CN220579411U - 一种熔盐捕获co2制备碳纳米管的大型电解装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，箱盖封盖着电解炉上端的炉口，电解炉内具有熔盐，电解炉内于熔盐液面以下相间布置若干阴极电极片和阳极电极片，阴极电极片和阳极电极片各连接一个集流体；集流体的上端贯穿至箱盖外，阳极电极片所连集流体与串联电路的正极连接，阴极电极片所连集流体与串联电路的负极连接；电解炉上在熔盐液面以上的位置设置CO2进气管和出气口，CO2进气管的出气端伸入熔盐液面以下。本实用新型的有益效果为：以CO2为原料气，并仅利用熔盐对CO2的捕获能力，通过电解在阴极电极片上将碳酸根还原为碳纳米管，可实现CO2高效转化生成高附加值的碳纳米管和氧气，符合当下“双碳”目标的要求。
Description
技术领域
本实用新型涉及纳米碳材料制造技术领域，具体涉及一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置。
背景技术
二氧化碳(CO2)作为最主要的温室气体，它会引起严重的温室效应和气候变化，进而威胁到人类的生存环境。因此如何有效捕获、利用二氧化碳使其转化为稳定、有价值的商品对于实现快速脱碳、实现国家“双碳”目标具有重要意义。
目前，熔融碳酸盐电解提供了一种可以快速、高产物选择性地将二氧化碳或碳酸盐转化为具有更高实用价值产物的有效途径。二氧化碳通过在熔融碳酸盐电解质中的电化学转化可以形成一种有价值的产品——碳纳米管(CNTs)。该方法与传统化学气相沉积法(CVD)制备碳纳米管相比，CVD法对催化剂品质要求高(专利：CN 200810053277.5)，且碳源为烃类，成本高，在高温条件下制备存在安全隐患(专利：CN202123076849.1)。
目前的熔盐电解装置只能满足实验室生产少量的碳纳米管以用作学术的需求，无法实现商业化大批量生产。
实用新型内容
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，以克服上述现有技术中的不足。
本实用新型解决上述技术问题的技术方案如下：一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，包括：电解炉、阴极电极片、阳极电极片、箱盖、集流体和串联电路，箱盖封盖着电解炉上端的炉口，电解炉内具有熔盐，电解炉内于熔盐液面以下相间布置若干阴极电极片和阳极电极片，阴极电极片和阳极电极片各连接一个集流体；集流体的上端贯穿至箱盖外，阳极电极片所连集流体与串联电路的正极连接，阴极电极片所连集流体与串联电路的负极连接；电解炉上在熔盐液面以上的位置设置CO2进气管和出气口，CO2进气管的出气端伸入熔盐液面以下。
在上述技术方案的基础上，本实用新型还做了如下改进。
进一步，箱盖内侧设置冷凝水管。
进一步，箱盖上贯穿设置熔盐补充管，熔盐补充管的下端伸入熔盐液面以下，熔盐补充管上端设置橡胶密封塞。
进一步，熔盐补充管的下端距电解炉炉底的距离为5cm～8cm。
进一步，电解炉包括：内衬、保温层、加热体和外壳，内衬置于外壳内，保温层布置在内衬与外壳之间，加热体布置在内衬内。
进一步，箱盖与电解炉通过螺栓相连，箱盖与电解炉之间设置密封圈。
进一步，还包括：吊具，吊具布置在箱盖上方，吊具与箱盖相连。
进一步，吊具包括：液压起重机和起重抓臂，起重抓臂布置在箱盖上方，起重抓臂与箱盖上的挂钩相连，液压起重机与起重抓臂相固定。
本实用新型的有益效果是：
1)以CO2为原料气，无需使用合理设计的催化剂来克服动力学屏障，仅利用熔盐对CO2的捕获能力，在阴极电极片上以低的能量和低电解电位将碳酸根还原为碳纳米管，这种方式可以将CO2从温室气体污染物转化为有用的资源，可实现CO2高效转化生成高附加值的碳纳米管和氧气，符合当下“双碳”目标的要求，从而形成一条具有价值激励的减缓气候变化途径；
2)可同时在多组阴极电极片上进行CO2的转化，便于实现大规模生产运用；
3)该装置中的阳极电极片可多次重复利用，降低了生产成本，具有巨大商业应用潜力；
4)箱盖可通过吊具代替人工进行吊起，实现全自动化作业。
附图说明
图1为本实用新型所述熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置的结构图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、电解炉，110、内衬，120、保温层，130、加热体，140、外壳，2、阴极电极片，3、阳极电极片，4、箱盖，5、集流体，6、串联电路，7、CO2进气管，8、出气口，9、吊具，910、液压起重机，920、起重抓臂，10、熔盐补充管，11、冷凝水管。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本实用新型，并非用于限定本实用新型的范围。
实施例1
如图1所示，一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，包括：电解炉1、阴极电极片2、阳极电极片3、箱盖4、集流体5和串联电路6；
箱盖4封盖着电解炉1上端的炉口；
电解炉1内具有熔盐，电解炉1内于熔盐液面以下相间布置若干阴极电极片2和阳极电极片3，电解炉1内所布置的阴极电极片2和阳极电极片3的数量可以根据实际情况决定，比如配备10组阴极电极片2和阳极电极片3，便于实现大规模生产运用。此外，通常情况下，阴极电极片2和阳极电极片3在熔盐液面以下的深度可调；
每片阴极电极片2各连接一个集流体5，每片阳极电极片3也各连接一个集流体5，而集流体5的上端贯穿至箱盖4外；
阳极电极片3所连集流体5与串联电路6的正极连接，阴极电极片2所连集流体5与串联电路6的负极连接；
电解炉1上在熔盐液面以上的位置设置CO2进气管7，CO2进气管7的进气端可以外接CO2供给装置，比如盛装CO2的气罐，CO2进气管7的出气端伸入熔盐液面以下，以保证熔盐与CO2充分接触，所通入的CO2由熔盐捕获后在阴极电极片2转化为碳纳米管；
此外，电解炉1上在熔盐液面以上的位置设置出气口8，电解炉1内多余的CO2以及在反应过程中生成的其他气体可以经出气口8排出体系外，CO2进气管7和出气口8的位置可以对称分布，当然也可以非对称分布；
本实用新型的工作原理如下：
在碳酸盐体系下，首先熔盐中的碳酸根离子迁移至阳极电极片3处，得电子被还原，生成碳纳米管和氧离子；
CO3 2-+4e-→C+3O2-
再通过向该体系中不断通入CO2，CO2被阴极电极片2处生成的部分氧离子捕获转化为碳酸根离子，进一步溶解在该熔盐体系中，迁移至阴极电极片2附近被还原，化学反应为：
CO2+O2-→CO3 2-
而另一部分氧离子迁移至阳极电极片3附近，失去电子被氧化，生成氧气，化学反应为：
2O2-→O2+4e-。
实施例2
如图1所示，本实施例为在实施例1的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
阳极电极片3采用镍铁铜合金，阴极电极片2和集流体5采用金属镍；
或，阳极电极片3采用镍铁合金，阴极电极片2采用碳纸，集流体5采用金属镍；
或，阳极电极片3采用镍铁合金，阴极电极片2采用金属镍，集流体5采用金属钼；
或，阳极电极片3采用镍铁氧化物，阴极电极片2采用金属镍，集流体5采用不锈钢；
或，阳极电极片3采用铜铝合金，阴极电极片2采用碳纸，集流体5采用不锈钢。
更进一步的：阳极电极片3的尺寸为1m*1m*0.002m(长*宽*厚)，阴极电极片2的尺寸为1m*1m*0.002m(长*宽*厚)，任一相邻的阳极电极片3与阴极电极片2之间的间距为8cm，阳极电极片3的重量约9Kg/片，阴极电极片2的重量约2Kg/片(含产物)。
实施例3
如图1所示，本实施例为在实施例1或2的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
箱盖4内侧设置冷凝水管11，冷凝水管11最好是安装在箱盖4内侧四周，通过向冷凝水管11通入循环的冷凝水，可以降低箱盖4温度，提高操作安全性。
实施例4
如图1所示，本实施例为在实施例1～3任一实施例的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
箱盖4上贯穿设置熔盐补充管10，熔盐补充管10的下端伸入熔盐液面以下，熔盐补充管10上端设置橡胶密封塞，通过熔盐补充管10，可以向电解炉1内补充熔盐，而熔盐补充管10上端的橡胶密封塞可以防止熔盐挥发，对于熔盐补充管10的材质可以采用氧化铝陶瓷，直径可以为5cm。
更进一步的：熔盐补充管10的下端距电解炉1炉底的距离为5cm～8cm。
实施例5
如图1所示，本实施例为在实施例1～4任一实施例的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
电解炉1包括：内衬110、保温层120、加热体130和外壳140，内衬110置于外壳140内，保温层120布置在内衬110与外壳140之间，加热体130布置在内衬110内。
更进一步的：内衬110采用氧化铝陶瓷，厚度为12cm；保温层120厚度为10cm，箱盖4的厚度为8cm；外壳140采用钢结构，热稳定性高，耐用。
实施例6
如图1所示，本实施例为在实施例1～5任一实施例的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
箱盖4与电解炉1通过螺栓相连，通过螺栓连接稳定性好，拧下螺栓，拆卸操作可由机械臂代替人工完成，可以将箱盖4与电解炉1分离，箱盖4与电解炉1之间设置密封圈，保证电解装置密封性。
实施例7
如图1所示，本实施例为在实施例1～6任一实施例的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置还包括：吊具9，吊具9布置在箱盖4上方，吊具9与箱盖4相连，可以通过吊具9将箱盖4吊起，从而让阴极电极片2、阳极电极片3也同步被吊起，以便收集阴极电极片2上的碳纳米管产物。
实施例8
如图1所示，本实施例为在实施例7的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
吊具9包括：液压起重机910和起重抓臂920，起重抓臂920布置在箱盖4上方，起重抓臂920与箱盖4上的挂钩相连，液压起重机910与起重抓臂920相固定，待箱盖4拆开后，可由液压起重机910配合起重抓臂920提起，实现自动化作业。
实施例9
如图1所示，本实施例为在实施例1～8任一实施例的基础上所进行的进一步改进，其具体如下：
阳极电极片3所连集流体5的上端汇聚以后通过电极夹与串联电路6的正极连接，阴极电极片2所连集流体5的上端汇聚以后通过电极夹与串联电路6的负极连接。
通过具体实例简要阐明所述碳纳米管的生产方法：
步骤一：先将Na2CO3、K2CO3和Ca2CO3取适量混合，其中Ca2CO3的质量百分比为10％，倒入电解炉1内，敞开电解装置的箱盖4，向冷凝水管11通入循环的冷凝水，设置电解炉1温度由室温升至350℃，升温速度为5℃/m55，保温12h，烘干水分；
步骤二：将阴极电极片2、阳极电极片3分别对应与集流体5连接后通过箱盖4上的孔洞伸至箱盖4外，调整阴极电极片2、阳极电极片3的位置，保证阴极电极片2、阳极电极片3不触碰熔盐，阳极电极片3采用镍铁铜合金，阴极电极片2和集流体5采用金属镍，密封箱盖4，再设定程序，继续升温至800℃，升温速度为5℃/m55；
步骤三：待电解炉1中的熔盐达到熔融状态，将集流体5向下插入，保证阴极电极片2、阳极电极片3进入熔盐中；
步骤四：通过CO2进气管7向电解炉1内通入纯CO2，流量为0.5L/m55，将串联电路6与集流体5相连接，接入直流电开始电解，电压设置为2.0V；
步骤五：电解结束后，通过集流体5将阴极电极片2、阳极电极片3向上提起一段，等待阴极电极片2、阳极电极片3冷却；
拧下箱盖4与电解炉1之间的螺丝，用起重抓臂920将箱盖4钩住后配合液压起重机910提起，以使阴极电极片2、阳极电极片3一同被提出，更换新的阴极电极片2；
步骤六：将替换下的阴极电极片2上的电解产物收集、处理，得到碳纳米管。
作为另一种生产方法，与上述不同之处为：
阳极电极片3采用镍铁合金，阴极电极片2采用碳纸，集流体5采用金属镍；
熔盐电解质组成为Na2CO3、BaCO3和Ca2CO3，其中Ca2CO3的质量百分比为15％；
熔盐电解的电压设置为2.2V，温度为820℃。
作为另一种生产方法，与上述不同之处为：
阳极电极片3采用镍铁合金，阴极电极片2采用金属镍，集流体5采用金属钼；
熔盐电解质组成为Na2CO3、L52CO3和Ca2CO3，其中Ca2CO3的质量百分比为10％；
熔盐电解的电压设置为2.4V，温度为800℃。
作为另一种生产方法，与上述不同之处为：
阳极电极片3采用镍铁氧化物，阴极电极片2采用金属镍，集流体5采用不锈钢；
熔盐电解质组成为Na2CO3、MgCO3和Ca2CO3，其中Ca2CO3的质量百分比为13％；
熔盐电解的电压设置为1.8V，温度为850℃。
作为另一种生产方法，与上述不同之处为：
阳极电极片3采用铜铝合金，阴极电极片2采用碳纸，集流体5采用不锈钢；
熔盐电解质组成为Na2CO3、MgCO3和Ca2CO3，其中Ca2CO3的质量百分比为13％；
熔盐电解的电流密度设置为6A/dm2，温度为800℃。
通过上述方法均成功制备出碳纳米管。
尽管上面已经示出和描述了本实用新型的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本实用新型的限制，本领域的普通技术人员在本实用新型的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (8)
1.一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，包括：电解炉(1)、阴极电极片(2)、阳极电极片(3)、箱盖(4)、集流体(5)和串联电路(6)，所述箱盖(4)封盖着所述电解炉(1)上端的炉口，所述电解炉(1)内具有熔盐，所述电解炉(1)内于熔盐液面以下相间布置若干阴极电极片(2)和阳极电极片(3)，所述阴极电极片(2)和阳极电极片(3)各连接一个集流体(5)；所述集流体(5)的上端贯穿至箱盖(4)外，所述阳极电极片(3)所连集流体(5)与串联电路(6)的正极连接，所述阴极电极片(2)所连集流体(5)与串联电路(6)的负极连接；所述电解炉(1)上在熔盐液面以上的位置设置CO2进气管(7)和出气口(8)，所述CO2进气管(7)的出气端伸入熔盐液面以下。
2.根据权利要求1所述的一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，所述箱盖(4)内侧设置冷凝水管(11)。
3.根据权利要求1所述的一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，所述箱盖(4)上贯穿设置熔盐补充管(10)，所述熔盐补充管(10)的下端伸入熔盐液面以下，所述熔盐补充管(10)上端设置橡胶密封塞。
4.根据权利要求3所述的一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，所述熔盐补充管(10)的下端距电解炉(1)炉底的距离为5cm～8cm。
5.根据权利要求1所述的一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，所述电解炉(1)包括：内衬(110)、保温层(120)、加热体(130)和外壳(140)，所述内衬(110)置于所述外壳(140)内，所述保温层(120)布置在所述内衬(110)与所述外壳(140)之间，所述加热体(130)布置在所述内衬(110)内。
6.根据权利要求1所述的一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，所述箱盖(4)与所述电解炉(1)通过螺栓相连，所述箱盖(4)与所述电解炉(1)之间设置密封圈。
7.根据权利要求1所述的一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，还包括：吊具(9)，所述吊具(9)布置在所述箱盖(4)上方，所述吊具(9)与所述箱盖(4)相连。
8.根据权利要求7所述的一种熔盐捕获CO2制备碳纳米管的大型电解装置，其特征在于，所述吊具(9)包括：液压起重机(910)和起重抓臂(920)，所述起重抓臂(920)布置在所述箱盖(4)上方，所述起重抓臂(920)与所述箱盖(4)上的挂钩相连，所述液压起重机(910)与所述起重抓臂(920)相固定。
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