一种用于二氧化碳分离和转化的方法和系统与流程

本发明特别是涉及一种用于二氧化碳分离和转化的方法和系统。

背景技术：

1、二氧化碳是所有有机燃料燃烧的产物，但由于人类大量开采煤炭、石油、天然气，导致大气中二氧化碳含量持续增加，二氧化碳本身就是温室气体，这就造成全球变暖、冰川融化、海平面上升、极端气候等全球性问题。同时化石能源燃烧余热大量排入环境中，是全球变暖的另一个原因。要实现二氧化碳排放降低，就要实现二氧化碳循环利用，实现了二氧化碳资源化，可降低对煤炭石油的依赖。

2、二氧化碳循环利用的第一步就是二氧化碳分离和固定，目前二氧化碳固定有如下方法：胺吸收法、碱吸收法、分子筛吸附法，这些方法都存在解吸能耗高的问题，其中，有机胺吸收能耗在3.8-4.2兆焦耳每公斤二氧化碳，氢氧化钙吸收的碳酸钙解吸能耗为5.75兆焦耳每公斤二氧化碳，dac吸收法能耗为8-9兆焦耳每公斤二氧化碳。最先进的混合胺吸收能耗也在2-3兆焦耳每公斤二氧化碳左右。因此，如何进一步降低二氧化碳吸收能耗，是二氧化碳资源化利用中的关键。

3、传统的二氧化碳吸收过程中释放的能耗，都是被耗散掉了，这是非常大的能耗损失，而且得不偿失。如果能够把二氧化碳收集和释放的能耗，直接用于转化二氧化碳成为高热量和高价值的燃料，就会节约大量的能耗，使得二氧化碳收集成本大大降低。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种用于二氧化碳分离和转化的方法和系统，解决二氧化碳分离和解吸能耗高，而能量浪费导致能量浪费和成本高昂，实现二氧化碳直接合成具有燃料价值和化工原料的有机化工产品的目标。

2、为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供如下技术方案：

3、本发明第一方面，提供一种用于二氧化碳分离和转化的系统，包括：

4、co2收集装置，用于将气体中低浓度co2进行分离、收集得到高浓度co2；co2收集装置包括至少一个吸附脱附单元，各个吸附脱附单元之间并联设置；吸附脱附单元包括一腔室及设置于腔室内的至少一组电极，每组电极的至少一个电极上含有用于结合co2气体的物质；

5、co2反应装置，与co2收集装置流体连通，co2反应装置用于将co2收集装置输送的高浓度co2气体转化为液态产物。

6、进一步，本发明提供的系统，其中，co2收集装置包括两个并联设置的吸附脱附单元，其中一个吸附脱附单元用于吸附co2，另一个吸附脱附单元用于脱附co2。

7、进一步，本发明提供的系统，其中，该系统还包括微纳米气泡发生器，微纳米气泡发生器分别与co2收集装置、co2反应装置流体连通，co2收集装置收集到的高浓度co2进入微纳米气泡发生器，产生二氧化碳微纳米气泡也即co2以微纳米气泡状态存在，二氧化碳微纳米气泡进入co2反应装置转化为液态产物。

8、进一步，本发明提供的系统，其中，co2反应装置为微纳米气泡发生器。

9、进一步，本发明提供的系统，其中，含有用于结合co2气体的物质的电极还涂覆有碳基导电材料，上述用于结合co2气体的物质位于电极上碳基导电材料表面；碳基导电材料包括但是不限于碳纳米管、石墨烯、石墨纸中的一种或多种。

10、进一步，本发明提供的系统，其中，上述用于结合co2气体的物质包括但是不限于蒽醌类化合物、质体醌、泛醌、大黄素类化合物、嗪类化合物、芴酮类化合物、二茂铁类化合物中的一种或多种。

11、进一步，本发明提供的系统，其中，每组电极中的两个电极分别与电源的阳极、阴极电性连接，第一电极与电源的阳极电性连接，第二电极与电源的阴极电性连接。

12、进一步，本发明提供的系统，其中，各组电极并联或串联设置。

13、进一步，本发明提供的系统，其中，每组电极包括第一电极和第二电极，第一电极、第二电极均呈板状。

14、进一步，本发明提供的系统，其中，每组电极包括第一电极和第二电极，第一电极呈盒状或管状，第二电极均呈板状、线状，第二电极至少部分穿设于第一电极内，第一电极内表面涂覆有碳基导电材料及用于结合co2气体的物质。

15、进一步，本发明提供的系统，其中，该系统还包括在线监测系统，用于对各个吸附脱附单元中的吸附/脱附切换的自动控制。更进一步，在线监测系统依据终端排放的气体中co2浓度值，控制各个吸附脱附单元中吸附/脱附状态的自动切换。更进一步，在线监测系统依据co2收集装置和/或co2反应装置排放的气体中co2浓度值，控制各个吸附脱附单元中吸附/脱附状态的自动切换。

16、进一步，本发明提供的系统，其中，在线监测系统包括co2浓度检测单元，用于检测终端排放的气体中co2浓度值；更进一步，co2浓度检测单元包括co2浓度传感器，用于检测co2收集装置和/或co2反应装置排放的气体中co2浓度。

17、进一步，本发明提供的系统，其中，在线监测系统还包括控制单元，用于依据co2浓度检测单元传输的co2浓度值控制与吸附脱附单元中各组电极电性连接的电源的导通、断开。

18、进一步，本发明提供的系统，其中，各个吸附脱附单元的各组电极与电源电性连接的电路中均设有电源开关；控制单元与该电源开关电性连接，该控制单元用于控制电源开关的导通、断开。

19、进一步，本发明提供的系统，其中，各个吸附脱附单元的腔室上均设有供气体进入的进气口，该进气口对应的管道上均设有控制阀，该控制阀与控制单元电性连接。

20、进一步，本发明提供的系统，其中，液态产物包括但不限于甲酸、甲醛、甲醇、乙酸、乙醇等中一种或多种液态产物。

21、进一步，本发明提供的系统，其中，co2反应装置包括电还原催化装置。

22、本发明的第二方面，提供一种用于二氧化碳分离和转化的方法，包括如下步骤：

23、s1：收集待处理气体中低浓度co2，得到高浓度co2气体；

24、s2：将高浓度co2气体转化为液态产物。

25、进一步，本发明提供的方法，其中，在步骤s2之前还包括：将高浓度co2气体处理成以微纳米气泡状态存在的二氧化碳微纳米气泡，再转化为液态产物。

26、进一步，本发明提供的方法，其中，步骤s1中，采用能结合co2气体的物质对待处理气体中co2进行分离。

27、更进一步，本发明提供的方法，其中，步骤s1中，对至少一个电极上含有能结合co2气体的物质的电极组施加一定电压，待处理气体中co2与该物质结合，从而分离出co2气体；当待处理气体中co2与该物质结合达到饱和状态，切断施加在电极组的电压，该物质释放co2气体，收集得到高浓度co2气体。

28、更进一步，本发明提供的方法，其中，步骤s1中，还包括切换进行co2与该物质结合、该物质释放co2气体，实现吸附/脱附切换。

29、更进一步，本发明提供的方法，其中，所述含有能co2气体的物质的电极还涂覆有碳基导电材料，所述能结合co2气体的物质位于所述电极上碳基导电材料表面；碳基导电材料包括碳纳米管、石墨烯、石墨纸中的一种或多种；进一步，所述能co2气体的物质包括蒽醌类化合物、质体醌、泛醌、大黄素类化合物、嗪类化合物、芴酮类化合物、二茂铁类化合物中的一种或多种。

30、本发明中“待处理气体”“气体”指含有co2的所有气体，例如包含二氧化碳的所有废气，包括但不限于发动机排放的尾气、发电厂、化工厂等烟囱排放的废气、及锅炉烧煤排放的废气。

31、本发明实现了二氧化碳分离能耗和解吸能耗的回收利用，实现了解吸能耗的高效利用，提高了二氧化碳转化产物的经济性和燃料再生，为二氧化碳利用提供了有效的技术手段。本发明使二氧化碳吸收和解吸能量从4.2兆焦耳降低到1兆焦耳每公斤二氧化碳，大大降低了分离能耗，同时1兆焦耳的能耗还生成了0.5-0.80兆焦耳的燃料，实现了解吸能耗的回收，高值化利用，具有较高的经济价值和社会价值。