一种二氧化碳和淡水的捕集系统及其捕集方法

1.本发明属于二氧化碳和水的捕集技术领域，尤其涉及一种二氧化碳和淡水的捕集系统及其捕集方法。


背景技术：

2.近年来，化石燃料的大量燃烧使空气中二氧化碳浓度不断升高，导致全球变暖问题日益严重。除了减少二氧化碳的排放，碳捕集也是实现“碳达峰”、“碳中和”目标的关键。传统的碳捕集模式，例如从燃煤电厂进行燃烧前捕集和燃烧后捕集可以减缓大气二氧化碳浓度的升高，但是只有直接从空气中捕集二氧化碳才是真正能显著降低空气中二氧化碳浓度的“负碳技术”。
3.由于淡水资源有限与人口激增之间的矛盾，水资源短缺一直是人类面临的严重危机。而空气集水技术能够直接从空气中捕获淡水，对地理水资源的依赖度小，是一项有前途的技术。


技术实现要素：

4.针对二氧化碳捕集技术和空气取水的缺陷，本发明提供一种吸附转轮式直接空气二氧化碳和淡水联合捕集系统及其方法，以实现对空气中二氧化碳和淡水的全天候快速捕集。
5.本发明的技术方案如下：
6.一种二氧化碳和淡水的捕集系统，包括风机、冷凝器、转轮、空气加热器、储水罐和储气瓶，所述风机包括吸附风机和再生风机，所述再生风机包括第一再生风机和第二再生风机；所述冷凝器包括第一冷凝器和第二冷凝器；所述转轮包括水吸附转轮和碳吸附转轮，所述水吸附转轮和所述碳吸附转轮皆设置有用于提供动力的电动机，且所述水吸附转轮和所述碳吸附转轮的内部皆包括吸附区和再生区；
7.所述吸附风机、水吸附转轮的吸附区、第一冷凝器、碳吸附转轮的吸附区、空气加热器、第一再生风机、碳吸附转轮的再生区、第二再生风机、水吸附转轮的再生区和第二冷凝器依次风路设置，所述第二冷凝器通过管道分别连接所述储水罐和所述储气瓶。
8.进一步地，所述水吸附转轮内的吸附区和再生区皆设有水吸附剂，所述碳吸附转轮内的吸附区和再生区皆设有二氧化碳吸附剂。
9.进一步地，所述水吸附剂为盐基复合材料、多孔材料、水凝胶、金属有机框架材料中的一种或多种混合。
10.进一步地，所述二氧化碳吸附剂为胺多功能化的多孔材料、胺功能化的树脂和金属有机框架材料中的一种或多种混合。
11.进一步地，所述水吸附转轮和碳吸附转轮中吸附区与再生区的面积比为1：1—3：1。
12.一种二氧化碳和淡水捕集系统的捕集方法，包括如下步骤：
13.s1：接通电源，电动机、风机和空气加热机器开始运行；
14.s2：环境空气依次通过吸附风机送风、水吸附转轮的吸附区进行水吸附、第一冷凝器进行降温、碳吸附转轮的吸附区进行碳吸附、空气加热器进行升温、第一再生风机送风，碳吸附转轮的再生区进行碳再生、第二再生风机送风、水吸附转轮的再生区进行水再生并形成高碳蒸汽、第二冷凝器对高碳蒸汽进行冷凝，冷凝后的水和二氧化碳分别进入储水罐和储气瓶进行存储。
15.与现有技术相比，本发明的有益效果主要体现在：
16.1、本发明的吸附转轮式直接空气二氧化碳和淡水联合捕集系统，利用转轮直接对空气中的二氧化碳和水分进行捕集，并利用高温空气对吸附剂进行负压再生，相比于传统的固定床式捕集装置，本装置的灵活性高、气流压降小、再生气体的温度梯级利用，可以有效提高能源利用效率。
17.2、本发明首次提出一套系统直接对空气进行水和二氧化碳的双捕集，实现了不间断式的捕集和再生过程，且系统结构简单、使用方便；相比传统单一二氧化碳捕集或空气取水装置，本装置利用变温吸附原理，实现了从空气中直接进行的快速二氧化碳和水分联合捕集，极大扩展了两种技术的使用边界，同时，使用高温空气进行吸附剂的再生，再生的混合气可使用冷凝的方式使水与二氧化碳分离从而得到纯度较高的二氧化碳气体和相对纯净的淡水，从而使二者被利用或封存，实现物质和能量互补的全场景的低能耗驱动的高效淡水和二氧化碳获取。
18.3、本发明使用具有良好吸附动力学性能的吸附材料，转轮以适宜的转速转动，经过吸附区的吸附剂能在到达再吸附饱和的状态，经过再生区的吸附剂能在回到吸附区以前完成再生活化，因此能满足转轮式连续捕集的要求。
附图说明
19.图1为本发明一种二氧化碳和淡水的捕集系统的结构图；
20.图2为本发明转轮结构图。
21.其中，1、吸附风机；2、水吸附转轮；3、第一冷凝器；4、碳吸附转轮；5、空气加热器；6、第一再生风机；7第二再生风机；8、第二冷凝器；9、储水罐；10、储气瓶；11、电动机；12、吸附区；13、再生区。
具体实施方式
22.下面将结合示意图对本发明一种二氧化碳和淡水的捕集系统及其捕集方法进行更详细的描述，其中表示了本发明的优选实施例，应该理解本领域技术人员可以修改在此描述的本发明，而仍然实现本发明的有利效果，因此，下列描述应当被理解为对于本领域技术人员的广泛知道，而并不作为对本发明的限制。
23.参考图1和图2，一种二氧化碳和淡水的捕集系统，包括吸附风机1、水吸附转轮2、第一冷凝器3、碳吸附转轮4、空气加热器5、第一再生风机6、第二再生风机7、第二冷凝器8、储水罐9和储气瓶10，其中，水吸附转轮2和碳吸附转轮4都配套设置有电动机11，电动机11驱动水吸附转轮2和碳吸附转轮4进行旋转，旋转可为匀速旋转，也可为变速旋转。水吸附转轮2和碳吸附转轮4的内部都分为吸附区11和再生区12，吸附区11和再生区12的面积占比为
1：1—3：1。
24.空气加热器5用于加热碳吸附转轮4通入的空气，其热量来源为电能、太阳能、地热能和工业余热中的一种或多种。
25.水吸附转轮2的吸附区和再生区都设置有水吸附剂，水吸附剂为盐基复合材料、多孔材料、水凝胶、金属有机框架材料中的一种或多种，比如浸渍锂盐的硅胶、浸渍锂盐的活性炭纤维毡、pam水凝胶、海藻酸钠复合凝胶和mil-101(cr)。
26.碳吸附转轮4的吸附区和再生区都设置有二氧化碳吸附剂，二氧化碳吸附剂为胺多功能化的多孔材料、胺功能化的树脂和金属有机框架材料中的一种或多种，比如聚乙烯亚胺浸渍的硅胶和聚乙烯亚胺浸渍的活性炭纤维毡。
27.本发明一种二氧化碳和淡水的捕集系统，吸附风机1、水吸附转轮2、第一冷凝器3、碳吸附转轮4、空气加热器5、第一再生风机6、第二再生风机7和第二冷凝器8之间通过工业通风管道相连接，第二冷凝器8通过ppr热塑管分别连接储水罐7和储气瓶10。
28.本发明一种二氧化碳和淡水的捕集系统的运行方法包括如下步骤：
29.给装置输入电能时，电动机11、风机、空气加热器5开始运行，环境空气被吸附风机1送至所述水吸附转轮2的吸附区，使得环境空气中的水被水吸附剂吸附，空气中的湿度降低，处理后的空气被送至第一冷凝器3。经过第一冷凝器的低温低湿空气，送至碳吸附转轮4的吸附区，使得空气中的碳被二氧化碳吸附剂吸附，处理后的空气被送至空气加热器5。
30.在再生过程中，从空气加热器5出来的高温空气，被第一再生风机6引风流过碳吸附转轮4的再生区，加热二氧化碳吸附剂使其解吸出二氧化碳进行再生。处理后的空气被第二再生风机7引风流过水吸附转轮2的再生区，加热水吸附剂使其解吸出水进行再生。之后高碳蒸汽在第二冷凝器8冷凝后流入储水罐9，而二氧化碳被收集存储到储气瓶10。
31.在本发明一种二氧化碳和淡水的捕集系统的运行过程中，水吸附转轮2和碳吸附转轮4工作状况的判断标准是输出给环境的空气中水分和二氧化碳浓度是否低于所要求的值，以及一定时间后储水罐9和储气瓶10中是否收集到水和二氧化碳。
32.上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。