專利名稱：使用二氧化碳氣體的低能量4-電池電化學系統(tǒng)的制作方法
使用二氧化碳氣體的低能量4-電池電化學系統(tǒng)對相關(guān)申請的交叉引用依據(jù)35U. S. C. § 119 (e)，本申請要求2008年7月16日提交的名稱為“Low Energy pH Modulation for Carbon Sequestration UsingHydrogen Absorptive Metal Catalysts (使用氫吸收性金屬催化劑的碳封存的低能量pH調(diào)節(jié))”的共同轉(zhuǎn)讓的美國臨 時專利申請no. 61/081，299 ；和2008年8月25日提交的名稱為“Low Energy Absorption ofHydrogenlon from an Electrolyte Solution into a Solid Material ( M離子從電角軍 質(zhì)溶液低能量吸收到固體材料中)，，的共同轉(zhuǎn)讓的美國臨時專利申請no. 61/091，729的優(yōu) 先權(quán)，兩者均全文經(jīng)此引用并入本文。依據(jù)35U. S. C. § 119(a)和依據(jù)35U.S.C. § 365，本申請要求2008年12月23日提 交的名稱為"Low Energy Electrochemical HydroxideSystem and Method(低能量電化學 氫氧化物系統(tǒng)和方法)，，的共同轉(zhuǎn)讓的PCT專利申請no. PCT/US08/88242 ；和2009年1月 28 日提交的名稱為“Low Energy Electrochemical Bicarbonate Ion Solution(低能量電 化學碳酸氫根離子溶液)”的共同轉(zhuǎn)讓的PCT專利申請no. PCT/US09/32301的優(yōu)先權(quán)，兩者 均全文經(jīng)此引用并入本文。背景通常需要氫氧離子、碳酸根離子和/或碳酸氫根離子的溶液以從溶液中除去質(zhì) 子，或緩沖溶液的PH值，或從溶液中沉淀不可溶的氫氧化物和/或碳酸鹽和/或碳酸氫 鹽。傳統(tǒng)上，可以通過水解堿例如熟化的生石灰；或通過電解鹽溶液例如電解氯化鈉水溶液 (如氯堿工藝中那樣)來生產(chǎn)氫氧離子。傳統(tǒng)上，可以通過將二氧化碳氣體溶解在水中或通 過將可溶碳酸鹽或碳酸氫鹽例如碳酸氫鈉溶解在水中來生產(chǎn)碳酸根離子或碳酸氫根離子。盡管水解堿或電解鹽溶液可產(chǎn)生氫氧離子，但氫氧離子的傳統(tǒng)生產(chǎn)消耗大量能 量；該傳統(tǒng)方法也將大量二氧化碳釋放到環(huán)境中。因此，例如，在生石灰的生產(chǎn)中，燃燒大量 化石燃料以煅燒石灰石和將石灰石轉(zhuǎn)化成氧化鈣，結(jié)果大量二氧化碳釋放到環(huán)境中。類似 地，在通過氯堿工藝生產(chǎn)氫氧離子時，由于在陽極和陰極之間需要通常至少3V以驅(qū)動該反 應(yīng)，使用了大量能量。由于該能量通常來自化石供以燃料的發(fā)電廠，這種工藝也造成大量二 氧化碳釋放到環(huán)境中。類似地，在通過將二氧化碳溶解在水性溶液中來生產(chǎn)碳酸根離子和 碳酸氫根離子時，需要相當大量的能量將該氣體加壓以改進溶解度，結(jié)果由于所用能量，大 量二氧化碳釋放到環(huán)境中。因此，非常需要氫氧離子、碳酸根離子和碳酸氫根離子的高效能 量生產(chǎn)。概述在各種實施方案中，本系統(tǒng)和方法涉及生產(chǎn)氫氧離子和/或碳酸氫根離子和/或 碳酸根離子的低電壓、低能量電化學系統(tǒng)和方法。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法利用明 顯低于在傳統(tǒng)陽極和陰極之間使用的一般3V的電壓生產(chǎn)離子；因此，本系統(tǒng)和方法造成的 二氧化碳排放明顯降低。在一個實施方案中，該系統(tǒng)包含與陰極接觸的第一電解質(zhì)；與陽極接觸的第二 電解質(zhì)；被第一離子交換膜與第一電解質(zhì)隔開的第三電解質(zhì)；被第二離子交換膜與第二電解質(zhì)隔開的第四電解質(zhì)；和隔開第三和第四電解質(zhì)的第三離子交換膜。在一個實施方案中，該方法包括與陰極接觸地安置第一電解質(zhì)；與陽極接觸地 安置第二電解質(zhì)；安置第三電解質(zhì)以使其通過第一離子交換膜與第一電解質(zhì)隔開；安置第 四電解質(zhì)以使其通過第三離子交換膜與第三電解質(zhì)隔開和通過第二離子交換膜與第二電 解質(zhì)隔開；和通過在陽極和陰極之間施加電壓來在第一電解質(zhì)中形成氫氧離子。在另一實施方案中，該方法包括與陰極接觸地安置第一電解質(zhì)；與陽極接觸地 安置第二電解質(zhì)；安置第三電解質(zhì)以使其通過第一離子交換膜與第一電解質(zhì)隔開；安置第 四電解質(zhì)以使其通過第三離子交換膜與第三電解質(zhì)隔開和通過第二離子交換膜與第二電 解質(zhì)隔開；和向第一電解質(zhì)供應(yīng)二氧化碳氣體。在各種實施方案中，第一離子交換膜包含陽離子交換膜；第二離子交換膜包含陽 離子交換膜；和第三離子交換膜包含陰離子交換膜。在各種實施方案中，第一電解質(zhì)是與陰 極接觸的陰極電解質(zhì)，且第二電解質(zhì)是與陽極接觸的陽極電解質(zhì)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于經(jīng)由流出流提取部分或所有陰極電解質(zhì) 和/或經(jīng)由該陰極電解質(zhì)隔室的流入流補充該電解質(zhì)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法 適用于從流出流提取部分或所有第四電解質(zhì)和經(jīng)由第四電解質(zhì)隔室的流入流補充該電解 質(zhì)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于分批、半分批或連續(xù)流作業(yè)，伴隨或不伴隨提 取和補充該系統(tǒng)中的電解質(zhì)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)包括適用于將陰極處生成的氫氣導(dǎo)向陽極的氫氣轉(zhuǎn)移 系統(tǒng)。在另一實施方案中，該系統(tǒng)包括二氧化碳輸送系統(tǒng)，其適用于將二氧化碳氣體輸送到 陰極電解質(zhì)中，在此其溶解并可能根據(jù)該電解質(zhì)的PH值形成碳酸氫根和/或碳酸根離子。 在通過將該氣體溶解在陰極電解質(zhì)中來向陰極電解質(zhì)供應(yīng)二氧化碳的實施方案中，該溶解 在一些實施方案中可以在位于流出流中或位于流入流中或位于它們之間的一個或多個隔 室中發(fā)生。在各種實施方案中，該系統(tǒng)有效地連接到包含燃燒氣體的工業(yè)廢氣流以向該陰 極電解質(zhì)供應(yīng)氣體例如二氧化碳。在各種實施方案中，該廢氣流包括來自化石供以燃料的 發(fā)電廠、水泥制造廠和/或其它工廠的燃燒氣體。在各種實施方案中，該廢氣包括酸性氣 體，例如氮氧化物(一氧化二氮、氧化一氮)和硫氣體(二氧化硫、硫化氫)，其在該陰極電 解質(zhì)中溶解形成陰離子。在一些實施方案中，在與陰極電解質(zhì)接觸之前處理該廢氣以除去 其非二氧化碳組分的部分或全部。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法的產(chǎn)物，包括氫氧離子、碳酸氫根離子、碳酸根 離子、鹽酸和已從中除去了某些陽離子和陰離子的部分脫鹽水，如全文經(jīng)此引用并入本文 的2008年12月24日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/344，019中所述，用于通過使 廢氣與包含二價陽離子和氫氧根、碳酸氫根和/或碳酸根離子的溶液接觸以沉淀碳酸鹽和 碳酸氫鹽來封存二氧化碳和工業(yè)廢氣的其它成分，例如硫氣體、氮氧化物氣體和其它燃燒 氣體。包含例如鈣和鎂的碳酸鹽和碳酸氫鹽的沉淀物在各種實施方案中用作建筑材料，例 如用作水泥和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的2008年5月23日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國 專利申請no. 12/126，776中所述。在另一用途中，已從中除去了陽離子和陰離子的部分脫鹽水，例如通過從第三電 解質(zhì)中除去鈉離子和氯離子而形成的部分脫鹽水用作脫鹽系統(tǒng)中的進料水，在此如全文經(jīng) 此引用并入本文的2008年6月27日提交的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請no. 12/163，205中所
7述進一步加工該水。在另一實施方案中，在第四電解質(zhì)中制成的酸和/或在陰極電解質(zhì)中制成的堿溶 液用于溶解包含二價陽離子例如Ca++和Mg++的礦物和廢料，以產(chǎn)生在使用本陰極電解質(zhì) 制造二價金屬離子碳酸鹽沉淀物時使用的二價陽離子溶液。在各種實施方案中，該沉淀 物用作建筑材料，例如水泥和集料，如全文經(jīng)此引用并入本文的共同轉(zhuǎn)讓的美國專利申請 no. 12/126，776 中所述。附圖簡述下列附圖舉例而非限制性闡述本系統(tǒng)和方法的實施方案。

圖1是本系統(tǒng)的一個實施方案的圖示。圖2是本方法的一個實施方案的流程圖。圖3是本方法的一個實施方案的流程圖。詳述在詳細描述本方法和系統(tǒng)之前，應(yīng)該理解的是，本系統(tǒng)和方法不限于本文描述和 例舉的具體實施方案，因此可變。還要理解的是，本文所用的術(shù)語僅用于描述具體實施方案 并且不是限制性的，因為其范圍僅受所附權(quán)利要求書的限制。在本文中，在提供數(shù)值范圍時，應(yīng)該理解的是，在該范圍的上限和下限之間的各居 間值(除非文中明確地另行指明，以下限的單位的1/10為間隔)以及在該指定范圍內(nèi)的任 何其它指定值或居間值包含在本系統(tǒng)和方法內(nèi)。除在該指定范圍內(nèi)明確排除的任何界限值 外，這些較小范圍的上限和下限可獨立地包括在這些較小范圍內(nèi)并且也包含在本發(fā)明內(nèi)。 如果該指定范圍包括界限值之一或兩者，排除這些包括的界限值的任一或兩者的范圍也包 括在本系統(tǒng)和方法中。在本文中，在描述范圍時，數(shù)值前用術(shù)語“大約”修飾。術(shù)語“大約”在本文中用于 為其后的確切數(shù)值以及與該術(shù)語后的數(shù)值接近或近似的數(shù)值提供字面支持。在確定一數(shù)值 是否接近或近似明確列舉的數(shù)值時，接近或近似的未列舉的數(shù)值可以是在其陳述背景中與 明確列舉的數(shù)值基本等效的數(shù)值。除非另行指明，本文所用的所有技術(shù)和科技術(shù)語具有與本發(fā)明所屬領(lǐng)域的普通技 術(shù)人員的通常理解相同的含義。盡管也可以使用與本文描述的那些類似或等效的任何方 法、系統(tǒng)和材料實施本系統(tǒng)和方法，在本文中僅描述代表性的方法、系統(tǒng)和材料。本說明書中引用的所有公開文獻和專利都經(jīng)此引用并入本文，就像各個公開文獻 或?qū)＠鞔_并逐一被指明經(jīng)此引用并入本文，和為了公開和描述與引用的公開文獻相關(guān)的 方法和/或材料而經(jīng)此引用并入本文。任何公開文獻的引用是針對其在提交日前的公開內(nèi) 容，并且不應(yīng)該被視為承認本發(fā)明無權(quán)利用優(yōu)先發(fā)明先于該公開文獻。此外，所提供的公開 日可能不同于實際
公開日，這可能需要逐一確認。除非文中明確地另行指明，本文和所附權(quán)利要求中所用的單數(shù)形式“a”、“an”和 “the”包括復(fù)數(shù)對象。權(quán)利要求書也可能起草成排除任何任選要素。因此，這種聲明旨在充 當與權(quán)利要求要素的列舉聯(lián)用的如“只”、“僅”之類的排他性術(shù)語的使用或“否定性”限制 的使用的先行基礎(chǔ)。本領(lǐng)域技術(shù)人員會看出，本文描述和例舉的各實施方案具有分立的組分和特征， 它們可以在不背離本發(fā)明范圍的情況下容易地與任何其它幾個實施方案的特征分開或組合。任何列舉的方法可以以所列舉的事件次序進行或以任何邏輯上可行的次序進行。在各種實施方案中，本系統(tǒng)和方法涉及通過低電壓、低能量電化學方法在水溶液 中制造氫氧離子和/或碳酸氫根和/或碳酸根離子。在一個實施方案中和參照圖1，通過 在陰極104和陽極108之間施加低于3V的電壓，在陰極電解質(zhì)102中產(chǎn)生氫氧離子，同時 i)在陽極108處將氫氣氧化產(chǎn)生質(zhì)子；ii)使質(zhì)子從陽極108經(jīng)由陽極電解質(zhì)106和穿過 第二陽離子交換膜118遷移到第四電解質(zhì)116中；iii)使陽極108和陰極104之間的電壓 保持為在陽極108處不形成氣體的水平；iv)在陰極104處還原水以形成氫氧離子和氫氣； v)通過在陰極電解質(zhì)102和第三電解質(zhì)110之間安置第一陽離子交換膜112，阻止陰極電 解質(zhì)102中的氫氧離子從陰極電解質(zhì)102遷移到相鄰的第三電解質(zhì)110中；vi)使鈉離子 從第三電解質(zhì)110遷移到陰極電解質(zhì)102中，在此它們與氫氧離子結(jié)合以在陰極電解質(zhì)102 中形成氫氧化鈉；vii)使氯離子從第三電解質(zhì)110穿過陰離子交換膜120遷移到第四電解 質(zhì)116中，在此它們與從陽極108遷移而來的質(zhì)子合并形成鹽酸；和vii)用第二陽離子交 換膜118將陽極電解質(zhì)106與第四電解質(zhì)116隔開。在各種實施方案中，將在陰極處獲得的氫氣導(dǎo)向陽極，在此將該氣體氧化。在各種 實施方案中，從該系統(tǒng)中不時地(continually)取出在陰極電解質(zhì)中制成的氫氧化鈉和在 第四電解質(zhì)中制成的鹽酸，同時不時地用水補充該陰極電解質(zhì)和第三電解質(zhì)中的氯化鈉以 維持該系統(tǒng)的連續(xù)生產(chǎn)運行。在另一些實施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于其它運行模式，例 如分批或半分批流程(flow)。在另一實施方案中，通過將二氧化碳氣體溶解在陰極電解質(zhì)中和在陽極與陰極之 間施加低于3V的電壓，在該陰極電解質(zhì)中制造碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。二氧化碳 氣體可以溶解在陰極電解質(zhì)中或可以溶解在單獨的二氧化碳隔室152中，該二氧化碳隔室 連接到陰極電解質(zhì)隔室122以向該陰極電解質(zhì)隔室提供溶解在溶液中的二氧化碳。在此實 施方案中，由于將二氧化碳溶解在陰極電解質(zhì)中，如下發(fā)生三種反應(yīng)2H20+2e" = H2+20F(水在陰極處還原)H20+C02 = H2C03 = H++HCCV = H++C032-(根據(jù)該電解質(zhì)的pH值，在陰極電解質(zhì)中形成碳酸根和/或碳酸氫根離子)，和H++or- > H2O由于這些反應(yīng)依賴于pH，總體陰極反應(yīng)為2H20+2C02+2e" = H2+2HC03、
或 H20+C02+2e- = H2+C032_或這兩種反應(yīng)的組合，這取決于該陰極電解質(zhì)的pH。在此實施方案中和參照圖1，通過在陰極104和陽極108之間施加低于3V的電壓 來在陰極電解質(zhì)102中制造碳酸氫根離子和/或碳酸根離子，同時i)在陽極108處將氫氣 氧化以在陽極108處產(chǎn)生質(zhì)子；ii)使陽極處形成的質(zhì)子108從陽極108經(jīng)由陽極電解質(zhì) 106和穿過第二陽離子交換膜118遷移到第四電解質(zhì)116中；iii)在陽極108和陰極104 之間施加電壓以便在陽極108處不形成氣體；iv)在陰極104處制造氫氣和任選使該氣體 循環(huán)至陽極108 ；v)通過在陰極電解質(zhì)102和第三電解質(zhì)110之間安置第一陽離子交換膜 112，阻止在陰極電解質(zhì)102中制成的碳酸根離子和/或碳酸氫根陰離子遷移到相鄰的第三電解質(zhì)110中，其中選擇該陽離子交換膜以阻止陰離子從陰極電解質(zhì)102中遷移；vi)使鈉 離子從第三電解質(zhì)110穿過第一陽離子交換膜112遷移到陰極電解質(zhì)102中；vii)在陰極 電解質(zhì)102中，使鈉離子與碳酸根離子和/或碳酸氫根離子結(jié)合以在該陰極電解質(zhì)102中 形成碳酸鈉和/或碳酸氫鈉；viii)使氯離子從第三電解質(zhì)110穿過陰離子交換膜120遷 移到第四電解質(zhì)116中；ix)在第四電解質(zhì)116中，使氯離子與從陽極電解質(zhì)106遷移而來 的質(zhì)子結(jié)合形成鹽酸；和x)通過在第四電解質(zhì)116和陽極電解質(zhì)106之間安置第二陽離子 交換膜，阻止氯離子從第四電解質(zhì)116遷移到陽極電解質(zhì)106中，其中選擇第二陽離子交換 膜118以阻止陰離子從第四電解質(zhì)116遷移到陽極電解質(zhì)106中。在該系統(tǒng)的這一實施方案中，如上述制造氫氧離子的實施方案那樣，任選將陰極 處產(chǎn)生的氫氣導(dǎo)向陽極，在此將其氧化，或排出該氣體。在排出氫氣的實施方案中，另一氫 氣源向陽極提供氫氣。在該系統(tǒng)的各種實施方案中，如氫氧離子的生產(chǎn)那樣，從該系統(tǒng)中不 時取出在陰極電解質(zhì)中制成的碳酸根離子和/或碳酸氫根離子，同時不時用水補充該陰極 電解質(zhì)和第三電解質(zhì)中的氯化鈉以維持該系統(tǒng)的連續(xù)運行。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和 方法適用于其它運行模式，例如分批或半分批流程。在各種實施方案中，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會認識到，陽極和陰極之間的電壓取決 于陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)的PH值以及這些電解質(zhì)之間的pH差。因此，在各種實施方 案中，當在陽極和陰極之間施加的電壓低于3、2. 9,2. 8,2. 7,2. 6,2. 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. IV或更低時，在陽極電解質(zhì)和陰極電解質(zhì)之間的pH差為0、1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、 12、13、14pH單位或更大的同時；和在該陽極電解質(zhì)的pH值自1至7pH單位變化且該陰極 電解質(zhì)的pH值為7至14pH單位或更大的同時，在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧離子、碳酸根離子 和/或碳酸氫根離子。在各種實施方案中和參照圖1，通過在陽極電解質(zhì)106和第四電解質(zhì)116之間選 擇性安置第二陽離子交換膜118，在陽極108和陰極104之間施加本發(fā)明的電壓時，在陽極 108處通過氫氣氧化形成的質(zhì)子遷移到陽極電解質(zhì)106中，它們從此處穿過第二陽離子交 換膜118遷移到第四電解質(zhì)116中。但是，由于第四電解質(zhì)116與第三電解質(zhì)110被陰離 子交換膜120隔開，阻止質(zhì)子從第四電解質(zhì)116穿過第三電解質(zhì)110向陰極進一步遷移；因 此，質(zhì)子積聚在第四電解質(zhì)116中以形成酸，例如鹽酸。類似地，參照圖1，通過在陰極電解質(zhì)102和第三電解質(zhì)110之間選擇性安置第一 陽離子交換膜112，在陽極108和陰極104之間施加低電壓時，在陰極電解質(zhì)102中形成氫 氧離子或碳酸根離子或碳酸氫根離子，用第一陽離子交換膜112阻止它們從此處遷移到第 三電解質(zhì)110中。因此，氫氧離子或碳酸根離子或碳酸氫根離子包含在陰極電解質(zhì)102中。 同時，由陰極104處的水還原而在陰極104處形成的氫氣被排出或?qū)蜿枠O以便在陽極處 氧化該氣體。如果排出該氫氣，則使用其它外源氫源向陽極提供氫氣。在各種實施方案中和參照圖1，由于第一陽離子交換膜112允許陽離子從第三電 解質(zhì)110遷移到陰極電解質(zhì)102中且陰離子交換膜120允許陰離子從第三電解質(zhì)110遷移 到第四電解質(zhì)116中，在陽極和陰極之間施加電壓時，陽離子，例如鈉離子會從第三電解質(zhì) 110遷移到陰極電解質(zhì)102中且陰離子，例如氯離子會從第三電解質(zhì)110遷移到第四電解質(zhì) 116 中。
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因此，在第三電解質(zhì)110最初含有氯化鈉的實施方案中，鈉離子會從第三電解質(zhì) 遷移到陰極電解質(zhì)102中以根據(jù)陰極電解質(zhì)102的pH值形成氫氧化鈉或碳酸氫鈉或碳酸 鈉。類似地，氯離子會從第三電解質(zhì)110遷移到第四電解質(zhì)中，從而與從陽極電解質(zhì)106遷 移而來的質(zhì)子形成鹽酸148。因此，在各種實施方案中，在第三電解質(zhì)110中產(chǎn)生了從其中 除去了鈉離子和氯離子的部分脫鹽水150。在其中氫氣不用于在陽極處氧化的各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于在陰極 電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧根、碳酸氫根和碳酸根離子和在陰極處產(chǎn)生氫氣的同時在陽極處產(chǎn)生氣 體，例如氧氣或氯氣。如其它實施方案那樣，在此實施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于在陽極 處形成氣體例如氧氣或氯氣的同時，在第四電解質(zhì)中形成酸和在第三電解質(zhì)中形成部分脫 鹽水。但是，在此實施方案中，由于氫氣不在陽極處氧化，在陰極和陽極之間通常需要更高 電壓以驅(qū)動該系統(tǒng)中的電化學反應(yīng)。在各種實施方案中和參照圖1，借助在陰極104和陽極108之間施加如本文所述的 電壓，在陽極處形成和遷移到陽極電解質(zhì)106中以及穿過第二陽離子交換膜118遷移到第 四電解質(zhì)116中的質(zhì)子，可根據(jù)流經(jīng)該系統(tǒng)的電解質(zhì)流量調(diào)節(jié)陽極電解質(zhì)106和第四電解 質(zhì)116的pH。同時，由于防止陰極電解質(zhì)102中形成的氫氧離子、碳酸氫根離子或碳酸根離 子從該陰極電解質(zhì)穿過第一陽離子交換膜遷移，可以根據(jù)流經(jīng)該系統(tǒng)的電解質(zhì)流量調(diào)節(jié)陰 極電解質(zhì)102的pH。因此，在各種實施方案中，在陰極電解質(zhì)102和陽極電解質(zhì)106之間 獲得PH差，例如根據(jù)流經(jīng)該系統(tǒng)的電解質(zhì)流量，至少1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13或 14pH單位或更大的差值。類似地，由于質(zhì)子從陽極電解質(zhì)106遷移到第四電解質(zhì)116中，在 第四電解質(zhì)116和陰極電解質(zhì)102之間獲得pH差，例如根據(jù)流經(jīng)該系統(tǒng)的電解質(zhì)流量，至 少 1、2、3、4、5、6、7、8、9、10、11、12、13 或 14pH 單位或更大的差值。在該系統(tǒng)和方法的具體實施方案的下列示例性描述中，為舉例說明，系統(tǒng)如圖1 中那樣構(gòu)造，其中使用濃氯化鈉水溶液142作為第一陽離子交換膜112和陰離子交換膜120 之間的初始第三電解質(zhì)110。也在該系統(tǒng)中，使用導(dǎo)電水或低濃度氫氧化鈉溶液或碳酸氫 鈉溶液或碳酸鈉溶液作為初始陰極電解質(zhì)102 ；在該系統(tǒng)中，使用導(dǎo)電水作為陽極電解質(zhì) 106 ；仍在該系統(tǒng)中，使用第四電解質(zhì)116中制成的低濃度鹽酸作為初始第四電解質(zhì)。因此，在該系統(tǒng)中，在陽極108和陰極104之間施加電壓時，鈉離子從第三電解質(zhì) 110遷移到陰極電解質(zhì)102中，且氯離子從第三電解質(zhì)遷移到第四電解質(zhì)116中；在陰極電 解質(zhì)102中(取決于是否將二氧化碳氣體添加到電解質(zhì)中)產(chǎn)生氫氧離子或碳酸根離子或 碳酸氫根離子；在陰極104處產(chǎn)生氫氣；向陽極108供應(yīng)的氫氣在陽極處被氧化成質(zhì)子；且 該質(zhì)子遷移到陽極電解質(zhì)106中，它們從此處穿過第二陽離子交換膜118遷移到第四電解 質(zhì)116中，由于陰離子交換膜120會阻止它們進一步遷移到第三電解質(zhì)110中，它們積聚在 此處。因此，在各種實施方案中，在陽極和陰極之間施加電壓時，在該系統(tǒng)中，在陰極電 解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧化鈉；在第四電解質(zhì)中產(chǎn)生鹽酸；第三電解質(zhì)中的氯化鈉的濃度降低；氫 氣在陽極處氧化；并在陰極處生成氫氣。在該系統(tǒng)的一個實施方案中——其中將二氧化碳氣體溶解在陰極電解質(zhì)中，該系 統(tǒng)和方法另外在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸氫根和/或碳酸根離子；因此，在此實施方案中，根 據(jù)該陰極電解質(zhì)的PH值，在該陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸氫鈉和/或碳酸鈉。在此實施方案中，如不將二氧化碳溶解在陰極電解質(zhì)中的實施方案那樣，該系統(tǒng)和方法在第四電解質(zhì)中產(chǎn)生 鹽酸；第三電解質(zhì)中的氯化鈉濃度降低；氫氣在陽極處氧化；并在陰極處生成氫氣。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會認識到，本系統(tǒng)和方法不限于氯化鈉溶液作為第三電解質(zhì) 的這種示例性用途，而是適用于在第三電解質(zhì)中使用同等的離子鹽溶液，例如硫酸鉀。因 此，例如，如果使用硫酸鉀，在第四電解質(zhì)中產(chǎn)生硫酸并在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧化鉀、碳 酸氫鉀和/或碳酸鉀。可以認識到，以硫酸鉀作為第三電解質(zhì)的該系統(tǒng)和方法會通過氧化 向陽極供應(yīng)的氫氣來在陽極處產(chǎn)生質(zhì)子；在陰極處形成氫氣；和脫除第三電解質(zhì)的鉀和硫 酸根離子。在將二氧化碳氣體溶解在陰極電解質(zhì)中的實施方案中，以硫酸鉀作為第三電解 質(zhì)的該系統(tǒng)和方法會在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生碳酸氫根和碳酸根離子。因此，在這種等效系統(tǒng) 中，根據(jù)該陰極電解質(zhì)的PH值，在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧化鉀、碳酸氫鉀和/或碳酸鉀?？?用于制造本系統(tǒng)中的電解質(zhì)的其它電解質(zhì)包括海水、微咸水和鹽水。這類等效系統(tǒng)和方法 因此在本系統(tǒng)和方法的范圍內(nèi)。本領(lǐng)域技術(shù)人員也會認識到，在將二氧化碳溶解在陰極電解質(zhì)中以制造碳酸氫根 和碳酸根陰離子的實施方案中，在水中反應(yīng)、溶解和離子化的其它同等氣體會產(chǎn)生同等結(jié) 果。因此，例如，可溶于該陰極電解質(zhì)的酸性氣體如二氧化硫和氮氧化物，會在該陰極電解 質(zhì)中產(chǎn)生同等的陰離子。因此，就同等氣體如二氧化碳那樣溶解在第三電解質(zhì)中以產(chǎn)生同 等陰離子而言，這樣的系統(tǒng)和方法也在本系統(tǒng)和方法的范圍內(nèi)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于將部分或全部陰極電解質(zhì)從流出流提取 到陰極隔室的流入流中。該系統(tǒng)和方法也適用于將部分或全部第四電解質(zhì)從流出流提取到 第四電解質(zhì)的流入流中。在各種實施方案中，該系統(tǒng)和方法適用于分批、半分批或連續(xù)流作 業(yè)，伴隨或不伴隨將陰極處生成的氫氣導(dǎo)向在陽極處氧化，和伴隨或不伴隨提取和補充該 系統(tǒng)中的電解質(zhì)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)包括用于使氫氣從陰極循環(huán)到陽極的氫氣轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。 在另一實施方案中，該系統(tǒng)包括用于將二氧化碳氣體溶解在陰極電解質(zhì)中的二氧化碳輸送 系統(tǒng)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)有效地連接到包含燃燒氣體的工業(yè)廢氣流，以向陰極電解 質(zhì)供應(yīng)氣體，例如二氧化碳。在各種實施方案中，該廢氣流包括來自化石燃料供能的發(fā)電 廠、水泥制造廠和其它工廠的燃燒氣體。在各種實施方案中，該廢氣包括酸性氣體，例如氮 氧化物(一氧化二氮、氧化一氮)和硫氣體(二氧化硫、硫化氫)，其在該陰極電解質(zhì)中溶 解形成陰離子，這類似于在二氧化碳溶解在該陰極電解質(zhì)中時碳酸氫根和碳酸根離子的生 成。參照圖1，在一個實施方案中，系統(tǒng)100包含與陰極104接觸的第一電解質(zhì)，即陰 極電解質(zhì)102 ；與陽極108接觸的第二電解質(zhì)，即陽極電解質(zhì)106 ；被第一陽離子交換膜112 與陰極電解質(zhì)102隔開的第三電解質(zhì)110 ；被第二陽離子交換膜118與陽極電解質(zhì)106隔 開的第四電解質(zhì)116 ；將第三電解質(zhì)110和第四電解質(zhì)116隔開的第三離子交換膜120。在 各種實施方案中，第一離子交換膜包含陽離子交換膜；第二離子交換膜包含陽離子交換膜； 且第三離子交換膜包含陰離子交換膜。在圖1中所示的系統(tǒng)中，陰極電解質(zhì)102與陰極104流體接觸且兩者都容納在由 第一陽離子交換膜112和第一側(cè)壁124限定出的第一電池122中。類似地，陽極電解質(zhì)106 與陽極108流體接觸且兩者都容納在由第二陽離子交換膜118和第二側(cè)壁128限定出的第
12二電池126中。由第一陽離子交換膜112和陰離子交換膜120限定出容納第三電解質(zhì)110 的第三電池130 ；并由陰離子交換膜120和第二陽離子交換膜118限定出容納第四電解質(zhì) 116的第四電池132。也參照圖1，系統(tǒng)100在各種實施方案中包括能在陽極108和陰極104之間施加電 壓的電壓源134。在各種實施方案中，該系統(tǒng)中的陰極和陽極由非反應(yīng)性的導(dǎo)電材料，如鎳 或鉬構(gòu)成。該系統(tǒng)包括適用于使陰極104處生成的氫氣循環(huán)以在陽極108處氧化的氫氣循 環(huán)系統(tǒng)136。在各種實施方案中，該氫氣可有效地連接到外部氫供應(yīng)源(未顯示)以向陽極 提供氫氣，例如當來自陰極的氫供應(yīng)不足時在該操作啟動時提供。在各種實施方案中，該系統(tǒng)包括適用于從容納陰極電解質(zhì)的第一電池122中提取 全部或部分陰極電解質(zhì)102的陰極電解質(zhì)提取和補充系統(tǒng)138。在各種實施方案中，該系統(tǒng) 包括適用于對容納第四電解質(zhì)的第四電池132提取和補充全部或部分第四電解質(zhì)116的第 四電解質(zhì)提取和補充系統(tǒng)140。在各種實施方案中，該系統(tǒng)包括用于向第三電解質(zhì)電池130 提供鹽溶液142例如濃氯化鈉的鹽供應(yīng)系統(tǒng)。在各種實施方案中，該系統(tǒng)包括用于向陰極 電解質(zhì)102提供氣體例如二氧化碳的氣體供應(yīng)系統(tǒng)144。在各種實施方案中，該系統(tǒng)包括二 氧化碳混合系統(tǒng)152，其中通過在位于流出流中、或位于流入流中或位于它們之間的一個或 多個隔室中將該氣體溶解于陰極(電解質(zhì))，向該陰極電解質(zhì)供應(yīng)二氧化碳。在各種實施方 案中，該系統(tǒng)包括用于將流體引入電池(122、126、130、132)的入口(未顯示)和用于從電 池中移去流體的出口(未顯示)。在各種運行模式，例如連續(xù)流、分批流或混合模式中，該系統(tǒng)在裝有氯化鈉溶液 142時會在陰極電解質(zhì)102中產(chǎn)生氫氧化鈉溶液146，在第四電解質(zhì)116中產(chǎn)生鹽酸148，和 產(chǎn)生其中陽離子和陰離子含量降低的部分脫鹽的水溶液150。在各種實施方案中，該部分脫 鹽的水溶液150用作脫鹽水處理裝置(未顯示)的進料水以進一步加工，從而除去例如該 溶液中存在的其它離子。在另一些實施方案中，該水溶液150用于制備向第一電池122、第 二電池126、第三電池130和第四電池132中裝入電解質(zhì)用的初始電解質(zhì)溶液。可以認識到，在各種實施方案中和參照圖1，盡管i)用第一陽離子交換膜112將 陰極電解質(zhì)102與第三電解質(zhì)110隔開；和ii)用第二陽離子交換膜118將第四電解質(zhì)116 與陽極電解質(zhì)106隔開；和iii)用陰離子交換膜120將第四電解質(zhì)116與第三電解質(zhì)110 隔開；但是，當在陽極108和陰極104之間施加電壓134時，電解質(zhì)中的帶負電的陰離子試 圖(attempt)向正陽極108遷移，帶正電的陽離子試圖穿過第一陽離子交換膜112、第二陽 離子交換膜118和陰離子交換膜120向負陰極104遷移。因此，例如，參照圖1，其中先通過分別向電解質(zhì)中加入少量氫氧化鈉和鹽酸來使 陰極電解質(zhì)102和陽極電解質(zhì)106導(dǎo)電；第四電解質(zhì)116是水溶液，先通過將少量鹽酸添加 到該溶液中來使其導(dǎo)電；先將氯化鈉濃溶液置于第三電解質(zhì)110中；和先將氫氣流136經(jīng) 由陽極電解質(zhì)106導(dǎo)向陽極108以在陽極108處氧化，在陽極108和陰極104之間施加電 壓134時，如下在陽極108處由向該陽極供應(yīng)的氫氣136的氧化形成質(zhì)子，同時在陰極電解 質(zhì)116處由水的還原形成氫氧離子和氫氣138 H2 = 2H++2e_ (陽極，氧化反應(yīng))2H20+2e_ = H2+20H_(陰極，還原反應(yīng))本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會認識到，參照圖1，由于在陽極處108由向陽極108供應(yīng)的氫氣136形成質(zhì)子；且由于在陽極108處不形成氣體如氧氣；且由于水在陰極電解質(zhì)中電 解以在陰極104處形成氫氧離子和氫氣138，因此，當在陽極108和陰極104之間施加電壓 時，該系統(tǒng)在陰極電解質(zhì)102中產(chǎn)生氫氧離子和在陽極電解質(zhì)106中產(chǎn)生質(zhì)子。此外，本領(lǐng)域技術(shù)人員可以認識到，與在陽極處生成氣體例如氯氣的傳統(tǒng)系統(tǒng)中 需要的更高的電壓相比，在本系統(tǒng)中，由于在陽極處不形成氣體，當在陽極和陰極之間施加 低于3V時，該系統(tǒng)會在陰極電解質(zhì)中產(chǎn)生氫氧離子和在陽極處產(chǎn)生氫氣。例如，在各種實 施方案中，當在陽極和陰極之間施加低于低于2. 0,1. 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. 2,0. IV或更低時，產(chǎn)生氫氧離子。此夕卜，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員會認識到，參照圖1，在陽極108和陰極104之間施加電 壓時，在陽極處形成的帶正電的質(zhì)子試圖經(jīng)由陽極電解質(zhì)106遷移至陰極104，同時在陰極 104處形成的帶負電的氫氧離子試圖經(jīng)由陰極電解質(zhì)102遷移至陽極108。但是，如圖1中所示和關(guān)于陰極電解質(zhì)102中的氫氧離子，由于第一陽離子交換膜 112將陰極電解質(zhì)102包納在第一電池122中，且由于第一陽離子交換膜112阻止陰離子從 陰極電解質(zhì)102遷移到第三電解質(zhì)110中，會阻止陰極電解質(zhì)102中生成的氫氧離子穿過 該第一陽離子交換膜112遷移出陰極電解質(zhì)。因此，在陽極和陰極之間施加電壓134時，陰 極處產(chǎn)生的氫氧離子包含在陰極電解質(zhì)102中。因此，根據(jù)流體流入和流出陰極電解質(zhì)的 流速，可調(diào)節(jié)該陰極電解質(zhì)的PH，例如該pH可以提高、降低或保持相同。類似地，關(guān)于在陽極108處生成的質(zhì)子，在陰極104和陽極108之間的外加電壓 134下，該質(zhì)子會進入陽極電解質(zhì)106并穿過第二陽離子交換膜118遷移到第四電解質(zhì)中。 但是，由于第四電解質(zhì)116和第三電解質(zhì)110之間的陰離子交換膜120阻止陽離子從第四 電解質(zhì)116移向第三電解質(zhì)110，因此，防止第四電解質(zhì)116中的質(zhì)子從第四電解質(zhì)遷移到 第三電解質(zhì)110中。因此，在陽極和陰極之間施加電壓134時，陽極處產(chǎn)生的質(zhì)子包含在第 四電解質(zhì)116中。因此，根據(jù)流體流入和流出第四電解質(zhì)的流速，調(diào)節(jié)該第四電解質(zhì)的pH， 例如該PH可以提高、降低或保持相同。關(guān)于最初含有鈉離子和氯離子的濃溶液并被陰離子交換膜120和第一陽離子交 換膜112包夾在第三電池130中的第三電解質(zhì)110，在陽極108和陰極104之間施加電壓 時，第三電解質(zhì)110中的陰離子例如氯離子試圖向陽極108遷移，而第三電解質(zhì)的陽離子例 如鈉離子試圖向陰極104遷移。由于陰離子交換膜120允許陰離子從第三電解質(zhì)110遷移 到第四電解質(zhì)116中，第三電解質(zhì)110中存在的氯離子會遷移到第四電解質(zhì)中，在此它們與 來自陽極的質(zhì)子形成酸，例如鹽酸。此外，由于第一陽離子交換膜112允許陽離子從第三電解質(zhì)110遷移到陰極電解 質(zhì)102中，第三電解質(zhì)110中存在的鈉離子會遷移到陰極電解質(zhì)102中，在此它們會與陰極 104處生成的氫氧離子形成氫氧化鈉。因此，如圖1中所示，在陽極108和陰極104之間施 加電壓時，陽離子例如鈉離子，和陰離子例如氯離子會從第三電解質(zhì)110中遷移出，由此在 第三電解質(zhì)中形成脫鹽水。在各種實施方案中和如圖1中所示，在陰極104處由陰極電解質(zhì)中的水的還原生 成氫氣120。這種氣體可以從陰極排出或?qū)蜿枠O108，在此如本文所述將其氧化成質(zhì)子。在另一些實施方案中，根據(jù)所需離子物類，可以將其它反應(yīng)物溶解在陰極電解質(zhì) 中以制造所需離子。因此，例如，在各種實施方案中，將二氧化碳添加到陰極電解質(zhì)中以制造碳酸根和碳酸氫根離子。二氧化碳氣體可通過將其直接鼓泡(bubbling)進入電解質(zhì)來 添加到該電解質(zhì)中；或者，二氧化碳氣體可以溶解在陰極電解質(zhì)中或可以溶解在單獨隔室 152中，該隔室用導(dǎo)管連接到陰極隔室以如上所述將含有溶解的二氧化碳的溶液添加到該 陰極隔室中。在將二氧化碳溶解在陰極電解質(zhì)中的實施方案中，如上所述和參照圖1，在陽極 108和陰極104之間施加電壓時，系統(tǒng)100會如下產(chǎn)生氫氧離子、碳酸氫根離子、碳酸根離子 和氫氣2H20+2e- = H2+20F (水在陰極處還原)在陰極電解質(zhì)102中，根據(jù)電解質(zhì)的pH，二氧化碳氣體會如下溶解形成碳酸、質(zhì) 子、碳酸氫根離子和碳酸根離子H2CHCO2 = H2CO3 = H++HCCV = 2H++C032-由于陰極電解質(zhì)102中二氧化碳的溶解以及碳酸氫根和碳酸根離子的濃度依賴 于PH，第一(陰極)電池122中的總體反應(yīng)為情況1 :2H20+2C02+2e- = H2+2HC03"；或情況2 :H20+C02+2e" = H2+C032_或兩者的組合，如下列碳酸鹽物種形成圖中所示，這取決于陰極電解質(zhì)102的pH
權(quán)利要求
電化學系統(tǒng)，其包含與陰極接觸的第一電解質(zhì)，即陰極電解質(zhì)；與陽極接觸的第二電解質(zhì)，即陽極電解質(zhì)；被第一陽離子交換膜與陰極電解質(zhì)隔開的第三電解質(zhì)；被第二陽離子交換膜與陽極電解質(zhì)隔開的第四電解質(zhì)；和隔開第三和第四電解質(zhì)的第三離子交換膜。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中第一離子交換膜包含陽離子交換膜；第二離子交換膜包含 陽離子交換膜；且第三離子交換膜包含陰離子交換膜。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包含被構(gòu)造成將氣體導(dǎo)向陽極的氣體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中該氣體包含氫氣。
5.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中該氣體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)被構(gòu)造成將氣體從陰極導(dǎo)向陽極。
6.權(quán)利要求5的系統(tǒng)，其中該氣體包含氫氣。
7.權(quán)利要求3或4的系統(tǒng)，其中該氣體轉(zhuǎn)移系統(tǒng)被構(gòu)造成將氫氣導(dǎo)入陽極電解質(zhì)中，或 導(dǎo)到陽極上，或其組合，以在陽極處氧化該氣體。
8.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包含被構(gòu)造成將外源氣體輸送到該電化學系統(tǒng)的電解質(zhì) 中的外源氣體輸送系統(tǒng)。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中該外源氣體包含二氧化碳。
10.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中該外源氣體輸送系統(tǒng)被構(gòu)造成將該氣體輸送到陰極電解 質(zhì)中。
11.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，進一步包含有效地被構(gòu)造成使二氧化碳吸收到陰極電解質(zhì)中 的氣體吸收系統(tǒng)。
12.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中該外源氣體輸送系統(tǒng)可有效地連接到包含燃燒氣體的工 業(yè)廢氣流系統(tǒng)。
13.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中該外源氣體輸送系統(tǒng)可有效地連接到化石供以燃料的發(fā) 電廠或水泥廠排氣系統(tǒng)。
14.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在電極之間施加電壓時在陽極處不形成氣 體的情況下在陰極電解質(zhì)中形成氫氧離子。
15.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中在陽極和陰極之間施加低于3V的電壓時，形成氫氧離子。
16.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中在陽極處將氫氣氧化的同時形成氫氧離子。
17.權(quán)利要求14的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能在陽極和陰極電解質(zhì)之間形成7至14pH單位或 更大的PH差。
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中在陽極處將氫氣氧化的同時形成pH差。
19.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在電極之間施加電壓時在陽極處不形成氣 體的情況下在陰極電解質(zhì)中形成氫氧離子、碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。
20.權(quán)利要求14或19的系統(tǒng)，其中電極之間的電壓低于3V。
21.權(quán)利要求20的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)在陽極處將氫氣氧化的同時形成氫氧離子、碳酸 氫根離子和/或碳酸根離子。
22.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽極和陰極之間施加低于3V的電壓時 在陽極電解質(zhì)中形成質(zhì)子。
23.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽極和陰極之間施加低于3V的電壓時 在陽極處不生成氣體的情況下在陰極處形成氫氣。
24.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽極和陰極之間施加低于3V的電壓時 在陽極處不生成氣體的情況下從第三電解質(zhì)中除去鈉離子和氯離子。
25.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽極和陰極之間施加低于3V的電壓時 在陽極處不生成氣體的情況下在第四電解質(zhì)中形成酸溶液。
26.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，進一步包含適用于使部分的陰極電解質(zhì)從流出流循環(huán)到陰 極電解質(zhì)的流入流中的循環(huán)系統(tǒng)。
27.權(quán)利要求1或5的系統(tǒng)，進一步包含用于使部分的第四電解質(zhì)從流出流循環(huán)到第四 電解質(zhì)的流入流中的循環(huán)系統(tǒng)。
28.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)適用于分批、半分批或連續(xù)流作業(yè)。
29.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)適用于連續(xù)流作業(yè)。
30.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該陰極電解質(zhì)包含溶解的二氧化碳。
31.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該陰極電解質(zhì)包含氫氧根、碳酸氫根離子和/或碳酸根離子。
32.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該陰極電解質(zhì)包含碳酸氫鈉、碳酸鈉或其組合。
33.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該第四電解質(zhì)包含質(zhì)子和氯離子。
34.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該陽極電解質(zhì)包含質(zhì)子。
35.電化學方法，其包括與陰極接觸地安置第一電解質(zhì)，該第一電解質(zhì)是陰極電解質(zhì)； 與陽極接觸地安置第二電解質(zhì)，該第二電解質(zhì)是陽極電解質(zhì)； 安置第三電解質(zhì)以使其通過第一離子交換膜與陰極電解質(zhì)隔開； 安置第四電解質(zhì)以使其通過第三離子交換膜與第三電解質(zhì)隔開和通過第二離子交換 膜與陽極電解質(zhì)隔開；和通過在陽極和陰極之間施加電壓來在陰極電解質(zhì)中形成氫氧離子。
36.權(quán)利要求35的方法，其中第一離子交換膜包含陽離子交換膜；第二離子交換膜包 含陽離子交換膜；且第三離子交換膜包含陰離子交換膜。
37.權(quán)利要求35的方法，其中在陽極處不形成氣體。
38.權(quán)利要求37的方法，進一步包括在陽極處將氫氣氧化。
39.權(quán)利要求35的方法，進一步包括將二氧化碳氣體導(dǎo)入陰極電解質(zhì)。
40.權(quán)利要求39的方法，其中在與陰極接觸地安置陰極電解質(zhì)之前或之后將二氧化碳 導(dǎo)入陰極電解質(zhì)。
41.權(quán)利要求35的方法，包括在陰極和陽極之間施加低于3V的電壓。
42.權(quán)利要求35的方法，包括在陰極處形成氫氣。
43.權(quán)利要求35的方法，包括在陽極處形成質(zhì)子。
44.權(quán)利要求35的方法，包括通過在陽極和陰極之間施加低于3V的電壓，在陽極處不 形成氣體的情況下在陽極和陰極電解質(zhì)之間形成7至14pH單位或更大的pH差。
45.權(quán)利要求39的方法，包括在陰極電解質(zhì)中形成氫氧離子、碳酸氫根離子、碳酸根離 子和/或其組合。
46.權(quán)利要求39的方法，包括在陰極電解質(zhì)中形成氫氧化鈉、碳酸氫鈉或碳酸鈉。
47.權(quán)利要求35的方法，包括使質(zhì)子從陽極電解質(zhì)穿過第二陽離子交換膜遷移到第四 電解質(zhì)中。
48.權(quán)利要求47的方法，包括使陰離子從第三電解質(zhì)穿過陰離子交換膜遷移到第四電 解質(zhì)中。
49.權(quán)利要求48的方法，包括使氯離子從第三電解質(zhì)穿過陰離子交換膜遷移到第四電 解質(zhì)中。
50.權(quán)利要求49的方法，包括在第四電解質(zhì)中形成酸。
51.權(quán)利要求49的方法，包括在第四電解質(zhì)中形成鹽酸。
52.權(quán)利要求48的方法，包括使陽離子從第三電解質(zhì)穿過第一陽離子交換膜遷移至陰極。
53.權(quán)利要求35的方法，包括使鈉離子從第三電解質(zhì)穿過第一陽離子交換膜遷移到陰 極電解質(zhì)中。
54.權(quán)利要求42的方法，包括使陰極處形成的氫氣循環(huán)以在陽極處氧化該氣體。
55.權(quán)利要求35的方法，包括使陰極電解質(zhì)從流出流循環(huán)到該陰極電解質(zhì)的流入流中。
56.權(quán)利要求35的方法，包括使第四陰極電解質(zhì)從流出流循環(huán)到該第四電解質(zhì)的流入 流中。
57.電化學方法，其包括與陰極接觸地安置第一電解質(zhì)，該第一電解質(zhì)是陰極電解質(zhì)； 與陽極接觸地安置第二電解質(zhì)，該第二電解質(zhì)是陽極電解質(zhì)； 安置第三電解質(zhì)以使其通過第一離子交換膜與陰極電解質(zhì)隔開； 安置第四電解質(zhì)以使其通過第三離子交換膜與第三電解質(zhì)隔開和通過第二離子交換 膜與陽極電解質(zhì)隔開；和向陰極電解質(zhì)供應(yīng)二氧化碳氣體。
58.權(quán)利要求57的方法，其中第一離子交換膜包含陽離子交換膜；第二離子交換膜包 含陽離子交換膜；且第三離子交換膜包含陰離子交換膜。
59.權(quán)利要求57的方法，其中在陽極處不形成氣體。
60.權(quán)利要求57的方法，包括在陰極電解質(zhì)中形成碳酸氫根離子、碳酸根離子或碳酸 氫根和碳酸根離子的混合物。
61.權(quán)利要求57的方法，進一步包括在陽極處將氫氣氧化。
62.權(quán)利要求57的方法，包括在陰極和陽極之間施加低于3V的電壓。
63.權(quán)利要求57的方法，包括在陰極處形成氫氣。
64.權(quán)利要求57的方法，包括在陽極和陽極電解質(zhì)處形成質(zhì)子。
65.權(quán)利要求64的方法，包括在陽極處不形成氣體的情況下在陽極電解質(zhì)和陰極電解 質(zhì)之間形成 至14pH單位或更大的pH梯度。
66.權(quán)利要求57的方法，包括在陰極電解質(zhì)中形成碳酸鈉、碳酸氫鈉或碳酸鈉和碳酸 氫鈉的混合物。
67.權(quán)利要求57的方法，包括使質(zhì)子從陽極電解質(zhì)穿過第二陽離子交換膜遷移到第四電解質(zhì)中。
68.權(quán)利要求57的方法，包括使陰離子從第三電解質(zhì)穿過陰離子交換膜遷移到第四電 解質(zhì)中。
69.權(quán)利要求57的方法，包括使氯離子從第三電解質(zhì)穿過陰離子交換膜遷移到第四電 解質(zhì)中。
70.權(quán)利要求57的方法，包括在第四電解質(zhì)中形成酸。
71.權(quán)利要求57的方法，包括在第四電解質(zhì)中形成鹽酸。
72.權(quán)利要求57的方法，包括使陽離子從第三電解質(zhì)穿過第一陽離子交換膜遷移到陰 極電解質(zhì)中。
73.權(quán)利要求57的方法，包括使鈉離子從第三電解質(zhì)穿過第一陽離子交換膜遷移到陰 極電解質(zhì)中。
74.權(quán)利要求57的方法，包括使陰極處形成的氫氣循環(huán)以在陽極處氧化。
75.權(quán)利要求57的方法，包括使至少部分的陰極電解質(zhì)從流出流循環(huán)到該陰極電解質(zhì) 的流入流中。
76.權(quán)利要求57的方法，包括使部分的第四陰極電解質(zhì)從流出流循環(huán)到該第四電解質(zhì) 的流入流中。
全文摘要
利用明顯低于在傳統(tǒng)陽極和陰極之間用于生產(chǎn)離子的一般3V的電壓生產(chǎn)氫氧離子和/或碳酸氫根離子和/或碳酸根離子的低電壓、低能量電化學系統(tǒng)和方法；因此，本系統(tǒng)和方法造成的二氧化碳排放明顯降低。
文檔編號B05D5/12GK101984749SQ200980101611
公開日2011年3月9日 申請日期2009年6月24日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月16日
發(fā)明者B·博格斯, K·法薩, M·科斯托斯基, N·A·克諾特, N·賈拉尼, R·J·吉利亞姆, T·A·阿爾布雷希特, V·德克 申請人:卡勒拉公司