TW202325663A - 用於捕捉大氣二氧化碳之海洋鹼化系統及方法 - Google Patents

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Abstract

提供一種海洋鹼度增強（OAE）系統，該系統藉由用電化學方法處理原料溶液（例如海水或鹽水）以產生鹼化產物，接著將該產物供應至海洋中來減少大氣CO 2並緩解海洋酸化。該OAE系統包括一產鹼裝置及一控制電路，該控制電路安置於部署在鹽原料附近之模組化系統外殼內。該產鹼裝置（例如雙極電滲析（BPED）系統)產生鹼物質，該物質接著被用於產生該海洋鹼化產物。該控制電路控制該產鹼裝置，使得只有在以下情形時才將該鹼化產物供應至該海洋中：(1)可獲得足夠的低/零碳電力；(2)操作該產鹼裝置係安全的；及(3)供應該鹼化產物將不會危及海洋生命。改良之BPED系統包括促進自主系統操作之特徵，該等自主系統操作包括增強之維護週期操作及減少的對外部淡水源之依賴。

Description

用於捕捉大氣二氧化碳之海洋鹼化系統及方法
本文所描述之系統、方法及裝置係關於減少大氣二氧化碳（CO 2）及緩解海洋酸化。
隨著人類燃燒愈來愈多的化石燃料，由此引起的地球大氣中二氧化碳（CO 2）濃度增加造成氣候變化及海洋酸化。大氣濃度增加的CO 2及其他溫室氣體（例如甲烷）藉由截留接近地球表面之熱量而產生氣候變化，由此增加空氣及海洋溫度。由於地球的海洋吸收約25%的大氣CO 2且由於吸收的CO 2溶解形成碳酸而被截留於海水中，故由燃燒化石燃料引起的大氣CO 2濃度增加亦藉助於增加溶解於海洋中的CO 2氣體之量而引起海洋酸化。
氣候變化及海洋酸化皆會對人類造成嚴重威脅。以全球平均溫度升高的形式呈現的氣候變化會產生若干危險影響，諸如極地冰的消失以及相應的海平面上升、疾病、野火（wildfire）及較強的風暴與颶風。海洋酸化會改變大多數海洋生物體賴以生存的海洋化學。海洋酸化引起的一個問題是，海水pH值降低會導致貝類及其他具有碳酸鈣殼之水生生命的存活率下降，並為海洋生物體帶來一些其他生理挑戰。
為了避免危險的氣候變化，國際巴黎協定（Paris Agreement）意圖將全球平均溫度的增加限制在比前工業時代之溫度高出不超過1.5℃至2℃。全球平均溫度已經增加0.8℃與1.2℃之間之溫度。據政府間氣候變化專門委員會（Intergovernmental Panel on Climate Change，IPCC）估計，按當前排放率計對應於約十年的約500 GtCO 2（十億噸二氧化碳）之『碳預算』有66%的機率將氣候變化限制於1.5℃。
除藉由減少化石燃料之使用來削減CO 2排放量外，氣候模型預測還需要大量部署負排放技術（negative emissions technology，NET)來避免災難性的海洋酸化及全球升溫超過1.5℃（參見「Biophysical and economic limits to negative CO2 emissions」, Smith P.等人, Nat.Clim.Chang.2016; 6:42-50）。當前大氣CO 2及其他溫室氣體濃度已處於危險水平，因此即使急劇降低溫室氣體排放亦僅僅減少進一步增加，而無法將大氣溫室氣體濃度降低至安全水平。另外，減少或消除溫室氣體來源（例如長途航班之排放）將極具破壞性及/或代價高昂，且因此不太可能很快發生。
因此，需要藉由部署NET來補充排放減量，NET係用於藉由例如捕捉/移除空氣中之CO 2並將其固存至少1,000年來降低現有大氣溫室氣體濃度的系統/程序。對NET的需求可以使用浴缸類比來解釋，其中大氣CO 2以浴缸中容納的水表示，持續的CO 2排放以流入浴缸中的水表示，且NET以控制水經由浴缸排放口流出的程序表示。在此類比中，CO 2排放率降低以部分關閉進水龍頭表示，即，較慢的進水速率提供較多的時間來填滿浴缸，但浴缸的水位將不斷升高且最終溢出。使用此類比，儘管減少CO 2排放可減慢大氣中溫室氣體的增加，但最終仍會達到臨界濃度水平，除非實施NET可以抵消降低的CO 2排放量（亦即，以與CO 2排放相同的速率移除大氣中的CO 2）。另外，由於溫室氣體濃度已經處於危險水平（亦即，浴缸已經危險地注滿），故迫切需要NET，該等NET能夠明顯減少大氣CO 2，其減少CO 2的速度要快於CO 2之排放速度，由此達到安全的大氣濃度水平（亦即，浴缸排放口之流出量必須大於減少的水龍頭流入量以將浴缸的水減少至安全水平）。
NET包括直接空氣捕捉（Direct Air Capture，DAC）方法及間接海洋捕捉（Indirect Ocean Capture，IOC）方法。DAC NET方法試圖直接提取大氣中之CO 2，該等方法可廣泛地分成兩個類別：基於自然之DAC方法及技術性（基於技術）DAC方法。基於自然之DAC包括林業及土壤碳固存（Soil Carbon Sequestration，SCS）方法。林業方法（又稱為造林及林地復育）促進林地之擴張及發展，由此增加大氣CO 2之捕捉及儲存。SCS DAC方法利用若干天然方法（包括林業）來提高土壤肥力並增加土壤碳飽和度限值。技術性DAC包括生物能源與碳捕捉及儲存（Bioenergy with Carbon Capture and Storage，BECCS），其涉及利用生物質作為能量來源以及捕捉及持久儲存在生物質轉化成能量期間所產生之CO 2。IOC NET方法試圖藉由使用諸如礦物質海洋鹼度增強之類各種天然及/或技術程序增加海洋吸收大氣CO 2之能力來抵消溫室氣體排放。礦物質海洋鹼度增強涉及將固體鹼性物質（例如碾碎之礦物質，諸如橄欖石或石灰）添加至海水中以增強海洋之天然碳匯功能。
以上所提及之NET方法存在問題，因為該等方法在經濟上不能自持續及/或會帶來可量測性、持久性、外加性、毒性、安全性及/或可擴展性問題。舉例而言，在現有礦物質海洋鹼度增強方法之情況下，可量測性及驗證因固體鹼性物質溶解動力學之不確定性而變得複雜，同時固體鹼性物質中之雜質及痕量金屬會導致對海洋生態系統之毒性及安全性的擔憂。
需要一種經濟上可持續之NET方法，該方法可量測地且持久地減少大氣CO 2並緩解海洋酸化，且能夠按比例調節至有意義的CO 2移除量（亦即，每年移除約十億噸CO 2）。
本文所描述之實施例係針對電化學海洋鹼度增強（OAE）系統及相關操作方法，其藉由產生含有完全溶解之鹼（苛性鹼）物質之鹼溶液並在指定放流口位置處將海洋鹼化產物供應至海洋海水，藉此該鹼物質擴散（分散）至周圍海水中來減少大氣二氧化碳（CO 2）並緩解海洋酸化。因此，本文所描述之範疇直接逆轉海洋酸化（亦即，藉由利用海洋鹼化產物中之鹼物質增加海洋海水之鹼度），並間接減少大氣CO 2（亦即，增加海洋海水之鹼度將增加海洋吸收/捕捉大氣CO 2之能力）。另外，由於產生的鹼物質完全溶解於海洋鹼化產物中，故本文所描述之範疇避免了與習知礦物質海洋鹼度增強方法相關之溶解動力學問題（如以上所提及）。
根據本文所描述之範疇，OAE系統包括產鹼裝置，該裝置用電化學方法處理外部供應之原料（含鹽水）溶液以產生包含完全溶解之NaOH分子的鹼溶液)。在一些實施例中，接著藉由將鹼溶液與咸水混合而產生海洋鹼化產物以達到比海洋海水高預定量之pH值（例如在8.0與9.0之間之目標pH值範圍內）。在另一實施例中，鹼溶液未與海水混合，但可按安全方式直接可控制地添加至海洋中。原料溶液可自外部鹽原料供應至OAE系統中。在一些實施例中，原料溶液可包含直接自較大鹹水體（亦即，海、海洋或鹹水湖，為簡潔起見而在本文中統稱為「海洋」且相關咸水稱為「海水」）泵送之海水。然而，在一些實施例中，原料溶液包含來自部署在海洋附近的淡化廠、水循環廠或另一鹽水源之鹽水。在一個實施例中，產鹼裝置執行之電化學程序涉及離解原料溶液中之水及鹽分子，以使所得氫氧根與鈉離子組合而在鹼溶液中產生NaOH分子。接著，對鹼溶液進行測試及處理（例如與空氣或CO 2反應及/或用經處理之原料溶液、海水或另一鹹水溶液稀釋）以產生具有目標pH值範圍之海洋鹼化產物。在驗證海洋鹼化產物在目標pH值範圍內之後，產鹼裝置可將海洋鹼化產物供應至海洋（例如藉由將海洋鹼化產物經由傳送管道泵送至指定放流口位置）。
根據本文所描述之另一範疇，OAE系統包括：控制電路，其可操作地組態以監測自多個來源（例如感測器）接收之輸入資料並控制該產鹼裝置執行之操作，以使得只有在所監測之輸入資料指示以下情形時才將海洋鹼化產物供應至海洋：(1)可獲得足夠的低/零碳電力以可操作地為該產鹼裝置執行之鹼物質產生及供應操作供電；(2)該產鹼裝置可操作地組態以安全地執行該產生及供應操作；及(3)供應該海洋鹼化產物不會危及且很可能有益於海洋中（例如鄰近於放流口位置）之海洋生命。在一些實施例中，控制電路係電腦/處理器，其實施基於軟體之指令或以其他方式組態以執行控制演算法，該控制演算法連續地監測輸入資料，且控制該產鹼裝置執行之操作。為了使淨碳減少達到最大且使環境威脅減到最少，控制電路亦可經組態以在全部三個條件(1)、(2)及(3)同時滿足時將產鹼裝置執行之鹼物質供應操作限制於（第四）時段。在一些實施例中，為了使操作效率達到最大，控制電路可進一步經組態以在（第五）時段期間執行自動維護週期，在該時段期間滿足條件(1)及(2)（亦即，可獲得低/零碳電力且產鹼裝置能夠安全地進行自動維護週期，但當供應鹼物質時可能危及海洋生命）。在其他實施例中，當無法獲得低/零碳電力時，可實施某些低功率消耗維護週期（例如除垢操作，如以下所描述），特別是當在隨後的高功率消耗操作週期間執行此等維護週期以增強操作效率（例如藉由減少降解來增強離子交換膜之壽命）時。藉由以此完全自動化方式控制產鹼裝置之操作，本文所描述之OAE系統及方法可藉由將高功率消耗操作（例如鹼產生）限制於可獲得足夠的低/零碳電力之時段來解決與習知方法相關之外加性問題。本文所描述之範疇亦可藉由將產鹼操作限制於產鹼裝置可安全地操作之時段及藉由將鹼物質以可靠且可預測地分散至周圍海洋海水中之分子形式供應至放流口位置來最大限度地減少環境影響。本文所描述之範疇亦可藉由減少操作及維護成本（亦即，減少或消除對操作人員及維護提供者之需求）來滿足對經濟上可持續之NET（碳抵消系統）之需求。另外，本文所描述之範疇可藉助於利用基於海洋之感測器驗證放流口位置周圍海水中鹼物質]分子之可預測分散來滿足對可量測性及驗證之需求。最後，本文所描述之範疇所利用之CO 2捕捉方法的持久性已被證明為相當長的（約10,000年）。
在一些實施例中，在各OAE系統中實施之產鹼裝置包括雙極電滲析（BPED）系統，該系統處理外部供應之原料溶液（例如海水或鹽水），其處理方式使得產生濃鹼溶液（鹼物質）及濃酸溶液。在一個實施例中，BPED系統包括流體緩衝系統、電滲析設備、流量控制系統及一系列流動管線（亦即，管、管道或其他適合之流體導管結構）。流體緩衝系統可包括三個主緩衝槽，該等緩衝槽分別經組態以儲存原料溶液、鹼溶液及酸溶液。電滲析設備可包括所包含的離子交換堆疊，其包括分別藉由離子滲透膜（過濾器）隔開的一系列鹽、酸及鹼腔室。各鹽腔室可藉由居間第一過濾器類型與鄰近酸腔室隔開並藉由居間第二過濾器類型而與鄰近鹼腔室隔開。電滲析設備亦可包括電極，其經組態以跨（穿過）鹽、酸及鹼腔室施加電場，由此使離子以預先確定之方式穿過居間過濾器。在操作期間，流量控制系統可利用一個或多個泵，藉助於鹽輸入管線及鹽輸出管線將來自鹽緩衝槽之鹽流引導穿過電滲析設備之鹽腔室。類似地，流量控制系統可利用額外泵及相關流入/流出管線將來自酸緩衝槽之酸流引導穿過酸腔室且將來自鹼緩衝槽之鹼流引導穿過鹼腔室。電滲析設備可經組態以使施加之電場以濃縮（增加）酸流中酸（HCl）之量（強度）及鹼流中鹼（NaOH）之量的方式引起Cl-離子自鹽腔室穿過第一過濾器進入酸腔室中，且亦引起Na+離子自鹽腔室穿過第二過濾器進入鹼腔室中。亦即，離開電滲析設備的「流出」酸及鹼流可比供應至電滲析設備之「流入」酸及鹼流要強（亦即，分別具有較高的酸及鹼物質濃度）。因此，當各酸/鹼流體流穿過電滲析設備時，濃度及pH值性質可變化。因此，在以上描述之OAE系統中利用BPED系統的優勢在於有益地產生可用於多種商業目的之酸物質。舉例而言，在一些實施例中，BPED系統可以「饋入及排出（feed and bleed）」模式操作，其中離開電滲析設備之較強酸流中有一些作為酸產物排出，該酸產物可在商業上利用（例如經電解槽處理以產生氫氣、氯氣及/或氧氣）以進一步增強作為碳抵消系統之OAE系統的經濟持續性（例如藉由利用氫氣以產生可供OEA系統使用之補充性電力）。
在一些實施例中，BPED系統利用改良之流量控制系統，該系統促進在維護週期間電滲析設備之鹼及鹽腔室的自動除垢。在一個實施例中，改良之流量控制系統包括一組三通閥及相關交叉饋入管線，其可操作地組態以促進在定期維護操作週期間的自動除垢操作。在正常鹼產生/供應操作期間（亦即，在BPED系統受控制以產生鹼物質並將其供應至海洋時），三通閥係使用第一控制信號控制以將分別來自鹽、酸及鹼緩衝槽之鹽、酸及鹼流分別引導穿過電滲析設備之鹽、酸及鹼腔室，且接著返回至各別緩衝槽。相比之下，在選定的維護週期操作期間，三通閥可使用第二控制信號控制以使得離開酸緩衝槽之酸流經由鹽腔室及/或鹼腔室分流（亦即，藉助於相應交叉饋入管線）且接著返回至酸緩衝槽。當其穿過鹽及鹼腔室時，分流之酸流可用於溶解及移除逐漸積累於居間雙極過濾器之相應表面上且阻礙鄰近腔室之間之高效離子傳送的結垢。藉由利用具有以此方式改良之流量控制系統的BPED系統，本文所描述之系統及方法可藉由促進自動維護操作以增強BPED系統之操作效率（亦即，藉助於執行電滲析設備之定期除垢，無需人類參與）來進一步增強OAE系統之經濟持續性。
在一些實施例中，BPED系統進一步經改良以包括預處理單元，其經組態以藉由至少部分地淡化外部供應之原料溶液（亦即，海水或鹽水）（亦即，自該外部供應之原料溶液移除至少一些鹽及其他二價陽離子）且接著利用所得少鹽流體產生酸溶液及/或鹼溶液（例如藉由將該少鹽流體代替來自外部來源之淡水供應至酸（第二）緩衝槽及/或鹼（第三）緩衝槽）來減小或消除OAE系統對淡水供應之依賴性。在一些實施例中，逆滲透（預處理）單元處理外部供應之原料溶液（例如海水）以產生滲透物（少鹽流體）及濃縮物（亦即，具有高於原料溶液之鹽濃度及明顯高於滲透物之鹽濃度的高鹽流體）。在此等實施例中，濃縮物（高鹽流體）被用作原料溶液供應至鹽（第一）緩衝槽且滲透物被引導至酸（第二）緩衝槽及鹼（第三）緩衝槽（亦即，以替換由以上所提及之饋入及排出操作引起之液體體積減小及維持最佳溶液濃度）。在其他實施例中，鹽水被用作外部供應之原料溶液，且化學酸濃縮器（預處理）單元經組態以利用鹽水濃縮離開電滲析設備之強酸流的一部分，且由酸濃縮程序產生之少鹽流體被用作原料溶液提供至鹽（第一）緩衝槽。在少鹽流體之鹽含量可接受地低的情況下，該少鹽流體之一部分亦可被引導至酸（第二）緩衝槽及鹼（第三）緩衝槽（亦即，以代替淡水替換液體體積減小）。在其他情況（例如需要相對較純之濃酸溶液之情況）下，該少鹽流體之一部分可被供應至鹼（第三）緩衝槽，且淡水或去離子水可被供應至酸（第二）緩衝槽。利用經改良以包括以上所提及之預處理佈置中之一者的BPED系統可藉由明顯減少或消除對淡水供應之需求來進一步減少根據本文所描述之範疇形成之OEA系統的操作成本，該對淡水供應之需求可表示遠端設定中之主要操作費用。
相關申請案/專利
本申請案主張2022年6月13日申請的名為「用於捕捉大氣二氧化碳之海洋鹼化系統及方法（Ocean Alkalinity System And Method For Capturing Atmospheric Carbon Dioxide）」之美國專利申請案17/838,967的優先權且該案以引用之方式併入本文中。本申請案亦主張2021年12月14日申請的名為「藉由增加海洋鹼度捕捉大氣二氧化碳之系統的控制及用於捕捉大氣二氧化碳之雙極電滲析系統（CONTROL OF A SYSTEM FOR CAPTURING ATMOSPHERIC CARBON DIOXIDE BY INCREASING OCEAN ALKALINITY, AND BIPOLAR ELECTRODIALYSIS SYSTEM FOR CAPTURING ATMOSPHERIC CARBON DIOXIDE）」之美國臨時專利申請案第63/289,558號的優先權，該案以引用的方式完整併入本文中。
本文所描述之方法及系統係關於用於減少大氣碳及緩解海洋酸化之方法及系統的改良。呈現以下描述以使一般熟習此項技術者能夠製備及使用如在具體實施例之上下文中所提供的本文所描述之方法及系統。對實施例之各種修改對於熟習此項技術者將為顯而易見的，且本文所定義之一般原理可應用於其他實施例。因此，本文所描述之方法及系統不意欲限於所顯示及描述之特定實施例，而應符合與本文所揭示之原理及新穎特徵一致的最廣泛範圍。
圖1顯示通用OAE系統100，該系統經組態以藉由產生海洋鹼化產物113-OUT（亦即，包含鹽及鹼（苛性鹼）物質且pH值＞8之水溶液）並在放流口位置50-1處將該產物供應至海水51來捕捉地球大氣中之二氧化碳（CO 2）並緩解海洋酸化。如圖1之右上方部分中所指示，與鹼化產物113-OUT一起供應的鹼物質可逐漸擴散（分散）至放流口位置50-1周圍（例如，如圖1中之區域54所描繪）之海水51中，且由此引起之海水51之鹼度增加可減少海洋酸化並增加海洋吸收/捕捉大氣CO 2（例如自位於海水51上方之大氣區域56）的能力。如下文所描述，OAE系統100小心地控制海洋鹼化產物113-OUT之產生及供應以防止由放流口位置50-1附近危險地高的海水pH水平引起的對海洋生命之損害，高海水pH值可在海洋鹼化產物113-OUT中之鹼物質以不受控制（例如連續或高度濃縮）之方式供應至海水51中時發生。儘管放流口位置50-1被描繪為單個位置，但實際上，鹼化產物113-OUT在空間及時間上可在多個位置處供應至海洋50。
在一些實施例中，OAE系統100接收並處理外部供應之原料（鹽）溶液111-IN以產生鹼化產物113-OUT，並藉助於經由輸送管道52泵送將鹼化產物113-OUT輸送（供應）至放流口位置50-1。在一些實施例中，外部供應之原料溶液111-IN係自外部的鹽原料60供應至OAE系統100。在一些實施例中，原料溶液111-IN包括直接自海洋50泵送之海水（海洋水）50-1。在其他實施例中，原料溶液111-IN包含由鹽水源65（例如處理海水50-2並產生鹽水66作為副產物之淡化廠或水循環廠）所產生之鹽水66。
參看圖1之下部部分，OAE系統100可包括產鹼裝置110、控制電路180及功率分配電路190。
產鹼裝置110可包含經組態以（亦即，當被供應足夠操作功率時）藉由處理原料溶液111-IN產生鹼化產物113-OUT並將鹼化產物113-OUT供應（例如泵送）至放流口位置50-1（例如藉助於傳送管道52）的裝置/系統。在一些實施例中，裝置110係使用以下參照圖3至9所描述之特徵中之任一者實施。在其他實施例中，裝置110可為能夠產生鹼化產物113-OUT並將該產物供應至放流口位置50-1的另一裝置或系統。
控制電路180可為電子裝置（例如電腦/處理器或專用電子裝置），其實施基於軟體之指令或以其他方式組態以執行控制演算法，該控制演算法以完全自主地方式控制產鹼裝置110及視情況存在之功率分配電路190（例如，如下文參照圖2所描述）。在一個實施例中，控制電路180控制產鹼裝置110執行之操作以使得只有在控制演算法確定以下三個預定條件皆滿足之時段期間才產生/供應鹼化產物113-OUT：(1)可獲得足夠的低/零碳電力（LCE）以可操作地為產鹼裝置110供電；(2)產鹼裝置110係可操作地組態以安全地產生鹼化產物113-OUT並將該產物供應至放流口位置50-1；及(3)供應鹼化產物113-OUT不會危及且很可能有益於海水51（例如鄰近於放流口位置50-1）中之海洋生命。為促進確定此等條件皆滿足，控制電路180可經組態以接收並處理自感測器及/或其他資料源接收之各種輸入資料信號。在一個實施例中，此等各種輸入資料信號可包括LCE可用性資料信號181、產鹼裝置操作性安全資料信號182及海洋化學資料信號183，該等信號可藉助於直接連接或藉由局域或廣域網路（例如藉助於全球資訊網（網際網路）90）供應以控制電路180。資料信號181、182及183之來源及內容描述於以下段落中。
LCE可用性資料信號181可指示是否能獲得足夠的低/零碳電力LCE以促進產鹼單元110之鹼化產物113-OUT的產生及供應。為了藉由將鹼度添加至海水51中來使大氣二氧化碳降低達到最大，產鹼單元110可利用由一個或多個LCE源80產生之低或零碳強度電力LCE（本文中稱為「低/零碳電力」）來產生/供應鹼化產物113-OUT。在一些實施例中，LCE資料信號181係使用已知技術產生，以使其提供對與OAE系統100耦接（例如藉助於電網95）之各功率產生源供應的功率之組成的一些量測。亦即，自電網供應至OAE系統100之電功率可包括由一個或多個LCE源80（例如風力、太陽能、潮汐、水力、清潔氫氣、核、地熱或BECCS）產生之LCE及其他電功率P，其可有別於排放二氧化碳之功率產生源，諸如煤炭或氣體驅動之渦輪機。LCE可用性資料信號181可指示供應至OAE系統100之總功率LCE/P是否包括足夠的低/零碳電力LCE以為產鹼裝置110供電。LCE可用性資料信號181可使用一個或多個感測器S1生成，或可自此類來源獲得，諸如來自聯邦發電機構、州發電機構、平衡當局、第三方能量聚合器、電力購買協定、電力製造商、當地公用設施、州公用設施委員會或其他可用資料流，或者可來源於其他可用資料，該等資料可以指示能源網中給定時間或地點之電力供應或需求，包括天氣或製造資料流。在一些實施例中，LCE可用性資料信號181亦可包括現貨定價資訊，該資訊可用於以使效率達到最大且使操作成本減到最少的方式控制OAE系統100之操作。能源定價資訊可經由當地能源市場平台、當局或商業市場參與者在區域邊際水平上即時獲取或在期貨市場上獲取。LCE可用性資料信號181可藉由有線連接（例如直接自感測器S1或專用LCE源80或藉助於網際網路90）傳輸或藉由無線傳輸進行傳輸。在一些實施例中，未來LCE資料信號（例如在接下來的一小時或接下來的24小時中之信號）可使用預測性模型化估計且此資訊將被用於使計劃的系統工作時間達到最佳。
操作性安全信號182一般指示產鹼裝置110是否可操作地組態以安全地產生鹼物質113，或例如由產鹼裝置110產生及供應鹼化產物113-OUT是否會引起OAE系統100之損害。在一個實施例中，操作性安全信號182 可由一個或多個感測器S2產生，該一個或多個感測器監測與產鹼裝置110操作相關聯之相關參數（例如壓力、溫度），並允許控制演算法在某些安全及環境健康約束或要求內操作裝置110，或使裝置110回應於操作性安全信號182所指示之各種安全異常（例如洩漏、著火、超電流、熱或地震）而進入安全操作狀態（例如斷開功率或關閉閥及/或向地方當局報警）。可受控制之系統功能及組件包括功率、電壓、電流、泵速度、控制閥、維護週期、槽準位以及系統占空比（打開或關閉）或選擇在給定時間利用哪些個別膜、模組或堆疊。在替代性實施例中，控制此等系統功能及組件可由操作員遠端操作或可為完全自主的（亦即，無需持續人工監督）以便能進行熄燈操作。
海水化學資料信號183一般指示產生鹼化產物113-OUT並將其供應至放流口位置50-1會危及抑或有益於海洋生命。在一些實施例中，海水化學資料信號183之至少一部分係由位於或鄰近於放流口位置50-1附近之海水51的一個或多個感測器S3，且包括量測之海水化學資料，諸如但不限於pH值、總溶解無機碳（DIC）、總鹼度、CO 2分壓（pCO 2）、傳導率、鹽度、溫度、壓力、折射率、流動速率、密度或其任何其他性質。在一些實施例中，海水化學資料信號183亦包括使用經組態以預測洋流能、天氣、潮汐、生物生產率、海洋生物體之位置及類型以及電力需求的海洋及其他環境模型生成之資料。在一些實施例中，OAE系統100之效能可藉由量測靠近放流口位置50-1之海水51進行監測以獲得海水51中鹼化產物113-OUT之有效混合物。海水化學資料信號183可藉由有線連接（例如藉由直接連接感測器S3控制電路180之電線或藉助於網際網路90）傳輸或藉由無線傳輸進行傳輸。
由控制電路180執行之控制演算法可接收並處理資料信號181、182及183（例如以圖2之流程圖中所描繪之方式，如下文論述）以連續地控制產鹼裝置110並使整個系統參數最佳化以例如使成本減到最少或使輸送量達到最大、或使工作時間達到最大、或使對海洋生命之影響減到最少、或使流動速率減到最小、或者預測何時運行及何時保持閒置、或何時執行計劃的維護或定期膜清潔週期。在一些實施例中，由控制電路180實施之控制演算法利用機器學習及人工智慧。
視情況存在之功率分配電路190可經組態以回應於控制電路180產生之控制信號187將外部供應之電功率LCE/P分配至產鹼裝置110。亦即，當控制演算法確定以上所提及之三個條件皆滿足時，控制電路180可確證控制信號187。在一個實施例中，當無法獲得低/零碳功率LCE時，功率P可由功率分配電路190供應至控制電路180以促進本文所描述之控制演算法的連續處理。在一些實施例中，功率P亦由功率分配電路190供應至產鹼單元110以促進某些低功率消耗維護操作（例如以下參照圖5、6A及6B描述之除垢操作）。
如圖1之底部所指示，OAE系統100之各種組件可安置於模組化系統外殼109內以促進靠近鹽原料60及海水51輸送及置放，且在操作期間保護OAE系統100。在一些實施例中，外殼109係在其他方面標準之運輸容器，該容器經改良以包括各種出入埠，該等出入埠經組態以促進各種系統組件與外部源/目的地之可操作連接。在所描繪之實例中，鹽輸入埠101係設置用於促進原料溶液111-IN傳送至外殼109中以被產鹼裝置110接收，鹼輸出埠103係設置用於促進由產鹼裝置110供應之鹼化產物113-OUT傳送至傳送管道52，資料埠105係設置用於將外部產生之信號181及183傳送至控制電路180，且電源埠106係設置用於將低/零碳電力LCE及其他功率P傳送至功率分配電路190。在其他實施例中，外殼109可省去；例如，OAE系統100可整合至鹽水生產工業程序機構中（例如部署於建築或含有其他結構之淡化廠內），由此避免對獨立保護性外殼之需求。
圖2描繪用於控制OAE系統100（圖1）所執行之操作以使其捕捉大氣二氧化碳並緩解海水酸化的通用方法。在一個實施例中，該方法係使用基於電腦之指令執行，該等指令形成控制電路180之處理器執行的控制演算法（圖1）。亦即，控制電路180可操作地組態且用於監測各種信號（例如感測器/資料信號181、182及183）且將產鹼裝置110（圖1）之操作限制於存在特定操作條件之時段。
參看起始方塊201（圖2之頂部），該方法可以（決策方塊210）監測低/零碳電力之可用性（例如藉由監測自以上描述之感測器S1及/或其他控制信號源接收之資料信號181）開始。當可獲得不足的低/零碳電力（方塊210之否分支）時，控制可返回至方塊201，由此有效地防止在獲得不足的低/零碳電力時產鹼裝置110執行操作。當可獲得足夠的低/零碳電力（方塊210之是分支）時，控制可傳至決策方塊220。為清楚起見，可獲得足夠的低/零碳電力之各時間部分稱為第一時段。如方塊210所確定的，控制演算法可以限制操作功率流向產鹼裝置110，以使得產鹼裝置110僅在第一時段期間（亦即，當以足夠低的成本自一個或多個低/零碳電力源80獲得足夠的低/零碳電力時）才接收足夠操作功率（例如以產生鹼物質）。
參看決策方塊220，控制演算法接下來可確定產鹼裝置110是否能安全地操作（例如藉由監測自以上描述之感測器S2接收資料信號182及/或由安全異常感測器或其他源生成之其他信號）。當各種安全信號指示產鹼裝置110無法安全地操作時，控制可沿方塊220中之否分支返回至起始方塊201。舉例而言，若操作性安全信號182指示拆卸裝置110進行修復/維護或指示若致動裝置110，就會發生危險狀況，則控制演算法藉助於將控制轉向回起始方塊201來阻止裝置110操作，即使可獲得足夠的低/零碳電力。當各種安全信號指示產鹼裝置110可安全地操作時，控制演算法可將控制沿來自方塊220之是分支進行至方塊230。為清楚起見，控制演算法確定產鹼裝置110可安全地操作的各時間部分稱為第二時段。應注意，各第二時段可僅僅在第一時段期間發生。因此，當可獲得足夠的低/零碳電力且產鹼裝置110可安全地操作時，控制演算法有效地將產鹼裝置110執行之操作限制於第二時段。
參看決策方塊230，在驗證可獲得足夠的低/零碳電力且操作產鹼裝置110將為安全的之後，控制演算法接下來可確定將鹼化產物113-OUT供應至海水51會危及抑或有益於靠近放流口位置50-1之海洋生命。在一個實施例中，控制電路180監測由感測器S3生成之海洋化學信號183及/或資料183A以鑑別將鹼化產物113-OUT供應至海水51對海洋生命產生零或最小損害風險的時段。在一些實施例中，資料183A可包括以下中之一者或多者：(a)視情況存在之環境計算模型，其能夠驗證靠近放流口位置50-1之海水51的鹼度（藉由感測器S3量測）以預期之方式，即擴散此鹼度在空間及時間上之增加及其與大氣CO 2之平衡及移除來改變局部海水化學；(b)pH值、傳導率、體積流量及自產鹼裝置110接收之其他感測器資料，該等資料指示鹼化產物 113-OUT之可用性及化學性質；及/或(c)來自額外的基於海洋之感測器的海水化學資料（圖中未示），該等感測器可置放於距放流口位置50-1越來越遠之位置處以驗證模型預測。當海洋化學信號183及/或環境模型資料183A指示可安全地供應鹼化產物113-OUT時，控制演算法沿方塊230之是分支將控制送至方塊240。為清楚起見，控制演算法確定產鹼裝置110可安全地供應鹼化產物113-OUT之各時間部分稱為第三時段，其中各第二時段可僅在第一時段及第二時段期間發生。相反，當海洋化學信號183及/或環境模型資料183A中之任一者指示將鹼化產物113-OUT供應至海水51會危及海洋生命時，控制可沿方塊230之否分支傳至方塊250。舉例而言，若海洋化學信號183指示在放流口位置50-1處之pH值過高而無法安全地接受額外鹼物質，則控制演算法暫時地可防止裝置110將額外鹼化產物113-OUT供應至放流口位置50-1，即使可獲得足夠的低/零碳電力且裝置110可安全地操作。
參看方塊240，由產鹼裝置110執行之操作可受控制（例如藉由信號185-1控制）以使得產鹼裝置110僅在第四時段期間將鹼化產物113-OUT供應至海水51，第四時段包含以上所提及之第一、第二及第三時段之全部的並行部分）。亦即，控制演算法可控制產鹼裝置110以使得當控制電路180接收之輸入資料（例如信號181、183及183）指示以下情形時，鹼化產物113-OUT可供應至海洋50：(1)可獲得足夠的低/零碳電力以為產鹼裝置110可操作地供電；(2)產鹼裝置110可操作地組態以安全地產生及供應鹼化產物113-OUT；及(3)供應鹼化產物113-OUT危及且很可能有益於海洋50中（例如鄰近於放流口位置50-1）的海洋生命。
參看方塊250，在一些實施例中，產鹼裝置110執行之操作可受控制（例如藉由信號185-2控制），以使得產鹼裝置110在第五時段期間執行一個或多個定期維護週期，其中各第五時段包括以上提及之第一及第二時段之並行部分，但不在第三時段（亦即，可獲得LCE功率且其可安全操作BPED，但供應鹼化產物113-OUT會危及海洋生命的時段期間）發生。亦即，當海洋鹼度信號183及/或環境模型信號183A指示將鹼化產物113-OUT供應至海水51會危及海洋生命時，控制電路180執行之控制演算法可將裝置110執行之操作限制於定期維護或其他非產鹼操作。在一些實施例中，定期維護週期可包括維護週期，其中產鹼裝置110經操作以產生鹼化產物113-OUT，但在第五時段期間將鹼材料儲存於輸出緩衝槽中（亦即，產鹼裝置110在此等維護週期間不以將鹼物質供應至海洋的方式操作），且接著產鹼裝置110在隨後發生的第四時段操作以將儲存之鹼物質自輸出緩衝槽泵送（供應）至海洋。在其他實施例中，控制演算法可經組態以使用指示輸出鹼緩衝槽狀態之資料、碳市場資料及海洋化學狀態資料，由此基於對鹼在不久的將來分散至海洋中之速率的預測以及輸出鹼緩衝槽有多滿，來確定是使產鹼裝置110在該時刻產生鹼物質，還是執行非產鹼維護週期操作，諸如除垢/就地清潔操作(下面參照圖6B描述)，抑或僅僅使系統閒置（若使系統閒置為最佳操作的話）。
藉由組態控制電路180（圖1）以實施圖2中示出且以上描述之方法，控制電路180可提供閉環控制佈置，該佈置將藉助於允許OAE系統100自主地且連續地運轉來增加OAE系統100之操作效率及降低CO 2捕捉之成本。此佈置亦藉由將高功率消耗操作（例如產鹼）限制在可獲得足夠的低/零碳電力之時段，藉由將產鹼操作限制在可安全地操作產鹼裝置110之時段使環境影響減到最少，以及藉由產生含分子鹼物質之鹼化產物113-OUT來解決與習知方法相關的外加性問題，該分子鹼物質可靠地且可預測地自區域54分散至周圍海水51中，且藉助於利用基於海洋之感測器S3驗證鹼物質分子之可預測分散來滿足對可量測性及驗證之需求。使用確定之持久性計算方法，本文所描述之CO 2捕捉方法可具有約10,000年之持久性。亦即，使用本文所描述之方法的海洋中CO 2儲存之耐久性基本上等於添加至海水中之過量鹼度的駐留壽命，其可藉由用總鹼度（TA）濃度（3×10 6Tmol鹼度）除以經由河流輸入海洋中的約33 Tmol/yr TA來計算（參見Cai等人, Continental Shelf Research, 28, 1538-1549, 2008）。此計算得到約100,000年之駐留估計值，此得到Renforth等人, Rev. Geophys., 55, 636-674, 2017之結論的證實。然而，有理由相信鹼度之移除與過飽和度而不是濃度成正比。此又表明過量鹼度可具有約10,000年之滯留時間，比鹼度之滯留時間要短。
圖3顯示通用雙極電滲析（BPED）系統110A，該系統一般包括流體緩衝系統120A、電滲析設備130A、流量控制系統140A及一系列流動管線，此等將在下文額外詳細描述。如以下段落中所解釋，BPED系統110A可藉由處理外部供應之原料溶液（例如海水51-1或來自鹽原料60之鹽水66，如上文參照圖1所描述）而產生鹼化產物113A-OUT及酸物質112A-OUT。在一些實施例中，OAE系統100可利用BPED系統110A代替產鹼裝置110（圖1），藉此可根據以上參照圖2所描述之方法控制BPED系統110A執行之操作。
參看圖3之上部部分，流體緩衝系統120A可包括至少三各主緩衝槽：用於接收並儲存原料（鹽）溶液111A之鹽（第一）緩衝槽121A-1、用於儲存酸溶液112A之酸（第二）緩衝槽121A-2及用於儲存鹼溶液113A之鹼（第三）緩衝槽121A-3。在一個實施例中，各緩衝槽121A-1至121A-3可使用標準1000L IBC籠式手提罐實施，其中鹽緩衝槽121A-1包括具有流入埠123A-1及流出埠124A-1之塑膠密閉單元122A-1，酸緩衝槽121A-2包括具有流入埠123A-2及流出埠124A-2之塑膠密閉單元122A-2，且鹼緩衝槽121A-3包括具有流入埠123A-3及流出埠124A-3之塑膠密閉單元122A-3。在其他實施例，諸如以下參照圖7至9所描述之實施例中，流體緩衝系統120A可經改良以包括一個或多個額外的緩衝槽，該等緩衝槽可用於儲存例如BPED系統110A所利用之淡水或去離子水或中間物溶液。在一些實施例中，可利用額外緩衝槽儲存先前產生之鹼物質及酸物質溶液，由此允許控制演算法將產生酸及鹼物質之最佳時間（例如當電力碳強度及價格最有利時）與將鹼物質供應至海洋中的最佳時間（亦即，至少部分由來自海水化學感測器之資料確定）解耦。
電滲析設備130A可利用已知的電化學技術以將原料溶液111A中提供之NaCl（鹽）原子分裂成Na+及Cl-離子，藉由將來自原料溶液111A之Cl-離子傳送至酸溶液112A來增強酸溶液112A（亦即，減小該酸溶液之pH值），並藉由將來自原料溶液111A之Na+離子傳送至鹼溶液113A來增強鹼溶液113A（亦即，增加該鹼溶液之pH值）。如圖3中以明顯簡化之形式所描繪，電滲析設備130A可包括鹽腔室131A、酸腔室132A及鹼腔室133A，該等腔室係串聯佈置且共同地形成離子交換堆疊134A，其中各對鄰近腔室藉由居間離子滲透膜（過濾器）135A-1及135A-2隔開（亦即，膜135A-1將酸腔室132A與鄰近鹽腔室131A隔開，且膜135A-2將鹽腔室131A與鄰近鹼腔室133A隔開）。離子交換堆疊134A可被防水密閉外殼（圖中未示）包圍以促進原料溶液111A流過鹽腔室131A、酸溶液112A流過酸腔室132A及鹼溶液113A流過鹼腔室133A。為達成預先確定之電化學程序，可將陰極138A-及陽極138A+安置於離子交換堆疊134A之相對端處且回應於適合電壓源VS提供的施加之電壓差產生穿過腔室之電場，由此用電化學方法處理鹽、酸及鹼流，其處理方式如以下文額外詳細描述。
流量控制系統140A可包括各種控制元件（例如泵、閥等），該等元件共同地經組態以引導來自緩衝槽121A-1至121A-3之鹽、酸及鹼溶液流穿過電滲析設備130A之相應腔室且接著藉助於相關導管（流動管線）返回至緩衝槽121A-1至121A-3。舉例而言，鹽流111A-1包含原料溶液111A之一部分，該部分藉助於流出埠124A-1離開鹽緩衝槽121A-1（自該鹽緩衝槽流出）且藉助於鹽流入管線150-1A-1及第一泵145A-11引導至鹽腔室131A中。鹽流111A-2可包含藉助於鹽流出管線152A-1離開鹽腔室131A的經處理（耗盡鹽）之原料溶液，其中第一部分111A-21藉助於視情況存在之三通閥146A-1、第二泵145A-12及鹽返回管線153A-1回到鹽緩衝槽121A-1。類似地，酸流112A-1可離開酸緩衝槽121A-2且藉助於酸流入管線150-1A-2及泵145A-21引導至酸腔室132A中，且酸流111A-2藉助於酸流出管線152A-2離開酸腔室132A，其中第一部分112A-21藉助於視情況存在之三通閥146A-2、泵145A-22及酸返回管線153A-2回到酸緩衝槽121A-2。類似地，鹼流113A-1可離開鹼緩衝槽121A-3且藉助於鹼流入管線150-1A-3及泵145A-31引導至鹼腔室133A中，且藉助於鹼流出管線152A-3離開鹼腔室133A的鹼流113A-2之一部分113A-21藉助於三通閥146A-3、泵145A-32及鹼返回管線153A-3回到鹼緩衝槽121A-3。如圖3之底部所指示，在一些實施例中，外部供應之原料溶液111A-IN係自外部來源（例如自如圖1中所示之鹽原料60）饋入且與耗盡鹽流部分111A-21一起藉助於鹽返回管線153A-1傳輸至鹽緩衝槽121A-1。以類似方式，在一些實施例中，可自一各或多個外部來源供應水以替換由酸子流112A-22及鹼子流113A-22表示之流出體積。舉例而言，在一些實施例中，產鹼裝置110A可用於處理由淡化廠（或水處理廠）產生之鹽水流，且由淡化廠產生之淡水可供應至鹼緩衝槽121A-3及/或酸緩衝槽121A-2以替換由鹼子流113A-22及酸子流112A-22表示之流出體積。
如上文所提及以及下文參照圖4額外詳細地描述，當酸及鹼溶液在產鹼操作期間穿過電滲析設備130A時，其組成可變化（加強）。亦即，相較於酸流112A-1之酸度，離開電滲析設備130A之酸流112A-2的酸度因該酸流較高之酸濃度（亦即，因為添加在穿過酸腔室132A之酸溶液中形成的HCl原子）而相對較強。類似地，鹼流113A-2之pH值可因添加穿過鹼腔室133A）的呈鹼溶液形式之NaOH原子而高於流113A-1之pH值。因此，出於描述目的，酸流112A-1及112A-2在本文中被稱為弱酸流112A-1及強酸流112A-2，且鹼流113A-1及113A-3在本文中被稱為弱鹼流113A-1及強鹼流113A-2。出於類似原因，鹽流111A-1及111A-2分別稱為強鹽流111A-1及耗盡之鹽流111A-2，以指示當該鹽穿過鹽腔室131A時，該鹽自原料溶液移除。
在產鹼操作期間，電滲析設備130A可利用例如自功率分配電路190（參見圖1）接收之低/零碳電力LCE，藉由處理如本文所描述之強鹽流111A-1而產生強酸流112A-2及強鹼流113A-2。在一些實施例中，BPED系統110A係以「饋入及排出」模式操作，其中強酸流112A-2及強鹼流113A-2之部分（子流）被排出（分流）以用於產生鹼化產物113A-OUT或其他目的。舉例而言，在一些實施例中，強酸流112A-2藉助於三通閥146A-3及相關泵145A-32分開以使得第一酸子流112A-21被引導回酸緩衝槽121A-2且第二酸子流112A-22被引導出BPED系統110A以用作酸產物112A-OUT。類似地，強鹼流113A-2藉助於三通閥146A-3分成兩個子流，其中第一鹼子流113A-21被引導回鹼緩衝槽121A-3，且第二鹼子流113A-22藉助於三通閥146A-3引導至鹼化產物產生單元147A。如下文參照圖10及11額外詳細地描述，鹼化產物產生單元147A可經組態以藉由處理鹼子流113A-22（例如與耗盡之鹽流111A-2的第二部分111A-22混合）並驗證該鹼化產物113A-OUT具有適於在泵送至海洋50（例如藉助於泵145A-33）之前與海水混合的pH值而產生海洋鹼化產物113A-OUT。
圖4顯示包括電滲析單元130B的BPED系統110B之一部分，該電滲析單元包括離子交換堆疊134B、輸入歧管136B-1、輸出歧管136B-2及電解質溶液循環系統139B。電滲析單元130B可提供關於以上參照電滲析單元130A（圖3）所描述之多個酸、鹽及鹼腔室的額外細節。亦即，在一些實施例中，電滲析單元130A（圖3）經組態以包括電滲析單元130B之特徵及細節。
離子交換堆疊134B可包括以重複串聯佈置安置於兩個端部腔室137B-1與137B-2之間的分別以「酸」、「鹽」及「鹼」指示之多各酸、鹽及鹼腔室。離子交換堆疊134B之酸、鹽及鹼腔室中之各者可分別如上文參照酸腔室132A、鹽腔室131A及鹼腔室133A所描述起作用，以處理藉助於輸入歧管136B-1及輸出歧管136B-2引導穿過離子交換堆疊134B的酸、鹽及鹼溶液流中之一者的相應部分。亦即，輸入歧管136B-1可分裂較弱酸流112B-1（該酸流係藉助於酸流入管線150-1B-2而自酸緩衝槽121-2（圖中未示）接收），以使得一部分酸流穿過各酸腔室。類似地，輸入歧管136B-1可分裂較弱鹼流113B-1（該鹼流係藉助於鹼流入管線150-1B-3自鹼緩衝槽121-3（圖中未示）接收）且分裂鹽流111B-1（該鹽流係藉助於鹽流入管線150-1B-1自鹽緩衝槽121-1（圖中未示）接收），以使得一部分鹼流穿過各鹼腔室且一部分鹽流穿過各鹽腔室。端部腔室137B-1及137B-2可用於導引以「ES」指示之電解質溶液用於以下描述之目的。
離子交換堆疊134B可包括四種類型之離子滲透膜，該等離子滲透膜分別安置在鄰近酸、鹽、鹼及端部腔室之間且促進離子傳送程序，用以在BPED 110B操作期間（亦即，當離子交換堆疊134B接收藉由分別對陽極138B+及陰極138B-施加電壓電位V+及V-而產生之電場時）加強鹼流及鹽流。該四種類型之膜在圖4中使用字首「A」、「K」、「B」及「F」指示，其中膜A1至An係陰離子交換膜，膜K1至Kn係陽離子交換膜，膜B1至Bn係雙極膜，且膜F1及F2係具有以下描述之特性的端部膜。可使用能夠如下文所描述起作用的陰離子交換膜材料、陽離子交換膜材料及雙極膜材料。在一個實施例中，膜A1至An、K1至Kn及B1至Bn係使用電池三元組之堆疊實施，其中各電池三元組包括陰離子交換膜、陽離子交換膜及雙極膜。陰離子交換膜A1至An表示第一膜類型，該膜類型經組態以促進來自各鹽腔室之Cl-離子傳送至鄰近酸腔室中。舉例而言，在圖4底部處之細長形氣泡描繪來自鹽腔室131B-1之第一Cl-離子經由膜A1傳送至酸腔室132B-1中，且來自鹽腔室131B-2之第二Cl-離子經由膜A2傳送至酸腔室132B-2中。陽離子交換膜K1至Kn表示第二膜類型，該膜類型促進來自各鹽腔室之Na+離子傳送至鄰近鹼腔室中。舉例而言，在圖4底部處之細長形氣泡描繪來自鹽腔室131B-1之Na+離子經由膜K1傳送至鹼腔室133B-1。雙極膜B1至Bn表示第三膜類型，該膜類型促進來自各鹼腔室之氫離子H+傳送至鄰近酸腔室中及來自鄰近酸腔室之氫氧根離子OH-離子傳送至鄰近鹼腔室中。舉例而言，在圖4底部處之細長形氣泡描繪來自鹼腔室133B-1之H+離子經由膜B1傳送至酸腔室132B-2及來自酸腔室132B-2之OH-離子經由膜B1傳送至鹼腔室133B-1。在一些實施例中，膜B1包括夾在陽離子交換層與陰離子交換層之間的催化劑層，其中該催化劑層起作用以離解自酸腔室132B-2或鹼腔室133B-1擴散至膜B1中的水分子，陽離子交換層起作用以將離散之水分子中的H+離子傳至酸腔室132B-2中，且陰離子交換層起作用以將離解之水分子中的OH-離子傳至鹼腔室133B-1中。注意，字尾「n」係關於各種膜及腔室使用，僅表示各膜/腔室類型之多次迭代（例如提及「133n」、「Kn」及「Bn」並不意味著有相同數目之鹼腔室、膜B及/或膜K）。膜F1及F2可取決於細胞三元組堆疊之次序來促進或抑制來自各端部腔室之Na+離子傳送至鄰近酸、鹼或鹽腔室中。膜F1及F2可為Nafion、陽離子交換膜、陽離子交換陰離子或促進所需離子傳送功能之其他離子交換膜。舉例而言，在圖4右下方部分之圓形氣泡描繪來自端部腔室137B-1之Na+離子經由膜F1傳送至鄰近鹼腔室133B-n，且在圖4左下方部分處之圓形氣泡描繪來自酸腔室131B-1之Na+離子傳送至端部腔室137B-2中。
電解質溶液循環系統139B可包括儲槽139B-0及流動管線139B-1至139B-3，該等流動管線起作用以將電解質溶液114B循環穿過端部腔室137B-1及137B-2。亦即，電解質溶液114B可沿第一流動管線139B-1自儲槽139B-0泵送至第一端部腔室137B-1，沿第二流動管線139B-2自端部腔室137B-1泵送至第二端部腔室137B-2，且沿第三流動管線139B-3自第二端部腔室137B-2泵送至儲槽139B-0。在一些實施例（未描繪）中，可能希望分離電解質以使陰極及陽極為兩個流體電路。在操作期間，電解質溶液可在離子交換堆疊134B之一端提供Na+離子（例如由圖4之右下方部分中所顯示之氣泡圖中自端部腔室137B-1傳至鹼腔室133B-n的Na+離子所指示）且在離子交換堆疊135B之相對端處再吸收Na+離子（例如在圖4之左下方部分中所顯示之氣泡圖中自酸腔室132B-1傳至端部腔室137B-2的Na+離子所指示）。在一些實施例中，電解質溶液114B係使用硫酸鈉或諸如氫氧化鈉之半導電溶液實施。
在一些實施例中，BPED系統130B可以「饋入及排出」操作模式操作，其中較強鹼流113B-2及較強酸流112B-2之部分自緩衝槽/電解槽流體循環分流（排出）。亦即，如上文所描述，一部分較強鹼流113B-2可分流（排出）且供應至海洋（例如藉助於以上參照圖3所描述之閥146A-3）。此外，如圖4中所示，離開電滲析設備130B的較強酸流112B-2之第一部分112B-21回到酸緩衝槽（圖中未示），且較強酸流112B-2之第二部分112B-22藉助於閥146B排出。在一些實施例中，排出之（第二）流部分112B-22可經處理或以其他方式用作產生商業產品之原料。在一個實施例中，BPED系統110B包括：電解槽70B，其接收並處理酸流部分112B-22以產生氫氣H 2；以及燃料電池75B，其處理氫氣H 2以產生補充低/零碳電力LCE/PS，從而進一步增強OAE系統100B作為碳抵消系統之經濟持續性（例如藉助於將補充電力LCE/PS傳輸至功率分配電路190（圖1）以供OEA系統100使用）。在一些實施例中，可製造一種或多種額外氣體，諸如氯氣Cl 2及/或氧氣O 2（例如作為氫氣H 2之補充或替代），且此等氣體可經銷售以進一步增強作為碳抵消系統之OAE系統100B的經濟持續性。可能需要在進行電解程序之前，處理酸流部分112B-22。一些可能的預處理方法（未描繪）可包括過濾、化學、電化學、奈米過濾、超過濾、逆滲透、加熱及冷卻。在其他實施例（未描繪）中，來自2}儲槽139B-0之氫氣可饋入燃料電池75B，或酸可用於液流電池組中以產生補充低/零碳電力幫助抵消輸入功率。
圖5顯示BPED系統110C，該系統包括流量控制系統140C，該流量控制系統如下文所描述經改良以促進在維護週期間的除垢（維護）操作。在一些實施例中，BPED系統110C可用於執行OAE系統100中產鹼裝置110之功能（圖1）。在其他實施例中，BPED系統110C可與得益於BPED系統110C所提供之功能的其他應用結合利用，諸如在淡化或水循環廠中。BPED系統110C可包括流體緩衝系統120A、電滲析設備130A、改良之流量控制系統140C及一系列流動管線，該等流動管線可以與本文所描述實施例中之任一者一致的方式組態及操作。為簡潔起見，流體緩衝系統120A及電滲析設備130A係如上文參照圖3所描述組態及起作用。BPED系統110C大幅簡化以突出與改良之流量控制系統140C相關之新穎特性。為此目的，BPED系統110C之新穎特性大體上參照流體緩衝系統120A、電滲析設備130A及相關流動管線描述，該等流動管線可以與本文所描述實施例中之任一者一致的方式組態及操作。可使用執行BPED操作可能需要的額外流體流系統特徵、控制電路、感測器及其他裝置。
如圖5中所指示，BPED系統，如系統110C之正常操作可在膜135A-1及135A-2上產生積垢及結垢S，且有時需要用酸性流體沖洗鹽腔室131A及/或鹼腔室133A以移除結垢。根據本實施例，改良之流量控制系統140C可包括三通閥146C-11、146C-12、146C-21及146C-22，其經組態以藉助於將來自酸緩衝槽121C-1之酸流112C-1選擇性饋入鹽腔室131A及鹼腔室133A中來促進在維護操作期間進行之酸沖洗程序。在一些實施例中，第一閥146C-11可安置於鹽流入管線150-1C-1中且可藉助於第一交叉饋入管線154C-11與酸流入管線150-1C-2連通，第二閥146C-12可安置於鹼流入管線150-1C-3中且可藉助於第二交叉饋入管線154C-12與酸流入管線150-1C-2連通，第三閥146C-3可安置於鹽流出管線150-1C-2中且可藉助於第三交叉饋入管線154C-21與酸流出管線152C-2連通，且第四閥146C-22可安置於鹼流出管線152C-3中且可藉助於第四交叉饋入管線154C-22與酸流出管線152C-2連通。各三通閥146C-11、146C-12、146C-21及146C-22可藉助於BPED系統之控制電路（圖中未示）產生之控制信號C控制以促進正常BPED系統操作（如參照參看圖6A描繪及描述）或在維護週期中操作，其中閥146C-11、146C-12、146C-21及146C-22共同工作以將來自酸緩衝槽121A-2之酸流102C-1的部分分流至流體腔室131A及133A中之一者或兩者中。
圖6A描繪在產鹼（正常）操作期間藉由相關控制電路（圖中未示）有效組態的改良之BPED系統110C。在與正常操作相關之（第一）時段期間，控制電路（圖中未示）傳輸第一控制信號C1，該控制信號停用（關閉）閥146C-11至146C-22，藉此閥146C-11至146C-22進入圖6A中所描繪之操作狀態。具體言之，當閥146C-11及146C-12關閉時，沿交叉饋入管線154C-11及154C-12之流動可被阻止，藉此弱酸流112C-1被酸流入管線150-1C-2引導穿過酸腔室132A，且強酸流112C-2被酸流出管線152C-2及酸返回管線153C-2引導回到酸緩衝槽121C-2。類似地，當閥146C-11及146C-21關閉時，鹽流111C-1可被鹽流入管線150-1C-1引導穿過鹽腔室131A，且耗盡之鹽流111C-2被鹽流出管線152C-1及鹽返回管線153C-1引導回到鹽緩衝槽121C-1。最後，當閥146C-12及146C-22關閉時，弱鹼流113C-1可被鹼流入管線150-1C-3引導穿過鹼腔室133A，且強鹼流113C-2被鹼流出管線152C-3及鹼返回管線153C-3引導回到鹼緩衝槽121C-3。儘管圖6A中未顯示，但如上文參照圖3及4所描述，強酸流112C-2及強鹼流113C-2之部分可在產鹼操作期間排出。
圖6B描繪在酸沖洗（維護週期）操作期間有效地組態的改良之BPED系統100C。在與酸沖洗操作相關之（第二）時段期間，控制電路（圖中未示）將第二控制信號C2傳輸到閥146C-11至146C-22。在一些實施例中，控制信號C2引起閥146C-11及146C-12 將自酸緩衝槽121C-2流入之酸112C藉助於酸流入管線150-1C-1以及交叉饋入管線154C-11及154C-12分流至鹽腔室131A及鹼腔室133A中，並引起閥146C-21及146C-22 將自鹽腔室131A及鹼腔室132A流出之酸112C藉助於交叉饋入管線154C-21及154C-22、酸流出管線152C-2及酸返回管線153C-2分流回到酸緩衝槽132A。亦即，在酸沖洗操作期間，控制電路（圖中未示）可致動閥146C-11及146C-12以使得酸溶液111C-1之至少一部分自酸緩衝槽121C-2流至鹽腔室131A及鹼腔室133A中，藉此使安置於鹽腔室131A及鹼腔室133A中的積累之結垢材料藉由與酸溶液接觸而溶解或以其他方式移除。視情況存在之雙通閥146C-13 可包括在與交叉饋入管線154C-12之接頭與酸腔室132A之間的酸流入管線150-1C-2中且經控制以阻止酸流動穿過酸腔室132A，由此進一步增加在酸沖洗操作期間流動穿過鹽腔室131A及鹼腔室133A的酸。在一些實施例中，全部四個閥146C-11至146C-22可同時打開（例如圖6B中所示），且在其他實施例中，鹽腔室131A及鹼腔室133A之酸沖洗可一次一個地執行（例如藉由啟動閥146C-11及146-21，同時停用閥146C-12及146-22，且隨後停用閥146C-11及146-21，同時啟動閥146C-12及146-22）。替代性實施例可使用電動機控制的3通閥或帶有管路旁路之2通閥、機動控制閥及計量閥、氣動控制閥或其任何組合。
圖7至9描繪根據三個實施例之BPED系統，其中對外部淡水供應之需求藉由部分或完全淡化（預處理）可獲得的鹽原料而減少或消除。當容易獲得時，外部淡水供應可用於替換在以上描述之饋入及排出操作期間自BPED系統排出之液體體積（例如以上參照圖3描述之輸出鹼流113A-21及/或以上參照圖4描述之輸出酸流112B-21）。用淡水（當可獲得時）替換損失之液體體積可提供維持輸出鹼及酸產物之純度的益處。然而，為了使海洋脫酸作用達到最大，同時使對海洋生命之危險減到最小，可能需要在安置於各海洋中之小島周圍或小島上的相應位置處部署多各OAE系統（亦即，以產生鹼材料向海洋海水之均勻擴散）。為了達成均勻擴散，可能需要在無法獲得可靠淡水供應之遠端位置中部署一些OEA系統。以下參照圖7至9所描述之BPED系統可經改良以包括預處理單元，其藉由至少部分淡化外部供應之原料溶液且接著利用少鹽流體替換排出之酸及/或鹼溶液（亦即，代替經處理或來自外部來源之淡水）來減少或消除主體OAE系統對淡水供應之依賴性。應注意，圖7至9係大幅簡化的且為簡潔及清楚起見而省去額外BPED系統特徵。舉例而言，出於與以上關於BPED系統100C（圖5、6A及6B）所提及之原因相同的原因，圖7至9中所描繪之BPED系統各自關於通用電滲析設備130A描述。此外，圖7至9中所描繪之BPED系統各自的流量控制系統應理解為包括所描繪之閥及泵，即使在以下描述中並未提及所描繪之閥/泵為相關流量控制系統之一部分。最後，所描繪之BPED系統各自的流量控制系統可經改良以包括上文所論述之某些流量控制特徵（例如以上參照圖5、6A及6B所描述之閥及交叉饋入管線）。
圖7描繪改良之BPED系統110D，其包括逆滲透單元160D，用於處理（預處理）海水51D（鹽原料）。BPED系統110D亦可包括流體緩衝系統120D及流量控制系統140D，該等系統係如以上描述組態以將鹽、酸及鹼流傳輸穿過電滲析設備130A，由此促進與上文所描述之操作類似的產鹼及產酸操作。
參看圖7之上部部分，逆滲透單元160D可操作地耦接於視情況存在之沈降槽（鹽原料源）60D與流體緩衝系統120D之間。逆滲透單元160D可使用已知技術處理海水51D且為簡潔起見而在下文以大幅簡化之形式描繪及描述。一般而言，逆滲透單元160D可利用過濾器165D將鹽及其他礦物質自海水51D分離，由此產生滲透物（少鹽流體）115D及濃縮物（高鹽流體）111D-0。
流體緩衝系統120D及流量控制系統140D可經組態以接收及儲存濃縮物111D-0及滲透物115D，由此促進與上文所描述之操作類似的產鹼及產酸操作。流體緩衝系統120D可包括緩衝槽121D-1、121D-2及121D-3，其分別以上文參照圖3及5所描述之方式儲存鹽、酸及鹼溶液。一般而言，流量控制系統140D可經組態以將濃縮物111D-0引導至鹽槽121D-1，且將滲透物115D引導至121D-2及121D-3。在一個實施例中，濃縮物111D-0藉助於第一饋入管線150-1D-10直接自逆滲透單元160D傳輸至鹽緩衝槽121D-1，且滲透物115D藉助於第二饋入管線150-1D-20自逆滲透單元160D引導至酸緩衝槽121D-2及鹼緩衝槽121D-3。在一些實施例中，流體緩衝系統120D包括一個或多個額外緩衝槽，其可用於促進滲透物115D分配至酸緩衝槽121D-2及鹼緩衝槽121D-3。在圖7中所描繪之具體實施例中，第一額外緩衝槽121D-4自逆滲透單元160D接收滲透物115D，且分別藉助於中間管線155D-21及155D-22將滲透物115D之部分分配至第二緩衝槽121D-5及第三緩衝槽121D-6，且接著分別藉助於饋入管線155D-31及155D-32將分配的滲透物115D之部分引導至酸緩衝槽121D-2及鹼緩衝槽121D-3。在其他實施例中，可使用更少或更多數目之額外緩衝槽或可將滲透物115D直接自逆滲透單元160D傳至酸緩衝槽121D-2及鹼緩衝槽121D-3。在此等情形中之各者中，無鹽水（滲透物）115D被引導至酸緩衝槽121D-2及鹼緩衝槽121D-3，且高鹽流體（濃縮物）111D-0被供應至鹽槽121D-1。
參看圖7之下部部分，在一些實施例中，流量控制系統140D進一步經組態以促進與上文參照圖5所描述之操作類似的饋入及排出產鹼及產酸操作（亦即，以使得離開酸腔室之強酸流112D-2之一部分132A可經分流以提供酸物質112D-OUT，且離開鹼腔室133A的強鹼流113D-2之一部分113D-22經分流以提供鹼物質113D-OUT）。此外，流量控制系統140D可進一步經改良以包括額外三通閥146D，其將沿鹽流出管線152D-1離開鹽腔室131A的耗盡之鹽流111D-2分成兩部分，藉此第一部分111D-21回到鹽緩衝槽121D-1，且第二部分111D-22可與分流之鹼流部分113D-22合併（混合）以形成鹼物質113D-OUT。
圖8描繪改良之BPED系統110E，其包括逆滲透單元160E，該逆滲透單元用於處理（預處理）鹽水66E（鹽原料）及強酸流112E-2之一部分112E-22以便產生少鹽流體111E-0（亦即，具有小於鹽水66E之濃度的鹽濃度）及高濃度酸112E-OUT。BPED系統110E亦可包括流體緩衝系統120E及流量控制系統140E，該等系統係如以下所描述組態以將少鹽流體111E-0傳輸至鹽緩衝槽121E-1、酸緩衝槽121E-2及鹼緩衝槽121E-3之全部三者，且引導鹽、酸及鹼流穿過電滲析設備130A以促進與上文所描述之操作類似的產鹼及產酸操作。
參看圖8之上部部分，化學酸濃縮器單元160E可操作地耦接於視情況存在之鹽水饋入槽（鹽原料源）60E與流體緩衝系統120E之間。在一個實施例中，化學酸濃縮器單元160E經組態以產生少鹽流體111E-0及高濃度酸112E-OUT的方式，使用滲透驅動之正向滲透方法處理鹽水66E及酸流112E-2之一部分。滲透驅動之正向滲透方法係此項技術中已知的（參見例如「Osmotic concentration of succinic acid by forward osmosis：Influence of feed solution pH and evaluation of seawater as draw solution」, Jeng Yih Law等人, Chinese Journal of Chemical Engineering, 第26卷, 第5期, 2018年5月, 第976-983頁），且熟習此項技術者能夠產生化學酸濃縮器單元160E，以使其實施圖8中所描繪的滲透驅動之正向滲透方法。
流體緩衝系統120E及流量控制系統140E可經組態以接收並儲存少鹽流體111E-0且促進與上文所描述之操作類似的產鹼及產酸操作。流體緩衝系統120E可包括緩衝槽121E-1、121E-2及121E-3，其分別以上文參照圖7所描述之方式儲存鹽、酸及鹼溶液。在此實施例中，流量控制系統140E可經組態以將少鹽流體111E-0引導至鹽緩衝槽121E-1，且將離開鹽緩衝槽121E-1的鹽流111E-1之第一部分111E-11引導至鹽腔室131A，且將鹽流111E-1之第二部分111E-12引導至酸緩衝槽121E-2及鹼緩衝槽121E-3。在一些實施例中，流體緩衝系統120E包括一個或多個中間緩衝槽，其可用於促進鹽流部分111E-12向酸緩衝槽121E-2及鹼緩衝槽121E-3之分配。在圖8中所描繪之具體實施例中，第一中間緩衝槽121E-4自逆滲透單元160E接收鹽流部分111E-12，且藉助於相應中間管線將鹽流部分111E-12之第一子部分111E-121分配至第二中間緩衝槽121E-5且將鹽流部分111E-12之第二子部分111E-122分配至第三中間緩衝槽121E-6，且接著藉助於相應饋入管線，將分配之子部分自中間緩衝槽121E-5及121E-6分別引導至酸緩衝槽121E-2及鹼緩衝槽121E-3。在其他實施例中，亦可使用更少或更多數目之中間緩衝槽。在此等情形中之各者中，可將少鹽流體引導至鹽緩衝槽121E-1、酸緩衝槽121E-2及鹼緩衝槽121E-3中之全部三者。
參看圖8之下部部分，在一些實施例中，流量控制系統140E進一步經組態以促進與上文參照圖7所描述之程序類似的饋入及排出操作（例如以使離開鹼腔室133A的強鹼流113E-2之一部分分流且與離開鹽腔室131E的耗盡之鹽流111E-2之一部分混合以提供鹼物質113E-OUT）。在此實施例中，流量控制系統140E包括三通閥146E，其例如藉助於第四中間緩衝槽121E-7將離開酸腔室132E之強酸流112E-2分成回到酸緩衝槽121E-2之第一部分112E-21及饋入化學酸濃縮器單元160E之第二部分112E-22。
圖9描繪根據另一個實施例的改良之BPED系統110F，其中化學酸濃縮器（預處理）單元160F自鹽水饋入槽（鹽原料源）60F接收鹽水66F且自酸濃縮饋入槽121F-7接收強酸流部分112F-22且以與以上參照圖8所描述之方式類似的方式產生咸水（少鹽流體）111F-0及濃酸溶液112F-OUT。此外，少鹽流體111F-0可自濃縮器單元160F供應至鹽（第一）緩衝槽121F-1，離開鹽緩衝槽121F-1之流部分111F-11被引導至電滲析設備130A之鹽腔室131A，且離開鹽緩衝槽121F-1之流部分111F-12藉助於視情況存在之中間緩衝槽121F-6供應至鹼（第三）緩衝槽121F-3。以與圖8中所示實施例相關之方式相同的方式，電滲析設備130A可起作用以產生耗盡之鹽流111F-2及濃鹼流113F-2，該耗盡之鹽流及濃鹼流係沿相關輸出及返回管線引導以產生鹼物質113F-OUT，且產生強酸流112F-2，該強酸流分成兩個流112F-21及112F-22，分別被引導至酸緩衝槽121F-1及酸濃縮饋入槽121F-7。
BPED系統110F與BPED 110E（圖8）之不同之處在於，去離子水源70F產生之去離子水77F被供應至酸緩衝槽121F-2。去離子水源70F可為一體式的（亦即，BPED系統110F之部分），或其可作為外部單元實施。去離子水77F可藉助於一個或多個中間緩衝槽（例如藉助於緩衝槽121F-4及121F-5，如圖9中所描繪）供應，或可直接自去離子水源70F供應至酸緩衝槽121F-2。應注意，去離子水77F未供應至鹼緩衝槽121F-3。亦即，可僅利用去離子水77F補充與強酸流部分112F-22相關聯之排出（分流）體積，該強酸流部分被用於產生濃酸物質112F-OUT。使用去離子水77F可產生具有實質上低於以上參照圖8所描述之相應流112E-2之鹼金屬含量的強酸流112F-2，由此促進清潔（實質上無鹽）濃酸溶液112F-OUT之產生。儘管去離子水77F之產生及使用可能會可論證地使BPED系統100F的操作成本更高一些（亦即，相較於BPED系統100E），但在濃酸溶液112F-OUT之純度比產生去離子水77F之成本更受重視之應用中，此佈置可為較佳的。
圖10描繪鹼化產物產生單元147A（圖3），該單元起作用以根據一個簡化的實施例產生海洋鹼化產物113A-OUT。如上文所提及，為了避免危及海洋生命，且為了使對海洋生命之潛在益處達到最大，海洋鹼化產物113A-OUT可為經充分表徵的包括鹼物質及咸水之混合物的溶液，該混合物僅在驗證鹼物質完全溶解該溶液中且該混合物具有適當pH值之後釋放（供應至海洋）。為此目的，鹼化產物產生單元147A可起作用以驗證由產鹼裝置110A（圖3）產生之鹼溶液且必要時對該鹼溶液執行後處理，隨後將經驗證/處理之鹼溶液作為海洋鹼化產物113A-OUT釋放。在圖10中所示之實施例中，鹼化產物產生單元147A可利用兩個緩衝槽148A及149A以驗證/處理鹼溶液。應注意，以下描述之驗證及視情況存在之處理不限於所描繪的兩個緩衝槽之佈置且可使用單個緩衝槽或超過兩個緩衝槽達成。亦即，該實施例意圖示出各種選擇且不意圖作為限制。
參看圖10之上部部分，緩衝槽148A可經組態以儲存鹼溶液113A-3，該鹼溶液藉助於閥146A-3供應子流113A-22中（參見圖3）。至少一個感測器S4可操作地安置於緩衝槽148A中且可經組態以量測鹼溶液113A-3之pH值及視情況存在之額外特性。在一個實施例中，該等額外特性可包括驗證鹼物質完全溶解於鹼溶液113A-3中的資料。感測器S4產生之鹼溶液資料182A-1可傳輸至控制器180（圖1）。在一些實施例中，當鹼溶液資料182A-1指示鹼溶液113A-3具有不合需要的pH值或其他不合需要的特性時，控制器180可起始鹼溶液113A-3之處理以校正不合需要的特性。舉例而言，控制器180可藉由將鹼溶液113A-3在緩衝槽148A中保持延長之時段來調節鹼溶液113A-3之pH值以促進與空氣或CO 2 之反應（亦即，部分地平衡CO2/下拉CO2至鹼溶液中，同時在緩衝槽148A中）。在其他情況下，控制器180可產生一個或多個控制信號（未指示）以起始一個或多個程序（例如低能攪拌及/或通風程序，或用新鮮海水或耗盡之鹽水稀釋）以校正相應不合需要的特性。
緩衝槽149A可經組態以接收並儲存鹼/鹽溶液113A-4，該溶液包含來自緩衝槽148A之鹼溶液113A-3與來自另一來源之稀釋流的混合物。舉例而言，當鹼溶液113A-3之pH值過高而無法釋放至海洋中時，可利用此佈置，且涉及利用稀釋流調節鹼溶液113A-3之pH值及/或藉由使鹼溶液113A-4與空氣或CO2反應以達到可接受之pH值。在所描繪之實施例中，稀釋流包含提供於自閥146A-1接收之鹽子流111A-22（參見圖3）中的經處理之原料（耗盡之鹽）溶液。在其他實施例（圖中未示）中，鹹水流可包含海水或鹽水。在鹼溶液113A-3已包括足量鹽的又其他情況下，稀釋流可包含淡水或去離子水。在任何情況下，當鹼溶液資料182A-1指示鹼溶液113A-3之pH值及視情況存在之其他特性係在可接受之範圍內時，控制器180可啟動控制信號185A-1以控制閥146A-4，藉此可將鹼溶液113A-3與適當數量之稀釋液體混合。至少一個感測器S5可操作地安置於緩衝槽149A中且經組態以量測鹼/鹽溶液113A-4之pH值及視情況存在之額外特性。由感測器S5產生之鹼性產物資料182A-2可被傳輸至控制器180（圖1），且控制器180可經由閥146A-4調節稀釋流體之流動速率以微調緩衝槽149A中鹼/鹽溶液113A-4之pH值。只有在鹼性產物資料182A-2驗證鹼/鹽溶液113A-4之pH值（及視情況存在之其他特性）的可接受性時，控制器180才能控制來自緩衝槽149A之鹼/鹽溶液113A-4之流動（例如藉助於控制信號185A-2控制流出閥146A-5），由此將海洋鹼化產物113A-OUT供應至海洋（例如藉助於泵145A-33，如圖3中所示）。
儘管本文已顯示及描述本發明之較佳實施例，但熟習此項技術者將顯而易見，此類實施例僅作為實例提供。不希望本發明受本說明書中所提供之具體實例的限制。儘管已參考前述說明書描述本發明，但本文實施例之描述及說明並不意欲以限制性意義解釋。在不背離本發明之情況下，熟習此項技術者現將想到許多變化、改變及取代。此外，應理解，本發明之所有範疇不限於本文所闡述之具體描繪、組態或相對比例，此取決於各種條件及變數。應理解，本文所描述之本發明實施例的各種替代方案均可用於實踐本發明。因此，經審慎考慮，本發明亦應涵蓋任何此類替代方案、修改、變化或等效物。預期以下申請專利範圍界定本發明之範圍，且因此涵蓋在此等申請專利範圍及其等效物之範圍內的方法及結構。
50:海洋 50-1:放流口位置 50-2:海水 51:海水 52:傳送管道 54:區域 56:大氣區域 60:鹽原料 60D:視情況存在之沈降槽（鹽原料源） 60E:視情況存在之鹽水饋入槽（鹽原料源） 60F:鹽水饋入槽（鹽原料源） 65:鹽水源 66:鹽水 66E:鹽水 66F:鹽水 70B:電解槽 70F:去離子水源 75B:燃料電池 77F:去離子水 80:LCE源 90:網際網路 95:電網 100:OAE系統 101:鹽輸入埠 103:鹼輸出埠 105:資料埠 106:電源埠 109:外殼 110:產鹼裝置 110A:BPED系統 110C: BPED系統 110D:改良之BPED系統 110E:改良之BPED系統 110F:改良之BPED系統 111-IN:原料（鹽）溶液 111A:原料（鹽）溶液 111A-1:鹽流 111A-2:鹽流 111A-21:耗盡之鹽流部分/第一部分 111A-22:耗盡之鹽流的第二部分/鹽子流 111A-IN:外部供應之原料溶液 111B-1:鹽流 111D-0:濃縮物（高鹽流體） 111D-2:耗盡之鹽流 111D-21:第一部分 111D-22:第二部分 111E-0:少鹽流體 111E-1:鹽流 111E-11:鹽流之第一部分 111E-12:鹽流部分 111E-121:鹽流部分之第一子部分 111E-122:鹽流部分之第二子部分 111E-2:耗盡之鹽流 111F-0:咸水（少鹽流體） 111F-11:離開鹽緩衝槽之流部分 111F-12:離開鹽緩衝槽之流部分 111F-2:耗盡之鹽流 112A:酸溶液 112A-1:酸流 112A-2:酸流 112A-21:第一酸子流 112A-22:第二酸子流 112A-OUT:酸物質 112B-1:較弱酸流 112B-2:較強酸流 112B-21:較強酸流之第一部分 112B-22:較強酸流之第二部分 112C:酸 112C-1:弱酸流 112C-2:強酸流 112D-2:離開酸腔室之強酸流 112D-OUT:酸物質 112E-2:強酸流 112E-21:回到酸緩衝槽之第一部分 112E-22:強酸流之一部分/第二部分 112E-OUT:高濃度酸 112F-2:強酸流 112F-21:流 112F-22:強酸流部分 112F-OUT:濃酸溶液 113:鹼物質 113-OUT:鹼化產物 113A:鹼溶液 113A-1:鹼流 113A-2:鹼流 113A-21:鹼流之一部分鹼流 113A-22:鹼子流 113A-3:鹼溶液 113A-4:鹼/鹽溶液 113A-OUT:海洋鹼化產物 113B-1:較弱鹼流 113B-2:較強鹼流 113D-2:強鹼流 113D-22:強鹼流之一部分 113D-OUT:鹼物質 113E-2:強鹼流 113E-OUT:鹼物質 113F-2:濃鹼流 113F-OUT:鹼物質 114B:電解質溶液 115D:滲透物（少鹽流體） 120A:流體緩衝系統 120D:流體緩衝系統 120E:流體緩衝系統 121-1:鹽緩衝槽 121-2:酸緩衝槽 121-3:鹼緩衝槽 121A-1:鹽（第一）緩衝槽 121A-2:酸（第二）緩衝槽 121A-3:鹼（第三）緩衝槽 121D-1:緩衝槽/鹽槽 121D-2:酸緩衝槽 121D-3:鹼緩衝槽 121D-4:第一額外緩衝槽 121D-5:第二緩衝槽 121D-6:第三緩衝槽 121E-1:鹽緩衝槽 121E-2:酸緩衝槽 121E-3:鹼緩衝槽 121E-4:第一中間緩衝槽 121E-5:第二中間緩衝槽 121E-6:第三中間緩衝槽 121E-7:第四中間緩衝槽 121F-1:鹽（第一）緩衝槽 121F-2:酸緩衝槽 121F-3:鹼緩衝槽 121F-4:緩衝槽 121F-5:緩衝槽 121F-6:視情況存在之中間緩衝槽 121F-7:酸濃縮饋入槽 122A-1:塑膠密閉單元 122A-2:塑膠密閉單元 122A-3:塑膠密閉單元 123A-1:流入埠 123A-2:流入埠 123A-3:流入埠 124A-1:流出埠 124A-2:流出埠 124A-3:流出埠 130A:電滲析設備 130B:電滲析單元 131A:鹽腔室 131B-1:鹽腔室 131B-2:鹽腔室 131E:鹽腔室 132A:酸腔室 132B-1:酸腔室 132B-2:酸腔室 133A:鹼腔室 133B-1:鹼腔室 133B-n:鹼腔室 134A:離子交換堆疊 134B:離子交換堆疊 135A-1:膜 135A-2:膜 136B-1:輸入歧管 136B-2:輸出歧管 137B-1:第一端部腔室 137B-2:第二端部腔室 138A-:陰極 138A+:陽極 138B-:陰極 138B+:陽極 139B:電解質溶液循環系統 139B-0:儲槽 139B-1:第一流動管線 139B-2:第二流動管線 139B-3:第三流動管線 140A:流量控制系統 140C:流量控制系統 140D:流量控制系統 140E:流量控制系統 145A-11:第一泵 145A-12:第二泵 145A-21:泵 145A-22:泵 145A-31:泵 145A-32:泵 145A-33:泵 146-21:閥 146-22:閥 146A-1:三通閥 146A-2:視情況存在之三通閥 146A-3:三通閥 146A-4:閥 146A-5:流出閥 146B:閥 146C-11:三通閥 146C-12:三通閥 146C-13:視情況存在之雙通閥 146C-21:三通閥 146C-22:三通閥 146D:額外三通閥 146E:三通閥 147A:鹼化產物產生單元 148A:緩衝槽 149A:緩衝槽 150-1A-1:鹽流入管線 150-1A-2:酸流入管線 150-1A-3:鹼流入管線 150-1B-1:鹼流入管線 150-1B-2:酸流入管線 150-1B-3:鹼流入管線 150-1C-1:鹽流入管線 150-1C-2:酸流入管線 150-1C-3:鹼流入管線 150-1D-10:第一饋入管線 150-1D-20:第二饋入管線 152A-1:鹽流出管線 152A-2:酸流出管線 152A-3:流出管線 152C-1:鹽流出管線 152C-2:酸流出管線 152C-3:鹼流出管線 152D-1:鹽流出管線 153A-1:鹽返回管線 153A-2:酸返回管線 153A-3:鹼返回管線 153C-2:酸返回管線 154C-11:第一交叉饋入管線 154C-12:第二交叉饋入管線 154C-21:第三交叉饋入管線 154C-22:交叉饋入管線 155D-21:中間管線 155D-22:中間管線 155D-31:饋入管線 155D-32:饋入管線 160D:逆滲透單元 160E:逆滲透單元 160F:化學酸濃縮器（預處理）單元 165D:過濾器 180:控制器 181:LCE可用性資料信號 182:產鹼裝置操作性安全資料信號 182A-1:鹼溶液資料 182A-2:鹼性產物資料 183:海洋化學資料信號 183A:環境模型資料 185:信號 185-1:信號 185-2:信號 185A-1:控制信號 185A-2:控制信號 187:控制信號 190:功率分配電路 201:起始方塊 210:決策方塊 220:決策方塊 230:方塊 240:方塊 250:方塊 A1:陰離子交換膜 A2:陰離子交換膜 An:陰離子交換膜 B1:雙極膜 B2:雙極膜 Bn:雙極膜 C:控制信號 C2:第二控制信號 F1:膜 F2:膜 K1:陽離子交換膜 K2:陽離子交換膜 Kn:陽離子交換膜 P:電功率 S1:感測器 S2:感測器 S3:感測器 S4:感測器 S5:感測器
參照以下描述、所附申請專利範圍及附圖將更好地理解本發明之此等及其他特徵、範疇及優勢，在附圖中：
[圖1]係描繪根據一個實施例的電化學海洋鹼度增強（OAE）系統之圖；
[圖2]係描繪根據另一個實施例的用於控制圖1之OAE系統之控制方法的流程圖；
[圖3]係描繪根據一個實施例的可用作圖1之OAE系統之產鹼裝置的雙極電滲析（BPED）系統的改良圖；
[圖4]係描繪根據一個例示性實施例的可被圖3之BPED系統利用之電滲析設備的改良圖；
[圖5]係描繪根據另一個實施例的改良之BPED系統的圖；
[圖6A]及[圖6B]分別為描繪在產鹼操作及維護操作期間圖5之BPED系統的改良圖；
[圖7]係描繪根據另一個實施例的包括逆滲透型預處理單元之改良之BPED系統的圖；
[圖8]係描繪根據另一個實施例的包括化學酸濃縮器型預處理單元的改良之BPED系統的圖；
[圖9]係描繪根據另一個實施例的包括化學酸濃縮器型預處理單元的改良之BPED系統的圖；以及
[圖10]係描繪根據另一個實施例的鹼化產物產生單元之簡圖。
50:海洋
50-1:放流口位置
50-2:海水
51:海水
52:傳送管道
54:區域
56:大氣區域
60:鹽原料
65:鹽水源
66:鹽水
80:LCE源
90:網際網路
95:電網
100:OAE系統
101:鹽輸入埠
103:鹼輸出埠
105:資料埠
106:電源埠
109:外殼
110:產鹼裝置
111-IN:原料(鹽)溶液
113-OUT:鹼化產物
180:控制器
181:LCE可用性資料信號
182:產鹼裝置操作性安全資料信號
183:海洋化學資料信號
185:信號
187:控制信號
190:功率分配電路
P:電功率
S1:感測器
S2:感測器
S3:感測器

Claims (20)

  1. 一種用於操作一電化學海洋鹼度增強（OAE）系統的電腦實施之方法，該OAE系統經組態以捕捉大氣二氧化碳並緩解海水酸化，該方法包含： 監測低碳/零碳電力之可用性並鑑別可獲得足夠的低/零碳或零碳電力以對一產鹼裝置可操作地供電的第一時段，該產鹼裝置經組態以產生海洋鹼化產物，該海洋鹼化產物包括含有完全溶解之鹼物質之鹽溶液； 監測一個或多個操作性安全信號並鑑別該等操作性安全信號指示該產鹼裝置可操作地組態以產生該海洋鹼化產物之第二時段； 監測一個或多個海洋化學信號並鑑別將該海洋鹼化產物供應至海水不會危及海洋生命之第三時段；且 控制由該產鹼裝置執行之操作，以使得該產鹼裝置僅在第四時段期間將該海洋鹼化產物供應至該海水，其中該第四時段包含該第一時段、第二時段及第三時段之全部的並行部分。
  2. 如請求項1之方法， 其中該產鹼裝置進一步經組態以在一放流口位置處將該海洋鹼化產物供應至該海水，且 其中監測該一個或多個海洋化學信號包含利用一感測器量測鄰近於該放流口位置安置的該海水之至少一部分的pH水平。
  3. 如請求項1之方法，其進一步包含控制由該產鹼裝置執行之操作，以使得該產鹼裝置在第五時段期間執行一個或多個維護週期，該第五時段包含該第一時段與該第二時段之並行部分。
  4. 如請求項3之方法， 其中該產鹼裝置包含一雙極電滲析（BPED）系統，且 其中控制在該第四時段期間由該產鹼裝置執行之操作包含控制該BPED系統，藉由處理外部供應之原料溶液而產生該海洋鹼化產物及酸物質。
  5. 如請求項4之方法，其進一步包含處理該酸物質以產生氫氣、氧氣及氯氣中之至少一者。
  6. 如請求項5之方法，其進一步包含利用該氫氣產生補充性低/零碳電力。
  7. 如請求項4之方法，其中該BPED系統包含一流體緩衝系統、一電滲析設備及一流量控制系統，其中該流體緩衝系統包含經組態以儲存該原料溶液之一部分的一第一槽、經組態以儲存酸溶液之一第二槽及經組態以儲存鹼溶液之一第三槽，且其中該電滲析設備包含至少一個鹽腔室、至少一個酸腔室及至少一個鹼腔室，且 其中控制在該第四時段期間由該產鹼裝置執行之操作包含控制該流量控制系統以將包含來自該第一槽之原料溶液的第一流1引導穿過該鹽腔室；控制該流量系統以將包含來自該第二槽之酸溶液的第二流引導穿過該酸腔室；及控制該流量系統以將包含來自該第三槽之鹼溶液的第三流引導穿過該鹼腔室。
  8. 如請求項7之方法，其中控制在該第五時段期間由一產鹼裝置執行之操作包含控制該流量控制系統以將來自該第二槽之第二流的至少一部分引導穿過該鹽腔室及該鹼腔室中之至少一者。
  9. 如請求項7之方法，其進一步包含： 預處理該外部供應之原料溶液以產生少鹽流體；且 將該少鹽流體供應至該第二槽及該第三槽中之至少一者中。
  10. 如請求項8之方法， 其中該外部供應之原料溶液包含海水， 其中該預處理包含利用一逆滲透單元產生該少鹽流體及高鹽流體，其中該高鹽流體具有高於該少鹽流體的鹽濃度，且 其中該方法進一步包含將該少鹽流體供應至該第二槽及該第三槽中並將該高鹽流體供應至該第一槽中。
  11. 如請求項8之方法， 其中該外部供應之原料溶液包含鹽水， 其中該預處理包含利用滲透驅動之正向滲透程序處理該鹽水以及酸流之至少一部分以產生該少鹽流體及高濃度酸，且 其中該方法進一步包含將該少鹽流體供應至該第一槽及該第三槽。
  12. 一種經組態以捕捉大氣二氧化碳並緩解海洋酸化之電化學海洋鹼度增強（OAE）系統，該OAE系統包含： 一產鹼裝置，其經組態以藉由處理原料溶液而產生海洋鹼化產物且經組態以在一指定放流口位置處將該海洋鹼化產物供應至海洋，其中該海洋鹼化產物包括含溶解之鹼物質的鹽溶液；及 一控制電路，其經組態以控制由該產鹼裝置執行之操作，以使得只有在該控制電路所接收之輸入資料指示以下情形時，將該海洋鹼化產物供應至該海洋中：(1)可獲得足夠的低/零碳電力以對該產鹼裝置可操作地供電；(2)該產鹼裝置可操作地組態以安全地產生並供應該海洋鹼化產物；及(3)供應該海洋鹼化產物不會危及該海洋中之海洋生命。
  13. 如請求項12之OAE系統，其中該產鹼裝置包含一雙極電滲析（BPED）系統，該BPED系統包含： 一緩衝系統，其包含一經組態以儲存該原料溶液之第一緩衝槽、一經組態以儲存酸溶液之第二緩衝槽及一經組態以儲存鹼溶液之第三緩衝槽； 一電滲析設備，其包含至少一個鹽腔室、至少一個酸腔室及至少一個鹼腔室；及 一流量控制系統，其經組態以：(i)將包含來自該第一緩衝槽之原料溶液之一部分的第一流引導穿過該至少一個鹽腔室；(ii)將包含來自該第二緩衝槽之酸溶液之至少一部分的第二流引導穿過該至少一個酸腔室；及(iii)將包含來自該第三緩衝槽之鹼溶液之一部分的第三流引導穿過該至少一個鹼腔室， 其中該電滲析設備經組態以藉由用電化學方法處理該第一流、該第二流及該第三流來產生該海洋鹼化產物及酸物質。
  14. 如請求項13之OAE系統， 其中該電滲析設備包含： 多個鹽腔室、多個酸腔室及多個鹼腔室，該等腔室串聯佈置以使得各該鹽腔室安置於一鄰近該酸腔室與一鄰近該鹼腔室之間，且各該鹼腔室安置於一鄰近該鹽腔室與一鄰近該酸腔室之間； 多個第一膜，其分別安置在各該鹽腔室與該鄰近酸腔室之間，該等第一膜各自經組態以將來自該鄰近鹽腔室之氯離子傳至該鄰近酸腔室； 多個第二膜，其分別安置在各該鹽腔室與該鄰近鹼腔室之間，該等第二膜各自經組態以將來自該鄰近鹽腔室之鈉離子傳至該鄰近鹼腔室；及 多個第三膜，其分別安置在各該酸腔室與該鄰近鹼腔室之間，該等第三膜各自經組態以：(i)將來自該鄰近鹼腔室之氫離子傳至該鄰近酸腔室；及(ii)將來自該鄰近酸腔室之氫氧根離子傳至該鄰近鹼腔室。
  15. 如請求項13之OAE系統，其中該BPED系統進一步包含一電解槽，其經組態以藉由處理該酸物質產生氫氣。
  16. 如請求項15之OAE系統，其中該BPED系統進一步包含一燃料電池，其經組態以藉由處理該氫氣產生補充性低/零碳電力。
  17. 如請求項13之OAE系統， 其中該流量控制系統包含： 一第一個三通閥，其連接至在該第一緩衝槽與該至少一個鹽腔室之間的一鹽流入管線且藉由一第一交叉饋入管線可操作地耦接至一酸流入管線，其中該酸流入管線經組態以將來自該第二緩衝槽之該第二流傳輸至該至少一個酸腔室， 一第二個三通閥，其連接至在該第三緩衝槽與該至少一個鹼腔室之間的一鹼流入管線且藉由一第二交叉饋入管線可操作地耦接至該酸流入管線，且 其中該控制電路進一步經組態以控制該第一個三通閥及該第二個三通閥，以使得： 在第一時段期間，該原料溶液自該第一緩衝槽經該第一個三通閥流動至該至少一個鹽腔室且該鹼溶液自該第三緩衝槽經該第二個三通閥流動至該至少一個鹼腔室，且 在第二時段期間，該酸溶液之至少一部分自該第二緩衝槽經該第一個三通閥及該第二個三通閥流動至該至少一個鹽腔室及該鹼溶液。
  18. 如請求項13之OAE系統， 其中該BPED系統進一步包含一預處理單元，其經組態以藉由處理該原料溶液而產生少鹽流體，且 其中該流量控制系統進一步經組態以將該少鹽流體引導至該第二緩衝槽及該第三緩衝槽中之至少一者。
  19. 如請求項18之OAE系統， 其中該原料溶液包含海水， 其中該預處理單元包含一逆滲透單元，其經組態以處理該海水並產生該少鹽流體及高鹽流體，該高鹽流體具有高於該海水及該少鹽流體之鹽濃度，且 其中該流量控制系統進一步經組態以將該高鹽流體引導至該第一緩衝槽且將該少鹽流體引導至該第二緩衝槽及該第三緩衝槽。
  20. 如請求項18之OAE系統， 其中該原料溶液包含鹽水， 其中該預處理單元包含一化學酸濃縮器，其經組態以處理該鹽水以及該酸物質之至少一部分 以產生濃酸物質及該少鹽流體，其中該少鹽流體具有低於該鹽水之鹽濃度，且 其中該流量控制系統進一步經組態以將該少鹽流體引導至該第一緩衝槽。
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