一种基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统及方法

1.本发明属于二氧化碳捕集与利用技术领域，尤其涉及一种基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统及方法。

背景技术：

2.目前，二氧化碳是主要的温室气体之一，我国2020年排放二氧化碳约119亿吨。在碳中和战略背景下，为了减少向大气中排放二氧化碳，二氧化碳捕集受到了更多研究关注，具有广阔的发展前景和巨大的市场价值。目前，基于液体化学吸收捕集二氧化碳主要使用醇胺法，即使用醇胺溶液作为吸收剂，包括单乙醇胺、双乙醇胺、甲基二乙醇胺等。虽然此类醇胺法具有反应速率快的优势，但也面临诸多缺陷：醇胺溶液易挥发、溶剂损耗多、再生能耗高和设备易腐蚀等。尤其是醇胺溶液捕集二氧化碳后往往需要加热来解吸二氧化碳，由于醇胺与二氧化碳的反应焓高，使得目前基于醇胺法二氧化碳捕集技术的解吸能耗普遍高于2.2gj/t co2，严重制约了此类二氧化碳捕集技术的广泛应用。因此开发新型低成本二氧化碳捕集方法具有重要意义。
3.离子液体挥发性低，热稳定性好，且具有良好的导电能力。离子液体中阳离子部分的咪唑基或者氨基部分对二氧化碳具有特异性的捕获能力，因此氨基功能型离子液体和咪唑类离子液体对二氧化碳具有很好的溶解性。目前，虽然离子液体在二氧化碳捕集方面已经有研究报道，但报道中二氧化碳的解吸过程仍限于物理法，解吸下来的二氧化碳价值低，亟需开发更具市场价值的新工艺系统。
4.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：基于醇胺或离子液体的化学吸收法捕集二氧化碳的解吸能量消耗大，解吸下来的产物二氧化碳市场价值低，使得二氧化碳技术捕集技术整体经济性较差。

技术实现要素：

5.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统及方法。
6.本发明是这样实现的，一种基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统包括：
7.二氧化碳捕集模块，用于利用二氧化碳捕集器进行二氧化碳的捕集，所述二氧化碳捕集器采用离子液体作为化学吸收剂；
8.液体转运模块，将二氧化碳捕集器与电催化反应器连接，进行实现液体循环；
9.电催化反应模块，用于利用电催化反应器进行电催化反应。
10.进一步，在整个系统中，离子液体溶液既作为二氧化碳捕集剂又作为电催化反应的电解液，使用电催化二氧化碳还原产一氧化碳工艺过程替代传统二氧化碳捕集系统的热解吸工艺过程。
11.进一步，所述二氧化碳捕集器设置有捕集器罐体，所述捕集器罐体上端设置有气
体出口，所述捕集器罐体侧面下端设置有气体入口，所述气体入口通过单向进气阀与二氧化碳供气管路连通，捕集器罐体中存有离子液体溶液，气体入口低于捕集器罐体内离子液体溶液的液面高度。
12.进一步，所述捕集器罐体侧面上下两端分别设置有液体进口和液体出口，所述液体进口高于离子液体溶液液面高度，所述液体进口和液体出口分别与电催化反应器的液体流出口和进液口连通。
13.进一步，所述液体进口设置有液体喷淋装置，气体入口设置有布气装置，气体出口设置有气液分离装置。
14.进一步，所述液体转运模块包括第一液体转运单元和第二液体转运单元，所述捕集器罐体的液体进口和电催化反应器的液体流出口之间通过第二液体转运单元连通，所述捕集器罐体的液体出口和电催化反应器的进液口之间通过第一液体转运单元连通。
15.进一步，所述电催化反应器内部设置有阴极室和阳极室，所述电催化反应器的进液口设置在阴极室的下端，液体流出口设置在阴极室的侧面上端。
16.进一步，所述电催化反应器顶部设置有第一气体排出口和第二气体排出口，所述第一气体排出口与阴极室连通，所述第二气体排出口与阳极室连通。
17.进一步，所述阴极室和阳极室里侧分别设置有阴极电极和阳极电极，所述阴极电极和阳极电极与电源的负极和正极电连接。
18.进一步，所述电催化反应器采用h型双池反应器设计，阴极室和阳极室采用交换膜隔开。
19.本发明的另一目的在于提供一种基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原方法，所述基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原方法包括：
20.步骤一，通过预处理除去气体中的固体杂质，随后气体经单向进气阀进入二氧化碳捕集器中；
21.步骤二，气体中的二氧化碳与离子液体吸收液相互作用而被捕集，形成的富含二氧化碳的离子液体溶液通过第一液体输送单元输送至电催化反应器的阴极室；
22.ils+co
2(gas)
→
ils-co223.步骤三，阴极电极施加负电压，富含二氧化碳的离子液体溶液(ils-co2)流经阴极电极时发生电催化反应，产生一氧化碳气体并从电催化反应器顶部排出产生的气体，经过电解后的离子液体(ils)溶液输送回二氧化碳捕集器顶部用于二氧化碳捕集，实现液体的循环。
24.ils-co2+h2o
→
il+co
(gas)
+2oh-25.ils-co2+2h
+
→
il+co
(gas)
+h2o
26.结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：
27.第一、针对目前二氧化碳化学吸收捕集和解吸过程提出了新的方案，暨直接使用离子液体溶液作为吸收剂并使用电催化还原方法替代热解吸方法，不仅有助于降低吸收剂回用成本，而且可以产生更高价值的一氧化碳。本发明提供的一种基于离子液体捕集二氧化碳协同电催化还原产一氧化碳技术新工艺系统，具有二氧化碳捕集效率高、使用电催化技术代替热解吸、直接产出高价值气体产物、对设备友好的特点。
28.第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：
29.本发明将二氧化碳化学吸收捕集过程与电催化二氧化碳还原过程相耦联，系统整体运行后可以直接将输入气体中的二氧化碳组分捕集并转化为一氧化碳，无需传统热解吸产生二氧化碳的过程，产生的一氧化碳及伴随产生的氢气可以作为费托合成等化工过程的原料，有助于实现二氧化碳的捕集-转化一体化综合利用。
30.第三，本发明的技术方案通过选用特定离子液体作为二氧化碳的吸收剂和利用电催化的方式再生离子液体吸收剂，避免了二氧化碳捕集过程受制于解吸能耗高的问题，克服了化学吸收法捕集二氧化碳解吸能耗高的技术偏见。
31.本发明的技术方案将二氧化碳化学吸收捕集与电催化二氧化碳相结合，属于填补二氧化碳捕集行业技术空白；在碳中和战略下，二氧化碳捕集和转化应用前景广阔，本发明的技术方案转化后有助于降低二氧化碳捕集和转化成本，提高产品附加值。
附图说明
32.图1是本发明实施例提供的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统的结构示意图；
33.图2是本发明实施例提供的电催化反应器阴极室结构示意图；
34.图中：1、二氧化碳捕集器；1a、液体进口；1b、气体出口；1c、捕集器罐体；1d、气体入口；1e、液体出口；2、单向进气阀；3、第一液体输送单元；4、电催化反应器；4a、进液口；4b、液体流出口；4c、阴极电极；4d、交换膜；4e、阳极电极；4f、第一气体排出口；4g、第二气体排出口；5、电源；6、第二液体输送单元。
具体实施方式
35.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
36.为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。
37.如图1和图2所示，本发明实施例提供的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统包括二氧化碳捕集器1、单向进气阀2、液体输送单元3、电催化反应器4、电源5、液体输送单元6；
38.二氧化碳捕集器1设有液体进口1a、液体出口1e、气体入口1d、气体出口1b。捕集器罐体1c中存有离子液体溶液，气体入口1d低于捕集器内离子液体溶液的液面高度，可以设置布气装置；液体进口1a高于液面高度，可以设置液体喷淋装置。单向阀2与气体入口1d相连，允许气体进入捕集器并防止液体流出。气体进入捕集器后经过洗气后从顶部气体出口1d排出，气体出口可以设置气液分离装置。
39.液体输送单元3分别与二氧化碳捕集器的液体出口1e和电催化反应器4的阴极液入口4a相连，可以将捕集器下方的液体输送进电催化反应器阴极。与之相对应的液体输送单元6分别与电催化反应器4的阴极液出口4b和二氧化碳捕集器1的液体进口1a相连，可以
将反应后的溶液输送回捕集器再次循环利用。
40.电催化反应器4采用h型双池反应器设计，阴极室和阳极室采用交换膜4d隔开，阴极电极4c和阳极电极4e分别与电源5相连。在系统运行时，由电源5提供恒流或恒压的电能驱动电催化反应。阴极室下方设有进液口4a，由液体输送单元3将富含二氧化碳的离子液体溶液输入电催化反应器阴极室。进入阴极的溶液采用从下向上的流动形式，阴极电极4c上方留有一定空间，当阴极液体没过阴极时可以溢流进入阴极背面区域。阴极背面区域设置液体流出口4b，液体流出口在高度上低于阴极顶部。这种结构使得反应器内的液体可以在电催化反应后被液体输送单元6输送回二氧化碳捕集器1进行循环使用。阴极电催化反应产生的气体充满阴极室顶部空间，并由气体排出口4f排出反应器进入其他后续工艺进行纯化等，气体排出口可以设置气液分离装置。阳极室内进行电解水产氧反应或其他电化学氧化反应，产生的气体可以经过气体排出口4g收集或者排出。
41.在上述实例中，所述离子液体包括咪唑基离子液体和能够与二氧化碳形成特异性吸附的氨基功能化离子液体；所述阴极材料具有在离子液体溶液中电催化二氧化碳还原产一氧化碳能力；交换膜具有传递质子或阴离子能力。
42.该系统将离子液体溶解二氧化碳和电催化二氧化碳还原产一氧化碳相结合，不仅避免了二氧化碳捕集后吸收剂难以解吸回用的问题，而且同时实现了二氧化碳向一氧化碳的高价值转化。
43.本发明中的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统在操作时，先通过预处理除去气体中的固体杂质，保证吸收剂和系统能够长期稳定运行。随后气体经单向进气阀2进入二氧化碳捕集器1中，气体中的二氧化碳与离子液体吸收液相互作用而被捕集，形成的富液输送至电催化反应器4，电极阴极电解富含二氧化碳的离子液体溶液产生一氧化碳并从电催化反应器4顶部排出产生的气体，经过电解后的离子液体溶液输送回二氧化碳捕集器1顶部，实现液体的循环。
44.实施例相关效果的理论分析。当采用1-乙基-3甲基咪唑四氟硼酸盐离子液体(emim-bf4)做电解质、银催化剂做阴极时，将分别发生如下反应：
45.emim
+(ad)
+bf
4-+co2+e-→
[emim-co2]
(ad)
‑‑‑
bf
4-[0046]
[emim-co2]
(ad)
‑‑‑
bf
4-+2h
+
+e-→
co+h2o
[0047]
电催化反应器阴极将产生一氧化碳为主少量氢气的混合气体。采用离子液体作为电解质，有助于降低阴极电催化二氧化碳还原反应的过电位。
[0048]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上；术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
[0049]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

技术特征：

1.一种基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，包括：二氧化碳捕集模块，用于利用二氧化碳捕集器进行二氧化碳的捕集，所述二氧化碳捕集器采用离子液体作为化学吸收剂；液体转运模块，将二氧化碳捕集器与电催化反应器连接，进行实现液体循环；电催化反应模块，用于利用电催化反应器进行电催化反应。2.如权利要求1所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述二氧化碳捕集器设置有捕集器罐体，所述捕集器罐体上端设置有气体出口，所述捕集器罐体侧面下端设置有气体入口，所述气体入口通过单向进气阀与二氧化碳供气管路连通，捕集器罐体中存有离子液体溶液，气体入口低于捕集器罐体内离子液体溶液的液面高度。3.如权利要求2所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述捕集器罐体侧面上下两端分别设置有液体进口和液体出口，所述液体进口高于离子液体溶液液面高度，所述液体进口和液体出口分别与电催化反应器的液体流出口和进液口连通。4.如权利要求3所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述液体进口设置有液体喷淋装置，气体入口设置有布气装置，气体出口设置有气液分离装置。5.如权利要求3所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述液体转运模块包括第一液体转运单元和第二液体转运单元，所述捕集器罐体的液体进口和电催化反应器的液体流出口之间通过第二液体转运单元连通，所述捕集器罐体的液体出口和电催化反应器的进液口之间通过第一液体转运单元连通。6.如权利要求5所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述电催化反应器内部设置有阴极室和阳极室，所述电催化反应器的进液口设置在阴极室的下端，液体流出口设置在阴极室的侧面上端。7.如权利要求6所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述电催化反应器顶部设置有第一气体排出口和第二气体排出口，所述第一气体排出口与阴极室连通，所述第二气体排出口与阳极室连通。8.如权利要求6所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述阴极室和阳极室里侧分别设置有阴极电极和阳极电极，所述阴极电极和阳极电极与电源的负极和正极电连接。9.如权利要求6所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统，其特征在于，所述电催化反应器采用h型双池反应器设计，阴极室和阳极室采用交换膜隔开。10.一种用于实施权利要求1～9任意一项所述的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统的基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原方法，其特征在于，所述基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原方法包括：步骤一，通过预处理除去气体中的固体杂质，随后气体经单向进气阀进入二氧化碳捕集器中；步骤二，气体中的二氧化碳与离子液体吸收液相互作用而被捕集，形成的富含二氧化碳的离子液体溶液通过第一液体输送单元输送至电催化反应器的阴极室；
步骤三，阴极电极电解富含二氧化碳的离子液体溶液产生一氧化碳并从电催化反应器顶部排出产生的气体，经过电解后的离子液体溶液输送回二氧化碳捕集器顶部，实现液体的循环。

技术总结

本发明属于二氧化碳捕集与利用技术领域，公开了一种基于离子液体的二氧化碳捕集与电催化还原系统及方法，二氧化碳捕集模块利用二氧化碳捕集器进行二氧化碳的捕集，二氧化碳捕集器采用离子液体作为化学吸收剂；液体转运模块包括第一液体转运单元和第二液体转运单元，将二氧化碳捕集器与电催化反应器连接，进行实现液体循环；电催化反应模块利用电催化反应器进行电催化反应。本发明提供了一种基于离子液体捕集二氧化碳协同电催化还原产一氧化碳技术新工艺系统，该系统具有二氧化碳捕集效率高、使用电催化技术代替热解吸、直接产出高价值气体产物、对设备友好的特点。对设备友好的特点。对设备友好的特点。