二氧化碳的收集和相关方法.pdf

本发明描述了用于收集二氧化碳的方法。二氧化碳可以从大气和/或从二氧化碳点源(例如发电厂、化工厂、天然气田、油田、工业场所等)的废物流收集。所述方法可以包括利用碱性溶液(例如NaOH)收集二氧化碳。在一些方法中，二氧化碳可以和碱性溶液反应生成产物(例如NaHCO3)。碱性溶液可由许多不同的方式制备。在其中一些方法中，处理过程中生成的产物可用于增加超出二氧化碳收集的价值。

1.  一种用于收集二氧化碳的方法，所述方法包括：
提供水；
处理所述水以生成酸性溶液和碱性溶液；
中和所述酸性溶液；和
用所述碱性溶液从二氧化碳源收集二氧化碳。

2.  权利要求1所述的方法，其中通过与所述碱性溶液反应生成反应产物来收集所述二氧化碳，并且所述反应产物不用于再生所述碱性溶液。

3.  权利要求1所述的方法，其中通过与所述碱性溶液反应生成反应产物来收集所述二氧化碳，并且还包括处置所述反应产物。

4.  权利要求3所述的方法，其中所述反应产物在水体或基于陆地的环境中处置。

5.  权利要求1所述的方法，其中处理所述水以同时生成酸性溶液和碱性溶液。

6.  权利要求1所述的方法，包括提供天然盐水。

7.  权利要求1所述的方法，其中由选自大洋、海和湖的水体来提供所述水。

8.  权利要求1所述的方法，其中所述水包含足够浓度的离子，不需要再添加盐。

9.  权利要求1所述的方法，还包括在处理所述水以生成酸性溶液和碱性溶液之前，将盐添加到水中形成人工盐水。

10.  权利要求1所述的方法，其中利用电解步骤处理所述水以生成酸性溶液和碱性溶液。

11.  权利要求1所述的方法，其中利用热步骤处理所述水以生成酸性溶液和碱性溶液。

12.  权利要求10所述的方法，其中所述电解步骤产生卤素气体、氢气和氢氧化钠。

13.  权利要求12所述的方法，其中所述卤素气体和所述氢气反应生成所述酸性溶液。

14.  权利要求12所述的方法，其中所述卤素气体是氯气。

15.  权利要求12所述的方法，其中所述卤素气体和所述氢气在燃料电池中反应生成所述酸性溶液并产生电。

16.  权利要求1所述的方法，其中利用电渗析方法处理所述水以生成酸性溶液和碱性溶液。

17.  权利要求1所述的方法，其中所述碱性溶液包含氢氧化钠。

18.  权利要求1所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括向水体中添加所述碱性溶液。

19.  权利要求1所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括使所述二氧化碳与所述碱性溶液反应。

20.  权利要求1所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括将所述碱性溶液暴露于来自点源的二氧化碳废物流。

21.  权利要求20所述的方法，其中所述点源选自发电厂、化工厂、天然气田、油田和工业场所。

22.  权利要求1所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括通过喷淋塔使大气二氧化碳与所述碱性溶液反应。

23.  权利要求1所述的方法，其中中和所述酸性溶液包括使所述酸性溶液与反应性物质反应。

24.  权利要求23所述的方法，其中所述反应性物质由岩石和/或矿物源提供。

25.  权利要求24所述的方法，其中所述酸性溶液与所述岩石和/或矿物源原位反应。

26.  权利要求25所述的方法，还包括使所述酸性溶液流过和/或贯穿岩石和/或矿物源以使所述酸性溶液与所述岩石和/或矿物源反应。

27.  权利要求24所述的方法，其中所述岩石和/或矿物源选自硅酸盐岩石、硅酸盐矿物、镁铁质矿物、磁铁矿、镁铁质岩石、超镁铁岩石、蛇纹岩、玄武岩和铁矿石。

28.  权利要求24所述的方法，其中所述岩石和/或矿物源包含铁。

29.  权利要求24所述的方法，其中所述岩石和/或矿物源溶于酸。

30.  权利要求23所述的方法，其中所述酸性溶液和所述反应性物质反应生成氢气。

31.  权利要求30所述的方法，还包括收集所述氢气。

32.  权利要求24所述的方法，其中所述酸性溶液和所述反应性物质反应生成包含Fe²⁺的产物。

33.  权利要求32所述的方法，其中Fe²⁺在燃料电池反应中被氧化以产生电。

34.  权利要求1所述的方法，还包括分离所述酸性溶液和碱性溶液。

35.  权利要求1所述的方法，包括通过将二氧化碳溶解在所述碱性溶液中来收集所述二氧化碳。

36.  一种用于收集二氧化碳和生成氯气和氢气的方法，所述方法包括：
提供水；
处理所述水以生成氢氧化钠、氯气和氢气；和
通过使二氧化碳与氢氧化钠反应生成NaHCO₃和/或Na₂CO₃来从二氧化碳源收集二氧化碳。

37.  权利要求36所述的方法，所述方法包括提供天然盐水。

38.  权利要求36所述的方法，其中由选自大洋、海和湖的水体来提供所述水。

39.  权利要求36所述的方法，其中所述水包含足够浓度的离子，不需要再添加盐。

40.  权利要求36所述的方法，还包括在处理所述水之前将盐添加到水体中来形成人工盐水。

41.  权利要求36所述的方法，其中利用电解步骤处理所述水以生成氯气、氢气和氢氧化钠。

42.  权利要求36所述的方法，还包括用大气氧氧化所述氢气来产生水和电。

43.  权利要求36所述的方法，包括在氢气涡轮机中用大气氧氧化所述氢气来产生水和电。

44.  权利要求36所述的方法，包括在燃料电池中用大气氧氧化所述氢气来产生水和电。

45.  权利要求36所述的方法，其中利用热步骤处理所述水来生成氯气、氢气和氢氧化钠。

46.  权利要求36所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括向水体中添加所述氢氧化钠。

47.  权利要求36所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括使所述二氧化碳与所述氢氧化钠反应。

48.  权利要求36所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括使所述二氧化碳与所述氢氧化钠反应生成碳酸氢钠和/或碳酸钠。

49.  权利要求36所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括将所述氢氧化钠暴露于来自点源的二氧化碳废物流。

50.  权利要求49所述的方法，其中所述点源选自发电厂、化工厂、天然气田、油田和工业场所。

51.  权利要求36所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括通过喷淋塔使大气二氧化碳与所述氢氧化钠反应。

52.  权利要求36所述的方法，还包括出售所述氯气。

53.  一种用于收集二氧化碳的方法，包括：
提供盐溶液；
处理所述盐溶液以生成金属氢氧化物和酸性溶液；和
通过使来自二氧化碳源的二氧化碳与所述金属氢氧化物反应生成金属碳酸氢盐或金属碳酸盐来收集所述二氧化碳。

54.  权利要求53所述的方法，其中盐溶液由天然源提供。

55.  权利要求53所述的方法，其中所述盐溶液包含足够浓度的离子，不需要再添加盐。

56.  权利要求53所述的方法，所述方法还包括在处理所述水以生成酸性溶液和碱性溶液之前将盐添加到所述溶液中来形成人工盐溶液。

57.  权利要求53所述的方法，其中处理所述盐溶液来生成金属氢氧化物溶液和酸性溶液。

58.  权利要求53所述的方法，其中处理所述盐溶液来生成有机酸和氢氧化钠。

59.  权利要求53所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括向水体中添加所述氢氧化钠。

60.  权利要求53所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括使所述二氧化碳与所述金属氢氧化物反应。

61.  权利要求53所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括使所述二氧化碳与所述金属氢氧化物反应生成金属碳酸氢盐和/或金属碳酸盐。

62.  权利要求53所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括使所述二氧化碳与所述氢氧化钠反应生成金属碳酸氢盐和/或金属碳酸盐。

63.  权利要求53所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括将所述金属氢氧化物暴露于来自点源的二氧化碳废物流。

64.  权利要求63所述的方法，其中所述点源选自发电厂、化工厂、天然气田、油田和工业场所。

65.  权利要求53所述的方法，还包括出售所述酸性溶液。

66.  一种用于收集二氧化碳的方法，包括：
提供水；
将从生物质源得到的灰添加到所述水中以生成碱性溶液；和
用所述碱性溶液从二氧化碳源收集二氧化碳。

67.  权利要求66所述的方法，其中所述灰是通过燃烧生物质获得的。

68.  权利要求66所述的方法，其中所述灰是通过气化生物质获得的。

69.  权利要求66所述的方法，其中由选自大洋、海和湖的水体来提供所述水。

70.  权利要求66所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括向水体中添加所述碱性溶液。

71.  权利要求66所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括使所述二氧化碳与所述碱性溶液反应。

72.  权利要求66所述的方法，其中收集所述二氧化碳包括将所述碱性溶液暴露于来自点源的二氧化碳废物流。

73.  权利要求72所述的方法，其中所述点源选自发电厂、化工厂、天然气田、油田和工业场所。

二氧化碳的收集和相关方法
相关申请
本申请要求2006年4月27日提交的美国临时专利申请序号60/795,419和2006年9月14日提交的美国临时专利申请序号60/844,472的优先权，这两个申请的公开内容通过引用并入本文。
技术领域
本发明一般涉及从大气和/或点源(例如发电厂、化工厂、天然气田、油田和工业场所)收集(capture)二氧化碳。
背景技术
由于化石燃料的燃烧，在过去200年间二氧化碳的大气浓度从～280ppm稳定地上升至超过380ppm。对人为造成的气候变化的关注将研究转化成限制化石燃料燃烧排放CO₂的技术和直接从大气除去CO₂技术。
发明内容
描述了用于从大气和/或二氧化碳点源(例如发电厂、化工厂、天然气田、油田和工业场所)收集二氧化碳的方法。所述方法可以包括碱性溶液与二氧化碳的反应。
在一个方面中，提供了一种用于收集二氧化碳的方法。所述方法包括提供水和处理所述水来生成酸性溶液和碱性溶液。所述方法还包括中和所述酸性溶液，并且用碱性溶液从二氧化碳源收集二氧化碳。
在一个方面中，提供了一种用于收集二氧化碳并且生成氯气和氢气的方法。所述方法包括提供水并且处理所述水来生成氢氧化钠、氯气和氢气。所述方法还包括通过二氧化碳与氢氧化钠反应生成碳酸氢钠和/或碳酸钠来从二氧化碳源收集二氧化碳。
在一个方面中，提供了一种用于收集二氧化碳的方法。所述方法包括提供盐溶液并且处理所述盐溶液来生成金属氢氧化物和酸性溶液。所述方法还包括通过二氧化碳与金属氢氧化物反应生成金属碳酸氢盐和/或金属碳酸盐来从二氧化碳源收集二氧化碳。
在一个方面中，提供用于一种收集二氧化碳的方法。所述方法包括提供水并且向水中添加从生物质源得到的灰来生成碱性溶液。所述方法还包括通过用碱性溶液从二氧化碳源收集二氧化碳。
结合附图，参考下列详细的描述，本发明的其它方面、实施方案和特征将变得显而易见。附图是示意性的，无意于按比例绘制。为了清楚起见，不是每个组成部分都在每个图中标出。在不需用图示来使本领域普通技术人员理解本发明的情况下，也不显示本发明每个实施方案的每个组成部分。
附图说明
图1～4示出了根据本发明实施方案的用于收集二氧化碳的各种方法的步骤。
描述了用于收集二氧化碳的方法。可以从大气和/或从二氧化碳点源(例如发电厂、化工厂、天然气田、油田、工业场所等)的废物流收集二氧化碳。所述方法可以包括利用碱性溶液(例如NaOH)收集二氧化碳。在一些方法中，二氧化碳可以与碱性溶液反应生成产物(例如NaHCO₃)。如下面进一步描述的，可以用许多不同的方式制备所述碱性溶液。在其中一些方法中，在处理过程中生成的产物可用于增加超出收集二氧化碳的价值，如下面进一步描述的。
图1～4示意性说明了根据本发明实施方案的方法的一般步骤。图1涉及中和酸性物质的本发明的一个实施方案。图2显示了一个处理氯化钠溶液以生成氢氧化钠(NaOH)、氯气(Cl₂)和氢气(H₂)的实施方案。图3显示了一个处理盐溶液并且生成酸性物质和金属碳酸氢盐和/或金属碳酸盐的实施方案。图4显示了一个将生物质添加到水中生成碱性溶液的实施方案。
应该理解，附图中所示的示意性方法是作为实例提供的，但是其它方法也包括在本发明的范围内。术语“酸性物质”是指对溶液的酸度有贡献的溶解物质(例如离子)。术语“碱性物质”是指对溶液的碱度有贡献的溶解物质(例如离子)。
步骤10涉及生成碱性溶液。步骤20涉及从大气和/或二氧化碳点源的废物流收集二氧化碳。例如，可以通过使二氧化碳与步骤10中产生的溶液中的碱性物质反应和/或将其溶解在步骤10中产生的碱性溶液中来收集二氧化碳。步骤30(图1A～1B)涉及在所述方法中产生的产物的二次处理。所述步骤将在下面进一步描述。在步骤10中，可以使用任意合适的技术来生成碱性溶液(例如氢氧化物溶液，例如氢氧化钠)。
在一些实施方案中，步骤10(如图1A中所示)涉及处理含有足够的来自溶解盐的离子浓度的水来生成碱性溶液，所述离子例如为氯离子、氟离子、溴离子、硫酸根离子和硝酸根离子及其它离子，如下面进一步描述的。在一些情况下，尤其优选含有足够的氯离子(例如来自NaCI)浓度的水。在一些实施方案中，可以优选所述离子是守恒离子(conservative ion)(即，其浓度与温和的pH变化无关的离子)。在一些实施方案中，所述水(例如来自大洋或海(图1A)的“盐水”)可能天然地含有足够的来自溶解盐的离子浓度。在其它实施方案中(图1B)，可以优选向水(例如“淡水”)中添加适当的阴离子。例如，可以向水中添加岩盐(NaCl)或其它类型的盐。所述水可以是河流、湖或含水层，所述盐可以是天然盐类矿床。
在一些实施方案中，可以优选所述水体(源)大到足以供应用于所述方法的水。例如，所述水体可以是大洋、海、湖或者河流。可以将水从所述水体供给到实施额外处理步骤的工厂。
在一些实施方案中，可以不需要步骤30(图1A～1B)。例如，可以处理盐溶液来联产(co-produce)氢氧化钠(NaOH)、氯气(Cl₂)和氢气(H₂)(图2A～2B)。在这类实施方案中，可以不加入酸来中和或进行其它处理。联产NaOH、Cl₂和H₂之后，NaOH可以和来自CO₂源的CO₂反应(步骤20)。图2中说明的实施方案的净方法(net process)导致NaHCO₃(和/或Na₂CO₃)、Cl₂和H₂的联产。所述Cl₂和H₂可以出售或者用于一些其它生产性目的。与图2中所示实施方案相关的净反应(netreaction)是：
NaCl+H₂O+CO₂→NaHCO₃+1/2Cl₂+1/2H₂
图1～3中示出的实施方案涉及将盐溶液处理成酸性溶液和碱性溶液。在本发明的实施方案中，可以使用任意合适的技术将盐溶液分离成酸性和碱性溶液。这些方法包括电化学方法(例如电解方法、氯碱类(chloralkali)方法、涉及隔膜电解槽的方法、涉及膜的方法如双极性膜电渗析或者任意其它合适的电化学方法)和热方法。例如，通过各种公知的电化学方法，可以根据以下反应将含有Na⁺和Cl^-离子的水电解生成氢氧化钠、氯气和氢气：
Na⁺+Cl^-+H₂O→Na⁺+OH^-+1/2Cl₂+1/2H₂
图1～4示出的实施方案涉及CO₂与碱性物质的反应和/或CO₂溶解在包含碱性物质的溶液中。无论采用哪种方法(电解、热等)来产生酸性和碱性溶液，所述方法均可涉及用CO₂中和碱性物质。在NaOH构成碱性物质的情况下，则最后步骤产生NaHCO₃溶液和/或Na₂CO₃溶液。因此，本发明的实施方案可以将任何公知的产生苛性钠(NaOH)的方法扩展到通过再增加一个苛性钠处理步骤来产生碳酸氢钠和/或碳酸钠(从而收集CO₂)。在一些实施方案中，所述方法涉及通过将与氯气和氢气联产的NaOH与来自CO₂源的CO₂反应而联产碳酸氢钠(和/或碳酸钠)、氯气和氢气，用于收集和储存CO₂以及碳酸盐和碳酸氢盐物质。因此，本发明的一个实施方案构成联产NaHCO₃和/或Na₂CO₃溶液与Cl₂气和H₂气并同时收集CO₂。
应该理解，尽管上面的描述涉及Cl₂和H₂，但是在本发明的方法中还可以使用其它适合的气体和相应的酸。在一些实施方案中(图3A～3B)，可以优选在生成碱性溶液时不产生氯。因此，生成碱性溶液时的产物可以不含氯。图3A中示出的实施方案涉及将任何盐(例如图3B中描述的有机盐如乙酸钠(CH₃COONa))分解为酸性溶液和碱性溶液。作为一个实例，可以在不使用氯离子的情况下生成氢氧化钠。在其中一些实施方案中，可以与氢氧化钠联产有机酸(例如乙酸、乳酸或甲酸)：
CH₃COO^-+Na⁺+H₂O→CH₃COOH+NaOH
图3A～3B中示出的实施方案的最后步骤涉及碱性溶液与来自CO₂源的CO₂反应，用于作为碳酸盐和碳酸氢盐物质收集和储存CO₂。
最后，在图3A～3B中描述的实施方案示出了酸与金属碳酸氢盐或金属碳酸盐的联产。一般来说，图3A～3B中示出的实施方案涉及将盐溶液(例如乙酸钠)处理成碱性溶液(例如金属氢氧化物溶液)和酸性溶液。所述酸可以在公开市场上出售，而氢氧化物物质与CO₂反应生成MHCO₃或MCO₃，其中M表示初始盐中的金属离子。这个实施方案示范了酸的联产和用于收集二氧化碳的目的。该实施方案的通用净反应是：
CO₂+R-M+H₂O→MHCO₃+R-H
在其它实施方案中，图1A～1B和3A～3B的步骤10可以包括电渗析方法，例如电解-电渗析、盐分解(salt splitting)或双极性膜电渗析。这些方法利用所施加的电压驱动盐溶液中带相反电荷的离子以相反的方向通过设计用于特定电荷态离子的高渗透性的膜。电荷补偿离子通过水的电解产生，从而形成酸和碱排出流(exit stream)。合适的方法记载于(“Electrodialysis Process With Bipolar Membranes(EDBM) inEnvironmental Protection—A Review”(Tongwen Xu，Resources，Conservation and Recycling(2002))中，其内容通过引用并入本文。
在一些实施方案中，如图3A指出的，所述方法可以涉及联产硫酸和氢氧化钠。例如，可以由金属硫酸盐(例如硫酸钠)和水之间的反应产生硫酸。可以使用双极性膜电渗析方法。代表性反应是：
Na₂SO₄+2H₂O→2NaOH+H₂SO₄
应该理解，在任意一个上述反应中，可以用其它合适的阳离子(例如钾)代替钠。
其它实施方案(例如图4中所示的)可以涉及通过向适合的水体(例如“淡水”或“盐水”)添加来自生物质燃烧或生物质气化的灰来生成碱性溶液。所述灰可以是金属阳离子(例如Ca²⁺、Mg²⁺、K⁺、Na⁺)和碳酸根离子(CO₃^2-)的来源。可以通过将灰溶解在任意一些形式的水中来制备碱性溶液(步骤10，图4)。所述方法还包括通过使二氧化碳与碱性溶液反应生成碳酸氢盐或碳酸盐物质来从二氧化碳源收集二氧化碳(步骤20，图4)。
步骤20涉及利用步骤10中产生的碱性溶液收集CO₂。在一些实施方案中，CO₂可以通过喷淋塔与碱性物质反应。在一些实施方案中，步骤20涉及将步骤10中产生的碱性溶液(例如NaOH)直接添加到水体(例如大洋)中。在这些实施方案中，所述方法将相对于水体中的氢离子和阴离子(例如为HCl形式)的浓度增加氢氧根离子和阳离子(例如为NaOH形式)的浓度。在该实施方案中，所述方法将会增加水体的碱度。从水体中除去阴离子增加水体的碱度，这是因为碱度的定义是阳离子和阴离子之间的浓度差：
碱度＝2[Ca²⁺]+[K⁺]+2[Mg²⁺]+[Na]-[Cl^-]-2[SO₄^2-]
阳离子超过阴离子的少量过量电荷主要通过碳酸根和碳酸氢根离子浓度来平衡。增加水体碱度使溶解的无机碳(DIC)的分配发生移动以平衡正守恒电荷的增加。该分配移动降低了CO₂(水溶液)的浓度(其是能够与大气中的CO₂(气态)直接互相作用的DIC部分)。降低DIC的CO₂(水溶液)部分的结果是，表层水变得CO₂(水溶液)不饱和，因此来自大气的额外CO₂(气态)溶解在水体中。溶解到水体中的额外大气CO₂(气态)的量与碱度的增加相关。因此，在本发明的一个实施方案中，去除和中和(步骤30，图1A～1B)来自大洋的盐酸(HCl)促使水从大气除去CO₂(气态)。在该实施方案中，从大气除去的CO₂将作为溶解的有机碳(CO₂(水溶液)、HCO₃^-和CO₃^2-)以化学方式储存在水体中。
以该方式，本发明的方法有效地加速了水体(例如大洋)的天然吸收CO₂(气态)过程。另外，所述方法可以使人类更好地控制水体(例如大洋)的pH。目前，起源于人类的CO₂吸收使水体pH降低。酸(例如HCl)的去除和中和(步骤30，图1A～1B)会使表层水的pH升高，但是必要地溶解在水中的额外CO₂将平衡这种pH的升高。通过控制从水中去除的速率，可以维持pH同时将大气CO₂的浓度降至期望的水平。
图4中示出的本发明实施方案还可以通过向水体中添加基于灰的碱性溶液以增加该水的碱度来收集CO₂。在一些情况下，水体可以对方解石(CaCO₃)不饱和，但是应该理解，不是所有方法都受到这样的限制。在将基于钙的碱度添加到对方解石不饱和的水体中时，最终结果是从大气吸收二氧化碳。此外，利用富含镁、钾或钠的灰，所用水体不需要对方解石不饱和来收集和储存二氧化碳。
在一些实施方案中，步骤20涉及碱性溶液(例如氢氧化钠或其它合适的碱性溶液)与来自大气的二氧化碳反应生成反应产物(例如碳酸氢钠和/或碳酸钠，或其它合适的化合物)。在本发明的方法中，所述反应产物不用于再生用于收集二氧化碳的碱性物质。也就是说，该反应产物用于除再生用于收集二氧化碳的碱性物质的其它用途。如下面进一步描述的，所述反应产物可以被处理掉和/或以其他方式进一步处理。例如，所述反应产物可以通过将其导入合适的水体(例如大洋)或基于陆地的环境(例如填埋场、矿井)中而被处理掉。
二氧化碳与步骤10中产生的碱性物质反应的一个代表性反应是：
NaOH+CO₂→NaHCO₃
例如，为了促进所述反应，可以收集高度浓缩的氢氧化钠(NaOH)池。所述池可以暴露在大气中以发生该反应。在一些方法中，可以出售氢氧化钠(或其它合适的化合物)并运送到二氧化碳点源(例如发电厂、化工厂、天然气田、油田、工业场所等)。二氧化碳点源产生的废物流可以与氢氧化钠浓缩池反应来发生该反应。因此，氢氧化钠与二氧化碳的反应降低了大气中或来自点源的二氧化碳废物流中的二氧化碳浓度。可以将由氢氧化钠与二氧化碳的反应生成的碳酸氢钠和/或碳酸钠添加到水体中，或者以其它方式收集和处置。
图1～3中示出的各种实施方案的不同之处在于如何进一步处理所述方法过程中产生的非碱性产物。例如，在一些实施方案(图2A～2B)中，所产生的氯气和/或氢气在公开市场上出售。在其它实施方案中，所产生的氢气可以根据以下反应与来自大气的氧结合形成水和有用的能量
1/2H₂+1/4O₂→1/2H₂O
在一些实施方案(图1A～1B)中，步骤10中生成的氯气和氢气可以根据下式反应生成HCl：
1/2H₂+1/2Cl₂→HCl
在其中一些实施方案中，步骤10中生成的氯气和氢气可以在燃料电池或氢气涡轮机中结合，产生HCl(气态)或HCl(水溶液)和可支配用于其它处理步骤或以其他方式利用的电。HCl燃料电池的应用可能会是所述方法的有价值要素，因为在燃料电池中产生的电可以大量降低操作成本。
可以移走在Cl₂和H₂结合的反应中生成的HCl以用于其它处理(例如步骤30，图1A～1B)。这种处理可以确保所述酸不返回到水体中。例如，返回没有对应守恒阳离子的水体中的任何氯离子可能使通过从大气脱除二氧化碳的方法中获得的收益逆转。因此，通常以有效中和所述酸和/或使所述酸的阴离子与守恒阳离子(conservative cation)结合来将所述酸处理掉。
在一些情况下，图1A～1B的步骤30涉及使HCl(或其它酸)与反应性物质反应。一般来说，可以使用任意合适的反应性物质。在一些实施方案中，优选所述反应性物质的来源是岩石或矿物源。合适的岩石或矿物源包括所有的硅酸盐矿物和/或岩石、镁铁质矿物(例如方铁体、橄榄石、辉石、角闪石、黑云母)、磁铁矿、镁铁质岩石和超镁铁岩石、蛇纹岩、玄武岩和铁矿石。在一些情况下，所述岩石或矿物源可以优选包含还原铁。应该理解，本文没有描述的其它反应性物质也可以是合适的。
可以使用各种反应来安全地处置所述酸。所述反应可以涉及用酸溶解矿物来中和酸和/或使氯离子结合守恒阳离子。在一些实施方案中，在放热反应中处置所述酸。例如，可以通过使HCl与中和它的任意合适的矿物和/或岩石反应和/或用守恒阳离子来匹配氯离子。例如，可以用硅酸盐矿物或岩石根据下面的通用反应来中和HCl：
HCl+(硅酸盐矿物/岩石)→(氯化物盐)+(富含二氧化硅的矿物/岩石)+H₂O
图1的步骤30中示出的酸中和的一个具体实例涉及根据下面的反应利用Mg₂SiO₄来中和HCl：
Mg₂SiO₄+4HCl→2MgCl₂+SiO₂+2H₂O
应该理解，图1A～1B的步骤30可以包括使氯离子与守恒阳离子(例如Mg²⁺、Al²⁺、Al³⁺、Fe²⁺、Fe³⁺、K⁺、Ca²⁺、Na⁺等)结合来用HCl溶解任意岩石。一旦HCl与矿物反应且阳离子与氯离子配对，那么整个体系完成并且碱度增加的水体可以永久性除去大气CO₂(气态)。应该注意到，用HCl溶解矿物通常是放热反应，因此可以回收在溶解期间产生的一些热并用于运行所述方法的其它部分。
在本发明的一些实施方案中，通过在反应容器中与岩石和/或矿物(例如硅酸盐岩石和/或矿物)反应来处置所述酸。在该实施方案中，岩石和/或矿物被运送到反应容器中。在一些情况下，可以将岩石和/或矿物处理成较小的岩石和/或矿物。一旦置于反应容器中，所述岩石和/或矿物与酸结合，并且岩石和/或矿物的溶解将所述酸中和掉。
在其它实施方案中，通过与岩石和/或矿物原位(即岩石和/或矿物在它们的天然位置)反应和/或岩石和/或矿物的原位溶解来中和所述酸。在该方法中，可以将所述酸性溶液注射到岩石和/或矿物中或喷射到岩石和/或矿物上(例如玄武岩、超镁铁岩石和/或矿物形成物)。在该方法中，所述酸可以在与岩石和/或矿物形成物接触时被中和，同时贯穿和/或流过岩石和/或矿物形成物。该渗流可以设计为使酸流动贯穿岩石和/或矿物形成的时间量程相对于岩石和/或矿物溶解的时间量程慢。如果时间量程设计得当，则会在溶解产物到达水体(例如大洋)时将所述酸大量中和掉。
在一些实施方案中，所述酸在放热反应中被处置掉并且还产生额外的有用能量。这些实施方案例如可以涉及使酸(例如HCl)与含有还原铁(Fe、Fe⁺或Fe²⁺)的任意合适的矿物或岩石反应。使用含有还原铁的矿物和/或岩石的目的在于可以利用铁的氧化来产生有用的能量。例如，镁铁质岩石和超镁铁岩石、玄武岩和某些铁矿石都含有还原铁。酸(例如HCl)溶液可以在类似于以下HCl和橄榄石溶解反应的反应中溶解这些矿物：
(Mg，Fe)₂SiO₄+4HCl→2(Mg，Fe)Cl₂+SiO₂+2H₂O
在溶解过程中，有时发生下面的反应，通过H₂(气态)的形成而将Fe²⁺氧化成Fe³⁺：
Fe₂SiO₄+6HCl→2FeCl₃+SiO₂+2H₂O+H₂
所述反应导致H₂的生成。在类似于橄榄石溶解的反应中，可能难以预知多少硅酸铁将与HCl反应形成FeCl₂和多少硅酸铁将与HCl反应形成FeCl₃。然而，相信Fe²⁺的一部分将被氧化成Fe³⁺并且会在氧化Fe²⁺时生成H₂。所产生的氢气可以用来发电，或者可以在公开市场上出售。存在可以用于该处理步骤的各种矿物(例如镁铁质岩石和超镁铁岩石、玄武岩和铁矿石)，包括包含还原铁的那些矿物，用于处置酸和氧化还原铁。
在一些实施方案中，在上述溶解反应中没有氧化的Fe²⁺部分可以用在燃料电池中，以通过将FeCl₂氧化成FeCl₃来发电。一般地，用酸溶解任意含有还原铁的岩石将产生还原铁的阳离子、来自酸的阴离子和H₂O的溶液。作为一个实例，用HCl溶解任意含有还原铁的岩石将会产生一些FeCl₂。另外，如上所述，一部分Fe²将被氧化成Fe³⁺，并且当Fe²⁺被氧化时，溶液中的H⁺会被还原成H₂(气态)。如上文提及的，没有被氧化成Fe³⁺的Fe²⁺部分形成FeCl₂。所述FeCl₂可以在燃料电池中与另外的HCl和O₂反应以将剩余的Fe²⁺全部氧化成Fe³⁺。下面的净反应描述了燃料电池总反应：
4FeCl₂+4HCl+O₂→4FeCl₃+2H₂O
由FeCl₂氧化成FeCl₃产生的电能可以出售或者用于通过从海水产生更多的酸来运行所述方法。在含有还原铁的矿物溶解期间产生的有用能量可以用在所述方法的其它步骤中。
在不同的实施方案中，可以使用FeCl₂-O₂燃料电池，该燃料电池生成氢氧化铁(Fe(OH)₃)作为产物。
如上所述，除了处理所除去的酸之外，图1A～1B的步骤30还可以涉及处理从水体除去的其它气态组分。在这些实施方案中，步骤30还可以涉及处理步骤10中产生的一种或更多种气体(例如Cl₂和H₂)。在这些情况下，这些气体中只有一部分可以用来产生酸性物质。所述气体的其余部分可以用来与步骤30中的反应性物质反应。在这些实施方案中，所述反应性物质(例如含铁的矿物或岩石源)可以与酸(HCl)和Cl₂的混合物或酸、H₂和Cl₂的混合物反应。因此，在这些实施方案中，所述反应性物质与酸(例如HCl)和氧化剂(例如Cl₂)都反应。其结果是任何还原的金属(例如亚铁离子)在溶解期间或溶解之后被氯气氧化。这些实施方案可以简化来自铁源氧化的能量生成。
利用镁铁质橄榄石矿物铁橄榄石(即Fe₂SiO₄)作为一个实例，在与HCl(即酸)和Cl₂(即卤素气体)反应期间Fe₂SiO₄转变成FeCl₃、SiO₂和H₂O。来自含铁矿物溶解的任意氢产物还会与Cl₂(即卤素气体)进行放热反应生成HCl(即酸)并进一步溶解岩石/矿物，这在一定程度上取决于反应条件。
应该理解，本发明的方法可以包含那些本领域普通技术人员将会认识到的上述方法的变体。
本发明的方法可以具有许多优点。一个益处在于，所述方法从大气中除去二氧化碳，这产生诸多环境优点。所述方法的另一个益处在于，其中一些步骤(例如在燃料电池中生成HCl)产生可用于所述方法其它方面的有用能量。所述能量例如可以从还原矿物(例如含铁矿物)溶解过程中的氢生产、通过燃料电池(例如FeCl₂-HCl-O₂；FeCl₂-O₂)的发电或者硅酸盐岩石和矿物溶解过程中产生的热而产生。因为能量成本是大多数传统的CO₂收集和储存技术中总成本的主要部分，所以本方法的低能量成本代表了有价值的技术进步。所述方法的额外益处是联产有用化学品与用于收集CO₂的碱性溶液。例如，图2A～2B中示出的实施方案涉及随CO₂与NaOH生成NaHCO₃的反应联产Cl₂气和H₂气。在另一个实施例(例如图3A～3B中所示)中，随CO₂和金属氢氧化物(M-OH)生成MHCO₃的反应联产了有用的酸溶液(例如乙酸)。有用化学品的联产是所述方法的显著优点，因为这种化学品是可产生利润的。
下列实施旨在举例说明，而不是以任何方式进行限制。
实施例1
下图示出了根据本发明实施方案的方法实施例。图A显示了二氧化碳收集和酸处置。使用钙来代表在硅酸盐岩石中发现的任意金属。图B显示了包括通过氧化硅酸盐岩石回收能量的步骤的方法。使用铁来代表在硅酸盐石中发现的可被氧化的任意金属(例如铁和锰)。用于图B中方法的化学反应显示在下文的图中。
步骤1a：脱酸、形成HCl和收集CO₂(见下文实施例1的图)

步骤1b：产生HCl

步骤1c：收集CO₂

步骤2：矿物溶解和酸中和
在步骤2中，Fe₂SiO₆的一部分会与HCl反应生成FeCl₃(反应2a)，而Fe₂SiO₆的另一部分会与HCl反应生成FeCl₂(反应2b)。为了该实施例，我们假定所述矿物的1/3会反应生成FeCl₃，而另外2/3反应生成FeCl₂。
反应2a：

反应2b：

步骤3：通过H₂和FeCl₂氧化回收能量
在步骤2中，Fe₂SiO₄与HCl反应生成H₂或FeCl₂。因此，步骤3使用两个分离的燃料电池通过分别氧化H₂和FeCl₂来回收能量。
反应3a：

反应3b：
注意：当FeCl₂在燃料电池中运行时，所述反应需要存在额外的1/2摩尔HCl用于最初产生的每摩尔NaOH。




实施例2
下图示出根据本发明一个实施方案的方法实施例。在该方法中，利用氯气氧化硅酸盐岩石和矿物。
步骤1a：脱酸、形成HCl和收集CO₂

步骤1b：产生HCl

步骤1c：收集CO₂

步骤2：矿物溶解和酸中和
反应2a：

步骤3：通过H₂和FeCl₂氧化回收能量
步骤1a中产生的但未在步骤1b中用于形成HCl的额外1/6H₂单位被O₂氧化形成1/6H₂O和回收一些电功。
反应3a：

净反应：

由此，已经描述了本发明的几个方面和实施方案，应当理解，本领域技术人员会容易地想到各种变化、修改和改进方案。这些变化、修改和改进方案也是本发明公开内容的一部分，并且也落在本发明的精神和范围内。因此，前述说明书和附图只是作为举例说明。