膜反应器制造技术

本发明专利技术涉及一种膜反应器，用于将二氧化碳电化学转化为预期产物，包括：一电源；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内；以及一阴极设置在所述阴极室内；其中，所述电源具有一正极端以及一负极端，所述正极端与所述阳极电连接，所述负极端与所述阴极电连接，所述阴极为一滴流床结构，包括一多孔导电支撑层，以及设置在该多孔导电支撑层上的阴极催化剂。该膜反应器具有较好的二氧化碳电化学转化利用效率以及能量循环利用率。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种膜反应器，尤其涉及一种用于二氧化碳电化学还原转化利用的膜反应器。
技术介绍
以化石能源为核心的资源枯竭问题和以气候变化为核心的环境问题是当前人类面临的两大危机。自工业革命以来的上百年里，大量使用化石能源导致其资源短缺，对环境也产生了严重的负面影响，以地球变暖为核心的全球环境问题日益严重，已经成为威胁人类可持续发展的主要因素之一，削减温室气体排放以减缓气候变化成为当今国际社会关注的热点。大量含碳能源的消耗加快了CO2排放速度，打破了自然界CO2循环的平衡，造成CO2在大气中的积累，一方面形成温室效应引起气候变化，另一方面造成了碳源流失。利用可再生能源将CO2转化成含碳的化工原料或燃料则是实现能源和环境可持续发展亟待解决的关键课题。资源化利用CO2主要可通过化学转化、光化学还原、电化学或化学还原、生物转化、CO2与甲烷的重构、CO2的无机转化方面进行。其中化学转化、CO2与甲烷的重构均需要在高温(900-1200K)进行，输入输出能量不匹配。而光化学还原的效率小于1%，最大效率仅为4.5%，反应选择性及效率均限制了其应用。CO2的无机转化易形成CaCO3废弃物。生物转化CO2反应器仍处于探索阶段。电化学还原易使分子结构稳定的CO2形成激发态CO2阴离子，进一步生产甲酸、甲醇、乙醇、甲烷等高附加值的有机产品，其过程的能源利用效率高，目前已成为研究的重点。与其他CO2转化利用路线相比，电化学转化颇具吸引力。电化学CO2转化一方面可以通过控制不同的阴极还原电位和催化剂从而得到不同的产物；另外反应无需在高温高压下进行，所以对反应装置要求低，体系简单，造价低廉，操作条件温和。同时，CO2电化学转化可望有效的利用风能、太阳能等可再生能源作为电解电源，作为新型的储能方式。目前国内外在研究CO2电化学还原问题主要集中在CO2电化学基础研究，电化学反应器是CO2转换的关键技术。反应器 和系统研究均处于起步阶段，在反应器方面多采用槽式电解池，传统的槽式电解池效率低下，通量小，不利于产业化。中国专利技术专利200810058225.7公开了 CO2在离子液体中的电化学还原方法和装置。在该电化学反应装置中的阴极室内注入离子液体，并通入CO2，在阳极双极板内侧通入氢气，氢气在阳极上被氧化，生成质子穿过质子交换膜到达阴极，电子则通过外电路转移到阴极，CO2和质子在阴极上发生电化学还原反应，生成甲醇等有机化合物，生成的有机化合物经精馏，得到甲醇、水和其他副反应产物。但该专利使用的离子液体价格高、不稳定并与产物分离困难，另外还需要加入氢气原料，导致电化学还原CO2的性价比较低，而且阴极为液相环境、阳极为气相环境，两极间存在较大压差，反应装置无法放大生产。中国专利技术专利201010266161公开了一种能通过电化学还原CO2制取甲醇的空气扩散电极的制备方法。该方法包括在亲水性导电的碳布上涂覆聚四氟乙烯憎水透气层，然后在该碳布上再沉积一层活性催化剂。活性催化剂层的成分主要包括氧化铜、氧化钌以及氧化铜和其它金属氧化物的复合物或者氧化钌和其它金属氧化物的复合物。该涂覆了聚四氟乙烯和催化剂活性层的空气扩散电极能够将CO2通过电化学还原制成甲醇。但该方案的空气扩散电极对催化剂利用率和产率均较低。
技术实现思路
有鉴于此，确有必要提供一种具有较高二氧化碳电化学还原转化率的膜反应器。—种膜反应器，用于将二氧化碳电化学转化为预期产物，包括:一电源；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内；以及一阴极设置在所述阴极室内；其中，所述电源具有一正极端以及一负极端，所述正极端与所述阳极电连接，所述负极端与所述阴极电连接，所述阴极为一滴流床结构，包括一多孔导电支撑层，以及设置在该多孔导电支撑层上的阴极催化剂。相较于现有技术，本专利技术实施例提供的膜反应器的阴极采用滴流床的结构，二氧化碳与所述阴极电解液可高通量且连续的通过所述阴极催化剂表面发生三相反应，从而该膜反应器可以大通量、连续地处理二氧化碳。且CO2电化学还原转化为有机产物的转化率闻，可达到80%以上。附图说明图1为本专利技术实施例提供的膜反应器的剖面正视结构示意图。图2为本专利技术实施例提供的具有燃料电池的膜反应器的剖面正视结构示意图。图3为本专利技术实施例提供的膜反应器的阴极正视结构示意图。图4为本专利技术实施例提供的二氧化碳电化学转化利用方法的流程图。主要元件符号说明本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种膜反应器，用于将二氧化碳电化学转化为预期产物，包括：一电源；一腔体；一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室；一阳极设置在所述阳极室内；以及一阴极设置在所述阴极室内；其中，所述电源具有一正极端以及一负极端，所述正极端与所述阳极电连接，所述负极端与所述阴极电连接，其特征在于，所述阴极为一滴流床结构，包括一多孔导电支撑层，以及设置在该多孔导电支撑层上的阴极催化剂。

【技术特征摘要】
1.一种膜反应器，用于将二氧化碳电化学转化为预期产物，包括: 一电源； 一腔体； 一电解质隔膜设置在该腔体中，并将该腔体分隔为阴极室以及阳极室； 一阳极设置在所述阳极室内；以及 一阴极设置在所述阴极室内； 其中，所述电源具有一正极端以及一负极端，所述正极端与所述阳极电连接，所述负极端与所述阴极电连接，其特征在于，所述阴极为一滴流床结构，包括一多孔导电支撑层，以及设置在该多孔导电支撑层上的阴极催化剂。2.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述阴极室进一步包括一阴极进料口，用于使阴极电解液与所述二氧化碳从该阴极进料口向该阴极室持续并流进料，从而使该阴极电解液及二氧化碳流经该阴极催化剂表面发生三相反应。3.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的开孔率为30%至90%。4.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的厚度为2毫米至30晕米。5.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的孔为曲线状通孔，从所述多孔导 电支撑层厚度方向的一端延伸到另一端。6.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层的材料为耐阴极电解液腐蚀的金属或合金。7.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述阴极催化剂设置于所述多孔导电支撑层的孔中。8.如权利要求1所述的膜反应器，其特征在于，所述多孔导电支撑层具有一支撑骨架，所述阴极催化剂设置于该支撑骨架上。9.如权利要求1所述的膜反应器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：王诚，赵晨辰，刘志祥，郭建伟，何向明，
申请(专利权)人：清华大学，鸿富锦精密工业深圳有限公司，
类型：发明
国别省市：