Способ для утилизации углекислого газа

Изобретение относится к электрохимическим технологиям, а именно к способам утилизации углекислого газа, и может найти применение для сокращения газовых выбросов промышленных предприятий, охраны окружающей среды и уменьшения парникового эффекта. Представлен способ для утилизации углекислого газа, предусматривающий удаление из воды гидрокарбонат-ионов НСО₃^- и карбонат-ионов СО₃^2- после аэрации ее углекислым газом при избыточном давлении 0,3-0,7 МПа с предварительным умягчением и охлаждением воды до температуры 4-7ºС. Аэрацию проводят одновременно с электролизом и охлаждением рабочего раствора до температуры 4-7ºС. Отводят газообразные продукты электролиза, выделяют из них неутилизированный углекислый газ. Возвращают его для повторной утилизации. Отводят отработанную воду с твердыми и растворенными продуктами электролиза. Очищают ее от них и возвращают для повторного использования. Воду можно предварительно газировать углекислым газом, а затем проводят в ней электролиз. Для повышения эффективности способа в процессе электролиза можно устанавливать рН воды от 9 до 11. Способ обеспечивает повышение эффективности утилизации углекислого газа. 2 з.п. ф-лы, 1 ил., 1 пр.

 

Изобретение относится к электрохимическим технологиям, а именно к способам утилизации углекислого газа и может найти применение для очистки воздуха рабочих помещений, сокращения газовых выбросов промышленных предприятий, охраны окружающей среды и уменьшения парникового эффекта.

Известен способ утилизации углекислого газа из дымового газа электростанций (патент РФ № 2600348, 2016 г.). Способ включает следующие стадии: 1) использование композитного водного абсорбента, состоящего из органического амина и функционализированной ионной жидкости, в качестве абсорбента CO₂; 2) образование различных слоев жидкости с помощью отстаивания до прозрачности; 3) осуществление нагревания и разложения жидкости, полученной с помощью разделения и богатой A·CO₂ и B·CO₂, для рециркуляции, с получением высоко концентрированного газа CO₂ и композитного водного абсорбента; 4) рециркуляцию композитного водного абсорбента, полученного на стадии 3); 5) охлаждение высококонцентрированного газа CO₂ для конденсации в нем горячего водяного пара; 6) осуществление газожидкостной сепарации высококонцентрированного газа CO₂, прошедшего охлаждение на стадии 5), с получением газа CO₂ с чистотой ≥99%; 7) превращение высокочистого газа CO₂ в жидкость для получения продукта высококонцентрированного жидкого углекислого газа промышленного типа. Недостатками известного способа являются его высокая сложность, энергозатратность и трудоемкость.

Известен способ утилизации углекислого газа из дымовых газов промышленных предприятий (заявка на изобретение № 2010106954, 2011 г.), включающий поглощение диоксида углерода кальциевым поглотителем в области высоких температур, в виде 10%-ого структурированного водного раствор известкового «молока», которым орошают отходящие дымовые газы, а образовавшийся карбонат кальция сушат при температуре 110°С и подвергают термическому разложению при температуре 900°С на оксид кальция и диоксид углерода, который затем перерабатывают в товарный продукт. Недостатком известного способа его высокая энергозатратность и сложность.

Известен абсорбент для очистки промышленных газов от кислых компонентов (патент США № 4336233, 1982 г.), включающий водный раствор третичного алконоламинового компонента и активатора сорбции. Недостатком использования адсорбента является то, что его водные растворы содержат высокую долю воды и требуют затрат на их транспортировку к установке по обработке газа и обеспечение мер безопасности для персонала.

Известен комплексный способ удаления углекислого газа из низкотемпературных вод, содержащих гидрокарбонат-ионы (прототип, патент РФ № 2640524, 2018 г.), состоящий в безвозвратном удалении химическим переводом содержащихся в воде гидрокарбонат-ионов НСО₃^- в нерастворимые или малорастворимые карбонаты с последующим удалением растворенного углекислого газа аэрацией. Недостатком известного способа является его низкая эффективность работы. Это связано с тем, что он не удаляет углекислый газ в газообразном состоянии, а в растворенном в воде виде переводит в нерастворимые вещества только гидрокарбонат-ионы НСО₃^-, а другие формы растворенного углекислого газа, в частности, карбонат-ионы СО₃^2- из воды не удаляет.

Задача, на решение которой направлено изобретение заключается в повышении эффективности работы способа для утилизации углекислого газа. Поставленная задача решается следующим образом. В прототипе аэрацию используют для удаления растворенного в воде углекислого газа после безвозвратного удаления химическим переводом содержащихся в воде гидрокарбонат-ионов НСО₃^- в нерастворимые или малорастворимые карбонаты. В предлагаемом способе наоборот воду с помощью аэрации насыщают углекислым газом, что позволяет его утилизировать в растворенном состоянии с помощью электролиза. При пропускании углекислого газа через воду он растворяется в ней в количестве, подчиняющемся закону Генри-Дальтона, частично преобразуется в нестабильную угольную кислоту (Н₂СО₃), и присутствует в воде в виде карбонат-ионов СО₃^2-, гидрокарбонат-ионов НСО₃^- и катионов Н⁺. Применив электролиз, при котором в поле электрического тока положительно заряженные катионы движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы к аноду, где на поверхности электродов при воздействии электрического тока происходит их преобразование в химические элементы и соединения отличные от молекул углекислого газа, т.е. он утилизируется в другие вещества. В частности, карбонат-ионы СО₃^2- переходят в нерастворимые и малорастворимые карбонаты, а гидрокарбонат-ионы НСО₃^- преобразуются в растворимые гидрокарбонаты. Проведение электролиза при охлаждении рабочего раствора предотвращает разложение карбонатов и гидрокарбонатов, которое происходит при их нагревании, что позволяет вывести их как продукты утилизации углекислого газа вместе с отработанной водой. Охлаждение воды в комбинации с избыточным давлением так же замедляет переход растворенного в ней углекислого газа в газообразное состояние, тем самым повышается эффективность его утилизации в процессе электролиза. Кроме того, прокачивании углекислого газа через воду повышает эффективность электролиза за счет перемешивания рабочего раствора и смывания с поверхностей электродов пузырьками газа образовавшиеся на них твердых веществ. В результате электролиза выделяются также газообразные продукты (кислород, водород) и не утилизированный углекислый газ. Полученную смесь газов отводят и выделяют из нее, например, с помощью, мембранных технологий не утилизированный углекислый газ, который направляют для повторной утилизации, что позволяет осуществить его полную утилизацию. Воду, с твердыми и растворенными продуктами электролиза отводят, очищают от твердых веществ, включая карбонаты, с применением известных физических способов (отстаивание, центрифугирование, фильтрование и др.), а растворенные в воде гидрокарбонаты удаляю известными химическими способами. После очистки воду направляют для повторного использования по циклической схеме. В случае необходимости добавляют небольшое количество воды, потерянной в процессе утилизации углекислого газа. Для утилизации углекислого газа можно использовать предварительно газированную воду. При рН меньше 4,5 гидрокарбонат-ионов НСО₃^- в воде нет, и вся угольная кислота находится в виде растворенного СО₂ и карбонат-ионов СО₃^2-. При рН=8,4 угольная кислота присутствует в воде только в виде гидрокарбонат-ионов НСО₃^-. При рН воды от 9 до 11 вся угольная кислота содержится в воде только в форме карбонат-ионов СО₃^2- и гидрокарбонат-ионов НСО₃^-, что позволяет ее полностью утилизировать в процессе электролиза в виде карбонатов и гидрокарбонатов. Для завершения очистки воды после электролиза от растворенных в ней гидрокарбонатов используют химические способы их безвозвратного удаления, как в прототипе, в виде нерастворимых или малорастворимых карбонатов. Полученные в результате очистки воды газообразные и твердые вещества, а также аккумулированное тепло можно использовать на практические цели. По предложенному способу можно утилизировать углекислый газ, находящийся в смеси с другими газами, например, в воздухе, газовых выбросах промышленных предприятий путем пропускания газовой смеси через воду вместо чистого углекислого газа.

Технический результат, заключающийся в повышении эффективности утилизации углекислого газа и сокращении объема используемой при этом воды. Он достигается за счет того, что кроме гидрокарбонат-ионов НСО₃^- из воды удаляют карбонат-ионы СО₃^2-, а перед их удалением производят аэрацию воды углекислым газом при избыточном давлении 0,3-0,7 МПа с предварительным ее умягчением и охлаждением до температуры 4-7ºС, при этом аэрацию проводят одновременно с электролизом и охлаждением рабочего раствора до температуры 4-7ºС; отводят газообразные продукты электролиза, выделяют из них неутилизированный углекислый газ, возвращают его для повторной утилизации; отводят отработанную воду с твердыми и растворенными продуктами электролиза, очищают ее от них и возвращают для повторного использования. Воду можно предварительно газировать, а затем проводят в ней электролиз. Для повышения эффективности способа в процессе электролиза можно устанавливать рН воды от 9 до 11. Для утилизации углекислого газа в воздухе или другой газовой смеси ее можно пропускать через воду вместо углекислого газа.

Таким образом, заявляемая совокупность признаков является существенной и необходимой для достижения поставленной цели.

Сущность изобретения способа поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого способа. Способ работает следующим образом. Воду готовят (охлаждают, умягчают) для эффективного растворения в ней углекислого газа (этап 1), пропускают через нее углекислый газ при избыточном давлении, который в ней растворяется и одновременно проводят электролиз получаемого раствора с его охлаждением (этап 2), в результате чего растворенный в воде углекислый газ утилизируется переходя в карбонаты и гидрокарбонаты, газообразные продукты электролиза (кислород, водород) и не утилизированный углекислый газ собирают и направляют для выделения из смеси газов неутилизированный углекислый газ (этап 3), который направляют для повторной утилизации на этап 2, где добавляют новую порцию СО₂, которая заменяет утилизированную часть углекислого газа. Воду с образовавшимися в ходе электролиза твердыми и растворенными веществами направляют для очистки (этап 4). Затем воду очищают (этап 5) и направляют для повторного использования на этап 1.

Пример. Водопроводную воду охлаждали до температуры 7-8ºС умягчали, пропускали через нее углекислый газ при избыточном давлении 0,5 МПа и одновременно проводили электролиз раствора с его охлаждением до температуры 7-8ºС. Электролиз проводили при постоянном электрическом токе напряжением 220 B. Газообразные продукты электролиза собирали и с помощью мембранной технологии из смеси газов выделяли углекислый газ, который направляли для повторной утилизации с добавлением новой порцию СО₂, взамен утилизированной части углекислого газа. После электролиза водный раствор, не содержал углекислого газа. Его очищали от образовавшихся в процессе электролиза твердых и растворенных в воде веществ. Очищенную воду использовали для повторного растворения углекислого газа. Был проведен химический анализ отстоявшегося осадка с остатками отработанной воды после электролиза газированной и негазированной воды на наличие карбонатов и гидрокарбонатов. Результаты химического анализа показали, что после электролиза газированной воды осадок и отработанная вода содержит карбонаты и гидрокарбонаты, в количестве 9,3 г/л, тогда как в осадке и отработанной воде без ее газирования карбонатов и гидрокарбонатов не обнаружено. Это свидетельствует об утилизации растворенного в воде углекислого газа в виде этих соединений.

Таким образом, представленное изобретение позволяет повысить степень утилизации углекислого газа, снизить объем используемой при этом воды и тем самым повысить эффективность работы способа для утилизации углекислого газа.

1. Способ для утилизации углекислого газа, предусматривающий удаление из воды гидрокарбонат-ионов НСО₃^- и ее аэрацию, отличается тем, что кроме гидрокарбонат-ионов НСО₃^- из воды удаляют карбонат-ионы СО₃^2-, а аэрацию производят углекислым газом перед их удалением при избыточном давлении 0,3-0,7 МПа с предварительным умягчением и охлаждением воды до температуры 4-7ºС, при этом аэрацию проводят одновременно с электролизом и охлаждением рабочего раствора до температуры 4-7ºС, отводят газообразные продукты электролиза, выделяют из них неутилизированный углекислый газ, возвращают его для повторной утилизации; отводят отработанную воду с твердыми и растворенными продуктами электролиза, очищают ее от них и возвращают для повторного использования.

2. Способ по п.1 отличается тем, что воду предварительно газируют углекислым газом, а затем проводят в ней электролиз.

3. Способ по пп.1, 2 отличается тем, что перед электролизом рН воды устанавливают в диапазоне от 9 до 11.