一种二氧化碳分解装置

1.本发明涉及二氧化碳转化技术领域，具体而言，涉及一种二氧化碳分解装置。


背景技术：

2.为应对气候变化，我国提出“二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060年前实现碳中和”等目标。在此背景下，二氧化碳捕集、利用和封存技术(carbon capture,utilization and storage，ccus)作为限制二氧化碳排放的一种有效、可持续方法，逐渐受到人们的重视。这种技术可有效缓解温室效应，被认为是未来大规模减少温室气体排放、减缓全球变暖可行的方法。
3.众所周知，二氧化碳作为一种储量丰富、安全、廉价易得、特殊的可再生资源，通过化学转化可实现对co2的资源化利用，以获得高附加值的能源、材料及化工产品。因此自20世纪70年代中期以来，关于二氧化碳活化转化的研究一直是人们追求的热点，相关研究涉及到现代化学合成的各个领域，包括精细化学品、大宗化学、药物开发、生物基聚合物等。然而，在人们的研究过程中发现co2在其化学转化中常表现为热力学稳定性和动力学相对惰性，且co2化学转化产品结构单一、转化效率不高。
4.等离子体富含各种离子、电子、激发态的原子、分子及自由基等极活泼的高活性物种。等离子体中的高能粒子能量一般为几至几十电子伏特,足以提供化学反应所需的活化能。此外,由于低温等离子体处于非平衡态,而这种非平衡特性对化学反应十分有利,可以打破热力学平衡对反应的限制。因此可以利用气体放电产生的高能粒子，将二氧化碳分解成一氧化碳和氧气，从而利用放电将二氧化碳进行转化。现有技术中利用等离子体分解二氧化碳比较常见的提高气体转化效率的方法包括：改变高压电极的材质、形貌，或者改变进气速度、反应环境温度，或者添加吸附材料等，这些方式是基于改变外界条件来实现的，二氧化碳转化效率提高不明显，且后续氧气需要进一步作提纯处理。


技术实现要素：

5.本发明解决的问题是现有基于改变外界条件来提高二氧化碳转化效率的方式转化效率不高。
6.为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种二氧化碳分解装置，包括：
7.主管，所述主管的侧壁上分别设置有适于二氧化碳进出的进气口和出气口；
8.支管，所述支管设置于所述进气口与所述出气口之间的主管上；
9.导电金属棒，所述导电金属棒设置于所述主管内部；
10.接地电极，所述接地电极设置于所述主管外部；
11.磁场发生装置，所述磁场发生装置设置于所述主管的外侧，用于产生磁场，以将所述主管内所述二氧化碳分解产生的氧气从所述支管分离出去。
12.较佳地，所述支管为多个，多个所述支管沿所述主管轴向间隔设置于所述主管外壁。
13.较佳地，所述磁场发生装置包括铁棒和缠绕在所述铁棒上的导电线圈，所述铁棒设置于所述主管的外侧，所述导电线圈适于与直流电源连接。
14.较佳地，所述铁棒的数量与所述支管相同，且多个所述铁棒并联在直流电路中。
15.较佳地，所述磁场发生装置还包括滑动变阻器，所述滑动变阻器与所述铁棒串联，且多个所述滑动变阻器并联在所述直流电路中。
16.较佳地，所述铁棒正对设置于所述支管与所述主管的连接处。
17.较佳地，所述铁棒的直径与所述支管与所述主管连接处的直径相同。
18.较佳地，所述支管与所述主管之间的夹角为25
°‑
40
°
。
19.较佳地，所述接地电极包括设置于所述主管外壁的ito薄膜。
20.较佳地，所述磁场发生装置包括磁铁，所述磁铁平行于所述主管设置，且所述磁铁靠近所述主管的一侧为s极。
21.本发明相较于现有技术的优势在于：
22.本发明的二氧化碳分解装置，利用磁场发生装置产生的磁场对氧气的作用力，使得氧气路径发生偏转并从支管中分离，从而实现在二氧化碳分解过程中不断的提取分离氧气，避免氧气与一氧化碳再次复合，进而提高二氧化碳转化效率。
附图说明
23.图1为本发明实施例中二氧化碳分解装置的整体结构示意图；
24.图2为本发明另一实施例中二氧化碳分解装置的整体结构示意图。
25.附图标记说明：
26.1-主管；2-接地电极；3-导电金属棒；4-进气口；5-出气口；6-支管；7-滑动变阻器；8-铁棒；9-磁铁。
具体实施方式
27.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
28.请参阅图1所示，本发明实施例的一种二氧化碳分解装置，包括：
29.主管1，主管1的侧壁上分别设置有适于二氧化碳进出的进气口4和出气口5；
30.支管6，支管6设置于进气口4与出气口5之间的主管1上；
31.导电金属棒3，导电金属棒3设置于主管1内部；
32.接地电极2，接地电极2设置于主管1外部；
33.磁场发生装置，磁场发生装置设置于主管1的外侧，用于产生磁场，以将主管1内二氧化碳分解产生的氧气从支管6分离出去。
34.通过气体放电产生的高能粒子可以将二氧化碳分解成一氧化碳和氧气，本实施例中，主管1、导电金属棒3和接地电极2形成一个介质阻挡放电装置，其中，导电金属棒3包括黄铜棒，作为高压电极，当然也可以为其它金属电极。应当理解，主管1的两端采用真空管接头密封，二氧化碳气流由进气口4进入主管1内，进行介质阻挡放电，分解成一氧化碳和氧气。但是，由于氧气和一氧化碳极不稳定，使得在放电过程中一氧化碳和氧气又会复合成稳定的二氧化碳，从而降低二氧化碳的转化效率。
35.本实施例的二氧化碳分解装置，在二氧化碳分解过程中不断地将氧气分离出去，与现有技术中基于改变外界条件(例如增加填充介质、改变高压电极材质形貌等)来提高二氧化碳转化效率的方式相比，极大的简化了氧气后期提纯的操作，且避免了二氧化碳分解成的一氧化碳和氧气再次复合，从而提高二氧化碳转化效率。
36.由于氧气分子中存在单电子从而表现出顺磁性，而二氧化碳和一氧化碳在磁场条件下均表现出逆磁性，且根据相关研究表明，假设氧气的相对磁化率为100，则二氧化碳的相对磁化率为-0.57，因此二氧化碳极难被磁化，而氧气是易磁化体，因此，利用磁场可以将氧气与一氧化碳和二氧化碳分离。
37.本实施例中，通过在主管1上设置支管6，并在主管1外侧设置磁场，利用磁场对氧气产生的洛伦兹力使氧气的气流路径发生偏转，进而从支管6分离出去。
38.因此，不同于传统介质阻挡放电分解二氧化碳的装置，本实施例的二氧化碳分解装置，利用磁场发生装置产生的磁场对氧气的作用力，使得氧气路径发生偏转并从支管6中分离，从而实现在二氧化碳分解过程中不断的提取分离氧气，避免氧气与一氧化碳再次复合，进而提高二氧化碳转化效率。
39.其中一些实施方式中，磁场发生装置包括铁棒8和缠绕在铁棒8上的导电线圈，导电线圈适于与直流电源连接，导电线圈优选为铜线圈，铁棒8设置于主管1的外侧，优选地，铁棒8正对设置于支管6与主管1的连接处。通过在铁棒8上缠绕铜线圈，并使铜线圈通电产生电流，进而形成磁场。且由于铁棒8正对于支管6与主管1的连接处，即铁棒8与主管1垂直，因此会形成垂直磁场，此时主管1内氧气气流所受磁场力最大。当主管1内分解产生的氧气经过支管6与主管1连接处时，受垂直磁场作用，氧气路径发生偏转，进入支管6内。优选地，铁棒8的直径与支管6与主管1连接处的直径相同。由此，保证氧气能够在磁场作用力下及时分离出去。
40.其中一些实施方式中，在主管1的靠近两端一定距离处分别设置两个直管通道作为进气口4和出气口5，由于二氧化碳在主管1内经过的距离较长，因此沿主管1轴向方向间隔设置多个支管6，以在二氧化碳分解过程的不同阶段均能够进行氧气的分离。另外，铁棒8的数量与支管6相同，且多个铁棒8并联在直流电路中，使得每个支管6与主管1连接处均能够受到磁场作用。
41.其中一些实施方式中，由于氧气的浓度在分离过程中是不断减小的，因此需要调整相应的磁场强度来维持分离效率，所以磁场强度需要随氧气浓度的减小而相应增强，因此，本实施例中磁场发生装置还包括滑动变阻器7，滑动变阻器7与铁棒8串联，且多个滑动变阻器7并联在直流电路中。由此，通过改变并联电路中各滑动变阻器7的阻值大小，可以改变各并联电路中电流的大小，实现梯度电流，从而实现梯度磁场。
42.本实施例的磁场发生装置包括铁棒8、导电线圈及滑动变阻器7，通过将铁棒8和滑动变阻器7串联后再并联到直流电路中，使得在二氧化碳分解过程中，可以根据主管1内氧气的浓度变化进行磁场强度的相应调整，从而实现全程较高的氧气分离效率。
43.在二氧化碳气体流速为30-50ml/min的条件下，垂直磁场对氧气产生洛伦兹力使其路径发生偏转，相关计算表明此时的氧气偏转曲率约为25
°‑
40
°
，因此优选地，支管6与主管1之间的夹角设置为25
°‑
40
°
，以与氧气偏转角度一致，更好的进行氧气分离。
44.其中一些实施方式中，如图2所示，磁场发生装置也可以包括磁铁9，磁铁9平行于
主管1设置，且磁铁9靠近主管1的一侧为s极。优选地，磁铁9为钕铁硼磁铁。
45.其中一些实施方式中，接地电极2包括设置于主管1外壁的ito(掺锡氧化铟)薄膜。由于ito薄膜为透明的，因此，本实施例使用ito薄膜作为接地电极2使得二氧化碳的放电过程可视化。由此，利用发射光谱仪对主管1不同位置的发射光谱进行采集，通过分析发射光谱中特征峰的强弱从而分析二氧化碳的动态转化规律。而常规分析二氧化碳转化产物的方式通常需要通过气相色谱-质谱联用仪进行分析，该装置需要精密的泵送装置且装置的体积过于庞大、昂贵不适用于产业化，而本装置结构简单可以通过便携式发射光谱仪进行动态监测，便携性较好。
46.下面通过具体的实施例进行说明。
47.实施例1
48.如图1所示，图1中主管1为一根长1000mm，外径50mm，内径45mm的石英玻璃管，在玻璃管外侧贴上一层厚度为0.05mm的ito薄膜作为接地电极2。玻璃管中间插入一根长1200mm、直径20mm的黄铜棒作为高压电极。通过真空管接头将将铜棒和玻璃管密封形成一个介质阻挡放电装置。在玻璃棒靠近管接头50mm处分别开两个外径为30mm、壁厚2mm的直管通道作为进气口4和出气口5。进气口4和出气口5之间的玻璃管一侧开有与玻璃管成一定夹角的细玻璃管作为支管6，用于分离氧气。细玻璃管的长100mm，外径为10mm，壁厚2mm，各细玻璃管之间的间隔为150mm。
49.在每个细玻璃管与主管1的分离处的一侧设置一个磁场用于分离氧气。该磁场是通过在铁棒8上缠绕铜线圈后给与铜线圈电流形成磁场。铁棒8的直径与主管1和细玻璃管夹角处的直径大小一致，距离细玻璃管5cm处，铁棒8与主管1垂直且所有铁棒8并联在直流电路中。通过滑动变阻器7实现梯度电流，最终实现梯度磁场。
50.实施例2
51.与本实施例与实施例1的区别在于磁场发生装置的不同。如图2所示，钕铁硼磁铁位于玻璃管靠细玻璃管一侧且与玻璃管平行，磁铁9的磁场强度为0.5特斯拉，靠近玻璃管的一侧为s极。进气口4和出气口5之间的玻璃管一侧开有与玻璃管夹角为30
°
的细玻璃管。
52.虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。