二氧化碳处理装置、二氧化碳处理方法及乙烯的制造方法与流程

1.本发明涉及一种二氧化碳处理装置、二氧化碳处理方法及乙烯的制造方法。


背景技术：

2.以往，已知一种技术，是回收废气和大气中的二氧化碳，进行电化学还原而获得有价值的资源。该技术是能有望实现碳中和的技术，但最大的问题是经济性。为了改善经济性，在二氧化碳的回收及还原中，重要的是提高能量效率并降低二氧化碳的损失。
3.作为回收二氧化碳的技术，已知一种技术，是使气体中的二氧化碳物理或化学性地吸附于固体或液体的吸附剂后，借由热等能量使其脱离来进行利用。另外，作为电化学还原二氧化碳的技术，已知一种技术，是对在气体扩散层的与电解液接触的一侧使用二氧化碳还原催化剂而形成了催化剂层的阴极，从气体扩散层的与催化剂层相反的一侧供给二氧化碳气体来进行电化学还原(例如，参照专利文献1)。
4.以往，回收二氧化碳的技术与电化学还原二氧化碳的技术是分别进行研究开发。因此，组合了各自的技术情况下的综合能量效率和二氧化碳的损失降低效果，虽然可以根据各技术的效率乘数性地决定，但还有进一步提高的空间。如此，就将回收二氧化碳的技术与电化学还原二氧化碳的技术组合的综合观点而言，提高能量效率和二氧化碳的损失降低效果可谓意义深远。
5.[先前技术文献]
[0006]
(专利文献)
[0007]
专利文献1：国际公开第2018/232515号


技术实现要素：

[0008]
[发明所要解决的问题]
[0009]
但是，在电化学还原二氧化碳的技术中，存在以下问题：当供给至阴极侧的二氧化碳溶解在电解液中时，电解液弱碱化，而由于在弱碱下难以进行还原反应，因此作为目标的乙烯的生成效率差。因此，期望有一种技术，其可以更有选择性且高效地生成目标生成物即乙烯。
[0010]
本发明是鉴于上述而成，目的在于提供一种技术，是在回收二氧化碳并进行电化学还原的二氧化碳处理装置中，可以更有选择性且高效地生成乙烯。
[0011]
[解决问题的技术手段]
[0012]
(1)本发明涉及一种二氧化碳处理装置(例如，后述的二氧化碳处理装置100)，具备：回收装置(例如，后述的回收装置1)，回收二氧化碳；及，电化学反应装置(例如，后述的电化学反应部2)，对前述回收装置所回收的二氧化碳进行电化学还原；前述电化学反应装置具备：第一电解槽(例如，后述的第一电解槽21)，将二氧化碳电化学还原为一氧化碳；及，第二电解槽(例如，后述的第二电解槽22)，将由前述第一电解槽生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。
[0013]
在(1)的二氧化碳处理装置中，借由第一电解槽将二氧化碳电化学还原为一氧化碳后，借由第二电解槽将由第一电解槽生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。即，在供给的二氧化碳溶解而电解液弱碱化的第一电解槽中，特意将一氧化碳的生成作为目标。而且，由于一氧化碳不溶解于电解液，而电解液不会弱碱化，因此将第一电解槽中所生成的一氧化碳供给至第二电解槽。由此，可以在第二电解槽中避免电解液的弱碱化，同时促进一氧化碳的电化学还原反应，因此，根据(1)的二氧化碳处理装置，可以有选择性且高效地生成乙烯。
[0014]
(2)在(1)的二氧化碳处理装置中，可选地，前述电化学反应装置还具备：一氧化碳供给通道(例如，后述的一氧化碳供给通道20)，设置在前述第一电解槽与前述第二电解槽之间，将前述第一电解槽所生成的一氧化碳供给至前述第二电解槽。
[0015]
(3)在(2)的二氧化碳处理装置中，可选地，前述回收装置具备二氧化碳吸收部(例如，后述的co2吸收部12)，所述二氧化碳吸收部将二氧化碳溶解在强碱的电解液中并予以吸收，向前述电化学反应装置供给由前述二氧化碳吸收部溶解在电解液中的二氧化碳。
[0016]
(4)在(3)的二氧化碳处理装置中，可选地，前述第一电解槽具备：阴极(例如，后述的阴极211)；阳极(例如，后述的阳极212)；电解质膜(例如，后述的阴离子交换膜213)，设置在前述阴极与前述阳极之间；阴极侧液流道(例如，后述的阴极侧液流道214a)，与前述阴极邻接设置，供溶解有二氧化碳的电解液流动；及，阳极侧液流道(例如，后述的阳极侧液流道216a)，与前述阳极邻接设置，供电解液流动；并且，前述第二电解槽具备：阴极(例如，后述的阴极221)；阳极(例如，后述的阳极222)；电解质膜(例如，后述的阴离子交换膜223)，设置在前述阴极与前述阳极之间；阴极侧气体流道(例如，后述的阴极侧气体流道224a)，与前述阴极邻接设置，供气体流动；阴极侧液流道(例如，后述的阴极侧液流道225a)，与前述阴极邻接设置，供电解液流动；及，阳极侧液流道(例如，后述的阳极侧液流道226a)，与前述阳极邻接设置，供电解液流动；并且，前述一氧化碳供给通道设置成将前述第一电解槽中的前述阴极侧液流道的出口与前述第二电解槽中的前述阴极侧气体流道的入口连接。
[0017]
(5)在(1)至(4)中任一项的二氧化碳处理装置中，可选地，其还具备增碳反应装置(例如，后述的增碳反应装置4)，所述增碳反应装置将由前述电化学反应装置还原二氧化碳而生成的乙烯多聚化来增碳。
[0018]
(6)另外，本发明涉及一种二氧化碳处理方法，对二氧化碳进行电化学还原，所述二氧化碳处理方法包括：第一工序(例如，后述的第一还原工序)，借由第一电解槽将二氧化碳电化学还原为一氧化碳；及，第二工序(例如，后述的第二还原工序)，借由第二电解槽将前述第一工序中所生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。
[0019]
(7)另外，本发明涉及一种乙烯的制造方法，借由(6)的二氧化碳处理方法，将二氧化碳还原而制造乙烯。
[0020]
(发明的效果)
[0021]
根据本发明，在回收二氧化碳并进行电化学还原的二氧化碳处理装置中，可以更有选择性且高效地生成乙烯。
附图说明
[0022]
图1是绘示本发明的实施方式的二氧化碳处理装置的框图。
[0023]
图2是绘示电化学反应部的电解槽的一例的概略剖面图。
[0024]
图3a是绘示放电时的电能储存部的镍氢电池的图。
[0025]
图3b是绘示充电时的电能储存部的镍氢电池的图。
具体实施方式
[0026]
以下，参照附图对本发明的实施方式进行详细说明。
[0027]
[二氧化碳处理装置]
[0028]
图1是绘示本发明的实施方式的二氧化碳处理装置100的框图。如图1所示，本实施方式的二氧化碳处理装置100具备回收装置1、电化学反应部2、电能储存装置3、增碳反应装置4及热交换部5。回收装置1具备co2浓缩部11及co2吸收部12。电化学反应部2具备电解槽。电能储存装置3具备转换部31及电能储存部32。增碳反应装置4具备热反应部41及气液分离部42。
[0029]
在二氧化碳处理装置100中，co2浓缩部11与co2吸收部12借由气体流道61而连接。co2吸收部12与电能储存部32借由液流道62及液流道66而连接。电能储存部32与热交换部5借由液流道63而连接。热交换部5与电化学反应部2借由液流道64而连接。电化学反应部2与电能储存部32借由液流道65而连接。电化学反应部2与热反应部41借由气体流道67而连接。热反应部41与气液分离部42借由气体流道68及气体流道70而连接。在热反应部41与热交换部5之间设置有热媒的循环流道69。co2浓缩部11与气液分离部42借由气体流道71而连接。
[0030]
上述的各流道没有特别限定，可以适当使用公知的配管等。在气体流道61,67,68,70,71中，可以适当设置压缩机等送气手段、或阀、流量计等测量设备等。另外，在液流道62～66中，可以适当设置泵等送液手段、或阀、流量计等测量设备等。
[0031]
回收装置1回收二氧化碳。向co2浓缩部11供给大气、废气等包含二氧化碳的气体g1。co2浓缩部11对气体g1中的二氧化碳进行浓缩。作为co2浓缩部11，只要可以对二氧化碳进行浓缩，便可以采用公知的浓缩装置，例如，可以利用：利用了对膜的透过速度的不同的膜分离装置；利用化学性或物理性吸附、脱离的吸附分离装置。从分离性能优异的观点出发，优选化学吸附的特别是利用变温吸附的吸附。
[0032]
由co2浓缩部11浓缩了二氧化碳的浓缩气体g2借助气体流道61而被供给至co2吸收部12。另外，与浓缩气体g2分离后的分离气体g3借助气体流道71而被供给至气液分离部42。
[0033]
在co2吸收部12中，从co2浓缩部11供给的浓缩气体g2中的二氧化碳气体与电解液a接触，二氧化碳溶解在电解液a中而被吸收。作为使二氧化碳气体与电解液a接触的方法，没有特别限定，例如可以例示向电解液a中吹入浓缩气体g2来进行起泡的方法。
[0034]
在co2吸收部12中，作为吸收二氧化碳的吸收液，使用由强碱水溶液组成的电解液a。二氧化碳中，由于氧原子强烈吸引电子，因此碳原子带正的电荷(δ+)。因此，在大量存在氢氧化物离子的强碱水溶液中，二氧化碳从水合状态经过hco
3－
直至co
32－
，容易进行溶解反应，成为co
32－
的存在比率高的平衡状态。因而，二氧化碳与氮、氢、氧之类的其他气体相比容易溶解于强碱水溶液，在co2吸收部12中，浓缩气体g2中的二氧化碳被电解液a选择性地吸收。如此，借由在co2吸收部12中使用电解液a，可以促进二氧化碳的浓缩。因此，在co2浓缩部11中，不需要将二氧化碳浓缩至高浓度，可以降低在co2浓缩部11中进行浓缩所需的能量。
[0035]
由co2吸收部12吸收了二氧化碳的电解液b借助液流道62、电能储存部32、液流道63、热交换部5、液流道64而被送往电化学反应部2。另外，从电化学反应部2流出的电解液a
借助液流道65、电能储存部32、液流道66而被送往co2吸收部12。如此，在二氧化碳处理装置100中，电解液在co2吸收部12、电能储存部32及电化学反应部2之间循环。
[0036]
作为用于电解液a的强碱水溶液，可以例示氢氧化钾水溶液、氢氧化钠水溶液。其中，从co2吸收部12中的二氧化碳的溶解性优异，促进电化学反应部2中的二氧化碳的还原的观点出发，优选使用氢氧化钾水溶液。
[0037]
图2是绘示电化学反应部2的电解槽的一例的概略剖面图。电化学反应部2具备第一电解槽21及第二电解槽22，作为电解槽。电化学反应部2借由这些第一电解槽21及第二电解槽22来电化学还原二氧化碳。更详细而言，本实施方式的电化学反应部2的特征在于，在借由二氧化碳的电化学还原反应将乙烯作为目标生成物的反应历程(reaction path)中，分为从二氧化碳向一氧化碳的还原反应、与从一氧化碳向乙烯的还原反应这两个还原反应来执行。此外，在图2中示出了一个电解槽，但电化学反应部2优选具备电解槽堆，所述电解槽堆是将多个具备第一电解槽21及第二电解槽22的电解槽层叠而构成。
[0038]
如图2所示，第一电解槽21配置在后述的第二电解槽22的上游侧。第一电解槽21具备阴极211、阳极212、阴离子交换膜213、形成阴极侧液流道214a的阴极侧液流道结构体214、形成阳极侧液流道216a的阳极侧液流道结构体216、供电体217、及供电体218。
[0039]
在第一电解槽21中，依次层叠有供电体217、阴极侧液流道结构体214、阴极211、阴离子交换膜213、阳极212、阳极侧液流道结构体216、供电体218。另外，在阴极211与阴极侧液流道结构体214之间形成有阴极侧液流道214a，在阳极212与阳极侧液流道结构体216之间形成有阳极侧液流道216a。这些阴极侧液流道214a与阳极侧液流道216a设置在将阴极211、阴离子交换膜213及阳极212夹在中间而相互对向的位置。这些阴极侧液流道214a与阳极侧液流道216a优选分别设置多个，其形状除了直线状之外，也可以是锯齿状。
[0040]
供电体217及供电体218与电能储存装置3的电能储存部32电连接。另外，阴极侧液流道结构体214与阳极侧液流道结构体216均为导电体，可以借由从电能储存部32供给的电力向阴极211与阳极212之间施加电压。
[0041]
阴极211是对二氧化碳进行还原的电极。更详细而言，第一电解槽21的阴极211主要将二氧化碳还原为一氧化碳。其中，所生成的一氧化碳的一部分也可以直至被还原为乙烯。
[0042]
作为阴极211，例如可以例示具备气体扩散层、及形成在该气体扩散层的阴极侧液流道214a侧的阴极催化剂层的电极。阴极催化剂层也可以以其一部分进入气体扩散层中的方式配置。另外，在气体扩散层与阴极催化剂层之间，也可以配置比气体扩散层致密的多孔质层。
[0043]
作为形成阴极催化剂层的阴极催化剂，可以使用在二氧化碳的还原反应中使用的公知的催化剂。作为阴极催化剂的具体例，可以例示：金、银、铜、铂、钯、镍、钴、铁、锰、钛、镉、锌、铟、镓、铅、锡等金属；它们的合金或金属间化合物；钌络合物、铼络合物等金属络合物。其中，作为从二氧化碳向一氧化碳的还原反应中优选的阴极催化剂，可以列举银、金、锌。作为阴极催化剂，可以单独使用一种，也可以并用两种以上。作为阴极催化剂，也可以使用金属粒子担载于碳材料(碳粒子、碳纳米管、石墨烯等)而成的担载催化剂。
[0044]
作为阴极211的气体扩散层，没有特别限定，例如可以例示碳纸、碳布。阴极211的制造方法没有特别限定，例如可以例示在气体扩散层的成为阴极侧液流道214a侧的面上，
涂布包含阴极催化剂的液状组合物的浆料并进行干燥的方法。
[0045]
阳极212是对氢氧化物离子进行氧化而生成氧的电极。作为阳极212，例如可以例示具备气体扩散层、及形成在该气体扩散层的阳极侧液流道216a侧的阳极催化剂层的电极。阳极催化剂层也可以以其一部分进入气体扩散层中的方式配置。另外，在气体扩散层与阳极催化剂层之间，也可以配置比气体扩散层致密的多孔质层。
[0046]
作为形成阳极催化剂层的阳极催化剂，没有特别限定，可以使用公知的阳极催化剂。具体而言，例如可以例示：铂、钯、镍等金属；它们的合金或金属间化合物；氧化锰、氧化铱、氧化镍、氧化钴、氧化铁、氧化锡、氧化铟、氧化钌、氧化锂、氧化镧等金属氧化物；钌络合物、铼络合物等金属络合物。作为阳极催化剂，可以单独使用一种，也可以并用两种以上。
[0047]
作为阳极212的气体扩散层，例如可以例示碳纸、碳布。另外，作为气体扩散层，也可以使用网状材料、冲孔材料、多孔体、金属纤维烧结体等多孔质体。作为多孔质体的材质，例如可以例示：钛、镍、铁等金属；它们的合金(例如，不锈钢(steel use stainless,sus))。
[0048]
作为阴极侧液流道结构体214及阳极侧液流道结构体216的材质，例如可以例示钛、sus等金属、碳。
[0049]
作为供电体217及供电体218的材质，例如可以例示铜、金、钛、sus等金属、碳。作为供电体217及供电体218，也可以使用在铜基材的表面实施镀金等镀敷处理而得的供电体。
[0050]
另外，如图2所示，第二电解槽22配置在第一电解槽21的下游侧。第二电解槽22具备阴极221、阳极222、阴离子交换膜223、形成阴极侧气体流道224a的阴极侧气体流道结构体224、形成阴极侧液流道225a的阴极侧液流道结构体225、形成阳极侧液流道226a的阳极侧液流道结构体226、供电体227及供电体228。
[0051]
在第二电解槽22中，依次层叠有供电体227、阴极侧气体流道结构体224、阴极211、阴极侧液流道结构体225、阴离子交换膜223、阳极222、阳极侧液流道结构体226、供电体228。另外，在阴极221与阴极侧气体流道结构体224之间形成有阴极侧气体流道224a，在阴极221与阴极侧液流道结构体225之间形成有阴极侧液流道225a，在阳极222与阳极侧液流道结构体226之间形成有阳极侧液流道226a。这些阴极侧气体流道224a、阴极侧液流道225a及阳极侧液流道226a设置在将阴极221、阴离子交换膜223、阳极222夹在中间而分别对向的位置。这些阴极侧气体流道224a、阴极侧液流道225a及阳极侧液流道226a优选分别设置多个，其形状除了直线状之外，也可以是锯齿状。
[0052]
另外，第二电解槽22具备：阴极侧电解液循环通道225b，将阴极侧液流道225a的入口与出口连接；及，阳极侧电解液循环通道226b，将阳极侧液流道226a的入口与出口连接。借由阴极侧电解液循环通道225b，能够使流经阴极侧液流道225a的阴极侧电解液2ce循环。同样，借由阳极侧电解液循环通道226b，能够使流经阳极侧液流道226a的阳极侧电解液2ae循环。此外，作为阴极侧电解液2ce及阳极侧电解液2ae，例如可以使用与上述的电解液a相同的强碱水溶液。
[0053]
供电体227及供电体228与电能储存装置3的电能储存部32电连接。另外，阴极侧气体流道结构体224、阴极侧液流道结构体225及阳极侧液流道结构体226均为导电体，可以借由从电能储存部32供给的电力向阴极221与阳极222之间施加电压。
[0054]
阴极221如后段详述，对以一氧化碳为主体的气体进行还原，所述一氧化碳是由第一电解槽21还原二氧化碳而生成。更详细而言，第二电解槽22的阴极221是将一氧化碳还原
为乙烯的电极。另外，阴极221也可以将未被第一电解槽21还原为一氧化碳的未反应的二氧化碳还原为乙烯。
[0055]
作为阴极221，例如可以例示具备气体扩散层、及形成在该气体扩散层的阴极侧液流道225a侧的阴极催化剂层的电极。阴极催化剂层也可以以其一部分进入气体扩散层中的方式配置。另外，在气体扩散层与阴极催化剂层之间，也可以配置比气体扩散层致密的多孔质层。
[0056]
作为形成阴极催化剂层的阴极催化剂，可以使用在二氧化碳的还原反应中使用的公知的催化剂。作为阴极催化剂的具体例，可以例示：金、银、铜、铂、钯、镍、钴、铁、锰、钛、镉、锌、铟、镓、铅、锡等金属；它们的合金或金属间化合物；钌络合物、铼络合物等金属络合物。其中，作为从一氧化碳向乙烯的还原反应中优选的阴极催化剂，可以列举铜。作为阴极催化剂，可以单独使用一种，也可以并用两种以上。作为阴极催化剂，也可以使用金属粒子担载于碳材料(碳粒子、碳纳米管、石墨烯等)而成的担载催化剂。
[0057]
作为阴极221的气体扩散层，没有特别限定，例如可以例示碳纸、碳布。阴极221的制造方法没有特别限定，例如可以例示在气体扩散层的成为阴极侧液流道225a侧的面上，涂布包含阴极催化剂的液状组合物的浆料并进行干燥的方法。
[0058]
阳极222是对氢氧化物离子进行氧化而生成氧的电极。作为阳极222，例如可以例示具备气体扩散层、及形成在该气体扩散层的阳极侧液流道226a侧的阳极催化剂层的电极。阳极催化剂层也可以以其一部分进入气体扩散层中的方式配置。另外，在气体扩散层与阳极催化剂层之间，也可以配置比气体扩散层致密的多孔质层。
[0059]
作为形成阳极催化剂层的阳极催化剂，没有特别限定，可以使用公知的阳极催化剂。具体而言，例如可以例示：铂、钯、镍等金属；它们的合金或金属间化合物；氧化锰、氧化铱、氧化镍、氧化钴、氧化铁、氧化锡、氧化铟、氧化钌、氧化锂、氧化镧等金属氧化物；钌络合物、铼络合物等金属络合物。作为阳极催化剂，可以单独使用一种，也可以并用两种以上。
[0060]
作为阳极222的气体扩散层，例如可以例示碳纸、碳布。另外，作为气体扩散层，也可以使用网状材料、冲孔材料、多孔体、金属纤维烧结体等多孔质体。作为多孔质体的材质，例如可以例示：钛、镍、铁等金属；它们的合金(例如，sus)。
[0061]
作为阴极侧气体流道结构体224、阴极侧液流道结构体225及阳极侧液流道结构体216的材质，例如可以例示钛、sus等金属、碳。
[0062]
作为供电体227及供电体228的材质，例如可以例示铜、金、钛、sus等金属、碳。作为供电体227及供电体228，也可以使用在铜基材的表面实施镀金等镀敷处理而成的供电体。
[0063]
针对由以上说明的第一电解槽21及第二电解槽22进行的二氧化碳的还原反应，以下，将更详细地进行说明。
[0064]
具有上述构造的第一电解槽21是流动槽(flow cell)，从co2吸收部12供给并经由电能储存部32及热交换部5而送来的电解液b流入至阴极侧液流道214a。借由对阴极211与阳极212施加电压，流经阴极侧液流道214a的电解液b中的溶解二氧化碳在阴极211被电化学还原。阴极侧液流道214a的入口处的电解液b由于溶解有二氧化碳，因此成为co
32－
的存在比率高的弱碱状态。另一方面，随着流经阴极侧液流道214a而进行还原，溶解二氧化碳量即电解液中的co
32－
量下降，由此在阴极侧液流道214a的出口，成为强碱状态的电解液a。从阴极侧液流道214a的出口流出的电解液a被送至后述的电能储存部32。
[0065]
如上所述，在第一电解槽21的阴极211，由于电解液b处于弱碱下，因此还原二氧化碳而生成的生成物主要是一氧化碳。具体而言，在阴极211，借由进行以下的阴极半反应式所示的反应，而生成作为气体状生成物的一氧化碳。所生成的气体状的一氧化碳从阴极侧液流道214a的出口流出。
[0066]
[阴极半反应式]
[0067]
2co
32－
+4h2o
→
2co+8oh
－
[0068]
第一电解槽21的阴极211中所产生的氢氧化物离子透过阴离子交换膜213而向阳极212移动，并在以下的阳极半反应式所示的反应中被氧化而生成氧。所生成的氧透过阳极212的气体扩散层而流入至阳极侧液流道216a，并从阳极侧液流道216a的出口流出。
[0069]
[阳极半反应式]
[0070]
8oh
－
→
o2+2h2o+4oh
－
[0071]
因而，在第一电解槽21中，整体上进行以下的全反应式所示的反应。
[0072]
[全反应式]
[0073]
2co
32－
+2h2o
→
2co+o2+4oh
－
[0074]
如此，在本实施方式的二氧化碳处理装置100中，将用于电化学反应部2的电解液共用作co2吸收部12的吸收液，在溶解在电解液b中的状态下直接将二氧化碳供给至电化学反应部2进行电化学还原。由此，与例如使二氧化碳吸附于吸附剂，并借由加热使其脱离而还原的情况相比，降低了二氧化碳的脱离所需的能量，从而可以提高能量效率。
[0075]
此处，如上所述，阴极侧液流道214a的入口处的电解液b由于溶解有二氧化碳，因此成为co
32－
的存在比率高的弱碱状态。与此相对，在二氧化碳的还原反应中，存在以下问题：由于在弱碱下难以进行还原反应，因此作为目标的乙烯的生成效率差。因此，如上所述，从第一电解槽21的阴极侧液流道214a的出口流出的气体中，一氧化碳为主体。
[0076]
与此相对，本实施方式的电化学反应部2具备一氧化碳供给通道20，所述一氧化碳供给通道20将从第一电解槽21的阴极侧液流道214a的出口流出的以一氧化碳为主体的气体，供给至第二电解槽22的阴极侧气体流道224a。一氧化碳供给通道20设置成将第一电解槽21中的阴极侧液流道214a的出口与第二电解槽22中的阴极侧气体流道224a的入口连接。
[0077]
第二电解槽22是流动槽，从第一电解槽21经由一氧化碳供给通道20而供给的一氧化碳流入至阴极侧气体流道224a。借由对阴极221与阳极222施加电压，流经阴极侧气体流道224a的一氧化碳在阴极221被电化学还原而生成乙烯。
[0078]
具体而言，在第二电解槽22的阴极221，借由进行以下的阴极半反应式所示的反应，而生成作为气体状生成物的乙烯。从第一电解槽21经由一氧化碳供给通道20而供给的一氧化碳不溶解于电解液，而电解液不会弱碱化。因此，在第二电解槽22的阴极221，高效地进行一氧化碳的还原反应，结果，高效地生成乙烯。
[0079]
[阴极半反应式]
[0080]
2co+4h2o
→
c2h4+4oh
－
[0081]
第二电解槽22的阴极221中所产生的氢氧化物离子透过阴离子交换膜223而向阳极222移动，并在以下的阳极半反应式所示的反应中被氧化而生成氧。所生成的氧透过阳极222的气体扩散层而流入至阳极侧液流道226a，并从阳极侧液流道226a的出口流出。
[0082]
[阳极半反应式]
[0083]
4oh
－
→
o2+2h2o
[0084]
因而，在第二电解槽22中，整体上进行以下的全反应式所示的反应。
[0085]
[全反应式]
[0086]
2co+2h2o
→
c2h4+2o2[0087]
如以上所说明，在本实施方式中，借由第一电解槽21将二氧化碳电化学还原为一氧化碳后，借由第二电解槽22将由第一电解槽21生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。即，在供给的二氧化碳溶解而电解液弱碱化的第一电解槽21中，特意将一氧化碳的生成作为目标。而且，由于一氧化碳不溶解于电解液，而电解液不会弱碱化，因此将第一电解槽21中所生成的一氧化碳供给至第二电解槽22。由此，可以在第二电解槽22中避免电解液的弱碱化，同时促进一氧化碳的电化学还原反应，因此，根据本实施方式，可以有选择性且高效地生成乙烯。
[0088]
返回图1，电能储存装置3是向电化学反应部2供给电力的装置。在转换部31，可再生能源被转换为电能。作为转换部31，没有特别限定，例如可以例示风力发电机、太阳能发电机、地热发电机等。电能储存装置3所具有的转换部31可以是一个或多个。
[0089]
电能储存部32与转换部31电连接。在电能储存部32，储存由转换部31转换后的电能。借由在电能储存部32储存转换后的电能，即使在转换部31未发电的时间段，也可以向电化学反应部2稳定地供给电力。另外，在利用可再生能源的情况下，一般而言电压变动容易变大，但借由在电能储存部32暂时储存，可以以稳定的电压向电化学反应部2供给电力。
[0090]
本实施方式的电能储存部32由镍氢电池构成。其中，电能储存部32只要能够充放电即可，例如也可以由锂离子二次电池等构成。
[0091]
此处，图3a是绘示放电时的电能储存部32的镍氢电池的图。图3b是绘示充电时的电能储存部32的镍氢电池的图。如这些图3a及图3b所示，电能储存部32是具备正极33、负极34、设置在正极33与负极34之间的隔膜35、形成在正极33与隔膜35之间的正极侧流道36、及形成在负极34与隔膜35之间的负极侧流道37的镍氢电池。正极侧流道36与负极侧流道37例如能够使用与电化学反应部2的阴极侧液流道或阳极侧液流道相同的液流道结构体来形成。
[0092]
作为正极33，例如可以例示在正极集电体的正极侧流道36侧涂布正极活性物质而成的正极。作为正极集电体，没有特别限定，例如可以例示镍箔、镀镍金属箔。作为正极活性物质，没有特别限定，例如可以例示氢氧化镍、羟基氧化镍。
[0093]
作为负极34，例如可以例示在负极集电体的负极侧流道37侧涂布负极活性物质而成的负极。作为负极集电体，没有特别限定，例如可以例示镍网。作为负极活性物质，没有特别限定，例如可以例示公知的贮氢合金。
[0094]
作为隔膜35，没有特别限定，例如可以例示离子交换膜。
[0095]
电能储存部32的镍氢电池是流动槽，电解液流向隔膜35的正极33侧的正极侧流道36与隔膜35的负极34侧的负极侧流道37各者。在本实施方式的二氧化碳处理装置100中，从co2吸收部12借助液流道62而供给的电解液b、及从电化学反应部2借助液流道65而供给的电解液a以被供给至正极侧流道36与负极侧流道37各者的方式流动。
[0096]
另外，液流道62及液流道63向电能储存部32的连接分别借由例如切换阀等，而能够切换与正极侧流道36连接的状态、和与负极侧流道37连接的状态。同样，液流道65及液流
道66向电能储存部32的连接分别借由例如切换阀等，而能够切换与正极侧流道36连接的状态、和与负极侧流道37连接的状态。
[0097]
在镍氢电池放电时，在正极33由水分子产生氢氧化物离子，移动到负极34的氢氧化物离子从贮氢合金接受氢离子而产生水分子。因此，就放电效率的观点而言，流经正极侧流道36的电解液有利的是为弱碱状态，流经负极侧流道37的电解液有利的是为强碱状态。因此，在放电时，如图3a所示，优选将液流道62及液流道63连接于正极侧流道36，将液流道65及液流道66连接于负极侧流道37，使从co2吸收部12供给的弱碱状态的电解液b流经正极侧流道36，从电化学反应部2供给的强碱状态的电解液a流经负极侧流道37。即，在放电时，优选电解液按照co2吸收部12、电能储存部32的正极侧流道36、电化学反应部2、电能储存部32的负极侧流道37、co2吸收部12的顺序循环。
[0098]
另外，在镍氢电池充电时，在正极33由氢氧化物离子产生水分子，在负极34水分子被分解为氢原子与氢氧化物离子，氢原子被吸留于贮氢合金。因此，就充电效率的观点而言，流经正极侧流道36的电解液有利的是为强碱状态，流经负极侧流道37的电解液有利的是为弱碱状态。因此，在充电时，如图3b所示，优选将液流道62及液流道63连接于负极侧流道37，将液流道65及液流道66连接于正极侧流道36，使从co2吸收部12供给的弱碱状态的电解液b流经负极侧流道37，从电化学反应部2供给的强碱状态的电解液a流经正极侧流道36。即，在充电时，优选电解液按照co2吸收部12、电能储存部32的负极侧流道37、电化学反应部2、电能储存部32的正极侧流道36、co2吸收部12的顺序循环。
[0099]
一般而言，当将二次电池组装至装置中时，存在综合能量效率会下降充放电效率的量的倾向。然而，在本实施方式中，借由如上所述，利用电化学反应部2的前后的电解液a与电解液b的ph梯度，合理地改换流至电能储存部32的正极侧流道36与负极侧流道37的电解液，可以改善由能斯特(nernst)公式所表示的电极反应的“浓度过电压”量的充放电效率。
[0100]
返回图1，增碳反应装置4是将由电化学反应部2还原二氧化碳而生成的乙烯多聚化来增碳的装置。借由在电化学反应部2中的还原而生成的乙烯气体c借助气体流道67而被送至热反应部41。在热反应部41，在烯烃多聚化催化剂的存在下，进行乙烯的多聚化反应。由此，能够制造例如1-丁烯、1-己烯、1-辛烯等经增碳的烯烃。
[0101]
作为烯烃多聚化催化剂，没有特别限定，可以使用多聚化反应中使用的公知的催化剂，例如可以例示将二氧化硅氧化铝或沸石用于载体的固体酸催化剂、过渡金属络合物化合物。
[0102]
在本实施方式的增碳反应装置4中，从热反应部41流出的多聚化反应后的生成气体d借助气体流道68而被送至气液分离部42。碳数6以上的烯烃在常温下为液体。因此，例如在将碳数6以上的烯烃作为目标碳化合物的情况下，借由使气液分离部42的温度为30℃左右，可以将碳数6以上的烯烃(烯烃液e1)与碳数小于6的烯烃(烯烃气体e2)容易地气液分离。另外，借由提高气液分离部42的温度，可以加大所获得的烯烃液e1的碳数。
[0103]
如果供给至回收装置1的co2浓缩部11的气体g1为大气，则在气液分离部42中的生成气体d的冷却中，也可以利用从co2浓缩部11借助气体流道71而送来的分离气体g3。例如，使用具有冷却管的气液分离部42，在冷却管内流通分离气体g3，在冷却管外流通生成气体d，使其在冷却管的表面凝集而形成烯烃液e1。另外，由于由气液分离部42分离后的烯烃气
体e2包含乙烯等未反应成分、或碳数比目标烯烃少的烯烃，因此可以借助气体流道70而返送至热反应部41，以再用于多聚化反应。
[0104]
热反应部41中的乙烯的多聚化反应是供给物质的焓比生成物质高、反应焓为负的发热反应。在二氧化碳处理装置100中，利用在增碳反应装置4的热反应部41中所产生的反应热来加热热媒f，借助循环流道69使热媒f循环至热交换部5，在热交换部5中使热媒f与电解液b之间进行热交换。由此，供给至电化学反应部2的电解液b被加热。在使用强碱水溶液的电解液b中，即使升温，溶解二氧化碳也不易作为气体而分离，而由于电解液b的温度上升，电化学反应部2中的氧化还原的反应速度提高。
[0105]
增碳反应装置4也可以还具备利用在电化学反应部2中生成的氢，进行将乙烯多聚化而获得的烯烃的氢化反应的反应部、或进行烯烃或石蜡的异构化反应的反应部。
[0106]
[二氧化碳处理方法]
[0107]
本发明的实施方式的二氧化碳处理方法例如借由使用上述的二氧化碳处理装置100来执行。具体而言，本实施方式的二氧化碳处理方法优选包括：工序(a)，使二氧化碳气体接触由强碱水溶液组成的电解液，将二氧化碳溶解在电解液中并予以吸收；及，工序(b)，对电解液中的溶解二氧化碳进行电化学还原。本实施方式的二氧化碳处理方法可以在乙烯的制造方法中使用。
[0108]
另外，本实施方式的二氧化碳处理方法的特征在于，上述的工序(b)那样的二氧化碳的电化学还原工序包括：第一工序，借由第一电解槽21将二氧化碳电化学还原为一氧化碳；及，第二工序，借由第二电解槽22将第一工序中所生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。由此，在供给的二氧化碳溶解而电解液弱碱化的第一电解槽21中，特意将一氧化碳的生成作为目标，将在第一电解槽21中所生成的一氧化碳供给至第二电解槽。由于一氧化碳不溶解于电解液，而电解液不会弱碱化，因此可以在第二电解槽22中避免电解液的弱碱化，同时促进一氧化碳的电化学还原反应，从而可以有选择性且高效地生成乙烯。
[0109]
另外，本实施方式的二氧化碳处理方法优选像上述的二氧化碳处理装置100那样使用具备增碳反应装置4的二氧化碳处理装置的情况那样，除了工序(a)及工序(b)之外，还包括将还原二氧化碳而生成的乙烯多聚化的工序(c)。
[0110]
此外，本发明并不限定于上述各形态，在可以实现本发明的目的的范围内的变形、改良包含在本发明中。
[0111]
在上述实施方式中，构成为将二氧化碳溶解在电解液中而供给至电化学反应部2，但并不限定于此。也可以构成为以二氧化碳气体的状态直接供给至电化学反应部2。该情况下，例如也可以构成为在电化学反应部2的第一电解槽21中设置阴极侧气体流道，并向该阴极侧气体流道供给二氧化碳气体。即使在该情况下，二氧化碳气体也会流入并溶解在阴极侧液流道内流动的电解液中，使电解液弱碱化，因此具有应用本发明的意义。
[0112]
此外，在以二氧化碳气体的状态直接供给至电化学反应部2的情况下，在第一电解槽中进行以下所示的反应式。在第二电解槽中进行的反应与上述实施方式相同。
[0113]
[阴极半反应式]
[0114]
2co2+2h2o
→
2co+4oh
－
[0115]
[阳极半反应式]
[0116]
4oh
－
→
o2+2h2o
[0117]
[全反应式]
[0118]
2co2+2h2o
→
2co+o2[0119]
另外，在上述实施方式中，二氧化碳处理装置100构成为具备回收装置1、电能储存装置3、增碳反应装置4及热交换部5，但并不限定于此，也可以构成为不具有这些中的全部或一部分。
[0120]
附图标记
[0121]
1回收装置
[0122]
2电化学反应部(电化学反应装置)
[0123]
4增碳反应装置
[0124]
12co2吸收部
[0125]
20一氧化碳供给通道
[0126]
21第一电解槽
[0127]
22第二电解槽
[0128]
211、221阴极
[0129]
212、222阳极
[0130]
213、223阴离子交换膜(电解质膜)
[0131]
214a、225a阴极侧液流道
[0132]
216a、226a阳极侧液流道
[0133]
224a阴极侧气体流道
[0134]
100二氧化碳处理装置

技术特征：
1.一种二氧化碳处理装置，具备：回收装置，回收二氧化碳；及，电化学反应装置，对前述回收装置所回收的二氧化碳进行电化学还原；前述电化学反应装置具备：第一电解槽，将二氧化碳电化学还原为一氧化碳；及，第二电解槽，将由前述第一电解槽生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。2.根据权利要求1所述的二氧化碳处理装置，其中，前述电化学反应装置还具备：一氧化碳供给通道，设置在前述第一电解槽与前述第二电解槽之间，将前述第一电解槽所生成的一氧化碳供给至前述第二电解槽。3.根据权利要求2所述的二氧化碳处理装置，其中，前述回收装置具备二氧化碳吸收部，所述二氧化碳吸收部将二氧化碳溶解在强碱的电解液中并予以吸收，向前述电化学反应装置供给由前述二氧化碳吸收部溶解在电解液中的二氧化碳。4.根据权利要求3所述的二氧化碳处理装置，其中，前述第一电解槽具备：阴极；阳极；电解质膜，设置在前述阴极与前述阳极之间；阴极侧液流道，与前述阴极邻接设置，供溶解有二氧化碳的电解液流动；及，阳极侧液流道，与前述阳极邻接设置，供电解液流动；并且，前述第二电解槽具备：阴极；阳极；电解质膜，设置在前述阴极与前述阳极之间；阴极侧气体流道，与前述阴极邻接设置，供气体流动；阴极侧液流道，与前述阴极邻接设置，供电解液流动；及，阳极侧液流道，与前述阳极邻接设置，供电解液流动；并且，前述一氧化碳供给通道设置成将前述第一电解槽中的前述阴极侧液流道的出口与前述第二电解槽中的前述阴极侧气体流道的入口连接。5.根据权利要求1至4中任一项所述的二氧化碳处理装置，其还具备增碳反应装置，所述增碳反应装置将由前述电化学反应装置还原二氧化碳而生成的乙烯多聚化来增碳。6.一种二氧化碳处理方法，对二氧化碳进行电化学还原，所述二氧化碳处理方法包括：第一工序，借由第一电解槽将二氧化碳电化学还原为一氧化碳；及，第二工序，借由第二电解槽将前述第一工序中所生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。7.一种乙烯的制造方法，借由权利要求6所述的二氧化碳处理方法，将二氧化碳还原而制造乙烯。

技术总结
本发明要解决的问题是提供一种技术，是在回收二氧化碳并进行电化学还原的二氧化碳处理装置中，可以更有选择性且高效地生成乙烯。为了解决上述问题，本发明提供一种二氧化碳处理装置(100)，其具备：回收装置(1)，回收二氧化碳；及，电化学反应部(2)，对回收装置(1)所回收的二氧化碳进行电化学还原；电化学反应部(2)具备：第一电解槽(21)，将二氧化碳电化学还原为一氧化碳；及，第二电解槽(22)，将由第一电解槽(21)生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。槽(21)生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。槽(21)生成的一氧化碳电化学还原为乙烯。


技术研发人员：及川博
受保护的技术使用者：本田技研工业株式会社
技术研发日：2023.02.27
技术公布日：2023/9/13