ES2862916T3 - Método y aparato para recuperar metales y azufre de corrientes de alimentación que contienen sulfuros y polisulfuros metálicos - Google Patents

Método y aparato para recuperar metales y azufre de corrientes de alimentación que contienen sulfuros y polisulfuros metálicos Download PDF

Info

Publication number
ES2862916T3
ES2862916T3 ES16882652T ES16882652T ES2862916T3 ES 2862916 T3 ES2862916 T3 ES 2862916T3 ES 16882652 T ES16882652 T ES 16882652T ES 16882652 T ES16882652 T ES 16882652T ES 2862916 T3 ES2862916 T3 ES 2862916T3
Authority
ES
Spain
Prior art keywords
anolyte
compartment
catholyte
electrolytic cell
alkali metal
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Active
Application number
ES16882652T
Other languages
English (en)
Inventor
John Howard Gordon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Enlighten Innovations Inc
Original Assignee
Enlighten Innovations Inc
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Enlighten Innovations Inc filed Critical Enlighten Innovations Inc
Application granted granted Critical
Publication of ES2862916T3 publication Critical patent/ES2862916T3/es
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Classifications

    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • B01D53/326—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00 in electrochemical cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/32—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols by electrical effects other than those provided for in group B01D61/00
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C01—INORGANIC CHEMISTRY
    • C01B—NON-METALLIC ELEMENTS; COMPOUNDS THEREOF; METALLOIDS OR COMPOUNDS THEREOF NOT COVERED BY SUBCLASS C01C
    • C01B17/00—Sulfur; Compounds thereof
    • C01B17/02—Preparation of sulfur; Purification
    • C01B17/06—Preparation of sulfur; Purification from non-gaseous sulfides or materials containing such sulfides, e.g. ores
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/48—Sulfur compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D53/00—Separation of gases or vapours; Recovering vapours of volatile solvents from gases; Chemical or biological purification of waste gases, e.g. engine exhaust gases, smoke, fumes, flue gases, aerosols
    • B01D53/34—Chemical or biological purification of waste gases
    • B01D53/46—Removing components of defined structure
    • B01D53/64—Heavy metals or compounds thereof, e.g. mercury
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B1/00—Electrolytic production of inorganic compounds or non-metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
    • C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
    • C25B9/70—Assemblies comprising two or more cells
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C1/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of solutions
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C3/00—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts
    • C25C3/02—Electrolytic production, recovery or refining of metals by electrolysis of melts of alkali or alkaline earth metals
    • C—CHEMISTRY; METALLURGY
    • C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
    • C25C—PROCESSES FOR THE ELECTROLYTIC PRODUCTION, RECOVERY OR REFINING OF METALS; APPARATUS THEREFOR
    • C25C7/00—Constructional parts, or assemblies thereof, of cells; Servicing or operating of cells
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/30—Sulfur compounds
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B01—PHYSICAL OR CHEMICAL PROCESSES OR APPARATUS IN GENERAL
    • B01D—SEPARATION
    • B01D2257/00—Components to be removed
    • B01D2257/60—Heavy metals or heavy metal compounds
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
    • Y02P—CLIMATE CHANGE MITIGATION TECHNOLOGIES IN THE PRODUCTION OR PROCESSING OF GOODS
    • Y02P10/00—Technologies related to metal processing
    • Y02P10/20—Recycling

Abstract

Un método para recuperar metal y azufre de una corriente de alimentación, que comprende: proporcionar una primera celda electrolítica que comprende: un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito; un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos; un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimento del catolito en comunicación con el catolito; un primer separador posicionado entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, el primer separador en comunicación con el anolito del primer compartimento y el catolito del primer compartimento, el primer separador configurado para transportar cationes de forma no selectiva; y una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo; introducir un anolito en el primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino, y que disuelve azufre elemental, comprendiendo el anolito además al menos uno de un metal pesado, un compuesto de metal pesado, y un ion de metal pesado; introducir un catolito en el primer compartimento de catolito de la primera celda electrolítica, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos; aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que sea suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado; oxidar al menos un ion sulfuro en el anolito del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica para formar azufre elemental; mover los cationes para que pasen a través del primer separador situado entre, y en comunicación con el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, pasando los cationes desde el primer compartimento de anolito al primer compartimento de catolito; y reducir dichos cationes en el compartimento del catolito para formar un metal pesado y un metal alcalino.

Description

DESCRIPCIÓN
Método y aparato para recuperar metales y azufre de corrientes de alimentación que contienen sulfuros y polisulfuros metálicos
Referencia cruzada a aplicaciones relacionadas
Esta solicitud reivindica la prioridad de la Solicitud Provisional de los Estados Unidos No. 62/227,224, presentada el 29 de diciembre de 2015.
Campo de la invención
La presente invención se relaciona con la recuperación de metal y azufre de una corriente de alimentación que contiene sulfuros y polisulfuros de metales alcalinos. Más particularmente, la invención se relaciona con un método y aparato para separar y recuperar compuestos de metales alcalinos, metales pesados reducidos y azufre de corrientes de alimentación que contienen sulfuros y polisulfuros de metales alcalinos y ciertos metales pesados usando un único sistema electroquímico.
Antecedentes de la invención
La demanda de energía y de los hidrocarburos de los que se deriva esa energía está aumentando continuamente. Las materias primas de hidrocarburos utilizadas para proporcionar esta energía, sin embargo, contienen azufre y metales difíciles de eliminar que dificultan el procesamiento de estos materiales y, por lo tanto, limitan su uso como fuente de energía. Además, el azufre puede causar contaminación del aire cuando se consumen fuentes de hidrocarburos tales como el gas o el petróleo. El azufre puede envenenar los catalizadores diseñados para eliminar los hidrocarburos y el óxido de nitrógeno del escape de los vehículos de motor. Por lo tanto, las fuentes de hidrocarburos tal como el petróleo crudo, el betún, el aceite pesado, los productos derivados del petróleo o porciones de los mismos, tal como los residuos, los residuos de vacío y los destilados, se tratan para eliminar elementos no deseados tales como el azufre o el nitrógeno.
Durante los últimos años, se ha reconocido que el sodio es eficaz para la eliminación o reducción de azufre de fuentes de hidrocarburos que de otro modo serían inutilizables debido al alto contenido de azufre. El sodio es capaz de reaccionar con el azufre y otros componentes de la fuente de hidrocarburos, incluyendo los contaminantes que puedan encontrarse en la fuente de hidrocarburos, para reducir drásticamente el azufre y otros elementos no deseados tal como el nitrógeno. La reducción de azufre se logra mediante la formación de compuestos de sulfuro de sodio tales como sulfuro, polisulfuro e hidrosulfuro de sodio metálico. Otros metales alcalinos tal como el litio también han demostrado ser efectivos de la misma manera.
Sin embargo, otros metales, incluyendo los metales pesados, contenidos en la fuente de hidrocarburos pueden inhibir o prevenir el proceso de eliminación de materiales no deseados tal como azufre o nitrógeno de la fuente de hidrocarburos. Por ejemplo, los metales pesados pueden envenenar los catalizadores que se utilizan típicamente para la eliminación de azufre mediante procesos de hidrodesulfuración mejorados y estándar mediante los cuales el hidrógeno reacciona bajo condiciones extremas para descomponer las moléculas de azufre orgánico que contienen azufre. Como mínimo, esto puede hacer que la desulfuración o desnitrotización de la fuente de hidrocarburo sea prohibitivamente cara. Por lo tanto, también es deseable eliminar los metales pesados contenidos en la fuente de hidrocarburos.
El metal pesado se puede eliminar de las fuentes de hidrocarburos usando metales alcalinos tal como sodio o litio. Los metales pesados contenidos en moléculas organometálicas, tales como las porfirinas complejas, son reducidos al estado metálico por el metal alcalino. Una vez que se han reducido los metales pesados, se pueden separar de la fuente de hidrocarburos porque ya no están unidos químicamente a la estructura orgánica. Además, una vez que los metales se eliminan de la estructura de la porfirina, los heteroátomos de nitrógeno en la estructura pueden exponerse para una desnitrogenación adicional.
El subproducto resultante del tratamiento de fuentes de hidrocarburos usando metales alcalinos para eliminar azufre u otros materiales no deseados tales como metales pesados puede ser una corriente de alimentación que contiene sulfuros y polisulfuros de metales alcalinos y cantidades de metales pesados. El tratamiento de hidrocarburos usando metales alcalinos es costoso debido al coste de las materias primas necesarias. Sin embargo, si el metal alcalino pudiera recuperarse y reutilizarse, limitaría los costes. Además, si se pudiera recuperar azufre de esta corriente de alimentación de subproductos, se reducirían aún más los costes de tratamiento y posiblemente se convertiría en una fuente de ingresos.
Sin embargo, un problema en la recuperación de metales alcalinos y azufre de la solución creada como resultado de los procesos de desulfuración o desmetalización, es que esta corriente de alimentación de la solución también contiene metales no alcalinos, tales como metales pesados, que impiden, inhiben, o evitan el proceso de recuperación de azufre y metales alcalinos.
Los documentos US 2014/197040 A1 y US 2009/134040 A1 divulgan métodos y sistemas para recuperar azufre elemental, metales alcalinos y metales pesados de corrientes de alimentación resultantes del tratamiento de materias primas de hidrocarburos. Los metales pesados se eliminan de la corriente de alimentación mediante métodos de separación gravimétrica, mientras que el azufre y los metales alcalinos se eliminan en un proceso que comprende la electrólisis.
Por lo tanto, sería una ventaja proporcionar un método y un aparato para facilitar la separación y recuperación del metal alcalino y el azufre de las corrientes de alimentación, independientemente de la presencia de metales pesados en la corriente de alimentación. Otra ventaja sería proporcionar una recuperación de este tipo del metal alcalino y el azufre utilizando eficazmente en un solo proceso y sistema.
Breve resumen de la invención
La invención se ha desarrollado en respuesta al estado actual de la técnica y, en particular, en respuesta a los problemas y necesidades de la técnica que aún no se han resuelto por completo mediante las tecnologías de recuperación de azufre y metales alcalinos actualmente disponibles. Por consiguiente, la invención se ha desarrollado para proporcionar sistemas y métodos para eliminar metales alcalinos y azufre de corrientes de alimentación no acuosas que contienen sulfuros y/o polisulfuros de metales alcalinos y pequeñas cantidades de metal pesado. Las características y ventajas de la invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas, o pueden aprenderse mediante la práctica de la invención como se expone a continuación.
De acuerdo con lo anterior y de acuerdo con la invención tal como se realiza y se describe ampliamente en el presente documento, se describe en el presente documento un sistema para recuperar metal y azufre de una corriente de alimentación no acuosa que también contiene metal pesado. El término "metal pesado", como se usa en el presente documento en todas partes, indica cobre, bismuto, aluminio, titanio, vanadio, manganeso, cromo, zinc, tantalio, germanio, plomo, cadmio, indio, talio, cobalto, níquel, hierro y galio. El término "metal pesado" también puede incluir todos los metales con un potencial de reducción estándar de 2.7 V e inferior bajo condiciones estándar. Los expertos en la técnica apreciarán que las condiciones estándar utilizadas incluyen: 25 °C, una actividad de 1 para cada ion que participa en la reacción, una presión parcial de 1 bar para cada gas que es parte de la reacción, y metales en estado puro.
La presente invención está definida únicamente por las reivindicaciones adjuntas.
Se utiliza una celda electrolítica que tiene un compartimento de anolito configurado para retener un anolito. El compartimento de anolito puede tener una primera entrada y una primera salida. El anolito comprende la corriente de alimentación no acuosa e incluye al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino. El anolito también incluye un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino. El solvente también disuelve el azufre elemental. La corriente de alimentación en el anolito también puede contener al menos uno de un metal pesado, un compuesto de metal pesado y un ion de metal pesado. Se posiciona un ánodo dentro del compartimento de anolito en comunicación con el anolito.
La celda electrolítica también incluye un compartimento de catolito configurado para retener un catolito que comprende un líquido conductor de iones alcalinos. El compartimento de catolito también puede incluir una entrada y una salida. Un cátodo se posiciona dentro del compartimento del catolito y está en comunicación con el catolito. Puede posicionarse un separador entre el compartimento del anolito y el compartimento del catolito de manera que esté en comunicación tanto con el anolito como con el catolito. El separador puede configurarse para transportar cationes de forma no selectiva.
Una fuente de energía está en comunicación eléctrica con el ánodo y el cátodo. La fuente de energía aplica un voltaje a la celda electrolítica que está por encima del voltaje de descomposición de un sulfuro de metal alcalino o un polisulfuro de metal alcalino en el compartimiento de anolito. Por lo tanto, el voltaje es suficiente para que los cationes de metales alcalinos se reduzcan a metales alcalinos. El voltaje también es lo suficientemente alto como para oxidar al menos un ion de azufre en el compartimento de anolito en azufre elemental. El metal alcalino se puede eliminar del compartimento del catolito y el azufre elemental se puede eliminar del compartimento del anolito.
En una realización, se aplica azufre elemental al compartimento de anolito. El azufre ayuda a disolver los sulfuros y polisulfuros de metales alcalinos a una concentración más alta. También se puede aplicar calor a los compartimentos de anolito y/o catolito, y/o al sistema en general. En una realización, el sistema se hace funcionar a una temperatura de entre aproximadamente 100 °C y aproximadamente 160 °C. A estas temperaturas, las solubilidades tanto del azufre como de los sólidos tales como el sulfuro de hierro, el sulfuro de níquel y el sulfuro de vanadio son altas. Tras la aplicación del voltaje, los cationes de metales alcalinos y los cationes de metales pesados, atraídos por el cátodo, fluyen a través del separador hacia el compartimento de catolitos. El azufre, que tiene una carga neutra, y los aniones sulfuro y polisulfuro, que tienen carga negativa, tienden a permanecer en el compartimento de anolito. Con un voltaje aplicado predeterminado lo suficientemente alto, los cationes de metales pesados, tales como los cationes de metal de hierro, los cationes de metal de níquel, los cationes de metal de vanadio y similares, se reducen en el cátodo y la placa. Dependiendo del voltaje aplicado, los cationes de sodio pueden permanecer como cationes de sodio disueltos en la solución de catolitos. Si el voltaje es lo suficientemente alto, los cationes de sodio se reducirán a un estado metálico y serán líquidos en este intervalo de temperatura. Los metales depositados se pueden recuperar fácilmente mediante métodos conocidos en la técnica, tales como la eliminación del cátodo y el raspado del metal pesado. El sodio metálico, si se forma, se convertirá en una segunda fase líquida que se puede extraer con sifón y recuperar, o dejar que se enfríe hasta la fase sólida fuera de la celda y se separe del catolito.
Los iones sulfuro en el compartimento anolito pueden oxidarse a polisulfuros superiores o azufre elemental. Una porción del anolito que contiene el azufre elemental puede retirarse y posicionarse en un tanque de separación. El azufre elemental puede recuperarse mediante métodos conocidos en la técnica, tales como enfriar el anolito para disminuir la solubilidad del azufre elemental, hundirlo y recuperarlo del fondo del anolito. El anolito también se enfría de modo que forme cristales que se depositan en el fondo del compartimento del anolito y luego se pueden recuperar. Alternativamente, el azufre elemental puede separarse del anolito a través de otros medios tales como filtración o centrifugación.
En otras realizaciones, se puede usar más de una celda electrolítica. Una celda puede combinar un voltaje y un separador predeterminados de manera que los cationes de metales pesados en el anolito pasen a través del separador y la placa en el cátodo, mientras que el voltaje se mantiene por debajo del voltaje de descomposición de los cationes alcalinos. De esta manera, el metal se puede eliminar en un primer paso y el anolito resultante se puede pasar a la segunda celda electrolítica. Esta celda puede tener una membrana específica de catión donde solo los cationes de metales alcalinos pueden pasar del anolito al catolito y reducirse en el cátodo con una interferencia mínima de los metales pesados ya eliminados. El voltaje en la segunda celda puede ser lo suficientemente alto como para oxidar los iones sulfuro, que no pudieron pasar a través de la membrana específica del catión, en azufre elemental que luego se puede recuperar.
La presente invención proporciona un sistema y método para recuperar azufre elemental y de metal alcalino de una corriente de alimentación, a pesar de la presencia de metales pesados en la corriente de alimentación. Las características y ventajas de la presente invención resultarán más evidentes a partir de la siguiente descripción y las reivindicaciones adjuntas, o pueden aprenderse mediante la práctica de la invención como se expone a continuación.
Breve descripción de los dibujos
Para que las ventajas de la invención se entiendan fácilmente, se presentará una descripción más particular de la invención descrita brevemente anteriormente con referencia a las realizaciones específicas ilustradas en los dibujos adjuntos. Entendiendo que estos dibujos representan solo realizaciones típicas de la invención y, por lo tanto, no deben considerarse como una limitación de su alcance, la invención se describirá y explicará con especificidad y detalle adicionales mediante el uso de los dibujos adjuntos en los que:
La Figura 1 es un diagrama de bloques de alto nivel que muestra una realización de un sistema de eliminación de sodio-azufre con una celda electrolítica;
La Figura 2 es un diagrama de bloques de alto nivel que muestra una realización de una celda electrolítica utilizada en el sistema de eliminación de sodio-azufre de la presente invención;
La Figura 3 es un diagrama de bloques de alto nivel que muestra un sistema de eliminación de sodio-azufre que usa dos celdas electrolíticas;
La Figura 4 es un diagrama de bloques de alto nivel que muestra otra realización de un sistema de eliminación de sodio-azufre que usa dos celdas electrolíticas;
La Figura 5 es un diagrama de bloques de alto nivel que muestra otra realización de una celda electrolítica utilizada en el sistema de eliminación de sodio-azufre de la presente invención;
La Figura 6 es un diagrama de bloques de alto nivel que muestra otra realización de un sistema de eliminación de sodio-azufre que usa múltiples celdas electrolíticas;
La Figura 7 es un diagrama de bloques que muestra los pasos del método en el proceso de eliminar sodio y azufre de una corriente de alimentación usando una sola celda electrolítica; y
La Figura 8 es un diagrama de bloques que muestra los pasos del método en el proceso de eliminar sodio y azufre de una corriente de alimentación utilizando un sistema que tiene múltiples celdas electrolíticas.
Descripción detallada de la invención
En la siguiente descripción, se proporcionan detalles específicos de diversas realizaciones. Las realizaciones descritas deben considerarse en todos los aspectos solo como ilustrativas y no restrictivas. Si bien los diversos aspectos de las realizaciones se presentan en dibujos, los dibujos no están necesariamente dibujados a escala a menos que se indique específicamente. El alcance de la invención, por lo tanto, está indicado por las reivindicaciones adjuntas en lugar de por la descripción anterior.
Las presentes realizaciones se relacionan con un método y sistema de separación y eliminación de azufre elemental y de metal alcalino de una corriente de alimentación que contiene sulfuros y polisulfuros de metales alcalinos, y que también puede contener metal pesado en alguna forma. Las realizaciones de la presente invención pueden incluir una sola celda electrolítica o múltiples celdas electrolíticas en combinación. En determinadas realizaciones, se utilizan una o más de tres celdas electrolíticas distintas en una variedad de combinaciones.
Sólo a modo de aclaración no limitativa, en la discusión a continuación y en todo el presente documento, la discusión de la primera de estas tres celdas electrolíticas se denominará una "primera" celda electrolítica para ayudar a distinguirla de las otras dos diferentes pero similares celdas electrolíticas. Los componentes de la "primera" celda electrolítica incluirán la designación "primera" para ayudar a distinguir los componentes de la primera celda electrolítica de los componentes de otra celda electrolítica usados en una combinación particular. De manera similar, se puede usar una "segunda" designación con una segunda celda electrolítica y sus diversos componentes cuando se usan dos celdas en combinación para ayudar a identificar y distinguir entre componentes similares usados en ambas celdas. Además, debido a que se describirán realizaciones de tres celdas electrolíticas, la tercera celda electrolítica y sus diversos componentes pueden denominarse con una "tercera" designación. Por consiguiente, la designación "primera" usada con una celda electrolítica particular no debe interpretarse en el sentido de que hay más de una celda electrolítica en una realización particular del sistema. De hecho, el sistema de la presente invención puede, en algunas realizaciones, incluir solo una celda electrolítica. La "primera" designación, cuando se usa con un componente particular de una celda electrolítica, no debe interpretarse en el sentido de que necesariamente debe haber más de uno de dichos componentes en la primera celda electrolítica, aunque puede haberlo. De manera similar, el uso de la designación "segunda" en cualquiera de las descripciones de realización en el presente documento no debe interpretarse en el sentido de que debe haber dos celdas electrolíticas en la realización, aunque puede haber, o dos de tales componentes dentro de una sola celda electrolítica, aunque puede haber. El lector no debe interpretar que la designación "tercera" usada con una celda electrolítica particular indica que debe ser necesariamente un número particular de celdas electrolíticas o un número particular de componentes para cualquier celda electrolítica. Las designaciones son simplemente etiquetas para ayudar a la lectura a identificar qué componentes pueden estar asociados con qué celda electrolítica en particular. En algunos casos, la designación "primera", "segunda" o "tercera" puede no usarse, pero los diversos componentes de las diversas celdas electrolíticas pueden distinguirse del contexto de la discusión.
Con referencia ahora a la Figura 1, se muestra un sistema para recuperar metal y azufre elemental de una corriente de alimentación no acuosa. En una realización, el sistema es una primera celda 100 electrolítica. La primera celda 100 electrolítica incluye un primer compartimiento 110 de anolito y un primer compartimiento 112 de catolito. Un primer ánodo 114 está posicionado con el primer compartimiento 110 de anolito. En una realización, el primer ánodo 114 se puede fabricar a partir de un material eléctricamente conductor tal como acero inoxidable, níquel, hierro, aleaciones de hierro, aleaciones de níquel, grafito y otros materiales de ánodos conocidos en la técnica. El primer ánodo 114 puede estar recubierto con un material electroactivo tal como titanio recubierto con platino, u óxidos electroactivos tales como óxido de rutenio, óxido de iridio, óxido de tantalio y similares y combinaciones de los mismos y otros óxidos conocidos en la técnica. El primer ánodo 114 puede ser un material eléctricamente conductor que se sabe que no se oxida cuando se carga positivamente bajo un gradiente de potencial en un electrolito. El primer ánodo 114 puede ser una malla, una estructura monolítica o puede ser un monolito con características que permitan el paso del anolito a través de la estructura del ánodo. El primer compartimiento 110 de anolito contiene un anolito 116 que está en comunicación con el primer ánodo 114 para permitir la interacción química o electroquímica entre el primer ánodo 114 y el anolito 116. El primer compartimiento 110 de anolito puede incluir una o más entradas 118 y salidas. 120. En una realización, el primer ánodo 114 está posicionado de forma desmontable dentro del primer compartimiento 110 de anolito. Esta configuración puede facilitar la recolección de azufre elemental del primer compartimiento 110 de anolito, como se discutirá con más detalle a continuación. En consecuencia, el primer compartimiento 110 de anolito, y/o la primera celda 100 electrolítica están configurados para permitir dicha eliminación del primer ánodo 114. En una realización, uno o ambos del primer compartimiento de anolito y del primer catolito (110, 112) pueden incluir una descarga (no mostrada) para descargar cualquier gas que pueda generarse en los compartimentos (110, 112) usando el aparato o método descrito en el presente documento. Esto puede ser deseable, por ejemplo, si hay hidrosulfuro de metal alcalino en el anolito y el proceso electroquímico libera sulfuro de hidrógeno que no permanece disuelto en el anolito 116 o catolito 122.
El anolito 116 comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino. En una realización, el sulfuro de metal alcalino puede incluir sulfuro de sodio. El sulfuro de metal alcalino también puede incluir sulfuro de litio. De manera similar, en una realización, el polisulfuro de metal alcalino puede incluir polisulfuro de sodio. El polisulfuro de metal alcalino también puede incluir polisulfuro de litio. En una realización, el anolito 116 es una corriente de alimentación que es la corriente no acuosa resultante de un proceso de desulfuración donde se hace reaccionar sodio con azufre en una fuente de hidrocarburo. En consecuencia, la corriente resultante que se alimenta al primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica tendrá sulfuros y polisulfuros de metales alcalinos. La corriente resultante también tendrá al menos un metal pesado, que puede estar en diversas formas, incluyendo compuestos metálicos o un ion metálico disuelto o disociado. Las referencias a "metal" en el presente documento incluyen metal tal como puede aparecer en cualquier forma. Los ejemplos no limitantes del metal alcalino pueden incluir sodio y litio. Los ejemplos no limitantes de metales pesados pueden incluir vanadio, níquel, hierro, cobre, plomo, silicio y los mencionados anteriormente.
En una realización, el anolito 116 incluye un solvente orgánico polar. El solvente orgánico polar disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino. El solvente orgánico polar también disuelve el azufre elemental. El término "disolver", en cualquiera de sus formas, que incluye, sin limitación, "disuelve", "disuelto" y "disolviendo", pretende incluir la disolución parcial. El solvente orgánico polar puede incluir uno o más de N,N-dimetilanilina, quinolina, tetrahidrofurano, 2-metil tetrahidrofurano, benceno, ciclohexano, fluorobenceno, trifluorobenceno, tolueno, xileno, tetraglima, diglima, isopropanol, etil propional, dimetil carbonato, dimetoxi éter, etanol y acetato de etilo, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de dietilo, 1,3-dimetil-3,4,5,6-tetrahidro-2-pirimidinona, metilformida y 1,3-dimetil-2-imidazolidinona (DMI ) y similares.
En una realización, el sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino se disuelven en el anolito 116 y crean una mayor concentración de iones sulfuro y polisulfuro de metal alcalino. Cuando la concentración de iones es mayor, la primera celda 100 electrolítica se desempeña de manera más eficiente. En una realización, el anolito comprende azufre elemental. La adición de azufre elemental disuelto en el solvente aumenta la solubilidad del sulfuro y polisulfuro de metal alcalino para facilitar aún más la disolución del sulfuro y polisulfuro de metal alcalino en el anolito 116. Los expertos en la técnica apreciarán que los cationes de metales alcalinos adicionales introducidos por el sulfuro y polisulfuro de metal alcalino disueltos también ayudan al rendimiento de las celdas aumentando las condiciones de transporte de masa de los cationes.
Se coloca un primer cátodo 122 dentro del primer compartimiento 112 de catolito. En una realización, el primer cátodo 122 puede estar hecho de grafito, hierro, acero, acero inoxidable u otros materiales eléctricamente conductores. El primer compartimiento 112 de catolito contiene un catolito 124 que está en comunicación con el primer cátodo 122 para permitir la interacción química o electroquímica entre el primer cátodo 122 y el catolito 124. El primer compartimiento del catolito incluye una entrada (no mostrada) y una salida 126. En una realización, el primer cátodo 122 está posicionado de forma desmontable dentro del primer compartimiento 112 de catolito para facilitar la recolección del metal que se deposita sobre el mismo, como se discutirá con más detalle más adelante. En consecuencia, el primer compartimiento 112 de catolito, y/o la primera celda 100 electrolítica están configurados para permitir tal retiro del primer cátodo 122.
El catolito 124 comprende un líquido conductor de iones alcalinos. En una realización, el líquido conductor de iones comprende un solvente catolito que contiene iones de metales alcalinos. Cuando el catolito 124 incluye un metal alcalino fundido, el metal alcalino debe ser el metal alcalino que se encuentra en el sulfuro o polisulfuro de metal alcalino en el anolito. En una realización, el líquido conductor de iones incluye tanto un solvente catolito que contiene iones de metales alcalinos como gotas de metal alcalino fundido que pueden formarse en el primer cátodo 122. El solvente catolito puede incluir uno o más de tetraglima, diglima, carbonato de dimetilo, dimetoxi éter, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de dietilo y similares. En una realización, el catolito incluye una sal de metal alcalino tal como un yoduro o cloruro, perclorato o un fluoroborato del metal alcalino. El solvente catolito y el baño de metal alcalino fundido facilitan la conductividad iónica en el catolito 124, lo que permite que se produzcan las reacciones redox necesarias en la celda 100.
Los expertos en la técnica apreciarán que hay una variedad de configuraciones de celda que permitirían acceder a los compartimentos (110, 112) del primer anolito y primer catolito. Por ejemplo, en una realización, puede ser ventajoso tener múltiples entradas a los compartimentos (110, 112) del primer anolito o primer catolito por una variedad de razones, que incluyen limitar la interacción o reacción de los respectivos constituyentes del anolito 116 o catolito 124 a sus respectivos compartimentos (110, 112), en lugar de permitir que se mezclen fuera del compartimento. De manera similar, puede ser deseable tener múltiples salidas. Además, cuando sea apropiado, las funciones de una entrada y una salida pueden combinarse, de modo que una abertura sea tanto una entrada como una salida. Véase 126 en la Figura 1, por ejemplo. Por lo tanto, está dentro del alcance de esta invención que el primer compartimiento 110 de anolito y el primer compartimiento 112 de catolito tengan múltiples entradas y salidas. También está dentro del alcance de esta invención que la entrada y salida del primer compartimiento 110 de anolito sea la misma abertura y la entrada y salida del primer compartimiento 112 de catolito sea la misma abertura.
En una realización, se posiciona un primer separador 128 entre el primer compartimiento 110 de anolito y el primer compartimiento 112 de catolito. El primer separador 128 está en comunicación con el anolito 116 y el catolito 124, de manera que bajo ciertas condiciones electroquímicas discutidas a continuación, los iones pueden pasar del primer compartimiento 110 de anolito al primer compartimiento 112 de catolito. El primer separador 128 está configurado para transportar de forma no selectiva cationes, incluyendo cationes metálicos “M+" tales como cationes de metales alcalinos u otros cationes de metales pesados que pueden estar en el anolito. Como se usa en el presente documento, "M+" indica un catión metálico e incluye cationes de diversos tipos de metal y metales u otros iones con una carga positiva de uno o más. Por lo tanto, como se usa en el presente documento, la designación "M+" incluye cationes metálicos con estados de oxidación más altos, tal como los que de otro modo podrían denominarse M'++ o M''+++. En una realización, los cationes de metales alcalinos son cationes de sodio o litio.
El primer separador 128 puede ser al menos uno de entre una membrana de intercambio catiónico y una membrana 130 microporosa. En otras realizaciones, el primer separador 128 puede ser poroso y tener una porosidad mayor que la microporosidad. En una realización, el primer separador 128 puede ser permeable a los cationes y sustancialmente impermeable a los aniones, el solvente y el azufre elemental disuelto. El metal alcalino en una realización es ya sea sodio o litio. En una realización, una membrana de intercambio catiónico proporciona una mayor eficiencia de corriente. La membrana de intercambio catiónico también sirve para impedir que los iones sulfuro en el primer compartimiento 110 de anolito se muevan a través del primer separador 128 al primer compartimiento 112 de catolito.
El primer separador 128 puede estar hecho de una película polimérica porosa tal como polipropileno. En otras realizaciones, el primer separador 128 podría ser una estera de microfibras u otros materiales separadores conocidos en la técnica para prevenir sustancialmente la convección o mezcla del anolito y catolito. En una realización, el primer separador 128 es una red de polímero orgánico microporoso. En otra realización, el primer separador 128 es una película de polímero microporoso, tal como polipropileno. Un ejemplo de una película de polímero microporoso incluye una película vendida bajo el nombre de producto Celgard® 2400. Celgard es una marca comercial registrada de Celgard, LLC. El primer separador 128 también puede estar hecho de un material de intercambio catiónico tal como un copolímero-fluoropolímero con base en tetrafluoroetileno sulfonado. Dicho material puede venderse bajo la marca comercial Nafion®, una marca comercial registrada de E. I. Du Pont De Nemours and Company Corporation. El primer separador 128 puede ser una membrana de intercambio catiónico que incluye constituyentes fijos cargados negativamente dentro de su estructura y cationes no fijos que son intercambiables y móviles. Dicho material de membrana de intercambio catiónico puede incluir los fabricados por Neosepta. La membrana de intercambio catiónico sirve para restringir la migración de aniones cargados negativamente del anolito al catolito.
El primer separador 128 puede comprender una combinación de membranas de intercambio catiónico, materiales porosos y materiales microporosos o incluso nanoporosos. En una realización, el primer separador 128 comprende material configurado para transportar cationes 130 de forma no selectiva unidos a un sustrato 132 poroso u otro material que transporta cationes de forma no selectiva. Por ejemplo, en una realización, una membrana de intercambio catiónico puede tener la forma de una película aplicada a un sustrato u otros materiales del primer separador 128. Los expertos en la técnica apreciarán que estos materiales 130 se pueden unir al sustrato 132 poroso u otros materiales 130 separadores en cualquier número de formas conocidas, incluyendo sin limitaciones, laminado, recubrimiento por pulverización, recubrimiento por deposición de vapor, unir o pintar el material sobre el sustrato poroso en el estado verde y coactivar el par, y similares. El sustrato 132 poroso puede colocarse entre el material 130 y el primer cátodo 122. En esta configuración, el sustrato poroso es un amortiguador o espaciador entre el catolito/cátodo y el material, que por ejemplo puede ser una membrana de intercambio catiónico.
Como se discutirá con más detalle a continuación, cuando se aplica un voltaje a la celda, los cationes metálicos M+ que pasan a través del primer separador 128, se reducirán en el catolito. Algunos pueden reducirse inmediatamente al recibir electrones del cátodo o de cualquier metal ya depositado sobre el cátodo, incluyendo las dendritas que sobresalen. La adición del sustrato 132 poroso sirve como amortiguador o espaciador entre una membrana 130 de intercambio de cationes, por ejemplo, y el primer compartimiento 112 de catolito aumenta la probabilidad de que la reducción ocurrirá en el sustrato poroso y no inmediatamente en la membrana de intercambio catiónico. Cuando los metales se reducen sobre la membrana de intercambio catiónico, el rendimiento de la celda 100 finalmente puede disminuir. El sustrato poroso ralentiza este proceso. Además, donde el primer cátodo 122 se posiciona cerca de la membrana 130 de intercambio de cationes, la formación de dendrita puede ocurrir en el primer cátodo 122 que podría expandirse hacia la membrana 130 de intercambio de cationes afectando negativamente el rendimiento de la celda 100. El sustrato 132 poroso protege la membrana 130 de intercambio de cationes contra la formación de dendrita en el primer cátodo 122.
La primera celda 100 electrolítica también incluye una primera fuente 134 de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo 114 y el primer cátodo 122. La primera fuente 134 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda 100 electrolítica que es suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado. En una realización, el voltaje aplicado a la primera celda 100 electrolítica por la primera fuente 134 de energía es suficiente para reducir al menos un ion de metal alcalino en la primera celda electrolítica a metal alcalino. En una realización, la primera fuente 134 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda 100 electrolítica suficiente para incrementar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en la primera celda 100 electrolítica. En una realización, esto puede significar incrementar un ion monosulfuro en un ion polisulfuro. También puede significar la creación de un polisulfuro superior. Por ejemplo, el voltaje puede conducir al monosulfuro S2- al polisulfuro S22", o al polisulfuro S42" a un polisulfuro superior tal como S62" o Se2". En una realización, el voltaje puede conducir polisulfuros superiores a azufre elemental.
En una realización, la primera fuente 134 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda 100 electrolítica que es mayor que un potencial de circuito abierto de la primera celda 100 electrolítica. Los expertos en la técnica apreciarán que bajo ciertas condiciones, en relación con la concentración de constituyentes en la primera celda 100 electrolítica, los iones metálicos alcalinos se reducirán a metales alcalinos cuando recojan un electrón. En una realización, esto ocurrirá en el primer compartimiento 112 de catolito.
En una realización, donde el metal alcalino del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino es sodio, la relación de sodio a azufre en el primer compartimiento 110 de anolito es, o puede mantenerse, de manera que el potencial de circuito abierto de la primera celda 100 electrolítica sea mayor que 2.3 V. Los expertos en la técnica apreciarán que bajo estas condiciones, los iones de sodio metálico que pasan del primer compartimiento 110 de anolito al primer compartimiento 112 de catolito a través del separador 128, se reducirán a sodio metálico en el compartimiento 112 de catolito. Los expertos en la técnica apreciarán que bajo estas condiciones con este voltaje, los iones sulfuro en el primer compartimiento 110 de anolito se oxidan y forman azufre elemental.
En una realización, cuando el metal alcalino del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino es litio, la relación de litio a azufre en el primer compartimiento 110 de anolito es, o puede mantenerse, de manera que el potencial de circuito abierto de la primera la celda 100 electrolítica sea mayor que 2.63 V. Los expertos en la técnica apreciarán que bajo estas condiciones, los iones de litio metálico que pasan del primer compartimiento 110 de anolito al primer compartimiento 112 de catolito a través del separador 128, se reducirán a litio metálico en el compartimiento 112 de catolito. Los expertos en la técnica apreciarán además que bajo estas condiciones con este voltaje, los iones sulfuro en el primer compartimiento 110 de anolito se oxidan y forman azufre elemental.
Los expertos en la técnica apreciarán que la formación de azufre elemental, metal pesado y metal alcalino se ve afectada por diversos factores, incluyendo los niveles de concentración de iones particulares en la primera celda 100 electrolítica. En consecuencia, la primera celda 100 electrolítica de la presente invención podrá configurarse con sensores, controladores, monitores, reguladores, caudalímetros, puertos de acceso y mecanismos de alerta (no mostrados) en el primer compartimiento 110 de anolito y el primer compartimiento 112 de catolito, y otras características que permiten moitorizar, medir y mantener la concentración y relación de constituyentes tales como metal alcalino, azufre elemental, metal pesado, solventes, voltajes de celda abierta, estados de oxidación de iones y similares. La primera celda 100 electrolítica de la presente invención también puede configurarse con monitores y controladores para monitorizar, medir y mantener, voltajes predeterminados aplicados a la primera celda 100 electrolítica por la primera fuente 134 de energía.
En una realización, la primera fuente 134 de energía es ajustable. La primera fuente 134 de energía puede ser automáticamente ajustable de acuerdo con la entrada recibida de sensores, controladores, reguladores, caudalímetros y similares en la primera celda 100 electrolítica para maximizar la eficiencia operativa de la celda 100 o maximizar el rendimiento de uno cualquiera de los azufres de metal pesado, de metal alcalino o elemental. En otra realización, la primera celda 100 electrolítica puede configurarse con alertas a un usuario cuando existen determinadas condiciones en la primera celda 100 electrolítica. Esto puede permitir al usuario ajustar manualmente la salida de la fuente 134 de energía. Los sensores, controladores, reguladores, caudalímetros (no mostrados) y medios para alertar a un usuario (no mostrados) de la primera celda 100 electrolítica también pueden ser utilizados para automáticamente o hacer que un usuario manualmente ajuste otros parámetros de la primera celda 100 electrolítica, tales como temperatura, rata de flujo, concentraciones, pH y similares.
En una realización, la primera fuente 134 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda 100 electrolítica que es menor de 5 V. Los expertos en la técnica apreciarán que, bajo condiciones similares, un voltaje suficiente para reducir los iones de metales alcalinos a metales alcalinos también es suficiente para reducir los iones de metales pesados, como se ha definido anteriormente, “metales pesados”. Así, como los iones positivos de estos metales son atraídos al primer cátodo 122 y pasan a través del primer separador 128, también se reducirán en el primer compartimiento 112 de catolito.
En una realización, la placa de metales pesados reducida sobre el primer cátodo 122 y los iones de metal alcalino se reducen a metal alcalino, pero permanecen en el catolito como gotas cuando la temperatura está por encima de la temperatura de fusión del metal alcalino. En esta configuración, el metal pesado se puede recolectar de varias formas conocidas en la técnica, incluyendo la eliminación del primer cátodo 122 de la celda 100 y el raspado del metal. En una realización, el primer cátodo 122 puede ser una correa giratoria que gira continua o intermitentemente fuera del catolito 124 para permitir la recolección y luego gira de regreso al catolito 124 para más deposición.
Esta configuración también permite una recolección más fácil del metal alcalino. Esto se puede lograr mediante métodos conocidos en la técnica, que incluyen, entre otros, retirar el primer cátodo 122 y raspar, calentar, usar procesos químicos o electroquímicos sobre el primer cátodo 122, o separar o limpiar de otro modo el metal alcalino depositado del primer cátodo 122. En una realización en la que el metal alcalino se ha reducido, pero permanece en el catolito, el metal alcalino se puede recolectar o eliminar del sistema mediante sifonación de una capa rica en metales alcalinos que se ha formado en el primer compartimiento 112 de catolito. Dependiendo de las gravedades específicas relativas del metal alcalino y del catolito 124 circundante en el primer compartimiento 112 de catolito, el metal alcalino puede formar una capa cerca de la parte superior o inferior del primer compartimiento 112 de catolito que puede eliminarse. Dependiendo de las características del catolito, se pueden usar otras formas de recolectar o separar el metal alcalino. En determinadas realizaciones, por ejemplo, cuando el catolito 124 es un solvente que contiene iones alcalinos y el metal alcalino reducido está en forma de gotas de metal alcalino fundido, el metal alcalino reducido puede eliminarse del primer compartimiento 112 de catolito haciendo fluir el catolito 124 con gotas de metales alcalinos y separándolas en un recipiente fuera de la primera celda 100 electrolítica. En otras realizaciones, el catolito 124 puede pasar a través de un filtro, haciendo coalescer las gotas de metal alcalino para facilitar su eliminación.
Una vez que los iones sulfuro se oxidan a azufre elemental, el azufre elemental también se puede separar del anolito de varias formas conocidas en la técnica. En un ejemplo no limitativo, se puede usar un aparato de enfriamiento tal como un circuito de enfriamiento (no mostrado). El refrigerante puede entrar en el primer compartimiento 110 de anolito a través de conductos (no mostrados) posicionados dentro del primer compartimiento 110 de anolito. Cuando se enfría, la solubilidad del azufre elemental disminuye con una gravedad específica mayor que la del anolito 116 circundante, se deposita en el fondo del primer compartimiento 110 de anolito donde puede fluir desde el primer compartimiento 110 de anolito a través de una salida (no mostrada).Alternativamente, el circuito de enfriamiento puede enfriar el anolito por debajo del punto de congelación del azufre elemental y pueden formarse cristales de azufre elemental que se depositan en el fondo del primer compartimiento 110 de anolito, desde donde pueden ser transportados a través de una configuración de conductos, bombas, válvulas y/o filtros (no mostrados) en combinación con una o más salidas 120. Alternativamente, el azufre elemental puede separarse del anolito 116 a través de otros medios tales como filtración o centrifugación. En una realización, se puede permitir que el azufre elemental alcance la saturación dentro del primer compartimiento 110 de anolito dando como resultado la formación de una segunda fase líquida (no mostrada) que podría drenarse o eliminarse de otro modo de la primera celda 100 electrolítica.
En una realización, la primera celda 100 electrolítica incluye un calentador 136 en comunicación operable con al menos uno de los primeros compartimentos (110, 112) de anolito y primer catolito. En una realización, el calentador 136 calienta al menos uno del primer compartimiento 110 de anolito y el compartimiento 112 de catolito y permite que el sistema funcione a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal alcalino. En esta configuración, las placas de metal alcalino se depositan sobre el cátodo 122 junto con otros metales. Los metales alcalinos y otros metales, tales como los metales pesados, pueden separarse entre sí después de que ambos metales se raspen o eliminen del cátodo 122 calentando la mezcla y permitiendo que el metal alcalino forme una fase líquida que se puede separar de otros sólidos.
El calentador 136 puede aumentar la solubilidad de los constituyentes en los solventes del anolito y del catolito. Por ejemplo, calentar el compartimiento 110 de anolito puede facilitar la disolución del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino en presencia de azufre elemental. Los expertos en la técnica apreciarán que el solvente polar puede tener una mayor solubilidad en azufre a temperaturas elevadas.
El calentador 136 mejora así la conductividad iónica, lo que a su vez mejora el rendimiento de la celda 100. En una realización, el calentador 136 permite que al menos uno del primer compartimiento 110 de anolito y el primer compartimiento 112 de catolito opere a una temperatura que varía de 100 °C a 160 °. En otra realización, la temperatura puede oscilar entre 120 °C y 150 °. En consecuencia, en una realización dentro del alcance de la invención, se configura una primera celda 100 electrolítica para electrolizar un sulfuro o polisulfuro de metal alcalino donde la primera celda 100 electrolítica opera a una temperatura por debajo de la temperatura de fusión del metal alcalino. En otra realización, se puede proporcionar una primera celda 100 electrolítica para electrolizar un polisulfuro de metal alcalino donde la primera celda 100 electrolítica opera a una temperatura por encima de la temperatura de fusión del metal alcalino y donde el primer cátodo 122 en parte está sumergido en metal alcalino fundido. En este caso, el catolito 124 comprende esencialmente metal fundido pero también puede incluir solvente y sal de metal alcalino. En otras realizaciones, el calentador 136 es un calentador para toda la primera celda 100 electrolítica en general, en lugar de un calentador para compartimentos específicos de la celda 100 electrolítica.
En una realización, la primera celda 100 electrolítica se puede ejecutar en modo discontinuo donde el anolito 116 se alimenta al primer compartimiento 110 de anolito a través de la entrada 118 y el catolito 124 se alimenta al primer compartimiento 112 de catolito a través de la entrada 126. El azufre elemental se puede alimentar al primer compartimento de anolito a través de la entrada 118 o a través de otra entrada (no mostrada). El azufre elemental se disuelve en el solvente anolito y el azufre elemental combinado con el solvente facilita la disolución de sulfuros y polisulfuros de metales alcalinos en el primer compartimiento 110 de anolito creando cationes M+ de metal alcalino y metal d junto con iones sulfuro. El voltaje de la fuente 134 de energía se aplica al primer ánodo 114 y al primer cátodo 122 que es suficiente para hacer que los cationes de metales alcalinos y los cationes de metales pesados en el anolito migren a través del primer separador y placa en el primer cátodo 122 o se asienten como metales disueltos en el solvente en el primer compartimiento del catolito. A continuación, el metal alcalino y el metal pesado se cosechan o eliminan.
La primera celda 100 electrolítica también se puede ejecutar en modo continuo o semicontinuo. En esta realización, el primer compartimiento 110 de anolito puede configurarse para permitir que el anolito fluya a través del primer compartimiento 110 de anolito de manera continua o semicontinua. El anolito 116 puede fluir continua o intermitentemente entre la entrada 118 y la salida 120 a través del primer compartimiento 110 de anolito. En esta realización, una salida 120 del primer compartimiento 110 de anolito se puede conectar de manera fluida a una entrada 118 del primer compartimiento 110 de anolito. Reciclar el anolito a través de la misma celda puede aumentar la velocidad del flujo. Los expertos en la técnica apreciarán que una mayor velocidad de flujo puede mejorar la transferencia de masa en la primera celda 100 electrolítica al disminuir la capa límite en el primer separador 128 y aumentar el transporte de iones.
En una realización, la celda puede incluir un promotor 138 de turbulencia. El promotor 138 de turbulencia puede ser cualquiera de los conocidos en la técnica para crear turbulencia. El promotor 138 de turbulencia puede crear turbulencia obstruyendo parcialmente una trayectoria de flujo o redireccionando una dirección de flujo. En una realización, el primer ánodo 114 sirve como promotor 138 de turbulencia a través de características sobre la superficie del primer ánodo 114 tales como hoyuelos y salientes. En otra realización, el primer ánodo 114 puede ser una malla o una estructura monolítica con características para interrumpir el paso del anolito a través de la estructura del ánodo. Los expertos en la técnica apreciarán que el promotor 138 de turbulencia puede mejorar la transferencia de masa en la primera celda 100 electrolítica disminuyendo la capa límite del anolito y aumentando el transporte de iones.
Los expertos en la técnica apreciarán que se pueden usar múltiples entradas y salidas en el primer compartimiento 110 de anolito o primer compartimiento 112 de catolito en diversas configuraciones para facilitar una variedad de flujo de fluido a través del sistema de entrada o salida a los compartimentos (110, 112) del primer anolito o del primer catolito. Múltiples entradas y salidas en una variedad de configuraciones están dentro del alcance de la invención.
Además, en algunas realizaciones, se pueden usar bombas, válvulas, controladores y/o filtros (no mostrados) de un tipo conocido en la técnica para facilitar el flujo de fluidos a través del sistema.
Con referencia ahora a la Figura 2, se muestra una segunda celda 200 electrolítica. La segunda celda 200 electrolítica incluye un segundo compartimiento 210 de anolito y un segundo compartimiento 212 de catolito. Un segundo ánodo 214 está posicionado dentro del segundo compartimiento 210 de anolito. El segundo ánodo 214 puede fabricarse a partir de un material eléctricamente conductor tal como acero inoxidable, níquel, hierro, aleaciones de hierro, aleaciones de níquel, grafito y otros materiales de ánodos conocidos en la técnica. El segundo ánodo 214 puede recubrirse con un material electroactivo tal como titanio recubierto de platino, u óxidos electroactivos tales como óxido de rutenio, óxido de iridio, óxido de tantalio y similares y combinaciones de los mismos y otros óxidos conocidos en la técnica. En una realización, el segundo ánodo 214 puede ser un material eléctricamente conductor que se sabe que no se oxida cuando se carga positivamente bajo un gradiente de potencial en un electrolito. El segundo ánodo 214 puede ser una malla, una estructura monolítica o puede ser un monolito con características que permitan el paso del anolito a través de la estructura del ánodo.
El segundo compartimiento 210 de anolito contiene un anolito 216 que está en comunicación con el segundo ánodo 214 para permitir la interacción química o electroquímica entre el segundo ánodo 214 y el anolito 216 dentro del segundo compartimiento 210 de anolito. El segundo compartimiento 210 de anolito puede incluir una o más entradas 218, 219 y salidas 220. En una realización, el segundo ánodo 214 está posicionado de manera desmontable dentro del segundo compartimiento 210 de anolito. Esta configuración puede facilitar la recolección de azufre elemental desde el segundo compartimiento 210 de anolito, como se discutió en detalle anteriormente. La segunda celda 200 electrolítica puede incluir uno o más descargas (no mostradas) para descargar cualquier gas que pueda generarse en los compartimentos (210, 212) segundo anolito y segundo catolito.
El anolito 216 del segundo compartimiento 210 de anolito puede comprender al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino. El anolito 216 incluye un solvente orgánico polar. En una realización, el anolito 216 del segundo compartimiento 210 de anolito incluye azufre elemental. El solvente orgánico polar disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino. El solvente orgánico polar también disuelve el azufre elemental. El solvente orgánico polar puede incluir uno o más de N,N-dimetilanilina, quinolina, tetrahidrofurano, 2-metil tetrahidrofurano, benceno, ciclohexano, fluorobenceno, trifluorobenceno, tolueno, xileno, tetraglima, diglima, isopropanol, etil propional, dimetil carbonato, dimetoxi éter, etanol y acetato de etilo, carbonato de propileno, carbonato de etileno, carbonato de dietilo, 1,3-dimetil-3,4,5,6-tetrahidro-2-pirimidinona, metilformida y 1,3-dimetil-2-imidazolidinona (DMI ) y similares. En consecuencia, el anolito 216 del segundo compartimiento 210 de anolito es similar al anolito 116 (véase la Figura 1) del primer compartimiento 110 de anolito descrito junto con la celda 100 electrolítica (véase Figura 1), excepto que el anolito 216 puede tener menos o sustancialmente ningún metal pesado. Así, como ocurre con el anolito en el primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica, la adición de azufre elemental al anolito aumenta la solubilidad de los sulfuros de metales alcalinos, y en particular de los polisulfuros de metales alcalinos. Como se discutirá a continuación, la segunda celda 200 electrolítica puede usarse en un sistema junto con otras celdas electrolíticas, tal como la primera celda electrolítica, que puede haber eliminado parte o todo el metal pesado del anolito que eventualmente ingresa al segundo compartimiento 210 de anolito.
Se posiciona un segundo cátodo 222 dentro del segundo compartimiento 212 de catolito. En una realización, el segundo cátodo 222 puede estar hecho de grafito, hierro, acero, acero inoxidable u otros materiales eléctricamente conductores. El segundo compartimiento 212 de catolito contiene un catolito 224 que está en comunicación con el segundo cátodo 212 para permitir la interacción química o electroquímica entre el segundo cátodo 222 y el catolito 224 en el segundo compartimiento 212 de catolito. El segundo compartimiento 212 de catolito puede incluir una o más entradas (no mostradas) y salidas 226. En una realización, el segundo cátodo 222 está posicionado de forma desmontable dentro del segundo compartimiento 212 de catolito para facilitar la recolección del metal que pueda acumularse en el mismo. En otra realización, el segundo cátodo 222 es una banda móvil que se mueve continua o intermitentemente hacia adentro y hacia afuera del segundo compartimiento 212 de catolito para permitir que el metal depositado sobre el segundo cátodo 222 sea retirado del segundo cátodo 222. En una realización, ese metal puede incluir metales alcalinos como sodio o litio. En otra realización, el metal alcalino que se ha reducido en el segundo cátodo 222 puede permanecer en un estado disuelto en el catolito y puede eliminarse usando métodos conocidos en la técnica.
El catolito 224 puede comprender un líquido conductor de iones alcalinos o un metal alcalino fundido. En una realización, el líquido conductor de iones comprende uno o más de un solvente catolito que contiene iones de metales alcalinos. El catolito 224 puede incluir los mismos solventes y sales que, y ser sustancialmente el mismo que el catolito 124 (véase la Figura 1) usado en la primera celda 100 electrolítica (véase la Figura 1).
Se posiciona un segundo separador 228 entre el segundo compartimiento 210 de anolito y el segundo compartimiento 212 de catolito. El segundo separador 228 está en comunicación con el anolito del segundo compartimiento 210 de anolito y el catolito del segundo compartimiento 212 de catolito. En una realización, el segundo separador 228 es un separador 228 selectivo de iones alcalinos, de modo que bajo ciertas condiciones discutidas a continuación, iones alcalinos seleccionados pueden pasar a través del separador 228 selectivo de iones alcalinos desde el segundo compartimiento 210 de anolito al segundo compartimiento 212 de catolito. El segundo separador 228 puede ser sustancialmente permeable sólo a los cationes y sustancialmente impermeable a los aniones, polianiones y azufre disuelto.
En una realización, el separador 228 selectivo de iones alcalinos es un Conductor Superiónico de Sodio (NaSICON). En una realización, el segundo separador 228 tiene una composición de Na1 +xZr2SixP3-xO12 donde 0 <x <3. Se conocen en la técnica otras composiciones de NaSICON. En otra realización, el separador 228 selectivo de iones alcalinos es un Conductor Superiónico de Litio (LiSICON). En otra realización, el segundo separador 228 puede ser fosfato de litio y titanio (LTP) con una composición que es sustancialmente Li(1 +x+4y)AlxTi(1 -x-y)(PO4)3 donde 0 <x <0.4 y 0 < y <0.2. Otros materiales adecuados pueden ser de las familias de vitrocerámica y vidrio conductor iónico, tales como la composición general Lh+xAlxGe2-xPO4. Se conocen en la técnica otros materiales conductores de litio. Los expertos en la técnica apreciarán que la elección del separador 228 selectivo de iones alcalinos depende del metal alcalino que se desee recuperar. En una realización, la segunda membrana 228 selectiva de iones alcalinos incluye beta' alúmina. La segunda membrana 228 selectiva de iones puede incluir vidrio conductor de metal alcalino.
El separador 228 selectivo de iones alcalinos puede tener una porción de su espesor que tiene una porosidad pasante insignificante, de modo que los líquidos en el segundo compartimiento 210 de anolito y el segundo compartimiento 212 de catolito no pueden pasar de un compartimiento al otro, pero sustancialmente solo los iones alcalinos (M+), tal como los iones sodio o los iones litio, pueden pasar del segundo compartimiento 210 de anolito al segundo compartimiento 212 de catolito. El segundo separador 228 también puede estar compuesto en parte por una vitrocerámica conductora de metal alcalino tal como los materiales producidos por Ohara Glass de Japón.
La segunda celda 200 electrolítica también incluye una segunda fuente 234 de energía en comunicación eléctrica con el segundo ánodo 214 y el segundo cátodo 222. En una realización, la segunda fuente 234 de energía es una fuente 234 de energía de corriente continua. El segundo ánodo 214 está conectado al terminal positivo de la fuente 234 de energía de corriente continua y el segundo cátodo 22 está conectado al terminal negativo de la fuente 234 de energía de corriente continua. La segunda fuente 234 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la segunda celda 200 electrolítica que es mayor que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica. Los expertos en la técnica apreciarán que bajo ciertas condiciones relativas a la concentración de iones particulares en el sistema, este voltaje hará que los iones de metales alcalinos se reduzcan en el segundo compartimiento 212 de catolito cuando recogen un electrón. En consecuencia, la segunda celda 200 electrolítica de la presente invención puede configurarse con sensores, controladores, monitores, reguladores, caudalímetros, puertos de acceso y mecanismos de alerta como los descritos anteriormente en conjunto con la primera celda electrolítica, para permitir la concentración y relación de constituyentes tales como metales alcalinos, azufre elemental, metales pesados, solventes, estados de oxidación, voltaje de celda abierta y similares, para ser monitorizados, medidos y mantenidos. La segunda celda 200 electrolítica de la presente invención también puede configurarse con monitores y controladores para monitorizar, medir y mantener, voltajes predeterminados aplicados a la segunda celda 200 electrolítica por la segunda fuente 234 de energía.
En una realización, la fuente 234 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la segunda celda 200 electrolítica que es suficiente para incrementar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en la segunda celda 200 electrolítica. Incrementar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro puede significar incrementar un ion monosulfuro en un ion polisulfuro. También puede significar la creación de un polisulfuro superior. Por ejemplo, el voltaje puede conducir al monosulfuro S2- al polisulfuro S22-, o al polisulfuro S42- a un polisulfuro superior como S62- o Se2-. En una realización, el voltaje puede conducir polisulfuros superiores a azufre elemental.
En una realización en la que el metal alcalino del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino es sodio, la relación de sodio a azufre en el segundo compartimiento 210 de anolito es, o puede mantenerse, de manera que el potencial de circuito abierto de la segunda celda 200 electrolítica es superior a 2.3 V. Los expertos en la técnica apreciarán que bajo estas condiciones, los iones de sodio metálico que pasan del segundo compartimiento 210 de anolito al segundo compartimiento 212 de catolito a través del segundo separador 228, se reducirán a sodio metálico en el compartimiento 212 de catolito cuando este recoge electrones. Los expertos en la técnica apreciarán que bajo estas condiciones con este voltaje, los iones sulfuro en el segundo compartimiento 210 de anolito también se oxidarán y formarán azufre elemental.
En una realización en la que el metal alcalino del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino es litio, la relación de litio a azufre en el segundo compartimiento 210 de anolito es, o puede mantenerse, tal que el potencial de circuito abierto de la segunda celda 200 electrolítica es superior a 2.63 V. Los expertos en la técnica apreciarán que, bajo estas condiciones, los iones de litio metálico que pasan del segundo compartimiento 210 de anolito al segundo compartimiento 212 de catolito a través del segundo separador 228, se reducirán a litio metálico en el segundo compartimiento 212 de catolito. Los expertos en la técnica apreciarán además que bajo estas condiciones con este voltaje, los iones sulfuro en el segundo compartimiento 210 de anolito también se oxidarán y formarán azufre elemental. En una realización, el voltaje aplicado a la segunda celda 200 electrolítica varía entre 2.3 V y 5 V
Por consiguiente, cuando se aplican voltajes suficientes para reducir los iones alcalinos a metal alcalino, a la segunda celda 200 electrolítica, los iones M+ de metal alcalino cargados positivamente son atraídos al segundo cátodo 222 y pasan a través del segundo separador 228 selectivo de iones alcalinos hacia el segundo compartimiento 212 de catolito donde se reducirán y formarán metal alcalino. Los expertos en la técnica apreciarán que un voltaje suficiente para reducir los iones de metales alcalinos también sería suficiente para reducir cualquier metal pesado en el segundo compartimiento 210 de anolito. Sin embargo, debido a que el segundo separador 228 es selectivo solo para iones alcalinos, los iones de metales pesados en el segundo compartimiento 210 de anolito no pasarán a través del segundo separador 228 selectivo de iones alcalinos y no se reducirán a metales pesados en el segundo compartimiento 212 de catolito. Así, la segunda celda 200 electrolítica, está configurada para que sea más fácil recolectar el metal alcalino sin la interferencia de cualquier o sustancialmente cualquier metal pesado.
Una vez que los iones de metales alcalinos se han reducido a metal alcalino en el segundo compartimiento 212 de catolito, el metal alcalino reducido se puede retirar del sistema de diversas formas. Como se discutió anteriormente, el cátodo, en este caso el segundo cátodo 222 puede ser eliminador del segundo compartimiento 212 de catolito y raspado, calentado, procesado química o electroquímicamente para retirar o separar el metal alcalino depositado del segundo cátodo 22. En la realización donde el metal alcalino se ha reducido, pero permanece en el catolito, el metal alcalino se puede recolectar o retirar del sistema mediante sifonación de una capa rica en metales alcalinos que se ha formado en el primer compartimiento 212 de catolito. Dependiendo de las gravedades específicas relativas del metal alcalino y el catolito 224 circundante en el primer compartimiento 212 de catolito, el metal alcalino puede formar una capa cerca de la parte superior o inferior del primer compartimiento 212 de catolito que puede eliminarse. Dependiendo de las características del catolito, se pueden usar otras formas para recolectar o separar el metal alcalino. En determinadas realizaciones, por ejemplo, cuando el catolito 224 es un solvente que contiene iones alcalinos y el metal alcalino reducido se encuentra en forma de gotas de metal alcalino fundido, el metal alcalino reducido puede eliminarse del primer compartimiento 212 de catolito haciendo fluir el catolito 224 con gotas de metales alcalinos y separándolas en un recipiente fuera de la segunda celda 200 electrolítica. En otras realizaciones, el catolito 224 puede pasar a través de un filtro, fusionando las gotas de metal alcalino para facilitar su eliminación.
Una vez que se forma azufre elemental en el segundo compartimiento 210 de anolito, se puede eliminar por métodos conocidos en la técnica. En un ejemplo no limitativo, se puede usar un aparato de enfriamiento tal como un circuito de enfriamiento (no mostrado). El refrigerante puede entrar en el segundo compartimiento 210 de anolito a través de conductos (no mostrados) posicionados dentro del segundo compartimiento 210 de anolito. Cuando se enfría, la solubilidad del azufre elemental disminuye con una gravedad específica mayor que el anolito 216 circundante, se deposita en el fondo del segundo compartimiento 210 de anolito donde puede fluir desde el segundo compartimiento 210 de anolito a través de una salida (no mostrada). Alternativamente, el circuito de enfriamiento puede enfriar el anolito por debajo del punto de congelación del azufre elemental y se pueden formar cristales de azufre elemental que se depositan en el fondo del segundo compartimiento 210 de anolito, desde el cual se pueden transportar a través de una configuración de conductos, bombas, válvulas y/o filtros (no mostrados) en combinación con una o más salidas 220. El anolito 216 que contiene azufre elemental puede retirarse de la celda y luego enfriarse dando como resultado la precipitación del azufre. Alternativamente, el azufre elemental puede separarse del anolito 216 a través de otros medios tales como filtración o centrifugación. En una realización, se puede permitir que el azufre elemental alcance la saturación dentro del segundo compartimiento 210 de anolito dando como resultado la formación de una segunda fase líquida (no mostrada) que podría drenarse o eliminarse de otra manera de la segunda celda 200 electrolítica.
En una realización, la segunda celda 200 electrolítica incluye un calentador 236 en comunicación operativa con al menos uno de los compartimentos (210, 212) segundo anolito y segundo catolito. En una realización, el calentador 236 calienta el segundo compartimiento 212 de catolito y permite que el sistema funcione a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal alcalino en al menos un sulfuro de metal alcalino y polisulfuro de metal alcalino. En esta realización, el metal alcalino fundido en el segundo compartimiento 212 de catolito facilita la deposición de metal alcalino en el segundo cátodo 222. El calentador 236 también puede calentar el segundo compartimiento 210 de anolito para facilitar la disolución del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino en presencia de azufre elemental. En una realización, el calentador 236 permite que el sistema y/o la segunda celda 200 electrolítica funcionen a una temperatura que varía de 100 °C a 160 °. En otra realización, el calentador 236 permite que el sistema y/o la segunda celda 200 electrolítica funcionen a una temperatura que varía de 120 °C a 150 °.
La segunda celda 200 electrolítica puede incluir un promotor 238 de turbulencia dentro del segundo compartimiento 238 de anolito para mejorar las propiedades de transferencia de masa dentro del segundo compartimiento 210 de anolito. La turbulencia causada por el promotor de turbulencia puede mejorar la transferencia de masa en la segunda celda 200 electrolítica al disminuir la capa límite en el segundo separador 228 y aumentar el transporte de iones. El segundo ánodo 214 puede operar como el promotor 238 de turbulencia y el segundo ánodo puede ser del mismo tipo y configuración que el ánodo 114 en la celda 100 electrolítica descrita en conjunto con la Figura 1. Será apreciado por los expertos en la técnica que los promotores de turbulencia del tipo descrito en el presente documento, u otros promotores de turbulencia conocidos en la técnica, pueden usarse en cualquiera de las celdas electrolíticas descritas en el presente documento, ya sea en los compartimentos de anolito o catolito de esas celdas.
Como se discutirá con mayor detalle a continuación, el segundo compartimiento 210 de anolito puede configurarse para reciclar una parte del anolito 216 contenido en el mismo para mejorar el rendimiento de la celda 200. En esta realización, una salida 220 del segundo compartimiento 210 de anolito puede estar en comunicación fluida con una entrada 218, 219 del segundo compartimiento 210 de anolito para permitir que parte o todo el anolito 216 salga y entre en el mismo segundo compartimiento 210 de anolito una o más veces. Reciclar el anolito a través del mismo compartimento puede aumentar la velocidad del flujo. Los expertos en la técnica apreciarán que una mayor velocidad de flujo puede mejorar la transferencia de masa en la segunda celda 200 electrolítica al disminuir la capa límite en el segundo separador 128 y aumentar el transporte de iones. Los expertos en la técnica apreciarán además que las entradas y salidas para permitir que tal reciclado aumente la velocidad del flujo se pueden usar en cualquiera de las celdas electrolíticas descritas en el presente documento, ya sea en los compartimentos de anolito o catolito de esas celdas.
Con referencia ahora a la Figura 3, se muestra una realización de un sistema 250 para eliminar metal y azufre elemental de una corriente de alimentación usando una primera celda 100 electrolítica y una segunda celda 200 electrolítica en combinación. La primera celda 100 electrolítica puede ser igual o similar a la primera celda 100 electrolítica y todas sus diversas realizaciones descritas anteriormente en conjunto con la Figura 1 anterior. La segunda celda 200 electrolítica puede ser igual o similar a la segunda celda 200 electrolítica y todas sus diversas realizaciones descritas anteriormente en conjunto con la Figura 2 anterior. En una realización del sistema 250, la primera celda 100 electrolítica está en comunicación fluida con la segunda celda 200 electrolítica.
En una realización del sistema de dos celdas 250, la primera fuente 134 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda 100 electrolítica que está por debajo del potencial de celda abierta de la primera celda 100 electroquímica. En otra realización, la primera fuente 134 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda 100 electrolítica que está al menos 0.2 V por debajo del potencial de celda abierta de la primera celda electroquímica. La primera fuente 134 de energía también puede configurarse para aplicar un voltaje a la primera celda 100 electrolítica que sea insuficiente para reducir los iones de metales alcalinos en la primera celda 100 electrolítica a metal alcalino. En una realización, el voltaje aplicado a la primera celda 100 electrolítica varía entre aproximadamente 0.7 V y aproximadamente 2.0 V. En consecuencia, el voltaje aplicado a la primera celda 100 electrolítica, es suficiente para reducir los iones de metales pesados a metales pesados, pero no los iones de metales alcalinos a metales alcalinos.
Como se discutió anteriormente, cuando se aplica voltaje a la primera celda 100 electrolítica, los iones de metales pesados, atraídos al primer cátodo 122, se mueven desde el primer anolito 116 a través del primer separador 128 y se combinan con electrones en el primer catolito 124 para reducir a metal pesado. Esto puede ocurrir en el primer cátodo 122 donde las placas de metal pesado se depositan sobre el primer cátodo 122. El metal pesado puede entonces ser eliminado del sistema 250 por las formas descritas anteriormente junto con la Figura 1.
En una realización del sistema 250, una salida 120 del primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica está en comunicación fluida con una entrada 218 del segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica. En esta configuración, la corriente de alimentación original o anolito de la que se han eliminado metales pesados mediante la celda 100 electrolítica, se alimenta a la segunda celda 200 electrolítica. Con muchos, si no sustancialmente todos, de los contaminantes de metales pesados eliminados, el anolito puede ser procesado adicionalmente por la segunda celda electrolítica para separar y recuperar el metal alcalino y el azufre elemental. Debido a que la segunda fuente 234 de energía aplica un voltaje a la segunda celda electrolítica que es suficiente para reducir los iones de metales alcalinos a metales alcalinos, cuando los iones de metales alcalinos se combinan con electrones en el segundo compartimento 216 de anolitos, los iones alcalinos que se disuelven en el solvente anolito en el segundo compartimiento 210 de anolito pueden migrar a través de la segunda membrana 228 selectiva de iones alcalinos y reducirse a metal alcalino en el segundo compartimiento 212 de catolito. El metal alcalino en el segundo compartimiento 212 de catolito se puede recolectar de varias formas conocidas en la técnica, incluyendo las discutidas anteriormente junto con las descripciones de las Figuras 1 y 2 anteriores.
Como se discutió anteriormente en conjunto con la Figura 2, el voltaje aplicado a la segunda celda 200 electrolítica del sistema 250 es lo suficientemente alto como para incrementar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en el segundo compartimiento 210 de anolito. En una realización, el voltaje es lo suficientemente alto como para accionarla oxidación de iones sulfuro hasta dar azufre elemental. El azufre elemental puede separarse del anolito 216 del segundo compartimiento 210 de anolito por los medios descritos anteriormente junto con las Figuras 1 y 2, y luego retirarse de la segunda celda 200 electrolítica utilizando la salida 220. En otra realización, el anolito que contiene azufre elemental se puede retirar del segundo compartimiento 210 de anolito por la salida 220 y someterse a un proceso de separación para retirar el azufre elemental fuera de la celda 200 electrolítica.
En una realización, el sistema 250 comprende un calentador (no mostrado) en comunicación operativa con al menos uno de los compartimentos (110 y 210) de anolito primero y segundo y los compartimentos (112 y 212) de catolito primero y segundo. El calentador del sistema en algunas realizaciones puede tomar el lugar del calentador individual de la celda 100 o 200 electrolítica. En una realización, el sistema 250 está configurado para operar a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal alcalino en el al menos un sulfuro de metal alcalino y polisulfuro de metal alcalino del anolito del primer compartimiento 110 de anolito o del segundo compartimiento 200 de anolito. En esta realización, el líquido conductor de iones del catolito del primer compartimiento 112 de catolito o el segundo compartimiento 212 de catolito puede ser metal alcalino fundido. En una realización, el metal alcalino fundido es sodio fundido. En otra realización, el metal alcalino fundido es litio fundido. En otra realización, el sistema 250 incluye un calentador en comunicación operativa con al menos uno de los compartimentos (110 y 210) de anolito primero y segundo y los compartimentos (112 y 212) de catolito primero y segundo, y en la que el sistema 250 está configurado para operar a una temperatura que varía de 100 °C a 160 °. En otra realización, el sistema 250 está configurado para operar a una temperatura que varía de 120 °C a 150 °. Dependiendo de la existencia de un calentador o de la configuración del calentador, el líquido conductor de iones de los compartimentos (112 y 212) de catolito primero y segundo comprende al menos uno de un solvente catolito que contiene iones de metales alcalinos y metal alcalino fundido.
Con referencia ahora a la Figura 4, un sistema 350 incluye otra realización de la combinación de la primera celda 100 electrolítica y la segunda celda 200 electrolítica. Una salida 120 del primer compartimiento 110 de anolito está en comunicación fluida con una entrada 218 del segundo compartimiento 210 de anolito de manera que las dos celdas (100, 200) electrolíticas están en comunicación fluida entre sí. Al igual que con el sistema 250 (Figura 3), esta configuración del sistema 350 permite la eliminación de metales pesados del anolito en la primera celda 100 electrolítica utilizando los procesos descritos anteriormente, seguido de la eliminación de sodio y azufre elemental del mismo anolito, ahora en la segunda celda 200 electrolítica. En esta realización de la presente invención, una salida 221 del segundo compartimiento 210 de anolito puede estar en comunicación fluida con una entrada 218 del mismo segundo compartimiento 210 de anolito. Esta configuración permite que el anolito 216 sea reciclado de forma continua o intermitente a través del segundo compartimiento 210 de anolito. Los expertos en la técnica apreciarán que la mayor interacción entre el anolito y el separador 228 provocada por dicho reciclaje aumentará las propiedades de transferencia de masa del anolito dentro del segundo compartimiento 210 de anolito y aumentará la eficiencia de la celda 200 electrolítica. Los expertos en la técnica apreciarán además que todas las realizaciones de compartimentos de anolito y compartimentos de catolito descritas en la memoria descriptiva pueden incluir esta característica de reciclado donde las salidas están en comunicación fluida con las entradas del mismo compartimento.
El sistema 350 de la presente invención también puede incluir una salida 223 del segundo compartimiento 210 de anolito en comunicación fluida con una entrada 118 del primer compartimiento 110 de anolito. Esto permitirá que el sistema 350 funcione en modo continuo. En esta configuración, los metales pesados pueden eliminarse del anolito, que puede ser la corriente de alimentación original, en la primera celda 100 electrolítica. Luego, el sodio y el azufre elemental se pueden eliminar del mismo anolito, ahora con menos metales pesados, en la segunda celda 200 electrolítica. Y luego el anolito con menos metal pesado, y ahora con menos metal alcalino y azufre elemental, se puede mover de la segunda celda 200 electrolítica y retroalimentar a la primera celda 100 electrolítica para una mayor eliminación de cualquier metal pesado que aún pueda permanecer en el anolito ciclando a través del sistema 350. El patrón puede repetirse de modo que la eliminación de metal pesado, sodio metálico y azufre elemental se puede lograr de forma incremental desde los respectivos compartimentos (110, 210) de anolito de las respectivas celdas (100, 200) electrolíticas. En esta realización, se puede incluir una entrada 119 separada para agregar corriente de alimentación original o adicional, azufre elemental original o adicional, solvente original o adicional, y similares al sistema 350 a través del primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica. Los expertos en la técnica apreciarán que se puede introducir una corriente de alimentación original o adicional en el sistema a través del segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica. En esta realización, se puede utilizar una entrada adicional (no mostrada) al segundo compartimento 210 de anolito para introducir una corriente de alimentación original o adicional, así como azufre elemental original o adicional, solvente original o adicional y similares.
Los expertos en la técnica apreciarán que los sistemas 250 y 350, y de hecho todas las realizaciones de los compartimentos de anolitos y catolitos, pueden configurarse con múltiples entradas y salidas en una variedad de configuraciones para lograr las enseñanzas de la invención. En un ejemplo no limitante, las salidas 220, 221 y 223 del sistema 350 pueden ser la misma salida controlada electrónica o manualmente por una válvula. Además, en algunas realizaciones, se pueden usar bombas (no mostradas) y/o filtros (no mostrados) de un tipo conocido en la técnica para facilitar el flujo de catolito o anolito a través de los sistemas y compartimentos descritos a lo largo de esta descripción. Además, el acceso a todas las realizaciones de los compartimentos y sistemas de anolitos y catolitos, en general, puede lograrse mediante cualquier número de entradas, salidas o puntos de acceso conocidos en la técnica.
Con referencia ahora a la figura 5, se muestra una tercera celda 300 electrolítica. Como se discutirá con más detalle a continuación, la tercera celda 300 electrolítica puede usarse en un sistema junto con la primera celda 100 electrolítica (véase la Figura 1) y la segunda celda 200 electrolítica (véase la Figura 2). La tercera celda 300 electrolítica incluye un tercer compartimiento 310 de anolito y un tercer compartimiento 312 de catolito. Un tercer ánodo 314 está posicionado dentro del tercer compartimiento 310 de anolito. En una realización, el tercer ánodo 314 es sustancialmente el mismo que el segundo ánodo 214 del segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica con sus diversas realizaciones. El tercer compartimiento 310 de anolito contiene un anolito 316 que está en comunicación con el tercer ánodo 314 para permitir la interacción química o electroquímica entre el tercer ánodo 314 y el anolito 316 dentro del tercer compartimiento 310 de anolito. El tercer compartimiento 310 de anolito puede incluir una o más entradas 318, 319 y salidas 320.
Se posiciona un tercer cátodo 322 dentro del tercer compartimiento 312 de catolito. En una realización, el tercer cátodo 322 puede ser sustancialmente similar al segundo cátodo 212 del segundo compartimiento 212 de catolito de la segunda celda 200 electrolítica con sus diversas realizaciones. El tercer compartimiento 312 de catolito contiene un catolito 324 que está en comunicación con el tercer cátodo 312 para permitir la interacción química o electroquímica entre el tercer cátodo 322 y el catolito 324 en el tercer compartimiento 312 de catolito. El tercer compartimento de catolito 321 puede incluir una o más entradas (no mostradas) y salidas 326.
El tercer ánodo 314 y el tercer cátodo 322 pueden posicionarse dentro de su respectivo tercer compartimiento 310 de anolito y tercer compartimiento 312 de catolito y funcionar de la misma manera o similar que el segundo ánodo 214 y el segundo cátodo 222 descritos en conjunto con la Figura 2. Además, el anolito 316 y el catolito 324 pueden ser iguales o sustancialmente similares a los respectivos anolitos 216 y catolitos 224 de la segunda celda 200 electrolítica descrita junto con la Figura 2 anterior. Por lo tanto, en una realización, el anolito 316 puede incluir al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, y un solvente orgánico polar que disuelve el azufre elemental y disuelve el al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino. Como se discutirá con mayor detalle a continuación, cuando se usa junto con la primera celda 100 electrolítica y la segunda celda 200 electrolítica, el anolito 316 puede incluir además al menos una porción del anolito retirado del segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica.
El anolito 316 también puede incluir azufre elemental para ayudar a aumentar la solubilidad de cualquier sulfuro o polisulfuro de metal alcalino en el tercer anolito 316. El catolito 324 puede comprender un líquido conductor de iones alcalinos que puede comprender uno o más de un solvente catolito que contiene iones de metales alcalinos y un baño de metal alcalino fundido.
Se puede posicionar un tercer separador 328 entre el tercer compartimiento 310 de anolito y el tercer compartimiento 312 de catolito de la tercera celda 300 electrolítica. En una realización, el tercer separador 328 puede ser el mismo separador, posicionado de la misma manera, que el segundo separador 228 usado en la segunda celda 200 electrolítica con todas sus diversas realizaciones (véase la Figura 2). Por lo tanto, el tercer separador 328 es un separador selectivo de iones alcalinos en comunicación con el tercer anolito 316 y el tercer catolito 324 y puede funcionar de la misma manera o similar que el segundo separador 228 descrito anteriormente junto con la Figura 2.
En una realización, la tercera celda 300 electrolítica puede incluir un calentador 336 del mismo tipo y con el mismo propósito y configuración que el calentador 236 y sus diversas realizaciones descritas en conjunto con la Figura 2 anterior. El tercer compartimiento 310 de anolito y el tercer compartimiento 312 de catolito también pueden incluir promotores de turbulencia del mismo tipo y propósito que los promotores de turbulencia y sus diversas realizaciones descritas junto con la Figura 2 anterior. La tercera celda 300 electrolítica puede incluir uno o más descargas (no mostradas) para descargar cualquier gas que pueda generarse en los terceros compartimentos (310, 312) de anolito y catolito. El tercer compartimiento 310 de anolito puede incluir un mecanismo de enfriamiento interno o externo (no mostrado) para facilitar el retiro de azufre elemental como se discutió anteriormente en conexión con las celdas 100 y 200 electrolíticas primera y segunda. La tercera celda 300 electrolítica también incluye una tercera fuente 334 de energía en comunicación eléctrica con el tercer ánodo 314 y el tercer cátodo 322.
Como se discutirá con mayor detalle a continuación, el tercer compartimiento 310 de anolito puede configurarse para reciclar una porción del anolito 316 contenido en el mismo para mejorar el rendimiento de la celda 300. En esta realización, una salida 320 del tercer compartimiento 310 de anolito puede estar en comunicación fluida con una entrada 318, 319 del tercer compartimiento 310 de anolito para permitir que parte o todo el anolito 316 salga y entre del mismo segundo compartimiento 310 de anolito una o más veces.
En consecuencia, en una realización, la tercera celda 300 electrolítica puede ser igual o similar a la segunda celda 200 electrolítica y sus diversas realizaciones descritas en conjunto con la Figura 2 anterior, excepto que la tercera fuente 334 de energía de la tercera celda 300 electrolítica puede operar de manera diferente a la segunda fuente 234 de energía de la segunda celda 200 electrolítica.
La tercera fuente 334 de energía está configurada para aplicar un voltaje a la tercera celda 300 electrolítica que es suficiente para oxidar los iones sulfuro para formar azufre elemental en el tercer compartimiento 316 del anolito.
Los expertos en la técnica apreciarán que la formación de azufre elemental y metal alcalino se ve afectada por diversos factores, incluyendo los niveles particulares de concentración de iones en la celda 300 electrolítica. En consecuencia, la tercera celda 300 electrolítica de la presente invención podrá configurarse con sensores, monitores, controladores, reguladores, caudalímetros, puertos de acceso, mecanismos de alerta y similares (no mostrados) en el tercer compartimiento 310 de anolito y el tercer compartimiento 312 de catolito, y otras características que permiten monitorizar, medir y mantener la concentración y relación de componentes tales como metales alcalinos, azufre elemental, metales pesados, solventes, voltajes de celda abierta, estados de oxidación y similares. La tercera celda 300 electrolítica de la presente invención también puede configurarse con monitores y controladores para monitorizar, medir y mantener, voltajes predeterminados aplicados a la tercera celda 300 electrolítica por la tercera fuente 334 de energía.
En una realización, la fuente 334 de energía es ajustable de acuerdo con el estado de oxidación actual de los iones sulfuro que se van a oxidar para poder proporcionar voltaje suficiente para crear azufre elemental bajo una variedad de concentraciones de iones o condiciones de celda. Por ejemplo, cuando el estado de oxidación de los iones sulfuro es menor, los requisitos de energía pueden necesitar ser mayores o aplicarse durante un período de tiempo más largo con el fin de oxidar los iones sulfuro hasta dar azufre elemental. Cuando los iones sulfuro son polisulfuros superiores, los requisitos de energía pueden no necesitar ser tan grandes o que se apliquen durante un período de tiempo tan largo con el fin de oxidar los iones sulfuro hasta dar azufre elemental.
En una realización, la tercera celda 300 electrolítica está configurada para determinar, monitorizar, regular y controlar el nivel de oxidación de sulfuros en el tercer compartimiento 310 de anolito y cambiar automáticamente, o alertar a un usuario para que cambie manualmente, la fuente 314 de energía de manera que la tercera celda electrolítica pueda operar de manera más eficiente energéticamente para formar azufre elemental.
En una realización en la que el metal alcalino del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino es sodio, la relación de sodio a azufre en el tercer compartimiento 310 de anolito es, o puede mantenerse, de manera que el potencial de circuito abierto de la tercera celda 300 electrolítica es superior a 2.3 V. Los expertos en la técnica apreciarán que, bajo estas condiciones, los iones de sodio metálico que pasan del tercer compartimiento 310 de anolito al tercer compartimiento 312 de catolito a través del tercer separador 228, se reducirán a sodio metálico en el tercer compartimiento 312 de catolito cuando los iones alcalinos se combinan con los electrones. Los expertos en la técnica apreciarán que, bajo estas condiciones con este voltaje, los iones sulfuro en el tercer compartimiento 310 de anolito también se oxidarán y formarán azufre elemental.
En una realización en la que el metal alcalino del sulfuro o polisulfuro de metal alcalino es litio, la relación de litio a azufre en el tercer compartimiento 310 de anolito es, o puede mantenerse, tal que el potencial de circuito abierto de la tercera celda 300 electrolítica es superior a 2,63 V. Los expertos en la técnica apreciarán que, bajo estas condiciones, los iones de litio metálico que pasan del tercer compartimiento 310 de anolito al tercer compartimiento 312 de catolito a través del tercer separador 328, se reducirán a litio metálico en el tercer compartimiento 312 de catolito. Los expertos en la técnica apreciarán además que, bajo estas condiciones con este voltaje, los iones sulfuro en el tercer compartimiento 310 de anolito también se oxidarán y formarán azufre elemental. En una realización, el voltaje aplicado a la tercera celda 300 electrolítica varía entre 2.3 V y 5 V.
Los expertos en la técnica apreciarán que un voltaje suficientemente alto para reducir los iones de metales alcalinos a metales alcalinos también será suficiente para reducir los iones de metales pesados a metales pesados. Sin embargo, debido a que el separador 328 es selectivo solo para iones alcalinos, los iones de metales pesados en el tercer compartimiento 310 de anolito no pasarán a través del separador selectivo de iones alcalinos 328 y no se reducirán a metales pesados en el tercer compartimiento 312 de catolito.
Con referencia ahora a la Figura 6, tres celdas electrolíticas están dispuestas en un sistema 450. En una realización, las tres celdas incluyen la primera celda 100 electrolítica, la segunda celda 200 electrolítica y la tercera celda 300 electrolítica. Las celdas (100, 200, 300) electrolíticas están en comunicación fluida entre sí. En una realización del sistema 450, la salida 120 del primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica está en comunicación fluida con la entrada 218 del segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica. La salida 220 del segundo compartimiento 220 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica está en comunicación fluida con la entrada 318 del tercer compartimiento 310 de anolito de la tercera celda 300 electrolítica. La referencia a "anolito del sistema" incluye un anolito que puede procesarse en una o más de las celdas 100, 200 y 300 electrolíticas, o que se mueve por todo el sistema 450.
En la configuración de 450, la corriente de alimentación original o un anolito del sistema al que se le ha retirado un metal pesado mediante la celda 100 electrolítica, se puede alimentar a la segunda celda 200 electrolítica. Con muchos, si no sustancialmente todos, de los contaminantes de metales pesados retirados, el anolito del sistema puede procesarse adicionalmente mediante la segunda celda 200 electrolítica para separar y recuperar el metal alcalino y hacer crecer polisulfuros sin o sustancialmente sin interferencia de iones de metales pesados. Debido a que la segunda fuente 234 de energía aplica un voltaje a la segunda celda 200 electrolítica que es suficiente para reducir los metales alcalinos, los iones alcalinos pueden migrar a través de la membrana 228 selectiva de iones alcalinos y reducirse a metal alcalino en el segundo compartimiento 212 de catolito. El metal alcalino se puede recolectar de varias formas conocidas en la técnica, incluyendo las discutidas anteriormente junto con la descripción de la Figura 1.
Como se discutió anteriormente, el voltaje aplicado a la segunda celda 200 electrolítica del sistema 450 es lo suficientemente alto como para aumentar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en el segundo compartimiento 210 de anolito, pero no lo suficientemente alto como para accionar sustancialmente iones sulfuro o iones polisulfuro hasta dar azufre elemental. En una realización, cuando el metal alcalino en al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino en el segundo compartimento de anolito comprende sodio, y la relación de sodio a azufre en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica es, o puede mantenerse, de manera que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica sea menor o igual a 2.2 V. En una realización, cuando el metal alcalino en al menos uno del sulfuro de metal alcalino y polisulfuro de metal alcalino en el segundo compartimento de anolito comprende litio y la relación de litio a azufre en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica es, o puede ser mantenido, de manera que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica sea menor o igual a 2.53 V.
En una realización, los sensores, monitores, reguladores, controladores, mecanismos de alerta y similares (no mostrados) de la segunda celda 200 electrolítica en el sistema 450, junto con la fuente 234 de energía (no mostrada) están configurados para interactuar entre sí para mantener la cantidad de sulfuros en los iones sulfuro o polisulfuro en el segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica en menor o igual a 8. En otras realizaciones, la segunda celda 200 electrolítica está configurada para mantener la cantidad de sulfuros en los iones polisulfuro en el segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica en el intervalo de 2 a 7. En otra realización, la celda 200 electrolítica puede alertar a un usuario que un número predeterminado o intervalo de sulfuros en los iones sulfuro o polisulfuro en el segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica es menor o igual a 8, o dentro de un intervalo de 2 a 7, o de 4 a 7.
Por lo tanto, en el flujo del anolito del sistema a través del sistema 450, anolito que ha pasado a través de las celdas 100 y 200 electrolíticas, se le han eliminado tanto el metal pesado como el metal alcalino. Este anolito del sistema también tendrá cadenas de polisulfuro más largas. El anolito del sistema se puede mover luego a la celda 300 electrolítica. Debido a que el voltaje aplicado a la tercera celda electrolítica es lo suficientemente alto como para oxidar polisulfuros más altos o más largos, el anolito del sistema puede ser procesado adicionalmente por la tercera celda electrolítica para crear azufre elemental, que puede recolectarse de varias formas conocidas en la técnica incluyendo los discutidos anteriormente junto con la descripción de la Figura 5 anterior. En particular, monitorizar la relación de iones de metales alcalinos con respecto al contenido de azufre y monitorizar los potenciales de circuito abierto ayudará a optimizar la utilización de las celdas de manera que el metal alcalino producido en la primera celda 100 electrolítica sea mínimo y la producción de azufre elemental en la tercera celda 300 electrolítica se maximiza.
En una realización del sistema 450, la primera celda 100 electrolítica puede incluir un primer compartimiento 112 de catolito con una entrada 125 y una salida 126 para introducir el catolito 124 en el compartimiento 112 de catolito y retirar el catolito o metal reducido del primer compartimiento 112 de catolito. La primera celda 100 electrolítica puede incluir un primer compartimiento 110 de anolito con una entrada 118 y una salida 120 para introducir anolito 1 1 6 en el primer compartimiento 110 de anolito y eliminar anolito u otros constituyentes del primer compartimiento 110 de anolito. El anolito 116 puede ser un anolito de sistema. Un separador 128 separa el primer compartimiento 110 de anolito y el primer compartimiento 112 de catolito. Cuando se aplica energía a la primera celda, 100 cationes de metales pesados en el anolito 116 pasan a través del separador 128 al primer compartimiento 112 de catolito. El anolito gastado restante puede salir de la primera celda 110 de anolito por la salida 120 y pasar a un tanque 415 que tiene una entrada en comunicación fluida con una salida del primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica y una salida en comunicación fluida con la segunda celda 200 electrolítica. Como se usa a través de todo el presente documento, "anolito gastado" puede incluir cualquier anolito al que se le hayan retirado componentes. En el caso del anolito recibido de la primera celda electrolítica, es posible que se haya retirado el metal del anolito. En esta realización, el tanque 415 puede ser un tanque 417 de disolución. El tanque de disolución puede incluir una entrada 419 y una entrada 421. En una realización, una corriente de alimentación con sólidos ricos en sulfuro o monosulfuro de metal alcalino o ricos en polisulfuro de metal alcalino puede introducirse en el sistema 450 a través de la entrada 419. El azufre elemental puede cargarse en la entrada 421. El anolito gastado del segundo compartimiento 210 de anolito puede retirarse del segundo compartimiento 210 de anolito a través de la salida 219 y alimentarse al tanque 417 de disolución. El anolito puede estar "gastado" debido al sodio metálico retirado del anolito en la segunda celda 200 electrolítica. El azufre elemental ayuda a disolver el sulfuro o polisulfuro de metal alcalino a una concentración más alta de la que sería posible sin el azufre elemental.
El tanque 417 de disolución puede incluir un calentador 436 en comunicación operable con el tanque 417 de disolución. El anolito del sistema en el tanque de disolución incluye un solvente polar no acuoso que tiene solubilidad en azufre elemental a temperatura elevada. La temperatura en estado estacionario en el tanque 417 de disolución puede estar en el intervalo de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 160 °C. En otra realización, la temperatura en estado estacionario en el tanque 417 de disolución puede estar en el intervalo de aproximadamente 120 °C hasta aproximadamente 150 °C. A estas temperaturas, tanto el azufre elemental como las solubilidades de sólidos son altos. Comparado con el anolito gastado proveniente de la primera celda 100 electrolítica, el contenido de metales alcalinos y azufre elemental del anolito del sistema en el tanque 417 de disolución es mayor. El sistema 450 puede incluir un calentador del sistema que en algunas realizaciones puede tomar el lugar del calentador usado en las celdas 100, 200 o 300 electrolíticas. En una realización, el sistema 450 está configurado para operar a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal alcalino en el al menos un sulfuro de metal alcalino y polisulfuro de metal alcalino del anolito del primer compartimiento 110 de anolito, el segundo compartimiento 210 de anolito, o el tercer compartimiento 310 de anolito. En esta realización, el líquido conductor de iones del catolito del primer compartimiento 112 de catolito, el segundo compartimiento 212 de catolito o el tercer compartimiento 312 de catolito puede ser un baño de metal alcalino fundido. En una realización, el baño de metal alcalino fundido es un baño de sodio fundido. En otra realización, el baño de metal alcalino fundido es un baño de litio fundido. En otra realización, el sistema 450 incluye un calentador (no mostrado) que está configurado para operar el sistema 450 a una temperatura que varía de 100 °C a 160 °. En otra realización, el sistema 450 está configurado para operar a una temperatura que varía de 120 °C a 150 °C.
Adicionalmente, en la realización del sistema 450, la concentración de metales pesados tales como hierro, níquel, vanadio y otros metales pesados es mayor en el tanque 417 de disolución que en el anolito de la primera celda 100 electrolítica. Este puede ser el caso siempre y cuando se agregue una corriente de alimentación nueva o sin tratar en el punto del tanque 417 de disolución a través de la entrada 419. El anolito del sistema puede salir del tanque 417 de disolución y pasar por un filtro 440 antes de ingresar al segundo compartimento de anolito de la segunda celda 200 electrolítica a través de la entrada 218. En una realización, una bomba 442 bombea el anolito del sistema al segundo compartimiento 210 de anolito. El filtro 440 se puede utilizar siguiendo cualquier punto de entrada de sólidos en el sistema 450.
En una realización del sistema 450, la segunda celda 200 electrolítica puede incluir un segundo compartimiento 212 de catolito con una entrada 225 y una salida 226 para introducir el catolito 224 en el compartimiento 212 de catolito y retirar el catolito o metal reducido del segundo compartimiento 212 de catolito. La segunda celda 200 electrolítica incluye un primer compartimiento 210 de anolito con una entrada 218 y una salida 220 para introducir anolito 216 en el segundo compartimiento 210 de anolito y retirar anolito u otros constituyentes del segundo compartimiento 210 de anolito. El anolito 216 puede ser un anolito del sistema. Una membrana o separador 228 selectivo de iones alcalinos separa el segundo compartimiento 210 de anolito y el segundo compartimiento 212 de catolito. Cuando se aplica energía a la segunda celda 200 electrolítica, los cationes de metales alcalinos en el anolito 216 pasan a través de la membrana 228 selectiva de iones alcalinos al segundo compartimiento 212 de catolito y se reducen a metal alcalino. Al mismo tiempo, el sulfuro se oxida en el compartimiento 210 de anolito de manera que los aniones polisulfuro bajos se convierten en aniones polisulfuro superiores. El anolito gastado restante puede salir del segundo compartimiento 210 de anolito por la salida 219 y volver al tanque 417 de disolución o hacia otro tanque 415 que tenga una entrada en comunicación fluida con el segundo compartimiento 210 de anolito de la segunda celda 200 electrolítica y una salida en comunicación fluida con la tercera celda electrolítica. En esta realización, el tanque puede ser un tanque 419 de retención. Dado que los metales alcalinos son transportados fuera del anolito en la segunda celda 200 electrolítica, la concentración de sodio en el tanque 419 de retención es menor que en el tanque 417 de disolución. En una realización, la segunda celda 200 electrolítica puede configurarse con un calentador (no mostrado) para mantener la temperatura de la segunda celda 200 electrolítica en el intervalo de aproximadamente 100 °C a aproximadamente 160 °C. En una realización, la segunda celda 200 electrolítica está configurada para mantener la temperatura en el intervalo de aproximadamente 120 °C a aproximadamente 150 °C, una temperatura en la que tanto el azufre como la solubilidad de los sólidos son altos y donde el sodio está fundido.
Desde el tanque 419 de retención, el anolito del sistema se puede alimentar al tercer compartimiento 310 de anolito de la tercera celda 300 electrolítica. La tercera celda 300 electrolítica incluye un tercer compartimiento 312 de catolito con una entrada 325 y una salida 326 para introducir el catolito 324 en el compartimiento 312 de catolito y retirar el catolito o metal reducido del tercer compartimiento 312 de catolito. La tercera celda 300 electrolítica incluye un primer compartimiento 310 de anolito con al menos una entrada 318 y salidas 319 y 320 para introducir anolito 316 en el tercer compartimiento 310 de anolito y retirar anolito u otros constituyentes del tercer compartimiento 310 de anolito. El anolito 316 puede ser un anolito del sistema. Una membrana o separador 328 selectivo de iones alcalinos separa el tercer compartimiento 310 de anolito y el tercer compartimiento 312 de catolito. Cuando se aplica energía a la tercera celda 300 electrolítica, los cationes de metal alcalino en el anolito 316 pasan a través de la membrana 328 selectiva de iones alcalinos al segundo compartimiento 312 de catolito y se reducen a metal alcalino. Los polisulfuros en promedio son más largos en el anolito del tercer compartimiento 310 de anolito, por lo que el potencial de circuito abierto de la celda 300 electrolítica es más alto que en la celda 200 electrolítica, de manera que en la celda 300 electrolítica se forma azufre elemental en el tercer compartimiento 310 de anolito de la oxidación de polisulfuros largos. Como en todas las celdas 100, 200 y 300, la oxidación de los sulfuros ocurre al mismo tiempo que la reducción de los cationes metálicos. En el tercer compartimiento de anolito, el anolito 316, ahora con iones polisulfuro suficientemente largos, puede oxidarse en el tercer compartimiento 310 de anolito para crear azufre elemental.
El anolito gastado restante puede salir del tercer compartimiento 310 de anolito por la salida 319 y volver al tanque 419 de retención o avanzar a otro tanque 415 que tiene una entrada en comunicación fluida con el tercer compartimiento 310 de anolito de la tercera celda 300 electrolítica y una salida en comunicación fluida con la primera celda 100 electrolítica. Esta configuración permite que el anolito del sistema se recicle de forma continua o intermitente a través de los compartimentos (210 y 310) de anolito segundo y tercero. Los expertos en la técnica apreciarán que la mayor interacción entre el anolito del sistema y los separadores 228 y 328 causada por dicho reciclaje aumentará las propiedades de transferencia de masa del anolito del sistema dentro de los compartimentos (210 y 310) de anolito segundo y tercero y aumentará la eficiencia del sistema 450. Los expertos en la técnica apreciarán además que todas las realizaciones de compartimentos de anolitos y compartimentos de catolitos descritas en esta memoria descriptiva pueden incluir esta característica de reciclaje donde las salidas están en comunicación fluida con las entradas de los mismos compartimientos.
El tanque 415 puede ser un tanque 421 de separación. Dado que los metales alcalinos se retiran en parte del anolito en la celda 300, la concentración de metal alcalino en el anolito que sale de la celda 300 es menor que la concentración de álcali que sale del tanque 415 de retención. El tanque 421 de separación puede usarse para separar el azufre elemental del anolito del sistema en cualquiera de las formas descritas en el presente documento. En una realización, el tanque 421 de separación incluye un mecanismo de enfriamiento tal como un circuito de enfriamiento (no mostrado), con refrigerante circulando a través del mismo. Alternativamente, el tanque 421 de separación incluye otros medios para retirar o separar el azufre elemental del anolito del sistema, tales como mecanismos de filtración o centrifugación (no mostrados). El azufre elemental puede retirarse del tanque 421 de separación utilizando la salida 420. En un modo por lotes, el anolito gastado puede retirarse del sistema 450 utilizando la salida 420.
Una vez que el azufre elemental se ha eliminado del anolito del sistema en el tanque 421 de separación, el anolito del sistema puede retroalimentarse al primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica, y el proceso o método 450 puede repetirse. Esto permitirá que el sistema 450 funcione en modo continuo. En esta configuración, los metales pesados pueden retirarse del anolito del sistema, que puede ser la corriente de alimentación original, en la primera celda 100 electrolítica. Entonces el metal alcalino puede ser retirado del mismo anolito del sistema, ahora con menos metal pesado, en la segunda celda 200 electrolítica. Y luego el anolito del sistema con menos metal pesado, y ahora con menos metal y menos sodio metálico y iones polisulfuro más largos, se puede mover de la segunda celda 200 electrolítica a la tercera celda electrolítica para retiro de azufre elemental. Luego, el anolito del sistema se puede retroalimentar al primer compartimiento 110 de anolito de la celda 100 electrolítica para un mayor retiro de cualquier metal pesado que pueda permanecer en el ciclo del anolito a través del sistema 350. El patrón puede repetirse de manera que el retiro de metales pesados, sodio metálico y azufre elemental se puede lograr de forma incremental a partir de los respectivos compartimentos (110, 210, 310) de anolito de las respectivas celdas (100, 200, 300) electrolíticas, con azufre elemental principalmente retirado de la tercera celda 300 electrolítica.
Los expertos en la técnica apreciarán que, aunque no se muestra en la Figura 6, el sistema 450 se puede ejecutar en modo discontinuo, donde el anolito del sistema se alimenta al sistema 450 en algún punto y luego se pasa a través de las celdas electrolíticas de ese sistema sin repetir el proceso. A modo de ejemplo no limitativo, en una realización de una configuración de sistema discontinuo, el anolito del sistema se alimenta a una primera celda 100 electrolítica para la eliminación de metales pesados y luego se alimenta a una o más segundas celdas 200 electrolíticas. El anolito del sistema puede reciclarse a través de al menos una o más segundas celdas 200 electrolíticas. Parte del anolito del sistema puede pasar de una de las segundas celdas 200 electrolíticas a una segunda celda 200 electrolítica posterior mientras que parte del anolito del sistema se recicla a través de la misma celda 200 electrolítica. En definitiva, sustancialmente todo el anolito del sistema se alimenta a una tercera celda 300 electrolítica. El anolito del sistema puede reciclarse al menos una vez a través de la tercera celda 300 electrolítica para maximizar la recolección de azufre elemental. En algún momento el proceso concluye sin que el anolito del sistema sea retroalimentado en la primera celda 100 electrolítica inicial.
Los expertos en la técnica apreciarán que las celdas 100, 200 y 300 electrolíticas pueden combinarse en cualquier número de configuraciones para poner en práctica las enseñanzas de esta invención. En un ejemplo no limitativo del sistema 450, una realización de una configuración de sistema incluye múltiples segundas celdas 200 electrolíticas posicionadas entre una primera celda 100 electrolítica y una tercera celda 300 electrolítica. En esta configuración, el metal pesado puede separarse del anolito del sistema en la primera celda electrolítica con un voltaje que sea lo suficientemente alto para reducir los iones de metales pesados, pero no lo suficientemente alto para reducir los iones de metales alcalinos. Luego, en la serie de múltiples segundas celdas 200 electrolíticas, los iones alcalinos pueden separarse gradualmente del anolito del sistema bajo un voltaje que está por encima del voltaje de descomposición del sulfuro de metal alcalino y los polisulfuros en el anolito del sistema, de modo que los iones de metal alcalino se reducen a metal alcalino. En esta misma serie de segundas celdas 200 electrolíticas, el voltaje puede ser lo suficientemente alto como para aumentar el estado de oxidación de los iones sulfuro en el anolito, pero no lo suficientemente alto como para accionar la reacción de oxidación de los iones sulfuro hasta dar azufre elemental en una sola celda. Los expertos en la técnica apreciarán que con cada segunda celda 200 electrolítica sucesiva, el anolito tendrá cada vez menos metal alcalino y longitudes cada vez mayores de iones sulfuro. Por ejemplo en la primera segunda celda 200 electrolítica, los iones sulfuro disueltos pueden crecer desde iones monosulfuro S2- a iones polisulfuro S22- a S42. En una segunda celda subsiguiente 200 electrolítica, los iones sulfuro disueltos pueden crecer en iones polisulfuro S42- a S62. Aún en una segunda celda 200 electrolítica posterior, los iones sulfuro disueltos pueden crecer en iones S62- a S82- polisulfuro. Luego, el anolito del sistema con iones de metal alcalino reducido y iones polisulfuro más largos S82-puede finalmente alimentarse a la tercera celda 300 electrolítica, donde los iones sulfuro en forma de S82- se oxidan para formar azufre elemental. El proceso puede terminar allí como una configuración de modo discontinuo, o el proceso de anolito de sistema puede configurarse para el modo continuo.
En una configuración de modo continuo, el anolito del sistema, después del retiro del azufre elemental en la tercera celda 300 electrolítica final, se puede retroalimentar a la primera celda 100 electrolítica donde se puede repetir el proceso general descrito anteriormente. Los expertos en la técnica apreciarán que la energía combinada para crear azufre elemental usando esta configuración incremental o por etapas de primer crecimiento de iones polisulfuro más largos es menor que la energía necesaria para accionar un anolito del sistema que contiene iones monosulfuro o iones polisulfuro más cortos hasta dar azufre elemental en una sola celda.
En otras realizaciones, se pueden intercalar múltiples segundas celdas 200 en serie con una primera celda 100 electrolítica para retirar periódicamente cualquier metal pesado y luego terminar con una o más terceras celdas 300 electrolíticas para formar azufre elemental. Se pueden usar múltiples terceras celdas 300 electrolíticas en serie para asegurarse de que un mayor número de polisulfuros más largos en el anolito del sistema sean conducidos al azufre elemental. Los expertos en la técnica apreciarán que cada una de las celdas 100, 200 y 300 electrolíticas se puede posicionar en serie o en paralelo en uno o más puntos del proceso.
Los expertos en la técnica apreciarán que los tanques 415 pueden posicionarse en una variedad de configuraciones para lograr las enseñanzas de esta invención. Además, una o más de las entradas 419 y 421 pueden posicionarse en el tanque 419 de retención o en cualquiera de los compartimentos 110, 210 o 310 de anolito. En una realización, la corriente de alimentación puede entrar en el sistema 450 a través de una entrada 419 unida al primer compartimiento 110 de anolito de la primera celda 100 electrolítica. El tanque de disolución puede posicionarse después y contener la entrada 421 de azufre elemental. La introducción de azufre después de la primera celda 100 electrolítica, de modo que el primer compartimiento 110 de anolito tenga menos azufre elemental, puede minimizar la difusión de azufre a través del separador 110. En realizaciones sin una tercera celda 300 electrolítica configurada para ser el principal eliminador de azufre, el tanque 421 de separación se puede posicionar después de una segunda celda 200 electrolítica. Además, es posible que sea necesario recargar el anolito gastado porque la concentración de metal alcalino ha disminuido a medida que se elimina del sistema. La presencia de iones adicionales en el sistema 450 ayuda a que el sistema 450 funcione sin la energía adicional necesaria para mover el anolito de sistema a través del sistema 450. Por lo tanto, la entrada 419 para permitir anolito adicional no gastado en el sistema puede necesitar posicionarse estratégicamente en múltiples posiciones.
Además, múltiples configuraciones de bombas 442, filtros 440, válvulas (no mostradas) y otros puntos de entrada y salida al sistema 450 están contemplados por, y dentro del alcance de, la presente invención. Además, los expertos en la técnica apreciarán que se pueden incluir sensores (no mostrados), reguladores (no mostrados) y controladores (no mostrados) en el sistema 450 para regular voltaje, medir el contenido de anolitos y catolitos en diversos lugares dentro del sistema, controlando válvulas, dirigiendo flujos, controlando flujos y similares.
Con referencia ahora a la Figura 7, un método 700 para recuperar metal y azufre de una corriente de alimentación que utiliza una sola celda electrolítica incluye el paso de proporcionar 710 una celda electrolítica. La celda electrolítica puede ser la primera celda electrolítica descrita en el presente documento e incluir un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito. La primera celda electrolítica puede incluir un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito. La primera celda electrolítica puede incluir un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito. La primera celda electrolítica puede incluir un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimiento del catolito en comunicación con el catolito. Un primer separador de la primera celda electrolítica puede posicionarse entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito y estar en comunicación con el anolito del primer compartimento y el catolito del primer compartimento. El primer separador está configurado para transportar cationes de forma no selectiva. La primera celda electrolítica también puede incluir una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo.
El método 700 incluye introducir 720 un anolito en el primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica. El anolito puede incluir al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino. La introducción 720 de un anolito también puede incluir la introducción de azufre elemental en el primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica. El anolito también incluye un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino. Por lo tanto, el paso de introducir 720 un anolito también puede incluir el paso de disolver al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino en un solvente orgánico polar. El solvente también disuelve el azufre elemental. El anolito puede contener un metal pesado, un compuesto de metal pesado, un ion de metal pesado o una combinación de estos. El método 700 incluye introducir 730 un catolito en el primer compartimento de catolito de la primera celda electrolítica. El catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos. En una realización, el líquido conductor de iones alcalinos es un metal alcalino fundido. En otra realización, el líquido conductor de iones alcalinos es un solvente que contiene iones de metales alcalinos.
En una realización, al menos uno del primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito se calienta 735. Se apreciará que el calor facilita la disolución del anolito y el catolito en el sistema, creando un aumento de iones y aumentando el rendimiento de la celda. Puede aplicarse un voltaje 740 a la primera celda electrolítica mediante la primera fuente de energía que sea suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado. En una realización, el voltaje aplicado es suficiente para reducir los iones de metales alcalinos en la primera celda electrolítica a metales alcalinos. El paso de aplicar 740 un voltaje puede incluir aplicar un voltaje que sea suficiente para aumentar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en la primera celda electrolítica. En una realización, el paso de aplicar 740 un voltaje puede incluir aplicar un voltaje que sea suficiente para oxidar al menos un ion sulfuro para formar azufre elemental. Por lo tanto, el método 700 incluye el paso de oxidar 750 al menos un ion sulfuro en el anolito del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica.
Los cationes metálicos se mueven 760 a través del primer separador desde el primer compartimento de anolito al primer compartimento de catolito a medida que son atraídos por el primer cátodo cargado por la aplicación del voltaje. El método 700 comprende además el paso de reducir 770 al menos uno de los cationes metálicos movidos en el primer compartimento de catolito para formar metal. En una realización, el paso de reducción 770 incluye reducir los cationes de metales pesados que se mueven desde el primer compartimento de anolito al primer compartimento de catolito en metal pesado. En otra realización, el paso de reducción 770 incluye reducir los cationes de metales alcalinos que se mueven desde el primer compartimento de anolito al primer compartimento de catolito en el metal alcalino.
El método 700 incluye el paso de retirar 780 el metal pesado del primer compartimento de catolito por los medios descritos en detalle anteriormente. En una realización, el paso de retiro 780 incluye retirar el metal alcalino y el azufre elemental del primer compartimento de anolito por los medios descritos en detalle anteriormente. El método 700 incluye además el paso de alimentar 790 el anolito al que se le ha retirado el metal y el azufre elemental de nuevo al primer compartimento de anolito para su posterior procesamiento. El método 700 de recuperación de azufre elemental y metal puede entenderse además por referencia al sistema y la forma de uso descritos en el presente documento junto con la Figura 1.
Con referencia ahora a la Figura 8, se muestra un método 800 para recuperar metal y azufre elemental de una corriente de alimentación utilizando un sistema con múltiples celdas electrolíticas. El método 800 puede incluir los pasos 710, 720, 730, 740, 750, 760, 770 y 780 de la realización mostrada en la Figura 7. Esos pasos se muestran respectivamente como 805, 810, 825, 830, 835, 840 y 845 en la Figura 8.
El método incluye el paso de proporcionar 805 una celda electrolítica. La celda electrolítica puede ser la primera celda electrolítica descrita en el presente documento e incluir un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito. La primera celda electrolítica puede incluir un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito. La primera celda electrolítica puede incluir un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito. La primera celda electrolítica puede incluir un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimiento del catolito en comunicación con el catolito. Un primer separador de la primera celda electrolítica puede posicionarse entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito y estar en comunicación con el anolito del primer compartimento y el catolito del primer compartimento. El primer separador está configurado para transportar cationes de forma no selectiva. La primera celda electrolítica también puede incluir una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo.
En una realización, se introduce un anolito 810 en el primer compartimento de anolito de la primera celda electroquímica. El anolito puede ser el anolito del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica como se describe en diversos lugares en el presente documento. El método 800 incluye introducir 815 un catolito en un primer compartimento de catolito de la primera celda electrolítica. En una realización, el catolito es el catolito del primer compartimento de catolito de la primera celda electrolítica como se describe en diversos lugares en el presente documento.
Puede aplicarse 825 un voltaje a la primera celda electrolítica. El voltaje puede ser aplicado 825 por la primera fuente de energía de la primera celda electrolítica. El voltaje 825 aplicado puede ser suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado en la primera celda electrolítica a metal pesado. Con la aplicación de voltaje, al menos un ion sulfuro en el anolito del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica puede oxidarse 830 para aumentar el estado de oxidación del al menos un ion sulfuro. El método 800 también incluye el paso de mover 835 cationes metálicos en el anolito del primer compartimento de anolito a través del primer separador de la primera celda electrolítica al primer compartimento de catolito. A continuación, al menos uno de los cationes metálicos se reduce 840 en el primer compartimento de catolito para formar metal.
En una realización de la configuración de dos celdas electrolíticas, el voltaje aplicado 825 a la primera celda electrolítica, aunque es suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado, es insuficiente para reducir los iones de metales alcalinos en la primera celda electrolítica a metal alcalino. Por lo tanto, el metal formado en el primer compartimento de catolito puede ser simplemente un metal pesado. El paso de aplicar 825 voltaje a la primera celda electrolítica de un sistema de 2 celdas puede incluir aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que está por debajo del potencial de celda abierta de la primera celda electroquímica. En otra realización, el paso de aplicar 825 voltaje a la primera celda electrolítica de un sistema de 2 celdas puede incluir aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que sea al menos 0.2 V por debajo del potencial de celda abierta de la primera celda electroquímica. En otra realización, el paso de aplicar 825 voltaje a la primera celda electrolítica de un sistema de 2 celdas puede incluir aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que varía entre aproximadamente 0.7 V y aproximadamente 2.0 V. Configurando la primera celda electrolítica para aplicar un voltaje específico o intervalos de voltajes, uno podría reducir los iones de metales pesados sin reducir los iones de metales alcalinos. Así, los metales pesados, que podrían obstaculizar o interferir con la recuperación del metal alcalino, pueden reducirse, depositarse y eliminarse 845 del sistema en la primera celda electrolítica antes de comenzar el proceso de separación del metal alcalino.
El método 800 incluye además el paso de proporcionar 850 una segunda celda electrolítica en comunicación fluida con la primera celda electrolítica. En una realización, la segunda celda electrolítica es la segunda celda electrolítica descrita junto con la Figura 2 anterior. La segunda celda electrolítica puede incluir un segundo compartimento de anolito configurado para retener un anolito. La segunda celda electrolítica puede tener un segundo ánodo posicionado dentro del segundo compartimento de anolito en comunicación con el anolito. La segunda celda electrolítica puede incluir un segundo compartimento de catolito configurado para retener un catolito. La segunda celda electrolítica puede incluir un segundo cátodo posicionado dentro del segundo compartimento de catolito en comunicación con el catolito. Un segundo separador de la segunda celda electrolítica puede posicionarse entre el segundo compartimento de anolito y el segundo compartimento de catolito y estar en comunicación con el anolito del segundo compartimento y el catolito del segundo compartimento. El segundo separador en la segunda celda electrolítica puede ser una membrana selectiva de iones alcalinos configurada para transportar selectivamente iones alcalinos. La segunda celda electrolítica también puede incluir una segunda fuente de energía en comunicación eléctrica con el segundo ánodo y el segundo cátodo.
El método 800 incluye el paso de introducir 855 un anolito en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica. El anolito puede incluir al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino y que disuelve azufre elemental. En una realización, el paso de introducir el anolito 855 en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica incluye retirar al menos una porción del anolito del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica después de que al menos algunos cationes de metales pesados hayan pasado a través del primer separador de la primera celda electrolítica desde el primer compartimento de anolito hasta el primer compartimento de catolito, y alimentar dicha porción del anolito desde el primer compartimento de anolito hasta el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica. Los expertos en la técnica apreciarán que el paso 855 de introducir anolito desde la primera celda electrolítica en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica incluye alimentar el anolito en el segundo compartimento de anolito de múltiples segundas celdas electrolíticas de manera que los pasos restantes se pueden realizar en paralelo.
Por lo tanto, el anolito del segundo compartimento de anolito en el sistema de 2 celdas tendrá una concentración más baja de metal pesado que el anolito del primer compartimento de anolito en el sistema de 2 celdas.
El método 800 incluye introducir 856 un catolito en un segundo compartimento de catolito de la segunda celda electrolítica. En una realización, el catolito incluye un líquido conductor de iones alcalinos. Los expertos en la técnica apreciarán que los pasos de proporcionar la primera celda electrolítica, proporcionar la segunda celda electrolítica, introducir 815 catolito en el primer compartimento de catolito e introducir 810 anolito en el primer compartimento de anolito se pueden realizar simultáneamente. El catolito introducido 850 en el segundo compartimento de catolito de la segunda celda electrolítica puede incluir un líquido conductor de iones alcalinos. En una realización, el líquido conductor de iones alcalinos es un metal alcalino fundido. En otra realización, el líquido conductor de iones alcalinos es un solvente que contiene iones de metales alcalinos.
En una realización, al menos uno del primer anolito, el primer catolito, el segundo anolito y el segundo compartimento del catolito se calienta 858. Los expertos en la técnica apreciarán que el calor facilita la disolución de anolito y catolito en el sistema, creando un aumento de iones y aumentando el rendimiento de la celda.
El método incluye el paso de aplicar 860 un voltaje a la segunda celda electrolítica. El voltaje puede ser mayor que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica. Con este voltaje aplicado 860, los cationes metálicos en el anolito del primer compartimento de anolito se mueven 862 a través del segundo separador de la segunda celda electrolítica hacia el segundo compartimento de catolito. En esta realización del sistema de celda 2-electrolítica, debido a que la segunda celda electrolítica incluye una membrana selectiva de iones alcalinos como un segundo separador, los únicos cationes metálicos que se mueven 862 a través de la segunda membrana separadora son cationes de metales alcalinos. Los cationes de metales alcalinos son atraídos hacia el segundo cátodo cargado y se reducen 864 en el segundo compartimento de catolitos para formar un metal alcalino.
Con la aplicación de voltaje mayor que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica, el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en el anolito del segundo compartimento de anolito aumenta 865.
En una realización de la configuración de 2 celdas electrolíticas, el paso de aplicar 860 un voltaje a la segunda celda electrolítica incluye mantener una relación de sodio a azufre en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica, de modo que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica es menor o igual a 2.2 V. En esta realización, cuando el metal alcalino que se recupera es sodio, los iones sodio se reducen a sodio metálico, pero los iones sulfuro en el segundo compartimento de anolito no se oxidan completamente hasta dar azufre elemental. En cambio, los iones sulfuro aumentan y se vuelven más altos. A modo de ejemplo no limitativo, S2- puede aumentar al polisulfuro S22", o el polisulfuro S42" puede aumentar a un polisulfuro superior tal como S62" o Se2".
En una realización de la configuración de 2 celdas electrolíticas, el paso de aplicar 860 un voltaje a la segunda celda electrolítica incluye mantener una relación de litio a azufre en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica, de modo que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica es menor o igual a 2.53 V. En esta realización, cuando el metal alcalino que se recupera es litio, los iones litio se reducen a litio metálico, pero los iones sulfuro en el segundo compartimento de anolito no se oxidan completamente hasta dar azufre elemental. En cambio, los iones sulfuro aumentan y se vuelven más altos. A modo de ejemplo no limitativo, S2- puede aumentar al polisulfuro S82", o el polisulfuro S42" puede aumentar a un polisulfuro superior tal como S62" o S82".
En otra realización de la configuración de 2 celdas electrolíticas, el paso de aplicar 860 un voltaje a la segunda celda electrolítica incluye mantener una relación de sodio a azufre en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica, de manera que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica es mayor o igual a 2.3 V. En esta realización, cuando el metal alcalino que se recupera es sodio, los iones sodio se reducen a sodio metálico y los iones sulfuro en el segundo compartimento de anolito se oxidan hasta dar azufre elemental.
En una realización de la configuración de 2 celdas electrolíticas, el paso de aplicar 860 un voltaje a la segunda celda electrolítica incluye mantener una relación de litio a azufre en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica, de manera que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica es mayor o igual a 2.63 V. En esta realización, cuando el metal alcalino que se recupera es litio, los iones litio se reducen a litio metálico y los iones sulfuro en el segundo compartimento de anolito se oxidan hasta dar azufre elemental.
El método 800 incluye además el paso de retirar 868 el metal alcalino del segundo compartimento del catolito y el azufre elemental del segundo compartimento del anolito. Esto puede lograrse mediante varios métodos, incluyendo, entre otros, los descritos junto con las Figuras 1 y 2 anteriores. El método 800 comprende además el paso de retirar 870 al menos una porción de anolito del segundo compartimento de anolito, después del paso de retirar 868 el metal alcalino del segundo compartimento de catolito y el azufre elemental del segundo compartimento de anolito y se ha incrementado el estado de oxidación de los iones sulfuro. En una realización, el paso de retirar 870 una porción incluye alimentar esa porción de nuevo al segundo compartimento de anolito. De esta manera, el anolito se recicla y una mayor parte del anolito está en contacto con la membrana selectiva de iones alcalinos y bajo la influencia del segundo cátodo para ayudar a la transferencia de cationes de metales alcalinos a través de la membrana para su reducción en el segundo compartimento de catolito. En una realización, el paso de retiro 870 incluye alimentar una porción de anolito al segundo compartimento de anolito de una o más segundas celdas electrolíticas adicionales (no mostradas). En esta realización, el proceso puede ejecutarse utilizando la segunda celda electrolítica en serie o en paralelo. El paso de retirar 870 una porción del anolito en una realización también incluye introducir la porción de nuevo en el primer compartimento de anolito. El uso de esta realización del paso 870 permite que el sistema funcione en modo continuo, donde se pueden repetir los pasos anteriores del método 800.
En una realización, el método 800 incluye además el paso de proporcionar 875 una tercera celda electrolítica en comunicación fluida con la segunda celda electrolítica. En una realización, la tercera celda electrolítica es la tercera celda electrolítica descrita junto con la Figura 5 anterior. La tercera celda electrolítica puede incluir un tercer compartimento de anolito configurado para retener un anolito. La tercera celda electrolítica puede tener un tercer ánodo posicionado dentro del tercer compartimento de anolito en comunicación con el anolito. La tercera celda electrolítica puede incluir un tercer compartimento de catolito configurado para retener un catolito. La tercera celda electrolítica puede incluir un tercer cátodo posicionado dentro del tercer compartimento del catolito en comunicación con el catolito. Un tercer separador de la tercera celda electrolítica puede posicionarse entre el tercer compartimento de anolito y el tercer compartimento de catolito y estar en comunicación con el anolito del tercer compartimento y el catolito del tercer compartimento. El tercer separador en la tercera celda electrolítica puede ser una membrana selectiva de iones alcalinos configurada para transportar selectivamente iones alcalinos. La tercera celda electrolítica también puede incluir una tercera fuente de energía en comunicación eléctrica con el tercer ánodo y el tercer cátodo.
El método 800 incluye el paso de introducir 878 un anolito en el tercer compartimento de anolito de la tercera celda electrolítica. El anolito puede incluir al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino y que disuelve azufre elemental. En una realización, el paso de introducir 878 anolito en el tercer compartimento de anolito de la tercera celda electrolítica incluye retirar al menos una porción del anolito del segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica después de que al menos algunos cationes de metales alcalinos hayan pasado a través del segundo separador de la segunda celda electrolítica desde el segundo compartimento de anolito al segundo compartimento de catolito, y alimentar dicha porción del anolito desde el segundo compartimento de anolito al tercer compartimento de anolito de la tercera celda electrolítica.
En la realización con la tercera celda electrolítica, el método 800 incluye introducir 880 un catolito en el tercer compartimento de catolito de la tercera celda electrolítica. El catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos. En una realización, el líquido conductor de iones alcalinos es un metal alcalino fundido. En otra realización, el líquido conductor de iones alcalinos es un solvente que contiene iones de metales alcalinos. En una realización, al menos uno del tercer compartimento de anolito y el tercer compartimento de catolito se calienta 882. Se apreciará que el calor facilita la disolución del anolito y del catolito en el sistema, creando un aumento de iones y aumentando el rendimiento de la celda. A continuación, se puede aplicar 885 un voltaje a la tercera celda electrolítica. El voltaje puede ser aplicado por la tercera fuente de energía de la tercera celda electrolítica. En una realización de la configuración de la 3 celda electrolítica, el voltaje aplicado 885 a la tercera celda electrolítica es suficiente para oxidar al menos un ion sulfuro en la tercera celda electrolítica para formar azufre elemental.
El método 800 incluye el paso de mover 888 cationes de metales alcalinos a través del tercer separador de la tercera celda electrolítica desde el tercer compartimento de anolito al tercer compartimento de catolito. Los cationes de metales alcalinos son atraídos hacia el tercer cátodo cargado y se reducen 890 en el tercer compartimento de catolitos para formar un metal alcalino.
Con la aplicación 885 del voltaje predeterminado, al menos un ion sulfuro en el tercer compartimento anolito se oxida 892 para formar azufre elemental. En otra realización de la configuración de la 3 celda electrolítica, el paso de aplicar 885 un voltaje a la tercera celda electrolítica para causar simultáneamente la reducción de iones de metales alcalinos en metales alcalinos y la oxidación de iones sulfuro a azufre elemental, incluye mantener una relación de sodio a azufre en el tercer compartimento de anolito de la tercera celda electrolítica, de modo que el potencial de circuito abierto de la tercera celda electrolítica sea mayor o igual a 2.3 V. En esta realización, cuando el metal alcalino que se recupera es sodio, los iones sodio se reducen a sodio metálico, y los iones sulfuro en el tercer compartimento de anolito se oxidan hasta dar azufre elemental.
En una realización de la configuración de 3 celdas electrolíticas, el paso de aplicar 885 un voltaje a la tercera celda electrolítica incluye mantener una relación de litio a azufre en el tercer compartimento de anolito de la tercera celda electrolítica, de manera que el potencial de circuito abierto de la tercera celda electrolítica es mayor o igual a 2.63 V. En esta realización, cuando el metal alcalino que se recupera es litio, los iones litio se reducen a litio metálico y los iones sulfuro en el tercer compartimento anolito se oxidan hasta dar azufre elemental.
El método 800 comprende además el paso de retirar 894 azufre elemental del tercer compartimento de anolito y el metal alcalino del tercer compartimento de catolito. Este paso se puede realizar usando cualquiera de los procesos de separación descritos en el presente documento.
El método 800 incluye además retirar 898 una porción del anolito del tercer compartimento del anolito después de que los cationes de metales alcalinos se hayan movido al tercer compartimento del catolito para reducirse y el estado de oxidación de los iones sulfuro en el tercer compartimento del catolito se haya aumentado a azufre elemental. En una realización, el paso de retirar 898 una porción del anolito en el tercer compartimento de anolito incluye alimentar de regreso esa porción al tercer compartimento de anolito. De esta manera, el anolito se recicla y una mayor parte del anolito está en contacto con la membrana selectiva de iones alcalinos de la tercera celda electrolítica y bajo la influencia del tercer cátodo para ayudar a la transferencia de cationes de metales alcalinos a través de la membrana para la reducción del tercer compartimento de catolito. En una realización, el paso de retirar 898 incluye alimentar una porción del anolito en el tercer compartimento de anolito de una o más terceras celdas electrolíticas adicionales (no mostradas). En esta realización, el proceso puede ejecutarse utilizando la tercera celda electrolítica en serie o en paralelo. El paso de retirar 898 una porción del anolito del tercer compartimento de anolito en una realización también incluye introducir la porción de nuevo en el primer compartimento de anolito. El uso de esta realización del paso 898 permite que el sistema funcione en modo continuo, donde se pueden repetir todos los pasos anteriores del método 800.
El método 800 de recuperación de metal y azufre elemental puede entenderse adicionalmente por referencia al sistema descrito en el presente documento junto con la Figura 5 y cualquier discusión sobre el uso del mismo se contempla mediante el método de la presente invención descrito junto con la Figura 8.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un método para recuperar metal y azufre de una corriente de alimentación, que comprende:
proporcionar una primera celda electrolítica que comprende:
un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito;
un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimento del catolito en comunicación con el catolito; un primer separador posicionado entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, el primer separador en comunicación con el anolito del primer compartimento y el catolito del primer compartimento, el primer separador configurado para transportar cationes de forma no selectiva; y
una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo;
introducir un anolito en el primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino, y que disuelve azufre elemental, comprendiendo el anolito además al menos uno de un metal pesado, un compuesto de metal pesado, y un ion de metal pesado;
introducir un catolito en el primer compartimento de catolito de la primera celda electrolítica, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que sea suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado;
oxidar al menos un ion sulfuro en el anolito del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica para formar azufre elemental;
mover los cationes para que pasen a través del primer separador situado entre, y en comunicación con el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, pasando los cationes desde el primer compartimento de anolito al primer compartimento de catolito; y
reducir dichos cationes en el compartimento del catolito para formar un metal pesado y un metal alcalino.
2. Un método para recuperar metal y azufre de una corriente de alimentación, que comprende:
proporcionar una primera celda electrolítica que comprende:
un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito;
un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimiento del catolito en comunicación con el catolito; un primer separador posicionado entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, el primer separador en comunicación con el anolito del primer compartimento y el catolito del primer compartimento, el primer separador configurado para transportar cationes de forma no selectiva; y
una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo;
introducir un anolito en el primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino, y que disuelve azufre elemental, comprendiendo el anolito además al menos uno de un metal pesado, un compuesto de metal pesado, y un ion de metal pesado;
introducir un catolito en el primer compartimento de catolito de la primera celda electrolítica, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que sea suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado;
oxidar al menos un ion sulfuro en el anolito del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica;
mover los cationes para que pasen a través del primer separador situado entre, y en comunicación con el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, pasando los cationes desde el primer compartimento de anolito al primer compartimento de catolito; y
reducir al menos uno de dichos cationes en el compartimento de catolito para formar un metal pesado; y
proporcionar una segunda celda electrolítica en comunicación fluida con la primera celda electrolítica, comprendiendo la segunda celda electrolítica:
un segundo compartimento de anolito configurado para retener un anolito;
un segundo ánodo posicionado dentro del segundo compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un segundo compartimento de catolito configurado para retener un catolito;
un segundo cátodo posicionado dentro del segundo compartimento de catolito en comunicación con el catolito; un segundo separador posicionado entre el segundo compartimento de anolito y el segundo compartimento de catolito, el segundo separador en comunicación con el anolito del segundo compartimento de anolito y el catolito del segundo compartimento de catolito, en el que el segundo separador es una membrana selectiva de iones alcalinos configurada para transportar selectivamente iones alcalinos; y
una segunda fuente de energía en comunicación eléctrica con el segundo ánodo y el segundo cátodo;
introducir un anolito en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino, polisulfuro de metal alcalino, y que disuelve el azufre elemental, y en el que la introducción de un anolito en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica comprende introducir al menos una porción de anolito retirado del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica;
introducir un catolito en el segundo compartimento de catolito de la segunda celda electrolítica, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
aplicar un voltaje a la segunda celda electrolítica que sea mayor que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica;
hacer que los cationes de metales alcalinos pasen a través del segundo separador de la segunda celda electrolítica desde el segundo compartimento de anolito al segundo compartimento de catolito;
reducir al menos un catión de metal en el segundo compartimento de catolito para formar un metal alcalino; aumentar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en el segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica para formar azufre elemental.
3. El método de la reivindicación 2 que comprende además, en el que la primera fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que es insuficiente para reducir los iones de metales alcalinos en la primera celda electrolítica a metal alcalino.
4. El método de la reivindicación 3, en el que el metal alcalino en al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino en el segundo compartimento de anolito comprende sodio, y la relación de sodio a azufre en el segundo compartimento de anolito es tal que el potencial del circuito abierto de la segunda celda electrolítica es mayor o igual a 2.3 V o en el que el metal alcalino en al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino en el segundo compartimento de anolito comprende litio, y la relación de litio a azufre en el segundo compartimento de anolito es tal que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica es mayor o igual a 2.63 V.
5. Un sistema para recuperar metal y azufre elemental de una corriente de alimentación no acuosa, que comprende: una primera celda electrolítica que comprende:
un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve el azufre elemental y disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino, comprendiendo además el anolito al menos uno de un metal pesado, un compuesto de metal pesado, y un ion de metal pesado; un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito;
un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimento del catolito en comunicación con el catolito;
un primer separador posicionado entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, el primer separador en comunicación con el anolito del primer compartimento de anolito y el catolito del primer compartimento de catolito, el primer separador está configurado para transportar cationes de forma no selectiva; una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo, en el que la primera fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que es suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado y un ion de metal alcalino a metal alcalino, y para aumentar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro para formar azufre elemental.
6. Un sistema para recuperar azufre metálico y elemental de una corriente de alimentación no acuosa, que comprende:
una primera celda electrolítica que comprende:
un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve el azufre elemental y disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino, comprendiendo además el anolito al menos uno de un metal pesado, un compuesto de metal pesado, y un ion de metal pesado;
un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimento del catolito en comunicación con el catolito; un primer separador posicionado entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, el primer separador en comunicación con el anolito del primer compartimento de anolito y el catolito del primer compartimento de catolito, el primer separador está configurado para transportar cationes de forma no selectiva; y una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo, en el que la primera fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que es suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado; y
una segunda celda electrolítica en comunicación fluida con la primera celda electrolítica, en el que la segunda celda electrolítica comprende:
un segundo compartimento de anolito configurado para retener un anolito, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve azufre elemental y disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino, comprendiendo además el anolito del segundo compartimento al menos una porción de anolito retirado del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica;
un segundo ánodo colocado dentro del segundo compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un segundo compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un segundo cátodo posicionado dentro del segundo compartimento de catolito en comunicación con el catolito; un segundo separador posicionado entre el segundo compartimento de anolito y el segundo compartimento de catolito, el segundo separador en comunicación con el anolito del segundo compartimento de anolito y el catolito del segundo compartimento de catolito, en el que el segundo separador es una membrana selectiva de iones alcalinos configurada para transportar selectivamente iones alcalinos; y
una segunda fuente de energía en comunicación eléctrica con el segundo ánodo y el segundo cátodo, en el que la segunda fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la segunda celda electrolítica que es mayor que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica y está configurada para causar que los iones de metal alcalino se reduzcan a metales alcalinos, y para aumentar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro para formar azufre elemental.
7. El sistema de la reivindicación 5 o 6, en el que el primer separador comprende al menos una membrana de intercambio catiónico y una membrana microporosa.
8. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 5-7, que comprende además un calentador, y en el que al menos una de la primera celda electrolítica y la segunda celda electrolítica funciona a una temperatura por debajo del punto de fusión del metal alcalino; y/o en el que al menos una de la primera celda electrolítica y la segunda celda electrolítica funciona a una temperatura que varía de 100 °C a 160 °C; y/o en el que la temperatura varía de 120 °C a 150 °C.
9. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 5-8, en el que el líquido conductor de iones comprende al menos uno de un solvente catolito que contiene iones de metal alcalino y metal alcalino fundido.
10. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 5-9, en el que el primer compartimento de anolito comprende un promotor de turbulencia.
11. El sistema de una cualquiera de las reivindicaciones 5-10, que comprende además un aparato de refrigeración en comunicación con al menos uno del primer compartimento de anolito y el segundo compartimento de anolito para facilitar la remoción del azufre elemental del compartimento de anolito.
12. Un sistema para recuperar metal y azufre elemental de una corriente de alimentación no acuosa, que comprende:
una primera celda electrolítica que comprende:
un primer compartimento de anolito configurado para retener un anolito, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve el azufre elemental y disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino, comprendiendo además el anolito al menos uno de un metal pesado, un compuesto de metal pesado, y un ion de metal pesado;
un primer ánodo posicionado dentro del primer compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un primer compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un primer cátodo posicionado dentro del primer compartimento del catolito en comunicación con el catolito; un primer separador posicionado entre el primer compartimento de anolito y el primer compartimento de catolito, el primer separador en comunicación con el anolito del primer compartimento de anolito y el catolito del primer compartimento de catolito, el primer separador está configurado para transportar cationes de forma no selectiva; y una primera fuente de energía en comunicación eléctrica con el primer ánodo y el primer cátodo, en el que la primera fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica que es suficiente para reducir al menos un ion de metal pesado a metal pesado;
una segunda celda electrolítica en comunicación fluida con la primera celda electrolítica, en el que la segunda celda electrolítica comprende:
un segundo compartimento de anolito configurado para retener un anolito, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve azufre elemental y disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino, comprendiendo además el anolito del segundo compartimento al menos una porción de anolito retirado del primer compartimento de anolito de la primera celda electrolítica;
un segundo ánodo posicionado dentro del segundo compartimento de anolito en comunicación con el anolito; un segundo compartimento de catolito configurado para contener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un segundo cátodo posicionado dentro del segundo compartimento de catolito en comunicación con el catolito; un segundo separador posicionado entre el segundo compartimento de anolito y el segundo compartimento de catolito, el segundo separador en comunicación con el anolito del segundo compartimento de anolito y el catolito del segundo compartimento de catolito, en el que el segundo separador es una membrana selectiva de iones alcalinos configurada para transportar selectivamente iones alcalinos; y
una segunda fuente de energía en comunicación eléctrica con el segundo ánodo y el segundo cátodo, en el que la segunda fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la segunda celda electrolítica que es mayor que el potencial de circuito abierto de la segunda celda electrolítica; y
una tercera celda electrolítica en comunicación fluida con la segunda celda electrolítica, comprendiendo la tercera celda electrolítica:
un tercer compartimento de anolito configurado para retener un anolito, en el que el anolito comprende al menos uno de un sulfuro de metal alcalino y un polisulfuro de metal alcalino, un solvente orgánico polar que disuelve azufre elemental y disuelve al menos uno del sulfuro de metal alcalino y el polisulfuro de metal alcalino, comprendiendo además el anolito del tercer compartimento de anolito al menos una porción del anolito retirado del segundo compartimento de anolito de la segunda celda electrolítica;
un tercer ánodo posicionado dentro del tercer compartimento de anolito en comunicación con el anolito;
un tercer compartimento de catolito configurado para retener un catolito, en el que el catolito comprende un líquido conductor de iones alcalinos;
un tercer cátodo posicionado dentro del tercer compartimento del catolito en comunicación con el catolito; un tercer separador posicionado entre el tercer compartimento de anolito y el tercer compartimento de catolito, el tercer separador en comunicación con el anolito del tercer compartimento de anolito y el catolito del tercer compartimento de catolito, en el que el tercer separador es una membrana selectiva de iones alcalinos configurada para transportar selectivamente iones alcalinos; y
una tercera fuente de energía en comunicación eléctrica con el tercer ánodo y el tercer cátodo, en el que la tercera fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la tercera celda electrolítica que es suficiente para oxidar iones sulfuro para formar azufre elemental.
13. El sistema de la reivindicación 12, en el que la primera fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica suficiente para reducir al menos un ion de metal alcalino en la primera celda electrolítica a metal alcalino.
14. El sistema de la reivindicación 13, 6- en el que la primera fuente de energía está configurada para aplicar un voltaje a la primera celda electrolítica suficiente para aumentar el estado de oxidación de al menos un ion sulfuro en la primera celda electrolítica.
15. El sistema de la reivindicación 5 o 6 en el que el metal alcalino comprende sodio y la relación de sodio a azufre en el primer compartimento de anolito es tal que el potencial de circuito abierto de la primera celda electrolítica es superior a 2.3 V o en el que el metal alcalino comprende litio y la relación de litio a azufre en el primer compartimento de anolito es tal que el potencial de circuito abierto de la primera celda electrolítica es superior a 2.63 V.
ES16882652T 2015-12-29 2016-12-29 Método y aparato para recuperar metales y azufre de corrientes de alimentación que contienen sulfuros y polisulfuros metálicos Active ES2862916T3 (es)

Applications Claiming Priority (2)

Application Number Priority Date Filing Date Title
US201562272224P 2015-12-29 2015-12-29
PCT/US2016/069162 WO2017117373A1 (en) 2015-12-29 2016-12-29 Method and apparatus for recovering metals and sulfur from feed streams containing metal sulfides and polysulfides

Publications (1)

Publication Number Publication Date
ES2862916T3 true ES2862916T3 (es) 2021-10-08

Family

ID=59225752

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
ES16882652T Active ES2862916T3 (es) 2015-12-29 2016-12-29 Método y aparato para recuperar metales y azufre de corrientes de alimentación que contienen sulfuros y polisulfuros metálicos

Country Status (8)

Country Link
EP (1) EP3397371B1 (es)
JP (1) JP6968383B2 (es)
KR (1) KR102422444B1 (es)
CN (1) CN109069989B (es)
CA (1) CA3010198A1 (es)
ES (1) ES2862916T3 (es)
SG (1) SG11201805574QA (es)
WO (1) WO2017117373A1 (es)

Families Citing this family (12)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2016161367A1 (en) 2015-04-03 2016-10-06 The Regents Of The University Of California Polymeric materials for electrochemical cells and ion separation processes
CA3031513A1 (en) 2016-07-22 2018-01-25 Nantenergy, Inc. Moisture and carbon dioxide management system in electrochemical cells
CN109804496A (zh) 2016-09-28 2019-05-24 赛鹏科技有限公司 多孔隔板提供离子隔离的电化学电池
CN110099950B (zh) 2016-12-07 2023-02-28 赛鹏科技有限公司 微结构离子导电复合材料及其用途
US11394035B2 (en) 2017-04-06 2022-07-19 Form Energy, Inc. Refuelable battery for the electric grid and method of using thereof
US11611115B2 (en) 2017-12-29 2023-03-21 Form Energy, Inc. Long life sealed alkaline secondary batteries
WO2020006436A1 (en) * 2018-06-29 2020-01-02 Form Energy Inc. Aqueous polysulfide-based electrochemical cell
CN112805851A (zh) 2018-07-27 2021-05-14 福恩能源公司 用于电化学电池的负电极
US11949129B2 (en) 2019-10-04 2024-04-02 Form Energy, Inc. Refuelable battery for the electric grid and method of using thereof
CN110565120B (zh) * 2019-10-18 2021-09-07 东北大学 一种在含铜铁液中脱除并回收铜的方法
WO2021178718A1 (en) * 2020-03-04 2021-09-10 Enlighten Innovations Inc. Production of sodium metal by dual temperature electrolysis processes
WO2022155753A1 (en) * 2021-01-21 2022-07-28 Li-Metal Corp. Electrowinning cell for the production of a metal product and method of using same

Family Cites Families (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4561945A (en) * 1984-07-30 1985-12-31 United Technologies Corporation Electrolysis of alkali metal salts with hydrogen depolarized anodes
FI922638A0 (fi) * 1992-06-08 1992-06-08 Hja Eng Oy Saett att avlaegsna svavel fraon vaetskeformiga braenslen och petrokemiska produkter.
EP0589501A3 (en) * 1992-08-25 1994-05-18 Ecochem Ag Process for the production of alkali metal hydroxides and elemental sulfur from sulfur-containing alkali-metal salts
CN1172404C (zh) * 2001-08-22 2004-10-20 财团法人工业技术研究院 从废锂离子电池中回收金属的方法
JP4352823B2 (ja) * 2002-11-18 2009-10-28 住友金属鉱山株式会社 硫化銅鉱物を含む銅原料の精錬方法
US7897028B2 (en) * 2004-01-26 2011-03-01 Ceramatec, Inc. Process for the recovery of materials from a desulfurization reaction
WO2009070593A1 (en) * 2007-11-27 2009-06-04 Ceramatec, Inc. Process for recovering alkali metals and sulfur from alkali metal sulfides and polysulfides
US9475998B2 (en) * 2008-10-09 2016-10-25 Ceramatec, Inc. Process for recovering alkali metals and sulfur from alkali metal sulfides and polysulfides
CN102517606B (zh) * 2012-01-19 2015-05-13 四川顺应金属材料科技有限公司 一种从多金属硫化铜矿中分离去除铅和锌的方法
KR102258315B1 (ko) * 2013-03-14 2021-06-01 필드 업그레이딩 리미티드 알칼리 금속 설파이드 및 폴리설파이드로부터 알칼리 금속 및 황을 회수하는 방법

Also Published As

Publication number Publication date
KR20180090384A (ko) 2018-08-10
EP3397371A1 (en) 2018-11-07
CN109069989B (zh) 2021-07-27
KR102422444B1 (ko) 2022-07-20
JP6968383B2 (ja) 2021-11-17
EP3397371B1 (en) 2021-02-24
CA3010198A1 (en) 2017-07-06
CN109069989A (zh) 2018-12-21
WO2017117373A1 (en) 2017-07-06
SG11201805574QA (en) 2018-07-30
JP2019500501A (ja) 2019-01-10
EP3397371A4 (en) 2019-08-21

Similar Documents

Publication Publication Date Title
ES2862916T3 (es) Método y aparato para recuperar metales y azufre de corrientes de alimentación que contienen sulfuros y polisulfuros metálicos
US11280009B2 (en) Method and apparatus for recovering metals and sulfur from feed streams containing metal sulfides and polysulfides
US8747660B2 (en) Process for desulfurizing petroleum feedstocks
CA2705270C (en) Process for recovering alkali metals and sulfur from alkali metal sulfides and polysulfides
CN106757146B (zh) 用于从碱金属硫化物和多硫化物中回收碱金属和硫的方法
US20140197040A1 (en) Process for recovering alkali metals and sulfur from alkali metal sulfides and polysulfides
AU4632699A (en) Process for the removal of sulfate ions from an electrolyte
JP2003504809A (ja) 電解質再バランスシステム
US11486046B2 (en) Production of sodium metal by dual temperature electrolysis processes
EP2809748B1 (en) Process for desulfurizing petroleum feedstocks
WO2023027190A1 (ja) リチウム回収装置およびリチウム回収方法
WO2023190990A1 (ja) リチウム回収装置およびリチウム回収方法