TWI804161B - 二氧化碳的電解系統及方法 - Google Patents
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Abstract
本發明公開一種二氧化碳的電解系統及方法。二氧化碳的電解系統包括一電化學電解設備以及與電化學電解設備流體連通的一吸收單元。電化學電解設備電解一陰極反應物與一陽極反應物，以分別形成一陰極混合物與一陽極混合物。陰極反應物包括二氧化碳或是包含碳酸氫根或碳酸根的化合物，陰極混合物包括一氧化碳及氫氣，陽極混合物包括氧氣。吸收單元處理陰極混合物，以分離出包括一氧化碳及氫氣的一合成氣體。
Description
本發明涉及一種二氧化碳的電解系統及方法，特別是涉及一種可產生合成氣體及氧氣的二氧化碳的電解系統及方法。
燃燒石化材料產生的二氧化碳氣體，是導致溫室效應的主因。為了減緩全球暖化的問題，如何將二氧化碳氣體轉換成其他可再利用的能源，是目前重要的研究發展目標之一。
在現有技術中，公開了各種還原二氧化碳的技術。其中一種技術是結合光觸媒結合水分解系統，以類似於植物光合作用系統的方式還原二氧化碳。先以光催化分解水並產生氫離子，再使用氫離子還原二氧化碳。然而，此裝置為批式反應裝置，不利於處理大量的二氧化碳。
另外一種還原二氧化碳的技術，是將二氧化碳溶於電解液中，以電催化（electrocatalysis）的方式還原二氧化碳。然而，二氧化碳的擴散能力及濃度會受時間影響，進而影響二氧化碳的轉化率。並且，二氧化碳的還原產物中包含了多種碳氫化合物，例如甲烷、甲醇、乙烷、乙醇、乙酸或乙烯等產物，但並非全部產物皆可作為燃料，或作為其他化學品的基礎原料，故尚需經多個分離及純化的步驟，而有步驟繁複的缺點。
因此，如何還原二氧化碳，以減緩溫室效應的問題，並使二氧化碳的還原產物成分單純且可被再利用，已成為該項事業所欲解決的重要課題之一。
本發明所要解決的技術問題在於，針對現有技術的不足提供一種二氧化碳的電解系統及方法。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的其中一技術方案是提供一種二氧化碳的電解系統。二氧化碳的電解系統包括一電化學電解設備以及與電化學電解設備流體連通的一吸收單元。電化學電解設備電解一陰極反應物與一陽極反應物，以分別形成一陰極混合物與一陽極混合物。陰極反應物包括二氧化碳或是包含碳酸氫根或碳酸根的化合物，陰極混合物包括一氧化碳及氫氣，陽極混合物包括氧氣。吸收單元處理陰極混合物，以分離出包括一氧化碳及氫氣的一合成氣體。
於一些實施例中，吸收單元將陰極混合物區分為一陰極氣體產物與一回流液，陰極氣體產物包括合成氣體，回流液包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根，回流液回流至電化學電解設備。
於一些實施例中，二氧化碳的電解系統進一步包括：一第一反應物配製單元，第一反應物配製單元流體連通於電化學電解設備以及吸收單元之間，第一反應物配製單元接收回流液，並提供陰極反應物至電化學電解設備。
於一些實施例中，陰極混合物包括一陰極氣體混合物與一陰極液體混合物，吸收單元處理陰極氣體混合物。
於一些實施例中，陰極混合物包括一陰極液體混合物，陰極液體混合物包含金屬離子、氫氧根離子或金屬氫氧化物。
於一些實施例中，二氧化碳的電解系統進一步包括：一第一氣液分離單元，第一氣液分離單元流體連通於電化學電解設備以及吸收單元之間，第一氣液分離單元將陰極混合物區分為陰極氣體混合物與陰極液體混合物。
於一些實施例中，二氧化碳的電解系統進一步包括：一第一液體處理單元，第一液體處理單元與電化學電解設備流體連通，第一液體處理單元處理陰極液體混合物以產生一第一處理液，第一處理液回流至電化學電解設備。
於一些實施例中，二氧化碳的電解系統進一步包括：一第一反應物配製單元，第一反應物配製單元流體連通於電化學電解設備以及第一液體處理單元之間，第一反應物配製單元接收第一處理液，並提供陰極反應物至電化學電解設備。
於一些實施例中，陽極混合物包括一陽極氣體混合物與一陽極液體混合物。
於一些實施例中，二氧化碳的電解系統進一步包括：一第二氣液分離單元，第二氣液分離單元流體連通於電化學電解設備，第二氣液分離單元將陽極混合物區分為陽極氣體混合物與陽極液體混合物。
於一些實施例中，二氧化碳的電解系統進一步包括：一第二液體處理單元，第二液體處理單元與電化學電解設備流體連通，第二液體處理單元處理陽極液體混合物以產生一第二處理液，第二處理液回流至電化學電解設備。
於一些實施例中，二氧化碳的電解系統進一步包括：一第二反應物配製單元，第二反應物配製單元流體連通於電化學電解設備以及第二液體處理單元之間，第二反應物配製單元接收第二處理液，並提供陽極反應物給電化學電解設備。
於一些實施例中，電化學電解設備包括多個電解單元；其中，每一電解單元包括位於一陰極腔室內的一陰極電極、位於一陽極腔室內的一陽極電極以及夾設於陰極電極與陽極電極之間的一離子交換膜。
於一些實施例中，陰極電極設置於陰極腔室，陰極電極上形成有一陰極觸媒，陽極電極設置於陽極腔室，陽極電極上形成有一陽極觸媒，每兩個相鄰的電解單元以一絕緣板間隔；其中，所述陰極觸媒的材料包含鐵、鈷、鎳、銅、釕、銠、銀、銥、鉑、金、鈦或包含上述任一種金屬的碳化合物，所述陽極觸媒的材料包含釕、銠、銥、鈦或包含上述任一種金屬的金屬鹵化物、金屬氧化物或金屬氫氧化物。
於一些實施例中，陰極腔室具有用以接收陰極反應物的一入口以及用以排放陰極混合物的一出口，陽極腔室具有一入口以接收陽極反應物以及一出口以排放陽極混合物。
於一些實施例中，陰極腔室具有一入口以接收陰極反應物以及兩個出口以排放陰極混合物，陽極腔室具有一入口以接收陽極反應物以及兩個出口以排放陽極混合物。
於一些實施例中，陰極反應物還包括一陰極電解液，陰極電解液中包含碳酸氫根或碳酸根；陽極反應物還包括一陽極電解液，陽極電解液中包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根。
為了解決上述的技術問題，本發明所採用的另外一技術方案是提供一種二氧化碳的電解方法。二氧化碳的電解方法包括：使用一電化學電解設備電解一陰極反應物與一陽極反應物，以分別形成一陰極混合物與一陽極混合物；以及使用一吸收單元處理陰極混合物，以分離出包括一氧化碳及氫氣的一合成氣體。其中，陰極反應物包括二氧化碳或含碳酸根或碳酸氫根的化合物，陰極混合物包括一氧化碳及氫氣，陽極混合物包括氧氣。
於一些實施例中，吸收單元處理陰極混合物後，將陰極混合物區分為一陰極氣體產物與一回流液，陰極氣體產物包括合成氣體，回流液中包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根；二氧化碳的電解方法進一步包括：將回流液回流至電化學電解設備。
於一些實施例中，二氧化碳的電解方法進一步包括：輸送回流液至一第一反應物配製單元，第一反應物配製單元提供陰極反應物給電化學電解設備。
於一些實施例中，陰極混合物包含包括一陰極氣體混合物與一陰極液體混合物，陰極液體混合物包含金屬離子、氫氧根離子或金屬氫氧化物。
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的二氧化碳的電解系統及方法，其能通過“所述陰極反應物包括二氧化碳或含碳酸根或碳酸氫根的化合物，所述陰極混合物包括一氧化碳及氫氣，所述陽極混合物包括氧氣”以及“吸收單元處理所述陰極混合物，並分離出包括一氧化碳及氫氣的一合成氣體”的技術方案，而具有可分解溫室氣體（二氧化碳），還產生了可作為燃料的合成氣體（一氧化碳與氫氣）的效果。
為使能更進一步瞭解本發明的特徵及技術內容，請參閱以下有關本發明的詳細說明與圖式，然而所提供的圖式僅用於提供參考與說明，並非用來對本發明加以限制。
以下是通過特定的具體實施例來說明本發明所公開有關“二氧化碳的電解系統及方法”的實施方式，本領域技術人員可由本說明書所公開的內容瞭解本發明的優點與效果。本發明可通過其他不同的具體實施例加以施行或應用，本說明書中的各項細節也可基於不同觀點與應用，在不背離本發明的構思下進行各種修改與變更。另外，本發明的附圖僅為簡單示意說明，並非依實際尺寸的描繪，事先聲明。以下的實施方式將進一步詳細說明本發明的相關技術內容，但所公開的內容並非用以限制本發明的保護範圍。另外，本文中所使用的術語“或”，應視實際情況可能包括相關聯的列出項目中的任一個或者多個的組合。
本發明提供了一種二氧化碳的電解系統，其包括流體連通的一電化學電解設備與一吸收單元。電化學電解設備是用來還原二氧化碳，以達到減緩溫室效應問題的效果，並可同時產生具有商業用途的鹼性液態產物。吸收單元是用來分離二氧化碳及二氧化碳還原後的產物，以獲得高含量的合成氣體（一氧化碳與氫氣的混合氣體），而可直接利用還原產物作為燃料使用。除了合成氣體之外，陰極產生的氣相產物還可包括甲烷、乙烷、乙烯或其混合物，但仍以合成氣體為主要成分。
本發明的電化學電解設備可電解一陰極反應物與一陽極反應物，並分別形成一陰極混合物與一陽極混合物。具體來說，陰極反應物中包括二氧化碳氣體與一陰極電解液，陽極反應物中包括一陽極電解液。陰極反應物在陰極發生的半反應為：
以及
；陽極反應物在陽極發生的半反應為：
。經電解之後，陰極混合物中會包含電解反應產生的一氧化碳與氫氣以及陰極電解液。陽極混合物中包括電解產生的氧氣以及陽極電解液。
由於本發明於陰極通入的是二氧化碳氣體，故不會有受限於二氧化碳在水溶液中的擴散速度慢，而導致二氧化碳轉化率低以及電解反應不穩定的問題。並且，電解反應所產生的陰極混合物包括高含量的合成氣體，可直接作為燃料。再通過吸收單元的使用，可吸收陰極混合物中未經電解的二氧化碳，進一步獲得高純度的合成氣體。
由此可知，本發明的二氧化碳的電解系統在陰極處可將二氧化碳轉化成一氧化碳與氫氣，不僅可分解溫室氣體（二氧化碳），還產生了可作為燃料的合成氣體（一氧化碳與氫氣）。由於合成氣體的濃度高，故無需經過繁複的分離或純化步驟，可直接作為燃料或是其他化學品的基礎原料。於其他實施例中，陰極反應物也可以是包含碳酸氫根或碳酸根的化合物。
前述的陰極電解液可以是含有氫氧化鈉、溴化鈉、碳酸氫鈉、硫酸鈉、磷酸鈉、磷酸氫鈉、氫氧化鋰、溴化鋰、碳酸氫鋰、硫酸鋰、磷酸鋰、磷酸氫鋰、氫氧化鉀、溴化鉀、碳酸氫鉀、硫酸鉀、磷酸鉀、磷酸氫鉀或其任意組合的電解質的水溶液。於一較佳實施例中，陰極電解液中包含碳酸氫根或碳酸根，較佳的，陰極電解液是含有碳酸氫鈉的水溶液。並且，陰極電解液中電解質的濃度最低為0.001M，最高可達電解質的飽和濃度。
前述的陽極電解液可以是含有氫氧化鈉、溴化鈉、碳酸氫鈉、硫酸鈉、磷酸鈉、磷酸氫鈉、氫氧化鋰、溴化鋰、碳酸氫鋰、硫酸鋰、磷酸鋰、磷酸氫鋰、氫氧化鉀、溴化鉀、碳酸氫鉀、硫酸鉀、磷酸鉀、磷酸氫鉀或其任意組合的電解質的水溶液。於一較佳實施例中，陽極電解液中包含碳酸氫根或碳酸根，較佳的，陽極電解液是含有碳酸氫鈉的水溶液。並且，陽極電解液中電解質的濃度最低為0.001M，最高可達電解質的飽和濃度。
[第一實施例]
請參閱圖1所示，本發明第一實施例提供一種二氧化碳的電解系統，其包括：電化學電解設備1、一第一反應物配製單元2、一第二反應物配製單元3、一第一氣液分離單元4、一第二氣液分離單元5以及吸收單元6。
電化學電解設備1與第一反應物配製單元2流體連通，以接收第一反應物配製單元2提供的陰極反應物A1。電化學電解設備1與第二反應物配製單元3流體連通，以接收第二反應物配製單元3提供的陽極反應物A2。電化學電解設備1電解陰極反應物A1與陽極反應物A2，並分別形成陰極混合物B1與陽極混合物B2。其中，陰極反應物A1是第一反應物配製單元2在接收陰極電解液E1以及二氧化碳氣體後配製而成，陽極反應物A2是第二反應物配製單元3在接收陽極電解液E2後配製而成。
電化學電解設備1與第一氣液分離單元4流體連通，以分離陰極混合物B1中的氣相成分與液相成分。陰極混合物B1可被第一氣液分離單元4區分為一陰極氣體混合物V1與一陰極液體混合物L1。具體來說，陰極氣體混合物V1中包括二氧化碳、一氧化碳及氫氣，陰極液體混合物L1中包含陰極電解液E1。於一示範實施例中，陰極液體混合物L1中可包含液態氫氧化鈉以及陰極電解液E1，也就是說，陰極液體混合物L1中包含金屬離子、氫氧根離子或金屬氫氧化物。由此可知，本發明的二氧化碳的電解系統，可同時產生具有經濟價值的陰極氣體混合物V1以及陰極液體混合物L1。
電化學電解設備1與第二氣液分離單元5流體連通，以分離陽極混合物B2中的氣相成分與液相成分。陽極混合物B2可被第二氣液分離單元5區分為一陽極氣體混合物V2與一陽極液體混合物L2。具體來說，陽極氣體混合物V2中包括氧氣，陽極液體混合物L2中包含陽極電解液E2。
吸收單元6與第一氣液分離單元4流體連通，以處理陰極氣體混合物V1，吸收單元6吸收陰極氣體混合物V1中的二氧化碳，以分離出一氧化碳與氫氣。具體來說，將陰極電解液E1通入吸收單元6，並使陰極電解液E1與陰極氣體混合物V1接觸，此時，二氧化碳會由陰極氣體混合物V1溶於陰極電解液E1中。
因此，陰極氣體混合物V1與陰極電解液E1接觸後，會形成一陰極氣體產物P1與一回流液R1。陰極氣體產物P1包括一氧化碳與氫氣。回流液R1中包含了陰極電解液E1與二氧化碳，或進一步包括液態氫氧化鈉（或以液鹼概稱），因此，可將回流液R1回流至電化學電解設備1，當作陰極反應物A1重複利用。於一較佳實施例中，先將回流液R1輸送至第一反應物配製單元2，經適當調配後再輸送至電化學電解設備1。具體來說，回流液R1中包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根。
電化學電解設備1與吸收單元6可構成一循環管路，使得本發明的二氧化碳的電解系統可穩定產生具有經濟價值的陰極氣體產物P1與陰極液體混合物L1，並可提升陰極反應物A1的使用效率。請合併參閱圖2、3所示，本發明的化學電解設備1包括多個電解單元10。在第一實施例中，多個電解單元10並聯排列，且每兩個相鄰的電解單元10之間以一絕緣板13間隔。於一些實施例中，電解單元10的數量為3至30個。
需特別說明的是，圖2中例示的是串聯排列的電解單元10，但實際應用時並不限於此，多個電解單元10也可以並聯的方式排列。舉例來說，數個電解單元10可先以串聯方式排列形成一電解模組，接著，再將數個電解模組以並聯方式連接，構成一電解組件，以提升二氧化碳氣體的處理量和/或提升陰極氣體產物P1的濃度。
請合併參閱圖2及圖3所示，每一電解單元10包括位於一陰極腔室11的一陰極電極14、位於一陽極腔室12的一陽極電極15以及夾設於陰極電極14與陽極電極15之間的一離子交換膜20。
每一陰極腔室11在一入口側上形成有一入口111，以接收陰極反應物A1，每一陰極腔室11在一出口側上形成有一出口112，以排放陰極混合物B1，且入口側與出口側彼此相對。每一陽極腔室12在一入口側上形成有一入口121，以接收陽極反應物A2，每一陽極腔室12在一出口側上形成有一出口122，以排放陽極混合物B2，且入口側與出口側彼此相對。
於一些實施例中，各個陰極腔室11的入口111以一管線相互連接，以同時注入陰極反應物A1，各個陽極腔室12的入口121以另一管線相互連接，以同時注入陽極反應物A2。陰極腔室11的入口111與陽極腔室12的入口121不連通。類似的，各個陰極腔室11的出口112以一管線相互連接，以使各個電解單元10產生的電解產物匯流形成陰極混合物B1。各個陽極腔室12的出口122以另一管線相互連接，以使各個電解單元10產生的電解產物匯流形成陽極混合物B2。陰極腔室11的出口112與陽極腔室12的出口122不相通。
入口111、121可以形成於陰極腔室11或陽極腔室12的任意位置，一般來說，入口111、121形成於陰極腔室11或陽極腔室12接近底部的位置。並且，相較於入口111、121的位置，出口112、122的位置位於較高的高度。舉例來說：入口111、121可形成於接近電解單元10底部的位置，而出口112、122可形成於電解單元10高度一半或以上的位置。然而，本發明不以此為限。
請參閱圖3所示，陰極電極14設置於陰極腔室11上，陰極電極14於面向離子交換膜20的一平面上形成有一陰極觸媒141，以促使還原反應的發生。陰極電極14的另一平面位於陰極腔室11內，並與陰極反應物A1接觸。陽極電極15設置於陽極腔室12上，陽極電極15於面向離子交換膜20的一平面上形成有一陽極觸媒151，以促使氧化反應的發生。陽極電極15的另一平面位於陽極腔室12內，並與陽極反應物A2接觸。一外部電源可施加電能於陰極電極14以及陽極電極15上，以進行電解。
為了避免電解單元10的陰極電極14與相鄰的電解單元10的陽極電極15接觸，在相鄰的電解單元10之間設置絕緣板13完全隔開。如此一來，當外部施加電壓於陰極電極14與陽極電極15上時，可確保陰極電極14不會與陽極電極15接觸，以避免短路的發生。
於本發明中，陰極電極14可以是一緻密網狀結構，且形成陰極電極14的材料可以是一導電材料，例如金屬或碳材。陽極電極15可以是一緻密網狀結構，且形成陽極電極15的材料可以是一導電材料，例如金屬或碳材。
陰極觸媒141可以是各種金屬、金屬化合物、合金、含雜原子或金屬中至少一者的碳化合物或其任意組合。金屬可以是釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、錫、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鈀、銀、鎘、鉿、鉭、鎢、錸、銥、鉑、金、鋁、銦、鈦、鉛、鉍、銻、碲、鑭、鈰、釹或其組合物。金屬化合物包括有機金屬化合物與無機金屬化合物，並涵蓋金屬鹵化物、金屬氧化物及金屬氫氧化物。含雜原子或金屬中至少一者的碳化合物可以是含氮石墨、含氮石墨烯或含氮碳管與金屬原子構成的結構。
陽極觸媒151可以是各種金屬、金屬化合物、合金、含雜原子或金屬中至少一者的碳化合物或其任意組合。金屬可以是釩、鉻、錳、鐵、鈷、鎳、銅、錫、鋯、鈮、鉬、釕、銠、鈀、銀、鎘、鉿、鉭、鎢、錸、銥、鉑、金、鋁、銦、鈦、鉛、鉍、銻、碲、鑭、鈰、釹或其組合物。金屬化合物包括有機金屬化合物與無機金屬化合物，並涵蓋金屬鹵化物、金屬氧化物及金屬氫氧化物。含雜原子或金屬中至少一者的碳化合物可以是含氮石墨、含氮石墨烯或含氮碳管與金屬原子構成的結構。
離子交換膜20的厚度為10微米至5000微米，離子交換膜20的面積大於陰極電極14或陽極電極15的面積。離子交換膜20可以是陽離子交換膜，例如：包含聚乙烯磺酸、富勒烯交聯的聚磺酸、聚丙烯酸或全氟乙二磺酸的陽離子交換膜；或者，離子交換膜20可以是陰離子交換膜，例如：包含聚苯乙烯甲基三甲基氯化銨或聚醚的陰離子交換膜。
於一示範實施例中，離子交換膜20是陽離子交換膜。陽極電解液中的金屬離子（例如：鈉離子），可穿過離子交換膜20，進入陰極腔室11中，並與氫氧根形成液鹼（例如：液態氫氧化鈉）。如此一來，陰極液體混合物L1便可包含液態氫氧化鈉，如前所述，陰極液體混合物L1可包括金屬離子、氫氧根離子或或金屬氫氧化物。
[第二實施例]
請參閱圖4所示，本發明第二實施例提供一種二氧化碳的電解系統，其與第一實施例的二氧化碳的電解系統相似，主要差異在於：第二實施例的二氧化碳的電解系統進一步包括一第一液體處理單元7與一第二液體處理單元8。
第一液體處理單元7與第一氣液分離單元4流體連通，以接收並適當處理陰極液體混合物L1。陰極液體混合物L1經第一液體處理單元7處理後可形成一第一處理液R1*，第一處理液R1*中的主要成分是陰極電解液E1，因此，第一處理液R1*可回流至電化學電解設備1，當作陰極反應物A1重複利用。於一較佳實施例中，可先將第一處理液R1*輸送至第一反應物配製單元2，經適當調配後再輸送至電化學電解設備1。具體來說，回流液R1*中包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根。
第二液體處理單元8與第二氣液分離單元5流體連通，以接收並適當處理陽極液體混合物L2。陽極液體混合物L2經第二液體處理單元8處理後可形成一第二處理液R2*，第二處理液R2*中的主要成分是陽極電解液E2，因此，第二處理液R2*可回流至電化學電解設備1，當作陽極反應物A2重複利用。於一較佳實施例中，可先將第二處理液R2*輸送至第二反應物配製單元3，經適當調配後再輸送至電化學電解設備1。
[第三實施例]
請合併參閱圖5及圖6所示，本發明第三實施例提供一種二氧化碳的電解系統，其與第一實施例的二氧化碳的電解系統相似，主要差異在於：第三實施例的二氧化碳的電解系統不包含第一氣液分離單元4與第二氣液分離單元5。
請參閱圖6所示，在第三實施例中，每一陰極腔室11具有兩個出口112A、112B，且兩個出口112A、112B形成於不同高度位置上。高度位置較高的出口112A可用來排放陰極氣體混合物V1，而高度位置較低的出口112B可用來排放陰極液體混合物L1。每一陽極腔室12具有兩個出口112A、112B，且兩個出口112A、112B形成於不同高度位置上。高度位置較高的出口122A可用來排放陽極氣體混合物V2，而高度位置較低的出口122B可用來排放陽極液體混合物L2。如此一來，便可省略第一液體處理單元7與第二液體處理單元8的使用。
值得注意的是，第三實施例的二氧化碳的電解系統在使用時，需維持陰極腔室11及陽極腔室12內的液體高度呈現半滿或超過半滿的狀態，以達到區分陰極氣體混合物V1與陰極液體混合物L1，以及區分陽極氣體混合物V2與陽極液體混合物L2的效果。
除了第一氣液分離單元4與第二氣液分離單元5之外，第三實施例中二氧化碳的電解系統具有與第一實施例中二氧化碳的電解系統相似的電化學電解設備1、第一反應物配製單元2、第二反應物配製單元3以及吸收單元6，故於此不再贅述。
[第四實施例]
請參閱圖7所示，本發明第四實施例提供一種二氧化碳的電解系統，其與第三實施例的二氧化碳的電解系統相似，主要差異在於：第四實施例的二氧化碳的電解系統進一步包含第一液體處理單元7與第二液體處理單元8。
第一液體處理單元7與電化學電解設備1流體連通，以接收並適當處理陰極液體混合物L1。陰極液體混合物L1經第一液體處理單元7處理後可形成一第一處理液R1*，第一處理液R1*中的主要成分是陰極電解液E1，因此，第一處理液R1*可回流至電化學電解設備1，當作陰極反應物A1重複利用。於一較佳實施例中，可先將第一處理液R1*輸送至第一反應物配製單元2，經適當調配後再輸送至電化學電解設備1。
第二液體處理單元8與電化學電解設備1流體連通，以接收並適當處理陽極液體混合物L2。陽極液體混合物L2經第二液體處理單元8處理後可形成一第二處理液R2*，第二處理液R2*中的主要成分是陽極電解液E2，因此，第二處理液R2*可回流至電化學電解設備1，當作陽極反應物A2重複利用。於一較佳實施例中，可先將第二處理液R2*輸送至第二反應物配製單元3，經適當調配後再輸送至電化學電解設備1。
請參閱圖8所示，本發明另提供一種二氧化碳的電解方法，其包括：使用一電化學電解設備電解一陰極反應物與一陽極反應物，以分別形成一陰極混合物與一陽極混合物（步驟S1）；使用一吸收單元處理陰極混合物，將陰極混合物區分為一陰極氣體產物與一回流液（步驟S2）；輸送回流液至一第一反應物配製單元（步驟S3）；第一反應物配製單元接收回流液後，提供陰極反應物給電化學電解設備（步驟S4）。
在步驟S1中，陰極反應物包括二氧化碳氣體與一陰極電解液，陽極反應物中包括一陽極電解液，陰極混合物中包含電解反應產生的一氧化碳與氫氣以及陰極電解液，陽極混合物包括氧氣以及陽極電解液。在步驟S2中，陰極氣體產物包括一氧化碳與氫氣，即為合成氣體。回流液包括陰極電解液與二氧化碳，故可通過步驟S3至S4回流至電化學電解設備，以提高本發明二氧化碳的電解方法的二氧化碳轉化率。根據上述方法，本發明可將二氧化碳轉化為可作為燃料的合成氣體，不僅可減緩溫室效應的問題，還提供了再生能源。
[實施例的有益效果]
本發明的其中一有益效果在於，本發明所提供的二氧化碳的電解系統及方法，其能通過“所述陰極反應物A1包括二氧化碳或含碳酸根或碳酸氫根的化合物，所述陰極混合物B1包括一氧化碳及氫氣，所述陽極混合物B1包括氧氣”以及“吸收單元6處理所述陰極混合物B1，並分離出包括一氧化碳及氫氣的一合成氣體”的技術方案，而具有可分解溫室氣體（二氧化碳），還產生了可作為燃料的合成氣體（一氧化碳與氫氣）以及具有商業用途的鹼性液態產物的效果。
更進一步來說，本發明的二氧化碳的電解系統及方法通過“所述吸收單元將所述陰極混合物區分為一陰極氣體產物與一回流液，所述陰極氣體產物包括所述合成氣體，所述回流液回流至所述電化學電解設備”的技術方案，提高陰極氣體產物中合成氣體的含量，並可以連續方式穩定產生。
以上所公開的內容僅為本發明的優選可行實施例，並非因此侷限本發明的申請專利範圍，所以凡是運用本發明說明書及圖式內容所做的等效技術變化，均包含於本發明的申請專利範圍內。
1:電化學電解設備
2:第一反應物配製單元
3:第二反應物配製單元
4:第一氣液分離單元
5:第二氣液分離單元
6:吸收單元
7:第一液體處理單元
8:第二液體處理單元
A1:陰極反應物
A2:陽極反應物
B1:陰極混合物
B2:陽極混合物
E1:陰極電解液
E2:陽極電解液
V1:陰極氣體混合物
V2:陽極氣體混合物
L1:陰極液體混合物
L2:陽極液體混合物
P1:陰極氣體產物
R1:回流液
R1*:第一處理液
R2*:第二處理液
10:電解單元
11:陰極腔室
111:入口
112、112A、112B:出口
12:陽極腔室
121:入口
122、122A、122B:出口
13:絕緣板
14:陰極電極
141:陰極觸媒
15:陽極電極
151:陽極觸媒
20:離子交換膜
圖1為本發明第一實施例的二氧化碳的電解系統的功能方塊圖。
圖2為本發明電化學電解設備的立體示意圖。
圖3為本發明第一實施例的電化學電解設備的側剖示意圖。
圖4為本發明第二實施例的二氧化碳的電解系統的功能方塊圖。
圖5為本發明第三實施例的二氧化碳的電解系統的功能方塊圖。
圖6為本發明第三實施例的電化學電解設備的側剖示意圖。
圖7為本發明第四實施例的二氧化碳的電解系統的功能方塊圖。
圖8為本發明二氧化碳的電解方法的流程圖。
1:電化學電解設備
2:第一反應物配製單元
3:第二反應物配製單元
4:第一氣液分離單元
5:第二氣液分離單元
6:吸收單元
A1:陰極反應物
A2:陽極反應物
B1:陰極混合物
B2:陽極混合物
E1:陰極電解液
E2:陽極電解液
V1:陰極氣體混合物
V2:陽極氣體混合物
L1:陰極液體混合物
L2:陽極液體混合物
P1:陰極氣體產物
R1:回流液
Claims (18)
- 一種二氧化碳的電解系統，其包括：一電化學電解設備，其電解一陰極反應物與一陽極反應物，以分別形成一陰極混合物與一陽極混合物；其中，所述陰極反應物包括二氧化碳或含碳酸根或碳酸氫根的化合物，所述陰極混合物包括一陰極液體混合物與一陰極氣體混合物，所述陰極液體混合物包含液態氫氧化鈉以及陰極電解液，所述陰極氣體混合物包括一氧化碳及氫氣，所述陽極混合物包括氧氣；以及一吸收單元，其與所述電化學電解設備流體連通，以處理所述陰極氣體混合物，並分離出由所述一氧化碳及所述氫氣所組成的一合成氣體。
- 如請求項1所述的二氧化碳的電解系統，其中，所述吸收單元將所述陰極混合物區分為一陰極氣體產物與一回流液，所述陰極氣體產物包括所述合成氣體，所述回流液包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根，所述回流液回流至所述電化學電解設備。
- 如請求項2所述的二氧化碳的電解系統，進一步包括：一第一反應物配製單元，所述第一反應物配製單元流體連通於所述電化學電解設備以及所述吸收單元之間，所述第一反應物配製單元接收所述回流液，並提供所述陰極反應物至所述電化學電解設備。
- 如請求項1所述的二氧化碳的電解系統，進一步包括：一第一氣液分離單元，所述第一氣液分離單元流體連通於所述電化學電解設備以及所述吸收單元之間，所述第一氣液分離單元將所述陰極混合物區分為所述陰極氣體混合物與所述陰極液體混合物。
- 如請求項1所述的二氧化碳的電解系統，進一步包括：一第一液體處理單元，所述第一液體處理單元與所述電化學電解設備流體連通，所述第一液體處理單元處理所述陰極液體混合物以產生一第一處理液，所述第一處理液回流至所述電化學電解設備。
- 如請求項5所述的二氧化碳的電解系統，進一步包括：一第一反應物配製單元，所述第一反應物配製單元流體連通於所述電化學電解設備以及所述第一液體處理單元之間，所述第一反應物配製單元接收所述第一處理液，並提供所述陰極反應物至所述電化學電解設備。
- 如請求項1所述的二氧化碳的電解系統，其中，所述陽極混合物包括一陽極氣體混合物與一陽極液體混合物。
- 如請求項7所述的二氧化碳的電解系統，進一步包括：一第二氣液分離單元，所述第二氣液分離單元流體連通於所述電化學電解設備，所述第二氣液分離單元將所述陽極混合物區分為所述陽極氣體混合物與所述陽極液體混合物。
- 如請求項7所述的二氧化碳的電解系統，進一步包括：一第二液體處理單元，所述第二液體處理單元與所述電化學電解設備流體連通，所述第二液體處理單元處理所述陽極液體混合物以產生一第二處理液，所述第二處理液回流至所述電化學電解設備。
- 如請求項9所述的二氧化碳的電解系統，進一步包括：一第二反應物配製單元，所述第二反應物配製單元流體連通於所述電化學電解設備以及所述第二液體處理單元之間，所述第二反應物配製單元接收所述第二處理液，並提供所述陽極反應物給所述電化學電解設備。
- 如請求項1所述的二氧化碳的電解系統，其中，所述電化學 電解設備包括多個電解單元；其中，每一所述電解單元包括位於一陰極腔室內的一陰極電極、位於一陽極腔室內的一陽極電極以及夾設於所述陰極電極與所述陽極電極之間的一離子交換膜。
- 如請求項11所述的二氧化碳的電解系統，其中，所述陰極電極設置於所述陰極腔室，所述陰極電極上形成有一陰極觸媒，所述陽極電極設置於所述陽極腔室，所述陽極電極上形成有一陽極觸媒，每兩個相鄰的所述電解單元以一絕緣板間隔；其中，所述陰極觸媒的材料包含鐵、鈷、鎳、銅、釕、銠、銀、銥、鉑、金、鈦或包含上述任一種金屬的碳化合物，所述陽極觸媒的材料包含釕、銠、銥、鈦或包含上述任一種金屬的金屬鹵化物、金屬氧化物或金屬氫氧化物。
- 如請求項11所述的二氧化碳的電解系統，其中，所述陰極腔室具有用以接收所述陰極反應物的一入口以及用以排放所述陰極混合物的一出口，所述陽極腔室具有一入口以接收所述陽極反應物以及一出口以排放所述陽極混合物。
- 如請求項11所述的二氧化碳的電解系統，其中，所述陰極腔室具有一入口以接收所述陰極反應物以及兩個出口以排放所述陰極混合物，所述陽極腔室具有一入口以接收所述陽極反應物以及兩個出口以排放所述陽極混合物。
- 如請求項1所述的二氧化碳的電解系統，其中，所述陰極反應物還包括一陰極電解液，所述陰極電解液中包含碳酸氫根或碳酸根；其中，所述陽極反應物還包括一陽極電解液，所述陽極電解液中包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根。
- 一種二氧化碳的電解方法，其包括：使用一電化學電解設備電解一陰極反應物與一陽極反應物，以分別形成一陰極混合物與一陽極混合物；其中，所述陰 極反應物包括二氧化碳或含碳酸根或碳酸氫根的化合物，所述陰極混合物包括一陰極液體混合物與一陰極氣體混合物，所述陰極液體混合物包含液態氫氧化鈉以及陰極電解液，所述陰極氣體混合物包括一氧化碳及氫氣，所述陽極混合物包括氧氣；以及使用一吸收單元處理所述陰極氣體混合物，以分離出包括由一氧化碳及氫氣所組成的一合成氣體。
- 如請求項16所述的二氧化碳的電解方法，其中，所述吸收單元處理所述陰極混合物後，將所述陰極混合物區分為一陰極氣體產物與一回流液，所述陰極氣體產物包括所述合成氣體，所述回流液中包含碳酸氫根、碳酸根或氫氧根；其中，所述二氧化碳的電解方法進一步包括：將所述回流液回流至所述電化學電解設備。
- 如請求項17所述的二氧化碳的電解方法，所述二氧化碳的電解方法進一步包括：輸送所述回流液至一第一反應物配製單元，所述第一反應物配製單元提供所述陰極反應物給所述電化學電解設備。
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| CN112543821A (zh) * | 2018-07-10 | 2021-03-23 | 塞彭公司 | 用于从含co2的气体生产一氧化碳和氢气的方法和系统 |
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