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气体转化和溶液处理

阅读：1032发布：2020-05-15

IPRDB可以提供气体转化和溶液处理专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种用于降低溶液的离子浓度并转化气体的方法和系统。所述系统包括含有气体室、产物室和酸室的多室一体化渗析池。离子交换阻挡层将渗析池的各室分开。第一阴离子交换阻挡层被设置在产物室与酸室之间，第一阳离子交换阻挡层被设置在产物室与气体室之间。来自被处理的溶液的阴离子与来自酸室的阳离子相结合以在酸室中形成酸溶液，并且来自被处理的溶液的阳离子与来自包含气体的流体的阴离子相结合以形成盐，从而降低被处理的溶液的离子浓度并将气体的至少一部分转化成盐。，下面是气体转化和溶液处理专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种用于降低溶液的离子浓度和转化气体的方法，其包括：

(a)提供多室一体化渗析池，其具有将所述渗析池的各室分开的离子交换阻挡层，所述渗析池包括：(i)气体室；

(ii)产物室；以及

(iii)酸室；

其中第一阴离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述酸室之间，第一阳离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述气体室之间；以及(b)使包含气体的流体流过所述气体室，使被处理的溶液流过所述产物室，其中在所述被处理的溶液中的阴离子迁移穿过所述第一阴离子交换阻挡层以与所述酸室中的阳离子相结合从而在所述酸室中形成酸溶液，在所述被处理的溶液中的阳离子迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层以与来自包含气体的所述流体的阴离子相结合从而形成盐，由此降低所述被处理的溶液的所述离子浓度并将所述气体的至少一部分转化成盐。

2.根据权利要求1所述的方法，其进一步包括除去所述酸溶液、具有降低的离子浓度的所述被处理的溶液，以及来自所述渗析池的所述盐。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其进一步包括使溶液流过被设置在所述产物室与所述气体室之间的盐浓度室，其中来自所述被处理的溶液的所述阳离子迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层到达所述盐浓度室，来自包含气体的所述流体的所述阴离子穿过被设置在所述气体室与所述盐浓度室之间的第二阴离子交换膜迁移到所述盐浓度室，其中来自所述被处理的溶液的所述阳离子和来自包含气体的所述流体的所述阴离子相结合以在所述盐浓度室中形成所述盐，从而增加流过所述盐浓度室的所述溶液的所述盐浓度。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，其进一步包括使溶液流过所述酸室。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其中，所述渗析池进一步包括阳极和阴极并且在所述阳极与所述阴极间施加电势。

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述阳极和/或所述阴极包括催化剂。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中，所述阴极被设置在所述气体室中。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，在所述气体室中生成氢氧根阴离子、碳酸氢根阴离子、碳酸根离子、甲酸根阴离子或它们的混合物。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述氢氧根阴离子、碳酸氢根阴离子、碳酸根离子、甲酸根阴离子或它们的混合物与已经迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层形成碱和/或所述盐的所述被处理的溶液中的阳离子相结合。

10.根据权利要求5至9中任一项所述的方法，其中，所述阳极被设置在所述酸室中。

11.根据权利要求5或6所述的方法，其中，在所述阳极处生成氧气以及在所述阴极处生成氢气。

12.根据权利要求1至11中任一项所述的方法，其中，所述盐包括碳酸氢盐、碳酸盐或甲酸盐中的至少一种。

13.根据权利要求1至12中任一项所述的方法，其中，电导体被设置在一个或多个所述室中。

14.根据权利要求1至13中任一项所述的方法，其进一步包括监测所述被处理的溶液的离子浓度并控制所述渗析池内的条件以将所述被处理的溶液的所述离子浓度维持在预定范围内。

15.根据权利要求14所述的方法，其中，使用一个或多个离子浓度传感器监测所述被处理的溶液的所述离子浓度。

16.根据权利要求1至15中任一项所述的方法，其进一步包括监测所述酸室中的所述酸溶液的浓度和/或pH并控制所述渗析池内的条件以将所述酸溶液的所述浓度和/或pH维持在预定范围内。

17.根据权利要求16所述的方法，其中，使用一个或多个传感器监测所述酸室中的所述酸溶液的所述浓度和/或pH。

18.根据权利要求1至17中任一项所述的方法，其中，一个或多个所述离子交换阻挡层包括催化剂。

19.根据权利要求1至18中任一项所述的方法，其中，至少一对再生电极被设置在一个所述离子交换阻挡层的任一侧上。

20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括将电势施加到整个所述一对再生电极上。

21.根据权利要求19或20所述的方法，其中，所述一对再生电极中的一个或两个包括催化剂。

22.根据权利要求1至21中任一项所述的方法，其中，所述离子交换阻挡层中的一个或多个为水可渗透的并且水从相邻的室移动穿过所述水可渗透的离子交换阻挡层进入所述渗析池的所述阳极室和/或水从相邻的室移动穿过所述可渗水离子交换阻挡层进入所述渗析池的所述阴极室。

23.一种用于降低溶液的离子浓度并转化气体的系统，其包括：

(a)多室一体化渗析池，其具有将所述渗析池的各室分开的离子交换阻挡层，所述渗析池包括：(i)气体室；

(ii)产物室；以及

(iii)酸室；

其中第一阴离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述酸室之间，第一阳离子交换阻挡层被设置在所述产物室与所述气体室之间；

(b)歧管组件，其包括分别流体地耦接到所述气体室和所述产物室的气体室歧管和产物室歧管；

(c)流体，其包含气体，该气体通过所述气体室歧管被输送至所述气体室以及被输送远离所述气体室；以及(d)被处理的溶液，其通过所述产物室歧管被输送至所述产物室以及被输送远离所述产物室；

其中在所述被处理的溶液中的阴离子迁移穿过所述第一阴离子交换阻挡层以与所述酸室中的阳离子相结合以在所述酸室中形成酸溶液，并且在所述被处理的溶液中的阳离子迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层以与来自包含气体的所述流体的阴离子相结合以形成盐，从而降低所述被处理的溶液的所述离子浓度并将所述气体的至少一部分转化成盐。

24.根据权利要求23所述的系统，其中，所述渗析池进一步包括被设置在所述产物室与所述气体室之间的盐浓度室，其中第二阴离子交换膜被设置在所述气体室与所述盐浓度室之间，并且所述歧管组件进一步包括盐浓度室歧管以将溶液输送至所述盐浓度室和将溶液输送远离所述盐浓度室，其中来自所述被处理的溶液的所述阳离子迁移穿过所述第一阳离子交换阻挡层到达所述盐浓度室，以及来自包含气体的所述流体的阴离子穿过所述第二阴离子交换膜迁移到所述盐浓度室，并且来自所述被处理的溶液的所述阳离子和来自包含气体的所述流体的所述阴离子相结合以在所述盐浓度室中形成所述盐，从而增加流过所述盐浓度室的所述溶液的所述盐浓度。

25.根据权利要求23或24所述的系统，其中，所述歧管组件进一步包括酸室歧管以将溶液输送至所述酸室和将溶液输送远离所述酸室。

26.根据权利要求23至25中任一项所述的系统，其中，所述渗析池进一步包括阳极和阴极并且在所述阳极与阴极之间施加电势。

27.根据权利要求26所述的系统，其中，所述阳极和/或所述阴极包括催化剂。

28.根据权利要求26或27所述的系统，其中，所述阴极被设置在所述气体室中。

29.根据权利要求26至28中任一项所述的系统，其中，所述阳极被设置在所述酸室中。

30.根据权利要求23至29中任一项所述的系统，其中，所述盐包括碳酸氢盐、碳酸盐或甲酸盐中的至少一种。

31.根据权利要求23至30中任一项所述的系统，其中，电导体被设置在一个或多个所述室中。

32.根据权利要求23至31中任一项所述的系统，其进一步包括一个或多个离子浓度传感器，其用于监测所述酸室中的所述酸溶液的浓度和/或pH；以及控制器，其被配置成从所述一个或多个传感器接收数据并控制所述渗析池内的条件以将所述酸室中的所述酸溶液的所述浓度和/或pH维持在预定范围内。

33.根据权利要求23至32中任一项所述的系统，其进一步包括一个或多个传感器，其用于监测流过所述产物室的所述被处理的溶液的离子浓度；以及控制器，其被配置成从所述一个或多个离子浓度传感器接收数据并控制所述渗析池内的条件以将所述被处理的溶液的所述离子浓度维持在预定范围内。

34.根据权利要求23至33中任一项所述的系统，其中，一个或多个所述离子交换阻挡层包括催化剂。

35.根据权利要求23至34中任一项所述的系统，其进一步包括至少一对再生电极，其被设置在一个所述交换阻挡层的任一侧上。

36.根据权利要求35所述的系统，其中，在整个所述一对再生电极上施加电势。

37.根据权利要求35或36所述的系统，其中，所述一对再生电极中的一个或两个包括催化剂。

38.根据权利要求23至37中任一项所述的系统，其中，一个或多个所述离子交换阻挡层是水可渗透的。

39.一种发电站，其包括根据权利要求26或27所述的系统和用于分别通过由所述负极和正极产生的氢气和氧气产生电力的发电机。

说明书全文

气体转化和溶液处理

技术领域

[0001] 本公开涉及一种用于转化气体和处理溶液的系统和方法。

背景技术

[0002] 温室气体排放与气候变化直接相关，其中二氧化碳排放是一个主要因素。根据美国环境保护局，1990年至2010年期间排放的超过50％的二氧化碳来源于电力生产和工业过程。以降低碳排放为目标的方法包括：(i)通过使用基于非化石燃料的电力来源(比如，太阳、风、水力发电以及核)在源头上消除碳消耗；(ii)降低整体消耗；以及(iii)利用诸如二氧化碳捕获和地质封存技术。

[0003] 已知有几种二氧化碳分离、捕获以及转化工艺，这些工艺包括：(i)将化石燃料与纯氧气燃烧以生成更纯的二氧化碳流；(ii)用溶剂(比如：氢氧化钠或单乙醇胺)对排放源进行洗涤以从气体流中除去二氧化碳；(iii)使用热解过程或膜以将二氧化碳从其它排放物中分离；以及(iv)使用分子筛来吸附二氧化碳。二氧化碳的地质封存包括将二氧化碳捕获和输送到合适的场所，在那里它可被存储在深的蓄水层、废弃的油井、地质构造、土壤，或者被注入到海洋中。然而，二氧化碳的地下地质矿化是一项有风险的工作尝试，并且至少需要详细地了解存储场所的特征和抽吸地下被捕获的温室气体的总体费用，以及了解地下盐水储层到存储位置的可用性和接近度。

[0004] 如海洋是世界上一个主要碳阱(carbon sink)这一事实所证明的，水也是一种经证实的温室气体封存的介质。二氧化碳在水中经历了以下的反应：

[0005]

[0006]

[0007]

[0008] 类似地，NOx化合物，比如，二氧化氮，在水中经历了以下的反应：

[0009] (4)2NO2(g)+H2O(l)→HNO2(aq)+HNO3(aq)

[0010] (5)3HNO2(aq)→HNO3(aq)+2NO(g)+H2O(l)→H+(aq)+NO3-(aq)+2NO(g)+H2O(l)[0011] 类似地，SOx化合物，比如，二氧化硫，在水中经历了以下的反应：

[0012] (6)SO2(g)+H2O(l)→H2SO3(aq)→SO32-(aq)+2H+(aq)

[0013] 然而，这样的封存产生了大量的溶解于水中的离子物质，从而使水处于一种离子污染的状态。

[0014] 如同面对人口增长，提供可靠的水源对许多辖区来说是日益上升的优先考虑。许多消耗水的工业过程产生了不适合于重新使用的污染水。因此，人们对处理工业废水的技术开发的感兴趣程度在增加。这些技术包括蒸发法脱盐、反渗透、使用膜来清除污染物，以及用紫外线和氯消毒等等。

[0015] 在WO2012/085522中公开了一种用于脱盐和温室气体封存的单元，其利用了氯碱工艺的原理。将非饮用水流(例如，海水)供给到一个分离池中，其中使用直流电流对该非饮用水流进行电解并形成离子物质。阳离子(例如，钠离子)和阴离子(例如，氯离子)物质通过离子选择性膜在分隔池中迁移。阳离子朝向阴极反应池，阴离子朝向阳极反应池。其中阴离子为氯离子，例如，氯气在阳极处形成。将离子耗尽的水流从分离池中去除用于进一步处理。温室气体(例如，二氧化碳)被引入到阴极反应池中，在此处形成盐，如，碳酸钙和硫酸钠。根据进入阳极反应池的阴离子，可以在阳极反应池中形成卤素气体(如，氯气)并从阳极反应池排出。此过程需要电化学反应，并且产生了氯气，一种潜在危险且难于处理的副产物。在US 7,727,374中公开的另一示例性系统中，该系统利用氯碱工艺的原理，采用了包括电解室的装置以在盐的存在下从水的电解中产生氢氧化物。二氧化碳被吸收到此苛性碱液混合物中并与氢氧化物发生反应以形成碳酸盐和碳酸氢盐产物。在此工艺中也可形成卤素气体(如，氯气)。

发明内容

[0016] 本公开总体涉及一种用于转化气体和处理水的系统和方法。

[0017] 根据第一方面，提供了一种用于降低溶液的离子浓度和转化气体的方法，该方法包括：为多室整体式渗析池提供分离该渗析池室的离子交换阻挡层，该渗析池包括：(i)气体室；(ii)产物室；以及(iii)酸室；以及使包含气体的流体流过气体室，和使待处理的溶液流过产物室。第一阴离子交换阻挡层被设置在产物室和酸室之间并且第一阳离子交换阻挡层被设置在产物室和气体室之间。待处理的溶液中的阴离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与酸室中的阳离子相结合以在酸室中形成酸溶液，并且待处理的溶液中的阳离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与来自包含气体的流体的阴离子相结合以形成盐，从而降低待处理的溶液的离子浓度并将至少一部分气体转化为盐。

[0018] 根据第二方面，提供了一种用于降低溶液的离子浓度和转化气体的系统，该系统包括：(a)具有分离该渗析池室的离子交换阻挡层的多室整体式渗析池，该渗析池包括：(i)气体室；(ii)产物室；以及(iii)酸室；(b)歧管组件，该歧管组件包括分别流通地耦接至气体室和产物室的气体室歧管和产物室歧管；(c)流体，该流体包括通过气体室歧管被输送到且远离气体室的气体；以及(d)待处理的溶液，该溶液通过产物室歧管被输送到且远离产物室。第一阴离子交换阻挡层被设置在产物室和酸室之间并且第一阳离子交换阻挡层被设置在产物室和气体室之间。待处理的溶液中阴离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与酸室中的阳离子相结合，从而在酸室中形成酸溶液，并且待处理的溶液中阳离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与来自包含气体的流体的阴离子相结合以便形成盐，从而降低待处理的溶液的离子浓度并将至少一部分气体转化为盐。

[0019] 根据第三方面，提供了一种发电站，其包括所述第二方面的系统和发电机，该发电机用于分别从阴极和阳极产生的氢气和氧气产生电力。

[0020] 此发明内容不一定描述了所有方面的全部范围。其它方面，特征和优点对于本领域的普通技术人员在阅读本发明具体实施方案的以下描述时将会是显而易见的。

附图说明

[0021] 在附图中，这些附图阐释了一个或多个示例性实施方案：

[0022] 图1是根据一个实施方案的六室电渗析池的结构示意图。

[0023] 图2是根据一个实施方案的五室电渗析池的结构示意图。

[0024] 图3是根据一个实施方案的十室电渗析池的结构示意图。

[0025] 图4(a)是根据一个实施方案的四室渗析池的结构示意图。

[0026] 图4(b)是根据一个实施方案的四室渗析池的结构示意图。

[0027] 图5是根据一个实施方案的六室电渗析池的结构示意图。

[0028] 图6(a)和图6(b)是根据一个实施方案的五室电渗析池的结构示意图。

[0029] 图7是根据一个实施方案的四室电渗析池的结构示意图。

[0030] 图8是根据一个实施方案的包括电渗析池的系统的流程示意图。

[0031] 图9是根据一个实施方案的四室电渗析池的结构示意图。

[0032] 图10是显示图6(b)的电渗析池经过8小时测试的工作电流和工作电压的曲线图。

[0033] 图11是显示图6(b)的电渗析池经过8小时测试的酸室(pH产物酸隔室)中酸(HCl)的pH值和盐浓度室(pH产物酸隔室)中盐(NaHCO3)的pH值，以及根据法拉第定律(pH HCl法拉第的(Faradaic))的酸的预期pH值的曲线图。

[0034] 图12是显示图6(b)的电渗析池超过8小时测试的盐浓度室(产物盐隔室)中碳酸氢钠离子([HCO3-])、氢氧根离子([OH-])以及碳酸氢根离子加氢氧根离子([HCO3-]+[OH-])的浓度(mmol/l)的曲线图，以及根据法拉第定律([HCO3-]法拉第的)的碳酸氢根离子浓度的预期变化的曲线图。

[0035] 图13是显示不同浓度的碳酸氢钠(NaHCO3)的池极化曲线(电流密度和电压)的曲线图。

[0036] 图14是显示在室温和40℃下的池极化曲线(电流密度和电压)的曲线图。

具体实施方式

[0037] 方向术语，比如，”上“、”下“、”底“、”顶“、”右“以及”左“被用在以下的描述仅出于提供相对参照的目的，而不意在以任何方式限制本公开的实施方案。在不以任何方式限制于本公开的实施方案的情况下复数和单数形式可以互换地使用。

[0038] 本文描述的实施方案涉及一种使用多室整体式渗析池用于气体转化和处理(淡化)溶液的装置、系统以及方法，该多室整体式渗析池包括气体室、产物室，以及酸室。多室渗析池还可以包括设置在产物室和气体室之间的盐浓度室。每个气体室、产物室以及酸室的一个或多个壁包括分隔渗析池室的离子交换阻挡层。离子物质(离子)选择性地迁移穿过离子交换阻挡层。气体，例如，但不限于温室气体(例如，二氧化碳、NOx，以及SOx)或者硫化氢(H2S)可以溶解于水性或非水性溶剂(例如，水基介质、胺，或其它高二氧化碳溶解度溶剂)以形成被供给到渗析池的气体室中的气体溶液。通过一些过程(比如，鼓泡和流混合)外部或原位地将气体引入到溶剂中，由此可以将气体溶解于溶剂中。通过添加剂(比如，Ni颗粒和非水性有机溶剂)可以协助这些气体在溶剂中的溶解度。如一实施方案使用二氧化碳作为气体以及水作为溶剂，二氧化碳溶解于水中以形成碳酸氢根离子(HCO3-)和碳酸根离子(CO32-)。可替代地，供给到气体室中的流体可以是气体或者气体的混合物或者两相液体/气体流体。

[0039] 待处理的溶液被供给到产物室并且阳离子和阴离子从产物室中的溶液中迁移到相邻的室，从而降低溶液的离子浓度。该溶液可以是任何盐水溶液，如，盐水、海水或废水，或者任何待处理以降低其内的离子浓度的溶液，例如，来自油和天然气、采矿、林业等的工业废液。任何类型的水性或非水性流都可能潜在地被利用，该流由离子或通过添加其它化学品或通过处理能够被制成离子的非离子物质组成。

[0040] 在电渗析中，在阳极与阴极之间可以产生电势梯度。在水性环境中，阳极与阴极一般分别经历以下的半电池反应：

[0041] (7)H2O(l)→2H+(aq)+1/2O2(g)+2e-(阳极反应)

[0042] (8)2H+(aq)+2e-→H2(g)(阴极反应)

[0043] 已公开的实施方案的渗析池包括多个室，这些室产生室的“堆叠”，并且室壁包括分隔这些室的离子交换阻挡层。渗析池中的离子交换阻挡层(例如，膜)通常并不需要再生，从而减少了离子交换过程中对化学品输入的需要。通过极性反转、周期性冲洗和/或酸洗，可以对离子交换阻挡层的无机结垢和离子交换阻挡层污垢进行管理。

[0044] 渗析池的离子交换阻挡层包括选择性地允许阳离子迁移的阳离子交换阻挡层以及选择性地允许阴离子迁移的阴离子交换阻挡层。离子交换阻挡层可以是水可渗透的。离子交换阻挡层可以是离子交换膜并且可以包括，但不限于，商业上可获得的双极性膜和具有化学修饰的膜，比如，(i)具有固定的吡啶或磺酸基团的全氟薄膜；(ii)聚醚酮类；(iii)聚砜类；(iv)聚亚苯基氧化物；(v)聚苯乙烯；(vi)苯乙烯-二乙烯苯；(vii)具有磺酸根和季铵阳离子的聚苯乙烯/丙烯酸基织物；(viii)多氟化硫酸聚合物；或者(ix)树脂-聚偏二氟乙烯织物。在可替代的实施方案中，可以利用其它的离子交换阻挡层。

[0045] 所描述的实施方案的电渗析池一般包括阴极和阳极，该阴极和该阳极可以被构造成导电的多孔或非多孔基底，并且涂覆有一种催化剂或多种催化剂。离子交换阻挡层(比如，离子交换膜)可以可替代地或者额外地涂覆有一种催化剂或多种催化剂。这些催化剂可以加快渗析池中的反应速率。合适的催化剂包括，但不限于，贵重的或非贵重的过渡金属以及它们的化合物(例如，氧化物、氮化物等)。这些催化剂可以被负载到例如，金属、金属氧化物，或金属氮化物等上或者是非负载的。一种或多种催化剂、任选粘合剂以及其它任选添加剂的混合物(例如，控制液体和气泡除去的亲水性和/或疏水性添加剂)，通过许多本领域内已知的技术(比如，喷涂、溅射、丝网印刷术等)可以被施加到电极和/或离子交换阻挡层上。经由流场(像蜿蜒式的，或者互相交叉式的等开放通道)、多孔封闭的通道，或者开放容器，流体可以在电渗析池中流动。该电渗析池可以在压力或者压差下工作。

[0046] 在工作中，可以在阴极与阳极之间施加电势以促进这些电极处的电化学反应的发生和离子跨越离子交换膜的迁移。在渗析池中，在没有任何电化学反应发生的情况下，可以在导体间施加电势以产生电场以便增强离子迁移穿过离子交换膜和室。然而，导体间电势的施加不一定是为了工作，这是因为在其它传输机制(比如，浓度梯度)的影响下离子可以通过离子交换膜扩散。

[0047] 在所描述的实施方案中，通过使用歧管组件将溶液输送到且远离渗析池的室，该歧管组件可以包括导管、任选阀以及本领域已知的将溶液输送到且远离渗析池的室的其它设备。

[0048] 参照图1并根据一实施方案，示出了电渗析池100，电渗析池100包括在电渗析池100的任意末端处的具有设置在其内的阴极(未示出)的阴极室101以及具有设置在其内的阳极(未示出)的阳极室102。设置在阴极室101与阳极室102之间的是室103、104、105以及
106。设置在(i)阴极室101和室103之间的是阳离子交换膜107；(ii)室103和104间是阴离子交换膜110；(iii)室104和105间是阳离子交换膜108；(iv)室105和106间是阴离子交换膜
111；以及(v)室106和阳极室102间是阳离子交换膜109。在工作中，在室101中的阴极和室
102中的阳极之间施加电势以引起电化学反应(7)和(8)以发生并且促进离子迁移穿过离子交换膜。

[0049] 将气体(例如，温室气体)溶解于水性或非水性溶剂(例如，水基介质、胺或其它高二氧化碳溶解度溶剂)中以形成溶液120。通过一些过程(比如，鼓泡和流混合)外部或原位地将气体引入到溶剂中，由此可以将气体溶解于溶剂中。通过添加剂(比如，Ni颗粒和非水性有机溶剂)或者通过施加压力可以促进气体在溶剂中的溶解。如一实施方案使用二氧化碳作为气体以及水作为溶剂，二氧化碳溶解于水中以形成碳酸氢根离子(HCO3-)和碳酸根离子(CO32-)。室103中的碳酸氢根离子和碳酸根离子通过阴离子交换膜110迁移到室104中。类似地，阳离子(例如，质子)通过阳离子交换膜107朝向室101中的阴极迁移。这些迁移到阴极的质子然后在阴极半电池反应(8)中被还原，从而导致氢气的产生。具有还原的碳酸氢根和碳酸根离子的溶液120离开室103并被回收。

[0050] 溶液122被供给到室105中。溶液122可以是任何盐水溶液如盐水、海水或任何待处理以降低其内离子浓度的溶液。室105中的阳离子(例如，钠离子)通过阳离子交换膜108迁移到室104中。类似地，室105中的阴离子(例如，氯离子)通过阴离子交换膜111迁移到室106中。离子浓度降低后的的溶液122离开室105并被回收。

[0051] 溶液121被供给到室104中并且包含水或离子物质。例如，其中溶液120为溶于水中的二氧化碳，溶液122为盐水，进入室104的溶液121可含有碳酸氢钠。在室104中，从室103迁移到室104的阴离子(如碳酸氢根离子)与从室105迁移到室104的阳离子(如钠离子)结合。盐浓度增加的溶液121(如碳酸氢钠)从室104中回收。

[0052] 包含水或酸的溶液123被输送到室106中。在室106中，从室105迁移到室106的阴离子(如氯离子)与从阳极室102迁移到室106的质子通过阳离子交换膜109结合。这些质子是通过在室102中的阳极处水的阳极半电池反应(7)产生的。水的半电池反应(7)也导致了室102中阳极处氧的产生。盐浓度增加的溶液123(如盐酸)从室106回收。

[0053] 参照图2且依据一个可替代的实施方案，示出了电渗析池200，其包括在电渗析池200任一端的设置于室201中的阴极(未示出)和设置于室202中的阳极(未示出)。设置在室
201和202间的为室203、204、205。设置于(i)阴极室201和室203间的是阳离子交换膜206；
(ii)设置于室203和204间的是阳离子交换膜207；(iii)设置于室204和205间的是阴离子交换膜208；和(iv)设置在室205和阳极室202间的是阳离子交换膜209。在工作中，在室201中的阴极和室202中的阳极施加电势以使电化学反应(7)和(8)发生并促进离子跨越离子交换膜的迁移。

[0054] 溶液221被送入室204中。溶液221可以是任何盐水溶液如盐水、海水或任何待处理的以减少其中离子浓度的溶液。室204中的阳离子(如钠离子)通过阳离子交换膜207迁移到室203中。同理，室204中的阴离子(如氯离子)通过阴离子交换膜208迁移到室205中。离子浓度降低的溶液221离开室204并被回收。

[0055] 气体被溶解在溶剂中以形成溶液220。溶解的气体采取溶液220中相关离子物质的形式(参见例如反应(1)至(6))，且溶液220被送入室203中。室203中的阳离子(如质子)通过阳离子交换膜206迁移到阴极室201中。所述迁移到室201中的阴极的质子然后在半电池反应(8)中被还原并导致氢气的产生。在溶液220中的阴离子(如碳酸氢根离子)留在室203中，不能迁移通过侧面为室203的任一阳离子交换隔膜206或207。这些阴离子与阳离子(如钠离子)结合，所述阳离子通过阳离子交换膜207从室204迁移至室203。盐浓度增加的溶液220(如碳酸氢钠)从室203中回收。

[0056] 包含水或酸的溶液222被送入室205中。在室205中，从室204迁移到室205的阴离子(如氯离子)与从阳极室202迁移到室205的质子通过阳离子交换膜209结合。这些质子是在室202中的阳极处通过水的半电池反应(7)产生的。盐浓度增加的溶液222(如盐酸)从室205回收。

[0057] 参照图3且根据一个可替代实施方案，示出了电渗析池300，其包括在电渗析池300任一端的设置于室301中的阴极(未示出)和设置于室302中的阳极(未示出)。设置在室301和302间的是室303至310。设置于(i)阴极室301和室303间的是阳离子交换膜311；设置于(ii)室303和室304间的是阴离子交换膜312；设置于(iii)室304和室305间的是阳离子交换膜313；设置于(iv)室305和室306间的是阴离子交换膜314；设置于(v)室306和室307间的是阳离子交换膜315；设置于(vi)室307和室308间的是阴离子交换膜316；设置于(vii)室308和室309间的是阳离子交换膜317；设置于(viii)室309和室310间的是阴离子交换膜318；和(ix)设置在室310和阳极室302间的是阳离子交换膜319。在工作中，在室301中的阴极和室302中的阳极间施加电势以使电化学反应(7)和(8)发生并促进离子迁移穿过离子交换膜。

[0058] 气体被溶解在溶剂中以形成溶液320和324。溶解的气体在溶液320和324中形成离子物质。例如，水中溶解的二氧化碳形成碳酸氢根(HCO3-)和碳酸根(CO32-)离子。溶液320和324分别进入室303和307。室303中的阴离子(如碳酸氢根和碳酸根)通过阴离子交换膜312迁移至室304。室303中的阳离子(如质子)通过阳离子交换膜311迁移到室301中。已迁移至室301中的阴极的质子然后在半电池反应(8)中被还原并导致氢气的产生。类似地，室307中的阴离子(如碳酸氢根和碳酸根离子)通过阴离子交换膜316迁移到室308中。室307中的阳离子(如质子)通过阳离子交换膜315迁移到室306中。离子物质降低的溶液320和324分别离开室303和307并被回收。

[0059] 溶液322和326分别进入室305和309。溶液322和326可以是任何盐水溶液，如盐水、海水或废水，或任何待处理的以减少其中离子浓度的溶液。室305中的阳离子(如钠离子)通过阳离子交换膜313迁移到室304中。室305中的阴离子(如氯离子)通过阴离子交换膜314迁移到室306中。类似地，室309中的阳离子(如钠离子)通过阳离子交换膜317迁移到室308中。室309中的阴离子(如氯离子)通过阴离子交换膜318迁移到室310中。离子浓度降低的溶液
322和326分别离开室305和309并被回收。

[0060] 包含水或盐的溶液321和325被分别送入室304和308。例如，当溶液320和324包含溶于水的二氧化碳且溶液322和326为盐水时，进入室304和308的溶液321和325可以分别包含水或碳酸氢钠。在室304和308中，已从相邻室迁移到这两个室的阴离子(如碳酸氢根离子)与从相邻室迁移至这两个室的阳离子(如钠离子)结合。盐浓度增加的溶液321和325(如碳酸氢钠)分别从室304和308回收。

[0061] 包含水或酸的溶液323和327分别被送入室306和310。已从室305迁移至室306的阴离子(如氯离子)与已从室307迁移至室306的质子结合。类似地，已从室309迁移至室310的阴离子与已从阳极室302迁移至室310的质子结合。质子在室302中的阳极处通过水的半电池反应(7)产生。酸(如盐酸)浓度增加的溶液323和327分别从室306和310中回收。

[0062] 参照图4(a)和图4(b)并依据一个可替代实施方案，示出了包括室401、402、403和404的渗析池400。室402和403设置于室401和404之间。在室401和室402间设置阴离子交换膜410，在室401和室403间设置阳离子交换膜411。在室404和室403间设置阴离子交换膜
412，在室404和室402间设置阳离子交换膜413。导体430和431可选地设置在室402中，导体
432和433可选地设置在室403中(如图4(b)所示)。

[0063] 溶液420被送入室401。溶液420可以是任何盐水溶液如盐水、海水或废水，或任何待处理的以减少其中离子浓度的溶液。在输送机构如电场(如图4(b)所示)或另一个输送机构如浓度梯度(如图4(a)所示)的影响下，室401中的阳离子(如(如钠离子)通过阳离子交换膜411迁移到室403中。类似地，室401中的阴离子(如氯离子)通过阴离子交换膜410迁移到室402中。离子浓度降低的溶液420离开室401并被回收。

[0064] 气体被溶解在溶剂中以形成溶液421。溶解的气体在溶液421中形成离子物质(如碳酸氢根离子)。溶液421被送入室404。室404中的阳离子(如质子)通过阳离子交换膜413移入到室402中。类似地，室404中的阴离子(如碳酸氢根离子)通过阴离子交换膜412迁移到室403中。离子物质浓度降低的溶液421离开室404并被回收。

[0065] 离子物质迁移到室402和403中使得浓缩的酸溶液(如盐酸溶液)和浓缩的盐溶液(如碳酸氢钠溶液)分别从室402和403被回收。

[0066] 参照图5并根据可替代的实施方案，示出了电渗析池500，该电渗析池500包括在电渗析池500的任意末端处设置在其内设置阴极(未示出)的室501以及在其内设置阳极(未示出)的室502。设置在阴极室501与阳极室502间的是室503、504、505和506。设置在(i)室501与室503间的是阳离子交换膜507；设置在(ii)室503与室504间的是阴离子交换膜510；设置在(iii)室504与室505间的是阳离子交换膜508；设置在(iv)室505与室506间的是阴离子交换膜511；以及设置在(v)室506与室502间的是阳离子交换膜509。在工作中，在室501中的阴极与室502中的阳极间施加电势以引起电化学反应(7)和(8)发生并且促进离子通过离子交换膜的迁移。

[0067] 为了促进离子传输到室504中，可以在可选地设置在室504内的导体512与导体513间施加电场。导体512、513是多孔的并且由于它们的孔径尺寸而能够吸收离子。

[0068] 溶液523被输送至室505中。溶液523可以是任何盐水溶液，诸如盐水、海水或废水，或者待处理以降低其内离子的浓度的任何溶液。室505中的阳离子(例如钠离子)通过阳离子交换膜508迁移至室504中。室505中的阴离子(例如氯离子)迁移通过阴离子交换膜511并迁移至室506中。离子浓度降低的溶液523离开室505并被回收。

[0069] 气体被溶解到溶剂中以形成溶液521。溶解的气体在溶液521中形成离子物质(例如碳酸氢根离子)。溶液521被输送至室503中。室503中的阳离子(例如质子)移动通过阳离子交换膜507并进入室501中。然后，在室501中迁移至阴极的质子在阴极半电池反应(8)中被还原，从而导致产生氢气。室503中的阴离子(例如碳酸氢根离子)通过阴离子交换膜510迁移至室504中。离子物质浓度降低的溶液521离开室503并被回收。

[0070] 包含水或离子物质的溶液522被输送至室504中。例如，溶液522可以为包含碳酸氢钠的溶液。在室504中，阴离子(例如碳酸氢根离子与阳离子(例如钠离子)结合。浓度增加的结合或解离的离子物质的溶液522(例如碳酸氢钠)被从室504中回收。

[0071] 包含水或酸的溶液524被输送至室506中。在室506中，已经从室505迁移至室506中的阴离子(例如氯离子)与已经从室502并通过阳离子交换膜509迁移至室506中的质子结合。这些质子是在室502中的阳极处通过水的阳极半电池反应(7)产生的。水的半电池反应(7)还导致在室502中的阳极处产生氧气。酸浓度增加的溶液524(例如盐酸)被从室506中回收。

[0072] 参照图6(a)和图6(b)并根据另一个实施方案，示出了电渗析池600，该电渗析池600包括在电渗析池600的任意末端处设置在阴极室601中的阴极(未示出)以及设置在阳极室602中的阳极(未示出)。设置在室601与602间的是室603、604和605。设置在(i)阴极室601与室603间的是阴离子交换膜606；设置在(ii)室603与室604间的是阳离子交换膜607；设置在(iii)室604与室605间的是阴离子交换膜608；以及设置在(iv)室605与阳极室602间的是阳离子交换膜609。在工作中，在阴极室601中的阴极与阳极室602中的阳极间施加电势以引起电化学反应(7)和(9)和/或(l0a-c)(参见下文)发生并且促进离子迁移穿过离子交换膜。

[0073] 溶液623被输送至室604中。溶液623可以是任何盐水溶液，例如盐水、海水或废水，或者待处理以降低其内离子的浓度的任何溶液。室604中的阳离子(例如钠离子)通过阳离子交换膜607迁移至室603中。室604中的阴离子(例如氯离子)迁移通过阴离子交换膜608并进入室605中。离子浓度降低的溶液623离开室604并被回收。

[0074] 气体与氧气/空气混合以形成可以为气体或液体的流体621，然后被供给到阴极室601中。例如当流体621中气体为二氧化碳气体时，根据池600中使用的不同的催化剂以及池内的工作条件(例如温度、流速、湿度、压力等)，二氧化碳在室601的阴极处可经历以下半电池反应中的一种：

[0075] (9)1/2O2(g)+CO2(g)+2e-→CO32-(aq)(图6(a))

[0076] (10a)1/2O2(g)+H2O(l)+2e-→2OH-

[0077] (10b)OH-+CO2(g)→HCO3-(图6(b))

[0078] (10c)HCO3-+OH-→CO32-+H2O(l)

[0079] 二氧化碳气体还可被电还原成其他带电物质，例如甲酸根离子。在阴极处的半电池反应的类型可以取决于反应条件和反应器工作条件。没有参与半电池反应的气体(例如空气中的氮气)被排出。所产生的碳酸根离子(CO32-)、碳酸氢根离子(HCO3-)、氢氧根离子(OH-)(或者其他带电物质，例如甲酸根离子)迁移通过阴离子交换膜606进入室603中。可以以电化学方式产生碳酸氢根离子、碳酸根离子和其他离子(例如甲酸根离子)，而不产生氢氧化物，或者以化学方式通过将二氧化碳与以电化学方式产生的氢氧根离子反应产生碳酸氢根离子、碳酸根离子和其他离子(例如甲酸根离子)。使用单价阴离子交换膜作为阴离子交换膜606可以选择性地使得碳酸氢根离子迁移至室603中，同时碳酸根离子可能太大以致于无法迁移穿过阴离子交换膜606进入室603中。

[0080] 包含水或离子物质的溶液622被输送至室603中。例如，溶液622可以为包含碳酸钠、碳酸氢钠或者氢氧化钠的溶液。在室603中，阴离子(例如碳酸根离子、碳酸氢根离子或氢氧根离子)与阳离子(例如钠离子)结合以形成盐或碱(例如碳酸钠、碳酸氢钠或氢氧化钠)。包含浓度增加的盐的溶液622(例如碳酸钠或碳酸氢钠)被从室603回收。被回收的溶液622还可以具有浓度增加的碱(例如氢氧化钠)。

[0081] 包含水或酸的溶液624被输送至室605中。在室605中，已经从室604迁移至室605中的阴离子(例如氯离子)与已经从阳极室602通过阳离子交换膜609迁移至室605中的质子结合。这些质子是在阳极室602中的阳极处通过水的半电池反应(7)产生的。酸浓度增加的溶液624(例如盐酸)被从室605回收。

[0082] 参照图7并根据另一个实施方案，示出了电渗析池700，该电渗析池700包括在电渗析池700的任意末端处在室701中的阴极和在室702中的阳极。设置在室701与702间的是室703和704。设置在(i)阴极室701与室703间的是阳离子交换膜710；设置在(ii)室703与704间的是阴离子交换膜711；以及设置在(iii)室704与阳极室702间的是阳离子交换膜712。在工作中，在室701中的阴极与室702中的阳极间施加电势以引起电化学反应(7)和(9)发生并且促进离子迁移穿过离子交换膜。

[0083] 溶液721被输送至室703中。溶液721可以是任何盐水溶液，例如盐水、海水或废水，或者待处理以降低其内离子的浓度的任何溶液。在传输机制的影响下，室703中的阳离子(例如钠离子)通过阳离子交换膜710迁移至阴极701中。室703中的阴离子(例如氯离子)迁移通过阴离子交换膜711迁移进入室704中。离子浓度降低的溶液721离开室703并被回收。

[0084] 气体与氧气/空气混合以形成包含气体的流体720，并被供给到室701中的阴极。例如当气体为二氧化碳气体时，二氧化碳可在室701中的阴极处经历半电池反应(9)。二氧化-碳还可被电还原成其他带电物质，例如碳酸氢根离子和甲酸根离子。氢氧根离子(OH )还可以根据反应条件在阴极室701中产生。所产生的碳酸根离子或氢氧根离子与已经通过阳离子交换膜710迁移至室701中的阳离子(例如钠离子)结合以形成盐(例如碳酸钠)或碱(例如氢氧化钠)。盐浓度增加的流体720(例如碳酸钠)被从室701回收。被回收的流体720还可以具有浓度增加的碱(例如氢氧化钠)。

[0085] 包含水或酸的溶液722被输送至室704中。在室704中，已经从室703迁移至室704中的阴离子(例如氯离子)与已经从阳极室702通过阳离子交换膜712迁移至室704中的质子结合。这些质子是在室702中的阳极处通过水的半电池反应(7)产生的。酸浓度增加的溶液722(例如盐酸)被从室704回收。

[0086] 所描述实施方案的电渗析池和渗析池将至少一部分气体转化为盐，降低待处理的溶液的离子浓度，并且产生酸溶液而不是有害的卤素气体比如，氯气。浓缩的盐、离子浓度降低后的溶液以及酸溶液可以被回收和被用于进一步应用或者可以被安全地处理。

[0087] 因为其产生氢气的能力，图1、图2、图3以及图5中描述的电渗析池100、200、300以及500可以分别结合到更大的系统中用来发电。参照图8，示出了气体除去的流程图和水处理系统800。在使用二氧化碳作为气体和水作为溶剂的示例性实施方案中，将二氧化碳801a溶解于水801b中以形成CO2/H2O溶液801。包含溶解的碳酸氢根和碳酸根离子的CO2/H2O溶液801被引导到施加电力803的电渗析池802中。进入电渗析池802还有盐水804的浓缩溶液。浓缩的盐溶液804通过使盐水805流动(例如，盐水或海水)经盐-水处理过程806和盐浓缩器步骤807可选地产生。废热808被引入盐浓缩器中以产生浓缩的盐溶液804。通过冷凝器809将盐浓缩器步骤807过程中回收的过量水冷凝以形成冷凝的清洁水流810。

[0088] 如图1、图2、图3以及图5中描述的电渗析池100、200、300以及500所示例的，电渗析池802产生浓缩的酸性溶液811、脱盐的水流812和浓缩的盐水溶液813。此外，在电渗析池802的阴极和阳极处分别地形成了氢气814和氧气815。氢气814和氧气815被引导朝向发电机816用来发电，其产物是水817、电力818以及热量819。可以将水817输送回到电渗析池802中，供给到脱盐的水流812中，供给到冷凝的清洁水流810中或者用于其它地方。热量819可以被引导朝向盐浓缩器步骤807以进一步加快盐水的浓缩。产生的电力818可以被回收并且用于不同的应用。

[0089] 参照图9并根据另一实施方案，示出了电渗析池900，该电渗析池900包括分别在其两端处的室901中的阴极和室902中的阳极。设置在室901与室902间的是室903和904。设置在(i)阴极室901与室903间的是阴离子交换膜910；设置在(ii)室903和904间的是阳离子交换膜911；以及设置在(iii)室904与阳极室902间的是阴离子交换膜912。在工作中，在室901中的阴极与室902中的阳极间施加电势以引起电化学反应(7)和(10)发生并促进离子迁移穿过离子交换膜。

[0090] 溶液921被输送到室904中。溶液921可以是任何盐水溶液，例如，盐水、海水或废水，或者待处理以降低其内离子浓度的任何溶液。在输送机制的影响下，室904中的阳离子(例如，钠离子)通过阳离子交换膜911迁移到室903中。室904中的阴离子(例如，氯离子)通过阴离子交换膜912迁移到阳极室902中并且在阳极室902中与质子(H+)结合以形成酸(例如，HC1)。离子浓度降低后的的溶液921离开室904并被回收。

[0091] 将气体与氧气/空气混合以形成流体920，并且被供给到室901中的阴极上。例如当气体是溶液中的二氧化碳气体时，二氧化碳可以在室901中的阴极处经历半电池反应(10)以形成碳酸氢根离子(HCO3-)。还可以将二氧化碳电还原为其它带电物质，比如，碳酸根离子和甲酸根离子。根据反应条件，在阴极室901中也可产生氢氧根离子(OH-)。碳酸氢根离子和氢氧根离子穿过阴离子交换膜910迁移到室903中并且与通过阳离子交换膜911已迁移到室903中的阳离子(例如，钠离子)结合以形成盐(例如，碳酸氢钠)以及碱(例如，氢氧化钠)。

[0092] 包含水或离子物质的溶液922被传输到室903中。例如，溶液922可以是含有碳酸氢钠或氢氧化钠的溶液。在室903中，阴离子(例如，碳酸氢根离子或氢氧根离子)与阳离子(例如，钠离子)结合以形成盐(例如，碳酸氢钠)以及碱(例如，氢氧化钠)。包含盐浓度增加的溶液922(例如，碳酸氢钠)从室903被回收。回收的溶液922也可以具有增加的碱(例如，氢氧化钠)浓度。

[0093] 在可替代的实施方案(未示出)中，参照图1-图7以及图9，额外的室可以被添加到本文描述的电渗析池和渗析池中。在可替代的实施方案中，在系统中可以将两个或更多个渗析池堆叠在一起用于转化气体和处理溶液。每个渗析池可以是电渗析池，例如，图1-图3、图5-图7以及图9中所示的电渗析池，在每个电渗析池中包括阴极和阳极。堆叠的系统将具有分别供给到每个渗析池的产物室和气体室中的溶液(产物)进料和气体进料。一个渗析池端处的阴极室可以以堆叠排列的方式紧靠相邻渗析池端处的阳极室。

[0094] 公开的实施方案的多室渗析池可以被用于实施降低溶液的离子浓度和转化气体的方法。渗析池具有分离渗析池的室的离子交换阻挡层并且包括至少三个室：(i)气体室；(ii)产物室；以及(iii)酸室。这些室的一个或多个可以包括电极。多室渗析池还可以包括额外的室，比如，设置在产物室和气体室间的盐浓度室。第一阴离子交换阻挡层设置在产物室与酸室间，第一阳离子交换阻挡层设置在产物室与气体室间。阴离子交换阻挡层或阳离子交换阻挡层设置在这些室间的某处但不一定与这些室邻接或结合。该方法包括使包含气体的流体流动通过气体室，以及使待处理的溶液流动通过产物室。待处理的溶液中的阴离子迁移穿过第一阴离子交换阻挡层以与酸室中的阳离子结合，从而在酸室中形成酸溶液。
待处理的溶液中的阳离子迁移穿过第一阳离子交换阻挡层以与来自包含气体的流体的阴离子结合，从而形成盐。结果是降低了待处理的溶液的离子浓度并且至少一部分气体被转化为盐。根据流体中气体的组成，该盐可以是碳酸盐、碳酸氢盐、甲酸盐、硫酸盐、亚硫酸盐、硝酸盐、亚硝酸盐或者任何其它的盐。

[0095] 可通过位于产物室中或位于将待处理的溶液输送到产物室的歧管中的离子浓度传感器等监测供给到渗析池的产物室的待处理的溶液的离子浓度。可对渗析池内条件进行控制以使离开产物室的溶液的离子浓度在预定的范围内。例如，对于所公开的实施方案的电渗析池，可增大或减小施加在阴极与阳极间的电势以分别地增加或减少池中待处理的溶液的脱盐。用于改变离开产物室的溶液的浓度的其它方法包括：改变供给到盐浓缩室的溶液的流速或浓度；改变工作期间系统中所用的电渗析单元的数量，和/或改变工作期间所用的膜面积。在一个实施方案中，盐浓缩室可包括额外/辅助电极，其可独立地从电渗析池的阳极和阴极极化。在额外的实施方案中，可在待处理的溶液通过二次离子浓度控制单元分别地进入和离开产物室前或后降低或增加进入产物室的待处理的溶液的离子浓度或离开产物室的溶液的离子浓度。也可通过位于产物室出口附近或位于产物室出口或位于输送溶液远离产物室的歧管中的离子浓度传感器等监测离开产物室的溶液的离子浓度，以确保离开产物室的溶液在预定的范围内。当对离开产物室的溶液的离子浓度存在严格要求以使溶液再循环、再利用或处理时这是重要的。例如微处理器等的控制器可接收关于在产物室中待处理的溶液的浓度的实时数据(例如离子浓度传感器的读数)并可使用控制算法以致动对供给到产物室的待处理的溶液的离子浓度的波动的自动响应，例如如上所述增大或减小施加在阴极与阳极间的电势。

[0096] 可利用位于酸室中或位于将溶液输送到酸室并输送溶液远离酸室的歧管中的一个或多个传感器(例如，离子浓度或pH传感器)监测酸室中的酸溶液的浓度和/或pH。可对池内条件进行控制以使酸室中酸溶液的浓度和/或pH在预先确定的范围内。例如，对于所公开实施方案的电渗析池，可控制施加在阴极与阳极间的电势。用于改变酸室中酸溶液的浓度和/或pH的其它方法包括：改变供给到盐浓缩室的溶液的流速或浓度；改变工作期间系统中所用的电渗析单元的数量，和/或改变工作期间所用的膜面积。在一个实施方案中，盐浓缩室可包括额外/辅助电极，其可单独地从电渗析池的阳极和阴极极化。例如微处理器等的控制器可接收关于酸室中酸溶液的浓度和/或pH的实时数据并可使用控制算法以致动对酸溶液的浓度和/或pH的波动的自动响应，例如如上所述增大或减小施加在阴极与阳极间的电势。

[0097] 如上所讨论的，阳极和阴极可含有催化剂。这样的催化剂在本领域中是已知的并可经选择用于制造在阳极和/或阴极处的不同化合物。例如，阴极处的催化剂可经选择用于改变在渗析池中产生的碳酸氢盐(例如，NaHCO3)或碳酸盐(例如，Na2CO3)的量。

[0098] 如上文所讨论的，可通过极性倒转、周期冲洗或酸洗管理在渗析池中的离子交换阻挡层的无机结垢和/或离子交换阻挡层污染。渗析池的原位清洗的另一种方法可使用多孔电极(例如网状电极)，以下称为“再生电极”。在一个实施方案中，可将例如导体432和433之类的导体用作再生电极。可将再生电极置于给定离子交换膜的任一侧上，然后可根据需要极化。极化方法可为通过将外场施加到再生电极的循环、脉冲、瞬态、线性(或其它)模式的任意组合施加的任意电流或电势电化学方法。所施加的电流或电压可为直流电(DC)或交流电(AC)，或这些的组合(例如，具有DC偏移的AC)。此方法可用于间歇清洗或提供连续偏压以减少结垢。可能有用的是，因其它原因利用这些再生电极将电压施加在膜(或室)上以及例如降低电极的电压需求并局部地增加跨越具有更高欧姆损耗的膜或室的电压梯度。这可帮助电极环境更小腐蚀性并增加池部件和/或膜的寿命。它也可允许通过调整某些反应的电压控制电极处的反应并减少不需要物质的产生。再生电极也可充当电容(即，充电并吸引离子)，此对调整离子浓度可以是有用的。一旦电极/膜变得完全充电，可将它们排放到分离池中由此释放浓缩盐。一系列的自动过程是可能的并且再生电极可具有双重功能：1)膜的再生，2)离子浓度控制的潜在用途。

[0099] 硫化氢或酸性气体(H2S)一般是不需要的天然气组分,它有毒且还引起腐蚀。H2S与空气燃烧以形成二氧化硫(SO2)。用于除去H2S和SO2的已知方法为用以将H2S转化成硫的克劳斯法和将二氧化硫(SO2)和氧气在空气中燃烧最终形成H2SO4酸和热量的湿法硫酸(WSA)法。所公开实施方案的渗析池可用以除去流经气体室的H2S和/或SO2气体。H2S和/或SO2可以为气体、湿润气体、或溶于溶液中的气体的形式。在阴极处，可发生以下反应：

[0100] (11)H2S+1.5O2→SO2+H2O

[0101] (12)O2+2SO2+4e→2SO42-

[0102] 最终产物可为H2SO4酸或盐或两者的混合物。所公开实施方案的渗析池和方法因此可用于油和气体区段用于从天然气中除去H2S。

[0103] 在另一个实施方案中，渗析池的一个或多个离子交换膜是水可渗透的并且水移动穿过水可渗透的离子交换膜从相邻室进入渗析池的阳极室和/或水移动穿过水可渗透的离子交换膜从相邻室进入渗析池的阴极室。水进入阳极和/或阴极室的移动在它们各自室中浓缩酸溶液和/或浓缩盐(例如Na2CO3)中的酸(例如HCl)。水向阳极和/或阴极室的移动可通过由池和膜设计促进到这些室的水通量来实现。水向阳极和/或阴极室的移动以及酸溶液中酸的浓缩和/或盐的浓缩原位发生并因此优于用以除去水以浓缩溶液的外部浓缩器系统。可通过利用一个或多个传感器以感测酸溶液和/或盐的浓度的反馈环路使操作自动化并且当需要增加/降低浓度时，可调整阳极或阴极室的水含量以使酸溶液和/或盐的浓度保持在预先确定的范围内。可利用控制器使过程完全自动化。

[0104] 实施例

[0105] 三室气相二氧化碳电渗析池

[0106] 通过在阴极室601中的流体621中供给二氧化碳和空气以及在阳极室602中供给酸性水流使图6(b)中所示的三室电渗析池600工作。阴极使用非选择性铂(Pt)催化剂。待处理的进料溶液623由1M NaCl溶液组成。通过在工作开始时向室605添加10mmol HCl以及向室603添加10mmol NaHCO3，以溶液的初始化开始池工作。电渗析池在3V下工作总共八个小时。
起初四个小时池在室温下工作，然后电渗析池的温度增加至40℃，接下来四个小时池在40℃下运行。图9中示出了作为时间的函数的池电流密度和电压曲线。总之，在室温运行期间，电渗析池达到约52mA的平均总电流且在40℃下达到约84mA的平均总电流，这两个平均总电流分别对应于16mA/cm2和26mA/cm2的电流密度。

[0107] 酸的产生

[0108] 在整个测试期间周期性地监测盐浓度室603、产物室604和酸室605中的溶液的pH。图10中示出了盐浓度室603和酸室605中的溶液的pH。

[0109] 图10示出了如由随着时间酸室605(产物酸隔室)中pH减小所证明的酸的产量。虚线(pH HCl法拉第的)示出了基于通过电渗析池600的电流的量根据法拉第定律的预期pH变化。所测量的pH变化和所计算的法拉第pH变化轨迹紧密结合在一起并且在pH计的精度内。

[0110] 碳酸氢根离子为在pH8.3左右形成稳定pH的碱性pH缓冲液。碳酸氢根离子和氢氧根离子的产生应该使盐浓度室603中的溶液的碱性增加。当盐浓度室603(产物盐隔室)中的溶液中的盐(NaHCO3)的pH随着时间增加，表明碳酸氢根离子和氢氧根离子的产生，这在图10中清楚地观察到。

[0111] 由二氧化碳产生碳酸氢盐

[0112] 以不同的时间间隔从盐浓度室603和酸室605获得溶液的样品。来自盐浓度室603的样品用盐酸滴定以确定溶液622中的不同阴离子的浓度。这一技术能够区分碳酸氢根离子和碳酸根离子或氢氧根离子，但是以相同方式处理碳酸根离子和氢氧根离子。在图11中总结了滴定分析的结果，图11示出了碳酸氢根离子浓度的变化。图11表明盐浓度室603中碳酸氢根离子([HCO3-])随着时间的产量(浓度)增加。当除了流体621中的二氧化碳之外，在电渗析池600中没有其他碳源被供给到阴极室601中时，这些结果表明随着时间二氧化碳从流体621中除去。

[0113] 如果通过电渗析池600转移的所有电流根据法拉第定律被转化为碳酸氢根离子，则虚线([HCO3-]法拉第的)示出了碳酸氢根离子的浓度的预期变化。尽管盐浓度室603中的碳酸氢根离子浓度随着时间增加，但是它并没有追踪如上所讨论的预期浓度变化以及酸浓度。相信这是由于使用了还促进氢氧根离子和碳酸根离子的产生的非选择性催化剂。当被定位在阴极室601与盐浓度室603之间的阴离子交换膜606为单价阴离子交换膜时，碳酸根离子应该不能够渗透通过到达盐浓度室603。在图11中计算并绘制了随着时间在盐浓度室603中产生的氢氧根离子([OH-])的浓度。这里，假设没有用于产生碳酸氢根离子的所有电流有助于氢氧根离子。图11中所示的氢氧根离子和碳酸氢根离子的总浓度([HCO3-]+[OH-])与预期法拉第的浓度变化相对接近地匹配。

[0114] 作为浓度的函数的电渗析池性能改进

[0115] 图12示出了对于不同浓度的NaHCO3形成的电渗析池极化曲线(电压和电流密度)。当电渗析池室内的溶液电阻降低时，电渗析池性能随着浓度的增加而改进。期望随着酸浓度的增加有类似的改进。这表明电渗析池处理不同浓度的进料和产物的能力。

[0116] 作为温度的函数的电渗析池性能改进

[0117] 图13示出了对于室温工作以及在40℃下工作所形成的电渗析池极化曲线(电压和电流密度)。如图13所示，当增加温度有助于降低电阻和动力损耗时，相比于室温在40℃下电渗析池性能改进。图10-图12还表明随着8小时电渗析池工作所形成的总产物的增加随着时间发生的电渗析池性能改进。这不仅表明电渗析池在升高温度下工作的能力，而且温度的进一步增加可以改进电渗析池性能。

[0118] 虽然通过若干实施方案的描述对本公开进行了说明并且虽然详细描述了说明性实施方案，但是申请人的本意并非要将所附权利要求书的范围限制或以任何方式限定于此等细节。熟悉本技术领域的人员将容易了解在所附权利要求书的范围内的其他优点与修改。因此，在不偏离一般性概念的精神或范围的情况下，可以偏离所示出和描述的具体细节、代表性设备和方法以及说明性实例。

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