二氧化碳的隔离和捕集

发明领域

本发明涉及从燃煤电厂和船只之类产生二氧化碳的业务运营中隔离二氧 化碳，以及从大气中捕集和隔离二氧化碳。

现有技术

文献中的报告指出，二氧化碳隔离领域大部分工作者所谈论的是通过吸收 在单乙醇胺之类的液体中、或者近来是通过使用陶瓷介质进行纳米过滤而使气 体浓缩。浓缩二氧化碳之后不可避免的是，研究者提到通过将浓缩的二氧化碳 气体储存在地质构造中、尤其是储存在枯竭的天然气气田中从而进行隔离。这 种处置方法的问题在于，实用性以及储存二氧化碳的合适地质构造的位置受到 限制。

另一种普及的处置方法是将二氧化碳气体储存在深海盐类储库中。这是储 存海洋油气田产生的二氧化碳的自然选择。这种处置方法的问题不仅在于实用 性以及盐类构造的位置成为特定应用的问题，而且在于难以确定盐类构造安全 储存二氧化碳的完整性。二氧化碳可能不知不觉地逸出至海洋中影响海洋环 境，或者因为上涌洋流而释放至大气中。

几十年来，三菱公司(Mitsubishi Corporation)已经尝试将二氧化碳泵送至深 海中。这种方法所涉及的问题是，二氧化碳的作用可能有害于海洋环境，以及 二氧化碳大量上升至表面并且排放至大气中的不确定性。这种海洋埋葬技术目 前还没有成功的应用。

本发明的目的是提供一种改进的二氧化碳隔离方法，或者至少提供一种可 供选择的方法。

发明概述

一方面，本发明包括隔离二氧化碳的方法，该方法包括以下步骤：

使海水通过以阴极-阴极模式运行的单极电解池，将海水中的氢离子还原成 氢气，产生过量的氢氧根离子，从而生产活化海水，氢氧根离子与海水中的金 属，包括钙、镁、钠和钾，形成金属氢氧化物或碱，制得活化的海水；

使二氧化碳与活化海水接触，从而形成碳酸；

使碳酸与海水中的金属氢氧化物或碱反应，形成钙、镁、钾和钠的碳酸盐 以及水，从而隔离二氧化碳。

优选单极电解池包括阳极池组件和阴极池组件，阳极池组件包括阳极电极 和阳极溶解电极，阴极池组件包括阴极电极和阴极溶解电极，电源向阳极池组 件和阴极池组件提供直流脉冲电流，阴极电极与电源相连，阴极溶解电极与阳 极电极相连，阳极溶解电极与电源相连。

优选通过选自以下的一种或多种方法限制单极电解池中氯气的产生：对阳 极和阴极电极与它们相应的溶解电极之间的间距进行选择；涂布溶解电极的材 料；施加的池电压；溶解电极的物理形状；以及改进海水的化学特性，例如其 pH。

优选对来自以下产生二氧化碳的业务运营的二氧化碳进行隔离：燃煤、燃 油或燃气电厂，燃煤、燃油或燃气高炉，使用柴油或煤燃料的船只，固定式柴 油发电机，以及产生二氧化碳的油气井。

在将海水通过单极电解池之前可以对海水进行预热。

向单极电解池施加的直流电脉冲频率可以为2-200千赫。

在产生二氧化碳的业务运营中，可以通过吸收柱使含二氧化碳的废气与活 化海水接触，该吸收柱以接近大气压或高压条件操作，将活化海水喷射或引至 吸收塔顶部，废气在塔底部引入。吸收装置可以是填充塔或与多板蒸馏柱类似 的结构。

在从大气吸收和隔离二氧化碳的应用中，使二氧化碳与活化海水接触的步 骤包括从塔顶部喷射活化海水。或者，使二氧化碳与活化海水接触的步骤包括 从增湿塔顶部喷射活化海水以提取空气中的二氧化碳，同时由安装在增湿塔底 部的空气涡轮发电。

最容易获得的用于活化的液体是海水；但是，也可以将含有钙、镁、钠、 钾和其他阳离子的液体用于在具体位置进行活化。

本发明另一方面包括用于隔离二氧化碳的设备，该设备包括：

以阴极-阴极方式运作的单极电解池，

向单极电解池供电的直流电源，

向单极电解池供应海水的装置，

将海水从单极电解池转移至接触装置的装置，

在接触装置中使海水与二氧化碳接触，从而将二氧化碳隔离至海水中的装 置。

优选单极电解池包括阳极池组件和阴极池组件，阳极池组件包括阳极电极 和阳极溶解电极，阴极池组件包括阴极电极和阴极溶解电极，电源向阳极池组 件和阴极池组件提供直流脉冲电流，阴极电极与电源相连，阴极溶解电极与阳 极电极相连，阳极溶解电极与电源相连。

优选电源包括调制装置，从而以2-200千赫的脉冲频率以及30-70％的负载 循环向单极电解池供应直流电。

优选电源包括风能发电、太阳能发电或波浪发电。

可以进一步包括涉及预热海水的装置的步骤。

接触装置可以包括吸收塔或柱、用于吸收一些二氧化碳的增湿塔，或者， 接触装置包括从塔顶部喷射海水的装置，该塔位于多风岛屿、海岸、驳船或海 洋中的船只上。

增湿塔可以包括至少两个较短的辅助二氧化碳吸收塔，它们与增湿塔的底 部相连，从而喷射更多的活化海水接触空气以吸收更多的二氧化碳。

附图简要说明

以上一般描述了本发明，但是结合附图并通过对方法和优选实施方式的描 述有助于理解本发明的内容。

附图中：

图1显示以阳极-阴极模式运作的现有技术单极电解系统；

图2显示以适用于本发明的阴极-阴极模式运作的现有技术单极电解系统；

图3是电解池处于阴极-阴极模式时阳极电解液和阴极电解液的pH的图。

图4A显示电极结构的优选实施方式；

图4B显示电极结构的进一步优选实施方式的细节；

图5显示来自美国能源部的FutureGen项目的图，显示二氧化碳的可能储 存方式；

图6显示将二氧化碳注射至海底盐类构造中的问题；

图7显示海水活化和二氧化碳隔离的实验室规模测试；

图8显示用于现有燃煤电厂的二氧化碳隔离方法；

图9显示用于船只的二氧化碳隔离方法；

图10显示从大气隔离二氧化碳的方法；

图11显示用于增湿塔装置的二氧化碳隔离方法。

本发明优选实施方式

通过以下三个部分最佳地描述本发明：

1.海水活化科技的描述

2.对来自温室气体生产者的二氧化碳进行隔离

3.从大气捕集和隔离二氧化碳。

1.海水活化科技

申请人获得美国专利5882502关于不使用隔板进行工作的电解池的授权。 如我们的英国专利GB2392441“流体的电解活化”以及更近期的 PCT/AU2007/000809“水的电解活化”中所述，将这种概念用于不平衡电解或单 极模式中。单极模式中省略隔板的电解池如本申请图1中所示，在阳极池发生 氧化反应产生酸性水，在阴极池发生还原反应产生碱性水。申请人在以大型实 验室规模和商业规模用于对水进行消毒的阳极-阳极模式单极池运行方面具有4 年以上的经验，对水进行消毒时，产生过氧化氢、臭氧和自由基作为杀生物剂， 操作在电能的脉冲频率为2-50千赫、负载循环为50-70％的条件下进行。申请 人发现，更高频率的脉冲直流电能产生更好的结果并且使用的能源更少。

在本发明中，单极池以阴极-阴极模式运作，如图2所示，在两个池中都实 现还原条件。在这种阴极-阴极模式中，电流从阳极电极和阴极电极向外流动。 这通过大规模实验室测试得到确定，如图3中所示，从两个池产生的水都变成 碱性。而图2显示，独立地将水输送至处于阴极模式的阳极池并从该池离开， 对于阴极池也是如此，也可以将处于阴极模式的阳极池的排出物输送至阴极 池，原因在于两个池都处于还原模式。

使海水活化用于隔离二氧化碳的基本概念首先要通过将H(+)离子还原成 氢气而使海水含有更多的OH(-)离子。这通过将单极池设置成阴极-阴极模式而 实现。存在过量OH(-)离子时，它们将与海水中的钙、镁、钠和钾(Ca、Mg、 Na和K)反应，形成氢氧化物。二氧化碳接触活化海水时，二氧化碳与水反应， 形成H2CO3。H2CO3以简单酸碱反应与Ca、Mg、Na和K的氢氧化物反应，形 成水以及Ca、Mg、Na和K的碳酸盐。这些碳酸盐是稳定化合物，几百万年来， 自然界中使用这些碳酸盐作为构件块来形成沉积物、最终形成山脉。以下是来 自CHEMLAB的海水的分析：

Na   1.352重量％

K    0.02825重量％

Ca   0.05925重量％

Mg   0.30765重量％

虽然本隔离方法中主要使用海水作为水源，但是本方法也可以使用含有足 量Ca、Mg、Na和K的其他水源。实现这种反应并不简单，原因在于海水包含 一定量的杂质，尤其是氯。如图4所示，如果条件合适，则溶解电极起到阳极 作用，从而形成氯气。这可能影响使海水变成碱性的目的，因为氯气会使海水 变成酸性。在2007年9月3日的第一次实验中，产生的氢气只有72％，海水 pH变成略呈酸性，表示产生了氯。

对单极池的建议改进措施使得最终主要产生氢气。这些改进措施可以是： 选择对氯具有高过电压的溶解电极表面材料，改变溶解电极的物理形状，改变 电极之间的间距，改变电解之前海水的性质。

例如，可以用钛、钌和铱的氧化物混合物涂布电极。要抑制氯气生成，涂 层可以具有如下组成：O2＝11.89％，Ti＝18.58％，Ru＝64.27％，Ir＝3.91％。

图7池中所用间距为4.7毫米，可以尝试更大的电极之间间距，观察如果 将溶解电极的电压降至低于1.3595伏，是否能消除氯气的产生，该电压值是反 应2Cl--2e→Cl2的Eo。

如来自美国能源部FutureGen项目的图5中所示，海洋储存二氧化碳的容 量很大。大气中的二氧化碳主要在浅海部分吸收，但是以当前二氧化碳世界产 量计，海洋具有约10000年的储存潜力。另一个主要的二氧化碳潜在储存方式 是深海盐类构造。申请人相信，如图6中所示，将二氧化碳安全储存在深海盐 类构造中存在不确定性，因为二氧化碳可能通过盐类构造中的缺陷或多孔结构 逸出至海洋和大气中。这将难以监控或确定发生泄露处。

2.对来自二氧化碳生产者的二氧化碳进行隔离

主要的二氧化碳生产者是燃煤电厂。许多这类电厂的位置靠近海洋，可以 使用活化海水来隔离产生的二氧化碳。其实施例如图8中所示，在活化之前， 使用来自静电除尘器的废气加热新鲜海水。这种系统的另一个优点是，可以通 过海水吸收微粒和一些毒性物质，而不是将它们排放至大气中。

图8显示简单吸收塔的情况，从塔顶部喷射活化海水，该塔具有若干网格 型分布板，但是也可以在压力下或用填充塔进行CO2的吸收。还可以使用多板 接触柱。

本发明比较简单的应用是对世界各海洋上航行的船只排放的二氧化碳进 行隔离，如图9中所示。船只可以获取新鲜海水，进行活化，并使得活化的海 水以与船只柴油发动机的废气逆流的方式通过吸收塔。然后将用过的海水排放 回到海洋表面。这些船只可以是油轮、货轮、远洋定期客轮和军舰。

与海洋合理距离内的工业二氧化碳生产者也可以得益于这种隔离技术。

3.捕集和隔离来自大气的二氧化碳

人们认为目前低层大气的平均二氧化碳含量约为380体积ppm。通常难以 隔离每个生产者产生的二氧化碳，尤其是众多小型生产者，例如运输车辆、中 国的家用煤炉、驯养和野生动物。从低层大气中捕集和隔离二氧化碳是更实用 的做法。这种设备如图10所示，图中设备可以安装在岛屿、海岸、驳船或海 洋中的船只上。将新鲜海水泵送通过单极池，然后在塔顶部喷射。活化海水的 细小喷雾接触空气并反应，隔离二氧化碳。含有隔离的二氧化碳的用过的喷雾 回到海洋中。可以通过风能发电、波浪发电或太阳能发电供应电能，只在有电 能供应时才运行该系统。产生氢气，将其储存用做燃料电池的燃料，在没有风、 太阳能或波浪来提供主要电能时可以使用燃料电池发电。

1975年，Lockheed的Philip Carlson博士获得了一种增湿塔的专利，但是 并未将其商业化。塔顶部1200米处的湿度非常低，从顶部喷射水时，空气吸 收水分并冷却，导致塔内空气比塔外空气更重，使得增湿塔内的空气下降。冷 空气会产生64-80千米/小时的速度，足以驱动塔底部的发电涡轮，产生约600 兆瓦的电力。通过该塔可以吸入巨量空气。

根据本发明，通过使用如图11所示在塔顶部喷射的活化海水对这个理念 进行了改进。冷空气是用于吸收二氧化碳的理想气体。申请人的计算显示，理 想情况下在塔顶部喷射的活化海水的量不足以吸收该空气体积内的CO2，因此 需要在塔基配置如图所示较短的辅助塔或隧道，以进一步吸收吸入增湿塔中的 空气所含的二氧化碳。

该塔的运行效率受到日夜和冬夏交替的影响。以色列技术研究所(Israel Technion Institute)的Dan Zavslasky博士利用1200米高和400米直径的塔进一 步研究了增湿塔。这种高塔可以建造，并且在澳大利亚等许多国家确定了若干 理想建塔位置。

可以在一个位置建设若干塔，例如连在一起的3或4个塔，以产生较大的 结构强度。建塔位置也可以在一定纬度是交错的，从而提供更连续的电能。计 算显示，考虑用于泵送和电解的电能之后，将产生多余电能。产生氢燃料是本 发明的另一收获。

结合附图的描述

图1

在普通单极电解池系统中，独立地将水1输送至阳极池3中，将水2独立 地输送至阴极池12中，从阳极池3和阴极池12独立地排出水8和9。整个电 路从阳极电极5开始，至直流电源7，至阴极电极10，至阴极溶解电极11，至 外部导体6，至阳极溶解电极4，回到阳极电极5。根据实验结果，在我们的电 解方法中，与恒定直流电流相比，脉冲直流电流获得更好的结果，消耗更少能 量。申请人相信，其原因类似于在木片中钉钉子，与恒定力相比，敲击力更容 易推动钉子而且用力更小。

图2

在以阴极-阴极模式运作的单极电解池系统中，独立地将水21输送至阳极 池23中，将水22输送至阴极池32中，独立地从阳极池23和阴极池32排出 水28和39。在阴极-阴极模式中，电流从直流电源27开始，至阴极电极30， 至阴极溶解电极31，至外部导体26，至阳极电极25，至阳极溶解电极24，回 到直流电源27。注意，阴极-阴极模式通过交换阳极电极25和阳极溶解电极24 的连接关系而实现。

图3

图3是池处于阴极-阴极模式时阳极电解液和阴极电解液的pH的图，显示 两个池都处于图2所示的还原模式中，并且显示阳极电解液和阴极电解液的pH 都随时间升高。

图4

图4A显示电解池中电极的优选排列。在该实施方式中，对于阳极池组件 和阴极池组件都适用，电极(阴极或阳极)41由金属扩张板网(expanded metal sheet)形成，使其具有大表面积、活性位点并促使电极表面上产生紊流。电极可 以由铁、铝或不锈钢(316或304不锈钢)形成，可以有涂层以防止腐蚀和提供低 过电压，或者可以没有涂层。或者，电极可以是涂布了铂族氧化物的钛。电极 41的周围是挡板装置44。挡板装置44由非导电性材料形成，设置挡板装置以 迫使水迂回进入和离开扩张金属板网电极。挡板装置周围是片状金属溶解电极 42。溶解电极可以由涂布了铂族氧化物的钛或不锈钢(316不锈钢)或铅锑合金构 成。用虚线显示流过电极组件的水。可以看到水沿着曲折路径，从而促进与各 电极的良好接触。可以用塑料网格43覆盖溶解电极42，也可以不用塑料网格 43覆盖溶解电极42，这取决于期望的反应。

如图4B所示电解海水时，电极41和溶解电极42之间的间隔47对于将溶 解电极42的电压Vs降低至低于1.3595伏从而防止氯气产生是很重要的。溶解 电极42上的涂层对于升高产生氯气所需要的电压也是很重要的。可以通过反 应动力学的角度，施加高电压而不产生氯气。

图5

这是来自美国能源部FutureGen项目的图，显示储存二氧化碳的潜力。最 重要的潜在储存方式是世界各海洋和深海盐类构造。

图6

该图显示将二氧化碳注射至海中51、注射在海下50、注射在盐类构造中 53、注射在海底52。这种二氧化碳储存方法的主要问题是二氧化碳储存的不确 定性。二氧化碳会通过缺陷或多孔结构54逸出盐类构造。逸出的二氧化碳55 会与海水混合从而影响海洋环境，或者洋流会将大量二氧化碳带至表面进入大 气中。

图7

该图描述2007年9月3日进行的柴油发动机废气CO2隔离的大规模实验 室测试。将海水储存在1000升容器61中，通过流量计63泵送62至单极池64， 该单极池以阴极-阴极模式运行，通过XDC12-250型直流电源65以及能够提供 50千赫脉冲频率的PS207型调制器66供电。使活化海水78通过氢气分离器 67，用HY-OPTIMA 700在线过程氢气监控器68测量产生的氢气77的纯度。 显示氢气纯度为72％。然后在PVC柱69顶部喷射活化海水76，该柱直径300 毫米，高度6000毫米，具有若干板网，将ONAN 7千瓦柴油发电机71在5.6 千瓦负载下的产生的废气75输送至柱69底部。用61-0303LCO2-5在线型 AUSTECH红外CO2计量仪器70测量柱69顶部的废气74的二氧化碳浓度。海 水活化之前的读数为7.0％CO2，使活化海水通过之后的二氧化碳读数为 4.9％CO2，隔离率为30％。提高海水活化程度或者提高活化海水通过柱69的流 速，可以获得更高的隔离率。所产生氢气的低纯度说明活化期间产生一些氯气， 活化海水的pH略有降低反映了这一点。需要进一步的研究来减少海水活化期 间产生的氯气。

图8

该图涉及使用活化海水对来自现有燃煤电厂废气的二氧化碳进行隔离。燃 煤电厂82使用煤80和空气81产生电力和废气83，废气通过静电除尘器84去 除固体，然后使清洁废气通过换热器86，向换热器中输送的是新鲜海水87。 从换热器86去除冷凝物90，将较冷的废气88输送至CO2吸收塔93底部。加 热的海水89通过单极池91，将活化海水92输送至CO2吸收塔93顶部。含有 较少二氧化碳的废气94在CO2吸收塔93顶部离开，含有产生的碳酸盐和细小 微粒的用过的活化海水95收集在CO2吸收塔底部，排放至海洋中或者用作脱 盐的进料。

图9

该图涉及从驱动船只的柴油机废气隔离二氧化碳。将海水101泵送通过单 极池102，将活化海水输送至船只烟囱105顶部，该烟囱用作吸收塔，使来自 船只柴油机的废气104以相对于活化海水逆流的方式通过。从废气106中吸收 二氧化碳之后，用过的海水107返回到海洋100中。

图10

该图说明应用喷射塔从大气中吸收二氧化碳。用泵112将海水111泵送113 至单极池114，该单极池由岛屿、海岸、驳船或船只119上的风能发电、太阳 能发电或波浪发电117供电，将活化海水115输送至喷射塔116上的喷射装置 118，将活化海水喷射至大气120中，活化海水的细小液滴吸收大气中的二氧 化碳，然后降落回到海洋中。

图11

该图说明应用增湿塔吸入大量空气并使其接触活化海水从而隔离大气中 的二氧化碳。将海水130泵送通过含有加入的试剂131和133的单极池132。 用泵134将单极电解池140产生的活化海水泵送至增湿塔138的顶部135和较 低部分136，喷射至增湿塔中。当空气冷却并吸收活化海水时，将空气吸入至 塔顶部中，空气在增湿塔中下降。在该过程期间从空气中吸收二氧化碳。下降 的空气驱动增湿塔底部的发电涡轮139并且通过2个或更多个辅助塔142离开， 而辅助塔142顶部有更多活化海水141喷射。空气143的二氧化碳含量小于空 气137的二氧化碳含量。用过的活化海水144回到海洋中，或者有其他用途， 例如制盐、水产业或脱盐，以生产饮用水或工业用水。

权利要求书(按照条约第19条的修改)

1.一种隔离二氧化碳的方法，该方法包括以下步骤：

使海水通过以阴极-阴极模式运作的单极电解池，将海水中的氢离子还原成氢 气，使得氢氧根离子过量，产生活化海水，所述氢氧根离子与海水中的金属，包括 钙、镁、钠和钾，形成金属氢氧化物或碱，以产生活化的海水；

使二氧化碳接触活化海水从而形成碳酸；

使碳酸与海水中的金属氢氧化物或碱反应形成钙、镁、钾和钠的碳酸盐以及 水，从而以金属碳酸盐方式隔离二氧化碳。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，单极电解池包括阳极池组件和阴 极池组件，阳极池组件包括阳极电极和阳极溶解电极，阴极池组件包括阴极电极和 阴极溶解电极，电源向阳极池组件、阴极池组件提供直流脉冲电流，阴极电极与电 源相连，阴极溶解电极与阳极电极相连，阳极溶解电极与电源相连。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，通过选自以下的一种或多种方法， 对单极电解池中氯气的生成进行限制：对阳极和阴极电极与其相应的溶解电极之间 的间距进行选择；涂布溶解电极的材料；施加的池电压；溶解电极的物理形状；改 进海水的化学特性。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对来自以下产生二氧化碳的业务 运营的二氧化碳进行隔离：燃煤、燃油或燃气电厂，燃煤、燃油或燃气高炉，使用 柴油或煤燃料的船只，固定式柴油发电机。

5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，在将海水通过单极电解池之前预 热海水。

6.如权利要求2所述的方法，其特征在于，向单极电解池施加的直流电脉冲 频率为2-200千赫，负载循环为40-70％。

7.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使二氧化碳接触活化海水的步骤 包括从塔顶部喷射活化海水。

8.如权利要求1所述的方法，其特征在于，使二氧化碳接触活化海水的步骤 包括从增湿塔顶部喷射活化海水，以从空气提取二氧化碳，同时由安装在增湿塔底 部的空气涡轮发电。

9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对来自以下产生二氧化碳的业务 运营的二氧化碳进行隔离：燃煤、燃油或燃气电厂，燃煤、燃油或燃气高炉，使用 柴油或煤燃料的船只，固定式柴油发电机。

10.一种隔离二氧化碳的设备，该设备包括：

以阴极-阴极模式运作的单极电解池，

向所述单极电解池供应脉冲能量的直流电源；

向单极电解池供应海水的装置；

将海水从单极电解池转移至接触装置的装置；

使海水与接触装置中的二氧化碳接触、从而将二氧化碳隔离至海水中的装置。

11.如权利要求10所述的设备，其特征在于，单极电解池包括阳极池组件和 阴极池组件，阳极池组件包括阳极电极和阳极溶解电极，阴极池组件包括阴极电极 和阴极溶解电极，电源向阳极池组件和阴极池组件提供直流脉冲电流，阴极电极与 电源相连，阴极溶解电极与阳极电极相连，阳极溶解电极与电源相连。

12.如权利要求11所述的设备，其特征在于，电源包括调制装置，从而向单 极电解池供应脉冲频率为2-200千赫、负载循环为40-70％的直流电。

13.如权利要求10所述的设备，其特征在于，电源包括风力发电、太阳能发 电或波浪发电。

14.如权利要求10所述的设备，其特征在于，进一步包括预热海水的装置。

15.如权利要求10所述的设备，其特征在于，接触装置包括吸收塔或柱。

16.如权利要求10所述的设备，其特征在于，接触装置包括从塔顶部喷射海 水的装置，该塔位于多风岛屿、海岸、驳船或海洋中的船只上。

17.如权利要求10所述的设备，其特征在于，接触装置包括增湿塔以吸收一 些二氧化碳。

18.如权利要求17所述的设备，其特征在于，增湿塔包括至少两个较短的辅 助二氧化碳吸收塔，这些塔与增湿塔的底部相连，这些塔中喷射更多活化海水接触 空气以吸收更多二氧化碳。