TWI842483B - 自給自足的二氧化碳捕捉和封存系統及其方法 - Google Patents

Abstract

本發明涉及一種通過組合四個工藝系統形成一個自給自足的二氧化碳 捕捉和封存系統及其方法，該自給自足的集成系統於海洋環境中從大氣或點源排放的氣體中捕捉和封存二氧化碳的方法和設備。這四個工藝系統包括PEO發電系統(Pressure-Enhanced Osmosis Energy Generation System)、海水淡化系統、pH擺動水化系統(pH-Swing Hydration System)或直接水化系統、以及深海沈泥間質水的封存系統。經由以上四個系統的協同作用形成了極為穩定的固碳方法將二氧化碳固定在比海水的比重大且鹼度高的濃鹽水中並將其封存於深海無生物生存的沈泥間質水中。其中，PEO發電系統與其他三個系統之間的協同作用，包括為其他三個系統的運行提供所有必需的可再生能源。而海水淡化系統與其他系統之間的協同作用，包括提供PEO發電系統和pH擺動水化系統所需的淡水，以及捕碳固碳所需的高鹼度濃鹽水。pH擺動水化系統或直接水化系統，通過使用PEO發電系統產生的可再生能源，以及來自海水淡化系統的高鹼度濃鹽水和淡水將大氣中或點源排放氣體中收集的二氧化碳氣體固定為主要成分為重碳酸離子的物種。而高鹼度濃鹽水的重碳酸離子的封存系統利用PFO發電系統產生的能源將含極為穩固重碳酸離子高鹼度濃鹽水注射於深海無生物生存的沈泥間質水中。以上四種系統技術集成為一個綜合系統，其所需的能量全部在原位產生，並從原位海水中提取並生產該集成系統所需的所有材料，以形成一個自給自足的 碳捕捉與封存系統。當有可用的淡水，例如河水、湖水、或處理過的污水存在時，以上所述的海水淡化系統可以省畧，在此情況下此集成系統可應用於陸地上任何適宜開發碳捕捉與封存地區。

Description

自給自足的二氧化碳捕捉和封存系統及其方法

本發明涉及二氧化碳捕捉和封存技術，該技術組合四種系統於海洋環境中形成一個自給自足的集成系統，此四種組合系統包括PEO發電系統(Pressure-Enhanced Osmosis Energy Generation System)、海水淡化系統、pH擺動水化系統(pH-Swing Hydration System)或直接水化系統，經由以上三個系統的協同作用將二氧化碳捕捉並固定在鹼度高的濃鹽水中轉化成為極穩定的重碳酸離子，然後應用第四個深海封存系統將穩定的重碳酸離子封存於深海無生物生存的沈泥間質水中。當有淡水能被應用時，海水淡化系統能被取消，此情況下該集成系統亦能運用於陸地環境中。

根據政府間氣候變化專門委員會(Intergovenrmental Panel on Climate Change，簡稱IPCC)的報告，僅減少或消除由人為引起的現有二氧化碳排放，無法使全球溫度升高保持在比工業化前水準高1.5℃或2℃(請參閱2014年IPCC AR5綜合氣候變化報告，和IPCC全球變暖1.5℃報告，第4章，2018)。要實現“1.5℃的氣候目標”美國國家科學院(US National Academy of Science，簡稱NAS)於2019年建議需要研發從大氣中捕捉和封存二氧化碳的“負排放技術(Negative Emission Technology，簡稱NETs)”。由IPCC提供的資料顯示，每年必 須捕捉與封存約100億噸的CO₂(即10Gt CO₂)，才可到2050年時使全球溫度升高保持在1.5℃或2℃以下。因此，為實現1.5℃的氣候目標，開發出任何具有成本效益的負排放技術在去除大氣中的CO₂方面非常重要。為了實現上述目標，需要有充足及穩定，並負擔得起的大量資源，例如能源、土地、水、和其他相關物質資源。這些資源供應也不應受到供給方的限制，並且這些資源的來源也不應本身產生溫室氣體(GHG)的排放，以影響所選負排放技術的應用。為了滿足上述問題，其中對於能源供應方面，它應具有大量性和可再生性，且生產能源過程其本身也不應造成任何二氧化碳和其他污染空氣的排放。因此，目前主要的能源供應來源只能從水力、太陽能、風能和地熱能等可再生資源中選擇，並且其可供量必需能滿足各捕碳及固碳項目的需求，例如可輕易滿足每年數百萬噸或每年上億噸的二氧化碳捕碳及固碳專案的需求。由於存在上述大規模的問題，在許多情況下，對地區、土地面積、能源、和材料數量限制以及高成本需求可能會成為實施負排放技術的限制。當前仍然很難找到大規模，穩定，可靠且全天候的可再生能源供應。實施負排放技術時水資源和其他相關化學品所需的物質資源也需大規模供應，這在許多情況下是不切實際的，不經濟的，不容易執行的，並且可能涉及許多社會和環境的負面影響。此外，因用於封存CO₂的存儲容量應足夠大，並且封存法及地質狀況必須經濟、易於實施、穩定且安全(即長時間沒有洩漏的機會)。為避免上述限制而開發負排放技術是本發明的主要目的。

公開文獻中報導的用於二氧化碳去除的現有負排放技術正在採取多種形式，以創新的技術系統，以便加快當前的二氧化碳去除率。目前二氧化碳去除系統的負排放技術通常包括以下三個主要集成過程或步驟：(1)空氣收集系統，(2)二氧化碳捕獲和轉化或固定系統，以及(3)二氧化碳封存和/或利用系 統。下面的背景技術討論了已經開發的主要集成系統，其中一些已處於試點或商業規模。一種稱為“生物炭”的技術，該技術利用植物從大氣中提取CO₂，然後將植物材料轉化為木炭狀物質並將其掩埋在土壤中，以將碳封存幾十年到幾個世紀。處於演示階段的另一項技術稱為“碳捕捉與封存的生物能源(Bioenergy with Carbon Capture and Storage，簡稱BECCS)”技術，其中大氣中的CO₂在植物生長時會被植物吸收，然後將此生物質燃燒或熱解以產生生物能源。在生物能源生產中釋放的二氧化碳被捕獲，並存儲在地下深處的地質構造中。另二類技術稱“造林”及“再造林”也被認為是二氧化碳去除技術的形式，因為它們可以促進大氣的CO₂去除。另一項技術稱為“直接空氣碳捕獲和存儲(Direct Air Carbon Capture and Storage，簡稱DACCS)”的二氧化碳去除技術，此技術將CO₂直接從空氣中提取並存儲在地下深處的地質構造中。如今，有兩種主要的DACCS系統被廣泛使用，它們使用液體溶劑或固體吸附劑來捕獲CO₂。另一種技術稱為“沿海藍色碳(Coastal Blue Carbon)”的系統，該系統通過土地使用和管理實踐來增加在紅樹林、潮汐沼澤地、海草床中的植物、近岸沉積物、以及其他潮汐或鹽水濕地以吸收及儲存碳。一種稱為“加速風化”的系統，其中通過天然或人工礦物將CO₂從大氣吸收，並通過有水存在的情況將CO₂及礦物發生化學反應以將CO₂固定。

但是，到目前為止，上述討論的負排放技術都無法完全克服上述所有的限制。上述討論的負排放技術中最有希望且已經商業化的是BECCS技術和DACCS技術。BECCS技術的主要限制因數之一包括提供原料時所需的土地資源。根據上述NAS報告，每年10億噸的二氧化碳去除需要3000萬至4300萬公頃的土地面積以便生產BECCS技術的原料。因此，若應用BECCS技術每年去除100億噸的二氧化碳的負排放量則需要數億公頃的土地，幾乎占全球農田面積的40%。 基於上述NAS參考資料，BECCS技術的另一個主要制約因數是應用上述其他固碳資源的經濟可行性。除了前述的限制因數之外，BECCS技術還將受到其他生物質生產活動的限制，例如種植、灌溉、施肥、收成、以及運輸到生物質轉化場所會消耗大量其他資源並產生大量溫室氣體。大規模使用BECCS技術還會對土地利用的變化、土地保護(例如營養供應)、和生物多樣性產生潛在影響。BECCS技術將與造林/再造林以及其他的糧食生產和生態系統保護競爭。因此，將限制BECCS技術在二氧化碳去除方面的大規模使用。

如今，一些用於去除二氧化碳的DACCS系統也已經處於商業階段。此技術通常利用大型風扇將大氣泵入含液體溶劑或固體吸附劑的篩檢程式中以捕獲CO₂。這些空氣收集和碳捕捉的設施可以建造於地質存儲地點附近，以避免佔用耕地並最大程度地減少運輸需求。但是，DACCS若應用再生能源的操作仍然需要大片土地以生產太陽能或風能。根據世界資源研究所關於使用氫氧化鉀(KOH)溶液吸附二氧化碳的報告(詳見WRI 2021的直接空氣捕獲二氧化碳商業液體溶劑系統的報告)，每年由大氣捕獲1噸二氧化碳所需的碳捕捉系統的土地要求為0.4Km²，提供可再生能源的太陽能光伏(PV)系統的土地要求為7.7Km²(此太陽能光伏系統提供的可再生能源僅用於直接空氣捕獲的溶劑吸收操作，而溶劑再生所需的電量太高，因此仍然需要天然氣提供能源)。對於DACCS的商用固體吸附系統，與上述比較，若直接由空氣捕獲1噸二氧化碳的固體吸附系統的土地要求為1.2至1.7Km²，太陽能光伏系統的土地要求為23Km²。根據以上資料，使用光伏可再生能源每年可捕獲10億噸二氧化碳的液體溶劑大氣碳捕捉系統可能需要大約美國佛蒙特州大小的面積。根據上述NAS(2019)報告，在1Gt/yr CO₂去除率下部署DACCS技術，並假設$100/t的CO₂捕捉成本，每年總投資約為 $1000億美元，約占美國國內生產總值(GDP)的0.5%。在全球10Gt CO₂/年由大氣中去除量和$100/t CO₂的去除成本情況下，全球範圍內總投資增加到約$10000億美元，約占全球GDP的1.2%。目前直接由大氣捕獲二氧化碳的成本範圍約為$250-$600之間根據技術選擇而變化。因此，能源、土地資源、和成本問題可能成為擴大DACCS系統以達到“1.5℃的氣候目標”的主要限制因數。至於其他資源需求，例如水需求，對於液體溶劑的大氣捕捉系統，捕獲1噸二氧化碳可能需要1至7噸水，根據捕捉系統位置的相對濕度和溫度變化而變化。當今使用的固體吸附劑的大氣捕捉系統的水需求也相差很大，具體取決於吸附劑再生方法，根據WRI報告(2021)，從極小的水損失到每噸二氧化碳捕獲約需1.6噸水。

目前已經為DACCS系統開發了許多液體溶劑和固體吸附劑化學品。傳統的液體溶劑系統使用基於胺基、鹼基、或鹼土基液體從空氣中捕獲二氧化碳。較早的液體溶劑中試規模系統的開發商Carbon Engineering成立於2009年，它使用KOH溶液作為二氧化碳捕捉液體溶劑來形成碳酸鹽溶液。然後將碳酸鹽溶液從溶液中沉澱，通過煆燒爐加熱至約900℃，以回收KOH溶液並釋放純二氧化碳氣體(CO₂(g))以便收集並進一步封存。美國專利號7,699,909B2、8,246,731B2和8,702,847B2，由Lackner等發明人均使用NaOH溶液吸收CO₂並轉化為Na₂CO₃液體。然後，通過與Ca(OH)₂溶液反應，將Na₂CO₃液體轉化為CaCO₃固體。接著，通過加熱將CaCO₃再次再生為Ca(OH)₂，並釋放CO₂(g)進行封存。美國專利號7,887,694 B2，Constantz等使用含鹼土金屬的水作為捕捉CO₂(g)的液體溶劑，形成金屬碳酸鹽沉澱物以捕捉CO₂(g)並將其封存於可處置的地點。美國專利號9,266,057B1，發明人Jones基於亨利的氣體法(Henry’s Gas Law)使用水 化工藝溶解CO₂(g)，並使用脫氣工藝濃縮CO₂(g)，直到氣體達到理想的純度以進行封存。

許多用於去除CO₂(g)的固體吸附劑都使用吸附-解吸機制，並伴有濕氣擺動，溫度擺動或壓力擺動方法來釋放捕獲的CO₂(g)。例如，美國專利號4,711,645，發明人Kumar使用氧化鋁和沸石吸附劑在70-120℉，50-150psi下吸附CO₂(g)，然後通過降低至室溫和大氣壓力以釋放CO₂(g)。美國專利號5,980,611，Kumar等發明人進一步將溫度擺動法從0-50℃修改為室溫，將壓力擺動法從0.9-50bar更改為大氣壓以釋放CO₂(g)。美國專利號8,133,305B2，Lackner等發明人使用吸附劑，包括沸石、氧化鋁材料、活性氧化鎂、活性氧化鐵嵌入的正離子(包括金屬氧化物或金屬氫氧化物)、以及單獨移動的負離子，將CO₂(g)吸附於陰離子，然後通過濕氣，溫度和電壓擺動法釋放CO₂(g)。美國專利號8，715，393B2，Wright等發明人通過用幹樹脂接觸氣流吸附CO₂(g)，然後潤濕樹脂以從水蒸氣中釋放CO₂(g)。美國專利號9,283,510B2，Lackner通過將離子交換材料浸入水中以用氫氧化物或碳酸鹽離子取代氯化離子來製備CO₂(g)捕捉材料的製備方法。美國專利號9,555,365B2、10,239,017B2和10,413,866B2，Eisenberger等發明人利用胺吸附劑吸附CO₂(g)，然後在不大於130℃的溫度下通過熱擺動操作釋放CO₂(g)並再生吸附劑。

除了上述討論的化學或物理化學工藝技術外，還使用電化學工藝技術的pH擺動概念來捕獲CO₂(g)。此法通常利用陰極池中的鹼性流體捕捉CO₂(g)，然後將水化的CO₂轉移到陽極池中的酸性流體來釋放CO₂(g)並將其收集。當前用於去除CO₂的pH擺動電化學工藝包括使用電解法、雙極膜電透析(BPMED)法、電容性去離子化法、或可逆氧化還原反應法。這些方法在公開文獻 已有報導，例如，Rahimi等人於“細胞報告物理科學”(Cell Reports Physical Science)在2020年報導了、Rheinhardt等人也於ACS Energy Letter在2，2017報導了、Sharifian等人於“能源環境科學”在2021第14期也報導了。通過pH擺動電化學工藝回收的CO₂通常以純CO₂(g)形式釋放，以進行後續的封存。在極少數情況下，通過添加可溶性鹽或多價陽離子材料(例如Ca⁺²，Mg⁺²，Sr⁺²鹽)，將捕獲的CO₂作為不溶性碳酸鹽，或應用飛灰或橄欖石在陰極池捕捉CO₂以進行後續的封存，如Ren等發明人的美國專利號10,718,055B2所述。與上述常規化學吸收/吸附方法相比，用於二氧化碳捕捉和回收的pH擺動電化學工藝的優勢更加靈活，可持續，相對較快，並且不需要使用任何特殊的消耗性化學物質。但是，當前可用的電化學方法的主要挑戰是高能耗。

上述不需要特殊的消耗性化學藥品的CO₂(g)捕獲方法乃基於海水對CO₂(g)的水化作用，將CO₂(g)溶解為碳酸(H₂CO₃(aq))和重碳酸離子(HCO₃ ^-)。如美國專利號11,045,758B2所披露，通過在室溫和大氣壓下用表層海水洗滌空氣以將CO₂(g)氣體溶解到海水中，也可以從煙道氣中捕獲CO₂(g)，然後再次將捕獲的碳物種排放到海洋的水柱中進行碳固存。海水用於二氧化碳捕集的主要優勢是不需要特殊的消耗性化學藥品、相對較低的運行成本、重碳酸離子在約pH 8的封存比直接封存二氧化碳氣相更穩固更安全、以及幾乎沒有封存量限制的地球巨大海水量的存在。但是，可能涉及以下缺點：(1)多數(>99%)直接水化後溶解的CO₂(g)在室溫和大氣壓條件下以CO₂(aq)而不是H₂CO₃(aq)的形式存在，(2)儘管CO₂(g)溶解為CO₂(aq)是快速的，但是CO₂(aq)轉化為H₂CO₃(aq)是相對較慢的，(3)將CO₂水化後的海水排放到海水柱中可能會降低pH值而影響到海洋生物的生態，(4)由於pH值的變化或其他環境條件變化，例如溫度和壓力變化，固 存於海水柱中溶解的CO₂(aq)和H₂CO₃(aq)可能會釋放回大氣中。但如下述，若應用pH擺動水化法將CO₂(g)被比海水比重大的濃鹽水捕捉，且封存於無生物存在的深海沉泥間隙水中，便可避免以上缺陷，這是本發明採用的方法。

美國專利號8,551,221B2，Wolfe發明利用鹽水中的氨氣，例如海水、廢水、鹽水、地下水、或冷卻塔含鹽及氨的水，從氣流中吸收CO₂(g)形成碳酸銨以捕捉碳。然後將捕獲的流體去除碳酸銨以便形成的固體晶體，之後利用正滲透(FO)操作將捕獲的液體作為驅動液(Draw Solution)進行脫鹽以稀釋鹽水，之後將正滲透操作的稀釋鹽水(尚含少量碳酸銨)加熱以蒸發氨氣再利用。接著利用小型水輪發電機根據現行的阻尼滲透(Pressuure-Retarded Osmosis，簡稱PRO)工藝回收能量。但是，利用該發明在去除二氧化碳方面的缺點包括：(1)需要大量的熱能，通常需要400-500btu/磅的CO₂去除，以回收氨氣，(2)由於形成碳酸銨晶體而損失氨氣，(3)氨是有毒，腐蝕性和13-28%體積時是爆炸性的，(4)使用PRO工藝產生能量在驅動液需要高壓的情況下，如美國專利號11,092,141B1所述，因為驅動液會消耗再次產生的大部分能量因此此種方法變成不值得。

在美國專利號9,474,998B2中Koo等發明人結合二氧化碳捕獲和脫鹽技術，利用驅動液捕獲CO₂，然後將該溶液用作正滲透操作的驅動液，類似於上述美國專利號8,551,221B2也利用氨作為吸收化學物質，因此如上所述的缺點也將在本技術發生。本發明與先前的Wolfe發明之間的區別在於，不使用PRO系統來回收能量。

美國專利號10,118,843B2中發明人El-Naas還披露了二氧化碳捕集與鹽水淡化系統的組合。在此發明中，CO₂(g)的吸收溶液包括pH值等於或高於10的氯化鈉、氧化鈣和/或氫氧化鈣的混合液。操作時輸入的CO₂(g)在氣流中 的濃度必須等於或大於0.1%才有效。操作時使用逆滲透(RO)脫鹽技術來過濾出在CO₂捕獲過程中產生的碳酸氫鈉固體物質。此法與上述碳去除和脫鹽聯合過程相比主要區別在於避免了該方法中回收氨的密集能量需求。但是，本方法仍存在以下缺點：(1)在大量捕碳的需求下，使用CaO和/或Ca(OH)₂化學品需要大量的礦產資源和能源來製造，當實施大規模的二氧化碳去除系統時，這可能無法實現，(2)輸入含CO₂氣體的濃度應大於0.1%，此對於從空氣中去除CO₂(g)(僅含0.04%的體積濃度)變成不可行，以及(3)使用逆滲透過濾出碳酸氫鈉固體物質也需要密集的能量。

在上面討論的二氧化碳捕獲和釋放方法的背景技術之後，接著是進行封存技術以去除二氧化碳。迄今為止，已應用的CO₂永久封存方法含蓋在海洋或陸地環境中存儲CO₂，例如：(1)生物封存技術(即，通過陸地上或海洋中植物的光合作用產生生物炭，然後將此生物炭或植物殘體存儲在土壤、濕地、或沉積物中來進行生物隔離)，(2)地下地質封存技術(例如將捕獲的CO₂(g)注入含鹽水的地下水層、油田、或無法再開採的煤層、以及地下多孔玄武岩岩層中)，(3)海洋存儲技術(將CO₂(g)轉化為重碳酸離子並儲存在相對淺層海水中、或直接將CO₂(g)注入更深的海水中在1000m以下形成液態CO₂(即CO₂(l))，或注入4000m以下使CO₂(l)沉入海底，和(4)礦物碳化技術(即，將CO₂(aq)與鹼性土金屬氧化物或氫氧化物反應，以形成穩定的碳酸鹽而封存於地質儲層中)。上述四種類型的封存方法已在公開文獻中進行了廣泛討論，例如美國國家科學院(NAS)在其2019年的“負排放技術和可靠的封存法”，以及Aminu等作者在2017年的“應用能源208”(Applied Energy 208)第1389-1419頁所述。

最近的一項研究發現，沙漠可以充當大量二氧化碳的封存地區，將CO₂(g)從大氣中捕獲後存儲在沙漠地下。Evans教授在一篇報告(即，沙漠被發現是主要的二氧化碳封存地區，“環境(Environment)”2014年4月10日)中指出，地球上的乾旱沙漠可以增加二氧化碳的攝入量，足以占目前所有二氧化碳捕獲並封存量的15至28%。沙漠土地佔據了地球上很大的面積，也將是大量固碳的理想選擇地區。缺點是，要在沙漠的土壤和岩石中永久封存二氧化碳需要大量的水才能通過風化過程來固定封存的碳。

上面所述的海洋存儲技術在公開的文獻對不同海洋深度的二氧化碳的封存變化情況已有很多討論與建議。主要涉及五種狀況：(1)將CO₂(g)製成乾水用船釋放於海水錶層，(2)將CO₂(g)水化為CO2(aq)封存深度由約500m至1000m，形成一股向下沉的重力流，(3)形成液態二氧化碳CO₂(l)排入約1000m的海底，(4)形成CO₂(l)用船經一深約1000m的管道注入海水中，(5)形成CO₂(l)用管道注入約4000m的海床形成一個穩定的二氧化碳“深池”。在上述情況下，當封存深度小於3000m的海水時，因CO₂(l)的密度小於海水密度因此碳有可能再次洩漏回大氣中。根據CO₂和H₂O的相對組成以及環境條件，可以在約500m深度以下形成固體CO₂水合物。一般CO₂水合物可以在CO₂(g)和水的混合物在壓力低至10個大氣壓，溫度為-1.5℃中形成。若在4000m以下的海水深度注入CO₂(l)時，CO₂(l)會沉入海底，此種深度的海底其海水較少流動，故此種封存法與上比較可能是一個較佳的解決方案，但需要相對較大的能量才能實施。

由於重碳酸離子在海水的pH範圍中非常穩定，故將捕獲的CO₂(g)轉化為重碳酸離子並注入海水中或深海沉泥中，本發明人認為是一種更好的二氧化碳封存方法，當然若大量的封存會引起海水的酸化而引發一些負面的環 境影響。根據物理化學理論的估算，大量CO₂(遠遠超過已往估計的5，000-10，000GtC)因為化石能源的應用，已經以重碳酸離子的形式溶於海水中。繼續將大量重碳酸離子、CO₂(l)或其水合物注入深海水中是一個可行的封存解決方案，但迄今研究較少。本發明相信對捕獲的CO₂進行水化，將其固定為重碳酸離子，然後注入深海沉泥無生物存在的間隙水中是更好的固存方法。根據以往報告的計算資料，深海沉積物可以提供幾乎無限且永久的二氧化碳封存場地(MIT新聞，2006年：深海沉積物可以安全地儲存人造二氧化碳；和House等人2006年：二氧化碳在深海沉泥中永久的儲存)。

基於上述背景技術的討論，為了2050年能實現“1.5℃的氣候目標”現有的二氧化碳捕捉與封存方法的應用仍存在許多缺陷。主要的缺陷包括在方法操作時無法獲得足夠的資源尤其是可再生能源及土地資源、無法避免在方法安裝及操作時所需資源的應用也會產生溫室氣體或其他環境負面影響、無法降低操作成本至可負擔的範圍、以及無法找到容量足夠大且經濟有效穩定安全的封存地區。換言之，目前能應用的二氧化碳捕捉與封存技術中仍無法克服上述缺陷。所以開發出一種新的方法與設備能不受能源、土地、水及其他相關物質資源的限制，在大量的二氧化碳去除率(即，能達到每年捕捉及封存100億噸的總規模)的需求下能經濟、有效、穩定、安全的捕捉及封存，是本發明技術的目的。

本發明提供了一種通過組合四個工藝系統形成一個自給自足的綜合集成系統以從大氣中或點源排放的氣體中大規模捕捉和封存二氧化碳的方法和設備。本發明對二氧化碳的捕捉和封存量能夠擴大到每年捕捉及封存百億噸的規模。本發明的大規模和自給自足的捕捉和封存方法若設計及操作得當尚 有經濟效益的產生，這是目前尚無其他技術可以做到的。本發明技術是通過下述四種主要的系統的應用，如圖1所示：包括PEO發電系統(Pressure-Enhanced Osmosis Energy Generation System)(即圖1中A所示)、海水淡化系統B、pH擺動水化系統(pH-Swing Hydration System)或直接水化系統C、以及深海沉泥間質水的封存系統D。經由以上四個系統的協同作用形成了極為穩定的固碳方法將二氧化碳固定在比海水的比重大且鹼度高的濃鹽水中並將其封存於深海無生物生存的沉泥間質水中。其中，PEO發電系統(A)與其他三個系統之間的協同作用，包括為其他三個系統的運行提供所有必需的可再生能源4(其中，分流出的可再生能源5提供給系統B，可再生能源7及11提供給系統C，可再生能源10提供給系統D)。而海水淡化系統B與其他系統之間的協同作用，包括提供PEO發電系統(A)和pH擺動水化系統C所需的淡水15(其中，分流出的淡水2提供給系統(A)，淡水19提供給系統C)，以及固碳所需的濃鹽水14。pH擺動水化系統或直接水化系統C，通過使用PEO發電系統(A)產生的可再生能源7及11，以及來自海水淡化系統B的高鹼度濃鹽水14和淡水19將大氣中或點源排放氣體中20收集的二氧化碳氣體固定為主要成分為重碳酸離子的物種。而含重碳酸離子的高鹼度濃鹽水25利用封存系統D使用PEO發電系統(A)產生的可再生能源10將極為穩固的重碳酸離子注射於深海無生物生存的沉泥間質水中。以上四種技術集成為一個系統，其所需的能量全部在原位產生，並從原位取之不盡的海水1中提取並生產該集成系統所需的所有材料，以形成一個自給自足的碳捕捉與封存系統。整個集成系統操作時唯一的資源需求為取之不盡的海水。當有可用的淡水，例如河水、湖水、或處理過的污水存在時，以上所述的海水淡化系統B可以省畧。本發明既可以應用於大氣中的二氧化碳，也可以應用於點源二氧化碳的捕捉和封存。當有淡水可用時，能避免 使用海水淡化系統B，此時海水進料可改為任何無毒、穩定、且可回收循迴利用的PEO發電系統(A)的驅動液，如下所述。因此，除海洋環境外本發明也能適合在世界任何可設廠的陸地上運行。捕獲的二氧化碳除轉化成重碳酸離子(HCO₃ ^-)封存外，也能轉化為純二氧化碳氣體34(CO₂(g))，應用於工業或農業方面。PEO發電系統(A)所產生的額外電力12和海水淡化系統的額外淡水18等副產品也能提供給家庭，工業和/或農業應用。所述的四個技術集成一個系統產生的額外能源及淡水可根據需要而調節，以協助操作時不但能實現零費用的碳捕捉與封存，更能實現碳減排的額外經濟效益，這是目前其他方法無法做到的。

本發明的捕捉和封存二氧化碳的方法中，PEO發電系統(A)，海水淡化系統B，以及pH擺動水化系統或直接水化系統C能夠位於海底相同深度的海洋環境中，此時三個系統能選擇安裝在同一外殼結構之內，並使用海水重力為運行提供壓力。此時以上所述的三個系統的較佳安裝深度有二種主要的選擇：一為選最優化的PEO發電系統(A)的最佳深度，二為最優化的海水淡化系統B所需的壓力深度，如下詳述。

上述的最優化的PEO發電系統(A)的最佳深度相當於壓力等於1/2 αβ△π₀所需的海水深度，其中α代表PEO發電系統(A)所使用的設備模組中正滲透膜壓力損失的膜效率因數，β是稀釋因數=Q2/(Q1+Q2)，Q1是正滲透膜的滲透通量，Q2是正滲透膜的驅動液通量，△π₀是PEO發電系統(A)的正滲透反應器中的理論最大滲透壓差。

當選擇上述海底相同的深度相當於最優化的海水淡化系統B所需的壓力深度時，若此海水淡化系統B是採用逆滲透法，其所需壓力一般在540m 至820m之間。此時，PEO發電系統(A)所需的海水驅動液最佳壓力能夠使用能量交換器將540m至820m間的壓力調節至等於1/2 αβ△π₀的壓力。

本發明在捕捉和封存二氧化碳的方法中，當有淡水(例如河水、湖水、或處理過的污水)能夠應用時，此時該淡水可通過管道，類似水力發電作法，由陸地向下流至PEO發電系統(A)的1/2 αβ△π₀的最佳深度附近，然後經由渦輪發電機發電。此額外的水力發電作法能夠被本集成系統選用乃因發電後的水壓能降至接近大氣低壓，正好適合PEO發電系統(A)的進料液所需的壓力。當所選用的淡水為上述的淡水來源時pH擺動水化系統或直接水化系統所使用的濃鹽水可被海水取代。

本發明在捕捉和封存二氧化碳的方法中，用於封存系統D含重碳酸離子的高鹼度濃鹽水或海水液體時可在大陸架(continental shelf)、大陸坡(continental slope)、或大陸基(continental rise)的海底沉泥下方至少一百公尺處的選定深度處注入沉泥的間質水中。經由估算，選擇此高鹼度濃鹽水液體的最終注入羽流的最終頂部邊界處於海洋沉泥的生物擾動層(bioturbation layer)以下至少十公尺處，以防止對任何海洋生物造成影響。

本發明在捕捉和封存二氧化碳的方法中，PEO發電系統(A)，海水淡化系統B，以及pH擺動水化系統或直接水化系統C也能夠安裝於海底不同深度的海洋環境中。因為每個系統的設備均能使用海水重力為操作時提供壓力，即容器內外壓力基本相同而可不需選用較昂貴的壓力容器材質。

當選擇海洋不同深度作為本發明捕捉和封存二氧化碳的方法時，各個系統的最佳深度選擇為：PEO發電系統(A)選擇的最佳深度等於1/2 αβ△π₀的壓力深度；逆滲透海水淡化系統B選擇540m至820m範圍為最佳深度，而正滲 透海水淡化系統B則選擇相同於PE0發電系統(A)的深度為最佳深度；pH擺動水化系統或直接水化系統C所選擇的最佳深度與海水淡化系統B相同；而當有淡水可用時，淡水輸送到水力發電設施的最佳深度與PEO發電系統(A)深度相同。如前述，封存系統D的高鹼度濃鹽水液體注射地點可選在大陸架、大陸坡、或大陸基適合地點，將此液體注入海底沉泥下方至少100公尺處為注入深度，其中流體的最終注射羽流的最終估計頂部邊界須比海洋沉泥的生物擾動層低至少十公尺以防止對海洋生物造成影響。

在本發明的捕捉和封存二氧化碳的方法中，當有淡水存在足夠應用時，能避免使用海水淡化系統B，此種情況下PEO發電系統(A)和pH擺動水化系統或直接水化系統C能選擇位於海洋中或陸地上方適合於建設捕捉與封存設備的地區。若選擇陸地上開發二氧化碳捕捉和封存的設施，pH擺動水化系統或直接水化系統C所形成的含重碳酸離子溶液能選擇陸地上適宜的地點封存，例如：通過注入土壤、地下水層或地質岩層而封存(即，能封存於前面所述的各類適用地區，如農業區土壤、草原地區、濕地、沙漠地區、含鹽地下水層、採油區、采天然氣區、採礦區、或地質岩層中)，而且沒有封存深度的限制。

當本捕捉和封存二氧化碳的方法位於陸地時，本發明所應用的PEO發電系統(A)的驅動液能採用穩定且無毒的無機鹽或100至500分子量的穩定且無毒的有機物質製備而成。此驅動液能夠通過納濾(NF)或超濾(UF)進行濃縮並回收，此種做法能夠避免必須不斷地供應新的驅動液化學品。其中，若使用較大分子量的有機物溶質配製驅動液，則驅動液的回收可經由較廉的超濾法。此種有機物溶質的選擇必須兼顧其無毒性、穩定性、易溶性、並最好能加速且提高進 料液的通量。在眾多的有機物中本發明發現黃腐酸(Fulvic Acids)能夠符合上述的性能條件。

當PEO發電系統(A)處於海洋中時，其海中的設備能夠通過連接到海岸線附近的地上控制室進行遠端控制。如本文後所詳述，當選擇最佳PEO發電系統(A)的深度不在其最佳深度時，例如選擇逆滲透海水淡化系統B的深度時，PEO發電系統(A)所需的最佳壓力需求能夠通過能量交換器進行調整。而當選擇PEO發電系統(A)的操作深度同於正滲透海水淡化系統B時，其所使用的滲透模組設備能夠與PEO發電系統(A)所使用的相同，稍後將通過圖示例進一步討論。

當二氧化碳捕捉和封存系統選擇處於海洋中但無法找到適宜的海底深度進行安置設備時，能夠利用浮力平臺懸吊於海水中，或利用海洋平臺結構固定於所需的深度。如果PEO發電系統(A)或海水淡化系統B的最佳深度位置無法找到或在所述深度安裝成本太高，則能夠更改深度選擇。在這些情況下，當深度(或壓力)超過最佳壓力時，能夠使用能量交換器來調節至其最佳壓力。相反，當壓力小於最佳壓力時，通過PEO發電系統(A)產生的電力用以操作高壓泵來增加到所需的壓力。對於選擇海洋中開發PEO發電系統(A)時，如果深度壓力小於所需的最佳水準，亦能夠選擇與地面系統相似的驅動液和進料液用以操作PEO模組801，此時海水或淡水均可採用作為進料液。

本發明的捕捉和封存二氧化碳的方法進一步提供了一種將現有海水淡化廠轉換為綜合海水淡化，PEO發電以及二氧化碳水化和封存的綜合設施，包括使用壓力管將現有海水淡化廠生產的部分淡水和所有濃鹽水轉移到與PEO發電系統的1/2 αβ△π₀相當的最佳深度用以產生水力發電電能，其中α是代表整個PEO模組(801)滲透膜壓力損失的膜效率因數，β是稀釋因數=Q₂/(Q₁+ Q₂)，Q₁是滲透通量，Q₂是驅動液通量，△π₀是PEO模組(801)中的理論最大滲透壓差，其中β的設計選擇範圍能介於0.7至0.95間，其較佳的選擇範圍為0.8至0.9間。其中使用約10%至20%現有海水淡化廠生產的淡水或現有的河水、湖水、或污水廠處理過的污水作為PEO發電系統的進料液，使用海水淡化廠產生的所有濃鹽水或海水作為PEO發電系統的驅動液，並將PEO發電系統發電後產生的最終濃鹽水用於隨後的CO₂(g)水化系統。然後使用pH擺動水化系統或直接水化系統利用海水淡化廠產生的所有濃鹽水、PEO發電系統的驅動液排放液或海水進行大氣中或點源排放廢氣中二氧化碳的捕捉與固定。然後使用上述水化系統後的海水或濃鹽水進行海洋沉泥間質水的封存。如上述對現有海水淡化廠的綜合轉型設施，不但可解決目前海水淡化項目的二大難題，即操作時需大量能源的開支(目前約占逆滲透操作費用的40至45%)以及濃鹽水排入海水中造成的生態危機，尚可解決二氧化碳的捕捉與封存的問題，而且能更進一步產生額外電能以更增進原有海水淡化廠的經濟效益。此種安排也能應用於將來新開發的海水淡化廠，使海水淡化與碳捕捉與封存均能實現經濟效益同時避免環境的負面影響。

以上所述的四個集成工藝技術的基本原理與作法，進一步說明如下；

PEO發電系統(A)--

本發明所採用的PEO發電系統(A)是一種滲透發電的專利方法，亦即本發明人的美國專利號11,092,141 B1所揭示的方法。選擇PEO發電系統(A)的方法能夠符合二氧化碳捕捉和封存需應用可再生能源的需求。現行的所有其他可再生能源，即，水力發電、太陽能、風能、地熱能等能源的生產法，均無法滿足碳捕捉與封存量的需求。PEO發電系統(A)不但能夠以全天候的方式於陸地 上或海洋中原位產生大量的電能的需求，並且無需昂貴的能源存儲和運輸系統以及區域應用的限制，若需要時PEO發電系統(A)也能夠產生額外的電力外售，以幫助實現二氧化碳減排項目的經濟效益。

PEO發電系統(A)的能量產生基於正滲透(F0)操作原理，該操作利用半透膜通過驅動液和淡水(或濃度較低的水溶液)的進料液產生滲透壓差而產生功率。在靜態平衡條件下正滲透模組中的理論最大滲透壓差△π₀能以下述公式(1)計算：△π₀=π_D-π_F‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(1)

其中π_D是驅動液滲透壓，π_F是進料液滲透壓，兩者均能通過Van't Hoff的滲透壓公式(2)估算：π=RTΣM_i‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(2)

然後通過公式(3)計算滲透通量Q₁：Q₁=JA‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(3)

其中A是滲透模組中半透膜的總面積，J是單位滲透通量(單位膜面積的流量)。選擇膜效率因數α來表示整個膜的壓力損失效率。根據膜效率，可以按照公式(4)計算最大有效滲透壓差△πe：△π_e=α△π₀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(4)

對於穩態流量，應使用液壓p₂將驅動液通量Q₂連續輸入到驅動液隔室中。應用稀釋因數β用於估算驅動液通量Q₂與驅動液隔室中總通量的比值，如公式(5)所示：β=Q₂/(Q₁+Q₂)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(5)

應用膜效率因數α和稀釋因數β按照公式(6)估算有效滲透壓差△π_β：△π_β=β△π_e=αβ△π₀‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(6)

為了從滲透模組獲得最大功率輸出，應將最佳p₂值選擇為每個相應的1/2π_β。在最佳p₂條件下，Q₁可以通過公式(7)估算：Q₁)_最佳=½JβA=½(△π_β x tanθ)A=½△π_β(J_e/△π_e)A=1/2βJ_eA‧‧‧(7)

當為滲透模組選擇△π_β時，能夠通過公式(8)估算滲透模組產生的電功率W：W=p₂(Q₁+Q₂)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(8)

當將最佳p₂值選擇為相應½π_β的值時，最大功率Wmax可以由滲透模組生成，如公式(9)所示：Wmax=½△π_β(Q1+Q2)‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(9)

如上所述，最佳p₂可以選為PEO發電系統(A)在海洋選項中所需的最佳壓力相當的深度，以實現最大程度地發電。但是，若選擇PEO發電系統(A)的深度與逆滲透海水淡化系統B相同的位置時，此情況下因海水淡化系統B的深度較大，能使用能量交換裝置用於將p₂壓力調節至PEO發電系統(A)最佳壓力相當的深度。

α值的選擇取決於所使用的商用滲透膜。一般商用滲透膜的α值大部分在85%至97%之間，故α值通常選在90%至95%的範圍內。而β值的選擇，其設計選擇範圍一般介於0.7至0.95間，其較佳的選擇範圍為0.8至0.9間。若需加大滲透通量以增發電量的情況下，也可以選擇0.7至0.8的範圍。選用渦輪發電機組合用於發電，其中現有渦輪機的效率通常約為70%，發電機通常為70%至85%， 導致整體發電系統的效率約為50%至60%間.所以由p₂壓力產生的功率=p₂壓力(單位為m)x流量(單位為l/sec)x重力(單位為m/sec²)，所得的功率單位為瓦特(watt)。

如上面的公式(2)所示，滲透壓與溫度有關。當海洋深度增加時，海水溫度降低。典型海水在不同溫度下海水可能產生的滲透壓如下表所示：

海水淡化系統B--

本發明中的海水淡化系統B能夠選擇位於海岸線附近的地面上方，或位於逆滲透海水淡化系統操作時的540m至820m的海洋深度處，或位於 正滲透海水淡化系統操作時與最佳PEO發電系統相同的深度處。若選擇正滲透海水淡化操作，其驅動液以及進料液的種類選擇能與上述最佳PEO發電系統相似。下面顯示了以典型的40%逆滲透回收率進行海水淡化時產生的濃鹽水主要成分：

以上資料表明，流體的密度從海水的1036g/l增加到上表濃鹽水的1060g/l，而鹼度經估算提高約1.67倍，如下式所示：總鹼度=AT=[HCO₃ ^-]+2[CO₃ ^-2]+[B(OH)₄ ^-]+[OH^-]+[HPO4^-]+2[PO₄ ^-2]+[H₃SiO₂ ^-]+[HS^-]+2[s^-2]+[NH₃ ^-]-[H⁺]-[HSO₄ ^-]-[HF]-[H₃PO₄]‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(10)

濃鹽水的鹼度增加時亦可推論出每1M濃度的Ca⁺²或Mg⁺²增加可增加約1.67M的CO₂(g)的水化後濃度。因此，選擇海水淡化後的濃鹽水進行碳捕捉可以增加CO₂(g)的水化後的含量，但其增加的含量依鹼度、離子強度、溫度、以及壓力的變化而變化。由於用於水化操作的濃鹽水比重較海水大且重碳酸離子比CO₂(aq)有更高的不可氣化性，因此也可以通過將捕捉二氧化碳氣體後的濃鹽水封存於海洋沉泥間質水中來增強二氧化碳封存的穩定性與安全性。

海水淡化系統B可以提供淡水作為PEO發電系統(A)操作所需的進料液，以及pH擺動水化系統C電解操作時在陽極區所需的淡水，以避免海水在陽極電解而產生氯氣。而海水淡化系統B操作產生的濃鹽水，其密度和鹼度均高於海水，也能夠說明pH擺動水化系統C電解操作時重碳酸離子的快速並直接形成HCO₃ ^-，即，不需先將CO₂(g)水化成CO₂(aq)再轉為HCO₃ ^-。故集成PEO發電系統(A)，海水淡化系統B，以及pH擺動水化系統C的協同作用能夠增進封存系統D的封存量、封存速率、及封存的穩定性與安全性。若PE0發電系統(A)選擇β值在0.8至0.9間即表示海水淡化系統B產生的淡水僅需提供其淡水產量的10至20%作為PE0發電系統(A)進料液之用。而pH擺動水化系統C的陽極所需的淡水量也能選在10至20%間。故作為二氧化碳捕捉集成系統之一的海水淡化系統B能夠產生額外的淡水出售，以幫助二氧化碳去除項目的經濟效益。

如前所述，所有現有的海水淡化廠都可以轉換為綜合的海水淡化，PEO發電，以及二氧化碳水化和封存的綜合設施，故除了能夠供給淡水，還能夠捕捉和封存二氧化碳以及產生額外的電力外售以增原有海水淡化廠的經濟效益並避免濃鹽水排除的二次公害問題。因為PEO系統選擇的β值通常在0.8至0.9的範圍內，因此只有10至20%海水淡化廠生產的淡水足以用作PEO發電的進料液。若海水淡化產生的淡水量不足使用時，也能選用其他淡水來源，例如選用處理過的污水。PEO發電系統也能夠將海水淡化設施產生的所有濃鹽水用作驅動液。淡水和濃鹽水可使用壓力管由陸上的海水淡化廠導至PEO系統的最佳深度，並且在使用淡水和濃鹽水作為進料和驅動液發電之前，先使用渦輪發電機組進行額外的水力發電。水力發電後產生的最終濃鹽水隨後利用水化和封存系統進行二氧化碳的捕捉和封存。通過上述操作，能夠解決當前現有的海水淡化廠昂貴的電力成本，以及濃鹽水排放對海洋生物的負面影響。上述的四種技術系統集成一個自給自足的海水淡化、PEO發電、以及碳捕捉和封存的系統亦能應用於將來新開發的海水淡化廠。

pH擺動水化系統或直接水化系統C-

pH擺動水化系統或直接水化系統C的主要目的是固定從大氣中或點源廢氣排放物中收集CO₂(g)，然後通過pH擺動水化或直接水化操作，將CO₂(g)捕捉並最終轉化為HCO₃ ^-物種(其中少量進一步轉化為CO₃ ^-2物種)。水化過程受濃鹽水的鹼度、壓力、溫度、pH、離子強度的影響。本發明應用了兩種類型的水化系統C用於二氧化碳捕捉的操作：直接水化和pH擺動水化。直接水化是將CO₂(g)水化為CO₂(aq)和H₂CO₃(aq)(碳酸)並進一步轉化為HCO₃ ^-(重碳酸離子)，如以下公式(11)至(14)所示：

上面的等式(11)表示亨利定律中的氣體溶解反應。CO₂(aq)濃度可以根據亨利定律計算，如下公式(15)所示：c=pK_h‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧‧(15)

其中K_h是亨利常數，在海水條件10℃時的大氣條件下CO₂(g)的K_h=0.04571(M/atm)和25℃時=0.02950(M/atm)，可用上式作CO₂的溶解濃度估計。為了進行比較，在淡水條件下10℃時，K_h=0.05370(M/atm)和25℃，K_h=0.03388(M/atm)。p是CO₂(g)在所處氣體內的分壓，c是濃度M中CO₂(g)的總溶解度濃度(相當於[H₂CO₃ ^*]=[CO₂(aq)]+[H₂CO₃(aq)])。當前大氣中的CO₂(g)濃度約為412ppm(體積)，表示CO₂(g)分壓僅為0.0412atm，此種情況下通過直接水化作用不足以固定CO₂(g)，除非增加其分壓p。為了增加CO₂(g)的直接水化作用濃度，本發明將直接水化壓力增加到海水淡化系統B的壓力，從而可以大大提高水化效率，此乃當選擇集成系統的海洋選項時，海水淡化系統B和水化系統C安排於同一深度。

上述公式(11)的CO₂(g)的溶解速率非常快；但是，等式(12)的反應相對較慢，導致形成的H₂CO₃ ^*，即，CO₂(aq)+H₂CO₃(aq)主要成分為CO₂(aq)(約99%)。方程(13)和(14)的反應速率也非常快。在平衡條件下，方程(13)和(14)的反應常數為：在海水中，K₁=10^-6.08(10℃)和10^-6.00(25℃)和K₂=10^-9.28(10℃)和 10^-9.10(25℃)。若與淡水條件下進行比較，在10℃，K₁=10^-6.464，在25℃，K₁=10^-6.352和10℃，K₂=10^-10.490，在25℃，K₂=10^-10.329。

反應速率對於水化反應器設計很重要，因為直接影響水化反應器的總體壓力容器體積。此反應速率可以在公式(16)中顯示：

其中，k₊₁的速率常數約為3.71 x 10^-2s^-1。要達到CO₂(g)的飽和條件，直接水化需要約100秒。為了增快溶解速率及增高濃度，本發明提出了一種特殊設計的pH擺動水化方法。在pH擺動水化反應中，CO₂(aq)可以直接與氫氧離子反應，因此，上述方程(11)至(13)可以用以下公式(17)代替：

其中，k₊₄的速率常數約為2.23x10³[OH^-]s^-1。如上所示，在pH=11的情況下，即在pH 8的海水條件下，提高pH 3個擺動值單位至pH 11，與直接水化相比，pH擺動的水化速率經試驗快約60倍，這意味著，pH擺動水化僅需1.67秒，而直接水化則需100秒以溶解CO₂(g)。在這種情況下，重碳酸離子濃度也可以增加約1000倍(即，pOH從6變為3，因此重碳酸離子濃度增加10^-3/10^-6=1000倍)。本發明所需的pH擺動數值基於pH>pK₂以確保CO₂(aq)有效轉化為HCO₃ ^-。

如本發明後示的pH擺動水化反應器，開發了一種獨特的分隔板，以避免使用離子膜或離子交換劑來控制電解操作時離子物種的遷移，如此可避 免離子膜或離子交換劑會結垢或堵塞需要由深海中吊出維修的麻煩。同時，pH擺動水化反應器中經過改進的文丘裡管設計，可將遠離陽極的電解質與捕捉二氧化碳後的陰極電解質結合在一起。而陽極以淡水為電解質以防止產生有毒的氯氣需要額外的收集管制。pH擺動水化反應器中的兩個流體區域被板隔開，其中陰極區域注入海水淡化操作後的濃鹽水，而陽極注入海水淡化後的淡水，以確保CO₂(aq)有效轉化為HCO₃ ^-以及避免氯氣產生。若有地面的淡水如河水、湖水、或處理過的污水能被利用，也可作為上述陽極區的電解質。本發明使用PEO發電系統(A)產生的可再生能源操作壓縮機以收集含有CO₂(g)的氣流並注入pH擺動水化系統或直接水化系統C中。如上述在pH擺動操作中，CO₂(g)可以直接固定在HCO₃ ^-中，不需如直接水化系統的操作需先形成H₂CO₃ ^*，以下公式(18)進一步說明在陰極區的反應：

上式所示的O₂可由所收集的大氣而來，O₂是雙自由基有極強的電子吸附能力。而在陽極區

淡水進行公式(19)的反應，以完成水化反應器的電子回路： 對於電解質合併後的電子中性和電子迴圈，上述陰極及陽極二區的[OH^-]和[H⁺]摩爾濃度應分別為相等，並且這兩個區域中的流體通過特殊的pH擺動水化反應器設計混合在一起，如本報告後面附圖實施例所述。

封存系統D-

封存系統D的目的為將pH擺動水化系統或直接水化系統C的含重碳酸離子的濃鹽水固定到深海沉泥間質水中，並將其穩定及安全的封存。注入的含重碳酸離子的濃鹽水流體的潛在最終羽流設計為低於“生物擾動層”(通常在沉泥表層，其厚度僅幾公尺)。依本發明的作法，注射液的濃鹽水比重比原有沉泥間隙水的海水比重要大，加上深海沉泥間隙水極少流動，故其中的重碳酸離子與碳酸離子在深海沉泥的封存區中非常穩定。封存後，存在於注射液中的重碳酸離子與碳酸離子會逐漸地與沉積物礦物顆粒發生風化反應，以進一步將碳酸固定為碳酸鹽類。如上所述，海洋沉泥，包括大陸架、大陸坡、及大陸基的沉泥體積巨大，實際上在可見將來的碳捕捉和封存能提供幾乎無限的封存量限制。在任何情況下，萬一當封存的流體洩漏到上層海水環境中時，固定的重碳酸離子與碳酸離子仍能夠穩定地保留在海水中不會氣化，而不會像目前絕大多數在海洋中封存CO₂(g)的方法容易洩漏回大氣中。

儘管圖1提供了所示的集成系統的主要操作過程，但當有合適及足量的淡水(包括河水、湖水和/或處理過的污水)可用時，本發明也可以位於地球上任何地方的陸地上。與其他現有的封存方法不同，它需要特定的區域(例如鹽水含水層或某些具有足夠水和深度的地質環境)來進行CO₂(g)的封存，本發明方法的陸地上封存操作是由形成主要含重碳酸離子的溶液能夠注入任何的土壤類型，包括農業土壤、草原土壤、濕地、或沙漠地區，以及滲透性岩石類型含或 不含地下鹽水水層、和採油區、采天然氣區、或採礦區，而且幾乎沒有封存深度的限制。

本發明技術在沉泥間隙水中封存主要為重碳酸離子的濃鹽水，其封存的最終注射羽流的頂部邊界深度必須在“生物擾動層”下方至少十公尺處，以防止對生活在沉泥中任何海洋生物造成影響之外，實際的碳封存注射點應選海底沉泥下方數百甚至數千公尺的注射深度以增碳封存體積。少量的碳酸(即，注入沉泥間隙水中的H₂CO₃(aq))會逐漸與沉泥中礦物顆粒進一步進行風化反應，以固定碳物種並增強鹼度，如下所示：碳酸鹽、氧化物、或氫氧化物礦物+碳酸→重碳酸鹽+陽離子‧‧(20)

矽酸鹽礦物+碳酸→重碳酸鹽+陽離子+粘土礦物或矽酸‧‧‧‧‧(21)

當選擇陸地上進行碳封存時，包括在陸地環境中安裝和應用三個工藝系統組成一個自給自足的集成系統，此集成系統的三個工藝系統包括：PEO發電系統(Pressure-Enhanced Osmosis Energy Generation System)、pH擺動水化系統(pH-Swing Hydration System)、以及封存系統。其中，應用PEO發電系統與其他二個系統之間的協同作用，包括利用河水、湖水、或處理過的污水作為PEO發電系統的進料液，並利用高濃度能回收再利用的無機鹽或有機物為溶質作為PEO發電系統的驅動液以進行原位發電，發電後為其他二個系統包括pH擺動水化系統和封存系統的運行提供所有必需的可再生能源。其中，應用pH擺動水化系統利用前述的淡水來源作為pH擺動水化反應器(901)的電解液以在陰極擺動提高至少三個pH值以利捕捉與固定大氣或點源氣體中的二氧化碳，同時在陽級產生氧氣及氫離子協助電子迴圈及維持電子中性。其中，應用pH擺動水化系統使用上述的PEO發電系統的可再生能源，以及上述的淡水來源利用電化學原理將大 氣中或點源排放氣體中收集的二氧化碳氣體捕捉並固定為主要成分為重碳酸離子的碳酸鹽溶液。同時應用封存系統將來自pH擺動水化系統所固定的重碳酸離子封存於陸地上適宜的地點包括通過注入土壤含農業區、草原地區、濕地、沙漠地區等地區的土壤、以及地下水層或地質岩層包括含鹽地下水層、採油區、採天然氣區、採礦區、或多孔狀的地質岩層中，而且沒有封存深度的限制。以上三個系統組合成的集成系統，其操作時所需的能量全部在原位產生，所需的驅動液物料資源以回收再利用的方式形成一個自給自足的碳捕捉與封存系統。

由於本方法所產生的碳酸鹽溶液已經含有水，因此與大多數常規的CO₂(g)封存法不同，後者需要水，有時還需要鹼性條件才能去除二氧化碳。如果在本發明中選擇了利用回收的純二氧化碳氣體，如下實施例所述，本發明的pH擺動水化器也能將碳酸鹽種類轉換回濃純的CO₂(g)，以茲收集回收利用。

1:驅動液

2:進料液

3:輸出流

4:總發電量

5:電源

6:電源

7:供電

8:電源

9:電源

10:電源

11:電源

12:電力

13:淡水進水流

14:濃鹽水

15:淡水總輸出

16:淡水輸出

17:淡水輸出

18:額外淡水

19:淡水

20:氣流

21:廢空氣

22:捕捉後的含重碳酸的濃鹽流輸出

23:海水攝入流/濃鹽水攝入流

24:濃鹽水排放

25:含重碳酸離子的濃鹽流

26:CO₂的洩漏流

27:泵

28:泵

29:水泵

30:空氣壓縮機

31:液壓壓縮機

32:邊界

33:水泵

34:純二氧化碳氣體

101:流量控制閥

102:泵

103:海水

104:存放裝置

105:海水流

106:泵

107:控制閥

108:止回閥

109:海水流

110:PEO模組

111:驅動液

112:滲透流

114:高壓稀釋溶液

115:止回閥

116:閥門

117:高壓稀釋流量

118:高壓稀釋流量

119:閥門

120:能量交換器

121:改良式文丘裡管

124:納濾(NF)或超濾(UF)模組(NF/UF)

125:滲透流

126:放流水

127:放流水

130:海水流

133:驅動液

134:PEO模組

135:止回閥

136:滲透流

137:淡水流

138:高壓流

139:止回閥

140:泄壓閥

142:旋轉渦輪

143:發電機

144:放流水

145:濃鹽水流

146:逆滲透海水淡化模組

147:海水流

150:能量交換器

153:濃鹽水流

154:模組產生淡水流

155:部分流量

156:PEO模組

157:海水流

158:閥門

159:泵

161:滲透流

162:濃鹽水流

163:驅動液

164:止回閥

165:泵

167:流高壓稀釋溶液

168:止回閥

169:閥門

170:高壓稀釋溶液

171:閥門

172:改良式文丘裡管

173:泵

174:流

175:納濾(NF)或超濾(UF)模組(NF/UF)

176:滲透流

177:放流水

201:海水流

202:泵

203:控制閥

204:過濾設備

206:泵

207:控制閥

208:PE0模組

210:加壓流

212:控制閥

213:濃鹽水流

214:止回閥

217:加壓流

219:渦輪

220:發電機

222:控制閥

225:泵

226:納濾(NF)或超濾(UF)模組(NF/UF)

228:淡水流

229:驅動液

231:正滲透模組

233:泵

234:控制閥

235:止回閥

236:泵

238:止回閥

240:濃鹽水流

241:止回閥

242:控制閥

243:泵

301:淡水

302:PEO模組

303:閥

304:止回閥

305:滲透液

306:沖洗液

307:驅動液

308:止回閥

309:止回閥

310:泄壓閥

312:驅動液

313:閥

314:高壓稀釋溶液

315:渦輪

316:發電機

317:高壓稀釋溶液

319:回收水流

320:改良式文丘裡管

321:高壓稀釋溶液

322:NF/UF模組

323:驅動液

325:泵

326:電源

327:閥

401:外殼結構

403:海水深度

410:逆滲透(RO)模組

412:濃鹽水流

413:水化反應器

414:淡水流

415:PEO模組

424:渦輪機

425:發電機

426:氣流

427:水化後流

428:管道

429:電力線

430:管道

431:控制室

501:外殼結構

503:海水深度

504:海水輸入流

506:驅動液

507:捕捉CO₂(g)的溶液

510:淡水

511:外殼結構

512:壓力管

513:管道

516:渦輪

517:發電機

519:均衡罐

520:PEO模組

521:高壓稀釋溶液

524:渦輪機

525:發電機

526:海水流

527:氣流

528:水化反應器

529:水化後流

601:PEO發電系統(A)

602:逆滲透(RO)海水淡化系統B

603:水化系統C

604:注射井

605:封存位置

606:管道

607:控制室

608:大陸架

609:大陸坡

610:大陸基

611:深海平原地區

612:海水

613:海洋沉泥

614:大陸殼

615:海洋殼

616:海水表面

617:海水深度

618:海水深度

619:海水深度

701:海水淡化系統B

702:PEO發電系統(A)

703:pH擺動水化或直接水化系統C

704:井

705:海水表面

706:海水深度

710:管道

711:深海沉泥

712:封存區域

801:PEO模組

802:管狀正滲透模組

803:管狀正滲透膜管

804:具開口的多孔管狀外殼

805:開口

806:進料溶液

807:流出溶液

808:驅動液

809:泵

810:閥

811:止回閥

812:壓力錶

813:驅動液流出物

814:止回閥

815:泄壓閥

816:流出物

817:渦輪混合器

818:螺旋槳混合器

819:泵

901:pH擺動水化反應器

902:陰極

903:陽極

904:空氣緩升器

905:分隔板

906:文丘裡噴射器

907:輸入流

908:空氣輸入流

909:流量

910:流量

911:淡水流量

912:噴嘴

913:廢空氣輸出流

915:渦輪混合器

916:輸出流

917:輸出流

918:輸出流量

919:陰離子膜

920:陽離子膜

1001:直接水化反應器

1002:氣體緩升器

1003:渦輪混合器

1004:海水流

1005:含CO2(g)廢氣氣流

1006:文丘裡噴射器

1007:噴嘴

1008:流體流動方向

1009:廢氣

1010:重碳酸或其他碳酸離子的流體

1011:廢氣流

1012:閥

1013:止回閥

1014:泵

1101:能量交換器

1102:文丘裡裝置

1103:低壓流體

1104:輸出流體

1105:高壓流體

1106:低壓輸出流體

1107:廢氣流

本發明通過以下附圖示例來更詳細地描述二氧化碳捕捉和封存的作法。在以下附圖之外仍根據本發明的原理與作法衍生出其他許多不同的設計方案，故本附圖說明僅作為示例參考之用：圖1是一個方框流程圖，顯示了本發明中四個不同的二氧化碳捕捉與封存技術形成的集成系統之間的協同作用。

圖2A至2C顯示了本發明中二氧化碳捕捉與封存技術形成的集成系統的工藝流程圖的三個示例，其中圖2A顯示了集成系統處於陸地上選項的工藝流程圖，其中淡水可用於PEO發電系統(A)和pH擺動水化系統或直接水化系統C，海水亦可用於pH擺動水化系統或直接水化系統C；圖2B顯示了集成系統處於 海洋中選項的工藝流程圖，其中淡水和海水可用，並且水力發電系統產生額外的動力並取代海水淡化系統B以提供所需的淡水；圖2C顯示了集成系統處於海洋中選項的工藝流程圖，其中使用海水淡化系統B為PEO發電系統(A)和pH擺動水化系統或直接水化系統C提供淡水。

圖3提供了集成系統處於陸地上選項的工藝流程與主要設備圖，顯示了PEO發電系統(A)與海水淡化系統B之間對於陸地上選項的協同作用，其中海水淡化系統B使用逆滲透(RO)操作法。

圖4是一個集成系統處於陸地上選項的工藝流程與主要設備圖，顯示了PEO發電系統(A)與陸地上選項的海水淡化系統B之間的協同作用，其中的海水淡化系統B使用正滲透(FO)操作法。

圖5是一個集成系統處於陸地上選項的工藝流程與主要設備圖，顯示了本發明中有淡水時在陸地上的操作法。

圖6顯示了一個集成系統處於海洋中選項時使用一個共同的外殼結構的作法，因所有四個技術形成的系統均處於同一深度，故可使用海水重力的操作法。

圖7顯示了一個集成系統處於海洋中選項時使用一個共同的外殼結構有淡水資源可用時的作法，其中以水力發電系統取代了海水淡化系統以提供淡水及額外電力，所有相關系統使用海水重力的操作法。

圖8顯示了一個實施例的集成系統處於海洋中但四個技術系統處於各自的深度選擇。

圖9顯示了另一個實施例的集成系統處於海洋中但四個技術系統均處於相同的深度但無共同的外殼結構的選項。

圖10A至10C顯示了美國專利號11,092,141 B1所使用的PEO模組圖。10A顯示PEO模組中管狀正滲透模組示意圖；圖10B顯示了作為可再生能源發電系統的PEO模組；圖10C顯示了圖10B的A-A’截面圖。

圖11A至11E顯示了本發明的pH擺動水化系統C的設計圖。圖11A顯示了pH擺動水化系統C主要產生重碳酸流體的設計圖；圖11B顯示了圖11A的X-X’橫截面圖；圖11C顯示了pH擺動水化系統C主要產生CO₂(g)及O₂(g)混合氣體的設計圖；圖11D顯示了圖11C的X-X’橫截面圖；圖11E顯示了pH擺動水化系統C分別產生純CO₂(g)及純0₂(g)氣體的設計圖，其中純CO₂(g)及純0₂(g)能被回收利用的選項；圖11F顯示了圖11E的X-X’橫截面圖。

圖12A和12B顯示了用於二氧化碳捕獲和去除的直接水化反應器設計圖。12A顯示了用於二氧化碳捕捉和封存的直接水合反應器設計圖；圖12B顯示了串聯的直接水化反應器設計圖。

圖13顯示了本發明中的能量交換和改良的文丘裡管裝置的合併設計圖。

根據上述四個技術形成的系統並進一步集成為一個能自給自足的二氧化碳捕捉和封存系統能夠通過在系統的原位獲取必要的的能量和物料流。這些能量和材料是在現場獲取和產生的，因此不需要從外部導入。在四個技術系統中，主要的物料來源為取之不盡的海水，而能量來源直接由PEO發電系統(A)於現場產生，應用了本發明提出的許多單元過程來完成本發明方法的自給自足的操作目標。根據上述原理及不同作法，本發明用於二氧化碳捕捉和封存 的自給自足系統能根據所選單元過程的變化而具有許多實施例。以下僅提供一些實施例進一步說明本發明。

在本發明的第一個實施方案中，提供了陸地上原位PEO發電系統(A)和逆滲透海水淡化系統B的選項，如圖3所示。

在本發明的第二個實施例中，提供了陸地上PEO發電系統(A)和正滲透海水淡化系統B的選項，如圖4所示。

在本發明的第三個實施例中，當淡水可用時的陸地上選項。此選項可以避免海水淡化系統B的使用，如圖2A及圖5所示。

在本發明的第四個實施例中，提供了海洋中開發本自給自足集成系統的選項，如圖6所示。本選項具有利用重力用於向PEO發電系統(A)和海水淡化系統B輸入所需最佳壓力需求的海水。

在本發明的第五個實施例中，提供了海洋中開發本自給自足集成系統的選項。該選擇具有可用於水力發電和PEO發電系統(A)的淡水，如圖2B及圖7所示。

在本發明的第六個實施例中，提供了在海洋選項中，系統A，B和C的深度位置不同的實施方案，如圖2C與圖8所示。其中，PEO發電系統(A)的位置可以位於PEO模組中驅動液最佳壓力所需的深度，海水淡化系統B和pH擺動水化系統或直接水化系統C的位置可以佈置在海水淡化最佳壓力範圍所需的適當深度。

在本發明的第七個實施例中，提供了在海洋選項中沒有共同外殼結構，所有系統A，B和C的海洋中深度位置均相同的實施方案，如圖9所示。所 有系統既能夠處於最佳PEO發電系統(A)的深度，也能夠處於海水淡化系統B壓力所需的合適深度。

如前述，圖2A，2B和2C中分別顯示的三個工藝流程圖代表第三、第五、以及第六個實施例。這三個工藝流程圖用以說明項目邊界32內的四個系統如何協同作用和如何流通利用能量和所需的材料。如圖所示，1是PEO發電系統(A)的驅動液，此驅動液在圖2A代表濃縮後迴流的驅動液，而圖2B和2C代表吸入的海水作為驅動液。2是淡水輸入流，作為PEO發電系統(A)的進料液。3是經PEO膜塊稀釋過的的輸出流。4是PEO發電系統(A)的總發電量。5是海水淡化系統B供給水泵33的電源，如圖2C所示。6是水泵29的電源，用於向pH擺動水化系統或直接水化系統C輸入淡水。7是pH擺動水化系統或直接水化系統C所需的供電。8是泵28的電源，用於將淡水送到PEO發電系統(A)。9代表提供了用於泵27的電源。10是液壓壓縮機31的電源，用於注入重碳酸流體。11是向空氣壓縮機30提供的用於泵入含CO₂(g)的大氣(或點源排放的廢氣)的電源。12是額外產生能外售的電力。13代表系統B的淡水進水流，此在圖2B用於水力發電，在圖2C用於海水淡化系統B。14代表圖2B水力發電量。或2C濃鹽水生產(如上所述，系統B的2C，當有淡水時，系統B可以轉換為液壓發電系統)。15是圖2C中海水淡化產生的淡水總輸出。16是圖2C中向pH擺動水化系統C的淡水輸出。17是圖2C中向PEO發電系統(A)的淡水輸出。18是圖2C中出售的額外淡水。19是向pH擺動水化系統C輸入的淡水。20是由大氣(或點源排放的廢氣)進入pH擺動水化系統C的氣流。21是從pH擺動水化系統C排放的廢空氣，其中一條分出的點線顯示部分廢空氣可用於降低排放液的密度以加快流體在海水中向上的排放速度。22是捕捉後的含重碳酸的濃鹽流輸出。23是pH擺動水化系統C的攝入流此在圖2A和2B中代表海水 攝入流，在圖2C中則代表濃鹽水攝入流。24是圖2C中額外的濃鹽水排放。25是含重碳酸離子的濃鹽流。26代表CO₂的洩漏流。

根據上述提供的原理和資料，可以計算出上述所有能量及物質流動的數量。例如，對於第五個實施方案設計選項，如圖2B所示。為了去除1Mt/y(1百萬噸/年)的二氧化碳量，當β=0.9，α=95%，p₂=1/2△π_β時，在上述海水條件下，並且選擇PEO發電系統(A)的總發電量4功率輸出為1.2x10⁷kw時，可以計算出以下資料：驅動液1=6.59x10⁷m³/hr，進料液2=7.33x10⁶m³/hr，輸出流3=7.33x10⁷m³/hr，水泵29的電源6=4.89x10⁴kw，供電7=1.48x10⁵kw，泵28的電源8=0kw，泵27的電源9=0kw，液壓壓縮機31的電源10=6061kw，空氣壓縮機30電源11=6.09x10⁶kw，額外產生能外售的電力12=6.91x10⁶kw，產生的額外水力發電量14=1.2x10⁶kw。上面顯示為0kw的某些流是由於利用海水重力產生的壓力利用能量交換器所提供的能源，故PEO發電系統(A)不需為此提供電源。如上12所示，可以出售所產生的額外電力，以幫助項目的經濟效益，這意味著，當正確選擇第4流的值時，本發明的二氧化碳捕捉和封存實際上可以在運行過程中產生利潤。這是目前任何已開發應用的二氧化碳捕捉和封存技術都做不到的。

其他具體實施選項進一步在圖3至9以工藝流程與主要設備圖說明。如圖3所示第一個實施方案(即設計選項#1)顯示了PEO發電系統(A)與海水淡化系統B在陸地上的選項。此選項鄰近海洋故其操作進行的唯一資源需求為海水。此實施方案利用逆滲透用於海水淡化系統B。在圖3中，海水103由帶有流量控制閥101的泵102泵送到過濾和存放裝置104。過濾後的海水分為四個流，即用於不同目的的海水流105、130、147和157。泵送操作後的流105(也即流109)， 使用泵106提供給PEO模組110進行正滲透操作，控制閥107和止回閥108，以防止回流並保持穩態流動狀態。PEO模組設計的詳細資訊將在本發明的後面進一步討論。使用正滲透操作向PEO模組110提供驅動液111，以產生滲透流112並形成濃鹽水流145。濃鹽水流145可用於水化系統(系統C)中，以固定CO₂。由閥門116和止回閥115產生並控制的高壓稀釋溶液114分為兩個流量，一股流量117用於通過能量交換器120增強流130的壓力。另一股流量118由閥119控制通過改良的文丘裡管121。流量117，為了通過納濾(NF)或超濾(UF)模組124用以濃縮和回收驅動液。由納濾(NF)或超濾(UF)模組124產生的滲透流125將形成流126，該流是經過處理的淡水，可以回收出售(如流127所示)和/或作為發電的進料液提供給另一個PEO模組134。在這種情況下，使用止回閥135和139在穩定狀態下控制流量，由能量交換器120對驅動液133加壓。提供了泄壓閥140，以在穩定狀態下控制PEO模組。PEO模組134所需的淡水也由逆滲透海水淡化模組146提供，該模組產生淡水流154，部分淡水流137，可用於PEO模組134作為進料液另部分流量155可外售。在PEO模組134中，產生的滲透流136與驅動液133混合以產生高壓流138以旋轉渦輪142並使用發電機143發電。產生的功率可以提供給其他系統(系統B，C和D)進行利用。如上所示，額外的發電也能用以出售以增此選項的經濟效益。發電產生的流144可以排放到海洋。在逆滲透模組146中，海水流147的壓力被另一個能量交換器150增強，用於海水淡化。產生的濃鹽水流153，將其用於水化系統(系統C)。與上述PEO模組110和NF或UF 124的組合相似，形成一個回路以濃縮並回收驅動液，並通過能量交換器獲得高壓流。在這種情況下，使用PEO模組156和NF/UF 175以及輔助設備，例如改良型文丘裡管172，泵159、165和173，閥門158、169和171，止回閥160、164和168。流163、167、170、174、 161和176的應用與上述相似。同樣，生產的濃鹽水流162用於水化系統，生產的淡水流177也可以出售以增本選項的經濟效益。

圖4顯示了設計選項的第二個實施例。第二個實施例是第一個實施例選項的簡化設計，顯示了PEO發電系統(A)與海水淡化系統B在陸地上的選項，但使用正滲透用於海水淡化系統B。此選項鄰近海洋故其操作進行的唯一資源需求為海水。第二個實施例使用PEO模組208發電，並使用其產生的濃鹽水流213進行水化作用以捕捉二氧化碳。同時使用海水淡化系統B的正滲透模組231也為水化系統提供濃鹽水流240，並使用滲透膜濃縮後的加壓流210作為PEO模組208的驅動液，利用NF/UF 226濃縮、回收、和再循迴驅動液229，作為正滲透模組231的驅動液。NF/UF 226產生淡水流228，用於回收(出售)或排放。海水流201被過濾並存儲在過濾設備204中。同樣，使用泵202、206、233、243、225和236，控制閥203、207、234、212、222、242和236，以及止回閥241、214、235和238，以將流量保持在穩態連續流量狀態，從而使整個系統正常工作。加壓流217，用於推動渦輪219和發電機220發電，為其他系統(系統C和D)提供操作電力。若需要，亦能提高PE0模組208的流量用以安排額外的能源出售。

設計選項的第三個實施例如圖5所示。當淡水301能用為PEO模組302的進料液時，第二實施例能簡化為第三個實施例。因有淡水可用故不需要海水淡化系統B。此情況能在陸地環境中的任何適宜選址的地區使用。PEO模組302的驅動液307選擇了易溶性且無毒的鹽類或有機物，以產生滲透液305。產生多餘的沖洗液306能用於pH擺動水化系統C。稀釋的驅動液312分為兩個流314和317，其中流314通過渦輪315和發電機316的組合用於發電，流317流經改良的文丘裡管(venturi)320，以在發電後回流319以組合成流321用以通過NF/UF模組322 重新濃縮和回收驅動液323。通過電產生設施產生的電源326，用以操作泵325將驅動液307加壓到PEO模組302所需的壓力。在此設計選項中，所需要的輔助設備包括閥303、313和327，以及止回閥304、309和308，以及提供泄壓閥310以維持系統運行的壓力需求。

圖6顯示了設計選項的第四種實施例的工藝流程和主要儀器圖。其中系統A(即PEO模組415)，系統B(即RO模組410)和系統C(即水化反應器413)三者均位於海洋中，深度為403，處於一個共同的外殼結構401，表示三者均處於一個共同海水深度403。此共同深度可以在發電系統(A)的最佳深度，或前述海水淡化系統B的深度範圍。若選擇處於發電系統(A)的最佳深度則渦輪機424和發電機425的發電設備產生的功率能夠提供給系統B必要的操作的壓力。如前所述，RO模組410產生的濃鹽水流412可用於水化反應器413，以協助水化操作並增加水化後流427的密度以及固存的二氧化碳量。淡水流414可用作PEO模組415以及水化反應器413的進料溶液。可以通過管道430從大氣(或含CO₂的點排放源)中導入氣流426。產生的任何額外淡水能通過管道428利用能量交換器輸送到地面上方的控制室431。產生的額外功率也能通過電力線429傳輸到地面上的變電站。所有使用的儀器/設備都可以通過電線(未顯示)在控制室431中進行遠端控制。

與圖6的第四實施例相似，設計選項的第五個實施例也位於海洋中，如圖7所示，共同外殼結構提供的海水深度為503。但是第五個實施例顯示有淡水510的供應，因此不需要海水淡化系統B，因此其處於海中的深度可選在PEO發電系統(A)的PEO模組520的最佳深度503(即p₂=½△π_β=½ αβ△π₀)。淡水(河水、湖水、或處理過的廢水)510由過濾設施511處理後經由壓力管512供應。由於淡水高度也類似於PEO模組520的最佳深度503，因此安排額外的水力發電設 備，如渦輪516發電機517所示。產生電力後，淡水壓力被釋放，可以存儲在均衡罐519中，均衡罐中淡水的壓力僅作為輸入PEO模組520的進料溶液519。海水輸入流504，壓力類似於液壓503，從外殼結構501外部抽取到PEO模組(作為驅動液顯示為506)和水化反應器528(作為捕捉CO₂(g)的溶液顯示為507)。同樣，稀釋後的驅動液流521具有較高的壓力，可用於另一台渦輪機524和發電機525的發電。發電後，可以使用改良的文丘裡管，並借助水化反應器產生的廢空氣，將稀釋的海水流526排放到海洋。通過管道513抽取大氣(或含CO₂的點源排放廢氣)將氣流527泵入水化反應器528中，以將CO₂(g)固定並經由流529進行封存。同樣，如上所述，PEO模組和水化反應器也在圖中顯示了主要的相關輔助設備。

圖8顯示了設計選項的第六個實施例，這是海洋選項中的一個示例，此選項沒有使用外殼結構而集成系統的系統A與B處於不同海水中深度。在設計選項中，PEO發電系統(A)601的深度等於最佳p₂壓力(即，p₂=½△π_β=½αβ△π₀)和逆滲透(RO)海水淡化系統B 602和水化系統C 603位於前述系統B所需的深度範圍540m至820m間。封存位置605的注射井604可以佈置在適當的深度，有足夠的空間通過管道606在海洋沉泥613中存儲固定的重碳酸液體，其封存區域能選在大陸架(continental shelf)608、大陸坡(continental slope)609，或大陸基(continental rise)610地區的大陸殼(continental crust)614和海洋殼(oceanic crust formation)615之上。典型的大陸架608的深度617距海水表面616約為0至200m。典型的大陸坡609的深度618約為200至2000m，而典型的大陸基610的深度619約為2000至3000m。也可以選擇深海平原地區611，但安裝和操作封存系統需要更多成本。如圖8所示，控制室607可以位於海岸線區域附近的地面上方。海水612用作PEO發電系統(A)601的驅動液，並用作逆滲透海水淡化系統B 602的進料液。

圖9顯示了設計選項的第七個實施例，即海洋中的選項，其中PEO發電系統(A)702，海水淡化系統B 701及pH擺動水化或直接水化系統C 703均處於相同的海中深度，且不含共同的外殼結構。由於系統A，B和C的反應器的內部和外部的壓力相同，因此，通常較昂貴且易腐蝕的金屬容器能用高強度塑膠材料(例如FRP材料)代替，以降低成本。所有系統都能處於最佳的PEO發電系統(A)702深度(即，p₂=½△π_β=½αβ△π₀)或所需的逆滲透海水淡化系統B的深度(即，在540m至820m深度之間)。各個系統操作時所需的壓力，如前述，若超出操作壓力所需能利用能量交換器根據海水表面705的海水深度706的重力調節，若壓力不足則利用系統A產生的電力加壓。同實施例六，可以在深海沉泥711的合適位置選擇二氧化碳封存區域712，將已捕獲二氧化碳的濃鹽水經由注入管道710注入井704中。控制室(未顯示)可以位於地面上，類似於實施例六。

並於上述工藝流程及設備圖所敘述的反應器的具體設計及操作實施例進一步提供下述說明。PEO發電系統(A)使用的PEO模組如圖10A至10C所示。本發明採用美國專利號11，092，141 B1所使用的PEO模組。一般常規的正滲透模組無法實現穩定連續發電的目標。在PEO模組801中，選擇了管狀正滲透模組802為PEO模組801內部的主要的部件。該PEO模組801包括多個管狀正滲透膜管803。這些膜管803封閉在帶有開口805的具開口的多孔管狀外殼804中，如圖10A所示。進料溶液806流入管狀正滲透模組802，進行滲透後流出模組，如807所示。驅動液808使用泵809調節壓力，流入PEO模組801中。PEO模組801中提供渦輪混合器817和螺旋槳混合器818，以維持穩定及均質的驅動液濃度。對於海洋選項時，驅動液來自海水，或來自海水淡化系統B產生的濃鹽水。對於陸地上的選項，如前述能採用高濃度穩定無毒的無機鹽或有機物配製的驅動液。在 PEO模組801中附有必要的輔助設備，例如泵809和819，壓力錶812，閥810，止回閥811和814，泄壓閥815等等以控制所需的操作條件。如先前地面選項所述，在PEO模組使用後被稀釋的驅動液流出物813和流出物816能通過納濾/超濾重新濃縮和回收。對於海洋選項中，流出物813可以排放到海水環境中或系統C中以進行水化操作。

對於海水淡化系統B的模組，可以選擇任何常規的正滲透或逆滲透海水淡化模組。但是，當選擇正滲透海水淡化模組操作時，也能使用PEO模組做為其正滲透模組設備，如前所述。

對於系統C的pH擺動水化反應器，如圖11A及11B所示，顯示了pH擺動水化反應器901以及如圖12A及12B所示，顯示了直接水化反應器1001。當pH值已經在穩定的重碳酸離子合適範圍內時(即，pH=6.3至10.3間)直接水化反應器1001才適合在海洋選項中使用。但是，pH擺動水化反應器901可用於地面和海洋選項，因其pH範圍能夠通過電解達到理想值以加快CO₂(g)的固定。選擇pH擺動水化反應器901時，通過圓柱形分隔板905，提供陰極902和陽極903以形成陰極區A和陽極區B。在pH擺動水化反應器901陰極區A中提供了空氣緩升器904，以增加氣泡的滯留時間，並由改良的文丘裡噴射器906產生的注入流量910中增加氣泡的混合及溶解量。沿圓柱形pH擺動反應器901由四個改良的文丘裡噴射器906注入流量910，因此可以提供湍流條件以加快氣流908中CO₂(g)和O₂(g)的溶解。提供了多個連接到每個空氣緩升器904的渦輪混合器915，以促進水流動方向，從而可以增加氣體溶解時間。對於海洋選項，將來自海水或海水淡化系統B的濃鹽水輸入流907和含CO₂(g)的空氣輸入流908，經由改良的文丘裡噴射器906進行混合。對於陸地上的選項，可以為輸入流907選擇淡水流。從廢空氣 輸出流量913分成四股流進行空氣再迴圈流量909，以增加溶解氣體量。廢空氣輸出流量913從C區抽出，C區是由pH擺動水化反應器901中累積的廢空氣儲存區。廢氣輸出流量913可以回收或排放。廢氣輸出流量913也可用於協助從系統A或B排放到海洋中的任何流體，以降低排放流體的密度，使廢水更容易在深海中排放。來自海洋選項中的海水淡化模組的淡水流量911，或來自河流、湖泊或汙水處理廠處理過的淡水流量，用作陽極區B的淡水源，此通過噴嘴912注入陽極區B，以在陽極區B中產生切向流。淡水用於陽極B區，以防止電解過程中產生氯氣。如圖所示，將A區的陰極流體與B區的陽極流體使用改良的文丘裡噴射器906混合，以完成電子中和條件並防止氯氣的產生。為了確保達到飽和狀態，選擇pH擺動水化反應器設計的滯留時間為2.5秒，直接水化反應器的滯留時間為100秒。

如果應用pH擺動水化反應器收集到的二氧化碳計畫用於回收利用的目的，則能將圖11A及11B的設計圖更改為圖11C和11D的pH擺動水化反應器的設計圖。其中陰極區A的流體經由分隔板905上方的開孔噴射至陽極區B與其流體混合。陽極區B產生的酸性條件將促進水化後溶解的二氧化碳物種又轉化回CO₂(g)，經氣化後能被收集和回收利用。如上述公式19所示，除CO₂(g)外，在陽極B區產生的氣體還包含一些O₂氣體。陽極區產生的H⁺每被消耗4摩爾，將產生1摩爾O₂。可以通過圖11C的D區的輸出流量917回收這種混合的CO₂和O₂氣體。該D區通過相同的圓柱形分隔板905與C區隔開。圖11C和11D的pH擺動水化反應器結構可以回收CO₂(g)與氧氣混合氣體。

當需要回收利用純CO₂(g)時，圖11A及11B的設計能夠修改為圖11E和11F。在這種設計中，原有的圓柱形分隔板905更改為多孔圓柱形分隔板 905，並被陰離子膜919覆蓋。如圖所示，在陽極903附近提供了另一個新的多孔圓柱分隔板905，並用陽離子膜920覆蓋。圖11E和11F的pH擺動水化器設計，H+能夠過濾通過陽離子膜，重碳酸和碳酸根離子能夠過濾通過陰離子膜以形成純CO₂(g)，被收集在圖11E的D區，並通過輸出流917輸出。在圖11E的E區則能收集其他氧氣，並通過輸出流量918輸出。在這種情況下，僅使用淡水輸入流907，以及排放輸出流916便可進行二氧化碳與氧氣分別收集回收利用。

當使用直接水化反應器1001時，如圖12A所示，也能用於將CO₂(g)捕捉固定。來自海水淡化系統B的濃鹽水或直接用海水流1004，將來自大氣或點源的含CO₂(g)廢氣氣流1005注入改良的文丘裡噴射器1006，加壓注入直接水化反應器1001的底部附近，以產生湍流條件，以加快CO₂(g)的溶解和固定。與pH擺動水化反應器類似，提供了氣體緩升器1002和渦輪混合器1003，以形成局部流體流動方向1008的迴圈，從而可以增加氣體溶解的滯留時間。直接水化反應器1001頂部的廢空氣可以通過管道進行再迴圈，管道的氣流1009由泵1014泵送，以連接來自改良的文丘裡噴射器1006。經由噴嘴1007注入的流體將被迫成為高度湍流的流體，以增加CO₂(g)氣體的溶解速率。收集並存儲在直接水化反應器1001頂部的廢氣通過廢氣流1011止回閥1013和閥1012排放。將含溶解的重碳酸或其他碳酸離子的流體1010泵入封存系統D進行封存。如前所述，CO₂(g)所需的溶解時間需要約100秒才能達到飽和狀態。為了增加CO₂(g)溶解濃度，直接水化反應器1001能夠加壓。若選海水中的選項，直接水化反應器1001的壓力能選類似於逆滲透海水淡化系統B的壓力水準(即，處於相同的海水中深度設置反應器)。為了減小直接水化反應器1001的體積並提高溶解效率，直接水化反應器1001可以 串聯成為多個反應器，如圖12B所示。為了確保達到飽和狀態，串聯的直接水化反應器1001設計的總滯留時間選擇在100到150秒的範圍內。

在本發明中，如圖13所示，能量交換器1101在許多情況下使用，包括需要調節PEO發電系統(A)採用逆滲透海水淡化的深度範圍而調驅動液的壓力時，如本報告前面所述。本發明人進一步將能量交換器1101與改良的文丘裡管1102組合成可用於在高壓環境下排放低壓流體的方法。如圖13所示，低壓流體1103進入能量交換器1101，以增加輸出流體1104的壓力。高壓流體1105，可以來自海水重力產生的液壓，如圖6、7和9中的海水深度403、503和706所示。能量交換後，借助改良的文丘裡管1102釋放低壓輸出流體1106的壓力，同時由pH擺動水化或直接水化系統C產生的廢氣流1107提供給改良的文丘裡管1102以降低流體1106的密度及上升力便於廢液在深海中的排放。

以上所述的原理、方法、具體實施方式和主要設備，對本發明的目的、技術方案和效果進行了詳細說明。所應理解的是，以上所述的具體實施例，並不用於限制本發明。提供這些實施例是為了能夠更透徹地理解本發明，並且能夠將本發明的範圍完整的傳達給本領域的技術人員。凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。

1:驅動液

2:進料液

4:總發電量

5:電源

7:供電

10:電源

11:電源

12:電力

14:濃鹽水

15:淡水

18:額外淡水

19:淡水

20:氣流

25:含重碳酸離子的濃鹽流

30:空氣壓縮機

31:液壓壓縮機

33:水泵

34:純二氧化碳氣體

Claims (15)

1. 一種捕捉和封存二氧化碳的方法，包括：在海洋環境中安裝和應用四個工藝系統集成一個自給自足的系統，此集成系統的四個工藝系統包括：PEO發電系統(Pressure-Enhanced Osmosis Energy Generation System)、海水淡化系統、pH擺動水化系統(pH-Swing Hydration System)或直接水化系統、以及封存系統，其中，應用該PEO發電系統與其他三個系統之間的協同作用，包括為其他三個系統的運行在原位進行發電，提供所有其他三個系統操作時必需的可再生能源；應用該海水淡化系統的協同作用，在原位進行海水淡化，包括為該PEO發電系統和該pH擺動水化系統提供所有必需的淡水，並將海水淡化形成的高鹼度濃鹽水提供到該pH擺動水化系統或該直接水化系統中，以增強二氧化碳的水化作用和固定能力，以穩定水化後形成的重碳酸離子；應用該pH擺動水化系統或該直接水化系統的協同作用，使用該PEO發電系統產生的可再生能源，以及來自該海水淡化系統的高鹼度濃鹽水和淡水將大氣中或點源排放氣體中收集的二氧化碳氣體捕捉並固定為主要成分為重碳酸離子的物種，並為該pH擺動水化系統提供淡水，以避免產生氯氣；以及應用該封存系統，使用該PEO發電系統產生的可再生能源，將來自該pH擺動水化系統或該直接水化系統所固定的重碳酸離子封存於深海無生物生存的沈泥間質水中，以上形成一個自給自足的集成系統，其操作時所需的能量全部在原位產生，並從原位取之不盡的海水中提取並生產該集成系統所需的所有材料，以及應用海中海水的重力，以形成一個自給自足的碳捕捉與該封存系統。
2. 如請求項1所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中所述的該PEO發電系統、該海水淡化系統、以及該pH擺動水化系統或該直接水化系統能均位於海洋環境中，處於海中的同一深度，安裝於一個共用的外殼結構中，或安裝於各自的模組結構中，並使用海水重力提供運行所需的壓力，使用能量交換器調節至各自系統所需的壓力，或使用該PEO發電系統提供電力以調節至各自系統所需的壓力，其中該pH擺動水化系統或該直接水化系統所處的深度與該海水淡化系統的深度相同，上述的捕捉和封存二氧化碳的該PEO發電系統和該海水淡化系統亦能處於海中各自的不同深度，安裝於各自的模組結構中，並使用海水重力提供運行所需的壓力，使用該能量交換器調節至各自系統所需的壓力，或使用該PEO發電系統提供電力以調節至各自系統所需的壓力，其中該pH擺動水化系統或該直接水化系統所處的深度選擇與該海水淡化系統的深度相同。
3. 如請求項2所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中，該PEO發電系統、該海水淡化系統、以及該pH擺動水化系統或該直接水化系統若均處於海底的同一深度，其較佳的深度含有二種不同的選擇，第一種同一深度的選擇為最優化的該PEO發電系統所需最佳壓力的深度，第二種同一深度的選擇為最優化的該海水淡化系統所需壓力的深度，其中最優化的該PEO發電系統所需最佳深度的壓力等於½αβ△π₀的壓力，其中α代表該PEO發電系統所使用的滲透操作時壓力損失的膜效率因數，β是稀釋因數=Q₂/(Q₁+Q₂)，其中Q₁是進料液滲透通量，Q₂是驅動液通量，△π₀是該PEO發電系統的正滲透膜組中的理論最大滲透壓差。
4. 如請求項3所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中，最優化的海水淡化系統所需壓力的深度，其中若使用逆滲透(RO)操作的該海水淡化系統， 其最優化的該海水淡化系統所需壓力的深度在540m至820m之間，其中若使用正滲透(FO)操作的該海水淡化系統，其最優化的該海水淡化系統所需壓力的深度與請求項3所述的該PEO發電系統所需的最佳壓力的深度相同；若選用逆滲透操作的該海水淡化系統的最優化的深度，此時該PEO發電系統的驅動液所需的壓力由海水重力來並使用該能量交換器調節至該PEO發電系統所需的最佳壓力；而請求項3所述的該pH擺動水化系統或該直接水化系統的最優化深度選擇為位於該海水淡化系統所選擇的最優化所需壓力的深度的相同處。
5. 如請求項1所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中，該PEO發電系統，利用正滲透的PEO模組(801)通過海水重力作為驅動液壓力來源和海水淡化產生的常壓淡水作為進料液來源以產生混合高壓流體，並將產生的高壓流體經由渦輪發電機以產生可再生能源，該驅動液的來源為海水或由該海水淡化系統產生的濃鹽水，所需的壓力由海水重力產生並能使用能量交換器以調節該驅動液所需的壓力；該海水淡化系統，處於海中利用海水重力提供壓力進行海水淡化，若壓力不足則由該PEO發電系統提供所需的電力並利用壓力泵產生必要的壓力進行海水淡化；該pH擺動水化系統利用pH擺動水化反應器(901)，所述的該直接水化系統利用直接水化反應器(1001)，從大氣或點源排放的氣體中利用該海水淡化系統產生的高鹼度濃鹽水捕捉並固定所收集的二氧化碳並轉化主要為重碳酸離子高鹼度濃鹽水；以及該封存系統將含重碳酸離子的高鹼度濃鹽水高壓注射並儲存於生物擾動層下方的海洋沉泥間質水中； 其中集成系統所需的能量全部在原位生成，並從原位海水中提取並生產該系統所需的所有材料，以形成二氧化碳捕捉和封存的自給自足的集成系統。
6. 如請求項5所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中該封存系統，能將含重碳酸離子的高鹼度濃鹽水封存在大陸架(continental shelf)、大陸坡(continental slope)、或大陸基(continental rise)的海底沉泥下方至少一百公尺處的選定深度處注入沉泥的間質水中，注入的高鹼度濃鹽水羽流的最終頂部邊界處於海洋沉泥的生物擾動層(bioturbation layer)以下至少十公尺處，以防止對任何海洋生物造成影響。
7. 如請求項2所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中該PEO發電系統及該海水淡化系統若處於海中的不同深度時，其中最優化的該PEO發電系統所需最佳壓力的深度等於1/2 αβ△π₀△的壓力，其中α代表該PEO發電系統所使用的滲透操作時壓力損失的膜效率因數，β是稀釋因數=Q₂/(Q₁+Q₂)，其中Q₁是進料液滲透通量，Q₂是驅動液通量，△π₀是該PEO發電系統的正滲透膜組中的理論最大滲透壓差，其中若使用逆滲透操作的該海水淡化系統，其最優化的該海水淡化系統所需壓力的深度在540m至820m之間，其中若使用正滲透操作的該海水淡化系統的深度不同於該PEO發電系統所需的最佳壓力的深度時其所需的壓力能用該PEO發電系統產生的電力調節。
8. 如請求項1所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中該PEO發電系統的淡水進料液的來源若有能用的其他淡水來源時，包含河水、湖水、或汙水處理廠處理過的污水來源時，該海水淡化系統提供的淡水能由上述的其他淡水來源取代，此時該海水淡化系統可以省略，當該海水淡化系統省略時該pH擺動水化系統或該直接水化系統所用的濃鹽水能用海水取代，而該pH擺動水化系統 所需的淡水也能用上述其他淡水來源取代，此時該淡水可通過管道，以水力發電作法，由陸地向下流至該PEO發電系統(A)的1/2 αβ△π₀的最佳深度附近，然後經由渦輪發電機發電，此額外的該水力發電作法能夠被捕捉和封存二氧化碳的方法選用，乃因發電後的水壓能降至接近大氣常壓，正好適合該PEO發電系統(A)的進料液所需的壓力。
9. 一種捕捉和封存二氧化碳的方法，包括：在陸地環境中安裝和應用三個工藝系統組成一個自給自足的集成系統，此集成系統的三個工藝系統包括：PEO發電系統(Pressure-Enhanced Osmosis Energy Generation System)、pH擺動水化系統(pH-Swing Hydration System)、以及封存系統；其中，應用該PEO發電系統與其他二個系統之間的協同作用，包括利用河水、湖水、或處理過的污水作為該PEO發電系統的進料液，並利用高濃度能回收再利用的無機鹽或有機物為溶質配製該PEO發電系統的驅動液以進行原位發電，發電後為其他二個系統包括該pH擺動水化系統和該封存系統的運行提供所有必需的可再生能源；其中，應用該pH擺動水化系統利用前述的淡水來源作為pH擺動水化反應器(901)的電解液以在陰極擺動提高至少三個pH值以利捕捉與固定大氣或點源氣體中的二氧化碳，同時在陽級產生氧氣及氫離子協助電子迴圈及維持電子平衡；其中，應用該pH擺動水化系統使用的水力發電的可再生能源，以及該PEO發電系統產生的可再生能源，以及上述的淡水來源利用電化學原理將大氣中或點源排放氣體中收集的二氧化碳氣體捕捉並固定為主要成分為重碳酸離子的物種；以及 應用該封存系統將來自該pH擺動水化系統所固定的重碳酸離子封存於陸地上適宜的地點包括通過注入土壤含農業區、草原地區、濕地、沙漠地區等地區的土壤、以及地下水層或地質岩層包括含鹽地下水層、採油區、採天然氣區、採礦區、或多孔狀的地質岩層中，而且沒有封存深度的限制；以上三個系統組合成的集成系統，其操作時所需的能量全部在原位產生，所需的該驅動液物料資源以回收再利用的方式形成一個自給自足的碳捕捉與該封存系統。
10. 如請求項9所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，其中該PEO發電系統的驅動液所含的高濃度能回收再利用的溶質能採用穩定且無毒的無機鹽或100至500分子量的穩定且無毒的有機物質製備而成，該驅動液能夠通過納濾(NF)或超濾(UF)進行濃縮並回收，此種做法能夠避免必須不斷地供應新的該驅動液化學品，其中，若使用較大分子量的有機物溶質配製該驅動液時，則該驅動液的回收可經由較廉的超濾法，此種有機物溶質的選擇必須兼顧其無毒性、穩定性、易溶性、並能加速且提高該進料液的通量，在眾多的有機物中黃腐酸(Fulvic Acids)能夠提供上述的性能條件。
11. 如請求項1所述之捕捉和封存二氧化碳的方法，能將現有海水淡化廠轉換為海水淡化、水力發電、PEO發電、以及二氧化碳水化和封存的綜合設施，包括：使用壓力管將現有海水淡化廠生產的部分淡水和所有濃鹽水轉移到與該PEO發電系統的1/2 αβ△π₀相當的最佳深度用以產生水力發電電能，其中α是代表整個PEO模組(801)滲透膜壓力損失的膜效率因數，β是稀釋因數=Q₂/(Q₁+Q₂)，Q₁是滲透通量，Q₂是驅動液通量，△π₀是該PEO模組(801)中的理論最大滲透壓 差，其中β的設計選擇範圍能介於0.7至0.95間，其較佳的選擇範圍為0.8至0.9間；使用約10%至20%現有海水淡化廠生產的淡水或現有的河水、湖水、或污水廠處理過的污水作為該PEO發電系統的進料液，使用海水淡化廠產生的所有濃鹽水或海水作為該PEO發電系統的驅動液，並將該PEO發電系統發電後產生的最終濃鹽水用於隨後的CO₂(g)水化系統；使用該pH擺動水化系統或該直接水化系統利用海水淡化廠產生的所有濃鹽水、該PEO發電系統的驅動液排放液或海水進行大氣中或點源排放廢氣中二氧化碳的捕捉與固定；使用上述水化系統後的海水或濃鹽水進行海洋沉泥間質水的封存；如上述對現有海水淡化廠的綜合轉型設施，不但可解決目前海水淡化項目的二大難題，即操作時需大量能源的開支以及濃鹽水排入海水中造成的生態危機，尚可解決二氧化碳的捕捉與封存的問題，而且能更進一步產生額外電能以更增進原有海水淡化廠的經濟效益，此種安排也能應用於將來新開發的海水淡化廠，使海水淡化與碳捕捉與封存均能實現經濟效益同時避免環境的負面影響。
12. 一種用於捕捉及固定二氧化碳氣體的圓柱形pH擺動水化反應器，該反應器能從大氣中或從點源排放的廢氣中捕捉及固定二氧化碳氣體，其結構包括：在圓柱形pH擺動水化反應器(901)內部提供圓柱形的分隔板(905)，以將圓柱形該pH擺動水化反應器(901)分離為陰極區(A)和陽極區(B)；在該陰極區(A)中提供多個陰極(902)；在該陽極區(B)中提供多個陽極(903)； 在該陰極區(A)中安裝了多個空氣緩升器(904)，以增加氣泡的滯留時間，以增強CO₂(g)水化為重碳酸根離子和碳酸根離子；安裝多個渦輪混合器(915)連接到每個空氣緩升器(904)，以在該陰極區(A)中提供流體流動迴圈，以增加氣體溶解時間；安裝多個改良的文丘裡噴射器(906)排列在圓柱形該pH擺動水化反應器(901)的底部圓柱形邊界，以將濃鹽水或海水注入該陰極區(A)以產生湍流加速注入改良的該改良的文丘裡噴射器(906)的含二氧化碳的空氣輸入流(908)的溶解和固定；安裝噴嘴(912)，用於向該陽極區(B)切向注入淡水流以進行電解，以防止電解過程中產生氯氣；在該pH擺動水化反應器(901)頂部的廢氣區(C)用於存儲和排放廢空氣輸出流(913)，以及在該陰極區(A)和該陽極區(B)頂部附近的改良的該文丘裡噴射器(906)，用於混合該陰極區(A)和該陽極區(B)的電解質，以排出捕捉及固定二氧化碳氣體後的碳酸鹽液體進行封存。
13. 如請求項12所述之用於捕捉及固定二氧化碳氣體的圓柱形pH擺動水化反應器，其中圓柱形該pH擺動水化反應器(901)經過下述的更改能被轉換為純CO₂(g)捕捉、固定及回收裝置，包括：通過將現有的圓柱形分隔板更改為多孔圓柱形的該分隔板(905)；通過陰離子膜(919)覆蓋多孔圓柱形的該分隔板(905)；以及通過鄰近該陽極(903)安裝另一個新的多孔圓柱分隔板，並用陽離子膜(920)覆蓋，通過上述更改，能使在該陽極(903)產生的氫離子穿過該陽離子膜(920)，與同時在該陰極區(A)中產生的重碳酸根離子及碳酸離子通過該陰離子膜(919)反應形 成純CO₂(g)並收集在區域(D)中，並通過輸出流(917)收集和利用，而在區域(E)收集其他氧氣以將其與純CO₂(g)分離。
14. 一種圓柱形直接水化反應器(1001)，用於從大氣中或從點源排放的廢氣中捕捉和固定二氧化碳，其結構包括：多個氣體緩升器(1002)，以增加該直接水化反應器(1001)中氣泡的滯留時間，以增加CO₂(g)的水化；多個渦輪混合器(1003)，連接到每個氣體緩升器(1002)以形成局部流體流動方向(1008)的迴圈，以增加CO₂(g)的溶解時間；一個改良的文丘裡噴射器(1006)佈置在該直接水化反應器(1001)的底部附近，以將濃鹽水或海水注入該直接水化反應器(1001)中以產生湍流條件，以加快溶解和固定空氣流中的CO₂(g)；一個廢氣區位於該直接水化反應器(1001)內的頂部以通過外部管道進行廢氣(1009)的再迴圈水化，管道的該廢氣(1009)由泵(1014)泵送並與來自改良的該文丘裡噴射器(1006)的進料混合；以及多個噴嘴(1007)將來自上述的混合進料注入該直接水化反應器(1001)內形成高度湍流的流體，以增加CO₂(g)氣體的溶解速率。
15. 如請求項14所述之圓柱形直接水化反應器(1001)，其中，多個圓柱形的該直接水化反應器(1001)能夠串聯成一系列的該直接水化反應器(1001)，並增加水化反應器的內部壓力，以減少每個反應器的體積需求並增加捕捉和固定二氧化碳氣體的溶解時間及提高溶解效率以確保接近二氧化碳溶解率的飽和狀態。