[发明专利]用于产生pH梯度的电化学装置

说明书

本发明题为“用于产生pH梯度的电化学装置”。本发明涉及一种无膜电化学装置，其包括输入到所述无膜电化学电池的流体进料流、第一电极和第二电极。所述第一电极包含被配置成与所述流体进料流的第一部分进行质子耦合氧化反应的第一氧化还原活性材料，并且所述第二电极包含被配置成与所述流体进料流的第二部分进行质子耦合还原反应的第二氧化还原活性材料。所述流体进料流的所述第一部分和所述第二部分是分离的。第一流出物料流包含所述第一部分并具有第一pH，并且第二流出物料流包含所述第二部分并具有不同于所述第一pH的第二pH。

技术领域

本公开总体上涉及用于在流体料流内形成pH梯度的系统及其操作方法。

背景技术

世界上的海洋从大气中吸收二氧化碳(CO₂)作为碳循环的一部分。随着大气二氧化碳水平的增加，海洋吸收的CO₂的量也在增加。当二氧化碳溶解在海水中时，其反应产生碳酸。碳酸又释放氢离子(H⁺)，从而形成碳酸根(CO₃^-2)离子和碳酸氢根(HCO₃^-)离子。决定溶解的二氧化碳、碳酸根和碳酸氢根的相对分数的海水pH通常为约8.3。这意味着海水中大部分溶解的总碳呈碳酸氢根的形式。这些反应随时间的累积增加了海洋海水的酸度，对海洋植物和动物的生命产生负面影响。从海洋移除二氧化碳将为海洋提供从大气中进一步移除二氧化碳的能力，并有助于恢复我们海洋的海水的pH平衡。此外，所移除的二氧化碳可以被隔离和/或以其他方式用于多种行业，诸如建筑材料(例如，混凝土)、商品用化学品(例如，聚合物、钾碱)、燃料(例如，液态烃)、碳材料(例如，石墨烯、纳米管等)以及水产养殖。

实现从海水中捕获二氧化碳的一种方式是首先增加水的酸度以作为二氧化碳释放溶解的碳酸氢根和碳酸根离子，然后增加碱度以恢复pH。提高海水碱度的另一种方法是将酸化水与例如碳酸钙的细悬浮液混合，这将碳酸钙转化成碳酸氢钙，同时将碱化水释放到海洋中。代替各种等级的碳酸钙，可以替代地添加石灰石或其他富含碳酸盐的矿物质。这些反应中的阳离子不必是钙；也可以使用富含碳酸镁的矿物质。任一方法均可使用双极膜电渗析来实现，其可产生酸化料流和碱性料流。然而，在双极膜内部产生与高浓度的氢氧根离子非常接近的高浓度的水合氢离子(“质子”)所产生的在大量海水中形成pH梯度所需的能量极低，这对于二氧化碳提取是低效的。公开了涉及以低能耗在大量液体进料流中产生pH梯度的实施方案，其有利于从海水中有效提取二氧化碳或在海水中储存二氧化碳。

发明内容

本文所述的实施方案涉及无膜电化学装置。所述装置包括输入到所述无膜电化学装置的流体进料流、第一电极和第二电极。所述第一电极包含被配置成与所述流体进料流的第一部分进行质子耦合氧化反应的第一氧化还原活性材料，并且所述第二电极包含被配置成与所述流体进料流的第二部分进行质子耦合还原反应的第二氧化还原活性材料。所述进料流的所述第一部分和所述第二部分是分离的。所述装置还包括包含所述第一部分并具有第一pH的第一流出物料流和包含所述第二部分并具有第二pH的第二流出物料流。所述第二pH不同于所述第一pH。

其他实施方案涉及一种系统。所述系统包括流体进料流、无膜电化学装置、能量源、第一容器和第二容器以及开关阀。所述无膜电化学装置包括第一电极、第二电极、第一流出物料流和第二流出物料流。所述第一电极包含被配置成响应于第一电位而与所述流体进料流的第一部分进行质子耦合氧化反应的第一氧化还原活性材料，并且所述第二电极包含被配置成响应于第一电位而与所述流体进料流的第二部分进行质子耦合还原反应的第二氧化还原活性材料。所述第一部分和所述第二部分彼此分离。所述第一流出物料流包含所述第一部分并具有第一pH，并且所述第二流出物料流包含所述第二部分并具有不同于所述第一pH的第二pH。所述能量源被配置成跨所述第一电极和所述第二电极施加第一电位和反向的第二电位。所述第一容器被配置成接收具有所述第一pH的流出物料流，并且所述第二容器被配置成接收具有所述第二pH的流出物料流。所述开关阀耦接到所述第一流出物料流和所述第二流出物料流以及所述第一容器和所述第二容器。