CN113684490A - 一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统以及方法，包括预处理系统、电解槽、气液反应塔、蒸发结晶塔。含盐废水经过预处理后进入电解槽；在阴极生成氢气和NaOH溶液，氢气作为能源物质回收，NaOH溶液进入气液反应塔与富碳烟气接触反应，固定烟气中的二氧化碳，并生成NaHCO₃溶液；通过低温空气蒸发结晶，分离溶液中NaHCO₃，剩余的含盐溶液重新进入电解反应。本发明该系统设计合理，实现了废水的处理、资源化回收以及能源物质的生产。

Description

一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统及其方法

技术领域

本发明涉及废水处理技术领域，特别涉及到一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统及其方法。

背景技术

在水资源短缺、水污染日益严重的形势下，提高水的处理、回用效率，实现废水的近零排放逐渐受到重视，电力、煤化工等行业已开展了废水近零排放的工程实施。目前，废水近零排放主要采用预处理、浓缩、结晶或干化工艺，预处理主要是去除废水中的有机物、重金属以及钙镁等硬度离子，最终废水中剩余的污染物主要为钠盐和钾盐，且阴离子主要为氯离子。这部分含盐废水最终浓缩、结晶后形成废盐，或与煤灰等固体废弃物混合，未得到充分利用。未来随着废水零排放的推进，大量的浓盐水将带来次生的环境问题。

浓盐水可以作为电解过程的重要电解质，电解浓盐水主要生成氢气等能源物质，而氢气是一种绿色、高效的二次能源，在交通、电力、化工等领域具有广阔的应用空间。因此，浓盐水可以作为电解制氢过程的重要原料。因此，含盐废水电解制氢具有较大的应用潜力。

因此，如何提供一种含盐废水电解制氢的系统以及方法，通过电解过程实现含盐废水的综合利用，生成绿色的能源物质氢气是本领域技术人员亟需解决的技术问题。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一，提出了一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统以及方法，通过电解过程实现含盐废水的综合利用，生成绿色的能源物质氢气，同时，电解液可进一步用于二氧化碳的固定，推动碳中和。

有鉴于此，根据本发明的第一个目的提出了一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统，包括

电解槽，内部交替布置阳极室和阴极室，以及隔离阳极室和阴极室的隔膜；

气液反应塔，设置在电解槽下游接收阴极室中的碱液，同时外接富碳烟气；碱液和富碳烟气与气液反应塔内部设置的填料接触层接触进行固碳反应；

蒸发结晶塔，设置在气液反应塔下游接收固碳反应后的溶液，同时外接低温空气使固碳反应后的溶液浓缩结晶。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳系统，电解槽为离子交换膜电解槽；隔膜为阳离子交换膜。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳系统，阴极室设有盐水入口、碱液出口和氢气出口；碱液出口与气液反应塔连接。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳系统，气液反应塔为气液逆流喷淋塔包括碱液入口、溶液出口、设置在气液反应塔内底部的集水池、中部为填料接触层、上部的喷淋层；集水池中的液体从上到下循环喷淋；碱液入口与碱液出口连接；集水池底部设置第一布气管，第一布气管外接富碳烟气。

优选的，集水池液位以上也设置有第一布气管。

本发明中，气液反应塔的集水池中的碱液通过循环水泵循环喷淋，且集水池底部和液位以上均设置第一布气管。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳系统，蒸发结晶塔为气液逆流喷淋塔，包括溶液入口、设置在蒸发结晶塔内底部的集液池、上部的喷淋液层；集液池中的液体从上到下循环喷淋；溶液入口与溶液出口连接；集液池中液位以上设置第二布气管；第二布气管外接低温空气。

本发明中，蒸发结晶塔的集液池中的溶液通过循环水泵循环喷淋。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳系统，固碳系统还包括预处理系统，预处理系统包括废水入口、废水出口和废水除杂系统；废水出口分别连接阳极室和阴极室；废水入口连接蒸发结晶塔。

其中，本发明中的废水出口连接阴极室上的盐水入口。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳系统，阳极室设有盐水入口、盐水出口和氯气出口；盐水出口连接废水入口；废水出口连接盐水入口。

本发明中废水除杂系统包括混凝沉淀池、石英砂过滤器、活性炭过滤器、离子交换树脂过滤器；含盐废水先经过混凝沉淀池、石英砂过滤器除去其中的混凝块、石英砂等颗粒沉淀物，再经过活性炭过滤器去除悬浮物、重金属，最后经过离子树脂过滤器去除钙、镁和部分重金属离子。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳系统，蒸发结晶塔还设置有浓缩液出口和结晶盐排出口；浓缩液出口与废水入口连接。

根据本发明的第二个目的提出了一种含盐废水电解制氢耦合固碳方法，利用上述系统进行含盐废水电解制氢耦合固碳，包括如下步骤：

(1)质量百分含量为2-26.5％的含盐废水通入电解槽，阳极室产生的氯气，同时Na⁺穿过阳离子交换膜进入阴极室；阴极室产生的氢气，而OH^-与Na⁺形成NaOH溶液，控制溶液pH大于13；

(2)NaOH的溶液在气液反应塔中循环喷淋，并与填料接触层和富碳烟气发生固碳反应，控制pH为7-8，生成NaHCO₃的溶液；

(3)NaHCO₃溶液在蒸发结晶塔中循环喷淋，并与温度为50-60℃低温空气接触，浓缩倍率2-5倍，NaHCO₃结晶析出；

(4)步骤(3)NaHCO₃结晶析出后的溶液回流至电解槽。

本发明含盐废水通入电解槽，阳极室发生如下反应：

Cl^--2e^-→Cl₂

阴极室发生如下反应：

H⁺+2e^-→H₂

电解槽阴极室产生的氢气收集后利用，H⁺电解后剩余的OH^-以及Cl^-无法透过阳离子交换膜进入阳极室，因此，OH^-与透过阳离子交换膜的Na⁺以及电解液中的Na⁺形成NaOH。而富碳烟气中二氧化碳的含量10％，其余主要为氮气和氧气，由气液反应塔的第一布气管进入，与喷淋的NaOH的溶液在气液反应塔的内空间和中部填料接触层接触，发生如下固碳反应，生成NaHCO₃溶液：

CO₂+2NaOH→Na₂CO₃+H₂O

CO₂+Na₂CO₃+H₂O→2NaHCO₃

NaHCO₃溶液在蒸发结晶塔内循环喷淋，50-60℃的低温空气由蒸发结晶塔的第二布气管进入，与喷淋的NaHCO₃溶液在塔内空间接触，NaHCO₃溶液中的水分被带出蒸发结晶塔，溶液逐渐浓缩，NaHCO₃析出。

前述含盐废水电解制氢耦合固碳方法，质量百分含量为2-26.5％的含盐废水通入电解槽前，经过预处理系统先经过活性炭过滤器去除悬浮物、重金属，再经过离子树脂过滤器去除钙、镁和重金属离子；步骤(4)NaHCO₃结晶析出后的溶液回流至过预处理系统。

通过以上技术方案，本发明提出了一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统及其方法，具有如下技术效果：

(1)本发明使用含盐废水作为电解溶液，实现了废水的处理和资源化利用；同时产生了能源物质氢气，实现了绿色能源的制备；

(2)本发明利用电解过程中产生的NaOH的溶液同步固定富碳烟气中的二氧化碳，实现碳捕集；

(3)固碳反应后进行结晶，分离得到了NaHCO₃，同时，溶液中的氯化钠可重新用于电解反应。

附图说明

本发明上述的和/或附加的方面和优点从下面结合附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为现有技术中提供的含盐废水电解制氢耦合固碳系统结构示意图。

其中，预处理系统-1，电解槽-2，气液反应塔-3，蒸发结晶塔-4，富碳烟气-5，低温空气-6，氯气-7，氢气-8。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

实施例1

如图1，本实施例提出了一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统，包括

电解槽2，内部交替布置阳极室和阴极室，以及隔离阳极室和阴极室的隔膜；

气液反应塔3，设置在电解槽2下游接收阴极室中的碱液，同时外接富碳烟气5；碱液和富碳烟气5与气液反应塔3内部设置的填料接触层接触进行固碳反应；

蒸发结晶塔4，设置在气液反应塔3下游接收固碳反应后的溶液，同时外接低温空气6使固碳反应后的溶液浓缩结晶。

其中本实施例中的电解槽2为离子交换膜电解槽2；隔膜为阳离子交换膜。

为进一步优化本实施例提出了，阴极室设有盐水入口、碱液出口和氢气出口；碱液出口与气液反应塔3连接。

为进一步优化本实施例提出了，气液反应塔3为气液逆流喷淋塔包括碱液入口、溶液出口、设置在气液反应塔3内底部的集水池、中部为填料接触层、上部的喷淋层；集水池中的液体从上到下循环喷淋；碱液入口与碱液出口连接；集水池底部设置第一布气管，第一布气管外接富碳烟气5。

优选的，集水池液位以上也设置有第一布气管。

本实施例中，气液反应塔3的集水池中的碱液通过循环水泵循环喷淋，且集水池底部和液位以上均设置第一布气管。

为进一步优化本实施例提出了，蒸发结晶塔4为气液逆流喷淋塔，包括溶液入口、设置在蒸发结晶塔4内底部的集液池、上部的喷淋液层；集液池中的液体从上到下循环喷淋；溶液入口与溶液出口连接；集液池中液位以上设置第二布气管；第二布气管外接低温空气6。

本实施例中，蒸发结晶塔4的集液池中的溶液通过循环水泵循环喷淋。

为进一步优化本实施例提出了，固碳系统还包括预处理系统1，预处理系统1包括废水入口、废水出口和废水除杂系统；废水出口分别连接阳极室和阴极室；废水入口连接蒸发结晶塔4。

其中，本实施例中的废水出口连接阴极室上的盐水入口。

为进一步优化本实施例提出了，阳极室设有盐水入口、盐水出口和氯气出口；盐水出口连接废水入口；废水出口连接盐水入口。

本实施例中废水除杂系统包括混凝沉淀池、石英砂过滤器、活性炭过滤器、离子交换树脂过滤器；含盐废水先经过混凝沉淀池、石英砂过滤器除去其中的混凝块、石英砂等颗粒沉淀物，再经过活性炭过滤器去除悬浮物、重金属，最后经过离子树脂过滤器去除钙、镁和部分重金属离子。

为进一步优化本实施例提出了，蒸发结晶塔4还设置有浓缩液出口和结晶盐排出口；浓缩液出口与废水入口连接。

利用上述系统进行含盐废水电解制氢耦合固碳系统进行含盐废水电解制氢耦合固碳方法，包括如下步骤：

(1)质量百分含量为2-26.5％的含盐废水通入电解槽2，阳极室产生的氯气7，同时Na⁺穿过阳离子交换膜进入阴极室；阴极室产生的氢气8，而OH^-与Na⁺形成NaOH溶液，控制溶液pH大于13；

(2)NaOH的溶液在气液反应塔3中循环喷淋，并与填料接触层和富碳烟气5发生固碳反应，控制pH为7-8，生成NaHCO₃的溶液；

(3)NaHCO₃溶液在蒸发结晶塔4中循环喷淋，并与温度为50-60℃低温空气6接触，浓缩倍率2-5倍，NaHCO₃结晶析出；

(4)步骤(3)NaHCO₃结晶析出后的溶液回流至电解槽2。

为方便理解本实施例中的方法本实施例含盐废水通入电解槽2，阳极室发生如下反应：

Cl^--2e^-→Cl₂

阴极室发生如下反应：

H⁺+2e^-→H₂

电解槽2阴极室产生的氢气8收集后利用，H⁺电解后剩余的OH^-以及Cl^-无法透过阳离子交换膜进入阳极室，因此，OH^-与透过阳离子交换膜的Na⁺以及电解液中的Na⁺形成NaOH。而富碳烟气5由气液反应塔3的第一布气管进入，与喷淋的NaOH的溶液在气液反应塔3的内空间和中部填料接触层接触，发生如下固碳反应，生成NaHCO₃溶液：

CO₂+2NaOH→Na₂CO₃+H₂O

CO₂+Na₂CO₃+H₂O→2NaHCO₃

NaHCO₃溶液在蒸发结晶塔4内循环喷淋，50-60℃的低温空气6由蒸发结晶塔4的第二布气管进入，与喷淋的NaHCO₃溶液在塔内空间接触，NaHCO₃溶液中的水分被带出蒸发结晶塔4，溶液逐渐浓缩，NaHCO₃析出。

为进一步优化本实施例提出了，质量百分含量为2-26.5％的含盐废水通入电解槽2前，先经过预处理系统1先经过活性炭过滤器去除悬浮物、重金属，再经过离子树脂过滤器去除钙、镁和重金属离子；步骤(4)NaHCO₃结晶析出后的溶液回流至过预处理系统1。

本实施例具体为：质量百分含量为2-26.5％的含盐废水，本实施例中含盐废水中含盐质量百分含量选自2％，经过预处理系统1经过混凝沉淀池、石英砂过滤器除去其中的混凝块、石英砂等颗粒沉淀物，再经过活性炭过滤器去除悬浮物、重金属，最后经过离子树脂过滤器去除钙、镁和部分重金属离子后，通过废水出口通入电解槽2的阳极室和阴极室的盐水入口，进行电解制氢，其中阳极室发生如下反应：Cl^--2e^-→Cl₂；阴极室发生如下反应：H⁺+2e^-→H₂；在电场的作用下阳极室的Na⁺经过阳离子交换膜进入阴极室；阴极室的OH^-以及Cl^-无法透过阳离子交换膜进入阳极室，OH^-与透过阳离子交换膜的Na⁺以及电解液中的Na⁺形成NaOH溶液，NaOH溶液pH大于13。电解槽2阳极室的盐溶液通过盐水出口回到预处理系统1的废水入口。

电解槽2阴极室NaOH溶液通过碱液出口连接气液反应塔3碱液入口排液到集水池，通过循环水泵，从塔内上部的喷淋层向下喷淋；富碳烟气5由气液反应塔3的第一布气管进入，与喷淋的NaOH溶液在塔内空间和塔内中部填料接触层接触，发生如下固碳反应，控制pH为7-8，优选为8.0，生成NaHCO₃溶液；固碳反应后的NaHCO₃溶液通过溶液出口进入蒸发结晶塔4溶液入口，通过循环水泵，从塔内上部的喷淋层向下喷淋；50-60℃的低温空气6本实施例中选自50℃的低温空气6由蒸发结晶塔4的第二布气管进入，与喷淋的NaHCO₃溶液在塔内空间接触，NaHCO₃溶液中的水分被带出蒸发结晶塔4，溶液逐渐浓缩，浓缩倍率2-5倍，有利的本实施例浓缩倍率为3倍，NaHCO₃结晶析出由底部的结晶盐排出口排出，剩余的溶液通过浓缩液出口回到预处理系统1的废水入口。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种含盐废水电解制氢耦合固碳系统，其特征在于，包括

电解槽，内部交替布置阳极室和阴极室，以及隔离所述阳极室和所述阴极室的隔膜；

气液反应塔，设置在所述电解槽下游接收所述阴极室中的碱液，同时外接富碳烟气；所述碱液和所述富碳烟气与所述气液反应塔内部设置的填料接触层接触进行固碳反应；

蒸发结晶塔，设置在所述气液反应塔下游接收固碳反应后的溶液，同时外接低温空气使固碳反应后的所述溶液浓缩结晶。

2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述电解槽为离子交换膜电解槽；所述隔膜为阳离子交换膜。

3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述阴极室设有盐水入口、碱液出口和氢气出口；所述碱液出口与所述气液反应塔连接。

4.根据权利要求3所述的系统，其特征在于，所述气液反应塔为气液逆流喷淋塔包括碱液入口、溶液出口、设置在所述气液反应塔内底部的集水池、中部为填料接触层、上部的喷淋层；所述集水池中的液体从上到下循环喷淋；所述碱液入口与所述碱液出口连接；所述集水池底部设置第一布气管，所述第一布气管外接富碳烟气。

5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述蒸发结晶塔为气液逆流喷淋塔，包括溶液入口、设置在所述蒸发结晶塔内底部的集液池、上部的喷淋液层；所述集液池中的液体从上到下循环喷淋；所述溶液入口与所述溶液出口连接；所述集液池中液位以上设置第二布气管；所述第二布气管外接低温空气。

6.根据权利要求1-5任一所述的系统，其特征在于，固碳系统还包括预处理系统，所述预处理系统包括废水入口、废水出口和废水除杂系统；所述废水出口分别连接所述阳极室和所述阴极室；所述废水入口连接所述蒸发结晶塔。

7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述阳极室设有盐水入口、盐水出口和氯气出口；所述盐水出口连接所述废水入口；所述废水出口连接所述盐水入口。

8.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述蒸发结晶塔还设置有浓缩液出口和结晶盐排出口；所述浓缩液出口与所述废水入口连接。

9.一种含盐废水电解制氢耦合固碳方法，其特征在于，利用如权利要求1-8任一所述的系统进行含盐废水电解制氢耦合固碳，包括如下步骤：

(1)质量百分含量为2-26.5％的含盐废水通入电解槽，阳极室产生的氯气，同时Na⁺穿过阳离子交换膜进入阴极室；阴极室产生的氢气，而OH^-与Na⁺形成NaOH溶液，控制溶液pH大于13；

(2)所述NaOH的溶液在气液反应塔中循环喷淋，并与填料接触层和富碳烟气发生固碳反应，控制pH为7-8生成NaHCO₃的溶液；

(3)所述NaHCO₃溶液在蒸发结晶塔中循环喷淋，并与温度为50-60℃低温空气接触，浓缩倍率2-5倍，NaHCO₃结晶析出；

(4)步骤(3)NaHCO₃结晶析出后的溶液回流至所述电解槽。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，质量百分含量为2-26.5％的含盐废水通入电解槽前，经过预处理系统先活性炭过滤器去除悬浮物、重金属，再离子树脂过滤器去除钙、镁和重金属离子；步骤(4)NaHCO₃结晶析出后的溶液回流至所述过预处理系统。

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