通过碳酸盐水溶液捕获和电渗析回收CO₂的系统和方法

专利名称：：通过碳酸盐水溶液捕获和电渗析回收CO₂的系统和方法
技术领域：
：本申请涉及碳捕获和再生，具体而言，涉及基于溶剂的C02捕获和再生，所述C02产生于供给化石燃料的发电装置、煤气化设备或其他来源。
背景技术：
：尽管基于溶剂的捕获技术很有前景，但它们并非没有不足之处。相对于发电设备烟道气提取、煤气化设备的预燃气体提取和其他来源中的C02提取之所需而言，捕获及再生能量效率仍然很低。溶剂成本和系统组成部分的退化也成为令人关注的问题。此外，还需处理潜在的溶剂和溶剂降解副产物的排放问题。C02的无机水溶液捕获法具有某些优点，并且应用于方法条件允许之处，其产品的价值也高到可以合理接受其提高的成本的程度。一类具体的无机水溶液法净皮称为Benfield高温KC03水溶液捕获系统。该方法在不希望使用有机溶剂且成本亦不成为问题时很适宜。Benfield系统是天然气和炼油工业中为除去C02所常用的溶剂捕获技术之一。虽然Benfield系统教导的C02的水溶液捕获快速高效，但再生过程所耗费的能量很高，并且需要对进气流进行加压，这就使其在烟道气捕获方面不那么有吸引力。因此，需要其他更有效的水性溶剂再生系统和方法。C02的水溶液捕获领域中的一个特别创新是使用了双极性膜电渗析(BPMED)，它已被用于酸/碱回收和/或其他的废物流处理。BPMED利用了以下原理水在外电场的存在下自然解离成氢氧根和水合氢离子从而产生彼此独立的酸性水液流和碱性水液流。根据出版物Nagasawa,H，Yamasaki，A"Yanagisawa，Y,NETL-SixthAnnualConferenceonCarbonCapture&Sequestration(2007),Nagasawa等人已对BPMED'用于回收烟道气中的C02进行了研究，上述出版物通过援引的方式全文纳入说明书。所示图1为一个利用例如Nagasawa等人提出的电渗析系统和方法从碱金属碳酸盐溶液中回收C02和碱溶液的系统100。根据图1的系统实施电渗析C02回收方法时，碱金属碳酸盐(M2C03)水溶液与气相中的C02相接触时发生以下反应C02+H20eH2C03(1)H2C03&H++HC03_(2)HC03-eH++C032-(3)升高温度或者向系统中加入质子(即减小pH)可使该平衡向左侧移动，从而增加C02分压。前一种机制对应于从碳酸盐溶液中回收C02的热回收法。而将要描述的方法对应于后一种机制。具体而言，通过解离水分子(如下所示)可提供质子，H20oH++Otf(4)在能够回收C02之前，需将质子与氢氧根离子分离，然后将其供给加料溶液。在此之后，为了保持溶液电中性，应除去加料溶液中的碱金属离子。除去的氢氧根离子和碱金属离子将形成可重复用于C02吸收的碱性溶液。为实现上述过程，如图1的系统100所示，碱池102和加料池104夹在两个双极性膜106、108和一个阳离子交换膜110之间。双极性膜106、108的另一侧分别与阴极池112和阳极池114相接触，其中电极116、118被插入相应的电解质溶液120、122中。将碳酸盐碱溶液124从进料池104加入，具有与碱溶液124相同阳离子的电解质溶液126从碱池102加入。128示出了C02释放。阳离子交换膜为一类专门转运阳离子的离子交换膜。双极性膜具有阳离子交换层和阴离子交换层(未分别示出)的双层层状结构。当通过电源(未示出)向电极116、118施加大于水的电渗析分解电压的电势差时，双极性膜108将水分子分成成对的质子(H+)和氢氧根离子(OH-)。生成的质子顺电势差被转运到加料池104。同时，加料池104中的碱金属离子(M+)通过阳离子交换膜110被转运到碱池102中。因此，加料溶液的pH降低，溶液根据以下原理生成C02气体c032-+h+—hccv(3')hc03+h+—h2c03(2')h2c03—c02t+h2o(r)另一方面，与碱池102接触的双极性膜106向碱池提供氬氧根离子(OH-)，其中碱溶液借助从加料池104转运而来的碱金属离子(M+)而得到再生。再生的碱溶液可重复用于废气中C02的捕获。电渗析为潜在的节能方法，因为它可在近似最小热力学能量消耗下进行。然而，该方法效率将由于电极池中的电解过程而显著降低。例如，在透析池电极末端，一部分电力将被消耗用于产生氧气和氢气。然而，增加两个电极之间的加料池和碱池对的数目将减少电解中分散的能量消耗并提高该方法的效率。更具体而言，不论两个电极间的加料池和碱池对的数目如何，在恒定电流下电解损耗的电力(在电极末端形成112和02)恒定。增加碱池和加料池对，将减少每个池电解的能量消耗。然而，Nagasawa等人所述的系统存在不足之处。使用BPMED技术回收C02的障碍有操作上的考虑(例如池中C02逸出)所致的系统在物理方面退化的可能，以及投资成本和运4亍成本，例如未控制的系统pH所致的能量成本。这些不足并不是根本性问题，因此有利地考虑对现有构思进行改进以克服碳酸盐/碳酸氢盐提取和C02浓缩方面的局限性。
发明内容一种用于回收C02的系统和方法，包括含捕获溶液的水溶液捕获装置。所述水溶液捕获装置被设置成用于接收气体和从该气体中捕获至少含C02的成分。与所述捕获装置可操作连接的电渗析单元对至少含C02的捕获溶液进行电渗析操作，其中由所述至少含C02的捕获溶液形成富含C02的生产液流和再生的捕获溶液。所述富含C02的生产液流为一种在电渗析单元中处于能将C02基本上维持在所述富含C02的生产液流中的压强下的加压生产液流。在另一个供选方案中，至少所述捕获液流的pH受到控制。图1为表示用电渗析方法从碱固定溶液中回收C02和碱溶液的回收系统的示意框图2为包含本申请构思的方法流程示意图3示出了可用于图2系统的三层双极性膜电渗析层叠；和图4示出了另一个可用于图2系统的构思的双层池构造双极性膜电渗析层叠；和图5为包含例如图3和4所述池的双极性膜层叠。具体实施例方式在一个方面，本发明提供了一种回收C02的系统，包括一个含捕获溶液的水溶液捕获装置，所述水溶液捕获装置被设置成用于接收气体和从该气体中捕获至少含C02的成分；和一个与所述捕获装置可操作连接的对所述至少含C02的捕获溶液进行电渗析操作的电渗析单元，其中由所述至少含C02的捕获溶液形成富含C02的生产液流和再生捕获溶液，所述再生捕获溶液被输送回所述水溶液捕获装置，所述富含C02的生产液流为一种在电渗析单元中处于能将C02基本上维持在所述富含C02的生产液流中的压强下的加压生产液流。在一些实施方案中，上述系统还可包括用于监测所述系统pH的监测仪；进一步地，上述系统还包括一个根据该监测仪提供的信号控制所述捕获溶液的流速的控制器。在一些实施方案中，所述系统中的电渗析单元可为双极性膜电渗析单元。另一个方面，本发明提供了一种回收C02的方法，包括在一个水溶液捕获装置中接收气体；通过所述水溶液捕获装置中的捕获溶液捕获至少部分的至少含C02的气体；和通过一个电渗析单元对所述捕获溶液进行电渗析操作，其中由所述至少含C02的捕获溶液产生富含C02的生产液流和再生捕获溶液，所述富含C02的生产液流为一种在电渗析单元中处于能将C02基本上维持在所述富含C02的生产液流中的压强下的加压生产液流。在一些实施方案中，上述方法还可包括将所述再生捕获溶液输送回水溶液捕获装置，所述再生捕获溶液基本上被去除C02;通过气体释出/分离罐对富含C02的生产液流至少部分地减压以从所述生产液流中7除去C02;和将去除了C02的生产液流输送回并通过电渗析单元。进一步地，在电渗析单元处理所述富含C02的生产液流时，所述捕获溶液有利地被施以可足以基本上消除C02从富含C02的生产液流中的逸出的压力。在一些实施方案中，所述方法还可包括，在用电渗析单元对捕获溶液进行操作前至少控制所述捕获溶液的pH。有利地，电渗析单元中的捕获溶液生产液流的pH可为8至10;富含C02的生产液流的压强可为2-200个大气压。在一些实施方案中，所述方法还可包括在电渗析单元内提供一种緩冲生产液流。再一个方面，本发明提供了一种回收C02的方法，包括在一个水溶液捕获装置中接收气体；通过所述水溶液捕获装置中的捕获溶液捕获至少部分的至少含C02的气体；通过一个电渗析单元对所述捕获溶液进行电渗析操作，其中由所述捕获溶液产生富含C02的生产液流和再生捕获溶液；和在所述电渗析单元对所述捕获液流进行操作前至少控制所述捕获液流的pH。在一些实施方案中，该方法还可包括将所述再生捕获溶液输送回水溶液捕获装置，所述再生捕获溶液被基本上去除C02;除去所述富含C02的生产液流中的C02;和将去除了C02的生产液流输送回并通过电渗析单元。在该方法的一些实施方案中，所述富含C02的生产液流可为一种在所述电渗析单元中处于能将C02基本上维持在所述富含C02的生产液流中的压强下的加压生产液流。此时，除去富含C02的生产液流中的co2的步骤可有利地包括对所述富含C02的生产液流至少部分地减压。富含C02的生产液流的压强可有利地为2-200个大气压。并且，有利地，在电渗析单元处理富含C02的生产液流时，所述捕获溶液被施以可足以基本上消除C02从富含C02的生产液流中的逸出的压力。在该方法的一些实施方案中，电渗析单元中捕获液流的生产液流的pH可有利地为8至10。在一些实施方案中，所述方法可进一步包括在电渗析单元内提供一种緩冲生产液流。I)系统方法流程现参照图2，该图所示为包含本申请构思的示意方法流程200，它例如可克服诸如图1所示系统的缺点。更具体而言，图2为一个闭环的水溶液捕获高压双极性膜电渗析再生系统。应理解，虽然图2示出了包含本申请构思的系统的一个实施方案，所公开的构思同样适于并且可用于具有非图2所示的组成部分和流程的系统。此外，尽管该部分引入了本申请的构思，但随后的部分中可对所引入的构思予以扩展。首先，来自产生C02的装置204的空气和/或其他气体202在环境条件下即在与入口空气和/或气体相同的条件下通过水溶液捕获装置例如喷雾塔206。本领域公知，可进行任选的、除去环境污染物例如S02，Hg，NOx和固体颗粒(烟尘)的气体预处理(图2未示出)。喷雾塔206由10%-50%K2C03/KHC03水溶液逆流组成，其中捕获溶液208收集于罐210中。捕获溶液在此处捕获并包含入烟道气和/或大气空气中所含的组分，该组分至少含C02。从喷雾塔206排出的固体212得到分离并从捕获溶液208中移除。此后，含烟道气和/或空气的剩余组分的捕获溶液208被泵入离子交换装置214中，所述离子交换例如为二价阳离子交换，其中二价阳离子被除去。在实施方案中，也可除去三价或者更高价的多价离子。通过该操作除去可能对透析膜材料有害的多价阳离子。然后，通过加压泵216将捕获溶液208加压至2-200个大气压，并将该溶液导入双极性膜电渗析单元218中。该系统在此处控制捕获溶液的pH，从而使捕获溶液在进入电渗析单元前具有已知的pH。在电渗析单元218(在一些实施方案中，它可被构建成对应于图3、4和5的结构)中，通过电渗析对捕获溶液208部分脱除碳酸氢盐。该碳酸氢盐被转移至经緩冲的富含C02的生产液流220中，其具有约3.0至4.0的恒定pH。该富含C02的高压生产液流220通过P调节器222被转移至气体释出/分离罐224中，其中罐224的压强随着C02的释放而降低。之后，用冷凝器226除去释出的C02中的水蒸汽。随后，对0)2加压至约2000PSI，该C02即可用于储存和/或运输。在一些实施方案中，可能并不需要冷凝溶液，而有利地只是形成碳酸盐溶液，并将其运输储存或保管。此外，在实施方案中，应理解，所述富含C02的生产液流应理解为其C02浓度为捕获液流中溶解的C02浓度的至少两倍。将现除去C02的生产液流228通过再次加压泵230和热交换器232返回至电渗析单元218中，而再生的K2C03/KHC03烟道气捕获溶液234通过P调节器236返回至喷雾塔206中。富含C02的生产液流220和捕获溶液208在电渗析单元218中保持彼此分离。应理解，如本文所使用的，所述的除去、部分除去和/或基本上除去再生的捕获溶液中的C02意为从C02产生装置204(或其他来源)生成的空气和/或其他气体202中除去的C02的量高到足以达到所需的C02去除量。例如，在一个实施方案中，当从空气和/或其他气体202中除去10%或更多C02时，即可达到所需的C02去除量。如此处所述，亦如随后部分中所展开的，本发明系统的一个具体方面为向捕获溶液施加压力并控制系统pH值。关于pH的控制，现有的其他领域中的双极性膜电渗析(BPMED)系统的实施通常是在没有控制pH的情况下进行。由于双极性膜电渗析系统很容易产生酸和碱，如果不对其进行调控，该系统的酸侧的pH将会在很短时间内基本上降到1或0，碱侧也会形成碱性很强的环境。因此，在一个未受调控的系统内可很快出现例如14的pH差异。这种情况是在用BPMED进行C02回收时特别不想出现的，原因是，如此高的pH差异会增加进行电渗析方法所必须使用的能量。为解决该问题，本发明的系统和方法实行对pH值的监测和控制。为实现该目标，系统200包括探测该过程中多种特征的监测仪。例如，C02监测仪238检测进入喷雾塔206的C02的量，pH监测仪240检测从喷雾塔206排出的捕获溶液208的pH值。该系统借助监测仪238和240的读数调节方法操作以确保维持所需的pH值。例如，根据接收到喷雾塔206中的C02的量，可增大或减小捕获溶液的流速。本领域中已公知，可通过多种不同机制增大和/或减小生产液流的流速。在一个实施方案中，P调节器236被置于与控制器242可操作连接的位置，控制器242也可接收监测仪238、239和240中至少一个的信号。基于从监测仪238和240接收的信息，控制器242调节P调节器236的工作状态从而增大和/减小进入喷雾塔206中的再生捕获溶液234的液流。该信号可通过任何已知方式例如电路连接和/或无线连接进行传递。例如，在该图中，示出控制器242与P调节器236电路连接，而监测仪238、239和240以及控制器242之间为无线通讯。当然应理解，以上所述的只是系统200中如何监测和控制pH的一10个实施方案，其他监测仪和控制方法也可使用于其中。例如，在另一个实施方案中，如果根据来自喷雾塔的捕获溶液的pH确定需要加入额外的捕获溶液，则可在捕获溶液208离开喷雾塔后，例如在捕获溶液208进入离子交换装置214前，向该捕获溶液208液流中加入(例如碳酸钾的)补充液流244。在又一个实施方案中，来自P调节器236的再生液流可通过合适的阀装置由喷雾塔206转向捕获溶液208，如虚线246所示。再次说明，这些仅为如何将pH维持在所需水平的一些实例，其他这里未提及的实例也可使用。II)喷雾塔吸收现深入讨论C02的捕获，对于在纯的以及被促进的碳酸盐/碳酸氢盐水溶液中的这类捕获已有近IOO年的研究历史。未经促进的以及得到促进的捕获反应的动力学和能量学已广为人知，并且已在Tseng,P.C.，Ho，W.S.，Savage,D.W.，AIChEJournalVol.34，No.6(1988)922-931.(和其中所引的参考文献)和Lee，Y.，Noble,R.D.，Yeomb，B.Y.，Park,Y.I.，Lee，K.H.，JournalofMembraneScience194(2001)57-67详细描述，所述文献的每一篇均通过引用的方式全文纳入本文。因此，与例如本申请等所述的系统有关的稀溶液的纯粹的水动力学和能量学在下表l中示出表lC02水溶液吸收的动力学数据<table>tableseeoriginaldocumentpage11</column></row><table>还应理解，虽然图2使用喷雾塔进行水溶液捕获，但可使用许多其他已知的水溶液捕获装置和方法，包括但不限于填料塔、文丘里涤气器和中空纤维膜等等。尽管通常在封闭系统中使用可防止溶剂损失的促进剂，但纯粹的碳酸盐水溶液捕获在能允许碳酸盐溶剂的低C02负载的情况下特别可行。组分和液流的流速和大小根据装置类型和具体结构而定；但碳酸盐捕获的流速在大型的气体/液体装置可接受的范围内。例如图2所示的系统中的溶剂(水)损失保持在最低程度。对于烟道气捕获，烟道气流的高露点可使蒸发损失保持在最小程度。由于BPMED再生对于二价粒子例如Ca"敏感，可对喷雾塔的结构进行控制以限制它们的溶解。具体而言，可能需要合适的塔内聚合物涂层和其他流体处理组成部分。III)高压双极性膜电渗析再生如上所述，借助于电渗析的碳酸盐/碳酸氢盐液流的再生已在实验室水平上得到证实。除了前述的Nagasawa，"a/.，还可参见Chlanda，F.P.，Mani，K.N.，"ElectrodialyticWaterSplittingProcessforGaseousProducts,"美国专利4592817，1986年6月；Chlanda，F.P.，Mani，K.N.，"ProcessforRecoveringSodiumCarbonatefromTronaandOtherMixturesofSodiumCarbonateandSodiumBicarbonate,"美国专利4584077，1986年4月；以及Chlanda,F.P.，Mani，K.N.，"SolutionMiningofSodiumMineralswithAcidsGeneratedbyElectrodialyticWaterSplitting,"美国专利4636289，1987年1月，上述每一篇文献均通过援引的方式全文纳入本文。这些现有方法的缺陷包括，由于捕获溶液中C02释放引起膜层叠结构内形成气泡所致的膜退化。该膜层叠结构中的气泡形成导致电流聚集和局部发热。此外，溶液的低电导率和生产液流的混合不均会导致膜层叠结构内的内阻很高、电势尤其高以及效率降低。膜层叠结构体可通过商业途径购得，它们通常为约1mxlm的以平方米为单位的薄片，其中膜间距约为lmm，或者如果可能甚至更小。由于气泡容易阻滞可产生离子电流的离子转移，因此气泡的形成会导致膜层叠结构的退化和破坏。因此，由于气泡形成，离子电流就趋向绕过气泡而不釆用所希望的电流路径，从而导致膜局部发热，最终将膜破坏。并且，在这类层叠结构中还不能快速高效地除去气泡。为应对这一状况，本申请在高压下完成该方法的主要部分。具体而言，已知C02可溶于水，并且压强越高其溶解量越多。因此，通过在2个大气压以上，以及在2-200个大气压范围内，优选在30个大气压或更高压强下进行透析操作，可基本上抑制膜层叠结构中C02气泡形成，从而将C02基本维持在富含C02的生产液流中，这就意味着层叠结构中的C02气体形成被降到最低水平或者被消除。该压强为流体静压强，因此仍会发生电渗析反应(即，C02进入膜层叠结构并被酸化)，但只要C02浓度保持在形成气泡的阈值水平或高于该水平，它就仍会维持在溶液形式中。这与使苏打水处于压力条件下时维持苏打水的碳酸化作用类似。因此，将膜层叠结构的压强维持在较高水平，并且只在膜层叠结构下游降低该方法的压强。之后，捕获溶液就会逐渐冒泡，C02从捕获溶液液流中逸出。对于图2的系统200的讨论，已经描述了使用加压泵216提供压力。应理解，这只是所述系统中进行加压的一种设置和/或方式。或者，水溶液捕获装置自身可被加压或者可在不同于加压泵216的位置上提供加压源。再者，尽管已经描述了可对捕获液流施加压强，但本文所述的构思是关于将C02维持在溶液中。因此，本发明的构思也可表述为指出所述富含C02的生产液流为一种处于能将C02基本上维持在所述富含C02的生产液流中的压强下的加压生产液流。这一表述强调，不论如何对系统施加压力，为实现本发明所述的有益效果，C02被维持在系统中的溶液状态下。在一个具体的实施方案中，需应用于所述富含C02的生产液流以确保将C02基本上维持在所述富含C02的生产液流中的压强最小阈值比该压强计算值高5%。在一些实施方案中，向所述富含C02的生产液流施加该压强是通过向捕获溶液施加压强而实现。当然，如果一个系统能够以更准确的方式调控该系统的压强，则其最小值可更接近计算值。先前述及的本申请的另一方面是需要对系统pH进行控制。通过控制系统pH来实现更加能量有效的再生。pH问题涉及热力学问题。具体而言，双极性膜通过水分解而产生酸和碱。电渗析层叠结构利用了水的天然解离并驱使氢氧根阴离子向阳极移动，驱使水合质子阳离子穿过双极性膜的阳离子交换部分向阴极移动。与该过程有关的能量与跨双极性膜的pH差直接相关。例如，如果阳离子侧pH为7并且阴离子侧的pH也为7，则将一个质子从一侧转运至另一侧(即，从膜的中部至阳离子侧，或者对于氢氧根而言，转运至另一侧)所需的能量增量无穷小。然而，如果出现一侧pH为0而另一侧pH为14的情形，进行该过程所需的能量就要高得多。例如，如果两侧的差值为pH14,则当乘以0.06(由于分解水所需的每一侧的每一个pH单位的电压差为0.05至0.06)时，进行该过程需要约略小于1伏的电压(或者14x0.06=0.84v)。在现有的系统中，由于PH未得到控制，通常膜层叠结构中每个双极性膜需要略小于约1伏的最小电压。由于这些膜层叠结构可具有一百(100)个或更多的双极性膜，这就需要大量能量。因此，上述讨论说明了将膜两侧pH调控为所用浓度所需的pH的益处。在酸侧，pH控制依赖于气体逸出时压强。因此，需要将pH保持在刚好高于C02从溶液中逸出时的水平(参见表II的示例值)。由此，该系统可使用该过程所需的最小能量。作为部分从表11得出的实例，在一种情况中，控制将pH降至约3或者稍高一些，并且在碱侧，pH将为约pHll,由此产生约为8的pH差。应理解，所需电压与pH差成线性正比例。因此，pH差由14降为7或8时将会使所需电压从略小于l伏降至约0.5伏，这样就使得在既定电流下运行该过程所需的能量(电压x电流)几乎减半。再次说明，这是仅仅一个膜时的情形，而每个层叠结构可含一百个或者更多个这样的膜。将该溶液用作緩沖溶液也是有用的，因为可能会出现局部pH变得非常低或者非常高的情况。因此，尽管溶液整体上可能具有所需的pH，但如果溶液未混合均勻并且緩冲容量非常小，则可能存在局部pH较高或较低的区域，为克服局部pH的问题，仍须如之前一样花费额外的能量。因此，拥有较高的緩冲容量将pH维持在所需水平会非常有益。改善该系统的工作情况的另一方面是确保溶液的流速或者流速的性质被优化到能最大程度地混合以避免较高或较低的局部pH。小的緩冲分子由于易于混合会很有利，它们将会尽可能减小膜表面的边界层。因此，本申请描述了一种通过在适宜电流密度时使用较低电压、同时限制膜层叠结构中的气体逸出而实现高效溶剂再生的方法和系统。下面继续关注高压双极性膜电渗析再生，现参照图3，图3是一个被设计用于应对高压的市售三层双极性膜电渗析膜池装置300的示意图，该装置可被纳入一个例如图5所示的更大的膜池层叠结构500构造中。这类膜池装置层叠结构可用于从含盐废液流中回收酸和碱。虽然它们在物理形态上与形成于膜池层叠结构中的市售膜基本相似，但它们在化学方面不尽相同，因为被脱除C02的捕获溶液中含緩冲剂，而緩冲剂是在整个系统中运动的化学物质。因此层叠结构(例如图5所示)在进行电渗析过程前得到緩冲以确保适当的遍及程度。图3的膜池装置300的结构与图l所示的膜类似，只是存在附加的结构，该膜池装置300由阴离子交换膜304、阳离子交换膜306和双极性膜308组成。代表电源的阳极310和阴极312供给的电流穿过层叠结构300传递，当用于层叠结构500时，则是跨过许多个重复的透析膜池装置300单元传递。多个(包括一百个或更多个)重复膜池单元可设置在单个透析膜层叠结构内。借此，在终端电极(即阳极310、阴极312)上只有1-2%或者更少的总电势被消耗形成112和02。生成的&和02的价值包含在具体的成本分析中。每个阴离子交换膜304和阳离子交换膜306之间引入含盐液流MX(例如KHC03或K2C03),其中产生的池中电势驱使离子跨过各自的转运层转运。双极性膜层表面被提供水合氢离子和氢氧根离子，从而分别生成酸性和碱性产物流HX和MOH。该过程已被证明在许多应用中具有高电流效率，单位池电势与理论值接近，参见H,g，C.，Xu，T.，Zhang，Y.，Xue，Y.，Chen，G.，JournalofMembraneScience288(1-2)，(2007),1-12页，该文献通过援引的方式全文纳入本^L明书。图4示出具有不同于图3的膜池装置300的另一种池结构的用于本申请的方法和系统的膜池装置400。膜池装置400的设计为双极性膜404位于阴离子交换膜406两侧的形式。被设计为该形式的多个(例如，在一个实施方案中包括一百个或更多个)重复膜池装置可被安置在单个透析膜层叠结构例如层叠结构500中，阳极408和阴极410代表电源。当图3和图4的装置用于例如图2所示的系统中时，在所述装置中，从喷雾塔获得碳酸氢钾/碳酸钾溶液，对其加压以抑制C02气泡形成，并将其以盐MX形式注入膜池装置(300、400)。该碳酸氢盐/碳酸盐跨过阴离子交换层(304、406)转运至被緩冲为pH3-4的排出生产液流中。緩冲通过组分浓度以及维持足够的流速而得以维持。碳酸氢盐/碳酸盐C02捕获溶液通过来自双极性膜的氢氧根离子流而再生，同时排出的富含C02的生产液流(图中为HX液流)吸收水合氢离子流。捕获溶液被緩冲以防止由于存在大量碳酸氢根离子而使pH过度升高(pH8-10)。任选地，用酸性緩沖液以及通过维持足够流速来调控该富含C02的生产液流的pH，从而防止pH过低(目标值约pH3-4)。再生的捕获液流返回喷雾塔，而C02生产液流被输送至气体释出和分离罐。气体释出和分离罐的压强被略微降低(但仍高于大气压)以使C02逸出。从该罐中获得C02，将其干燥和压缩进一步用于运输和储存。使被去除C02的生产液流返回并泵送通过膜层叠结构以重复该循环。对包括捕获溶液和其他生产液流在内的生产液流的pH的持续监测确保了在电渗析中只需要最小的电势，由此使得能量效率最大化。IV)系统性能和操作不同于传统溶剂系统，基于水的碳酸盐吸收和BPMED再生不需要由生产液流再生溶剂，它们也不易于发生溶剂损失。溶剂(水和碳酸氯盐)价廉，在工作条件下极其稳定，并且毒性低。在环境温度和压强下的碳捕获切实可行，尽管热的烟道气或加压的气流(已存在)所致的稍稍升高的温度可能会有利。污染物例如H2S、S02和N0,在碳捕获喷雾塔中一定程度上会被水解，并且将会进入碳捕获排出液流。这些阴离子污染物可降低可能需要补给溶剂的碳捕获塔的容量。通过根据具体的安装特性提供合适的膜工作条件和过程控制来控制再生成本。所需的再生电力是电渗析中电流利用率和池电势的函数。在BPMED中，根据工作条件，电流利用率可为80%-90%。对于涉及跨双极膜的水分解的反应，较高固定电荷的理论膜电势与浓度梯度有关。这一观点在例如Ramirez,P，Mafe，S，Manzanares，JA，Pellicer，J.，JElectroanalChem1996;404:187;和Alcaraz，A.etal.Polymer41(2000)6627-663中有论述，上述每一篇文献均通过援引的方式全文纳入本说明书，其中，该观点可以如下方式示例<formula>formulaseeoriginaldocumentpage16</formula>(5)或者，在室温下相当于0M=(O.OS91O,(6)其中，在第一个方程(5)中，R为气体常数，T为热力学温度，F为法拉第(Faraday)常数，在第二个方程(6)中，ApH为跨双极性膜的pH差。通常，在双极性膜电渗析中，水合氢离子和氢氧根离子浓度接近单位活性。这就导致pH差大于14、池电势约为1V或者更高，以及电力消耗较高。然而，如上述方程中所见，如果对溶液的pH进行调控，池电势可降低。表II.002饱和溶液的选定的pH值和压强<table>tableseeoriginaldocumentpage17</column></row><table>如果使用BPMED进行碳酸氢盐/碳酸盐液流的再生，该系统将在C02近饱和条件下工作。表11示出了饱和C02溶液的pH和压强之间的关系。在工作压强升高的条件下，碳酸盐溶液的pH将在3-4范围内。碳酸盐/碳酸氢盐C02捕获液流的pH将会在捕获速度和对溶液緩沖以使透析池中的HCO3—多于CO广所需的pH之间取得一个平衡。对于一种系统能量效率被最优化的情形，捕获液流的pH约为8-9。在这种情况中，池将在约0.23-0.35V的电势下工作。然而应理解，可控制捕获溶液使其酸性更强或碱性更强。例如，可将捕获液流的pH控制在10-12。对于这种情形，捕获速度可以更高，喷雾塔可更小，但再生能量则需要更高。V)系统容量和投资系统容量受到喷雾塔吸收系统和BPMED池层叠结构中有效膜面积的限制。对电解液的电导率进行适当调控，则在这类系统中可采用50-100inA/cm2的电流密度。权利要求1.一种回收CO2的系统，包括一个含捕获溶液的水溶液捕获装置，所述水溶液捕获装置被设置成用于接收气体和从该气体中捕获至少含CO2的成分；和一个与所述捕获装置可操作连接的对所述至少含CO2的捕获溶液进行电渗析操作的电渗析单元，其中由所述至少含CO2的捕获溶液形成富含CO2的生产液流和再生捕获溶液，所述再生捕获溶液被输送回所述水溶液捕获装置，所述富含CO2的生产液流为一种在电渗析单元中处于能将CO2基本上维持在所述富含CO2的生产液流中的压强下的加压生产液流。2.权利要求l的系统，其中所述系统为闭环系统。3.权利要求l的系统，其中所述水溶液捕获装置为压力水溶液捕获装置，该装置在足以运行所述电渗析单元的高压下运行，所述电渗析单元为双极性膜电渗析单元。4.权利要求l的系统，进一步包括一个与所述电渗析单元可操作连接并被配置成用于接收所述富含C02的生产液流的气体释出罐/分离罐，所述富含C02的生产液流至少被部分减压并被除去C02，所述去除了C02的生产液流被输送回至所述电渗析单元。5.—种回收C02的方法，包括在一个水溶液捕获装置中接收气体；通过所述水溶液捕获装置中的捕获溶液捕获至少部分的至少含C02的气体；和通过一个电渗析单元对所述捕获溶液进行电渗析操作，其中由所述至少含C02的捕获溶液产生富含C02的生产液流和再生捕获溶液，所述富含C02的生产液流为一种在电渗析单元中处于能将C02基本上维持在所述富含C02的生产液流中的压强下的加压生产液流。6.—种回收C02的方法，包括在一个水溶液捕获装置中接收气体；通过所述水溶液捕获装置中的捕获溶液捕获至少部分的至少含C02的气体；通过一个电渗析单元对所述捕获溶液进行电渗析操作，其中由所述捕获溶液产生富含C02的生产液流和再生捕获溶液；和在所述电渗析单元对所述捕获液流进行操作前至少控制所述捕获液流的pH。全文摘要一种回收CO₂的系统和方法，包括含捕获溶液的水溶液捕获装置。所述水溶液捕获装置被设置成用于接收气体和从该气体中捕获至少含CO₂的成分。一个与所述捕获装置可操作连接的电渗析单元对所述至少含CO₂的捕获溶液进行电渗析操作，其中由所述至少含CO₂的捕获溶液形成富含CO₂的生产液流和再生捕获溶液。所述富含CO₂的生产液流为一种在电渗析单元中处于能将CO₂基本上维持在所述富含CO₂的生产液流中的压强下的加压生产液流。在另一个供选方案中，至少所述捕获液流的pH受到控制。文档编号C01B31/20GK101670236SQ200910169599公开日2010年3月17日申请日期2009年9月8日优先权日2008年9月8日发明者F·E·托雷斯,K·A·利陶申请人:帕洛阿尔托研究中心公司