KR20110038691A - 전기화학 시스템에서 ｃｏ２를 사용하는 방법 - Google Patents

전기화학 시스템에서 ｃｏ２를 사용하는 방법 Download PDF

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리얀 길리암
토마스 에이. 알브레히트
니킬 잘라니
니젤 안토니 노트
발렌틴 덱커
마이클 코스토우스키즈
브라이언 보그스
알렉산더 고러
카스라 파사드
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칼레라 코포레이션
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Abstract

양성자를 제거하고/제거하거나 수산화물 및 탄산염/중탄산염 이온을 포함하는 염기성 용액을 생성하기 위한 저전압, 저에너지 전기화학 시스템 및 방법은 음극 전해액 구획 사이의 액체 흐름이 가능하지만 이 음극 전해액 구획 사이의 기체의 연통이 제한되도록 제 1 음극 전해액 구획 및 제 2 음극 전해액 구획으로 분할되는 음극 구획에서 이산화탄소를 사용한다. 하나의 음극 전해액 구획의 이산화탄소 기체가 전극에 걸쳐 가해지는 3V 미만의 전압으로 염기성 용액을 생성하기 위해 양쪽 모두의 구획의 음극 전해액과 함께 사용된다.

Description

전기화학 시스템에서 ＣＯ２를 사용하는 방법{CO2 UTILIZATION IN ELECTROCHEMICAL SYSTEMS}
본 출원은, 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되어 있는, 대리인 정리 번호 CLRA-010PRV인, "수소 흡수성 금속 촉매를 사용한 탄소 격리를 위한 저에너지 pH 조절"을 명칭으로 하는, 동일 출원인에 의해 2008년 7월 16일에 출원되고 공동 계류 중인 미국 가출원 특허 제 61/081,299호에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되어 있는, 대리인 정리 번호 CLRA-013PRV인, "전해액으로부터 고형물로의 수소 이온의 저에너지 흡수"를 명칭으로 하는, 동일 출원인에 의해 2008년 8월 25일에 출원되고 공동 계류 중인 미국 가출원 특허 제 61/091,729호에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되어 있는, 대리인 정리 번호 CLRA-037PRV인, "전기화학 시스템에서 CO2를 사용하는 방법"을 명칭으로 하는, 동일 출원인에 의해 2009년 7월 1일에 출원되고 공동 계류 중인 미국 가출원 특허 제 61/222,456호에 대한 우선권을 주장한다.
본 출원은 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되어 있는, "이산화탄소 기체를 가지는 저에너지 4-셀 전기화학 시스템"을 명칭으로 하는, 동일 출원인에 의해 2009년 6월 24일에 출원되고 PCT 특허 출원 PCT/US09/48511호의 부분 계속 출원이고 이에 대한 우선권을 주장한다.
많은 산업 공정에서 염기 용액 내의 대량의 수산화 이온이, 예를 들어, 산성을 중화하거나, 용액의 pH를 완충시키거나, 용액으로부터 불용성 수산화물 및/또는 탄산염 및/또는 중탄산염을 침전시키기 위해 원하는 반응을 얻기 위해 사용된다. 수산화 이온이 생성되는 한 가지 방법은 전체 기재 내용이 본 명세서에 참조로 포함되어 있는, 앞에서 인용된 특허 출원서에 개시된 바와 같은 전기화학 시스템에 의한 것이다. 수산화 이온을 전기화학적으로 생성하는 동안, 대량의 전기 에너지가 사용되며, 따라서, 사용되는 전기 에너지를 최소화하는 것이 매우 필요하다.
본 발명은, 음극 전해액(cathode electrolyte)에 이산화탄소 기체를 용해하면서 음극 전해액에서 양성자(proton)를 제거하거나, 수산화 이온을 생성하거나 또는 이 모두를 위한 저전압, 저에너지 전기화학 시스템과 방법에 관한 것이다. 이 시스템에서, 여러 실시예에서, 음극 전해액은 두 개의 음극 전해액 구획의 음극 전해액이 서로 접촉하도록 제 1 음극 전해액 구획 및 제 2 음극 전해액 구획으로 분할된다. 그러나, 두 개의 음극 전해액 구획 사이의 기체 흐름은 제한되기 때문에, 제 1 음극 전해액 구획에 제공되는 이산화탄소 기체는 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액과 접촉하는 것이 방지된다.
이 시스템에서, 음극은 제 2 음극 전해액 구획에서 음극 전해액과 접촉하며 음극 전해액과 양극 전해액(anode electrolyte) 모두는 수용액으로 이루어진다. 이 시스템에서, 탄산염 및 중탄산염 이온을 형성하기 위해, 그리고 또한 음극 전해액의 pH에 영향을 끼치기 위해 음극 전해액 내의 이산화탄소를 흡수함으로써, 수산화 이온이 양극과 음극에 걸쳐서 상대적으로 낮은 전압, 예를 들어, 2V 이하 또는 1V 이하와 같이, 3V 이하의 전압을 사용하여 음극 전해액에서 생성된다.
이 시스템에서, 음극 전해액의 물이 음극에서 수소 기체와 수산화 이온으로 환원된다. 양극에서, 외부 공급원으로부터 양극에 제공되는 수소 기체는 수소 이온으로 산화된다. 몇몇 실시예에서, 음극에서 생성된 수소 기체는 수소 이온으로의 산화를 위해 양극으로 향하게 된다. 이 시스템에서, 기체, 예를 들어, 산소 또는 염소는 낮은 전압이 양극과 음극에 걸쳐서 가해질 때 양극에서 생성되지 않는다. 이 시스템에서, 양극에서 생성된 수산화 이온은 양극 전해액에서 양극 전해액으로 이동하여 산성 용액을 형성하며, 이 시스템에서, 음극에서 생성된 수산화 이온은 음극 전해액으로 이동하여 음극 전해액에서 염기 용액을 생성한다.
이 시스템에서, 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액에 제공되는 이산화탄소 기체는 용해되어 탄산을 생성한다. 음극 전해액의 pH에 따라, 음극 전해액 내의 탄산은 탄산염 이온과 중탄산염 이온으로 해리된다. 따라서, 이 시스템에서, 제 1 구획의 음극 전해액이 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액과 혼합될 수 있기 때문에, 두 개의 음극 전해액 구획의 음극 전해액의 혼합은 탄산, 수산화 이온 및/또는 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 포함하는 음극 전해액을 초래할 것이다.
이 시스템에서, 음극과 양극에 걸쳐서 전압은 음극과 양극 사이의 옴 저항뿐만 아니라, 양극 전해액과 음극 전해액의 pH 값의 차이를 포함하는 몇몇 요인에 의존한다. 따라서, 여러 실시예에서, 음극 전해액과 양극 전해액 사이의 pH 차이를 제어함으로써, 예를 들어, 음극 전해액에 어느 정도의 이산화탄소를 용해하여, 이 시스템은 양극과 음극에 걸쳐서 전압을 최소화하면서 음극 전해액에서 수산화 이온 및/또는 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 생성할 것이며, 이에 따라서 전기 에너지의 사용을 최소화할 것이다.
일 실시예에서, 본 발명은 격벽에 의해 제 1 음극 전해액 구획과 제 2 음극 전해액 구획으로 분할된 음극 구획을 포함하는 시스템을 제공하며 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 음극과 접촉하며, 양극 구획의 양극 전해액은 양극과 접촉한다.
다른 실시예에서, 본 발명은 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액으로 기체를 향하게 하는 단계; 및 제 1 음극 전해액 구획과는 구분된 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액과 접촉하는 음극과, 양극 전해액과 접촉하는 양극에 걸쳐 전압을 가하는 단계를 포함하는 방법을 제공한다.
여러 실시예에서, 음극 전해액을 제 1 및 제 2 음극 전해액 구획으로 분할함으로써, 그리고 제 1 음극 전해액 구획으로 이산화탄소 기체를 제한함으로써, 이산화탄소 기체와 음극 사이 및/또는 양극과 및/또는 이 시스템의 다른 전해액과의 접촉이 제한된다. 따라서, 유리하게도, 이 시스템에서, 산업 폐가스로부터 나온, 예를 들어, 발전소의 화석 연료의 연소로부터 나온, 그리고 시멘트 플랜트로부터 나온 이산화탄소를 포함하는 다양한 공급원으로부터 나온 이산화탄소 기체가 사용될 수 있다. 또한, 제 1 음극 전해액 구획으로 이산화탄소 기체를 제한함으로써, 이 시스템에서 다른 기체와 이산화탄소 기체의 혼합, 예를 들어, 음극에서 발생된 수소 기체와 이산화탄소의 혼합이나, 양극에 공급된 수소 기체와 이산화탄소의 혼합이 회피된다.
본 발명은, 전기화학 시스템에서 CO2를 사용하는 방법을 제공하는 효과를 갖는다.
다음의 도면은 본 시스템과 방법의 실시예를 예에 의해 설명하지만 이에 제한하지 않는다.
도 1은, 본 시스템의 일 실시예를 예시하는 도면.
도 2는, 본 시스템의 일 실시예를 예시하는 도면.
도 3은, 본 시스템의 일 실시예를 예시하는 도면.
도 4는, 양극과 음극에 걸친 전압 대 음극 전해액에 CO2를 첨가함으로써 달성되는 음극 전해액의 pH의 도면.
도 5는 본 방법의 일 실시예의 흐름도.
다음의 상세한 설명에서, 다르게 정의되지 않으면, 모든 기술적이며 과학적인 용어는 본 발명이 속하는 기술분야에서 통상의 기술을 가진 사람에 의해 통상적으로 이해되는 것과 동일한 의미를 갖는다. 여기서, 모든 인용된 간행물과 특허는 그 전체 내용이 본 명세서에 참조로 포함된다. 여기서, 공개에 대해 사용된 날짜는 실제 공개 날짜와 다를 수 있으며; 따라서, 실제 공개 날짜는 독립적으로 확인되어야 한다. 여기서, 문맥이 명확히 다르게 지시하지 않는다면 단수형의 "하나", "일", "상기"는 복수형의 언급을 포함한다.
여기서, 예시적인 시스템과 방법이 개시되며 염화나트륨 용액이 음극 전해액에서 수산화나트륨과/또는 탄산나트륨 이온 및/또는 중탄산나트륨, 및 양극 전해액에서 염산을 생성하기 위해 양극 전해액과 음극 전해액 사이의 하나의 구획에서 사용된다. 그러나, 본 기술분야에서 숙련된 사람에 의해 통상적으로 인식될 수 있는 바와 같이, 시스템 및 방법이 동등한 결과를 생성하기 위해 동등한 염 용액, 예를 들어 황산 칼륨의 수용액 및 이와 유사한 것을 사용할 수 있기 때문에, 시스템 및 방법은 이 예시적인 실시예에 개시된 바와 같은 염화나트륨 용액의 사용에 한정되지 않는다. 마찬가지로, 만약 물이 시스템에 사용하기 위해 용인될 수 있는 수준으로 정화된다면, 이 시스템을 위한 전해액을 준비할 때, 해수, 간수, 염수 또는 자연 발생 담수를 포함하는 다양한 공급원으로부터 나온 물이 사용될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 그러므로, 이런 균등물이 본 시스템 및 방법을 구현하는 정도까지는, 이 균등물은 첨부된 청구항의 범위 내에 있다.
여기에 그의 전체가 참조로 포함된, "수소 흡수성 금속 촉매를 사용한 탄소 격리를 위한 저에너지 pH 조절"을 명칭으로 하는, 2008년 7월 16일에 출원된 미국 가출원 특허 제 61/081,299호에 개시된 바와 같이, 여러 실시예에서, 본 시스템의 양극과 음극은 귀금속, 전이 금속, 백금족 금속, 원소 주기율표의 IVB, VB, VIB, 또는 VIII족의 금속, 이 금속의 합금, 또는 이 금속의 산화물을 포함할 수 있다. 예시적인 재료는, 팔라듐, 백금, 이리듐, 로듐, 루테늄, 티타늄, 지르코늄, 크롬, 철, 코발트, 니켈, 팔라듐-은 합금, 및 팔라듐-구리 합금을 포함한다. 여러 실시예에서, 음극 및/또는 양극은 스퍼터링, 전기 도금, 증착, 또는 음극 및/또는 양극의 표면의 위에 반응성 코팅의 층을 생성하는 어떤 종래의 방법에 의해 형성되는, 금속, 금속 합금, 또는 산화물을 포함하는 반응성 코팅으로 코팅될 수 있다. 다른 실시예에서, 음극 및/또는 양극은 어떤 화학물질 또는 수산화 이온의 선택적인 침투 및/또는 방출 및/또는 방오 보호를 제공하도록 설계된 코팅을 포함할 수 있다. 예시적인 코팅은 비금속 중합체를 포함하고, 여기에서의 특정한 실시예에서, 20-메시 Ni 거즈 재료로부터 제조된 양극, 및 100-메시 Pt 거즈 재료로부터 제조된 음극이 사용되었다.
여러 실시예에서, 음극 구획의 전해액은, 예를 들어, 이 전해액으로 CO2를 버블링함으로써 CO2로 충전된다. CO2의 공급원은 화석 연료를 사용하는 발전 플랜트의 배기 가스와 같은 산업 플랜트의 폐가스 내의 CO2를 포함할 수 있다. 여러 실시예에서, 시스템은 음극 전해액에서 CO2의 흡수를 향상시키는 가스 혼합기/가스 흡수기를 포함한다. 일 실시예에서, 가스 혼합기/가스 흡수기는 액체의 평평한 시트 또는 커튼을 생성하며 흡수를 위해 시트 또는 커튼을 통해 기체가 유도되는 일련의 스프레이 노즐을 포함하였으며, 다른 실시예에서 가스 혼합기/흡수기는 연무를 형성하며 흡수를 위해 연무로 기체가 유도되는 스프레이 흡수기를 포함하였으며. 다른 상업적으로 이용 가능한 기체/액체 흡수기, 예를 들어, 미국, 콜로라도의 Neumann Systems로부터 이용 가능한 흡수기가 사용될 수 있다. 작동 중에, 음극 및 양극 구획은 전해액으로 채워지며 전압이 음극과 양극에 걸쳐 가해진다. 여러 실시예에서, 전압은 양극에서 기체, 예를 들어, 염소 또는 산소를 생성하지 않고 음극에서 수소 기체의 생성을 일으키는 수준으로 조절된다. 여러 실시예에서, 시스템은 반응을 촉진하는 음극과 양극을 포함하며, 그에 의해 음극 전해액에 수산화 이온이 풍부해지며 양극 전해액에 수소 이온이 풍부해진다.
음극에서 물의 환원은 음극 전해액으로 이동하는 수산화 이온을 만든다. 음극을 둘러싸는 음극 전해액에서 이런 수산화 이온의 생성은 음극 전해액의 pH를 상승시킬 수 있다. 여러 실시예에서, 상승된 pH를 가지는 용액은 원래 장소에서(in situ) 사용되거나, 예를 들어, 여기에 설명된 바와 같이 CO2를 격리시키기 위해, 배출되어 별도의 반응에 사용된다. 음극 전해액에서 수산화 이온 생성의 속도 대 이산화탄소 흡수의 속도의 균형에 따라, 수산화 이온이 탄산염 및 중탄산염 이온으로의 탄산의 해리로부터 나온 양성자와의 반응에서 소모될 때, pH가 동일하게 유지되거나 심지어 낮아지는 것이 가능하다.
양극에서 수소 기체의 산화는 양극의 구조로부터 이탈되어 양극을 둘러싸는 전해액으로 이동되는 수소 이온의 생성을 양극에서 초래하며, 양극 전해액의 pH의 저하를 초래한다. 따라서, 시스템에서 전해액의 pH는 음극과 양극에 걸쳐 전압을 제어하며 수소 이온을 흡수하거나 이탈시킬 수 있는 재료로 이루어지는 전극을 사용함으로써 조절될 수 있다. 여러 실시예에서, 이 공정은 발생된 수산화 이온당 주위로 방출되는 CO2 분자의 1:1 미만의 비율을 가지는 용액에서 수산화 이온을 발생시킨다.
여러 실시예에서, 시스템은 제 1 음극 전해액 구획으로 이산화탄소 기체를 전달하도록 구성되는 흡입 시스템을 포함하며, 이산화탄소는 화석 연료를 사용하는 발전 플랜트, 시멘트 플랜트 및 이와 유사한 것의 폐가스로부터 나온 이산화탄소를 포함한다. 여러 실시예에서, 흡입 시스템에 전달된 이산화탄소 기체는 다른 기체, 예를 들어, 질소의 산화물(아산화질소, 일산화질소) 및 유황 기체(이산화황, 황화수소)를 포함할 수 있으며, 여러 실시예에서, 시스템은 기체가 음극 구획에서 사용되기 전에 이산화탄소 기체에 존재하는 성분을 제거할 수 있는 가스 처리 시스템을 포함한다.
본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되어 있는, "전해액으로부터 고형물로 수소 이온의 저에너지 흡수"를 명칭으로 하는, 2008년 8월 25일에 출원된 미국 가출원 특허 제 61/091,729호에 개시된 바와 같이, 일 실시예에서 본 방법은 전해질 유체로부터 고형물로의 수소 이온의 저에너지 흡수에 관한 것이다. 몇몇 실시예에서, 수소 이온 전달 요소가 시스템에서 음극 전해액과 양극 전해액 사이에 수소 이온을 전달하도록 구성된다. 여러 실시예에서, 이 방법은 음극 전해액 내의 중탄산염 이온 또는 탄산으로부터의 양성자를 제거하는 것에 관한 것이다. 여러 실시예에서, 수소 이온은 팔라듐 막, 포일, 또는 필름과 같은 수소 저장 물질을 포함하는 수소 전달 요소를 사용하여 하나의 전해질 용액으로부터 다른 하나로 전달된다. 여러 실시예에서, 수소 이온이 양성자 공여체(proton donor)로부터, 예를 들어, 탄산, 중탄산염 이온, 물, 및 이와 유사한 것으로부터 얻어지며 제 2 전해질 용액으로 전달된다. 여러 실시예에서, 수소 이온 및/또는 탄산염 이온은 전해질 용액에 존재하는 중탄산염 이온으로부터 양성자를 제거하기 위해 전해질 용액을 CO2와 접촉시킴으로써 생성된다. 여러 실시예에서, 제 1 전해질 용액을 CO2와 접촉시키는 동안에 제 2 전해질 용액으로 수소 이온을 전달함으로써 제 1 전해질 용액에서 중탄산염 이온의 농도를 증가시킬 수 있다.
여러 실시예에서, 수소 이온이 농축된 양극 전해액이 이산화탄소를 격리시키는데 사용하기 위한 2가 양이온의 용액을 생성하기 위해 광물을 용해하는 것을 포함하는 여러 용도에 사용될 수 있다. 여러 실시예에서, 전해 셀은, 예를 들어, 수산화 이온 또는 수소 이온으로 용액을 농축시키기 위해, 전해질 유체 내의 공여체 분자로부터 전해질 유체의 수소 이온을 제거하기 위한 반응을 촉진시킬 수 있는 음극 및/또는 양극을 포함하며, 관심을 끄는 공여체 분자는 탄산, 중탄산염 이온, 물, 및 이와 유사한 것이다.
용액으로부터 음극의 구조로의 수소 이온의 흡수는 음극을 둘러싸는 용액에 과량의 수산화 이온을 생성한다. 여러 실시예에서, 음극 전해액이 원래 장소에서(in situ) 사용될 수 있거나, 여기에 설명된 바와 같이 CO2의 격리를 포함하는 다양한 목적을 위해, 배출되어 별도의 반응에 사용될 수 있다. 여러 실시예에서, 수소 이온은 용액의 pH를 낮추도록 양극과 접촉하여 용액에서 과량의 수소 이온을 생성하기 위해 구조가 양극으로서 배치될 때 이 구조로부터 이탈될 수 있다.
몇몇 실시예에서, 하프-셀(half-cell)에 있는 전해질 용액은, 예를 들어, 공급원으로부터 전해질 용액으로 CO2를 버블링함으로써, CO2의 이온화된 형태로 충전된다. 이온화된 형태의 CO2는 중탄산염 이온(HCO3 -)과 탄산염 이온(CO3 -2)을 포함한다. 이산화탄소의 공급원은, 예를 들어, 화석 연료를 사용하는 발전 플랜트나 시멘트 플랜트로부터 나온 배기 가스와 같은 산업 플랜트로부터 나온 폐기물 공급일 수 있다. CO2는, 몇몇 실시예에서, 분사기(sparger)로, 또는 수성 액체 스프레이와 접촉으로, 전해질 용액으로 도입될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 저장조는 수소가 제거될 때에 CO2 기체를 저장조로 도입함으로써 중탄산염 및/또는 탄산염 이온이 농축될 수 있다. 몇몇 시스템에서, 저장조 내의 전해질 용액은 두 개의 저장조 사이의 수소 이온의 연속된 전달을 방해할 수 있는 저장조 내의 수소 이온의 축적을 방지하기 위해 배출될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 양극과 음극에 걸쳐 가해지는 전압은 1.24볼트보다 낮거나 1.0볼트보다 낮다. 하프-셀은 CO2가 흡수하거나 전해질 용액으로 용해시키는데 도움을 주기 위해 혼합기를 포함할 수 있다. 여러 실시예에서, 전도성 전해질 용액이 저장조의 내에서 전해질 용액으로 사용될 수 있으며, 몇몇 실시예에서 전해질 용액은 해수, 염수, 또는 간수를 포함한다.
여기에 개시된 바와 같이, 여러 실시예에서, 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액에 이산화탄소를 용해시키면서 음극과 양극에 걸쳐 상대적으로 낮은 전압, 예를 들어, 2V보다 낮거나, 1V보다 낮거나, 0.8V보다 낮거나, 0.6V보다 낮거나, 0.4V 미만의 것과 같이, 3V 미만의 전압을 가함으로써, 수산화 이온이 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액에서 생성된다. 여러 실시예에서, 수산화 이온은 음극과 접촉하고 있는 음극 전해액의 물로부터 생성되며, 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온은 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액에 이산화탄소 기체를 용해시킴으로써 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액에서 생성된다.
여러 실시예에서, 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액과 접촉한다. 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 기체 또는 음극 전해액에 용해된 기체를 포함할 수 있다. 예를 들어, 이산화탄소는 이산화탄소 기체로서 및/또는 음극 전해액에 용해된 이산화탄소 기체로서 존재한다. 여러 실시예에서, 이산화탄소 기체는 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액으로부터 유리된다.
여러 실시예에서, 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 수산화 이온, 탄산, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 포함한다. 유사하게, 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 용해된 이산화탄소를 포함한다. 다른 실시예에서, 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 수산화 이온, 탄산, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 포함한다.
여러 실시예에서, 시스템은 양극과 음극에 걸쳐 가해지는 2V보다 적은 전압으로 제 2 음극 전해액 구획에서 수산화 이온을 생성하도록 구성된다. 시스템은 또한 음극에서 수소 기체를 생성하도록 구성된다. 여러 실시예에서, 시스템은 양극에서 기체를 생성하지 않으며, 그러나, 시스템은 제 2 음극 전해액 구획으로부터 제 1 음극 전해액 구획까지 수산화 이온을 이동시키도록 구성된다. 다른 실시예에서, 시스템은 음극에서 생성된 수소 기체를 양극으로 유도하도록 구성되는 수소 기체 전달 시스템을 포함한다. 일 실시예에서, 제 1 음극 전해액 구획은 이산화탄소를 포함하는 산업 폐가스 시스템에 작동 가능하게 연결된다. 여러 실시예에서, 이산화탄소는 화석 연료를 연소시키는 것으로부터 생성된다.
다른 실시예에서, 음극 구획은 폐가스 처리 시스템에 작동 가능하게 연결되며, 폐가스 시스템은 이산화탄소를 포함한다. 다른 실시예에서, 음극 구획은 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염 침전 시스템에 작동 가능하게 연결된다. 여러 실시예에서, 침전 시스템은 수산화물, 탄산염 및/또는 2가 양이온 중탄산염을 생성하기 위해 음극 전해액을 이용하도록 구성된다. 여러 실시예에서, 양극 및 음극은 오프-피크 전기 전원 시스템에 작동 가능하게 연결된다.
여러 실시예에서, 시스템은 양극 구획과 음극 구획 사이에 위치하는 이온 교환 막을 포함한다. 여러 실시예에서, 이온 교환 막은 제 3 전해액으로부터 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액을 분리시키는 양이온 교환 막을 포함한다. 여러 실시예에서, 이온 교환 막은 제 3 전해액으로부터 양극 전해액을 분리시키는 음이온 교환 막을 포함한다.
여러 실시예에서, 제 3 전해액은 나트륨 이온과 염화물 이온을 포함하며, 시스템은 양이온 교환 막을 통해 제 3 전해액으로부터 음극 전해액까지 나트륨 이온을 이동시키며, 음이온 교환 막을 통해 제 3 전해액으로부터 양극 전해액까지 염화물 이온을 이동시키도록 구성된다.
여러 실시예에서, 시스템은 음극 전해액에서 수산화나트륨을 생성하도록 구성되며, 시스템은 또한 음극 전해액에서 수산화나트륨, 탄산나트륨과/또는 중탄산나트륨을 생성하도록 구성된다. 여러 실시예에서, 시스템은 제 3 전해액에서 부분적으로 탈염된 물을 생성하도록 구성되며, 부분적으로 탈염된 물은 수처리 시스템에 작동 가능하게 연결된다. 다른 실시예에서, 음극 전해액은 음극 전해액 내의 이산화탄소를 용해시키도록 구성되는 제 1 이산화탄소 기체/액체 접촉기에 작동 가능하게 연결되며, 시스템은 양극과 음극 전해액 사이에 0 내지 14 또는 더 큰 pH 단위의 pH 차이를 생성하도록 구성된다.
여러 실시예에서, 이 방법에 의해, 수산화 이온, 탄산, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온이 제 1 음극 전해액 구획에서 생성되며, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온은 제 2 음극 전해액 구획에서 생성된다. 여러 실시예에서, 수소 기체는 음극에서 생성되며 수소 이온은 양극에서 생성된다.
여러 실시예에서, 이 방법에 의해, 기체가 양극에서 생성되지 않지만, 수소 기체가 음극에서 생성되며, 몇몇 실시예에서는 양극으로 유도된다. 여러 실시예에서, 양극과 음극에 걸친 전압은 2V보다 낮다. 이 방법에 의해, 나트륨 이온은 양이온 교환 막을 거쳐서 제 3 전해액으로부터 음극 전해액까지 이동되며, 염화물 이온은 음이온 교환 막을 거쳐서 제 3 전해액으로부터 양극 전해액까지 이동된다. 이 방법에 의해, 탄산나트륨, 중탄산나트륨 또는 수산화나트륨이 음극 전해액에서 생성되며, 염산이 양극 전해액에서 생성된다. 이 방법에 의해, 양극 전해액에서 생성된 산은 고철질 광물(mafic mineral) 및/또는 셀룰로오스 물질을 용해시키는데 사용된다.
이 방법에 의해, 부분적으로 탈염된 물이 제 3 전해액에서 생성된다. 일 실시예에서, 2가 양이온 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물이 음극 전해액을 2가 양이온, 예를 들어 칼슘과 마그네슘 이온을, 포함하는 용액과 접촉시킴으로써 생성된다. 일 실시예에서, 이 방법은 음극 전해액의 제 1 부분을 배출하는 단계; 제 1 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 음극 전해액의 제 1 부분에 이산화탄소를 용해하는 단계; 및 제 1 농축 탄산염 음극 전해액으로 음극 전해액을 보충하는 단계를 포함한다. 다른 실시예에서, 이 방법은 음극 전해액의 제 2 부분을 배출하는 단계; 제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 음극 전해액의 제 2 부분에 이산화탄소를 용해하는 단계; 및 2가 양이온 탄산염을 생성하기 위해 제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 2가 양이온 용액과 접촉시키는 단계를 포함한다. 여러 실시예에서, 이 방법은 양극과 음극에 걸쳐 전압을 제공하기 위해 음극과 양극에 걸쳐 오프-피크 전원을 적용하는 단계를 포함한다.
이 시스템 및 방법에 의해, 수소 기체가 음극 전해액의 물로부터 음극에서 생성된다. 여러 실시예에서, 기체, 예를 들어, 산소 또는 염소는 양극에서 생성되지 않으며, 여러 실시예에서, 외부 공급원으로부터 나온 수소 기체가 양극에 제공되며 수소 기체는 양극 전해액에서 산을 생성하기 위해 양극 전해액으로 이동되는 수소 이온으로 산화된다.
여러 실시예에서, 제 2 음극 전해액 구획의 음극에서 생성된 수산화 이온은 음극 전해액으로 이동되며 음극 전해액의 pH를 조절할 수 있으며, 예를 들어, 음극 전해액의 pH는 이 시스템으로부터 음극 전해액의 제거 속도에 따라, 증가되거나, 감소되거나 또는 동일하게 유지될 수 있다. 여러 실시예에서, 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액의 pH와 이산화탄소의 용해 속도에 따라, 제 1 음극 전해액 구획에서 음극 전해액과 접촉하는 이산화탄소 기체는 음극 전해액의 pH에 따라, 음극 전해액에서 용해되어 음극 전해액에서 중탄산염 및/또는 탄산염 이온으로 해리될 수 있는 탄산을 생성할 것이다. 따라서, 여러 실시예에서, 제 1 및 제 2 음극 전해액 구획에서 음극 전해액이 혼합될 수 있기 때문에, 음극 전해액은 탄산, 수산화 이온 및/또는 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 함유할 수 있다.
여러 실시예에서, 시스템은 수소 기체를 음극 전해액 구획에 존재하는 이산화탄소와 혼합하지 않고, 수소 기체가 산화되는 양극으로 수소 기체를 유도하도록 구성되는 수소 기체 전달 시스템을 포함한다. 여러 실시예에서, 음극에서 생성된 수소 기체는 수소 이온에 대한 산화를 위해 양극으로 유도된다.
여러 실시예에서, 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온 및/또는 수산화 이온을 포함하는 일부분의 또는 전체 양의 음극 전해액이 유출 흐름을 통해 이 시스템으로부터 배출된다. 몇몇 실시예에서, 일부분의 배출된 음극 전해액은 이 전해질 용액에서 흡수되는 이산화탄소 함량을 증가시키기 위해 외인성 이산화탄소 기체/액체 접촉기에서 이산화탄소 기체와 접촉된다. 몇몇 실시예에서, 흡수된 이산화탄소를 가지는 용액은 음극 구획으로 반송되며; 다른 실시예에서, 흡수된 이산화탄소를 가지는 용액은 2가 양이온을 포함하는 용액과 반응하여 2가 양이온 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염을 생성한다. 여러 실시예에서, 이 시스템 및 방법은 배치(batch), 세미-배치(semi-batch) 또는 연속 흐름 작동을 위해 구성될 수 있다.
여러 실시예에서, 이산화탄소를 함유하는 산업 폐가스가 음극 전해액에서 탄산염 및 중탄산염 이온을 생성하기 위해 사용된다. 몇몇 실시예에서, 이산화탄소는 시스템에서 다른 기체와, 예를 들어, 음극에서 발생된 수소 기체 또는 양극에서 산화된 수소 기체와, 혼합되는 것이 방지된다. 다른 실시예에서, 이산화탄소 기체는 음극 및/또는 양극에 접촉되는 것이 방지된다.
여러 실시예에서, 음극 전해액의 pH는 음극에서 물로부터 수산화 이온을 생성하고, 수산화 이온이 음극 전해액으로 이동할 수 있도록 함으로써 조절된다. pH는 또한 탄산염 이온, 또는 중탄산염 이온, 또는 탄산염 이온만, 또는 중탄산염 이온만, 또는 이들의 혼합물을 생성하기 위해 수산화 이온과 반응하는 전해액에서 탄산 및 탄소 이온 종을 생성하기 위해 음극 전해액에 이산화탄소 기체를 용해시킴으로써 조절된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 여러 실시예에서 시스템(100, 200, 300)은 제 1 음극 전해액 구획(104) 및 제 2 음극 전해액 구획(106)으로 분할되는 음극 구획(102)을 포함하며, 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액(108)은 음극(110)과 접촉하며, 양극 구획(112)의 양극 전해액(115)은 양극(114)과 접촉한다. 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 시스템은 음극 구획에 전해액을 넣으면, 제 1 음극 전해액 구획(104)의 음극 전해액과 제 2 음극 전해액 구획(106)의 음극 전해액 사이의 액체 흐름이 가능하도록 음극 구획(102)을 제 1 음극 전해액 구획(104)과 제 2 음극 전해액 구획(106)으로 분할하는 격벽(103)을 포함한다. 여러 실시예에서, 초기에 음극 전해액은 수성 용매(water-based solvent)에, 예를 들어, 허용될 수 있게 깨끗한 담수, 염수, 간수, 해수, 인공 염수 및 이와 유사한 것에 염을 용해시킴으로써 준비되는 수용성 염 용액, 예를 들어 수산화나트륨을, 포함한다.
도 1 내지 도 3의 단면도에 도시된 바와 같이, 격벽(103)은 대략 J자형 구조로 구성되며 격벽(103)과 음극 전해액 구획의 측벽(111) 사이에 제 1 음극 구획에서 상부측으로 좁아지는 채널(105)을 한정하기 위해 제 1 음극 전해액 구획(104)에 배치된다. 격벽(103)은 또한 분할하는 부재와 음극 전해액 구획의 하부 벽(113) 사이에 제 1 음극 전해액 구획에서 하부측으로 좁아지는 채널(107)을 한정한다.
음극 구획(102)에 격벽(103)을 배치할 때, 음극 구획의 음극 전해액은 제 1 음극 전해액 구획(104)과 제 2 음극 전해액 구획(106)으로 분할된다. 여러 실시예에서, 격벽(103)은 음극 구획(102)의 음극 전해액이 제 1 및 제 2 전해액 구획 사이로 흐를 수 있도록 구성되지만, 격벽(103)은 또한 적어도 액체가 제 1 음극 전해액 구획(104)의 하부측으로 좁아지는 채널(107)과 제 2 음극 전해액 구획(106) 사이의 통로를 밀봉하는 깊이에 음극 전해액이 음극 구획(102)에 존재할 때에, 제 1 전해액 구획(104)의 기체가 시스템의 다른 유체와 혼합되는 것이 방지될 수 있도록 구성된다.
도 1을 참조하면, 이산화탄소 기체(109A)를 도입하면, 존재하는 음극 전해액을 가지는 제 1 음극 전해액 구획(104)의 하부 부분에서, 전해액보다 덜 농후한 용해되지 않는 기체가 상부 측으로 좁아지는 채널(105)로부터 배출 기체(109B)로서 배출될 수 있는, 제 1 음극 전해액 구획의 상부 측으로 좁아지는 채널(105)의 상부 측으로 버블링하는 동안에 기체의 일부분이 음극 전해액에 용해될 수 있다. 도시되지 않은 몇몇 실시예에서, 배출 기체(109B)는 회수되며 유입 이산화탄소 기체(109A)로서 재사용된다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 음극 전해액의 pH에 따라, 제 1 음극 전해액 구획(104)으로 도입된 이산화탄소 기체(109A)는 제 1 음극 전해액 구획(104)의 음극 전해액에서 용해될 것이며 다음의 화학식으로 제 1 음극 전해액 구획에서 탄산, 양성자, 탄산염 및/또는 중탄산염 이온을 생성하기 위해 가역적으로 해리되며 평형을 이룰 것이다:
CO2 + H2O <==> H2CO3 <==> H+ + HCO3 - <==> H+ + CO3 2 -
제 1 음극 전해액 구획(104)의 음극 전해액은 제 2 음극 전해액 구획(106)의 음극 전해액과 혼합될 수 있고 그 반대도 가능하며, 음극 전해액에서 이산화탄소의 흡수에 의해 제 1 음극 전해액 구획(104)에 형성되는 탄산, 중탄산염 및 탄산염 이온은 이동될 수 있으며 제 2 음극 전해액 구획(106)의 음극 전해액과 평형을 이룰 수 있다. 따라서, 여러 실시예에서, 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 용해 및 비용해 이산화탄소 기체, 및/또는 탄산, 및/또는 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온을 포함할 수 있으며, 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 용해 이산화탄소, 및/또는 탄산, 및/또는 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온을 포함할 수 있다.
또한 도 1 내지 도 3을 참조하면, 양극(114)과 음극(110)에 걸쳐 전압을 가하면, 음극 구획(102)에서 시스템(100, 200, 300)은 다음과 같이 제 2 음극 전해액 구획(106)의 음극 전해액에서 수산화 이온과 물의 환원으로부터 음극(110)에서 수소 기체를 생성할 것이다:
2H2O + 2e- = H2 + 2OH- (물은 음극에서 전해된다).
제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액과 혼합될 수 있으므로, 제 2 음극 전해액 구획에서 형성된 수산화 이온은 이동될 수 있으며 제 2 음극 전해액 구획(106)에서 탄산염 및 중탄산염 이온과 평형을 이룰 수 있다. 따라서, 여러 실시예에서, 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 용해 및 비용해 이산화탄소 기체, 및/또는 탄산, 및/또는 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온뿐만 아니라, 수산화 이온을 포함할 수 있으며, 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 용해 이산화탄소 기체, 및/또는 탄산, 및/또는 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온뿐만 아니라 수산화 이온을 포함할 수 있다.
음극 전해액에서, 이산화탄소 기체는 다음의 식과 같이 전해액의 pH에 따라, 탄산, 양성자, 중탄산염 이온, 및 탄산염 이온을 형성하기 위해 용해될 수 있다:
H2O + CO2 = H2CO3 = H+ + HCO3 - = 2H+ + CO3 2 -
음극 전해액에서 이산화탄소의 용해도와 중탄산염 및 탄산염 이온의 농도는 전해액의 pH에 의존하므로, 제 1 음극 전해액 구획(102)(즉, 제 1 음극 전해액 구획(104)와 제 2 음극 전해액 구획(106))의 전체적인 반응은 음극 전해액의 pH에 따라,
시나리오 1: 2H2O + 2CO2 + 2e- = H2 + 2HCO3 -; 또는
시나리오 2: H2O + CO2 + 2e- = H2 + CO3 2 -
이거나 이 둘의 조합이다. 이는 다음의 탄산염 종형성도(speciation diagram)에 도시된다.
pH 및 온도에 대한 탄산염 조성 w
Figure pct00001
25℃에서 pH 대 H2O에서 탄산염/중탄산염 종형성(Carbonate/Bicarbonate speciation in H2O v. pH at 25℃)
어느 하나의 시나리오에 대하여, 시스템의 전체 셀 전위가 다음의 식에 의한 이 반응의 깁스(Gibbs)의 에너지 변화를 통해 결정될 수 있다:
Ecell = -△G/nF
또는, 표준 온도 및 압력 조건에서:
E˚cell = -△G˚/nF
여기서, Ecell은 셀 전압이며, △G는 반응의 깁스 에너지이며, n은 전달된 전자의 수이며, F는 패러데이 상수(96485 J/Vmol)이다. 반응 각각의 Ecell은 아래의 시나리오 1에 대하여 도시된 네른스트(Nernst) 방정식에 기초한 pH에 의존한다:
전위(V)
Figure pct00002
시나리오 1: 음극 전해액에서 중탄산염 이온 생성
또한, 어느 하나의 시나리오에 대하여, 전체 셀 전위가 각각의 하프-셀 반응에 대한 네른스트 방정식의 조합을 통해 결정될 수 있다:
E = Eo - RT ln(Q)/nF
여기서, Eo는 표준 환원 전위이며, R은 일반 기체 상수(8.314 J/mol K)이며, T는 절대 온도이며, n은 하프-셀 반응에 수반되는 전자의 수이며, F는 패러데이 상수(96485 J/V mol)이며, Q는 다음과 같은 반응 지수이다:
Etotal = Ecathode + Eanode
수소가 다음과 같이 양극에서 양성자로 산화될 때:
H2 = 2H+ + 2e-,
Eo는 0.00 V이며, n은 2이며, Q는 H+의 활성의 제곱이며 그 결과로:
Eanode = +0.059 pHa이며,
여기서, pHa는 양극 전해액의 pH이다.
물이 다음과 같이 음극에서 수산화 이온과 수소 기체로 환원될 때:
2H2O + 2e- = H2 + 2OH-,
Eo는 -0.83 V이며, n은 2이며, 그리고 Q는 OH-의 활성의 제곱이며 그 결과로:
Ecathode = -0.059 pHc이며,
여기서 pHc는 음극 전해액의 pH이다.
어느 하나의 시나리오에 대하여, 음극과 양극 반응에 대한 E는 양극과 음극 전해액의 pH에 따라 변한다. 따라서, 시나리오 1에 대하여 만약 산성의 분위기에서 일어나는 양극 반응이 0의 pH에 있다면, 이 반응의 E는 하프-셀 반응에 대하여 0V이다. 음극 반응에 대하여, 만약 중탄산염 이온의 발생이 7의 pH에서 일어난다면, 이론상의 E는 하프-셀 반응에 대하여 7 × (-0.059 V) = -0.413V이며, 음의 E는 반응이 진행되도록 하프-셀(half cell) 또는 풀 셀(full cell)로 투입되기 위한 에너지가 요구된다는 것을 의미한다. 따라서, 만약 양극의 pH가 0이고 음극의 pH가 7이라면 전체 셀 전위는 -0.413V일 것이며, 여기서:
Etotal = -0.059 (pHa - pHc) = -0.059△pH.
탄산염 이온이 생성되는 시나리오 2에 대하여, 만약 양극의 pH가 0이고 음극의 pH가 10이라면, 이는 0.59V의 E를 나타낼 것이다.
따라서, 여러 실시예에서, 음극 전해액으로 CO2 기체(109A)를 향하게 하는 것은 음극 전해액에서 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온을 생성함으로써 음극 전해액의 pH를 낮출 수 있으며, 또한 음극 전해액에서 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염을 생성하기 위해 양극과 음극에 걸친 전압을 낮출 수 있다.
따라서, 인식될 수 있는 바와 같이, 만약 음극 전해액이 14 이상의 pH로 높아지도록 허용된다면, (위의 시나리오 1에서 가는 점선의 수평 라인으로 도시된) 양극 하프-셀 전위와 (위의 시나리오 1에서, 굵은 연속선의 경사 라인으로 도시된) 음극 하프-셀 전위 사이의 차이는 0.83V까지 증가할 것이다. CO2 첨가나, 예를 들어, 물로 희석하는 것과 같은 다른 개재(intervention)가 없이 셀의 작동 시간의 증가에 따라, 요구되는 셀 전위는 계속 증가할 것이다. 셀 전위는 또한 전해액 내의 막에 걸친 옴 저항의 손실과 셀의 과전압 전위로 인해 증가할 수 있다.
여기서, 과전압 전위는 반-반응의 열역학적으로 결정된 환원 전위와 산화 환원 이벤트가 실험적으로 관찰되는 전위 사이의 전위(전압) 차이를 가리킨다. 이 용어는 셀의 전압 효율에 직접 관련된다. 전해 셀에서 과전압 전위는 반응을 진행하기 위해 열역학적으로 예측되는 것보다 더 많은 에너지를 필요로 한다. 각각의 경우에, 여분의 또는 사라진 에너지는 열로서 손실된다. 과전압 전위는 각각의 셀의 설계에 대해 특정되며 심지어 동일한 반응에 대해서도 셀과 작동 조건에 따라 변할 것이다. 따라서 7 이상의 pH를 가지는 전기화학 셀의 작동은 상당한 에너지 절약을 제공한다는 것이 인정될 수 있다.
여러 실시예에서, 음극 전해액과 양극 전해액의 상이한 pH 값에 대하여, 양극과 음극에 걸쳐 가해진 전압이 3V, 2.9V, 2.8V, 2.7V, 2.6V 2.5V, 2.4V, 2.3V, 2.2V, 2.1V, 2.0V, 1.9V, 1.8V, 1.7V, 1.6V, 1.5V, 1.4V, 1.3V, 1.2V, 1.1V, 1.0V, 0.9V, 0.8V, 0.7V, 0.6V, 0.5V, 0.4V, 0.3V, 0.2V, 또는 0.1V보다 작았을 때, 수산화 이온, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온이 음극 전해액에서 생성된다. 위의 범위에 속하는 선택된 전압에 대하여, 양극 전해액과 음극 전해액 사이의 pH 차이는 0, 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14이거나 이보다 더 컸다.
또한, 음극 전해액에서 중탄산염 및/또는 탄산염 이온을 생성하는 것이 요구되는 실시예에서, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같으며, 음극 전해액에서 수산화 이온의 생성을 참조하여 위에 설명된 바와 같은, 시스템은 제 1 음극 전해액에 이산화탄소를 용해시키고 음극과 양극에 걸쳐 3V보다 낮거나, 2.5V보다 낮거나, 2V보다 낮거나, 또는 1.0V보다 낮거나, 심지어는 0.8V 또는 0.6V보다 더 낮은 것과 같이 1.5V 미만의 전압을 가함으로써 제 1 음극 전해액에서 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온을 생성하도록 구성될 수 있다.
도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같은 몇몇 실시예에서, 시스템은 제 3 전해액(122)으로부터 제 2 음극 전해액 구획(106)의 음극 전해액을 분리시키는 양이온 교환 막(120)과, 제 3 전해액(122)으로부터 양극(114)과 접촉하는 양극 전해액(115)을 분리시키는 음이온 교환 막(124)을 포함한다. 인식될 수 있는 바와 같이, 양이온 교환 막은 양이온 교환 막을 통한 음이온의 이동을 막을 것이며, 그러므로 제 2 음극 전해액 구획(106)의 수산화 이온 및/또는 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온은 제 1 양이온 교환 막(120)을 통해 인접한 제 3 전해액(122)으로 이동되지 않을 것이다. 따라서, 이 시스템에서, 수산화 이온 및/또는 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온은 음극 전해액(108)에 축적되거나, 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되며, 위에서 언급된, 2008년 7월 16일에 출원된 미국 가출원 특허 제 61/081,299호에 설명된 바와 같이 배출되어 이산화탄소를 격리하는데 사용될 수 있다.
제 3 전해액(122)이 용해 염, 예를 들어 염화나트륨을, 포함하는 도 1을 참조하면, 양이온 교환 막이 이 양이온 교환 막을 통한 양이온의 이동을 허용할 것이기 때문에, 음극(110)과 양극(114)에 걸쳐 전압을 인가하면, 제 3 전해액(122)의 양이온, 예를 들어 나트륨 이온은 제 3 전해액(122)으로부터 제 2 음극 전해액 구획(106)의 음극 전해액으로 양이온 교환 막(120)을 통해 이동될 것이다. 음극 구획(102)에서, 음극 전해액에 존재하는 수산화 이온과 용해된 이산화탄소로부터 나온 탄산염 이온과 함께 나트륨 이온은 나트륨 염 용액, 예를 들어, 수산화나트륨, 및/또는 탄산나트륨, 및/또는 중탄산나트륨 용액을 생성할 것이다.
유사하게 도 1을 참조하면, 음이온 교환 막이 이 음이온 교환 막을 통해 음이온의 이동을 허용할 것이기 때문에, 음극(110)과 양극(114)에 걸쳐 전압을 인가하면, 제 3 전해액(122)의 음이온, 예를 들어, 염화물 이온은 제 3 전해액으로부터 양극 전해액(115)으로 음이온 교환 막(124)을 지나서 이동될 것이다. 이 양극 전해액에서, 양극 전해액(115)에 존재하는 양성자와 함께 염화물 이온은 산, 예를 들어, 염산을 형성할 것이다. 결론적으로, 인식될 수 있는 바와 같이, 양이온과 음이온이 제 3 전해액(122)으로부터 이동되기 때문에, 이 시스템은 제 3 전해액(122)으로부터 부분적으로 탈염된 물을 생성하 것이다.
여러 실시예에서, 음극 전해액에서 생성된 수산화 이온, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온, 및 양극 전해액에서 생성된 염산이 시스템으로부터 제거되며, 동시에 제 3 전해액에서 염화나트륨이 이 시스템의 연속적인 작동을 유지하기 위해 보충된다.
본 기술분야에서 숙련된 사람에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 여러 실시예에서, 시스템은 음극 전해액에서 생성된 수산화나트륨의 일부분을 배출하거나, 양극 전해액에서 생성된 전부 또는 일부분의 산을 배출하거나, 음극에서 생성된 수소 기체를 산화될 수 있는 양극으로 향하게 하는 선택 행위 함께 또는 선택 행위가 없이, 배치 모드(batch mode), 세미-배치 모드(semi-batch mode), 연속 흐름 모드(continuous flow mode)를 포함하는 다양한 생성 모드에서 작동하도록 구성될 수 있다.
여러 실시예에서, 양극과 음극에 걸쳐 가해지는 전압이 3V보다 낮거나, 2.9V 또는 이보다 낮거나, 2.8V 또는 이보다 낮거나, 2.7V 또는 이보다 낮거나, 2.6V 또는 이보다 낮거나, 2.5V 또는 이보다 낮거나, 2.4V 또는 이보다 낮거나, 2.3V 또는 이보다 낮거나, 2.2V 또는 이보다 낮거나, 2.1V 또는 이보다 낮거나, 2.0V 또는 이보다 낮거나, 1.9V 또는 이보다 낮거나, 1.8V 또는 이보다 낮거나, 1.7V 또는 이보다 낮거나, 1.6V 또는 이보다 낮거나 1.5V 또는 이보다 낮거나, 1.4V 또는 이보다 낮거나, 1.3V 또는 이보다 낮거나, 1.2V 또는 이보다 낮거나, 1.1V 또는 이보다 낮거나, 1.0V 또는 이보다 낮거나, 0.9V 또는 이보다 낮거나, 0.8V 또는 이보다 낮거나, 0.7V 또는 이보다 낮거나, 0.6V 또는 이보다 낮거나, 0.5V 또는 이보다 낮거나, 0.4V 또는 이보다 낮거나, 0.3V 또는 이보다 낮거나, 0.2V 또는 이보다 낮거나, 또는 0.1 V 또는 이보다 낮을 때 수산화 이온, 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온 용액이 음극 전해액에서 생성된다.
다른 실시예에서, 양극과 음극에 걸친 전압은 기체, 예를 들어 산소 또는 염소가, 양극에서 형성되며, 동시에 수산화 이온, 탄산염 이온과 중탄산염 이온이 음극 전해액에서 생성되며 수소 기체가 음극에서 발생되도록 조절될 수 있다. 그러나, 이 실시예에서, 수소 기체는 양극에 공급되지 않는다. 본 기술분야에서 통상적으로 숙련된 사람에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 이 실시예에서, 양극과 음극에 걸친 전압은 기체가 양극에서 형성되지 않을 때 실시예와 비교하여 더 높을 것이다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 음이온 교환 막(124)과 양이온 교환 막(120)은 종래의 이온 교환 막일 수 있다. 이상적으로는, 이 막은 산성 및/또는 염기성 전해질 용액에서 작동될 수 있어야 하며 0℃ 내지 100℃ 또는 이보다 높은 온도 범위의 산성 전해질 용액에서 높은 이온 선택성, 낮은 이온 저항, 높은 파열 강도, 및 높은 안정성을 보인다. 몇몇 실시예에서, 0℃ 내지 80℃, 또는 0℃ 내지 90℃의 범위에서 안정하지만, 이 범위보다 높은 범위에서는 불안정한 막이 사용될 수 있다. 적당한 막은 일본, 동경의 Asahi Kasei로부터 이용 가능한 Teflon™계 양이온 교환 막을 포함한다. 그러나, 저가의 탄화수소계 양이온 교환 막, 예를 들어 미국의 뉴저지의 Glen Rock의 Membrane International로부터 이용 가능한 탄화수소계 막이, 또한 사용될 수 있다.
여러 실시예에서, 음극 구획(102)은 폐가스 처리 시스템(도시되지 않음)에 작동 가능하게 연결되며, 음극 전해액에서 생성된 염기성 용액은, 예를 들어, 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되어 있는, 동일 출원인에 의해 2008년 12월 24일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/344,019호에 설명된 바와 같이 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염을 침전시키기 위해 폐가스와 음극 전해액을 2가 양이온의 용액과 접촉시킴으로써 폐가스에 함유된 이산화탄소를 격리하기 위해 사용된다. 예를 들어, 여러 실시예에서 칼슘과 마그네슘 수산화물, 탄산염 및 중탄산염을 포함하는 침전물은 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되어 있는, 위에서 언급된, 동일 출원인에 의해 2008년 5월 23일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/126,776호에 설명된 바와 같이, 건축 재료로, 예를 들어 시멘트 및 쇄석으로 사용될 수 있다. 몇몇 실시예에서, 약간 또는 모든 탄산염 및/또는 중탄산염은 수용성 매질에, 예를 들어 슬러리 또는 부유물로, 남아 있는 것이 허용되며, 수용성 매질에서, 예를 들어, 심해에서, 처리된다.
여러 실시예에서, 음극과 양극은 또한 오프-피크 전압을 전극에 공급하는 오프-피크 전기 전원 시스템에 작동 가능하게 연결된다. 오프-피크 전력의 비용이 피크 전력-공급 시간 중에 공급되는 전력의 비용보다 낮기 때문에, 이 시스템은 상대적으로 미만의 비용으로 음극 전해액에서 염기성 용액을 생성하기 위해 오프-피크 전력을 이용할 수 있다.
여러 실시예에서, 부분적으로 탈염된 물은 제 3 전해액으로부터 인접한 양극 전해액과 음극 전해액으로 양이온과 음이온의 이동의 결과로 제 3 전해액(122)에서 생성된다. 여러 실시예에서, 부분적으로 탈염된 물은 탈염 시스템(도시되지 않음)에 작동 가능하게 연결되며 이는 여기에 그 전체가 참조로 포함되는, 동일 출원인에 의해 2008년 6월 27일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/163,205호에 설명된 바와 같이 더 탈염된다.
다른 실시예에서, 이 시스템은 양극 전해액에서 산, 예를 들어 염산을 만든다. 따라서, 여러 실시예에서, 양극 구획은 2가 양이온, 예를 들어 Ca++ 및 Mg++의 용액을 생성하기 위해 2가 양이온을 포함하는 광물 및 폐기물을 용해하기 위한 시스템에 작동 가능하게 연결된다. 여러 실시예에서, 2가 양이온 용액은 여기에 그의 전체가 참고로 첨부되며, 위에서 언급된, 2008년 12월 24일 출원된 미국 특허 출원 제 12/344,019호에 설명된 바와 같이 2가 양이온 용액을 본 염기성 용액 및 이산화탄소 기체의 공급원과 접촉시킴으로써 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염을 침전시키기 위해 사용된다. 여러 실시예에서, 침전물은 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함되며, 위에서 언급된, 동일한 출원인에 의한 미국 특허 출원 제 12/126,776호에 설명된 바와 같이 건축 재료로, 예를 들어 시멘트 및 쇄석으로, 사용된다.
도 2를 참조하면, 여러 실시예에서, 시스템은 이 시스템에서 음극 전해액을 배출시키며 순환시키기에 적합한 음극 전해액 순환 시스템(126)을 포함한다. 일 실시예에서, 음극 전해액 순환 시스템은 순환하는 음극 전해액에 이산화탄소를 용해시키며, 이 시스템에서 전해액을 순환시키기에 적합한 제 1 이산화탄소 기체/액체 접촉기(128)를 포함한다. 이 실시예에서, 충분한 이산화탄소가 음극 전해액 구획의 외측의 기체/액체 접촉기의 전해액에 용해될 수 있기 때문에, 도 1에 도시되며 위에서 설명된 바와 같이 음극 전해액에 이산화탄소(109A)를 도입하는 것이 선택적으로 불필요하게 될 수 있다.
도 3에 예시된 다른 실시예에서, 음극 전해액 순환 시스템은 이 전해액을 음극 구획으로 회송하지 않고 순환하는 음극 전해액(126)의 일부분에서 이산화탄소를 용해시킬 수 있는 제 2 이산화탄소 기체/액체 접촉기(130)를 포함한다. 이 실시예에서, 전해액은, 예를 들어, 음극 구획의 외측에서 2가 양이온 탄산염 및/또는 중탄산염을 침전시키는데 사용될 수 있다. 또한, 인식될 수 있는 바와 같이, 음극 전해액의 pH가 시스템으로부터 음극 전해액을 배출시키며/배출하거나 순환시킴으로써 조절될 수 있기 때문에, 음극 전해액 구획의 pH는 제 2 이산화탄소 기체/액체 접촉기(130)를 통해 이 시스템으로부터 제거되는 전해액의 양을 조절함으로써 조절될 수 있다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 여러 실시예에서 시스템(100, 200 및 300)은 양극(114)에서의 산화를 위해 음극(110)에서 발생된 수소 기체를 순환시키기에 적합한 수소 기체 순환 시스템(118)을 포함한다. 여러 실시예에서, 수소 기체는 음극으로부터 수소 공급이 불충분할 때, 예를 들어, 작동의 시작 시에, 양극(114)에 수소 기체를 제공하기 위해 수소의 외부 공급 장치(도시되지 않음)에 선택적으로 연결된다.
여러 실시예에서, 시스템은 음극 구획(102)으로부터 모든, 또는 일부분의, 음극 전해액을 배출시킬 수 있는 음극 전해액 배출 및 재보충 시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 여러 실시예에서, 시스템은 또한 제 3 전해액(122)으로서 염 용액, 예를 들어 농축된 염화나트륨을, 제공하기 위한 염 용액 공급 시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 여러 실시예에서 시스템은 음극 전해액에 이산화탄소 기체(109A)를 공급하기 위한 기체 공급 시스템(도시되지 않음)을 포함한다. 여러 실시예에서, 시스템은 또한 셀로 유체를 도입하기 위한 흡입 포트(도시되지 않음) 및 셀로부터 유체를 제거하기 위한 배출 포트(도시되지 않음)를 포함한다.
인식될 수 있는 바와 같이, 여러 실시예에서 그리고 도 1을 참조하면, 양극과 음극에 걸쳐 전압이 가해질 때, 음극 전해액이 제 1 양이온 교환 막에 의해 제 3 전해액으로부터 분리되며, 제 3 전해액이 양극 전해액으로부터 분리되지만, 전해액의 음이온은 양극(114)을 향해 이동하려고 시도할 것이며, 양이온은 양이온 교환 막과 음이온 교환 막을 통해 음극(110)을 향해 이동하려고 시도할 것이다.
도 1을 참조하면, 양극과 음극에 걸쳐 전압을 가하면, 양성자가 양극에 공급된 수소 가스의 산화로부터 양극에서 형성될 것이며, 동시에 수산화 이온과 수소 기체가 다음과 같이 음극 전해액에서 물의 환원으로부터 형성될 것이다:
H2 = 2H+ + 2e- (양극, 산화 반응)
2H2O + 2e- = H2 + 2OH- (음극, 환원 반응)
양성자가 양극에서 양극에 제공되는 수소 기체로부터 형성되기 때문에, 그리고 산소와 같은 기체가 양극에서 형성되지 않기 때문에. 그리고 음극 전해액의 물이 음극에서 수산화 이온과 수소 기체를 형성하기 때문에, 시스템은 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때 음극 전해액에서 수산화 이온과 양극 전해액에서 양성자를 생성할 것이다.
더구나, 인식될 수 있는 바와 같이, 본 시스템에서 기체가 양극에서 형성되지 않기 때문에, 이 시스템은 기체, 예를 들어 염소 또는 산소가 양극에서 발생될 때 요구되는 더 높은 전압과는 대조적으로, 2V 미만의 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때 음극 전해액에서 수산화 이온과, 음극에서 수소 기체 및 양극에서 수소 이온을 생성할 것이다. 예를 들어, 여러 실시예에서, 수산화 이온이 2.0V보다 낮거나, 또는 1.5V, 1.4V, 1.3V, 1.2V, 1.1V, 1.0V, 0.9V, 0.8V, 0.7V, 0.6V, 0.5V, 0.4V, 0.3V, 0.2V, 0.1V 또는 이 미만의 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때 생성된다.
도 1을 참조하면, 양극과 음극에 걸쳐 전압을 가하면, 양극에서 형성되는 양으로 하전된 양성자는 양극 전해액을 통해 음극으로 이동하려고 시도할 것이며, 동시에 음극에서 형성되는 음으로 하전된 수산화 이온은 음극 전해액을 통해 양극으로 이동하려고 시도할 것이다. 도 1에 도시된 바와 같이 그리고 음극 전해액의 수산화 이온을 참조하면, 제 1 양이온 교환 막이 음극 구획 내의 음극 전해액을 함유할 것이기 때문에, 그리고 양이온 교환 막이 음극 전해액으로부터 제 3 전해액으로의 음이온의 이동을 방지할 것이기 때문에, 음극 전해액에서 발생된 수산화 이온은 양이온 교환 막을 통해 음극 전해액으로부터 이동되는 것이 방지될 것이다. 결론적으로, 양극과 음극에 걸쳐 전압을 가하면, 음극에서 생성된 수산화 이온이 음극 전해액에 함유될 것이다. 따라서, 음극 전해액에 출입하는 유체의 유량과 음극 전해액에서 이산화탄소의 용해의 속도에 따라, 음극 전해액의 pH는 조절될 것이며, 예를 들어 pH는 증가되거나, 감소되거나 동일하게 유지될 것이다.
유사하게 양극에서 발생된 양성자를 참조하면, 음극과 양극에 걸쳐 가해진 전압 하에서, 양성자는 양극 전해액에 들어갈 것이며 음이온 교환 막으로 이동할 것이다. 그러나, 음이온 교환 막은 양극 전해액으로부터 제 3 전해액으로의 양이온의 이동을 차단할 것이기 때문에, 양극 전해액의 양성자가 제 3 전해액으로 이동되는 것이 방지될 것이다. 결론적으로, 양극과 음극에 걸쳐 전압을 가하면, 양극에서 생성된 양성자는 양극 전해액에 함유될 것이다. 따라서, 양극 전해액에 출입하는 유체의 유량에 따라, 양극 전해액의 pH는 조절될 것이며, 예를 들어 pH가 증가되거나, 감소되거나 동일하게 유지될 것이다.
나트륨 이온과 염화물 이온의 농축된 용액으로 초기에 채워지며, 음이온 교환 막과 양이온 교환 막에 의해 전기화학 셀에 함유되는 제 3 전해액을 참조하면, 양극과 음극에 걸쳐 전압을 가하면, 제 3 전해액의 음이온, 예를 들어 염화물 이온은, 양극으로 이동할 것이며, 동시에 양이온, 예를 들어 제 3 전해액의 나트륨 이온은, 음극으로 이동할 것이다. 음이온 교환 막이 제 3 전해액으로부터 양극 전해액으로 음이온의 이동을 허용할 것이기 때문에, 제 3 전해액에 존재하는 염화물 이온은 양극 전해액으로 이동할 것이며 염화물 이온은 양극으로부터 나온 양성자와 함께 산, 예를 들어 염산을, 형성할 것이다.
게다가, 양이온 교환 막이 제 3 전해액으로부터 음극 전해액으로 양이온의 이동을 허용할 것이기 때문에, 제 3 전해액에 존재하는 나트륨 이온은 음극 전해액으로 이동할 것이며 나트륨 이온은 음극에서 발생된 수산화 이온과 함께 수산화나트륨을 형성할 것이다. 결론적으로, 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 양극과 음극에 걸쳐 전압이 인가하면, 양이온, 예를 들어 나트륨 이온, 및 음이온, 예를 들어 염화물 이온이 제 3 전해액으로부터 이동할 것이며, 그에 의해 제 3 전해액에 탈염된 물을 형성할 것이다.
여러 실시예에서, 그리고 도 1 내지 도 3에 도시된 바와 같이, 수소 기체가 음극에서 음극 전해액의 물의 환원으로부터 발생된다. 이 기체는 음극으로부터 배출될 수 있거나 양극으로 유도될 수 있으며 이 기체는 여기에 설명된 바와 같이 양성자로 산화된다.
여러 실시예에서, 이 시스템에 요구되는 이온 종(ionic species)에 따라, 대안적인 반응물이 사용될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 수산화칼륨이나 탄산칼륨과 같은 칼륨 염이 음극 전해액에 요구된다면, 염화칼륨과 같은 칼륨 염이 제 3 전해액(122)에 사용될 수 있다. 유사하게, 황산이 양극 전해액에 요구된다면, 황산나트륨과 같은 황산염이 제 3 전해액(122)에 사용될 수 있다. 유사하게, 여기에서의 여러 실시예에 설명된 바와 같이, 이산화탄소 기체는 음극 전해액에 흡수되지만, 휘발성 증기를 포함하는 다른 기체는 원하는 결과를 생성하기 위해 전해액, 예를 들어 이산화황, 및 유기 증기에 흡수될 수 있다는 것이 인식될 것이다. 인식될 수 있는 바와 같이, 기체는 다양한 방식으로, 예를 들어 기체를 직접 전해액으로 버블링하거나, 기체를 음극 구획에 연결된 별도의 구획에서 용해시키고 그 다음에 여기에 설명된 바와 같이 음극 전해액으로 향하게 함으로써 전해액에 첨가될 수 있다.
도 5를 참조하면, 방법(500)은 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액으로 기체를 향하게 하는 단계(502); 및 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액에 접촉하는 음극, 및 양극 전해액과 접촉하는 양극에 걸쳐 전압을 가하는 단계(504)를 포함하며, 제 1 음극 전해액이 제 2 음극 전해액으로부터 분할된다.
여러 실시예에서 이 방법은 음극 전해액에 이산화탄소를 첨가하는 단계; 여기에서 다른 곳에서 설명된 바와 같이, 양극과 음극에 걸쳐 저전압을 가함으로써 제 1 음극 전해액 구획에서 탄산, 수산화 이온, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 생성하는 단계; 제 2 음극 전해액 구획에서 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 생성하는 단계; 음극에서 수소 기체를 생성하며 이 기체를 양극으로 유도하며 여기서 이 기체는 수소 이온으로 산화되는 단계; 양극에서 수소 이온을 생성하는 단계; 양극과 음극에 걸쳐 현재의 전압을 가하는 중에 기체가 양극에서 생성되지 않는 단계; 양극과 음극에 걸친 전압이 2V보다 더 낮은 단계; 양이온 교환 막에 의해 제 3 전해액으로부터 음극 전해액을 분리하는 단계; 음이온 교환 막에 의해 제 3 전해액으로부터 양극 전해액을 분리하는 단계; 제 3 전해액이 나트륨과 염화물 이온을 포함하는 단계; 양이온 교환 막을 거쳐서 제 3 전해액으로부터 음극 전해액으로 나트륨 이온을 이동시키며, 음이온 교환 막을 거쳐서 제 3 전해액으로부터 양극 전해액으로 염화물 이온을 이동시키는 단계; 음극 전해액은 탄산나트륨, 중탄산나트륨 또는 수산화나트륨을 포함하며, 양극 전해액은 염산을 포함하는 단계; 양극 전해액에서 산을 생성하는 단계; 고철질 광물이나 셀룰로오스 물질을 용해하기 위해 산을 이용하는 단계; 제 3 전해액에서 부분적으로 탈염된 물을 생성하는 단계; 물 탈염 시스템에서 부분적으로 탈염된 물을 처리하는 단계를 포함하는 단계; 2가 양이온 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물을 생성하기 위해 음극 전해액을 2가 양이온 용액과 접촉시키는 단계; 2가 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물은 칼슘과 마그네슘을 포함하는 단계; 음극 전해액의 제 1 부분을 배출시키며, 제 1 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 음극 전해액의 제 1 부분에 이산화탄소를 용해시키며, 음극 전해액을 제 1 농축 탄산염 음극 전해액으로 보충하는 단계; 음극 전해액의 제 2 부분을 배출시키며, 제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 음극 전해액의 제 2 부분에 이산화탄소를 용해시키며, 2가 양이온 탄산염을 생성하기 위해 제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 2가 양이온 용액과 접촉시키는 단계; 및 양극과 음극에 걸쳐 전압을 제공하기 위해 음극과 양극에 걸쳐 오프-피크 전원을 가하는 단계를 더 포함한다.
여러 실시예에서, 수산화 이온이 양극에서 기체를 형성하지 않고 양극과 음극에 걸쳐 2V 미만의 전압을 가함으로써 음극에서 그리고 음극 전해액에서 형성되며, 동시에 양극에서 산화를 위해 양극에 수소 기체를 제공한다. 여러 실시예에서, 양극과 음극에 걸쳐 가해진 전압이 3V 또는 이보다 더 낮거나, 2.9V 또는 이보다 더 낮거나, 2.8V 또는 이보다 더 낮거나, 2.7V 또는 이보다 더 낮거나, 2.6V 또는 이보다 더 낮거나, 2.5V 또는 이보다 더 낮거나, 2.4V 또는 이보다 더 낮거나, 2.3V 또는 이보다 더 낮거나, 2.2V 또는 이보다 더 낮거나, 2.1V 또는 이보다 더 낮거나, 2.0V 또는 이보다 더 낮거나, 1.9V 또는 이보다 더 낮거나, 1.8V 또는 이보다 더 낮거나, 1.7V 또는 이보다 더 낮거나, 1.6V 또는 이보다 더 낮거나, 1.5V 또는 이보다 더 낮거나, 1.4V 또는 이보다 더 낮거나, 1.3V 또는 이보다 더 낮거나, 1.2V 또는 이보다 더 낮거나, 1.1V 또는 이보다 더 낮거나, 1.0V 또는 이보다 더 낮거나, 0.9V 또는 이보다 더 낮거나, 0.8V 또는 이보다 더 낮거나, 0.7V 또는 이보다 더 낮거나, 0.6V 또는 이보다 더 낮거나, 0.5V 또는 이보다 더 낮거나, 0.4V 또는 이보다 더 낮거나, 0.3V 또는 이보다 더 낮거나, 0.2V 또는 이보다 더 낮거나, 또는 0.1 V 또는 이보다 더 낮을 때, 방법(500)은 양극에서 기체를 형성하지 않으며, 반면에 수소 기체가 양극에 제공되며 수소 기체는 양성자로 산화된다. 본 기술분야에서 통상적으로 숙련된 사람에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 양극에 기체를 형성하기 않음으로써 그리고 양극에서 산화를 위해 양극에 수소 기체를 제공함으로써, 그리고 그렇지 않다면 시스템의 저항력을 제어함으로써, 예를 들어, 전해액 경로 길이를 감소시키고 낮은 저항력을 가지는 이온 막과 본 기술분야에서 알려진 어떤 다른 방법을 선택함으로써, 수산화 이온이 현재의 더 낮은 전압으로 음극 전해액에서 생성될 수 있다.
여러 실시예에서, 방법(500)은 이산화탄소 기체를 음극 전해액으로 향하게 하는 단계; 음극 전해액이 음극과 접촉하기 전에 또는 후에 이산화탄소 기체를 음극 전해액으로 향하게 하는 단계; 음극에서 수소 기체를 형성하는 단계; 양극에서 양성자를 형성하는 단계; 양극과 음극에 걸쳐 3V 내지 0.5V 또는 이보다 더 낮은 값 사이의 전압을 선택적으로 가함으로써 양극에서 기체를 형성하지 않고 양극과 음극 전해액 사이에 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 pH 단위 또는 이들보다 더 높은 pH 차이를 형성하는 단계; 음극 전해액에서 수산화 이온, 중탄산염 이온, 탄산염 이온 및/또는 이들의 조합을 형성하는 단계; 음극 전해액에서 수산화나트륨, 중탄산나트륨 또는 탄산나트륨을 형성하는 단계; 제 3 전해액으로부터 음이온 교환 막을 거쳐서 양극 전해액으로 염화물 이온을 이동시키는 단계; 양극 전해액에서 산을 형성하는 단계; 양극 전해액에서 염산을 형성하는 단계; 제 3 전해액으로부터 양이온 교환 막을 거쳐서 음극 전해액으로 양이온을 이동시키는 단계; 제 3 전해액으로부터 양이온 교환 막을 거쳐서 음극 전해액으로 나트륨 이온을 이동시키는 단계; 음극에 형성된 수소 기체를 양극으로 향하게 하는 단계; 및 유출을 통해 음극 전해액을 제거하며 음극 전해액으로 유입 흐름을 통해 음극 전해액을 보충하는 단계를 더 포함한다.
본 기술분야에서 통상적으로 숙련된 사람에 의해 인식될 수 있는 바와 같이, 양극에서 기체를 형성하지 않음으로써 그리고 양극에서 산화를 위해 양극에 수소 기체를 제공함으로써, 수산화 이온이 현재의 전압으로 음극 전해액에서 생성된다. 여러 실시예에서, 도 1 내지 도 3의 시스템과 관련된 방법(500)은 기체, 예를 들어, 산소 또는 염소가, 양극에서 형성되는 것이 방지되도록 양극(114)과 음극(110)에 걸쳐 전압을 가하는 단계; 음극 전해액에서 중탄산염 이온, 탄산염 이온 또는 중탄산염 및 탄산염 이온의 혼합물을 형성하는 단계; 음극과 양극에 걸쳐 3V, 2.9V, 2.8V, 2.7V, 2.6V, 2.5V, 2.4V, 2.3V, 2.2V, 2.1V, 2.0V, 1.9V, 1.8V, 1.7V, 1.6V, 1.5V, 1.4V, 1.3V, 1.2V, 1.1V, 1.0V, 0.9V, 0.8V, 0.7V, 0.6V, 0.5V, 0.4V, 0.3V, 0.2V, 또는 0.1V 또는 이보다 더 낮은 전압을 가하는 동안에 양극에서 수소 기체를 공급하여 산화시키며 음극에서 수소 기체를 형성하는 단계; 양극에서 양성자를 형성하기 위해 양극에서 수소 기체를 산화시키는 단계; 양극에서 기체를 형성하지 않고 양극 전해액과 음극 전해액 사이에 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 pH 단위 또는 이들보다 더 큰 pH 차이를 형성하는 단계; 양극에서 기체를 형성하지 않고 양극 전해액과 음극 전해액 사이에 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11, 12, 13, 14 pH 단위 또는 이들보다 더 큰 pH 차이의 pH 구배를 형성하는 단계; 음극 전해액에서 탄산나트륨, 중탄산나트륨 또는 탄산나트륨과 중탄산나트륨의 혼합물을 형성하는 단계; 제 3 전해액으로부터 음이온 교환 막을 거쳐서 양극 전해액으로 음이온을 이동시키는 단계; 제 3 전해액으로부터 음이온 교환 막을 거쳐서 양극 전해액으로 염화물 이온을 이동시키는 단계; 양극 전해액에서 산을 형성하는 단계; 양극 전해액에서 염산을 형성하는 단계; 제 3 전해액으로부터 양이온 교환 막(120)을 거쳐서 음극 전해액으로 양이온을 이동시키는 단계; 제 3 전해액으로부터 양이온 교환 막을 거쳐서 음극 전해액으로 나트륨 이온을 이동시키는 단계; 양극(114)에서 산화를 위해 음극(110)에 형성된 수소 기체를 향하게 하는 단계; 음극 전해액의 유출로부터 유입 흐름까지 적어도 일부분의 음극 전해액을 향하게 하는 단계; 음극 전해액의 제 1 부분을 배출시키며, 제 1 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 음극 전해액의 제 1 부분에 이산화탄소를 용해시키며, 음극 전해액을 제 1 농축 탄산염 음극 전해액으로 보충하는 단계; 및 음극 전해액의 제 2 부분을 배출시키며, 제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 음극 전해액의 제 2 부분에 이산화탄소를 용해시키며, 2가 양이온 탄산염을 생성하기 위해 제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 2가 양이온 용액과 접촉시키는 단계를 더 포함한다.
여러 실시예에서, 중탄산염 이온과 탄산염 이온이 음극 전해액에서 생성되며 양극과 음극에 걸쳐 가해지는 전압은 3.0V보다 낮거나, 2.9V, 2.8V, 2.7V, 2.6V, 2.5V, 2.4V, 2.3V, 2.2V, 2.1V, 2.0V, 1.9V, 1.8V, 1.7V, 1.6V, 1.5V, 1.4V, 1.3V, 1.2V, 1.1V, 1.0V, 0.9V, 0.8V, 0.7V, 0.6V, 0.5V, 0.4V, 0.3V, 0.2V, 0.1V 또는 이보다 더 낮으며 양극에서 기체를 형성하지 않는다. 여러 실시예에서, 방법은 배치, 세미-배치 또는 연속 모드의 작동으로 적어도 일부분의 음극 전해액과 양극 전해액의 산을 배출시키며 시스템으로 다시 보충하는데 적합하다.
도 1 내지 도 3을 참조하면, 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때 수산화 이온 및/또는 탄산염 및/또는 중탄산염 이온이 음극 전해액에서 형성될 것이며, 결론적으로 음극 전해액의 pH가 조절될 수 있다. 일 실시예에서, 음극과 양극에 걸쳐 전압이 0.1V 또는 이보다 더 낮거나, 0.2V 또는 이보다 더 낮거나. 0.4V 또는 이보다 더 낮거나, 0.6V 또는 이보다 더 낮거나, 0.8V 또는 이보다 더 낮거나, 1.0V 또는 이보다 더 낮거나, 1.5V 또는 이보다 더 낮거나, 또는 2.0V 또는 이보다 더 낮을 때, 양극 및 음극의 수산화 이온 및/또는 탄산염 및/또는 중탄산염 이온이 형성될 것이다. 예를 들어, 0.8V 또는 이보다 더 낮은 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때, 수산화 이온이 음극 전해질 용액에서 생성되며; 다른 실시예에서, 0.01V 내지 2.5 V, 또는 0.01V 내지 2.0V, 또는 0.1V 내지 2.0V, 또는 0.1V 내지 1.5V, 또는 0.1V 내지 1.0V, 또는 0.1V 내지 0.8V, 또는 0.1V 내지 0.6V, 또는 0.1V 내지 0.4V, 또는 0.1V 내지 0.2V, 또는 0.01V 내지 1.5V, 또는 0.01V 내지 1.0V, 또는 0.01V 내지 0.8V, 또는 0.01V 내지 0.6V, 또는 0.01V 내지 0.4V, 또는 0.01V 내지 0.2V, 또는 0.01V 내지 0.1V의 전압, 예를 들면 0.1V 내지 2.0V가 이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때, 수산화 이온이 음극 전해액에서 생성되며; 또 다른 실시예에서, 약 0.1V 내지 1V의 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때, 음극 전해질 용액에서 생성된 수산화 이온이 증가된다. 유사한 결과가 전극에 걸쳐 0.1V 내지 0.8V; 0.1V 내지 0.7V; 0.1V 내지 0.6V; 0.1V 내지 0.5V; 0.1V 내지 0.4V; 및 0.1V 내지 0.3V의 전압으로 달성될 수 있다.
여러 실시예에서, 두 개의 전해질 용액이, 예를 들어, 하나 이상의 이온 교환 막에 의해 분리될 때, 그리고 3V 또는 이보다 더 낮거나, 2.9V 또는 이보다 더 낮거나 2.5V 또는 이보다 더 낮거나, 2V 또는 이보다 더 낮은 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때, 이 방법 및 시스템은 양극 전해질 용액과 음극 전해질 용액 사이에 0.5 pH 단위보다 큰 pH 차이를 생성할 수 있다. 몇몇 실시예에서 이 방법 및 시스템은 제 1 전해질 용액과 제 2 전해질 용액 사이에 1.0 pH 단위, 또는 2 pH 단위, 또는 4 pH 단위, 또는 6 pH 단위, 또는 8 pH 단위, 또는 10 pH 단위, 또는 12 pH 단위, 또는 14 pH 단위보다 큰 pH 차이를 생성할 수 있으며 제 1 전해질 용액은 양극과 접촉하며 제 2 전해질 용액은 음극과 접촉하며, 0.1V 이하의 전압이 양극과 음극에 걸쳐 가해질 때, 이 두 전해질 용액은, 예를 들어, 하나 이상의 이온 교환 막에 의해 분리된다.
다른 예시적인 결과에서, 그리고 도 4를 참조하면, 도 1에 도시된 바와 같은 시스템이 구성되었으며 이산화탄소 기체가 음극 구획으로 연속적으로 용해되는 동안에 일정한 전류 밀도로 작동되었다. 시스템에서, 음극 전해액의 pH와 양극과 음극에 걸친 전압이 모니터링되었다. 이 시스템에서, 백금 함유 가스 확산 전극이 양극으로 사용되었으며 니켈 메시가 음극으로 사용되었다. 본래의 셀 농도는 제 3 전해액(122), 음극 전해액(108) 및 양극 전해액(115)에서, 각각 5M NaCl, 1M NaOH and 1M HCl이었다. 사용된 이온 막은 특히 음이온 교환 막(124)을 위한 막 번호 AMI 7001, 및 양이온 교환 막(120)을 위한 막 번호 CMI 7000으로, 미국, 뉴저지의 Membrane International, Inc.로부터 획득되었다. 도 4에서 볼 수 있는 바와 같이, 반응이 진행됨에 따라, 이산화탄소 기체가 음극 전해액에서 흡수되므로 음극 전해액의 pH가 감소되었다. 동시에, 양극과 음극에 걸친 전압이 또한 감소되었다.
인식될 수 있는 바와 같이, 음극 전해액에서 이산화탄소의 용해도는 전해액의 pH에 의존하며, 음극과 양극에 걸친 전압은 양극 전해액과 음극 전해액 사이의 pH 차이에 의존한다. 따라서, 도 4에 도시된 바와 같이, 이 시스템은 음극 전해액에서 이산화탄소를 흡수하며 탄산, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 생성하기 위해 구성될 수 있으며 특정 pH와 전압에서 작동될 수 있다. 따라서, 예를 들어, 도 4에 도시된 바와 같이, 이 시스템은 10의 pH의 염기성 용액을 생성하기 위해 구성될 수 있으며 양극에 걸쳐 1V 미만의 전압에서, 예를 들어 0.9V에서 작동될 수 있다. 다른 실시예에서, 이 시스템은 pH 9의 염기성 용액을 생성하기 위해 구성될 수 있으며 0.85V에서 작동될 수 있다. 다른 작동 전압은 도 4에 도시된 바와 같이 0.7V 내지 1.0V의 범위의 전압을 포함한다. 유사하게, 다른 작동 pH 값은 6 내지 12의 범위의 pH 값을 포함한다. 위에서 논의된 바와 같이, 음극 전해액에서 생성되며 탄산염 및 중탄산염 이온을 포함하는 염기성 용액은 용액으로부터 2가 양이온 탄산염 및 중탄산염을 침전시킴으로써 이산화탄소를 격리하기 위해 2가 양이온 용액으로 사용될 수 있다.
일부 실시예에서, 2가 양이온, 예를 들어 마그네슘 이온 또는 칼슘 이온이 음극 및 양극 전해액이 이온 교환 막과 접촉하는 공정의 일부 중에 음극 전해질 용액으로부터 제거된다. 이는 만약 필요하다면 그 특정한 막에 대해, 막의 스케일링을 방지하기 위해 행해진다. 따라서, 여러 실시예에서, 전해질 용액이 어떤 상당한 시간 동안 이온 교환 막 또는 막과 접촉할 때 이 전해질 용액의 2가 양이온의 전체 농도는 0.06 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.05 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.04 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.02 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.01 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.005 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.001 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.0005 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.0001 mol/kg 용액보다 더 낮거나, 0.00005 mol/kg 용액보다 더 낮다.
이산화탄소 기체가 음극 전해액에 용해되는 실시예에서, 양성자가 음극 전해액으로부터 제거됨에 따라, 더 많은 이산화탄소가 탄산, 중탄산염 이온 및/또는 탄산염 이온을 형성하기 위해 용해될 수 있다. 본 기술분야에서 잘 이해될 수 있는 바와 같이 그리고 위의 탄산염 종형성도에 도시된 바와 같이, 음극 전해액의 pH에 따라 균형이 중탄산염 이온을 향해 또는 탄산염 이온을 향해 이동된다. 이 실시예에서 음극 전해질 용액의 pH는 이산화탄소의 도입 속도에 비교되는 양성자의 제거 속도에 따라, 감소되거나, 동일하게 유지되거나, 또는 증가될 수 있다. 탄산, 수산화 이온, 탄산염 이온 또는 중탄산염 이온이 이 실시예에서 형성되지 않거나, 탄산, 수산화 이온, 탄산염 이온, 중탄산염 이온이 하나의 주기 동안에 형성될 수 없지만 다른 주기 동안에 형성될 수 있다는 것이 인식될 것이다.
다른 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 탄산염 및/또는 중탄산염 침전 시스템(도시되지 않음)과 통합되며 2가 양이온의 용액은, 본 음극 전해액에 첨가될 때, 2가 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물, 예를 들어, 탄산칼슘 또는 탄산마그네슘 및/또는 이들의 중탄산염의, 침전물을 형성한다. 여러 실시예에서, 침전된 2가 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물은, 예를 들어, 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함된, 동일 출원인에 의해 2008년 5월 23일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/126,776호에 설명된 바와 같이 건축 재료, 예를 들어 시멘트 및 쇄석으로, 사용될 수 있다.
하나의 대안적인 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 광물 및/또는 물질 용해 및 회수 시스템(도시되지 않음)과 통합되며 산성 양극 전해질 용액(115) 또는 염기성 음극 전해액(102)은, 예를 들어, 여기에 설명된 바와 같이 탄산염 및/또는 중탄산염을 침전시키기 위해, 사용될 수 있는 2가 양이온 용액을 형성하도록, 칼슘과/또는 마그네슘-함유 광물, 예를 들어 사문석 또는 감람석, 또는 폐기물, 예를 들어 비산 회, 적니(red mud) 및 이와 유사한 것을 용해시키는데 사용된다. 여러 실시예에서, 침전된 2가 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물은, 예를 들어, 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함된, 동일한 출원인에 의해 2008년 5월 23일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/126,776호에 설명된 바와 같이 건축 재료, 예를 들어 시멘트 및 쇄석으로, 사용될 수 있다.
하나의 대안적인 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 이산화탄소와 산업 폐가스의 다른 성분, 예를 들어, 유황 기체, 산화질소 기체, 금속 및 미립자를 격리시키기 위해 산업 폐가스 처리 시스템(도시되지 않음)과 통합되며, 배기 가스를 2가 양이온, 및 수산화물, 중탄산염 및/또는 탄산염 이온을 포함하는 본 음극 전해액을 포함하는 용액과 접촉시킴으로써, 2가 양이온 탄산염 및/또는 중탄산염이 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함된, 동일한 출원인에 의해 2008년 12월 24일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/344,019호에 설명된 바와 같이 침전된다. 예를 들어, 여러 실시예에서 탄산칼슘과/또는 탄산마그네슘 및 중탄산염을 포함하는 침전물이 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함된, 동일 출원인에 의해 2008년 5월 23일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/126,776호에 설명된 바와 같이, 건축 재료, 예를 들어 시멘트 및 쇄석으로, 사용될 수 있다.
다른 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 수성 탈염 시스템(도시되지 않음)과 통합되며 본 시스템의 제 3 전해액의 부분적으로 탈염된 물은 여기에 그의 전체가 참고로 첨부된, 동일 출원인에 의해 2008년 6월 27일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/163,205호에 설명된 바와 같이, 탈염 시스템을 위한 공급수로 사용된다.
하나의 대안적인 실시예에서, 본 시스템 및 방법은 탄산염 및/또는 중탄산염 용액 처리 시스템(도시되지 않음)과 통합되며 침전물을 형성하기 위해 2가 양이온의 용액을 제 1 전해질 용액과 접촉시킴으로써 침전물을 생성하기보다는 오히려, 이 시스템은 탄산염 및/또는 중탄산염을 포함하는 슬러리 또는 부유물을 생성한다. 여러 실시예에서, 슬러리 또는 부유물은 이가 장기간 동안 안정되게 유지되는 장소에서 처리되며, 슬러리/부유물은, 예를 들어, 본 명세서에 전체 기재 내용이 참조로 포함된, 2008년 12월 24일에 출원된 미국 특허 출원 제 12/344,019호에 설명된 바와 같이, 온도 및 압력이 슬러리를 무기한으로 안정되게 유지하기에 충분한 깊이의 해양에서 처리된다.
본 발명의 바람직한 실시예가 여기에 도시되고 설명되었지만, 이와 같은 실시예는 단지 예로서 제공되며 이에 한정되는 것이 아니라는 것은 당업자에게 분명할 것이다. 여러 변형예, 수정예, 및 대체물은 본 발명으로부터 벗어나지 않고 이제 본 기술분야에서 숙련된 사람들에게 일어날 것이다. 여기에 설명된 본 발명의 실시예에 대한 다양한 대체물은 본 발명을 실시하는데 사용될 수 있다는 것이 이해되어야 한다. 다음의 청구항은 본 발명의 범위를 한정하며 이 청구항의 범위 내의 방법 및 구조와 이들의 균등물은 그들에 의해 보호되기 위한 것이다.

Claims (56)

  1. 전기화학 시스템에 있어서,
    격벽에 의해 제 1 음극 전해액 구획(cathode electrolyte compart)과 제 2 음극 전해액 구획으로 분할된 음극 구획을
    포함하고,
    상기 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 음극과 접촉하고,
    양극 구획(anode compartment)의 양극 전해액(anode electrolyte)은 양극(anode)과 접촉하는, 전기화학 시스템.
  2. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 상기 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액과 접촉하는, 전기화학 시스템.
  3. 제 2항에 있어서, 상기 제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 기체를 포함하는, 전기화학 시스템.
  4. 제 3항에 있어서, 상기 기체는 이산화탄소를 포함하는, 전기화학 시스템.
  5. 제 4항에 있어서, 상기 기체는 상기 음극 전해액으로 흡수되는, 전기화학 시스템.
  6. 제 4항에 있어서, 상기 이산화탄소 기체는 상기 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액으로부터 분리되는, 전기화학 시스템.
  7. 제 5항에 있어서, 상기 제 1 음극 전해액 구획의 상기 음극 전해액은 수산화 이온, 탄산(carbonic acid), 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 포함하는, 전기화학 시스템.
  8. 제 1항에 있어서, 상기 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 용해된 이산화탄소를 포함하는, 전기화학 시스템.
  9. 제 7항에 있어서, 상기 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액은 수산화 이온, 탄산, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 포함하는, 전기화학 시스템.
  10. 제 4항에 있어서, 상기 시스템은 상기 양극과 음극에 걸쳐 가해지는 2V 미만의 전압으로 상기 제 2 음극 전해액 구획에서 수산화 이온을 생성하도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  11. 제 10항에 있어서, 상기 시스템은 상기 음극에서 수소 기체를 생성하도록 구성된, 전기화학 시스템.
  12. 제 11항에 있어서, 상기 시스템은 상기 양극에서 기체를 생성하지 않는, 전기화학 시스템.
  13. 제 12항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제 2 음극 전해액 구획으로부터 상기 제 1 음극 전해액 구획으로 수산화 이온을 이동시키도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  14. 제 12항에 있어서, 상기 음극에서 생성된 수소 기체를 상기 양극으로 향하게 하도록 구성된 수소 기체 전달 시스템을 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  15. 제 1항에 있어서, 상기 제 1 음극 전해액 구획은 산업 폐가스 시스템에 작동 가능하게 연결되는, 전기화학 시스템.
  16. 제 15항에 있어서, 상기 산업 폐가스 시스템은 이산화탄소를 포함하는, 전기화학 시스템.
  17. 제 16항에 있어서, 상기 이산화탄소는 화석 연료의 연소로부터 나오는, 전기화학 시스템.
  18. 제 13항에 있어서, 상기 음극 구획은 폐가스 처리 시스템에 작동 가능하게 연결되는, 전기화학 시스템.
  19. 제 18항에 있어서, 상기 폐가스 시스템은 이산화탄소를 포함하는, 전기화학 시스템.
  20. 제 1항에 있어서, 상기 음극 구획은 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염 침전 시스템에 작동 가능하게 연결되는, 전기화학 시스템.
  21. 제 20항에 있어서, 상기 침전 시스템은 수산화물, 탄산염 및/또는 2가 양이온 중탄산염을 생성하기 위해 상기 음극 전해액을 사용하도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  22. 제 4항에 있어서, 상기 양극과 음극은 오프-피크 전기 전원 시스템에 작동 가능하게 연결되는, 전기화학 시스템.
  23. 제 4항에 있어서, 상기 양극 구획과 상기 음극 구획 사이에 이온 교환 막을 더 포함하는, 전기화학 시스템.
  24. 제 23항에 있어서, 상기 이온 교환 막은 제 3 전해액으로부터 상기 제 2 음극 전해액 구획의 상기 음극 전해액을 분리시키는 양이온 교환 막을 포함하는, 전기화학 시스템.
  25. 제 23항에 있어서, 상기 이온 교환 막은 제 3 전해액으로부터 상기 양극 전해액을 분리시키는 음이온 교환 막을 포함하는, 전기화학 시스템.
  26. 제 25항에 있어서, 상기 제 3 전해액은 나트륨 이온과 염화물 이온을 포함하는, 전기화학 시스템.
  27. 제 26항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제 3 전해액으로부터 음극 전해액으로 상기 양이온 교환 막을 통해 나트륨 이온을 이동시키고, 상기 제 3 전해액으로부터 상기 양극 전해액으로 상기 음이온 교환 막을 통해 염화물 이온을 이동시키도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  28. 제 26항에 있어서, 상기 시스템은 상기 음극 전해액에서 수산화나트륨을 생성하도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  29. 제 26항에 있어서, 상기 시스템은 상기 음극 전해액에서 수산화나트륨, 탄산나트륨과/또는 중탄산나트륨을 생성하도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  30. 제 26항에 있어서, 상기 시스템은 상기 제 3 전해액에서 부분적으로 탈염된 물(partially desalinated water)을 생성하도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  31. 제 29항에 있어서, 상기 부분적으로 탈염된 물은 수처리 시스템에 작동 가능하게 연결되는, 전기화학 시스템.
  32. 제 26항에 있어서, 상기 시스템은 상기 양극 전해액에서 염산을 생성하도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  33. 제 26항에 있어서, 상기 음극 전해액은 상기 음극 전해액에서 이산화탄소를 용해시키도록 구성된 제 1 이산화탄소 기체/액체 접촉기에 작동 가능하게 연결되는, 전기화학 시스템.
  34. 제 10항에 있어서, 상기 시스템은 상기 양극과 음극 전해액 사이에서 0 내지 14 또는 이보다 더 큰 pH 단위의 pH 차이를 생성하도록 구성되는, 전기화학 시스템.
  35. 전기화학 방법에 있어서,
    제 1 음극 전해액 구획의 음극 전해액으로 기체를 향하게 하는 단계와,
    상기 제 1 음극 전해액 구획과 구분된 제 2 음극 전해액 구획의 음극 전해액과 접촉하는 음극과, 양극 전해액과 접한 양극에 걸쳐 전압을 가하는 단계를
    포함하는, 전기화학 방법.
  36. 제 35항에 있어서, 상기 기체는 이산화탄소를 포함하는, 전기화학 방법.
  37. 제 36항에 있어서, 상기 제 1 음극 전해액 구획에서 수산화 이온, 탄산, 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 생성하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
  38. 제 36항에 있어서, 상기 제 2 음극 전해액 구획에서 탄산염 이온 및/또는 중탄산염 이온을 생성하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
  39. 제 37항에 있어서, 상기 음극에서 수소 기체를 생성하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
  40. 제 39항에 있어서, 상기 양극에서 수소 이온을 생성하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
  41. 제 40항에 있어서, 기체가 상기 양극에서 생성되지 않는, 전기화학 방법.
  42. 제 41항에 있어서, 상기 음극에서 생성된 수소 기체를 상기 양극으로 향하게 하는 단계를 더 포함하는, 전기화학 방법.
  43. 제 35항에 있어서, 상기 전압은 2V 미만인, 전기화학 방법.
  44. 제 42항에 있어서, 양이온 교환 막에 의해 제 3 전해액으로부터 상기 음극 전해액을 분리시키는 단계를 더 포함하는, 전기화학 방법.
  45. 제 38항에 있어서, 음이온 교환 막에 의해 제 3 전해액으로부터 상기 양극 전해액을 분리시키는 단계를 더 포함하는, 전기화학 방법.
  46. 제 45항에 있어서, 상기 제 3 전해액은 나트륨과 염화물 이온을 포함하는, 전기화학 방법.
  47. 제 45항에 있어서, 상기 제 3 전해액으로부터 상기 음극 전해액으로 상기 양이온 교환 막을 거쳐서 나트륨 이온을 이동시키고, 상기 제 3 전해액으로부터 상기 양극 전해액으로 상기 음이온 교환 막을 거쳐서 염화물 이온을 이동시키는 단계를 더 포함하는, 전기화학 방법.
  48. 제 47항에 있어서, 상기 음극 전해액은 탄산나트륨, 중탄산나트륨 또는 수산화나트륨을 포함하고, 상기 양극 전해액은 염산을 포함하는, 전기화학 방법.
  49. 제 48항에 있어서, 상기 양극 전해액에서 산을 생성하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
  50. 제 49항에 있어서, 고철질 광물(mafic mineral) 또는 셀룰로오스 물질을 용해하기 위해 상기 산을 사용하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
  51. 제 48항에 있어서, 상기 제 3 전해액에서 부분적으로 탈염된 물을 생성하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
  52. 제 48항에 있어서, 2가 양이온 수산화물, 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물을 생성하기 위해 상기 음극 전해액을 2가 양이온 용액과 접촉시키는 단계를 더 포함하는, 전기화학 방법.
  53. 제 52항에 있어서, 상기 2가 탄산염 및/또는 중탄산염 화합물은 칼슘과 마그네슘을 포함하는, 전기화학 방법.
  54. 제 52항에 있어서,
    상기 음극 전해액의 제 1 부분을 배출시키는(withdrawing) 단계와,
    제 1 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 상기 음극 전해액의 상기 제 1 부분에서 이산화탄소를 용해하는 단계와,
    상기 제 1 농축 탄산염 음극 전해액으로 음극 전해액을 보충하는 단계를
    더 포함하는, 전기화학 방법.
  55. 제 54항에 있어서,
    상기 음극 전해액의 제 2 부분을 배출시키는 단계와,
    제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 생성하기 위해 상기 음극 전해액의 상기 제 2 부분에서 이산화탄소를 용해하는 단계와,
    2가 양이온 탄산염을 생성하기 위해 상기 제 2 농축 탄산염 음극 전해액을 2가 양이온 용액과 접촉시키는 단계를
    더 포함하는, 전기화학 방법.
  56. 제 35항에 있어서, 상기 양극과 음극에 걸쳐 전압을 제공하기 위해 상기 음극과 양극에 걸쳐 오프-피크 전원을 가하는 단계를 포함하는, 전기화학 방법.
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