[发明专利]二氧化碳的持续并流电化学还原

说明书

本申请是申请日为2006年10月13日、国家申请号为200680037810.8、发明创造名称为“二氧化碳的持续并流电化学还原”的中国发明申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及电化学领域，更具体地说，涉及水体系中的二氧化碳电还原处理以及其设备。

背景技术

甲酸盐MHCO₂（其中，M一般是Na、K或NH₄）和甲酸HCO₂H是可通过工业热化学合成(Kirk-Ohmer-Encyklopedia of Chemical TechmIogy,1991)生产的商业化学制品。例如，可通过将氢氧化钠和一氧化碳反应获得甲酸钠并随后采用硫酸酸解获得甲酸。

NaOH+CO→NaHCO₂

2NaHCO₂+H₂SO₄→2HCO₂H+Na₂SO₄

甲酸也可作为碳氢化合物氧化的副产物产生，并可通过来自甲醇羰基化的甲酸甲酯水解产生。采用二氧化碳电还原的方法合成甲酸盐（举例来说，KHCO₂）已经为人们所熟悉（Chaplin和Wragg,2003;Sanchez等,2001;Akahori等.,2004;Hui和Oloman,2005)。

二氧化碳被认为是气候变化的主要的人为原因。因此需要将二氧化碳隔离和/或将其转化成有用的产物。

Oloman和Watkinson在美国专利3,969,201和4,118,305（在此引入本申请作为参考）中公开一种用于将氧电解还原成碱性过氧化物的喷淋床反应器。在该发明的各个方面，电化学池包括一对间隔开的电极，其中至少一个电极是可渗透液体的导电块，并通过围壁与另一电极隔开。该电极块可以是微粒床的形式或固定的多孔基体的形式。该电极块由电导材料组成，其表面是将要执行的反应的良好的催化剂。该电极块具有用于输入液体电解液和气体的进口，这样电解液和气体可例如在大致垂直于电极间的电流方向的方向上并流通过该电极块。该电极块还具有出口，用于将包括反应产物的溶液从该可渗透液体的传导块中排出。

发明内容

在各种实施例中，本发明提供了用于二氧化碳还原的电化学处理方法，例如，将二氧化碳转换成甲酸盐或甲酸。在选择的实施例中，具有三维阴极和两相（气相/液相）阴极电解液流的连续反应器的使用为二氧化碳的电还原提供了有利条件。在这些实施例中，阴极电解液和二氧化碳气体的连续的两相流（具有特定的气/液相体积比）提供了适合CO₂在相对高效的表面电流密度下电还原的动态条件。在某些实施例中，阴极室中相对较高的内部气体截留率（gas hold-up）（即原料流中的气液体积比>1，或在多孔电极中>0.1）可在液相中提供高于CO₂平衡浓度的CO₂，利于相对高效的表面电流密度。例如，在某些实施例中，这些特征可在阴极电解液pH>7且相对较低的CO₂分压（<10巴）下获得。

另一方面，本发明涉及将阴极电解液混合物不断地流过电化学反应器的阴极室。该阴极电解液混合物可包括二氧化碳气体和溶解有二氧化碳的液态阴极电解液。例如，该阴极电解液可以是溶解有碱金属或碳酸氢铵的水溶液，并且其可保持在期望的pH，例如其pH范围可以是6至9。该阴极电解液可保持其气液（G/L）体积比，即二氧化碳气体与液态阴极电解液的体积比。该G/L比可在阴极室中得到保持，例如，在该阴极室中的原料流或多孔阴极中得到保持。例如，可执行该处理方法使得G/L比大于阈值，例如在原料流中大于1，或在多孔（3D）阴极中大于0.1。

本发明的一个方面涉及在阴极室内的阴极和阳极之间传送电流以减少溶解的二氧化碳，以获得期望的产物。在某些实施例中，可执行该方法使得阴极上的有效表面电流密度大于阈值，例如1kA/m²（或1.5、2、2.5、3、3.5、4、4.5或5kA/m²）。例如，系统中的电流可以是由电化学池电压驱动的直流电，在某些实施例中，该方法能在相对较低的电化学池电压下操作，例如小于10V。