[发明专利]由盐水低电压生产碱

说明书

交叉引用

本申请要求2009年2月10日提交的名称为“Low VoltageElectrochemical Hydroxide Saltwater and Freshwater System”的美国临时申请No.61/151,470的优先权，其全文经此引用并入本文。

背景

在许多化学工艺中，利用包含例如氢氧根离子和/或碳酸根离子和/或碳酸氢根离子的碱性溶液实现化学反应，例如中和酸，或缓冲溶液的pH值，或从溶液中沉淀不可溶的氢氧化物和/或碳酸盐和/或碳酸氢盐。可以如全文经此引用并入本文的上述美国临时专利申请中所述，通过将盐的水溶液转化成碱性溶液和酸的电化学系统生产碱性溶液。但是，由于该方法非常耗能，所以消耗大量电能；也消耗大量盐和水。因此，降低能量和材料消耗是非常合意的。

发明内容

本发明提供生产碱性溶液的低电压、低能量电化学系统和方法，包括在阴极处将水还原成氢氧根离子和氢气并使氢氧根离子迁移到阴极电解质(cathode electrolyte)中以制造碱性溶液。通过该系统和方法，在阳极处，将氢气氧化成质子且在阳极处不产生气体，并使该质子迁移到阳极电解质或相邻电解质中以制造酸。在一些实施方案中，该碱性溶液进一步包含通过将二氧化碳添加到阴极电解质中而生成的碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。在一些实施方案中，通过在阳极和阴极之间施加低于3V来制造该碱性溶液。在一些实施方案中，回收阴极处产生的氢气并导向阳极，在此将其还原成质子。

在一些实施方案中，采用盐水，例如地下盐水，作为用于生产碱性溶液的盐源；在一些实施方案中，产生贫离子盐水(ion-depletedbrine)。

在一个实施方案中，该系统包含含有与阴极电解质联通的氢-氧化阳极的电化学装置；其中该电化学装置可操作地连向经构造以用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统(carbon sequestration system)。

在另一实施方案中，该系统包含与包含碳酸氢根离子的阴极电解质联通的氢-氧化阳极；和经构造以为该阴极电解质提供阳离子的盐水生产系统。

在该系统的一些实施方案中，该阴极电解质包含添加的二氧化碳，在一些实施方案中，该阴极电解质包含氢氧根离子和/或碳酸氢根离子和/或碳酸根离子。

在一些实施方案中，该系统包含经构造以从该盐水中分离阳离子和阴离子以产生贫离子盐水的阳离子和阴离子交换膜；在一些实施方案中，该离子包含钠离子和氯离子。

在一些实施方案中，该系统经构造以在阳极和阴极之间施加电压时，在与阴极电解质接触的阴极处产生氢气和氢氧根离子和在与阳极电解质接触的阳极处将氢气氧化成质子且在阳极处不产生气体。在一些实施方案中，该电压低于3V。

在一些实施方案中，该系统经构造以在阳极电解质中制造酸；在一些实施方案中，该酸包含盐酸。

在一些实施方案中，该系统包含经构造以用该酸制造二价阳离子的酸溶解系统；在一些实施方案中，该二价阳离子包含钙离子和/或镁离子。

在一些实施方案中，该系统包含经构造以用该阴极电解质封存二氧化碳的碳封存系统；在一些实施方案中，该二氧化碳包含在工业废气中。在一些实施方案中，该二氧化碳以碳酸盐和/或碳酸氢盐形式封存；在一些实施方案中，该碳酸盐和/或碳酸氢盐包含二价阳离子，例如钙离子和/或镁离子。

在一些实施方案中，该系统包含经构造以生产在阴极处生成氢气和氢氧根离子用的水的水处理系统。在一些实施方案中，该水处理系统经构造以调节该系统中电解质和酸的pH；在一些实施方案中，该水处理系统经构造以调节该系统中电解质和酸的离子浓度。

在一些实施方案中，该系统包含经构造以由贫离子盐水制造脱盐水的脱盐系统；在一些实施方案中，该脱盐水经操作连向该水处理系统。

在另一实施方案中，该方法提供生产碱性溶液的低电压、低能量电化学方法，包括在与包含碳酸氢根离子的阴极电解质联通的氢-氧化阳极处将氢气氧化成质子；和由盐水向该阴极电解质提供阳离子。

在另一实施方案中，该方法包括在与阴极电解质联通的氢-氧化阳极处将氢氧化成质子；和用该阴极电解质封存二氧化碳。

在一些实施方案中，该阳离子包含钠离子。在一些实施方案中，该方法包括将二氧化碳添加到该阴极电解质中。在一些实施方案中，该方法包括通过在阳极和阴极之间施加电压，在与阴极电解质接触的阴极处产生氢气和氢氧根离子且在阳极处不产生气体。在一些实施方案中，该电压低于3V。