电渗析器和用于从海水中捕获CO2的电渗析系统技术方案

公开了电化学系统，其包括电渗析器和蒸汽供给的CO2还原(CO2R)单元以从海水中捕获和转化CO2。电渗析器包括端电极之间的双极膜电渗析(BPMED)单元的电堆。电渗析器纳入防止多价阳离子在相邻单元隔间之间传输的单价阳离子交换膜(M

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】电渗析器和用于从海水中捕获CO2的电渗析系统
[0001]相关申请的交叉引用
[0002]本申请要求于2020年11月9日提交的序列号为63/111,193的美国临时专利申请的权益，其通过引用以其整体纳入本文中。
[0003]关于政府支持的声明
[0004]本专利技术是在能源部(the Department of Energy)授予的第DE
‑
SC004993号拨款的政府支持下完成的。政府在本专利技术中具有一定的权利。


[0005]本公开内容一般地涉及电渗析，且更具体地，涉及适合用于处理海水的工业规模的电渗析器。

技术介绍

[0006]随着大气CO2的浓度持续上升至创纪录的高水平，捕获和转化来自人为排放的CO2正成为日益重要的社会责任。来自大气、海水和点源例如燃煤发电厂或水泥厂的二氧化碳被认为是用于后续捕获和转化过程的主要原料。当前大气中存在的CO2的浓度为约400ppm，或0.00079kg m
‑3。结果是，在直接空气捕获过程中需要处理大量的空气。相比之下，自工业时代开始以来，世界海洋构成了最大的碳汇，吸收了约40％的人为CO2，海水中有效CO2浓度2.1mmol kg
‑1或0.095kg m
‑3，比大气中的大120倍。因此，相对于直接空气捕获(DAC)，从海水中提取CO2在全球碳除去技术格局中提供了替代方法。
[0007]海水捕获CO2的工作原理是经由电渗析通过酸化海水而将CO2/碳酸氢盐平衡推向溶解的CO2。然后，使酸化的料流通过液气膜接触器，该接触器捕获来自水性料流中溶解的CO2的气态CO2。CO2捕获系统中的一个元件是电渗析器，该电渗析器产生酸和碱以在海水中产生pH波动。
[0008]然而，已知的电渗析器一般被优化用于其它应用例如脱盐，并且在安全性、气体管理和料流预处理方面也具有一定局限，使得它们对于从海水中大规模除去CO2是不期望的。因此，新兴的应用需要改进的电渗析器，例如从海水中捕获和转化CO2。

技术实现思路

[0009]本文中公开了一种或多种本专利技术的电渗析器的实例，所述电渗析器适合用于工业规模从海水中捕获和转化CO2。这些电渗析器克服了至少一些与已知电渗析器相关的限制。
[0010]例如，与现有电渗析器相关的挑战和限制包括：
[0011]a)在端电极处使用水裂解反应(water
‑
splitting reaction)，水裂解反应增加了电渗析器的总电压，并对气体管理和安全性问题提出了另外的设计挑战。
[0012]b)需要对海水进行预处理以除去Ca
2+
和Mg
2+
离子，所述离子在与电渗析器的碱隔间中的氢氧化物反应时可形成沉淀，并可导致膜系统中的结垢和污垢。使用具有0.1至10nm孔径范围的有机薄膜复合膜的纳滤(NF)已被用于从海水中除去二价阳离子，但由于操作中
需要高压，该过程需要显著的能量输入。
[0013]c)一些现有的电渗析器被设计和优化用于产生酸和碱(无盐)或用于产生用于后续工艺的脱盐海水。海水的酸化和碱化具有与这些应用非常不同的要求。
[0014]本文中公开的电渗析系统通过使用电渗析器电堆的新型配置克服了上述限制。
[0015]根据示例性实施方式，电渗析器包括具有一个或多个多隔间单元的单元电堆(单元组，cell stack)。每个单元(cell)包括：盐水隔间、接收碱料流的碱隔间以及隔开所述盐水隔间和所述碱隔间的双极膜(BPM)。电渗析器进一步包括：阴极电解质隔间、隔开阴极电解质隔间与多隔间单元之一的盐水隔间的第一单价阳离子交换膜(M
‑
CEM)、接触阴极电解质隔间的阴极、阳极电解质隔间、隔开阳极电解质隔间与多隔间单元之一的碱隔间的第二M
‑
CEM、接触阳极电解质隔间的阳极、以及隔开所述多隔间单元的一个或多个中间M
‑
CEM(如果在电渗析器中存在多于一个多隔间单元)。
[0016]根据另一示例性实施方式，电渗析器包括具有一个或多个多隔间单元的单元电堆。每个单元包括：第一隔间、第二隔间、隔开第一隔间与第二隔间的阴离子交换膜(AEM)、第三隔间以及隔开第二隔间与第三隔间的双极膜(BPM)。电渗析器进一步包括：阴极电解质隔间、隔开阴极电解质隔间与多隔间单元之一的第一隔间的第一单价阳离子交换膜(M
‑
CEM)、接触阴极电解质隔间的阴极、阳极电解质隔间、隔开阳极电解质隔间与多隔间单元之一的第三隔间的第二M
‑
CEM、接触阳极电解质隔间的阳极、以及隔开所述多隔间单元的一个或多个中间单价阳离子交换膜(M
‑
CEM)(如果在电渗析器中存在多于一个多隔间单元)。
[0017]前述
技术实现思路
未定义对所附权利要求的限制。在检查如下附图和具体实施方式时，其它方面、实施方式、特征和优点对于本领域技术人员将明晰或将变得明晰。旨在将所有这些另外的特征、实施方式、方面和优点包括在本说明书中，并通过所附权利要求保护。
附图说明
[0018]将理解，附图仅用于说明的目的，并且不定义对所附权利要求的限制。此外，图中的部件不必然是按比例的。在图中，相同的参考数字贯穿不同的视图指示相应的部件。
[0019]图1为可用于从海水中捕获CO2的第一示例性电渗析器的示意图。
[0020]图2为用于从海水中捕获CO2的示例性电渗析系统的示意图，该系统使用图1的电渗析器。
[0021]图3为可用于从海水中捕获CO2的第二示例性电渗析器的示意图。
[0022]图4为可用于从海水中捕获CO2的第三示例性电渗析器的示意图。
[0023]图5为可用于从海水中捕获CO2的第四示例性电渗析器的示意图。
[0024]图6为用于从海水中捕获CO2的第二示例性电渗析系统的示意图，该系统使用图5的电渗析器。
具体实施方式
[0025]如下具体实施方式(其参考并纳入了附图)描述并说明了电渗析的系统、装置和方法的一个或多个实例。足够详细地显示和描述了这些实例(提供所述实例不为限制而仅为举例说明和教导本专利技术的系统、装置和方法的实施方式)以使本领域技术人员能够实践所要求保护的内容。因此，在适当的情况下，为避免混淆本专利技术，描述可省略本领域技术人员
已知的某些信息。本文中的公开内容为实例，不应当解读为过度限制基于本申请可最终授予的任意专利权利要求的范围。
[0026]表述“示例性”贯穿本申请用于意指“用作实例、例子或说明”。本文中描述为“示例性的”的任意系统、方法、装置、技术、特征等不必然解释为比其它特征优选或有利。
[0027]如本说明书和所附权利要求中使用的，单数形式“一个(种)(不定冠词a、an)”和“所述”可包括复数指示，除非内容另有明确规定。
[0028]尽管在本专利技术的实践或测试中可使用与本文中描述的那些类似或等同的任意方法和材料，但本文中描述了适当材料和本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.电渗析器，包括：一个或多个多隔间单元，每个单元包括：盐水隔间；碱隔间，所述碱隔间接收碱溶液料流；和双极膜(BPM)，所述双极膜隔开所述盐水隔间和所述碱隔间；阴极电解质隔间；第一单价阳离子交换膜(M
‑
CEM)，所述第一单价阳离子交换膜隔开阴极电解质隔间与多隔间单元之一的盐水隔间；阴极，所述阴极接触所述阴极电解质隔间；阳极电解质隔间；第二M
‑
CEM，所述第二M
‑
CEM隔开阳极电解质隔间与多隔间单元之一的碱隔间；阳极，所述阳极接触所述阳极电解质隔间；和隔开所述多隔间单元的一个或多个中间单价阳离子交换膜(M
‑
CEM)，如果在电渗析器中存在多于一个多隔间单元。2.权利要求1所述的电渗析器，其中所述电渗析器用于从海水中除去二氧化碳。3.权利要求1所述的电渗析器，其中所述盐水隔间接收经过滤海水的料流。4.权利要求1所述的电渗析器，其中碱料流为NaOH。5.权利要求1所述的电渗析器，其中所述阴极电解质隔间和所述阳极电解质隔间各自分别接收再循环的电解质溶液。6.权利要求5所述的电渗析器，其中所述电解质溶液包括单电子电化学可逆氧化还原电对。7.权利要求6所述的电渗析器，其中所述单电子电化学可逆氧化还原电对选自Na3/Na4‑
[Fe(CN)6]和K3/K4‑
[Fe(CN)6]。8.权利要求1所述的电渗析器，其中中间CEM各自配置为允许单价阳离子从盐水隔间传输到相邻单元的碱隔间，同时拒绝阴离子和多价阳离子从盐水隔间传输到相邻单元中的碱隔间。9.权利要求1所述的电渗析器，其中BPM经由BPM界面处的水解离反应产生质子(H
+
)和氢氧根离子(OH
‑
)通量，其中将质子通量提供给盐水隔间，以将去往所述盐水隔间的输入盐水料流转化成酸化的盐水的输出料流，并且将氢氧根离子提供给碱隔间以增加通过碱隔间接收的碱料流的碱浓度。10.电渗析器，包括：一个或多个多隔间单元，每个单元包括：第一隔间；第二隔间；阴离子交换膜(AEM)，所述阴离子交换膜隔开所述第一隔间与所述第二隔间；第三隔间；和双极膜(BPM)，所述双极膜隔开所述第...

【专利技术属性】
技术研发人员：C，
申请(专利权)人：加州理工学院，
类型：发明
国别省市：