基于微通道结构的连续人工光合成反应系统的制作方法

本发明涉及二氧化碳还原领域，具体涉及一种基于微通道结构的连续人工光合成反应系统。

背景技术：

1、随着中国空间站完成建造进入应用与发展阶段，以及月球资源开发、小行星采样等空间项目的实施；未来将在地外原位资源利用技术突破的基础上建设“太空工厂”，有效降低从地球携带物资的需求，解决人类地外移民和长期居住的基本物资需求，扩展人类在地外生存和活动的疆土。人工光合成通过光电催化反应可控的将人类呼吸产生的二氧化碳或者地外行星大气环境中的二氧化碳和水资源转化为氧气和含碳燃料，实现地外资源的原位利用，降低载人空间站、载人飞船的物资供给需求，并可通过可控的连续反应进一步设计和制备多碳产物，满足未来空间对碳基物质的需求。对于空间应用需求，反应系统需要满足安全可控、高效环保、轻便节能和稳定可持续等要求，还需要适应空间特有的高低温、强辐射和微重力等极端环境。

2、微通道反应系统包括微反应器、微混合器、微换热器和微控制器等。基于连续流动的微反应系统可实现单步反应、多步反应、在线检测分析、预处理和后处理等，在有限条件下获得高效的反应和转化过程。其中，微反应器内的流动具有微流动特征，也被称为微通道或微结构反应器，其内部通道特征尺度在微尺度范围(10～500μm)，远小于传统反应器的特征尺寸。虽然微反应器并不能改变分子尺度下的反应机理和本征动力学特性，但是可以通过改变流体的传热、传质及流动特性来强化反应过程。与常规尺度反应系统相比，微通道反应系统具有比表面积大和传热速率高等优点，使反应物或产物能快速被加热或冷却，精确控制反应的温度并有效地抑制了反应热的积累，提高反应的转化率、选择性和产物浓度。在多相反应中，微通道反应系统高比表面积可有效提高反应器内部的比相界面积，可实现强化传质，提高多相反应体系的传质过程。同时，微通道反应系统能够大大降低反应的持液量和能耗，并增加反应器的耐压能力，具有较高的安全性和可靠性。另外，利用成熟的微加工技术可将混合、反应、换热、分离和分析等过程和相关控制、检测和分析等器件集成到一个反应单元上，实现多功能化和对反应系统的实时监测和控制等功能。

3、在微重力环境下，多相反应过程中三相区界面的扩散和传质、气泡的产生、输运和脱离等过程对反应过程中的物质和能量转化产生很大影响。例如，在微重力环境下电解质中的过溶气体在电极表面附近聚集形成过饱和层，气体在过饱和层的成核过程中脱离电极表面时会与电解质作用，在局部引发物质的单相自由对流(微对流)，无法实现快速分离；同时，气泡在电极表面聚集并覆盖其表面，阻碍传质过程并导致界面电阻急剧增加，从而降低反应效率。采用微通道反应器技术的人工光合成反应，能够有效提高多相反应中反应物的混合、传质、产物分离等过程，不仅能够提升反应效率，还能有效克服微重力环境对反应过程的影响。

4、目前，微通道人工光合成反应器可实现将二氧化碳转换为一氧化碳、甲烷、甲酸和乙烯等多种产物，但是，微通道反应器受限于其反应空间和外部环境，难以有效提高产物的转化速率和单程转化率，特别是后者，将极大增加对产物的回收和后处理过程的复杂度，阻碍反应系统的性能和实际应用。

技术实现思路

1、针对上述问题，本发明提供一种基于微通道的连续人工光合成反应系统，通过对微通道反应器进行优化设计，可提高反应中多相界面的气液混合、传质和气体产物脱离等过程，并通过集成多个反应器、气液分离器、过滤器和传感器等单元，构建连续反应系统，实现反应物的有效利用，提高产物的转化效率；并进一步实现多步反应过程，将二氧化碳有效转化为复杂多碳产物。本发明具有系统尺寸小、物料混合快、传质传热效率高、响应迅速、参数控制精确(包括浓度分布、温度分布和压力分布等)、过程安全可控和物质转化效率高等优势。通过精确控制微尺度空间内多相反应的流动、混合和传递等过程，有助于深入认识其流动、混合和传递现象，实现反应过程的优化迭代和精确控制。

2、为实现上述本发明的目的，本发明实施例提出一种基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，包括：

3、多个微通道结构反应器，每个微通道结构反应器在输入端分别具有液体入口和气体入口以及在输出端分别具有液体出口和气体出口，在所述液体出口和所述气体出口的管路上均设置有气液分离器，所述液体出口的管路上的气液分离器具有气体产物排出口，所述气体出口的管路上的气液分离器具有液体产物排出口，所述液体出口和所述气体出口的管路上在气液分离器之后还分别设置有过滤器，所述液体出口和所述气体出口的管路在各自的过滤器之后分别连接至下一级微通道结构反应器的液体入口和气体入口。

4、进一步地，在最后一级的微通道结构反应器的液体出口和气体出口的末端分别设置有传感器。

5、进一步地，所述传感器为压力传感器、流量传感器、ph传感器或产物、浓度传感器。

6、进一步地，所述微通道结构反应器，包括气体/液体微通道板、气体扩散电极、外部固定板和密封附件。

7、进一步地，所述气体/液体微通道板中，微通道的宽度和深度均为100～1000μm。

8、进一步地，所述气体/液体微通道板中，微通道板的进口和出口呈对角分布。

9、进一步地，所述气体扩散电极由具有气体扩散功能的碳纤维纸、催化电极材料和导电剂材料组成；根据不同反应类型，在两片气体扩散电极中间增加隔膜，所述隔膜为玻璃纤维隔膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。

10、本发明相较于现有技术，具有以下优点：

11、1、将反应、混合、分离、纯化和检测等功能集成到一套系统中，有效节省了质量、体积和功耗，扩大了系统的应用范围和适应性。

12、2、在功能高度集成化的基础上，通过对反应各个过程精确控制和优化设计，提升了系统的安全性和可靠性。

13、3、将多相反应中分离、纯化和检测等复杂多步骤过程集成到一套连续系统中，有效优化了研究和试验过程，并节省了反应研究全过程的时间。

14、4、微通道反应器能够有效降低反应过程中物质扩散和输运的距离并提高反应的动力学，并通过微通道中气液剪切作用力使反应产物快速从气体扩散电极表面脱离，提高反应表面的物质交换速率。

15、5、将多个反应器设计成同一反应类型，可实现反应原料的连续利用和产物富集，提高原料的利用效率和目标产物的转化效率。

16、6、将多个反应器设计成不同反应类型，可实现连续多步反应过程，获得需要通过多个反应过程制备的复杂产物。

17、7、可有效降低反应过程中的放大效应，在完成原理验证后通过直接放大实现规模化系统的开发。

技术特征：

1.一种基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，其特征在于，在最后一级的微通道结构反应器的液体出口和气体出口的末端分别设置有传感器。

3.根据权利要求2所述的基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，其特征在于，所述传感器为压力传感器、流量传感器、ph传感器或产物、浓度传感器。

4.根据权利要求1所述的基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，其特征在于，所述微通道结构反应器，包括气体/液体微通道板、气体扩散电极、外部固定板和密封附件。

5.根据权利要求4所述的基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，其特征在于，所述气体/液体微通道板中，微通道的宽度和深度均为100～1000μm。

6.根据权利要求4所述的基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，其特征在于，所述气体/液体微通道板中，微通道板的进口和出口呈对角分布。

7.根据权利要求1所述的基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，其特征在于，所述气体扩散电极由具有气体扩散功能的碳纤维纸、催化电极材料和导电剂材料组成；根据不同反应类型，在两片气体扩散电极中间增加隔膜，所述隔膜为玻璃纤维隔膜、阳离子交换膜、阴离子交换膜或双极膜。

技术总结本发明涉及基于微通道结构的连续人工光合成反应系统，包括多个微通道结构反应器，每个微通道结构反应器在输入端分别具有液体入口和气体入口以及在输出端分别具有液体出口和气体出口，在所述液体出口和所述气体出口的管路上均设置有气液分离器，所述液体出口的管路上的气液分离器具有气体产物排出口，所述气体出口的管路上的气液分离器具有液体产物排出口，所述液体出口和所述气体出口的管路上在气液分离器之后还分别设置有过滤器，所述液体出口和所述气体出口的管路在各自的过滤器之后分别连接至下一级微通道结构反应器的液体入口和气体入口。具有系统尺寸小、物料混合快、传质传热效率高、响应迅速、参数控制精确、物质转化效率高等优势。技术研发人员：张策,姚伟,胡博韬,刘释元受保护的技术使用者：中国空间技术研究院技术研发日：技术公布日：2024/4/17