【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于碳捕集与利用相关，更具体地，涉及一种直接空气碳捕集原位利用系统及方法。
技术介绍
1、直接空气碳捕集(dac)技术是一种在应对气候变化和减少大气中二氧化碳浓度方面具有潜力的重要技术。相较于传统的碳捕集、利用和封存技术，dac技术具有灵活性高、适用范围广、不受地理位置限制等优点。该技术可以直接针对分布源的co2排放进行捕集，而不仅仅局限于大型点源。通过捕集空气中的co2，dac技术可以实现直接降低大气中二氧化碳的含量，对实现碳中和目标具有重要意义。
2、目前已有的dac技术主要包括溶液吸收法、固体吸附法和电渗析法等。通过液体吸收剂或者固体吸附材料将空气中的低浓度二氧化碳富集为高浓度二氧化碳，以便进行地质封存或利用。dac技术一般由空气捕集模块、吸收剂或吸附剂再生模块、co2储存模块组成。在空气捕集模块中，通过引风机等设备对空气中co2进行捕集，然后利用吸收剂或吸附剂将co2吸收或富集。再生模块则通过高温脱附等方法对吸收剂或吸附剂进行再生，最后将收集的co2送入储罐中进行储存。从热力学角度上需要经过吸收、解吸和电解还原过程，跨越两次能垒。目前dac技术的主要缺点是能耗较高，系统能耗普遍在5～10gj/t co2，技术成本高，整体技术经济性较差。
技术实现思路
1、针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种直接空气碳捕集原位利用系统及方法，用于解决目前dac技术中二氧化碳捕集及利用过程能耗高、成本高等问题，以实现空气中低浓度二氧化碳低成本富集并原位利
2、为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种直接空气碳捕集原位利用系统，包括：空气输入装置、碳捕集电催化装置、一氧化碳储罐、鼓风机；
3、所述碳捕集电催化装置包括直流电源、以及依次连接的入口阻水透气膜、原位电驱动还原装置、出口阻水透气膜、阴极引风机、第四管道，直流电源用于控制原位电驱动还原装置中电催化还原反应的启停；所述空气输入装置为所述碳捕集电催化装置的气源；
4、所述原位电驱动还原装置内从左到右依次设置有：阴极端板、阴极电极、阴极室、离子交换膜、阳极室、阳极电极、阳极端板；阳极室传感器安装在阳极室中，具有检测阳极室ph值、温度、压力和液位的功能；阴极室传感器安装在阴极室中，具有检测阴极室ph值、温度、压力和液位的功能；阴极室内含有醇胺类吸收剂，阳极室内含有纯水；
5、所述一氧化碳储罐连接第六管道的一端，所述鼓风机连接第五管道的一端，所述第五管道的另一端以及第六管道的另一端通过三通管与所述第四管道的一端连接，所述第四管道的另一端与出口阻水透气膜相连；第四阀门设置于所述一氧化碳储罐与所述三通管之间的所述第六管道上，第三阀门设置于所述鼓风机与所述三通管之间的所述第五管道上。
6、优选地，所述空气输入装置包括依次连接的风扇、第一管道、空气压缩机、第二管道、第一阀门、除尘塔、第三管道、第二阀门；所述第二阀门与所述入口阻水透气膜沿着第三管道相连。
7、优选地，还包括阴极液补充装置，所述阴极液补充装置包括依次连接的第六阀门、第八管道、阴极液储罐、第七管道、水泵、第五阀门；第五阀门连接阴极室的阴极液入口，第六阀门连接阴极室的阴极液出口；还包括与阴极液储罐相连的第七阀门和第九管道，当开启第七阀门时，可通过第九管道补充新鲜阴极液。
8、优选地，还包括阳极液补充装置和氧气存储装置，所述阳极液补充装置包括依次连接的第九阀门、第十一管道、阳极液储罐、第十管道、第八阀门；第八阀门连接阳极室的阳极液入口，第九阀门连接阳极室的阳极液出口；还包括与阳极液储罐相连的第十阀门和第十二管道，当开启第十阀门时，可通过第十二管道补充新鲜阳极液；所述氧气存储装置包括沿第十一管道依次连接的阳极引风机、氧气储罐；所述第十一管道一端连接阳极液储罐，另一端连接氧气储罐。
9、优选地，所述的醇胺类吸收剂设置为3-氨基丙醇或1,3-丙二胺，其摩尔浓度为0.5～5mol/l。
10、优选地，所述的阴极电极为泡沫银或纳米银，所述的阳极电极为泡沫镍或氧化铱。
11、优选地，所述的离子交换膜设置为质子交换膜或阴离子交换膜。
12、本专利技术涉及上述直接空气碳捕集原位利用系统的方法，包括以下步骤：
13、步骤s1：空气经过空气输入装置进入原位电驱动还原装置；
14、步骤s2：空气中的二氧化碳在原位电驱动还原装置的阴极室与醇胺类吸收剂反应生成氨基甲酸根，空气中的其它组份通过鼓风机的作用经过第五管道排出；
15、步骤s3：通过阴极室传感器检测阴极室醇胺类吸收剂的实时ph值来判定醇胺类吸收剂富集二氧化碳的程度，当实时ph值位于第一预设ph值与第二预设ph值范围内时，空气输入装置停止空气输入，直流电源接通；
16、步骤s4：直流电源接通后，进行电催化还原反应，氨基甲酸根得电子被还原为一氧化碳和醇胺，生成的一氧化碳被输送至一氧化碳储罐，同时阳极室内的纯水被还原成氧气，通过阳极引风机被输送至氧气储罐；
17、步骤s5：随着电催化还原的进行，阴极室醇胺类吸收剂的实时ph值会逐渐升高，当实时ph值位于第三预设ph值与第四预设ph值范围内时，直流电源关闭，重复步骤s1-s4；
18、其中，所述第一预设ph值小于第二预设ph值，第二预设ph值小于第三预设ph值；第三预设ph值小于第四预设ph值。
19、优选地，步骤s3中所述第一预设ph值为7，第二预设ph值为8。
20、优选地，步骤s5中所述第三预设ph值为11，第四预设ph值为12.5。
21、总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的一种直接空气碳捕集原位利用系统及方法主要具有以下有益效果：
22、1.本专利技术通过原位电驱动还原装置对空气中二氧化碳进行吸收富集后电催化还原成一氧化碳，一方面能解决低浓度二氧化碳捕集成本高，捕集后利用困难的问题，另一方面可以通过检测阴极室溶液ph值来控制吸收和转化的进程实现连续反应，提高了碳捕集效率，实现了系统高效能。
23、2.本专利技术的系统结合了空气中二氧化碳的碳捕集和电催化还原两个关键步骤，实现了二氧化碳的有效转化和利用，降低了碳封存的成本。本专利技术通过醇胺类吸收溶剂，吸收低浓度二氧化碳，省略了解吸过程。从热力学角度上经历了吸收和电解还原过程，仅需跨越一次能垒，降低了能耗。此外由于反应过程的集成，减少了反应器的数量，降低了系统成本和总能耗。
24、3.本专利技术二氧化碳碳捕集采用的原位电驱动还原装置结构紧凑，可以模块化搭建，有利于设备安装转移和应用，具有大规模应用的潜力，可以适应不同规模和需求的二氧化碳捕集和还原场景。
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1.一种直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于，包括：碳捕集电催化装置、一氧化碳储罐(10)、鼓风机(9)；
2.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：还包括空气输入装置，所述空气输入装置包括依次连接的风扇(1)、第一管道(201)、空气压缩机(2)、第二管道(202)、第一阀门(301)、除尘塔(3)、第三管道(203)、第二阀门(302)；所述第二阀门(302)与所述入口阻水透气膜(4)沿着第三管道(203)相连。
3.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：还包括阴极液补充装置，所述阴极液补充装置包括依次连接的第六阀门(306)、第八管道(208)、阴极液储罐(11)、第七管道(207)、水泵(12)、第五阀门(305)；第五阀门(305)连接阴极室(505)的阴极液入口，第六阀门(306)连接阴极室(505)的阴极液出口；还包括与阴极液储罐(11)相连的第七阀门(307)和第九管道(209)，当第七阀门(307)开启时，通过第九管道(209)补充新鲜阴极液。
4.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位
5.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：所述的醇胺类吸收剂设置为3-氨基丙醇或1,3-丙二胺，其摩尔浓度为0.5～5mol/L。
6.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：所述的阴极电极(503)为泡沫银或纳米银，所述的阳极电极(504)为泡沫镍或氧化铱。
7.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：所述的离子交换膜(507)设置为质子交换膜或阴离子交换膜。
8.一种根据权利要求1-7任意一项所述的直接空气碳捕集原位利用系统的方法，其特征在于，包括以下步骤：
9.如权利要求8所述的直接空气碳捕集原位利用系统的方法，其特征在于，步骤S3中所述第一预设pH值为7，第二预设pH值为8。
10.如权利要求9所述的直接空气碳捕集原位利用系统的方法，其特征在于，步骤S5中所述第三预设pH值为11，第四预设pH值为12.5。
...【技术特征摘要】
1.一种直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于，包括：碳捕集电催化装置、一氧化碳储罐(10)、鼓风机(9)；
2.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：还包括空气输入装置，所述空气输入装置包括依次连接的风扇(1)、第一管道(201)、空气压缩机(2)、第二管道(202)、第一阀门(301)、除尘塔(3)、第三管道(203)、第二阀门(302)；所述第二阀门(302)与所述入口阻水透气膜(4)沿着第三管道(203)相连。
3.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：还包括阴极液补充装置，所述阴极液补充装置包括依次连接的第六阀门(306)、第八管道(208)、阴极液储罐(11)、第七管道(207)、水泵(12)、第五阀门(305)；第五阀门(305)连接阴极室(505)的阴极液入口，第六阀门(306)连接阴极室(505)的阴极液出口；还包括与阴极液储罐(11)相连的第七阀门(307)和第九管道(209)，当第七阀门(307)开启时，通过第九管道(209)补充新鲜阴极液。
4.如权利要求1所述的直接空气碳捕集原位利用系统，其特征在于：还包括阳极液补充装置和氧气存储装置，所述阳极液补充装置包括依次连接的第九阀门(309)、第十一管道(211)、阳极液储罐(13)、第十管道(210)、第八阀门(308)；第八阀门(308)连接阳极室(506)...
【专利技术属性】
技术研发人员：李强，赵永椿，熊卓，王腾，张军营，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：
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