CN114351188B - 一种电解水制氢联合二氧化碳捕集的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电解水制氢联合二氧化碳捕集的方法及装置，利用电解技术，在盐桥的作用下形成酸、碱两部分溶液，碱性溶液吸附经除尘后的烟气(二氧化碳、二氧化硫)后通入空气，将亚硫酸根氧化为硫酸根，去除二氧化硫对于***的影响，后利用阳极环境生成的酸性溶液中和，进而将二氧化碳释放出来。本发明利用了空气的氧化作用解决了SO2对CO2捕集过程的影响，实现了烟气中二氧化碳的捕集过程不受颗粒物和二氧化硫的影响；利用电解水产生氧气和绿色能源氢气，合理利用溶剂再生过程中补入的能量；且电解过程可以利用绿电(太阳能发电/风能发电等)，避免了再生过程中间接二氧化碳的排放。

Description

一种电解水制氢联合二氧化碳捕集的方法及装置
技术领域
本发明涉及一种二氧化碳捕集的方法及装置，尤其涉及一种在电解水的同时进行二氧化碳捕集的方法及装置，属于环保气体处理技术领域。
背景技术
随着世界工业经济的发展，碳排放所引起的资源与环境问题引起了世界范围的广泛关注，同时现已证明二氧化碳是造成全球变暖的主要原因。为应对全球气候变化，减少碳排放已成为世界性的新共识和世界经济的“新常态”。基于此，我国也提出了碳达峰、碳中和的“3060”目标，要实现这一目标的第一步就是二氧化碳的捕集与分离；同时随着氢能的发展，电解水制氢技术也将成为获取氢气的主要途径之一。
但是由于现有的二氧化碳捕集工艺过程复杂，适用条件严苛，同时烟气中的二氧化硫及颗粒物作为主要杂质以及烟气浓度等原因致使烟气捕集一直是一个难点，同时再生过程大量的能量补入也是制约碳捕集技术发展的原因之一；同时现阶段电解水制氢过程一般主要以产氢气为主要目的，未能充分利用电解过程中溶液变化存在的潜能。
发明内容
本发明针对现有的二氧化碳捕集工艺及电解水制氢过程所存在的不足，提供一种电解水制氢联合二氧化碳捕集的方法及装置，该方法能够在电解水的同时实现二氧化碳的捕集，合理利用电解水制氢过程中溶液变化存在的潜能以及空气的氧化能力。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：
一种电解水制氢联合二氧化碳捕集的方法，包括如下步骤：
(1)电解水：向阴极电解槽和阳极电解槽中注入相同的电解液，二者之间通过盐桥连通，阴极和阳极接通电源开始电解，阴极电解槽中生成氢气，同时其溶液变为碱性溶液，阳极电解槽中生成氧气，同时其溶液变为酸性溶液，分别收集产生的氢气和氧气；
(2)CO2和SO2的吸收：烟气经除尘后通入阴极电解槽中，烟气中的CO2和SO2被阴极电解槽中的碱性溶液反应吸收，直至吸收饱和后停止通入烟气，CO2和SO2分别形成HCO3 -和SO3 2-；
(3)空气氧化：向阴极电解槽中鼓入空气，利用氧气将SO3 2-氧化为SO4 2-溶解于电解液中，使烟气中的SO2完全被吸收；
(4)二氧化碳的释放：将阴极电解槽内的碱性溶液和阳极电解槽内的酸性溶液混合，发生中和反应，被吸收的CO2得到释放，收集捕集到的CO2。
进一步，所述电解液为硫酸盐或硝酸盐的水溶液，优选的，所述电解液为硫酸盐的水溶液，更优选的，所述电解液为硫酸钠、硫酸钾或硫酸铵的水溶液，最优选的，所述电解液为硫酸钠、硫酸钾或硫酸铵的水溶液，浓度为1-5mol/L。
进一步，所述阴极和阳极均为惰性电极，优选的，阴极和阳极均为石墨电极。
本发明提供的方法的有益效果是：
1)利用了空气的氧化作用解决了SO2对CO2捕集过程的影响，实现了烟气中二氧化碳的捕集过程不受颗粒物和二氧化硫的影响；
2)利用电解水产生氧气和绿色能源氢气，合理利用溶剂再生过程中补入的能量；且电解过程可以利用绿电(太阳能发电/风能发电等)，避免了再生过程中间接二氧化碳的排放；
3)利用溶液酸碱交替过程实现二氧化碳的吸收与解析，且中和反应过程放热，更有利于CO2的解析；
4)将电解水的过程与CO2捕集过程相结合，反应原理简单，容易实现，以多组反应间歇运行，可实现烟气的连续捕集与释放。
本发明还要求保护实现上述电解水联合二氧化碳捕集方法的装置，包括电解装置、气体收集装置、中和释放池和气体鼓入装置；
所述电解装置包括阳极电解槽、阴极电解槽、阳极、阴极、盐桥以及电源，所述阳极电解槽和阴极电解槽内均装有电解液，且阳极电解槽和阴极电解槽内的电解液中分别设有阳极和阴极，所述阳极和阴极与电源电连接，所述阴极电解槽和阳极电解槽内的电解液通过盐桥相连通；
所述气体收集装置包括氢气收集装置、氧气收集装置和CO2收集装置，所述氢气收集装置设于阴极电解槽的上部，所述氧气收集装置设于阳极电解槽的上部，所述CO2收集装置设于中和释放池的上部；
所述中和释放池位于阳极电解槽和阴极电解槽的下方，所述阳极电解槽和阴极电解槽的底部分别通过管路与中和释放池的底部相连通，并且所述阳极电解槽和阴极电解槽底部与中和释放池相连通的管路上均设有阀门；
所述气体鼓入装置包括气源和除尘设施，所述气源为空气源或烟气，所述气源经除尘设施后与阴极电解槽的底部相连通。
优选的，所述中和释放池的一侧设有补水口。
优选的，所述阳极和阴极均为惰性电极，优选的，阳极和阴极均为石墨电极。
优选的，所述电解液为硫酸盐或硝酸盐的水溶液，优选的，所述电解液为硫酸盐的水溶液，更优选的，所述电解液为硫酸钠、硫酸钾或硫酸铵的水溶液，最优选的，所述电解液为1-5mol/L的硫酸钠、硫酸钾或硫酸铵的水溶液，优选1-3mol/L。
附图说明
图1为本发明装置的整体结构示意图；
1、电解装置；2、中和释放池；3、气体鼓入装置；4、阳极电解槽；5、阴极电解槽；6、阳极；7、阴极；8、盐桥；9、电源；10、氢气收集装置；11、氧气收集装置；12、CO2收集装置；13、气源；14、除尘设施；15、补水口。
具体实施方式
以下结合实例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
如图1所示，一种实现电解水联合二氧化碳捕集方法的装置，包括电解装置1、气体收集装置、中和释放池2和气体鼓入装置3；
电解装置包括阳极电解槽4、阴极电解槽5、阳极6、阴极7、盐桥8以及电源9，阳极电解槽和阴极电解槽内均装有电解液，且阳极电解槽和阴极电解槽内的电解液中分别设有阳极和阴极，阳极和阴极均为石墨电极，阳极和阴极与电源电连接，阴极电解槽和阳极电解槽内的电解液通过盐桥相连通；
气体收集装置包括氢气收集装置10、氧气收集装置11和CO2收集装置12，氢气收集装置设于阴极电解槽的上部，氧气收集装置设于阳极电解槽的上部，CO2收集装置设于中和释放池的上部；
中和释放池位于阳极电解槽和阴极电解槽的下方，阳极电解槽和阴极电解槽的底部分别通过管路与中和释放池的底部相连通，并且阳极电解槽和阴极电解槽底部与中和释放池相连通的管路上均设有阀门，中和释放池的一侧设有补水口15，用于补充因电解而消耗掉的水分。
气体鼓入装置包括气源13和除尘设施14，气源为空气源或烟气，所述气源经除尘设施后与阴极电解槽的底部相连通。
使用上述装置电解水联合二氧化碳捕集的方法，包括如下步骤：
(1)电解水：向阴极电解槽和阳极电解槽中注入相同的电解液，电解液为1-3mol/L的硫酸钠、硫酸钾或硫酸铵的水溶液，二者之间通过盐桥连通，阴极和阳极接通电源开始电解，阴极电解槽中生成氢气，同时其溶液变为碱性溶液，阳极电解槽中生成氧气，同时其溶液变为酸性溶液，分别收集产生的氢气和氧气，待阴极电解槽中的pH达到10以上时停止电解；
(2)CO2和SO2的吸收：烟气经除尘后通入阴极电解槽中，烟气中的CO2和SO2被阴极电解槽中的碱性溶液反应吸收，直至吸收饱和后停止通入烟气，分别形成HCO3 -和SO3 2-；
(3)空气氧化：向阴极电解槽中鼓入空气，利用氧气将SO3 2-氧化为SO4 2-溶解于电解液中，使烟气中的SO2完全被吸收；
(4)二氧化碳的释放：打开阴极电解槽和阳极电解槽底部与中和释放池相连通管路上的阀门，使阴极电解槽内的碱性溶液和阳极电解槽内的酸性溶液均流入中和释放池内发生中和反应，被吸收的CO2得到释放，使用CO2收集装置收集捕集到的CO2。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种电解水制氢联合二氧化碳捕集的方法，包括如下步骤：
(1)电解水：向阴极电解槽和阳极电解槽中注入相同的电解液，二者之间通过盐桥连通，阴极和阳极接通电源后开始电解，阴极电解槽中生成氢气，同时其溶液变为碱性溶液，阳极电解槽中生成氧气，同时其溶液变为酸性溶液，分别收集产生的氢气和氧气，待阴极电解槽中的pH达到10以上时停止电解；(2)CO2和SO2的吸收：烟气经除尘后通入阴极电解槽中，烟气中的CO2和SO2被阴极电解槽中的碱性溶液反应吸收，直至吸收饱和后停止通入烟气，CO2和SO2分别形成HCO3 -和SO3 2-；
(3)空气氧化：向阴极电解槽中鼓入空气，利用氧气将SO3 2-氧化为SO4 2-溶解于电解液中，进而使烟气中的SO2完全被吸收；
(4)二氧化碳的释放：将阴极电解槽内的碱性溶液和阳极电解槽内的酸性溶液混合，发生中和反应，被吸收的CO2得到释放，收集捕集到的CO2。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电解液为硫酸盐或硝酸盐的水溶液。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述电解液为硫酸钠、硫酸钾或硫酸铵的水溶液。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的方法，其特征在于，所述阴极和阳极均为惰性电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述惰性电极为石墨电极。
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