CN116669834A - 电渗析器和用于从海水中捕获co2的电渗析*** - Google Patents
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Abstract
公开了电化学***，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‑CEM)，允许电解质和溶液的连续再循环，从而提供更安全且更无结垢的电渗析***。在一些实施方式中，电渗析器可配置为用电极处溶液中的单电子可逆氧化还原电对来代替端电极处的水裂解反应。结果是，在整个电渗析器电堆中，没有成键、断键反应，且没有气体产生，这显著简化了单元设计并改善了操作安全性。所述***为仅用电化学过程从海水中捕获和转化CO2提供了独特的技术途径。
Description
相关申请的交叉引用
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。
关于政府支持的声明
本发明是在能源部(the Department of Energy)授予的第DE-SC004993号拨款的政府支持下完成的。政府在本发明中具有一定的权利。
技术领域
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。
背景技术
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。
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***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。
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。
发明内容
本文中公开了一种或多种本发明的电渗析器的实例，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。
例如，与现有电渗析器相关的挑战和限制包括：
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。
b)需要对海水进行预处理以除去Ca2+和Mg2+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***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。
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。
本文中公开的电渗析***通过使用电渗析器电堆的新型配置克服了上述限制。
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)。
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)。
前述发明内容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
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。
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。
图2为用于从海水中捕获CO2的示例性电渗析***的示意图，该***使用图1的电渗析器。
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。
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。
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。
图6为用于从海水中捕获CO2的第二示例性电渗析***的示意图，该***使用图5的电渗析器。
具体实施方式
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***、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发明的***、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，为避免混淆本发明，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。
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***、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。
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。
尽管在本发明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方法的具体实例。
此外，除非另有说明，否则“或”的使用意指“和/或”。类似地，“包含(“comprise”、“comprises”、“comprising”)”、“包括(“include”、“includes”和“including”)”是可互换的，且不意图是限制性的。
应进一步理解，在各种实施方式的描述使用术语“包含”的情况下，本领域技术人员将理解，在一些特定情况下，可使用表述“基本上由……组成”或“由……组成”来替代地描述实施方式。
本文中公开了电渗析单元电堆的若干实例，所述电渗析单元电堆包括允许捕获海洋CO2的操作更有效和更具成本有效(cost effective)的特征。
例如，在一些公开的单元电堆中，在端电极处，代替水裂解反应，可使用单电子可逆氧化还原电对电解质来促进反应，并且结果是，在整个电渗析器电堆中，没有成键、断键反应，且因此没有气体产生，这显著简化了单元设计并降低了安全性要求。
另外，电渗析器的每个公开的实施方式都纳入防止多价阳离子传输到相邻单元隔间的单价阳离子交换膜(M-CEM)，允许电解质和碱溶液料流的连续再循环，从而允许安全且很大程度上无结垢的电渗析***。
此外，公开的电渗析器允许成本有效地产生在盐溶液中的酸和碱，而非纯酸或碱，这显著放宽了对离子交叉(交换，crossover)的膜要求。
公开的电渗析器可有利地用于海水CO2捕获，其中本发明的电渗析膜***在操作期间各自都可保持很大程度上没有矿物结垢。在本申请中，公开的电渗析器提供了进一步的优点，因为它们各自允许支持性化学物质再循环，纯水作为进入所述电渗析***的唯一输入原料。
图1为示例性电渗析器10的示意图。电渗析器10可用于从海水中捕获CO2，如下文结合图2更全面地描述的。替代地，电渗析器10可用于其它应用中，例如产生酸和碱料流等。
电渗析器10包括具有一个或多个多隔间单元12的电堆。单元12a、12n各自包括盐水隔间18、接收碱料流36(例如，稀释的NaOH料流)的碱隔间20以及隔开盐水隔间18与碱隔间20的双极膜(BPM)22。电渗析器10进一步包括在单元电堆12的任一端的两个端电极15、17。在第一端电极15处，阴极电解质隔间24位于接触所述阴极电解质隔间24的阴极14处。第一单价阳离子交换膜(M-CEM)28将阴极电解质隔间24与单元12a的盐水隔间18隔开。在第二端电极17处，阳极电解质隔间26位于接触所述阳极电解质隔间26的阳极16处。第二M-CEM30将阳极电解质隔间26与第n个单元12n的碱隔间20隔开。一个或多个中间M-CEM 32将单元12与它们相邻的邻近单元隔开，条件是电渗析器10电堆中存在多于一个单元12。
电渗析器10中的单元12各自基于具有如下的两隔间配置：盐水隔间18(隔间A)和碱隔间20(隔间B)通过BPM 22隔开。通过在相邻单元之间引入中间M-CEM 32可将单元的数量倍增至任意n数量的单元。在每个单元12中，BPM 22将通过隔间A18接收的经微滤(MF)海水料流38与通过隔间B 20接收的碱(例如NaOH)溶液料流36隔开，并产生质子(H+)和氢氧根(OH-)。气态CO2从隔间A18的酸化的输出海水料流42中脱气，如参考图2所描述的。来自隔间B20的输出料流40的浓缩碱(例如NaOH)的一部分用于恢复酸化的海水料流42的碱度，并且另一部分在将其作为输入36返回到隔间B 20之前用纯水稀释。这也结合图2进行更全面的描述。
中间M-CEM 32允许钠离子(Na+)和其它次要单价阳离子仅从隔间A18传输到相邻单元的隔间B 20，同时拒绝阴离子和多价阳离子从隔间A18传输到相邻单元中的隔间B 20。
在单元电堆的每一端，分别使用第一和第二M-CEM 28、30将阴极电解质34和阳极电解质24与海水38和碱溶液36隔开。电解质溶液34(即阴极电解质和阳极电解质)含有单电子电化学可逆[Fe(CN)6]3-/4-氧化还原电对(例如Na3/Na4-[Fe(CN)6]或K3/K4-[Fe(CN)6])以消除电极15、17处不期望的电化学反应的电压损失，并在操作期间再循环。
电极处的电化学反应、跨膜的离子传输以及在BPM界面处的水解离如图1、3和4中所示。在多隔间单元的中间，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，BPM界面处的水解离反应用于将输入海水转化成酸化的海水42和浓缩的碱溶液40的输出料流。电极溶液34，即阴极电解质和阳极电解质，可含有可逆的氧化还原电对溶液，铁/亚铁***(K3/K4[Fe(CN)6])或铁/亚铁***Na3/Na4-[Fe(CN)6]，并再循环，以最小化与电极处的浓度过电位相关的任意极化损失。采用两个M-CEM 28、30分别通过选择性地从阳极电解质或向阴极电解质传输单价阳离子来对酸化的或碱化的料流进行电荷平衡。单元中的电极反应为如下的单电子可逆氧化还原反应：
阴极：[Fe(CN)6]3-+e-→[Fe(CN)6]4- (1)
阳极：[Fe(CN)6]4-→[Fe(CN)6]3-+e- (2)
这种配置的一个独特优点是，它可在单电堆配置或多电堆配置二者中使用并按比例放大(scale-up,规模放大)，而不引入任何意图之外的化学反应或任何另外的电压损失。
由电渗析器10接收的海水可通过送过多介质过滤器(包括盘式过滤器和筒式过滤器)进行微滤，随后进行超滤。在这两个步骤期间，藻类、有机颗粒、砂粒、较小的杂质和其它颗粒被除去。
在操作中，电压源(未示出)连接到阳极26和阴极24以用合适的电流跨越电极端提供期望的电位。
在电渗析器10的替代实施方式中，碱隔间20可接收经纳滤的海水代替碱溶液。
图2为用于从海水中捕获CO2的示例性电渗析***100的示意图，该***100使用图1的电渗析器10。***100包括电渗析器10的单单元配置、海水槽(罐)102、碱溶液槽104、电解质槽106、用于从酸化的海水中除去CO2气体的一个或多个第一液气膜接触器108、以及用于从输入海水中除去溶解气体(例如O2和N2)的一个或多个第二液气膜接触器110。***100的其它实施方式可包括电渗析器10的多单元配置。
泵112将来自海水槽102的微滤(MF)海水料流泵送通过膜接触器110。膜接触器110从进入的MF海水中除去溶解的气体，例如N2、O2等。例如，一个或多个串联连接的市售可得的膜接触器可用于真空汽提溶解的气体。通过真空泵113将溶解的气体从***100中除去。MF海水料流从接触器膜110进入并通过电渗析器10的盐水隔间18。当海水被酸化时，CO2气体从隔间18中的溶液中出来。来自隔间18的酸化的料流输出然后通过第二组膜接触器108，在那里通过真空泵120从酸化的料流中除去CO2气体。膜接触器108可包括一个或一系列市售可得的接触器，用于从酸化的海水中真空汽提CO2气体。水蒸气捕集器118防止冷凝物进入泵120。水蒸气捕集器118可为用于冷却气体以从CO2气体料流中冷凝水或其它液体的任意合适的装置。来自膜接触器108的酸化的海水料流输出然后被供给到混合器124中，在混合器124中它与浓缩的碱料流的一部分合并，使得酸化的海水的pH升回到接近正常见于海洋中的水平。
混合器124将来自膜接触器108的脱气的酸化的海水输出与来自碱隔间20的浓缩的碱溶液输出的一部分混合以提高酸化的海水的pH。来自混合器124的海水输出然后可排放回到海洋中。
电解质槽106容纳通过电渗析器10的阴极电解质和阳极电解质隔间24、26而再循环的电解质溶液。泵116使电解质通过***100而循环。
泵112、114、116可为任意合适类型的泵，用于在期望的流速和压力下移动流体。例如，它们可为市售可得的蠕动式或离心式流体泵。
在***100的替代实施方式中，使用经微滤和纳滤的海水代替碱溶液料流。MF/NF海水被供给到隔间B 20中，代替碱溶液。过滤MF/NF海水以除去颗粒、物质和多价阳离子，使得基本上仅NaCl保留在MF/NF海水料流中。隔间B 20的输出料流可通过混合器124与酸化的料流混合，并且混合级分在过滤后进料回到隔间B的输入。在该实施方式中，可省略碱溶液槽104、纯H2O输入料流128和混合器122。
图3为第二示例性电渗析器200的示意图。电渗析器200可通过纳入到与图2中显示的***类似的***中而用于从海水中捕获CO2。替代地，电渗析器200可用于其它应用中，例如产生酸和碱料流等。
电渗析器200包括具有一个或多个多隔间单元202的电堆。单元202a、202n各自包括第一隔间(隔间A)212、第二隔间(隔间B)210和第三隔间(隔间C)208。阴离子交换膜(AEM)216将第一隔间212与第二隔间210隔开，而双极膜(BPM)214将第二隔间内210与第三隔间208隔开。电渗析器200进一步包括位于单元电堆202的任一端的端电极219、221。在第一端电极219处，阴极电解质隔间225位于接触阴极电解质隔间225的阴极204处。第一单价阳离子交换膜(M-CEM)218将阴极电解质隔间225与单元1 202a的第一隔间212隔开。在第二端电极221处，阳极电解质隔间227位于接触阳极电解质隔间227的阳极206处。第二M-CEM 218将阳极电解质隔间227与第n个单元202n的第三隔间208隔开。一个或多个中间M-CEM 220将单元202与其相邻的邻近单元隔开，条件是在电渗析器200中存在多于一个单元202。
电渗析器200纳入三隔间电渗析单元202a，单元202a可倍增至任意合适的单元数n。在每个单元中，AEM 216将隔间A 212中的酸化的海水236与隔间B 210中的微滤(MF)海水232隔开，并允许氯离子(Cl-)和其它次要阴离子在隔间A 212和隔间B 210之间通过，同时防止Na+和其它次要阳离子在隔间210、212之间通过。AEM 216可为市售可得的AEM，例如，来自FuMA-Tech GmbH的FAA-3-50等。BPM 214用于将隔间B 210中的MF海水232与隔间C 208中的稀释的碱溶液228(例如NaOH)隔开，并产生质子(H+)和氢氧根离子(OH-)。
在用于从海水中捕获CO2的操作期间，来自隔间B 210的酸化的海水236的输出料流被真空汽提以直接从酸化的海水236中提取CO2。这可使用与结合图2描述的***类似的***来实现。在对CO2进行脱气之后，酸化的海水料流236随后作为输入供给到隔间A 212。如上文结合图2描述的，来自隔间C 208的输出料流的浓缩的NaOH碱料流230的一部分可用于恢复酸化的海水236的碱度，且浓缩的碱料流230的另一部分在将其作为稀释的碱料流228输入回到隔间C 208之前用纯水稀释。
中间M-CEM 220用于将两个相邻的单元彼此隔开，并允许Na+和其它次要单价阳离子在单元之间通过，同时拒绝阴离子和多价阳离子如Mg2+和Ca2+通过。在单元电堆202的端部219、221处，M-CEM 218将单电子氧化还原电对阴极电解质234和阳极电解质234分别与隔间A 212中的酸化的海水236和隔间C 208中的稀释的NaOH 228隔开。
在操作中，电压源(未示出)连接到阳极206和阴极204以用合适的电流跨越电极端提供期望的电位。
图4是第三示例性电渗析器400的示意图。第三电渗析器400基于三隔间单元配置，具有与图3的电渗析器200相同的膜布置。电渗析器400中的单元402的数量可倍增至任意合适的单元数n。
电渗析器400可通过纳入与图2中显示的***类似的***而用于从海水中捕获CO2。替代地，电渗析器400可用于其它应用中，例如产生酸和碱料流等。
在电渗析器400中，仅使用一小部分海水来产生浓缩的HCl，用于酸化大量海水418，并产生用于恢复酸化的海水418的碱度的浓缩的NaOH 416和稀释的盐420。
包括所有离子的MF海水料流414、412供给到用AEM 216隔开的隔间A和B 212、210。AEM 216允许阴离子通过并拒绝阳离子在隔间A和B 212、210之间通过。在隔间A 212中，阳离子和阴离子被从输入海水414中抽离，导致稀释的盐水作为输出料流420。隔间B和C 210、208由产生质子(H+)和氢氧根离子(OH-)的BPM 214隔开。在隔间B 210中，质子被引入到输入MF海水412中，与输入海水412中的可用Cl-形成HCl，并且Cl-离子从隔间A 212通过AEM 216传输到隔间B 210，与输入海水210中的可用Na+形成NaCl。
在进入隔间C 208之前，输入的MF海水410经历纳滤(NF)过程以除去多价离子。在隔间C 208中，通过BPM 214引入氢氧根(OH-)，与MF/NF海水料流410中的可用Na+形成NaOH，并且Na+从相邻单元的隔间A 212传输通过中间M-CEM 220，与穿过隔间C 208的MF/NF海水410中的可用Cl-形成NaCl。中间M-CEM 220用于将每个单元与相邻单元隔开，并仅允许Na+和其它次要单价阳离子通过，同时防止阴离子和多价阳离子的交叉。
在单元电堆402的端部219、221处，M-CEM 218将单电子氧化还原电对阴极电解质和阳极电解质234分别与隔间A 212和隔间C 208隔开。
电渗析器10、200、400的阳极16、206和阴极14、204可为任意合适的电导体，例如，具有铂(Pt)涂层的钛(Ti)板。
在一些实施方式中，BPM 22、214可为市售可得的双极膜，例如Fumasep双极膜(BPM，来自FuMA-Tech GmbH)。
图5为可用于从海水中捕获CO2的第四示例性电渗析器500的示意图，如下文结合图6更全面地描述的。替代地，电渗析器500可用于其它应用中，例如产生酸和碱料流等。
电渗析器500包括具有一个或多个多隔间单元502a-502n的电堆502。可将单元502的数量倍增至任意合适的单元数n。
单元502a、502b、502n各自包括用于接收脱气的海水料流516的碱化的隔间508、用于接收MF海水料流518的酸化的隔间510、隔开碱化的隔间508和酸化的隔间510的M-CEM512、阴极504、阳极506和可与相邻单元(如果存在的话)共享的气体通道514。
在操作中，电压源(未示出)连接到阳极606和阴极604以用合适的电流跨越电极端提供期望的电位。
在施加电压的情况下，阴极504在碱化的隔间508内的脱气海水516中进行水还原反应以产生H2(气体)和氢氧根(OH-)。阴极材料可包括Ni、Fe、Pt等。阴极504可为平面电极或微结构化电极。
在施加电压的情况下，阳极506进行H2(气体)氧化反应，以在穿过酸化的隔间510的MF海水料流518内产生质子H+。在一些实施方式中，在阳极506处使用气体扩散电极进行H2氧化，其中H2气体通过气体通道514供给以与H2气体氧化催化剂(例如Pt)反应。供给到气体通道514中的H2气体料流524可来自碱化的料流520(经由例如碱化的料流520的真空汽提)。
M-CEM 512允许钠离子(Na+)和其它次要单价阳离子仅从酸化的隔间510传输到碱化的隔间508，同时拒绝阴离子和多价阳离子的传输。M-CEM 512输送Na+，并且由于pH>3海水中Na+和H+之间的浓度差异，具有最小的H+交叉。
在操作期间，微滤后的海水518进入酸化的隔间510，在那里发生碳酸氢根离子(HCO3 -)和碳酸根离子(CO3 2-)转化成溶解的CO2。离开酸化的隔间后，酸化的料流522在膜接触器620中通过真空泵真空汽提，以提取CO2，如图6中所示。
同样在操作期间，具有微滤和纳滤(不含双阳离子)的脱气的海水料流516进入碱化的隔间508。除去双阳离子(di-cation，二阳离子)防止了阴极504表面处的结垢和污垢。
在排放回海洋前，碱化的输出料流520可随后与酸化的料流522合并用于pH调节。
可独立地控制通过碱化的隔间508和酸化的隔间510的流速以分别在酸化的和碱化的隔间508、510中实现目标pH值。例如，碱化室的pH值可达到>14以最小化需要经由纳滤处理的海水的使用。
图6为用于从海水中捕获CO2的示例性电渗析***600的示意图，该***600使用图5的电渗析器500。***600包括电渗析器500的单一单元配置、海水槽618和一个或多个用于从来自酸化的隔间510的酸化的海水630输出中除去CO2气体622的液气膜接触器620。***600的其它实施方式可包括电渗析器500的多单元配置。
在操作中，碱化的输出料流520可反馈617到NF海水618中和/或与排放的酸化的料流626合并以将pH调节到见于海洋中的通常水平。氢气616可从碱化的料流520中汽提出来并供给到气体通道514。提供NF海水624作为碱化的隔间508的输入，同时MF海水628输入到酸化的隔间510。
在一些实施方式中，M-CEM 28、32、218、220、512、608可为市售可得的阳离子交换膜，例如Neosepta CMS、Selemion CSO、Fujifilm CEM Mono、PC MVK等。
通过电渗析器10、200、400、500和***100、600接收的海水可通过送过多介质过滤器(包括盘式过滤器和筒式过滤器)进行微滤，随后进行超滤。在这两个步骤期间，藻类、有机颗粒、砂粒、较小的杂质和其它颗粒被除去。
尽管图显示了每个膜接触器108、110、620中的三个膜接触器，但作为示例，图2和图6显示的膜接触器108和110、620可包括任意合适数量的膜接触器。例如，在一些实施方式中，膜接触器108、110、620可包括一个或两个液气接触器，而在其它实施方式中，各自可包括数十个或数百个膜接触器，或在这些范围内的任意合适数量。膜接触器可为市售可得的膜接触器。
本文中公开的电渗析器10、200、400、500各自可具有任意合适数量的单元。例如，在一些实施方式中，电渗析器可仅具有一个多隔间单元。在其它实施方式中，电渗析器可在其电堆中具有两个和十个之间的单元。在其它实施方式中，电渗析器可在其电堆中具有数十个或数百个单元，或在其间的任意合适的数量。
在本文中公开的电渗析器10、200、400、500的每一个中，可独立和选择性地控制通过各个隔间的料流流速，以分别在酸化的和碱化的隔间中实现目标pH值和/或离子浓度。
上述描述是说明性的，而非限制性的。尽管已经描述了某些示例性实施方式，但鉴于前述教导，涉及本发明的其它实施方式、组合和修改对于本领域的普通技术人员来说将易于发生。因此，当结合上述说明书和附图考虑时，本发明仅通过所附权利要求限制，所述权利要求涵盖了至少一些公开的实施方式，以及所有其它这样的实施方式、等同物和修改。
Claims (20)
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二隔间与所述第三隔间；
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第一隔间；
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第三隔间；
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。
11.权利要求10所述的电渗析器，其中将所述第二隔间的输出料流输入到所述第一隔间。
12.权利要求10所述的电渗析器，其中所述第三隔间接收碱料流。
13.权利要求10所述的电渗析器，其中所述第二隔间接收经过滤海水的料流。
14.权利要求10所述的电渗析器，其中所述第一、第二和第三隔间各自接收经过滤海水的相应料流。
15.权利要求10所述的电渗析器，其中AEM允许阴离子从所述第一隔间通到所述第二隔间，并拒绝阳离子在所述第一隔间和所述第二隔间之间通过。
16.权利要求10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。
17.权利要求16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。
18.权利要求17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]。
19.权利要求10所述的电渗析器，其中BPM经由所述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所述第二隔间，以将去往所述第二隔间的输入盐水料流转化成酸化的盐水的输出料流，并且将氢氧根离子通量提供给所述第三隔间以增加通过所述第三隔间接收的料流的碱浓度。
20.权利要求10所述的电渗析器，其中所述中间CEM各自配置为允许单价阳离子从所述第一隔间传输到相邻单元的第三隔间，同时拒绝阴离子和多价阳离子从所述第一隔间传输到相邻单元中的第三隔间。
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