一種CO2捕集并資源化的方法技術

本發明專利技術提供一種清潔高效的CO2捕集并資源化的方法。采用電化學反應裝置作為反應器，反應器的電解質為無機熔鹽，陰極為金屬陰極，陽極為惰性陽極，所述熔鹽體系為堿金屬、堿土金屬、過渡金屬的碳酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、氧化物、氫氧化物，硝酸鹽、鋁酸鹽及它們的混合體；將CO2或經除塵脫硫的含CO2的工業煙氣通入300-850oC的無機熔鹽中，進行電解。該方法具有CO2吸收效率高，資源化產品超細碳材料附加值高、市場廣闊，過程清潔高效，經濟性好的優點。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種CO2捕集并資源化的方法，屬于溫室氣體減排領域，也屬于電化學領域。
技術介紹
溫室效應引起的全球氣候異常、自然災害頻發、海平面上升等正威脅著人類的生存和發展。CO2是最主要的溫室氣體，發展CO2的減排與資源化技術十分迫切。顯然，首當其中的就是CO2的捕集。目前常用的CO2捕集方法有吸附和吸收法、膜分離法等，這些方法各具優缺點。 吸附法是利用固態吸附劑對原料混合氣中CO2的選擇性、可逆吸附作用來分離回收CO2，其關鍵是吸附劑的載荷能力。吸附法的主要優點是工藝過程簡單、能耗低、適應能力強，但吸附容量有限。胺化合物吸收法主要有熱鉀堿法和烷基醇胺法，目前使用的常規單一吸收劑難以做到吸收效率和再生能耗的平衡。離子液體由于蒸氣壓非常低在脫碳過程中不會產生揮發性有機物且使用方便，同時，離子液體可以反復多次使用。但離子液體的高黏度是其作為CO2吸收劑的最大障礙，且離子液體價格昂貴。固態金屬氧化物吸附和吸收法也有較多的研究。膜分離法是利用某些聚合材料制成的薄膜對不同氣體具有不同滲透率來選擇分離氣體的。適用于CO2分離的膜材料為乙酸纖維、聚砜、聚酰胺等，由于膜本身或膜組件的其他材料耐熱性能差，150°c是其操作溫度上限。將膜技術與氣體吸收技術相結合的新型膜分離技術，具有傳質界面穩定、比表面積大、傳質效率高、能耗低、裝置體積小和操作彈性大等優勢，但仍處于實驗室研究階段。二氧化碳捕集和封存(CCS)技術是將二氧化碳從排放源捕獲或分離出來，輸送到油氣田、海洋等特定的地質結構中進行長期(幾千年)封存。目前，處于研究階段、工業試驗或工業化應用的封存場所主要有深度含鹽水層、枯竭或開采到后期的油氣田、不可采的貧瘠煤層和海洋。該技術主要包括3部分，CO2的捕集，CO2的運輸以及CO2的儲存。這是一項新興的、具有大規模減排潛力的技術，目前主要研究方向是如何降低CCS工藝成本，使其有廣泛的應用價值。人們逐漸意識到CO2也是一種可以利用的資源，CO2捕集封存和資源化利用(CCSU)越來越引起重視。CO2的資源化利用可分為物理利用和化學利用，主要有如下幾個方面(I)CO2用于三次采油同時實現封存固定，CO2用于焊接、空調制冷和用作溶劑等；(2)將CO2分離提純用于食品、煙草、飲料、啤酒工業；(3) CO2用于合成尿素、甲醇、碳酸氫銨和高分子材料等；(4)將CO2催化或電解還原為甲酸、甲醇、CO、C、CH4、C2H4等。但這些方法很多仍處于研究階段，存在成本高、處理量有限等缺點。相比于離子液體(室溫熔鹽)，無機熔鹽價格便宜，對CO2吸收量大。國際專利“熔鹽捕集C02”(WO 2010137995A1)提出采用鹵化物-氧化物熔鹽體系熔鹽捕集0)2再高溫分離。所采用的熔鹽體系腐蝕性強，蒸汽壓高。此外，該公開專利技術僅限于熔鹽吸收分離，不涉及電解資源化。
技術實現思路
針對現有技術的不足，本專利技術提供一種清潔高效的CO2捕集并資源化的方法。本專利技術方法利用中溫(300-800°C)無機熔鹽吸收捕集CO2，然后進行熔鹽電解將CO2電化學轉化為高附加值的高級(超細超純)碳材料和氧氣。所得高級碳材料可用于超級電容器、化學電源、印刷墨粉、碳黑等領域，氧氣可用于煤炭富氧燃燒過程。本專利技術是通過如下的技術方案實現的 采用電化學反應裝置作為反應器，反應器的電解質為無機熔鹽，陰極為金屬陰極，陽極為惰性陽極，所述熔鹽體系為堿金屬、堿土金屬、過渡金屬的碳酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、氧化物、氫氧化物，硝酸鹽、鋁酸鹽及它們的混合體； 將CO2或經除塵脫硫的含CO2的工業煙氣通入300-850°C的無機熔鹽中，進行電解。 電解過程中，在陰極沉積得到超細超純的碳材料，在陽極得到氧氣，從而達到CO2捕集和高值資源化的目的，示意圖如附圖I所示。本專利技術方法采用的熔鹽體系中，溫度為300-850°C時，其中的陽離子的還原電勢負于二氧化碳和碳酸根。本專利技術方法所用裝置分為陰極區和陽極區，將CO2或經適當凈化的工業煙氣通入陰極區被熔鹽吸收和電化學還原為碳粉，陽極區產生氧氣并被導出和收集。本專利技術方法反應器采用的陰極材料為鐵、鎳、不銹鋼等廉價金屬材料。本專利技術方法反應器采用的惰性陽極是陶瓷陽極，包括二氧化錫、二氧化鉛、二氧化銥、鐵酸鎳陶瓷陽極。本專利技術方法反應器采用的惰性陽極也可以是金屬陽極，包括鎳合金、鈦合金，金、鉬、銥、鈀及其合金。本專利技術方法反應器采用的惰性陽極還可以是金屬陶瓷陽極，包括摻鎳、銅的氧化錫、鐵酸鎳金屬陶瓷。本專利技術方法在電解過程中，所施加的電壓足以使含碳基團被電解還原但其它陽離子和原子團不被還原。通過本專利技術方法所制得的資源化產品主要為導電性良好的超細碳粉，可用于超級電容器、化學電源、印刷墨粉、碳黑等領域。另一資源化產品為氧氣，氧氣可供富氧燃燒和呼吸。該方法具有CO2吸收效率高，資源化產品超細碳材料附加值高、市場廣闊，過程清潔高效，經濟性好的優點。本專利技術方法是一種基于熔鹽吸收和電解的CO2捕集和資源化方法，其優勢和特色在于 (O采用中等溫度的堿金屬或堿土金屬熔融鹽吸收CO2，利用中溫氣-液反應，具有吸收容量大，吸收速度快的優點。所用無機熔鹽不同于離子液體或無機氨等，具有價廉、無毒、來源廣的特點。與固態吸附劑和常溫液體吸收劑不同，偏堿性的熔融鹽與酸性二氧化碳氣體在較高溫度下相互作用，不僅吸收容量大，而且吸收速度快。(2)采用熔鹽電解的方法將CO2或CO2的轉化形成碳酸鹽分解為高級碳材料和氧氣，過程清潔無污染，產品附加值高，市場潛力大。其中電催化陰極、惰性陽極、電解控制參數的優化、碳材料品質的控制是需解決的關鍵技術。熔鹽電解轉化技術流程短、裝置簡單，投資相對較少。電解過程不需其它的化學品，可最大限度地采用可再生電力(特別是難并網的太陽能、風能、水電)和電網峰谷電力，產品為碳和氧氣，無任何廢物產生，清潔高效。CO2轉化的產品為高附加值的高級碳材料和氧氣，氧氣可就近用于碳捕集的富氧燃燒過程，而先進碳材料的應用領域和范圍非常廣泛(包括鋰電池、超級電容器、印刷油墨和靜電碳粉、炭黑、電極等)，全世界年需求量達千萬噸。轉化得到的高級碳 材料具有高的附加值，可用于鋰離子電池和超級電容器等新能源領域，具有數百億美元的市場，經濟性良好。附圖說明圖I.反應裝置示意圖。圖2.CO2熔鹽吸收后由電化學分解得到的碳粉圖片。圖3.所得到的碳粉在Na2SO4溶液中的充放電測試圖。具體實施例方式下面通過實施例來說明本專利技術，其在于進一步描述而非限制本專利技術。實施例I :以不同配比的Li2CO3-Na2CO3-K2CO3三元混鹽作為電解質，在溫度為450-800°C條件下(不同配比，熔點不同)，以金屬鎳片為陰極，SnO2為陽極，以一定的槽壓電解，電解過程中在碳酸熔鹽中鼓入CO2氣體。電解過程中陽極一側檢測到有氧氣產生，鎳片陰極上有大量的導電碳粉。電解完成后，發現陽極并沒有消耗。由此可說明，0)2在Li2CO3-Na2CO3-K2CO3混鹽中以SnO2作為惰性陽極可以通過電化學方法分解為碳粉(圖2)和氧氣。實施例2 :以不同配比的Li2CO3-K2CO3 二元混鹽為電解質，在溫度為500-850°C條件下(不同配比，熔點不同)，以金屬鎳片為陰極，SnO2或PbO2陶瓷為陽極，以一定的槽壓電解，電解過程中在碳本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種CO2捕集并資源化的方法，其特征在于：采用電化學反應裝置作為反應器，反應器的電解質為無機熔鹽，陰極為金屬陰極，陽極為惰性陽極，所述熔鹽體系為堿金屬、堿土金屬、過渡金屬的碳酸鹽、硅酸鹽、硼酸鹽、氧化物、氫氧化物，硝酸鹽、鋁酸鹽及它們的混合體；將CO2或經除塵脫硫的含CO2的工業煙氣通入300？850oC的無機熔鹽中，進行電解。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：汪的華，尹華意，朱華，湯迪勇，
申請(專利權)人：武漢大學，
類型：發明
國別省市：