CN1924100B - 一种同时生产H2、FeCO3的热电联供方法及其装置 - Google Patents

Abstract

一种同时生产H₂、FeCO₃的热电联供装置，属电池技术领域，用于解决二氧化碳的利用问题。它以石墨为电池阴极、废旧钢铁为电池阳极，外加电源分别与两块石墨板相连构成外加电场，后者之间设置H⁺选择性膜，电池阳极与阴极之间设置绝缘隔板，将二氧化碳和水不断通入H⁺选择性膜和电场正极板之间，在电场作用下，H⁺向负极板运动，在电池阴极得电子生成氢气；负载端废旧钢铁阳极的铁原子失去电子后与电离后的碳酸氢根反应，生成碳酸亚铁；从负载端石墨阴极和负载端废旧钢铁阳极向外输出电能，废弃的电解液所带热量可以回收供热，废弃的电解液不断被更新。本发明可以将二氧化碳与废旧钢铁等废物变成氢气、电、碳酸亚铁等工业原料。

Description

一种同时生产H2、FeCO3的热电联供方法及其装置

技术领域

本发明涉及一种利用高浓度CO₂和废旧钢铁为原料，既发电又供热，同时产生H₂和FeCO₃的方法及其装置，属电池技术领域。

背景技术

众所周知，全球变暖是当今世界所面临的一个严峻问题，其主要原因是过度消耗能量而排放出大量的CO₂等温室气体。按现有的CO₂排放速率，到21世纪中叶，全球大气中的CO₂浓度将是现在的2倍，故CO₂的减排、转排和贮藏问题受到了世界各国的重视，各种减排方法正在广泛的研究和开发中。

减少CO₂的排放量，对缓解温室效应、解决全球变暖；是十分有意义的。目前人们对CO₂减排技术的研究还不够成熟；减排CO₂的方法主要有：1，溶剂吸收法：溶剂吸收法是最古老，也是已经成熟应用的脱碳方法，分为物理吸收法和化学吸收法。2，把CO₂气体填埋到地下煤层，煤矿矿层普遍含有甲烷，甲烷可以和石油、天然气一样开采。CO₂注入到矿层可以取代甲烷并在煤的表面结合。3，将CO₂注入海底；从理论上说，人工将二氧化碳注入海底或地下对环保有利。将来这种方法可能会使海水变酸，殃及海底微生物。上述一系列有关CO₂抓捕/贮藏技术的可容量，经济效益，实用性以及环境影响性等因素对于大规模的应用来说都是很大的制约。所以引起极大的关注的是：寻求可以实现经济效益和环境影响“双赢”的CO₂减排方法。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种利用电池消耗二氧化碳、并生产多种终端产品的无污染、高效益的方法、即一种同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法。

解决上述技术问题的技术方案是：

一种同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法，它以石墨为电池的阴极、废旧钢铁为电池的阳极，外加电源正负极分别与两块石墨板相连构成外加电场，外加电场正负极板之间设置H⁺选择性膜，电池的阳极与阴极之间设置绝缘隔板，将二氧化碳和水不断通入到H⁺选择性膜和电场正极板之间，二氧化碳与水合成为碳酸，在外加电源电场的作用下，碳酸电离出的H⁺由正极板向负极板运动，透过H⁺选择性膜到达负极板，从而在电池的阴极得电子生成氢气；负载端废旧钢铁阳极的铁原子失去电子后与电离后的碳酸根反应，生成碳酸亚铁；

从负载端石墨阴极和负载端废旧钢铁阳极向外输出电能，废弃的电解液不断被更新，反应为放热反应，废旧电解液的热量可以用来回收供热。

上述同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法，所述壳体下部H⁺选择性膜和电场正极板之间的pH值约在5～6.2，则H⁺的浓度约为6.31×10^-7mol/cm³～11.32×10^-6mol/cm³。

上述同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法，当H⁺浓度为11.32×10^-6mol/cm³，所述电池的输出电压为：E＝ψ(H⁺/H₂)-ψ(Fe²⁺/Fe)＝0.3150V。

上述同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法，将废弃电解液所带热量回收利用，最后将废弃电解液和沉淀物收集、浓缩、脱水后得到工业原料FeCO₃。

一种同时生产H₂、FeCO₃热电联供装置，它由壳体、外加电源、电场石墨电极板、负载端废旧钢铁阳极、负载端石墨阴极、H⁺选择性膜与绝缘材料隔板组成；外加电场在壳体左半部，外加电源的正负极分别于石墨电极板相连接，电极板之间由H⁺选择性膜隔开；电池输出部分在壳体右半部，负载端废旧钢铁阳极在壳体下部，负载端石墨阴极在壳体上部，之间用绝缘隔板隔开；同时绝缘隔板与H⁺选择性膜相连。在壳体下部左侧设有二氧化碳和水的进口，右侧还设有沉淀物排出口；在壳体右上部设有H₂出口。

上述同时生产H₂、FeCO₃热电联供装置，所述壳体为绝缘材料制成，壳体的体积为1～8m³。

上述同时生产H₂、FeCO₃的热电联供装置，所述外加电场正负石墨极板之间的间距为0.8～1.5m，加在这两个极板之间的外加电源电势差为0.1～1.3V。

本发明提供了减排二氧化碳及消化利用废旧钢铁的技术，有利于治理环境污染；所生成的氢气、电和碳酸亚铁，都可以作为工业原料和能源。该发明使二氧化碳资源化，具有非常重要的实用价值。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图中标记如下：壳体1、外加电源2、电场端石墨正极板3、电场端石墨负极板4、H+选择性膜5、负载端废旧钢铁阳极6、负载端石墨阴极7、绝缘隔板8、二氧化碳进口9、水进口10、沉淀物排出口11、气体排出口12、绝缘层13、负载Rf。

具体实施方式

本发明中的二氧化碳、水从二氧化碳进口9和水进口10通入电池的下部，二氧化碳与水合成为碳酸，在外加电源2的电场的电势梯度作用下，碳酸电离出来的H⁺穿过H⁺选择性膜5，由正极板3向负极板4运动，从而加大了碳酸的电离。电场的负极板与电池的阳极板间用绝缘材料隔开，负极板侧运动的H⁺在电池的阴极7得电子生成氢气。负载端废旧钢铁阳极6的铁原子失去电子后与碳酸电离后的碳酸氢根离子反应，生成碳酸亚铁。在电场作用下碳酸电离的H⁺由正极板向负极板运动时，当电池下部的pH值为5时及H⁺的浓度为11.32×10^-6mol/cm³时，FeCO₃的生成速率较大。当H⁺的浓度为11.32×10^-6mol/cm³时，将电池接通，从而H⁺在电池的阴极得电子生成H₂，电池的阳极是Fe失去电子生成Fe²⁺。

1.碳酸的电离：

2.H⁺与HCO₃ ^-，CO₃ ^2-在电场作用下分离，H⁺通过电场作用从阴极透过H⁺选择性膜5到阳极；

3.H⁺在阴极聚集并得电子生成H₂；阳极反应：2H⁺+2e^-→H₂↑

4.由于H⁺的离开；使反应(1.1)向右移动，HCO₃ ^-的浓度增大，从而HCO₃ ^-与阳极反应生成的Fe²⁺反应生成FeCO₃；

阴极反应：Fe⁰→Fe²⁺+2e^-

Fe²⁺+2HCO₃ ^-→FeCO₃↓+CO₂↑+H₂O

因此本电池的总反应为：Fe⁰+CO₂+H₂O→FeCO₃↓+H₂↑。

在上述过程中，电池的输出电压需确定各电极的电极电势，电极电势的大小可以根据能斯特方程式来确定：

能斯特方程：

在298.15K时，R，F等参数取一定值时，上式可变形为：

电解液中Fe2+浓度为：[Fe²⁺]＝2[HCO₃ ^-]＝2[H⁺]＝2×1.18×10^-4＝2.36×10^-4mol/L

因此电池的输出电压为：E＝ψ(H⁺/H₂)-ψ(Fe²⁺/Fe)＝0.3150V

上述反应生成的氢气可以由壳体1上部的气体排出口12排出，利用传统的收集方法来储存，经过进一步处理后达到一定纯度。反应生成的FeCO₃以及废弃的电解液Fe(HCO₃)₂可由底部出口11经泵抽出，经过浓缩沉积处理，生成的高浓度FeCO₃经脱水后送入FeCO₃分解装置；FeCO₃→FeO+CO₂，FeCO₃经加热生成FeO和纯净的CO₂，纯净的CO₂可以用作制冷剂和其他化工原料；FeO在空气中很容易被氧化成Fe₂O₃，Fe₂O₃是非常重要的工业原料。同时，FeO在水蒸汽的作用下也可生成重要的磁性材料Fe₃O₄和纯氢。

依据本发明原理制作的装置示于图1中，它由壳体1、外加电源2、电场端石墨正极板3、电场端石墨负极板4、H⁺选择性膜5、负载端废旧钢铁阳极6、负载端石墨阴极7、绝缘隔板8组成。H⁺选择性膜5、绝缘隔板8、负载端废旧钢铁阳极6、负载端石墨阴极7安装在壳体1内。负载端石墨阴极7设在壳体1内的上部，为电池的阳极。负载端废旧钢铁阳极6设在壳体1内的下部，是电池的阴极。H⁺选择性膜5位于电场石墨正负极板3、4之间，绝缘隔板8位于负载端废旧钢铁阳极6、负载端石墨阴极7之间。电场端石墨负极板4与负载端石墨阴极7之间用绝缘层13隔开。同时，电场石墨正负极板采用绝缘层隔开的目的是隔绝电场负极板，不让离子电极板上得到电子。

在壳体1的下部的一侧分别有二氧化碳进口9和水进口10，在壳体1的下部的另一侧还有沉淀物排出口11，在壳体1上部有气体排出口12，外加电源2的两极分别与电场端石墨正极板3、石墨负极板4相连接形成外加电场。负载端废旧钢铁阳极6为废钢铁制作。

本发明不但能大量消耗二氧化碳，具有显著的社会环保效益，而且在经济上也是非常合算的，这主要体现在在电池运行过程中产生的氢气和碳酸亚铁。具体来说，集中生产低碳或无碳排放的氢燃料费用大约在120元/公斤到1600元/公斤(用于光生物学和光化学的研究)不等。假定氢气的价格是120元/公斤，电池中每吨铁参加反应就有0.036吨氢气的生成，经济收益相当于4320元(见表1)。由于本发明的负载端废旧钢铁阳极可以采用废钢铁，国内市场上每1吨废钢铁的价格大约2000元；反应过程中每吨铁的运费，储藏费以及阳极的制作费加起来是1000元；对FeCO₃的进一步的浓缩需要花费500元，由FeCO₃制成Fe₂O₃又需花费1000元(对于每吨铁而言)；核算下来，每吨铁参加反应的总耗资为(2000+500+1000+1000)＝4500元(见表1)；整个系统的操作费用500元；故整个系统的净收益为1545.72元；纯利率为30.91％(见表1)。

表1

Claims (6)

1.一种同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法，其特征在于，它以石墨为电池的阴极、废旧钢铁为电池的阳极，外加电源正负极分别与两块石墨板相连构成外加电场，外加电场正负极板之间设置H⁺选择性膜，电池的阳极与阴极之间设置绝缘隔板，将二氧化碳和水不断通入到H⁺选择性膜和电场正极板之间，二氧化碳与水合成为碳酸，在外加电源电场的作用下，碳酸电离出的H⁺由正极板向负极板运动，透过H⁺选择性膜到达负极板，从而在电池的阴极得电子生成氢气；负载端废旧钢铁阳极的铁原子失去电子后与电离后的碳酸根反应，生成碳酸亚铁；

从负载端石墨阴极和负载端废旧钢铁阳极向外输出电能，废弃的电解液不断被更新，反应为放热反应，废旧电解液的热量回收供热。

2.根据权利要求1所述的同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法，其特征在于，所述电池下部H⁺选择性膜和电场正极板之间的pH值在5～6.2。

3.根据权利要求1或2所述的同时生产H₂、FeCO₃的热电联供方法，其特征在于，将废弃电解液所带热量回收利用，将废弃电解液和沉淀物收集、浓缩、脱水后得到工业原料FeCO₃。

4.一种同时生产H₂、FeCO₃的热电联供装置，其特征在于，它由壳体、外加电源、电场石墨电极板、负载端废旧钢铁阳极、负载端石墨阴极、H⁺选择性膜与绝缘隔板组成；电场石墨电极板、负载端废旧钢铁阳极、负载端石墨阴极、H⁺选择性膜与绝缘隔板安装在壳体内，负载端废旧钢铁阳极在壳体的右下部，负载端石墨阴极在壳体的右上部，H⁺选择性膜位于电场正负石墨电极板之间，绝缘隔板位于负载端废旧钢铁阳极与负载端石墨阴极之间，同时绝缘隔板与H⁺选择性膜相连；在壳体下部的一侧设有二氧化碳进口和水进口，在另一侧还设有沉淀物排出口，在壳体上部设有H₂排出口。

5.根据权利要求4所述的同时生产H₂、FeCO₃的热电联供装置，其特征在于，所述壳体为绝缘材料制成，壳体的体积为1～8m³。

6.根据权利要求5所述的同时生产H₂、FeCO₃的热电联供装置，其特征在于，所述外加电场正负石墨极板之间的间距为0.8～1.5m，加在这两个极板之间的外加电源电势差为0.1～1.3V。 

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