知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】公表特許公報(A)
(11)【公表番号】
(43)【公表日】2024-03-05
(54)【発明の名称】気体から標的種を捕捉する方法
(51)【国際特許分類】
B01D 53/14 20060101AFI20240227BHJP
C25B 1/01 20210101ALI20240227BHJP
C25B 9/21 20210101ALI20240227BHJP
C25B 15/08 20060101ALI20240227BHJP
B01D 61/44 20060101ALI20240227BHJP
B01D 61/46 20060101ALI20240227BHJP
【ＦＩ】
B01D53/14 210
C25B1/01 Z
C25B9/21
C25B15/08 302
B01D61/44 500
B01D61/46 500
B01D61/46
【審査請求】未請求
【予備審査請求】未請求
(21)【出願番号】P 2023557310
(86)(22)【出願日】2022-03-18
(85)【翻訳文提出日】2023-11-14
(86)【国際出願番号】 GB2022050698
(87)【国際公開番号】W WO2022195299
(87)【国際公開日】2022-09-22
(31)【優先権主張番号】2103806.2
(32)【優先日】2021-03-18
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(31)【優先権主張番号】2114697.2
(32)【優先日】2021-10-14
(33)【優先権主張国・地域又は機関】GB
(81)【指定国・地域】
(71)【出願人】
【識別番号】523354174
【氏名又は名称】ミッション・ゼロ・テクノロジーズ・リミテッド
(74)【代理人】
【識別番号】100118902
【弁理士】
【氏名又は名称】山本 修
(74)【代理人】
【識別番号】100106208
【弁理士】
【氏名又は名称】宮前 徹
(74)【代理人】
【識別番号】100196508
【弁理士】
【氏名又は名称】松尾 淳一
(74)【代理人】
【識別番号】100196597
【弁理士】
【氏名又は名称】横田 晃一
(72)【発明者】
【氏名】ゴバイル－ショー，ゲール
(72)【発明者】
【氏名】ゴーシュ，シラディチャ
(72)【発明者】
【氏名】チャドウィック，ニコラス
【テーマコード（参考）】
4D006
4D020
4K021
【Ｆターム（参考）】
4D006GA17
4D006JA42C
4D006KA01
4D006KA33
4D006KB19
4D006KD29
4D006MA03
4D006MA13
4D006MA14
4D006PA02
4D006PB12
4D006PB64
4D006PB70
4D006PC80
4D020AA03
4D020AA04
4D020AA05
4D020AA06
4D020BA16
4D020BA21
4D020BB03
4K021AB25
4K021DB31
4K021DB36
4K021DB53
(57)【要約】
標的種を含有する気体（１０８）を、捕捉種を含む第１の吸収液（１１０）と接触させる工程と；標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成する工程と；第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜（１１４、１１６）と接触させることによって、標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、標的アニオンを、イオン交換膜（１１４）を通して第２の吸収液（１３４）へ移動させる工程と；少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程とを含む、気体から標的種を捕捉する方法。１つまたは複数のイオン交換膜が、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、１つまたは複数のイオン交換膜を通過することはない。気体から標的種を捕捉するための装置（１００）もまた提供される。
【選択図】図１
【選択図】図１
【特許請求の範囲】
【請求項1】
標的種を含有する気体を、捕捉種を含む第１の吸収液と接触させる工程と；前記標的種を前記第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成する工程と；
前記第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜と接触させることによって、前記標的アニオンを前記第１の吸収液から電気化学的に分離し、前記標的アニオンを、イオン交換膜を通して第２の吸収液へ移動させる工程と；
少なくとも一部の前記標的種を前記第２の吸収液から放出する工程と
を含み；
前記１つまたは複数のイオン交換膜が、前記捕捉種に対して透過性ではないため、前記捕捉種は、前記１つまたは複数のイオン交換膜を通過することはない、
気体から標的種を捕捉する方法。
【請求項2】
前記第２の吸収液が、前記捕捉種を含有しない、請求項１に記載の方法。
【請求項3】
前記捕捉種が、前記第１の吸収液中で前記標的アニオンと結合し、前記標的アニオンは、前記イオン交換膜を通って移動する前に、前記捕捉種から電気化学的に解離される、請求項１または２に記載の方法。
【請求項4】
前記捕捉種が、アルカリ金属カチオンを含まないカチオン性捕捉種である、請求項１、２または３に記載の方法。
【請求項5】
前記捕捉種が、イオン性捕捉種、好ましくはカチオン性捕捉種、特に好ましくはカチオン性有機捕捉種である、請求項１～４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項6】
前記捕捉種が、イオン性ポリマーである、請求項１～５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項7】
前記捕捉種が、コリン由来のイオン性液体、好ましくは、カルボン酸またはプロパン酸などの有機酸の共役塩基を含有するカチオン性のコリン由来のイオン性液体である、請求項１～６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項8】
前記捕捉種が、カチオン性ポリマー、好ましくは複数のアミン基を含む繰り返し単位を有するカチオン性ポリマーであり、任意選択で、前記捕捉種が、カチオン性官能基で官能化された複数のポリマー樹脂粒子を含むか、または前記捕捉種が、カチオン性官能基で官能化されたアニオン交換樹脂粒子のスラリーを含む、請求項１～７のいずれか一項に記載の方法。
【請求項9】
前記捕捉種が、ポリマーアミン、好ましくはカチオン性ポリマーアミンである、請求項１～８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項10】
前記捕捉種が、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む、請求項１～９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項11】
前記捕捉種が、２００、または２５０、または３００、または４００、または５００、または５５０、または６００、または７００、または８００ｇ／ｍｏｌ以上の分子量を有する、請求項１～１０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項12】
前記１つまたは複数のイオン交換膜が、それを通る前記標的アニオンの通過を可能にし、かつ、カチオン性電荷、および／または２００、もしくは２５０、もしくは３００、もしくは４００、もしくは５００ｇ／ｍｏｌより大きい分子量を有する捕捉種の通過を妨げるように構成されている、請求項１～１１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項13】
前記捕捉種が、弱塩基性であり、好ましくは、前記捕捉種が、１０未満、好ましくは８．５未満、特に好ましくは７．５未満のｐＫａを有する、請求項１～１２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項14】
前記第１の吸収液が、溶解した前記標的種の前記標的アニオンへの転換を促進するための水和触媒を含有し、好ましくは、前記触媒が、炭酸脱水酵素などの酵素、亜鉛の有機金属化合物（亜鉛シクレン）、および／または金属もしくは金属酸化物の粒子もしくはナノ粒子を含む、請求項１～１３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項15】
少なくとも１つの前記イオン交換膜が、前記標的アニオンに対して透過性のアニオン交換膜であり、好ましくは、前記アニオン交換膜が１価アニオン交換膜である、請求項１～１４のいずれか一項に記載の方法。
【請求項16】
前記標的種が、前記第１の吸収液に溶解して、標的アニオンおよび水素カチオン（Ｈ＋）を形成し、前記１つまたは複数のイオン交換膜が、前記標的アニオンに対して透過性のアニオン交換膜、および前記水素カチオンに対して透過性のカチオン交換膜を含み、好ましくは、前記水素カチオンが、前記第１の吸収液から電気化学的に分離され、前記カチオン交換膜を通って前記第２の吸収液へ移動する、請求項１～１５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項17】
前記標的アニオンが、前記第２の吸収液中で、水素カチオンと組み合わされて、標的酸を形成し、好ましくは、前記標的酸が前記標的種の共役酸である、請求項１～１６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項18】
前記水素カチオンが、Ｈ２Ｏを電気分解することによって製造される、請求項１７に記載の方法。
【請求項19】
前記第２の吸収液が、前記第１の吸収液のｐＨとは異なるｐＨを有し、好ましくは、前記第２の吸収液のｐＨは７未満である、請求項１～１８のいずれか一項に記載の方法。
【請求項20】
前記第１の吸収液が水溶液であり、前記第２の吸収液が非水溶液であり、好ましくは、前記第２の吸収液が、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートまたはジメチルカーボネートなどの有機カーボネート溶媒を含むかまたはこれらからなる、請求項１～１９のいずれか一項に記載の方法。
【請求項21】
前記第２の吸収液が、前記捕捉種を含有しない、請求項１～２０のいずれか一項に記載の方法。
【請求項22】
前記１つまたは複数のイオン交換膜と接触する１つまたは複数のフロー電極を含み、好ましくは、第１のフロー電極が、前記イオン交換膜のアウトプット側と接触する第２の吸収液の流れを含み、イオン交換膜を通って前記標的アニオンが移動する、請求項１～２１のいずれか一項に記載の方法。
【請求項23】
前記標的アニオンを前記第１の吸収液から電気化学的に分離する工程が、容量性脱イオン（ＣＤＩ）、フロー－ＣＤＩ、または電気透析を含む、請求項１～２２のいずれか一項に記載の方法。
【請求項24】
好ましくは室温および大気圧で、前記第２の吸収液中の前記標的酸の化学平衡を維持するために、前記標的種が前記第２の吸収液から気体として放出される、請求項１～２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項25】
前記第２の吸収液中の少なくとも一部の前記標的アニオンが、ミネラルまたは塩と反応して、前記第２の吸収液から放出される沈殿物質を形成する、請求項１～２３のいずれか一項に記載の方法。
【請求項26】
前記標的種が、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、ＮＯ、ＮＯ２およびＮ２Ｏからなる群から選択される、請求項１～２５のいずれか一項に記載の方法。
【請求項27】
前記標的種がＣＯ２であり、前記標的アニオンが重炭酸イオンであり、前記標的酸が炭酸である、請求項１～２６のいずれか一項に記載の方法。
【請求項28】
標的種を含有する気体を、捕捉種を含有する第１の吸収液と接触させ、前記標的種を前記第１の吸収液に溶解して標的アニオンを形成するように構成された、気体接触器；前記標的アニオンを前記第１の吸収液から電気化学的に分離し、少なくとも一部の前記標的アニオンを第２の吸収液へ移動させるための、１つまたは複数のイオン交換膜を備えるイオン分離器；および
少なくとも一部の前記標的種を前記第２の吸収液から放出するための放出容器
を備え、
前記１つまたは複数のイオン交換膜は、使用中に、前記捕捉種に対して透過性ではない、
気体から標的種を捕捉するための装置。
【請求項29】
前記１つまたは複数のイオン交換膜が、前記標的アニオンを前記第１の吸収液から前記第２の吸収液へ移動させ、かつ前記捕捉種を前記第１の捕捉溶液中に保持するように構成されている、請求項２８に記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、気体から標的種を捕捉する方法、詳細には、空気から標的種を捕捉する方法に関する。特に好ましくは、標的種はＣＯ２であり得る。
【背景技術】
【0002】
保存のための汚染気体種の捕捉、または有害性が低い化合物への転換は、世界的に環境および経済的な重要性が増大している。詳細には、空気からの標的気体種の捕捉は、直接的空気捕捉またはＤＡＣとしても公知であり、多様な環境および経済的な理由から非常に望ましいプロセスである。生物学的なプロセス以外で、直接的空気捕捉は、過去の汚染気体排出に取り組む唯一の方法を表す。
【0003】
特別の関心事は、ＣＯ２の直接的空気捕捉（ＤＡＣ）である。炭素種の直接的空気捕捉は、特に、排煙などの濃縮発生源からＣＯ２を除去する従来的な炭素捕捉技術が導入不可能であるような状況において、２１世紀における産業的および国家的なネットゼロ炭素排出目標を実現するための助けとなる可能性がある。
【0004】
直接的空気捕捉の現況技術は、一般に２種類のプロセスに依存する。ＤＡＣの１つの実施では、ＣＯ２は、水酸化物の高苛性溶液によって吸収され、沈殿した炭酸塩を形成する。次に、炭酸塩は、それが分解してＣＯ２を形成するまで８００℃に加熱され、苛性溶液を再生する。ＤＡＣ技術のもう１つの実施は、アミン基を含浸させた固体フィルタへのＣＯ２の吸着に関連する。アミン基は、周囲温度でＣＯ２と結合し、およそ１００℃の昇温状態でＣＯ２を放出する。
【0005】
これらの技術は、極めてエネルギー集約的で、直接的および／または間接的な高次の熱エネルギーに依存型である化学的プロセスを利用するものであり、このことは、プロセスの原理はうまく働くが、これらの技術の経済性は、広範な実用的展開にはあまりに不確実で好ましくないことがこれまでに証明されたということを意味している。最新技術であるこの分野の発明は、１１７ｋＷＨ／トンという原理的な熱力学的最小値と比較して、空気から捕捉されたＣＯ２の１トン当たり１５００～２５００ｋＷＨのエネルギーが必要とされることが公知である。これは、エネルギー消費量を低減し、したがって、これらのプロセスの経済原価を低減するために、さらにより効率的な技術が発明されなければならないことを明白に実証している。
【0006】
これらの先行技術の熱需要もまた、その環境上の利点を相殺する。なぜなら、ＤＡＣプロセスに電力を送るのに必要なエネルギーを製造するために排出されるＣＯ２は、達成されたＣＯ２捕捉の実際の正味の量が、一見したところ推定され得るものより低いことを意味するためである。ある商業化されたＤＡＣ技術は、主要なサブプロセスに６００℃を超える温度を必要とし；現在のところ、化石燃料である天然ガスの燃焼を通してのみ、これらの温度における熱を得ることが可能であり、これらはそれ自体著しいＣＯ２フットプリントを伴う。他のＤＡＣ技術では、主要なサブプロセスに高次の加圧蒸気が必要とされ、これらもまた、化石燃料の燃焼プロセスまたは地熱エネルギーを有するロケーションが供給源となる場合がある。
【0007】
ＷＯ２０１３／０３６８５９Ａ１は、ＣＯ２がアルカリ性水性流中で捕捉され、第２の水性流から放出される標的気体捕捉プロセスについて記載している。重炭酸カリウムを、カリウムイオンおよび炭酸カリウムからそれぞれ分離するために使用される、電気透析およびナノ濾過プロセスの例が提供されている。電気透析中に、溶解した標的種と緩衝種対イオン（典型的には、アルカリ金属カチオン）は、両方ともイオン交換膜を通過し、第２の水性流中で電気的中性を達成する。高温気体回収器を使用して、アルカリ金属重炭酸塩を分解し、ＣＯ２を遊離させる。
【0008】
ＥＰ３１６２２９４Ａ１は、ＣＯ２回収のための双極性膜の電気透析を開示している。Ｋ２ＣＯ３／ＫＨＣＯ３水溶液を使用して、気体からＣＯ２を捕捉し、次に、双極性膜を使用してＨ２Ｏが電気分解される電気透析セルに導入する。電気透析セル中で、重炭酸／炭酸アニオンは、アニオン交換膜を通って移動し、水電気分解からのＨ＋と組み合わされ、カリウムカチオンは、カチオン交換膜を通って移動し、水電気分解からのＯＨ－と組み合わされ、その結果、アルカリ金属水酸化物（水酸化カリウムＫＯＨ）の流れが、双極性電気透析セルから流出される。
【0009】
場合によっては、先行技術ＤＡＣプロセスは、連続操作に対するものとして、バッチまたはセミバッチ様式でのみ操作可能であり、これらの発明の実用的な有用性および経済性を厳しく制限する。現在、ＣＯ２の２００～７５０ドル／トンという平準化された費用を示すこれらの技術の既に法外な資本経費を考慮すると、バッチ／セミバッチ作動を通して生じる休止時間は、さらなる障害となり、これらの束縛を克服するＤＡＣのための新しい技術が発明されることが必要であることを示す。
【発明の概要】
【0010】
本発明は、添付の独立請求項に定義され、それらをここで参照する。本発明の好ましい特色は、従属請求項に明示される。
【0011】
第１の態様では、本発明は、気体から標的種を捕捉する方法を提供し：
標的種（target species）を含有する気体を、捕捉種（capture species）を含む第１の吸収液と接触させる工程と；
標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成する工程と；
第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜と接触させることによって、標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、標的アニオンを、イオン交換膜を通して第２の吸収液へ移動させる工程と；
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程とを含み；
ここで、１つまたは複数のイオン交換膜は、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、１つまたは複数のイオン交換膜を通過することはない。
標的種（target species）を含有する気体を、捕捉種（capture species）を含む第１の吸収液と接触させる工程と；
標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成する工程と；
第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜と接触させることによって、標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、標的アニオンを、イオン交換膜を通して第２の吸収液へ移動させる工程と；
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程とを含み；
ここで、１つまたは複数のイオン交換膜は、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、１つまたは複数のイオン交換膜を通過することはない。
【0012】
本発明の方法と先行技術の気体捕捉法との主要な違いは、１つまたは複数のイオン交換膜が捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種がイオン交換膜を通過しないことである。本発明では、１つまたは複数のイオン交換膜のいずれも、捕捉種に対して透過性ではない。したがって、捕捉種は、第１の吸収液中に残存し、第２の吸収液へ移動しない。
【0013】
標的種が第２の吸収液から放出されるため、第２の吸収液は、代替的に放出溶液と名づけられてもよい。
【0014】
本発明の好ましい実施形態では、第２の吸収液は、捕捉種を含有しない。
【0015】
捕捉種が第２の吸収液に移動しないため、第２の吸収液は捕捉種を含有せず、そのため、本方法では、第２の吸収液中で捕捉種に結合した標的種を分離する必要がない。これは、標的種が、第２の吸収液中で相対的により揮発性状態にあり、第２の吸収液から標的種を遊離させるために、標的種－捕捉種化合物を分解するために熱を加える必要がないことを意味する。
【0016】
先行技術では、捕捉種（先行技術では、典型的にはアルカリ金属カチオンである）は、放出溶液中に存在する。したがって、放出溶液中で、この捕捉種が標的種に結合しているため、標的種を放出溶液から放出することは、標的種を遊離させるために、典型的には加熱によって、エネルギーを投入する必要がある。
【0017】
ＷＯ２０１３／０３６８５９Ａ１では、例えば、段落［００４３］が、緩衝種対イオン（典型的にはアルカリ金属カチオンである）が、アニオン交換膜を通って移動する溶解した標的種アニオンと、第２の水性流における電気的中性を達成するために、カチオン交換膜を通って第２の水性流に移動することを説明している。ＷＯ２０１３／０３６８５９Ａ１の段落［００４３］は、溶解した標的種が濃縮された水性流１３２’は、気体回収器へと流動する時に対イオン１１２’を含むことを記載し、段落［００４５］は、対イオン１１２’が、１価カチオンであると述べている。この結果、第２の水性流が、堅く結合されたアルカリ金属－標的種の複合体を含有するように、これは、第２の水性流を高温に加熱することによってのみ、分解されて標的種を放出することができる。
【0018】
ＥＰ３１６２２９４Ａ１では、例えば、入ってくるＭＸ流からのカリウムカチオンが、カチオン交換膜を通って移動し、双極性膜水電気分解によって生成されるＯＨ－イオンと、出ていくＭＯＨ流を形成する。
【0019】
ＥＰ３６８５９０４Ａ１では、アルカリ金属カチオンは捕捉種として使用され、図３に示されるように、同じアルカリ金属カチオンが放出溶液中に存在する。
【0020】
本発明では、捕捉種が、イオン交換膜を通って第１の吸収液から出ていくのを妨げることにより、捕捉種は、有利なことに第１の吸収液中に保持され、より多くの標的種の捕捉における再使用のために再循環され得る。これは、捕捉種の再使用がさらにより簡単で、より環境的に配慮されていることを意味する。捕捉種が第２の吸収液に入るのを妨げることは、第２の吸収液を捕捉種蓄積物として流出させる必要を取り除き、本方法が、第２の吸収液から捕捉種を除去するための複雑でエネルギー効率の悪い工程を必要としないことを意味する。捕捉種が第２の吸収液に入るのを妨げることの別の利点は、放出工程の一部として、捕捉種と標的アニオンの解離を強制的に行う必要がないことである。これは、放出工程に必要とされるエネルギーを低減する。標的アニオンと、捕捉種として作用するアルカリ金属カチオンも含有する溶液から、標的種が放出される先行技術の方法では、反応生成物が、気体状標的種への分解を強制的に行うために、高温に加熱されなければならないため、放出工程は高いエネルギー投入を必要としてきた。本発明では、放出工程前に、標的アニオンを捕捉種から電気化学的に分離することによって、有利なことにこれが回避される。
【0021】
溶解工程中または後に、捕捉種は、第１の吸収液中で標的アニオンと結合し得る。
【0022】
本発明は、標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成することによって、標的種を捕捉する。標的種を第１の吸収液に溶解することは、標的酸の対イオン、言い換えれば１つまたは複数の標的アニオンおよび付加的に１つまたは複数の水素カチオンＨ＋を形成し得る。これらの標的酸対イオンの少なくとも一部は遊離したままで、第１の吸収液のｐＨの低下によって測定可能であり得て、一方、標的酸対イオンの少なくとも一部は、第１の吸収液中で捕捉種と結びつき得る。
【0023】
さらに以下で議論される本発明の好ましい実施形態では、Ｈ＋カチオンの供給源が提供され、第２の吸収液中で標的アニオンと結びつき得る。したがって、標的酸およびＨ＋カチオンは、標的種の放出の前に、第２の吸収液中で結びついて標的酸を形成し得る。
【0024】
標的アニオンは、標的種の共役酸のアニオンであり得る。ＣＯ２捕捉の場合には、例えば、標的アニオンは重炭酸アニオンであり、標的酸は炭酸である。
【0025】
特に好ましい実施形態では、気体は第１の吸収液と接触し、標的種は溶解し、第１の吸収液中で複数の標的アニオンに転換される。標的種の溶解はまた、第１の吸収液中に複数の水素カチオンを生成する。標的アニオンは、捕捉種から電気化学的に解離され、イオン交換膜を通って第２の吸収液へ移動する前に、捕捉種と結びつきまたは反応し得る。１つまたは複数のイオン交換膜は、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、第１の吸収液中に残存する。
【0026】
好ましい実施形態では、水素カチオンを、第１の吸収液から、カチオン交換膜を通って第２の吸収液へ通過させることによるか、または水素カチオンの代替の供給源を第２の吸収液に提供することによるいずれかで、水素カチオンの供給源はまた第２の吸収液に提供される。結果は、第２の吸収液が、複数の標的アニオンと複数の水素カチオンの両方を含有し、それらが結びついて標的酸を形成することとなる。標的酸は続いて分解し、標的種を第２の吸収液から気体として放出し得る。
【0027】
第２の吸収液への移動のために、標的種を標的アニオンに転換し、Ｈ＋カチオンの供給源を提供し、標的アニオンと標的酸を形成して、次に標的酸から標的種を放出することの著しい利点は、第２の吸収体中で標的酸から標的種を放出することが、有利なことに、エネルギー投入をほとんど必要としないことである。ＣＯ２などの標的種に関して、標的酸およびそのイオンは、有利なことに、相対的に低い温度で不安定であり、そのため、標的酸は、先行技術で使用されたエネルギー多消費的な加熱工程を必要とすることなく、標的種を第２の吸収液から容易に放出し得る。
【0028】
代替の実施形態では、第２の吸収液中の標的アニオンは、別の種と反応して、沈殿の形態で標的種を放出し得る。標的種の沈殿した形態は、次に、例えば第２の吸収液から沈殿物を濾過することによって、第２の吸収液から除去することができる。
【0029】
特に好ましい実施形態では、例えば、標的種は二酸化炭素（ＣＯ２）であり、溶解したＣＯ２は、第１の吸収液中で炭酸に転換される。炭酸は、捕捉種と結びつきまたは反応し得る重炭酸アニオン、および水素カチオンからなる。次に、重炭酸アニオンは、捕捉種および第１の吸収液から電気化学的に分離されるため、標的の重炭酸アニオンは、イオン交換膜を通って移行し、第２の吸収液に吸収される。水素カチオンを、第１の吸収液から、カチオン交換膜を通って第２の吸収液中へ通過させることによるか、または水素カチオンの代替の供給源を提供することによるいずれかで、水素カチオンの供給源はまた第２の吸収液に提供される。結果は、第２の吸収液が、標的の重炭酸アニオンと水素カチオンの両方を含有し、それらが結びついて炭酸を形成することとなる。炭酸は、続いて分解し、第２の吸収液からＣＯ２ガスとして放出される。この技術の最も著しい利点は、捕捉されたＣＯ２の放出が、炭酸およびそのイオンが室温で不安定であるという事実に起因して、最低限のエネルギーを必要とすることである。一方、アミン吸着剤または炭酸塩か焼炉は、ＣＯ２の１トン当たり１５００～２０００ｋＷｈを必要とする。
【0030】
有利なことに、第１および第２の吸収剤の液体溶液の使用は、消耗された場合の装置中の吸着剤の容易な補充を可能にし、固体の吸収剤に依存する先行技術のＤＡＣ法より、加工を著しく簡単なものとする。
【0031】
標的アニオンを第１の吸収液中の捕捉種から電気化学的に分離することはまた、先行技術における吸収液の再生用プロセスと比較して、相対的にエネルギー効率が良い。例えば、容量性脱イオン（ＣＤＩ）による電気化学的分離は、標的アニオンを第１の流れから分離するために、ＣＯ２の１トン当たり３００ｋＷｈ未満を消費し得る。このプロセスから電荷の一部を回収するという選択肢もあり、エネルギー効率におけるさらなる利益をもたらす。
【0032】
有利なことに、本方法は、電気エネルギーのみを必要としながら、周囲温度および周囲圧力下での空気などの希薄な気体流から、ＣＯ２などの標的気体種を捕捉し、それを高純度に濃縮するのに使用可能である。これらの利点は、本発明の方法を、先行技術より環境的に効率が良く、エネルギー効率が良く、低コストの技術とする。
【0033】
第１の吸収剤
第１の吸収液は、水性または非水性のいずれかであってもよいが、好ましくは水溶液である。
第１の吸収液は、水性または非水性のいずれかであってもよいが、好ましくは水溶液である。
【0034】
一部の実施形態では、第１の吸収液は、標的種を溶解する前に、７～１１のｐＨを有し得る。特に好ましくは、第１の吸収液は、標的種を溶解する前に、７～８．５、または７～８、または７～７．９または７～７．５、特に好ましくはｐＨ７のｐＨを有し得る。この場合は、これは、本発明の方法と、吸収動力学を改善するという要望から高アルカリ性吸収液が使用されてきた多様な先行技術の方法との間に、特定の差異をもたらす。ＷＯ２０１３／０３６８５９Ａ１では、例えば、アルカリ性緩衝溶液のみが使用され、よりアルカリ性のｐＨが、ＣＯ２の捕捉速度を著しく増加させることが実証された（図６）。
【0035】
他の実施形態では、第１の吸収液のｐＨは、標的種の吸収前に、ｐＨ７より大きく、またはｐＨ９、またはｐＨ１０、またはｐＨ１１より大きくてもよい。第１の吸収液のｐＨは、第１の吸収液中の捕捉種の選択、および第１の吸収液中の捕捉種の濃度によって決定され得る。
【0036】
標的種が溶解し、標的アニオンに転換されると、標的種の溶解が典型的には標的酸の両方の対イオンの生成に関わるため、第１の吸収液のｐＨはより酸性になる。例えば、第１の吸収液は、標的種の溶解後、７～９．５のｐＨを有し得る。特に好ましくは、第１の吸収液は、標的種を溶解した後、６．５～９、または７．５～８．５のｐＨを有し得る。これもまた、溶解したイオン種が、高アルカリ性の吸収液体中で運ばれる先行技術と異なる。ＷＯ２０１３／０３６８５９Ａ１では、例えば、水溶液は、全ての時間に高アルカリ性のままである。
【0037】
良好な水和動力学を達成するために、ほとんどの先行技術系は、多量の溶解した無機塩を含有する高アルカリ性の吸収剤を使用してきた。アミン捕捉溶媒は、例えば、典型的には、３０％ｗｔ．までの含有量を必要とし、一方、水酸化物溶液は、数ｍｏｌ／Ｌの濃度を必要とする傾向がある。しかしながら、吸収液中の塩濃度が増加するにつれて、電気化学的分離に必要とされるエネルギー、および得られた塩生成物を分解し、溶解した標的種を放出するために必要なエネルギーは、劇的に増加する。
【0038】
第１の吸収液は、好ましくは１５℃～６０℃、好ましくは１８℃～４５℃、特に好ましくは３０℃～４０℃の温度で維持され得る。第１の吸収液をこの温度範囲に保つことは、有利なことに、溶液を高温に加熱するために多量のエネルギーを費やす必要がないことを意味する。
【0039】
第１の吸収液は、好ましくは２バール未満の圧力、好ましくは大気圧で維持され得る。
【0040】
標的種を含有する気体は、多様な公知の方法によって、第１の吸収液と接触させてもよい。例えば、気体は、例えば液体の第１の吸収液を通って気体流を流動させることによって、第１の吸収液と気体を接触させるように構成された気体吸収装置または気体接触器を通って流動してもよい。
【0041】
捕捉種
第１の吸収液は、標的種を捕捉するための第１の吸収液の能力を向上させるように構成された捕捉種を含み得る。捕捉種は、第１の吸収液中で、標的アニオンと結合するか、または結びつき得る。
第１の吸収液は、標的種を捕捉するための第１の吸収液の能力を向上させるように構成された捕捉種を含み得る。捕捉種は、第１の吸収液中で、標的アニオンと結合するか、または結びつき得る。
【0042】
電気化学的分離工程では、標的アニオンは、イオン交換膜を通って移動する前に、好ましくは捕捉種から電気化学的に解離される。
【0043】
本発明では、捕捉種は、好ましくは非アルカリ金属捕捉種である。アルカリ金属化合物、例えば重炭酸アルカリ金属／炭酸アルカリ金属緩衝溶液またはアルカリ金属水酸化物は、先行技術において、典型的には捕捉種として使用される。これらの化合物の高アルカリ性ｐＨは、典型的には長所と考えられ、これらの化合物は、ＣＯ２などの標的種を捕捉する高い能力を示すことが見出された。しかしながら、本発明者らは、アルカリ金属含有の捕捉種は、標的アニオンが、典型的にはアルカリ金属カチオンと強く結合したイオン性反応生成物を形成するため、気体捕捉法のエネルギーの必要性を増加させ得ることを見出した。次に、電気化学的分離工程中に、標的アニオンを分離するためにより多くのエネルギーが必要とされ、アルカリ金属カチオンを含有する第２の吸収液から標的種を放出するために、溶液を高温に加熱することによって、これらの反応生成物の分解を強制的に行うことが必要である。
【0044】
捕捉種は、好ましくはイオン性捕捉種、特に好ましくはカチオン性捕捉種である。カチオン性捕捉種は、捕捉カチオンと呼ばれてもよい。好ましい実施形態では、捕捉種は、アルカリ金属カチオンを含まないカチオン性捕捉種であり得る。捕捉種は、好ましくはアルカリ土類金属カチオンを含まないカチオン性捕捉種である。
【0045】
カチオン性捕捉種は、本来カチオン性であってもよく、またはこれに代えて、第１の吸収液中でプロトン化されてもよい。
【0046】
有利なことに、カチオン性捕捉種の使用は、捕捉種がアニオン交換膜透過性ではなく、そのため、標的酸のアニオンは、アニオン交換膜を使用して、カチオン性捕捉種から容易に分離され得ることを意味し得る。第１の吸収液における非イオン交換膜透過性の捕捉種の使用は、有利なことに電気化学的分離工程のエネルギー消費量を減少させ、第２の吸収液が、第２の吸収液における捕捉種蓄積物として濾過されるかまたは放出される必要がないことを意味する。
【0047】
好ましい実施形態では、捕捉種は、カチオン性有機捕捉種であってもよい。捕捉種は、カチオン性有機緩衝種であってもよい。
【0048】
特に好ましくは、捕捉種は、イオン性ポリマーであってもよい。イオン性ポリマーは、有利なことに、例えば水素カチオンの移行を可能にするように構成されたカチオン交換膜のようなカチオン交換膜に対して非膜透過性であり得る。
【0049】
捕捉種は、カチオン性ポリマーであってもよい。好ましくは、捕捉種は、少なくとも１つのアミン基または複数のアミン基を含む繰り返し単位を有するカチオン性ポリマーを含み得て、好ましくは、繰り返し単位は１つまたは複数の分岐アミンを含む。
【0050】
本発明の好ましい実施形態では、捕捉種は、ポリマーアミンである。好ましくは、捕捉種は、カチオン性ポリマーアミンである。
【0051】
捕捉種は、カチオン性官能基で官能化された複数のポリマー樹脂粒子を含む。カチオン性官能基で官能化されたポリマー樹脂粒子は、異種塩として公知であり得る。カチオン性官能基で官能化された好適なポリマー樹脂粒子の例は、Ｌｅｗａｔｉｔ Ｒ ＶＰ ＯＣ１０６５であり、Ｌａｎｘｅｓｓによって供給される市販のイオン交換樹脂である。供給元は、該樹脂が、寸法安定性のためにいくつかのジビニルベンゼンで架橋されたｐ－ビニルベンジルアミンのポリマーであると報告している。ビーズは、０．４７～０．５７ｍｍの有効径および５０ｍ２ｇ－１のＢＥＴ表面積を有する。細孔容積および平均孔径は、それぞれ、０．２７ｃｍ３ｇ－１および２５ｎｍであると報告されている。
【0052】
捕捉種は、カチオン性官能基で官能化されたアニオン交換樹脂粒子のスラリーを含み得る。
【0053】
有利なことに、捕捉種としてのカチオン性ポリマー樹脂粒子の使用は、捕捉種が、ポリマー樹脂粒子の大きいサイズに起因して、アニオン交換膜またはカチオン交換膜のいずれに対しても膜透過性ではないという利点をもたらし得る。したがって、捕捉種から標的アニオンを電気化学的に分離する工程は、有利なことに簡単であり、相対的に電気エネルギーを必要としない。
【0054】
捕捉種は、コリン由来のイオン性液体、好ましくは、カルボン酸またはプロパン酸などの有機酸の共役塩基を含有するカチオン性のコリン由来のイオン性液体であり得る。
【0055】
好ましくは、本発明で使用される捕捉種は、弱塩基性である。弱塩基性の捕捉種は、有利なことに、電気化学的工程中に、標的アニオンから解離するために、より少ない電気化学的エネルギー投入を必要とし得る。これは、有利なことに、全プロセスのエネルギーの必要性、したがってカーボンフットプリントを減少し得る。
【0056】
好ましくは、捕捉種は、１０未満、好ましくは８．５未満、特に好ましくは７．５未満のｐＫａを有し得る。これは、捕捉種の共役酸（すなわち、そのプロトン化された形態）のｐＫａを指す。
【0057】
特に好ましい実施形態では、捕捉種は、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）、好ましくは分岐ＰＥＩ、特に好ましくは第一級、第二級および第三級アミンを含む分岐ＰＥＩを含む。ポリエチレンイミンは、ＣＯ２に結合するカチオン性ポリマーである。ＰＥＩは水溶性であり、有利なことにＣＯ２においてその重量のおよそ２０％までを取り込み得る。図に示され、以下に記載されるように、本発明者らは、ＰＥＩを含有する吸収液は、有利なことに、はるかに低い濃度においてさえ、ＮａＯＨなどのアルカリ性塩溶液より良好な捕捉速度を示し得ることを見出した。分岐ＰＥＩは、直鎖ＰＥＩより高い捕捉能力を有することが示され、したがって、本発明における使用に好ましい。
【0058】
これは、炭酸塩または水酸化物塩より迅速にＣＯ２と反応し、同様にＣＯ２をより容易に放出するＰＥＩのアミン官能基に起因し得る。同等のアルカリ性塩溶液の濃度の数分の１のＰＥＩ溶液でさえ当てはまり得る。
【0059】
一部の実施形態では、本発明の方法は、先行技術で使用された捕捉種の場合よりはるかに低い濃度で、捕捉種を含有し得る。好ましくは、本発明の第１の吸収液中の捕捉種の濃度は、先行技術の吸収液中の塩濃度より少なくとも１桁小さい大きさである。
【0060】
第１の吸収液は、２００００ｍｇ／Ｌ未満（第１の吸収液の１リットル当たりの捕捉種のｍｇ）、または１００００ｍｇ／Ｌ未満、好ましくは７５００ｍｇ／Ｌ未満、または５０００ｍｇ／Ｌ未満の第１の吸収液中の捕捉種濃度を含み得る。特に好ましくは、第１の吸収液は、１０００ｍｇ／Ｌ～５０００ｍｇ／Ｌの異種塩などの、１０００ｍｇ／Ｌ～５０００ｍｇ／Ｌの添加剤を含み得る。
【0061】
好ましい実施形態では、第１の吸収液中の捕捉種は、０．５Ｍ未満（１リットル当たりのモル数）、または０．３Ｍ未満、または好ましくは０．２Ｍ未満の濃度を有し得る。好ましい実施形態では、第１の吸収液は、０．１５Ｍ以下、例えば０．１Ｍ以下の捕捉種濃度を有し得る。
【0062】
一部の実施形態では、第１の吸収液中の捕捉種は、１０ｗｔ％未満（第１の吸収液中の捕捉種の重量百分率）、または８ｗｔ％未満、または好ましくは５ｗｔ％未満の濃度を有し得る。好ましい実施形態では、第１の吸収液は、４ｗｔ％未満または２ｗｔ％未満または１ｗｔ％未満、例えば０．５ｗｔ％以下の捕捉種濃度を有し得る。
【0063】
それに対して、先行技術で使用されるアミン捕捉溶媒は、典型的には、３０ｗｔ％までの濃度を必要とし、一方、水酸化物溶液は、数モル濃度である傾向がある。
【0064】
第１の吸収液にはるかに低い濃度の捕捉種を使用することによって、本発明は、一部の場合には、捕捉種から標的アニオンを分離するために、より少ないエネルギーが投入されることが必要とされ得て、これは、捕捉種として高濃度のアルカリ金属塩を使用する先行技術プロセスと比較して、プロセスのエネルギー消費量を低減する。
【0065】
第１の吸収液は、好ましくは無機塩を含有しない。あるいは、第１の吸収液は、好ましくは２ｗｔ％未満の無機塩を含有する。
【0066】
好ましい実施形態では、捕捉種は、２００、または２５０、または３００、または４００、または５００、または５５０ｇ／ｍｏｌ以上の分子量（ｇ／ｍｏｌ）を有し得る。より小さい捕捉種は、膜を通って動くより高い能力を有するため、これが起きるのを妨げるために、より大きい分子量が好ましくは使用される。
【0067】
特に好ましくは、捕捉種の分子量は、６００、または７００、または８００、または１０００ｇ／ｍｏｌ以上であり得る。そのような分子量は、有利なことに、膜を通過するには大きすぎて、膜の細孔を遮断するには大きすぎ得る。
【0068】
このような高分子量を有する捕捉種の使用は、有利なことに、第１の吸収液中の標的アニオンを安定化し、また、捕捉種分子は、膜中の細孔を通過するには大き過ぎるため、捕捉種が、１つまたは複数のイオン交換膜を通って第２の吸収液へと動けないことを確実にする。したがって、捕捉種は、その大きさから、第２の吸収液から除外され得る。
【0069】
特に好ましい実施形態では、捕捉種は、６００ｇ／ｍｏｌより大きく、または７００ｇ／ｍｏｌより大きい分子量を有するポリマーアミンであり得る。第１の吸収液では、ポリマーアミンはプロトン化され、標的アニオンはプロトン化された（したがってカチオン性）ポリマーアミンと結びつく。次に、標的アニオンは、イオン交換膜を通って電気化学的に分離され得て、一方、捕捉種のイオン電荷および／または高分子量は、捕捉種が膜を通過することができず、代わりに第１の吸収液中に保持されることを意味する。
【0070】
使用される捕捉種に応じて、捕捉種は、一部の実施形態では、上で論じられたものより高濃度で使用されてもよい。ポリマーアミン捕捉種を使用する実施形態では、例えば、第１の吸収液中の捕捉種の濃度は、２０ｗｔ％未満（第１の吸収液中の捕捉種の重量百分率）であってもよい。捕捉種、好ましくはＰＡ捕捉種の濃度は、３ｗｔ％～２０ｗｔ％、または５ｗｔ％～１５ｗｔ％、または８ｗｔ％～１２ｗｔ％であり得る。
【0071】
標的酸
上述のように、第１の吸収液中の標的種の溶解は、標的アニオンおよび水素カチオンも形成し得て、そのため、第１の吸収液は標的酸を含有する。標的酸は、好ましくは標的種の共役酸である。
上述のように、第１の吸収液中の標的種の溶解は、標的アニオンおよび水素カチオンも形成し得て、そのため、第１の吸収液は標的酸を含有する。標的酸は、好ましくは標的種の共役酸である。
【0072】
例えば、ＣＯ２が標的種である場合、標的酸は炭酸であり、以下の平衡に基づき、溶解した二酸化炭素から形成する：
【0073】
【化1】
【0074】
例えば、ＳＯ２が標的種である場合、標的アニオンは重亜硫酸イオンであり、標的酸は亜硫酸であり、以下の平衡に基づき、溶解した二酸化硫黄から形成する：
【0075】
【化2】
【0076】
【化3】
【0077】
触媒
本発明の一部の実施形態では、第１の吸収液は、溶解した標的種の標的アニオンへの転換を促進するための水和触媒を含有する。良好な水和動力学を達成するために、ほとんどの先行技術系は、高アルカリ性の吸収剤を使用してきた。しかしながら、本発明者らは、標的種の触媒水和を使用することによって、第１の吸収液の捕捉能力が著しく向上し得ることを見出した。第１の吸収液中での触媒の使用は、標的種捕捉の有効性およびエネルギー効率を著しく改善する。
本発明の一部の実施形態では、第１の吸収液は、溶解した標的種の標的アニオンへの転換を促進するための水和触媒を含有する。良好な水和動力学を達成するために、ほとんどの先行技術系は、高アルカリ性の吸収剤を使用してきた。しかしながら、本発明者らは、標的種の触媒水和を使用することによって、第１の吸収液の捕捉能力が著しく向上し得ることを見出した。第１の吸収液中での触媒の使用は、標的種捕捉の有効性およびエネルギー効率を著しく改善する。
【0078】
触媒は、酵素、例えば炭酸脱水酵素を含み得る。本明細書で使用される場合、炭酸脱水酵素は、一般に、炭酸脱水酵素の任意の天然由来または合成の遺伝的変異体を指す。
【0079】
第１の吸収液中の触媒の濃度は、例えば、０．０５ｍｇ・ｍＬ－１～５ｍｇ・ｍＬ－１（溶液の１ミリリットル当たりの触媒のミリグラム）、好ましくは０．１～１ｍｇ・ｍＬ－１、特に好ましくは０．２ｍｇ・ｍＬ－１～０．５ｍｇ・ｍＬ－１であり得る。
【0080】
これに代えて、触媒は、亜鉛の有機金属化合物（亜鉛シクレン）、および金属または金属酸化物の粒子またはナノ粒子を含んでもよい。
【0081】
触媒は、均一触媒であっても、または不均一触媒であってもよい。例えば、触媒は、第１の吸収液と接触する基体または表面に固定化され得る。本発明で使用される固定化された触媒または酵素は、好ましくは、懸濁液として第１の吸収液全体に分散された粒子に固定化され得る。特に好ましくは、触媒は、有利なことに、回収が容易な磁性粒子に固定化され得る。特に好ましい実施形態では、磁性Ｆｅ３Ｏ４粒子が、例えばウシ炭酸脱水酵素（ｂＣＡ）のような酵素が固定化された担体粒子として使用された。
【0082】
分離およびフロー処理
標的アニオンは、多様な異なる電気化学的技術を使用して、第１の吸収液から電気化学的に分離され得る。次に、例えばより多くの標的種を捕捉するために、第１の吸収液を再循環させることによって、第１の吸収液は再使用され得る。
標的アニオンは、多様な異なる電気化学的技術を使用して、第１の吸収液から電気化学的に分離され得る。次に、例えばより多くの標的種を捕捉するために、第１の吸収液を再循環させることによって、第１の吸収液は再使用され得る。
【0083】
好ましい実施形態では、標的アニオンは、第１の吸収液と１つまたは複数のイオン交換膜とを接触させ、電位を印加することによって、第１の吸収液から電気化学的に分離され得る。
【0084】
１つまたは複数のイオン交換膜は、好ましくは、標的アニオンに対して透過性であるアニオン交換膜を含む。したがって、標的アニオンは、アニオン交換膜を通って第２の吸収液へ移行し得る。好ましくは、アニオン交換膜は１価－アニオン交換膜である。アニオン交換膜は、有利なことに、カチオンに対して透過性ではないため、カチオン性捕捉種は、アニオン交換膜を通過して第２の吸収液へ入ることができない。
【0085】
１つまたは複数のイオン交換膜は、イオン電荷、捕捉種の大きさまたは分子量のうちの１つまたは複数に基づいて、捕捉種の通過を妨げるように構成され得る。例えば、膜は、流体力学的半径限界または分子量カットオフ限界に基づいて、溶液種の通過を可能にするかまたは妨げるように構成され得る。
【0086】
一部の実施形態では、イオン交換膜は、標的アニオンの通過を可能にするが、その相対的な分子の大きさに基づいて、捕捉種の通過を妨げるように構成された膜であり得る。
【0087】
好ましい実施形態では、１つまたは複数のイオン交換膜は、それを通って標的アニオンの通過を可能にするようにし、カチオン性電荷、および／または２００ｇ／ｍｏｌより大きい分子量を有する捕捉種の通過を妨げるように構成される。１つまたは複数のイオン交換膜は、２００、または２５０、または３００、または４００、または５００、または６００ｇ／ｍｏｌ以上の分子量を有する捕捉種の通過を妨げるように構成され得る。特に好ましくは、イオン交換膜は、６００ｇ／ｍｏｌより大きい分子量を有する捕捉種の通過を遮断する。
【0088】
上述のように、標的種は、第１の吸収液に溶解し、標的アニオンおよび標的対イオンを形成し得て、好ましくは標的対イオンはＨ＋である。
【0089】
標的アニオンが第１の吸収液から電気化学的に分離されるのと同様に、標的対イオンは、好ましくは第１の吸収液から電気化学的に分離され、カチオン交換膜を通って第２の吸収液へ移動する。
【0090】
標的アニオンは、好ましくは第２の吸収液中で標的対イオンと結びつき、好ましくは標的酸を形成する。
【0091】
イオン交換膜は、Ｎａｆｉｏｎ（ＲＴＭ）などの少なくとも１つのカチオン交換膜、およびＳｕｓｔａｉｎｉｏｎ（ＲＴＭ）などの少なくとも１つのアニオン交換膜を含み得る。一部の実施形態では、複数対のアニオン交換膜およびカチオン交換膜があってもよい。
【0092】
好ましい実施形態では、１つまたは複数のイオン交換膜は、標的アニオンに対して透過性のアニオン交換膜、および標的対イオンに対して透過性のカチオン交換膜の両方を含んでもよい。アニオン交換膜は、標的アニオンが、アニオン交換膜を通って第２の吸収液に移行するように構成され得て、カチオン交換膜は、標的対イオンが、カチオン交換膜を通って第２の吸収液へ移行するように構成され得る。この配置では、電位差の下で、標的酸のアニオンは、アニオン交換膜を通って移行し、水素イオンは、カチオン交換膜を通って移行し、一方、捕捉種および第１の吸収液は、膜を通って移行することはない。したがって、標的アニオンと標的対イオンの両方とも、第２の吸収液へ移行し得て、そこで結びついて標的酸を形成し得て、一方、捕捉種は第１の吸収液中に保持される。
【0093】
代替の実施形態では、水素カチオンは、別の供給源から第２の吸収液に提供されてもよい。標的アニオンは、第２の吸収液中で、水素カチオンと組み合わされ、標的酸を形成し得る。例えば、一部の実施形態では、水素カチオンは、Ｈ２Ｏを電気分解することによって製造され得る。
【0094】
本発明は、好ましくは、双極性イオン交換膜（ＢＰＭ）の使用を含まない。ＥＰ３１６２２９４Ａ１およびＥＰ３６８５９０４Ａ１では、双極性膜は、必要とされる溶液化学物質を再生するために、Ｈ２ＯをＨ＋およびＯＨ－に解離させるために使用される。本発明では、本発明者らが、双極性膜はより高価であり、膜界面における高ｐＨ勾配に起因して安定性の低下を示すことを発見したため、双極性膜の使用は好ましくは回避される。水解離反応もまた、少なくとも０．８Ｖ、典型的には＞１Ｖのより高いセルペア電圧を必要とする。代わりに、本発明は、好ましくは水素カチオンを第１の吸収液から第２の吸収液へ移動させ、そこでＨ＋は、標的アニオンと再び結びつく。これは熱力学的により好ましく、したがって、本発明者らは、０．５Ｖのセルペア電圧が、十分な物質移動速度を可能にすることを実証した。
【0095】
第２の吸収液中で標的酸を形成することによって、標的酸は、標的種に直接分解し、第２の吸収液から気体として放出され得る。
【0096】
代替の実施形態では、電気化学的に分離された標的アニオンは、Ｈ＋カチオンから分離されたまま、および／または第２の吸収液から沈殿化合物の形態で標的種を放出するために、さらなる成分と反応し得る。特に好ましくは、本方法の工程は、連続プロセスとして実施される。連続的に操作可能な実施形態では、第１および第２の吸収液は、連続的に流動する液体流として提供される。
【0097】
第１の吸収液の流れは、第１の吸収液が標的種を含有する気体と接触する気体接触装置と、イオン交換膜（複数可）と接触しているイオン分離器との間で循環され得る。イオン分離器は、好ましくは、アニオン交換ビーズとカチオン交換ビーズの５０：５０混合物などの固体電解質によって接続された、１つ以上または２つ以上のイオン交換膜を有する分離チャンバを備え、それを通って第１の吸収液が流動し得る。
【0098】
２つ以上のフロー電極は、好ましくはイオン交換膜（複数可）と接触する。少なくとも１つのフロー電極は、好ましくは、フロー電極（複数可）と、標的種が第２の吸収液から放出される放出容器との間で循環される第２の吸収液の流れを含む。
【0099】
有利なことに、この配置は、標的種が、連続的に吸収され、標的アニオンに転換され、イオン交換膜（複数可）を通して電気化学的に分離されて第２の吸収液中に入り、放出されることを可能にする。分離工程に続いて、捕捉種を含有する第１の吸収液は、次に、再循環され、気体との接触に戻され、より多くの標的種を吸収し、再び循環し始め得る。
【0100】
好ましくは、各フロー電極は、懸濁した電気的および／またはイオン的に伝導性の粒子を含有する吸収液の流れを含むかまたはこれらからなり、これは１０ｎｍ～１５０マイクロメートル、好ましくは２０ｎｍ～５０ｎｍの大きさの範囲であり得る。フロー電極中の伝導性粒子は、活性炭、リボフラビン５’－一リン酸ナトリウム塩水和物などの酸化還元種、金属酸化物（例えばＦｅ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３）または金属ナノ粒子およびこれらの組合せを含み得る。フロー電極は、限定されるものではないが、活性炭のほか、白金、銀、鉄、ニッケル、マンガンおよび／もしくはチタンの酸化物、水酸化物および／もしくはオキシ水酸化物、またはリボフラビン５’－一リン酸ナトリウム塩水和物、アントラキノン、ポリオキソメタレートなどの酸化還元種などの、炭素または金属ベースの粒子またはナノ粒子を含み得る。
【0101】
一部の好ましい実施形態では、電気化学的分離は、１セル当たり１．２Ｖまで（電極１対当たり）の電位差を印加することにより実行され得る。電圧を１．２Ｖ未満に維持することは、有利なことに、望まれない水電気分解を妨げ、エネルギー消費量を低減し得る。
【0102】
水電気分解を含む代替の実施形態では、例えば、作動電圧は、１セル当たり１．２Ｖより高くてもよい。例えば一部の実施形態では、電気化学的分離は、電極間の膜対の数に応じて、電極１対当たり１００Ｖまでの電位差を印加することによって実行されてもよい。一部の実施形態では、電気化学的分離は、電極１対当たり８０Ｖまで、または電極１対当たり６０Ｖまで、または電極１対当たり５０Ｖ、もしくは４０Ｖ、もしくは３０Ｖ、もしくは２０Ｖ、もしくは１０Ｖまでの電位差を印加することによって実行されてもよい。
【0103】
特に好ましい実施形態では、標的酸イオンを第１の吸収液から電気化学的に分離する工程は、容量性脱イオン化（ＣＤＩ）、好ましくはフローＣＤＩ、すなわち、フロー電極を使用するＣＤＩを含む。
【0104】
通例、ＣＤＩは、電極が飽和するまでイオンを吸収し、次にイオンを流出させることにより作動し、それがサイクル式／セミバッチ操作において、ＣＤＩが作動するのを制限する。しかしながら、１つまたは複数のイオン交換膜および「フロー電極」を加えることで、標的アニオンは、連続的に第１の吸収液から分離され、第２の吸収液へ入り得る。これは、有利なことに、標的種の連続的捕捉、標的種の電気化学的分離および放出を可能にし得て、そのため、本方法は、さらにより効率的に作動し得る。
【0105】
代替の実施形態では、標的酸イオンを第１の吸収液から電気化学的に分離する工程は、電気透析を含む。
【0106】
電気化学的分離工程は、標的種が、電気化学的分離セル中で気体として放出することを妨げるために、加圧下で実行され得る。好ましくは、電気化学的分離工程は、２気圧より高く、好ましくは３気圧もしくは５気圧もしくは７気圧より高く、またはさらに３０気圧以上の静水圧下で実行され得る。電気化学的分離器セル中での気泡の発生は、セル中のイオン電流の流れに望ましくない影響を与え、場合によりイオン交換膜（複数可）を損傷する可能性がある。電気化学的分離工程中に、加圧状態を作り出すことによって、標的種の気体としての発生は、第２の吸収液が電気化学的分離器を出るまで、好ましくは、圧力が低減されて標的種が気体として放出され得る放出容器に、第２の吸収液が到達するまで妨げることができる。
【0107】
第２の吸収液
本発明では、第２の吸収液（放出溶液）は、第１の吸収液とは異なる組成を有する。例えば、捕捉種が膜を通過して第２の吸収液に入ることができないので、第２の吸収液は、捕捉種を含有しない。
本発明では、第２の吸収液（放出溶液）は、第１の吸収液とは異なる組成を有する。例えば、捕捉種が膜を通過して第２の吸収液に入ることができないので、第２の吸収液は、捕捉種を含有しない。
【0108】
第２の吸収液は、第２の吸収液によって受け取られた標的アニオンの電荷のバランスを取るために、水素カチオンを含有し得る。Ｈ＋は、任意選択で、第２の吸収液中に存在する唯一のカチオンであってもよい。好ましくは、第２の吸収液中に存在する水素カチオンは、第１の吸収液からイオン交換膜を介して第２の吸収液に移動する。
【0109】
第２の吸収液は、好ましくは、第１の吸収液のｐＨとは異なるｐＨを有する。好ましくは、第２の吸収液のｐＨは、７未満である。ＷＯ２０１３／０３６８５９Ａ１などの先行技術の方法では、第２の水性流は、捕捉種として作用するアルカリ金属炭酸塩／重炭酸塩の緩衝イオンを含むため、第２の水性流は高アルカリ性である。標的種を第２の吸収液から分離し放出するのに必要とされるエネルギーは、したがって、著しく大きい。
【0110】
第２の吸収液は、水性でもまたは非水性でもよいが、好ましい実施形態では、第２の吸収液は非水性である。特に好ましい実施形態では、第１の吸収液は水溶液であり、一方、第２の吸収液は非水溶液である。
【0111】
非水性の第２の吸収剤の使用は、有利なことに、標的種を、第２の吸収液から放出された後に乾燥する必要性を低減するかまたは排除する。非水性の第２の吸収液はまた有利なことに、高沸点、低蒸気圧を示し、またＣＯ２などの標的種を溶解する高い能力を有する。
【0112】
第２の非水性吸収溶媒の使用は、標的種が、最小湿度を伴って放出されることを可能にし、乾燥の必要性を低減することによって、プロセス全般のエネルギー消費量を低減する。加えて、より広い電位窓を有することに起因して、より高電圧における作動を容易にし得る（より速い分離速度）。
【0113】
第２の吸収液は、好ましくは、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートまたはジメチルカーボネートなどの有機カーボネート溶媒を含むかまたはこれらからなる。
【0114】
一部の実施形態では、標的種は、気体から捕捉されたものと同じ標的種の濃縮形態として放出され得る。例えば、ＣＯ２は、気体から捕捉され、次に濃縮されて、純粋なＣＯ２ガスとして放出されてもよい。
【0115】
あるいは、標的種は、気体中に存在したものとは異なる形態で放出されてもよい。例えば、気体中に存在するＮＯｘまたはＳＯｘは捕捉され、次にＮ２またはＳなどの還元された形態で放出されてもよい。
【0116】
第２の吸収液は、標的アニオンの還元のために、または標的アニオンの標的放出種への転換のために、１つまたは複数の放出触媒を含み得る。１つまたは複数の放出触媒は、リスト：Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｖ、Ｗから選択される金属の金属触媒または金属カルコゲニド（酸化物、窒化物、硫化物、リン化物）を含み得る。
【0117】
１つまたは複数の放出触媒は、標的アニオンおよび／または標的種の還元を触媒し、酸素添加物および／または炭化水素を形成し得る。
【0118】
捕捉されたＣＯ２に対して、放出触媒（複数可）は、例えば、１つまたは複数の：アルコール、カルボン酸、アルカン、アルケン、ＣＯの形成をもたらす水素化または還元反応を容易にし得て、次にそれらは第２の吸収液から放出され得る。
【0119】
気体から捕捉されたＮＯｘまたはＳＯｘに関して、放出触媒（複数可）は、例えば、放出のためにＮ２またはＳへの還元を触媒し得る。第２の吸収液は、標的酸からの標的種の放出を促進するために、１つまたは複数の：無機塩、金属酸化物、金属オキシ水酸化物、ＦｅＯＯＨ、ＴｉＯＯＨ、またはニッケル－鉄もしくは白金－鉄などの金属合金を含み得る。
【0120】
第２の吸収液中の少量の塩は、有利なことにイオン分離器の電気抵抗を低減し得るため、第２の吸収液は無機塩を含み得る。好ましい実施形態では、第２の吸収液は、５ｗｔ％未満の塩、または２ｗｔ％未満の塩、または１．５ｗｔ％未満の塩、または１ｗｔ％未満を含有し得る。例えば、第２の吸収液は、１０ｇ／Ｌまでの塩、または１５ｇ／Ｌまでの塩、または２０ｇ／Ｌまでの塩を含有してもよい。
【0121】
これに代えて、第２の吸収液は、無機アルカリ性の塩を含有しなくてもよい。第２の吸収液におけるほんの少量の塩の使用、または塩を全く使用しない最も最小限の場合は、標的種を放出するために塩生成物を熱的に分解する必要がないため、標的種を分離および放出するための著しいエネルギー低減を有利なことに容易にする。
【0122】
一部の実施形態では、例えば、第１の捕捉溶液からイオンを分離するために電気透析が使用される場合、第２の吸収液は、Ｈ２Ｏ、または別の水溶液、例えばスルホン酸などの有機酸であってもよい。ある実験では、本発明者らは、第２の吸収液として０．１８％のポリ－４－スチレンスルホン酸を使用することに成功した。
【0123】
第２の吸収液は、イオン伝導率を増加する目的で、水性種または固体種を含有してもよい。例えば、双極性イオンであるベタインなどの有機塩は、第２の吸収液の伝導率を増加させ得て、そのネットゼロ電荷に起因して、第２の吸収液中に保持される。その代わりに、固定化された塩またはイオン交換樹脂は、イオン輸送を改善するために、電気化学セルの第２の吸収チャンバに配置され得る。
【0124】
標的種の放出
本方法は、少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程を含む。
本方法は、少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程を含む。
【0125】
本発明の好ましい実施形態では、標的種は、第２の吸収液から気体として放出される。
【0126】
電気化学的分離後、標的アニオンは、好ましくは第２の吸収液中で水素カチオンと組み合わされ得て、そのため、第２の吸収液は標的酸を含有する。例えば、標的酸アニオンは、アニオン交換膜を通過して第２の吸収液へ移動し得て、一方、水素カチオンは、カチオン交換膜を通過して第２の吸収液に入る。水素カチオンは、第１の吸収液から、カチオン交換膜を通過して、第２の吸収液へ入る。あるいは、例えば水の電気分解によって生成された水素カチオンのような別の供給源からの水素カチオンが、第２の吸収液中に存在し得る。
【0127】
次に、標的種は、第２の吸収液中の標的酸の化学平衡を維持するために、第２の吸収液から放出され得る。例えば、標的酸は、標的酸対イオンが、所与の温度および圧力で第２の吸収液中で不安定である結果として、標的種に直接分解し得る。特に好ましくは、標的種は、第２の吸収液から、室温および大気圧で、気体として放出され得る。
【0128】
特に好ましい実施形態では、例えば、標的種は、二酸化炭素（ＣＯ２）であり、溶解したＣＯ２は、第１の吸収液中で、炭酸（重炭酸標的アニオン、および水素カチオン）に転換される。重炭酸標的アニオンは、次に、捕捉種と結びつく。炭酸イオンは、次に、第２の吸収液中で再度組み合わされる前に、第１の吸収液から電気化学的に分離される。この場合、炭酸イオンのＨ＋およびＨＣＯ３－は、室温で準安定性であり、プロセスが継続し、第２の吸収液中のＨ＋およびＨＣＯ３－の濃度が増加するにつれて、平衡がＣＯ２に傾き始めるため、分解してＣＯ２ガスに戻る。第２の吸収液中の炭酸は、したがって、第２の吸収液が室温より高く加熱されることを必要とすることなく、二酸化炭素ガスに直接分解し得る。したがって、吸収、分離および放出のプロセスは、標的酸対イオンが再度結びついて、炭酸、続いてＣＯ２を形成するため、イオンを蓄積することなく、連続的に作動することができる。
【0129】
化学平衡が、室温で第２の吸収液から標的種の放出を強制的に行う場合、捕捉された標的種の放出を強制的に行うために加熱または他のエネルギー投入が必要とされないため、全般的プロセスは、最も少ないエネルギー投入が必要とされる。
【0130】
本方法では、標的種は、好ましくは、第２の吸収液を加熱することなく、第２の吸収液から気体として放出可能である。
【0131】
標的アニオンを捕捉種から電気化学的に分離し、好ましくは第２の吸収（放出）液中に存在する捕捉種を持たないことによって、本方法では、有利なことに、標的種は、第２の吸収液を加熱することなく放出可能である。放出工程に必要とされるエネルギー投入量は、したがって、先行技術で必要とされるものより極めて少ない。好ましくは、標的種は、５０℃未満、または４０℃または３０℃の温度で、第２の吸収液から放出される。一部の実施形態では、標的種は、０℃～５０℃、または５℃～４０℃、または１０℃～３０℃、または１２℃～２５℃の温度で、第２の吸収液から気体として放出され得る。
【0132】
好ましい実施形態では、標的種は、大気圧で、または大気圧より大きい圧力で、第２の吸収液から放出される。本発明における標的種は、放出工程中に捕捉種に結合していないため、第２の吸収液上にサブ大気圧を作り出すことによって、標的種を強制的に発生させる必要はない。放出工程中に、第２の吸収液上の標的種の分圧は、大気圧における空気中での標的種の分圧と等しくてもよい。
【0133】
好ましくは、標的種は、４０℃未満または３０℃未満の温度で、第２の吸収液から自発的に放出される（平衡によってのみ推進される）。特に好ましくは、標的種は、４０℃未満または３０℃未満の温度および大気圧で、第２の吸収液から自発的に放出される（平衡によってのみ推進される）。電気化学的分離工程が、イオン分離器における気体発生を妨げるために加圧状態で実行される場合、圧力は、好ましくは標的種の放出を可能にするために低減され、特に好ましくは大気圧まで低減される。
【0134】
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液中の標的酸から放出する工程は、第２の吸収液を加熱する工程、第２の吸収液上の圧力を低減する工程、またはこれらの組合せを含み得る。
【0135】
溶液からの標的種の放出を促進するために、第２の吸収液が加熱される実施形態では、好ましくは、第２の吸収液は、７０℃未満、または６０℃未満、または５０℃未満、特に好ましくは４０℃未満または３０℃未満の温度に加熱される。これらのような温度では、第２の吸収液中の標的酸の平衡は、標的アニオンの標的種への分解を助長するようにシフトする。しかしながら、第２の吸収液をこれらの温度に加熱することは、先行技術における高温分解工程より著しく少ないエネルギーを必要とする。
【0136】
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程は、第２の吸収液の光熱加熱を含み得て、光子エネルギーは、電磁スペクトルの赤外可視と高周波数の間で光子と相互作用する第２の吸収液中の機能性材料を介して受け取られる。
【0137】
これに代えてまたはこれに加えて、放出工程は、磁気誘導を含み得る。磁気誘導は、第２の吸収液が金属粒子を含有する場合に使用可能であり得て、そこでは外部印加型の磁場によって電流が誘導され得る。
【0138】
有利なことに、光熱加熱または磁気誘導の使用は、放出工程の反応速度を増加させるために、第２の吸収液中の粒子の標的加熱を可能にし得る。一部の実施形態では、これらの方法は、第２の吸収液中の温度勾配の生成を可能にし、それによって、系全体を加熱することなく、放出工程の反応速度の増加を達成し得る。
【0139】
第２の吸収流から放出された気体状標的種は、有利には、さらなる使用のために圧縮および／または保存されてもよい。
【0140】
代替の実施形態では、標的アニオンの第１の吸収液からの電気化学的分離後、標的酸Ｈ＋対イオンは、別の吸収液に移動し得る。例えば、標的アニオンは、アニオン交換膜を通過し、第２の吸収液に移動し得て、一方、標的酸水素イオンは、第１の吸収液からカチオン交換膜を通過して第３の吸収液へ入る。標的アニオンおよび／または標的酸水素イオンは、続いて、ミネラルまたは塩と反応し、吸収液から放出されるさらなる物質を形成し得る。例えば、標的アニオン（炭酸の場合は重炭酸イオン）は、第２の吸収液に移動し、ミネラルまたは塩と反応し、沈殿物質を形成し得る（例えば沈殿した重炭酸塩物質）。捕捉された標的種は、したがって、例えば吸収液から沈殿物質を濾別することによって、反応した形態で第２の吸収液から放出され得る。標的酸Ｈ＋対イオンは、例えば水素ガスとして放出され得る。
【0141】
気体
気体から標的種を捕捉する方法は、標的種を含有する気体を第１の吸収液と接触させる第１の工程を含む。次に、標的種は気体から除去され、標的種を第１の吸収液に溶解することによって捕捉される。
気体から標的種を捕捉する方法は、標的種を含有する気体を第１の吸収液と接触させる第１の工程を含む。次に、標的種は気体から除去され、標的種を第１の吸収液に溶解することによって捕捉される。
【0142】
標的種は、典型的には、気体の一部のみを形成し、標的種が捕捉され得る容易さは、気体中の標的種の濃度に依存する。本発明の利点は、気体中の標的種の濃度が相対的に低い場合でさえ、標的種が捕捉され得ることであり、それは例えば空気から汚染源標的種を捕捉するために特に重要である。
【0143】
気体中の標的種の濃度は、約５０ｖｏｌ％、または４５ｖｏｌ％、または２５ｖｏｌ％、または１５ｖｏｌ％、または１０ｖｏｌ％、または５ｖｏｌ％、または１ｖｏｌ％未満、好ましくは０．５ｖｏｌ％未満であってもよい。ＣＯ２などの汚染源気体は、典型的には、非常に希薄な濃度で、通例１ｖｏｌ％よりはるかに低い濃度で空気中に存在する。
【0144】
標的種を含有する気体は、空気、化石燃料燃焼からの排煙、工業用ガス、バイオガスまたはこれらの任意の組合せであり得る。特に好ましい実施形態では、気体は空気であり、そのため、本発明による方法は、空気から標的種を捕捉する方法である。
【0145】
標的種は、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、ＮＯ、ＮＯ２およびＮ２Ｏからなる群から選択され得る。
【0146】
二酸化炭素
本発明の特に好ましい実施形態では、標的種はＣＯ２であり、標的アニオンは重炭酸イオン（bicarbonate）ＨＣＯ３－であり、標的酸は炭酸である。
本発明の特に好ましい実施形態では、標的種はＣＯ２であり、標的アニオンは重炭酸イオン（bicarbonate）ＨＣＯ３－であり、標的酸は炭酸である。
【0147】
本発明は、したがって、気体から二酸化炭素捕捉する方法であって：二酸化炭素を含有する気体を、捕捉種を含む第１の吸収液と接触させる工程と；
二酸化炭素を第１の吸収液に溶解し、重炭酸アニオンを形成する工程と；
第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜と接触させることによって、重炭酸アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、重炭酸アニオンを、イオン交換膜を通して第２の吸収液へ移動させる工程と；
少なくとも一部の二酸化炭素を第２の吸収液から放出する工程とを含み；
ここで、１つまたは複数のイオン交換膜は、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種はイオン交換膜を通過しない、方法を提供し得る。
二酸化炭素を第１の吸収液に溶解し、重炭酸アニオンを形成する工程と；
第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜と接触させることによって、重炭酸アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、重炭酸アニオンを、イオン交換膜を通して第２の吸収液へ移動させる工程と；
少なくとも一部の二酸化炭素を第２の吸収液から放出する工程とを含み；
ここで、１つまたは複数のイオン交換膜は、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種はイオン交換膜を通過しない、方法を提供し得る。
【0148】
本発明の全ての態様に関連する、本明細書に記載される全ての特色は、気体からの二酸化炭素の捕捉に、特に好ましくは空気からのＣＯ２の直接的捕捉に適用可能である。
【0149】
好ましくは、第２の吸収液は、捕捉種を含有しない。気体が空気である場合、本発明は、空気から二酸化炭素を捕捉する方法を提供し得る。
【0150】
二酸化炭素の第１の吸収液への溶解は、好ましくはＨＣＯ３－とＨ＋の両方を形成し、特に好ましくはＨＣＯ３－とＨ＋の両方とも、第１の吸収液から電気化学的に分離され、第２の吸収液へ移動する。したがって、対イオンは、第２の吸収液中で結びついて炭酸を形成し得て、これは、有利なことに、さらなるエネルギー投入を必要とすることなく放出される二酸化炭素ガスに分解し得る。
【0151】
したがって、本発明は、気体中のＣＯ２の入ってくる希薄な流れと、第２の吸収液から放出されるＣＯ２ガスの出ていく濃縮された流れの間のＣＯ２移動のための主要な炭素種として、Ｈ＋およびＨＣＯ３－と等価である、重炭酸アニオンＨＣＯ３－および炭酸を使用し得る。
【0152】
ＣＯ２捕捉の場合、標的炭酸対イオン（Ｈ＋およびＨＣＯ３－）は、室温で準安定性であり、第２の吸収液中のＨ＋およびＨＣＯ３－の濃度の増加に起因して、平衡がＣＯ２に傾き始めるため、分解してＣＯ２に戻る。したがって、イオンが、好ましくは第２の吸収液を室温より高く加熱することなく、化学平衡によって自然に推進され、再度結びついて、炭酸、続いて第２の吸収液から放出されるＣＯ２を形成するため、プロセスは、イオンを蓄積することなく、連続的に作動することができる。
【0153】
第１の吸収液は、好ましくは、ＣＯ２＜＞Ｈ２ＣＯ３＜＞Ｈ＋＋ＨＣＯ３
－という動力学を促進するための触媒を含有し得る。これは、有利なことに、捕捉されたＣＯ２の、重炭酸アニオンへ、したがって炭酸への転換を加速し、非常に希薄な濃度でのみ存在する気体流から二酸化炭素を捕捉することを可能にする。したがって、触媒は、空気中の二酸化炭素の濃度が、典型的には１ｖｏｌ％よりはるかに低く、典型的には０．０４ｖｏｌ％に近い場合、有利なことに、空気からＣＯ２を直接捕捉するためにＤＡＣを実施することを可能にする。
【0154】
特に好ましくは、ＣＯ２を重炭酸アニオンに転換するための触媒は、炭酸脱水酵素、または亜鉛シクレンなどのＺｎ２＋を含有する化合物であり得る。
【0155】
装置
第２の態様では、本発明は、気体から標的種を捕捉するための装置であって：
標的種を含有する気体を、捕捉種を含有する第１の吸収液と接触させ、標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成するように構成された、気体接触器と；
標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、少なくとも一部の標的アニオンを第２の吸収液へ移動させるための１つまたは複数のイオン交換膜を備えるイオン分離器と；
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出するための放出容器とを備え、
１つまたは複数のイオン交換膜は、使用中に、捕捉種に対して透過性ではない、装置を提供する。
第２の態様では、本発明は、気体から標的種を捕捉するための装置であって：
標的種を含有する気体を、捕捉種を含有する第１の吸収液と接触させ、標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成するように構成された、気体接触器と；
標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、少なくとも一部の標的アニオンを第２の吸収液へ移動させるための１つまたは複数のイオン交換膜を備えるイオン分離器と；
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出するための放出容器とを備え、
１つまたは複数のイオン交換膜は、使用中に、捕捉種に対して透過性ではない、装置を提供する。
【0156】
気体接触器は、気体スパージャまたは流下膜式反応器を備えてもよい。
【0157】
１つまたは複数のイオン交換膜は、好ましくは、標的アニオンを第１の吸収液から第２の吸収液へ移動させ、かつ捕捉種を第１の捕捉溶液中に保持するように構成される。
【0158】
イオン分離器は、標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、少なくとも一部の標的アニオンを第２の吸収液に移動させるように構成された電気化学セルである。イオン分離器は、少なくとも１対の電極（アノードおよびカソード）を備え、電極間に電位差を印加し、第１の吸収液から標的アニオンを分離するように構成される。
【0159】
一部の好ましい実施形態では、イオン分離器は、電極１対当たり１．２Ｖまでの電場を印加するように構成される。電圧を１．２Ｖ未満に維持することは、有利なことに、望まれない水電気分解を妨げ、エネルギー消費量を低減する。水電気分解が電気化学的分離の一部を形成する他の実施形態では、イオン分離器は、電極１対当たり１．２Ｖより大きい、例えば１００Ｖまで、または８０Ｖまで、または６０Ｖまで、または５０Ｖまでの電位差を印加するように構成され得る。
【0160】
従来の電気透析セルでは、電流に対して２つの寄与：水分解からの酸化還元電圧および膜電圧がある。膜対の数が増加するにつれて、膜電圧が増加する。それで、電圧の大部分は、電気分解からではなく、膜上の電圧降下に関連するけれども、セル全体は１００Ｖまでの電圧で作動し得る。
【0161】
イオン分離器は、イオン分離器における標的種気泡の形成を抑制するために、加圧状態下で作動するように構成され得る。好ましくは、イオン分離器は、２気圧より高く、好ましくは３気圧もしくは５気圧もしくは７気圧より高く、またはさらに３０気圧以上の静水圧下で作動するように構成され得る。
【0162】
イオン分離器は、標的アニオンのみを第２の吸収液へ移動させるように構成され得るか、またはイオン分離器は、標的アニオンと複数の水素カチオンの両方を第１の吸収液から第２の吸収液へ移動させるように構成され得る。
【0163】
イオン分離器は、好ましくは１つまたは複数のイオン交換膜を備える。
【0164】
１つまたは複数のイオン交換膜は、好ましくは、それらを通る標的アニオンの通過を可能にするように構成されたアニオン交換膜を備えるか、またはそれからなる。
【0165】
イオン分離器は、２つ以上のイオン交換膜を備えてもよい。好ましくは、イオン分離器は、アニオン交換膜およびカチオン交換膜を備える。イオン分離器は、好ましくは、１つまたは複数対のイオン交換膜を備え、各対は１つのカチオン交換膜および１つのアニオン交換膜を備える。各アニオン交換膜は、好ましくはそれらを通る標的アニオンの通過を可能にするように構成され、一方、各カチオン交換膜は、好ましくはそれらを通る水素カチオンの通過を可能にするように構成される。
【0166】
イオン分離器中の全てのイオン交換膜は、好ましくは膜を通る捕捉種の通過を妨げるように構成される。
【0167】
イオン分離器は、好ましくは双極性イオン交換膜を備えていない。
【0168】
好ましい実施形態では、イオン分離器は、アニオン交換膜、およびアニオン交換ビーズとカチオン交換ビーズの５０：５０混合物などの固体電解質を有する分離チャンバを備える。イオン分離器は、好ましくは第１の吸収液の流れを受け、第１の吸収液の流れが固体電解質を通過するように構成される。標的アニオンを含有する第１の吸収液の流れは、固体電解質を通過すると、標的アニオンが流れから電気化学的に分離される前に、好ましくは第１の端部で分離チャンバに入り、第１の吸収液の流れは依然として捕捉種を含有するが、標的アニオンを失って、第２の端部を通って分離チャンバから出る。
【0169】
さらに好ましい実施形態では、イオン分離器は、固体電解質によって接続された、１対の対向するイオン交換膜（１つはアニオン交換膜および１つはカチオン交換膜）を有する分離チャンバを備え得る。第１の吸収液の流れは分離チャンバを通過し、イオン分離器にわたる電位差は、標的アニオンを捕捉種から解離させ、アニオン交換膜を通って移行させ、一方、第１の吸収液中の水素カチオンは、カチオン交換膜を通って移行する。
【0170】
イオン分離器は、好ましくは、イオン交換膜（複数可）のアウトプット側と接触する１つ以上、または２つ以上のフロー電極を備える。各フロー電極は、イオン交換膜と電極の間のチャネルを通って流れる吸収液の流れを含み得る。吸収液の流れは、複数の導電性粒子、または導電性粒子のスラリーを含み得る。この実施形態では、導電性吸収剤および電極は、フロー電極を形成する。
【0171】
フロー電極（複数可）は、好ましくは第２の吸収液の流れを含むため、イオン交換膜を通過する標的アニオンは、第２の吸収液の流れに移動する。
【0172】
フロー電極（複数可）を形成する吸収液の流れは、懸濁した導電性粒子のスラリーを含み得る。スラリー中の伝導性粒子は、１０ｎｍ～１５０マイクロメートルの範囲の大きさであり得る。伝導性粒子スラリーは、好ましくは、活性炭、リボフラビン５’－一リン酸ナトリウム塩水和物などの酸化還元種、金属酸化物（例えばＦｅ２Ｏ３、Ｍｎ２Ｏ３）または金属ナノ粒子およびこれらの組合せを含み得る。フロー電極は、限定されるものではないが、活性炭のほか、白金、銀、鉄、ニッケルおよびチタンの酸化物、水酸化物および／またはオキシ水酸化物などの、炭素または金属ベースの粒子またはナノ粒子を含み得る。
【0173】
装置は、好ましくは、アニオン交換膜、およびアニオン交換膜のアウトプット側と接触する第１のフロー電極を備える。第１のフロー電極は、好ましくは第２の吸収液の流れを含む。使用中に、第１の吸収液がイオン分離器を通過する際、標的アニオンは、アニオン交換膜を通過して第２の吸収液の流れに入る。
【0174】
一部の好ましい実施形態では、装置は、カチオン交換膜、およびカチオン交換膜のアウトプット側と接触する第２のフロー電極を備える。第２のフロー電極は、第２の吸収液の流れ、またはこれに代えて、第２の吸収液とは異なる第３の吸収液の流れを備えてもよい。第３の吸収液が使用される場合、第３の吸収液は、好ましくは第２の吸収液と同じ材料から選択され得るが、第２の吸収液とは別に保持される。使用中に、第１の吸収液がイオン分離器を通過する際、水素カチオンは、第１の吸収液からカチオン交換膜を通って第２のフロー電極中の吸収剤の流れへ移行する。
【0175】
第１の好ましい実施形態では、装置は、両方のフロー電極からの第２の吸収液の流れを合わせるように構成される。これは、有利なことに、標的アニオンを水素カチオンと再度組み合わせるため、第２の吸収液は標的酸を含有する。標的種は、次に、放出容器中の標的酸の分解に続いて、気体として放出され得る。
【0176】
代替の実施形態では、装置は、２つのフロー電極からの吸収液の流れを合わせないように構成されてもよい。標的酸アニオンおよび／または標的酸水素イオンは、続いて別々に使用され得るか、または、ミネラルもしくは塩と別々に反応し、第２の吸収液から放出されるさらなる物質を形成し得る。
【0177】
一部の実施形態では、装置は、アニオン交換膜と接触する第２の吸収液の流れからなる第１のフロー電極、およびカチオン交換膜と接触する第３の吸収液の流れからなる第２のフロー電極を備え得る。使用中に、標的アニオンはアニオン交換膜を通過し、第２の吸収液へ移動し、一方、水素イオンは、カチオン交換膜を通過し、第３の吸収液へ移動する。標的アニオンおよび／または水素イオンは、続いて、ミネラルまたは塩と反応し、第２および／または第３の吸収液から放出されるさらなる物質を形成し得る。例えば、標的アニオン（炭酸の場合は重炭酸イオン）は、第２の吸収液に移動し、ミネラルまたは塩と反応し、沈殿物質（例えば沈殿した重炭酸塩物質）を形成し得る。捕捉された標的種は、したがって、例えば吸収液から沈殿物質を濾別することによって、反応した形態で第２の吸収液から放出され得る。
【0178】
一部の好ましい実施形態では、装置は、標的アニオンと結びつくために、第２の吸収液に複数の水素カチオンを提供するように構成されてもよい。装置は、水を電気分解し、得られた水素カチオンを第２の吸収液へ導入するように構成され得る。
【0179】
装置は、好ましくは、第１の吸収液を気体接触器からイオン分離器へ移動させる手段、および第１の吸収液をイオン分離器から気体接触器へ再循環させる手段を備える。
【0180】
装置は、好ましくは、第２の吸収液をイオン分離器から放出容器へ移動させる手段、および第２の吸収液を放出容器からイオン分離器へ再循環させる手段を備える。
【0181】
第１の特に好ましい実施形態では、イオン分離器は、容量性脱イオン（ＣＤＩ）イオン分離器、またはＣＤＩセルである。
【0182】
代替の実施形態では、イオン分離器は、電気透析イオン分離器、または電気透析セルである。
【0183】
装置は、好ましくは連続的に作動するように構成される。
【0184】
気体接触器は、標的種を含有する気体を、第１の吸収液の流れと連続的に接触させるように構成され得て、イオン分離器は、標的アニオンを第１の吸収液から連続的に電気化学的に分離し、少なくとも一部の標的アニオンを第２の吸収液の流れに移動させるように構成され得る。放出容器は、少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から連続的に放出させるように構成され得る。
【0185】
第１の特に好ましい実施形態では、イオン分離器は、フロー電極容量性脱イオン（ＦＣＤＩ）イオン分離器、または連続流動式電気透析イオン分離器である。
【0186】
放出容器は、熱および／または磁気誘導を第２の吸収液に印加するように、ヒーター、および／または磁気誘導アセンブリを備えてもよい。
本発明の第１の態様に関連して上述された特色はまた、第２の態様の装置にも適用され、逆もまた同様である。
本発明の第１の態様に関連して上述された特色はまた、第２の態様の装置にも適用され、逆もまた同様である。
【0187】
添付の図式を参照しながら、本発明の特定の実施形態を例として以下に説明する：
【図面の簡単な説明】
【0188】
【図1】本発明の好ましい実施形態により作動する、フロー電極容量性脱イオン装置の概略図である。
【図3】本発明の好ましい実施形態で使用可能な、電解槽－電気透析装置の略図である。
【図4】本発明の好ましい実施形態による溶液を通して、毎分１Ｌで空気をスパージングする際の、時間に対するｐＨ変化のグラフである。
【図5】本発明の好ましい実施形態による溶液を通して、毎分１Ｌで空気をスパージングする際の、時間に対する捕捉されたＣＯ２のグラフである。
【図6】本発明の好ましい実施形態による、フロー－ＣＤＩセルにおける、時間に対する捕捉された塩のグラフである。
【図7】遊離ウシ炭酸脱水酵素（遊離ｂＣＡ）、Ｆｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡ、およびＦｅ３Ｏ４に関するＣＯ２捕捉速度を比較するグラフである。
【図8】遊離ウシ炭酸脱水酵素（遊離ｂＣＡ）、Ｆｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡ、およびＦｅ３Ｏ４に関する平均捕捉効速度および最大捕捉効速度を比較するグラフである。
【図9】例示的な分岐ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）ポリマー鎖の化学的構造を例示する図である。
【図10】本発明の好ましい実施形態で使用可能な、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）が第１の吸収液として使用される電解槽－電気透析装置の略図である。
【図11】Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ溶液で捕捉されたＣＯ２のグラフである。
【図12】Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ溶液から放出されたＣＯ２のグラフである。
【図13】ＮａＯＨ、Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ中のｂＣＡ、およびＮａ２ＨＰＯ４中のＦｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡのＣＯ２捕捉速度を比較するグラフである。
【図14】水性吸収剤ＰＥＩ／ＣＡ、ＮａＯＨおよびＮａ２ＣＯ３の捕捉速度および捕捉効率を比較するグラフである。
【図17】本発明の好ましい実施形態で使用可能な、代替の電気透析装置の略図である。
【図19】本発明の好ましい実施形態による装置の略図である。
【図20】本発明の好ましい実施形態で使用可能な、流下膜式反応器からのＣＯ２出口濃度のグラフである。
【図22】本発明の好ましい実施形態で使用可能な、電気透析装置の略図である。
【図23】本発明の実施形態で使用可能な、電気透析セルの写真である。
【図26】電気透析セルを使用して得られたＣＯ２安定性データを示すグラフである。
【図27】４０膜対の電気透析セルに関する、ｋＷｈ／ｔＣＯ２におけるＣＯ２の分離および放出のためのエネルギー消費量（赤）に対する、ｍｇ／時におけるＣＯ２アウトプット速度（黒）のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【0189】
図１は、気体捕捉プロセスの一部としてイオンを電気化学的に分離するために、フロー電極容量性脱イオンを利用する、本発明の好ましい実施形態を例示している。
【0190】
図１に例示されたフロー－ＣＤＩ装置１００は、気体接触器１０２、イオン分離器１０４、および放出容器１０６から構成されている。
【0191】
気体接触器１０２は、捕捉される標的種を含有する気体１０８の流れを受け取り、気体と第１の吸収液１１０の流れとを接触させるように配置される。流下膜式カラム、充填カラム、気泡カラムまたは噴霧塔などの多様な気液接触器の設計は当技術分野で公知であり、そのいずれも本発明での使用に好適である。
【0192】
イオン分離器１０４は、多孔質の固体電解質で満たされた分離チャンバ１１２、分離チャンバ１１２の一側面に沿ったアニオン交換膜１１４、および分離チャンバ１１２の反対側面に沿ったカチオン交換膜１１６を含む。入口管１１８は、気体接触器１０２の出口を分離チャンバの入口に接続し、出口管１２０は、分離チャンバの出口を気体接触器の入口に接続し、そのため、第１の吸収液１１０の流れは、気体接触器から圧送され、分離チャンバを通って、次に気体接触器へと再循環され得る。
【0193】
正電極１２２は、アニオン交換膜の側面でイオン分離器１０４に接続され、負電極１２４は、カチオン交換膜の側面でイオン分離器１０４に接続される。
【0194】
イオン分離器は、アニオン交換膜と正電極１２２の間に第１のフロー電極チャネル１２６、およびカチオン交換膜と負電極１２４の間に第２のフロー電極チャネル１２８を備える。
【0195】
フロー電極出口管１３０の一端は、第１のフロー電極チャネル１２６と第２のフロー電極チャネル１２８の両方の出口に接続され、フロー電極出口管１３０の他端は、放出容器１０６の入口に接続される。フロー電極入口管１３２は、放出容器１０６の出口と、第１のフロー電極チャネル１２６および第２のフロー電極チャネル１２８の両方の入口との間に接続される。
【0196】
フロー電極は、導電性粒子の懸濁液を含有する第２の吸収液１３４を圧送し、フロー電極チャネル１２６、１２８の両方を通って、放出容器へ送ることによって形成され、第２の吸収液１３４を、放出容器１０６からフロー電極チャネル１２６、１２８へと再循環させる。
【0197】
使用中に、捕捉種を含有する第１の吸収液１１０が気体接触器に導入されるのと同時に、捕捉される標的種を含有する気体１０８の流れは、気体接触器１０２へ導入される。気体１０８が第１の吸収液１１０と接触すると、標的種の吸収液への物質移動が起こり、そのため、第１の吸収液１１０は、気体から一部の標的種を吸収する。
【0198】
標的種は第１の吸収液１１０に溶解し、第１の吸収液中の水和触媒の存在によって任意選択で補助され、標的アニオンおよび水素カチオンを形成する。標的アニオンおよび水素カチオンは一緒に標的酸を形成するが、第１の吸収液１１０中で、標的アニオンは、捕捉種と結合または会合し得る。
【0199】
第１の吸収液１１０は、気体接触器１０２の出口から連続的に圧送され、入口管１１８を通って、イオン分離器１０４の分離チャンバ１１２の入口に入り、そこから液体の第１の吸収液１１０は、多孔質の固体電解質を通って流動する。
【0200】
作動中に、正電極１２２と負電極１２４の間に電位差が印加される。イオン分離器にわたるこの電位差は、第１の吸収液１１０が分離チャンバを通って流動すると、負に帯電した標的アニオンは、捕捉種から解離され、正電極の方に引き寄せられ、一方、正に帯電した水素カチオンは、負電極の方に引き寄せられることを意味する。したがって、標的アニオンは、アニオン交換膜１１４を通って移行し、水素カチオンは、カチオン交換膜１１６を通って流動し、そのため、標的酸イオンは第１の吸収液から分離される。アニオン交換膜１１４もカチオン交換膜１１６のいずれも、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、第１の吸収液１１０に残存する。
【0201】
第１の吸収液１１０が分離チャンバ１１２の出口に到達する時までに、少なくとも一部の標的酸イオン（標的アニオンおよび水素カチオン）は、第１の吸収液１１０の流れから分離され、第１の吸収液は、出口管１２０を通って気体接触器１０２の入口へと再循環される。
【0202】
作動中に、伝導性粒子のスラリーを含有する第２の吸収液１３４の流れは、第１のフロー電極チャネル１２６および第２のフロー電極チャネル１２８を通って圧送され、そのため、イオン交換膜を通過する標的アニオンおよび水素カチオンは、第２の吸収液１３４の流れへ移動する。標的アニオンおよび水素カチオンは、放出容器１０６へ流動する際に、フロー電極出口管１３０中で再度組み合わされ、互いに再度結びつき、そのため、第２の吸収液１３４の流れは、放出容器１０６に到達したときに、標的酸を含有する。
【0203】
放出容器１０６に入ると、少なくとも一部の標的種は、気体として第２の吸収液から放出される。これは、好ましくは平衡によって単独に推進され、標的種気体は、好ましくは、追加の加熱または気体回収器の使用を必要とすることなく、室内の温度および圧力で第２の吸収液から発生する。
【0204】
放出された標的種の気体は、次に、放出容器１０６から取り出され、所望のように、圧縮され、保存されるかまたは反応させることができる。
【0205】
連続的フロー電極を提供するために、第２の吸収液１３４の流れは、フロー電極出口管１３０を通って、第１のフロー電極チャネル１２６と第２のフロー電極チャネル１２８の両方の入口に圧送して戻される。
【0206】
このシステムを使用して、標的種は、気体１０８の流れから連続的に吸収され、第１の吸収液から第２の吸収液へ移動し、最終的に放出容器１０６に放出され得る。
【0207】
この全構成を使用して実施され得る本発明の特に好ましい実施形態は、空気からの二酸化炭素（ＣＯ２）の捕捉である。
【0208】
この実施形態では、空気が気体１０８の流れとして使用され、第１の吸収液１１０は、ＣＯ２水和触媒を含有する水溶液である。
【0209】
この実施形態における第１の吸収液および捕捉種として特に好ましい選択肢は、カチオン性官能基で官能化された水溶液ポリマー樹脂粒子、例えば炭酸脱水酵素の水和触媒を含有するＬｅｗａｔｉｔ Ｒ ＶＰ ＯＣ１０６５である。
【0210】
空気が気体接触器１０２に導入され、カチオン性ポリマー粒子および炭酸脱水酵素の溶液と接触すると、溶液によって空気からＣＯ２が吸収され、以下の平衡に基づき、炭酸（重炭酸アニオンおよび水素カチオン）を形成するために、水和される：
【0211】
【化4】
【0212】
第１の吸収液１１０の流れがイオン分離器１０４に到達すると、水素カチオンはカチオン交換膜（例えばＮａｆｉｏｎ（ＲＴＭ））を通って第１の吸収液から分離され、重炭酸アニオン（ＨＣＯ３
－）は、カチオン性ポリマー粒子から解離し、アニオン交換膜（例えばＳｕｓｔａｉｎｉｏｎ（ＲＴＭ））を通って移行する。イオン交換膜はいずれも、カチオン性ポリマー樹脂粒子に対して透過性ではないため、捕捉種は第１の吸収液中に残存する。標的アニオンと水素カチオンの両方とも、次に、フロー電極チャネルを通って流れる第２の吸収液１３４の流れへ移動し、再度組み合わされて、炭酸を形成する。この実施形態では、第２の吸収液は、捕捉種も、重炭酸アニオンが結合することができる任意の他のカチオン性種も含有しない。
【0213】
この実施形態における使用に好ましい第２の吸収液１３４は、フロー電極として作用する活性炭ナノ粒子の懸濁液を含有するジメチルカーボネートの非水性溶液である。
【0214】
この実施形態の特別な利点は、炭酸およびそのイオン（Ｈ＋およびＨＣＯ３－）が、室温で自然に準安定性であることである。イオン分離器における気泡の形成を妨げるために、イオン分離器は、気泡が形成し得ない圧力まで加圧される。炭酸を含有する第２の吸収液１３４の流れが放出容器１０６に到達すると、圧力は減少する。イオンが電気化学的に分離され、第２の吸収液に導入されると、第２の吸収液におけるＨ＋およびＨＣＯ３－の濃度が増加することに起因して、平衡はＣＯ２に傾き始める。したがって、炭酸イオンは、自然に脱水されて気体状ＣＯ２を形成するようになり始め、次に、放出容器中の第２の吸収液から放出される。
【0215】
この放出工程は、完全に室内の温度および圧力で実行され得る。例えば気体回収器用に９０～１００℃のような、先行技術で使用されるエネルギー多消費的な高温への加熱は必要とされず、本プロセスをより環境を配慮したものとする。非水性第２の吸収液の使用もまた、有利なことに、放出された二酸化炭素ガスは、高湿度を有することがなく、いくつかの先行技術の方法の一部であるエネルギー多消費的な後続の乾燥工程を必要としないことを意味する。
【0216】
この方法を使用して、空気中の希薄なＣＯ２ガス（１ｖｏｌ％よりはるかに少ない量）が、空気から捕捉され、純粋なＣＯ２ガスとして濃縮され得る。
【0217】
これに代えて、同じ装置および同じ技術が、空気からまたは別の気体源から、他の標的種を捕捉するために使用されてもよい。例えば、標的種は、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、ＮＯ、ＮＯ２およびＮ２Ｏであってもよい。異なる標的種を捕捉するために、異なる水和触媒が使用され得て、標的種は、標的種の共役酸を形成する。特定の標的種のために、第２の吸収液は、標的種の放出を助長するために加熱されてもよく、または標的種は、第２の吸収液中で所定のモル濃度に濃縮され、次に流出されてもよい。
【0218】
図２Ａおよび２Ｂは、気体捕捉プロセスの一部として、イオンを電気化学的に分離するために、代替のイオン分離器として電気透析スタック２００を利用する、本発明の２つの好ましい実施形態を例示する。
【0219】
【0220】
電気透析スタック２００は、上述の気体接触器１０２および放出容器１０６と共に使用され得る。
【0221】
電気透析スタック２００は、正電極（アノード）２２２と負電極（カソード）２２４の間に、多孔質の固体電解質で満たされた分離チャンバ２１２を含む。３対のアニオン交換膜１１４およびカチオン交換膜１１６は、電極間に平行に配置され、分離チャンバ２１２を、２つの電極の間の７つの隣接する区画に分割する。２つの最外区画は、電極およびイオン交換膜によって形成され、一方、介在する５つのチャネルＡ、Ｂは、対向するイオン交換膜の対によって形成される。
【0222】
第１の吸収液２１０は、チャネルＡを通って圧送され、一方、第２の吸収液２３４は、チャネルＢを通って圧送される。
【0223】
作動中に、アノード２２２とカソード２２４の間に電位差が印加され、標的アニオンおよび水素カチオンを含有する液体の第１の吸収液２１０は、隣接する４つのチャネルＡの一端に圧送される。
【0224】
例示目的のために、図２は、電気透析スタック２００によって分離される炭酸の対イオン（重炭酸アニオンおよび水素カチオン）を示すが、同じ装置が、代替の標的アニオンおよび標的酸で使用されてもよい。
【0225】
捕捉種、標的アニオンおよび水素カチオンを含有する第１の吸収液２１０がチャネルＡを通って流動すると、電極間の電場が、標的アニオン（例示された炭酸の場合はＨＣＯ３－）を正電極２２２の方へ、酸カチオン（Ｈ＋）を負電極２２４の方へ引き寄せる。したがって、アニオンは、チャネルＡと接触するアニオン交換膜１１４を通過することによって、捕捉種から解離され、チャネルＡから出て、隣接するチャネルＢへ移行し、一方、カチオンは、カチオン交換膜１１６を通過することによって、チャネルＡの別の方向へ出て、隣接するチャネルＢへ移行する。イオン交換膜はいずれも、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は第１の吸収液中に残存する。
【0226】
アニオンは、一度チャネルＢに移行すると、チャネルＢの一側面を形成するカチオン交換膜１１６を通過することができないため、アノードの方へさらに移行することが妨げられるので、標的アニオンおよび水素カチオンは、チャネルＢ中で濃縮される。同様に、他の方向に移行するカチオンは、アニオン交換膜１１４によって、チャネルＢ中に閉じ込められる。したがって、標的アニオンおよび水素カチオンは結びついて、標的種の共役酸である標的酸を形成する。
【0227】
上述のように、電気透析スタック２００は、セル内の気泡形成が１つまたは複数の膜を損傷し、性能を害する可能性があるため、標的種の気泡が形成できない加圧下で維持される。
【0228】
この配置を使用すると、標的酸対イオンは、チャネルＢ中の第２の吸収液２３４の流れの中で濃縮され得て、次に、放出容器へ循環され、そのため、標的種は、第２の吸収液２３４から放出され得る。
【0229】
図２Ａのフロー電極は、伝導性粒子の懸濁液を含有する別個の第３の溶液から構成され、それは電極間を再循環し、第１および第２の吸収液から分離されたままである。それらは、アノードにおいて、標的アニオン（重炭酸アニオン）を受け取り、カソードにおいてそれを放すことより、イオンが各区画に連続的に確実に移行することができるようにする。
【0230】
図３は、本発明の好ましい実施形態で使用可能な電解槽－電気透析装置３００の略図である。図は、例示として、重炭酸イオンおよび炭酸に関して記載される。
【0231】
電気透析装置３００は、正電極（アノード）３２２と負電極（カソード）３２４の間に、多孔質の固体電解質で満たされた第２の吸収チャンバ３１２を含む。１対のイオン交換膜－アニオン交換膜１１４およびカチオン交換膜１１６－は、電極間に平行に配置され、装置３００を３つの区画に分割する：アニオン交換膜１１４の入口側のカソード区画３３０、カチオン交換膜１１６の入口側のアノード区画３４０、および２つの膜の間の第２の吸収チャンバ３１２。
【0232】
作動中に、アノード３２２とカソード３２４の間に電位差が印加される。捕捉種、重炭酸アニオンおよび水素カチオンを含有する液体の第１の吸収液３１０は、捕捉容器（図示されず）からカソード区画３３０へ圧送され、カソードチャンバの周りを循環する。この例では、例えば硫酸ナトリウムまたは塩化ナトリウムのような電解質の水性流である第２の吸収液３３４は、第２の吸収チャンバ３１２を通って圧送される。Ｈ２Ｏは、アノード区画３４０へ圧送される。
【0233】
カソードは、アルカリ性環境にあるが、第１の吸収液中の標的種の溶解によって形成された水素イオンも含有するため、２つの反応が起きる。負に帯電したカソードでは、還元反応が起こり、カソードからの電子（ｅ－）が水素カチオンと組み合わされて、水素ガスを形成する。カソードで起きる還元反応は：２Ｈ２Ｏ（液体）＋２ｅ－→２ＯＨ－（水性）＋Ｈ２（気体）（ＯＨ－は、主に、ＨＣＯ３によって中和されて、炭酸塩を形成する）であり、一方、２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２という反応も起こり、水素ガスを発生させる。
【0234】
正に帯電したアノードでは、酸化反応が起こり、酸素ガスを作り出し、電子をアノードに与えて、回路が完成する。アノードで起きる反応は：２Ｈ２Ｏ（液体）→Ｏ２（気体）＋４ｅ－＋４Ｈ＋（水性）である。
【0235】
標的アニオン（例示された炭酸の場合はＨＣＯ３－重炭酸アニオン）を含有する第１の吸収液３１０が、カソード区画３３０に流入すると、電極間の電場がアニオン交換膜１１４を通して標的アニオンを引き寄せ、第１の吸収液中の水素カチオン（Ｈ＋）が、水素ガスとして放出される。したがって、標的アニオンは、アニオン交換膜１１４を通過することによって、カソード区画３３０から出て第２の吸収チャンバ３１２へ移行する。同時に、アノードで電気分解によって形成された水素カチオン（Ｈ＋）は、カチオン交換膜１１６を通って引き寄せられ、第２の吸収チャンバ３１２へ移行する。
【0236】
この配置を使用すると、標的アニオン（ＨＣＯ３
－）は、水素カチオンと組み合わされ、標的酸（示された例では炭酸）を形成し、第２の吸収チャンバ３１２を通る第２の吸収液３３４の流れの中で濃縮される。第２の吸収チャンバ３１２は、標的酸が、装置３００内で分解して気泡を形成することがないように、十分に高い圧力で維持される。
【0237】
第２の吸収液の流れは、次に、放出容器（図示されず）へ循環される。第２の吸収液の流れ３３４に入ると、圧力は低減され、炭酸対イオンは分解して気体ＣＯ２を形成し、ＣＯ２は第２の吸収液３３４から放出され、放出容器に収集される。
【0238】
ＥＰ２１６３２９４などの先行技術文献は、ＣＯ２捕捉のために電気透析を利用してきたが、ＥＰ２１６３２９４では、水解離が双極性膜（ＢＰＭ）によって実行され、それは、限られた安定性を示し、高還元性および高酸化性の反応を同時に実施しなければならない。
【0239】
図３におけるセル構成もまた、アニオン交換膜の１０倍ほど高価である双極性膜の使用を除外する。
【0240】
図３に例示されたセル構成は、好ましくは、水素および酸素の１分子当たりの放出されるＣＯ２の量が増加するように、複数対のイオン交換膜を加えることによって拡大され得る。イオン交換膜対の数が大きくなるほど、生成されるＨ２／Ｏ２の１分子当たり、より多くのＣＯ２が放出される。
【0241】
図３に示されるセル設計の性質は、水素が、例えば５０～６０ｋＷｈ／ｋｇ（Ｈ２）のような、現在のＰＥＭ電解槽と競合する効率で製造され得ることを意味する。
【0242】
図４～６は、本発明の方法を使用した二酸化炭素の直接的空気捕捉に関する、本発明者らによって得られた実験データを例示する。
【0243】
図４は、３つの可能性のある第１の吸収液の、毎分１Ｌの速度で、各溶液を通して空気をスパージングする際の、測定された経時的なｐＨ変化を例示する。この実験は、以下の有効性を実証する：
線４００：Ｎａ２ＨＰＯ４（０．１Ｍ、１００ｍＬ）。
線４２０：Ｎａ２ＨＰＯ４（０．１Ｍ、１００ｍＬ）＋０．２ｍｇ・ｍＬ－１のウシ炭酸脱水酵素。
線４４０：Ｎａ２ＨＰＯ４、（０．１Ｍ、１００ｍＬ）＋０．２ｍｇ・ｍＬ－１当量のＦｅ３Ｏ４粒子に固定化されたウシ炭酸脱水酵素。
線４００：Ｎａ２ＨＰＯ４（０．１Ｍ、１００ｍＬ）。
線４２０：Ｎａ２ＨＰＯ４（０．１Ｍ、１００ｍＬ）＋０．２ｍｇ・ｍＬ－１のウシ炭酸脱水酵素。
線４４０：Ｎａ２ＨＰＯ４、（０．１Ｍ、１００ｍＬ）＋０．２ｍｇ・ｍＬ－１当量のＦｅ３Ｏ４粒子に固定化されたウシ炭酸脱水酵素。
【0244】
本発明で使用される固定化された酵素は、好ましくは、懸濁液として第１の吸収液全体に分散された粒子に固定化され得る。特に好ましい実施形態では、磁性Ｆｅ３Ｏ４粒子が、例えばｂＣＡのような酵素が固定化された担体粒子として使用された。
【0245】
Ｎａ２ＨＰＯ４は、本発明には好ましい捕捉種ではないが、この場合は、Ｎａ２ＨＰＯ４を対照として使用して、二酸化炭素捕捉に関するＣＡおよび固定化されたＣＡの相対的効力を実証した。
【0246】
図４で示されるように、溶液を通して空気をスパージすると、３つの溶液全てのｐＨは、およそｐＨ９．１～９．５から、およそｐＨ８．３～８．５へ著しく減少した。これは、空気からのＣＯ２の吸収、および溶解したＣＯ２の炭酸（重炭酸アニオンおよび水素カチオン）への転換の結果である。プロセス中に形成される炭酸の酸性ｐＨ（＜７）は、第１の吸収液の全般的ｐＨを自然に低下させ、そのため、３つの溶液は全て、平衡時に最終的に８．５以下のｐＨを有した。
【0247】
図４における３本の線の勾配比較は、溶液がＣＯ２を吸収し、ＣＯ２を炭酸のイオンに転換させる速度を、溶液中の炭酸脱水酵素の存在が著しく増加し、炭酸脱水酵素を含有する溶液４２０、４４０は、水和触媒を伴わない対照試料４００よりはるかに迅速に平衡に到達したことを示す。
【0248】
図４はまた、炭酸脱水酵素が固定化されなかった試料４２０より、試料４４０に固定化された炭酸脱水酵素が有効であったことを示す。試料４４０はＣＯ２を吸収し、ＣＯ２を炭酸により迅速に転換し、またおよそ８．３の低いｐＨで平衡に達し、固定化された触媒により、試料４４０が、他の試料４００、４２０より多くのＣＯ２を吸収したことを示唆する。
したがって、本実験は、炭酸脱水酵素水和触媒によって、特にそれが固定化された場合に提供された、ＣＯ２捕捉および炭酸への転換における改善を実証している。
したがって、本実験は、炭酸脱水酵素水和触媒によって、特にそれが固定化された場合に提供された、ＣＯ２捕捉および炭酸への転換における改善を実証している。
【0249】
図５は、１００ｍＬの溶液に１Ｌ・分－１の速度で空気をスパージングした後の、２つの溶液において測定されたｐＨ変化を使用して、モデル化された捕捉されたＣＯ２の量を例示する。
線５００：ＮａＯＨ（０．１Ｍ、１００ｍＬ）
線５２０：Ｎａ２ＨＰＯ４、（０．１Ｍ、１００ｍＬ）＋０．２ｍｇ・ｍＬ－１当量の固定化されたウシ炭酸脱水酵素。
線５００：ＮａＯＨ（０．１Ｍ、１００ｍＬ）
線５２０：Ｎａ２ＨＰＯ４、（０．１Ｍ、１００ｍＬ）＋０．２ｍｇ・ｍＬ－１当量の固定化されたウシ炭酸脱水酵素。
【0250】
図５で示されるように、Ｎａ２ＨＰＯ４中の固定化された炭酸脱水酵素を含有する試料５２０は、同じ時間においてＮａＯＨ試料５００よりはるかに大量にＣＯ２を吸収する。これは、炭酸脱水酵素などの水和触媒の使用が、先行技術で有益であると考えられてきたＮａＯＨなどの高アルカリ性吸収液よりさらに、著しく優れた結果をもたらすことを実証している。
【0251】
例示された実験では、試験の目的上、Ｎａ２ＨＰＯ４が、ＣＯ２水和を実施するのにウシ炭酸脱水酵素にとって最適なｐＨに近いｐＨを有するため、Ｎａ２ＨＰＯ４が担体溶液として使用された。
【0252】
図５で実証された良好なＣＯ２捕捉速度にもかかわらず、Ｎａ２ＨＰＯ４の捕捉能力が本発明に所望されるものより低いため、Ｎａ２ＨＰＯ４は本発明には第１の吸収液として好ましくない。本発明はまた、第１の吸収液におけるＮａＨＰＯ４などの膜透過性のアルカリ金属塩の使用を、好ましくは回避するかまたは少なくとも低減する。
【0253】
本明細書に記載される全ての実験において、ＣＯ２捕捉は、近赤外域センサを使用して測定された。この場合、近赤外域センサは、捕捉容器に入ってくる空気のバックグラウンドＣＯ２を測定し、捕捉容器からの出口におけるＣＯ２の濃度を記録するために使用され、そのため、第１の吸収液によって捕捉され、空気から除去されるＣＯ２の量が定量化され得る。
【0254】
図６は、１トン当たり５２４ｋＷｈのＣＯ２当量エネルギー消費量を有するフロー－ＣＤＩセルによって実行される塩分離の有効性を例示する。他のＣＯ２捕捉プロセスに必要とされる、＞１５００ｋＷｈの熱エネルギーと比較して、これは極めてエネルギー効率的である。
【0255】
図６の背後の実験では、約４００ｍｇ／Ｌの炭酸塩／重炭酸塩の緩衝剤を含有した塩注入流は、１５ｍＬ・分－１の速度でフローＣＤＩセルへ導入され、フロー電極流は、２０ｍＬ・分－１の速度でフロー電極を通って圧送された。フロー－ＣＤＩセルに印加された電流密度は、１．２Ｖの電圧で、１ｍＡ・ｃｍ－１であった。この配置は、０．２５ｍｇ分－１・ｃｍ－２の捕捉速度を達成した。フロー－ＣＤＩセルのフットプリントは、１００ｍＬの体積を必要とする空気接触器より小さいため、フロー－ＣＤＩは、プロセスを速度制限するものではない。
【0256】
図６によって実証される塩捕捉速度は、フロー－ＣＤＩが、第１の吸収液から標的酸イオンを電気化学的に分離するのに、極めて有効かつ実行可能な方法であることを示す。アミン吸着剤または炭酸塩か焼炉は、ＣＯ２の１トン当たり１５００～２０００ｋＷｈを必要とする一方、本プロセスは、ＣＯ２の１トン当たり５３４ｋＷｈのみの当量エネルギー消費量を有することが見出された。
【0257】
図７は、例示的な第１の吸収液における、３つの異なる触媒に関する平均および最大のＣＯ２捕捉速度を比較するグラフである。
－ 遊離ウシ炭酸脱水酵素（遊離ｂＣＡ）、（０．２ｍｇ／ｍＬ）；
－ Ｆｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡ、（０．２ｍｇ／ｍＬ、２．５ｍｇ／ｍＬのＦｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡ）；および
－ Ｆｅ３Ｏ４（２．５ｍｇ／ｍＬ）。
－ 遊離ウシ炭酸脱水酵素（遊離ｂＣＡ）、（０．２ｍｇ／ｍＬ）；
－ Ｆｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡ、（０．２ｍｇ／ｍＬ、２．５ｍｇ／ｍＬのＦｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡ）；および
－ Ｆｅ３Ｏ４（２．５ｍｇ／ｍＬ）。
【0258】
３つの吸収液は全て、１００ｍＬの０．１ＭのＮａ２ＨＰＯ４中の触媒から構成された。空気は、毎分１Ｌの速度で吸収液を通って流動させた。
【0259】
図８は、同じ３つの触媒含有吸収液に関する平均捕捉効率および最大捕捉効率を比較する。
【0260】
これらの結果は、遊離ｂＣＡとＦｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡの両方の平均ＣＯ２捕捉率が、Ｆｅ３Ｏ４単独のものより著しく高いことを示した。３つの触媒の平均捕捉効率は、Ｆｅ３Ｏ４に関するおよそ３８％から、Ｆｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡに関するおよそ４７％までの範囲であったが、最大捕捉効率は、Ｆｅ３Ｏ４に関して最も高かった。
【0261】
図９は、例示的なポリエチレンイミン（ＰＥＩ）鎖の化学的構造を例示し、これは、分岐アミンを含有するカチオン性ポリマーである。ＰＥＩは、好ましい捕捉種であるため、ＰＥＩの溶液は、本発明で使用可能な好ましい第１の吸収液である。ＰＥＩは、水溶性で高安定性である。
【0262】
【0263】
この配置で、捕捉容器（図示されず）中で起きる捕捉反応は：
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＣＯ３→Ｈ＋＋ＨＣＯ３ －
である。
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ→Ｈ２ＣＯ３→Ｈ＋＋ＨＣＯ３ －
である。
【0264】
第１の吸収水溶液中のポリエチレンイミン（ＰＥＩ）は、重炭酸アニオンと反応し、それは１：２：１比の第一級、第二級および第三級アミンを含有する。第一級および第二級のアミンは、以下の機構で反応する：
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２Ｒ２ＮＨ－＞ＨＣＯ３ －＋Ｒ２ＮＨ２ ＋＋Ｒ２ＮＨ
一方、第三級アミンは、以下の機構で反応する：
ＣＯ２＋Ｒ３Ｎ＋Ｈ２Ｏ－＞ＨＣＯ３ －＋Ｒ３ＮＨ＋
Ｒ２－ＮＨ＋［ＨＣＯ３］－として捕捉された、溶解した重炭酸アニオンを含有する第１の吸収液は、次に、捕捉容器からカソード区画３３０へ循環され、そこから、重炭酸アニオンＨＣＯ３ －は電気化学的に分離され、アニオン交換膜１１４を通って移行し、一方、第１の吸収液中の炭酸カチオンは、水素ガスとして放出される。残留する捕捉種ＰＥＩカチオンＲ２－ＮＨは、膜透過性ではなく、カソード区画３３０から再循環されて捕捉容器に戻り、さらにＣＯ２を吸収する。
ＣＯ２＋Ｈ２Ｏ＋２Ｒ２ＮＨ－＞ＨＣＯ３ －＋Ｒ２ＮＨ２ ＋＋Ｒ２ＮＨ
一方、第三級アミンは、以下の機構で反応する：
ＣＯ２＋Ｒ３Ｎ＋Ｈ２Ｏ－＞ＨＣＯ３ －＋Ｒ３ＮＨ＋
Ｒ２－ＮＨ＋［ＨＣＯ３］－として捕捉された、溶解した重炭酸アニオンを含有する第１の吸収液は、次に、捕捉容器からカソード区画３３０へ循環され、そこから、重炭酸アニオンＨＣＯ３ －は電気化学的に分離され、アニオン交換膜１１４を通って移行し、一方、第１の吸収液中の炭酸カチオンは、水素ガスとして放出される。残留する捕捉種ＰＥＩカチオンＲ２－ＮＨは、膜透過性ではなく、カソード区画３３０から再循環されて捕捉容器に戻り、さらにＣＯ２を吸収する。
【0265】
図３に関連して上述されたように、重炭酸アニオンは、第２の吸収チャンバ３１２中で水素カチオンと再度組み合わされ、放出容器中で捕捉され得るＣＯ２ガスとして分解する前に、第２の吸収液３３４中で炭酸を形成する。
【0266】
図１１は、Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ第１の吸収液で捕捉されたＣＯ２の質量を示すグラフである。１．２ｍｇ・ｍＬ－１（０．１２ｗｔ％）のＰＥＩ濃度を有する３つの代替的な吸収水溶液が比較された：
－ 炭酸脱水酵素（ＣＡ）を加えたＰＥＩ １１１０；
－ ＰＥＩ １１２０；および
－ Ｆｅ３Ｏ４を加えたＰＥＩ １１３０。
－ 炭酸脱水酵素（ＣＡ）を加えたＰＥＩ １１１０；
－ ＰＥＩ １１２０；および
－ Ｆｅ３Ｏ４を加えたＰＥＩ １１３０。
【0267】
図１１に示されるように、炭酸脱水酵素（ＣＡ）を加えたＰＥＩの水溶液１１１０は、ＰＥＩ単独の１１２０より多くのＣＯ２を捕捉し、Ｆｅ３Ｏ４を加えたＰＥＩ １１３０のほぼ３倍で作動した。炭酸脱水酵素（ＣＡ）を加えたＰＥＩは、したがって、本発明における第１の吸収液として、捕捉種および触媒の有望な組合せであると考えられる。
【0268】
図１２は、溶液の温度１２２０が上昇するにつれて、１．２ｍｇ・ｍＬ－１（０．１２ｗｔ％）のＰＥＩ濃度を有するＨ２Ｏ／ＰＥＩ溶液から放出されるＣＯ２の質量１２１０を示すグラフである。本発明では、ＰＥＩ吸収剤からのＣＯ２の熱脱離は必要な工程ではないが、図１２の実験結果は、ＰＥＩ－ＣＯ２吸収プロセスの熱可逆性を実証する。図１２の結果は、溶液の温度が上昇するにつれて、特に５０℃または６０℃より高い温度で、ＣＯ２が、ＰＥＩ溶液から徐々に脱離されることを示す。したがって、本発明では、第１の吸収液は、好ましくは５０℃未満、好ましくは４０℃または３０℃未満の温度で維持される。
【0269】
図１３は、３つの異なる第１の吸収液のＣＯ２捕捉速度を比較するグラフである：ＮａＯＨ（３モル）、Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ中のｂＣＡ、およびＮａ２ＨＰＯ４中のＦｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡ。図１３におけるＣＯ２捕捉は、５０ｍＬの第１の吸収液および吸収液を通って流れる空気の１Ｌ・分－１の空気流速度を使用して、固定条件下で測定された。
【0270】
図１３の結果は、ＮａＯＨの捕捉速度が、最初は最高であったが、すぐにおよそ０．００８ｍｇ秒－１の捕捉速度で定常状態に到達したことを示した。Ｎａ２ＨＰＯ４中のＦｅ３Ｏ４に固定化されたｂＣＡの捕捉速度は、３つの吸収剤の最低であり、時間が経つにつれて、０．００６ｍｇ秒－１に下降する前に、およそ０．００８ｍｇ秒－１でピークであった。Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ中のｂＣＡの第１の吸収液は、最高のＣＯ２捕捉速度を実証し、０．００９５ｍｇ秒－１に下降する前に、およそ０．０１２ｍｇ秒－１に到達した。
【0271】
試験したＮａＯＨの濃度は１２０ｇ／Ｌであり、これは水酸化物ベースのＣＯ２捕捉の現況技術で使用される濃度である。しかしながら、Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ中のｂＣＡ試料におけるＰＥＩ濃度はわずか１３００ｍｇ／Ｌであった。したがって、図１３は、たとえＰＥＩ濃度がＮａＯＨ濃度の９２分の１であっても、Ｈ２Ｏ／ＰＥＩ中のｂＣＡ試料が最も良好に作動したことを示す。
【0272】
図１４は、３つの異なる水性吸収剤の捕捉速度および捕捉効率を比較するグラフである：炭酸脱水酵素を加えたＰＥＩ（ＰＥＩ／ＣＡ）、ＮａＯＨおよびＮａ２ＣＯ３。
【0273】
試験した３つの吸収水溶液は全て、５０ｍＬの液体容積および溶液を通る１Ｌ分－１の空気流速度を有した。ＰＥＩ／ＣＡ溶液は、０．１３ｗｔ％のＰＥＩおよび０．０２ｗｔ％のＣＡを含有した。ＮａＯＨ溶液は、１２ｗｔ％のＮａＯＨを含有した。Ｎａ２ＣＯ３溶液は、２９ｗｔ％のＮａ２ＣＯ３を含有した。
【0274】
これらの結果が、溶液中の吸収剤の量により正規化された場合、ＰＥＩ／ＣＡ混合物は、ＮａＯＨおよびＮａ２ＣＯ３吸収剤のおよそ９２倍高い吸収剤の１ｍｇ当たりの捕捉速度を達成する。これは、ＰＥＩ／ＣＡ吸収液が、電気化学的分離工程の効率を低減し得る膜透過性イオンを含有しないという利益と組み合わされて、ＰＥＩおよびＣＡを含有する第１の吸収液を、本発明における使用に有望な候補とする。
【0275】
図１０に例示された装置を使用して、ＰＥＩ吸収液を使用したＣＯ２の連続的捕捉を実証するための実験が実行された。図１５は、本実験中の、ＣＯ２の分離および放出速度１５１０、ならびに放出されたＣＯ２の量１５２０を例示する。
【0276】
図１５の実験では、３．１６％のＰＥＩを含有する２５ｍＬの第１の吸収液は、４Ｌ分－１の空気流で隔膜ポンプを使用して、空気からのＣＯ２で飽和された。次に、吸収液は、電気透析セル３００のカソードチャンバの周りを、１ｍＬ分－１の速度で循環した。同時に、０．５ＭのＮａＣｌを含有する第２の溶液は、アニオン交換膜とカチオン交換膜の間を、１０ｍＬ分－１の速度で圧送された。電源装置を使用して、セルにわたる電圧を印加し、電流は、４Ｖの電圧で、２００ｍＡ・ｃｍ－２の電流密度まで徐々に上昇させた。この電流密度で、安定した気泡の流れが、第２の溶液と共にセルから出ていくのが観察され、第１の吸収液からのＣＯ２の分離および放出が、同時に起こっていることが実証された（ただし、この装置のフルスケール版では、セル３００は、セル内の気泡発生を妨げるために加圧される）。第２の溶液および発生したＣＯ２気泡は、放出チャンバまで圧送され、それを通って連続的な空気流が圧送され、放出されたＣＯ２を伴出した。発生したＣＯ２の量は、高速近ＩＲセンサ（ＳｐｒｉｎｔＩＲ（登録商標）－Ｗ １００％ ＣＯ２ Ｓｅｎｓｏｒ｜ＣＯ２Ｍｅｔｅｒ．ｃｏｍ）を使用して測定された。空気は、放出チャンバから３００ｍＬ・分の速度で連続的に圧送され、ＣＯ２メータで分析された。
【0277】
図１５および１６は、ＣＯ２の分離および放出速度１５１０は急速に上昇し、徐々に下降する前に、速度およそ２００グラムＣＯ２ｍ－２ｈｒ－１においてピークとなったことを示す。分離および放出速度におけるこの下降は、電気透析セルが、第１の吸収液によって吸収されるより迅速に、ＣＯ２を分離し放出したという事実により起こされたと考えられた。この実験は、図１０の装置が、典型的な電気透析速度と同じ範囲のＣＯ２分離速度を達成し、捕捉工程を速度制限するものではないことを立証する。
【0278】
放出されたＣＯ２の総量１５２０は、連続的に上昇し、およそ１４００秒後に５０グラムＣＯ２ｍ－２に到達することが観察された。
【0279】
放出されたＣＯ２の量およびＣＯ２放出速度は、イオン交換膜の界面表面積によって正規化される。
【0280】
本実験で試験され、図１０に示されるセルは、１対のみの膜を含み（一方、電気透析スタックは、典型的には５００対まで含む）、そのため、エネルギー効率は、典型的な膜対の数を有する全電気透析セルが達成し得たものを代表するものではない。しかしながら、エネルギー効率は２膜セルに期待されるものと同等である。
【0281】
全システムで無視し得るものとなる電気透析セルのファラデー寄与を除外して、本プロセスを実施するために算出されたエネルギーは、４８００ｋＷｈトンである。これは、溶液中のＣＯ２濃度をより高くし、電圧／電流およびフロー電極の使用を最適化し、セル対の数を増加することによって、著しく低減されることが期待される。
【0282】
これらの結果は、ＰＥＩおよびＣＡの第１の吸収水溶液が、ＣＯ２を捕捉し、それを炭酸イオンに転換することに成功し、炭酸のＨＣＯ３
－アニオンは、アニオン交換膜を越えて第２の吸収液へ輸送され、続いて分解されて炭酸に戻り、純粋な気体状ＣＯ２として放出され得ることを示す。
【0283】
図１７は、本発明の好ましい実施形態で使用可能な、代替の電気透析装置１７００を示す。図１７の装置１７００は、図３および１０の装置と同様のものであり、電解槽の構成は、第１の吸収液がセルの中央チャンバに入り、電極の極性が逆になるという違いがある。
【0284】
電気透析装置１７００は、正電極（アノード）３２２と負電極（カソード）３２４の間に、多孔質の固体電解質で満たされた第１の吸収チャンバ１７１２を含む。１対のイオン交換膜－アニオン交換膜１１４およびカチオン交換膜１１６－は、電極間に平行に配置され、装置１７００を３つの区画に分割する：カチオン交換膜１１６の一側面上のカソード区画３３０、アニオン交換膜１１４の一側面上のアノード区画３４０、および２つの膜の間の第１の吸収チャンバ１７１２。
【0285】
作動中に、アノード３２２とカソード３２４の間に電位差が印加される。捕捉種、標的アニオン（示された例の場合、重炭酸アニオン）および水素カチオンを含有する液体の第１の吸収液３１０は、捕捉容器（図示されず）から第１の吸収チャンバ１７１２へ圧送される。例えば硫酸ナトリウムまたは塩化ナトリウムのような水性または非水性の電解質の流れであり得る第２の吸収液３３４は、アノード区画３４０を通って圧送される。
【0286】
カソードは、アルカリ性環境にあるが、第１の吸収液中の標的種の溶解によって形成された水素イオンも含有するため、２つの反応が起きる。負に帯電したカソードでは、還元反応が起こり、カソードからの電子（ｅ－）が水素カチオンと組み合わされて、水素ガスを形成する。カソードで起きる還元反応は：２Ｈ２Ｏ（液体）＋２ｅ－→２ＯＨ－（水性）＋Ｈ２（気体）（ＯＨ－は、主に、ＨＣＯ３によって中和されて、重炭酸塩を形成する）であり、一方、２Ｈ＋＋２ｅ－→Ｈ２という反応も起こり、カソード区画３３０から水素ガスを発生する。
【0287】
正に帯電したアノードでは、酸化反応が起こり、酸素ガスを作り出し、電子をアノードに与えて、回路が完成する。アノードで起きる反応は：２Ｈ２Ｏ（液体）→Ｏ２（気体）＋４ｅ－＋４Ｈ＋（水性）である。
【0288】
上述の実施形態におけるように、第１の吸収液は、ＰＥＩなどの捕捉種を含有し、アニオン交換膜およびカチオン交換膜は、捕捉種に対して非透過性であるため、捕捉種は、第１の吸収液３１０中に保持される。
【0289】
標的アニオン（例示された炭酸の場合はＨＣＯ３－重炭酸アニオン）を含有する第１の吸収液３１０が、第１の吸収チャンバ１７１２に流入すると、電極間の電場が、アニオン交換膜１１４を通して標的アニオンをアノード区画３４０中の第２の吸収液３３４に引き寄せる。同時に、アノードで電気分解によって形成された水素カチオン（Ｈ＋）は、アノード区画３４０で生成され、そこで標的アニオンと結びつき、第２の吸収液中で標的酸を形成し得る。アノード区画３４０は、標的酸が、装置３００内で分解して気泡を形成することがないように、十分に高い圧力で維持される。標的酸は、第２の吸収液３３４の流れの中で濃縮され、放出容器（図示されず）に循環され、そこで標的種の気体（示された例ではＣＯ２ガス）が発生し、捕捉される。
【0290】
この実施形態では、いくらかの酸素ガスがＣＯ２流中に存在する。これは、Ｈ２＋Ｏ２＋ＣＯ２流を燃焼させることによるか、または気体を、エネルギーを回収するための燃料電池を通過させることによるいずれかで除去され得る。
【0291】
第１の吸収液中の水素カチオン（Ｈ＋）は、カチオン交換膜１１６を通って、カソード区画３３０へ移行し、そこから水素ガスとして放出される。したがって、標的アニオンは、アニオン交換膜１１４を通過することによって、カソード区画３３０から出て第２の吸収チャンバ３１２へ移行する。同時に、アノードで電気分解によって形成された水素カチオン（Ｈ＋）は、カチオン交換膜１１６を通って引き寄せられ、第２の吸収チャンバ３１２へ移行する。
【0292】
電気化学的分離プロセス中に、標的重炭酸アニオンおよび水素カチオンを失って、第１の吸収液３１０は、依然として捕捉種を含有して捕捉容器（図示されず）へ再循環される。
【0293】
図１８は、図１７のＣＯ２捕捉用の装置を使用して、図１５および１６に関して上述されたものと同じ成分およびパラメータを使用して得られたＣＯ２捕捉結果を例示する。図１８に示されるように、プロセスのエネルギー効率およびＣＯ２捕捉速度は、装置が作動する電圧に強く依存する。おおよそ毎時３０ｍｇにおいて、エネルギー消費量は、捕捉されたＣＯ２の１トン当たり９００ｋＷｈである。しかしながら、電気化学セル中で電気分解が起きるため、プロセスは、同じ期間に５００ｋＷｈのＨ２を生成した。したがって、結局、ＣＯ２は、１トン当たり約４００ｋＷｈで捕捉され、放出された。
【0294】
図１９
図１９は、本発明の好ましい実施形態による装置の略図であり、気体捕捉プロセスの一部として、イオンを電気化学的に分離する電気透析を利用する。装置の作動は、図１に関して上述されたフロー－ＣＤＩ装置の作動と実質的に同様であり、イオン分離器が、フロー－ＣＤＩではなく電気透析を利用するという相違点を有する。
図１９は、本発明の好ましい実施形態による装置の略図であり、気体捕捉プロセスの一部として、イオンを電気化学的に分離する電気透析を利用する。装置の作動は、図１に関して上述されたフロー－ＣＤＩ装置の作動と実質的に同様であり、イオン分離器が、フロー－ＣＤＩではなく電気透析を利用するという相違点を有する。
【0295】
図１９に例示された電気透析装置１９００は、気体接触器１９０２、イオン分離器１９０４、および放出容器１９０６から構成される。
【0296】
気体接触器１９０２は、捕捉される標的種を含有する気体１９０８の流れを受け取り、気体を第１の吸収液１９１０の流れと接触させるように配置される。流下膜式反応器、充填カラム、気泡カラムまたは噴霧塔などの多様な気液接触器の設計は当技術分野で公知であり、そのいずれも本発明での使用に好適である。
【0297】
イオン分離器１９０４は、分離チャンバ１９１２、分離チャンバ１９１２の一側面に沿ったアニオン交換膜１９１４、および分離チャンバ１９１２の反対側面に沿ったカチオン交換膜１９１６を含む。入口管および出口管は、気体接触器１９０２を分離チャンバに接続し、そのため、第１の吸収液１９１０の流れは、気体接触器から圧送され、分離チャンバを通って、次に気体接触器へと再循環され得る。
【0298】
正電極１９２２（アノード）は、アニオン交換膜の側面でイオン分離器１９０４に接続され、負電極１９２４（カソード）は、カチオン交換膜の側面でイオン分離器１９０４に接続される。
【0299】
イオン分離器は、アニオン交換膜と正電極１９２２の間に第２の吸収チャネル１９２６を備える。第２の吸収チャネルは、放出容器１９０６とループ状に接続され、第２の吸収液１９３４は、放出容器１９０６と第２の吸収チャネル１９２６の間で循環される。
【0300】
電気透析に関して、第２の吸収液は、Ｈ２Ｏ、または別の水溶液、例えばスルホン酸などの有機酸であってもよい。ある実験では、本発明者らは、第２の吸収液として０．１８％のポリ－４－スチレンスルホン酸を使用することに成功した。
【0301】
使用中に、捕捉種を含有する第１の吸収液１９１０が気体接触器に導入されるのと同時に、捕捉される標的種を含有する気体１９０８の流れが、気体接触器１９０２へ導入される。気体１９０８が第１の吸収液１９１０と接触すると、標的種の吸収液への物質移動が起こり、そのため、第１の吸収液１９１０は、気体から一部の標的種を吸収する。
【0302】
標的種は第１の吸収液１９１０に溶解し、第１の吸収液中の水和触媒の存在によって任意選択で補助され、標的アニオンおよび水素カチオンを形成する。標的アニオンおよび水素カチオンは共に結びつき、第１の吸収液中の捕捉種によって安定化される。
【0303】
第１の吸収液１９１０は、気体接触器１９０２の出口から、イオン分離器１９０４の分離チャンバ１９１２の入口に連続的に圧送され、そこから液体の第１の吸収液１９１０は、分離チャンバを通って流動する。
【0304】
作動中に、正電極１９２２と負電極１９２４の間に電位差が印加される。イオン分離器にわたるこの電位差は、第１の吸収液１９１０が分離チャンバを通って流動すると、負に帯電した標的アニオン（例示された実施形態では重炭酸アニオンＨＣＯ３－）は、捕捉種から解離され、正電極の方に引き寄せられ、一方、正に帯電した水素カチオンは、負電極の方に引き寄せられることを意味する。したがって、標的アニオンは、アニオン交換膜１９１４を通って移行し、水素カチオンは、カチオン交換膜１９１６を通って流動し、そのため、標的アニオンは第１の吸収液から分離される。捕捉種の大きい流体力学的半径および高分子量に起因して、アニオン交換膜１９１４もカチオン交換膜１９１６のいずれも、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、第１の吸収液１９１０中に残存する。
【0305】
第１の吸収液１９１０が分離チャンバ１９１２の出口に到達する時までに、少なくとも一部の標的酸イオン（標的アニオンおよび水素カチオン）は、第１の吸収液１９１０の流れから分離され、第１の吸収液は、気体接触器１９０２の入口へと再循環される。
【0306】
作動中に、伝導性粒子のスラリーを含有する第２の吸収液１９３４の流れは、第２の吸収剤チャネル１９２６を通って圧送され、そのため、イオン交換膜を通過する標的アニオンおよび水素カチオンは、第２の吸収液１９３４の流れへ移動する。標的アニオンおよび水素カチオンは、第２の吸収剤チャネル１９２６中で再度組み合わされ、放出容器１９０６へ流動すると、互いに再度結びつき、そのため、第２の吸収液１９３４の流れは、放出容器１９０６に到達したときに、標的酸を含有する。
【0307】
第２の吸収液１９３４の流れは、第２の吸収液チャネル１９２６中で圧力下に維持され、それはイオン分離器内での気泡形成を妨げ、次に放出容器１９０６中で減圧され、そこで標的ガス（例示された実施形態ではＣＯ２）は、溶液から自発的に発生する。
【0308】
次に、第２の吸収液１９３４の流れは、連続的プロセス中に、第２の吸収液チャネル１９２６へ再循環されて戻る。
【0309】
このシステムを使用して、標的種は、気体１９０８の流れから連続的に吸収され、第１の吸収液から第２の吸収液へ移動し、最終的に放出容器１９０６中で放出され得る。
【0310】
上述の実施形態と同様に、この全構成を使用して実施され得る本発明の特に好ましい実施形態は、空気からの二酸化炭素（ＣＯ２）の直接的捕捉である。
【0311】
この直接的空気捕捉（ＤＡＣ）実施形態では、空気が気体１９０８の流れとして使用され、第１の吸収液１９１０は、ＣＯ２水和触媒を含有する水溶液である。図１９に例示されるように、空気１９０８は、２９８Ｋの温度および１バールの圧力で、４００ｐｐｍのＣＯ２濃度で、気体接触器に流入する。気体接触器を通過し、そのＣＯ２含有量の一部が第１の吸収液によって吸収された後、空気は、１００ｐｐｍのみのＣＯ２濃度を有する。
【0312】
この実施形態における捕捉種として特に好ましい選択肢は、８００より大きい分子量を有するポリエチレンイミン（ＰＥＩ）の水溶液である。ＰＥＩの高分子量および流体力学的半径は、これらの成分が、イオン交換膜の通過から除外され、したがって、第１の吸収液中に残存して再循環されることを意味する。
【0313】
図２０
上述の実験の多くは、気体接触器として気体スパージャを使用して得られたが、本発明の使用には、「流下膜式」反応器が代替の気体接触器として組み立てられた。「流下膜式」反応器は、有利なことに、表面積、気体：液体比および滞留時間の関数としての、異なる捕捉種のＣＯ２捕捉速度のより正確な決定を可能とし得る。
上述の実験の多くは、気体接触器として気体スパージャを使用して得られたが、本発明の使用には、「流下膜式」反応器が代替の気体接触器として組み立てられた。「流下膜式」反応器は、有利なことに、表面積、気体：液体比および滞留時間の関数としての、異なる捕捉種のＣＯ２捕捉速度のより正確な決定を可能とし得る。
【0314】
図２０は、本発明の好ましい実施形態で使用可能な、流下膜式反応器からのＣＯ２出口濃度のグラフである。２０℃における流下膜式反応器からのＣＯ２出口濃度は、ＰＥＩ（Ｍｗ１８００）の１０ｗｔ％水溶液である第１の吸収液を用いた０．６ｇのＣＯ２ｈｒ－１ｍ－２の捕捉速度と比較して、３モルのＮａＯＨに関して、０．８３ｇのＣＯ２ｈｒ－１ｍ－２の捕捉速度を実証した。
【0315】
ＮａＯＨとポリマーアミン（ＰＡ）捕捉種の直接的比較を、図２０で見ることができ、それは、ＰＥＩ（Ｍｗ１８００）の１０ｗｔ％溶液を示し、３ＭのＮａＯＨによって達成された捕捉速度の７８％内の捕捉速度を達成する。１０ｗｔ％のＰＥＩ（Ｍｗ１８００）を用いて温度感受性試験もまた実行され、下の表１で見ることができる。データは、溶液温度がＣＯ２捕捉速度に影響を及ぼすが、２０℃から５℃への温度低下から、捕捉速度において１７％のみの低下が観察されることを示す。
【0316】
【0317】
図２１は、ある範囲の温度にわたる、２つの異なる捕捉種に関する、図２０で使用された流下膜式反応器からのＣＯ２出口濃度のグラフである。ＰＡ＃１は、図２０で使用された捕捉種であるＰＥＩ（Ｍｗ１８００）であり、一方、ＰＡ＃２は、より低い分子量を有する関連変異体ポリマーアミンであるＰＥＩ（Ｍｗ８００）である。
【0318】
結果は、ＰＡ＃１（ＰＥＩ、Ｍｗ１８００）の濃度を１０ｗｔ％から１５ｗｔ％まで増加することによって、広い温度範囲にわたり性能が改善され得て、一方、２０ｗｔ％までの増加は、特に高温において、最適ではなかったことを示す。ＰＡ＃２とラベル付けされた別のポリマーアミン（ＰＥＩ、Ｍｗ８００）は、異なる分子量を有する代替の変異体として試験された。ＰＡ＃２（ＰＥＩ Ｍｗ８００）は、温度範囲にわたり高度に有効で、全ての他の溶媒組合せより性能が優れていた。１０ｗｔ％におけるＰＡ＃２（ＰＥＩ Ｍｗ８００）のＣＯ２捕捉速度性能は、１０ｗｔ％、１５ｗｔ％または２０ｗｔ％の濃度におけるＰＡ＃１（ＰＥＩ Ｍｗ１８００）より著しく高かった。
【0319】
図２２は、本発明の好ましい実施形態におけるＣＯ２の直接的空気捕捉に使用可能な、電気透析セル装置の略図であり、Ｘは、アニオン交換膜またはカチオン交換膜のいずれも透過することができない捕捉種である。電気透析セルの作動は、図２Ｂに関連して上述されたものに基づく。
【0320】
図２２の好ましい実施形態では、ポリマーアミン（ＰＡ）を含有する第１の吸収液によって捕捉されたＣＯ２は、電気透析を通して再生される。電気透析の用語では、慣習的に「希釈液」と呼ばれる第１の吸収液は、ＰＡ捕捉種「Ｘ」ならびに安定性化されたＨ＋およびＨＣＯ３
－イオンを含有し、希釈チャンバ２１００を介して電気透析セルを通って流される。各チャンバは、相補性電荷のイオンが移行するのを選択的に可能にするカチオン交換膜２１１０およびアニオン交換膜２１２０によって分離される。ＰＡ捕捉種分子の大きいサイズにより、それらがいずれのイオン交換膜を通って移行するのも妨げられるため、ＰＡ捕捉種は、希釈チャンバ２１００中に残留する。電気透析セルにわたり電圧が印加され、アニオンをアノードの方へ移行させ、カチオンをカソードの方へ移行させる。このプロセスは、第１の吸収「捕捉」液からのイオンを、濃縮チャンバ２２００中で、慣習的に「濃縮液」と言われる第２の吸収「放出」液中で濃縮させる。単独では、これらのイオンは、溶液中で不安定であり、ＣＯ２に分解し、その溶解度もまたＨ２Ｏ中で低く、気相へ移る。
【0321】
捕捉種の大きいサイズにより、イオン交換膜を通過して、第２の吸収「放出」液に入ることが排除されるため、このプロセスは、サイズ排除電気透析（ＳＥＥＤ）と称され得る。
【0322】
このサイズ排除電気透析（ＳＥＥＤ）プロセスは、図２３に示されるＤｉｏｘｉｄｅ Ｍａｔｅｒｉａｌｓから購入した３チャンバ電気化学セル２３００を用いて小規模で実行された。このセルは、蛇行する２つのチタン集電器、１ｍｍ幅のチャネルおよび第１の吸収液がイオン交換膜間を流動する内部チャンバとして作用する２ｍｍの分離器を特徴とする。この構成には、１対のカチオン交換膜およびアニオン交換膜がある。ＨＣＯ３
－標的アニオンはアノードへ輸送され、水の酸化によって起きるアノードチャンバの酸性環境によってＣＯ２に分解され、一方、ＰＡ－Ｈ＋からのＨ＋はカソードに輸送され、電極において還元されて水素を形成する。
【0323】
実験は、空気で事前飽和され、溶液中のＨＣＯ３
－およびＨ＋の濃度を最大化するために実験全体を通して連続的にバブリングされた、３．６ｗｔ％のポリマーアミン捕捉種（ポリエチレンイミン、分子量１８００）水溶液を用いて実行された。第２の吸収液は、純粋Ｈ２Ｏであった。５．２Ｖ～２．６Ｖの範囲の電圧が印加された。より高い電圧では、膜および電極の安定性が著しく損なわれ、同様に第１の吸収捕捉液中で、ＣＯ２の著しい濃度不足が起きた。２．６Ｖ未満の電圧では、ＣＯ２アウトプットは、測定するのが非常に困難となった。ＣＯ２測定は、高速近赤外域センサを使用して連続的に行われ、その結果は図２４で見ることができる。
【0324】
パワー投入を算出し、１時間あたりに捕捉されたＣＯ２の量によって除算して、図２５に示されるように、ｋＷｈ／ｔＣＯ２におけるセルのエネルギー消費原単位を得た。単一膜対セルにおける総エネルギー消費量の大部分が、電極における水素および酸素の生成に関連することに留意されたい。この寄生損失は、＞１０対の膜チャネルを含むシステムにおいて大きく減らされ、損失は４０対によって無視される。実験後、濃縮溶液の試料を乾燥させ、膜を通って移行するＰＡ捕捉種から得られた可能性がある残留物を検出した；この徴候は観察されなかった。全般に、これらの結果は、重炭酸標的アニオンが、第２の吸収放出液へのＰＡの顕著な移動を伴うことなく、ポリマーアミンを含有する第１の吸収液から分離され得ることを証明する。また、そのようなシステムでは、最適化を伴うことなく、４００ｋＷｈ／ｔＣＯ２の低さのエネルギー消費量（水素／酸素生成を省く）が可能であることも実証した。対応する電圧、電流密度、および表面積正規化された捕捉速度は、表２に示される。
【0325】
【表2】
【0326】
図２６に示されるように、放出容器中のＣＯ２濃度は、試験期間および事前処理後に安定化し、センサ試験が実行されるまで、およそ１７５０ｐｐｍでおよそ１０時間、安定したままであった。
【0327】
４０膜対電気透析
上述のように、典型的な電気透析モジュールは、水分解反応に関連するエネルギーの比率を低減することによって分離のエネルギー効率を高めるために、より多数の膜対を含むため、４０膜対を含む研究室規模の電気透析セルをＦｕｍａｔｅｃｈから購入した。ＦｕｍａｔｅｃｈからのＥＤ－４０セルは、電気透析用途に使用される標準的Ｆｕｍａｓｅｐ ＦＡＳおよびＦＫＳイオン交換膜を含み、４５０μｍのスペーサーによって分離される。
上述のように、典型的な電気透析モジュールは、水分解反応に関連するエネルギーの比率を低減することによって分離のエネルギー効率を高めるために、より多数の膜対を含むため、４０膜対を含む研究室規模の電気透析セルをＦｕｍａｔｅｃｈから購入した。ＦｕｍａｔｅｃｈからのＥＤ－４０セルは、電気透析用途に使用される標準的Ｆｕｍａｓｅｐ ＦＡＳおよびＦＫＳイオン交換膜を含み、４５０μｍのスペーサーによって分離される。
【0328】
電気透析セルは、２１．５Ｖの印加電圧を必要とする電極面積の約０．５ｍＡ・ｃｍ－２の電流密度で、一定電流の条件下で作動された。ファラデープロセスを推進するのに必要な電圧が１．５Ｖであると仮定することは、約０．５Ｖのセル対電圧を示す。これらの条件で、電気透析セルは、毎時０．７ｇまでのＣＯ２を製造し、６９％の関連する電流効率で、５１０ｋＷｈ／ｔＣＯ２のエネルギー消費原単位をもたらす。
【0329】
図２７は、ｋＷｈ／ｔＣＯ２でのＣＯ２の分離および放出のためのエネルギー消費量（赤）に対する、ｍｇ／時でのＣＯ２アウトプット速度（黒）のグラフである。膜表面積、０．１４５ｍ２。電極面積、０．００３６ｍ２。電圧＝２１．５Ｖ、電流＝０．００１７Ａ、電流効率＝６９％。スペーサー厚さ、４５０マイクロメートル。
【0330】
【0331】
電気透析の電気エネルギー需要、４０セル対、ＰＡ負荷変動（３．６ｗｔ％のＰＡ；７．２ｗｔ％のＰＡ；１４．４ｗｔ％のＰＡ）。スペーサー厚さ１００マイクロメートル。希釈液流速２Ｌ／時／セル、１気圧で、４００ｐｐｍのＣＯ２で飽和。
【0332】
電気化学的計算モデルを使用して、図２８に示されるように、セルの生産性および必要とされるエネルギー需要に対する捕捉負荷の影響が予測され得る。モデル化は、増加した伝導率および溶解したＨＣＯ３
－およびＨ＋の濃度に起因した、より高い溶媒負荷における所与のエネルギー需要に対するＣＯ２捕捉速度における著しい改善を予測する。さらに、モデルは、非線形関係を明らかにするより薄い膜スペーサーの影響を考察し、現在の実験データに対して、１０～１００倍の改善が達成され得ることを示唆する。
【0333】
好ましい態様
本発明の好ましい態様は、以下の番号の条項で定義される。
条項１．標的種を含有する気体を、捕捉種を含む第１の吸収液と接触させる工程と；
標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成する工程と；
第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜と接触させることによって、標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、標的アニオンを、イオン交換膜を通して第２の吸収液へ移動させる工程と；
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程とを含み；
１つまたは複数のイオン交換膜が、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、１つまたは複数のイオン交換膜を通過することはない、
気体から標的種を捕捉する方法。
条項２．捕捉種が、第１の吸収液中で標的アニオンと結合し、標的アニオンは、イオン交換膜を通って移動する前に、捕捉種から電気化学的に解離される、条項１に記載の方法。
条項３．捕捉種が、非アルカリ金属捕捉種である、条項１または２に記載の方法。
条項４．捕捉種が、イオン性捕捉種、好ましくはカチオン性捕捉種である、条項１、２または３に記載の方法。
条項５．捕捉種が、イオン性ポリマーである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項６．捕捉種が、アルカリ金属カチオンを含まないカチオン性捕捉種である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項７．捕捉種が、カチオン性有機捕捉種である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項８．捕捉種が、コリン由来のイオン性液体、好ましくは、カルボン酸またはプロパン酸などの有機酸の共役塩基を含有するカチオン性のコリン由来のイオン性液体である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項９．捕捉種が、カチオン性ポリマー、好ましくは、複数のアミン基を含む繰り返し単位を有するカチオン性ポリマーである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１０．捕捉種が、カチオン性官能基で官能化された複数のポリマー樹脂粒子を含む、条項９に記載の方法。
条項１１．捕捉種が、カチオン性官能基で官能化されたアニオン交換樹脂粒子のスラリーを含む、条項９に記載の方法。
条項１２．捕捉種が、弱塩基性であり、好ましくは、捕捉種が、１０未満、好ましくは８．５未満、特に好ましくは７．５未満のｐＫａを有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１３．捕捉種が、ポリマーアミン、好ましくはカチオン性ポリマーアミンである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１４．捕捉種が、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１５．捕捉種が、２００、または４００、または５００、または６００、または７００、または８００ｇ／ｍｏｌ以上の分子量を有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１６．１つまたは複数のイオン交換膜が、それを通る標的アニオンの通過を可能にし、かつ、カチオン性電荷、および／または２００、もしくは２５０、もしくは３００、もしくは４００、もしくは５００、もしくは６００ｇ／ｍｏｌより大きい分子量を有する捕捉種の通過を妨げるように構成される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１７．第１の吸収液が、無機塩を含有しないか、または２ｗｔ％未満の無機塩を含有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１８．第１の吸収液が、溶解した標的種の標的アニオンへの転換を促進するための水和触媒を含有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１９．触媒が、酵素、例えば炭酸脱水酵素、亜鉛の有機金属化合物（亜鉛シクレン）、および／または金属もしくは金属酸化物の粒子もしくはナノ粒子を含む、条項１８に記載の方法。
条項２０．第１の吸収液が、１５℃～６０℃、好ましくは１８℃～４０℃、特に好ましくは３０℃～４０℃の温度で、および／または２バール未満の圧力、好ましくは大気圧で維持される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２１．少なくとも１つのイオン交換膜が、標的アニオンに対して透過性のアニオン交換膜であり、好ましくは、アニオン交換膜は１価アニオン交換膜である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２２．標的種が、第１の吸収液に溶解して、標的アニオンおよび標的対イオンを形成し、好ましくは、標的対イオンはＨ＋である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２３．１つまたは複数のイオン交換膜が、標的アニオンに対して透過性のアニオン交換膜、および標的対イオンに対して透過性のカチオン交換膜を含む、条項２２に記載の方法。
条項２４．標的対イオンが、第１の吸収液から電気化学的に分離され、カチオン交換膜を通って第２の吸収液へ移動する、条項２３に記載の方法。
条項２５．標的アニオンが、第２の吸収液中で標的対イオンと結びつき、好ましくは標的酸を形成する、条項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
条項２６．標的アニオンが、第２の吸収液中で、水素カチオンと組み合わされ、標的酸を形成し、水素カチオンは、Ｈ２Ｏを電気分解することによって製造される、条項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
条項２７．標的酸が、標的種の共役酸である、条項２５または２６に記載の方法。
条項２８．第２の吸収液が、第１の吸収液とは異なる組成を有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２９．第２の吸収液が、第１の吸収液のｐＨとは異なるｐＨを有し、好ましくは、第２の吸収液のｐＨは７未満である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３０．第１の吸収液が水溶液であり、第２の吸収液が非水溶液である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３１．第２の吸収液が、捕捉種を含有しない、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３２．第２の吸収液が非水性であり、好ましくは、第２の吸収液が、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートまたはジメチルカーボネートなどの有機カーボネート溶媒を含むかまたはこれらからなる、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３３．第２の吸収液が、標的アニオンのｉｎ－ｓｉｔｕの還元のために、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｖ、Ｗのリストから選択される金属の金属触媒または金属カルコゲニド（酸化物、窒化物、硫化物、リン化物）を含む１つまたは複数の触媒を含む、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３４．第２の吸収液が、５ｗｔ％未満の無機塩、好ましくは２ｗｔ％未満の無機塩を含有する、条項２９に記載の方法。
条項３５．１つまたは複数のイオン交換膜と接触する１つまたは複数のフロー電極を含み、好ましくは、第１のフロー電極が、イオン交換膜のアウトプット側と接触する第２の吸収液の流れを含み、イオン交換膜を通って標的アニオンが移動する（preferably in which a first flow electrode comprises a stream of second absorbent solution in contact with an output side of the ion-exchange membrane through which the target anion is transferred）、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３６．各フロー電極が、活性炭；白金、銀、鉄、ニッケルマンガンおよび／もしくはチタンの酸化物、水酸化物および／もしくはオキシ水酸化物；またはリボフラビン５’－一リン酸ナトリウム塩水和物、アントラキノン、ポリオキソメタレートなどの酸化還元種などの、炭素もしくは金属ベースの粒子もしくはナノ粒子の群から選択される、電気的またはイオン的に伝導性の粒子の懸濁液を含む吸収液の流れを含む、条項３５に記載の方法。
条項３７．標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離する工程が、容量性脱イオン（ＣＤＩ）（capacitive deionisation）、好ましくはフロー－ＣＤＩ、または電気透析を含む、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３８．好ましくは室温および大気圧で、第２の吸収液中の標的酸の化学平衡を維持するために、標的種が第２の吸収液から気体として放出される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３９．少なくとも一部の標的種を第２の吸収液中の標的酸から放出する工程が、光熱的、磁気誘導、抵抗性もしくは誘電性などの手段を介して第２の吸収液を加熱する工程、および／または第２の吸収液上の圧力を低減する工程を含む、条項３８に記載の方法。
条項４０．第２の吸収液中の少なくとも一部の標的アニオンが、ミネラルまたは塩と反応して、第２の吸収液から放出される沈殿物質を形成する、条項１から３９のいずれか一項に記載の方法。
条項４１．気体中の標的種の濃度が、５０ｖｏｌ％、または４５ｖｏｌ％、または２５ｖｏｌ％、または１５ｖｏｌ％、または１０ｖｏｌ％、または５ｖｏｌ％、または１ｖｏｌ％未満、好ましくは０．５ｖｏｌ％未満である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４２．標的種を含有する気体が、空気、化石燃料燃焼からの排煙、工業用ガス、またはこれらの任意の組合せである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４３．標的種が、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、ＮＯ、ＮＯ２、およびＮ２Ｏからなる群から選択される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４４．標的種がＣＯ２であり、標的アニオンが重炭酸イオンであり、標的酸が炭酸である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４５．第１の吸収液が、ＣＯ２を重炭酸塩に転換するための触媒を含有し、好ましくは、触媒が、炭酸脱水酵素または亜鉛シクレンなどのＺｎ２＋を含有する化合物である、条項４０に記載の方法。
条項４６．標的種を含有する気体を、捕捉種を含有する第１の吸収液と接触させ、標的種を第１の吸収液に溶解して標的アニオンを形成するように構成された、気体接触器；
標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、少なくとも一部の標的アニオンを第２の吸収液へ移動させるための、１つまたは複数のイオン交換膜を備えるイオン分離器；および
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出するための放出容器
を備え、
１つまたは複数のイオン交換膜は、使用中に、捕捉種に対して透過性ではない、
気体から標的種を捕捉するための装置。
条項４７．１つまたは複数のイオン交換膜が、標的アニオンを第１の吸収液から第２の吸収液へ移動させ、かつ捕捉種を第１の捕捉溶液中に保持するように構成されている、条項４６に記載の装置。
条項４８．イオン分離器が、２気圧より高く、好ましくは、３気圧もしくは５気圧もしくは７気圧より高く、またはさらに３０気圧以上の静水圧下で作動するように構成されている、条項４６または４７に記載の装置。
条項４９．イオン分離器が、標的アニオンのみを第２の吸収液へ移動させるように構成されている、条項４６、４７または４８に記載の装置。
条項５０．イオン分離器が、標的アニオンと複数の水素カチオンの両方を第１の吸収液から第２の吸収液へ移動させるように構成されている、条項４６、４７または４８に記載の装置。
条項５１．１つまたは複数のイオン交換膜が、それらを通る標的アニオンの通過を可能にするように構成されたアニオン交換膜を備えるか、またはそれからなる、条項４６から５０のいずれか一項に記載の装置。
条項５２．イオン分離器が、２つ以上のイオン交換膜、好ましくはアニオン交換膜およびカチオン交換膜を備える、条項４６から５０のいずれか一項に記載の装置。
条項５３．イオン分離器が、アニオン交換膜を有する分離チャンバを備え、イオン分離器は、第１の吸収液の流れを受け取り、アニオン交換膜を通して標的アニオンを電気化学的に第２の吸収液へと分離するように構成されている、条項４６から５２のいずれか一項に記載の装置。
条項５４．イオン分離器が、１対の対向するイオン交換膜を有する分離チャンバを備え、そのうちの１つは標的アニオンに対して透過性であり、他方は水素カチオンに対して透過性である、条項４６から５３のいずれか一項に記載の装置。
条項５５．イオン分離器が、１つまたは複数のイオン交換膜のアウトプット側と接触する、１つ以上または２つ以上のフロー電極を備える、条項４６から５４のいずれか一項に記載の装置。
条項５６．フロー電極（複数可）が、第２の吸収液の流れを含むため、１つまたは複数のイオン交換膜を通過する標的アニオンは、第２の吸収液の流れに移動する、条項５５に記載の装置。
条項５７．水を電気分解し、得られた水素カチオンを第２の吸収液へ導入するように構成されている、条項４６から５６のいずれか一項に記載の装置。
条項５８．第１の吸収液を気体接触器からイオン分離器へ移動させる手段、および第１の吸収液をイオン分離器から気体接触器へ再循環させる手段を備える、条項４６から５７のいずれか一項に記載の装置。
条項５９．第２の吸収液をイオン分離器から放出容器へ移動させる手段、および第２の吸収液を放出容器からイオン分離器へ再循環させる手段を備える、条項４６から５８のいずれか一項に記載の装置。
条項６０．イオン分離器が、容量性脱イオン（ＣＤＩ）イオン分離器もしくはＣＤＩセルであるか、またはイオン分離器が、電気透析イオン分離器もしくは電気透析セルである、条項４６から５９のいずれか一項に記載の装置。
条項６１．連続的に作動するように構成されている、条項４６から６０のいずれか一項に記載の装置。
条項６２．イオン分離器が、フロー電極容量性脱イオン（ＦＣＤＩ）イオン分離器、または連続流動式電気透析イオン分離器である、条項４６から６１のいずれか一項に記載の装置。
本発明の好ましい態様は、以下の番号の条項で定義される。
条項１．標的種を含有する気体を、捕捉種を含む第１の吸収液と接触させる工程と；
標的種を第１の吸収液に溶解し、標的アニオンを形成する工程と；
第１の吸収液を、１つまたは複数のイオン交換膜と接触させることによって、標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、標的アニオンを、イオン交換膜を通して第２の吸収液へ移動させる工程と；
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出する工程とを含み；
１つまたは複数のイオン交換膜が、捕捉種に対して透過性ではないため、捕捉種は、１つまたは複数のイオン交換膜を通過することはない、
気体から標的種を捕捉する方法。
条項２．捕捉種が、第１の吸収液中で標的アニオンと結合し、標的アニオンは、イオン交換膜を通って移動する前に、捕捉種から電気化学的に解離される、条項１に記載の方法。
条項３．捕捉種が、非アルカリ金属捕捉種である、条項１または２に記載の方法。
条項４．捕捉種が、イオン性捕捉種、好ましくはカチオン性捕捉種である、条項１、２または３に記載の方法。
条項５．捕捉種が、イオン性ポリマーである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項６．捕捉種が、アルカリ金属カチオンを含まないカチオン性捕捉種である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項７．捕捉種が、カチオン性有機捕捉種である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項８．捕捉種が、コリン由来のイオン性液体、好ましくは、カルボン酸またはプロパン酸などの有機酸の共役塩基を含有するカチオン性のコリン由来のイオン性液体である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項９．捕捉種が、カチオン性ポリマー、好ましくは、複数のアミン基を含む繰り返し単位を有するカチオン性ポリマーである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１０．捕捉種が、カチオン性官能基で官能化された複数のポリマー樹脂粒子を含む、条項９に記載の方法。
条項１１．捕捉種が、カチオン性官能基で官能化されたアニオン交換樹脂粒子のスラリーを含む、条項９に記載の方法。
条項１２．捕捉種が、弱塩基性であり、好ましくは、捕捉種が、１０未満、好ましくは８．５未満、特に好ましくは７．５未満のｐＫａを有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１３．捕捉種が、ポリマーアミン、好ましくはカチオン性ポリマーアミンである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１４．捕捉種が、ポリエチレンイミン（ＰＥＩ）を含む、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１５．捕捉種が、２００、または４００、または５００、または６００、または７００、または８００ｇ／ｍｏｌ以上の分子量を有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１６．１つまたは複数のイオン交換膜が、それを通る標的アニオンの通過を可能にし、かつ、カチオン性電荷、および／または２００、もしくは２５０、もしくは３００、もしくは４００、もしくは５００、もしくは６００ｇ／ｍｏｌより大きい分子量を有する捕捉種の通過を妨げるように構成される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１７．第１の吸収液が、無機塩を含有しないか、または２ｗｔ％未満の無機塩を含有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１８．第１の吸収液が、溶解した標的種の標的アニオンへの転換を促進するための水和触媒を含有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項１９．触媒が、酵素、例えば炭酸脱水酵素、亜鉛の有機金属化合物（亜鉛シクレン）、および／または金属もしくは金属酸化物の粒子もしくはナノ粒子を含む、条項１８に記載の方法。
条項２０．第１の吸収液が、１５℃～６０℃、好ましくは１８℃～４０℃、特に好ましくは３０℃～４０℃の温度で、および／または２バール未満の圧力、好ましくは大気圧で維持される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２１．少なくとも１つのイオン交換膜が、標的アニオンに対して透過性のアニオン交換膜であり、好ましくは、アニオン交換膜は１価アニオン交換膜である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２２．標的種が、第１の吸収液に溶解して、標的アニオンおよび標的対イオンを形成し、好ましくは、標的対イオンはＨ＋である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２３．１つまたは複数のイオン交換膜が、標的アニオンに対して透過性のアニオン交換膜、および標的対イオンに対して透過性のカチオン交換膜を含む、条項２２に記載の方法。
条項２４．標的対イオンが、第１の吸収液から電気化学的に分離され、カチオン交換膜を通って第２の吸収液へ移動する、条項２３に記載の方法。
条項２５．標的アニオンが、第２の吸収液中で標的対イオンと結びつき、好ましくは標的酸を形成する、条項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
条項２６．標的アニオンが、第２の吸収液中で、水素カチオンと組み合わされ、標的酸を形成し、水素カチオンは、Ｈ２Ｏを電気分解することによって製造される、条項２２から２４のいずれか一項に記載の方法。
条項２７．標的酸が、標的種の共役酸である、条項２５または２６に記載の方法。
条項２８．第２の吸収液が、第１の吸収液とは異なる組成を有する、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項２９．第２の吸収液が、第１の吸収液のｐＨとは異なるｐＨを有し、好ましくは、第２の吸収液のｐＨは７未満である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３０．第１の吸収液が水溶液であり、第２の吸収液が非水溶液である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３１．第２の吸収液が、捕捉種を含有しない、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３２．第２の吸収液が非水性であり、好ましくは、第２の吸収液が、エチレンカーボネート、プロピレンカーボネートまたはジメチルカーボネートなどの有機カーボネート溶媒を含むかまたはこれらからなる、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３３．第２の吸収液が、標的アニオンのｉｎ－ｓｉｔｕの還元のために、Ｐｔ、Ｐｄ、Ｆｅ、Ｍｏ、Ｍｎ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｖ、Ｗのリストから選択される金属の金属触媒または金属カルコゲニド（酸化物、窒化物、硫化物、リン化物）を含む１つまたは複数の触媒を含む、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３４．第２の吸収液が、５ｗｔ％未満の無機塩、好ましくは２ｗｔ％未満の無機塩を含有する、条項２９に記載の方法。
条項３５．１つまたは複数のイオン交換膜と接触する１つまたは複数のフロー電極を含み、好ましくは、第１のフロー電極が、イオン交換膜のアウトプット側と接触する第２の吸収液の流れを含み、イオン交換膜を通って標的アニオンが移動する（preferably in which a first flow electrode comprises a stream of second absorbent solution in contact with an output side of the ion-exchange membrane through which the target anion is transferred）、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３６．各フロー電極が、活性炭；白金、銀、鉄、ニッケルマンガンおよび／もしくはチタンの酸化物、水酸化物および／もしくはオキシ水酸化物；またはリボフラビン５’－一リン酸ナトリウム塩水和物、アントラキノン、ポリオキソメタレートなどの酸化還元種などの、炭素もしくは金属ベースの粒子もしくはナノ粒子の群から選択される、電気的またはイオン的に伝導性の粒子の懸濁液を含む吸収液の流れを含む、条項３５に記載の方法。
条項３７．標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離する工程が、容量性脱イオン（ＣＤＩ）（capacitive deionisation）、好ましくはフロー－ＣＤＩ、または電気透析を含む、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３８．好ましくは室温および大気圧で、第２の吸収液中の標的酸の化学平衡を維持するために、標的種が第２の吸収液から気体として放出される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項３９．少なくとも一部の標的種を第２の吸収液中の標的酸から放出する工程が、光熱的、磁気誘導、抵抗性もしくは誘電性などの手段を介して第２の吸収液を加熱する工程、および／または第２の吸収液上の圧力を低減する工程を含む、条項３８に記載の方法。
条項４０．第２の吸収液中の少なくとも一部の標的アニオンが、ミネラルまたは塩と反応して、第２の吸収液から放出される沈殿物質を形成する、条項１から３９のいずれか一項に記載の方法。
条項４１．気体中の標的種の濃度が、５０ｖｏｌ％、または４５ｖｏｌ％、または２５ｖｏｌ％、または１５ｖｏｌ％、または１０ｖｏｌ％、または５ｖｏｌ％、または１ｖｏｌ％未満、好ましくは０．５ｖｏｌ％未満である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４２．標的種を含有する気体が、空気、化石燃料燃焼からの排煙、工業用ガス、またはこれらの任意の組合せである、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４３．標的種が、ＣＯ２、Ｈ２Ｓ、ＳＯ２、ＮＯ、ＮＯ２、およびＮ２Ｏからなる群から選択される、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４４．標的種がＣＯ２であり、標的アニオンが重炭酸イオンであり、標的酸が炭酸である、先行する条項のいずれか一項に記載の方法。
条項４５．第１の吸収液が、ＣＯ２を重炭酸塩に転換するための触媒を含有し、好ましくは、触媒が、炭酸脱水酵素または亜鉛シクレンなどのＺｎ２＋を含有する化合物である、条項４０に記載の方法。
条項４６．標的種を含有する気体を、捕捉種を含有する第１の吸収液と接触させ、標的種を第１の吸収液に溶解して標的アニオンを形成するように構成された、気体接触器；
標的アニオンを第１の吸収液から電気化学的に分離し、少なくとも一部の標的アニオンを第２の吸収液へ移動させるための、１つまたは複数のイオン交換膜を備えるイオン分離器；および
少なくとも一部の標的種を第２の吸収液から放出するための放出容器
を備え、
１つまたは複数のイオン交換膜は、使用中に、捕捉種に対して透過性ではない、
気体から標的種を捕捉するための装置。
条項４７．１つまたは複数のイオン交換膜が、標的アニオンを第１の吸収液から第２の吸収液へ移動させ、かつ捕捉種を第１の捕捉溶液中に保持するように構成されている、条項４６に記載の装置。
条項４８．イオン分離器が、２気圧より高く、好ましくは、３気圧もしくは５気圧もしくは７気圧より高く、またはさらに３０気圧以上の静水圧下で作動するように構成されている、条項４６または４７に記載の装置。
条項４９．イオン分離器が、標的アニオンのみを第２の吸収液へ移動させるように構成されている、条項４６、４７または４８に記載の装置。
条項５０．イオン分離器が、標的アニオンと複数の水素カチオンの両方を第１の吸収液から第２の吸収液へ移動させるように構成されている、条項４６、４７または４８に記載の装置。
条項５１．１つまたは複数のイオン交換膜が、それらを通る標的アニオンの通過を可能にするように構成されたアニオン交換膜を備えるか、またはそれからなる、条項４６から５０のいずれか一項に記載の装置。
条項５２．イオン分離器が、２つ以上のイオン交換膜、好ましくはアニオン交換膜およびカチオン交換膜を備える、条項４６から５０のいずれか一項に記載の装置。
条項５３．イオン分離器が、アニオン交換膜を有する分離チャンバを備え、イオン分離器は、第１の吸収液の流れを受け取り、アニオン交換膜を通して標的アニオンを電気化学的に第２の吸収液へと分離するように構成されている、条項４６から５２のいずれか一項に記載の装置。
条項５４．イオン分離器が、１対の対向するイオン交換膜を有する分離チャンバを備え、そのうちの１つは標的アニオンに対して透過性であり、他方は水素カチオンに対して透過性である、条項４６から５３のいずれか一項に記載の装置。
条項５５．イオン分離器が、１つまたは複数のイオン交換膜のアウトプット側と接触する、１つ以上または２つ以上のフロー電極を備える、条項４６から５４のいずれか一項に記載の装置。
条項５６．フロー電極（複数可）が、第２の吸収液の流れを含むため、１つまたは複数のイオン交換膜を通過する標的アニオンは、第２の吸収液の流れに移動する、条項５５に記載の装置。
条項５７．水を電気分解し、得られた水素カチオンを第２の吸収液へ導入するように構成されている、条項４６から５６のいずれか一項に記載の装置。
条項５８．第１の吸収液を気体接触器からイオン分離器へ移動させる手段、および第１の吸収液をイオン分離器から気体接触器へ再循環させる手段を備える、条項４６から５７のいずれか一項に記載の装置。
条項５９．第２の吸収液をイオン分離器から放出容器へ移動させる手段、および第２の吸収液を放出容器からイオン分離器へ再循環させる手段を備える、条項４６から５８のいずれか一項に記載の装置。
条項６０．イオン分離器が、容量性脱イオン（ＣＤＩ）イオン分離器もしくはＣＤＩセルであるか、またはイオン分離器が、電気透析イオン分離器もしくは電気透析セルである、条項４６から５９のいずれか一項に記載の装置。
条項６１．連続的に作動するように構成されている、条項４６から６０のいずれか一項に記載の装置。
条項６２．イオン分離器が、フロー電極容量性脱イオン（ＦＣＤＩ）イオン分離器、または連続流動式電気透析イオン分離器である、条項４６から６１のいずれか一項に記載の装置。
【図1】
【図2A】
【図2B】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】
【図8】
【図9】
【図10】
【図11】
【図12】
【図13】
【図14】
【図15】
【図16】
【図17】
【図18】
【図19】
【図20】
【図21】
【図22】
【図23】
【図24】
【図25】
【図26】
【図27】
【図28】
【国際調査報告】