CN105617842A - 用于二氧化碳分离和提纯的装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于二氧化碳分离和提纯的装置，包括可强制流动的电解水系统、二氧化碳吸收装置以及气液分离收集系统；其中，电解水系统包括阴极室、阳极室和用于推动电解液流动的泵，气液分离收集系统包括与阳极室连接的氧气分离收集器、与阴极室连接的氢气分离收集器以及二氧化碳分离收集器；使用时，阴极室产生的碱性电解液在泵的推动下进入二氧化碳吸收装置，吸收来自空气或其它混合气体中的二氧化碳，然后与来自阳极室产生的酸性电解液在二氧化碳分离收集器内发生中和反应，释放出二氧化碳。该装置从空气中分离二氧化碳，过程仅消耗水和电能；产生的氢气和氧气被自然分离，用于产生氢能；本发明可用于地球表面上任何位置的二氧化碳获取。

Description

用于二氧化碳分离和提纯的装置
技术领域
本发明涉及一种分离装置，尤其涉及一种用于空气或混合气体中含有的二氧化碳分离和提纯的装置，属于化工分离技术与装置领域。
背景技术
太阳能必定是未来的主要能源。因此，如何收获和储存太阳能是目前必须关注的问题。现在，基于光伏效应、风能、潮汐能等自然能源的发电技术已完全成熟，但是因为这些自然能巨大的波动特性，对它们的利用却成了严重问题，结果造成了弃风弃光现象的大量存在。为了适应能源消费者对于能源持续稳定性的要求，必须使用和开发基于电化学原理的大规模储能与发电装置，例如，电化学氧化还原过程、二次电池、液流电池、燃料电池等等。
另一方面，工业革命后，人类燃烧了大量的化石燃料，导致了大气中二氧化碳浓度的显著升高。尽管CO2是否是温室气体有争议，但是已有实验证实大气中CO2浓度的提高能造成生态系统的改变，并使人类主要食品中锌铁含量降低，进而影响人类身体健康。因此，CO2在大气中含量升高也是国民经济和社会发展迫切需要解决的问题。
无论如何，除非有替代能源，人类不可能减少燃料的燃烧。因此，降低大气中CO2含量的方式只能是减少向大气的CO2排放，或者是设法将空气中的CO2转化为人类可利用的物质。目前，减排和利用的方法有二：一是将其收集然后封存(carboncaptureandsequestration,CCS)于地球深处，二是将其化学转化为某种有用的物质。两种方式都已有广泛地研究。因为物理封存技术存在CO2重新进入环境而且污染局部环境的问题，将CO2转化为有用的化工产品是应对二氧化碳减排问题的更好选择。
在化学转化过程中，电化学还原CO2产生甲酸(所谓太阳燃料之一)是一种很有前景的人工光合过程。因为过程使用的电能可以通过光电、风电、潮汐电装置产生并集中，另一原料水广泛存在，且在电化学氧化过程中产生人类生活必需的氧气；CO2电化学还原形成的甲酸能在直接甲酸燃料电池中发电，因此也可以用作一种收获和储存太阳能的方法。
要进行CO2电化学还原就必须有CO2供应。虽然从化石燃料使用场合能得到高浓度的含CO2尾气，但是在自然能资源丰富的地方不一定是化石燃料燃烧的地方，气体输送也不方便，因此需要在这些自然能丰富的地方原位收集CO2。为此，我们进行了相应的研究，形成了本发明技术。
发明内容
发明目的：提供一种基于电解水及其化学效果、二氧化碳溶解特性的二氧化碳分离与提纯装置，用于空气或其它混合气体中二氧化碳的分离和提纯。
技术方案：本发明所述的用于二氧化碳分离和提纯的装置，包括可强制流动的电解水系统、二氧化碳吸收装置以及气液分离收集系统；其中，所述可强制流动的电解水系统包括阴极所处的阴极室、阳极所处的阳极室和分别用于推动阴极室和阳极室内的电解液流动的泵，所述气液分离收集系统包括与阳极室连接的氧气分离收集器、与阴极室连接的氢气分离收集器以及二氧化碳分离收集器；使用时，阴极室产生的碱性电解液在泵的推动下进入二氧化碳吸收装置，吸收来自空气或其它混合气体中的二氧化碳，然后与来自阳极室产生的酸性电解液在二氧化碳分离收集器内发生中和反应，释放出二氧化碳。
其中，二氧化碳分离收集器与阳极室、阴极室及二氧化碳吸收装置之间通过用管路连接，并在管路上设置用于控制电解液流动的阀门和泵，构成电解液循环流动回路。
所述的氧气分离收集器在阳极室的上方；所述的氢气分离收集器在阴极室的上方。
本发明还包括与二氧化碳分离收集器相连接的配液池，配液池中的电解液通过二氧化碳分离收集器流入整个装置。
优选的，上述电解液的pH为5-9。
同时，本发明还包括与二氧化碳吸收装置相连接的气体压缩机，用于输送含有二氧化碳的气体混合物或空气。
发明原理：本发明利用电解水时阴、阳极室的pH差异及二氧化碳的溶解特性，是混合气体中的二氧化碳先溶于阴极室呈碱性的电解液中，当该碱性电解液与阳极室呈酸性的电解液中和时，二氧化碳便从液体中释放出来，从而达到从空气或其它混合气体中分离二氧化碳的目的。
有益效果：本发明与现有技术相比，其显著优点为：该装置可从空气中分离出二氧化碳，分离过程仅消耗水和电能，而不涉及其它物质或能源，符合清洁生产要求；阴阳极室产生的氢气和氧气被自然分离，可用于产生氢能；本装置不使用昂贵的隔膜，设计精巧、价格低廉、维护简化，可用于地球表面上任何位置的二氧化碳获取。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步说明。
如图1所示，本发明装置包括可强制流动的电解水系统、二氧化碳吸收装置以及气液分离收集系统。
其中，所述可强制流动的电解水系统包括阴极1所处的阴极室2、阳极3所处的阳极室4和用于推动电解液流动的泵5。当向系统中的阴极1、阳极3施加电压到电解水过程开始时，阳极室4发生氧化反应(i)产生氧气和质子，因为溶液中离子扩散速度缓慢，使阳极室电解液呈酸性；阴极室2发生还原反应(ii)产生氢气和氢氧根离子，使阴极室电解液呈碱性：
阳极室：H2O＝1/2O2+2H++2e(i)
阴极室：2H2O+2e＝H2+2OH-(ii)
氢气和氧气因为溶解度小而自然地与电解液分离，为了使电解过程产生的气体得到彻底分离，不与CO2分离过程产生的尾气和CO2混合，在阳极室4和阴极室2上方分别设置了氧气分离收集器7和氢气分离收集器8，这样就自然地获得了较为纯净的氢气和氧气，它们可用于氢能发生器产生能量。
实际观察和理论研究都证明，在气相二氧化碳分压不变的条件下，二氧化碳的溶解度与pH强烈相关：pH越高，二氧化碳的溶解度呈指数型升高。因此，将含有二氧化碳的空气通入阴极室呈碱性的电解液时，二氧化碳将溶解于电解液中，然后当它与来自于阳极室的酸性电解液会合时，溶液的pH下降，使溶解的二氧化碳再在二氧化碳收集分离器中释放出来。因此，从阴极室2出来的分离了氢气的碱性电解液被导入二氧化碳吸收装置6的上部，然后与气体压缩机11鼓入的含有二氧化碳的空气或混合气体接触，并将其中CO2吸收。不能吸收的其它气体从上部放空。然后，吸收了二氧化碳的电解液与来自阳极室4的不含氧气的酸性电解液发生中和反应，使溶液的pH值进一步降低，使二氧化碳释放出来，并从二氧化碳分离收集器9中排出。脱除了二氧化碳的电解液从二氧化碳分离收集器9的中部一分为二，分别进入阴极室2和阳极室4，进行下一个循环。
本发明还可以包括一个与二氧化碳分离收集器9相连接的配液池10，用于补充消耗的水，补充的水通过二氧化碳分离收集器9流入系统。本发明各个系统或装置之间通过管路13连接，为了便于维护，在管路上设置了多个阀门12，所有气体或液体的输出都可以通过阀门12的开合得到控制。
工作过程：启动装置时，首先向配液池10中添加电解液，然后打开所有阀门12，使得电解液充满所有容器；其次，开启气体压缩机11，将含有二氧化碳的空气或混合气体鼓泡从二氧化碳吸收装置6底部进入；开启泵5，使电解液流动起来；向阴极1和阳极3施加如图所示极性的电压使水分解；此后，二氧化碳、氢气和氧气就源源不断地在相应的出口产生，并输入相应的收集器中。

Claims (6)

1.一种用于二氧化碳分离和提纯的装置，其特征在于：包括可强制流动的电解水系统、二氧化碳吸收装置以及气液分离收集系统；其中，所述可强制流动的电解水系统包括阴极(1)所处的阴极室(2)、阳极(3)所处的阳极室(4)和分别用于推动阴极室(2)和阳极室(4)内的电解液流动的泵(5)，所述气液分离收集系统包括与阳极室(4)连接的氧气分离收集器(7)、与阴极室(2)连接的氢气分离收集器(8)以及二氧化碳分离收集器(9)；使用时，阴极室(2)产生的碱性电解液在泵(5)的推动下进入二氧化碳吸收装置(6)，吸收来自空气或其它混合气体中的二氧化碳，然后与来自阳极室(4)产生的酸性电解液在二氧化碳分离收集器(9)内发生中和反应，释放出二氧化碳。
2.根据权利要求1所述用于二氧化碳分离和提纯的装置，其特征在于：所述二氧化碳分离收集器(9)与阳极室(4)、阴极室(2)及二氧化碳吸收装置(6)之间通过用管路(13)连接，并在管路(13)上设置用于阀门(12)和泵(5)，构成电解液循环流动回路。
3.根据权利要求1或2所述用于二氧化碳分离和提纯的装置，其特征在于：还包括与所述二氧化碳分离收集器(9)相连接的配液池(10)，配液池(10)内的电解液可通过二氧化碳分离收集器(9)进入整个装置。
4.根据权利要求1所述用于二氧化碳分离和提纯的装置，其特征在于：所述电解液的pH为5-9。
5.根据权利要求1所述用于二氧化碳分离和提纯的装置，其特征在于：还包括与所述二氧化碳吸收装置(6)相连接、用于输送含有二氧化碳的空气或混合气体的气体压缩机(11)。
6.根据权利要求1所述用于二氧化碳分离和提纯的装置，其特征在于：所述氧气分离收集器(7)位于阳极室(4)的上方；所述氢气分离收集器(8)位于阴极室(2)的上方。
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