气体转化和溶液处理制造技术

一种用于降低溶液的离子浓度并转化气体的方法和系统。所述系统包括含有气体室、产物室和酸室的多室一体化渗析池。离子交换阻挡层将渗析池的各室分开。第一阴离子交换阻挡层被设置在产物室与酸室之间，第一阳离子交换阻挡层被设置在产物室与气体室之间。来自被处理的溶液的阴离子与来自酸室的阳离子相结合以在酸室中形成酸溶液，并且来自被处理的溶液的阳离子与来自包含气体的流体的阴离子相结合以形成盐，从而降低被处理的溶液的离子浓度并将气体的至少一部分转化成盐。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本公开涉及一种用于转化气体和处理溶液的系统和方法。
技术介绍
温室气体排放与气候变化直接相关，其中二氧化碳排放是一个主要因素。根据美国环境保护局，1990年至2010年期间排放的超过50％的二氧化碳来源于电力生产和工业过程。以降低碳排放为目标的方法包括：(i)通过使用基于非化石燃料的电力来源(比如，太阳、风、水力发电以及核)在源头上消除碳消耗；(ii)降低整体消耗；以及(iii)利用诸如二氧化碳捕获和地质封存技术。已知有几种二氧化碳分离、捕获以及转化工艺，这些工艺包括：(i)将化石燃料与纯氧气燃烧以生成更纯的二氧化碳流；(ii)用溶剂(比如：氢氧化钠或单乙醇胺)对排放源进行洗涤以从气体流中除去二氧化碳；(iii)使用热解过程或膜以将二氧化碳从其它排放物中分离；以及(iv)使用分子筛来吸附二氧化碳。二氧化碳的地质封存包括将二氧化碳捕获和输送到合适的场所，在那里它可被存储在深的蓄水层、废弃的油井、地质构造、土壤，或者被注入到海洋中。然而，二氧化碳的地下地质矿化是一项有风险的工作尝试，并且至少需要详细地了解存储场所的特征和抽吸地下被捕获的温室气体的总体费用，以及了解地下盐水储层到存储位置的可用性和接近度。如海洋是世界上一个主要碳阱(carbon sink)这一事实所证明的，水也是一种经证实的温室气体封存的介质。二氧化碳在水中经历了以下的反应：类似地，NOx化合物，比如，二氧化氮，在水中经历了以下的反应：(4)2NO2(g)+H2O(l)→HNO2(aq)+HNO3(aq)(5)3HNO2(aq)→HNO3(aq)+2NO(g)+H2O(l)→H+(aq)+NO3-(aq)+2NO(g)+H2O(l)类似地，SOx化合物，比如，二氧化硫，在水中经历了以下的反应：(6)SO2(g)+H2O(l)→H2SO3(aq)→SO32-(aq)+2H+(aq)然而，这样的封存产生了大量的溶解于水中的离子物质，从而使水处于一种离子污染的状态。如同面对人口增长，提供可靠的水源对许多辖区来说是日益上升的优先考虑。许多消耗水的工业过程产生了不适合于重新使用的污染水。因此，人们对处理工业废水的技术开发的感兴趣程度在增加。这些技术包括蒸发法脱盐、反渗透、使用膜来清除污染物，以及用紫外线和氯消毒等等。在WO2012/085522中公开了一种用于脱盐和温室气体封存的单元，其利用了氯碱工艺的原理。将非饮用水流(例如，海水)供给到一个分离池中，其中使用直流电流对该非饮用水流进行电解并形成离子物质。阳离子(例如，钠离子)和阴离子(例如，氯离子)物质通过离子选择性膜在分隔池中迁移。阳离子朝向阴极反应池，阴离子朝向阳极反应池。其中阴离子为氯离子，例如，氯气在阳极处形成。将离子耗尽的水流从分离池中去除用于进一步处理。温室气体(例如，二氧化碳)被引入到阴极反应池中，在此处形成盐，如，碳酸钙和硫酸钠。根据进入阳极反应池的阴离子，可以在阳极反应池中形成卤素气体(如，氯气)并从阳极反应池排出。此过程需要电化学反应，并且产生了氯气，一种潜在危险且难于处理的副产物。在US 7,727,374中公开的另一示例性系统中，该系统利用氯碱工艺的原理，采用了包括电解室的装置以在盐的存在下从水的电解中产生氢氧化物。二氧化碳被吸收到此苛性碱液混合物中并与氢氧化物发生反应以形成碳酸盐和碳酸氢盐产物。在此工艺中也可形成卤素气体(如，氯气)。
技术实现思路
本公开总体涉及一种用于转化气体和处理水的系统和方法。根据第一方面，提供了一种用于降低溶液的离子浓度和转化气体的方法，该方法包括：为多室整体式渗析池提供分离该渗析池室的离子交换阻挡层，该渗析池包括：(i)气体室；(ii)产物室；以及(iii)酸室；以及使包含气体的流体流过气体室，和使待处理的溶液流过产物室。第一阴离子交换阻挡层被设置在产物室和酸室之间并且第一阳离子交换阻挡层被设置在产物室和气体室之间。待处理的溶液中的阴离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与酸室中的阳离子相结合以在酸室中形成酸溶液，并且待处理的溶液中的阳离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与来自包含气体的流体的阴离子相结合以形成盐，从而降低待处理的溶液的离子浓度并将至少一部分气体转化为盐。根据第二方面，提供了一种用于降低溶液的离子浓度和转化气体的系统，该系统包括：(a)具有分离该渗析池室的离子交换阻挡层的多室整体式渗析池，该渗析池包括：(i)气体室；(ii)产物室；以及(iii)酸室；(b)歧管组件，该歧管组件包括分别流通地耦接至气体室和产物室的气体室歧管和产物室歧管；(c)流体，该流体包括通过气体室歧管被输送到且远离气体室的气体；以及(d)待处理的溶液，该溶液通过产物室歧管被输送到且远离产物室。第一阴离子交换阻挡层被设置在产物室和酸室之间并且第一阳离子交换阻挡层被设置在产物室和气体室之间。待处理的溶液中阴离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与酸室中的阳离子相结合，从而在酸室中形成酸溶液，并且待处理的溶液中阳离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与来自包含气体的流体的阴离子相结合以便形成盐，从而降低待处理的溶液的离子浓度并将至少一部分气体转化为盐。根据第三方面，提供了一种发电站，其包括所述第二方面的系统和发电机，该发电机用于分别从阴极和阳极产生的氢气和氧气产生电力。此
技术实现思路
不一定描述了所有方面的全部范围。其它方面，特征和优点对于本领域的普通技术人员在阅读本专利技术具体实施方案的以下描述时将会是显而易见的。附图说明在附图中，这些附图阐释了一个或多个示例性实施方案：图1是根据一个实施方案的六室电渗析池的结构示意图。图2是根据一个实施方案的五室电渗析池的结构示意图。图3是根据一个实施方案的十室电渗析池的结构示意图。图4(a)是根据一个实施方案的四室渗析池的结构示意图。图4(b)是根据一个实施方案的四室渗析池的结构示意图。图5是根据一个实施方案的六室电渗析池的结构示意图。图6(a)和图6(b)是根据一个实施方案的五室电渗析池的结构示意图。图7是根据一个实施方案的四室电渗析池的结构示意图。图8是根据一个实施方案的包括电渗析池的系统的流程示意图。图9是根据一个实施方案的四室电渗析池的结构示意图。图10是显示图6(b)的电渗析池经过8小时测试的工作电流和工作电压的曲线图。图11是显示图6(b)的电渗析池经过8小时测试的酸室(pH产物酸隔室)中酸(HCl)的pH值和盐浓度室(pH产物酸隔室)中盐(NaHCO3)的pH值，以及根据法拉第定律(pH HCl法拉第的(Faradaic))的酸的预期pH值的曲线图。图12是显示图6(b)的电渗析池超过8小时测试的盐浓度室(产物盐隔室)中碳酸氢钠离子([HCO3-])、氢氧根离子([OH-])以及碳酸氢根离子加氢氧根离子([HCO3-]+[OH-])的浓度(mmol/l)的曲线图，以及根据法拉第定律([HCO3-]法拉第的)的碳酸氢根离子浓度的预期变化的曲线图。图13是显示不同浓度的碳酸氢钠(NaHCO3)的池极化曲线(电流密度和电压)的曲线图。图14是显示在室温和40℃下的池极化曲线(电流密度和电压)的曲线图。具体实施方式方向术语，比如，”上“、”下“、”底“、”顶“、”右“以及”左“被用在以下的描述仅出于提供相对参照的目的，而不意在本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于降低溶液的离子浓度和转化气体的方法，其包括：(a)提供多室一体化渗析池，其具有将所述渗析池的各室分开的离子交换阻挡层，所述渗析池包括：(i)气体室；(ii)产物室；以及(iii)酸室；其中第一阴离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述酸室之间，第一阳离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述气体室之间；以及(b)使包含气体的流体流过所述气体室，使被处理的溶液流过所述产物室，其中在所述被处理的溶液中的阴离子迁移穿过所述第一阴离子交换阻挡层以与所述酸室中的阳离子相结合从而在所述酸室中形成酸溶液，在所述被处理的溶液中的阳离子迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层以与来自包含气体的所述流体的阴离子相结合从而形成盐，由此降低所述被处理的溶液的所述离子浓度并将所述气体的至少一部分转化成盐。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.04.02 US 61/974,2801.一种用于降低溶液的离子浓度和转化气体的方法，其包括：(a)提供多室一体化渗析池，其具有将所述渗析池的各室分开的离子交换阻挡层，所述渗析池包括：(i)气体室；(ii)产物室；以及(iii)酸室；其中第一阴离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述酸室之间，第一阳离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述气体室之间；以及(b)使包含气体的流体流过所述气体室，使被处理的溶液流过所述产物室，其中在所述被处理的溶液中的阴离子迁移穿过所述第一阴离子交换阻挡层以与所述酸室中的阳离子相结合从而在所述酸室中形成酸溶液，在所述被处理的溶液中的阳离子迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层以与来自包含气体的所述流体的阴离子相结合从而形成盐，由此降低所述被处理的溶液的所述离子浓度并将所述气体的至少一部分转化成盐。2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括除去所述酸溶液、具有降低的离子浓度的所述被处理的溶液，以及来自所述渗析池的所述盐。3.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步包括使溶液流过被设置在所述产物室与所述气体室之间的盐浓度室，其中来自所述被处理的溶液的所述阳离子迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层到达所述盐浓度室，来自包含气体的所述流体的所述阴离子穿过被设置在所述气体室与所述盐浓度室之间的第二阴离子交换膜迁移到所述盐浓度室，其中来自所述被处理的溶液的所述阳离子和来自包含气体的所述流体的所述阴离子相结合以在所述盐浓度室中形成所述盐，从而增加流过所述盐浓度室的所述溶液的所述盐浓度。4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其进一步包括使溶液流过所述酸室。5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述渗析池进一步包括阳极和阴极并且在所述阳极与所述阴极间施加电势。6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述阳极和/或所述阴极包括催化剂。7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述阴极被设置在所述气体室中。8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述气体室中生成氢氧根阴离子、碳酸氢根阴离子、碳酸根离子、甲酸根阴离子或它们的混合物。9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述氢氧根阴离子、碳酸氢根阴离子、碳酸根离子、甲酸根阴离子或它们的混合物与已经迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层形成碱和/或所述盐的所述被处理的溶液中的阳离子相结合。10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中，所述阳极被设置在所述酸室中。11.根据权利要求5或6所述的方法，其中，在所述阳极处生成氧气以及在所述阴极处生成氢气。12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述盐包括碳酸氢盐、碳酸盐或甲酸盐中的至少一种。13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，电导体被设置在一个或多个所述室中。14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其进一步包括监测所述被处理的溶液的离子浓度并控制所述渗析池内的条件以将所述被处理的溶液的所述离子浓度维持在预定范围内。15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用一个或多个离子浓度传感器监测所述被处理的溶液的所述离子浓度。16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其进一步包括监测所述酸室中的所述酸溶液的浓度和/或pH并控制所述渗析池内的条件以将所述酸溶液的所述浓度和/或pH维持在预定范围内。17.根据权利要求16所述的方法，其中，使用一个或多个传感器监测所述酸室中的所述酸溶液的所述浓度和/或pH。18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中，一个或多个所述离子交换阻挡层包括催化剂。19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中，至少一对再生电极被设置在一个所述离子交换阻挡层的任一侧上。20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括将电势施加到整个所述一对再生电极上。21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述一对再生电极中的一个或两个包括催化剂。22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中，所述离子交换阻挡层中的一个或多个为水可渗透的并且水从相...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维·威尔金森，阿尔曼·博纳可达普尔，艾尔弗雷德·拉姆，穆罕默德·萨阿德·达拉，
申请(专利权)人：不列颠哥伦比亚大学，
类型：发明
国别省市：加拿大;CA