一种实现二氧化碳富液解吸再生的电化学方法及装置与流程

本发明涉及二氧化碳富液解吸再生，具体的说，涉及一种实现二氧化碳富液解吸再生的电化学方法及装置。

背景技术：

1、二氧化碳(co2)是最主要的温室气体,自工业革命以来二氧化碳排放逐年递增，由此带来的气候变化正引起全球高度关注。作为降低co2排放的强有力手段，二氧化碳捕获和封存利用技术(carbon capture,utilization and storage,ccus)是指通过多种方法从大气中去除co2，并将其储存在地下或加以利用，以减少其对气候变化的影响，目前主要的co2捕获技术包括吸收和吸附。

2、吸收是一种使用化学吸收剂将空气中的co2吸收到液体中进行处理和储存的技术，在工业上被广泛应用。其中，常用的吸收剂如有机胺类化合物单乙醇胺、无机碱类化合物氢氧化钠、氢氧化钾等，都具有良好的吸收效率、选择性和可靠性。这些高效吸收剂一般与水混合形成吸收剂水溶液，依靠吸收塔实现co2的捕获。在吸收塔中，含co2的气体(空气、烟气)与吸收剂水溶液在填料层充分接触并进行化学反应，co2便被固定到吸收剂水溶液中形成富co2液。随后，富co2液将会进入相应的解析装置释放co2。

3、然而，目前的解析工艺普遍存在着一些不足，主要体现在能耗方面。以单醇胺工艺为例，解析co2需要在80～120℃的条件下才能有效进行；而以氢氧化钾等无机碱类吸收剂为代表的工艺，需要经过高温煅烧的流程才能获得co2，煅烧温度一般在900℃以上。此外，这两种典型工艺都需要建设大型的解析设备，如解析塔、氢氧化钙(ca(oh)2)沉淀工艺配套设施、煅烧炉等，占地面积较大且成本较高。

4、作为该领域的一种全新技术，利用电化学法可有效解决这一问题。电化学法通常在电解池中进行，该设备由一个阳极室和一个阴极室构成，中间夹有离子交换膜，通过改变阳极室、阴极室的ph实现co2的释放及吸收剂水溶液的再生。

5、电化学法具有高效、启停方便以及可接入再生电力系统的优势。此外，这种方法所需的释放设备体积较小，可以进行模块化应用，并且便于运输和安装。然而，目前的电化学法也存在一些不足之处。例如，在阳极室释放co2的同时也会伴随产生氧气(o2)，这使得co2浓度不高，需要进一步纯化；而在阴极室则会产生额外的氢气(h2)。同时，这两种附加气体混合后容易引发爆炸，属于重大安全隐患。这一系列的问题，限制了该技术的工业化应用。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题是针对以上不足，提供一种实现二氧化碳富液解吸再生的电化学方法及装置，能够高效释放吸收剂水溶液中co2的同时利用阴极室产生的h2，并且阳极室无附加气体生成。

2、为解决以上技术问题，本发明采用以下技术方案：

3、一种实现二氧化碳富液解吸再生的装置，包括三室电解池、酸化室附属组件、阴极室附属组件、电解液输入组件、外部氢气进出组件、电源设备；

4、所述三室电解池包括阳极室、酸化室和阴极室，阳极室用于发生阳极氧化反应，阴极室用于发生阴极还原反应，酸化室用于发生二氧化碳释放反应，在酸化室中，二氧化碳吸收液在酸性条件下进行二氧化碳的释放；在阴极室中，来自于酸化室反应后的吸收液进行再生，再次具备二氧化碳捕集能力；阳极室只流通氢气，不流通液体；

5、所述酸化室的进口连接电解液输入组件，酸化室的出口和阴极室的进口连接酸化室附属组件，阴极室的出口连接阴极室附属组件；阳极室的进口设有两个，其中一个阳极室的进口连接阴极室附属组件，另一个阳极室的进口连接外部氢气进出组件的进气部分，阳极室的出口连接外部氢气进出组件的出气部分，电源设备连接酸化室和阴极室。

6、进一步的，所述酸化室设在阴极室和阳极室之间，酸化室和阴极室之间设置阴极室膜电极，阴极室膜电极作用为还原水，产生氢气和氢氧根，酸化室和阳极室之间设置阳极室膜电极，阳极室膜电极作用为氧化氢气，向酸化室提供质子。

7、进一步的，所述三室电解池的壳体采用绝缘材料，绝缘材料为聚甲基丙烯酸甲酯、abs塑料、聚氯乙烯、透明树脂、聚碳酸酯、聚酰胺、聚甲醛、聚苯醚、聚酯、聚苯硫醚、聚芳基酯的一种或两种及以上所形成的混合物。

8、进一步的，所述阳极室、酸化室和阴极室内均设置有内置流道，内置流道为曲折流道；

9、所述阳极室和阴极室的内置流道材质为导电金属；

10、所述酸化室的内置流道材质为绝缘材料。

11、进一步的，所述阳极室膜电极包括离子交换膜，离子交换膜靠近阳极室一侧的侧面涂覆有催化剂层，催化剂层上设有气体扩散层；

12、所述阴极室膜电极包括离子交换膜和催化剂层，催化剂层涂覆在离子交换膜靠近阴极室一侧的侧面上，两者紧密结合。

13、进一步的，所述催化剂层为贵金属基催化剂、非贵金属基催化剂、非金属基催化剂择一或者两种及以上的混合物或由贵金属基催化剂、非贵金属基催化剂组成的金属络合物分子；

14、贵金属基催化剂包为铂、钯、钌、铱、铑、银、金中的一种或多种组成的混合物；所述非贵金属基催化剂为镍、钴、钼、钛中的一种或多种组成的混合物；非金属基催化剂为活性炭、石墨烯、碳纳米管及其衍生物中的一种或多种组成的混合物。

15、进一步的，所述酸化室附属组件包括酸化气液缓冲罐和第一压力检测器；酸化气液缓冲罐连接有气体排出管路，用于输送co2，气体排出管路上设有气体控制阀门，用于调节气体输出；

16、所述阴极室附属组件包括阴极气液缓冲罐和第二压力检测器；阴极气液缓冲罐连接有再生液体排出管路，再生液体排出管路连接有co2捕获模块，再生液体排出管路和co2捕获模块之间设有第二液体控制阀门；

17、所述外部氢气进出组件包括外部氢气输入管道和氢气输出管道，外部氢气输入管道连接阳极室的进口，氢气输出管道连接阳极室的出口；外部氢气输入管道上设有气体流量计和进气阀门，分别用于调整外部氢气输入流量和控制外部氢气输入，氢气输出管道上设有出气阀门。

18、进一步的，所述第一压力检测器为压力传感器，用于监测酸化气液缓冲罐及连通酸化室内压力，第一压力检测器设在酸化气液缓冲罐的上部；

19、所述酸化气液缓冲罐通过第一气液混合管路连接酸化室的出口，酸化气液缓冲罐通过出液管路连接阴极室的进口，出液管路上设有第一液体控制阀门；

20、所述第一压力检测器与气体控制阀门电路连接。

21、进一步的，所述第二压力检测器为压力传感器，用于监测阴极气液缓冲罐及连通阳极室内压力；第二压力检测器设在阴极气液缓冲罐顶部；

22、所述阴极气液缓冲罐通过第二气液混合管路连接阴极室的出口；阴极气液缓冲罐通过气体输送管路连接阳极室的一个进口。

23、一种实现二氧化碳富液解吸再生的电化学方法，包括以下步骤：

24、步骤1，将二氧化碳饱和的捕集液输送至酸化室和阴极室中；

25、步骤2，排出阳极室及阴极气液缓冲罐的其他气体，并充满氢气；

26、步骤2.1，打开外部氢气输入管道上的进气阀门，使外部氢气输入至阳极室内，阳极室内充满氢气，打开氢气输出管道上的出气阀门，多余的氢气将其连接的出口中排出；该过程持续1～10分钟；

27、步骤2.2，打开阴极气液缓冲罐与co2捕获模块之间的第二液体控制阀门，关闭氢气输出管道上的出气阀门，氢气将进入阴极气液缓冲罐，将阴极气液缓冲罐中的其他气体排出，该过程持续1～10分钟；

28、阴极气液缓冲罐输入氢气的过程中，其内部有一定电解液，且该部分电解液液位没过阴极气液缓冲罐的出口，防止氢气从出口溢出；

29、步骤3，三室电解池反应

30、氢气充满后，关闭阴极气液缓冲罐与co2捕获模块之间的第二液体控制阀门、外部氢气输入管道上的进气阀门；开启电源，电解反应开始，电解1～3分钟后，打开电解液输入组件上的阀门，恢复电解液供液；

31、步骤3.1，阳极室反应

32、阳极室发生氧化反应，h2被氧化生成质子；

33、反应式如下：

34、h2-2e-→2h+；

35、步骤3.2酸化室反应

36、阳极室质子通过阳极膜电极进入酸化室，与二氧化碳饱和的捕集液反应，气体产物为二氧化碳，液体产物为释放co2后的捕集液；

37、酸化室的反应产物流入酸化气液缓冲罐内，当酸化气液缓冲罐内压力≥130kpa时，气体排出管路上的气体控制阀门开启，co2输出并被收集，当压力小于该值时，气体控制阀门关闭并等待压力上升，释放co2后的捕集液进入阴极室再生。

38、反应开始后每20分钟检测一次气体产物成分，随着反应的进行，co2的纯度逐渐提高，最终产物co2纯度≥98％。

39、步骤3.3阴极室反应

40、阴极室内发生还原反应生成氢氧根和氢气，氢气传输至阳极室中再次被氧化，实现氢气的循环利用；氢氧根和贫液结合并反应实现再生，得到具备捕集能力的再生捕集液；

41、h2和再生捕集液一起随着管道流入阴极气液缓冲罐，当阴极气液缓冲罐中的压力≥130kpa时，氢气在压力作用下输送至阳极室；

42、还原反应式如下：

43、4h2o+4e-→4oh-+2h2。

44、本发明采用以上技术方案，与现有技术相比，具有如下技术效果：

45、1、解决了常规电解释放co2技术中阴极产氢气的问题，使氢气在阳极得到利用，有效降低生产过程中的安全隐患。

46、2、规避了阳极产氧气的问题，能极大提高co2的纯度，co2的纯度≥98％。

47、3、能耗低、co2释放效率高，co2释放效率≥95％；

48、4、所需的单个电解设备体积小，可通过模块化联用的方式组成堆体，运输安装方便、占地面积可控。

49、5、可利用风力发电、光伏发电、潮汐发电等清洁能源，具有良好的经济效益。