一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统技术方案

本发明专利技术涉及一种二氧化碳转化系统，具体涉及一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，包括反应子系统；反应子系统包括反应装置、伸入反应装置内部的搅拌桨、固定安装于反应装置顶部的风力机、连接风力机与搅拌桨的传动机构以及绕设于反应装置外侧的保温装置；反应装置包括反应容器以及伸入反应容器内的进气管和出气管，反应容器内还盛有有机溶液以及浸没于有机溶液的液态金属；搅拌桨伸入有机溶液的液面以下。与现有技术相比，本发明专利技术利用风力机和机械传动装置在近环境温度下将低浓度的二氧化碳还原成固体碳，并进一步在风/光电辅助下，保障系统的稳定持续运行。保障系统的稳定持续运行。保障系统的稳定持续运行。

【技术实现步骤摘要】
一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统


[0001]本专利技术涉及一种二氧化碳转化系统，具体涉及一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统。

技术介绍

[0002]自第二次工业革命以来，随着经济社会的持续发展，大量的化石燃料被开发和消耗。与此同时，大气中的二氧化碳浓度持续升高。据不完全统计，2020年的全球大气二氧化碳浓度的年平均值为413.2
±
0.2ppm，相对于1750年的全球大气二氧化碳浓度百分比约为149％，过去10年的年平均二氧化碳绝对增量为2.40ppm。二氧化碳作为最为熟知的温室气体之一，对热量有着特殊的吸收和反射性质。因此，二氧化碳在维持地表温度适宜且恒定方面起到了重要的作用。由于二氧化碳的存在，地球表面能量平衡和水循环得以处于一个相对稳定的状态。然而，大气中二氧化碳浓度持续攀升似乎在打破这种平衡。近年来，极端天气频发和海平面上升等全球关注的环境问题和大气中二氧化碳浓度存在着千丝万缕的联系。中国力争2030年前实现二氧化碳排放达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和目标。
[0003]二氧化碳作为大多数化石燃料燃烧的主要产物，是热力学稳定的小分子。使用传统热反应实现二氧化碳的资源化利用，意味着大量能源的消耗，不符合现代社会节能减排的要求。利用光催化、电催化和光电催化等技术将二氧化碳还原成高附加值和高能量密度的化学产品是实现二氧化碳减排和资源化利用的一条可观途径。然而，光催化技术面临着光生电子
‑
空穴对的高复合率问题，导致整体效率较低。电催化过程中，还原反应发生在裸露的电极表面，过高的过电位意味着较大的能耗。虽然，光电催化结合了光催化和电催化的优点，但仍存在反应效率不高和产物选择性差等问题。除此之外，将二氧化碳还原成一氧化碳、甲烷、甲醇和乙醇等化学燃料大多再次作为燃料被消耗，并以二氧化碳的形式重新回到大气中。
[0004]将二氧化碳直接还原成固体碳材料可以将碳源以固体的形式固定，从而实现负碳排放。利用电解熔融盐技术将二氧化碳还原成固体碳成为近年来新的研究点。通过调节电解质、电极材料和操作参数可以将二氧化碳还原成碳纳米管、碳纳米纤维和碳纳米球等具有特定纳米形貌和尺寸的产物。然而，电解熔融盐技术将二氧化碳还原成固体碳的反应为非均相反应系统。生成的固体碳产物会包裹在工作电极上引发结焦现象，不利于反应的持续进行。除此之外，熔融盐往往需要在较高的温度 (600℃以上)下才可以稳定存在，这意味着更多的能量被消耗。
[0005]《中国电力行业年度发展报告2021》显示：我国2020年并网风电约为281.69 GW，并网太阳能发电约为253.56GW。在可再生能源领域我国处于世界前沿，并以相对稳定的增率持续发展。然而，风力发电和光伏发电具有间歇性、区域性和不稳定性等特点。简单的将风/电并网，将对电网和用户端造成不同程度的危害。通过调峰配合其并网会对电厂运行安全、发电效率和污染物排放等方面带来不利影响。因此，每年会有大量的低品质风/光电被废弃，造成了资源的浪费。尽管转化所需的能量可以由可再生能源提供，从而降低其反应成
本；但是由于可再生能源存在的如间歇性、区域性和不稳定性等特点，直接采用如风力发电和光伏发电的方式进行能量提供必然会导致生产的不连续，这对于产业工业化是致命的，使得可再生能源通常不会被作为工业生产的主要能源。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的就是为了解决上述问题至少其一而提供一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，利用风力机和机械传动装置在近环境温度下将低浓度的二氧化碳还原成固体碳，并进一步在风/光电辅助下，保障系统的稳定持续运行。
[0007]本专利技术的目的通过以下技术方案实现：
[0008]一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，包括反应子系统；
[0009]所述的反应子系统包括反应装置、伸入反应装置内部的搅拌桨、固定安装于反应装置顶部的风力机、连接风力机与搅拌桨的传动机构以及绕设于反应装置外侧的保温装置；
[0010]所述的反应装置包括反应容器以及伸入反应容器内的进气管和出气管，反应容器内还盛有有机溶液以及浸没于有机溶液的液态金属；所述的搅拌桨伸入有机溶液的液面以下；
[0011]所述的二氧化碳由反应容器的进气管进入反应装置并溶解于有机溶液中，风力机在风力驱动下旋转，并通过传动机构带动搅拌桨向有机溶液中输出机械能，溶解的二氧化碳在机械能和温度的作用下于液态金属表面发生反应，生成的固体碳浮于有机溶液液面，生成的气体与未反应的二氧化碳由出气管离开反应装置。
[0012]优选地，所述的反应装置还包括连接于反应容器底部的进液管和出液管；所述的有机溶液由进液管进入反应容器，由出液管离开反应容器。
[0013]优选地，所述的有机溶液为乙醇胺。
[0014]优选地，所述的液态金属为Ga
‑
Ag合金。
[0015]在反应过程中，有机溶液仅起溶解二氧化碳的作用。二氧化碳的还原是在液态金属的Ga液滴表面通过纳米摩擦过程提供的电压驱动的，具体来说是：将Ga转化为Ga
+
，而二氧化碳被激活为CO2‑
自由基。被氧化的Ga
+
通过接收液态金属中 Ag
0.72
Ga
0.28
的电子被还原为单质Ga，与此同时Ag
0.72
Ga
0.28
转化为Ag
0.72
Ga
0.28+
。 CO2‑
自由基又进一步生成中间体CO和O2‑
自由基，前者CO在液态金属表面进一步转化为碳质材料(固体碳)；后者O2‑
自由基生成O2并提供电子将Ag
0.72
Ga
0.28+
还原为Ag
0.72
Ga
0.28
完成催化循环的过程闭合。
[0016]由于液态金属的特殊性质，反应生成的固体碳会自动由液态金属表面剥离，并根据固体碳与有机溶液的密度差值，固体碳会自动漂浮于有机溶液的液面上。该种方式的反应有效避免了结焦现象的发生，进而可以使反应连续进行，同时产物可实现快速简单的分离。
[0017]优选地，所述的进气管伸入有机溶液的液面以下，所述的出气管高于有机溶液的液面设置。保持进气管位于液面以下，而出气管高于液面，使得进入反应容器的 CO2必须与有机溶液发生接触，避免CO2直接由出气管离开反应容器。
[0018]优选地，所述的保温装置控制有机溶液的温度为40℃。保温装置为有机溶液提供加热和保温作用，为二氧化碳的反应提供合适的反应温度。
[0019]优选地，进入反应容器的二氧化碳的最低体积浓度为6％。
[0020]优选地，所述的搅拌桨的最小转速为200rpm。发生反应需要有最低机械能输入，对应于搅拌桨的最小转速即为200rpm，不同的转速对应于不同大小的机械能输入，通过调节输入的机械能大小可以得到具有不同形貌的固体纳米碳产物，进而可以本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，包括反应子系统；所述的反应子系统包括反应装置(12)、伸入反应装置(12)内部的搅拌桨(13)、固定安装于反应装置(12)顶部的风力机(10)、连接风力机(10)与搅拌桨(13)的传动机构(11)以及绕设于反应装置(12)外侧的保温装置(9)；所述的反应装置(12)包括反应容器(123)以及伸入反应容器(123)内的进气管(121)和出气管(122)，反应容器(123)内还盛有有机溶液(124)以及浸没于有机溶液(124)的液态金属(125)；所述的搅拌桨(13)伸入有机溶液(124)的液面以下；所述的二氧化碳由反应容器(123)的进气管(121)进入反应装置并溶解于有机溶液(124)中，风力机(10)在风力驱动下旋转，通过传动机构(11)带动搅拌桨(13)向有机溶液(124)中输出机械能，溶解的二氧化碳在机械能和温度的作用下于液态金属(125)表面发生反应，生成的固体碳浮于有机溶液(124)液面，生成的气体与未反应的二氧化碳由出气管(122)离开反应装置(12)。2.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的反应装置(12)还包括连接于反应容器(123)底部的进液管(126)和出液管(127)；所述的有机溶液(124)由进液管(126)进入反应容器(123)，由出液管(127)离开反应容器(123)。3.根据权利要求1所述的一种基于风/光电辅助驱动的二氧化碳转化系统，其特征在于，所述的有机溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：潘卫国，李楚凡，郭瑞堂，
申请(专利权)人：上海电力大学，
类型：发明
国别省市：