CN106178817A - 一种大规模二氧化碳捕集***及捕集方法 - Google Patents

Abstract

一种大规模二氧化碳捕集***及捕集方法，所述***包括：用于进行二氧化碳捕集的二氧化碳吸附室、用于对进气进行干燥、过滤的干燥室、用于增加湿度的水箱、用于储存解吸附出来的二氧化碳的气罐；所述方法为：二氧化碳吸附过程：大气经干燥室干燥后进入二氧化碳吸附室，其中的二氧化碳被吸附剂吸附，吸附后的气体重新回到大气中；吸附剂还原及二氧化碳储存过程：由水箱对气体加湿，高湿度气体进入吸附室,使饱和的吸附剂开始解吸附出二氧化碳，解吸附出的二氧化碳进入气罐，循环若干时间后二氧化碳完全解吸附，吸附剂实现再生；该***仅需控制湿度即可实现二氧化碳的吸附或吸附剂的还原，具有二氧化碳捕集能力强，吸附剂制备成本低且完全可再生，吸附过程及吸附剂还原过程能耗低等优点。

Description

一种大规模二氧化碳捕集***及捕集方法

技术领域

本发明涉及一种温室气体捕集***及方法，具体涉及一种大规模二氧化碳捕集***及捕集方法。

背景技术

经济的快速发展离不开化石能源的大量使用，但是化石能源的大量燃烧会导致过量的二氧化碳排放到大气中，而二氧化碳是引起温室效应的主要气体。如果不对大气中的二氧化碳浓度进行控制，将会引起地球生态***的灾难性巨变，严重威胁人类生存。

目前对二氧化碳捕集采用的主要方法为对化石燃料燃烧后的烟气进行二氧化碳捕集。该方法的二氧化碳吸附剂一般为碱性溶液，通过洗气等方式对化石燃料燃烧后的烟气进行二氧化碳捕集。这种方法虽然能有效控制排放烟气中的二氧化碳浓度，但是其二氧化碳吸附剂是一次性的，如果想要还原该吸附剂，需要耗费大量能源，还原过程同样也会排放二氧化碳，采用这种方式进行大气二氧化碳浓度控制显然是不行的。

从大气中直接捕获二氧化碳是一种有效降低大气二氧化碳浓度的方法。该方法允许直接从大气中进行低浓度下的二氧化碳捕集，捕集设备不必局限于化石燃料大量使用的工厂等地点。纳米多孔材料如沸石分子筛可以作为二氧化碳吸附剂用于大气中二氧化碳的直接捕集，但是该吸附剂需要在较高温度下才能解吸附二氧化碳，因此吸附剂的还原会耗费大量能量，采用该种方法进行二氧化碳捕集也是不经济的。

发明内容

为了解决上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种大规模二氧化碳捕集***及捕集方法；该***中采用的二氧化碳吸附剂为负载有碳酸钠的纳米多孔材料，当吸附剂所处环境湿度较低时，该吸附剂可以进行二氧化碳吸附；反之，当湿度较高时，吸附剂解吸附二氧化碳，实现还原再生；因此本***只用控制湿度大小即可实现二氧化碳的捕集及吸附剂的再生；相比其他的二氧化碳捕集***或方法，该方法具有***结构相对简单、吸附剂制备成本低、吸附剂还原能耗低、解吸附的二氧化碳较纯净，可用作食品添加剂等优点。

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种大规模二氧化碳捕集***，包括：

用于进行二氧化碳捕集的二氧化碳吸附室8，其两端分别开有进气口及出气口，进气口及出气口处分别设置有第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7，用于检测进气口及出气口的二氧化碳浓度及湿度；

用于对进气进行干燥、过滤的干燥室2，干燥室2开有进气口及出气口，进气口与大气相通，出气口与二氧化碳吸附室8的进气口连通；

用于增加湿度的水箱13，该水箱13有一个进气管及出气管，进气管管口低于液面，出气管管口高于液面，出气管与二氧化碳吸附室8进气口相连；

用于储存解吸附出来的二氧化碳的气罐12，该气罐12开有进气口及出气口，进气口与二氧化碳吸附室8出气口连通，出气口与水箱13进气管连通；

用于连通各结构的气体管路，用于为管路内气体流动提供动力的气泵5，控制管路开关的阀门以及气罐12的气罐排气阀门15。

所述气泵5位于第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6之前。

所述控制管路开关的阀门具体为：二氧化碳吸附室8出气口分为两条支路，两条支路分别设有第三开关阀门10和第四开关阀门11，第三开关阀门10所在支路用于将吸附后的气体排放入大气，第四开关阀门11所在支路与气罐12及水箱13构成回路，用于解吸附循环；干燥室2的进气口及出气口分别设有第一开关阀门1和第二开关阀门4，用于控制气流是否进入干燥室2以及是否进入二氧化碳吸附室8；水箱13的出气口设有第五开关阀门14，用于控制高湿度气流是否进入二氧化碳吸附室8。

上述所述大规模二氧化碳捕集***的捕集方法，包括以下步骤：

步骤1：制备负载有碳酸钠的纳米多孔材料作为二氧化碳吸附剂9；

步骤2：大气通过干燥室2进入二氧化碳吸附室8，在二氧化碳吸附室8内，大气中的二氧化碳被二氧化碳吸附剂9吸附，吸附后的气体通过第三开关阀门10所在支路排入大气；

步骤3：观察第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7的二氧化碳浓度值，若第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7的二氧化碳浓度值小于第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6的二氧化碳浓度值，说明二氧化碳吸附剂9正在吸附二氧化碳，还未吸附饱和；若第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7的二氧化碳浓度值等于第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6的二氧化碳浓度值，说明二氧化碳吸附剂9不再吸附二氧化碳，已经吸附饱和；

步骤4：如果二氧化碳吸附剂9已吸附饱和，使水箱13内出来的高湿度气流流经二氧化碳吸附剂9，在高湿度下二氧化碳吸附剂9开始解吸附二氧化碳，解吸附出来的二氧化碳进入气罐12内；当第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7的二氧化碳浓度再次相同时说明二氧化碳吸附剂9已经完全解吸附，吸附剂实现还原再生。

在步骤1中，所述纳米多孔材料为沸石分子筛、活性炭或其组合；所选孔径为500nm以下。

在步骤2中，所述干燥室2内的干燥剂3为无水氯化钙。

和现有技术相比，本发明具有以下优点：

(1)充分利用纳米多孔材料发达的孔隙结构以及巨大的比表面积，很少的吸附材料即可实现超强的二氧化碳的吸附能力。

(2)捕集***相对简单，吸附剂制备及还原成本低，使得整个***进行二氧化碳捕集效益高。

(3)吸附剂对二氧化碳有极高选择性，因此，解吸附出的二氧化碳相对纯净，可用作食品添加剂。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。

图1是本发明的二氧化碳捕集***的一种实施例的结构示意图。

附图标号说明：

1、第一开关阀门；2、干燥室；3、干燥剂；4、第二开关阀门；5、气泵；6、第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪；7、第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪；8、二氧化碳吸附室；9、二氧化碳吸附剂；10、第三开关阀门；11、第四开关阀门；12、气罐；13、水箱；14、第五开关阀门；15、气罐排气阀门。

具体实施方式

首先对本发明的中吸附剂的原理做如下说明：

本发明中吸附剂中发生的化学反应为：

${\mathrm{CO}}_3^{-2}+{\mathrm{nH}}_{2}O\⇔{\mathrm{HCO}}_3^{-1}+{\mathrm{OH}}^{-1}+(n-1)H_{2}O$

上述反应是一个可逆反应，其在纳米孔的约束下反应的进行方向由水分子数多少决定。当水分子较少时(即湿度较低时)，反应自由能小于零，反应正向自发进行，生成的氢氧根可以与二氧化碳结合，吸附二氧化碳。当水分子较多时(即高湿度时)，反应自由能大于零，反应逆向自发进行，氢氧根减少，二氧化碳解吸附。

下面对实施例中所需用到的附图作简要介绍。

参照图1，一种大规模二氧化碳捕集***，包括：用于进行二氧化碳捕集的二氧化碳吸附室8，其两端分别开有进气口及出气口，进气口及出气口处分别设置有第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7，用于检测进气口及出气口的二氧化碳浓度及湿度；用于对进气进行干燥、过滤的干燥室2，干燥室2开有进气口及出气口，进气口与大气相通，出气口与二氧化碳吸附室8的进气口连通；用于增加湿度的水箱13，该水箱13有一个进气管及出气管，进气管管口低于液面，出气管管口高于液面，出气管与二氧化碳吸附室8进气口相连；用于储存解吸附出来的二氧化碳的气罐12，该气罐12开有进气口及出气口，进气口与二氧化碳吸附室8出气口连通，出气口与水箱13进气管连通；用于连通各结构的气体管路，用于为管路内气体流动提供动力的气泵5，控制管路开关的阀门以及气罐12的气罐排气阀门15。

所述控制管路开关的阀门具体为：二氧化碳吸附室8出气口分为两条支路，两条支路分别设有第三开关阀门10和第四开关阀门11，第三开关阀门10所在支路用于将吸附后的气体排放入大气，第四开关阀门11所在支路与气罐12及水箱13构成回路，用于解吸附循环；干燥室2的进气口及出气口分别设有第一开关阀门1和第二开关阀门4，用于控制气流是否进入干燥室2以及是否进入二氧化碳吸附室8；水箱13的出气口设有第五开关阀门14，用于控制高湿度气流是否进入二氧化碳吸附室8。

采用上述二氧化碳捕集***，本发明还提供一种二氧化碳捕集方法，包括以下步骤：

二氧化碳捕集过程：打开第一开关阀门1、第二开关阀门4和第三开关阀门10，关闭第四开关阀门11、第五开关阀门14和气罐排气阀门15，打开气泵5，空气由第一开关阀门1进入干燥室2，被干燥剂3过滤干燥，去除所含的大部分水分，通过第二开关阀门4进入二氧化碳吸附室8，干燥后的气体中所含的二氧化碳在二氧化碳吸附室8内被二氧化碳吸附剂9吸附，在二氧化碳吸附室8的进气口及出气口分别设有相同的第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7，用于检测进出气流的湿度及二氧化碳浓度，吸附后的气体经由第三开关阀门10排入大气中。当第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6的二氧化碳浓度大于第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7的二氧化碳浓度时，说明吸附剂正在吸附二氧化碳，当二者二氧化碳浓度相同时，说明吸附剂已经饱和，不再吸附二氧化碳。

吸附剂还原及二氧化碳储存过程：当二氧化碳吸附剂9饱和时，关闭气泵5，关闭阀门第一开关阀门1、第二开关阀门4和第三开关阀门10，打开第四开关阀门11和第五开关阀门14，重新打开气泵5，此时构成解吸附气体回路。流经水箱13的气流富含水蒸气，高湿度气流经第五开关阀门14进入二氧化碳吸附室8，在高湿度下，二氧化碳吸附剂9开始解吸附二氧化碳，解吸附出来的二氧化碳经由第四开关阀门11进入气罐12，气罐12内的气体进入气箱13构成循环回路。经过一定时间的循环，当第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪6和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪7的二氧化碳浓度再次相同时，说明二氧化碳吸附剂9吸附的二氧化碳完全解吸附。此时的吸附剂已经完全还原再生，可重新用于吸附。解吸附出来的二氧化碳储存在气罐12内，通过气罐排气阀门15可对气罐12内的二氧化碳进行抽离排空。

应当说明的是，上述具体实施例可根据实际应用进行若干改动。需要指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种大规模二氧化碳捕集***，其特征在于：包括：

用于进行二氧化碳捕集的二氧化碳吸附室(8)，其两端分别开有进气口及出气口，进气口及出气口处分别设置有第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(6)和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(7)，用于检测进气口及出气口的二氧化碳浓度及湿度；

用于对进气进行干燥、过滤的干燥室(2)，干燥室(2)开有进气口及出气口，进气口与大气相通，出气口与二氧化碳吸附室(8)的进气口连通；

用于增加湿度的水箱(13)，该水箱(13)有一个进气管及出气管，进气管管口低于液面，出气管管口高于液面，出气管与二氧化碳吸附室(8)进气口相连；

用于储存解吸附出来的二氧化碳的气罐(12)，该气罐(12)开有进气口及出气口，进气口与二氧化碳吸附室(8)出气口连通，出气口与水箱(13)进气管连通；

用于连通各结构的气体管路，用于为管路内气体流动提供动力的气泵(5)，控制管路开关的阀门以及气罐(12)的气罐排气阀门(15)。

2.根据权利要求1所述的一种大规模二氧化碳捕集***，其特征在于：所述气泵(5)位于第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(6)之前。

3.根据权利要求1所述的一种大规模二氧化碳捕集***，其特征在于：所述控制管路开关的阀门具体为：二氧化碳吸附室(8)出气口分为两条支路，两条支路分别设有第三开关阀门(10)和第四开关阀门(11)，第三开关阀门(10)所在支路用于将吸附后的气体排放入大气，第四开关阀门(11)所在支路与气罐(12)及水箱(13)构成回路，用于解吸附循环；干燥室(2)的进气口及出气口分别设有第一开关阀门(1)和第二开关阀门(4)，用于控制气流是否进入干燥室(2)以及是否进入二氧化碳吸附室(8)；水箱(13)的出气口设有第五开关阀门(14)，用于控制高湿度气流是否进入二氧化碳吸附室(8)。

4.权利要求1所述大规模二氧化碳捕集***的捕集方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：制备负载有碳酸钠的纳米多孔材料作为二氧化碳吸附剂(9)；

步骤2：大气通过干燥室(2)进入二氧化碳吸附室(8)，在二氧化碳吸附室(8)内，大气中的二氧化碳被二氧化碳吸附剂(9)吸附，吸附后的气体通过第三开关阀门(10)所在支路排入大气；

步骤3：观察第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(6)和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(7)的二氧化碳浓度值，若第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(7)的二氧化碳浓度值小于第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(6)的二氧化碳浓度值，说明二氧化碳吸附剂(9)正在吸附二氧化碳，还未吸附饱和；若第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(7)的二氧化碳浓度值等于第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(6)的二氧化碳浓度值，说明二氧化碳吸附剂(9)不再吸附二氧化碳，已经吸附饱和；

步骤4：如果二氧化碳吸附剂(9)已吸附饱和，使水箱(13)内出来的高湿度气流流经二氧化碳吸附剂(9)，在高湿度下二氧化碳吸附剂(9)开始解吸附二氧化碳，解吸附出来的二氧化碳进入气罐(12)内；当第一二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(6)和第二二氧化碳浓度及水蒸气检测仪(7)的二氧化碳浓度再次相同时说明二氧化碳吸附剂(9)已经完全解吸附，吸附剂实现还原再生。

5.根据权利要求4所述的捕集方法，其特征在于：在步骤1中，所述纳米多孔材料为沸石分子筛、活性炭或其组合；所选孔径为500nm以下。

6.根据权利要求2所述的捕集方法，其特征在于：在步骤2中，所述干燥室(2)内的干燥剂(3)为无水氯化钙。