DE1928300A1 - Verfahren zur Herstellung sauerstoffhaltiger Stickstoffverbindungen durch Oxydation von Ammoniak - Google Patents

Verfahren zur Herstellung sauerstoffhaltiger Stickstoffverbindungen durch Oxydation von Ammoniak

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DE1928300A1
DE1928300A1 DE19691928300 DE1928300A DE1928300A1 DE 1928300 A1 DE1928300 A1 DE 1928300A1 DE 19691928300 DE19691928300 DE 19691928300 DE 1928300 A DE1928300 A DE 1928300A DE 1928300 A1 DE1928300 A1 DE 1928300A1
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oxygen
cell
ammonia
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anode
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Hans-Peter Beck
Baukal Dr Werner
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Battelle Institut eV
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    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C01INORGANIC CHEMISTRY
    • C01BNON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B21/00Nitrogen; Compounds thereof
    • C01B21/20Nitrogen oxides; Oxyacids of nitrogen; Salts thereof
    • C01B21/24Nitric oxide (NO)
    • C01B21/26Preparation by catalytic or non-catalytic oxidation of ammonia
    • C01B21/265Preparation by catalytic or non-catalytic oxidation of ammonia characterised by the catalyst
    • CCHEMISTRY; METALLURGY
    • C25ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25BELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals

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Description

  • VERFAHREN ZUR HERSTELLUNG SAUERSTOFFHALTIGER STICKSTOFF-VERBINDUNGEN DURCII OXYDATION VON AMMONIAK Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Herstellung sauerstoffhaltiger Stickstoffverbindungen durch Oxydation von Ammoniak in einer elektrochemischen Zelle, die als ionenleitenden Teil einen sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten enthält.
  • Die direkte Oxydation von Ammoniak mit Luft oder Sauerstoff über Platinkatalysatoren ist bekannt; ein beträchtlicher Kostenanteil des Verfahrens entfällt auf den Katalysator und dessen Rückgewinnung. Ammoniak und Luft bzw. Sauerstoff werden dabei direkt zusammengeleitet, was zu explosiven Gemischen führen kann. Ferner ist die elektrochemische Oxydation von Ammoniak oder Ammoniumsalzen in wässerigen Lösungen bekannt. Wegen der geringen elektrokatalytischen Aktivität der Anoden bei Temperaturen bis zum Siedepunkt der wäss-erigen Lösung ist für diesen Prozeß eine hohe Überspannung und daher ein hoher Energiebedarf nötig.
  • Die Erfindung besteht in dem Verfahren, mit dem bei Temperaturen über 4000C die Oxydation von Ammoniak zu sauerstoffhaltigen Stickstoffverbindungen auf elektrochemischem Wege durchgeführt werden kann. In diesem Temperaturbereich sind die kinetischen Hemmungen der Reaktion, welche bei der elektrochemischen Oxydation bei tiefen Temperaturen zu hohen Überspannungen führen, vernachlässigbar klein.
  • Es sind feste Elektrolyte bekannt, welche bei Temperaturen oberhalb 400°C eine zunehmende elektrische Leitfähigkeit erlangen. Diese Leitfähigkeit ist die Folge des Transportes hochbeweglicher Sauerstoffionen durch das Kristallgitter des Festkörpers hindurch, während der Festkörper für andere Stoffe undurchlässig bleibt, Derartige Festelektrolyte haben z.B.
  • die chemische Zusammensetzung (ZrO2) 0,91 (y203) 0,09 oder (ZrO2) 0,88 (CaO) 0,12 Der Effekt der Sauerstoffionenleitung wird zur Energielieferung in Hochtemperatur-Brennstoffzellen und zur Gewinnung von Wasserstoff und/oder Sauerstoff in Hochtemperatur-Elektrolyseuren ausgenützt.
  • Es wurde gefunden, daß in einer elektrochemischen Zelle, welche aus einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten und zwei als Anode bzw.. als Kathode wirkenden Elektroden beiderseits des Festelektrolyten besteht, Ammoniak zu sauerstoffhaltigen Stickstoffverbindungen elektrochemisch oxydiert werden kann, wenn man Ammoniak an die Anode der Zelle leitet. Bei diesem Prozeß wird an der Kathode der Zelle Sauerstoff aus Luft oder einem anderen sauerstoffhaltigen Gas und zwei Elektronen pro Sauerstoffatom aus dem äußeren Stromkreis aufgenommen, um Sauerstoffionen zu geben. Die Sauerstoffionen werden durch den Festelektrolyten hindurch zur Anode transportiert, wo sie ihre Elektronen an den äußeren Stromkreis abgeben und wo die Reaktion mit Ammoniak stattfindet, beispielsweise unter Bildung von Stickstoffmonoxid. Auf diese Weise wird die direkte Ammoniakoxydation in eine an der Kathode ablaufende Reduktionsreaktion und eine an der Anode ablaufende Oxydationsreaktion aufgeteilt.
  • Die Durchführung des Prozesses. auf diese Weise bietet den Vorteil, daß die beiden Gasströme, nämlich Ammoniak und sauerstoffhaltiges Gas, durch den Festelektrolyten voneina-nder getrennt bleiben; dadurch wird die Bildung explosiver Gemische vermieden.
  • Der Prozeß bietet ferner den Vorteil, daß der Umsetzungsgrad durch den elektrischen Strom, der im äußeren Stromkreis fließt, geregelt werden kann; dadurch entfällt die Regelung des Umsatzes über die Gasströme.
  • Der Transport der Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten hindurch kann unter dem Gefälle des Sauerstoffpartialdrucks zwischen Kathode und Anode freiwillig erfolgen. Bei dieser Art von Prozeßführung wird an einen Verbraucher im äußeren Stromkreis nutzbare elektrische Leistung abgegeben, die man als Nebenprodukt zu dem Ammoniakoxydationsprodukten erhält.
  • Der Transport der Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten hindurch kann hinausgehend über den freiwillig erfolgenden Transport, der durch das Gefälle des Sauerstoffpartialdrucks zustande kommt, noch dadurch verstärkt werden, daß man in den äußeren Stromkreis anstelle des Verbrauchers eine Stromquelle schaltet, derart, daß der positive Pol der Stromquelle mit der Anode der Festelektrolytzelle und der negative Pol der Stromquelle mit der Kathode der Festelektrolytzelle verbunden wird. In diesem Fall wird je nach der durch den Festelektrolyten hindurchgepumpten zusätzlichen Sauerstoffmenge elektrische Leistung verbraucht. Diese Möglichkeit der Prozeßführung kann bei plötzlich auftretendem gesteigertem Bedarf an Ammoniakoxydationsprodukten ausgenutzt werden.
  • Es ist für den Elektrochemiker unmittelbar verständlich, daß in der zuletzt genannten Art der Prozeßfüllrtlng die IIölie der zusätzLich angelegten Spannung dadurch begrenzt wird, daß man die elektrochemische Zelle nicht im Bereich des Diffusionsgrenzstromes betreiben darf. In diesem Bereich würde der Festelektrolyt an der Kathode teilweise reduziert werden und/oder freier Sauerstoff an der Anode entstehen. Eine Reduktion des Festelektrolyten würde zu dessen Zerstörung führen, ein Auftreten von freiem Sauerstoff an der Kathode würde einen Vorteil der Erfindung, nämlich die vollständige Trennung der beiden Gasströme, zunichte machen.
  • Es wurde ferner gefunden, daß für das erfindugsgemäße Verfahren der Ammoniakoxydation in einer elektrochemischen ?estelektrolytzelle Silber als Elektrodenmaterial sowohl für die Kathode als auch für die Anode geeignet ist. Gegenüber dem herkömmlichen Prozeß der direkten Ammoniakoxydation über Platinkatalysatoren bedeutet die Verwendung von Silber als Elektrode eine ganz wesentliche Kostensenkung. Derartige Silberelektroden können beispielsweise aus handelsüblichen Metallisierungspräparaten hergestellt werden.
  • Betreibt man das erfindungsgemäße Verfahren derart, daß zusätzlich zu den freiwillig durch den Festelektrolyten transportierten Sauerstoffionen noch eine äußere Pumpspannung angelegt wird, so ist bei Verwendung von Silber als Anode die Pumpspannung dadurch begrenzt, daß das Oxydationspotential an der Anode den Wert der Bildung von Ag2O nicht überschreiten darf.
  • Das Verfahren ist jedoch nicht auf die Verwendung von Silber als Elektrodenmaterial beschränkt. Jedes Material, das beim im Betrieb jeweils herrschenden Oxydationspotential elektronenleitend ist und das sich von seinen Werkstoffeigenschaften her zu einer Elektrode an einem sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten verarbeiten läßt, ist als Kathode bzw. als Anode für das erfindungsgemäße Verfahren geeignet.
  • Der Aufbau einer elektrochemischen Zelle, in der das erfindungsgemäße Verfahren durchgeführt werden kann, wird anhand der Abbildung erläutert. Ein einseitig geschlossenes Rohr (1) aus Festelektrolytmaterial, beispielsweise von der Zusammensetzung (ZrO2) 0,91 (Y203) 0,09' trägt am geschlossenen Ende an der Innenseite eine Anode (2), beispielsweise aus Silber, und an der Außenseite eine Kathode (3), beispielsweise ebenfalls aus Silber. Diese Silberelektroden wurden aus handelsüblichen Silber-Metallisierungspräparaten erhalten, indem die gewUnschten Flächen damit bestrichen und auf Temperaturen um 700°C an Luft erhitzt wurden. Beide Elektroden sind mit Stromabnehmern (4) bzw. (5) versehen, die beispielsweise aus einem Silberdrahtnetz bestehen und mit den Elektroden versintert wurden.
  • Das Festelektrolytrohr (1) reicht in den auf 800 bis 9000C geheizten Teil eines Behälters (6), der mit einer elektrischen Zusatzheizung (7) und einer Wärmesolation (8) versehen ist. Das Reaktionsgefäß (6) ist mit einem Deckel (9) mit Öffnungen (10) verschlossen. Befinden sich mehrere derartige Zellen im gleichen Behälter, so muß die Zusatzheizung nur zur Inbetriebnahme einer solchen Festelektrolytbatterie eingeschaltet werden. Im Betrieb reicht dann die im Festelektrolyten entwickelte Joule' sche Wärme aus, die Batterie im selbsterhaltenden thermischen Gleichgewicht zu betreiben.
  • Vom kalten Teil des Festelektrolytrohres (1) ragt ein Rohr (11) aus feuerfestem Material, beispielsweise Aluminiumoxyd, bis nahe zum geschlossenen Ende des Festelektrolytrohres. Letzteres ist im kalten Teil ferner mit einer Abschlußkappe (12), die ein Gasableiterohr (13) besitzt, gasdicht verbunden. Durch das Rohr (11) wird gasförmiges Ammoniak eingeleitet, das an der Anode (2) zu sauerstoffhaltigen Stickstoffverbindungen und Wasserdampf oxydiert wird. Die Oxydationsprodukte verlassen die Zelle durch das Gasableiterohr (13). An die Kathode (3) wird Luft herangeführt, welche sich beispielsweise im Reaktionsgefäß (6) in freier Zirkulation befindet. Durch die Öffnungen (10) ist für einen Austausch mit der umgebenden Atmosphäre gesorgt, so daß der im Reaktionsgefäß angereicherte Stickstoff abströmen kann.
  • Die Stromabnehmer (4) (5) sind mit elektrischen Ableitungen (14) bzw. (ins) verbunden. Der Verbraucher im äußeren Stromkreis für den Betrieb der Zelle unter Abgabe von Leistung ist durch den Belastungswiderstand (16) symbolisiert. Die Spannungsquelle im äußeren Stromkreis für den Betrieb der Zelle unter zusätzlicher Aufwendung elektrischer Pumpenergie ist durch die Batterie (17) symbolisiert.

Claims (5)

  1. Patentansprüche: 1. Verfahren zur Herstellung sauerstoffhaltiger Stickstoffverbindungen durch Oxydation von Ammoniak, dadurch gekennzeichnet, daß mit Hilfe eines sauerstoffionenleitenden Festelektrolyten eine elektrochemische Zelle aufgebaut und daß Sauerstoff aus einem sauerstoffhaltigen Gas an der Kathode der Zelle aufgenommen und in Ionenform durch den Festelektrolyten hindurch zur Anode der Zelle transportiert wird, wobei
    man an die Anode Ammoniak leitet.
  2. 2. Verfahren gemäß 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten hindurch unter dem Gefälle des Sauerstoffpartialdrucks freiwillig erfolgt, wobei an einen äußeren Verbraucher elektrische Leistung abgegeben wird.
  3. 3. Verfahren gemäß 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Transport von Sauerstoffionen durch den Festelektrolyten hindurch erzwungen wird, indem man zusätzlich zum Gefälle des Sauerstoffpartialdrucks Gleichspannung an die Zelle legt, wobei der possitive Pol der äußeren Stromquelle mit der Anode der Zelle und der negative Pol der äußeren Stromquelle mit der Kathode der Zelle verbunden sind.
  4. 4. Verfahren gemäß 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode der Zelle aus Silber besteht.
  5. 5. Verfahren gemäß 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode der Zelle aus Silber besteht.
    L e e r s e i t e
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