CN114190206A - 分布式co2气体肥料发生装置及co2捕获方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种分布式CO₂气体肥料发生装置，其包括太阳能光伏电站、温室大棚和膜式CO₂泵。通过在太阳能发电器的能源驱动下，从大气中选择性捕获CO₂气体，并将其作为气体肥料用于大棚作物生产。

Description

分布式CO2气体肥料发生装置及CO2捕获方法

技术领域

本发明涉及农业肥料技术领域，具体涉及一种从大气中分离CO₂用于农业温室大棚种植的气体肥料发生装置。

背景技术

CO₂是农作物生长必不可少的因素，根据不完全统计，在植物生长过程中最适宜光合作用的CO₂浓度为1000μmol/mol(1000ppm)。尽管工业革命以来，大气CO₂持续增加对全球生态带来了巨大影响，但是距离植物生长的适宜CO₂浓度，仍然具有不小的差距。

最近几十年来，为了促进园艺作物和大棚作物的品质和产量，在设施园艺和温室大棚栽培中，增加CO₂浓度已经被广泛的应用。具体地讲，CO₂对植物生长的重要作用体现在以下几个方面：(1)对植物光合作用的作用；(2)CO₂对植物水分蒸腾作用及利用率的影响；(3)CO₂对植物光呼吸影响；(4)CO₂对植物生长发育及物质生产的影响。

现阶段，设施条件下(如温室大棚等)增施CO₂气肥的方法包括：通风透气法、生物施肥法、燃烧施肥法、酸反应施肥法、固体施肥法和高压钢瓶供气法等。

通风透气法：是调节CO₂浓度最常用的方法，此方法没有任何成本，只需要打开大棚的通风口，但CO₂浓度只能勉强达到大气中CO₂浓度，还不能达到植物生长所需要的浓度。此方法主要受温度的影响较大，在北方的早春和冬天通风会降低棚内温度造成冻害。所以在温度条件允许的情况下，尽量延长棚室内外的通风时间，可以改善棚室内CO₂的浓度。

生物施肥法：生物施肥法是是目前保护地内增施CO₂的有效措施，利用生物肥料的生理生化作用生产CO₂气体。应用时，在定植前施足有机底肥，或在棚室内放置缸盆，内放豆饼或动物皮毛、蹄角、人粪尿等，利用棚室高温使其自然发酵，缓慢释放出CO₂气体。也可在棚内建沼气池，在棚内点燃沼气，既可提供一定的热量又可产生CO2气体。增施有机肥就是一种生物施肥法，微生物分解可以使有机肥释放CO₂气体。生物施肥法虽然可以将废物利用，但此方法释放CO₂的有效时间比较集中，浓度不易被控制，并且该方法在发酵过程中易产生氨气，污染环境。

燃烧施肥法：燃烧施肥法是在大棚中通过燃烧煤、煤油、天然气、石油、干粪便等直接产生CO₂气体。通常1L煤油燃烧可放出2.5kg CO₂气体，lkg天然气燃烧可产生3kg CO₂气体。运用此法补充CO₂的同时，还能适当补充热量，但此法容易产生二氧化硫、一氧化碳等有害气体，同时此法还容易产生明火，大棚内应尽量避免有明火产生。

酸反应施肥法：酸反应施肥法是一种化学方法反应生成CO₂气体。该施肥法一般用碳酸盐与硫酸、盐酸、硝酸等进行化学反应，进而产生CO2气体，实践生产中通常使用碳酸氢铵与稀硫酸反应或碳酸钙与稀盐酸反应这两种反应形式。碳酸氢铵与稀硫酸反应，生成CO₂气体和硫酸铵，硫酸铵又为优质氮肥，所以该反应的两种产物其一可以作为气肥供植物利用，产物其二可以直接施入土壤。碳酸钙与稀盐酸反应，生成CO₂气体和氯化钙。酸反应施肥法虽然现阶段比较常用但有持续时间短、成本高、费工费时等缺陷。

固体颗粒施肥法：固体颗粒肥料是碳酸钙、有机酸、无机酸在高温高压下挤成直径1cm左右的圆形颗粒，或是成品白色固态CO₂气肥。施用土壤后遇水，会慢慢释放出CO₂气体。一般每粒为10g可产气35天左右。在室内每1m²放置1粒，埋入土中3～4cm处，保持土壤湿润。一般每亩施用40～50kg，一次性投施，可连续40天不断放CO₂气体。此方法受土壤及大棚内湿度影响较大，并且释放CO₂的量不容易控制，无论白天还是晚上，不管CO₂浓度是否亏缺都会不间断产生CO₂气体。

高压钢瓶供气法：采取灌装CO₂气体物理释放，利用钢瓶盛装液态二氧化碳，再通过减压阀门控制气体流量，在CO2气体亏缺的情况下释放，人为控制释放量以及释放地点。但是这种方法收到CO₂气体来源的限制，如果就近没有CO₂气源，将会带来运输成本增加和使用不便等缺点。

鉴于现有技术存在的各种弊端，而CO₂对设施作物抗病能力增强，提高果实品质和増产具有良好的作用，以及目前气肥施放方式的不足，迫切需要一种易于获得、且可定时、定量调控的CO₂气肥发生装置。

发明内容

本发明的目的提出一种利用膜式CO₂泵进行气肥发生的思路，通过在太阳能发电器的能源驱动下，从大气中选择性捕获CO₂气体，并将其作为气体肥料用于大棚作物生产。

为解决上述技术问题，本发明提供一种分布式CO₂气体肥料发生装置，其包括太阳能光伏电站、温室大棚和膜式CO₂泵。

其中，太阳能光伏电站与膜式CO₂泵通过电缆连接，温室大棚通过管道与膜式CO₂泵连接。

其中，膜式CO₂泵包括膜式浓缩器、离子化溶剂储罐、离子化溶剂循环泵、膜式解吸器。

其中，所述膜式浓缩器与离子化溶剂储罐通过管道连接、离子化溶剂储罐与离子化溶剂循环泵连接、膜式解吸器与离子化循环泵连接、膜式解吸器与膜式浓缩器通过管道连接、膜式浓缩器通过管道与温室大棚连接。

其中，所述膜式浓缩器的形式可以为板式膜、卷式膜或中空纤维膜。

其中，所述膜式解吸器可以为板式膜和卷式膜。

其中，所述模式浓缩器中装有离子化溶剂，所述离子化溶剂包括碳酸钾、氢氧化钾以及离子液体，构成混合水溶液。

本发明还提供采用上述分布式CO₂气体肥料发生装置捕获CO₂的方法，其包括：

第一步，太阳能光伏电站提供电能能源给膜式CO₂泵；

第二步，外界空气通过管道进入到膜式CO₂泵，与离子化溶剂接触，CO₂负载在离子化溶液中送入膜解吸器中，在外加电场作用下变成CO₂逸出；

第三步，逸出的CO₂作为气肥送入温室大棚。

本发明的有益效果

本发明利用膜式CO₂泵进行气肥发生的思路，通过在太阳能发电器的能源驱动下，从大气中选择性捕获CO₂气体，并将其作为气体肥料用于大棚作物生产。

附图说明

图1基于膜式CO₂泵的分布式气肥发生装置结构图。

具体实施方式

本发明提供一种分布式CO₂气体肥料发生装置，其包括太阳能光伏电站、温室大棚和膜式CO₂泵。

空气通过管道进入到膜式CO₂泵，太阳能光伏电站与膜式CO₂泵通过电缆连接，温室大棚通过管道与膜式CO₂泵连接。膜式CO₂泵、太阳能光伏电站和温室大棚均安装在地面上。

膜式CO₂泵包括膜式浓缩器、离子化溶剂储罐、离子化溶剂循环泵、膜式解吸器。

所述膜式浓缩器与离子化溶剂储罐通过管道连接、离子化溶剂储罐与离子化溶剂循环泵连接、膜式解吸器与离子化循环泵连接、膜式解吸器与膜式浓缩器通过管道连接、膜式浓缩器通过管道与温室大棚连接。

来自外界的空气通过管道与膜式浓缩器连接。

所有管道上均设有阀门。

在膜式浓缩器中盛装有通过离子化溶剂，外界空气通过管道进入到膜式浓缩器，与离子化溶剂接触，离子化溶剂提供OH^-，OH^-与空气中的CO₂发生如下反应。

随后，反应完后的离子化溶剂流入离子化溶剂储罐，通过离子化循环泵将负载CO₂的离子化溶剂送入膜解吸器，在外加电场的作用下，HCO₃ ^-通过选择性离子透过膜，与离子化溶剂中含有的水在电场中电力产生的H⁺结合，变成CO₂逸出，逸出的CO₂作为气肥送入温室大棚，OH^-继续循环吸收CO₂。

所述离子化溶剂包括碳酸钾、氢氧化钾以及离子液体，构成混合水溶液，上述三种组分浓度不能同时为0。

其中，碳酸钾在离子化溶剂中的浓度范围优选为0-15％wt。

其中，氢氧化钾在离子化溶剂中的浓度范围优选为0-20％wt。

其中，离子液体的种类可以为[bmim][BF₄]、[omim][PF₆]、[omim][BF₄]、[bmim][Tf₂N]等，浓度范围为0-10％wt。

所述膜式浓缩器的形式可以为：板式膜，结构为两块带有导流板的支撑板中间夹住涂有有效层的膜，吸收液和二氧化碳分别流经膜的上、下表面；卷式膜，结构与板式膜类似，但支撑板采用柔性材料，整体卷曲成螺旋状；中空纤维膜，结构分为管程和壳程，管程为一定数量微管膜丝，壳程为带折流板的圆管，吸收液流经管程，二氧化碳流经壳程，或二者互换。

如采用板式膜，有效层厚度优选为10-200微米，膜材料为无机材料或有机材料，无机材料优选为ZSM-5分子筛，有机材料优选为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺。

卷式膜为板式膜的优化结构，膜材料有效层与板式膜相同。

中空纤维膜的膜丝材料可以为聚丙烯、聚醚砜、聚偏氟乙烯、氧化铝陶瓷，膜丝尺寸为内径优选0.2-1微米，外径优选0.4-2微米。

膜丝材料以聚丙烯酸进行表面改性。

所述膜式解吸器的形式可以为板式膜和卷式膜。板式膜解吸器由电极板、端板、双极膜、阴/阳离子交换膜、隔板和隔网组成，具体结构为：端板分布在模板两侧，电极嵌在端板内侧，中间夹住数个到数十个解吸单元，每个单元由一张双极膜和一张阴/阳离子交换膜组成，每张膜之间用隔板和隔网隔开卷式膜解吸器为板式膜的优化结构，将整体卷成螺旋状，膜组件与板式膜相同。

其中，电极板为钛凃钌铱涂料电极板，端板为有机玻璃材料，双极膜和阴/阳离子交换膜基膜材料有聚乙烯、聚四氟乙烯、聚乙烯醇等，隔板和隔网材料为氟橡胶。

所述膜式CO₂泵所有装置使用能源均使用24V～48V的电能，能源来自太阳能产生的电能。

本发明提供的分布式CO₂气体肥料发生装置能高效从大气中分离CO₂气体，与其他从大气中分离CO₂的方法相比具有显著优于其它分离方式的效果。

以下采用实施例和附图来详细说明本发明的实施方式，借此对本发明如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。

如图1所示，本发明提供的分布式CO₂气体肥料发生装置，其包括太阳能光伏电站1、温室大棚2和膜式CO₂泵3。太阳能光伏电站与膜式CO₂泵3通过电缆连接，温室大棚2通过管道与膜式CO₂泵1连接。

膜式CO₂泵包括膜式浓缩器4、离子化溶剂储罐5、离子化溶剂循环泵6、膜式解吸器7。

所述膜式浓缩器4与离子化溶剂储罐5通过管道连接、离子化溶剂储罐5与离子化溶剂循环泵6连接、膜式解吸器7与离子化循环泵6连接、膜式解吸器7与膜式浓缩器4通过管道连接、膜式浓缩器4通过管道与温室大棚1连接。

上述装置具体的工作方式如下：太阳能光伏电站1提供电能能源给膜式CO2泵3；空气流通过管道进入到膜式CO2泵的膜式浓缩器4，在膜式浓缩器4中盛装有通过离子化溶剂，空气流与离子化溶剂接触，离子化溶剂提供OH^-，OH^-与空气中的CO₂发生如下反应。

随后，反应完后的离子化溶剂流入离子化溶剂储罐5，通过离子化循环泵6将负载CO₂的离子化溶剂送入膜解吸器7，在外加电场的作用下，HCO₃ ^-通过选择性离子透过膜，与离子化溶剂中含有的水在电场中电力产生的H⁺结合，变成CO₂逸出，逸出的CO₂作为气肥送入温室大棚1，OH^-继续循环吸收CO₂。

实施例1

采用图1所示分布式CO₂气体肥料发生装置，在电压24V、功率0.75KW的情况下，给温室大棚种植艳丽草莓施用气肥增产。增施CO2气肥大棚草莓盛花期比未施用提早6天，采收期提前5天。可溶性固形物含量比对照增加12.4％，比对比组增加2516kg，增加产量26.7％。

实施例2

采用图1所示分布式CO₂气体肥料发生装置，在电压24V、功率0.8KW的情况下，给温室大棚种植番茄施用气肥增产。增施CO₂气肥后,提高了光合作用强度,植株体内的养分大量积累,促进了番茄的生长发育,优化了各种性状。实验结果表明，使用CO₂气肥后的两块番茄试验田，分别比对照组提高产量36.3％和30.4％,并提前5～7天上市。

实施例3

采用图1所示分布式CO₂气体肥料发生装置，在电压36V、功率1.0KW的情况下，给温室大棚种植的KM183葡萄施用气肥增产。温室内施用CO₂气肥显著提高了KM183葡萄的单果重、果穗重、果实横纵径与叶片厚度；在物候期方面，CO₂气肥使KM183葡萄的成熟期提前18天；温室内施用CO₂气肥使KM183葡萄增产44.4％。

所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本发明新产品属于保留的权利。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例。但是凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种分布式CO₂气体肥料发生装置，其特征在于：包括太阳能光伏电站、温室大棚和膜式CO₂泵。

2.如权利要求1所述分布式CO₂气体肥料发生装置，其特征在于：太阳能光伏电站与膜式CO₂泵通过电缆连接，温室大棚通过管道与膜式CO₂泵连接。

3.如权利要求1或2所述分布式CO₂气体肥料发生装置，其特征在于：膜式CO₂泵包括膜式浓缩器、离子化溶剂储罐、离子化溶剂循环泵、膜式解吸器。

4.如权利要求3所述分布式CO₂气体肥料发生装置，其特征在于：所述膜式浓缩器与离子化溶剂储罐通过管道连接、离子化溶剂储罐与离子化溶剂循环泵连接、膜式解吸器与离子化循环泵连接、膜式解吸器与膜式浓缩器通过管道连接、膜式浓缩器通过管道与温室大棚连接。

5.如权利要求4所述分布式CO₂气体肥料发生装置，其特征在于：所述膜式浓缩器的形式可以为板式膜、卷式膜或中空纤维膜。

6.如权利要求5所述分布式CO₂气体肥料发生装置，其特征在于：所述膜式解吸器可以为板式膜和卷式膜。

7.如权利要求4所述分布式CO₂气体肥料发生装置，其特征在于：所述模式浓缩器中装有离子化溶剂，所述离子化溶剂包括碳酸钾、氢氧化钾以及离子液体，构成混合水溶液。

8.采用权利要求1至7任一项所述分布式CO₂气体肥料发生装置捕获CO₂的方法，其特征在于，包括：

第一步，太阳能光伏电站提供电能能源给膜式CO₂泵；

第二步，外界空气通过管道进入到膜式CO₂泵，与离子化溶剂接触，CO₂负载在离子化溶液中送入膜解吸器中，在外加电场作用下变成CO₂逸出；

第三步，逸出的CO₂作为气肥送入温室大棚。

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