一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解装置制造方法及图纸

本实用新型专利技术涉及一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解装置，属于二氧化碳资源化利用技术领域。本装置电解池通过全氟磺酸离子交换膜分隔成多个电极室，构成阴极室和阳极室相间排布的多室隔膜电解池，阴极室和阳极室的底部分别设有阴极和阳极，阳极室顶部设有水的入口，气体吸收塔中流出的溶有大量二氧化碳的有机复合电解液通过阴极电解液循环装置的管道流入到阴极室的底部，阴极室上部的溶有较低浓度二氧化碳的有机复合电解液通过阴极电解液循环装置返回到气体吸收塔的顶部，气体吸收塔的侧面设有二氧化碳入口，阴极室的顶部通过管道与储气罐连接。利用本项实用新型专利技术提供的多室隔膜电解装置，可以将二氧化碳连续高效地电还原为一氧化碳。

【技术实现步骤摘要】


本技术涉及一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解装置，属于二氧化碳资源化利用


技术介绍

将二氧化碳转化为有用化学品，实现碳资源循环利用，是能源环境领域迫切需要解决的现实问题。合成气是一种应用广泛的基础化工原料，其主要成份为一氧化碳和氢气。目前，合成气主要由化石燃料进行生产，但是，化石燃料是不可再生的，而且在使用过程中还要排放出大量的二氧化碳，导致温室气体效应和全球气候变暖，因此，探索非化石燃料来源合成气的生产方法，成为一项重要的研究课题。本项技术采用二氧化碳和水为原料制备合成气，以可再生电能为电解电能，将二氧化碳、水电解还原为一氧化碳、氢气，然后将获得的一氧化碳和氢气混合在一起，制得合成气，所得合成气用于生产甲醇、石蜡、聚氨酯等下游化工产品。
以二氧化碳、水和可再生电能为基本要素制备合成气，需要解决的核心关键问题是：将二氧化碳连续高效地电还原为一氧化碳。

技术实现思路

为了将二氧化碳连续高效地电还原为一氧化碳，本技术提供了一种二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解装置，如图1所示，本技术通过以下技术方案实现：用全氟磺酸离子交换膜将电解池分隔成多个电极室，构成阴极室和阳极室相间排布的多室隔膜电解池，采用溶有大量二氧化碳的有机复合电解液为阴极电解液，含有支持电解质的水溶液为阳极电解液，采用对电解二氧化碳制一氧化碳具有高选择性的电极材料为阴极，惰性电极为阳极，共同构成多室隔膜电解池。电解反应过程中，水在阳极上发生氧化反应，生成氢离子和氧气，氢离子经传质过程迁移到阴极室电解液中，参与二氧化碳电还原反应，生成一氧化碳。由于二氧化碳电还原反应本身有水生成，水可以在阴极上发生电还原反应，导致阴极上有氢气生成。
所述有机复合电解液包含四种功能组份：有机溶剂、有机支持电解质、质子导电增强剂和电催化剂。
所述有机溶剂为碳酸丙烯酯、N-甲基吡咯烷酮、碳酸二乙酯中的一种或任意比例组成的混合溶剂；所述有机支持电解质为季铵盐、氯化胆碱中的一种或两种任意比例组合的混合电解质；所述质子导电增强剂为三氟甲基乙醇、甲醇和苯酚中的一种或任意比例组成的混合物；所述电催化剂为金属卟啉化合物、金属酞菁化合物、三羰基-2，4’-二联吡啶金属卤化物、咪唑类离子液体中的一种或几种任意比例混合物。
作为有机复合电解液中有机支持电解质的季铵盐，其化学结构式为：
R1、R2、R3、R4为C1-C5的碳氢链；X-为CF3SO3-、ClO4-、(CF3SO2)2N-、CF3COO-、H2PO4-、HCO3-、Cl-、HSO4-、Br-；
作为有机复合电解液中有机支持电解质的氯化胆碱，其化学结构式为：
作为有机复合电解液中电催化剂的金属卟啉化合物，其化学结构式为：
M1为铁或钴元素，R1、R2、R3、R4为氢原子或C1-C5的碳氢链，或苯取代基；
作为有机复合电解液中电催化剂的金属酞菁化合物，其化学结构式为：
M2为铁、锰或铜元素；
作为有机复合电解液中电催化剂的三羰基-2，4’-二联吡啶金属卤化物，其化学结构式为：
M3为锰或铼元素，X为Cl、Br或I，R1、R2为氢原子或C1-C5的碳氢链；
作为有机复合电解液中电催化剂的咪唑类离子液体，其化学结构式为：
R1、R2为C1-C5的碳氢链；M、N为连接到碳氢链上的氢原子或官能团，官能团为：—CN、—NH2或—OH；X-为(CF3SO2)2N-、CF3COO-、CF3SO3-、HCO3-、HSO4-、H2PO4-、Br-、Cl-。
所述阳极电解液中的支持电解质为碳酸氢钾、碳酸氢钠、磷酸二氢钾、磷酸二氢钠、磷酸氢钾、磷酸氢钠、硫酸钾、硫酸钠或硫酸中的一种或几种任意比例混合物。
所述阳极为氧化铱涂层钛阳极、IrO2·Ta2O5涂层钛阳极、玻碳电极或石墨电极。
所述阴极为Cu、Au、Ag、Zn电极中的任一种，或上述金属的合金。
将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解方法，其具体实施步骤如下：
步骤一，将有机支持电解质溶入有机溶剂中，得到0.1～3.0mol/L的有机电解液，在有机电解液中按照所需浓度0.1～0.4mol/L加入质子导电增强剂，再按照所需浓度为0.01～0.2mol/L加入电催化剂，得到有机复合电解液，将二氧化碳溶于有机复合电解液中，使浓度达0.09～0.21mol/L，所得溶液被注入隔膜电解池阴极室中，将支持电解质浓度为0.1～2mol/L的水溶液注入隔膜电解池阳极室中；
步骤二，接通电解电源，控制电解电压为3.6～4.3V，在常温常压条件下，进行电解反应，这时水在阳极上发生电氧化反应，生成氢离子和氧气，生成的氢离子经全氟磺酸离子交换膜迁移到阴极，参与二氧化碳电还原反应，生成一氧化碳。由于二氧化碳电还原反应本身有水生成，导致阴极电解液中含有一定量的水，水在阴极上发生电还原反应，生成氢气，因此，阴极上副产氢气。将阴极气相反应产物收集在储气罐中，用于生产下游产品。为了使二氧化碳电还原反应能够连续稳定地进行，本项技术采用了阴极电解液循环技术：将二氧化碳通入气体吸收塔中，用有机复合电解液溶解吸收二氧化碳，当二氧化碳浓度达到或接近饱和时，将这种溶有大量二氧化碳的有机复合电解液注入多室隔膜电解池阴极室的底部，与此同时，处于多室隔膜电解池阴极室上部的有机复合电解液自动地从阴极室中流出，这种含有较低浓度二氧化碳的有机复合电解液被再次引入气体吸收塔中，用于溶解吸收二氧化碳，所得含有饱和或接近饱和二氧化碳浓度的有机复合电解液，被再次注入多室隔膜电解池阴极室底部，由此形成阴极电解液循环。控制有机复合电解液流入、流出多室隔膜电解池阴极室的速度，使二氧化碳电还原反应能够连续稳定地进行。
一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解装置：
装置包括气体吸收塔1、阴极2、阳极3、储气罐4、全氟磺酸离子交换膜5、电解池和阴极电解液循环装置，电解池通过全氟磺酸离子交换膜5分隔成多个电极室，构成阴极室和阳极室相间排布的多室隔膜电解池，阴极室和阳极室的底部分别设有阴极2和阳极3，阳极室顶部设有水的入口，气体吸收塔1中流出的溶有大量二氧化碳的有机复合电解液通过阴极电解液循环装置的管道流入到阴极室的底部，阴极室上部的溶有较低浓度二氧化碳的有机复合电解液通过阴极电解液循环装置返回到气体吸收塔1的顶部，气体吸收塔1的侧面设有二氧化碳入口，阴极室的顶部通过管道与储气罐4连接。
与现有技术相比，本技术具有以下技术优势：
(1)本项技术提出的多室隔膜电解装置，二氧化碳电还原反应可以在有机复合电解液中进行，同时，水的电氧化反应可以在水溶液中进行。由于二氧化碳是非极性分子，在有机复合电解液中具有良好的溶解性，因此，在有机复合电解液中电还原二氧化碳，可以提高二氧化碳电还原反应的电流密度；
(2)本项技术提出的多室隔膜电解装置，其阴极室电解液为有机复合电解液，这种电解液包含四种功能组份：有机溶剂、有机支持电解质、质子导电增强剂和电催化剂。本项技术所采用的有机溶剂具有很强的溶解二氧化碳能力，所采用的支持电解质具有很高的电化学稳定性，所采用的质子导电增强剂能够促进氢离子在有机电解液和离子交换膜中的迁移，所采用的电催化剂能够本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解装置，其特征在于：装置包括气体吸收塔（1）、阴极（2）、阳极（3）、储气罐（4）、全氟磺酸离子交换膜（5）、电解池和阴极电解液循环装置，采用全氟磺酸离子交换膜（5）将电解池分隔成多个电极室，构成阴极室和阳极室相间排布的多室隔膜电解池，阴极室和阳极室的底部分别设有阴极（2）和阳极（3），阳极室顶部设有水的入口，气体吸收塔（1）中流出的溶有二氧化碳的有机复合电解液通过阴极电解液循环装置的管道流入到阴极室的底部，阴极室上部溶有二氧化碳的有机复合电解液通过阴极电解液循环装置返回到气体吸收塔（1）的顶部，气体吸收塔（1）的侧面设有二氧化碳入口，阴极室的顶部通过管道与储气罐（4）连接。

【技术特征摘要】
1.一种将二氧化碳电还原为一氧化碳的多室隔膜电解装置，其特征在于：装置包括气体吸收塔（1）、阴极（2）、阳极（3）、储气罐（4）、全氟磺酸离子交换膜（5）、电解池和阴极电解液循环装置，采用全氟磺酸离子交换膜（5）将电解池分隔成多个电极室，构成阴极室和阳极室相间排布的多室隔膜电解池，阴极室和阳极室的底部分别设有阴极（2）和...

【专利技术属性】
技术研发人员：施锦，李青远，沈风霞，贾友见，王琴，杨冬伟，李露，胡玉琪，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：新型
国别省市：云南;53