專利名稱：低能電化學(xué)氫氧根系統(tǒng)和方法
低能電化學(xué)氫氧根系統(tǒng)和方法
背景技術(shù)：
許多化學(xué)工藝中，需要?dú)溲醺x子(0H_)的溶液以實(shí)現(xiàn)或調(diào)節(jié)化學(xué)反應(yīng)。在溶液 中獲得0H—的一種方式是將堿金屬氫氧化物如氫氧化鈉或氫氧化鎂溶解于溶液中。但是， 制備氫氧化物的傳統(tǒng)方法是非常高耗能的，例如氯堿工藝，且它們排放大量的二氧化碳和 其它溫室氣體到環(huán)境中。發(fā)明概述各種實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及在電化學(xué)池中利用離子交換膜產(chǎn)生0H—的低能電化 學(xué)系統(tǒng)和方法。一種實(shí)施方式中，該系統(tǒng)包括位于第一電解質(zhì)和第二電解質(zhì)之間的陰離子 或陽(yáng)離子交換膜，該第一電解質(zhì)接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)接觸陰極。適宜的電解質(zhì)包括鹽水 (saltwater)，其包括氯化鈉、海水、微成水(brackish)或淡水(fresh water)。在陽(yáng)極和陰 極之間施加低電壓時(shí)，在陰極處形成Off且在陽(yáng)極處形成質(zhì)子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體例 如氯氣或氧氣。取決于所用的電解質(zhì)，在與陰極接觸的第二電解質(zhì)中形成氫氧化物溶液例 如氫氧化鈉，且在與陽(yáng)極接觸的第一電解質(zhì)中形成酸例如鹽酸。各種實(shí)施方式中，在電極之 間施加小于0. IV的電壓時(shí)形成Off。另一實(shí)施方式中，該系統(tǒng)包括電化學(xué)池，其中陰離子交換膜將第一電解質(zhì)與第三 電解質(zhì)分隔開(kāi)；陽(yáng)離子交換膜將第三電解質(zhì)與第一電解質(zhì)分隔開(kāi)；陽(yáng)極與第一電解質(zhì)接 觸；且陰極與第二電解質(zhì)接觸。在陽(yáng)極和陰極之間施加低電壓時(shí)，在陰極處形成0H—，同時(shí)在 陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣。取決于所用的電解質(zhì)，在與陰極接觸的第二電解質(zhì)中 形成氫氧化物溶液例如氫氧化鈉，且在與陽(yáng)極接觸的第一電解質(zhì)中形成酸例如鹽酸。各種 實(shí)施方式中，在電極之間施加小于0. IV的電壓時(shí)形成Off。一種實(shí)施方式中，該方法包括通過(guò)在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓以在陰極處形成氫 氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣，穿過(guò)位于第一電解質(zhì)和第二電解質(zhì) 之間的離子交換膜遷移離子。取決于所用的電解質(zhì)，在與陰極接觸的第二電解質(zhì)中形成氫 氧化物溶液例如氫氧化鈉，且在與陽(yáng)極接觸的第一電解質(zhì)中形成酸例如鹽酸。各種實(shí)施方 式中，在電極之間施加小于0. IV的電壓時(shí)形成Off。另一實(shí)施方式中，該方法包括在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓，其中(i)該陽(yáng)極與第 一電解質(zhì)接觸，該第一電解質(zhì)又與陰離子交換膜接觸；(ii)該陰極與第二電解質(zhì)接觸，該 第二電解質(zhì)又與陽(yáng)離子交換膜接觸；(iii)第三電解質(zhì)位于陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜 之間，由此在陰極處形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣。通過(guò)該方 法，在與第二電解質(zhì)接觸的陰極處形成0H—，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣。取 決于所用的電解質(zhì)，在與陰極接觸的第二電解質(zhì)中形成氫氧化物溶液例如氫氧化鈉，且在 與陽(yáng)極接觸的第一電解質(zhì)中形成酸例如鹽酸。各種實(shí)施方式中，在電極之間施加小于0. IV 的電壓時(shí)形成0H—。各種配置下，該系統(tǒng)和方法適合于間歇、半間歇或連續(xù)流動(dòng)。取決于所用的電解 質(zhì)，該系統(tǒng)能適合于在溶液中形成Off (例如在陰極處的氫氧化鈉)、或者酸性溶液(例如在 陽(yáng)極處的鹽酸)，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣。各種實(shí)施方式中，可以通過(guò)使包含0H—的溶液與C02進(jìn)行接觸并從包含堿土金屬離子的溶液中沉淀堿土金屬碳酸鹽例如 鈣和鎂的碳酸鹽和碳酸氫鹽，將該溶液用來(lái)隔離C02，如2007年5月24日提交的美國(guó)臨時(shí) 專利申請(qǐng)No. 60/931，657、2007年6月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 60/937，786,2007 年12月28日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No.61/017，419、786、2007年12月28日提交的美國(guó) 臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/017，371、2008年7月16日提交的美國(guó)臨時(shí)專利申請(qǐng)No. 61/081，299 中所述，將其引入本文中作為參考。各種實(shí)施方式中，沉淀的碳酸鹽可用作建筑產(chǎn)品例如水 泥，如引入本文中作為參考的美國(guó)專利申請(qǐng)中所述。類似地，該系統(tǒng)和方法可適合于使水脫 鹽，如引入本文中作為參考的美國(guó)專利申請(qǐng)中所述。


如下附圖通過(guò)示例而非限定的方式闡述了本發(fā)明系統(tǒng)和方法。通過(guò)參照這些附圖的一個(gè)或多個(gè)并結(jié)合本文中的說(shuō)明，可以更好地理解該方法和系統(tǒng)
圖1是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方式的示意圖。
圖2是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方式的示意圖。
圖3是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方式的示意圖。
圖4是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方式的示意圖。
圖5是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方式的示意圖。
圖6是本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)施方式的示意圖。
圖7是本發(fā)明方法實(shí)施方式的流程圖。
圖8是本發(fā)明方法實(shí)施方式的流程圖。
詳細(xì)說(shuō)明
在詳細(xì)描述本發(fā)明方法和系統(tǒng)之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明并非限定于本文中描述和
舉例說(shuō)明的特定實(shí)施方式，且如此可以變化。還應(yīng)當(dāng)理解，本文中使用的術(shù)語(yǔ)學(xué)僅是處于描 述特定實(shí)施方式的目的，且并非在于進(jìn)行限定，因?yàn)楸景l(fā)明的范圍僅由所附權(quán)利要求來(lái)限定。在提供數(shù)值范圍時(shí)，應(yīng)當(dāng)理解，除非相反地清楚指出，否則在該范圍上下限和該所 述范圍內(nèi)的任意其它所述值或中間值之間的每個(gè)中間值(到下限單位的十分之一)包含在 本發(fā)明之內(nèi)。這些更小范圍的上下限可以獨(dú)立地包含在更小范圍之內(nèi)，且也包含在本發(fā)明 之內(nèi)，除了在所述范圍之內(nèi)存在任意具體排除的限制。所述范圍包括限度之一或二者時(shí)，排 除這些限度之一或二者的范圍也包含在本發(fā)明之內(nèi)。本文中有時(shí)范圍表示為冠以術(shù)語(yǔ)“約”的數(shù)值。術(shù)語(yǔ)“約”在本文中用于提供其之 后精確數(shù)的文字支持，以及接近或近似該術(shù)語(yǔ)之后數(shù)的數(shù)值。在確定數(shù)值是否接近或近似 具體引用的數(shù)值時(shí)，接近和/或近似未引用數(shù)值可以是在其出現(xiàn)的上下文中提供具體引用 數(shù)值的實(shí)質(zhì)性等價(jià)的數(shù)值。除非相反地指出，否則本文中使用的所有技術(shù)和科學(xué)術(shù)語(yǔ)均具有本發(fā)明所屬領(lǐng)域 中普通技術(shù)人員所理解的相同含義。雖然類似于或等價(jià)于本文中所述那些的任意方法、系 統(tǒng)和材料也可以用于本發(fā)明的實(shí)施或試驗(yàn)，但是本文中描述了示例性說(shuō)明的方法、系統(tǒng)和 材料。本說(shuō)明書(shū)中引用的所有文獻(xiàn)和專利引入本文中作為參考，正如每個(gè)單獨(dú)的文獻(xiàn)或?qū)＠唧w地且單獨(dú)地顯示為引入作為參考，且引入本文中作為參考以與該文獻(xiàn)所引用的那 些一起來(lái)公開(kāi)和描述方法和/或材料。任意文獻(xiàn)引用時(shí)以申請(qǐng)日之前的公開(kāi)內(nèi)容引用，且 并不認(rèn)為由于在先發(fā)明本發(fā)明不能授權(quán)以先于該文獻(xiàn)。另外，所提供文獻(xiàn)的日期可以不同 于實(shí)際出版日期，且可以需要獨(dú)立的證明。本文中和所附權(quán)利要求中，單數(shù)形式“一個(gè)(a) ”、“一個(gè)(an) ”、“這個(gè)(the) ”包括 復(fù)數(shù)形式，除非上下文清楚地相反指出。另外，權(quán)利要求可以描述為排除任意任選單元。如 此，這種說(shuō)明旨在用作使用這種排除性術(shù)語(yǔ)如“單獨(dú)地”、“僅僅”等以及所述權(quán)利要求單元， 或者使用“否定”限定的前提基礎(chǔ)。另外，本文中使用的術(shù)語(yǔ)“容器”表示容納液體用的圍 繞物如容器、罐、室或袋。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員清楚地理解的那樣，本文中描述和舉例說(shuō)明的每種實(shí)施方 式包括可以與任意其它各種實(shí)施方式的特征相獨(dú)立的或者相互組合的截然不同單元和特 征，并不背離本發(fā)明的范圍或精神。任意所述方法可以以所述事件的順序或者以任意可能 的邏輯順序來(lái)進(jìn)行。本文描述中，為了簡(jiǎn)便，本發(fā)明將在產(chǎn)生氫氧根方面進(jìn)行描述。將理解，一些實(shí)施 方式中可以不產(chǎn)生氫氧根，例如在使與陰極接觸的電解質(zhì)溶液的PH(如本文中所述)保持 恒定或者甚至降低時(shí)，不存在氫氧根的凈生產(chǎn)，且可以甚至是氫氧根離子生產(chǎn)的降低。這點(diǎn) 可以例如在將C02引入第二電解質(zhì)溶液中的實(shí)施方式中發(fā)生，如本文中進(jìn)一步描述的那樣。各種實(shí)施方式中，本發(fā)明涉及在溶液例如鹽水溶液中利用離子交換膜形成0H—的 低能電化學(xué)系統(tǒng)和方法。在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)，在與陰極接觸的電解質(zhì)中的溶 液中形成0H—，在與陽(yáng)極接觸的溶液中形成質(zhì)子，且在陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣。 陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于 2. 8,2. 7,2. 5,2. 4,2. 3,2. 2,2. 1,2. 0,1. 9,1. 8,1. 7,1. 6、
1.5,1. 4,1. 3,1. 2,1. 1、1. 0,0. 9,0. 8,0. 7,0. 6,0. 5,0. 4,0. 3,0. 2、或 0. IV 時(shí)，形成氫氧根 罔子。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于2. 5V時(shí)，形成氫氧根離子，同 時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于2. 2V時(shí)，形成 氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于
2.0V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施 加的電壓小于1. 5V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng) 極和陰極之間施加的電壓小于1. 0V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些 實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于0. 8V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不 形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于0. 7V時(shí)，形成氫氧根離子，同 時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于0. 6V時(shí)，形成 氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于 0. 5V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施 加的電壓小于o. 4V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極 和陰極之間施加的電壓小于0. 3V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí) 施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于0. 2V時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形 成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于0. IV時(shí)，形成氫氧根離子，同時(shí) 在陽(yáng)極處不形成氣體。一些實(shí)施方式中，陽(yáng)極和陰極之間施加的電壓小于0. 05V時(shí)，形成氫氧根離子。各種實(shí)施方式中，在與陽(yáng)極接觸的電解質(zhì)中形成酸性溶液例如鹽酸。參照?qǐng)D1-6，各種實(shí)施方式中，本發(fā)明適合于如本文中所述的間歇和連續(xù)工藝。參 照?qǐng)D1和2，一種實(shí)施方式中該系統(tǒng)包括電化學(xué)系統(tǒng)，其包括將第一電解質(zhì)(104)與第二電 解質(zhì)(106)分隔開(kāi)的離子交換膜(102，124)，該第一電解質(zhì)接觸陽(yáng)極(108)且第二電解質(zhì)接 觸陰極(110)。本文中使用的“離子交換膜”包括可選擇性滲透一個(gè)離子、或一類離子(例 如陰離子、或單價(jià)陰離子，或者陽(yáng)離子、或單價(jià)陽(yáng)離子)的膜。圖1所示的系統(tǒng)中，在陽(yáng)極和 陰極之間施加電壓時(shí)，在與陰極接觸的電解質(zhì)中形成氫氧根離子，在與陽(yáng)極接觸的電解質(zhì) 中形成質(zhì)子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣。圖1示例中，采用了陰離子交換膜 (102)；圖2中，采用了陽(yáng)離子交換膜(124)。圖1所示的系統(tǒng)中，第一電解質(zhì)(104)包括含水鹽溶液如鹽水(saltwater)，例如 海水、淡水(fresh water)、含鹽水(brine)、微咸水(brackish)等。各種實(shí)施方式中，第二 電解質(zhì)(106)包括氯化鈉的濃縮溶液，其它實(shí)施方式中，第二電解質(zhì)可以包微成水。圖2實(shí) 施方式中，第一電解質(zhì)(104)包括氯化鈉的濃縮溶液，且第二電解質(zhì)(106)包括含水溶液如 鹽水，例如海水、淡水、含鹽水、微咸水等。替換的實(shí)施方式中，第一電解質(zhì)可以包括鹽水。各種實(shí)施方式中，陰離子交換膜(102)和/或陽(yáng)離子交換膜(124)可以是適合用 于溫度范圍為約0 約100°C的酸性和/或堿性電解質(zhì)溶液的任意離子交換膜，如本領(lǐng)域 中眾所周知的傳統(tǒng)離子交換膜，或者任意適宜的離子交換膜。適宜的離子交換膜可從德國(guó) 的PCA GmbH獲得，例如可以使用牌號(hào)為PCSA-250-250的陰離子交換膜；類似地，可以使用 可從PCAGmbH獲得的牌號(hào)為PCSK-250-250的陽(yáng)離子交換膜。將理解，將離子交換膜在該系 統(tǒng)中定位以防止第一和第二電解質(zhì)的混合。參照?qǐng)D1和2，各種實(shí)施方式中，電化學(xué)系統(tǒng)(100，200)包括用于將第一電解質(zhì) (104)注入該系統(tǒng)的第一電解質(zhì)入口端(114)，和用于將第二電解質(zhì)(106)注入該系統(tǒng)的第 二電解質(zhì)入口端(116)。該池包括用于從該系統(tǒng)中排出第一電解質(zhì)的出口端(118)，和用于 從該系統(tǒng)中排出第二電解質(zhì)的出口端(120)。如普通技術(shù)人員理解的那樣，該入口和出口端 可適合于各種流動(dòng)方式，包括間歇流、半間歇流、或連續(xù)流。替換的實(shí)施方式中，該系統(tǒng)包括 用于將氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極的導(dǎo)管例如輸送管(122)；各種實(shí)施方式中，該氣體包括在陰極(110) 處形成的氫氣；可以使用其它氫氣源。如圖1和2中所示，第一電解質(zhì)(104)接觸陽(yáng)極(108)和在第一側(cè)上接觸離子交 換膜(102，124)；且第二電解質(zhì)接觸陰極(106)且在相對(duì)側(cè)上接觸離子交換膜，由此完成包 括傳統(tǒng)電壓/電流調(diào)節(jié)器(112)的電路。該電壓/電流調(diào)節(jié)器可適合于增加或降低陰極和 陽(yáng)極之間的電流或電壓，如所期望的那樣。參照?qǐng)D1，在使用陰離子交換膜(102)和氯化鈉濃縮溶液作為第二電解質(zhì)(116)的 示例性和非限定性實(shí)例中，在陰極(110)和陽(yáng)極(108)之間施加低電壓時(shí)，在第二電解質(zhì)中 形成氫氧根離子且在陰極(110)處形成氫氣，同時(shí)在與陽(yáng)極(108)接觸的第一電解質(zhì)溶液 中形成質(zhì)子，但是在陽(yáng)極(108)處不形成氣體例如氯氣或氧氣。第二電解質(zhì)(106)包含氯 化鈉時(shí)，氯離子經(jīng)過(guò)陰離子交換膜(102)從第二電解質(zhì)(106)遷移到第一電解質(zhì)(104)，且 在與陽(yáng)極(108)接觸的電解質(zhì)中形成質(zhì)子。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的那樣，且參照?qǐng)D1，在第二電解質(zhì)(106)中由于 氫氧根離子在與陰極(110)接觸的電解質(zhì)中形成且進(jìn)入第二電解質(zhì)(106)，且由于氯離子從第二電解質(zhì)遷移到第一電解質(zhì)(104)，在第二電解質(zhì)(106)中形成氫氧化鈉的含水溶液。 取決于將第二電解質(zhì)(106)引入該系統(tǒng)和/或從中排出的速率，第二電解質(zhì)的pH得以調(diào) 整，例如增加、降低或不變。類似地，參照?qǐng)D1，由于質(zhì)子在與陽(yáng)極接觸的溶液中形成且進(jìn)入 第一電解質(zhì)(104)，第一電解質(zhì)的pH將調(diào)整，取決于將第一電解質(zhì)引入該系統(tǒng)和/或從中排 出的速率。另外，由于氯離子穿過(guò)陰離子交換膜從第二電解質(zhì)遷移到第一電解質(zhì)，在第一電 解質(zhì)中形成鹽酸。參照?qǐng)D2，在另一示例性和非限定性實(shí)施方式中，使用陽(yáng)離子交換膜(124)且使用 氯化鈉濃縮溶液用作第一電解質(zhì)時(shí)，在陰極(110)和陽(yáng)極(108)之間施加電壓時(shí)，在第二電 解質(zhì)中形成氫氧根離子且在陰極(110)處形成氫氣，在與陽(yáng)極接觸的第一電解質(zhì)中形成質(zhì) 子，但是在陽(yáng)極(108)處不形成氣體如氯氣或氧氣。第一電解質(zhì)(104)包含氯化鈉時(shí)，鈉離 子經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換膜(124)從第一電解質(zhì)(104)遷移到第二電解質(zhì)(106)。如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的那樣，且參照?qǐng)D2，在第二電解質(zhì)(106)中由于 氫氧根離子在與陰極(110)接觸的電解質(zhì)中形成且進(jìn)入溶液，且由于鈉離子遷移到第二電 解質(zhì)，在第二電解質(zhì)(106)中形成氫氧化鈉的含水溶液。取決于將第二電解質(zhì)引入該系統(tǒng) 和/或從中排出的速率，第二電解質(zhì)的PH得以調(diào)整，例如增加、降低或不變。類似地，參照 圖1，由于質(zhì)子在與陽(yáng)極接觸的溶液中形成且進(jìn)入溶液，第一電解質(zhì)的PH將調(diào)整，取決于將 第一電解質(zhì)引入該系統(tǒng)和/或從中排出的速率，即第一電解質(zhì)的PH可以增加、降低或不變。 另外，由于鈉離子穿過(guò)陽(yáng)離子交換膜從第一電解質(zhì)遷移到第二電解質(zhì)，由于第一電解質(zhì)中 質(zhì)子和氯離子的存在，將在第一電解質(zhì)中形成鹽酸。參照?qǐng)D1和2，取決于系統(tǒng)中電解質(zhì)的流動(dòng)和所用的電解質(zhì)例如鹽水，在陽(yáng)極 (108)和陰極(110)之間施加電壓時(shí)，將在第二電解質(zhì)(106)中形成0IT，且由此導(dǎo)致第二 電解質(zhì)的pH得以調(diào)整。一種實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. IV或更低、0.2V或 更低、0. 4V或更低、0. 6V或更低、0. 8V或更低、1. 0V或更低、1. 5V或更低、或者2. 0V或更低 的電壓，例如0. 8V或更低的電壓時(shí)，第二電解質(zhì)溶液的pH增加；另一實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和 陰極之間施加0. 01 2. 5V、或0. 01V 2. 0V、或0. IV 2. 0V、或0. IV 1. 5V、或0. IV 1. 0V、或 0. IV 0. 8V、或 0. IV 0. 6V、或 0. IV 0. 4V、或 0. IV 0. 2V、或 0. 01V 1. 5V、 或 0. 01V 1. 0V、或 0. 01V 0. 8V、或 0. 01V 0. 6V、或 0. 01V 0. 4V、或 0. 01V 0. 2V、 或0.01V 0. IV的電壓，例如0. 1 2. 0V的電壓時(shí)，第二電解質(zhì)的pH增加；仍另一實(shí)施方 式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. 1 IV的電壓時(shí)，第二電解質(zhì)溶液的pH增加。在電極之 間采用 0. 1 0. 8V、0. 1 0. 7V、0. 1 0. 6V、0. 1 0. 5V、0. 1 0. 4V、和 0. 1 0. 3V 的電 壓可獲得類似結(jié)果。表1中概括了采用本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的示例性結(jié)果。表1低能電化學(xué)方法和系統(tǒng) 參照表1，使用鹽水作為第一電解質(zhì)和氯化鈉作為第二電解質(zhì)，如圖1、2或3所示 依據(jù)本發(fā)明的工藝和方法用來(lái)調(diào)節(jié)第一和第二電解質(zhì)中的PH。通過(guò)該方法和系統(tǒng)，以電極 之間低的操作電壓，在第二電解質(zhì)(106)中產(chǎn)生NaOH，且在第一電解質(zhì)(104)中產(chǎn)生鹽酸； 如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的那樣，電壓可以從這些示例性電壓調(diào)高或調(diào)低；最小理論電 壓為0或者非常接近于0，但是為了實(shí)現(xiàn)有用的氫氧根生產(chǎn)速率，一些實(shí)施方式中實(shí)際下限 可以為0. 001V或0. 01V、或者0. IV，取決于期望的氫氧根生產(chǎn)和/或pH條件時(shí)間、第二電 解質(zhì)溶液的體積、和普通技術(shù)人員清楚的其它因素；即，一些實(shí)施方式中，該系統(tǒng)和方法能 夠在低至0. 001V、或0. 01V、或0. IV的電壓下產(chǎn)生氫氧根，且如果期望更快速生產(chǎn)時(shí)也可以 在更高電壓例如在0. 2 2. 0V下產(chǎn)生氫氧根；一些實(shí)施方式中產(chǎn)生氫氧根，同時(shí)在陽(yáng)極處 不形成氣體，例如不形成氧氣或氯氣。所用系統(tǒng)包括兩個(gè)250mL分隔間，其在一種實(shí)施方式中由陰離子交換膜分隔開(kāi)， 且在另一實(shí)施方式中由陽(yáng)離子交換膜分隔開(kāi)。兩個(gè)分隔間中使用0.5M NaCl 18MQ含水溶 液(將28g/L的NaCl用去離子水溶劑化)。陽(yáng)極和陰極二者包括10cmX5cm 45目Pt網(wǎng)。 陽(yáng)極分隔間中，在Pt電極下面噴射H2氣體，且使兩個(gè)電極保持在如表1所示的偏壓(例如 0.4、0.6V*1.0V)下30分鐘。施加電壓之前與陽(yáng)極接觸的電解質(zhì)的pH為6. 624。其中發(fā) 生氫氧根形成的陰極分隔間以600rpm攪拌。如表1中所示，在陰極和陽(yáng)極分隔間中實(shí)現(xiàn)pH 的顯著變化。這些實(shí)例中，且本發(fā)明的各種實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加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、0. IV或更低、或者0. 05V或更低的電壓時(shí)，可以在第一電解質(zhì)溶液和第 二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于 0. 5,1. 0,1. 5,2. 0,2. 5,3. 0,3. 5,4. 0,4. 5,5. 0,5. 5、6、6. 5,7. 0、7.5、8. 0、8. 5、9. 0、9. 5,10. 0、10. 5,11. 0、11. 5、或 12. OpH 單位的 pH 差值，其中第一電解質(zhì)
溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極，且兩個(gè)電解質(zhì)溶液例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)離子交 換膜分隔開(kāi)。例如，特定實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了在陽(yáng)極和陰極之間施加0.05V或更低的電 壓時(shí)，能夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于0. 5pH單位的pH差值的系統(tǒng)， 其中第一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極，且兩個(gè)電解質(zhì)溶液例如通過(guò)一 個(gè)或多個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了在陽(yáng)極和陰極之間施加0. IV 或更低的電壓時(shí)，能夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于1. OpH單位的pH差 值的系統(tǒng)，其中第一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極，且兩個(gè)電解質(zhì)溶液 例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了在陽(yáng)極和陰極之 間施加0. 2V或更低的電壓時(shí)，能夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于2. OpH 單位的pH差值的系統(tǒng)，其中第一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極，且兩個(gè) 電解質(zhì)溶液例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了在陽(yáng)極和陰極之間施加0.4V或更低的電壓時(shí)，能 夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于4. OpH單位的pH差值的系統(tǒng)，其中第 一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極，且兩個(gè)電解質(zhì)溶液例如通過(guò)一個(gè)或多 個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了在陽(yáng)極和陰極之間施加0. 6V或更低 的電壓時(shí)，能夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于6. OpH單位的pH差值的系 統(tǒng)，其中第一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極，且兩個(gè)電解質(zhì)溶液例如通 過(guò)一個(gè)或多個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了在陽(yáng)極和陰極之間施加 0. 8V或更低的電壓時(shí)，能夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于8. OpH單位的 PH差值的系統(tǒng)，其中第一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極，且兩個(gè)電解質(zhì) 溶液例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供了在陽(yáng)極和陰 極之間施加1.0V或更低的電壓時(shí)，能夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生大于
8.OpH單位的pH差值的系統(tǒng)，其中第一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶液接觸陰極， 且兩個(gè)電解質(zhì)溶液例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。一些實(shí)施方式中，本發(fā)明提供 了在陽(yáng)極和陰極之間施加1.2V或更低的電壓時(shí)，能夠在第一電解質(zhì)溶液和第二電解質(zhì)溶 液中產(chǎn)生大于10pH單位的pH差值的系統(tǒng)，其中第一電解質(zhì)溶液接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)溶 液接觸陰極，且兩個(gè)電解質(zhì)溶液例如通過(guò)一個(gè)或多個(gè)離子交換膜分隔開(kāi)。將理解，電壓不必保持恒定，且在兩個(gè)電解質(zhì)的pH相同或者pH接近時(shí)，陽(yáng)極和陰 極之間施加的電壓可以極低，例如0. 05V或更低，且在需要pH差值增加時(shí)電壓可以增加。 這樣，可以以最小平均電壓實(shí)現(xiàn)期望的PH差值或者氫氧根離子生產(chǎn)。由此，一些實(shí)施方式 中，如先前段落中所述的那樣，平均電壓可以比先前段落中關(guān)于特定實(shí)施方式所述電壓小 80%、70%、60%、或者小 50%。各種實(shí)施方式中且參照?qǐng)D1-2，將在陰極(110)處形成的氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極(108)。并 不受任何理論限制，認(rèn)為該氣體被吸收和/或吸收到陽(yáng)極且隨后在陽(yáng)極處形成質(zhì)子。一些實(shí)施方式中，在電解質(zhì)與離子交換膜(多個(gè)膜，參見(jiàn)下文所述其中使用一個(gè) 以上膜的實(shí)施方式)接觸時(shí)的部分過(guò)程中，一個(gè)或多個(gè)電解質(zhì)溶液的二價(jià)陽(yáng)離子被消耗 掉，例如鎂或鈣。這樣做是為了防止膜的結(jié)垢，如必要的話對(duì)于那些特定的膜而言。由此，一些實(shí)施方式中，在電解質(zhì)溶液與離子交換膜或多個(gè)膜接觸任意可察覺(jué)到的時(shí)間時(shí)其中 二價(jià)陽(yáng)離子的總濃度為小于0. 06mol/kg溶液、或小于0. 06mol/kg溶液、或小于0. 04mol/ kg溶液、或小于0. 02mol/kg溶液、或小于0. 01mol/kg溶液、或小于0. 005mol/kg溶液、或 小于0. 001mol/kg溶液、或小于0. 0005mol/kg溶液、或小于0. 0001mol/kg溶液、或小于 0. 00005mol/kg 溶液。如圖3所示的另一實(shí)施方式中，本發(fā)明系統(tǒng)(300)包括含有與第一電解質(zhì)(104) 接觸的陽(yáng)極(108)的電解質(zhì)池；將第一電解質(zhì)與第三電解質(zhì)(130)分隔開(kāi)的陰離子交換膜 (102)；接觸陰極(110)的第二電解質(zhì)；和將第二電解質(zhì)與第三電解質(zhì)分隔開(kāi)的陽(yáng)離子交換 膜(124)?？梢岳斫?，將該離子交換膜在該系統(tǒng)中定位以防止第一和第二電解質(zhì)的混合。電 流/電壓調(diào)節(jié)器(112)可適合于增加或降低系統(tǒng)中陰極和陽(yáng)極之間的電流或電壓，如所期 望的那樣。在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)，在與陰極接觸的電解質(zhì)中形成氫氧根離子，同時(shí) 在陽(yáng)極處不形成氣體例如氯氣或氧氣。如圖1和2的系統(tǒng)那樣，圖3的系統(tǒng)可適合于間歇、 半間歇和連續(xù)操作。圖3所示系統(tǒng)中，如圖1-2的系統(tǒng)那樣，各種實(shí)施方式中第一電解質(zhì)(104)、第二電 解質(zhì)(106)和第三電解質(zhì)(130)包括例如鹽水，包括海水、淡水、含鹽水、或微咸水等。一種 實(shí)施方式中，第三電解質(zhì)(130)實(shí)質(zhì)上包含氯化鈉溶液。各種實(shí)施方式中，圖3的陰離子交換膜(102)和/或陽(yáng)離子交換膜(124)可以 是適合用于含水溶液中操作溫度范圍為約0 約100°C或者更高的酸性和/或堿性溶液 的任意離子交換膜，取決于系統(tǒng)中的壓力，如本領(lǐng)域中眾所周知的傳統(tǒng)離子交換膜，或者 任意適宜的離子交換膜。適宜的離子交換膜可從德國(guó)的PCA GmbH獲得，例如可以使用 牌號(hào)為PCSA-250-250的陰離子交換膜；類似地，可以使用可從PCA GmbH獲得的牌號(hào)為 PCSK-250-250的陽(yáng)離子交換膜。參照?qǐng)D3，各種實(shí)施方式中，電化學(xué)池包括用于將第一電解質(zhì)(104)注入該系統(tǒng) 的第一電解質(zhì)入口端(114)；用于將第二電解質(zhì)(106)注入該系統(tǒng)的第二電解質(zhì)入口端 (116)；和用于將第三電解質(zhì)注入該系統(tǒng)的第三入口端(126)。另外，該池包括用于從該系 統(tǒng)中排出第一電解質(zhì)的第一出口端(118)；用于從該系統(tǒng)中排出第二電解質(zhì)的第二出口端 (120)；和用于從該系統(tǒng)中排除第三電解質(zhì)的第三出口端(128)。如普通技術(shù)人員理解的那 樣，該入口和出口端可適合于各種流動(dòng)方式，包括間歇流、半間歇流、或連續(xù)流。替換的實(shí)施 方式中，該系統(tǒng)包括用于將氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極的導(dǎo)管例如輸送管(122)；各種實(shí)施方式中，該氣 體包括在陰極(110)處形成的氫氣。參照?qǐng)D3，在陰極(110)和陽(yáng)極(108)之間施加電壓時(shí)，在與陰極(110)接觸的 電解質(zhì)中形成氫氧根離子，在與陽(yáng)極接觸的電解質(zhì)中形成氫氧根離子，且在陽(yáng)極處(108) 不形成氣體例如氯氣或氧氣。第三電解質(zhì)(130)包含氯化鈉時(shí)，氯離子經(jīng)過(guò)陰離子交換膜 (102)從第三電解質(zhì)(130)遷移到第一電解質(zhì)(104)；鈉離子從第三電解質(zhì)(130)遷移到第 二電解質(zhì)(106)；在陽(yáng)極處(108)形成質(zhì)子；且在陰極處(110)形成氫氣。本領(lǐng)域普通技術(shù)人員可以理解的那樣，且參照?qǐng)D3，由于氫氧根離子在與陰極 (110)接觸的電解質(zhì)中形成且進(jìn)入第三電解質(zhì)，同時(shí)氯離子從第三電解質(zhì)(130)遷移到第 二電解質(zhì)(106)，在第二電解質(zhì)(106)中形成氫氧化鈉的含水溶液。取決于系統(tǒng)之間施加 的電壓和將第二電解質(zhì)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的流速，該溶液的PH將調(diào)整。一種實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. IV或更低、0. 2V或更低、0. 3V或更低、0. 4V或更低、0. 5V或更低、0. 6V 或更低、0. 7V或更低、0. 8V或更低、0. 9V或更低、1. 0V或更低、1. 2V或更低、1. 4V或更低、
1.6V或更低、1. 8V或更低、2. 0V或更低、或者2. 2V或更低的電壓時(shí)，第二電解質(zhì)溶液的pH 增加；另一實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加0. 01 2. 5V、或0. 01V 2. 0V、或0. IV
2.0V、或 0. IV 1. 5V、或 0. IV 1. 0V、或 0. IV 0. 8V、或 0. IV 0. 6V、或 0. IV 0. 4V、 或 0. IV 0. 2V、或 0. 01V 1. 5V、或 0. 01V 1. 0V、或 0. 01V 0. 8V、或 0. 01V 0. 6V、 或0. 01V 0. 4V、或0. 01V 0. 2V、或0. 01V 0. IV的電壓，例如0. 1 2. 0V的電壓時(shí)， 第二電解質(zhì)的PH增加；仍另一實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. 1 IV的電壓時(shí)， 第二電解質(zhì)溶液的PH增加。在電極之間采用0. 1 0. 8V、0. 1 0. 7V、0. 1 0. 6V、0. 1 0. 5V、0. 1 0. 4V、和0. 1 0. 3V的電壓可獲得類似結(jié)果。一種實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極 之間施加約0. 6V或更低的電壓；另一實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. 1 0. 6V的 電壓；仍另一實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. 1 IV的電壓。將理解的那樣且參照?qǐng)D3，在第一電解質(zhì)(104)中，由于質(zhì)子在與陽(yáng)極(108)接觸 的電解質(zhì)中形成并進(jìn)入溶液，同時(shí)氯離子從第三電解質(zhì)(130)遷移到第一電解質(zhì)(104)，逐 漸地在第一電解質(zhì)(104)中形成酸性溶液。取決于系統(tǒng)之間施加的電壓和第二電解質(zhì)經(jīng)過(guò) 該系統(tǒng)的流速，該溶液的PH將如上所述地調(diào)整。如圖1和2的實(shí)施方式那樣且如圖3中所示，任選地將在陰極(110)處形成的氫 氣導(dǎo)向陽(yáng)極(108)。并不受任何理論限制，認(rèn)為氫氣被吸收和/或吸收到陽(yáng)極且隨后在與第 一電解質(zhì)(104)接觸的陽(yáng)極處形成質(zhì)子。另外，如圖1-3所示的各種實(shí)施方式中，在陽(yáng)極處 (108)不形成氣體如氧氣或氯氣。由此，可以理解，由于在陽(yáng)極處質(zhì)子的形成且氯離子遷移 到第一電解質(zhì)，在第一電解質(zhì)(104)中獲得鹽酸。參照?qǐng)D4，其闡述了圖3實(shí)施方式的變化形式，陽(yáng)離子交換膜在一個(gè)表面上與陽(yáng)極 (108)接觸，且在相對(duì)表面上與第一電解質(zhì)(104)接觸。這種配置下，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人 員理解的那樣，在陽(yáng)極處或附近形成的H+經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換膜遷移到第一電解質(zhì)，由此導(dǎo)致 第一電解質(zhì)的PH調(diào)整，如參照?qǐng)D3系統(tǒng)所討論的那樣。類似地，在陰極(110)處，陰離子 交換膜在一個(gè)表面上與陽(yáng)極(110)接觸，且在相對(duì)表面上與第二電解質(zhì)(106)接觸。這種 配置下，如本領(lǐng)域普通技術(shù)人員理解的那樣，在陽(yáng)極處或附近形成的0H—將遷移到第一電解 質(zhì)，由此導(dǎo)致第二電解質(zhì)的pH調(diào)整，如參照?qǐng)D3系統(tǒng)所討論的那樣。任選地，如圖4中所示， 可以將陰極(110)處形成的氫氣再次導(dǎo)向并不接觸第二(106)或第一(104)電解質(zhì)的陽(yáng)極 (108)。圖5闡述了本發(fā)明的變化形式，其中配置至少兩個(gè)圖4的系統(tǒng)以一起操作。如可 以理解的那樣且參照?qǐng)D5，由于氫氧根離子在陰極(110)處形成且進(jìn)入第二電解質(zhì)(106)， 并且鈉離子從第三電解質(zhì)(130)遷移到第二電解質(zhì)，在第二電解質(zhì)(106)中形成氫氧化鈉 的含水溶液。取決于該系統(tǒng)中電解質(zhì)的添加和/或排出速率，第二電解質(zhì)的pH得以調(diào)整， 例如增加、降低或不變。另外參照?qǐng)D5，在第一電解質(zhì)(104)中，由于質(zhì)子在陽(yáng)極(108)處形 成且進(jìn)入溶液，同時(shí)氯離子從第三電解質(zhì)(130)遷移到第一電解質(zhì)(104)，逐漸地在第一電 解質(zhì)(104)中形成酸性溶液。圖6闡述了圖3系統(tǒng)的變化形式，布置成連續(xù)或半連續(xù)流動(dòng)方式。參照?qǐng)D6，在陰 極(110)和陽(yáng)極(108)之間施加低電壓時(shí)，在陰極(110)處形成氫氧根離子，在陽(yáng)極處形成質(zhì)子，且在陽(yáng)極(108)處不形成氣體如氯氣或氧氣。第三電解質(zhì)(130)包含氯化鈉時(shí)，氯離 子經(jīng)過(guò)陰離子交換膜(102)從第三電解質(zhì)(130)遷移到第一電解質(zhì)(104)，鈉離子經(jīng)過(guò)陽(yáng)離 子交換膜(124)從第三電解質(zhì)(130)遷移到第二電解質(zhì)(106)，在陽(yáng)極(104)處形成質(zhì)子， 且在陰極(110)處形成氫氣。第一電解質(zhì)(104)中，由于質(zhì)子在陽(yáng)極(108)處形成且進(jìn)入溶 液，同時(shí)氯離子從第三電解質(zhì)(130)遷移到第一電解質(zhì)(104)，逐漸地在第一電解質(zhì)(104) 中形成酸性溶液。取決于系統(tǒng)之間施加的電壓和第二電解質(zhì)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的流速，該溶液的 pH將調(diào)整。參照?qǐng)D1、2和7，一種實(shí)施方式中，本發(fā)明方法(700)包括如下步驟(702)通過(guò)在 陽(yáng)極和陰極之間施加電壓以在陰極處形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體，經(jīng)過(guò)位 于第一電解質(zhì)(104)和第二電解質(zhì)(106)之間的離子交換膜(102)遷移離子，該第一電解 質(zhì)與陽(yáng)極(108)接觸且第二電解質(zhì)與陰極(110)接觸。如參照?qǐng)D1-2所述，由于氫氧根離 子在陽(yáng)極(108)處形成且進(jìn)入第二電解質(zhì)(106)，同時(shí)氯離子從第二電解質(zhì)之中遷移，在第 二電解質(zhì)(106)中形成氫氧化鈉的含水溶液。由此，取決于系統(tǒng)之間施加的電壓和第二電 解質(zhì)(106)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的流速，第二電解質(zhì)的pH將調(diào)整。另外，由于質(zhì)子在第一電解質(zhì)中 形成，由于氯離子遷移到第一電解質(zhì)在第一電解質(zhì)中形成酸溶液，如參照?qǐng)D1和2的系統(tǒng)所 討論的那樣。一種實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. 6V或更低的電壓時(shí)，第二電解質(zhì)的 pH增加；另一實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. 1 0.6V或更低的電壓時(shí)，第二電 解質(zhì)的PH增加。另一實(shí)施方式中，在陽(yáng)極和陰極之間施加約0. 1 IV或更低的電壓時(shí)，第 二電解質(zhì)的PH增加。表1中概括了依據(jù)本發(fā)明系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)的其它示例性結(jié)果。參照?qǐng)D3-6和8，一種實(shí)施方式中，本發(fā)明方法(800)包括如下步驟(802)在陽(yáng)極 (108)和陰極(110)之間施加電壓，其中⑴該陽(yáng)極與第一電解質(zhì)(104)接觸，該第一電解 質(zhì)又與陰離子交換膜(102)接觸；(ii)該陰極與第二電解質(zhì)(106)接觸，該第二電解質(zhì)又 與陽(yáng)離子交換膜接觸；和(iii)第三電解質(zhì)(130)位于陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜之間， 由此在陰極處形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。如上參照?qǐng)D3-6系統(tǒng)所述，由于 氫氧根離子在陰極(110)處形成且進(jìn)入第二電解質(zhì)(106)，并且鈉離子從第三電解質(zhì)(130) 遷移到第二電解質(zhì)，在第二電解質(zhì)(106)中形成氫氧化鈉的含水溶液。由此，取決于系統(tǒng)之 間施加的電壓和第二電解質(zhì)(106)經(jīng)過(guò)該系統(tǒng)的流速，第二電解質(zhì)的pH將調(diào)整。另外，由 于質(zhì)子在第一電解質(zhì)中形成且氯離子從第三電解質(zhì)遷移到第一電解質(zhì)，在第一電解質(zhì)中形 成酸溶液。在本文中所述的所有實(shí)施方式中，任選地，將C02溶解到第二電解質(zhì)溶液中，由于 質(zhì)子從第二電解質(zhì)中排出，可以將更多co2以碳酸氫鹽(根)和/或碳酸鹽(根)離子形 式溶解，取決于第二電解質(zhì)的PH，平衡在朝向碳酸氫鹽或朝向碳酸鹽變化，如本領(lǐng)域眾所周 知的那樣。這些實(shí)施方式中，第二電解質(zhì)的PH可以降低，保持不變，或者增加，取決于相對(duì) 于C02引入速率的質(zhì)子排出速率。將理解，這些實(shí)施方式中無(wú)需形成氫氧根，或者氫氧根可 以在一個(gè)階段內(nèi)不形成但是在另一階段內(nèi)形成。任選地，本文中所述的另一電化學(xué)系統(tǒng)可 以用于生產(chǎn)濃縮的氫氧化物，其在加到含有溶解的C02的第二電解質(zhì)中時(shí)，導(dǎo)致碳酸鹽和/ 或碳酸氫鹽化合物如碳酸鈣或碳酸鎂和/或它們的碳酸氫鹽沉淀物的形成。一些實(shí)施方式 中，二價(jià)陽(yáng)離子如鎂和/或鈣存在于該方法中所用的一些溶液中，和/或?qū)⑵浼尤搿３恋淼奶妓猁}化合物可以用作水泥和建筑材料，如引入本文中作為參考的美國(guó)專利申請(qǐng)中所述。任選的步驟中，酸化的第一電解質(zhì)溶液104用來(lái)溶解鈣和/或鎂富礦，如包括蛇紋 巖或橄欖石的鐵鎂質(zhì)礦物，以沉淀如上所述的碳酸鹽和碳酸氫鹽。例如，酸化物流可以用來(lái) 溶解鈣和/或鎂富礦如蛇紋巖和橄欖石，由此形成可以注入碳酸氫鹽離子并隨后充分堿化 以沉淀碳酸鹽化合物的電解質(zhì)溶液。這種沉淀反應(yīng)和沉淀物在水泥中的用途描述于引入本 文中作為參考的美國(guó)專利申請(qǐng)。替換的實(shí)施方式中，并非沉淀碳酸鹽，將碳酸鹽和碳酸氫鹽溶液在其長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定 的場(chǎng)所中進(jìn)行處理。例如，可以將碳酸鹽/碳酸氫鹽電解質(zhì)溶液泵送到溫度和壓力足以保 持該溶液在至少上述時(shí)間段內(nèi)穩(wěn)定的深海。雖然出于清楚理解的目的通過(guò)舉例說(shuō)明和實(shí)施例的方式詳細(xì)地描述了前述發(fā)明， 但是對(duì)于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員考慮到本發(fā)明的教導(dǎo)而言容易理解的是，可以對(duì)其進(jìn)行一些 改變和改進(jìn)，并不背離所附權(quán)利要求的精神或范圍。由此，前述僅僅闡述了本發(fā)明的原理。將理解，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員能夠設(shè)計(jì)各種 排列，其雖然在本文中未清楚地描述或顯示，但仍具體表達(dá)了本發(fā)明的原理，且包含其精神 和范圍之內(nèi)。另外，本文中引用的實(shí)施例和情形表述原則上旨在幫助讀者理解本發(fā)明的原 理和發(fā)明者貢獻(xiàn)用來(lái)促進(jìn)本領(lǐng)域的觀念，且并不構(gòu)成為限定到這樣具體描述的實(shí)施例和情 形。另外，本文中描述本發(fā)明原理、方面、和實(shí)施方式以及其具體實(shí)施例的所有描述，旨在包 括其結(jié)構(gòu)和功能等價(jià)物二者。另外，這些等價(jià)物旨在包括目前已知的等價(jià)物以及將來(lái)開(kāi)發(fā) 的等價(jià)物二者，即開(kāi)發(fā)出來(lái)執(zhí)行相同功能的任意單元，不考慮結(jié)構(gòu)。由此，本發(fā)明范圍并非 限定于本文中顯示和描述的示例性實(shí)施方式。相反，本發(fā)明的范圍和精神由所附權(quán)利要求 來(lái)體現(xiàn)。
權(quán)利要求
一種電化學(xué)系統(tǒng)，其包括第一電解質(zhì)，其與第二電解質(zhì)分隔開(kāi)，該第一電解質(zhì)接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)接觸陰極，其中，在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)，該系統(tǒng)能夠在第二電解質(zhì)中形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極上不形成氣體。
2.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該第一電解質(zhì)和第二電解質(zhì)至少部分地通過(guò)離子交換膜分 隔開(kāi)。
3.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中，該系統(tǒng)能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)導(dǎo)致氫氣在陰 極處形成。
4.權(quán)利要求3的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)進(jìn)一步包括用于將氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極的導(dǎo)管。
5.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中該離子交換膜包括陰離子交換膜。
6.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中該第二電解質(zhì)包括鹽溶液，其包含海水、淡水、含鹽水、或微 咸水。
7.權(quán)利要求2的系統(tǒng)，其中該第一和第二電解質(zhì)包含海水、淡水、含鹽水、或微咸水。
8.權(quán)利要求6或7的方法，其中該第二電解質(zhì)包含氯化鈉。
9.權(quán)利要求8的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)導(dǎo)致氯離子經(jīng)過(guò) 陰離子交換膜從第二電解質(zhì)遷移到第一電解質(zhì)；導(dǎo)致質(zhì)子在陽(yáng)極處形成；且導(dǎo)致氫氣在陰 極處形成。
10.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中在陽(yáng)極處不形成氧氣。
11.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中在陽(yáng)極處不形成氯氣。
12.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該離子交換膜包括陽(yáng)離子交換膜。
13.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該第二電解質(zhì)包括鹽溶液，其包含海水、淡水、含鹽水、或 微咸水。
14.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其中該第一和第二電解質(zhì)包含海水、淡水、含鹽水、或微咸水。
15.權(quán)利要求13或14的系統(tǒng)，其中該海水、淡水、含鹽水、或微咸水缺乏二價(jià)陽(yáng)離子。
16.權(quán)利要求13或14的系統(tǒng)，其中該第一電解質(zhì)包含氯化鈉。
17.權(quán)利要求16的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)導(dǎo)致鈉離子經(jīng) 過(guò)陽(yáng)離子交換膜從第一電解質(zhì)遷移到第二電解質(zhì)；導(dǎo)致質(zhì)子在陽(yáng)極處形成；且導(dǎo)致氫氣在 陰極處形成。
18.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中在陽(yáng)極處不形成氧氣。
19.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中在陽(yáng)極處不形成氯氣。
20.權(quán)利要求9的系統(tǒng)，其中，在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)，該系統(tǒng)能夠?qū)е略诘诙?電解質(zhì)中形成氫氧化鈉且導(dǎo)致在第一電解質(zhì)中形成鹽酸。
21.權(quán)利要求17的系統(tǒng)，其中在第二電解質(zhì)中形成氫氧化鈉，且在第一電解質(zhì)中形成鹽酸。
22.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加0.6V或更低的電壓時(shí)形成氫氧根。
23.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 0. 6V的電壓時(shí)形成氫氧根。
24.權(quán)利要求1的系統(tǒng)，其能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 IV的電壓時(shí)形成氫氧根。
25.一種電化學(xué)系統(tǒng)，其包括第一電解質(zhì)池，其包含與第一電解質(zhì)接觸的陽(yáng)極，且與第三電解質(zhì)分隔開(kāi)；和 第二電解質(zhì)池，其包含與陰極接觸的第二電解質(zhì)，且與第三電解質(zhì)分隔開(kāi)； 其中，該系統(tǒng)能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)在第二電解質(zhì)中形成氫氧根離子，同 時(shí)在陽(yáng)極上不形成氣體。
26.權(quán)利要求25的電化學(xué)系統(tǒng)，其中，該第一電解質(zhì)與第三電解質(zhì)通過(guò)陰離子交換膜 分隔開(kāi)，且第二電解質(zhì)與第三電解質(zhì)通過(guò)陽(yáng)離子交換膜分隔開(kāi)。
27.權(quán)利要求25的電化學(xué)系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)導(dǎo)致氫 氣在陰極處形成。
28.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其進(jìn)一步包括用于將氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極的導(dǎo)管。
29.權(quán)利要求26的系統(tǒng)，其中該陰離子交換膜能夠滲透氯離子，且該陽(yáng)離子交換膜能 夠滲透鈉離子。
30.權(quán)利要求29的系統(tǒng)，其中該第三電解質(zhì)包含氯化鈉。
31.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該第一電解質(zhì)包括鹽水，其包含海水、淡水、含鹽水、或微 咸水。
32.權(quán)利要求30的系統(tǒng)，其中該第二電解質(zhì)包括鹽水，其包含海水、淡水、含鹽水、或微 咸水。
33.權(quán)利要求32或33的系統(tǒng)，其中該鹽水缺乏二價(jià)陽(yáng)離子。
34.權(quán)利要求32或33的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)導(dǎo)致氯離 子經(jīng)過(guò)陰離子交換膜從第三電解質(zhì)遷移到第一電解質(zhì)；導(dǎo)致質(zhì)子在陽(yáng)極處形成；導(dǎo)致鈉離 子經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換膜從第三電解質(zhì)遷移到第二電解質(zhì)；且導(dǎo)致氫氣在陰極處形成。
35.權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中在第一電解質(zhì)中形成鹽酸。
36.權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中該系統(tǒng)能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)導(dǎo)致在第二電 解質(zhì)中形成氫氧化鈉。
37.權(quán)利要求34的系統(tǒng)，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓時(shí)，在陽(yáng)極處不形成氧氣或飛o
38.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加0.IV或更低的電壓時(shí)形成氫氧根。
39.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 約0. 4V或更低的電壓時(shí)形成氫氧根。
40.權(quán)利要求25的系統(tǒng)，其能夠在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 約0. 6V或更低的電壓時(shí)形成氫氧根。
41.一種電化學(xué)方法，其包括通過(guò)在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓以在陰極處形成氫氧根 離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體，來(lái)穿過(guò)位于第一電解質(zhì)和第二電解質(zhì)之間的離子交換膜 而遷移離子，該第一電解質(zhì)接觸陽(yáng)極且第二電解質(zhì)接觸陰極。
42.權(quán)利要求41的方法，其中該離子交換膜包括陰離子交換膜。
43.權(quán)利要求42的方法，其中該第二電解質(zhì)包含氯化鈉，且第一電解質(zhì)包括鹽水，其包 含海水、淡水、含鹽水、或微咸水。
44.權(quán)利要求43的方法，其中該鹽水缺乏二價(jià)陽(yáng)離子。
45.權(quán)利要求43的方法，其中氯離子經(jīng)過(guò)陰離子交換膜從第二電解質(zhì)遷移到第一電解 質(zhì)；在陰極處形成氫氣；且在陽(yáng)極處形成質(zhì)子。
46.權(quán)利要求45的方法，其中將氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極。
47.權(quán)利要求45的方法，其中在第二電解質(zhì)中形成氫氧化鈉，且在第一電解質(zhì)中形成鹽酸。
48.權(quán)利要求41的方法，其中該離子交換膜包括陽(yáng)離子交換膜。
49.權(quán)利要求48的方法，其中該第二電解質(zhì)包含氯化鈉。
50.權(quán)利要求49的方法，其中該第一電解質(zhì)包括鹽水，其包含海水、淡水、含鹽水、或微 咸水。
51.權(quán)利要求49的方法，其中鈉離子經(jīng)過(guò)陽(yáng)離子交換膜從第一電解質(zhì)遷移到第二電解 質(zhì)；在陰極處形成氫氣；在陽(yáng)極處形成質(zhì)子。
52.權(quán)利要求51的方法，其中將氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極。
53.權(quán)利要求51的方法，其中在第二電解質(zhì)中形成氫氧化鈉，且在第一電解質(zhì)中形成鹽酸。
54.權(quán)利要求41的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.IV或更低的電壓。
55.權(quán)利要求41的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 0. 4V的電壓。
56.權(quán)利要求41的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 0. 6V或更低的電壓。
57.權(quán)利要求41的方法，其中在陽(yáng)極處不形成氧氣。
58.權(quán)利要求41的方法，其中在陰極處不形成氯氣。
59.權(quán)利要求41的方法，其進(jìn)一步包括將二氧化碳溶解于第二電解質(zhì)中。
60.權(quán)利要求59的方法，其進(jìn)一步包括使第二電解質(zhì)與包含堿土金屬離子的溶液進(jìn)行 接觸。
61.權(quán)利要求60的方法，其中該第二電解質(zhì)包含碳酸鹽離子。
62.權(quán)利要求61的方法，其進(jìn)一步包括在第二電解質(zhì)中沉淀堿金屬碳酸鹽。
63.一種電化學(xué)方法，其包括在陽(yáng)極和陰極之間施加電壓，其中(i)該陽(yáng)極與第一電解質(zhì)接觸，該第一電解質(zhì)又與陰離子交換膜接觸； ( )該陰極與第二電解質(zhì)接觸，該第二電解質(zhì)又與陽(yáng)離子交換膜接觸； (iii)第三電解質(zhì)位于陰離子交換膜和陽(yáng)離子交換膜之間， 由此在陰極處形成氫氧根離子，同時(shí)在陽(yáng)極處不形成氣體。
64.權(quán)利要求63的方法，其中該第三電解質(zhì)包含氯化鈉，且第一和第二電解質(zhì)包括鹽 水，其包含海水、淡水、含鹽水、或微咸水。
65.權(quán)利要求63的方法，其中氯離子從第三電解質(zhì)遷移到第一電解質(zhì)；鈉離子遷移到 第二電解質(zhì)；在陰極處形成氫氣；且在陽(yáng)極處形成質(zhì)子。
66.權(quán)利要求63的方法，其中將氫氣導(dǎo)向陽(yáng)極。
67.權(quán)利要求65的方法，其中在第二電解質(zhì)中形成氫氧化鈉，且在第一電解質(zhì)中形成鹽酸。
68.權(quán)利要求63的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 0. 4V的電壓。
69.權(quán)利要求63的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 0. 6V或更低的電壓。
70.權(quán)利要求63的方法，其中在陽(yáng)極處不形成氧氣。
71.權(quán)利要求63的方法，其中在陰極處不形成氯氣。
72.權(quán)利要求63的方法，其進(jìn)一步包括將二氧化碳溶解于第二電解質(zhì)中。
73.權(quán)利要求72的方法，其進(jìn)一步包括使第二電解質(zhì)與包含堿土金屬離子的溶液進(jìn)行 接觸。
74.權(quán)利要求73的方法，其中該第二電解質(zhì)包含碳酸鹽離子。
75.權(quán)利要求74的方法，其進(jìn)一步包括在第二電解質(zhì)中沉淀堿土金屬碳酸鹽。
76.權(quán)利要求73的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 1. OV的電壓。
77.權(quán)利要求41的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 1.0V的電壓。
78.權(quán)利要求25的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.1 1. OV的電壓。
79.權(quán)利要求41的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.IV或更低的電壓。
80.權(quán)利要求63的方法，其中在陽(yáng)極和陰極之間施加0.IV或更低的電壓。
全文摘要
在電化學(xué)池中形成氫氧根離子的低能方法和系統(tǒng)。在陽(yáng)極和陰極之間施加低電壓時(shí)，在含陰極的電解質(zhì)中形成氫氧根離子，在陽(yáng)極上形成質(zhì)子，但是在陽(yáng)極上不形成氣體例如氯氣或氧氣。
文檔編號(hào)C25B1/00GK101878327SQ200880118401
公開(kāi)日2010年11月3日 申請(qǐng)日期2008年12月23日 優(yōu)先權(quán)日2008年12月23日
發(fā)明者A·J·巴德, D·W·柯克, J·D·維, K·法薩, R·J·吉利亞姆, V·德克 申請(qǐng)人:卡勒拉公司