一种超低能耗二氧化碳电化学捕集方法及系统技术方案

本发明专利技术属于电化学技术领域，具体为一种超低能耗CO2电化学捕集系统。该系统包括阳极区和阴极区和中间设置的阴离子交换膜，阴极区装填有碱液；阳极区加入水溶性的有机质子耦合电子转移(PCET)反应物，在阳极区和阴极区之间连通外置电源。外置电源为电解槽提供电能。阴极侧为析氢电极，发生电化学还原反应分解水产生H2和OH

【技术实现步骤摘要】
一种超低能耗二氧化碳电化学捕集方法及系统


[0001]本专利技术属于电化学
，是一种基于电化学氧化还原反应驱动溶液pH变化，耦合非电化学还原反应再生溶剂的新型电化学CO2捕集纯化系统，具体为一种超低能耗CO2电化学捕集系统。

技术介绍

[0002]CO2捕集是将低浓度CO2吸收分离至高纯度，以便用于后续的封存或利用。目前CO2捕集大多采用胺类吸收剂的化学吸收法，该方法利用胺类吸收CO2并采用热法解吸，存在着解吸能耗高(～2
‑
4.5GJ/吨CO2)的技术瓶颈。
[0003]现有的电化学CO2捕集技术利用电化学质子耦合电子转移(PCET)反应改变溶液的pH环境，打破CO2在溶液中的吸收
‑
解吸平衡，从而实现低能耗下(<2GJ/吨CO2)CO2捕集与纯化过程。目前该方法通常采用有机PCET反应物或循环H2作为电化学氧化还原反应载体。其中，采用循环H2面临的一大难点在于H2的电化学氧化反应需采用气体扩散电极，难以调控的三相反应界面易造成电极“水淹”，导致电极失效反应难以稳定运行。而采用有机PCET反应物的一大核心难题在于O2对体系稳定性的影响。燃煤电厂烟气CO2通常含有约3～6％浓度的O2，而大气CO2含有约21％浓度的O2，O2的存在会造成电化学PCET反应物的急速衰减，使体系难以在真实CO2捕集环境下(含O2环境)稳定运行。而从热力学角度分析，耐氧的有机PCET反应物通常具有较高的电极电位，势必会造成体系能耗的增加。
[0004]因此，真实CO2捕集环境(含O2环境)下系统的低能耗稳定运行是目前电化学CO2捕集技术亟待攻克的技术难题。

技术实现思路

[0005]本专利技术的目的是针对现有技术存在的问题，提供一种超低能耗CO2电化学捕集系统。该超低能耗CO2电化学捕集系统，通过外置电源供能、电化学PCET反应改变溶液pH环境从而捕集纯化CO2、非电化学反应还原再生有机PCET反应物三个主要流程实现低能耗、含氧CO2环境下CO2的稳定电化学捕集与纯化过程。
[0006]为了实现以上专利技术目的，本专利技术的具体技术方案为：
[0007]一种超低能耗CO2电化学捕集方法，包括以下步骤，首先，利用外置电源为电化学反应提供能量；其次，阴极发生电化学析氢反应使阴极液碱度升高，用于吸收低浓度的CO2，阴极液中的HCO3‑
透过阴离子膜到达阳极液中，阳极发生有机PCET反应物的氧化反应，释放H
+
并与阳极液中的HCO3‑
反应释放高纯CO2；最终，阴极产生的氢气在催化剂的作用下用以还原阳极的有机PCET反应物，实现阳极液的再生。
[0008]一种超低能耗CO2电化学捕集系统，系统采用非对称电化学反应结构—即阴极为电化学析氢反应，阳极为有机PCET反应物的电化学氧化反应。阴极产生的氢气循环至电解系统外部，在Pt催化剂的作用下自发还原再生阳极液中已被氧化的有机PCET反应物。该系统通过将有机PCET的电化学氧化反应与非电化学还原反应解耦，以实现有机PCET反应物的
连续、稳定循环。具体系统结构如下：
[0009]一种超低能耗CO2电化学捕集系统，该系统包括电解槽以及电解槽两侧的阳极区和阴极区，在所述阳极区和阴极区通过设置的阴离子交换膜分隔，阴极区装填有碱液；阳极区加入水溶性的有机PCET反应物，在阳极区和阴极区之间连通外置电源。
[0010]作为本申请中一种较好的实施方式，在该系统中，阴极侧发生电化学析氢反应，捕集吸收CO2，具体为：阴极发生电化学析氢反应，分解水产生H2和OH
‑
，使阴极液碱度升高，用于吸收低浓度的CO2，阴极液中的HCO3‑
透过阴离子膜到达阳极液中。系统中采用阴离子交换膜分隔阴阳两极液，彻底避免了阴极CO2吸收侧O2对阳极有机PCET反应物的干扰，可以实现真实含氧CO2(烟气或大气)的直接捕捉。同时阴极液中的HCO3‑
可通过阴离子膜到达阳极液中，实现体系电荷平衡并为阳极解吸CO2提供碳源。
[0011]阴极侧反应方程式：2H2O+2e
‑
→
2OH
‑
+H2[0012]阳极侧发生有机PCET反应物的电化学氧化反应，该系统阳极采用水溶性的有机PCET反应物，经电化学氧化释放H
+
，释放H
+
并与阳极液中的HCO3‑
反应生成高纯CO2和水，实现CO2的纯化再生。最终，阴极产生的氢气在催化剂的作用下用以还原阳极的有机PCET反应物，实现阳极液的再生。阳极侧因仅存在固
‑
液两相的电化学反应，避免了气体扩散电极的使用，彻底消除了电化学“气
‑
液
‑
固”三相反应界面，大幅提升了系统长时间运行的稳定性。
[0013]阳极侧的反应方程式为：QH2→
Q+2H
+
+2e
‑
(Q/QH2分别为有机PCET反应物的氧化态和还原态)。
[0014]作为本申请中一种较好的实施方式，阴极为析氢电极(如：铂电极、镀铂镍网等)，可用的阴极析氢催化剂包括但不限于：Pt/C、镀铂镍网、泡沫镍等。阳极包括但不限于为石墨毡电极、碳纸、碳布等。
[0015]作为本申请中一种较好的实施方式，在阴极侧，设置有气液分离器和CO2吸收塔，富碱的阴极液进入气液分离器，分离H2和阴极液；阴极液通入CO2吸收塔用于吸收CO2产生HCO3‑
。作为优选，该CO2吸收塔还分别与排空尾气装置和烟气源装置连接，实现处理后气体(N2)的排放。作为优选，在气液分离器出口处还设置有氢气干燥器，便于对产生的氢气进行干燥。
[0016]CO2吸收塔内的反应方程式为：CO2吸收：CO2+OH
‑
→
HCO3‑
[0017]作为本申请中一种较好的实施方式，在阳极侧，设置有CO2解吸塔和还原再生塔，阳极侧电化学产生的H
+
与阳极液中的HCO3‑
在CO2解吸塔中反应产生高纯CO2并生成水，实现CO2的纯化解吸；生成的水在膜两侧浓度差的作用下自发透膜平衡，或通过额外增加反渗透装置定量除水。CO2解吸塔中反应方程式为：H
+
+HCO3‑
→
H2O+CO2(100％)
[0018]作为本申请中一种较好的实施方式，所述的水分离装置为反渗透水分离器，该反渗透水分离器与还原再生塔连接。富含有机PCET氧化态的物质Q进入还原再生塔，在铂催化剂的作用下，与气液分离器6分离出的H2混合进行有机PCET还原态QH2的非电化学还原再生。作为优选，还原再生塔与氢气储罐连接。
[0019]还原再生塔中的反应方程式如下：QH2非电化学还原再生：Q+H2→
QH2。
[0020]作为本申请中一种较好的实施方式，还原再生塔出口，富含QH2的阳极液循环通入电解槽阳极区，实现有机PCET反应物的稳定循环。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种超低能耗CO2电化学捕集方法，其特征在于包括以下步骤，首先，利用外置电源为电化学反应提供能量；其次，阴极发生电化学析氢反应使阴极液碱度升高，用于吸收低浓度的CO2，阴极液中的HCO3‑
透过阴离子膜到达阳极液中，阳极发生有机PCET反应物的氧化反应，释放H
+
并与阳极液中的HCO3‑
反应释放高纯CO2；最终，阴极产生的氢气在催化剂的作用下用以还原阳极的有机PCET反应物，实现阳极液的再生。2.如权利要求1所述方法所涉及的超低能耗CO2电化学捕集系统，其特征在于：该系统包括电解槽以及电解槽两侧的阳极区和阴极区，具体为：所述阳极区和阴极区通过设置的阴离子交换膜分隔，阴极为析氢电极，阳极为石墨毡电极；阴极区装填有碱液；阳极区加入水溶性的有机PCET反应物，在阳极区和阴极区之间连通外置电源。3.如权利要求1所述的超低能耗CO2电化学捕集系统，其特征在于，在该系统中，阴极侧发生电化学析氢反应，捕集并吸收CO2；具体为，阴极发生电化学析氢反应使阴极液碱度升高，用于吸收低浓度的CO2，阴极液中的HCO3‑
透过阴离子膜到达阳极液中；阳极侧发生有机PCET反应物的电化学氧化反应，释放H
+
并与阳极液中的HCO3‑
反应释放高纯CO2；最终，阴极产生的氢气在催化剂的作用下用以还原阳极的有机PCET反应物，实现阳极液的再生。4.如权利要求1所述的超低能耗CO2电化学捕集系统，其特征在于，在阴极侧，设置有气液分离器和CO2吸收塔，富碱的阴极液进入气液分离器，分离H2和阴极液；阴极液通入CO2吸收塔用于吸收CO2产生HCO3‑<...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢和平，刘涛，吴一凡，赵治宇，蒋文川，王云鹏，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：