一种二氧化碳捕集方法、捕集系统及其应用与流程

1.本发明涉及环保领域，具体涉及一种二氧化碳捕集方法、捕集系统及其应用。


背景技术：

2.目前，全球气候变暖已经成为毫无争议的事实，而温室气体二氧化碳的排放是造成气候变暖的其中一个主要因素。常规的二氧化碳减排方法包括二氧化碳捕集和封存技术(ccs)，也就是将二氧化碳捕集后再注入到地下储层中进行长期封存。
3.根据不同的应用场合和原料气的压力大小，二氧化碳捕集方法分为干法捕集和湿法捕集。其中，干法捕集包括吸附法和膜法，一般适用于二氧化碳浓度较低的场合；湿法捕集包括化学吸收法和物理吸收法，化学吸收法多用于原料气压力比较低或是用于常压的场合。
4.cn104275072a公开了一种化学物理复合吸收剂捕集co2的方法，其技术方案包括常规的吸收、加热解吸的co2捕集分离工艺，吸收、真空解吸的工艺，吸收、惰性气体气提的工艺，或在捕集或分离co2的同时吸收分离so2、h2s和/或有机硫的工艺，其中，捕集co2的化学物理复合吸收剂，以重量百分数计包括羟乙基乙二胺15-45％、环丁砜10-30％、其余为水和其它组分，其它组分为1％的常用的缓蚀剂、抗氧化剂；吸收温度为30℃-80℃，吸收压力为0.05-0.15mpa，解吸温度为80℃-130℃，解吸压力为0.1-0.2mpa。本方法提高了co2的吸收解吸循环溶解度，降低了水的蒸发热，降低了co2的捕集能耗和成本。
5.本发明旨在对大气中的二氧化碳温室气体进行捕集的同时，利用捕集过程进行矿化发电。


技术实现要素：

6.针对现有技术存在的上述问题，本发明提供一种二氧化碳捕集方法、捕集系统及其应用，本发明提供的二氧化碳捕集方法在对二氧化碳进行捕集的同时还能够产生电能，其利用碳酸钾(k2co3)为电池装置的阳极区提供碳酸根-离子(co
32-)，阴极区富集二氧化碳后使二氧化碳反应得到碳酸氢根(hco
3-)，hco
3-和k2co3提供的k
+
进一步生成碳酸氢钾(khco3)，khco3加热分解后生成的co2和k2co3又能够分别作为阴气区和阳极区的反应原料，实现产物和反应物的循环利用，且本发明所产生的电能最大功率密度较高，co2的转化率较高。
7.本发明第一方面提供了一种二氧化碳捕集方法，所述方法包括：
8.步骤a、将碳酸钾溶液和二氧化碳气体混合，得到悬浊液，所述悬浊液经过滤处理后得到滤液；
9.步骤b、电池装置通电后，将所述滤液通入电池装置的阴极区，并将二氧化碳气体通入所述阴极区；
10.步骤c、所述阴极区的溶液经加热并分离出二氧化碳后，再通入所述电池装置的阳极区中。
11.本发明利用电池装置对二氧化碳进行捕集的同时还能够产生电能，其中，在电池装置的阴极区通入二氧化碳气体进行富集，通电后二氧化碳会生成hco
3-，其能够与滤液中的k
+
生成khco3，khco3加热分解后生成的co2和k2co3又能够分别作为阴气区和阳极区的反应原料，实现物料的循环使用，且k2co3和khco3的溶解度均较高，能够提高电池的输出功率和co2的转化率，并且由于对电池装置反应原料的要求较低，本发明能够大大扩展原料来源。
12.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，所述电池装置的阴极电极选自碳布电极。优选地，所述阴极电极为碳布担载电极，担载的元素选自铂、钯和镍中的至少一种。
13.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，所述阳极电极选自多孔膜气体扩散电极。优选地，所述阳极电极为氢气扩散电极。
14.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，所述电池装置中设置有阳离子交换膜将所述电池装置分隔为所述阳极区和所述阴极区。
15.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤a中，碳酸钾溶液的浓度为0.5～10mol/l，将二氧化碳气体以0.01～2l//min的速率鼓入所述碳酸钾溶液中，得到所述悬浊液。
16.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤a中还包括：对所述悬浊液搅拌后再进行所述过滤处理。
17.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤a中，所述搅拌过程的条件包括：搅拌转速为50～1000rpm，搅拌时间为1～60min。
18.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤b中，所述二氧化碳气体通入所述阴极区的速率为0.01～2l/min。
19.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤c之后还包括：将所述阳极区的溶液通入所述阴极区中。
20.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤c之后还包括：所述阴极区的溶液经加热并分离出二氧化碳后，再通入所述电池装置的阳极区中，其中，该溶液的主要成分为k2co3，该溶液在阳极区打循环的同时，以5～1000ml/min的速率将经阳极电极反应后的溶液抽取至阴极区中进行循环。
21.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤c中，从所述阴极区以5～1000ml/min的速率抽取溶液进行所述加热处理。
22.根据本发明所述的二氧化碳捕集方法的一些实施方式，步骤a中还包括：所述滤液以5～1000ml/min的速率在滤液存储装置和所述阴极区之间循环。
23.本发明的电池装置中，在传统k2co3溶液捕集co2的同时，能够产生一定的电能，大大提高了捕集过程的实用性和经济性。其中，电池装置中发生的总的化学反应过程如下式(1)所示：
24.co2+k2co3+h2o＝2khco3+电能
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(1)
25.具体地，在电池装置内部发生的主要化学反应如下式(2)和式(3)所示：
26.阴极区：2co2+2h2o+2k
+
+2e-→
2khco3+h2ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(2)
27.阳极区：2k2co3+h2→
2khco3+2k
+
+2e-ꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀꢀ
(3)
28.其中，在电池装置的阴极区中，co2和h2o在阴极区中反应生成hco
3-和h
+
，其中，
hco
3-进一步与通过阳极区经由阳离子交换膜透过的k
+
反应得到khco3，h
+
在阴极电极上结合电子还原为h2。阴极生成的h2循环回阳极区中并在阳极电极的作用下失去电子氧化为h
+
，h
+
再与阳极区中的k2co3反应得到khco3和k
+
。k
+
透过阳离子交换膜进入阴极区进行反应。阳极区和阴极区生成的khco3经加热分解后得到的co2和k2co3能够分别作为阴极区和阳极区的反应原料，实现循环。
29.本发明提供的二氧化碳捕集方法原料来源广泛，能够很好的扩大应用范围，且k2co3和khco3的溶解度均较高，能够提高电池的输出功率和co2的转化率，其中，最大功率密度可达50w/m2，co2转化率可达24％以上。
30.本发明第二方面提供了一种用于上述捕集方法的二氧化碳捕集系统，所述系统包括所述电池装置、滤液存储装置和循环装置，所述循环装置能够使得所述滤液在所述滤液存储装置和电池装置的阴极区之间循环。
31.本发明第三方面提供了一种上述的二氧化碳捕集方法或上述的二氧化碳捕集系统在二氧化碳捕集中的应用。
32.本发明的有益效果：
33.本发明提供的二氧化碳捕集方法，利用电池装置对二氧化碳进行捕集的同时能够产生电能。在电池装置的阴极区通入二氧化碳气体对其捕集，通电后，k2co3作为阳极区的反应原料，二氧化碳在阴极反应生成hco
3-，其能够与滤液中的k
+
生成khco3，khco3加热分解后生成的co2和k2co3又能够分别作为阴气区和阳极区的反应原料，实现物料的循环使用，且k2co3和khco3的溶解度均较高，能够提高电池的输出功率和co2的转化率，最大功率密度可达50w/m2，co2转化率可达24％以上。
34.本发明中电池装置反应原料的要求较低，进而能够大大扩展原料来源，使得本发明的二氧化碳捕集方法能够用于绝大多数的应用环境。
附图说明
35.图1为本发明实施例1提供的电池装置及其内部反应的示意图。
36.图2为本发明实施例1提供的二氧化碳捕集过程的流程示意图。
37.附图标记说明：
38.1、阳极电极；2、阳离子交换膜；3、阴极电极；
具体实施方式
39.为使本发明更加容易理解，下面将结合实施例好和附图来详细说明本发明，这些实施例仅起说明性作用，并不局限于本发明的应用范围。
40.本发明的测试方法以及所用设备如下：
41.(1)二氧化碳转化率的测试方法为通过测定气体流股中co2的浓度计算得到，co2浓度分析仪购自北京华云仪器公司，型号为gxh-3011在线式红外线气体分析器。
42.(2)氢气扩散电极为购自天津艾达恒晟公司的pt305型号。
43.(3)碳布担载铂的pt/c电极为购自天津艾达恒晟公司的gc0101型号。
44.(4)阳离子交换膜为购自默克公司的nafion 117型号。
45.其余试剂均可通过市售获得。
46.【实施例1】
47.本实施例中，采用k2co3作为碱性吸收剂，对原烟气中的co2进行捕集并发电。如图1所示，在作为co2捕集电池装置的壳体容器中，由只允许阳离子透过、而能阻止阴离子透过的阳离子交换膜2分隔为阳极区和阴极区两个区域。同时，采用氢气扩散电极作为阳极电极1，采用碳布担载pt/c的电极作为阴极电极3。
48.配制200ml浓度为2mol/l的k2co3溶液，逐步向k2co3溶液中按20ml/min的速率鼓入含co2的原烟气形成悬浊液，并在300rpm的转速下搅拌20min后，将悬浮液进行过滤，滤液以20ml/min的速率在滤液存储装置和阴极区之间循环。同时，含co2的原烟气以20ml/min的速率鼓入阴极区。从阴极区以20ml/min抽取溶液，该溶液在100℃经加热再生分离出co2后，经冷凝至常温后通入阳极区。在阳极区溶液累计到100ml时，溶液在阳极区打循环的同时，以20ml/min的速率抽取溶液送至阴极区形成循环。
49.如图2所示，本实施例中，含co2的原烟气经图1所示的电池装置对其中的co2进行捕集并发电后，剩余的废烟气排放。捕集发电过程产生的碳酸氢钾经加热后得到co2和k2co3，实现再生，co2和k2co3又分别作为电池装置中阴极区和阳极区的反应物料。
50.在阴极和阳极之间连接一台电源负载，输出功率通过控制电源负载的电阻值进行调节。在温度为25℃下，设置电流从0ma以2ma/s的速率上升至最大输出电流，此时测得的电池最大电压为0.6v，最大功率密度为50w/m2，co2转化率为24％。
51.【实施例2】
52.本实施例中，采用k2co3作为碱性吸收剂，对原烟气中的co2进行捕集并发电。如图1所示，在作为co2捕集电池装置的壳体容器中，由只允许阳离子透过、而能阻止阴离子透过的阳离子交换膜2分隔为阳极区和阴极区两个区域。同时，采用氢气扩散电极作为阳极电极1，采用碳布担载pd/c的电极作为阴极电极3。
53.配制200ml浓度为2mol/l的k2co3溶液，逐步向k2co3溶液中20ml/min鼓入含co2的原烟气形成悬浊液，并在300rpm的转速下搅拌20min后，将悬浮液进行过滤，滤液以20ml/min的速率在滤液存储装置和阴极区之间循环。同时，含co2的原烟气以20ml/min的速率鼓入阴极区。从阴极区以20ml/min抽取溶液，该溶液在100℃经加热再生分离出co2后，经冷凝至常温后通入阳极区。在阳极区溶液累计到100ml时，溶液在阳极区打循环的同时，以20ml/min的速率抽取溶液送至阴极区形成循环。
54.如图2所示，本实施例中，含co2的原烟气经图1所示的电池装置对其中的co2进行捕集并发电后，剩余的废烟气排放。捕集发电过程产生的碳酸氢钾经加热后得到co2和k2co3，实现再生，co2和k2co3又分别作为电池装置中阴极区和阳极区的反应物料。
55.在阴极和阳极之间连接一台电源负载，输出功率通过控制电源负载的电阻值进行调节。在温度为25℃下，设置电流从0ma以2ma/s的速率上升至最大输出电流，此时测得的电池最大电压为0.58v，最大功率密度为47w/m2，co2转化率为23％。
56.【实施例3】
57.本实施例中，采用k2co3作为碱性吸收剂，对原烟气中的co2进行捕集并发电。如图1所示，在作为co2捕集电池装置的壳体容器中，由只允许阳离子透过、而能阻止阴离子透过的阳离子交换膜2分隔为阳极区和阴极区两个区域。同时，采用氢气扩散电极作为阳极电极1，采用碳布担载ni/c的电极作为阴极电极3。
58.配制200ml浓度为2mol/l的k2co3溶液，逐步向k2co3溶液中20ml/min鼓入含co2的原烟气形成悬浊液，并在300rpm的转速下搅拌20min后，将悬浮液进行过滤，滤液以20ml/min的速率在滤液存储装置和阴极区之间循环。同时，含co2的原烟气以20ml/min的速率鼓入阴极区。从阴极区以20ml/min抽取溶液，该溶液在100℃经加热再生分离出co2后，经冷凝至常温后通入阳极区。在阳极区溶液累计到100ml时，溶液在阳极区打循环的同时，以20ml/min的速率抽取溶液送至阴极区形成循环。
59.如图2所示，本实施例中，含co2的原烟气经图1所示的电池装置对其中的co2进行捕集并发电后，剩余的废烟气排放。捕集发电过程产生的碳酸氢钾经加热后得到co2和k2co3，实现再生，co2和k2co3又分别作为电池装置中阴极区和阳极区的反应物料。
60.在阴极和阳极之间连接一台电源负载，输出功率通过控制电源负载的电阻值进行调节。在温度为25℃下，设置电流从0ma以2ma/s的速率上升至最大输出电流，此时测得的电池最大电压为0.58v，最大功率密度为45w/m2，co2转化率为21％。
61.【对比例1】
62.本对比例与实施例的操作方法相同，不同之处在于：将k2co3替换为na2so4。
63.在温度为25℃下，设置电流从0ma以2ma/s的速率上升至最大输出电流，此时测得的电池最大电压为0.52v，最大功率密度为35w/m2，co2转化率为17％。
64.以上所述的仅是本发明的优选实例。应当指出对于本领域的普通技术人员来说，在本发明所提供的技术启示下，作为本领域的公知常识，还可以做出其它等同变型和改进，也应视为本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种二氧化碳捕集方法，所述方法包括：步骤a、将碳酸钾溶液和二氧化碳气体混合，得到悬浊液，所述悬浊液经过滤处理后得到滤液；步骤b、电池装置通电后，将所述滤液通入电池装置的阴极区，并将二氧化碳气体通入所述阴极区；步骤c、所述阴极区的溶液经加热并分离出二氧化碳后，再通入所述电池装置的阳极区中。2.根据权利要求1所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述电池装置的阴极电极选自碳布电极，优选地，所述阴极电极为碳布担载电极，担载的元素选自铂、钯和镍中的至少一种；所述阳极电极选自多孔膜气体扩散电极，优选地，所述阳极电极为氢气扩散电极。3.根据权利要求1或2所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，所述电池装置中设置有阳离子交换膜将所述电池装置分隔为所述阳极区和所述阴极区。4.根据权利要求1-3中任意一项所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，步骤a中，碳酸钾溶液的浓度为0.5～10mol/l，将二氧化碳气体以0.01～2l//min的速率鼓入所述碳酸钾溶液中，得到所述悬浊液；和/或，步骤a中还包括：对所述悬浊液搅拌后再进行所述过滤处理，优选地，所述搅拌过程的条件包括：搅拌转速为50～1000rpm，搅拌时间为1～60min。5.根据权利要求1-4中任意一项所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，步骤b中，所述二氧化碳气体通入所述阴极区的速率为0.01～2l/min。6.根据权利要求1-5中任意一项所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，步骤c之后还包括：将所述阳极区的溶液通入所述阴极区中。7.根据权利要求1-6中任意一项所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，步骤c中，从所述阴极区以5～1000ml/min的速率抽取溶液进行所述加热处理。8.根据权利要求1-7中任意一项所述的二氧化碳捕集方法，其特征在于，步骤a中还包括：所述滤液以5～1000ml/min的速率在滤液存储装置和所述阴极区之间循环。9.一种用于权利要求1-8中任意一项所述方法的二氧化碳捕集系统，其特征在于，所述系统包括所述电池装置、滤液存储装置和循环装置，所述循环装置能够使得所述滤液在所述滤液存储装置和电池装置的阴极区之间循环。10.一种权利要求1-8中任意一项所述的二氧化碳捕集方法或权利要求9所述的二氧化碳捕集系统在二氧化碳捕集中的应用。

技术总结
本发明公开了一种二氧化碳捕集方法、捕集系统及其应用。所述方法包括：将碳酸钾溶液和二氧化碳气体混合，得到悬浊液，所述悬浊液经过滤处理后得到滤液；电池装置通电后，将所述滤液通入电池装置的阴极区，并将二氧化碳气体通入所述阴极区；所述阴极区的溶液经加热并分离出二氧化碳后，再通入所述电池装置的阳极区中。本发明提供的二氧化碳捕集方法，利用电池装置对二氧化碳进行捕集的同时能够产生电能，在电池装置的阴极区通入二氧化碳气体对其捕集，通电后，K2CO3作为阳极区的反应原料，电池的输出功率和CO2的转化率较高，最大功率密度可达50W/m2，CO2转化率可达24％以上。转化率可达24％以上。转化率可达24％以上。


技术研发人员：赵兴雷 尚大伟 阳雪 刘庆华
受保护的技术使用者：北京低碳清洁能源研究院
技术研发日：2022.03.25
技术公布日：2023/10/7