CN113711762B - 用于增强温室中生物质生长的设备、系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本文提供了使用光合生物质来净化水、减少室内空气污染、移除包含来自室外大气空气的CO2的温室气体以及生产生物燃料、食品和肥料的设备、系统和方法。本文还提供了用于增强温室中光合生物质的生长的系统和方法。

Description

用于增强温室中生物质生长的设备、系统和方法
本申请是申请日为2016年09月16日、申请号为201680067056.6、发明名称为“用于增强温室中生物质生长的设备、系统和方法”的中国专利申请(其对应PCT申请的申请日为2016年09月16日、申请号为PCT/US2016/052145)的分案申请。
交叉引用
本申请的主题涉及2015年9月18日提交的美国临时申请号62/220,718和2016年4月5日提交的美国临时申请号62/318,575，以及2016年8月19日提交的美国临时申请号62/377,479的主题，这些美国临时申请通过引用并入本文。
背景技术
人为全球变暖和气候变化是公认的科学事实。气候变化公认的原因是诸如二氧化碳等温室气体的过量排放。为了应对和扭转气候变化，已经开发出用以管理温室气体排放的技术。例如，已经开发出用以捕获和储存大气中的二氧化碳的技术。然而，此类技术在许多情况下并不理想。
此外，来自包括农业径流、废物处理和工厂污水在内的来源的水污染带来的环境健康担忧造成对包括耕地和清洁水在内的资源的可得性的担忧。森林砍伐和温室气体排放的上升速率也已对环境产生了复合效应，造成对天气模式、温度、物种灭绝和海平面上升的大规模变化的担忧。已经进行了独立尝试以净化水、减少径流，以及捕获、运输和储存如二氧化碳(CO2)等温室气体；然而，这些技术往往能源效率低下，并且有时带来安全问题。
发明内容
鉴于上文，需要结合安全解决不止一个环境问题——例如水污染和碳捕获的技术的设备、系统和方法来充分解决环境担忧。本文描述的设备、系统和方法解决了这些担忧，并且还提供了其他优点。
本文认识到需要开发改进的温室气体捕获和管理的设备、系统和方法。本公开内容的方面提供了用于捕获诸如二氧化碳等温室气体，并且在其他方面中在进一步有利于环境的诸如水净化等二级操作中利用这样捕获的二氧化碳或者增强植物生长的改进设备和方法。
在一个方面中，本公开内容提供了用于从大气中捕获CO2并处理水的系统。在一些实施方式中，所述系统包括具有包含一个或多个水生大型植物的内部的壳体(enclosure)；所述壳体中的进水口开口，其被配置用于允许污水进入所述壳体并接触所述水生大型植物；以及固体吸附剂，其被配置用于捕获所述壳体外部的空气中的CO2并将捕获的CO2释放到所述壳体内部。在一些实施方式中，所述水生大型植物包括凤眼蓝属(Eichhornia)、紫萍属(Spirodela)、槐叶萍属(Salvinia)、满江红属(Azolla)、浮萍属(Lemna)、大藻属(Pistia)、心叶(heartleaf)或水萍(duckweed)科的成员。在一些实施方式中，所述水生大型植物包括水萍。在一些实施方式中，所述水生大型植物主要由水萍构成。在一些实施方式中，水萍是浮萍属的。在前述实施方式的任一个中，所述壳体包括多个包含所述水生大型植物的竖直布置的排层。在一些实施方式中，每个排层与单独的固体吸附剂流体连通。在前述实施方式中的任一个中，所述进水口开口被配置用于通过使所述壳体的表面适于直接接触污水的表面而允许所述污水进入所述壳体。在前述实施方式的任一个中，所述系统适于位于室外，使得所述壳体外部的空气是室外大气空气。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括被配置用于向所述水生大型植物提供光的人造光源。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括选自太阳能板、风力涡轮机、水力发电机和热能转换器的无源电源。在前述实施方式的任一个中，所述系统适于处理是湖泊、池塘、溪流(例如废物流)、河流、运河或水库的污水。在前述实施方式的任一个中，所述系统适于处理是农业径流的污水。在前述实施方式的任一个中，所述系统适于处理被含氮化合物污染的水。在一些实施方式中，所述含氮化合物是硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐。在前述实施方式的任一个中，所述系统中包括的所述固体吸附剂包括阴离子交换材料。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括湿气控制装置，所述湿气控制装置被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于促进从所述一个或多个固体吸附剂释放CO2的增加的湿气。在前述实施方式的任一个中，所述湿气控制装置包括受控进水口或者增湿器，所述受控进水口被配置用于使受控量的水与所述一个或多个固体吸附剂接触。在前述实施方式的任一个中，所述湿气控制装置被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于是气体、固体、蒸气或液体的H2O(例如，液态水、雾中的细小液滴或湿度)。在前述实施方式的任一个中，所述固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。在一些实施方式中，所述载体材料是纸。在前述实施方式的任一个中，所述固体吸附剂绕着所述吸附剂围绕其旋转的轴线分布，并且所述吸附剂包括第一表面和第二表面，并且所述固体吸附剂相对于所述壳体安置，使得随着所述吸附剂绕着所述轴线旋转，所述第一表面的至少一部分进入所述壳体而所述第二表面的至少一部分离开所述壳体。在前述实施方式的任一各中，所述系统还可以包括所述壳体中的开口，所述开口适于允许经处理的水离开所述壳体。
在一个方面中，本公开内容提供了一种从大气中捕获CO2并处理水的方法。在一些实施方式中，所述方法包括以下步骤：(a)将包含污染物的水引入具有含有水生大型植物的内部的壳体中，使得所述水与所述水生大型植物接触，并且其中所述水生大型植物促进了所述水中所述污染物水平的降低；(b)利用固体吸附剂从所述壳体外部的空气捕获CO2，其中所述壳体外部的空气具有小于800ppm的CO2浓度；以及(c)将捕获的CO2释放到所述壳体内部中，其中所述壳体内部具有比所述壳体外部的空气更高的CO2浓度。在一些实施方式中，所述方法中使用的所述水生大型植物包括凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶或水萍科的成员。在一些实施方式中，所述水生大型植物包括水萍。在一些实施方式中，所述水生大型植物主要由水萍构成。
在前述实施方式的任一个中，所述水萍是浮萍属的。在前述实施方式的任一个中，所述壳体包括多个包含所述水生大型植物的竖直布置的排层。在前述实施方式的任一个中，所述方法使用其中每个排层与单独的固体吸附剂流体连通的系统。在前述实施方式的任一个中，所述壳体的表面与所述水体的表面直接接触。在前述实施方式的任一个中，所述壳体外部的空气是室外大气空气。在前述实施方式的任一个中，所述方法使用还包括人造光源的系统。在前述实施方式的任一个中，电源向所述壳体供应功率。在一些实施方式中，所述电源选自太阳能板、风力涡轮机、水力发电机和热能转换器。在前述实施方式的任一个中，所述水体是湖泊、池塘、溪流、河流、运河或水库。在前述实施方式的任一个中，所述水体是农业径流。在前述实施方式的任一个中，所述水被含氮化合物污染。在前述实施方式的任一个中，所述水被含氮化合物污染，所述含氮化合物包括硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐。在前述实施方式的任一个中，所述固体吸附剂包括阴离子交换材料。在前述实施方式的任一个中，所述释放捕获的CO2的步骤包括润湿所述吸附剂或者使所述吸附剂暴露于增加的湿度。在前述实施方式的任一个中，所述固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。在前述实施方式的任一个中，所述固体吸附剂包括分布在纸上或纸中的吸附剂材料。在前述实施方式的任一个中，所述固体吸附剂绕着所述吸附剂围绕其旋转的轴线分布，并且所述吸附剂包括第一表面和第二表面，并且所述固体吸附剂相对于所述壳体安置，使得随着所述吸附剂绕着所述轴线旋转，所述第一表面的至少一部分进入所述壳体并且所述第二表面的至少一部分离开所述壳体，并且其中所述方法还包括使所述吸附剂绕着所述轴线旋转以交替将所述第一表面和所述第二表面暴露于所述壳体的外部。在前述实施方式的任一个中，所述壳体还包括净化的水经过其离开所述壳体的开口。在前述实施方式的任一个中，离开所述壳体的经处理的水中的所述污染物与进入所述壳体的水相比具有至少低10％的浓度。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括步骤：将所述壳体内部中的CO2浓度维持在所述水生大型植物表现出比所述壳体外部的空气中的所述水生大型植物的生长或繁殖增加至少2倍的生长速率或繁殖速率的水平。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括步骤：将所述壳体内部的CO2浓度维持在所述水萍表现出比所述壳体外部的空气中的所述水萍的生长或繁殖增加至少2倍的生长速率或繁殖速率的水平。在前述实施方式的任一个中，在包含水生大型植物的所述内部中维持期望的CO2浓度长达至少2天、或至少3天、或至少4天、或至少5天、或至少7天、或至少10天、或至少14天或至少30天。在前述实施方式的任一个中，与在含有约400ppm的CO2或更少的环境中的水萍的生长速率或繁殖速率相比，所述水萍的生长速率或繁殖速率至少增加8倍。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括将所述壳体内部中的CO2浓度维持在至少1000ppm、1200ppm、1500ppm或更高的步骤。在前述实施方式的任一个中，所述内部的CO2浓度维持在期望的CO2浓度长达至少2天、或至少3天、或至少4天、或至少5天、或至少7天、或至少10天、或至少14天或至少30天。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括采收所述水萍。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括连续采收所述水萍长达延长的时间段(例如，一天、一周或一个月)。在一些实施方式中，采收由浮动的自动化设备执行。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括从所述水萍收集油。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括通过压榨或煮沸所述水萍中的一种或多种来从所述水萍收集油。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括由从所述水萍收集的油生产诸如生物柴油等燃料。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括在生产商品中使用所述水萍。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括在生产包括燃料、食品、淀粉或肥料的商品中使用所述水萍。在前述实施方式的任一个中，所述方法还可以包括在生产包括作为动物饲料的食品的商品中使用所述水萍。
在一个方面中，本公开内容提供了一种用于增强植物生长的系统，其包括：(a)包括多个隔室的壳体，其中至少一个第一隔室包含生长中的光合生物质，并且至少一个第二隔室适于接纳向所述至少一个第二隔室的空气中呼出CO2的一个或多个哺乳动物；(b)一个或多个固体吸附剂，其与所述至少一个第二隔室流体连通，其中所述一个或多个固体吸附剂被配置用于捕获所述至少一个第二隔室的空气中的CO2；(c)湿气控制装置，其被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于促进从其释放CO2的增加的湿气；以及(d)一个或多个导管，其将所述一个或多个固体吸附剂与所述至少一个第一隔室流体地连接，使得所述一个或多个导管被配置用于促进从所述一个或多个固体吸附剂释放的CO2向所述至少一个第一隔室的递送。在一些实施方式中，所述湿气控制装置是适于使水与所述一个或多个固体吸附剂接触的装置，或者适于增加向所述一个或多个固体吸附剂暴露的湿度的装置。在前述实施方式的任一个中，所述湿气控制装置包括(1)受控进水口，所述受控进水口被配置用于使受控量的水与所述一个或多个固体吸附剂相接触，或者(2)增湿器。在前述实施方式的任一个中，所述湿气控制装置被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于是气体、蒸气、固体或液体的H2O。在前述实施方式的任一个中，所述湿气控制装置包括一个或多个水储存器和一个或多个分配器，所述一个或多个分配器将液体或蒸气形式的水递送到所述一个或多个固体吸附剂。在前述实施方式的任一个中，至少一个第二隔室适于是可由人类居住的。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括容纳所述光合生物质的生长帐篷(growth tent)。在前述实施方式的任一个中，所述至少一个第一隔室位于所述至少一个第二隔室下方。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括适于将所述至少一个第二隔室中的CO2水平维持在500ppm以下的控制机构。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括系统控制机构，所述系统控制机构包括一个或多个传感器或检测器以及处理器，其中所述一个或多个传感器或检测器被配置用于向所述处理器提供信息，并且所述处理器被配置用于使用这样的信息来确定(1)所述吸附剂的适当旋转速率，或者(2)所述一个或多个吸附剂所暴露于的湿气量中的任一个或二者，以便在所述多个隔室的一个中实现期望的CO2水平。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括调节空气流动的空气控制系统。在前述实施方式的任一个中，所述传感器或检测器包括用于检测一天中的时间、哺乳动物或居住者的运动、哺乳动物或居住者的数量、一个或多个周围隔室中的湿度的机构。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括系统控制机构，所述系统控制机构适于将所述至少一个第一隔室中的CO2水平维持在500ppm以上。在前述实施方式的任一个中，所述系统控制机构被配置用于使用来自一个或多个传感器或检测器的反馈来确定所述吸附剂的旋转速率。在前述实施方式的任一个中，所述系统控制机构被配置用于检测或控制所述一个或多个温室隔室的一个或多个环境条件。在前述实施方式的任一个中，所述系统控制机构被配置用于检测或控制一个或多个环境条件，所述环境条件可以包括一个或多个温室隔室中的温度、光、水、营养物水平、湿度水平、CO2水平。在前述实施方式的任一个中，所述光合生物质是可食用植物。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个吸附剂安装在用于调节所述至少一个第二隔室中的温度的强制通风系统的入口的下游。在前述实施方式的任一个中，所述系统还可以包括所述光合生物质所暴露于的人造光源。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个固体吸附剂包括阴离子交换材料。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料，所述载体材料是纸，例如合成纸。
在一个方面中，本公开内容提供了一种增强光合生物质的生长的方法，该方法包括：(a)提供壳体，所述壳体具有包含所述光合生物质的至少一个第一隔室和可居住的至少一个第二隔室；(b)使用一个或多个固体吸附剂从所述至少一个第二隔室捕获呼出到空气中的CO2，其中所述至少一个第二隔室中的CO2维持在0.5％以下；(c)使所述固体吸附剂暴露于湿气，从而释放捕获的CO2；以及(d)将释放的CO2传递到所述至少一个第一隔室，其中将所述至少一个第一隔室中的CO2维持在比所述至少一个第二隔室中更高的浓度下长达延长的时间段。在一些实施方式中，所述光合生物质包括凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶或水萍科的成员。在前述实施方式的任一个中，将所述至少一个第一隔室中的CO2浓度维持在比所述至少一个第二隔室中的CO2浓度更高的浓度下长达至少2天、或至少3天、或至少4天、或至少5天、或至少7天、或至少10天、或至少14天或至少30天。在前述实施方式的任一个中，所述光合生物质包含在生长帐篷中。在前述实施方式的任一个中，所述至少一个第一隔室位于所述至少一个第二隔室下方。在前述实施方式的任一个中，所述至少一个第二隔室中的CO2维持在500ppm以下。在前述实施方式的任一个中，所述至少一个第一隔室中的CO2维持在500ppm以上。在前述实施方式的任一个中，所述光合生物质是可食用植物。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个吸附剂安装在用于调节所述至少一个第二隔室中的温度的强制通风系统的入口的下游，并且捕获CO2包括抽取空气经过所述一个或多个固体吸附剂。在前述实施方式的任一个中，所述光合生物质暴露于人造光源。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个固体吸附剂包括阴离子交换材料。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。在前述实施方式的任一个中，所述一个或多个固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料，所述载体材料是纸。在前述实施方式的任一个中，使所述固体吸附剂暴露于湿气的步骤包括使所述固体吸附剂暴露于是气体、固体或液体的H2O。
援引并入
本说明书中提及的所有出版物、专利和专利申请均通过引用并入本文，程度如同具体地和单独地指出通过引用而并入每个单独的出版物、专利或专利申请。
附图说明
本发明的新颖特征在所附权利要求中具体阐述。通过参考对在其中利用到本发明原理的说明性实施方式加以阐述的以下详细描述和附图，将会对本发明的特征和优点获得更好的理解，在附图中：
图1示出了根据实施方式的用于净化水的系统的示意图。
图2示出了根据实施方式的用于净化水的系统的示意图。
图3示出了根据实施方式的用于增强包括多个隔室的建筑物中的植物生长的系统的示意图。
图4示出了根据实施方式的用于增强包括多个隔室的建筑物中的植物生长的系统的示意图。
图5A示出了根据实施方式的用于捕获和释放温室气体的装置的示意图。
图5B示出了根据实施方式的人类旁边的图5A的装置的透视图，以指示该装置的示例性大小和形状。
图5C示出了根据实施方式的图5A的装置的组件的透视图。
图5D示出了根据实施方式的图5A的装置的温室气体吸附剂元件的示意图。
图6示出了根据实施方式的设备的外部，该外部包括具有分别用于空气从壳体(例如温室)穿过进入到该设备中的进口以及用于空气从该设备返回到壳体中的出口的侧面，其中该设备被配置成邻近壳体定位并且经由进口和出口连接。
图7示出了根据一些实施方式的温室的示意图，该温室具有包含生长中的浮萍的多个堆叠排层。温室可选地供应有LED灯、太阳能板和风车发电机。邻近温室按示例描绘比例描绘了人像(P)。
图8示出了处理方法以及由随后流程形成和消耗的产物的流程图，连同包括清洁水、电力、乙醇和蛋白质/脂质在内的最终可用产物。
具体实施方式
在一个方面中，本公开内容提供了一种用于净化水和/或从大气中捕获CO2中的任一者或二者的系统。在一些实施方式中，该系统包括用于促进浅水环境中的有机材料降解的水萍、浮动的水生植物或本领域中已知的大型植物。本领域中公知的浮动水萍与附着的细菌和藻类一起在水面上形成藻席，该藻席通过包括经过富集氧气供应以及通过提供用于固氮细菌生长的附加表面在内的各种手段促进有机材料的降解。在一些实施方式中，系统包括(a)具有水净化装置的壳体，该水净化装置包括(i)壳体内包含水萍的内部；和(ii)壳体中的进水口开口和出水口开口，来自含有污染物的水体的水经过该进水口开口和出水口开口进入和离开壳体，使得水与水萍接触，从而降低水内污染物的浓度；以及(b)包含固体吸附剂的碳捕获装置，该固体吸附剂从空气源捕获CO2并将捕获的CO2释放到壳体的内部，其中吸附剂与壳体的内部流体连通，并且随着系统允许壳体内部中的空气实现了比该空气源更高的CO2浓度。在一些实施方式中，壳体包括包含水萍的多个竖直布置的排层。在一些实施方式中，每个排层与单独的固体吸附剂流体连通。在一些实施方式中，壳体的表面与水体的表面直接接触。在一些实施方式中，空气源包括壳体外部的空气并且是室外大气空气。在一些实施方式中，空气源具有小于800ppm的CO2浓度。在一些实施方式中，水萍是浮萍属的。在一些实施方式中，系统还包括诸如LED照明等人造光源。在一些实施方式中，系统还包括诸如选自太阳能板、风力涡轮机、水力发电机(例如，潮汐能发电、波浪发电或水轮机)和热能转换器(例如海洋热能)的电源等无源电源。在一些实施方式中，水体是湖泊、池塘、溪流(例如废水流)、河流、运河或水库。在一些实施方式中，水体是农业径流。在一些实施方式中，污染物是诸如硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐等含氮化合物。在一些实施方式中，污染物是磷。在一些实施方式中，固体吸附剂包括阴离子交换材料。在一些实施方式中，在包括将吸附剂暴露于湿气(例如，水或增加的湿度)并由此导致吸附剂所捕获的CO2被释放的方法中使用所述系统。在一些实施方式中，吸附剂在润湿或暴露于增加的湿度时释放捕获的CO2。在一些实施方式中，固体吸附剂包括分布在诸如形成为片材(例如纸)的材料等载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。在一些实施方式中，在这样的方法中使用所述系统——该方法包括定期地重新安置吸附剂，使得在第一吸附剂位置处，吸附剂的第一表面暴露于空气源而吸附剂的第二表面暴露于壳体的内部，以及在第二吸附剂位置处，吸附剂的第一表面暴露于壳体的内部(或者与壳体的内部和外部二者隔离)而吸附剂的第二表面暴露于空气源(或者与壳体的内部和外部二者隔离)。在一些实施方式中，固体吸附剂绕着吸附剂围绕其旋转的轴线分布，并且定期地重新安置吸附剂的方法包括使吸附剂绕着这样的轴线旋转。在一些实施方式中，与进入壳体的水相比，离开壳体的水中的污染物的浓度至少低10％(例如，至少低15％、25％、50％、75％或90％)。在一些实施方式中，壳体内部中的CO2浓度维持在水萍表现出与壳体外部空气中的水萍生长相比至少增加2倍(例如至少4倍、6倍、8倍、10倍、15倍或20倍)的生长速率的水平。在一些实施方式中，每24至48小时观察这样的增强的生长速率。在一些实施方式中，每24至36小时观察这样的增强的生长速率。在一些实施方式中，壳体内部中的空气具有至少1000ppm、1200ppm、1500ppm或更高的CO2浓度。在一些实施方式中，上述增强的生长速率在至少1000ppm、1200ppm、1500ppm或更高的CO2浓度下发生。
术语“约”可以在本文中用于指围绕某个定义数量的大致范围或者指示机械结构沿着附近的物理实体移动或朝向临近附近的物理实体。在术语“约”用于指围绕定义数量的范围的情况下，该术语可以被定义为在比定义数量大10％或小10％的范围内。
在一个方面中，本公开内容提供了一种净化水的方法。该方法还可以提供同时从大气中捕获CO2。在一些实施方式中，该方法包括：(a)将包含污染物的水引入具有含有水萍的内部的壳体中，其中水萍将污染物从水中移除；(b)用固体吸附剂从壳体外部的空气中捕获CO2以及(c)将捕获的CO2释放到壳体内部中，其中壳体的内部具有比壳体外部的空气更高的CO2浓度。在一些实施方式中，壳体外部的空气具有小于800ppm的CO2浓度。在一些实施方式中，壳体包括包含水萍的多个竖直布置的排层。在一些实施方式中，每个排层与单独的固体吸附剂流体连通。在一些实施方式中，壳体的表面与水体的表面直接接触。在一些实施方式中，壳体外部的空气是室外大气空气。在一些实施方式中，水萍是浮萍属的。在一些实施方式中，壳体还包括诸如LED照明等人造光源。在一些实施方式中，无源电源向壳体供应功率。无源电源的非限制性示例包括太阳能板、风力涡轮机、水力发电机(例如，潮汐能发电、波浪发电或水轮机)和热能转换器(例如海洋热能)。在一些实施方式中，水体是湖泊、池塘、溪流、河流、运河或水库。在一些实施方式中，水体是农业径流。在一些实施方式中，污染物是诸如硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐等含氮化合物。在一些实施方式中，固体吸附剂包括阴离子交换材料。在一些实施方式中，固体吸附剂包括分布在诸如形成为片材或沉积在纸上的材料等载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。在一些实施方式中，该方法还包括定期地重新安置固体吸附剂，使得吸附剂的表面在与壳体的内部流体连通和与壳体的外部流体连通之间交替。在一些实施方式中，其中(i)固体吸附剂绕着吸附剂围绕其旋转的轴线分布；以及(ii)吸附剂包括暴露于壳体外部的外表面和暴露于壳体内部的内表面；该方法还包括使吸附剂绕着轴线旋转，使得外表面的至少一部分进入壳体并且内表面的至少一部分离开壳体。在一些实施方式中，壳体还包括开口，净化的水经过该开口离开壳体。在一些实施方式中，与进入壳体的水相比，离开壳体的水中的污染物的浓度至少低10％(例如，至少低15％、25％、50％、75％或90％)。在一些实施方式中，方法还包括调节壳体内部中的CO2浓度。在一些实施方式中，通过调节固体吸附剂的表面被定期地重新安置以在与壳体的内部流体连通和与壳体的外部流体连通之间交替的速率来调节壳体内部中的CO2浓度。在一些实施方式中，壳体内部中的CO2浓度维持在水萍表现出与壳体外部的空气中的水萍生长相比至少增加2倍(例如至少4倍、6倍、8倍、10倍、15倍或20倍)的生长速率的水平。在一些实施方式中，壳体内部中的空气具有至少1000ppm、1200ppm、1500ppm或更高的CO2浓度。在一些实施方式中，方法还包括采收水萍，诸如连续采收。在一些实施方式中，采收由浮动的自动化设备执行。在一些实施方式中，方法还包括利用水萍制作商品。在一些实施方式中，方法还包括从水萍收集油，诸如通过压榨和/或煮沸采收的水萍。在一些实施方式中，方法还包括由水萍油生产商品，并且在一些实施方式中产物是诸如生物柴油等燃料。在一些实施方式中，方法还包括在生产食品(例如动物饲料)、淀粉或肥料的商品中使用水萍。
在一个方面中，本公开内容提供了用于增强植物生长的系统。在一些实施方式中，系统包括：(a)包括由多个隔板分离开的多个隔室的可居住壳体，其中至少一个第一隔室包含生长中的光合生物质，并且至少一个第二隔室包含将CO2呼出到至少一个这样的第二隔室的空气中的一个或多个哺乳动物；(b)与至少一个第一隔室的空气或水以及至少一个第二隔室的空气或水流体连通的一个或多个固体吸附剂，其中(i)一个或多个固体吸附剂可操作地被配置用于从这样的第二隔室的空气捕获CO2，使得这样的第二隔室的空气维持在优选的CO2浓度(例如，约1％或更低)下；以及(ii)一个或多个固体吸附剂可操作地被配置用于将CO2释放到这样的第一隔室的空气或水中，使得在这样的第一隔室中的空气中的CO2浓度维持在高于至少一个第二隔室的空气或水中的CO2浓度的水平。在一个方面中，系统还可以包括能够选择性地向固体吸附剂提供湿气从而引起捕获的CO2释放的湿气源。湿气源可以提供任何状态的湿气，诸如通过用液态水润湿或通过暴露于增加的湿度来提供。在一些实施方式中，一个或多个哺乳动物是人类。在一些实施方式中，将光合生物质包含在生长帐篷中或者第一隔室包括生长帐篷。在一些实施方式中，系统还包括一个或多个水储存器和一个或多个分配器，该一个或多个分配器将液体或蒸气形式的水递送到一个或多个固体吸附剂。在一些实施方式中，至少一个第一隔室位于至少一个第二隔室下方。在一些实施方式中，至少一个第二隔室中的CO2维持在1000ppm以下(例如在500ppm以下)。在一些实施方式中，至少一个第一隔室中的CO2维持在500ppm以上(例如在600ppm、800ppm、900ppm、1000ppm、1200ppm、1500ppm或2000ppm以上)。在一些实施方式中，光合生物质是可食用植物。在一些实施方式中，一个或多个吸附剂安装在诸如用于调节至少一个第二隔室中的温度或湿度的系统等强制通风系统的入口的下游。在一些实施方式中，系统还包括光合生物质所暴露于的人造光源。在一些实施方式中，一个或多个固体吸附剂包括阴离子交换材料。在一些实施方式中，一个或多个固体吸附剂包括分布在诸如形成为片材(例如纸)的材料等载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。
在一个方面中，本公开内容提供了一种增强壳体的至少一个第一隔室中的光合生物质的生长的方法，该壳体还包括至少一个可居住的第二隔室。在一些实施方式中，方法包括：(a)用一个或多个固体吸附剂从壳体的至少一个第二隔室的空气中捕获CO2(例如呼出的CO2)，其中至少一个第二隔室中的CO2维持在低于优选的水平(例如低于1％、低于0.5％、低于2000ppm、1000ppm或500ppm)；以及(b)通过湿润或增加对湿度的暴露来将一个或多个固体吸附剂暴露于湿气，从而将捕获的CO2释放到包含光合生物质的至少一个第一隔室中，其中至少一个第一隔室中的CO2维持在比至少一个第二隔室中的CO2更高的浓度。在一些进一步实施方式中，固体吸附剂在润湿或暴露于增加的湿度时释放捕获的CO2。在一些实施方式中，将光合生物质包含在生长帐篷中或者第一隔室包括生长帐篷。在一些实施方式中，至少一个第一隔室位于至少一个第二隔室下方。在一些实施方式中，至少一个第二隔室中的CO2维持在1000ppm以下(例如在500ppm以下)。在一些实施方式中，至少一个第一隔室中的CO2维持在500ppm以上(例如在600ppm、800ppm、900ppm、1000ppm、1200ppm、1500ppm或2000ppm以上)。在一些实施方式中，光合生物质是可食用植物。在一些实施方式中，一个或多个吸附剂安装在强制通风系统(例如用于调节至少一个第二隔室中的温度或湿度的系统)的入口的下游，并且捕获CO2包括抽取空气经过一个或多个固体吸附剂。在一些实施方式中，光合生物质暴露于人造光源。在一些实施方式中，一个或多个固体吸附剂包括阴离子交换材料。
在一些实施方式中，一个或多个固体吸附剂包括分布在诸如纸等载体材料上或中的吸附剂材料。
在一个方面中，本公开内容提供了一种用于封存温室气体的设备。在许多实施方式中，设备包括外壳、吸附剂和马达。外壳分为第一隔室和第二隔室。吸附剂安设在外壳内并具有在暴露于外壳的第一隔室与第二隔室之间交替的第一部分和第二部分。吸附剂在暴露于第一隔室中时吸附温室气体，而在暴露于第二隔室时释放温室气体。马达耦合到吸附剂以致动吸附剂，从而使第一部分和第二部分交替暴露于外壳的第一隔室和第二隔室。在一些实施方式中，吸附剂包括多个部分，该多个部分在对第一隔室的暴露、与第一隔室和第二隔室隔离以及暴露于第二隔室之间交替。在一些实施方式中，外壳的第一隔室包括均向第一空气环境敞开的第一进口和第一出口，外壳的第二隔室包括向第二空气环境敞开的第二进口和第二出口，并且第一空气环境具有比第二空气环境更低的温室气体浓度。在一些实施方式中，第一进口、第一出口、第二进口或第二出口中的一个或多个包含风扇以促进空气循环。在一些实施方式中，第一空气环境包括环境空气。在一些实施方式中，第二空气环境包括温室的内部。在一些实施方式中，第一空气环境具有比第二空气环境更低的湿度。在一些实施方式中，第一空气环境或第一隔室的绝对湿度约小于1克/m3、约小于2.5克/m3、约小于5克/m3、约小于10克/m3、约小于15克/m3或约小于20克/m3。在一些实施方式中，外壳的第一隔室包含具有比第二隔室中更小湿度的空气。在一些实施方式中，吸附剂被配置用于在低湿度环境中吸附温室气体而在高湿度环境中释放温室气体。在一些实施方式中，第二空气环境或第二隔室的绝对湿度约大于25g/m3、约大于g/m3、约大于15g/m3、约大于10g/m3或约大于5g/m3。在一些实施方式中，温室气体包含二氧化碳。在一些实施方式中，马达包括回转马达。在一些实施方式中，设备还包括容纳吸附剂并耦合到马达的旋动元件。回转马达耦合到旋动元件，以使旋动元件的各部分在暴露在外壳的第一隔室中与在外壳的第二隔室之间交替。在一些实施方式中，旋动元件包括旋动轮。在一些实施方式中，旋动元件中的吸附剂容纳在彼此隔离的多个区段中。
在一个方面中，本公开内容提供了一种用于封存温室气体的方法。在许多实施方式中，该方法包括以下步骤：(a)在吸附剂的第二部分与第一空气环境隔离时使吸附剂的第一部分暴露于第一空气环境以吸附其中的温室气体，以及(b)重新安置吸附剂以在吸附剂的第二部分与第二空气环境隔离时使吸附剂的第一部分暴露于第二空气环境从而将吸附的温室气体释放于其中。在一些实施方式中，方法还包括重复步骤(a)和步骤(b)以在吸附与释放温室气体之间交替。在一些实施方式中，使吸附剂的第一部分暴露于第一空气环境的(a)步骤与使吸附剂的第二部分暴露于第二空气环境以将温室气体释放于其中同时进行。在一些实施方式中，重新安置吸附剂以使吸附剂的第一部分暴露于第二空气环境的步骤(b)与使吸附剂的第二部分暴露于第一空气环境以吸附其中的温室气体同时进行。在一些实施方式中，第一空气环境具有比第二空气环境更低的湿度。在一些实施方式中，第一空气环境或第一隔室的绝对湿度约小于1克/m3、约小于2.5克/m3、约小于5克/m3、约小于10克/m3、约小于15克/m3或约小于20克/m3。在一些实施方式中，吸附剂被配置用于在低湿度环境中吸附温室气体而在高湿度环境中释放温室气体。在一些实施方式中，第二空气环境或第二隔室的绝对湿度约大于25g/m3、约大于20g/m3、约大于15g/m3、约大于10g/m3或约大于5g/m3。在一些实施方式中，温室气体包含二氧化碳。在一些实施方式中，第一空气环境在外壳的向环境空气敞开的第一隔室内。在一些实施方式中，第二空气环境在外壳的向温室的内部空气敞开的第二隔室内。在一些实施方式中，重新安置吸附剂的步骤(b)包括在包含第一空气环境和第二空气环境的外壳内使吸附剂旋转。在一些实施方式中，吸附剂容纳在外壳内的旋动元件内。在一些实施方式中，旋动元件包括旋动轮。
图1描绘了根据实施方式的用于净化水的系统100。所描绘的壳体包含浮萍110，并且横跨污水140从其进入壳体的径流管道120(受场区130限制)定位。可选地，可以包括泵170以将污水140抽取到壳体中。较清洁的水150离开壳体并向下游行进。在一些实施方式中，壳体供应有吸附剂180，吸附剂180可操作地被配置成在与壳体内的空气流体连通和与壳体外面的空气流体连通之间交替，从而根据本文描述的本发明的各个方面从外部空气中捕获CO2并将CO2释放到壳体的内部。在一些实施方式中，壳体供应有一个或多个太阳能板160a、风车风力发电机160b或LED灯160c。太阳能板160a或风车风力发电机160b可以被配置用于向实施方式中可以包括的可选元件供应功率，该可选元件包括泵170、用于吸附剂180的旋转机构和/或LED灯160c。
图2描绘了根据实施方式的用于净化水的系统200。系统200的内部还可以包括在类似于图1中示出的包括图1中所描绘的各个可选元件的壳体中。图2中示出的所描绘的系统200包括多个竖直层，每层包括浮萍210。这些层供应有LED灯260c。描绘了容纳浮萍210的壳体与湖泊230接触并且被湖泊230包围。污水进入壳体，并且较清洁的水(经过相同或不同的开口270)离开壳体。在一些实施方式中，壳体还供应有来自CO2捕获材料的CO2，该CO2捕获材料可以被配置成类似于图1中示出的吸附剂180。在一些实施方式中，壳体供应有一个或多个太阳能板260a或风车风力发电机260b，并且这些元件可以如图1中所示配置。
图3描绘了根据实施方式的用于增强包括多个隔室(上部或顶部隔室335a、第二层隔室335b、第一层隔室335c以及最低或基底隔室335d)的建筑物330中的植物生长的系统300。上部隔室335a、335b、335c的空气中的CO2由吸附剂370捕获并且经过导管395传递并释放到最低隔室335d内包含植物390的壳体380的空气空间375。尽管在图3中植物隔室示出为最低隔室，但是在一些实施方式中，植物壳体可以位于任何其他隔室内，并且可以使用泵经由CO2传递导管395将CO2从吸附剂的位置传递到植物壳体。
图4描绘了根据实施方式的用于增强包括多个隔室(上部隔室435a以及最低隔室435b)的建筑物430中的植物生长的系统400。上部隔室435a的空气中的CO2由吸附剂470捕获并且经过导管440传递并释放到最低隔室435b内包含植物450的壳体480。
图5A-图5D描绘了温室气体捕获与释放设备或装置500。捕获装置500由屏障510分成第一隔室500a和第二隔室500b。捕获装置500向周围的大气空气环境AA和诸如温室GH中的温室空气GA等封闭的空气环境二者敞开。在许多实施方式中，捕获装置500用于捕获环境空气中的二氧化碳并将捕获的二氧化碳释放到温室中，使得其中的植物生命或浮萍可以将二氧化碳转换为氧气。
捕获装置500包括用于第一隔室500a处的环境空气AA的空气进口503a和空气出口506a。捕获装置500包括用于第二隔室500b处的温室空气GA的空气进口503b和空气出口506b。
在许多实施方式中，进口或出口中的一个或多个包含一个或多个风扇540用以促进空气经过第一隔室500a和第二隔室500b的循环。(一个或多个)风扇540由风扇马达545致动。例如，如图5A中所示，风扇马达545可以链接到多个风扇540并且致动多个风扇540。
捕获设备500包括温室气体交换材料或吸附剂520。当干燥或在湿度相对低的环境中时(诸如当坐落在第一设备隔区500a中时)，吸附剂520吸附CO2。当润湿或暴露于第二设备隔区500b中湿度相对较高的环境时(诸如当暴露于高湿度或者直接润湿时，例如通过喷雾、浸润或经由湿气控制装置590用水泼洒来直接润湿)时，吸附剂520释放CO2。优选地，吸附剂是固体吸附剂。用于从空气中捕获CO2的固体吸附剂的示例包括但不限于阴离子交换材料、沸石、活性炭、活性氧化铝、固态胺和其他能够物理或化学吸附CO2分子的材料。在优选实施方式中，吸附剂包括阴离子交换材料。在一些实施方式中，吸附剂包括用诸如叔胺或季胺等胺官能化的载体。在一些实施方式中，吸附剂包括1型官能度阴离子交换材料或2型官能度阴离子交换材料。在US8999279和US8262774中描述了用于吸附CO2的吸附剂的非限制性示例，其中的示例吸附剂通过引用并入本文。装置500中的吸附剂520是可替换的。在许多实施方式中，温室气体吸附剂520呈旋动轮的形式。如图5C和图5D中所示出，旋动轮被分成多个彼此隔离的(饼)切片状区段523。在一些实施方式中，轮包括螺旋缠绕的吸附剂材料片材，吸附剂材料片材可以通过将缠绕的轮放置在阻止解绕的刚性结构(例如环)内而维持在缠绕配置下。在一个示例中，吸附剂通过滚动单面波纹结构而形成，其中波纹轴向对齐，从而创造了平行的空气通道。在一些实施方式中，轮具有约1英尺至2米或更大的直径。在一些实施方式中，轮具有约1米或更小的厚度。波纹高度可以约为0.25英寸或更大。
捕获设备500使空气循环穿过吸附剂520，并且吸附剂520吸附温室气体。如图5D中所示出，环境空气AA从进口503a循环穿过吸附剂520并穿过出口506a出去。吸附剂520从循环的空气中吸附二氧化碳。例如，朝着吸附剂行进的环境空气可能包含小于800ppm(例如约400ppm)的CO2，而从吸附剂离开回到周围环境的空气可能包含减少量的CO2(例如约250-300ppm的CO2或更少)。此外，吸附剂520被配置用于在相对低湿度环境中吸附CO2并且在相对高湿度环境中释放CO2。在一些实施方式中，如图5D中所示出，第一隔室500a诸如通过吸附剂520本身被分成进口503a处的低湿度部分和出口506a处的高湿度部分。同样地，第二隔室可以被分成相对高湿度部分和相对低湿度部分。在一些实施方式中，吸附剂任一侧上的湿度差异是与捕获和释放CO2相关联的湿度变化的结果。例如，满载CO2的吸附剂可以暴露于第二隔室中的较高湿度，其中随着CO2从吸附剂释放，一些水被吸附剂吸附，使得离开第二隔室的空气的湿度相对降低。当吸附的水进入第一隔室时，随着第一隔室的相对较干燥的空气穿过吸附剂，水被释放，吸附剂以湿度增加的形式释放水同时吸附CO2。横跨吸附剂的湿度的变化在进入空气与离开空气之间是相对的。离开第二隔室的相对“低湿度”(与进入第二隔室的湿度相比)可能在一些情况下具有比离开第一隔室的“高湿度”更高的湿度。
类似地，如图5D中所示出，温室空气GA从进口503b循环穿过吸附剂520并穿过出口506b出去。吸附剂520从循环的空气中吸附二氧化碳。例如，朝着吸附剂行进的温室空气可能包含约1000ppm的CO2，而从吸附剂离开回到温室环境的空气可能包含更高水平的CO2(例如约2,500ppm或更多的CO2)。在一些实施方式中，第二隔室500b诸如通过吸附剂520本身被分成进口503b处的高湿度部分和出口506b处的低湿度部分。如上文所述，横跨吸附剂的湿度的变化在进入空气与离开空气之间是相对的。
如图5D中所示出，吸附剂520a包括暴露于环境空气的第一部分520a和暴露于温室空气的第二部分520b。在由马达530使吸附剂520沿箭头550所示的方向旋转时，这些部分在暴露于环境空气与温室空气之间逐渐彼此交替。在一些实施方式中，吸附剂520每小时完全旋转两次。以这种方式，由吸附剂520在低湿度、环境空气侧吸附的二氧化碳在高湿度、温室空气侧被释放。在一些实施方式中，温室空气侧、环境空气侧或者温室空气侧和环境空气侧二者都可以包括被配置用于检测湿度、温度和/或CO2水平的一个或多个传感器595(图5A中示出)。在一些实施方式中，(1)吸附剂(即，驱动马达530)的旋转速度、(2)温室空气侧上的风扇540速度(即，风扇马达545)、(3)环境空气侧上的风扇540速度和/或(4)由湿气控制装置590提供的湿气是可通过控制器596调整的，控制器596可以包括处理器和/或与处理器通信，以便实现期望的CO2捕获的速率以及/或者温室中期望的CO2水平。在一些实施方式中，响应于控制器596上的具有CO2水平设定点的一个或多个传感器595来调节旋转速度，使得如果温室中的CO2水平偏离设定点则调变旋转速度。可以使用标准的已知二氧化碳传感器和湿度传感器，并且可以将基本编程并入到控制器596中以实现如本文所述的期望的监测/控制。根据生长中的水萍所需的CO2和取决于环境条件的CO2吸附速率，旋转系统可以通过更快或更慢地旋转来容易地允许所述系统自调整。
在一些实施方式中，一个或多个传感器可以被配置用于检测系统的环境空气和/或温室侧上的CO2的水平。在进一步配置中，系统可以包括控制机构或控制系统，该控制机构或控制系统被配置用于基于使用源自一个或多个传感器的信息(例如，湿度、温度、CO2浓度等)所作出的反馈或计算来调改吸附剂的旋转，该一个或多个传感器放置在系统的环境空气侧和/或温室侧。在一些实施方式中，控制机构或控制系统可以进一步集成到调节环境空气和/或温室条件的机构中。可以被检测和/或反馈到控制系统中的系统的环境空气侧上的机构可以包括针对一天中的时间、运动感测、占用感测、湿度的检测器，或者提供与哺乳动物数目或者估计在一个或多个环境腔室中发生的CO2产生速率有关的反馈的任何其他传感器和/或检测器。可以被检测和/或反馈到控制机构或控制系统中的系统的温室侧上的机构可以包括温度、光、水、营养物和/或温室的其他特性，该其他特性可以诱发或以其他方式影响通过温室中生长的生物质的CO2产生速率。
在许多实施方式中，吸附剂520从大气或环境空气移除100-150ppm的CO2，并在温室环境内将CO2浓度提升1,500-2,000ppm(或高达1.5-2.0％)。在许多实施方式中，当温室中需要更多的CO2时，使吸附剂520旋动得更快，并且当温室中需要更少的CO2时，使吸附剂520旋动得更慢。该设备的大小也可以被设定用于适应CO2捕获需求。
在一些实施方式中，本公开内容的方法和系统利用水生大型植物来净化水或用于生长帐篷中的生物质生产。水生大型植物的示例包括但不限于凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶和水萍科的成员。水生大型植物可以作为单一类型生长，或者作为不同类型的组合(例如2、3、4、5或更多种不同类型)生长。在一些实施方式中，大型植物是满江红或水萍。在优选实施方式中，大型植物是水萍。总的来说，水萍是指小型浅绿色浮萍科家族的自由浮动植物。浮萍科家族包括四个属(浮萍属、紫萍属、微萍属(Wolffia)和无根萍属(Wolffiella))以及至少37种鉴定种类。水萍能够遍布世界各地，栖息在淡水或含盐的营养物丰富的地方。水中的营养物被植物吸收并同化到蛋白质中，蛋白质能够超过植物的40％干重。水萍的示例包括但不限于：紫萍属(S.polyrrhiza、S.intermedia、S.punctata)；浮萍属(L.aequinoctialis、L.disperma、L.ecuadoriensis、L.gibba、L.japonica、小浮萍(L.minor)、L.miniscula、L.obscura、稀脉浮萍(L.perpusilla)、L.tenera、品藻(L.trisulca)、L.turionifera、L.valdiviana)；微萍属(Wa.angusta、Wa.arrhiza、Wa.australina、Wa.borealis、Wa.brasiliensis、Wa.columbiana、Wa.elongata、Wa.globosa、Wa.microscopica、Wa.neglecta)以及无根萍属(Wl.caudata、Wl.denticulata、Wl.gladiata、Wl.hyalina、Wl.Lingulata、Wl.Repunda、Wl.Rotunda和Wl.neotropica)。在一些实施方式中，水萍是浮萍属的。尽管在整个本公开内容中参考了水萍，但是本文设想水萍可以用某类水生大型植物或者一个或多个其他特定水生大型植物来替换或补充。
在一些实施方式中，水萍容纳在壳体或生长帐篷中。壳体可以采取多种构象中的任何构象。在一些实施方式中，壳体部分或全部安置于水体的表面上。当壳体与水体直接接触时，壳体内所包含的水萍可以在水体表面上生长。在一些实施方式中，壳体中的水萍包括在含有来自水体的水的隔室内，并且与水体流体连接(诸如借助于一个或多个导管、一个或多个阀门和/或一个或多个泵流体连接)，但是在其他方面与水体分离开。例如，壳体中的水萍可以包含在一个或多个生长床或池中。在一些实施方式中，在壳体内将包含水萍的多个隔室布置成竖直的排层，诸如布置成堆。在一些实施方式中，堆包括含有来自水体的水和水萍的约或至少约2个、3个、4个、5个、6个、7个、8个、9个、10个或更多个隔室。在一些实施方式中，隔室的底部尺寸(例如长度和宽度)大约相同，并且沿着竖直轴线居中。在一些实施方式中，壳体的底部尺寸与包含水萍的隔室的底部尺寸大约相同，使得每个隔室形成壳体的单独层。含有水萍的隔室中的水和/或空气可以诸如通过开口、通风口、导管等流体连接。在一些实施方式中，各隔室由约为或至多约为0.25米、0.5米、0.75米、1米、1.5米、2米、3米或5米的顶部空间分开。在一些实施方式中，隔室内的水的深度约为或至多约为2英寸、4英寸、6英寸、8英寸、10英寸、12英寸、18英寸或24英寸。
在一些实施方式中，水萍具有增强的生长速率。在最佳条件下的水萍具有指数生长速率，30小时叶片数增加一倍并且一周内每克起始重量产生64克生物质。水萍的生长速率远远超过诸如玉米(2.3g/g/周)等陆生作物的生长速率，不受诸如木质素等次生产物的影响，并且不像玉米和大豆这样的作物那样水有效地生长。在一些实施方式中，壳体中(诸如其隔室中)的空气具有高于壳体外部的空气的CO2浓度。可以有利地采用暴露于较高水平的CO2来相对于在接近室外环境空气的CO2浓度下所获得的速率，增加水萍生长速率以及从水中移除污染物的速率。壳体内的精确浓度可能变化。在一些实施方式中，壳体的空气中的CO2浓度维持在有效增加水萍生长速率和/或污染物移除速率的水平，例如与在室外大气空气中生长相比约为或至少约2倍、3倍、4倍、5倍、6倍、7倍、8倍、9倍、10倍、15倍或更多的速率。在一些优选实施方式中，生长速率约增加至少5倍，例如介于8倍至10倍之间，或者更多。生长速率的增加可以通过任何合适的方法来确定，例如在指定时间段(例如6小时、12小时、24小时、48小时、72小时或一周)内测量水萍种群中的生物质增加。在一些实施方式中，壳体外部的空气具有小于800ppm(例如小于700ppm、600ppm、500ppm或400ppm)的CO2浓度。在一些实施方式中，壳体中的空气具有至少1000ppm、1200ppm、1500ppm、2000ppm、3000ppm或更高的CO2浓度。在一些实施方式中，壳体中的空气具有介于1000ppm与3000ppm之间的CO2浓度，例如介于约1000-约2000ppm、约1000-约1500或约1200-约1500ppm之间。
在一些实施方式中，通过从壳体外面的空气捕获CO2并将捕获的CO2递送到壳体中来增加壳体中的CO2浓度。优选地，从中捕获CO2的空气是室外大气空气。本公开内容的系统和方法可以采用用于从空气中捕获CO2的多种吸附剂中的任何吸附剂。吸附剂可以是液体吸附剂或固体吸附剂。在一些实施方式中，固体吸附剂是优选的，例如包含胺的固体吸附剂。用于从空气中捕获CO2的固体吸附剂的示例包括但不限于阴离子交换材料、沸石、活性炭、活性氧化铝、包括弱碱胺和强碱胺的固体胺以及其他能够物理或化学吸附CO2分子的材料。吸附剂可以通过各种方式再生，例如通过与水、潮湿的空气、脉动的蒸汽、水蒸气、水雾的接触，与二级吸附剂的接触，热量(例如使用热振荡或真空压力)的施加来再生。因此，壳体的系统可以包括再生单元，用于通过使吸附剂经受合适的再生条件(例如，通过润湿吸附剂、使吸附剂暴露于增加的湿度、加热吸附剂等)来再生吸附剂。在许多实施方式中，用于从空气中捕获CO2的吸附剂材料具有取决于湿度的CO2保持能力。例如，在湿度减小时(例如当吸附剂干燥时)，吸附剂可以吸附更多的CO2，并且在暴露于增加的湿度或者用液态水润湿时释放捕获的CO2。通过暴露于增加的湿度或润湿释放捕获的CO2也被称为湿度振荡。在一些实施方式中，通过首先使吸附剂暴露于相对干燥的空气，然后暴露于较高湿度的空气或者直接用水或其他含离子溶液润湿，来使吸附剂经受湿度振荡。例如，在干旱的气候条件下，可以首先使吸附剂暴露于壳体外面的热干燥空气，在该处吸附剂能够从户外空气提取CO2，并继而移入温室的温暖潮湿环境中，在该温室处吸附剂再生并释放CO2。当吸附剂暴露于水雾或者其他形式的润湿(包括例如通过浸没直接暴露于水体)时，也可能发生湿度振荡和CO2的释放。一旦暴露于增加的湿度或液态水，吸附剂将CO2释放到大气中或者直接释放到水中。在一些实施方式中，在水萍容纳在多个隔室中的情况下，可以从单独的吸附剂将CO2递送到每个隔室，因此每个排层被供应有单独的固体吸附剂。
在一些实施方式中，吸附剂还捕获常见于周围室外空气中的其他气体，包括SOx、NOx、硫化氢和臭氧。这些种类的气体不会通过湿度振荡过程从吸附剂释放，并且来自湿度振荡过程的CO2产物流不会被这些种类污染。随着时间的推移，这些种类在吸附剂内缓慢积聚并使吸附剂的总体容量降低。在一些实施方式中，定期地进行二次再生过程以移除这些种类。二次再生过程可以包括用低浓度苛性碱溶液洗涤吸附剂。一种合适的溶液是在水中有普通小苏打。当吸附剂含有胺时，苛性碱溶液将有效地清洁污染气体中的胺，并使胺回到100％有效以用作捕获CO2的来源。在一些实施方式中，提供了一种其中根据本文所述的其他方面使用吸附剂从环境空气中捕获CO2，并且通过初级再生过程定期地再生吸附剂的方法，该初级再生过程包括使吸附剂暴露于H2O以便从其释放CO2，以及使吸附剂通过二次再生过程定期地再生，该二次再生过程包括使吸附剂暴露于苛性碱溶液以从其移除其他污染物。根据本发明的这一方面，初级再生过程比二次再生过程更频繁地进行。
在一些实施方式中，固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料，或者由吸附剂材料和载体材料的混合物形成。载体材料可以是惰性材料。载体材料的示例包括但不限于聚丙烯聚合物、聚(氯乙烯)、聚酯、如下文所列的其他聚合物和纤维素的织造或非织造纤维基质。固体载体可以包含一种或多种聚合物，包括聚双酚-A-碳酸酯、聚(对苯二甲酸乙二醇酯)、聚苯乙烯、聚(甲基丙烯酸甲酯)、聚(醋酸乙烯酯)、聚(氯乙烯)、聚四氟乙烯、聚砜、聚(偏二氟乙烯)、苯乙烯/丙烯酸丁酯/甲基丙烯酸三元共聚物和(偏二氟乙烯-六氟丙烯)共聚物。在通过引用并入本文的US8262774中提供了用于形成这样的材料的其他材料和过程。固体吸附剂可以采取各种形式。例如，固体吸附剂可以包括：(1)固体吸附剂材料片材，(2)涂覆或喷涂到固体载体上的液体吸附剂，(3)交联到固体聚合物基质中的吸附剂或者(4)保持在一个或多个框架内的吸附剂。吸附剂被喷涂或涂覆到其上的固体吸附剂或固体载体可以不是完全光滑的；例如，可以通过规则或随机方法将其粗糙化。粗糙化可以包括喷砂、研磨或其他机械手段，或者包括化学或高能量蚀刻(例如通过轰击)在内的蚀刻。固体吸附剂或固体载体的表面可以是崎岖不平的，包括各种凹槽、凹坑、纤维和磨蚀区域或者其他树形印迹或其他小型结构。由吸附剂形成或者以其他方式包含吸附剂的形状可以是柔性的或者是可弹性变形的。固体吸附剂的形状、条带或片块可以布置在交替的结构内，例如可以是从载体内或围绕载体缠绕、穿线、盘绕或以其他方式安设的条带或线丝。固体CO2吸附剂可以被配置成具有大的表面积。固体吸附剂或固体载体可以具有：用于引导气流的线路，其可以包括波纹表面、多个管、有棱角的形状和/或蜂巢形状。固体吸附剂可以是整体式结构，诸如蜂巢，其可以包括具有涂覆有CO2吸附材料或CO2保持材料的织造或非织造材料的格架，它可以进一步是整体式结构和格架式结构的组合。吸附剂可以形成为各形状(即条带、棒、具有凸起边缘的盘等)，这些形状可以通过许多方法形成，包括从预制片材挤压、旋动、切割或撕裂。在一些实施方式中，吸附剂形成为大致圆形形状，例如以螺旋图案形成的盘以利用吸附剂材料的连续条带。可以盘绕吸附剂片材直到达到期望的直径。这一配置的一个替代方案是离散的直径越来越大的波纹固体吸附剂和平面片材子组装件的环形区段，其将会紧贴在一起直到达到所需的直径。在通过引用并入本文的US7993432中描述了可能的配置的附加示例。
在一些实施方式中，固体吸附剂绕着吸附剂围绕其旋转的轴线分布，诸如分布在轮中。轮的一部分位于壳体外面，并从壳体外部的空气中捕获CO2。轮的一部分位于壳体内部之内，并将CO2释放到壳体。绕着轴线的旋转导致位于壳体外面的轮的一部分进入壳体，并且位于壳体内部之内的轮的一部分离开壳体。通过改变一个或多个参数，例如吸附剂的表面积、轮的直径、旋转速度和吸附剂在壳体里面的部分，可以调变向吸附剂装载和从吸附剂卸载CO2的程度。
在一些实施方式中，所述系统、壳体或壳体内的每个含水萍的隔室包括附加元件，用以促进水萍的生长和系统的操作。例如，壳体可以包含人造光源，诸如用于帮助水萍的光合作用。人造光源的示例包括白炽光源、气体放电光源、发光二极管、荧光灯和高效等离子体(High Efficiency Plasma，HEP)灯中的任何一种或组合。白炽光源包括白炽灯泡、卤素灯、能斯脱(Nernst)灯和抛物面镀铝反射灯。气体放电光源可以包括荧光、高强度放电光(high-intensity discharge light，HID)和低压钠光。HID灯可以包括使用不同气体产生光的灯，包括汞蒸气、包括陶瓷金属卤化物在内的金属卤化物和高压钠。发光二极管可以包括任何单一颜色或颜色组合，或者包括全光谱在内的光谱范围。LED的示例可以包括红色LED、绿色LED、蓝色LED、RGB LED和白色LED。荧光灯可以包括管式荧光灯和紧凑型荧光灯(Compact Fluorescent Light，CFL)。HEP光源可以包括具有每瓦90流明或更高的系统效率的任何高效率等离子照明。可以从任何范围的光谱、发光功效和色温中选择光源。在一些实施方式中，该系统包括用于给壳体内的一个或多个过程供电的无源电源。无源电源的非限制性示例包括太阳能板、风力涡轮机、水力发电机(例如潮汐能发电、波浪发电或水轮机)、地热能和热能转换器(例如海洋热能)。
在一个方面中，本公开内容提供了一种净化水的方法。在一些实施方式中，该方法包括：(a)将包含污染物的水引入到具有含有水萍的内部的壳体中，其中水萍将污染物从水中移除；(b)用固体吸附剂从壳体外部的空气中捕获CO2，其中壳体外部的空气的CO2浓度小于800ppm；以及(c)将捕获的CO2释放到壳体的内部中，其中壳体的内部的CO2浓度高于壳体外部的空气中的CO2浓度。在一些实施方式中，该方法包括如本文所公开的系统的操作。水源、污染物、水萍、壳体、吸附剂以及这些的包括CO2浓度和其他特征在内的各个参数可以是本文所描述的任何一种，诸如关于本公开内容的各个系统所描述的。
在一些实施方式中，该方法还包括采收水萍。采收可以间歇地执行，或者连续地执行。可以调和采收的速率或频率以允许指定的浮萍生长程度。可以有利地采用用于收集水生植物的多种自动化设备中的任何一种。在一些实施方式中，自动化设备是浮动设备。在一些实施方式中，采收包括操作过滤系统。在US7022223、US5197263、US20120117869和US5636472中描述了用于采收浮动水生植物的设备的示例。在一些实施方式中，从水净化系统收集的水萍用于另一种产物的生产。在一些实施方式中，从水萍收集油。多种过程可用于从水萍中提取油，诸如压榨和/或煮沸水萍。从水萍移除油的过程可以包括机械方法、化学方法或组合的机械和化学方法。机械方法可以包括榨出/榨油机压榨、超声辅助提取和均质化。从水萍中提取油的化学方法可以包括超临界流体提取以及包括己烷溶剂提取和索氏(Soxhlet)提取在内的溶剂提取。从水萍收集的油继而可以进一步在燃料的生产中用作原料，所述燃料诸如为生物柴油、生物丁醇、生物汽油、包括甲烷的天然气、乙醇、绿色柴油或经氢化处理的植物油以及喷气燃料。生物柴油可以通过使源自水萍的油与乙醇反应来生产脂肪酸酯，脂肪酸酯可以单独使用或者与矿物柴油混合。水萍生物质可以进一步用于在生物炼制中产生一种或多种附加的包括生物丁醇、生物汽油和乙醇的燃料源，生物炼制获取各种生物质源并将它们转化成一种或多种燃料源。或者，生物质可以类似于使用海水和工业废气生产乙醇的Algenol系统中的藻类那样处理。包括甲烷的天然气可以由生物质生产，该生物质经历了一种或多种用于从生物质生产天然气的方法，包括气化、热解和厌氧消化。源自水萍的油也会经历对油分子进行分解以形成绿色柴油的氢化处理精练过程。
在一些实施方式中，通过使用从壳体收集的水萍作为乙醇生产的原料来生产碳中性燃料(carbon-neutral fuel)。水萍的生长和/或乙醇生产可以在沙漠中完成。水萍栽培将会是生产每加仑乙醇需要1:3:1加仑水(例如范围从约1:1至约10:1)，并且在栽培过程中水可以循环使用。在一些实施方式中，该过程将会没有肥料、杀虫剂和除草剂，并且因此将不会造成河流和三角洲死区。由原料固定的碳将会在燃烧时返回到大气中，从而得到碳中性燃料。与玉米乙醇生产相比，根据该实施方式的乙醇原料系统将会使用更少的能量。
在一些实施方式中，从壳体收集的水萍用于生产食品、肥料和/或淀粉。对于诸如上述的油收集等第一程序，这样的过程可能是次要的。食品可以是动物饲料。由此得到的动物饲料可以是干燥的或非干燥的。
水萍生物质可以直接干燥并喂食，或者在喂食前与其他组分混合。可以使非干动物饲料润湿或潮湿；其可以由干燥或非干燥的水萍生物质制成。水萍生物质可以直接喂食或者与其他组分混合，所述其他组分例如为鱼粉、米糠、玉米粉、大豆粉或者用以生产配合饲料的其他组分。它可以被提供为薄片，挤压成小丸，形成饼饵、粉末、粗磨粉或糊状物。与其他水萍组分分离开的淀粉可以用于生产包括食物、饲料、水泥、医药和药品在内的多种商品，用于纸张、胶水和其他粘合剂，陶瓷和建筑材料(包括水泥)、纺织品、化妆品、颜料、印刷、巧克力、糖果、乳制品和甜点、加工食物、速冻食物、调味汁和汤、肉和鱼制品、明胶和糖，作为用于化学品发酵的基本原料，作为糖醇投入化学工业、塑料、可生物降解塑料包装，用于食物(不含增塑剂)的“清洁标签”包装，健康选择食品(中和人体中66％淀粉吸收的淀粉基产物)，作为工业化学核心原料和发酵能源工业-(比糖便宜得多)，以及如全世界素食和宗教组织所推荐的作为禁止含明胶的食物的替代品。
在一个方面中，本公开内容提供了一种用于增强植物生长的系统。在一些实施方式中，该系统包括：(a)包括多个隔室的可居住壳体，其中至少一个第一隔室包含生长中的光合生物质，并且至少一个第二隔室包含将CO2呼出到至少一个第二隔室的空气中的一个或多个哺乳动物；(b)与至少一个第二隔室流体连通的一个或多个固体吸附剂，其中(i)一个或多个固体吸附剂可操作地被配置用于捕获至少一个第二隔室的空气中的CO2，以及(ii)至少一个第二隔室的空气具有1％或更少的CO2浓度；和(c)一个或多个导管，其将一个或多个固体吸附剂与至少一个第一隔室流体连接，通过所述管道从一个或多个固体吸附剂释放的CO2被递送到至少一个第一隔室；其中(i)至少一个第一隔室中的空气中的CO2维持在高于至少一个第二隔室中的CO2浓度的水平，以及(ii)固体吸附剂在润湿或暴露于增加的湿度时释放捕获的CO2。
通过增加温室空气中的二氧化碳水平可以提高植物生长和作物产量。相反，二氧化碳的水平增加可能对诸如人类等哺乳动物产生负面的健康影响。在一些实施方式中，在从壳体的一个或多个居住隔室移除二氧化碳，以及将捕获的二氧化碳递送到含有光合生物质的另一隔室的过程中有利地采用本公开内容的系统和方法。包含这些隔室的壳体通常是可居住的，并且可以采取多种形式中的任何一种，诸如公寓大楼、办公大楼、旅馆、房屋、仓库、餐馆、零售大楼以及任何其他类似建筑。典型地，包含光合生物质的隔室被设计为温室。在本文中使用术语“温室”是可与“包含光合生物质的隔室”互换的。温室可以包含一个或多个用于调节或监测植物生长条件的组件。植物生长条件可以包括温度、光、湿度和二氧化碳。在一些实施方式中，温室温度维持在低于105°F、100°F、95°F、90°F或85°F，或者介于约70°F至约105°F、约75°F至约100°F、约75°F至约95°F或约75°F至约85°F之间。在这些温度下，温室内的大气压力至少为10psi、11psi、12psi、13psi或14psi。用于调节或监测植物生长条件的组件可以包括一个或多个传感器、定时器、包括软管和喷雾器的灌溉系统或者灯具。传感器的示例包括温度传感器、湿度传感器、包括水绳传感器在内的水传感器、包括一氧化碳或二氧化碳传感器在内的气体传感器、干接触式传感器、电压/电流计或传感器、pH探针或传感器、光传感器、压力传感器和液位传感器。传感器可以触发警报，例如通知满足或超过预设范围的条件的远程警报。温室隔室可以以任何合适的朝向与壳体的其他隔室连接。在一个示例中，温室可以包括与壳体的外壁分开且相对于壳体的外壁位于内部的壁，诸如在房屋的房间或办公大楼的地下室中。在另一示例中，温室的一个或多个壁形成壳体的外壁，诸如屋顶温室或位于邻近房屋并通过门或走廊连接的温室。在一些实施方式中，温室位于一个或多个其他隔室下方，例如图3和图4中所图示。在一些实施方式中，生物质处于生长帐篷中。
温室隔室可以包括有助于植物生长的多种特征。温室隔室可以包括用于感测和调节植物生长条件的集成系统。植物生长条件可以包括温度、光、水/湿度和气体浓度，例如二氧化碳气体。
本公开内容的壳体内的生长中的光合生物质可以是多种光合作用系统中的任何一种或多种。通常，光合作用系统是植物。术语“植物”包括所有一年生和多年生单子叶植物或双子叶植物，并且包括但不限于南瓜属(Cucurbita)、蔷薇属(Rosa)、葡萄属(Vitis)、胡桃属(Juglans)、草莓属(Fragaria)、莲花属(Lotus)、苜蓿属(Medicago)、红豆属(Onobrychis)、三叶草属(Trifolium)、葫芦科属(Trigonella)、豇豆属(Vigna)、柑橘属(Citrus)、亚麻属(Linum)、天竺葵属(Geranium)、木薯属(Manihot)、胡萝卜属(Daucus)、拟南芥属(Arabidopsis)、芸苔属(Brassica)、萝卜属(Raphanus)、白芥属(Sinapis)、罂粟属(Atropa)、辣椒属(Capsicum)、曼陀罗属(Datura)、莨菪属(Hyoscyamus)、番茄属(Lycopersicon)、烟草属(Nicotiana)、Solarium、矮牵牛属(Petunia)、洋地黄属(Digitalis)、马郁兰属(Majorana)、菊苣属(Cichorium)、向日葵属(Helianthus)、莴苣属(Lactuca)、雀麦属(Bromus)、芦笋属(Asparagus)、金鱼草属(Antirrhinum)、Heterocallis、Nemesis、天竺葵属(Pelargonium)、黍属(Panieum)、狼尾草属(Pennisetum)、毛茛属(Ranunculus)、千里光属(Senecio)、蛾蝶花属(Salpiglossis)、黄瓜属(Cucumis)、Browaalia、大豆属(Glycine)、豌豆属(Pisum)、菜豆属(Phaseolus)、黑麦草属(Lolium)、稻属(Oryza)、玉米属(Zea)、燕麦属(Avena)、大麦属(Hordeum)、黑麦属(Secale)、小麦属(Triticum)、高粱属(Sorghum)、云杉属(Picea)和科杨属(Populus)。在一些实施方式中，光合生物质包括一个或多个相同或不同类型的植物。该植物可以是可食用的，例如作物植物中的植物。可以有利地用作光合生物质的作物植物和其他植物例如是水稻、玉米、小麦、小米、黑麦、燕麦、大麦、高粱、向日葵、甘薯、木薯、苜蓿、甘蔗、甜菜、油菜和其他芸苔属植物、向日葵、西红柿、胡椒、大豆、烟草、甜瓜、生菜、芹菜、茄子、胡萝卜、南瓜、甜瓜、黄瓜和其他葫芦、豆类、卷心菜和其他十字花科蔬菜、马铃薯、番茄、花生、豌豆、其他蔬菜、棉花、三叶草、可可、葡萄、柑橘、草莓和其他浆果、果树和坚果树。也可以使用草皮草，诸如矮牵牛和玫瑰的观赏植物，以及诸如松树和白杨树的木本植物。
在一个方面中，本文所述的装置和方法用于增加CO2浓度以便增强作物的生长，例如，在CO2浓度得以提高的温室内的作物的生长。使用这样的装置和方法，将CO2浓度增加至650ppm或1200ppm，并且下列作物的产量与在350ppm的CO2下的生长相比增加了至少所指示的量：
使用在一个或多个第二隔室内从空气中捕获CO2的吸附剂来调节CO2水平以及在壳体的隔室内和壳体的隔室之中的分布。吸附剂可以是本文诸如关于用于净化水的系统所描述的任何吸附剂，包括关于吸附剂材料、构象和构造所描述的吸附剂。为了从一个或多个第二隔室的空气中捕获CO2，将吸附剂安设在要从其捕获CO2的隔室内，或者吸附剂与一个或多个包括在捕获与释放之间进行阀门控制的机构流体接触。用于阀门控制和释放的方法的示例可以包括管线、通风口、管路(例如加热、通风和空调或HVAC系统内的管路)。通风口或管路可以包括CO2敏感阀门、传感器或中间阀门，用于通过室内生活或工作空间内的多个隔室、壳体、地板和/或房间传递捕获的CO2。捕获的CO2继而可以被传递到生长帐篷或腔室。在一些实施方式中，生长帐篷或腔室可以位于室内生活或工作空间的地下室中，生长帐篷或腔室具有一个或多个阀门、管路、管线或者用于将CO2连接至地下室的机构。
在一些实施方式中，吸附剂具有随湿度变化的CO2保持能力。因此，该系统还可以包括一个或多个水储存器(例如，一个水储存器针对系统中的多个吸附剂中的每一个)以及/或者向一个或多个固体吸附剂递送液体或蒸气形式的水的一个或多个分配器。例如，在一些实施方式中，水储存器可以存在于每个隔室中。在其他情况下，可以使用喷淋系统来散布储存的水以在每个壳体中维持固定范围的湿度和湿气。在一些实施方式中，水源或储存的水可以耦合到使储存的水蒸发以保持设定的湿度范围的加热系统。在一些实施方式中，湿度可以使用湿垫冷却器或增湿器来建立。在进一步实施方式中，增湿器可以包括冷增湿器(例如超声增湿器)或温增湿器(例如蒸气增湿器)。
在操作中，系统被配置用于将一个或多个第二隔室中的CO2维持在目标水平以下，同时将温室中的CO2维持在目标水平以上。壳体外面的CO2浓度可以不同于生长帐篷里面的浓度。在一些情况下，生长帐篷可以包括与生长帐篷里面不同的生长帐篷外面的CO2浓度。在进一步实施方式中，壳体中的CO2浓度可以包括大于或等于50ppm、大于或等于100ppm、大于或等于200ppm、大于或等于300ppm、大于或等于400ppm、大于或等于500ppm、大于或等于600ppm、大于或等于700ppm、大于或等于800ppm、大于或等于900ppm、大于或等于1000ppm或者大于或等于5000ppm。在进一步实施方式中，生长帐篷中的CO2浓度可以包括大于或等于50ppm、大于或等于100ppm、大于或等于200ppm、大于或等于300ppm、大于或等于400ppm、大于或等于500ppm、大于或等于600ppm、大于或等于700ppm、大于或等于800ppm、大于或等于900ppm、大于或等于1000ppm或者大于或等于5000ppm。在进一步实施方式中，生长帐篷里面的CO2浓度可以是“约405ppm”或者介于300ppm至500ppm之间，并且生长帐篷内的CO2浓度可以是“约650ppm”或者介于550ppm至750ppm之间。在一个实施方式中，生长帐篷里面的CO2浓度介于约1500ppm至约6000ppm之间，并且生长帐篷内的水萍以其在400ppm CO2(这大约是大气中CO2的水平下)的生长速率的4-8倍生长。CO2的浓度范围可以根据壳体的条件而变化。系统可以被配置用于将一个或多个第二隔室中的CO2维持在目标水平以下，同时将温室中的CO2维持在目标水平以上。系统可以包括具有一个或多个控制机构的控制系统，所述控制机构适于将至少一个隔室的CO2水平维持在特定范围内或者特定设定点以上或以下。在一些实施方式中，控制系统可以包括被配置用于检测系统的环境空气和/或温室侧上的CO2水平的传感器和/或检测器的系统。控制系统还可以包括用于预测和/或响应来自一个或多个传感器的反馈的算法。在进一步配置中，系统可以包括控制机构或控制系统，该控制机构或控制系统被配置用于基于使用源自放置在系统的环境空气和/或温室侧上的一个或多个传感器的信息(例如，湿度、温度、CO2浓度等)所作出的反馈或计算来调改吸附剂的旋转、调改控制穿过系统的空气流动的风扇的速度和/或调改施加到吸附剂用以促进CO2的释放的湿气量。在一些实施方式中，控制机构或控制系统可以进一步集成到调节环境空气和/或温室条件的机构中。在一些实施方式中，吸附剂的旋转速度可以通过控制机构或控制系统调节，可以被配置用于在温室中实现期望的CO2捕获速率和/或期望的CO2水平。在一些实施方式中，吸附剂的旋转速度由控制机构或控制系统响应于具有CO2水平设定点的传感器来调节，使得如果温室中的CO2水平偏离设定点则调变旋转速度。
系统的环境空气侧上的传感器或检测器可以被检测和/或反馈到控制系统中。系统的环境空气侧上的传感器可以包括用于检测或感测一天中的时间、哺乳动物或居住者的运动、哺乳动物或居住者的数量、一个或多个隔室中的湿度、一个或多个隔室中的CO2的机构或者任何其他提供与哺乳动物数量或估计在一个或多个周围腔室中发生的CO2产生速率有关的反馈的传感器和/或检测器。可以被检测和/或反馈到控制机构或控制系统中以及/或者由控制系统或控制机构控制的、系统温室侧上的机构可以包括温度、光、水、营养物水平、湿度水平、CO2水平和/或可以诱发或以其他方式影响通过温室中生长的生物质的CO2产生速率的温室的其他特性。
用于捕获CO2的吸附剂可以安装作为其他环境调节系统的组件。例如，一个或多个吸附剂可以安装在用于调节至少一个第二隔室中的一个或多个的温度的强制通风系统的入口的下游。一个或多个隔室可以穿过室内生活或工作空间内的多个隔室(例如地板和/或房间)而分布。一个或多个隔室可以与一个或多个隔室流体接触、空气接触或者流体和空气接触。吸附剂上所捕获的CO2可以被传递到生长帐篷或腔室。在一些实施方式中，生长帐篷或腔室可以位于室内生活或工作空间的地下室中，生长帐篷或腔室具有一个或多个阀门、管路、管线或者用于将CO2连接到地下室的机构。
在一个方面中，本公开内容提供了一种增强可居住壳体的至少一个第一隔室中的光合生物质的生长的方法。在一个实施方式中，该方法包括(a)用一个或多个固体吸附剂捕获壳体的至少一个第二隔室的空气中的呼出的CO2，其中至少一个第二隔室中的CO2维持在0.5％以下；以及(b)将捕获的CO2释放到包含光合生物质的至少一个第一隔室中，其中(i)至少一个第一隔室中的CO2的浓度高于至少一个第二隔室中的CO2浓度，和(ii)固体吸附剂在润湿或暴露于增加的湿度时释放捕获的CO2。在一些实施方式中，该方法包括如本文所公开的系统的操作。各个隔室及其布置、吸附剂、光合作用系统以及这些的各种参数(包括CO2浓度和其他特征)可以是本文中所描述的任何一种，例如关于本公开内容的各个系统所描述的。
在本发明的另一方面中，提供了一种工程化浮萍，其具有(1)总计达到植物的约10％至约20％、或植物的约12％至约18％、或植物的至少约12％、或植物的至少约15％的脂质；以及/或者(2)约0.1％至约0.2％干重、或约0.12％至约0.18％干重、或至少约0.12％干重、或至少约0.15％干重的油含量。
目前在美国，平均生产每kWh的电力释放0.5kg的CO2。在使用更多可再生电力的地方，诸如加利福尼亚，速率仅为0.3kg的CO2每kWh。本文描述的系统和方法可以用于收集由于消耗的电量而释放的每公斤约7kg的CO2。如果还考虑来自于制造根据本发明的系统的碳足迹，则比率稍微降低至约6.5。通过合理改进风扇效率，比率提高到18:1。随着国家电网趋向加利福尼亚模式，该比率提高到30:1之上。在主要使用可再生电网的将来，根据本发明的系统和方法将会捕获比其操作所排放的多50至100倍的CO2。
在本发明的另一方面中，通过根据本发明的其他方面使浮萍在富集CO2的环境中生长来增加光合作用的速率和/或植物生产力。在本发明的另一方面中，根据本发明的其他方面在富集CO2的环境中生长的浮萍自然地将增加量的CO2传递到土壤中，因此使用了地球自己的生物封存技术。另外，在富集CO2的环境中生长的浮萍在从大气中取得的固定碳方面变得丰富。富集CO2的碳可以被泵送到地下空洞中，诸如废弃矿山中。通过使用配备有激光测距仪的遥控移动机器人来实现对废弃矿山地下可用体积的评估，从而能够实现对井体积的精确测绘。利用包括地形图、地质图、隧道图、GPS数据、土地使用图、井图、容积图以及井钻孔和其他接入点的图像数据库信息，泵送将会从地表进行。深埋在井中，浮萍将保留其淀粉，并且证明了碳封存的永久性手段。相对于泄漏仍然是一种威胁的砂岩地层中的地下CO2封存，作为浮萍内的淀粉的封存提供了一种更安全的解决方案。
在本发明的另一方面中，本文所述的系统每年培育的每公顷浮萍封存介于约5至约20吨之间的CO2。
在本发明的另一方面中，固体吸附剂被配置用于捕获壳体外部的空气中的CO2并且以比捕获的更高的浓度释放捕获的CO2，并且这样的CO2被释放到壳体的内部。壳体内或以其他方式与吸附剂连通的H2O(以任何形式，例如液体、蒸气或气体)诱发CO2从吸附剂释放到壳体中，并且用于以比捕获的更高的浓度释放CO2的能量仅来自施加给吸附剂的H2O的熵变。不需要外部热源或压力源来将大气CO2浓缩至少约30倍、或至少约40倍、或至少约50倍、或至少约60倍、或至少约70倍、或至少约80倍、或至少约90倍、或至少约100倍。
光合生物质在生长和收集后的处理或转化
在一些实施方式中，系统可以包括捕获CO2以生长光合生物质的装置，该光合生物质可以被收集，继而经受将光合生物质转变为不同可用产物的处理方法。转化光合生物质的方法可以包括用于捕获和富集CO2以促进光合生物质生长的任何前述方法、设备或系统。例如，用于捕获和富集CO2以促进光合生物质生长的步骤可以包括：在壳体中提供光合生物质，使用一个或多个固体吸附剂从壳体外部的空气中捕获CO2，以及将捕获的CO2从吸附剂释放到壳体中。释放到壳体中的捕获的CO2可以用于生长光合生物质或促进光合生物质的生长，就其本身而言壳体中的CO2浓度会高于壳体外部的空气中的CO2浓度。
在一些实施方式中，光合生物质可以是水生大型植物。水生大型植物可以具有为水生大型植物干质量的至少10％、至少15％、至少20％或至少30％的木质素含量。水生大型植物可以包括至少一个浮萍植物或至少一个来自满江红属的植物种类。在一些实施方式中，水生大型植物可以包括至少一种水萍植物和至少一个来自满江红属的植物种类的混合物，并且至少一个水萍植物可以选自浮萍属。在一些实施方式中，至少一个水萍植物可以选自浮萍属，并且可以选自与至少一个浮萍属的其他种类相比具有高浓度元素和低浓度矿物质的种类。
可以在经历处理或制备步骤之前收集光合生物质，并且收集过程可以包括手动采收生物质，使用包括标准耕作设备在内的重型机械，或者使用池塘撇渣器或用于收集浮动水生植物的类似设备来手动采收。收集后，光合生物质会经受多种处理。
收集的光合生物质可以经受热处理。例如，可以收集并干燥光合生物质，继而其通过加热而经受热分解。在一些实施方式中，可以将光合生物质加热到足以诱导分解的温度。加热光合生物质可以导致光合生物质的热解，在一些实施方式中，热解可以是慢速热解、中级热解或快速热解。光合生物质的热分解可以产生固相成分。固相成分可能包含炭。炭在经受热分解之前可能包含光合生物质的干重的至少20％、至少30％、至少40％或至少45％。在一些情况下，转化为炭可以是碳负性的或净能量正性的。转化所产生的炭可以是生物炭。用于生产炭或生物炭的方法可以包括用于收集炭或生物炭的附加步骤。通过热处理产生的固相成分可以用作肥料或用于生产肥料。
收集的光合生物质也可以经受消化步骤。消化可以涉及将光合生物质暴露于消化池(例如厌氧或好氧消化池)。消化池可以包括厌氧消化池，其使光合生物质经受厌氧消化。厌氧消化池可以设计用于将有机废物加工成各种可用产物。这些可用产物可以包括甲烷、CO2和高度易消化的无机营养物。可用产物可以生产为气体(例如流出沼气)或浆液(例如沼渣浆液)。气体产物可以燃烧以产生可用的能源，并且由此得到的气态流出物可以用作农业的稀释流CO2源。流出沼渣和稀释流CO2还可以用于下游过程。厌氧消化池可以被配置用于向光合生物质生长腔室或生长帐篷提供CO2。在一些实施方式中，来自厌氧消化池的CO2可以被配置成为富集CO2的唯一来源，在其他实施方式中，系统可以被配置成包括其他CO2来源，包括环境空气。对系统进行配置可以包括基于沼渣(例如沼渣中包含营养物的组分)和功率需求来调整厌氧消化池的大小。厌氧消化系统可以产生沼气，其中沼气是甲烷和CO2的混合物。在一些实施方式中，沼气混合物可以包含大于或等于50％、大于或等于60％、大于或等于70％的甲烷气体。在进一步实施方式中，沼气混合物可以包含大于或等于40％、大于或等于50％或者大于或等于60％的CO2气体。沼气可以通过热电联产机组燃烧，从而为该设施提供功率并排出农业级CO2。
收集的光合生物质还可以经受生物反应器或用于生产乙醇的设施中的处理。在一些情况下，乙醇生产可以包括将光合生物质暴露于酶。例如淀粉酶等酶可以将光合生物质中发现的淀粉转化为糖。形成的糖可以经历随后的发酵步骤。发酵可以通过酵母进行，并且该过程可以产生运输级生物乙醇。发酵过程也可以产生浓缩的CO2。浓缩的CO2可以被矿化并被地质封存。随后可以在厌氧消化池中处置过程后的酵母。
可以在处理设施中处理包含收集的光合生物质连同有机废物(例如牛粪)的有机材料。如图8中所示，处理设施可以依赖于多个处理步骤。光合生物质或有机废物可以输入到产生甲烷以及CO2和无机营养物的厌氧消化池中。甲烷可以用于热电联产燃烧过程，该过程可以产生能量来为设施提供燃料，以及产生CO2。来自厌氧消化池的CO2和无机营养物可以用于水萍生产。水萍生产可以产生清洁的水和含淀粉的水萍。含淀粉的水萍可以经历分离过程，分离过程产生淀粉和蛋白质/脂质。蛋白质/脂质可以用于生成动物饲料。淀粉可以经历酶处理，例如用淀粉酶进行酶处理，以产生经历附加发酵的糖，该附加发酵产生密集的CO2和乙醇。在这一系统中，输入可以是粪肥、阳光和精心挑选的活生物体。照此，该系统可以作为碳中和生物乙醇生产设施运行，该设施被配备用于封存来自牛粪的CO2和周围CO2，同时生产高价值的最终产物。最终产物可以包括高度密集的“绿色”CO2、电力和生物乙醇。系统能量需求可以由沼气燃烧提供，并且过量的电力生产可以返回给电网。碳中和生物乙醇可以作为向交通运输行业中的汽油补充品出售，并且纯CO2可以被矿化并被地质封存。
本发明提供了包括但不限于以下实施方式：
1.一种用于从大气中捕获CO2并处理水的系统，所述系统包括：
(a)壳体，其具有包含一个或多个水生大型植物的内部；
(b)所述壳体中的进水口开口，其被配置用于允许污水进入所述壳体并接触所述水生大型植物；以及
(c)固体吸附剂，其被配置用于捕获所述壳体外部的空气中的CO2并将捕获的CO2释放到所述壳体内部。
2.根据实施方式1所述的系统，其中所述水生大型植物包括凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶或水萍科的成员。
3.根据实施方式1或2所述的系统，其中所述水生大型植物包括水萍。
4.根据实施方式1-3中任一项所述的系统，其中所述水生大型植物主要由水萍构成。
5.根据实施方式1-4中任一项所述的系统，其中所述壳体包括多个包含所述水生大型植物的竖直布置的排层。
6.根据实施方式5所述的系统，其中每个排层与单独的固体吸附剂流体连通。
7.根据实施方式1-6中任一项所述的系统，其中所述进水口开口被配置用于通过使所述壳体的表面适于直接接触污水的表面而允许所述污水进入所述壳体。
8.根据实施方式1-7中任一项所述的系统，其中所述系统适于位于室外，使得所述壳体外部的空气是室外大气空气。
9.根据实施方式1-8中任一项所述的系统，还包括被配置用于向所述水生大型植物提供光的人造光源。
10.根据实施方式1-9中任一项所述的系统，还包括无源电源，该无源电源选自太阳能板、风力涡轮机、水力发电机和热能转换器。
11.根据实施方式1-10中任一项所述的系统，其中所述污水是湖泊、池塘、溪流、河流、运河或水库。
12.根据实施方式1-11中任一项所述的系统，其中所述污水是农业径流。
13.根据实施方式1-12中任一项所述的系统，其中所述污染物是含氮化合物。
14.根据实施方式13所述的系统，其中所述含氮化合物是硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐。
15.根据实施方式1-14中任一项所述的系统，其中所述固体吸附剂包括阴离子交换材料。
16.根据实施方式1-15中任一项所述的系统，还包括湿气控制装置，所述湿气控制装置被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于增加的湿气，该增加的湿气促进从所述一个或多个固体吸附剂释放CO2。
17.根据实施方式16所述的系统，其中所述湿气控制装置包括(1)受控进水口，所述受控进水口被配置用于使受控量的水与所述一个或多个固体吸附剂接触，或者(2)增湿器。
18.根据实施方式16所述的系统，其中所述湿气控制装置被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于H2O，该H2O是气体、固体或液体。
19.根据实施方式1-18中任一项所述的系统，其中所述固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。
20.根据实施方式19所述的系统，其中所述载体材料是纸或合成纸。
21.根据实施方式1-20中任一项所述的系统，其中(i)所述固体吸附剂绕着一轴线分布，所述吸附剂围绕该轴线旋转；(ii)所述吸附剂包括第一表面和第二表面；以及(iii)所述固体吸附剂相对于所述壳体安置，使得随着所述吸附剂绕着所述轴线旋转，所述第一表面的至少一部分进入所述壳体而所述第二表面的至少一部分离开所述壳体。
22.根据实施方式1-21中任一项所述的系统，还包括所述壳体中的开口，所述开口适于允许经处理的水离开所述壳体。
23.一种从大气中捕获CO2并处理水的方法，所述方法包括：
(a)将包含污染物的水引入一壳体中，该壳体具有含有水生大型植物的内部，使得所述水与所述水生大型植物接触，并且其中所述水生大型植物促进了所述水中的所述污染物水平的降低；
(b)利用固体吸附剂从所述壳体外部的空气中捕获CO2，其中所述壳体外部的空气具有小于800ppm的CO2浓度；以及
(c)将捕获的CO2释放到所述壳体的所述内部中，其中所述壳体的所述内部具有比所述壳体外部的空气更高的CO2浓度。
24.根据实施方式23所述的方法，其中所述水生大型植物包括凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶或水萍科的成员。
25.根据实施方式23或24所述的方法，其中所述水生大型植物包括水萍。
26.根据实施方式23-25中任一项所述的方法，其中所述壳体包括多个包含所述水生大型植物的竖直布置的排层。
27.根据实施方式26所述的方法，其中每个排层与单独的固体吸附剂流体连通。
28.根据实施方式23-27中任一项所述的方法，其中所述壳体的表面与所述水体的表面直接接触。
29.根据实施方式23-28中任一项所述的方法，其中所述壳体外部的空气是室外大气空气。
30.根据实施方式23-29中任一项所述的方法，其中所述壳体还包括人造光源。
31.根据实施方式23-30中任一项所述的方法，其中一电源向所述壳体供应功率，并且所述电源选自太阳能板、风力涡轮机、水力发电机和热能转换器。
32.根据实施方式23-31中任一项所述的方法，其中所述水体是湖泊、池塘、溪流、河流、运河或水库。
33.根据实施方式23-32中任一项所述的方法，其中所述水体是农业径流。
34.根据实施方式23-33中任一项所述的方法，其中所述污染物是含氮化合物。
35.根据实施方式34所述的方法，其中所述含氮化合物是硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐。
36.根据实施方式23-35中任一项所述的方法，其中所述固体吸附剂包括阴离子交换材料。
37.根据实施方式23-36中任一项所述的方法，其中所述释放捕获的CO2的步骤包括润湿所述吸附剂或者使所述吸附剂暴露于增加的湿度。
38.根据实施方式23-37中任一项所述的方法，其中所述固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。
39.根据实施方式38所述的方法，其中所述载体材料是纸或合成纸。
40.根据实施方式23-39中任一项所述的方法，其中(i)所述固体吸附剂绕着一轴线分布，所述吸附剂围绕该轴线旋转；(ii)所述吸附剂包括第一表面和第二表面；以及(iii)所述固体吸附剂相对于所述壳体安置，使得随着所述吸附剂绕着所述轴线旋转，所述第一表面的至少一部分进入所述壳体并且所述第二表面的至少一部分离开所述壳体；并且其中所述方法还包括使所述吸附剂绕着所述轴线旋转以交替地将所述第一表面和所述第二表面暴露于所述壳体的外部。
41.根据实施方式23-40中任一项所述的方法，其中所述壳体还包括一开口，净化的水经过该开口离开所述壳体。
42.根据实施方式23-41中任一项所述的方法，其中离开所述壳体的经处理的水中的所述污染物与进入所述壳体的水相比具有至少低10％的浓度。
43.根据实施方式23-42中任一项所述的方法，还包括步骤：将所述壳体内部的CO2浓度维持在一水平，在该CO2浓度水平下，所述水萍表现出比所述壳体外部的空气中的水萍的生长或繁殖增加至少2倍的生长速率或繁殖速率。
44.根据实施方式43所述的方法，其中所述CO2浓度维持至少2天、或至少3天、或至少4天、或至少5天、或至少7天、或至少10天、或至少14天或至少30天。
45.根据实施方式44所述的方法，其中所述水萍的生长速率或繁殖速率至少增加8倍。
46.根据实施方式23-45中任一项所述的方法，还包括将所述壳体内部中的CO2浓度维持在至少1000ppm、1200ppm、1500ppm或更高的步骤。
47.根据实施方式0所述的方法，还包括采收所述水萍。
48.根据实施方式47所述的方法，其中连续采收所述水萍。
49.根据实施方式47或48中任一项所述的方法，其中采收由浮动的自动化设备执行。
50.根据实施方式47-49中任一项所述的方法，还包括从所述水萍收集油。
51.根据实施方式50所述的方法，其中所述收集包括压榨或煮沸中的一种或多种。
52.根据实施方式50所述的方法，还包括从所述油中生产诸如生物柴油等燃料。
53.根据实施方式47-51中任一项所述的方法，还包括在生产商品中使用所述水萍。
54.根据实施方式53所述的方法，其中所述商品是燃料、食品、淀粉或肥料。
55.根据实施方式54所述的方法，其中所述食品是动物饲料。
56.一种用于增强植物生长的系统，包括：
(a)包括多个隔室的壳体，其中至少一个第一隔室包含生长中的光合生物质，并且至少一个第二隔室适于接纳一个或多个哺乳动物，所述一个或多个哺乳动物向所述至少一个第二隔室的空气中呼出CO2；
(b)一个或多个固体吸附剂，其与所述至少一个第二隔室流体连通，其中所述一个或多个固体吸附剂被配置用于捕获所述至少一个第二隔室的空气中的CO2；
(c)湿气控制装置，其被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于增加的湿气，该增加的湿气促进从所述一个或多个固体吸附剂释放CO2；以及
(d)一个或多个导管，其将所述一个或多个固体吸附剂与所述至少一个第一隔室流体地连接，使得所述一个或多个导管被配置用于促进从所述一个或多个固体吸附剂释放的CO2向所述至少一个第一隔室的递送。
57.根据实施方式56所述的系统，其中所述湿气控制装置包括适于使水与所述一个或多个固体吸附剂接触的装置，或者适于增加向所述一个或多个固体吸附剂暴露的湿度的装置。
58.根据实施方式56或57所述的系统，其中所述湿气控制装置包括(1)受控进水口，所述受控进水口被配置用于使受控量的水与所述一个或多个固体吸附剂相接触，或者(2)增湿器。
59.根据实施方式56-58中任一项所述的系统，其中所述湿气控制装置被配置用于使所述一个或多个固体吸附剂暴露于H2O，该H2O是气体、固体或液体。
60.根据实施方式56-59中任一项所述的系统，其中所述至少一个第二隔室适于由人类居住。
61.根据实施方式56-60中任一项所述的系统，还包括容纳所述光合生物质的生长帐篷。
62.根据实施方式56-61中任一项所述的系统，其中所述湿气控制装置包括一个或多个水储存器和一个或多个分配器，所述一个或多个分配器将液体或蒸气形式的水递送到所述一个或多个固体吸附剂。
63.根据实施方式56-62中任一项所述的系统，其中所述至少一个第一隔室位于所述至少一个第二隔室的下方。
64.根据实施方式56-63中任一项所述的系统，还包括一控制机构，该控制机构适于将所述至少一个第二隔室中的CO2水平维持在500ppm以下。
65.根据实施方式56-64中任一项所述的系统，还包括系统控制机构，所述系统控制机构包括一个或多个传感器或检测器以及处理器，其中所述一个或多个传感器或检测器被配置用于向所述处理器提供信息，并且所述处理器被配置用于使用该信息来确定(1)所述吸附剂的适当旋转速率，或者(2)所述一个或多个吸附剂暴露于其中的湿气量中的任一个或二者，以便在所述多个隔室的一个内实现期望的CO2水平。
66.根据实施方式65所述的系统，还包括调节空气流动的空气控制系统。
67.根据实施方式65所述的系统，其中所述传感器或检测器包括用于检测一天中的时间、哺乳动物或居住者的运动、哺乳动物或居住者的数量、一个或多个周围隔室中的湿度的机构。
68.根据实施方式56-67中任一项所述的系统，其中所述系统控制机构适于将所述至少一个第一隔室中的CO2水平维持在500ppm以上。
69.根据实施方式65所述的系统，其中所述系统控制机构被配置用于检测或控制所述一个或多个温室隔室的一个或多个环境条件。
70.根据实施方式69所述的系统，其中所述环境条件包括一个或多个温室隔室中的温度、光、水、营养物水平、湿度水平、CO2水平。
71.根据实施方式56-70中任一项所述的系统，其中所述光合生物质是可食用植物。
72.根据实施方式56-71中任一项所述的系统，其中所述一个或多个吸附剂安装在强制通风系统的入口的下游，所述强制通风系统用于调节所述至少一个第二隔室中的温度。
73.根据实施方式56-72中任一项所述的系统，还包括人造光源，所述光合生物质所暴露该人造光源。
74.根据实施方式56-73中任一项所述的系统，其中所述一个或多个固体吸附剂包括阴离子交换材料。
75.根据实施方式56-74中任一项所述的系统，其中所述一个或多个固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。
76.根据实施方式75所述的系统，其中所述载体材料是纸或合成纸。
77.一种增强光合生物质的生长的方法，包括：
(a)提供壳体，所述壳体具有包含所述光合生物质的至少一个第一隔室和可居住的至少一个第二隔室；
(b)使用一个或多个固体吸附剂从所述至少一个第二隔室捕获呼出到空气中的CO2，其中所述至少一个第二隔室中的CO2维持在0.5％以下；
(c)使所述固体吸附剂暴露于湿气，从而释放捕获的CO2；以及
(d)将释放的CO2传递到所述至少一个第一隔室，其中将所述至少一个第一隔室中的CO2维持在比所述至少一个第二隔室中更高的浓度下长达一延长的时间段。
78.根据实施方式77所述的方法，其中所述光合生物质包括凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶或水萍科的成员。
79.根据实施方式77或78所述的方法，其中将所述至少一个第一隔室中的CO2浓度维持在比所述至少一个第二隔室中的CO2浓度更高的浓度下长达至少2天、或至少3天、或至少4天、或至少5天、或至少7天、或至少10天、或至少14天或至少30天。
80.根据实施方式77-80中任一项所述的方法，其中所述光合生物质包含在一生长帐篷中。
81.根据实施方式77-80中任一项所述的方法，其中所述至少一个第一隔室位于所述至少一个第二隔室下方。
82.根据实施方式77-81中任一项所述的方法，其中所述至少一个第二隔室中的CO2维持在500ppm以下。
83.根据实施方式77-82中任一项所述的方法，其中所述至少一个第一隔室中的CO2维持在500ppm以上。
84.根据实施方式77-83中任一项所述的方法，其中所述光合生物质是可食用植物。
85.实施方式77-84中任一项所述的方法，其中所述一个或多个吸附剂安装在用于调节所述至少一个第二隔室中的温度的强制通风系统的入口的下游，并且捕获CO2包括抽取空气经过所述一个或多个固体吸附剂。
86.根据实施方式77-85中任一项所述的方法，其中所述光合生物质暴露于一人造光源。
87.根据实施方式77-86中任一项所述的方法，其中所述一个或多个固体吸附剂包括阴离子交换材料。
88.根据实施方式77-86中任一项所述的方法，其中所述一个或多个固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。
89.根据实施方式88所述的方法，其中所述载体材料是纸或合成纸。
90.根据实施方式77所述的系统，其中使所述固体吸附剂暴露于湿气的步骤包括使所述固体吸附剂暴露于H2O，该H2O是气体、固体或液体。
实施例
以下实施例是为了说明本发明的各个实施方式的目的而给出的，并不意味着以任何方式限制本发明。本实施例连同本文所述的方法目前代表优选实施方式，是示例性的，并且不旨在限制本发明的范围。本领域技术人员将会想到其中的变化以及包含在由权利要求的范围限定的本发明的精神内的其他用途。
实施例1：用水萍进行的农业径流净化
使水萍在五层的浅矩形壳体中生长，其中每层按梯式排层竖直布置，每个排层大约1米深。农业径流流入壳体内，从而创造或维持6-8英寸的水深，其中水萍悬浮在包含的水中，从而与水接触并且在水流出壳体之前流动穿过各层时将污染物从水中移除。该壳体被配置成使得水萍可以单独使用自然阳光而生长，或者装备有LED灯，LED灯由从太阳能板、风车风力发电机或其他替代能源中选择的单个或组合电源供电。为了通过递送CO2增强水萍的生长，在基质中形成的CO2吸附剂被配置为从壳体里面旋转到壳体外面的旋转轮。吸附剂基质的旋转使得能够使用湿度振荡从壳体传递CO2。吸附剂表面首先从壳体外面捕获CO2，继而将CO2释放到壳体中，从而再生吸附剂表面以供数轮的重复CO2捕获、CO2传递和吸附剂再生。壳体与至少一个这样的吸附剂轮连接。壳体可以连接到针对壳体每层的一个吸附剂轮。吸附剂轮旋转，从而使吸附剂表面暴露于吸附剂从其捕获CO2的干旱外部环境。轮的旋转还使先前暴露于外部环境的表面暴露于壳体中的空气。在壳体内，轮暴露于湿度较高的空气，或者放置成与保持于壳体内的水流体接触。一旦在壳体中，壳体的湿气或湿度就诱发CO2从吸附剂向壳体中的释放，从而再生吸附剂并向水萍提供CO2，由于CO2水平较高因此水萍生长得更快。随着轮旋转，在分别暴露于来自壳体外面和里面的空气的吸附剂表面处CO2捕获和释放过程继续。使用真空方法从壳体采收水萍，该真空方法将浮萍抽吸到收集单元中。水萍的采收连续发生，其中现场从壳体中移除采收物并使其经受进一步处理。水萍经历几轮处理。首先，从收集的水萍中压榨出油用于生产生物柴油。剩余的高蛋白水萍生物质用于动物饲料，直接或通过从生物质中移除蛋白质组分、干燥并与其他生物饲料组分(如大豆粉、玉米粉或鱼粉)混合的过程来实现。最后，对任何附加的残留生物质进行精练以提取用于肥料生产的固定氮、磷或其他营养物。
实施例2：通过吸附和递送到温室来调节室内CO2
如图3中所示，水萍在建筑物的地下室中的4x4的生长帐篷内生长。碳净化系统可以安装在室内生活或工作空间中。为了降低高浓度的CO2，提供了一种系统，该系统包括用于捕获CO2并将其传递到4x4生长帐篷以供生长中的水萍的的吸附剂。吸附剂表面可以首先捕获CO2，继而通过HVAC系统将CO2传递到由水萍消耗CO2所在的生长帐篷。生长帐篷可以包含水、光、营养物、泵、过滤器以及供室内生长中的水萍的其他组件。吸附剂可以安装到一个或多个隔室中，所述隔室包括捕获CO2并通过HVAC系统将CO2传递到建筑物的地下室的房间或楼层。当系统正在运行时，一个或多个隔室中的CO2浓度可以约为405ppm，并且生长帐篷中的浓度可能约为650ppm。
实施例3：用于二氧化碳封存和乙醇生产的方法和系统
提供了一种完全集成的、自供电的且基本上为碳中和的系统，该系统包括具有根据本公开内容的实施方式的CO2封存设备的温室、生物乙醇发酵单元、厌氧消化池和甲烷燃烧单元。根据本公开内容的实施方式的CO2封存设备被配置用于从室外环境空气捕获CO2并将CO2递送到温室的内部。温室包含浮萍属的生长中的水萍。该设备将温室中的CO2浓度升高至室外环境空气的CO2浓度以上，伴随着浮萍生物质生产的相应增加。优选地，选择用于温室的浮萍种类是生长迅速的，对于温室所坐落的区域是天然的，并且含有大量的淀粉。浮萍栽培在温室内的浅水池中。控制环境条件，诸如温度、湿度、CO2和/或光暴露。随着浮萍生长，基于指定的参数自动地对浮萍进行采收。浮萍生长还降低了水污染，因此温室可以充当水处理过程中用以产生较清洁的水的步骤。
采收的浮萍用作发酵单元中生物乙醇生产的原料。在这一过程中，将淀粉与诸如蛋白质和脂质等其他浮萍组分分离开。蛋白质和脂质可以用作其他过程中的原料。通过糖化，诸如通过使用淀粉酶将淀粉转化成糖。糖通过酵母发酵以产生运输级生物乙醇。发酵过程还产生密集的CO2。密集的CO2被馈送到温室中，作为原料供应给另一过程，或物理封存(例如地质注入)。一旦用于发酵过程中，就在厌氧消化池中处置酵母。
除了温室、CO2封存设备和发酵单元之外，该实施例的系统还包括厌氧消化池。将诸如发酵单元中使用的酵母等一次性材料用作消化池中的原料。一次性材料可以包括其他原料，诸如粪肥和/或其他有机废物。一次性材料的厌氧消化产生沼气(其约为60％甲烷和40％CO2)和无机营养物(例如氮、磷和钾)。将营养物提供给浮萍以支持温室中的生长。甲烷燃烧产生电力以供运行系统，并且将任何过量的电力供应给电网。消化池和甲烷燃烧所产生的CO2也馈送到温室中，用以补充来自封存设备的CO2。过量的CO2作为净化的原料供应以用于其他过程，或者被物理封存(例如地质注入)。
自供电系统基本上是碳中和的，并提供有用产物的来源，所述有用产物包括密集的CO2、电力和生物乙醇。生物乙醇作为汽油补充品提供。在操作中，系统每天处理约2200磅挥发性固体(例如粪肥)，并且每天每平方米消化池产生2立方米沼气。这样每天产生大约200kWh的功率。该系统生产约为或约大于250吨/公顷(ha)/年干重的浮萍和71吨/公顷/年的乙醇。
实施例4：乙醇生产设施
在沙漠中提供乙醇生产设施。该设施被设计用于生长浮萍，并将浮萍转化为乙醇。在该设施处生长高产淀粉的浮萍种类。浮萍淀粉是可通过酵母高度消化的，因此通过基本的乙醇生产实践实现了淀粉到乙醇的高转化率。该设施包括浮萍生长设施和乙醇生产设施。浮萍生长设施跨越713公顷(1,783英亩)，并包括一系列浮萍在其中生长的密封生长帐篷。每个生长帐篷包含胺吸附剂轮，胺吸附剂轮安置成使得在该轮旋转时，吸附剂在与外部环境空气连通和与帐篷的所密封的内部空气连通之间交替。在吸附剂与外部环境空气连通时，吸附剂从大气中吸附CO2。帐篷里面的相对湿度维持在至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％。在吸附剂与潮湿的内部空气连通时，使CO2从其释放出来。定期采收浮萍，并将其用作乙醇生产设施中的乙醇生产的原料。该设施每年生产157,560吨可封存CO2。通过取代化石燃料燃烧的等效水平，该乙醇产物每年减少500,190吨CO2的释放。
实施例5：较小规模温室
提供了用于较小规模室内、屋顶和小规模水萍培育的系统。长度和宽度范围从5英尺到50英尺、高度从5英尺到15英尺的系统对于25到750平方英尺的温室空间每小时将会产生1500ppm的CO2，使用的能量不超过为两个小风扇供电所需的能量。
实施例6：较大规模温室
提供了用于较大规模室内培育器、农村温室种植器和大规模室内城市种植器的系统。较大规模的系统用CO2供给一英亩或更多，并且能够实现一致的1200至1500ppm的CO2浓度。
实施例7：模块化温室
提供了模块化温室系统用于水萍生产。对模块化温室进行了优化，以包含CO2，并降低了管理成本。该设计并入了安装在平坦、不可耕种的土地上，并覆盖有透明塑料片材以保持CO2和湿气的互连的大生产通道。这些通道是针对水萍生长所优化的“水道”。生产中使用的水量很小。每个模块化生产系统的外形小巧，并且密封严密以减少CO2、热量和湿气的损失以及相关成本。
该系统利用了自动化提取系统和CO2监测与空气循环设备。几乎没有系统维护是必要的。利用桨拉动藻席来从水道末端采收水萍。从通道的开始处拉动的水萍创造了幼小水萍克隆扩散到其中并在几小时内占据于其中的空洞。持续提取阻止了藻席变得过厚，这将会减缓生长。持续提取使得能够实现最佳的水萍生长速率。
实施例8：池塘温室
提供了一种池塘温室，其中敞开池塘中的浮萍生产通道用如实施例4中所述的具有胺吸附剂轮的生长帐篷封闭。帐篷内的湿度维持在至少40％、至少50％、至少60％、至少70％、至少80％的最小湿度。操作吸附剂轮以将帐篷内的CO2含量维持在最小1500ppm。在1500ppm下，与在仅含有400ppm CO2的空气环境中的生长速率相比，浮萍生长速率增加了4倍。实现了浮萍每年每公顷400吨的生物质生产率，浮萍有60％的淀粉。每年每公顷400吨的浮萍用于生产每公顷土地70,153加仑的乙醇。
虽然本文已经示出和描述了本公开内容的优选实施方式，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，这样的实施方式仅作为示例提供。在不脱离本公开内容的情况下，本领域技术人员现在将会想到许多更改、改变和替代。应当理解，在实践本公开内容的发明中可以采用本文所描述的本公开内容的实施方式的各种替代方案，并且本文所描述的本发明的各个单独方面中的每一个可以以任何方式组合或交换，即使这些方面的这样的组合在本文没有具体描述的情况下亦如此。以下权利要求旨在限定本发明的范围，并由此覆盖这些权利要求范围内的方法和结构及其等同项。

Claims (22)

1.一种从室外大气空气中捕获CO2并处理水的方法，所述方法包括：
(a)将包含污染物的水引入一壳体中，该壳体包括多个隔室并且具有含有水生大型植物的内部，使得所述水与所述水生大型植物接触，并且其中所述水生大型植物促进了所述水中的所述污染物水平的降低；
(b)利用固体吸附剂从所述壳体外部的室外大气空气中捕获CO2，其中所述固体吸附剂绕着所述固体吸附剂围绕其旋转的轴线分布，并且其中所述壳体外部的室外大气空气具有小于800ppm的CO2浓度；
(c)在所述固体吸附剂绕着所述轴线旋转时，将捕获的CO2释放到所述壳体的所述内部中，其中所述壳体的所述内部具有比所述壳体外部的室外大气空气更高的CO2浓度；
(d)向系统控制机构的处理器提供从所述系统控制机构的至少一个传感器或检测器测得的信息，其中所述处理器使用所述信息来确定以下中的至少一个：(1)所述固体吸附剂的适当旋转速率和(2)所述固体吸附剂所暴露于的湿气量，以便在所述多个隔室的一个内实现期望的CO2水平；以及
(e)将经处理的水从所述壳体的所述内部释放。
2.根据权利要求1所述的方法，其中所述水生大型植物包括凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶、水萍或水萍科的成员。
3.根据权利要求1所述的方法，其中包含污染物的水体是湖泊、池塘、溪流、河流、运河、水库或农业径流。
4.根据权利要求1所述的方法，其中所述污染物是含氮化合物，并且其中所述含氮化合物是硝酸盐、亚硝酸盐或铵盐。
5.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体吸附剂包括阴离子交换材料。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述释放捕获的CO2的步骤包括润湿所述吸附剂或者使所述吸附剂暴露于增加的湿度。
7.根据权利要求1所述的方法，其中所述固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。
8.根据权利要求1所述的方法，还包括将所述壳体的所述内部中的CO2浓度维持在至少1000ppm、1200ppm或1500ppm的水平的步骤。
9.根据权利要求1所述的方法，还包括采收所述水生大型植物。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述水生大型植物是水萍，并且所述方法还包括从所述水萍收集油。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括从所述油中生产燃料。
12.根据权利要求10所述的方法，还包括从所述油中生产生物柴油。
13.根据权利要求9所述的方法，其中所述水生大型植物是水萍，并且所述方法还包括在生产商品中使用所述水萍。
14.根据权利要求13所述的方法，其中所述商品是燃料、食品、动物饲料、淀粉或肥料。
15.根据权利要求1所述的方法，其中将所述壳体的所述内部中的CO2浓度维持在所述水生大型植物表现出比所述壳体的外部的空气中的所述水生大型植物的生长增加至少2倍的生长速率的水平。
16.根据权利要求1所述的方法，其中所述系统控制机构被配置用于检测或控制一个或多个隔室的一个或多个环境条件。
17.根据权利要求16所述的方法，其中所述一个或多个环境条件选自以下组成的组：温度、光、水、营养物水平、湿度水平和CO2水平。
18.一种增强光合生物质的生长的方法，包括：
(a)提供壳体，所述壳体具有包含所述光合生物质的至少一个第一隔室、可居住的至少一个第二隔室以及系统控制机构，所述系统控制机构包括一个或多个传感器或检测器以及处理器；
(b)使用一个或多个固体吸附剂从所述至少一个第二隔室捕获呼出到空气中的CO2；
(c)使所述固体吸附剂暴露于湿气，从而释放捕获的CO2；
(d)将释放的CO2传递到所述至少一个第一隔室，其中将所述至少一个第一隔室中的CO2维持在比所述至少一个第二隔室中更高的浓度下长达一延长的时间段；以及
(e)将从一个或多个传感器或检测器测得的信息提供给处理器，以确定所述一种或多种固体吸附剂所暴露于的湿气量，以便在多个隔室的一个中实现期望的CO2水平。
19.根据权利要求18所述的方法，其中所述光合生物质包括凤眼蓝属、紫萍属、槐叶萍属、满江红属、浮萍属、大藻属、心叶、水萍或水萍科的成员。
20.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个固体吸附剂安装在用于调节所述至少一个第二隔室中的温度的强制通风系统的入口的下游，并且捕获CO2包括抽取空气经过所述一个或多个固体吸附剂。
21.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个固体吸附剂包括阴离子交换材料。
22.根据权利要求18所述的方法，其中所述一个或多个固体吸附剂包括分布在载体材料上或载体材料中的吸附剂材料。
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