JP2015533944A - Method for electrochemical reduction of carbon dioxide and high surface area electrode - Google Patents
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Abstract
二酸化炭素をギ酸塩及びギ酸を含む有機生成物に電気化学的に転化させる方法及びシステムを与える。この方法には工程(A)〜(C)(しかしながらこれらに限定されない)を含ませることができる。工程(A)は、電気化学セルの第1の区画に酸性アノード液を導入することができる。第1の区画にはアノードを含ませることができる。工程(B)は、電気化学セルの第2の区画に、二酸化炭素で飽和した重炭酸塩ベースのカソード液を導入することができる。第2の区画には、インジウムを含み、約30%〜98%の間の空隙容積を有する高表面積カソードを含ませることができる。重炭酸塩ベースのカソード液の少なくとも一部を再循環させる。工程(C)は、二酸化炭素を単炭素ベースの生成物又は多炭素ベースの生成物の少なくとも1つに還元するのに十分な電位をアノードとカソードの間に印加することができる。【選択図】図1Methods and systems are provided for electrochemically converting carbon dioxide to organic products including formate and formic acid. This method can include steps (A)-(C) (but not limited to). Step (A) can introduce an acidic anolyte into the first compartment of the electrochemical cell. The first compartment can include an anode. Step (B) can introduce a bicarbonate-based catholyte saturated with carbon dioxide into the second compartment of the electrochemical cell. The second compartment can include a high surface area cathode comprising indium and having a void volume between about 30% and 98%. At least a portion of the bicarbonate-based catholyte is recycled. Step (C) may apply a potential between the anode and cathode sufficient to reduce carbon dioxide to at least one of a single carbon based product or a multi-carbon based product. [Selection] Figure 1
Description
[0001]本発明は、概して電気化学反応の分野、より詳しくは高表面積電極を用いて二酸化炭素を電気化学的に還元するための方法及び/又はシステムに関する。 [0001] The present invention relates generally to the field of electrochemical reactions, and more particularly to a method and / or system for electrochemical reduction of carbon dioxide using high surface area electrodes.
[0002]発電、輸送、及び製造のような事業において化石燃料を燃焼させると、1年間に数十億トンの二酸化炭素が生成する。1970年代からの研究によって、大気中の二酸化炭素の濃度が増加することは、地球の気象の変化、海洋のpHの変動、及び他の潜在的な損傷効果の原因になる可能性があることが示されている。米国を含む世界中の国は、二酸化炭素の放出を軽減する方法を探し求めている。 [0002] Combustion of fossil fuels in businesses such as power generation, transportation, and manufacturing produces billions of tons of carbon dioxide per year. Studies from the 1970s have shown that increasing concentrations of carbon dioxide in the atmosphere can cause changes in global weather, ocean pH fluctuations, and other potential damaging effects. It is shown. Countries around the world, including the United States, are looking for ways to reduce carbon dioxide emissions.
[0003]放出を軽減する1つのメカニズムは、二酸化炭素を燃料及び工業化学物質のような経済的に価値のある物質に転化させることである。再生可能な供給源からのエネルギーを用いて二酸化炭素を転化させると、二酸化炭素放出を軽減すること、及び再生可能なエネルギーをその後の使用のために貯蔵することができる化学形態に転化させることの両方を可能にすることができる。 [0003] One mechanism for reducing emissions is to convert carbon dioxide into economically valuable materials such as fuels and industrial chemicals. Converting carbon dioxide with energy from renewable sources reduces carbon dioxide emissions and converts renewable energy into a chemical form that can be stored for subsequent use. Both can be made possible.
[0004]本発明は、高表面積の電極及び特定の電解質溶液を用いて、ギ酸のような単炭素(C1)化学物質、及び多炭素(C2+)ベースの化学物質(即ち、化合物中に2以上の炭素原子を有する化学物質)を生成させることに関する。本発明は、方法、システム、及びその種々の構成要素を包含する。 [0004] The present invention uses high surface area electrodes and certain electrolyte solutions to incorporate single carbon (C 1 ) chemicals, such as formic acid, and multi-carbon (C 2+ ) based chemicals (ie, in compounds). It relates to the production of chemical substances having two or more carbon atoms. The present invention encompasses methods, systems, and various components thereof.
[0005]上記の一般的な記載及び以下の詳細な記載は両方とも例示及び説明のみのものであり、特許請求されている発明を必ずしも限定するものではないことを理解すべきである。明細書中に含まれてその一部を構成する添付の図面は、本発明の一態様を示し、一般的な記載と一緒に本発明の原理を説明するように働く。 [0005] It is to be understood that both the foregoing general description and the following detailed description are exemplary and explanatory only and are not necessarily restrictive of the claimed invention. The accompanying drawings, which are incorporated in and constitute a part of the specification, illustrate one aspect of the present invention and, together with the general description, serve to explain the principles of the invention.
[0006]本発明の数多くの有利性は、添付の図面を参照することによって当業者によってよりよく理解することができる。 [0006] The numerous advantages of the present invention can be better understood by those skilled in the art by reference to the accompanying drawings.
[0007]ここで、本発明の現時点で好ましい態様(その例を添付の図面に示す)を詳細に説明する。
[0008]本発明の幾つかの態様によれば、二酸化炭素をギ酸塩及びギ酸などの有機生成物に転化させる電気化学システムが提供される。高表面積三次元材料を含むカソード、酸性アノード液、及び重炭酸塩を含むカソード液を用いることによって、プロセスが促進される。
[0007] Reference will now be made in detail to presently preferred embodiments of the invention, examples of which are illustrated in the accompanying drawings.
[0008] According to some aspects of the invention, an electrochemical system is provided for converting carbon dioxide to organic products such as formate and formic acid. The process is facilitated by using a cathode comprising a high surface area three-dimensional material, an acidic anolyte, and a catholyte comprising bicarbonate.
[0009]本発明の態様を詳細に説明する前に、下記に記載する幾つかの態様は後記の特許請求の範囲を限定するものではないことを理解すべきである。また、本明細書において用いる表現及び用語は説明の目的のためであり、限定とみなすべきではないことを理解すべきである。「など」、「含む」、又は「有する」、並びにこれらの変形のような用語を本明細書において用いることは、一般に、その後に列記される事項及びその等価物並びに更なる事項を包含すると意図される。更に、他に示していない限りにおいては、技術用語は通常の用法にしたがって用いることができる。 [0009] Before describing in detail aspects of the present invention, it is to be understood that the several aspects described below do not limit the scope of the claims that follow. It should also be understood that the expressions and terms used herein are for illustrative purposes and should not be considered limiting. The use of terms such as "such as", "including", or "having" and variations thereof herein is generally intended to encompass the items listed thereafter and equivalents thereof as well as further items. Is done. Furthermore, unless otherwise indicated, technical terms may be used according to conventional usage.
[0010]図1を参照すると、本発明の一態様による電解槽システム100のフロー図が示されている。電解槽システム100は、二酸化炭素を有機生成物又は有機生成物中間体に電気化学的に還元するために用いることができる。好ましくは、電解槽システム100は、二酸化炭素をギ酸カリウムのようなアルカリ金属ギ酸塩に還元する。電解槽システム100は、概して、電解槽102、アノード液再循環ループ104、及びカソード液再循環ループ106を含む。電解槽システム100には、プロセス供給材料/投入材料として、二酸化炭素、重炭酸塩(好ましくは重炭酸カリウムであるが、他の重炭酸塩ベースの化合物も重炭酸カリウムに代えてか又はこれに加えて意図される)、及び酸性アノード液(好ましくは硫酸であるが、他の酸を硫酸に代えてか又はこれに加えて含ませることができる)を含ませることができる。電解槽システム100の生成物は、一般にギ酸カリウムのようなアルカリ金属ギ酸塩であり、過剰のカソード液、二酸化炭素、水素、酸素、及び/又は他の未反応のプロセス投入材料を含む可能性がある。
[0010] Referring to FIG. 1, a flow diagram of an
[0011]電解槽102は、概してアノード区画108及びカソード区画110を含み、カソード区画110からアノード区画108を分離するカチオン交換膜112を更に含ませることができる。アノード区画108は、水を酸化するのに好適なアノード114を含む。好ましい実施態様においては、アノード114は、カチオン交換膜112に面するアノード電極触媒被覆を有するチタンアノードである。例えば、アノード114には、アノード電極触媒被覆を有する折り畳みエキスパンデッドチタンスクリーンを含むアノードメッシュスクリーン116を含ませることができる。アノードメッシュスクリーン116は、アノード114とカチオン交換膜112の間に間隔及び接触圧を与えることができる。アノード114にはまた、アノード114の背面上に1以上の電流接続端子(図示せず)を含ませることもできる。
[0011] The
[0012]カソード区画110は、一般にカソード区画110内に取り付けられているカソード118を含む。カソード118は、好ましくはカチオン交換膜112に面するカソード118の前面上に活性電極触媒層を有する金属電極を含み、カソード118の背面上に1以上の電流接続端子(図示せず)を含ませることができる。カソード118は、好ましくは高表面積カソード構造体120を含む。高表面積カソード構造体120は、電流を高表面積カソード構造体120中に伝導するために、カチオン交換膜112とカソード118の間に取り付けることができる。高表面積カソード構造体120とカチオン交換膜112の間の界面には、高表面積カソード構造体120とカチオン交換膜112の間の直接接触を最小にするために、薄いエキスパンデッドプラスチックメッシュ絶縁体スクリーンのような絶縁体スクリーン(図示せず)を含ませることができる。
The
[0013]アノード区画108は、一般に希釈酸アノード液溶液を含むアノード供給流122を含む。アノード供給流122はアノード区画108の底部に導入して、アノード114の面に沿って、アノードメッシュスクリーン116を通して流すことができる。アノード区画108内における反応としては、印加される電流及び電位における水の酸化から酸素(O2、即ち気体状酸素)及び水素イオン(H+)又はプロトンを誘導することを挙げることができる。水素イオン又はプロトンは、一般にカチオン交換膜112を通してカソード区画110内の反応に用いることができる。電解槽102のアノード区画108から排出される気体状酸素及び他の液体は、アノード排出流124として排出される。アノード排出流124は温度センサー126aによって監視することができ、アノード排出流124から酸素を分離するのに好適なアノード液解離装置128へ流すことができる。アノード液解離装置128は、アノード排出流124を処理して、酸素流130、アノード液再循環流132、及びアノード液オーバーフロー流134にすることができる。酸素流130は、アノード液解離装置128から排気することができる。アノード液流132は、水供給源136からの水(好ましくは脱イオン水)及び酸供給源138からの酸(好ましくは硫酸)と混合することができる。アノード液再循環ループ104における水供給源136及び酸供給源138によって、アノード供給流122に関するアノード液酸濃度及び体積を維持することができる。アノード供給流122の温度は、電解槽102のアノード区画108に導入する前に、冷却水供給源142aと接続した熱交換器140aによって調節することができる。
[0013] The
[0014]カソード区画110は、一般に二酸化炭素及びカソード液を含むカソード供給流144を含む。好ましい実施態様においては、カソード液は、二酸化炭素で飽和されている重炭酸カリウム(KHCO3)のような重炭酸塩化合物である。カソード供給流144は、カソード区画110の底部に導入して、カソード118の面に沿って、高表面積カソード構造体120を通して流すことができる。カソード区画110内における反応によって、印加された電流及び電位において二酸化炭素をギ酸塩に還元することができる。反応生成物及び任意の未反応の材料(例えば過剰のカソード液溶液)は、カソード排出流146としてカソード区画110から排出することができる。カソード排出流146は、pHセンサー148a及び温度センサー126bによって監視することができ、カソード排出流146から気体状成分(例えば水素)を分離するのに好適なカソード液解離装置150に流すことができる。カソード液解離装置150は、カソード排出流146を処理して、水素流152、生成物流154、及びカソード液再循環流156にすることができる。水素流152は、カソード液解離装置150から排気することができる。生成物流154は、好ましくはアルカリ金属ギ酸塩(例えば電解液が重炭酸カリウムを含む場合にはギ酸カリウム)を含み、過剰のカソード液を含む可能性がある。カソード液流156は、カソード液再循環ポンプ158、及び冷却水供給源142bに接続した熱交換器140bによって処理することができる。温度センサー126cによって、冷却水供給源142bを有する熱交換器140bの下流のカソード液流156を監視することができる。新しいカソード液電解液供給流160をカソード液流156中に計量投入することができ、ここで、新しいカソード液電解液供給流160によって、電解槽102のカソード区画110中へのカソード液供給流144のpHを調節することができ、これによって最終生成物のオーバーフロー率を制御し、ギ酸塩生成物濃度を定めることができる。pHは、pHセンサー148bによって監視することができる。電解槽102のカソード区画110に導入する前に、カソード液電解液供給流160の下流で、カソード供給流144中に二酸化炭素流162を計量投入することができる。好ましくは、二酸化炭素によってカソード区画に導入されるカソード液を飽和する。
[0014] The
[0015]酸性のアノード液を用いる場合(膜を通してプロトンをカソード区画中に送る場合)には、アルカリ金属重炭酸塩及び/又は炭酸塩を水と組み合わせて用いてカソード液のpHを制御することによって、電解槽102のpHを制御又は維持することができる。カソード液のpHを最適値に制御することによって、セルは、最適でないpH値が維持された場合、又はpH制御機構を用いなかった場合よりも高い転化率で二酸化炭素をC1及びC2生成物により効率的に転化させることができる。好ましいプロセスにおいては、カソード液を絶えず再循環させて、電極触媒で被覆されているカソード表面における適度で均一な二酸化炭素濃度を維持する。カソード液のpHを制御し、生成物オーバーフロー流中の生成物濃度を制御するために、新しいカソード液供給流を用いることができる。カソード区画へのカソード液供給流の質量流量(例えば重炭酸カリウムの質量流量)は、好ましくはカソード液中へのプロトンの導入、及びカソードにおいて分離された水の非効率的な副生成物反応からの水酸化物の形成とバランスを取る。重炭酸カリウムの濃度は、カソード液への体積を与え、カソード液中の生成物を希釈するので重要である。
[0015] When acidic anolyte is used (when protons are sent through the membrane into the cathode compartment), alkali metal bicarbonate and / or carbonate is used in combination with water to control the pH of the catholyte. Thus, the pH of the
[0016]カソード液のpH制御のためには、5〜600g/Lの濃度範囲、又はより好ましくは10〜500g/Lの範囲の重炭酸カリウムが好ましい。カソード液への重炭酸塩の供給流濃度を固定する場合、カソード液中への水の別の供給流を用いて最終生成物濃度を制御することができる。他の実施態様においては、pH制御のための供給流として炭酸カリウムを用いることができる。炭酸カリウムは重炭酸カリウムよりも遙かに高い水中での溶解度を有しており、好ましくは5〜1,500g/Lの濃度範囲で用いる。 [0016] For pH control of the catholyte, potassium bicarbonate in the concentration range of 5 to 600 g / L, or more preferably in the range of 10 to 500 g / L is preferred. If the bicarbonate feed stream concentration to the catholyte is fixed, a separate feed stream of water into the catholyte can be used to control the final product concentration. In other embodiments, potassium carbonate can be used as the feed stream for pH control. Potassium carbonate has a much higher solubility in water than potassium bicarbonate and is preferably used in a concentration range of 5-1,500 g / L.
[0017]図2を参照すると、本発明の一態様による電気化学的酸性化システム200のブロック図が示されている。電気化学的酸性化システム200は、電解槽システム100からの生成物流154を酸性化するために用いることができる。好ましくは、電気化学的酸性化システム200は、ギ酸カリウムのようなアルカリ金属ギ酸塩を酸性化して、ギ酸のような有機酸を形成し、水酸化カリウムのようなアルカリ金属水酸化物を共生成させる。電気化学的酸性化システム200は、概して電気化学的酸性化ユニット202、アノード液再循環ループ204、及びカソード液再循環ループ206を含む。電気化学的酸性化システム200には、プロセス供給材料/投入材料として、電解槽システム100からの生成物流154(好ましくはアルカリ金属ギ酸塩を含む)、アノード液再循環ループ204及びカソード液再循環ループ206のそれぞれの中の水、及び酸性アノード液(好ましくは硫酸であるが、硫酸に代えてか又はこれに加えて他の酸を含ませることができる)を含ませることができる。電気化学的酸性化システム200の生成物は、一般にギ酸のような有機酸、及びアルカリ金属水酸化物であり、残留アルカリ金属ギ酸塩、重炭酸塩カソード液、二酸化炭素、水素、酸素、及び/又は他の未反応のプロセス投入材料を含む可能性がある。
[0017] Referring to FIG. 2, a block diagram of an
[0018]電気化学的酸性化ユニット202は、好ましくは3区画の電気化学的酸性化ユニット又はセルである。電気化学的酸性化ユニット202は、概してアノード区画208、カソード区画210、及びそれぞれの側においてカチオン交換膜214a及び214bによって仕切られている中央のイオン交換区画212を含む。アノード区画208は、水を酸化するのに好適なアノード216を含む。好ましい実施態様においては、アノード216は、カチオン交換膜214aに面するアノード電極触媒被覆を有するチタンアノードである。カソード区画210は、水を還元し、アルカリ金属水酸化物を生成させるのに好適なカソード218を含む。好ましい実施態様においては、電位及び電流を電気化学的酸性化ユニット202に印加すると、水素イオン(H+)又はプロトンがアノード区画208内で生成する。水素イオン(H+)又はプロトンは、カチオン交換膜214aを通って中央のイオン交換区画212中に流れる。電解槽システム100からの生成物流154は、好ましくは中央のイオン交換区画212を通して電気化学的酸性化ユニット202に導入して、水素イオン(H+)又はプロトンによって生成物流154中のアルカリ金属イオン(例えばカリウムイオン)を置換して、流れを酸性化して、有機酸生成物、好ましくはギ酸を含む生成物流260を生成させる。置換されたアルカリ金属イオンは、カチオン交換膜214bを通してカソード区画210に送り、カソード218における水の還元によって形成される水酸化物イオン(OH−)と結合させて、アルカリ金属水酸化物、好ましくは水酸化カリウムを形成することができる。
[0018] The
[0019]中央のイオン交換区画212には、カチオン交換膜214aと214bの間の中央のイオン交換区画212中において容積空間を維持するプラスチックメッシュスペーサー(図示せず)を含ませることができる。一態様においては、カチオンイオン交換材料220を、カチオン交換膜214aと214bの間の中央のイオン交換区画212中に含ませる。絵カチオンイオン交換材料220としては、ビーズ、繊維などの形態のイオン交換樹脂を挙げることができる。カチオンイオン交換材料220によって、イオン交換区画溶液中の電解液導電性を増加させることができ、気泡が形成されて中央のイオン交換区画212を通過する際のセル電圧に対する二酸化炭素ガスの潜在的影響を減少させることができる。
[0019] The central
[0020]アノード区画208は、一般に酸アノード液溶液(好ましくは硫酸溶液)を含むアノード供給流222を含む。電気化学的酸性化ユニット202のアノード区画208から排出される気体状酸素及び他の液体は、アノード排出流224として排出される。アノード排出流224は温度センサー226aによって監視することができ、アノード排出流224から酸素を分離するのに好適なアノード液解離装置228に流すことができる。アノード液解離装置228は、アノード排出流224を処理して、酸素流230、アノード液再循環流232、及びアノード液オーバーフロー流234にすることができる。酸素流230は、アノード液解離装置228から排気することができる。アノード液流232は、水供給源236からの水(好ましくは脱イオン水)及び酸供給源238からの酸(好ましくは硫酸)と混合することができる。アノード液再循環ループ204における水供給源236及び酸供給源238によって、アノード供給流222に関するアノード液酸濃度及び体積を維持することができる。アノード供給流222の温度は、電気化学的酸性化ユニット202のアノード区画208に導入する前に、冷却水供給源242aと接続した熱交換器240aによって調節することができる。
[0020] The
[0021]カソード区画210は、一般に、水を含み、カソード液再循環ループ206を通して循環するアルカリ金属水酸化物を含ませることができるカソード液供給流244を含む。アルカリ金属水酸化物及び水素ガスを含む可能性がある反応生成物を、カソード排出流246としてカソード区画210から排出することができる。カソード排出流246は温度センサー226bによって監視することができ、カソード排出流246から気体状成分(例えば水素)を分離するのに好適なカソード液解離装置248に流すことができる。カソード液解離装置248は、カソード排出流246を処理して、水素流250、カソード液流252、及びカソード液オーバーフロー流254(KOHを含む可能性がある)にすることができる。水素流250は、カソード液解離装置248から排気することができる。カソード液流252は、好ましくはアルカリ金属水酸化物(例えば生成物流154がギ酸カリウムを含む場合には水酸化カリウム)を含む。カソード液流252は、カソード液再循環ポンプ256、及び冷却水供給源242bに接続した熱交換器240bによって処理することができる。温度センサー226cによって、熱交換器240bの下流のカソード液流252を監視することができる。カソード液流252は、水供給源258からの水(好ましくは脱イオン水)と混合することができ、ここで、水を計量投入して、カソード区画210に導入されるカソード液供給流244中のアルカリ金属水酸化物の濃度を制御することができる。
[0021]
[0022]ここで図3を参照すると、二酸化炭素を有機酸生成物に電気化学的に還元するための好ましいシステム300のフロー図が示されている。システム300には、電解槽システム100(図1を参照して説明した)及び電気化学的酸性化システム200(図2を参照して説明した)を含ませることができ、好ましくは水酸化カリウム及び二酸化炭素から重炭酸カリウムを生成させるのに好適な水酸化カリウム再循環ループ302を含む。システム300にはまた、プロセス流から二酸化炭素を分離及び回収するための二酸化炭素処理装置(例えば、気体分離ユニット304a、304b、304c、304d)を含ませることもできる。
[0022] Referring now to FIG. 3, a flow diagram of a
[0023]システム300は、一般に、プロセス投入材料として、二酸化炭素、アルカリ金属水酸化物(好ましくは水酸化カリウム)、酸(好ましくは硫酸)、及び水(好ましくは脱イオン水)を含み、一般に、プロセス産出物として、有機酸(好ましくはギ酸)、酸素ガス、及び水素ガスを含む。有機酸は、更なる処理にかけて所望の形態及び濃度を与えることができる。かかる処理としては、蒸発、蒸留、又は他の好適な物理的分離/濃縮プロセスを挙げることができる。
[0023] The
[0024]システム300における二酸化炭素の還元の化学反応は次の通りである可能性がある。
[0025]式(1)に示すように、水の還元から水素原子を電極に吸着させる。
[0024] The chemical reaction of carbon dioxide reduction in the
[0025] As shown in equation (1), hydrogen atoms are adsorbed to the electrode from the reduction of water.
H++e− → Had (1)
[0026]式(2)に示すように、カソード表面において、吸着した水素原子によって二酸化炭素を還元してギ酸塩を形成し、これを表面上に吸着させる。
H + + e − → H ad (1)
[0026] As shown in equation (2), carbon dioxide is reduced by adsorbed hydrogen atoms on the cathode surface to form formate, which is adsorbed on the surface.
CO2+Had → HCOOad (2)
[0027]次に、式(3)に示すように、表面上に吸着したギ酸塩を他の吸着した水素原子と反応させてギ酸を形成し、これを次に溶液中に放出させる。
CO 2 + H ad → HCOO ad (2)
[0027] Next, as shown in equation (3), the formate salt adsorbed on the surface is reacted with other adsorbed hydrogen atoms to form formic acid, which is then released into solution.
HCOOad+Had → HCOOH (3)
[0028]式(4)に示すように、カソードにおける競合反応は水の還元であり、水素ガス並びに水酸化物イオンが形成される。
HCOO ad + H ad → HCOOH (3)
[0028] As shown in equation (4), the competitive reaction at the cathode is the reduction of water, forming hydrogen gas as well as hydroxide ions.
2H2O+2e− → H2+2OH− (4)
[0029]式(5)に示すように、アノード反応は、水の酸素及び水素イオンへの酸化である。
2H 2 O + 2e − → H 2 + 2OH − (4)
[0029] As shown in equation (5), the anodic reaction is the oxidation of water to oxygen and hydrogen ions.
2H2O → 4H++4e−+O2 (5)
[0030]高表面積カソード:
[0031]図1を参照して記載したように、カソード118は好ましくは高表面積カソード構造体120を含む。高表面積カソード構造体120は、好ましくは30%〜98%の範囲の空隙容積を有する。高表面積カソード構造体120の比表面積は、好ましくは2cm2/cm3〜500cm2/cm3又はそれ以上である。表面積はまた、電流分配器/導体バックプレートと比較した全面積として規定することもでき、好ましい範囲は2倍〜1000倍又はそれ以上である。
2H 2 O → 4H + + 4e − + O 2 (5)
[0030] High surface area cathode:
[0031] As described with reference to FIG. 1, the cathode 118 preferably includes a high surface
[0032]カソード118は、好ましくはスズ(Sn)上無電解インジウムを被覆した銅金網メッシュ、銅スクリーン、銅繊維、及び青銅を含み、他のものは、銅−スズ合金、ニッケル、及びステンレススチールである。金属は、インジウム及び他の好ましいカソード被覆を施すために好適な基材を適切に形成するなどのために、他の金属で予備被覆することができる。カソードにはまた、銅繊維、金網メッシュ、銅フォーム、又は銅スクリーンの表面上に形成されているインジウム−Cu金属間化合物を含ませることもできる。金属間化合物は、軟質のインジウム金属よりも一般により硬質であり、使用可能な触媒特性に加えて望ましい機械特性を与えることができる。カソードにはまた、Pb、Sn、Hg、Tl、In、Bi、及びCd、それらの合金、並びにこれらの組み合わせを含む被覆及び/又は金属構造体(しかしながらこれらに限定されない)を含ませることもできる。多くのものの中で、Ti、Nb、Cr、Mo、Ag、Cd、Hg、Tl、An、及びPbなどの金属、並びにCr−Ni−Mo合金鋼を含ませることができる。カソード118に単層又は多層電極被覆を含ませて、カソード基材上の電極触媒被覆が金属及び合金の1以上の層を含むようにすることができる。カソード上の好ましい電極触媒被覆としては、インジウムの最上層/被覆を有する高表面積銅基材上のスズ被覆が挙げられる。インジウム被覆の被覆率は、好ましくはインジウムとして5%〜100%の範囲である。 [0032] The cathode 118 preferably comprises copper wire mesh, copper screen, copper fiber, and bronze coated with electroless indium on tin (Sn), others are copper-tin alloy, nickel, and stainless steel. It is. The metal can be pre-coated with other metals, such as to properly form a suitable substrate for applying indium and other preferred cathode coatings. The cathode may also include indium-Cu intermetallic compounds formed on the surface of copper fibers, wire mesh, copper foam, or copper screens. Intermetallic compounds are generally harder than soft indium metal and can provide desirable mechanical properties in addition to the usable catalytic properties. The cathode can also include coatings and / or metal structures including but not limited to Pb, Sn, Hg, Tl, In, Bi, and Cd, alloys thereof, and combinations thereof. . Among many, metals such as Ti, Nb, Cr, Mo, Ag, Cd, Hg, Tl, An, and Pb, and Cr—Ni—Mo alloy steel can be included. The cathode 118 can include a single layer or multilayer electrode coating so that the electrocatalyst coating on the cathode substrate includes one or more layers of metals and alloys. Preferred electrocatalytic coatings on the cathode include a tin coating on a high surface area copper substrate with a top layer / coating of indium. The coverage of the indium coating is preferably in the range of 5% to 100% as indium.
[0033]電極の露出した触媒表面上においてインジウム合金を用いる際には、インジウムの組成は、好ましくは、Sn、Pb、Hg、Tl、Bi、Cu、及びCdなどの他の金属との合金、並びにこれらの混合合金、及びこれらの組み合わせの中のインジウムとして5%〜99%の範囲である。また、Au、Ag、Zn、及びPdを1%〜95%の範囲の割合で被覆中に含ませることも意図される。 [0033] When using an indium alloy on the exposed catalyst surface of the electrode, the composition of indium is preferably an alloy with other metals such as Sn, Pb, Hg, Tl, Bi, Cu, and Cd, And in the range of 5% to 99% as indium in these mixed alloys and combinations thereof. It is also contemplated that Au, Ag, Zn, and Pd are included in the coating in proportions ranging from 1% to 95%.
[0034]更に、基カソード構造体の表面上の電極触媒として、金属酸化物を使用又は形成することができる。例えば、基カソード構造体の表面上の電極触媒として酸化鉛を形成することができる。金属酸化物被覆は、熱酸化法又は電着を行い、次に化学的又は熱的酸化を行うことによって形成することができる。 [0034] Furthermore, metal oxides can be used or formed as electrocatalysts on the surface of the base cathode structure. For example, lead oxide can be formed as an electrode catalyst on the surface of the base cathode structure. Metal oxide coatings can be formed by thermal oxidation or electrodeposition followed by chemical or thermal oxidation.
[0035]更に、カソード基構造体はまた、段階分布又は段階変化させて、カソードの密度を、密度、空隙容積、又は比表面積に関して垂直又は水平方向で変化させる(例えば繊維寸法を変化させる)ことができる。カソード構造体はまた、カソード液区画内のカソード構造体の別の領域において混合又は配置されている2種類以上の異なる電極触媒組成物から構成することもできる。 [0035] In addition, the cathode base structure may also be stepped or stepped to change the cathode density in the vertical or horizontal direction with respect to density, void volume, or specific surface area (eg, change fiber dimensions). Can do. The cathode structure can also be composed of two or more different electrocatalyst compositions that are mixed or arranged in other regions of the cathode structure within the catholyte compartment.
[0036]電解槽102の通常運転中においては、ギ酸塩収率に関するシステムの性能の低下(これは、触媒の損失又はカソード118上にメッキされる可能性がある他の金属のような不純物による触媒の過剰被覆に帰因する可能性がある)が起こる可能性がある。電解槽102の運転中において、インジウム塩又はインジウム/スズ塩の混合物をその場で定期的に添加することによって、カソード118の表面を復活させることができる。カソード118の組成に応じて、Ag、Au、Mo、Cd、Sn、及び他の好適な金属の塩などの他の金属塩又は更なる金属塩を、単独か又は組み合わせてその場で加えることができることが意図される。電解槽102は、運転中に全割合で運転することができ、或いは金属塩の注入中に、二酸化炭素の添加を行うか又は行わないで、一時的により低い電流密度において運転することができる。これらの塩の添加によってカソード表面を復活させる条件は、所望の復活結果に応じて異なる可能性がある。また、電気化学セルの運転中に随時短時間の電流反転を用いて、カソード表面を潜在的に復活させることもできる。
[0036] During normal operation of the
[0037]特定の態様においては、電解槽102は大気圧よりも高い圧力において運転し、これによって、より高い電流効率を与え、電解槽102を大気圧か又はそれより低い圧力において運転する場合よりも高い電流密度で電解槽102を運転することを可能にすることができる。
[0037] In certain embodiments, the
[0038]有機化合物を製造するためのカソード材料の製造においては、Ag、Au、Mo、Cd、Sn、及び他の好適な金属の添加のような、カソード構造体の表面上で還元することができる金属塩の添加を用いることもできる。かかる金属塩の添加によって、カソード製造中に直接製造することが困難である可能性がある触媒表面を与えることができ、或いは触媒表面を復活させることができる。 [0038] In the production of a cathode material to produce an organic compound, reduction may be performed on the surface of the cathode structure, such as the addition of Ag, Au, Mo, Cd, Sn, and other suitable metals. Addition of possible metal salts can also be used. The addition of such metal salts can provide a catalyst surface that can be difficult to produce directly during cathode production, or can restore the catalyst surface.
[0039]高表面積カソード構造体120を製造するために好ましい方法は、無電解メッキ溶液を用いることであり、これにはインジウム塩、少なくとも1種類の錯化剤、還元剤、pH調整剤、及び界面活性剤を含ませることができる。高表面積カソード上に無電解インジウム被覆を形成するために好ましい手順には、撹拌している脱イオン水中で次の材料:クエン酸トリナトリウム二水和物(100g/L)、EDTA−ジナトリウム塩(15g/L)、酢酸ナトリウム(10g/L)、InCl3(無水、10g/L)、及びチオジグリコール酸(0.3g/L、例えば3mLの100mg/mL溶液)を混合することを含ませることができる。また、(好ましくは数時間、例えば一晩)撹拌した予備混合貯蔵析出溶液を用いることもできる。この手順はまた、混合物を約40℃に加熱することも含む。この手順はまた、1リットルあたり40mLのTiCl3(2%−HCl中20重量%)(0.05mM)を加え、混合物のpHが約7になるまでメタノール中7Mアンモニアを加え(1リットルあたり約15mLのアンモニア溶液)、この時点で水酸化アンモニウム(28%アンモニア溶液)を用いてpHを約9.0〜9.2の間に調節することも含む。この手順は次に、混合物を約60℃に加熱することを含む。pHが低下したら、水酸化アンモニウム溶液を用いてpHを約9.0に調節する。この手順は、次に混合物を約75℃に加熱することを含み、析出は約65℃において開始する可能性がある。この手順は、混合物を75℃において約1時間保持することを含む。
[0039] A preferred method for manufacturing the high surface
[0040]銅基材を金属被覆するために好ましい手順には、露出している銅基材をアセトン中ですすいで銅表面を清浄化し(例えば、銅表面上に存在する可能性がある残留油又はグリースを除去し)、次にアセトンで処理した銅基材を脱イオン水中ですすぐことを含ませることができる。この手順はまた、露出している銅基材を10%硫酸浴中に約5分間浸漬し、次に脱イオン水ですすぐことを含む。この手順はまた、銅表面上に約25μmのスズを堆積させることも含む。堆積は、60℃において運転する商業的な無電解スズメッキ浴(Caswell, Inc.)を用いて15分間行うことができる。スズを堆積させた後、部品を脱イオン水中で十分にすすぐ。この手順はまた、スズメッキした銅表面上に約1μmのインジウムを堆積させることも含む。堆積は、90℃において運転する無電解浴を用いて60分間行うことができる。インジウムを堆積させた後、部品を脱イオン水中で十分にすすぐ。この手順にはまた、銅/スズ/インジウム電極を5重量%の硝酸浴中で5分間処理することを含ませることもできる。かかる処理によって、電極の安定性を未処理の銅/スズ/インジウム電極と比べて向上させることができる。他の実施態様においては、無電解スズメッキした銅基材を、被覆のために溶融インジウム中に浸漬することができる。 [0040] A preferred procedure for metallizing a copper substrate is to rinse the exposed copper substrate with acetone to clean the copper surface (eg, residual oil that may be present on the copper surface). Or removing the grease) and then rinsing the acetone treated copper substrate in deionized water. This procedure also includes immersing the exposed copper substrate in a 10% sulfuric acid bath for about 5 minutes and then rinsing with deionized water. This procedure also includes depositing about 25 μm of tin on the copper surface. Deposition can be performed for 15 minutes using a commercial electroless tin plating bath (Caswell, Inc.) operating at 60 ° C. After depositing tin, rinse the parts thoroughly in deionized water. This procedure also includes depositing about 1 μm of indium on the tin-plated copper surface. Deposition can be performed for 60 minutes using an electroless bath operating at 90 ° C. After depositing indium, rinse the parts thoroughly in deionized water. This procedure can also include treating the copper / tin / indium electrode in a 5 wt% nitric acid bath for 5 minutes. Such a treatment can improve the stability of the electrode compared to an untreated copper / tin / indium electrode. In other embodiments, an electroless tin-plated copper substrate can be immersed in molten indium for coating.
[0041]特定の実施態様においては、カソード基材を二酸化炭素還元のための触媒材料で処理することができる。下記によって処理の4つの例を示す。
[0042]第1の処理には、導電性基材(例えばガラス状炭素又は金属)を、十分な触媒材料を含む導電性ゾルゲル中で被覆して高活性表面領域を与えることを含ませることができる。ゾルゲルの導電性成分は触媒活性であってよい。基材を触媒ゾルゲルで被覆した後、ゾルゲルを高度の重合/架橋にかける。次に、基材/ゾルゲル混合構造体を高温において熱分解して、有機物質をアモルファス(及び潜在的に導電性)の炭素に転化させることができる。また、熱分解した構造体を、有機物質又はシリカ相を選択的に除去する化学的処理にかけて、高い触媒含量の被覆を与えることもできる。
[0041] In certain embodiments, the cathode substrate can be treated with a catalyst material for carbon dioxide reduction. Four examples of processing are shown below.
[0042] The first treatment may include coating a conductive substrate (eg, glassy carbon or metal) in a conductive sol-gel that includes sufficient catalytic material to provide a highly active surface area. it can. The conductive component of the sol-gel may be catalytically active. After the substrate is coated with the catalytic sol gel, the sol gel is subjected to a high degree of polymerization / crosslinking. The mixed substrate / sol-gel structure can then be pyrolyzed at elevated temperatures to convert the organic material to amorphous (and potentially conductive) carbon. The pyrolyzed structure can also be subjected to a chemical treatment that selectively removes organic material or silica phase to provide a coating with a high catalyst content.
[0043]第2の処理には、アミン、チオール、又は他の好適な結合剤のような結合剤を用いて、比較的小さい粒子(例えばミクロン又はナノメートル規模)を基材に結合させることを含ませることができる。結合剤は好ましくは導電性で、基材と触媒粒子との間に電流を流す。触媒粒子は、好ましくはジフェニルベンゼンのような共役有機分子を含む。基材も触媒材料で形成する場合には、結合剤は対称の結合基を有していてよく、そうでない場合には2つの異なる結合基を有する結合剤を用いることができる。 [0043] The second treatment involves binding relatively small particles (eg, on the micron or nanometer scale) to the substrate using a binder such as an amine, thiol, or other suitable binder. Can be included. The binder is preferably electrically conductive and conducts current between the substrate and the catalyst particles. The catalyst particles preferably comprise conjugated organic molecules such as diphenylbenzene. If the substrate is also formed of a catalyst material, the binder may have a symmetric linking group, otherwise a binder having two different linking groups can be used.
[0044]第3の処理には、触媒材料(塩形態であってよい)及び結合剤を含むスラリー中において基材を被覆することを含ませることができる。スラリーにはまた、カーボンブラック、カーボンナノチューブ、又は他の好適な導電性添加剤のような導電性添加剤を含ませることもできる。次に、スラリー被覆を乾燥して基材上に共形被覆を形成することができる。基材及び乾燥したスラリー被覆は、種々の構成成分物質を機械的に強固で導電性の触媒材料に融合させるために加熱することができる。特定の実施態様においては、基材及び乾燥したスラリー被覆の加熱は還元性雰囲気中で行う。 [0044] The third treatment can include coating the substrate in a slurry comprising a catalyst material (which can be in salt form) and a binder. The slurry can also include conductive additives such as carbon black, carbon nanotubes, or other suitable conductive additives. The slurry coating can then be dried to form a conformal coating on the substrate. The substrate and the dried slurry coating can be heated to fuse the various constituent materials into a mechanically strong and conductive catalyst material. In certain embodiments, heating of the substrate and the dried slurry coating is performed in a reducing atmosphere.
[0045]第4の処理には、基材に前駆体を施し、溶媒を除去し、そして基材を焼成して前駆体材料を一体の半導体金属カルコゲニド被覆に転化させることによって、基材を半導体金属カルコゲニドで被覆することを含ませることができる。被覆材料には、Na4SnS4、Na4Sn2S6、K4SnTe4、Na3AsS3、(NH4)4Sn2S6、(NH4)3AsS3、及び(NH4)2MoS4(しかしながらこれらに限定されない)を含ませることができる。 [0045] For the fourth treatment, the substrate is semiconducted by applying the precursor to the substrate, removing the solvent, and firing the substrate to convert the precursor material into an integral semiconductor metal chalcogenide coating. Coating with a metal chalcogenide can be included. Coating materials include Na 4 SnS 4 , Na 4 Sn 2 S 6 , K 4 SnTe 4 , Na 3 AsS 3 , (NH 4 ) 4 Sn 2 S 6 , (NH 4 ) 3 AsS 3 , and (NH 4 ) 2 MoS 4 (but not limited to) can be included.
[0046]他の被覆及び電極触媒製造技術は、基材上に熱酸化物を施し、基材との金属間化合物と形成し、そして基材上に半導体材料を施すことを含む。一態様においては、二酸化炭素の電気化学的還元のために好適な高表面積材料を形成するためには、種々の金属及びセラミック基材上に塗布した種々の金属塩の熱酸化が好ましい。熱酸化は、酸化イリジウム及び酸化ルテニウムのような、電気化学的塩素セルにおいてアノード材料として用いるためのチタン上の電極触媒を形成するために用いるものと同様であってよい。他の態様においては、イリジウムを銅箔上に電気メッキし、次に銅箔を、インジウムが箔表面上で溶融するまでインジウムの融点よりも40℃高い温度に加熱し、銅との金の金属間化合物を形成し、次に冷却する。金属間化合物の形成は、空気中又は不活性ガス(例えばアルゴン又はヘリウム)雰囲気下、或いは全真空又は部分真空下で行うことができる。好ましくは、電気メッキした材料によって約50%のファラデー転化効率が与えられ、平面状の金属バックプレート上及び更には銅繊維上の被覆として用いることができる。金属間化合物はまた、スズメッキした銅基材を用いて形成することもできる。更なる態様においては、気体堆積、スパッタリング、又は他の好適な適用法によって、半導体材料を基材に施すことができる。基材は好ましくは金属基材である。半導体材料は、所望のようにPタイプ又はNタイプにドープすることができる。
[0046] Other coating and electrocatalyst manufacturing techniques include applying a thermal oxide on a substrate, forming an intermetallic compound with the substrate, and applying a semiconductor material on the substrate. In one aspect, thermal oxidation of various metals and various metal salts applied on ceramic substrates is preferred to form high surface area materials suitable for electrochemical reduction of carbon dioxide. Thermal oxidation may be similar to that used to form an electrocatalyst on titanium for use as an anode material in an electrochemical chlorine cell, such as iridium oxide and ruthenium oxide. In another embodiment, iridium is electroplated onto the copper foil, and then the copper foil is heated to a
[0047]上記に記載する4種類の処理及び他の被覆技術においては、基材と触媒の間の結合の品質(機械的、電気的等)を向上させるために幾つかの手段を行うことができる。かかる手段には、触媒又は結合剤との化学結合を起こすことができる官能基を基材表面上に生成させるか、或いは施す触媒被覆との結合を促進させる基材表面における幾何学的特徴を生成させることを含ませることができる。 [0047] In the four types of processing and other coating techniques described above, several measures may be taken to improve the quality of the bond between the substrate and the catalyst (mechanical, electrical, etc.). it can. Such means may generate functional groups on the substrate surface that can cause chemical bonding with the catalyst or binder, or create geometric features on the substrate surface that facilitate bonding with the applied catalyst coating. Can be included.
[0048]本明細書において記載する高表面積カソードのための基材には、炭素及び黒鉛のようなRVC材料、金属フォーム、金網、繊維から形成される金属ウール、焼結粉末金属フィルム及びプレート、金属及びセラミックビーズ、ペレット、セラミック及び金属のカラム及びトリクルベッド充填材料、金属及び無機粉末形状体、金属繊維及びウール、或いは他の好適な基材材料を含ませることができる。物理的形状体の比表面積としては、好ましくは約2〜2,000cm2/cm3の間又はそれ以上の比表面積が挙げられる。 [0048] Substrates for the high surface area cathodes described herein include RVC materials such as carbon and graphite, metal foam, wire mesh, metal wool formed from fibers, sintered powder metal films and plates, Metal and ceramic beads, pellets, ceramic and metal columns and trickle bed packing materials, metal and inorganic powder shapes, metal fibers and wool, or other suitable substrate materials can be included. The specific surface area of the physical form preferably includes a specific surface area of between about 2 and 2,000 cm 2 / cm 3 or more.
[0049]電極又は電極の高表面積構造体には合金を繊維又はウールとして含ませることができ、種々の化合物で被覆することができ、その後に空気中又は還元性雰囲気のオーブン内でか焼して、二酸化炭素の還元において電極触媒になる表面上の安定な酸化物を形成することができる。他のカソード材料としては、金属ガラス及びアモルファス金属を挙げることができる。 [0049] The electrode or high surface area structure of the electrode can include the alloy as fibers or wool, and can be coated with various compounds, followed by calcination in an oven in air or in a reducing atmosphere. Thus, a stable oxide on the surface that becomes an electrode catalyst in the reduction of carbon dioxide can be formed. Other cathode materials can include metallic glass and amorphous metal.
[0050]ここで図4を参照すると、電気化学的酸性化ユニット402においてバイポーラ膜を用いる図2の酸酸性化システム200の特定の実施態様が示されている。電気化学的酸性化ユニット402においてバイポーラ膜を用いることによって、水酸化カリウムを回収するのに加えて、アルカリ金属ギ酸塩(例えばギ酸カリウム)を酸性化することができる。バイポーラ膜を用いることによって、アルカリ金属ギ酸塩を酸性化するために必要な電圧を低下させることができ、電気化学積層体のために必要な実際のアノード及びカソードの数を減少させることができる。バイポーラ膜は、好ましくは結合させたカチオン膜及びアニオン膜から構成され、2つの膜の界面において水を解離し、カチオン膜から水素(H+)イオン及びアニオン膜から水酸化物イオン(OH−)を形成することによって機能する。
[0050] Referring now to FIG. 4, a particular embodiment of the
[0051]ここで図5を参照すると、図1の電気化学システム100の他の態様が示されている。図5における電解槽502は、アノード区画506及びカソード区画508に加えてイオン交換区画504を含む。このイオン交換区画504は、図2に示す電気化学的酸性化ユニット202における酸酸性化区画212と同じように機能する。カソード区画からのアルカリ金属ギ酸塩生成物(例えばギ酸カリウム)及び未反応のKHCO3を、イオン交換区画504を通して送って、ギ酸生成物をCO2及び多少の残留KHCO3と共に与える。アノード区画の側部上に隣接する膜510aを通過する水素イオン(H+)によって、中央のイオン交換区画504を通過する流れの中のアルカリ金属イオン(例えばK+)が置換されて、アルカリ金属ギ酸塩が酸性化し、アルカリ金属イオン及び残留水素イオンが、カソード区画508上に隣接する膜510bを通ってカソード液中に流れる。これによって、プロセスのために選択されるカソードに関して高いファラデー電流効率が必要な場合に、より高いpH条件においてカソードを操作することが可能になる。
[0051] Referring now to FIG. 5, another embodiment of the
[0052]インジウムベースのカソードシステムにおいては、好ましいカソード液は、アルカリ金属の重炭酸塩、炭酸塩、硫酸塩、リン酸塩などを含む。他の好ましいカソード液は、ホウ酸塩、アンモニウム、及び水酸化物を含む。他のカソード液には、塩化物、臭化物、並びに他の有機及び無機塩を含ませることができる。炭酸プロピレン、メタンスルホン酸、メタノール、及び他のイオン伝導液のような非水性電解液を用いることができ、これらは水性混合物であってよく、或いはカソード液中の非水性混合物であってよい。二酸化炭素の微小気泡をカソード液流中に導入することによって、二酸化炭素のカソード表面への移動を向上させることができる。 [0052] In indium-based cathodic systems, preferred catholytes include alkali metal bicarbonates, carbonates, sulfates, phosphates, and the like. Other preferred catholytes include borates, ammonium, and hydroxides. Other catholytes can include chlorides, bromides, and other organic and inorganic salts. Non-aqueous electrolytes such as propylene carbonate, methanesulfonic acid, methanol, and other ionic conducting liquids can be used, which can be aqueous mixtures or non-aqueous mixtures in the catholyte. By introducing carbon dioxide microbubbles into the catholyte stream, the movement of carbon dioxide to the cathode surface can be improved.
[0053]ここで図6を参照すると、図1に示す電解槽システム100と図2に示す電気化学的酸性化システム200の間において、ナノ濾過システムを用いることができる。ナノ濾過システムは、好ましくは電解槽システム100から排出される重炭酸塩(例えば流れ154)からアルカリ金属ギ酸塩(例えばギ酸カリウム)を分離して、電気化学的酸性化ユニット202に導入される重炭酸塩の量を減少させるために用いる。ナノ濾過システムは、好ましくはアルカリ金属ギ酸塩から重炭酸塩を選択的に分離するために、加圧下においてナノ濾過フィルター/膜を用いる。ナノ濾過フィルター/膜によって、高圧ポンプ及び分離のために好適な選択される膜を用いて、二価アニオン(例えば炭酸塩)から一価アニオン(例えばギ酸塩)を分離する。電解槽システム100と電気化学的酸性化システム200の間の分離手段としてナノ濾過システムを用いる場合には、ナノ濾過フィルター/膜を用いて炭酸塩からギ酸塩を効率的に分離するために、ギ酸塩/重炭酸塩生成物(例えば流れ154)中の重炭酸塩は好ましくは炭酸塩に転化させる。ナノ濾過システムには、ギ酸塩/重炭酸塩生成物流を水酸化カリウム(KOH)流と混合するために、混合タンクのようなミキサーを含ませることができる。ミキサーによって、重炭酸カリウムの炭酸カリウムへの転化を促進して、炭酸塩からのギ酸塩の分離を容易にすることができる。次に、高圧ポンプによって、カリウムのギ酸塩/炭酸塩の流れを、ナノ濾過フィルター/膜を含むナノ濾過ユニット中に送る。ナノ濾過ユニットによって低炭酸塩含有ギ酸カリウム透過流を生成させ、これを次に図2において流れ154として示すように電気化学的酸性化システム200に送って、電気化学的酸性化ユニット202に導入する。ナノ濾過ユニットから排出される炭酸カリウムを含む不透過流は、好ましくは図3のKHCO3ブロックに送って、ここで炭酸カリウムを重炭酸カリウムに転化させるためにKOH及びCO2と混合する。重炭酸カリウムは、好ましくは電解槽システム100の電解槽102のカソード区画への供給流として用いる。ナノ濾過分離システムは、ギ酸塩分離からの炭酸塩の全分離効率を増加させるために、直列流形態で接続されている複数のユニットから構成することができる。このシステムにおいてはまた、再循環流を用いて、1つのユニットからの出口流を他のユニットの入口に再循環して、流量及び圧力を維持し、且つギ酸塩の回収率を増加させることができる。
[0053] Referring now to FIG. 6, a nanofiltration system can be used between the
[0054]本明細書に記載する電気化学システムの化学的性質に応じて、カソード液のpHは好ましくは3〜12の範囲である。カソード液の所望のpHは、カソード液操作条件及びカソード区画において用いる触媒の関数であってよく、電気化学セルにおける腐食は限られているか又は全くない。 [0054] Depending on the chemistry of the electrochemical system described herein, the pH of the catholyte is preferably in the range of 3-12. The desired pH of the catholyte may be a function of the catholyte operating conditions and the catalyst used in the cathode compartment with limited or no corrosion in the electrochemical cell.
[0055]好ましいカソード液の横断面積流速としては、2〜3,000gpm/ft2又はそれ以上(0.0076〜11.36m3/m2)の範囲を挙げることができ、流速範囲は0.002〜20フィート/秒(0.0006〜6.1m/秒)である。 [0055] Preferred catholyte cross-sectional area flow rates may include a range of 2 to 3000 gpm / ft 2 or more (0.0076 to 11.36 m 3 / m 2 ), with a flow rate range of 0. 002 to 20 feet / second (0.0006 to 6.1 m / second).
[0056]好ましくは、カソード液中において均一複素環式触媒を用いる。均一複素環式触媒としては、例えば、4−ヒドロキシピリジン、アデニン、イオウを含む複素環式アミン、酸素を含む複素環式アミン、アゾール類、ベンズイミダゾール類、ビピリジン類、フラン、イミダゾール類、少なくとも1つの5員環を有するイミダゾール類関連種、インドール類、ルチジン類、メチルイミダゾール、オキサゾール類、フェナントロリン、プテリン、プテリジン、ピリジン類、少なくとも1つの6員環を有するピリジン類関連種、ピロール、キノリン、又はチアゾール類、及びこれらの混合物の1以上を挙げることができる。 [0056] Preferably, a homogeneous heterocyclic catalyst is used in the catholyte. Examples of the homogeneous heterocyclic catalyst include 4-hydroxypyridine, adenine, sulfur-containing heterocyclic amine, oxygen-containing heterocyclic amine, azoles, benzimidazoles, bipyridines, furan, imidazoles, at least 1 Imidazoles related species having two 5-membered rings, indoles, lutidines, methylimidazole, oxazoles, phenanthroline, pterin, pteridine, pyridines, pyridines related species having at least one 6-membered ring, pyrrole, quinoline, or Mention may be made of one or more of thiazoles and mixtures thereof.
[0057]このシステムのために好ましいアノード液は、KOH、NaOH、LiOHのようなアルカリ金属水酸化物;水酸化アンモニウム;硫酸、リン酸などのような無機酸;メタンスルホン酸のような有機酸;非水性及び水性溶液;塩化物、臭化物、及びヨウ素タイプのアルカリハロゲン化物塩、例えばNaCl、NaBr、LiBr、及びNaI;並びにHCl、HBr、及びHIのようなハロゲン化物酸;を含む。ハロゲン化物酸及びアルカリハロゲン化物塩は、例えば、アノード液区画からのハロゲン化物ガス又は溶解水性生成物として塩素、臭素、又はヨウ素を生成する。また、メタノール若しくは他の炭化水素非水性液を用いることもでき、これはアノード液からの幾つかの酸化有機生成物を形成する。アノード液の選択は、プロセス化学の生成物及び全運転セル電圧を低下させるための要件によって決定される。例えば、アノードにおいて臭素を形成する場合には、塩素の形成よりも相当に低いアノード電位しか必要でなく、ヨウ素の場合には臭素よりも更に低い。これによって、アノード液中において臭素を生成させる場合には、両方の電気化学ユニットの運転において大きな動力コストの節約が可能になる。次に、アノード液中での臭素のようなハロゲンの形成を、ブロモエタンを形成するアルカンとの反応のような外部反応において用いて他の化合物を生成させて、これを次にエタノールのようなアルコール、又はエチレンのようなアルケンに転化させることができ、反応からのハロゲン酸副生成物は電気化学セルアノード液に再循環して戻すことができる。 [0057] Preferred anolytes for this system are alkali metal hydroxides such as KOH, NaOH, LiOH; ammonium hydroxide; inorganic acids such as sulfuric acid, phosphoric acid, etc .; organic acids such as methanesulfonic acid. Non-aqueous and aqueous solutions; chloride, bromide, and iodine type alkali halide salts such as NaCl, NaBr, LiBr, and NaI; and halide acids such as HCl, HBr, and HI; Halide acids and alkali halide salts produce, for example, chlorine, bromine, or iodine as a halide gas or dissolved aqueous product from the anolyte compartment. Methanol or other hydrocarbon non-aqueous liquids can also be used, which form some oxidized organic products from the anolyte. The choice of anolyte is dictated by the process chemistry products and the requirements for lowering the total operating cell voltage. For example, when bromine is formed at the anode, a much lower anode potential is required than with chlorine, and iodine is even lower than bromine. This allows for significant power cost savings in the operation of both electrochemical units when bromine is produced in the anolyte. The formation of a halogen such as bromine in the anolyte is then used in an external reaction such as a reaction with an alkane forming bromoethane to produce another compound, which is then an alcohol such as ethanol. Or a halogen acid byproduct from the reaction can be recycled back to the electrochemical cell anolyte.
[0058]より高い運転圧力において電解槽カソード液を操作することによって、より低い圧力(例えば大気圧)よりも多い二酸化炭素を水性電解液中に溶解させることを可能にすることができる。電気化学セルは、多セル積層体デザインにおいては約20〜30psig以下の圧力で運転することができるが、変更を加えて100psigまでの圧力で運転することができる。また、電解槽アノード液は、同じ圧力範囲において操作して、2つの電極区画を分離している膜の上の圧力差を最小にすることもできる。液体CO2及び超臨界CO2操作範囲である約60〜100気圧又はそれ以上までのより高い操作圧力で電気化学ユニットを運転するためには、特別な電気化学デザインが必要である。 [0058] Manipulating the electrolyzer catholyte at higher operating pressures can allow more carbon dioxide to be dissolved in the aqueous electrolyte than at lower pressures (eg, atmospheric pressure). Electrochemical cells can be operated at pressures up to about 20-30 psig in multi-cell laminate designs, but can be operated at pressures up to 100 psig with modification. The electrolyzer anolyte can also be operated in the same pressure range to minimize the pressure differential over the membrane separating the two electrode compartments. In order to operate the electrochemical unit at higher operating pressures up to about 60-100 atmospheres or more, which is the liquid CO 2 and supercritical CO 2 operating range, special electrochemical designs are required.
[0059]特定の実施態様においては、カソード液再循環流の一部を、CO2を注入しながら、背圧による流量制限を用いるか又はポンプを用いて別に加圧して、加圧流を次に電解槽のカソード液区画中に注入するようにすることができる。かかる構成によって、水溶液中の溶解CO2の量を増加させて転化率を向上させることができる。 [0059] In certain embodiments, a portion of the catholyte recycle stream, while injecting the CO 2, pressurized separately with or pump using flow restriction by back pressure, then the pressurized fluid It can be injected into the catholyte compartment of the electrolytic cell. With such a configuration, the conversion rate can be improved by increasing the amount of dissolved CO 2 in the aqueous solution.
[0060]カソード液及びアノード液の操作温度は、好ましくは−10〜95℃、より好ましくは5〜60℃の範囲である。最小操作温度は、用いる電解液及びそれらの凝固点に限定される。一般に、温度がより低いと、電解液の水溶液相中におけるCO2の溶解度はより高く、より高い転化率及び電流効率を得るのに有用である。より低い操作温度に関する留意事項は、運転している電解槽のセル電圧がより高くなる可能性があり、このために最も低い運転コストで化学物質を製造するためには最適化が必要な可能性があることである。 [0060] The operating temperature of the catholyte and anolyte is preferably in the range of -10 to 95 ° C, more preferably 5 to 60 ° C. The minimum operating temperature is limited to the electrolytes used and their freezing points. In general, the lower the temperature, the higher the solubility of CO 2 in the aqueous solution phase of the electrolyte, which is useful for obtaining higher conversion and current efficiency. Considerations for lower operating temperatures may result in higher cell voltages in the operating cell, which may need to be optimized to produce chemicals at the lowest operating cost Is that there is.
[0061]電気化学セルのデザインには、種々の高表面積カソード材料と共に再循環カソード液電解液を用いるゼロギャップの流入デザインを含ませることができる。他のデザインとしては、種々の高表面積カソード材料を用いる満液型並流充填床及びトリクルベッドデザイン、バイポーラ積層セルデザイン、及び高圧セルデザインが挙げられる。 [0061] Electrochemical cell designs can include zero-gap inflow designs using recirculating catholyte electrolytes with various high surface area cathode materials. Other designs include full cocurrent packed bed and trickle bed designs using various high surface area cathode materials, bipolar stacked cell designs, and high pressure cell designs.
[0062]電気化学システムにおいて用いるアノードは、種々のシステム条件によって定まる可能性がある。酸性アノード液に関して、水を酸化して酸素及び水素イオンを生成させるためには、アノードに被覆を含ませることができ、好ましい電極触媒被覆は、ルテニウム及びイリジウム酸化物のような貴金属酸化物、並びにチタン、タンタル、ジルコニウム、及びニオブのようなバルブメタル基材上に堆積させた金属及び酸化物としての白金、ロジウム、及び金、並びにこれらの組み合わせを含む。アルカリ性又は水酸化物電解液のような他のアノード液に関しては、製造されるアノードは、アルカリ性条件下において好適なアノードとして安定であることができる、炭素、コバルト酸化物、ステンレススチール、ニッケル、並びにこれらの合金及び組み合わせを含む。 [0062] The anode used in an electrochemical system may depend on various system conditions. For acidic anolytes, to oxidize water to produce oxygen and hydrogen ions, the anode can include a coating, and preferred electrocatalyst coatings include noble metal oxides such as ruthenium and iridium oxides, and Including platinum, rhodium, and gold as metals and oxides deposited on valve metal substrates such as titanium, tantalum, zirconium, and niobium, and combinations thereof. For other anolytes, such as alkaline or hydroxide electrolytes, the anode produced can be stable as a suitable anode under alkaline conditions, carbon, cobalt oxide, stainless steel, nickel, and These alloys and combinations are included.
[0063]本明細書に記載するように、電気化学システムにおいては、アノード区画とカソード区画の間に配置される膜を用いることができる。カチオンイオン交換タイプの膜、特にアニオンに対して高い阻止効率を有するもの、例えばDuPont Nafion(登録商標)ブランドの非強化タイプのN117及びN120シリーズ、より好ましいPTFE繊維強化N324及びN424タイプ、及びFlemion(登録商標)のような供給業者の商品名で日本の企業によって製造されている同様の関連する膜のようなペルフッ素化スルホン酸ベースのイオン交換膜が好ましい。塩素アルカリ産業において用いられる他の多層ペルフッ素化イオン交換膜は、カルボン酸ベースの膜層に結合しているスルホン酸ベースの膜層の二層構造を有し、これは約2又はそれ以上のpHより高いpHのアノード液及びカソード液を用いて効率的に運転される。これらの膜は、遙かに高いアニオン阻止効率を有する。これらは、DuPontによって、N900シリーズ、例えばN90209、N966、N982、並びに2000シリーズ、例えばN2010、N2020、及びN2030、並びにこれらの複数のタイプ及びサブタイプの全部のような彼らのNafionの登録商標で販売されている。また、アニオン阻止が重要でない場合には、市場において入手できるものの中でも、Sybronによって彼らの商品名のIonac(登録商標)で、AGC Engineering(旭硝子)によって彼らのSelemion(登録商標)の商品名で、及びTokuyama Sodaによって販売されているもののような、種々のカチオンイオン交換材料から製造される炭化水素ベースの膜を用いることもできる。 [0063] As described herein, in an electrochemical system, a membrane disposed between the anode and cathode compartments can be used. Cation ion exchange type membranes, especially those with high blocking efficiency against anions such as DuPont Nafion® brand non-reinforced N117 and N120 series, more preferred PTFE fiber reinforced N324 and N424 types, and Flemion ( Preferred are perfluorinated sulfonic acid based ion exchange membranes such as similar related membranes manufactured by Japanese companies under the trade name of the supplier such as. Other multilayer perfluorinated ion exchange membranes used in the chlor-alkali industry have a bilayer structure of sulfonic acid based membrane layers bonded to a carboxylic acid based membrane layer, which is about 2 or more. It operates efficiently using anolyte and catholyte at a pH higher than pH. These membranes have much higher anion blocking efficiency. These are sold by DuPont under the N900 series, such as N90209, N966, N982, and the 2000 series, such as N2010, N2020, and N2030, and their Nafion registered trademarks such as all of these multiple types and subtypes. Has been. Also, if anion blocking is not important, among those available on the market, Ionac® under the trade name by Sybron, and under the Selemion® name by AGC Engineering (Asahi Glass), And hydrocarbon-based membranes made from a variety of cation ion exchange materials, such as those sold by Tokuyama Soda.
[0064]電解槽のデザインの例:
[0065]実験例において用いる電解槽のデザインには、追加スペーサーフレームを用いる種々の厚さの高表面積カソード構造体を含ませることができ、カソード電流導体バックプレートへの電気接触のための物理的接触圧を与えることもできる。
[0064] Examples of electrolytic cell designs:
[0065] The electrolyzer design used in the experimental examples can include various thicknesses of high surface area cathode structures using additional spacer frames, and physical for electrical contact to the cathode current conductor backplate. Contact pressure can also be applied.
[0066]ベンチスケール試験例の殆どに関して、約108cm2の電極投影面積を有するベンチスケールの電気化学セルを用いた。厚さ1.0インチ(2.54cm)の未加工ポリプロピレンから機械加工した2つの電極区画から構成される電気化学セルを組み立てた。アノード区画及びカソード区画の外形寸法は8インチ(20.32cm)×5インチ(12.70cm)であり、深さ0.375インチ(0.9525cm)、幅3.0インチ(7.62cm)×高さ6インチ(15.24cm)の内部に機械加工した凹部を有し、平形ガスケットの封止領域面は幅1.0インチ(2.52cm)であった。凹部領域内に等間隔で2つの穴を穿孔して、区画厚さを貫通する2つの電極導体端子を受容し、2つの0.25インチ(0.635cm)の穿孔ねじ穴を与えて、0.25インチ(0.635cm)の導体端子を貫通してその周りを封止するプラスチック部品を受容して、液体が電極区画から外側に漏れないようにした。電極フレームを穿孔して上部及び下部流量分布穴を与え、0.25インチのパイプねじ穴を与え、セルの頂部及び底部においてセルフレームの外側に取り付けたプラスチック部品を与えて、セルフレーム中及びこれから外への流れを与え、12個の0.125インチ(0.3175cm)の穴を凹部領域の端部において45°の斜角で上部及び下部の流量分布穴へ穿孔して、平形電極の表面を横切り、区画の高表面積電極の厚さを貫通する同量の流量分布を与えた。 [0066] For most of the bench scale test examples, a bench scale electrochemical cell having an electrode projected area of about 108 cm 2 was used. An electrochemical cell composed of two electrode compartments machined from 1.0 inch (2.54 cm) thick raw polypropylene was assembled. The dimensions of the anode and cathode compartments are 8 inches (20.32 cm) × 5 inches (12.70 cm), 0.375 inches (0.9525 cm) deep, 3.0 inches (7.62 cm) wide × The inside of the 6-inch (15.24 cm) height had a machined recess, and the sealing area of the flat gasket was 1.0 inch (2.52 cm) wide. Two holes are drilled at equal intervals in the recessed area to receive two electrode conductor terminals penetrating the section thickness, giving two 0.25 inch (0.635 cm) drilling screw holes, and 0 A plastic part that passes through and seals around a 25 inch (0.635 cm) conductor terminal was received to prevent liquid from leaking out of the electrode compartment. Perforate the electrode frame to give top and bottom flow distribution holes, give 0.25 inch pipe screw holes, give plastic parts attached to the outside of the cell frame at the top and bottom of the cell, in and out of the cell frame The surface of the flat electrode was created by providing outflow and drilling twelve 0.125 inch (0.3175 cm) holes into the upper and lower flow distribution holes at a 45 ° bevel at the end of the recessed area. And the same amount of flow distribution through the thickness of the high surface area electrode of the compartment was given.
[0067]アノード区画セルフレームに関しては、背面上に溶接した直径0.25インチ(0.635cm)の2つのチタン導体端子を有する、0.060インチ(0.1524cm)の厚さ、及び2.875インチ(7.3025cm)の幅及び5.875インチ(14.9225cm)の長さを有するアノードを、電極区画の凹部領域内に穿孔した2つの穴に挿入した。凹部深さ中のアノードの位置深さはアノードの後方にプラスチックスペーサーを加えることによって調節し、セルフレームの凹部に対するアノードの端部は医療用グレードのエポキシを用いて封止した。アノード上の電極触媒被覆は、酸中で酸素を発生させるのに好適な、厚さ0.060インチ(0.1524cm)のチタン基材上の酸化イリジウムベースの被覆であるWater Star WS-32であった。更に、アノード区画において、アノードと膜の間に配置した、酸化イリジウムベースの酸素発生被覆を有するDeNora North Americaからの厚さ0.010インチ(0.0254cm)のチタンエキスパンデッドメタル材料(EC626)であるアノード折り畳みスクリーン(3回折り畳み)も用い、これを用いてゼロギャップのアノード構成(アノードを膜と接触させた)を与え、アノード側からの膜に対する圧力(カソード側からの接触圧も有する)を与えた。 [0067] For the anode compartment cell frame, a thickness of 0.060 inches (0.1524 cm) with two titanium conductor terminals 0.25 inches (0.635 cm) in diameter welded on the back surface; An anode having a width of 875 inches (7.303025 cm) and a length of 5.875 inches (14.9225 cm) was inserted into two holes drilled in the recessed area of the electrode compartment. The position depth of the anode in the recess depth was adjusted by adding a plastic spacer behind the anode, and the end of the anode relative to the recess in the cell frame was sealed using medical grade epoxy. The electrocatalytic coating on the anode is Water Star WS-32, an iridium oxide based coating on a 0.060 inch (0.1524 cm) thick titanium substrate suitable for generating oxygen in acid. there were. Further, in the anode compartment, a 0.010 inch (0.0254 cm) thick titanium expanded metal material (EC626) from DeNora North America with an iridium oxide based oxygen generating coating disposed between the anode and the membrane. An anode folding screen (3-fold folding) is also used to provide a zero-gap anode configuration (with the anode in contact with the membrane), and also has pressure on the membrane from the anode side (also contact pressure from the cathode side) ) Was given.
[0068]カソード区画セルフレームに関しては、背面上に溶接した直径0.25インチ(0.635cm)の2つの316L−SS導体端子を有する、0.080インチ(0.2032cm)の厚さ、及び2.875インチ(7.3025cm)の幅、並びに5.875インチ(14.9225cm)の長さを有する316Lステンレススチールカソードを、電極区画の凹部領域内に穿孔した2つの穴に挿入した。凹部深さ中のカソードの位置深さは、カソードの背後にプラスチックスペーサーを加えることによって調節し、セルフレーム凹部に対するカソードの端部は、高速硬化医療用グレードエポキシを用いて封止した。 [0068] For the cathode compartment cell frame, with a thickness of 0.080 inches (0.2032 cm), with two 316L-SS conductor terminals of 0.25 inches (0.635 cm) in diameter welded on the backside, and A 316L stainless steel cathode having a width of 2.875 inches (7.303025 cm) and a length of 5.875 inches (14.9225 cm) was inserted into two holes drilled in the recessed area of the electrode compartment. The position depth of the cathode in the depth of the recess was adjusted by adding a plastic spacer behind the cathode, and the end of the cathode relative to the cell frame recess was sealed using fast-curing medical grade epoxy.
[0069]2つのアノード端子及びカソード端子の間を銅棒材で接続して、電流を電極バックプレートに分配した。セルを組立て、0.25インチ(0.635cm)のボルト及びナットを用いて、約60インチ・重量ポンドの圧縮力で締着した。セルフレーム、フレームスペーサー、及び膜の間の封止ガスケットとして、ネオプレンエラストマーガスケット(厚さ0.0625インチ(0.159cm))を用いた。 [0069] A copper rod was connected between the two anode and cathode terminals to distribute the current to the electrode backplate. The cell was assembled and clamped using 0.25 inch (0.635 cm) bolts and nuts with a compressive force of about 60 inches and pounds by weight. A neoprene elastomer gasket (thickness 0.0625 inch (0.159 cm)) was used as a sealing gasket between the cell frame, frame spacer, and membrane.
[0070]実施例1:
[0071]導電性銀エポキシを用いて316L−SS背面導電体プレート上に取り付けた厚さ0.010インチ(0.0254cm)のインジウム箔を用いて、上記のセルを組み立てた。網状銅繊維基材の上に厚さ約25ミクロンの厚さを有する無電解スズを予め施した層の上に堆積させた厚さ約1ミクロンの無電解適用インジウム層を含む多層高表面積カソード。基銅繊維構造体は、オンラインインターネット供給業者であるPestMall.com(Anteater Pest Control Inc.)から入手した銅金網であった。金網における銅繊維の寸法は、0.0025インチ(0.00635cm)の厚さ、及び0.010インチ(0.0254cm)の幅を有していた。調製した高表面積カソード材料を折り畳んで、厚さ1.25インチ(3.175cm)及び高さ6インチ(15.24cm)並びに幅3インチ(7.62cm)のパッドにし、これを0.875インチ(2.225cm)×約0.25インチ(0.635cm)であるカソード区画の寸法に充填し、(スペーサーを加えて)調節した区画厚さよりも大きくした。調製したカソードは、約3,171cm2の算出表面積を有しており、これは平形カソードプレート面積の約31倍の面積であり、91%の空隙容積、及び12.3cm2/cm3の比表面積を有していた。カソードパッドは圧縮可能であり、これによりカソードプレート及び膜との接触を行うバネ力を与えた。大きな0.125インチ(0.3175cm)の穴を有する非常に薄い(厚さ0.002インチ)のプラスチックスクリーンの2つの層を、カソードメッシュとNafion(登録商標)314膜の間に設置した。セルフレームと膜の間の封止ガスケットとして、ネオプレンガスケット(厚さ0.0625インチ(0.159cm))を用いた。アノード液区画内のアノード上の電極触媒被覆は、酸中で酸素を発生させるのに好適な酸化イリジウムベースの被覆であるWater Star WS-32であった。更に、アノード区画においてはまた、アノードと膜の間に配置した、酸化イリジウムベースの酸素発生被覆を有する厚さ0.010インチ(0.0254cm)のDeNora North Americaからのチタンエキスパンデッドメタル材料(EC626)である三つ折りスクリーンを用い、これを用いて、ゼロギャップアノード構造(アノードを膜と接触させる)を与えて、アノード側からの膜に対する圧力(カソード側からの接触圧も有する)を与えた。
[0070] Example 1:
[0071] The above cell was assembled using 0.010 inch (0.0254 cm) thick indium foil mounted on a 316L-SS back conductor plate using conductive silver epoxy. A multilayer, high surface area cathode comprising an electrolessly applied indium layer having a thickness of about 1 micron deposited on a layer of electroless tin having a thickness of about 25 microns on a reticulated copper fiber substrate. The base copper fiber structure was a copper wire mesh obtained from PestMall.com (Anteater Pest Control Inc.), an online internet supplier. The dimensions of the copper fibers in the wire mesh had a thickness of 0.0025 inches (0.00635 cm) and a width of 0.010 inches (0.0254 cm). The prepared high surface area cathode material is folded into a 1.25 inch (3.175 cm) thick and 6 inch (15.24 cm) high and 3 inch (7.62 cm) wide pad, which is 0.875 inch. The dimensions of the cathode compartment, which is (2.225 cm) × about 0.25 inches (0.635 cm), were filled and made larger than the adjusted compartment thickness (plus a spacer). The prepared cathode has a calculated surface area of about 3,171 cm 2 , which is about 31 times the area of the flat cathode plate, 91% void volume, and a ratio of 12.3 cm 2 / cm 3 . It had a surface area. The cathode pad was compressible, thereby providing a spring force to make contact with the cathode plate and membrane. Two layers of a very thin (0.002 inch thick) plastic screen with large 0.125 inch holes were placed between the cathode mesh and the Nafion® 314 membrane. A neoprene gasket (thickness 0.0625 inch (0.159 cm)) was used as a sealing gasket between the cell frame and the membrane. The electrocatalytic coating on the anode in the anolyte compartment was Water Star WS-32, which is a suitable iridium oxide based coating for generating oxygen in acid. In addition, the anode compartment also includes a titanium expanded metal material from DeNora North America 0.010 inch (0.0254 cm) thick DeNora North America with an iridium oxide based oxygen generating coating disposed between the anode and the membrane. EC626) is used to provide a zero-gap anode structure (where the anode is in contact with the membrane) and a pressure on the membrane from the anode side (which also has a contact pressure from the cathode side). It was.
[0072]ステンレススチールのボルトを用いてセルアセンブリを締着し、カソード液解離装置、遠心カソード液循環ポンプ、入口セルpH及び出口セルpHセンサー、出口溶液流に対する温度センサーと一緒に、図1に示すものと同じ構造を有するセルステーション中に配置した。5ミクロンのステンレススチールフリットフィルターを用いて、二酸化炭素をカソード液解離装置容積中の溶液中に散布して、溶解二酸化炭素をカソード液セル入口に戻る再循環流中に供給した。 [0072] The cell assembly is clamped using stainless steel bolts, together with the catholyte dissociator, centrifugal catholyte circulation pump, inlet cell pH and outlet cell pH sensors, temperature sensor for outlet solution flow, and in FIG. Placed in a cell station having the same structure as shown. Using a 5 micron stainless steel frit filter, carbon dioxide was sparged into the solution in the catholyte dissociator volume and fed dissolved carbon dioxide into the recycle stream back to the catholyte cell inlet.
[0073]用いたアノード液は、試薬グレードの98%硫酸及び脱イオン水から形成した希薄5体積%硫酸溶液であった。
[0074]この試験運転においては、2g/Lの重炭酸カリウムを加えた0.4モル濃度の硫酸カリウム水溶液を含むカソード液組成物を用い、これに二酸化炭素を散布して6.60の最終pHにしてシステムを運転した。
[0073] The anolyte used was a dilute 5% by volume sulfuric acid solution formed from reagent grade 98% sulfuric acid and deionized water.
[0074] In this test run, a catholyte composition comprising a 0.4 molar aqueous potassium sulfate solution supplemented with 2 g / L potassium bicarbonate was used, and carbon dioxide was sparged onto it to give a final 6.60. The system was operated at pH.
[0075]運転条件:
バッチカソード液再循環運転:
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:0.4M−K2SO4、0.14mM−KHCO3;
カソード液流量:2.5LPM;
カソード液流速:0.08フィート/秒;
印加したセル電流:6アンペア(6,000mA);
カソード液pH範囲:5.5〜6.6;カソード液溶液再循環ループに重炭酸カリウムを定期的に加えることによって制御した;
カソード液のpHは時間経過と共に低下し、これは重炭酸カリウムを加えることによって制御した。
[0075] Operating conditions:
Batch catholyte recirculation operation:
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 0.4 M-K 2 SO 4 , 0.14 mM-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 2.5 LPM;
Catholyte flow rate: 0.08 ft / sec;
Applied cell current: 6 amps (6,000 mA);
Catholyte pH range: 5.5-6.6; controlled by periodically adding potassium bicarbonate to the catholyte solution recirculation loop;
The pH of the catholyte decreased with time and was controlled by adding potassium bicarbonate.
[0076]結果:
セル電圧範囲:3.39〜3.55ボルト(カソード液のpHが低下した時点では僅かにより低い電圧);
運転時間:6時間;
ギ酸塩ファラデー収率:32〜35%の間で一定;試料を定期的に採取して算出した;図7を参照;
最終ギ酸塩濃度:9,845ppm。
[0076] Results:
Cell voltage range: 3.39 to 3.55 volts (slightly lower voltage when the catholyte pH drops);
Driving time: 6 hours;
Formate Faraday yield: constant between 32 and 35%; calculated by taking samples periodically; see FIG.
Final formate concentration: 9,845 ppm.
[0077]実施例2:
[0078]実施例1と同じセルを用い、同じカソードを用いたが、運転を完了した後に電気化学セル内において水ですすいだだけの後にこの運転のために用いた。
[0077] Example 2:
[0078] The same cell as in Example 1 was used, and the same cathode was used, but was used for this operation after rinsing with water in the electrochemical cell after completing the operation.
[0079]この試験運転においては、40g/Lの重炭酸カリウムを加えた0.375モル濃度の硫酸カリウム水溶液を含むカソード液組成物を用い、これに二酸化炭素を散布して7.05の最終pHにしてシステムを運転した。 [0079] In this test run, a catholyte composition containing a 0.375 molar aqueous potassium sulfate solution with 40 g / L potassium bicarbonate added was used, and carbon dioxide was sparged onto the final composition of 7.05. The system was operated at pH.
[0080]運転条件:
バッチカソード液再循環運転:
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:0.4M−K2SO4、0.4M−KHCO3;
カソード液流量:2.5LPM;
カソード液流速:0.08フィート/秒;
印加したセル電流:6アンペア(6,000mA);
カソード液pH範囲:運転中に時間と共に7.5から6.75に直線的に低下した。
[0080] Operating conditions:
Batch catholyte recirculation operation:
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 0.4M-K 2 SO 4 , 0.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 2.5 LPM;
Catholyte flow rate: 0.08 ft / sec;
Applied cell current: 6 amps (6,000 mA);
Catholyte pH range: linearly decreased from 7.5 to 6.75 over time during operation.
[0081]結果:
セル電圧範囲:3.40〜3.45ボルト;
運転時間:5.5時間;
ギ酸塩ファラデー収率:52%で一定であり、カソード液のpHが低下するにつれて時間と共に44%にゆっくりと低下した;図8を参照;
最終ギ酸塩濃度:13,078ppm。
[0081] Results:
Cell voltage range: 3.40-3.45 volts;
Operation time: 5.5 hours;
Formate Faraday yield: constant at 52% and slowly decreased to 44% over time as the pH of the catholyte decreased; see FIG.
Final formate concentration: 13,078 ppm.
[0082]実施例3:
[0083]実施例1及び2と同じセルを用い、同じカソードを用いたが、運転を完了した後に電気化学セル内において水ですすいだだけの後にこの運転のために用いた。
[0082] Example 3:
[0083] The same cell as in Examples 1 and 2 was used, and the same cathode was used, but was used for this operation only after rinsing with water in the electrochemical cell after completing the operation.
[0084]この試験運転においては、40g/Lの重炭酸カリウムを加えた0.200モル濃度の硫酸カリウム水溶液を含むカソード液組成物を用い、これに二酸化炭素を散布して7.10の最終pHにしてシステムを運転した。 [0084] In this test run, a catholyte composition comprising a 0.200 molar potassium sulfate aqueous solution with 40 g / L potassium bicarbonate added was used, and carbon dioxide was sparged over to a final 7.10. The system was operated at pH.
[0085]運転条件:
バッチカソード液再循環運転:
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:0.2M−K2SO4、0.4M−KHCO3;
カソード液流量:2.5LPM;
カソード液流速:0.08フィート/秒;
印加したセル電流:9アンペア(9,000mA);
カソード液pH範囲:運転中に時間と共に7.5から6.65に直線的に低下し、次に、210、252、及び290分の時点において更なる固体KHCO3をカソード液ループに10gの増分で加えて、pHを運転の最後の部分に関して約7のpHに戻した。
[0085] Operating conditions:
Batch catholyte recirculation operation:
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 0.2M-K 2 SO 4 , 0.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 2.5 LPM;
Catholyte flow rate: 0.08 ft / sec;
Applied cell current: 9 amps (9,000 mA);
Catholyte pH range: linearly drops from 7.5 to 6.65 over time during operation, then 10 g increments of additional solid KHCO 3 into the catholyte loop at 210, 252 and 290 minutes And the pH was returned to about 7 for the last part of the run.
[0086]結果:
セル電圧範囲:3.98〜3.80ボルト;
運転時間:6.2時間;
ギ酸塩ファラデー収率:6.65のpHにおいて75%から60%に低下し、次に210、252、及び290分の時点において固体重炭酸カリウムをカソード液ループへのカソード液に10gの増分で加えることによって75%に上昇し、カソード液pHが6.90に低下するにつれて時間と共に68%にゆっくりと低下した;図9を参照。
[0086] Results:
Cell voltage range: 3.98-3.80 volts;
Operation time: 6.2 hours;
Formate Faraday yield: dropped from 75% to 60% at a pH of 6.65, then solid potassium bicarbonate into catholyte to catholyte loop at 210, 252 and 290 minutes in 10 g increments The addition increased to 75% and slowly decreased to 68% over time as the catholyte pH decreased to 6.90; see FIG.
最終ギ酸塩濃度:31,809ppm。
[0087]実施例4:
[0088]実施例1、2、及び3と同じセルを用い、同じカソードを用いたが、運転を完了した後に電気化学セル内において水ですすいだだけの後にこの運転のために用いた。
Final formate concentration: 31,809 ppm.
[0087] Example 4:
[0088] The same cell as in Examples 1, 2, and 3 was used, and the same cathode was used, but was used for this run only after rinsing with water in the electrochemical cell after the run was completed.
[0089]この試験運転においては、1.40モル濃度の重炭酸カリウム(120g/LのKHCO3)を含むカソード液組成物を用い、これに二酸化炭素を散布して7.8の最終pHにしてシステムを運転した。 [0089] In this test run, a catholyte composition containing 1.40 molar potassium bicarbonate (120 g / L KHCO 3 ) was used, and carbon dioxide was sparged onto it to a final pH of 7.8. And operated the system.
[0090]運転条件:
バッチカソード液再循環運転:
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:1.4M−KHCO3;
カソード液流量:2.6LPM;
カソード液流速:0.09フィート/秒;
印加したセル電流:11アンペア(11,000mA);
カソード液pH範囲:運転中に時間と共に約7.8から7.48の最終pHに直線的に低下した。
[0090] Operating conditions:
Batch catholyte recirculation operation:
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 1.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 2.6 LPM;
Catholyte flow rate: 0.09 ft / sec;
Applied cell current: 11 amp (11,000 mA);
Catholyte pH range: linearly dropped to a final pH of about 7.8 to 7.48 over time during operation.
[0091]結果:
セル電圧範囲:3.98〜3.82ボルト;
運転時間:6時間;
ギ酸塩ファラデー収率:63%で、約54〜55%に低下した;図10を参照;
最終ギ酸塩濃度:29,987ppm。
[0091] Results:
Cell voltage range: 3.98 to 3.82 volts;
Driving time: 6 hours;
Formate Faraday yield: 63%, decreased to about 54-55%; see FIG. 10;
Final formate concentration: 29,987 ppm.
[0092]理論実施例5:
[0093]この実施例は、膜ナノ濾過(NF)によって炭酸/重炭酸カリウム支持電解質から生成物のギ酸カリウムを分離することを意図するものである(図10)。試験は2つの市販のNF膜を用いる。供給溶液は1.2M−KHCO3+0.6M−K−ギ酸塩を含み、そのpHは、3つの別々の実験に関して(それぞれの膜に関して)7、9、及び11に調節する。
[0092] Theoretical Example 5:
[0093] This example is intended to separate the product potassium formate from the carbonate / potassium bicarbonate supporting electrolyte by membrane nanofiltration (NF) (Figure 10). The test uses two commercially available NF membranes. The feed solution contains 1.2M-KHCO 3 + 0.6M-K-formate, and its pH is adjusted to 7, 9, and 11 for three separate experiments (for each membrane).
[0094]全てのNF試験は、40bar(580psig)の印加圧力及び50℃において、GE-Osmonic Sepa浸透装置(0.0137m2の活性膜面積)内で行う。それぞれの実験中において、3リットルの供給溶液を流し、透過物を(体積を測定するために)メスシリンダー中に回収し、経過時間を記録する。透過物は、その後、全炭酸塩(HCO3 −+CO3 2−)及びギ酸塩に関して分析する。かかるデータから、透過率(L/m2・時・bar)及び溶質阻止率(%)を下記のようにして算出する。 [0094] All NF tests are performed in a GE-Osmonic Sepa permeator (active membrane area of 0.0137 m 2 ) at an applied pressure of 40 bar (580 psig) and 50 ° C. During each experiment, 3 liters of feed solution is run and the permeate is collected in a graduated cylinder (to measure volume) and the elapsed time is recorded. The permeate is then analyzed for total carbonate (HCO 3 − + CO 3 2− ) and formate. From such data, the transmittance (L / m 2 · hour · bar) and the solute rejection (%) are calculated as follows.
ここで、[S]はギ酸塩又は全炭酸塩のいずれかであり得る溶質のモル濃度を示す。
[0095]予測される結果を下記にまとめる。
Here, [S] indicates the molar concentration of the solute which can be either formate or total carbonate.
[0095] The expected results are summarized below.
[0096]理論実施例6:
[0097]1.2M−KHCO3+1.2M−K−ギ酸塩を含むギ酸塩富化供給溶液を用い、DK膜を用いて単一透過試験を行うことができる。試験はpH11において行うことができ、全ての他の条件は上記の実施例1と同様である。
[0096] Theoretical Example 6:
[0097] A single permeation test can be performed with a DK membrane using a formate-enriched feed solution containing 1.2M-KHCO 3 + 1.2M-K-formate. The test can be performed at
[0098]この試験は、全炭酸塩及びギ酸塩に関してそれぞれ79.9%及び−33.8%の阻止率を与えると思われる。透過率は0.32L/m2・時・barである。
[0099]実施例7:
[00100]カソードとして無電解メッキインジウム被覆を有する701gのスズショット(直径0.3〜0.6mm)媒体を用いた他は、実施例1、2、及び3と同じセルを用いた。カソード区画の厚さは0.875インチであった。
[0098] This test appears to give a rejection of 79.9% and -33.8% for total carbonate and formate, respectively. The transmittance is 0.32 L / m 2 · hr · bar.
[0099] Example 7:
[00100] The same cell as in Examples 1, 2, and 3 was used, except that 701 g of tin shot (0.3-0.6 mm diameter) media with an electroless plated indium coating was used as the cathode. The thickness of the cathode compartment was 0.875 inches.
[00101]この試験運転においては、1.40モル濃度の重炭酸カリウム(120g/LのKHCO3)を含むカソード液組成物を用い、これに二酸化炭素を散布して8.0の最終pHにしてシステムを運転した。 [00101] In this test run, a catholyte composition containing 1.40 molar concentration of potassium bicarbonate (120 g / L KHCO 3 ) was used and sparged with carbon dioxide to a final pH of 8.0. And operated the system.
[00102]セルはバッチ条件で運転し、初めの7.3時間に関してはオーバーフローを行わず、次に1.40モル濃度の重炭酸カリウム供給流を約1.4mL/分の速度でカソード液中に導入し、オーバーフローを回収して測定し、ループの試料をギ酸塩濃度分析のために回収した。 [00102] The cell operates in batch conditions and does not overflow for the first 7.3 hours, then a 1.40 molar potassium bicarbonate feed stream at a rate of about 1.4 mL / min in the catholyte. The overflow was collected and measured, and a sample of the loop was collected for formate concentration analysis.
[00103]運転条件:
バッチカソード液再循環運転:
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:1.4M−KHCO3;
カソード液流量:3.2LPM;
印加したセル電流:6アンペア(6,000mA);
カソード液pH範囲:運転中に時間と共に約8から7.50の最終pHに直線的にゆっくりと低下した。
[00103] Operating conditions:
Batch catholyte recirculation operation:
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 1.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 3.2 LPM;
Applied cell current: 6 amps (6,000 mA);
Catholyte pH range: linearly and slowly dropped to a final pH of about 8 to 7.50 over time during operation.
[00104]結果:
セル電圧範囲:3.98〜3.82ボルト;
運転時間:バッチモード:7.3時間;
供給流及び生成物オーバーフロー:47時間の運転の終了時までに7.3時間;
[00105]ギ酸塩ファラデー効率はバッチ運転時間中において42%〜52%の間であり、ギ酸塩濃度は10,490ppmに上昇した。供給及びオーバーフロー時間中においては、定期的に算出した効率は32%〜49%の間で変動した。平均転化効率は約44%であった。ギ酸塩濃度は、供給及びオーバーフロー時間中に10,490〜48,000ppmの間で変動した。セル電圧は約4.05ボルトで出発し、3.80ボルトで終了した。
[00104] Results:
Cell voltage range: 3.98 to 3.82 volts;
Operation time: Batch mode: 7.3 hours;
Feed stream and product overflow: 7.3 hours by the end of 47 hours of operation;
[00105] The formate Faraday efficiency was between 42% and 52% during the batch run time, and the formate concentration increased to 10,490 ppm. During the feed and overflow times, the efficiency calculated periodically varied between 32% and 49%. The average conversion efficiency was about 44%. The formate concentration varied between 10,490 and 48,000 ppm during the feed and overflow times. The cell voltage started at about 4.05 volts and ended at 3.80 volts.
[00106]実施例8:
[00107]およそ80mLの全容積の3区画ガラスセルを用いて電気分解を行った。セルは、テフロン(登録商標)ブッシングで気密に構成した。区画は2つのガラスフリットによって分離した。3電極アセンブリを用いた。上述した水性電解液及び触媒を含む1つの区画に、作用電極及び参照電極(Accumet銀/塩化銀)を収容した。また、中央の区画には上述の電解液及び触媒溶液を含ませた。第3の区画には、CO2を散布して約4.5のpHを有する0.5モル濃度のK2SO4電解質水溶液を充填し、対電極(TELPRO(Stafford, TX)−混合金属酸化物電極)を収容した。作用電極区間には、実験中に二酸化炭素を散布した。溶液をイオンクロマトグラフィーによってギ酸に関して測定し、電気分解の前(ブランク)及び後に溶液を分析した。試験は、電位差滴定条件下において、−1.46又は−1.90ボルト(SCE参照電極基準)で運転する6チャネルArbin Instruments MSTATを用いて約1.5時間行った。
[00106] Example 8:
[00107] Electrolysis was performed using a three-compartment glass cell with a total volume of approximately 80 mL. The cell was hermetically constructed with a Teflon bushing. The compartments were separated by two glass frits. A three electrode assembly was used. A working and reference electrode (Accumet silver / silver chloride) was housed in one compartment containing the aqueous electrolyte and catalyst described above. Moreover, the above-mentioned electrolyte solution and catalyst solution were included in the central compartment. The third compartment is filled with 0.5 molar aqueous K 2 SO 4 electrolyte solution having a pH of about 4.5 by sprinkling CO 2 and counter electrode (TELPRO (Stafford, TX) -mixed metal oxidation). A material electrode). Carbon dioxide was sprayed on the working electrode section during the experiment. The solution was measured for formic acid by ion chromatography and the solution was analyzed before (blank) and after electrolysis. The test was conducted for about 1.5 hours using a 6-channel Arbin Instruments MSTAT operating at -1.46 or -1.90 volts (SCE reference electrode standard) under potentiometric titration conditions.
[00108]実施例9:
[00109]カソードとしてスズ箔被覆を有する890.5gのスズショット(直径3mm)媒体を用いた他は、実施例1、2、及び3と同じセルを用いた。カソード区画の厚さは1.25インチであり、システムは供給材料の投入を行わないでバッチモードで運転した。カソード液解離装置内において、二酸化炭素を散布して溶液を飽和した。
[00108] Example 9:
[00109] The same cell as in Examples 1, 2, and 3 was used, except that 890.5 g of tin shot (3 mm diameter) media with a tin foil coating as the cathode was used. The cathode compartment thickness was 1.25 inches and the system was operated in batch mode with no feed input. In the catholyte dissociator, carbon dioxide was sparged to saturate the solution.
[00110]充填スズ床カソードの詳細:
重量:890.5gのスズショット;
スズショット:3mmの平均寸法;
全区画容積:369cm3;
算出スズビーズ表面積:4,498cm2;
算出充填床カソード比表面積:12.2cm2/cm3;
算出充填床空隙容積:34.6%。
[00110] Filled tin floor cathode details:
Weight: 890.5g tin shot;
Tin shot: 3 mm average dimension;
Total compartment volume: 369 cm 3 ;
Calculated tin bead surface area: 4,498 cm 2 ;
Calculated packed bed cathode specific surface area: 12.2 cm 2 / cm 3 ;
Calculated packed bed void volume: 34.6%.
[00111]この試験運転においては、1.40モル濃度の重炭酸カリウム(120g/LのKHCO3)を含むカソード液組成物を用い、これにCO2を散布して約8.0の最終pHにしてシステムを運転した。 [00111] In this test run, a catholyte composition comprising 1.40 molar potassium bicarbonate (120 g / L KHCO 3 ) was used, which was sparged with CO 2 to a final pH of about 8.0. And operated the system.
[00112]セルはバッチ条件で運転し、オーバーフローは行わず、カソード液ループの試料をギ酸塩濃度分析のために定期的に回収した。
[00113]運転条件:
バッチカソード液再循環運転:
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:1.4M−KHCO3;
カソード液流量:3.0LPM(上昇流);
カソード液流速:0.068フィート/秒;
印加したセル電流:6アンペア(6,000mA);
カソード液pH範囲:運転中に時間と共に約7.62のpHから7.73の最終pHに直線的にゆっくりと上昇した。
[00112] The cell was operated in batch conditions, did not overflow, and samples of the catholyte loop were collected periodically for formate concentration analysis.
[00113] Operating conditions:
Batch catholyte recirculation operation:
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 1.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 3.0 LPM (upflow);
Catholyte flow rate: 0.068 ft / sec;
Applied cell current: 6 amps (6,000 mA);
Catholyte pH range: During operation, it slowly slowly increased linearly from a pH of about 7.62 to a final pH of 7.73.
[00114]結果:
セル電圧範囲:3.84ボルトで出発し、3.42ボルトにゆっくりと低下した。
運転時間:バッチモード:19時間;
[00115]ギ酸塩ファラデー効率は、約65%で出発し、10時間後に36%に、そして19時間後に約18.3%に低下した。最終ギ酸塩濃度は、19時間の運転の終了時に20,500ppmで終了した。図11及び12を参照。
[00114] Results:
Cell voltage range: started at 3.84 volts and slowly dropped to 3.42 volts.
Operation time: Batch mode: 19 hours;
[00115] Formate Faraday efficiency started at about 65% and dropped to 36% after 10 hours and to about 18.3% after 19 hours. The final formate concentration ended at 20,500 ppm at the end of 19 hours of operation. See Figures 11 and 12.
[00116]実施例10:
[00117]カソードとして、導電性銀エポキシを用いて316L−SS背面導電体プレート上に取り付けた厚さ0.010インチ(0.0254cm)のインジウム箔を有する805gのインジウム被覆スズショット(直径3mm)媒体を用いた他は、実施例1、2、及び3と同じセルを用いた。カソード区画の厚さは1.25インチであり、システムは供給材料の投入を行わないでバッチモードで運転した。カソード液解離装置内において、二酸化炭素を散布して溶液を飽和した。スズショットは、スズ被覆銅メッシュの上に実施例1〜4において用いたものと同じ方法でインジウムを無電解メッキした。インジウム被覆は厚さ約0.5〜1.0ミクロンであると測定された。
[00116] Example 10:
[00117] 805 g indium-coated tin shot (3 mm diameter) with 0.010 inch (0.0254 cm) indium foil mounted on a 316L-SS back conductor plate using conductive silver epoxy as the cathode The same cell as in Examples 1, 2, and 3 was used except that the medium was used. The cathode compartment thickness was 1.25 inches and the system was operated in batch mode with no feed input. In the catholyte dissociator, carbon dioxide was sparged to saturate the solution. The tin shot was electrolessly plated with indium on the tin-coated copper mesh in the same manner as used in Examples 1-4. The indium coating was measured to be about 0.5 to 1.0 microns thick.
[00118]インジウム被覆スズショット充填床カソードの詳細:
重量:890.5g;スズショット上のインジウム被覆;
インジウム被覆スズショット:3mmの平均寸法;
全区画容積:369cm3;
算出スズビーズ表面積:4498cm2;
充填床カソード比表面積:12.2cm2/cm3;
充填床空隙容積:34.6%。
[00118] Details of indium coated tin shot packed bed cathode:
Weight: 890.5 g; indium coating on tin shot;
Indium-coated tin shot: average dimension of 3 mm;
Total compartment volume: 369 cm 3 ;
Calculated tin bead surface area: 4498 cm 2 ;
Packed bed cathode specific surface area: 12.2 cm 2 / cm 3 ;
Packed bed void volume: 34.6%.
[00119]この試験運転においては、1.40モル濃度の重炭酸カリウム(120g/LのKHCO3)を含むカソード液組成物を用い、これにCO2を散布して約8.0の最終pHにしてシステムを運転した。 [00119] In this test run, a catholyte composition containing 1.40 molar potassium bicarbonate (120 g / L KHCO 3 ) was used, which was sparged with CO 2 to a final pH of about 8.0. And operated the system.
[00120]セルはバッチ条件で運転し、オーバーフローは行わず、カソード液ループの試料をギ酸塩濃度分析のために定期的に回収した。
[00121]運転条件:
バッチカソード液再循環運転:
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:1.4M−KHCO3;
カソード液流量:3.0LPM(上昇流);
カソード液流速:0.068フィート/秒;
印加したセル電流:6アンペア(6,000mA);
カソード液pH範囲:運転中に時間と共に約7.86のpHから5.51の最終pHに直線的にゆっくりと低下した。
[00120] The cell was operated in batch conditions, did not overflow, and samples of the catholyte loop were collected periodically for formate concentration analysis.
[00121] Operating conditions:
Batch catholyte recirculation operation:
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 1.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 3.0 LPM (upflow);
Catholyte flow rate: 0.068 ft / sec;
Applied cell current: 6 amps (6,000 mA);
Catholyte pH range: During operation, it slowly and linearly decreased over time from a pH of about 7.86 to a final pH of 5.51.
[00122]結果:
セル電圧範囲:3.68ボルトで出発し、3.18ボルトにゆっくりと低下した。
運転時間:バッチモード;24時間;
[00123]ギ酸塩ファラデー効率は、約100%で出発し、60%〜85%の間で変動し、24時間後に約60%で終了した。最終ギ酸塩濃度は、24時間の運転の終了時に約60,000ppmで終了した。高いギ酸塩濃度における試料の希釈エラーによって、収率数値において見られる変動性が与えられた可能性がある。図13及び14を参照。
[00122] Results:
Cell voltage range: started at 3.68 volts and slowly dropped to 3.18 volts.
Operation time: batch mode; 24 hours;
[00123] Formate Faraday efficiency started at about 100%, varied between 60% and 85%, and ended at about 60% after 24 hours. The final formate concentration ended at about 60,000 ppm at the end of the 24 hour run. Sample dilution errors at high formate concentrations may have given the variability seen in yield numbers. See FIGS. 13 and 14.
[00124]実施例11:
[00125]新しく調製した銅メッシュカソード上のスズ電極触媒被覆上のインジウムを用いて、実施例1、2、及び3と同じセルを用いた。調製されたカソードは、約3,171cm2の算出表面積を有しており、これは平形カソードプレート面積の約31倍の面積であり、91%の空隙容積、及び12.3cm2/cm3の比表面積を有していた。
[00124] Example 11:
[00125] The same cell as in Examples 1, 2, and 3 was used with indium on a tin electrocatalyst coating on a newly prepared copper mesh cathode. The prepared cathode has a calculated surface area of about 3,171 cm 2 , which is about 31 times the area of the flat cathode plate, 91% void volume, and 12.3 cm 2 / cm 3 . It had a specific surface area.
[00126]この試験運転においては、1.40Mの重炭酸カリウム(120g/LのKHCO3)を含むカソード液組成物を用い、使用する前にこれにCO2を散布して7.8の最終pHにしてシステムを運転した。 [00126] In this test run, a catholyte composition containing 1.40 M potassium bicarbonate (120 g / L KHCO 3 ) was used and sparged with CO 2 before use to achieve a final of 7.8. The system was operated at pH.
[00127]セルは、運転の最初の8時間に関しては再循環バッチ条件で運転して約20,000ppm以下のカソード液ギ酸塩イオン濃度を与え、次に1.4Mの重炭酸カリウムの新しい供給流を約1.2mL/分の供給速度でカソード液中に計量投入した。オーバーフロー量を回収し、体積を記録し、オーバーフロー及びカソード液ループ試料を採取して、イオンクロマトグラフィーによってギ酸塩に関して分析した。 [00127] The cell is operated in recycle batch conditions for the first 8 hours of operation to give a catholyte formate ion concentration of about 20,000 ppm or less, and then a new feed stream of 1.4 M potassium bicarbonate. Was metered into the catholyte at a feed rate of about 1.2 mL / min. The amount of overflow was collected, the volume was recorded, and overflow and catholyte loop samples were taken and analyzed for formate by ion chromatography.
[00128]運転条件:
カソード:銅メッシュ基材上のスズの上の無電解インジウム;
カソード液再循環運転を伴う連続供給:11.5日;
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:1.4M−KHCO3;
カソード液流量:3.2LPM;
カソード液流速:0.09フィート/秒;
印加したセル電流:6アンペア(6,000mA);
[00129]結果:
セル電圧vs時間:図15はセル電圧vs時間の結果を示し、最初の始動の後の11.5日にわたって約3.45ボルトの安定な運転電圧を示している。
[00128] Operating conditions:
Cathode: electroless indium on tin on copper mesh substrate;
Continuous supply with catholyte recirculation operation: 11.5 days;
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 1.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 3.2 LPM;
Catholyte flow rate: 0.09 ft / sec;
Applied cell current: 6 amps (6,000 mA);
[00129] Results:
Cell Voltage vs Time: FIG. 15 shows the cell voltage vs time results, showing a stable operating voltage of about 3.45 volts over 11.5 days after initial start-up.
連続運転時間:11.5日;
ギ酸塩濃度vs時間:図16はギ酸塩濃度vs時間の結果を示す。
ギ酸塩ファラデー効率:図17は、算出ギ酸塩電流効率vs時間を示し、これによって回収した試料からのギ酸塩収率が求められる。
Continuous operation time: 11.5 days;
Formate concentration vs time: FIG. 16 shows the results of formate concentration vs time.
Formate Faraday Efficiency: FIG. 17 shows the calculated formate current efficiency vs time, whereby the formate yield from the recovered sample is determined.
最終ギ酸塩濃度:約28,000ppm。
カソード液のpH:図18は11.5日にわたるカソード液のpH変化を示し、7.8のpHから7.5のpH値にゆっくりと低下している。供給速度は運転中に変化させなかったが、一定のカソード液のpHを最適の運転pH範囲内に維持するためにゆっくりと増加又は減少させた可能性がある。
Final formate concentration: about 28,000 ppm.
Catholyte pH: FIG. 18 shows the pH change of the catholyte over 11.5 days, slowly decreasing from a pH of 7.8 to a pH value of 7.5. The feed rate was not changed during operation, but may have been slowly increased or decreased to maintain a constant catholyte pH within the optimum operating pH range.
[00130]実施例12:
[00131]新しく調製した銅メッシュカソード上のスズ電極触媒被覆上のインジウムを用いて、実施例1、2、及び3と同じセルを用いた。調製されたカソードは、約3,171cm2の算出表面積を有しており、これは平形カソードプレート面積の約31倍の面積であり、91%の空隙容積、及び12.3cm2/cm3の比表面積を有していた。
[00130] Example 12:
[00131] The same cell as in Examples 1, 2, and 3 was used with indium on a tin electrocatalyst coating on a newly prepared copper mesh cathode. The prepared cathode has a calculated surface area of about 3,171 cm 2 , which is about 31 times the area of the flat cathode plate, 91% void volume, and 12.3 cm 2 / cm 3 . It had a specific surface area.
[00132]この試験運転においては、1.40Mの重炭酸カリウム(120g/LのKHCO3)を含むカソード液組成物を用い、使用する前にこれにCO2を散布して7.8の最終pHにしてシステムを運転した。 [00132] In this test run, a catholyte composition containing 1.40 M potassium bicarbonate (120 g / L KHCO 3 ) was used and sparged with CO 2 before use to achieve a final of 7.8. The system was operated at pH.
[00133]セルは、運転の最初の8時間に関しては再循環バッチモードで運転して約20,000ppm以下のカソード液ギ酸塩イオン濃度を与え、次に1.4Mの重炭酸カリウムの新しい供給流を約1.2mL/分の供給速度でカソード液中に計量投入した。オーバーフロー量を回収し、体積を記録し、オーバーフロー及びカソード液ループ試料を採取して、イオンクロマトグラフィーによってギ酸塩に関して分析した。 [00133] The cell is operated in recirculation batch mode for the first 8 hours of operation to provide a catholyte formate ion concentration of about 20,000 ppm or less, and then a new feed stream of 1.4 M potassium bicarbonate. Was metered into the catholyte at a feed rate of about 1.2 mL / min. The amount of overflow was collected, the volume was recorded, and overflow and catholyte loop samples were taken and analyzed for formate by ion chromatography.
[00134]運転条件:
カソード:銅メッシュ基材上のスズの上の無電解インジウム;
カソード液再循環運転を伴う連続供給:21日;
アノード液溶液:0.92M−H2SO4;
カソード液溶液:1.4M−KHCO3;
カソード液流量:3.2LPM;
カソード液流速:0.09フィート/秒;
[00135]印加したセル電流:6アンペア(6,000mA)。
[00134] Operating conditions:
Cathode: electroless indium on tin on copper mesh substrate;
Continuous supply with catholyte recirculation operation: 21 days;
Anolyte solution: 0.92M-H 2 SO 4;
Catholyte solution: 1.4M-KHCO 3 ;
Catholyte flow rate: 3.2 LPM;
Catholyte flow rate: 0.09 ft / sec;
[00135] Applied cell current: 6 amps (6,000 mA).
[00136]結果:
セル電圧vs時間:セルは、インジウム箔導体バックプレートに対するカソードの不適当な電気接触圧のために、全ての本発明の他のセルよりも高い約4.40ボルトのより高い運転電圧を示した。セルは長時間運転状態に維持した。
[00136] Results:
Cell voltage vs time: The cell exhibited a higher operating voltage of about 4.40 volts, higher than all other cells of the present invention due to inadequate electrical contact pressure of the cathode to the indium foil conductor backplate. . The cell was kept in operation for a long time.
連続運転時間:21日。
[00137]ギ酸塩ファラデー収率:図19は、算出ギ酸塩電流効率vs時間を示し、これによって回収した試料からのギ酸塩収率が求められる。ギ酸塩ファラデー電流効率は、16日後に20%の範囲に低下した。
Continuous operation time: 21 days.
[00137] Formate Faraday Yield: FIG. 19 shows the calculated formate current efficiency vs time, which determines the formate yield from the collected sample. The formate Faraday current efficiency fell to the range of 20% after 16 days.
[00138]ギ酸塩濃度vs時間:図20は、ギ酸塩濃度vs時間の結果を示す。21日目において、セルを6アンペア稼働率で更に運転しながら、0.5gの炭酸インジウム(III)をカソード液に加えた。カソード液操作ループ中のギ酸塩濃度は、インジウム添加の前は11,330ppmであり、ユニットを運転21日後に停止した8時間後に13,400ppmに増加し、16時間後に14,100ppmに増加した。
[00138] Formate concentration vs time: FIG. 20 shows the results of formate concentration vs time. On the 21st day, 0.5 g of indium (III) carbonate was added to the catholyte while the cell was further operated at 6 amps utilization. The formate concentration in the catholyte operating loop was 11,330 ppm before the indium addition, increased to 13,400
[00139]カソード液のpH:図21は、供給ポンプのポンプ移送を停止した16日目付近の異常データ点を除いて、7.6〜7.7のpH範囲で運転した連続運転時間にわたるカソード液のpH変化を示す。供給速度は運転中においては変化させなかったが、一定のpH運転を最適の範囲内に維持するために、増加又は減少させた可能性がある。 [00139] pH of the catholyte: FIG. 21 shows the cathode over a continuous operating time operating in the pH range of 7.6 to 7.7, except for an abnormal data point near the 16th day when pumping of the feed pump was stopped. The pH change of a liquid is shown. The feed rate was not changed during operation, but may have been increased or decreased to maintain a constant pH operation within the optimum range.
[00140]本発明及びそれに伴う有利性の多くは上記の記載によって理解されると考えられ、発明の範囲及び精神から逸脱することなく、又はその重要な有利性の全部を犠牲にすることなく、その構成要素の形態、構成、及び配置における種々の変更を行うことができることは明らかであろう。本明細書において上記に記載した形態は単にその例示の態様に過ぎず、かかる変更を包含及び包容することが特許請求の意図である。 [00140] The present invention and many of the attendant advantages will be understood by the foregoing description, without departing from the scope and spirit of the invention or without sacrificing all of its significant advantages. It will be apparent that various changes in the form, configuration, and arrangement of the components can be made. The forms described herein above are merely exemplary embodiments, and it is the intent of the claims to encompass and embrace such modifications.
Claims (30)
(B)高表面積カソードを含む電気化学セルの第2の区画に、二酸化炭素で飽和した重炭酸塩ベースのカソード液を導入し、高表面積カソードはインジウム被覆を含み、約30%〜98%の間の空隙容積を有し、重炭酸塩ベースのカソード液の少なくとも一部を再循環し;そして
(C)二酸化炭素を単炭素ベースの生成物又は多炭素ベースの生成物の少なくとも1つに還元するのに十分な電位をアノードとカソードの間に印加する;
ことを含む、二酸化炭素を生成物に電気化学的に還元する方法。 (A) introducing an acidic anolyte into the first compartment of the electrochemical cell containing the anode;
(B) A bicarbonate-based catholyte saturated with carbon dioxide is introduced into a second compartment of an electrochemical cell containing a high surface area cathode, the high surface area cathode comprising an indium coating, and about 30% to 98% Recycle at least a portion of the bicarbonate-based catholyte with a void volume between; and (C) reduce carbon dioxide to at least one of a single carbon-based product or a multi-carbon based product A potential sufficient to do so is applied between the anode and the cathode;
A method of electrochemically reducing carbon dioxide to a product.
二酸化炭素を、アルカリ金属ギ酸塩を含む単炭素ベースの生成物に還元するのに十分な電位をアノードとカソードの間に印加する;
ことを含む、請求項1に記載の方法。 Applying a potential between the anode and cathode sufficient to reduce carbon dioxide to at least one of a single carbon based product or a multi carbon based product;
Applying a potential between the anode and cathode sufficient to reduce carbon dioxide to a single carbon based product comprising alkali metal formate;
The method of claim 1, comprising:
電位を第2の電気化学セルに印加して、アルカリ金属ギ酸塩を少なくともギ酸に転化させる;
ことを更に含む、請求項2に記載の方法。 Introducing an alkali metal formate into the second electrochemical cell; and applying a potential to the second electrochemical cell to convert the alkali metal formate into at least formic acid;
The method of claim 2 further comprising:
ことを更に含む、請求項1に記載の方法。 Operating the electrochemical cell at a pressure higher than atmospheric pressure;
The method of claim 1 further comprising:
(B)電気化学セルの第2の区画に二酸化炭素で飽和したカソード液を導入し、カソード液は、アルカリ金属重炭酸塩、アルカリ金属炭酸塩、アルカリ金属硫酸塩、アルカリ金属塩化物、及びこれらの混合物の1以上を含み、第2の区画は高表面積カソードを含み、高表面積カソードはインジウム被覆を含み、約30%〜98%の間の空隙容積を有し;
(C)カソード液の少なくとも一部を第2の区画から取り出し;
(D)カソード液の少なくとも一部を第2の区画中に再循環して戻し;そして
(E)(i)新しいカソード液流をカソード液の少なくとも一部又は第2の区画の少なくとも1つに導入するか;或いは(ii)水を第2の区画に導入する;ことの少なくとも1つによって第2の区画のpHを制御する;
ことを含む、酸性アノード液を有する電気化学システムのカソード区画内のpHを制御する方法。 (A) introducing an acidic anolyte into the first compartment of the electrochemical cell containing the anode;
(B) introducing a catholyte saturated with carbon dioxide into the second compartment of the electrochemical cell, the catholyte being alkali metal bicarbonate, alkali metal carbonate, alkali metal sulfate, alkali metal chloride, and these The second compartment comprises a high surface area cathode, the high surface area cathode comprises an indium coating and has a void volume between about 30% and 98%;
(C) removing at least a portion of the catholyte from the second compartment;
(D) recirculating at least a portion of the catholyte back into the second compartment; and (E) (i) transferring a new catholyte stream to at least a portion of the catholyte or at least one of the second compartments. Or (ii) introducing water into the second compartment; controlling the pH of the second compartment by at least one of:
Controlling the pH in the cathode compartment of an electrochemical system having an acidic anolyte.
(B)第1の電気化学セルの第2の区画にアルカリ金属重炭酸塩を含むカソード液を導入し、カソード液は二酸化炭素で飽和されており、第2の区画は高表面積カソードを含み、高表面積カソードはインジウム被覆を含み、約30%〜98%の間の空隙容積を有し、重炭酸塩ベースのカソード液の少なくとも一部を再循環し;
(C)二酸化炭素をアルカリ金属ギ酸塩に還元するのに十分な電位をアノードとカソードの間に印加し;
(D)第2の電気化学セルのイオン交換区画にアルカリ金属ギ酸塩を導入し;
(E)少なくともギ酸及びアルカリ金属水酸化物を生成させるのに十分な電位を、第2の電気化学セルのアノードと第2の電気化学セルのカソードの間に印加し;そして
(F)アルカリ金属水酸化物を二酸化炭素と共に導入して、第1の電気化学セルの第2の区画に導入するアルカリ金属重炭酸塩の少なくとも一部を生成させる;
ことを含む、二酸化炭素を生成物に電気化学的に還元する方法。 (A) introducing an acidic anolyte into the first compartment of the first electrochemical cell containing the anode;
(B) introducing a catholyte containing alkali metal bicarbonate into the second compartment of the first electrochemical cell, the catholyte being saturated with carbon dioxide, the second compartment comprising a high surface area cathode; The high surface area cathode includes an indium coating, has a void volume between about 30% and 98%, and recycles at least a portion of the bicarbonate-based catholyte;
(C) applying a potential sufficient between the anode and cathode to reduce carbon dioxide to alkali metal formate;
(D) introducing an alkali metal formate into the ion exchange compartment of the second electrochemical cell;
(E) a potential sufficient to generate at least formic acid and an alkali metal hydroxide is applied between the anode of the second electrochemical cell and the cathode of the second electrochemical cell; and (F) the alkali metal Introducing a hydroxide with carbon dioxide to produce at least a portion of the alkali metal bicarbonate introduced into the second compartment of the first electrochemical cell;
A method of electrochemically reducing carbon dioxide to a product.
ことを更に含む、請求項18に記載の方法。 Separating the alkali metal formate from the alkali metal bicarbonate of the catholyte of the first electrochemical cell using a nanofiltration system;
The method of claim 18 further comprising:
カソード液のアルカリ金属重炭酸塩をアルカリ金属水酸化物に導入して、アルカリ金属重炭酸塩の少なくとも一部をアルカリ金属炭酸塩に転化させ;そして
ナノ濾過ユニットを用いてアルカリ金属ギ酸塩からアルカリ金属炭酸塩を分離する;
ことを含む、請求項19に記載の方法。 Separating the alkali metal formate from the alkali metal bicarbonate of the catholyte of the first electrochemical cell using a nanofiltration system;
Catholyte alkali metal bicarbonate is introduced into the alkali metal hydroxide to convert at least a portion of the alkali metal bicarbonate to alkali metal carbonate; and using a nanofiltration unit, the alkali metal formate to alkali Separating the metal carbonate;
20. The method of claim 19, comprising:
ことを更に含む、請求項20に記載の方法。 Introducing an alkali metal carbonate with an alkali metal hydroxide and carbon dioxide to produce at least a portion of the alkali metal bicarbonate that is introduced into the second compartment of the first electrochemical cell;
21. The method of claim 20, further comprising:
ことを更に含む、請求項18に記載の方法。 A halogen selected from the group consisting of F 2 , Cl 2 , Br 2 , and I 2 in at least one of the first compartment of the first electrochemical cell and the first compartment of the second electrochemical cell; To generate
The method of claim 18 further comprising:
ことを更に含む、請求項27に記載の方法。 Reacting halogen with an organic compound to form a halogenated product;
28. The method of claim 27, further comprising:
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