CN101687648A - 封存co2的方法 - Google Patents

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Abstract

提供了封存二氧化碳(CO2)的方法。该方法的各方面包括从含碱土金属的水中沉淀储存稳定的二氧化碳封存产物，然后例如通过将该产物置于处置场所或使用该产物作为制成组合物的组分来处置该产物。还提供了实施本发明的方法的系统。

Description

封存CO2的方法
对相关申请的交叉引用
依据35U.S.C.§119(e)，本申请要求对下列申请的提交日的优先权：2007年12月28日提交的美国临时专利申请序号No.61/017,405；2008年5月29日提交的美国临时专利申请序号No.61/057,173；2008年6月17日提交的美国临时专利申请61/073,319；2008年7月22日提交的美国临时专利申请61/082,766；2008年8月12日提交的美国临时专利申请序号No.61/088,340；2008年8月13日提交的美国临时专利申请序号No.61/088,347；2008年9月30日提交的美国临时专利申请序号No.61/101,626；以及2008年12月11日提交的美国临时专利申请No.61/121,872；并且依据35U.S.C.§120，本申请要求对2008年12月23日提交的题为“Low-Energy Electrochemical Hydroxide Systemand Method”的PCT申请No.PCT/US08/88242以及2008年12月23日提交的题为“Low-Energy Electrochemical Proton Transfer System andMethod”的PCT申请No.PCT/US08/88246的提交日的优先权；这些申请的公开内容在此引入作为参考。
引言
二氧化碳(CO2)排放已经被确认为全球变暖和海洋酸化现象的主要成因。CO2是燃烧副产物，其产生操作、经济和环境问题。CO2和其它温室气体的提高的大气浓度预计促进大气内的更高储热，造成提高的地表温度和迅速气候变化。CO2还与海洋相互作用，驱使pH值从8.2向8.0下降。CO2监测已经表明，大气CO2已从1950年代的约280ppm升至如今的约380ppm，并预计在下一十年超过400ppm。气候变化的影响可能是经济上昂贵和环境上危险的。降低气候变化的潜在危险要求封存大气CO2。
许多类型的工厂(如水泥精炼厂、炼钢厂和发电厂)燃烧各种碳基燃料，如化石燃料和合成气。所用化石燃料包括煤、天然气、油、用过的轮胎、城市废物、石油焦和生物燃料。燃料也衍生自沥青砂、油页岩、煤液和煤气化，以及经由合成气制成的生物燃料。各种燃料废气中的CO2浓度从百分之几到接近纯CO2变化。水泥厂是CO2排放的主要来源，来自于化石燃料的燃烧和由将石灰石、页岩和其它成分转变成波特兰水泥的煅烧释放的CO2。类似地，利用碳基燃料的燃烧发电的发电厂也是CO2排放的主要来源。除废热外，许多工厂还产生几种其它污染物，包括NOx、SOx、VOCx、颗粒物和汞。此外，许多工厂会产生如来自水泥生产厂的水泥窑灰或来自燃煤发电厂的灰分的材料，它们有时必须在危险物填埋场中处置。
已经提出的从含CO2的烟道气中分离CO2和储存CO2的方法包括储存在地质岩层中，注入深海和经由海洋肥沃化被浮游植物吸收。这些方法的有限的能力和持续时间、花费以及环境影响基本上未决，并可能阻碍它们的应用。
概述
提供了封存二氧化碳(CO2)的方法。该方法的各方面包括从含碱土金属的水中沉淀储存稳定的二氧化碳封存产物，然后例如通过将该产物置于处置场所或使用该产物作为制成品(如建筑材料)的组分来处置该产物。还提供了实施本发明的方法的系统。
附图概述
图1提供根据本发明的一个实施方案的CO2封存法的示意图。
图2提供根据本发明的另一实施方案的CO2封存系统的示意图。
图3提供与根据本发明的一个实施方案的CO2封存系统集成的发电厂的示意图。
图4提供波特兰水泥厂的示意图。
图5提供与根据本发明的一个实施方案的沉淀设施位于同一地点的水泥厂的示意图。
图6提供根据本发明的一个实施方案的不需要开采的石灰石原料的水泥厂的示意图。
图7A提供用于从溶液中电化学除去质子的双电极装置的一个实施方案的图示。
图7B提供用于从溶液中电化学除去质子的双电极装置的一个实施方案的图示。
图8提供用于电化学生产氢氧化物的低电压装置的一个实施方案的图示。
图9提供用于电化学生产氢氧化物的低电压装置的另一实施方案的图示。
图10提供用于电化学生产氢氧化物的低电压装置的另一实施方案的图示。
图11提供根据本发明的一个实施方案的系统的示意图。
图12A、12B和12C提供根据本发明的一个实施方案的系统的示意图。
图13A和13B提供本发明的沉淀物的照片。
图14提供本发明的非晶沉淀物的照片。
图15提供下文实验部分中报道的CO2吸收实验的图解结果。
相关化学反应
本发明的方法和系统利用下列化学反应概括的过程：
(1)液相、气相或固相的含碳燃料源燃烧生成气态二氧化碳：
C+O2(g)→CO2(g)
(2)二氧化碳源与水源接触以使该二氧化碳溶剂化，获得二氧化碳水溶液：
CO2(g)→CO2(aq)
(3)溶解在水中的二氧化碳与碳酸水溶液建立平衡：
Figure G2008800232162D00031
(41碳酸是以两个步骤离解的弱酸，其中平衡部分取决于溶液的pH值，通常，低于8-9的pH值有利于生成碳酸氢根，高于9-10的pH值有利干生成碳酸根。在第二步骤中，可以加入氢氧根源以提高碱度：
Figure G2008800232162D00032
Figure G2008800232162D00033
来自第IIA族的元素金属阳离子与碳酸根阴离子的反应生成金属碳酸盐沉淀物：
Figure G2008800232162D00034
其中X是可以与一个碳酸根或其倍数化学键合的任何元素或元素组合，m和n是化学计量的正整数。
详述
提供了封存二氧化碳(CO2)的方法。该方法的各方面包括从含碱土金属的水中沉淀储存稳定的二氧化碳封存产物，然后例如通过将该产物置于处置场所或使用该产物作为制成品(如建筑材料)的组分来处置该产物。还提供了实施本发明的方法的系统。
在更详细描述本发明之前，要理解的是，本发明不限于所述具体实施方案，因此当然可变。还要理解的是，本文所用的术语仅用于描述具体实施方案的目的并且不拟是限制性的，因为本发明的范围仅受所附权利要求书的限制。
在提供数值范围时，要理解的是，在该范围的上限和下限之间以及在该指定范围内的任何其它指定值或居中值之间的各居中值(除非文中明确地另行指明，以下限的单位的1/10为间隔)包含在本发明内。除在该指定范围内特别排除的任何界限值外，这些较小范围的上限和下限可独立地包括在这些较小范围内并且也包含在本发明内。在该指定范围包括界限值之一或两者时，排除这些包括的界限值的任一或两者的范围也包括在本发明中。
对于本文中的某些范围，数值前用术语“约”修饰。术语“约”在本文中用于为其后的确切数值以及与该术语后的数值接近或近似的数值提供严密的支持。在确定一数值是否接近或近似明确列举数值时，接近或近似的未列举的数值可以是在其陈述背景中与明确列举的数值基本等效的数值。
除非另行指明，本文所用的所有技术和科技术语具有与本发明所属领域的普通技术人员的通常理解相同的含义。尽管在本发明的实践或测试中也可以使用与本文描述的那些类似或等效的任何方法和材料，但现在描述代表性的示例方法和材料。
本说明书中引用的所有公开文献和专利都在此引入作为参考，就像各个公开文献或专利明确且独立地被指明在此引入作为参考，并且为了公开和描述与引用的公开文献相关的方法和/或材料而在此引入作为参考。任何公开文献的引用是针对其在提交日前的公开内容，并且不应该被视为承认本发明无权利用优先发明先于该公开文献。此外，所提供的公开日可能不同于实际公开日，这可能需要独立地确认。
要指出的是，除非文中明确地另行指明，本文和所附权利要求中所用的单数形式“一种”、“该”、“所述”包括复数对象。要进一步指出的是，权利要求书可能起草成排除任何任选要素。因此，这种声明旨在充当与权利要求要素的列举相关的如“只”、“仅”之类的排他性术语的使用或“否定性”限制的使用的先行基础。
本领域技术人员在阅读本公开后会看出，本文描述和例举的各独立实施方案具有分立的组分和特征，它们可以在不背离本发明的范围或精神的情况下容易地与任何其它几个实施方案的特征分开或联合。任何列举的方法可以以所列举的事件次序或以逻辑上可行的任何其它次序进行。
在进一步描述本发明时，首先更详细描述根据本发明的实施方案的CO2封存法。接着评述可用于实施本发明的方法的各种实施方案的系统。
CO2封存法
如上所述，本发明提供CO2封存法。“CO2封存”是指从环境，如地球大气或工厂产生的气态废物流中除去或封存一定量的CO2，以使一部分或全部CO2不再存在于其已从中除去的环境中。本发明的CO2封存法封存CO2，由一定量的CO2产生储存稳定的二氧化碳封存产物，以使从中生成该产物的CO2随后被封存在该产物中。该储存稳定的CO2封存产物是储存稳定的组合物，其将一定量CO2引入成为储存稳定形式，如地上储存或地下储存稳定的形式，以使该CO2不再作为大气中的气体存在，或不可成为大气中的气体。因此，根据本发明的方法的CO2封存防止CO2气体进入大气并以CO2不会变成大气的一部分的方式长期储存CO2。
本发明的方法的实施方案是负碳足迹法。“负碳足迹”是指通过实施该方法封存(例如通过将CO2转化成碳酸盐)的CO2的按重量计的量大于为实施该方法而生成(例如通过动力生成、碱生产等)的CO2量。在一些情况下，通过实施该方法封存的CO2的按重量计的量超过实施该方法时生成的CO2的按重量计的量1至100％，如5至100％，包括10至95％、10至90％、10至80％、10至70％、10至60％、10至50％、10至40％、10至30％、10至20％、20至95％、20至90％、20至80％、20至70％、20至60％、20至50％、20至40％、20至30％、30至95％、30至90％、30至80％、30至70％、30至60％、30至50％、30至40％、40至95％、40至90％、40至80％、40至70％、40至60％、40至50％、50至95％、50至90％、50至80％、50至70％、50至60％、60至95％、60至90％、60至80％、60至70％、70至95％、70至90％、70至80％、80至95％、80至90％和90至95％。在一些情况下，通过实施该方法封存的CO2的按重量计的量超过实施该方法时生成的CO2的按重量计的量5％或更多、10％或更多、15％或更多、20％或更多、30％或更多、40％或更多、50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多、90％或更多、95％或更多。
如上文概述的那样，本发明的方法产生沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物，以使该二氧化碳以“储存稳定形式”封存。“储存稳定形式”是指可以例如在地上或水下、在暴露条件下(例如对大气开放、水下环境等)，在没有明显(如果有的话)降解的情况下长期储存的物质形式，所述长期是例如1年或更长、5年或更长、10年或更长、25年或更长、50年或更长、100年或更长、250年或更长、1000年或更长、10,000年或更长、1,000,000年或更长、或100,000,000年或更长、或1,000,000,000年或更长。由于该储存稳定形式在地上储存时在正常雨水pH值下几乎不发生降解，如果有降解的话，以从该产物释放的CO2气体测得的降解(如果有的话)量不超过5％/年，在某些实施方案中不超过1％/年，或0.001％/年。该地上储存稳定形式在各种不同环境条件，例如-100℃至600℃的温度、0％至100％的湿度下储存稳定，其中这些条件可以是无风、有风或暴风的。在一些情况下，该储存稳定的产物用作制成品(如建筑材料)的组分，例如水泥或混凝土的组分。在这些实施方案中，该产物仍是储存稳定的CO2封存产物，因为该产物在制成品(如建筑材料)中的应用不会导致从该产品中释放CO2。在某些实施方案中，该沉淀物的碳酸盐化合物在与波特兰水泥混合时可以在不释放CO2的情况下溶解并与波特兰水泥的化合物混合。
通过本发明的方法制成的储存稳定的二氧化碳封存产物中存在的碳量可变。在一些情况下，该沉淀产物中存在的碳量(使用下文更详细描述的程序，如同位素分析，例如13C同位素分析法测定)在该产物中为1％至15％(w/w)，如5至15％(w/w)，并包括5至14％(w/w)、5至13％(w/w)、6至14％(w/w)、6至12％(w/w)和7至12％(w/w)。当用于制造该沉淀产物的方法包括使水与(例如，如下文更详细描述的)CO2源接触时，显著量的碳可以是源自该CO2源的碳(如通过下文更详细描述的程序测定)。显著量是指该储存稳定的二氧化碳封存产物中存在的碳的10至100％，如50至100％，包括90至100％来自该二氧化碳源(如含二氧化碳的气流)。在一些情况下，该产物中存在的源自该二氧化碳源的碳量为50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多、90％或更多、95％或更多、99％或更多，包括100％。
在某些实施方案中，对每1000吨CO2封存产物(例如制成的要用在建筑环境，如水泥或集料中的材料)而言，该CO2封存产物可以储存约50吨或更多的CO2，如约100吨或更多的CO2，包括150吨或更多的CO2，例如约200吨或更多的CO2，如约250吨或更多的CO2，包括约300吨或更多的CO2，如约350吨或更多的CO2，包括400吨或更多的CO2，例如约450吨或更多的CO2，如约500吨或更多的CO2，包括约550吨或更多的CO2，如约600吨或更多的CO2，包括650吨或更多的CO2，例如约700吨或更多的CO2。因此，在某些实施方案中，该CO2封存产物包含约5％或更多的CO2，如约10％或更多的CO2，包括约25％或更多的CO2，例如约50％或更多的CO2，如约75％或更多的CO2，包括约90％或更多的CO2。
通过本发明的方法制成的储存稳定的CO2封存产物可以包括碳酸盐化合物，其在与淡水混合时溶解并产生在淡水中比初始沉淀产物组合物的化合物更稳定的不同矿物。(尽管该初始沉淀产物组合物的化合物可以在与淡水混合时溶解并随后产生不同组分，但在任何这样的反应中，都不会以显著量释放CO2气体或在一些情况下完全不释放CO2气体)。初始沉淀产物组合物的化合物可以是在盐水(saltwater)中比在淡水中更稳定的化合物，因此它们可以被视为盐水亚稳化合物。采用库仑滴定中描述的程序通过库仑法测定的该产物中的碳酸盐量为40％或更高，如70％或更高，包括80％或更高。
该储存稳定的沉淀产物可以包括一种或更多种不同的碳酸盐化合物，如两种或更多种不同的碳酸盐化合物，例如三种或更多种不同的碳酸盐化合物、五种或更多种不同的碳酸盐化合物等，包括非截然不同的(non-distinct)非晶碳酸盐化合物。本发明的沉淀产物的碳酸盐化合物可以是具有分子式Xm(CO3)n的化合物，其中X是可以与一个碳酸根或其倍数化学键合的任何元素或元素组合，其中X在某些实施方案中是碱土金属(在元素周期表第IIA族中发现的元素)并且不是碱金属(在元素周期表第IA族中发现的元素)；其中m和n是化学计量的正整数。这些碳酸盐化合物可以具有分子式Xm(CO3)n·H2O，其中在该分子式中存在一个或更多个结构水。
该碳酸盐化合物可以是非晶或结晶的。该碳酸盐化合物组合物中的特定矿物状况，即不同碳酸盐矿物的不同类型的性质和各自的量，可变并取决于生成其用的水源的特定性质以及用于生成其的特定条件。
如上所述，在本发明的一些实施方案中，该组合物的碳酸盐化合物是在盐水中比在淡水中更稳定的亚稳碳酸盐化合物，因此在与任意pH的淡水接触时，它们溶解并再沉淀成其它淡水稳定矿物。在某些实施方案中，该碳酸盐化合物以小粒子形式存在，例如通过扫描电子显微术测得的粒度为0.1微米至100微米，例如1至100微米，或10至100微米，或50至100微米，在一些实施方案中为0.5至10微米。在一些实施方案中，该粒度表现出双峰或多峰分布。在某些实施方案中，这些粒子具有高表面积，例如，如通过Brauner，Emmit，& Teller(BET)表面积分析法测得为0.5至100m2/gm、0.5至50m2/gm，如0.5至2.0m2/gm。在一些实施方案中，通过本发明的方法制成的CO2封存产物可以包括杆状晶体和非晶固体。该杆状晶体的结构可变，在某些实施方案中具有500至1，如10至1的长径比。在某些实施方案中，晶体的长度为05微米至500微米，如5微米至100微米。在另一些实施方案中，产生基本完全非晶的固体。
该沉淀产物的碳酸盐化合物可以包括许多不同的阳离子，例如但不限于：钙、镁、钠、钾、硫、硼、硅、锶及其组合。可提到的是二价金属阳离子的碳酸盐化合物，如钙和镁的碳酸盐化合物。可提到的具体碳酸盐化合物包括但不限于：碳酸钙矿物、碳酸镁矿物和碳酸钙镁矿物。可提到的碳酸钙矿物包括但不限于：方解石(CaCO3)、文石(CaCO3)、球霰石(Ca CO3)、六水方解石(Ca CO3·6H2O)和非晶碳酸钙(CaCO3·nH2O)。可提到的碳酸镁矿物包括但不限于菱镁矿(Mg CO3)、水碳镁石(Mg CO3·2H2O)、三水菱镁矿(Mg CO3·3H2O)、lanfordite(MgCO3·5H2O)、hydromagnisite和非晶碳酸镁钙(MgCO3·nH2O)。可提到的碳酸钙镁矿物包括但不限于白云石(CaMg CO3)、huntitte(CaMg(CO3)4)和水碳钙镁石(Ca2Mg11(CO3)13·H2O)。该产物的碳化合物可以包括一个或多个水合水，或可以是无水的。
在一些情况下，该沉淀物中碳酸镁化合物的按重量计的量超过该沉淀物中碳酸钙化合物的按重量计的量。例如，该沉淀物中碳酸镁化合物的按重量计的量可以超过该沉淀物中碳酸钙化合物的按重量计的量5％或更多，如10％或更多、15％或更多、20％或更多、25％或更多、30％或更多。在一些情况下，该沉淀物中碳酸镁化合物与碳酸钙化合物的重量比为1.5-5比1，如2-4比1，包括2-3比1。
在一些情况下，该沉淀产物可以包括氢氧化物，如二价金属离子氢氧化物，例如钙和/或镁的氢氧化物。可提到的主要氢氧化钙矿物是羟钙石Ca(OH)2，及其非晶水合类似物。可提到的主要氢氧化镁矿物是水镁石Mg(OH)2，及其非晶水合类似物。
由于该沉淀产物衍生自含碱土金属离子的水源，它们会包括该水源(它们从该水源中沉淀)中存在的并标识来自该水源的组合物的一种或多种组分，其中这些标识组分及其量在本文中统称为水源标识剂。例如，如果该水源是海水，则该碳酸盐化合物组合物中可能存在的标识化合物包括但不限于：氯化物、钠、硫、钾、溴化物、硅、锶等等。任何此类标识来源的元素或“标记”元素通常以小量存在，例如，以20,000ppm或更少的量，如2000ppm或更少的量。在某些实施方案中，该“标记”化合物是锶，其可能存在于引入到文石晶格的沉淀物中，并占10,000ppm或更少，在某些实施方案中为3至10,000ppm，如5至5000ppm，包括5至1000ppm，例如5至500ppm，包括5至100ppm。可提到的另一“标记”化合物是镁，其可以以替代碳酸盐化合物中最多20％摩尔的钙的量存在。该组合物的水源标识剂可以随具体水源而变，例如用于制造该水成性碳酸盐组合物的盐水。在某些实施方案中，该沉淀物的碳酸钙含量是25％w/w或更高，如40％w/w或更高，包括50％w/w或更高，例如60％w/w。该碳酸盐化合物组合物在某些实施方案中具有受水源(该组合物从其中沉淀)影响并由此反映该水源的钙/镁比。在某些实施方案中，该钙/镁摩尔比为10/1至1/5Ca/Mg，如5/1至1/3Ca/Mg。在某些实施方案中，通过水源识别性的碳酸盐/氢氧化物比，表征该碳酸盐组合物，其中在某些实施方案中该比率为100至1，如10至1，并包括1至1。
在本发明的方法中，对含碱土金属离子的水施以碳酸盐化合物沉淀条件以制造沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物。该含碱土金属离子的水可以随要实施的特定封存方法而变。可提到的一种类型的水是盐水。术语“盐水”以其常规意义使用，指除淡水外的大量不同类型的水流体，其中术语“盐水”包括微咸水、海水和卤水(brine)(包括人造卤水，如地热电厂废水、脱盐废水等，以及天然卤水，如在地球表面上的水体中发现的地表卤水，和地下发现的深层卤水)，以及盐度高于淡水的其它盐水(salines)。术语“卤水”是指盐饱和或接近饱和的水，并具有50ppt(千分之份数)或更高的盐度。微咸水是比淡水咸但不如海水咸的水，具有0.5至35ppt的盐度。海水是来自海或洋的水，具有35至50ppt的盐度。生成本发明的水泥的碳酸盐矿物组合物用的盐水源可以是天然存在的来源，如海、洋、湖泊、沼泽、河口、泻湖、深层卤水、碱湖、内海等，或是人造来源。
本发明的方法中可用的另一类型的水是淡水。可以使用任何合适的淡水来源，包括从相对不含矿物的来源到富含矿物的来源。可提到的淡水来源包括富矿淡水源。可提到的富矿淡水源可以是天然存在的，如硬水或湖泊或内海，例如可提供用于除去质子和/或改变pH值的碱度来源和/或要随CO2沉淀的矿物的来源的碱湖或内海(如土耳其(Turkey)的Lake Van)；在本文其它地方进一步描述这类湖泊。可提到的富矿淡水源也可以是人造的，例如通过由软水制造富矿水。例如，可以使贫矿(软)水与所需离子源，如钙和/或镁离子源接触以产生适用于本发明的方法的富矿水。
如上所述，本发明的方法中所用的含碱土金属的水可以是获自天然存在来源的水。或者，该水可以是由起始水制成的水，例如通过将一种或多种矿物添加到该水中。因此，一些方法包括，通过向起始水中加入一种或多种二价金属离子(如镁、钙等)来源而由起始水制备含碱土金属的水。镁离子来源包括但不限于氢氧化镁、氧化镁等等。钙离子来源包括但不限于氢氧化钙、氧化钙等等。此类离子的天然存在来源和人造来源均可使用。此类离子的具体的天然存在来源包括但不限于：镁铁质矿物，如橄榄石、蛇纹石、periodotite、滑石等，以及类似物。在沉淀前向水源，例如海水中加入辅助的镁(Mg)离子提高了沉淀物产量，以及影响沉淀物的组成，从而提供采用矿物，例如但不限于橄榄石、蛇纹石和Mg(OH)2(水镁石)提高CO2封存的手段。特定的Mg离子源可以是天然存在来源或人造来源，并且对于Mg矿物而言可以是纯的，或是不纯的，例如可以是由可用的Mg矿物与其它矿物和组分构成的组合物。
在本发明的一些方法中，在对水施以沉淀条件前该水(如盐水或富矿水)不与CO2源接触。在这些方法中，该水具有一定量的与其缔合的CO2，例如，以碳酸氢根离子的形式，其获自在实施本方法之前该水暴露的环境。对水施以本发明的沉淀条件导致该CO2转化成储存稳定的沉淀物，并因此封存该CO2。当经受本发明的方法的水再次暴露在其自然环境(如大气)中时，该水会从大气中吸收更多CO2，导致CO2从大气中净脱除并将相应量的CO2引入储存稳定的产物，其中，可以如下更详细描述的那样使富矿淡水源与CO2源接触。这些方法的实施方案可以被视为从地球大气中直接封存CO2气体的方法。该方法的实施方案有效地从地球大气中除去CO2。例如，设计该方法的实施方案以便以每加仑盐水0.025M或更多，如0.05M或更多，包括0.1M或更多的比率从盐水中除去CO2。
本领域技术人员会认识到，尽管工业废气提供相对浓缩的CO2源，但本发明的方法和系统也可用于从较不浓缩的来源，例如大气(其所含的CO2浓度比例如烟道气低得多)中除去CO2。因此，在一些实施方案中，本发明的方法和系统包括通过使用本文概述的程序制造稳定沉淀物来降低大气中的CO2浓度。在这些情况下，CO2在大气中的浓度可以降低10％或更多、20％或更多、30％或更多、40％或更多、50％或更多、60％或更多、70％或更多、80％或更多、90％或更多、95％或更多、99％或更多、99.9％或更多、或99.99％。大气CO2的这种降低可以以本文所述的收率，或以更低收率实现，并且可以在一个沉淀步骤或一系列沉淀步骤中实现。
在一些实施方案中，在该方法中的某时刻，如在对水施以本发明的沉淀条件之前、之中或甚至之后使CO2源与含碱土金属的水接触。这些实施方案中与含碱土金属离子的水接触的CO2源可以是任何便利的CO2源。该CO2源可以是液体、固体(例如干冰)、超临界流体或气态CO2源。
在某些实施方案中，该CO2源是气态CO2源。该气态CO2源在某些情况下是来自工厂的废物料。在这些实施方案中，工厂的类型可变，其中可提到的工厂包括发电厂、化学处理工厂、机械加工厂、精炼厂、水泥厂、炼钢厂和作为燃料燃烧或其它加工步骤(如水泥厂的煅烧)的副产物产生CO2的其它工厂。废物料是指作为工厂有效工艺的副产物产生的气流(或类似的物流)。该气流可以是基本纯的CO2或包括CO2与一种或多种其它气体的多组分气流。可以在本方法的实施方案中用作CO2源的多组分气流(含有CO2)既包括还原条件流，例如合成气、转换的合成气、天然气和氢气等，又包括氧化条件流，例如来自燃烧的烟道气。可提到的可根据本发明处理的特定多组分气流包括：含氧的燃烧工厂烟道气、燃气轮机增压的锅炉产生气体、煤气化产生气体、转换的煤气化产生气体、厌氧消化池产生气体、井口天然气流、重整天然气或甲烷水合物等等。
可根据本发明的方法处理多种不同的气态废物流以封存CO2。在某些实施方案中，可提到的气态废物流具有以200ppm至1,000,000ppm、如200,000ppm至1000ppm，包括200,000ppm至2000ppm，例如130,000ppm至2000ppm的量存在的CO2。该废物流可以包括一种或多种其它组分，例如水、Nox(单氮氧化物；NO和NO2)、Sox(单硫氧化物；SO、SO2和SO3)、VOC(挥发性有机化合物)、汞和颗粒物(颗粒物质、悬浮在气体中的固体或液体颗粒)。
该废物流可以由各种不同类型的工厂产生。在某些实施方案中可提到的是燃烧化石燃料，例如煤、油、天然气，以及天然存在的有机燃料沉积物的人造燃料产品(例如但不限于沥青砂、重油、油页岩等)的工厂产生的废物流。在某些实施方案中，发电厂是粉煤发电厂、超临界煤发电厂、物质焚烧煤(mass burn coal)发电厂、流化床煤发电厂、燃气或燃油锅炉和蒸汽轮机发电厂、燃气或燃油锅炉简单循环燃气轮机发电厂、和燃气或燃油锅炉联合循环燃气轮机发电厂。在某些实施方案中可提到的是由燃烧合成气(即通过有机物，例如煤、生物质等的煤气化制成的气体)的发电厂产生的废物流，其中在某些实施方案中，这类工厂是整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂。在某些实施方案中可提到的是由热回收蒸汽发电厂(HRSG)产生的废物流。
在本发明的一些实施方案中，来自发电厂的烟道气中所含的基本100％CO2作为稳定的矿物封存；这可以在单个沉淀步骤或多个沉淀步骤中进行，并可以进一步包括其它封存CO2的工艺，例如当烟道气中CO2浓度降低时，在用于除去该气体中的所有原始CO2时能耗过高的更能量密集型工艺可变得可用于除去该气体中的最后CO2。因此，在一些实施方案中，进入发电厂的气体(普通大气)可包含的CO2浓度高于已用本发明的方法和系统处理过的离开该工厂的烟道气中CO2浓度。因此，在一些实施方案中，本发明的方法和系统包括如下方法，该方法包括向发电厂供应气体，例如大气，其中该气体包含CO2；例如通过燃烧化石燃料以消耗O2和产生CO2来在发电厂中处理该气体，随后处理废气以除去CO2；并从发电厂释放气体，其中从发电厂释放的气体的CO2含量低于向发电厂供应的气体的。在一些实施方案中，从发电厂释放的气体含有比进入发电厂的气体少至少10％的CO2、或少至少20％的CO2、或少至少30％的CO2、或少至少40％的CO2、或少至少50％的CO2、或少至少60％的CO2、或少至少70％的CO2、或少至少80％的CO2、或少至少90％的CO2、或少至少95％的CO2、或少至少99％的CO2、或少至少99.5％的CO2、或少至少99.9％的CO2；在一些实施方案中，进入发电厂的气体是大气，离开发电厂的气体是处理过的烟道气。
可提到的废物流还包括水泥厂产生的废物流。其废物流可用在本发明方法中的水泥厂包括湿法和干法工厂，这些工厂可以使用竖窑或回转窑，并可以包括预煅烧炉。这些类型的工厂各自可燃烧单一燃料，或可依次或同时燃烧两种或更多种燃料。
可提到的废物流是工厂废气，例如烟道气。“烟道气”是指由燃烧化石或生物质燃料的燃烧产物获得的气体，该气体随后被导向烟囱(也称为工厂的烟道)。除燃料燃烧生成的CO2外，也可能由其它工业处理释放CO2(例如水泥厂中的矿物煅烧)。烟道气的组成可变。在某些实施方案中，烟道气中CO2的量可以为350ppm至400,000ppm，如2000ppm至200,000ppm并包括2000ppm至180,000ppm。在烟道气中还可能存在其它组分，例如水、NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物。烟道气的温度可变，例如从0℃至2000℃，如从60℃至7000℃并包括100℃至400℃。
本发明的方法中所用的气态废物流可以以将气态废物流从该工厂传送到沉淀设施的任何便利的方式从工厂供应到沉淀场所。在某些实施方案中，用从该工厂所在地(例如该工厂的烟道)通向一个或多个沉淀场所的气体传送装置，例如导管提供该废物流。气态废物流的来源可以在远离沉淀场所的位置，如该气态废物流的来源在距沉淀场所1英里或更远，如10英里或更远，包括100英里或更远的地点。例如，该气态废物流可以从远端工厂经由CO2气体传送系统，例如管道运往沉淀场所。该工厂生成的含CO2的气体在到达沉淀场所(即碳酸盐化合物沉淀设施)之前可以经过或不经过加工，例如除去其它组分等。在另一些情况下，该气态废物流的来源邻近沉淀场所，其中这样的情况可能包括将沉淀场所与气态废物流的来源集成的情况，如集成了碳酸盐化合物沉淀反应器的发电厂。
如果需要，在沉淀反应中可以使用来自工厂的一部分但并非全部气态废物流。在这些实施方案中，沉淀中所用的废物流的比例是75％或更低，如60％或更低，包括50％和更低。在另一些实施方案中，在沉淀中使用工厂产生的基本所有气态废物流，例如工厂产生的基本所有烟道气。在这些实施方案中，在沉淀过程中可使用由该来源生成的气态废物流(例如烟道气)的80％或更多，如90％或更多，包括95％或更多，最多100％。
如上所述，气态废物流可以是获自工厂烟道或类似结构的气态废物流。在这些实施方案中，将管道，例如导管连向烟道以使气体经由该管道离开烟道并送往沉淀系统(下文更详细描述)的适当位置。根据该沉淀系统的使用气态废物流的部分的特定构造，该气态废物流的获得来源的位置可变，例如以提供具有适当或所需温度的废物流。因此，在需要具有0℃至1800℃，如60℃至700℃温度的气态废物流的某些实施方案中，可以在锅炉或燃气轮机的出口处、窑的出口处，或在整个发电厂或烟囱的任何点获得烟道气，其提供所需温度。如果需要，烟道气保持在高于露点的温度，例如125℃，以避免冷凝和相关的复杂情况。如果这样不可行，可以采取步骤减轻冷凝的不利作用，例如采用不锈钢的氟烃(如聚(四氟乙烯))衬里的导管、用水稀释和控制pH值等，以使该导管不会迅速劣化。
为提供效率，生成气态废物流的工厂可以与沉淀系统位于同一地点。“位于同一地点”是指工厂与沉淀系统之间的距离为10至500码，如25至400码，包括30至350码。如果需要，沉淀设施和工厂可相对于彼此布置以最小化温度损失和避免冷凝，以及最小化管道成本，例如，其中在工厂的40码内安置沉淀设施。
在某些实施方案中还可提到的是包括工业功能(如发电、水泥生产等)和本发明的沉淀系统的完全联合的工厂。在这类联合工厂中，改进传统工厂和如下所述的沉淀系统以提供所需联合工厂。改进包括但不限于：烟囱、泵系统、控制、仪器化、监测、利用工厂能量(例如蒸汽轮机能量)运行部分沉淀部件(例如机械压机、泵、压缩机)、来自水泥厂和/或发电厂的获自蒸汽的热或从空气到空气热交换器的热的利用等的协调。
与CO2源接触的水的pH值可变。在一些情况下，与CO2源接触的水的pH值是酸性的，以使pH值低于7，如6.5或更低、6或更低、5.5或更低、5或更低、4.5或更低、4或更低。在另一些实施方案中，水的pH值可以是中性至微碱性的，这意味着水的pH值可以是7至9，如7至8.5，包括7.5至8.5。
在一些情况下，水，如含碱土金属离子的水(包括碱性溶液或天然含盐碱性水)在与CO2源，如含二氧化碳的气流接触时是碱性的。在这些情况下，当是碱性时，水的pH值不足以使该储存稳定的二氧化碳封存产物沉淀。因此，该pH可以是9.5或更低，如9.3或更低，包括9或更低。
在一些情况下，在与含二氧化碳的气流接触过程中如上所述的pH可以保持在基本恒定的值，或者可以调节该pH值以在最小化碱消耗或其它除去质子手段的同时使CO2吸收最大化，例如通过在某pH值下开始，并随着持续引入CO2而使pH值逐渐升高。在pH保持基本恒定的实施方案中，“基本恒定”是指在与二氧化碳源接触的某阶段中的pH变化幅度为0.75或更低，如0.50或更低，包括0.25或更低，如0.10或更低。可以使用任何便利的方法使pH保持在基本恒定的值，或调节pH值以在不沉淀的情况下使CO2吸收最大化但防止氢氧化物沉淀。在一些情况下，通过以提供基本恒定pH值的方式向水中加入足量的碱，在该水的CO2充入过程中使pH保持在基本恒定的值或调节pH值以在不沉淀的情况下使CO2吸收最大化。可以加入任何便利的碱或碱组合，包括但不限于氧化物和氢氧化物，如氢氧化镁，其中下文综述合适的碱的其它实例。在另一些情况下，可以使用电化学程序，如下述程序使pH保持在基本恒定的值，或调节pH值以使CO2吸收最大化，从而以电化学方式使水的pH保持在基本恒定的值。令人惊讶地，如实施例IV中所示，已经发现，通过添加了碱(除去质子)的海水的简单鼓泡，可以吸收包含约20％CO2的气体中所含的例如多于50％的CO2。
在一些实施方案中，本发明的方法和系统能够吸收CO2气体源(如CO2的工业源，例如来自发电厂的烟道气或来自水泥厂的废气)中的5％或更多、10％或更多、15％或更多、20％或更多、25％或更多、30％或更多、35％或更多、40％或更多、45％或更多、50％或更多、55％或更多、60％或更多、65％或更多、70％或更多、75％或更多、80％或更多、85％或更多、90％或更多、95％或更多、或99％或更多的CO2。在一些实施方案中，本发明的方法和系统能够吸收CO2气体源(如CO2的工业源，例如来自发电厂的烟道气或来自水泥厂的废气)中的50％或更多的CO2。
除如上所述向起始水中充入CO2外，该方法的一些实施方案包括以足以在水中产生3或更高、例如4或更高，如5或更高，例如6或更高，包括7或更高的镁钙比的方式向起始水中加入镁离子源。在某些实施方案中，所需镁/钙离子比为3至10，如4至8。可以向水中加入任何便利的镁离子源以提供所需镁/钙离子比，其中可提到的具体镁离子源包括但不限于：Mg(OH)2、蛇纹石、橄榄石、镁铁质矿物和超镁铁质矿物。添加到水中的镁离子源的量可以例如随具体的镁离子源和制造充有CO2的水用的起始水而变。在某些实施方案中，添加到水中的镁离子的量为0.01至100.0克/升水，如1至100克/升水，包括5至100克/升水，例如5至80克/升水，包括5至50克/升水。在某些实施方案中，添加到水中的镁离子量足以产生用Metrohm Titrator(MetrohmAG，Switzerland)根据制造商说明书测得的硬度读数为约0.06克/升或更高，如约0.08克/升或更高，包括约0.1克/升或更高的水。可以使用任何便利的程序，例如用搅拌、混合等将镁离子源与水混合。
在将镁源、钙源、或镁钙组合源添加到水中的实施方案中，该来源可以是固体形式，例如难以进入溶液的大的硬的和通常结晶的粒子或粒子附聚物形式。例如，水镁石形式的Mg(OH)2可以是这样的形式，本发明的实施方案中可用的许多矿物，如蛇纹石、橄榄石和其它硅酸镁矿物以及水泥废料等也是如此。可以使用任何合适的方法将二价阳离子，如镁以适合与碳酸盐反应形成二价阳离子碳酸盐的形式从这类来源引入水溶液。通过降低粒度来提高表面积是一种这样的方法，其可以通过本领域公知的方式，如球磨和喷射研磨法进行。喷射研磨具有破坏物质的大量晶体结构以提高溶解度的进一步优点。还可提到的是声化学，其中可以使用强声处理将反应速率提高所需量，例如106X或更多。经过或未经尺寸减小的粒子可暴露在促成水溶液的条件下，如暴露在酸，如HCl、H2SO4或类似物中；在一些实施方案中也可以使用弱酸或碱。参见例如美国专利公开号US 2005/0022847；2004/0213705；2005/0018910；2008/0031801；和2007/0217981；欧洲专利号EP1379469；和EP1554031：以及PCT公开号WO 07/016271和WO 08/061305，它们都全文在此引入作为参考。
在一些实施方案中，本发明的方法和系统利用蛇纹石作为矿物源。蛇纹石是一种天然存在并通常用式X2-3Si2O5(OH)4描述的富产矿物，其中X选自下列：Mg、Ca、Fe2+、Fe3+、Ni、Al、Zn和Mn，该蛇纹石材料是主要由氢氧化镁和二氧化硅构成的不均匀混合物。在本发明的一些实施方案中，蛇纹石不仅用作镁源，还用作氢氧化物源。因此在本发明的一些实施方案中，通过溶解蛇纹石，提供氢氧化物以从水中除去质子和/或调节pH值；在这些实施方案中，酸溶解对加速溶解而言不是理想的，使用其它手段，如喷射研磨和/或声处理。要认识到，在分批或连续法中，溶解蛇纹石或其它矿物的时间长度不重要，因为一旦该方法以所需规模启动并已经经过足以达到适当溶解水平的时间，可以无限维持溶解的材料的连续流。因此，即使溶解至所需水平要花费数天、数周、数月或甚至数年，但一旦该方法已达到发生所需溶解的第一时间点，其就可以无限维持。在发生所需溶解的时间点之前，可以使用其它方法向该工艺提供一部分或全部的镁和/或氢氧化物。蛇纹石也是铁源，其是用于例如水泥(其中通常需要铁组分)的沉淀物的有用组分。
本发明中可用的硅酸盐基矿物的其它实例包括但不限于橄榄石，一种天然镁-铁硅酸盐((Mg，Fe)2SiO4)，其通常也用式X2(SiO4)n描述，其中X选自Mg、Ca、Fe2+、Fe3+、Ni、Al、Zn和Mn，且n＝2或3；以及硅酸钙，如硅灰石。这些矿物可以单独使用，或彼此组合使用。另外，这些矿物可存在于自然界，或可以制造。工业副产物的实例包括但不限于废水泥和富钙飞灰。
在使用电化学法除去质子和/或制造碱的实施方案中，通常也生成酸流，如HCl流，独自的该流或任何其它便利的酸源或其组合可用于增强例如含镁矿物(如橄榄石或蛇纹石)或钙源(如水泥废料)的溶解。可以通过声处理法进一步增强溶解，该声处理法可产生局部极端温度和压力区，将反应速率提高一百至超过一百万倍。此类方法是本领域已知的。
在一些实施方案中，本发明的方法允许将大量镁和有时钙添加到本发明的一些实施方案中使用的水中，从而提高单沉淀步骤中每单位水可形成的沉淀物的量，以致在与将来自工业源的CO2溶解在水(例如海水或其它盐水源)中的方法结合时获得含碳酸盐的沉淀物的令人惊讶的高收率。在一些实施方案中，本发明的方法包括通过对CO2已从气态CO2源溶入其中的水实施沉淀步骤而从气态源，例如CO2工业气态源，如来自发电厂的烟道气或如来自水泥厂的废气中除去CO2的方法，其中沉淀步骤以单沉淀步骤中10克/升或更多、单沉淀步骤中15克/升或更多、单沉淀步骤中20克/升或更多、单沉淀步骤中25克/升或更多、单沉淀步骤中30克/升或更多、单沉淀步骤中40克/升或更多、单沉淀步骤中50克/升或更多、单沉淀步骤中60克/升或更多、单沉淀步骤中70克/升或更多、单沉淀步骤中80克/升或更多、单沉淀步骤中90克/升或更多、单沉淀步骤中100克/升或更多、单沉淀步骤中125克/升或更多、或单沉淀步骤中150克/升或更多的量提供沉淀物。在一些实施方案中，沉淀物包含碳酸镁；在一些实施方案中，沉淀物包含碳酸钙；在一些实施方案中，沉淀物包含碳酸镁和碳酸钙，和/或碳酸镁/钙。在一些实施方案中，单沉淀步骤中制成的沉淀材料中的镁/钙比为至少0.5∶1、或至少1∶1、或至少2∶1、或至少3∶1、或至少4∶1、或至少5∶1、或至少6∶1、或至少7∶1、或至少8∶1、或至少9∶1、或至少10∶1。在一些实施方案中，单沉淀步骤中制成的沉淀材料中的镁/钙比为至少2∶1。在一些实施方案中，单沉淀步骤中制成的沉淀材料中的镁/钙比为至少4∶1。在一些实施方案中，单沉淀步骤中制成的沉淀材料中的镁/钙比为至少6∶1。在一些实施方案中，该沉淀物含有碳酸钙和碳酸镁，并含有能将碳酸盐中的至少一部分碳追溯回化石燃料来源的组分。
如上综述，本发明的方法包括对水(其可以或已经如上所述充入CO2)施以足以产生储存稳定的沉淀二氧化碳封存产物的沉淀条件。可以使用任何便利的沉淀条件，这些条件导致产生所需封存产物。
可提到的沉淀条件包括调节水的物理环境以产生所需沉淀产物的那些条件。例如，可以将水温升至适合发生所需产物沉淀的水平。在此类实施方案中，可以将水温升高到5至70℃的值，如20至50℃，包括25至45℃。因此，尽管给定的一组沉淀条件可具有0至100℃的温度，但该温度在某些实施方案中可升高以产生所需沉淀物。可以采用任何便利的程序升高水温。在一些情况下，利用由低或零二氧化碳排放源，例如太阳能源、风能源、水电能源、地热能源生成的能量、来自温度可高达500℃的烟道气的废热的能量等升高该温度。
尽管在给定沉淀过程中水的pH值可以为7至14，但在一些情况下，将pH值升至碱性水平以产生所需沉淀产物。在这些实施方案中，将pH值升至足以如上所述使所需CO2封存产物沉淀的水平。因此，可以将pH值升至9.5或更高，如10或更高，包括10.5或更高。如果需要，可以将pH值升至最小化(如果不是消除的话)沉淀过程中的CO2生成的水平。例如，可以将pH值升至10或更高的值，如11或更高的值。在某些实施方案中，将pH值升到7至11，如8至11，包括9至11，例如10至11。在此步骤中，可以将pH值升高并维持在所需碱性水平，以使pH值保持在恒定碱性水平，或可以按需要使pH值在两个或更多个不同碱性水平之间转变或循环。
可以使用任何便利途径升高水的pH值。可用的方法包括但不限于：使用pH升高剂、电化学途径、使用如来自碱湖的天然碱性水，等等。在一些情况下，可以使用pH升高剂，其中这类试剂的实例包括氧化物(如氧化钙、氧化镁等)、氢氧化物(如氢氧化钠、氢氧化钾和氢氧化镁)、碳酸盐(如碳酸钠)和类似物。添加到水中的pH升高剂的量取决于该试剂的特定性质和要改性的水的体积，并且足以将水的pH值升至所需值。
在一些实施方案中，在CO2溶解过程中和/或在升高pH值的沉淀步骤过程中，用于除去质子的试剂源可以是天然存在的来源。例如，在一些实施方案中，该试剂可以包括如上所述溶解到水溶液中的蛇纹石。在另一些实施方案中，该试剂可以包括天然高碱性水体。这类水体是公知的并且是碱度的大量来源，例如土耳其的Lake Van具有9.7-9.8的平均pH值。此外，飞灰、矿渣、水泥废料和其它工业废料可以提供充足碱度以除去至少一部分质子和/或为沉淀提供充足pH变化。
此外或二者择一地，可以例如在溶解CO2的同时和/或在沉淀步骤中使用电化学途径从水中除去质子，所述电化学途径可以在不生成氢氧化物的情况下(例如，如果由CO2溶解生成的质子匹配或超过通过电化学法除去的质子)或在生成氢氧化物的情况下除去质子。例如，可以在装有水源的反应器中提供电极(阴极和阳极)，其中这些电极可以按需要被选择性隔板，如膜隔开。如果需要，可以获取水解产物的副产物，例如H2、钠金属等并按需要用于其它用途。可提到的其它电化学途径包括但不限于美国临时申请序号Nos.61/081,299和61/091,729中描述的那些；它们的公开内容在此引入作为参考。
在一些情况下，例如在溶解CO2的同时和/或在沉淀步骤中，使用低电压电化学程序从水中除去质子。“低电压”是指所用电化学程序在2、1.9、1.8、1.7或1.6V或更低，如1.5、1.4、1.3、1.2、1.1V或更低，如1V或更低，包括0.9V或更低、0.8V或更低、0.7V或更低、0.6V或更低、0.5V或更低、0.4V或更低、0.3V或更低、0.2V或更低或0.1V或更低的平均电压下运行。可提到的是不产生氯气的电化学程序。还可提到的是不生成氧气的电化学程序。也可提到的是不产生氢气的电化学程序。在一些情况下，该电化学程序是不产生任何气态副产物的程序。
下面描述本发明的实施方案中可用的两种电化学方法和系统。第一种利用既可充当阴极又可充当阳极(即双电极)的氢转移元件。第二种利用一个或多个离子选择性膜(用于制造氢氧化物的低电压系统)。在2008年12月23日提交的题为“Low-Energy Electrochemical HydroxideSystem and Method”的PCT申请No.PCT/US08/88242以及2008年12月23日提交的题为“Low-Energy Electrochemical Proton Transfer Systemand Method”的PCT申请No.PCT/US08/88246中进一步描述了这些方法和系统；它们的公开内容在此引入作为参考。
双电极方法和系统
在各种实施方案中，本方法和系统通过在电解电池中设置氢转移元件来提供脱质子溶液的低能量源，其中：在第一电极上施加相对于氢转移元件为正的偏压和在电池的第二电极上施加相对于氢转移元件为负的偏压时，与氢转移元件和第一电极接触的第一电解质被脱质子且在第一电极处不形成氧气或氯气。
在一个实施方案中，该方法包括：设置导电氢转移元件以将第一电解质与第二电解质隔开，第一电解质接触第一电极且第二电解质接触第二电极；在第一电极上施加相对于氢转移元件为正的偏压和在第二电极上施加相对于氢转移元件为负的偏压以在电极中建立电流。
在另一实施方案中，该方法包括：采用氢转移元件将第一电解质与第二电解质隔开；在接触第一电解质的第一电极上施加相对于氢转移元件为正的偏压；在接触第二电解质的第二电极上施加相对于氢转移元件为负的偏压，其中由此从第一电解质中除去质子并引入第二电解质。
在另一实施方案中，该系统包括：接触第一电解质的第一电极；接触第二电解质的第二电极；将第一电解质与第二电解质隔开的氢转移元件；和可在第一电极上施加相对于氢转移元件为正的偏压和在第二电极上施加相对于氢转移元件为负的偏压的调压器。
在另一实施方案中，该系统包括：包含接触第一电解质的第一电极的第一电解电池；包含接触第二电解质的第二电极的第二电解电池；布置成将第一电解质与第二电解质隔开的氢转移元件；布置成向第一电解质供应正离子的第一导管；布置成向第二电解质供应负离子的第二导管；和可通过在第一电极上施加相对于氢转移元件为正的偏压和在第二电极上施加相对于氢转移元件为负的偏压来建立经过电极的电流的调压器。
在另一实施方案中，该方法包括通过在采用氢转移元件将氢离子从第一电解质转移到第二电解质溶液中的同时使第一电解质与CO2接触，由第一电解质形成富含碳酸根离子的溶液。根据该方法，调压器可用于通过在第一电极上施加相对于氢转移元件为正的偏压和在第二电极上施加相对于氢转移元件为负的偏压来建立经过电极的电流。
通过本系统和方法，在第一电极处不形成氯气或氧气的情况下，从与第一电极接触的第一电解质中除去质子，同时将质子引入与第二电极接触的另一溶液(即，在一些实施方案中，提高第一电解质的pH值，并降低该另一溶液的pH值)。在一个实施方案中，包含脱除的质子的溶液具有降低的H+浓度，相当于提高OH-浓度，并可用于如本文进一步描述的那样通过从含有这些碱金属的溶解的盐的溶液中沉淀钙和镁的碳酸盐和碳酸氢盐来封存CO2。此外，H+浓度提高的溶液可用于制备本文的碱溶液和/或用于其它工业用途。
本文所述的双电极涉及用于将H+从一电解质溶液转移到另一电解质溶液的电化学系统和方法。因此，通过在电解质水溶液之间转移H+，一溶液中的H+浓度可能降低，即该溶液变得更碱性，而另一溶液中的H+浓度提高，即该溶液变得更酸性。或者，如果一溶液含有质子源或质子汇，则pH可能不变或可能更缓慢改变，或甚至改变方向与通过质子脱除或添加预测的方向相反。
在各种实施方案中，该方法和装置制造碱性溶液和酸性溶液。在各种实施方案中，碱性溶液可用于封存CO2，酸性溶液可用于溶解含钙和镁的矿物以如本文进一步描述的那样提供用于封存CO2的钙和镁离子。在各种实施方案中，氢转移材料，如钯，分离这些溶液并充当氢转移介质。此外，在各种实施方案中，该氢转移材料在双电极构造中充当阳极和阴极之间的中心电极。
图7A-7B显示了本系统的各种实施方案。这些实施方案仅是示例性的且无论如何不限制该方法或装置。该系统适用于本文所述的分批和连续法。参照图7A，一个实施方案中的系统包括接触第一电解质704的第一电极702；接触第二电解质708的第二电极706；接触并隔开第一电解质704与第二电解质708的氢转移元件770；和可用于在第一电极702上施加相对于氢转移元件770为正的偏压和在第二电极706上施加相对于氢转移元件为负的偏压的调压器724A和724B。在各种实施方案中，该调压器设定至在第一电极处不形成气体，例如氧气或氯气的电压。
在图7A中所示的实施方案中，第一电极702和第一电解质704包含在第一电解室或电池772中；第二电极706和第二电解质708包含在第二电解室或电池714中。通过布置氢转移元件710以将第一电解质704与第二电解质708隔开，划定第一电解电池712和第二电解电池714。在各种实施方案中，第一和第二电解电池712，714由储器716，如槽、容器、室、袋或导管构成。如图7A-7B中所示，氢转移元件710可以构成电解质704、708之间的整个隔板718或其一部分。在氢转移元件710仅构成隔板718的一部分的实施方案中，该隔板的其余部分包含绝缘材料。
在各种实施方案中，氢转移材料710包含贵金属、过渡金属、铂族金属、元素周期表第IVB、VB、VIB或VIII族金属、这些金属的合金、这些金属的氧化物、或任何前述材料的组合。其它示例性材料包括钯、铂、铱、铑、钌、钛、锆、铬、铁、钴、镍、钯-银合金、钯-铜合金或包含这些金属中的一种或多种的非晶合金。在各种实施方案中，氢转移元件还包含来自钛和钒族的无孔材料，或包含周期表第1、2和3族轻元素(如Li、Mg、B和Al)的络合氢化物。在另一些实施方案中，可以按需要使非导电或弱导电材料导电以充当氢转移元件，例如用可通过溅射沉积法施加的薄金属涂层。在各种实施方案中，氢储存材料710包含负载的膜或箔。在一些实施方案中，氢储存材料710包含钯。
在运行中，第一电极702至少部分置于第一电解质溶液704中并与其接触，第二电极706同样至少部分置于第二电解质溶液708中并与其接触。
在各种实施方案中，第一电解电池712中的电解质溶液包含导电水，如淡水或盐水，包括海水、卤水或微咸淡水。类似地，在第二电池714中，电解质包含导电水，如淡水或盐水，包括如本文所述的海水、卤水或微咸淡水。在任一电池中，溶液可获自天然来源或人造来源或已经改性以便用在本文所述的本发明的方法和/或装置中的天然来源组合。
在图7A-7B中所示的实施方案中，第一电解溶液704富含例如通过选择性双电离盐水而获得的阳离子。类似地，电解溶液708富含例如通过选择性双电离盐水而获得的阴离子。如图7A中所示，通过将正离子，例如钠离子添加到第一电解溶液704中并合适地如本文所述对第一电极702和第二电极706施加偏压，从第一溶液中除去质子；如果不补充质子或补充速度慢于它们的脱除速度，则该系统提供脱质子的第一电解质704。此外，通过用多孔材料720包围第一电极702以防止来自第一电极702的阳离子与第一电解电池溶液704中的其它离子混合，可以通过使第二电极706被回收的阳离子包围并调节该系统中的电压以在第二电极706上优先析出阳离子来在第二电解电池中在第二电极706处回收这些电极阳离子。尽管锡是图7A中所示的电极材料，但要认识到，可以使用任何合适的材料。类似地，通过在第二电解质708(其中质子浓度提高)中引入氯离子，在第二电解电池714中获得酸溶液，例如盐酸。要认识到，可以使用任何合适的阳离子物类和阴离子物类，物类的选择取决于该系统的操作要求、第二电解质708中所需的酸等。在一些实施方案中，如图7A中所示，阳离子是钠，阴离子是氯根。
在各种实施方案中，第一电极702包含阳极，第二电极706包含阴极。在各种实施方案中，第一电极702包含牺牲阳极，其包含含铁、锡、镁、钙或其组合的材料和矿物。其它示例性材料包括提供阳离子的矿物，如铁镁矿物，例如橄榄石或蛇纹石。在使用矿物作为第一电极702的一部分并充当阳离子源时，使该矿物位于化学惰性的导电载体，如不锈钢或铂上。可以使用任何合适的材料，且矿物的选择基于要释放的阳离子、可得性、成本等。
该系统还包括调压器和/或电源724A、724B，它们布置成对第一电极702施加相对于氢转移元件710为正的偏压，并布置成对第二电极706施加相对于氢转移元件710为负的偏压。在各种实施方案中，电源如图7-8中所示包括两个分开的电源724A、724B，一个布置成对第一电极施加相对于膜为正的偏压，另一个布置成对第二电极施加相对于氢转移元件710为负的偏压。
在运行中，电源724A、724B驱动电化学反应，其中不希望受制于任何理论，但据信，第一电解质溶液704中的氢离子被还原成原子氢并吸附在与第一电解质702接触的氢转移元件710的表面上。至少一部分吸附的氢被吸收在氢转移元件710主体中并在氢转移元件710表面上以氢离子形式解吸到与氢转移元件710接触的第二电解质708中。无论机制如何，电化学反应的结果是从第一电解质704中除去质子和将质子引入第二电解质708。在第一电极702包含可氧化材料，例如铁的实施方案中，电极702被氧化以将铁离子(例如Fe+2和/或Fe+3)释放到第一电解质溶液704中以平衡第一电解质704中的氢离子减少。
在本系统中，相对于氢转移元件710在电极702、706上施加偏压，以致在第一电极702上不形成气体。因此，在第一电解质704包含水时，第一电极702上不形成氧气。类似地，在第一电解质包含氯离子，例如含盐水的电解质时，在第一电极上不形成氯气。
关于从第一电解质704向第二电解质708转移质子的机制，不受制于任何理论，据信，第一电解质704中存在的氢离子被还原成原子氢并吸附在与第一电解质接触的氢转移元件710的表面上。在该系统中，电源724B在膜710的与第二电解质708接触的相反表面上驱动另一反应，以使吸收在氢转移元件710主体中的氢被氧化回氢离子并以氢离子形式释放到第二电解质溶液708中。为了平衡将原子氢氧化回氢离子的反应，在第二电极706处，例如通过还原第二电解溶液708中的阳离子，吸收电子。例如，在第二电解溶液708包含海水的情况下，根据外加电压，一部分或全部钠、钙、镁和其它离子可以在第二电极706处被还原以在其上形成涂层。
在如图7A-7B中所示的各种实施方案中，该系统包含与布置在第一电池712中的气体注射系统728相联的CO2源726。该气体注射系统将该CO2源供应的包括CO2的气体混入第一电解质溶液704。本文描述了示例性CO2源，可以包括来自发电厂化石燃料燃烧的烟道气或来自工业生产过程，例如水泥制造或制钢的废气。在各种实施方案中，气体注射系统728可以包含喷雾器或喷嘴；但是，可以使用本领域已知的用于将CO2引入水溶液的任何合适的机制和装置。
参照图7A和7B，另一实施方案中的系统进一步包括布置成向第一电解质704供应正离子溶液的导管730A和布置成向第二电解质708供应负离子的导管730B。在各种实施方案中，导管730A、730B适用于分批或连续流。如图7A和7B中所示，该系统包含：包含接触第一电解质704的第一电极702的第一电解电池712；包含接触第二电解质708的第二电极706的第二电解电池714；布置成将第一电解质与第二电解质隔开的氢转移元件710；布置成向第一电解质供应正离子的第一导管730A；布置成向第二电解质供应负离子的第二导管730B；和可通过在第一电极702上施加相对于氢转移元件710为正的偏压和在第二电极706上施加相对于氢转移元件为负的偏压来建立经过电极702、706的电流的调压器724A、724B。
本领域技术人员会认识到，质子从电解质溶液704中除去并引入电解质溶液708中。在一些实施方案中，电解质溶液704如图7A和7B中所示进一步包括质子源。在一些实施方案中，CO2气体可以引入电解质溶液704并通过公知化学与水反应形成碳酸，该碳酸可离解形成碳酸氢根离子和质子；且碳酸氢根离子可进一步离解形成碳酸根离子和另一质子。
因此，在一些实施方案中，例如，在引入CO2的情况下，质子既被脱除又被引入电解质溶液704，净结果——质子的净脱除、不变或净引入——取决于通过该电化学法脱除质子和通过例如引入CO2引入质子的相对速率。类似地，在电解质溶液708中，如果存在脱除质子的工艺，例如碱性物质的溶解，则电解质溶液708中的净结果可能是引入质子、质子不变或质子脱除。
在一些实施方案中，在电解质溶液704中存在质子的净脱除(与阳离子的引入相结合)，和/或在电解质溶液708中存在质子的净引入(与阴离子，例如氯离子的引入相结合)。因此，在一些实施方案中，在第一电解质溶液704中会形成阳离子型氢氧化物，例如氢氧化钠和/或在第二溶液708中会形成氢阴离子型溶液，例如盐酸。阳离子型氢氧化物(例如氢氧化钠)和/或氢阴离子型溶液(例如盐酸)可以提取和用在其它地方，例如用于如上所述的二氧化碳封存，和用于其它工业用途。
用于从溶液中除去质子的跨电极的电压可以低。在各种实施方案中，跨电极的电压可以小于约0.1、0.2、0.3、0.4、0.5、0.6、0.7、0.8、0.9、1.0、1.1、1.2、1.3、1.4、1.5、1.6、1.7、1.8、1.9、2.0、2.1或2.2V。在一些实施方案中，跨电极的电压小于约2.0V。在一些实施方案中，跨电极的电压小于约1.5V。在一些实施方案中，跨电极的电压小于约1.0V。在一些实施方案中，跨电极的电压小于约0.8V。在一些实施方案中，跨电极的电压小于约0.6V。在一些实施方案中，跨电极的电压小于约0.4V。
根据本系统实现的示例性结果概括在下表1中。
表1：低能量电化学方法和系统(双电极)
跨电极的电压   时间(分钟)   阳极处的初始pH   阳极处的最终pH   阴极处的初始pH   阴极处的最终pH
  0.45V[跨脱质子溶液的0.15V；和跨质子化溶液的0.30V] 30 4.994 5.204 7.801 10.7.431
用于制造氢氧化物的低电压系统
用于从水溶液中除去质子/制造氢氧化物的第二组方法和系统涉及在电化学电池中采用离子交换膜电化学制备离子溶液的低能量法。在一个实施方案中，该系统包括一电化学系统，其中离子交换膜将第一电解质与第二电解质隔开，第一电解质接触阳极，且第二电解质接触阴极。在该系统中，跨阳极和阴极施加电压时，在阴极处形成氢氧离子且在阳极处不形成气体。
在另一实施方案中，该系统包括一电化学系统，其包含：包括接触第一电解质的阳极和将第一电解质与第三电解质隔开的阴离子交换膜的第一电解电池；和包括接触阴极的第二电解质和将第一电解质与第三电解质隔开的阳离子交换膜的第二电解电池；其中跨阳极和阴极施加电压时，在阴极处形成氢氧离子且在阳极处不形成气体。
在一个实施方案中，该方法包括在第一电解质和第二电解质之间设置离子交换膜，该第一电解质接触阳极，且该第二电解质接触阴极；通过跨阳极和阴极施加电压，跨过该离子交换膜迁移离子，从而在阴极处形成氢氧离子且在阳极处不形成气体。
在另一实施方案中，该方法包括在阴离子交换膜和阳离子交换膜之间设置第三电解质；在阴离子交换膜和阳极之间设置第一电解质；和在阳离子交换膜和阴极之间设置第二电解质；并通过向阳极和阴极施加电压，跨过阳离子交换膜和阴离子交换膜迁移离子，从而在阴极处形成氢氧离子且在阳极处不形成气体。
通过本方法和系统，离子物类以低电压电化学方式从一种溶液转移到另一溶液，由此为各种用途提供阴离子型溶液，包括制备氢氧化钠溶液以用于如本文所述封存二氧化碳。在一个实施方案中，包含OH-的溶液获自盐水并用于通过如本文所述从包含碱土金属离子的盐溶液中沉淀钙和镁的碳酸盐和碳酸氢盐来封存CO2。
该方法和系统在各种实施方案中涉及采用一个或多个离子交换膜在水溶液中产生氢氧化钠溶液的低电压电化学系统和方法，其中在阳极处不形成气体，且其中在阴极处形成氢氧离子。因此，在一些实施方案中，在电化学法中在不形成氧气或氯气的情况下形成氢氧离子。在一些实施方案中，在电化学法中形成氢氧离子，其中跨阳极和阴极施加的电压小于2.8、2.7、2.5、2.4、2.3、2.2、2.1、2.0、1.9、1.8、1.7、1.6、1.5、1.4、1.3、1.2、1.1、1.0、0.9、0.8、0.7、0.6、0.5、0.4、0.3、0.2或0.1V。在各种实施方案中，采用阴离子膜将与阳极接触的盐水和与阴极接触的例如氯化钠溶液分开。在跨阴极和阳极施加低电压时，在阴极周围的溶液中形成例如氢氧化钠溶液；同时在阳极周围的溶液中形成包含盐酸的酸性溶液。在各种实施方案中，在阳极处不形成气体，如氯气或氧气。
在各种实施方案中，氢氧化钠溶液可用于如本文所述封存CO2，且酸性溶液可用于也如本文所述溶解含钙和镁的矿物以提供用于封存CO2的钙和镁离子。
转向图8-10，在各种实施方案中，该系统适用于如本文所述的分批和连续法。参照图8-9，在一个实施方案中，该系统包括电化学电池，其中布置离子交换膜(802，824)以将第一电解质(804)与第二电解质(806)分离，该第一电解质接触阳极(808)且第二电解质接触阴极(810)。如所示，在图8中采用阴离子交换膜(802)；在图9中采用阳离子交换膜(824)。
在如图8和9中所示的各种实施方案中，第一电解质(804)包含盐水溶液，包括海水、淡水、卤水或微咸水或类似物；第二电解质包含基本由氯化钠构成的溶液。在各种实施方案中，第二(806)电解质可以包含海水或浓氯化钠溶液。在各种实施方案中，阴离子交换膜(802)和阳离子交换膜(824)包含在最多约100℃的水溶液中操作温度下适用在酸性和/或碱性溶液中的传统离子交换膜。如图8和9中所示，第一和第二电解质与阳极和阴极接触以完成电路，该电路包括电压或电流调节器(812)。该电流/电压调节器适用于按需要提高或降低该系统中跨阴极和阳极的电流或电压。
参照图8和9，在各种实施方案中，该电化学电池包括适用于将第一电解质(804)输入该系统并与阳极(808)接触的第一电解质入口(814)。类似地，该电池包括用于将二电解质(806)输入该系统并与阴极(810)接触的第二电解质入口(816)。另外，该电池包括用于从电池中排出第一电解质的出口(818)和用于从电池中排出第二电解质的出口(820)。本领域普通技术人员会认识到，该入口和出口适用于各种流动方案，包括分批流、半分批流或连续流。在备选实施方案中，该系统包括用于将气体导入阳极的管道(822)；在各种实施方案中，该气体包含在阴极(810)处形成的氢。
参照采用阴离子膜(802)的图8，在跨阴极(810)和阳极(808)施加低电压时，在阴极(810)处形成氢氧离子且在阳极(808)处不形成气体。此外，当第二电解质(806)包含氯化钠时，氯离子从第二电解质(806)穿过阴离子交换膜(802)迁移到第一电解质(804)中；在阳极(808)处形成质子；并在阴极(810)处形成氢气。如上所述，在阳极(808)处不形成气体，例如氧气或氯气。
参照采用阳离子膜(824)的图9，在跨阴极(810)和阳极(808)施加低电压时，在阴极(810)处形成氢氧离子且在阳极(808)处不形成气体。在各种实施方案中，阳离子交换膜(824)包含在最多约100℃的水溶液中操作温度下适用于酸性和/或碱性溶液的传统阳离子交换膜。如图9中所示，第一和第二电解质与阳极和阴极接触以完成电路，该电路包括电压和/或电流调节器(812)。该电压/电流调节器适用于按需要提高或降低该系统中跨阴极和阳极的电流或电压。在其中第二电解质(806)包含氯化钠的如图9中所示的系统中，钠离子从第一电解质(804)穿过阳离子交换膜(824)迁移到第二电解质(806)中；在阳极(808)处形成质子；并在阴极(810)处形成氢气。如上所述，在阳极(808)处不形成气体，例如氧气或氯气。
本领域普通技术人员可以认识到，并参照图8，在第二电解质(806)中，随着氢氧离子从阳极(810)进入第二电解质(806)，同时从第二电解质中迁移出氯离子，在第二电解质(806)中会形成氢氧化钠水溶液。随后，根据跨该系统施加的电压和第二电解质(806)流过该系统的流速，调节该第二电解质的pH值。在一个实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1V或更低、0.2V或更低、0.3V或更低、0.4V或更低、0.5V或更低、0.6V或更低、0.7V或更低、0.8V或更低、0.9V或更低、1.0V或更低、1.1V或更低、1.2V或更低、1.3V或更低、1.4V或更低、1.5V或更低、1.6V或更低、1.7V或更低、1.8V或更低、1.9V或更低、或2.0V或更低的电势时，第二电解质溶液的pH值提高；在另一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至2.0V的电压时，第二电解质的pH值提高；在再一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至1V的电压时，第二电解质溶液的pH值提高。跨电极采用0.1至0.8V；0.1至0.7V；0.1至0.6V；0.1至0.5V；0.1至0.4V；和0.1至0.3V的电压可实现类似结果。根据本系统实现的示例性结果概括在表2中。
表2.低能量电化学方法和系统
  跨电极的电压   时间(秒)   阳极处的初始pH   阳极处的最终pH   阴极处的初始pH   阴极处的最终pH
  0.6   2000   6.7   3.8   6.8   10.8
  1.0   2000   6.6   3.5   6.8   11.1
在此实例中，阳极和阴极都包含铂，且第一和第二电解质包含氯化钠溶液。
类似地，参照图9，在第二电解质(806)中，随着氢氧离子从阳极(810)进入该溶液，同时钠离子从第一电解质迁移到第二电解质中，在第二电解质(806)中会递增形成氢氧化钠水溶液。根据跨该系统施加的电压和第二电解质流过该系统的流速，调节该溶液的pH值。在一个实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1V或更低、0.2V或更低、0.3V或更低、0.4V或更低、0.5V或更低、0.6V或更低、0.7V或更低、0.8V或更低、0.9V或更低、1.0V或更低、1.1V或更低、1.2V或更低、1.3V或更低、1.4V或更低、1.5V或更低、1.6V或更低、1.7V或更低、1.8V或更低、1.9V或更低、或2.0V或更低的电压时，第二电解质溶液的pH值提高；在另一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至2.0V的电压时，第二电解质的pH值提高；在再一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至1V的电压时，第二电解质溶液的pH值提高。跨电极采用0.1至0.8V；0.1至0.7V；0.1至0.6V；0.1至0.5V；0.1至0.4V；和0.1至0.3V的电压可实现类似结果。在一个实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.6伏或更低的电压；在另一实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.1至0.6伏或更低的电压；在再一实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.1至1伏或更低的电压。
在各种实施方案中和参照图8-10，将阴极(810)处形成的氢气导向阳极(808)，其中，不受制于任何理论，据信，该气体被吸附和/或吸收到阳极中，并随后在阳极处形成质子。相应地，可以认识到，随着在阳极处形成质子和如图8中所示例如氯离子迁移到第一电解质(804)中或如图10中所示从第一电解质中迁移出例如钠离子，在第一电解质(804)中获得酸性溶液，包括例如盐酸。
在另一实施方案中，如图10中所示，本发明的系统包括：包含接触第一电解质(804)的阳极(808)和将第一电解质与第三电解质(830)隔开的阴离子交换膜(802)的电化学电池；和包括接触阴极(880)的第二电解质(806)和将第一电解质与第三电解质隔开的阳离子交换膜(824)的第二电解电池，其中跨阳极和阴极施加电压时，在阴极处形成氢离子且在阳极处不形成气体。与图8和9的系统相同，图10的系统适用于分批和连续法。
在图10中所示的各种实施方案中，第一电解质(804)和第二电解质(806)包含盐水溶液，包括海水、淡水、卤水或微咸水或类似物；第二电解质包含基本由氯化钠构成的溶液。在各种实施方案中，第一(804)和第二(806)电解质可包含海水。在图10中所示的实施方案中，第三电解质(830)基本包含氯化钠溶液。
在各种实施方案中，阴离子交换膜(802)包含在最多约100℃的水溶液中操作温度下适用于酸性和碱性溶液的任何合适的阴离子交换膜。类似地，阳离子交换膜(824)包含在最多约100℃的水溶液中操作温度下适用于酸性和碱性溶液的任何合适的阳离子交换膜。
如图10中所示，在各种实施方案中，第一电解质(804)与阳极(808)接触且第二电解质(806)与阴极(810)接触。与阴离子和阳离子交换膜接触的第三电解质(830)完成电路，该电路包括电压或电流调节器(812)。该电流/电压调节器适用于按需要提高或降低该系统中跨阴极和阳极的电流或电压。
参照图10，在各种实施方案中，该电化学电池包括适用于将第一电解质804输入该系统的第一电解质入口(814)；用于将第二电解质(806)输入该系统的第二电解质入口(816)；和用于将第三电解质输入该系统的第三入口(826)。另外，该电池包括用于排出第一电解质的出口(818)；用于排出第二电解质的出口(820)；和用于排出第三电解质的出口(828)。本领域普通技术人员会认识到，该入口和出口适用于各种流动方案，包括分批流、半分批流或连续流。在备选实施方案中，该系统包括用于将气体导入阳极的管道(822)；在各种实施方案中，该气体是在阴极(810)处形成的氢。
参照图10，在跨阴极(810)和阳极(808)施加低电压时，在阴极(810)处形成氢氧离子且在阳极(808)处不形成气体。此外，当第三电解质(830)包含氯化钠时，氯离子从第三电解质(830)穿过阴离子交换膜(802)迁移到第一电解质(804)中；钠离子从第三电解质(830)迁移到第二电解质(806)中；在阳极处形成质子；并在阴极处形成氢气。如上所述，在阳极(808)处不形成气体，例如氧气或氯气。
本领域普通技术人员可以认识到，并参照图10，在第二电解质(806)中，随着氢氧离子从阴极(810)进入该溶液，同时从第三电解质中迁移出钠离子，在第二电解质(806)中会递增形成氢氧化钠水溶液。根据跨该系统施加的电压和第二电解质流过该系统的流速，调节该溶液的pH值。在一个实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1V或更低、0.2V或更低、0.3V或更低、0.4V或更低、0.5V或更低、0.6V或更低、0.7V或更低、0.8V或更低、0.9V或更低、1.0V或更低、1.1V或更低、1.2V或更低、1.3V或更低、1.4V或更低、1.5V或更低、1.6V或更低、1.7V或更低、1.8V或更低、1.9V或更低、或2.0V或更低的电压时，第二电解质溶液的pH值提高；在另一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至2.0V的电压时，第二电解质的pH值提高；在再一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至1V的电压时，第二电解质溶液的pH值提高。跨电极采用0.1至0.8V；0.1至0.7V；0.1至06V；0.1至0.5V；0.1至0.4V；和0.1至0.3V的电压可实现类似结果。在一个实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.6伏或更低的电压；在另一实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.1至0.6伏或更低的电压；在再一实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.1至1伏或更低的电压。
类似地，参照图10，在第一电解质(804)中，随着在阳极(808)处形成质子并进入该溶液，同时氯离子从第三电解质迁移到第一电解质中，在第一电解质(804)中会递增形成酸性溶液。根据跨该系统施加的电压和第二电解质流过该系统的流速，调节该溶液的pH值。在一个实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1V或更低、0.2V或更低、0.3V或更低、0.4V或更低、0.5V或更低、0.6V或更低、0.7V或更低、0.8V或更低、0.9V或更低、1.0V或更低、1.1V或更低、1.2V或更低、1.3V或更低、1.4V或更低、1.5V或更低、1.6V或更低、1.7V或更低、1.8V或更低、1.9V或更低、或2.0V或更低的电压时，第二电解质溶液的pH值提高；在另一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至2.0V的电压时，第二电解质的pH值提高；在再一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至1V的电压时，第二电解质溶液的pH值提高。跨电极采用0.1至0.8V；0.1至0.7V；0.1至0.6V；0.1至0.5V；0.1至0.4V；和0.1至0.3V的电压可实现类似结果。在一个实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.6伏或更低的电压；在另一实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.1至0.6伏或更低的电压；在再一实施方案中，跨阳极和阴极施加约0.1至1伏或更低的电压，如表2中所示。
如图10中所示，将阴极(810)处形成的氢气导向阳极(808)，其中，不受制于任何理论，据信，该氢气被吸附和/或吸收到阳极中，随后在阳极处形成质子并进入第一电解质(804)。此外，在如图8-10中所示的各种实施方案中，在阳极(808)处不形成气体，如氧气或氯气。相应地，可以认识到，随着在阳极处形成质子和氯离子迁移到第一电解质中，在第一电解质(804)中获得盐酸。
如参照图8-9所述，随着氢氧离子从阳极(810)进入第二电解质(806)，同时钠离子从第二电解质迁移，在第二电解质(806)中会形成氢氧化钠水溶液。因此，根据跨该系统施加的电压和第二电解质(806)流过该系统的流速，调节该第二电解质的pH值。在一个实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1V或更低、0.2V或更低、0.3V或更低、0.4V或更低、0.5V或更低、0.6V或更低、0.7V或更低、0.8V或更低、09V或更低、1.0V或更低、1.1V或更低、1.2V或更低、1.3V或更低、1.4V或更低、1.5V或更低、1.6V或更低、1.7V或更低、1.8V或更低、1.9V或更低、或2.0V或更低的电压时，第二电解质溶液的pH值提高；在另一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至2.0V的电压时，第二电解质的pH值提高；在再一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至1V的电压时，第二电解质溶液的pH值提高。跨电极采用0.1至0.8V；0.1至07V；0.1至0.6V；0.1至0.5V；0.1至0.4V；和0.1至0.3V的电压可实现类似结果。在一个实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.6伏或更低的电压时，第二电解质溶液的pH值提高；在另一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至0.6伏或更低的电压时，第二电解质的pH值提高；在再一实施方案中，在跨阳极和阴极施加约0.1至1伏或更低的电压时，第二电解质溶液的pH值提高。
任选地，通过将气体鼓入如上所述的第一电解质溶液804中，使包括CO2的气体溶解到该第二电解质溶液中。在任选步骤中，所得第二电解质溶液如本文所述用于沉淀碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物，如碳酸钙或碳酸镁和/或它们的碳酸氢盐。该沉淀的碳酸盐化合物可用作如本文所述的水泥和建筑材料。
在另一任选步骤中，使用酸化的第二电解质溶液804溶解富钙和/或镁的矿物，如镁铁质矿物，包括蛇纹石或橄榄石，以用作如本文所述用于沉淀碳酸盐和碳酸氢盐的溶液。在各种实施方案中，所得溶液可用作第二电解质溶液。类似地，在第二电解质806中产生盐酸的实施方案中，该盐酸可代替或补充酸化的第二电解质溶液使用。
上述实施方案产生富含碳酸氢根离子和碳酸根离子或其组合物的电解质溶液以及酸化物流。该酸化物流也可用于各种化学工艺。例如，该酸化物流可用于溶解富钙和/或镁的矿物，如蛇纹石和橄榄石以产生用在储器816中的电解质溶液。可以向这种电解质溶液中充入碳酸氢根离子，然后使其足够碱性以如本文所述沉淀碳酸盐化合物。
在一些实施方案中，第一电化学法可用于从溶液中除去质子以便在不伴随生成氢氧化物的情况下促进CO2吸收，而第二电化学法可用于产生氢氧化物以进一步除去质子，从而使平衡移向碳酸盐并使碳酸盐沉淀。这两种方法可能具有不同的电压要求，例如，第一方法可能要求比第二方法更低的电压，由此使该方法中所用的总电压最小化。例如，第一方法可以是在1.0V或更低、或0.9V或更低、或0.8V或更低、或0.7V或更低、或0.6V或更低、或0.5V或更低、或0.4V或更低、或0.3V或更低、或0.2V或更低、或0.1V或更低下运行的如上所述的双电极法，而第二方法可以是在1.5V或更低、或1.4V或更低、或1.3V或更低、或1.2V或更低、或1.1V或更低、1.0V或更低、或0.9V或更低、或0.8V或更低、或0.7V或更低、或0.6V或更低、或0.5V或更低、或0.4V或更低、或0.3V或更低、或0.2V或更低、或0.1V或更低下运行的如上所述的低电压氢氧化物生成法。例如，在一些实施方案中，第一方法是在0.6V或更低下运行的双电极法，第二方法是在1.2V或更低下运行的低电压氢氧化物生成法。
同样可提到的是公开的美国专利申请公开Nos.20060185985和20080248350以及公开的PCT申请公开No.WO 2008/018928中所述的电化学方法；它们的公开内容在此引入作为参考。
化学计量学表明，要经沉淀以便从CO2源中封存CO2的碳酸盐的制造要求从CO2溶解在水中时形成的初始碳酸中除去两个质子(参见上述公式1-5)。第一质子的除去产生碳酸氢盐，第二质子的除去产生碳酸盐，其可能作为例如二价阳离子的碳酸盐，如碳酸镁或碳酸钙沉淀。两个质子的除去需要一定的工艺或工艺组合，这通常需要能量。例如，如果通过添加氢氧化钠来除去质子，则可更新的氢氧化钠源通常是氯碱工艺，其使用每摩尔氢氧化钠需要至少2.8V和固定量的电子的电化学工艺。这种能量要求可以以碳足迹表达，即为提供驱动该工艺的能量而产生的碳量。
表达给定的质子脱除法的碳足迹的便利的方式是作为从CO2源中除去的CO2的百分比。也就是说，质子脱除所需的能量可以以产生该能量用的传统动力生成法的CO2排放表示，这进而可以表示为从CO2源中除去的CO2的百分比。为方便起见并作为本发明的这一方面中的定义，这种方法中“生成的CO2”被视为在常规煤/蒸汽发电厂中为提供足以除去两个质子的能量而生成的CO2。可公开获得这类发电厂最近几年的数据，它们显示了产生每总MWh能量而生成的CO2吨数。参见例如将“http://carma.”与“org/api/”结合产生的网址。对于本文的定义，使用1吨CO2/MWh的值，其近似相当于典型燃煤发电厂；例如，WAParish工厂在2000年产生18,200,000MWh能量，同时产生约19,500,000吨CO2，目前产生21,300,00MWh能量，同时产生20,900,000吨CO2，其平均数非常接近本文所用的1吨CO2/MWh的定义。这些数值可随后用于计算从气流中脱除足以除去CO2的质子所必需的CO2产量并将其与除去的CO2进行比较。例如，在采用在2.8V下运行的氯碱工艺提供碱并用于从煤/蒸汽发电厂封存CO2的方法中，使用1吨CO2/1MWh比率，发电厂为了向通过氯碱法制造碱(以除去两个质子)供应能量而生成的CO2的量远高于通过除去两个质子和沉淀稳定形式的CO2而封存的CO2的量的200％。在本发明的这一方面中，作为“生成的CO2”的定义的其它条件，在“生成的CO2”的总量中不包括由于例如除质子工艺的副产物的再利用(例如，在氯碱工艺的情况下，在燃料电池中的工艺产生的或由用于产生能量的直接燃烧产生的氢的使用)而造成的能量荷载减少的理论计算或实际计算。此外，没有考虑用可再生能源理论补充或实际补充发电厂供应的动力，例如几乎或完全不产生二氧化硅的能源，如风力、太阳能、潮汐、水电等。如果除去质子的方法包括使用氢氧化物或其它碱，包括天然生成的或储备的碱，则生成的CO2的量是可基于制碱工艺(例如对工业制成的碱而言，标准氯碱工艺或其它制碱工艺，和对天然碱而言，天然制碱的最佳理论模型)化学计量计算的量。
利用“生成的CO2”的这一定义，在一些实施方案中，本发明包括由人造CO2气态源形成稳定的含CO2的沉淀物，其中该沉淀物的形成采用从溶解着该CO2气态源的一部分或全部CO2的水溶液中除去质子的方法，且其中由所述除去质子的方法生成的CO2少于通过所述沉淀物形成从该CO2气态源中除去的CO2的100、90、80、70、65、60、55、50、45、40、35、30、25、20、15、10或5％。在一些实施方案中，本发明包括由人造CO2气态源形成稳定的含CO2的沉淀物，其中该沉淀物的形成采用从溶解着该CO2气态源的一部分或全部CO2的水溶液中除去质子的方法，且其中由所述除去质子的方法生成的CO2少于通过所述沉淀物形成从该CO2气态源中除去的CO2的70％。在一些实施方案中，本发明包括由人造CO2气态源形成稳定的含CO2的沉淀物，其中该沉淀物的形成采用从溶解着该CO2气态源的一部分或全部CO2的水溶液中除去质子的方法，且其中由所述除去质子的方法生成的CO2少于通过所述沉淀物形成从该CO2气态源中除去的CO2的50％。在一些实施方案中，本发明包括由人造CO2气态源形成稳定的含CO2的沉淀物，其中该沉淀物的形成采用从溶解着该CO2气态源的一部分或全部CO2的水溶液中除去质子的方法，且其中由所述除去质子的方法生成的CO2少于通过所述沉淀物形成从该CO2气态源中除去的CO2的30％。在一些实施方案中，该除去质子的方法是不产生碱，例如氢氧化物的除去质子的方法，如本文所述的电化学法。在一些实施方案中，该除去质子的方法是通过产生碱，例如氢氧化物来除去质子的方法，如本文所述的电化学法。在一些实施方案中，该方法是不产生碱，例如氢氧化物的除去质子的方法，如本文所述的电化学法，和通过产生碱，例如氢氧化物来除去质子的方法，如本文所述的电化学法的组合。在一些实施方案中，该质子脱除法包括直接(例如质子的直接脱除)或间接(例如生成氢氧化物)除去质子的电化学法。在一些实施方案中，使用方法的组合，例如电化学方法的组合，其中第一方法，例如电化学法直接除去质子，第二方法，例如电化学法间接除去质子(例如通过氢氧化物的生成)。
在一些情况下，在不添加二价金属离子源的情况下，在CO2充入(例如如上所述)后发生所需产物的沉淀。因此，在水中充入CO2后，随后不使水与二价金属离子源，如一种或多种二价金属离子盐，例如氯化钙、氯化镁、海盐等接触。
在本发明的一个实施方案中，可以使用碳酸盐沉淀法从该溶液中选择性沉淀碳酸钙材料以提供所需的镁/钙比，然后另外充入CO2，并在一些实施方案中另外充入Mg离子，最后进行碳酸盐沉淀步骤。此实施方案可用于利用浓缩水，如脱盐卤水，其中阳离子含量足够高以致难以添加更多Mg离子。此实施方案也可用于需要产生两种不同产物——主要是碳酸钙材料，然后是以碳酸镁为主的材料——的任何浓度的溶液。
给定沉淀反应的产物收率可能随许多因素而变，包括所用水的具体类型、该水是否补充了二价金属离子、所用的特定沉淀程序等。在一些情况下，用于沉淀该产物的沉淀程序是高收率的沉淀程序。在这些情况下，由单沉淀反应(这意味着，仅对水施以如上文更详细论述的沉淀条件一次，如将pH值提高至9.5或更高，如10或更高的值)制成的产物量可以是每升水产生5克或更多，如10克或更多、15克或更多、20克或更多、25克或更多、30克或更多、35克或更多、40克或更多、45克或更多、50克或更多、60克或更多、70克或更多、80克或更多、90克或更多、100克或更多、120克或更多、140克或更多、160克或更多、180克或更多、200克或更多的储存稳定的二氧化碳封存产物。在一些情况下，每升水制成的产物量为5至200克，如10至100克，包括20至100克。在对水施以沉淀条件之前不补充该水的二价金属离子含量的情况下(例如在水是海水且不用二价金属离子源补充该海水的情况下)，产物收率可以为每升水5至20克产物，如每升水5至10克，例如6至8克产物。在用二价金属离子源，如镁和/或钙离子补充水的其它情况下，产物收率可能更高，高2倍、高3倍、高5倍、高10倍、高20倍或更多，以致这种方法的收率在一些实施方案中可以为每升经受沉淀条件的水10至200克，如50至200，包括100至200克产物。
在某些实施方案中，使用多步法。在这些实施方案中，可以使用碳酸盐沉淀法从溶液中选择性沉淀碳酸钙材料，然后追加CO2充入和随后的碳酸盐沉淀步骤。追加的CO2充入和碳酸盐沉淀步骤在一些情况下可以重复一次、两次、三次、四次、五次、六次、七次、八次、九次、十次或更多次，每一周期沉淀出追加量的碳酸盐材料。在一些情况下，最终pH值为约8至10，如约9至10，包括约9.5至10，例如约9.6至9.8。
在某些实施方案中，可以使用两个或更多个反应器进行本文所述的方法。在这些实施方案中，该方法可以包括第一反应器和第二反应器。在这些情况下，第一反应器如上所述用于使起始水与镁离子源接触和用于向起始水中充入CO2。可以搅动该水以促进镁离子源的溶解和促进起始水与CO2接触。在一些情况下，在将充有CO2的水转移到第二反应器中之前，停止充有CO2的水的搅动，以使未溶解的固体可以在重力作用下沉降。然后将充有CO2的水从第一反应器转移到第二反应器。在将充有CO2的水转移到第二反应器后，可以如本文所述进行碳酸盐沉淀步骤。
在某些实施方案中，使用两个或更多个如上所述的反应器的如上所述的多步法可用于进行本文所述的方法。在这些实施方案中，第一反应器如上所述用于使起始水与镁离子源接触和用于向起始水中充入CO2。随后，将充有CO2的水从第一反应器转移到第二反应器以进行碳酸盐沉淀反应。在某些实施方案中，可以如上所述在第二反应器中进行一个或多个充入CO2和随后沉淀碳酸盐的追加步骤。
在某些实施方案中，可以使用有利于形成碳酸盐化合物沉淀物的特定形态的沉淀条件。例如，可以使用使非晶碳酸盐化合物沉淀物的形成优于结晶碳酸盐化合物沉淀物的形成的沉淀条件。在这些情况下，除如上所述使起始水与镁离子源接触和向起始水中充入CO2外，可以加入沉淀促进剂。在这些情况下，该沉淀促进剂在足以成核但不足以使晶体形成和生长的较低pH值下促进碳酸盐化合物沉淀物的形成。沉淀促进剂的实例包括但不限于硫酸铝(Al2SO4)3。在某些实施方案中，所添加的沉淀促进剂的量为约1ppm至约1000ppm，如约1ppm至约500，包括约10ppm至约200ppm，例如约25ppm至约75ppm。另外，可以在碳酸盐化合物沉淀形成过程中通过如上所述交替CO2充入和随后的碳酸盐沉淀来使水的pH值保持在约6至8，如约7至8。
或者，在另一些实施方案中，可以使用使结晶碳酸盐化合物沉淀物的形成优于非晶碳酸盐化合物沉淀物的形成的沉淀条件。
下面参照本申请的附图描述，提供关于本发明的某些实施方案中所用的具体沉淀程序的进一步细节。
在从水中制造沉淀产物后，产生包括沉淀产物和母液(即从中制造沉淀产物后的剩余液体)的组合物。该组合物可以是沉淀物与母液的浆料。
如上所述，在封存二氧化碳时，该沉淀产物在生成后以某种方式处置。术语“处置”是指将该产物置于储存场所或进一步用在另一产品，即制成品或人造品中，其中其在另一产品中的储存期至少为该另一产品的预期寿命。在一些情况下，这种处置步骤包括将上述浆料组合物运送至长期储存场所。该储存场所可以是地上场所、地下场所或水下场所。在这些实施方案中，在该浆料置于储存场所后，该浆料的母液组分可能自然地与沉淀物分离，例如经由蒸发、扩散等。
如果需要，可以将所得沉淀产物与所得母液分离。可以使用任何便利的方法实现沉淀物的分离。例如，可以通过将该沉淀产物干燥产生干燥的沉淀产物来实现分离。可提到的干燥程序包括从母液中过滤沉淀物以产生滤出物，然后风干该滤出物。在将滤出物风干时，风干可以按需要在-70至120℃的温度下。在一些情况下，干燥可以包括将该浆料置于干燥场所，如尾矿池，并使该沉淀物的液体组分蒸发和留下所需干燥产物。同样可提到的是冷冻干燥(即冻干)程序，其中将沉淀物冷冻，降低周围压力并加入足够的热以使该材料中的冻结水从冻结的沉淀相中直接升华成气体。可提到的另一干燥程序是喷雾干燥，其中通过将其送过热气体来干燥含沉淀物的液体，例如其中将液体进料经由雾化器泵送到主干燥室中并使热气体与雾化器方向并流或对流通过。
在将沉淀产物与母液分离时，可以如下文进一步详述的那样以各种不同方式处理所得沉淀物。例如，如下文更详细描述，该沉淀物可用作建筑材料的组分。或者，该沉淀物可置于长期储存场所(在本领域中有时称作碳库)，其中该场所可以是地上场所、地下场所或水下场所。下面提供关于可用的处置程序的进一步细节。
也可以按需要加工所得母液。例如，可以将该母液送回水源，例如海洋或另一地点。在某些实施方案中，可以使母液与如上所述的CO2源接触以进一步封存CO2。例如，在将母液送回海洋时，可以使该母液与CO2气态源以足以提高母液中存在的碳酸根离子浓度的方式接触。可以使用任何便利的程序，如上述那些进行接触。在某些实施方案中，该母液具有碱性pH值，并以足以将pH值降到5至9，例如6至8.5，包括7.5至8.2范围的方式进行与CO2源的接触。
本发明的方法可以在陆地或海洋，例如在陆地场所(在此存在合适的水或将合适的水运往该场所)或在海洋或含碱土金属的水的其它水体(这是天然存在或人造的水体)中进行。在某些实施方案中，使用一系统进行上述方法，其中这类系统包括下文更详细描述的那些。
本申请的上述部分提供了本发明的方法的各种方面的综述。现在参照本发明的某些附图更详细地进一步论述本发明的某些实施方案。
图1提供了可以在一系统中实施的二氧化碳封存法的示意性流程图，其中该系统可以作为独立工厂或作为另一类型的工厂，如发电厂、水泥生产厂等的组成部分存在。在图1中，水10例如经由管道或其它便利方式送往沉淀反应器20，并被施以碳酸盐矿物沉淀条件。图1所示的方法中使用的水是包括一种或多种碱土金属，例如钙、镁等的水，以使其可以被视为如上所述的含碱土金属离子的水。在本发明的某些实施方案中，可提到的水是包括50ppm至20,000ppm，如200ppm至5000ppm，包括400ppm至1000ppm的量的钙的水。同样可提到的是包括50ppm至40,000ppm，如100ppm至10,000ppm，包括500ppm至2500ppm的量的镁的水。在本发明的实施方案中，该含碱土金属离子的水是盐水。如上所述，可提到的盐水包括除淡水外的许多不同类型的水性流体，如微咸水盐水、海水和卤水(包括人造卤水，如地热电厂废水、脱盐废水等，以及如本文所述的天然卤水)，以及盐度高于淡水的其它盐水。卤水是盐饱和或接近饱和的水，并具有50ppt(千分之份数)或更高的盐度。微咸水是比淡水咸但不如海水咸的水，具有0.5至35ppt的盐度。海水是来自海或洋的水，具有35至50ppt的盐度。淡水是具有小于5ppt的盐度的水。可提到的盐水可以按需要获自天然存在的来源，如海、洋、湖泊、沼泽、河口、泻湖等，或人造来源。
如上所述，可用的水还包括淡水。在某些实施方案中，本发明中所用的水可以是富矿物，例如富钙和/或镁的淡水源。在一些实施方案中，淡水，如富钙水可以与硅酸镁矿物，如橄榄石或蛇纹石在溶液中混合，由于添加了二氧化碳，该溶液因碳酸而变为酸性，这溶解硅酸镁，导致形成硅酸碳酸钙镁化合物。在某些实施方案中，水源可以是添加了金属离子，如钠、钾、钙、镁等的淡水。可以使用任何便利的程序，例如以固体、水溶液、悬浮液等形式将金属离子添加到淡水源中。
在某些实施方案中，水可以获自也提供气态废物流的工厂。例如，在水冷工厂，如海水冷却的工厂中，该工厂已用过的水可以随后送往沉淀系统并用作沉淀反应中的水。如果需要，该水可以在进入沉淀反应器之前冷却。这类方法可以例如与单程冷却系统一起使用。例如，可以使用城市或农业供水作为工厂的单程冷却系统。来自该工厂的水随后可用在该沉淀程序中，其中输出的水具有降低的硬度和更高的纯度。如果需要，该系统可以修改以包括安全措施，例如用于检测损害(如毒物的添加)，和与政府机构，例如Homeland Security或其它机构协作。在此类实施方案中可以使用附加的防损害或防侵蚀安全措施。
如图1中所示，在沉淀步骤20中使工厂气态废物流30与水接触以产生充有CO2的水。充有CO2的水是指CO2气体已与其接触的水，其中CO2分子已经与水分子结合产生例如碳酸、碳酸氢根离子和碳酸根离子。在此步骤中向水中充料导致该水的“CO2含量”提高，例如以碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子的形式，随之降低与该水接触的废物流的CO2量。该充有CO2的水在一些实施方案中是酸性的，具有6.0或更低，如4.0或更低，包括3.0和更低的pH值。在某些实施方案中，用于充入水的气体的CO2量经此接触步骤降低85％或更多，如99％或更多，以致该方法除去与该水接触的气态废物流中最初存在的CO2的50％或更多，如75％或更多，例如85％或更多，包括99％或更多。可提到的接触程序包括但不限于：直接接触程序(例如将气体鼓过水体)、并流接触方式(即单向流动的气相和液相物流之间的接触)、对流方式(即反向流动的气相和液相物流之间的接触)等。该气流可以垂直、水平或呈一定的其它角度接触水源。CO2可以与来自一个或多个下列位置的水源接触：在含碱土金属离子的水的表面水位下方、上方或此表面水位处。可以通过使用注入器、鼓泡器、流体文丘里反应器、喷雾器、气体过滤器、喷嘴、塔盘、催化泡塔反应器、吸出管型反应器或填充塔反应器和类似物来完成接触，可以视便利而定。如果需要，可以例如串联使用两个或更多个不同的充CO2反应器(如塔或其它类型的反应器构造)，如三个或更多个、四个或更多个等等。在某些实施方案中，使用各种方式，例如机械搅拌、电磁搅拌、旋转器、摇振器、振动器、鼓风机、超声，搅动或搅拌反应溶液以提高CO2与水源之间的接触。
如上所述，来自工厂30的气体在用于充入水之前被加工。例如，可以按需要对该气体施以氧化条件，例如将CO转化成CO2，将NO转化成NO2，和将SO2转化成SO3。
在步骤20中，在沉淀步骤20中沉淀储存稳定的产物。可提到的沉淀条件包括调节水的物理环境以产生所需沉淀产物的那些条件。例如，可以将水温升至适合发生所需碳酸盐矿物沉淀的水平。在此类实施方案中，可以将水温升至5至70℃的值，如20至50℃，包括25至45℃。因此，尽管给定的一组沉淀条件可能具有0至100℃的温度，但该温度在某些实施方案中可升高以产生所需沉淀物。在某些实施方案中，利用由低或零二氧化碳排放源，例如太阳能源、风能源、水电能源等生成的能量升高该温度。在某些实施方案中，利用气态废物流中携带的来自工厂的余热和/或工艺热(其为热气体或蒸汽形式)提高沉淀过程中的水温。在某些实施方案中，水与气态废物流的接触可以将水升温至所需温度，其中，在另一些实施方案中，水可能需要冷却至所需温度。
在正常海水中，93％的溶解CO2是碳酸氢根离子(HCO3 -)形式，6％是碳酸根离子(CO3 -2)形式。当碳酸钙从正常海水中沉淀时，释放CO2。在淡水中，高于pH 10.33时，多于90％的碳酸盐为碳酸根离子形式，并且在碳酸钙沉淀过程中不释放CO2。在海水中，在接近pH 9.7的略低pH值下发生这种转变。虽然该方法中所用的水的pH值在给定的沉淀过程中可以为5至14，但在某些实施方案中，按需要，将pH值升至碱性水平以驱使碳酸盐化合物以及其它化合物，例如氢氧化物沉淀。在某些这类实施方案中，将pH值升至最小化(如果不是消除的话)沉淀过程中的CO2生成的水平，以使例如以碳酸盐和碳酸氢盐形式溶解的CO2截留在碳酸盐化合物沉淀物中。在这些实施方案中，可以将pH值升至9或更高，10或更高，包括11或更高。
如上概述，使用任何便利的途径升高含碱土金属离子的来源的pH值。在某些实施方案中，可以使用pH升高剂，其中这类试剂的实例包括氧化物(如氧化钙、氧化镁)、氢氧化物(例如氢氧化钾、氢氧化钠、水镁石(Mg(OH)2)等)、碳酸盐(例如碳酸钠)和类似物。
在本发明的实施方案中，使用灰分作为pH调节剂，例如以提高该充有CO2的水的pH值。该灰分可用作唯一的pH调节剂或与一种或多种其它pH调节剂联用。在某些实施方案中可提到的是使用煤灰作为灰分。本发明中所用的煤灰是指在发电厂锅炉或燃煤炉，例如链条锅炉、旋风锅炉和流化床锅炉中由燃烧粉状无烟煤、褐煤、烟煤或亚烟煤生成的残渣。这类煤灰包括飞灰，其是废气或烟道气携带的来自锅炉的细碎的煤灰；和以附聚物形式集中在炉底的底灰。
飞灰通常高度不均匀并包括玻璃状粒子与各种可识别的结晶相，如石英、莫来石和各种氧化铁的混合物。可提到的飞灰包括F型和C型飞灰。CSA Standard A23.5和ASTM C618定义了上文提到的F型和C型飞灰。这些类型之间的主要差别是该灰分中钙、二氧化硅、氧化铝和铁含量的量。飞灰的化学性质极大地受燃烧的煤的化学含量(即无烟煤、烟煤和褐煤)的影响。可提到的飞灰包括显著量的硅石(二氧化硅，SiO2)(非晶和结晶的)和石灰(氧化钙，CaO，氧化镁，MgO)。
下表3提供了可用在本发明的实施方案中的各种类型的飞灰的化学构成。
表3
更硬更老的无烟煤和烟煤的燃烧通常产生F类飞灰。F类飞灰是凝硬性的，并含有少于10％石灰(CaO)。由更新的褐煤或亚烟煤的燃烧产生的飞灰除具有凝硬性外，还具有一些自粘结性质。在水存在下，C类飞灰随时间将硬化和产生强度。C类飞灰通常含有多于20％石灰(CaO)。在C类飞灰中，碱和硫酸根(SO4)含量通常较高。
飞灰材料在悬浮在废气中的同时固化并使用各种方法，例如用静电沉淀器或滤袋收集。由于粒子在悬浮在废气中的同时固化，飞灰粒子通常是球形且尺寸为0.5微米至100微米。可提到的飞灰包括其中至少约80重量％包含小于45微米的粒子的那些。在本发明的某些实施方案中还可以提到的是使用高度碱性的流化床燃烧器(FBC)飞灰。
在本发明的实施方案中还可以提到的是使用底灰。底灰在燃煤锅炉中以附聚物形式由煤的燃烧形成。这类燃烧锅炉可以是液态排渣锅炉或固态排渣锅炉。当在液态或固态排渣锅炉中生成时，该底灰在水中淬火。淬火产生尺寸如下的附聚物，其中90％落在0.1毫米至20毫米的粒度范围内，其中该底灰附聚物具有在此范围内的宽的附聚物尺寸分布。底灰的主要化学组分是二氧化硅和氧化铝，较少量的Fe、Ca、Mg、Mn、Na和K的氧化物，以及硫和碳。
在某些实施方案中还可以提到的是使用火山灰作为灰分。火山灰由小的火山碎屑，即火山爆发产生的小块碎岩石和玻璃组成，直径小于2毫米(0.079英寸)。
在本发明的一个实施方案中，将水泥窑粉尘(CKD)作为改变pH的手段添加到反应器中。制造灰分和/或CKD用的燃料的性质和所述燃料的燃烧方式会影响所得灰分和/或CKD的化学组成。因此，灰分和/或CKD可用作调节pH的手段的一部分，或唯一手段，并且可以根据灰分和/或CKD的化学组成与特定灰分和/或CKDs一起使用各种其它组分。
在本发明的实施方案中，将灰分作为这些附加反应物的一种来源添加到该反应中以产生含有一种或多种组分，如非晶二氧化硅、结晶二氧化硅、硅酸钙、硅铝酸钙或可能由灰分在碳酸盐矿物沉淀法中的反应产生的任何其它部分的碳酸盐矿物沉淀物。
本发明中所用的灰分可以使用任何便利的程序与水接触以实现所需pH改变，例如通过将一定量的灰分加入容纳该水的反应器中，其中灰分添加量足以将pH值升至所需水平，通过使水流过例如柱或床等形式的一定量的灰分。
在不将pH值升至12或更高的水平的某些实施方案中，该方法中所用的飞灰，例如如下所述，可能不溶解，而是仍为微粒组合物。这种未溶解的灰分可以与其余反应产物分离，例如滤出，以便随后利用。或者，可以使水流过在固定构造，例如在柱或类似结构中提供的一定量的灰分，该构造允许液体流经该灰分但不会使灰分固体随液体流出该结构。这种实施方案不要求将未溶解的灰分与产物液体分离。在pH超过12的另一些实施方案中，如其它地方更详细描述的那样，灰分溶解并提供凝硬性产物。
在沉淀法中使用灰分的本发明的实施方案中，首先可以通过如静电沉淀之类的方法从烟道气中移除灰分，或可以直接经由烟道气使用。除提高pH值外，本发明的实施方案中灰分的使用还可以提供反应物，如氧化铝或二氧化硅。
在本发明的某些实施方案中，使用矿渣作为pH调节剂，例如以提高该充有CO2的水的pH值。该矿渣可用作唯一的pH调节剂或与一种或多种其它pH调节剂，例如灰分等联用。矿渣由金属加工产生，并可能含有钙和镁氧化物，以及铁、硅和铝化合物。在某些实施方案中，使用矿渣作为pH调节材料通过向沉淀产物中引入反应性硅和氧化铝来提供额外益处。可提到的矿渣包括但不限于来自铁熔炼的高炉矿渣、来自钢的电弧或高炉加工的矿渣、铜矿渣、镍矿渣和磷矿渣。
如上所示，灰分(或在某些实施方案中的矿渣)在某些实施方案中用作将水的pH值调节至所需水平的唯一方式。在另一些实施方案中，与灰分联合使用一种或多种额外的pH调节程序。
代替pH升高剂(如上所述)的使用或与其联合地，可以通过使用电解或电化学程序将水电解来将含碱土金属离子的水源的pH值提高至所述水平。可提到的电化学程序包括但不限于上文描述的那些以及美国临时申请序号Nos.61/081,299和61/091,729中描述的那些；它们的公开内容在此引入作为参考。同样可提到的是公开的美国申请公开Nos.20060185985和20080248350以及公开的PCT申请公开No.WO2008/018928中描述的电解法；它们的公开内容在此引入作为参考。
在需要时，也可以将pH升高剂以外的添加剂引入水中以影响制成的沉淀物的性质。因此，本发明的某些实施方案包括在对水施以沉淀条件之前或之中在水中提供添加剂。可以通过痕量的某些添加剂促成某些碳酸钙多晶型物。例如，通过在碳酸钙过饱和溶液中包含痕量的氯化镧形式的镧，可以以极高收率获得球霰石，一种CaCO3的高度不稳定的多晶型物，其以各种不同的形态沉淀并迅速转化成方解石。可提到的除镧外的其它添加剂包括但不限于过渡金属和类似物。例如，亚铁或正铁的添加已知促使形成本来不会形成的无序白云石(原白云石)。
也可以通过选择适当的主要离子比率来影响沉淀物的性质。主要离子比率也具有形成多晶型物的显著影响。例如，随着水中的镁∶钙比率提高，文石变成优于低镁方解石的碳酸钙多晶型物。在低镁∶钙比率下，低镁方解石是优选多晶型物。
沉淀速率也对化合物相形成具有大的影响。通过用所需相接种该溶液，可以实现最迅速沉淀。在没有接种的情况下，可以通过迅速提高海水的pH值来实现迅速沉淀，这产生更非晶态的成分。当存在二氧化硅时，反应速率越快，越多二氧化硅与碳酸盐沉淀物结合。pH值越高，沉淀越快且沉淀物越非晶态。
相应地，从水中制造所需沉淀物的一组沉淀条件在某些实施方案中包括水温和pH值，在一些情况下包括添加剂和离子物类在水中的浓度。沉淀条件也可以包括如混合速率、搅拌形式(如超声)以及晶种、催化剂、膜或底物的存在等因素。在一些实施方案中，沉淀条件包括过饱和条件、温度、pH和/或浓度梯度，或循环或改变任何这些参数。用于制备本发明的碳酸盐化合物沉淀物的程序可以是分批或连续程序。要认识到，沉淀条件在连续系统中可以与分批系统不同以产生给定沉淀物。
在某些实施方案中，可以使用任何便利的程序(例如喷枪、分段流管反应器)实现含碱土金属离子的水和CO2之间的接触以控制沉淀物粒子的尺寸范围。在要求保护的本发明的方法和系统中，可以向含金属离子的水源中加入一种或多种添加剂，例如，絮凝剂、分散剂、表面活性剂、防垢剂、晶体生长阻滞剂、螯合剂等以控制沉淀物粒子的尺寸范围。
在图1所示的实施方案中，首先向来自含碱土金属离子的水源10的水中充入CO2以产生充有CO2的水，随后对该CO2施以碳酸盐矿物沉淀条件。如图1中所示，在沉淀步骤20中使CO2气流30与水接触。在沉淀步骤20中使所供应的气流30与合适的水接触以产生充有CO2的水。充有CO2的水是指CO2气体已与其接触的水，其中CO2分子已经与水分子结合产生例如碳酸、碳酸氢根离子和碳酸根离子。在此步骤中向水中充料导致该水的“CO2含量”提高，例如以碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子的形式，随之降低与该水接触的废物流的pCO2。该充有CO2的水可以是酸性的，具有6或更低，如5或更低，包括4或更低的pH值。在一些实施方案中，该充有CO2的水不是酸性的，例如具有7或更大的pH值，如7-10、或7-9、或7.5-9.5、或8-10、或8-9.5、或8-9的pH值。在某些实施方案中，用于充入水的气体的CO2浓度为10％或更高、25％或更高，包括50％或更高，如75％或更高。
CO2充入和碳酸盐矿物沉淀可以在该系统的相同或不同反应器中进行。因此，根据本发明的某些实施方案，充气和沉淀可以在该系统的相同反应器中，例如如图1中所示在步骤20中进行。在本发明的另一些实施方案中，这两个步骤可以在分开的反应器中进行，以便首先在充气反应器中向水中充入CO2，随后在另一反应器中对所得充有CO2的水施以沉淀条件。可以使用其它反应器以例如向水中充入所需矿物。
可以在对水施以CO2沉淀条件之前和/或之中发生水与源CO2的接触。相应地，本发明的实施方案包括在对一定体积的含碱土金属离子的水施以矿物沉淀条件之前使该一定体积的水与CO2源接触的方法。本发明的实施方案还包括在对该一定体积的水施以碳酸盐化合物沉淀条件的同时使该一定体积的水与CO2源接触的方法。本发明的实施方案包括既在对该一定体积的含碱土金属离子的水施以碳酸盐化合物沉淀条件之前又在对该一定体积的水施以碳酸盐化合物沉淀条件的同时使该一定体积的水与CO2源接触的方法。在一些实施方案中，该相同的水可以循环一次以上，其中第一沉淀周期主要除去碳酸钙和碳酸镁矿物并留下残留的含碱土金属离子的水，可以向其中加入其它碱土金属离子源，可以使更多CO2循环通过，从而沉淀更多碳酸盐化合物。
无论CO2何时与水接触，在一些情况下，在CO2与水接触时，该水不是过度碱性的，以致与CO2接触的水可具有10或更低，如9.5或更低，包括9或更低，甚至8或更低的pH值。在一些实施方案中，与CO2接触的水不是来自电化学程序的已先达到碱性的水。在一些实施方案中，与CO2接触的水不是已通过添加氢氧化物，如氢氧化钠来达到碱性的水。在一些实施方案中，该水是已例如通过添加一定量的氧化物，如氧化钙或氧化镁而达到仅微碱性的水。
碳酸盐矿物沉淀站20(即反应器)可以包括许多不同组件，如温度控制组件(例如构造成将水加热至所需温度)、化学添加剂组件，例如用于将化学pH升高剂(如KOH、NaOH)引入水中，电解组件，例如阴极/阳极等，充气组件、加压组件(例如其中需要在加压条件，如50-800psi、或100-800psi、或400至800psi或任何其它合适的压力范围下运行该程序)等，机械搅动和物理搅拌组件和用于使工厂烟道气再循环通过该沉淀设施的组件。该沉淀站20可以含有能够监测一个或多个参数，如反应器内压、pH值、沉淀物粒度、金属离子浓度、水溶液的电导率和碱度以及pCO2的组件。监测碳酸盐沉淀过程中的条件能够在加工过程中作出正确的调节，或如果需要，提高或降低碳酸盐化合物沉淀产量。
在从水中产生储存稳定的沉淀CO2产物后，可以如图1的步骤40所示将所得沉淀产物与母液分离以产生分离的沉淀产物。在一些实施方案中，沉淀物不与母液分离或仅部分分离。在这类实施方案中，可以通过任何合适的方式处置包括一部分或全部沉淀物的母液。在一些实施方案中，将包括一部分或全部沉淀物的母液运往陆地或水域并置于该地，例如可以将包括一部分或全部沉淀物的母液运往海洋；这在水源是海水的实施方案中尤其有用。要认识到，在除处置外不进一步加工沉淀物的方法中，使碳足迹、所用能量和/或为从工业废气中封存指定量的CO2而产生的CO2量最小化。可以使用任何便利的方式，包括机械方式实现沉淀物的分离，例如，其中从沉淀物中排出大量过量水，例如仅靠重力或外加真空、机械压制(其中机械压制用的能量可获自工厂(通过连向蒸汽轮机)、来自用于制造粉煤的破碎设备，等等)，通过从母液中过滤沉淀物以产生滤液等。也可以通过离心或通过沉淀产物的重力沉降实现分离，然后排出母液。大量水的分离产生湿的脱水沉淀物。
在图1中所示的实施方案中，随后如图1的步骤60所示，将所得脱水沉淀物干燥产生产物。可以通过风干滤出物来实现干燥。在风干滤出物的情况下，风干可以在室温或升高的温度下。在某些实施方案中，如图2的步骤70所示，由工厂气态废物流提供该升高的温度。在这些实施方案中，来自发电厂的气态废物流(例如烟道气)可首先用在干燥步骤中，其中气态废物流可具有30至700℃，如75至300℃的温度。该气态废物流可以在干燥阶段中直接与湿沉淀物接触，或用于在干燥阶段中间接加热气体(如空气)。可以通过使来自工厂的气体传送装置(例如导管)源自合适的位置，例如HRSG中一定距离的位置或直至烟道，在气态废物流中提供所需温度，这根据废气和工厂构造的细节确定。在再一实施方案中，将沉淀物喷雾干燥以干燥该沉淀物，其中通过使其经过热气体(如来自工厂的气态废物流)来干燥含沉淀物的液体，例如其中将液体进料经由雾化器泵送到主干燥室中并使热气体与雾化器方向并流或对流通过。在某些实施方案中，通过冷冻干燥(即冻干)实现干燥，其中将沉淀物冷冻，降低周围压力并加入足够的热以使该材料中的冻结水从冻结的沉淀相中直接升华成气体。根据该系统的特定干燥程序，干燥站可以包括过滤元件、冻干结构、喷雾干燥结构等。
如果需要，来自分离反应器40的脱水沉淀产物在干燥之前可以洗涤，如图1的任选步骤50所示。该沉淀物可以用淡水洗涤，例如以从该脱水沉淀物中除去盐(如NaCl)。可以视便利处置用过的洗水，例如在尾矿池等中处置其。
在本发明的某些实施方案中，可以对所有工艺而言在相同站中，或对所有工艺而言在不同站中，将沉淀物分离、洗涤和干燥，或任何其它可能的组合。例如，在一个实施方案中，可以在沉淀反应器20中进行沉淀和分离，但在不同反应器中进行干燥和洗涤。在再一实施方案中，沉淀、分离和干燥可以都在沉淀反应器20中进行，且洗涤在不同反应器中进行。
在例如如上所述将沉淀物与母液分离后，可以按需要进一步加工分离的沉淀物。在某些实施方案中，该沉淀物可随后运往长期储存场所，以有效封存CO2。例如，该沉淀物可运输和置于长期储存地，例如按需要在地上、地下、深海等中。
该干燥产物可以以许多不同方式处置。在某些实施方案中，将沉淀产物运往长期储存地，以便有效地将CO2封存在稳定的沉淀产物中，例如作为储存稳定的地上CO2封存材料。例如，该沉淀物可以储存在与工厂和沉淀系统相邻的长期储存地。在另一些实施方案中，该沉淀物可运输和置于长期储存地，例如按需要在地上、地下等，其中该长期储存地远离该发电厂(这在发电厂附近的地产稀缺的实施方案中可能是合意的)。在将沉淀物运往长期储存地的这些实施方案中，其可以在用于将燃料或其它材料运往该工厂和/或沉淀设施的空闲运输工具(例如驳船、火车、卡车等)中运输。由此，用于将燃料运往工厂、将材料运往沉淀设施(例如碱源)的运输工具可用于运输沉淀产物，因此封存来自该工厂的CO2。
在某些实施方案中，在水下场所处置该组合物。水下场所可以随具体用途而变。尽管水下场所可能是内陆水下场所，例如在湖中，包括淡水湖，或在某些实施方案中可以提到海洋水下场所。该组合物可以仍在母液中，没有分离或没有完全分离，或该组合物可以已与母液分离。该水下场所可以是浅的或深的。浅场所是200英尺或更低，如150英尺或更低，包括1000英尺或更低的场所。深场所是200英尺或更大，例如500英尺或更大，1000英尺或更大，2000英尺或更大，包括5000英尺或更大的那些。
如果需要，由沉淀物和母液构成的该组合物可以在沉淀之后和处置之前储存一段时间。例如，该沉淀物可以在1至40℃，如20至25℃的温度下储存1至1000天或更久，如1至10天或更久。
可以使用用于将该组合物运往处置地的任何便利的程序，并且必须随沉淀反应器和处置地相对于彼此的位置而变，其中处置地是地上或地下处置地，等等。在某些实施方案中，使用管道或类似的浆料传送结构，其中这些方法可以按需要包括活性泵送、重力介导流等。
尽管在某些实施方案中，该沉淀物在沉淀后不进一步加工的情况下在处置地直接处置，在再一些实施方案中，该组合物可以在处置之前进一步加工。例如，在某些实施方案中，可以由该组合物制造固体物理形状，其中该所得形状随后在相关处置地处置。这种实施方案的一个实例在于，例如通过将可流动组合物置于合适的模具结构中并使该组合物随时间固化成所需形状来由碳酸盐化合物组合物制造人造礁石结构。所得固体礁石结构可随后按需要沉积在合适的海洋场所，例如浅的水下场所，以制造人造礁石。
在某些实施方案中，通过将其用在制成品中，处置通过本发明的方法制成的沉淀物。换言之，该产物用于制造人造品，即制成品。该产物可以独自使用或与一种或多种附加材料联合使用，以使其成为该制成品的组分。可提到的制成品可变，其中可提到的制成品的实例包括建筑材料和非建筑材料，如非水泥质制成品。可提到的建筑材料包括混凝土的组分，如水泥、集料(细和粗的)、辅助粘结材料等。可提到的建筑材料还包括预成型的建筑材料。
在通过将该产物掺入建筑材料来处置该产物的情况下，将工厂的气态废物流中的CO2有效封存在建设环境中。在建筑材料中使用该产物的实例包括使用该产物作为某类人造结构(例如建筑物(商业和住宅)、道路、桥梁、堤岸、坝和其它人造结构等)的构造材料的情况。该建筑材料可用作结构或这类结构的非结构部件。在这类实施方案中，沉淀设施可以与建筑产品制造厂位于同一地点。
在某些实施方案中，在后继使用之前以一定方式精制(即加工)该沉淀产物。如图1的步骤80中所示的精制可以包括各种不同程序。在某些实施方案中，对该产物施以机械精制，例如研磨，以获得具有所需物理性质，例如粒度等的产物。在某些实施方案中，将该沉淀物例如作为辅助粘结材料、作为砂石、砾石、作为集料等与水凝水泥混合。在某些实施方案中，可以将一种或多种组分添加到该沉淀物中，例如在该沉淀物要用作水泥的情况下，可以加入例如一种或多种添加剂、砂石、基料、辅助粘结材料等以制造最终产品，例如混凝土或灰泥，90。
在某些实施方案中，该碳酸盐化合物沉淀物用于制造集料。在2008年5月29日提交的共同待审的美国申请序号No.61/056,972中描述了这类集料、它们的制造和使用方法，其公开内容在此引入作为参考。
在某些实施方案中，该碳酸盐化合物沉淀物用作水凝水泥的组分。术语“水凝水泥”以其常规意义使用以表示在与水混合后凝固和硬化的组合物。通过将本发明的水泥与含水流体混合而制成的产物的凝固和硬化归因于由水泥在与水反应时形成的水合物的生成，其中该水合物基本不溶于水。在2008年5月23日提交的共同待审的美国申请序号No.12/126,776中描述了这类碳酸盐化合物组分水凝水泥、它们的制造和使用方法；该申请的公开内容在此引入作为参考。
还可以提到成形建筑材料。本发明的成形建筑材料可以极大变化。“成形”是指成型，例如模制、浇铸、切割或以其它方式制造成限定了物理形状(即构造)的人造结构。成形建筑材料不同于无定形建筑材料，例如没有分明的稳定形状而是与其容器，例如袋子或其它容器共形的微粒(如粉末)组合物。示例性的成形建筑材料包括但不限于：砖；板；导管；梁；盆；柱；干式墙等。关于成形建筑材料的进一步实例和细节包括2008年10月31日提交的美国临时专利申请序号No.61/110,489中描述的那些；其公开内容在此引入作为参考。
同样可提到包括本发明的产物作为组分的非水泥质制成品。本发明的非水泥质制成品可以极大变化。非水泥质是指该组合物不是水凝水泥。因此，该组合物不是在与凝结流体(如水)混合时凝固产生稳定产品的干燥组合物。示例性组合物包括但不限于：纸产品；聚合产品；润滑剂；沥青产品；漆料；个人护理产品，如化妆品、牙膏、除臭剂、肥皂和香波；人可摄取产品，包括液体和固体；农业产品，如土壤改良剂和动物饲料；等等。非水泥质制成品的进一步实例和细节包括2008年10月31日提交的美国临时专利申请序号No.61/110,495中描述的那些；其公开内容在此引入作为参考。
也可以按需要加工所得母液。例如，可以将该母液送回水源，例如海洋或另一地点。在某些实施方案中，可以使该母液与如上所述的CO2源接触以进一步封存CO2。例如，在将母液送回海洋时，可以使该母液与CO2气态源以足以提高母液中存在的碳酸根离子浓度的方式接触。可以使用任何便利的程序，如上述那些进行接触。在某些实施方案中，该母液具有碱性pH值，并以足以将pH值降到5至9，例如6至8.5，包括7.5至8.2范围的方式进行与CO2源的接触。相应地，可以使用任何便利的程序处置该反应的所得母液，例如；矿物碳酸盐耗竭的水。在某些实施方案中，可以将其送往尾矿池以便处置。在某些实施方案中，其可以在天然存在的水体，例如洋、海、湖或河中处置。在某些实施方案中，其可以用作工厂冷却剂，例如通过在沉淀系统和工厂之间穿行的管道。在某些实施方案中，其可以用作灰水、用作脱盐的水输入并随后用作淡水，例如用在灌溉中、用于人类和动物消耗等。相应地，可以使用沉淀设施与脱盐设施同处一地的构造，以便使用来自沉淀设施的输出水作为脱盐设施的输入水。
如上提到，在某些实施方案中，该沉淀法产生的母液可用于冷却发电厂，例如在单程冷却系统中。在这类实施方案中，该方法中吸收的热可随后按需要再循环回沉淀设施以进一步使用。在这类实施方案中，起始水源可来自工厂。可以修改这类实施方案以便利用工厂提供的泵送能力，例如以提高总效率。
按需要，且在例如如上所述产生CO2封存产物后，量化该产物中封存的CO2的量。“量化”是指测定已封存(即固定)在CO2封存产物中的CO2的例如数值形式的量。该测定可以按需要是该产物的绝对量化，或其可以是近似量化，即不精确。在一些实施方案中，该量化足以提供封存的CO2量的市场可接受的衡量标准。
可以使用任何便利的方法量化CO2封存产物中CO2的量。在某些实施方案中，可以通过该组合物的实际测量来进行量化。在这些实施方案中可以使用各种不同的方法。例如，测量该组合物的质量或体积。在某些实施方案中，可以在沉淀物在母液中的同时进行这种测量。在这些情况下，可以使用其它方法，如x-射线衍射法量化该产物。在另一些实施方案中，在已洗涤和/或干燥该沉淀物后进行测量。该测量随后用于例如通过算术计算量化该产物中封存的CO2量。例如，可以使用库仑计获得沉淀的封存产物中的碳量的读数。这种库仑计读数可用于测定沉淀物中碱性碳酸盐的量，这可随后通过基于几个因素(如水的初始碱金属离子含量、该化学反应的限制试剂、该反应的原材料的理论收率、该沉淀产物的水合水等)的化学计量法转化成封存的CO2。在一些实施方案中，该产物中可能存在污染物，并且需要该产物纯度的其它测定法，例如元素分析以测定封存的CO2的量。
在再一些实施方案中，使用同位素法测定该产物的碳含量。化石燃料中碳同位素的比率显著不同于地质源，如石灰石中这类同位素的比率。相应地，经由定量测量同位素质量的质谱法容易阐明样品中的碳源或碳源比率。因此，即使在混凝土中使用石灰石集料(其提高经由库仑法测得的总碳)，使用质谱法进行同位素分析能够阐明可归因于从化石燃料燃烧捕获的CO2的碳量。由此，可以测定该沉淀物或甚至包含该沉淀物的下游产物，例如混凝土中封存的碳的量，特别是如果用于制造该沉淀物的CO2气体获自化石燃料，例如煤的燃烧。这种同位素方法的益处包括测定纯沉淀物以及已掺入另一产物(例如作为集料或砂石掺入混凝土中等等)中的沉淀物的碳含量的能力。
在另一些实施方案中，可以通过理论测定封存的CO2的量，例如通过计算封存的CO2的量来进行该量化。如在从之前的实验获知收率的情况下，可以使用上述方法的已知收率计算封存的CO2的量。该已知收率可能根据许多因素而变，包括如上综述的气体(例如CO2)和水的输入、水中的碱土金属离子浓度、pH值、盐度、温度、气流速率、所选方法的实施方案等中的一种或多种。标准信息，例如通过给定参考方法制成的每单位产物量封存的CO2的预定量可用于容易地测定与参考方法相同或类似的给定方法中封存的CO2量，例如通过测定制成量，然后计算必须封存在其中的CO2的量。
CO2封存系统
本发明的方面进一步包括例如通过实施上述方法来封存CO2的系统，例如加工装置或工厂。本发明的系统可以具有能够实施相关特定生产方法的任何构造。
图2提供了根据本发明的一个实施方案的系统的示意图。在图2中，系统100包括水源110。在某些实施方案中，水源110包括具有含碱土金属离子的水的输入端的结构，如来自海洋的管道或导管等等。在被该系统加工以产生沉淀物的碱土金属离子水源是海水的情况下，该输入端与海水源流体连通，例如其中输入端是从海洋水到陆上系统的管道或进料，或船体中的入口，例如在该系统是例如海洋系统中的船只的一部分时。
在图2中还显示了CO2源130。这种系统还包括将CO2导向系统100的管道或导管。水源110和CO2气流源130连向沉淀反应器120中的CO2充料器。该沉淀反应器120可以包括许多不同的设计构件，如温度调节器(例如构造成将水加热至所需温度)、化学添加剂组件，例如用于将化学pH升高剂(如氢氧化物、金属氧化物或飞灰)引入水中，电化学组件，例如阴极/阳极等，机械搅动和物理搅拌机械装置和使工厂烟道气再循环通过该沉淀设施的组件。沉淀反应器120还可以含有能够监测一个或多个参数，如反应器内压、pH值、沉淀物粒度、金属离子浓度、水溶液的电导率和碱度以及pCO2的设计构件。这种反应器120可以作为分批工艺或连续工艺运行。
沉淀反应器120进一步包括母液的输出传送工具。在一些实施方案中，该输出传送工具可以构造成将母液运往处置用的尾矿池或天然存在的水体，例如洋、海、湖或河。在另一些实施方案中，该系统可以构造成允许母液通过在沉淀系统和工厂之间穿行的管道用作工厂冷却剂。在某些实施方案中，可以使沉淀设施与脱盐设施同处一地，以便使用来自沉淀设施的输出水作为脱盐设施的输入水。该系统可以包括传送工具(即导管)，其中可以将输出水(例如母液)直接泵送到脱盐设施。
图2中所示的系统进一步包括用于将沉淀的碳酸盐矿物组合物与母液分离的分离器140。在某些实施方案中，该分离器可以通过机械方式实现沉淀的碳酸盐矿物组合物与母液的分离，例如其中通过如下方式从沉淀物中排出大量过量水：通过重力或外加真空、机械压制、从母液中过滤沉淀物以产生滤液、离心或通过沉淀物的重力沉降和排出母液。
该系统还包括洗涤站150，其中在干燥站中干燥之前洗涤来自分离站140的大量脱水沉淀物以例如从该沉淀物中除去盐和其它溶质。
该系统进一步包括用于干燥碳酸盐矿物沉淀站产生的沉淀的碳酸盐矿物组合物的干燥站160。根据该系统的特定干燥程序，该干燥站可以包括如上文更充分描述的过滤元件、冻干结构、喷雾干燥结构等。该系统可以包括来自工厂的传送装置，例如导管，其连向干燥器以使气态废物流(即工厂烟道气)可以在干燥阶段中直接与湿沉淀物接触。
该干燥的沉淀物可以在精制站180中经过进一步加工，例如研磨、碾磨以获得所需物理性质。在该沉淀物用作建筑材料的情况下，可以向该沉淀物中加入一种或多种组分。
该系统进一步包括出口传送装置，例如传送带、浆料泵，其允许从一个或多个下列装置中移除沉淀物：反应器、干燥站、洗涤站或精制站。可以以许多不同的方式处置沉淀反应的产物。该沉淀物可以在空闲运输工具(例如驳船、火车、卡车等)中运往长期储存地，其可以包括地上和地下储存设施。在另一些实施方案中，可以在水下场所处置该沉淀物。可以使用用于将该组合物运往处置地的任何便利的程序。在某些实施方案中，可以使用管道或类似的浆料传送结构，其中这些方法可以包括活性泵送、重力介导流等。
在某些实施方案中，该系统进一步包括由该沉淀物制备建筑材料，如水泥的站。这种站可以构造成如共同待审的美国申请序号No.12/126,776(其公开内容在此引入作为参考)中所述由该沉淀物生产各种水泥、集料或粘结材料。
如上所述，该系统可位于陆地或海洋上。例如，该系统可以是陆上系统，其位于沿海区，例如接近海水源，或甚至是内陆场所，其中将水从盐水源(例如海洋)用管道送往该系统。或者，该系统可以是水上系统，即位于水上或水中的系统。这类系统可以按需要位于船只、海洋平台等上。在某些实施方案中，该系统可以在任何便利的场所与工厂同处一地。该沉淀设施可以是与陆上工厂同处一地的陆上设施，例如在沿海区，如接近含碱土金属离子的水源，例如海水。还可提到内陆场所，其中将水直接从水源，例如工厂、远湖、远洋用管道运送往该系统。或者，该沉淀设施可以按需要位于水上，例如在驳船、船只、海洋平台等上，例如在工厂附近的地产稀缺的情况下。在某些实施方案中，该沉淀设施可以是活动设施以使其容易与工厂同处一地。
与工厂，如发电厂同处一地的本发明的系统可以构造成允许同步工厂和沉淀设施的活动。在某些情况下，一个设施的活动可能与另一个的活动不配合。例如，该沉淀设施可能需要减少或停止接收气态废物流，但该工厂可能需要保持运行。相反，可能出现如下情况：其中工厂减轻或停止运行，而沉淀设施不这样。为了应对沉淀设施或工厂需要减轻或停止其活动的情况，可以如上详述使用在另一设施减轻或停止运行的同时实现同处一地的设施之一的连续运行的设计构件。例如，本发明的系统在某些实施方案中可以在工厂和沉淀设施之间的连接管路中的各种位置包括鼓风机、风扇和/或压缩机以控制将工厂连接到沉淀设施上的管道中的背压发生。在某些实施方案中，在工厂和沉淀设施之间可能存在储气设施。如果需要，该沉淀设施可以包括排放物监测器以按Air Quality Agencies的要求评测由沉淀设施产生的任何气体排放物。
本发明的方面包括在沉淀储存稳定的含CO2的产物的工艺的一个或多个阶段使用含CO2的工厂气态废物流，例如工厂烟道气。因此，在沉淀工艺中使用含CO2的工厂气态废物流。在本发明的实施方案中，该气态废物流用在该沉淀工艺的一个或多个步骤中，如在沉淀步骤中，例如其中利用其向水中充入CO2，或在沉淀物干燥步骤中，例如其中将沉淀的碳酸盐化合物干燥，等等。如果需要，来自工厂的烟道气可以再循环通过该沉淀设施直至残余CO2的总吸附接近100％，或达到收益递减点，从而可以使用其它程序加工残留烟道气和/或释放到大气中。
如上所述，本发明的沉淀系统可以与工厂同处一地。这种系统的实例显示在图2中。在图2中，来自发电厂200的烟道气出口170在沉淀反应器120中用作CO2源130和在干燥器160中用作热源。如果需要，使用背压控制器以至少减轻或消除由将一部分或全部工厂气态废物流导向沉淀设施100而产生的背压的出现。可以使用控制背压出现的任何便利的方式。在某些实施方案中，在工厂和沉淀设施之间的连接管路中的某点提供鼓风机、风扇和/或压缩机。在某些实施方案中，安装鼓风机以将烟道气吸入将烟道气导向沉淀设施的管道。这些实施方案中所用的鼓风机可以是电驱动或机械驱动的鼓风机。在这些实施方案中，如果存在，将背压降至5英寸或更低，如1英寸或更低的水平。在某些实施方案中，在工厂和沉淀设施之间可以存在储气设施。当存在时，可以使用储气设施作为缓冲(surge)、关闭和平稳(smoothing)系统以使烟道气平稳流向沉淀设施。
本发明的方面包括同步工厂和沉淀设施的活动。在某些情况下，一个设施的活动可能与另一个的活动不配合。例如，该沉淀设施可能需要减少或停止接收气态废物流，但该工厂可能需要保持运行。相反，可能出现如下情况：其中工厂减轻或停止运行，而沉淀设施不这样。为了应对这样的情况，可以将这些设施构造成在另一设施减轻或停止运行的同时实现同处一地的设施之一的连续运行。例如，为了应对沉淀设施必须减少或切断其从工厂接收的气态废物流的量的情况，可以构造该系统以使将废物流送往沉淀设施的鼓风机和管道以受控次序切断以使压力波动最小化，且工厂烟道充当用于排放气态废物流的旁通烟囱。类似地，如果工厂减少或切断其气态废物流的生成，例如，完全或部分停止工厂或将工厂输出缩减至一定的预定水平，该系统可以构造成允许沉淀设施连续运行，例如通过提供交替CO2源，通过在干燥器中提供交替加热程序，等等。
如果需要，该沉淀设施可以包括排放物监测器以电子评测(通常每15分钟)、每天、每周、每月、每季度和每年评测沉淀设施产生的任何气体排放物并按要求向管理机构报告。在某些实施方案中，沉淀设施处的气体处理足够密闭以便将含有来自工厂的基本所有未用过的烟道气的来自沉淀设施的废气导向烟囱，从而可以根据国家、省、州或其它政治管辖区域的法令和法规要求安装所要求的连续排放物监测系统。
在某些实施方案中，工厂生成的并送往沉淀设施的气态废物流已经如Air Quality Agencies要求的那样处理，因此送往沉淀设施的烟道气已符合Air Quality要求。在这些实施方案中，在沉淀设施停工的情况下，该沉淀设施可以使或不使替代处理系统就位。但是，如果输送的烟道气仅经过部分处理或完全没有处理，该沉淀设施可以包括空气污染控制设备以符合规章要求或征询管理机构短时间排放部分处理过的烟道气。在再一些实施方案中，将该烟道气送往沉淀设施以完全处理。在这类实施方案中，该系统可以包括应对沉淀设施不能接收废物流的情况的安全措施，例如通过确保工厂中安装的污染控制装置启动和按Air Quality Agencies的要求控制排放物。
与工厂同处一地的沉淀设施可以位于任何便利的场所——陆地或水上。例如，该沉淀设施可以是与陆上工厂同处一地的陆上设施，例如在沿海区，如接近海水源。也可以提到内陆场所，其中将水直接从水源(例如工厂、远湖、远洋)用管道送往该系统。或者，该沉淀设施可以位于水上，例如按需要位于驳船、船只、海洋平台等上，例如在工厂附近的地产稀缺的情况下。在某些实施方案中，该沉淀设施可以是活动设施以使其容易与工厂同处一地。
如上所述，在某些实施方案中可以提到整体煤气化联合循环(IGCC)发电厂产生的废物流。在这些类型的工厂中，首先对初始燃料，例如煤、生物质等施以气化法以产生合成气，其可以被转换，以产生一定量的CO2、CO和H2。可以将该气化程序的产物传送到沉淀设施以首先除去CO2，并将所得脱除CO2的产物送回发电厂以用作燃料。在这类实施方案中，来自发电厂的气化单元的管道可以存在于发电厂和沉淀设施之间，并可以在沉淀设施和发电厂之间存在第二回流管以将净化的合成气送回发电厂。
在某些实施方案中，同处一地的工厂和沉淀设施(或联合工厂)在追加CO2排放减少方式的情况下运行。例如，可以构造材料处理设备、交通工具和运土设备、机车以使用生物燃料代替化石燃料。在这类实施方案中，该场所可以包括燃料罐以储存生物燃料。
除封存CO2外，本发明的实施方案还封存工厂生成的气态废物流的其它组分。例如，本发明的实施方案导致封存该废物流中可能存在的NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物中的一种或多种的至少一部分，从而使这些产品中的一种或多种固定在该固体沉淀产物中。
在图2中，沉淀系统100与工厂200同处一地。但是，沉淀系统100不与工厂200集成。因此，在某些实施方案中可以进一步提到如美国专利申请序号No.12/163,205(其公开内容在此引入作为参考)中所述的除工厂外还包括发电、水处理(海水脱盐或富含矿物的淡水处理)和沉淀组件的综合设施。该沉淀设施的水源可以来自水处理厂的废物流。来自碳酸盐沉淀设施的所得母液可用作水处理厂的进料。所得集成设施基本使用燃料、矿物和未处理的水作为输入料，并输出能量、加工过的工业产品，例如水泥、清洁水、清洁空气和碳封存建筑材料。
图3提供将沉淀系统100与工厂(在这种情况下是燃煤发电厂300)集成的实例。在发电厂300中，煤310供应至蒸汽锅炉315以产生蒸汽，该蒸汽又用于运行涡轮机(未显示)以产生动力。蒸汽锅炉315还产生底灰或炉渣325和烟道气320。烟道气320含有飞灰、CO2和硫酸盐。将烟道气320和底灰325与水混合以形成反应器340中的水源330并如上所述施以沉淀反应。泵350促使沉淀产物从反应器340运往喷雾干燥器360，其使用烟道气320将沉淀产物喷雾干燥以便随后处置，例如置于垃圾填埋场或用在建筑产品中。处理过的烟道气370离开喷雾干燥器360，随后在烟囱380排放到大气中。处理过的烟道气370是与烟道气320相比其中飞灰、硫和CO2含量已显著降低或完全除去的气体。作为图3中所示的系统的实例，CO2源可以是来自煤或其它燃料燃烧的烟道气，其在烟道气几乎或完全不经预处理的情况下与盐水接触。在这些实施方案中，由于该方法的除去SOx和其它污染物以及除去CO2的能力，通常便宜且被视为低品质的燃料，如高硫煤、亚烟煤、褐煤和类似物的使用是实际可行的。这些燃料也提供更高的共反应物(如烟道气携带的飞灰中的氧化铝和二氧化硅)含量，从而产生具有有益性质的改性碳酸盐矿物沉淀物。
在与发电厂同处一地时，本发明的方法在有限的寄生能量要求下从发电厂产生的气态废物流中封存显著量的CO2。在一些情况下，该方法以50％或更低，如30％或更低，包括25％或更低的寄生能量要求从气态废物流中除去5％或更多、10％或更多、25％或更多、50％或更多、75％或更多的CO2。寄生能量要求是该发电厂产生的运行该二氧化碳封存法所需的能量。在一些情况下，以20％或更低、15％或更低、10％或更低的寄生能量要求实现上述CO2脱除水平。
可以与本发明的沉淀设施同处一地的另一类工厂是水泥厂，如波特兰水泥生产厂。图4提供示例性波特兰水泥生产设施的示意图。在图4中，石灰石400与页岩和其它添加剂410一起研磨至适当尺寸，并穿过预煅烧炉500，其使用来自烟道气430的废热预热该混合物，采用来自窑510的废热改进运行效率。该预热的混合物进入窑510，在此通过燃烧煤420来进一步处理该混合物。将所得熔渣480收集和储存在筒仓570中，在此将其与添加剂571，如石膏、石灰石等掺合并在球磨机580中研磨至所需尺寸。离开球磨机的产品是波特兰水泥490，其在船运给顾客之前储存在水泥筒仓590中。
来自窑510的烟道气430既含气态污染物，又含颗粒污染物。颗粒污染物被称作窑灰440，并经由静电沉淀器或袋滤室从烟道气中除去。由此除去的窑灰常被送往垃圾填埋场600，尽管有时将窑灰再循环到该窑中，或作为辅助粘结材料出售。该烟道气随后被风扇540吸入湿式洗涤器550，在此通过与生石灰浆料反应来除去烟道气中的硫氧化物，产生亚硫酸钙(例如石膏)浆料480，其通常在回收槽572中脱水并在垃圾填埋场600中处置。烟道气430离开湿式洗涤器430并经由烟囱560释放到大气中。由此释放的烟道气具有由煤的燃烧和经由将石灰石氧化成波特兰水泥所需的煅烧释放出的高CO2浓度。
图5显示了示例性的同处一地的水泥厂和根据本发明的一个实施方案的沉淀设施的示意图。此实施例中的方法与图4中的相同，只是碳酸盐沉淀设施代替图4的烟道气处理系统。一旦烟道气离开预煅烧炉500，其被风扇540吸入反应器630，在此采用海水620和碱625引发沉淀反应。所得浆料631经由泵640泵送到干燥站650，在此排出水651并将干燥的水泥质材料660储存以便运给顾客。在除去一部分或全部污染物，包括汞、SOx、颗粒物和CO2的情况下从烟囱670排出烟道气430。
图5显示了根据本发明的一个实施方案的不要求石灰石开采的示例性水泥厂的示意图。在此实施方案中，反应器630的产物可以在其运行过程中的一部分时期内呈相对纯净的碳酸钙形式，并在其它部分的时期内呈其它建筑材料形式。在此实例中，代替开采的石灰石，向预煅烧炉500和窑510中装入与相对纯净的沉淀碳酸钙670掺合的页岩和其它成分的混合物410。之前提到的且在此引入作为参考的美国专利申请序号no.12/126,776详细描述使用烟道气从海水中沉淀文石碳酸钙的程序。通过使用烟道气处理反应器的产物作为进料，该水泥厂经由该沉淀产物从海水中吸收其钙离子，并且仅在最初的短运行期中需要开采的石灰石直至产生足够的沉淀碳酸钙以装入该窑。
在本发明的实施方案中，碳酸盐沉淀在两个阶段中进行。第一阶段选择性沉淀碳酸钙，其随后可如图6中所示用作水泥厂的原料。第二沉淀阶段可以产生许多不同材料，包括水泥、集料、地上碳封存材料和类似物。
波特兰水泥是通过加热CaCO3而生成的60-70质量％CaO，其需要热并且对释放的每分子CaO而言释放1分子CO2。由于由燃料燃烧释放的额外CO2，沉淀设施输出的沉淀CaCO3超过为水泥厂提供原料所需的量。在这种情况下，该沉淀设施的一部分运行时间专用于制造其它水泥质材料660，如美国申请序号No.12/126,776中所述的那些；其公开内容在此引入作为参考。
如图6中所示制成的波特兰水泥490是碳中性的，因为来自其制造工艺的CO2被封存到沉淀的碳酸盐矿物670和水泥质材料660中。该波特兰水泥490可以就这样出售，或与水泥质材料660掺合或相互研磨以产生掺混水泥。
可提到的连续进料系统的实例描绘在图11中。在图11中，系统1100包括与反应器1110流体连通的水源(例如，来自海洋的管道以提供海水)1101。在反应器1110中还存在Ca/Mg/OH离子源和催化剂1111，其添加量足以将反应器1110中存在的水中的Mg/Ca离子比率提高至3或更多。反应器1110可以构造成填充床塔，并且如果需要，可以从碳酸氢盐充料开始构造。通过喷雾器/鼓泡器1113将含CO2的气体，例如烟道气1112与水在反应器1110中混合。在反应器1110中将Mg离子源和CO2与水混合以产生充有CO2的酸性水，其以4.8至7.5的pH值流出反应器1110。接着，充有CO2的酸性水流过导管1120，在此使用沿导管1120位于各种位置的各种CO2气体注射器1121、OH-调节器1123(如引入pH升高剂、电极等)和静态混合器1122，使其在混合的同时循环通过不同的碱度级，例如8.5至9.8。可以按需要控制通过导管1120的流速，例如控制到1GPM至1,000,000GPM，如30GPM至100,000GPM，包括4,000GPM至60,000GPM。导管1120的长度可以变化，范围为100英尺至20,000英尺，如1000英尺至7000英尺。在导管1120末端，获得浆料产物1130，该浆料产物包括沉淀的CO2封存产物和母液。所得浆料随后如1140处所示进给到水/固体分离器或沉降槽。
在某些实施方案中，可以使用两个或更多个反应器进行本文所述的方法。在图12A、12B和12C中显示了使用两个反应器的实施方案的示意图。在此实施方案中，该方法可以包括第一反应器1210和第二反应器1220。在这些情况下，第一反应器1210用于使起始水，例如新鲜海水1230与镁离子源1240接触，并用于向起始水中充入含CO2的气体，例如烟道气1250(其中此步骤也被称作碳酸氢盐充料)。可以在第一反应器1210中通过喷雾器/鼓泡器1280使烟道气1250与水接触。用搅拌器1260搅动该水以促进镁离子源的溶解和促进起始水与含CO2的气体的接触。在一些情况下，在将充有CO2的酸性水转移到第二反应器1220中之前，停止充有CO2的酸性水的搅动，以致未溶解的固体在重力作用下沉降。然后将充有CO2的酸性水经由导管1270从第一反应器1210转移到第二反应器1220。
在将充有CO2的酸性水转移至第二反应器1220后，可以进行碳酸盐沉淀步骤。在一些情况下，在第二反应器1220中使pH升高剂1290与水接触以促进含碳酸盐的沉淀物的形成。可以用搅拌器1295搅动第二反应器1220的内容物。在某些实施方案中，可以如上所述在第二反应器中进行一个或多个充入CO2和随后沉淀碳酸盐的追加步骤。在这些情况下，在第二反应器520中通过喷雾器/鼓泡器1285使追加的含CO2的气体，例如烟道气1255与水接触。所得浆料产物包括沉淀的CO2封存产物和母液，其随后如上所述进给到水/固体分离器或沉降槽。
给出下列实施例以向本领域普通技术人员提供如何实施和使用本发明的完整公开和描述，并且不拟限制本发明人视为其发明的范围，也不拟代表下列实验是实施的所有或唯一实验。已经努力确保所用数值(例如量、温度等)的精确度，但应该考虑一些实验误差和偏差。除非另行指明，份数为重量份，分子量为重均分子量，温度为摄氏度，且压力等于或接近大气压。
实验
实施例I.P00099的沉淀
A.P00099沉淀法
使用下列程序制造P00099沉淀物。将380升过滤海水泵送到筒形聚乙烯60°-锥形底刻度槽中。该反应槽是开放系统，向环境大气敞开。该反应槽始终使用置顶混合器搅拌。在反应全程中不断监测pH值、室温和水温。
将25克颗粒状(Ca，Mg)O(a.k.a.，白云石或煅烧白云石)混入海水。使沉降到槽底的白云石从槽底手工再循环到其顶部，以促进反应物的充足混合和溶解。以相同方式进行25克白云石的二次添加，包括沉降反应物的手工再循环。当水的pH值达到9.2时，使10％CO2(和90％压缩空气)的气体混合物通过陶瓷气石缓慢扩散到溶液中。当溶液pH值降至9.0时，向反应槽中加入另外25克白云石，这使pH值再次升高。只要溶液pH值降至9.0(或更低)，就重复白云石的添加，直至加入总共225克。在每次白云石添加之间进行沉降反应物的手工再循环。
在最终加入白云石后，停止通过溶液的连续气体扩散。将反应再搅拌2小时。此时，pH值连续升高。为使pH值保持在9.0至92，在pH值升至9.2以上时，使追加的气体扩散通过该反应，直至其达到9.0。在此2小时期间也进行沉降反应物的手工再循环4次。
在最终加入白云石后2小时，停止沉降反应物的搅拌、气体扩散和再循环。使反应槽静置15小时(向大气敞开)。
在15小时后，使用潜水泵通过反应槽顶部移除上清液。通过槽底移除残留混合物。使收集的混合物沉降2小时。在沉降后，滗析上清液。使残留浆料在Büchner漏斗中经由11微米孔径滤纸真空过滤。将收集的滤饼置于Pyrex皿中并在110℃下烘焙24小时。
将干燥产物在球磨机中研磨并通过一系列筛子按尺寸分级以产生P00099沉淀物。
B.材料分析
在收集的不同筛分级中，只使用含有留在38微米孔筛子上并穿过72微米孔筛子的粒子的级分。
1.化学特征
使用XRF分析用于掺合的P00099沉淀物的元素组成。对于这种掺合物中所用的QUIKRETETM I/II型波特兰水泥以及对于P00099沉淀物，主要成分的结果报道在下表4中。
表4：此掺合物中所用的I/II型波特兰水泥和P00099-002的XRF分析
Figure G2008800232162D00641
此沉淀物的XRD分析表明存在文石和镁方解石(组成接近Mg0.1Ca0.9CO3)和次要量的水镁石和岩盐(表5)。P00099沉淀物的FT-IR分析证实存在文石、方解石和水镁石。
Figure G2008800232162D00642
通过库仑分析法测得的总无机碳含量与由XRD Rietveld估计组成+XRF元素组成导出的相同值相当相符。表6提供与由XRD/XRF数据导出的％C相比，P00099的库仑分析。
Figure G2008800232162D00643
2.物理特性
在沉淀物上的SEM观察证实文石的优势度(针状)以及粒子附聚物的尺寸。波特兰水泥和P00099沉淀物的测得的BET比表面积(“SSA”)列在表7中。
Figure G2008800232162D00644
在预声处理2分钟后测定粒度分布以使附聚粒子离解。
实施例II.使用飞灰作为碱源
A.方法
使用磁搅拌棒在玻璃烧杯中连续搅拌500毫升海水(初始pH＝8.01)。连续监测该反应的pH和温度。以粉末形式递增加入F类飞灰(～10％CaO)，允许在加料之间平衡pH值。
B.结果和观察：
(所列飞灰量为累计总量，即在该实验中的该点加入的总量)
在加入5.00克飞灰后，pH值达到9.00。
34.14g--＞9.50
168.89g--＞9.76
219.47g--＞10.94
254.13g--＞11.20
300.87g--＞11.28
与蒸馏水相比，为提高海水pH值，需要多得多的飞灰。初次pH升高(8至9)需要的飞灰比进一步的升高少得多。在大部分反应过程中，pH保持相当稳定于约9.7。pH提高速率在～10后升高。还要指出，在加入飞灰时，pH值先降低。通过氢氧化钙的作用，迅速克服pH值的这种降低。来自该反应的真空干燥的浆料的SEM图像显示出已部分溶解的一些飞灰球。其余球体也似乎嵌在可能的水泥质材料中。
C.结论
在淡水(蒸馏)水中，据发现，少量的F类飞灰(＜1克/升)立即使pH值从7(中性)升至～11。升高pH值所必需的少量最可能归因于蒸馏水性质的无缓冲性。碳酸盐体系高度缓冲海水，因此需要多得多的飞灰使pH值升至类似水平。
实施例III.高收率的获得
A.方法1
将20％CO2/80％空气混合物鼓入1升海水直至达到pH＜5。一旦达到，将1.0克Mg(OH)2添加到1升碳酸/海水溶液中。连续鼓入20/80气体混合物20分钟以确保Mg(OH)2和气体的最大溶解。在溶解后，停止鼓泡，并加入2M NaOH直至达到pH 9.8。继续鼓入20/80气体直至达到pH 8.5。继续加入2M NaOH和对流加入20/80气体，保持8.5至9.8的pH范围直至加入总共200毫升2M NaOH。观察到6.91克的产量，具有10.6％碳(～80％碳酸盐)的库仑计读数。
B.方法2
将20％CO2/80％空气混合物鼓入1升海水直至达到pH＜5。一旦达到，将2.69克Mg(OH)2添加到1升碳酸/海水溶液中。连续鼓入20/80气体混合物20分钟以确保Mg(OH)2和气体的最大溶解。在溶解后，停止鼓泡，并加入2M NaOH直至达到pH 9.8。继续鼓入20/80气体直至达到pH 8.5。继续加入2M NaOH和对流加入20/80气体，保持8.5至9.8的pH范围直至加入总共200毫升2M NaOH。观察到10.24克的产量，具有9.7％碳(～75％碳酸盐)的库仑计读数。
沉淀碳酸盐的SEM、EDS和X-射线衍射显示了非晶和晶态Ca和Mg碳酸盐，以及存在Ca/Mg碳酸盐。在图13A和13B中提供沉淀物的照片。
C.方法3
将CO2鼓入1升海水直至达到pH 7或更低。添加被称作“MossMag”并获自Calera Corporation′s Moss Landing site(其是KaiserAluminum & Chemical Corporation and National Refractorie的从前所在地，在Moss Landing California，其中该补充剂是在该场地的尾矿池中存在的富Mg废物)的0至5.0克Mg离子补充剂，同时混合并继续鼓入CO2。加入0.175ppm Al2(SO4)3。继续鼓入CO2并加入碱，同时使pH值保持在7至8，以pH 7结束。停止鼓入CO2，加入碱直至达到9.0至10.4的pH值。如图14中所示，上述反应条件促进非晶碳酸盐化合物沉淀物的形成。所得非晶沉淀产物容易喷雾干燥以产生干燥产物。
D.方法4
如图12A、12B和12C中所示，在某些实施方案中，使用多步、多反应器法进行本文公开的方法。在第一反应器中，使用碳酸和搅动，将获自Moss Landing，California site的镁离子源(下文称作Moss Mag)加入该溶液。在Moss Mag溶解过程中，第一反应器中海水的pH值保持在70或更低的pH值。在某些实施方案中，对于1升海水，将1.0克50-150μm Moss Mag溶解到溶液中。pH 6.2-6.6或＞0.08克/升的硬度读数表明该溶液中溶解了适当量Moss Mag。在第一反应器中将CO2源，例如烟道气鼓入水中。整个反应过程中消耗的总烟道气的约40-50％在此步骤中溶解到海水中。鼓入烟道气直至pH值不再响应烟道气溶解，这花费约30-60分钟。在将充有CO2的酸性水从第一反应器转移到第二反应器中之前，停止搅拌以使未反应的Moss Mag、砂石或其它大粒子重力沉降。
然后将该充有CO2的酸性水从第一反应器转移到第二反应器。该第二反应器用于生成成核点和晶体生长。在将该溶液从第一反应器转移到第二反应器中后，进行下列步骤：
1.加入50％NaOH直至到达pH 9.5。例如，对1000加仑反应而言，使用能够泵送5-25毫升/秒50％NaOH的计量泵加入约20-25千克50％NaOH。达到pH 9.5后，停止加入50％NaOH。
2.将包括20％CO2/80％压缩空气的混合物的CO2源鼓入第二反应器直至达到pH 8.5。在达到pH 8.5后，停止鼓入CO2。
3.交替进行将50％NaOH加入反应器以升高pH值的步骤和鼓入CO2以降低pH的步骤。在交替加入50％NaOH和鼓入CO2的过程中，使pH保持在8.5-9.8之间。继续交替计量加入50％NaOH和鼓入CO2直至向反应器中加入总共90千克(即此步骤中65-70千克+第一步骤中20-25千克)50％NaOH。
4.最后一次加入50％NaOH后的最终pH值为9.6-9.8。
5.停止搅拌并使沉淀物重力沉降过夜，然后进行水/固体分离。或者，在停止搅拌后，使沉淀物重力沉降15分钟，然后进行加速水/固体分离。使沉淀物保持在低于50℃的温度下。
所得产量为每1000加仑反应器30-50磅沉淀物，并且依赖于沉淀前的Mg离子溶解和总硬度。
实施例IV.CO2吸收
A.方法1
在此实施例中，描述了实验室规模下的二氧化碳吸收。磁搅拌4.00升海水，同时将100％CO2剧烈鼓入该溶液19分钟，此时pH值达到4.89最小值。经2分钟向该溶液中加入32.00克喷射研磨的Mg(OH)2。同时，在Mg(OH)2溶解时，连续加入CO2总共18分钟以使pH值保持在7.90至8.00之间。接着，经5分钟加入100.00毫升2M NaOH，同时通过添加CO2来使pH值保持在8.00至8.10之间。为了促进沉淀，经5分钟加入275毫升2M NaOH并将所得溶液再搅拌52分钟。将该浆料真空过滤，并在炉中在50℃下干燥22小时以回收19.5克碳酸钙和碳酸镁(分别主要是文石和三水菱镁矿)/1升起始海水溶液。
B.方法2
在此实施例中，描述了实验室规模下的二氧化碳吸收。在100加仑锥形底塑料反应器中装入100加仑(380升)海水，在整个工艺过程中用置顶搅拌器(Portable Mixer w/Shaft，2-4″SS螺旋桨叶(1-推(push)，1-拉(pull))和Mounting Frame)搅拌。第一步骤是以25scfh的流速向溶液中鼓入CO2(浓度为20％CO2和80％压缩空气)。通过溶液pH值的稳定化，确定平衡。第二步骤是在剧烈混合下加入2.70克/升Mg(OH)2(1.02千克)。为了进一步促进Mg(OH)2的溶解，将CO2鼓入溶液。第三步骤是加入50重量％NaOH溶液直至达到pH 9.8，然后再鼓入CO2以将pH值降至8.0。重复最后这两个步骤——加入50重量％NaOH至pH 9.8和鼓入CO2至pH 8.0，直至向该溶液中加入总共16.0千克50重量％NaOH，其中NaOH的最后一次加入使pH值达到10.0。以10.24克/升碳酸钙和碳酸镁水合物的产量从溶液中分离和收集沉淀物。
C.方法3
在此实施例中，描述了实验室规模下的二氧化碳吸收。在100加仑锥形底塑料反应器中装入100加仑(380升)海水，在整个工艺过程中用置顶搅拌器搅拌。第一步骤是以100scfm(标准立方英尺/分钟)的流速向溶液中鼓入CO2(浓度为20体积％)。当容器顶空中的CO2浓度接近入口气体的浓度时，确定平衡。此步骤中的CO2吸收计算值可理解地低。第二步骤是缓慢加入379克Mg(OH)2以避免pH急剧提高，这会促进不希望的碳酸盐沉淀。为了进一步促进Mg(OH)2的溶解，将CO2鼓入溶液至6.3的最终pH。最后步骤是连续捕获溶液中的CO2。经过3.5小时，加入4.9千克NaOH以使pH平衡在7.9，同时鼓入CO2并使其反应形成碳酸氢根离子。此步骤中的CO2吸收计算值为68％至70％。结果列在图15中，其显示了pH和CO2吸收的演化(即时和累计)。pH曲线中的点1处的伪像(Artifacts)归因于pH探针的脱除以增加Mg(OH)2。
D方法4
在此实施例中，描述了工业规模下的二氧化碳吸收。在1000加仑反应器中装入900加仑(3400升)海水，其在整个工艺过程中搅拌。第一步骤是向溶液中加入3.3千克Mg(OH)2，这提高pH值和镁含量。接着，鼓入10体积％CO2，并通过连续加入NaOH直至30千克，保持pH7.9。这些步骤的总持续时间为5-6小时。加入最后一批38千克NaOH以提高pH值，从而形成和沉淀碳酸盐。此步骤的持续时间为10-20分钟。将该溶液再搅拌1小时以进一步沉淀。使反应沉降过夜。滗析该溶液，通过压滤或真空过滤回收固体产物。另外，在滗析后可以漂洗该溶液；由此加入水并压滤样品。或者，在初始真空过滤后加入水，搅拌并再过滤。最后，将产物喷雾干燥。总产量为5-7克/升原始溶液。
实施例V.铁镁质矿物在HCl中的高收率溶解
在此实施例中，描述了橄榄石的溶解和随后用于沉淀CO2。使用10％HCl溶液(475.66克)在50℃下溶解橄榄石(10.01克，粒度～5.8微米)。在将溶液搅拌10小时并使其静置9小时以提供0.2491摩尔/升的Mg2+ (aq)浓度后，将其趁热真空过滤以回收404.52克滤液。经1小时，使用15.01克NaOH(s)和5.23克NaOH(aq)(在50重量％溶液中)中和溶液。同时，将100％CO2剧烈鼓入该混合物以提供8.9的最终pH值，此时形成沉淀物。将该浆料真空过滤并在50℃下干燥17小时以产生19.26克产物，其含有MgCO3·H2O、NaCl、Fe-基化合物和Si-基化合物。
实施例VI.电化学
根据本发明双电极系统实现的示例性结果概括在下表8中。
表8：低能量电化学双电极方法和系统
跨电极的电压   时间(分钟)   阳极处的初始pH   阳极处的最终pH   阴极处的初始pH   阴极处的最终pH
  0.45V[在第一隔室中0.30V，和在第二隔室中0.15V] 30 4.994 5.204 7.801 7.431
在此实施例中，描述了用于将已充有CO2的海水脱质子的电化学系统。所用电池由被钯箔隔开的两个1升隔室构成。第一隔室充入CO2直至达到4.994的pH值。将牺牲锡阳极置于第一隔室中，并使锡电极和钯膜保持在100nA/cm2的恒电流控制下，这代表0.30V的电压。第二隔室由锡电极和溶解在海水中的SnCl2构成。第二隔室中的钯膜和锡电极保持在0.15V。该系统运行30分钟并如表8中所述，该系统表现出第一电解质中的pH提高和第二电解质中的pH降低。
根据本离子膜系统实现的示例性结果概括在下表9中。
表9.低能量电化学离子交换系统和方法
  跨电极的电压   时间(秒)   阳极处的初始pH   阳极处的最终pH   阴极处的初始pH   阴极处的最终pH
  0.6V   2000   6.7   3.8   6.8   10.8
  1.0V   2000   6.6   3.5   6.8   11.1
在此实施例中，描述了用于在低工作电压下产生NaOH和HCl的电化学电池，其使用位于阳极和阴极之间的离子交换膜。所用电池由被阴离子交换膜(PC-SA-250-250(PCT GmbH of Germany))隔开的两个250毫升隔室构成。在这两个隔室中，使用在18MΩ水溶液中的0.5MNaCl。该阳极和阴极都由10cmx5cm，45目Pt纱网构成。阳极隔室在Pt电极下鼓入H2气体，且两个电极保持在0.6V和1.0V偏压下2000秒。如表9中所述，这两个试验实现阴极隔室中pH值的显著提高和阳极隔室中的pH降低。
尽管为了清楚理解的目的，已经通过举例说明和实施例详细描述了本发明，但本领域普通技术人员根据本发明的教导容易看出的是，可以在不背离所附权利要求的精神或范围的情况下对其作出某些变动和修改。
相应地，上文仅举例说明本发明的原理。要认识到，本领域技术人员能够设计各种布置，它们尽管在本文中没有明确描述或展示，但体现了本发明的原理并包括在本发明的精神和范围内。此外，本文列举的所有实施例和条件用语主要是辅助读者理解本发明的原理和本发明人对推进本领域而贡献的概念，并且应该解释为不受这类明确列举的实施例和条件的限制。此外，本文用于列举本发明的原理、方面和实施方案及其具体实施例的所有陈述意在涵盖它们的结构等同物和功能等同物。另外，这类等同物旨在包括目前已知的等同物和将来开发出的等同物，即开发出的发挥相同功能(无论结构如何)的任何设计要素。因此，本发明的范围不限于本文展示和描述的示例性实施方案。相反，通过所附权利要求具体体现本发明的范围和精神。

Claims (82)

1.包括由人造CO2气态源形成稳定的含CO2的沉淀物的方法，其中沉淀物的形成采用从溶解着所述CO2气态源的一部分或全部CO2的水溶液中除去质子的方法，并且其中通过所述除去质子的方法生成的CO2少于通过所述沉淀物形成从CO2气态源中除去的CO2的70％。
2.根据权利要求1的方法，其中所述除去质子的方法包括不使用碱除去质子的方法。
3.根据权利要求2的方法，其中所述除去质子的方法包括不使用氢氧化物除去质子的方法。
4.根据权利要求1的方法，其中所述除去质子的方法包括使用碱除去质子的方法。
5.根据权利要求4的方法，其中所述除去质子的方法包括使用氢氧化物除去质子的方法。
6.根据权利要求1的方法，其中所述除去质子的方法包括不使用碱除去质子的第一方法和使用碱除去质子的第二方法。
7.从工业源中封存气态CO2的方法，包括以稳定的固体沉淀物形式从水溶液中沉淀一部分或基本全部CO2，其中所述沉淀以在单沉淀步骤中5克/升或更多稳定固体的收率进行。
8.根据权利要求7的方法，其中所述沉淀以在单沉淀步骤中10克/升或更多稳定固体的收率进行。
9.根据权利要求8的方法，其中所述沉淀以在单沉淀步骤中20克/升或更多稳定固体的收率进行。
10.根据权利要求9的方法，其中所述沉淀以在单沉淀步骤中50克/升或更多稳定固体的收率进行。
11.根据权利要求7的方法，其中该方法从所述工业源中除去5％或更多的二氧化碳。
12.根据权利要求11的方法，其中该方法从所述工业源中除去10％或更多的二氧化碳。
13.根据权利要求12的方法，其中该方法从所述工业源中除去25％或更多的二氧化碳。
14.根据权利要求7的方法，其中所述工业源包含NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物中的一种或多种，并且该方法导致NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物中的一种或多种固定在沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物中。
15.封存由发电厂生成的CO2的方法，包括在消耗少于50％的发电厂能量的方法中封存由该发电厂生成的CO2的30％或更多，其中不考虑可再生能量的使用和不考虑使用该方法的副产物产生能量，测定消耗的能量百分比。
16.根据权利要求15的方法，其中该方法包括在消耗少于50％的发电厂能量的方法中封存由该发电厂生成的CO2的40％或更多。
17.根据权利要求16的方法，其中该方法包括在消耗少于50％的发电厂能量的方法中封存由该发电厂生成的CO2的60％或更多。
18.根据权利要求17的方法，其中该方法包括在消耗少于50％的发电厂能量的方法中封存由该发电厂生成的CO2的70％或更多。
19.根据权利要求18的方法，其中该方法包括在消耗少于50％的发电厂能量的方法中封存由该发电厂生成的CO2的80％或更多。
20.根据权利要求15的方法，其中所述发电厂产生NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物中的一种或多种，并且该方法导致NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物中的一种或多种固定在沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物中。
21.封存二氧化碳的方法，该方法包括：
对含碱土金属离子的水施以碳酸盐化合物沉淀条件以产生人造的沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物；和
处置该沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物以封存二氧化碳。
22.根据权利要求21的方法，其中该方法进一步包括使所述含碱土金属离子的水与二氧化碳源接触。
23.根据权利要求22的方法，其中所述二氧化碳源是含二氧化碳的气流。
24.根据权利要求23的方法，其中所述含碱土金属离子的水在与所述含二氧化碳的气流接触时是中性或酸性的。
25.根据权利要求23的方法，其中所述含碱土金属离子的水在与所述含二氧化碳的气流接触时是碱性的，其中水的pH值不足以使储存稳定的二氧化碳封存产物沉淀。
26.根据权利要求25的方法，其中在与所述含二氧化碳的气流接触过程中水的pH保持在基本恒定的值。
27.根据权利要求26的方法，其中在与所述含二氧化碳的气流接触过程中通过向水中加入碱来使水的pH保持在基本恒定的值。
28.根据权利要求26的方法，其中以电化学方式使水的pH保持在基本恒定的值。
29.根据权利要求23的方法，其中在水与所述含二氧化碳的气流接触后，该方法包括将水的pH值提高到使该储存稳定的二氧化碳封存产物沉淀的值。
30.根据权利要求29的方法，其中该方法包括将水的pH值提高到10或更高。
31.根据权利要求30的方法，其中通过向水中加入碱来提高水的pH值。
32.根据权利要求30的方法，其中使用电化学程序提高水的pH值。
33.根据权利要求32的方法，其中所述电化学程序不产生氯气。
34.根据权利要求32的方法，其中所述电化学程序不产生氧气。
35.根据权利要求32的方法，其中所述电化学程序不产生不产生气体。
36.根据权利要求32的方法，其中所述电化学程序是在2V或更低下运行的程序。
37.根据权利要求36的方法，其中所述电化学程序是在1V或更低下运行的程序。
38.根据权利要求37的方法，其中所述电化学程序是在0.2V或更低下运行的程序。
39.根据权利要求21的方法，其中所述沉淀条件产生每升水5克或更多的储存稳定的二氧化碳封存产物。
40.根据权利要求39的方法，其中所述沉淀条件产生每升水10克或更多的储存稳定的二氧化碳封存产物。
41.根据权利要求40的方法，其中所述沉淀条件产生每升水50克或更多的储存稳定的二氧化碳封存产物。
42.根据权利要求41的方法，其中所述沉淀条件产生每升水100克或更多的储存稳定的二氧化碳封存产物。
43.根据权利要求42的方法，其中所述沉淀条件产生每升水200克或更多的储存稳定的二氧化碳封存产物。
44.根据权利要求23的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物包含1％至50％(w/w)碳。
45.根据权利要求44的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物包含6％至11％(w/w)碳。
46.根据权利要求45的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物包含7％至10％(w/w)碳。
47.根据权利要求44的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物中存在的碳的10％至100％来自含二氧化碳的气流。
48.根据权利要求47的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物中存在的碳的50％至100％来自含二氧化碳的气流。
49.根据权利要求48的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物中存在的碳的90％至100％来自含二氧化碳的气流。
50.根据权利要求49的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物中存在的碳的95％至100％来自含二氧化碳的气流。
51.根据权利要求21的方法，其中所述储存稳定的二氧化碳封存产物包括碳酸盐。
52.根据权利要求51的方法，其中所述碳酸盐是碳酸镁和碳酸钙。
53.根据权利要求52的方法，其中产物中碳酸镁/碳酸钙重量比为2-3/1。
54.根据权利要求23的方法，其中所述气流是来自工厂的工业气态废物流。
55.根据权利要求54的方法，其中所述工业气态废物流是由发电厂、铸造厂、水泥厂、精炼厂和冶炼厂之一产生的气态废物流。
56.根据权利要求55的方法，其中所述工业气态废物流是由化石燃料燃烧生成的发电厂烟道气。
57.根据权利要求56的方法，其中该方法以50％或更低的寄生能量要求从烟道气中除去5％或更多的二氧化碳。
58.根据权利要求57的方法，其中该方法以30％或更低的寄生能量要求从烟道气中除去10％或更多的二氧化碳。
59.根据权利要求58的方法，其中该方法以25％或更低的寄生能量要求从烟道气中除去25％或更多的二氧化碳。
60.根据权利要求56的方法，其中所述气态废物流包含NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物中的一种或多种，并且该方法导致NOx、SOx、VOC、汞和颗粒物中的一种或多种固定在沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物中。
61.根据权利要求21的方法，其中所述含碱土金属离子的水包含钙和镁。
62.根据权利要求61的方法，其中所述水是盐水。
63.根据权利要求61的方法，其中所述水是淡水。
64.根据权利要求61的方法，其中该方法包括通过使前体水与钙离子和镁离子至少之一的源接触来制造含碱土金属离子的水。
65.根据权利要求21的方法，其中所述处置包括将所述产物置于处置场所。
66.根据权利要求61的方法，其中所述处置包括使用所述产物作为人造组合物的组分。
67.根据权利要求66的方法，其中所述人造组合物是建筑材料。
68.根据权利要求67的方法，其中所述建筑材料是混凝土组分。
69.根据权利要求68的方法，其中所述混凝土组分选自水泥、集料和辅助粘结材料。
70.根据权利要求67的方法，其中所述建筑材料是预成型建筑材料。
71.根据权利要求66的方法，其中所述人造组合物是非水泥质组合物。
72.包括由CO2气态源形成稳定的合成的含CO2的沉淀物的方法，其中沉淀物的形成采用从溶解着所述CO2气态源的一部分或全部CO2的水溶液中除去质子的方法，并且其中通过所述除去质子的方法生成的CO2少于通过所述沉淀物形成从CO2气态源中除去的CO2的70％。
73.根据权利要求72的方法，其中所述CO2气态源包括以工业方法产生的气体。
74.根据权利要求72的方法，其中所述CO2气态源包括大气。
75.一种方法，包括：
向发电厂供应气体，其中该气体包含CO2；
在发电厂中处理该气体；和
从发电厂释放气体，其中从发电厂释放的气体的CO2含量低于向发电厂供应的气体的。
76.封存二氧化碳的系统，该系统包括：
(a)含二氧化碳的工业气态废物流的来源；
(b)含碱土金属离子的水源；
(c)用于使所述二氧化碳源与所述水接触的充料元件；和
(d)用于对所述水施以碳酸盐化合物沉淀条件以产生沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物的反应器。
77.根据权利要求76的系统，其中含二氧化碳的工业气态废物流的来源是连接到选自发电厂、铸造厂、水泥厂、精炼厂和冶炼厂的工厂的气体传送装置。
78.根据权利要求77的系统，其中所述工业气态废物流是烟道气。
79.包含与一系统的气态废物流输入端流体连通的气态废物流输出端的工厂，所述系统包含：
(a)含碱土金属离子的水源；
(b)用于使来自所述气态废物流输入端的气态废物流与所述水接触的充料元件；和
(c)用于对所述水施以碳酸盐化合物沉淀条件以产生沉淀的储存稳定的二氧化碳封存产物的反应器。
80.根据权利要求79的工厂，其中所述气态废物流输出端是烟道。
81.根据权利要求79的工厂，其中工厂是发电厂。
82.根据权利要求79的工厂，其中工厂是水泥厂。
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