基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统技术方案

技术编号：40903954 阅读：15 留言：0更新日期：2024-04-18 14:35

本发明专利技术涉及二氧化碳捕集利用技术领域，公开了一种基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，包括固定床反应器A和固定床反应器B，固定床反应器A的一端通过第一四通换向阀连接固定床反应器B的一端，固定床反应器A的另一端通过第二四通换向阀连接固定床反应器B的另一端，两个固定床反应器上均填充有吸附催化双功能材料，吸附催化双功能材料基于碱金属吸附剂和过渡金属催化剂组成，两个固定床反应器由两个工作模式进行周期性切换实现循环。本发明专利技术利用吸附催化双功能材料，可在常温下吸附空气中的CO<subgt;2</subgt;，吸附后不进行脱附，而是直接升温加氢催化反应制取甲烷，同时实现吸附剂的再生，实现低能耗、一体化的CO<subgt;2</subgt;捕集和资源化利用。

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【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及二氧化碳捕集利用，特别涉及一种基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，可用于空气中的二氧化碳捕集和资源化利用。

技术介绍

1、碳捕集根据二氧化碳来源不同主要分为两种路径：碳捕集与封存(ccs)和直接空气碳捕集(dac)。前者也被称为“烟气捕集”，即从电厂、工业废气中捕碳，目前技术成熟度更高；后者顾名思义，二氧化碳源于自然空气，是新一代碳捕集技术。传统的ccus技术分为两段分别进行co2捕集和存储或转化利用，近年来可再生电力制氢技术迅速发展，制氢成本持续降低，若利用co2脱附、提纯、转化利用过程所需的能量，在不将co2脱附的条件下通过加氢催化反应，同时实现吸附剂的再生和co2的资源化利用，实现co2捕集和利用的一体化(integrated co2 capture and utilization,iccu)，将具有巨大的节能降耗优势。

2、空气中极低的co2分压(40pa)带来了高能耗和高成本问题，是限制dac技术商业化应用的主要问题。目前主流的dac技术以有机胺负载多孔载体作为固体吸附剂，其吸附容量高，但co2的脱附即吸附剂的再生过程需较高能耗。此后需要对脱附的co2进行封存或利用，若进行封存，将带来额外的运输和储存成本，以及泄漏、环境影响等潜在风险；若进行利用，为将捕集后的co2转化为可再生燃料或高附加值化学品需要分离提纯以得到高纯度的co2，该过程会进一步增大能耗，且面临co2转化率低、选择性差、未转化的co2逃逸等问题。因此，现有基于固体胺吸附剂的dac技术仍面临极大的技术挑战。

技术实现思路

1、目前iccu技术主要应用于烟气碳捕集中，即基于吸附催化双功能材料(dfm)将电厂、交通、工业废气中的co2进行捕集并催化转化为有价值的燃料或生产原料。烟气中虽然co2浓度(体积浓度约15％)相对空气较高，但烟气中还含有一定量的污染物(如nox、sox、颗粒物等)，会对吸附剂和催化剂的性能造成不利影响。此外，传统的iccu技术受地域限制，系统需布置在排放源附近。dac-iccu基于碱金属吸附剂和过渡金属催化剂组成的吸附催化双功能材料，在常温下吸附co2，吸附后不将co2脱附，利用可再生电力直接加氢制取甲烷，同时实现吸附剂的再生。该技术避免了高能耗的吸附剂再生、co2分离提纯以及转化利用过程，系统结构紧凑，可实现分布式的碳减排和能量的高效利用。

2、本专利技术提供了一种基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，包括固定床反应器a和固定床反应器b，所述固定床反应器a的一端通过第一四通换向阀连接固定床反应器b的一端，所述固定床反应器a的另一端通过第二四通换向阀连接固定床反应器b的另一端，所述固定床反应器a和固定床反应器b上均填充有吸附催化双功能材料，所述吸附催化双功能材料基于碱金属吸附剂和过渡金属催化剂组成；

3、所述固定床反应器a和固定床反应器b由两个工作模式进行周期性切换实现循环，第一工作模式为：固定床反应器a通入空气进行捕集过程，与此同时已完成捕集的固定床反应器b通入h2进行转化过程；第二工作模式为：固定床反应器a和固定床反应器b中化学反应达到平衡后，通过所述第一四通换向阀切换固定床反应器a和固定床反应器b的进气并更改温度，固定床反应器a升温至约300℃并通入h2完成转化和吸附剂再生，固定床反应器b降温至常温并通入空气完成co2捕集，完成第一工作模式至第二工作模式的更换。

4、进一步地，所述h2由制氢机产生，所述制氢机由可再生电力供电制得h2，所述可再生电力包括光电、风电。

5、进一步地，所述吸附催化双功能材料由吸附剂、催化剂和载体三部分组成，所述吸附剂采用碱金属，包括k2co3、na2co3、mgo的一种或几种，所述催化剂实现加氢转化过程，包括ru、ni、co、pt的一种或几种，所述载体包括al2o3、sio2、ceo2的一种或几种；

6、所述吸附剂和催化剂均匀地分散在具有设定比表面积和孔隙结构的载体上，以强化与气流间的接触和传质过程。

7、进一步地，将所述吸附剂记为m，催化剂记为a，载体记为s，组分m、a、s在所述吸附催化双功能材料中各自的质量占比分别为x、y、z，其中，x为0.1～0.4，y为0.005～0.05，z为1-x-y。

8、进一步地，所述吸附催化双功能材料采用浸渍法制备或一锅法制备；对于浸渍法，将吸附剂和催化剂负载在载体上，采用两种组分的同时浸渍或者顺序浸渍的方式，即先浸渍吸附剂再浸渍催化剂，或先浸渍催化剂再浸渍吸附剂；对于一锅法，将吸附剂、催化剂和载体金属前驱体盐共同溶于去离子水中，加入柠檬酸作为络合剂，升温搅拌形成溶胶，随后烘干得到膨化固体，最后经过煅烧获得各元素均匀分散的双功能材料。

9、进一步地，采用ru-k2co3-al2o3作为所述吸附催化双功能材料，其中，k2co3为吸附剂，ru为催化剂，负载在al2o3载体上；

10、ru-k2co3-al2o3吸附催化双功能材料的直接空气co2捕集转化一体化机理方式为：在常温下，空气中的co2与h2o、k2co3发生化学反应生成khco3，具体为：co2+h2o+k2co3→2khco3，co2被捕集在吸附剂位点上，吸附达到饱和后，将固定床反应器a升温至300℃左右，在ru催化剂的作用下，h2分解为h原子，随后从催化位点转移至吸附位点附近，与吸附态co2发生后续反应生成ch4，同时吸附剂再生为k2co3，具体为：2khco3+4h2→k2co3+ch4+3h2o，再生的材料可再进行下一次吸附和转化，实现循环使用。

11、进一步地，ru-k2co3-al2o3吸附催化双功能材料采用浸渍法制备的具体步骤为：

12、将金属前驱体盐按照配比配置溶液：0.07gk2co3与0.0410grucl3h2o分散在0.3g去离子水中，随后在溶液中加入0.43gal2o3，其中，al2o3的质量根据配比计算得到，混合搅拌至水分自然挥发；随后放入100℃烘箱中烘干24小时，得到干燥固体，研磨后将其置于马弗炉中以5℃/min的升温速率升至300℃煅烧1小时，最后将所得固体材料进行压片造粒后过筛，颗粒大小为40-60目。

13、ru-k2co3-al2o3吸附催化双功能材料采用一锅法制备的具体步骤为：

14、将金属前驱体盐按照配比配置溶液：0.5gkno3、1.8553gal(no3)3·9h2o与0.0205grucl3h2o分散在7.12ml去离子水中,搅拌均匀后加入1.9003g柠檬酸，在80℃下强烈搅拌至生成溶胶状物质。将溶胶状物质放置在120℃烘箱中干燥过夜，得到膨化固体，将其碾碎至粉末后置于马弗炉中，以5℃/min的升温速率升至450℃煅烧4h，最后将所得固体材料进行压片造粒后过筛，颗粒大小为40-60目。

15、进一步地，将ru-k2co3-al2o3吸附催化双功能材料应用于单个固定床反应器的具体实验操作流程为：

16、s1、进行预处理，本文档来自技高网...

【技术保护点】

1.一种基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，包括固定床反应器A和固定床反应器B，所述固定床反应器A的一端通过第一四通换向阀连接固定床反应器B的一端，所述固定床反应器A的另一端通过第二四通换向阀连接固定床反应器B的另一端，所述固定床反应器A和固定床反应器B上均填充有吸附催化双功能材料，所述吸附催化双功能材料基于碱金属吸附剂和过渡金属催化剂组成；

2.根据权利要求1所述的用于二氧化碳捕集的双功能材料吸附催化系统，其特征在于，所述H2由制氢机产生，所述制氢机由可再生电力供电制得H2，所述可再生电力包括光电、风电。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，所述吸附催化双功能材料由吸附剂、催化剂和载体三部分组成，所述吸附剂采用碱金属，包括K2CO3、Na2CO3、MgO的一种或几种，所述催化剂实现加氢转化过程，包括Ru、Ni、Co、Pt的一种或几种，所述载体包括Al2O3、SiO2、CeO2的一种或几种；

4.根据权利要求3所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统

5.根据权利要求4所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，所述吸附催化双功能材料采用浸渍法制备或一锅法制备；对于浸渍法，将吸附剂和催化剂负载在载体上，采用两种组分的同时浸渍或者顺序浸渍的方式，即先浸渍吸附剂再浸渍催化剂，或先浸渍催化剂再浸渍吸附剂；对于一锅法，将吸附剂、催化剂和载体金属前驱体盐共同溶于去离子水中，加入柠檬酸作为络合剂，升温搅拌形成溶胶，随后烘干得到膨化固体，最后经过煅烧获得各元素均匀分散的双功能材料。

6.根据权利要求5所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，采用Ru-K2CO3-Al2O3作为所述吸附催化双功能材料，其中，K2CO3为吸附剂，Ru为催化剂，负载在Al2O3载体上；

7.根据权利要求6所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，Ru-K2CO3-Al2O3吸附催化双功能材料采用浸渍法制备的具体步骤为：

8.根据权利要求7所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，将Ru-K2CO3-Al2O3吸附催化双功能材料应用于单个固定床反应器的具体实验操作流程为：

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【技术特征摘要】

1.一种基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，包括固定床反应器a和固定床反应器b，所述固定床反应器a的一端通过第一四通换向阀连接固定床反应器b的一端，所述固定床反应器a的另一端通过第二四通换向阀连接固定床反应器b的另一端，所述固定床反应器a和固定床反应器b上均填充有吸附催化双功能材料，所述吸附催化双功能材料基于碱金属吸附剂和过渡金属催化剂组成；

2.根据权利要求1所述的用于二氧化碳捕集的双功能材料吸附催化系统，其特征在于，所述h2由制氢机产生，所述制氢机由可再生电力供电制得h2，所述可再生电力包括光电、风电。

3.根据权利要求1所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，所述吸附催化双功能材料由吸附剂、催化剂和载体三部分组成，所述吸附剂采用碱金属，包括k2co3、na2co3、mgo的一种或几种，所述催化剂实现加氢转化过程，包括ru、ni、co、pt的一种或几种，所述载体包括al2o3、sio2、ceo2的一种或几种；

4.根据权利要求3所述的基于二氧化碳吸附催化双功能材料的捕集转化一体化系统，其特征在于，将所述吸附剂记为m，催化剂记为a，载体记为s，组分m、a、s在所述吸附催化双功能材料中各自的质量占比分别为x、y、z，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张毅然，冯佳祺，赵澍，李林佳，林赫，黄震，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：

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