Способ получения метана и кислорода


 

C25B3 - Электролитические способы; электрофорез; устройства для них (электродиализ, электроосмос, разделение жидкостей с помощью электричества B01D; обработка металла воздействием электрического тока высокой плотности B23H; обработка воды, промышленных и бытовых сточных вод или отстоя сточных вод электрохимическими способами C02F 1/46; поверхностная обработка металлического материала или покрытия, включающая по крайней мере один способ, охватываемый классом C23 и по крайней мере другой способ, охватываемый этим классом, C23C 28/00, C23F 17/00; анодная или катодная защита C23F; электролитические способы получения монокристаллов C30B; металлизация текстильных изделий D06M 11/83; декоративная обработка текстильных изделий местной

Владельцы патента RU 2407825:

Государственный научный центр Российской Федерации - Федеральное государственное унитарное предприятие "Исследовательский центр имени М.В. Келдыша" (RU)

Изобретение относится к способам получения метана и кислорода, применяемых в качестве топлива. Сущность изобретения заключается в том, что анодную камеру электролитической ячейки заполняют водой, а катодную камеру электролитической ячейки - водным раствором йодоводорода, после чего подают метанол в катодную камеру электролитической ячейки и напряжение на анод и катод, отбирают в газовой фазе кислород из анодной камеры электролитической ячейки и метан из катодной камеры электролитической ячейки. Химические процессы осуществляют в жидкой фазе при давлении от 0,8 до 1,5 атм и температуре от 18 до 40°С. Образующийся в результате химических процессов молекулярный йод в виде раствора в органическом растворителе, а именно в йодистом метиле - промежуточном продукте электрохимического восстановления метанола в водном растворе йодоводорода, подают в приэлектродную зону катодной камеры, возвращая в начало процесса. Предложенный способ значительно улучшает технико-экономические показатели процесса без уменьшения выхода целевого продукта за счет применения дополнительных реагентов, образующих промежуточные соединения, которые делают возможным проведение процесса в жидкой фазе в одном аппарате. 1 табл.

 

Изобретение относится к области электрохимического восстановления веществ, в частности к восстановлению метанола в электролитической ячейке для получения метана и кислорода, применяемых в качестве топлива.

Известны способы электролитического получения метана и кислорода из диоксида углерода и воды, которые описаны в патентах США № 3766027 и № 3852180. Недостатком предложенных технических решений является ведение химических процессов при высоких температурах (800-900°С).

В Патенте США № 4544459 предложен способ получения кислорода и водорода из воды с использованием йода, при котором электрохимический процесс осуществляют двумя стадиями. В первой электрохимической стадии получают йодоводород (HJ), а затем, последующим термическим разложением йодоводорода, получают водород. Достоинством данного способа является снижение удельных энергетических затрат на получение целевых продуктов, достигаемое за счет невысокого потенциала реакции J2→2J- и сравнительно низкой термической стабильности HJ. Однако, поскольку процесс осуществляют двумя стадиями, с разделенными электрохимической и термической зонами, это существенно ухудшает его технико-экономические показатели.

Наиболее близким к предлагаемому техническому решению является электрохимическое получение метана и кислорода (Billas В., Behr F., Hunsanger H. et al. The methane - methanol hybrid cycle // Hydrogen Energy Progress IV, 1982. - V.2. - pp.579-590). Сырьем электрохимической реакции служит метанол (СН3ОН). Электролиз осуществляется в газовой фазе в присутствии молекулярного йода (J2), что позволяет обеспечить деполяризацию и провести реакцию при относительно низкой температуре, когда промежуточные реакции образования окиси углерода (СО) и двуокиси углерода (СO2) подавлены. В качестве электролита используется ортофосфорная кислота. Разделяющая мембрана выполнена из твердополимерного электролита с протонной проводимостью типа NAFION. Содержание метана в продуктовом газе достигает 10%. Существенным недостатком метода является использование газодиффузионного электрода, сложного в изготовлении, что ухудшает технологические и экономические показатели.

Задачей данного технического решения является упрощение процесса получения метана и кислорода в электролитической ячейке со значительным снижением энергетических и капитальных затрат по сравнению с известными способами.

Технический результат достигается тем, что в способе получения метана и кислорода, заключающимся в том, что катодную камеру электролитической ячейки заполняют водным раствором неорганической кислоты, после чего постоянно подают метанол в катодную камеру электролитической ячейки и напряжение на анод и катод, отбирают в газовой фазе кислород из анодной камеры электролитической ячейки и метан из катодной камеры электролитической ячейки, анодную камеру электролитической ячейки заполняют водой, а катодную камеру электролитической ячейки заполняют водным раствором йодоводорода, химические процессы осуществляют в жидкой фазе при давлении от 0,8 до 1,5 атм и температуре от 18 до 40°С, при этом образующийся в результате химических процессов молекулярный йод в виде раствора в органическом растворителе, а именно в йодистом метиле - промежуточном продукте электрохимического восстановления метанола в водном растворе йодоводорода, - подают в приэлектродную зону катодной камеры, возвращая в начало процесса.

Заполнение анодной камеры электролитической ячейки водой и использование йодоводорода в качестве католита позволяет не только обеспечить протекание процесса электролиза в объеме электрода, но и осуществить вспомогательный цикл связанных реакций обмена и окислительно-восстановительных реакций, основанный на свойствах аниона. Образование целевого продукта (метана) через восстановление промежуточного продукта йодирования метилового спирта, позволяет снизить общие энергетические затраты на осуществление процесса и проводить его в жидкой фазе в условиях, близким к нормальным. Данный процесс легко преобразовать в замкнутый цикл путем выведения молекулярного йода в органическом растворителе. Для этого в условиях предлагаемого процесса используется йодистый метил, являющийся промежуточным продуктом йодирования метанола.

Способ реализуется в электрохимической ячейке, в анодной камере которой находится вода (Н2О), а в катодной - водный раствор йодоводорода (йодоводородная кислота). Метанол СН3ОН подается в катодную камеру, а на анод и катод - напряжение. В анодной камере протекает реакция электролитического разложения воды:

H2O-2e-→2H++ЅO2↑.

Образующиеся по реакции протоны переносятся через разделительную мембрану 6 в катодную камеру, где образуют с метиловым спиртом комплекс, обладающий повышенной реакционной способностью в реакциях нуклеофильного замещения. Данный комплекс вступает в реакцию с находящимся в растворе в катодной камере йодид-ионом с образованием йодистого метила:

СН3ОН+Н+↔СН3ОН2+

СН3ОН2++J-↔CH3J+Н2O.

Замыкающей реакцией цепи является реакция восстановления йодистого метила йодоводородом до метана с осаждением молекулярного йода.

CH3J+HJ→CH4↑+J2↓

Йод хорошо растворим в органических растворителях, но малорастворим в воде, он выпадает в виде кристаллов. Йодистый метил является слаборастворимым в воде веществом с плотностью ρ20=2,3 г/см3, поэтому образует выделенную фазу, расположенную в нижней части электрохимической ячейки. Благодаря наличию в нижней части камеры слоя йодистого метила, обогащенного йодом, предотвращается закупоривание мембраны и подводящих коллекторов кристаллическим йодом, обеспечивается непрерывная работа электролизера. Йодистый метил с растворенным в нем йодом отбирается с низа катодной камеры и подается в ее же приэлектродную зону, где происходит реакция

J2+2e-→2J-,

возвращающая йод в начало процесса электрохимического восстановления.

Суммарное уравнение реакции:

СН3ОН→СН4+1/2O2

Продукты выводятся: метан из катодной камеры, а кислород из анодной камеры.

Пример.

Аппаратура: батарея из трех электролизных ячеек с модифицированной мембраной МФ-4СК толщиной 200 мкм с рабочей площадью электродов 350 см2. Анод - платинированный пористый титан с иридиевой чернью (3 мг/см2). Катод - платинированный пористый титан с платиновой чернью (2 мг/см3).

Реагенты: католит - водный раствор, содержащий метиловый спирт СН3ОН и йодистоводородную кислоту HI; анолит - вода деионизованная.

Данные о составе газа в катодной камере и производительности батареи приведены в таблице.

Давление, мм рт.ст. Температура, °С Концентрация СН3ОН и HI, моль/л Плотность тока, мА/см2 Состав газа в катодной камере, об.% Выход газа, л/час Выход метана, л/час
H2 СO2 СН4
746 18 0,012 0,57 87,80 0,77 11,44 0,25 0,029
760 30 0,027 10 91,60 0,50 7,90 3,4 0,3
960 25 0,027 20 99,85 0,01 0,14 7,5 0,01

Предлагаемое техническое решение позволяет значительно улучшить технико-экономические показатели процесса без уменьшения выхода целевого продукта за счет применения дополнительных реагентов, образующих промежуточные соединения, которые делают возможным проведение процесса в жидкой фазе в одном аппарате.

Способ получения метана и кислорода, заключающийся в том, что катодную камеру электролитической ячейки заполняют водным раствором неорганической кислоты, после чего постоянно подают метанол в катодную камеру электролитической ячейки и напряжение на анод и катод, отбирают в газовой фазе кислород из анодной камеры электролитической ячейки и метан из катодной камеры электролитической ячейки, отличающийся тем, что анодную камеру электролитической ячейки заполняют водой, а катодную камеру электролитической ячейки - водным раствором йодоводорода, химические процессы осуществляют в жидкой фазе при давлении от 0,8 до 1,5 атм и температуре от 18 до 40°С, при этом образующийся в результате химических процессов молекулярный йод в виде раствора в органическом растворителе, а именно в йодистом метиле - промежуточном продукте электрохимического восстановления метанола в водном растворе йодоводорода, подают в приэлектродную зону катодной камеры, возвращая в начало процесса.



 

Похожие патенты:

Изобретение относится к области технической электрохимии, а именно к способам изготовления электродов для электролиза щелочных растворов. .
Изобретение относится к электрохимии, в частности к электрохимическим способам получения гипохлорита натрия. .

Изобретение относится к катализаторам электровосстановления кислорода воздуха. .

Изобретение относится к области аналитической химии, а именно к подготовке поверхности индикаторного электрода для вольтамперометрического анализа природных и сточных вод.

Изобретение относится к устройству для генерирования горючего газа и к устройству данного типа, предназначенному для установки на транспортное средство. .

Изобретение относится к способам и средствам получения водорода и кислорода с дополнительным тепловым насосом. .

Изобретение относится к области электрохимического получения хлора и каустической соды, а именно - к конструкции электролизера с горизонтальным ртутным катодом. .

Изобретение относится к области электрохимического получения хлора и каустической соды, а именно - к конструкции электролизера с горизонтальным ртутным катодом. .

Изобретение относится к технологии изготовления электрода для химических источников тока и может быть использовано в электротехническом производстве и судостроении.

Изобретение относится к наноразмерному катализатору прямого электроокисления боргидридов щелочных металлов. .

Изобретение относится к способу получения алкилбензола со структурой R1R2CH(Ph) из алкилфенилового спирта со структурой R1 R2C(Ph)OH, включающему следующие стадии: (a) подачу исходного потока, содержащего алкилфениловый спирт со структурой R1R2 C(Ph)OH, в реактор с зоной каталитической дистилляции; (b) одновременно в реакторе: (i) контактирование исходного потока, содержащего R1R2C(Ph)OH, с водородом в зоне каталитической дистилляции для превращения R 1R2C(Ph)OH в R1 R2CH(Ph) и образования реакционной смеси и (ii) отделение R1R2 CH(Ph) от реакционной смеси фракционной дистилляцией для получения выше зоны каталитической дистилляции потока, содержащего R 1R2CH(Ph) с пониженной концентрацией R1R2C(Ph)OH по сравнению с исходным потоком реактора в положении выше зоны каталитической реакции; причем R1 и R2 каждый представляют водород или углеводородную группу с 1-10 атомами углерода и по меньшей мере один из R1 и R2 не является водородом.
Изобретение относится к катализатору для осуществления способа гидрирования олефинов и кислородсодержащих соединений в составе синтетических жидких углеводородов, полученных по методу Фишера-Тропша, содержащему пористый носитель из -оксида алюминия с нанесенным на него каталитически активным компонентом - палладием, характеризующемуся тем, что поры носителя имеют эффективный радиус от 4,0 до 10,0 нм, причем содержание примесей посторонних металлов в носителе не превышает 1500 ррм, а содержание палладия в катализаторе составляет 0,2-2,5 мас.%
Изобретение относится к способу получения насыщенных углеводородов - компонентов дизельного топлива и сложных эфиров жирных кислот, взаимодействием триглицеридов жирных кислот с водородом с использованием медьсодержащего катализатора
Наверх