基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置

1.本发明涉及空气减碳及有机物合成装置，具体涉及一种基于光催化与太阳 能的空气减碳及有机物合成装置。

背景技术：

2.大气中二氧化碳浓度的升高打破了地球原有各圈层之间的平衡，导致温室 效应加剧、极端天气变化及海平面上升等生态环境问题，随着人类的持续开发， 能源、气候危机已经越来越近，而这些生态环境问题与人民生产生活息息相关， 关系到全人类命运。
3.现阶段全球化石燃料日趋减少，太阳能作为一种可再生能源已成为人类不 可忽视的重要组成部分。太阳光的运用不受地域限制，可直接开发和利用，且 无须开采和运输，十分方便；且太阳能是最清洁能源之一，不会污染环境。
4.光催化技术作为一种极具潜力的绿新型技术之一，可以通过太阳能将温 室气体如二氧化碳转化为具有高附加值的化学品和燃料，有利于解决化石燃料 短缺和全球环境污染等问题，具有可观的经济效应。光催化剂在反应过程中并 不消耗其他化学物质，利用空气中的水和氧作为原料，绿、节源、无污染。
5.现阶段全球多国频繁出现能源供需紧张问题，能源供需矛盾突出、价格持 续攀升。在能源短缺问题越来越严重的今天，很有必要研究一种基于光催化与 太阳能的空气减碳及有机物合成装置。

技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种基于光催化与 太阳能的空气减碳及有机物合成装置，它可以基于空气、利用太阳光能，可持 续性地将大气中co2通过光催化转化为多种清洁碳氢燃料。
7.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于光催化与太阳能 的空气减碳及有机物合成装置，包括：
8.气体分离系统，用于分离出气体中的h2、n
2、
co2和h2o,及电解h2o以生成h2；
9.nh3合成系统，与所述气体分离系统相连，用于将所述气体分离系统所分离 出的n2和生成的h2合成为nh3；
10.超临界co2转化系统，与所述气体分离系统相连，用于将所述气体分离系统 分离出的co2转化为超临界co2；
11.光催化超临界co2还原系统，分别与所述超临界co2转化系统和所述nh3合成 系统相连，用于供nh3和超临界co2在其内混合，并在光催化剂的催化下反应以 得到产物；
12.产物收集系统，与所述光催化超临界co2还原系统相连，用于对产物进行收 集；
13.菲涅尔高倍聚光热电转化系统，至少聚光于所述nh3合成系统及所述光催化 超临界co2还原系统以提供光热。
14.进一步，所述气体分离系统包括：
15.第一碳水捕获装置，用于捕获空气中的h2o；
16.第二碳水捕获装置，连通所述第一碳水捕获装置，用于捕获空气中除h2o以 外的气体中的co2，并连通所述超临界co2转化系统，以向所述超临界co2转化系 统提供co2；
17.氮氧分离装置，连通所述第二碳水捕获装置，用于分离出空气中除h2o和 co2以外的气体中的n2，并通过n2收集室连通所述nh3合成系统，以向所述nh3合成系统提供n2；
18.h2o电解室，通过h2o管道连通所述第一碳水捕获装置，用于电解h2o以得 到h2，并通过h2收集室连通所述nh3合成系统，以向所述nh3合成系统提供h2；
19.冷却器件，用于冷凝h2o管道中的气态h2o。
20.进一步，所述第一碳水捕获装置和所述第二碳水捕获装置分别包括：
21.外壳；
22.重力开关，安装在所述外壳的中间部位，以将所述外壳内分为上腔和下腔， 在所述重力开关在重力作用下打开后，所述下腔和所述上腔相连通；
23.螺旋盘管，安装在所述上腔内，以供气体在其内流通，所述螺旋盘管的下 侧开设有多个漏孔；
24.制冷器，安装在所述上腔内；
25.加热件，安装在所述下腔内。
26.进一步，所述超临界co2转化系统包括转化箱，所述转化箱配置有助热注水 层，所述转化箱的内腔安装有压缩机。
27.进一步，所述光催化超临界co2还原系统包括：
28.tio2碱改仓，内置有滤网，所述滤网粘附有tio2粉末，所述tio2碱改仓的 进口连通所述nh3合成系统，出口连通碱改性tio2管道；
29.第一光催化反应腔，两端各通过一回旋加速器连通所述碱改性tio2管道；
30.第二光催化反应腔，连通所述超临界co2转化系统，所述菲涅尔高倍聚光热 电转化系统至少用于向所述第一光催化反应腔和所述第二光催化反应腔提供光 热；
31.两个分别连通在所述第一光催化反应腔和所述第二光催化反应腔之间的连 通管，两个连通管上各配置有气泵，两个连通管上的气泵的流向相反。
32.进一步，所述多产物收集系统包括：
33.产物收集腔，连通所述光催化超临界co2还原系统；
34.若干个连通所述产物收集腔底部的产物收集容器，每个产物收集容器的进 口安装有过滤网。
35.进一步为了可以向所述产物收集腔的底部曝气小气泡以加快分子间运动速 率，超临界co2转化系统连通所述产物收集腔的底部，以向所述产物收集腔提供 超临界co2。
36.进一步，基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置还包括换热系 统，所述换热系统用于冷却所述气体分离系统中用于传输分离出的h2o的管道及 加热所述超临界co2转化系统。
37.采用上述技术方案后，本发明基于空气、利用太阳光能，可持续性地将大 气中co2通过光催化转化为甲烷、甲醇、一氧化碳等清洁的碳氢燃料，缓解了能 源紧张及温室效应，对改善能源结构、保护生态环境、应对气候变化、实现经 济社会可持续发展具有重要意义。
附图说明
38.图1为本发明的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置的结构 示意图；
39.图2为本发明的第一碳水捕获装置和第二碳水捕获装置的结构示意图；
40.图3为本发明的超临界co2转化系统的结构示意图；
41.图4为本发明的第一光催化反应腔和第二光催化反应腔的结构示意图；
42.图5为本发明的产物收集系统的结构示意图；
43.图6为本发明的菲涅尔高倍聚光热电转化系统的结构示意图。
具体实施方式
44.为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例并结合附 图，对本发明作进一步详细的说明。
45.如图1、2、3、4、5、6所示，一种基于光催化与太阳能的空气减碳及有机 物合成装置，包括：
46.气体分离系统1，用于分离出气体中的h2、n
2、
co2和h2o,及电解h2o以生成 h2；
47.nh3合成系统2，与所述气体分离系统1相连，用于将所述气体分离系统1 所分离出的n2和生成的h2合成为nh3；
48.超临界co2转化系统3，与所述气体分离系统1相连，用于将所述气体分离 系统1分离出的co2转化为超临界co2；
49.光催化超临界co2还原系统4，分别与所述超临界co2转化系统3和所述nh3合成系统2相连，用于供nh3和超临界co2在其内混合，并在光催化剂的催化下 反应以得到产物；
50.产物收集系统5，与所述光催化超临界co2还原系统4相连，用于对产物进 行收集；
51.菲涅尔高倍聚光热电转化系统，至少聚光于所述nh3合成系统2及所述光催 化超临界co2还原系统4以提供光热。
52.如图1所示，所述气体分离系统1包括：
53.第一碳水捕获装置11，用于捕获空气中的h2o；
54.第二碳水捕获装置12，连通所述第一碳水捕获装置11，用于捕获空气中除 h2o以外的气体中的co2，并连通所述超临界co2转化系统3，以向所述超临界co2转化系统3提供co2；
55.氮氧分离装置13，连通所述第二碳水捕获装置12，用于分离出空气中除h2o 和co2以外的气体中的n2，并通过n2收集室14连通所述nh3合成系统2，以向所 述nh3合成系统2提供n2；
56.h2o电解室15，通过h2o管道连通所述第一碳水捕获装置11，用于电解h2o 以得到h2，并通过h2收集室16连通所述nh3合成系统2，以向所述nh3合成系统 2提供h2；
57.冷却器件17，用于冷凝h2o管道中的气态h2o。
58.在本实施例中，所述冷却器件17为液冷式循环水箱。
59.如图1、2所示，所述第一碳水捕获装置11和所述第二碳水捕获装置12分 别包括：
60.外壳111；
61.重力开关112，安装在所述外壳111的中间部位，以将所述外壳111内分为 上腔和
下腔，在所述重力开关112在重力作用下打开后，所述下腔和所述上腔 相连通；
62.螺旋盘管113，安装在所述上腔内，以供气体在其内流通，所述螺旋盘管 113的下侧开设有多个漏孔；
63.制冷器114，安装在所述上腔内；
64.加热件115，安装在所述下腔内。
65.在本实施例中，所述外壳111为隔热外壳，所述加热件115为环形加热盘。
66.所述氮氧分离装置13为成熟的现有技术，现列举一种，所述氮氧分离装置 13包括氮氧分离腔及多组并列安装在所述氮氧分离腔内的磁性扇叶，气体进入 氮氧分离腔后分流成多股，每股对应一组磁性扇叶，o2顺磁性由一端输出，n2反磁性由另一端输出。所述氮氧分离装置13的结构不限于此。空气中除h2o和 co2以外的气体中主要包括n2和o2，,由于o2具有顺磁性、n2具有反磁性，氮氧 分离装置13内，磁性扇叶将o2与n2分离；o2释放到大气中，n2则通至nh3合成 系统2。
67.如图1所示，所述nh3合成系统2包括nh3合成室和与所述nh3合成室相连通 的nh3收集室，nh3合成室内安装有压缩机。
68.如图1、4所示，所述超临界co2转化系统3包括转化箱，所述转化箱配置 有助热注水层31，所述转化箱的内腔安装有压缩机。
69.在本实施例中，所述转化箱包括箱体外壁和箱体内壁，所述助热注水层31 为环绕型夹层，位于所述箱体外壁和所述箱体内壁之间。
70.如图1、5所示，所述光催化超临界co2还原系统4包括：
71.tio2碱改仓41，内置有滤网42，所述滤网42粘附有tio2粉末，所述tio2碱改仓41的进口连通所述nh3合成系统2，出口连通碱改性tio2管道43；
72.第一光催化反应腔44，两端各通过一回旋加速器48连通所述碱改性tio2管道43；
73.第二光催化反应腔45，连通所述超临界co2转化系统3，所述菲涅尔高倍聚 光热电转化系统至少用于向所述第一光催化反应腔44和所述第二光催化反应腔 45提供光热；
74.两个分别连通在所述第一光催化反应腔44和所述第二光催化反应腔45之 间的连通管46，两个连通管46上各配置有气泵47，两个连通管46上的气泵47 的流向相反。
75.如图1、6所示，所述多产物收集系统5包括：
76.产物收集腔51，连通所述光催化超临界co2还原系统4；
77.若干个连通所述产物收集腔51底部的产物收集容器52，每个产物收集容器 52的进口安装有过滤网。
78.在本实施例中，所述产物收集系统5还包括用于监测所述产物收集腔51内 的压力和温度的pt综合传感器53。
79.如图1所示，超临界co2转化系统3连通所述产物收集腔51的底部，以向 所述产物收集腔51提供超临界co2。
80.如图6所示，所述菲涅尔高倍聚光热电转化系统包括固定支架71、菲涅尔 镜ⅰ72、菲涅尔镜ⅱ73、菲涅尔镜ⅲ74、载物平台ⅰ75、载物平台ⅱ76、载物 平台ⅲ77和太阳能电池板78，所述菲涅尔镜ⅰ72、菲涅尔镜ⅱ73和菲涅尔镜
ⅲꢀ
74并排放置，并被所述固定支架71支撑，所述载物平台ⅰ75搭载nh3合成室， 所述菲涅尔镜ⅰ72聚光于所述nh3合成室，所述载物平台ⅱ76搭载太阳能电池 板78，利用蓄电箱向所述h2o电解室15供电，所述太阳能电池板78
与所述蓄 电箱电性连接以向所述蓄电箱供电，所述菲涅尔镜ⅱ73聚光于所述太阳能电池 板78，所述载物平台ⅲ77搭载第一光催化反应腔44和第二光催化反应腔45， 所述菲涅尔镜ⅲ77聚光于第一光催化反应腔44和第二光催化反应腔45。
81.如图1所示，基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置还包括换 热系统6，所述换热系统包括储能箱、耐热油管、水管ⅰ和水管ⅱ，所述储能箱 经水管ⅰ连通所述气体分离系统中的冷却器件17，储能箱、水管ⅰ和冷却器件 17共同形成循环冷却回路，所述储能水箱经水管ⅱ连通所述助热注水层31，储 能箱、水管ⅱ和助热注水层31共同形成循环助热回路，耐热油管经储能箱贯穿 nh3合成系统中nh3合成室底部，以构成循环管路，储能箱在各腔体热量交换 中起枢纽作用。在本实施例中，为更好的控制反应温度，减少因高倍聚光温度 过高引发设备损耗，本换热系统引入耐热油管，经储能箱贯穿nh3合成室底部， 有效进行换热控制反应温度；当光照不足时，还可为反应提供热量，确保反应 的可持续进行。
82.基于上述实施例涉及的技术方案的工作过程做详细介绍：
83.当整个基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置开始工作时，空 气进入第一碳水捕获装置11内的横向的螺旋盘管113；第一碳水捕获装置11内 的制冷器114制冷至-4℃，空气中h2o变为固态，固态h2o通过螺旋盘管上的漏 孔落到重力开关112上，待固态h2o达到一定重量，重力开关112打开，固态 h2o掉落到下方加热件115上同时重力开关112关闭；加热件115加热固态h2o 变为气态，此时换热系统开始工作；
84.液冷式循环水箱为环绕型腔体，环绕在h2o管道上，并连通水管ⅰ经储能箱 形成循环冷却管路，用于冷凝h2o管道中的气态h2o；
85.气态h2o经环绕有液冷式循环水箱的h2o管道管段时，被h2o管道上液冷式 循环水箱中的冷水吸热后冷凝为液态，通至h2o电解室15；在h2o电解室15内， h2o经电解阳极生成o2释放到大气，阴极生成h2经h2收集室16通至nh3合成室；
86.在第二碳水捕获装置12内，制冷器114制冷至-80℃，来自第一碳水捕获 装置11内的气体中的co2变为固态掉落，固态co2再经底部加热变为气态后由通 至转化箱；第二碳水捕获装置12内的剩余气体则通至氮氧分离装置13；
87.由于o2具有顺磁性、n2具有反磁性，氮氧分离装置13将o2和n2分离，o2释放到大气中，n2则经n2收集室14通至nh3合成室；
88.菲涅尔高倍聚光热电转化系统中载物平台ⅰ75搭载的nh3合成室，经上方菲 涅尔镜ⅰ72聚光升温至约500℃、压缩机控制nh3合成室内压力35mpa时，n2和 h2合成nh3并通至nh3收集室，再通至光催化超临界co2还原系统中的tio2碱改仓 41；
89.tio2碱改仓41内置粘有tio2粉末的滤网42，来自nh3收集室的nh3通过tio2碱改仓41内的滤网42后，tio2表面携带nh3碱性分子一同经回旋加速器48加 速通至第一光催化反应腔44内，此时两个连通管46上气泵47的阀门均为关闭 状态；
90.转化箱内，压缩机控制转化箱内压力7.4mpa；水管ⅱ经储能箱连通转化箱 的助热注水层31构成循环助热回路，为转化箱提供热量，待转化箱内温度32℃、 腔内压力7.4mpa时，co2变为超临界co2，并通至第二光催化反应腔45；
91.此时打开两个连通管46上的气泵47的阀门；一个气泵47加速气体由第二 光催化反应腔45向第一光催化反应腔44单向流动；另一个气泵47加速气体由 第一光催化反应腔44向第二光催化反应腔45单向流动，以此形成两光催化反 应腔内气流逆时针持续加速流
动状态，使第二光催化反应腔45内的超临界co2与第一光催化反应腔44内的碱改性tio2充分混合；
92.在菲涅尔高倍聚光热电转化系统的载物平台ⅲ77上，菲涅尔镜聚光照射在 第一光催化反应腔44和第二光催化反应腔45上以提供充足光热；高倍聚光作 用在第一光催化反应腔44内的碱改性tio2表面，碱改性tio2吸收光子产生光生 电子，同时两侧的回旋加速器48加速碱改性tio2在第一光催化反应腔44内产 生持续高速对冲气流，加速分子运动、增加分子碰撞几率，以提高整体光催化 效率；在碱改性tio2光催化剂表面co2还原成co、ch4、hcooh、ch3oh，同时h2o 氧化成o2；
93.此时关闭其中一个气泵47和两个回旋加速器48；一段时间后，待第二光催 化反应腔45内物质全部吸入第一光催化反应腔44内，再关闭另一个气泵47气 泵ⅰ，此时两个气泵47及两个回旋加速器48都呈关闭状态；
94.产物收集腔51内装有水，第一光催化反应腔44内的混合物通入产物收集腔51 内形成混合溶液，此时来自转化箱内的超临界co2经超临界co2从产物收集腔51 底部以曝气小气泡形式通入产物收集腔51内，以加快分子间运动速率，曝气让 超临界co2与有机混合物充分混合，增加有机物和超临界co2的反应速率，起到 辅助反应作用；同时pt综合传感器53监视压力和温度，产物收集腔51降温或 减压，降低超临界co2溶解度即可析出有机混合物，并直接由下方产物收集容器 52将有机混合物收集；产物收集腔51底部四个产物收集容器52进口均带有过 滤网，用于拦截tio2固体残留，以此完成整个光催化超临界co2的还原及产物的 收集。
95.以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作 人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。 本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围 来确定其技术性范围。

技术特征：

1.一种基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，包括：气体分离系统(1)，用于分离出气体中的h2、n
2、
co2和h2o,及电解h2o以生成h2；nh3合成系统(2)，与所述气体分离系统(1)相连，用于将所述气体分离系统(1)所分离出的n2和生成的h2合成为nh3；超临界co2转化系统(3)，与所述气体分离系统(1)相连，用于将所述气体分离系统(1)分离出的co2转化为超临界co2；光催化超临界co2还原系统(4)，分别与所述超临界co2转化系统(3)和所述nh3合成系统(2)相连，用于供nh3和超临界co2在其内混合，并在光催化剂的催化下反应以得到产物；产物收集系统(5)，与所述光催化超临界co2还原系统(4)相连，用于对产物进行收集；菲涅尔高倍聚光热电转化系统，至少聚光于所述nh3合成系统(2)及所述光催化超临界co2还原系统(4)以提供光热。2.根据权利要求1所述的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，所述气体分离系统(1)包括：第一碳水捕获装置(11)，用于捕获空气中的h2o；第二碳水捕获装置(12)，连通所述第一碳水捕获装置(11)，用于捕获空气中除h2o以外的气体中的co2，并连通所述超临界co2转化系统(3)，以向所述超临界co2转化系统(3)提供co2；氮氧分离装置(13)，连通所述第二碳水捕获装置(12)，用于分离出空气中除h2o和co2以外的气体中的n2，并通过n2收集室(14)连通所述nh3合成系统(2)，以向所述nh3合成系统(2)提供n2；h2o电解室(15)，通过h2o管道连通所述第一碳水捕获装置(11)，用于电解h2o以得到h2，并通过h2收集室(16)连通所述nh3合成系统(2)，以向所述nh3合成系统(2)提供h2；冷却器件(17)，用于冷凝h2o管道中的气态h2o。3.根据权利要求2所述的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，所述第一碳水捕获装置(11)和所述第二碳水捕获装置(12)分别包括：外壳(111)；重力开关(112)，安装在所述外壳(111)的中间部位，以将所述外壳(111)内分为上腔和下腔，在所述重力开关(112)在重力作用下打开后，所述下腔和所述上腔相连通；螺旋盘管(113)，安装在所述上腔内，以供气体在其内流通，所述螺旋盘管(113)的下侧开设有多个漏孔；制冷器(114)，安装在所述上腔内；加热件(115)，安装在所述下腔内。4.根据权利要求1所述的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，所述超临界co2转化系统(3)包括转化箱，所述转化箱配置有助热注水层(31)，所述转化箱的内腔安装有压缩机。
5.根据权利要求1所述的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，所述光催化超临界co2还原系统(4)包括：tio2碱改仓(41)，内置有滤网(42)，所述滤网(42)粘附有tio2粉末，所述tio2碱改仓(41)的进口连通所述nh3合成系统(2)，出口连通碱改性tio2管道(43)；第一光催化反应腔(44)，两端各通过一回旋加速器(48)连通所述碱改性tio2管道(43)；第二光催化反应腔(45)，连通所述超临界co2转化系统(3)，所述菲涅尔高倍聚光热电转化系统至少用于向所述第一光催化反应腔(44)和所述第二光催化反应腔(45)提供光热；两个分别连通在所述第一光催化反应腔(44)和所述第二光催化反应腔(45)之间的连通管(46)，两个连通管(46)上各配置有气泵(47)，两个连通管(46)上的气泵(47)的流向相反。6.根据权利要求1所述的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，所述多产物收集系统(5)包括：产物收集腔(51)，连通所述光催化超临界co2还原系统(4)；若干个连通所述产物收集腔(51)底部的产物收集容器(52)，每个产物收集容器(52)的进口安装有过滤网。7.根据权利要求6所述的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，超临界co2转化系统(3)连通所述产物收集腔(51)的底部，以向所述产物收集腔(51)提供超临界co2。8.根据权利要求1所述的基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，其特征在于，还包括换热系统(6)，所述换热系统(6)用于冷却所述气体分离系统(1)中用于传输分离出的h2o的管道及加热所述超临界co2转化系统(3)。

技术总结

本发明涉及一种基于光催化与太阳能的空气减碳及有机物合成装置，包括气体分离系统、NH3合成系统、超临界CO2转化系统、光催化超临界CO2还原系统、产物收集系统及菲涅尔高倍聚光热电转化系统，气体分离系统用于分离出气体中的H2、N

技术研发人员：

陈海飞 杨慧涵 张昊骅 邹蕊 白俊萌 朱佳闵 刘世贸

受保护的技术使用者：

常州大学

技术研发日：

2022.08.02

技术公布日：

2022/12/30