CN115697896A - 使用反应器产出物来纯化材料以及相关的系统 - Google Patents

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Abstract

本文公开了使用反应器产出物来纯化材料的方法。例如，本文描述了使用反应器中产生的酸和/或碱来纯化材料(例如，石灰石、白云石、废料流、和/或灰分)的方法。还描述了相关的系统。

Description

使用反应器产出物来纯化材料以及相关的系统
相关申请
本申请根据35 U.S.C.§119(e)要求2020年5月1日提交的美国临时专利申请第63/018,696号和2020年7月21日提交的美国临时专利申请第63/054,683号的优先权，其在此通过引用整体并入。
技术领域
一般地描述了使用反应器产出物来纯化材料，以及相关的系统。
发明内容
本文公开了使用反应器产出物来纯化材料的方法。还描述了相关的系统。例如，在某些实施方案中，所述方法包括在反应器中产生酸和/或碱。在一些实施方案中，所述方法包括使包含杂质的第一物质(例如，石灰石、白云石、石灰窑粉、水泥窑粉、灰分、和/或废料流)在第一溶液中溶解。在某些情况下，所述方法包括使第二物质(例如，第一物质的组分、氧化钙、氢氧化钙、氢氧化镁、和/或氧化镁)在第二溶液中沉淀。根据某些实施方案，相对于第一物质中的浓度，第二物质包含较低浓度(按重量计)的杂质(和/或总杂质)。在一些情况下，第一溶液和/或第二溶液中的至少一者包含反应器中产生的酸和/或碱。在一些情况下，本发明的主题涉及相关的产品、针对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，所述方法包括在反应器中产生酸和/或碱；使包含第一浓度的杂质的第一物质在第一溶液中溶解；以及使包含第二浓度的杂质的第二物质在第二溶液中沉淀；其中第一溶液和第二溶液中的至少一者包含酸和/或碱；以及其中杂质的第二浓度低于杂质的第一浓度。在一些实施方案中，反应器为电化学反应器。在一些实施方案中，电化学反应器至少部分地由可再生电供以动力。
某些方面涉及方法。根据一些实施方案，用于处理包含组分的灰分的方法包括：产生液体溶剂流；使灰分与液体溶剂流接触；以及从合并的灰分和液体溶剂流中提取所述组分。
根据某些实施方案，用于处理包含碱土金属的固体(例如，包含碱土金属的矿物、包含碱土金属的废料流、石灰石、石灰、和/或白云石)的方法包括：产生液体溶剂流；使固体与液体溶剂流接触；以及从合并的固体和液体溶剂流中提取组分。
某些方面涉及系统。在某些实施方案中，用于处理包含组分的灰分的系统包括：提供液体溶剂流的反应器；和用于使灰分与液体溶剂流接触的容器。
在一些实施方案中，用于处理包含碱土金属的固体(例如，包含碱土金属的矿物、包含碱土金属的废料流、石灰石、石灰、和/或白云石)的系统包括：提供液体溶剂流的反应器(例如，电化学反应器)；和用于使固体与液体溶剂流接触的容器。
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，在不需要举例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、第二电极和一个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、一个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、一个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，其中在一个室中使CaCO3溶解并且在另一个室中使Ca(OH)2沉淀。
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(Pourbaix)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碱性电解装置(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装置(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通过电解质中的穿过隔膜或膜的阳离子使OH-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。
图15A示出了根据实施例1的天然石灰石、沉淀的Ca(OH)2和来自检测器的背景的X射线荧光光谱。
图15B是根据实施例1的天然石灰石、从天然石灰石中除去的杂质以及由天然石灰石获得的经纯化的熟石灰的图片。
图16A示出了根据实施例1的石灰窑粉、沉淀的Ca(OH)2和来自检测器的背景的X射线荧光光谱。
图16B是根据实施例1的石灰窑粉、从石灰窑粉中除去的杂质以及由天然石灰石获得的经纯化的熟石灰的图片。
具体实施方式
本文公开了使用反应器产出物来纯化材料的方法。还描述了相关的系统。例如，在某些实施方案中，所述方法包括在反应器中产生酸和/或碱。在一些实施方案中，所述方法包括使包含杂质的第一物质(例如，石灰石、白云石、石灰窑粉、水泥窑粉、灰分、和/或废料流)溶解。在某些情况下，使第一物质溶解包括使第一物质在酸(例如，反应器中产生的酸)和/或碱(例如，反应器中产生的碱)中溶解，以及任选地用过滤除去不溶性杂质。在某些实施方案中，所述方法包括在不同的pH值(例如，越来越低的pH值)下的顺序溶解步骤以除去不溶性杂质(例如，在比期望组分更低的pH下不溶的杂质)和更加可溶的杂质(例如，在比期望组分更高的pH下可溶的杂质)二者，或者以获得感兴趣的多种组分。
在某些情况下，所述方法包括使第二物质(例如，第一物质的组分、氧化钙、氢氧化钙、氢氧化镁、和/或氧化镁)沉淀。在一些情况下，使第二物质沉淀包括使第二物质在碱(例如，反应器中产生的碱)中沉淀，以及任选地用过滤除去可溶性杂质。在一些实施方案中，所述方法包括在不同的pH值(例如，越来越高的pH值)下的顺序沉淀步骤以除去不溶性杂质(例如，在比期望组分更低的pH下不溶的杂质)和更加可溶的杂质(例如，在比期望组分更高的pH下可溶的杂质)二者，或者以获得感兴趣的多种组分。在一些实施方案中，相对于第一物质中的浓度，第二物质包含较低浓度(按重量计)的杂质(和/或总杂质)。
某些方面涉及方法。
在一些实施方案中，所述方法包括在反应器中产生酸和/或碱。以下更详细地描述反应器、包括反应器的系统、以及在反应器中产生酸和/或碱的方法。
在一些实施方案中，反应器包括电化学反应器、氯碱反应器(chlor-alkalireactor)、和/或非电解反应器(例如，酸燃烧器(acid burner))。
在某些实施方案中，所述方法包括使第一物质溶解。在一些实施方案中，使第一物质溶解包括使固体(例如，至少25重量％、至少50重量％、至少75重量％、至少90重量％、或所有固体)溶解以形成两种或更多种溶解的离子。
在一些情况下，第一物质为固体。在某些实施方案中，固体是结晶的、非晶的、纳米晶、和/或其混合物。在一些实施方案中，第一物质包括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)。在某些情况下，第一物质包括金属、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(例如，硅酸钙和/或硅酸镁)。
在一些实施方案中，金属和/或金属合金包括铁、铁合金、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、碳酸钙镁、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氧化钙、氧化镁、氧化锶、氧化锰、氧化铁、氧化钴、氧化镍、氧化锌、氧化镉、氧化铅、二氧化硅、和/或氧化铝。
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。
在某些实施方案中，第一物质包括岩石(例如，沉积岩)。岩石(例如，沉积岩)的实例包括石灰石和/或白云石。在一些情况下，第一物质包括石灰石、石灰、白云石石灰、和/或白云石。
在某些情况下，第一物质包括废料流。废料流的实例包括灰分、窑粉(例如，石灰窑粉和/或水泥窑粉)、污泥沉淀、来自冶金过程的炉渣、和/或金属矿石。灰分的实例包括底灰(例如，来自城市固体废物燃烧)和/或飞灰(例如，来自燃煤电厂)。
在一些实施方案中，第一物质(例如，石灰石、白云石、和/或灰分)包含至少一种杂质。如本文中所使用的，杂质是除目标物质(例如，第二物质)之外的任何物质。在一些实施方案中，可以存在多于一种目标物质(例如，第二物质和第三物质)。在这样的实施方案中，目标物质(例如，第二物质)对于另一种目标物质(例如，第三物质)而言可以为杂质。
杂质的实例包括硅、硅酸盐(例如，二氧化硅)、铝酸盐(例如，氧化铝)、铁酸盐、盐类(例如，钠盐)、含碳物质、有机物质、氟化物、矿物(例如，含Al、Si、Ca、Cr、Mg、Mn、S、或Fe的矿物、SiO2、Al2O3、Fe2O3、KMnO4、CaSO4、MnO2、黄铁矿、高岭石、伊利石、绿泥石、二氧化硅、菱铁矿、白云石、锆石、金红石、钛铁矿、石榴石、褐铁矿、磁铁矿、赤铁矿、长石、电气石、锆石、和/或萤石)、金属(例如，锌、铜、铅、铬、镍、锡、银、汞、钒、钼、锑、镉、砷、碱金属、碱土金属、周期表的第3族至第13族中的金属、第一排过渡金属、贱金属、稀土金属、铂族元素、贵金属元素、和/或后过渡金属)、单质(例如，硼、硒、锌、铜、铅、铬、镍、锡、银、汞、钒、钼、锑、镉、和/或砷)、和/或碳酸盐(例如，金属碳酸盐，如FeCO3和/或Ca(Mg)(CO3)2)。
在第一物质包括石灰石或白云石的一些实施方案中，杂质的实例包括硅酸盐(例如，二氧化硅)、铝酸盐(例如，氧化铝)、铁酸盐、盐类(例如，钠盐)、含碳物质、有机物质、氟化物、矿物(例如，含Al、Si、Ca、Cr、Mg、Mn、S或Fe的矿物、SiO2、Al2O3、Fe2O3、KMnO4、CaSO4、MnO2、黄铁矿、高岭石、伊利石、绿泥石、二氧化硅、菱铁矿、白云石、锆石、金红石、钛铁矿、石榴石、褐铁矿、磁铁矿、赤铁矿、长石、电气石、锆石和/或萤石)、金属(例如，锌、铜、铅、铬、镍、锡、银、汞、钒、钼、锑、镉和/或砷)、单质(例如，硼、硒、锌、铜、铅、铬、镍、锡、银、汞、钒、钼、锑、镉和/或砷)和/或碳酸盐(例如，金属碳酸盐，如FeCO3和/或Ca(Mg)(CO3)2)。
在第一物质包括灰分的某些实施方案中，杂质的实例包括硅和/或金属(例如，碱金属、碱土金属、周期表的第3族至第13族中的金属、第一排过渡金属、贱金属、稀土金属、铂族元素、贵金属元素、和/或后过渡金属)。碱金属的实例包括Li、Na、K、Rb和Cs。碱土金属的实例包括Be、Mg、Ca、Sr和Ba。第一排过渡金属的实例包括Ti、V、Cr、Mn、Fe、Co和Ni。贱金属的实例包括Cu、Zn、Al和Sn。稀土元素的实例包括Ce、Dy、Er、Eu、Gd、Ho、La、Lu、Nd、Pr、Pm、Sm、Sc、Tb、Tm、Yb和Y。铂族元素或贵金属元素的实例包括Ru、Rh、Pd、Re、Os、Ir、Pt、Au和Ag。后过渡金属的实例包括Ga、Ge、As、Se、Cd、In、Sb、Te、Tl、Pb、Bi、Po、以及Th和U。
在某些情况下，第一物质包含第一浓度的杂质(和/或总杂质)。例如，在一些实施方案中，杂质(和/或总杂质)的第一浓度为第一物质的总重量的大于或等于0.0001重量％、大于或等于0.001重量％、大于或等于0.01重量％、大于或等于0.1重量％、大于或等于1重量％、大于或等于3重量％、大于或等于5重量％、大于或等于10重量％、大于或等于15重量％、大于或等于20重量％、大于或等于25重量％、大于或等于30重量％、大于或等于35重量％、大于或等于40重量％、大于或等于50重量％、大于或等于60重量％、大于或等于70重量％、大于或等于80重量％、或者大于或等于90重量％。在某些实施方案中，杂质(和/或总杂质)的第一浓度为第一物质的总重量的小于或等于99重量％、小于或等于95重量％、小于或等于90重量％、小于或等于80重量％、小于或等于70重量％、小于或等于60重量％、小于或等于50重量％、小于或等于45重量％、小于或等于40重量％、小于或等于35重量％、小于或等于30重量％、小于或等于25重量％、小于或等于20重量％、小于或等于15重量％、小于或等于10重量％、小于或等于5重量％、小于或等于1重量％、小于或等于0.5重量％、或者小于或等于0.1重量％。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0.0001重量％且小于或等于99重量％、大于或等于1重量％且小于或等于99重量％、大于或等于1重量％且小于或等于50重量％、大于或等于0.001重量％且小于或等于5重量％、或者大于或等于3重量％且小于或等于40重量％)。
在某些实施方案中，所述方法包括使第一物质(例如，包含第一浓度的杂质的第一物质)在第一溶液中溶解。根据一些实施方案，第一溶液包含反应器中产生的酸和/或碱。在一些情况下，第一溶液包含反应器中产生的未稀释的酸和/或碱。在某些情况下，第一溶液包含反应器中产生的稀释的酸和/或碱。在一些实施方案中，第一溶液包含反应器中产生的已经浓缩的酸和/或碱。
在一些实施方案中，第一溶液包含酸(例如，反应器中产生的酸)。根据某些实施方案，第一溶液的pH小于7、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、小于或等于1、或者小于或等于0。在一些实施方案中，第一溶液的pH大于或等于-5、大于或等于-2、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。在某些情况下，第一溶液的pH为0。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-5且小于7、大于或等于-2且小于或等于1、大于或等于0且小于7、或者大于或等于0且小于或等于5)。
在某些实施方案中，第一溶液包含碱(例如，反应器中产生的碱)。根据一些实施方案，第一溶液的pH大于7、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、大于或等于13、或者大于或等于14。根据某些实施方案，第一溶液的pH小于或等于19、小于或等于16、小于或等于14、小于或等于13、小于或等于12、小于或等于11、小于或等于10、小于或等于9、或者小于或等于8。在一些情况下，第一溶液的pH为14。这些范围的组合也是可能的(例如，大于7且小于或等于19、大于或等于9且小于或等于16、大于7且小于或等于14、或者大于或等于9且小于或等于14)。
在一些情况下，所述方法包括使第二物质沉淀。在一些实施方案中，使第二物质沉淀包括使两种或更多种溶解的离子中的一些(例如，至少25重量％、至少50重量％、至少75重量％、至少90重量％、或全部)沉淀以形成固体。
在某些实施方案中，第二物质为结晶固体、非晶固体、纳米晶固体、和/或其混合物。在一些实施方案中，第二物质包括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)。在某些情况下，第二物质包括金属、金属合金、准金属、金属盐、金属氧化物(例如，碱土金属氧化物(例如，氧化钙和/或氧化镁)和/或过渡金属氧化物)、金属氢氧化物(例如，碱土金属氢氧化物(例如，氢氧化钙和/或氢氧化镁)和/或过渡金属氢氧化物)、和/或硅酸盐(例如，本文所述的任何金属、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)。例如，在某些情况下，第二物质包括氢氧化钙、氧化钙、氢氧化镁、和/或氧化镁。
根据某些实施方案，第二物质是第一物质的重要组分(例如，第二物质为第一物质的总重量的大于或等于50重量％、大于或等于70重量％、或者大于或等于90重量％)。例如，在一些情况下，第一物质主要(例如，第一物质的总重量的大于或等于50重量％)包含化合物(例如，氢氧化钙)和至少一种杂质，以及第二物质主要(例如，第二物质的总重量的大于或等于50重量％)包含相同的化合物(例如，氢氧化钙)和较低水平(或没有)的该杂质。
根据一些实施方案，第二物质不是第一物质的重要组分(例如，第二物质为第一物质的总重量的小于50重量％、小于或等于40重量％、小于或等于20重量％、或者小于或等于10重量％)。例如，在某些情况下，第一物质主要(例如，第一物质的总重量的大于或等于50重量％)包含化合物(例如，碳酸钙或碳酸钙镁)和至少一种杂质，以及第二物质主要(例如，第二物质的总重量的大于或等于50重量％)包含不同的化合物(例如，氢氧化钙、氧化钙、氢氧化镁或氧化镁)和较低水平(或没有)的该杂质。
根据一些实施方案，第二物质包含第二浓度的杂质(和/或总杂质)。例如，在一些实施方案中，第二浓度的杂质(和/或总杂质)为第二物质的总重量的小于或等于40重量％、小于或等于35重量％、小于或等于30重量％、小于或等于25重量％、小于或等于20重量％、小于或等于15重量％、小于或等于10重量％、小于或等于5重量％、小于或等于3重量％、小于或等于1重量％、小于或等于0.5重量％、小于或等于0.1重量％、小于或等于0.01重量％、小于或等于0.001重量％、小于或等于0.0001重量％、或者小于或等于0.00001重量％。在某些情况下，第二浓度的杂质(和/或总杂质)为第二物质的总重量的大于或等于0重量％、大于或等于0.000001重量％、大于或等于0.00001重量％、大于或等于0.0001重量％、大于或等于0.001重量％、大于或等于0.01重量％、大于或等于0.1重量％、大于或等于0.5重量％、大于或等于1重量％、大于或等于3重量％、大于或等于5重量％、或者大于或等于10重量％。在一些实施方案中，第二物质基本上不含(例如，第二物质的总重量的小于或等于0.1重量％)或不含(例如，第二物质的总重量的0重量％)杂质(和/或总杂质)。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于0重量％且小于或等于40重量％、或者大于或等于0重量％且小于或等于10重量％)。
根据某些实施方案，第二物质中的杂质(和/或总杂质)的浓度(例如，第二浓度)低于第一物质中的杂质(和/或总杂质)的浓度(例如，第一浓度)。例如，在一些情况下，以质量为基础，杂质(和/或总杂质)的第二浓度(相对于第二物质的总重量)相对于杂质(和/或总杂质)的第一浓度(相对于第一物质的总重量)低至少10％、至少15％、至少20％、至少25％、至少30％、或至少40％。在某些情况下，以质量为基础，杂质(和/或总杂质)的第二浓度(相对于第二物质的总重量)相对于杂质(和/或总杂质)的第一浓度(相对于第一物质的总重量)低小于50％、小于或等于45％、小于或等于40％、小于或等于35％、小于或等于30％、小于或等于25％、小于或等于20％、或者小于或等于15％。这些范围的组合也是可能的(例如，至少10％且小于50％、或者至少10％且小于或等于45％)。当以质量为基础第二物质中的杂质(和/或总杂质)的浓度为第一物质中的杂质(和/或总杂质)的浓度的小于或等于90重量％时，以质量为基础，第二物质中的杂质的浓度比第一物质中的杂质的浓度低至少10％。例如，如果杂质的第一浓度为第一物质的总重量的50％，以及杂质的第二浓度为第二物质的总重量的45％，则以质量为基础，杂质的第二浓度相对于杂质的第一浓度将低10％，因为第二物质中存在的杂质比第一物质中存在的杂质的量低5重量％，并且5重量％为50重量％的10％。
在一些实施方案中，溶解步骤和/或沉淀步骤除去部分或全部杂质。
在一些情况下，所述方法包括使第二物质(例如，包含第二浓度的杂质的第二物质)在第二溶液中沉淀。根据一些实施方案，第二溶液包含反应器中产生的酸和/或碱。在一些情况下，第二溶液包含反应器中产生的未稀释的酸和/或碱。在某些情况下，第二溶液包含反应器中产生的稀释的酸和/或碱。在一些实施方案中，第二溶液包含反应器中产生的已经浓缩的酸和/或碱。在某些情况下，第一溶液和第二溶液中的至少一者包含反应器中产生的酸和/或碱(例如，反应器中产生的稀释的酸和/或碱)。
在一些实施方案中，第二溶液包含酸(例如，反应器中产生的酸)。根据某些实施方案，第二溶液的pH小于7、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、小于或等于1、或者小于或等于0。在一些实施方案中，第二溶液的pH大于或等于-5、大于或等于-2、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。在一些情况下，第二溶液的pH为0。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-5且小于7、大于或等于-2且小于或等于1、大于或等于0且小于7、或者大于或等于0且小于或等于5)。
在某些实施方案中，第二溶液包含碱(例如，反应器中产生的碱)。根据一些实施方案，第二溶液的pH大于7、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、大于或等于13、或者大于或等于14。根据某些实施方案，第二溶液的pH小于或等于19、小于或等于16、小于或等于14、小于或等于13、小于或等于12、小于或等于11、小于或等于10、小于或等于9、或者小于或等于8。在一些情况下，第二溶液的pH为14。这些范围的组合也是可能的(例如，大于7且小于或等于19、大于或等于9且小于或等于16、大于7且小于或等于14、或者大于或等于8且小于或等于14)。例如，在一些情况下，第二溶液的pH大于或等于7且小于10(例如，当第二物质包含镁，例如MgO或Mg(OH)2时，例如，当第二溶液处于室温时)。在某些情况下，第二溶液的pH大于或等于10且小于或等于14(例如，当第二物质包含钙，例如CaO或Ca(OH)2时，例如，当第二溶液处于室温时)。
在一些实施方案中，第二溶液包含将引起第二物质的沉淀的沉淀剂。合适的沉淀剂的实例包括提供引起金属硝酸盐、金属硫酸盐、金属氯化物、金属碳酸盐、金属草酸盐或其他金属盐的沉淀的阴离子的化合物。沉淀剂的实例包括CO2(例如，用于使碳酸盐沉淀，例如CaCO3或MgCO3)、硫酸根离子(例如，硫酸钠)(例如，用于使硫酸盐沉淀，例如CaSO4或MgSO4)、氟化物、氯化物、亚硫酸盐、和/或磷酸盐。
在某些实施方案中，所述方法包括顺序溶解和/或沉淀步骤。
例如，根据一些实施方案，第一物质包含多种组分。组分的实例包括杂质(例如，本文所述的任何杂质)和/或金属、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(例如，本文所述的任何金属、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，所述方法包括将第一物质的一种或更多种组分(例如，第一组分、第二组分、第三组分、和/或第四组分)顺序地溶解在一种或更多种溶解溶液(例如，上述第一溶液、第二溶解溶液、第三溶解溶液、和/或第四溶解溶液)中。
在某些情况下，溶解溶液各自具有不同的pH。根据一些实施方案，溶解溶液中的一者或更多者独立地具有比第一溶液的pH更低的pH(例如，低至少0.5个pH单位、低至少1个pH单位、或低至少2个pH单位；低小于或等于6个pH单位、低小于或等于4个pH单位、或者低小于或等于3个pH单位；这些范围的组合也是可能的)。根据某些实施方案，溶解溶液中的一者或更多者独立地具有比第一溶液的pH更高的pH(例如，高至少0.5个pH单位、高至少1个pH单位、或高至少2个pH单位；高小于或等于6个pH单位、高小于或等于4个pH单位、或者高小于或等于3个pH单位；这些范围的组合也是可能的)。
例如，在一些情况下，第一物质包含三种组分，使第一组分在第一溶液(例如，由反应器产生的稀释的酸)中溶解，使第二组分在第二溶解溶液(例如，由反应器产生的未稀释的酸)中溶解，以及第三组分保持为固体形式。
在一些实施方案中，所述方法包括在顺序的溶解步骤之间进行过滤(例如，过滤出固体)。例如，在以上实例中，在某些情况下，所述方法包括用于将溶解的第一组分与剩余固体分离的过滤，以及用于将溶解的第二组分与剩余固体分离的过滤。
在某些实施方案中，顺序溶解与仅一个溶解步骤相比引起杂质的除去增加(例如，如果第一组分和第三组分为以上实例中的杂质)。在一些实施方案中，顺序溶解引起获得增加的感兴趣的产出物(例如，如果第一组分和第二组分为以上实例中的感兴趣的两种产出物)。
根据一些实施方案，所述方法包括使一种或更多种另外的物质(例如，第三物质、第四物质、第五物质、和/或第六物质)在一种或更多种另外的溶液(例如，第三溶液、第四溶液、第五溶液、和/或第六溶液)中顺序地沉淀。根据一些实施方案，一种或更多种另外的物质包括金属、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(例如，本文所述的任何金属、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)。在一些情况下，一种或更多种另外的物质独立地具有比第一物质中的杂质(和/或总杂质)的第一浓度更低的浓度(例如，至少10重量％、至少20重量％、至少30重量％；小于50重量％、小于或等于40重量％、或者小于或等于20重量％；这些范围的组合也是可能的)。在某些情况下，一种或更多种另外的溶液独立地具有比第二溶液的pH更高的pH(例如，高至少0.5个pH单位、高至少1个pH单位、或高至少2个pH单位；高小于或等于6个pH单位、高小于或等于4个pH单位、或者高小于或等于3个pH单位；这些范围的组合也是可能的)。在一些情况下，一种或更多种另外的溶液独立地具有比第二溶液的pH更低的pH(例如，低至少0.5个pH单位、低至少1个pH单位、或低至少2个pH单位；低小于或等于6个pH单位、低小于或等于4个pH单位、或者低小于或等于3个pH单位；这些范围的组合也是可能的)。
例如，在某些实施方案中，所述方法包括使第三物质沉淀。根据一些实施方案，第三物质包括金属(例如，单质金属)、金属合金、准金属、金属盐、金属氧化物(例如，碱土金属氧化物(例如，氧化钙和/或氧化镁)和/或过渡金属氧化物)、金属氢氧化物(例如，碱土金属氢氧化物(例如，氢氧化钙和/或氢氧化镁)和/或过渡金属氢氧化物)、和/或硅酸盐(例如，本文所述的任何金属、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)。根据某些实施方案，相对于第一物质中的杂质(和/或总杂质)的第一浓度，第三物质具有更低的浓度(例如，第三浓度)(例如，至少10％、至少20％、至少30％；小于50％、小于或等于40％、或者小于或等于20％；这些范围的组合也是可能的)。在某些情况下，第三溶液具有比第二溶液的pH更高的pH(例如，高至少0.5个pH单位、高至少1个pH单位、或高至少2个pH单位；高小于或等于6个pH单位、高小于或等于4个pH单位、或者高小于或等于3个pH单位；这些范围的组合也是可能的)。在一些情况下，第三溶液具有比第二溶液的pH更低的pH(例如，低至少0.5个pH单位、低至少1个pH单位、或低至少2个pH单位；低小于或等于6个pH单位、低小于或等于4个pH单位、或者低小于或等于3个pH单位；这些范围的组合也是可能的)。
作为一个非限制性实例，在一些实施方案中，所述方法包括使第一物质(例如，碳酸钙镁)在第一溶液(例如，反应器中产生的酸)中溶解，使第二物质(例如，氢氧化镁)在第二溶液(例如，反应器中产生的稀释的碱)中沉淀，以及使第三物质(例如，氢氧化钙)在第三溶液(例如，反应器中产生的未稀释的碱)中沉淀。
在一些实施方案中，所述方法包括在顺序沉淀步骤之间进行过滤(例如，过滤出沉淀的固体)。例如，在某些情况下，所述方法包括使第二物质沉淀，过滤以将第二物质与剩余液体分离，并使第三物质从剩余液体中沉淀。
在某些实施方案中，与仅一个沉淀步骤相比，顺序沉淀引起杂质的除去增加。在一些实施方案中，顺序沉淀引起获得增加的感兴趣的产出物。
在某些实施方案中，除pH之外的多种因素可能影响本文所公开的各种物质和/或组分的溶解度。
在一些实施方案中，温度影响各种物质和/或组分的溶解度。在一些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤的温度可以各自独立地大于或等于-10℃、大于或等于-5℃、大于或等于0℃、大于或等于5℃、大于或等于10℃、大于或等于15℃、大于或等于20℃、大于或等于30℃、大于或等于40℃、或者大于或等于50℃。在某些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤的温度可以各自独立地小于或等于100℃、小于或等于90℃、小于或等于80℃、小于或等于70℃、小于或等于60℃、小于或等于50℃、小于或等于40℃、小于或等于30℃、小于或等于25℃、小于或等于20℃、小于或等于15℃、小于或等于10℃、小于或等于5℃、或者小于或等于0℃。在一些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤的温度可以为室温。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-10℃且小于或等于50℃、大于或等于-5℃且小于或等于10℃、大于或等于15℃且小于或等于25℃、或者大于或等于50℃且小于或等于100℃)。
在某些情况下，对于一些或全部溶解步骤和/或沉淀步骤的，温度大致相同(例如，在5摄氏度内、在3摄氏度内、或在1摄氏度内)。在一些情况下，对于一些或全部溶解步骤和/或沉淀步骤，温度是不同的(例如，差大于5度、大于10度、或大于15度)。
根据某些实施方案，沉淀步骤的温度影响所形成的晶体的尺寸。例如，在一些情况下，较高的温度(例如，大于或等于50℃)产生较小的晶体，而较低的温度(例如，小于或等于15℃)产生较大的晶体。
在一些情况下，搅动(例如，搅拌、超声处理、和/或振荡)影响各种物质和/或组分的溶解度。在某些情况下，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤包括搅动。
根据一些实施方案，对于给定步骤(例如，溶解步骤和/或沉淀步骤)所允许的时间的量影响各种物质和/或组分的溶解度。根据某些实施方案，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤的时间可以各自独立地大于或等于1分钟、大于或等于5分钟、大于或等于10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6小时、大于或等于12小时、或者大于或等于24小时。在一些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤的时间可以各自独立地小于或等于48小时、小于或等于36小时、小于或等于24小时、小于或等于12小时、小于或等于6小时、小于或等于1小时、小于或等于30分钟、小于或等于15分钟、或者小于或等于5分钟。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于1分钟且小于或等于48小时、或者大于或等于5分钟且小于或等于30分钟)。
根据某些实施方案，对于沉淀步骤所允许的时间的量影响所形成的晶体的尺寸。例如，在一些情况下，较短的沉淀时间(例如，小于或等于5分钟)产生较小的晶体，而较长的沉淀时间(例如，大于或等于10分钟)产生较大的晶体。
在一些实施方案中，所施加的电势影响各种物质和/或组分的溶解度。在一些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤期间所施加的电势(例如，通过电解提取)相对于标准氢电极可以各自独立地大于或等于-3V、大于或等于-1V、或者大于或等于0V。在某些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤期间所施加的电势(例如，通过电解提取)相对于标准氢电极可以各自独立地小于或等于2V、小于或等于0V、或者小于或等于-2V。这些范围的组合也是可能的(例如，大于或等于-3V且小于或等于2V)。
某些方面涉及系统(例如，反应器)。这样的系统的非限制性实例示于图1A至3B中。
用于本文所公开的方法的合适的反应器和系统描述于2019年1月16日提交的美国临时专利申请第62/793,294号；2019年2月1日提交的美国临时专利申请第62/800,220号；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；2020年1月16日提交的美国临时专利申请第62/962,061号；2020年1月16日提交的国际专利申请第PCT/US2020/01387号；和2020年3月13日提交的国际专利申请第PCT/US2020/022672号中；出于所有目的，其全部在此通过引用整体并入。
在某些实施方案中，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤在反应器内部发生。在一些实施方案中，所述方法包括收集和/或储存反应器中产生的酸和/或碱。在某些实施方案中，所述方法包括将反应器中产生的酸和/或碱浓缩。根据某些实施方案，一个或更多个溶解步骤和/或沉淀步骤在反应器外部发生。
在一些实施方案中，系统(例如，反应器)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(例如，太阳能和/或风能)供以动力。在某些情况下，系统具有比不包括反应器的基本类似的系统更低的净碳排放(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，系统具有净零碳排放。
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，电催化剂或电极材料分散或涂覆在导电载体上。
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。
在某些实施方案中，反应器被配置成提供液体溶剂流(例如，本文所公开的任何液体溶剂流)(例如，酸性和/或碱性的)。在一些实施方案中，反应器包括电化学反应器、氯碱反应器、和/或非电解反应器(例如，酸燃烧器)。
根据某些实施方案，电化学反应器包括中性水电解装置。在一些情况下，中性水电解装置和/或反应器被配置成产生酸性流(例如，在阴极处，例如析出氧的阴极)和/或产生碱性流(例如，在阳极处，例如析出氢的阳极)。在某些情况下，中性水电解装置和/或反应器被配置成引导酸性流以选择性地溶解物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)中存在的金属盐(例如，钙盐)、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金。在一些情况下，中性水电解装置和/或反应器被配置成引导碱性流以用于使碱土金属氢氧化物、过渡金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氧化物、单质金属、和/或熟石灰沉淀。
在某些实施方案中，系统被配置成处理包含组分的物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)。在某些实施方案中，系统被配置成处理固体(例如，包含碱土金属的固体)。在一些情况下，固体(例如，包含碱土金属的固体)包括包含碱土金属的矿物、包含碱土金属的废料流、石灰石、石灰、和/或白云石。在一些情况下，固体包含组分。
在一些实施方案中，系统被配置成使得所述组分选择性地从与物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)和/或固体(例如，包含碱土金属的固体)合并的液体溶剂流中沉淀或溶解。
在一些实施方案中，系统包括容器和/或装置(例如，本文所公开的任何容器和/或装置，例如图1A至1F、2C至2D和3A至3B的装置118)。根据某些实施方案，容器被配置成用于使物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)和/或固体与液体溶剂流接触。
某些方面涉及方法，关于图1A至3B可以理解所述方法。
在一些实施方案中，所述方法用于处理包含组分的物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)。在某些情况下，所述方法用于处理固体(例如，包含碱土金属的固体)。在一些情况下，固体(例如，包含碱土金属的固体)包括包含碱土金属的矿物、包含碱土金属的废料流、石灰石、石灰、和/或白云石。在一些情况下，固体包含组分。
在某些实施方案中，所述方法包括产生液体溶剂流(例如，酸性和/或碱性的)(例如，由反应器，如本文所述)。
在一些情况下，所述方法包括使物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)和/或固体(例如，包含碱土金属的固体)与液体溶剂流接触。在某些情况下，所述方法包括从与物质(例如，本文所公开的任何物质，例如灰分)和/或固体(例如，包含碱土金属的固体)合并的液体溶剂流中提取组分。在某些实施方案中，物质和/或固体的组分选择性地被液体溶剂流溶解。在一些实施方案中，使所述组分选择性地从与物质和/或固体合并的液体溶剂流中沉淀。在一些情况下，使用电解提取使所述组分选择性地从与物质和/或固体合并的液体溶剂流中沉淀。
某些方面涉及方法，关于图1A至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，运行反应器引起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，在第一模式下)被配置成产生碱性产出物(例如，本文中描述的任何碱)。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7、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、大于或等于13、或者大于或等于14。根据一些实施方案，第一电极附近的pH小于或等于19、小于或等于16、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7且小于或等于19、大于或等于9且小于或等于16、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，本文中描述的任何酸)。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，与第二电极相邻(例如，酸性区域)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附件的酸性区域。
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7、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、小于或等于1、或者小于或等于0。在一些实施方案中，第二电极附近的pH的pH大于或等于-5、大于或等于-2、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-5且小于7、大于或等于-2且小于或等于1、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，氧气通过第二电极中的电化学反应而产生)。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，氧气通过第二电极中的电化学反应而产生)。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，氧气通过第一电极中的电化学反应被还原)。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，氢气通过第二电极中的电化学反应被氧化)。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，可以经由导管(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反应用于增大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)。
在本文中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，通过第一电极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，通过第一电极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。在另外的电解装置例如碱性电解装置中，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经由导管330与第二反应器301流体连接。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Cl2)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I2。
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。图11示出了根据某些实施方案的如本文中公开的基于中性水电解装置的反应器，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装置产生的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，通过出口从电解装置中收集二卤化物并在以下描述的后续步骤中将其用于制备酸。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，电催化剂或电极材料分散或涂覆在导电载体上。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+2 OH-
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。
1/2 O2+H2O+2e-→2 OH-
在一些实施方案中，通过电解质中的穿过隔膜或膜的阳离子使OH-电荷平衡，例如如图13A至图13B所示。在某些情况下，从出口从反应器中收集pH大于7以及碱的浓度为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是通过使氢气与反应器1的阳极处产生的二卤化物反应、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)从第一室中移除的出口、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移除的出口。在一些实施方案中，在第一室中二卤化物与H2反应形成卤化氢。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→2 HCl
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)从第一室中移除的出口和通过其将O2从第一室中移除的出口。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→2 HCl+1/2 O2
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，反应器可以包括其中将卤化氢溶解在水中以制备酸性溶液的第二室，以及通过其引入卤化氢的入口、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反应器中移除的出口，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，装置为储存器(container)(例如，不与大气相通的储存器)。在一些情况下，装置为容器(vessel)(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)，储存一种或更多种物质(例如，本文所公开的任何物质，例如不纯的石灰石、白云石、石灰窑粉、水泥窑粉、灰分、废料流、第一物质的组分、氧化钙、氢氧化钙、氢氧化镁、和/或氧化镁)和/或一种或更多种产物或副产物中的一者或更多者，和/或使一种或更多种物质(例如，本文所公开的任何物质)和/或一种或更多种产物或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，装置与反应器流体连接。例如，在一些情况下，装置通过流体可以通过其流动的导管(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，第一装置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，第一装置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，第一装置118通过导管流体连接至反应器。
在某些实施方案中，反应器(例如，电化学反应器)提供液体溶剂流(例如，酸和/或碱)。在一些实施方案中，装置(例如，容器)使物质(例如，本文所公开的任何物质，例如石灰石、白云石、石灰窑粉、水泥窑粉、灰分、和/或废料流)与液体流接触。例如，在一些实施方案中，酸和/或碱从反应器流向装置(例如，容器)(例如，容纳物质)。
在某些情况下，装置与一个或更多个另外的装置流体连接(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)。
根据某些实施方案，反应器与容纳第一物质(例如，本文所公开的任何物质，例如石灰石、白云石、石灰窑粉、水泥窑粉、灰分、和/或废料流)的装置流体连接。在某些实施方案中，液体溶剂流(例如，酸和/或碱)从反应器流向容纳第一物质的装置。根据一些实施方案，液体溶剂流(例如，酸和/或碱)从反应器流向容纳第一物质的装置并使第一物质溶解，如本文其他地方所讨论的。
在一些实施方案中，反应器与其中使第二物质(例如，本文所公开的任何物质，例如第一物质的组分、氧化钙、氢氧化钙、氢氧化镁、和/或氧化镁)沉淀的装置流体连接。在某些实施方案中，液体溶剂流(例如，酸和/或碱)从反应器流向其中使第二物质沉淀的装置。根据一些实施方案，酸和/或碱(例如，碱)从反应器流向其中使第二物质沉淀的装置并使第二物质沉淀，如本文其他地方所讨论的。
在某些实施方案中，反应器与其中使第三物质(例如，本文所公开的任何物质，例如第一物质的组分、氧化钙、氢氧化钙、氢氧化镁、和/或氧化镁)沉淀的装置流体连接。在某些实施方案中，液体溶剂流(例如，酸和/或碱)从反应器流向其中使第三物质沉淀的装置。根据一些实施方案，酸和/或碱(例如，碱)从反应器流向其中使第三物质沉淀的装置并使第三物质沉淀，如本文其他地方所讨论的。
如以上所讨论的，在某些实施方案中，装置可以用于一种或更多种功能。在某些实施方案中，本文所述的一个或更多个装置按其功能为相同的装置(例如，在一些情况下，容纳第一物质的装置、其中使第二物质沉淀的装置、和/或其中使第三物质沉淀的装置为相同的装置)。在一些实施方案中，本文所述的一个或更多个装置按其功能是不同的(例如，在一些情况下，容纳第一物质的装置、其中使第二物质沉淀的装置、和/或其中使第三物质沉淀的装置是不同的装置)。根据某些实施方案，装置中的一者或更多者可以与一个或更多个装置非流体不连接。根据一些实施方案，装置中的一者或更多者可以与一个或更多个装置流体连接(例如，在某些情况下，容纳第一物质的装置、其中使第二物质沉淀的装置、和/或其中使第三物质沉淀的装置是流体连接的)。
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)中移除酸和/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/或碱移动至单独的储存器中。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储存器(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储存器)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，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，在图3A中，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)附近的碱以及第二装置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储存器中之后，所述方法包括将酸和/或碱在单独的储存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(例如，在化学溶解中和/或在沉淀反应中)反应。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中和/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，反应器在第一模式下连续地运行。在某些情况下，反应器在第一模式下间歇地运行，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，当在第一模式下运行时，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，从而连续地进行反应(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，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来进行期望的化学反应。例如，根据某些实施方案，图4A至图4B示出了其中电解装置产生流向反应器的单独区域或流向单独的反应器的低pH溶液和高pH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装置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，所述方法包括在第二模式下运行反应器。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，在第一模式下运行反应器比在第二模式下运行反应器使用更多的电。例如，在某些实施方案中，在第一模式下运行反应器比在第二模式下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，在第一模式下运行反应器比在第二模式下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，在第二模式下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，在第二模式下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，在第二模式下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，在第二模式下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，当反应器在第一模式下运行时，从第一电极附近收集添加至反应器的碱并储存直至在第二模式下运行反应器。在某些实施方案中，在第二模式下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，在第二模式下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，在第二模式下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，在第二模式下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，在第二模式下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，在第二模式下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，当反应器在第一模式下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在第二模式下运行反应器。在某些实施方案中，在第二模式下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，在第二模式下运行反应器包括将添加的酸通过第一电极还原成氢气。
相比之下，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，在第二模式而不是第一模式下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/或电的可用度高时在第一模式下运行反应器然后当电的成本高和/或电的可用度低时在第二模式下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，如果电来自可再生来源，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)时在第一模式下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)时在第二模式下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在第一模式下运行反应器，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在第二模式下运行反应器，其中第二成本大于第一成本(例如，大至少10％、至少25％、至少50％、或100％)和/或第一可用度大于第二可用度(例如，大至少10％、至少25％、至少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装置运行或电可用度和/或高的电成本时期期间进行允许产生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装置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具有允许在减少的或低的电解装置运行或电可用度和/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生产化学反应产物的大小或体积。在一些实施方案中，系统包括可变电的来源、所述电解装置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根据更多可变的或间歇的电源产生变化较小的、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，所述方法包括在低电压模式下(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，在低电压模式下发生的电解反应可以为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，在低电压模式下发生的电解反应可以为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量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，所述方法包括在第一模式(例如，高电压模式，如图5A至图5B所示)下运行反应器；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为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，所述方法包括在第二模式(例如，低电压模式，如图6A至图6B所示)下运行反应器。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为在第二电极(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，可以在高电压模式和低电压模式下运行不同的反应器。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在高电压模式下或在低电压模式下运行。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，反应器可以在高电压模式下运行(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，反应器可以在低电压模式下运行(例如，在使用酸性溶液和碱性溶液产生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，系统通过在高电压模式下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，系统可以通过在低电压模式下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生产速率)。以固定的电压(1.2V，32kWh/kg H2)运行的1kW碱性或PEM电解装置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)时在高电压模式(2V，54kWh/kg H2)下运行以及当电的成本高于平均值时在低电压模式(0.4V，10kWh/kg H2)下运行的可变电压的电解装置的能量成本。在该实例中，两个电解装置以相同的速率产生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，可变电压的电解装置使用更少的昂贵的电(通过在低电压模式下运行)和更多的便宜的电(通过在高电压模式下运行)。在该实例中，固定电压的电解装置的平均能量成本为0.05美元/kWh，以及可变电压的电解装置的平均能量成本为0.04美元/kWh(少20％)。注意，根据一些实施方案，在可变电压的电解装置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，反应器有时可以在需要比高电压模式更低的电压的低电压模式下产生酸性溶液和碱性溶液。在低电压模式下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，反应器可以在高电压模式下运行(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，反应器可以在低电压模式下运行(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，系统可以通过在高电压模式下运行而使用更多的电，这产生酸、碱、H2和O2；当电昂贵时，系统可以通过在低电压模式下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，系统可以通过在电解模式下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气体和O2气体的形式)的化学能；当电昂贵时，系统可以通过在燃料电池模式下运行而使用更少的电，其中可以将储存的化学能(H2气体和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和碱的溶液的电成本。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/或入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移除。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)从反应器中移除。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与液体分离。
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，将从系统中排放的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，同时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一个或更多个可选择性透过离子的膜。在某些实施方案中，一个或更多个可选择性透过离子的膜包括两个可选择性透过离子的膜。在某些实施方案中，两个可选择性透过离子的膜彼此不同。
在一些实施方案中，一个或更多个可选择性透过离子的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)余者通过(或者允许某些金属离子比其他离子更快地通过)，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+可以扩散通过可选择性透过离子的膜进入分离室中，但是可能不能扩散通过可选择性透过离子的膜进入第二区域(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-离子可以扩散通过可选择性透过离子的膜进入分离室中，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，一个或更多个可选择性透过离子的膜可以防止固体(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，系统具有比使用常规热煅烧而不是电化学反应器的基本类似的系统更低的净碳排放(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。
某些方面涉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)内的液体中溶解和/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中加热之间存在步骤(例如，加热器)。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，在制造水泥之前，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存在后续步骤。例如，在某些实施方案中，在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从其中连续或定期地收集沉淀物的表面上。
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引起形成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，副产物用作用于窑的燃料。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对CaCO3进行煅烧，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的热脱水具有比CaCO3到CaO的热煅烧(97.0kJ/mol)低25％的最小能量需求(71.2kJ/mol)。
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被输送。根据一些实施方案，金属离子与阴极处产生的OH-离子的反应引起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移除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移除并收集，或者可以允许沉淀物沉积在这样的表面上：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移除。
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，使氢与氧在燃料电池中反应以产生电力。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脱碳并产生作为用于生产水泥例如波特兰水泥的前体的Ca(OH)2。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每摩尔输入物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，后者具有相对于97.0kJ/摩尔低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，其中将CaCO3转化为Ca(OH)2，其中标准自由能为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装置或加热高温窑。
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，还使用石灰和/或熟石灰作为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以在氰化物提取中使金、银和/或镍溶解。在锌的生产中，在某些情况下使用石灰作为还原剂。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/铝酸盐之间的反应引起形成硅酸钙/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，其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，从而引起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/胶体物质，降低硬度，调节pH，使影响水硬度的离子沉淀，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)，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，以用于生产钨铁和/或用于诸如激光器、荧光灯和/或示波器的物品的磷光体。
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/或石灰用于在通常称为苛化或再苛化的过程中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)中使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一个氯以形成三氯乙烯。
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/或纸行业。例如，在硫酸盐法制浆(Kraft process)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。
在一些实施方案中，本文中描述的方法和/或系统具有一个或更多个优点，例如增加的物质纯度、增加的物质丰度、减少的废弃物(例如，减少量的最终进入垃圾填埋场的物质)、和/或降低的成本(例如，通过将物质回收)。
在某些实施方案中，本文中描述的方法和/或系统可以用于制造耐火材料、加热元件、陶瓷、药品、抗酸剂、添加剂、抗结块剂、掺杂剂、颜料、肥料、和/或可以用于水处理。
在一些实施方案中，所述方法包括使包含不溶解的钙、不溶解的碳酸盐和至少一种另外的不溶解物质的初始固体暴露于酸中，使得至少一部分钙被溶解并且至少一部分另外的不溶解物质保持不溶解；并使溶解的钙暴露于碱中，使得至少一部分溶解的钙沉淀以形成包含钙并且包含比初始固体更少的另外的不溶解物质的沉淀的固体。在一些这样的实施方案中，酸和/或碱在反应器中产生。在一些这样的实施方案中，初始固体包括石灰石、石灰、白云石、灰分、和/或废料流。在一些这样的实施方案中，沉淀的固体包括氢氧化钙、氧化钙、氢氧化镁、和/或氧化镁。
在某些实施方案中，所述方法包括使包含不溶解的钙、不溶解的镁、不溶解的碳酸盐和至少一种另外的不溶解物质的初始固体暴露于酸中，使得至少一部分镁被溶解并且至少一部分不溶解的另外的物质保持不溶解；并使溶解的镁暴露于碱中，使得至少一部分溶解的镁沉淀以形成包含氢氧化镁和/或氧化镁并且包含比初始固体更少的另外的不溶解物质的沉淀的固体。在一些这样的实施方案中，酸和/或碱在反应器中产生。在一些这样的实施方案中，初始固体包括白云石。
根据一些实施方案，用于处理包含组分的物质(例如，石灰石、石灰、白云石、灰分、和/或废料流)的系统A包括：提供液体溶剂流的反应器(例如，电化学反应器、氯碱反应器、和/或非电解反应器(例如，酸燃烧器))；和用于使物质与液体溶剂流接触的容器。在系统A的一些实施方案中，液体溶剂流是酸性的。在系统A的某些实施方案中，液体溶剂流是碱性的。根据系统A的一些实施方案，所述组分选择性地从合并的物质和液体溶剂流中沉淀或被合并的物质和液体溶剂流溶解。
根据系统A的一些实施方案，反应器包括电化学反应器。在一些这样的实施方案中，电化学反应器包括在析出氧的阴极处产生酸性流和在析出氢的阳极处产生碱性流的中性水电解装置。在一些这样的实施方案中，电解装置被配置成引导酸性流以选择性地溶解物质(例如，灰分)中存在的金属盐(例如，钙盐)、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金，和/或被配置成引导碱性流以用于使碱土金属氢氧化物、过渡金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氧化物、单质金属、和/或熟石灰沉淀。
根据系统A的一些实施方案，反应器包括氯碱反应器和/或非电解反应器(例如，酸燃烧器)。在一些这样的实施方案中，反应器(例如，非电解反应器，例如酸燃烧器)被配置成引导酸性流以选择性地溶解物质(例如，灰分)中存在的金属盐(例如，钙盐)、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金，和/或被配置成引导碱性流以用于使碱土金属氢氧化物、过渡金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氧化物、单质金属、和/或熟石灰沉淀。
在某些实施方案中，用于处理包含组分的物质(例如，石灰石、石灰、白云石、灰分、和/或废料流)的方法B包括：产生液体溶剂流；使物质与液体溶剂流接触；以及从合并的物质和液体溶剂流中提取组分。在方法B的一些实施方案中，物质的组分选择性地被液体溶剂流溶解。在方法B的某些实施方案中，所述组分选择性地从合并的物质和液体溶剂流中沉淀。
实施例1
该实施例描述了由不纯的石灰石或石灰窑粉生产经纯化的熟石灰(Ca(OH)2)。
在室温下，在搅拌的容器中将天然石灰石溶解在pH为0的酸中。该酸可以商购或在反应器中产生。来自天然石灰石的许多杂质(例如，SiO2、Al2O3、Fe2O3和KMnO4)在该酸中不溶解并且通过过滤除去。然后使剩余液体以两种方式之一沉淀。
在第一种沉淀方法中，在搅拌(450rpm)下，使100mL的剩余液体以6.5mL/分钟的速率与0.2M NaOH(pH 13.3)在冰浴中(-1℃至5℃)中缓慢反应。其引起Ca(OH)2的大晶体的形成。
在第二种沉淀方法中，在搅拌(450pm)下，使100mL的剩余液体以100mL/分钟的速率与1M NaOH(pH 14)在热板(80℃)上快速反应。其引起Ca(OH)2的小晶体的形成。
图15A示出了天然石灰石、沉淀的Ca(OH)2和来自检测器的背景的X射线荧光光谱。图15B是天然石灰石、从天然石灰石中除去的杂质以及由天然石灰石获得的经纯化的熟石灰的图片。沉淀的Ca(OH)2比生产其的天然石灰石明显更白且更纯。
在对石灰窑粉使用相同的过程时，获得相同的结果。图16A示出了石灰窑粉、沉淀的Ca(OH)2和来自检测器的背景的X射线荧光光谱。图16B是石灰窑粉、从石灰窑粉中除去的杂质以及由天然石灰石获得的经纯化的熟石灰的图片。沉淀的Ca(OH)2比生产其的窑粉明显更白且更纯。
实施例2
该实施例描述了将石灰石和/或白云石电化学分离成其组分。
石灰石是主要由碳酸钙构成的丰富的沉积岩。常见的石灰石杂质包括硅酸盐、铝酸盐、铁氧体、钠盐和碳酸镁。虽然不纯的石灰石储量丰富且在地理上分散，但缺乏大储量的高钙石灰石。用于由石灰石生产石灰(CaO和Ca(OH)2)的石灰窑建造成本昂贵，因此与大储量的石灰石共定位(co-located)。因此，尽管几乎可以在任何地方找到石灰石的事实，但在具有差品质石灰石储量的地区，石灰更昂贵。该实施例描述了用于由不纯的输入物生产高纯度石灰的方法、装置、材料和系统。
白云石是与由碳酸钙镁例如CaMg(CO3)2(钙与镁的比率变化)构成的石灰石相关的岩石。与石灰石一样，将白云石在石灰窑中煅烧以生产白云石石灰。钙与镁比率不会因为煅烧而变化。该实施例描述了用于从白云石石灰中分离镁以生产Mg(OH)2或MgO的方法、装置、材料和系统，Mg(OH)2或MgO可以用于生产耐火材料、加热元件、陶瓷、药品、抗酸剂、添加剂、防结块剂、掺杂剂、颜料、肥料或用于水处理。
该实施例的一般方法利用电化学来产生液体溶剂流，其中石灰石或白云石的组分可以被选择性地溶解和/或沉淀用于回收或丢弃。在一个方面中，该实施例使用电解过程来生产酸和/或碱，所述酸和/或碱随后用于从石灰石、白云石或含钙/镁的岩石中溶解和提取有价值的元素和化合物。在一个实施方案中，酸和/或碱由电化学反应器产生。产生酸和/或碱的电化学反应器以及收集所述酸和/或碱用于化学溶解和/或沉淀的系统已经描述在2019年3月14日提交的美国专利申请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，2020年1月16日提交的美国临时专利申请第62/962,061号，以及2020年3月13日提交的国际专利申请第PCT/US2020/022672号和2020年1月16日提交的国际专利申请第PCT/US2020/01387号中，其全部通过引用整体并入。
因此，在某些实施方案中，电解反应器可以为电解装置、氯碱反应器、电渗析装置、或者产生至少酸或碱的其他这样的电化学反应器。在一些实施方案中，酸和/或碱由反应器作为水溶液产生，并且被收集用于使所述石灰石或白云石的组分溶解。在一些实施方案中，电化学反应器同时产生酸和碱。这样的反应器的实例为中性水电解装置。在另一些实施方案中，电化学反应器产生碱，和随后可以转化为酸的化合物。这样的反应器的实例为氯碱反应器，其在产生氯气的情况下同时产生NaOH碱。随后氯气可以在“酸燃烧器”中与水反应以产生盐酸。
作为用于从不纯的石灰石或白云石中回收高钙石灰并分离任何镁或其他杂质的方法的一个非限制性实例，制备包含由电化学反应器产生的酸的酸性溶液。还制备了包含由电化学反应器产生的碱的碱性溶液。酸性溶液被选择为具有这样的pH：在所述pH下钙和镁是至少微溶的。使石灰石或白云石与被选择为足以溶解至少期望分数的金属的一定体积的酸性溶液接触。石灰石或白云石中的某些杂质(例如，二氧化硅)将不溶于酸，并且这些杂质将被分离用于丢弃或用于其他用途。
然后使包含溶解的金属的溶液与被选择为高至足以使溶解的金属的某种金属氢氧化物沉淀的pH的碱性溶液接触。例如，将添加足够的碱以使镁离子从溶液中沉淀，而不是钙离子；氢氧化镁将被分离并单独收集。可以进一步增加包含剩余的溶解的金属的溶液的pH以使氢氧化钙沉淀，其可以与沉淀的氢氧化镁分开收集。所得氢氧化钙和氢氧化镁在高于使氢氧化物沉淀的pH下将不含不溶于酸的杂质和可溶于碱性溶液的杂质。
在一个具体实例中，按照L.D.Ellis,A.F.Badel,M.L.Chiang,R.J.-Y.Park,Y.-M.Chiang,“Towards Electrochemical Synthesis of Cement—An Electrolyzer-BasedProcess for Decarbonating CaCO3 While Producing Useful Gas Streams,”PNAS,2019年9月,201821673；DOI:10.1073/pnas.1821673116(其在此通过引用整体并入)中描述的方法，使用中性水电解装置来在析出氧的阴极处产生酸性流和在析出氢的阳极处产生碱性流。来自电解装置的酸性溶液用于选择性地溶解存在的至少某些钙盐。来自电解装置的碱性溶液用于纯化碱性流中的熟石灰(Ca(OH)2)，同时分离不溶性杂质。
在一些实施方案中，使用一系列pH不同的溶液根据来自石灰石、白云石、或含钙/镁的岩石中的元素或化合物各自的溶解度顺序地使其溶解。在另一些实施方案中，使用一系列pH不同的溶液根据元素或化合物的溶解度顺序地使其沉淀。作为一个非限制性实例，使一系列pH不同的酸性溶液与石灰石、白云石、或含钙/镁的岩石反应，每个pH用于选择性地溶解某种金属或某些金属。随后，使每种溶液与足够高pH的碱性溶液反应以使溶解的金属沉淀，从而选择性地从石灰石、白云石、或含钙/镁的岩石中提取浓缩形式的目标金属。可以选择性地使碳酸钙或碳酸镁或一些其他碳酸盐溶解的pH以及可以选择性地使氢氧化钙或氢氧化镁或一些其他金属氢氧化物沉淀的pH可以实验确定或者借助本领域技术人员可获得的溶解度数据来确定，包括但不限于甫尔拜图。
作为另一个非限制性实例，使用其中使用氯碱反应器和酸燃烧器产生HCl的1MHCl溶液来同时从石灰石、白云石、或含钙/镁的岩石中溶解多种金属。随后，使一系列pH不同的碱性溶液与酸性溶液反应以使不同的金属或金属盐顺序地沉淀。金属或金属盐沉淀的pH可以实验确定或借助于本领域技术人员可获得的文献来确定，包括但不限于甫尔拜图。
在一些实施方案中，使物质(例如，本文所公开的任何物质，例如第二物质、第三物质、金属盐(例如，溶解的元素的金属盐)、碱土金属氢氧化物(例如，氢氧化钙和/或氢氧化镁)、碱土金属氧化物(例如，氧化钙和/或氧化镁)、过渡金属氢氧化物、过渡金属氧化物、和/或单质金属)例如通过电解提取过程在所施加的电势的使用或帮助下沉淀(例如，选择性沉淀)。通过施加选择的电势或电势范围，可以进行这样的沉淀以使一种物质优先于其他(例如，来自固体(例如，本文所公开的任何固体)、灰分、和/或液体溶剂流)选择性地沉淀。用于确定将使物质沉淀的一个或多个电势的方法是电化学领域的技术人员已知的。在一个实施方案中，电势系统地改变以使一系列沉积产物顺序地沉淀。
在一些实施方案中，将溶液加热以增加溶解度或溶解速率。在一些实施方案中，使溶液冷却以降低溶解度，从而增强沉淀。
酸性溶液和/或碱性溶液可以由相同的电化学反应器，或者由单独的反应器产生。酸性溶液和/或碱性溶液在由所述一个或多个反应器产生之后可以被储存(例如在储槽中)供以后使用。
在一些实施方案中，一个或多个反应器使用间歇的可再生电运行。在一些实施方案中，一个或多个反应器产生直接用于溶解和/或沉淀过程的酸流和/或碱流。在另一些实施方案中，将由电化学反应器产生的酸流和/或碱流储存供以后使用。在一些实施方案中，在低成本的时候使用电来运行反应器并产生酸或碱，所述酸或碱被储存并在高电成本的时候用于运行化学溶解过程和沉淀过程。
在一些实施方案中，该实施例中描述的方法应用于其他岩石或废料流，包括但不限于污泥沉淀、来自冶金过程的炉渣、从地面或从水下来源开采的矿物、以及从月球或其他星球开采的矿物。
在一些实施方案中，该实施例中描述的方法帮助由不纯且石灰石不高的原料制造高钙石灰石。在一些实施方案中，该实施例中描述的方法将允许Mg(OH)2或MgO从白云石中分离。
实施例3
该实施例描述了用于回收燃烧灰分的方法和装置。
在整个美国，废物变能源(waste-to-energy，WTE)设施每年累计燃烧约3000万吨的固体废物并产生约14TWh的电能。鉴于燃烧的消费品的多样性，来自城市固体废物(MSW)燃烧的“底灰”富含元素资源。其他来源的飞灰，例如来自燃煤电厂的飞灰，也可能含有有价值的元素。迄今为止，从一般的底灰，特别是从MSW燃烧底灰中回收有价值的元素和化合物受到限制；大多数这样的灰分被填埋。
本文中描述了用于从为一般的燃烧过程的产物的灰分，特别是MSW或发电厂灰分中回收或提取有价值的组分的方法、装置、材料和系统。这样的回收或提取在具有或不具有另外的热效益的情况下使用可以通过电化学反应产生的酸性溶液、或碱性溶液、或二者。WTE设施中最广泛可获得的两种能量来源是由工厂本身的运行产生的电和热。然而，出于这样的回收或提取的目的，电可以由任何来源提供，包括电网电和间歇的可再生电。
用于从这样的灰分中回收或提取有价值的组分的一种技术使用电化学来生产液体溶剂流，其中底灰的组分可以在合适的容器中被选择性地溶解、或沉淀、或二者用于回收或丢弃。在一些实施方案中，使用电解过程来产生随后用于从这样的灰分中溶解和提取有价值的元素和化合物的酸、或碱、或二者。在一些实施方案中，酸、碱、或二者均由电化学反应器产生。产生酸、或碱、或二者的电化学反应器，以及收集酸、碱、或二者用于化学溶解或沉淀或二者的系统描述于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；以及2020年1月16日提交的美国临时专利申请第62/962,061号和2020年3月13日提交的国际专利申请第PCT/US2020/022672号中，其全部通过引用整体并入。
在一些实施方案中，电解反应器可以为电解装置、氯碱反应器、或者产生至少酸或碱的其他这样的电化学反应器。在一些实施方案中，酸、或碱、或二者均由反应器作为水溶液产生并被收集用于使灰分的组分溶解。在一些实施方案中，电化学反应器同时产生酸和碱。这样的反应器的实例为中性水电解装置。在一些实施方案中，电化学反应器产生碱和随后可以转化为酸的化合物。这样的反应器的实例为氯碱反应器，其在产生氯气的情况下同时产生NaOH碱。随后氯气可以在“酸燃烧器”中与水或氢反应以产生盐酸。
作为用于从燃烧灰分中回收金属组分的方法的一个非限制性实例，制备包含由电化学反应器产生的酸的酸性溶液。还制备了包含由电化学反应器产生的碱的碱性溶液。酸性溶液被选择为具有这样的pH：在所述pH下感兴趣的一种或多种金属至少是微溶的。在合适的容器中使灰分与选择为足以溶解至少期望分数的可溶性金属的一定体积的酸性溶液接触。然后使包含溶解的金属的酸性溶液与选择为高至足以使溶解的金属的金属氢氧化物沉淀的pH的碱性溶液接触。然后收集金属氢氧化物固体以分离感兴趣的金属，或者纯化该金属的燃烧灰分。
在一个更具体的非限制性实例中，使用中性水电解装置来在析出氧的阴极处产生酸性流，以及在析出氢的阳极处产生碱性流。在该实施例中，可以使用的方法由L.D.Ellis,A.F.Badel,M.L.Chiang,R.J.-Y.Park,Y.-M.Chiang,“Towards ElectrochemicalSynthesis of Cement—An Electrolyzer-Based Process for Decarbonating CaCO3While Producing Useful Gas Streams,”PNAS,2019年9月,201821673；DOI:10.1073/pnas.1821673116描述。来自电解装置的酸性溶液用于选择性地溶解灰分中存在的至少某些钙盐，例如CaCl2、Ca(OH)2或CaSO4。来自电解装置的碱性溶液用于纯化碱性流中的熟石灰(Ca(OH)2)，同时分离不溶性杂质。
在一些实施方案中，使用一系列pH不同的溶液来根据来自灰分的元素或化合物各自的溶解度顺序地将其溶解。在一些实施方案中，使用一系列pH不同的溶液来根据元素或化合物的溶解度顺序地使其沉淀。作为一个非限制性实例，使一系列pH不同的酸性溶液与燃烧灰分反应，每个pH用于选择性地溶解某种金属或某些金属。随后，使每种溶液与足够高pH的碱性溶液反应以使溶解的金属沉淀，从而选择性地从灰分中提取浓缩形式的目标金属。
作为另一个非限制性实例，使用其中HCl使用氯碱反应器和酸燃烧器产生的1MHCl溶液来同时溶解来自燃烧灰分的多种金属。随后，使一系列pH不同的碱性溶液与酸性溶液反应以使不同金属顺序地沉淀。
在一些实施方案中，将溶液加热以增加溶解度或溶解速率。在一些实施方案中，使溶液冷却以降低溶解度，从而增强沉淀。在一些实施方案中，用于加热溶液的热从产生灰分的燃烧过程中获得。
酸性溶液、或碱性溶液、或二者可以由相同的电化学反应器，或由单独的反应器产生。酸性溶液、或碱性溶液、或二者可以在由一个或多个反应器产生之后被储存(例如在储槽中)供以后使用。
在一些实施方案中，在发生期望的沉淀反应之后，将酸性溶液和碱性溶液混合在一起以产生返回至电解装置或反应器中的近中性pH溶液，在电解装置或反应器中使用所述近中性pH溶液作为电解质。作为一个非限制性实例，在使用氢氧化钠使钙从氯化钙溶液中沉淀之后，将所得氯化钠溶液返回至电解反应器，在电解反应器中氯化钠再次被分离成盐酸和氢氧化钠。
在一些实施方案中，一个或更多个反应器使用来自WTE工厂的电来运行。在一些实施方案中，一个或更多个反应器使用间歇的可再生电来运行。在一些实施方案中，反应器或多于一个反应器产生直接用于溶解过程或沉淀过程或两种过程的酸流、或碱流、或二者。在一些实施方案中，将由电化学反应器产生的酸流、或碱流、或两种流储存供以后使用。在一些实施方案中，在低成本的时候使用电来运行一个或更多个反应器并产生酸或碱或二者，将所述酸或碱或二者储存并且在高电成本的时候用于运行化学溶解过程和沉淀过程。
在一些实施方案中，电化学运行的溶解过程和沉淀过程用于还包括用于运行其他电过程(例如静电沉淀、或者机电或电磁分离、或其任何组合)的电的来源的系统中。
前述提供了用于有效分离和捕获来自底灰的化学组分的电化学法和热电化学法。在一些实施方案中，这些技术可以应用于除来自燃烧过程的灰分之外的其他废料流，包括但不限于污泥沉淀、来自冶金过程的炉渣、从地面或从水下来源开采的矿物、以及从月球或其他星球开采的矿物。
实施例4
该实施例描述了用于回收燃烧灰分的方法。
将城市固体废物(MSW)灰分样品研磨并通过1mm筛进行筛选，并使通过筛的部分经受进一步处理。将通过筛的灰分与1M HCl溶液以1kg灰分比10L酸的比率混合，并允许反应24小时。通过过滤将浸出液与灰分的不溶性部分分离。使用电感耦合等离子体(ICP)排放分析来分析浸出液中存在的元素以及每种的浓度(如果高于检测极限而存在的话)。然后如下用电解提取或沉淀进一步处理浸出液。
电解提取：
将灰分浸出液保持在50℃的温度下并持续搅拌。使用铂工作电极(WE)和对电极(CE)用于对灰分浸出液的样品进行电解提取，其中第三电极为Ag/AgCl参比电极。
将灰分浸出液的第一个样品保持在-0.25V的恒定电势下。在WE处回收Bi以及较少量的Cu。
将灰分浸出液的第二个样品保持在-0.50V的恒定电势下。WE处回收的主要元素为Bi、Cu、Cd和Pb。
将灰分浸出液的第三个样品保持在-0.75V的恒定电势下。WE处回收的主要元素为Bi、Cu、Cd、Pb和Ni。
在这些样品中还以较低的浓度回收以下金属：Ag、Co、Cr、Fe、Mn、Ni、Sr、Zn。在每次电解提取运行之后，将WE上的沉积物重新溶解在1M HCl中，并通过ICP进行分析。
这表明，通过溶解(例如，在酸中)和通过选择适当的电势进行电解提取，可以选择性或无选择性地从MSW灰分中回收金属元素。
沉淀：
通过滴加0.1M、1M或10M NaOH溶液，将起始灰分浸出溶液的样品滴定至期望的pH，其中碱性溶液浓度基于实验中期望的pH来选择。在沉淀之后，通过真空过滤从浸出液中收集沉淀物，其中经过滤的溶液用于后续的沉淀实验。将收集的沉淀物用去离子水冲洗，干燥，并作为干粉末使用扫描电子显微镜以及能量色散X射线分析(EDS)进行表征以用于元素组成，或者将沉淀物重新溶解在HCl溶液中用于ICP分析。
在一个特定顺序的沉淀实验中，通过将MSW灰分溶解在37％ HCl中并过滤以分离不溶性部分来制备灰分浸出液。将浸出液使用10M NaOH滴定至pH＝0，然后使用1M NaOH滴定至pH＝1。通过真空过滤将所形成的任何沉淀物从浸出液中分离用于分析。然后将剩余浸出液滴定至高一个pH单位(例如，pH＝2，然后pH＝3，等等)，并通过真空过滤除去沉淀物。重复该过程直至溶液达到pH＝14。
在以增加1个pH单位进行滴定时，在将pH增加到pH＝4、5、7、13和14时，发生明显的沉淀。在将pH增加到pH＝1、2、3、6、8、9、10、11和12时，没有发生明显的沉淀。在pH＝4下，通过EDS发现沉淀物中的金属主要为Al和Fe。在pH＝5下，通过EDS发现沉淀物中的金属也主要为Al和Fe。在pH＝7下，通过EDS发现沉淀物中的金属主要为Mg、Al、Cu、Zn、Fe和Ca，以及较少的Ni。在pH＝13下，通过EDS发现沉淀物中的主要金属为Ca和Mg。在pH＝14下，沉淀物中的主要金属为Na，以及较少的Ca和Si。
该实施例表明从MSW灰分中溶解的浸出液中顺序和选择性地沉淀金属盐。
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中使用的短语“和/或”应理解为意指如此连接的要素中的“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”、“持有”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 (62)

1.一种方法，包括：
在反应器中产生酸和/或碱；
使包含第一浓度的杂质的第一物质在第一溶液中溶解；以及
使包含第二浓度的所述杂质的第二物质在第二溶液中沉淀；
其中所述第一溶液和所述第二溶液中的至少一者包含所述酸和/或所述碱；以及
其中所述杂质的所述第二浓度低于所述杂质的所述第一浓度。
2.根据权利要求1所述的方法，其中以质量为基础，所述杂质的所述第二浓度相对于所述杂质的所述第一浓度低至少10％。
3.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一物质包括金属盐、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金。
4.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一物质包括石灰石、石灰、和/或白云石。
5.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第一物质包括废料流。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述废料流包括灰分、窑粉、污泥沉淀、来自冶金过程的渣、和/或金属矿石。
7.根据任一前述权利要求所述的方法，包括在所述反应器中产生酸。
8.根据权利要求7所述的方法，其中所述第一溶液包含所述酸。
9.根据任一前述权利要求所述的方法，包括在所述反应器中产生碱。
10.根据权利要求9所述的方法，其中所述第二溶液包含所述碱。
11.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第二物质包括碱土金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属氧化物、和/或单质金属。
12.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述第二物质包括氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、和/或氧化镁。
13.根据任一前述权利要求所述的方法，
还包括使包含第三浓度的所述杂质的第三物质在第三溶液中沉淀；
其中所述杂质的所述第三浓度低于所述杂质的所述第一浓度；
其中所述第一溶液具有第一pH，所述第二溶液具有第二pH，以及所述第三溶液具有第三pH；以及
其中所述第三pH高于所述第二pH。
14.根据权利要求13所述的方法，其中以质量为基础，所述杂质的所述第三浓度相对于所述杂质的所述第一浓度低至少10％。
15.根据权利要求13至14中任一项所述的方法，其中所述第三物质包括碱土金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氢氧化物、过渡金属氧化物、和/或单质金属。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的方法，其中所述第三物质包括氢氧化钙、氢氧化镁、氧化钙、和/或氧化镁。
17.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述反应器与容纳所述第一物质的装置流体连接。
18.根据权利要求17所述的方法，其中所述酸和/或所述碱从所述反应器流向容纳所述第一物质的所述装置。
19.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述反应器与其中使所述第二物质沉淀的装置流体连接。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述酸和/或所述碱从所述反应器流向其中使所述第二物质沉淀的所述装置。
21.根据任一前述权利要求所述的方法，其中所述反应器与其中使所述第三物质沉淀的装置流体连接。
22.根据权利要求21所述的方法，其中所述酸和/或所述碱从所述反应器流向其中使所述第三物质沉淀的所述装置。
23.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中容纳所述第一物质的所述装置、其中使所述第二物质沉淀的所述装置、和/或其中使所述第三物质沉淀的所述装置为相同的装置。
24.根据权利要求19至22中任一项所述的方法，其中容纳所述第一物质的所述装置、其中使所述第二物质沉淀的所述装置、和/或其中使所述第三物质沉淀的所述装置为不同的装置。
25.根据权利要求19至24中任一项所述的方法，其中容纳所述第一物质的所述装置、其中使所述第二物质沉淀的所述装置、和/或其中使所述第三物质沉淀的所述装置流体连接。
26.根据权利要求1至25中任一项所述的方法，其中使所述第二物质沉淀包括使用电解提取。
27.根据权利要求13至26中任一项所述的方法，其中使所述第三物质沉淀包括使用电解提取。
28.一种用于处理包含组分的灰分的系统，包括：
被配置成提供液体溶剂流的反应器；和
用于使所述灰分与所述液体溶剂流接触的容器。
29.根据权利要求28所述的系统，其中所述液体溶剂流是酸性的。
30.根据权利要求28所述的系统，其中所述液体溶剂流是碱性的。
31.根据权利要求28至30中任一项所述的系统，其中所述反应器包括电化学反应器。
32.根据权利要求31所述的系统，其中所述电化学反应器包括中性水电解装置，所述中性水电解装置被配置成在析出氧的阴极处产生酸性流以及在析出氢的阳极处产生碱性流。
33.根据权利要求32所述的系统，其中所述中性水电解装置被配置成引导所述酸性流以选择性地使所述灰分中存在的金属盐、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金溶解。
34.根据权利要求32至33中任一项所述的系统，其中所述中性水电解装置被配置成引导所述酸性流以选择性地使钙盐溶解。
35.根据权利要求31至34中任一项所述的系统，其中所述中性水电解装置被配置成引导所述碱性流以用于使碱土金属氢氧化物、过渡金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氧化物、单质金属、和/或熟石灰沉淀。
36.根据权利要求28至35中任一项所述的系统，其中所述反应器包括氯碱反应器和/或非电解反应器。
37.根据权利要求36所述的系统，其中所述反应器被配置成产生酸性流和碱性流，以及其中所述反应器被配置成引导所述酸性流以选择性地使所述灰分中存在的金属盐、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金溶解。
38.根据权利要求37所述的系统，其中所述反应器被配置成引导所述酸性流以选择性地使钙盐溶解。
39.根据权利要求37至38中任一项所述的系统，其中所述反应器被配置成引导所述碱性流以用于使碱土金属氢氧化物、过渡金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氧化物、单质金属、和/或熟石灰沉淀。
40.根据权利要求28至39中任一项所述的系统，其中所述系统被配置成使得使所述组分选择性地从合并的灰分和液体溶剂流中沉淀或溶解。
41.一种用于处理包含组分的灰分的方法，包括：
产生液体溶剂流；
使所述灰分与所述液体溶剂流接触；以及
从合并的灰分和液体溶剂流中提取所述组分。
42.根据权利要求41所述的方法，其中所述灰分的所述组分选择性地被所述液体溶剂流溶解。
43.根据权利要求41至42中任一项所述的方法，其中使所述组分选择性地从所述合并的灰分和液体溶剂流中沉淀。
44.根据权利要求41至43中任一项所述的方法，其中使用电解提取使所述组分选择性地从所述合并的灰分和液体溶剂流中沉淀。
45.一种用于处理包含碱土金属的固体的系统，包括：
被配置成提供液体溶剂流的反应器；和
用于使所述固体与所述液体溶剂流接触的容器。
46.根据权利要求45所述的系统，其中所述固体包括包含碱土金属的矿物、包含碱土金属的废料流、石灰石、石灰、和/或白云石。
47.根据权利要求45至46中任一项所述的系统，其中所述液体溶剂流是酸性的。
48.根据权利要求45至47中任一项所述的系统，其中所述反应器包括电化学反应器。
49.根据权利要求48所述的系统，其中所述电化学反应器包括中性水电解装置，所述中性水电解装置被配置成在析出氧的阴极处产生酸性流以及在析出氢的阳极处产生碱性流。
50.根据权利要求49所述的系统，其中所述电解装置被配置成引导所述酸性流以选择性地使所述固体中存在的金属盐、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金溶解。
51.根据权利要求49至50中任一项所述的系统，其中所述电解装置被配置成引导所述酸性流以选择性地使钙盐溶解。
52.根据权利要求49至51中任一项所述的系统，其中所述电解装置被配置成引导所述碱性流以用于使碱土金属氢氧化物、过渡金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氧化物、单质金属、和/或熟石灰沉淀。
53.根据权利要求45至52中任一项所述的系统，其中所述反应器包括氯碱反应器和/或非电解反应器。
54.根据权利要求53所述的系统，其中所述反应器被配置成产生酸性流和碱性流，以及所述反应器被配置成引导所述酸性流以选择性地使所述固体中存在的金属盐、金属氧化物、硅酸盐、和/或金属合金溶解。
55.根据权利要求54所述的系统，其中所述反应器被配置成引导所述酸性流以选择性地使钙盐溶解。
56.根据权利要求54至55中任一项所述的系统，其中所述反应器被配置成引导所述碱性流以用于使碱土金属氢氧化物、过渡金属氢氧化物、碱土金属氧化物、过渡金属氧化物、单质金属、和/或熟石灰沉淀。
57.根据权利要求45至56中任一项所述的系统，其中所述反应器被配置成选择性地从合并的固体和液体溶剂流中沉淀或溶解组分。
58.一种用于处理包含碱土金属的固体的方法，包括：
产生液体溶剂流；
使所述固体与所述液体溶剂流接触；以及
从合并的固体和液体溶剂流中提取组分。
59.根据权利要求58所述的方法，其中所述固体包括包含碱土金属的矿物、包含碱土金属的废料流、石灰石、石灰、和/或白云石。
60.根据权利要求58至59中任一项所述的方法，其中所述固体的组分选择性地被所述液体溶剂流溶解。
61.根据权利要求58至60中任一项所述的方法，其中使所述固体的组分和/或涉及所述固体的组分的化学反应的产物选择性地从所述合并的固体和液体溶剂流中沉淀。
62.根据权利要求58至61中任一项所述的方法，其中使用电解提取使所述固体的组分和/或涉及所述固体的组分的化学反应的产物选择性地从所述合并的固体和液体溶剂流中沉淀。
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