CN117546087A - 使用光活性化合物从海水和其他液体中去除碳 - Google Patents

Abstract

描述了从液体诸如海水和其他天然水体中去除碳的系统和方法。所述系统和方法利用光活性化合物来改变流体的pH值，从所述液体中抽取碳并将所述碳引导到次级环境中。所述碳可以被捕获和封存或用于形成产品。

Description

使用光活性化合物从海水和其他液体中去除碳

相关申请的交叉引用

本申请要求美国临时专利申请63/215,029(2021年6月25日提交)、美国临时专利申请63/265,515(2021年12月16日提交)和美国临时专利申请63/363,844(2022年4月29日提交)的优先权，这些美国临时专利申请的全部内容以引用方式整体并入本文。

技术领域

本公开提供了从含碳液体中去除碳的系统和方法。该碳可以是溶解的无机碳，并且该液体可以是含碳的水，诸如海水、远洋海水或河水。

背景技术

地球气候变化是全球问题。自1880年以来，地球温度每十年上升0.14°F(0.08℃)，并且自1981年以来，这种变暖速度每十年增加一倍多(0.32°F(0.18℃))。这种增加已经导致了极端气温、北极海冰融化、冰川融化、降雨量变化，并且其已导致动植物栖息地发生变化(Climate Change：Global Temperature.NOAA Climate.gov，2021[2021年6月18日访问])。

温室效应导致地球气候自然变暖，并且对地球上生命的存在至关重要。主要地，诸如二氧化碳(CO₂)、水蒸气(H₂O)、一氧化二氮(N₂O)、甲烷(CH₄)、臭氧(O₃)的温室气体和诸如氯氟烃(CFC)的人造化学品通过反射地球发出的红外辐射(热量)来吸收并重新辐射到达地球大气层的一部分太阳辐射。

二氧化碳是构成温室气体的主要组分之一。它是一种天然存在的化合物，作为气体存在于地球大气中并且作为溶解分子存在于地球海洋中。大气CO₂的来源多种多样，并且包括人类和其他在呼吸过程中产生CO₂的活体生物以及其他天然存在的来源，诸如火山、温泉和间歇泉。二氧化碳易溶于水中。取决于水体的pH，二氧化碳当溶解在水中时以若干种形式，诸如CO₂、碳酸(H₂CO₃)、碳酸氢根(HCO₃ ^-)和碳酸根(CO₃ ^2-)存在。CO₂溶解组分的总和构成了水中溶解的无机碳浓度(Dodds等人，Freshwater Ecology，2002)。

自1750年以来，人类(或人为)活动，诸如化石燃料(煤炭、石油和天然气)的燃烧以及农业和土地清理，已释放了估计2000Gt的CO₂(IPCC，2014：Climate Change 2014：Synthesis Report.Contribution of Working Groups I，H and III to the FifthAssessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change)。这些碳排放通过增加温室气体(诸如CO₂)的浓度破坏了地球气候的自然变暖过程，该温室气体的浓度已从1750年的280ppm的工业化前水平增加到今天的大于400ppm。这种增加导致了增强的温室效应，从而导致显著的全球变暖。(Department of Agriculture，Water，and the Environment.Environment.gov.au.2021[2021年6月18日访问])。

若干项国际协议以及工业界和相关公民主导的互补努力旨在减少大气中温室气体的含量，以尝试减缓全球变暖。满足这些雄心勃勃的碳减排目标将需要同时部署许多战略，包括减排、增加可再生能源生产的利用率以及使用碳去除技术(IPCC，2014：ClimateChange 2014：Synthesis Report.Contribution of Working Groups I，II and III tothe Fifth Assessment Report of the Intergovernmental Panel on ClimateChange)。碳去除的目的是从地球表面储库(如大气或表层海洋)中去除碳，然后捕获这种去除的碳，使该去除的碳不会导致全球变暖。特别地，从远洋海水中去除碳还有另外的益处。人类排放到大气中的大部分碳很快溶解到海洋中。这种额外的碳会在称为海洋酸化的过程中降低海水的pH。海洋酸化以多种方式负面地影响海洋生物。具有碳酸钙外壳或骨骼的生物，如牡蛎和珊瑚，对海洋酸化特别敏感。海洋酸化已对贝类产业造成重大破坏，并且预计会损害珊瑚礁，这将使全球旅游业的一个主要方面面临风险。

鉴于先前描述的动机，CO₂(例如，人为CO₂)的捕获非常重要。特别地，需要开发从液体如海水中去除碳并捕获去除的碳的技术。这种碳捕获对于减缓或扭转全球变暖和海洋酸化至关重要。

发明内容

提出了从液体中去除碳的系统和方法的几个实施方案。在某些实例中，去除的碳被转移到目标料流中并被捕获以供使用。

一组系统和方法利用位于含碳源液体与目标料流之间的工作流体内的光活性化合物(例如，光酸(photocacid))。工作流体内的光活性化合物可用于改变工作流体的pH，从源液体中抽取碳并将其引导至目标料流(例如，目标液体或气体)中。

另一组系统和方法利用光活性化合物来降低含碳源液体的pH，从而驱动碳从这种液体中排出。这些光活性化合物可以直接位于含碳源液体本身内，或者位于源液体料流内或位于与该液体接触的边界处；或者它们可以嵌入在接触源液体的材料中；或者光活性化合物可以是另一种辅助流体的一部分，该辅助流体经由离子渗透膜影响源液体的pH。

另一组系统和方法组合了先前描述的两种方法；利用光活性化合物来改变工作流体的pH，并且利用光活性化合物来降低源液体的pH。

另一组系统和方法与上述方法类似，但在使用光活性化合物来驱动碳的流动时增加了加热。

另一组系统和方法组合了先前描述的方法，利用源液体和/或工作流体的加热、冷却和pH变化来从源液体去除碳，并且任选地随后捕获去除的碳。

附图说明

图1A、图1B.(1A)从大气中去除CO₂的机理。如图1A所示，从表层海洋去除CO₂相当于直接空气捕获。首先，碳是从表层海洋的海水而不是大气中去除的。由于大气和表层海洋中的碳快速平衡(时间尺度为数月)，因此大气和表层海洋可以有效地视为单一储库。CO₂排放可能在任何地方发生。例如，CO₂排放可能来自大陆中部的送货卡车、来自飞行中的飞机、或来自海上的货船。在每种情况下，CO₂都会分散到整个大气中，并且海洋表现得像CO₂的海绵。当碳被从海洋中去除后，则海洋将在该碳的位置中从空气中吸收等量的CO₂。表层海洋与大气迅速平衡(时间尺度为3个至4个月；Jones，Daniel C.，Takamitsu Ito，Yohei Takano，and Wei-Ching Hsu.“Spatial and Seasonal Variability of the Air-SeaEquilibration Timescale of Carbon Dioxide.”Global Biogeochemical Cycles 28，第11期(2014年11月)：1163-78)。(1B)以体积计海水和大气中二氧化碳的量。如图1B所示，典型的海水含有99克碳/m³。海水自然地浓缩来自空气的CO₂。另一方面，CO₂在大气中是稀有的，其量为0.7克碳/m³。

所公开的基于海水的碳去除可以与其他竞争工艺(如直接空气捕获)进行比较。现有的直接空气捕获需要大型风扇场(fan farm)。此外，基于空气的工艺依赖于能源密集型工艺来从大气中去除碳。然而，每立方米空气中有不到一克的CO₂。因此，需要处理140万m³的空气才能去除一吨CO₂。此外，分离问题是困难的。因为对于从空气中捕获的每个二氧化碳分子，都会有多于2000个其他气体分子的阻碍。

所公开的直接海水捕获的优点包括以下：

海洋是一种“被动式风扇场(passive fan farm)”。泵送海水是一项成熟的技术。海水捕获可能与其他工业过程具有协同作用。大近岸封存能力是可得的。

海水自然地浓缩来自大气的碳。一立方米的典型海水中的碳含量是一立方米空气中的碳含量的大于140倍，这意味着依赖于海水的碳捕获设施必须泵送更少的体积。此外，大规模泵送海水是一项成熟的技术。因此，代替大型风扇场-整个表层海洋可以用作被动式天然风扇场。关于其他溶解气体的分离问题在海水中也更有利。溶解的碳不是微量组分，而是比海水中所有其他溶解的气体丰富得多。这种海水中的碳富集从根本上改变了能量学和规模碳捕获能力的关键方面。

海岸附近-大陆架上有充足的封存能力。因此，对于最终用户来说，海岸处的碳去除是方便地定位的。此外，许多发电厂和海水淡化设施已经泵送可与所述工艺共定位的海水。可能还有甚至更深的方式来将碳去除工艺与这些工艺整合。至少，这些设施数十年的大规模运行表明，泵送大体积的海水是一项经过验证的技术。

图2A、图2B.(2A)用于碳去除和捕获的工艺。如图2A中所描绘的实施方案中所示，输入是天然海水和光，输出是去除了碳的海水和二氧化碳。该工艺的开发目的是从环境中去除碳，以减少对气候变化的影响，满足快速增长的碳去除市场的需求，并加速全球向净零碳经济的过渡。在实施方式中，可以出售碳去除额度-这是公司和政府实现其雄心勃勃的气候目标所必需的。还原为其最简单的形式，所述工艺被设计为以海水作为输入并产生二氧化碳以供后续封存或利用。所述工艺期间光触发的化学反应是一种新方法，该新方法可以显著降低直接碳去除的成本。(2B)酸化海水以释放CO₂的过程。如图2B所示，海水中的大多数碳以质子化和水合形式存在。通过酸化海水，质子化和水合形式的碳可以转换成被动跨气体接触器膜扩散的CO₂。本文所述的创新使用光活性化合物(例如，光活化的可逆光酸)来使酸化步骤低能量且可扩展。在这个实例中，CO₂去除效率可以大于80％。这种工艺不依赖于吸附剂或溶剂，因此其使用是任选的并且可以被包括或排除。存在CO₂的立即且可验证的去除。图中所示的海水也可以代表其他含碳液体，诸如本文别处描述的那些，以及其他形式的人造光。

图3示出了使用由光触发的可逆光酸来酸化海水的实例性工艺。如图3所示，这项技术利用可逆光酸来酸化海水。在暴露于光线(诸如波长为450nm的蓝光)下时，这些分子(光酸)呈现出一种构象，该构象使其酸性更强，从而使它们释放出质子，然后使用该等质子来酸化海水。光酸的弛豫在黑暗中在几秒到几分钟内自发发生，在此之后它们可以被光重新活化以再次释放质子。此图示出了特定类别的可逆光酸，但是可以使用光酸的其他实例，如本申请中所描述的。

图4示出了从表层海水去除和捕获碳的实例性工艺。在我们工艺的核心处的化学循环的第一步骤期间，来自太阳或人造光源的可见光激发可逆光酸释放质子。这些质子使海水酸化，降低海水的pH，并将溶解的碳转化为CO₂气体。这种CO₂气体通过跨气体接触器膜的快速、被动扩散而被从海水中去除。由此产生的CO₂可按原样使用或加压并纯化至不同市场所需的水平，诸如封存或在肥料、塑料、水泥、甲醇或生物燃料的生产中。通过与泵送和废弃大量海水的设施(诸如发电厂和海水淡化厂)共定位，或利用潮汐或河流提供必要的压力水头，可以进一步减少与泵送水相关联的能量和成本支出，并且废物料流可以转换成绿色收入料流。与此同时，光酸从光处被泵入黑暗中，在黑暗处光酸会自发地弛豫回其更碱性的形式。当使用废海水来再生现在的碱性光酸时，循环完成。返回到海洋的缺碳海水具有抵消海洋酸化的增加益处。DIC代表溶解的无机碳(其由H₂CO₃、CO₂(水溶液)、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-组成)。

图5：示出了CO₂从液体源料流(本文中也称为含碳液体)扩散到工作流体中以到达目标料流(例如，液体或气体)。

图6：示出了用于将CO₂从处于较高pH状态的一个工作流体样品跨膜扩散到处于较低pH状态的另一工作流体样品以浓缩CO₂的多阶段工艺。

图7：示出了通过降低含碳液体源料流的pH以增加二氧化碳的分压并使用嵌入在含碳液体所经过的珠粒内或固体表面上的光酸将一些或全部无机碳转换成CO₂，来从含碳液体源料流中去除无机碳。

图8：示出了通过嵌入在珠粒或颗粒中的光酸对含碳液体(液体源料流)进行酸化，所述光酸通过照射刺激至酸性状态(顶部图中的A)以通过将部分或全部溶解的无机碳转换成CO₂并将该CO₂转移至目标料流来增加二氧化碳的分压。在没有照射的情况下，光酸返回至碱性状态(顶部图中的B)，从而液体源料流的pH变得增大。液体源料流的流动方向可以反转，使得再生的光酸在照射所述光酸时可用于酸化液体源料流(底部小图中的B)，与此同时先前受刺激的光酸在黑暗中再生并返回至其更碱性的状态(底部小图中的A)。

图9：示出了嵌入在透气膜的含碳液体(液体源料流)侧上的光酸。

图10：示出了一种工艺，通过所述工艺，附着至透气膜的含碳液体(液体源料流)的光酸可以增强从含碳液体中去除碳以及随后由目标料流吸收碳。在该图中，“HP”表示质子化的光酸并且“-P”表示去质子化的光酸。(a)膜的含碳液体源侧上的流体含有溶解的无机碳，主要是作为离子，如碳酸氢根，所述离子无法跨透气膜扩散。(b)对光酸的照射会降低含碳液体源侧边界层和/或含碳液体源侧上的膜附近的区域内的pH。(c)这个区域中的低pH会导致碳酸氢根和/或碳酸根离子与质子结合，这会导致形成CO₂分子。(d)CO₂跨膜扩散，其在所述膜处被迅速从膜区域运输走。(e)去除照射并且光酸再生，从而产生碱性溶液，所述碱性溶液通过含碳液体源流体的流动平流输送掉。(f)含碳液体源流体的流动取代了膜的源侧上溶解的无机碳离子，并且所述工艺准备好再次开始。虚线箭头表示流体或气体流动的作用。尽管箭头仅包含在某些子图中以突出显示此流的影响，但所述流可以是连续的。流体和气体流动的方向也可能与此处所示的箭头不同，重要的是通过此流动运输材料。

图11：示出了辅助流体内所包含的光酸通过一个或多个离子交换膜与含碳液体源料流分离，使得由这种光酸生成的质子用于酸化含碳源流体并将一些或全部溶解的无机碳物质转换成CO₂。这种辅助流体的再生可以使用CO₂去除后的源流体来进行，或者可以使用其他流体(如天然海水或天然河水)来完成再生。

图12：示出了如何串联使用以下两种工艺来最大化从源料流到目标料流的碳转移效率：(1)用光酸酸化含碳源料流以提高二氧化碳分压，和(2)经由含有光酸的工作流体将二氧化碳转移至目标料流。

图13示出了使用吹扫气体(sweep gas)、海水和光酸进行碳捕获的实例性工艺。在图13中，进入海水(SW In)可由来自海水淡化厂或热电厂的废水提供；由海流或潮汐提供。36,000m³SW/天的SWIn流量可产生1千吨的CO₂/年；36,000,000m³SW/天的SWIn流量可产生1百万吨的CO₂/年。在此估算所需的海水量；确切的量受CO₂去除效率的影响。相比之下，由加利福尼亚州魔鬼谷核电站(Diablo Canyon Nuclear Power Plant)每天泵送和废弃的海水量为800万m³/天，并且由沙特阿拉伯朱拜勒(Jubail，Saudi Arabia)的海水冷却设施每天泵送的海水量为30,000,000m³/天。如图13所示，所述工艺可包括光酸回路(由实线表示)、水流路径(由虚线表示)、和气流路径(由点线表示)。

光酸回路可包括以下操作。光酸(PA)在光反应器中转换成酸性状态。质子通过阳离子交换膜转移到海水中。光酸在暗储库中经受热弛豫至基态。基态(碱性形式/高pH)的再生是通过来自海水的阳离子交换进行的。然后，可以重复该循环。

水流路径可以包括以下操作。海水被泵送通过阳离子交换膜，在所述阳离子交换膜处所述海水被活化的PA酸化。溶解的碳转换成CO₂。CO₂由气体接触器膜汽提出。pH较高的海水将质子转移回基态PA，从而使基态PA再生用于下一个循环。海水流出降低了受纳水体的海洋酸度(即，提高pH)，从而在区域上对抗海洋酸化。

气流路径可以包括以下操作。吹扫气体被泵送通过气体接触器膜，在所述气体接触器膜处添加来自酸化海水的CO₂。CO₂产物经压缩以运输至封存或利用地点。或者，不能仅用施加至气体接触器的真空来使用吹扫气体。

图14示出了使用海水、光酸和吹扫气体进行碳捕获的实例性工艺。如图14所示，所述工艺可包括光酸回路(由实线表示)、水流路径(由虚线表示)、气流路径(由点线表示)、和阳光照射(闪电符号)。在图14中，关于气体的参数可包括：捕获1千吨CO₂/年的设计能力。关于海水源的参数可以包括：盐度＝35；温度＝30℃；碱度＝2250uequiv/kg；总溶解无机碳(DIC)＝2000umol/kg，并且输入流量是36,000m³海水/天。当海水离开该工艺时，有关所述海水的参数可包括：总溶解无机碳(DIC)＝1000umol/kg。关于光酸回路的参数可包括：等同于6kWhr m^-2阳光/天的年平均阳光照度和(圣地亚哥)的峰值照度；17％的入射阳光被多种光酸吸收；光酸的量子产率为0.7(8.8摩尔生成的酸m^-2天^-1；总阳光收集面积是约2个美式足球场或约10,000m²)；峰值光下通过每个1m²面板的流量＝5LPM；光学深度＝5mm；含光酸的辅助溶液的最大流体速度＝2cm/sec；含光酸的辅助溶液的总流量＝40m³/min；含光酸的辅助溶液的总体积＝122m³；设施在操作期间所需的光酸的总摩尔数＝600摩尔。关于光酸的参数可以包括：pK_a-暗＝8.3；pK_a-光＝5.0；溶解度基态质子化形式＝3mM；总溶解光酸的浓度＝5mM。

光酸回路可包括以下操作。PA在光反应器中转换至酸性状态。质子通过阳离子交换膜转移到海水中。光酸在暗储库中经受热弛豫至基态。基态弛豫光酸的再生是通过从以下两种海水来源的质子交换进行的：离开气体接触器后无机碳减少的酸化海水和天然海水。然后，可以重复该循环。

水流路径可以包括以下操作。海水被泵送通过阳离子交换膜，在所述阳离子交换膜处所述海水被活化的PA酸化。溶解的碳转换成CO₂。CO₂由气体接触器膜汽提出。pH较高的海水将质子转移回基态PA，从而使基态PA再生用于下一个循环。海水流出降低了受纳水体的海洋酸度(即，提高pH)，从而在区域上对抗OA。该系统与现有海水泵送共定位可以节省能源和成本。

气流路径可以包括以下操作。吹扫气体被泵送通过气体接触器膜，在所述气体接触器膜处添加来自酸化海水的CO₂。具有高CO₂纯度的气体产物经压缩以运输至封存或利用地点。

图15.光化学碳捕获堆叠。所述系统的一种配置具有用膜堆叠和腔室实现的紧凑形状因数，从而使得能够进行模块化批量生产。类似的形状因数用于燃料电池和膜海水淡化。如图15所示，光化学碳捕获堆叠包括光酸激发室、第一阳离子交换膜(例如，Nafion)、酸化室、气体接触器膜、气体路径室、支撑件、海水离开室、第二阳离子交换膜(例如，Nafion)、和光酸再生室。

这种系统可以具有与混合热电太阳能收集器类似的形状因数。事实上，存在这样的用例，在所述用例中阳光可用于所述工艺，并且太阳光谱的其他部分也可用于太阳能光伏(PV)发电。

图16示出了用于从含碳液体中去除碳的实例性系统1600。所述系统包括第一管道1602、第二管道1604、第n管道1606、刺激器1608、流动装置1610、一个或多个膜1612、热源1614、和计算系统1616。第一管道1602、第二管道1604和第n管道1606被配置用于运载含碳液体、辅助流体、和/或目标料流。刺激器1608被配置用于活化光活性化合物。刺激器可以包括光源。流动装置1610被配置用于驱动含碳液体流动。膜1612被配置用于使得碳能够从一种环境转移到另一种环境。热源1614被配置用于加热含碳液体。计算系统1616包括处理器1618、通信部件1620、输入/输出(I/O)部件1622、和存储器1624。存储器1624可以是存储计算机可执行指令的计算机可读介质。存储器可以包括以下部件：暴露部件1626被配置用于将第一管道中的含碳液体暴露于光活性化合物，从而降低含碳液体的pH。在一些实例中，当辅助流体处于较高pH状态时，暴露部件1626可以将含碳液体暴露于膜1612达足以允许从含碳液体中去除碳至辅助流体的时间段。碳去除部件1628被配置用于将碳从含碳液体去除到次级环境中。流动部件1630被配置用于使用流动装置1610引导含碳液体的流动。活化部件1632被配置用于使用刺激器1608活化光活性化合物。去活化部件1634被配置用于通过去除光活性化合物对刺激器1608的暴露来对光活性化合物进行去活化。碳捕获部件1636被配置用于捕获所去除的碳。在光活性化合物去活化后，进行对所去除的碳的捕获。加热部件被配置用于用加热源1614加热含碳液体。在一些情况下，系统1600可以经由网络1642与远程计算设备1640通信。

图17：海水和阳光可用作低能耗方法的一部分来生产CO₂以供后续利用或封存。这种碳捕获工艺利用了海水中高浓度的溶解碳(DIC)。这种DIC通过光活化的光酸转换成CO₂，然后跨气体接触器膜扩散。CO₂产物可按原样使用或加压并纯化至不同市场所需的水平，诸如封存或在肥料、塑料、水泥、甲醇或生物燃料的生产中。通过与泵送和废弃大量海水的设施(诸如发电厂和海水淡化厂)共定位，或利用潮汐或河流提供必要的压力水头，可以进一步减少与泵送水相关联的能量和成本支出，并且废物料流可以转换成绿色收入料流。

图18：光酸循环。光触发反应可以将碱度从进入的海水转移到流出的海水中。在此期间，海水暂时被酸化，这导致海水释放CO₂。这个图表示出了光酸在所公开的工艺中循环时所述光酸的pH，所述工艺是使用最近报道的pK_a-暗＝7.33的光酸的特性建模的(Wimberger等人，Basic-to-acidic reversible pH switching with a merocyaninephotoacid.Chemical Communications，2022，58(37)，5610-5613)。所述模型(根据已发表的光酸报告进行了验证)表明现有的光酸(如这种光酸)可以用作碳去除循环的一部分。这种循环的形状和位置可以被优化，并且受到最初添加到光酸溶液中的强碱或酸的量的影响。在这个实例中，绘制成曲线的pH是含光酸的辅助流体的pH。

图19：所公开的系统从海水或其他天然或工业废水料流中捕获CO₂的示例性完整过程图。

图20：示例性模块化碳收集器，示出了溶液层、气体层、离子交换膜层和气体接触器膜层。尺寸和流体流量是针对表面积为1m²的模块化碳收集器指示的。

图21：示例性公开的碳捕获系统，在所述碳捕获系统中在如图20所示的一系列单独碳收集器内从源水中去除CO₂。(左上)酸化的海水被转移到集中气体转移设施，在所述集中气体转移设施处碳被去除。(右上和底部)用于循环光酸以减少所需泵的数量的技术的示意图。

图22：并入太阳能光伏(PV)电池的碳收集器的实施方式，所述电池可以用活化可逆光酸(RPA)不需要的＞80％的入射阳光发电。这种配置与用于同时发电和加热水的市售混合太阳能光伏-太阳能热(PVT)面板不同，但类似。图22的左小图示出了混合碳收集器+光伏发电系统的能量平衡。阳光活化光酸并加热透明覆盖层下方的层中的水。穿过水+光酸的光会影响水下的PV面板。生成的热量用于提高含碳流体的温度，从而提高其pCO₂。这种系统的模块化设计的实例性形状因数类似于市售PVT面板，如图22的右小图所示。图22(续)中示出了示出流体层和流动路径以及膜和PV层的示意图。

图23：碳通量与真空(x轴)、海水流量(子图)和海水温度(灰色阴影)的关系。这些实验结果来自使用pCO₂为800ppm的轻度酸化水的实验。

图24：部花青光酸水解的降解产物(如可用于我们的工艺中的那些)可以是合成这些光酸的最后步骤的反应物。这可以允许在我们的工艺中多次使用光酸溶液后从光酸溶液中回收水解产物，并反应以形成新的光酸，从而节省生产我们的光酸的成本。改编自Berton等人，(2020)Chem.Sci.11(32)：8457-8468。

图25.典型海水中溶解的无机碳物质的相对丰度示出为pH的函数。粗黑线指示溶解的CO₂ ^*水溶液的相对丰度。当海水pH高于碳酸的pKa(海水中的pKa为6，但取决于温度压力和其他溶液性质)时，这种物质成为溶解无机碳的次要组分。高于这种pH水平时，其他种类的溶解无机碳HCO₃ ^-(灰色虚线)和CO₃ ^2-(灰色点线)变得更加丰富。

具体实施方式

所公开的系统和方法从含碳液体中去除溶解的无机碳，从而将这种碳从源料流去除到次级环境中。次级环境可以是被称为目标料流的另一种液体或气体，其中去除导致转移到目标料流中。水中溶解的无机碳浓度或溶解的二氧化碳可以具有多种形式，具体取决于水体的pH，诸如CO₂、碳酸(H₂CO₃)、碳酸氢根(HCO₃ ^-)和碳酸根(CO₃ ^2-)。CO₂溶解组分的总和构成了水中溶解的无机碳浓度(Dodds等人，Freshwater Ecology，2002)。

在所述工艺的一种版本中(图5的左半部分)，首先通过膜将CO₂从源料流中去除到工作流体中。工作流体包含一种或多种光活性化合物。所述工艺可以与例如可逆光酸或亚稳态光酸一起使用。在某些实例中，光活性化合物用于由于光刺激而使工作流体的pH在较高pH状态与较低pH状态之间转变。

作为设想工艺的一部分(图5)，当工作流体处于较高pH状态时，CO₂从源料流扩散到工作流体中。在允许从源料流中去除CO₂的一段时间之后，通过密封或以其他方式使膜或气体接触器不可渗透和/或通过将工作料流与膜分离，将工作流体与源料流在功能上分离。充分CO₂去除所需的时间量由众所周知的化学原理管控。这种持续时间与膜的扩散率、源料流流动的流量、工作流体流动的流量、膜的壳和芯部分的体积、源料流的温度、以及无机碳物质跨膜的浓度梯度有关。在一个实例中，分离是通过泵送工作流体作为连续流动系统的一部分来实现的。当不与膜接触时，工作流体与其他流体或气体隔离以限制碳交换。也可以使用其他功能分离方法。

然后，通过用光刺激光活性化合物，工作流体可以转变至较低pH状态。对于其中更稳定的形式是酸性的其他类型的光活性化合物，这种转变是通过在没有刺激的情况下随着时间推移酸自发回复到较低pH状态而发生的。至较低pH的转变导致工作流体内的碳酸浓度和二氧化碳分压增大。在这种较低pH状态下，工作流体经由膜或气体接触器与目标料流相互作用。由较高浓度的碳酸和较高二氧化碳分压驱动，无机碳跨膜或气体接触器扩散到目标料流中。在经过一段时间以使碳转移到目标料流后，工作流体与目标料流在功能上分离。这可以通过密封或以其他方式使膜或气体接触器不可渗透和/或通过将工作料流与膜或气体接触器分离来实现。从而将其与目标料流的相互作用分开。充分碳转移所需的时间量由众所周知的化学原理管控。这种持续时间与膜的扩散率、目标料流流动的流量、目标料流的温度、工作流体流动的流量、膜的壳和芯部分的体积、以及跨膜的二氧化碳分压梯度有关。

然后，在没有刺激的情况下，或者对于更稳定的形式是酸性的其他类型的光活性化合物通过光刺激，通过光活性化合物随时间推移自发回复到较高pH状态，工作流体返回到较高pH状态。至较高pH的转变导致工作流体内的碳酸浓度和二氧化碳分压减小。再次使再生的工作流体经由膜或气体接触器与源料流进行化学相互作用。碳扩散到工作流体中，并且重复所述工艺。

在上述单阶段工艺中，相同的工作流体样品与源料流和目标料流相互作用。(图6)中设想了多阶段工艺。对于每个阶段，CO₂跨膜从处于较高pH状态的一个工作流体样品转移到处于较低pH状态的另一工作流体样品。如上所述，每个工作流体样品在较低pH值与较高pH值之间循环。多个阶段的使用可以提高最终目标料流中无机碳的浓度，以满足广泛应用的需求。

在所述工艺的另一版本中(图7)，源料流经酸化以将所有或一些溶解的无机碳物质转换成CO₂，然后将其从源料流中去除。所述工艺的这种版本的许多实施方案将直接从源料流中去除CO₂并可能通过膜将其转移到目标料流(例如，目标液体或气体)中。作为这种工艺的一部分，源流体通过光活性化合物的作用转变至较低pH状态，这导致所有或一些溶解的无机碳物质(H₂CO₃、HCO₃ ^-、CO₃ ^2-)转换成CO₂，其可以从源料流中去除并可能通过膜或气体接触器转移到目标流体中。例如，所述工艺可以与直接添加到源料流中的可逆光酸或亚稳态光酸一起使用。此类工艺可以以小规模(例如，mL至L)使用，诸如在溶解的无机碳浓度和同位素组成的实验室分析中，或者以大规模使用以从海水或其他含碳流体中提取CO₂。

在某些实例(图7至图10和图12)中，光活性化合物直接位于含碳源料流本身内(例如，Chandra，A.等人(2021).″Highly Sensitive Fluorescent pH Microsensors Basedon the Ratiometric Dye Pyranine Immobilized on Silica Microparticles.″Chemistry-A European Journal27(53)：13318-13324)；附着至与含碳源料流接触的边界；嵌入在接触含碳源料流的材料内；在辅助流体内；或这些方法的组合。用光刺激光活性化合物会导致光活性化合物变得更加酸性，只要受刺激形式的光活性化合物的pKa与源流体的初始pH相比较低，这就会使源液体的pH转变得更低。对于其中被照射形式更碱性的其他类型的光活性化合物，这种转变是通过光活性化合物在没有刺激的情况下随着时间推移自发回复到更酸性的状态而发生的。源流体至较低pH的转变导致源流体内的碳酸浓度增大并且二氧化碳分压增大。在这种较低pH状态下，源流体与目标料流相互作用，使得二氧化碳可以扩散，可能经由膜或气体接触器扩散。当直接从源液体去除碳并将其转移到目标气体料流时，不使用膜或气体接触器的碳交换也是一种选项。酸化的源流体与目标料流之间进行充分碳转移所需的时间量由众所周知的化学原理管控。这种持续时间与膜的扩散率、源料流流动的流量、目标料流流动的流量、膜的性质(如果使用膜的话)、工艺料流的温度、以及料流之间的无机碳物质浓度梯度有关。

在经过一段时间以使光活性化合物酸化源料流后，这种光活性化合物在功能上与所述工艺的发生二氧化碳交换的部分分离。这可以例如通过物理去除或更换含有光活性化合物的组分和/或通过密封或以其他方式使膜或气体接触器不可渗透和/或通过改变源料流的流动以使所述源料流不再与碳转移工艺的上游的光活性化合物相互作用，或这些工艺的组合来完成。光活性化合物的酸化源料流的能力由众所周知的化学原理管控。这种能力主要与光活性化合物的量、当暴露于刺激和源流体时转换成更酸性的状态的光活性化合物的部分、以及源料流的流量有关。维持功能分离，直到光活性化合物返回到更碱性的状态，即该工艺中的被称为“再生”的步骤。在本文中，“弛豫”或“去活化”是指光酸本身在没有光的情况下自发地恢复至酸性更低的形式，而“再生”是指光酸弛豫之后是质子扩散到光酸溶液中的组合，使得所述工艺可以作为连续循环起作用。当光活性化合物被去除刺激，返回到更碱性的状态并暴露于pH相对于这种更碱性状态的pKa更低的液体时，就会发生再生。再生后，光活性化合物再次功能性地返回到所述工艺的发生二氧化碳交换的部分。重复整个循环以去除附加碳。

存在许多允许使用光活性化合物酸化源水，然后将光活性化合物从发生碳转移的位置分离，以及再生光活性化合物的布置。在一个实例中(图8)，当源流体被泵送经过一批被照射并且位于膜或气体接触设备上游的光活性化合物时，源流体酸化步骤作为经过系统的流的一部分实现。所述批次可以由附着至基材的光酸组成。这个批次被表示为批次A。流过批次A的源流体被酸化并随后通过膜或气体接触设备将碳转移至目标料流(图8顶部)。在源流体转移碳后，然后使所述源流体经过处于非受激状态下的一批光活性化合物。这个批次被表示为批次B。离开碳交换区域的源流体然后再生批次B的光活性化合物。在已达到批次A酸化源水的能力并且批次B已经再生之后，反转源流体的方向，停止对批次A的刺激，并且刺激批次B(图8底部)。在这个新流动方向上，批次B酸化源流体，并且批次A再生。所述工艺在这两种配置之间来回切换，以允许从源流体至目标料流的近乎连续的碳转移。在另一种配置中，使源水流过在不同时间被照射或再生的不同批次的光活性化合物，而不反转源流体的流动。在另一种配置中，使用来自所述工艺的不同步骤的源流体来再生光活性化合物。在另一种配置中，使用不是源流体的流体来再生光活性化合物。

在另一种配置中，光活性化合物(光酸)附着至膜的源流体侧或嵌入在所述膜内(图9和图10)。在某些实例中，将光活性化合物添加到CO₂可渗透的膜材料(诸如聚丙烯腈)中可以经由超声处理来完成。当照射膜的源流体侧时，光酸被活化至其低pH状态，由此所述光酸驱动从源流体中的碳酸氢根和碳酸根离子产生碳酸和二氧化碳，从而提高膜边界处的二氧化碳分压和源料流与目标料流之间的二氧化碳梯度。在一种布置中，嵌入在膜内或结合至膜的受激光酸可以通过在没有照射的情况下使源料流水流动来再生。在另一种布置中，只要跨膜去除CO₂的时间尺度比光酸从受激状态弛豫的时间尺度更快，快速再生的光酸就可以保持在连续照射下。

在另一种配置中，光酸可以被包含在辅助溶液中，所述辅助溶液是通过一个或多个允许质子扩散到源料流中的离子交换膜与源料流分离的，如图11所描绘。在这种配置中，辅助溶液经照射以将光酸转变至更酸性的状态，这会生成质子，然后这些质子被运输到源流体，例如通过扩散通过膜。在质子扩散期间将维持电荷平衡的几种配置的一个实例是这种扩散是否伴随着相反方向上的阳离子扩散。其他实例是使用单独的流体替换辅助流体中的阳离子，或者从辅助流体中去除阴离子。可以生成这些阴离子或阳离子的另一种方式是通过电化学过程。然后，辅助流体在功能上与所述工艺的发生质子扩散的部分分离。然后，由于照射被去除，辅助流体被允许返回到更碱性的状态，并且所述辅助流体被放置成与另一流体料流进行功能性接触，例如通过离子交换膜与另一流体料流进行功能性接触。这种流体(其可以是碳去除后的源流体，或尚未改变的附加源流体，或具有比碱性形式的光酸的pKa更低的pH的一些其他流体)充当质子源。当质子扩散到辅助流体中时，光酸再生。在质子扩散期间将维持电荷平衡的几种配置的一个实例是这种扩散是否伴随着相反方向上的阳离子扩散。其他实例是使用单独的流体替换辅助流体中的阳离子，或者从辅助流体中去除阴离子。可以生成这些阴离子或阳离子的另一种方式是通过电化学过程。

在所述工艺的另一版本中，首先通过膜将CO₂从源料流中去除到工作流体中(图5和图6)。作为这种工艺的一部分，源流体通过光酸的作用转变至较低pH状态，这导致CO₂从源料流移动到工作流体，如先前所述。工作流体还含有光活性化合物。然后，这种工作流体用于将碳直接转移到目标料流，或者作为多步骤工艺的一部分，它用于将碳转移到其他批次的工作流体。

上述工艺的另一版本利用温度随pH变化的变化来控制无机碳的流动。升高溶液的温度会降低溶解的CO₂的溶解度并增大CO₂分压。加热含碳源料流以释放溶解的碳可以在将所述含碳源料流暴露于活化的光酸之前、之后或期间进行。相反，降低溶液的温度会增大CO₂溶解度并降低CO₂分压。这意味着升高温度类似于降低含碳溶液的pH，但温度变化不需要光酸。单独使用温度而不是pH和光酸的缺点是，流体如海水和其他天然水的热容很大并且对应地大量的热量会转移进入或离开源流体和/或工作流体以导致碳溶解度的明显转变。在加热和冷却资源已经丰富存在的环境中温度的使用可能是有利的，例如作为水冷发电厂的一部分。

另一组系统和方法组合了先前描述的方法，利用源液体和/或工作流体的加热、冷却和pH变化来捕获碳，这是图12中描绘的实施方案。

可逆光活性化合物的使用先前已被用作浓缩CO₂，特别是从气体料流而不是液体如海水中浓缩CO₂的技术。在此描述的创新利用了液体如海水中与空气相比的无机碳的自然浓度。例如，典型的表层海洋海水含有的无机碳是相同体积的空气的约140倍。使用海水或其他富含无机碳的液体作为碳源可以将原本低效的方法转变为有用的碳捕获策略。尽管有望使用海水或其他液体作为供进行碳捕获的无机碳源，并且该领域的研究活动非常活跃，但实用的碳捕获技术目前仍然有限。在此描述的工艺将使用液体如海水来预浓缩无机碳与转移和进一步浓缩这种碳的方法进行组合。

所得到的富含CO₂的目标料流可用于许多工序或被存储，如下文更详细描述的。

用于用作源料流或含碳液体的示例性液体包括：自来水、河水、海水、湖水、冰川水、远洋海水、咸水、天然水、声水、海峡水、河道水、海湾水、河口水、冰间湖水、海湾水、入口水、浅水、冰水、酸性水、碱性水、工业用水、与发电厂或工业冷却相关联的水、与海水淡化相关联的水、与工业过程相关联的水、和/或雨水等。

各种组分和参数参与进行从液体源中去除和预浓缩碳。此类组分和参数可包括：供捕获的碳物质；容纳碳物质的液体溶液；液体源料流；膜或气体接触器；含有光活性化合物的工作流体；含有光活性化合物的辅助流体，使用光酸对源料流进行预酸化以将碳酸氢根和碳酸根转换成溶解的CO₂；和目标料流。

从液体源捕获碳包括分离从液体源产生或释放的碳。

所公开的系统和方法可以使用水性或非水性溶液或混合物作为工作流体和/或任何辅助流体。水溶液的优点包括简单、与多种膜和气体接触器材料兼容、和易于使用。非水溶液的优点可包括更高的光酸溶解度和更长的光酸稳定性，这可以增强效率并降低工艺的操作成本。非水溶剂的实例包括质子溶剂(包括氨、乙醇和甲醇)和非质子溶剂(包括乙腈、丙酮和二甲亚砜)。

如本文所用，工作流体含有光活性化合物并将碳从含碳液体中吸出到其自身中。使用工作流体的系统在例如图7和图8中描绘。辅助流体含有光活性化合物并为含碳液体供应酸度，但其不被设计用于将碳吸入自身。相反，它不是直接碳去除和转移途径的一部分。使用辅助流体的系统在例如图13、图14和图15；图19、图20和图22中描绘。

在本公开的上下文中，“膜”是指将液体与另一种液体或气体分离但允许以下的材料：(1)CO₂和/或H₂CO₃或其他气体扩散，或(2)某些离子在液体之间的扩散。“气体接触器”是指将液体与气体或其他液体分离但允许CO₂和/或H₂CO₃扩散的材料。此类材料是本领域普通技术人员众所周知的。实例包括具有聚合物、木制品或陶瓷纤维的中空纤维气体接触器。3M生产了一种名称为Liqui-Cel的商业实例。气体接触器聚合物膜材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚-4-甲基-戊烯-1(PMP)，并且商业无孔膜单元包括SEPAREL产品线(DICCorporation)。“离子交换膜”是指将液体与液体分离但允许某些离子在所述液体之间扩散的材料。离子交换膜材料的商业实例包括Nafion(ChemoursCompany)。

在某些实例中，海水是源料流并且空气是目标料流。所述系统可以由市售膜单元(如SEPAREL产品线(DICCorporation))和任意数量的商业泵(如离心泵)构建。可以使用发光二极管(例如Prizmatix光纤耦合LED)或其他光源来施用光。光酸可以按照公开的方法合成，例如在以下中描述的光酸和合成方法：Beton等人，Thermodynamicsandkinetics ofprotonated merocyanine photoacids in Water.Chemical Science，11(32)，第8457-8468页；Shi等人，Long-lived photoacid based upon a photochromicreaction.J.Am.Chem.Soc.2011，133，14699-14703；或Zayas等人，Tuning MerocyaninePhotoacid Structure to Enhance Solubility and Temporal Control：Application inRing Opening Polymerization.ChemPhotoChem 2019，3，467-472或Wimberger，Laura，Joakim Andréasson，和Jonathon E.Beves.″Basic-to-acidic reversible pH switchingwith a merocyanine photoacid.″Chemical Communications 58，第37期(2022)：5610-5613。为了评估所述工艺的有效性，可以分别通过Dickson、Sabine和Christian(编辑)2007.Guide to Best Practices for Ocean CO₂ Measurements.PICES SpecialPublication 3中描述的库仑法使用总溶解无机碳分析，以及使用如Li-Cor CO₂分析仪(Li-Cor Bioscience)仪器的测量目标料流中的二氧化碳分压，来监测目标料流中的碳运输速率和碳富集水平。

现在以进一步细节和如下选项描述涉及以下的本公开的各方面：(i)pH和碳扩散；(ii)光活性化合物；和(iii)碳去除系统的用途和位置。提供这些标题仅用于组织目的并且不限制本公开的范围或解释。实施例1中还提供了详细的实例、建模和实验数据。

(i)pH和碳扩散。管控碳是否将从一个料流通过膜或气体接触器扩散到另一料流的主要因素是所述两个料流之间二氧化碳分压(pCO₂)的差异。这两种料流可以都是流体或者它们可以是流体和气体。第一料流可以是源料流，并且第二料流可以是工作流体。第一料流可以是工作流体，并且第二料流可以是目标料流。第一料流可以是处于低pH状态的工作流体样品，并且第二料流可以是处于高pH状态的工作流体样品。在流体中，二氧化碳的分压是：

pCO₂＝x₀*DIC*K_H’。

pCO₂是流体的二氧化碳分压。DIC是流体中总溶解无机碳的浓度：DIC＝[CO₂*]+[HCO_3-]+[CO₃ ^2-]。术语[CO₂*]表示不带电的水性物质CO_2(水溶液)和H₂CO₃的组合浓度，使得＝[CO_2(水溶液)]+[H₂CO₃]。CO₂*概念的使用是水生化学中的常见方法，因为区分CO_2(水溶液)和H₂CO₃在实验上很困难并且通常不切实际。x₀是溶解二氧化碳(CO₂*)相对于总溶解碳的摩尔分数：x₀＝[CO₂*]/([CO₂*]+[HCO_3-]+[CO₃ ^2-])＝[CO₂*]/DIC。K_H′是特定流体条件下的表观亨利定律气体常数，并且是温度、压力、离子强度、主要离子流体组分以及所使用的流体或溶剂类型的函数。

溶解二氧化碳相对于总溶解碳的丰度或x₀是pH的函数(图25)。这对于这个工艺的功能很重要。

x₀＝[H⁺]²/([H⁺]²+[H⁺]K₁’+K₁’*K₂’)并且[H⁺]＝10^-(PH)。

K₁′和K₂′是碳酸的第一表观解离常数和第二表观解离常数，所述第一表观解离常数和第二表观解离常数对应于特定流体的特定温度、压力、离子强度和主要离子浓度。

由于在水生化学文献(例如，Stumm和Morgan.Aquatic Chemistry-第3版.JohnWiley&Sons Inc.(1996))中良好描述的上述关系，降低pH将增加溶解二氧化碳相对于总溶解碳的摩尔分数，并且将倾向于增加二氧化碳分压。相反，升高pH将降低溶解二氧化碳相对于总溶解碳的摩尔分数，并且将倾向于降低二氧化碳分压。

使用光酸降低源料流的pH将增大源料流中的二氧化碳分压。这些光酸可以放置(1)在源料流本身内(诸如嵌入固体颗粒中或水所接触的表面上)，(2)在将源料流与目标料流分离的透气膜或气体接触器膜上或内，或(3)在辅助流体内，所述辅助流体通过一个或多个离子交换膜与含碳源料流分离，所述离子交换膜允许质子从光酸溶液传递到源料流。

在图5和图6所示的配置中，与源料流接触的工作流体的pH足够高，使得工作流体中的二氧化碳分压低于源料流中的二氧化碳分压。这将导致二氧化碳从源料流扩散到工作流体中。在光活性化合物改变形式并由此降低工作流体pH之后，这种新pH足够低，使得工作流体中的二氧化碳分压高于目标料流中的二氧化碳分压。二氧化碳分压的这种梯度将导致碳从工作流体扩散到目标料流中。

(ii)光活性化合物。在具体实施方案中，术语“光”是指光化光并且包括可以产生光化学反应的所有光。

在特定实施方案中，如本文关于化合物或分子所用的术语“光活性”是指能够通过化学反应(诸如结构转变)来响应光的化合物。

在特定实施方案中，如本文关于化合物所用的术语“光酸”是指可通过光化学反应从碱或相对弱的酸转换成相对强的酸的化合物。

向光活性化合物施加光将光活性化合物从第一状态或第二状态中的至少一者转换成第一状态或第二状态中的另一者。例如，光活性化合物处于第一状态，并且在暴露于光时，光活性化合物从第一状态改变至第二状态。在这种情况下，光活性分子的第一状态是基态，并且光活性分子的第二状态是激发态。或者，光活性化合物处于第二状态，并且在暴露于光时，光活性化合物改变至第一状态。在这种情况下，光活性分子的第二状态是基态，并且光活性分子的第一状态是激发态。

在实施方案中，光活性化合物对特定波长的光敏感。所需状态之间的光诱导结构变化是通过暴露或排除与光活性分子的吸收带相对应的特定波长的光来实现的。在某些实例中，光活性化合物对UV光和可见光均敏感。

或者，光活性化合物可以仅对可见光敏感。在又一替代实施方案中，光活性化合物对UV光敏感。当光活性化合物的溶液包含多种不同类型的光活性化合物时，使用对不同波长的光敏感的光活性化合物可能是特别有利的。不同类型的光活性化合物可以在不同波长下在它们的状态之间转换，使得照射光酸的光的更多频谱被转换成激发的光酸和质子。这提供了更有效使用的可用光，这将允许更小的光收集面积，并因此降低资本成本。

在某些实例中，光诱导的变化改变了光活性化合物的化学环境；所述变化本质上可能是电子的或导致构象变化。光诱导的变化可能导致溶液的pH或光活性化合物的pKa变化。

在一组实施方案中，光活性化合物是光酸。在某些实例中，可用于本公开内的光酸化合物以基态的酸形式(即，质子化形式)存在，并且在用光照射时可转变至激发态。激发态通常是光酸的共轭碱并且可以以去质子化形式存在。基态形式在照射后捐献质子并转变为激发态形式，降低了周围溶液的pH。

光活性化合物的操作范围可能与光活性分子的激发态与基态之间的pKa差异有关。操作范围可以通过确定处于其基态(例如，碱或相对弱酸形式)的光活性化合物的pKa和处于其激发态(例如，相对强酸形式)的化合物的pKa来确定。因此，这两种形式之间的pKa差异可以限定光活性化合物的操作范围。

在一个实施方案中，包括光酸和附加的酸或碱的辅助溶液的操作范围用于偏移和调制这种辅助溶液的操作范围。

在一个实施方案中，光活性化合物的激发态形式具有比所述化合物的基态形式更低的pKa。

在替代实施方案中，光活性化合物的激发态形式具有比所述化合物的基态形式更高的pKa。

在一些实施方案中，源溶液的pH落入光活性化合物的操作范围pKa内，并且光活性化合物的激发提供pH降低。

在某些实例中，当光活性化合物处于第一状态(即基态)时，溶液具有较高的pH；并且当暴露在光下时，光活性化合物转换至第二状态，在所述第二状态下溶液具有较低的pH。在某些实例中，当光活性化合物处于第一状态(即基态)时，溶液呈碱性或弱酸性；并且当暴露在光下时，光活性化合物转换至第二状态，在所述第二状态下溶液呈酸性。在一组实施方案中，光活性分子的光激发导致周围溶液的pH降低。在某些实例中，当光活性化合物处于第一状态时，溶液的pH为7至10或9至12；并且当光活性化合物处于第二状态时，溶液的pH为2至7.5或0至8。

在某些实例中，光活性化合物激发时pKa的变化为至少0.5、至少1.0、至少2.0或至少3.0。在某些实例中，光诱导的变化是官能团的酸解离常数或碱解离常数的变化。

在一组实施方案中，施加到溶液的光能足以使光活性化合物经历光诱导的变化，但不足以导致工作溶液的加热。

在某些实例中，光活性化合物以0.1mol/L至50mol/L、0.01mmol/L至0.1mol/L、或0.1mmol/L至10mol/L的浓度存在于工作溶液中。在某些实例中，光活性化合物以1mol/L至10mol/L的浓度存在。在某些实例中，光活性化合物以3mol/L至7mol/L的浓度存在于溶液中。浓度范围可以是从较低浓度值中的任一者至较高浓度值中的任一者。光活性化合物的浓度可以取决于溶液中其他化合物的存在而变化。如果存在附加吸收剂分子，诸如胺，则可以使用较低浓度的光活性化合物。

在某些实施方案中，光酸嵌入含碳流体所穿过的固体颗粒或膜内，以便降低源料流的pH并增加其pCO₂。

在另一组实施方案中，光酸被放置在通过离子交换膜与含碳源料流分离的辅助流体内，所述离子交换膜允许质子通过进入源料流中，或者质子在面向源料流的膜本身上积聚，以降低与膜接触的源料流的pH并增加其pCO₂。

在一组实施方案中，pH变化可以与溶液中光活性化合物的浓度相关，并且在一些情况下，增加光活性化合物的浓度可以允许实现更大的pH变化。

光活性化合物的一些一般类别可以参考下面说明的非限制性实例进行描述，这些实例显示了通过用光照射驱动的转变。

俘精酸酐

二芳基乙烯

偶氮苯

螺吡喃和部花青

螺噁嗪和部花青

醌

其中a)X＝O，R¹＝Ph；b)X＝CR²R³，R¹＝H；c)X＝O，其中R²和R³是氢或烷基，其中R⁴是烷基。三苯基甲烷

三氰基呋喃

在螺吡喃、部花青和螺噁嗪的上述实例中，取代基“R”可以例如选自由以下组成的组：氢、C₁至C₆烷基和-(CH₂)_nW，其中n是1至6(例如，2至4)并且W是-NH₂、CO₂ ^-或SO₃ ^-(例如，SO₃ ^-)。

在上述螺吡喃和部花青的实例中，环上的-NO₂官能团可以不存在或者可以位于另一个位置或者可以被另一个官能团取代。

在上述螺吡喃、部花青和螺噁嗪的实例中，如-OCH3的官能团可以被添加或者可以取代其他官能团。

在某些实例中，光活性化合物选自由以下组成的组：无色氢氧化物(1eucohydroxide)、啶螺环己二烯酮、偶氮苯、螺吡喃、螺噁嗪、二噻吩乙烯、俘精酸酐、醌、苯并吡喃和萘并吡喃以及二氢吲哚嗪。在某些实例中，光活性化合物选自由以下组成的组：螺吡喃、部花青和萘酚(诸如1-(2-硝基乙基)-2-萘酚)。

在实施方案中，可逆光酸包括俘精酸酐、二芳基乙烯、偶氮苯、部花青、螺吡喃、螺噁嗪和醌。

在实施方案中，光活性化合物是亚稳态光酸，诸如在暴露于光时发生构象或结构变化、改变其酸度或碱度的那些。此类化合物的实例在[0100]中给出，所有这些化合物都具有公开的合成路线。

在特定实施方案中，部花青是优选的光酸，因为它们的活化态寿命长(通常为几分钟)、可以实现高暗pKa值(其决定了可以利用的天然水pH值的有用范围)、它们的水溶性相对较高，并且它们对水解和光降解的稳定性相对较高。在特定实施方案中，由Wimberger等人(Basic-to-acidic reversible pH switching with a merocyaninephotoacid.Chemical Communications，2022，58(37)5610-5613)报道的在二氢吲哚鎓环上具有甲氧基取代基并且在二氢吲哚鎓氮上具有丁基磺酸酯基团的部花青是优选的。在特定实施方案中，这种优选的光酸是：

左侧结构是未活化(基态)形式(部花青)，并且右侧结构是活化(激发态)形式(螺吡喃)。对这种化合物的进一步结构修饰可以可能会导致甚至更高的暗pKa值、水解稳定性和更高的水溶性。

图3还描绘了有用的部花青-螺吡喃对。使用这种对，活化用可见光(不是紫外线)发生，并且弛豫自发地发生(例如，通过加热)。

适合使用的光酸化合物的附加实例是本领域中已知的并且描述于Berton等人，Thermodynamics and kinetics of protonated merocyanine photoacids inwater.Chemical Science，2020，11(32)，第8457-8468页；Shi等人，Long-lived photoacidbased upon a photochromic reaction.J.Am.Chem.Soc.2011，133，14699-14703；或Zayas等人，Tuning Merocyanine Photoacid Structure to Enhance Solubility andTemporal Control：Application in Ring Opening Polymerization.ChemPhotoChem2019，3，467-472.；Berkovic等人，Chem.Rev.2000.，100，1741-1754；Metsuda等人，J.Photochem.Photobiol.，C2004，5169-182；Yokoyama Chem.Rev.2000，100，1717-1740；美国专利号4,636,561；美国专利号6,549,327；美国专利号5,879,592；美国专利号5,185,390；美国专利号6,211,374；EP0277639；Chen等人，Photochem.Photobiol.Sci.，2011年6月，10(6)1023-9；Johns等人，Chemistry，2014年1月13日：20(3)：689-92；US 2013/0192978；Shi等人J.Am.Chem.Soc.2011，133(37)14699-14703；Bao等人RSC Adv.，2014，4，27277-27280；Luo等人J.Mater.Chem.B，2013，1，887-1001；Nunes等人，J.Am.Chem.Soc.，2009，14331(26)9356-9462；Lauren等人，Acc.Chem.Res.，2002，35，19-27；美国专利号7,588,878；Prog.Polym.Sci.第21卷，1-45，1996；和WO2011/020928中。

(iii)碳去除系统的用途和位置。由所公开的碳捕获工艺产生的CO₂产物可用于广泛的工业应用和碳封存。在制造过程中使用大量CO₂的行业包括：尿素制造商(化肥生产)、甲醇制造商、塑料制造商和生物燃料制造商。这些行业中使用的大部分CO₂来自化石来源，诸如天然气的燃烧。另一个使用大量CO₂的行业是石油行业。石油行业将大量CO₂泵入油气井以提高烃采收率(称为提高石油采收率或EOR)。EOR中使用的大部分CO₂是从地质CO₂化石储层中提取的。在所有情况下，随着监管和投资者要求脱碳操作和寻找CO₂的非化石燃料来源的压力增加，这些行业都将受益于通过所公开的工艺使用从天然水中捕获的CO₂。

从所公开的工艺捕获的CO₂还可以用于增强藻类的生长并提高藻类生物燃料生产的效率。

从所公开的工艺捕获的CO₂可用于从CO₂生产烃和燃料，例如乙醇、长链烃、喷气燃料、汽油和柴油。在一种情况下，从所公开的工艺捕获的CO₂将用于费-托工艺中以生产这些化学品和燃料。在特定实施方案中，长链烃具有＞8个碳原子。

大麻生长是CO₂的重要市场。在温室大麻生产期间，将CO₂添加到温室空气中以增强植物生长。大部分这种CO₂源自燃烧生物质或化石燃料。然后来自温室的CO₂最终被释放到环境中，在所述环境中其导致全球变暖和气候变化。使用从大气中捕获的CO₂用于大麻或其他作物的温室生产降低了CO₂富集的负面气候影响。所公开的捕获工艺使CO₂更可用于农业并降低所利用的CO₂的气候影响。通过将捕获的CO₂注入温室或其他相关围栏，可以使作物在富含CO₂的大气中生长。负责CO₂运输的叶片开口(气孔)在高CO₂环境中会变小，所述叶片开口也是水分损失的主要途径之一。因此，将来自所公开的工艺的CO₂添加到植物周围的空气中可以限制水分损失并增强抗旱能力以及增强生长。

所公开的碳捕获装置的自然地点是在美国墨西哥湾沿岸，那里有许多石油和天然气公司以及化肥和甲醇生产商运营。所公开的设施与所捕获的CO₂产物的此类最终用户的紧密接近降低了将所捕获的CO₂运输至最终用户的成本和物流。此外，墨西哥湾(Gulf ofMexico)下方的枯竭油气井中具有用于数千亿吨CO₂的CO₂封存能力，并且许多参与油气采收的钻井和后勤支持运营商越来越倾向于在未来几年将其基础设施和业务模式转变为碳封存。

用于所公开的碳捕获装置的另一良好位置是靠近地质储层，在所述地质储层附近所捕获的CO₂的注入将导致风化和/或矿化以及长期封存。位置的实例包括华盛顿州东部(Eastern Washington)的玄武岩，如哥伦比亚河玄武岩(Columbia River Basalt)，这些玄武岩位于具有高水平的溶解无机碳的河流(亚基马河、斯内克河和哥伦比亚河)附近。其他位置包括海底玄武岩附近的海上部署，所述海底玄武岩代表地球上CO₂矿化最丰富的主岩类型之一。基于海水的碳捕获工艺(如本文所公开的)的海上装置可以产生CO₂以供封存在海洋玄武岩中，并减少将CO₂运输到海洋位置的需要。另一个实例是阿曼(Oman)超镁铁岩露头附近，所述露头非常适合经由CO₂矿化进行碳封存并且位于海水附近。

通过使所公开的碳捕获设施与已经泵送和废弃大量海水或河水的实体(诸如热电厂、核电厂和海水淡化厂)共定位，可以产生成本效益。这些运营商可以通过提供他们的废水进行后续碳去除，将废物料流转化为收入料流。美国东海岸和西海岸以及诸如密西西比河的主要河流沿岸存在许多此类设施，所述主要河流也含有高浓度的溶解碳。与已经泵送和废弃海水的设施共定位的附加益处是，废弃的水通常处于比最初吸入的水更高的温度(例如，因为这种水经常用于冷却机械或化学系统)。较高的温度对于所公开的工艺是有利的，因为它们增加了水中的CO₂分压，使得所公开的工艺的碳去除效率更高。使所公开的碳捕获装置与此类设施共定位的另一优点是废弃的水通常处于大于零的水头处。因为所公开的工艺仅利用适度的压力，所以如果所提供的系统进水具有一定的水头，则可以节省用于水泵送的能量成本。水头也可以由河流、潮汐流、大坝或堤坝后面的水或者大坝或堤坝的溢洪道提供。

所公开的碳捕获设施的另外用例和海上共定位地点包括：

-海上风力发电装置。这些技术越来越多地在全球范围内部署，以在风能最丰富且最可预测的地方并且无需占用大片土地即可放置大型结构的地方利用风能。这些装置有时产生的电力超过当前需求，从而要求它们减少运营或付费以卸载多余电力。通过使所公开的碳捕获设施与海上风力发电装置共定位，多余电力可用于驱动碳捕获过程。从直接靠近海水和可从不需要为所公开的碳捕获装置购买或租赁土地而产生的成本节约也产生了优势。

-在海上捕获碳然后将其运输到最终用户和/或封存地点的船舶。所公开的碳捕获系统可以具有比需要大型风扇场的直接空气捕获系统更小的形状因数，并且存在在船舶的发动机冷却系统中使用和废弃的大量海水，所述海水可用作所公开的碳捕获系统的源水。

-海上石油钻机。它们与可以封存大量CO₂的枯竭油气井的直接连接使这些平台对于为所公开的碳捕获设施定址是理想的。它们所在的无限海水库使得泵送和管道输送比基于陆地的装置更简单。

-浮动太阳能发电场。随着沿海社区中陆地成本的增加，这种情况变得越来越普遍。将所公开的碳捕获设施与海上(浮动)太阳能发电场一起定址将是有益的，因为海上盐水含水层和枯竭的油气井中的封存地点可以在附近，从而减少了所捕获的CO₂产物的运输距离。海水也在现场，从而避免了运输基础设施。当这些太阳能PV发电场产生的电力超过需求时(诸如在中午)，多余电力可以分流至所公开的碳捕获工艺，从而可能节省电力成本。这种环境还具有靠近海洋玄武岩的近海优势，所述海洋玄武岩是用于通过风化进行碳封存的主岩的大型地表储层。

-海军舰艇。目前的航空母舰舰队正在建造核反应堆，所述核反应堆能够产生超出当前运营所需的大量剩余能源，这可以允许在海上制造合成燃料。多家公司正在开发合成燃料技术，所述合成燃料技术中的许多合成燃料技术使用CO₂作为输入。通过将所公开的碳捕获装置放置在寻求在海上生产其自身的燃料的海军舰艇上，可以根据需要提供原材料。正在由核反应堆生成的剩余电力可用于为所公开的系统中最节省空间的形状因数提供动力，所述系统是采用LED灯组的系统。

所公开的系统的形状因数可以类似于混合太阳能光伏-太阳能热(PVT)面板的形状因数(参见例如，图22)。这种形状因数很有吸引力，因为它允许所公开的碳收集器的模块化大量生产。混合PVT面板由于其对入射阳光的有效使用而越来越多地被私房屋主和企业安装，从而将入射阳光转换为电力(仅需要20％的入射太阳能)和热水两者，所述热水随后可用于游泳池、电器和热水应用。在同一面板中使用阳光来活化所公开的光化学反应和经由光生伏打产生电力之间存在巨大的协同作用。这是可行的，因为所公开的光化学反应可能仅使用约15-20％的入射太阳光谱。其余部分可用于通过放置在光酸室下方的PV面板(其本身厚度为约1cm)来发电。PV面板上方或下方存在流体室可以对所述PV面板进行冷却并提高光伏发电效率。所生成的热量可用于温热含碳液体，从而提高其pCO₂，并提高CO₂从源流体转移至目标料流的效率。

作为附加碳去除技术的一部分，光酸化可用于增强矿物风化速率。一种用于从大气中去除CO₂的开发方法是碳酸钙(石灰石)或超镁铁岩(即，颜色指数大于90的岩石)的风化。这种工艺使用了某些矿物(诸如碳酸钙和橄榄石等)的CO₂中和能力。导致这种碳去除方法效率低下的问题之一是这些矿物与CO₂反应的速度缓慢。许多风化反应的动力学可以通过在应用于细磨矿物的水溶液中添加酸或附加的CO₂来加速。所公开的通过用光活化光酸来产生酸的工艺可用于生成加速诸如超镁铁岩或碳酸钙的物质的溶解和风化所需的酸度和/或更高的CO₂浓度。这将提高风化装置中的二氧化碳去除率。矿物可以暴露于目标溶液，所述目标溶液通过光酸的作用而变得更酸性。在一个实施方案中，光酸在辅助溶液中被活化，使得光酸生成质子。这些质子随后通过膜转移到目标溶液，这降低了目标溶液的pH，并加速风化。通过详细描述的地球化学过程，风化反应导致碳去除。所述光酸还可以附着到与目标溶液接触的表面，如珠粒、板或膜的目标溶液侧。

示例性实施方案。

1.一种从含碳液体中去除碳的方法，所述方法包括：将所述含碳液体暴露于光活性化合物，从而将所述碳从所述含碳液体去除到次级环境中。

2.如实施方案1所述的方法，其中所述次级环境包括目标料流或工作流体。

3.如实施方案2所述的方法，其中所述目标料流是液体或气体。

4.如实施方案2或3所述的方法，其中所述次级环境是所述目标料流，并且所述将所述碳去除到所述目标料流中是通过膜、气体接触器或通过直接转移进行的。

5.如实施方案2-4中任一项所述的方法，其中所述次级环境是所述工作流体，并且所述将所述碳去除到所述工作流体中是通过膜进行的。

6.如实施方案5所述的方法，其中所述膜是透气膜。

7.如实施方案5或6所述的方法，其中所述膜是离子交换膜。

8.如实施方案2-7中任一项所述的方法，其中所述工作流体位于所述含碳液体与所述目标料流之间。

9.如实施方案8所述的方法，其中所述工作流体通过膜与所述含碳液体分离。

10.如实施方案8或9所述的方法，其中所述工作流体通过膜或气体接触器与所述目标料流分离。

11.如实施方案8-10中任一项所述的方法，其中所述工作流体通过膜与所述含碳液体分离，并且通过膜或气体接触器与所述目标料流分离。

12.如实施方案2-11中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物位于所述工作流体内。

13.如实施方案1-12中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物位于所述含碳液体内或在与所述含碳液体接触的边界处。

14.如实施方案1-13中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物位于与所述含碳液体分离的辅助流体内。

15.如实施方案14所述的方法，其中所述辅助流体和所述含碳液体通过离子交换膜分离。

16.如实施方案15所述的方法，其中所述离子交换膜是质子扩散通过的阳离子交换膜。

17.如实施方案13-16中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物降低所述含碳液体的pH。

18.如实施方案1-17中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物是活化的光活性化合物。

19.如实施方案18所述的方法，其中所述活化的光活性化合物生成质子，所述质子跨膜扩散至所述含碳液体，从而降低所述含碳液体的pH并去除所述碳。

20.如实施方案1-19中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物包括光酸。

21.如实施方案20所述的方法，其中所述光酸包括可逆光酸。

22.如实施方案20或21所述的方法，其中所述光酸包括亚稳态光酸。

23.如实施方案1-22中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物包括部花青、螺吡喃、三氰基呋喃、俘精酸酐、二芳基乙烯、偶氮苯、螺噁嗪、醌或三苯基甲烷。

24.如实施方案1-23中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物包括部花青。

25.如实施方案24所述的方法，其中所述部花青包含二氢吲哚鎓环上的甲氧基取代基和二氢吲哚鎓氮上的丁基磺酸酯基团。

26.如实施方案1-25中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括活化所述光活性化合物。

27.如实施方案26所述的方法，其中活化所述光活性化合物包括将所述光活性化合物暴露于光。

28.如实施方案27所述的方法，其中所述光是阳光或人造光。

29.如实施方案28所述的方法，其中所述人造光来自发光二极管(LED)灯。

30.如实施方案29所述的方法，其中所述光是阳光并且所述光活性化合物具有不同的吸收光谱。

31.如实施方案1-30中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物嵌入在材料内和/或涂覆在材料的表面上。

32.如实施方案31所述的方法，其中所述材料包括珠粒、颗粒、管、板或膜。

33.如实施方案31或32所述的方法，其中所述材料包括如实施方案7所述的透气膜。

34.如实施方案31-33中任一项所述的方法，其中所述材料包括如实施方案8所述的离子交换膜。

35.如实施方案31-34中任一项所述的方法，其中所述材料在如实施方案13所述的含碳液体内。

36.如实施方案31-35中任一项所述的方法，其中所述材料在与如实施方案13所述的含碳液体接触的边界处。

37.如实施方案31-36中任一项所述的方法，其中所述材料在如实施方案14所述的辅助流体内。

38.如实施方案17-37中任一项所述的方法，其中所述pH的所述降低增加了所述含碳液体中的二氧化碳分压。

39.如实施方案1-38中任一项所述的方法，其中所述降低的pH在2与7之间。

40.如实施方案1-39中任一项所述的方法，其中所述降低的pH在3与6之间。

41.如实施方案1-40中任一项所述的方法，所述方法进一步包括将所述含碳液体的流朝向所述活化的光活性化合物引导。

42.如实施方案1-41中任一项所述的方法，所述方法进一步包括用加热源加热所述含碳液体。

43.如实施方案42所述的方法，其中将所述含碳液体加热至-2℃至120℃的温度。

44.如实施方案42或43所述的方法，其中所述加热源包括太阳热能或来自发电或工业过程的废热。

45.如实施方案44所述的方法，其中所述发电是热电发电或核发电。

46.一种加速矿物风化反应的方法，所述方法包括将矿物暴露于目标液体，从而加速所述矿物风化反应，所述目标液体暴露于降低所述目标液体的pH的光活性化合物。

47.一种捕获碳的方法，所述方法包括将矿物暴露于目标液体，从而将来自其他气体或流体的碳浓缩到所述目标液体中，所述目标液体暴露于降低所述目标液体的pH的光活性化合物。

48.如实施方案46或47所述的方法，其中所述矿物是磨碎的矿物。

49.如实施方案46-48中任一项所述的方法，其中所述矿物是超镁铁岩和/或石灰石和/或橄榄石。

50.如实施方案46-49中任一项所述的方法，其中所述碳的来源是化石燃料和/或生物燃料的燃烧。

51.如实施方案46-50中任一项所述的方法，其中所述碳的来源是工业过程。

52.如实施方案51所述的方法，其中所述工业过程是水泥生产。

53.如实施方案46-52中任一项所述的方法，其中所述碳的来源是大气。

54.如实施方案46-53中任一项所述的方法，其中所述碳的来源是液体。

55.如实施方案54所述的方法，其中所述液体是海水。

56.如实施方案46-55中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物位于含矿物的目标液体内或在与所述含矿物的目标液体接触的边界处。

57.如实施方案46-56中任一项所述的方法，其中所述光活性化合物位于与所述目标液体分离的辅助流体内。

58.如实施方案57所述的方法，其中所述辅助流体和所述目标液体通过质子扩散通过的阳离子交换膜分离。

59.如实施方案1-58中任一项所述的方法，所述方法进一步包括捕获所述去除的碳。

60.如实施方案59所述的方法，其中所述捕获所述去除的碳在所述光活性化合物的去活化之后进行。

61.如实施方案18-60中任一项所述的方法，所述方法进一步包括对所述光活性化合物进行去活化。

62.如实施方案61所述的方法，其中所述去活化包括去除所述光活性化合物对光的暴露。

63.如实施方案61或62所述的方法，其中所述光活性化合物的活化和去活化基于所述含碳液体的流动方向顺序地发生，并且其中捕获所述去除的碳发生在所述光活性化合物的所述活化和去活化之间。

64.如实施方案62或63所述的方法，其中所述去除所述光活性化合物对光的暴露使所述光活性化合物返回至其弛豫状态，从而使所述光活性化合物再生以供进一步用于如实施方案1所述的方法中。

65.如实施方案64所述的方法，其中所述方法进一步包括活化所述再生的光活性化合物并在所述光活性化合物已经再生后反转所述含碳液体的所述流动的所述方向，从而去除附加碳。

66.如实施方案2-65中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括维持所述工作流体中的电荷平衡。

67.如实施方案14-66中任一项所述的方法，其中所述方法进一步包括维持所述辅助流体中的电荷平衡。

68.如实施方案66或67所述的方法，其中维持电荷平衡包括用阳离子替换从所述工作流体或辅助流体移动到所述含碳流体的质子，或者使阴离子与从所述工作流体或辅助流体移动到所述含碳流体的质子一起移动。

69.如实施方案68所述的方法，其中所述阳离子或阴离子来自含碳流体或来自另一种流体。

70.如实施方案66-69中任一项所述的方法，其中维持所述工作流体或所述辅助流体中的所述电荷平衡包括使用电化学反应。

71.如实施方案70所述的方法，其中所述电化学反应基于阳极或阴极的存在而发生。

72.如实施方案14-71中任一项所述的方法，所述方法进一步包括使所述辅助流体通过离子交换膜与流体料流接触，并且其中所述流体料流包括质子源。

73.如实施方案1-72中任一项所述的方法，其中所述含碳液体中的所述碳呈二氧化碳、碳酸、碳酸氢根和/或碳酸根的形式。

74.如实施方案1-73中任一项所述的方法，其中所述去除的碳是二氧化碳。

75.如实施方案1-74中任一项所述的方法，其中所述含碳液体是水。

76.如实施方案75所述的方法，其中所述水是海水、远洋海水或河水。

77.如实施方案75或76所述的方法，其中所述水是微咸水。

78.如实施方案75-77中任一项所述的方法，其中所述水是来自发电过程或工业过程的废水。

79.如实施方案78所述的方法，其中所述发电过程是热电发电或核发电。

80.如实施方案78或79所述的方法，其中所述工业过程是海水淡化。

81.一种用于执行如实施方案1-80中任一项所述的方法的系统。

82.一种用于从含碳液体中去除碳的系统，其中所述系统包括：

管道，所述管道用于将所述含碳液体运载至光活性化合物；

包含所述光活性化合物的物质；以及

刺激器，所述刺激器用于活化所述物质中的所述光活性化合物。

83.如实施方案82所述的系统，所述系统进一步包括用于捕获所述去除的碳的单元。

84.如实施方案82或83所述的系统，其中所述系统进一步包括用于使所述含碳液体朝向所述光活性化合物流动的装置。

85.如实施方案82-84中任一项所述的系统，其中所述装置包括泵或水头。

86.如实施方案85所述的系统，其中所述水头由潮汐、河流或水坝提供。

87.如实施方案85或86所述的系统，其中所述装置生成受热流体的对流。

88.如实施方案83-87中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括在所述单元与目标料流之间的材料，并且其中所述材料使得能够将所述去除的碳从所述单元转移到所述目标料流中。

89.如实施方案88所述的系统，其中所述材料包括膜、气体接触器、或能够将所述去除的碳直接转移至所述目标料流的材料。

90.如实施方案82-89中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括第二管道，所述第二管道用于运载工作流体或辅助流体。

91.如实施方案90所述的系统，其中所述系统进一步包括第三管道，所述第三管道用于运载所述工作流体或所述辅助流体。

92.如实施方案82-91中任一项所述的系统，其中所述刺激器包括光源。

93.如实施方案92所述的系统，其中所述光源是人造光源。

94.如实施方案93所述的系统，其中所述人造光源是LED光源。

95.如实施方案82-94中任一项所述的系统，所述系统进一步包括热源，所述热源用于加热所述含碳液体

96.如实施方案95所述的系统，所述系统进一步包括第四管道，所述第四管道用于将所述含碳液体运载至所述热源。

97.一种用于从含碳液体中去除碳的系统，其中所述系统包括：

第一管道，所述第一管道用于运载所述含碳液体；

刺激器，所述刺激器用于活化光活性化合物；

处理器；以及

计算机可读介质，所述计算机可读介质存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当被执行时，使所述系统执行包括以下的操作：

将所述第一管道中的所述含碳液体暴露于光活性化合物；以及

将所述碳从所述含碳液体去除到次级环境中。

98.如实施方案97所述的系统，其中：

所述刺激器包括光源；并且

所述操作进一步包括使用所述光源活化所述光活性化合物。

99.如实施方案97或98所述的系统，所述系统进一步包括流动装置，所述流动装置用于驱动所述含碳液体流动；

其中所述操作进一步包括使用所述流动装置将所述含碳液体的流朝向活化的光活性化合物引导。

100.如实施方案97-99中任一项所述的系统，所述操作进一步包括通过去除所述光活性化合物对所述光源的暴露来对所述光活性化合物进行去活化。

101.如实施方案97-100中任一项所述的系统，所述系统进一步包括捕获单元，所述捕获单元用于捕获所述去除的碳；

其中所述操作进一步包括经由所述捕获单元捕获所述去除的碳。

102.如实施方案101所述的系统，其中在对所述光活性化合物进行去活化之后捕获所述去除的碳。

103.如实施方案97-102中任一项所述的系统，其中：

所述次级环境包括目标料流；

所述系统进一步包括在所述捕获单元与所述目标料流之间的材料；

所述操作进一步包括在某一时间段内允许经由所述材料将所述去除的碳从所述捕获单元转移到所述目标料流中。

104.如实施方案103所述的系统，其中所述材料包括膜、气体接触器、或能够将所述去除的碳直接转移至所述目标料流的材料。

105.如实施方案97-104中任一项所述的系统，所述系统进一步包括热源，所述热源用于加热所述含碳液体；

其中所述操作进一步包括用所述加热源加热所述含碳液体。

106.如实施方案97-105中任一项所述的系统，其中：

所述次级环境包括工作流体；

所述系统进一步包括：

第二管道，所述第二管道用于运载所述工作流体；以及

膜，所述膜与包含所述光活性化合物的辅助流体功能性接触；

所述将所述含碳液体暴露于所述光活性化合物包括：

当所述辅助流体处于较高pH状态时，将所述含碳液体暴露于所述膜达足以允许从所述含碳液体中去除碳至所述工作流体中的时间段。

107.如实施方案97-106中任一项所述的系统，其中所述系统进一步包括泵或水头；

其中所述操作进一步包括经由所述泵或所述水头破坏所述膜与所述辅助流体之间的功能性接触。

108.如实施方案82-107中任一项所述的系统，所述系统进一步包括光伏面板。

109.如实施方案108所述的系统，其中所述光伏面板位于包含所述光活性化合物的所述物质下方。

110.如实施方案108或109所述的系统，其中所述光伏面板是半透明的并且位于包含所述光活性化合物的所述物质上方。

111.如实施方案82-110中任一项所述的系统，其中所述光活性化合物具有不同的吸收光谱。

112.如实施方案82-111中任一项所述的系统，其中包含所述光活性化合物的所述物质进一步包含矿物。

113.如实施方案112所述的系统，其中所述矿物是磨碎的矿物。

114.如实施方案112或113所述的系统，其中所述矿物是超镁铁岩和/或石灰石。

115.如实施方案82-114中任一项所述的系统，所述系统在碳封存地点的1000英里内、100英里内、50英里内、40英里内、30英里内、20英里内、10英里内、5英里内、2英里内或1英里内。

116.如实施方案115所述的系统，其中所述碳封存地点在海洋、大海、河流或大陆地壳内。

117.如实施方案115或116所述的系统，其中所述碳封存地点在岩床内。

118.如实施方案117所述的系统，其中所述岩床在海洋、大海或河流内或者在海洋、大海或河流之下。

119.如实施方案117或118所述的系统，其中所述岩床是生成烃的地层。

120.如实施方案119所述的系统，其中所述生成烃的地层用于提高石油采收率(EOR)。

121.如实施方案117-120中任一项所述的系统，其中所述岩床包含盐水含水层。

122.如实施方案115-121中任一项所述的系统，其中所述碳封存地点在枯竭的油气井内。

123.如实施方案115-122中任一项所述的系统，其中所述碳封存地点在盐水含水层内。

124.如实施方案82-123中任一项所述的系统，所述系统在海岸线的10英里内、5英里内或2英里内。

125.如实施方案82-124中任一项所述的系统，所述系统安装在海上石油钻机、海上风力发电装置、船舶、海上结构或浮动太阳能发电场上。

126.如实施方案125所述的系统，其中所述船舶是海军舰艇。

127.根据实施方案1-80中任一项所述从含碳液体中去除的碳作为产品的组分的用途。

128.如实施方案127所述的用途，其中所述产品是肥料、塑料、水泥或燃料。

129.如实施方案128所述的用途，其中所述燃料是生物燃料、石油、汽油、柴油、喷气燃料或合成燃料。

130.如实施方案129所述的用途，其中所述生物燃料是藻类生物燃料。

131.如实施方案127-130中任一项所述的用途，其中所述产品是甲醇、乙醇或烃。

132.如实施方案131所述的用途，其中所述烃是长链烃。

133.根据实施方案1-80中任一项所述的方法从含碳液体中去除的碳在生命形式的生长中的用途。

134.如实施方案133所述的用途，其中所述生命形式是藻类。

135.如实施方案133所述的用途，其中所述生命形式是作物。

136.如实施方案135所述的用途，其中所述作物是农作物。

137.如实施方案133所述的用途，其中所述生命形式是植物。

138.如实施方案137所述的用途，其中所述植物是大麻植物。

139.如实施方案133-138中任一项所述的用途，其中所述用途在温室中发生。

实施例1.总体碳捕获过程。在化学循环的第一步骤中(图17)，可见光激发可逆光酸释放质子。这些质子使海水或其他含碳液体酸化，降低这种源液体的pH，并将这种源液体中溶解的碳转变成CO₂气体。这种CO₂气体可以通过被动扩散从源液体中去除，例如跨市售的气体接触器膜。与此同时，从光酸去除光，并且光酸自发地弛豫回其更碱性的形式。当使用废源液体来再生现在的碱性光酸时，循环完成。在一些实施方式中，这种再生也可以用其他流体(如原本不属于该过程的一部分的海水)来执行。对于使用海水作为碳源流体的实施方式，返回海洋的缺碳海水具有局部抵消海洋酸化的增加益处。以下讨论主要描述所公开的工艺的一种实施方式，在所述实施方式中光酸溶解在辅助流体中。其他实施方式设想将光酸附着到基底的表面或嵌入材料内，但整个循环可以类似于在此描述的循环。

更详细地，可逆光酸在酸化期间将质子添加到海水或其他含有溶解碳的液体中以交换Na⁺或其他阳离子(图18)。例如，这种过程可以通过阳离子交换膜发生。由于这种过程是电中性的，这意味着同时失去和获得等量的正电荷，因此避免了会减慢酸化速率的电势。在水生化学术语中，这种阳离子交换步骤相当于从进入的海水中去除碱度。在再生期间，通过类似的反向操作的质子和阳离子交换过程，使相同量的碱度返回到流出的海水中。因此，碱度在所公开的工艺的步骤之间移动，但没有向海洋添加净碱度或从海洋中去除净碱度。这是所公开的工艺的一个重要优点，因为避免了与大多数改变整个海洋碱度的提议相关联的大量化学品输入或生成大废物料流的需要。所公开的工艺包括使用光和光酸在流体样品之间或不同流体之间移动碱度的整个循环(图18)。有关这种过程的具体步骤的附加细节和支持结果包含在以下小节中。

在此包括一种从过程建模开发的用于实现所公开的工艺的场景，以及详细的过程流程和化学性质：

在光反应器中激发光酸以产生质子。可逆光酸(RPA)在溶液中反应以形成若干种不同的化学物质。这些物质的实例包括基态质子化物质(GSH)、基态去质子化物质(GS)和激发态去质子化物质(ES)。在所公开的化学过程中，使用光将RPA的GSH物质激发成ES物质，所述ES物质释放质子并产生pH更低、酸性更强的溶液。针对许多不同的RPA都在实验室中证明了用光照射可逆光酸会导致溶液pH降低的行为，就像已经通过多个光暗循环重复进行pH波动循环一样。

产生所需反应的施加光的比例是光反应的一个关键性能参数。这种性能指标由以下控制：所施加光的与GSH光酸的吸收光谱相匹配的部分；被吸收的入射光的量，所述量是消光系数、路径长度和吸收物质浓度的函数；以及所吸收的光的导致所需光反应的部分(量子产率，)。现有的RPA通常由可见蓝光激发，并且以大消光系数(约10⁴L mol^-1cm^-1)为特性。大消光系数意味着这些化合物有效吸收接近其最大激发波长的光(对于本实例性光酸，λ_最大＝425nm)。当使用为10⁴的消光系数和为2毫摩尔的GSH物质水溶性的典型RPA特性进行计算时，RPA的溶液内λ_最大处的入射光衰减99％的长度尺度为约1mm。先前的研究(Berton等人，2020)中已在实验室中证明了入射蓝光的总衰减和量子产率为高达0.7的GSH至ES的激发。这些特性意味着实用且紧凑的光反应器可以设计为当光被沿着大约仅几毫米的路径长度传送穿过含有GSH RPA的溶液时有效地释放质子。其他实施方式可以将光引导到附着至材料表面或合并在材料内的RPA上。RPA的高消光系数和高量子产率意味着RPA的薄层在这些实施方式中应该是有效的。

由于大多数RPA都是光致变色的，因此还可以灵活地使光程和光反应器尺寸大于1mm。在光致变色化合物中，基态物质的吸收光谱与激发态物质的吸收光谱显著不同。这种吸收的转变限制了自遮蔽。转换成ES的光致变色RPA不会衰减与GSH激发最匹配的波长的光。因此，即使溶液厚度大于上述1 mm的特征长度，光也应该能够穿透RPA溶液并与剩余的GSH物质发生反应。

光反应器的最佳尺寸和设计将考虑附加因素，所述附加因素包括RPA是溶解在溶液中还是固定在基底上；如果RPA溶解在溶液中，则流量和混合；入射光的路径、入射光的来源、强度和波长；光反应器是否集成到所公开的工艺的其他方面；以及光反应器是否集成到其他工业过程中。图20中示出了一种实施方式，在所述实施方式中所述过程的几个步骤被组合在模块化面板中。

图21示出了示例性公开的碳捕获系统的实施方式，在所述碳捕获系统中源水在一系列单独的碳收集器(如图20所示的那些)内被酸化，并且酸化的源水被转移到中央气体转移设施。这种气体转移设施定位在中心，以最小化气体运输管道和资本成本。在一种实施方式中，使用热虹吸使每个面板中的光酸溶液再循环以消除主动流体泵送的需要，这将减少电力需求，以及减少水泵的资本成本。

人造光源的使用。用于RPA激发反应的光可以由阳光或人造光源提供。人造光源的一个实例是发光二极管(LED)。使用LED的优点中的一些优点是紧凑的光反应器设计以及将光源波长与RPA的吸收光谱紧密匹配的能力。高强度蓝色LED是市售的，其与现有RPA的吸收光谱相匹配。例如，欧司朗(OSRAM)所售的OSLON GD CSBRM2.14Deep Blue是一款峰值发射在445nm处的市售LED，所述峰值发射可以很好地与所公开的工艺配合工作。这种LED的典型效率是70％，这意味着当由2W的输入电能驱动时，它会产生1.4瓦(J sec^-1)的光能。在一种实施方式中，可以使用350个LED(间隔开5cm，这与边长为3mm的LED壳大小相比是大的)来组装产生1860μmol光子sec m^-2并且消耗720瓦电功率的500W m^-2LED阵列。这种高强度光源类似于用于人工照明的水培农业的灯架。LED还可以布置成更复杂的形状，以优化RPA暴露或耦合的过程步骤。这种照射水平将导致(1860μmol的光子sec^-1m^-2)×(光源与光反应溶液之间估计95％的光耦合)×(0.7的量子产率)＝1237μmol的所产生的ES和质子sec^-1m^-2，并且假设商业用电价格为0.06美元kWh^-1，则每小时的电力成本为0.043美元。如果由这种反应产生的质子导致CO₂以85％的效率转移，则1m²的LED阵列将产生(1237μmol的质子sec^-1)×(85％)×(60sec/l min)×(60min/l hr)＝3.79mol CO₂ hr^-1或167g的CO₂ hr^-1。每吨有10⁶g的CO₂，因此在这种情况下，每吨CO₂的LED电力成本是259美元吨^-1捕获的CO₂。对于这种实例性LED阵列系统，1千吨CO₂/年装置所需的LED照射面积是685m²。如果每个模块化面板是10cm高，则所述系统可以容纳在3m高且每边5m的体积中，所述体积大约与标准40英尺高立方集装箱的体积相同。

阳光作为光源。使用阳光激发光酸是一种节能选项，其可以降低运营成本，因为不再需要运行LED或其他人造灯的能源和成本。然而，只有一部分太阳光谱与GSH光酸的吸收光谱相匹配；一天中只有部分期间有阳光；并且阳光的强度不如许多人造光源，因此收集足够光线所需的面积可能很大。阳光和/或人造光之间的选择将取决于具体应用，并且将受到包括能源成本、阳光可用性、土地可用性、大小约束以及与制造光反应器相关联的资本成本在内的因素的控制。

下表中总结了靠近具有溶解的CO₂的海水或河流的若干位置处可得的阳光的典型量。

/>

圣地亚哥提供6.0kWh天^-1m^-2或每年2200kWh m^-2的直接正常太阳辐射作为设计实例。目前可用的光酸预计吸收约13％的地表太阳光谱。以下是阳光充足地点如圣地亚哥1千吨CO₂/年设施所需太阳能收集器面积的实例性计算。使用这些计算中所使用的参数，需要10,000m²或大约两个美式足球场的面积来捕获1千吨CO₂/年装置所需的阳光。

·(2200kWh年^-1m^-2)(.95光损耗)(13％的太阳光谱活性)(100％衰减)＝272kWh年^-1m^-2的活性辐射被光酸吸收；

·(吸收的272kwh年^-1m^-2)(1000Wh/l kWh)(3，600J/l Wh)＝吸收了1×10⁹J年^-1m^-2；

·(吸收的1×10⁹J年^-1m^-2)/(4.62×10^-19J/430nm光子-参见上文)(1摩尔/6.02×10²³个光子)＝吸收了3,706摩尔光子年^-1m^-2；

·(吸收的3,706摩尔光子年^-1m^-2)(为0.7的量子产率)*(0.85转换为CO₂)＝生成了2,205摩尔的CO₂年^-1m^-2；

·1千吨的CO₂设施需要22.7×10⁶摩尔/年，因此将需要(22.7×10⁶摩尔年^-1)/(2.20×10³摩尔CO₂年m^-2)＝10,307m2的太阳能收集面积；

·美式足球场的面积是360ft×160ft＝57,600ft²。这是(57,600ft²)/(3.28ft m^-1)/(3.28ft m^-1)＝5,354m²。这意味着使用当前技术的1千吨CO₂设施将需要(10,307m²)/(5,353m²)＝1.9个美式足球场的太阳能收集面积。

对于这种场景，太阳能需要的表面积是LED实例的15倍。值得注意的是，太阳能收集区域不能像LED或其他人造光源场景那样堆叠和变得紧凑。

提高阳光驱动过程的效率的一种方式是使用具有不同吸收光谱(具有几种不同的λ最大)的多种光酸，以便它们可以收集更多的太阳光谱。这种方法得到了研究的支持，所述研究显示RPA结构的化学变化可以改变λ最大(Liu，Junning、Wenqi Tang、Lan Sheng、ZhenDu、Ting Zhang、Xing Su和Sean Xiao-An Zhang.“Effects of Substituents onMetastable-State Photoacids：Design，Synthesis，and Evaluation of TheirPhotochemical Properties.”Chemistry-An Asian Journal 14，第3期(2019年2月)：438-45.doi.org/10.1002/asia.201801687。

在另一个更有效地使用阳光中的能量的实施方式中，光反应器可以与太阳能光伏面板组合(图22)。这种实施方式与用于同时发电和加热水的市售混合太阳能光伏-太阳能热面板类似。例如，光伏面板可以放置在含有RPA的溶液下方。未被RPA吸收的阳光将穿过溶液行进并被PV收集器吸收以发电。这种方法将使用阳光中的能量来捕获碳并产生电力。这种方法可以增加系统的收入和有益环境影响。在一种替代实施方式中，将专门的半透明太阳能PV面板放置在RPA溶液上方，而不是将PV面板放置在RPA溶液下方。

CO₂扩散。已经在相关海水流量下进行了广泛的实验室和现场测试来表明扩散步骤不需要独特的膜或高压，并且可以使用现成的部件来实现。在这些实验中，使用对CO₂多孔但对水或离子不多孔的商用气体接触器膜(Separel EF-040p-Q-AN，日本)从海水中提取CO₂。二氧化碳跨40μm厚的聚-4-甲基-戊烯-1(PMP)膜被动扩散，所述膜将设备的内腔和壳侧分开。所使用的EF-040p-Q-AN膜的表面积是40m²，但更大或更小的大小是可用的。将海水泵送通过膜的壳侧，并使用位于膜下游的密封实验室真空泵(Welch 2585B)将小流量的吹扫气体(在本例中为环境空气)抽入内腔侧。在其他测试中，使用气体接触器上游的泵将吹扫气体推过膜。在另一些测试中，在没有吹扫气体的情况下对膜的内腔侧施加真空。无论是在真空下还是在正压(＞1atm)下操作膜的气体侧，都可以实现从液体到气体的相当CO₂转移效率。

随着CO₂从气体接触器膜的水侧转移到空气侧，水的DIC降低并且碱度不变。因此，跨膜的碳通量是根据等式1，由进入和离开接触器的海水之间的DIC下降乘以水流量表示的：

跨膜的碳通量也根据离开膜的内腔侧的气体的pCO₂独立地计算。这两个独立估计之间的总体一致性显示了准确测量碳通量的能力。实验数据还与基于膜的气体接触器的数值模型进行了比较，所述模型解释了无机碳的平流输送、扩散和化学反应。在这种模型中，气体接触器内的海水和吹扫气体被分成离散的箱子。逆流流动使海水和吹扫气体沿相反方向平流输送。CO₂通过穿过膜扩散而在海水与吹扫气体之间移动。每个充分混合的海水箱内的无机碳都会发生动力学和平衡化学反应。这种经验证的数值模型用于预测各种条件下的碳转移率，以帮助设计过程优化。

在一系列实验中，海水被酸化，使得海水的碱度从2300微当量/kg降低至300微当量/kg，这对应于所公开的工艺中预期的大致水平。随着海水酸化，碳通量急剧增加。例如，碳通量率从未酸化海水中膜的25μmol CO₂ min^-1m^-2到酸化海水中的825μmol CO₂ min^-1m^-2增加了33倍，而其他实验条件保持不变。这些实验证明了所公开的工艺的基本原理之一，即可以通过酸化增强从天然水中去除CO₂。区分所公开的工艺与其他技术的一种因素是这种酸化是使用可逆光酸实现的。此外，这些实验数据与数值气体转移模型非常吻合，所述模型预测在这些实验条件下酸化海水的碳去除率为860μmol CO₂ min^-1m^-2，或者准确度误差小于5％。

对于给定的酸化水平，当海水流量被最大化、海水加热被最大化并且真空强度接近0.85atm时，获得了可以使用Separel EF-040p-Q-AN膜从海水中去除的最高碳通量(图23)。

使用以下时的碳通量的再现性建立了对从海水中可预测地去除CO₂的能力的信心：具有相同设计的不同膜；在不同位置，包括在现场使用天然海水和在实验室使用人造海水；当相隔几个月测量时；以及与先前描述的建模相比。

光酸降解和理想的光酸特性。在实现所公开的工艺时要考虑的一种因素是光酸降解。已知当前RPA在水溶液中以数小时至数天的时间尺度水解。在这些速率下，对于一些应用来说，更换RPA可能变得成本过高。调整RPA结构可以减缓这种降解反应(Berton等人，2021)。主要降解途径是已知的(Berton等人，2020)，并且正好与用于制造RPA的最后一个合成步骤相反(图24)。换句话说，降解反应的产物是RPA合成的最后一步的起始材料。这意味着可以回收降解产物来再生RPA。RPA在一些非水溶剂如乙腈中也能稳定数月。限制降解的另一种方法是对含有RPA的工作流体使用非水溶剂或非水溶剂和水溶剂的混合物。将RPA固定化在表面上或材料内部也可能积极地影响降解率。

结尾段落。除非另有说明，否则本公开的实践可以采用化学、有机化学、生物化学、分析化学、物理化学和电化学的常规技术。这些方法描述于以下出版物中。参见例如，Harcourt等人，Holt McDougal Modern Chemistry：Student Edition(2018)；J.Karty，Organic Chemistry Principles and Mechanisms(2014)；Nelson等人，LehningerPrinciples of Biochemistry第5版(2008)；Skoog等人，Fundamentals of AnalyticalChemistry(第8版)；Atkins等人，Atkins′Physical Chemistry(第11版)；Lefrou等人，Electrochemistry：The Basics，with Examples，2012，Anslyn和Dougherty，ModernPhysical Organic Chemistry。

上述方法的一些或全部操作可以通过执行存储在计算机可读存储介质上的计算机可读指令来执行，如下所定义。如说明书和权利要求书中使用的术语“计算机可读指令”包括例行程序、应用程序、应用程序模块、程序模块、程序、部件、数据结构、算法等。计算机可读指令可以实现于多种系统配置上，所述系统配置包括单处理器或多处理器系统、小型计算机、大型计算机、个人计算机、手持式计算装置、基于微处理器的可编程的消费性电子器件、它们的组合等等。

计算机可读存储介质可包括易失性存储器(诸如随机存取存储器(RAM))和/或非易失性存储器(诸如只读存储器(ROM)、闪存等)。计算机可读存储介质还可以包括附加的可移动存储装置和/或不可移动存储装置，包括但不限于闪存、磁性存储装置、光学存储装置，和/或可以提供计算机可读指令、数据结构、程序模块等的非易失性存储的磁带存储装置。

非暂时性计算机可读存储介质是计算机可读介质的实例。计算机可读介质包括至少两种类型的计算机可读介质，即计算机可读存储介质和通信介质。计算机可读存储介质包括在用于存储信息诸如计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据的任何过程或技术中实现的易失性和非易失性、可移除和不可移除的介质。示例性计算机可读存储介质包括相变存储器(PRAM)、静态随机访问存储器(SRAM)、动态随机访问存储器(DRAM)、其他类型的随机访问存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、电可擦除可编程只读存储器(EEPROM)、闪存或其他存储技术、光盘只读存储器(CD-ROM)、数字多功能光盘(DVD)或其他光学存储装置、磁带盒、磁带、磁盘存储装置或其他磁性存储设备，或可用于存储供计算设备访问的信息的任何其他非传输介质。相反，通信介质可以体现计算机可读指令、数据结构、程序模块、或调制数据信号中的其他数据，诸如载波或其他传输机制。如本文所定义的，计算机可读存储介质不包括通信介质。

存储在一个或多个非暂时性计算机可读存储介质上的计算机可读指令当由一个或多个处理器执行时可以执行上面参考附图描述的操作。一般来说，计算机可读指令包括执行特定能或实现特定抽象数据类型的例行程序、程序、对象、部件、数据结构等。描述操作的次序并不旨在被解释为限制，并且任何数量的所描述的操作可按任何次序和/或并行地组合以实现所述过程。

本文所公开的每个实施方案可包括以下、基本上由以下组成或由以下组成：所述每个实施方案的特别陈述的要素、步骤、成分或组分。因此，术语“包括(include/including)”应解释为叙述：“包含(comprise)、由......组成或基本上由......组成”。过渡性术语“包含(comprise/comprises)”意指具有但不限于并且允许包括未指定的要素、步骤、成分或组分，即使是呈较大量也是如此。过渡性短语“由......组成”不包括未指定的任何要素、步骤、成分或组分。过渡性短语“基本上由......组成”将实施方案的范围局限于所指定的要素、步骤、成分或组分以及不会实质上影响所述实施方案的那些。材料效应将导致可从含碳流体中去除碳并转移至目标气体或液体料流的效率在统计学上显著降低。

除非另有说明，在说明书和权利要求书中使用的表示成分量、特性如分子量、反应条件等的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非有相反的指示，否则在上述说明书和所附权利要求书中列出的数值参数均为近似值，该等近似值可以根据本发明所寻求获得的期望性质而变化。在最低程度上，并且不试图将等同原则的应用限制到权利要求书的范围内的条件下，至少应该根据所报告的数值的有效数位和通过惯常的四舍五入法来解释每个数值参数。当需要进一步明确性时，当与所陈述的数值或范围结合使用时，术语“约”具有本领域技术人员合理地归于它的含义，即，表示略大于或略小于所陈述的值或范围，在所陈述值的±20％范围内；在所陈述值的±19％范围内；在所陈述值的±18％范围内；在所陈述值的±17％范围内；在所陈述值的±16％范围内；在所陈述值的±15％范围内；在所陈述值的±14％范围内；在所陈述值的±13％范围内；在所陈述值的±12％范围内；在所陈述值的±11％范围内；在所陈述值的±10％范围内；在所陈述值的±9％范围内；在所陈述值的±8％范围内；在所陈述值的±7％范围内；在所陈述值的±6％范围内；在所陈述值的±5％范围内；在所陈述值的±4％范围内；在所陈述值的±3％范围内；在所陈述值的±2％范围内；或在所陈述值的±1％范围内。

尽管阐述本发明广泛范围的数值范围和参数是近似值，但具体实施例中列出的数值是尽可能精确报告的。然而，任何数值固有地包含不可避免地由其各自相应的测试测量中存在的标准偏差引起的某些误差。

在描述本发明的语境(特别是在以下权利要求书的语境中)中使用的术语“一”、“一个(种)”、“该”和类似的指示物应被解释为包括单数和复数两者，除非在本文中另外指明或明显地与上下文相矛盾。本文中对数值范围的表述仅旨在用作单独提及落入该范围内的每个单独值的缩略方法。除非本文另外指示，否则每一个别值都被并入本说明书中，就如同在本文中个别地叙述该值一样。本文描述的所有方法可以以任何合适的顺序进行，除非本文另外指明或以其他方式明确地与上下文相矛盾。本文提供的任何和所有实例、或示例性语言(例如“诸如(例如)”)的使用仅旨在更好地说明本发明，而不是造成对以其他方式要求保护的本发明的范围的限制。说明书中的语言不应被解释为表示对本发明的实践至关重要的任何非要求保护的要素。

本文所公开的本发明的替代性要素或实施方案的分组不应解读为是限制性的。每个群组成员都可个别地或与该群组其他成员或本文中发现的其他要素以任何组合形式被提到和要求保护。预期组中的一个或多个成员可以出于方便和/或可专利性起见而被包括在组中或从组中删除。当发生任何此类包含或删除时，本说明书被认为包含经修改的组，从而满足所附权利要求中所使用的所有马库什群组的书面描述。

本文描述了本发明的某些实施方案，包括发明人已知的用于实施本发明的最佳模式。当然，本领域普通技术人员在阅读前面的描述后将容易了解这些所描述的实施方案的变化形式。发明人希望熟练的技术人员在适当时可使用这些变化形式，而且发明人意图以除本文具体描述的方式以外的方式实践本发明。因此，本发明包括适用法律所容许的对所附权利要求中所述主题的所有修改和等效内容。此外，本发明涵盖上述要素以其所有可能变化的任何组合，除非在本文中另有说明或以其他方式明确地与上下文相矛盾。

此外，在本说明书通篇，已经参考了众多的专利、印刷出版物、期刊文章和其他书面文本(本文中的参考材料)。参考材料中的每一参考材料中提到的教导都个别地以引用的方式整体并入本文。

最后，应当理解，本文所公开的本发明的实施方案是对本发明原理的说明。可采用的其他修改也在本发明的范围内。因此，例如但不限于，可根据本文的教义利用本发明的替代配置。因而，本发明不限于明确显示和描述的实施方案。

本文示出的细节是作为举例并且仅出于说明性讨论本发明的优选实施方案的目的，并且呈现这些细节旨在提供被认为是本发明各个实施方案的原理和概念方面的最有用和最易理解的描述的内容。就这一点而言，除对于基本理解本发明所必需的内容之外，没有企图更详细地示出本发明的结构细节，而是结合附图和/或实施例进行描述，以使本领域技术人员易于了解如何能在实践中体现本发明的若干形式。

在本公开中使用的定义和解释意欲并且旨在控制任何未来构建，除非在实施例中被明确且毫无疑问地修改或者当该含义的应用使得任何构建无意义或基本上无意义。在术语的构建将使它无意义或基本上无意义的情况下，定义应该从韦氏字典(Webster′sDictionary)第3版或本领域普通技术人员已知的字典诸如生物化学和分子生物学牛津字典(Attwood T等人编辑，Oxford University Press，Oxford，2006)中取得。

Claims (139)

1.一种从含碳液体中去除碳的方法，所述方法包括：将所述含碳液体暴露于光活性化合物，从而将所述碳从所述含碳液体去除到次级环境中。

2.如权利要求1所述的方法，其中所述次级环境包括目标料流或工作流体。

3.如权利要求2所述的方法，其中所述目标料流是液体或气体。

4.如权利要求2所述的方法，其中所述次级环境是所述目标料流，并且所述将所述碳去除到所述目标料流中是通过膜、气体接触器或通过直接转移进行的。

5.如权利要求2所述的方法，其中所述次级环境是所述工作流体，并且所述将所述碳去除到所述工作流体中是通过膜进行的。

6.如权利要求5所述的方法，其中所述膜是透气膜。

7.如权利要求5所述的方法，其中所述膜是离子交换膜。

8.如权利要求2所述的方法，其中所述工作流体位于所述含碳液体与所述目标料流之间。

9.如权利要求8所述的方法，其中所述工作流体通过膜与所述含碳液体分离。

10.如权利要求8所述的方法，其中所述工作流体通过膜或气体接触器与所述目标料流分离。

11.如权利要求8所述的方法，其中所述工作流体通过膜与所述含碳液体分离，并且通过膜或气体接触器与所述目标料流分离。

12.如权利要求2所述的方法，其中所述光活性化合物位于所述工作流体内。

13.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性化合物位于所述含碳液体内或在与所述含碳液体接触的边界处。

14.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性化合物位于与所述含碳液体分离的辅助流体内。

15.如权利要求14所述的方法，其中所述辅助流体和所述含碳液体通过离子交换膜分离。

16.如权利要求15所述的方法，其中所述离子交换膜是质子扩散通过的阳离子交换膜。

17.如权利要求13或14所述的方法，其中所述光活性化合物降低所述含碳液体的pH。

18.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性化合物是活化的光活性化合物。

19.如权利要求18所述的方法，其中所述活化的光活性化合物生成质子，所述质子跨膜扩散至所述含碳液体，从而降低所述含碳液体的pH并去除所述碳。

20.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性化合物包括光酸。

21.如权利要求20所述的方法，其中所述光酸包括可逆光酸。

22.如权利要求20所述的方法，其中所述光酸包括亚稳态光酸。

23.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性化合物包括部花青、螺吡喃、三氰基呋喃、俘精酸酐、二芳基乙烯、偶氮苯、螺噁嗪、醌或三苯基甲烷。

24.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性化合物包括部花青。

25.如权利要求24所述的方法，其中所述部花青包含二氢吲哚鎓环上的甲氧基取代基和二氢吲哚鎓氮上的丁基磺酸酯基团。

26.如权利要求1所述的方法，其中所述方法进一步包括活化所述光活性化合物。

27.如权利要求26所述的方法，其中活化所述光活性化合物包括将所述光活性化合物暴露于光。

28.如权利要求27所述的方法，其中所述光是阳光或人造光。

29.如权利要求28所述的方法，其中所述人造光来自发光二极管(LED)灯。

30.如权利要求29所述的方法，其中所述光是阳光并且所述光活性化合物具有不同的吸收光谱。

31.如权利要求1所述的方法，其中所述光活性化合物嵌入在材料内和/或涂覆在材料的表面上。

32.如权利要求31所述的方法，其中所述材料包括珠粒、颗粒、管、板或膜。

33.如权利要求31所述的方法，其中所述材料包括如权利要求7所述的透气膜。

34.如权利要求31所述的方法，其中所述材料包括如权利要求8所述的离子交换膜。

35.如权利要求31所述的方法，其中所述材料在如权利要求13所述的含碳液体内。

36.如权利要求31所述的方法，其中所述材料在与如权利要求13所述的含碳液体接触的边界处。

37.如权利要求31所述的方法，其中所述材料在如权利要求14所述的辅助流体内。

38.如权利要求17所述的方法，其中所述pH的所述降低增加了所述含碳液体中的二氧化碳分压。

39.如权利要求1所述的方法，其中所述降低的pH在2与7之间。

40.如权利要求1所述的方法，其中所述降低的pH在3与6之间。

41.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括将所述含碳液体的流朝向所述活化的光活性化合物引导。

42.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括用加热源加热所述含碳液体。

43.如权利要求42所述的方法，其中将所述含碳液体加热至-2℃至120℃的温度。

44.如权利要求42所述的方法，其中所述加热源包括太阳热能或来自发电或工业过程的废热。

45.如权利要求44所述的方法，其中所述发电是热电发电或核发电。

46.一种加速矿物风化反应的方法，所述方法包括将矿物暴露于目标液体，从而加速所述矿物风化反应，所述目标液体暴露于降低所述目标液体的pH的光活性化合物。

47.一种捕获碳的方法，所述方法包括将矿物暴露于目标液体，从而将来自其他气体或流体的碳浓缩到所述目标液体中，所述目标液体暴露于降低所述目标液体的pH的光活性化合物。

48.如权利要求46或47所述的方法，其中所述矿物是磨碎的矿物。

49.如权利要求46或47所述的方法，其中所述矿物是超镁铁岩和/或石灰石和/或橄榄石。

50.如权利要求46或47所述的方法，其中所述碳的来源是化石燃料和/或生物燃料的燃烧。

51.如权利要求46或47所述的方法，其中所述碳的来源是工业过程。

52.如权利要求51所述的方法，其中所述工业过程是水泥生产。

53.如权利要求46或47所述的方法，其中所述碳的来源是大气。

54.如权利要求46或47所述的方法，其中所述碳的来源是液体。

55.如权利要求54所述的方法，其中所述液体是海水。

56.如权利要求46或47所述的方法，其中所述光活性化合物位于含矿物的目标液体内或在与所述含矿物的目标液体接触的边界处。

57.如权利要求46或47所述的方法，其中所述光活性化合物位于与所述目标液体分离的辅助流体内。

58.如权利要求57所述的方法，其中所述辅助流体和所述目标液体通过质子扩散通过的阳离子交换膜分离。

59.如权利要求1所述的方法，所述方法进一步包括捕获所述去除的碳。

60.如权利要求59所述的方法，其中所述捕获所述去除的碳在所述光活性化合物的去活化之后进行。

61.如权利要求18所述的方法，所述方法进一步包括对所述光活性化合物进行去活化。

62.如权利要求61所述的方法，其中所述去活化包括去除所述光活性化合物对光的暴露。

63.如权利要求61所述的方法，其中所述光活性化合物的活化和去活化基于所述含碳液体的流动方向顺序地发生，并且其中捕获所述去除的碳发生在所述光活性化合物的所述活化和去活化之间。

64.如权利要求62所述的方法，其中所述去除所述光活性化合物对光的暴露使所述光活性化合物返回至其弛豫状态，从而使所述光活性化合物再生以供进一步用于如权利要求1所述的方法中。

65.如权利要求64所述的方法，其中所述方法进一步包括活化所述再生的光活性化合物并在所述光活性化合物已经再生后反转所述含碳液体的所述流动的所述方向，从而去除附加碳。

66.如权利要求2所述的方法，其中所述方法进一步包括维持所述工作流体中的电荷平衡。

67.如权利要求14所述的方法，其中所述方法进一步包括维持所述辅助流体中的电荷平衡。

68.如权利要求66或67所述的方法，其中维持电荷平衡包括用阳离子替换从所述工作流体或辅助流体移动到所述含碳流体的质子，或者使阴离子与从所述工作流体或辅助流体移动到所述含碳流体的质子一起移动。

69.如权利要求68所述的方法，其中所述阳离子或阴离子来自含碳流体或来自另一种流体。

70.如权利要求66或67所述的方法，其中维持所述工作流体或所述辅助流体中的所述电荷平衡包括使用电化学反应。

71.如权利要求70所述的方法，其中所述电化学反应基于阳极或阴极的存在而发生。

72.如权利要求14所述的方法，所述方法进一步包括使所述辅助流体通过离子交换膜与流体料流接触，并且其中所述流体料流包括质子源。

73.如权利要求1所述的方法，其中所述含碳液体中的所述碳呈二氧化碳、碳酸、碳酸氢根和/或碳酸根的形式。

74.如权利要求1所述的方法，其中所述去除的碳是二氧化碳。

75.如权利要求1所述的方法，其中所述含碳液体是水。

76.如权利要求75所述的方法，其中所述水是海水、远洋海水或河水。

77.如权利要求75所述的方法，其中所述水是微咸水。

78.如权利要求75所述的方法，其中所述水是来自发电过程或工业过程的废水。

79.如权利要求78所述的方法，其中所述发电过程是热电发电或核发电。

80.如权利要求78所述的方法，其中所述工业过程是海水淡化。

81.一种用于执行如权利要求1所述的方法的系统。

82.一种用于从含碳液体中去除碳的系统，其中所述系统包括：

管道，所述管道用于将所述含碳液体运载至光活性化合物；

包含所述光活性化合物的物质；以及

刺激器，所述刺激器用于活化所述物质中的所述光活性化合物。

83.如权利要求82所述的系统，所述系统进一步包括用于捕获所述去除的碳的单元。

84.如权利要求82所述的系统，其中所述系统进一步包括用于使所述含碳液体朝向所述光活性化合物流动的装置。

85.如权利要求82所述的系统，其中所述装置包括泵或水头。

86.如权利要求85所述的系统，其中所述水头由潮汐、河流或水坝提供。

87.如权利要求85所述的系统，其中所述装置生成受热流体的对流。

88.如权利要求83所述的系统，其中所述系统进一步包括在所述单元与目标料流之间的材料，并且其中所述材料使得能够将所述去除的碳从所述单元转移到所述目标料流中。

89.如权利要求88所述的系统，其中所述材料包括膜、气体接触器、或能够将所述去除的碳直接转移至所述目标料流的材料。

90.如权利要求82所述的系统，其中所述系统进一步包括第二管道，所述第二管道用于运载工作流体或辅助流体。

91.如权利要求90所述的系统，其中所述系统进一步包括第三管道，所述第三管道用于运载所述工作流体或所述辅助流体。

92.如权利要求82所述的系统，其中所述刺激器包括光源。

93.如权利要求92所述的系统，其中所述光源是人造光源。

94.如权利要求93所述的系统，其中所述人造光源是LED光源。

95.如权利要求82所述的系统，所述系统进一步包括热源，所述热源用于加热所述含碳液体。

96.如权利要求95所述的系统，所述系统进一步包括第四管道，所述第四管道用于将所述含碳液体运载至所述热源。

97.一种用于从含碳液体中去除碳的系统，其中所述系统包括：

第一管道，所述第一管道用于运载所述含碳液体；

刺激器，所述刺激器用于活化光活性化合物；

处理器；以及

计算机可读介质，所述计算机可读介质存储计算机可执行指令，所述计算机可执行指令当被执行时，使所述系统执行包括以下的操作：

将所述第一管道中的所述含碳液体暴露于光活性化合物；以及

将所述碳从所述含碳液体去除到次级环境中。

98.如权利要求97所述的系统，其中：

所述刺激器包括光源；并且

所述操作进一步包括使用所述光源活化所述光活性化合物。

99.如权利要求97所述的系统，所述系统进一步包括流动装置，所述流动装置用于驱动所述含碳液体流动；

其中所述操作进一步包括使用所述流动装置将所述含碳液体的流朝向活化的光活性化合物引导。

100.如权利要求97所述的系统，所述操作进一步包括通过去除所述光活性化合物对所述光源的暴露来对所述光活性化合物进行去活化。

101.如权利要求97所述的系统，所述系统进一步包括捕获单元，所述捕获单元用于捕获所述去除的碳；

其中所述操作进一步包括经由所述捕获单元捕获所述去除的碳。

102.如权利要求101所述的系统，其中在对所述光活性化合物进行去活化之后捕获所述去除的碳。

103.如权利要求97所述的系统，其中：

所述次级环境包括目标料流；

所述系统进一步包括在所述捕获单元与所述目标料流之间的材料；

所述操作进一步包括在某一时间段内允许经由所述材料将所述去除的碳从所述捕获单元转移到所述目标料流中。

104.如权利要求103所述的系统，其中所述材料包括膜、气体接触器、或能够将所述去除的碳直接转移至所述目标料流的材料。

105.如权利要求97所述的系统，所述系统进一步包括热源，所述热源用于加热所述含碳液体；

其中所述操作进一步包括用所述加热源加热所述含碳液体。

106.如权利要求97所述的系统，其中：

所述次级环境包括工作流体；

所述系统进一步包括：

第二管道，所述第二管道用于运载所述工作流体；以及

膜，所述膜与包含所述光活性化合物的辅助流体功能性接触；

所述将所述含碳液体暴露于所述光活性化合物包括：

当所述辅助流体处于较高pH状态时，将所述含碳液体暴露于所述膜达足以允许从所述含碳液体中去除碳至所述工作流体中的时间段。

107.如权利要求97所述的系统，其中所述系统进一步包括泵或水头；

其中所述操作进一步包括经由所述泵或所述水头破坏所述膜与所述辅助流体之间的功能性接触。

108.如权利要求82所述的系统，所述系统进一步包括光伏面板。

109.如权利要求108所述的系统，其中所述光伏面板位于包含所述光活性化合物的所述物质下方。

110.如权利要求108所述的系统，其中所述光伏面板是半透明的并且位于包含所述光活性化合物的所述物质上方。

111.如权利要求82所述的系统，其中所述光活性化合物具有不同的吸收光谱。

112.如权利要求82所述的系统，其中包含所述光活性化合物的所述物质进一步包含矿物。

113.如权利要求112所述的系统，其中所述矿物是磨碎的矿物。

114.如权利要求112所述的系统，其中所述矿物是超镁铁岩和/或石灰石。

115.如权利要求82所述的系统，所述系统在碳封存地点的1000英里内、100英里内、50英里内、40英里内、30英里内、20英里内、10英里内、5英里内、2英里内或1英里内。

116.如权利要求115所述的系统，其中所述碳封存地点在海洋、大海、河流或大陆地壳内。

117.如权利要求115所述的系统，其中所述碳封存地点在岩床内。

118.如权利要求117所述的系统，其中所述岩床在海洋、大海或河流内或者在海洋、大海或河流之下。

119.如权利要求117所述的系统，其中所述岩床是生成烃的地层。

120.如权利要求119所述的系统，其中所述生成烃的地层用于提高石油采收率(EOR)。

121.如权利要求117所述的系统，其中所述岩床包含盐水含水层。

122.如权利要求115所述的系统，其中所述碳封存地点在枯竭的油气井内。

123.如权利要求115所述的系统，其中所述碳封存地点在盐水含水层内。

124.如权利要求82所述的系统，所述系统在海岸线的10英里内、5英里内或2英里内。

125.如权利要求82所述的系统，所述系统安装在海上石油钻机、海上风力发电装置、船舶、海上结构或浮动太阳能发电场上。

126.如权利要求125所述的系统，其中所述船舶是海军舰艇。

127.根据权利要求1所述的方法从含碳液体中去除的碳作为产品的组分的用途。

128.如权利要求127所述的用途，其中所述产品是肥料、塑料、水泥或燃料。

129.如权利要求128所述的用途，其中所述燃料是生物燃料、石油、汽油、柴油、喷气燃料或合成燃料。

130.如权利要求129所述的用途，其中所述生物燃料是藻类生物燃料。

131.如权利要求127所述的用途，其中所述产品是甲醇、乙醇或烃。

132.如权利要求131所述的用途，其中所述烃是长链烃。

133.根据权利要求1所述的方法从含碳液体中去除的碳在生命形式的生长中的用途。

134.如权利要求133所述的用途，其中所述生命形式是藻类。

135.如权利要求133所述的用途，其中所述生命形式是作物。

136.如权利要求135所述的用途，其中所述作物是农作物。

137.如权利要求133所述的用途，其中所述生命形式是植物。

138.如权利要求137所述的用途，其中所述植物是大麻植物。

139.如权利要求133所述的用途，其中所述用途在温室中发生。