CN109012011B - 一种二氧化碳变电容吸脱附装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种二氧化碳变电容领域的吸脱附装置及操作方法。装置主要包括：电解池、真空系统、气路系统、电源系统、电信号转换系统、温度传感器、压力传感器、加热与恒温系统、搅拌器、电极体系。本发明通过改变电势来驱动CO2的吸附/脱附过程，将传统固体吸附法与电容技术相结合，实现吸附材料的循环再生。本发明实现了达到降低能量消耗、吸附材料循环利用、提高吸脱附效率和降低环境污染的有益效果。

Description

一种二氧化碳变电容吸脱附装置
技术领域
本发明属于电化学及二氧化碳捕集技术领域，具体涉及一种二氧化碳变电容领域的吸脱附装置及操作方法。
背景技术
在全世界范围内，以煤炭为主要能源的火电厂是最大的CO2集中排放源，我国约75%的能源由燃煤电厂提供，电厂烟道气中CO2占总碳排放量的30%以上，位居世界首位。因此，减少燃煤电厂烟道气中CO2排放对于减轻国际国内压力、建设资源节约型和环境友好型社会具有重要意义。
吸附剂是吸附过程的基础，高效吸附剂是吸附技术实现分离的关键。此外，为了降低CO2捕集的成本，吸附剂必须是可再生的，能够经过多次循环重复使用（最好是超过1000次）。 碳基吸附材料除具有发达的空隙结构外还具有一定的导电性，具有良好的电容性质，可以利用变电容吸附实现吸附物质脱除，吸附剂的再生，减少能耗，提高材料使用寿命。
一般来说，变温吸附产品收率高、损失小，但是周期长、能耗高；变压吸附周期短、吸附剂利用率高、纯度高，但回收率低，且对于设备承压能力要求较高，不适合民用及小型企业、实验室使用。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出一种基于变电容吸附/脱附二氧化碳的装置及操作方法。以达到降低能量消耗、实现吸附材料循环利用、提高吸脱附效率和降低环境污染的目的。
本发明以二氧化碳吸附材料变电容吸附/脱附过程为基础，设计二氧化碳变电容吸附/脱附装置，通过改变电势来驱动CO2的吸附/脱附过程，在充电过程中，较小的离子（如H+、Na＋）从电解液中移动到吸附剂微孔中，改变孔表面的化学性质，从而增强或者降低气体的吸附性能。放电过程中，驱动力消失，离子回到电解液中，恢复原来的孔结构性质和吸附性质，将传统固体吸附法与电容技术相结合，实现吸附材料的循环再生。通过监测电解池内实时的温度及压力情况，并将其转化为电信号，模拟电压值与密封电解池内气压呈线性比例关系，基于气压-摩尔变换公式，结合实时采集得到的气压传感器模拟电压值，换算出密封电解池内部气体的摩尔量。为研究碳吸附材料结构及性能间关系提供了有利条件。对理解多孔碳材料的吸附机制，研发高性能的吸附材料具有积极的推动作用。
本发明有益效果还在于：简单（只需改变偏电压的极性即可实现吸附剂的循环再生，操作便捷，有望用于现有发电厂的燃烧后捕集）；可逆（通过充电与放电状态改变CO2与吸附剂之间的动力学，电极极性可在吸附/脱附模式间切换）；高效（只有充电过程中需要用电，而且充电的能量可以储存，适用于低附加能耗的CO2捕集过程）等优点。
本发明通过以下技术方案实现：
二氧化碳变电容吸脱附装置主要包括：电解池、真空系统、气路系统、电源系统、电信号转换系统、温度传感器、压力传感器、加热与恒温系统、搅拌器、电极体系；其中，电解池材质为聚四氟乙烯或玻璃，电解池分为池身及池盖两个部分，池身内部装有电解液，电解液量占电解池总体积2/3-1/2；池身与池盖间利用螺口相连并添加密封胶条，池盖上留有预留口，包括电极口、进气口、排气口、温度传感器连接口、压力传感器连接口、搅拌器连接口；预留口均为真空连接并放置密封垫，预留口上通过导电引线连接电源系统；真空系统包括真空泵。
气路系统包括两组气路，一组为N2或Ar惰性气路，一组为CO2气路；进气口通过三通阀与气路系统连接，通过三通阀，进气口可分别独立连接真空系统及气路系统，控制和变换电解池中的气氛环境；排气孔也是电解液注入口，电解液注入完毕后，排气孔连接集气装置，并密封；电源系统包括电化学工作站、直流电源；加热与恒温系统位于电解池外部，控制电解池内温度环境，包括加热套、温控器、恒温水浴；电极体系包括电极、电极导线。
压力传感器置于电解液液面上，搅拌器及温度传感器置于液面中且不接触电解池底部；电解池通过温度传感器连接口与温度传感器连接，电解池通过压力传感器连接口与压力传感器连接；温度传感器、压力传感器分别通过温度传感器连接口、压力传感器连接口与电信号转换系统相连；搅拌器位于电解池内，电解池通过搅拌器连接口与搅拌器连接。
电解池通过电极口与电极体系连接；电极体系中包括2个电极，电极含有导电吸附剂，吸附剂可压制成柱状或片状，并连接电极导线，电极尺寸随电解池尺寸进行调整；电解池池盖上的电极口接有电极导线柱，电极通过电极导线柱与电源系统相连；电极浸泡在电解液中且不接触电解池底部；电极中导电吸附剂优选碳基吸附材料；装置通过调节电源系统中电流、电压参数，来改变电势，从而驱动CO2的吸附或脱附过程。电极还可以将吸附剂与粘结剂混合均匀涂布与泡沫镍基底上，烘干后获得电极并与电极导线柱连接。
二氧化碳变电容吸脱附装置的操作方法在于：将密封胶条置于电解池螺口处将电极池盖子与电解池拧紧，关闭电解池排气口，打开进气口，并将其与真空系统联通，检测体系密闭性；压力达到真空泵极限后维持1小时，若压力下降，重新检查密闭性；若压力不变，打开排气口，从排气口注入电解液；调整电极、压力传感器、搅拌器、温度传感器高度，打开搅拌器搅拌电解液至均匀，将进气口切换至N2或Ar惰性气路，并将气体通入电解池中吹扫0.5-1 h，再将气路切换至CO2气体吹扫0.5-1 h，关闭排气口，至系统内二氧化碳饱和，关闭进气口；打开电源系统，设置电流、电压参数，打开压力传感器、温度传感器监测体系能温度、压力变化，并利用电信号转换系统计算出材料吸附CO2的量，吸附结束后通过改变电源系统条件，设置电流、电压参数，进行CO2脱附，并可以通过排气口链接集气装置收集CO2；更换体系电流、电压参数完成CO2吸附/脱附循环，实现吸附材料的高效循环利用；在进行吸附/脱附过程时，可以通过加热与恒温系统调整温度，及通过搅拌器设定搅拌条件；电解液更换可以通过打开池盖进行。
装置内的实时的温度及压力情况通过传感器和电信号转换系统转化为电信号，装置设计后，电压值与密封电解池内气压呈线性比例关系，基于气压-摩尔变换公式，可以结合实时采集得到的气压传感器模拟电压值，即可换算出密封电解池内部气体的摩尔量。电解池盖子上预留有进气口，通过三通阀设计进气口处可以分别独立连接真空系统及气路系统，气路系统包括若干气瓶，控制和变换电解池中的气氛环境。此外在电解池外部设置有加热与恒温系统，可以控制体系内温度环境。系统内设置有搅拌器，通过电解池盖子上的预留口与外部电力系统相连，搅拌电解池内电解液，加速电解质溶解，防止浓度梯度产生。
电解池的本体部分采用聚四氟乙烯或玻璃作为其材质，不易被腐蚀，重复使用率高。所有的连接装置中均采用导电且稳定性强的金属材质，所有接口处均采用真空设计保证体系密封性。此外，本装置可以通过检测体系内压力变化，利用电信号转换系统计算出吸附材料的二氧化吸附容量。本电解池容量可依据吸附材料性质调整，可以为体积小巧型的实验室装置，也可以用于产品化的吸附材料吸附/脱附过程，实现吸附材料的高效循环利用。
附图说明
图1 为二氧碳变电容吸脱附装置图；其中数字代表意义分别为：1：电解池；2：真空系统；3：气路系统；4：电源系统；5：电信号转换系统；6：加热与恒温系统；7：压力传感器；8：温度传感器；9：搅拌器；10电极体系；
图2为电解池外观图和电解池池盖平面图，其中(a)代表电解池外观图，(b)代表电解池盖子平面图；其中数字代表意义分别为：11：本体电解池；12：电解池池盖；13：电极预留口及连接装置；14：进气口；15：排气孔； 16：搅拌器连接口；17：温度传感器连接口；18：压力传感器连接口。
具体实施方式
结合图1和图2对本发明装置作进一步的说明，发明内容包括但不限于此，与此相应的变换均属于同一范畴。
二氧化碳变电容吸脱附装置其主要结构如图1，包括：1电解池（材质为聚四氟乙烯或玻璃）、2真空系统（包括真空泵）、3气路系统（N2惰性气路和CO2气路）、4电源系统（包括电化学工作站、直流电源等）、5电信号转换系统、6加热与恒温系统（包括加热套、恒温水浴等）、7压力传感器、8温度传感器、9搅拌器、10电极体系。图2为电解池结构包括：11聚四氟乙烯或玻璃材质的本体电解池、12聚四氟乙烯或玻璃材质的电解池盖子、13电极连接口及连接装置、14进气口（三通阀）、15排气孔（也是电解液进样口）、16搅拌器连接口及连接装置、17温度传感器连接口及连接装置、18压力传感器连接口及连接装置。所有连接口属于池盖预留口，属于预留口均为真空连接并放置密封垫，预留口上通过导电引线连接外部电力系统。电解池池身与池盖间利用螺扣相连并添加密封胶条，保证系统密封性。
电极10为碳基吸附材料导电吸附剂，为成型的柱状吸附剂材料连接电极导线，也可以将碳基吸附剂与粘结剂混合均匀涂布与泡沫镍基底上烘干后获得电极材料并与电极导线连接，电极尺寸可以随电解池尺寸进行调整。电极10通过图2中的电极预留口及连接装置13连接电源系统4（电化学工作站、直流电源等），压力传感器7通过压力传感器预留口及连接装置18连接电信号转换系统5，温度传感器8通过温度传感器预留口及连接装置17连接电信号转换系统5，搅拌器9通过搅拌器预留口及连接装置16与外接电力系统连接。将密封胶条置于电解池螺口处将电极池盖子与电解池拧紧，关闭电解池排气口15，打开进气口14，并将其与真空系统测试系统2联通，检测体系密闭性。压力达到真空泵极限后维持1小时压力不变，证实系统密闭性良好。打开排气口15从排气口15注入电解液（1M的NaCl水溶液），电解液量占电解池11总体积2/3-1/2为宜，调整电极10高度使其浸泡在电极液中且不接触电解池底部，并调整两电极10间距离。将压力传感器7置于电解液液面上，搅拌器9及温度传感器8置于液面中且不接触电解池底部，打开搅拌器9搅拌电解液至均匀，将进气口14切换至气路系统3惰性气体口（N2或Ar），并将气体管通入电解液中吹扫系统0.5-1 h，再将气路切换至CO2气体吹扫0.5-1 h，关闭排气口15，至系统内二氧化碳饱和，关闭进气口14。打开电源系统4，设置电流、电压参数，打开压力传感器7、温度传感器8监测体系能温度、压力变化，并利用电信号转换系统5计算出材料的CO2吸附量，吸附结束后通过改变电源系统4条件，设置电流、电压参数，进行CO2脱附，并可以通过排气口15链接集气装置收集CO2。通更换体系电流、电压参数完成CO2吸附/脱附循环，实现吸附材料的高效循环利用。在进行吸附/脱附过程时，可以调整温度（通过加热/恒温装置6），及添加搅拌条件（通过搅拌器9）研究温度及搅拌速度对CO2变电容吸附/脱附过程的影响。电解液更换可以通过打开电解池盖子12进行，电解池为宽口设计，便于清洗，防止交叉污染。

Claims (2)

1.一种二氧化碳变电容吸脱附装置，其特征在于所述装置主要包括电解池、真空系统、气路系统、电源系统、电信号转换系统、温度传感器、压力传感器、加热与恒温系统、搅拌器、电极体系；
其中，电解池材质为聚四氟乙烯或玻璃，电解池分为池身及池盖两个部分，池身内部装有电解液，电解液量占电解池总体积2/3-1/2；池身与池盖间利用螺口相连并添加密封胶条，池盖上留有预留口，包括电极口、进气口、排气口、温度传感器连接口、压力传感器连接口、搅拌器连接口；预留口均为真空连接并放置密封垫，预留口上通过导电引线连接电源系统；
真空系统包括真空泵；气路系统包括两组气路，一组为N2或Ar惰性气路，一组为CO2气路；进气口通过三通阀与气路系统连接，通过三通阀，进气口分别独立连接真空系统及气路系统，控制和变换电解池中的气氛环境；排气孔也是电解液注入口，电解液注入完毕后，排气孔连接集气装置，并密封；电源系统包括电化学工作站、直流电源；加热与恒温系统位于电解池外部，控制电解池内温度环境，包括加热套、温控器、恒温水浴；电极体系包括电极、电极导线；
压力传感器置于电解液液面上，搅拌器及温度传感器置于液面中且不接触电解池底部；电解池通过温度传感器连接口与温度传感器连接，电解池通过压力传感器连接口与压力传感器连接温度传感器、压力传感器分别通过温度传感器连接口、压力传感器连接口与电信号转换系统相连；搅拌器位于电解池内，电解池通过搅拌器连接口与搅拌器连接；
电解池通过电极口与电极体系连接；电极体系中包括2个电极，电极含有导电吸附剂，吸附剂压制成柱状或片状，并连接电极导线，电极尺寸随电解池尺寸进行调整；电解池池盖上的电极口接有电极导线柱，电极通过电极导线柱与电源系统相连；电极浸泡在电解液中且不接触电解池底部；电极中导电吸附剂为碳基吸附材料；
所述装置变电容吸脱附二氧化碳，通过调节电源系统中电流、电压参数，来改变电势，从而驱动CO2的吸附或脱附过程；
所述装置的操作方法在于：将密封胶条置于电解池螺口处将电解池池盖与电解池拧紧，关闭电解池排气口，打开进气口，并将其与真空系统连通，检测体系密闭性；压力达到真空泵极限后维持1小时，若压力下降，重新检查密闭性；若压力不变，打开排气口，从排气口注入电解液；调整电极、压力传感器、搅拌器、温度传感器高度，打开搅拌器搅拌电解液至均匀，将进气口切换至N2或Ar惰性气路，并将气体通入电解池中吹扫0.5-1h，再将气路切换至CO2气体吹扫0.5-1h，关闭排气口，至系统内二氧化碳饱和，关闭进气口；打开电源系统，设置电流、电压参数，打开压力传感器、温度传感器监测体系能温度、压力变化，并利用电信号转换系统计算出材料吸附CO2的量，吸附结束后通过改变电源系统条件，设置电流、电压参数，进行CO2脱附，并通过排气口连接集气装置收集CO2；更换体系电流、电压参数完成CO2吸附/脱附循环，实现吸附材料的高效循环利用；在进行吸附/脱附过程时，通过加热与恒温系统调整温度，及通过搅拌器设定搅拌条件；电解液更换通过打开池盖进行。
2.根据权利要求1所述的一种二氧化碳变电容吸脱附装置，其特征在于电极还将吸附剂与粘结剂混合均匀涂布与泡沫镍基底上，烘干后获得电极并与电极导线柱连接。
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