一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统及方法，所述系统包括吸附塔，用于输入空气及碱性溶液，获得弱碱性溶液；电解池堆，所述电解池堆由多个电解池单元周期组合而成；其中的阴极流道用于通入所述吸附塔获得的弱碱性溶液作为阴极液，阳极流道用于通入碱性溶液作为阳极液；阴极负载有阴极催化剂，用于分解阴极液中溶解的二氧化碳，生成氢气和甲醇；阳极负载有阳极催化剂，用于分解水，生成氧气；变压吸附塔，用于分离提纯输出氢气；蒸馏分离塔，用于分离提纯输出甲醇。本发明专利技术的系统能够降低过程的熵增，减少传统空气二氧化碳捕集的消化、煅烧、二氧化碳压缩以及输运的成本。二氧化碳压缩以及输运的成本。二氧化碳压缩以及输运的成本。

【技术实现步骤摘要】
一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统及方法


[0001]本专利技术属于二氧化碳捕集利用
，特别涉及一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统及方法。

技术介绍

[0002]生物代谢的核心是通过碳不同氧化状态间的转化以储存和释放能量，合成功能分子；碳的氧化也是人类“工业代谢”的中心，如燃料的燃烧释能以及各种含碳功能分子的转化与储能。在生物代谢中，光合作用的二氧化碳还原平衡了呼吸作用碳的氧化；在工业代谢中，相较于发展迅速的碳氧化技术，碳还原技术空缺导致了不平衡的工业碳循环。工业碳循环的不平衡已造成了地球碳循环的重大扰动，引发了一系列的气候环境问题；依照《巴黎气候协议》，为将全球气候变暖限制在比人类工业化前高1.5℃的相对安全水平，大气二氧化碳应维持在350ppm以下。然而截止于2020年初，大气二氧化碳浓度已超过415ppm，这使得碳排放控制任务艰巨；为实现“双碳”目标，除稳步推进化石能源与可再生能源互补优化，实现减排外，还应从源头上实现二氧化碳的捕集与转化。
[0003]目前已有的空气二氧化碳捕集技术主要分为碱性溶液捕集、胺溶液捕集以及固体吸附捕集三种；因吸附介质昂贵、空气中二氧化碳含量低以及系统复杂等问题，空气二氧化碳捕集成本居高不下。此外，传统二氧化碳封存技术，如地质封存等存在经济性、长期安全性和可靠性等问题，无法大规模应用。
[0004]二氧化碳利用作为新兴技术，在减少二氧化碳排放的同时实现能源增产增效、化学品转化合成等，是具有附带经济效益的减排途径。其中，以二氧化碳作为碳源，利用新能源剩余电能制造有机化合物和燃料是促进新能源消纳，二氧化碳资源化，实现工业碳中和的可持续方法。然而二氧化碳电催化的研究均需要高纯度二氧化碳气体供给，二氧化碳提纯费用高昂限制了技术的工业应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的在于提供一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统及方法，以解决上述存在的一个或多个技术问题。本专利技术的系统能够降低过程的熵增，减少传统空气二氧化碳捕集的消化、煅烧、二氧化碳压缩以及输运的成本。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]本专利技术提供的一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统，包括：
[0008]吸附塔，用于输入空气及碱性溶液，发生反应获得弱碱性溶液；
[0009]电解池堆，所述电解池堆由多个电解池单元周期组合而成；每个电解池单元均包括：合并集流板，所述合并集流板的材质为导电材料，用于提供电位；所述合并集流板围成多个流道，流道内设置有阴极和阳极；所述阴极和所述阳极之间设置有双极膜，所述双极膜由阴离子选择膜和阳离子选择膜压合而成(示例解释性的，膜间或存在Pt等催化剂以促进
水的解离)，所述阳离子选择膜与所述阴极相对，所述阴离子选择膜与所述阳极相对，设置有阴极一侧的流道为阴极流道，设置有阳极一侧的流道为阳极流道；所述阴极流道用于通入所述吸附塔获得的弱碱性溶液作为阴极液，所述阳极流道用于通入碱性溶液作为阳极液；所述阴极负载有阴极催化剂，用于分解阴极液中溶解的二氧化碳，生成氢气和甲醇；所述阳极负载有阳极催化剂，用于分解水，生成氧气；
[0010]变压吸附塔，用于输入阴极流道输出的混合气，分离提纯输出氢气；
[0011]蒸馏分离塔，用于输入阴极流道输出的混合液，分离提纯输出甲醇。
[0012]本专利技术的进一步改进在于，还包括：
[0013]气液分离室，所述气液分离室的进口与所述阳极流道的出口相连通，所述气液分离室的气体出口用于输出分离获得的氧气，所述气液分离室的液体出口用于输出分离获得的电解液；
[0014]所述电解液用于作为输入所述吸附塔的碱性溶液。
[0015]本专利技术的进一步改进在于，还包括：
[0016]储气罐，用于存储所述变压吸附塔输出的氢气；
[0017]产物储液罐，用于存储所述蒸馏分离塔输出的甲醇。
[0018]本专利技术的进一步改进在于，所述吸附塔包括吸附塔主体；
[0019]所述吸附塔主体自下而上依次设置有储液区、空气入口、填料区、喷淋区和空气出口；其中，所述喷淋区用于将碱性溶液以微小液滴形式喷出；所述填料区用于增大碱性溶液与空气的接触面积与接触时间。
[0020]本专利技术的进一步改进在于，所述碱性溶液为氢氧化钾溶液。
[0021]本专利技术的进一步改进在于，所述弱碱性溶液的pH为7.3～8。
[0022]本专利技术的进一步改进在于，所述合并集流板围成的流道为蛇形、交错形或仿生波纹形。
[0023]本专利技术的进一步改进在于，所述阴极负载的阴极催化剂为铜基合金纳米颗粒催化剂；所述阳极负载的阳极催化剂为铂、镍纳米颗粒催化剂。
[0024]本专利技术的进一步改进在于，所述电解池堆的温度维持在40℃～70℃。
[0025]本专利技术提供的一种用于空气中二氧化碳捕集利用的方法，基于本专利技术上述的系统，包括以下步骤：
[0026]吸附塔输入空气及碱性溶液，发生反应获得弱碱性溶液；
[0027]所述电解池堆中电解池单元的阴极流道通入所述吸附塔获得的弱碱性溶液作为阴极液，阳极流道通入碱性溶液作为阳极液；水解反应产生的H
+
经由阳离子选择膜输运至阴极液中，在阴极液里发生反应产生的二氧化碳与阴极催化剂反应活性位点处发生二氧化碳直接电解反应CO
2(aq)
+6e
‑
+6H
+
→
CH3OH+H2O；阴极发生析氢副反应2H
+
+2e
‑
→
H2；阳极发生析氧反应4OH
‑
‑
4e
‑
→
O2+2H2O；
[0028]变压吸附塔输入阴极流道输出的混合气，分离提纯输出氢气；
[0029]蒸馏分离塔输入阴极流道输出的混合液，分离提纯输出甲醇。
[0030]与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0031]本专利技术耦合空气二氧化碳捕集和利用系统，基于双极膜水解的特点，以传统空气捕集技术的中间产物(解释性的，包括碳酸氢盐等)作为二氧化碳利用系统的碳源，而非传统二氧化碳利用系统的高纯度气相二氧化碳，降低了过程的熵增，极大的减少了传统空气二氧化碳捕集的消化、煅烧、二氧化碳压缩以及输运的成本；以液相反应物代替气象反应物，提高了反应的稳定性。另外，捕集与利用系统的有机结合，不仅降低了成本，提高了转化效率，还实现了二氧化碳的资源化利用以及清洁能源的稳定存储，具有显著社会效益和循环经济效益，可广泛应用于碳捕集与利用领域。
附图说明
[0032]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍；显而易见地，下面描述中的附图是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0033]图1是根据本专利技术一个实施例的空气二氧化碳捕本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统，其特征在于，包括：吸附塔(1)，用于输入空气及碱性溶液，发生反应获得弱碱性溶液；电解池堆(4)，所述电解池堆(4)由多个电解池单元周期组合而成；每个电解池单元均包括：合并集流板(3
‑
1)，所述合并集流板(3
‑
1)的材质为导电材料，用于提供电位；所述合并集流板(3
‑
1)围成多个流道，流道内设置有阴极(3
‑
3)和阳极(3
‑
5)；所述阴极(3
‑
3)和所述阳极(3
‑
5)之间设置有双极膜(3
‑
4)，所述双极膜(3
‑
4)由阴离子选择膜和阳离子选择膜压合而成，所述阳离子选择膜与所述阴极(3
‑
3)相对，所述阴离子选择膜与所述阳极(3
‑
5)相对，设置有阴极(3
‑
3)一侧的流道为阴极流道(3
‑
2)，设置有阳极(3
‑
5)一侧的流道为阳极流道(3
‑
6)；所述阴极流道(3
‑
2)用于通入所述吸附塔(1)获得的弱碱性溶液作为阴极液，所述阳极流道(3
‑
6)用于通入碱性溶液作为阳极液；所述阴极(3
‑
3)负载有阴极催化剂，用于分解阴极液中溶解的二氧化碳，生成氢气和甲醇；所述阳极(3
‑
5)负载有阳极催化剂，用于分解水，生成氧气；变压吸附塔(5)，用于输入阴极流道输出的混合气，分离提纯输出氢气；蒸馏分离塔(7)，用于输入阴极流道输出的混合液，分离提纯输出甲醇。2.根据权利要求1所述的一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统，其特征在于，还包括：气液分离室(3)，所述气液分离室(3)的进口与所述阳极流道的出口相连通，所述气液分离室(3)的气体出口用于输出分离获得的氧气，所述气液分离室(3)的液体出口用于输出分离获得的电解液；所述电解液用于作为输入所述吸附塔(1)的碱性溶液。3.根据权利要求1所述的一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统，其特征在于，还包括：储气罐(6)，用于存储所述变压吸附塔(5)输出的氢气；产物储液罐(8)，用于存储所述蒸馏分离塔(7)输出的甲醇。4.根据权利要求1所述的一种用于空气中二氧化碳捕集利用的系统，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱超，屈治国，陈维，田地，王勇，李松，吴子豪，王辰曦，丁涛，师鹏，董乐，谢萍，薛倩楠，
申请(专利权)人：西安交通大学国网西安环保技术中心有限公司，
类型：发明
国别省市：