PL247327B1

PL247327B1 - Sposób i układ do separacji CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera

Info

Publication number: PL247327B1
Application number: PL447990A
Authority: PL
Inventors: Jarosław Milewski; Olaf Dybiński; Aliaksandr Martsinchyk; Arkadiusz Szczęśniak
Original assignee: Politechnika Warszawska
Priority date: 2024-03-13
Filing date: 2024-03-13
Publication date: 2025-06-16
Also published as: PL447990A1

Abstract

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ pozyskania CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera, który polega na tym, że do elektrolizera węglanowego (I) jednocześnie wprowadza się pierwszym strumieniem (1) wodę morską w stanie nadkrytycznym oraz drugim strumieniem (2) CO2 w stanie nadkrytycznym, następnie pod wpływem dostarczonej energii elektrycznej jony węglanowe (CO3=) powstałe z połączenia CO2 z jednym atomem tlenu odbieranym od wody, transportowane są z pierwszego strumienia (1) do drugiego strumienia (2), po czym woda morska z wodorem kierowane są trzecim strumieniem (3) do skraplacza (II), gdzie woda morska jest skraplana i piątym strumieniem (5) z mniejszą ilością CO2 kierowana jest na zewnątrz skraplacza (II), natomiast wodór w stanie gazowym w ósmym strumieniu (8) wraz z mieszaniną gazów wytworzoną w elektrolizerze węglanowym (I) zawierającą CO2 z tlenem czwartym strumieniu (4) kieruje się do komory spalania (III), w której tlen z czwartego strumienia (4) z elektrolizera węglanowego (I) reaguje z wodorem z ósmego strumienia (8) tworząc CO2, który szóstym strumieniem wylotowym (6) kieruje się na zewnątrz komory spalania (III), zaś część CO2 z parą wodną w stanie ciekłym strumieniem (7) jest sprężana za pomocą sprężarki (IV) i kierowana do elektrolizera węglanowego (I) tworząc drugi strumień (2) CO2 w stanie nadkrytycznym. Dodatkowo przedmiotem zgłoszenia jest układ pozyskania CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera (I).

Description

Opis wynalazku

Przedmiotem wynalazku jest sposób i układ separacji CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera.

Obecnie rozważane są różne źródła CO2 do syntezy innych związków chemicznych np. paliw syntetycznych, do których należą źródła pochodzenia przemysłowego, w tym elektrownie, cementownie, huty, biomasa, jak również pochodzenia naturalnego: powietrze i woda. Literatura tematu zawiera wiele różnych metod separacji CO2 z powietrza oraz wody morskiej.

Stężenie CO2 w atmosferze stale rośnie, a jego separacja ze źródła gazu mieszanego mierzy się z faktem, że objętość gazu, który musi zostać przetworzony skaluje się odwrotnie proporcjonalnie do stężenia CO2 w gazie mieszanym, dlatego też wydobycie CO2 z atmosfery stanowi niezwykle kosztowne wyzwanie. Jednak ze względu na fakt, że atmosferyczny CO2 rozpuszcza się w wodzie reagując z wodą morską tworząc kwas węglowy, który z kolei uwalnia jony wodorowe (H+) tworząc jony wodorowęglanowe (HCO3^-) i węglanowe (CO3^2-), co oznacza że większość całkowitego rozpuszczonego węgla w wodzie morskiej (DIC) ma postać jonów wodorowęglanowych, zaś ekstrakcja CO2 z oceanicznego DIC umożliwia oddzielenie CO2 od atmosfery bez konieczności przetwarzania dużych ilości powietrza, co może zwiększyć efektywność procesu.

Eisaman i wsp w publikacji [M. D. Eisaman, L. Alvarado, D. Larner, P. Wang, K. A. Littau, Energy Environ. Sci., 2011, 4, 4031-4037] oraz opisie patentowym US9586181 B1 zauważają, że separacja CO2 z DIC w wodzie morskiej za pomocą procesu wymiany jonowej jest utrudniona przez powolne tempo ekstrakcji oparte na membranach oraz słabą selektywność jonów zawierających CO2. Z uwagi na potrzebę wody morskiej o niskiej przewodności i twardości w przypadku procesu wymiany jonowej, autorzy publikacji proponują zastosowanie systemu bipolarnej elektrodializy membranowej BPMED w separacji CO2, gdzie woda morska jest pompowana przez system, który wytwarza dwa strumienie wyjściowe zakwaszonej i zalkalizowanej wody morskiej. W zakwaszon ym strumieniu wodorowęglan HCO3 i jony CO3 w wejściowej wodzie morskiej są przekształcane w rozpuszczony gaz CO2, przy czym pozbawiony CO2 zakwaszony roztwór jest następnie łączony z roztworem zasadowym w celu wytworzenia roztworu o neutralnym pH, który może zostać uwolniony z powrotem do oceanu. W dalszych publikacjach naukowych Eisaman i wsp [M. D. Eisaman, K. Parajuly, A. Tuganov, C. Eidershaw, N. Chang, K. A. Littau, Energy Environ. Sci., 2012, 5, 7346-7352] ujawniają szczegółowy projekt, konstrukcję i wydajność prototypu systemu BPMED, w którym CO2 może być ekstrahowany z DIC w wodzie morskiej przy elektrochemicznym zużyciu energii na poziomie 242 kJ/mol (CO2), przy czym produkcja 100 000 galonów paliwa lotniczego dziennie wymaga wydobycia 443 900 m ³/dzień CO2 co z kolei wymaga 56 MW energii elektrycznej dziennie.

Istnieje zatem potrzeba opracowania sposobu separacji CO2, który byłby bardziej zrównoważony ekologicznie niż dostępne w stanie techniki metody.

Proponowane rozwiązanie polega na usprawnieniu pozyskiwania CO2 z wody morskiej poprzez bezpośrednie wykorzystanie źródeł odnawialnych potencjalnie w produkcji paliw syntetycznych przy zastosowaniu węglanowego elektrolizera, który działa na zasadzie wykorzystania energii elektrycznej do transportu jonów węglanowych z jednej strony elektrolitu na drugą.

Zgodnie z wynalazkiem sposób pozyskania CO2 z wody morskiej polega na tym, że do elektrolizera węglanowego jednocześnie wprowadza się pierwszym strumieniem wodę morską w stanie nadkrytycznym oraz drugim strumieniem CO2 w stanie nadkrytycznym, następnie pod wpływem dostarczonej energii elektrycznej jony węglanowe (CO3=) powstałe z połączenia CO2 z jednym atomem tlenu odbieranym od wody, transportowane są z pierwszego strumienia do drugiego strumienia, po czym woda morska z wodorem kierowane są trzecim strumieniem do skraplacza, gdzie woda morska jest skraplana i piątym strumieniem z mniejszą ilością CO2 kierowana jest na zewnątrz skraplacza, natomiast wodór w stanie gazowym w ósmym strumieniu wraz z mieszaniną gazów wytworzoną w elektrolizerze węglanowym zawierającą CO2 z tlenem czwartym strumieniu kieruje się do komory spalania, w której tlen z czwartego strumienia z elektrolizera węglanowego reaguje z wodorem z ósmego strumienia tworząc CO2, który szóstym strumieniem wylotowym kieruje się na zewnątrz komory spalania, zaś część CO2 z parą wodną w stanie ciekłym strumieniem jest sprężana za pomocą sprężarki i kierowana do elektrolizera węglanowego tworząc drugi strumień CO2 w stanie nadkrytycznym.

Układ pozyskania CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera według wynalazku zawiera elektrolizer z pierwszym wejściem wody morskiej połączony ze skraplaczem, którego pierwsze wyjście skierowane jest na zewnątrz układu a drugie wyjście podłączone jest do komory spalania, której pierwsze wyjście skierowane jest na zewnątrz układu a drugie wyjście połączone jest ze sprężarką, jednocześnie wyjście sprężarki podłączone jest do drugiego wejścia elektrolizera, ponadto drugie wyjście elektrolizera połączone jest z drugim wejściem komory spalania.

Zaletą sposobu według wynalazku jest zapewnienie sposobu pozyskiwania CO2 z innych źródeł niż pochodzenia przemysłowego za pomocą urządzeń elektrochemicznych, zapobiegając przy tym skomplikowanym procesom separacji CO2 z powietrza, w którym stężenie CO2 jest 140 razy mniejsze niż w wodzie morskiej. Dodatkowo sposób według wynalazku pozwoli na rozwój technologii elektrochemicznych do syntezy paliw sztucznych, gdyż sposób może być użyty w zastosowaniach przemysłowych.

Przedmiot wynalazku jest uwidoczniony w przykładzie wykonania na rysunku Fig. 1, który przedstawia układ pozyskania CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera I.

Układ pozyskania CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera zawiera elektrolizer I z pierwszym wejściem 1 wody morskiej połączony ze skraplaczem II, którego pierwsze wyjście 5 skierowane jest na zewnątrz układu a drugie wyjście 8 podłączone jest do komory spalania III, której pierwsze wyjście 6 skierowane jest na zewnątrz układu a drugie wyjście 7 połączone jest ze sprężarką IV, jednocześnie wyjście sprężarki IV podłączone jest do drugiego wejścia 2 elektrolizera I, ponadto drugie wyjście 4 elektrolizera I połączone jest z drugim wejściem komory spalania III.

Przykładowa realizacja sposobu według wynalazku polega na pozyskaniu CO2 z wody morskiej, w którym do elektrolizera węglanowego I jednocześnie wprowadza się pierwszym strumieniem 1 wodę morską w stanie nadkrytycznym oraz drugim strumieniem 2 CO2 w stanie nadkrytycznym, gdzie pod wpływem energii elektrycznej następuje transport jonów węglanowych (CO3^-) z pierwszego strumienia 1 do drugiego strumienia 2. Jon węglanowy powstaje poprzez połącznie CO2 z jednym atomem tlenu, który jest odbierany od wody, co generuje wodór w trzecim strumieniu 3, który trafia do skraplacza II, gdzie woda morska jest skraplana i piątym strumieniem 5 z śladową ilością CO2 kierowana jest na zewnątrz skraplacza do swojego źródła, a wodór w stanie gazowym w ósmym strumieniu 8 kierowany jest do komory spalania III. Jony węglanowe w elektrolizerze węglanowym I rekombinują do dwutlenku węgla oraz tlenu, które w czwartym strumieniu 4 kierowane są do komory spalania III. Tlen z czwartego strumienia 4 następnie reaguje z wodorem dostarczonym z separatora II ósmym strumieniem 8 w komorze spalania III tworząc CO2, który szóstym strumieniem wylotowym 6 kieruje się na zewnątrz komory spalania III, zaś część CO2 z parą wodną w stanie ciekłym strumieniem 7 jest sprężana za pomocą sprężarki IV i kierowana do elektrolizera węglanowego I tworząc drugi strumień 2 CO2 w stanie nadkrytycznym.

Claims

Zastrzeżenia patentowe

1. Sposób pozyskania CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera znamienny tym, że do elektrolizera węglanowego (I) jednocześnie wprowadza się pierwszym strumieniem (1) wodę morską w stanie nadkrytycznym oraz drugim strumieniem (2) CO2 w stanie nadkrytycznym, następnie pod wpływem dostarczonej energii elektrycznej jony węglanowe (CO3=) powstałe z połączenia CO2 z jednym atomem tlenu odbieranym od wody, transportowane są z pierwszego strumienia (1) do drugiego strumienia (2), po czym woda morska z wodorem kierowane są trzecim strumieniem (3) do skraplacza (II), gdzie woda morska jest skraplana i piątym strumieniem (5) z mniejszą ilością CO2 kierowana jest na zewnątrz skraplacza (II), natomiast wodór w stanie gazowym w ósmym strumieniu (8) wraz z mieszaniną gazów wytworzoną w elektrolizerze węglanowym (I) zawierającą CO2 z tlenem czwartym strumieniu (4) kieruje się do komory spalania (III), w której tlen z czwartego strumienia (4) z elektrolizera węglanowego (I) reaguje z wodorem z ósmego strumienia (8) tworząc CO2, który szóstym strumieniem wylotowym (6) kieruje się na zewnątrz komory spalania (III), zaś część CO2 z parą wodną w stanie ciekłym strumieniem (7) jest sprężana za pomocą sprężarki (IV) i kierowana do elektrolizera węglanowego (I) tworząc drugi strumień (2) CO2w stanie nadkrytycznym.

PL 247327 BI
2. Układ pozyskania CO2 z wody morskiej za pomocą węglanowego elektrolizera znamienny tym, że zawiera elektrolizer (I) z pierwszym wejściem (1) wody morskiej połączony ze skraplaczem (II), którego pierwsze wyjście (5) skierowane jest na zewnątrz układu a drugie wyjście (8) podłączone jest do komory spalania (III), której pierwsze wyjście (6) skierowane jest na zewnątrz układu a drugie wyjście (7) połączone jest ze sprężarką (IV), jednocześnie wyjście sprężarki (IV) podłączone jest do drugiego wejścia (2) elektrolizera (I), ponadto drugie wyjście (4) elektrolizera (I) połączone jest z drugim wejściem komory spalania (III).