通过形成ii族碳酸盐和二氧化硅的二氧化碳固定的利记博彩app

专利名称：通过形成ii族碳酸盐和二氧化硅的二氧化碳固定的利记博彩app
技术领域：
本发明总体上涉及从废气流去除二氧化碳以及与该去除并行地去除其他污染物的领域。更具体地，本发明通过从烟气样气流吸收二氧化碳和其他污染物从废弃流去除二氧化碳和其他污染物。其包括II族碳酸盐质的联产(co-generation)。
背景技术：
在过去的四十年多来，在私人和商业部门中对于从企业向空气中的排放已经日益引起相当大的国内和国际关注。具体而言，已经集中在对具有影响太阳热在大气中保留的 特性、产生“温室效应”的温室气体的关注。当来自太阳的入射热被地球大气和水圈捕获时出现温室效应，平均大气温度、海洋温度和行星的其他平均温度升高，造成气候变化。尽管人类的物质燃烧影响其速率、程度并且该效应的程度、方向和强度有争议，但普遍一致地认为该效应是地球热平衡的运行效果。不管争论程度如何，所有人都将达成一致地认为，如果从点排放源去除CO2 (和其他化学物质)的费用足够低，则从点排放源去除CO2 (和其他化学物质)是有利的。温室气体组要由二氧化碳构成，并且由市政发电厂和大规模工业现场电厂产生，尽管它们也在任何正常碳燃烧(例如汽车、雨林开垦、简单燃烧等)。因为最浓的点排放通常出现在遍布地球的电厂，所以从这些固定地点减少和/或去除成为去除技术的吸引点。因为能量产生是温室气体排放的主因，在过去的三十年来已经深入调查和研究了多种方法，例如降低碳强度、改善效率和通过多种手段从电厂烟道气固定碳。减少碳强度包括替代使用非碳能源，例如核电、水力发电、光伏发电、地热发电和其他来源的电力，以减少仅通过碳燃烧产生电力的百分比。虽然这些发电技术的每一种在总能量产生方面持续增长，但世界电需求计划预计以比从这些方法产生能量更快的速度增长。因此，不管非碳能源是否增长，预计碳温室气体排放增加。改善效率普遍集中于经过预燃烧、脱碳、氧燃燃烧等，通过首先降低所产生的CO2的量并且然后尽可能完全地氧化全部潜在污染物来改善碳燃烧的技术。同样地，所述技术增加了对于改善效率所释放的每单位二氧化碳排放所产生的能量的量。虽然该领域的进展已经改善了燃烧效率，但是从该领域的努力得到的更大的改善则很小。在碳(以气态CO2的原始形式)固定上的尝试已经产生了许多不同技术，这可以普遍分成地质、陆地或者海洋系统。这些技术主要涉及将产生的二氧化碳运输至某一地并将该二氧化碳注入至地质、土壤或海洋储库内。这些固定技术中的每一种均涉及巨大成本用于准备用于运输的CO2、完成运输和实现注射入“碳库”内。因此，这些技术普遍地是经济上不可行的，并且在许多情况下消耗的能量多余产生的原始碳。
固定同样可以包括几个工业过程，包括洗涤、膜、低成分O2和水合。然而，由于资本工厂成本增加至不经济的水平并且CO2捕获对电成本的影响是禁止的，这些技术的每一种处于困境。所提到的缺陷并不是穷尽性的，而是倾向于损害先前已知用于从废物流去除二氧化碳的技术有效性的诸多缺点中的一些；然而，这里提到的这些足以证明本领域出现的方法学不能够完全令人满意，并且明显需要本公开中所述和要求保护的技术。

发明内容
本发明公开了用于从除去二氧化碳固定物，包括废气流中除去二氧化碳的方法和装置。在一方面，本公开提供了一种固定从源产生的二氧化碳的方法，其包括(a)获得水性混合物中的氢氧化物盐；(b)在适宜在第一混合物形成第一碳酸盐的条件下，将该氢氧化物盐与由所述源产生的二氧化碳混合；(c)在适宜形成相应的II族氯化物盐、水和二氧化硅的条件下，使用盐酸对II族硅酸盐矿物进行氯化；(d)在适宜在第二混合物中形成II族碳酸盐的条件下，将所述II族氯化物盐与所述第一碳酸盐混合；和(e)自混合物分离所述II族碳酸盐，由此二氧化碳固定为矿物产物的形式。在一些实施方案中，所述方法还包括(f)获得第二氯化物盐；和(g)将该氯化物盐在氯碱(Chloralkali)条件下将该第二氯化物盐反应以形成包括氯气、氢气和氢氧化物的产物。在一些实施方案中，一些或所有的步骤(b)中的氢氧化物盐获自于步骤(g)。在一些实施方案中，所述方法还包括(h)获得氯气；和(i)将该氯气在光降解条件下液化以形成盐酸。在一些实施方案中，一些或所有的步骤(h)中的氯气获自于步骤(g)。在一些实施方案中，一些或所有的步骤(i)中的盐酸用于氯化步骤(c)中的II族硅酸盐矿物。在一些实施方案中，步骤(d)的反应在电化学池中进行。在其一些变化形式中，步骤(d)还包括(d) (I)在适宜形成第一碳酸氢盐的条件下将所述第一碳酸盐与质子源反应；和(d) (2)将该第一碳酸氢盐与所述II族氯化物盐反应以形成II族碳酸盐。在一些实施方案中，步骤(d) (2)的反应还包括形成第二氯化物盐。在其一些变化形式中，一些或所有的步骤(f)中的第二氯化物盐获自于步骤(d) (2)。在一些实施方案中，该电化学池产生第一电能量源。在其一些变化形式中，该第一电能量源以大于基于该电化学池的理论最大电势的效率的70%产生。在一些实施方案中，一些或所有的第一能量源用于驱动步骤(g)的部分反应。在一些实施方案中，所述方法还包括(j)利用一些或所有的步骤(g)的氢气产生第二能量源。
在其一些变化形式中，一些或所有的第二能量源用于驱动部分步骤(g)的反应。在一些实施方案中，一些或所有的氢氧化物盐为氢氧化钠。在一些实施方案中，一些或所有的第一碳酸盐为碳酸钠。在一些实施方案中，一些或所有的II族硅酸盐矿物为II族链硅酸盐。在其一些变化形式中，一些或所有的II族硅酸盐矿物为CaSiO3、MgSiO3或其混合物。在一些实施方案中，一些或所有的II族氯化物盐为CaCl2、MgCl2或其混合物。在一些实施方案中，一些或所有的II族碳酸盐为CaC03、MgCO3或其混合物。在一些实施方案中，一些或所有的第二氯化物盐为NaCl。在一些实施方案中，该光解条件包括利用约200nm至约400nm的波长的光辐射。例如，在一些实施方案中，该波长为约254nm或约363nm。在一些实施方案中，获得步骤(a)的氢氧化物包括
(a) (I)获得I族或II族盐；(a)⑵将该盐与酸和水，酸和蒸汽，或酸、水和蒸汽混合，以产生质子化的盐水溶液；和(a)(3)电解该质子化的盐水溶液，以产生氢氧化物。本发明公开的其他目标、特征和优点根据下列的详细描述将变得显而易见。但是，应当理解，所述的详细描述和具体的实施例，尽管指示了本发明的具体实施方案，仅仅为示例性的，因此根据该详述在本发明精神和范围内的各种变化和改变将对本领域的普通技术人员而目是显而易见的。


下列附图构成了本说明书的一部分，且包括在其中用于进一步示例性说明本公开的某些方面。本发明可以通过参考一幅或多幅这些附图并结合本文中详细描述的具体实施方案更好地理解。图I为根据本发明实施方案的系统的方框图。DC1、DC2和DC3为三个独立的电能量源。图2为显示在在指定时间进行反应时反应室内流体附近的热性质的图。
具体实施例方式本发明涉及二氧化碳固定，包括其中利用II族硅酸盐以形成相应的II族碳酸盐和二氧化硅从而从废气流中除去二氧化碳的方法。本发明的方法和装置的实施方案包括一个或多个下列通用组成部分(I)水性脱碳过程，其中气体CO2被吸收至水性苛性混合物中，然后与氢氧化物反应以形成碳酸盐和/或碳酸氢盐产物；(2)分离过程，其中所述碳酸盐和/或碳酸氢盐从液体混合物中分离；(3)盐水电解过程，用于生产在脱二氧化碳过程中用作吸收流体的氢氧化钠；(4)产生和利用来自脱碳和电解过程的副产物，包括氯气、碳酸钠和碳酸氢钠，和氢气；和(5)直接和/或间接地将II族硅酸盐矿物转化为II碳酸盐和二氧化硅。每一通用组成部分将在下面进一步详细地说明。尽管本发明的很多实施方案消耗一些能量以实现从烟气流中吸收CO2和其他的化学物质以及实现如本文所述的本发明实施方案的其他目标，本发明具体实施方案的一个优点就是它们提供的生态效率优于现有技术，同时吸收了大部分或全部的发电厂排放的co2。本发明具体实施方案区别于其他CO2-除去方法的其他优点在于在一些商业化的情况下，该产物的价值远大于所需的反应物或净功率或电厂-折旧费用。换句话说，具体的实施方案为工业化方法，其产生氯-氢-碳酸盐产物作为收益，同时实现了相当大程度的去除CO2和相关的偶存的污染物。I.定义在此使用的术语“碳酸盐”或“碳酸盐产物”通常定义为包含碳酸根[CO3]2-的矿物成分。因此，该术语既包括碳酸盐/碳酸氢盐混合物，也包括仅含碳酸根离子的物质。术语“碳酸氢盐”和“碳酸氢盐产物”通常定义为包含碳酸氢根[HCO3]1-的矿物成分。因此，所述两个术语既包括碳酸盐/碳酸氢盐混合物，也包括仅含碳酸氢根离子的物质。在利用本发明的一些实施方案形成碳酸氢盐和碳酸盐中，术语“离子比”是指产物中钠离子除以该产物中存在的碳的个数的比。因此，由纯碳酸氢盐(NaHCO3)构成的产物流 可以说成具有1.0的“离子比”(Na/C)，而由纯碳酸盐(Na2CO3)构成的产物流可以说成具有
2.O的“离子比”(Na/C)。推而广之，碳酸盐和碳酸氢盐的无限数量的连续混合物可以说成具有在I. O和2. O之间变化的离子比。在此使用的术语“固定”通常用于指下述技术或实践操作其部分或全部结果是从点排放源去除CO2，并且以某些形式储存该CO2以防止其返回大气。该术语的使用不将任何形式的所属实施方案排除在所认为的“固定”技术之外。在此使用的术语“生态效率”与术语“热力学效率”同义，并且定义为通过本发明某些实施方案每单位能量消耗所固定的CO2的量(表示为“5_C02/aE”)。CO2固定以总工厂CO2的百分数来定义；类似地，能量消耗以总电厂电消耗来定义。 在此使用的术语“低电压电解”和“ LVE ”用于指低于大约5伏特的电压下电解。辉石是在很多火成岩和变质岩中发现的一类硅酸盐矿物。它们具有由单链二氧化硅四面体构成的共同结构，且它们以单斜和正交晶系结晶。辉石具有通式XY(Si，A1)206，其中X表示钙、钠、铁(II)和镁以及更少的锌、锰和锂，Y表示较小的离子，例如铬、铝、铁
(III)、镁、锰、钪、钛、钒以及甚至是铁(II)。此外，构成本发明的化合物的原子意欲包括所述原子的所有的同位素形式。在此使用的同位素包括哪些具有相同原子数但不同质量数的原子。示例性地而非限制性，氢的同位素包括氣和氣，碳的同位素包括13C和14c。术语“一(a或者an) ”，当与权利要求和/或说明书中的术语“包含(包括)”一起使用时，是指“一个”，但也与“一个或多个”、“至少一个”和“一个或多于一个”的意思相一致。贯穿本文，术语“约”用于表示数值包括由于仪器的误差、用于确定该值所使用的方法，或在研究对象中存在的变化而引起的固有变差(inherent variation)。术语“包含”、“具有”和“包括”是开放式表述动词。任一形式或时态的一种或多种这些动词，例如“包含”的任何形式、“具有”的任何形式，“包括”的任何形式，都是开放式的。例如，“包含”、“具有”或“包括” 一个或多个步骤的任何方法并不限于仅仅具有那些一个或多个步骤，且还包括其他未列出的步骤。在说明书和/或权利要求中使用的术语“有效”是指足以达到所需的、期望的或意欲的结果。上述定义取代了在本说明书中引用的任一引用文献(其中任一有冲突的定义。然而，某些术语定义的事实不应当认为是任何没有定义的术语不清楚的指示。相反，认为使用的所有术语以本领域的普通技术人员能够理解本发明的范围和实际的方式描述本发明。II.流程图二氧化碳的固定图I描绘了示例性说明本发明公开的装置和方法的总的例示性实施方案的简化过程-流程图。提供该图仅仅用于示例性的目的，且因此其仅描绘了本发明的具体实施方案，并不意欲以任何方式限制权利要求的范围。在图I所示的实施方案中，氯-碱池100利用三种来源的能量，外部能量(DCl)和捕获能量(DC2和DC3)，以驱动反应式I表示的反应。
2NaCl+2H20 — 2Na0H+Cl2+H2 (I)由该反应产生的氢氧化钠、氯气和氢气分别传送至喷淋脱碳塔110、光解水解120和步骤160。自烟气的二氧化碳于喷淋脱碳塔110进入工艺,可在废热与废热/DC产生系统初始交换后进入。氯碱池100的氢氧化钠与喷淋脱碳塔110中的二氧化碳反应，按照反应式2所示的反应2Na0H+C02 — Na2C03+H20 (2)由该反应产生的水间接传回至氯碱池100。氯碱池100的氯气在120于工艺中使用水光解液化。净反应可由反应式3所表示C12+2H20 — 2HCl+l/202 (3)在一些实施方案中，该反应或其变化形式通过含钴催化剂进行催化。参见，例如，U. S.专利4，764，286，其整体在此引入作为参考。II组金属硅酸盐(CaSiO3和/或MgSiO3)在130进入工艺。这些矿物质与来自光解水解120的盐酸反应形成相应的II族金属氯化物(CaCl2和/或MgCl2)、水和硅砂。反应可由反应式4表示2HCl+(Ca/Mg)Si03 — (Ca/Mg)Cl2+H20+Si02 (4)该反应中产生的水间接传回至氯碱池100。将来自II族氯化反应130的(Ca/Mg)Cl2传送至石灰石产生器140，在其中其间接与来自喷淋脱碳塔110的碳酸钠反应。该反应通过氢桥150调节，其连接可由反应式5和6表不的两个半-电池反应。Na2C03+HCl — NaHC03+NaCl (5)NaHCO3+(Ca/Mg) Cl2 — (Ca/Mg)C03+HCl+NaCl (6)来自反应式5和6的连接的能量DC3以DC电流的形式从石灰石产生器140传送至氯碱池100。由反应式5和6产生的氯化钠传递至氯碱池100。以此方式，电解(NaCl)所需的试剂已经被再生，给予合适的条件其准备用于被电解和吸收另一循环CO2,因此形成化学循环。总结反应式1-6的净反应在此显示为反应式7 CO2+ (Ca/Mg) SiO3 ^ (Ca/Mg) Si03+SiO2 (7)
来自氯碱池100的氢气进一步在步骤160与二氧化碳反应以产生能量(DC2)，例如，在一些实施方案中，将氢气与天然气混合，并在设计用于天然气发电厂并与发电机连接的润轮机中燃烧该混合物，或者，在另一实施方案中，利用水气转换和Fischer-Tropsch技术。DC2以DC电流的形式转送回至氯碱池100。通过图I中所示的和本文中描述的方法，能量可以直接和/或间接自一些或者甚至是所有产生的盐酸返回，同时仅生成II族碳酸盐作为最终固定物质(end-sequestrantmaterial)，一些或所有钠、氯和氢被循环。以此方式，该工艺有效地利用了低能耗的基于钠的氯-电解途径，从而产生用于将二氧化碳自气态捕获的氢氧化物。这些方法和设备可进一步改良、优化和放大，利用本领域的普通技术人员所用的化学、化学工程和/或材料科学的原理和技术。此列原理和技术，例如，教导于U.S.专利申请公开 2006/0185985 和 2009/0127127 ；U. S.专利申请No. 11/233，509 (提交于 2005 年 9 月22 H ) ；U. S.临时专利申请No. 60/718，906 (提交于2005年9月20日)；U. S.临时专利申 请No. 60/642，698 (提交于2005年I月10日)；U. S.临时专利申请No. 60/612，355 (提交2004年9月23日)；U. S.专利申请No. 12/235，482 (提交于2008年9月22日)；U. S.临时申请No. 60/973, 948 (提交于2007年9月20日)；U. S.临时申请No. 61/032, 802 (提交于2008年2月29日);U.S.临时申请No. 61/033，298 (2008年3月3日);和国际申请No.PCT/US08/77122(提交于2008年9月19)。每一上述引用的文献公开的整个内容(包括任何附录)在此具体引入作为参考，而不放弃任何内容。上面实施例被包括以证明本发明的具体实施方案。但是，本领域的普通技术人员应当理解，在本发明公开的教导下，在公开的具体实施方案中进行许多变化，而获得同样或类似的结果，而不偏离本发明的精神和范围。III.硅酸盐矿物用于二氧化碳的固定在本发明的另一方面，提供利用硅酸盐矿物固定二氧化碳的方法。该硅酸盐矿物由一类最大量且最重要的成岩矿物构成，占大约90%的地壳。它们基于它们的硅酸基团的结构分类。硅酸盐矿物都含有硅和氧。在本发明的一些方面中，II族硅酸盐用于实现二氧化碳的节能固定。在一些实施方案中，可以使用包含II族链硅酸盐的组合物。链硅酸盐具有硅酸四面体的连锁链，对于单链具有SiO3,1 3的比例，或者，对于双链具有Si4O11,4 11的比例。在一些优选的实施方案中，在此公开的方法使用包含来自辉石组的II族链硅酸盐的组合物。例如，可以使用顽辉石(MgSiO3)15在其他优选实施方案中，使用包含来自似辉石组的II族链硅酸盐的组合物。例如，可以使用硅灰石(CaSiO3)。在其它实施方案中，可以使用包含II族链硅酸盐的混合物的组合物，例如，顽辉石和硅灰石的混合物。在另一个实施方案中，可以使用包含混合的II族金属链娃酸盐的组合物，例如，透辉石(CaMgSi2O6)。硅灰石通常作为热变质不纯的石灰岩的常见组成部分出现。典型地，硅灰石来自于方解石和二氧化硅之间的下列反应(反应式8)，同时失去二氧化碳CaC03+Si02 — CaSi03+C02 (8)在一些实施方案中，本发明具有有效地逆转该天然过程的结果。硅灰石还可在硅卡岩中的扩散反应中制得。当砂岩内的石灰岩被岩脉变质时，其形成，其引起娃灰石在砂岩中的形成，其为钙离子向外迁移的结果。在一些实施方案中，II族链硅酸盐组合物的纯度可不同。例如，认为本发明公开方法中使用的II族链硅酸盐组合物可以包含变化量的其他化合物或矿物，包括非II族金属离子。例如，硅灰石自身可包含少量的铁、镁和锰代替钙。IV.石灰岩的生产和用途在本发明的方面中，提供一种以石灰岩形式固定二氧化碳的方法。石灰岩是一种沉积岩，其主要由矿物方解石(碳酸钙=CaCO3)构成。该矿物具有很多用途其中的一些在下面讨论。以粉末或粉碎形式的石灰岩，如按照本发明的一些实施方案形成，可用作土壤调节剂(农业石灰)以中和酸性土壤条件，从而，例如，中和生态系统中酸雨的影响。上游应用包括利用石灰岩作为脱硫反应中的试剂。 石灰岩是一种重要的石工和建筑石头。其中的一个优点在于其相对易于切割成块或更易于精细雕刻。其还对于暴露可持久且经久耐用。石灰岩为生石灰、灰浆、水泥和混凝土的关键成分。碳酸钙还用作纸、塑料、涂料、瓷砖和其他材料的添加剂，用作白色颜料和便宜的填充剂。纯化形式的碳酸钙可用于牙膏，添加于面包和谷类食品中作为钙源。CaCO3还常用用作药用抗酸剂。当前，工业中使用的大多数碳酸钙为通过开采或采石而提取。在一些实施方案中，作为二氧化碳固定的一部分联产该物质，本发明提供该重要产物的非开采源。V.碳酸镁的生成和用途在本发明的方面中，提供一种以碳酸镁形式固定二氧化碳的方法。碳酸镁(MgCO3)为在自然中作为矿物存在的白色固体。最常见的碳酸镁形式为称为菱镁矿(MgCO3)的无水盐形式，以及分别称为二菱镁矿(MgCO3 · 2H20)、三水菱镁矿(MgCO3 · 3H20)和多水菱镁矿(MgCO3 · 5H20)的二水合物、三水合物和五水合物。碳酸镁具有多种用途；其中的一些在下面讨论。碳酸镁可用于生产镁金属和碱性耐火砖。MgCO3还用于地面材料、防火材料、灭火组合物、化妆品、扑粉和牙膏。其他的应用为填充材料、塑料中的防烟剂、氯丁橡胶中的增强齐U、干燥剂、轻泻药和食品中的保色性。此外，高纯度的碳酸镁用作防酸剂以及在食用盐中用作添加剂以保持其自由流动。当前，碳酸镁通常通过采矿矿物菱镁矿而获得。在一些实施方案中，作为二氧化碳固定的一部分联产该物质，本发明提供该重要产物的非开采源。VI. 二氧化硅的产生和利用在本发明的方面中，提供一种产生二氧化硅作为副产物的固定二氧化碳的方法。二氧化硅(还称为硅石)为硅的氧化物，化学式为SiO2，以硬度闻名。二氧化硅在自然中最常见的为沙子或石英，以及硅藻的细胞壁中。二氧化硅是地壳中最丰富的矿物。该化合物具有很多用途；其中的一些在下面简要讨论。二氧化硅主要用于生产门窗玻璃、饮用玻璃杯和瓶装饮料。电信用的大多数光纤也由二氧化硅制成。其为很多白色陶瓷器的主要原材料，例如陶器、炻器和瓷器，以及工业普通水泥。二氧化硅为食品生产中常用的添加剂，其中在粉末状食品中其主要用作助流剂，或在吸湿应用中吸收水分。它为硅藻土(其具有很多用途，从过滤到昆虫防治)的主要成分。它还为谷壳灰(其用作例如过滤和水泥制造)的主要成分。通过热氧化方法进行的二氧化硅薄膜在硅片上的生长在微电子领域中相当有益，其中它们用作电绝缘体，具有高化学稳定性。在电应用中，其可保护硅、存储电荷、阻断电流，甚至用作可控通路以限制电流。以水合形式，二氧化硅用于牙膏作为硬研磨剂以除去牙斑。二氧化硅通常以若干形式制造，包括玻璃、水晶、凝胶、发烟硅胶和胶体二氧化硅。作为二氧化碳固定的一部分联产该物质。在一些实施方案中，本发明提供该重要产物的另一个来源。
VII. CO2自废气流的水性脱碳(吸收)以及其向碳酸盐和碳酸氢盐的转化如上所述，在某些实施方案中，本发明的装置和方法使用水性脱二氧化碳方法，其中气体CO2被吸收至水性苛性混合物中，然后在其中其与氢氧化物反应，形成碳酸盐和碳酸氢盐产物。在本发明的许多实施方案中，氢氧化钠作为主要的吸收流体。各种浓度的氢氧化钠已知为CO2的便捷吸收剂。当使二氧化碳与氢氧化钠水溶液接触时，可以形成从纯碳酸氢钠(NaHCO3)到纯碳酸钠(Na2CO3)的连续产物，并且可以产生不同的情况，驱动平衡向任一方向移动。在本发明的一些实施方案中，大多数或几乎全部的二氧化碳以此方式反应。在一些实施方案中，该反应可以进行以完全(或接近完全)，并且可获得足够浓度的所需碳酸盐产物(通过化学方法或通过各种方法除去水)，从而引起碳酸氢盐、碳酸盐或其混合物的沉淀。
在一些实施方案中，当二氧化碳与氢氧化钠水溶液接触时，反应室内流体随着所示时间进行的近似于图2所示的性质。两个温度-漂移阶段对应并标记出两个明显不同的反应状态I. CO2容易被吸收的初始吸收阶段。流体的吸收能力随着OH-浓度的下降而下降，当OH-浓度被消耗后，吸收终止，在一些情况下会逆转。在此部分反应室放热的，几乎只形成碳酸盐。2. CO2不容易被吸收的第二转化阶段。烟气通过混合物不会产生流体对CO2的任何净吸收，但是由于任何水的蒸发、CO2转化为气化状态的任何损失和发生的任何吸热反应而导致蒸发热量的损失，结果使流体明显冷却。在此阶段中，按照以下所需的净化学计量关系，已经在溶液中形成的碳酸钠转化为碳酸氢钠Na2CO3 (aq) +H2O (I) +CO2 (aq) — 2NaHC03 (aq) (9)两阶段在下表I所示的特征方面明显不同。表I. CO2吸收期间的热力学和产物阶段热力学产物__CO2吸收__[OH]存在
碳酸盐化放热 Na2CO3____大量
山一 ,u减少，无吸收或负吸极少(De
碳酸氢盐化吸热 NaHCO3
收minimis)在本发明的不同实施方案中，可以产生所有形式的碳酸氢盐/碳酸盐浓度谱。在优选的实施方案中，可以调节流体的浓度、温度、压力、流速等，以最优化“可得到的”所吸收CO2的比例，从而最优化碳酸钠的形成。例如，已经证明了，纯碳酸盐(Na2CO3)可于具有O. 30m流体高度/气液接触距离的深度的单级鼓泡柱气液接触器(single-stagebubb I e-column gas-liquid contactor),中吸收70%进入的CO2的条件下，于溶液中产生。不希望被理论束缚，外推至90%吸收，因此小于两米的接触距离足以吸收90%进入的C02。 参见，例如，U.S.专利申请公开2009/0127127，其在此具体引入作为参考，而不放弃任何内容。这些方法和设备可进一步改良、优化和放大，利用本领域的普通技术人员所用的化学、化学工程和/或材料科学的原理和技术。此列原理和技术，例如，教导于U.S.专利申请No. 11/233，509(提交于2005年9月22日)；U. S.临时专利申请No. 60/718，906 (提交于2005年9月20日)；U. S.临时专利申请No. 60/642，698(提交于2005年I月10日)；U. S.临时专利申请No. 60/612，355 (提交于2004年9月23日)；U. S.专利申请No. 12/235,482(提交于2008年9月22日);U.S.临时申请No. 60/973，948 (提交于2007年9月20日)；U.S.临时申请 No. 61/032，802(提交于2008年 2 月 29) ；U. S.临时申请 No. 61/033，298 (提交于2008年3月3日);国际申请No.PCT/US08/77122(提交于2008年9月19日)。每一上述引用的文献公开的整个内容(包括任何附录)在此具体引入作为参考，而不放弃任何内容。VIII.产物的分离如上所述，在某些实施方案中，本发明公开的装置和方法使用一种分离方法，通过该方法碳酸盐和碳酸氢盐产物从流体溶液中分离。液体溶液产物的分离需要有关的方法。在较宽的温度和压力范围内，用氢氧化钠(NaOH或苛性钠)的液体平衡中形成碳酸氢钠(NaHCO3或小苏打)和碳酸钠(Na2CO3或苏打灰)，提供在不同CO2分压下不同的平衡终点。通过控制碱性浓度、温度、压力、反应器大小、流体深度和碳酸化的程度，可以形成碳酸盐和碳酸氢盐的沉淀。或者，在一些优选的实施方案中，可通过与进入的烟气的热能量的交换从它们的水溶液中分离出碳酸盐/碳酸氢盐产物。此外，由于碳酸钠和碳酸氢钠之间的溶度积常数不同，所以可以达到某些非直觉性的处理点；例如，碳酸钠在某些苛性溶液中的平衡的特性之一是加热会促进固体的沉淀；而且，在某些条件下，已经证实碳酸盐可以高纯度(93% +)从水溶液中自沉淀。或者，在某些实施方案中，用于分离过程的热量可来自初始电解中产生的氢，或者来自进入的烟气流中含有的废热的利用。通过众所周知的结晶纯化方法经结晶过程纯化结晶物质。根据反应器的设计，排除的液体流可包括各种平衡存在的水、NaOH, NaHC03> Na2CO3和其他溶解的气体。还可以发现溶解的痕量排放组分，如H2S04、HNO3和Hg。在一个实施方案中，为了分离/除去排除的液体流，例如从碳酸盐中除去/分离水(在这句话中，“碳酸盐”是指碳酸盐和碳酸氢盐的混合物，还可能带有氢氧化钠；用于任何这类混合物的任何分离技术可以包括添加热能使水从混合物中蒸发)，可以使用再沸器使水沸腾，从而导致水蒸发。或者，保留部分的碱性溶液(例如，NaOH，约为lmolal)，随后在分离室中加热该溶液，可使相对较纯的Na2CO3沉淀至接受槽中，余下的NaOH再循环到反应器中。在其他实施方案中，随后可以将纯碳酸盐、纯碳酸氢盐和两者出于平衡浓度和/或浆料或浓缩形式的混合物定期输送到卡车/油槽车。在其他实施方案中，可以将液体流转移至蒸发池/蒸发场，在此水之类的液体可以通过蒸发被携带除去。气态产物的释放涉及这样的问题NaOH或相同的组分是否可以安全地释放，即发电厂排放“碱雨”如同排放“酸雨”同样应该避免。但是，氢氧化钠通常用作发电厂生产中的涤气成分，并且经EPA批准可以使用。在发电厂中操作氢氧化钠以及避免碱性释放的措施是本领域众所周知的。例如，简单且便宜的冷凝器/回流装置可防止气态排出物中NaOH的任何大量释放。
在依据本发明某些实施方案的碳酸盐分离沉淀方法中，碳酸盐平衡在空间上约束了二氧化碳，吸收了接触的气体，基本上即时转化为碳酸根离子。反应链可以是传质限制的，这样一旦二氧化碳被碱吸收，就迅速发生随后的离子反应。碳酸钠平衡的一个特征在于随着温度升高，Na2CO3自然沉淀和聚集，使得它容易作为浆料被提取，一部分的NaOH在浆料中排除。IX.在低能量下电解用于产生吸收流体如上所述，在某些实施方案中，本发明公开的装置和方法使用盐水电解来生产氢氧化钠，该氢氧化钠在脱碳过程中用作吸收流体。盐水电解是主要用于生产浓氢氧化钠(苛性钠)和氯气的电化学方法，在相关文献中常通过以下反应式10表示2Na+l+2H20+e_ — 2Na0H+H2 (g) +Cl2 (g) (10)盐水电解可通过三种常规类型的标准电解池来完成隔膜、贡和膜电解池。这些类型的电解池中的任一种都自同样的输入反应物产生同样的输出产物。它们彼此之间的不同点主要在于反应物和产物相互隔开的方式不同。在一个实施方案中，由于若干因素，可使用膜电解池。首先，汞涉及的环境问题减少了对汞电解池的需求。第二，隔膜电解池可产生相对较弱的苛性产物，该产物含有大量的盐和氯离子，之后需要相当多的再处理/分离以除去苛性物质中的大量的盐。第三，氟化聚合物技术的发展提高了膜电解池技术的寿命和电效率，在工业市场中一般可保证超过5年的寿命。此外，在优选的实施方案中，每吨苛性物质的功率效率超过隔膜和汞电解池。许多优选的实施方案可在此功能中采用膜电解池。膜电解池与其他盐水电解方法相比具有若干优点。首先，膜电解池既不含有也不产生任何环境敏感性排放物(例如，汞)，并且与隔膜电解池和汞电解池相比是电有效的。它们还可以使用浓缩的/稀释的/补充的NaCl循环，这样它们适合用作连续的“盐循环”处理装置。其次，膜电解池产生的NaOH不进一步蒸发/浓缩，就可自然具有用于脱碳过程的合适的浓度水平(例如，30-33重量％的NaOH)。此外，膜电解池产生的氢是“干净的”，大约是“电子级别的”，相对没有NaCl或其它污染物。因此，可以将氢压缩和储存，作为电子级H2用于原位发电，例如与低级别煤混合燃烧或者用于燃烧技术改进。或者，氢可用于锅炉染料，用于在脱碳之后进行的分离过程。膜电解池技术还可以通过添加小型装置使规模从实验室级别扩大到工厂生产级别。另外，通过膜方法声场的氯气比其它标准电解方法生产的氯气的湿度小。因此，单级压缩循环足以生产水处理级别的氯。这些方法和设备可进一步改良、优化和放大，利用本领域的普通技术人员所用的化学、化学工程和/或材料科学的原理和技术。此列原理和技术，包括利用低压电解(LVE)以改善该过程的热力学效率的技术，例如，教导于U.S.专利申请No. 11/233，509 (提交于2005年9月22日)；U. S.临时专利申请No. 60/71 8，906 (提交于2005年9月20日)；U. S.临时专利申请No. 60/642，698 (提交于2005年I月10日)；U. S.临时专利申请No. 60/612，355 (提交于 2004 年 9 月 23 日)；U. S.专利申请 No. 12/235，482 (提交于 2008年9月22日)；U.S.临时申请No. 60/973，948(提交于2007年9月20日)；U. S.临时申请No. 61/032，802 (提交于 2008 年 2 月 29 日)；U. S.临时申请 No. 61/0) 33，298 (提交于 2008年3月3日)和国际申请No.PCT/US08/77122(提交于2008年9月19日)。每一上述引用的文献公开的整个内容(包括任何附录)在此具体引入作为参考，而不放弃任何内容。X.废热的回收因为本发明的某些实施方案是在存在电厂或排放大量烟气形式或其他燃烧产生的热气体形式的CO2的情况下使用，所以不同于标准氯碱工艺，本发明有充足的机会在优化给电化学池中利用该‘废’热。例如，通常进入的烟气温度(例如，在静电沉淀处理后)可为300°C。热交换可将烟气降到300°C以下，同时使阳极电解液和阴极电解液升温(对于LVE，通常应该保持在> 90°C )，可以使本发明的某些实施方案在没有与阳极和阴极加热有关的功率损失的情况下运行。通常，因为在发电厂出口得到的烟气的温度在100°C (通常涤气后)、300°C (在沉淀处理后)和900°C (沉淀入口)或其它这类数值之间，进入的烟气通过能量回收循环的热交换而冷却，从而可提取相当多的废热，其中的实例为氨-水循环(例如“Kalina”循环)、蒸气循环或完成相同热力学方法的任何此类循环。因为本发明的某些实施方案依赖DC能量来完成本发明反应物/吸收剂的制备，所以可以通过废热回收对所述方法直接、部分地或完全提供电力完成，而没有与将DC能量转化为其他用途所需的AC能量相关的正常变换器损失的情况。此外，通过使用废热来使发动机工作，可以在完全不使用发电步骤的情况下实现显著的效率。在一些情况中，这些废热回收能量的数量可以完全提供本发明实施方案所需的电力。XI.脱碳和电解过程中副产物的生成和应用如上所述，本发明的装置和方法的某些实施方案在脱碳和电解过程中产生很多有用的副产物，包括氯气、碳酸钠和氢气。在一些实施方案中，将本发明实施方案产生的氢气引入到氢能重捕获循环中。在一些实施方案中，本发明可包括目前的氟化聚合物膜技术，以减少氯离子向脱二氧化碳过程的迁移。因此，该方法可以在没有加大能量和成本花费的情况下分离出氯离子；脱二氧化碳和分离循环中相对而言没有氯化物。A.氢能重捕获循环可以利用几种技术自本发明实施方案产生的氢重新捕获能量。例如，氢可以与煤一起燃烧以改善煤燃烧的排放情况。另一种技术涉及利用氢/氧燃料电池用以产生DC电。另一种技术涉及氢在与发电机连接的涡轮机内燃烧。另一种技术涉及混合氢与天然气并将该混合物在设计用以天然气发电并连接至发电机的涡轮机内燃烧。任一种这些技术可单独使用或组合使用，在一些情况下，与其他未具体提及的技术一起。在一个实施方案中，商业燃料电池产生DC电是有利的，因为在亚大气压下意欲操作和安全运行。所产生的氢立即消耗也直接减少了盐水电解的电力负载成本。此外，由于氢能回收循环可以在非高峰发电时期产生，H2随后可用于在高峰负荷时提供电力，所以本发明能够以低成本制备反应物，同时随后产生辅助的高成本峰值电力，并且同时进行脱碳过程。经济地利用H2能量回收循环通过增加作为燃料或在燃料电池中H2产生电流的能力来提高电厂的高峰产电量，可以提供自-燃烧基础的利用。B.用于II族硅酸盐的氯化的氯气的用途在一些实施方案中，氯气可以被液化为盐酸，其然后用于氯化II族硅酸盐矿物。II族氯化物随后可以于离子交换反应中与碳酸钠反应。参见上述反应式3-7。
氯气的液化以及随后盐酸的使用尤其是吸引人的，尤其是当氯市场饱和的情况下。氯气的液化可根据反应式11实现Cl2(g)+2H20(l)+h V (363nm) — 2HCl(l)+l/202 (g) (11)在一些实施方案中，如此产生的氧气可被返回至发电厂本身的空气入口，其中在发电工业研究过程中已经证明了，富氧入口发电厂具有(a)更高的carnot-效率，(b)更浓的CO2出口气流，(C)对于热入口空气更低的热交换，和(d)优于非富氧发电厂的其他优点。在其他实施方案中，该氧气可用于氢气/氧气燃料电池中。在其他实施方案中，该氧气可作为设计用于天然气发电厂的涡轮机的氧化剂部分，例如，利用氢气和天然气混合的混合物的发电厂的涡轮机。XII.其他污染物从源的去除除了从源除去CO2外，在本发明的一些实施方案中，该脱碳条件还会除去SO5^PNOx,以及较少程度的汞。利用于电荷-负载的单级脱碳器中的S0x/Ar和N0x/Ar的测试已经证明了 99% +除去了烟气的这些成分(“99% +”是指在14L/分钟烟气处理情形中通过气相色谱技术没有检测到任一种污染物的存在，即，它们被有效地除去)。在本发明的某些实施方案中，NOx, SOx和汞化合物的顺带洗涤除去可带来更大的经济重要性；8卩，通过应用本发明的实施方案，含有大量的这些化合物的煤可在发电厂中燃烧，在一些实施方案中，同时与没有进行本发明实施方案的CO2/吸收的益处的更高级的煤相比，其造成的污染更少。氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺氺本文所公开和要求保护的全部方法可以依据本公开进行制造和实施，而无需过多试验。虽然本发明的组成和方法已经以优选实施方案的方式描述，但是本领域技术人员显而易见，可以对本文所述的方法以及该方法的步骤或步骤的顺序作出改动而不脱离本发明的构思、精神和范围。对于本领域技术人员显而易见的全部此类相似替代和修改被认为处于如通过所附权利要求书所限定的本发明的精神、范围和构思中。
权利要求
1.一种固定从源产生的二氧化碳的方法，包括 (a)获得水性混合物中的氢氧化物盐 (b)在适宜在第一混合物中形成第一碳酸盐的条件下混合该氢氧化物盐与由所述源产生的二氧化碳； (c)在适宜形成相应的II族氯化物盐、水和二氧化硅的条件下用盐酸氯化II族硅酸盐矿物； (d)在适宜在第二混合物中形成II族碳酸盐的条件下混合所述II族氯化物盐与所述第一碳酸盐；和 (e)自该混合物分离所述II族碳酸盐， 由此，该二氧化碳被固定为矿物产品形式。
2.权利要求I的方法，还包括 (f)获得第二氯化物盐；和 (g)在氯碱条件下反应所述第二氯化物盐以形成包括氯气、氢气和氢氧化物的产物。
3.权利要求2的方法，其中步骤(b)中的一些或所有的氢氧化物盐获自于步骤(g)。
4.权利要求2的方法，还包括 (h)获得氯气；和 (i)将该氯气在光降解条件下液化以形成氯化氢。
5.权利要求4的方法，其中步骤(h)中的一些或所有的氯气获自于步骤(g)。
6.权利要求4的方法，其中步骤(i)中的一些或所有的氯化氢用于氯化步骤(c)中的II族硅酸盐矿物。
7.权利要求1-6中任一项的方法，其中步骤(d)的反应在电化学池中发生。
8.权利要求7的方法，其中步骤(d)还包括 (d) (I)在适宜形成第一碳酸氢盐的条件下将所述第一碳酸盐与质子源反应；和 (d) (2)将该第一碳酸氢盐与所述II族氯化物盐反应以形成II族碳酸盐。
9.权利要求8的方法，其中步骤(d)(2)的反应还包括形成第二氯化物盐。
10.权利要求9的方法，其中步骤(f)中的一些或所有的第二氯化物盐获自于步骤(d) ⑵。
11.权利要求7-10中任一项的方法，其中所述电化学池产生第一电能量源。
12.权利要求11的方法，其中以基于所述电化学池的理论最大电势大于70%的效率产生所述第一电能量源。
13.权利要求11的方法，其中一些或所有的该第一能量源用于驱动部分步骤(g)的反应。
14.权利要求2-14中任一项的方法，还包括 U)利用步骤(g)的一些或所有的氢气产生第二能量源。
15.权利要求14的方法，其中一些或所有的所述第二能量源用于驱动部分步骤(g)的反应。
16.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述氢氧化物盐为氢氧化钠。
17.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述第一碳酸盐为碳酸钠。
18.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述II族硅酸盐矿物为II族链硅酸盐。
19.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述II族娃酸盐矿物为CaSiO3。
20.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述II族娃酸盐矿物为MgSiO30
21.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述II族氯化物盐为CaCl2。
22.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述II族氯化物盐为MgCl2。
23.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述II族碳酸盐为CaC03。
24.权利要求1-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述II族碳酸盐为MgC03。
25.权利要求2-15中任一项的方法，其中一些或所有的所述第二氯化物盐为NaCl。
26.权利要求4-15中任一项的方法，其中所述光解条件包括在波长为约200nm至约400nm的福射。
27.权利要求26的方法，其中所述波长为约254nm。
28.权利要求26的方法，其中所述波长为约363nm。
29.权利要求1-28中任一项的方法，其中获得氢氧化物包括(a) (I)获得I族或II族盐； (a) (2)将该盐与酸和水，与酸和蒸汽，或与酸、水和蒸汽混合，以产生质子化的盐水溶液；和 (a) (3)电解该质子化的盐水溶液，以产生氢氧化物。
全文摘要
本发明涉及二氧化碳固定，包括其中使用II族硅酸盐从废气流除去二氧化碳从而形成相应的II族碳酸盐和二氧化硅的方法。
文档编号B01D53/14GK102762277SQ201080064309
公开日2012年10月31日 申请日期2010年12月17日 优先权日2009年12月18日
发明者乔·大卫·琼斯 申请人:斯凯约尼克公司