一種用于二氧化碳捕集和提純的裝置及方法制造方法及圖紙

本發明專利技術公開了一種用于二氧化碳捕集和提純的裝置及方法，該裝置包括一個電解槽、一個補水器和空氣壓縮機；所述電解槽包括陰極部分、陽極部分、CO2捕集室、CO2釋放室和隔板；其中，所述CO2捕集室與CO2釋放室之間用隔板隔開，CO2捕集室位于陰極部分與隔板之間，CO2釋放室陽極部分與隔板之間；所述電解槽內有電解液；所述空氣壓縮機與CO2捕集室的下方連接，所述補水器與電解槽連通，其內裝有純水，用于保證電解槽內電解液一直處于充滿狀態。本發明專利技術創造分別利用電解水裝置中陰、陽極區pH的差異來捕集和釋放空氣中的CO2，以解決在偏僻地區獲得CO2的問題，也可以用于密閉狹小空間中CO2的去除。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種基于電解水及其化學效果、二氧化碳的溶解特性的二氧化碳捕集和提純的裝置，目的是為太陽燃料生產提供較純凈的二氧化碳原料，或者用于除去密閉狹小空間中的CO2氣體，屬于化工分離技術與裝置領域。
技術介紹
自然能必定是未來的能源。這里，自然能主要包括光輻射、風能、潮汐能。目前，基于光伏效應光電轉化技術、風能潮汐能等流體運動向機械能繼而電能的轉化技術都已成熟而且可以量產。但是，因為這些自然能巨大的波動特性，對它們的利用卻成了嚴重問題，結果造成了棄風棄光現象的大量存在。為了適應能源消費者對于能源持續穩定性的要求，必須開發和使用包括基于電化學原理的大規模儲能裝置，當然，這些裝置還必須在需要時將儲存的能量快速方便地轉換為電能輸送出去。CO2是化石燃料燃燒的最終產物，具有很高的化學穩定性。工業革命后，大氣中二氧化碳濃度顯著升高，被人們稱為“溫室氣體”。雖然，CO2到底能帶來多少溫室效應有爭議，但是已有實驗證實大氣中CO2濃度的提高能造成生態系統的改變，并使人類主要食品中鋅鐵含量降低，進而影響人類身體健康。因此，應當設法減少CO2在大氣中的含量。近年來，科技界廣泛研究了將CO2電化學還原為含碳化合物，如CO、甲酸、甲醇、乙醇等太陽燃料的可能性，并取得了巨大的進展。和自然界的光合作用一樣，如上人工過程也在產生太陽燃料的同時產生氧氣，因此被稱為人工光合過程。因為電化學還原過程使用的電能可以通過遍及地球表面的光電、風電、潮汐電裝置產生并集中，而且CO2電化學還原形成的太陽燃料既能直接用作化工產品，又能在燃料電池中發電，因此也可以用作一種收獲和儲存太陽能的方法。要進行CO2電化學還原就必須有CO2供應。CO2來源有二：一是化石燃料燃燒過程的尾氣，一是直接源于大氣。CO2在使用時必須要足夠的純度和供應速度，而且要使用方便，因此在偏遠地區，特別是未來不再燃燒化石能源時，就必須考慮從大氣收集CO2的問題。此外，在一些有人類活動或其它耗氧產二氧化碳過程的密閉空間(如太空飛船、水下潛艇)中，CO2濃度的提高也是不利的，因此也需要消除CO2的方法。本專利技術也可用于消除此種空間的CO2同時補充氧氣。本申請人以前的專利申請(申請號為2016100294381)曾經公布了一種CO2捕集和提純的裝置。該裝置能實現空氣中CO2的捕集，并能產生純凈的氧氣和氫氣。不過深入研究表明，因為其中正極和負極的距離過大，造成了過程能耗過高的問題。
技術實現思路
本專利技術的目的是提供一種用于二氧化碳捕集和提純的裝置，利用電解水裝置中陰、陽極區pH的差異來捕集和提純空氣中的CO2，以解決在偏僻地區獲得CO2的問題以及狹小密閉空間中CO2的去除問題。為實現上述目的，本專利技術采用的技術方案為：一種用于二氧化碳捕集和提純的裝置，其特征在于：該裝置包括一個電解槽、一個補水器和空氣壓縮機，所述電解槽包括陰極部分、陽極部分、CO2捕集室、CO2釋放室和隔板；所述CO2捕集室與CO2釋放室之間通過隔板隔開，CO2捕集室位于陰極部分與隔板之間，CO2釋放室陽極部分與隔板之間；所述空氣壓縮機與CO2捕集室的下方連接，所述補水器與電解槽連通，其內裝有純水，用于保證電解槽內電解液一直處于充滿狀態。所述電解液的pH值在5～9之間。所述電解液中的電解質優選為水溶性酸式碳酸鹽，電解液也可以采用pH值在5～9之間的磷酸緩沖溶液。所述陰極部分包括從外到里設置的陰極蓋、陰極氣體擴散層、陰極和第一隔膜；所述陰極蓋上開設有氫氣出口，用于連接氫氣儲罐；所述第一隔膜與隔板之間為CO2捕集室；所述陽極部分包括從外向里設置的陽極蓋、陽極氣體擴散層、陽極和第二隔膜；所述陽極蓋上開設有氧氣出口，用于連接氧氣儲罐；所述第二隔膜與隔板之間為CO2釋放室；CO2捕集室的下方連接空氣壓縮機，上方設置有殘余空氣出口；CO2釋放室底部密封，上部設置有CO2出口；整個裝置除了設置的出入口之外都是密封的，防止電解液滲出。所述空氣壓縮機通過空氣分布器與CO2捕集室的下方連接。所述第一隔膜為陰離子交換膜或雙極膜；第二隔膜為陽離子交換膜或雙極膜。所述隔板是能允許電解液自由通過但不允許氣體透過的多孔隔板，或者是僅在上下部留有讓電解液自由通過但不允許氣體透過的不通透隔板。本專利技術的另一個目的是提供一種利用上述裝置進行二氧化碳捕集和提純的方法，技術方案如下：一種二氧化碳捕集和提純的方法，利用上述的裝置，首先向電解槽添加電解液使之充滿；其次，開啟空氣壓縮機，使空氣細密地鼓泡進入CO2捕集室；第三，向電解池通電使水分解，此時陽極上產生氧氣，同時向CO2釋放室釋放質子；陰極上產生氫氣，同時向CO2捕集室釋放OH-；OH-與空氣中的CO2結合形成HCO3-，后者進入CO2釋放室與陽極上釋放的質子結合放出CO2，然后在CO2排放口排出，通過CO2儲罐收集，從而達到從空氣中捕集CO2的目的。有益效果本專利技術創造利用電解水裝置中陰、陽極區pH的差異來捕集空氣中的CO2，以解決在偏僻地區獲得CO2的問題和密閉空間CO2的去除問題。特別地，通過使用離子交換膜，使電極間距離大幅度減小，降低了電解水的槽電壓，因而降低了過程的能耗。除此以外，還有如下有益效果：(1)過程除了消耗水和電能外不消耗其它物質或能源，產生的氫氣和氧氣可用于產生氫能；(2)產生的氫氣與氧氣被自然分離，也與CO2相分離；(3)過程符合清潔生產要求；(4)能夠在地球表面上有電力供應的任意地點提供純的CO2；(5)能用于除去密閉空間中的CO2。附圖說明圖1為二氧化碳捕集裝置的示意圖；圖中，1-陰極蓋、2-陰極氣體擴散層、3-陰極、4-第一隔膜、5-隔板、6-第二隔膜、7-陽極、8-陽極氣體擴散層、9-陽極蓋、10-CO2捕集室、11-CO2釋放室、12-氫氣出口，13-氧氣出口。具體實施方式下面結合附圖對本專利技術作更進一步的說明。如圖1，本專利技術一種用于二氧化碳捕集和提純的裝置，該裝置包括一個電解槽、一個補水器和空氣壓縮機，所述電解槽包括陰極部分、陽極部分、CO2捕集室、CO2釋放室和隔板；所述CO2捕集室與CO2釋放室之間通過隔板隔開，CO2捕集室位于陰極部分與隔板之間，CO2釋放室陽極部分與隔板之間；所述空氣壓縮機與CO2捕集室的下方連接，所述補水器與電解槽連通，其內裝有純水，用于保證電解槽內電解液一直處于充滿狀態。電解液的pH值在5～9之間。電解液中的電解質優選為水溶性酸式碳酸鹽，電解液也可以采用pH值在5～9之間的磷酸緩沖溶液。本專利技術的裝置運行原理為：(1)陰極。當向電解池的陰、陽極施加電壓到水電解過程開始時，在陰極上發生的水還原反應使陰極附近呈堿性：2H2O+2e＝H2+2OH-為了保證所產生的氫氣不與CO2吸收區的氣體混合，陰極與陰極蓋之間留有空間(陰極氣體室)，而且在陰極氣體室一側設有透氣不透液的氣體擴散層，在陰極另一側，也就是緊鄰CO2吸收區一側設置了不透氣的隔膜。該隔膜可以是陰離子交換膜、雙極膜或普通的致密多孔膜；隔膜與陰極之間可以留有空隙，也可以不留有空隙。所謂雙極膜是由陰離子交換膜和陽離子交換膜復合形成的一種膜，使用時需要把陽離子膜一側面對陰極，陰離子膜一側面向CO2吸收區；(2)CO2捕集室。陰極產生的OH-進入CO2吸收區后使電解液的pH升高，能與空氣中的CO2反應本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種用于二氧化碳捕集和提純的裝置，其特征在于：該裝置包括一個電解槽、一個補水器和空氣壓縮機；所述電解槽包括陰極部分、陽極部分、CO2捕集室、CO2釋放室和隔板；其中，所述CO2捕集室與CO2釋放室之間通過隔板隔開，CO2捕集室位于陰極部分與隔板之間，CO2釋放室陽極部分與隔板之間；所述電解槽內有電解液；所述空氣壓縮機與CO2捕集室的下方連接，所述補水器與電解槽連通，其內裝有純水，用于保證電解槽內電解液一直處于充滿狀態。

【技術特征摘要】
1.一種用于二氧化碳捕集和提純的裝置，其特征在于：該裝置包括一個電解槽、一個補水器和空氣壓縮機；所述電解槽包括陰極部分、陽極部分、CO2捕集室、CO2釋放室和隔板；其中，所述CO2捕集室與CO2釋放室之間通過隔板隔開，CO2捕集室位于陰極部分與隔板之間，CO2釋放室陽極部分與隔板之間；所述電解槽內有電解液；所述空氣壓縮機與CO2捕集室的下方連接，所述補水器與電解槽連通，其內裝有純水，用于保證電解槽內電解液一直處于充滿狀態。2.根據權利要求1所述的用于二氧化碳捕集和提純的裝置，其特征在于：所述電解液的pH值在5～9之間。3.根據權利要求2所述的用于二氧化碳捕集和提純的裝置，其特征在于：所述電解液中的電解質為水溶性酸式碳酸鹽，或者電解液為pH值在5～9之間的磷酸緩沖溶液。4.根據權利要求1所述的用于二氧化碳捕集和提純的裝置，其特征在于：所述陰極部分包括從外到里設置的陰極蓋(1)、陰極氣體擴散層(2)、陰極(3)和第一隔膜(4)；所述陰極蓋(1)上開設有氫氣出口(12)，用于連接氫氣儲罐；所述第一隔膜(4)與隔板(5)之間為CO2捕集室(10)；所述陽極部分包括從外向里設置的陽極蓋(9)、陽極氣體擴散層(8)、陽極(7)和第二隔膜(6)；所述陽極蓋(9)上開設有氧氣出口(13)，用于連接氧氣儲...

【專利技術屬性】
技術研發人員：雷立旭，趙肖媛，李發駿，馮子杰，郝金祎，
申請(專利權)人：東南大學，
類型：發明
國別省市：江蘇;32