CN114162787A

CN114162787A - 一种co2制氧装置

Info

Publication number: CN114162787A
Application number: CN202111536533.8A
Authority: CN
Inventors: 常正实; 付强; 王语菲
Original assignee: Xian Jiaotong University
Current assignee: Xian Jiaotong University
Priority date: 2021-12-15
Filing date: 2021-12-15
Publication date: 2022-03-11
Anticipated expiration: 2041-12-15
Also published as: CN114162787B

Abstract

本发明提供了一种CO₂制氧装置，属于制氧装置技术领域。该CO₂制氧装置，包括DBD放电等离子体生成装置、CO分离腔、O₂分离腔；DBD放电等离子体生成装置依次与一氧化碳分离腔的侧壁和O₂分离腔的底部相连通；DBD放电等离子体生成装置内设置有泡沫金属；一氧化碳分离腔内填充有CO吸附材料；O₂分离腔内设置有O₂分离膜，O₂分离膜将O₂分离腔分割为上腔体和下腔体，上腔体内设置有负压吸引器和第一气体单向阀，下腔体内设置有第二气体单向阀。本发明提供的CO₂制氧装置，结构简单、放电剧烈、能够分离关键产物、实现大流量CO₂废气的高效制氧、容易规模化。

Description

一种CO2制氧装置

技术领域

本发明涉及制氧装置技术领域，尤其涉及一种CO₂制氧装置，更具体的涉及一种基于增强型介质阻挡放电等离子的CO₂制氧装置。

背景技术

从消耗CO₂降低其存量的角度，研究者们提出了一些技术手段，包括物理手段和化学手段。物理手段包括CO₂的捕获与封存技术(CCS)、CO₂相能量利用、基本物理特性应用。将CO₂转化为高附加值化学品是解决CO₂过度排放的另一种有效方法，常见的CO₂转化方法主要包括热化学转化法、电化学转化法、酶催化转化法、光催化转化法和等离子体转化法，其中热化学催化法需要维持高温高压条件，造成能源浪费；电化学转化法存在催化剂研发困难、造价昂贵且易毒化，伴随较高的二次处理成本；光催化和酶催化方法转化效果差，仍停留于实验室阶段。

国内外的研究表明，低温放电等离子体具有能量的非平衡特性，能在高电子温度下保持重粒子温度接近室温，同时富含如振动激发态、电子激发态、分子离子等多种活性物种，此外还有大量的高能粒子，如电子、以及伴随放电的紫外线。活性物种和高能粒子间发生碰撞，产生复杂的物理、化学反应，促进 CO₂向高附加值产品转化。研究发现，铜基材料在放电过程中对CO₂分解转化具有一定的促进作用；调控放电外施参数有利于控制各类活性物种和高能粒子间的反应路径和速率，进而调控产物产额。崔锦华(CN103023314A)利用云电极发生低温等离子体转化CO₂，并对CO用高效吸附系统处理，产物分离仍不完全；秦祖赠等(CN202945185U)利用针板放电电晕对CO₂/H₂混合气体进行转化，同时在等离子体后部设置固态反应床进行转化，但对转化产物没有进行分离；赵文基(CN101903089A)利用多对棒式二氧化钛电极产生等离子，并对O₂利用变压吸附法进行分离，该结构放电体积较小，气固界面催化作用利用不佳；潘杰等 (CN209872349U)建立微波谐振腔协同催化剂装置，加快CH₄-CO₂催化重整，但处理效果较低且产物未分离。综上可知，目前利用等离子体在CO₂转化处理仍存在效率低、催化材料研发难造价高、处理CO₂规模小且产物分离不完全等问题。

发明内容

有鉴于此，为解决现有技术中存在的不足，为此，本发明提供了一种CO₂制氧装置，该装置结构简单、放电剧烈、能够分离关键产物、实现大流量CO₂废气的高效制氧、容易规模化。

为实现上述目的，本发明提供了如下的技术方案：

一种CO₂制氧装置，包括DBD放电等离子体生成装置、CO分离腔、O₂分离腔；

所述DBD放电等离子体生成装置依次与所述一氧化碳分离腔的侧壁和所述 O₂分离腔的底部相连通；

所述DBD放电等离子体生成装置内设置有泡沫金属；

所述一氧化碳分离腔内填充有一氧化碳吸附材料；

所述O₂分离腔内设置有O₂分离膜，所述O₂分离膜将所述O₂分离腔分割为上腔体和下腔体，所述上腔体内设置有负压吸引器和第一气体单向阀，所述下腔体内设置有第二气体单向阀。

优选地，所述DBD放电等离子体生成装置包括石英管、内置于所述石英管内的铜基微米孔金属棒、贴覆于所述石英管外表面的铜网、设置于所述石英管左端的绝缘底座；

所述铜基微米孔金属棒连接高频电源，所述铜网接地，所述石英管作为阻挡介质。

优选地，所述铜基微米孔金属棒为末端作倒角处理的圆柱体，内部为海绵状多孔结构。

优选地，所述多孔结构的孔径大小1～100μm。

优选地，所述泡沫金属为海绵状多孔金属块。

优选地，所述多孔金属块的孔径为0.01～1mm。

优选地，所述泡沫金属位于所述铜基微米孔金属棒末端的右侧，且不接触。

优选地，所述泡沫金属距离所述铜基微米孔金属棒末端的距离为5～10mm。

优选地，所述CO吸附材料为Y型分子筛包覆纳米铜。

优选地，所述O₂分离膜为Ag材质的薄膜，其上负载有A l₂O₃。

本发明相对于现有技术，具有如下的有益效果：

1.本发明提供的CO₂制氧装置，基于增强型介质阻挡放电等离子，协同铜基材料催化效果，达到相关标准，利用铜基微米孔金属棒和泡沫金属进行多段等离子体转化处理，保证CO₂高效转化，提高转化率和能量效率。该装置结构简单、放电剧烈、能够分离关键产物、实现大流量CO₂废气的高效制氧、容易规模化。

2.本发明在铜基微米孔金属棒上施加高频高电压从而产生放电等离子体，气体通过微孔结构进行均流并在微孔放电中进行活化，在等离子体发生区进行转化。该放电结构新颖、简单，在较低外施电压下即能产生大面积等离子体，同时增加CO₂在装置通道中的反应时间和气固催化界面，系统背压小，能耗低，提高处理效率。

3.本发明在铜基微米孔金属棒上施加高频高压，即可产生同步、稳定、均匀的放电，并在装置通道中产生丰富的高活性粒子，与CO₂发生一系列复杂的物理化学反应，增强CO₂振动激发和电子激发，同时加强CO₊₂产生路径，并在随后的电子碰撞离解过程中生成氧气和CO，得到目标产物。产物气体和未转化的活性粒子进入泡沫金属区，产物气体直接通过，活性粒子在铜基泡沫金属上被进一步转化，提高系统转化效果。

4.本发明在常温常压下即可正常工作，不需要成本昂贵的温控设备；能根据实际要求，增加或减少放电区间体积，调整、控制处理量，该结构所有部件均方便拆装，维修方便。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图中，1.绝缘底座，2.进气口，3.铜基微米孔金属棒，4.铜网，5.石英管， 6.泡沫金属，7.CO吸附材料，8.O₂分离膜，9.负压吸引器，10.第一气体单向阀， 11.第二气体单向阀。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图；对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；显然；所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例；而不是全部的实施例，基于本发明中的实施例；本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例；都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“顶/ 底端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“设置有”、“套设/接”、“连接”等，应做广义理解，例如“连接”，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

如图1所示，本发明提供了一种CO₂制氧装置，包括DBD放电等离子体生成装置、CO分离腔、O₂分离腔；

所述DBD放电等离子体生成装置内设置有泡沫金属6；

所述一氧化碳分离腔内填充有CO吸附材料7；

所述O₂分离腔内设置有O₂分离膜8，所述O₂分离膜8将所述O₂分离腔分割为上腔体和下腔体，所述上腔体内设置有负压吸引器9和第一气体单向阀10，所述下腔体内设置有第二气体单向阀11。

在本发明中，所述DBD放电等离子体生成装置包括石英管5、内置于所述石英管5内的铜基微米孔金属棒3、贴覆于所述石英管5外表面的铜网4、设置于所述石英管5左端的绝缘底座1；

所述铜基微米孔金属棒3连接高频电源，所述铜网4接地，所述石英管5 作为阻挡介质。

在本发明中，所述铜基微米孔金属棒3为末端作倒角处理的圆柱体，内部为海绵状多孔结构。

在本发明中，所述多孔结构的孔径大小1～100μm。

在本发明中，所述泡沫金属6为海绵状多孔金属块。

在本发明中，所述多孔金属块的孔径为0.01～1mm。

在本发明中，所述泡沫金属6位于所述铜基微米孔金属棒3末端的右侧，且不接触。

在本发明中，所述泡沫金属6距离所述铜基微米孔金属棒3末端的距离为 5～10mm。

在本发明中，所述CO附材料7为Y型分子筛包覆纳米铜。

在本发明中，所述O₂分离膜为Ag材质的薄膜，其上负载有Al₂O₃。

本发明提供的上述CO₂制氧装置是基于增强型介质阻挡放电等离子装置，该 DBD放电等离子体生成装置一端设置有进气口2，另一端设置有出气口，该DBD 放电等离子体生成装置作为等离子体发生段；

该DBD放电等离子体生成装置的放电气体氛围为纯CO₂、CO₂/Ar混合气体或 CO₂/N₂混合气体，混合气体比例可调，转化气压为0.1kPa～200kPa，转化温度设置为常温；

其中，高频电压为kHz交流源(频率10～30kHz)、重复微秒脉冲源(频率 10～500kHz)、kHz调制电压，电压幅值kV级；

其中，铜基微米孔金属棒3既作为导电金属，又可以作为气流均流装置，还可以加强系统孔隙微放电并增大气固界面表面积，增强催化转化效果；铜基微米孔金属棒3为直径10～30mm，长150～300mm的圆柱体，末端做倒角处理；铜基微米孔金属棒3内部为海绵状多孔结构，孔隙分布均匀，孔径大小1～100 μm，孔径可通过气体分子；

在工质气体进入DBD放电等离子体生成装置后，通过铜基微米孔金属棒3 向周围均匀缓慢流出，在孔间形成微小的气柱，与微孔共同构成众多的微米电晕放电单元。微米孔程不规则形状，具有较多的电场集中点，局部场强可达10^5～6V/m，利于大面积高功率放电电晕或辉光的形成。铜基微米金属棒3微孔表面微观结构呈现阶梯状，能进一步增强放电强度，同时，研究表明，铜基材料对CO₂分解生成CO和O₂具有一定的催化作用，微孔结构和表面阶梯状微观结构有利于增大气固界面面积，扩大催化面积，增强催化效果。铜基微孔金属棒3整体作为高压电极与石英介质、外铜网共同构成增强型介质阻挡放电，放电稳定，利于控制，通过增加放电强度，使大量CO₂基态、振动态分子电离生成CO₊₂，在负辉区结束段、正柱区以及低电子温度区，诱导CO₊₂与低能电子复合分解，从而产生氧气，这种反应路径避免了电子直接碰撞CO₂裂解产生O₂，后者对能量的需求更高；

其中，绝缘底座1开设有长20mm～35mm，直径2～5mm的开口，用于将铜基微米孔金属棒3的导电金属引出，连接高压电极；

其中，铜网4长度100～250mm，目数20～200目；石英管内径16～36mm，壁厚1～5mm；

其中，泡沫金属6为直径16～36mm，厚3～10mm的海绵状多孔金属块，孔隙分布均匀，孔径0.01～1mm，泡沫金属6距离微米孔金属棒末端5～10mm，避免悬浮电极与微米孔金属棒3发生放电；

其中，采用泡沫金属6的主要目的有以下几点：首先，泡沫金属6的微孔为毫米级，能使转换后的气体快速通过。其次，泡沫金属6的材料和微观表面结构与铜基微米孔金属棒3一致，也具有一定的催化作用；放电区域中大量气体分子被激活，生成振动激发态、电子激发态、分子离子等，这类物质的寿命多在毫米级，部分未在放电区域发生转化的活性粒子会随着气流进入泡沫金属区，并在金属表面发生第二次转化，这一部分的转化产物除了少量的O₂和CO产生外，也会有一些沉积C附着于泡沫金属上，避免对后续CO分离吸附材料造成污染，泡沫金属需要在使用一定时间后进行更换；

其中，CO吸附材料7设置为直径80mm，长200mm的圆柱体，完全贴合CO 分离部分石英管内壁，CO分离部分石英管壁厚5mm；吸附材料为Y型分子筛包覆纳米铜，实现将CO从混合物中分离；

其中，O₂分离腔为外边长为200mm的正方体石英腔，腔体壁厚5mm；内部固定O₂分离膜8，膜设置为边长为190mm的正方体薄膜，膜材料为Ag，载体为Al₂O_3；

上腔体设置负压吸引器9，上下腔体压差设置50Pa；上下腔体别设置第一气体单向阀10和第二气体单向阀11，排气阀压力设置为kPa级；上下腔体体积比为3：7；

在负压吸引器9作用下，形成压差，气体在压差作用下向O₂分离部分上部运动，O₂分子可缓慢通过Ag膜到达上部，CO₂分子被截留在下部，从而实现气体分离；

其中，在CO分离腔内利用Y型分子筛包覆纳米铜对产物气体中CO进行吸附，并在一定工作时长后进行变压解吸。剩余气体成分为O₂和CO₂；

其中，在O₂分离腔利用Ag-Al₂O₃构成的O₂分离膜8对腔室进行分割，利用 O₂密度比CO₂小，O₂上浮的基本原理进行初步分离；O₂分子在负压吸引器9产生的负压作用下通过O₂分离膜达到O₂分离部分上部，CO₂留于O₂分离部分下部；当气体气压达到预定值，通过气体单向阀排出。

以上所述；仅为本发明较佳的具体实施方式；但本发明的保护范围并不局限于此；任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内；根据本发明的技术方案及其改进构思加以等同替换或改变；都应涵盖在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种CO₂制氧装置，其特征在于，包括DBD放电等离子体生成装置、CO分离腔、O₂分离腔；

所述DBD放电等离子体生成装置依次与所述一氧化碳分离腔的侧壁和所述O₂分离腔的底部相连通；

所述DBD放电等离子体生成装置内设置有泡沫金属；

所述一氧化碳分离腔内填充有CO吸附材料；

2.根据权利要求1所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述DBD放电等离子体生成装置包括石英管、内置于所述石英管内的铜基微米孔金属棒、贴覆于所述石英管外表面的铜网、设置于所述石英管左端的绝缘底座；

3.根据权利要求2所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述铜基微米孔金属棒为末端作倒角处理的圆柱体，内部为海绵状多孔结构。

4.根据权利要求3所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述多孔结构的孔径大小1～100μm。

5.根据权利要求1所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述泡沫金属为海绵状多孔金属块。

6.根据权利要求5所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述多孔金属块的孔径为0.01～1mm。

7.根据权利要求2所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述泡沫金属位于所述铜基微米孔金属棒末端的右侧，且不接触。

8.根据权利要求7所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述泡沫金属距离所述铜基微米孔金属棒末端的距离为5～10mm。

9.根据权利要求1所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述CO吸附材料为Y型分子筛包覆纳米铜。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的一种CO₂制氧装置，其特征在于，所述O₂分离膜为Ag材质的薄膜，其上负载有Al₂O₃。