JP7305356B2 - Ｈ２発生との統合による空気からのｃｏ２の省エネルギー除去 - Google Patents

Description

本開示は、大気からの二酸化炭素の除去に関し、より詳細には、水素を生成する水電解を使用して大気から二酸化炭素を除去することに関する。

二酸化炭素は、環境中に蓄積し続けている。アメリカ海洋大気庁（ＮＯＡＡ）によると、地球大気中の二酸化炭素の成長は、２０１５年および２０１６年には３万分率（ｐｐｍ）、２０１７年には２ｐｐｍであった。二酸化炭素を空気から除去する技術は、研究の重要な領域になっている。

１つのアプローチは、バイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）の使用を伴う。ＢＰＭＥＤは、電気化学を使用し、９０％の範囲の効率の可能性を有する。ＢＰＭＥＤ装置は、イオン交換膜を使用して、膜のスタックが電圧を受けると溶液中のイオン種を分離する。ＢＰＭＥＤの１つのプロセスは、濃縮酸を生成し、次いでこのプロセスは、それを重炭酸塩豊富ストリームに添加してＣＯ_２を脱離させた。しかしながら、これらの取り組みのいくつかは、ポンピングや電気透析の費用を含むコストが、最良のシナリオであっても高すぎるという結論に達した［Ｅｉｓａｍａｎ，Ｍ．Ｄ．，Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｇｒｅｅｎｈｏｕｓｅ Ｇａｓ Ｃｏｎｔｒｏｌ（２０１８），ｈｔｔｐｓ：／／ｄｏｉ．ｏｒｇ／１０．１０１６／ｊ．ｉｊｇｇｃ．２０１８．０２．０２０］。

比較的低いコスト、高い効率、および比較的低い、またはさらには負の排出物を有するＣＯ_２を地球の大気から除去するためのプロセスおよび装置が依然として必要とされている。

本明細書に例証する態様によれば、入力としてのアルカリ捕捉ストリームと、出力としてのアルカリ枯渇ストリームと、その出力として枯渇ストリームを有する二酸化炭素除去ユニット動作と、一連の電解槽であって、各電解槽が、ＣＯ_２豊富入力ストリームを受け取り、ＣＯ_２豊富入力ストリームよりも酸性であるＣＯ_２豊富出力ストリームを生成し、ＣＯ_２欠乏入力ストリームを受け取り、ＣＯ_２欠乏入力ストリームよりもアルカリ性であるＣＯ_２欠乏出力ストリームを生成する、一連の電解槽とを含む電解システムであって、少なくとも１つの初期電解槽が、ＣＯ_２豊富入力ストリームとしてアルカリ捕捉ストリームを受け取り、少なくとも１つの最終電解槽が、酸性化されたＣＯ_２豊富出力ストリームを二酸化炭素除去ユニット動作に送り、少なくとも１つの電解槽が、二酸化炭素除去ユニット動作から、ＣＯ_２欠乏入力ストリームとして枯渇ストリームを受け取り、システムからのアルカリ枯渇ストリーム出力が、１つ以上の電解槽からの塩基性ＣＯ_２欠乏出力ストリームを含む、電解システムが提供される。

また、大気からの二酸化炭素をアルカリ捕捉溶液中に捕捉することと、アルカリ捕捉溶液を、ＣＯ_２豊富経路で一連の電解槽に送ることであって、各電解槽セルが、入力ＣＯ_２豊富溶液の酸性度を上げる、送ることと、除去ユニット動作で酸性化されたＣＯ_２豊富溶液から二酸化炭素を除去して、ＣＯ_２欠乏溶液を生成することと、ＣＯ_２欠乏溶液を戻り経路で一連の電解槽に送ることであって、各電解槽が、戻りＣＯ_２欠乏溶液のアルカリ度を上げる、送ることと、塩基性化されたＣＯ_２欠乏溶液を二酸化炭素捕捉ユニット動作に戻すこととを含む、大気から二酸化炭素を除去し、水素を発生させる方法が提供される。

また、第１の入力ストリームを受け取る第１のチャンバであって、第１の入力ストリームよりも酸性の第１の出力ストリームを生成する、第１のチャンバと、第１のチャンバ中の第１の電極と、第２の入力ストリームを受け取る第２のチャンバであって、第２の入力ストリームよりもアルカリ性の第２の出力ストリームを生成する、第２のチャンバと、第２のチャンバ中の第２の電極と、電極に接続された電圧源と、第２のチャンバから第１のチャンバを分離するイオン選択膜とを有する電解槽であって、第１の入力ストリームおよび第２の入力ストリームの流れを制御して、イオン選択膜にわたって局部的なｐＨ降下を減少させるように構成される電解槽が提供される。

電解槽の実施形態を示す図である。 電解システムの実施形態を示す図である。 酸性化ストリーム中の二酸化炭素の分圧、対応するカチオン濃度、および対応するｐＨのグラフをそれぞれ示す図である。 酸性化ストリーム中の二酸化炭素の分圧、対応するカチオン濃度、および対応するｐＨのグラフをそれぞれ示す図である。 酸性化ストリーム中の二酸化炭素の分圧、対応するカチオン濃度、および対応するｐＨのグラフをそれぞれ示す図である。 電解システムの別の実施形態を示す図である。 電解システムの別の実施形態を示す図である。

大気からＣＯ_２を除去するためのバイポーラ膜電気透析（ＢＰＭＥＤ）を伴う先行するアプローチは、コスト効率のよい電気透析プロセスに必要な電流密度で非常に大きなＩ^２Ｒ損失を呈した。例えば、１つの市販のバイポーラ膜の抵抗率は、～０．００１１－０．００２３オーム＊ｍ^２である。～１－３ｋＡ／ｍ^２の電流密度では、結果として生じる過電圧は以下のようになる：

対照的に、４００万分率（ｐｐｍ）大気のＣＯ_２から５気圧（ａｔｍ）で純粋なＣＯ_２を生成するのに必要な熱力学的自由エネルギーに対応する電位は、以下の通りである：

Ｈ＋との反応による炭酸塩（ＣＯ_３ ^－）のＣＯ_２への変換などの２電子プロセスを前提としており、これについてはさらに詳述する。本明細書での実施形態の過電圧の所望の範囲は、上述の熱力学的自由エネルギーとして、本明細書で定義される熱力学的最小値の２～４倍を超えないので、１．１～６．９Ｖの範囲は、受け入れられない。

ＢＰＭＥＤに伴う別の問題は、妥当な電流密度で水をＨ＋およびＯＨ－に分離するのに必要な電圧にある。ＢＰＭＥＤで妥当な電流密度を達成するためには、陽イオン交換層内のＨ＋濃度およびバイポーラ膜の陰イオン交換層内のＯＨ－濃度が高くなければならない。高いイオン濃度がなければ、バイポーラ膜を通るイオン伝導のＩ^２Ｒ損失は、伝導度が電荷担体の数濃度に比例するため、上記の表よりもさらに高くなる。

しかしながら、バイポーラ膜のそれぞれの半分における高濃度のＨ＋およびＯＨ－は、接合部にわたる大きなｐＨ差に対応し、水の分割には５９．２ｍＶ／ｐＨが必要である。これは、水を分割するための所望な電圧よりも大きくなる。例えば、１４のΔｐＨは、膜にわたる抵抗性損失を含まない０．８３Ｖの必要電圧に相当する（Ｍ．ＭｃＤｏｎａｌｄ ａｎｄ Ｍ．Ｆｒｅｕｎｄ，Ａｐｐｌｉｅｄ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ＆Ｉｎｔｅｒｆａｃｅｓ，２０１４，６，１３７９０－１３７９７；およびＭ．ＭｃＤｏｎａｌｄ，Ｓ．Ａｒｄｏ，Ｎ．Ｌｅｗｉｓ ａｎｄ Ｍ．Ｆｒｅｕｎｄ，ＣｈｅｍＳｕｓＣｈｅｍ ２０１４，７，３０２１－３０２７）。この電圧は、上記の電圧ほど高くはないが、約０．８Ｖの電圧は、０．１２Ｖの熱力学的な最小値よりもかなり高い。

再生可能エネルギーによって発生したＨ_２を使用して環境からＣＯ_２を除去し、合成燃料を生成する負の排出技術は、高い魅力を有する。このプロセスは、直接空気捕捉（Ｄｉｒｅｃｔ Ａｉｒ Ｃａｐｔｕｒｅ）と呼ばれる空気から直接的に、またはＫＯＨ／Ｋ_２ＣＯ_３／ＫＨＣＯ_３溶液などの塩基性溶液中でそれを吸収することによって、様々な燃焼プロセスの排気ストリームからＣＯ_２を捕捉することができる。高ｐＨでの吸収後、溶液を酸性化することにより、その後の単離または使用のために気体のＣＯ_２を放出することができる。水の加水分解を使用してＨ_２を発生させ、同時に吸収されたＣＯ_２の溶液を酸性化することは、１つの可能性を提示する。

電解槽は、水の電気分解を行う装置である。アメリカ合衆国環境保護庁によると、水から水素を生成するために再生可能電力で駆動する電解槽を使用して、その後、液体燃料を生成するために環境から捕捉したＣＯ_２と水素を結合させることにより、依然として現代の輸送モードが必要とする燃料を提供しながら米国のＣＯ_２排出量の約１／３を軽減することができる。再生可能エネルギーとは、例として太陽光、風、雨、潮汐、波、および地熱などの人間の時間スケールで再生可能な資源から集められたエネルギーである。地球規模でこの目標を達成することは、ＣＯ_２を除去するために現在必要とされているエネルギーが、熱力学的な最小値に対して非常に高いままであるという理由から部分的に、障壁がある。加えて、市販の電解槽は、高価な白金族触媒を使用し、そのような材料は、供給が限られている。電解槽は、これらの高価な材料を、腐食性のｐＨ条件下で耐えることができるために部分的に使用する。より穏やかなｐＨプロセスが、他のより安価な触媒の使用を可能にする可能性が存在する。

水の電気分解は、アノードで酸素を生成し、カソードで水素を生成する。酸性水電解では、アノードにもヒドロニウムイオン（Ｈ_３Ｏ＋、略してＨ＋でも示される）が生成される。アルカリ水電解では、カソードで水酸化物（ＯＨ－）が生成される。Ｈ＋の形態の酸は、塩基性炭酸塩／重炭酸塩溶液からＣＯ_２を放出することができ、ＯＨ－は、環境からのさらなるＣＯ_２吸収のために塩基性溶液を再生することができる。これらのプロセスからの潜在的な相乗効果が存在する。

本明細書での実施形態は、電解槽のアノードでＨ＋を発生し、それを使用してＣＯ_２の脱離前にＣＯ_２豊富ストリームを酸性化し、電解槽のカソードでＯＨ－を発生し、それを使用して戻りＣＯ_２欠乏ストリームを塩基性化して、環境からのＣＯ_２のさらなる吸収のためのその使用を可能にする。実施形態では、塩基対イオン、典型的にはカリウム（Ｋ＋）またはナトリウム（Ｎａ＋）は、電極を分離する陽イオン交換膜（ＣＥＭ）を通じて伝導することによって回路を完成させる。

本明細書で使用する場合、「電解槽」という用語は、水の電気分解を行う任意の装置を指し、そのいくつかは陽イオン交換膜を使用する。本明細書での実施形態は、ある出力が次の入力に接続するなどのように、直列に接続されたいくつかの電解槽を伴う。「初期電解槽」という用語は、炭素捕捉ユニット動作によって生成されたアルカリ捕捉ストリームを受け取る電解槽を指し、「最終電解槽」という用語は、炭素除去ユニット動作に溶液を送達する電解槽を指し、「戻り電解槽」という用語は、炭素除去ユニット動作から枯渇溶液を受け取る電解槽を指す。第１の電解槽、最終電解槽、および戻り電解槽は、電解槽が１つだけ使用される場合、同じ電解槽であってもよい。また、電解槽は、最終電解槽および戻り電解槽の両方とすることができる。

「アルカリ捕捉ストリーム」、「アルカリ枯渇ストリーム」、および「アルカリ捕捉溶液」における「アルカリ性」という用語は、ｐＨが７を超えることを指す。

「ＣＯ_２豊富経路」、「ＣＯ_２豊富ストリーム」、または「ＣＯ_２豊富流」という用語は、一連の電解槽を通るアルカリ捕捉ストリームの二酸化炭素除去ユニット動作に対する流れを指し、「ＣＯ_２欠乏経路」、「ＣＯ_２欠乏ストリーム」、または「ＣＯ_２欠乏流」という用語は、直列の戻り電解槽を通る二酸化炭素除去ユニット動作から枯渇ストリームの炭素捕捉ユニット動作へ戻る流れを指す。「枯渇ストリーム」は、入力アルカリ捕捉ストリームよりも低い濃度の溶解した無機炭素を有するストリームである。

図１は、Ｈ_２燃料を発生する間に環境からＣＯ_２を除去するためにシステムで使用可能な電解槽１０の実施形態を示す。動作中、電圧源３１によって膜３０の両側の電極３２および３４に電圧が印加される。電解槽は、バルブ１６で入力溶液１４の流れを受け取る第１のチャンバ１２を有する。入力溶液は、電解槽が直列の初期電解槽であれば、炭素捕捉装置またはユニット動作からであってもよく、または一連の電解槽の現在の電解槽１０の前に来る隣接電解槽からであってもよい。第１のチャンバは、水の電気分解によりＨ＋イオンを発生する。これにより、バルブ１８を通って初期出力溶液としてチャンバを出る前に、入力溶液が酸性になる。

「ＣＯ_２豊富出力溶液」という用語は、それがＣＯ_２豊富経路の出力溶液であることを示す。溶液がｐＨを測定した場合、出力溶液が塩基性として分類された場合であっても、溶液のｐＨが第１のチャンバで低下するという点で溶液は「酸性化」される。次いで、電解槽が初期電解槽または中間電解槽のいずれかである場合、出力溶液は、直列の次の電解槽の入力溶液になり、または電解槽が最終電解槽である場合、それは、炭素除去ユニット動作に流れる。実施形態において、炭素除去ユニット動作は、最終電解槽よりも低い圧力を有するフラッシュタンクとすることができ、炭素捕捉ユニット動作は、捕捉塔であってもよい。

電解槽は、電解槽を第１のチャンバ１２および第２のチャンバ２０に分離するが、イオンの交換を可能にするイオン選択膜３０、例えば陽イオン交換膜を有する。第２のチャンバ２０は、バルブ２４で戻り流２２を受け取り、バルブ２６を介して出力流２８を生成する。電解槽が直列の戻り電解槽である場合、その入力溶液は、二酸化炭素除去ユニット動作によって二酸化炭素を除去した後の溶液からなる。ＣＯ_２欠乏出力溶液２８は、そのｐＨに基づいて酸性であると考えられるとしても、そのｐＨがより高いという点で、第２のチャンバを通過する際に「塩基性化」される。

溶液がＣＯ_２豊富経路を流れるにつれて、各電解槽でより酸性になる。溶液がＣＯ_２欠乏経路を流れるにつれて、各電解槽でよりアルカリ性になる。この統合プロセスは、ＣＯ_２およびＨ_２の両方を生成する。本明細書の実施形態では、ＣＯ_２およびＨ_２は、合成的な燃料合成の原料であり得る。プロセス効率の観点から、この統合は、２つのタスク間で過電圧非効率性を共有することの利点を有し、これは、水素の発生とＣＯ_２の捕捉との組み合わせの利点に対して各過電圧バランスからの失われたエネルギーを意味する。ここで、必要な電圧は、水の電気分解に必要な電圧と、ＣＯ_２を単離するのに必要な小さな電圧とを１つの電気化学セルに組み合わせたものからなる。

一連の電解槽を通る酸性化および塩基性化ストリームの向流を使用すると、各電解槽中の膜にわたるｐＨ差は比較的小さく保たれる。これによりエネルギー効率およびコスト効率の高い処理が可能になる。直列の多数のセルの限界において、プロセスは、「プラグフロー」プロセスの効率に近づくことができる。

図２は、ＣＯ_２捕捉および水素発生用システム４０の一実施形態を示す。図２は、大気に開放されたユニット動作であってもよい炭素捕捉装置４２を含み、大気は、ユニットが動作するあらゆる気体環境である。これは、外気、気体の混合物、燃焼プロセスの排気導管などであってもよい。炭素捕捉ユニットは、上述のように、アルカリ捕捉溶液中の大気からＣＯ_２を捕捉する。一実施形態では、１０．６のｐＨを有するアルカリ捕捉溶液４４は、次いで、初期電解槽４６で始まる一連の電解槽に流れる。直列の各電解槽は、直列の最終電解槽４８を通過してフラッシュタンク５０に入った後、捕捉されたＣＯ_２が捕捉溶液から泡立つ時点に達するまで、溶液の酸性度を上昇させる。前述のように、初期電解槽、最終電解槽、および戻り電解槽は、同じ電解槽である可能性があり、これは、一連の電解槽が１つの一連であることを意味する。

直列の５つの電解槽を有する一実施形態では、溶液のｐＨは、ＣＯ_２が溶液から泡立ち始める時点で６．０に達する。二酸化炭素センサ、ｐＨセンサ、および他のタイプのセンサは、様々なガスおよびｐＨレベルを監視するために、電解槽、電解槽間の流体接続などに存在し得る。

フラッシュタンク５０などの何らかの種類の捕捉タンクは、溶液からＣＯ_２を除去し、比較的高い酸性度を有する溶液を１つの出力として返す。次いで、この溶液は、一連の電解槽に流れるＣＯ_２欠乏溶液５２となる。戻りＣＯ_２欠乏経路上の各電解槽では、溶液のアルカリ度が上昇し、液体燃料合成に使用するため、または直接燃料として、電解槽によって水素出力が生成される。直列の５つの電解槽について示された実施形態を使用する１つの実験では、戻りＣＯ_２欠乏流は、捕捉装置４２に戻る前に、５４でｐＨが１３．６に達する。

上記の計算結果は、この特定の実施形態のものであるが、異なる目的に最適化するためにプロセス変数を変更することができる。例えば、資本対動作コストのトレードオフのために、流速を増減することができる。捕捉溶液のｐＨは、単離されたＣＯ_２の圧力と同様に変化し得る。

一実施形態では、上記ｐＨは、例えば、プラグフロー限界に近い、多数のセルから生じる。ＣＯ_２は、Ｋ＋イオンに対してＫＯＨ＋ＫＨＣＯ_３＋Ｋ_２ＣＯ_３のような１Ｍの塩基溶液中に捕捉される。高いｐＨでは、溶解したＣＯ_２は、大部分が炭酸塩の形態をとる。各セルにわたるｐＨ差は、０．９～３ｐＨ単位まで最小限に抑えられており、エネルギー効率の高いＣＯ_２捕捉および単離が可能である。

図２の実施形態では、各セルにおける圧力は、そのセル中の溶液が溶液中の大部分のＣＯ_２を保持するためのＣＯ_２の分圧よりも大きい。圧力は、酸性化ストリームの開始時に５６、塩基性化ストリームの開始時に５９などのシステムレベルのポンプ、ならびにセルごとに５８などの個々のポンプによって制御され、制御点に圧力を戻してもよい。簡略化のために１つだけが示されている。加えて、ＣＯ_２を脱気するために圧力が低下するとき、または捕捉ユニット動作に捕捉ストリームを戻す前に、６２および６４などの電気の再生器が存在してもよい。圧力低下によって駆動される流れは、再生器に電力を供給し、電解槽用の主電源を補うために電気を発生させることができる。

セル自体は、密封のための構成材料を含む高圧を含有し、一方の側の高い内圧および他方の側の外部の周囲圧からの高い圧力降下に耐えるように設計されてもよい。

図２では、Ｏ_２ストリームは、いくらかのＣＯ_２を同伴する。Ｏ_２ストリームが単に環境に戻って排出されただけでは、同伴されたＣＯ_２もまた環境に再び放出され、ＣＯ_２捕捉の一部が逆行する。システムは、ＣＯ_２の分圧に対してより高い圧力で電気化学セルを動作することによってこれを軽減することができる。

図３は、直列の３０個の電解槽の連鎖および０．２Ｍ ＯＨ^－および０．８Ｍ ＣＯ_３ ^２－を含む入力ストリームについての、電解槽ユニット数に対する酸性化ＣＯ_２豊富ストリーム中のＣＯ_２の分圧のプロットを示す。ＣＯ_２豊富ストリームが酸性化されるにつれて、図４および図５に示すように、電解槽中の電流によってＫ＋濃度およびｐＨが低下する。電解槽ごとに、酸素ヘッド空間におけるＣＯ_２の百分率は、全圧Ｐ_{ｔｏｔａｌ}に対するＰ_ＣＯ２の比率によって与えられる。図の全圧は、例として２５．３気圧（２５バール）に設定される。この場合、Ｐ_ＣＯ２曲線の下の面積は、２５．３気圧の全圧ラインの下の面積の７％であるので、全ての電気化学セルにわたって平均化された酸素ストリームは、７％のＣＯ_２および９３％のＯ_２である。

図３～５に対応するプロセスの実施形態については、捕捉されたＣＯ_２のモルごとに生成される１モルのＯ_２が存在する。これは、（７％／９３％）＝０．０７５モルのＣＯ_２が捕捉されたＣＯ_２のモルごとに酸素ストリームに同伴されることを意味する。言い換えれば、システムは、酸素ストリームがＣＯ_２と共に単に排出された場合、～７．５％のＣＯ_２を周囲大気中に再び放出する。

図１から、Ｏ_２のモルごとに２モルのＨ_２が生成される。図３～５に対応する例示的なプロセスについては、捕捉されたＣＯ_２のモルごとに２モルのＨ_２が生成される。水およびメタノールを形成するためのＨ_２とＣＯ_２との反応について、Ｈ_２：ＣＯ_２化学量論比は、３：１であるため、現在の実施形態は、水素を使用してメタノールを合成するために必要とされるよりも多くのＣＯ_２を単離する。合成燃料に必要なＣＯ_２を超える余剰のＣＯ_２は、負の排出技術を意味する隔離することができるか、または他のプロセスで発生させた水素で合成燃料を製造するために使用することができる。

他の圧力を選択することができ、より一般的には、圧力は、異なる電解槽に対して異なり得る。例えば、より高いｐＨセル中の［Ｋ＋］＝０．６５Ｍ超の全圧は、その範囲のＣＯ_２分圧は無視できるので、酸素ストリームに同伴された相当量のＣＯ_２なしで、１気圧であり得る。最も高いＰ_{ｔｏｔａｌ}は、より低いｐＨ値を有する電解槽にのみ必要である。

図２または図３のいずれかで表される実施形態の酸素が、同伴されたＣＯ_２と共に環境に排出されたとしても、発生したＨ_２と反応するための十分以上のＣＯ_２が単離されたままである。化学量論的に、Ｈ_２の各モルは、メタノール合成において１／３モルのＣＯ_２と反応する。図２のプロセスの実施形態は、生成されるＨ_２のモルごとに必要な量の約２倍の１／１．３＝０．７７モルのＣＯ_２を生成するので、捕捉されたＣＯ_２の１０％を失っても、水素からの液体燃料の合成および追加のＣＯ_２の隔離の両方に依然として十分に残り、負の排出プロセスがもたらされる。

酸素は、水に非ゼロの溶解度を有するので、全ての電解槽の後に酸性化ストリーム中に溶存酸素が存在する。しかしながら、酸素の溶解度は、ＣＯ_２の溶解度よりはるかに小さい。水中の酸素に対するヘンリーの法則定数は、ＣＯ_２の２９．４気圧／Ｍと比較して７６９気圧／Ｍである。溶存酸素の大部分は、溶液を加圧下に通気させることによって除去することができる。

別のオプションは、酸素燃焼のための一部または全ての酸素＋ＣＯ_２ストリームを使用することによって酸素を離れて反応させ、同様にいくつかの電力を発生させることである。例えば、メタンからのメタノール合成を考える：ＣＨ_４＋２Ｏ_２→ＣＯ_２＋２Ｈ_２Ｏ。反応した酸素の２モルごとに、化石燃料から１モルの二酸化炭素が作られるが、入力ストリーム中のＣＯ_２：Ｏ_２の比率が１：２超の場合、正味の影響は、環境中のＣＯ_２を少なくすることができる。

効率的な炭素捕捉のための実施形態では、ＣＯ_２吸収のための塩基性溶液は、より低いｐＨで重炭酸塩の代わりに、溶解した炭素がほとんど炭酸塩である十分に高いｐＨにある。化学量論的には、これは、単離されたＣＯ_２分子ごとに、少なくとも２つのＨ＋イオンを生成する必要があることを意味する。結果は、単離されたＣＯ_２分子ごとに発生した少なくとも１つのＨ_２分子である。水およびメタノールを形成するためのＨ_２とＣＯ_２との反応について、Ｈ_２：ＣＯ_２化学量論比は、３：１であるため、３：１未満のＨ_２：ＣＯ_２比を有する実施形態は、水素を使用してメタノールを合成するために必要とされるよりも多くのＣＯ_２を単離する。合成燃料に必要なＣＯ_２を超える余剰のＣＯ_２は、負の排出技術を意味する隔離することができるか、または他のプロセスで発生させた水素で合成燃料を製造するために使用することができる。

このプロセスは、従来のアルカリおよび酸性加水分解とは異なり、比較的穏やかなｐＨで有効な触媒を必要とする。本明細書で定義するように、穏やかなｐＨは、腐食性が高くないｐＨ、典型的には４～１２ｐＨの範囲であると定義される。しかしながら、腐食性は、触媒として使用されるものに依存し得る。１つの触媒について腐食性であると考えられ得るものは、ｐＨ＝１１を超える場合があるが、別の地球に豊富な触媒については、腐食性を示さずにｐＨが１３～１４に高くなり得る。ｐＨ範囲の他端では、スルホン化ナフィオンプロトン交換膜を使用する酸性電解のための電解槽は、ｐＨ～０－３の局所環境を作り出すので、Ｐｔおよび他の白金族金属、例えばＩｒおよびＲｕ酸化物を含む耐食貴金属触媒が使用される；例えば、Ｈｕｙｎｈ，Ｍｉｃｈａｅｌ，Ｔｕｎｃａｙ Ｏｚｅｌ，Ｃｈｏｎｇ Ｌｉｕ，Ｅｒｉｃ Ｃ．Ｌａｕ，ａｎｄ Ｄａｎｉｅｌ Ｇ．Ｎｏｃｅｒａ．２０１７，「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｔｅｍｐｌａｔｅ－Ｓｔａｂｉｌｉｚｅｄ Ａｃｔｉｖｅ ａｎｄ Ｅａｒｔｈ－Ａｂｕｎｄａｎｔ Ｏｘｙｇｅｎ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ Ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｉｎ Ａｃｉｄ」，Ｃｈｅｍ．Ｓｃｉ．８（７）：４７７９－４７９４を参照のこと。「地球に豊富な」という用語は、一般に、地殻に豊富なそれらの材料を意味する。

実施形態は、Ｐｄ系、Ｐｔ系、および他の貴金属系触媒を使用することができる。代替的な実施形態は、地球に豊富な材料のみから作製された触媒を使用する。地球に豊富な材料から作製された水電解触媒の開発作業のほとんどは、酸性またはアルカリ電解セルに焦点を当てているが、近年、穏やかなｐＨ触媒に対する研究が増えている。例えば、Ｉ．Ｒｏｇｅｒ，Ｍ．Ｓｈｉｐｍａｎ，Ｍ．Ｓｙｍｅｓ，「Ｅａｒｔｈ－ａｂｕｎｄａｎｔ ｃａｔａｌｙｓｔｓ ｆｏｒ ｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ａｎｄ ｐｈｏｔｏｅｌｅｃｔｒｏｃｈｅｍｉｃａｌ ｗａｔｅｒ ｓｐｌｉｔｔｉｎｇ，」Ｎａｔｕｒｅ Ｒｅｖｉｅｗｓ：Ｃｈｅｍｉｓｔｒｙ，２０１７，ｖｏｌ．１，１－１３を参照のこと。

各電解槽では、セルにわたるｐＨ差である膜の局部的なｐＨ降下が小さく保たれ、エネルギーおよびコスト効率の高い処理が可能になる。直列の多数のセルの限界において、プロセスは、「プラグフロー」プロセスの効率に近づく。このプロセスは、炭酸塩ストリームをその後のＣＯ_２脱離のために酸性化し、戻りＣＯ_２欠乏ストリームを塩基性にすることにより、多くのＣＯ_２吸収に使用することができ、Ｈ_２を発生する。

水の加水分解の触媒部位でのΔｐＨを小さく保つために、電解質の流れおよび混合が重要である。触媒された電極表面への電解質成分の物質輸送は、触媒率に対して制限されるべきではなく、または触媒された電極表面でのＨ＋およびＯＨ－の蓄積、すなわちΔｐＨが望ましくない増加をする。電極と陽イオン交換膜との間のスペーサは、Ｉ^２Ｒ損失の増加を最小限に抑えるために静的混合構成を用いて触媒表面で所望の環境を保証するために使用されてもよい。静的混合とは、異なる方向の動きを強制することによって流れが混合するようにする、流れ場に入れられた構造を指す。これらのタイプのスペーサは、例えば、バイポーラ膜電気透析ユニットで使用される。他の形態の混合も使用することができる。

図１を再び参照すると、分解図は、第１のチャンバ１２および第２のチャンバ２０にそれぞれスペーサ３６および３８を有する膜３０を示す。スペーサは、膜３０を通るイオンの輸送を可能にする一方で、水が電極３２および３４に負荷され得る触媒と接触するように水を流すことを可能にする。

安価な混合容器を電解槽の間で使用することにより、炭酸塩および重炭酸イオンとＨ＋およびＯＨ－との反応時間をより長くすることができる。プロセスの流速に依存して、所望の程度の反応のために電解槽に十分な滞留時間がない場合がある。図６は、電解槽の間に混合容器を有する実施形態を示す。

図６では、ＣＯ_２豊富経路上の電解槽の間に６０などの混合容器が使用される。流れが分離されているので、６２などの他の混合容器は、戻りＣＯ_２欠乏経路に使用される。ＣＯ_２豊富ストリーム４４は、依然として初期電解槽４６に入り、次いで混合容器６０に流れ、これは、いくつかまたは全ての電解槽で起こる。同様に、戻り流５２は、電解槽４８に入り、次いで混合容器６２に入り、これは、いくつかのまたは全ての電解槽で起こる。

別の実施形態では、より低いｐＨの電解槽からの酸素を、酸素ストリームの排出前に高ｐＨセルの酸性化ストリームを通じて泡立たせるか、またはパージして、同伴されたＣＯ_２の一部を酸性化ストリームに再吸収させてもよい。図７に示すように、Ｏ_２は、経路７０の酸素除去導管に捕捉され、入ってくるアルカリ捕捉ストリームで泡立たせるか、または接触させ、その後それは７２で周囲大気に排出されるか、または酸素燃焼などのために捕捉することができる。「酸素除去導管」という用語は、電解槽セルから酸素を輸送するための任意の物理的手段を指す。

別の実施形態では、酸化還元活性ではない塩を添加することによってイオン伝導が増加する。本明細書で使用する場合、「酸化還元活性」は、実施形態を実施するために使用される電圧または電流で塩が還元反応または酸化反応を受けないことを意味する。例えば、容易に入手できる塩Ｎａ_２ＳＯ_４をＮａＯＨ／Ｎａ_２ＣＯ_３／ＮａＨＣＯ_３ストリームに添加して、Ｎａ濃度を増加させ、その結果、Ｎａの伝導度を増加させることができる。Ｎａ伝導度の増加は、セル過電圧の成分である抵抗損失を低下させる。

多くの他の変形例および実施形態が存在する。例えば、電気化学セルのいくつかまたは全ては、陽イオン交換膜の代わりに、陰イオン交換膜を有することができる。陰イオン交換膜を有するセルについては、炭酸塩および重炭酸イオンが膜を横切って伝導すること、または酸化還元活性でない塩から陰イオンが伝導することが意図される。陰イオン交換膜は、ＯＨ－の濃度が伝導のために炭酸イオンと競合するのに十分大きい最大ｐＨ値では好ましくない場合がある。

さらに、ＫＯＨへのＣＯ_２の吸収は、発熱性であり、本明細書の実施形態における電気化学は、吸熱性である。実施形態は、発熱反応から熱を伝達するために、炭素捕捉ユニット動作から電気化学セルへの熱伝達ループを含むことができる。

上述のように、直列の電解槽を通る向流を使用して、各電解槽セル膜にわたるΔｐＨを下げて、捕捉溶液を酸性化し、次いで塩基性化するために加えられるエネルギーを最小限にすることができる。向流はまた、電解槽セル内で影響され得る。図１は、例えば、膜の両側の向流を示す。電解槽が１つであっても、実施形態に従って、電解槽を通る流れをエネルギー消費量を低減するように設計することができる。

Claims (21)

1. システムであって、
   入力としてのｐＨが７を超える捕捉ストリーム（アルカリ捕捉ストリーム）と、
   出力としてのｐＨが７を超える枯渇ストリーム（アルカリ枯渇ストリーム）（ここで、「枯渇ストリーム」は、「捕捉ストリーム」よりも低い濃度の溶解した無機炭素を有する）と、
   出力としての枯渇ストリームを有する二酸化炭素除去ユニット動作と、
   一連の電解槽であって、各電解槽が、ＣＯ₂豊富入力ストリームを受け取り、ＣＯ₂豊富入力ストリームよりも酸性であるＣＯ₂豊富出力ストリームを生成するチャンバと、ＣＯ₂欠乏入力ストリームを受け取り、ＣＯ₂欠乏入力ストリームよりもアルカリ性であるＣＯ₂欠乏出力ストリームを生成するチャンバとを有し、これらのチャンバが、イオン選択膜とその両側に位置する電極で分離されており、前記電解槽が、水素および酸素も生成する、一連の電解槽と、を備え、
   少なくとも１つの初期電解槽が、そのＣＯ₂豊富入力ストリームとしてアルカリ捕捉ストリームを受け取り、
   少なくとも１つの最終電解槽が、ＣＯ₂豊富出力ストリームを前記二酸化炭素除去ユニット動作に送り、
   少なくとも１つの戻り電解槽が、前記二酸化炭素除去ユニット動作から、ＣＯ₂欠乏入力ストリームとして前記枯渇ストリームを受け取り、
   前記システムから出力される前記アルカリ枯渇ストリームが、１つ以上の電解槽からのＣＯ₂欠乏出力ストリームを含む、システム。
2. 前記初期電解槽、前記最終電解槽、および前記戻り電解槽が、同じ電解槽である、請求項１に記載のシステム。
3. 前記初期電解槽および前記最終電解槽が、異なる電解槽である、請求項１に記載のシステム。
4. 前記システムに圧力を提供するための少なくとも１つのポンプをさらに備え、前記ポンプが、電解槽ごとにシステムポンプまたは個別ポンプのうちの少なくとも１つを備える、請求項１に記載のシステム。
5. 前記少なくとも１つのポンプが、各セル中の二酸化炭素の所望の分圧よりも高い各電解槽中の圧力を維持する、請求項４に記載のシステム。
6. 前記電解槽が、陽イオン交換膜または陰イオン交換膜のうちの少なくとも１つを含有する、請求項１に記載のシステム。
7. 前記アルカリ捕捉ストリーム中に溶解している炭素が、周囲大気、ガスの混合物、または燃焼プロセスからの排気のうちの１つから捕捉される、請求項１に記載のシステム。
8. 前記二酸化炭素除去ユニット動作の入力ストリームおよび前記枯渇ストリームのうちの少なくとも１つに接続された、少なくとも１つの再生器をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
9. 前記アルカリ捕捉ストリームにおいて前記電解槽に接続された酸素除去導管をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
10. 前記アルカリ捕捉ストリームが、大気としての外気と接触する炭素捕捉塔をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
11. 再生可能な電源を含む前記電解槽用の電源をさらに備える、請求項１に記載のシステム。
12. 大気から二酸化炭素を除去して水素を発生させる方法であって、
    大気からの二酸化炭素をｐＨが７を超える捕捉溶液（アルカリ捕捉溶液）中に捕捉することと、
    前記アルカリ捕捉溶液をＣＯ₂豊富経路で一連の電解槽に送ることであって、各電解槽セルが、入力されたＣＯ₂豊富溶液の酸性度を上げるチャンバを有する、送ることと、
    二酸化炭素捕捉ユニット動作で酸性度が上げられたＣＯ₂豊富溶液から二酸化炭素を除去して、ＣＯ₂欠乏溶液を生成することと、
    前記ＣＯ₂欠乏溶液を戻り経路で前記一連の電解槽に送ることであって、各電解槽が、ＣＯ₂欠乏溶液のアルカリ度を上げるチャンバを有する、送ることと、
    アルカリ度が上げられたＣＯ₂欠乏溶液を前記二酸化炭素捕捉ユニット動作に戻すことと、を含み、
    前記酸性度を上げるチャンバとアルカリ度を上げるチャンバとがイオン選択膜とその両側に位置する電極で分離されている、方法。
13. アルカリ度を上げるために、ＫＯＨ、ＫＨＣＯ₃、Ｋ₂ＣＯ₃、ＮａＯＨ、Ｎａ₂ＣＯ₃、およびＮａＨＣＯ₃からなる群のうちの少なくとも１つの塩基溶液を用いる、請求項１２に記載の方法。
14. 同伴ＣＯ₂を最小化または再吸収することのうち少なくとも１つと組み合わされた、前記ＣＯ₂豊富経路内の前記電解槽から酸素を捕捉することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
15. 混合容器中の各電解槽の出力を混合することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
16. 前記電解槽が、地球に豊富な材料を含む触媒を使用する、請求項１２に記載の方法。
17. 前記電解槽中の圧力を、電解槽から出力されるＣＯ₂豊富溶液中の二酸化炭素の分圧より高いように制御することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
18. 前記ＣＯ₂豊富溶液から二酸化炭素を追い出すために、前記二酸化炭素捕捉ユニット動作中の圧力を低下することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
19. 酸化還元活性でない塩を前記アルカリ捕捉溶液に添加することをさらに含む、請求項１２に記載の方法。
20. 電解槽であって、
    第１の入力ストリームを受け取る第１のチャンバであって、前記第１の入力ストリームよりも酸性である第１の出力ストリームを生成する、第１のチャンバと、
    第１の電極と、
    第２の入力ストリームを受け取る第２のチャンバであって、前記第２の入力ストリームよりもアルカリ性である第２の出力ストリームを生成する、第２のチャンバと、
    第２の電極と、
    前記電極に接続された電圧源と、
    イオン選択膜と、を備え、
    前記イオン選択膜と、前記イオン選択膜の両側に配置された第１の電極及び第２の電極とが、前記第２のチャンバから前記第１のチャンバを分離し、
    前記イオン選択膜にわたる局部的なｐＨ降下を減少するために、前記電解槽が、前記第１の入力ストリームおよび前記第２の入力ストリームの流れを制御するように構成される、電解槽。
21. 前記第１および第２のチャンバのうちの少なくとも１つに配置された、少なくとも１つのスペーサをさらに含む、請求項２０に記載の電解槽。

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