Способ электрохимического отделения кислых газов

 

Изобретение относится к области разделения, выделения и очистки газов, а именно к способу электрохимического отделения кислых газов из смеси газов, включающему разделение электролита на анолит и католит с различными pH, абсорбцию кислых газов католитом с последующей десорбцией аналитом, при этом один из электродов электролизера деполяризуют газом с выделением того же газа на другом электроде, а в качестве газа-деполяризатора используют водород или кислород. 5 з.п.ф-лы, 4 ил.

Изобретение относится к области химического разделения, выделения и очистки газов, таких, как CO₂, SO₂, H₂S, NO₂, HCN, HF, и может найти применение в системах регенерации воздуха в замкнутых помещениях, химической промышленности, очистке дымовых топочных газов ТЭЦ и металлургических производств. Известны абсорбционные способы очистки газов, основанные на абсорбции кислых газов щелочными растворами (Очистка технологических газов. Под ред. Т.А.Семеновой и И.Л.Лейтеса. М. Химия, 1969). В частности, известны такие способы очистки газов, когда абсорбент-щелочь получают непосредственно на месте проведения абсорбционного процесса на катоде электролизера при электролизе водных растворов солей по реакции 2H₂O + 2e^- _→ 2OH^- + H₂. Известен способ очистки природного газа от сероводорода (SU, авт.св. 1212521, кл. B 01 D 53/14, 23.02.86), который состоит в следующем: готовят абсорбент путем обработки раствора сульфата натрия или калия в катодной камере электролизера, производят контактирование приготовленного абсорбента с очищаемым газом, затем производят регенерацию абсорбента в анодной камере того же диафрагменного электролизера, причем приготовление и регенерацию производят при расходе количества электричества 1000 4500 Кл/л.

Главными недостатками абсорбционных методов очистки в камере электролизера являются большая энергоемкость, необходимость постоянной корректировки раствора из-за разложения воды и выделение большого количества анодных и катодных газов, образующих взрывоопасные смеси.

Другой принцип электрохимической абсорбционной очистки газов от кислых составляющих основан на создании градиента pH при синтезе воды на электродах водородно-воздушного топливного элемента (GB, патент 1263231, кл. B 01 D 53/32, 09.02.72). Подают очищаемый воздух и водород, часть кислорода воздуха восстанавливают на катоде, образуя щелочь O₂+ 2H₂O + 4e^- _→ 4OH^-, а водород, окисляясь на аноде, образует кислоту H₂ - 2e _→ 2H⁺ , углекислый газ поглощают из воздуха щелочью электролита, а из анодной газовой камеры получают десорбированный из электролита CO₂, используемые в этих процессах электроды работают как электроды топливного элемента: на один электрод подается газ-окислитель, на другой горючий газ.

Недостатками данного способа являются необходимость подачи водорода и использование части кислорода для очистки воздуха, малый ресурс работы, необходимость отвода образовавшейся воды из электролита.

Заявляемый способ отделения кислых составляющих из газов решает следующие задачи: исключение дополнительных газов из подающих отводящих линий, снижение затрат электроэнергии, повышение производительности процесса, упрощение системы регулировки процесса, увеличение ресурса работы.

Объектом изобретения является способ электрохимического отделения кислых газов из смеси газов, включающий разделение электролита на анолит и католит с различными pH, абсорбцию кислых газов католитом с последующей десорбцией анолитом, причем в заявляемом способе для создания градиента pH между католитом и анолитом электролизера используют кислород или водород, причем один из электродов электролизера деполяризуют газом с изменением pH приэлектродного слоя и выделяют этот же газ на другом электроде, используя процесс электрохимического переноса кислорода из катодной газовой камеры в анодную или водорода из анодной газовой камеры в катодную.

Кроме того, абсорбцию и десорбцию отделяемого газа производят в абсорбере и десорбере вне электрохимической ячейки путем подачи в абсорбер католита, абсорбирующего кислые газы и десорбции отделенных газов при смешении католита с анолитом в десорбере.

В заявляемом способе электролит после десорбции подают обратно в электролизер. Кроме того, в способе в качестве источника водорода или кислорода для работы электролизера используют водород или кислород, содержащийся в исходной смеси газов.

Кроме того, десорбцию отделяемого газа производят в электролизере, при этом область выделения газа отделена от электродов газонепроницаемыми сепараторами.

Кроме того, выделяемый при этом на электроде водород или кислород возвращают в газовую смесь после отделения кислых газов.

При таких процессах исключается необходимость подачи газов для работы электролизера и необходимость корректировки электролита, так как в отличие от топливноэлементной системы вода в суммарной реакции не синтезируется и в отличие от электролизной системы не разлагается; кроме того, не образуется также никаких новых газов, т.е. исключается проблема их утилизации.

В заявленном способе значительно упрощена схема работы разделительных установок, работающих по замкнутому циклу, за счет исключения дополнительных источников и отводящих линий кислорода, водорода и электролита.

На фиг. 1 представлена схема электролизера с переносом водорода; на фиг. 2- схема электролизера с переносом кислорода; на фиг. 3 схема отделения кислых газов с выносным абсорбером; на фиг. 4 схема отделения кислых газов из смеси, содержащей кислород, с внутренней абсорбцией: а) электролизер с выделением кислых газов в анодную газовую камеру, б) электролизер с выделением кислых газов в междиафрагменное пространство.

Электролизер с переносом водорода, схема которого представлена на фиг. 1, является водородным генератором кислоты и щелочи. Электролизер состоит из анода 1 и катода 2, которые находятся в электролите 3 и разделены диафрагмой или ионообменной мембраной 4. Электролизер подключен к источнику постоянного тока 5.

Способ реализуется следующим образом. Водород подают в анодную газовую камеру, где его окисляют на аноде 1 по реакции H₂ - 2e _→ 2H⁺ (1), выделяют водород при восстановлении воды по реакции 2H₂O + 2e^- _→ 2OH^- + H₂ (2),
образуемые при реакции (1) ионы водорода подкисляют анолит, а образуемые при реакции (2) гидроксилы подщелачивают католит. Водород может подаваться на анод 1 в виде потока газообразного водорода, выделяемого на катоде 2 этого же электролизера.

На фиг. 2 представлена схема электролизера с переносом кислорода. Протекание тока через электролизер обеспечивается восстановлением подаваемого на катод кислорода по реакции
O₂+ 2H₂O + 4e^- _→ 4OH^- (3),
и окислением воды с выделением кислорода по реакции
2H₂O - 4e^- _→ 4H⁺ + O₂ (4).
Образуемые в ходе реакции (4) ионы водорода подкисляют анолит, образуемые в ходе реакции (3) гидроксилы подщелачивают католит электролизера.

В электролизерах (фиг.1 и 2) анодные и катодные пространства электролита разделены диффузионным барьером, препятствующим нейтрализации кислоты при диффузионном или конвективном перемешивании. Составленный вышеописанным образом электролизер с переносом водорода или кислорода осуществляет непрерывное разделение электролита на кислоту и щелочь.

На фиг. 3 представлена схема организации процесса отделения кислых газов из газовой смеси по схеме с выносным абсорбером.

Схема состоит из генератора 6 кислоты и щелочи (по схеме фиг.1 или фиг. 2), абсорбера 7, десорбера 8. Способ реализуется следующим образом. Разделяемый газ подают в абсорбер 7, где он контактирует с абсорбирующей щелочью, подаваемой из катодной камеры электрохимического генератора 6 с переносом водорода или кислорода (по схеме фиг.1 или фиг.2 соответственно). Взаимодействуя со щелочью, кислые газы, например SO₂, CO₂, H₂S, переходят в электролит в соответствии с реакциями (5)

Из абсорбера 7 выводят не содержащий кислые примеси газ и щелочь, содержащую химически связанные кислые газы. В выносном десорбере 8 производят регенерацию электролита при нейтрализации щелочи кислотой, подаваемой из анодной камеры генератора 6. При этом находящиеся в электролите связанные кислые газы по реакциям (6) вновь переходят в газовую фазу и их удаляют

В случае если в разделяемой газовой смеси количество кислорода существенно превосходит количество кислых газов (например, при выделении CO₂ из воздуха), возможно использование более простой схемы отделения газов из смеси, содержащей кислород, в электролизере с внутренней абсорбцией, представленном на фиг.4 а) с выделением кислых газов в анодную газовую камеру или б) с выделением кислых газов в междиафрагменное пространство.

Электролизер, представленный на схемах фиг. 4а и б, содержит анод 1, катод 2, электролит 3, диафрагмы 4 и 9. Подачу исходной газовой смеси, содержащей кислород, осуществляют на катод электролизера с переносом кислорода (см. фиг. 2), при этом возможно раздельное выделение кислых газов в междиафрагменное пространство, а кислорода в катодную газовую камеру, причем кислород впоследствии может быть соединен с газовой смесью, не содержащей кислых газов, таким образом, количество кислорода в исходной смеси будет сохранено. В более простой конструктивной схеме кислород и кислые газы одновременно выделяют на аноде электролизера, выполненного по схеме фиг.4а.

Пример. Выделение углекислого газа из воздуха, содержащего 0,28 об. CO₂, в электролизере схемы фиг.4а с гидрофгидрофобизированным газодиффузионным катодом и сетчатым анодом, погруженным в электролит водный раствор Na₂CO₂. Каждый из электродов отделен от электролита сепаратором. Площадь электродов 5 см².

Характеристики электролизера следующие: расход очищаемого воздуха 0,9 л/ч, плотность тока 24 мА/см², напряжение источника 4,4 B, концентрация CO₂ в воздухе, выходящем из установки, не более 0,05 об. концентрация CO₂ в газе, выходящем из анодной камеры, 90 об.

Из приведенных вариантов отделения кислых газов наибольшей производительностью обладают схемы с выносным абсорбером, схемы с внутренним абсорбером обладают минимальным энергопотреблением.

Способ, реализуемый по схеме с переносом водорода, обладает меньшим энергопотреблением, так как водородные катод и анод имеют меньшую поляризацию и больший ресурс работы.

Наиболее прост в конструктивном исполнении способ отделения в электролизе с внутренним абсорбером с подачей исходной газовой смеси в газовую камеру электрода. Наибольшей надежностью в эксплуатации обладает способ с переносом кислорода при использовании кислорода воздуха.

Формула изобретения

1. Способ электрохимического отделения кислых газов из смеси газов, включающий разделение электролита на анолит и католит с различными pН, абсорбцию кислых газов католитом с последующей десорбцией анолитом, отличающийся тем, что один из электродов электролизера деполяризуют газом с выделением того же газа на другом электроде, причем в качестве газа-деполяризатора используют водород или кислород.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что абсорбцию и десорбцию отделяемого газа производят в абсорбере и десорбере, при этом в абсорбер подают католит и исходную смесь газов, а в десорбер подают анолит и католит с продуктами абсорбции с последующим смешением анолита и католита в десорбере.

3. Способ по пп.1 и 2, отличающийся тем, что электролит после десорбции подают в электролизер.

4. Способ по п.1, отличающийся тем, что в качестве газа-деполяризатора используют водород или кислород, содержащийся в исходной смеси газов.

5. Способ по пп.1 и 4, отличающийся тем, что десорбцию отделяемого газа производят в электролизере, снабженном газонепроницаемым сепаратором, отделяющим область десорбции газа от электрода.

6. Способ по пп.1 и 5, отличающийся тем, что выделяемый на электроде водород или кислород возвращают в смесь газов после отделения кислых газов.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4