CN114515494B - 具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统和方法。该系统包括：依次连接的空气输送装置、空气分配装置和内置高CO2吸附容量变湿吸附剂的CO2吸附装置，CO2吸附装置带有喷淋装置；价态离子筛分装置；酸碱摆动再生装置；CO2再生装置。本发明可以在常温常压下，消耗无法入电网的电能即可将空气浓度的CO2分布富集至95％浓度的CO2，供于工业应用或者生物应用。本发明系统可精准控制再生过程，分布提升二氧化碳浓度，有效降低直接空气二氧化碳捕集系统的能耗。

Description

具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统和方法
技术领域
本发明涉及直接空气捕集二氧化碳技术领域，具体涉及一种具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统和方法。
背景技术
目前，大气中二氧化碳浓度已经超过417ppm，且以2ppm每年的速度逐年升高。二氧化碳捕集与利用(CCUS)技术被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖最经济、最可行的方法。该技术的规模化应用将有助于在短期内大幅削减二氧化碳排放量，有效缓解温室效应。
直接空气捕集(DAC)二氧化碳技术是一种重要的CCUS技术，也是一种不可或缺的负排放技术。
目前，直接空气捕集二氧化碳技术主要包括高温化学吸收法和低温固体吸附法。
高温化学吸收法的工作原理是利用碱性吸收剂吸收CO2，随后吸收剂经过与氢氧化钙反应生成碳酸钙沉淀，并再生出碱液吸收剂，碳酸钙加热至高达900℃的温度再生氧化钙用于再生氢氧化钙，同时解吸出高纯度的二氧化碳。
低温固体吸附法一般利用固体吸附剂吸附空气的二氧化碳，然后利用一定温度的蒸汽再生吸附剂和脱附CO2，该再生过程一般也需要高于100℃的水蒸气再生吸附剂和CO2。
目前，直接空气捕集技术由于将空气中二氧化碳浓度的400ppm直接一步提升至95％浓度的过程，使得空气捕集技术需要较密集的能量，导致直接空气捕集的成本较高。同时，存在着再生过程的操作操作复杂和设备体积也较大。
随着可再生能源的快速发展，出现了可再生的电能出现过剩和存储困难的相关问题。
电化学生产碱液和酸液技术逐渐重新进入学者们的视线。由于电化学系统的设备体积小，再生过程可常温进行。通过仅消耗可再生能源的再生过程，获得高纯度的二氧化碳，然后制作成产品。
目前报道的电化学再生系统，其理论能耗值仍处于较高水平。而且，实际运行过程中还存在着不同操作运行条件，会造成再生过程的能耗增加很多。例如，在碱液未完全吸收二氧化碳或者仅仅吸收很少量的二氧化碳条件下，通过加酸再生二氧化碳过程将会中和未反应的碱，造成了能量的大量浪费。
因此，实现耦合电化学再生系统和捕集系统的再生过程的可实现分布提升二氧化碳浓度，系统的再生过程精准控制可有效提升能量的利用率和工况变化。
发明内容
鉴于现有直接空气捕集技术实际运行过程的温度高、能耗高、成本高问题，本发明提供了一种具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，可以在常温常压下，消耗无法入电网的电能即可将空气浓度的CO2(400ppm)分布富集至95％浓度的CO2，供于工业应用或者生物应用。本发明系统可精准控制再生过程，分布提升二氧化碳浓度，有效降低直接空气二氧化碳捕集系统的能耗。大规模推广应用将有助于降低大气中的CO2排放，系统过程中的碳足迹低。
一种具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，包括：
依次连接的空气输送装置、空气分配装置和内置高CO2吸附容量变湿吸附剂的CO2吸附装置，CO2吸附装置带有喷淋装置；
价态离子筛分装置，采用可供OH-穿过而阻止CO3 2-穿过的不同价态离子筛分阴离子膜和阳离子膜交替排列，两侧采用阳极板、阴极板形成恒定电场；价态离子筛分装置中，脱除OH-的腔室接收CO2吸附装置流出的解吸液，其出口流出富含CO3 2-的富液进入CO2再生装置，接收OH-的腔室出口与酸碱摆动再生装置连接；
酸碱摆动再生装置，采用酸碱摆动再生系统，用于浓缩碱液同时产生酸液，浓缩的碱液出口与喷淋装置连接，产生的酸液进入CO2再生装置与富含CO3 2-的富液反应产生CO2气体，或部分进入CO2再生装置与富含CO3 2-的富液反应产生CO2气体，部分用于提浓得到浓缩酸液；
CO2再生装置，其中完成CO2再生后的酸液进入价态离子筛分装置接收OH-的腔室，或部分进入离子筛分装置接收OH-的腔室，部分进入酸碱摆动再生装置。
在一优选例中，CO2吸附装置中的高CO2吸附容量变湿吸附剂包括季铵化或季磷化的树脂、木质素、活性炭、分子筛、金属有机骨架中的至少一种，其具有喷淋碱液或水溶液释放CO2的功能，形式可以是固体吸附剂，包括碱性离子交换树脂、负载胺基的分子筛、负载胺基的金属有机骨架、负载胺基的活性炭等等，以颗粒或者膜等形式布置，或者也可以直接利用吸收塔装置喷淋碱液吸收。
所述具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其电化学再生系统包括价态离子筛分装置、酸碱摆动再生装置和CO2再生装置，电化学再生系统可作为中央处理单元耦合多个捕集单元，形成连续的模块化的精准控制的系统，易于放大规模，其中捕集单元包括CO2吸附装置、空气输送装置和分配装置。
所述具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其原理是利用酸碱摆动理论来实现二氧化碳吸附和释放，将空气中400ppm的二氧化碳先在吸附剂上提纯至1％～5％，在下一步利用电化学系统提纯至95％以上。
喷淋装置喷淋的碱液中优选包括有机胺，氢氧化钠，氢氧化钾，磷酸盐，硫酸盐中的至少一种，且氢氧根离子含量优选为0.1～3mol/L。
所述具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其节能性在于价态离子筛分装置的能耗远低于酸碱摆动再生装置，价态离子筛分装置可从碳酸根和氢氧根混合溶液中选择性筛分出高浓度的OH-，取代原来的与酸液中和的方式，实现碱液的再利用和酸液的存储，进而实现节能效果。
在一优选例中，CO2吸附装置流出的解吸液中碳酸根离子浓度为0.1～1mol/L，氢氧根离子浓度为0.05～2mol/L。
在一优选例中，价态离子筛分装置中依据溶液处理量来设计结构参数，当溶液处理量为1升时：
阴离子膜(11)的层数为1～30层，单张阴离子膜面积为100～1000cm2；
价态离子筛分装置(5)的一个基础单元由阴极板(8)、隔板、阳离子膜(10)、隔板、阴离子膜(11)、隔板、阳离子膜(10)、隔板、阳极板(9)组成；
阴极板(8)材料包括钛钌铱电极、碳电极、不锈钢电极中的至少一种；
阳极板(9)材料包括钌铱涂层、铅板、不锈钢电极中的至少一种；
价态离子筛分装置(5)中采用的溶液包括铁氰化钾，醌类有机物，有机胺，氢氧化钠，氢氧化钾，磷酸盐，硫酸盐中的至少一种；
阳离子膜(10)采用聚全氟乙烯磺酸基阳离子交换膜、聚苯乙烯磺酸膜中的至少一种。
价态离子筛分装置中的不同价态离子筛分阴离子膜可通过商业途径购买得到，如日本ASTOM公司ACS阴离子筛分膜、日本旭硝子AGC公司ASVN阴离子筛分膜、德国Fumatech公司FAP阴离子筛分膜等。
本发明还提供了一种具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能方法，利用所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统；
所述具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能方法包括：
空气经CO2空气输送装置、CO2分配装置进入CO2吸附装置，在CO2吸附装置中吸附分离出CO2后排出；
喷淋装置喷淋碱液，与高CO2吸附容量变湿吸附剂吸附的CO2反应解吸，所得含有碳酸根离子和氢氧根离子的解吸液进入价态离子筛分装置，脱除氢氧根离子后进入CO2再生装置与pH＝2～5的酸液反应，收集生成的CO2气体；
CO2再生装置中反应后的酸液进入价态离子筛分装置，或部分进入价态离子筛分装置，部分进入酸碱再生装置；
进入价态离子筛分装置的酸液接收氢氧根离子后进入酸碱再生装置，再生的碱液进入喷淋装置，再生的酸液进入CO2再生装置，或部分进入CO2再生装置，部分用于提浓得到浓缩酸液。
本发明中，再生所需要的酸的浓度远低于喷淋时碱液的浓度，因此在废酸进入价态离子筛分装置后仅消耗很少量的碱，可实现系统的溶液循环，不产生废水。
CO2吸附装置的解吸液流出后，即可进入下一个空气吸附循环，可利用空气将吸附剂吹扫干，并伴随着吸收CO2，进行直接空气捕集与再生过程。
在一优选例中，价态离子筛分装置的一个基础单元工作电压为1.5～5V，工作电流为0.1～10A，工作温度为5～70℃。
在一优选例中，酸碱摆动再生装置的一个基础单元的工作电压为3～10V，工作电流为0.1～10A，工作温度为5～70℃。
CO2吸附装置可实现CO2浓度由400～2000ppm提升至1％～5％，CO2再生装置生成的CO2气体纯度则可进一步提升至大于95％。
本发明与现有技术相比，主要优点包括：
1、本发明工艺简单易行，设备体积较小，易与直接捕集系统和电化学系统耦合。
2、本发明工艺新颖，能够实现常温常压下回收未与CO2反应的氢氧根，节省直接二氧化碳捕集过程中的碱液再生能耗。
3、整个收集CO2的工艺，与现行的工艺相比，可实现常温常压下操作，仅利用可再生能源的电能实现CO2捕集，整个过程的碳足迹很小，对环境友好。
附图说明
图1为实施例具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统的示意图；
图2为实施例价态离子筛分装置的示意图；
图中：空气输送装置1，空气分配装置2，CO2吸附装置3，喷淋装置4，价态离子筛分装置5，酸碱摆动再生装置6，CO2再生装置7，阴极板8，阳极板9，阳离子膜10，不同价态离子筛分阴离子膜11，脱除OH-的腔室12，接收OH-的腔室13。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。下列实施例中未注明具体条件的操作方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。
如图1所示，本实施例具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统包括：
依次连接的空气输送装置1、空气分配装置2和内置高CO2吸附容量变湿吸附剂的CO2吸附装置3，CO2吸附装置3带有喷淋装置4；
价态离子筛分装置5，如图2所示，采用可供OH-穿过而阻止CO3 2-穿过的不同价态离子筛分阴离子膜11和阳离子膜10交替排列，两侧采用阳极板9、阴极板8形成恒定电场；价态离子筛分装置5中，脱除OH-的腔室12接收CO2吸附装置3流出的解吸液，其出口流出富含CO3 2-的富液进入CO2再生装置7，接收OH-的腔室13出口与酸碱摆动再生装置6连接；
酸碱摆动再生装置6，采用酸碱摆动再生系统，用于浓缩碱液同时产生酸液，浓缩的碱液出口与喷淋装置4连接，产生的酸液进入CO2再生装置7与富含CO3 2-的富液反应产生CO2气体，或进入CO2再生装置7与富含CO3 2-的富液反应产生CO2气体，部分用于提浓得到浓缩酸液；
CO2再生装置7，其中完成CO2再生后的酸液进入价态离子筛分装置5接收OH-的腔室13，或部分进入价态离子筛分装置5接收OH-的腔室13，部分进入酸碱摆动再生装置6。
具体的：
CO2吸附装置3中的CO2吸附剂可包括季铵化或季磷化的树脂、木质素、活性炭、分子筛、金属有机骨架中的至少一种，饱和吸附容量为0.1～1.2mmol/g。
喷淋装置4喷淋的碱液中氢氧根离子含量为0.1～3mol/L，形式为氢氧化钠溶液。
CO2吸附装置3流出的解吸液中碳酸根离子浓度为0.1～1mol/L，氢氧根离子浓度为0.05～2mol/L。
价态离子筛分装置5中：
不同价态离子筛分阴离子膜11的层数为2～20层，膜面积为100～1000cm2；
阴极板8材料包括钛板钌铱电极、碳电极、不锈钢电极中的至少一种；
阳极板9材料包括钌铱涂层、铅板、不锈钢电极中的至少一种；
阳离子膜10采用聚全氟乙烯磺酸基阳离子交换膜、聚苯乙烯磺酸膜中的至少一种。
价态离子筛分装置5中，在电场力的作用下，氢氧根离子可以较快的速度通过不同价态离子筛分阴离子膜迁移至稀溶液侧，基于选择性离子膜对碳酸根的静电排斥力和孔径筛分选择性强，绝大部分的碳酸根保留在浓溶液侧，实现了两种离子的筛分。
利用上述具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，进行具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能方法，包括：
空气经空气输送装置1、空气分配装置2进入CO2吸附装置3，在CO2吸附装置3中吸附分离出CO2后排出；
喷淋装置4喷淋碱液，与高CO2吸附容量变湿吸附剂吸附的CO2反应解吸，所得含有碳酸根离子和氢氧根离子的解吸液进入价态离子筛分装置5，脱除氢氧根离子后进入CO2再生装置7与pH＝2～5的酸液反应，收集生成的CO2气体；
CO2再生装置7中反应后的酸液进入价态离子筛分装置5，或部分进入价态离子筛分装置5，部分进入酸碱摆动再生装置6；
进入价态离子筛分装置5的酸液接收氢氧根离子后进入酸碱摆动再生装置6，再生的碱液进入喷淋装置4，再生的酸液进入CO2再生装置7，或部分进入CO2再生装置7，部分用于提浓得到浓缩酸液。
具体的：
价态离子筛分装置5包含10个基础单元，一个基础单元工作电压为1.5～5V，工作电流为0.1～10A，工作温度为5～70℃。
酸碱摆动再生装置6的包含10个基础单元，一个基础单元的工作电压为3～10V，工作电流为0.1～10A，工作温度为5～70℃。
CO2再生装置7生成的CO2气体纯度大于95％，可经压缩制成产品供商业应用。
本发明的价态离子筛分装置5可分离碳酸根和氢氧根离子，控制富液中的氢氧根含量，降低系统能耗的方法，CO2吸附装置3内采用二氧化碳吸附材料先将空气中的二氧化碳浓度提升至与烟气浓度相当后利用碱液喷淋将二氧化碳提升至95％浓度以上。本发明工艺流程简单易行，整体的设备体积小，可精准控制富液和贫液浓度，进而提升系统性能，降低能量消耗，有利于直接空气捕集CO2技术向商业推广。
此外应理解，在阅读了本发明的上述描述内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

Claims (9)

1.一种具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其特征在于，包括：
依次连接的空气输送装置（1）、空气分配装置（2）和内置高CO2吸附容量变湿吸附剂的CO2吸附装置（3），CO2吸附装置（3）带有喷淋装置（4）；CO2吸附装置（3）中的高CO2吸附容量变湿吸附剂包括季铵化或季磷化的树脂、木质素、活性炭、分子筛、金属有机骨架中的至少一种，其具有喷淋碱液或水溶液释放CO2的功能；
价态离子筛分装置（5），采用可供OH-穿过而阻止CO3 2-穿过的不同价态离子筛分阴离子膜（11）和阳离子膜（10）交替排列，两侧采用阳极板（9）、阴极板（8）形成恒定电场；价态离子筛分装置（5）中，脱除OH-的腔室（12）接收CO2吸附装置（3）流出的解吸液，其出口流出富含CO3 2-的富液进入CO2再生装置（7），接收OH-的腔室（13）出口与酸碱摆动再生装置（6）连接；
酸碱摆动再生装置（6），采用酸碱摆动再生系统，用于浓缩碱液同时产生酸液，浓缩的碱液出口与喷淋装置（4）连接，产生的酸液进入CO2再生装置（7）与富含CO3 2-的富液反应产生CO2气体，或部分进入CO2再生装置（7）与富含CO3 2-的富液反应产生CO2气体，部分用于提浓得到浓缩酸液；
CO2再生装置（7），其中完成CO2再生后的酸液进入价态离子筛分装置（5）接收OH-的腔室（13），或部分进入价态离子筛分装置（5）接收OH-的腔室（13），部分进入酸碱摆动再生装置（6）。
2.根据权利要求1所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其特征在于，其电化学再生系统包括价态离子筛分装置（5）、酸碱摆动再生装置（6）和CO2再生装置（7），电化学再生系统可作为中央处理单元耦合多个捕集单元，形成连续的模块化的精准控制的系统，易于放大规模，其中捕集单元包括CO2吸附装置（3）、空气输送装置（1）和空气分配装置（2）。
3.根据权利要求1所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其特征在于，其原理是利用酸碱摆动理论来实现二氧化碳吸附和释放，将空气中400ppm的二氧化碳先在吸附剂上提纯至1%~5%，在下一步利用电化学系统提纯至95%以上。
4. 根据权利要求1所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其特征在于，喷淋装置（4）喷淋的碱液中包括有机胺，氢氧化钠，氢氧化钾，磷酸盐，硫酸盐中的至少一种，且氢氧根离子含量为0.1~3 mol/L。
5. 根据权利要求1所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其特征在于，CO2吸附装置（3）流出的解吸液中碳酸根离子浓度为0.1~1 mol/L，氢氧根离子浓度为0.05~2 mol/L。
6.根据权利要求1所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统，其特征在于，价态离子筛分装置（5）中，依据溶液处理量来设计结构参数，当溶液处理量为1升时：
阴离子膜（11）的层数为1~30层，单张阴离子膜面积为100~1000 cm2；
价态离子筛分装置（5）的一个基础单元由阴极板（8）、隔板、阳离子膜（10）、隔板、阴离子膜（11）、隔板、阳离子膜（10）、隔板、阳极板（9）组成；
阴极板（8）材料包括钛钌铱电极、碳电极、不锈钢电极中的至少一种；
阳极板（9）材料包括钌铱涂层、铅板、不锈钢电极中的至少一种；
价态离子筛分装置（5）中采用的溶液包括铁氰化钾，醌类有机物，有机胺，氢氧化钠，氢氧化钾，磷酸盐，硫酸盐中的至少一种；
阳离子膜（10）采用聚全氟乙烯磺酸基阳离子交换膜、聚苯乙烯磺酸膜中的至少一种。
7.一种具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能方法，其特征在于，利用权利要求1~6任一权利要求所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能系统；
所述具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能方法包括：
空气经空气输运装置（1）、空气分配装置（2）进入CO2吸附装置（3），在CO2吸附装置（3）中吸附分离出CO2后排出；
喷淋装置（4）喷淋碱液，与高CO2吸附容量变湿吸附剂吸附的CO2反应解吸，所得含有碳酸根离子和氢氧根离子的解吸液进入价态离子筛分装置（5），脱除氢氧根离子后进入CO2再生装置（7）与pH=2~5的酸液反应，收集生成的CO2气体；
CO2再生装置（7）中反应后的酸液进入价态离子筛分装置（5），或部分进入价态离子筛分装置（5），部分进入酸碱摆动再生装置（6）；
进入价态离子筛分装置（5）的酸液接收氢氧根离子后进入酸碱摆动再生装置（6），再生的碱液进入喷淋装置（4），再生的酸液进入CO2再生装置（7），或部分进入CO2再生装置（7），部分用于提浓得到浓缩酸液。
8. 根据权利要求7所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能方法，其特征在于，价态离子筛分装置（5）的一个基础单元工作电压为1.5~5 V，工作电流为0.1~10 A，工作温度为5~70℃。
9. 根据权利要求7所述的具有精准离子控制的直接空气捕集二氧化碳节能方法，其特征在于，酸碱摆动再生装置（6）的一个基础单元的工作电压为3~10 V，工作电流为0.1~10A，工作温度为5~70℃。
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