矿化CO2联产强酸的膜电解方法技术

本发明专利技术公开了一种矿化CO2联产强酸的膜电解方法，其内容包括将阴离子交换膜置于电解槽中，使电解槽分为正极区和负极区，在负极区内加入矿化原料以及负极电极液，同时充入二氧化碳气体，正极区加入正极电极液，在正极电极和负极电极之间施加直流电源，负极电极将负极电解液中的氢离子还原为氢气，使得溶液中的二氧化碳转化为碳酸根或碳酸氢根，并与矿化原料中的阳离子反应，从而实现CO2的矿化，并得到矿化产物，矿化原料中的阴离子在电流作用下透过阴离子交换膜进入正极区，与正极电极产生的氢离子结合生成强酸。本发明专利技术具可在常温常压进行，具有过程简单，能耗低，适合于工业化生产特点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及CO2矿化减排联产化工产品技术，更为具体地说，是涉及一种矿化CO2联产强酸的膜电解方法。
技术介绍
地球气候主要由自然因素所主导，但是工业革命以来，人类活动排放的、以CO2为主的温室气体已成为影响全球气候变化的主要因素。中国2009年碳排放总量达68. 8亿吨，约占世界碳排放总量的23. 7%，相比1990年增长206. 5%，已成为全球最大的碳排放国家。预计到2015年之前二氧化碳排放量的年均增长率为5.4%，2015年到2030年期间为3.3%，2030年中国的排放量将达到114亿吨，限制温室气体排放已成为全球的共识。但据估计2005年到2030年间，煤、石油、天然气等化石燃料仍将是一次能源的主要来源，并在能源需求增长总量中占到84%，即便在一个较低的增速下，预计到2035年全球CO2排放量也 将达到354亿吨，化石燃料消耗产生的CO2将持续增长。因此，末端的去碳的CO2捕捉封存技术(CCS)已成为实现CO2减排的主要途径。传统的CCS技术是以将CO2从排放量大的排放源捕获并永久封存在目标地层为目的，其工艺包括将CO2从排放源中分离提纯、运输到封存场、进行地下封存等3个环节。在其整个过程中，没有产生新的有价值的产品，是一个纯投入的无经济效益的环保技术，并且在技术实施过程中，也需要消耗大量能源，从而导致新的CO2排放。此外，CO2地下封存存在诸多的不确定性和潜在的风险，如地质封存的目标地层深度一般超过1000米，CO2注入以后，会与地层中原有的岩石、地下水发生化学反应，并持续地增加地层孔隙的压力，这势必将破坏地层原有的应力、温度、渗透压力等物理化学平衡状态；同时，地层在较高的孔隙压力情况下，岩体内储存了大量弹性势能，很有可能诱发地震；此外，CO2气体可能会沿断层或储层上方的盖层裂隙渗透而发生泄露。因此，为了更高效、经济地减排CO2，变废为宝，0)2减排研究现在主要着眼于CO2捕捉利用(CXU)，而不仅仅是捕获和储存。CXU是一种将CO2作为资源来利用，将其转化为高附加值化工产品进而实现CO2利用与减排的方法。但目前，对CCU技术的推广应用普遍存在两大质疑和瓶颈问题(I) CO2利用的容量太小，能够消耗的CO2太少；(2)CXU过程的能耗高，成本高。因此，专利技术人开创性地提出了 CO2矿化利用(CMU)的新思路和新途径，即利用矿物矿化CO2,同时获取高附加值的化工产品。专利技术人在CO2矿化利用领域已进行了比较深入的研究，先后开发完成了“联产富钾溶液的CO2矿化方法”、“高温法联产富钾溶液的CO2矿化方法”以及“催化法联产富钾溶液的CO2矿化方法”，在CO2矿化过程中联产富钾溶液，为CO2矿化减排和钾肥的生产做出了贡献。这些方法已申请了中国专利技术专利。但由于选用了非常稳定的硅酸盐作为原料，硅酸盐很难与弱酸性的CO2反应，这使得现有CO2矿化利用方法需要在高温高压下才能进行，能耗很高，工艺流程长。为了使得CO2矿化利用技术能够大规模推广，CO2减排工程迫切需要开发一种新的CO2矿化利用方法，以能够在常温常压下高效矿化CO2,并生产出高附加值的化工产品。
技术实现思路
针对现有CO2矿化技术的不足，本专利技术采用可溶性的硫酸镁、硝酸镁、硝酸钙等钙、镁盐为原料，提出了一种能在常温常压下实现CO2高效矿化，并且联产高附加值的硫酸、硝酸等强酸的方法，以解决现有CO2矿化利用方法存在的工艺流程长，能源消耗较高等问题。本专利技术的基本思路是通过在膜电解的过程中进行CO2矿化反应，使得膜电解过程与CO2矿化相互促进，在低电压、常温常压下实现直接利用可溶性的钙、镁盐矿化CO2制取强酸。本专利技术提供的矿化0)2联产强酸的膜电解方法，其主要内容为将阴离子交换膜置于电解槽中，使电解槽分为正极和负极两个区域，在负极区内加入矿化原料以及负极电极液，同时充入二氧化碳气体，正极区加入正极电极液，在正极电极和负极电极之间施加直流电源，负极电极将负极电解液中的氢离子还原为氢气，使得溶液中的二氧化碳转化为碳酸 根或碳酸氢根，并与矿化原料中的阳离子反应，从而矿化CO2,并得到矿化产物，矿化原料中的阴离子在电流作用下透过阴离子交换膜，与正极电极产生的氢离子结合生成强酸。上述技术方案中，所述的矿化原料为硝酸镁、硝酸和硫酸镁中的至少一种。上述技术方案中，所述的负极电极液可为浓度为0. lmol/L I mol/L的硫酸钠溶液、0. lmol/L I mol/L的硝酸钠溶液或纯水。正极电极液可为硫酸和硝酸中的至少一种。上述技术方案中，所述的矿化产物为粉体碳酸钙或碳酸氢镁溶液。碳酸氢镁溶液可通过加热至90°c或更高的温度转化为轻质碳酸镁。上述技术方案中，所述正极电极产生的氢离子由气体扩散电极氧化氢气所产生，也可由金属钼电极氧化电解液过程中消耗溶液中的氢氧根所产生。气体扩散电极氧化的氢气来自于负极电极所产生的氢气，当然，也可来源于其它地方。上述技术方案中，所述的负极电极材料可为金属钼、金属钯或金属镍。本专利技术提出的矿化CO2联产强酸的膜电解方法，解决了现有钙、镁盐矿化CO2工艺流程长，能耗高的缺点。使用气体扩散电极作为正极，仅需0. 8V的电压便可进行矿化反应，并且在常温常压下便可进行，过程简单，能耗低，适合于工业化生产。相比其它矿化反应，该方法更加高效，转化率可达100%。制取的硫酸或硝酸是重要的化工产品，价格很高。另外，矿化产物粉体碳酸钙和轻质碳酸镁是十分重要的化工原料，尤其是轻质碳酸镁，附加值很高。这一方法的提出，为CO2减排在经济上可行提出了一种可能的方法。附图说明图I为正极电极采用气体扩散电极时，硫酸镁矿化CO2联产硫酸的膜电解方法示意2为正极电极采用气体扩散电极时，硝酸钙矿化CO2联产硝酸的膜电解方法示意3为正极电极采用金属电极时，硝酸镁矿化CO2联产硝酸的膜电解方法示意图I-气体扩散电极(正极)，2-阴离子交换膜，3-负极金属电极，4-氢气缓冲罐，5—金属钼电极(正极)具体实施例方式下面结合附图，通过实施例对本专利技术作进一步的详细说明。有必要指出的是，以下实施例只用于对本专利技术做进一步的说明，不能理解为对本专利技术保护范围的限制，所属领域技术熟悉人员根据上述
技术实现思路
，对本专利技术做出一些非本质的改进和调整进行具体实施，是非常容易做到的，因此，这样的改进与调整应仍属于本专利技术的保护范围。实施实例I本实施例的矿化过程如附图I所示。电解槽由只允许阴离子透过，而能阻止阳离子透过的阴离子交换膜2分隔为正负两个区域。加入0. 2mol/L的硫酸溶液至正极区电解槽中作为正极电解液，加入0. 5 mol/L的硫酸钠溶液至负极区电解槽中作为负极电解液。正极电极采用气体扩散电极1，负极电极采用钼电极3。将IOg七水合硫酸镁加入负极电解液中，在负极区电解槽底部鼓泡通入的CO2流量为20 ml/min，将负极电极产生的氢气收集并进入缓冲罐4，来自缓冲罐中的氢气通入气体扩散电极，在I. 5V的电压下，进行电解反应Ih。将负极得到的溶液在95°C的条件下加热10 min，得到CO2矿化产物轻质碳酸镁。正极电极液中的硫酸浓度提高至0. 7 mol/L。生产碳酸镁的电流效率为94. 1%，生产硫酸的电流效率为94. 2%。实施实例2本实施例的矿化过程如附图2所示。电解槽由只允许阴离本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种矿化CO2联产强酸的膜电解方法，其特征在于：将阴离子交换膜置于电解槽中，使电解槽分为正极区和负极区，在负极区内加入矿化原料以及负极电极液，同时充入二氧化碳气体，正极区加入正极电极液，在正极电极和负极电极之间施加直流电源，负极电极将负极电解液中的氢离子还原为氢气，使得溶液中的二氧化碳转化为碳酸根或碳酸氢根，并与矿化原料中的阳离子反应，从而实现CO2的矿化，并得到矿化产物，矿化原料中的阴离子在电流作用下透过阴离子交换膜进入正极区，与正极电极产生的氢离子结合生成强酸。

【技术特征摘要】
1.一种矿化CO2联产强酸的膜电解方法，其特征在于将阴离子交换膜置于电解槽中， 使电解槽分为正极区和负极区，在负极区内加入矿化原料以及负极电极液，同时充入二氧化碳气体，正极区加入正极电极液，在正极电极和负极电极之间施加直流电源，负极电极将负极电解液中的氢离子还原为氢气，使得溶液中的二氧化碳转化为碳酸根或碳酸氢根，并与矿化原料中的阳离子反应，从而实现CO2的矿化，并得到矿化产物，矿化原料中的阴离子在电流作用下透过阴离子交换膜进入正极区，与正极电极产生的氢离子结合生成强酸。2.根据权利要求I所述的矿化CO2联产强酸的膜电解方法，其特征在于所述的矿化原料为硝酸镁、硝酸钙和硫酸镁中的至少一种。3.根据权利要求I所述的矿化0)2联产强酸的膜电解方法，其特征在于所述的负极电极液为浓度为O. lmol/L I mol/L的硫酸钠溶液、O. lmol/L I mol/L的硝酸钠溶液或纯水。4.根据权利要求I所述的矿化0)2联产...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢和平，王昱飞，刘涛，江文，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：