用于将城市固体废物产生的CO2转化为燃料和有用产品的装置、系统和方法与流程

本发明的领域是电化学。所描述的装置、系统和方法涉及用于将co2电化学还原为燃料和有用产品的工艺。

背景技术：

1、将产生的二氧化碳再循环回到燃料和有用化学品中开始对美国经济产生影响。目前，燃料和有机化学品通常仍由石油、煤和/或天然气“化石燃料”制成。然而，增加由回收co2制成的这类燃料和化学品的量将会减少美国对进口油的依赖。此外，因为发电厂中产生的co2会从废弃产物变成有用且有经济可行性的原料，所以造成气候变化的温室气体排放也会减少。

2、美国已经将产生可再生燃料的系统和设施的部署列为重要优先事项。与可再生燃料生产相关的经济也是有利的。美国能源部创建了一个每年投入$10,000,000的名为“用于电燃料的还原和升级(reduction and upgrading for e-fuels)(co2rue)”的联盟，其目标是开发将来自乙醇生物炼制厂的废弃co2转化为可持续航空燃料(saf)的技术。

3、如果美国要开始通过回收的co2满足其对燃料(包括航空染料)的需求，则需要额外的可再生co2来源。根据近期的一份报告，城市固体废物中有足够的碳来满足航空工业数倍的需求。遗憾地，来源是分散的。没有单一来源可以产生足以获得美国所需的25,000,000加仑/年的saf的co2。

4、近年来，在应对气候变化和开发可持续能源的迫切需求的推动下，将co2转化为高价值产品的领域已经取得快速进展。研究人员已经探索了多种方式，包括电化学方法、热化学方法和生物学方法，以高效地将co2转化为燃料和化学品。

5、特别地，电化学co2还原由于其高选择性和与可再生电力源的相容性的潜力而备受关注。这种方式一般涉及阴极和阳极的使用，在所述阴极处将co2还原以形成产物，比如一氧化碳、甲酸、乙烯或醇，并且在所述阳极处将水氧化以产生氧和质子。催化剂材料、电解质组成和操作条件的选择在确定工艺的产物分布和总体效率方面起重要作用。

6、此领域中先前的工作在co2转化技术方面已经取得重大进展。例如，名称为“用于将二氧化碳转化为有用的燃料和化学品的装置和方法”的美国专利号9,181,625公开了用于电化学电解池中的co2转化的催化剂层。‘625专利教导了针对所需产物如一氧化碳表现出提高的co2还原效率和选择性的催化剂层的使用。

7、另外，名称为“用于生产可再生燃料和化学品的系统和方法”的美国专利号10,280,378描述了用于同时进行co2捕获和向高价值产品的转化的系统和方法。美国专利号10,280,378中所描述的整合co2捕获和转化的方式代表了在co2利用的工艺强化方面的一个重要方向。通过将捕获步骤和转化步骤组合，这样的系统可以减少能量需求和设备成本。已经以各种配置对该构思进行进一步探索，包括使用双极膜、气体扩散电极和微流体装置。

8、除了美国专利号9,181,625中所描述的催化剂以外，研究人员研究了各种各样的用于co2电还原的材料。它们包括其他过渡金属、合金、金属氧化物和经分子工程设计的催化剂。例如，铜系催化剂显示出生产多碳产物如乙醇的前景，而银和金催化剂通常用于选择性co生产。正在进行的研究旨在开发在工业相关条件下具有改善的活性、选择性和稳定性的催化剂。

9、美国专利号9,181,625和美国专利号10,280,378的完整内容通过引用结合于此。

10、虽然已经有大量工作致力于开发将co2电化学还原为醇的催化剂，但是在同时具有高离子传导性和低醇窜流(crossover)的膜开发方面仍面临持续存在的挑战。许多研究人员努力创造表现出这些所需性能的膜，但是仅取得了有限的成效。这主要归因于在将阴离子传输与醇传输解耦方面的固有困难，因为这两种物质沿同一方向穿过膜。因此，离子传导性的改善通常导致相应的醇窜流增加，从而导致降低的产物选择性和总系统效率。

11、co2电还原系统的膜开发的挑战超越了在离子传导性与醇窜流之间的权衡。研究人员还正在研究增强co2到催化剂表面的传输、改善在工作条件下的机械和化学稳定性和减少膜污染的方式。正在探索的新型膜材料包括含有无机填料、具有定制的亲水性和疏水性结构域的嵌段共聚物和化学改性商业膜的复合膜。

12、采用城市固体废物(msw)作为用于燃料生产的co2源带来了独特的挑战和机遇。msw一般含有有机材料和无机材料的混合物，这需要高效的分类和加工技术来分离出富碳级分。正在开发用于废物气化和热解的技术以将msw转化为合成气(co和h2)，然后该合成气可以用作燃料合成的原料。备选地，有机废物的厌氧消化可以产生生物沼气，该沼气含有大量的可以被捕获和转化的co2。

13、msw源的分散特性需要开发可以以各种规模部署的模块化可扩展co2转化系统。这样的系统必须是稳健的，易于操作，并且能够应对来源于msw的co2固有的原料组成方面的波动性。另外，将这些系统与现有废物管理基础设施和本地能源网的整合同时带来了需要解决的技术挑战和物流挑战。

14、随着co2转化技术研究的进展，存在日益增长的对系统水平优化和寿命周期评估的关注，以确保所开发的工艺导致温室气体排放的净减少并且是经济可行的。这种整体方式考虑了在从co2捕获到最终燃料使用的整个生产链上的诸多因素，比如能量输入、材料需求和潜在的环境影响。

技术实现思路

1、在一些实施方案中，一种用于将co2转化为醇产物的模块化、自包含且即插即用系统可以包括co2电解装置、产物分离单元和配套设施(balance of plant)。

2、在一些实施方案中，所述co2电解装置可以包括多个隔室和膜。所述电解装置可以包括阴极隔室、阴离子交换膜、中央隔室、阳离子交换膜和阳极隔室。

3、在一些实施方案中，所述阴极隔室可以包括阴极流场、阴极气体扩散层和阴极催化剂层。在一些实施方式中，所述阴极流场可以具有在不锈钢板中机械加工形成的蛇形通道。所述阴极催化剂层可以包括铜系纳米结构，比如纳米粒子、纳米片或纳米立方体，所述铜系纳米结构涂布至所述阴极气体扩散层并且被配置用于将co2转化为醇。

4、在一些实施方案中，所述中央隔室可以位于与所述阴极隔室相邻的所述阴离子交换膜和与所述阳极隔室相邻的所述阳离子交换膜之间。在一些方面，所述中央隔室可以包括离子交换介质。在一些实施方案中，所述离子交换介质可以包括阳离子交换树脂、阴离子交换树脂珠、阳离子交换纤维毡和/或阴离子交换纤维毡。在某些实施方式中，所述离子交换介质的厚度可以是约2 mm。

5、在一些实施方案中，所述阴离子交换膜可以包含与以下各项中的至少一项结合的苄基：咪唑鎓、吡啶鎓、吡唑鎓、吡咯烷鎓、吡咯鎓、嘧啶鎓、哌啶鎓、吲哚鎓、三嗪鎓、鏻或季铵。在一些实施方案中，所述阴离子交换膜可以包含无机填料、有机填料和/或阻挡层。

6、在一些实施方案中，所述阳离子交换膜在一些实施方式中可以是厚度小于400 μm的nafion膜。

7、在一些实施方案中，所述阳极隔室可以包括阳极流场、阳极气体扩散层和阳极催化剂层。在一些方面，所述阳极流场可以具有在钛板中机械加工形成的蛇形通道。所述阳极催化剂层可以包含涂布至所述阳极气体扩散层的pt/c和/或pt合金纳米粒子催化剂，所述pt/c和/或pt合金纳米粒子催化剂被配置用于氧化h2和降低电解池电压。

8、在一些实施方案中，所述系统的所述产物分离单元在一些实施方案中可以包括冷凝器。所述冷凝器可以将醇产物与未反应的h2和/或co2分离，然后可以将所述未反应的h2和/或co2再循环以进料至所述co2电解装置。

9、在某些方面，所述配套设施可以包括在出现运行问题的情况下触发自动系统关机的安全系统。这可以有助于确保该模块化系统的安全且可靠的运行。

10、在一些实施方案中，所述系统的模块化、自包含特性可以在各种位置实现容易的安装和操作。整合设计可以将多个工艺步骤合并到统一的系统中，这可能提高co2向醇产物转化的总体效率。

11、在一些实施方案中，所述中央隔室位于紧邻阴极隔室中的阴极的阴离子交换膜和紧邻阳极隔室中的阳极的阳离子交换膜之间。

12、在一些实施方案中，co2在cu阴极处被还原为醇，并且与产生的oh-反应形成碳酸根/碳酸氢根，并且一些醇穿过阴离子交换膜窜流到中央隔室。

13、在一些实施方案中，阴离子交换膜电解装置(aem)具有高传导性和高醇窜流。

14、在一些实施方案中，所述中央隔室用于由窜流的碳酸根/碳酸氢根再生co2，收集窜流的醇，和/或进一步减少到阳极的醇窜流。

15、在一些实施方案中，所述阳离子交换膜(cem)抵靠阳极放置，并且阻挡碳酸根/碳酸氢根向阳极的传输，反而促进质子从阳极到中央隔室的传输。

16、在一些实施方案中，在pt/c阳极处的氢氧化代替氧析出，从而降低电解池电压。