CN101981744A

CN101981744A - 用于产生可再生氢并截留二氧化碳的电化学系统、装置和方法

Info

Publication number: CN101981744A
Application number: CN2008800172195A
Authority: CN
Inventors: C·迪恩·利特尔; 蒂莫西·C·赫弗南; 约瑟夫·V·科斯莫斯基; C·戈登·利特尔
Original assignee: NEW SKY ENERGY Inc
Current assignee: NEW SKY ENERGY Inc
Priority date: 2007-04-03
Filing date: 2008-04-03
Publication date: 2011-02-23
Also published as: US8227127B2; EP2132820A4; CN103227339B; CA2682952C; CA2682952A1; EP2132820A1; AU2008237264B2; US20080245672A1; WO2008124538A1; US20080248350A1; US20080245660A1; CN103227339A; AU2008237264A1

Abstract

本发明描述了一种生产可再生氢和从空气或气流捕获二氧化碳的二氧化碳负性方法。还描述了一种用于实施所述方法的系统和方法。直流可再生电流被提供到水电解装置，所述电流具有足够的电压以在阴极处产生氢和羟离子，在阳极处产生质子和氧。这些产物被分离并截留，并且利用碱从空气或气流作为碳酸氢盐或碳酸盐捕获二氧化碳。这些碳酸盐、氢、和捕获的二氧化碳又可以结合到各种各样的化学和电化学过程中而生成有价值的从大气二氧化碳制成的碳基材料。所有过程的净作用是从水产生可再生氢并减少大气或注定进入大气的气体中的二氧化碳。

Description

用于产生可再生氢并截留二氧化碳的电化学系统、装置和方法

权益要求

这个申请依据35U.S.C.119(e)要求于2007年4月3日提交的标题为“A NOVEL ELECTROCHEMICAL METHOD FORREMOVING CARBON DIOXIDE FROM GAS STREAMS ANDSIMULTANEOUSLY GENERATING HYDROGEN GAS”的美国临时专利申请No 60/921,598的权益，其全文以引用方式并入本文中。

相关申请的交叉引用

这个申请涉及于同一天提交并分配系列号No 60/921,598的标题为“RENEWABLE ENERGY SYSTEM FOR HYDROGENPRODUCTION AND CARBON DIOXIDE CAPTURE”的共同拥有和共同未决申请、涉及于同一天提交并分配系列号No.12/062,322的标题为“ELECTROCHEMICAL APPARATUS TO GENERATEHYDROGEN AND SEQUESTER CARBON DIOXIDE”的共同拥有和共同未决申请、以及涉及于同一天提交并分配系列号No.12/062,269的标题为“ELECTROCHEMICAL METHODS TOGENERATE HYDROGEN AND SEQUESTER CARBON DIOXIDE”的共同拥有和共同未决申请，所有这些申请的全文以引用方式并入本文中。

技术领域

本发明涉及用于生产氢(氢气，hydrogen)、氧(氧气，oxygen)、酸和碱以及用于捕获(俘获，capture)和截留(扣押，sequester)二氧化碳的电化学系统、装置(设备，apparatuse)、和方法。更具体地，本发明涉及伴随可再生能源和水电解使用的、用于生产可再生氢(renewable hydrogen)以及捕获和截留二氧化碳的电化学系统、装置和方法

背景技术

水的电化学裂解传统上被视为是一种产生氢和氧气的方法。在传统的碱性水电解中，对于产生的每分子的氢，产生和消耗两分子的氢氧化物碱(hydroxide base)。产生氢氧化物碱的一种常用方法是使用氯碱。虽然有效，但是氯碱方法产生大量的氯，其是一种毒副产品，并且在利用从化石燃料产生的电流供能时，每吨制造的碱形成若干吨的二氧化碳污染物。

从大气(环境，atmosphere)或从气体源去除二氧化碳需要非常大量的能量输入以克服与分离和浓缩扩散气体(diffuse gas)相关的熵能。目前用于从大气截留二氧化碳或用于生产氢的设备和策略要么效率低要么成本高。为了降低每年释放入大气中的二氧化碳的量，关键是开发经济上可行的设备和工艺以提供可再生氢作为燃料源，以及通过以稳定的形式截留二氧化碳或通过将其转化为有价值的商品而从大气中去除大量的二氧化碳。

发明内容

在一个实施方式中，本发明是一种用于产生氢和去除二氧化碳的综合系统(集成系统，integrated system)，其包括能源(能量来源，energy source)和水源(水来源，water source)。所述能源产生电能。水源连接于该能源并包括离子电解质。所述能源向水源供能以电解水，从而产生氧气、氢气、酸和碱。二氧化碳与碱发生反应。所述综合系统基本上不产生二氧化碳。

在另一实施方式中，本发明是一种用于产生氢、增值产品并去除二氧化碳的系统，其包括水电解过程(水电解工艺，water electrosisprocess)和能源。水电解过程产生氢气和氢氧化物碱。所述能源向水电解过程提供电(流)输入。氢气被收集并可以补充所述能源，而碱去除大气二氧化碳。所述系统去除的大气二氧化碳多于其产生的二氧化碳。

在又一实施方式中，本发明是一种用于捕获二氧化碳并将其转变为增值产品的综合系统。该综合系统包括用于产生电的可再生能源和水电解装置。来自所述可再生能源的能量被供应到水电解装置而产生氢、氧、碱和酸，它们被截留。在从可再生能源将能量供应到水电解装置之前，大气具有初始浓度的二氧化碳。在从可再生能源将能量供应到水电解装置之后，产生的碱与来自大气的二氧化碳反应，使得大气具有的所得二氧化碳的浓度小于二氧化碳的初始浓度。然后二氧化碳被转变为增值产品。

在又一实施方式中，本发明为一种用于回收二氧化碳的系统，包括具有阳极和阴极的水电解装置以及连接到该水电解装置以将电能提供给水电解装置的可再生能源。水电解装置在阳极产生氧和含水酸(水性酸或酸水溶液，aqueous acid)，而在阴极产生氢和含水碱(水性碱或碱水溶液，aqueous base)。由水电解装置产生的含水碱被用于捕获二氧化碳。该系统捕获的二氧化碳多于该系统产生的二氧化碳并且产生少于约100mg/L的氯。

在又一实施方式中，本发明为一种用于产生氢、氧、酸和碱的综合水电解系统。该系统包括含水电解质溶液(电解质水溶液，aqueous electrolyte solution)、电源、阳极和阳极区以及阴极和阴极区。该阳极和阳极反应区产生的水合氢离子为电解质溶液中初始存在的水合氢离子的约100-10,000,000倍，而阴极和阴极反应区产生的羟离子(氢氧离子，hydroxide ion)为电解质溶液中初始存在的羟离子的约100-10,000,000倍。二氧化碳与羟离子反应而形成碳酸盐或碳酸氢盐。该综合电解系统基本上不产生二氧化碳。

根据其他实施方式，本发明涵盖一种电化学装置，用来从气流中截留二氧化碳并产生用作燃料源的氢。在一个实施方式中，所述电化学装置包括水电解室、收集和储存罐、气体接触组件、气体供应设备和分离室。水电解室适于电解水并适于电连接到电能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质溶液并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。所述装置包括用于在水电解室中产生的氢、氧、羟离子和水合氢离子每一个的收集和储存罐。气体接触组件可操作地连接于该(水电解)室的第一区并适于接收来自该室的溶液中的羟离子，并适于包含(容纳，contain)含有二氧化碳的气流。气体供应设备适于将含有二氧化碳的气流提供到气体接触组件以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触，并使二氧化碳与羟离子反应而形成溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子。分离室可操作地连接于气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。

在另一实施方式中，本发明是一种电化学装置，包括水电解室、气体供应设备、分离室、氢收集设备、可选的氧收集设备和燃料电池。水电解室适于电解水并适于电连接到可再生能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质溶液并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。气体接触组件可操作地连接于所述(水电解)室的第一区并适于接收来自该室的溶液中的羟离子，并包含含有二氧化碳的气流。气体供应设备适于将含有二氧化碳的气流提供到气体接触组件以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触并使二氧化碳与羟离子反应而形成溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子。分离室可操作地连接于气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。在使用期间，氢收集设备收集在阴极处产生的可再生氢。在使用期间，可选的氧收集设备收集在阳极处产生的氧。燃料电池电连接到所述室并可操作地连接于氢收集设备和可选的氧收集设备，并且适于从在阴极处生成的氢产生直流电。

在另一实施方式中，本发明为一种电化学装置，包括水电解室、气体接触组件、气体供应设备和分离室。水电解室适于电解水并适于电连接到电能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。气体接触组件与所述室的第一区形成整体(集成)并适于包含含有二氧化碳的气流。气体供应设备适于将含有二氧化碳的气流提供到气体接触组件以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触并使二氧化碳与羟离子反应而形成溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子。分离室可操作地连接于气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。

在又一实施方式中，本发明为一种电化学装置，包括水电解室、碱供应设备和气体接触组件。水电解室适于电解水并适于电连接到电能源。水电解室具有至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质并且包括在使用期间向该室施加直流电时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区。碱供应设备可操作地连接于所述室的第一区并适于接收来自所述室的含水氢氧化物碱并适于提供作为液滴的氢氧化物碱。气体接触组件使含有二氧化碳的大气或气流与氢氧化物碱接触并使二氧化碳与氢氧化物碱液滴反应而形成碳酸氢盐或碳酸盐离子的溶液。

在上面陈述的电化学装置实施方式的每一个中，所述电化学装置可以包括另外的部件。在一个实施方式中，所述装置包括用于收集在使用期间在阴极处产生的氢的氢收集设备和用于收集在使用期间在阳极处产生的氧的可选的氧收集设备。在另一实施方式中，所述装置包括燃料电池，电连接到所述室并可操作地连接到氢收集设备和可选的氧收集设备，适于从在阴极处产生的氢和在阳极处产生的可选的氧产生直流电。在又一实施方式中，所述装置包括沉淀室，该沉淀室可操作地连接到分离室并适于在使用期间从液相去除固体碳酸盐或碳酸氢盐。在又一实施方式中，所述装置包括二氧化碳收集设备，用于收集在分离室中产生的加压二氧化碳气体。在又一实施方式中，所述装置包括电解质供应设备，适于以各种各样的递送结构(配置，configuration)将新电解质供应到所述室。在又一实施方式中，水电解室包括一个或多个堆叠电极。

根据其他实施方式，本发明为一种产生氢并从气态源截留二氧化碳的电化学方法。直流电从在预定电压下的电源供应到到水电解单元，该水电解单元包括至少一个容纳基本上没有氯离子的含水电解质的电解槽。电解槽包括被动地或主动地与阴极区分离的阳极区。电解槽的阳极和阴极区通过电解质电连接。氢和碱在阴极区产生并作为产品或用于下游过程的试剂被单独地分离。氧和酸在阳极区产生并作为产品或用于下游过程的试剂被单独地分离。碱中存在的羟离子进一步与二氧化碳的气态源反应，从而作为碳酸盐、碳酸氢盐或其混合物截留溶液中的二氧化碳。

在另一实施方式中，本发明为一种从水产生氢气和从大气或气流的二氧化碳捕获形式产生碳酸氢盐的电化学方法。直流电被供应到水电解槽，该水电解槽具有适于产生氧和质子的阳极区以及适于产生氢和羟离子的阴极区。阳极和阴极区通过电解质电连接。羟离子从阴极区被移出并与来自大气或气流的气态二氧化碳接触而产生碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物的溶液。该溶液被进一步处理以分离碳酸氢盐。

在另一实施方式中，本发明为一种从水产生氢气和从大气或气流的二氧化碳捕获形式产生碳酸盐的电化学方法。直流电被供应到水电解槽，该水电解槽具有适于产生氧和质子的阳极区以及适于产生氢和羟离子的阴极区。所述阳极和阴极区通过电解质电连接。羟离子从阴极区被移出并与来自大气或气流的气态二氧化碳接触而产生碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物的溶液。该溶液被进一步处理以分离碳酸盐。

在另一实施方式中，本发明为一种生产氢气和二氧化碳中性或二氧化碳负性氢氧化物碱的电化学方法。可再生或原子能直流电被供应给电解槽，该电解槽具有适于产生氧和质子的阳极区以及适于产生氢和羟离子的阴极区。该阳极和阴极区通过电解质被电连接。一些或全部羟离子以碱的形式从阴极区被移出。该碱溶液被进一步处理以浓缩和纯化碱，其在没有任何显著的二氧化碳产生的情况下被制得。

在另一实施方式中，本发明为一种生产氢气和二氧化碳中性或二氧化碳负性酸的的电化学方法。可再生或原子能直流电被供应给电解槽，该电解槽具有适于产生氧和质子的阳极区以及适于产生氢和羟离子的阴极区。该阳极和阴极区通过电解质被电连接。一些或全部质子以酸的形式从阳极区被移出。该酸溶液被进一步处理以浓缩和纯化酸，其在没有任何净二氧化碳释放的情况下被制得。

在另一实施方式中，本发明为一种产生和维持电解室中酸和碱的分离区的方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。主动和被动屏障(分隔物，barrier)被用于防止酸和碱的再结合(再组合，recombination)，由此最大化两个区之间的pH梯度。单个的产物被收集和分离。

在另一实施方式中，本发明为一种从矿物(矿石，mineral)制备氢气和二氧化碳截留化合物的电化学方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。质子以酸的形式存在，并且一些或全部酸从阳极区被移出(去除，remove)。酸被处理，随后与某些矿物接触，其在活化时形成二氧化碳截留化合物。这些化合物与二氧化碳的气态源进一步反应而从该气态源捕获或截留二氧化碳。

在另一实施方式中，本发明为一种生产加压的二氧化碳的方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。所有的产物被单个地收集。羟离子，作为碱被处理，与来自大气或气流的含有二氧化碳的气体反应，产生碳酸盐或碳酸氢盐或其混合物的溶液。质子，作为酸被处理，与碳酸盐或碳酸氢盐反应以在封闭环境中释放二氧化碳从而产生加压的二氧化碳。根据进一步的实施方式，该加压的二氧化碳可以被加热和加压以生产超临界二氧化碳。

在另一实施方式中，本发明为一种生产二氧化碳中性脲的电化学方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。这些产物的每一个作为试剂被收集和处理。氢和二氧化碳与一个氮源反应以产生脲。

在另一实施方式中，本发明为一种生产氢和二氧化碳负性农用石灰的电化学方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。这些产物的每一个作为试剂被收集和处理。羟离子，作为碱被处理，与来自大气或气流的含二氧化碳的气体反应以产生碳酸盐的溶液。碳酸盐溶液被进一步用钙离子源处理以产生碳酸钙、农用石灰。

在另一实施方式中，本发明为一种生产氢气和二氧化碳中性生石灰的电化学方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。这些产物的每一个作为试剂被收集和处理。羟离子，作为碱被处理，与来自大气或气流的含二氧化碳的气体反应以产生碳酸盐的溶液。碳酸盐溶液被进一步用钙离子源处理以产生碳酸钙。碳酸钙随后被加热而产生生石灰。

在另一实施方式中，本发明为一种生产氢和从大气二氧化碳产生一氧化碳的电化学方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。这些产物作为试剂被收集和处理。羟离子，作为碱被处理，与来自大气或气流的含二氧化碳的气体反应以产生碳酸盐和碳酸氢盐或其混合物的溶液。该溶液进一步与质子(作为酸被处理)反应，以在受控反应环境中释放二氧化碳。该二氧化碳进一步与通过水电解过程产生的氢反应而形成一氧化碳。

根据又一实施方式，本发明为一种从大气或气流生产甲酸的电化学方法。水电解被用于在阳极区产生质子和氧，同时在阴极区产生羟离子和氢。这些产物作为试剂被收集和处理。羟离子，作为碱被处理，与来自大气或气流的含二氧化碳的气体反应以产生碳酸盐和碳酸氢盐或其混合物的溶液。该溶液进一步与质子(作为酸被处理)反应，以在封闭或受控反应环境中释放二氧化碳。该二氧化碳进一步与通过电解产生的试剂和甲醇反应而形成甲酸。

在阅读下面结合附图和实施例的详细描述后，本发明的这些和其他方面、过程和特征将变得更充分地明显。然而，本发明的前述总结和下面的本发明详细描述代表一个潜在的实施方式，不是限制本发明或本发明的其他可替换的实施方式。

附图说明

图1是根据本发明的不同实施方式的包括至少一个水电解槽的综合水电解系统的示意图。

图2是根据本发明的不同实施方式的水电解槽的示意图。

图3A和3B是根据本发明的其他不同实施方式的水电解槽的示意图。

图4是根据本发明的不同实施方式的水电解槽的示意图。

图5是根据本发明的另一实施方式的水电解槽的示意图。

图6是根据本发明的另一实施方式的水电解槽的示意图。

图7是可以从图1的综合水电解系统处理的增值产品的示意图。

图8是根据本发明的不同实施方式的水电解装置的示意图。

虽然本发明服从于各种改变和可替换形式，但是一些实施方式已经在附图中以实施例的方式举例说明并且在下面详细描述。然而，本发明不限于那些实施方式的发明，并且本发明意图覆盖对在这个说明书中描述的这些实施方式的所有改变、等同替换以及可选替换方案。

具体实施方式

图1示出了根据一个实施方式，用于生产可再生氢和捕获二氧化碳(CO₂)的综合水电解系统10的示意图。综合水电解系统10包括电能源12、可再生能源14、电解槽16(包括阴极区18和阴极18a、阳极区20和阳极20a)、含水电解质源22、氢收集和储存罐24、氧收集和储存罐26、碱收集和储存罐28及酸收集和储存罐30。此外，根据不同实施方式，综合水电解装置10包括连接到碱收集和储存罐28的第一二氧化碳捕获装置32、间接连接到酸收集和储存罐30的第二二氧化碳捕获装置34、以及氢/氧燃料电池38。综合水电解系统10及其部件通过水电解产生氢、氧、酸和碱，随后通过这些产物中的一个或多个的后续加工以作为碳酸盐、碳酸氢盐或矿物碳酸盐捕获二氧化碳。

当与可再生或非二氧化碳产生能源组合时，综合水电解系统10形成用于生产清洁氢燃料的二氧化碳负性能源方案，并且可以用作减少全球二氧化碳污染的大规模应用。短语“二氧化碳负性(carbondioxide negative)”指的是大气或气流中的二氧化碳的总体净减少。因此，当陈述综合水电解系统10为二氧化碳负性时，意味着综合水电解系统10去除的二氧化碳比它产生的二氧化碳实质上更多。此外，与制造氢氧化物碱的传统方法不同，基本上不产生二氧化碳或氯。

电能源12是直流(DC)电源并被耦接到可再生能源14。电能源12和可再生能源14向电解槽16供电。DC电以预定和足够的电压使用以电解电解槽16中的水，从而使阴极区18和阳极区20充电(使带电荷，charge)以向电解槽16供电。在一些实施方式中，DC电是脉冲化的，以最小化能量消耗以及通过允许气体在脉冲之间从电极表面离开来优化电解槽16中酸、碱、氢和氧的产生。

可再生能源14可以为任何可再生形式的能，如风、太阳、水电、地热、海洋、波浪、潮汐和利用可再生氢的燃料电池。这些可再生能源不产生二氧化碳。例如，对风力涡轮发电机起作用的风可以用于产生直流电。可能产生二氧化碳的其他能源也可以用于为电能源提供能量，包括生物燃料、生物质、煤、甲烷等。根据一个实施方式，核能也可以用于向综合水电解系统10提供能量。

当通过可再生能供电时，综合水电解系统10以总二氧化碳负性方式运转，从空气或气流去除净二氧化碳，并将其转化为各种各样的增值产品。核能是可选替换的电的来源，并且也允许二氧化碳负性运转。来自化石燃料燃烧的电是另一可选替换方式，但是目前不允许二氧化碳负性运转。随着电产生的装置或过程的效率的提高，化石燃料电也将允许综合水电解系统10的二氧化碳负性运转。

在一种实施方式中，由可再生能源14产生的能量可以用于补充电能源12。在一个可选替换的实施方式中，由电能源12产生的能量可以用于补充可再生能源14。过多的电可以被储存在电池中，通过变换器转换成交流电以由极板网栅(grid)使用，或转化为作为能量储存介质的氢。

电能源12和可再生能源14供应足够量的电以启动电解槽16中的水电解。在一个实施方式中，大于约1.2V的最小电压被施加于电解槽16以启动和维持电解。根据其他实施方式，施加于电解槽16的预定电压的范围在约1.2伏到约10.0伏。更高电压的施加可以增大反应速率，伴随能量效率的降低。

电解槽16中电解反应的结果是在阳极区20形成质子和氧气，以及在阴极区18形成羟离子和氢气。质子与在含水电解质源22的电解质溶液22a中存在的阴离子结合而形成酸。同样地，羟离子与在含水电解质源22的电解质溶液22a中存在的阳离子结合而形成碱。

电解质处理设备经由连续液流或分批模式向阴极区18和阳极区20供应新鲜的电解质溶液。在一个实施方式中，电解质溶液22a由中心供料罐如含水电解质源22提供，由半渗透膜或离子选择膜将阴极区18和阳极区20分开。这些离子选择膜引导阴离子朝向阳极区20，而阳离子朝向阴极区18，最小化酸和碱的盐污染，同时减少由于再组合造成的酸和碱的损失。被动半渗透膜也最小化这样的污染或损失。

容纳在含水电解质源22中的含水电解质溶液22a包括含水浓电解质溶液，如钠、钾、钙、或镁的硫酸盐、硝酸盐、或碳酸盐溶液。根据不同实施方式，含水电解质包括碱金属盐。碱金属盐是周期表的第1(IA)或2(IIA)族的盐。适于本发明使用的示例性电解质包括，但不限于，以下：硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钾、或碳酸钾。其他合适的电解质溶液包括海水和含水海盐溶液。在一个实施方式中，含水电解质溶液22a基本上不包含氯化物，使得电解槽16和/或综合水电解装置10基本上不产生氯气。在一个实施方式中，综合水电解系统10每升电解质产生少于约100毫克的氯，尤其是每升电解质少于约10毫克的氯，更特别地，每升电解质少于约1毫克的氯。

根据本发明的一个示例性实施方式，含水电解质溶液22a是硫酸钠的饱和溶液，其是通过将过量的硫酸钠加入置于1200升电解质处理(加工，processing)和储存罐中的约1000升干净蒸馏水中而制备的。电解质溶液22a被维持在约30℃同时被机械地混合整夜。获得的溶液被过滤并随后利用泵或重力自流进料而泵入电解槽16中。

电解质水溶液22a的浓度根据电解槽16和整个综合水电解系统10的需要而变化。电解质浓度可以随着温度、pH、和/或选择的电解质盐而变化。根据一个实施方式，含水电解质溶液22a的浓度为约1M。根据另一实施方式，饱和含水电解质溶液22a被维持在电解槽16内。

如图1所示，综合水电解装置10包括至少一个水电解槽16。水电解槽是本领域技术人员熟知的。水电解槽16由容纳含水电解质溶液22a的耐腐蚀室和与一个或多个阴极20a排列成行的一个或多个阴极18a，它们的构造为最小化电极18a、20a之间的电阻。水在阴极区18被还原，而在阳极区20被氧化。电解质负责电解槽16内的电荷转移和离子移动。电解槽16还包括气体接触组件和气体供应设备，以将含二氧化碳的空气或气流与来自电解槽16的氢氧化物碱接触；以及分离室，以浓缩、处理或分离从碱与二氧化碳的反应形成的碳酸氢盐和碳酸盐。合适的电极材料包括镍、铂、碳、不锈钢，或任何在用于电解水的电压下耐受电解质中的化学腐蚀的导电材料。丝电极、片电极、丝网电极或多孔电极是用于最大化电极表面积的合适可选替换方式。堆叠电极，带有相同或不同的电压，最大化氢、氧、酸、和碱产生。在一些实施方式中，离子选择性膜可以用来维持分离的阴极区18和阳极区20。在其他实施方式中，多孔玻璃烧结料，其他非选择性屏障的滤器，被用于维持分离的阴极区18和阳极区20。

阴极区18和阳极区20通过从含水电解质源22a供应的含水电解质溶液22a电连接。供应到电解槽16中的含水电解质溶液22a的电能引起水的电化学裂解而产生氢、氧、碱和酸。水电解槽16在阴极区20产生并捕获氢和氢氧化物碱，在阳极区20捕获氧和浓酸。含水电解质溶液22a内上升的气体引起动态流体对流，其通过电解设计而被最优化。阴极区18和阳极区20内的电解质的对流流动最小化通常由传统电解装置经历的新产生的碱和酸的再组合。通过防止阴极区18和阳极区20内的产物在电解槽16内再组合，阴极区18和阳极区20内的碱和酸的浓度可以提高到相对于其初始浓度的约100到约10,000,000倍或更高。尤其是，阴极区18和阳极区20内的碱和酸的浓度各自相对于其初始浓度提高到约10,000到约10,000,000倍或更高。更特别地，阴极区18和阳极区20内的碱和酸的浓度各自相对于其初始浓度提高到约100,000到约10,000,000倍或更高。甚至更特别地，阴极区18和阳极区20内的碱和酸的浓度各自相对于其初始浓度提高到约1,000,000到约10,000,000倍或更高。对于每千克的氢，综合水电解系统10因而能够产生高达约40千克的氢氧化钠或摩尔当量的氢氧化钾。此外，根据一些实施方式，对于每千克的氢，综合水电解系统10能够产生高达约49千克的硫酸。

一旦碱和酸的浓度相对于它们的初始电解质浓度达到一百倍的最小增加，则导致阴极区18和阳极区20之间pH差为约4或更高，新鲜的含水电解质溶液22a从含水电解质源22被泵入阴极区18和阳极区20。为了平衡阴极区18和阳极区20内的液体的体积，生成的碱和酸分别从阴极区18和阳极区20被移出。电解质的分批或连续流动加入可以被用于最优化生产和操作条件。

根据一些实施方式，含水电解质溶液22a可以在进入电解槽16的阴极和阳极区18、20之前经历另外的处理。图2是用于在引入水电解槽116前处理含水电解质溶液148的电解槽116的示意图。如图2所示，电解槽116包括电解室152，其包括位于阴极区142内的阴极118和位于阳极区144内的阳极120。电解室152流体地耦接到电解质源122。根据个种实施方式，电解槽116还包括阴极电解质制备电极156和阳极电解质制备电极158。

电解质制备电极156和158位于从电解质源122到电解室152的含水电解质流动路径内。根据不同实施方式，电压被施加于电解质制备电极156和158，其小于水电解所需的最小理论电压。根据一些实施方式，施加的电压小于约1.2V。当一个电势被施加于制备电极156和158时，制备电极156和158如同带电电极起作用，吸引相反电荷的离子。根据一些实施方式，电解质制备阴极156吸引阳离子并排斥阴离子，而电解质制备阳极158吸引阴离子并排斥阳离子。这个过程在电解质溶液148引入电解室152前，预先分类电解质溶液148中存在的离子。

连续或分批液体流被用在水电解槽16中。各种各样的流动模式被使用以允许电解质溶液平行于、环绕、或通过电极而流动。流量控制器、可渗透屏障和反向流流动设计控制或引导电解质流以最大化效率，并最小化可能通过再组合发生的酸和碱的任何损失。离子选择膜或主动电屏障也选择性地引导盐阴离子朝向阳极流动，而盐阳离子朝向阴极流动。用来在阳极和阴极区18、20之间供应新鲜电解质溶液的中心供料罐用于提供酸和碱的物理分离，并最小化不希望的再组合。电极之间所用的非选择性离子渗透膜、滤器或凝胶也可以用于最小化流体混合，同时维持电解质溶液中的高电导率。

图3A为根据本发明的一个实施方式的电解槽216A的示意图。图3B是根据本发明另一实施方式的另一电解槽216B的示意图。如图3A和3B中所示的槽216A和216B各自被构造成利用流体动力学的电解槽216A、216B内的分开的阴极区242A、242B和分开的阳极区244A、244B。此外，根据另一实施方式，槽216A、216B被构造成维持阴极区242A、242B和阳极区244A、244B之间的pH差异在至少4个pH单位，更具体地，在至少6个pH单位。

在一个实施方式中，如图3A所示，电化学槽216A具有“T”构型。“T”形槽216A包括双向分支到水平部分262中的细长垂直部分260A。新鲜电解质的连续供应从电解质源222A向上流动通过“T”形壳的细长部分，以箭头表示。一旦电解质到达“T”形槽216A的水平部分260A，随后电解质以相反方向朝向距离接近的阴极区242A和阳极区242B流动。根据不同实施方式，由于施加的电场和扩散，通过槽216A的电解质的双向流动速率大于离子迁移的速率。因此，阴极区242A和阳极区242A的内含物不能重再组合，阳极区242A和阴极区242A之间的pH差异可以被维持。

在另一实施方式中，如图3B所示，阴极区242B和阳极区242B内的对流参与维持电解槽216B的阴极区242B和阳极区244B之间的pH差异。如图3B所示，氢气在阴极218B处形成并以气泡的形式在电解质溶液中上升。上升的气泡在阴极区242B内形成对流。类似地，在阳极220B处产生的氧以气泡的形式上升，在阳极区244B中形成对流。此外，电解槽216B包括流体地耦接阴极242B和阳极区242B的狭窄路径264。与阴极242B和阳极区242B之间的狭窄流体路径264组合的阴极242B和阳极区242B中的对流参与维持阴极242B和阳极区242B之间的pH差异为至少4个pH单位，更具体地，至少6个pH单位。在另一实施方式中，结合图3A中所示的电解槽216A的特征和图3]3中所示的电解槽216B的特征的电解槽可以被利用。

图4示出了电解槽16的示意图。水电解槽16包括阴极区18和阳极区20，其包含由半渗透膜46分开的空间接近的电极。半渗透膜46减少水电解装置16内的液体混合，但是允许阴极区18和阳极区20之间的离子流动。这种构造维持高电导性，同时最小化水电解槽16内的酸和碱重组合的损失。阴离子或阳离子特异性膜被用于限制产生的酸或碱的盐污染。

新鲜的含水电解质溶液22a以相同的方向在阴极18和阳极区20中流动，逐渐在阴极区18中变得更碱性，在阳极区20中变得更酸性。可替换地，新鲜的含水电解质溶液22a可以通过阴极区18和阳极区20之一被引入。在这种情况下，横跨阴离子或阳离子特异性膜46的选择性离子流将确保分别地产生高纯度酸或碱。水电解槽16可以以平行或对向流模式操作。对向流最小化穿过半渗透膜46形成的化学梯度，并可以减少形成这样的梯度所需的能量，并产生高浓度的酸和碱。在对向流系统中，最高浓度的水合氢离子和羟离子及它们的抗衡离子从不互相直接地横跨半渗透膜46定位，而是在与对向槽中的引入新鲜含水电解质溶液22a反向上达到最大强度。这种设计避免了形成横跨半渗透膜46的13-14个单位的pH梯度的需要，而在强酸性和中性电解质之间、或强碱性和中性电解质之间不产生高于7个单位的pH梯度。平行流也具有某些能量和设计优点。

图5示出了一种可替换的水电解装置16A的示意图。水电解装置16A是对向流或平行流流动的三室水电解装置。新鲜含水电解质溶液22a的狭窄中心供料罐(如电解质源22)在分隔开阴极区18和阳极区20的第一半渗透膜48和第二半渗透膜50之间被引入。在对向流流动中，浓缩的含水电解质溶液22a在水电解装置16A的第一端处进入中心供料罐，并且浓的碱和酸分别从阴极区18和阳极区20离开。在水电解槽16A的第二端，稀的碱和酸进入阴极区18和阳极区20，并且水或稀的含水电解质溶液离开中心供料罐。这种设计减少了产生的碱和酸的盐污染并最小化横跨渗透膜48和50形成的化学梯度。在一些实施方式中，该设计还可以用于使盐或海水脱盐并产生氢、氧、酸、和碱。

在实践中，阴极18a最初用稀碱填充，阳极20a用稀酸填充，维持电极18a、20a之间的电导率。阳离子从中心供料罐流动通过最接近于阴极18a的第一半渗透膜48，与阴极18a处形成的羟离子结合而生成浓氢氧化物碱。阴离子从电解质溶液源22流动通过第二半渗透膜50到阳极20a，与阳极20a处形成的质子结合而产生浓酸。半渗透膜48、50可以为离子选择(阴离子或阳离子特异性)膜，或者可以为最小化流体流动的被动屏障，允许阴离子或阳离子在任一方向通过。不管膜的选择性，这样的3-槽系统可以在所有槽中以平行流动来操作，或者在任何一侧以中心供料罐以及阴极18a和阳极20a之间的对向流操作。对向流流动系统最小化横跨这些膜的化学梯度，因为高浓度的碱和酸与高浓度的新鲜电解质进入中心供料罐反向地离开阴极18a和阳极20a。

在另一实施方式中，中心供料罐在两个离子选择膜之间引入新鲜的电解质溶液22a，这些膜引导来自盐溶液的阳离子和阴离子分别到阴极区18和阳极区20。

置于电解阳极和阴极之间的离子选择膜或电极筛网用于引导盐离子朝向恰当电极流动。这些屏障选择性地排斥相似带电离子并吸引相反带电离子，并且在某些构造中，引导阳离子流向阴极区18，而阴离子流向阳极区20。这些屏障起作用以提高电解槽16中形成的酸和碱的纯度和强度。在电极筛网上的凝胶或膜涂层也用于减少流体混合以及由于再结合造成的酸和碱的损失。非选择性离子渗透膜也将减少流体混合。

在一个实施方式中，阳极区18和阴极区20之间的多孔层包含一种或多种离子交换树脂，其用于优化盐离子流向电极并最大化在装置内产生的酸和碱的纯度。

邻近阴极区18的带负电荷的阳离子交换树脂和邻近阳极区20的带正电荷的阴离子交换树脂的一个层将用于引导、浓缩或分选阳离子朝向阴极区18和阴离子朝向阳极区20。

根据一些实施方式，含水电解质溶液22a的流速可以被调节以克服不希望的离子迁移，消除酸和碱再结合，或混合来自阴极区18和阳极区20的电解质溶液。根据其他实施方式，含水电解质溶液22a的流速可以被调节以提高、降低和/或维持电解槽16的它们各个区中产生的酸和碱的浓度。

图6为根据本发明一些实施方式的一种堆叠水电解槽的示意图。堆叠的多孔电极18a和20a可以用在一些实施方式中以最大化酸和碱产生。根据一个实施方式，如图6所示，水电解槽包括以空间紧密的平行构造排列的两个或更多个多孔阳极-阴极对18a和20a。一个或多个半渗透膜或离子选择膜52可选地包括在内部电极对18a和20a之间。膜52起作用以包含位于内部多孔阳极或阴极对之间的狭窄电解质供料罐。新鲜电解质从该罐向外流动，接触第一对电极，其中水氧化在阳极处发生，而水还原在阴极处发生。因此，当水通过每个电极对时，它逐渐变得更加酸性或碱性。在一个实施方式中，电极可以由细孔筛、多孔微球或纳米球材料或薄片(具有许多穿过电极的流动通路)组成。在约1.2到约10伏的范围内变化的DC电压被提供给这些电极对以最大化阳极室中的酸和阴极室中的碱的产生。

再参照图1，一旦碱和酸的浓度相对于它们的初始电解质浓度达到约100倍或更高的最小增加，那么碱和酸从电解槽16的阴极区18和阳极区20被移出。根据一个实施方式，在阴极区18和阳极区20形成的碱和酸被泵入综合水电解系统10中它们各自的收集和储存罐。根据另一实施方式，可以施加正压力以从阴极区18和阳极区20移出碱和酸。根据又一实施方式，碱和酸可以经由重力自流进料而从它们各自的区18、20被移出。随后新鲜的含水电解质溶液22a从含水电解质源22被递送以平衡阴极区18和阳极区20中的液体体积。

在含水电解质溶液22a被电解以产生氢、氧、碱和酸后，这些产物被截留和收集。气体从阴极区18或阳极区20被送到设计用来收集这样的气体的储存或流动系统。相对于含水电解质溶液，气体的低密度使得气体上升。反应区18、20被设计成引导这个流向上并到达阴极区18和阳极区20之外而进入相邻的综合区域。氢、碱、氧和酸被物理地转移以分别收集在氢收集和储存罐24、碱收集和储存罐28、氧收集和储存罐26、和酸收集和储存罐30中。

由水电解槽16产生的碱被送到碱收集和储存罐28并被出售或用作二氧化碳中性的、高度纯化的商品或与二氧化碳气体化学反应以形成碳酸盐或碳酸氢盐。在一个实施方式中，电解槽16的阴极区18中产生的碱的pH的范围为约pH＝8到约pH＝14。当用于捕获二氧化碳时，二氧化碳作为碳酸盐、碳酸氢盐、或其混合物被捕获。二氧化碳可以通过反应、截留、去除、转化或化学改性大气或气流中的气态二氧化碳而被捕获。所述气流可以为废气、发酵罐气体流出物、空气、生物气、填埋物甲烷、或任何二氧化碳污染的天然气源。碳酸盐可以随后被处理以产生各种各样的碳基产品。例如，碳酸盐可以被浓缩、纯化、富集、化学反应、转移、转化、转换、蒸发、结晶、沉淀、压缩、储存或分离。

碱与二氧化碳的反应可以是被动的，仅依赖天然的气体-水-固体混合。被动反应的一个实例包括充满碱或含碱溶液的露天储罐、或暴露于空气或气流的固体氢氧化物碱的层。碱-二氧化碳反应是自发的并可以通过碱或二氧化碳的浓度增加而被增强。该反应还可以通过设计碱和二氧化碳的主动机制进行。活性反应的实例包括主动喷雾、使呈雾状、或将碱性溶液滴入含二氧化碳的空气或气流。在另一实例中，二氧化碳通过鼓泡或迫使气流通过由水电解装置16产生的碱的柱或储罐而主动与碱反应。也可以设想主动和被动二氧化碳捕获系统的组合。在两种情况中，碳酸氢钠和碳酸钠通过综合水电解系统10形成。这些反应可以发生在综合水电解系统10内或可以从综合水电解系统10移出并运送到另一地点用于利用前面描述的被动或主动技术从大气或气流捕获二氧化碳。

阴极区18中产生的氢氧化物碱被运送到气体-液体接触装置。合适的气体-液体接触装置包括间歇反应器、鼓泡器、气体-液体吸收-反应装置、或这些装置的任何系列。被动二氧化碳捕获模式包括将氢氧化物晶体的薄层或溶液暴露于空气或二氧化碳污染的气流。在一个实施方式中，多孔筛网或织物或这样的筛网或织物的系列用氢氧化物碱润湿并暴露于经过的气流。在另一实施方式中，由用碱饱和的气体可渗透床或层组成的湿洗器从经过该床或层的气流洗涤二氧化碳。在另一实施方式中，碱的细雾被喷洒入空气或气流并且微粒或小滴碳酸盐通过重力或过滤被收集。实际上，有效地混合气体和液体的任何方法提供了合适的可替换的二氧化碳捕获方案。

由水电解槽16产生的酸被送到酸收集和储存罐30。根据一个实施方式，酸的pH范围为约pH＝1到约pH＝5。酸可以被处理并从该系统移出而作为商品出售。酸可以用于制备某些矿物基二氧化碳截留化合物，其随后用于从大气或气流捕获二氧化碳。酸还可以被综合水电解系统10作为化学试剂使用以形成其他增值产品。在一个方面，碳酸盐和碳酸氢盐在碱与二氧化碳反应后可以被分离。酸随后可以被用于以受控方式从碳酸盐或碳酸氢盐释放二氧化碳以进一步将释放的二氧化碳处理为增值产物。这些产物可以包括，但不限于：一氧化碳、甲酸、脲、甲醇、超临界二氧化碳、高压二氧化碳、液体二氧化碳或固体二氧化碳(干冰)。

在水电解槽16的阳极区20处产生的酸可以可选地被用于从碳酸盐或碳酸氢盐释放浓的二氧化碳以用于储存或进一步应用。二氧化碳收集或运送设备容纳在大气压或更高压力下释放的二氧化碳。来自水电解过程的氢气和氧气的膨胀也可以可选地用于进一步压缩二氧化碳到超临界压力。

在水电解期间，酸和碱的连续产生导致水电解槽16的阴极区18和阳极区20之间的pH差。根据一个实施方式，阴极区18和阳极区20之间的pH差为至少4个pH单位。根据其他实施方式，阴极区18和阳极区20之间的pH差为至少4个pH单位、至少6个、至少8个、或至少10个或更高的单位。阴极区18和阳极区20之间的pH差可以通过防止阴极区18中形成的阴极电解液与阳极区20中形成的阳极电解液结合来维持。

可替换地，碱和/或酸可以从综合水电解系统10移出并运送到另一地点以利用前述的被动或主动技术从大气或气流捕获二氧化碳。在通过可再生能量供能时，该系统产生可以用于从大气或气流捕获二氧化碳的碱和/或酸。在这个模式中，整个综合水电解系统10截留的二氧化碳实质上超过它形成的，导致净负的二氧化碳路径。任何显著的二氧化碳捕获使得由该系统产生的全部产物为二氧化碳负性的，尤其是那些从大气二氧化碳合成或产生的碳产品。

氢和氧被分别收集在氢收集和储存罐24以及氧收集和储存罐26中，可以用于产生电以向综合水电解系统10供能，以补充电能源12或为燃料电池(如燃料电池38)、炉子或发动机供能而为水电解提供直流电。氢和/或氧也可以用来与综合水电解系统10的其他产物反应而生成更加增值的产品。最后，氢和/或氧可以作为产品从综合水电解系统10引出而被出售或用作燃料或化学给料。因为利用综合水电解系统10产生的氢通过二氧化碳中性或二氧化碳负性过程产生，所以氢提供了清洁的可再生燃料源。

根据一些实施方式，分离室产生高度浓缩的碳酸盐和碳酸氢盐或溶液。富含碳酸盐或碳酸氢盐的溶液可以被冷却以沉淀这些盐。从碳酸盐溶液被动或主动的水的蒸发可以单独地或与这样的沉淀过程结合使用。太阳、风、加热、减压是其他的替换方式。在又一实施方式中，添加钙或镁离子到浓缩或富集的碳酸盐或碳酸氢盐的溶液中将从更可溶的碳酸钠溶液沉淀碳酸钙或碳酸镁盐。在又一实施方式中，水可溶性的有机溶剂如甲醇、乙醇或丙酮也将从浓碳酸盐或碳酸氢盐溶液沉淀碳酸盐。与碳酸盐或碳酸氢盐反应、或结合碳酸盐或碳酸氢盐的其他化学品也将从溶液浓缩或移出这些盐。

许多碳基产品可以从通过综合水电解系统10捕获的二氧化碳生产。从通过综合水电解系统10捕获的二氧化碳制得的商品为二氧化碳负性的，导致大气二氧化碳的净总体减少，因为气态二氧化碳被转变为增值碳产品。这些产品的出售可以显著地资助可再生氢产生，使得清洁的氢成为集中在将大气二氧化碳转变为有价值的碳基产品的工业过程的廉价副产物。

图7示出了可以从利用综合水电解系统10产生的碱和/或酸捕获的二氧化碳加工成的增值产品。综合水电解系统10从图的中心向外处理(加工)增值产品。如前所述，从电解产生的碱与二氧化碳反应而产生碳酸盐和碳酸氢盐。碳酸盐和碳酸氢盐又可以通过二氧化碳与氢的化学或电化学还原或反应被转变为一氧化碳。一氧化碳与氢的结合产生合成气(Syngas)，一种合成有机化学的关键要素。通过这些中心产物的另外处理，许多化学基础物质(构成物质，building blocks)，如甲烷、脲、乙二醇、乙醛、甲醛、石灰石、乙酸、甲醇、甲酸、丙酮和甲酰胺可以被形成。这些增值的化学基础物质可以作为商品化学品出售或用于生产第二类的增值产品，包括聚合物、织物、脲、和各种建筑材料。这些增值终产物随后从综合水电解系统10移出并出售，导致二氧化碳有利地转变为二氧化碳负性产物。可再生氢的同时产生通过这些增值产物的出售被资助，降低可再生氢产生的成本，并形成对全球变暖具有潜在的显著影响的二氧化碳负性能量方案。

图7的中心圆描述了可以从氢氧化物碱与二氧化碳的反应，或(在一氧化碳的情况下)通过捕获的二氧化碳的化学还原而产生的产物。这些化学化合物包括二氧化碳、一氧化碳、碳酸盐和碳酸氢盐，它们均可以容易地相互转化。它们可以进一步被处理以形成用作用于大分子的基础物质的各种各样的碳基单体。在许多情况下，由电解槽16产生的氢、氧、酸和碱可以用于这种二次加工。碳基基础物质还可以在综合水电解系统中被进一步处理以产生许多有价值的碳基产品。它们的一些实例在图7的外环中被示出。

根据本发明的一个实施方式，含水电解质溶液在水电解槽中被电解而在阴极区产生羟离子。该羟离子以碱的形式存在。一种这样的示例性碱是氢氧化钠。接着，碱中的羟离子通过上述方法的任何一种与气态二氧化碳的来源接触而作为碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物截留溶液中的二氧化碳。

碳酸氢盐和/或碳酸盐可以从溶液中被分离以产生碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物。这可以通过各种各样的技术实现。例如，溶液的pH可以被维持在8或9之间以有助于碳酸氢盐形成或维持在大于11的pH以有助于碳酸盐形成。双置换反应可以用于分离不同形式的碳酸盐或碳酸氢盐。更具体地，碳酸钠与氯化钙反应形成碳酸钙，其可以容易地从溶液中沉淀。类似地，镁盐也可以用于将碳酸氢盐或碳酸盐的钠盐转变为溶解度低的镁盐。碳酸钙和碳酸镁可以被纯化并使用或出售。用于分离碳酸氢盐或碳酸盐的其他处理方法包括浓缩、沉淀、加热、冷却、暴晒蒸发、真空蒸发、风蒸发和结晶。

根据不同实施方式，固体碳酸氢盐和/或碳酸盐可以用在广大范围的建筑材料的生产中。例如，碳酸氢盐和/或碳酸盐可以在塑料、弹性体、粘合剂、和其他聚合物基材料的生产中用作填料。根据不同其他实施方式，固体碳酸氢盐和/或碳酸盐可以在灰泥、水泥、石膏、瓦片、水泥浆、建筑纸板、人造石等的生产中被使用。最后，固体碳酸氢钠可以被纯化并作为发面苏打被出售。

根据本发明的不同实施方式，在电解槽16的阴极区18处产生的碱可以用于产生二氧化碳中性或二氧化碳负性农用石灰和生石灰。例如，硫酸钠溶液在水电解槽16中被电解而在阴极区18中形成氢氧化钠。碱被浓缩使得它达到至少pH＝10的pH，随后与二氧化碳的气态源接触以有利于富含碳酸盐的给料(feedstock)的产生。富含碳酸盐的给料随后与氯化钙溶液混合。固体碳酸钙从给料沉淀而产生农用石灰。根据其他实施方式，热可以被施加于根据上述方法产生的固体碳酸钙，以产生二氧化碳中性生石灰，或在二氧化碳被再次捕获的情况下，产生二氧化碳负性生石灰。

根据本发明的另一实施方式，在水电解槽16的阳极区20中产生的酸可以用于产生二氧化碳截留物质。水在水电解槽16中被电解而在水电解槽16的阳极区20处产生强酸。至少一部分或全部的酸从阳极区20被移出并被收集和储存在酸收集和储存罐30中。根据一个实施方式，酸在水电解槽16的阳极区20中或在酸收集和储存罐30中被浓缩以便所得到的酸的pH的范围为约pH＝0到约pH＝5。根据进一步的实施方式，酸被浓缩以便它具有约pH＝1的pH。随后酸与在暴露于强酸时被转变为二氧化碳截留物质的物质反应。可以通过与强酸的反应被转化为二氧化碳截留物质的示例性物质包括，但不限于以下：矿物粘土、海泡石(sepiolite)、蛇纹石(serpentine)、滑石、石棉、及各种采矿副产品，如石棉采矿废品。根据一个示例性实施方式，常见的矿物蛇纹石可以溶解在硫酸中，产生硫酸镁的溶液，同时作为沙沉淀二氧化硅。氢氧化钠的加入形成硫酸镁和氢氧化镁的混合物。该过程还可以将有毒石棉和石棉废品转变为无毒二氧化碳结合物质。镁溶液随后暴露于来自大气或气流的二氧化碳导致碳酸镁或菱镁矿的形成，它们均形成沉淀。这些沉淀良好适合于产生建筑材料块。根据本发明的进一步实施方式，二氧化碳截留物质可以与强酸进一步反应而在受控条件下释放二氧化碳气体。从二氧化碳截留物质释放的二氧化碳可以被捕获并储存用于进一步处理。

根据不同其他实施方式，在水电解槽16的阴极区18中产生的碱和阳极区20中产生的酸可以用于在受控反应中产生浓缩或高压二氧化碳气体。例如，含水电解质溶液22a中的水被电解而在阴极区18产生碱，并在阳极区20产生酸。一些或全部的碱从阴极区18被移出并被收集和储存在碱收集和储存罐28中。一些或全部的酸从阳极区20被移出并被收集并储存在酸收集和储存罐30中。碱中存在的羟离子与二氧化碳的气态源反应而产生包括碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物的溶液。酸与包含碳酸盐的溶液在密闭容器中反应而产生高度浓缩和加压的二氧化碳。可替换地，该二氧化碳气体可以被释放入管道或流动系统中，以运送到更远的地方。根据不同实施方式，二氧化碳可以被进一步被浓缩和/或纯化。

根据其他实施方式，根据上面的方法产生的二氧化碳可以被转变为脲。脲在农业生产中经常作为肥料使用，因为它富含氮。根据不同实施方式，二氧化碳与无水氨的来源在加压氮下接触而产生脲。根据其他实施方式，在阴极产生的氢和根据上述各种方法产生的二氧化碳在电化学过程中与氮气反应而产生脲。

根据其他进一步的实施方式，二氧化碳气体可以被转变为有用的产品，如超临界二氧化碳。例如，根据一个实施方式，加压的二氧化碳可以被调节到临界温度和临界压力而产生超临界二氧化碳。超临界二氧化碳广泛用在食品工业和香精工业中以从咖啡或茶提取咖啡因，以及从种子或植物物质提取精油，或用在干冰的生产中。此外，最近的发展还表明，超临界二氧化碳是合成有机化学中有价值的试剂或溶剂。

根据本发明的其他不同实施方式，根据上述方法产生的二氧化碳可以被转变为一氧化碳，多种合成有机化学中的基本基础物质。工业上用于将二氧化碳转变为一氧化碳的几个熟知的化学途径是众所周知的并在工业上应用。根据一个示例性的实施方式，反向水煤气转换反应(Reverse Water Gas Shift reaction)利用在阴极处产生的氢而将二氧化碳还原为一氧化碳和水。

一氧化碳在大批化学品生产中具有许多应用。例如，醛通过烯、一氧化碳、和氢的加氢甲酰化产生。加氢甲酰化可以耦合到ShellHigher Olefin Process(Shell高级烯烃工艺)而获得洗涤剂的前体。此外，甲醇可以通过一氧化碳的氢化产生。最后，在Monsanto过程中，甲醇和一氧化碳在均相铑催化剂和HI存在下反应而产生乙酸。将二氧化碳转变为一氧化碳的任何化学途径可以应用于本说明书中描述的当前水电解和二氧化碳捕获技术。在从大气二氧化碳制造时，这样的产物是二氧化碳负性的。

根据本发明的其他实施方式，甲酸盐和甲酸可以从上述电解反应的产物产生。在阴极产生的碱可以与二氧化碳的气态源反应而产生包含碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物的溶液。包含碳酸盐的溶液可以在受控条件下与阳极形成的酸反应而释放二氧化碳。在一个实施方式中，1M的碳酸氢铯的溶液，从碱性溶液中截留的二氧化碳被处理，可以利用钯催化剂进行电解而以高产率和法拉第效率产生甲酸。在另一实施方式中，碳酸盐或碳酸氢盐与阳极形成的酸反应而在受控过程中释放二氧化碳。通过水电解产生的氢和甲醇随后被逐步加入而产生甲酸。利用来自前述水电解/二氧化碳捕获技术的产物产生甲酸盐或甲酸的任何已知的化学途径可以通过这些实施方式想到。

根据本发明的不同其他实施方式，根据上述方法产生的电解产物可以用于生产甲醇。许多金属氧化物，如锌和锆催化剂已知将二氧化碳还原为甲醇。根据一个示例性的实施方式，利用通过水电解产生的碱从大气或气流捕获的二氧化碳在受控环境中利用也是从电解过程产生的酸被释放。二氧化碳和通过水电解产生的氢被结合并在镍催化剂上反应而产生甲醇。在另一实施方式中，Fischer-Tropsch反应在铜或靶上进行以优先生成甲醇。利用来自本发明水电解和二氧化碳捕获技术的产物生产甲醇的任何化学途径是潜在的反应性途径。

实施例

本发明将在下面的实施例中更具体地描述，其意图仅作为举例说明，因为本发明范围内的多种改变和变化对于本领域的技术人员来说是显而易见的。除非另外说明，下面的实施例中报道的所有部分、百分比、和比率是基于重量的，并且在这些实施例中使用的全部试剂是商业上获得的，或者可以通过常规技术合成。

实施例1

如图8所示，水电解装置被构建成证实产生浓酸和碱用于二氧化碳捕获的可行性。它由直径约2.5厘米(cm)的垂直中心电解质供料管、在其基部附近被连接到彼此相对附着的向上倾斜的阳极和阴极管构成。由镍、不锈钢或铂组成的电极丝、筛网状或平的、线形电极被放置在阳极和阴极管中，接近它们连接于中心管的点。含水硫酸钠的浓缩的、不含氯化物的电解质溶液经由中心供料管被引入系统，形成导电槽，其中水在阳极被氧化，而在阴极被还原。小的15瓦太阳能电池板被用于向该系统提供可再生电。

当来自太阳能电池板的DC电流被施加到系统时，在阴极迅速产生氢和氢氧化物碱，同时在阳极形成氧和酸。氢和氧气分别在阴极和阳极管向上流动，在顶部被收集。积聚在阳极和阴极管中的酸和碱经由旋塞阀被收集。引入中心供料管中的新鲜电解质迫使酸和碱在阳极和阴极管向上升，防止它们在系统内再结合。在运行的几分钟内，阳极槽中的电解质已经达到约2的pH，而在阴极槽中达到约12的pH，10个pH单位的差异。不同于用于生产氢氧化物碱的传统氯碱工艺，该碱生产的可再生方法不产生氯或二氧化碳。硫酸，一种高需求商品化学品产生，而不是氯。

在阴极槽中产生的碱开始立即捕获大气二氧化碳，一种通过最大化空气-水暴露而被极大增强的过程。这通过使空气或气体鼓泡通过碱性溶液，或通过喷洒碱经过空气或含二氧化碳的气体的柱来实现。

被动捕获方法也清楚表明从空气的二氧化碳捕获。小量(20g)的晶体NaOH以薄层铺在暴露于空气的玻璃板上。在最初几天，吸湿的NaOH从空气吸收大量的水蒸气，变成潮湿的晶体块。在接下来的两周期间，这些晶体逐渐干燥并且颜色变为不透明的白，一种从初始半透明NaOH晶体的可见变化。该白色晶体为碳酸氢钠和碳酸钠的组合，从大气的二氧化碳形成。酸、醋添加到这些晶体导致剧烈的起泡，因为二氧化碳被释放回空气。

实施例2

第二实施例使用在底部用多孔玻璃料密封的1英寸直径玻璃管。该玻璃料允许玻璃管的内部和外部之间的流体和离子交换，形成内部阳极或阴极槽。平的镍或铂电极被放置在玻璃料的相对侧并连接到15W DC光电板。该装置形成水电解装置，其在管的内部产生浓碱，并在管的外部形成浓酸。

依赖于操作模式，在这个系统中迅速形成超过11的pH差异；一个超过200亿倍的酸-碱浓度梯度。管内的电解质达到约13的pH，同时横跨该玻璃料，少于1/4英寸的距离，电解质pH达到约1.6。还观察到氢和氧的剧烈产生。

实施例3

第三实施例包括由机械加工的塑料构建的两室流动-通过装置。蠕动泵被用于使电解溶液循环入阳极和阴极区，其被半渗透膜或滤器物理分隔开。可变宽度的塑料间隔被用于改变电极和膜之间的间隙。镍-铜合金最初被用作电极材料。氢和氧在装置顶部处的阀门处被收集，而酸和碱被连续循环通过电极直到达到足够的浓度。可变输出DC电源被用于产生足以电解水的电压。

超过约10个单位的pH差异被迅速实现并维持在该装置中。镍-铜电极证明对在某些电压下的易于腐蚀。耐腐蚀的镍、铂、或不锈钢电极更加抵抗腐蚀。

总之，这些实验清楚地证实，水电解可以以综合方案使用以产生可再生氢并从空气或气流捕获二氧化碳。假定通过水电解产生的可再生氢已经作为化石燃料的关键清洁替换物被促进，那么这种组合的可再生氢/二氧化碳捕获技术代表一个减少全球二氧化碳排放的重大进步。

实施方式

实施方式1是一种用于产生氢和去除二氧化碳的综合系统，包括：

a)用于产生电能的能源(能量来源，energy source)；以及

b)连接到该能源的水源，其中该水源包括离子电解质，并且其中该能源将能量供应到水源以电解水而产生氧气、氢气、酸和碱；

c)其中二氧化碳与该碱反应；并且

d)其中该综合系统基本上不产生二氧化碳。

实施方式1的综合系统，其中该能源为可再生能源。

实施方式1的综合系统，其中该能源为可再生能源，并且其中氢用于产生可再生电以代替或补充可再生能源。

实施方式1的综合系统，其中该能源是可再生能源，并且其中该可再生能源是风、太阳、水电、地热、海洋、波浪或潮汐之一。

实施方式1的综合系统，其中能源是生物质和生物燃料之一。

实施方式1的综合系统，其中二氧化碳从大气和气流之一被捕获。

实施方式1的综合系统，其中二氧化碳被转变为增值产品。

实施方式1的综合系统，其中二氧化碳被转变为增值产品，并且其中该增值产品为甲烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超临界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、乙醇、碳酸氢盐或碳酸盐之一。

实施方式1的综合系统，其中二氧化碳被转变为增值产品并且其中该增值产品为建筑材料、塑料、聚合物、树脂、织物、肥料、防冻剂、润滑剂、缓冲剂、杀虫剂、纤维、泡沫、薄膜、涂料、二氧化碳中性燃料、溶剂、二氧化碳的储存源、铺筑材料、用于塑料的填料、农用石灰、发面苏打或发酵粉之一。

实施方式1的综合系统，其中氢被送到所述能源。

实施方式2是一种用于产生增值产品，包括可再生氢，并且去除二氧化碳的系统，包括：

a)用于在阴极产生氢气和氢氧化物碱，并在阳极产生氧气和酸的水电解过程；以及

b)用于将电输入供应到该水电解过程的能源；

c)其中氢气被收集并补充所述能源；

d)其中碱去除大气二氧化碳；并且

e)其中该系统去除的大气二氧化碳比它产生的更多。

实施方式2的综合系统，其中该能源为可再生能源。

实施方式2的综合系统，其中该能源是可再生能源，并且其中该可再生能源是风、太阳、水电、地热、海洋、波浪或潮汐之一。

实施方式2的综合系统，其中二氧化碳通过与氢氧化物碱反应而被捕获，并被转变为碳酸盐或碳酸氢盐的至少一种。

实施方式2的综合系统，其中增值产品为建筑材料、塑料、聚合物、树脂、织物、肥料、防冻剂、润滑剂、缓冲剂、杀虫剂、纤维、泡沫、薄膜、涂料、二氧化碳中性燃料、溶剂、二氧化碳的储存源、铺筑材料、用于塑料的填料、农用石灰、发面苏打或发酵粉之一。

实施方式2的综合系统，其中氢被用作燃料或化学原料。

实施方式3为一种用于捕获并将二氧化碳转变为增值产品的综合系统，该综合系统包括：

a)用于产生能量的可再生能源；以及

b)水电解装置，其中来自该可再生能源的能量被供应到该水电解装置以产生氢、氧、碱和酸，并且其中该氢、氧、碱和酸被独立地截留；

c)其中在从该可再生能源将能量供应到水电解装置之前，大气具有二氧化碳的一个初始浓度；

d)其中在从该可再生能源将能量供应到水电解装置之后，产生的碱与来自大气的二氧化碳反应使得大气具有的所得二氧化碳的浓度低于该二氧化碳的初始浓度；并且

e)其中二氧化碳被转变为增值产品。

实施方式3的综合系统，其中该可再生能源为风、太阳、水电、地热、海洋、波浪或潮汐之一。

实施方式3的综合系统，其中该增值产品为碳酸盐或碳酸氢盐之一。

实施方式3的综合系统，其中该增值产品为碳酸盐和碳酸氢盐之一，并且其中所述酸被用于作为二氧化碳释放碳酸盐或碳酸氢盐以储存或转变为增值产品。

实施方式3的综合系统，其中该增值产品为甲烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超临界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、脲或乙醇之一。

实施方式3的综合系统，其中氧和氢被运输并用于燃料电池。

实施方式3的综合系统，其中氢被运送到所述可再生能源。

实施方式4为一种用于回收二氧化碳的系统，包括：

a)具有阳极和阴极的水电解装置，其中该水电解装置在阳极产生氧和含水酸，并在阴极产生氢和含水碱；以及

b)可再生能源，耦接于该水电解装置以将能量提供给水电解装置；

c)其中由该水电解装置产生的含水碱被用于捕获二氧化碳；

d)其中该系统捕获的二氧化碳超过该系统产生的二氧化碳；并且

e)其中每升电解质，该系统产生少于约100mg的氯(mg/L)。

实施方式4的系统，其中该系统产生少于约10mg/L的氯。

实施方式4的系统，其中该系统产生少于约1mg/L的氯。

实施方式4的系统，其中二氧化碳被转变为增值产品。

实施方式4的系统，其中二氧化碳被转变为增值产品，并且其中该增值产品为碳酸盐或碳酸氢盐之一。

实施方式4的系统，其中二氧化碳被转变为增值产品，并且其中该增值产品为甲烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超临界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、脲或乙醇之一。

实施方式4的系统，其中二氧化碳被转变为增值产品，并且其中该增值产品为建筑材料、塑料、聚合物、树脂、织物、肥料、防冻剂、润滑剂、缓冲剂、杀虫剂、纤维、泡沫、薄膜、涂料、二氧化碳中性燃料、溶剂、二氧化碳的储存源、铺筑材料、用于塑料的填料、农用石灰、发面苏打或发酵粉之一。

实施方式4的系统，其中该可再生能源为风、太阳、水电、地热、海洋、波浪或潮汐之一。

实施方式4的系统，其中二氧化碳从大气或气流之一被捕获。

实施方式4的系统，其中二氧化碳从大气和气流之一被捕获，并且其中该系统从气流捕获二氧化碳，其中该气流为废气、发酵罐气体流出物、空气、生物气、填埋物甲烷或二氧化碳污染的天然气之一。

实施方式4的系统，其中所述能源为生物质或生物燃料之一。

实施方式5为一种用于产生氢、氧、酸和碱的综合水电解系统，包括：

a)含水电解质溶液；

b)电源；

c)包含水合氢离子的阳极和阳极反应区，其中该水合氢离子的操作浓度为水合氢离子的初始浓度的至少约100-10,000,000倍；以及

d)包含羟离子的阴极和阴极反应区，其中该羟离子的操作浓度为羟离子的初始浓度的至少约100-10,000,000倍；

e)其中二氧化碳与羟离子反应而形成碳酸盐或碳酸氢盐；并且

f)其中该综合水电解系统基本上不产生二氧化碳。

实施方式5的综合水电解系统，其中该电解质溶液包含硫酸盐浓度大于约0.1摩尔的硫酸钠或硫酸钾。

实施方式5的综合水电解系统，其中产生的碱为氢氧化钠或氢氧化钾之一。

实施方式5的综合水电解系统，其中产生的碱为氢氧化钠和氢氧化钾之一，并且其中对于产生的每千克氢，该综合水电解系统产生大于约40千克的氢氧化钠或氢氧化钾。

实施方式5的综合水电解系统，其中产生的酸为硫酸。

实施方式5的综合水电解系统，其中产生的酸为硫酸，并且其中对于每千克产生的氢，该综合水电解系统产生大于约49千克的硫酸。

实施方式5的综合水电解系统，进一步包括氢燃料电池，其中氢被送到该氢燃料电池以将直流电提供给所述综合水电解系统。

实施方式5的综合水电解系统，其中该综合水电解系统从大气或气流去除的二氧化碳大于其产生的二氧化碳。

实施方式5的综合水电解系统，其中所述碳酸盐或碳酸氢盐被转变为由以下组成的组中的至少一种：甲烷、甲醇、甲酸、脲、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超临界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、脲或乙醇。

实施方式5的综合水电解系统，其中所述碳酸盐或碳酸氢盐被转变为建筑材料、塑料、聚合物、树脂、织物、肥料、防冻剂、润滑剂、缓冲剂、杀虫剂、纤维、泡沫、薄膜、涂料、碳基燃料、溶剂、二氧化碳的储存源、铺筑材料、用于塑料的填料、农用石灰、发面苏打或发酵粉之一。

实施方式6为一种用于产生可再生氢并从气流截留二氧化碳的电化学装置，包括：

a)水电解室，适于电解水并且适于电连接到电能源，包括至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质溶液，该室包括在使用期间当直流电施加于该室时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区；

b)气体接触组件，可操作地连接到该室的第一区并且适于接收来自该室的在溶液中的羟离子和适于包含(容纳，contain)含有二氧化碳的气流；

c)气体供应设备，适于将含二氧化碳的气流提供到气体接触组件，以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触并使二氧化碳与羟离子反应以形成在溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子；以及

d)分离室，可操作地连接到气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。

实施方式7为一种产生可再生氢并从气流截留二氧化碳的电化学装置，包括：

a)电解室，适于电解水并且适于电连接到电能源，包括至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质，该室包括在使用期间当直流电施加于该室时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区；

b)气体接触组件，与该室的第一区整合(集成，integal with)并适于包含含有二氧化碳的气流；

c)气体供应设备，适于将含二氧化碳的气流提供到体接触组件，以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触并使二氧化碳与羟离子反应以形成在溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子；以及

实施方式8为一种产生可再生氢并从气流截留二氧化碳的电化学装置，包括：

a)水电解室，适于电解水并且适于电连接到可再生能源，包括至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质溶液，该室包括在使用期间当直流电施加于该室时，适于浓缩在阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在阳极产生的水合氢离子的第二区；

b)气体接触组件，可操作地连接到该室的第一区并适于接收来自该室的在溶液中的羟离子并包含含有二氧化碳的气流；

c)气体供应设备，适于将含二氧化碳的气流提供到气体接触组件，以使二氧化碳与溶液中的羟离子接触并使二氧化碳与羟离子反应以形成在溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子；

d)分离室，可操作地连接到该气体接触组件并适于从气体接触组件中的溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子；

e)可再生氢收集设备，用于在使用期间收集在阴极产生的氢；

f)可选的氧收集设备，用于在使用期间收集在阳极产生的氧；以及

g)燃料电池，电连接到所述室并可操作地连接到可再生氢收集设备和可选的氧收集设备，适于从在阴极产生的可再生氢产生直流电。

实施方式9为一种产生可再生氢并从大气或气流截留二氧化碳的电化学装置，包括

b)碱供应设备，可操作地连接到所述室的第一区并适于接收来自所述室的含水氢氧化物碱并提供作为液滴的氢氧化物碱；以及

c)气体接触组件，用于使含二氧化碳的大气或气流接触氢氧化物碱，并使二氧化碳与氢氧化物碱液滴反应而形成碳酸氢盐或碳酸盐离子的溶液。

实施方式6-9的装置，进一步包括沉淀室，该沉淀室可操作地连接到分离室并适于从液相移出固体碳酸盐或碳酸氢盐。

实施方式6-9的装置，其中包含收集的水合氢离子的第二区被可操作地连接到分离室，并适于从来自溶液的碳酸盐或碳酸氢盐离子释放二氧化碳。

实施方式6-9的装置，进一步包括二氧化碳收集设备，用于收集分离室中产生的浓缩二氧化碳气体。

实施方式6-9的装置，进一步包括电解质供应设备，适于以分批或连续方式将新鲜电解质供应到所述室。

实施方式6-9的装置，进一步包括电解质供应设备，适于以分批或连续方式将新鲜电解质供应到所述室，其中该电解质供应设备浓缩电解质中的阴离子和阳离子并在电解室中将浓缩的阴离子递送到阳极并将阳离子递送到阴极。

实施方式6-9的装置，其中所述第一区和第二区被被动屏障分隔开，该屏障适于允许阳极和阴极之间的电流通过并适于限制第一和第二区之间的电解质溶液混合。

实施方式6-9的装置，其中所述第一区和第二区被主动屏障分隔开，该屏障适于允许阳极和阴极之间的电流通过并适于限制第一和第二区之间的电解质溶液混合。

实施方式6-9的装置，其中所述第一和第二区被离子选择膜、可渗透膜、或一个或多个离子交换树脂中的至少一个分隔开。

实施方式6-9的装置，其中气体接触组件使含二氧化碳的大气或气流与作为喷雾或烟雾形成的氢氧化物液滴接触。

实施方式6-9的装置，其中气体接触组件包括与含二氧化碳的大气或气流接触的一个或多个开放室。

实施方式6-9的装置，其中所述碳酸氢盐或碳酸盐溶液通过风干、暴晒干燥、温度改变、压力改变或它们的组合而被浓缩。

实施方式6-9的装置，其中多个气体接触组件连续地(串联地，in series)布置并构造成使得重力被用来为下面的室提供富含碳酸氢盐或碳酸盐的溶液。

实施方式6-9的装置，其中来自一区的氢氧化物溶液通过连续工艺或通过分批工艺被提供。

实施方式6-9的装置，进一步包括分离室，其可操作地连接到气体接触组件并适于从所述溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。

实施方式6-9的装置，进一步包括沉淀室，其可操作地连接到分离室并适于从所述溶液移出固体碳酸盐或碳酸氢盐。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括提供脉冲直流电的直流电组件。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括氢收集设备，用于在使用期间收集在阴极处产生的氢。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括可选的氧收集设备，用于在使用期间收集在阳极处产生的氧。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括燃料电池，其电连接到所述室并可操作地连接到可再生氢收集设备和可选的氧收集设备，适于从在阴极处产生的可再生氢和可选的在阳极处产生的氧产生直流电。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中气体接触组件是间歇反应器或一系列(串联，in series)的间歇反应器、气体/液体吸收/反应装置或一系列的气体/液体吸收/反应装置、或鼓泡塔或一系列的鼓泡塔。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括沉淀室，该沉淀室可操作地连接到分离室并适于在使用期间从液相移出固体碳酸盐或碳酸氢盐。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括阳离子交换组件，其适于从溶液沉淀作为钙或镁盐的碳酸盐或碳酸氢盐。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括有机溶剂组件，适于从溶液沉淀碳酸盐或碳酸氢盐。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括干燥室，其可操作地连接到分离室并适于在使用期间从液相移出固体碳酸盐或碳酸氢盐。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中包含浓缩的水合氢离子的所述第二区可操作地连接到分离室并适于作为浓缩的二氧化碳气体或超临界二氧化碳从溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐离子。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括二氧化碳收集设备，用于利用所述室中产生的氢气和氧气的膨胀而收集分离室中产生的加压二氧化碳气体。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括适于连续地将新鲜电解质溶液供应到所述室的电解质供应设备。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括适于连续地将新鲜电解质溶液供应到所述室的电解质供应设备，其中该电解质供应设备浓缩或引导电解质溶液中的阴离子和阳离子并在电解室中选择性地将浓缩的阴离子递送到阳极并将阳离子递送到阴极。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中新鲜电解质溶液以适于浓缩在阴极的羟离子和浓缩在阳极的水合氢离子的预定流动配置被引入到所述室。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括适于连续将新鲜电解质溶液供应到所述室的电解质供应设备，其中该电解质供应设备包括中心供应系统，用于为所述室中的阳极和阴极区供应新鲜电解质溶液。

根据实施方式6-9的任一个的装置，进一步包括适于以分批方式将新鲜电解质溶液供应到所述室的电解质供应设备。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述第一和第二区被被动屏障分隔开，该屏障适于允许所述阳极和阴极之间的电流和粒子流通过，并限制所述第一和第二区之间的电解质溶液混合。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述第一和第二区被主动屏障分隔开，该屏障适于允许阳极和阴极之间的电流和选择性离子流通过，并限制所述第一和第二区之间的电解质溶液混合。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述第一和第二区被至少一个膜分隔开。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述第一和第二区被凝胶分隔开。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述第一和第二区被离子特异性屏障分隔开。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述第一和第二区被离子交换树脂分隔开。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述阳极或阴极包括丝状、片状、筛网状或多孔微球或纳米球电极。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述阳极或阴极包括范围为约1.2到约10伏的相同或不同电压的、由细孔筛薄板或多孔微球或纳米球材料制成的堆叠电极。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述电能源是通过风、太阳、水电、地热、海流、潮汐、或生物燃料能产生的可再生电能源。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述电能源为核能发生器。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述电能源为燃料电池。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述电能源为转换为直流电的交流电。

根据实施方式6-9的任一个的装置，其中所述阳极和阴极以堆叠构造布置。

实施方式10为一种产生可再生氢并截留气态二氧化碳的方法，包括：

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个水电解槽的水电解装置，该水电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质、以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中该阳极和阴极区通过电解质电连接；

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

c)在阴极处产生氢气和羟离子，其中该羟离子以碱的形式存在；

d)收集氢气产物；

e)收集氧气产物；

f)从阳极区移出一部分或全部酸；

g)从阴极区移出一部分或全部碱；以及

h)将所述碱中的羟离子与气态二氧化碳接触以在溶液中作为碳酸氢盐或碳酸盐或其混合物截留二氧化碳。

根据实施方式10的方法产生的碱。

一种包含根据实施方式10的方法产生的碳酸氢盐或碳酸盐的建筑材料，其中该建筑材料为清水墙(干垒墙，dry wall)产品、填充聚氯乙烯、瓦片(瓷砖，tile)、薄浆(grout)、人造石、填充树脂、或粘合剂中的任一种。

根据实施方式10的方法，进一步包括使在阳极区产生的酸与无机化合物接触以形成二氧化碳截留物质。

根据实施方式10的方法，进一步包括使在阳极区产生的酸与无机化合物接触以形成二氧化碳截留物质，其中所述无机化合物是滑石、矿物粘土、海泡石、蛇纹石、石棉、或采矿副产物中的任一种。

根据实施方式10的方法，进一步包括使在阳极区产生的酸与电化学槽中的气态二氧化碳接触以产生通式为C_mH_xO_n的还原的碳化合物，其中m为1到6之间的整数，x为0到24之间的整数，n为0到6之间的整数。

根据实施方式10的方法，进一步包括使在阳极区产生的酸与电化学槽中的气态二氧化碳接触以产生还原的碳化合物，其中还原的碳化合物是甲酸、草酸、甲醛、或甲醇中的任一种。

根据实施方式10的方法，进一步包括通过使系统产生的氢气与系统捕获的二氧化碳反应而化学还原二氧化碳以产生一氧化碳，用于其他合成过程(或工艺)的前体。

根据实施方式10的方法，进一步包括在电化学过程中使二氧化碳气体和在阴极产生的氢与氮气反应以产生脲。

根据实施方式10的方法，进一步包括使在阳极区产生的酸与给料接触以产生二氧化碳气体以及使二氧化碳气体与无水氨源在压力下接触以产生脲的步骤。

实施方式11是一种生产可再生氢和产生碳酸氢盐的过程，包括：

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，该电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质、以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中该阳极和阴极区通过电解质电连接；

b)在阳极区产生氢气和羟离子；

c)从该电解槽的阴极区移出一部分或全部的含羟离子的所述碱；和

d)使该羟离子与气态二氧化碳接触以产生包含碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物的溶液；以及

e)从该溶液分离碳酸氢盐。

实施方式12是一种生产可再生氢和产生碳酸盐的过程，包括：

b)在阴极区产生氢气和包含羟离子的碱；

c)从阴极区移出一部分或全部的包含羟离子的所述碱；

d)使该羟离子与气态二氧化碳接触以产生包含碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物的溶液；以及

e)从该溶液分离碳酸盐。

实施方式13是一种生产可再生氢和产生酸的方法，包括：

b)在阴极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

c)从阳极区移出一部分或全部的所述酸；

d)将所述酸收集在储罐中；以及

e)浓缩所述酸。

实施方式14是一种生产可再生氢和产生碱的方法，包括：

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，该电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质、以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中该阳极和该阴极区通过电解质电连接；

b)在阴极区产生氢气和羟离子，其中该羟离子以碱的形式存在；

c)从阴极区移出一部分或全部的所述碱；

d)收集该碱在储罐中；以及

e)浓缩该碱。

实施方式15是一种生产并维持浓缩水合氢离子和浓缩羟离子的分隔区的方法，包括：

a)使包括至少一个适于产生氢气和羟离子的阴极的阴极区和包括至少一个适于产生氧气和水合氢离子的阳极的阳极区与含水电解质接触；

b)将1.2到10伏之间的DC电压施加到所述阳极和阴极；

c)从阴极区移出氢气和羟离子；以及

d)从阳极区移出氧气和水合氢离子。

实施方式15的方法进一步包括利用双向流动向所述阴极和阳极区供应新鲜电解质的步骤。

实施方式15的方法进一步包括在所述阳极和阴极区内形成对流的步骤。

实施方式16是一种生产可再生氢并产生二氧化碳截留化合物的方法，包括以下步骤：

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，该电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质、以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，该阳极和阴极区通过电解质电连接；

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

c)从阳极区移出一部分或全部的所述酸；

d)浓缩所述酸，其中该酸具有范围在从约pH＝1到约pH＝5的pH；以及

e)使所述酸与当暴露于强酸时被转变为二氧化碳截留溶液的物质接触。

根据实施方式16的方法，其中所述物质为矿物粘土、海泡石、蛇纹石、滑石、石棉、及采矿副产物中的任一种。

根据实施方式16的方法，进一步包括将碱添加到所述二氧化碳截留溶液的步骤。

根据实施方式16的方法，进一步包括使所述二氧化碳截留溶液与气态二氧化碳源接触的步骤。

根据实施方式16的方法，进一步包括从所述二氧化碳截留溶液沉淀和处理镁盐的步骤。

实施方式17为一种生产可再生氢并产生加压二氧化碳气体的方法，包括：

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

c)在阴极产生氢气和羟离子，其中该羟离子以碱的形式存在；

d)从阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使包含羟离子的所述碱与气态二氧化碳接触以产生包含碳酸氢盐、碳酸盐、或其混合物的溶液；

g)使所述溶液与在所述槽的阳极区产生的酸接触以产生在压力下的二氧化碳气体；以及

h)收集该加压的二氧化碳气体。

根据实施方式17的方法，进一步包括从收集的加压二氧化碳气体产生超临界二氧化碳。

实施方式18为一种生产可再生氢并产生脲肥料的方法，该方法包括以下步骤：

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

c)在阴极区产生氢气和羟离子，其中该羟离子以碱的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使该碱与气态二氧化碳源接触以产生包含碳酸氢盐或碳酸盐或其混合物的给料(feedstock)；

g)使在阳极区产生的酸与所述给料接触以产生二氧化碳气体；以及

h)使该二氧化碳气体在压力下与无水氨源接触以产生脲。

实施方式19为一种生产可再生氢并产生脲肥料的方法，该方法包括以下步骤：

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从该阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使该碱与气态二氧化碳源接触以产生包含碳酸氢盐或碳酸盐或其混合物的给料；

g)使在该阳极区产生的酸与所述给料接触以产生二氧化碳气体；以及

h)使该二氧化碳气体和在阴极产生的氢在电化学过程中与氮气接触以产生脲。

实施方式20为一种生产可再生氢并产生农用石灰的方法，包括以下步骤：

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从该阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使具有大于约pH＝10的pH的碱与气态二氧化碳接触以产生富含碳酸盐的给料；

g)使所述给料与包含钙离子的含水组合物接触；以及

h)从所述给料沉淀碳酸钙以产生农用石灰。

实施方式21为一种生产可再生氢并产生生石灰的方法，包括：

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从该阴极区移出一部分或全部的所述碱；

g)使所述富含碳酸盐的给料与包含钙离子的含水溶液接触以产生碳酸钙；

h)向所述碳酸钙施加热以产生生石灰。

根据实施方式21的方法，其中从向所述碳酸钙施加热释放的二氧化碳与碱接触以再生碳酸盐给料。

根据实施方式21的方法，其中从向所述碳酸钙施加热释放的二氧化碳被截留和加压以作为超临界二氧化碳。

实施方式22为一种生产可再生氢并产生一氧化碳的方法，包括：

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，该电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质(电解质水溶液，aqueous electrolyte)、以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中该阳极和阴极区通过电解质电连接；

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从该阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使该碱与气态二氧化碳接触以产生包含碳酸氢盐或碳酸盐或其混合物的溶液；

g)使该溶液与所述槽的阳极区产生的酸接触以产生在压力下的二氧化碳气体；

h)收集该加压的二氧化碳气体；以及

i)用在阴极产生的一部分氢气还原一部分的二氧化碳气体以产生一氧化碳。

实施方式23为一种生产可再生氢并产生甲酸的方法，包括：

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从该阴极区移出一部分或全部的所述碱；

h)收集该加压的二氧化碳气体；以及

i)用在阴极产生的一部分氢气还原一部分的二氧化碳气体以产生一氧化碳；

j)在阴极产生的具有至少10的pH的碱存在下，使一部分的一氧化碳与甲醇反应以产生甲酸甲酯；以及

k)水解该甲酸甲酯而产生甲酸。

实施方式24为一种生产可再生氢并产生甲酸的方法，包括

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从该阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使该碱与气态二氧化碳接触以产生包含碳酸氢铯的溶液；以及

g)电解碳酸氢铯而形成甲酸。

实施方式25为一种生产可再生氢并产生甲酸的方法，包括

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，该电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质、以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分离的适于产生氧气和质子的阳极区，其中该阳极和阴极区通过电解质电连接；

b)在阳极区产生氧气和质子，其中该质子以酸的形式存在；

d)从该阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从该阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使该碱与气态二氧化碳接触以产生包含碳酸氢盐或碳酸盐或其混合物的溶液；以及

g)在催化剂的存在下氢化碳酸氢盐而产生甲酸。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述气态二氧化碳源为大气二氧化碳。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述气态二氧化碳源为气流。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述截留的二氧化碳的量大于由所述电源产生的二氧化碳的量。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括向水电解槽施加适于将浓缩的电解质引入中心供料室的对向流流动，所述室通过半渗透膜与阳极和阴极区分隔开，使得电解质的流向与在阳极和阴极区产生的酸和碱的流向相反。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括通过提供位于电解槽的阳极区和阴极区之间的至少一个离子选择膜来维持分隔开的阳极和阴极区。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括通过提供位于电解槽的阳极区和阴极区之间的至少一个非选择性、半渗透膜来维持分隔开的阳极和阴极区。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将新鲜电解质连续供应到电解槽。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括以分批方式将新鲜电解质供应到电解槽。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将阳极区和阴极区之间的pH差异维持在至少6个pH单位。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将阳极区和阴极区之间的pH差异维持在至少8个pH单位。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将阳极区和阴极区之间的pH差异维持在至少10个pH单位

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将阳极区和阴极区之间的pH差异维持在至少4个pH单位

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中阳极区的pH的范围为从约pH＝0到约pH＝5。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中阴极区的pH的范围为从约pH＝8到约pH＝14。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中从所述源供应的电的范围为从约1.2到约10.0伏。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中从所述能源供应的电压为至少1.2伏。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中在所述阴极区产生的碱的pH的范围为从约pH＝8到约pH＝14。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括向电解槽施加正压力以从阳极区移出酸和从该阴极区移出碱。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括向电解槽施加重力自流供料以从阳极区移出酸和从阴极区移出碱。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括连续将来自阳极区的酸泵到酸储存区和将来自阴极区的碱泵到碱储存区。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述电源为可再生能源。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将氢气再循环到可再生能源以用作燃料。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将氢气再循环到可再生能源以用作燃料，其中该可再生能源为通过可再生氢、合成燃料、生物质、或生物燃料供能的燃料电池。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将来自可再生能源的可再生能量供应到所述电能源，其中该可再生能源为风力涡轮机、太阳能电池、水力发电机、生物燃料、地热、潮汐或波浪中的任一种。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括再循环氢气以产生可再生电。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括再循环氢气和氧气以再生水和供应到电解装置的电。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述电能源不消耗基于化石的燃料。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述电能源是核能发电机。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述电能源是燃料电池。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述电能源是由通过电解槽产生的可再生氢供能的燃料电池。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述含水电解质包括基本上不含氯离子的碱金属盐。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述含水电解质包括基本上不含氯离子的钠盐。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述含水电解质选自由硫酸钠、硫酸钾、硫酸钙、硫酸镁、硝酸钠、硝酸钾、碳酸氢钠、碳酸钠、碳酸氢钾、碳酸钾、碳酸钙、及碳酸镁组成的组。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述含水电解质包括海水和/或海盐。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述电解质在溶液中是饱和的。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括维持饱和的电解质溶液。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述含水电解质为硫酸钠或硫酸钾。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括从所述溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中通过从所述溶液沉淀碳酸氢盐或碳酸盐而从所述溶液分离碳酸氢盐或碳酸盐。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括浓缩所述溶液的步骤。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括将所述溶液骤冷到范围约0℃到约10℃的温度，以从所述溶液沉淀碳酸盐或碳酸氢盐。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括添加包含钙离子的盐以从所述溶液分离碳酸钙。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括添加包含镁离子的盐以从所述溶液分离碳酸镁。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括喷雾所述溶液以从所述溶液沉淀碳酸盐或碳酸氢盐。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括通过使从电解槽的阳极区移出的酸与氯化钠反应以产生盐酸和最初的电解质盐，而再生供应到电解装置的电解质。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括收集和浓缩所述碱。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述酸为硫酸。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中所述碱为氢氧化钠。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中通过利用双向流供应电解质而在该阳极区和阴极区之间维持至少6个pH单位的差异。

根据实施方式10-25的任一个的方法，其中利用通过使阴极区中的氢气上升和使阳极区中的氧气上升所产生的对流，在该阳极区和阴极区之间维持至少4个pH单位的差异。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括从电解质浓缩阳离子并将该阳离子递送到阴极区。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括从电解质浓缩阴离子并将该阴离子递送到阳极区。

根据实施方式10-25的任一个的方法，进一步包括利用多孔玻璃烧结料将阳极和阴极区分隔开的步骤。

虽然本发明已经参照优选的实施方式进行了描述，但是本领域技术人员将认识到可以在形式和细节方面进行改变而不偏离本发明的精神和范围。

Claims

1.一种用于产生氢和去除二氧化碳的综合系统，包括：

a)用于产生电能的能源；以及

b)连接到所述能源的水源，其中所述水源包含电解质，并且其中所述能源向所述水源供应能量以电解水从而产生氧气、氢气、酸和碱；

c)其中二氧化碳与所述碱反应；并且

d)其中所述综合系统基本上不产生二氧化碳。

2.一种用于产生可再生或二氧化碳中性氢并且将二氧化碳转变为增值产品的综合系统，包括：

a)用于产生电能的能源；以及

c)其中二氧化碳与所述碱反应并被转变为甲烷、甲醇、甲酸、甲醛、一氧化碳、甲酰胺、丙酮、乙酸、超临界二氧化碳、石灰石、乙醛、乙二醇、乙醇、碳酸氢盐或碳酸盐中的至少一种；并且

d)其中所述综合系统从大气去除的二氧化碳多于其产生的。

3.一种用于从大气二氧化碳生产增值产品的系统，所述系统包括：

a)具有阴极和阳极的水电解过程，其中在所述阴极产生氢气和氢氧化物碱并且在所述阳极产生氧气和酸；以及

b)用于将电输入供应到所述水电解过程的能源；

c)其中所述氢气被收集并补充所述能源；

d)其中所述碱去除大气二氧化碳；

e)其中所述系统去除的大气二氧化碳多于其产生的；并且

f)其中所述二氧化碳通过与所述氢氧化物碱反应而被捕获，并被转变为碳酸盐或碳酸氢盐中的一种。

4.一种用于捕获和将二氧化碳转变为增值产品的综合系统，所述综合系统包括：

a)用于产生能量的可再生能源；以及

b)水电解装置，其中由所述可再生能源产生的能量供应到所述水电解装置以产生氢、氧、碱和酸，并且其中所述氢、所述氧、所述碱和所述酸被截留；

c)其中在将来自所述可再生能源的能量供应到所述水电解装置之前，大气具有二氧化碳的初始浓度；

d)其中在将来自所述可再生能源能量供应到所述水电解装置之后，所述碱与大气中的二氧化碳反应使得所述大气具有的所得到的二氧化碳的浓度低于所述二氧化碳的初始浓度；并且

e)其中所述二氧化碳被转变为增值产品。

5.一种用于回收二氧化碳的系统，包括：

a)具有阳极和阴极的水电解装置，其中所述水电解装置在所述阳极产生氧和含水酸，而在所述阴极产生氢和含水碱；以及

b)连接到所述水电解装置用于向所述水电解装置提供能量的可再生能源；

c)其中由所述水电解装置产生的含水碱被用于捕获二氧化碳；

d)其中所述系统捕获的二氧化碳超过所述系统产生的；并且

e)其中所述系统产生少于约100mg/L的氯。

6.一种用于产生氢、氧、酸和碱的综合电解系统，包括：

a)含水电解质溶液；

b)电源；

c)阳极和阳极反应区，其中水合氢离子的操作浓度为所述水合氢离子的初始浓度的至少约100-10,000,000倍；以及

d)阴极和阴极反应区，其中羟离子的操作浓度为所述羟离子的初始浓度的至少约100-10,000,000倍；

e)其中二氧化碳与所述羟离子反应而形成碳酸盐或碳酸氢盐；并且

f)其中所述综合电解系统基本上不产生二氧化碳。

7.一种用于产生氢、氧、酸和碱的综合电解系统，包括：

a)含水电解质溶液；

b)电源；

c)阳极；以及

d)阴极；

e)其中所述综合电解系统基本上不产生二氧化碳；并且

f)其中对于由所述综合电解系统产生的每千克氢，所述综合电解系统产生大于约40千克的氢氧化钠或氢氧化钾。

8.一种产生氢并从气流截留二氧化碳的电化学装置，包括：

a)水电解室，适于电解水并且适于电连接到电能源，包括至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质，所述室包括在使用期间当向所述室施加直流电时，适于浓缩在所述阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在所述阳极产生的水合氢离子的第二区；

b)收集和储存罐，分别用于所述水电解室中产生的氢、氧、羟离子和水合氢离子；

c)气体接触组件，可操作地连接到所述室的第一区并适于接收来自所述室的在溶液中的羟离子并且适于包含含有二氧化碳的气流；

d)气体供应设备，适于将所述含有二氧化碳的气流提供到所述气体接触组件，以使二氧化碳与溶液中的所述羟离子接触并使所述二氧化碳与所述羟离子反应而形成在溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子；以及

e)分离室，可操作地连接到所述气体接触组件并适于从所述气体接触组件中的溶液分离所述碳酸氢盐或碳酸盐离子。

9.一种产生可再生氢并从气流截留二氧化碳的电化学装置，包括：

a)水电解室，适于电解水并且适于电连接到可再生能源，包括至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质，所述室包括在使用期间当向所述室施加预定电压的直流电以电解水时，适于浓缩在所述阴极产生的羟离子的第一区和适于浓缩在所述阳极产生的水合氢离子的第二区；

b)气体接触组件，可操作地连接到所述室的第一区并适于接收来自所述室的在溶液中的羟离子并且适于包含含有二氧化碳的气流；

c)气体供应设备，适于将所述含有二氧化碳的气流提供到所述气体接触组件，以使二氧化碳与溶液中的所述羟离子接触并使所述二氧化碳与所述羟离子反应而形成在溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子；

d)分离室，可操作地连接到所述气体接触组件并适于从所述气体接触组件中的溶液分离所述碳酸氢盐或碳酸盐离子；

e)氢收集设备，用于在使用期间收集在所述阴极产生的氢；

f)可选的氧收集设备，用于在使用期间收集在所述阳极产生的氧；以及

g)燃料电池，电连接到所述室并可操作地连接到所述氢收集设备和可选的氧收集设备，适于从在所述阴极处产生的氢产生直流电。

11.一种产生可再生氢并从气流截留二氧化碳的电化学装置，包括：

a)水电解室，适于电解水并且适于电连接到电能源，包括至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质，所述室包括在使用期间当向所述室施加直流电时，适于浓缩在所述阴极处产生的羟离子的第一区和适于浓缩在所述阳极处产生的水合氢离子的第二区；

b)气体接触组件，与所述室的第一区整合并适于包含含有二氧化碳的气流；

c)气体供应设备，适于将所述含有二氧化碳的气流提供到所述气体接触组件，以使二氧化碳与溶液中的所述羟离子接触并使所述二氧化碳与所述羟离子反应而形成在溶液中的碳酸氢盐或碳酸盐离子；以及

d)分离室，可操作地连接到所述气体接触组件并适于从所述气体接触组件中的溶液分离所述碳酸氢盐或碳酸盐离子。

12.一种产生可再生氢并从大气或气流截留二氧化碳的电化学装置，包括：

a)水电解室，适于电解水并且适于电连接到可再生电能源，包括至少一个阴极、至少一个阳极和含水电解质，所述室包括在使用期间当向所述室施加直流电时，适于浓缩在所述阴极处产生的羟离子的第一区和适于浓缩在所述阳极处产生的水合氢离子的第二区；

b)碱供应设备，可操作地连接到所述室的第一区，并适于接收来自所述室的含水氢氧化物碱并作为液滴提供所述氢氧化物碱；以及

c)气体接触组件，用于使大气或含有二氧化碳的气流接触所述氢氧化物碱并使所述二氧化碳与所述氢氧化物碱液滴反应而形成碳酸氢盐或碳酸盐离子的溶液。

13.一种产生氢并截留气态二氧化碳的方法，包括以下步骤：

a)将来自电源的预定电压的直流点供应给具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和阴极区通过所述电解质电连接；

b)在所述阳极区产生氧气和质子，其中所述质子以酸的形式存在；

c)在所述阴极处产生氢气和羟离子，其中所述羟离子以碱的形式存在；

d)收集所述氢气产物；

e)收集所述氧气产物；

f)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

g)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

h)使所述碱中的羟离子与气态二氧化碳的源接触以在溶液中作为碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物截留二氧化碳；以及

i)截留的二氧化碳超过由所述方法产生的。

14.一种产生氢并从大气或气流二氧化碳产生碳酸氢盐的方法，包括以下步骤：

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和阴极区通过所述电解质电连接；

b)在所述阴极区产生氢气和羟离子；

c)从所述电解槽的阴极区移出一部分或全部的包含羟离子的所述碱；以及

d)使所述羟离子与气态二氧化碳的源接触以产生包含碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物的溶液；以及

e)从所述溶液分离碳酸氢盐。

15.一种产生氢并从大气或气流产生碳酸盐的方法，包括以下步骤：

b)在所述阴极区产生氢气和包含羟离子的碱；

c)从所述阴极区移出一部分或全部的包含羟离子的所述碱；

e)从所述溶液分离碳酸盐。

16.一种产生可再生氢并产生二氧化碳中性或二氧化碳负性酸的方法，包括以下步骤：

a)将来自可再生或核能电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和阴极区通过所述电解质电连接；

c)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

d)将所述酸收集在储罐中；以及

e)浓缩所述酸。

17.一种产生可再生氢和产生二氧化碳中性或二氧化碳负性碱的方法，包括以下步骤：

a)将来自可再生或核能电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和所述阴极区通过所述电解质电连接；

b)在所述阴极区产生氢气和包含羟离子的碱；

c)从所述阴极区移出一部分或全部的包含羟离子的所述碱；

d)将所述碱收集在储罐中；以及

e)浓缩所述碱。

18.一种产生可再生氢并产生二氧化碳截留化合物的方法，包括以下步骤：

a)将来自可再生电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，所述阳极和所述阴极区通过所述电解质电连接；

c)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

d)浓缩所述酸，其中所述酸的pH范围为从约pH 0到约pH 5；以及

e)使所述酸与暴露于强酸时转变为二氧化碳截留物质的溶液接触，其中所述物质为矿物粘土、蛇纹石、滑石、石棉、或采矿副产品中的任一种。

19.一种产生可再生氢并从大气或气流二氧化碳产生超临界二氧化碳的方法，包括以下步骤：

a)将来自电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和所述阴极区通过所述电解质电连接；

c)在所述阴极产生氢气和羟离子，其中所述羟离子以碱的形式存在；

d)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使包含羟离子的所述碱与气态二氧化碳接触以产生包含碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物的溶液；

g)使所述溶液与在所述槽的阳极区产生的酸接触以产生在压力下的二氧化碳气体；

h)收集所述加压的二氧化碳气体；以及

i)调节所述二氧化碳气体的温度和压力到临界温度和压力从而产生超临界二氧化碳。

20.一种产生可再生氢并产生二氧化碳中性或二氧化碳负性脲肥料的方法，所述方法包括以下步骤：

a)将来自可再生或核能能源的DC电流供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和所述阴极区通过所述电解质电连接；

c)在所述阴极区产生氢气和羟离子，其中所述羟离子以碱的形式存在；

d)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使所述碱与二氧化碳的气态源接触以产生包含碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物的给料；

g)使在所述阳极区产生的酸与所述给料接触以产生二氧化碳气体；以及

h)在已知产生脲的反应条件下使所述二氧化碳气体与从通过所述方法生成的氢和添加的氮产生的无水氨的源接触，或在已知产生二氧化碳中性脲的条件下在催化剂存在下，电化学转化所述二氧化碳、氢和添加的氮气。

21.一种生产氢和产生二氧化碳负性碳酸钙的方法，包括以下步骤：

d)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使pH大于约pH 10的碱与气态二氧化碳接触以产生富含碳酸盐的给料；

g)使所述给料与包含钙离子的含水组合物接触；以及

h)从所述给料沉淀碳酸钙从而产生固体碳酸钙。

22.一种产生氢并从大气或气流二氧化碳产生一氧化碳的方法，包括以下步骤：

a)将来自一个源的电流供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和所述阴极区通过所述电解质电连接；

d)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

f)使所述碱与气态二氧化碳的源接触以产生包含碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物的溶液；

g)使所述溶液与在所述阳极区产生的酸接触以产生在压力下的二氧化碳气体；

h)收集所述加压的二氧化碳气体；以及

i)在已知产生一氧化碳的反应条件下使一部分的所述二氧化碳气体与在所述阴极产生的一部分氢气接触。

23.一种产生可再生氢并从大气或气流二氧化碳产生甲酸的方法，包括以下步骤：

d)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

g)使所述溶液与在所述槽的所述阳极区中产生的酸接触以产生在压力下的二氧化碳气体；

h)收集所述加压的二氧化碳气体；

i)利用在所述阴极处产生的一部分氢气还原一部分的所述二氧化碳气体以产生一氧化碳；和

j)在所述阴极处产生的具有至少10的pH的碱存在下，使一部分所述一氧化碳与甲醇反应以产生甲酸甲酯；以及

k)水解所述甲酸甲酯而产生甲酸。

24.一种产生可再生氢并从大气或气流二氧化碳产生碳化合物的方法，包括以下步骤：

a)将来自可再生电源的预定电压的直流电供应到具有至少一个电解槽的水电解装置，其中所述电解槽包括基本上不含氯离子的含水电解质以及与适于产生氢气和羟离子的阴极区分隔开的适于产生氧气和质子的阳极区，其中所述阳极和所述阴极区通过所述电解质电连接；

d)收集所述氢气产物；

e)收集所述氧气产物；

f)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

g)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

i)在已知产生具有通式C_mH_xO_n的化合物的反应条件下，使在所述阳极区产生的所述酸与所述气态二氧化碳接触，其中m为1到6之间的整数，x为0到24之间的整数，而n为0到6之间的整数。

25.一种生产可再生氢并产生碳酸盐或碳酸氢盐填充聚合物的方法，包括以下步骤：

d)收集所述氢气产物；

e)收集所述氧气产物；

f)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

g)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

h)使所述碱中的羟离子与气态二氧化碳的源接触以在溶液中作为碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物截留二氧化碳；

i)从所述溶液沉淀碳酸氢盐和/或碳酸盐；以及

j)使所述碳酸氢盐和/或碳酸盐与聚合材料混合以产生填充塑料材料，其中所述填充塑料材料适合用作结构性建筑材料、粘合剂、树脂或可塑塑料。

26.一种产生可再生氢并从大气或气流二氧化碳产生碳酸钙结构性材料的方法，包括以下步骤：

d)从所述阳极区移出一部分或全部的所述酸；

e)从所述阴极区移出一部分或全部的所述碱；

g)使所述给料与包含钙离子的含水组合物接触；

h)从所述给料沉淀碳酸钙；以及

i)将所述碳酸钙转变为水泥、灰泥、石膏、薄浆、建筑纸板、瓷砖、填充塑料或树脂、或人造石中的任一种。