专利名称：用于二氧化碳的等离子体分解设备和方法
技术领域：
本发明涉及用于二氧化碳的等离子体分解设备和方法，更具体地，涉及用于将二 氧化碳在非热等离子体状态下分解为碳和氧气的设备和方法。
背景技术：
目前，大部分能量通过燃烧例如石油、煤和天然气等其中碳和氢结合的化石燃料 发出的热获得。燃烧的化石燃料与氧气反应，并且在燃烧过程中放出二氧化碳，放出的二氧 化碳在大气中积聚造成全球变暖。二氧化碳是非常稳定的材料，其难于分解。因此，目前使用隔离和存储二氧化碳的 方法。即，在产生大量二氧化碳的地方如煤电站等地方将二氧化碳捕集后埋置到陆地或海 洋的深层地层中。但是，该方法没有根本上减少二氧化碳的量，并且具有高成本的缺点。
发明内容
技术问题因此，本发明的目的是提供一种用于二氧化碳的等离子体分解设备和方法，其将 二氧化碳在非热等离子体状态下分解为碳和氧气。本发明的另一个目的是提供一种用于分解二氧化碳并且获得可回收的碳和氧气 的等离子体分解设备和方法。所获得的碳可用作用于碳纳米管的材料。技术方案为了实现这些和其他目的，根据本发明一方面的二氧化碳分解设备包括反应器， 其用于分解二氧化碳，具有用于二氧化碳流入的入口和用于排出碳和氧气的出口 ；多个阳 极，其设置在反应器中，并且具有沿长度方向伸长的杆状形状；多个阴极，其设置在反应器 中的多个阳极之间，并且具有沿长度方向伸长的杆状形状；和电源，其在所述多个阳极和多 个阴极之间施加预定电压。二氧化碳存储器可设置成与反应器的入口连接，用于存储二氧化碳，并给反应器
提供二氧化碳。而且，该设备优选具有碳分离装置，其与反应器的出口连接，并且从排出的气体中 分离出碳。碳分离装置以旋流分离式分离碳。该设备具有二氧化碳/氧气分离装置，其将 排出的气体中的氧气与二氧化碳分离。从二氧化碳/氧气分离装置排出的二氧化碳返回到 二氧化碳存储器或直接返回到反应器。根据本发明另一方面的用于二氧化碳的等离子体分解法包括以下步骤使二氧化 碳流入具有阳极和阴极的反应器中；在阳极和阴极保持在预定电压下时，在非热等离子状 态下将二氧化碳分解为碳和氧气；和排出分解的碳和氧气以及未分解的二氧化碳。此时，排 出未分解的二氧化碳。在二氧化碳流入反应器之前，可进行净化二氧化碳的步骤。在碳和氧气排出之后，可进行将碳从气体分离的步骤。而且，二氧化碳可从排出的气体中分离，然后返回到反应
ο有益效果根据本发明的二氧化碳分解设备可通过使二氧化碳以非热等离子状态存在来分 解二氧化碳。因此，基本上减少造成全球变暖的主要原因的二氧化碳。而且，可回收使用分解的碳和氧气。特别地，具有以下优点从纯净的二氧化碳获 得的碳可用作用于碳纳米管的材料。
图1显示了根据本发明的具体实施方式
的二氧化碳等离子体分解设备的示意图；图2显示了反应器的内部剖视图。
具体实施例方式下面将参照附图更全面地描述本发明，附图中显示了本发明的示例性具体实施方 式。首先将参照图1描述根据本发明具体实施方式
的二氧化碳等离子体分解设备。二 氧化碳等离子体分解设备包括二氧化碳存储器100、反应器200、碳分离装置300和二氧化 碳/氧气分离装置400。二氧化碳存储器100存储在煤电站等中捕集的二氧化碳。存储在二氧化碳存储器 100中的二氧化碳优选为纯净的二氧化碳，其通过高效膜净化。或者，可提供净化装置来在 二氧化碳流入反应器200中之前将其净化。二氧化碳在其中分解的反应器200包括连接到二氧化碳存储器100用于二氧化碳 流入的入口 210和用于排放分解的碳和氧气的出口 240。多个阳极220和多个阴极230沿 长度方向伸长，并且布置在反应器200的内部。电源250连接在反应器外部，以在多个阳极 220和多个阴极230之间提供预定电压。每一个阳极220具有沿长度方向伸长的圆柱状阳极杆221和包围阳极杆的绝缘体 222。该阳极杆221由导电材料制成，该导电材料优选为Ti02。绝缘体222优选由陶瓷制成。每一个阴极223具有沿长度方向伸长的圆柱状阴极杆231和包围阴极杆的绝缘体 232。阴极杆231由具有高导电率的导电材料，例如铜、银、钼或TiO2制成。具体地，TiO2响应波长低于380nm的电磁波产生能量为3eV的自由电子。由于3eV 的自由电子能量大于二氧化碳的2. 82eV的离解能，因此优选使用TiO2作为阴极杆231。绝缘体232由陶瓷、石英、耐热玻璃等制成，并且优选由陶瓷制成。多个阳极220和多个阴极230的数量根据具体设计适当确定。当多个阴极230布 置成沿长度方向看围绕多个阳极220时，适于二氧化碳的分解。优选多个阴极230的数量 等于或大于多个阳极220的数量。图2显示了阳极220和阴极230的示例性布置。电源250连接到阳极220和阴极230，并且提供给其直流加速电压V。电源250可 使用一般的交流电源，其例如产生220VAC，并且产生经转换和整流的高直流电压作为二氧 化碳分解所需的加速电压。存储在二氧化碳存储器100中的二氧化碳通过入口 320提供到反应器200的内部中。可以在反应器200中提供用于吸入二氧化碳的单独的入口泵。或者，后面将描述的吸 入装置310可用于将二氧化碳吸入反应器中。进入反应器的二氧化碳通过阳极220和阴极 230之间的加速电压达到非热等离子状态，然后通过由阴极230产生的电子分解为碳和氧气。此时，从阴极230产生的电子能量E的优选范围为0. 5_4KeV，更优选为0. 5_lKeV。对于电子能量的该范围，施加在阳极220和阴极230之间的加速电压Vacx可通过 如下方式获得。当电子能量E为0. 5KeV时，电子的动量按照下式计算电子能 E = 0. 5KeV = 8. 01X1(T17J，电子动量P=V^r = 1.207 XlO"23 kg m/sec其中m为电子质量。由于eVacc = h ν,则加速电压Vacc为Vacc = cXp/e,其中e为电子电荷量，h为普朗克常数，c为光速。加速电压Vacx通过将上面的电子动量代入获得。Vacc = 22. 6kV类似地，当电子能量E为4. OKeV时，得到的施加到阳极220和阴极230之间的加 速电压Va。。为63. 6kV。因此，施加到阳极220和阴极230之间的加速电压优选范围为从22. 5到63. 6kV, 更优选的范围为从25到50kV。由于阳极220和阴极230之间的加速电压保持在例如22. 5-63. 6kV的高压下，因 此发出具有高于二氧化碳的离解能2. 82eV能量的电子来将二氧化碳分解为碳和氧气。反应器200的出口 240连接到碳分离装置300。碳分离装置300具有流入装置310 和旋流分离器320。流入装置310吸入分解的碳和氧气以及未分解的二氧化碳，以将其从反 应器200的出口 240排出。在该具体实施方式
中，虽然流入装置310布置在碳分离装置300 上，但也可以根据所需设计将流入装置设置在二氧化碳/氧气分离装置400上或二氧化碳 /氧气分离装置400后面的任何部分上。来自出口 240的已经分解的碳和氧气以及未经分解的二氧化碳进入旋流分离器 320。旋流分离器320将固体碳与气体氧气和二氧化碳分离。旋流分离器320通过已知的 旋流分离法将固体碳与气体分离。从旋流分离器320分离的碳排放到碳存储部330，并且存储于碳存储部330中。由 于存储在碳存储部330中的碳源自提纯(rectify)的纯二氧化碳，因此其为纯净碳。分解 的碳可用作用于碳纳米管的材料。从旋流分离器320排放的氧气和二氧化碳进入二氧化碳/氧气分离器400，然后彼 此分离。二氧化碳/氧气分离器400将该气体通过变压吸附(PressureSwing Adsorption PSA)法分离。从二氧化碳/氧气分离器400排放的氧气可存储在图中未显示的氧气罐中，或可 排出到空气中。从二氧化碳/氧气分离器400排放的二氧化碳再次存储在二氧化碳存储器 100中，然后再次进行分解处理。或者，从二氧化碳/氧气分离器400排放的二氧化碳直接返回到反应器200，然后再次进行分解处理。因此，二氧化碳分解设备将二氧化碳完全分解为碳和氧气。虽然已经关于目前认为是最实用和优选的具体实施方式
对本发明进行了描述，但 是应可理解，本发明不限于所公开的具体实施方式
，而是相反，旨在覆盖包括在所附权利要 求的精神和范围内的多种变型和等同布置。
权利要求
一种用于分解二氧化碳的设备，包括用于分解二氧化碳的反应器，其包括用于二氧化碳流入的入口和用于排出由二氧化碳分解的碳和氧气的出口；多个阳极，其设置在所述反应器中，具有沿长度方向伸长的杆状形状；多个阴极，其设置在所述反应器中的所述多个阳极之间，具有沿长度方向伸长的杆状形状；和电源，其将电压施加到所述多个阳极和所述多个阴极之间。
2.根据权利要求1所述的设备，还包括二氧化碳存储器，其与所述反应器的所述入口连接，用于存储二氧化碳并给所述反应器提供二氧化碳。
3.根据权利要求2所述的设备，其中，存储在所述二氧化碳存储器中的二氧化碳已经 过净化。
4.根据权利要求1所述的设备，还包括碳分离装置，其与所述反应器的所述出口连接，用于从气体分离碳。
5.根据权利要求4所述的设备，其中，从所述碳分离装置分离的碳用作用于碳纳米管 的材料。
6.根据权利要求4所述的设备，其中，所述碳分离装置以旋流分离式将碳分离。
7.根据权利要求4所述的设备，还包括二氧化碳/氧气分离装置，其与所述碳分离装置连接，用于从二氧化碳分离氧气。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，从所述二氧化碳/氧气分离装置排出的二氧化碳 返回到所述反应器。
9.根据权利要求7所述的设备，其中，所述二氧化碳/氧气分离装置通过变压吸附法从二氧化碳分离氧气。
10.根据权利要求1所述的设备，其中，所述多个阳极或所述多个阴极中的每一个包括圆柱状杆，其由导电材料制成；和 绝缘体，其包围所述圆柱状杆。
11.根据权利要求10所述的设备，其中，所述导电材料为二氧化钛，并且所述绝缘体由 陶瓷制成。
12.根据权利要求1所述的设备，其中，沿长度方向看，所述多个阴极布置成围绕所述 多个阳极。
13.根据权利要求12所述的设备，其中，所述多个阴极的数量等于或大于所述多个阳 极的数量。
14.一种用于分解二氧化碳的方法，包括使二氧化碳流入具有阳极和阴极的反应器中；当所述阳极和所述阴极保持在预定电压下时，在非热等离子体状态下将二氧化碳分解 为碳和氧气；和排出分解的碳和氧气以及未分解的二氧化碳。
15.根据权利要求14所述的方法，在使二氧化碳流入具有阳极和阴极的反应器之前还包括以下步骤净化所述二氧化碳。
16.根据权利要求14所述的方法，在排出分解的碳和氧气和未分解的二氧化碳之后还 包括以下步骤分离所述碳。
17.根据权利要求16所述的方法，其中，所述分离的碳用作用于碳纳米管的材料。
18.根据权利要求14所述的方法，在排出分解的碳和氧气以及未分解的二氧化碳之后 还包括以下步骤分离所述二氧化碳；以及 使所述分离的二氧化碳返回到所述反应器。
全文摘要
一种用于二氧化碳的等离子体分解设备和方法，将二氧化碳在非热等离子体状态下分解为碳和氧气。所述设备包括反应器，其用于分解二氧化碳，具有用于二氧化碳流入的入口，和用于碳和氧气排出的出口；多个阳极，其设置在所述反应器中，具有沿长度方向伸长的杆状形状；多个阴极，其设置在所述反应器中的多个阳极之间，具有沿长度方向伸长的杆状形状；和电源，其将预定电压施加到所述多个阳极和所述多个阴极之间。
文档编号B01J19/08GK101903089SQ200880119931
公开日2010年12月1日 申请日期2008年10月6日 优先权日2007年10月11日
发明者姜汉龙, 赵文基 申请人:赵文基