TWI429476B - 藉碳酸鹽及／或碳酸氫鹽無機物之共生作用以自廢液流中移除二氧化碳之裝置 - Google Patents

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Description

藉碳酸鹽及/或碳酸氫鹽無機物之共生作用以自廢液流中移除二氧化碳之裝置
本發明大致係關於自廢液流移除二氧化碳並附隨移除其他污染物之領域。更特定言之，本發明係關於藉由自似烟道氣之濃縮氣流吸收二氧化碳及其他污染物，然後共同產生夾帶及中和任何經吸收之附帶污染物的碳酸鹽及/或碳酸氫鹽物質，而自廢液流移除二氧化碳及其他污染物。
過去四十年來國內及國際的私立及商業部門愈來愈關注工業界的空氣排放物。特定言之，注意力係集中在具有影響大氣中太陽熱量滯留之性質，而產生"溫室效應"的溫室氣體上。當來自太陽的熱被截留於地球的大氣及水圈中，使地球的平均大氣溫度、海洋溫度、及其他平均溫度量度提高至包括會發生氣候變化的程度時即產生溫室效應；一般認為此效應係地球熱平衡的操作效應，儘管人類燃燒材料對其影響的速率及程度及此效應的程度、方向及規模仍有爭論。儘管仍有爭論，但眾人皆同意若成本夠低，則自點排放源移除CO2 (及其他化學物質)將有助益。
溫室氣體主要係由二氧化碳所組成，且係由都市電廠及大型工業的廠內電廠所產生，儘管其亦會於任何一般的碳燃燒(諸如汽車、砍伐雨林、單純燃燒等等)中產生，但其最集中的點排放係發生在遍及地球的電廠，而使得自該等固定位點減量或移除成為達成移除技術的引人重點。由於能源產生係溫室氣體排放的主要原因，因而過去三十年來已密集研究探討藉由各種方式諸如降低碳強度、改良效率及自電廠烟道氣隔離碳的方法。
降低碳強度包括交替使用非碳能源諸如核能、水力發電、光電效應、地熱及其他電力來源，以降低完全透過碳燃燒所產生之電力的百分比。雖然各此等電力產生技術持續在總能量產生方面增進，但預期世界電力需求的前景將以較由此等方法所產生能量快的速度增加。因此，儘管非碳能源有所成長，但預期碳溫室氣體的排放仍將增加。
改良效率一般的重點在於透過預燃燒、去碳酸化、燃燒氧之燃燒作用等等，經由先減低CO2 之產生量，然後再將所有可能的污染物儘可能完全地氧化，而改良碳之燃燒的技術上。此外，此技術提高釋放每單位二氧化碳排放所產生之能量量值，而改良效率。雖然此領域中的長足進步已改良燃燒效率，但由此努力範圍所得的改良極少。
隔離碳(以氣態CO2 之起始形式)的嘗試產生許多不同的技術，其可大致歸類為地質、陸地、或海洋系統。此等技術主要係關於將所產生之二氧化碳輸送至自然界，及將二氧化碳注入至地質、土壤、或海洋貯藏處中。各此等隔離技術皆涉及製備CO2 供輸送用，完成輸送，及執行注入至"碳儲存所"中的高成本。因此，此等技術在經濟上一般並不可行，且在許多情況中，其會消耗較原本所產生之碳更多的能量。
隔離亦可包括數種工業程序，其包括滌氣、薄膜、低成本O2 及水合。然而，各此等技術皆由於工廠資本成本提高至不經濟的程度，及達成CO2 捕捉的電力成本相當昂貴而不利。
所提及的缺點並非巨細靡遺，其僅係傾向於減損先前已知技術對於自廢液流移除二氧化碳之效用之許多缺點中的部分；然而，此處所提及之缺點即足以顯示技藝中所出現之方法並不令人滿意，而仍極度需要本揭示內容中所說明及提出專利申請之技術。
本發明提供用於自廢液流移除二氧化碳的方法及裝置，此等方法及裝置可克服前述的問題。大體而言，本發明係關於使用氫氧化物化合物於形成碳酸鹽及/或碳酸氫鹽，而自氣流移除二氧化碳之方法。此碳酸鹽及/或碳酸氫鹽可接著使用於任何的用途中，或簡單地將其棄置。
本發明之各種具體實施例提供超越自廢液流過濾二氧化碳之現有技術的優點。一些可由本發明所實現的可能優點包括下述。
不同於將碳物理移除至遠處之方法，藉由合成自氯化鈉及二氧化碳以工業規模共同產生碳酸鈉及/或碳酸氫鈉直接在電力產生點將不期望的二氧化碳轉化為化學物質，潛在地免除輸送至隔離位置的成本。
不同於不易作改進之將烟道氣流去碳酸化的其他嘗試，本發明之具體實施例可對現有的電廠作改進，而大大地降低實施去碳酸化處理所需的資本成本。另外，去碳酸化處理可放大，且可藉由添加額外的反應器單元藉由領試至中間至全規模的實施而實行。
不同於技藝中的其他方法，特定具體實施例之去碳酸化方法將二氧化碳隔離成經濟上有用的化學物質，並共同附隨產生有用的副產物諸如氯氣、碳酸鈉及氫氣。由於去碳酸化程序的副產物在經濟上有用，因而該等價值彌補隔離成本，且在經適當設計的系統中，其可能可使隔離程序的本身獲利。
由於排放烟道氣之主動滌氣的共同附隨程序，因而其他不期望的酸性污染物諸如SOx 、NOx 、HgOx 等等，亦會於程序中主動地被洗除。另外，滌氣程序會導致捕捉及/或夾帶碳酸鈉中之其他氣流成分及/或污染物(例如，來自煤之灰等等)，因而將其自氣流移除。
本發明之特定具體實施例包括一種自氣流移除二氧化碳之方法，其包括：於水性混合物中製得氫氧化物；將此氫氧化物與氣流摻混以產生摻混物中之碳酸鹽產物(經定義為包含碳酸根基(CO3 )之產物)、碳酸氫鹽產物(經定義為包含碳酸氫根基(HCO3 )之產物)、或碳酸鹽與碳酸氫鹽產物的混合物；及自摻混物分離該碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物，因而自氣流移除二氧化碳。氫氧化物可為任何形式的氫氧化物，包括，但不限於，氫氧化鈉、氫氧化鉀、氫氧化鈣、氫氧化鎂及氫氧化鋁。熟悉技藝人士當明瞭可利用任何數目的氫氧化物或氫氧化物之混合物得到類似的化學性及去碳酸化作用。在一些較佳具體實施例中，氫氧化物為氫氧化鈉。
在特定具體實施例中，此方法進一步包括對方法進行程序控制以實質上僅製得碳酸鹽產物或實質上僅製得碳酸氫鹽產物。在其他具體實施例中，此方法進一步包括對方法進行程序控制以製得碳酸鹽及碳酸氫鹽產物之混合物，此混合物可包括約X%之碳酸鹽及約Y%之碳酸氫鹽，其中X-Y之組合為下列任何一者：1-99、2-98、3-97、4-96、5-95、6-94、7-93、8-92、9-91、10-90、15-85、20-80、25-75、30-70、35-65、40-60、45-55、50-50、55-45、60-40、65-35、70-30、75-25、80-20、85-15、90-10、91-9、92-8、93-7、94-6、95-5、96-4、97-3、98-2、或99-1。
在特定具體實施例中，摻混係於兩個別的室中發生，其中一個室係用於產生碳酸鹽產物及另一室係用於產生碳酸氫鹽產物。在其他具體實施例中，摻混係於氣泡塔(bubble column)或串聯的氣泡塔中發生。在又其他的具體實施例中，自摻混物分離碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物包括加熱沈澱分離程序。在一些具體實施例中，用於分離程序的熱係得自與進入烟道氣的熱交換。經分離的碳酸鹽可為水性漿液之形式或為氫氧化物、碳酸鹽及水於分離時之不同濃度下之溶液，若係如此，則其可接著利用許多方法的任何一種乾燥。在一些具體實施例中，不需將碳酸鹽乾燥。舉例來說，可使用碳酸鈉之漿液於處理硬水。當然，熟悉技藝人士當知曉可應用利用本發明方法製得之碳酸鹽之相當多樣的用途，例如，可將碳酸氫鈉及碳酸鈉之漿液混合物於液櫃車中泡成漿液，以使用於各種形式的清潔劑製造，使用於玻璃製造中作為助熔劑等等，以及先前提及的水處理用途。
在特定具體實施例中，此方法進一步包括將碳酸鹽產物輸送至遠端的隔離位置；使碳酸鹽產物與酸於中和反應中結合以產生純二氧化碳；及將二氧化碳注入至碳儲存所中。在其他具體實施例中，於碳酸鹽形成程序中中和及/或夾帶/捕捉氣流之其他成分，包括SOx 、NOx 及含汞物質。
在一些具體實施例中，製得氫氧化物包括：製得一鹽；將該鹽與水、蒸汽、或兩者摻混以產生一溶液；及電解該溶液以產生氫氧化物。在特定具體實施例中，溶液係使用大於或等於約5伏特之電壓電解，而在其他具體實施例中，溶液係使用低於約5伏特之電壓電解。在一些具體實施例中，溶液係使用在1伏特與5伏特之間的電壓(包括約1.5伏特、約2.0伏特、約2.5伏特、約3.0伏特、約3.5伏特、約4.0伏特、或約4.5伏特)電解。
在特定具體實施例中，在電解之前將酸加至溶液中。酸可為可提供溶液質子化作用之任何形式的酸，包括，但不限於，鹽酸。熟悉技藝人士當明瞭可利用任何數目的酸或酸之混合物而得到類似的化學性及電解作用。在一些較佳具體實施例中，酸為鹽酸。在其他具體實施例中，添加至溶液之酸的量係基於達到最低能量以製得反應物及最高能量以自產物回收之最佳質子化比率而決定。
在又其他的具體實施例中，電解步驟係於具有陰極電解液側及陽極電解液側的電化學電池中發生，及將碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物再循環至電化學電池的陰極電解液側。在其他具體實施例中，以自氣流回收得之廢熱補充方法所需的能量。
本發明之其他具體實施例包括一種自氣流移除二氧化碳之方法，其包括：製得於水性混合物中之氫氧化鈉；將此氫氧化鈉與氣流摻混以產生碳酸鈉、碳酸氫鈉、或碳酸鈉與碳酸氫鈉之混合物；及自摻混物分離該碳酸鈉及/或碳酸氫鈉，因而自氣流移除二氧化碳。
在一些具體實施例中，此方法進一步包括對方法進行程序控制以實質上僅製得碳酸鈉或實質上僅製得碳酸氫鈉。在其他具體實施例中，此方法進一步包括對方法進行程序控制以製得碳酸鈉及碳酸氫鈉之混合物，此混合物可包括約X%之碳酸鈉及約Y%之碳酸氫鈉，其中X-Y之組合為下列任何一者：1-99、2-98、3-97、4-96、5-95、6-94、7-93、8-92、9-91、10-90、15-85、20-80、25-75、30-70、35-65、40-60、45-55、50-50、55-45、60-40、65-35、70-30、75-25、80-20、85-15、90-10、91-9、92-8、93-7、94-6、95-5、96-4、97-3、98-2、或99-1。
在特定具體實施例中，摻混係於兩個別的室中發生，其中使用一個室於產生碳酸鈉及使用另一室於產生碳酸氫鈉。在其他具體實施例中，摻混係於氣泡塔或串聯的氣泡塔中發生。在又其他的具體實施例中，自摻混物分離碳酸鈉及/或碳酸氫鈉包括加熱沈澱分離程序。在一些具體實施例中，用於分離程序的熱係得自與進入烟道氣的熱交換。
在特定具體實施例中，此方法進一步包括：將碳酸鈉輸送至遠端的隔離位置；使碳酸鹽產物與酸於中和反應中結合以產生純二氧化碳；及將二氧化碳注入至碳儲存所中。
在一些具體實施例中，製得氫氧化鈉包括：製得氯化鈉；將氯化鈉與水、蒸汽、或兩者摻混以產生鹽水；及電解該鹽水以產生氫氧化鈉和氯氣。在特定具體實施例中，鹽水係使用大於或等於約5伏特之電壓電解，而在其他具體實施例中係使用低於約5伏特之電壓電解。在一些具體實施例中，溶液係使用在1伏特與5伏特之間的電壓(包括約1.5伏特、約2.0伏特、約2.5伏特、約3.0伏特、約3.5伏特、約4.0伏特、或約4.5伏特)電解。
在一些具體實施例中，在電解之前將酸加至鹽水中。酸可為可提供溶液質子化作用之任何形式的酸，包括，但不限於，鹽酸。熟悉技藝人士當明瞭可利用任何數目的酸或酸之混合物而得到類似的化學性及電解作用。在一些較佳具體實施例中，酸為鹽酸。在又其他的具體實施例中，添加至鹽水之酸的量係基於達到最低能量以製得反應物及最高能量以自產物回收之最佳質子化比率而決定。
在特定具體實施例中，電解步驟係於具有陰極電解液側及陽極電解液側的電化學電池中發生，及將碳酸鈉及/或碳酸氫鈉再循環至電化學電池的陰極電解液側。在其他具體實施例中，以自氣流回收得之廢熱補充方法所需的能量。在又其他的具體實施例中，此方法進一步包括收集氯氣，而在其他具體實施例中產生氫氣。在一些具體實施例中，將氫氣及氯氣燃燒形成鹽酸，在電解之前將其加至鹽水。在其他具體實施例中，利用大氣氧或來自原料化學品之氧燃燒氫氣以產生水，而在其他具體實施例中，此方法包括使用氫氣於產生能量。在一些具體實施例中，自摻混物分離碳酸鈉及/或碳酸氫鈉包括加熱沈澱分離程序，其中用於分離程序之熱係源自氫氣所產生之能量。在其他具體實施例中，氫氣係與煤共同燃燒以改良燃煤排放物，或氫氣係用於供DC電力之燃料電池回收之燃燒程序中。
在一些具體實施例中，氣流係來自工廠的排氣流，而在其他具體實施例中，工廠係使用碳基燃料源的電廠。在特定具體實施例中，排氣流包含CO2 及H2 O。
本發明之特定具體實施例亦包括一種裝置，其包括：一包括至少一陰極及至少一陽極之電解室，該室在使用過程中可產生氫氧化物；可操作地連接至該電解室及一導管以於使用過程中容納氣流之混合設備，該混合設備在使用過程中可將來自電解室之氫氧化物與氣流摻混以產生一摻混物，其中氣流中之碳、硫及/或氮化合物可與氫氧化物反應；及一可操作地連接至該混合設備且可將該混合物分離成個別的氣相及固相及/或液相的分離室。
在一些具體實施例中，電解室包括一薄膜電池、一隔膜及/或汞。在特定具體實施例中，混合設備係批式反應器或串聯的批式反應器，而在其他具體實施例中，混合室係氣體/液體吸收/反應裝置或串聯的氣體/液體吸收/反應裝置。在其他具體實施例中，混合室係結晶塔或串聯的結晶塔，而在其他具體實施例中，其係氣泡塔或串聯的氣泡塔。
在特定具體實施例中，此裝置進一步包括一可操作地連接至分離室且在使用期間可自固相及/或液相移除液體之乾燥室，而在其他具體實施例中，乾燥室可於使用期間加熱固相及/或液相。在又其他的具體實施例中，裝置係進一步界定為可操作地連接至一電廠。
在一些具體實施例中，電解室在使用期間可自氯化鈉及水產生氯氣及氫氧化鈉。在其他具體實施例中，混合設備在使用期間可將來自電解室之氫氧化物與來自氣流之二氧化碳摻混，而產生碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物。
在又其他的具體實施例中，本發明包括一種對於給定的V/I特性在給定的質子化作用下，對於相對於增加面積之低電壓操作決定電化學電池之最佳操作電壓及電流的方法。在其他具體實施例中，本發明包括一種對製程中所使用之給定的電解電池決定操作電壓之熱力學下限的方法。在特定具體實施例中，提供一種對完成自廢液流移除CO2 之工作之裝置大致定義生態學效率(CO2 /E)之方法，而其他具體實施例包括一種明確對使用本發明之任何具體實施例之裝置定義生態學效率(CO2 /E)之方法。其他具體實施例包括一種以低的價格無差異點產生極純氫氣之方法，其之成本等於可取回的能含量。
術語"包括"(及包括的任何形式，諸如"包含"及"含有")、"具有"(及具有的任何形式，諸如"具"及"有")係開放式的連結動詞。因此，"包括"、"具有"、"包含"、或"含有"一或多個步驟或元件之方法或裝置具有該等一或多個步驟或元件，但並不限於僅具有該等一或多個步驟或元件。同樣地，"包括"、"具有"、"包含"、或"含有"一或多個特定之裝置的元件或方法具有該等一或多個特徵，但並不限於僅具有該等一或多個特徵。術語"使用"應以相同的方式詮釋。因此，舉例來說，包括"使用"特定資訊之一方法中之一步驟係指至少使用所引述之資訊，但並不排除亦可使用其他未引述資訊的可能性。再者，以一特定方式構造之結構必需至少以該方式構造，但其亦可以一或多種未明確說明之方式構造。
除非本揭示內容中另作明確要求，否則術語"一"及"一個"係經定義為一或多於一個。術語"另一"係定義為至少第二個或更多個。術語"實質上"及"約"係定義為至少接近(且包括)一給定的值或狀態(以在其之10%內較佳，1%內更佳，及0.1%內最佳)。
文中所使用之術語"碳酸鹽"或"碳酸鹽產物"係大致定義為含有碳酸根基(CO3 )的無機物成分。因此，此等術語涵蓋碳酸鹽/碳酸氫鹽混合物及單獨含有碳酸根離子的物種。術語"碳酸氫鹽"及"碳酸氫鹽產物"係大致定義為含有碳酸氫根基(HCO3 )的無機物成分。因此，此等術語涵蓋碳酸鹽/碳酸氫鹽混合物及單獨含有碳酸氫根離子的物種。
在使用本發明之一些具體實施例形成碳酸氫鹽及碳酸鹽時，術語"離子比"係指產物中之鈉離子除以存在於該產物中之碳數的比。因此，可將由純碳酸氫鹽(NaHCO3 )形成之產物流稱為具有1.0之"離子比"(Na/C)，而可將由純碳酸鹽(Na2 CO3 )形成之產物流稱為具有2.0之"離子比"(Na/C)。依此類推，可將碳酸鹽及碳酸氫鹽之無限數目的連續混合物稱為具有在1.0與2.0之間變化的離子比。
在本發明之一些較佳具體實施例中，將鹽酸加至氯-鹼電解電池之氯化鈉鹽水原料，導致發生以下反應：
H2 O+NaCl+aHCl+能量→NaOH+(1/2+a/2)H2 +(1/2+a/2)Cl2
在此方程式中，術語"a"係定義為"質子化因子"，且其代表質子(H+ 離子)對鈉離子(Na+ 離子)之比。
文中所使用之術語"隔離"係用於大致指示其之部分或整體效應係自點排放源移除CO2 及將該CO2 以某種形式儲存以防止其回到大氣的技術或實務。使用此術語並不排除將任何形式的說明具體實施例視為"隔離"技術。
文中所使用之術語"生態學效率"係與術語"熱力學校率"為同義，且係定義為消耗每單位能量由本發明之特定具體實施例所隔離之CO2 的量(以方程式"CO2 /E"表示)。CO2 隔離係以總工廠CO2 之百分比標稱；能量消耗係以總工廠電力消耗類似地標稱。
文中所使用之術語"低電壓電解"及"LVE"係用於指示在低於約5伏特之電壓下的電解。
將熟知加工技術、成分及設備的說明省略，以不致不必要地隱晦本方法及裝置的不必要細節。本方法及裝置之說明(包括附錄中之說明)係為範例而非限制性。熟悉技藝人士可基於本揭示內容而明白歸屬於申請專利範圍之範疇內，但未明確列示於本揭示內容中之特定的替代、修改、增補及/或重組。
其他特徵及相關優點將可參照以下特定具體實施例之詳述結合附圖而明白。
本發明係關於將二氧化碳自廢液流移除並轉化成碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物的隔離方法。本發明之方法及裝置之具體實施例包括下列一般成分的一或多者：(1)水性去碳酸化程序，藉此將氣態CO2 吸收至水性鹼性混合物中，然後再與氫氧化物反應生成碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物；(2)分離程序，藉此將碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物自液體混合物分離；(3)鹽水電解程序，其用於製造在去碳酸化程序中使用作為吸收劑流體之氫氧化鈉；及(4)產生及利用來自去碳酸化及電解程序之副產物，包括氯氣、碳酸鈉及碳酸氫鈉及氫氣。將各此等一般成分進一步詳細說明於下。
I.　優點概述
如同執行工作以完成目的之任何其他方法或裝置，本發明之許多具體實施例消耗一些能量以完成CO2 及其他化學物質自烟道氣流之吸收及完成如文中所說明之本發明之具體實施例的其他目的。然而，本發明之特定具體實施例的一優點為其提供優於先前技藝的生態學效率，如詳細說明於實施例5及6。如由實施例5及6中之數據所明顯可見，用於供給程序電力之擴大的廢熱回收或非溫室氣體產生之能量，利用再更低電壓之電解，及改良來自氫氣能量回收之電回流可進一步將程序的生態學效率改良至及超越程序係完全由廢熱回收(及氫氣能量之回收)供電的程度，及吸收實質上100%之電廠排放的CO2 。
另外，使用本發明之特定具體實施例之極端化學性以致其吸收弱酸CO2 之一優點為程序實質上完全吸收強酸(SOx 及NOx )，及吸收較低程度的汞。於加料負荷單一階段去碳酸器中使用SOx /Ar及NOx /Ar之試驗顯示烟道氣之此等成分之99%+的移除(所謂"99%+"係指在14公升/分鐘烟道氣處理之情況利用氣相層析技術未於產物空氣流中偵測到任一污染物的存在，即其被有效地移除)。在本發明之特定具體實施例中，NOx 、SOx 及汞化合物之附帶滌洗可呈現更大的經濟重要性；即經由使用本發明之具體實施例，可於電廠中燃燒包含大量此等化合物之煤，且在某些具體實施例中，產生較未利用本發明之特定具體實施例之CO2 /吸收程序之優點而處理之較高級煤少的污染。
此外，本發明之特定具體實施例的放大性可進行至極端的等級；即由於在特定具體實施例中，程序係經電控制，因而電力費用可實質上放大至在任何給定時刻所產生之吸收劑的個別分子。此外，準確測定CO2 吸收量的能力實用且容易：稱重生成的碳酸鹽/碳酸氫鹽產物，藉由鑑定測量其之離子比，執行計算以測定經吸收CO2 之莫耳數，及容易地確認及測量吸收的CO2 (一項可有利於用於移除烟道氣中之CO2 及其他化學物質之特定誘因法則的因素)。
區別本發明之特定具體實施例與其他CO2 移除程序的另一額外優點為在一些市場情況中，產物較所需之反應物或淨電力或工廠折舊成本顯著更有價值。換言之，特定具體實施例為在獲利下製造氯-氫-碳酸鹽產物之工業方法，同時達成CO2 及重要附隨污染物的顯著移除。所有其他競爭的方法單純係額外的操作成本。
II.　方法流程圖
圖1描繪一說明本揭示內容之裝置及方法之一般範例具體實施例的簡化方法流程圖。此圖僅係提供作說明用，因此其僅描繪本發明之特定具體實施例，且其並不以任何方式限制申請專利範圍之範疇。如圖1所示，烟道氣(FG)於901進入製程，其可能係於先與廢熱/DC產生系統交換廢熱之後。FG(其於此實例中係以300℃之氣體混合物進入)先由管902傳送至FG/碳酸氫鹽熱交換器903，於其中FG溫度在此實例中降至120-140℃。FG類似地繼續通過陽極電解液/FG熱交換器904及陰極電解液熱交換器905，使其溫度降至95℃，然後再通過水/FG熱交換器929，使其溫度進一步降至30℃。接著將離開水/FG熱交換器929的FG引入至閥配置、烟道氣溫度混合控制931，於其中可將30℃的FG與亦藉由熱烟道氣製程管906傳送至烟道氣溫度混合控制931之120-140℃的烟道氣混合。然後可將在30-140℃之間的FG混合物不同地引入至碳酸化/吸收塔907之底部，該碳酸化/吸收塔907可為其中經注入或噴灑氣體之填充或未填充氣泡塔，以致氣體形成上升通過流體的氣泡，而於上方排氣口908處收集。在此具體實施例中，經部分或完全去碳酸化的流體接著注入及通過碳酸氫化/轉化塔909，發泡通過該塔中之流體，經鼓風機進一步拉引，並排出至排氣口910。
使用於FG/碳酸氫鹽熱交換器903中之流體係碳酸氫鈉/碳酸鈉及各種硫酸鹽、硝酸鹽、汞及吸收自吸收/轉化塔(907及909)中之烟道氣的顆粒及氣溶膠。藉由其與300℃之進入FG的接觸，此液態流體經加熱至足以產生顯著水蒸氣壓的溫度，當將流體注入至槽911中時產生蒸汽，其接著於冷凝器912中冷凝，而將所產生之蒸餾水再循環至H2 O回收槽913，其於任何需要的調理之後進一步利用於在鹽水混合器914中形成鹽水。使用於陽極電解液/FG熱交換器904中之流體係由將第1組及第2組鹽(在此例中為NaCl)添加至供給自主水源915或部分或完全供給自H2 O回收槽913之水中所製成之鹽水。此鹽水藉由添加呈經水吸收之HCl氣體形式或來自原料化學HCl之HCl而質子化(酸化)，其皆係由pH閉環控制器916所控制。此流體循環通過電解電池933的陽極電解液段917。同樣地，使用於陰極電解液/FG熱交換器905中之流體係循環通過電解電池933之陰極電解液段918的NaOH(aq)。當陰極電解液之pH超過在控制點919之最小pH(作為濃度的代替)值時，將濃NaOH傳送至氫氧化物儲存槽920。
使用於水/FG熱交換器929中之流體係來自在夠冷溫度下之夠大的水儲槽，以完成熱交換。在一些具體實施例中，可將此熱交換系統使用作為碳酸氫鹽/碳酸鹽溶液在於烟道氣/碳酸氫鹽熱交換器905中進一步熱交換之前的"預升溫"處理。此外，在一些具體實施例中，可將主水源915、H2 O HX儲存槽937及H2 O回收槽913的槽件部分或完全結合。
循環通過電解電池933之陽極電解液段917的經質子化鹽水經電解程序作用形成氯氣，其經收集並移動通過氯氣管線921，而至(在此例中)次氯酸鈉反應器924。鈉離子及氫離子(質子)經輸送通過電解電池933之薄膜而至陰極電解液段918中。在此，鈉離子置換水中之氫離子，使其形成氫氣，將其於進入純氫氣管件922中移除至H2 /O2 燃料電池923，在此其與大氣O2 結合產生DC電力，在此例中將其再循環至電解電池933，及再循環通過純水回收迴路935至H2 O回收槽913之純水中。傳送至次氯酸鈉反應器924之氯氣接觸(發泡)通過自氫氧化物儲存槽920傳送至反應器之氫氧化鈉。產生次氯酸鈉，及將其儲於槽內送至市場或進一步使用作為原料化學品。一些產生(使用超過化學計量的量a將產生除補充損耗外之HCl的連續再循環)的氯及HCl氣體在此於HCl燃料電池925中燃燒，然後將其通過HCl酸性氣體回流管線926再循環至鹽水混合器914。
經產生及儲存，或由原料化學品製得及儲存於氫氧化物儲存槽920中之氫氧化物係經引入至碳酸化/吸收塔907的吸收劑流體。其接著通過碳酸氫化/轉化塔909，然後再傳送(以於水中之碳酸氫鹽/碳酸鹽混合物)至FG/碳酸氫鹽熱交換器903。於透過蒸發移除水後，將濃碳酸氫鹽/碳酸鹽之產物漿液傳送至碳酸氫鹽產物槽927，在此其可經引出作進一步加工或精製，或可將其送去棄置或市場。
將說明於上及示於圖1之本揭示內容之裝置及方法的各一般化成分進一步詳細說明於下。
III.　自廢液流水性去碳酸化(吸收)CO 2 及將其轉化為碳酸鹽及碳酸氫鹽
如前所指，在特定具體實施例中，本揭示內容之裝置及方法使用水性去碳酸化程序，藉此將氣態CO2 吸收至水性苛性混合物中，然後再與氫氧化物反應生成碳酸鹽及碳酸氫鹽產物。在本發明之許多具體實施例中，不同於其他的捕捉/隔離流程，將氫氧化鈉使用作為主要的吸收劑流體。已知各種濃度之氫氧化鈉為CO2 的迅速吸收劑。當使二氧化碳與氫氧化鈉水溶液接觸時，會生成自純碳酸氫鈉(NaHCO3 )至純碳酸鈉(Na2 CO3 )的連續產物，且可產生將驅使平衡朝任一方向，甚至達到完全(或其附近)，及在足夠的濃度下(藉由製程化學或利用各種方式移除水)，使碳酸氫鹽、碳酸鹽、或包含兩化合物之混合沈澱物沈澱的不同條件。
當使二氧化碳與氫氧化鈉水溶液接觸時，當反應進行指示的時間時，反應室內之流體近似圖3所示之行為。兩溫度行進期係對應及指示兩不同的反應體系。
(1)CO2 容易地被吸收之起始吸收期。流體的吸收力隨OH濃度之減小而衰退，且吸收終止，及在一些情況中當OH離子濃度經消耗時其逆轉。在此部分之反應為放熱性，且其幾乎完全生成碳酸鹽。
(2)CO2 未容易地被吸收之第二轉化期。烟道氣之通過混合物並未導致任何被流體的淨CO2 吸收，但流體由於任何的水蒸發經由損耗蒸發熱，經由任何CO2 之損耗至蒸氣態，及經由任何發生的吸熱反應，而被顯著地冷卻。在此期中，已以溶液生成之碳酸鈉經由以下需求的淨化學計量轉化為碳酸氫鈉：
Na2 CO3 (aq)+H2 O(l)+CO2 (aq)→2NaHCO3 (aq)
此先碳酸化然後再碳酸氫化之順序可經由將圖2A中之裝置(如詳細說明於實施例3)重複運轉至及通過利用不同濃度吸收劑之流體的吸收極限而可再現地展示。
兩期由下表1所示之特徵作區別。
雖然本發明之具體實施例可使用相同的室於在原位完成此兩程序，但反應的不同性質建議將反應分隔成兩室及分別將其最佳化係較佳具體實施例的適當路徑。不管轉移裝置之"內部配置"為何(即批式對連續之程度、少數的室、容器、階段等等)，其基礎為兩程序係於此順序中以足以提供良好吸收的莫耳濃度發生。
因此，由於可對本方法及裝置之一些具體實施例進行程序控制以產生純或接近純的碳酸氫鈉，因此，本發明之一些具體實施例每藉由電解產生一個鈉即捕捉一個碳，而非1/2個(標稱2倍於產生碳酸鹽之提供生態學效率的改良)。因此，與生成碳酸鹽之吸收/能量效率比較，當用於生成碳酸氫鹽時，產生一莫耳氫氧化物所消耗之電解能量及處理的量較"正常"吸收電力加倍。
在本發明之各種具體實施例中，可製得所有形式的碳酸氫鹽/碳酸鹽濃度範圍。在較佳具體實施例中，可操控流體之濃度、溫度、壓力、流率等等，以使經吸收以最佳化碳酸氫鹽之生成之"有效"CO2 的比例最佳化。
本發明之一些具體實施例可藉控制吸收流體中之pH(OH離子濃度)作為控制CO2 及其他氣體之吸收速率的方式。在一些較佳具體實施例中，可使用增加濃度的鹽/碳酸鹽於進一步驅使反應朝向生成碳酸氫鹽。產品的市場價格及經濟因素會使操作在一段時期製造富含碳酸鹽之產物，然後在另一段時期製造富含碳酸氫鹽之產物等等，其中工廠之Na/C的平均值則構成其有效利用吸收/轉化所產生之離子物種的量度。
經由將兩程序分隔至兩不同的室及使室之間的OH耗盡點、溫度停滯/降落及吸收衰減轉變，而改變可構造去碳酸化裝置及將其最佳化的方式。熟悉技藝人士當明瞭可設計此簡單兩階段程序去碳酸化程序的批式、假連續、連續等的形式。
此外，為以可能的最少能量完成吸收，本發明之許多較佳具體實施例可使用氣泡塔反應器(經填充或未填充，具有/不具有水平流體流動，具有或不具有水平流體流動)，其特性為產生大的液體/氣體接觸面積以幫助質量輸送，由此整體的設計效益為可自由利用具短階段高度(3米或以下)之階段，但仍利用極少阻力或壓力頭於克服流體之泵送而達到90%+的吸收，因此其經設計利用寬的水平面積以達成工業放大(寬而淺的池或相等的容器)，潛在利用水平移動於適應連續操作。本發明之一些具體實施例可利用許多其他形態之氣-液接觸器，只要該等裝置可達到所需的氣-液接觸即可。
圖4顯示5英吋塔柱之溢出研究，其中阻力大約為0.01 psig，加上1.52 psig之水頭而克服5英吋之流體深度。預期此等損耗及其他的壓縮成本消耗低於1%的電廠基礎，因此其被認為極小而不被計算在實例中。圖4證實流體路徑中之極低的阻力將導致極低的能量壓縮，以致裝置的生態學效率不會因消耗於壓縮或氣體處理的過多能量而減損。
本方法及裝置之具體實施例的生態學效率經由作最少可能的功於吸收CO2 而增進，且使該效率減低的一項因素係完成該程序所需之壓縮、流體及空氣之泵送的量值。為此，設計兩高效率吸收器(可自進入之烟道氣流(其係60%CO2 於N2 中)移除99%之CO2 )，以利用達成高CO2 吸收速率之"短階段"進行操作。
本發明之較佳具體實施例使用寬面積的液體-氣體轉移表面(氣泡塔，經填充或清空，或其於靜態或移動流體容器中之相等物)於在短高度的流體吸收劑中達成高吸收速率，因而降低使流體接觸所需之阻力，且因此，此"短階段設計"需要於管件、溝渠、容器等等中使用寬而短的"池"或其相等物，以有效地吸收大量的CO2 。
本揭示內容之去碳酸化反應大致被主流工業及所有其參考文獻視為係質傳限制。實務上，在氣泡上升通過流體之方法中使用具寬面積氣-液接觸吸收之填充或未填充塔柱，反應似乎具有極少的質傳限制，或換言之，利用本方法之氣泡塔設計於液體-氣體接觸似乎可簡單地克服質傳限制：經證實利用零填充透過僅具有30公分之氣體/液體接觸距離之噴灑器的發泡可產生CO2 之98%+吸收的瞬間速率(見如實施例3所論述之圖2B及2C)，及在15-25分鐘之具工業意義的時間框架內流體仍保有平均多至80%+吸收之能力。此幾乎沒有嚴重的質傳限制，及實際的實驗即使係利用簡單的加料負荷運轉至消失仍顯示此化學吸收的迅速質傳。
將高吸收CO2 /NaOH吸收反應器之設計的三個實例詳細說明於實施例1-3。由實施例1-3所得之結論為利用短階段之NaOH的高吸收速率經證實及顯示在工業上可在低阻力下，在可製造尺寸的容器中移除高百分比之進入的CO2 。
概言之，本發明之關於方法及裝置之去碳酸化部分的特定具體實施例包括下列特質的一或多者：
(1)使用短階段於在反應的碳酸化期中達到CO2 的高吸收速率；
(2)於碳酸氫化程序中透過與帶有CO2 之製程氣體(或其他具有大於自吸收劑流體重組之CO2 分壓之CO2 濃度之帶有CO2 的氣體)連續接觸而分離及處理碳酸化流體；
(3)具有可藉由狀態變數及濃度之程序控制而用於產生純碳酸氫鹽、純碳酸鹽及所有各種介於其間之混合物的製程順序；及
(4)本發明之具體實施例可有效率至1:1鈉/碳吸收比；此將使用於製造反應物之每仟瓦-小時所吸收之CO2 (生態學效率之變形，(CO2 /E))最佳化。
IV.　產物之分離
如前所指，在特定具體實施例中，本揭示內容之裝置及方法使用藉以將碳酸鹽及碳酸氫鹽產物自液體溶液分離的分離程序。分離液體溶液產物需要相關的程序。與氫氧化鈉(NaOH或苛性鈉)液體平衡之碳酸氫鈉(NaHCO3 或碳酸氫鈉)及碳酸鈉(Na2 CO3 或鈉鹼灰)的形成係於範圍寬廣的溫度及壓力內發生，且給予不同的CO2 分壓，其提供不同的平衡終點。經由操控基礎濃度、溫度、壓力、反應器尺寸、流體深度及碳酸化程度，可使碳酸鹽及碳酸氫鹽發生沈澱。或者，在一些較佳具體實施例中，碳酸鹽/碳酸氫鹽產物可藉由與進入的烟道氣交換熱而自其之水分離。此外，由於在碳酸鈉與碳酸氫鈉之間的溶度積常數差，因而可達到特定的非直觀加工點；例如，在特定苛性溶液中之鈉之碳酸鹽之平衡的其中一個特質為加入熱可促進固體的沈澱；此外，在特定條件下，經證實碳酸鹽可以高(93%+)純度自水溶液自沈澱。
或者，在特定具體實施例中，用於分離程序之熱可源自於原始電解中所產生之氫或源自開創性地使用包含於進入烟道氣流中之廢熱。結晶程序天性藉由結晶作用透過熟知之純化程序純化結晶無機物。
離開的液體流，視反應器設計而定，可包含水、NaOH、NaHCO3 、Na2 CO3 及呈各種平衡的其他溶解氣體。亦可發現溶解的微量排放成分諸如H2 SO4 、HNO3 及Hg。在一具體實施例中，為分離/移除離開的液體流，例如，自碳酸鹽移除/分離水(在此，"碳酸鹽"係指碳酸鹽及碳酸氫鹽之混合物，可能亦存在氫氧化物；應用於任何此等混合物之任何分離技術將可能包括加入熱能以自混合物蒸發水)，可使用圖6所示之再沸器106使水沸騰導致水蒸發。或者，保留一部分鹼性溶液(例如，大約1重量莫耳之NaOH)及接著於分離室中加熱溶液可導致相當純的Na2 CO3 沈澱至貯留槽中，及將其餘的NaOH再循環回到反應器200。在其他具體實施例中，可接著將純碳酸鹽、純碳酸氫鹽、及呈平衡濃度及/或呈漿液或濃縮形態之兩者之混合物定期輸送至卡車/液罐車。在其他具體實施例中，可將液流移至蒸發槽/區域，在此可藉由蒸發將液體(諸如水)帶離。
參照圖6，所示之反應器設計可回收儲存於電解氫中之能量作為燃燒燃料、鍋爐氣體、或於H2 /O2 燃料電池中。可使用反應器200於產生穩態操作，其中NaOH及NaHCO3 可以大約50:50之比例製得。可使用於原始電解中所產生之氫氣於提供熱，且可使NaHCO3 沈澱於分離室108中並將其餘的NaOH回流至反應器200。可將來自分離室108之漿液提供至可連接至分離室108的水處理室110。或者，可將漿液儲存並接著視需要提供至水處理室110。
圖7說明根據本發明之一具體實施例的另一反應器設計。特定言之，圖7顯示再捕捉使用於產生氫氣副產物之一些過剩的能量。使用串聯、現場的高效率燃料電池可容許回收直流電，其可用於補充及部分供給電解電流。混合室300將包括，但不限於，一百分比之NaOH、NaHCO3 及NOx 、SOx 及Hg的混合物提供至分離室308。分離室308可藉由將熱提供至混合物，而將混合物分離成固相及/或液相。分離室308之乾燥室(未示於圖中)可藉由提供熱而於製程中將液體自固相及/或液相移除。將所得之稀薄形態的NaOH提供至鍋爐306，其使稀NaOH沸騰至濃縮形態，並經由回流迴路將濃縮物提供至混合室300。可將來自鍋爐306的水提供至電解室302，尤其係鹽水混合器302A。可將來自分離室308之生成的Na2 CO3 /NaHCO3 (漿液)提供作商業用途。在一具體實施例中，可將碳酸鹽漿液直接或間接(例如，儲存NaHCO3 供稍後使用於諸如硬水處理的程序中)提供至水處理廠310。或者，可將NaHCO3 進一步精製、乾燥、運送及提供作其他工業用途。
氣態產物之釋放包括NaOH或其成分是否可安全釋放的顧慮，即自電廠排放"鹼雨"與排放"酸雨"同樣係該避免的。然而，氫氧化鈉一般在電廠生產中被使用作為滌洗元素，且其經EPA認可使用。於電廠中處理氫氧化鈉以及避免鹼性釋放之程序係技藝中所熟知。舉例來說，一簡單且廉價的冷凝器/回流單元即可防止氣態排出物中NaOH的任何顯著排放。
在根據本發明之特定具體實施例的碳酸鹽分離沈澱方法中，碳酸鹽平衡於空間上結合二氧化碳，且當接觸時即吸收氣體，而實質上瞬間轉化為碳酸根離子。反應鏈可為質傳限制，以致一旦二氧化碳經鹼吸收，後續的離子反應即快速地發生。
碳酸鈉平衡有當溫度升高時，Na2 CO3 自然地沈澱及收集，而使其易以漿液取出，且一些比率的NaOH於漿液中被引出的特徵。在一具體實施例中，可採用利用於氯循環中產生之一些濕氯流通(bleed-through)處理此漿液以將NaOH於含量近似、或低於經由開採洞穴"天然鹼(trona)"或沈積物所產生之碳酸鈉的NaHCO3 中還原成微量的NaCl。因此，碳酸鈉/苛性平衡提供碳自氣體至液體至固體的完整輸送。在其他具體實施例中，可有利地使用碳酸鹽迴路作為收集介質以收集灰、氫氧化鈉、及其他各種碳酸鹽及雜質之漿液，及將漿液舖成路基。
V.　用於以低能量生產吸收劑流體的鹽水電解
如前所指，在特定具體實施例中，本揭示內容之裝置及方法使用鹽水電解於產生在去碳酸化程序中使用作為吸收劑流體之氫氧化鈉。鹽水電解係主要使用於製造濃氫氧化鈉(苛性鈉)及氯氣之電化學程序，且其在相關文獻中典型上由以下方程式描述：
2NaCl+2H2 O+e-→2NaOH+H2 (g)+Cl2 (g)
鹽水電解可利用三種一般類型的標準電解電池完成：隔膜、汞及薄膜電池。各此等類型之電池自相同的輸入反應物產生相同的輸出產物。其彼此間的差異主要在於使反應物及產物彼此分離的方式。
在一具體實施例中，基於數項因素而可使用薄膜電池。首先，對汞的環境顧慮使對汞電池的需求降低。其次，隔膜電池會產生包含顯著濃度之鹽及氯離子之相當弱的苛性產物，且其需要顯著的後續再處理/分離於自苛性產物移除顯著的鹽含量。第三，氟化聚合物技術的改良使薄膜電池技術的壽命及電效率提高，其中在工業市場中慣例可保證超過5年的壽命。此外，在較佳實行中每噸苛性產物之電力的效率超過隔膜及汞電池兩者。
薄膜電池處理單元典型上包括，但不限於，以下的一般輸入及輸出：
陽極：26% NaCl輸入+2275仟瓦小時/噸(kwh/ton)Cl2 →Cl2 (g)+24% NaOH
陰極：H2 O輸入+e-→30-33% NaOH+H2 (g)
應注意電力需求(例如，2275仟瓦小時/噸之氯)可視個別的電解電池設計而定。因此，需求會改變。
許多較佳具體實施例可於此功能中使用薄膜電池。薄膜電池具有數項超越其他鹽水電解程序的優點。首先，薄膜電池既未包含亦未產生任何環境敏感排放物(例如，汞)，且當與隔膜及汞電池比較時，其在電方面有效率。其亦使用濃/稀/補充NaCl迴路，以致其可相當適合使用作為連續"鹽迴路"處理單元。接下來，於薄膜電池中產生而未經進一步蒸發/濃縮之NaOH可為使用於去碳酸化程序之天然適當的濃度值(例如，30-33重量% NaOH)。此外，由薄膜電池所產生之氫係"乾淨"，接近"電子等級"，且相對地不含NaCl或其他污染。因此，可將氫壓縮及裝槽作為電子等級氫氣，使用於電力產生現場諸如與低等級煤的燃燒混合物或用於燃燒技術增益。或者，可將氫使用於鍋爐燃料用於分離程序，其可於去碳酸化之後發生。薄膜電池技術亦可藉由添加小的增量單元而自實驗室容易地放大至工廠規模的生產。另外，由薄膜程序所產生之氯氣較由其他標準電解程序所產生的氯氣不"濕"。因此，單階段的壓縮循環即足以產生水處理等級的氯。
以上呈現在生產商業氯氣及苛性鈉方面一般所完成之技藝的公開及實際狀態。然而，本發明之特定具體實施例的目標在數個方面不同，其導致使用不同的化學技術於達成本發明之特定具體實施例的不同終點。
A.　低電壓電解技術之用途
在本發明之一些具體實施例中，鹽水電解併入低電壓電解(LVE)技術，因而改良程序的熱力學效率。本發明之特定具體實施例並非僅限於製造苛性鈉作為終產物，而係主要使用NaOH作為中間吸收劑於在烟道氣離開至環境之前自其中吸收CO2 。由於氯鹼事業一般牽涉將苛性鈉自製造廠運送至其使用點，因而於苛性鈉中運送大量的水並不經濟，故一般藉由蒸汽蒸發藉由能量密集地移除水將苛性鈉濃縮至大約55重量%而作為液體運送，且在一些情況中，將其濃縮成無水固體，一般為顆粒形態。此濃縮最常藉由在超過5伏特的電壓下(其說法為"在顯著的過電壓下")運轉電解電池而達成，其獲致上述之30-35% NaOH，隨後再進行蒸汽蒸發循環以達到55%(或將產物完全乾燥成無水顆粒狀態等等)。
本發明之大多數的具體實施例並未將NaOH以產品運送，且其可在顯著低於氯鹼工廠操作中所使用之5V+標準的電壓下以可使用的濃度生產(作為水性吸收劑流體)。不可過度估計使用LVE對本發明之熱力學效率的影響，由於所消耗之電力確切係由簡單的DC方程式所決定：
P=V(電壓)XI(電流)X(電流效率)
由於電流係由電化學程序所固定(每個分子一對電子等等)，因而電力幾乎完全係由電解需要之電壓來調整(一額外的強烈因素為電流效率，其亦係施加電壓之函數)。由於本發明之具體實施例使用LVE利用在標準電解電池中容易展現的電壓，因而經由改變操作條件，低至2.1伏特，透過對標準電化學薄膜電池的程序及幾何修改，本發明之具體實施例對生成之單位量的NaOH消耗較傳統高電壓氯鹼電解少的電力(仟瓦-小時)。基於此等理由，本發明之較佳具體實施例包括經設計成使用所有可用技術於完成低電壓操作的電解單元，其包括，但不限於：窄間隙操作，較高壓，寬面積薄膜，變化濃度之陽極電解液及陰極電解液及質子化離子比。LVE之進一步的態樣詳細說明於實施例4。
B. "無差異點"氫用途
典型的氯鹼操作產生於現場燃燒作為供蒸汽蒸發(見上)用之鍋爐燃料的氫氣，或在許多情況中，其經由使用空氣電極而完全抑制；例如，將含氧空氣吹送於陰極上之裝置導致發生以下的立即還原反應：
H2 (g)+1/2 O2 (g)→H2 O(l/g)，
其改變能量的電化學總和及降低在以不產生氫為代價下產生苛性產物及氯所需之電壓(在各種工業文獻中在一些情況中低至2.8伏特)。本發明之較佳具體實施例的一效益為其不需要氫氣作為蒸汽蒸發鍋爐燃料。
本發明之一些具體實施例可包括抑制氫產生(及使自該氫回收能量的能力歸零)的"空氣電極"程序，但許多較佳具體實施例利用氫產生作為能量回收或使用作為其他程序的化學原料。
因此，使用本發明之特定具體實施例的工廠具有一關於如此產生之氫之使用的"無差異點"；即工廠產生氫作為其之能量回收(例如，比方說，其在實例情況中之能含量的60%)，且該能量量值具有特定的經濟價值，且替代使用氫作為能量回收，可將氫以超過或等於單獨能量之經濟價值的量買賣或銷售。以此方式，此類型的工廠呈現為一種"氫井"。氫氣基於其電價值而產生及消耗，且任何需要氫氣供其他用途用之人士僅需販售該電價值或其經濟相等物以維持程序的經濟性。此具體實施例具有供未來"氫經濟"策略用的有利關係：具有現成的氫來源，可以較其天生能含量低之價格無差異成本點利用，可表現為此技術之有用且有利的特徵。
C.　質子化鹽水最佳化技術之用途
本發明之特定具體實施例意圖藉由以下的質子化鹽水最佳化方式將氫產生最佳化而非將其抑制。一般的氯鹼工業在一些情況中採用將呈鹽酸形式之HCl添加至稱為陽極電解液室的鹽水(NaCl)電池。此鹽水之"質子化"有降低產生特定量之苛性產物所需之電壓的作用，因其可降低製造本發明之特定具體實施例之反應物/吸收劑所需的電力。在氯鹼工廠的一般工作本體中，此電壓降低作用的原因係可歸因於"中和穿過薄膜回流的NaOH"，此係一種經對薄膜選擇性等等作研究且已經充分瞭解的程序。一般而言，此"中和"被認為僅產生鹽水[NaOH(回流)+HCl(陽極電解液)→NaCl+H2 O]，且未經顯示會改變產物的化學計量。然而，在技藝中未被充分瞭解或利用的一點為添加HCl基本上確實會因此改變方程式的化學計量：
NaCl+aHCl+H2 O→NaOH+(1/2+a/2)H2 +(1/2+a/2)Cl2
此額外的氫及氯產生量對於本發明尤其重要，由於本發明之具體實施例係仰賴來自氫的能量回收(對製造每莫耳的吸收劑NaOH，當產生愈多氫時其將增進，及當產生愈多氯氣時其愈經濟)。產生供能量回收用之氫及供銷售用之氯同時降低整體電壓(因此降低電力及成本)之此額外的利益導致本發明之特定具體實施例對產生反應物之最低能量及自產物回收之最高能量將"a"之值最佳化。最佳值一般係於NaCl(aq)溶液中在0.5及1.0 M HCl之間。然而，最佳化係對各電池設計、幾何形態、濃度、溫度及壓力範圍特異。然而，對於各電化學電池，存在一可達成最低能量操作的最佳質子化比率("a")。實際上，極高的"a"值(例如，在90℃下>0.15 M)將可能使大多數的市售薄膜在短距內起水泡。當然，雖然HCl係在本發明中使鹽水質子化之較佳的酸，但亦可使用熟悉技藝人士所知曉之許多其他的酸於使鹽水質子化。
D.　自產生使用於質子化之HCl
由於本發明之特定具體實施例使用輸入的HCl且產生H2 及Cl2 氣體，因而可使鹽水的質子化自動往復進行；即可將H2 及Cl2 產物氣體燃燒(於有效率的燃料電池中或於一般的燃燒器中)產生HCl氣體，其接著可再循環至陽極電解液供鹽水之質子化用。自H2 /Cl2 燃燒回收得之能量高於自H2 /O2 燃燒回收得之能量。此使本發明之熱力學效率提高。
本發明之一些較佳具體實施例使用吸收/轉化/再生路徑作為"前端濃縮/吸收程序"，其接著用於吸收及濃縮CO2 ，以藉由下列或類似方式使用於地質、海洋、或陸地隔離技術中(例如，將CO2 注入至碳儲存所中的技術)：
(1)將所有氫燃燒產生HCl氣體。
(2)使所有HCl氣體與如此產生之碳酸氫鈉反應。
(3)透過相關的中和反應，釋放接近100%的純CO2 ，及將鹽水再生，其可經再循環供進一步的吸收循環用。
(4)藉由此程序，使用本發明於吸收，轉化，然後再釋放CO2 ，其淨效應為將氣體自烟道流移除，並濃縮供進一步的隔離技術用然後再處理。
E.　將碳酸鹽及碳酸氫鹽混合回到陰極電解液流體中
不同於氯/氫電池的氯鹼工業用途，本發明之一些具體實施例亦將碳酸鹽及碳酸氫鹽混合物再循環至電化學電池的陰極電解液(苛性)側。此等技術寬廣且多樣，但整個程序的各操作點具有碳酸(氫)鹽混合物至陰極電解液的最佳再循環，由於此在一些濃度及條件下可降低電池電壓，及因此降低電池電力。
F.　廢熱回收用於加熱流體之用途
由於本發明之特定具體實施例係在電廠或CO2 之大量排放的存在下以烟道氣或其他來自燃燒之熱氣體的形式使用，因而不同於標準的氯鹼程序，其有充分的熱交換機會。比方說，典型的進入烟道氣溫度(例如，於靜電沈澱處理之後)可合適地為300℃。使該烟道氣冷卻至低於300℃，同時將陽極電解液及陰極電解液流體加溫(其對於LVE，一般應保持>90℃)使本發明之特定具體實施例可沒有與陽極電解液及陰極電解液加熱器相關之電力損耗而操作。
G.　廢熱回收用於供給製程設備電力的用途
一般而言，由於可於電廠取得之烟道氣係在100℃(典型的滌氣)、300℃(於沈澱處理後)、及900℃(沈澱入口)、或其他此等數字之間的溫度下離開，因而可藉由透過與電力回收循環熱交換冷卻進入的烟道氣而引出顯著的廢熱處理，其中該電力回收循環的實例為氨-水循環(例如，"Kalina"專利的方法)、蒸汽循環、或任何完成相同熱力學方式的此等循環。由於本發明之特定具體實施例仰賴DC電力於完成本發明之試劑/吸收劑的製造，因而此程序可部分或完全由廢熱回收直接供電，該廢熱回收係沒有關於將該DC電力轉變為AC電力供其他用途用之一般的變壓器損耗而完成。此外，透過使用廢熱變功的引擎，可完全未使用電力產生步驟而達成顯著的效率。在相同條件下，可發現此等廢熱回收能量完全對本發明之具體實施例供電。
VI.　來自去碳酸化及電解程序之副產物的產生及使用
如前所指，本揭示內容之裝置及方法的特定具體實施例自去碳酸化及電解程序產生許多有用的副產物，包括氯氣、碳酸氫鈉及氫氣。在一些具體實施例中，將由本發明之具體實施例所產生之氫氣併入至氫能量再捕捉迴路中。在一具體實施例中，本發明可包括電流氟化聚合物薄膜技術以降低去碳酸化程序的氯離子遷移。因此，此程序可不利用多方面的能量及成本支出於分離出氯離子而作用；去碳酸化及分離迴路相當不含氯化物。因此，本發明之去碳酸化反應器的一具體實施例可使用一般的鹽、水、及二氧化碳排氣結合電力透過如下之氫燃燒而形成氯氣、碳酸氫鈉及電力回收：
2NaCl+H2 O+2CO2 +e-→2NaHCO3 +Cl2 +[H2 +atm O2 →e-]
A.　氫能量再捕捉迴路
已發展出兩種可使用由本發明之具體實施例所捕捉之氫能量的技術。第一種技術係將氫與煤共同燃燒以改良燃煤排放物，及第二種技術涉及氫/氧燃料電池的DC電力回收。藉由H2 /O2 燃燒可回收大約22%至32%的電解消耗能量。或者，可將H2 及Cl2 直接或透過燃料電池或DC回收燃燒成Cl2 及HCl。可利用熟知之技術(即再沸器等等)在電廠位置將來自廢熱移除，來自電解反應(其產生大約135℃之苛性鈉至儲槽)，或來自去碳酸化程序本身(其吸收各種溶解熱、蒸發熱、及於放熱反應中釋放之熱)的熱源利用於預熱燃燒氣體或其他用途。
在一具體實施例中，商業的燃料電池產生DC電力可由於容易處理及在低於大氣壓力下之安全操作而有利。立即消耗產生的氫亦可直接降低鹽水電解的電負荷成本。此外，由於可利用H2 、Cl2 及NaOH之離峰電生產產生氫氣能量回收循環，其中可接著使用H2 於在尖峰負荷期間提供電子，因而本揭示內容提供以低成本製造反應物同時接著產生輔助的高成本尖峰電力並同時進行去碳酸化程序。H2 能量回收循環藉由增加利用作為燃料或在燃料電池中之H2 燃燒容量之電流產生而提高工廠之尖峰電力產生的經濟效用可提供自消耗基礎的效用。
或者，給予乾淨的碳產生之電子等級氫氣來源，都市公用設施、工業公司、及電力產生設備可由使用於都市公車隊、火車及其他大眾或私人用途之氫燃料中產生之氫而獲得成效。
B.　來自去碳酸化程序之副產物的其他用途
在一具體實施例中，氯氣可為在全世界用於殺死水處理廠中之細菌的主要氧化劑。通常將氯，及衍生自其之一些100+衍生物原料化學品引述為構成美國家庭GDP的多至30%+。其亦可使用於製造最大的工業化學品-鹽酸。氯亦被廣泛地使用於塑膠工業中作為其最常見的非碳反應物。碳酸鈉係在全世界常用於製造肥皂、清潔劑及洗髮精，以及作為製造玻璃之助熔劑之說明於本發明之方法的副產物。此外，電力設施，以及私人家庭，利用碳酸氫鈉於藉由以下的一般反應來軟化硬水：
CaCl2 (aq)+NaHCO3 (aq)→CaCO3 (沈澱物)+NaCl(aq)+HCl(aq)
可採用類似的程序，使用來自此程序之碳酸鈉及碳酸氫鈉於與多個第1群及第2群鹽進行離子交換來沈澱各種碳酸鹽。
由去碳酸化程序所產生之副產物的另一例子為氫氣。電子等級的氫氣係高形態的能量載體。反之，所產生之氫燃料可利用"較髒"等級的煤燃燒以降低該燃料的排放物，可於分離程序中作為鍋爐進料燃燒，或可利用於氫交通工具隊中。
在再一具體實施例中，可藉由以下方法或其對等方法完成將二氧化碳輸送至遠方隔離地點的作用：
(1)在電廠位置，利用此方法或其之任何變形吸收CO2 及其他污染物，連同產生氫氣、氯氣及碳酸鹽。
(2)在遠方隔離地點，再次於中和反應中結合鹽酸及碳酸鹽，其產生實質上純的CO2 。接著可將由此等方式所產生之CO2 注入至碳儲存所中。
藉由此等方式，不用藉由液化及利用管線、貨車運輸等等輸送而達成在電廠位置與隔離地點之間輸送CO2 的相同淨效果。
實施例
包含以下實施例以展示本發明之較佳具體實施例。此等具體實施例藉由在商業或工業程序中提供及使用生成之反應物及/或藉由再循環能量，而提供自電廠降低或甚至實質上消除二氧化碳及其他污染物之可行的經濟解決辦法。
熟悉技藝人士應明瞭揭示於隨後之實施例中之技術呈現經本發明人發現可於本發明之實施中良好運作的技術，因此可將其視為構成其之實施的較佳模式。然而，熟悉技藝人士依據本揭示內容應明瞭可於所揭示之特定具體實施例中進行許多變化，不脫離本發明之精神及範疇而仍獲得相同或類似的結果。
實施例1 利用繪圖法的CO 2 /NaOH氣泡塔反應器設計
在為此實施例設計之氣泡塔反應器中，有四個主要的流，即為：
(1)在給定體積流率(V1=單位時間之流體的立方體積)下流入至氣泡塔之流體中的液體；在所選擇的情況中，進入的體積流率等於離開的體積流率。因此，兩者皆為V1)。在此實施例中，V1=0.001立方米/秒。
(2)Vg0=將被吸收劑流體部分或完全吸收之氣體的進入體積流率。在此實施例中，Vg0=0.05立方米/秒。
(3)Vg=氣體的離開體積流率。在此實施例中，Vg=0.02立方米/秒。
在以上條件之限制下設計氣泡塔反應器。烟道氣中之60%的進入CO2 要藉由發泡通過濃氫氧化鈉之溶液而移除。反應為質傳限制。此實施例的目的為計算移除99.9%之二氧化碳所需的反應器尺寸(高度及直徑)。P=2大氣壓，T=298 K。使用可於圖8中得到的圖示數據，此實施例說明高反應器(2.36米)及短反應器(0.41米)兩者的設計。圖8係顯示氣泡塔中之CO2 之CO2 吸收百分比對流體深度對在低界面速度下之氣體界面速度的圖表(Schumpe等人，1979)。
2.36米高度塔柱解
在大約0.04米/秒之表面速度(Ug0)下轉化率接近100%。此速度係在氣泡流動範圍內(在水狀溶液中此大約為0.05米/秒)。已知體積氣體流量需求(Vg0)，計算塔柱直徑：
Ac=Vg0/Ug0=0.05/0.04=1.25平方米
Dc=2=2=1.26米
因此，進入60% CO2 之99%的轉化率需要2.36米高度、1.25平方米面積、具有1.26米直徑及2.95立方米總體積之塔柱。
0.41米高度塔柱解
於0.41米高塔柱中之轉化需要約0.02米/秒之表面氣體速度。與以上類似：
Ac=Vg0/Ug0=0.05/0.02=2.50平方米
Dc =2=2=1.78米
因此，進入60% CO2 之99%的轉化率需要0.41米高度、2.50平方米面積、具有1.78米直徑及1.03立方米總體積之塔柱。
概言之，透過此實施例展示在自烟道氣除去二氧化碳時，較短的塔柱在單位體積基礎上更有效率；對於此實施例，其差3倍。因此，對於本發明之較佳具體實施例，設計目標為短階段及/或由短階段所組成的多階段反應器。
實施例2 利用質傳係數解的CO 2 /NaOH氣泡塔設計
此實施例之目的為由理論累積測定質傳係數，kla(莫耳/秒/體積)。由此實施例確定此相關方法會潛在導致不確定的結果；即此實施例點出由於測量一些臨界參數之不確定性所導致之由理論預測實際結果的困難。因此，僅有實驗放大可決定性地確定大型去碳酸化單元的結果。
以下之氣體阻滯(εg)及莫耳傳送(kLa)的方程式係來自Akita及Yoshida(1973)的關連，且其對二氧化碳及水系統在相當大的塔柱高度及直徑(即>0.1米)下有效：氣體阻滯
及質傳係數
kLa (1/sec)=[Cco 2*Dco 2-h 20/Dc 2]*[vL /Dco 2-h 20]0.2*[g *Dc 2*ρ L/σ ]0.62*[g*Dc 3/vl 2]*ε 11
其中εg=氣體阻滯因子
Cco2=烟道氣中之CO2 濃度
Dc=塔柱直徑
vL=0.0001平方米/秒
σ=1cP=0.1 Pa*秒
ρL=998公斤/立方米
及由於Dco2-h20P=1.661平方米*Pa/秒，因此，Dco2-HO=1.661/5.067*10(5)=3.278*10(-6)平方米/秒
驅動力係二氧化碳之平衡濃度(Cco2*)與二氧化碳之實際液相濃度(Cco2)之間的差，此實施例假設其為零；即存在的氫氧化鈉瞬間將水性二氧化碳"酸"中和。因此，可將單位反應器體積的莫耳傳送速率寫為：
Nco2=kLa*[Cco2*-Cco2]=kLa(Cco2*)
莫耳傳送速率需移除烟道氣中之99.99%的二氧化碳。假設CO2 在塔柱條件下為理想氣體。
立方體積/秒：
Vg0=0.05立方米/秒∴Vco2=0.6*Vg0=0.03立方米/秒
莫耳/秒：
Vco2*P/RT=[0.03立方米/秒*5大氣壓]/[0.082立方米大氣壓/仟莫耳K*298]*1000克毫莫耳/1仟莫耳=6.14莫耳/秒
Nco2(莫耳/秒)=0.999(CO2移除莫耳數/CO2進入莫耳數)*6.14莫耳/秒=6.13莫耳/秒
模型關連所需之其他流體性質
設定在氣泡流動極限下之起始表面速度(Vg0=0.05米/秒)，計算塔柱的面積及直徑：
Ac=Vg0/UgO=0.05/0.05=1.0平方米
對於氣相阻滯反應，此實施例設定C=0.2且假設表面速度(Ug)係進入及離開速度之平均；Ug=0.035米/秒=平均(0.05米/秒，0.02米/秒)，及使用方程式求解，發現εg=0.055。
接下來，求解莫耳傳送速率常數：
kLa=0.386/秒
回到驅動力方程式，求解反應器體積(V)：
V=Nco2/[(kLa)(Cco2*)]=6.13莫耳/秒/(0.386/秒*(103.6莫耳/立方米))=0.15立方米
及
Hc=0.15立方米/1平方米=0.15 M
因此，氣泡塔之尺寸為Dc=1.13米及Hc=0.15米，產生與真實氣泡塔之實際結果的顯著差異。
數個假設可說明關連模型(其被認為係此行為的最佳模型)與實際結果中的差異：
(1)假設氫氧化鈉具有水的性質(密度、表面張力等等)；及
(2)溶液中之CO2 濃度不可充分地表述為零；此係最可能的運算對象；例如，如CO2 有效濃度不為零，則驅動力較小，且需要較高的塔柱。
亦應注意此理論關連承受亦係其強度之條件的限制：由於諸如(vL=0.0001平方米/秒)之項的分母通常為平方，因而此等數目的微小變化即會產生巨大的影響。此類型的理論累積對於曲線擬合事後回溯(ex-post-facto)良好，但其並非供設計用之質傳的良好預估。此外，其對CO2 之吸收/轉化速率有驚人的流體流動影響，以致指示在不同及漸進規模的設計。
實施例3 來自實驗數據的CO 2 /NaOH氣泡塔設計(深度)
注意本發明之特定具體實施例仰賴文中說明之"短階段效率理論"(3米或以下的氣-液接觸距離，或流體階段高度，以達成>90%吸收)由與實際化學工程設計一致之兩不同計算技術證實。然而，在特定情況(如前所指)中，於此等設計計算中已進行特定的簡化假設，因此指示及進行實驗確認，結果顯示於圖2B及2C(更詳細說明於下)。
各此等處理試驗於特定的氣-液接觸距離(即在未填充、開放氣泡塔情況中的流體高度)內得到特定的CO2 吸收；例如，通過30公分流體的20%吸收。
如使氣體接著通過第二個相同設計及條件狀態的塔柱，則將再次發生相同的吸收；即其餘80%之起始CO2 的20%將再次被吸收。此關係最終將衰減；然而，給予吸收劑流體之高度吸收特性，且即使烟道氣中之CO2 稀薄化學吸收的傾向仍持續具有強效的吸收，則此效應對此實例可忽略且可達到90%移除的設計。
可看到流體通過吸收流體之進一步的程數將使其餘CO2 再次降低20%等等，直至完成足夠的程數以達到期望的吸收值(在此情況為90%)為止。
此產生決定達到90%所需之流體深度(以30公分高度的多階段深度)的"基礎階段數"設計。假設各階段吸收與前者相同的%CO2 /距離，則得到圖2B及2C中之結果，且將其圖示於圖2D及2E。
圖2A顯示用於觀察本發明之去碳酸化部分之一具體實施例之主要特徵的裝置。圖2A中之裝置(或具有類似效用的裝置)可根據以下所列的程序操作：
(1)將碳酸化單元801 裝填具有試驗負荷之NaOH(例如，1M NaOH於25℃水中)至30公分深度，其為經填充或未填充。
(2)將模擬或實際的烟道氣(在此情況中係關於典型的燃煤烟道氣排氣)(16% CO2 、84% N2 、SOX/NOX<1%或為天然的ppm比率)引入至碳酸化單元801，於未填充塔柱中有效地噴灑，於填充塔柱中有效地噴灑或分佈，行進通過流體，及排氣。氣體為25℃，CO2 為2公升/分鐘與其他氣體成比例地混合，其向上流過4英吋直徑圓形塔柱；系統壓力可為1大氣壓psig或以下。
(3)藉由測量進入的CO2 濃度(例如，藉由氣相層析儀取樣，或利用CO2 濃度的線上測量)可注意到CO2 被流體吸收，溫度上升(放熱反應)，且液體鑑定取樣將顯示存在碳酸鹽/碳酸氫鹽/氫氧化物平衡，顯示不僅發生CO2 之吸收，並且其轉變為碳酸鹽或碳酸氫鹽形式。實際的操作經驗顯示此等關鍵"轉變點"係存在於pH平衡下：
a.在pH<=8.3下，有利於碳酸氫鹽的形成。
b.在pH>=10下，有利於碳酸鹽的形成。
(4)吸收/轉變為碳酸鹽的反應係強烈且放熱地進行，直至給定氣體的流體動力，在CO2 經吸收/轉變之速率下，反應的放熱期結束，溫度先停滯然後再下降，且隨OH離子濃度之減小而下降之流體的吸收容量於此點有效地歸零為止。當吸收值開始下降時，pH一般接近約8.3或於其附近；在pH>8.3下，吸收相當強。
(5)將流體轉移至碳酸氫化塔柱803，且將烟道氣再次引入至流體。CO2 之吸收停止且在一些情況中將顯示為負值(流體釋出一些CO2 至流經其的氣流中)。流體溫度持續下降，部分係由於一些附隨的蒸發至移動氣流，但亦係由於在先前產生之碳酸鈉與溶解於流體中之其餘"孤兒"CO2 之間所發生的碳酸氫化反應。
(6)平衡持續朝碳酸氫鹽移動，且可完成起始氫氧化物濃度、流體及氣體溫度、壓力、流率及速度、扭曲度等等的最佳化，甚至達到產生純碳酸氫鹽(99%+)之點。
圖2B及2C描繪數個利用加料負荷(如圖2A所示將特定濃度之NaOH置於去碳酸化系統中)進行之試驗系列的結果。圖2B及2C中之數據展示數個關鍵點：
(1)可將條件修改成足以可再現地產生純碳酸鹽(試驗4及14)、或純碳酸氫鹽(試驗28及32)，且可將其調節成達成各種結果(或在1.0-2.0之極端之間的"離子比")。
(2)由此研究所產生之反應器尺寸對於所有情況具有顯著的吸收，發現一般低於3米之氣-液接觸距離足以達成進入氣體的90%吸收。因此，經顯示短的低阻力階段可經設計成達成與熱力學效率極限一致的高吸收速率。換言之，移除CO2 之物理程序係在可明顯符合或超過系統之熱力學效率的吸收值下操作。此種高吸收速率(氣體進，氣體出)並未佔用能量，及因此CO2 產生。因此，將CO2 吸收速率(來自流體)及工廠的熱力學效率維持為兩清楚不同的量度對於避免混淆相當重要。
將來自圖2B及2C之結果(CO2 經流體之吸收)及產物離子比(1.0=碳酸氫鹽，2.0=碳酸鹽)描繪於圖2D及2E。由圖2B及2C可得到數項重要的結論：
(1)注意到在進入CO2 之單一吸收階段中高至98%之瞬間吸收速率。
a.在於具0.30米流體深度/氣-液接觸距離之深度之單階段氣泡塔氣-液接觸器中吸收25%之進入CO2 之條件下於溶液中產生純碳酸氫鹽(NaHCO3 )。外揷至90%吸收，3米的接觸距離即足以吸收90%的進入CO2 。
b.在於具0.30米流體深度/氣-液接觸距離之深度之單階段氣泡塔氣-液接觸器中吸收70%之進入CO2 之條件下於溶液中產生純碳酸鹽(Na2 CO3 )。外揷至90%吸收，<2米的接觸距離即足以吸收90%的進入CO2 。
c.產物中之各種吸收對碳酸根離子比指示存在在此等極端之間之連續的溶液。
(2)對於具工業價值的時間長度(例如，在此等實施例中為15-240分鐘)，吸收劑流體保有其吸收特性。
(3)可調節反應器輸入變數(濃度、溫度、壓力、氣體流率、接觸時間等等)，以產生純碳酸氫鹽、純碳酸鹽、或任何介於其間的混合物。
(4)使用此等實驗室結果於設計90% CO2 反應器在3米的氣-液接觸距離(例如，大約的流體深度、塔柱高度)，及在許多具工業價值的程序角落中1米下產生溶液。
實施例4 各種化學條件之LVE的分析
圖5係顯示各種化學條件之低電壓電解操作線的圖表。其描繪一些典型的實驗結果，其中薄膜氯鹼電池係在非標準的條件下操作，即：
(1)藉由在1.0、2.5及5.0之pH下閉環pH控制添加HCl(鹽酸水溶液)而調整陽極電解液流體(質子化鹽水)之pH；
(2)藉由經電加熱器加熱之閉環流體迴路將陽極電解液流體之溫度維持於設定點；及
(3)對各流體/質子化/溫度條件調整電壓，記錄由0.01平方米氯鹼電池所達到之電流。
在圖5，注意實施例實驗數據組，其對0.01平方米電解電池，13毫米間隙，在陽極電解液鹽水流體之各種溫度及質子化程度(於此實驗系列中由閉環pH控制HCl(l)添加至鹽水迴路所控制)的組合下操作，描繪實際的實驗電壓對電流(轉變為電流密度，仟安培/平方米，如圖表上所指示)。
注意以下關於圖5中的此等典型結果：
(1)在諸如一般使用於此等電池之氯鹼用途的高電壓(5伏特)下，達到最大電流(及對於給定的電池，因此達到最大電流密度)。
(2)在相同pH下之較高溫鹽水在給定電壓下具有優良的電流密度。
(3)較低pH鹽水在給定電壓下相較於較高pH鹽水具有優良的電流密度。
(4)此等一般傾向(較高溫度，較高酸濃度)可藉由對各個別電化學電池幾何形體/成分設計之標準實驗設計技術最佳化，以對該電池產生最佳值(仟安培/平方米伏特)。在任何利用增加操作壓力之氯鹼電池上的類似實驗將產生增加的操作壓力亦可增進(仟安培/平方米伏特)的結論。
(5)線的斜率(ΔV/ΔA)一開始大，其在電流/電流密度之相當小的下降內發生電壓之相當大的下降；然而，於達到拐點(在大約2.5伏特，10安培/0.01平方米下)後，電壓的進一步降低導致電流及因此導致電流密度之更極端的降低。
(6)此拐點及其附近的操作條件呈現在效率之經濟層面上最佳的電壓對電流密度交換。標準的實驗設計最佳化可對本發明之任何實體電池具體實施例達到最佳的低電壓條件。
(7)在單獨此實施例的情況中，1.0 pH，90℃陽極電解液之條件具有優良的電流/電壓特性，因此係在此等各種展示操作線中所呈現的最佳操作線。
(8)低電壓電解的主要缺點為伴隨的電流密度減小；仟安培/平方米隨衰減的電壓而衰減。由於系統必需產生相同數目的Na+離子以吸收相同量的二氧化碳，因此薄膜表面的平方米面積必需成比例地增加；例如，若電流密度下降50%，則將需要兩倍大的薄膜面積於產生足夠的吸收劑流體。此對工廠成本具有嚴重的影響，由於氯鹼工廠具有幾乎與薄膜面積成比例的成本。低電壓電解提供數項優點，其在本發明之特定具體實施例中可容許沿低電壓線最佳化，其顯著或完全補償此大面積需求缺點。換言之，可體驗以可延長電池及/或薄膜壽命之更溫和/較低能量操作條件操作之薄膜及電解電池成分的壽命。明確對較低電壓條件的設計可伴隨一些放鬆在使用低電壓之具體實施例中並非必要之特定材料及性能標準的能力。一些此等設計自由度會產生部分或完全吸收原來由於低電壓/低電流密度操作所引起之增加電池薄膜成本的低成本電池。以此等及許多其他的方式，LVE系統雖然需要較標準氯鹼電池大的薄膜面積於產生相同量的NaOH，但其會完全或部分緩和一些額外的成本及操作費用。
(9)可利用實施例7所述之技術將優點(較低電壓及因此較低電力)與缺點(較大面積及降低的電流密度)之間的交換最佳化。對於圖5中所描繪的1.0/90℃操作線(其對此小實施例組係關於LVE操作的優良V/I特性)，可計算Voptlve，且可由以上的關係得到Ioptlve。因此，對於給定的電解電池幾何設計，可皆給定溫度、壓力、鹽水濃度、質子化程度、薄膜選擇等等的條件以產生優良的V/I曲線或操作線，然後可利用實施例7之方法計算該曲線上之最佳點。在此情況，Voptlve為2.88伏特及電流密度Ioptlve為1.04仟安培/平方米。
(10)　在實施例7中，在輕度質子化及/或低溫情況中，在Vopt=2.88伏特下之電流大約為5安培。正於此實施例中，該電流(及因此電流密度)多過兩倍至10.4安培。
(11)　可類似地將鹽水的額外質子化、溫度、壓力、濃度、電池成分的幾何配置、電場及條件最佳化，以產生優良的(仟安培/平方米伏特)計量，但質子化的本身會提高所產生之化學計量氫的量，因而提高系統的能量回饋。應注意最低能量CO2 吸收/轉化的最佳化可藉由將系統之(仟安培/平方米伏特)最佳化而達成，其降低製造吸收劑流體所需之能量，但同時將可供能量回收用之氫最佳化(然後將回收可用氫能量之效率最佳化)，對於特定設計之給定的實體電化學電池，可將程序的全體能量最佳化至其最低可能。
(12)設若本發明之具體實施例可在與於氯鹼製造中一般所產生之濃氫氧化物(典型上係33-35重量%，然後再利用蒸汽蒸發進一步濃縮)比較極稀的氫氧化物(經證實為0.2M及以下)中有效地吸收CO2 ，則關於低濃度操作(以及低電壓操作)之氯鹼電池的設計可對在此等非標準條件下的設計最佳化提供新的自由度。
本發明之具體實施例無法產生較於製造該氫中所消耗之能量多的氫能量。否則將違反熱力學第二定律。此對可施加至電化學電池的最小電壓產生限制。推測氫回流的效率為100%，且使用39000仟瓦-小時/噸的H2 能含量(EIA參考值)，將產生1.55伏特的最小電壓。熟悉技藝人士可對任何具有給定氫/電回流效率及系統之能含量之選定值的系統計算該系統的最小可達成電壓。
實際上，熱力學無效率(包括但不限於I2R損耗、電池中之電流無效率、廢熱損耗等等)及操作用之輕微過電壓的需求會使給定電池所可達到的最小電壓提高。以上的數字會視"a"之值、質子化比輕微地改變，由於其會改變可供能量回收用之氫的量。
該在低電壓下之電流密度決定產生一定量之苛性鈉所需之電解面積(資本費用的良好數量)的量，及在最小電壓下，所需的面積極大。因此，需要一些高於最小電壓的電壓進行操作，此量係視設計中所選擇的資本費用/生態學效率交換而定。電流效率(消耗於製造產物之電流的百分比)在低電壓下衰退，因此將低電壓電解操作最佳化與達到單一低電壓操作條件並不相同。將電流程序設計為在LVE範圍(低於5伏特)內操作，且在此等低於5伏特電力消耗之電壓下超越傳統技術有顯著的增進。
實施例5 大型工廠設計之熱力學
關於本實施例，說明呈現全規模操作工廠行為的模型工廠(併入本發明之特定具體實施例)，且將取出一定量之CO2 所需的能量定量且其由各種方式及方法侷限於統計極限內，包括下列：
(1)熱力學效率(CO2 /E)可在充分短範圍之E(能量)間隔內近似為ΔCO2 /ΔE。
(2)可對諸如圖9A 所呈現之工廠設計進行特定的簡化假設，其中：
a.主要的能量消耗係在電解程序中；相對於用來製造反應物(電解)及氫能量回收的能量，泵送、壓縮、控制等等被認為極小。此等值為零或在電解操作中所消耗之電力的<0.1%。
b.消耗的電解能量可由以下方程式概略呈現：
Eout=V*I*EFFcurrent
其中：V=操作電解電池之電壓
I=藉由電化學半反應產生化學物質，包括由鹽水之質子化所造成之大於1:1之化學計量所需之電流。於實施例中使用0.05HCl/NaCl之消耗於電解中之質子化離子的比。
EFFcurrent=電流效率，其定義使用於實際產生化學物種之電流量，其餘於I2R損耗等等中損失。實施例中使用之值為97%；各電解電池將具有其個自獨特的電流效率，其隨電池之壽命而退化及變化。
c.自氫燃燒回收得之能量(利用任何方式，燃燒成為鍋爐氣體，於燃料電池中燃燒等等)為：
Ein=39000仟瓦-小時/噸壓縮H2*噸H2*EFFdc
其中：噸H2=利用包括由鹽水之質子化所導致之大於1:1化學計量所產生之氫之程序所產生之氫的噸數。
EFFdc=氫回收程序將氫氣之初始能量轉化為DC電流的效率。60%之產生的氫能量經回收為DC電流。此係氫/大氣氧燃料電池的電流現成DC效率；對壓縮氫之程序得到類似的數值(其消耗其電力的15%於完成)，然後假設將85%之氫能量回流於消費者程序諸如氫化程序、汽油重組程序等等中。
d.自廢熱回收回流之能量係利用來自進入烟道氣流的熱。進入的經加熱氣體一旦進入製程中即被冷卻。在本發明之一些具體實施例中，此冷卻可藉由吸收廢熱及將該熱轉化為DC電能而完成，該DC電能可用以補充/完全供電/過供電構成本發明之程序。在此實施例中，未包含補充廢熱回收。
此實施例之工廠模型包括模擬在正常操作條件下離開電廠之烟道氣，如圖9B所示。此牽涉關於燃料之組合物、燃燒程序本身之效率、燃燒程序中之元素之相對比例等等的重要假設。此實施例的假設描繪於圖9B，且其與具有10,000 BTU/仟瓦-小時熱速率之典型供應低瀝青煤電廠的烟道氣輸出一致。
對於給定的烟道氣輸出，可計算氫氧化物需求。在此需作數項假設。離子之比("離子比"係吸收/轉化反應中之Na/C比)與生成產物固體中之該等元素的比相同。在純碳酸氫鹽之情況中，此數值將為1.0，在純碳酸鹽之情況中，此數值將為2.0，及對於碳酸氫鹽及碳酸鹽之混合物，此數值將在1.0與2.0之間。此實施例之苛性鈉需求的計算描繪於圖9C。對於描繪於圖9C之實施例，離子比為1.0。
對於給定的氫氧化物需求，有基於水、鹽、薄膜表面之平方米(此種電化學電池之數量)、及電流密度(其本身係電池設計、化學性及操作條件之函數；在此使用3仟安培/平方米之數字)之量之相對的電解需求。此實施例之電解需求的此等計算描繪於圖9D。
對於在質子化條件下之給定量的電解作用，產生給定量的氫氣，其本身呈現可供回收用之特定量的能量，或將氫化學使用於進一步的處理。在此實施例中，氫使用在EFFdc=60%下操作之燃料電池而轉化為DC電力。
對於給定量之經處理的烟道氣，可自其在轉化為DC電力之特定效率下取出特定的廢熱含量，且可使用回收的電力於補充由電解中之程序所消耗的DC電力。此實施例之廢熱描繪於圖9E，對於所選擇的效率，在此情況為25%-由此領域中現存之各種廢熱/DC產生技術所超越的數字。
給定此等能量輸入及輸出之個別成分，可將此等能量轉移的淨效應加總，如同圖9F。在此，能量係以仟瓦-小時及以基礎工廠電力之百分比呈現，且顯示此實施例之生態學效率的計算。
在本發明之一些具體實施例中，可採用額外的H2 /Cl2 燃料電池於燃燒氫氣及氯氣以供再循環用於鹽水之質子化之HCl之用。特定言之，可再循環"超過化學計量"之量的HCl，且理論上可免除將原料化學品HCl添加至系統的需求。實務上，必需定期將特定量的補充HCl添加至系統。H2 於Cl2 中之燃燒包含較H2 /O2 燃燒多的能量。因而可獲得些微的額外能量。然而，燃料電池天性效率較低，因此由使用氯作為氧化劑所得的能量"增益"被由回收方法中所固有之損耗超越。因此，在此實施例中，據認為此等效應相互抵消，而歸零。因此，兩效應稍微彼此相互彌補，但仍產生淨損耗。然而，於電解中存在額外質子的效應係在低電壓及高(仟安培/平方米伏特)下在該等低電壓下劇烈地催化NaOH之產生。因此，對於任何給定的裝置，可進行最佳化以將給定量的H2 /Cl2 再循環至HCl中，及利用該量的HCl將進入的鹽水質子化。在一些最佳值(通常存在於a=0.05與a=1.0 M之間，或接近pH=1於90℃下)下，氫/氯燃料電池損耗(其超過由氯所呈現之超越氧之氧化作用的輕微增益)及氫氧化物能量效益(較佳的仟安培/平方米伏特)將對整個系統同時為最佳。應注意在此實施例中，僅計算H2 /O2 燃燒；H2 /Cl2 燃燒具有來自氯之氧化作用之額外強度的些微熱力學增益，但燃料電池無效率的相對效應產生些微的負面影響，但據認為其效應極小。
A.　生態學效率之計算
此實施例之生態學效率(CO2 /E)及ΔCO2 /ΔE的計算係完成如下：
(1)假設有三個工廠：
a.　基礎電廠(示例於圖9B 中之烟道氣模型中)。
b. CO2 吸收/轉化廠(其需要補充電力以處理來自基礎電廠之烟道氣，及送回一部分來自氫燃燒之該電力或氫氣中所固有的計算電力(若氫係終產物且未經燃燒))。
c.　提供CO2 吸收/轉化廠所需電力之第三個補充電廠。在此實施例中，假設此電廠的特性與基礎廠相同。
(2)然後計算以下與於處理100%之基礎廠中所消耗之CO2 及能量相關的態樣：
a.　來自基礎廠的CO2 (烟道氣模型)
b.　由基礎廠所產生之能量
c.　CO2 吸收/轉化程序所需之淨能量
d.　假設補充電廠所需之淨能量與CO2 吸收/轉化程序所需之淨能量相同。
e.　假設補充廠所產生之CO2 與補充廠所產生之能量成比例，且具有基礎廠之相同的ΔCO2 /ΔE。
(3)得到以上計算之以下結果：
a.　基礎廠-在連續1年的基礎下產生1 Gw之10,000熱速率廠每年產生8.76 Bkw-hr，且每年產生7,446,068噸CO2 之基礎，平均為1176仟瓦-小時/噸CO2 。
b.　CO2 吸收/轉化廠-對於此實施例計算(a=0.10，2.1伏特操作，產生純碳酸氫鹽，15%之氫能量消耗於壓縮、泵送/壓縮成本中且廢熱回收效益經排除)，需要3.648 Bkw-hr於吸收/轉化100%的基礎廠。
c.　補充電廠-此實施例中之此廠產生CO2 吸收/轉化廠所需之電力，3.648 Bkw-hr，且其本身產生(藉由上述1176仟瓦-小時/噸CO2 之數字)總計3,101,209噸之據推測排放至大氣的CO2 。
d.　因此，所產生之總電力為12.48 Gw-hr。總傳送電力因此為8.76 Gw-hr。所產生之總CO2 因此為10.55 Mton。所排放之總CO2 因此為3.101 Mton。在CO2 吸收/轉化程序中消耗總電力的29.1%。消耗總CO2 的71.9%。
以上的計算說明數項關鍵點：
(1)在算術上，其顯示下式適用：
%消耗電力=1-%消耗CO2
%消耗CO2 =1-%消耗電力
此形成圖9A 中所示之稱為一單位操作線的線條。
(2)關於此實施例，(CO2 /E)及ΔCO2 /ΔE在代數上相同，即：
ΔCO2 /ΔE=(CO2 /E)=0.291/0.719=0.41
可進一步模擬進一步的外揷情況，在此情況中，由補充電廠所排放之CO2 的本身經相對較小容量之另一CO2 吸收/轉化製程單元#2處理，且吸收/轉化單元#2相應地經補充電廠#2供電等等，其對前五個重複系列產生如同表2的結果。
關於表2的數點係模型的重點：
(1)注意程序的效率，無論係在基礎情況，或任何後續的重複情況中，皆一致地對系統產生相同的(CO2 /E)值；此項據認為係概算此模型之限制之系統的常數，且對於此等目的，將其稱為程序的生態學效率。
(2)清楚可見(CO2 /E)之值在所有解中為定值，因此可求得當假設重複次數為無限時的解；即當將工廠操作成消耗100%由工廠所產生之CO2 時，藉由簡單方便地使用以下方程式：
1/(CO2 /E)=吸收/捕捉100%之產生CO2 所需之工廠電力的%
在實施例的情況中，此計算為41.6%。
(3)或者，明顯可見當於吸收/轉化中消耗之淨電力為零(忽略廢熱回收)時，對於給定的程序條件，經吸收及轉化的CO2 同樣為零。因此，對於此類型工廠的所有操作線理論上皆相交於(0%電力，0% CO2 )。
(4)給予線性系統中之任兩點，可藉由以下方式構成定義CO2 吸收/轉化程序之操作特性之操作線的直線解：
a.　對各操作條件，完成基礎情況解，及將所得之點一單元情況解(%電力，% CO2 )描繪於% CO2 (y軸)對%消耗淨電力(x軸)之圖上；
b.　對該情況，計算(CO2 /E)，且對在y=100%的情況解x座標；及
c.　假設所有線皆通過原點。在實際的系統中，甚至在零吸收下亦將有一些電力消耗(控制，環境等等)，因此此係理想的情況。實際上，此等線將稍微彎曲且未終止於原點。
(5)以此方式，可產生一族此類型之CO2 吸收/轉化程序的操作線。
(6)亦可將相競爭的技術作圖於此相同類型的圖上，並以圖式作比較，例如：
a.　相競爭的MEA(甲基乙基胺)吸收技術消耗30%之工廠電力於完成在引入吸收前排放之CO2 之58%的吸收。
b.　此外，在透過極端壓力及冷凍循環液化此CO2 (45%電力/58% CO2 )時消耗估計15%的工廠電力。
c.　此接著將展現1.24之(CO2 /E)值；然而，將CO2 輸送/注入/維持於隔離位置需要額外的未予說明的能量。
d.　在圖式上，此相競爭的技術經顯示較操作作為本發明之一具體實施例之程序的實施例CO2 吸收/轉化工廠無效率；即此模型顯示相競爭的技術將需要70%+之電廠於消除100%之其之CO2 產生。注意此等關於相競爭技術之點圖示於圖9A(參照圖表上之說明)：
i.　根據2005 EIA估計，CO2 經MEA技術之吸收需要30%之工廠電力於吸收58%之所產生的烟道氣CO2 。(注意圖9A (30%，58%)中關於單獨吸收-處理之圖表上的位置。)
ii.藉由相同的估計，該CO2 之壓縮/液化消耗另外15%的工廠電力，使此一工廠的操作點移至(45%，58%)。
iii.　對於藉由管線或其他輸送裝置輸送液態CO2 所需之能量，及將該CO2 泵送或注入至各種性質之碳儲存所中所需之能量量值，及將該CO2 永久維持於該儲存所中所可能需要之能量量值並無確實的估計。然而，雖然無法估計該等額外的能量，但似乎可合理地將其假設為非零。因此，此一裝置之生態學效率理論上較用於獲致特定CO2 降低效益所消耗之電力的(45%/58%)交換差。將其外挿至100%減少情況，MEA/液化/隔離技術將消耗多於70%之工廠電力。應注意典型的競爭吸收技術無法達到100%吸收；即處理100%之離開烟道氣之工廠的數字為58% CO2 吸收。
B.　生態學效率之極限[(CO2/E)max]的計算
實務上，對於藉由吸收CO2 將所有產生之NaOH有效轉化為NaHCO3 之給定系統，主要的能量成分為仟瓦-小時/莫耳NaOH。雖然每莫耳NaOH之電力與電壓及電流兩者成比例，但電流係由化學性之化學計量所固定。因此，每莫耳CO2 所消耗之電力主要係藉由達到可有效產生氫氧化物之最低電壓條件而最佳化。
操作根據本發明之具體實施例之電解系統(如構造成具有變化的濃度、幾何尺寸、流率等等)的最小電壓可藉由觀察系統的電流密度(仟安培/平方米)對伏特特性，及決定可得到足夠之非零電流密度以製造產物的最低電壓而決定。改變物理尺寸、電場產生裝置、電池幾何形體、材料之組合物、及加工條件以將此特性量度(kA2 /m2 V)最佳化係將此等系統最佳化的主要方式，且典型的實驗設計技術有用於對給定的實體工廠將工業程序最佳化。
除了實際的限制，存在一將可適用於所有具有給定H/Na比(質子化比)之系統的基本限制，即：
(1)沒有裝置可經操作而透過氫能量回收產生較於電解中輸入至系統中者更多的能量。熟悉熱力學原理之人士將注意到此將係"違反第二定律"。
(2)由於此事實的結果，基本的熱力學限制可為邊界，而給予陽極電解液消耗中所使用之H/Na比的選擇：
a.　對於此實施例，假定H/Na為0.10。
b.　將氫能量回流效率設為100%。
c.　計算可進行操作，且其中由系統所消耗之淨能量為零的最低電壓("Vmintheo")(即電解成本等於假定之100%氫回流效率的點)。
d.　在此實施例中，該低電壓為1.5526伏特。此數值係Na/C比、H/C比及氫能量回流效率的強烈函數。在此最佳情況中，Na/C為1.0及H/C為1.0。
e.　經過此計算至其生態學效率後，單一單元解大約為對93% CO2 吸收/轉化7%電力。
f.藉由下列方式可在較此理論最小值更有效率的操作點下處理：
i.藉廢熱回收補充電力消耗；及
ii.部分或完全藉由其之產生不會導致CO2 排放之電力(水力、太陽能、風力、核能等等)對吸收/轉化程序供電。
類似地，如上假定理想的氫回流效率等等，計算操作可為"生態學"的最大電壓("Vmaxeco")(即其中CO2 吸收/轉化程序移除較所產生者多的CO2 )：
a.　如上分別將H/Na、Na/C、及氫回流能量效率設為1.0、1.0及100%。
b.　計算CO2 移除將為50%的電壓。
c.　在此實施例中，該Vmaxeco為4.457伏特。在此電壓及條件下，程序在CO2 =E之線(在生態上有利與生態上有害操作之間的邊界)上操作。
因此，當電解系統係在Vmintheo(1.5526伏特)與Vmaxeco(4.457伏特)之間操作時，將發生生態上有利的操作。可利用許多典型的電解系統複製在該兩點之間的操作。藉由操控以此方式設計之電化學電池的幾何形體、濃度、溫度、壓力、流率等等，可容易地再現在2.1伏特或低於2.1伏特下的實驗室結果。
C.　非溫室產生電力對生態學效率的影響
當補充電力(對程序供電的電力)係由排放非溫室氣體(GHG)之電力(例如，風力、水力、太陽能、核能等等)所產生時，則將有零的補充CO2 排放，且本發明之生態學效率大大地改善。對於此實施例，表2中之項3101209噸之CO2 連同所有後續的重複等等消除，而留下此簡化的結果：所有的CO2 經吸收/轉化(7,446,069噸)，且所需之總電力僅為8,760,000,000基礎加上完成吸收/轉化該基礎量之CO2 所需之功所需之3,648,448,267仟瓦-小時，相較於在GHG供電程序中獲致100%之CO2 排放之41%的總電力，在非GHG供電程序中僅需要29%之總電力於獲致100%之CO2 排放。此意謂當程序係由非GHG排放供電時，本發明之具體實施例提供顯著的"槓桿作用"因子。替代使用非GHG電力於以1%:1%基礎取代GHG-產生電力，若使用非GHG電力於對作為本發明之一些具體實施例之程序供電，則1%之非GHG-產生電力以倍率取代GHG產生，其甚至超過此處說明的GHG-產生電力實施例。吾人可容易地設想對於給定的國家、州、或實體，當以此放大方式使用特定比例之非GHG-產生電力時，其可更有效率地達到任何CO2 減量目標的情況；即吾人可以高度槓桿作用的方式使用"乾淨"電力於清除其他"骯髒電力"的排放物。
設若在一些應用中，可取得非GHG-產生電力產生，其有時係為偶發的形態(例如，太陽能、風力"農場"等等)，則利用該電力於在離峰期間製造大量吸收劑的能力將極度有利。
實施例6 各種模型電廠之生態學效率
圖10顯示併入本發明之具體實施例之各種模型電廠的生態學效率，且其描述作為決定生態學效率(CO2/E)之主要因素的各種條件。
由此等計算，可大致推論得：
(1)形成碳酸鈉及使用標準氯鹼條件，程序將具有大於1的生態學效率，且雖然此一操作可能在經濟上可行，但其產生較其所吸收者多的CO2 。
(2)改變產物平衡以利於產生碳酸氫鈉可改良程序的生態學效率。在改變條件以實質上產生純碳酸氫鈉的情況中，此優點經完全最佳化。
(3)採取低電壓電解實務使程序確實地移入至特徵在於生態學效率低於1.0的操作區域中(即生態上有利的CO2 吸收及轉化程序)。將電解系統之各物理行為最佳化以得最佳之(仟安培/平方米伏特)及最大氫能量產生導致生態學效率的進一步改良。
(4)將本發明之具體實施例的吸收/轉化程序與將廢熱轉變為DC電力之任何數目的可取得或為用途而製作之機器連結，可由廢熱回收補充或完全供給DC電解及AC泵送等等中的起始能量投資。
應注意提供本發明來自非排放溫室氣體之發電機的電力可使程序直接達到100% CO2 吸收(見實施例5中之論述)。
實施例7 給定最佳LVE氯鹼電池之V/I特性操作線，決定Voptlve(相對於電池容量或面積之最佳低電壓操作電壓)及Ioptlve(在操作電壓下之電流)
在此顯示較低電壓操作使製造使用作為吸收劑流體之氫氧化鈉所需之電力降低。表3顯示由圖5中之1.0/90℃陽極電解液情況(論述於以上的實施例4中)之VI操作線所作的計算。關於表3之內容應注意數點：
(1)第三欄之電流效率(無因次)係代表使用於製造產物化學品所產生之電流的比例；諸如I2R損耗之損耗及電解流體之廢熱係無效率的主要原因。電流效率隨衰減的電壓而衰退。
(2)對3.975伏特情況將電池面積正規化(其中電流密度，及因此程序之面積需求，與利用3.0仟安培/平方米特性進行之標準5伏特電解相同)。計算A2/A1(無因次)。
將最後一項，單位無因次面積之電力節省的%，描繪於圖11。對於此一函數，最大斜率(單位電壓變化之電力使用的變化)之點呈現最佳值；即在低電壓(例如，2.1-2.5伏特)下，斜率(Δ電力/Δ平方米)相當低，然後在較高電壓(例如，2.5至大約3)下，斜率(Δ電力/Δ平方米)先增加至較大值，然後當電壓持續增加時再衰減至較低斜率。此說明有一以在各側上之低斜率區域為界之高斜率區域；即在該Voptlve點之任一側上，單位電壓變化之電力使用的變化較無效。
先完成接近概算實際行為的函數(注意由最小二乘方擬合所產生之多項式趨勢線的式)。在此實施例中，y=-10.164x3+88.256x2-235.06x+198.37係接近的概算。然後藉由多項式的典型處理計算函數的第一導數：dy/dx=(3)(-10.164)x2+(2)(88.256)x-235.06=max。可重複x(伏特)之值以求得此第一導數之最大值，其可藉由各種技術完成，而產生2.894伏特作為解。
注意可使用低於2.894伏特之電壓，且將產生進一步的電力節省。一些較佳具體實施例將對低於此"自然最佳點"的低電力操作最佳化。在該等情況中，使用於薄膜的額外面積將產生"次於最佳"的電解系統，但整體去碳酸化程序之低電力操作可藉由對給定的電解子系統在低於此自然最佳值下操作而進一步獲利。然而，當如此操作時，電壓/電力效益其後將衰減，同時面積因子持續成比例地使單位面積的操作較無效率。
可藉由對V及I形成類似的最小方差關係，或藉由圖式使用操作曲線於決定Ioptlve，而決定對應於此Voptlve的電流及電流密度。在此實施例中，計算值為10.419安培(或對於如同此情況中之0.01平方米電池面積)，1.042仟安培/平方米。
於文中揭示及提出專利申請之所有方法及裝置可依據本揭示內容無需過多的實驗而進行及執行。雖然本發明之方法及裝置已就較佳具體實施例作說明，但熟悉技藝人士當明瞭可不脫離本發明之概念、精神及範疇而對文中說明之方法及裝置及方法的步驟或步驟順序進行變化。更明確言之，當明瞭可以化學相關的特定組合物取代文中說明之組合物，同時仍獲得相同或類似的結果。所有此等熟悉技藝人士明顯可見的類似取代及修改被視為係在如由隨附申請專利範圍所定義之發明的精神、範疇及概念內。
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106．．．再沸器
108．．．分離室
110．．．水處理室
200．．．反應器
300．．．混合室
302．．．電解室
302A．．．鹽水混合器
306．．．鍋爐
308．．．分離室
310．．．水處理廠
801．．．碳酸化單元
803．．．碳酸氫化塔柱
901．．．烟道氣入口
902．．．管
903．．．FG/碳酸氫鹽熱交換器
904．．．陽極電解液/FG熱交換器
905．．．陰極電解液熱交換器
906．．．熱烟道氣製程管
907．．．碳酸化/吸收塔
908．．．上方排氣口
909．．．碳酸氫化/轉化塔
910．．．排氣口
911．．．槽
912．．．冷凝器
913．．．H2 O回收槽
914．．．鹽水混合器
915．．．主水源
916．．．pH閉環控制器
917．．．陽極電解液段
918．．．陰極電解液段
919．．．控制點
920．．．氫氧化物儲存槽
921．．．氯氣管線
922．．．進入純氫氣管件
923．．．H2 /O2 燃料電池
924．．．次氯酸鈉反應器
925．．．HCl燃料電池
926．．．HCl酸性氣體回流管線
929．．．水/FG熱交換器
931．．．烟道氣溫度混合控制
933．．．電解電池
935．．．純水回收迴路
937．．．H2 O HX儲存槽
以下之圖式係以實例作說明而非限制性。圖式構成本說明書之部分，且其係用來進一步展示本發明之特定態樣。本發明可經由結合呈現於文中之說明具體實施例之說明參照一或多個此等圖式而獲得更佳的瞭解：
圖1係顯示本發明之特定具體實施例之方法流程圖。
圖2A顯示用於觀察本發明之去碳酸化部分之一具體實施例之主要特徵的裝置。
圖2B顯示實驗的吸收/轉化結果。
圖2C顯示實驗的吸收/轉化結果。
圖2D係顯示移除90% CO2 所需之氣體/液體接觸距離(米，流體深度)的圖表。
圖2E係顯示產物離子比對吸收於試驗反應器中之CO2 百分比的圖表。
圖3係顯示當反應進行所指示時間時由反應室內之流體所近似之熱行為的圖表。
圖4係顯示5英吋塔柱之溢出研究的圖表。
圖5係顯示各種陽極電解液pH及溫度條件之典型電壓/電流特性操作線的圖表。
圖6係根據本發明之具體實施例包括未回收氫氣之反應器之系統的方塊圖。
圖7係根據本發明之具體實施例包括透過燃料電池DC回流回收氫氣之反應器之系統的方塊圖。
圖8係顯示氣泡塔中之CO2 吸收百分比對流體深度對在低界面速度下之氣體界面速度的圖表。
圖9A係顯示根據本發明之具體實施例之理論最大CO2 吸收及實驗結果的圖表。
圖9B顯示對於併入根據本發明之特定具體實施例之工廠之烟道氣模型的假設及計算。
圖9C顯示併入本發明之特定具體實施例之工廠的去碳酸器程序負荷及中間鹼需求。
圖9D顯示併入本發明之特定具體實施例之工廠的電解段負荷及需求。
圖9E顯示併入本發明之特定具體實施例之工廠的廢熱計算。
圖9F顯示併入本發明之特定具體實施例之工廠的能量平衡及生態學效率計算。
圖10顯示併入本發明之具體實施例之各種模型電廠的生態學效率。
圖11係顯示正規化LVE設計之每平方米面積所節省之電力百分比的圖表。
901．．．烟道氣入口
902．．．管
903．．．FG/碳酸氫鹽熱交換器
904．．．陽極電解液/FG熱交換器
905．．．陰極電解液熱交換器
906．．．熱烟道氣製程管
907．．．碳酸化/吸收塔
908．．．上方排氣口
909．．．碳酸氫化/轉化塔
910．．．排氣口
911．．．槽
912．．．冷凝器
913．．．H2 O回收槽
914．．．鹽水混合器
915．．．主水源
916．．．pH閉環控制器
917．．．陽極電解液段
918．．．陰極電解液段
919．．．控制點
920．．．氫氧化物儲存槽
921．．．氯氣管線
922．．．進入純氫氣管件
923．．．H2 /O2 燃料電池
924．．．次氯酸鈉反應器
925．．．HCl燃料電池
926．．．HCl酸性氣體回流管線
929．．．水/FG熱交換器
931．．．烟道氣溫度混合控制
933．．．電解電池
935．．．純水回收迴路
937．．．H2 O HX儲存槽

Claims (8)

  1. 一種自工業廢液流隔離二氧化碳及其他成分之裝置，其包括：一包括至少一陰極及至少一陽極之電解室，該室在使用過程中可產生氫氧化物；一可操作地連接至該電解室及一於使用過程中容納該工業廢液流之導管之混合設備，該混合設備在使用過程中可將來自該電解室之氫氧化物與該工業廢液流摻混以產生一摻混物，其中該工業廢液流中之二氧化碳、硫及/或氮化合物可與該氫氧化物反應，以在所得摻混物中產生比碳酸鹽產物更多的碳酸氫鹽產物；及一可操作地連接至該混合設備且可自該摻混物分離該產物成個別的氣相及固相及/或液相的分離室，藉此以無機物產物型式自該工業廢液流隔離二氧化碳。
  2. 如請求項1之裝置，其中該電解室包括一薄膜電池、一隔膜及/或汞。
  3. 如請求項1或2之裝置，其中該混合設備包括一批式反應器或串聯的批式反應器，一氣體/液體吸收/反應裝置或串聯的氣體/液體吸收/反應裝置、一結晶塔或串聯的結晶塔、或一氣泡塔或串聯的氣泡塔。
  4. 如請求項1或2之裝置，其進一步包括一可操作地連接至該分離室且在使用期間可自該固相及/或液相移除液體之乾燥室。
  5. 如請求項4之裝置，其中該乾燥室可於使用期間加熱該 固相及/或液相。
  6. 如請求項1或2之裝置，其經進一步界定為可操作地連接至一電廠。
  7. 如請求項1或2之裝置，其中該電解室在使用期間可自氯化鈉及水產生氯氣及氫氧化鈉。
  8. 如請求項1或2之裝置，其中該混合設備在使用期間可將來自該電解室之氫氧化物與來自該氣流之二氧化碳摻混，而產生碳酸鹽及/或碳酸氫鹽產物。
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