于用于本发明的液体电解质的组成，可以向电解质添加一种或多种盐，以辅助电流传导。所使用的这种盐在施加于电解设备的电极的电势下稳定。盐在电解质溶剂中必须具有一定溶解度。
在一般的卤化物(氟化物、氯化物、溴化物以及碘化物)中，硝酸盐和硫酸盐满足如许多锂、钠以及钾盐需要的该要求。这样的盐例如是LiNO3、Li2SO4、NaNO3、KNO3、Na2SO4、K2SO4等。Zn和Ag盐(例如，ZnSO4、AgNO3)也将起作用，但银盐将比其他盐更昂贵。锂盐还可溶解在不具有作为主要溶剂的水的电解质中。除了水之外，还可以使用的溶剂可以为极性溶剂，诸如例如，醇(甲醇或乙醇)或二甲基甲酰胺、二甲基亚砜乙腈。
因为含有电解质添加剂(例如，包括其钠盐和钾盐的卤化物盐)的F、Cl以及Br(并且可能有I)在用于装置中时可以形成诸如Cl2的有毒气体，所以不应使用它们。然而，因为碘毒性较小且不是气态，所以它比氯化物的问题少。碘甚至可以将系统消毒来去除经由被净化空气进入装置的任何污染物。其他电解质添加物质例如可以是防冻剂(例如，乙二醇或诸如从由甲醇、乙醇、正丙醇或异丙醇、正丁醇或异丁醇、环己醇构成的组选择的其他醇)。
设备的气体捕获能力部分还取决于从再生设备中的系统去除被捕获的气体的速度，因为该速度确定用于重新开始的捕获的恢复速度。在用碱性或酸性溶液捕获气体之后从碱性或酸性溶液恢复气体通常相当缓慢。例如，与具有速率常数～0.039sec-1的捕获相比，根据上述的逆反应再生CO2气体具有仅～0.23sec-1的速率常数。本发明通过将其他电极处生成的重组流体流重新组合(添加)为电极(其中，利用包含气体的交换流体而生成捕获流体)的重组流体流来有利地使用再生。对于CO2的情况，这意味着酸性液体被添加到包含气体的碱性流。这将至少部分地赶出气体(例如，碳酸)并提高气体的恢复速度。
在一个实施例中，图1的气体净化系统100还包括一个或多个泵，用于借助系统来泵送捕获流体和重组流体。用非限制性示例的方式，显示了在控制器140的控制下的第一泵102和第二泵104。应理解，可以在气体净化系统100的任何合适位置中应用任何合适数量的泵，并且理解，可以以任何合适的方式(例如，由诸如控制器140或气体净化系统100的另一控制器(未示出)的一个或多个控制器)来控制这些泵。例如，气体净化系统100还可以包括用于迫使气体流125进入交换设备130中的泵(未示出)。备选地，外部泵等可以用于该目的。用于泵的优选地点可以在出口134与入口118或119(未示出)之间，因为在该处，流体流近似中性或至少比泵102和104位置处的酸性或碱性更轻。这可以由于这种情况而提供泵的更少磨损或可以使用更便宜的泵。如果泵在入口119和118之前被定位在单独的流体连接中，并且在双向分流之后，这样的流体连接从出口134反向，并且如果第一和第二隔室111和112由例如膜115部分地或优选地彼此分离，则这可以借助泵的独立控制来提供第一流体和重组流体的流动的独立控制。
阀和泵的组合也可以用于上述实施例中。
在一个实施例中，捕获流体和重组流体穿过气体净化系统100的流速可以被调节，以调节气体流125和捕获流体中的目标气体的交换速率。重组流体的流动速率可以被匹配到捕获流体的流动速率，以保证重组设备130中的重组反应的效率。由此，再生流体可以被调节为pH中性。但可以设置其他pH值。这可以取决于要在再生设备中实现的目标气体释放速率。例如，可以调节捕获流体流量和气体流125的流量，以控制目标气体从基底(气体流125)到捕获流体的交换速率。这种流动速率可以以任何合适的方式(例如，使用在一个或多个控制器(例如，控制器140)控制下的泵和/或可调节阀)来控制。
控制和调节设备的捕获能力的其他点是：通过例如由受控搅拌(气体的搅动、喷射或冒泡等)在交换设备中的接触期间增大或减小搅拌来控制和调节目标气体交换的程度。类似的控制可用于再生设备处。如果本发明的设备处于不受这些接触效率限制的操作模式下，则这种控制可以被断开或处于最低水平。在更高的捕获模式下，这种控制可以被接通。
控制器140可以是被配置为控制上面所说明的参数中的任何一个的一个控制器或多个控制器。优选地，控制器至少控制电解的速度和捕获流体的流动速率。优选地，还控制重组流体的流动速率。这意指上面说明的泵中的一个或多个。
在一个实施例中，图1的装置具有气体传感器150，用于感测有限空间或基底入口等中的目标气体的丰度或浓度。由此，在图1中，150是CO2传感器，控制器140响应于气体传感器150的信号。气体传感器150通常与气体流125流体接触，例如，气体传感器可以被置于气体流125中或者备选地被置于被净化的气体流125’中。在一个实施例中，气体流125被布置为借助于单独的管道或室(未显示)被馈送到交换设备120中，其中气体传感器150被布置在该管道或室中。
多个目标气体传感器可以用于定义不同的气体浓度，并且向控制器提供反馈，以调节装置。
装置可以包括一个或多个pH传感器，用于测量至少捕获流体中的pH，但优选地还用于测量重组流体或再生流体中的pH。因为捕获流体的pH与交换设备中的目标气体的捕获速率直接相关，所以感测该捕获流体的pH可以提供用于控制装置的目标气体捕获的良好反馈。其提供用于组合电解速率和来自设备110的捕获流体的提取速率的措施。
交换流体中的附加传感器可以给出关于被捕获的目标气体的实际数量的指示。
装置优选地还具有一个或多个流动速率传感器，流动速率传感器至少用于测量捕获流体流动速率，但优选地还用于测量重组流体流动速率和/或再生流体流动速率。
上述所有参数(例如，流动速率、电解速率、交换速率或再生速率)的控制可以是手动的，但优选地该控制基于来自上述一个或多个传感器的反馈而是自动的。可以使用存在于由控制器中的微处理器可访问的存储器上的软件或由运行在借助标准无线或有线连接(wifi、LAN或其他)与控制器通信的远程设备上的软件来实现自动化。
在图1中，由系统100的捕获流体捕获的气态污染物(例如，CO2)可以借助例如气体出口133从再生设备130排放。在一些实施例中，例如当系统100用作用于从有限空间去除CO2的空气净化单元时，气态污染物可以简单地从气体净化系统100排出，在这种情况下，CO2可以简单地被排出到另一个空间(例如，诸如外部空间的开放空间(即，地球大气))中。下面将更详细地给出这种用途的示例。
然而，在一些其他实施例中，所排出的气态污染物(例如，CO2)可以在气体出口133处收获(例如，集中)，以用于另外的用途。图2中示出了一个示例实施例，在该实施例中，系统100还包括存储槽160，存储槽160具有与气体出口133流体连接的入口161和耦合到释放阀163的出口162。因此，所排出的气态污染物(例如，CO2)可以被存储(例如，集中)在存储槽160中，以根据需要用于进一步使用，例如，用于合成价值增加产品(例如，诸如以气态污染物作为原始材料的甲醇的燃料)，或用于生产瓶装CO2。在这种实施例中，气体净化系统100利用存储槽160来扩展，以形成CO2生成系统。
在一个实施例中，CO2传感器150可以位于存储槽160中或其出口162中，用于确定存储槽160或其出口162内部气态介质中的CO2水平。如下面将更详细说明的，这例如在向远程位置(例如，生长植物或其他CO2消耗有机体的位置)递送受控数量的CO2的情况下是有利的。
其中由再生设备130中的气体净化系统100释放的目标气体(例如且特别是CO2)可以被重新使用的另一潜在应用领域是为城市农业或园艺应用提供目标气体。例如，CO2可以被提供用于在光合作用过程中消耗，在这种情况下，为了加快光合作用过程，CO2可以被释放到光合作用过程发生的有限空间(例如，生长植物或其他CO2消耗有机体的有限空间)中。在一些实施例中，气体净化系统100可以被配置为气体丰富系统，在该气体丰富系统中，利用从再生设备130释放的目标气体来丰富另外的气体流。
为此，气体出口133可以位于有限空间中或与有限空间流体连接。CO2可以从气体出口133直接释放到有限空间中，或者可以从存储槽160释放，这提供对CO2到有限空间中的释放速率和/或释放频率的特别良好的控制。CO2传感器150可以如先前所说明的置于存储槽160中。
在如图3所示的实施例中，气体净化系统100可以包括再生设备230，在再生设备230中，使来自有限空间的另外的气体流225(例如，空气流)与捕获流体和重组流体的混合物接触，使得从该混合物释放的CO2可以被直接转移到另外的气体流中，以产生用于释放到有限空间中的CO2丰富的气体流225’。例如，另外的气体流225可以经由气体入口234被馈送到再生设备230中，并且CO2丰富的气体流225’可以经由气体出口235从再生设备230释放。
在该实施例中，再生设备230充当捕获流体和重组流体的混合物(一方面)与另外的气体流体225(另一方面)之间的另外的交换设备，并且可以以与交换设备120类似的样式来布置。例如，气体入口234和气体出口235可以被布置为使得：例如通过如先前所说明的在气体入口234和气体出口235之上提供可透过气体的膜或疏水膜，捕获流体和重组流体的混合物无法借助该入口和出口从再生设备230逸出。
备选地，再生设备230可以包括：第一子隔室231，前面提及的水的再生和CO2的释放发生在该第一子隔室231中；以及第二子隔室232，用于接收另外的气体流225，其中，第一子隔室231和第二子隔室232由可透过气体的膜或疏水膜233来分离，用于将捕获流体和重组流体的液体部分保持在第一子隔室232内。
现在将更详细地讨论气体净化系统100的若干有用的实现。应当理解，这些仅是示例实现，并且其他实现将对于本领域技术人员是显而易见的
在第一实现中，为了维持CO2水平，气体净化系统100可以用作空气净化系统，以将由人占据的有限空间中的CO2水平调节在期望范围内(例如，低于例如1000ppm、500ppm、400ppm或以下的设置阈值)。还可以考虑其他合适的范围。这保证有限空间的占据者不暴露于升高且潜在有害的CO2水平。有限空间可以是由一个或多个人占据的任何空间，例如，诸如房子(的一个或多个房间)的家用住宅(的一部分)、诸如办公大楼或其部分的工作空间、诸如购物中心、影院、剧院等的公共建筑等。
在这种有限空间中，如果有限空间被一个或多个人占据，则可能由于呼吸而经历CO2水平的快速积累。这由图4中的曲线图来证明，该图描绘了随时间变化在具有接近5000m3体积的会议室中所监测的CO2水平。在点21(10:29)处，涉及36个人的会议开始，这使得由虚线10指示的、来自周围大气水平的CO2水平(～500ppm)快速升高至依据ASHRAE和OSHA标准且如由虚线20指示的健康的CO2水平的上限(1000ppm)以上。如由点22指示的，在少至大约15分钟的时间内，CO2水平已经升高至大约1200ppm，这远高于上限20。
为了避免这样的升高的CO2水平，气体净化系统100(即，在该情况下的空气净化系统)可以被布置为使得交换设备120借助另外的入口123从有限空间抽入空气，并且将从其去除CO2的经净化的空气返回到有限空间，从而调节有限空间中的CO2水平。被捕获的CO2可以如先前所说明的来处理。在CO2借助气体出口133从气体净化系统100简单地排放的情况下，CO2优选地被排放到诸如户外的未限制的空间中。
在一些实施例中，气体净化系统100(即，在该情况下的空气净化系统)可以与诸如供暖系统或空调系统的气体环境控制系统组合，在这种情况下，气体净化系统100可以集成在气体环境控制系统中，或者可以被提供作为与气体环境控制系统分离的分立系统。
这在图5的帮助下更详细地说明，图5示意性描绘了包括气体环境控制系统310的有限空间(即，建筑物300)，气体环境控制系统310包括空气入口312，用于从建筑物300外部抽取第一温度T1的空气，并且在将所抽取的空气热处理(将其温度从第一温度T1变为第二温度T2)之后，向建筑物300内提供所抽取的空气。气体环境控制系统310还可以包括空气出口314，以从建筑物300排出空气。从健康角度来看，这例如可能需要保证建筑物300内的CO2水平不超过可接受的水平，即，将CO2水平维持在定义的值的范围内。附加的加热器或冷却单元320可选地可以存在于建筑物300内。
在一个实施例中，气体环境控制系统310可以包括热交换单元，用于提高要经由空气入口312进入建筑物300中的空气流的温度(即，T1<T2)。这样的气体环境控制系统310例如可以应用于冷的气体环境(其中，气体环境控制系统310用于对建筑物300加热)中。在一个备选实施例中，气体环境控制系统310可以包括空调单元，用于降低要经由空气入口312进入建筑物300中的空气流的温度(即，T1>T2)。这样的气体环境控制系统310例如可以应用于热的气体环境(其中，气体环境控制系统310用于冷却建筑物300)中。
在不存在气体净化系统100的情况下，平均尺寸的房子(大约140m2的建筑面积和大约500m3的闭合体积)需要被提供有足够的新鲜空气，以维持健康的CO2水平。所需新鲜空气的量将取决于若干因素，例如，房子内部的CO2生成速率、新鲜空气中的CO2水平等。例如，例如必须借助经组合的自然通风和强制通风，每天提供包括400ppm CO2的至少1800m3的新鲜空气，以保证占据房子的单个人不暴露于1000ppm及以上的CO2水平。
如将理解的，为了保证使所输入的新鲜空气处于期望的温度T2，需要投入大量的能量。例如，基于具有密度D(1.2-1.3kg/m3)的空气的用于加热/冷却的功率P(1.25kJ/m3K)和1kJ/kgK的热容Cp(P＝D*CP)，如果电加热器用于该目的，则将所输入的新鲜空气从-20℃加热到+20℃通常需要至少3kWh的电力，或者如果具有大约为3的性能系数的热泵用于该目的，则通常将需要至少1kWh的电力。如果热泵用于该目的，则将所输入的新鲜空气从+35℃冷却至+20℃通常将需要至少1kWh的电力。在这些计算中，已经假定600m3的空气由强制通风来清新，并且假定房子具有每小时0.1的ACH(每小时流通的空气)，对于典型的房子，这等于1200m3/天。上述估计仅用于强制通风，并且不包括加热或冷却借助自然通风进入房子的空气所需的能量。自然通风的气体环境控制将需要另外的16kWh/天(如果利用热泵实现，则需要5.3kWh/天)。
已经估计如果在设置中包括气体净化系统100，则可以期望至少20％的能量节省。这是因为由于不需要从建筑物300排出空气来维持建筑物中的健康的CO2水平的事实，而显著减小了要由气体环境控制系统310抽入的空气的体积。相反，CO2水平如先前所说明的由气体净化系统100来维持。因此，由于建筑物300内部的空气可以借助气体环境控制系统310再循环的事实，而可以显著降低气体环境控制系统310的工作负荷，该再循环的空气通常具有比外部空气更接近于目标温度T2的温度。在一些实施例中，这甚至促进气体环境控制系统310的容量和尺寸的按比例缩小，从而降低安装成本。
图6示意性地描绘了气体(空气)净化系统100在建筑物300(例如，位于诸如大都市的人口稠密区的建筑物300)中的另一个示例用途，气体(空气)净化系统100还包括过滤单元330，用于从被污染的外部空气过滤诸如灰尘和烟尘颗粒的污染物。虽然这种过滤器还可以存在于气体环境控制系统310中，但这种集成的过滤器的效率通常不足以实现期望的过滤水平。为了如先前所说明的在建筑物300内维持健康的CO2水平，可能需要这种过滤单元330每天过滤大量(例如，2000m3或更多)的外部空气。如先前所述，这可以包括自然通风。这需要高容量过滤器，并且引起过滤器材料的高消耗。根据一个实施例的气体净化系统100的包括显著减少了需要由过滤单元330过滤的空气的量，从而减小了所需的过滤容量和过滤材料。如果过滤单元330形成气体环境控制系统310(如先前所说明的，被布置为控制被过滤的流入空气的温度)的一部分，则可以实现附加的能量节省。
图7描绘了车辆内部以再循环模式操作空调单元来将车舱内的空气维持在受控温度的CO2水平。车辆仅由驾驶员占据。如将显而易见的，由为了节省能量而再循环车舱空气的事实引起了车舱内CO2水平的快速上升。在大约15分钟内，舱中的CO2水平大约为1,800ppm，在该CO2水平，困倦可能发生。这明显地危害车辆驾驶员的安全性与其他道路使用者的安全性。在15分钟后，断开空调单元的再循环模式，由于外部空气被输入到车辆中代替具有升高的CO2水平的空气而导致CO2水平的迅速降低。然而，因为使所输入的空气到达所需要的温度可能需要更多的能量，所以这可能对车辆的燃料消耗具有负面影响。这在车辆至少部分使用电力来推进时(例如，混合动力和电动车辆)特别相关。而且，这种外部空气通常被不同类型的颗粒污染，因此可能需要安装具有高流量的相对大颗粒过滤器，以保证通过这些过滤器的足够空气，以在维持高颗粒过滤效率的同时，将CO2水平维持在期望范围内。这可以激励车辆的占据者以再循环或多通道模式操作过滤器，因为这根据空气通过过滤器的次数而提高过滤器效率。
图8示意性地描绘了具有舱410且包括根据一个实施例的气体净化系统100的车辆400。车辆400中包括气体净化系统100降低了外部空气通风到舱410中的需要，从而促进降低能耗和减小空气过滤器的尺寸。气体净化系统100被布置为使得空气125从舱410抽入到气体净化系统100的交换设备120中，被净化的空气125’从交换设备120返回到舱410中。再生设备130的气体出口133可以被布置为使得所捕获的CO2被排放到车辆400外部。在一个实施例中，前面提及的交换设备120前面的可选的基于水的过滤单元120可以并入车辆400的空气过滤器中。
已经证明：提供具有85m3/小时的空气捕获容量和70％的捕获效率的气体净化系统100能够在采取每小时0.5的自然通风(ACH)的情况下将由2个成人占据的5m3的舱空间内部的CO2水平维持在远低于1500ppm，而在不存在该气体净化系统100的情况下，CO2水平在大约2.5小时内升高至大约10,000ppm，从而清楚地证明了气体净化系统100在车辆400内益处。应理解，气体净化系统100的前面提及的容量是这种容量的非限制性示例，并且可以采用任何合适容量的气体净化系统100。
在一个实施例中，气体净化系统100具有从50-50,000m3/小时(优选地在从50-10,000m3/小时的范围)的空气捕获容量。这种范围对于被配置为在家庭或小至中型商业环境中操作的气体净化系统100是特别有用的。
气体净化系统100还可以用于利用所捕获的CO2来丰富大气。具体地，气体净化系统100可以用于加快或以其他方式控制光合作用过程，具体为诸如城市农业项目、温室或这样的植物生长过程发生的任何其他有限空间中的植物生长过程的园艺过程。目前，CO2丰富的生长大气使用昂贵的瓶装CO2或工业废气来生成，但例如因为这种工业配合物通常被定位在与生长植物的住宅距离较大的距离处(这意味着需要相对长长度的管道来递送期望位置处的浓缩CO2)，这是麻烦和/或昂贵的。另外，工业CO2通常必须被净化，以去除来自工业过程(例如，来自发电厂)的污染物，从而进一步增加了这样的CO2的成本。因此，例如出于成本原因，需要在这种期望位置处或附近按需生成CO2丰富的空气流。
图9中示意性地描绘了这种用途的一个示例实施例。在该实施例中，气体净化系统100可以被布置为降低诸如建筑物500的有限空间中的CO2水平，建筑物500可以是被一人或多人占据的任何类型的建筑物。通过非限制性示例的方式，建筑物500例如可以是诸如由植物种植户占据的农场住宅的房子。在该实施例中，气体净化系统100通常被布置为将有限空间内的CO2水平维持在被认为对有限空间的占据者健康的范围内(例如，低于1,000ppm、500ppm、400ppm等的水平)。备选地，气体净化系统100可以被布置为从户外提取CO2。
气体净化系统100通常被布置为向另外的有限空间600提供所捕获的CO2，在另外的有限空间600中，光合作用过程发生(例如，生长植物)。如本身已知的，在这种光合作用过程中，CO2和水在适当波长的光的影响下被转换成有机物和氧气。因此，可以通过控制植物对适量的CO2、水以及光的暴露来控制(例如，加速)这种过程。在一个实施例中，气体净化系统100被配置为使得另外的有限空间600内的CO2水平被维持在从1,000到2,000ppm的范围内。
为此，气体净化系统100被布置为将被捕获的CO2(如从再生设备130释放的CO2)与另外的空气流225混合，以产生CO2丰富的空气流225’，用于释放到前面提及的光合作用过程发生的另外的有限空间600(例如，温室)中。另外的交换设备610可以与另外的有限空间600流体连通(例如，放置在其中)，所述另外的交换设备610具有用于接收另外的空气流225的入口611和用于向另外的有限空间600提供CO2丰富的空气流225’的出口612。
另外的交换设备610例如经由导管550与气体净化系统100的交换设备130的气体出口133流体连通，用于接收由气体净化系统100提取的CO2。另外的交换设备610可以直接耦合到气体出口133，可以备选地耦合到存储槽160，以便增强控制如先前所说明的要释放到另外的有效空间600中的CO2的量和速率。
在图10中示意性的示出的备选实施例中，另外的交换设备610可以由已借助图3更详细地描述的另外的交换设备230代替，在这种情况下，CO2丰富的另外的空气流225’可以通过如先前所说明的将另外的空气流225与捕获流体和重组流体的混合物直接接触来生成。在图10中，仅通过非限制性示例的方式，另外的交换设备230位于另外的有限空间600中。应理解，只要CO2丰富的另外的空气流225’被释放到另外的有限空间600中，则另外的交换设备230就可以置于任何合适的位置中。
在气体净化系统100用于丰富光合作用过程发生的大气的上述实施例中，另外的空气流225的CO2丰富速率可以以任何合适的方式来实现。例如，由气体净化系统100实现的CO2捕获速率可以由跨越第一电极113和第二电极114施加的电压和/或通过交换设备120的捕获流体和/或气体流125的流动速率来控制。备选地或附加地，通过如图9所示的另外的交换设备230或610的另外的空气流225的流动速率可以被控制，以控制添加到单位体积的另外的空气流225的CO2的量。备选地或附加地，从存储槽160中释放的CO2的量和/或从存储槽160释放CO2的频率可以被控制，以控制添加到单位体积的另外的空气流225的CO2的量。其他控制机构将对本领域技术人员是显而易见的。
在气体净化系统100及其相应使用的上述实施例中，用于操作气体净化系统100的电力可以以大部分碳中性的方式(例如，使用诸如风能、太阳能或潮汐能的可再生能源)来生成，由此进一步降低与本发明的各方面相关联的CO2足迹。
图11描绘了从诸如气体流(例如，空气流)的气体捕获CO2的方法1000的流程图。在步骤1010中，方法例如通过启动气体净化系统100开始。该启动步骤例如可以包括给系统加载一定体积的水，水可以如先前所说明的包括诸如惰性盐、冰点降低剂等的添加剂。方法进行到步骤1020，在步骤1020中，例如在电解池100中电解水。这例如可以通过跨越第一电极113和第二电极114提供合适的电压来实现。在电解步骤中，单独形成且分离或保持包括氢氧离子的捕获流体和包括水合氢离子的重组流体。
在步骤1030中，使捕获流体与诸如包括CO2的气体流的气体接触。在该暴露期间，CO2与捕获流体中的氢氧离子反应，从而通过形成溶解的HCO3 -将CO2从气体转移到捕获流体中。
在步骤1040中，包括结合到至少一些氢氧离子的CO2的捕获流体与重组流体被组合(即，混合)，以通过重新组合所述水合氢离子和氢氧离子而释放CO2并重新获得水。该重组步骤1040还可以包括将重新获得的水返回到电解池110，用于重复电解。在步骤1050中，由此释放的CO2可以从捕获流体和重组流体的混合物排出(例如，排放到户外中)。备选地，可以对从第一有限空间提取的气体执行步骤1030，并且步骤1050可以包括将释放的CO22排出到第二有限空间中，例如以降低第一有限空间中的CO2水平，并且增加到第二有限空间中的CO2水平。如借助图9和图10已详细说明的，该实施例例如与气体净化系统100在光合作用过程(例如，园艺或城市农业过程)的控制中气体的使用特定相关，在这种情况下，第二有限空间可以为温室等。
在步骤1060中，检查是否需要重复过程。如果是，则方法返回到步骤1020；否则方法在步骤1070终止。此时，注意，虽然方法1000被描绘为顺序执行的一系列离散步骤，但应理解，这些步骤可以并行执行(因为方法1000可以实现维持捕获流体和重组流体的连续流动的连续的CO2捕获过程)。
图12描绘了方法1000的一个备选实施例，在该实施例中，步骤1050由步骤1150替换，在步骤1150中，从捕获流体和重组流体的混合物释放的CO2被捕获并存储在例如存储槽160中。步骤1150例如可以用于临时地存储所释放的CO2，例如以浓缩CO2，使得所存储的(例如，浓缩的)CO2可以例如在将CO2用作试剂的合成过程中或前面提及的植物生长用途中按需使用。
图13描绘了方法1000的一个备选实施例，在该实施例中，步骤1050由步骤1250替换，在步骤1250中，从捕获流体和重组流体的混合物释放的CO2被直接馈送到另一气体流(例如，另一空气流)中。为此，步骤1250还可以包括如例如已借助图3更详细地说明的使另外的气体流与捕获流体和重组流体的混合物接触。如先前所说明的，该实施例例如特别适用于丰富另外的气体流(例如，用于植物生长过程中的另外的空气流)。
本发明的设备可以用于饮料碳酸化(充气饮料)的设备或装置中。然后如关于图2所描述的来设计并操作设备。在这种情况下，设备包括CO2气体存储槽160，CO2气体存储槽160用于在用于饮料碳酸化的足够高压力下存储所捕获的CO2。该压力可以是且通常高于在隔室130的释放之后的CO2的压力。在这种情况下，可以安装且优选地安装用于在借助入口161向存储容器160提供在出口133处释放的CO2之前，将CO2压缩的压缩机(图2中未示出)。气体压缩机在本领域中是已知的。所存储的CO2气体可以用于借助释放阀163来进行饮料碳酸化。
在该实施例的一个示例中，电极113和114可以由TiPt金属制成，并且连接到控制器，控制器能够在至少1A的电流输出时，递送至少可变且可控的5V的电势。电解池可以具有体积和能够保持电解质(优选地是如前文所述的水)的每小时60至1升流动速率的入口和出口。优选地，系统和泵被设计为使得可以维持每小时1至5升的流动速率。如前文所描述的，为此采用系统流量泵。再生设备可以具有50至500毫升之间的体积，优选地具有100毫升的体积。气体交换器120可以具有借助碱性液体引导空气流的简单布置。为此可以使用气体冒泡设备或布置。这样的布置本身已知。气体交换器120可以具有用于允许空气离开提取器的膜。交换器可以具有在每小时1-2立方米范围内的空气吞吐量。设备可以具有用于从捕获流体去除钙离子的离子交换器。如果水漏出(例如，借助由气体交换器进行的蒸发)，则这允许在使用之前或使用期间利用自来水填充设备。离子交换器可以位于出口122之后且在入口131之前。设备或装置可以具有可透过气体的膜，以允许去除通过在电解池110中电解水产生的O2和/或H2气体。
因为设备不需要利用预填充的瓶来进行CO2补充，而是从环境提取其CO2，所以设备是特别有利的(且因此用于家庭用途)。
所述的例示设备例如可以被设计为每天捕获30g(0.7mol或～15升气体)CO2(用于4-6L饮料/软饮料的碳酸化)。这相当于每小时1.25g(30毫摩尔)CO2。能够压缩至7.5巴的压缩机然后需要2L的存储槽。至1巴的更低的压缩将需要15L的存储槽。本领域技术人员将了解如何从标准气体定律计算这种压力和体积，以及如何利用这些计算以使设备适应具体需要。在对于其CO2供应依赖空气的设备中，设备必须每小时处理1.3立方米的空气(假定包含～1000ppm的CO2)。这暗示对于25平方厘米的空气入口123，必须维持空气流125到125’的具有0.15m/秒的流动速率。可以使用能够生成这样的流的空气泵，并且这些泵本身已知。同时，为了在捕获流体中每小时捕获30g的CO2，对于pH为12.5的捕获流体，然后将需要每小时1升的捕获流体流(在系统中被假定为水)。这基于每升30毫摩尔的HCO3 -离子量。为了比较，在每小时1升的情况下，每小时0.4g(10毫摩尔)的CO2将需要pH为12的捕获流体。并且，对于每小时1.25g的CO2，具有pH为11的流体将需要每小时60升的捕获流体流量。这进而需要电解池可以被设计为使得其可以生成期望的捕获流体。池的电极和体积然后必须被调节为能够形成至少每小时30mmol的HCO3 -离子。1A的电流可以做到这一点。
为了证明概念，建立了示范器气体净化系统。示范器由电化学池、交换设备以及连接到充当气体源的10L的密封器皿的再生设备组成。电化学池由10cm*10cm的两个混合金属氧化物(MMO)涂覆的Ti电极和分离两个电极的Mustang QTM膜组成。Mustang QTM膜是具有聚醚砜(PES)碱的阴离子交换器，聚醚砜(PES)碱利用季胺改性且可以从Pall公司(PallCorporation)获得。交换设备是填充有玻璃珠的聚合物柱。在柱的底部和顶部处，添加金属网格和多孔垫片，以将玻璃珠保持在合适的位置。
电解质在水中含有～10mM的K2SO4。空气流125从器皿泵送到交换设备，经净化的空气流125’在过滤之后被重新循环到器皿中。在测量开始时，密封器皿中CO2的浓度被使得多达近似1％v/v的水平。
示范设置的池由此具有100cm2的电极面积、作为电解质盐的～10mM的K2SO4，并且能够生成～1L/小时(0.017L/min)的pH＝11液体电解质。
图14描绘了利用该示范器系统实现的结果。这清楚地证明：示范器能够将包含经丰富的CO2的大气的密封器皿中大约10,000ppm的初始CO2水平快速降低至如由虚线10指示的大约400ppm的正常大气水平。曲线30对应于示范器设置中使用的高空气流容器；曲线40对应于示范器设置中使用的强涡流容器，并且曲线50对应于示范器设置中使用的低空气流容器。如可以看到的，空气流容器的类型对示范器设置的性能仅具有微不足道的影响。发现：对于示范器设置的每个实施例，初始CO2水平被通过示范器设置的水的体积的每个全循环减半。这清楚地证明了本发明的有效性。
接着，证明了可以由跨越电解池的电极施加的电压来控制CO2的提取速率。这在图15中示出，图15分别描绘了空气流125和经净化的空气流125’中的CO2含量，其中，跨越电解池的电极施加的电压每15分钟递增地增加2V增量。
如上所述的但不具有密封器皿的示范器被置于实验室中的通风橱中。空气流125的吸入从通风橱的前面附近获取，保证了新鲜空气到示范器的连续流动。小空气泵被置于该位置中，以产生到交换设备中的空气流125。对于该示例，两个相同的CO2传感器被添加到示范器。吸入传感器被放置在靠近空气泵，以确定空气流125的CO2浓度。第二传感器附接到另外的出口124，以确定经净化空气流125’中的CO2浓度。如可以在图15中看到的，每个电压增量使得经净化的空气流125’的CO2含量的进一步降低，从而清楚地指示由示范器设置进行的改进的CO2提取效率(因为在入口，空气流125的CO2含量基本上恒定)。
在以+10V操作电解池大约5分钟后，断开电压，这使得经净化的空气流125’中的CO2水平快速升高。因此，该实验清楚地证明了：气体净化系统100的CO2提取效率可以通过跨越气体净化系统100的电解池110的电极施加的电压来调节。
应注意，上述实施例图示而不是限制本发明，并且本领域技术人员将能够在不脱离所附权利要求范围的情况下设计许多备选实施例。在权利要求中，置于括号之间的任何附图标记不应被解释为限制权利要求。词语“包括/包含”不排除除了权利要求中列出的元素或步骤之外的元素或步骤的存在。元素之前的词语“一”或“一个”不排除多个这种元素的存在。本发明可以借助于包括若干不同元件的硬件来实现。在列举了若干部件的设备权利要求中，这些部件中的若干可以由一个硬件项和相同的硬件项来实现。在彼此不同的从属权利要求中记载特定措施的事实不指示不可以有利地使用这些措施的组合。
总之，本发明提供了可以在不需要消耗目标气体结合盐的情况下连续使用的、用于从气体流捕获目标气体的捕获设备。为此，设备被布置为：通过电解水生成单独的酸性和碱性流体流；将目标气体结合到碱性流体流中的氢氧离子；以及重新组合所生成的流，以释放被结合的目标气体；以及重新生成被电解的水的一部分，用于进一步电解。这种捕获设备例如可以在气体净化系统(100)(例如，空气净化系统)中使用，用于控制诸如车舱(410)、家庭住宅或办公空间的有限空间中的目标气体水平；可以在目标气体生成系统或目标气体丰富系统中使用，例如用于产生用于园艺目的的目标气体丰富的空气。还公开了用于从气体流捕获目标气体且可选地使用被捕获的目标气体的方法(1000)。

Claims (15)

1.一种用于从基底捕获目标气体的装置，所述装置包括：
-生成设备(110)，用于将水电解，以生成水合氢离子和氢氧离子，所述生成设备(110)包括：
-容器，用于容纳包括水的至少一种电解质；
流体地耦合到所述容器并且包括第一电极的第一隔室(111)，所述第一电极适于通过将所述至少一种电解质的所述水电解来生成捕获流体，所述捕获流体为酸性的且包括水合氢离子，或者所述捕获流体为碱性的且包括氢氧离子，所述第一隔室包括捕获流体出口(116)；
流体地耦合到所述容器并且包括第二电极的第二隔室(112)，所述第二电极适于通过将所述至少一种电解质的所述水电解来生成再生流体，如果所述捕获流体为碱性的，则所述重组流体为酸性的且包括水合氢离子，或者如果所述捕获流体为酸性的，则所述重组流体为碱性的且包括氢氧离子，所述第二隔室包括重组流体出口(117)；以及
所述第一隔室与所述第二隔室之间的离子连通结构，所述离子连通结构基本上不能渗透水合氢离子和氢氧离子；
-交换设备，包括：
-流体地耦合到所述捕获流体出口的捕获流体入口；
-基底入口；以及
-交换流体出口，
其中，所述交换设备适于将借助所述捕获流体入口接收的所述捕获流体的至少一部分暴露于借助所述基底入口接收的所述基底(124)的至少一部分，从而生成交换流体，所述交换流体由所述捕获流体组成，所述目标气体的至少一部分在所述捕获流体中被捕获；
-再生设备，包括：
流体地耦合到所述交换流体出口的交换流体入口；
流体地耦合到所述重组流体出口的重组流体入口；以及
流体地耦合到所述再生流体入口的再生流体出口(134)；
其中，所述再生设备被布置为将借助所述交换流体入口接收的所述交换流体的至少一部分与所述重组流体的至少一部分接触(1040)，以从所述交换流体的所述至少一部分释放所捕获的目标气体，并且生成包括来自所述至少一种电解质的再生水的再生流体；以及
-控制器，所述控制器电耦合到所述第一电极和所述第二电极，其中，所述控制器适于生成控制信号，所述控制信号具有足以分别在所述第一电极和所述第二电极处生成所述水电解的最小值，并且所述控制信号可变，以分别控制所述第一电极和所述第二电极处的所述水电解的速率。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述第一隔室与所述第二隔室之间的所述离子连通结构是离子选择膜或盐桥。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其中所述装置被配置为生成每小时1升至10000升、优选地为每小时10升至1000升的所述捕获流体和/或所述重组流体的流量。
4.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括：
一个或多个泵和/或阀，所述一个或多个泵和/或阀直接和/或间接控制以下项中的一个或多个的流动速率：所述捕获流体、所述重组流体、所述交换流体、所述再生流体以及所述基底，所述一个或多个泵和/或阀由所述控制器控制。
5.根据前述权利要求中任一项所述的装置，还包括一个或多个搅拌设备，用于主动激励所述交换设备中的所述接触和/或主动激励所述再生设备中的所述接触，所述一个或多个搅拌设备由所述控制器控制。
6.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述装置包括至少一个传感器，用于感测以下感测参数中的一个或多个感测参数：
-以下项中任一个项的酸度：一种或多种所述电解质、所述捕获流体、所述重组流体、所述交换流体以及所述再生流体；
-以下项中任一个项的流动速率：所述一种或多种所述电解质、所述捕获流体、所述重组流体、所述交换流体、所述再生流体、所述基底；
-所述基底中在与所述捕获流体接触之前的所述目标气体的存在或浓度，和/或所述基底已与所述捕获流体接触的部分中所述目标气体的存在或浓度，
其中，所述控制器适于响应于来自所述至少一个传感器的传感器读数而生成所述控制信号。
7.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述控制器适于控制以下控制参数中的一个或多个控制参数：
-向用于所述电解的所述电极提供的电压和/或电流；
-用于所述电解的所述电极的机械配置；
-直接和/或间接控制以下项中的一个或多个项的流动速率的一个或多个泵和/或阀的操作：所述捕获流体、所述重组流体、所述交换流体、所述再生流体以及所述基底；
-用于主动激励所述交换设备中的所述接触和/或主动激励所述再生设备中的所述接触的所述一个或多个搅拌设备的操作。
8.根据前述权利要求中任一项所述的装置，其中所述再生设备包括目标气体出口(133)，用于作为所述再生设备中的所述接触的结果而流出从所述交换流体释放的任何被捕获的目标气体，其中所述目标气体出口能够被耦合到目标气体存储槽(160)。
9.一种包括根据前述权利要求中任一项所述的装置的系统，并且所述系统还包括目标气体出口和有限空间，
其中所述基底入口流体地连接到所述有限空间，并且所述目标气体出口流体地连接到与所述有限空间不同的至少另一空间，或者
其中所述目标气体出口流体地连接到所述有限空间，并且所述基底入口流体地连接到与所述有限空间不同的至少另一空间。
10.一种用于从基底(125)捕获目标气体的方法(1000)，所述方法包括步骤：
-通过包括水的电解质的水电解的方式，生成捕获流体和重组流体，所述捕获流体是碱性的且包含氢氧离子、或所述捕获流体是酸性的且包含水合氢离子，当所述捕获流体是碱性的时，所述重组流体是酸性的且包含氢氧离子，或者当所述捕获流体是酸性的时，所述重组流体是碱性的且包含水合氢离子，其中所述捕获流体和所述重组流体被生成为与彼此选择性地离子连通，所述选择性地离子连通至少抑制水合氢离子和氢氧离子在所述捕获流体与所述重组流体之间的离子连通；
-将所述基底暴露(1030)于所述捕获流体的至少一部分，从而在这样的暴露之后，生成交换流体，所述交换流体由已捕获所述目标气体的至少一部分的所述捕获流体组成；
-将所述交换流体的至少一部分与所述重组流体的至少一部分接触(1040)，以从所述交换流体的所述至少一部分释放所捕获的目标气体，并且生成包括来自所述电解质的再生水的再生流体，所述方法还包括另外的步骤：至少部分地利用所述再生流体重复所述再生步骤(1020)。
11.根据权利要求10所述的方法，其中所述电解质包括一种或多种附加的物质，其中所述一种或多种附加的物质具有至少以下功能中的一个或多个功能：
-降低所述电解质、所述捕获流体和/或所述重组流体的冰点；以及
-提高所述电解质的电导率，所述一种或多种附加的物质在所述水电解期间是电解惰性的。
12.根据权利要求11所述的方法，其中所述一种或多种附加的物质由至少一种盐组成或包括至少一种盐。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法(1000)，其中所述基底从有限空间收集，并且所捕获的目标气体被释放到与所述有限空间不同的另一空间(600)中，或者所述基底从另一空间捕获，并且所捕获的目标气体被释放到与所述另一空间不同的有限空间中。
14.根据权利要求13所述的方法(1000)，所述方法还包括步骤(1250)：将所述目标气体从所述交换流体释放到另外的气体中；以及将所述另外的气体释放到所述有限空间或所述另一空间中。
15.根据权利要求10至14中任一项所述的方法(1000)，还包括：在从所述交换流体释放之后，存储(1150)所捕获的目标气体的至少一部分。
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