含盐废水和气体的转化

1、将含盐废水和气态二氧化碳转他i）碳酸盐、盐酸和脱盐水，供现场工业使用SaadDarabArmanBonakdarpour,abIMeghanHRubenthranGovindarsijandDavidP.Wilkinso告介绍了一种利用电渗析新方法将气态二氧化碳和盐水转化为脱盐水和增值产品的方法，并对其进行了表征。该方法包括一个5室电化学电池，包括阳极、阴极和三个电渗析室。水和气态二氧化碳/氧气分别在阳极和阴极上电化学转化为氧/质子和碳酸铀/氢氧化物。三个中央电渗析室将盐水中的离子与阳极和阴极的产物结合在一起，产生增值化学品和脱盐水。使用了一个定制的电化学电池，其活性面积为3.24cm2,包含

2、两个阴离子和阳离子交换膜阵列，每个膜都是钳/碳催化的阴极和钛阳极。阳极室、阴极室和中央室的进料分别为0.1MH2SO4各种二氧化碳和氧气混合物和1M氯化钠流。在24小时的试验期间，在各自的隔间内观察到盐酸、脱盐水和碳酸铀/氢氧化物盐的清洁生产。碱性（碳酸氢盐、碳酸盐或氢氧化物）离子和质子生成的电流效率分别高达71%F口96%通过绘制电化学电池不同隔间的极化损失图，确定不同气体成分的过电位源。这一概念目前正在0.5平方米的商业规模的中试反应堆中演示。1.介绍淡水消耗、盐水生产和温室气体（GHG排放的管理对不同的工业部门（包括采矿、化学工艺和油气作业）构成了重大挑战。尽管淡水资源的稀缺性和可靠性降

3、低了工业用水，但越来越多的法规和安全处理工业盐水的机会越来越少，增加了管理进出工业场地的水流量的复杂性。因此，这些宏观驱动因素导致对工业内盐水再利用的需求增加。1工业过程的脱盐选择可分为热/相变或膜基过程。2-6热脱盐过程包括多级闪蒸、多效沸腾、蒸汽压缩、腐殖酸除湿/除湿和太阳能蒸储器。7几种热脱盐技术众所周知，但被认为是资本和能源密集型。8,9此外，这些工艺在能耗方面往往效率低下，并且存在腐蚀和结垢问题。膜技术包括膜蒸储技术、反渗透和电渗析依赖于不同的操作方法。膜蒸储是一种热驱动过程，其中疏水膜（如聚偏氟乙烯膜或聚丙烯膜）受到温度梯度的影响，5,6液态水被膜排斥，而膜孔（0.2-1允许水蒸气

4、通过。反渗透是最常用的脱盐方法。在全球范围内，使用利用半透膜和压差将不同的离子和分子从废水流中分离出来4的方法。除了这些物理方法外，电渗析还用于海水淡化。电化学电渗析是一种电膜分离技术，利用离子选择膜作为物理屏障，在外加电位的作用下，离子从进料溶液中输送出去。10然而，所有这些基于膜的脱盐技术在某种程度上都受到结垢和污染的影响，并使用了昂贵的电能。13虽然有几种脱盐工艺可供选择，但这些技术是：（1）为最终用户增加了成本（2）产生需要处理的浓缩废物流（3）是高度能源密集型的。处理浓缩废物通常会使处理过程不经济，而脱盐方案的高能量强度也有助于工业过程中的二氧化碳排放。目前，工业过程中的二氧化碳排放

5、量约占全球人为碳排放量的21%被广泛认为是全球变暖的主要原因。减少碳排放的方法包括：（1）过渡到低碳或非碳生产工艺（例如，可再生能源技术）14（2）二氧化碳捕获和封存1532（3）将二氧化碳转化为有用产品。近年来，使用二氧化碳作为生产燃料和/或化学品的反应物进料受到了更多的关注。特别是，已经报道了的许多方法，包括通过电化学转化二氧化碳、18-21光化学方法22或化学方法。23电化学方法包括将二氧化碳电还原为甲酸或甲酸、33-36草酸或草酸、37乙烯、38种液体燃料（包括甲醇、39-41或一氧化碳和氢气形式的合成气）。42在燃料电池中也证明了二氧化碳的电化学转化，在燃料电池中使用了选择性催化剂将

6、二氧化碳转化为碳酸盐离子，碳酸盐离子作为电荷转移物质。43在这些方法中，二氧化碳在电化学反应器的阴极上经历一个电还原反应。在每种情况下，操作条件、催化剂组成和反应器设计决定了产品的组成、转换效率和能源需求。虽然这些电化学方法一般在技术上是成功的，但它们依赖于零碳排放的电源来实现净碳负过程。目前存在几种海水淡化和二氧化碳处理方法。然而，传统技术试图分别解决海水淡化和二氧化碳处理这两个问题。最近，我们报道了一种基于电渗析的工艺，该工艺同时将海水淡化，并将二氧化碳转化为无机酸和碳酸盐形式的增值化学品。44使用配备有阴离子和阳离子交换膜的电渗析电池以碳酸（CQ溶于水）和氯化钠为原料，制备了镀铭钛阳极和

7、钛网阴极、盐酸和NaHCO然而，由于二氧化碳在水中溶解度低，碳酸解离能力弱，导致高欧姆损耗，因此碳酸饲料的产品形成通量受到限制。为了将CO/O2和盐水的气体混合物转化为具有附加值的化工产品，我们在阴极上引入了一个气体电极，从而降低了CO的溶解度。与碳酸饲料相比，直接使用二氧化碳气体至少可产生40X更高的产品流量，从而使整个过程具有商业可行性。据我们所知，这是第一次演示电渗析工艺与阴极电还原气体饲料。这一过程在涉及气体饲料的废物回收和处理领域具有重大潜力，因为通过适当选择催化剂和操作条件，该过程可以调整为转化其他类型的气体污染物（例如二氧化硫）。2 .实验2.1 电化电池硬件所有实验均采用自定义

8、搭建的电化学电池进行，具活性膜面积为3.24cm2,膜内间隙为0.08cmo电极室采用通道尺寸为1mm宽）x1mm深）的阴极（高温导电石墨，McMaster-Carr供应公司）和阳极（99%ti,优质合金技术）蛇形流场。每个隔间的间隔（带有端口）都以这种方式对齐，以确保只向适当的隔间提供流量。使用间隔层（硅橡胶片，HT-6220,StockwellElastomericsInc.）来保持膜隙，其厚度为0.0813cm,流体流动的有效开放面积为3.24cm2。膜是支持在每个舱使用多孔玻璃过滤器文件（1.6m粒子彳留，费舍尔科学公司）。镀金铜电流收集器被放置在流场板旁边。带有氮气气囊的端板用于向整

9、个细胞组件提供压缩压力（25psi）,以减少内部和之间的接触电阻细胞的隔间。2.2 电极制备阳极由混合金属氧化物ir-混合氧化物涂层钛电极（G型，MetakemGmbH）组成。将阳极放置在钛阳极流板上，通过装配压缩确保提供足够的接触。研究了气体扩散电极（GDE剂催化膜（CCM网种不同的阴极类型。CC防口GDE都是使用全自动喷雾涂布机（ExactaCoat配备超声伏隔器喷嘴和加热真空表，Sono-Tek公司）制备的。将真空台维持在95C,使制备催化剂油墨的溶剂挥发。催化剂层油墨由85wt%勺催化剂和15wt%离聚物，在水/甲醇水溶液和喷雾涂层在阴离子交换膜。CCM!上的催化剂负载为0.4mgPt

10、cm-2。CCM勺制备采用了不同的膜，包括PC-Cell股份有限公司和富马泰克股份有限公司提供的膜。然而，这些CCM曲于催化剂油墨中使用的离子与膜不相容而受到影响。结果表明，富马泰克FAB膜在催化剂层与膜的粘附方面相对可靠。将油墨喷涂在Sigracet25bc气体扩散层上，得到0.4mgPtcm-2的负载。采用三层碳纤维纸（东丽炭纸、TGPH-090FuelCellEarth）支撑气体扩散电极或CCM在所有情况下，催化剂层都与阴离子交换膜直接接触。表1总结了所有用于实验的膜。膜的预处理是在相关离子的盐溶液中浸泡至少24小时。使用的膜的选择是基于制造商对不同离子和溶液的建议。表2总结了不同测试的

11、基线测试参数。2.3 极化测量这些测量是使用计算机控制的电位稳定电位（SP-150,生物科学仪器）。当施加的电位稳定（±2mA沈保持至少3分钟不变时，记录电流。所有偏振测量至少重复三次。报告的数据取三次重复的平均值。为了减少改变产物浓度的影响，在给产物腔提供初始浓度的同时，进行了极化实验，使溶液的浓度在实验过程中不会发生明显的变化。所有极化曲线都是使用前面描述的富马泰克FAB样品得到的。所提供溶液的初始浓度如表2所示。长期恒电位测量。更长期的操作（24小时）是通过在恒定的电池电位下操作电化学电池，同时持续回收每一升饲料溶液。然而，供给阴极电极的气体是在单通模式下提供的。气体进料的成分

12、随试验的进行而变化。由于稳定性问题，CCM的催化剂层所有较长期的测试都是用GDES!行的，如前所述。而FABCCMfc极化实验中表现出良好的稳定性，经过较长时间（8小时）的实验，可以观察到催化剂层与膜的分层和与气体扩散层的结合。连续24小时测量细胞电流密度。产品流初始浓度为20mMNaSO（ACS级，Fisher-ScientificCompany）溶液，以提供足够的导电性，开始测试。使用硫酸钠代替NaHCO因为它提供了所需的电导率水平，同时保持中性pH值，以便更准确地监测产品积累。电池调理和维护。使用蠕动泵（MasterflexL/S600RPM,Cole-ParmerInc.）控制所有液体

13、进料的流量。所有液体以5mlmin-1的流速供给细胞。在阳极室中加入0.1MH2SO（菲雪科学公司99.99%）,以促进O的析出反应。所有使用的气体纯度为99.99%（PraxairCanadaLtd.）,并以混合或纯形式使用。在使用镶板流量计（吉尔蒙特仪器，Cole-Parmer）的实验中，气体流速保持在50mlmin-1。值得一提的是，通过进一步增加流量，特别是在盐室和阳极室，由于改善了盐离子的传质（更湍流）和去除生成的氧气，从而获得了更好的整体性能。然而，在目前的电池设计中，选择的流速为5和50mlmin-1（适用于液体和气体）,以避免任何潜在的泄漏。每一种气体都有专门的流量计，气体的成

14、分随体积而变化。图1为实验系统总体示意图和所使用的ED单元示意图。所有实验均在常压（1atm）和室温（21C）下进行。参比电极测量。为了确定不同隔室间的潜在损失，在三个中心隔室的入口处放置了三个Ag/AgCl（无泄漏Ag/AgCl,Harvard仪器）参考电极。图1b为通过流动溶液与参比电极的离子接触。当细胞电流稳定到土2mAmin-1时，记录参考电极测量值。表1概述用于相关离子的膜及其预处理的解决方案膜类型膜名称（制造商）预处理方案质子酸性磺酸PEMNafion117（Na巾on?）去离子水钠酸性磺酸CEMPCMVK（PC单元）5wt%NaCl碳酸盐碱性俊AEM崔化剂包膜FAB（富马泰克）0

15、.5MNaHCO3氯化物碱性俊AEMPCMVA（PC单元）5wt%NaCl表2极化条件和长期试验总结极化曲线长期试验气体流量50mlmin-1及不同成分50mlmin-1及不同成分盐水流1MNaCl1MNaCl酸室初始进料50mMHCl50mMHCl基础舱初始进料50mMNaHCO350mMNa2SO4阳极电解质0.1MH2SO40.1MH2SO4温度21°C21°C电池压缩压力25psi25psia)MiM何+山降controler糙射电而他b*th-*pLinpbl«w+z函十o£Amon*9CationsAnodeMmCationhelectiva

16、membrin*Anionwlecrtvemembran4MembraneusedforconductingIons-MT-KMVKCEMOH,HCDj;CO/*FumarechFABorFAAJ>B0Cl-PCMVAAEM图1a）电渗析细胞检测整体系统示意图电渗析电池原理图及电化学测量方法参考电极的放置分析测量。氯离子浓度采用离子色谱法（离子色谱ICS-900,as22快速柱，25ppm检测限，Dionex公司）测定。用pH计（pH5+m,Oakton仪器）滴定10mMk酸溶液（37%屯度，FisherScientific）,测定中和点，进行碳酸氢盐离子分析。采用电感耦合等离子体光学发

17、射光谱（Agilent725ICP-OES配备自动采样器和径向图，Agilent技术）对45个钠离子进行分析。所有的测量都至少重复两次，当不确定性显著时，表示为图中的标准差。3 .结果和讨论这里，我们将三个中央电渗析室称为碱室、酸室和盐室（图1b）。一般情况下，输入废气可以分别提供给阳极或阴极，在阳极或阴极上，废气可以被氧化或还原。然后，利用阴离子和阳离子选择性膜的策略模式，将盐水中的离子矿化生成的离子种类。3.1 基线实验：用氧气和盐水生产化学品在最简单的形式下，反应器可以在阴极产生氢氧根离子，在阳极产生质子。这是通过向阴极提供加湿空气或氧气，并根据以下条件向阳极提供水来实现的：Anode:

18、2H+2e+-0.1.23Vvs.SHE（1）Cathodei+20H-0.40Vvj.SHE（212_在外加电位作用下，盐水中的钠离子和氯离子分别向阴极和阳极迁移。氯离子和质子从阳极室运输出来，产生盐酸，而钠离子和氢氧化钠结合，产生氢氧化钠。使用阴离子和阳离子选择膜来传导相关离子，使这些隔室保持分离。图2显示了使用硫酸钠和氯化钠（见表2）作为初始进料分别对碱室和酸室进行电位静态测试（3v,24小时）的结果。观察到的细胞电流密度在24小时的测试期间提高到大约41mAcm-2（图2a）。细胞电流密度的初始（1h）改善与电极和膜的调节有关。电流密度（1h）的进一步改善与细胞内的电阻降低有关，因为酸

19、和碱室的浓度增加。图2a还显示了24小时测试期间测量到的细胞电阻的改善情况酸室pH伯:由初始值3.23降至最终值1.37。总而言之，酸室的酸度在24小时内随法拉第定律的预期趋势而增加。观察到的氯离子浓度变化与预期的变化之问的一致性甚至更好。测量值和预期pH值之间的一些差异是由于质子通过阴离子交换膜流失到盐饲料室，这与观察到的盐饲料室pH值从5.72下降到1.95相对应。在校正了向盐水舱流失质子后，我们得到了酸性舱的测量pH值为1.27。该结果与1.17±0.10的期望值吻合较好。图2b为盐酸的实测产量和预期产量（通过氯离子导电膜纠正质子泄漏后酸室中H饼口Cl-浓度的变化）。碱室pH值

20、的增加与预期趋势密切相关。用10mm#酸滴定碱溶液，24小时后碱室溶液的氢氧根浓度为64mm,pH值为12.80。0000046&4321te:e今一*c9口艺£32UEeE0«9pHMleasuredp-HIFaradnictrend口CT.CDnsonlration-rCt-FamdaiGTrendme-心需山g,21p=型=o心oo8卜4.162adluauaJEdun。ss.xaTimehours图2在阴极加湿供氧的3.24cm2电池中进行概念验证测试。a）24小时测试期间的电流密度和细胞电阻；b）酸室pH值和氯离子浓度的变化;c）碱室pH、钠离子和氢氧根离

21、子浓度的变化。电池电位=3v,阴极馈电=增湿O2,阳极馈电=水。这与直接测量得到的pH值12.76非常吻合；然而，它低于法拉第定律中13的pH值。一种可能的解释是氢氧根离子通过钠导电膜进入盐舱的损失很小。然而，没有观察到相应的盐室碱度的增加。这可以用酸室的质子泄漏来解释，酸室的质子泄漏可能更高，因此中和了任何可能从碱室迁移过来的氢氧根离子。该电池的氢氧根转化率为=64%在±5mm的实验误差范围内，碱室钠离子浓度也呈上升趋势，并符合预期的Faradaic趋势。图2c为碱室氢氧化钠的实测浓度和预期浓度。3.2碳酸盐类和盐酸的生产将CO2引入阴极气体进料中，与阴极产生的氢氧根离子发生反应，

22、形成碳酸盐和碳酸氢盐物种，其反应机理如下：OH-+CO2-HCOf（3）HCOj-+OH-C032-+H2O（4）产生碳酸氢盐（或碳酸盐）的量可以理想地由提供给系统的二氧化碳量控制，但当使用产生羟基的催化剂时，这三种离子都可能在平衡状态下存在于溶液中。然而，在选择性催化剂（如Ca2Ru2O7y）下，只能生成碳酸盐离子：-0.十CO,十2cTCO产（5）一原则上，这种方法可以扩展到使用其他催化剂来生产其他化学品，如甲酸盐或草酸盐。该方法可推广用于处理任意电极上的其他类型气体，从而形成非常强大的电解/电渗析结构，适用于同时电合成所需化学品和净化输入流。图3显示了在3v下连续24小时的电位测量结果。

23、初始浓度的硫酸钠和氯化钠分别提供给碱/酸和盐饲料舱（表2）。图3a显示了24小时试验期间电流密度（图达32mAcm2）的增长趋势。如基线情况（即，电池电流密度的改善与电池欧姆电阻的降低有关，因为产品浓度在酸和碱室增加）。酸室的pH值从初始值3.16下降到最终值1.44。与基线情况（图2）一样，pH值下降的总体趋势与法拉第定律基本一致。但最终pH®（=1.44）与期望值（1.28±0.10）略有偏离。质子到盐水进料室的损失大约相当于6毫米盐酸。考虑到这一损失的酸盐舱将导致酸舱的预期pH值约为1.38,更接近于预期值。图3b为经氯离子交换膜的质子泄漏校正后，酸室中盐酸的测量值和

24、预期值。8504030201rE:Elt-IAug一匚aLunu&ba>UJaa>Qa)1410用一aCurrentDfnsjtyCellResisLaRct32esEtfEdlllG口pH-MtasurtdpH“Fitadjich#nd口Ock-CancMtrAllw-Cl-Fmda<Trend口upAEtumuuoo100w60"20TimerhourslMil口鼻EJluaucoCJ图3概念验证测试，在3.24平方厘米的电池与湿化氧气和二氧化碳饲料在阴极；a）24小时测试期间的电流密度和细胞电阻；b）酸室中pH值和氯离子浓度的变化c）碱室中pH值、钠离

25、子、氢氧根离子和碳酸盐离子浓度的变化。电池电位=3v,阴极馈电=#化O2/CO2,阳极馈电=水。基础室钠离子浓度在实验、取样和分析的变异(±5mm范围内增加，并与预期钠离子浓度相匹配。图3c为基室中不同离子的测量浓度。本实验的碱室不仅由氢氧化钠组成，而且由碳酸钠、碳酸氢盐和氢氧化钠溶液组成。当CO存在于阴极气体流中时，(bi)碳酸盐离子会缓冲基室，导致pH值低于仅含氢氧根的pH值，如图3c所示。根据24小时后的滴定结果，碱溶液由24mmOH7.5毫米HCO晋口13mmCO3离子组成。这相当于大约57.5mm阴离子的总一价电荷。如果所有的电子都被用于将氧电还原为OH,那么负离子的等效数

26、量大约为73mm很可能一些氢氧根和/或碳酸双离子被运送到生理盐水室，然后被质子中和，就像基线情况一样。这相当于在实验24小时内阴极电流效率约为71%3.3阴极气体组成对碳酸盐和碳酸氢盐生产的影响图4为在不同阴极气体组成和电池电位下，经过24小时的静电位实验，不同离子的测量浓度和期望浓度。通过法拉第定律，测得的盐酸室中氯离子的浓度与预期浓度基本吻合。当对盐舱质子泄漏进行校正时，pH值的变化也很好地吻合。图4b显示了在碱室中钠离子和碱性阴离子(氢氧化钠、碳酸氢盐和碳酸盐)的测量浓度和预期浓度。与先前的例子一样，钠离子的浓度与预期浓度(即对不同的气体组成和细胞电位实验进行了研究。另一方面，碱性阴离子

27、的产量低于预期产量。这些实验清楚地表明，通过调整阴极气体组成(CO7O2),可以很好地控制产品浓度。eqn(3)和(4)所示的二氧化碳和氢氧化物离子之间的化学反应表明，当氢氧化物离子中存在过量的二氧化碳时，形成的碳酸氢盐离子比碳酸盐离子多。另外，当氢氧根离子多于二氧化碳时，溶液中会产生更多的碳酸盐离子。这通常不会发生，因为一些氢氧根也会通过AEM专移到碱室。然而，增加二氧化碳浓度，从而使更多的氢氧根暴露在二氧化碳中，会导致更多的氢氧根离子与二氧化碳反应。在较高的细胞电位为6V时，与碳酸氢盐和碳酸盐离子相比，氢氧根在AEM!上的迁移率要高得多。这很可能是由于较高的通量，从而更快的运输氢氧根离子在

28、较高的电压减少了氢氧根离子与二氧化碳反应生成碳酸氢盐和碳酸盐离子可用的时间。400400XXXcr-Expected-oxIXQ284foG300200100b)+OfT-Exp*ctH不，OH'-M«*tbt*dExpected*睛一器葩施.10%COa25%CO250%CO二CeltPolential-3V*25%COa20CathodeGasComposition图4电解实验产品经过24小时的测试，不同气体成分在3V和6V时的化学浓度测试摘要;酸室中预期和测量的pH值和氯离子浓度的差异；b）碱室中钠离子和碱性离子的预期浓度和测量浓度的差异。3.4阴极气体组成对电池性能的

29、影响图5显示了不同阴极气体组成的电池极化和相邻腔室之间的电势差异。为了研究氧稀释单独的影响，极化测量也用氮进行，因为氮是惰性的，不与氢氧根离子相互作用。图5b-d所示的电位差表明了与膜上迁移的相关离子相关的转运超电位。例如，EAcid-Esalt（图5b）表示由于Cl-通过分隔盐和酸室的阴离子膜运输而造成的潜在损失。由于发现这些离子不影响性能，且与本文的讨论无关，因此省略了阳极和质子输运的参考电极测量。如图5a所示，在最高氮浓度下，增加阴极处的氮浓度会使电池性能降低8%左右。性能的轻微下降是由于氧气分压的降低导致了与Nernst势相关的热力学损失（50%氧气分压下的4mv损失）。部分的证据中可

30、以看到图5中所示的参比电极测量c和d,图5显示了一个轻微的增加盐的潜在差异和基础间虽然没有变化观察到其他车厢与纯氧和氮气稀释水平不同。向阴极气体中引入二氧化碳比用氮气稀释更能导致细胞过电位升高（图5a）o电势的增加可以在阴极和盐基室中观察到。这意味着性能的损失是由于阴极损失和钠离子从盐饲料运输到基础舱。阴极性能的损失可能是由于:（1）氧气分压降低（2）二氧化碳对催化剂层的毒害（3）被输送到基室的（bi）碳酸盐离子的迁移率降低。虽然降低氧分压（如引入氮气所观察到的）确实会稍微降低细胞性能，但这并不能解释所观察到的所有损失。催化剂层中铝的CO中毒有可能造成性能损失；然而，它的影响远低于一氧化碳中毒

31、。值得一提的是，气相色谱仪（GC）的测量结果显示没有产生一氧化碳。电池损耗的一个可能原因是（bi）碳酸盐离子的迁移率比氢氧根离子低。当二氧化碳被引入阴极时，它与氢氧根离子的还原作用导致碳酸氢盐和碳酸盐离子的形成，这些离子将与未转化的氢氧根离子平行迁移到基室。Bicarbonate离子和碳酸盐离子不移动图5的影响不同的阴极组成细胞的极化曲线。论文反应化学与工程于2018年11月20日，下载于2019年11月1日凌晨2:46:54。该期刊是？英国皇家化学学会2019React.化学.Eng发表。这也可以在图5d中观察到，参考电极测量值的斜率（电压与电流密度）随着二氧化碳浓度的增加而增加，表明该隔间

32、的电阻增加。表3显示了图5d中所示数据的斜率，这些数据是通过线性回归得到的，并通过所检查的每种气体成分的膜的几何表面积进行归一化。在阴极气体进料中使用氮气时，正火电阻高于纯氧，但随着氮气浓度的增加，正火电阻没有增加。然而，当使用二氧化碳时，归一化斜率增加，而且随着二氧化碳浓度的增加，归一化斜率增加。这些结果表明，（bi）碳酸盐离子的流动性和导电性较低是观察到的细胞电位升高的重要因素，止匕外，由于分压效应，相对较小的损耗也是如此。虽然阴极性能的损失可以解释为二氧化碳的引入，但钠离子电压性能的损失原因不太清楚，因为二氧化碳不会与提供给盐水进料室的溶液相互作用。然而，这些损耗可能是由于与离子迁移率有

33、关的电荷中性的基本要求以及电压梯度随电位变化而变化。在这个电化学电池中，虽然电池室表面上彼此独立，但离子传输和从一个电池室到另一个电池室的电位变化将间接影响其他电池室。因此，由于（bi）碳酸盐离子的流动性/导电性较低，以及/或阴极过电位增加，阴极-碱室的欧姆电阻增加也会影响其他室中其他离子的传输。这可以在生理盐水进料-基础隔室的阻力损失增加时观察到（图5C）。在这项工作中，我们已经证明，这种耦合传输/电位现象主要是由于阴极-基极室的性能损失所致。例如，可以在图5b所示的数据中观察到这种效应，其中不与（bi）碳酸盐离子相互作用的氯离子的运输也受到影响。E-nt=u心64214321521510.

34、50tciyrn4二D口'«*廿*叫：E八.EEca制阻E&uid0255075100125CurrentDensityrriA/cm,oooOc)b）酸盐、c）盐碱和d）阴图5不同阴极成分对a）电池极化曲线的影响，以及穿过极-碱室的电位降。表3阴极-基极化损耗不同气体成分的计算斜率汇总Gascomposifinnco2电Measuredslope(niQcm2)100%000.01190%10%00.01990%010%Experimentnotperformed75%26%00.02175%0(UH4W%的外fl50%I)50%O1SZLTMjUExperimen

35、tnotperiurmed2H%0fit)%U.0154.结论介绍了一种利用离子交换膜将盐水和二氧化碳转化为淡化水和化学品的电化学电池。通过电化学还原氧气或直接电化学还原二氧化碳和氧气，使气态二氧化碳与阴极产生的氢氧化离子发生化学反应，从而转化为二氧化碳。生成的碳酸氢盐或碳酸盐离子以及任何未转化的氢氧化物离子通过阴离子交换膜进行运输，在该膜中，它们可以与盐水中存在的运输阳离子结合，以矿物形式除去二氧化碳。盐水中的阴离子与阳极上产生的质子结合产生酸。因此，盐水、二氧化碳、氧气和电的输入被转换成脱盐水、碱和酸。这一方法在技术上证明是可行的，以生产酸和碱。然而，由于所产生的酸和碱分别通过阴离子交换膜

36、和阳离子交换膜有一定的泄漏，因此发现该系统存在效率损失。随着产品浓度的提高，这一问题加剧，并可能限制通过这种方法生产的产品的最终浓度。因此，使用或开发分别能成功阻止质子或氢氧化物泄漏的阴离子和阳离子交换膜，对这种方法的成功至关重要。采用非选择性铝催化剂，通过使二氧化碳与电极表面氧气电化学还原生成的氢氧化物离子发生化学反应，证明二氧化碳以碳酸盐和碳酸氢盐的形式转化为矿化物质。然而，这一概念对于其他化学盐的生产是灵活的，这些盐可以通过使用不同的催化剂还原二氧化碳而形成。例如，这些化学品可能包括甲酸盐或草酸盐的生产。止匕外，这一概念还可用于处理二氧化碳以外的气体，以生产其他化学品。例如，这些可能包括

37、处理氧化亚氮或硫，以生产硝酸盐或硫化物盐类。正在考虑对其他二氧化碳产品的演示或其他气体的处理，但它们超出了当前工作的范围。该方法已扩大到商业规模的中试反应堆，并计划在不久的将来对该方法进行现场演示。这种方法在存在盐水和废气的地区，以及生产的化学品和脱盐水可在现场使用的地区，有着特别相关的工业应用。这种方法特别适用于工业应用，如石油和天然气生产、采矿或卤水回收处理。需要脱盐并需要生产化学品的行业将大大受益，因为水处理成本可以通过生产化学品的价值抵消，从而为水的回收和再利用以及二氧化碳的利用创造经济价值。利益冲突没有要声明的冲突。致谢作者想感谢太平洋气候解决方案研究所（PICS）、减排阿尔伯塔省（

38、ERA、加拿大西部经济多样化（WED和加拿大自然科学与工程研究委员会（NSERC资助这项研究。参考文献1 J.J.Klemes,Curr.Opin.Chem.Eng.,2012,1,238-245.2 R.WasylishenandS.Fulton,in8thAnnualPTACSpringWaterForum,2012,p.11.3 C.Charcosset,Desalination,2009,245,214-231.4 C.Fritzmann,J.L?wenberg,T.WintgensandT.Melin,Desalination,2007,216,1-76.5 P.A.Hogan,A.

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