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CN101918614A - 用氢和电催化电极低电压生产碱 - Google Patents

用氢和电催化电极低电压生产碱 Download PDF

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CN101918614A
CN101918614A CN2010800009400A CN201080000940A CN101918614A CN 101918614 A CN101918614 A CN 101918614A CN 2010800009400 A CN2010800009400 A CN 2010800009400A CN 201080000940 A CN201080000940 A CN 201080000940A CN 101918614 A CN101918614 A CN 101918614A
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anodolyte
anode
negative electrode
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CN2010800009400A
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R·J·吉利亚姆
V·德克
B·博格斯
N·贾拉尼
T·A·阿尔布雷希特
M·史密斯
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Arelac Inc
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Calera Corp
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Abstract

碱生产系统，其包含含有氢-氧化阳极、含阴极的阴极隔室和构造成向该阳极输送氢气的氢输送系统的电化学装置，其中该装置经操作连向构造成用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统；及其方法。在另一实施方案中，包含与包含碳酸氢根离子的阴极电解质连通的氢-氧化阳极和构造成向该阳极输送氢气的氢输送系统的系统；及其方法。

Description

用氢和电催化电极低电压生产碱
交叉引用
本申请要求2009年2月10日提交的名称为“Low VoltageElectrochemical Hydroxide with Circulating Hydrogen Gas”的美国临时申请No.61/151,472；2009年2月10日提交的名称为“ElectrocatalystElectrodes for Low Voltage Electrochemical Hydroxide System”的美国临时申请No.61/151,484；和2009年2月10日提交的名称为“Low VoltageElectrochemical Hydroxide Cell Stacking System”的美国临时申请No.61/151,481的优先权，它们都全文经此引用并入本文。
背景
在许多化学工艺中，利用包含例如氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子的碱性溶液实现化学反应，例如中和酸，或缓冲溶液的pH值，或从溶液中沉淀不可溶的氢氧化物和/或碳酸盐和/或碳酸氢盐。如全文经此引用并入本文的上述美国临时专利申请中所述，可以通过将盐的水溶液转化成碱性溶液和酸的电化学系统生产碱性溶液。但是，由于该方法非常耗能，所以消耗大量电能；也消耗大量盐和水。因此，降低能量和材料消耗是非常合意的。
发明内容
本发明提供生产碱性溶液的低电压、低能量电化学系统和方法，包括在阴极处将水还原成氢氧根离子和氢气并使氢氧根离子迁移到阴极电解质中以制造碱性溶液。通过该系统和方法，在阳极处，将氢气氧化成质子且在阳极处不产生气体，并使该质子迁移到阳极电解质或相邻电解质中以制造酸。在一些实施方案中，该碱性溶液进一步包含通过将二氧化碳添加到阴极电解质中而生成的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。在一些实施方案中，通过横跨阳极和阴极施加低于3V来制造该碱性溶液。在一些实施方案中，回收阴极处产生的氢气并导向阳极，在此将其还原成质子。
在一些实施方案中，在电极上提供电催化剂以催化阳极处的氢的氧化和催化阴极处的水还原成氢氧根离子和氢气。
在一些实施方案中，多个阳极和阴极串联或并联或以级联构造排列以使该碱性溶液的生产中消耗的能量最小化。
在一个实施方案中，该系统包含电化学装置，该电化学装置包含含氢-氧化阳极的阳极隔室、含阴极的阴极隔室、和经构造以向阳极输送氢气的氢输送系统，其中该装置可经操作连向经构造以用阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统(carbon sequestration system)。
在另一实施方案中，该系统包含与阴极电解质连通的氢-氧化阳极(hydrogen-oxidizing anode)；和经构造以用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统。
在该系统的一些实施方案中，在阳极处氧化的氢气获自在阴极处生成的氢气。在一些实施方案中，该阴极电解质包含添加的二氧化碳；在一些实施方案中，该二氧化碳包含在工业废气中。在一些实施方案中，该阴极电解质包含氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。
在一些实施方案中，该系统经构造以通过横跨阳极和阴极施加低于3V来在阴极电解质中产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子和/或氢氧根离子；在阴极处产生氢气；和在阳极处产生质子，且在阳极处不产生气体。
在一些实施方案中，该阳极和/或阴极包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵的或非贵的硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂。在一些实施方案中，该电催化剂构造在阳极上以催化氢气氧化成质子；和构造在阴极上以催化氢气和氢氧根离子的生成。
在一些实施方案中，该系统包括经构造以用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统；在一些实施方案中，该二氧化碳包含在工业废气中；在一些实施方案中，该二氧化碳以包含二价阳离子，例如钙离子和/或镁离子的碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存。
在一些实施方案中，该系统经构造以在阳极电解质中制造酸；在一些实施方案中，该系统包括经构造以用该酸制造二价阳离子的酸溶解系统；在一些实施方案中，该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。在一些实施方案中，通过用该酸溶解矿物来制造二价阳离子并供应给碳封存系统。
在一些实施方案中，该系统包含串联布置的多对阳极-阴极以接收通过各阳极-阴极对的串联电流；在一些实施方案中，该系统包含并联布置的多个阳极-阴极对以接收在各对阳极-阴极对之间的并联电压。
在一些实施方案中，该系统包含多对阳极电解质和阴极电解质，其中第一对的阴极电解质连向第二对的阴极电解质；且其中第一对的阳极电解质连向第二对的阳极电解质。在一些实施方案中，第二对的阴极电解质的pH等于或大于第一对中的阴极电解质的pH；且第二对的阳极电解质的pH等于或小于第一对的阳极电解质的pH。
在一些实施方案中，该系统包含多对阳极电解质和阴极电解质，其中第二对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阴极电解质；且第三对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阳极电解质。在一些实施方案中，第二对的阴极电解质的pH等于或大于第一对的阴极电解质的pH；和第三对的阳极电解质的pH等于或小于第一对的阳极电解质的pH。在一些实施方案中，第二对的阴极电解质包含第一对的稀释的阴极电解质；且第三对的阳极电解质包含第一对的稀释的阳极电解质。
在另一实施方案中，本发明提供生产碱性溶液的低电压、低能量方法，包括在阳极处将氢气氧化成质子且在所述阳极处不产生气体；和在与该阳极连通的阴极电解质中产生碳酸氢根离子。
在另一实施方案中，该方法包括构造电化学装置，其包括：含氢-氧化阳极的阳极隔室、含阴极的阴极隔室和经构造以向该阳极输送氢气的氢输送系统，其中该装置可经操作连向碳封存系统；和用该阴极电解质封存二氧化碳。
在该方法的一些实施方案中，横跨阳极和阴极施加的电压低于3V，且在阳极处氧化的氢气由阴极处生成的氢提供。
在一些实施方案中，该方法包括将二氧化碳添加到该阴极电解质中和在该阴极电解质中产生氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子；在一些实施方案中，该二氧化碳包含在工业废气中。
在该方法的一些实施方案中，该阳极和/或阴极包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵金属或非贵金属硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂。在一些实施方案中，该电催化剂经构造以在阳极处催化氢气氧化成质子，和在阴极处催化氢气和氢氧根离子的生成。
在一些实施方案中，该方法包括构造碳封存系统以便用该阴极电解质封存二氧化碳，其中该二氧化碳包含在工业废气中；在一些实施方案中，该二氧化碳以碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存；在一些实施方案中，该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含二价阳离子；在一些实施方案中，该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
在一些实施方案中，该方法包括在阳极电解质中制造酸；和构造酸溶解系统以便用该酸制造二价阳离子。在一些实施方案中，该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子；在一些实施方案中，该方法包括通过用该酸溶解矿物来制造二价阳离子。在一些实施方案中，该方法包括构造该酸溶解系统以便向碳封存系统提供二价阳离子。
在一些实施方案中，该方法包括构造串联的多对阳极-阴极以接收通过各对阳极和阴极的串联电流。在一些实施方案中，该方法包括构造并联的多对阳极-阴极以接收在各阳极-阴极对之间的并联电压。
在一些实施方案中，该方法包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此第一对的阴极电解质连向第二对的阴极电解质；且第一对的阳极电解质连向第二对的阳极电解质。在一些实施方案中，该方法包括将第二对的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对中的阴极电解质的pH的值；和将第二对的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对的阳极电解质的pH的值。
在一些实施方案中，该方法包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此第二对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阴极电解质；且第三对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阳极电解质。在一些实施方案中，该方法包括将第二对的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对的阴极电解质的pH的值；和将第三对的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对的阳极电解质的pH的值。
在各种实施方案中，产物包含氢氧化钠和/或碳酸氢钠和/或碳酸钠、盐酸和已从中除去了某些阳离子和阴离子的贫离子盐水。在一些实施方案中，如全文经此引用并入本文的2008年12月24日提交的共同转让的美国专利申请no.12/344,019中所述，该产物用于通过使废气与包含二价阳离子和氢氧根和/或碳酸氢根和/或碳酸根离子的溶液接触以沉淀二价阳离子碳酸盐和/或碳酸氢盐来封存二氧化碳和工业废气的其它成分，例如硫气体、氮氧化物气体和其它燃烧气体。包含例如钙和/或镁的碳酸盐和/或碳酸氢盐的沉淀物在各种实施方案中用作建筑材料，例如用作水泥和集料，如全文经此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同转让的美国专利申请no.12/126,776中所述。
在另一用途中，已从中除去了某些阳离子和阴离子(例如钠和氯离子)的贫离子盐水用作脱盐系统中的进料水，在此进一步加工该贫离子水，如全文经此引用并入本文的2008年6月27日提交的共同转让的美国专利申请no.12/163,205中所述。
在另一实施方案中，在该系统中制成的酸和/或在阴极电解质中制成的碱性溶液用于溶解包含二价阳离子，例如Ca++和Mg++，的矿物和废料以产生在使用本文的阴极电解质制造二价金属离子碳酸盐沉淀物时使用的二价阳离子溶液。在各种实施方案中，该沉淀物用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文经此引用并入本文的共同转让的美国专利申请no.12/126,776中所述。
有利地，借助本系统和方法，由于在阳极和阴极之间采用相对较低的电压生产碱性溶液，且由于在阴极生成的氢气在阳极处被氧化成质子且在阳极处不产生气体，利用相对较低的能量生产碱性溶液。此外，通过该系统和方法，由于利用来自工业废气的二氧化碳生产碱性溶液，利用该系统和方法封存大量二氧化碳并因此减少二氧化碳排放到大气中。类似地，制成的酸以各种方式利用，包括溶解材料，例如矿物和生物质，以制造用在该系统中的阳离子。
附图说明
下面是图解本发明的实施方案的附图的简述：
图1是该系统的实施方案的图示。
图2是该系统的实施方案的图示。
图3是该方法的实施方案的图示。
图4是该系统的实施方案的图示。
图5是该系统中水中的碳酸根离子/碳酸氢根离子物种形成的图示。
图6是将二氧化碳添加到该系统的阴极电解质中的效果的图示。
图7是该系统的实施方案的图示。
图8是该系统的实施方案的流程图。
图9是该氢系统的实施方案的图示。
图10是电极的实施方案的图示。
图11是电极的实施方案的图示。
图12是电极的实施方案的图示。
图13是电池构造的实施方案的图示。
图14是电池构造的实施方案的图示。
图15是电池构造的实施方案的图示。
图16是电池构造的实施方案的图示。
图17是电池构造的实施方案的图示。
具体实施方式
本发明提供在电化学系统中通过在阳极处将氢氧化成质子和在阴极处将水还原成在阴极处的氢氧根离子和氢来生产碱性溶液的低电压/低能量系统和方法。在一些实施方案中，将二氧化碳添加到阴极电解质中以在该阴极电解质中产生碳酸根离子和/或碳酸氢根离子；在阳极处不产生气体。在一些实施方案中，通过横跨阳极和阴极施加电压，在该阴极电解质中制造包含例如氢氧化钠和/或碳酸钠和/或碳酸氢钠的碱性溶液。在一些实施方案中，该电压低于3V。
在一些实施方案中，采用地下盐水作为用于生产该碱性溶液的盐/阳离子/阴离子的源。在一些实施方案中，在电极上提供电催化剂以在阳极处催化氢的氧化和在阴极处催化氢氧根离子和氢气的生成。在一些实施方案中，多个阳极和阴极以串联、并联和级联构造排列以使该碱性溶液生产中消耗的能量最小化。在一些实施方案中，使用包含例如氯化钠的盐溶液生产该碱性溶液。
在一些实施方案中，在阳极电解质中由在阳极处产生并从阳极迁移到阳极电解质中的氢离子和该电解质中的阳离子中的阳离子，例如氯离子制造酸，例如盐酸。
在一些实施方案中，该酸用于溶解材料，例如矿物，例如蛇纹石或橄榄石以提供二价阳离子溶液，例如钙和镁离子，其在一些实施方案中可以与该碱性溶液一起使用以沉淀衍生自废气流中的二氧化碳，例如化石燃料供能的发电厂或水泥生产厂的废气中的二氧化碳，的碳酸盐和/或碳酸氢盐。在一些实施方案中，使用氯化钠溶液作为阳极电解质。
在一些实施方案中，横跨阳极和阴极施加电压时，阳极电解质中的阳离子，例如钠离子从该盐溶液穿过阳离子交换膜迁移到阴极电解质中以在该阴极电解质中产生包含例如氢氧化钠和/或碳酸钠和/或碳酸氢钠的碱性溶液；同时，该盐溶液中的阴离子，例如氯离子迁移到阳极电解质中以与阳极处形成的质子生成酸，例如盐酸。
在一些实施方案中，在阴极处产生氢气和氢氧根离子，在一些实施方案中，将阴极处产生的一部分或全部氢气导向阳极，在此将其氧化产生氢离子。
本领域普通技术人员可以认识到，由于可以用备选或同等的盐，例如硫酸钾溶液构造本文的实施方案以通过横跨阳极和阴极施加本文的电压来在阴极电解质中制造同等的碱性溶液，例如氢氧化钾和/或碳酸钾和/或碳酸氢钾和在阳极电解质中制造另一酸，例如硫酸，本发明不限于本文所述的示例性实施方案，而是可以与同等的盐，例如硫酸钾一起使用以在阴极电解质中制造碱性溶液，例如碳酸钾和/或碳酸氢钾和在阳极电解质中制造酸，例如硫酸。因此，就这类同等物基于本文的实施方案或本文的实施方案暗示了这类同等物而言，这些同等物在所附权利要求书的范围内。
在下列详述中，参照一个或多个附图描述该系统和方法的实施方案。但是，应该理解的是，该描述是示例性而非限制性的，因为本发明适用于本文中没有详细描述但可合理设想的其它电池构造，包括单电池、双电池、三电池和其它多电池构造。
类似地，应该理解的是，尽管特别使用包含钠离子和氯离子的盐水描述本发明，但该描述也是示例性而非限制性的，因为如本领域普通技术人员可以认识到的那样，本发明适用于同等的水性盐，例如硫酸盐和硝酸盐等，例如硫酸钾。
参照图1-17，在一些实施方案中，利用气体混合器/气体吸收器将二氧化碳添加到阴极电解质中。在一个实施方案中，该气体混合器/气体吸收器包含一系列喷嘴，其产生液体平层或幕帘，气体吸收到其中；在另一实施方案中，该气体混合器/气体吸收器包含喷淋吸收器，其制造雾且气体吸收到其中；在另一些实施方案中，使用其它市售气体/液体吸收器，例如可获自Neumann Systems，Colorado，USA的吸收器。
添加到阴极电解质中的二氧化碳可获自释放二氧化碳的各种工业源，包括来自化石燃料供能的发电厂，例如传统燃煤、燃油和燃气发电厂或通过燃烧合成气来发电的IGCC(集成煤气化联合循环)发电厂；将石灰石转化成石灰的水泥制造厂；矿石加工厂；发酵工厂等的燃烧气体的二氧化碳。在一些实施方案中，该二氧化碳可能包含其它气体，例如氮气、氮氧化物(一氧化二氮、氧化一氮)、硫和硫气体(二氧化硫、硫化氢)和气化材料。
在一些实施方案中，该系统包括在二氧化碳用在阴极电解质中之前除去二氧化碳气流中的成分的气体处理系统。在一些实施方案中，从该系统中提取一部分或全部量的包含碳酸氢根离子和/或碳酸根离子/和或氢氧根离子的阴极电解质并在外源二氧化碳气/液接触器中与二氧化碳气体接触以提高该溶液中吸收的二氧化碳含量。在一些实施方案中，将该富集二氧化碳的溶液送回阴极隔室；在另一些实施方案中，使该富集二氧化碳的溶液与包含二价阳离子的溶液反应以产生二价阳离子氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢盐。
在一些实施方案中，该阴极电解质的pH值通过从阴极迁移而来的氢氧根离子上调，和/或通过将二氧化碳气体溶解在阴极电解质中以产生与氢氧根离子反应并除去氢氧根离子的碳酸和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子来下调。因此，可以认识到，该阴极电解质的pH值至少部分取决于这两种过程的平衡。
参照图1，系统100在一个实施方案中包含气体扩散阳极102和与包含溶解的二氧化碳107A的阴极电解质108、108A、108B接触的阴极106。该系统在一些实施方案中包括经构造以向阳极102输送氢气的气体输送系统112；在一些实施方案中，该氢气获自阴极106。在该系统中，横跨阳极和阴极施加低电压114，例如小于2V时，将阳极102经构造以产生质子，和将阴极106经构造以产生氢氧根离子和氢气。在该系统中，在阳极102处不产生气体。
如图1中所示，第一阳离子交换膜116位于阴极电解质108、108A、108B和盐溶液118之间；且在阳极电解质104与阳极102被第二阳离子交换膜122隔开的构造中，阴离子交换膜120位于盐溶液118和阳极电解质104之间。在该系统中，第二阳离子交换膜122位于阳极102和阳极电解质104之间以使阴离子可以从盐溶液118穿过阴离子交换膜120迁移到阳极电解质104中；但是，通过与阳极102相邻的第二阳离子交换膜122防止阴离子接触阳极102。
在一些实施方案中，该系统可经构造以使阴离子，例如氯离子从盐溶液118穿过阴离子交换膜120迁移到阳极电解质104中；使阳离子，例如钠离子从盐溶液118穿过第一阳离子交换膜116迁移到阴极电解质108、108A、108B中；使质子从阳极102迁移到阳极电解质104中；和使氢氧根离子从阴极106迁移到阴极电解质108、108A、108B中。由此，在一些实施方案中，该系统可以经构造以在阴极电解质108、108A、108B中制造氢氧化钠和/或碳酸氢钠和/或碳酸钠；和在阳极电解质中制造酸，例如盐酸124。
在如图1中所示的一些实施方案中，该系统包含将阴极电解质108分隔成第一阴极电解质部分108A和第二阴极电解质部分108B的隔板126，其中包含溶解的二氧化碳的第二阴极电解质部分108B接触阴极106；且其中包含溶解的二氧化碳和气态二氧化碳的第一阴极电解质部分108A与第二阴极电解质部分108B在隔板126下方接触。在该系统中，该隔板位于阴极电解质中以将第一阴极电解质部分108A中的气体，例如二氧化碳与第二阴极电解质部分108B中的阴极电解质隔离。因此，例如，当在阴极处生成气体，例如氢气并需要将这种阴极气体与可能由阴极电解质释放的气体或蒸气隔开时，该隔板可充当防止来自阴极的气体与来自阴极电解质的气体和或蒸气混合的工具。尽管这种系统显示在图1中，但其适用于本文所述的任何电化学系统，例如图4、7和8中所示的系统。
因此，在一些实施方案中，横跨阳极和阴极施加本发明的电压时，该系统可以经构造以在阴极106处产生氢氧根离子和氢气；使氢氧根离子从阴极迁移到阴极电解质108、108B、108A中；使阳离子从盐溶液118穿过第一阳离子交换膜116迁移到阴极电解质中；使氯离子从盐溶液118穿过阴离子交换膜120迁移到阳极电解质104中；和使质子从阳极102迁移到阳极电解质104中。因此，根据所用盐溶液118，该系统可以经构造以在阴极电解质中制造碱性溶液，例如氢氧化钠。
在一些实施方案中，该系统经操作连向二氧化碳气/液接触器128，其经构造以从该系统中移除阴极电解质并在将该阴极电解质送回该系统之前在该气/液接触器中将二氧化碳溶解在该阴极电解质中。
在另一些实施方案中，将阴极电解质经操作连向经构造以从包含二氧化碳气体和二价阳离子的溶液中沉淀二价阳离子碳酸盐和/或二价阳离子碳酸氢盐和/或二价阳离子氢氧化物的系统(未显示)。
图2显示本文所述的系统的实施方案中可用的合适的气体扩散阳极的示意图。在一些实施方案中，该气体扩散阳极包含用能够横跨阳极和阴极施加本发明的电压时催化氢气氧化成质子的催化剂136浸渍的导电基底130。在一些实施方案中，该阳极包含与向该阳极提供的氢气形成界面的第一面132和与阳极电解质104形成界面的相反第二面134。在一些实施方案中，与氢气形成界面的基底部分132是疏水和相对干燥的；与阳极电解质104形成界面的基底部分134是亲水和可能湿润的，这促进质子从阳极迁移至阳极电解质。在各种实施方案中，该基底是多孔的以促进气体从第一面132移向可能位于阳极第二面134上的催化剂136；在一些实施方案中，该催化剂也可能位于基底130的主体内。可以在其如本文所述的亲水或疏水特性方面以及在其促进从阳极经由连向电压源114的集电器的电子传导的低欧姆电阻方面选择基底130；也可以在其对于从阳极到阳极电解质116的离子迁移，例如质子迁移的多孔性方面选择该基底。
在一些实施方案中，该催化剂可包含铂、钌、铱、铑、锰、银或其合金。合适的气体扩散阳极可购得，例如购自E-TEK(USA)和其它供应商。
在如图8中所示的阳极的一些实施方案中，该阳极包含接触阳极第二面134的离子交换膜，例如阳离子交换膜122。在此类实施方案中，该离子交换膜可用于允许或防止离子迁入或迁出阳极。因此，例如，参照图8，当在阳极处生成质子时，阳离子交换膜可用于促进质子从阳极迁移至和/或阻止离子，例如阳离子迁移至该基底。在这些实施方案中，可以选择该离子交换膜以优先允许一种类型的阳离子，例如氢离子通过，同时防止另一类型的离子，例如钠离子通过。
如图1中所示，该系统包括位于阳极电解质104和阴极电解质108、108A、108B之间的盐溶液118。在一些实施方案中，阴极电解质与盐溶液被允许阳离子，例如钠离子从该盐溶液迁移到阴极电解质中的第一阳离子交换膜116隔开。第一阳离子交换膜116也能阻止阴离子从阴极电解质108、108A、108B迁移到盐溶液118中。在一些实施方案中，阳极电解质104与盐溶液118被允许阴离子，例如氯离子从盐溶液118迁移到阳极电解质104中的阴离子交换膜108隔开。但是，该阴离子交换膜会阻止阳离子，例如质子从阳极电解质104迁移到盐溶液118中。
参照图1和2，该系统包括经构造以向阳极102提供氢气的氢气供应系统112。该氢气可获自阴极106或可获自外部来源，例如获自商业氢气供应器，例如当来自阴极的氢供应不足时在该系统启动时获得。在该系统中，将氢气氧化成质子和电子；回收未反应的氢气并在阳极循环140。
参照图1，在运行中，阴极电解质108、108A、108B最初充有碱性电解质，例如氢氧化钠溶液，阳极电解质104最初充有酸性电解质，例如稀盐酸。该阴极电解质最初还充有二氧化碳气体107A、128，并向阳极供应氢气。在该系统中，横跨阳极和阴极施加电压时，阳极处产生的质子会进入阳极电解质并试图从阳极电解质104经由阴极和阳极之间的盐溶液118迁移至阴极106。但是，由于阴离子交换膜会阻止质子迁移到盐溶液中，质子会积聚在阳极电解质104中。
同时，在阴极106处，阳极和阴极之间的电压会在阴极处产生氢氧根离子和氢气。在一些实施方案中，回收阴极处产生的氢并导向阳极102，在此将其氧化成质子。在该系统中，阴极106处产生的氢氧根离子会进入阴极电解质108、108A、108B，它们试图从此处经由阴极和阳极之间的盐溶液118迁移至阳极102。但是，由于阴极电解质108、108A、108B与盐溶液电解质被阻止阴离子通过的第一阳离子交换膜116隔开，该第一阳离子交换膜会阻止氢氧根离子从阴极电解质迁移到该盐溶液中；因此，氢氧根离子会积聚在阴极电解质108、108A、108B中。
在如图1中所示的系统中，借助阳极和阴极之间的电压，由于该盐溶液与阴极电解质被第一阳离子交换膜116隔开，该盐溶液中的阳离子，例如钠离子会穿过第一阳离子交换膜116迁移到阴极电解质108、108A、108B中，阴离子，例如氯离子会穿过阴离子交换膜120迁移到阳极电解质中。因此，在该系统中，如图1中所示，在阳极电解质104中制造酸，例如盐酸124，在阴极电解质中制造碱性溶液，例如氢氧化钠。可以认识到，随着阳离子和阴离子从该盐溶液中迁移，该系统在一些实施方案中可以经构造以由盐溶液118制造部分去离子的盐溶液。在一些实施方案中，这种部分去离子的盐溶液可用作脱盐设施(未显示)的进料水，在此其可以如全文经此引用并入本文的2008年6月27日提交的共同转让的美国专利申请no.12/163,205中所述进一步加工以制造脱盐水；或者，该溶液可用在可接受其盐度的工业和农业用途中。
参照图1，该系统在一些实施方案中包括附着到阳极基底105上的第二阳离子交换膜124，以使其将阳极102与阳极电解质隔开。在这种构造中，由于该第二阳离子交换膜122是阳离子可透的，阳极处形成的质子会如本文所述迁移到阳极电解质中；但是，由于该第二阳离子交换膜122是阴离子不可透的，会阻止阳极电解质中的阴离子，例如氯离子迁移至阳极102，由此避免阳极和可能例如通过腐蚀与该阳极相互作用的阴离子之间的相互作用。
参照图1，在一些实施方案中，该系统包括隔板128，其经构造以J-形结构并置于阴极电解质108、108A、108B中以在该阴极电解质隔室的上部划定向上渐细的通道144。该隔板也在阴极电解质的下部划定向下渐细的通道146。由此，在隔板就位时，将阴极电解质108分隔成第一阴极电解质部分108A和第二阴极电解质部分108B。如图1中所示，第一阴极电解质部分108A中的阴极电解质与第二阴极电解质部分108B中的阴极电解质接触；但是，防止第一电解质部分108A中的气体，例如二氧化碳与第二阴极电解质108B中的阴极电解质混合。尽管这显示在图1的系统中，但这种构造可用在需要分隔电解质溶液，例如阴极电解质以使引入一部分中的气体与另一部分保持分隔的任何系统中。例如，这种构造可用在如本文中，例如如图7和8中所述的任何系统中。
参照图1，该系统在一些实施方案中包括适用于在该系统中提取和循环阴极电解质的阴极电解质循环系统142。在一个实施方案中，该阴极电解质循环系统包含适用于将二氧化碳溶解在循环阴极电解质中和适用于使该电解质在该系统中循环的二氧化碳气/液接触器128。可以认识到，由于可以通过从该系统中提取和/或循环阴极电解质来调节该阴极电解质的pH，可以通过经由二氧化碳气/液接触器128调节从该系统中取出的阴极电解质的量来调节该阴极电解质隔室的pH。
在如图4中所示的备选方案中，该系统包含与阴极电解质108接触的阴极106和与阳极电解质104接触的阳极102。在该系统中，该阴极电解质包含充当阴极电解质以及该系统中制成的碱性和酸溶液的氯离子和钠离子源的盐溶液。在该系统中，阴极电解质与阳极电解质被允许阴离子，例如氯离子从该盐溶液迁移到阳极电解质中的阴离子交换膜120隔开。如图4中所示，该系统包括经构造以向阳极提供氢气的氢气输送系统112。该氢气可获自阴极和/或获自外部来源，例如商业氢气供应器，例如当来自阴极的氢供应不足时在该操作启动时获得。在一些实施方案中，该氢输送系统经构造以将气体输送至阳极，在此，催化该气体氧化成质子和电子。在一些实施方案中，回收该系统中未反应的氢气并再循环至阳极。
参照图4，如图1的系统那样，横跨阳极和阴极施加电压时，在阳极处由氢的氧化生成的质子会进入阳极电解质，它们试图从此处穿过阴离子交换膜120迁移到阴极电解质中。但是，由于阴离子交换膜120会阻止阳离子通过，质子会积聚在阳极电解质中。但是，同时，阴离子可透的阴离子交换膜120允许阴离子，例如氯离子从阴极电解质迁移至阳极，因此在此实施方案中，氯离子会迁移到阳极电解质中以在该阳极电解质中制造盐酸。在该系统中，将阳极和阴极之间的电压调节至在阴极处产生氢氧根离子和氢气且在阳极处不产生气体，例如氯气或氧气的水平。在该系统中，由于阳离子不会穿过阴离子交换膜116从阴极电解质中迁移，钠离子会积聚在阴极电解质108中以与阴极处产生的氢氧根离子生成碱性溶液。在将二氧化碳气体溶解在阴极电解质中的实施方案中，钠离子也可能如本文参照图1所述在该阴极电解质中产生碳酸氢钠和/或碳酸钠。
参照图1，根据该阴极电解质的pH，引入第一阴极电解质部分108A中的二氧化碳气体会如下溶解在该阴极电解质中并可逆离解和平衡以在第一阴极电解质隔室中产生碳酸、质子、碳酸根离子和/或碳酸氢根离子：
CO2+H2O<＝＝>H2CO3<＝＝>H++HCO3 -<＝＝>H++CO3 2-
在该系统中，由于第一阴极电解质部分108A中的阴极电解质可能与第二阴极电解质部分108B混合，在第一阴极电解质部分108A中通过在该阴极电解质中吸收二氧化碳而形成的碳酸、碳酸氢根和碳酸根离子可能迁移和与第二阴极电解质部分108B中的阴极电解质平衡。因此，在一些实施方案中，第一阴极电解质部分108A可能包含溶解和未溶解的二氧化碳气体、和/或碳酸、和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子；而第二阴极电解质部分108B可能包含溶解的二氧化碳、和/或碳酸、和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。
参照图1，在横跨阳极102和阴极108施加电压时，系统100可以如下在阴极处由水产生氢氧根离子和氢气：
2H2O+2e-＝H2+2OH-
由于第一阴极电解质部分108A中的阴极电解质可以与第二阴极电解质部分108B中的阴极电解质互混，在该第二阴极电解质部分中形成的氢氧根离子可能迁移和与第一阴极电解质部分108A中的碳酸根和碳酸氢根离子平衡。因此，在一些实施方案中，该系统中的阴极电解质可能包含氢氧根离子和溶解和/或未溶解的二氧化碳气体、和/或碳酸、和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。在该系统中，由于该阴极电解质中二氧化碳的溶解度以及碳酸氢根和碳酸根离子的浓度取决于该电解质的pH，阴极电解质104中的总体反应为：
情况1：2H2O+2CO2+2e-＝H2+2HCO3 -；或
情况2：H2O+CO2+2e-＝H2+CO3 2-
或两者的组合，这取决于该阴极电解质的pH。这显示在图5中的碳酸盐物种形成图中。
对于任一情况，可以由下列公式通过该反应的吉布斯能变化确定该系统的总电池电势：
E电池＝-ΔG/nF
或，在标准温度和压力条件下：
Eo 电池＝-ΔGo/nF
其中，E电池是电池电压，ΔG是该反应的吉布斯能，n是转移的电子数，F是法拉第常数(96485J/Vmol)。这些反应各自的E电池根据如图6中所示基于Nernst方程依赖于pH。
同样，对于任一情况，可以通过各半电池反应的Nernst方程的组合确定总电池电势：
E＝Eo-RTln(Q)/nF
其中，Eo是标准还原电势，R是通用气体常数，(8.314J/mol K)T是绝对温度，n是参与该半电池反应的电子数，F是法拉第常数(96485J/V mol)，且Q是反应商，以使：
E总量＝E阴极+E阳极
当如下在阳极处将氢氧化成质子时：
H2＝2H++2e-，
Eo是0.00V，n是2，且Q是H+的活性的平方，以使：
E阳极＝+0.059pHa，
其中pHa是阳极电解质的pH。
当如下在阴极处将水还原成氢氧根离子和氢气时：
2H2O+2e-＝H2+2OH-，
Eo是-0.83V，n是2，且Q是OH-的活性的平方，以使：
E阴极＝-0.059pHc，
其中pHc是阴极电解质的pH。
对于任一情况，阴极和阳极反应的E随阳极和阴极电解质的pH而变。因此，对于情况1，如果在酸性环境中发生的阳极反应处于pH 0，则对于该半电池反应，该反应的E为0V。对于阴极反应，如果碳酸氢根离子的生成在pH 7发生，则对于该半电池反应，理论E为7x(-0.059V)＝-0.413V，其中负数E意味着需要将能量输入该半电池或整个电池以使该反应继续进行。因此，如果阳极pH为0且阴极pH为7，则总电池电势为-0.413V，其中：
E总量＝-0.059(pHa-pHc)＝-0.059ΔpH.
对于情况2——其中产生碳酸根离子，如果阳极pH为0且阴极pH为10，这代表0.59V的E。
因此，在一些实施方案中，将CO2气体导入阴极电解质可通过在该阴极电解质中产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子来降低该阴极电解质的pH，这因此可以降低在该阴极电解质中制造氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢盐时阳极和阴极之间的电压。
因此，如果使阴极电解质升至pH 14或更大，阳极半电池电势(表示为细水平虚线，上述情况1)和阴极半电池电势(在上述情况1中表示为粗实心斜线)之差升至0.83V。随着在没有添加CO2或没有其它干预，例如用水稀释的情况下的电池运行持续时间的提高，所需电池电势继续提高。电池电势也可能由于电解质中横跨膜的欧姆电阻损失和电池的过电压电势而提高。
在此，过电压电势是指热力学决定的半电池还原电势和实验观察到的发生氧化还原反应时的电势之间的电压差。该术语与电池电压效率相关，因为该过电压电势需要的能量多于在热力学上驱动该反应所需的能量。在每一情况下，该额外能量以热形式损失。过电压电势是各电池设计特有的，并随电池和运行条件而变(甚至对相同反应而言)。
在需要在阴极电解质中产生碳酸氢根和/或碳酸根离子的实施方案中，如图1-2中所示且如上文参照阴极电解质中氢氧根离子的生成所述的系统可以经构造以通过将二氧化碳溶解在第一阴极电解质中和横跨阴极和阳极施加低于3V，或低于2.5V，或低于2V，或低于1.5V，如低于1.0V，或甚至低于0.8V或0.6V的电压来在该第一阴极电解质中产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。
在一些实施方案中，从该系统中移除在阴极电解质中制成的氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子和在阳极电解质中制成的盐酸，同时补充盐溶液电解质中的氯化钠以维持该系统的连续运行。在一些实施方案中，该系统可以经构造以以各种生产模式，包括分批模式、半分批模式、连续流模式运行，可选择或不可选择提取一部分在阴极电解质中制成的氢氧化物溶液或提取全部或一部分在阳极电解质中制成的酸，或将阴极处产生的氢气导向阳极，在此可将其氧化。
在一些实施方案中，当横跨阳极和阴极施加的电压低于3V、2.9V或更低，2.8V或更低，2.7V或更低，2.6V或更低，2.5V或更低，2.4V或更低，2.3V或更低，2.2V或更低，2.1V或更低，2.0V或更低，1.9V或更低，1.8V或更低，1.7V或更低，1.6V或更低，1.5V或更低，1.4V或更低，1.3V或更低，1.2V或更低，1.1V或更低，1.0V或更低，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或更低时，在阴极电解质中产生氢氧根离子和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子溶液。
在另一实施方案中，可以调节阳极和阴极之间的电压以便在阴极电解质中产生氢氧根离子、碳酸根离子和碳酸氢根离子和在阴极处生成氢气的同时，在阳极处形成气体，例如氧气或氯气。但是，在此实施方案中，不向阳极供应氢气。本领域普通技术人员可以认识到，在此实施方案中，阳极和阴极之间的电压通常高于在阳极处不形成气体的实施方案。
参照图1-2，在一些实施方案中，本发明提供包含位于气体扩散阳极102和阴极106之间的一个或多个阴离子交换膜120和阳离子交换膜116、122的系统。在一些实施方案中，应该选择这些膜以使它们可以适当地在酸性和/或碱性电解溶液中工作。膜的其它合意的特性包括高的离子选择性、低离子电阻、高爆裂强度和在0℃至100℃或更高的温度范围内的酸性电解溶液或可在类似温度范围内使用的碱性溶液中的高稳定性。在一些实施方案中，可以使用在0℃至80℃，或0℃至90℃的范围内稳定但在这些范围之上不稳定的膜。对于另一些实施方案，使用允许一种类型的阳离子迁移但不允许另一种迁移；或允许一种类型的阴离子迁移但不允许另一种迁移的离子特异性离子交换膜可能有助于在电解质中获得所需产物。在一些实施方案中，该膜应该在0℃至80℃，或0℃至90℃和更高和/或更低的温度下在该系统中稳定和有效工作合意的时长，例如，数天、数周或数月或数年。在一些实施方案中，例如，该膜应该在80℃、70℃、60℃、50℃、40℃、30℃、20℃、10℃、5℃和更高或更低的电解质温度下稳定和有效工作至少5天、10天、15天、20天、100天、1000天或更久。
该膜的欧姆电阻会影响阳极和阴极之间的电压降，例如随着该膜的欧姆电阻提高，阳极和阴极之间的电压降会提高，反之亦然。可以使用现有膜，它们包括具有相对较低欧姆电阻和相对较高的离子迁移率的膜；类似地，可以使用具有随温度而提高并因此降低欧姆电阻的相对较高的水合特性的现有膜。因此，可以认识到，通过选择具有较低欧姆电阻的现有膜，可以降低在指定温度下该阳极和阴极之间的电压降。
由酸基构成的离子通道穿过现有膜散布。这些离子通道可以从基质内表面延伸至外表面，且酸基可以容易在可逆反应中以水合水形式结合水。水合水形式的这种水结合遵循一级反应动力学，以致反应速率与温度成比例。因此，可以选择现有膜以便对一定范围的运行温度，在实现该系统中改进的强度和电阻的同时提供相对较低的欧姆和离子电阻。合适的膜可购自Asahi Kasei of Tokyo，Japan；或购自MembraneInternational of Glen Rock，NJ，and USA。
在一些实施方案中，阴极电解质108、108A、108B经操作连向废气处理系统(未显示)，在此利用在阴极电解质中制成的碱性溶液例如如全文经此引用并入本文的2008年12月24日提交的共同转让的美国专利申请no.12/344,019中所述通过使废气和阴极电解质与二价阳离子溶液接触以沉淀氢氧化物和/或碳酸盐和/或碳酸氢盐来封存废气中所含的二氧化碳。包含例如钙和镁的氢氧化物、碳酸盐和碳酸氢盐的沉淀物在一些实施方案中可以如全文经此引用并入本文的上述2008年5月23日提交的共同转让的美国专利申请no.12/126,776中所述用作建筑材料，例如用作水泥和集料。在一些实施方案中，使一部分或全部的该碳酸盐和/或碳酸氢盐留在水介质，例如浆料或悬浮液中，并弃置在水介质中，例如在深海或地下场所中。
在一些实施方案中，该阴极和阳极也可操作地连接至向电极供应非高峰电压的非高峰电力供应系统114。由于非高峰电力的成本低于在高峰电力供应时间供应的电力的成本，该系统可利用非高峰电力以相对较低的成本在阴极电解质中制造碱性溶液。
在另一实施方案中，该系统在阳极电解质104中制造酸，例如盐酸124。在一些实施方案中，该阳极隔室可操作地连向溶解包含二价阳离子的矿物和/或废料以产生二价阳离子，例如Ca++和Mg++的溶液的系统。在一些实施方案中，该二价阳离子溶液用于如全文经此引用并入本文的上述2008年12月24日提交的美国专利申请no.12/344,019中所述通过使二价阳离子溶液与本碱性溶液和二氧化碳气体源接触来沉淀氢氧化物、碳酸盐和/或碳酸氢盐。在一些实施方案中，该沉淀物如全文经此引用并入本文的上述共同转让的美国专利申请no.12/126,776中所述用作建筑材料，例如水泥和集料。
参照图1，在横跨阳极102和阴极106施加电压时，如下在阳极处由向该阳极供应的氢气的氧化形成质子，同时在阴极电解质处由水的还原形成氢氧根离子和氢气：
H2＝2H++2e-          (阳极，氧化反应)
2H2O+2e-＝H2+2OH-    (阴极，还原反应)
由于在阳极处由向阳极供应的氢气形成质子；且由于在阳极处不形成气体如氧气；且由于阴极电解质中的水在阴极处形成氢氧根离子和氢气，所以当横跨阳极和阴极施加电压时该系统在阴极电解质中产生氢氧根离子和在阳极电解质中产生质子。此外，可以认识到，在本系统中，由于在阳极处不形成气体，与在阳极处生成气体，例如氯气或氧气时所需的更高的电压相比，当横跨阳极和阴极施加低于2V时，该系统会在阴极电解质中产生氢氧根离子和在阴极处产生氢气，并在阳极处产生氢离子。例如，在一些实施方案中，当横跨阳极和阴极施加低于2.0V、1.5V、1.4V、1.3V、1.2V、1.1V、1.0V、0.9V、0.8V、0.7V、0.6V、0.5V、0.4V、0.3V、0.2V、0.1V或更低时，产生氢氧根离子。
在该系统中，横跨阳极102和阴极106施加电压时，在阳极处形成的带正电的质子试图经由阳极电解质104迁移至阴极，同时在阴极处形成的带负电的氢氧根离子试图经由阴极电解质108、108A、108B迁移至阳极。如图1中所述和参照阴极电解质108、108A、108B中的氢氧根离子，由于第一阳离子交换膜116限制阴离子从阴极电解质108、108A、108B迁移，且由于阴离子交换膜120防止阴离子从阳极电解质104迁移至盐溶液118，会阻止阴极电解质中生成的氢氧根离子经由阳离子交换膜迁移出阴极电解质。因此，横跨阳极和阴极施加电压时，阴极处产生的氢氧根离子包含在阴极电解质中。因此，根据流体流入和流出阴极电解质的流速和二氧化碳在阴极电解质中的溶解速率，调节该阴极电解质的pH，例如该pH可以提高、降低或保持相同。
在一些实施方案中，根据阴极电解质108、108A、108B和/或阳极电解质104和/或盐溶液118中需要的离子物类，可以采用可替换的反应物。因此，例如，如果在阴极电解质108、108A、108B中需要钾盐，如氢氧化钾或碳酸钾，则可以在盐溶液118中使用钾盐，如氯化钾。类似地，如果在阳极电解质中需要硫酸，则可以在盐溶液118中使用硫酸盐，如硫酸钠。如本文中的一些实施方案中所述，使二氧化碳气体吸收在该阴极电解质中；但是，要认识到，可以在该电解质中吸收其它气体，包括挥发性蒸气，例如二氧化硫或有机蒸气，以产生所需结果。该气体可以以各种方式添加到该电解质中，例如通过将其直接鼓入电解质或在连向阴极隔室的独立隔室中溶解该气体并随后如本文所述导向阴极电解质。
参照图1和3，方法300在一些实施方案中包括在电化学系统100中的阴极106和气体扩散阳极102之间施加电压的步骤302，其中该阴极接触包含溶解的二氧化碳的阴极电解质。在一些实施方案中，该方法包括向气体扩散阳极102提供氢的步骤；使阴极106与包含溶解的二氧化碳气体107A的阴极电解质108、108A、108B接触的步骤；和横跨阳极和阴极施加电压114的步骤；由此在阳极处产生质子和在阴极处产生氢氧根离子和氢气的步骤；由此横跨阳极和阴极施加电压时在阳极处不产生气体的步骤；其中横跨阳极和阴极施加的电压低于2V的步骤；包括将氢气从阴极导向阳极的步骤；包括由此使质子从阳极迁移至阳极电解质的步骤；包括在阳极电解质和该盐溶液之间插入阴离子交换膜的步骤；包括在阴极电解质和该盐溶液之间插入第一阳离子交换膜的步骤，其中该盐溶液包含在阴离子交换膜和第一阳离子交换膜之间；包括由此阴离子从盐溶液穿过阴离子交换膜迁移至阳极电解质和阳离子从盐溶液穿过第一阳离子交换膜迁移至阴极电解质的步骤；包括在阴极电解质中产生氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子的步骤；包括在阳极电解质中制造酸的步骤；包括在阴极电解质中制造氢氧化钠和/或碳酸钠和/或碳酸氢钠的步骤；由此在阳极电解质中制造盐酸的步骤；包括使阴极电解质与二价阳离子溶液接触的步骤，其中该二价阳离子包含钙和镁离子；包括由该盐溶液制造部分脱盐水的步骤；包括提取第一部分阴极电解质并使该第一部分阴极电解质与二氧化碳接触的步骤；和包括使该第一部分阴极电解质与二价阳离子溶液接触的步骤。
在一些实施方案中，通过横跨阳极和阴极施加低于2V的电压(在阳极处不形成气体)，在阴极106处和在阴极电解质108、108A、108B中形成氢氧根离子，同时在阳极处提供氢气以便在阳极处氧化。在一些实施方案中，当横跨阳极和阴极施加的电压低于3V或更低，2.9V或更低，2.8V或更低，2.7V或更低，2.6V或更低，2.5V或更低，2.4V或更低，2.3V或更低，2.2V或更低，2.1V或更低，2.0V或更低，1.9V或更低，1.8V或更低，1.7V或更低，1.6V或更低，1.5V或更低，1.4V或更低，1.3V或更低，1.2V或更低，1.1V或更低，1.0V或更低，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或更低时，方法300在阳极处不形成气体，同时向阳极提供氢气，在此将其氧化成质子。本领域普通技术人员会认识到，通过在阳极处不形成气体和通过向阳极提供氢气以便在阳极处氧化，以及通过以其它方式控制该系统中的电阻(例如通过降低电解质路径长度和通过选择具有低电阻的离子膜和本领域已知的任何其它方法)，可以用本发明的较低电压在阴极电解质中产生氢氧根离子。
在一些实施方案中，当横跨阳极和阴极施加的电压低于3.0V、2.9V、2.8V、2.7V、2.6V、2.5V、2.4V、2.3V、2.2V、2.1V、2.0V、1.9V、1.8V、1.7V、1.6V、1.5V、1.4V、1.3V、1.2V、1.1V、1.0V、0.9V、0.8V、0.7V、0.6V、0.5V、0.4V、0.3V、0.2V、0.1V或更低时，在阴极电解质中产生氢氧根离子、碳酸氢根离子和碳酸根离子，而在阳极处不形成气体。在一些实施方案中，该方法适用于以分批、半分批或连续运行模式提取至少一部分阴极电解质及阳极电解质中的酸和补充回该系统。
参照图7，在一个实施方案中，系统700包含与包含添加的二氧化碳107的阴极电解质108接触的阴极106，其中该阴极电解质与阳极电解质104被第一阳离子交换膜116隔开。在如图8中所示的实施方案中，系统800包含阳极102，其与阳极电解质被与该阳极102接触的第二阳离子交换膜122隔开。
在如图1-9中所示的系统中，第一阳离子交换膜116位于阴极106和阳极102之间以使其将阴极电解质108与阳极电解质104隔开。因此如图7-8中所示，横跨阳极102和阴极106施加相对较低的电压，例如低于2V或低于1V时，在阴极106处产生氢氧根离子(OH-)和氢气(H2)，在阳极102处将氢气氧化以在阳极102处产生氢离子，且在阳极处不产生气体。在某些实施方案中，在阴极处产生的氢气经由氢气输送系统112导向阳极，并在阳极处被氧化成氢离子。在各种实施方案中，在阳极处利用来自在阴极处生成的氢的氢气消除了对外部氢供应源的需要；因此，降低该系统生产碱性溶液所用的能量。
在如图1-9中所示的某些实施方案中，在阳极102和阴极106之间的施加电压114下，在阴极106处产生氢氧根离子并迁移到阴极电解质108中，并在阴极处产生氢气。在某些实施方案中，收集在阴极106处产生的氢气并导向阳极，例如通过氢气输送系统122导向阳极，在此在阳极处将其氧化以产生氢离子。也如图7-9中所示，在阳极102和阴极106之间的施加电压114下，在阳极102处产生的氢离子从阳极102迁移到阳极电解质104中以制造酸，例如盐酸。
在某些实施方案中，选择第一阳离子交换膜116以便在限制阴离子穿过其的同时允许阳离子穿过。因此，如图1-9中所示，在横跨阳极102和阴极106施加低电压时，阳极电解质104中的阳离子，例如包含氯化钠的阳极电解质中的钠离子穿过第一阳离子交换膜116迁移到阴极电解质中，同时防止阴极电解质108中的阴离子，例如氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子从阴极电解质穿过第一阳离子交换膜116迁移到阳极电解质104中。
如图1-9中所示，在其中阳极电解质104包含盐的水溶液，如氯化钠的水溶液的情况下，在包含从阳极电解质104中迁移而来的阳离子，例如钠离子，和阴离子例如在阴极106处生成的氢氧根离子和/或通过将二氧化碳107溶解在阴极电解质中而生成的碳酸根离子和或碳酸氢根离子的阴极电解质108中制造溶液，例如碱性溶液。
同时，在阳极电解质104中，由从阳极102迁移而来的氢离子和来自该阳极电解质的阴离子，例如氯离子，制造酸，例如盐酸。
如图8中所述，利用包含第二阳离子交换膜122的阳极将阳极102与阳极电解质104隔开以便在第一表面上，该阳离子交换膜122与阳极102接触，和在相反的第二表面上，与阳极电解质104接触。因此，由于该第二阳离子交换膜是阳离子例如氢离子可透的，阳极经由第二阳离子交换膜与阳极电解质电接触。在一些实施方案中，如图8中所示的阳极可包含如下所述的气体扩散阳极。
因此，在图8的实施方案中，如图7中所示的实施方案那样，在阳极102和阴极106之间施加低电压时，由阳极处的氢气氧化而在阳极102处产生的氢离子穿过第二阳离子交换膜122迁移到阳极电解质104中。同时，阳极电解质中的阳离子，例如包含氯化钠的阳极电解质中的钠离子，从阳极电解质104穿过第一阳离子交换膜116迁移到阴极电解质108中，同时防止阴极电解质108中的阴离子，例如氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子，从阴极电解质108穿过第一阳离子交换膜116迁移到阳极电解质104中。
另外，在如图8中所示的实施方案中，从阳极102穿过第二阳离子交换膜122迁移到阳极电解质104中的氢离子会与阳极电解质中存在的阳离子例如氯离子产生酸，例如盐酸；在阴极电解质108中，由阴极电解质中存在的阳离子和从阳极穿过第一阳离子交换膜116迁移到阴极电解质中的阴离子例如钠离子产生碱性溶液。
在一些实施方案中，阳离子交换膜116和122是常规的并可获自例如，Asahi Kasei of Tokyo，Japan；或可获自Membrane Internationalof Glen Rock，NJ或DuPont，USA。但是，要认识到，在一些实施方案中，根据限制或允许特定阳离子或阴离子物类在电解质之间迁移的需要，可以使用更限制性并因此允许一类阳离子迁移且同时限制另一类阳离子迁移的阳离子交换膜，例如可以使用在限制氢离子从阳极电解质迁移到阴极电解质中的同时允许钠离子从阳极电解质迁移到阴极电解质中的阳离子交换膜。这类限制性阳离子交换膜可购得并可以由本领域普通技术人员选择。
如图8中所示，阳极102包含将阳极102与阳极电解质104隔开并附着到阳极上的第二阳离子交换膜112。因此，在一些实施方案中，该阳极和第二阳离子交换膜可包含可购得或可以如全文经此引用并入本文的2009年2月10日提交的名称为“Electro-catalyst Electrodes forlow-voltage electrochemical Hydroxide System”的共同待审和共同转让的美国临时专利申请no.61/151,484中所述制成的整体气体扩散阳极。但是，尽管在图7和8中显示和利用且在本文中描述了气体扩散阳极，但在一些实施方案中，可以使用可经构造以如本文所述将氢气氧化产生氢离子的任何常规阳极。
参照图1-17，在一些实施方案中，阴极电解质108经操作连向包含在例如工厂，例如发电厂、水泥厂或矿石冶炼厂中的二氧化碳气体供应源107。如果必要，该二氧化碳源包含气体——其中二氧化碳浓度高于环境大气中的二氧化碳浓度。这种二氧化碳源还可以含有燃烧过程的其它气态和非气态组分，例如氮气、SOX、NOX，如全文经此引用并入本文的2009年7月7日提交的名称为“Gas，Liquids，Solids ContactingMethods and Apparatus(气体、液体、固体接触方法和装置)”的共同待审和共同转让的美国临时专利申请no.61/223,657中所述。但是，可以认识到，可以净化这种二氧化碳源并用作添加到阴极电解质108中的二氧化碳。
尽管在普通环境空气中存在二氧化碳，但部分由于该极低浓度，环境二氧化碳提供的二氧化碳可以不足以实现用利用取自工业废气流，例如取自化石燃料供能的发电厂或水泥生产厂的烟道气的二氧化碳的本系统和方法获得的结果。此外，在该系统和方法的一些实施方案中，由于阴极电解质包含在封闭系统中——其中添加的二氧化碳气体在该系统内的压力大于环境大气压，典型地防止环境空气和因此环境二氧化碳渗入该阴极电解质中。
在一些实施方案中，和参照图1-17，将二氧化碳添加到阴极电解质中以溶解和产生碳酸，其根据该阴极电解质的pH值离解成氢离子和碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。同时，如上所述，由电解阴极电解质中的水而产生的氢氧根离子可能与氢离子反应以在阴极电解质中产生水。因此，根据阴极电解质中所需的碱度，可以如本领域充分理解和如图5的碳酸盐物种形成图中所示的那样调节该阴极电解质的pH并在一些实施方案中保持在7至14或更大；或7至9；或8至11。在一些实施方案中，可以将该阴极电解质的pH调节至7和14之间或更大的任何值，包括pH 7.0、7.5、8.0、8.5、9.0、9.5、10.0、10.5、11.0、11.5、12.0、12.5、13.0、13.5、14.0和更大。
类似地，在该系统的一些实施方案中，通过调节由阳极处的氢气氧化产生的迁移到阳极电解质中的氢离子的浓度和/或提取和补充该系统中的阳极电解质，调节阳极电解质的pH并保持低于0并至多7和/或低于0并至多4。在此方面和如本领域普通技术人员可以认识到的那样和参照图6，由于阳极和阴极之间的电压取决于若干因素，包括可通过Nernst方程确定的阳极电解质和阴极电解质之间的pH差，在一些实施方案中，根据阳极和阴极之间的所需工作电压，将阳极电解质的pH调节至0和7之间的值，包括0、0.5、1.0、1.5、2.0、2.5、3.0、3.5、4.0、4.5、5.0、5.5、6.0、6.5和7。因此，可以认识到，在需要降低所用能量和/或阳极和阴极之间的电压的等效系统中，例如如氯碱工艺中那样，可以如本文中公开的那样将二氧化碳添加到电解质中以实现阳极电解质和阴极电解质之间的所需pH差。因此，就这类系统利用二氧化碳的程度而言，这些等效系统在本发明的范围内。
参照图1-17，在一些实施方案中，该阳极电解质102包含包括钠离子和氯离子的盐溶液；该系统经构造以使用在阳极122和阴极106之间低于1V的电压，在阴极电解质108中制造碱性溶液，同时也在阳极106处产生氢离子，且在阳极处不产生气体；该系统经构造以使氢离子从阳极迁移到阳极电解质中；该阳极电解质包含酸；该系统经构造以在阴极电解质108中产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子；使氢氧根离子从阴极106迁移到阴极电解质中；使阳离子，例如钠离子从阳极电解质104穿过第一阳离子交换膜116迁移到阴极电解质中；向阳极提供氢气；且氢气输送系统112经构造以将氢气从阴极导向阳极。
参照图1-17，在一些实施方案中，阴极电解质108可操作地连向用于进一步加工阴极电解质的系统，例如碳酸盐和/或碳酸氢盐沉淀系统，其包含经构造以从溶液中沉淀碳酸盐和/或碳酸氢盐的沉淀器，其中在一些实施方案中，该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含钙和/或镁的碳酸盐和/或碳酸氢盐。此外，在一些实施方案中，包含酸例如盐酸和包含低量钠离子的去离子盐溶液的阳极电解质104经操作连向用于进一步加工酸的系统，例如经构造以溶解矿物和制造包含钙离子和/或镁离子的矿物溶液，例如镁铁矿物如橄榄石和蛇纹石的矿物溶解系统。在一些实施方案中，该酸可用于除矿物溶解外或代替矿物溶解的其它用途。这类用途包括用作纤维素生物燃料生产中的反应物，用于聚氯乙烯(PVC)的生产等。适用于这类用途的系统可操作地连向该电化学装置，或该酸可运输至适当使用地。
在所述一些实施方案中，该矿物溶解系统经操作连向经构造以从包含例如钙离子、镁离子、二氧化硅、盐酸和/或氢氧化钠的矿物溶液中分离钠离子和氯离子的纳米过滤系统。在一些实施方案中，该纳米过滤系统910用能使钠离子和氯离子浓缩到用作阳极电解质104的盐溶液中的反渗透系统配置。
参照图1-17，该方法在一些实施方案中包括将二氧化碳添加到与阴极106接触的阴极电解质108中的步骤，其中该阴极电解质与阳极电解质104被第一阳离子交换膜116隔开；和通过在阳极处不产生气体的情况下在阴极106和与阳极电解质接触的阳极102之间施加低于1V的电压114来在该阴极电解质中制造碱性溶液。
在该方法的一些实施方案中，阳极102与将该阳极和阳极电解质隔开的第二阳离子交换膜122接触；碱性溶液108包含氢氧根离子和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子；二氧化碳107包含在工厂，例如发电厂、水泥生产厂、发酵工艺或矿石加工厂的废气中。
在一些实施方案中，防止环境空气进入阴极电解质108；保持阴极电解质中7至14或更高的pH；保持阴极电解质中7至9的pH；保持阴极电解质中8至11的pH；保持阳极电解质中低于0且至多7的pH；保持阳极电解质中低于0且至多4的pH；在阳极102处将氢气氧化产生氢离子，并使氢离子从阳极穿过第二阳离子交换膜122迁移到阳极电解质中；在阴极106处制造氢氧根离子和氢气；使氢氧根离子从阴极106迁移到阴极电解质108中；将氢气从阴极106导向阳极102；使阳离子从阳极电解质104穿过第一阳离子交换膜122迁移到阴极电解质108中，其中该阳离子包含钠离子。
在一些实施方案中，该方法包括在阴极电解质108中制造氢氧化钠和/或碳酸钠离子和/或碳酸氢钠离子；在包含钠离子和氯离子的阳极电解质104中制造酸和贫离子盐溶液；利用该阳极电解质溶解矿物和制造包含钙离子和/或镁离子的矿物溶液，其中该矿物包含镁铁矿物；过滤该矿物溶液以制造包含钠离子和氯离子的滤液；浓缩该滤液以制造盐溶液，其中该浓缩器包含反渗透系统；利用该盐溶液作为阳极电解质104；用该阴极电解质沉淀碳酸盐和/或碳酸氢盐；其中该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含钙和/或镁的碳酸盐和/或碳酸氢盐。在一些实施方案中，该方法包括将该酸弃置在地下储存点中，在该处该酸可以储存在非反应性盐或岩层中，没有环境酸化。
参照图1-17，该方法在另一实施方案中包括在电化学系统，例如在阴极电解质108中包含添加的二氧化碳106A、107的系统中制造酸；和使矿物与该酸124接触的步骤。在一些实施方案中，该方法进一步包括在阳极电解质104中制造酸(在阳极102处不产生气体)，和在阳极处将氢气112氧化，其中该酸包含盐酸124；且其中在阴极106处产生该氢气112；在阴极电解质108中制造碱性溶液；使钠离子迁移到阴极电解质中；其中该碱性溶液包含氢氧化钠、碳酸氢钠和/或碳酸钠；其中该电压低于2V或低于1V；其中阳极电解质104与阴极电解质108被第一阳离子交换膜116隔开；其中阳极102包含与阳极电解质102接触的第二阳离子交换膜122；其中该阳极电解质包含盐，例如氯化钠；用该酸124溶解矿物以制造矿物溶液；产生钙离子和/或镁离子；其中该矿物包含镁铁矿物，例如橄榄石或蛇纹石；过滤该矿物溶液以制造包含钠离子和氯离子溶液的滤液；浓缩该滤液以制造盐溶液；利用该盐溶液作为阳极电解质104；用该阴极电解质沉淀碳酸盐和/或碳酸氢盐；其中该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含钙和/或镁的碳酸盐和/或碳酸氢盐。在一些实施方案中，该方法包括将该酸弃置在地下储存点中，其中该酸可以储存在非反应性盐或岩层中并因此没有环境酸化。
参照图1-17，该系统和方法在各种实施方案中可有效通过利用盐溶液130和水902的氧化还原反应生产碱性溶液108和酸124，其中在阳极和阴极上施加例如低于3V的电压时，在阴极处产生氢氧离子和氢气，氢在阳极处氧化，且在阳极处不生成气体。在一些实施方案中，将二氧化碳添加到与阴极接触的阴极电解质中。
在一些实施方案中，在阴极电解质中制造碱性溶液并包含氢氧根离子(来自阴极)和/或来自添加的二氧化碳的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。在一些实施方案中，回收在阴极处生成的氢并在阳极处氧化。在各种实施方案中，用电催化剂催化阳极和阴极处的氧化还原反应。
参照图1-17，该系统在一个实施方案900中包含与包含碳酸氢根离子的阴极电解质108连通的氢-氧化阳极102；和构造成向阳极102输送氢气的氢输送系统112。在另一实施方案中，系统900包含电化学装置100、400、700、800、900，其包含含氢-氧化阳极的阳极隔室122、含阴极的阴极隔室106和经构造以向阳极输送氢气的氢输送系统112，其中该装置可经操作连向碳封存系统(未显示)，其构造成用阴极电解质108封存二氧化碳。
在该系统的一些实施方案中，向阳极提供的氢气由在与阴极电解质接触的阴极处生成的氢气提供；该阴极电解质包含添加的二氧化碳；该阴极电解质包含氢氧根离子和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子；通过横跨阳极和阴极施加电压，在阴极处产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子和/或氢氧根离子、氢气和在阳极处产生质子，且在阳极处不产生气体；且该电压低于3V。
在该系统的一些实施方案中和参照图2、10、11和12，阳极102和/或阴极106可包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵金属或非贵金属硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂136。在各种构造中，在固体电极上提供或在网/纱、纤维上或以多孔粒子上提供电催化剂。在一些实施方案中，该电催化剂经构造以在阳极处催化氢气氧化成质子和在阴极处催化氢气和氢氧根离子的生成。
在一些实施方案中，该系统包含经构造以用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统(未显示)；在一些实施方案中，该二氧化碳包含在工业废气中；在一些实施方案中，该二氧化碳以包含二价阳离子，例如钙离子和/或镁离子的碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存。
在一些实施方案中，该系统包含在阳极电解质104中的酸124；在一些实施方案中，该系统包含经构造以用该酸制造二价阳离子，例如钙离子和镁离子的酸溶解系统；在某系统中，通过用该酸溶解矿物来制造二价阳离子，并向碳封存系统提供该二价阳离子。
参照图13，在一些实施方案中，该系统包含经构造以接收通过各对阳极和阴极的串联电流的多对阳极-阴极1302、1304、1306。在另一实施方案中，参照图14，该系统包含经构造以接收横跨各对阳极和阴极的并联电压的多对阳极-阴极1402、1404、1406。参照图15，在另一实施方案中，该系统包含多对阳极电解质和阴极电解质，其中第一对1502的阴极电解质连向第二对1504的阴极电解质；且第一对1502的阳极电解质连向第二对1502的阳极电解质。
在如图15中所示的系统1500的一些实施方案中，可以调节阳极电解质和阴极电解质的pH以优化用于生产碱性溶液的能量。因此，例如，可以调节第二对的阴极电解质1504的pH(pH＝11)以使其等于或大于第一对中的阴极电解质1502的pH(pH＝9)；类似地，可以调节第二对的阳极电解质1504的pH(pH＝3)以等于或小于第一对的阳极电解质1502的pH(pH＝5)。可以认识到，这些pH调节是示例性的，因此可以建立其它pH构造，例如调节该系统中的流体流量，例如将二氧化碳添加到该阴极电解质中和/或将水添加到该电解质中和/或从该系统中移除酸和碱性溶液。
在如图16中所示的系统的一些实施方案中，系统1600包含多对阳极电解质和阴极电解质1602、1604、1606，其中第二对1606的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对1602的阴极电解质；且第三对1604的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对1602的阳极电解质以便在该系统中，第二对的阴极电解质的pH等于或大于第一对的阴极电解质的pH；且第三对的阳极电解质的pH等于或小于第一对的阳极电解质的pH。如图15的系统那样，这些pH调节是示例性的，因此可以建立其它pH构造，例如调节该系统中的流体流量，例如将二氧化碳添加到该阴极电解质中和/或将水添加到该电解质中和/或从该系统中移除酸和碱性溶液。
参照如图17中所示的系统1700，构造该系统以便在一些实施方案中，第二阳极-阴极对1706的阴极电解质包含第一对1702的稀释的阴极电解质；且第三对1704的阳极电解质包含第一对1702的稀释的阳极电解质。如图15和16的系统那样，这些pH调节是示例性的，因此可以建立其它pH构造，例如调节该系统中的流体流量，例如将二氧化碳添加到该阴极电解质中和/或将水添加到该电解质中和/或从该系统中移除酸和碱性溶液。
参照图1-17，该方法在各种实施方案中包括在阳极102处将氢气氧化成质子且在阳极102处不产生气体；和在与阳极102连通的阴极电解质108中制造碳酸氢根离子的步骤。在另一实施方案中，该方法包括在与阴极电解质108连通的氢-氧化阳极102处氧化氢气；和用该阴极电解质108封存二氧化碳的步骤。
在一些实施方案中，该方法包括横跨阳极和与阴极电解质接触的阴极施加电压，例如低于3V的电压，和在阴极处制造氢气。在一些实施方案中，该方法包括构造氢输送系统以由阴极处产生的氢气向阳极提供氢气，和将二氧化碳添加到该阴极电解质中。在一些实施方案中，该方法包括在该阴极电解质中产生氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。
在该方法的一些实施方案中，该阳极和/或阴极包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵金属或非贵金属硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂。在一些实施方案中，该电催化剂经构造以在阳极处催化氢气氧化成质子和在阴极处催化氢气和氢氧根离子的生成。
在一些实施方案中，该方法包括用该阴极电解质封存二氧化碳，其中该二氧化碳包含在工业废气中，且其中该二氧化碳以碳酸盐和/或碳酸氢盐，例如包含二价阳离子，如钙离子和/或镁离子，的碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存。
在一些实施方案中，该方法包括在阳极电解质中制造酸，和构造酸溶解系统以便用该酸制造二价阳离子，例如通过用该酸溶解矿物来制造钙离子和/或镁离子。在一些实施方案中，该酸溶解系统经构造以向碳封存系统提供二价阳离子。
在该方法的一些实施方案中和参照图13的系统1300，该方法包括构造串联的多对阳极和阴极1302、1304、1306以接收通过各对阳极和阴极的公共电流。
在图14的系统中所示的一些实施方案中，该方法包括构造并联的多对阳极和阴极1402、1404、1406以接收横跨各对阳极和阴极的公共电压114。
在该方法一些实施方案中和参照图15的系统1500，该方法包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此第一对1502的阴极电解质连向第二对1504的阴极电解质；且第一对1502的阳极电解质连向第二对1504的阳极电解质，并将第二对1504的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对1502中的阴极电解质的pH的值；和将第二对1504的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对1502的阳极电解质的pH的值。可以认识到，这些pH调节是示例性的，因此可以建立其它pH构造，例如调节该系统中的流体流量，例如将二氧化碳添加到该阴极电解质中和/或将水添加到该电解质中和/或从该系统中移除酸和碱性溶液。
在该方法的一些实施方案中和参照图16，该方法包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此第二对1606的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对1602的阴极电解质；且第三对1604的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对1602的阳极电解质。可以认识到，这些pH调节是示例性的，因此可以建立其它pH构造，例如调节该系统中的流体流量，例如将二氧化碳添加到该阴极电解质中和/或将水添加到该电解质中和/或从该系统中移除酸和碱性溶液。
在另一实施方案中和参照图17，该方法包括将第二对1706的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对1702的阴极电解质的pH的值；和将第三对1704的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对1702的阳极电解质的pH的值。可以认识到，这些pH调节是示例性的，因此可以建立其它pH构造，例如调节该系统中的流体流量，例如将二氧化碳添加到该阴极电解质中和/或将水添加到该电解质中和/或从该系统中移除酸和碱性溶液。
在示例性实施方案中，基本如图1-17中所示构造的系统在稳态条件下在施加在电极之间的恒定电流密度下运行，同时在各种温度和电压下将二氧化碳气体连续溶解到阴极电解质中。在该系统中，使用获自E-TEK Corporation，(USA)的铂催化剂，气体扩散阳极作为阳极。使用沉积到镍网基底上的Raney镍作为阴极。在该系统中，阳极电解质中的初始酸浓度为1M；初始氯化钠盐溶液为5M；且阴极隔室中氢氧化钠溶液的初始浓度为1M。在该系统中，通过调节溶解在阴极电解质中的二氧化碳的量来使阴极隔室的pH保持在8或10。
表1：该系统的实验电流密度、温度和电压特性
Figure BPA00001171910300301
Figure BPA00001171910300311
如表1中所示，在该系统中在电极之间实现一定范围的电流密度。可以认识到，用该系统的其它构造可实现的电流密度可以随若干因素而变，包括电池中的累积电阻损失、环境试验条件、与阳极和阴极反应相关的过电位和其它因素。
在本构造中和如表1中所示实现的电流密度如下与阴极处的氢氧根离子的生成相关联，因此与阴极电解质中氢氧化钠和/或碳酸钠和/或碳酸氢钠的生成相关联。参照表1，在75℃、0.8V和pH 10下，各平方厘米的电极通过13.3mA电流，其中电流是每时间(秒)通过的电荷(库仑)的衡量标准。基于法拉第定律，电极处产生的产物，例如氢氧根离子的量如下与通过电极的总电荷成比例：
n＝(I*t)/(F*z)
其中n是产物的摩尔数，I是电流，t是时间，F是法拉第常数，且z是每产物离子物类(或试剂离子物类)转移的电子。因此，基于本实施例，每秒每平方厘米电极产生1.38x10-4摩尔氢氧根离子，其与阴极电解质中氢氧化钠的生成相关联。在该系统中，NaOH的生成率通过LeChatelier原理根据下列净化学平衡方程决定NaHCO3和Na2CO3的生成率
H2CO3+OH-＝H2O+HCO3 -
和HCO3 -+OH-＝H2O+CO3 2-，
其中平衡中的一种物类浓度的提高改变所有物类的浓度，以使平衡产物保持平衡常数。因此，在该系统中，H2CO3、HCO3 -和CO3 2-的平衡浓度和电解质中的pH的关系遵循如上论述的碳酸盐物种形成图。
在如图1-9中所示和如参照上述碳酸盐物种形成图论述的系统中，二氧化碳在阴极电解质中的溶解度取决于该电解质的pH。也在该系统中，阴极和阳极之间的电压取决于若干因素，包括阳极电解质和阴极电解质之间的pH差。因此，在一些实施方案中，该系统可以经构造以在指定pH和电压下运行以在阴极电解质中吸收二氧化碳和产生碳酸、碳酸根离子和/或碳酸氢根离子。在将二氧化碳气体溶解在阴极电解质中的实施方案中，随着从阴极电解质中除去质子，可以溶解更多二氧化碳以形成碳酸、碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。根据该阴极电解质的pH，如本领域中充分理解和如上述碳酸盐物种形成图中所示的那样，该平衡移向碳酸氢根离子或移向碳酸根离子。在这些实施方案中，根据与二氧化碳引入速率相比的质子除去速率，该阴极电解质溶液的pH可能降低，保持相同或提高。要认识到，在这些实施方案中不形成碳酸、氢氧根离子、碳酸根离子或碳酸氢根离子，或碳酸、氢氧根离子、碳酸根离子、碳酸氢根离子可能在一个时期不形成但在另一时期形成。
在另一实施方案中，该系统和方法与碳酸盐和/或碳酸氢盐沉淀系统(未显示)集成，其中二价阳离子溶液在添加到本阴极电解质中时导致形成二价碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物，例如碳酸钙或碳酸镁和/或它们的碳酸氢盐，的沉淀物。在一些实施方案中，该沉淀的二价碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物可以用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文经此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同转让的美国专利申请no.12/126,776中所述。
在替换性实施方案中，该系统和方法与矿物和/或材料溶解和回收系统(未显示)集成，其中使用酸性阳极电解质溶液104或碱性阴极电解质108溶解富含钙和/或镁的矿物，例如蛇纹石或橄榄石，或废料，例如飞灰、红泥等，以形成可用于例如如本文所述沉淀碳酸盐和/或碳酸氢盐的二价阳离子溶液。在一些实施方案中，该沉淀的二价碳酸盐和/或碳酸氢盐化合物可以用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文经此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同转让的美国专利申请no.12/126,776中所述。
在替换性实施方案中，该系统和方法与用于封存二氧化碳和工业废气的其它成分，例如硫气体、氮氧化物气体、金属和颗粒的工业废气处理系统(未显示)集成，其中通过使烟道气与包含二价阳离子的溶液和包含氢氧根、碳酸氢根和/或碳酸根离子的本阴极电解质接触，沉淀二价阳离子碳酸盐和/或碳酸氢盐，如全文经此引用并入本文的2008年12月24日提交的共同转让的美国专利申请no.12/344,019中所述。该包含例如钙和/或镁的碳酸盐和碳酸氢盐的沉淀物在一些实施方案中可以用作建筑材料，例如用作水泥和集料，如全文经此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同转让的美国专利申请no.12/126,776中所述。
在另一实施方案中，该系统和方法与水性脱盐系统(未显示)集成，其中本系统的第三电解质的部分脱盐水用作该脱盐系统的进料水，如全文经此引用并入本文的2008年6月27日提交的共同转让的美国专利申请no.12/163,205中所述。
在替换性实施方案中，该系统和方法与碳酸盐和/或碳酸氢盐溶液处置系统(未显示)集成，其中，该系统制造包含碳酸盐和/或碳酸氢盐的溶液、浆料或悬浮液，而非通过使二价阳离子的溶液与第一电解质溶液接触以形成沉淀物来制造沉淀物。在一些实施方案中，将该溶液、浆料或悬浮液弃置在使其保持长期稳定的地点，例如将该溶液/浆料/悬浮液弃置在其中的温度和压力足以无限期地使该浆料保持稳定的深度的海洋中，如全文经此引用并入本文的2008年12月24日提交的美国专利申请no.12/344,019中所述；或弃置在地下。

Claims (95)

1.系统，其包含：
与包含碳酸氢根离子的阴极电解质连通的氢-氧化阳极；和
经构造以在阳极处输送氢气的氢输送系统。
2.权利要求1的系统，其中向阳极提供的氢气由在与阴极电解质接触的阴极处生成的氢气提供。
3.权利要求2的系统，其中该阴极电解质包含氢氧根离子和/或碳酸根离子。
4.权利要求3的系统，其中该阴极电解质包含添加的二氧化碳。
5.权利要求4的系统，其中通过横跨阳极和阴极施加的电压，在阴极处产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子和/或氢氧根离子、氢气和在阳极处产生质子，且在阳极处不产生气体。
6.权利要求5的系统，其中该电压低于3V。
7.权利要求6的系统，其中该阳极和/或阴极包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵金属或非贵金属硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂。
8.权利要求7的系统，其中该电催化剂经构造以在阳极处催化氢气氧化成质子和在阴极处催化氢气和氢氧根离子的生成。
9.权利要求8的系统，进一步包含经构造以用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统。
10.权利要求4或9的系统，其中二氧化碳包含在工业废气中。
11.权利要求10的系统，其中该二氧化碳以碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存。
12.权利要求11的系统，其中该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含二价阳离子。
13.权利要求12的系统，其中该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
14.权利要求13的系统，包含在阳极电解质中的酸。
15.权利要求14的系统，进一步包含经构造以用该酸制造二价阳离子的酸溶解系统。
16.权利要求15的系统，其中该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
17.权利要求16的系统，其中通过用该酸溶解矿物来制造该二价阳离子。
18.权利要求17的系统，其中该酸溶解系统向碳封存系统提供该二价阳离子。
19.权利要求18的系统，包含经构造以接收通过各对阳极和阴极的串联电流的多对阳极-阴极。
20.权利要求18的系统，包含经构造以接收横跨各对阳极和阴极的并联电压的多对阳极-阴极。
21.权利要求18的系统，包含多对阳极电解质和阴极电解质，其中
第一对的阴极电解质连向第二对的阴极电解质；且
第一对的阳极电解质连向第二对的阳极电解质。
22.权利要求21的系统，其中
第二对的阴极电解质的pH等于或大于第一对中的阴极电解质的pH；和
第二对的阳极电解质的pH等于或小于第一对的阳极电解质的pH。
23.权利要求18的系统，包含多对阳极电解质和阴极电解质，其中
第二对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阴极电解质；和
第三对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阳极电解质。
24.权利要求23的系统，其中
第二对的阴极电解质的pH等于或大于第一对的阴极电解质的pH；和
第三对的阳极电解质的pH等于或小于第一对的阳极电解质的pH。
25.权利要求23或24的系统，其中第二对的阴极电解质包含第一队的稀释的阴极电解质；且第三对的阳极电解质包含第一对的稀释的阳极电解质。
26.方法，包括：
在阳极处将氢气氧化成质子且在阳极处不产生气体；和
在与阳极连通的阴极电解质中产生碳酸氢根离子。
27.权利要求26的方法，包括横跨阳极和与阴极电解质接触的阴极施加电压。
28.权利要求27的方法，其中该电压低于3V。
29.权利要求28的方法，包括在阴极处制造氢气。
30.权利要求29的方法，包括构造氢输送系统以由阴极处产生的氢气向阳极提供氢气。
31.权利要求30的方法，包括将二氧化碳添加到该阴极电解质中。
32.权利要求31的方法，包括在该阴极电解质中产生氢氧根离子和/或碳酸根离子。
33.权利要求32的方法，其中该阳极和/或阴极包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵金属或非贵金属硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂。
34.权利要求33的方法，其中该电催化剂经构造以在阳极处催化氢气氧化成质子和在阴极处催化氢气和氢氧根离子的生成。
35.权利要求34的方法，进一步包括用该阴极电解质封存二氧化碳。
36.权利要求31或34的方法，其中该二氧化碳包含在工业废气中。
37.权利要求36的方法，其中该二氧化碳以碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存。
38.权利要求37的方法，其中该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含二价阳离子。
39.权利要求38的方法，其中该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
40.权利要求39的方法，包括在阳极电解质中制造酸。
41.权利要求40的方法，进一步包括构造酸溶解系统以便用该酸制造二价阳离子。
42.权利要求41的方法，其中该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
43.权利要求42的方法，包括通过用该酸溶解矿物来制造二价阳离子。
44.权利要求43的方法，包括构造该酸溶解系统以便向碳封存系统提供二价阳离子。
45.权利要求44的方法，包括构造串联的多对阳极和阴极以接收通过各对阳极和阴极的公共电流。
46.权利要求44的方法，包括构造并联的多对阳极和阴极以接收横跨各对阳极和阴极的公共电压。
47.权利要求44的方法，包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此
第一对的阴极电解质连向第二对的阴极电解质；且
第一对的阳极电解质连向第二对的阳极电解质。
48.权利要求47的方法，包括
将第二对的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对中的阴极电解质的pH的值；和
将第二对的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对的阳极电解质的pH的值。
49.权利要求44的方法，包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此
第二对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阴极电解质；且
第三对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阳极电解质。
50.权利要求49的方法，包括将第二对的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对的阴极电解质的pH的值；和将第三对的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对的阳极电解质的pH的值。
51.系统，其包含：
电化学装置，包含含氢-氧化阳极的阳极隔室、含阴极的阴极隔室和经构造以向该阳极输送氢气的氢输送系统，其中该装置可经操作连向
经构造以用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统。
52.权利要求51的系统，进一步包含经构造以在阳极处将氢气氧化成质子的氢输送系统。
53.权利要求52的系统，其中向阳极提供的氢气由在与阴极电解质接触的阴极处生成的氢气提供。
54.权利要求53的系统，其中该阴极电解质包含氢氧根离子和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。
55.权利要求54的系统，其中该阴极电解质包含添加的二氧化碳。
56.权利要求55的系统，其中通过横跨阳极和阴极施加的电压，在阴极处产生碳酸氢根离子和/或碳酸根离子和/或氢氧根离子、氢气和在阳极处产生质子，且在阳极处不产生气体。
57.权利要求56的系统，其中该电压低于3V。
58.权利要求57的系统，其中该阳极和/或阴极包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵金属或非贵金属硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂。
59.权利要求58的系统，其中该电催化剂经构造以在阳极处催化氢气氧化成质子和在阴极处催化氢气和氢氧根离子的生成。
60.权利要求51或55的系统，其中二氧化碳包含在工业废气中。
61.权利要求60的系统，其中该二氧化碳以碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存。
62.权利要求61的系统，其中该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含二价阳离子。
63.权利要求62的系统，其中该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
64.权利要求63的系统，包含在阳极电解质中的酸。
65.权利要求64的系统，进一步包含经构造以用该酸制造二价阳离子的酸溶解系统。
66.权利要求65的系统，其中该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
67.权利要求66的系统，其中通过用该酸溶解矿物来制造该二价阳离子。
68.权利要求67的系统，其中该酸溶解系统向碳封存系统提供该二价阳离子。
69.权利要求68的系统，包含经构造以接收通过各对阳极和阴极的串联电流的多对阳极-阴极。
70.权利要求69的系统，包含经构造以接收横跨各对阳极和阴极的并联电压的多对阳极-阴极。
71.权利要求70的系统，包含多对阳极电解质和阴极电解质，其中
第一对的阴极电解质连向第二对的阴极电解质；且
第一对的阳极电解质连向第二对的阳极电解质。
72.权利要求71的系统，其中
第二对的阴极电解质的pH等于或大于第一对中的阴极电解质的pH；且
第二对的阳极电解质的pH等于或小于第一对的阳极电解质的pH。
73.权利要求72的系统，包含多对阳极电解质和阴极电解质，其中
第二对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阴极电解质；且
第三对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阳极电解质。
74.权利要求73的系统，其中
第二对的阴极电解质的pH等于或大于第一对的阴极电解质的pH；且
第三对的阳极电解质的pH等于或小于第一对的阳极电解质的pH。
75.权利要求73或74的系统，其中
第二对的阴极电解质包含第一对的稀释的阴极电解质；且
第三对的阳极电解质包含第一对的稀释的阳极电解质。
76.方法，包括：
构造电化学装置，其包含：
含氢-氧化阳极的阳极隔室，
含阴极的阴极隔室，和
经构造以向该阳极输送氢气的氢输送系统，其中该装置可经操作连向碳封存系统；和
用该阴极电解质封存二氧化碳。
77.权利要求76的方法，包括通过横跨阳极和与阴极电解质接触的阴极施加电压，在阳极处产生质子且在阳极处不产生气体。
78.权利要求77的方法，其中该电压低于3V。
79.权利要求78的方法，包括由阴极向阳极提供氢气。
80.权利要求79的方法，包括将二氧化碳添加到该阴极电解质中。
81.权利要求80的方法，包括在阴极电解质中产生氢氧根离子和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。
82.权利要求81的方法，其中该阳极和/或阴极包含选自铂、单晶镍、Raney镍、镀铂镍、金属碳化物(W2C、Pt-W2C)、铂族金属合金(Pt-M，其中M＝Fe、Mn、Cr、Co、Au)、过渡金属、镍合金、烧结镍、铂族金属(Pt、Pd、Ru、Rh)、金、银、贵金属或非贵金属硫属元素化物、过渡金属的离散大环络合物和生物络合物的电催化剂。
83.权利要求82的方法，包括使用该电催化剂催化阳极处的氢气氧化成质子和阴极处的氢气和氢氧根离子的生成。
84.权利要求76或80的方法，其中该二氧化碳包含在工业废气中。
85.权利要求84的方法，其中该二氧化碳以碳酸盐和/或碳酸氢盐的形式封存。
86.权利要求85的方法，其中该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含二价阳离子。
87.权利要求86的方法，其中该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。
88.权利要求87的方法，包括在阳极电解质中制造酸。
89.权利要求88的方法，包括用该酸制造二价阳离子。
90.权利要求89的方法，包括构造串联的多对阳极和阴极以接收通过各对阳极和阴极的公共电流。
91.权利要求89的方法，包括构造并联的多对阳极和阴极以接收横跨各对阳极和阴极的公共电压。
92.权利要求89的方法，包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此
第一对的阴极电解质连向第二对的阴极电解质；且
第一对的阳极电解质连向第二对的阳极电解质。
93.权利要求92的方法，包括
将第二对的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对中的阴极电解质的pH的值；和
将第二对的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对的阳极电解质的pH的值。
94.权利要求90的方法，包括构造多对阳极电解质和阴极电解质，由此
第二对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阴极电解质；且
第三对的阴极电解质和阳极电解质包含来自第一对的阳极电解质。
95.权利要求95的方法，包括
将第二对的阴极电解质的pH调节至等于或大于第一对的阴极电解质的pH的值；和
将第三对的阳极电解质的pH调节至等于或小于第一对的阳极电解质的pH的值。
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