CN215713422U - 一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及废气处理技术领域，具体公开了一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，包括相互之间通过管道连通的温差发电及CO2收集装置、CO2还原及电控装置、CO和O2收集装置。本实用新型利用工业废气温差供电，且对废气中的二氧化碳进行回收利用；该设备将CO2和水蒸气混合注入阴极室，从而使得高浓度的CO2和低浓度的水蒸气阻碍催化剂与液态水的直接接触，减少了CO2质量扩散的限制，使得CO2被吸附到涂有Ni‑NCB催化剂的碳纤维纸上，通过在阴极上施加还原电位，将水和CO2还原为CO和OH‑,并在电化学还原反应CO2时，利用平均8A的电流连续电解6小时以上，共产生20.4L的CO，保持了超过90％的稳定CO选择性，实现了较高的反应电流密度和较高的CO选择性。
Description
技术领域
本实用新型涉及废气处理技术领域，具体为一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备。
背景技术
当前，随着经济的发展和化石燃料的不断消耗，全球变暖和能源问题越来越严重，这是由于化石燃料燃烧和工业制造过程中排放的温室气体造成的。二氧化碳电化学减排是缓解化石燃料危机、提高可再生能源利用效率的可持续战略，是应对全球变暖的环境友好方法。
电化学法还原二氧化碳的原理利用阴极镍类物质在CO2和去离子水蒸气作为气相载体，当镍类物质在通电时，CO2极易被吸附，并产生CO。阳极以KHCO3水溶液作为载体，当通电时产生O2和水。
如下化学反应式所示：
阴极：H2O+CO2+2e-→CO+2OH-
阳极：4OH--4e-→2H2O+O2
二氧化碳还原反应面临的主要挑战是活性差、电流密度小、稳定性低、产物选择性低，且在收集还原后气体时存在占地面积大、能耗高等问题。本方案针对上述问题及需求，提出一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备。
实用新型内容
本实用新型的目的在于提供一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本实用新型提供如下技术方案：一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，包括相互之间通过管道连通的温差发电及CO2收集装置、CO2还原及电控装置、CO和O2收集装置；
所述温差发电及CO2收集装置包括气管、CO2收集室、CO2气体分离膜、尾气室、电动三通阀、尾气流动室、温差发电片、散热棘片、冷却水箱；所述气管与CO2收集室连通；所述冷却水箱设置在尾气流动室的底部，温差发电片两侧与尾气流动室、散热棘片紧密相连，散热棘片插入在冷却水箱的内部；所述尾气流动室通过管道、电动三通阀与尾气室连通，CO2气体分离膜设置在尾气室和CO2收集室之间，用于将尾气室中的CO2气体分离到CO2收集室中；
CO2还原及电控装置包括蒸发皿、进气罩、进水管、电控装置、循环水箱、排水管、液位检测器、阳极室、压力检测器和阴极室；所述电控装置安装在循环水箱上，循环水箱的内部设置有去离子水，循环水箱通过进水管与蒸发皿连通，并通过进水管将去离子水注入到蒸发皿内，蒸发皿用于加热去离子水，并产生大量蒸气；
所述进气罩安装在阴极室上，且蒸发皿安装在进气罩内；所述气管远离CO2收集室的一端连通阴极室，使得CO2收集室内的CO2气体通过气管进入阴极室；所述阴极室上安装有液位检测器，阴极室的底部通过排水管连通循环水箱，用于去离子水的循环利用；
所述阳极室的载体为饱和的KHCO3水溶液，阳极室和阴极室之间通过外螺纹端盖和内螺纹端盖螺纹连接，外螺纹端盖和内螺纹端盖之间安装有阳极、阴离子交换膜、阴极、碳纤维纸；所述阴极室和阳极室侧边上均设有压力检测器；
CO和O2收集装置包括O2收集瓶、CO收集瓶、CO收集室、CO气体分离膜；所述O2收集瓶与阳极室连通，CO气体分离膜安装在将阴极室和CO收集室之间，用于将阴极室产生的CO气体分离到CO收集室。
所述尾气室和CO2收集室上均设有压力检测器，压力检测器与电控装置连接，电控装置与电动三通阀的控制端连接；通过控制装置调节尾气室和CO2收集室的压力范围为0.1-0.2MPa。实现CO和O2自动化高效率的生成。
优选的，所述CO气体分离膜为双层膜设计，可以分离出纯度为98％以上的CO产品气体。
优选的，所述碳纤维纸的表面涂有Ni-NCB催化剂。
优选的，所述温差发电片利用其两侧的温差进行发电，并将电能传输至循环水箱的外侧安装的蓄电池进行储存。
优选的，所述CO2气体分离膜由PVAm和PVA制成，用于将尾气室中的CO2气体分离到CO2收集室中，为电化学还原提供CO2原材料。
优选的，所述CO气体分离膜为醋酸纤维膜。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1、本实用新型提供的一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，利用工业废气温差供电，且对废气中的二氧化碳进行回收利用；该设备将CO2和水蒸气混合注入阴极室，从而使得高浓度的CO2和低浓度的水蒸气阻碍催化剂与液态水的直接接触，减少了CO2质量扩散的限制，使得CO2被吸附到涂有Ni-NCB催化剂的碳纤维纸上，通过在阴极上施加还原电位，将水和CO2还原为CO和OH-,并在电化学还原反应CO2时，利用平均8A的电流连续电解6小时以上，共产生20.4L的CO，保持了超过90％的稳定CO选择性，实现了较高的反应电流密度和较高的CO选择性。
2、本实用新型提供的一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，通过CO2气体分离膜和CO气体分离的双膜结构保证了分离出的CO2和CO气体产品具有较高的纯度，将温室气体还原为可重新利用的气体，实现了双向的自给自足的功能；通过自动化控制气体反应室和收集室始终维持0.1-0.2MPa压力范围，促进了电化学过程中二氧化碳还原和气体产品生成速率，提升了系统整体速率。
附图说明
图1为本实用新型的整体结构示意图；
图2为本实用新型的整体剖视图；
图3为本实用新型的温差发电及CO2收集装置的剖视图；
图4为本实用新型的进气罩的剖视图；
图5为本实用新型的CO2还原及电控装置的局部剖视图；
图6为本实用新型的CO和O2收集装置的具体结构示意图；
图7为本实用新型的CO收集室和阴极室的连接结构示意图；
图8为本实用新型的外螺纹端盖和内螺纹端盖的具体结构示意图；
图9为本实用新型的气体分离膜的安装结构示意图；
图10为本实用新型的整体工作流程图。
图中：1、气管；2、CO2收集室3、CO2气体分离膜；4、尾气室；5、电动三通阀；6、尾气流动室；7、温差发电片；8、散热棘片；9、冷却水箱；10、蒸发皿；11、进气罩；12、进水管；13、电控装置；14、蓄电池；15、循环水箱；16排水管；17液位检测器；18、O2收集瓶；19、阳极室；20、CO收集瓶；21、压力检测器；22、CO收集室；23、阴极室；24、外螺纹端盖；25、阳极；26、阴离子交换膜；27、阴极；28、碳纤维纸；29、内螺纹端盖；30、气体分离膜。
具体实施方式
下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型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实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，术语“竖直”、“上”、“下”、“水平”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实用新型和简化描述，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实用新型的限制。
在本实用新型的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，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，可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
请参阅图1-10，本实用新型提供一种技术方案：一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，包括相互之间通过管道连通的温差发电及CO2收集装置、CO2还原及电控装置、CO和O2收集装置；
阶段0(温差发电及CO2收集阶段)：经由尾气流动室6的高温尾气在温差发电片7、散热棘片8和冷却水箱9共同作用下，实现降温，同时由温差发电片7利用其两侧的温差进行发电，并将电能传输至蓄电池14储存起来，以供CO2还原及电控装置使用。通过CO2气体分离膜3可以高选择通过性的将尾气室5中的CO2气体分离到CO2收集室2中，收集的CO2气体为电化学还原提供CO2原材料。
阶段1(CO2还原及电控阶段)：CO2收集室2的CO2气体通过气管1进入阴极室23，同时电控装置13控制循环水箱15通过进水管12将去离子水注入蒸发皿10中，加热蒸发皿10，产生大量蒸气，使得当气管1中的CO2气体进入进气罩11时，会吹扫蒸发皿10，从而实现CO2气体和水蒸气的混合，并进入阴极室23，高浓度的CO2气体和低浓度的水蒸气阻碍了催化剂与液态水的直接接触，降低了CO2质量扩散的限制；
当阴极室23的去离子水位到达液位检测器17的最高位置时，将启动控制装置，通过出水管16将阴极室23的水位抽到最低水位，实现了去离子水的循环利用；
大量CO2被吸附到涂有Ni-NCB催化剂的碳纤维纸28上，通过在阴极27上施加还原电位，将水和CO2还原为CO和OH-,在反应时以平均8A的电流连续电解超过6小时，共产生20.4L的CO，保持了超过90％的稳定CO选择性；实现了较高的反应电流密度和较高的CO选择性。OH-通过阴离子交换膜26传递给阳极25，阳极25施加氧化电位，在阳极室19将OH-氧化为水和O2。
阶段2(CO和O2收集阶段)：通过CO气体分离膜30将阴极室23产生的CO分离到CO收集室22，且CO气体分离膜30为双层膜，可以分离出纯度为98％以上的CO产品气体，同时CO收集室22控制压力范围为0.1-0.2MPa，当CO收集室22的压力达到0.2MPa时，CO收集室22中的CO气体将被收集到CO收集瓶20中；实现了自动化高效率的收集CO和O2，并且气体产品具有较高的纯度，实现了将温室气体还原有可重新利用的气体，也实现了自动化的自给自足装置。
相对于传统电化学还原二氧化碳系统，本系统装置紧凑，催化剂活性高，电流密度大，稳定性高，产物选择性高，且装置占地面积小、能耗自给自足。而且二氧化碳原料也是从尾气中回收得来，大大降低了反应成本。
该还原系统在紧凑的装置条件下高纯度收集到氧气和一氧化碳气体，可直接利用的工业产品，例如将氧气在火箭点燃时使用或者氧气用于氢燃料电池的氧气供应，一氧化碳和氢气按照一定比例混合使用可以制造水煤气等。
值得注意的是：整个装置通过控制器对其实现控制，由于控制器为常用设备，属于现有成熟技术，在此不再赘述其电性连接关系以及具体的电路结构。
尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (6)
1.一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，其特征在于：包括相互之间通过管道连通的温差发电及CO2收集装置、CO2还原及电控装置、CO和O2收集装置；
所述温差发电及CO2收集装置包括气管（1）、CO2收集室（2）、CO2气体分离膜（3）、尾气室（4）、电动三通阀（5）、尾气流动室（6）、温差发电片（7）、散热棘片（8）、冷却水箱（9）；所述气管（1）与CO2收集室（2）连通；所述冷却水箱（9）设置在尾气流动室（6）的底部，温差发电片（7）两侧与尾气流动室（6）、散热棘片（8）紧密相连，散热棘片（8）插入在冷却水箱（9）的内部；所述尾气流动室（6）通过管道、电动三通阀（5）与尾气室（4）连通，CO2气体分离膜（3）设置在尾气室（4）和CO2收集室（2）之间，用于将尾气室（4）中的CO2气体分离到CO2收集室（2）中；
CO2还原及电控装置包括蒸发皿（10）、进气罩（11）、进水管（12）、电控装置（13）、循环水箱（15）、排水管（16）、液位检测器（17）、阳极室（19）、压力检测器（21）和阴极室（23）；所述电控装置（13）安装在循环水箱（15）上，循环水箱（15）的内部设置有去离子水，循环水箱（15）通过进水管（12）与蒸发皿（10）连通，并通过进水管（12）将去离子水注入到蒸发皿（10）内，蒸发皿（10）用于加热去离子水，并产生大量蒸气；
所述进气罩（11）安装在阴极室（23）上，且蒸发皿（10）安装在进气罩（11）内；所述气管（1）远离CO2收集室（2）的一端连通阴极室（23），使得CO2收集室（2）内的CO2气体通过气管（1）进入阴极室（23）；所述阴极室（23）上安装有液位检测器（17），阴极室（23）的底部通过排水管（16）连通循环水箱（15），用于去离子水的循环利用；
所述阳极室（19）的载体为饱和的KHCO3水溶液，阳极室（19）和阴极室（23）之间通过外螺纹端盖（24）和内螺纹端盖（29）螺纹连接，外螺纹端盖（24）和内螺纹端盖（29）之间安装有阳极（25）、阴离子交换膜（26）、阴极（27）、碳纤维纸（28）；所述阴极室（23）和阳极室（19）侧边上均设有压力检测器（21）；
CO和O2收集装置包括O2收集瓶（18）、CO收集瓶（20）、CO收集室（22）、CO气体分离膜（30）；所述O2收集瓶（18）与阳极室（19）连通，CO气体分离膜（30）安装在将阴极室（23）和CO收集室（22）之间，用于将阴极室（23）产生的CO气体分离到CO收集室（22）。
2.根据权利要求1所述的一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，其特征在于：所述尾气室（4）和CO2收集室（2）上均设有压力检测器（21），压力检测器（21）与电控装置（13）连接，电控装置（13）与电动三通阀（5）的控制端连接。
3.根据权利要求1所述的一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，其特征在于：所述CO气体分离膜（30）为双层膜设计。
4.根据权利要求1所述的一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，其特征在于：所述碳纤维纸（28）的表面涂有Ni-NCB催化剂。
5.根据权利要求1所述的一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，其特征在于：所述温差发电片（7）利用其两侧的温差进行发电，并将电能传输至循环水箱（15）的外侧安装的蓄电池（14）进行储存。
6.根据权利要求1所述的一种废气利用的自动化二氧化碳还原设备，其特征在于：所述CO气体分离膜（30）为醋酸纤维膜。
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|---|---|---|---|---|
| CN115672020A (zh) * | 2022-12-12 | 2023-02-03 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 | 烟道废气中二氧化碳捕集分离催化装置及其控制方法 |
| CN115672020B (zh) * | 2022-12-12 | 2023-02-28 | 中国科学院西北生态环境资源研究院 | 烟道废气中二氧化碳捕集分离催化装置及其控制方法 |
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