CN112960740A - 一种降低海水酸化装置运行能耗的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种降低海水酸化装置运行能耗的方法，所述海水酸化装置包括海水酸化电解池组，所述海水酸化电解池组的两端具有电极板，所述两端的电极板上加载直流电源，通过使用水电解技术，通过离子交换方式来酸化海水，海水pH大于等于4.5时，电流为4‑30A，使海水pH降至4.5以下；海水pH低于4.5时，电流为2‑10A，使海水pH保持在3‑4.5。通过调整海水酸化过程的运行操作方法，采用变功率运行操作，从而有效降低酸化池电堆运行功耗。

Description

一种降低海水酸化装置运行能耗的方法
技术领域
本发明涉及水电解领域，具体涉及一种降低海水酸化装置运行能耗的方法。
背景技术
在整个环境中，大气中的二氧化碳与海洋是始终平衡的。全世界海水中碳元素的总含量高达38000千亿吨，大约2-3％是以二氧化碳气体溶解的形式存在，剩下的97-98％是以碳酸氢盐和碳酸盐的化合状态存在。根据目前世界海洋的体积估算，海洋碳源是约为大气碳源的175多倍，当按照质量与体积比时，海洋中二氧化碳浓度(100mg/L)约为大气中浓度(0.77mg/L)的140倍。海水中溶解的HCO3 -与CO3 2-决定了深度为100米以上的海水pH值，与CO2存在着如下的平衡：
[CO2]T＝[CO2(g)]+[HCO3 -]+[CO3 2-]
因此，高效节能利用海水中高浓度的CO2对于环境的保护具有深远意义：首先，去除海水中的CO2可以间接的影响大气中的二氧化碳含量，海水与大气中的二氧化碳存在平衡，去除海水中的CO2可以间接降低大气中的二氧化碳含量，降低温室效应；其次，产生的新海水介质将能够从大气中吸收更多的二氧化碳，而不会影响海洋的酸碱性，再者，从海水中吸取CO2比传统碱液吸收的能耗更低，可以直接应用于生物固碳、低温固化等领域。目前，去除海水(或水)中溶解的CO2的主要方法有：电化学法、加热/减压法、化学沉淀法、鼓泡法、阴离子交换膜法等。其中电化学法具有效率高，纯度高等优点成为研究热点。
目前，专利【US 20130206605A1】和【US 20140238869A1】通过电化学方法酸化海水，来提取CO2，其中对海水酸化是研究的核心及前提，两个专利中，将海水进行酸化处理，海水流量为1.02L/min，工作电流为6A，工作电压为9V，酸化海水pH仅为6.31，工作电流及工作电压均较高，导致装置能耗增加，不利于长时间实际运行。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种降低海水酸化装置运行能耗的方法，通过变功率加载操作，使用水电解技术，通过离子交换方式，来酸化海水，并通过控制工作电流，改变装置运行功率，降低海水酸化电解池组的运行能耗。
本发明技术方案如下：
本发明提供了一种降低海水酸化装置运行能耗的方法，所述海水酸化装置包括海水酸化电解池组，所述海水酸化电解池组的两端具有电极板，所述两端的电极板上加载直流电源，通过使用水电解技术，通过离子交换方式来酸化海水，
海水pH大于等于4.5时，电流为4-30A，使海水pH降至4.5以下；
海水pH低于4.5时，电流为2-10A，使海水pH保持在3-4.5。
基于上述方案，优选地，
所述海水酸化电解池组通有阴极液和阳极液；所述阳极液为去离子水或经过软化后的脱氯及金属离子的海水，所述阴极液为经过软化后的海水或去离子水；
所述阳极液和阴极液流量为200-2000ml/min；
所述海水酸化装置操作温度为25-60℃，所述海水酸化装置操作压力为100-350kPa。
优选地，所述海水酸化电解池组包括N个并联的海水酸化电解池，N≥1，N取整数。
优选地，所述海水酸化电解池组还包括阳极液入口、阳极液出口、阴极液入口和阴极液出口；所述阳极液从阳极液入口进入海水酸化电解池组，所述阴极液从阴极液入口进入所述海水酸化电解池组，发生电解后，所述阳极液从阳极液出口排出后返回至阳极液入口循环利用，所述阴极液从阴极液出口排放掉；或所述阳极液从阳极液出口排出后，得到气液混合物，将气液混合物经气液分离得到的液体作为阴极液从阴极液入口流入海水酸化电解池组，从阴极液出口排放掉。
所述单个使用的海水酸化电解池由依次间隔平行设置的端板、阳极部分、第一离子交换膜、中间离子交换腔、第二离子交换膜、阴极部分、端板构成；阳极部分的极板上靠近第一离子交换膜侧设有流场、与第一离子交换膜之间形成流通通道，其为阳极部分；阴极部分的极板上靠近第二离子交换膜侧设有流场、与第二离子交换膜之间形成流通通道，其为阴极部分；于第一离子交换膜与第二离子交换膜之间留有作为海水通道的空隙，其为中间离子交换腔；端板分别与阳极部分、阴极部分贴合，整个装置通过密封件组合成为一个整体。
所述的多个海水酸化电解池并联时，相邻两个电解池的阴极部分的极板与阳极部分的极板相连接，组合为导电双极板，所述端板分别与第一个海水酸化电解池的阳极部分和最后一个海水酸化电解池的阴极部分贴合，整个装置通过密封件组合成为一个整体。
所述海水酸化电解池组具有海水进口和海水出口，所述海水进口和海水出口与N个中间离子交换腔相连通。
将海水管路与海水酸化装置通道对应连接，海水通过水泵输送到预脱气装置后，进行脱气处理，得到的海水输送到海水酸化电解池组的中间离子交换腔，阳极液从阳极液容器中通过水泵直接输送到海水酸化电解池组的阳极液入口后，从阳极液出口返回到阳极液容器中，阴极液从阴极液容器中通过水泵输送到海水酸化电解池组的阴极液入口后，从阴极液出口排出；或阳极液从阳极液容器中通过水泵输送到海水酸化电解池组的阳极液入口后，从阳极液出口流出的气液混合物经气液分离得到的液体，从阴极液入口流入后，从阴极液出口流出。
通过耐腐蚀磁力循环水泵，经过流量计控制液体流量；通过换热器控制进入海水酸化电解池组的海水、阳极液、阴极液的温度；通过阀门控制该装置的工作压力，在一定流量、温度和压力条件下，首先，在装置两端的电极板上加载直流电源，初始工况条件下，采用大电流活化，在阳极腔快速电解产生H+，与离子交换膜进行离子交换，打通离子交换通道，产生的H+透过阳离子交换膜进入到中间离子交换腔，H+取代Na+，在海水中产生的H2CO3和HCl，使海水pH降低为3-4.5，在海水pH降低到4.5以下时，H2CO3含量达到接近饱和值，可以分解产生CO2，因此，为保持海水pH稳定，避免能源浪费，减小工作电流，减小装置运行功率，提供持续稳定的H+，保证足够的H+通过阳离子交换膜，使海水pH控制在3-4.5之间。
有益效果
通过调整海水酸化过程的运行操作方法，采用变功率运行操作，从而有效降低酸化池电堆运行功耗。
初始工况条件下，采用大电流活化，有利于快速打通离子交换通道，在阳极产生大量的H+，透过阳离子交换膜进入到中间离子交换腔，取代Na+，形成H2CO3和HCl，从而快速使海水pH降低，当海水pH降低到4.5及以下时，减小工作电流，调整装置运行功率，控制海水pH在3-4.5之间，将装置整体功耗降低，有利于长时间运行的实际使用。
附图说明
图1是电化学酸化装置原理示意图；
图2是实施例1中酸化电解池运行工况图；
图3是实施例2中酸化电解池运行工况图。
图4是对比例1中酸化电解池运行工况图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
图1实施例1所使用的海水酸化电解池组的原理图，所述海水酸化电解池组由3个并联的海水酸化电解池组成，具体结构为：包括依次间隔平行设置的阳极I、第一离子交换膜I、中间离子交换腔I、第二离子交换膜I、双极板I、第一离子交换膜II、中间离子交换腔II、第二离子交换膜II、及依次间隔平行设置的双极板II、第一离子交换膜III、中间离子交换腔III、阴极III，阳极I和阴极III的外侧贴合有端板，上述组件通过密封件组合成为一个整体。
水通过耐腐蚀磁力循环水泵，经过流量计控制，输送到海水酸化电解池的中间离子交换腔，阳极液为去离子水，通过耐腐蚀磁力循环水泵，经过流量计控制，输送到海水酸化电解池阳极部分，阴极液为软化水，通过耐腐蚀磁力循环水泵，经过流量计控制，输送到海水酸化电解池阴极部分，通过换热器控制进入海水酸化电解池的海水、阳极液、阴极液的温度，通过阀门控制该装置的工作压力。
图2和图3是酸化电解池运行工况图，在不同海水流量条件下，在装置两端的电极板上加载直流电源，初始工况条件下，采用大电流活化，打通离子交换通道，在阳极产生大量的H+，透过阳离子交换膜进入到中间离子交换腔，取代Na+，形成H2CO3和HCl，从而快速使海水pH降低，当海水pH降低到4.5及以下时，减小工作电流，调整装置运行功率，控制海水pH在3-4.5之间，将装置整体功耗降低，有利于长时间运行的实际使用。
实施例1：
在本实例中，配置海盐(BLUE DIAMOND CORAL SALT)浓度为35g/L的海水，该溶液中NaHCO3浓度为0.0023mol/L，配制的海水pH约为8.3，温度为25℃，工作压力为100kPa。通过组装3节酸化池电堆，将海水酸化，得到海水酸化过程的运行工况。阳极和阴极液流量分别为230ml/min，在海水流量为63L/h时，通入到酸化电解池中，首先，在6A操作电流条件下，经过约2分钟，海水pH降低到4.02，海水酸化功率为0.1kW，逐步降低工作电流为3A，海水pH可以控制在3.1左右，维持海水酸化功率仅0.044kW。海水的pH为4.5时，海水酸化就可进行，不需要大电流去酸化海水，会浪费能源。通过与对比例1的数据进行对比，本发明通过减小工作电流，调整装置运行功率，控制海水pH在3-4.5之间，将装置整体功耗降低，有利于长时间运行的实际使用。
实施例2：
在本实例中，配置海盐(BLUE DIAMOND CORAL SALT)浓度为35g/L的海水，该溶液中NaHCO3浓度为0.0023mol/L，配制的海水pH约为8.3，温度为25℃，工作压力为100kPa。通过组装19节酸化池电堆，将海水酸化，得到海水酸化过程的运行工况。阳极和阴极液流量分别为1000ml/min，在海水流量为1.2m3/h时，通入到酸化电解池中，首先，在9A操作电流条件下，经过2.5分钟，将海水pH降低到4.5，海水酸化功率为1.13kW，逐步降低工作电流为6A，海水pH可以控制在3.6左右，维持海水酸化功率仅0.68kW。
对比例1：
在本实例中，配置海盐(BLUE DIAMOND CORAL SALT)浓度为35g/L的海水，该溶液中NaHCO3浓度为0.0023mol/L，配制的海水pH约为8.3，温度为25℃，工作压力为100kPa。通过组装3节酸化池电堆，将海水酸化，得到海水酸化过程的运行工况。阳极和阴极液流量分别为230ml/min，在海水流量为63L/h时，通入到酸化电解池中，在6A操作电流条件下，经过约2分钟，海水pH降低到4.06，海水酸化功率为0.1kW，持续采用6A工作电流维持装置运行，海水pH进一步降低达到2.52，酸化池运行功率约为0.1kW。
对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (4)

1.一种降低海水酸化装置运行能耗的方法，所述海水酸化装置包括海水酸化电解池组，所述海水酸化电解池组的两端具有电极板，所述两端的电极板上加载直流电源，通过使用水电解技术，通过离子交换方式来酸化海水，其特征在于，
海水pH大于等于4.5时，电流为4-30A，使海水pH降至4.5以下；
海水pH低于4.5时，电流为2-10A，使海水pH保持在3-4.5。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述海水酸化电解池组通有阴极液和阳极液；所述阳极液为去离子水或经过软化后的脱氯及金属离子的海水，所述阴极液为经过软化后的海水或去离子水；
所述阳极液和阴极液流量为200-2000ml/min；
所述海水酸化装置操作温度为25-60℃，所述海水酸化装置操作压力为100-350kPa。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述海水酸化电解池组包括N个并联的海水酸化电解池，N≥1，N取整数。
4.根据权利要求1-3所述的方法，其特征在于，所述海水酸化电解池组还包括阳极液入口、阳极液出口、阴极液入口和阴极液出口；
所述阳极液从阳极液入口进入海水酸化电解池组，所述阴极液从阴极液入口进入所述海水酸化电解池组，发生电解后，所述阳极液从阳极液出口排出后返回至阳极液入口循环利用，所述阴极液从阴极液出口排放掉；或所述阳极液从阳极液出口排出后，得到气液混合物，将气液混合物经气液分离得到的液体作为阴极液从阴极液入口流入海水酸化电解池组，从阴极液出口排放掉。
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