CN101043929A - 从空气中除去二氧化碳 - Google Patents

Abstract

本发明涉及从空气中除去二氧化碳的方法，该方法包括将溶剂覆盖的表面暴露于空气流下，此时空气流保持层流或者接近于层流状态。本发明还提供一种装置，其为层流洗涤器，所述层流洗涤器包括设置使其可暴露于空气流下的溶剂覆盖的表面。另一方面，本发明提供分离在溶剂内结合的二氧化碳(CO₂)的方法与装置。本发明特别适用于处理含有从空气中捕集的CO₂的氢氧化物溶剂。

Description

从空气中除去二氧化碳

技术领域

本发明一方面涉及从空气中除去所选择的气体。本发明特别适用于从空气中提取二氧化碳(CO₂)，下面将结合这一用途描述本发明，但也可以有其它用途。

背景技术

从环境空气中提取二氧化碳(CO₂)，致使可以使用碳基燃料并处理事后相关的温室气体排放。由于含量为百万分之几份的CO₂既无毒也无害，只是因简单地在大气中累积而产生环境问题，因此可从空气中除去CO₂，以便补偿在别处和在不同时间同样规模的排放量。空气捕集的总体方案是公知的。

在各种工业应用例如在由煤发电的工厂中和在烃的使用(所述烃典型地为在燃烧装置如发动机中燃烧的燃料的主要组分)中产生CO₂。从这种燃烧装置中排放的废气含有CO₂气体，这些CO₂气体目前被简单地排放到大气中。但随着对温室气体担心的确定，必需减少来自所有来源的CO₂排放。对于可移动的来源来说，最佳的选择可能是直接从空气中而不是从汽车或飞机的可移动的燃烧装置中收集CO₂。从空气中除去CO₂的优点是不需要在可移动的装置中储存CO₂。

已开发了各种方法和装置从空气中除去CO₂。在这些方法和装置之一中，利用被称为Raschig环的东西填充的罐内的碱溶液洗涤空气。为了消除少量的CO₂，还使用了凝胶吸附剂。尽管这些方法有效地除去了CO₂，但它们具有严重的缺点，因为对于它们从空气中有效地除去二氧化碳来说，必需在相当高的压力下通过吸附剂驱动空气，这是因为在洗涤工艺过程中发生相对高的压力损失。此外，为了获得增加的压力，要求某些性质的压缩设备，且这些设备使用一定量的能量。就该工艺总的二氧化碳平衡来说，压缩空气所使用的这一附加的能量可能具有特别不利的影响，这是因为增加空气压力所要求的能量也将产生必须捕集和处置的CO₂。

因此，现有技术的方法导致从空气中低效地捕集CO₂，这是因为这些工艺加热或冷却空气，或者明显改变空气的压力，即当清洁工艺将CO₂作为驱动该工艺所使用的电产生的副产物引入到大气内时，CO₂的净减少可以忽略不计。

此外，尽管从空气中分离CO₂的洗涤器设计是已有的，但通常它们受限于填充床类型的装置，这一装置的目的典型地是从另一气体中除去所有痕量的杂质。在美国专利4047894中所述的一种这样的装置包括在外壳内彼此间隔组装的含由聚氯乙烯(PVC)制成的多孔烧结板或者碳泡沫体的吸收元件。在将板组装在外壳内之前，在多孔板内浸渍氢氧化钾。这一装置的缺点是，在没有拆下装置外壳的情况下，不可能更换从空气中分离CO₂所使用的吸附元件。

另一方面，本发明一般涉及分离在溶剂内结合的二氧化碳(CO₂)的方法与装置。本发明特别适用于处理含从空气中捕集的CO₂的氢氧化物溶剂(或者收集CO₂所使用的其它碱性吸附剂)，且将结合这一用途描述本发明，但其它用途也可以考虑。

从空气中收集CO₂的方法典型地依赖于从空气中物理或者化学结合CO₂的溶剂。一组实用的CO₂溶剂包括强碱性氢氧化物溶液，例如氢氧化钠和氢氧化钾。过量0.1摩尔浓度的氢氧化物溶液可容易地从空气中除去CO₂，此时其例如以碳酸盐形式结合。较高的氢氧化物浓度是希望的，且有效的空气接触器将使用1mol过量的氢氧化物溶液。氢氧化钠是特别方便的选择，但可使用其它溶剂，例如有机胺。吸附剂的另一选择包括弱碱性盐水，例如碳酸钠或碳酸钾盐水。下述讨论可应用于至少部分以离子碳酸根或碳酸氢根形式储存CO₂的所有溶剂。

在其它专利和文献[1、2、3]中给出了旨在针对接触空气中的CO₂的空气接触器系统的设计。本发明的这一方面涉及回收吸附剂，其中再生负载CO₂的吸附剂并使CO₂与液体分离。我们描述了一组电化学方法，它可结合空气捕集单元，以更新氢氧化物溶液并在单独和在一些情况下加压的物流中收集CO₂。

所有方法的共同点是，它们通过电化学方式分离氢氧化钠与碳酸盐或其它盐。尽管存在只包括一对电极的一些电解方法，但大多数方法包括使用双极性膜和/或至少一类阳离子或阴离子膜的分离方案。另外，这些方法中一部分包括常规的煅烧和/或酸碱反应，这将导致释放出气体CO₂。本发明要求保护数种这样的方法，且如下所述，它们被分成7个不同的组。

发明内容

因此，本发明的目的是改进从空气中捕集二氧化碳的工艺设计并使其精简化，在碳受限的世界中，该工艺设计在允许使用烃燃料方面是重要的手段。许多这些方法也可用于其中结合到氢氧化物溶剂内的CO₂必需完全或部分从溶剂中除去的其它应用中。

通过本发明所囊括的CO₂分离膜以及其使用方法，解决并克服了现有技术的缺点。

从空气中除去CO₂的目的是平衡来自于例如汽车或者发电厂操作的CO₂排放。尽管可通过本发明弥补的大多数明显的CO₂排放来源是其中难以或者不可能在排放点处捕集CO₂的那些，但本发明不限于这种来源，同样可弥补任何其它来源。确实，若在将来某些时候，社会认为空气中人为导致的二氧化碳浓度太高的话，则可使用这种减少CO₂的方法来降低大气中的CO₂浓度。

尽管本发明的目的是从空气中捕集二氧化碳，以便管理大气中总的二氧化碳预算，但若从具有低浓度的CO₂气体中捕集二氧化碳的原因不同时，该概念同样可以应用。实例包括当它们出现于室内空气、隧道或其它密闭环境内时，为了销售目的在食品工业或油工业中捕集CO₂、从稀释物流中捕集二氧化碳或其它酸性气体。

一方面，本发明涉及空气洗涤器装置、从洗涤器内使用的溶剂中回收CO₂的方法、和利用上述装置和方法除去CO₂的商业方法。本发明的空气洗涤器在最小的空气压降下操作并从流经空气洗涤器的空气中有效地除去大部分CO₂。由于以下来看更清楚的原因，我们所指的洗涤器设计为层状设计。基于层状的空气洗涤器单元可在用于烟道排放空气的较大超结构中成为组件，其可被调整以适合于特定设计。可通过自然风、通过热对流或者通过风扇驱动空气。

在本发明的另一方面中，提出了回收在洗涤器装置中捕集的二氧化碳的方法与装置。在几乎所有的空气捕集设计中，从空气中捕集CO₂的整个过程需要空气接触器，所述空气接触器通过将CO₂结合到溶剂或吸附剂内而从空气中除去CO₂。然后处理废的吸附剂，优选在浓缩、加压的物流中回收全部或部分CO₂。再生的溶剂被循环到CO₂收集器中。

本申请列出了通过可分离酸与碱的电化学方法回收氢氧化物基吸附剂的数种方法。这些方法是存在的且已经针对多种酸进行了证明。此处我们利用这些方法并以一定方式组合它们以建造功能和有效的CO₂回收单元。

本发明还涉及数种单元工艺的新设计，它们具体地适合于此处所考虑的应用。

本发明的优点有数个：首先，该工艺避免了将碳酸根离子转化成碳酸钙、然后将其煅烧以释放CO₂的中间步骤，从而在很大程度上精简化了从空气中捕集二氧化碳的总流程。这一转化工艺的物质处理是复杂的。第二，更加直接的电化学工艺还提供了降低总能耗的途径。第三，它大大减少了对处理固体材料物流的复杂移动设备的需要，而这在常规的碳酸钙驱动的回收单元中是必需的。

最后，我们注意到这种装置也可在需要分离碳酸盐溶液和氢氧化物溶液的系统中使用，其中所述溶液来自于空气提取以外的工艺。

附图说明

根据下述结合附图的详细说明，本发明的其它特征和优点将变得更明显，其中类似的标记表示类似的部件，和其中：

图1是根据本发明的一个优选实施方案制造的空气洗涤器单元的透视图；

图2是图1的空气洗涤器单元的顶视图；

图3是图1的空气洗涤器单元的主视图，即空气入口视图；

图4是图1的空气洗涤器单元的侧视图；

图5是根据本发明另一方面的分离碳酸盐溶液和氢氧化物溶液的装置的示意图；和

图6-13是根据本发明分离碳酸盐溶液和氢氧化物溶液的各种工艺和工艺系统的流程图。

具体实施方式

首先参考图1-4，根据本发明一个方面的空气洗涤器单元从通过低压力梯度维持的空气流中除去CO₂。该空气洗涤器单元由层状的风收集器10(它是界定薄的空气空间的覆盖在向下流动的吸附剂内的两块片材或板5)和液体贮槽12组成。形成层状的两块片材优选通过由刚性框架1支撑的穿连杆2穿在片材之间的间隔器4隔开，但该薄层可通过其它方式间隔支撑。

一般地，吸附剂材料沿层状片材向下流，同时空气流在片材之间薄的空气空间之间通过。空气与吸附剂材料之间的接触引起除去CO₂的化学反应。但空气洗涤器单元也可捕集存在于空气内的其它气体。

根据已经确立的现有技术的方法，例如喷嘴或从集管6供料的波纹管道3挤出液体，从而将吸附剂施用到层状片材上，此外，该设计可润湿在顶部附近的垂直表面并在重力下使流体在表面上通过，直到全部面积均被覆盖。替代地，该表面可成型为平的圆盘，当它们旋转通过贮槽时被润湿。移动使得液体沿着这些表面分配。

用于使空气流移动通过薄层的典型压力梯度应使它们可通过自然空气流如风或温度梯度产生。在该单元上的压降范围为从几乎0到数百帕斯卡，优选范围为1-30Pa，和最佳范围可以是3-20Pa。但有或者没有管道以导引空气和对流的风扇也可用于驱动空气流。

薄层

风收集器的目的是使空气流与洗涤器或者风收集器的吸附剂涂布表面紧密接触。风收集器的基本单元是单一的薄层，它是通过两个吸附剂覆盖的片材界定的薄空气空间。在最简单的设计中，片材是平的，但该片材也可以为弯曲状，只要在所述片材上通过的空气可沿直线移动即可，即片材沿与风流垂直的方向弯曲。每一空气洗涤器装置包括在薄层片材上分配吸附剂并重新捕集废吸附剂的设备。

以下是用于风室薄层的例举设计清单：

1)彼此平行校准的平的矩形片材或板。

2)彼此平行排列的波纹片材且其表面与空气流的方向平直。

3)围绕中心轴旋转的平圆盘，且空气流与旋转轴垂直。可在圆周运动的底部附近通过浸入流体内的轮子施用吸附剂。静置的吸附剂可仅仅覆盖圆盘的外边缘或者铺满到达轴的所有路径。替代地，可通过在轴附近润湿并由于重力和旋转运动导致围绕圆盘流动的液体，将吸附剂注射到边缘上。

4)其中空气沿着管轴吹入的同心管道或者类似形状。这种管道可针对逆流设计垂直排列，其中在上部边缘处或者几乎水平地利用吸附剂引发润湿，所述吸附剂在一端和一点处进入并通过管道缓慢旋转运动来分配。

越过薄层的空气流可以是自然风流，或者可通过其它方式例如通过工程热上吸获得空气流。然而高的风速将是不利的，因为较高的速度导致较高的能耗速度。缓慢的空气流速度最大化空气与薄层上的吸附剂材料的接触时间，同时最小化系统内的动能损失。因此，通过洗涤器单元的空气流速范围可从基本上静止到数十米/秒。优选范围是0.5-15m/s，对于风驱动的系统来说，最佳范围为1-6m/s。

实践中，通过风收集器的空气流的流动速度要占典型风速的大部分。选择较好几何形状可稍微降低流动速度，但这种强化将为2倍，而不是数量级上的强化。

在本发明的例举实施方案中，采用2m/s的空气流速度，但空气流速度范围可以是0.5-约4m/s。在2m/s的标称流速下，单位风面积的CO₂流通量为30mmol/m²/s。进入氢氧化钠溶液内的流通量限制为约0.06mmol/m²/s的氢氧化物表面，且对于超过约2-4mm的边界层厚度来说，空气侧输送系数占主导。

在这一实施方案中，捕集系统尽可能紧凑，且尺寸限制决定了该装置的几何形状。相隔约0.5cm设置平的吸附片材提供在1立方米内接近500m²的片材表面积。实际长度为约1.2m加上片材有限厚度的误差。若片材折叠或者成型为管道的话，则可获得略大的片材表面积。但由于液体吸附剂从风收集器的顶部流到底部，因此平的垂直片材是自然的选择，这是因为断裂或折叠的片材将使通过的空气偏移，结果使该系统的湍流加剧并降低边界层厚度。由于平板已经在最佳的边界层厚度下操作，因此这种湍流不会改进CO₂的吸收性能，而是增加在该装置内的耗散的能量。

但还考虑到非常大的系统由于结构原因可能具有深度大于1米的风收集器设计。这一装置仍将被优化为每m²正面开口500m²的片材表面。在这一实施方案中，板之间的自然间隔将超过最佳边界层厚度，因此需要引入引起湍流的形状。湍流将驱动边界层厚度返回到所需的2-4mm的数值。例如，20m深的过滤器系统将要求每立方米约25m²的填料。且片材的典型间隔为约8cm，这远大于最佳的边界层。产生厘米规模的旋涡将有效地降低边界层厚度并因此提供所需的空气侧CO₂流通量。

通过片材或板间隔为0.6cm的1m深的单元的流动将为层流直到相对高的流动速度。若雷诺数定义为

$\mathrm{Re}=\frac{\mathrm{\ρdv}}{\mathrm{\η}}---\left(1\right)$

则层流区域扩大到约1400。换句话说，对于以0.6cm距离间隔的板来说，流动保持层流直到约4m/s。在下述内容中，将计算在该板组内空气流的阻力。

通过下式给出单位长度上的压降：

$\frac{\∂P}{\∂x}---\left(2\right)$

若穿过垂直于两个侧壁的平板的压力假设为恒定，则根据文献，通过下式给出在宽度为Δy、高度为h和深度Δχ的空气部分上的力： $\mathrm{\Δyh}\frac{\∂P}{\∂x}\mathrm{\Δx}=-\mathrm{\η}\left(\frac{{\∂}^{2}v}{\∂y^2}\mathrm{\Δy}\right)\mathrm{h\Δx}---\left(3\right)$

或

$\frac{{\∂}^{2}v}{\∂y^2}=-\frac{1}{\mathrm{\η}}\frac{\∂P}{\∂x}---\left(4\right)$

或

$v\left(y\right)$ $=-\frac{1}{2\mathrm{\η}}\frac{\∂P}{\∂x}{y}^2+C_{1}y+C_2---\left(5\right)$

这两个积分常数遵守两个边界条件，亦即：

v(0)＝v(d)＝0                     (6)

据此，我们获得

$v\left(y\right)=\frac{1}{2\mathrm{\η}}\frac{\∂P}{\∂x}y(d-y)---\left(7\right)$

因此板之间的峰值速度为：

$v_{\max }=\frac{d^2}{8\mathrm{\η}}\frac{\mathrm{\ΔP}}{L}---\left(8\right)$

其中L是板的长度，和Δp是穿过该距离的压降。通过下式给出平均流速：

$\stackrel{\‾}{v}=\frac{1}{d}{\∫}_o^{d}v\left(y\right)\mathrm{dy}=\frac{d^2}{12\mathrm{\η}}\frac{\mathrm{\ΔP}}{L}---\left(9\right)$

或

$\mathrm{\ΔP}=\frac{12\mathrm{\ηL}}{d^2}\stackrel{\‾}{v}---\left(10\right)$

或

$L=\frac{\mathrm{\ΔP}{d}^2}{12\mathrm{\η}\stackrel{\‾}{v}}---\left(11\right)$

若我们想要确定L，以便：

$\frac{\mathrm{\ρ}{\stackrel{\‾}{v}}^2}{2}=\mathrm{\ΔP}---\left(12\right)$

则我们发现在v＝2m/s、L＝0.2m时，

$L=\frac{\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{v}{d}^2}{24\mathrm{\η}}=\frac{\mathrm{Re}}{24}d---\left(13\right)$

更一般地，设计规则是：

d/L～24/Re                            (14)

其中Re是流动雷诺数。

且在板之间的流动受到板之间距离波动的影响。注意，通过下式给出系统单位宽度上的质量流量：

$Q=\mathrm{\ρ}\stackrel{\‾}{v}d=\mathrm{\ρ}\frac{d^3}{12\mathrm{\η}}\frac{\∂P}{\∂x}---\left(15\right)$

若我们假设Q是常数和d是χ的函数，则我们发现：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{12\mathrm{\ηQ}}{\mathrm{\ρ}}{\∫}_o^L\frac{\mathrm{dx}}{d{\left(x\right)}^3}---\left(16\right)$

在简化的情况下，薄层一半的宽度为d₁和另一半的宽度为d₂。我们进一步假设：

$d_1+d_2=2d$ 和 $\frac{d_2}{d_1}=\mathrm{\α}$ 或 $d_1=\frac{2d}{1+\mathrm{\α}}$ 和 $d_2=\frac{2d}{1+1/\mathrm{\α}}---\left(17\right)$

结果我们发现：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{12\mathrm{\ηL}}{\mathrm{\ρ}{d}^3}\frac{d^3}{2}(\frac{1}{d_1^3}+\frac{1}{d_2^3})=\frac{12\mathrm{\ηL}}{\mathrm{\ρ}{d}^3}\frac{({(1+\mathrm{\α})}^3+{(1+1/\mathrm{\α})}^3)}{16}---\left(18\right)$

对于α＝1来说，校正因子为1，但对于α＝2来说，则升高到1.89。在其中空气可绕窄的部位流动的完全三维的系统中，总的限制实际上较小。

注意，以上推导的方程式仅仅应用于板之间的完全发展的层流。但存在其中这种流动尚未完全发展的板的开始部分。在这一区域中，压降最好用在单独板上的曳力来表征。当边界层厚度增加和在相邻的板处的边界层开始叠加时，该流动发展成为在两块板之间观察到的稳定流型。

通过下式给出在无限薄的板的一侧单位宽度上的曳力：

$F_{\mathrm{drag}}=C_d\frac{\mathrm{\ρ}}{2}x{v}^2---\left(19\right)$

其中χ是距板开始处的距离。

根据文献，通过下式给出曳力系数C_d：

C_d＝1.308Re_χ ^-1/2＝1.308η^1/2 ρ^-1/2v^-1/2χ^-1/2      (20)

通过下式给出在足够短以致于不会彼此干扰的一组平行板上的压降：

$P\left(0\right)-P\left(x\right)=C_d\frac{\mathrm{\ρ}}{2}x{v}^2\frac{1}{d}---\left(21\right)$

其中d是在无限薄的板之间的间隔，或者

P(0)-P(x)＝1.308η^1/2ρ^1/2v^3/2χ^1/2d^-1        (22)

开始时，空气流看起来不同，这是因为受到开始影响的边界层较小。

此外，在一个特定的设计中，可具有环境风速v₀。在薄层的正面，空气静止并缓慢减速到v。通过下式给出驱动空气通过薄层的压力：

$\frac{\mathrm{\ρ}}{2}(v_0^2-v^2)=\frac{12\mathrm{\ηLv}}{d^2}---\left(23\right)$

或

$\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{v}^2+\frac{12\mathrm{\ηL}}{d^2}v-\frac{\mathrm{\ρ}}{2}{v}_0^2=0---\left(24\right)$

$v=\sqrt{v_0^2+{\left(\frac{12\mathrm{\ηL}}{{\mathrm{\ρd}}^2}\right)}^2}-\frac{12\mathrm{\ηL}}{{\mathrm{\ρd}}^2}---\left(25\right)$

在二次方程式的两种解法当中，我们只选择物理解法，即为正值的那一个。

吸附剂

已经充分研究了在强氢氧化物溶液内CO₂的吸收速度。本发明的空气洗涤器是推动CO₂或其它气体直接离开自然风流体或者离开置于类似驱动力例如热诱导对流下的流体的装置。

在强氢氧化物溶液内CO₂的吸收包括化学反应，所述化学反应大大地促进溶解过程。净反应为：

CO₂(溶解)+2OH^-→CO₃ ^2-+H₂O             (26)

存在可以使这一反应发生的数种不同路径。在高pH下相关的两个步骤是：

CO₂(溶解)+OH^-→HCO₃ ^-                  (27)

接着

HCO₃ ^-+OH^-→CO₃ ^2-+H₂O                  (28)

已知后一反应非常快速；另一方面，第一反应在相对缓慢的速度下进行。通过下式描述反应(2)的反应动力学：

$\frac{d}{\mathrm{dt}}\left[{\mathrm{CO}}_2\right]=\mathrm{\κ}\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]\left[{\mathrm{CO}}_2\right]---\left(29\right)$

因此，描述反应动力学的时间常数是：

$\mathrm{\τ}=\frac{1}{k\left[{\mathrm{OH}}^{-}\right]}---\left(30\right)$

在20℃和无限稀释下测量速度常数κ：

κ＝5000 1mol^-1s^-1＝5m³mol^-1s^-1          (31)

通过下式给出离子强度关系式：

κ＝κ_∞10^0.13A                          (32)

在气体内高的CO₂浓度下，反应(2)的速度限制了吸收速度，尽管对于1mol溶液来说，在0.14ms下的时间常数相当短。

按照标准的化学工程模型，例如Dankwert-或Astarita，人们可采用标准模型描述气体组分溶解或化学吸收到吸附剂内的传递过程，所述标准模型组合气体侧流动传递系数和液体侧传递系数来描述通过界面的净流量。通过下式给出总的流通量：

F＝κ_G(ρ(x＝-∞)-ρ(x＝0)}＝κ_L(ρ′(x＝0)-ρ′(x＝∞)}    (33)

其中ρ和ρ′分别是CO₂在气体内和在溶液内的摩尔浓度。参数x表征离界面的距离。进入气体内的距离计算为负值。在边界处采用Henry定律，因此

ρ′(0)＝K_Hρ(0)                          (34)

用无量纲因子表达，K_H＝0.7¹。

对于气体侧来说，可如下所述估计传递常数：

${\mathrm{\κ}}_G=\frac{D_c}{\mathrm{\Λ}}---\left(35\right)$

其中Λ是在界面表面上形成的薄层亚层的厚度。这一层的厚度取决于流动的几何形状和在气体流内的湍流。假设给出了流动的几何形状和在气体流内的湍流，则必需确定Λ的最佳选择。

对于流体束(fluid package)来说，估计这一传递系数的标准方法采用在流体表面上部分(parcel)的停留时间τ_D。这一时间来自于吸附剂的流动特征且它包括表面产生和表面破坏以及在该表面附近混合的

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------

¹备注，典型地，当在气体侧上的浓度用分压形式即单位为帕斯卡或者单位为大气压(atm)测量时，Henry常数具有量纲，而液体侧浓度典型地以mol/l测量。因此，典型的单位将是l/mol/atm。湍流液体。

$\mathrm{\λ}=\sqrt{{\mathrm{D\τ}}_D}---\left(36\right)$

由于在时间τ_D内的扩散可将溶解的CO₂混入层厚内，因此通过下式给出离开该表面的流通量：

$F=D_L\frac{{\∂\mathrm{\ρ}}^{\′}}{\∂x}---\left(37\right)$

其中D_L是CO₂的扩散常数，和ρ′是液体侧CO₂浓度。在该表面处估计梯度。根据下式确定液体的传递系数：

F＝κ_L[ρ′(x＝0)-ρ′(x＝∞)}             (38)

用下式近似的梯度

$\frac{\∂\mathrm{\ρ}}{\∂x}=\frac{{\mathrm{\ρ}}^{\·}\left(0\right)-{\mathrm{\ρ}}^{\′}(\∞)}{\mathrm{\λ}}---\left(39\right)$

这表明，对于扩散驱动的吸收过程来说，

${\mathrm{\κ}}_L=\frac{D_L}{\mathrm{\λ}}=\sqrt{\frac{D_L}{{\mathrm{\τ}}_D}}---\left(40\right)$

这里，D_L是在吸附剂内CO₂的扩散速度。

在其中反应时间τ_R＜＜τ_D的快速化学反应存在下，吸收CO₂的层的特征在于这一较短的时间，因此通过下式给出传递系数：

${\mathrm{\κ}}_L=\sqrt{\frac{D_L}{{\mathrm{\τ}}_R}}---\left(41\right)$

在化学反应存在下，传递系数因此增加下述倍数：

$\sqrt{\frac{{\mathrm{\τ}}_D}{{\mathrm{\τ}}_R}}---\left(42\right)$

但只有在吸附剂内反应物的供应没有受到限制时，这一提高才只能被维持。在CO₂中和氢氧化物溶液的情况下，可能耗尽边界层内的氢氧化物。层厚λ含有氢氧根离子的区域密度ρ_OHλ，且耗尽速度为2k_L ρ′CO₂。

因此，对于快速反应极限(式41)来说，采用：

$\frac{{\mathrm{\&rho;}}_{{\mathrm{OH}}^{-}}}{2{\mathrm{\&rho;}}_{{\mathrm{CO}}_2}^{\&prime;}}\frac{{\mathrm{\&tau;}}_R}{{\mathrm{\&tau;}}_D}<<1---\left(43\right)$

在我们的情况下，

${\mathrm{\&rho;}}_{{\mathrm{OH}}^{-}}{\mathrm{\&tau;}}_R=\frac{1}{\mathrm{\&kappa;}}---\left(44\right)$

因此，条件可改写为：

2ρ′_C02κτ_D＞＞1                   (45)

对于环境空气来说，从快速反应动力学过渡到即时反应动力学的临界时间为约10秒。这一过渡不取决于溶液内氢氧化物的浓度。但一旦通过这一过渡，则吸收速度将受限于氢氧根离子可流通到达表面的速度。因此它低于快速极限，且通过下式给出CO₂的流通量：

$F=\frac{1}{2}\sqrt{\frac{D_{{\mathrm{OH}}^{-}}}{{\mathrm{\&tau;}}_D}}{\mathrm{\&rho;}}_{{\mathrm{OH}}^{-}}---\left(46\right)$

在即时区域内，流通量与边界层内CO₂的浓度无关。

流通量可由有效的传递系数表征，可表示为：

$F={\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{eff}}({\mathrm{\&rho;}}_{{\mathrm{CO}}_2}-{\mathrm{\&rho;}\&prime;}_{{\mathrm{CO}}_2}/{\mathrm{\&kappa;}}_H)---\left(47\right)$

此处摩尔浓度是远离气体和远离液体处的渐近值。在氢氧化物溶液的情况下，后者为0，因此，

$F={\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{eff}}{\mathrm{\&rho;}}_{C{O}_2}---\left(48\right)$

和

${\mathrm{\&kappa;}}_{\mathrm{eff}}={(\frac{1}{{\mathrm{\&kappa;}}_G}+\frac{1}{{\mathrm{\&kappa;}}_L{K}_H})}^{-1}---\left(49\right)$

最佳设计接近于气体侧极限和液体侧极限之间的边界。因此，我们对空气侧边界厚度建立了设计值。

$\mathrm{\&Lambda;}\&ap;\frac{D_G}{\sqrt{D_L/{\mathrm{\&tau;}}_R}}---\left(50\right)$

对于空气基CO₂提取来说，它为约4mm。

这些限制一起严格地限制了实际的设计。对于1mol溶液来说，测量到总的溶液流速为6×10^-5molm^-2s^-1，将其转化成有效值为0.4cm/s，这非常接近于理论值。

关于吸收CO₂的吸附剂的类型，存在可使用的宽范围的选择。在一个实施方案中，含水氢氧化物溶液用作吸附剂材料。这些倾向于是高于0.1mol和最多达最大可能水平(约20mol)的强氢氧化物溶液。

用作吸附剂的氢氧化物可以是多种阳离子。氢氧化钠和氢氧化钾是最常见的，但包括有机吸附剂例如MEA、DEA等在内的其它物质也是可行的。此外，氢氧化物不需要是纯的氢氧化物，它们可能含有为改变或调节吸附剂的各种性能而添加的其它材料的混合物。例如，添加剂可改进氢氧化物与来自空气中的CO₂反应的反应动力学。这种催化剂可以是表面活性剂或者溶解在液体内的分子。添加有机化合物例如MEA仅仅是一个例子。其它添加剂可通过使溶液更加吸湿来辅助降低水的损失。另外其它的添加剂可用于改进流体的流动或润湿特征或者辅助保护表面避免氢氧化物溶液的腐蚀作用。另外，本发明中所使用的任何吸附剂必需润湿薄层片材的表面。针对这一目的，存在本领域已知的各种手段。这些手段包括增加亲水性的表面处理、在吸附剂内的表面活性剂和其它方式。

本发明包括下述重要的设计特征：

1)在与片材分离规模一致的尺寸规模上，薄层片材在空气流的方向上是基本上光滑的(但可以使用规模小得多的附带或者工程结构，以改进CO₂的传递系数)。在与空气流垂直的方向上的形状变化相对很少关注，只要它们不干扰板、片材或表面的有效润湿即可；

2)片材足够气密或坚固地定位，以便其弯曲或者振动不会明显降低薄层之间的压力变化。

3)通过表面内开口的空气流被抑制，以便它不能明显影响薄层之间的压力变化。

4)选择薄层之间的间隔，以便该系统不会越出层流区或者明显偏离该区域。

5)膜单元的深度保持足够短，以避免几乎完全耗尽在该单元前面部分内的空气。

6)为了利用片材的两侧，优选垂直排列薄层。但对于其它流动优化来说，可以考虑偏离这一设计。

7)选择薄层的高度，以优化表面的润湿性能并最小化多次重复处理流体的需要。

CO₂回收系统的组成部分

在本发明另一方面中，下述电化学工艺可用于本发明所述的CO₂捕集系统中或者用于收集CO₂的任何其它装置中。这些电化学工艺全部基于将盐分离成其酸和碱，其中酸和碱通过利用双极性膜的电渗析保留在溶液内。实例包括由氯化钠形成氢氧化钠和盐酸和由乙酸钠形成氢氧化钠和乙酸。在文献、专利文献和工业实践中也证明了酸和碱的其它组合。在本发明的上下文中，使用这一类型的单元分离氢氧化物和碳酸盐溶液，以及将弱酸盐分离成相应的酸和碱的单元。

以下我们描述了我们所考虑的该工艺的基本组成部分的多个工艺步骤：

1.将氢氧化钠和碳酸钠的混合物电化学分离成氢氧化钠和碳酸钠。对于这一工艺步骤来说，我们可依赖于已有的组成部分或者使用具体设计的利用用于分离的电渗析的单元。这些技术也可延伸到除了钠以外的其它阳离子，例如但不限于钾和铵以及有机胺的阳离子如单乙醇胺(MEA)、二乙醇胺(DEA)等。在所有情况下的基本反应是通过膜工艺分离R-OH和R₂CO₃的混合物成单独的R-OH和RHCO₃的溶液。

2.电化学分离金属碳酸氢盐成金属碳酸盐和CO₂。这一工艺优选使用包括双极性膜的电渗析，但在文献中公开了其它电解工艺且也可以使用。

3.分离金属碳酸氢盐成金属氢氧化物和CO₂。这一工艺仍然优选依赖于利用双极性膜的电渗析，但它也可通过产生氢的金属碳酸氢盐的电解来实现，所述氢将在产生CO₂的氢电极中再次使用。

4.将以上组成部分2和3或4中的两个或更多个组合成为单一单元的单元。例如，利用碳酸盐和氢氧化物的混合物总是变为氢氧化物溶液和CO₂气体的工艺。

以下是不涉及电化学的附加的组成部分：

1.利用浓度梯度从溶剂中分离阳离子如钠以降低或消除在输入溶剂内的氢氧化物的膜工艺。在一些情况下，这一单元可部分地将溶剂从碳酸盐转化成碳酸氢盐。

2.从碳酸钠和氢氧化钠的混合物中利用沉淀分离碳酸钠的变温工艺。

3.通过温度或压力变动将碳酸氢盐溶液转化成碳酸盐溶液的工艺。这种工艺常规地用于一些CO₂洗涤系统中，所述系统在足够高的CO₂压力下操作以使碳酸钠或碳酸钾和CO₂之间反应形成碳酸氢盐。

4.利用碳酸氢盐溶液并使用蒸发或变温从溶液中沉淀碳酸氢盐的工艺。

5.煅烧碳酸氢盐成碳酸盐的工艺。此处特别令人感兴趣的是碳酸氢钠或碳酸氢钾。

6.混合酸与氢氧化物-碳酸盐混合物以中和该混合物形成这些盐的固体沉淀的工艺。该工艺可在纯的碳酸盐下终止或者继续形成碳酸盐/碳酸氢盐的混合物或者一直继续形成碳酸氢盐。

7.使用酸驱出碳酸氢盐或碳酸盐或氢氧化物混合物中的所有CO₂的工艺。这一工艺可在高压下进行，以便在管线压力下输送CO₂。

总的工艺流程的概述

所有工艺始于在此处未进一步规定的单元内从空气中提取二氧化碳。具体的实施方式在本发明的另一方面交待。这一单元的细节在此处并不涉及，但要注意，这一单元将消耗全部或部分转化成碳酸盐的氢氧化物基溶剂。可将溶剂部分转化成碳酸氢盐。在后一情况下，人们也可考虑使用碳酸盐作为初始溶剂。输入的溶剂可含有除了氢氧化物以外的其它化学品。例如，它可含有一些改进工艺性能的添加剂，但它具体可含有来自前一工艺循环中的残留的碳酸盐。

本发明这一部分的目的是概述循环溶剂的工艺和方法以及优选在适合于随后处理步骤的压力下在浓缩物流内部分或全部回收CO₂。在以下讨论中，为了清楚起见，我们提到具体的氢氧化物和具体的酸。但我们强调该方法不限于这些具体的化学品，而是可容易地通用化以包括其它离子物质。

在下述实施例中，空气接触器单元使用氢氧化钠溶液，其浓度超过1mol/l氢氧化钠。一些残留的碳酸盐仍可保留在来自前一工艺循环的溶剂内，但当溶剂暴露于空气下时，氢氧化物将转化成碳酸盐，溶液中的碳酸盐浓度开始升高，直到不希望进一步转化。存在终止吸收工艺的数个原因。特别地，由于氢氧化物被耗尽，或者碳酸盐浓度达到饱和水平，则可终止该工艺。对于大多数捕集设计来说，不希望在吸收器内沉淀碳酸盐。所得碳酸盐溶液然后从捕集单元中返回以供进一步处理。从概念上说，人们可考虑如下所述的在回收工艺中的三个步骤：

1.分离未转化的氢氧化物与碳酸盐；

2.将碳酸钠分解成氢氧化钠和碳酸氢钠(这是酸碱分解)；和

3.将碳酸氢钠分解成氢氧化钠或碳酸钠和碳酸。

在一些实施方式中，这些步骤可组合在一起成为两个工艺步骤或者甚至单一的工艺步骤。

替代地，人们可通过用弱酸中和碱(此处为钠)，实现这些步骤中的每一个。若酸的钠盐沉淀，则可在任何点处终止该工艺，这是因为它从液体中直接分离沉淀形式的酸阴离子；在其它情况下，中和工艺可进行完全，在此情况下，结果是气体CO₂和碱的盐。若空气捕集使用氢氧化钠和酸是乙酸，则结果是乙酸钠。所得乙酸钠将分离成氢氧化钠和乙酸。二者均被循环。最好采用包括双极性的膜的电渗析单元来实现乙酸钠的分解。若要求高压CO₂，则需要比乙酸强的酸。

工艺1：

参考图5-7，工艺1使溶剂的品位提升(upgrading)分成三个不同的步骤。首先，它从盐水中分离大部分碳酸盐。然后，它使用电化学步骤有效地从盐水中引出钠离子，导致形成氢氧化钠和碳酸氢钠。最后，所得碳酸氢钠在添加酸的情况下释放其CO₂，所述酸再次被循环到电化学步骤中。这一工艺实施方式的优点是它组合了高的能量效率与产生加压CO₂的能力。二氧化碳可在高压力下输送，这正是电化学分离的优点。

步骤1.1

通过温度变动从废溶剂中提取碳酸钠。碳酸钠的溶解度远小于氢氧化钠。(类似的推论适用于部分其它氢氧化物，但这一实施方式限制于溶解度间距相匹配的那些)。因此，对于浓氢氧化物溶液来说，可通过CO₂吸收转化成碳酸钠的最大的碳酸钠量是有限的。在高的氢氧化钠浓度下操作的一个缺点是，废溶剂仍由氢氧化钠占主导，而氢氧化钠不应当通过多个昂贵的阶段来处理。温度变动方法克服了这一问题，这是因为它允许人们在不必使所有氢氧化钠通过膜系统的情况下分离碳酸盐。若废溶剂的碳酸钠接近饱和，则人们可通过沉淀提取一部分碳酸盐。在0-25℃之间，碳酸钠的溶解度变化超过3倍。因此，可在进入的流体和流出的流体之间热交换，通过温度变动来更新氢氧化钠溶液。这一方法可利用在其中最大温度变动较大的温暖干燥气候中的环境热量。更新的氢氧化物溶液被送回到空气接触器单元中。这一方法还更有利地用于其中高NaOH浓度有助于降低同期水损失的干燥气候中。

步骤1.2

碳酸钠沉淀在最大浓度下溶解在水中。进一步在电化学单元中处理碳酸钠以供酸/碱分离，所述酸/碱分离可将碳酸钠分成氢氧化钠(碱)和碳酸氢钠(酸)。对于这一电化学分离来说，可存在数种不同的设计。一些是常规的现有技术中通用的使用双极性膜的酸碱分离器。其它涉及氢电极。以下我们将描述为碳酸钠分解而具体设计的特定单元。

步骤1.3

来自于步骤1.2的碳酸氢盐溶液被注入到压力容器内，在此它与弱酸混合。优选的酸包括柠檬酸、甲酸和乙酸。但本发明不局限于任何特定的酸。酸碱反应从盐中驱出碳酸。碳酸然后分解成CO₂和水。CO₂首先溶解在盐水内，但迅速达到超过容器压力的压力，从而导致释放加压的CO₂物流。在这一单元上的设计限制对酸的选择存在一些限定条件。最重要的是，需要酸足够强，以便即使在设计压力下也从溶液中驱逐出CO₂。有关这一单元的进一步讨论参见下文。这一系统的优点是，它允许在不必将大的电化学单元放入压力容器内的情况下，在管线压力下释放浓缩的CO₂。留下的是弱酸盐的盐水。它可以是乙酸钠、柠檬酸钠或任何其它弱酸的盐。

步骤1.4

弱酸的盐和在捕集中所使用的碱在利用阳离子、阴离子和双极性膜的电渗析单元内分解，以回收氢氧化钠和弱酸。存在可以使用的这一单元的数种变体。步骤1.4的结论是，回收CO₂，并将残留的氢氧化钠返回到总的循环中。在各种设计选项中选择时，有利的是使用从溶液中除去钠离子而不是从溶液中除去阴离子的单元，因为通常不希望将残留的阴离子输送到空气接触器内。这还可以控制氢氧化钠盐水的浓度。取决于实施方式的具体条件，该后一单元因此可用于调节氢氧化钠的水含量，以便与在空气接触器所希望的相匹配。尽管我们在这里一般指弱酸，这是因为电渗析工艺在回收弱酸时要求较少的能量，因此，我们注意到该工艺原则上也可采用强酸操作。在一些特定情况下，强酸可具有克服固有地更高的电化学电势的其它优点。例如，与较大的有机酸相比，部分膜可针对强酸的简单离子维持较大的电流。

工艺2：

参考图8，这一工艺非常类似于工艺1，但它用膜分离系统替代第一步骤。这将产生后续需要浓缩的相对稀的NaOH溶液。它可在随后的步骤中在膜的氢氧化物侧作为初始盐水使用。若在任何情况下，空气提取步骤导致从溶剂中水的蒸发损失，并因此需要添加附加的水到溶剂中，则工艺2效果特别好。

步骤2.1

使用稀NaOH溶液的隔室(cell)与浓NaOH/Na₂CO₃盐水的隔室交替的周期性系统。该隔室在一侧通过阳离子膜隔开，和在另一侧通过双极性膜隔开。最后一个隔室与第一隔室相连，从而使系统具有周期性。该设计可缩减成简单的一对隔室，但几何形状的局限性通常有利于多个隔室的系统。当钠通过阳离子膜扩散时，隔室的电荷中性要求双极性膜提供H⁺-OH^-对。H⁺中和剩余的OH^-；OH^-与在其它腔室内抽出的钠形成碱。对于首次估计，在两个腔室内的钠浓度将平衡，从而若在废溶剂内至少一半的NaOH转化成碳酸钠的话，表明可在不输入电功的情况下进行这一分离。若不是这一情况，则仍可使用这一系统部分降低NaOH浓度，或者若人们希望增加溶液中的水含量，则可将大部分的钠离子转移到新的氢氧化物腔室内，所述新的氢氧化物腔室需要维持钠离子浓度低于系统中碳酸盐一侧的剩余钠离子浓度。在这一点处稀释盐水实际上是希望的，因为许多空气接触器设计将损失最初在溶液内的部分水。但若氢氧化钠提取没有完全完成，则也可进行工艺步骤2.2(它是步骤1.2的直接模拟)。

通过利用多个这些隔室的布局(在一端没有密封)并将它们引入到在步骤2.2中所使用的组件内生成碳酸氢钠，则人们可利用浓度驱动的隔室的动力，在转化中部分提供用于第二步的驱动作用(expression)(图8)。

步骤2.2

这一工艺非常类似于以上的步骤1.2。差别在于碳酸钠以溶解形式输送，且在输入的盐水内可能存在残留的氢氧化钠。

步骤2.3和步骤2.4

与步骤1.3和1.4相同。

工艺3

参考图9，为了工艺简单起见，我们省去了电化学分离碳酸钠成为氢氧化钠和碳酸氢钠的步骤。相反我们使用弱酸直接产生CO₂。这一实施方式因其简单而被包括，且由于它可以利用本领域将来的状态，即在一些特定的酸/碱对内，可达到极其有效的实施方式以供酸/碱分离。当然也可以产生混杂工艺，其中可进一步推进(push)步骤1.1和2.1，而不是仅仅到达碳酸盐边界。作为另一替代方法，人们可使用在步骤1.2和2.2中的电化学分离，但是在没有完全形成碳酸氢钠时停止。

步骤3.1

这一步骤分离输入盐水内的碳酸钠与氢氧化钠。这一步骤可与步骤1.1或者与步骤2.1一样实现。也可通过将氢氧化物碳酸盐混合物引入到步骤3.2来完全省去这一步骤。

步骤3.2

这一步骤类似于步骤1.3和2.3，但它要求多达2倍的酸。这一实施方式的优点是流程明显精简化。

步骤3.3

该步骤类似于步骤1.4和2.4，但它产生多达两倍的酸。

工艺4：

参考图10，工艺4的开始类似于工艺1和2，但利用将CO₂驱出溶液的双极性膜工艺替代酸分解。

步骤4.1

这一步骤与步骤1.1或步骤2.1相同。

步骤4.2

这一步骤与步骤1.2或步骤2.2相同。

步骤4.3

电化学分离NaHCO₃成为CO₂和NaOH。这基于利用双极性膜的电渗析。为了获得高压CO₂，电渗析单元应当置于压力容器内，所述压力容器在隔室上维持所需的CO₂压力。针对这一原因，希望不组合步骤4.2和4.3，因为这将增加需要维持在压力下的单元尺寸。但可组合两个单元成为一个单元。这种设计的优点是可以缩减工艺步骤。甚至可能组合所有三个单元成为一个单元。其它实施方式将利用其它电化学设备，例如电渗析系统，所述电渗析系统在阴极上产生氢气和阳极利用氢电极消耗在阴极处产生的氢气。

工艺5：

工艺5和6从至少部分产生碳酸钠的碳酸氢盐的盐水中提取CO₂，并因此在最终步骤和上游步骤之间引入新的循环环管。工艺5沉淀出碳酸氢钠，而工艺6实施该工艺的含水变体。结果这些工艺同样适合于仅仅产生碳酸盐并使用这一碳酸盐作为CO₂捕集用的新鲜吸附剂的实施方式。参考图11：

步骤5.1

这一步骤与步骤1.1或步骤2.1相同。

步骤5.2

这一步骤与步骤1.2或步骤2.2相同。但这一单元输入的物质部分来自于工艺5.1和部分来自于由步骤5.5得到的循环的碳酸钠。

步骤5.3

通过除水来增加碳酸氢盐的浓度。这最好通过让水通过可透水膜进入浓缩盐水内来实现。这些盐水存在两种可能的来源：(1)离开空气接触器的浓盐水；若步骤5.1紧跟着2.1，则它特别有用；和(2)来自于步骤5.1的浓盐水，条件是它类似于1.1并导致固体碳酸钠沉淀。结果是碳酸氢钠的浓盐水。它需要容纳在气密容器内，以便在溶液上为高于环境的CO₂分压。

使盐水脱水的另一选择是反向运行常规的电渗析单元(无双极性膜)。与使用纯水不同(它将在循环中在别处再利用(总的系统损失水))，将收集在膜另一侧的浓盐水以供进一步使用。这一方法的优点是它要求较小的体积通过膜，但它需要电动势才能成功。

步骤5.4

温度变动从盐水中沉淀碳酸氢钠。该温度变动不如对于Na₂CO₃沉淀来说的温度变动有效。但在25-0℃之间操作允许人们除去约1/3的碳酸氢盐。在输入和输出之间的热交换将最小化系统内的热损失。剩余的盐水被输送回到步骤5.3以供进一步脱水。

步骤5.5

煅烧固体碳酸氢钠形成碳酸钠和加压CO₂。为了给CO₂加压，煅烧器包含在压力容器内。这一系统可利用各种废热源，例如来自炼油厂或者发电厂的废热源。另一替代方案可以是太阳能，其优点是其碳中性。若使用化石碳，则该热源应当使用氧气而不是空气并收集来自于其燃烧的CO₂。在上游电渗析单元中产生的氢气和氧气将提供另一不含CO₂的能源。替代地，所产生的少部分碳酸钠可部分用于吸收燃烧工艺的CO₂。将这一碳酸氢钠盐水返回到5.3中，以便再次脱水。剩余的碳酸钠被输送回到步骤5.2。CO₂物流离开这一单元。

这一实施方式的优点是，它降低了电的需求量且用低等级的热部分替代电。这一方法因此特别适用于其中电昂贵或者CO₂非常密集的地区。方法1-4在具有低成本的低碳电例如来自大风车农场的水力发电或过多的风力发电的区域中是有利的。

工艺6：

工艺6类似于工艺5，但它用直接在溶液内热分解碳酸氢钠替代沉淀/煅烧。工艺5的优点是，它可容易地实现CO₂物流内的高压，而工艺6更容易实施，且它符合常规的处理物流。参考图12：

步骤6.1

这一步骤与步骤5.1相同。

步骤6.2

这一步骤与步骤5.2相同。

步骤6.3

这一步骤与步骤5.3相同，但浓度可保持低于5.3，和在一些实施方式中可省去这一步骤。

步骤6.4

温度变动以加热溶液，从盐水中除去CO₂并将富含碳酸钠的盐水返回到步骤6.2中。利用换热器以最小化能量需求。可在该单元内处理水的冷凝。见以下讨论。潜在的热源类似于在步骤5.5中列举的那些。6.2中产生的部分盐水可用于吸收在生成热中产生的CO₂。所得富含碳酸钠的盐水返回到步骤6.2中。

工艺7：

工艺7类似于5和6，因为它严格地在碳酸氢盐和碳酸盐之间操作CO₂生成单元，且没有尝试驱动CO₂发生器的电渗析越过(past)这一点。确实它可稍微提前终止，以便避免产生高pH的溶液。参考图13：

步骤7.1

这一步骤与步骤6.1相同。

步骤7.2

这一步骤与步骤6.2相同。

步骤7.3

这一步骤与步骤6.3相同。

步骤7.4

隔室中阴离子膜和双极性膜交替，且碱性盐水作为碳酸氢盐溶液和酸性盐水作为纯水开始进行该工艺，其中所施用的电压驱动碳酸氢根离子和碳酸根离子穿过阴离子膜，在酸侧生成碳酸(它将释放CO₂)。在除去碳酸阴离子的情况下，在碱侧的盐水的pH逐渐升高。当OH^-浓度开始与溶解的无机碳竞争时，必须终止该工艺。这将允许碳酸氢盐盐水转化成碳酸盐盐水。

剩余碳酸盐盐水被输送回到前一单元中，以便在部分脱水之后可将它再转化成碳酸氢盐盐水。

工艺讨论

以上列出的工艺代表针对不同情况和不同目标的不同优化。证明哪一个最佳将取决于该单元操作时的典型温度、区域成本和电的碳强度、生成酸和碱的各种电化学流程的进展。由于这一领域仍然年轻且处于变化中，因此随着时间流逝，优点将越来越向完全的电化学设计发展。

工艺1-4完全依赖于第二酸以完成废溶剂转化成CO₂和新鲜溶剂，它们可独立地优化酸/碱分离以及给CO₂加压。这些方法的优点是，它们完全不需要压缩机以供驱动CO₂达到管线压力。对于工艺5来说同样如此，但对于工艺6来说，可实现的最大压力受限于人们愿意驱动碳酸盐/碳酸氢盐盐水时的温度。工艺6的一个优点是，过去已经大规模地实施了步骤6.4，因此降低了与新工艺放大有关的成本不确定性。

其它工艺单元可一体化到总的生产线中，以处理例如杂质。例如，应当过滤来自空气接触器的碳酸盐盐水，以除去灰尘的累积。

尽管以下我们更详细地讨论了针对我们的设计而优化的单元工艺的一些专门的实施方式，但人们可使用针对所有工艺单元的标准实施方式。

实施碳酸盐分离成为碳酸氢盐和氢氧化物

原则上，分离酸和碱的已有电化学工艺的任何实施方式均可适合于这一工艺单元。并非所有的这些工艺都依赖于双极性膜，但其中多数是这样。为此我们开发的一种工艺组合了一系列阳离子膜和双极性膜。该系统终止于产生氢气和氧气的两个标准电极。这些造成数个百分点的全部能量消耗。它们可利用燃料电池整合到该工艺中，或者在要求热量的工艺5和6中，它们可以燃烧产生热且无CO₂排放。

钠离子按浓度梯度或者电梯度从该混合物进入其中累积氢氧化钠的下一隔室中。隔室的不同部分可在不同的浓度下操作，以便最小化系统内的电势差。特别地，如前所述，可包括氢氧化物与碳酸盐的上游分离，该分离可单独通过浓度梯度来驱动。由于没有任何一个单元达到酸性pH，因此质子浓度到处都足够小，结果不需要通过阴离子膜隔开的隔室。因此该系统比需要控制质子电流的常规的双极性膜系统更简单。在这些隔室中，负离子不离开它们开始存在于其内的隔室。在这一步骤之前从溶剂盐水中提取碳酸钠的优点是降低了必须通过这些膜的钠的量。但该工艺的简化变体可省去第一步。

实施酸驱动的CO₂生成器

混合酸与碳酸钠或者碳酸氢钠导致剧烈地产生CO₂。若酸足够强，则若该反应包含在保持在所需压力下的容器内，整个工艺可产生高的CO₂压力。这一系统的一种可能用途是在高于管线压力的压力下生成CO₂，从而不需要后续压缩。

这一系统的一种可能的实施方式认为需要三个小的贮池：一个注入酸，一个注入碳酸氢盐，和第三个注入所述酸的盐(如钠盐)。碳酸氢盐和酸从它们各自的贮池注入到流道内，所述流道的形状可强化两种流体的混合。若酸是弱酸且因此反应缓慢，则还可以引入快速搅拌的容器室。在快速反应器中，混合通道升高到其中气体与液体流分离的高点处，然后再次向下引导所述液体流进入盐溶液贮池内。向酸和碱贮池内注入的注射器与盐的排放贮池机械相连。在出口处利用的机械能几乎足以驱动注射泵。直接的机械连接可基于机械连接的活塞移动泵。小的涡轮机可类似地连接在一起。存在许多允许机械连接的现有技术方法。

小的系统也可以以间歇操作方式操作，其中输入罐和输出罐例如通过隔膜分隔。当释放压力时，填充空的输入罐迫使满的输出罐排空。然后该系统与其环境压力隔离，并且当两种流体从输入罐泵送到输出罐内时，产生CO₂。一旦输出罐装满，则CO₂管线阀门关闭，且该循环本身将重复。另一实施方式可使用活塞，所述活塞的作用是替代移动隔膜。

当然，也可通过将盐物流和CO₂物流的输出能转化成电能提供电连接。体积稍微不匹配可通过从CO₂输出管线中引出少许压力能量来补偿。原则上，这可能是在总的系统内满足许多泵送所需求的机械能的重要来源。人们可利用这一能力来调节碳酸和驱动系统所使用的酸之间的强度不匹配。

按照这一方式，酸的产生成为提供从排放的二氧化碳中移出的机械能的方便方式。

在将二氧化碳注入到输出物流内之前，需要清洁并干燥它，以便满足特定应用或特定处置设备对它的任何要求。

在变温CO₂生成器内水的管理

在加热碳酸氢盐溶液过程中，CO₂将携带需要冷凝出来的水蒸气。在一定压力下离开溶液并流出贮池的CO₂与水蒸气混合。在下一步中，其用于预热流入溶液，并在该工艺中冷凝出水蒸气。当增加盐水浓度升高溶液的CO₂分压时，所收集的水最好保持与碳酸氢盐溶液分开。

可使用水用于提供输入原料，以供在步骤6.2中在电化学酸/碱分离中生成新鲜的碳酸氢钠。

由于在油工业中使用CO₂的机会已经很少了，因此将要进行的工作是在法规允许限度内通过分配赢得CO₂“信用额度”。这些“信用额度”将具有按多种方式使用的市场价值。一种可能性是对于地方管理机构来说，提供给汽车制造者或购买者“信用额度证”作为促进运输里程的方式，同时允许继续使用可能不在理想的水平下运行的大众车辆设计。

合理的是预见到当汽车或卡车可用常规的内燃机技术(或者依赖于烃燃料的先进的推进系统)驱动且与此同时要求零排放汽车的时代，这是因为通过这一工艺已经从大气中除去足够多的CO₂。这可设置为附加于汽车或卡车购买价格的辅助证书，或者作为对运输工业的法规要求，或尚待确定的一些其它方案。或者具有社会意识的人可提前即在购买汽车之前“买下”碳。

尽管本发明特别适用于从空气中提取CO₂，但本发明的空气洗涤器可用于通过使用不同的吸附剂材料从空气中除去其它气体。

Claims (38)

1.一种从空气中捕集二氧化碳的方法，该方法包括将溶剂覆盖的表面暴露于空气流下，此时所述空气流的流动保持为层流或者接近于层流区。

2.权利要求1的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中所述表面包括光滑的平行板；

(b)其中所述表面不是完全平坦，在空气流方向沿直的平行线行进；

(c)其中所述表面包括类似于口琴罩的波纹、管道、导管、尖角形状或其任意组合，但空气流顺利沿直线进行；

(d)其中所述表面用比其间隔小的沟槽、凹坑、凸起或其它小结构糙化，和其中这些表面结构很好地保持在空气流的层流边界内；

(e)其中所述表面用沟槽、凹坑、凸起或其它小结构糙化，且围绕这些沟槽、凹坑、凸起或其它小结构的流动雷诺数小，最优选为0-100；

(f)其中所述表面通过喷砂或其它类似方式糙化；

(g)其中所述表面通过蚀刻或其它类似方式糙化；

(h)其中所述表面在由钢或其它耐受氢氧化物的金属制造的板上；

(i)其中所述表面在由玻璃制造的板上；

(j)其中所述表面在由塑料、优选聚丙烯制造的板上；和

(k)其中所述表面已经被涂布或者被处理以增加板的亲水性。

3.权利要求1的方法，其中所述表面是箔片或其它薄膜，其利用线材紧密固定并通过所述紧密的线材或线材网支撑。

4.权利要求3的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中除了少数在前面和后面的支撑线材以外，所有线材均与风的流向平行行进；

(b)其中所述箔片或膜支撑在刚性结构上，所述刚性结构可以是可赋予所述膜结构刚性的实心板、蜂窝或网格；

(c)其中所述膜由塑料箔片制造；和

(d)其中所述膜由塑料箔片制造，所述塑料箔片已经被表面处理以增加所述表面的亲水性。

5.权利要求1的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中所述空气流的方向是水平的；

(b)其中所述表面或者所述表面的对称线是垂直的；

(c)其中所述液体溶剂流与所述空气流的方向大致成直角；

(d)其中所述表面间隔为约0.3-3cm；

(e)其中所述表面长度与空气流的方向大致成直角，且为约0.3-10m；

(f)其中所述空气流的速度为约0.1-10m/S；

(g)其中所述表面之间的空气流的距离为约0.10-2m；

(h)其中通过向表面的上部边缘喷洒物流而施用液体溶剂；

(i)其中所述溶剂被施用到板的两侧上；

(j)其中所述溶剂以脉冲方式施用；

(k)其中在所述表面或板的底部收集液体溶剂；

(l)其中在所述表面或板的底部收集液体溶剂，并将所收集的流体立即送到回收单元中；

(m)其中在所述表面或板的底部收集液体溶剂，并将所收集的流体循环到洗涤单元的顶部以供附加的CO₂收集；

(n)其中所述装置进一步包括并配有空气流校流装置，以最小化所述表面和即时风场之间未对准导致的损失；和

(o)其中所述装置进一步包括并配有被动或主动引导所述表面以使它们指向风向的构件。

6.一种利用自然空气流产生的压降的层流风洗涤器，它包括：

(a)在所述洗涤器的正面风静止；

(b)通过与洗涤器的入口和/或出口基本上垂直的流动产生的压降；或者

(c)通过热对流产生的压降。

7.权利要求6的洗涤器，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中所述压降在冷却塔内产生或者通过沿着斜坡侧的热对流产生；

(b)包括多个至少部分被液体吸附剂润湿的薄层；和

(c)其中选择薄层之间的间隔，以使该系统不会越出层流区，且优选为约2-4mm。

8.权利要求1的方法，其中所述表面是旋转圆盘，其中通过圆盘的旋转运动辅助润湿，并且空气与所述轴成直角移动。

9.权利要求8的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中所述轴为大致水平，所述圆盘在其边缘浸入溶剂内，且所述圆周运动促进流体在圆盘上的分布；

(b)其中所述液体在圆盘移动时通过径向校准的注射器喷洒到圆盘上；和

(c)其中所述液体在轴附近挤出到圆盘上。

10.权利要求1的方法，其中所述表面是圆形或其它截面形状的同心管道，空气沿管道轴向流动。

11.权利要求10的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中所述管道围绕中心轴旋转；

(b)其中所述管道的轴大致垂直取向，且溶剂以其在管道表面上向下流的方式施用；和

(c)其中所述管道的轴与垂直方向成一定角度取向，且所述溶剂在上部开口处单点插入并沿覆盖整个表面的螺旋运动向下流动。

12.权利要求1的方法，其中所述溶剂是氢氧化物溶液。

13.权利要求12的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中氢氧化物的浓度为0.1-20mol；

(b)其中氢氧化物的浓度为1-3mol；

(c)其中溶液浓度超过3mol；

(d)其中调节溶液浓度，以使水的损失或水的获得最小化；

(e)其中允许溶液浓度自身进行调节，直到其蒸汽压与环境空气相匹配；

(f)其中氢氧化物是氢氧化钠；

(g)其中氢氧化物是氢氧化钾；

(h)其中所述溶剂是其中已经加入添加剂或表面活性剂的氢氧化物溶液；

(i)其中所述溶剂是含有添加剂或表面活性剂的氢氧化物溶液，所述添加剂或表面活性剂增强CO₂与溶液的反应动力学；

(j)其中所述溶剂是含有添加剂的氢氧化物溶液，以降低溶液上水的蒸气压；

(k)其中所述溶剂是含有添加剂或表面活性剂的氢氧化物溶剂，所述添加剂或表面活性剂改变溶剂的粘度或其它流变学性能；和

(l)其中所述溶剂是含有添加剂或表面活性剂的氢氧化物溶剂，所述添加剂或表面活性剂改进溶剂的吸收性能，以从空气中洗涤除CO₂以外的气体。

14.一种生产可买卖的碳信用额度的方法，该方法包括在远离二氧化碳生成位置处使用吸附剂从环境空气中提取二氧化碳，并销售、交易或转移所得碳信用额度给第三方。

15.权利要求14的方法，其中通过权利要求1的方法从环境空气中捕集二氧化碳。

16.权利要求14的方法，其中使用权利要求6的装置从环境空气中捕集二氧化碳。

17.权利要求14的方法，其中随汽车或卡车的销售或租借或者随汽车或卡车用燃料一起销售、交易或转移碳信用额度。

18.权利要求14的方法，其中通过烃燃料的生产者销售碳信用额度。

19.一种将氢氧化物/碳酸盐盐水分离成氢氧化物和CO₂的方法，其中首先浓缩盐水到接近碳酸盐的饱和点；随后通过从盐水中变温沉淀碳酸盐而分离浓缩的氢氧化物碳酸盐盐水；在第一电化学工艺步骤中，将碳酸盐电化学分离成为氢氧化钠溶液和碳酸氢钠溶液；在第二电化学工艺步骤中，混合碳酸氢盐与酸，以释放二氧化碳并从其盐中回收酸。

20.权利要求19的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中通过利用双极性膜的电渗析，从盐水中分离氢氧化钠溶液和碳酸氢钠溶液；

(b)其中第二电化学工艺包括利用双极性膜的电渗析；

(c)其中在没有最初浓缩的情况下处理盐水；

(d)其中在第二电化学工艺步骤中使至少部分碳酸盐与氢氧化物分离；

(e)其中在盐水释放CO₂之前，使用酸中和所述盐水，

(f)其中在盐水释放CO₂之前，注入酸中和所述盐水，所述酸的注入在第一低压单元和生成CO₂的第二高压系统中进行，所述第一低压单元将混合物的pH调节到支持形成碳酸氢盐的水平下；

(g)其中在压力容器内通过电化学工艺释放CO₂，以便提供高压CO₂；

(h)其中在包括利用双极性膜的电渗析的电化学工艺中释放CO₂；

(i)其中在阴极上产生氢气并在氢阳极处再次利用该氢气的电化学工艺中释放CO₂；

(j)其中在最后一步使碳酸盐与氢氧化物分离；和

(k)其中在CO₂释放步骤中分离全部或部分氢氧化物和碳酸盐。

21.一种在利用膜将容积隔成隔室的装置内部分分离氢氧化物/碳酸盐盐水成为氢氧化物溶液和碳酸盐溶液的方法，所述隔室膜交替为双极性膜和阳离子膜，和在间隔的腔室内流动的流体是浓缩的氢氧化物/碳酸盐盐水，而在交替的腔室内流动的是稀NaOH溶液，钠离子迁移穿过阳离子膜，和双极性膜提供维持电荷中性所需的氢氧根离子和质子。

22.权利要求21的方法，它包括一个或两个下述特征：

(a)其中所述隔室排列在组件内，所述组件在含有相同类型盐水的第一和最后一个隔室之间液体相连；

(b)其中所述隔室按照环形排列；和

(c)其中所述隔室在包括两个单独的隔室的组件内排列。

23.一种分离氢氧化物/碳酸盐盐水成为氢氧化物溶液和CO₂的方法，该方法利用电化学工艺使氢氧化物溶液与碳酸盐溶液分离，和在第一电化学工艺步骤中，碳酸盐被电化学分离成为氢氧化钠溶液和碳酸氢钠溶液；使碳酸氢盐与酸混合以释放二氧化碳；并通过第二电化学工艺步骤从其盐中回收酸。

24.权利要求21的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中通过利用双极性膜的电渗析，从盐水中分离氢氧化钠溶液和碳酸氢钠溶液；

(b)其中用于从其盐中回收酸的电化学工艺包括利用双极性膜的电渗析；

(c)其中在没有最初浓缩的情况下处理盐水；

(d)其中在第二电化学工艺步骤中使至少部分碳酸盐与氢氧化物分离；

(e)其中在盐水释放CO₂之前，使用酸中和所述盐水，

(f)其中在盐水释放CO₂之前，注入酸中和所述盐水，所述酸的注入在第一低压单元和生成CO₂的第二高压系统中进行，所述第一低压单元将混合物的pH调节到支持形成碳酸氢盐的水平下；

(g)其中通过电化学工艺实现CO₂释放；

(h)其中在压力容器内通过电化学工艺释放CO₂，以便提供高压CO₂；

(i)其中在包括利用双极性膜的电渗析的电化学工艺中释放CO₂；

(j)其中在阴极上产生氢气并在氢阳极处再次利用该氢气的电化学工艺中释放CO₂；

(k)其中在最后一步使碳酸盐与氢氧化物分离；和

(l)其中在CO₂释放步骤中分离全部或部分氢氧化物和碳酸盐。

25.权利要求19的方法，其中将碳酸氢钠热分解为碳酸钠和CO₂，接着将碳酸钠循环到该工艺的早期阶段。

26.权利要求25的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中通过膜分离利用浓度梯度或电化学梯度(反向电渗析)，降低碳酸氢盐溶液的水含量，在变温沉淀中从浓缩盐水中提取碳酸氢盐，接着热煅烧碳酸氢盐成为CO₂和碳酸盐，且所得稀碳酸氢盐输出物流被循环到碳酸氢盐溶液的另一脱水过程中；

(b)其中加热碳酸氢盐溶液，直到释放CO₂，从而形成碳酸盐/碳酸氢盐盐水，所述碳酸盐/碳酸氢盐盐水被电化学再处理成为碳酸氢盐；

(c)其中碳酸氢盐溶液在压力容器内放出CO₂；

(d)在热步骤的输入和输出之间包括热交换，以最小化能量消耗；

(e)其中所生成的稀的水物流保持与盐水分开并作为废水处理；

(f)其中稀的水物流用作空气接触器单元内输入的补充水；

(g)其中碱离子是钠；

(h)其中碱离子是钾；

(i)其中碱离子是含钠和钾的混合物；和

(j)其中碱包括有机碱。

27.权利要求21的方法，其中使碳酸氢钠热分解成为碳酸钠和CO₂，接着将碳酸钠循环到该工艺的早期阶段。

28.权利要求27的方法，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中通过膜分离利用浓度梯度或电化学梯度(反向电渗析)，降低碳酸氢盐溶液的水含量，在变温沉淀中从浓缩盐水中提取碳酸氢盐，接着热煅烧碳酸氢盐成为CO₂和碳酸盐，且所得稀碳酸氢盐输出物流被循环到碳酸氢盐溶液的另一脱水过程中；

(b)其中加热碳酸氢盐溶液，直到释放CO₂，从而形成碳酸盐/碳酸氢盐盐水，所述碳酸盐/碳酸氢盐盐水被电化学再处理成为碳酸氢盐；

(c)其中碳酸氢盐溶液在压力容器内放出CO₂；

(d)在热步骤的输入和输出之间包括热交换，以最小化能量消耗；

(e)其中所生成的稀的水物流保持与盐水分开并作为废水处理；

(f)其中稀的水物流用作空气接触器单元内输入的补充水；

(g)其中碱离子是钠；

(h)其中碱离子是钾；

(i)其中碱离子是含钠和钾的混合物；和

(j)其中碱包括有机碱。

29.一种通过混合酸和碳酸氢盐生成CO₂的装置，其按组合方式包括：容纳酸的贮池、容纳碱的贮池和容纳产物盐的贮池；与酸和碱贮池流体连通的管线，所述管线具有强化混合的结构；在压力下将CO₂进料到出口压力阀门的气体分离单元，所述气体分离单元与盐贮池相连；和来自盐的盐水贮池的出口管线，其与分别向容纳酸和碱的贮池内进料酸和碱的泵机械相连。

30.权利要求29的装置，它包括一个或多个下述特征：

(a)其中CO₂为装置提供大部分泵送功率需求；

(b)还包括将CO₂出口阀门上的过压转化成有用功率的装置；和

(c)其中过压被转化成有用的功率，所述有用的功率被引入到两个输入泵中或者可能在别处使用。

31.一种通过混合酸和碳酸氢盐生成CO₂的装置，它包括：三个贮池，一个容纳酸、一个容纳碱和一个容纳产物盐，所述贮池通过膜彼此分开，所述装置以间歇模式操作，其中在大气压下装载新鲜流体，并在生产CO₂的过程中使流体加压。

32.一种将碱性碳酸盐盐水分离成阳离子和碳酸氢盐的装置，所述装置包括向其中输送功率的阳极和阴极，其中阳离子移动穿过阳离子膜，从而将初始的盐水转化成碳酸氢盐，同时盐水作为纯的氢氧化物溶液逐渐积累。

33.权利要求32的装置，其中阳离子是钠或钾或不会从溶液中沉淀的离子。

34.一种从含有CO₂的碳酸氢盐盐水中分离CO₂的装置，该装置包括：具有酸隔室和碱隔室的贮池，这些隔室通过与双极性膜交替的阴离子膜隔开，以供在物流中产生碳酸氢根离子，该碳酸氢根离子在酸隔室内与酸混合产生CO₂，并在碱隔室内留下富含碳酸根离子的残留盐水。

35.一种从权利要求25的氢氧化物盐水中分离二氧化碳的方法，其中用权利要求34的电化学工艺替代热分解步骤。

36.权利要求35的方法，其中对产生CO₂的单元加压以输送浓缩的CO₂物流。

37.一种从权利要求27的氢氧化物盐水中分离二氧化碳的方法，其中用权利要求36的电化学工艺替代热分解步骤。

38.权利要求37的方法，其中对产生CO₂的单元加压以输送浓缩的CO₂物流。

Images