【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电化学领域，更为具体的，涉及一种膜复合电化学碳捕集系统及方法。
技术介绍
1、co2捕集是将低浓度co2吸收分离至高纯度，以便用于后续的封存或利用。当前co2捕集技术面临高能耗、高成本的技术瓶颈。尤其是在现有ccus技术体系中，燃煤电厂所采用的co2捕集技术大多采用胺化学吸收法。该方法利用胺类吸收co2并采用热法解吸，存在着解吸能耗高(～2-4.5gj/吨co2)的技术瓶颈。现有的电化学co2捕集技术利用pcet反应改变溶液的ph环境，打破co2在溶液中的吸收-解吸平衡，从而实现低能耗下(<2gj/吨co2)co2捕集与纯化过程。目前该方法通常采用有机pcet反应物作为电化学氧化还原反应载体。采用有机pcet反应物的一大核心难题在于o2对体系中有机pcet反应物的氧化导致其含量减少。燃煤电厂烟气co2通常含有约3～6％浓度的o2，而大气中含有约21％浓度的o2，o2的存在会造成电化学质子耦合电子转移反应物的急速衰减，使体系难以在真实co2捕集环境下(含o2环境)稳定运行。而从热力学角度分析，耐氧的有机pcet反应物通常具有较高的电极电位，势必会造成体系能耗的增加。因此，真实co2捕集环境(含o2环境)下系统的低能耗稳定运行是目前电化学co2捕集技术亟待攻克的技术难题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种膜复合电化学碳捕集系统及方法，提供了一种基于电化学质子耦合电子转移(pcet)反应驱动溶液ph变化，利用mof膜避免氧气影响的新型
2、本专利技术的目的是通过以下方案实现的：
3、一种膜复合电化学碳捕集系统，包括电解槽，所述电解槽包括吸收室、mof膜、q室、阳离子交换膜和铁氰化钾室；吸收室和q室通过设置的mof膜分隔，q室和铁氰化钾室通过设置的阳离子交换膜分隔，q室和铁氰化钾室连接外置电源，吸收室加入k2co3溶液，q室加入水溶性的有机pcet还原态物质q和kcl溶液，铁氰化钾室加入铁氰化钾溶液，并在吸收室通入烟气，在q室收集纯化的co2；
4、此外，还包括烟气源、co2收集瓶和排空尾气，吸收室和烟气源连接，co2从烟气源通入吸收室中，并从排空尾气放出未吸收的气体，q室和co2收集瓶连接，系统交换电极后，q室放出纯化的co2到co2收集瓶中。
5、一种膜复合电化学碳捕集系统的工作方法，基于如上所述的膜复合电化学碳捕集系统，包括如下工作步骤：所述烟气源向吸收室通入含氧烟气，吸收室k2co3溶液吸收烟气中co2生成khco3，并打开外置电源，q室的阴极发生还原反应产生oh-，oh-通过mof膜到达吸收室，增大吸收室碱度，促进co2吸收，吸收室吸收co2产生的hco3-会通过mof膜到达q室，用于保证每个室电荷守恒；电解过程中铁氰化钾室的阳极发生氧化反应产生k+通过阳离子交换膜到达q室；剩余气体从吸收室出来后排空；反应方程式如下：
6、q室阴极：q+h2o→qh2+oh-
7、
8、一段时间后交换电极，q室的阳极发生氧化反应产生h+与q室中hco3-反应解吸出co2，电解过程中k+从q室通过阳离子交换膜到达铁氰化钾室，铁氰化钾室的阴极发生还原反应；q室和吸收室解吸出的co2收集到co2收集瓶中；反应方程式如下：
9、
10、最后，通过再次交换电极实现qh2与q的转化，从而实现膜复合电化学碳捕集系统的循环运行。
11、进一步地，有机pcet反应物包括吩嗪、咯嗪、醌及其衍生物。
12、进一步地，在所述电解槽中采用碳基材料作为电极材料，碳基材料基体包括石墨毡、碳纸、碳布、碳棒和碳片。
13、进一步地，所述电解槽中的碳基材料电极可使用基底或掺杂材料对电极材料进行修饰或改性，所述掺杂材料包括碳纳米管、石墨烯中的任一种；所述基底包括泡沫镍、铂片、镍镀铂网中的任一种。
14、一种膜复合电化学碳捕集系统，基于如上所述的膜复合电化学碳捕集系统；其中，采用碳酸钾作为co2吸收剂，能为溶液提供碱性环境，并在吸收co2后，hco3-透过mof膜通入q室；co2吸收剂除了碳酸钾以外，还包括：氨水、一乙醇胺、乙二胺、三乙醇胺和哌嗪；采用氯化钾作为支撑电解质，能为电池系统提供高的离子电导率，支撑电解质除了氯化钾以外，还包括盐类支撑电解质或离子液体。
15、进一步地，整个膜复合电化学碳捕集系统根据需求被设计成一体化装置，或通过系统串并联设计成大规模的集成装置，且适用于包括燃煤电厂烟气、工厂废气、运输尾气和大气环境的co2捕集。
16、一种膜复合电化学碳捕集系统，基于如上所述的膜复合电化学碳捕集系统；其中，mof膜能够替换成具有隔离氧气，通过离子功能的膜，具体包括混合基质膜。
17、本专利技术的有益效果包括：
18、本专利技术系统能实现含氧烟气环境下co2的电化学捕集与纯化过程。在实际应用中，该系统能通过外置电源供电，利用电化学质子耦合电子转移(pcet)反应驱动溶液ph变化，在q/qh2与吸收剂溶液间添加一层隔氧通离子的mof膜，避免了氧气与q/qh2接触，让q/qh2有效参与到电化学反应中。通过交换电极，促使系统吸收和解吸co2，实现q和qh2的转换，从而实现低能耗、连续稳定的co2捕集与纯化过程。
19、本专利技术实施例系统通过有机pcet反应物(有机质子载体q)发生氧化还原反应造成溶液ph值波动，在q室与吸收室之间增加一个隔氧通离子的mof膜，利用q发生还原反应生成qh2提升q室碱度，q室的氢氧根离子透过mof膜到吸收室，从而促进吸收室低浓度co2的吸收，产生的hco3-透过mof膜到达q室，此时铁氰化钾室作为阳极区发生亚铁氰化钾氧化反应生成铁氰化钾。一段时间后交换电极，qh2发生氧化反应生成h+与溶液中hco3-反应解吸出co2，铁氰化钾室发生铁氰化钾还原反应生成亚铁氰化钾。在co2吸收解吸过程中，mof膜的作用是隔离大分子(如o2、q/qh2大分子)通离子(oh-、hco3-)。mof膜将烟气中的氧气与q/qh2隔开，避免qh2被烟气中氧气氧化从而影响电化学反应进行，进而影响到系统吸收解吸co2的能力。
20、本专利技术实施例系统阴极发生还原反应，q与水在电解条件下产生oh-和qh2，oh-通过mof膜到达co2吸收室，使吸收剂溶液中碱度升高，可用于吸收低浓度的co2。系统中采用隔氧通离子的mof膜分隔q室与吸收室，彻底避免了烟气中o2对q的干扰，可以实现真实含氧co2(烟气或大气)的直接捕捉。
21、本专利技术实施例系统采用水溶性的有机质子载体，交换电极后，经电化学氧化释放h+，并与从吸收室透过的hco3-反应生成高纯co2和水，实现co2的纯化再生。q室因仅存在固-液两相的电化学反应，避免了气体扩散电极的使用，彻底消除了电化学“气-液-固”三相反应界面，大幅提升了系统长时间运行的稳定性。
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【技术保护点】
1.一种膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，包括电解槽(2)，所述电解槽(2)包括吸收室(3)、MOF膜(4)、Q室(5)、阳离子交换膜(6)和铁氰化钾室(7)；吸收室(3)和Q室(5)通过设置的MOF膜(4)分隔，Q室(5)和铁氰化钾室(7)通过设置的阳离子交换膜(6)分隔，Q室(5)和铁氰化钾室(7)连接外置电源(1)，吸收室(3)加入K2CO3溶液，Q室(5)加入水溶性的有机PCET还原态物质Q和KCl溶液，铁氰化钾室(7)加入铁氰化钾溶液，并在吸收室(3)通入烟气，在Q室(5)收集纯化的CO2；
2.一种膜复合电化学碳捕集系统的工作方法，其特征在于，基于权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统，包括如下工作步骤：所述烟气源(8)向吸收室(3)通入含氧烟气，吸收室K2CO3溶液吸收烟气中CO2生成KHCO3，并打开外置电源(1)，Q室(5)的阴极发生还原反应产生OH-，OH-通过MOF膜(4)到达吸收室(3)，增大吸收室(3)碱度，促进CO2吸收，吸收室(3)吸收CO2产生的HCO3-会通过MOF膜(4)到达Q室(5)，用于保证每个室电荷守恒；电解过程中铁氰化钾室
3.根据权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，有机PCET反应物包括吩嗪、咯嗪、醌及其衍生物。
4.根据权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，在所述电解槽(2)中采用碳基材料作为电极材料，碳基材料基体包括石墨毡、碳纸、碳布、碳棒和碳片。
5.根据权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，所述电解槽(2)中的碳基材料电极可使用基底或掺杂材料对电极材料进行修饰或改性，所述掺杂材料包括碳纳米管、石墨烯中的任一种；所述基底包括泡沫镍、铂片、镍镀铂网中的任一种。
6.一种膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，基于权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统；其中，采用碳酸钾作为CO2吸收剂，能为溶液提供碱性环境，并在吸收CO2后，HCO3-透过MOF膜通入Q室；CO2吸收剂除了碳酸钾以外，还包括：氨水、一乙醇胺、乙二胺、三乙醇胺和哌嗪；采用氯化钾作为支撑电解质，能为电池系统提供高的离子电导率，支撑电解质除了氯化钾以外，还包括盐类支撑电解质或离子液体。
7.根据权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，整个膜复合电化学碳捕集系统根据需求被设计成一体化装置，或通过系统串并联设计成大规模的集成装置，且适用于包括燃煤电厂烟气、工厂废气、运输尾气和大气环境的CO2捕集。
8.一种膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，基于权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统；其中，MOF膜(4)能够替换成具有隔离氧气，通过离子功能的膜，具体包括混合基质膜。
...【技术特征摘要】
1.一种膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，包括电解槽(2)，所述电解槽(2)包括吸收室(3)、mof膜(4)、q室(5)、阳离子交换膜(6)和铁氰化钾室(7)；吸收室(3)和q室(5)通过设置的mof膜(4)分隔，q室(5)和铁氰化钾室(7)通过设置的阳离子交换膜(6)分隔，q室(5)和铁氰化钾室(7)连接外置电源(1)，吸收室(3)加入k2co3溶液，q室(5)加入水溶性的有机pcet还原态物质q和kcl溶液，铁氰化钾室(7)加入铁氰化钾溶液，并在吸收室(3)通入烟气，在q室(5)收集纯化的co2；
2.一种膜复合电化学碳捕集系统的工作方法，其特征在于，基于权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统，包括如下工作步骤：所述烟气源(8)向吸收室(3)通入含氧烟气，吸收室k2co3溶液吸收烟气中co2生成khco3，并打开外置电源(1)，q室(5)的阴极发生还原反应产生oh-，oh-通过mof膜(4)到达吸收室(3)，增大吸收室(3)碱度，促进co2吸收，吸收室(3)吸收co2产生的hco3-会通过mof膜(4)到达q室(5)，用于保证每个室电荷守恒；电解过程中铁氰化钾室(7)的阳极发生氧化反应产生k+通过阳离子交换膜(6)到达q室(5)；剩余气体从吸收室(3)出来后排空；反应方程式如下：
3.根据权利要求1所述的膜复合电化学碳捕集系统，其特征在于，有机pcet反应物包括吩嗪、咯嗪、醌及其衍生物...
【专利技术属性】
技术研发人员：王云鹏，吴一凡，刘涛，谢和平，徐婷婷，杨泽洲，江梁婧怡，杨俊，黄嘉懿，桑彭秉，
申请(专利权)人：四川大学，
类型：发明
国别省市：
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