二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备的制作方法

1.本实用新型涉及碳中和技术领域，具体涉及一种二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备。


背景技术：

2.直接空气捕获是可用于从大气中去除二氧化碳的少数技术选项之一。在向零净排放系统过渡过程中，碳去除有望成为关键技术，在该系统中，释放到大气中的二氧化碳量等于被清除的量。相对于传统的ccus技术，采用直接空气捕获的方案占地面积更小，需要的用水量更少，能耗更低。
3.然而，现有的直接空气捕获技术从大气中捕获二氧化碳，并直接填埋在地下，采用这种方式，需要付出较高的碳存储成本并且具有安全隐患，限制了其大面积工业化推广应用。
4.如何降低现有直接空气捕获技术的碳存储填埋成本以及解决其安全隐患，是行业亟待解决的问题。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的是提供一种可以直接进行气体状态捕获并转化成高价值化学品的二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备，通过电化学对二氧化碳进行捕获和转化，可实现空气直接捕获，工业废气排放直接捕获，及封闭环境中的含二氧化碳气体直接捕获并利用，避免传统技术中碳捕集得高能耗、碳存储填埋的安全隐患以及高昂的成本。为解决上述技术问题，本实用新型提供一种二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备，其包括进气口、出气口、风机、电化学捕获设备、电化学转化设备、收集设备以及外壳。
6.其中，风机位于进气口处，吸入的气体率先通过管路进入电化学捕获设备，电化学捕获设备与电化学转化设备通过管路连接，电化学转化设备通过管路与收集设备相连接。
7.其中，所述电化学捕获设备包括t个并联或串联的电极形成的电极组、阳极室和阴极室，t≥1。
8.其中，单个所述电极包括1个阳极部分、1个多孔碳电极阴极部分和离子交换膜，离子交换膜位于阳极部分和多孔碳电极阴极部分之间。
9.其中，所述电化学转化设备包括s个电化学催化反应单元，s≥1。
10.其中，每个电化学催化反应单元包括反应单元进气口，反应单元出气口、出液口、阳极基材、阴极基材、阳极气体扩散电极层、阴极气体扩散电极层、阳极液流层、阴极液流层和质子交换膜，反应单元进气口和反应单元出气口位于阴极表面、出液口位于阳极表面。
11.其中，阳极气体扩散电极层、阴极气体扩散电极层中间夹有质子交换膜，共同构成反应器，反应器安装在阳极和阴极之间，在阳极和反应器之间还安装有阳极液流层，在阴极和反应器之间还安装有阴极液流层。
12.其中，所述收集设备为生物发酵装置。
13.本实用新型的有益效果：
14.本实用新型提供的二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备，通过电化学对二氧化碳进行捕获和转化，可实现空气直接捕获，工业废气排放直接捕获，及封闭环境中的含二氧化碳气体直接捕获并利用，转化为有价值工业化学品，避免传统技术中碳存储填埋的安全隐患以及高昂的成本。
附图说明
15.图1 本技术二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备整体结构图；
16.图2 本技术二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备侧视图；
17.图3 本技术二氧化碳捕集及转化一体化设备整体结构图；
18.图4 本技术二氧化碳捕集及转化一体化设备中电化学捕获设备结构图；
19.图5 本技术二氧化碳捕集及转化一体化设备中电化学转化设备结构图；
20.图6 本技术二氧化碳捕集及转化一体化设备中电化学转化设备整体图。
具体实施方式
21.本实用新型提供的二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备可实现封闭环境中的空气直接捕获二氧化碳或传统工业尾气捕获二氧化碳，并直接转化为有价值工业化学品，避免传统技术中需要封存、运输的成本及风险。
22.本实用新型提供的二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备包括n个二氧化碳捕集及转化一体化设备1和支撑架2，二氧化碳捕集及转化一体化设备并排设置成m排，t列，n≥1，m≥1，t≥1，通过支撑架进行固定，根据二氧化碳处理量设置设备数量，单个设备的体积优选为1m
3-2m3。
23.所述捕集及转化一体化设备包括进气口、出气口、风机、电化学捕获设备、电化学转化设备、收集设备以及外壳。
24.风机位于进气口处，将气体吸入捕集及转化一体化设备内，吸入的气体率先通过管路进入电化学捕获设备，实现气体中二氧化碳的捕获，获得高浓度二氧化碳气体，而去除二氧化碳的气体尾气通过管路排出捕集及转化一体化设备。
25.高浓度二氧化碳通过管路进入到电化学转化设备，通过电化学将高浓度二氧化碳气体转化为任意通过电化学手段氧化还原而成的产物，优选甲酸、乙酸，甲醇，乙醇等可溶性有机碳源。
26.电化学转化设备通过管路与收集设备相连接，收集设备优选为生物发酵装置，用于实现有机碳源的生物发酵，制备高价值化学品。
27.所述电化学捕获设备包括t个并联或串联的电极形成的电极组、阳极室和阴极室，t≥1，单个电极包括1个阳极部分、1个多孔碳电极阴极部分和离子交换膜，离子交换膜位于阳极部分和多孔碳电极阴极部分之间，在多孔碳电极阴极部分上实现二氧化碳的捕获与释放。t个电极的阴极部分串联或并联并通过管路形成第一出口和第一入口，与阴极室形成一个封闭循环体系，t个电极的阳极部分串联或并联并通过管路形成第二出口和第二入口，与阳极室11形成一个封闭循环体系，在电极组的阴极封闭体系一端还设置有第三出口，与电化学转化设备的入口相连接，实现捕获后的高浓度二氧化碳进入电化学转化设备进行转
化，在电极组的阳极封闭体系一端的电极组还设置有第三入口，连接捕集及转化一体化设备的进气口的管道，将待处理的尾气通过第三入口通入电化学捕获设备进行二氧化碳捕获，在电极组的阳极封闭体系一端还设置有一个第四出口，通过管路，将电化学捕获设备捕获二氧化碳之后的尾气排出设备体外。
28.阳极室和阳极室内承装有电解液。
29.如果是为了增加处理通量，电极组采用并联方式，如果是为了提高单程处理效率，电极组采用串联方式。
30.所述多孔碳电极阴极通过沉积法沉积一层具有氧化还原活性的含氮杂环化合物，如嘧啶类杂化化合物、吩嗪类杂环化合物、卟啉类杂化化合物等。
31.阳极由基材与涂敷在基材上的阳极催化剂组成，基材为镍或钛或碳基的网或板状结构，阳极催化剂为fe, ir, ti,co,ru pt等两相或多相固体氧化物中的任一种。
32.所述电化学转化设备包括s个电化学催化反应单元，s≥1，根据处理高浓度二氧化碳的量选择电化学催化反应单元的数量，并联连接，每个电化学催化反应单元包括反应单元进气口，反应单元出气口、出液口、阳极基材、阴极基材、阳极气体扩散电极层、阴极气体扩散电极层、阳极液流层、阴极液流层和质子交换膜，反应单元进气口和反应单元出气口位于阴极表面、出液口位于阳极表面。
33.阳极气体扩散电极层、阴极气体扩散电极层中间夹有质子交换膜，共同构成反应器，反应器安装在阳极和阴极之间，在阳极和反应器之间还安装有阳极液流层，在阴极和反应器之间还安装有阴极液流层，阳极液流层和阴极液流层用于电解液的流体动力学优化与电解液循环。
34.在阳极液流层/阳极、阴极液流层/阴极之间还可以设置绝缘层。
35.在绝缘层/阳极液流层、绝缘层/阴极液流层之间还可以设置导电片。
36.阳极基材和阴极基材均选用碳纤维纸或玻璃碳纤维。
37.在本实用新型中，将高浓度二氧化碳在气相中直接输送到阴极，而不是溶解在液体电解质中，这里就有效减弱了溶液中气体传质的影响。
38.该电化学催化反应单元能够实现高浓度co2尾气通过电化学催化制一碳有机物（如甲烷，甲酸，甲醇）与二碳有机物（如乙醇，乙烯，乙酸等）的最小结构单元。根据处理的co2尾气量的大小，可以并联或串联几个电化学催化反应单元，构成电化学反应器。
39.所述阴极气体扩散电极上负载有催化剂，可以实现将co2电解转化为可溶性有机碳源溶液，用于作为后续生物发酵的碳源原材料，取代常规生物发酵所用的葡萄糖，淀粉等碳源，用于制备高附加值化学品。
40.所述阴极液流层和阳极液流层中有电解液。
41.以下采用实施例和附图来详细说明本实用新型的实施方式，借此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题，并达成技术效果的实现过程能充分理解并据以实施。
42.如图1和图2所示，本实用新型提供的二氧化碳气体直接捕集转化一体化设备包括8个二氧化碳捕集及转化一体化设备1和支撑架2，二氧化碳捕集及转化一体化设备并排设置成2排，4列，通过支撑架进行固定，根据二氧化碳处理量设置捕集及转化一体化设备数量，单个捕集及转化一体化设备的体积为1m3。
43.如图2和3所示，所述捕集及转化一体化设备包括进气口3、出气口4、风机5、电化学
捕获设备6、电化学转化设备7、收集设备8以及外壳9。
44.风机5位于进气口处，将气体吸入捕集及转化一体化设备内，吸入的气体率先通过管路进入电化学捕获设备6，实现气体中二氧化碳的捕获，获得高浓度二氧化碳气体，而去除二氧化碳的气体尾气通过管路排出捕集及转化一体化设备。高浓度二氧化碳通过管路进入到电化学转化设备，通过电化学将高浓度二氧化碳气体转化为任意通过电化学手段氧化还原而成的产物，优选甲酸、乙酸、甲醇、乙醇等可溶性有机碳源，再通过出液口将转化的产物转入收集设备中，进行后续的生物发酵、化学反应工序。
45.具体如图4所示，所述电化学捕获设备包括11个串联的电极形成的电极组10、阳极室11和阴极室12，单个电极包括1个阳极部分、1个多孔碳电极阴极部分和离子交换膜，离子交换膜位于阳极部分和多孔碳电极阴极部分之间，在多孔碳电极阴极部分上实现二氧化碳的捕获与释放。t个电极的阴极部分串联并通过管路形成第一出口13和第一入口14，与阴极室12形成一个封闭循环体系，t个电极的阳极部分串联并通过管路形成第二出口15和第二入口16，与阳极室11形成一个封闭循环体系，在电极组的阴极封闭体系一端还设置有第三出口17，与电化学转化设备的入口相连接，实现捕获后的高浓度二氧化碳进入电化学转化设备进行转化，在电极组的阳极封闭体系一端的电极组还设置有第三入口18，连接捕集及转化一体化设备进气口的管道，将待处理的尾气通过第三入口18通入电化学捕获设备进行二氧化碳捕获，在电极组的阳极封闭体系一端还设置有一个第四出口19，通过管路，将电化学捕获设备捕获二氧化碳之后的尾气排出捕集及转化一体化设备体外。阳极室和阳极室内承装有电解液。
46.如图5和图6 所示，所述电化学转化设备包括3个电化学催化反应单元，根据处理高浓度二氧化碳的通量选择电化学催化反应单元的数量，并联连接，每个电化学催化反应单元包括反应单元进气口20，反应单元出气口21、出液口22、阳极基材23、阴极基材24、阳极气体扩散电极层25、阴极气体扩散电极层26、阳极液流层27、阴极液流层28和质子交换膜29，反应单元进气口20和反应单元出气口21位于阴极表面、出液口位于阳极表面。在阳极液流层/阳极、阴极液流层/阴极之间还可以设置绝缘层30。在绝缘层/阳极液流层、绝缘层/阴极液流层之间还可以设置导电片31。
47.在本实用新型中，将高浓度二氧化碳在气相中直接输送到阴极，而不是溶解在液体电解质中，这里就有效减弱了溶液中气体传质的影响。
48.该电化学催化反应单元能够实现高浓度co2尾气通过电化学催化制一碳有机物（如甲烷，甲酸，甲醇）与二碳有机物（如乙醇，乙烯，乙酸等）的最小结构单元。根据处理的co2尾气量的大小，可以并联或串联几个电化学催化反应单元，构成电化学反应器。
49.所述阴极气体扩散电极上负载有催化剂，可以实现将co2电解转化为可溶性有机碳源溶液，用于作为后续生物发酵的碳源原材料，取代常规生物发酵所用的葡萄糖，淀粉等碳源，用于制备高附加值化学品，也可以作为基本化学品进行收集与存储。
50.所有上述的首要实施这一知识产权，并没有设定限制其他形式的实施这种新产品和/或新方法。本领域技术人员将利用这一重要信息，上述内容修改，以实现类似的执行情况。但是，所有修改或改造基于本实用新型新产品属于保留的权利。
51.以上所述，仅是本实用新型的较佳实施例而已，并非是对本实用新型作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同
变化的等效实施例。但是凡是未脱离本实用新型技术方案内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本实用新型技术方案的保护范围。