CN102125793A - 一种二氧化碳捕集-纯化方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种二氧化碳捕集-纯化方法。它是通过单极电解池的阴极电极的空气或氧气电极对含有碱金属盐的水溶液电解，使得阴极池的氢氧根离子过量，与碱金属形成碱金属氢氧化物或碱，形成活化水，阳极电极的析氧电极对阳极池的含水电解质电解，使得阳极池的H+过量，产生酸性物质；将含CO2的气体通入阴极池的活化水中，形成碳酸盐，通过引流将含有碳酸盐的水溶液引入阳极池的含有酸性物质的含水电解质中，使酸性物质和碳酸盐反应，析出CO2，收集纯化的CO2。整个过程在自然条件下发生，除了电化学反应过程中需要的少量电能外，无额外的能耗需求，也无需其他物质参与，气体可以实现自循环，反应完成后可获得纯净的二氧化碳气体，其纯度可达99％以上。

Description

一种二氧化碳捕集-纯化方法
技术领域：
本发明涉及一种二氧化碳的捕集-纯化方法。
背景技术：
全球气候变暖对人类生存和发展提出了严峻的挑战，人类社会大量排放二氧化碳等温室气体所形成的温室效应是气候变暖的重要根源。碳捕集与纯化是指将大型发电厂、钢铁厂、化工厂等排放源产生的二氧化碳收集并纯化，以利于后续用各种方法储存，并加以利用，从而避免其排放到大气中的一种技术。它包括二氧化碳的捕集、纯化两个环节。该技术将对温室气体的减排做出贡献，为人类减缓气候变暖带来希望。
二氧化碳捕集-纯化技术的工作原理：排放烟气通过可以吸收二氧化碳气体的化学物质，此过程中二氧化碳得以捕获和收集，再通过物理或化学手段纯化已捕获的二氧化碳，以利于后续对二氧化碳的储存和再利用。
目前，二氧化碳的捕集-纯化技术主要是以氧化钙为吸收剂，生成碳酸钙，再煅烧碳酸钙生成氧化钙和纯净的二氧化碳。此种方法为固相反应，反应效率低且操作条件要求高温高压，能耗高。
发明内容：
本发明的目的是提供一种高效、清洁、环保的二氧化碳捕集-纯化方法。
本发明通过单极电解池的阴极电极的空气电极或氧气电极对含有碱金属盐的水溶液电解，使得阴极池的氢氧根离子过量，与碱金属形成碱金属氢氧化物或碱，形成活化水，阳极电极的析氧电极对阳极池的含水电解质电解，使得阳极池的H+过量，产生酸性物质；再将含CO2的气体通入阴极池的活化水中，形成碳酸盐，再通过引流，将该含有碳酸盐的水溶液引入阳极池的含有酸性物质的含水电解质中，使酸性物质和碳酸盐反应，析出CO2，收集该纯化的CO2，从而实现了本发明的目的。
本发明的二氧化碳捕集-纯化方法，其特征在于，首选构建单极电解池，该单极电解池的阳极池和阴极池通过离子交换膜隔开，阴极电极为空气电极或者氧气电极，阳极电极为析氧电极，阴极电解质为含有碱金属盐的水溶液，阳极电解质为含水电解质，电源向阴极电极和阳极电极提供直流电源，通过阴极的空气电极或氧气电极对含有碱金属盐的水溶液电解，使得阴极池的氢氧根离子过量，与碱金属形成碱金属氢氧化物或碱，形成活化水，阳极的析氧电极对阳极池的含水电解质电解，使得阳极池的H+过量，产生酸性物质；再将含CO2的气体通入阴极池的活化水中，与碱性物质反应，形成碳酸盐，再通过引流，将该含有碳酸盐的水溶液引入阳极池的含有酸性物质的含水电解质中，使酸性物质和碳酸盐反应，析出CO2，收集该纯化的CO2。
本发明的阳极的电极反应式为：阴极的电极反应式为：
Figure BDA0000040244380000022
优选，本发明的空气电极或氧气电极的电极材料包括三层，防水透气层、集流体层和催化剂层，所述的防水透气层是，由活性炭、PTFE、造孔剂按质量比为(1.8～2.2)∶(0.8～1.2)∶(2.8～3.2)的配方作为原料，经常规工艺制备而得，该防水透气层厚度为0.1～0.3mm；所述的催化剂层是，由活性炭、PTFE、催化剂和造孔剂按质量比为(2.8～3.2)∶(2.8～3.2)∶(0.8～1.2)∶(2.8～3.2)的配方作为原料，经常规工艺制备而得，该催化剂层的厚度为0.1～0.5mm；按照防水透气层/集流体层/催化剂层的顺序经热压而制得电极材料。以该电极材料作为阴极电极的空气电极或氧气电极的电极材料，可以获得高的电流效率。
所述的防水透气层的常规制备工艺是将活性炭与造孔剂在有机溶剂中(一般是乙醇中)混合分散，再加入PTFE(聚四氟乙烯)乳液，搅拌均匀，然后将该糊块状的原料辊压，放入烘箱保温处理，再在惰性或者还原气体保护下真空炉中进行热处理，而制得防水透气层。
所述的催化剂层的常规制备工艺是将活性碳和催化剂混合，再加入造孔剂，混合搅拌均匀，加入PTFE乳液，搅拌混合至糊浆状，然后辊压成催化剂层。
优选，所述的防水透气层是，由活性炭、PTFE、造孔剂按质量比为2∶1∶3的配方作为原料，经常规工艺制备而得。
优选，所述的催化剂层是，由活性炭、PTFE、催化剂和造孔剂按质量比为3∶3∶1∶3的配方作为原料，经常规工艺制备而得。
优选，所述的集流体为镍网。
本发明的二氧化碳捕集-纯化方法，通过单极电解池的阴极电极的空气电极或氧气电极对含有碱金属盐的水溶液电解，使得阴极池的氢氧根离子过量，与碱金属形成碱金属氢氧化物或碱，形成活化水，阳极电极的析氧电极对阳极池的含水电解质电解，使得阳极池的H+过量，产生酸性物质；再将CO2通入阴极池的活化水中，从而形成碳酸盐，再通过引流，将该含有碳酸盐的水溶液引入阳极池的含有酸性物质的含水电解质中，使酸性物质和碳酸盐反应，析出CO2，收集该纯化的CO2。整个反应过程在自然条件下即可发生，除了电化学反应过程中需要的少量电能外，无额外的能耗需求，也无需其他物质参与，气体可以实现自循环，反应完成后可获得纯净的二氧化碳气体，其纯度可达99％以上。该二氧化碳捕集-纯化方法，高效、清洁、环保。
因此本发明可以用于燃煤、燃气和燃油的发电厂、钢铁厂和化工厂为排放源产生的CO2气体的捕集和纯化。
附图说明：
图1是捕集-纯化二氧化碳流程示意图；
图2是空气电极或氧气电极的电极材料的制备流程示意图；
图3是本发明的电极材料作为空气电极或氧气电极的循环伏安图。
具体实施方式：
以下是对本发明的进一步说明，而不是对本发明的限制。
一、空气电极或氧气电极的电极材料的制备。
1、由活性炭、PTFE、造孔剂按质量比为2∶1∶3的配方作为原料，将活性炭与造孔剂在乙醇中混合分散，在加入PTFE(聚四氟乙烯)乳液，搅拌均匀，然后将糊块状的原料辊压，然后放入烘箱保温处理，再在惰性或还原性气体的保护下真空炉中进行热处理，而制得厚度为0.3mm的防水透气层。由活性炭、PTFE、催化剂和造孔剂按质量比为3∶3∶1∶3的配方作为原料，将活性碳和催化剂混合，再加入造孔剂，混合搅拌均匀，加入PTFE乳液，搅拌混合至糊浆状，然后辊压成厚度为0.2mm的催化剂层。集流体层是镍网。如图2所示，按照防水透气层/集流体层/催化剂层的顺序，经热压而制得电极材料A。以电极材料A作为空气电极或者氧气电极的电极材料，其循环伏安图如图3所示，由此可见，该电极材料可获得高电流效率。
2、由活性炭、PTFE、造孔剂按质量比为1.8∶1.2∶2.8的配方作为原料，将活性炭与造孔剂在乙醇中混合分散，再加入PTFE(聚四氟乙烯)乳液，搅拌均匀，然后将糊块状的原料辊压，然后放入烘箱保温处理，再在惰性或还原性气体的保护下真空炉中进行热处理，而制得厚度为0.1mm的防水透气层。由活性炭、PTFE、催化剂和造孔剂按质量比为2.8∶3.2∶0.8∶3.2的配方作为原料，将活性碳和催化剂混合，再加入造孔剂，混合搅拌均匀，加入PTFE乳液，搅拌混合至糊浆状然后辊压成厚度为0.5mm的催化剂层。集流体层是镍网。如图2所示，按照防水透气层/集流体层/催化剂层的顺序，经热压而制得电极材料B。
3、由活性炭、PTFE、造孔剂按质量比为2.2∶0.8∶3.2的配方作为原料，将活性炭与造孔剂在乙醇中混合分散，再加入PTFE(聚四氟乙烯)乳液，搅拌均匀，然后将糊块状的原料辊压，然后放入烘箱保温处理，再在惰性或还原性气体的保护下真空炉中进行热处理，而制得厚度为0.2mm的防水透气层。由活性炭、PTFE、催化剂和造孔剂按质量比为3.2∶2.8∶1.2∶2.8的配方作为原料，将活性碳和催化剂混合，再加入造孔剂，混合搅拌均匀，加入PTFE乳液，搅拌混合至糊浆状，然后辊压成厚度为0.1mm的催化剂层。集流体层是镍网。如图2所示，按照防水透气层/集流体层/催化剂层的顺序，经热压而制得电极材料C。
二、二氧化碳的捕集-纯化。
如图1所示，该二氧化碳的捕集-纯化方法是：首先构建好单极电解池，该单极电解池的阳极池2和阴极池1通过离子交换膜隔开，阴极电极3为空气电极或者氧气电极，其电极材料为步骤一中的电极材料A，阳极电极4为析氧电极，阴极电解质为含有碱金属盐的水溶液，阳极电解质为含水电解质，电源5向阴极电极和阳极电极提供直流电源，通过阴极电极的空气电极或氧气电极对含有碱金属盐的水溶液电解，使得阴极池的氢氧根离子过量，与碱金属形成碱金属氢氧化物或碱，形成活化水，阳极电极的析氧电极对阳极池的水电解，使得阳极的H+过量，产生酸性物质。
实施例1：烟道气中的二氧化碳的捕集与纯化。
阴极和阳极的电解质分别是浓度是0.1M硫酸钠，体积1L。控制电流密度在5-10mA/cm2，脱硝、脱硫后的烟道气以500ml/min的流速通入反应阴极池中，与阴极池内电化学反应产生的碱性物质发生反应，生成碳酸盐。然后再将此含有碳酸盐的溶液引流(反应过程中可部分引流)至阳极池中，与阳极池内的酸性物质反应，析出二氧化碳，得到纯净的二氧化碳气体，其纯度为99.2％。收集的二氧化碳的量为气体的9-10％，二氧化碳脱除效率为98％。
实施例2：密闭空间内二氧化碳的捕集与纯化
阴极和阳极的电解质分别是浓度是0.1M硫酸钠，体积1L。控制电流密度在1-3mA/cm2，密闭空间内空气以500ml/min的流速通入反应阴极池中，与阴极池内电化学反应产生的碱性物质发生反应，生成碳酸盐。然后再经引流，将该含有碳酸盐的溶液引入阳极池中，与阳极池内的酸性物质反应，析出二氧化碳，得到纯净的二氧化碳气体，其纯度为99.5％。二氧化碳脱除效率为99.5％。

Claims (5)

1.一种二氧化碳捕集-纯化方法，其特征在于，首选构建单极电解池，该单极电解池的阳极池和阴极池通过离子交换膜隔开，阴极电极为空气电极或者氧气电极，阳极电极为析氧电极，阴极电解质为含有碱金属盐的水溶液，阳极电解质为含水电解质，电源向阴极电极和阳极电极提供直流电源，通过阴极的空气电极或氧气电极对含有碱金属盐的水溶液电解，使得阴极池的氢氧根离子过量，与碱金属形成碱金属氢氧化物或碱，形成活化水，阳极的析氧电极对阳极池的含水电解质电解，使得阳极池的H+过量，产生酸性物质；再将含CO2的气体通入阴极池的活化水中，与碱性物质反应，形成碳酸盐，再通过引流，将该含有碳酸盐的水溶液引入阳极池的含有酸性物质的含水电解质中，使酸性物质和碳酸盐反应，析出CO2，收集该纯化的CO2。
2.根据权利要求1所述的二氧化碳-纯化方法，其特征在于，所述的空气电极或氧气电极的电极材料包括三层，防水透气层、集流体层和催化剂层，所述的防水透气层是，由活性炭、PTFE、造孔剂按质量比为(1.8～2.2)∶(0.8～1.2):(2.8～3.2)的配方作为原料，经常规工艺制备而得，该防水透气层厚度为0.1～0.3mm；所述的催化剂层是，由活性炭、PTFE、催化剂和造孔剂按质量比为(2.8～3.2)∶(2.8～3.2)∶(0.8～1.2)∶(2.8～3.2)的配方作为原料，经常规工艺制备而得，该催化剂层的厚度为0.1～0.5mm；按照防水透气层/集流体层/催化剂层的顺序经热压而制得电极材料。
3.根据权利要求2所述的二氧化碳-纯化方法，其特征在于，所述的防水透气层是，由活性炭、PTFE、造孔剂按质量比为2∶1∶3的配方作为原料，经常规工艺制备而得。
4.根据权利要求2所述的二氧化碳-纯化方法，其特征在于，所述的催化剂层是，由活性炭、PTFE、催化剂和造孔剂按质量比为3∶3∶1∶3的配方作为原料，经常规工艺制备而得。
5.根据权利要求2所述的二氧化碳-纯化方法，其特征在于，所述的集流体为镍网。
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