CN105000559A - 一种二氧化碳吸收和纯化方法 - Google Patents

Abstract

一种二氧化碳吸收和纯化方法，首先构建阴离子膜电解槽：包括阴极、阳极、阴极室及阳极室，阴极室和阳极室之间通过阴离子交换膜隔开，通过阴极液体入口向阴极室导入硫酸钠溶液，通过阳极液体入口向阳极室导入稀硫酸的液体；之后电解硫酸钠溶液，利用电热圈将阳极室和阴极室加热到60-85℃，接通电源开始电解过程，在阴极室内OH^-浓度逐渐升高，在阳极室内H⁺浓度逐渐升高，一段时间后分别通过两室的液体出口将液体导出，分别得到氢氧化钠溶液和硫酸溶液，之后将含CO₂的气体导入的氢氧化钠溶液中，对CO₂气体进行吸收，吸收完全后加入之前得到的硫酸溶液，反应释放CO₂气体，收集之后得到纯化的CO₂气体。该方法运行成本低，过程简单，可实施性高。

Description

一种二氧化碳吸收和纯化方法

技术领域

本发明涉及一种气体的分离和纯化方法，具体涉及一种二氧化碳吸收和纯化方法。

背景技术

在大气环境中具有多种的化学物质，在一般的情况及浓度下都不会对生态造成影响，但随着工业化的脚步，使用各种的工业化机械及交通工具，所排的化学物质越来越多，并且排放的浓度超出标准，只要任一种化学物的浓度超出标准，即会造成空气污染。空气污染会对人类及环境成直接或间接的影响，其中直接的影响包含：对生态圈生存的人类及动植物的健康造成伤害；而间接的影响包括：酸雨及全球暖化所带来的相关环境问题。

目前，人为排放的二氧化碳越来越多，在室内，二氧化碳浓度超过0.15％时人体就会感到不适，在0.3％～0.4％时人呼吸加深，出现头疼、耳鸣、血压增加等症状，当达到0.8％以上时就会引起死亡。二氧化碳还是引起温室效应的主要污染物。大气中最主要的温室气体为二氧化碳、甲烷及二氧化氮等三种，所谓温室气体就是会造成地球气温上升的大气气体，地球气候的高温化是目前最受重视的环保课题，尤其以二氧化碳对全球气候暖化的影响最大，而气候高温化最主要的因素在在大气的温室气体增加，因此，如何使大气中的二氧化碳浓度降低，是目前地球环保最迫切的课题，各国无不积极进行二氧化碳排放减量的工作。而工厂排放的二氧化碳需要经过处理后才能排放，但目前主要是用碱性溶液吸收法，但是吸收速度慢，吸收不完全，达不到二氧化碳去除的指标。

人们曾设想采用封存的方式减少大气中的二氧化碳气体，二氧化碳封存是指把二氧化碳存放在特定的自然或人工容器中，利用物理、化学、生化等机制，达到封存二氧化碳百年以上的目的。森林、海洋、地层、人工贮槽、化学反应器等都可做为封存二氧化碳的容器。而在国际间所提出大规模的二氧化碳封存方式，可分为地质封存、地表封存及海洋封存三大类。目前每公吨二氧化碳的捕获、运输及封存的操作成本，分别约为5-115美元、每百公里0.4-3.2美元与0.5-100美元。其中，新型气化复循环发电厂的每吨二氧化碳捕获成本约为13-37美元，而每吨二氧化碳的地质封存成本约为0.5-8美元，海洋封存成本约为5-30美元，地表矿化封存成本约为50-100美元。可见封存技术部件成本比较高，且难于选择合适的封存容器，因此该技术未见成熟，也没有得到推广，有待于进一步的研究和开发。

为了解决二氧化碳大量排放的问题，人们提出了二氧化碳的捕集和纯化方法。对二氧化碳的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。研究者们已经做出了很多的研究：

中国专利CN102512932A公开了一种高效去除二氧化碳的方法，在热的碳酸钾溶液中添加活化剂加快碳酸钾与二氧化碳的反应速度，并降低碱液面上二氧化碳平衡分压，从而提高二氧化碳的吸收速度和气体净化度。所述的活化剂选三氧化二砷、硼酸、二乙醇胺、氨基乙酸中的一种，采用该法的优点是二氧化碳去除速度快，成本较低廉，但却无法对二氧化碳气体进行收集。

专利CN1827562A公开了一种除去CO₂的方法和除去CO₂的装置，所述装置包括第1反应流路和第2反应流路，第1反应流路包括，对于供应的气体在催化剂的存在下加热而进行反应的第1反应部分、将至少含有CH₄及CO₂的原料气体供应至上述第1反应部分的原料气体供应部分、设置在上述第1反应部分的下游的从作为反应生成物的混合气体中除去H₂O的冷却器、和将经过上述冷却器的混合气体与上述原料气体混合再次供应至上述第1反应部分的循环流路；第2反应流路，与上述第1反应流路相连，从而能供应作为反应生成物的混合气体的一部分，包括在催化剂的存在下加热而使该混合气体中的CO₂及CO与H₂反应、从而转化为CH₄的第2反应部分。可见该方法设备复杂，运行成本也比较高；

专利CN102686297A公开了一种降低包含二氧化碳的气体的二氧化碳浓度的方法，包括，在第一阶段中将包含二氧化碳的气体与包含碱金属碳酸盐和/或碱金属氢氧化物的处理溶液以及催化剂接触，以促进二氧化碳的吸收，从而形成包含碱金属碳酸盐和碱金属碳酸氢盐的第二溶液，和在第二阶段中将所述第二溶液与包含可碳酸盐化的硅酸盐的材料接触，所述包含可碳酸盐化的硅酸盐的材料包含能够形成不溶的碳酸盐的碱土金属阳离子，从而生成二氧化硅和包含所述阳离子的固体碳酸盐并使包含碱金属碳酸盐的溶液再生。该方法工艺复杂，需要用到催化剂，降低了其可实施性。

专利CN102553392A公开了一种用于去除二氧化碳的方法和系统，该系统包括第一和第二吸着剂床、换热系统和用于降低压力的装置，吸着剂床的每一个均具有用于吸附和解吸CO₂的固态胺吸着剂，在给定时间，吸着剂床中的一个吸附CO₂并且另一个吸着剂床解吸CO₂，换热系统冷却CO₂吸附床并且加热CO₂解吸床，使得CO₂解吸床的温度高于CO₂吸附床的温度，用于压力的装置降低CO₂解吸床处的CO₂压力；该方法包括将气体流供应到包含固态胺吸着剂的吸着剂床吸附CO₂，降低另一个吸着剂床处的压力以解吸CO₂，加热CO₂解吸床，冷却CO₂吸附床，以及从CO₂解吸床去除CO₂。该方法过程负责，吸附和脱附过程中容易造成吸附剂的污染，无法长时间稳定的运行。

本发明的目的在于提供一种克服了上述缺陷的二氧化碳捕集和纯化方法，能够有效的解决二氧化碳的捕集和纯化问题。

发明内容

本发明的目的在于克服现有的捕捉方法存在的缺陷，提出一种二氧化碳吸收和纯化方法，该方法能够高效、清洁、环保的捕捉并纯化二氧化碳，且运行成本低，过程简单，可实施性高。

为达此目的，本发明采用以下技术方案：

一种二氧化碳吸收和纯化方法，采用以下方法吸收和纯化：

(1)构建阴离子膜电解槽：包括阴极、阳极、阴极室及阳极室，阴极室和阳极室之间通过阴离子交换膜隔开，通过阴极液体入口向阴极室导入硫酸钠溶液，通过阳极液体入口向阳极室导入稀硫酸的液体；

(2)电解硫酸钠溶液：利用电热圈将阳极室和阴极室加热到60-85℃，接通电源开始电解过程，在阴极室内OH^-浓度逐渐升高，在阳极室内H⁺浓度逐渐升高，一段时间后分别通过两室的液体出口将液体导出，分别得到质量浓度1-5％的氢氧化钠溶液和5-10％的硫酸溶液；

(3)将含CO₂的气体导入步骤(2)的氢氧化钠溶液中，对CO₂气体进行吸收，吸收完全后加入步骤(2)得到的硫酸溶液，反应释放CO₂气体，收集之后得到纯化的CO₂气体。

其中，所述的阴极为耐碱腐蚀的低析氢过电位活性网状阴极，阳极采用耐硫酸的不溶性低析氧过电位的金属网状阳极。

本发明的有益效果为：

(1)构建了阴离子膜电解槽，采用清洁的电能作为能量来源，整个过程中无其他污染物的排出，有效的避免了对环境的二次污染；

(2)采用电解的方法，使电解、吸收、纯化和再生过程形成了一个完整的循环，能够有效的捕集和纯化二氧化碳气体，整个运行过程简单，运行陈本低，可实施性高。

具体实施方式

实施例1

构建阴离子膜电解槽：该电解槽包括阴极、阳极、阴极室及阳极室，阴极室和阳极室之间通过阴离子交换膜隔开，阴极室包括阴极液体入口和阴极液体出口，上部开有阴极气体出口，硫酸钠溶液通过阴极液体入口引入阴极室内，阳极室包括阳极液体入口和阳极液体出口，上部开有阳极气体出口，稀硫酸溶液通过阳极液体入口引入阳极室内，

电解硫酸钠溶液：利用电热圈加热器将阳极室和阴极室加热到60-85℃，接通电源开始电解过程，控制电流密度在5-10mA/cm²之间，运行过程中，在阴极室内OH^-浓度逐渐升高，在阳极室内H⁺浓度逐渐升高，电解运行一段时间后达到稳定状态，之后分别通过两室的液体出口将液体导出，分别得到质量浓度1-5％的氢氧化钠溶液和5-10％的硫酸溶液；

将含CO₂的气体导入上述的氢氧化钠溶液中，对CO₂气体进行吸收反应，生成碳酸钠，对吸收液的pH值进行监测，当吸收液中的pH值降低到7左右的时候即表明二氧化碳已经吸收完全。之后将浓度为5-10％的硫酸溶液加到吸收完全的液体中，使之反应释放CO₂气体。将反应生产的气体进行收集，即得到纯化的CO₂气体。

该方法能够高效、清洁的捕集并纯化CO₂气体，得到纯净的二氧化碳气体纯度达99％以上，二氧化碳脱除效率达99％以上，是其他捕集方法所不能比拟的，具有很高的推广价值。

本发明已经通过具体实施方式对其进行了详细阐述，但是，本专业普通技术人员在此基础上所做出的未超出权利要求保护范围的任何形式和细节的变化，均属于本发明所要保护的范围。

Claims (3)

1.一种二氧化碳吸收和纯化方法，其特征在于采用以下方法吸收和纯化：

(1)构建阴离子膜电解槽：包括阴极、阳极、阴极室及阳极室，阴极室和阳极室之间通过阴离子交换膜隔开，通过阴极液体入口向阴极室导入硫酸钠溶液，通过阳极液体入口向阳极室导入稀硫酸的液体；

(2)电解硫酸钠溶液：利用电热圈将阳极室和阴极室加热到60-85℃，接通电源开始电解过程，在阴极室内OH^-浓度逐渐升高，在阳极室内H⁺浓度逐渐升高，一段时间后分别通过两室的液体出口将液体导出，分别得到质量浓度1-5％的氢氧化钠溶液和5-10％的硫酸溶液；

(3)将含CO₂的气体导入步骤(2)的氢氧化钠溶液中，对CO₂气体进行吸收，吸收完全后加入步骤(2)得到的硫酸溶液，反应释放CO₂气体，收集之后得到纯化的CO₂气体。

2.如权利要求1所述的二氧化碳吸收和纯化方法，其特征在于：所述的阴极为耐碱腐蚀的低析氢过电位活性网状阴极。

3.如权利要求1所述的二氧化碳吸收和纯化方法，其特征在于：所述的阳极采用耐硫酸的不溶性低析氧过电位的金属网状阳极。