用于二氧化碳分離和提純的裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種分離裝置，尤其涉及一種用于空氣或混合氣體中含有的二氧化碳分離和提純的裝置，屬于化工分離技術(shù)與裝置領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]太陽(yáng)能必定是未來(lái)的主要能源。因此，如何收獲和儲(chǔ)存太陽(yáng)能是目前必須關(guān)注的問(wèn)題。現(xiàn)在，基于光伏效應(yīng)、風(fēng)能、潮汐能等自然能源的發(fā)電技術(shù)已完全成熟，但是因?yàn)檫@些自然能巨大的波動(dòng)特性，對(duì)它們的利用卻成了嚴(yán)重問(wèn)題，結(jié)果造成了棄風(fēng)棄光現(xiàn)象的大量存在。為了適應(yīng)能源消費(fèi)者對(duì)于能源持續(xù)穩(wěn)定性的要求，必須使用和開(kāi)發(fā)基于電化學(xué)原理的大規(guī)模儲(chǔ)能與發(fā)電裝置，例如，電化學(xué)氧化還原過(guò)程、二次電池、液流電池、燃料電池等等。
[0003]另一方面，工業(yè)革命后，人類(lèi)燃燒了大量的化石燃料，導(dǎo)致了大氣中二氧化碳濃度的顯著升高。盡管CO2是否是溫室氣體有爭(zhēng)議，但是已有實(shí)驗(yàn)證實(shí)大氣中CO2濃度的提高能造成生態(tài)系統(tǒng)的改變，并使人類(lèi)主要食品中鋅鐵含量降低，進(jìn)而影響人類(lèi)身體健康。因此，CO2在大氣中含量升高也是國(guó)民經(jīng)濟(jì)和社會(huì)發(fā)展迫切需要解決的問(wèn)題。
[0004]無(wú)論如何，除非有替代能源，人類(lèi)不可能減少燃料的燃燒。因此，降低大氣中0)2含量的方式只能是減少向大氣的CO2排放，或者是設(shè)法將空氣中的CO2轉(zhuǎn)化為人類(lèi)可利用的物質(zhì)。目前，減排和利用的方法有二: 一是將其收集然后封存(carbon capture andsequestrat1n, CCS)于地球深處，二是將其化學(xué)轉(zhuǎn)化為某種有用的物質(zhì)。兩種方式都已有廣泛地研究。因?yàn)槲锢矸獯婕夹g(shù)存在CO2重新進(jìn)入環(huán)境而且污染局部環(huán)境的問(wèn)題，將CO2轉(zhuǎn)化為有用的化工產(chǎn)品是應(yīng)對(duì)二氧化碳減排問(wèn)題的更好選擇。
[0005]在化學(xué)轉(zhuǎn)化過(guò)程中，電化學(xué)還原⑶^^產(chǎn)生甲酸(所謂太陽(yáng)燃料之一)是一種很有前景的人工光合過(guò)程。因?yàn)檫^(guò)程使用的電能可以通過(guò)光電、風(fēng)電、潮汐電裝置產(chǎn)生并集中，另一原料水廣泛存在，且在電化學(xué)氧化過(guò)程中產(chǎn)生人類(lèi)生活必需的氧氣;CO2電化學(xué)還原形成的甲酸能在直接甲酸燃料電池中發(fā)電，因此也可以用作一種收獲和儲(chǔ)存太陽(yáng)能的方法。
[0006]要進(jìn)行CO2電化學(xué)還原就必須有CO2供應(yīng)。雖然從化石燃料使用場(chǎng)合能得到高濃度的含CO2尾氣，但是在自然能資源豐富的地方不一定是化石燃料燃燒的地方，氣體輸送也不方便，因此需要在這些自然能豐富的地方原位收集C02。為此，我們進(jìn)行了相應(yīng)的研究，形成了本發(fā)明技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]發(fā)明目的:提供一種基于電解水及其化學(xué)效果、二氧化碳溶解特性的二氧化碳分離與提純裝置，用于空氣或其它混合氣體中二氧化碳的分離和提純。
[0008]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的用于二氧化碳分離和提純的裝置，包括可強(qiáng)制流動(dòng)的電解水系統(tǒng)、二氧化碳吸收裝置以及氣液分離收集系統(tǒng);其中，所述可強(qiáng)制流動(dòng)的電解水系統(tǒng)包括陰極所處的陰極室、陽(yáng)極所處的陽(yáng)極室和分別用于推動(dòng)陰極室和陽(yáng)極室內(nèi)的電解液流動(dòng)的栗，所述氣液分離收集系統(tǒng)包括與陽(yáng)極室連接的氧氣分離收集器、與陰極室連接的氫氣分離收集器以及二氧化碳分離收集器;使用時(shí)，陰極室產(chǎn)生的堿性電解液在栗的推動(dòng)下進(jìn)入二氧化碳吸收裝置，吸收來(lái)自空氣或其它混合氣體中的二氧化碳，然后與來(lái)自陽(yáng)極室產(chǎn)生的酸性電解液在二氧化碳分離收集器內(nèi)發(fā)生中和反應(yīng)，釋放出二氧化碳。
[0009]其中，二氧化碳分離收集器與陽(yáng)極室、陰極室及二氧化碳吸收裝置之間通過(guò)用管路連接，并在管路上設(shè)置用于控制電解液流動(dòng)的閥門(mén)和栗，構(gòu)成電解液循環(huán)流動(dòng)回路。
[0010]所述的氧氣分離收集器在陽(yáng)極室的上方;所述的氫氣分離收集器在陰極室的上方。
[0011]本發(fā)明還包括與二氧化碳分離收集器相連接的配液池，配液池中的電解液通過(guò)二氧化碳分離收集器流入整個(gè)裝置。
[0012]優(yōu)選的，上述電解液的pH為5-9。
[0013]同時(shí)，本發(fā)明還包括與二氧化碳吸收裝置相連接的氣體壓縮機(jī)，用于輸送含有二氧化碳的氣體混合物或空氣。
[0014]發(fā)明原理:本發(fā)明利用電解水時(shí)陰、陽(yáng)極室的pH差異及二氧化碳的溶解特性，是混合氣體中的二氧化碳先溶于陰極室呈堿性的電解液中，當(dāng)該堿性電解液與陽(yáng)極室呈酸性的電解液中和時(shí)，二氧化碳便從液體中釋放出來(lái)，從而達(dá)到從空氣或其它混合氣體中分離二氧化碳的目的。
[0015]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:該裝置可從空氣中分離出二氧化碳，分離過(guò)程僅消耗水和電能，而不涉及其它物質(zhì)或能源，符合清潔生產(chǎn)要求；陰陽(yáng)極室產(chǎn)生的氫氣和氧氣被自然分離，可用于產(chǎn)生氫能;本裝置不使用昂貴的隔膜，設(shè)計(jì)精巧、價(jià)格低廉、維護(hù)簡(jiǎn)化，可用于地球表面上任何位置的二氧化碳獲取。
【附圖說(shuō)明】
[0016]圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說(shuō)明。
[0018]如圖1所示，本發(fā)明裝置包括可強(qiáng)制流動(dòng)的電解水系統(tǒng)、二氧化碳吸收裝置以及氣液分尚收集系統(tǒng)。
[0019]其中，所述可強(qiáng)制流動(dòng)的電解水系統(tǒng)包括陰極I所處的陰極室2、陽(yáng)極3所處的陽(yáng)極室4和用于推動(dòng)電解液流動(dòng)的栗5。當(dāng)向系統(tǒng)中的陰極1、陽(yáng)極3施加電壓到電解水過(guò)程開(kāi)始時(shí)，陽(yáng)極室4發(fā)生氧化反應(yīng)(i)產(chǎn)生氧氣和質(zhì)子，因?yàn)槿芤褐须x子擴(kuò)散速度緩慢，使陽(yáng)極室電解液呈酸性；陰極室2發(fā)生還原反應(yīng)(ii)產(chǎn)生氫氣和氫氧根離子，使陰極室電解液呈堿性:
[0020]陽(yáng)極室:h20=1/202+2H++2e (i)
[0021]陰極室:2H20+2e = H2+2 OH— (ii)
[0022]氫氣和氧氣因?yàn)槿芙舛刃《匀坏嘏c電解液分離，為了使電解過(guò)程產(chǎn)生的氣體得到徹底分離，不與CO2分離過(guò)程產(chǎn)生的尾氣和CO2混合，在陽(yáng)極室4和陰極室2上方分別設(shè)置了氧氣分離收集器7和氫氣分離收集器8，這樣就自然地獲得了較為純凈的氫氣和氧氣，它們可用于氫能發(fā)生器產(chǎn)生能量。
[0023]實(shí)際觀察和理論研究都證明，在氣相二氧化碳分壓不變的條件下，二氧化碳的溶解度與PH強(qiáng)烈相關(guān):pH越高，二氧化碳的溶解度呈指數(shù)型升高。因此，將含有二氧化碳的空氣通入陰極室呈堿性的電解液時(shí)，二氧化碳將溶解于電解液中，然后當(dāng)它與來(lái)自于陽(yáng)極室的酸性電解液會(huì)合時(shí)，溶液的PH下降，使溶解的二氧化碳再在二氧化碳收集分離器中釋放出來(lái)。因此，從陰極室2出來(lái)的分離了氫氣的堿性電解液被導(dǎo)入二氧化碳吸收裝置6的上部，然后與氣體壓縮機(jī)11鼓入的含有二氧化碳的空氣或混合氣體接觸，并將其中CO2吸收。不能吸收的其它氣體從上部放空。然后，吸收了二氧化碳的電解液與來(lái)自陽(yáng)極室4的不含氧氣的酸性電解液發(fā)生中和反應(yīng)，使溶液的PH值進(jìn)一步降低，使二氧化碳釋放出來(lái)，并從二氧化碳分離收集器9中排出。脫除了二氧化碳的電解液從二氧化碳分離收集器9的中部一分為二，分別進(jìn)入陰極室2和陽(yáng)極室4，進(jìn)行下一個(gè)循環(huán)。
[0024]本發(fā)明還可以包括一個(gè)與二氧化碳分離收集器9相連接的配液池10，用于補(bǔ)充消耗的水，補(bǔ)充的水通過(guò)二氧化碳分離收集器9流入系統(tǒng)。本發(fā)明各個(gè)系統(tǒng)或裝置之間通過(guò)管路13連接，為了便于維護(hù)，在管路上設(shè)置了多個(gè)閥門(mén)12，所有氣體或液體的輸出都可以通過(guò)閥門(mén)12的開(kāi)合得到控制。
[0025]工作過(guò)程:啟動(dòng)裝置時(shí)，首先向配液池10中添加電解液，然后打開(kāi)所有閥門(mén)12，使得電解液充滿所有容器;其次，開(kāi)啟氣體壓縮機(jī)11，將含有二氧化碳的空氣或混合氣體鼓泡從二氧化碳吸收裝置6底部進(jìn)入;開(kāi)啟栗5，使電解液流動(dòng)起來(lái);向陰極I和陽(yáng)極3施加如圖所示極性的電壓使水分解;此后，二氧化碳、氫氣和氧氣就源源不斷地在相應(yīng)的出口產(chǎn)生，并輸入相應(yīng)的收集器中。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于二氧化碳分離和提純的裝置，其特征在于:包括可強(qiáng)制流動(dòng)的電解水系統(tǒng)、二氧化碳吸收裝置以及氣液分離收集系統(tǒng);其中，所述可強(qiáng)制流動(dòng)的電解水系統(tǒng)包括陰極(1)所處的陰極室(2)、陽(yáng)極(3)所處的陽(yáng)極室(4)和分別用于推動(dòng)陰極室(2)和陽(yáng)極室(4)內(nèi)的電解液流動(dòng)的栗(5)，所述氣液分離收集系統(tǒng)包括與陽(yáng)極室(4)連接的氧氣分離收集器(7)、與陰極室(2)連接的氫氣分離收集器(8)以及二氧化碳分離收集器(9);使用時(shí)，陰極室(2)產(chǎn)生的堿性電解液在栗(5)的推動(dòng)下進(jìn)入二氧化碳吸收裝置(6)，吸收來(lái)自空氣或其它混合氣體中的二氧化碳，然后與來(lái)自陽(yáng)極室(4)產(chǎn)生的酸性電解液在二氧化碳分離收集器(9)內(nèi)發(fā)生中和反應(yīng)，釋放出二氧化碳。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于二氧化碳分離和提純的裝置，其特征在于:所述二氧化碳分離收集器(9)與陽(yáng)極室(4)、陰極室(2)及二氧化碳吸收裝置(6)之間通過(guò)用管路(13)連接，并在管路(13)上設(shè)置用于閥門(mén)(12)和栗(5)，構(gòu)成電解液循環(huán)流動(dòng)回路。3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述用于二氧化碳分離和提純的裝置，其特征在于:還包括與所述二氧化碳分離收集器(9)相連接的配液池(10)，配液池(10)內(nèi)的電解液可通過(guò)二氧化碳分離收集器(9)進(jìn)入整個(gè)裝置。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于二氧化碳分離和提純的裝置，其特征在于:所述電解液的pH為 5-9 05.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于二氧化碳分離和提純的裝置，其特征在于:還包括與所述二氧化碳吸收裝置(6)相連接、用于輸送含有二氧化碳的空氣或混合氣體的氣體壓縮機(jī)(11)。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述用于二氧化碳分離和提純的裝置，其特征在于:所述氧氣分離收集器(7)位于陽(yáng)極室(4)的上方;所述氫氣分離收集器(8)位于陰極室(2)的上方。
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種用于二氧化碳分離和提純的裝置，包括可強(qiáng)制流動(dòng)的電解水系統(tǒng)、二氧化碳吸收裝置以及氣液分離收集系統(tǒng)；其中，電解水系統(tǒng)包括陰極室、陽(yáng)極室和用于推動(dòng)電解液流動(dòng)的泵，氣液分離收集系統(tǒng)包括與陽(yáng)極室連接的氧氣分離收集器、與陰極室連接的氫氣分離收集器以及二氧化碳分離收集器；使用時(shí)，陰極室產(chǎn)生的堿性電解液在泵的推動(dòng)下進(jìn)入二氧化碳吸收裝置，吸收來(lái)自空氣或其它混合氣體中的二氧化碳，然后與來(lái)自陽(yáng)極室產(chǎn)生的酸性電解液在二氧化碳分離收集器內(nèi)發(fā)生中和反應(yīng)，釋放出二氧化碳。該裝置從空氣中分離二氧化碳，過(guò)程僅消耗水和電能；產(chǎn)生的氫氣和氧氣被自然分離，用于產(chǎn)生氫能；本發(fā)明可用于地球表面上任何位置的二氧化碳獲取。
【IPC分類(lèi)】B01D53/62, B01D53/78
【公開(kāi)號(hào)】CN105617842
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610029438
【發(fā)明人】雷立旭, 李發(fā)駿, 趙肖媛, 侯培杰, 盧瑩煒
【申請(qǐng)人】東南大學(xué)
【公開(kāi)日】2016年6月1日
【申請(qǐng)日】2016年1月15日