一种提高从海水中提取的CO2纯度的海水酸化装置及方法

本发明涉及水电解领域，具体涉及一种提高从海水中获取co2纯度的海水酸化装置及方法。

背景技术：

在整个环境中，大气中的二氧化碳与海洋是始终平衡的。全世界海水中碳元素的总含量高达38000千亿吨，大约2-3％是以二氧化碳气体溶解的形式存在，剩下的97-98％是以碳酸氢盐和碳酸盐的化合状态存在。根据目前世界海洋的体积估算，海洋碳源是约为大气碳源的175多倍，当按照质量与体积比时，海洋中二氧化碳浓度(100mg/l)约为大气中浓度(0.77mg/l)的140倍。海水中溶解的hco3^-与co3^2-决定了深度为100米以上的海水ph值，与co2存在着如下的平衡：

[co2]t＝[co2(g)]+[hco3^-]+[co3^2-]

因此，高效节能利用海水中高浓度的co2对于环境的保护具有深远意义：首先，去除海水中的co2可以间接的影响大气中的二氧化碳含量，海水与大气中的二氧化碳存在平衡，去除海水中的co2可以间接降低大气中的二氧化碳含量，降低温室效应；其次，产生的新海水介质将能够从大气中吸收更多的二氧化碳，而不会影响海洋的酸碱性，再者，从海水中吸取co2比传统碱液吸收的能耗更低，可以直接应用于生物固碳、低温固化等领域。目前，去除海水(或水)中溶解的co2的主要方法有：电化学法、加热/减压法、化学沉淀法、鼓泡法、阴离子交换膜法等。其中电化学法具有效率高，纯度高等优点成为研究热点。

目前，专利【us20130206605a1】和【us20140238869a1】通过电化学方法酸化海水，来提取co2，两个专利中，将海水进行酸化处理后，从酸化的海水中提取co2，上述专利中在提取co2时，只提到co2脱除率，并未提到产生co2的纯度，而事实上，在该过程，由于海水中溶解有除co2以外的其他气体，最终得到的co2的纯度会受到一定影响，对co2提纯会需要额外增加装置，不利于从海水中脱除co2的实际使用。

技术实现要素：

为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种提高从海水中提取co2纯度的海水酸化装置及方法，通过对海水进行脱气预处理，使用水电解技术，通过离子交换方式来酸化海水，并通过减压分解提高产生co2的纯度，具有成本低，效率高，稳定性好，有利于方便得到纯度较高的co2。

本发明技术方案如下：

第一方面，本发明提供了一种提高从海水中提取co2纯度的海水酸化装置，

所述海水酸化装置包括预脱气装置组、海水酸化电解池组和脱气装置组；

所述海水酸化电解池组包括n个并联的海水酸化电解池，n≥1，n取整数；

所述预脱气装置组包括a个预脱气装置，所述a个预脱气装置之间串联连接，a≥1，a取整数；

所述脱气装置组包括b个脱气装置，所述b个脱气装置之间串联连接，b≥1，b取整数；

所述海水酸化电解池组具有海水进口和海水出口；

所述海水酸化电解池包括中间离子交换腔；

所述海水进口和海水出口与n个中间离子交换腔相连通；

所述预脱气装置组具有出口i，所述出口i与海水进口相连通；

所述脱气装置组具有进口ii，所述进口ii与海水出口相连通。

所述单个使用的海水酸化电解池由依次间隔平行设置的端板、阳极部分、第一离子交换膜、中间离子交换腔、第二离子交换膜、阴极部分、端板构成；阳极部分的极板上靠近第一离子交换膜侧设有流场、与第一离子交换膜之间形成流通通道，其为阳极部分；阴极部分的极板上靠近第二离子交换膜侧设有流场、与第二离子交换膜之间形成流通通道，其为阴极部分；于第一离子交换膜与第二离子交换膜之间留有作为海水通道的空隙，其为中间离子交换腔；端板分别与阳极部分、阴极部分贴合，整个装置通过密封件组合成为一个整体。

所述的多个海水酸化电解池并联时，相邻两个电解池的阴极部分的极板与阳极部分的极板相连接，组合为导电双极板，所述端板分别与第一个海水酸化电解池的阳极部分的极板和最后一个海水酸化电解池的阴极部分贴合，整个装置通过密封件组合成为一个整体。

所述海水酸化电解池(组)还包括阳极液入口、阳极液出口、阴极液入口和阴极液出口。

海水通过水泵通入到预脱气装置中，使用的脱气装置为通过采用真空减压降低液体中的溶解气体量的原理制作的装置，对海水进行脱气预处理，通过提高海水脱气处理时间或增加串联脱气装置，从而脱除海水中溶解的气体。

基于上述技术方案，优选地，

所述预脱气装置和脱气装置为真空脱气机和脱气膜中的一个；

所述脱气膜具有a侧和b侧，所述海水流经a侧，所述b侧为持续真空状态。

预脱气装置和脱气装置为真空脱气机或脱气膜，所述真空脱气机包括真空罐，所述真空罐的罐体可以持续提供真空状态，进入到罐体的海水，在真空减压状态下，溶解在海水中的气体可以被脱除，或采用脱气膜，海水流经膜表面，在膜另一侧提供持续真空状态，溶解在海水中的气体透过膜被脱除，得到脱气后的海水。

基于上述技术方案，优选地，

所述预脱气装置组具有进口i，所述进口i依次连接流量计和循环水泵。

基于上述技术方案，优选地，

所述预脱气装置组出口i与海水进口之间连有换热器。

第二方面，本发明提供了一种提高从海水中提取co2纯度的方法，所述方法利用上述的海水酸化装置，海水进入预脱气装置脱除溶解在海水中的气体，脱气后的海水进入海水酸化电解池组，使用水电解技术，通过离子交换方式酸化海水，酸化后的海水进入脱气装置，通过减压分解得到co2。

所述方法通过海水酸化电解池组将海水ph降低，并通过脱气装置产生co2，为提高产生co2的纯度，在通入海水酸化电解池组前，进行海水脱气预处理，脱除海水中溶解的气体，从而提高co2的纯度。

该方法所用的预脱气装置，是用来进行海水脱气预处理，基于减压降低溶解度原理，在真空状态下，溶解在海水中的气体会脱除，并通过海水酸化电解池组酸化海水后，脱气装置用来从酸化海水中提取co2，基于减压碳酸分解的原理，在真空状态下，碳酸分解产生co2，在进行海水脱气预处理后，从酸化海水中脱除的co2，不会混入其他气体，从而可以提高co2纯度。

将海水管路与海水酸化装置的通道对应连接，海水通过水泵输送到预脱气装置后，进行脱气处理，得到的海水输送到海水酸化电解池组的中间离子交换腔，阳极液从阳极液容器中通过水泵直接输送到海水酸化电解池组的阳极液入口后，从阳极液出口返回到阳极液容器中，阴极液从阴极液容器中通过水泵输送到海水酸化电解池组的阴极液入口后，从阴极液出口排出；或阳极液从阳极液容器中通过水泵输送到海水酸化电解池组的阳极液入口后，从阳极液出口流出的气液混合物经气液分离得到的液体，从阴极液入口流入后，从阴极液出口流出。

将装置两端的电极板上加载直流电，在一定工作电流、流量、温度和压力条件下，能够产生驱动离子的迁移力，在该装置中，阳极部分产生的h⁺，透过阳离子交换膜进入到中间离子交换腔，来取代na⁺，形成h2co3和hcl，从而使海水ph降低，在中间离子交换腔的金属阳离子透过阳离子交换膜进入到阴极侧，与阴极部分产生的oh^-形成碱液，从阴极液出口流出。通过离子交换，h⁺取代na⁺，在海水中产生的h2co3和hcl，使海水ph降低为3-4，在海水ph降低到4.5以下时，h2co3含量达到一定值，可以分解产生co2。

阳极液为去离子水或经过软化后的脱氯和金属离子的海水，阴极液为经过软化后的海水或去离子水。所述方法的阳极液和阴极液流量为230-2000ml/min，装置操作温度为25-60℃，操作压力为100-350kpa，工作电流为2-30a，真空度为-0.09mpa～-0.1mpa。

有益效果

1、通过优化整套海水酸化脱除co2工艺流程，增加海水脱气预处理过程，从而有效提高从海水中提取co2的纯度。

2、通过对海水进行脱气预处理，使用水电解技术，通过离子交换方式来酸化海水，并通过减压分解提高产生co2的纯度，具有成本低，效率高，稳定性好，有利于方便得到纯度较高的co2。

附图说明

图1是电化学酸化装置原理示意图。

图2是海水中提取co2的装置流程图。

图3是实施例1中提取co2的浓度值曲线。

图4是实施例2中提取co2的浓度值曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

图1实施例1、2所使用的海水酸化电解池组的原理图，所述海水酸化电解池组由3个并联的海水酸化电解池组成，具体结构为：包括依次间隔平行设置的阳极i、第一离子交换膜i、中间离子交换腔i、第二离子交换膜i、双极板i、第一离子交换膜ii、中间离子交换腔ii、第二离子交换膜ii、及依次间隔平行设置的双极板ii、第一离子交换膜iii、中间离子交换腔iii、阴极iii，阳极i和阴极iii的外侧贴合有端板，上述组件通过密封件组合成为一个整体。

在装置两端的电极板上加载电流，能够产生驱动离子的迁移力，在该装置中，阳极部分产生的h⁺，透过阳离子交换膜进入到中间离子交换腔，来取代na⁺，形成h2co3和hcl，从而使海水ph降低，因此，阳极液的电导率需小于20μs/cm，这样，可以产生足够多h⁺，保证由足够多的h⁺通过阳离子交换膜，在中间离子交换腔的金属阳离子透过阳离子交换膜进入到阴极侧，与阴极部分产生的oh^-形成碱液，从阴极液出口流出。

图2为实施例1的提高从海水中提取co2纯度的装置流程图，海水通过耐腐蚀磁力循环水泵，经过流量计控制，输送到预脱气装置中进行脱气预处理，经溶氧量测试后，输送到海水酸化电解池组的中间离子交换腔，阳极液为去离子水，通过耐腐蚀磁力循环水泵，经过流量计控制，输送到海水酸化电解池组阳极部分，阴极液为软化水，通过耐腐蚀磁力循环水泵，经过流量计控制，输送到海水酸化电解池组阴极部分，通过换热器控制进入海水酸化电解池组的海水、阳极液、阴极液的温度，通过阀门控制该装置的工作压力，在装置两端的极板上加载直流电，控制工作电流，可以使海水ph逐渐降低，阳极液和阴极液均以气液混合形式分别从阳极液出口和阴极液出口流出，阳极液从阳极液出口返回到阳极液容器中，产生的o2在阳极液容器中直接排出，阴极液出口的气液混合物通过气液分离器，将产生的h2排放到大气中，海水经过酸化后，在出口处通入到脱气装置中，分离并收集co2。

实施例1

在本实例中，配置海盐(bluediamondcoralsalt)浓度为35g/l的海水，该溶液中nahco3浓度为0.0023mol/l，配制的海水ph约为8.3。通过组装三节酸化池电堆，进行海水酸化及脱气实验，得到海水预脱气操作对co2浓度的影响。阳极和阴极液流量分别为230ml/min，在海水流量为60l/h时，通过预脱气装置进行海水预脱气处理后，通入到酸化电解池中，在2.7a操作电流条件下，海水ph可以控制在3.5左右，酸化后的海水通过脱气装置，可以提取出co2气体，经过色谱分析得到产生的co2气体浓度可以达到85.8％。

实施例2

在本实例中，配置海盐(bluediamondcoralsalt)浓度为35g/l的海水，该溶液中nahco3浓度为0.0023mol/l，配制的海水ph约为8.3。通过组装三节酸化池电堆，进行海水酸化及脱气实验，得到未经海水预脱气处理操作对co2浓度的影响。阳极和阴极液流量分别为230ml/min，在海水流量为60l/h时，通入到酸化电解池中，在2.7a操作电流条件下，海水ph可以控制在3.5左右，酸化后的海水通过脱气装置，可以提取出co2气体，经过色谱分析得到产生的co2气体浓度可以达到63.5％。

对于任何熟悉本领域的技术人员而言，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应仍属于本发明技术方案保护的范围内。