[發明專利]一種生產高純碳酸鹽的解耦式二氧化碳礦化膜電解系統

有效

• 申請號: 202111674119.3
• 申請日: 2021-12-31
• 公開（公告）號: CN114349029B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 劉濤;吳一凡;謝和平;蘭鋮;王云鵬;趙治宇;唐文彬
• 申請（專利權）人: 四川大學
• 主分類號: C01D7/07
• 分類號: C01D7/07;C25B1/04;C25B9/19;C25B15/08;C01B32/50;C01F11/46
• 代理公司: 成都九鼎天元知識產權代理有限公司 51214
• 代理人: 呂玲

1.一種生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解方法，其特征在于，該方法包括外置電源，電化學PCET反應，高濃度酸的萃取與提純和非電化學反應還原再生四個主要流程；其中，外置電源為電化學反應提供能量，陽極發生有機PCET反應物的氧化反應，釋放H⁺使陽極液酸度提升，通過萃取劑將富酸陽極液中的酸性溶液萃取提純，并用以處理天然礦物或堿性固廢；陰極發生電化學析氫反應使陰極液堿度升高，用于吸收陽極區處理天然礦物或堿性固廢生成的CO₂生成HCO₃^-離子，陽極區的陽離子通過陽離子交換膜到達陰極側，與陰極側的HCO₃^-生成高純碳酸氫鹽，最終，陰極產生的氫氣在催化劑的作用下用以還原陽極的有機PCET反應物，實現陽極液的再生；

在陽極側，設置有萃取塔、酸溶反應器和沉淀反應器，陽極側電化學產生的H⁺在陽極區形成富酸溶液，富酸溶液與有機PCET氧化態反應物一起通入萃取塔，在萃取劑作用下將酸溶液與有機PCET氧化態反應物分離，酸溶液通入酸溶反應器，與天然礦物或堿性固廢反應生成CO₂與鈣鹽溶液；CO₂循環至陰極側CO₂吸收塔，鈣鹽溶液通入沉淀反應器與芒硝反應生成CaSO₄沉淀與鈉鹽電解質，鈉鹽電解質進入電解槽陽極側循環利用；在陽極側還設置有反萃塔和還原再生塔，有機PCET反應物Q與萃取劑混合溶液通入反萃塔，通過反萃劑實現萃取劑與有機PCET反應物Q的再分離，高效萃取劑循環回萃取塔；富含有機PCET氧化態的物質Q進入還原再生塔，在鉑催化劑的環境下，與陰極側氣液分離器分離出的H₂發生非電化學還原生成QH₂；

所述方法中所采用的生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解系統，該系統包括外置電源和電解反應器，電解反應器為電解槽結構，包括陰陽極和將陰陽極分隔開的陽離子交換膜，陽極采用石墨氈電極，陽極裝填有機PCET反應物和電解質；陰極為析氫電極，陰極裝填堿液。

2.如權利要求1所述的生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解方法，其特征在于，所述的有機PCET反應物的電極電位須高于析氫反應電位，確保非電化學還原反應的自發進行；有機PCET反應物在使用環境下需發生可逆或準可逆的電子e^-/質子H⁺轉移反應，確保陽極液的電化學酸化；有機PCET反應物包括但不限于鎢酸、咯嗪、吩嗪、醌及其衍生物。

3.如權利要求1所述生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解方法，其特征在于，所述的萃取劑包括但不限于醋酸丁酯、乙酸乙酯、氯仿、甲苯、有機磷酸、有機磺酸或羧酸。

4.如權利要求1所述生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解方法，其特征在于，所述的催化劑為Pt、Pt/C、Pd/C或Ni。

5.如權利要求1所述生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解方法，其特征在于，在陰極側，設置有氣液分離器、CO₂吸收塔和碳酸鹽結晶塔；在電流的作用下，陰極發生電化學還原反應分解水產生H₂和OH^-，使陰極液堿度增加，富堿陰極液通入氣液分離器，分離H₂和陰極液，陰極液通入CO₂吸收塔用于礦化CO₂產生NaHCO₃，富NaHCO₃溶液通入碳酸鹽結晶塔，生產高純碳酸鹽產品，其母液循環至電池陰極側。

6.如權利要求1所述生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解方法，其特征在于，在還原再生塔出口，富含QH₂的陽極液循環通入電解槽陽極室，實現有機PCET反應物的穩定循環。

7.如權利要求1所述生產高純碳酸鹽的解耦式CO₂礦化膜電解方法，其特征在于，所述的反萃劑包括但不限于稀酸液、水和碳酸鹽溶液。