CN113692397A - 涉及酸和/或碱的化学反应装置，以及相关的系统和方法 - Google Patents

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CN113692397A CN202080028904.9A CN202080028904A CN113692397A CN 113692397 A CN113692397 A CN 113692397A CN 202080028904 A CN202080028904 A CN 202080028904A CN 113692397 A CN113692397 A CN 113692397A
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Abstract

一般地描述了涉及酸和/或碱的化学反应装置，以及相关的系统和方法。

Description

涉及酸和/或碱的化学反应装置，以及相关的系统和方法
相关申请
本申请根据35U.S.C.§119(e)要求2019年3月14日提交的美国临时专利申请第62/818,604号；2019年8月15日提交的美国临时专利申请第62/887,143号；和2020年1月16日提交的美国临时专利申请第62/962,061号的优先权；出于所有目的，其全部在此通过引用整体并入。
技术领域
一般地描述了涉及酸和/或碱的化学反应装置，以及相关的系统和方法。
发明内容
一般地描述了涉及酸和/或碱的化学反应装置，以及相关的系统和方法。在一些实施方案中，方法包括在第一电极(例如，阴极)附近产生碱以及在与第一电极电化学耦接的第二电极(例如，阳极)附近产生酸。在某些实施方案中，所述方法包括收集酸和/或碱。在一些情况下，所述方法包括储存酸和/或碱。在一些实施方案中，所述方法包括使酸和/碱在化学溶解中反应(例如，使酸与金属碳酸盐例如CaCO3反应以产生金属离子例如钙离子、和/或碳酸根离子)。在某些实施方案中，所述方法包括使酸和/或碱在沉淀反应中反应(例如，使碱与金属离子例如钙离子反应以产生金属氢氧化物例如Ca(OH)2)。在一些实施方案中，金属氢氧化物可以用于水泥制造工艺。
在一些情况下，在第二电极附近产生酸和/或在第一电极附近产生碱导致气体(例如，CO2、H2和/或O2)的产生。在某些情况下，一种或更多种气体可以被收集、销售、用于下游过程和/或进给回到系统中。在一些情况下，在第二电极附近产生酸和/或在第一电极附近产生碱产生减少量的气体、不产生气体和/或不产生净量的气体，因为任何产生的气体被系统使用(例如以增加电极之间的pH梯度)。在某些实施方案中，例如在低电成本时期期间，第二电极附近产生的酸和/或第一电极附近产生的碱可以用于例如在高电成本时期产生氢气和/或氧气。
还描述了用于在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)中形成沉淀物的本发明的系统和方法。在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)中形成沉淀物可以例如通过以下来实现：使化合物(例如，金属盐)在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第一区域(例如，酸性区域)中溶解，并在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第二区域(例如，碱性区域)中收集包含来自所述化合物(例如，金属盐)的一种或更多种元素(例如，金属)的沉淀物。在某些实施方案中，空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)在电化学电池中并且通过电解(例如，水的电解)建立和/或保持。根据一些实施方案，在收集沉淀物之后，将沉淀物在窑内加热以制造水泥例如波特兰(Portland)水泥。在一些情况下，本发明的主题涉及相关的产品、对于特定问题的替代解决方案和/或一个或更多个系统和/或制品的多种不同用途。
某些方面涉及方法。在一些实施方案中，所述方法包括以第一模式运行反应器；其中第一模式包括：由第一电极产生碱；由在反应器中与第一电极电化学耦接的第二电极产生酸；以及收集酸和/或碱。
在某些实施方案中，所述方法包括以第一模式运行反应器；其中第一模式包括：由第一电极产生碱；由在反应器中与第一电极电化学耦接的第二电极产生酸；收集酸和/或碱；以及使收集的酸和/或碱在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。
在一些实施方案中，所述方法包括以第一模式运行反应器；其中第一模式包括：由第一电极产生碱和氢气；由在反应器中与第一电极电化学耦接的第二电极产生酸和氧气；以及允许氧气扩散和/或被输送至第一电极和/或允许氢气扩散和/或被输送至第二电极；以及允许氧气通过第一电极被还原和/或允许氢气通过第二电极被氧化。
在一些实施方案中，所述方法包括在第一反应器中产生碱和二卤化物；在第二反应器中产生酸；收集酸；收集碱；用酸和/或碱进行化学溶解；以及用酸和/或碱进行沉淀反应。
某些方面涉及系统。在某些实施方案中，系统包括第一电极；与第一电极电化学耦接的第二电极；和装置，所述装置被配置成收集第二电极附近的酸性产出物和/或第一电极附近的碱性产出物。
在一些实施方案中，系统包括第一电极；与第一电极电化学耦接的第二电极；第一装置，所述第一装置被配置成收集第二电极附近的酸性产出物和/或第一电极附近的碱性产出物；以及第二装置，所述第二装置被配置成使收集的酸性产出物和/或收集的碱性产出物反应。
在某些实施方案中，系统包括第一电极，所述第一电极被配置成产生碱和氢气；和第二电极，所述第二电极与第一电极电化学耦接并且被配置成产生酸和氧气；其中系统被配置成允许氧气扩散和/或被输送至第一电极和/或允许氢气扩散和/或被输送至第二电极；以及其中系统被配置成允许氧气通过第一电极被还原和/或允许氢气通过第二电极被氧化。
在一些实施方案中，系统包括第一反应器，所述第一反应器被配置成产生碱、二卤化物和氢气；第二反应器，所述第二反应器被配置成产生酸；第一装置，所述第一装置被配置成收集第二反应器附近的酸并用所述酸进行化学溶解和/或沉淀反应；以及第二装置，所述第二装置被配置成收集第一反应器附近的碱并用所述碱进行化学溶解和/或沉淀反应。
当结合附图考虑时，本发明的其他优点和新特征将从以下本发明的多个非限制性实施方案的详细描述中变得明显。在本说明书和通过引用并入的文献包括冲突和/或不一致的公开内容的情况下，应以本说明书为准。
附图说明
将参照附图通过实例来描述本发明的非限制性实施方案，附图是示意性的并且不旨在按比例绘制。在附图中，所示出的每个相同或几乎相同的组成部分通常由单一数字表示。为了清楚的目的，在不需要具体说明以使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，并非在每幅附图中都标记出每个组成部分，也没有示出本发明的每个实施方案的每个组成部分。在附图中：
图1A是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极和装置的系统的示意图。
图1B是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极和两个装置的系统的示意图。
图1C是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极、装置和分离器的系统的示意图。
图1D是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极和三个装置的系统的示意图。
图1E是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极和六个装置的系统的示意图。
图1F是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极、装置和窑的系统的示意图。
图2A是根据某些实施方案的包括第一电极和第二电极并且产生氢气和氧气的系统的截面示意图。
图2B是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极和分离器并且产生氢气和氧气的系统的截面示意图。
图2C是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极、分离器和两个装置并且产生氢气和氧气的系统的截面示意图。
图2D是根据某些实施方案的包括第一电极、第二电极、分离器、两个装置和窑并且产生氢气和氧气的系统的示意图。
图3A是根据某些实施方案的包括两个反应器的系统的示意图。
图3B是根据某些实施方案的包括两个反应器的系统的示意图，其中第一反应器包括第一电极和第二电极。
图4A是根据某些实施方案的包括两个室的系统的示意图。
图4B是根据某些实施方案的包括两个室的系统的示意图，其中在一个室中溶解CaCO3并且在另一个室中沉淀Ca(OH)2。
图5A是根据某些实施方案的以高电压模式运行反应器的示意图。
图5B是示出高电压模式的甫尔拜图。
图6A是根据某些实施方案的以低电压模式运行反应器的示意图。
图6B是示出低电压模式的甫尔拜图。
图7是对于在1.2V下运行的1kW碱性电解槽(实线)以及对于当电成本＞0.05美元/kWh时在2V下运行并且当电成本＜0.05美元/kWh时在0.4V下运行的消耗相同量的电流的电解槽(虚线)的电成本相对于时间的图。
图8A是根据某些实施方案的以低电压模式A运行反应器的示意图。
图8B是示出低电压模式A的甫尔拜图。
图9A是根据某些实施方案的以低电压模式B运行反应器的示意图。
图9B是示出低电压模式B的甫尔拜图。
图10A是根据某些实施方案的以燃料电池模式运行反应器的示意图。
图10B是示出燃料电池模式的甫尔拜图。
图11是根据某些实施方案的示出根据一些实施方案的电解中性pH水以产生用于产生沉淀的氢氧化物的酸/碱的流程图。
图12是根据某些实施方案的示出根据某些实施方案的电解碱金属卤化物电解质以产生用于产生沉淀的氢氧化物的酸/碱的流程图。
图13A至图13B示出了根据某些实施方案OH-通过电解质中的穿过隔膜或膜的阳离子进行电荷平衡。图13A是根据某些实施方案的示出在反应器1的第一电极(例如，阴极)处，水被还原以产生OH-(碱性溶液)和H2(g)的图。图13B是根据某些实施方案的示出在反应器1的第一电极(例如，阴极)处，O2被还原以产生OH-(碱性溶液)的图。
图14A至图14B示出了根据某些实施方案的化学溶解和沉淀反应。图14A是根据某些实施方案的示出使二卤化物与氢气反应以产生期望的酸的示意图。图14B是根据某些实施方案的示出使二卤化物与水反应以产生期望的酸和作为副产物的氧气的示意图。
具体实施方式
一般地描述了涉及酸和/或碱的化学反应装置，以及相关的系统和方法。在一些实施方案中，方法包括在第一电极(例如，阴极)附近产生碱以及在与第一电极电化学耦接的第二电极(例如，阳极)附近产生酸。在某些实施方案中，所述方法包括收集酸和/或碱。在一些情况下，所述方法包括储存酸和/或碱。在一些实施方案中，所述方法包括使酸和/或碱在化学溶解中反应(例如，使酸与金属碳酸盐例如CaCO3反应以产生金属离子例如钙离子、和/或碳酸根离子)。在某些实施方案中，所述方法包括使酸和/或碱在沉淀反应中反应(例如，使碱与金属离子例如钙离子反应以产生金属氢氧化物例如Ca(OH)2)。在一些实施方案中，金属氢氧化物可以用于水泥制造工艺。
在一些情况下，在第二电极附近产生酸和/或在第一电极附近产生碱导致气体(例如，CO2、H2和/或O2)的产生。在某些情况下，一种或更多种气体可以被收集、销售、用于下游过程和/或进给回到系统中。在一些情况下，在第二电极附近产生酸和/或在第一电极附近产生碱产生减少量的气体、不产生气体和/或不产生净量的气体，因为任何产生的气体被系统使用(例如，以增加电极之间的pH梯度)。在某些实施方案中，例如在低电成本时期期间，第二电极附近产生的酸和/或第一电极附近产生的碱可以用于例如在高电成本时期中产生氢气和/或氧气。
还描述了包括空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的反应器，以及相关的系统和方法。在一些实施方案中，电化学反应器包括空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)。在某些实施方案中，使用空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)形成沉淀物。在一些实施方案中，使化合物(例如，金属盐)在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第一区域(例如，酸性区域)中溶解，并在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第二区域(例如，碱性区域)中形成包含来自所述化合物(例如，金属盐)的一种或更多种元素(例如，金属)的沉淀物。
一些实施方案涉及其中利用电解反应来在电化学电池的正电极与负电极之间产生化学组成梯度的组成、方法和反应器设计。在一些实施方案中，然后采用所述电解产生的组成梯度通过以下来进行期望的化学反应：将反应物进给至一个电极附近的化学环境并利用电解产生的化学梯度在反应物或其组分朝向另一个电极扩散时由所述反应物产生产物。在一些实施方案中，通过收集电解产生的不同组成的溶液或悬浮液，并使用所述溶液或悬浮液在反应器的一部分中或在单独的装置中由所述反应物产生产物来进行期望的化学反应。在一个实施方案中，这样的反应器旨在通过电化学手段和化学手段生产分解的矿物或金属盐。在一个实施方案中，通过使用这样的反应器代替包括加热矿物或金属盐以使其分解的常规热煅烧而减少或避免了用于产生热能的化石燃料的使用以及相关的温室气体或作为大气污染物的气体的产生。在一些实施方案中，矿物或金属盐包括金属碳酸盐，以及产生的温室气体至少部分地为二氧化碳。在另一个实施方案中，电解驱动的化学反应器通过来自可再生能源例如太阳能光伏或风能的电力供以动力，从而在进行煅烧或分解反应时减少产生温室气体的能源的使用。
一些实施方案涉及用于生产水泥例如波特兰水泥的方法。混凝土是现今世界上最广泛使用的人造材料。水泥制造也是世界上CO2的第二大工业排放者，占全球CO2排放的约8％。用于水泥的工业生产的常规方法包括通过热手段进行CaCO3的煅烧。在目前水泥的制造中，约60％的CO2排放由CaCO3的煅烧引起，约40％的CO2排放由用于进行煅烧过程和烧结过程的化石燃料的燃烧引起。因此，对于排放较少CO2的水泥制造工艺存在很大需求。一些实施方案涉及水泥制造工艺，其中热煅烧被本文描述的电化学过程代替，所述电化学过程与目前的制造相比每生产数量的水泥产生更少的CO2。
还描述了包括电化学反应器的水泥生产系统和相关的方法。某些实施方案涉及包括电化学反应器和窑的用于生产水泥的本发明的系统。在某些实施方案中，电化学反应器被配置成接收CaCO3。在一些实施方案中，电化学反应器包括被配置成排放Ca(OH)2和/或石灰(CaO)的第一出口。在某些情况下，电化学反应器包括被配置成排放CO2、O2和/或H2气体的第二出口。根据某些实施方案，窑被配置成加热Ca(OH)2和/或石灰(和/或其反应产物)，作为水泥制造工艺的一部分。
在一些实施方案中，所述系统至少部分地(例如，至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％、或100％)由可再生电力(例如，太阳能和/或风能)供以动力。在某些情况下，与使用常规的热煅烧而不是电化学反应器的基本类似的系统相比，所述系统具有更低的净碳排放(例如，低至少10％、低至少25％、低至少50％、低至少75％或低至少90％)。在一些情况下，所述系统具有净零碳排放。
某些实施方案涉及其中在电化学反应器中生产Ca(OH)2和/或石灰(CaO)的本发明的方法。在一些实施方案中，然后将来自电化学反应器的Ca(OH)2和/或石灰输送至窑，所述窑加热Ca(OH)2和/或石灰(和/或其反应产物)，作为水泥制造工艺的一部分。在一些实施方案中，电化学反应器还产生CO2、O2和/或H2气体。根据某些实施方案，将CO2封存，用于液体燃料，用于含氧燃料，用于强化采油，用于生产干冰和/或用作饮料中的成分。在一些情况下，可以将O2封存，用于含氧燃料，用于CCS应用和/或用于强化的油回收。在某些情况下，可以将H2封存和/或用作燃料(例如，在燃料电池中和/或用于加热所述系统)。在一些实施方案中，将从所述系统中排放的CO2、O2和/或H2的至少一部分(例如，至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％、或全部)进给到窑中。
如上所述，某些方面涉及系统。这样的系统的非限制性实例示于图1A至图3B中。
在一些实施方案中，系统包括第一电极。在一些实施方案中，第一电极包括阴极。例如，参照图1A，在一些实施方案中，系统100包括第一电极104(例如，阴极)。类似地，参照图2A，在一些实施方案中，系统200包括第一电极104(例如，阴极)。在某些实施方案中，第一电极被选择为在相对碱性的条件下(例如，在本文描述的碱性区域和/或碱中)稳定的电子导体。
在某些实施方案中，第一电极包括金属电极(例如铂、金、镍、铱、铜、铁、钢、不锈钢、锰和/或锌)、碳(例如石墨或无序碳)、或金属碳化物(例如碳化硅、碳化钛和/或碳化钨)。在某些实施方案中，第一电极包括金属合金(例如镍-铬-铁合金、镍-钼-镉合金)、金属氧化物(例如铱氧化物、镍铁钴氧化物、镍钴氧化物、锂钴氧化物、镧锶钴氧化物、钡锶铁氧化物、锰钼氧化物、二氧化钌、铱钌钽氧化物)、金属有机骨架、或金属硫化物(例如硫化钼)。在某些实施方案中，在导电载体上分散或涂覆电催化剂或电极材料。
在一些实施方案中，系统包括第二电极。在一些实施方案中，第二电极包括阳极。例如，参照回图1A，在一些实施方案中，系统100包括第二电极105(例如，阳极)。类似地，参照回图2A，在一些实施方案中，系统200包括第二电极105(例如，阳极)。在一些实施方案中，第二电极与第一电极电化学耦接。也就是说，电极可以被配置成使得它们能够参与电化学过程。电化学耦接可以例如通过将第一电极和第二电极暴露于促进两个电极之间的离子传输的电解质中来实现。参照图1A，在一些实施方案中，第一电极104与第二电极105电化学耦接。类似地，参照图2A，在一些实施方案中，第一电极104与第二电极105电化学耦接。
在某些实施方案中，第二电极被选择为在相对酸性的条件下(例如，在本文描述的酸性区域和/或酸中)稳定的电子导体。在某些实施方案中，第二电极包括金属电极(例如铂、钯、铅和/或锡)或金属氧化物(例如过渡金属氧化物)。
在某些实施方案中，第一电极和/或第二电极包含催化剂。在一些实施方案中，阴极催化剂被选择为在碱性条件下是稳定的。在一些实施方案中，阴极催化剂可以包括镍、铁、过渡金属硫化物(例如硫化钼)、和/或过渡金属氧化物(例如MnO2、Mn2O3、Mn3O4、镍氧化物、氢氧化镍、铁氧化物、氢氧化铁、钴氧化物)、混合的过渡金属尖晶石氧化物(例如MnCo2O4、CoMn2O4、MnFe2O4、ZnCoMnO4)等。在一些实施方案中，阳极催化剂被选择为在酸性条件下是稳定的。在一些实施方案中，阳极催化剂包括铂、铱、或其氧化物。
在一些实施方案中，系统包括反应器(例如，电化学反应器)。例如，参照图1A，在一些实施方案中，系统100包括反应器。类似地，参照图2A，在某些情况下，系统200包括反应器。在一些实施方案中，反应器包括第一电极和第二电极。例如，在一些实施方案中，在反应器中第一电极与第二电极电化学耦接。例如，参照图1A，在一些实施方案中，在反应器中第一电极104与第二电极105电化学耦接。类似地，参照图2A，在某些情况下，在反应器中第一电极104与第二电极105电化学耦接。
某些方面涉及方法，关于图1A至图3B可以理解所述方法。在一些实施方案中，所述方法包括运行反应器(例如，本文中描述的任何反应器)。在某些情况下，运行反应器包括向反应器的电极施加电流。在一些实施方案中，运行反应器导致在反应器内发生至少一种化学反应。
在某些实施方案中，所述方法包括以第一模式运行反应器。在一些实施方案中，第一模式包括在第一电极附近产生碱(例如，碱通过第一电极中的电化学反应而产生)。例如，参照图1A，在一些实施方案中，第一模式包括在第一电极104附近产生碱。类似地，参照图2A，在某些情况下，第一模式包括在第一电极104附近产生碱。
在某些实施方案中，第一电极(例如，在第一模式中)被配置成产生碱性产出物(例如，本文中描述的碱中的任一者)。在一些实施方案中，碱性产出物通过第一电极中的电化学反应而产生。例如，参照图1A，在一些实施方案中，第一电极104被配置成产生碱。类似地，参照图2A，在一些情况下，第一电极104被配置成产生碱。
碱可以具有多种合适的浓度中的任一者。在一些实施方案中，碱的浓度大于或等于0.000001M、大于或等于0.00001M、大于或等于0.0001M、大于或等于0.001M、大于或等于0.01M、大于或等于0.1M、大于或等于0.5M、大于或等于1M、大于或等于3M、大于或等于5M、大于或等于7M、大于或等于10M、大于或等于15M、或者大于或等于20M。在某些实施方案中，碱的浓度小于或等于25M、小于或等于20M、小于或等于15M、小于或等于10M、小于或等于7M、小于或等于5M、或者小于或等于3M。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.1M且小于或等于25M或者大于或等于0.1M且小于或等于10M)。
根据一些实施方案，由第一电极产生碱在第一电极附近(例如，在反应器室最接近第一电极的一半内)产生碱性区域(例如，本文中描述的任何碱性区域)。例如，在一些情况下，与第一电极相邻(例如，碱性区域)的流体具有比进一步远离第一电极的流体更高的pH。作为一个实例，参照图2A，在一些情况下，系统包括第一电极104附近的碱性区域106。类似地，参照图1A，在某些情况下，系统包括第一电极104附近的碱性区域。
在一些实施方案中，第一电极附近(例如，接近第一电极)的pH大于或等于8、大于或等于9、大于或等于10、大于或等于11、大于或等于12、或者大于或等于13。根据一些实施方案，第一电极附近的pH小于或等于14、小于或等于13、小于或等于12、小于或等于11、或者小于或等于10。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于8且小于或等于14)。
在一些实施方案中，第二电极被配置成产生酸性产出物(例如，本文中描述的酸中的任一者)。在某些实施方案中，酸性产出物通过第二电极中的电化学反应而产生。例如，参照图1A，在一些实施方案中，第二电极105被配置成产生酸。类似地，参照图2A，在某些情况下，第二电极105被配置成产生酸。在一些实施方案中，反应器的第一模式包括在第二电极附近产生酸(例如，通过第二电极中的电化学反应产生酸)。例如，参照图1A，在一些实施方案中，第一模式包括在第二电极105附近产生酸。类似地，参照图2A，在某些实施方案中，第一模式包括在第二电极105附近产生酸。
酸可以具有多种合适的浓度中的任一者。在一些实施方案中，酸的浓度大于或等于0.000001M、大于或等于0.00001M、大于或等于0.0001M、大于或等于0.001M、大于或等于0.01M、大于或等于0.1M、大于或等于0.5M、大于或等于1M、大于或等于3M、大于或等于5M、大于或等于7M、或者大于或等于10M。在某些实施方案中，酸的浓度小于或等于12M、小于或等于10M、小于或等于7M、小于或等于5M、小于或等于3M、或者小于或等于1M。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.000001M且小于或等于12M或者大于或等于0.1M且小于或等于10M)。
根据一些实施方案，由第二电极产生酸在第二电极附近(例如，在反应器室最接近第二电极的一半内)产生酸性区域(例如，本文中描述的任何酸性区域)。例如，在一些情况下，与第二电极(例如，酸性区域)相邻的流体具有比进一步远离第二电极的流体更低的pH。作为一个实例，参照图2A，在一些情况下，系统包括第二电极105附近的酸性区域107。类似地，参照图1A，在某些情况下，系统包括第二电极105附近的酸性区域107。
根据某些实施方案，第二电极附近(例如，接近第二电极)的pH的pH小于或等于6、小于或等于5、小于或等于4、小于或等于3、小于或等于2、或者小于或等于1。在一些实施方案中，第二电极附近的pH的pH大于或等于0、大于或等于1、大于或等于2、大于或等于3、大于或等于4、或者大于或等于5。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0且小于或等于6)。
在某些实施方案中，第一电极(例如，阴极)被配置成产生氢气，使得氢气可以在第一电极附近产生(例如，通过第一电极中的电化学反应产生氢气)。例如，参照图2A，在一些实施方案中，第一电极104被配置成产生氢气108。类似地，参照图1A，在某些情况下，第一电极104被配置成产生氢气。在一些情况下，以第一模式运行反应器包括在第一电极附近产生氢气(例如，氢气和碱)(例如，通过第一电极中的电化学反应产生氢气)。在一些情况下，氢气和/或碱通过第一电极附近的水的还原在第一电极附近产生。
在某些实施方案中，第二电极(例如，阳极)被配置成产生氧，使得氧气可以在第二电极附近产生(例如，通过第二电极中的电化学反应产生氧气)。例如，参照图2A，在一些实施方案中，第二电极105被配置成产生氧气109。类似地，参照图1A，在某些实施方案中，第二电极105被配置成产生氧气。在某些情况下，以第一模式运行反应器包括在第二电极附近产生氧气(例如，氧气和酸)(例如，通过第二电极中的电化学反应产生氧气)。在一些情况下，氧气和/或酸通过第二电极附近的水的氧化在第二电极附近产生。
在一些实施方案中，系统被配置成允许氧气扩散和/或被输送至第一电极附近的位置(例如，从第二电极附近的位置)。例如，在一些情况下，系统被配置成在通过第二电极中的电化学反应产生氧气之后允许氧气从第二电极附近的流体扩散和/或被输送至第一电极附近的流体，使得氧气可以参与第一电极中的电化学反应。例如，参照图2A，在一些实施方案中，系统200被配置成允许氧气109从第二电极105扩散和/或被输送至第一电极104。类似地，参照图1A，在某些实施方案中，系统100被配置成允许氧气从第二电极105扩散和/或被输送至第一电极104。
根据某些实施方案，系统被配置成允许氧气在第一电极附近被还原(例如，通过第一电极中的电化学反应将氧气还原)。例如，参照图2A，在某些实施方案中，系统200被配置成允许氧气109在第一电极104附近被还原。类似地，参照图1A，在一些情况下，系统100被配置成允许氧气在第一电极104附近被还原。在一些实施方案中，在第一电极附近将氧气还原包括碱的产生。在某些实施方案中，碱的产生是有利的，因为其增加了第一电极处产生的碱的总量。
在一些实施方案中，系统被配置成允许氢气扩散和/或被输送至第二电极附近的位置(例如，从第一电极附近的位置)。例如，在一些情况下，系统被配置成在通过第一电极中的电化学反应产生氢气之后允许氢气从第一电极附近的流体扩散和/或被输送至第二电极附近的流体，使得氢气可以参与第二电极中的电化学反应。例如，参照图2A，在某些情况下，系统200被配置成允许氢气108从第一电极104扩散和/或被输送至第二电极105。类似地，参照图1A，在一些情况下，系统100被配置成允许氢气从第一电极104扩散和/或被输送至第二电极105。
根据某些实施方案，系统被配置成允许氢气在第二电极附近被氧化(例如，通过第二电极中的电化学反应将氢气氧化)。例如，参照图2A，在一些实施方案中，系统200被配置成允许氢气108在第二电极105附近被氧化。类似地，参照图1A，在某些实施方案中，系统100被配置成允许氢气在第二电极附近被氧化。在一些实施方案中，在第二电极附近将氢气氧化包括酸的产生。在某些实施方案中，酸的产生是有利的，因为其增加了第二电极处产生的酸的总量。
在一些实施方案中，系统包括分离器。例如，参照图1C，在一些实施方案中，系统100包括分离器124。类似地，参照图2B，在某些实施方中，系统200包括分离器124。在某些实施方案中，分离器被配置成允许第二电极处产生的氧气扩散至第一电极和/或允许第一电极处产生的氢气扩散至第二电极。例如，在一些实施方案中，分离器可透过氧气和/或氢气。例如，参照图1C，在一些实施方案中，分离器124被配置成允许第二电极处产生的氧气扩散至第一电极和/或允许第一电极处产生的氢气扩散至第二电极。类似地，参照图2B，在某些实施方案中，分离器124被配置成允许第二电极处产生的氧气扩散至第一电极和/或允许第一电极处产生的氢气扩散至第二电极。
可以存在将氢气和/或氧气从一个电极输送至另一个电极的许多合适的方法。例如，在一些实施方案中，可以用注射器输送氢气和/或氧气(例如，如果反应器在一个电极附近具有用于注射器的入口并且在另一个电极附近具有用于注射器的出口，则可以用注射器将气体从一个电极输送至另一个电极)。在某些实施方案中，可以通过导管(例如，管道(pipe)、通道、针或管子(tube))输送氢气和/或氧气。在一些情况下，氢气和/或氧气可以从一个电极直接输送至另一个电极，或者氢气和/或氧气可以在从反应器中除去之后被储存直至将其添加回反应器中。在一些实施方案中，氢气和/或氧气是连续或分批输送的。在某些实施方案中，氢气和/或氧气是自动或手动输送的。
在一些实施方案中，可以利用其中一个二氢分子反应形成两个质子和两个电子的氢氧化反应(HOR)对通过水解产生的氢气进行电化学氧化。在另一些实施方案中，可以以其中一个二氧分子与两个水分子和四个电子反应形成四个氢氧根离子的氧还原反应(ORR)对通过水解产生的氧气进行电化学还原。在一些实施方案中，HOR反应用于降低pH或增加通过反应器产生的酸性溶液的质子浓度。在一些实施方案中，ORR反应用于增加pH或增加通过反应器产生的碱性溶液的氢氧根浓度。在一些情况下，可以使用与用于反应器的电解反应的电极分开的电极来进行如本文中描述的HOR反应和ORR反应。在某些实施方案中，这些电极可以定位在电解反应器内，例如，作为其中氢和氧燃烧反应产生保留在反应器内的水的燃烧电极。在一些情况下，用于燃烧、或者用于HOR或ORR的电极还可以定位在氢气和氧气各自传递到的单独的容器或反应器中。在一些实施方案中，将在电解反应器的阴极处产生的氢传递至与反应器的阳极侧连接的HOR电极，其中进行HOR并且由此产生的质子增加了由反应器产生的酸性溶液的酸浓度(降低pH)。在某些实施方案中，将在电解反应器的阳极处产生的氧传递至与反应器的阴极侧连接的ORR电极，其中进行ORR并且由此产生的氢氧根离子增加了由反应器产生的碱性溶液的氢氧根浓度(增加pH)。在一些情况下，HOR反应优先于ORR反应进行，从而与活性较小的氧相比，减少氢向外部环境的释放。在一些情况下，用于氢-氧燃烧或者HOR或ORR的电极可以包含用作电催化剂的化合物。氢-氧燃烧催化剂例如在MHaruta和H Sano的“Catalytic Combustion of Hydrogen-Its Role in HydrogenUtilization，”，International Journal of Hydrogen Energy，第6卷，第6期，第601至608页，1981年中进行了描述，其在此通过引用并入。用于HOR和ORR的电催化剂的实例包括：单独使用或者作为合金或混合物使用的铂系金属例如Pt、Pd、Ru、Rh、Os和Ir，非铂系金属例如Mo、Fe、Ti、W、Cr、Co、Cu、Ag、Au和Re；任选地涂覆或掺杂有其他催化剂的称为拉尼镍的高表面积镍-铝合金。选择性用于ORR的电催化剂的实例包括金属铁、铁氧化物、铁硫化物和氢氧化铁，银合金、氧化物和硝酸盐，以及多种形式的碳(包括碳纸、碳毡、石墨、炭黑和纳米级碳)。
在本文描述的某些实施方案中，通过电解产生的气态副产物(例如，CO2、H2和/或O2)可能具有价值并且可以销售用于其他应用和过程，包括以产生能量和动力(包括电能)为目的的燃料电池或燃气轮机或内燃机中的燃烧。然而，在一些情况下，可能期望减少或消除这样的气体的产生。因此，在一些实施方案中，将由反应器产生的气体中的一者或更多者再结合。如本文所使用的，再结合是指消耗所产生的气体中的一者或更多者的化学反应或电化学反应。
在一些实施方案中，通过水解产生的氢和氧利用氢-氧燃烧再结合以形成水。例如，参照图2A，在一些实施方案中，由第一电极104产生的氢气108可以与氧气109再结合以形成水，如图6A所示。类似地，参照图1A，在某些实施方案中，由第一电极104产生的氢气可以与氧气再结合以形成水。根据某些实施方案，氢-氧再结合可以在反应器内部或外部发生，并且在一些情况下可以使用本领域技术人员熟知的电极材料和设计以及任选地催化剂。在某些实施方案中，所述方法不产生净氢气(或者所产生的氢气的净量小于供应至反应器的电流的5％(例如，小于2％或小于1％))。例如，在一些实施方案中，所述方法不向大气中释放任何氢气(或者所释放的氢气的量小于供应至反应器的电流的5％(例如，小于2％或小于1％))，因为所产生的氢气与氧再结合以形成水。类似地，在一些情况下，所述方法不产生净氧气(或者所产生的氧气的净量小于供应至反应器的电流的5％(例如，小于2％或小于1％))。例如，在某些情况下，所述方法不向大气中释放任何氧气(或者所释放的氧气的净量小于供应至反应器的电流的5％(例如，小于2％或小于1％))，因为所产生的氧气与氢再结合以形成水。
在一些实施方案中，水解分别在在第一电极(例如，阴极)附近产生碱性pH以及在第二电极(例如，阳极)附近产生酸性pH的条件下进行而不释放氢气或氧气(或者释放的氢气或氧气的量小于供应至反应器的电流的5％(例如，小于2％或小于1％))。例如，在一些实施方案中，O2可以从其中产生酸和O2的第二电极(例如，阳极)扩散(例如，通过图2A的电解质235和/或通过电解质上方的空气)至第一电极(例如，阴极)，在第一电极中产生碱并且在第一电极中O2将被还原以形成OH-(1/2O2+H2O+2e-→2OH-)。在某些实施方案中，该反应将在pH＞7且相对于标准氢电极小于0.8V的电极电势下发生。类似地，在一些情况下，H2可以从其中产生碱的第一电极(例如，阴极)扩散至第二电极(例如，阳极)，在第二电极中产生酸并且在第二电极中H2将被氧化以形成H+(H2→2H++2e-)。在某些情况下，这将在pH＜7时并且在电极电势相对于标准氢电极大于-0.41V时发生。在另外的电解槽例如碱性电解槽中，该反应被防止两个电极之间的气体跨越的分离器阻碍。然而，在本文公开的一些实施方案中，反应器包括分离器，所述分离器允许和/或促进H2和/或O2的跨越使得它们可以被消耗并增加pH梯度。
在一些实施方案中，酸性溶液(小于pH 7)在相对于标准氢电极大于0.8V的电极电势下由中性pH电解质产生。例如，在某些实施方案中，为了产生pH 0的酸性溶液，相对于标准氢电极的最小电极电势将为1.23V。在一些情况下，碱性溶液(大于pH 7)在相对于标准氢电极小于-0.4V的电极电势下由中性pH电解质产生。例如，为了产生pH 14的碱性溶液，相对于标准氢电极的最大电极电势将为-0.83V。
第二电极处的能斯特电位(例如，最接近第二电极的流体中的能斯特电位)可以为多个合适的值中的任一者。在一些实施方案中，第二电极(例如，阳极)处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于-0.4V、大于或等于-0.2V、大于或等于0V、大于或等于0.5V、大于或等于0.8V、大于或等于0.9V、大于或等于1V、大于或等于1.1V、大于或等于1.2V、大于或等于1.4V、或者大于或等于1.6V。在某些实施方案中，第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于2V、小于或等于1.7V、小于或等于1.5V、小于或等于1.4V、小于或等于1.3V、小于或等于1.2V、小于或等于1.1V、小于或等于1V、小于或等于0.9V、小于或等于0.8V、小于或等于0.5V、小于或等于0V、或者小于或等于-0.2V。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.8V且小于或等于2V、大于或等于1.2V且小于或等于2V、大于或等于-0.4V且小于或等于0.5V、或者大于或等于0V且小于或等于0.5V)。
在某些实施方案中，第二电极处的合适的能斯特电位取决于电极处的反应类型。例如，在一些情况下，当氢气被氧化成酸时第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于-0.4V(例如，大于或等于-0.4V且小于或等于0.5V、或者大于或等于0V且小于或等于0.5V)。作为另一个实例，在某些情况下，当水被氧化成酸和氧气时第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于0.8V(例如，大于或等于0.8V且小于或等于2V、或者大于或等于1.2V且小于或等于2V)。
第一电极处的能斯特电位(例如，最接近第一电极的流体中的能斯特电位)可以为多个合适的值中的任一者。在某些实施方案中，第一电极(例如，阴极)处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于0.8V、小于或等于0.6V、小于或等于0.4V、小于或等于0V、小于或等于-0.4V、小于或等于-0.5V、小于或等于-0.6V、小于或等于-0.7V、小于或等于-0.8V、小于或等于-0.9V、小于或等于-1V、小于或等于-1.2V、或者小于或等于-1.4V。在一些实施方案中，第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于-2V、大于或等于-1.7V、大于或等于-1.5V、大于或等于-1.2V、大于或等于-1V、大于或等于-0.9V、大于或等于-0.8V、大于或等于-0.7V、大于或等于-0.6V、大于或等于-0.5V，大于或等于-0.4V，大于或等于0V、大于或等于0.4V、或者大于或等于0.6V。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-1.5V且小于或等于-0.4V、大于或等于-1.5V且小于或等于-0.8V、大于或等于-0.4V且小于或等于0.8V、或者大于或等于-0.4V且小于或等于0.4V)。
在某些实施方案中，第一电极处的合适的能斯特电位取决于电极处的反应类型。例如，在一些情况下，当氧气被还原成碱时第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于0.8V(例如，小于或等于0.8V且大于或等于-0.4V、或者小于或等于0.4V且大于或等于-0.4V)。作为另一个实例，在某些情况下，当水被还原成碱和氢气时第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于-0.4V(例如，小于或等于-0.4V且大于或等于-1.5V、或者小于或等于-0.8V且大于或等于-1.5V)。
在某些实施方案中，槽电压(例如，例如在酸和/或碱的生产期间施加至槽的电压)相对于标准氢电极大于或等于0V、大于或等于0.5V、大于或等于1V、大于或等于1.23V、大于或等于1.5V、大于或等于2V、大于或等于2.06V、或者大于或等于2.5V。在一些实施方案中，槽电压相对于标准氢电极小于或等于5V、小于或等于4V、小于或等于3V、小于或等于2.5V、小于或等于2.25V、小于或等于2V、小于或等于1.5V、小于或等于1V、或者小于或等于0.5V。这些范围的组合也是可能的(例如，0V至5V或0V至2.5V)。
在一些实施方案中，系统包括用于产生浓酸和浓碱的反应器系统。根据一些实施方案，系统包括第一反应器(例如，本文中描述的任何反应器)。例如，参照图3A，在一些实施方案中，系统300包括第一反应器320。根据一些实施方案，系统包括第二反应器(例如，本文中描述的任何反应器)。例如，参照图3A，在一些实施方案中，系统300包括第二反应器301。在某些情况下，第一反应器和第二反应器流体连接。例如，参照图3A，根据一些实施方案，第一反应器320通过导管330流体连接至第二反应器301。例如，在一些情况下，第一反应器中产生的流体(例如，液体或气体)可以扩散和/或被输送至第二反应器。作为一个非限制性实例，在某些实施方案中，所述方法包括将氢气和/或二卤化物从第一反应器扩散和/或输送至第二反应器。
在一些实施方案中，第一反应器包括电化学反应器。在某些情况下，第一反应器包括第一电极(例如，本文中描述的任何第一电极)。例如，参照图3B，在一些情况下，第一反应器320包括第一电极104。在一些情况下，第一反应器包括第二电极(例如，本文中描述的任何第二电极)。例如，参照图3B，在一些情况下，第一反应器320包括第二电极105。在一些实施方案中，第二电极与第一电极电化学耦接(例如，电极被配置成使得电流可以从一个电极流向另一个电极)。也就是说，电极可以被配置成使得它们能够参与电化学过程。电化学耦接可以例如通过将第一电极和第二电极暴露于促进两个电极之间的离子传输的电解质中来实现。例如，参照图3A，在一些实施方案中，第一电极104与第二电极105电化学耦接。
在某些情况下，第二反应器包括燃料电池(例如，H2/Cl2燃料电池)。在一些实施方案中，所述方法包括在第二反应器中产生酸。例如，在某些情况下，图3A中的第二反应器301被配置成产生酸(例如，本文中描述的任何酸)。
在某些实施方案中，所述方法包括在第一反应器中产生碱(例如，本文中描述的任何碱)、二卤化物、和/或氢气。例如，参照图3A，在一些情况下，第一反应器320被配置成产生碱、二卤化物和/或氢气。在一些情况下，二卤化物在第一反应器的第二电极附近产生(例如，通过第一反应器的第二电极中的电化学反应产生二卤化物)。例如，参照图3B，在某些情况下，二卤化物在第一反应器320的第二电极105附近产生。在一些实施方案中，碱和/或氢气在第一电极附近产生(例如，通过第一电极中的电化学反应产生碱和/或氢气)。例如，参照图3B，在某些情况下，碱在第一电极104附近产生。
第一反应器的第二电极处的能斯特电位(例如，最接近第二电极的流体中的能斯特电位)可以为多个合适的值中的任一者。在一些实施方案中，第一反应器的第二电极(例如，阳极)处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于1.3V、大于或等于1.5V、大于或等于1.7V、大于或等于1.9V、大于或等于2.1V、或者大于或等于2.3V。在某些实施方案中，第一反应器的第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于2.5V、小于或等于2.3V、小于或等于2.1V、小于或等于1.9V、小于或等于1.7V、或者小于或等于1.5V。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于1.3V且小于或等于2.5V)。
在某些实施方案中，第一反应器的第二电极处的合适的能斯特电位取决于电极处的反应类型。例如，在一些情况下，当产生二卤化物(例如，氯离子被氧化以形成C12)时，第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于1.3V(例如，大于或等于1.3V且小于或等于2.5V)。
在一些实施方案中，相对于标准氢电极，在相对于标准氢电极高于1.36V(例如，大于或等于1.4V、大于或等于1.5V、大于或等于1.7V、或者大于或等于2V；小于或等于5V、小于或等于3V、小于或等于2V、或者小于或等于1.5V；组合也是可能的)的能斯特电位下由Cl-产生Cl2。
在某些实施方案中，在相对于标准氢电极大于1.06V(例如，大于或等于1.1V、大于或等于1.2V、大于或等于1.3V、大于或等于1.5V、或者大于或等于1.8V；小于或等于4V、小于或等于3V、小于或等于2V、或者小于或等于1.5V；组合也是可能的)的能斯特电位下由Br-产生Br2。
在一些情况下，在相对于标准氢电极大于0.54V(例如，大于或等于0.6V、大于或等于0.7V、大于或等于0.8V、大于或等于0.9V、大于或等于1V、或者大于或等于1.2V；小于或等于3V、小于或等于2V、小于或等于1.5V、小于或等于1.3V、或者小于或等于1V；组合也是可能的)的能斯特电位下由I-产生12。
第一反应器的第一电极处的能斯特电位(例如，最接近第一电极的流体中的能斯特电位)可以为多个合适的值中的任一者。在一些实施方案中，第一反应器的第一电极(例如，阴极)处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于-2V、大于或等于-1.8V、大于或等于-1.6V、大于或等于-1.4V、大于或等于-1.2V、大于或等于-1.0V、大于或等于-0.8V、大于或等于-0.6V、大于或等于-0.4V、大于或等于-0.2V、大于或等于0V、大于或等于0.2V、大于或等于0.4V、或者大于或等于0.6V。在某些实施方案中，第一反应器的第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于0.8V、小于或等于0.6V、小于或等于0.4V、小于或等于0.2V、小于或等于0V、小于或等于-0.2V、小于或等于-0.4V、小于或等于-0.6V、小于或等于-0.8V、小于或等于-1.0V、小于或等于-1.2V、小于或等于-1.4V、或者小于或等于-1.6V。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-2V且小于或等于0.8V、大于或等于-1.4V且小于或等于0.4V、大于或等于-2V且小于或等于-0.4V、或者大于或等于-2V且小于或等于-0.8V)。
在某些实施方案中，第一反应器的第一电极处的合适的能斯特电位取决于电极处的反应类型。例如，在一些情况下，当氧被还原以形成碱时，第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于0.8V(例如，大于或等于-2V且小于或等于0.8V、或者大于或等于-1.4V且小于或等于0.4V)。作为另一个实例，在某些情况下，当水被还原成氢气和碱时，第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于-0.4V(例如，大于或等于-2V且小于或等于-0.4V、或者大于或等于-2V且小于或等于-0.8V)。
在某些实施方案中，第一反应器由包含卤化物盐的电解质产生碱/碱性溶液、二卤化物和氢气。根据某些实施方案，图11示出了如本文中公开的基于中性水电解槽的反应器，由此电解或水解产生酸性溶液和碱性溶液，然后将酸性溶液用于使起始金属碳酸盐脱碳，以及然后将碱性溶液用于从起始金属碳酸盐的溶解的金属离子中沉淀金属氢氧化物。在一些实施方案中，在这样的反应器上操作的反应物的体积浓度通过由电解槽产生的pH值来确定。
根据某些实施方案，替代的反应器构思示于图12中。根据一些实施方案，该反应器能够产生比图11中的反应器更高浓度的酸和碱。在一些实施方案中，系统包括第一反应器，所述第一反应器对溶解的金属盐的近中性溶液进行电解氧化以产生碱性溶液、氢和富含金属盐的阳离子的化合物。在一些实施方案中，金属盐是碱金属卤化物盐或碱土金属卤化物盐并且产生的所述化合物为二卤化物。根据某些实施方案，第二反应器通过使所述化合物和氢与水反应来产生酸性溶液。在一些实施方案中，然后将由第二反应器产生的所述酸性溶液和由第一反应器产生的所述碱性溶液分别用于使释放CO2的所述金属碳酸盐溶解和使所述金属氢氧化物沉淀。与其中达到大于约1摩尔的绝对H+和OH-浓度可能是困难的图11的反应器不同，在某些实施方案中，图12的反应器可以达到3摩尔、5摩尔、或甚至更高的浓度。
在某些实施方案中，第一反应器包括第二电极(例如，阳极)、第一电极(例如，阴极)、两个电极之间的半渗透膜、用于电解质的入口和用于电解产物(H2、二卤化物和碱性溶液)的出口。在一些实施方案中，第一电极附近的另外的入口引入O2。在一些情况下，电解质为其中溶解有金属盐的近中性水溶液。在某些情况下，水溶液包含卤化物阴离子(例如，F-、Cl-、Br-、I-)和相应的阳离子(例如，Li+、Na+、K+、NH4 +、Mg2+、Ca2+)。在某些实施方案中，电解质中的卤化物盐的浓度可以在从0.01重量％至50重量％的任何地方。在一些实施方案中，电解质通过入口被引入至第二电极(例如，阳极)。在某些情况下，第二电极的表面上的活性材料可以包括铂、石墨、镀铂钛、混合金属氧化物、混合金属氧化物包覆的钛、镀铂金属氧化物(例如，镀铂的氧化铅、二氧化锰)、镀铂硅铁、铂-铱合金、钌氧化物、钛氧化物、钌和/或钛混合的金属氧化物。
在一些情况下，在反应器1的第二电极处，卤化物阴离子被氧化以产生二卤化物(例如，Cl2、Br2、I2)。例如，在某些情况下，溶解的Cl-的氧化产生Cl2气体。
2Cl- (aq)→Cl2(g)+2e-
在某些实施方案中，在室温下，Br-的氧化产生Br2(发烟液体)，以及I-的氧化产生I2(固体)。在一些情况下，二卤化物通过出口从电解槽中收集并在以下描述的后续步骤中用于制备酸。在某些情况下，包含阳离子(例如，Li+、Na+、K+、NH4 +)的电解质通过半透膜(隔膜或离子交换膜)朝向第一电极(例如，阴极)移动。在一些情况下，隔膜或膜防止第一电极处产生的碱性溶液提高第二电极处的pH。在某些实施方案中，第一电极的表面可以包含电催化化合物。电催化化合物的实例包括铂、镀铂钛、混合金属氧化物包覆的钛、镀铂金属氧化物(例如镀铂的氧化铅、二氧化锰)、镀铂硅铁、铂-铱合金、不锈钢、石墨、非合金钛、不锈钢、镍、镍氧化物。在某些实施方案中，第二电极包括金属电极例如铂、金、镍、铱、铜、铁、钢、不锈钢、锰和锌，或碳例如石墨或无序碳，或金属碳化物例如碳化硅、碳化钛或碳化钨。在某些实施方案中，第二电极包含金属合金(例如镍-铬-铁合金、镍-钼-镉合金)、金属氧化物(例如铱氧化物、镍铁钴氧化物、镍钴氧化物、锂钴氧化物、镧锶钴氧化物、钡锶铁氧化物、锰钼氧化物、二氧化钌、铱钌钽氧化物)、金属有机骨架、或金属硫化物(例如硫化钼)。在某些实施方案中，在导电载体上分散或涂覆电催化剂或电极材料。在一些实施方案中，如图13A所示，在反应器1的第一电极(例如，阴极)处，水被还原以产生OH-(碱性溶液)和H2(g)：
H2O+2e-→H2+2OH-
在另一个实施方案中，在反应器1的第一电极(例如，阴极)处，O2被还原以产生OH-(碱性溶液)；参见图13A。
1/2O2+H2O+2e-→2OH-
在一些实施方案中，OH-通过电解中的穿过隔膜或膜的阳离子进行电荷平衡，例如如图13所示。在某些情况下，从出口从反应器中收集pH大于7、碱的浓度为0.01mol/L或更大的碱金属氢氧化物溶液(例如，NaOH、KOH)。在某些情况下，从不同的出口从反应器中收集H2。在一些情况下，反应器1在一个电极处产生碱性溶液，并且在另一个电极处产生氢和二卤化物(在其中金属盐为金属卤化物的情况下)。
根据一些实施方案，在图12中，反应器2是通过使在反应器1的阳极处产生的氢气与二卤化物反应、或通过使二卤化物与水反应而产生酸的反应器。不受以下实例的限制，该反应器的两个实施方案示于图14A至图14B中。根据某些实施方案，在图14A中，反应器包括第一室、通过其将H2引入至第一室中的入口、通过其将二卤化物引入至第一室中的第二入口和通过其将卤化氢(例如，HCl、HBr、HI)从第一室中除去的出口、通过其将卤化氢引入至第二室中的入口、通过其将水引入至第二室中的入口和通过其将卤化氢的酸性水溶液从第二室中除去的出口。在一些实施方案中，在第一室中二卤化物与H2反应以形成卤化氢。在某些实施方案中，H2与二卤化物之间的反应可以通过加热或经由电磁波的辐射来辅助。例如，在一些实施方案中，如果二卤化物为Cl2，则在反应器2中发生以下反应：
Cl2+H2→2HCl
在一些情况下，在第二室中，将卤化氢溶解在水中以制备酸性溶液。例如，可以将HCl溶解在水中以制备质子。
根据某些实施方案，在图14B中，使二卤化物与水反应以产生期望的酸、和作为副产物的氧。在一些情况下，示例性反应器包括第一室、通过其将H2O引入至第一室中的入口和通过其将二卤化物引入至第一室中的第二入口。在某些情况下，反应器还包括通过其将卤化氢(例如，HCl、HBr、HI)从第一室中除去的出口和通过其将O2从第一室中除去的出口。在一些情况下，作为示例性二卤化物的氯与水之间的反应为：
Cl2+H2O→2HCl+1/2O2
在一些实施方案中，二卤化物和水的相对量将决定是否产生纯的卤化氢、或卤化氢和水的共混物，包括例如卤化氢在水中的溶液。任选地，在某些实施方案中，反应器可以包括具有通过其引入卤化氢的入口的其中将卤化氢溶解在水中以制备酸性溶液的第二室、通过其将水引入至第二室中的入口和通过其将卤化氢的酸性水溶液从反应器中除去的出口，如图14B所示。
在一些实施方案中，系统包括装置。例如，参照图1A，在一些实施方案中，系统包括第一装置118。类似地，参照图2C，在某些情况下，系统包括第一装置118。类似地，参照图3A，在一些情况下，系统包括第一装置118。在某些情况下，装置为容器(例如，不与大气相通的容器)。根据某些实施方案，装置被配置成收集反应器的一种或更多种产物或者副产物(例如，酸、碱、氢气、氧气和/或二氧化碳气体等)，储存一种或更多种产物或者副产物中的一者或更多者，和/或使一种或更多种产物或者副产物中的一者或更多者反应(例如，在化学溶解和/或沉淀反应中)。
在某些实施方案中，系统包括多个装置。在一些实施方案中，系统包括大于或等于1个、大于或等于2个、大于或等于3个、大于或等于4个、或者大于或等于5个装置。在一些情况下，系统包括小于或等于6个、小于或等于5个、小于或等于4个、小于或等于3个、或者小于或等于2个装置。这些范围的组合也是可能的(例如，1至6个装置)。在一些实施方案中，系统包括第一装置和第二装置。例如，在图1B中，在一些实施方案中，系统包括第一装置118和第二装置119。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，系统包括第一装置118和第二装置119。类似地，参照图3A，在一些情况下，系统包括第一装置118和第二装置119。每个装置可以独立地具有一种或更多种功能。本文中公开的任何装置、或装置的配置可以与本文中公开的任何系统一起使用。
在某些实施方案中，装置流体连接至反应器。例如，在一些情况下，装置通过流体通过其可以流动的导管(例如，管道、通道、针或管子)连接至反应器。例如，参照图1A，在一些实施方案中，装置118通过导管流体连接至反应器。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，装置118通过导管流体连接至反应器。类似地，参照图3A，在一些情况下，装置118通过导管流体连接至反应器。
在某些情况下，装置流体连接至一个或更多个另外的装置(例如，通过导管，例如管道、通道、针或管子)。例如，参照图1D，第一装置118通过导管流体连接至第三装置120。类似地，参照图2C，在一些实施方案中，第一装置118可以流体连接至第三装置(例如，通过导管)。类似地，参照图3A，在一些情况下，第一装置118可以流体连接至第三装置(例如，通过导管)。作为另一个实例，参照图1E，在一些实施方案中，第一装置118流体连接至第三装置120(例如，通过导管)，所述第三装置120流体连接至第五装置122(例如，通过导管)，同时第二装置119流体连接至第四装置121(例如，通过导管)，所述第四装置121流体连接至第六装置123(例如，通过导管)。
根据一些实施方案，所述方法包括收集酸和/或碱。例如，在一些实施方案中，所述方法包括从产生酸和/或碱的容器(例如，反应器)中除去酸和/或碱。收集酸和/或碱的合适方法的一个非限制性实例包括通过导管(例如，管道、通道、针或管子)将酸和/或碱移动至单独的容器中。收集酸和/或碱的其他合适的实例包括将酸和/或碱直接移动至单独的容器(例如，通过可以移动以阻挡或允许流体扩散的面板连接至反应器的容器)中。在一些实施方案中，酸和/或碱是连续或分批收集的。在某些实施方案中，酸和/或碱是自动或手动收集的。
在一些实施方案中，装置被配置成收集第二电极(和/或第二反应器)附近的酸和/或第一电极(和/或第一反应器)附近的碱(例如，收集来自酸性区域的酸和/或收集来自碱性区域的碱)。例如，参照图1A，在一些实施方案中，系统包括被配置成收集第一电极104附近的碱的第一装置118。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，系统包括被配置成收集第一电极104附近的碱的第一装置118。类似地，参照图3A，系统300包括被配置成收集第一反应器320附近(例如，第一反应器320的第一电极104附近)的碱的第一装置118。在一些实施方案中，第一装置118可以被配置成除了收集第一电极(和/或第一反应器)附近的碱之外还收集第二电极(和/或第二反应器)附近的酸，或者收集第二电极(和/或第二反应器)附近的酸代替收集第一电极(和/或第一反应器)附近的碱。
在某些实施方案中，第二装置被配置成收集第二电极(和/或第二反应器)附近的酸和/或第一电极(和/或第一反应器)附近的碱。在其中第一装置被配置成收集第一电极附近的碱的一些实施方案中，第二装置被配置成收集第二电极附近的酸。例如，参照图1B，在一些实施方案中，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成收集第一电极104附近的碱以及第二装置119被配置成收集第二电极105附近的酸。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成收集第一电极104附近的碱以及第二装置119被配置成收集第二电极105附近的酸。类似地，参照图3A，在一些情况下，系统300包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成收集第一反应器320(例如，第一电极104)附近的碱以及装置119被配置成收集第二反应器301附近的酸。或者，在其中第一装置被配置成收集第二电极(和/或第二反应器)附近的酸的实施方案中，第二装置可以被配置成收集第一电极(和/或第一反应器)附近的碱。
在某些实施方案中，收集酸包括从酸没有被显著稀释和/或反应的足够接近电极的附近收集由电极产生的酸(例如，收集的酸的pH在反应器中的具有最低pH的酸的一个pH单位内)。类似地，在一些实施方案中，收集碱包括从碱没有被显著稀释和/或反应的足够接近电极的附近收集由电极产生的碱(例如，收集的碱的pH在反应器中的具有最高pH的碱的一个pH单位内)。
根据一些实施方案，所述方法包括储存酸和/或碱。例如，在某些实施方案中，在酸和/或碱被收集在单独的容器中之后，所述方法包括将酸和/或碱在单独的容器中保持至少一段时间。在一些实施方案中，所述方法包括将酸和/或碱储存大于或等于5分钟、大于或等于15分钟、大于或等于30分钟、大于或等于1小时、大于或等于5小时、大于或等于12小时、大于或等于1天、大于或等于2天、大于或等于3天、大于或等于1周、大于或等于2周、或者大于或等于1个月。在某些实施方案中，所述方法包括将酸和/或碱储存小于或等于1年、小于或等于6个月、小于或等于3个月、小于或等于2个月、小于或等于1个月、小于或等于2周、小于或等于1周、小于或等于3天、小于或等于2天、小于或等于1天、或者小于或等于12小时。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于5分钟且小于或等于1年、大于或等于5小时且小于或等于1天、或者大于或等于1周且小于或等于1年)。
在某些实施方案中，装置(例如，第一装置和/或第二装置)被配置成储存酸和/或碱。例如，参照图1A，在一些实施方案中，第一装置118被配置成储存碱。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，第一装置118被配置成储存碱。类似地，参照图3A，在一些情况下，第一装置118被配置成储存碱。
作为另一个实例，参照图1B，在一些实施方案中，第二装置119被配置成储存酸。类似地，参照图2C，在某些情况下，第二装置119被配置成储存酸。类似地，参照图3A，在一些情况下，第二装置119被配置成储存酸。
在第一装置被配置成储存碱的一些实施方案中，第二装置被配置成储存酸。例如，参照图1B，在一些实施方案中，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成储存碱，以及第二装置119被配置成储存酸。类似地，参照图2C，在一些情况下，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成储存碱，以及第二装置119被配置成储存酸。类似地，参照图3A，根据某些实施方案，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成储存碱，以及第二装置119被配置成储存酸。或者，在第一装置被配置成储存酸的实施方案中，第二装置可以被配置成储存碱。
根据一些实施方案，所述方法包括使酸和/或碱在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。在某些实施方案中，化学溶解在沉淀反应之前(例如，化学溶解的产物用于沉淀反应)。在一些情况下，沉淀反应在化学溶解之前(例如，沉淀反应的产物用于化学溶解)。在某些情况下，化学溶解和沉淀反应是同时的和/或无关的(例如，一者的产物不用于另一者，反之亦然)。
在一些实施方案中，装置(例如，第一装置和/或第二装置)被配置成使酸在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。例如，参照图1B，在一些实施方案中，第二装置119被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，第二装置119被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图3A，根据某些实施方案，第二装置119被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。
在某些实施方案中，装置(例如，第一装置和/或第二装置)被配置使碱在化学溶解和/或在沉淀反应中反应。作为另一个实例，参照图1A，在某些实施方案中，第一装置118被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图2C，在一些实施方案中，第一装置118被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图3A，根据一些实施方案，第一装置118被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。
在第一装置被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)的一些实施方案中，第二装置被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。例如，参照图1B，在一些实施方案中，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)，以及第二装置119被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)，以及第二装置119被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图3A，根据某些实施方案，系统包括第一装置118和第二装置119，以及在某些情况下，第一装置118被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)，以及第二装置119被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。或者，在第一装置被配置成使酸反应的实施方案中，第二装置可以被配置成使碱反应。
根据某些实施方案，装置(例如，第一装置和/或第二装置)可以被配置成(i)收集第二电极附近的酸和/或第一电极附近的碱；(ii)储存酸和/或碱；和/或(iii)使酸和/或碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。例如，参照图1A，在一些实施方案中，第一装置118被配置成(i)收集第一电极附近的碱；(ii)储存碱；和(iii)使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，第一装置118被配置成(i)收集第一电极附近的碱；(ii)储存碱；和(iii)使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图3A，在一些情况下，第一装置118被配置成(i)收集第一电极附近的碱；(ii)储存碱；和(iii)使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。
作为另一个实例，参照图1B，在一些实施方案中，第二装置119被配置成(i)收集第二电极附近的酸；(ii)储存酸；和(iii)使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图2C，在某些实施方案中，第二装置119被配置成(i)收集第二电极附近的酸；(ii)储存酸；和(iii)使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。类似地，参照图3A，第二装置119被配置成(i)收集第二电极附近的酸；(ii)储存酸；和(iii)使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。
根据一些实施方案，每个装置可以仅具有一种功能。例如，在某些实施方案中，第一装置被配置成收集第一电极附近的碱，第二装置被配置成收集第二电极附近的酸，以及第三装置被配置成使碱和/或酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。例如，在图1D中，在某些实施方案中，第一装置118被配置成收集第一电极104附近的碱，第二装置119被配置成收集第二电极105附近的酸，以及第三装置120被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。作为另一个非限制性实例，在一些实施方案中，第一装置被配置成收集第一电极附近的碱并储存碱；第二装置被配置成收集第二电极附近的酸，储存酸，并使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)；以及第三装置被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。例如，在图1D中，在一些实施方案中，第一装置118被配置成收集第一电极104附近的碱并储存碱；第二装置119被配置成收集第二电极105附近的酸，储存酸，并使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)；以及第三装置120被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。
在又一个实例中，在一些实施方案中，第一装置被配置成收集第一电极附近的碱，第二装置被配置成收集第二电极附近的酸，第三装置被配置成储存碱，第四装置被配置成储存酸，第五装置被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)，以及第六装置被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。例如，在图1E中，在一些情况下，第一装置118被配置成收集第一电极104附近的碱，第二装置119被配置成收集第二电极105附近的酸，第三装置120被配置成储存碱，第四装置121被配置成储存酸，第五装置122被配置成使碱反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)，以及第六装置123被配置成使酸反应(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)。
在一些实施方案中，使本文中描述的酸和/或碱在化学溶解和/或沉淀反应中反应。在某些情况下，使酸和/或碱在化学溶解中反应。在一些实施方案中，化学溶解包括使固体溶解以形成两种溶解的离子。在一些实施方案中，固体包括金属、金属合金、准金属、金属盐、金属氧化物、金属氢氧化物、和/或硅酸盐。在某些实施方案中，固体为结晶的、非晶的、纳米晶、和/或其混合物。在一些实施方案中，固体包括Ag、Al、As、Au、Ba、Ca、Cd、Cl、Co、Cr、Cu、Fe、Hg、K、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、P、Pb、S、Sb、Se、Si、Sn、Ti、Tl、V、W和/或Zn(例如，呈单质形式或作为盐)。
在一些实施方案中，金属和/或金属合金包括铁、铁基合金、不锈钢、有色金属、有色合金、铝、黄铜、青铜、铜、锌、锡、和/或硬币合金。
金属盐、金属氧化物和金属氢氧化物的实例包括钙、镁、钡、锶、锰、铁、钴、锌、镉、铅和/或镍的盐、氧化物和氢氧化物。例如，在一些实施方案中，金属盐包括金属碳酸盐。合适的金属碳酸盐的实例包括碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、碳酸锶、碳酸锰、碳酸铁、碳酸钴、碳酸锌、碳酸镉、碳酸铅、和/或碳酸镍。
合适的金属氧化物的实例包括钙氧化物、镁氧化物、锶氧化物、锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物、锌氧化物、镉氧化物、铅氧化物、二氧化硅、和/或铝氧化物。
合适的金属氢氧化物的实例包括氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化锶、氢氧化锰、铁氧化物、氢氧化钴、氢氧化镍、氢氧化锌、氢氧化镉、氢氧化铅、氢氧化硅、和/或氢氧化铝。
在一些实施方案中，酸在金属、金属合金、准金属、金属盐、金属氧化物和/或金属氢氧化物的化学溶解中反应。在某些实施方案中，碱在金属氧化物(例如，二氧化硅和/或氧化铝)和/或金属氢氧化物(例如，氢氧化硅和/或氢氧化铝)的化学溶解中反应。
在一些情况下，酸和/或碱在沉淀反应中反应。在某些实施方案中，沉淀反应包括两种溶解的离子的结合以形成固体沉淀物。在一些实施方案中，固体沉淀物包括金属氢氧化物。合适的金属氢氧化物的实例包括氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钡、氢氧化锶、氢氧化锰、氢氧化铁、氢氧化钴、氢氧化锌、氢氧化镉、氢氧化铅、和/或氢氧化镍。
根据一些实施方案，碱在沉淀反应中反应以形成金属氢氧化物。在某些实施方案中，酸在沉淀反应中反应以形成金属氢氧化物。
在某些实施方案中，当在第一模式下时(例如，如上所述)反应器间歇地运行。在一些情况下，反应器以第一模式连续地运行。在某些情况下，反应器以第一模式间歇地运行，而与收集的酸和或碱的反应(例如，化学溶解和/或沉淀反应)连续地进行。例如，在一些实施方案中，当以第一模式运行时，反应器产生足够的酸和/或碱使得其仅需要间歇运行以产生足够的酸和/或碱以连续地进行反应(例如，化学溶解和/或沉淀反应)。
在一些实施方案中，通过收集电解产生的不同组成的溶液或悬浮液来进行期望的化学反应，并使用所述溶液或溶液在反应器的一部分中或在单独的装置中由所述反应物产生产物。例如，根据某些实施方案，图4A至图4B示出了其中电解槽产生流向反应器的单独区域或流向单独的反应器的低pH和高pH的溶液的反应器。根据一些实施方案，酸性溶液用于在第一室中溶解CaCO3，从而在该过程中释放CO2气体(参见图4B)。在第二室中，在一些实施方案中，溶解的溶液与由电解槽产生的碱性溶液反应以产生Ca(OH)2(参见图4B)。在一些实施方案中，两个室是用于酸性溶液和用于碱性溶液的储槽。在某些实施方案中，酸储槽包含聚合物材料或玻璃衬里。在一些实施方案中，碱储槽包含聚合物材料或金属。在一些实施方案中，金属槽包含铁或钢。
在某些情况下，将沉淀反应的副产物进给回到系统(例如，第一反应器)中。在一些情况下，系统被配置成将来自沉淀反应的副产物进给到系统(例如，第一反应器)中。在一些实施方案中，副产物具有中性pH。例如，在某些情况下，副产物的pH大于6、大于或等于6.25、大于或等于6.5、大于或等于6.75、或者大于或等于6.9。在一些情况下，副产物的pH小于8、小于或等于7.75、小于或等于7.5、小于或等于7.25、或者小于或等于7.1。这些范围的组合也是可能的(例如，大于6且小于8、或者大于或等于6.9且小于或等于7.1)。在一些实施方案中，副产物的pH为7。
在一些情况下，副产物包含碱金属卤化物(例如，碱金属氢氧化物的沉淀中的副产物)(例如，NaCl)。在某些情况下，副产物包含碱金属盐(例如，NaClO4、NaNO3、三氟甲磺酸钠和/或乙酸钠)。
在一些实施方案中，所述方法包括以第二模式运行反应器。在某些情况下，反应器在第二模式下的极性与反应器在第一模式下的极性相比是相反的。根据一些实施方案，以第一模式运行反应器比以第二模式运行反应器使用更多的电。例如，在某些实施方案中，以第一模式运行反应器比以第二模式运行反应器多使用至少10％、至少20％、至少30％、或至少40％的电。在一些情况下，以第一模式运行反应器比以第二模式运行反应器多使用小于或等于50％、小于或等于40％、小于或等于30％、或者小于或等于20％的电。这些范围的组合也是可能的(例如，至少10％且小于或等于50％)。与第二模式相关的任何实施方案可以应用于本文中描述的系统中的任一者。
在一些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第二电极附近向反应器中添加碱。例如，在某些实施方案中，以第二模式运行反应器包括以使得碱可以用于第二电极的电化学反应的方式向反应器中添加碱。例如，参照图1A，在一些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第二电极105附近添加碱。类似地，参照图2A，在某些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第二电极105附近添加碱。根据一些实施方案，当反应器以第一模式运行时，从第一电极附近收集添加至反应器的碱并储存直至反应器以第二模式运行。在某些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第二电极附近使添加的碱(例如，已经储存的碱)氧化以产生氧气。例如，在一些情况下，以第二模式运行反应器包括将添加的碱通过第二电极氧化成氧气。
在某些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第一电极附近向反应器中添加酸。例如，在某些实施方案中，以第二模式运行反应器包括以使得酸可以用于第一电极的电化学反应的方式向反应器中添加酸。例如，参照图1A，在一些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第一电极104附近添加酸。类似地，参照图2A，在某些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第一电极104附近添加酸。根据一些实施方案，当反应器以第一模式运行时从第二电极附近收集添加至反应器的酸并储存直至反应器以第二模式运行。在某些实施方案中，以第二模式运行反应器包括在第一电极附近使添加的酸(例如，已经储存的酸)还原以产生氢气。例如，在一些情况下，以第二模式运行反应器包括将添加的酸通过第一电极还原成氢气。
比较起来，在一些实施方案中，以第一模式运行反应器包括向反应器中添加近中性的输入溶液。在某些情况下，近中性的输入溶液的pH大于6、大于或等于6.25、大于或等于6.5、大于或等于6.75、或者大于或等于6.9。在一些情况下，近中性的输入溶液的pH小于8、小于或等于7.75、小于或等于7.5、小于或等于7.25、或者小于或等于7.1。这些范围的组合也是可能的(例如，大于6且小于8、或者大于或等于6.9且小于或等于7.1)。在一些实施方案中，近中性的输入溶液的pH为7。在某些实施方案中，近中性的输入溶液包含盐。合适的盐的实例包括碱金属硫酸盐、碱金属氯酸盐、碱金属卤化物、碱金属硝酸盐、碱金属高氯酸盐、碱金属乙酸盐、碱金属亚硝酸盐、和/或碱金属三氟甲磺酸盐。
在一些实施方案中，当电的成本高和/或当电缺乏时，以第二模式而不是第一模式运行反应器可以是有利的。例如，在某些实施方案中，如果电是从动力供应商购买的，则来自动力供应商的电的成本和/或电的可用度(availability)可能波动，当电的成本低和/或电的可用度高时以第一模式运行反应器然后当电的成本高和/或电的可用度低时以第二模式运行反应器可以是有利的。作为另一个实例，在某些实施方案中，如果电来自可再生能源，例如太阳能或风能，则在电的可用度方面可能存在波动，使得当电的可用度高(例如，对于太阳能在白天期间和/或在夏季期间或者对于风能在多风时期期间)时以第一模式运行反应器然后当电的可用度低(例如，对于太阳能在夜晚期间和/或在冬季期间或者在无显著风的时期期间)时以第二模式运行反应器可以是有利的。在一些情况下，当电的成本为第一成本且电的可用度为第一可用度时以第一模式运行反应器，以及当电的成本为第二成本且电的可用度为第二可用度时以第二模式运行反应器，其中第二成本大于第一成本(例如，大至少10％、25％、50％、或100％)和/或第一可用度大于第二可用度(例如，大至少10％、25％、50％、或100％)。
在一些实施方案中，在高的电可用度和/或低的电成本的时期期间至少部分地收集和/或储存由电解反应器产生的酸性溶液和/或碱性溶液，从而在减少的或低的电解槽运行或电可用度和/或高的电成本时期期间允许待进行的产生CO2的酸中的化学溶解反应和碱中发生的化学沉淀反应。在一些实施方案中，酸性溶液和碱性溶液的储存起化学品储存的作用，允许通常可以为固体、液体或气体的化学反应产物的产出与电解槽的产出速率相比变化较小、或是平稳的。在一些实施方案中，储存的酸性溶液或碱性溶液的大小或体积允许化学反应产物在减少的或低的电解槽运行或电可用度和/或高的电成本的时期期间以不完全耗尽储存的酸性溶液或碱性溶液的速率被生产。在一些实施方案中，系统包括可变电的来源、所述电解槽以及所述化学储槽和化学反应器。在一些实施方案中，方法包括运行这样的系统以从更多可变的或间歇的电源中产生变化较小的、或者恒定或相对恒定的化学反应产物流。
在某些实施方案中，所述方法包括以低电压模式(例如，在比本文中描述的高电压模式更低的电压下)产生酸和碱。与低电压模式相关的任何实施方案可以与本文中公开的任何系统一起使用。在一些实施方案中，所述方法不产生氧气和/或氢气。例如，在某些实施方案中，以低电压模式发生的电解反应可以是在第二电极处使氢氧化(H2→2H++2e-)以及在第一电极处使水还原(2H2O+2e-→H2+2OH-)，因此不产生氧气。在另一个实例中，在某些实施方案中，以低电压模式发生的电解反应可以是在第一电极处使水氧化(2H2O→O2+4H++4e-)以及在第二电极处使氧还原(O2+2H2O+4e-→4OH-)，因此不产生氢气。
为了举例说明，下面描述一些示例性系统。
系统1：用于使用间歇的可再生能源以恒定的速率生产低成本H2的示例性系统
根据一些实施方案，系统可以包括反应器，所述反应器包括包括空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的区域。在一些实施方案中，反应器可以包括第一电极和第二电极、供应液体和/或经历一种或多种电解反应的气体的一个或更多个入口、以及反应器的其中在经历电解反应之后储存溶液的一部分或其中在经历电解反应之后储存溶液的单独的装置。
在某些实施方案中，所述方法包括以第一模式(例如，高电压模式，如图5A至图5B所示)运行反应器；其中第一模式包括：在第一电极附近产生碱；在反应器中与第一电极电化学耦接的第二电极附近产生酸；收集酸和/或碱；以及使收集的酸和/或碱在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。
在某些实施方案中，电解反应可以产生H2、O2、酸性溶液和碱性溶液。这是高电压模式的一个实例，其需要比低电压模式更高的电压。在高电压模式下发生的电解反应的一个非限制性实例是在第二电极处使水氧化(2H2O→O2+4H++4e-)以及在第一电极处使水还原(2H2O+2e-→H2+2OH-)；当第二电极处的pH为0且第一电极处的pH为14时该反应需要2V的最小电压(参见图5A至图5B)。在某些实施方案中，可以单独收集和储存电极处产生的酸性溶液和碱性溶液。
在某些实施方案中，所述方法包括以第二模式(例如，低电压模式，如图6A至图6B所示)运行反应器。在一些实施方案中，反应器在第二模式下的极性与反应器在第一模式下的极性相比是相反的。在一些实施方案中，第二模式包括在第二电极附近向反应器中添加收集和/或储存的碱。在某些实施方案中，第二模式包括在第二电极附近使添加的碱氧化以产生氧气。在一些实施方案中，第二模式包括在第一电极附近向反应器中添加收集和/或储存的酸。在某些实施方案中，第二模式包括在第一电极附近使添加的酸还原以产生氢气。
在某些实施方案中，电解反应可以在产生H2和O2的同时中和酸性溶液和碱性溶液。这是低电压模式的一个实例，其需要比前述高电压模式更低的电压。在低电压模式下发生的电解反应的一个非限制性实例是在第二电极(例如，阳极)处使氢氧根离子氧化(4OH-→O2+2H2O+4e-)以及在第一电极(例如，阴极)处使质子还原(2H++2e-→H2)；当第二电极处的pH为14且第一电极处的pH为0时该反应需要0.4V的最小电压(参见图6A至图6B)。在某些实施方案中，反应器的入口可以向第二电极供应pH大于8的溶液以及向第一电极供应pH小于6的溶液。
在某些实施方案中，可以以高电压模式和低电压模式运行不同的反应器。在另一个实施方案中，单一反应器可以被配置成使得其可以以高电压模式或以低电压模式运行。在一些实施方案中，通过改变流向电极的液体的pH，反应器可以从高电压模式转换成低电压模式。例如，为了从高电压模式转换成低电压模式，可以将碱性溶液引入至第二电极，同时可以将酸性溶液引入至第一电极。
在一些实施方案中，在高电压模式(例如，产生H2/O2同时产生酸/碱)与低电压模式(例如，产生H2/O2同时中和酸/碱)之间转换的决定可以基于电的成本或可用度，其可能整日、整月或整年波动。在某些实施方案中，当电的成本低于一定值时，反应器可以以高电压模式运行(例如，在产生H2、O2、酸和碱的同时消耗更多的动力)；当电的成本高于一定值时，反应器可以以低电压模式运行(例如，在使用酸性溶液和碱性溶液以产生H2和O2的同时消耗更少的动力)。在一些实施方案中，系统可以有效地调解产生H2的电成本：当电便宜时，系统通过以高电压模式运行而使用更多的电，其中将一些便宜的电能转换成可以物理储存(例如，以酸性溶液和碱性溶液的形式)的化学能；当电昂贵时，系统可以通过以低电压模式运行而使用更少的电，其中可以将储存的化学能(例如，酸性溶液和碱性溶液)用于降低产生H2和O2所需的能量。在一些实施方案中，系统可以用于降低产生H2和O2的电成本。在一些实施方案中，系统可以用于使用在价格或可用度方面波动的电以恒定的速率产生氢和氧。
图7示出了其中系统使用间歇的可再生电将生产H2的能量成本降低20％的一个非限制性实例。在该实例中，可再生能量的成本在0.02美元/kWh与0.07美元/kWh之间波动(根据典型的一天典型的风力涡轮机的能量产生速率)。以固定的电压(1.2V，32kWh/kg H2)运行1kW碱性或PEM电解槽的电成本相对于时间示于图7中。根据一些实施方案，图7还示出了当电的成本低于平均值(0.05美元/kWh)时以高电压模式(2V，54kWh/kg H2)运行和当电的成本高于平均值时以低电压模式(0.4V，10kWh/kg H2)运行的可变电压的电解槽的能量成本。在该实例中，两个电解槽以相同的速率产生H2并平均使用相同量的能量(32kWh/kg H2)，然而，运行两个槽的能量成本不同。在该实例中，可变电压的电解槽使用更少的昂贵的电(通过以低电压模式运行)和更多的便宜的电(通过以高电压模式运行)。在该实例中，固定电压的电解槽的平均能量成本为0.05美元/kWh，以及可变电压的电解槽的平均能量成本为0.04美元/kWh(少20％)。注意，根据一些实施方案，在可变电压的电解槽内可能的成本节约的量与成本波动的量级成比例：电成本的变化越大，成本节约越大。
系统2：用于使用间歇的可再生电联合生产低成本的氢和酸性/碱性溶液的示例性系统
根据一些实施方案，系统可以包括反应器，所述反应器包括包括空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的区域。在一些实施方案中，反应器可以包括第一电极和第二电极、供应经历一种或多种电解反应的液体和/或气体的一个或更多个入口、以及反应器的其中在经历电解反应之后储存溶液的一部分或其中在经历电解反应之后储存溶液的单独的装置。在一些实施方案中，电解反应可以在第二电极的附近产生小于约6的pH以及在第一电极的附近产生大于约8的pH；可以单独收集和储存高pH溶液和低pH溶液。在一些实施方案中，电极可以被配置成进行一种或更多种电解反应以产生高pH溶液或低pH溶液。
在某些实施方案中，电解反应可以产生H2、O2、酸性溶液和碱性溶液。这是高电压模式的一个实例，其需要比低电压模式更高的电压。在高电压模式下发生的电解反应的一个非限制性实例是在第二电极(例如，阳极)处使水氧化(2H2O→O2+4H++4e-)以及在第一电极(例如，阴极)处使水还原(2H2O+2e-→H2+2OH-)；当第二电极处的pH为0且第一电极处的pH为14时该反应需要2V的最小电压(参见图5A至图5B)。在某些实施方案中，可以单独收集和储存电极处产生的酸性溶液和碱性溶液。
在某些实施方案中，反应器有时可以以需要比高电压模式更低的电压的低电压模式产生酸性溶液和碱性溶液。以低电压模式产生酸性溶液和碱性溶液的电解反应的非限制性实例包括以下。
在某些实施方案中，在低电压模式下发生的电解反应可以是在第二电极(例如，阳极)处使氢氧化(H2→2H++2e-)以及在第一电极(例如，阴极)处使水还原(2H2O+2e-→H2+2OH-)(例如，HRR/HER反应)；当第二电极处的pH为0且第一电极处的pH为14时该反应需要0.8V的最小电压(参见图8A至图8B)。
在某些实施方案中，在低电压模式下发生的电解反应可以是在第二电极(例如，阳极)处使水氧化(2H2O→O2+4H++4e-)以及在第一电极(例如，阴极)处使氧还原(O2+2H2O+4e-→4OH-)(例如，OER/ORR反应)；当第二电极处的pH为0且第一电极处的pH为14时该反应需要0.8V的最小电压(参见图9A至图9B)。
在一些实施方案中，在高电压模式(例如，产生酸/碱以及联合生产H2/O2)或低电压模式(例如，产生酸/碱而不产生净量的气体)之间转换的决定可以基于电的成本或可用度，其可能整日、整月或整年波动。在某些实施方案中，当电的成本低于一定值时，反应器可以以高电压模式运行(例如，在产生H2、O2、酸和碱的同时消耗更多的动力)。在某些实施方案中，当电的成本高于一定值时，反应器可以以低电压模式运行(例如，消耗更少的动力，仅产生酸和碱)。
在一些实施方案中，系统可以通过联合生产H2和O2以及酸性溶液和碱性溶液来利用低的电价格：当电便宜时，系统可以通过以高电压模式运行而使用更多的电，这产生酸、碱、H2和O2；当电昂贵时，系统可以通过以低电压模式运行而使用更少的电，这产生酸和碱，但不产生净量的H2或O2。在一些实施方案中，系统用于降低产生H2和O2的电成本。
系统3：用于使用间歇的可再生能量以恒定的速率生产低成本的酸/碱的示例性系统
根据一些实施方案，系统可以包括反应器，所述反应器包括包括空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的区域。在一些实施方案中，反应器可以包括第一电极和第二电极、供应经历一种或多种电解反应的液体和/或气体的一个或更多个入口、以及反应器的其中在经历电解反应之后储存溶液的一部分或其中在经历电解反应之后储存溶液的单独的装置。在一些实施方案中，电解反应可以在第二电极的附近产生小于约6的pH以及在第一电极的附近产生大于约8的pH；可以单独收集和储存高pH溶液和低pH溶液。在一些实施方案中，电极可以被配置成进行一种或更多种电解反应以产生高pH溶液或低pH溶液。
在某些实施方案中，电解反应可以产生H2、O2、酸性溶液和碱性溶液。这是电解模式的一个实例，因为其需要比稍后将描述的燃料电池模式更高的电压。在电解模式下发生的电解反应的一个非限制性实例是在第二电极(例如，阳极)处使水氧化(2H2O→O2+4H-+4e-)以及在第一电极(例如，阴极)处使水还原(2H2O+2e-→H2+2OH-)；当第二电极处的pH为0且第一电极处的pH为14时，该反应需要2V的最小电压(参见图5A至图5B)。在某些实施方案中，可以单独收集和储存电极处产生的酸性溶液和碱性溶液。
在某些实施方案中，在燃料电池模式下发生的反应可以是在第二电极(例如，阳极)处使氢氧化(H2→2H++2e-)以及在第一电极(例如，阴极)处使氧还原(O2+2H2O+4e-→4OH-)(例如，HRR/ORR反应)；这引起产生能量的自发反应(参见图10A至图10B)。
在一些实施方案中，系统可以有效地调解产生酸性溶液和碱性溶液的电成本：当电便宜时，系统可以通过以电解模式运行而使用更多的电，其中将一些便宜的电能转换成可以物理储存(以H2和O2气体的形式)的化学能；当电昂贵时，系统可以通过以燃料电池模式运行而使用更少的电，其中可以将储存的化学能(H2和O2气体)用于产生酸、碱和电。在一些实施方案中，系统用于降低产生酸溶液和碱溶液的电成本。在一些实施方案中，该系统用于使用在价格或可用度方面波动的电以恒定的速率产生酸性溶液和碱性溶液。
在一些实施方案中，化学溶解和/或沉淀反应在反应器的内部发生。
根据某些实施方案，反应器包括在第一电极与第二电极之间的空间上变化的化学组成梯度。在一些实施方案中，空间上变化的化学组成梯度包括空间上变化的pH梯度。例如，参照图2B，在一些情况下，系统200包括第一电极104附近的碱性区域106和第二电极105附近的酸性区域107；因此，系统200包括在第一电极与第二电极之间的空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)。在一些实施方案中，第一区域包括酸性区域。在某些实施方案中，第二区域包括碱性区域。在另一些实施方案中，第一区域包括碱性区域以及第二区域包括酸性区域。
在一些实施方案中，反应器被配置成使得空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)至少部分地通过电解来建立和/或保持。例如，参照图2B，在某些情况下，系统200包括空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)，所述空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)包括碱性区域106和酸性区域107。在一些这样的实施方案中，该空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)通过电解来建立和/或保持。根据一些实施方案，中性电解质的电解可以在电极(例如第一电极104和第二电极105)之间产生空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)。在一些实施方案中，使用电解反应来在电化学电池的正电极与负电极之间产生化学组成梯度。
根据某些实施方案，可以采用电解产生的化学组成梯度通过以下来进行期望的化学反应：将反应物进给至一个电极附近的化学环境并在反应物或其组分朝向另一个电极扩散时利用电解产生的化学组成梯度由所述反应物产生产物。
在一些实施方案中，电解包括水解。如本文中所使用的，水解是指水的电解。例如，在一些实施方案中，在阴极中发生的反应将2个H2O分子和2个电子转化为H2和2OH-，同时在阳极中发生的反应将2个H2O分子转化为4个电子、O2和4个质子。在一些实施方案中，在第一电极104附近产生氢氧根离子建立和/或保持第一电极104附近的碱性pH，建立和/或保持碱性区域106，同时在第二电极105附近产生质子建立第二电极105附近的酸性pH，建立和/或保持酸性区域107。因此，在某些实施方案中，反应器被配置成使得空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)至少部分地通过水解来建立和/或保持。
根据某些实施方案，反应器包括连接至空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第一区域(例如，酸性区域)的入口。在某些实施方案中，电化学反应器和/或出口被配置成接收固体(例如，CaCO3)。
在一些实施方案中，反应器包括反应器出口。在一些实施方案中，反应器出口被配置成排放Ca(OH)2(例如，固体氢氧化钙)和/或石灰(CaO)。在一些实施方案中，反应器包括连接至空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第二区域(例如，碱性区域)的出口。在某些实施方案中，出口被配置成使得固体可以从反应器中排出。在一些实施方案中，反应器包括固体处理装置，所述固体处理装置与出口相关联并且被配置成将固体从反应器中除去。例如，在一些实施方案中，固体处理装置被配置成将固体(例如，固体金属氢氧化物如固体氢氧化镍、固体氢氧化钙、或固体氢氧化镁)从反应器中除去。固体处理装置的实例包括但不限于传送带、钻、泵、槽、或能够将固体从反应器中运输走的任何其他设备。在一些实施方案中，固体处理装置利用流体流动、过滤、沉降、离心力、电泳、介电泳或磁性分离中的一者或组合将固体从液体中分离。
在一些实施方案中，反应器包括多于一个反应器出口(例如，至少1个、至少2个、至少3个、至少4个、少于或等于5个、少于或等于4个、少于或等于3个、或者少于或等于2个；这些范围的组合也是可能的)。在某些实施方案中，反应器包括第二出口。
在某些实施方案中，第二出口被配置成排放气体(例如，CO2、O2和/或H2)。在一些情况下，将CO2封存，用于液体燃料，用于含氧燃料，用于强化的油回收，用于生产干冰和/或用作饮料中的成分。在一些实施方案中，将O2封存，用作含氧燃料，用于CCS应用和/或用于强化的油回收。在某些情况下，将H2封存和/或用作燃料(例如，用于燃料电池中和/或用于加热系统)。在一些实施方案中，将由系统排放的CO2、O2和/或H2的至少部分(例如，至少10％、至少25％、至少50％、至少75％、至少90％或全部)进给到窑中。
在一些实施方案中，反应器包括第三出口和/或第四出口。在一些情况下，第二出口、第三出口和/或第四出口被配置成排放CO2、O2和/或H2。例如，在一些情况下，第二出口被配置成排放CO2和O2，而第三出口被配置成排放H2。在某些情况下，第二出口被配置成排放CO2，第三出口被配置成排放O2，以及第四出口被配置成排放H2。
根据一些实施方案，反应器还包括在第一电极与第二电极之间的可选择性透过离子的一个或更多个膜。在某些实施方案中，可选择性透过离子的一个或更多个膜包括可选择性透过离子的两个膜。在某些实施方案中，可选择性透过离子的两个膜彼此不同。
在一些实施方案中，可选择性透过离子的一个或更多个膜被配置成防止固体沉淀在第一电极上，防止固体使第一电极钝化，和/或防止两种不同的固体彼此污染。根据某些实施方案，可选择性透过离子的膜在限制(或排除)固体通过的同时允许离子通过。例如，在一些实施方案中，金属离子(例如，Ca2+)可以通过，而固体金属盐(例如，固体金属碳酸盐，例如固体CaCO3)或沉淀物(例如，固体金属氢氧化物，例如固体Ca(OH)2)受到限制(或根本无法通过)。
在一些实施方案中，可选择性透过离子的膜允许离子通过但限制(或排除)非离子化合物通过。在某些实施方案中，可选择性透过离子的膜允许离子以第一速率通过并且允许非离子化合物以比第一速率慢的第二速率通过。在一些实施方案中，可选择性透过离子的膜允许某些离子通过但限制(或排除)其他离子通过。在某些实施方案中，可选择性透过离子的膜允许某些离子以第一速率通过并且允许其他离子以比第一速率慢的第二速率通过。在一些实施方案中，可选择性透过离子的膜可以允许某些金属离子通过但限制(或排除)其他离子通过(或者允许某些金属离子比其他离子以更快地通过)，可以允许H+通过但限制(或排除)OH-通过(或者允许H+比OH-更快地通过)，可以允许OH-通过但限制(或排除)H+通过(或者允许OH-比H+更快地通过)，可以允许金属离子通过但限制(或排除)H+和/或OH-通过(或者允许金属离子比H+和/或OH-更快地通过)，和/或可以允许H+和/或OH-离子通过但限制(或排除)金属离子通过(或者允许H+和/或OH-离子比金属离子更快地通过)。
例如，在一些实施方案中，可选择性透过离子的膜可透过OH-离子但相对较少地透过Ca2+离子，同时可选择性透过离子的膜可透过Ca2+离子但相对较少地透过OH-离子。在该实例中，来自第一区域(例如，酸性区域)的Ca2+可以通过可选择性透过离子的膜扩散到分离室中，但是可能不能通过可选择性透过离子的膜扩散到第二区域(例如，碱性区域)中。另外，在该实例中，来自第二区域(例如，碱性区域)的OH-离子可以通过可选择性透过离子的膜扩散到分离室中，但是可能不能扩散通过可选择性透过离子的膜。因此，在该实例中，Ca2+和OH-将仅能够在单独的室中反应，形成固体Ca(OH)2，从而防止固体Ca(OH)2形成在阴极或阳极上。因此，在一些实施方案中，可选择性透过离子的一个或更多个膜可以防止固体(例如，固体金属氢氧化物，例如固体Ca(OH)2)沉淀在第一电极(例如，阴极)上，防止固体(例如，固体金属氢氧化物，例如固体Ca(OH)2)使第一电极(例如，阴极)钝化；和/或防止两种不同的固体——化合物(例如，金属盐，例如固体金属碳酸盐，例如固体碳酸钙)和沉淀物(例如，固体氢氧化物，例如固体金属氢氧化物，例如固体Ca(OH)2)彼此污染。
在某些实施方案中，反应器旨在通过电化学手段和化学手段生产煅烧的或分解的矿物或金属盐(例如，金属碳酸盐)。在一些实施方案中，通过使用这样的反应器代替包括加热矿物或金属盐以使其分解的常规热煅烧而减少或避免了用于产生热能的化石燃料的使用，以及相关的温室气体(例如，CO2)或作为大气污染物的气体的产生。
某些方面涉及用于生产水泥的系统。在一些实施方案中，系统包括反应器。在某些实施方案中，反应器包括以上公开的或本文其他地方公开的反应器实施方案中的任一者或其组合。
在某些实施方案中，系统(例如，本文中描述的任何系统)包括窑。例如，参照图1F，在一些实施方案中，系统包括电化学反应器和窑150。类似地，参照图2D，在某些实施方案中，系统包括电化学反应器和窑150。在一些实施方案中，窑包括窑入口。根据一些实施方案，窑与反应器和/或装置(例如，被配置成使酸和/碱在沉淀反应中反应的装置)直接附接。窑(例如，本文中描述的任何窑)可以用于本文中描述的任何系统。
根据一些实施方案，窑在反应器、反应器出口和/或一个或更多个装置的下游。根据某些实施方案，系统还包括在反应器、反应器出口、和/或一个或更多个装置与窑入口之间的加热器。加热器的实例包括将放置在其内部的物质加热或脱水的装置。在一些实施方案中，反应器出口与窑入口直接附接。
如本文所使用的，当第一单元和第二单元彼此连接并且在将材料从第一单元输送至第二单元时在单元之间传送的材料的组成基本上不变化(即，没有组分在相对丰度方面变化大于5％)时，在第一单元与第二单元之间存在直接附接(并且这两个单元被认为彼此“直接附接”)。作为一个说明性实例，连接第一单元和第二单元并且其中调节导管的内容物的压力和温度但不改变内容物的组成的导管被认为将第一单元和第二单元直接附接。另一方面，如果进行分离步骤和/或进行化学反应使得在从第一单元到第二单元通过期间显著改变导管的内容物的组成，则将不能认为导管将第一单元和第二单元直接连接。在一些实施方案中，彼此直接附接的两个单元被配置成使得当将材料从第一单元输送至第二单元时不存在材料的相变。
在某些实施方案中，窑入口被配置成接收固体氢氧化钙的至少一部分和/或源自固体氢氧化钙的至少一部分的固体氧化钙。例如，在一些实施方案中，从反应器、反应器出口、和/或更多个装置收集氢氧化钙，并将反应器、反应器出口、和/或更多个装置直接附接至窑入口，使得窑入口被配置成接收固体氢氧化钙的至少一部分。在某些实施方案中，从反应器、反应器出口、和/或更多个装置收集氢氧化钙，并将其输送至加热器。在一些实施方案中，加热器将氢氧化钙全部或部分地转化为氧化钙。在一些实施方案中，窑入口被配置成接收固体氢氧化钙的至少一部分和/或来自加热器的源自固体氢氧化钙的至少一部分的固体氧化钙。
根据一些实施方案，窑被配置成加热Ca(OH)2(例如，固体氢氧化钙)和/或石灰(例如，固体氧化钙)和/或其反应产物，作为水泥制造工艺的一部分。在一些实施方案中，作为水泥制造工艺的一部分的加热Ca(OH)2和/或石灰包括在窑中将Ca(OH)2和/或石灰与其他化合物一起加热。例如，可以在窑中将Ca(OH)2和/或石灰与SiO2或其他矿物一起加热。
在某些情况下，系统与使用常规热煅烧而不是电化学反应器的基本类似的系统相比具有更低的净碳排放(例如，低至少10％、低至少25％、低至少50％、低至少75％、或低至少90％)。在一些情况下，该系统具有净零碳排放。
某些方面及在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)中形成沉淀物的方法。根据一些实施方案，所述方法在如结合以上公开的或本文其他地方公开的任何实施方案描述的反应器和/或系统或其组合中进行。
根据一些实施方案，所述方法包括将化合物(例如，金属盐)输送至空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第一区域(例如，酸性区域)。在某些实施方案中，金属盐包括金属碳酸盐。根据一些实施方案，金属碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁和/或碳酸镍。例如，根据一些实施方案，所述方法包括将碳酸钙输送至空间上变化的pH梯度的第一区域(例如，酸性区域)。
根据某些实施方案，使化合物(例如，金属盐)在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)内的液体中溶解和/或反应。液体的非限制性实例包括非水性溶液或水性溶液。非水性溶液的实例包括包含非水性溶剂和电解质盐的溶液和/或包含离子液体的溶液。水性溶液的实例包括包含水和电解质盐的溶液。电解质盐的实例包括NaSO4和NaClO4。在一些实施方案中，使化合物(例如，金属盐)在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)内的液体内溶解和反应。例如，在一些实施方案中，使碳酸钙在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)内的液体内溶解和/或反应。在一些实施方案中，使碳酸钙在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)内的液体内溶解和反应。例如，将化合物(例如，金属盐)(例如，碳酸钙)添加至第一区域(例如，酸性区域)中，并使化合物(例如，金属盐)(例如，碳酸钙)与第一区域(例如，酸性区域)中的质子反应，使得化合物(例如，金属盐)(例如，碳酸钙)溶解，形成一种或更多种元素例如金属(例如，形成Ca2+和HCO3-或者Ca2+和H2CO3)。在一些实施方案中，使一种或更多种元素(例如，金属，例如Ca2+)移动至第二区域(例如，碱性区域)，在第二区域(例如，碱性区域)中一种或更多种元素与第二区域(例如，碱性区域)中的氢氧根离子反应，形成沉淀物(例如，金属沉淀物，例如Ca(OH)2)。
在一些实施方案中，第一区域包括酸性区域。在某些实施方案中，第二区域包括碱性区域。根据一些实施方案，使化合物(例如，金属盐)在酸性区域中溶解并使一种或更多种元素(例如，金属，例如Ca2+)在碱性区域中反应。在另一些实施方案中，第一区域包括碱性区域。在一些实施方案中，第二区域包括酸性区域。根据某些实施方案，使化合物(例如，金属盐)在碱性区域中溶解并使一种或更多种元素(例如，金属，例如Ca2+)在酸性区域中反应。
根据一些实施方案，所述方法包括从空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的第二区域(例如，碱性区域)中收集沉淀物。在某些实施方案中，沉淀物包括金属沉淀物，例如金属氢氧化物。金属氢氧化物的非限制性实例包括氢氧化镍、氢氧化钙和氢氧化镁。例如，在以上给出的实例中，使一种或更多种元素(例如，金属，例如Ca2+)移动至第二区域(例如，碱性区域)，在第二区域(例如，碱性区域)中一种或更多种元素与第二区域(例如，碱性区域)中的氢氧根离子反应，形成沉淀物(例如，金属沉淀物，例如Ca(OH)2)。因此，在一些实施方案中，所述方法包括从空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)的碱性区域中收集固体氢氧化钙。其中可以使一种或更多种元素(例如，金属)移动至第二区域(例如，碱性区域)的方式的非限制性实例包括扩散、通过对流进行输送和/或通过流动进行输送。
根据某些实施方案，沉淀物包含来自在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)内溶解和/或反应的化合物(例如，金属盐)的一种或更多种元素(例如，金属)。在一些实施方案中，一种或更多种元素包括金属元素。如本文中所使用的，金属是指含金属金属(metallic metal)或金属离子。在一些实施方案中，沉淀物包含来自在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)内溶解和/或反应的金属盐的金属阳离子，并且在沉淀物内金属阳离子离子键合至阴离子。例如，在某些实施方案中，固体氢氧化钙包含来自在空间上变化的化学组成梯度(例如，空间上变化的pH梯度)内溶解和/或反应的碳酸钙的钙。
根据某些实施方案，所述方法是制造水泥的方法。
根据某些实施方案，所述方法包括在窑内加热Ca(OH)2(例如，固体氢氧化钙)和/或石灰(例如，固体氧化钙)和/或其反应物产物以制造水泥。在一些实施方案中，这包括从反应器中取出氢氧化钙并将其直接放入窑中。或者，在某些实施方案中，在收集氢氧化钙与在窑(加热器)中加热之间存在步骤。在一些实施方案中，加热器将氢氧化钙转化为其氧化钙，然后将氢氧化钙和/或氧化物氧化钙在窑中加热。在一些实施方案中，加热器将100％(按重量计)的氢氧化钙转化为其氧化钙并且仅将氧化钙在窑中加热。在另一些实施方案中，加热器将10％或更多、20％或更多、30％或更多、40％或更多、50％或更多、多至90％、多至95％、或多至99％(按重量计)的氢氧化钙转化为氧化钙。这些范围的组合也是可能的(例如，10％至100％(按重量计)(包括端值))。在一些实施方案中，将氢氧化钙和氧化钙二者在窑中加热。加热器的实例包括将置于其内部的物质加热或脱水的设备。
在一些实施方案中，在窑内加热Ca(OH)2(例如，固体氢氧化钙)和/或石灰(例如，固体氧化钙)和/或其反应物产物以制造水泥包括在窑中将s Ca(OH)2(例如，固体氢氧化钙)和/或石灰(例如，固体氧化钙)和/或其反应物产物与其他化合物一起加热。例如，可以在窑中将Ca(OH)2(例如，固体氢氧化钙)和/或石灰(例如，固体氧化钙)和/或其反应物产物与SiO2或其他矿物一起加热。
在某些实施方案中，在窑内加热Ca(OH)2(例如，固体氢氧化钙)和/或石灰(例如，固体氧化钙)和/或其反应物产物之后在制造水泥之前存在后续步骤。例如，在某些实施方案中，窑之后存在冷却步骤。
根据一些实施方案，所述方法是分批法的一部分。在某些实施方案中，定期从反应器中收集沉淀物(例如，金属氢氧化物，例如Ca(OH)2)。根据某些实施方案，所述方法是连续进行的。在一些实施方案中，将化合物(例如，金属盐，例如金属碳酸盐例如CaCO3)连续或定期地添加在阳极和/或第一区域(例如，酸性区域)处。在某些实施方案中，连续或定期地收集沉淀物(例如，金属氢氧化物，例如Ca(OH)2)。收集沉淀物(例如，金属氢氧化物例如Ca(OH)2)的非限制性实例包括用流动流收集沉淀物和/或允许沉淀物沉积在表面上，从所述表面连续或定期地收集沉淀物。
根据一些实施方案，所述方法产生不同于沉淀物的副产物。例如，在一些实施方案中，所述方法产生不同于固体氢氧化钙和/或固体氧化钙的副产物。在一些实施方案中，副产物包括CO2、O2和/或H2。例如，在一些实施方案中，在反应器中进行水解，并且在阴极中发生的反应将2个H2O分子和2个电子转化为H2(g)和2个OH-，同时在阳极中发生的反应将2个H2O分子转化为O2(g)、4个电子和4个质子。在某些实施方案中，将化合物(例如，金属盐)(例如，金属碳酸盐例如碳酸钙)添加至第一区域(例如，酸性区域)，并使化合物(例如，金属盐)(例如，金属碳酸盐例如碳酸钙)与第一区域(例如，酸性区域)中的质子反应，使得化合物(例如，金属盐)(例如，金属碳酸盐例如碳酸钙)溶解，形成一种或更多种元素(例如，金属)。在一些实施方案中，CaCO3与两个质子之间的净反应导致形成H2O、Ca2+和CO2(g)。
根据某些实施方案，所述方法还包括收集副产物。例如，在一些实施方案中，副产物包括CO2、O2和H2。在某些实施方案中，收集副产物包括收集CO2、O2和H2中的每一者；仅收集CO2；仅收集O2；仅收集H2；收集CO2和O2；收集CO2和H2，或收集O2和H2。例如，在某些实施方案中，副产物包括CO2，以及收集副产物包括将CO2封存。
根据一些实施方案，将副产物用作燃料。在一些实施方案中，可以将H2用作燃料。非限制性实例包括直接燃烧H2或将其与燃料例如天然气一起使用。在一些实施方案中，O2和CO2用于支持燃料例如化石燃料的燃烧。在一些实施方案中，副产物用作窑用燃料。例如，在一些实施方案中，将O2和CO2进给到窑中以支持燃料例如化石燃料的燃烧。在某些实施方案中，使H2、O2和CO2在燃料电池例如固体氧化物燃料电池中反应。在某些实施方案中，使H2和O2在燃料电池中反应以产生电力。
根据一些实施方案，本文中所述的反应器、系统和方法显示出一种或更多种有益的特性并且具有一种或更多种应用。例如，本文所述的反应器、系统和方法的一些实施方案可以用于生产水泥(例如，波特兰水泥)。例如，在一些实施方案中，使用所述反应器代替常规水泥制造工艺中的煅烧。
此外，与常规水泥制造工艺相比，本文所述的反应器、系统和方法的某些实施方案可以用于在减少的大气污染物或温室气体例如CO2的产生的情况下生产水泥。常规的水泥制造工艺包括通过热手段煅烧CaCO3，其占约60％的CO2排放，同时约40％的CO2排放由用于进行煅烧过程和烧结过程的化石燃料的燃烧产生。
在一些实施方案中，可以使用通过本文所述的方法、反应器和/或系统生产的Ca(OH)2来生产用于水泥制造的CaO，代替CaCO3到CaO的常规煅烧。Ca(OH)2到CaO的热脱水的最小能量需求(71.2kJ/mol)比CaCO3到CaO的热煅烧(97.0kJ/mol)低25％。
根据某些实施方案，反应器和/或系统部分或全部地由可再生电(例如太阳能、风能和/或水电)供以动力。
根据某些实施方案，生成诸如CO2、H2和/或O2的副产物，所述副产物具有许多可能的用途，包括用于富氧燃烧，改善窑效率，减少NOx排放，和/或用作适合于碳捕获和封存(carbon capture and sequestration，CCS)的烟气。因此，在一些实施方案中，可以销售或使用副产物。
在一个实施方案中，电解驱动的化学反应器包括用于电解水的电解槽。在一些实施方案中，当进行电解时，这样的槽在阴极(其中发生析氢反应(HER)并产生OH-)处产生高pH，并在阳极(其中发生析氧反应(OER)并产生H+)处产生低pH。因此，根据某些实施方案，在阴极与阳极之间产生pH的梯度。在另一些这样的电解槽中，根据电解反应的性质，可以产生其他种类的梯度。
在一个实施方案中，所述pH梯度用于使金属碳酸盐在阳极附近的低pH下溶解，并且用于在金属离子朝向阴极处的较高pH环境扩散时使金属氢氧化物沉淀。在一些这样的实施方案中，随着金属碳酸盐在阳极附近溶解，产生CO2气体，并且在溶液中产生碳酸盐的金属阳离子。根据一些这样的实施方案，然后这些金属阳离子朝向通过阴极处的HER产生的高pH环境扩散或任选地通过对流或流动进行输送。根据一些实施方案，金属离子与阴极处产生的OH-离子的反应导致金属氢氧化物的沉淀。根据一些实施方案，在各电极处发生的电化学反应和化学反应以及总反应。可以通过这样的过程将几乎任何金属碳酸盐或金属碳酸盐的混合物转化为其一种或多种氢氧化物，其中金属碳酸盐的非限制性实例包括CaCO3、MgCO3和NiCO3。在一些这样的实施方案中，在由起始金属碳酸盐生产金属氢氧化物的同时，在阴极处释放氢气并且在阳极处释放氧气和二氧化碳气体的混合物。
在一个或更多个实施方案中，反应器以间歇方式运行，从而定期收集产物金属氢氧化物。在一个或更多个实施方案中，反应器以连续方式运行，使得在阳极处连续或定期地添加另外的金属碳酸盐，并且从反应区中连续或定期地除去沉淀的金属氢氧化物。例如，可以使用流动流将沉淀的金属氢氧化物从反应区中除去并收集，或者可以允许沉淀物沉积在表面上，在反应器连续运行的同时将沉淀物从所述表面上连续或定期地除去。
在一些实施方案中，有利地使用或销售通过电化学反应器产生的氢气和/或氧气。在一些实施方案中，在燃料电池中使氢与氧反应以产生电力。在一些实施方案中，为了加热反应器或窑或炉，将氢作为燃料或作为燃料的组分燃烧。
在一些实施方案中，用于进行所述电解驱动的化学反应器的电力由可再生能源(包括但不限于太阳能、风能或水电)产生。
在一个实施方案中，所述电化学驱动的化学反应器用于使CaCO3脱碳并产生Ca(OH)2作为用于生产水泥例如波特兰水泥的前体。比较二者的总能量消耗并考虑消耗的能量的形式及其碳强度是有用的。为了简单起见，假定使CaO与铝硅酸盐和其他组分反应形成波特兰水泥的高温热处理对于这两种工艺而言是相同的。已经考虑了使通过CaCO3的热煅烧以及通过电化学脱碳后接Ca(OH)2的热脱水产生的CaO达到900C的相同起始温度的能量消耗。用于将反应物或产物加热至给定温度的能量/摩尔输入已根据其热容进行计算。用于进行分解反应的能量/摩尔已作为反应的标准自由能(即，气体分压为1个大气压)给出。
在该实例中，将用于CaCO3的热煅烧的能量/摩尔与用于Ca(OH)2的热脱水的能量/摩尔进行比较，后者相对于97.0kJ/摩尔具有低25％的72.1kJ/摩尔的最小能量需求。在该实例中，电化学过程还包括脱碳反应，其中CaCO3转化为Ca(OH)2，标准自由能为74.3kJ/摩尔；这对于电化学过程是另外的能量消耗。然而，该示例性过程以及电解反应可以以接近零的边际电成本由来自低碳或零碳可再生能源的电供以动力。
在该示例性过程中，运行反应器必需的电解反应需要237.1kJ/摩尔；然而，该能量首先同样可以由低碳源产生，其次，产生氢和氧，所述氢和氧可以间接用作增值产品或者可以用于例如通过使用燃料电池提供电力或通过燃烧过程提供反应热来为水泥制造过程供以动力。产生的能量可以用于运行电解槽或加热高温窑。
在一些实施方案中，本文中产生(例如，来自沉淀反应)的氢氧化钙(也称为熟石灰)和/或氧化钙(其与水反应产生熟石灰)可以用于包括但不限于造纸、烟气处理碳捕获、石膏混合物和砌筑(包括火山灰水泥)、土壤稳定、pH调节、水处理、废料处理和糖精制的应用。以下是氢氧化钙(也称为熟石灰)和/或氧化钙(也称为石灰)的用途的非限制性实例。
1.冶金用途
a)黑色金属
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造铁和/或钢。例如，在制造铁和/或钢时，可以使用石灰作为熔剂，以形成防止铁和/或钢氧化的熔渣并且除去诸如二氧化硅、磷酸盐、锰和硫的杂质。在一些情况下，在制造铁和/或钢时使用熟石灰(干燥的、或作为浆料)作为用于通过模拉拔丝或棒的润滑剂、作为铸模上的涂层以防止粘着、和/或作为钢产品上的涂层以防止腐蚀。在一些情况下，还使用石灰或熟石灰来中和酸性废料。
b)有色金属
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造包括但不限于以下的有色金属：铜、汞、银、金、锌、镍、铅、铝、铀、镁和/或钙。在一些情况下，可以使用石灰作为助熔剂以从矿石中除去杂质(例如，二氧化硅、氧化铝、磷酸盐、碳酸盐、硫、硫酸盐)。例如，石灰和熟石灰可以用于有色金属矿石的浮选或回收。在某些情况下，石灰充当沉降助剂以保持适当的碱度和/或除去杂质(例如，硫和/或硅)。在一些情况下，在铜、锌、铅和/或其他有色金属矿石的冶炼和精炼中，使用熟石灰来中和含硫气体和/或防止形成硫酸。在某些情况下，石灰和/或熟石灰还用作金属上的涂层以防止与含硫物质反应。在某些情况下，在铝的生产中，石灰和/或熟石灰用于从铝土矿矿石中除去杂质(例如，二氧化硅和/或碳酸盐)，和/或用于调节pH。在一些情况下，石灰用于保持碱性pH以使金、银和/或镍在氰化物提取时溶解。在锌的生产中，石灰在某些情况下用作还原剂。在一些情况下，在金属钙和/或镁的生产中，使镁氧化物和/或钙氧化物在高温下还原以形成镁金属和/或钙金属。
2.建造
a)砌筑(除波特兰水泥之外)
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造砌筑砂浆、灰浆、灰泥、白涂料、灌浆、砖、板和/或非波特兰水泥。在这些应用中，在某些实施方案中，可以将石灰和/或熟石灰与其他添加剂混合并暴露于二氧化碳中以产生碳酸钙，可以使石灰和/或熟石灰与其他添加剂(例如铝硅酸盐)反应以形成胶结料，和/或可以使用石灰和/或熟石灰作为钙源。在砂浆、灰浆、灰泥和白涂料的情况下，在一些情况下，将石灰和/或熟石灰与添加剂和/或骨料(例如沙子)混合以形成糊料/浆料，所述糊料/浆料随着水蒸发以及随着石灰和/或熟石灰与大气二氧化碳反应形成碳酸钙而硬化。在水硬性火山灰水泥的情况下，在某些情况下，使石灰和/或熟石灰与铝酸盐、硅酸盐和/或其他火山灰材料(例如，粉状燃料灰、火山灰石、高炉矿渣和/或煅烧粘土)反应，以形成随着不溶性铝硅酸钙形成而硬化的水基糊料/浆料。在其他水硬性水泥的情况下，在一些情况下，使石灰和/或熟石灰在高温下与二氧化硅源、氧化铝源和/或其他添加剂反应使得形成胶结化合物，包括硅酸二钙、铝酸钙、硅酸三钙和/或硅酸一钙。在一些情况下，通过在形成硅酸钙和/或硅酸钙水合物所需的温度下使熟石灰与二氧化硅源(例如，沙子、碎硅石和/或燧石)和/或其他添加剂反应来制造灰砂砖。在一些情况下，通过使石灰和/或熟石灰与活性二氧化硅、铝粉、水和/或其他添加剂反应来制造轻质混凝土(例如，加气混凝土(aircrete))；熟石灰与硅酸盐/铝酸盐之间的反应导致形成硅酸钙/铝酸钙和/或硅酸钙水合物，同时水、熟石灰与铝之间的反应导致在硬化糊料内形成氢气泡。白涂料是由熟石灰的悬浮液制成的白色涂料，该悬浮液随着熟石灰与来自大气的二氧化碳反应而硬化并凝固。在一些情况下，当将形成硅酸钙的材料(例如，石灰、熟石灰、二氧化硅和/或水泥)和添加剂(例如，纤维素纤维和/或阻燃剂)以及水混合在一起，浇铸或压制成型时，形成硅酸钙板、混凝土和其他浇铸硅酸钙产品。在一些情况下，使用高温来使石灰、熟石灰和/或二氧化硅反应，和/或使水泥水合。
b)土(soil)稳定
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于使土稳定、硬化和/或干燥。例如，石灰和/或熟石灰可以在建造道路、跑道和/或铁路轨道之前施加至松散或细粒状的土，和/或用于使路堤和/或斜坡稳定。在一些情况下，当将石灰施加至粘质土时，在粘土与石灰之间可能发生凝硬反应从而产生硅酸钙水合物和/或铝酸钙水合物，这使土强化和/或硬化。在某些情况下，施加至土的石灰和/或熟石灰也可以与二氧化碳反应产生固体碳酸钙，这也可以使土强化和/或硬化。在一些情况下，由于石灰容易与水反应形成熟石灰，因此石灰还可以用于使建造工地上的湿土干燥。
c)沥青添加剂和沥青回收
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造和/或回收沥青。例如，在一些情况下，将熟石灰添加至热沥青混合物中作为矿物填料和/或抗氧化剂，和/或用于增加抗水剥离性。在某些情况下，熟石灰可以与硅铝酸盐和/或二氧化碳反应以产生改善沥青中的粘结剂与骨料之间的粘结的固体产品。在一些情况下，作为矿物填料，石灰可以增加粘结剂的粘度、沥青的刚度、沥青的抗拉强度和/或沥青的压缩强度。在某些情况下，作为水硬性路油，石灰可以降低水分敏感性和/或剥离性，使粘结剂加强使得其抗车辙，和/或改善韧性和/或抗低温下断裂性。在一些情况下，添加至回收沥青中的石灰和/或熟石灰引起更大的早期强度和/或对水分损害的抗性。
3.废料处理、水处理、气体处理
a)气体处理
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于除去酸性气体(例如氯化氢、二氧化硫、三氧化硫和/或氟化氢)和/或来自气体混合物(例如烟气、大气空气、储存室中的空气和/或封闭呼吸环境例如潜水艇中的空气)的二氧化碳。例如，在一些情况下，使石灰和/或熟石灰暴露于烟气中，引起石灰和/或熟石灰与烟气的组分(例如酸性气体，包括氯化氢、二氧化硫和/或二氧化碳)的反应，从而导致形成非气态钙化合物(例如氯化钙、亚硫酸钙和/或碳酸钙)。在某些实施方案中，使气体暴露于熟石灰中通过将熟石灰溶液和/或浆料喷洒到气体中，和/或通过使气体流与干燥的石灰和/或熟石灰反应来完成。在某些实施方案中，包含一种或多种酸性气体的气体流首先与碱金属氢氧化物(例如，氢氧化钠和/或氢氧化钾)的溶液反应以形成可溶性中间体物质(例如碳酸钾)，随后使可溶性中间体物质与石灰和/或熟石灰反应以产生固体钙物质(例如碳酸钙)并使原始的碱金属氢氧化物溶液再生。在一些实施方案中，将由石灰和/或熟石灰与二氧化碳或碱金属碳酸盐的反应形成的碳酸钙返回至本文所公开的反应器、系统和/或方法，使得可以使石灰和/或熟石灰再生和/或使得可以将二氧化碳封存。
b)非气态废料处理
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于处理废料例如生物废料、工业废料、废水和/或污泥。在一些情况下，可以将石灰和/或熟石灰施加至废料以形成碱性环境，所述碱性环境用于中和酸性废料，抑制病原体，阻止苍蝇或啮齿动物，控制气味，防止浸出，和/或使污染物(例如重金属、铬、铜、和/或悬浮/溶解的固体)和/或引起结垢的溶解的离子(钙离子和/或镁离子)稳定和/或沉淀。在某些情况下，石灰可以用于对含油废料进行脱水。在一些情况下，熟石灰可以用于使某些物质例如磷酸盐、硝酸盐和/或含硫化合物沉淀，和/或防止浸出。在某些情况下，石灰和/或熟石灰可以用于通过保持有利于水解的碱性条件来促进有机物质的分解。
c)水处理
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于处理水。例如，在一些情况下，石灰和/或熟石灰可以用于形成碱性环境，所述碱性环境用于消毒，除去悬浮/胶体材料，降低硬度，调节pH，使贡献水硬度的离子沉淀，使溶解的金属(例如铁、铝、锰、钡、镉、铬、铅、铜和/或镍)沉淀，和/或使其他离子(例如氟、硫酸根、亚硫酸根、磷酸根和/或硝酸根)沉淀。
4.农业和食品
-农业
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于农业。例如，在一些情况下，石灰和/或熟石灰可以单独使用或作为肥料中的添加剂使用，以调节土壤和/或肥料混合物的pH，从而提供最佳的生长条件和/或改善作物产量。
-糖
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于对糖进行精制。例如，在一些情况下，石灰和/或熟石灰用于提高原糖汁的pH，破坏原糖汁中的酶，和/或与无机物质和/或有机物质反应形成沉淀物。在某些情况下，可以用二氧化碳使过量的钙沉淀。在某些情况下，可以将所得的沉淀的碳酸钙返回至本文所公开的反应器、系统和/或方法以使熟石灰再生。
-革
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造革和/或羊皮纸。在革制造工艺中，在一些情况下，使用石灰来从生皮中除去毛发和/或角蛋白，分裂纤维，和/或除去脂肪。
-胶、明胶
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造胶和/或明胶。在制造胶和/或明胶的工艺中，在一些情况下，将动物骨头和/或生皮浸在熟石灰中，使骨胶原和其他蛋白质水解，从而形成不同分子量的蛋白质片段的混合物。
-乳制品
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造乳制品。在一些情况下，熟石灰用于在巴氏消毒之前中和奶油的酸度。在某些情况下，熟石灰用于从酪蛋白的酸性溶液中沉淀酪蛋白钙。在一些情况下，将熟石灰添加至发酵的脱脂乳中以生产乳酸钙。
-水果行业
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于水果行业。例如，在一些情况下，熟石灰和/或石灰用于在水果储存中从空气中除去二氧化碳。在一些情况下，熟石灰用于中和废柠檬酸并用于提高果汁的pH。
-杀虫剂/杀菌剂
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作杀菌剂和/或杀虫剂中的添加剂。例如，可以将熟石灰与硫酸铜混合以形成硫酸四铜(灭害剂)。在一些情况下，由于石灰在其碳酸化时在叶子上形成膜，从而将杀虫剂保留在叶上，因此石灰还可以用作用于其他种类灭害剂的载体。在一些情况下，熟石灰用于控制牡蛎床上海星的侵扰。
-食品添加剂
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作食品添加剂。在一些情况下，石灰和/或熟石灰可以用作酸度调节剂，用作酸洗剂，以除去纤维素(例如，来自谷粒例如玉米的)，和/或使某些阴离子(例如碳酸根)从盐水中沉淀。
5.化学品
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造化学品。例如，石灰和/或熟石灰可以用作钙和/或镁的来源、碱、干燥剂、苛化剂、皂化剂、粘合剂、絮凝剂和/或沉淀剂、助熔剂、玻璃成型产品、有机物质降解剂、润滑剂、填料和/或水解剂等。
a)无机钙化合物
-沉淀的碳酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造沉淀的碳酸钙。在一些情况下，使熟石灰的溶液和/或浆料、和/或钙离子的溶液与二氧化碳和/或碱金属碳酸盐反应，使得形成碳酸钙和/或碳酸镁的沉淀物。在某些情况下，沉淀的碱金属碳酸盐可以用作填料以减少收缩，改善粘附性，增加密度，改变流变学和/或使塑料(例如PVC和胶乳)、橡胶、纸、漆、墨、化妆品和/或其他涂料增白/增亮。在一些情况下，沉淀的碳酸盐可以用作阻燃剂或撒粉剂。在某些情况下，沉淀的碳酸钙可以用作碱化剂，用于农业，用作防腐剂、面粉添加剂、酿造添加剂、消化助剂、和/或用于沥青产品的添加剂、研磨剂(在清洁剂、洗涤剂、抛光剂和/或牙膏中)、灭害剂中的分散剂、和/或干燥剂。
-次氯酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使氯与石灰和/或熟石灰反应来制造次氯酸钙(漂白剂)。
-碳化钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使石灰与含碳物质(例如焦炭)在高温下反应来制造碳化钙(乙炔的前体)。
-磷酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使磷酸与熟石灰、和/或水性钙离子以适当的比率反应来制造磷酸钙(磷酸一钙、磷酸二钙和/或磷酸三钙)。在一些情况下，磷酸一钙可以用作自发面粉(富含矿物的食品)中的添加剂，用作用于乳制品的稳定剂和/或用作饲料添加剂。在一些情况下，磷酸二钙二水合物用于牙膏中，用作柔和研磨剂，用于食品的矿物富集，用作造粒助剂和/或用作增稠剂。在某些情况下，磷酸三钙用于牙膏中，和/或用作食品和/或肥料中的抗结块剂。
-溴化钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造溴化钙。在一些情况下，这通过使石灰和/或熟石灰与氢溴酸和/或溴以及还原剂(例如甲酸和/或甲醛)反应来完成。
-铁氰化钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过在氯化亚铁的水溶液中使石灰和/或熟石灰与氰化氢反应来制造铁氰化钙。然后可以将铁氰化钙转化为碱金属盐或铁氰化物(hexacyanoferrate)。这些用作颜料和抗结块剂。
-硅钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使石灰、石英和/或含碳材料在高温下反应来制造硅钙。在一些情况下，硅钙用作脱氧剂，用作脱硫剂和/或用于对黑色金属中的非金属夹杂物进行改性。
-重铬酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过将铬酸盐矿石与石灰一起焙烧来制造重铬酸钙。
-钨酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使石灰和/或熟石灰与钨酸钠反应来制造钨酸钙，以用于生产用于诸如激光器、荧光灯和/或示波器的物品的钨铁和/或磷光体。
b)有机钙化合物
-柠檬酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使石灰和/或熟石灰与柠檬酸反应来制造柠檬酸钙。在一些情况下，柠檬酸钙可以与硫酸反应以使纯柠檬酸再生。
-钙皂
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使熟石灰与脂肪酸、蜡酸、不饱和羧酸(例如油酸、亚油酸、己酸乙酯酸(ethylhexanoate acid))、环烷酸和/或树脂酸反应来制造钙皂。在一些情况下，钙皂用作润滑剂、稳定剂、脱模剂、防水剂、涂料和/或印刷墨中的添加剂。
-乳酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使熟石灰与乳酸反应来制造乳酸钙。在某些情况下，可以在第二步中使乳酸与硫酸反应以生产纯乳酸。在一些情况下，这些化学品充当凝结剂和发泡剂。在一些情况下，乳酸钙用作药剂和/或食品中的钙源，和/或用作缓冲剂。
-酒石酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于通过使熟石灰与碱性酒石酸氢盐反应来制造酒石酸钙。在一些情况下，可以在第二步中使酒石酸氢钙与硫酸反应以生产纯酒石酸。在某些情况下，酒石酸用于食品、药物制剂中，和/或用作硬膏剂和/或金属抛光剂中的添加剂。
c)无机化学品
-氧化铝
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造氧化铝。在氧化铝的制备中，使用石灰来使杂质(例如，硅酸盐、碳酸盐和/或磷酸盐)从被加工的铝土矿矿石中沉淀。
-碱金属碳酸盐和碱金属碳酸氢盐
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于在氨碱法中由碱金属氯化物制造碱金属碳酸盐和/或碱金属碳酸氢盐。在该方法中，在一些情况下，在氨(和/或胺)与碱金属氯化物反应之后，使石灰和/或熟石灰与氯化铵(和/或铵氯化物，例如异丙基氯化铵)反应以使氨(和/或胺，例如异丙胺)再生。在一些情况下，可以使所得氯化钙与来自本文所公开的反应器、系统和/或方法的碱性流反应以使熟石灰再生。
-碳酸锶
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造碳酸锶。在一些情况下，石灰和/或熟石灰用于从硫酸铵中使氨再生，硫酸铵在氨被碳酸化并与硫酸锶反应之后形成。
-锆酸钙
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造锆酸钙。在一些情况下，使石灰和/或熟石灰与锆石(ZrSiO4)反应以产生硅酸钙和锆酸钙，将其进一步纯化。
-碱金属氢氧化物
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰在通常称为苛化或再苛化的过程中用于由碱金属碳酸盐制造碱金属氢氧化物。在一些情况下，使熟石灰与碱金属碳酸盐反应以产生碱金属氢氧化物和碳酸钙。在一些情况下，使碱金属碳酸盐苛化的过程是包括以下的几个其他过程的特征：铝土矿矿石的纯化、酚油的加工和硫酸盐蒸煮液(Kraft liquor)循环(其中使包含碳酸钠的“绿液”与熟石灰反应以形成包含氢氧化钠的“白液”)。
-氢氧化镁
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造氢氧化镁。在一些情况下，将熟石灰添加至包含镁离子的溶液(例如，海水和/或盐水溶液)中导致氢氧化镁从溶液中沉淀。
d)有机化学品
-烯烃氧化物.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造烯烃氧化物。在一些情况下，石灰用于使丙氯乙醇和/或丁氯乙醇皂化或脱去氯化氢以产生相应的氧化物。在一些情况下，然后可以通过酸性水解将氧化物转化为二醇。
-双丙酮醇.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造双丙酮醇。在一些情况下，熟石灰用作碱性催化剂以促进丙酮的自缩合从而形成双丙酮醇，双丙酮醇用作用于树脂的溶剂，和/或用作异亚丙基丙酮、甲基异丁基酮和/或己二醇的生产中的中间体。
-羟基新戊酸新戊二醇酯、季戊四醇.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作碱性催化剂以制造羟基新戊酸新戊二醇酯和/或季戊四醇。
-蒽醌染料和中间体.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作碱性试剂，以在蒽醌染料和/或中间体的制造中用氢氧化物代替磺酸基团。
-三氯乙烯
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于从四氯乙烷中除去氯以形成三氯乙烯。
6.杂项用途
-二氧化硅、碳化硅和氧化锆耐火材料.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰在二氧化硅、碳化硅和/或氧化锆耐火材料的制造中用作粘结剂、粘合剂和/或稳定剂。
-钙玻璃.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作钠钙玻璃制造中的石灰源。在一些情况下，将石灰和/或熟石灰与其他原料(包括二氧化硅、碳酸钠和/或添加剂例如氧化铝和/或氧化镁)一起加热至高温。在一些情况下，熔融混合物在冷却后形成玻璃。
-白色陶器和搪瓷.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于制造白色陶器和/或搪瓷。在某些情况下，将熟石灰与粘土共混以充当熔剂、玻璃成形剂以帮助将材料粘结，和/或增加最终产品的白度。
-用于铸造和拉拔的润滑剂.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作用于材料(例如铁、铝、铜、钢和/或贵金属)的铸造和/或拉拔的润滑剂。在一些情况下，可以在高温下使用基于钙的润滑剂以防止金属粘着至模具。在某些情况下，润滑剂可以为石灰和其他材料(包括硅酸、氧化铝、碳和/或助熔剂例如荧石和/或碱金属氧化物)的共混物、钙皂。在一些情况下，熟石灰用作润滑剂载体。在某些情况下，将熟石灰结合至线材的表面，增加表面粗糙度和/或改善拉拔化合物的粘附性。
-钻探泥浆.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于钻探泥浆制剂中以保持高碱度和/或使粘土保持非塑性状态。在一些情况下，当钻通用于油和气体的岩石时，可以通过中空钻管泵送钻探泥浆。在某些情况下，钻探泥浆将通过钻头产生的岩石碎块带至表面。
-油添加剂和润滑脂.
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作油添加剂和/或润滑脂。在一些情况下，使石灰与烷基酚盐和/或有机磺酸盐反应以制造钙皂，将钙皂与其他添加剂共混以制造油添加剂和/或润滑脂。在一些情况下，基于石灰的添加剂防止污泥堆积，并降低来自燃烧(尤其是在高温下)的产物的酸度。
-纸浆和纸
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于纸浆和/或造纸行业。例如，在硫酸盐法工艺(Kraft)中使用熟石灰以使碳酸钠重新苛化成氢氧化钠。在一些情况下，可以将由该反应形成的碳酸钙返回至本文所公开的反应器、系统和/或方法以使熟石灰再生。在某些情况下，熟石灰还可以用作亚硫酸盐法制浆中的碱源，以制备液体(liquor)。在某些情况下，将熟石灰添加至亚硫酸溶液中以形成酸式亚硫酸盐。在一些情况下，使用亚硫酸和酸式亚硫酸盐的混合物来蒸煮纸浆。在某些情况下，熟石灰还可以用于使木质素磺酸钙从亚硫酸盐废液中沉淀。
-水族馆
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作用于海洋水族馆和/或礁生长的钙和/或碱度的来源。
-储存热的方法
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用于热化学能量储存(例如用于自加热食物容器和/或用于太阳能热储存)。
-阻燃剂
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的氢氧化钙和/或氢氧化镁用作阻燃剂、电缆绝缘和/或塑料绝缘的添加剂。
-抗微生物剂
在一些实施方案中，通过本文所公开的反应器、系统和/或方法生产的熟石灰和/或石灰用作抗微生物剂。例如，在一些情况下，石灰和/或熟石灰用于处理疾病污染的区域，例如墙壁、地板、铺盖和/或动物舍。
以下实施例旨在举例说明本发明的某些实施方案，而不是例示本发明的全部范围。
实施例1
该实施例描述了以第一模式运行的系统，其中收集产生的酸和碱。
将近中性的1M Na2SO4溶液以10mL/分钟的速率进给到流动池的阳极(由碳毡制成)和阴极(也为碳毡)，然后从阳极和阴极中取出溶液。当向所述池施加2.5V的电压时，来自阳极的溶液的pH为1.5，以及来自阴极的溶液的pH为12.5。
实施例2
该实施例描述了以第一模式运行的系统，其中收集产生的酸和碱并使其反应。
在包括第一电极和第二电极的电化学电池中进行水解反应，使得在第一电极(阴极)处产生碱和氢气以及在第二电极(阳极)处产生酸和氧气。将碱通过导管从反应器收集到与反应器流体连接的第一装置中，并将碱储存在该装置中。将酸通过导管从反应器收集到与反应器流体连接的第二装置中，并将酸储存在该装置中。
当需要时，将碱转移至与第一装置流体连接的第三装置中，以及将酸转移至与第二装置流体连接的第四装置中。然后将酸用于在第四装置中在化学溶解中溶解CaCO3以形成Ca2+离子和CO3 2-离子。然后将Ca2+离子输送至第三装置(其与第四装置流体连接)中，其中将碱与Ca2+离子一起用于沉淀反应以形成Ca(OH)2。Ca(OH)2可以任选地例如利用窑和/或加热器而用于水泥制造工艺。
实施例3
该实施例描述了以第一模式运行的系统，其中产生的氧气和氢气被输送并且分别被还原和氧化。
在包括第一电极和第二电极的电化学电池中进行水解反应，使得在第一电极(阴极)处产生碱和氢气以及在第二电极(阳极)处产生酸和氧气。将氢气通过导管从阴极输送至阳极，在阳极中氢气被氧化，产生酸。酸的产生进一步降低了阳极处的pH。将氧气通过导管从阳极输送至阴极，在阴极中氧气被还原，产生碱。碱的产生进一步增加了阴极处的pH。
在一些这样的系统或方法中，将酸和碱任选地如实施例1中描述的收集和/或反应。
实施例4
该实施例描述了以第一模式运行的系统，其中可以收集产生的氧气和氢气并销售或使用，或者再结合以形成水。
在包括第一电极和第二电极的电化学电池中进行水解反应，使得在第一电极(阴极)处产生碱和氢气以及在第二电极(阳极)处产生酸和氧气。可以收集氢气和氧气并销售或使用，或者如果不期望产生气体，则将其再结合以形成水。
实施例5
该实施例描述了以第一模式和第二模式交替地运行的系统。
实施例1的系统或方法用于低电成本和/或高电可用度的时期，但是酸和碱的一些或全部被储存而不是用于化学溶解和/或沉淀反应中。当电成本增加和/或变得更不可用时，将系统转换为第二模式，其中电极的极性与实施例1中的极性相反。然后将来自实施例1的储存的碱添加至阳极中，在阳极中碱被氧化以形成氧气。然后将储存的酸添加至阴极中，在阴极中酸被还原以产生氢气。可以任选地收集氢气和氧气并销售或使用。
实施例6
该实施例描述了运行包括两个反应器以产生可以用于化学溶解和/或沉淀反应的酸和碱的系统。
运行包括以流体连接的两个反应器的系统。第一反应器产生碱、二卤化物(例如，Cl2)和氢气。第一反应器和第二反应器流体连接，并将第一反应器中产生的氢气和二卤化物输送至第二反应器中。将水也添加至第二反应器中，并且第二反应器产生酸(例如，HCl)。
用第一装置从第一反应器中收集碱以及用第二装置从第二反应器中收集酸。将酸用于第二装置中的化学溶解，例如固体CaCO3至Ca2+离子和CO3 2-离子的化学溶解。第二装置与第一装置流体连接，以及将来自第二装置的Ca2+离子输送至第一装置，其中它们在沉淀反应中与碱反应形成Ca(OH)2。Ca(OH)2可以任选地例如利用窑和/或加热器而用于水泥制造工艺。
虽然本文已经描述并说明了本发明的数个实施方案，但是本领域普通技术人员将容易想到用于执行本文描述的功能和/或获得本文描述的结果和/或一个或更多个优点的多种其他方式和/或结构，并且每个这样的变型和/或修改都被认为在本发明的范围内。更一般地，本领域技术人员将容易理解，本文所述的所有参数、尺寸、材料和配置意在是示例性的，并且实际的参数、尺寸、材料和/或配置将取决于使用本发明的教导的具体的一种或多种应用。本领域技术人员将认识到或仅使用常规实验就能够确定本文所述的本发明的具体实施方案的许多等同方案。因此，应理解，前述实施方案仅作为实例给出，并且在所附权利要求及其等同方案的范围内，本发明可以以除具体描述和要求保护之外的方式实施。本发明涉及本文所述的每个单独特征、系统、制品、材料和/或方法。此外，如果这样的特征、系统、制品、材料和/或方法不相互矛盾，则两个或更多个这样的特征、系统、制品、材料和/或方法的任意组合包括在本发明的范围内。
除非明确地指出相反，否则如本文在说明书和权利要求书中使用的不定冠词“一个/种/者”(“a/an”)应理解为意指“至少一者”。
如本文在说明书和权利要求书中使用的短语“和/或”应理解为意指如此结合的要素中的“任一者或两者”，即在一些情况下共同存在而在另一些情况下分开存在的要素。除非明确地指出相反，否则可以任选地存在除通过“和/或”子句具体指出的要素之外的其他要素，无论其与具体指出的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，当与开放式语言例如“包括”结合使用时，提及“A和/或B”在一个实施方案中可以指A而没有B(任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中可以指B而没有A(任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中可以指A和B二者(任选地包括其他要素)；等等。
如本文在说明书和权利要求书中使用的，“或”应被理解为具有与如上所定义的“和/或”相同的含义。例如，当分离列表中的项目时，“或”或者“和/或”应解释为包括性的，即包括多个要素或要素列表中的至少一个，但还包括多于一个，以及任选的额外的未列出项目。仅明确指出相反的术语，例如“仅一个”或“恰好一个”或者当在权利要求中使用时，“由……组成”将指包括多个要素或要素列表中的恰好一个要素。通常，当前面有排他性术语(例如“任一”、“其一”、“仅其一”或“恰好其一”)时，如本文所使用的术语“或”仅应解释为表示排他性替代方案(即，“一者或另一者，但并非二者”)。当在权利要求中使用时，“基本上由……组成”应具有如在专利法领域中所使用的其通常含义。
如本文在说明书和权利要求中所使用的，短语“至少一者”在提及一个或更多个要素的列表时应理解为意指从要素列表中的任一个或更多个要素中选择的至少一个要素，但不一定包括要素列表内具体列出的每个要素中的至少一者，也不排除要素列表中的要素的任何组合。该定义还允许可以任选地存在除在短语“至少一个”所提及的要素列表中具体指出的要素之外的要素，无论其与具体指出的那些要素相关或不相关。因此，作为非限制性实例，“A和B中的至少一者”(或等同地，“A或B中的至少一者”，或等同地，“A和/或B中的至少一者”)在一个实施方案中可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，而不存在B(并且任选地包括除B之外的要素)；在另一个实施方案中，可以指至少一个B，任选地包括多于一个B，而不存在A(并且任选地包括除A之外的要素)；在又一个实施方案中，可以指至少一个A，任选地包括多于一个A，以及至少一个B，任选地包括多于一个B(并且任选地包括其它的要素)；等等。
在权利要求中以及在以上说明书中，所有过渡性短语例如“包含”、“包括”、“带有”、“具有”、“含有”、“涉及”、“保持”等均应理解为开放式的，即意指包括但不限于。仅过渡短语“由……组成”和“基本上由……组成”应分别是封闭式或半封闭式的过渡短语，如美国专利局专利审查程序手册第2111.03节中所阐述的。

Claims (149)

1.一种方法，包括：
以第一模式运行反应器；
其中所述第一模式包括：
由第一电极产生碱；
由在所述反应器中与所述第一电极电化学耦接的第二电极产生酸；以及
收集所述酸和/或所述碱。
2.根据权利要求1所述的方法，还包括使收集的酸和/或碱在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。
3.一种方法，包括：
以第一模式运行反应器；
其中所述第一模式包括：
由第一电极产生碱；
由在所述反应器中与所述第一电极电化学耦接的第二电极产生酸；
收集所述酸和/或所述碱；以及
使收集的酸和/或碱在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其中所述第一模式包括由所述第二电极产生氧气。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中所述第一模式包括由所述第一电极产生氢气。
6.一种方法，包括：
以第一模式运行反应器；
其中所述第一模式包括：
由第一电极产生碱和氢气；
由在所述反应器中与所述第一电极电化学耦接的第二电极产生酸和氧气；以及
允许所述氧气扩散和/或被输送至所述第一电极和/或允许所述氢气扩散和/或被输送至所述第二电极；以及
允许所述氧气通过所述第一电极被还原和/或允许所述氢气通过所述第二电极被氧化。
7.根据权利要求6所述的方法，还包括收集所述酸和/或所述碱。
8.根据权利要求6至7中任一项所述的方法，还包括使收集的酸和/或碱在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。
9.根据权利要求4至8中任一项所述的方法，其中由所述第二电极产生酸和由所述第二电极产生氧气包括通过所述第二电极将水氧化来产生氧气和酸。
10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中由所述第一电极产生碱和由所述第一电极产生氢气包括通过所述第一电极将水还原来产生氢气和碱。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括收集所述酸。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括收集所述碱。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使所述收集的酸在化学溶解中反应。
14.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使所述收集的碱在沉淀反应中反应。
15.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括储存所述酸和/或所述碱。
16.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括储存所述酸。
17.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括储存所述碱。
18.根据前述权利要求中任一项所述的方法，还包括以第二模式运行所述反应器，其中所述反应器在所述第二模式下的极性与所述反应器在所述第一模式下的极性相比是相反的。
19.根据权利要求18所述的方法，其中用于以所述第一模式运行所述反应器的电的成本是第一成本以及用于以所述第一模式运行所述反应器的电的可用度是第一可用度，其中用于以所述第二模式运行所述反应器的电的成本是第二成本以及用于以所述第二模式运行所述反应器的电的可用度是第二可用度，并且其中所述第二成本大于所述第一成本和/或所述第一可用度大于所述第二可用度。
20.根据权利要求18至19中任一项所述的方法，其中所述第二模式包括在所述第二电极附近向所述反应器中添加储存的碱。
21.根据权利要求18至20中任一项所述的方法，其中所述第二模式包括将所述第二电极附近的所述储存的碱氧化以产生氧气。
22.根据权利要求18至21中任一项所述的方法，其中所述第二模式包括在所述第一电极附近向所述反应器中添加储存的酸。
23.根据权利要求18至22中任一项所述的方法，其中所述第二模式包括将所述第一电极附近的所述储存的酸还原以产生氢气。
24.根据权利要求5至23中任一项所述的方法，包括通过所述第二电极将所述氢气氧化。
25.根据权利要求5至24中任一项所述的方法，包括通过所述第二电极将所述氢气氧化以产生酸。
26.根据权利要求5至25中任一项所述的方法，其中允许所述氢气从所述第一电极附近扩散至所述第二电极附近。
27.根据权利要求5至26中任一项所述的方法，其中将所述氢气从所述第一电极附近输送至所述第二电极附近。
28.根据权利要求1至3、5和9至27中任一项所述的方法，其中所述方法不产生氧气。
29.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法不产生净氢气。
30.根据权利要求4至27和29中任一项所述的方法，包括通过所述第一电极将所述氧气还原。
31.根据权利要求4至27和29至30中任一项所述的方法，包括通过所述第一电极将所述氧气还原以产生碱。
32.根据权利要求4至27和29至31中任一项所述的方法，其中允许所述氧气从所述第二电极附近扩散至所述第一电极附近。
33.根据权利要求4至27和29至32中任一项所述的方法，其中将所述氧气从所述第二电极附近输送至所述第一电极附近。
34.根据权利要求1至4和9至33中任一项所述的方法，其中所述方法不产生氢气。
35.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述方法不产生净氧气。
36.根据权利要求2至5和8至35中任一项所述的方法，其中所述化学溶解包括金属、金属合金、准金属、金属盐、金属氧化物、和/或硅酸盐的化学溶解。
37.根据权利要求36所述的方法，其中所述金属和/或所述金属合金包括铁、铁基合金、不锈钢、有色金属、有色合金、铝、黄铜、青铜、铜、锌、锡、和/或硬币合金。
38.根据权利要求36至37中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物包括钙氧化物、镁氧化物、锶氧化物、锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物、锌氧化物、镉氧化物、铅氧化物、二氧化硅、和/或铝氧化物。
39.根据权利要求36至38中任一项所述的方法，其中所述金属盐包括金属碳酸盐。
40.根据权利要求39所述的方法，其中所述金属碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、碳酸锶、碳酸锰、碳酸铁、碳酸钴、碳酸锌、碳酸镉、碳酸铅、和/或碳酸镍。
41.根据权利要求2至5和8至35中任一项所述的方法，其中所述沉淀反应包括使金属氢氧化物沉淀。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述金属氢氧化物包括氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钡、氢氧化锶、氢氧化锰、氢氧化铁、氢氧化钴、氢氧化锌、氢氧化镉、氢氧化铅、和/或氢氧化镍。
43.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述酸的浓度大于或等于0.00001M。
44.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述酸的浓度大于或等于1M。
45.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述酸的浓度小于或等于10M。
46.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碱的浓度大于或等于0.00001M。
47.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碱的浓度大于或等于1M。
48.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述碱的浓度小于或等于10M。
49.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二电极附近的pH小于或等于6。
50.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一电极附近的pH大于或等于8。
51.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于-0.4V。
52.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于0.8V。
53.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于0.8V。
54.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于-0_4V。
55.根据权利要求2至5和8至54中任一项所述的方法，其中以第一模式运行所述反应器是间歇的，而使所述收集的酸和/或碱在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应是连续的。
56.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括向所述反应器中添加近中性的输入溶液。
57.根据权利要求56所述的方法，其中所述近中性的输入溶液包含盐。
58.根据权利要求57所述的方法，其中所述盐包括碱金属硫酸盐、碱金属氯酸盐、碱金属卤化物、碱金属硝酸盐、碱金属高氯酸盐、碱金属乙酸盐、碱金属亚硝酸盐、和/或碱金属三氟甲磺酸盐。
59.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使所述收集的碱在化学溶解中反应。
60.根据前述权利要求中任一项所述的方法，包括使所述收集的酸在沉淀反应中反应。
61.一种系统，包括：
第一电极；
与所述第一电极电化学耦接的第二电极；和
装置，所述装置被配置成收集所述第二电极附近的酸性产出物和/或所述第一电极附近的碱性产出物。
62.一种系统，包括：
第一电极；
与所述第一电极电化学耦接的第二电极；
第一装置，所述第一装置被配置成收集所述第二电极附近的酸性产出物和/或所述第一电极附近的碱性产出物；以及
第二装置，所述第二装置被配置成使收集的酸性产出物和/或收集的碱性产出物反应。
63.根据权利要求61至62中任一项所述的系统，其中所述第一电极被配置成产生碱和/或氢气。
64.根据权利要求61至63中任一项所述的系统，其中所述第二电极被配置成产生酸和/或氧气。
65.根据权利要求61至64中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许氧气扩散和/或被输送至所述第一电极和/或允许氢气扩散和/或被输送至所述第二电极。
66.根据权利要求61至65中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许所述氧气通过所述第一电极被还原和/或允许所述氢气通过所述第二电极被氧化。
67.一种系统，包括：
第一电极，所述第一电极被配置成产生碱和氢气；以及
第二电极，所述第二电极与所述第一电极电化学耦接并且被配置成产生酸和氧气；
其中所述系统被配置成允许氧气扩散和/或被输送至所述第一电极和/或允许氢气扩散和/或被输送至所述第二电极；以及
其中所述系统被配置成允许所述氧气通过所述第一电极被还原和/或允许所述氢气通过所述第二电极被氧化。
68.根据权利要求67所述的系统，还包括装置，所述装置被配置成收集所述第二电极附近的酸性产出物和/或所述第一电极附近的碱性产出物。
69.根据权利要求61至68中任一项所述的系统，还包括分离器，所述分离器被配置成允许所述第二电极处产生的氧气扩散至所述第一电极和/或允许所述第一电极处产生的氢气扩散至所述第二电极。
70.根据权利要求61、63至66和68至69中任一项所述的系统，还包括第二装置，所述第二装置被配置成使所述收集的酸性产出物和/或所述收集的碱性产出物在化学溶解中和/或在沉淀反应中反应。
71.根据权利要求62至66和70中任一项所述的系统，其中所述第二装置被配置成使所述收集的酸性产出物和/或所述收集的碱性产出物在化学溶解中反应。
72.根据权利要求62至66和70至71中任一项所述的系统，其中所述第二装置被配置成使所述收集的酸性产出物和/或所述收集的碱性产出物在沉淀反应中反应。
73.根据权利要求61至66和69至72中任一项所述的系统，其中所述第二电极被配置成产生酸。
74.根据权利要求61至66和69至73中任一项所述的系统，其中所述第二电极被配置成产生氧气。
75.根据权利要求61至66和69至74中任一项所述的系统，其中所述第一电极被配置成产生碱。
76.根据权利要求61至66和69至75中任一项所述的系统，其中所述第一电极被配置成产生氢气。
77.根据权利要求64至76中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许氧气扩散至所述第一电极。
78.根据权利要求63至77中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许氢气扩散至所述第二电极。
79.根据权利要求64至78中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许所述氧气通过所述第一电极被还原。
80.根据权利要求63至79中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许所述氢气通过所述第二电极被氧化。
81.根据权利要求61至80中任一项所述的系统，其中所述装置被配置成收集所述第二电极附近的所述酸性产出物。
82.根据权利要求61至81中任一项所述的系统，其中所述装置被配置成收集所述第一电极附近的所述碱性产出物。
83.根据权利要求61至82中任一项所述的系统，包括被配置成储存所述酸和/或所述碱的装置。
84.根据权利要求61至83中任一项所述的系统，包括被配置成储存所述酸的装置。
85.根据权利要求61至84中任一项所述的系统，包括被配置成储存所述碱的装置。
86.根据权利要求61至85中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成使得能够在所述第二电极附近添加碱。
87.根据权利要求61至86中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成通过所述第二电极将碱氧化以产生氧气。
88.根据权利要求61至87中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成使得能够在所述第一电极附近添加酸。
89.根据权利要求61至88中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成通过所述第二电极将酸还原以产生氢气。
90.根据权利要求63至89中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成通过所述第二电极将所述氢气氧化以产生酸。
91.根据权利要求63至90中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许将所述氢气从所述第一电极附近输送至所述第二电极附近。
92.根据权利要求61至66、69至73、75至86和88至91中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成不产生氧气。
93.根据权利要求61至92中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成不产生净氢气。
94.根据权利要求64至91和93中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成通过所述第一电极将所述氧气还原以产生碱。
95.根据权利要求64至91和93至94中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成允许将所述氧气从所述第二电极附近输送至所述第一电极附近。
96.根据权利要求61至66、69至75、77至88和90至95中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成不产生氢气。
97.根据权利要求61至96中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成不产生净氧气。
98.一种方法，包括：
在第一反应器中产生碱和二卤化物；
在第二反应器中产生酸；
收集所述酸；
收集所述碱；
用所述酸和/或所述碱进行化学溶解；以及
用所述酸和/或所述碱进行沉淀反应。
99.根据权利要求98所述的方法，包括在所述第一反应器中产生氢气。
100.根据权利要求98至99中任一项所述的方法，包括将来自所述沉淀反应的中性pH碱金属卤化物副产物进给到所述第一反应器中。
101.根据权利要求98至100中任一项所述的方法，包括储存所述酸和/或所述碱。
102.根据权利要求98至101中任一项所述的方法，其中所述化学溶解包括金属、金属合金、准金属、金属盐、金属氧化物、和/或硅酸盐的化学溶解。
103.根据权利要求102所述的方法，其中所述金属和/或所述金属合金包括铁、铁基合金、不锈钢、有色金属、有色合金、铝、黄铜、青铜、铜、锌、锡、和/或硬币合金。
104.根据权利要求102至103中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物包括钙氧化物、镁氧化物、锶氧化物、锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物、锌氧化物、镉氧化物、铅氧化物、二氧化硅、和/或铝氧化物。
105.根据权利要求102至104中任一项所述的方法，其中所述金属盐包括金属碳酸盐。
106.根据权利要求105所述的方法，其中所述金属碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、碳酸锶、碳酸锰、碳酸铁、碳酸钴、碳酸锌、碳酸镉、碳酸铅、和/或碳酸镍。
107.根据权利要求98至106中任一项所述的方法，其中所述沉淀反应包括使金属氢氧化物沉淀。
108.根据权利要求107所述的方法，其中所述金属氢氧化物包括氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钡、氢氧化锶、氢氧化锰、氢氧化铁、氢氧化钴、氢氧化锌、氢氧化镉、氢氧化铅、和/或氢氧化镍。
109.根据权利要求98至108中任一项所述的方法，其中所述酸的浓度大于或等于0.1M。
110.根据权利要求98至109中任一项所述的方法，其中所述酸的浓度大于或等于1M。
111.根据权利要求98至110中任一项所述的方法，其中所述酸的浓度小于或等于12M。
112.根据权利要求98至111中任一项所述的方法，其中所述碱的浓度大于或等于0.1M。
113.根据权利要求98至112中任一项所述的方法，其中所述碱的浓度大于或等于1M。
114.根据权利要求98至113中任一项所述的方法，其中所述碱的浓度小于或等于25M。
115.根据权利要求98至114中任一项所述的方法，其中所述第二反应器附近的pH小于或等于6。
116.根据权利要求98至115中任一项所述的方法，其中所述第一反应器附近的pH大于或等于8。
117.根据权利要求98至116中任一项所述的方法，其中所述第一反应器包括第二电极，并且所述第二电极处的能斯特电位相对于标准氢电极大于或等于1.36V。
118.根据权利要求98至117中任一项所述的方法，其中所述第一反应器包括第二电极，并且通过所述第二电极产生所述二卤化物。
119.根据权利要求98至118中任一项所述的方法，其中所述第一反应器包括第一电极，并且所述第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于0.8V。
120.根据权利要求98至118中任一项所述的方法，其中所述第一反应器包括第一电极，并且所述第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于0.4V。
121.根据权利要求98至118中任一项所述的方法，其中所述第一反应器包括第一电极，并且所述第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于-0.41V。
122.根据权利要求98至118中任一项所述的方法，其中所述第一反应器包括第一电极，并且所述第一电极处的能斯特电位相对于标准氢电极小于或等于-0.82V。
123.根据权利要求98至122中任一项所述的方法，其中所述第一反应器包括第一电极，并且由所述第一电极产生所述碱。
124.根据权利要求98至123中任一项所述的方法，其中所述第二反应器为化学反应器或燃料电池。
125.根据权利要求98至124中任一项所述的方法，其中所述第二反应器为H2/Cl2燃料电池。
126.根据权利要求98至125中任一项所述的方法，包括用所述酸进行所述化学溶解。
127.根据权利要求98至126中任一项所述的方法，包括用所述碱进行所述化学溶解。
128.根据权利要求98至127中任一项所述的方法，包括用所述酸进行所述沉淀反应。
129.根据权利要求98至128中任一项所述的方法，包括用所述碱进行所述沉淀反应。
130.一种系统，包括：
第一反应器，所述第一反应器被配置成产生碱、二卤化物和氢气；
第二反应器，所述第二反应器被配置成产生酸；
第一装置，所述第一装置被配置成收集所述第二反应器附近的所述酸并用所述酸进行化学溶解和/或沉淀反应；以及
第二装置，所述第二装置被配置成收集所述第一反应器附近的所述碱并用所述碱进行化学溶解和/或沉淀反应。
131.根据权利要求130所述的系统，其中所述系统被配置成将来自所述沉淀反应的中性pH碱金属卤化物副产物进给到所述第一反应器中。
132.根据权利要求130至131中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成储存所述酸和/或所述碱。
133.根据权利要求130至132中任一项所述的系统，其中所述化学溶解包括金属、金属合金、准金属、金属盐、金属氧化物、和/或硅酸盐的化学溶解。
134.根据权利要求133所述的方法，其中所述金属和/或所述金属合金包括铁、铁基合金、不锈钢、有色金属、有色合金、铝、黄铜、青铜、铜、锌、锡、和/或硬币合金。
135.根据权利要求1.33至134中任一项所述的方法，其中所述金属氧化物包括钙氧化物、镁氧化物、锶氧化物、锰氧化物、铁氧化物、钴氧化物、镍氧化物、锌氧化物、镉氧化物、铅氧化物、二氧化硅、和/或铝氧化物。
136.根据权利要求133至135中任一项所述的方法，其中所述金属盐包括金属碳酸盐。
137.根据权利要求136所述的系统，其中所述金属碳酸盐包括碳酸钙、碳酸镁、碳酸钡、碳酸锶、碳酸锰、碳酸铁、碳酸钴、碳酸锌、碳酸镉、碳酸铅、和/或碳酸镍。
138.根据权利要求130至137中任一项所述的系统，其中所述沉淀反应包括使金属氢氧化物沉淀。
139.根据权利要求138所述的系统，其中所述金属氢氧化物包括氢氧化钙、氢氧化镁、氢氧化钡、氢氧化锶、氢氧化锰、氢氧化铁、氢氧化钴、氢氧化锌、氢氧化镉、氢氧化铅、和/或氢氧化镍。
140.根据权利要求130至139中任一项所述的系统，其中所述酸的浓度大于或等于0.1M。
141.根据权利要求130至140中任一项所述的系统，其中所述酸的浓度大于或等于1M。
142.根据权利要求130至141中任一项所述的系统，其中所述酸的浓度小于或等于12M。
143.根据权利要求130至142中任一项所述的系统，其中所述碱的浓度大于或等于0.1M。
144.根据权利要求130至143中任一项所述的系统，其中所述碱的浓度大于或等于1M。
145.根据权利要求130至144中任一项所述的系统，其中所述碱的浓度小于或等于25M。
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