KR102258315B1 - Process for recovering alkali metals and sulfur from alkali metal sulfides and polysulfides - Google Patents

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Abstract

알칼리 금속(126) 및 황(128)은 알칼리 이온 전도성 막을 갖는 전해 전지(120)를 이용하는 전해 공정에서 알칼리 모노설파이드 및 폴리설파이드(122)로부터 회수될 수 있다. 애노드액 용액은 알칼리 모노설파이드, 알칼리 폴리설파이드, 또는 이들의 혼합물 및 원소 황을 용해시키는 용매를 포함한다. 캐소드액은 용융된 알칼리 금속을 포함한다. 전류를 인가하는 것은 설파이드 및 폴리설파이드를 애노드액 구획에서 산화시키고, 알칼리 금속 이온이 알칼리 이온 전도성 막을 통해 캐소드액 구획으로 전달되게 하고, 알칼리 금속 이온을 캐소드액 구획에서 환원시킨다. 액체 황은 애노드액 용액으로부터 분리되고 회수될 수 있다. 전해 전지는 형성된 알칼리 금속 및 황이 용융되는 온도에서 동작된다.Alkali metal 126 and sulfur 128 may be recovered from alkali monosulfide and polysulfide 122 in an electrolytic process using an electrolytic cell 120 having an alkali ion conductive membrane. The anolyte solution includes an alkali monosulfide, an alkali polysulfide, or a mixture thereof and a solvent that dissolves elemental sulfur. The catholyte contains molten alkali metal. Applying an electric current oxidizes the sulfides and polysulfides in the anolyte compartment, causes alkali metal ions to pass through the alkali ion conductive membrane to the catholyte compartment, and reduces alkali metal ions in the catholyte compartment. Liquid sulfur can be separated and recovered from the anolyte solution. The electrolytic cell is operated at a temperature at which the formed alkali metal and sulfur melt.

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Description

알칼리 금속 설파이드 및 폴리설파이드로부터 알칼리 금속 및 황을 회수하는 방법{PROCESS FOR RECOVERING ALKALI METALS AND SULFUR FROM ALKALI METAL SULFIDES AND POLYSULFIDES}Method for recovering alkali metals and sulfur from alkali metal sulfides and polysulfides {PROCESS FOR RECOVERING ALKALI METALS AND SULFUR FROM ALKALI METAL SULFIDES AND POLYSULFIDES}

관련 출원들에 대한 교차 참조CROSS REFERENCE TO RELATED APPLICATIONS

본원은 2013년 3월 14일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/781,557호의 이점을 주장하며, 이는 참고로 편입된다. 본원은 2009년 10월 9일에 출원된 미국 출원 번호 제12/576,977호의 일부 계속이며, 이는 2008년 10월 9일에 출원된 미국 가특허 출원 번호 제61/103,973호의 이점을 주장한다.This application claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application No. 61/781,557, filed March 14, 2013, which is incorporated by reference. This application is a continuation in part of U.S. Application Serial No. 12/576,977, filed October 9, 2009, which claims the benefit of U.S. Provisional Patent Application Serial No. 61/103,973, filed October 9, 2008.

정부 전용 실시권Government-only license

본 발명은 미국 에너지부에 의해 수여된 재정 번호 제DE-FE0000408호 하에 정부 지원으로 이루어졌다. 정부는 본 발명에서 특정 권리를 갖는다.This invention was made with government support under Financial No. DE-FE0000408 awarded by the US Department of Energy. The government has certain rights in this invention.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 황-, 질소-, 및 금속-함유 셰일 오일, 역청, 중유, 또는 정제소 스트림으로부터 질소, 황, 및 중금속을 제거하는 방법에 관한 것이다. 더 상세하게는, 본 발명은 그들 금속의 설파이드(모노- 및 폴리설파이드)로부터 알칼리 금속을 재생하는 방법에 관한 것이다. 본 발명 추가로 알칼리 금속 설파이드 및 폴리설파이드로부터 황의 제거 및 회수에 관한 것이다.FIELD OF THE INVENTION The present invention relates to a process for removing nitrogen, sulfur, and heavy metals from sulfur-, nitrogen-, and metal-containing shale oil, bitumen, heavy oil, or refinery streams. More particularly, the present invention relates to a method for recovering alkali metals from sulfides (mono- and polysulfides) of those metals. The present invention further relates to the removal and recovery of sulfur from alkali metal sulfides and polysulfides.

에너지 및 그러한 에너지가 유도되는 탄화수소에 대한 요구가 계속해서 증가하고 있다. 그러나, 이러한 에너지를 제공하기 위해 사용되는 탄화수소 원료는 그것의 용법을 방해하는 황 및 금속을 제거하는 것이 어려운 것을 포함한다. 황은 대기 오염을 야기할 수 있고, 자동차 배기로부터 탄화수소 및 질소 옥사이드를 제거하도록 설계된 촉매를 오염시킬 수 있다. 유사하게, 탄화수소 스트림에 함유된 다른 금속은 표준 및 개선된 하이드로-탈황화 공정을 통해 황의 제거를 위해 전형적으로 이용되는 촉매를 오염시킬 수 있고 이로써 수소는 황 함유 유기-황 분자를 분해하기 위해 극단적인 조건에서 반응한다.The demand for energy and the hydrocarbons from which such energy is derived continues to increase. However, hydrocarbon feedstocks used to provide this energy include those that are difficult to remove sulfur and metals that impede their use. Sulfur can cause air pollution and can contaminate catalysts designed to remove hydrocarbons and nitrogen oxides from automobile exhaust. Similarly, other metals contained in hydrocarbon streams can contaminate catalysts typically used for the removal of sulfur through standard and improved hydro-desulphurization processes, whereby hydrogen is used to decompose sulfur-containing organo-sulfur molecules. reacts under phosphorus conditions.

점점 더 미국 에너지 수요를 충족시키는 역할을 하는 셰일 오일의 광범위한 매장량이 미국에 존재한다. 1조 배럴 초과의 매장량이 콜로라도, 유타, 및 와이오밍에 위치되는 그린 리버 층으로 공지되는 비교적 작은 영역에 매장되어 있다. 원유의 가격이 상승함에 따라, 자원은 더 매력적이지만 기술 사안은 앞으로 해결되어야 한다. 중대한 사안은 황 및 금속 함량 처리뿐만 아니라 리토르트 처리 후에 셰일 오일 화학에 함유되는 상대적으로 고수준의 질소를 처리하는 것이다.Extensive reserves of shale oil exist in the United States, increasingly serving to meet U.S. energy demand. More than one trillion barrels of reserves are buried in a relatively small area known as the Green River Formation located in Colorado, Utah, and Wyoming. As the price of crude oil rises, the resource becomes more attractive, but technical issues must be addressed in the future. A significant issue is the amount of sulfur and metal content contained in shale oil chemistry after retorting as well as treatment It treats relatively high levels of nitrogen.

셰일 오일은 특징적으로 차후의 수소화처리를 어렵게 하는 질소, 황, 및 중금속이 높다. America's Strategic Unconventional Fuels, Vol. III - Resource and Technology Profiles, p. 111-25에 따르면, 질소는 전형적으로 약 2%이고 황은 셰일 오일 내의 일부 금속과 함께 약 1%이다. 셰일 오일에 함유된 중금속은 큰 문제를 업그레이더에 제기한다. 황 및 질소는 전형적으로 촉매 예컨대 Co-Mo/Al2O3 또는 Ni-Mo/Al2O3로 고온 및 고압에서 수소와의 처리를 통해 제거된다. 이들 촉매는 금속이 촉매를 마스킹함으로써 탈활성화된다.Shale oil is characteristically high in nitrogen, sulfur, and heavy metals that make subsequent hydroprocessing difficult. America's Strategic Unconventional Fuels, Vol. III - Resource and Technology Profiles, p. According to 111-25, nitrogen is typically about 2% and sulfur is about 1% with some metals in shale oil. Heavy metals in shale oil pose a big problem for upgraders. Sulfur and nitrogen are typically removed via treatment with hydrogen at high temperature and pressure with a catalyst such as Co-Mo/Al 2 O 3 or Ni-Mo/Al 2 O 3 . These catalysts are deactivated by metal masking the catalyst.

황의 제거가 문제를 제기하는 탄화수소 연료의 공급원의 또 하나의 예는 캐나타 앨버타에 충분한 양으로 존재하는 역청 및 예컨대 베네수엘라에서의 중유이다. 그것이 에너지 자원으로 유용하게 되도록 역청으로부터 충분한 황을 제거하기 위해, 과도한 수소는 극단적인 조건하에 도입되어야 하며, 이는 비효율적이고 경제적으로 바람직하지 않은 공정을 생성한다.Another example of a source of hydrocarbon fuels for which removal of sulfur poses a problem is bitumen, which is present in sufficient quantities in Alberta, Canada, and heavy oil, such as in Venezuela. In order to remove enough sulfur from the bitumen to make it useful as an energy resource, excess hydrogen must be introduced under extreme conditions, which creates an inefficient and economically undesirable process.

지난 수년에 걸쳐, 나트륨은 고-황 석유계 오일 증류물, 조, 중유, 역청, 및 셰일 오일의 처리에 효과적인 것으로 인식되었다. 나트륨은 나트륨 설파이드 화합물(설파이드, 폴리설파이드 및 하이드로설파이드)의 형성을 통해 황, 질소, 및 금속 함량을 극적으로 감소시키기 위해 오일 및 그것의 오염물질과 반응할 수 있다. 방법의 예는 미국 특허 번호 제3,785,965호; 제3,787,315호; 제3,788,978호; 제4,076,613호; 제5,695,632호; 제5,935,421호; 및 제6,210,564호에서 보여질 수 있다.Over the past few years, sodium has been recognized as effective in the treatment of high-sulfur petroleum oil distillates, crude, heavy oils, bitumen, and shale oils. Sodium can react with oils and their contaminants to dramatically reduce sulfur, nitrogen, and metal content through the formation of sodium sulfide compounds (sulfides, polysulfides and hydrosulfides). Examples of methods are described in US Pat. Nos. 3,785,965; 3,787,315; 3,788,978; 4,076,613; 5,695,632; 5,935,421; and 6,210,564.

알칼리 금속 예컨대 나트륨 또는 리튬은 약 350℃ 및 300-2000 psi에서 오일과 반응된다. 예를 들면 1-2 몰 나트륨 및 1-1.5 몰 수소는 알칼리 금속과의 하기 초기 반응에 따라 몰 황 당 요구될 수 있다:Alkali metals such as sodium or lithium are reacted with the oil at about 350° C. and 300-2000 psi. For example 1-2 moles sodium and 1-1.5 moles hydrogen may be required per mole of sulfur according to the following initial reaction with an alkali metal:

R - S - R' + 2Na + H2 → R-H + R'-H + Na2SR - S - R' + 2Na + H 2 → RH + R'-H + Na 2 S

R,R',R"-N + 3Na + 1.5H2 → R-H + R'-H + R"-H + Na3NR,R',R"-N + 3Na + 1.5H 2 → RH + R'-H + R"-H + Na 3 N

여기서 R, R', R"은 유기 분자 또는 유기 고리의 부분을 표현한다.wherein R, R', R" represents an organic molecule or part of an organic ring.

전술된 반응의 나트륨 설파이드 및 나트륨 니트라이드 생성물은 하기 반응에 따라 황화수소와 추가로 반응될 수 있다:The sodium sulfide and sodium nitride products of the reaction described above can be further reacted with hydrogen sulfide according to the following reaction:

Na2S + H2S → 2 NaHS (375℃에서의 액체)Na 2 S + H 2 S → 2 NaHS (liquid at 375 °C)

Na3N + 3H2S → 3 NaHS + NH3 Na 3 N + 3H 2 S → 3 NaHS + NH 3

질소는 통기되고 회수될 수 있는 암모니아의 형태로 제거된다. 황은 알칼리 하이드로설파이드의 형태, 즉 NaHS로 제거되며, 이는 추가 공정을 위해 분리된다. 중금속 및 유기상은 중량측정 분리 기술에 의해 분리될 수 있다. 상기 반응은 나트륨을 사용하여 발현되지만 리튬으로 치환될 수 있다.Nitrogen is vented and removed in the form of recoverable ammonia. Sulfur is removed in the form of alkali hydrosulfide, ie NaHS, which is separated for further processing. Heavy metals and organic phases can be separated by gravimetric separation techniques. The reaction is expressed using sodium but can be substituted with lithium.

유기금속 분자 예컨대 착체 포르피린에 함유된 중금속은 알칼리 금속에 의해 금속 상태로 환원된다. 중금속이 환원되었다면, 그것은 유기 구조에 더 이상 화학적으로 결합되지 않기 때문에 오일로부터 분리될 수 있다. 또한, 금속이 포르피린 구조로부터 제거되면, 구조 내의 질소 헤테로원자는 추가 탈질소화를 위해 노출된다.Heavy metals contained in organometallic molecules such as complex porphyrins are reduced to a metallic state by alkali metals. Once the heavy metal has been reduced, it can be separated from the oil as it is no longer chemically bound to the organic structure. Also, when metals are removed from the porphyrin structure, nitrogen heteroatoms in the structure are exposed for further denitrification.

하기는 석유 유기물을 처리하기 위해 알칼리 금속을 사용하는 전술된 공정의 비제한적인 설명이다. 액체상 알칼리 금속은 수소가 있을 때 헤테로원자 및 금속을 함유하는 유기 분자와 접촉된다. 황 및 질소 및 금속과의 반응의 유리 에너지는 수소보다는 알칼리 금속과 더 강하므로 반응은 수소와 유기물의 완전 포화 없이 더 쉽게 발생한다. 수소는 헤테로원자 및 금속이 코킹 및 중합을 방지하기 위해 제거되는 곳을 충전하기 위해 반응에 필요하지만, 대안적으로, 수소 이외의 다른 가스는 중합을 방지하는데 사용될 수 있다. 알칼리 금속 화합물이 형성되고 중금속이 금속 상태로 환원하면, 그들을 분리하는 것이 필요하다. 이것은 증기가 이용되면 하이드록사이드 상 또는 황화수소가 사용되면 하이드로설파이드 상을 형성하기 위해 증기 또는 황화수소를 이용하여, 세척 단계에 의해 달성된다. 동시에 알칼리 니트라이드는 암모니아 및 더 많은 알칼리 하이드록사이드 또는 하이드로설파이드를 형성하기 위해 반응하는 것으로 추정된다. 중량측정 분리 예컨대 원심분리 또는 필터링은 염 상으로부터, 유기, 개선된 오일을 분리할 수 있다.The following is a non-limiting description of the aforementioned process using alkali metals to treat petroleum organics. Liquid alkali metals are contacted with organic molecules containing heteroatoms and metals in the presence of hydrogen. The free energy of reaction with sulfur and nitrogen and metals is stronger with alkali metals than with hydrogen, so the reaction occurs more readily without complete saturation of hydrogen with organics. Hydrogen is needed for the reaction to fill where heteroatoms and metals are removed to prevent coking and polymerization, but alternatively, gases other than hydrogen can be used to prevent polymerization. When alkali metal compounds are formed and heavy metals are reduced to the metallic state, it is necessary to separate them. This is accomplished by a washing step, using steam or hydrogen sulfide to form a hydroxide phase if steam is used or a hydrosulfide phase if hydrogen sulfide is used. At the same time, it is assumed that the alkali nitrides react to form ammonia and more alkali hydroxides or hydrosulfides. Gravimetric separations such as centrifugation or filtering can separate organic, refined oils from the salt phase.

종래의 수소화처리에서, 탈황하기 위해 Na2S를 형성하거나, 탈질소화 하기 위해 Na3N을 형성하는 대신에, H2S 및 NH3가 각각 형성된다. 황화수소 및 암모니아를 형성하는 반응은 나트륨 또는 리튬 화합물의 형성보다 열역학적으로 훨씬 덜 호의적이므로 모 분자는 탈질소화 반응의 탈황화가 진행하도록 더 큰 정도로 안정화되어야 한다. T. Kabe, A Ishihara, W. Qian, in Hydrodesulfurization and Hydrodenitrogenation, pp. 37, 110-112, Wiley-VCH, 1999에 따르면, 이러한 불안정화는 벤조 고리가 주로 포화된 후에 발생한다. 고리의 이러한 포화를 제공하기 위해, 더 많은 수소가 탈황화 및 탈질소화 반응을 위해 필요하고 더 심각한 조건은 나트륨 또는 리튬에 의한 제거와 비교하여 동일한 수준의 황 및 질소 제거를 달성하기 위해 필요하다. 상기에서 언급된 바와 같이, 나트륨 또는 리튬 없이 수소를 사용하는 탈황화 및 탈질소화는 침전 중금속 및 코크스로부터 촉매 표면의 마스킹으로 더 복잡해진다. 나트륨이 액체상이므로, 그것은 반응이 바람직한 황, 질소 및 금속에 더 쉽게 접근할 수 있다.In conventional hydroprocessing, instead of forming Na 2 S for desulfurization or Na 3 N for denitrification, H 2 S and NH 3 are respectively formed. The reaction to form hydrogen sulfide and ammonia is thermodynamically much less favorable than the formation of sodium or lithium compounds, so the parent molecule must be stabilized to a greater extent for the desulfurization of the denitrification reaction to proceed. T. Kabe, A Ishihara, W. Qian, in Hydrodesulfurization and Hydrodenitrogenation , pp. 37, 110-112, Wiley-VCH, 1999, this destabilization occurs mainly after the benzo ring is saturated. To provide this saturation of the ring, more hydrogen is needed for the desulfurization and denitrification reactions and more severe conditions are needed to achieve the same level of sulfur and nitrogen removal as compared to removal with sodium or lithium. As mentioned above, desulfurization and denitrification using hydrogen without sodium or lithium is further complicated by masking of the catalyst surface from precipitating heavy metals and coke. Since sodium is in the liquid phase, it has better access to the sulfur, nitrogen and metals where it is desirable to react.

알칼리 금속 설파이드가 오일로부터 분리되었으면, 황 및 금속은 실질적으로 제거되고, 질소는 중간 정도로 제거된다. 또한, 점도 및 밀도 둘 다는 감소된다(API 중력은 증가됨). 역청 또는 중유는 합성 원유(SCO)로 간주될 것이고 추가 정제를 위해 파이프라인을 통해 수송될 수 있다. 유사하게, 셰일 오일은 그러한 처리 후에 상당히 개선되었을 것이다. 차후의 정제는 성가신 금속이 제거되었으므로 더 용이할 것이다.Once the alkali metal sulfide has been separated from the oil, sulfur and metals are substantially removed and nitrogen is moderately removed. Also, both viscosity and density are reduced (API gravity is increased). Bituminous or heavy oil will be considered synthetic crude oil (SCO) and may be transported through pipelines for further refining. Similarly, shale oil would have improved significantly after such treatment. Subsequent purification will be easier as the cumbersome metals have been removed.

황의 제거에서 알칼리 금속 예컨대 나트륨의 사용의 유효성은 실증되었지만, 공정은 알칼리 금속을 재생하는 실제적인, 비용-효과적인 방법이 지금까지는 아직 제안되지 않았기 때문에 상업적으로 실시되지 않는다. 몇 명의 연구자는 전해 전지를 사용하여 나트륨의 재생을 제안하였으며, 이는 나트륨-이온-전도성 베타-알루미나 막을 사용한다. 그러나, 베타-알루미나는 둘 다 비싸고 취약하고, 유의미한 금속 생산은 막 분리기로 베타-알루미나를 이용하지 않는다. 게다가, 전지는 황 애노드를 이용하며, 이는 과도한 비에너지 요건을 초래하는 전지의 높은 분극을 야기한다.While the effectiveness of the use of alkali metals such as sodium in the removal of sulfur has been demonstrated, the process is not commercially practiced as practical, cost-effective methods for regenerating alkali metals have not yet been proposed to date. Several researchers have proposed the regeneration of sodium using an electrolytic cell, which uses a sodium-ion-conducting beta-alumina membrane. However, beta-alumina is both expensive and fragile, and significant metal production does not utilize beta-alumina as a membrane separator. In addition, the cell utilizes a sulfur anode, which results in a high polarization of the cell which results in excessive specific energy requirements.

금속 나트륨은 다운스-전지 예컨대 미국 특허 번호 제1,501,756호에 기재된 전지에서 거의 배타적으로 상업적으로 생산된다. 그러한 전지는 캐소드에서 용융된 나트륨 및 애노드에서 염소 가스를 형성하기 위해 용융된 염 전해질에서 용해되는 염화나트륨을 전해한다. 전지는 600℃에 가까운 온도, 즉 사용된 전해질과 양립가능한 온도에서 동작한다. 황 애노드와는 달리, 염소 애노드는 나트륨의 공동 생산에서와 같이 용융된 염 및 나트륨 하이드록사이드의 공동 생산에서와 같이 염수 용액 둘 다에 상업적으로 이용된다.Metallic sodium is produced almost exclusively commercially in Downs-cells such as those described in US Pat. No. 1,501,756. Such cells electrolyze sodium chloride dissolved in a molten salt electrolyte to form molten sodium at the cathode and chlorine gas at the anode. The cell operates at a temperature close to 600° C., ie at a temperature compatible with the electrolyte used. Unlike sulfur anodes, chlorine anodes are used commercially both in molten salts, as in the co-production of sodium, and in brine solutions, as in the co-production of sodium hydroxide.

전해조의 전해질 용융 범위 및 동작을 200℃ 미만으로 감소시킬 수 있는 또 하나의 전지 기술은 제이콥슨 등의 미국 특허 번호 제6,787,019호 및 톰슨 등의 미국 특허 번호 제6,368,486호에 의해 개시되었다. 그러한 개시내용에서, 저온 공동-전해질은 저온 용융 전해질을 형성하기 위해 알칼리 할라이드로 이용된다.Another cell technology capable of reducing the electrolyte melting range and operation of an electrolyzer below 200° C. is disclosed by US Pat. No. 6,787,019 to Jacobson et al. and US Pat. No. 6,368,486 to Thompson et al. In such disclosure, a low temperature co-electrolyte is used as an alkali halide to form a low temperature molten electrolyte.

고든의 미국 특허 번호 제8,088,270호는 알칼리 이온 전도성 막을 갖는 전지로 도입될 때 애노드에 황 및 캐소드에 및 애노드액의 일부가 전지로부터 제거되는 곳에 알칼리 금속을 형성하기 위해 전기 분해되어, 황이 완전히 침전될 때까지 냉각되도록 허용되는 애노드액을 형성하도록 황을 전지 동작 온도에서 용해시키는 용매의 이용 및 나트륨 폴리설파이드를 그러한 용매로 용해시키는 것을 교시한다.U.S. Patent No. 8,088,270 to Gordon discloses that when introduced into a cell with an alkali ion conductive membrane, it electrolyzes to form sulfur at the anode and alkali metal at the cathode and where a portion of the anolyte is removed from the cell so that the sulfur is completely precipitated. The use of a solvent that dissolves sulfur at cell operating temperature to form an anolyte that is allowed to cool until

본 발명의 목적은 탄화수소 스트림의 탈황화, 탈질소화, 및 탈금속화에 사용되는 알칼리 금속의 재생을 위한 비용-효과적이고 효율적인 방법을 제공하는 것이다. 본 명세서에 기재된 바와 같이, 본 발명은 오염물질을 제거하고 탈황화 / 탈질소화 / 탈금속화 반응으로부터 원치않는 물질 생성물을 분리하고, 그 다음 그들 재료를 나중의 사용을 위해 회수할 수 있다.It is an object of the present invention to provide a cost-effective and efficient process for the regeneration of alkali metals used in the desulfurization, denitrification, and demetallization of hydrocarbon streams. As described herein, the present invention can remove contaminants and isolate unwanted material products from desulfurization/denitrification/demetallization reactions, and then recover those materials for later use.

본 발명의 또 하나의 목적은 황 제거 및 개선 방법에 의해 산출되는 알칼리 금속 설파이드로부터 알칼리 금속을 회수하는 방법 및 장치에서의 개선을 교시하는 것이다.Another object of the present invention is to teach improvements in methods and apparatus for recovering alkali metals from alkali metal sulfides produced by sulfur removal and remediation methods.

발명의 간단한 요약Brief summary of the invention

본 발명은 황-, 질소-, 및 금속-함유 셰일 오일, 역청, 중유, 또는 정제소 스트림으로부터 질소, 황, 및 중금속을 제거하는 방법을 제공한다. 본 발명은 추가로, 그러한 금속의 설파이드, 폴리설파이드, 니트라이드, 및 폴리니트라이드로부터 알칼리 금속을 재생하는 전해 방법을 제공한다. 본 발명은 추가로, 폴리설파이드 용액으로부터 황을 제거하는 전해 방법을 제공한다.The present invention provides a process for removing nitrogen, sulfur, and heavy metals from sulfur-, nitrogen-, and metal-containing shale oil, bitumen, heavy oil, or refinery streams. The present invention further provides an electrolytic method for regenerating alkali metals from sulfides, polysulfides, nitrides, and polynitrides of such metals. The present invention further provides an electrolytic method for removing sulfur from a polysulfide solution.

하나의 비제한적인 구현예는 본 발명의 범위 내에 알칼리 금속 설파이드 및 폴리설파이드를 전기화학적으로 산화시키는 방법을 포함한다. 방법은 알칼리 이온을 선택적으로 수송하도록 구성된 알칼리 이온 전도성 막을 갖는 전해 전지를 이용하며, 막은 애노드로 구성된 애노드액 구획 및 캐소드로 구성된 캐소드액 구획을 분리한다. 애노드액 용액은 애노드액 구획으로 도입된다. 애노드액 용액은 알칼리 금속 설파이드 및/또는 폴리설파이드 및 원소 황 및 알칼리 금속 설파이드 및 폴리설파이드를 부분적으로 용해시키는 애노드액 용매를 포함한다. 캐소드액 용액은 캐소드액 구획으로 도입된다. 캐소드액 용액은 알칼리 금속 이온 및 캐소드액 용매를 포함한다. 캐소드액 용매는 많은 비-수성 용매 예컨대 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트 중 하나를 포함할 수 있다. 캐소드액은 또한 알칼리 금속 염 예컨대 알칼리 금속의 아이오다이드 또는 클로라이드를 포함할 수 있다. 전류를 전해 전지에 인가하는 것은 더 높은 수준의 폴리설파이드를 형성하기 위해 설파이드 및/또는 폴리설파이드를 애노드액 구획에서 산화시키고 높은 수준 폴리설파이드가 원소 황에 산화되게 한다. 전류는 추가로 알칼리 금속 이온이 애노드액 구획으로부터 알칼리 이온 전도성 막을 통해 캐소드액 구획으로 전달되게 하고, 원소 알칼리 금속을 형성하기 위해 알칼리 금속 이온을 캐소드액 구획에서 환원시킨다.One non-limiting embodiment includes methods for electrochemically oxidizing alkali metal sulfides and polysulfides within the scope of the present invention. The method utilizes an electrolytic cell having an alkali ion conductive membrane configured to selectively transport alkali ions, the membrane separating an anolyte compartment composed of an anode and a catholyte compartment composed of a cathode. The anolyte solution is introduced into the anolyte compartment. The anolyte solution comprises an anolyte solvent that partially dissolves alkali metal sulfides and/or polysulfides and elemental sulfur and alkali metal sulfides and polysulfides. The catholyte solution is introduced into the catholyte compartment. The catholyte solution contains an alkali metal ion and a catholyte solvent. The catholyte solvent may include one of many non-aqueous solvents such as tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate. The catholyte may also include an alkali metal salt such as an iodide or chloride of an alkali metal. Applying an electric current to the electrolytic cell oxidizes the sulfide and/or polysulfide in the anolyte compartment to form higher levels of polysulfide and causes the high level polysulfide to oxidize to elemental sulfur. The current further causes alkali metal ions to be transferred from the anolyte compartment through the alkali ion conductive membrane to the catholyte compartment and reduces the alkali metal ions in the catholyte compartment to form elemental alkali metal.

황은 온도가 황의 용융점을 초과하고 애노드액의 황 함량이 용매의 용해도를 초과할 때 액체 형태로 회수될 수 있다. 대부분의 애노드액 용매는 황과 비교하여 더 낮은 비중을 가지므로 액체 황은 하단으로 침강된다. 이러한 침강은 황이 유출구를 통해 빼내질 수 있는 전지 내의 침강 구역 내에서 발생할 수 있다. 대안적으로 애노드액 용액의 일부는 황의 정착이 전지 내에서보다 더 효과적으로 발생할 수 있는 전지 밖의 침강 구역으로 이동될 수 있다.Sulfur can be recovered in liquid form when the temperature exceeds the melting point of the sulfur and the sulfur content of the anolyte exceeds the solubility of the solvent. Most anolyte solvents have a lower specific gravity compared to sulfur, so liquid sulfur settles to the bottom. Such sedimentation may occur within a sedimentation zone within the cell where sulfur may be withdrawn through an outlet. Alternatively, a portion of the anolyte solution may be transferred to a sedimentation zone outside the cell where settling of sulfur may occur more effectively than within the cell.

황의 용융 온도는 115℃ 근방이므로 전지는 그러한 온도 초과에서, 즉 120℃ 초과에서 가장 잘 동작된다. 그 온도에서 또는 그 초과, 알칼리 금속은 또한 알칼리 금속이 나트륨이면 용융된다. 더 높은 온도 근방, 예컨대 125-150℃ 범위에서의 동작은 황이 애노드에서 폴리설파이드로부터 있는 그대로 형성된 용액에 완전히 잔존하는 것을 허용하며, 그 다음 애노드액은 온도가 5-20℃ 더 차가울 수 있는 전지 내 또는 그것 외부의 침강 구역으로 흐를 때, 용매 내의 황의 감소 용해도는 더 높은 비중을 갖고 애노드액으로부터 정착되는 황 액체상이 형성되는 것을 야기한다. 그 다음, 애노드액은 황이 폴리설파이드의 전기화학적 산화를 통해 형성되고 있는 애노드를 향해 다시 흐를 때, 애노드액은 있는 그대로 형성된 황을 용해시키는 수용력을 갖는 용해도를 가져서, 오염 및 분극을 애노드에서 또는 막 표면에서 방지한다.The melting temperature of sulfur is around 115°C, so the cell works best above that temperature, i.e. above 120°C. At or above that temperature, the alkali metal also melts if the alkali metal is sodium. Operation near higher temperatures, such as in the range of 125-150°C, allows the sulfur to remain completely in the solution formed as is from polysulfide at the anode, and then the anolyte in the cell where the temperature can be 5-20°C cooler. or when flowing into the settling zone outside it, the reduced solubility of sulfur in the solvent causes the formation of a sulfur liquid phase having a higher specific gravity and settling from the anolyte. The anolyte then has a solubility that has the capacity to dissolve the formed sulfur as it is, when sulfur flows back towards the anode where sulfur is being formed through the electrochemical oxidation of the polysulfide, thereby preventing contamination and polarization at the anode or membrane. prevent from the surface.

하나의 비제한적인 구현예에서 본 발명의 범위 내에, 알칼리 금속 설파이드 또는 폴리설파이드를 전해하는 전지가 제공되며 전지는 알칼리 금속의 용융 온도 초과의 온도에서 동작하고 캐소드는 애노드액 구획과 캐소드액 구획 사이의 디바이더를 갖는 용융된 알칼리 금속의 배스(bath)에 전체적으로 또는 부분적으로 함침된다. 이 경우에 캐소드액은 본질적으로 용융된 알칼리 금속을 포함하지만 또한 용매 및 알칼리 금속 염을 포함할 수 있다. 디바이더는 알칼리 금속 양이온에 투과성이고 음이온, 용매 및 용해된 황에 실질적으로 불투과성일 수 있다. 디바이더는 알칼리 금속 전도성 세라믹 또는 유리 세라믹을 부분적으로 포함한다. 디바이더는 리튬 및 나트륨을 포함하는 알칼리 이온에 전도성일 수 있다.Within the scope of the present invention in one non-limiting embodiment, there is provided a cell for electrolyzing an alkali metal sulfide or polysulfide wherein the cell operates at a temperature above the melting temperature of the alkali metal and wherein the cathode is between the anolyte compartment and the catholyte compartment. wholly or partially impregnated in a bath of molten alkali metal having a divider of The catholyte in this case essentially comprises a molten alkali metal but may also comprise a solvent and an alkali metal salt. The divider may be permeable to alkali metal cations and substantially impermeable to anions, solvents and dissolved sulfur. The divider includes, in part, an alkali metal conductive ceramic or glass ceramic. The divider may be conductive to alkali ions including lithium and sodium.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 알칼리 금속 폴리설파이드를 전해하는 전지에는 애노드액 구획 및 캐소드액 구획이 제공되며 애노드액 용액은 극성 용매 및 용해된 알칼리 금속 폴리설파이드를 포함한다. 애노드액 용액은 얼마간의 원소 황을 용해시키는 용매를 포함한다. 애노드액은 용매를 포함할 수 있으며 용매 중 하나 이상은 N,N-디메틸아닐린, 퀴놀린, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 벤젠, 사이클로헥산, 플루오로벤젠, 트리플루오로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 이소프로판올, 에틸 프로피오날, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 디메틸프로필렌우레아 , 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에탄올 및 에틸 아세테이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트를 포함한다.In another non-limiting embodiment, a cell for electrolyzing alkali metal polysulfide is provided with an anolyte compartment and a catholyte compartment and the anolyte solution comprises a polar solvent and dissolved alkali metal polysulfide. The anolyte solution contains a solvent that dissolves some elemental sulfur. The anolyte may include a solvent, at least one of which is N,N -dimethylaniline, quinoline, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, benzene, cyclohexane, fluorobenzene, trifluorobenzene, toluene, Xylene, tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, isopropanol, ethyl propional, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, dimethylpropyleneurea, formamide, methyl formamide, dimethyl formamide, acetamide, methyl acetate amide, dimethyl acetamide, triethylamine, diethyl acetamide, ethanol and ethyl acetate, propylene carbonate, ethylene carbonate, and diethyl carbonate.

하나의 비제한적인 구현예에서, 설파이드 및 폴리설파이드를 애노드에서의 애노드액 용액으로부터 전기화학적으로 산화시키는 방법이 개시되며 애노드액 용액은 얼마간의 원소 황을 용해시키는 애노드액 용매를 부분적으로 포함한다. 방법에서, 얼마간의 원소 황을 용해시키는 애노드액 용매는 하기 중 하나 이상이다: N,N-디메틸아닐린, 퀴놀린, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 벤젠, 사이클로헥산, 플루오로벤젠, 트리플루오로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 이소프로판올, 에틸 프로피오날, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 디메틸프로필렌우레아 , 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에탄올 및 에틸 아세테이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트.In one non-limiting embodiment, a method for electrochemically oxidizing sulfides and polysulfides from an anolyte solution at an anode is disclosed wherein the anolyte solution partially comprises an anolyte solvent that dissolves some elemental sulfur. In the method, the anolyte solvent dissolving some elemental sulfur is one or more of: N,N -dimethylaniline, quinoline, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, benzene, cyclohexane, fluorobenzene, tri Fluorobenzene, toluene, xylene, tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, isopropanol, ethyl propional, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, dimethylpropyleneurea, formamide, methyl formamide, dimethyl formamide , acetamide, methyl acetamide, dimethyl acetamide, triethylamine, diethyl acetamide, ethanol and ethyl acetate, propylene carbonate, ethylene carbonate, and diethyl carbonate.

또 하나의 비제한적인 구현예에서, 알칼리 금속 모노설파이드 또는 폴리설파이드를 전해하는 전지에는 애노드액 구획 및 캐소드액 구획이 제공되며 애노드액 용액은 극성 용매 및 용해된 알칼리 금속 모노설파이드 또는 폴리설파이드를 포함한다. 애노드액 용액은 얼마간의 원소 황을 용해시키는 용매를 포함한다. 애노드액은 용매를 포함할 수 있으며 용매 중 하나 이상은 N,N-디메틸아닐린, 퀴놀린, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 벤젠, 사이클로헥산, 플루오로벤젠, 트리플루오로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 이소프로판올, 에틸 프로피오날, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 디메틸프로필렌우레아, 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에탄올 및 에틸 아세테이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트를 포함한다.In another non-limiting embodiment, a cell for electrolyzing alkali metal monosulfide or polysulfide is provided with an anolyte compartment and a catholyte compartment wherein the anolyte solution comprises a polar solvent and dissolved alkali metal monosulfide or polysulfide. do. The anolyte solution contains a solvent that dissolves some elemental sulfur. The anolyte may include a solvent, at least one of which is N,N-dimethylaniline, quinoline, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, benzene, cyclohexane, fluorobenzene, trifluorobenzene, toluene, Xylene, tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, isopropanol, ethyl propional, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, dimethylpropyleneurea, formamide, methyl formamide, dimethyl formamide, acetamide, methyl acetamide amide, dimethyl acetamide, triethylamine, diethyl acetamide, ethanol and ethyl acetate, propylene carbonate, ethylene carbonate, and diethyl carbonate.

하나의 비제한적인 구현예에서, 모노설파이드 또는 폴리설파이드를 애노드에서의 애노드액 용액으로부터 전기화학적으로 산화시키는 방법이 개시되며 애노드액 용액은 얼마간의 원소 황을 용해시키는 애노드액 용매를 부분적으로 포함한다. 방법에서, 얼마간의 원소 황을 용해시키는 애노드액 용매는 하기 중 하나 이상이다: N,N-디메틸아닐린, 퀴놀린, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 벤젠, 사이클로헥산, 플루오로벤젠, 트리플루오로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 이소프로판올, 에틸 프로피오날, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 디메틸프로필렌우레아, 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에탄올 및 에틸 아세테이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트.In one non-limiting embodiment, a method for electrochemically oxidizing monosulfide or polysulfide from an anolyte solution at an anode is disclosed wherein the anolyte solution partially comprises an anolyte solvent dissolving some elemental sulfur. . In the method, the anolyte solvent dissolving some elemental sulfur is one or more of: N,N -dimethylaniline, quinoline, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, benzene, cyclohexane, fluorobenzene, tri Fluorobenzene, toluene, xylene, tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, isopropanol, ethyl propional, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, dimethylpropyleneurea, formamide, methyl formamide, dimethyl formamide , acetamide, methyl acetamide, dimethyl acetamide, triethylamine, diethyl acetamide, ethanol and ethyl acetate, propylene carbonate, ethylene carbonate, and diethyl carbonate.

하나의 비제한적인 구현예에서, 애노드액 용매는 약 60-100 체적% 극성 용매 및 0-40 체적% 무극성 용매를 포함한다. 상이한 애노드액 용매의 혼합은 원소 황의 용해도 및 설파이드 및 폴리설파이드의 용해도를 최적화하는 것을 도울 수 있다.In one non-limiting embodiment, the anolyte solvent comprises about 60-100 volume % polar solvent and 0-40 volume % non-polar solvent. The mixing of different anolyte solvents can help optimize the solubility of elemental sulfur and the solubility of sulfides and polysulfides.

또 하나의 비제한적인 구현예는 용매/알칼리 금속 폴리설파이드 혼합물로부터 용해된 원소 황의 제거를 위한 방법이 냉각하고, 용매에서 황의 용해도를 감소시키고 제 2 액체상을 원소 황을 포함하여 형성하게 하고, 그 다음 액체상 용매 혼합물로부터 액체상 황을 분리하는 단계를 포함하는 것을 개시한다. 액체상 애노드액으로부터 액체상 황의 분리는 하기 중 하나 이상을 포함한다: 중량측정, 원심분리. 알칼리 금속 폴리설파이드는 나트륨 폴리설파이드 및 리튬 폴리설파이드를 포함하는 분류이다.Another non-limiting embodiment is that a method for removal of dissolved elemental sulfur from a solvent/alkali metal polysulfide mixture causes cooling, reducing the solubility of sulfur in the solvent and forming a second liquid phase comprising elemental sulfur, the method comprising: and then separating the liquid sulfur from the liquid phase solvent mixture. Separation of liquid-phase sulfur from liquid-phase anolyte comprises one or more of the following: gravimetric, centrifugation. Alkali metal polysulfides are a class that includes sodium polysulfide and lithium polysulfide.

본 발명은 하기를 비제한적으로 포함하는 어떤 이점을 제공할 수 있다:The present invention may provide certain advantages including, but not limited to:

전지로부터 알칼리 금속을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 액체 형태로 제거하는 것.Continuous or semi-continuous removal of alkali metals in liquid form from cells.

전지로부터 황을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 액체 형태로 제거하는 것.Continuous or semi-continuous removal of sulfur from a cell in liquid form.

전해 전지로부터 높은 알칼리 금속 폴리설파이드 및 용해된 황을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 제거하며, 그렇게 함으로써 황에 의해 애노드의 분극을 감소시키는 것.Continuous or semi-continuous removal of high alkali metal polysulfides and dissolved sulfur from electrolytic cells, thereby reducing the polarization of the anode by sulfur.

용매 및 알칼리 금속 폴리설파이드가 실질적으로 회수되어 그것이 전해 공정으로 다시 복귀될 수 있도록 용매, 황, 및 알칼리 금속 폴리설파이드의 혼합물을 함유하는 스트림으로부터 황을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 분리하는 것.The continuous or semi-continuous separation of sulfur from a stream containing a mixture of solvent, sulfur, and alkali metal polysulfide such that the solvent and alkali metal polysulfide can be substantially recovered and returned to the electrolytic process.

전해 전지를 온도 및 압력에서 동작시켜, 구성의 전해 전지 물질은 높은 상승된 온도에 내성이 있지 않은 물질을 포함할 수 있다.By operating the electrolytic cell at temperature and pressure, the electrolytic cell material of construction may include materials that are not resistant to high elevated temperatures.

본 명세서 도처에서 특징, 이점, 또는 유사한 언어에 대한 참조는 본 발명으로 실현될 수 있는 모든 특징 및 이점이 본 발명의 임의의 단일 구현예이거나 이 구현예에 있어야 하는 것을 암시하지 않는다. 오히려, 특징 및 이점을 언급하는 언어는 구현예와 관련하여 기재되는 특정 특징, 이점, 또는 특성이 본 발명의 적어도 하나의 구현예에 포함되는 것을 의미하는 것으로 이해된다. 따라서, 특징 및 이점의 논의, 및 유사한 언어는 본 명세서 도처에서 반드시 동일한 구현예만을 언급하는 것은 아닐 수 있지만, 모든 구현예를 언급할 수도 있다.References throughout this specification to features, advantages, or similar language do not imply that all features and advantages that may be realized with the invention are or should be in any single embodiment of the invention. Rather, language referring to features and advantages is understood to mean that a particular feature, advantage, or characteristic described in connection with the embodiment is included in at least one embodiment of the invention. Accordingly, discussions of features and advantages, and similar language, may refer to all implementations, although not necessarily referring to the same implementation throughout this specification.

더욱이, 본 발명의 기재된 특징, 이점, 및 특성은 하나 이상의 구현예에서 임의의 적합한 방식으로 조합될 수 있다. 관련된 기술에서의 숙련자는 본 발명이 특정한 구현예의 특정 특징 또는 이점 중 하나 이상 없이 실시될 수 있는 것을 인식할 것이다. 다른 예에서, 추가의 특징 및 이점은 본 발명의 모든 구현예에 존재하지 않을 수 있는 어떤 구현예에서 인식될 수 있다.Moreover, the described features, advantages, and characteristics of the invention may be combined in any suitable manner in one or more embodiments. Those skilled in the relevant art will recognize that the present invention may be practiced without one or more of the specific features or advantages of specific embodiments. In other instances, additional features and advantages may be recognized in some embodiments that may not be present in all embodiments of the invention.

본 발명의 이들 특징 및 이점은 하기 설명 및 부가된 청구항들로부터 더 완전히 분명해질 것이거나, 이하에서 진술된 바와 같은 본 발명의 실시에 의해 습득될 수 있다.These features and advantages of the invention will become more fully apparent from the following description and appended claims, or may be learned by practice of the invention as set forth below.

본 발명의 상기-인용된 및 다른 특징 및 이점이 수득되는 방식이 쉽게 이해되기 위해, 위에 간단히 기재된 발명의 더 특정한 설명은 첨부 도면에 실증되는 그것의 특정 구현예에 대한 참고로 제공될 것이다. 이들 도면이 본 발명의 전형적인 구현예만을 도시하고 따라서 그것의 범위의 제한인 것으로 간주되지 않는다는 조건으로, 본 발명은 수반되는 도면들의 사용을 통해 추가의 특이성 및 상세로 기재되고 설명될 것이다:
도 1은 알칼리 금속을 사용하여 으로부터 황-, 질소-, 및 금속-함유 오일 공급원으로부터 질소, 황, 및 중금속을 제거하고 알칼리 금속을 재생하는 전체 방법을 도시한다.
도 2a 및 도 2b는 알칼리 금속 하이드로설파이드를 알칼리 금속 폴리설파이드로 전환하고 황화수소를 회수하는 도식적 방법을 도시한다.
도 3은 본 발명의 범위 내에서 많은 특징을 이용하는 전해 전지의 도식적 단면을 도시한다.
도 4는 알칼리 금속을 추출하고 알칼리 금속 설파이드를 폴리설파이드로 및 낮은 폴리설파이드를 높은 폴리설파이드로 및 높은 폴리설파이드를 황으로 산화시키기 위해 연속적으로 동작되는 몇 개의 전해 전지의 도식도를 도시한다.
In order that the above-cited and other features and advantages of the invention may be readily understood, a more specific description of the invention briefly set forth above will be provided with reference to specific embodiments thereof, which are illustrated in the accompanying drawings. The invention will be described and illustrated with further specificity and detail through the use of the accompanying drawings, provided that these drawings depict only typical embodiments of the invention and are therefore not to be considered limiting of its scope:
1 depicts an overall process for removing nitrogen, sulfur, and heavy metals from sulfur-, nitrogen-, and metal-containing oil sources and regenerating alkali metals using alkali metals.
2a and 2b show a schematic process for converting alkali metal hydrosulfide to alkali metal polysulfide and recovering hydrogen sulfide.
3 shows a schematic cross-section of an electrolytic cell utilizing many features within the scope of the present invention.
4 shows a schematic diagram of several electrolytic cells operated in series to extract alkali metals and oxidize alkali metal sulfides to polysulfides and low polysulfides to high polysulfides and high polysulfides to sulfur.

본 발명의 본 구현예는 도면에 대한 참고로 가장 잘 이해될 것이며, 여기서 동일 부분은 도처에서 동일 숫자로 지정된다. 본 발명의 성분은 본 명세서의 도면에 일반적으로 기재되고 실증된 바와 같이, 여러 가지 상이한 입체배치로 마련되고 설계될 수 있다는 점이 쉽게 이해될 것이다. 따라서, 본 발명의 방법 및 전지의 구현예의 하기 더 상세한 설명은 도 1 내지 도 4에 표현된 바와 같이, 청구된 바와 같은 본 발명의 범위를 제한하도록 의도되는 것이 아니라, 본 발명의 현재 구현예만을 나타낸다.BRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS This embodiment of the invention will be best understood by reference to the drawings, wherein like parts are designated by like numbers throughout. It will be readily understood that the components of the present invention may be prepared and designed in many different configurations, as generally described and illustrated in the drawings herein. Accordingly, the following more detailed description of embodiments of the method and battery of the present invention is not intended to limit the scope of the invention as claimed, as represented in Figures 1-4, but only the current embodiments of the invention. indicates.

전체 방법은 알칼리 금속을 사용하여 황-, 질소-, 및 금속-함유 오일 공급원으로부터 질소, 황, 및 중금속을 제거하고 알칼리 금속을 재생하는 하나의 비제한적인 구현예의 도 1에 도식적으로 도시된다. 도 1의 방법(100)에서, 오일 공급원(102), 예컨대 고-황 석유계 오일 증류물, 조, 중유, 역청, 또는 셰일 오일은 반응 용기(104)로 도입된다. 알칼리 금속(M)(106), 예컨대 나트륨 또는 리튬은 또한 다량의 수소(108)와 함께, 반응 용기로 도입된다. 알칼리 금속 및 수소는 나트륨 설파이드 화합물(설파이드, 폴리설파이드 및 하이드로설파이드) 및 나트륨 니트라이드 화합물의 형성을 통해 황, 질소, 및 금속 함량을 극적으로 환원시키기 위해 오일 및 그것의 오염물질과 반응한다. 방법의 예는 당해기술에 공지되어 있고, 비제한적으로 미국 특허 번호 제3,785,965호; 제3,787,315호; 제3,788,978호; 제4,076,613호; 제5,695,632호; 제5,935,421호; 및 제6,210,564호를 포함한다.The overall process is schematically shown in FIG. 1 of one non-limiting embodiment of using alkali metals to remove nitrogen, sulfur, and heavy metals from sulfur-, nitrogen-, and metal-containing oil sources and to regenerate alkali metals. In the method 100 of FIG. 1 , an oil source 102 , such as a high-sulfur petroleum oil distillate, crude, heavy oil, bitumen, or shale oil, is introduced into a reaction vessel 104 . Alkali metal (M) 106 , such as sodium or lithium, is also introduced into the reaction vessel, along with a large amount of hydrogen 108 . Alkali metals and hydrogen react with oils and their contaminants to dramatically reduce sulfur, nitrogen, and metal content through the formation of sodium sulfide compounds (sulfides, polysulfides and hydrosulfides) and sodium nitride compounds. Examples of methods are known in the art, and include, but are not limited to, U.S. Patent Nos. 3,785,965; 3,787,315; 3,788,978; 4,076,613; 5,695,632; 5,935,421; and 6,210,564.

알칼리 금속(M) 및 수소는 하기 초기 반응에 따라 약 350℃ 및 300-2000 psi에서 오일과 반응한다:Alkali metal (M) and hydrogen are reacted with oil at about 350° C. and 300-2000 psi according to the following initial reaction:

R - S - R' + 2M + H2 → R-H + R'-H + M2SR - S - R' + 2M + H 2 → RH + R'-H + M 2 S

R,R',R"-N + 3M + 1.5H2 → R-H + R'-H + R"-H + M3NR,R',R"-N + 3M + 1.5H 2 → RH + R'-H + R"-H + M 3 N

여기서 R, R', R"는 유기 분자 또는 유기 고리의 일부를 나타낸다.wherein R, R', R" represents an organic molecule or part of an organic ring.

전술된 반응의 나트륨 설파이드 및 나트륨 니트라이드 생성물은 하기 반응에 따라 황화수소(110)와 추가적으로 반응될 수 있다:The sodium sulfide and sodium nitride products of the reaction described above can be further reacted with hydrogen sulfide 110 according to the following reaction:

M2S + H2S → 2 MHS(375℃에서의 액체)M 2 S + H 2 S → 2 MHS (liquid at 375°C)

M3N + 3H2S → 3 MHS + NH3 M 3 N + 3H 2 S → 3 MHS + NH 3

질소는 암모니아(112)의 형태로 제거되며, 이는 통기되고 회수될 수 있다. 황은 알칼리 하이드로설파이드(MHS), 예컨대 나트륨 하이드로설파이드(NaHS) 또는 리튬 하이드로설파이드(LiHS)의 형태로 오일 공급원으로부터 제거된다. 반응 생성물(113)은 분리 용기(114)로 이동된다. 분리 용기(114) 내에서, 중금속(116) 및 개선된 오일 유기상(118)은 중량측정 분리 기술에 의해 분리될 수 있다.Nitrogen is removed in the form of ammonia 112, which can be aerated and recovered. Sulfur is removed from the oil source in the form of alkali hydrosulfides (MHS), such as sodium hydrosulfide (NaHS) or lithium hydrosulfide (LiHS). The reaction product 113 is transferred to a separation vessel 114 . Within the separation vessel 114, the heavy metals 116 and the improved oil organic phase 118 may be separated by gravimetric separation techniques.

알칼리 하이드로설파이드(MHS)는 추가 처리를 위해 분리된다. 알칼리 하이드로설파이드 스트림은 본 발명의 방법으로부터의 알칼리 금속 및 황의 일차 공급원일 수 있다. 알칼리 하이드로설파이드가 높은 폴리설파이드(즉 M2Sx; 4≤x≤6)에 대한 매체와 반응되는 경우 이때 황화수소는 방출될 것이고 수득한 혼합물은 황 대 알칼리 금속 비율이 더 낮은 추가의 알칼리 금속 및 설파이드 함량을 가질 것이다. 황화수소(110)는 알칼리 설파이드 및 알칼리 니트라이드 및 금속이 초기에 처리된 오일로부터 제거될 필요가 있는 세척 단계 업스트림에 사용될 수 있다.Alkali hydrosulfide (MHS) is isolated for further processing. The alkali hydrosulfide stream may be the primary source of alkali metal and sulfur from the process of the present invention. If alkali hydrosulfides are reacted with the medium for high polysulfides (ie M 2 S x ; 4≤x≤6) then hydrogen sulfide will be released and the resulting mixture contains additional alkali metals with a lower sulfur to alkali metal ratio and will have a sulfide content. Hydrogen sulfide 110 may be used upstream of the washing step where alkali sulfides and alkali nitrides and metals need to be initially removed from the treated oil.

이러한 방법의 도식적 묘사는 도 2a에 도시된다. 예를 들면, 나트륨의 경우에 하기 반응이 발생할 수 있다:A schematic representation of this method is shown in FIG. 2A . For example, in the case of sodium the following reaction may occur:

Na2Sx + 2NaHS → H2S + 2[Na2S(x+1)/2]Na 2 S x + 2NaHS → H 2 S + 2[Na 2 S (x+1)/2 ]

여기서 x:y는 용액에서 나트륨 대 황 원자의 평균 비율을 나타낸다. 도 2a에 도시된 방법에서, 높은 황 함량을 갖는 알칼리 폴리설파이드는 더 낮은 황 함량을 갖는 알칼리 폴리설파이드로 전환된다.where x:y represents the average ratio of sodium to sulfur atoms in solution. In the process shown in Figure 2a, alkali polysulfides with high sulfur content are converted to alkali polysulfides with lower sulfur content.

대안적으로, 알칼리 금속 하이드로설파이드를 알칼리 금속 폴리설파이드와 반응시키는 대신에, 알칼리 금속 하이드로설파이드는 황과 반응될 수 있다. 이러한 방법의 도식적 묘사는 도 2b에 도시된다. 예를 들면, 나트륨의 경우에 하기 반응이 발생할 수 있다:Alternatively, instead of reacting the alkali metal hydrosulfide with the alkali metal polysulfide, the alkali metal hydrosulfide may be reacted with sulfur. A schematic representation of this method is shown in FIG. 2B . For example, in the case of sodium the following reaction may occur:

YS + 2NaHS → H2S + Na2S(Y+1) YS + 2NaHS → H 2 S + Na 2 S (Y+1)

여기서 Y는 나트륨 하이드로설파이드에 부가되는 황의 몰 양이다.where Y is the molar amount of sulfur added to sodium hydrosulfide.

알칼리 금속 폴리설파이드는 황을 제거하고 회수하며 알칼리 금속을 제거하고 회수하기 위해 전해 전지에서 추가로 가공될 수 있다. 하나의 전해 전지(120)는 도 1에 도시된다. 전해 전지(120)는 알칼리 폴리설파이드(122)를 수용한다. 공급원 전력(124)의 영향하에, 알칼리 금속 이온은 알칼리 금속(M)(126)을 형성하기 위해 환원되며, 이는 알칼리 금속(106)의 공급원으로 회수되고 사용될 수 있다. 황(128)은 또한 전해 전지(120)의 공정으로부터 회수된다. 본 발명의 범위 내에서 방법에 사용될 수 있는 하나의 가능한 전해 전지의 상세한 논의는 도 3에 주어진다. 황(128)의 회수와 관련되는 더 상세한 논의는 아래의 도 4에 주어진다.Alkali metal polysulfides can be further processed in electrolytic cells to remove and recover sulfur and to remove and recover alkali metals. One electrolytic cell 120 is shown in FIG. 1 . The electrolytic cell 120 contains an alkali polysulfide 122 . Under the influence of the source power 124 , alkali metal ions are reduced to form alkali metal (M) 126 , which can be recovered and used as a source of alkali metal 106 . Sulfur 128 is also recovered from the process of the electrolytic cell 120 . A detailed discussion of one possible electrolytic cell that may be used in the method within the scope of the present invention is given in FIG. 3 . A more detailed discussion related to the recovery of sulfur 128 is given in FIG. 4 below.

도 2a 및 도 2b에 묘사된 반응이 발생하는 용기는 도 1에 묘사된 전해 전지(120)의 애노드액 구획일 수 있으며, 증점제(312)는 도 4에, 또는 산출된 황화수소 가스(110)를 포획하고 회수하는데 도움이 되는 개별 용기에 묘사된다. 대안적으로, 도 1에 묘사된 방법에서 산출되는 황은 도 2b에 묘사된 바와 같은 입력으로 사용될 수 있다.The vessel in which the reaction depicted in FIGS. 2A and 2B takes place may be the anolyte compartment of the electrolytic cell 120 depicted in FIG. 1 , wherein the thickener 312 is used in FIG. 4 , or the resulting hydrogen sulfide gas 110 . Depicted in individual containers to aid in capture and retrieval. Alternatively, the sulfur produced in the method depicted in FIG. 1 may be used as input as depicted in FIG. 2B .

도 3은 본 발명의 범위 내에 있는 특징 중 다수를 이용하는 전해 전지(300)의 도식적 단면도를 도시한다. 전지는 하우징(310)으로 구성되며, 이는 전형적으로 전기적 절연체이고 용매 및 나트륨 설파이드에 화학적으로 내성이 있다. 이 경우에 튜브의 형태인, 양이온 전도성 막(312)은 캐소드액 구획(314)과 애노드액 구획(316)을 분할한다. 캐소드(324)는 캐소드액 구획 내에 있다. 캐소드(324)는 연결이 DC 전력 공급 장치(도시되지 않음)의 음극에 이루어질 수 있도록 하우징(310)을 관통하거나 하우징(310)을 관통하는 리드(326)를 갖도록 구성될 수 있다. 이 경우에 막 튜브(312)를 둘러싸는 원통 형태의 다공성 메쉬 타입 전극으로 도시되는 애노드(326)는 애노드액 구획(316) 내에 있다. 리드(328)는 연결이 DC 전력 공급 장치의 양극에 이루어질 수 있도록 하우징을 관통한다. 애노드액 용액은 애노드액 유입구(330)를 통해 흐른다. 애노드액은 용매 및 알칼리 금속 설파이드의 혼합물로 구성된다. 애노드액은 유입구(330)를 통해 흘러들어감에 따라 애노드액은 또한 유출구(332)에서 흘러나온다. 일부 경우에서 용융된 황의 제 2 액체상은 또한 애노드액과 유출될 수 있다. 제 2 유출구는 애노드액 유출구(332)보다 더 낮은 위치에서의 애노드액 구획으로부터 제공될 수 있다. 더 낮은 제 2 유출구는 전지 하단에 침강되고 축적되었던 용융된 황의 제거를 위해 더 사용될 수 있다. 캐소드(324)와 막(312) 사이의 공간은 일반적으로 용융된 알칼리 금속으로 충전된다. 전지가 동작함에 따라, 알칼리 금속 이온은 캐소드액 유출구(334)를 통해 알칼리 금속의 흐름을 야기하는 캐소드액 구획(314)에 알칼리 금속을 형성하기 위해 막(312)을 통과하고 캐소드(324)에서 감소된다.3 shows a schematic cross-sectional view of an electrolytic cell 300 utilizing many of the features within the scope of the present invention. The cell consists of a housing 310, which is typically an electrical insulator and is chemically resistant to solvents and sodium sulfide. A cationically conductive membrane 312 , in this case in the form of a tube, divides the catholyte compartment 314 and the anolyte compartment 316 . Cathode 324 is in the catholyte compartment. Cathode 324 may be configured to have a lead 326 through housing 310 or through housing 310 so that a connection may be made to the negative pole of a DC power supply (not shown). The anode 326 , shown in this case as a porous mesh-type electrode in the form of a cylinder, surrounding the membrane tube 312 is within the anolyte compartment 316 . Lead 328 runs through the housing so that a connection can be made to the positive pole of the DC power supply. The anolyte solution flows through the anolyte inlet 330 . The anolyte consists of a mixture of a solvent and an alkali metal sulfide. As the anolyte flows through the inlet 330 , the anolyte also flows out at the outlet 332 . In some cases the second liquid phase of molten sulfur may also flow out with the anolyte. The second outlet may be provided from the anolyte compartment at a lower position than the anolyte outlet 332 . The lower second outlet can be further used for removal of molten sulfur that has settled and accumulated at the bottom of the cell. The space between the cathode 324 and the film 312 is typically filled with molten alkali metal. As the cell operates, alkali metal ions pass through membrane 312 to form alkali metal in catholyte compartment 314 causing a flow of alkali metal through catholyte outlet 334 and at cathode 324 . is reduced

전지는 다중 애노드, 캐소드, 및 막을 가질 수 있다. 전지 내에서, 애노드는 모두 평행하고 캐소드는 모두 평행할 것이다.A cell can have multiple anodes, cathodes, and membranes. Within the cell, the anodes will all be parallel and the cathodes will all be parallel.

도 3에 대해 언급하면, 전해 전지 하우징(310)은 전기적으로 절연 물질 예컨대 대부분의 폴리머인 것이 바람직하다. 물질은 또한 용매에 화학적으로 내성이 있는 것이 바람직하다. Kynar® 폴리비닐리덴 플루오라이드, 또는 고밀도 폴리에틸렌(HDPE)뿐만 아니라 폴리테트라플루오로에틸렌(PTFE)이 특히 적합하다. 전지 하우징(310)은 또한 하우징(310)의 내부가 그러한 절연 및 화학적으로 내성이 있는 물질로 정렬되어 있다면, 비절연 물질 및 비화학적으로 내성이 있는 물질로부터 제작될 수 있다. 다른 적합한 물질은 무기 물질 예컨대 알루미나, 실리카, 알루미노-실리케이트 및 다른 절연 난치성 또는 세라믹 재료일 것이다.Referring to FIG. 3 , the electrolytic cell housing 310 is preferably an electrically insulating material such as most polymers. The material is also preferably chemically resistant to solvents. Particularly suitable are Kynar® polyvinylidene fluoride, or high density polyethylene (HDPE) as well as polytetrafluoroethylene (PTFE). The battery housing 310 may also be fabricated from non-insulating materials and non-chemically resistant materials, provided that the interior of the housing 310 is lined with such insulating and chemically resistant materials. Other suitable materials would be inorganic materials such as alumina, silica, alumino-silicate and other insulating refractory or ceramic materials.

양이온 전도성 막(312)은 양이온에만 실질적으로 투과성이고 음이온, 다중음이온, 및 용해된 황에는 실질적으로 불투과성인 것이 바람직하다. 막(312)은알칼리 금속 이온 전도성 재료로부터 부분적으로 제작될 수 있다. 전지에 의해 회수될 금속이 나트륨이면, 디바이더에 대해 특히 적절한 물질은 실온에서 상대적으로 높은 이온 전도성을 갖는 NaSICON으로 공지되어 있다. 전형적인 NaSICON 조성물은 실질적으로 Na1 + xZr2SixP3 - xO12일 것이며, 여기서 0<x<3이다. 다른 NaSICON 조성물은 당해기술에 공지되어 있다. 대안적으로, 전지에서 회수될 금속이 리튬이면, 이때 디바이더에 대해 특히 적절한 물질은 실질적으로 Li(1+x+4y)AlxTi(1-x-y)(PO4)3인 조성물을 갖는 리튬 티타늄 포스페이트(LTP)일 것이며, 여기서 0<x<0.4이다. 다른 적합한 물질은 이온 전도성 유리 및 유리 세라믹 패밀리 예컨대 일반적인 조성물 Li1+xAlxGe2-xPO4에서 나올 수 있다. 다른 리튬 전도성 재료는 당해기술에 공지되어 있다. 막(312)은 애노드액 구획(316) 및 캐소드액 구획(314) 내의 액체가 한 구획으로부터 다른 구획으로 전달될 수 없지만 실질적으로 알칼리 이온(M+)만, 예컨대 나트륨 이온 또는 리튬 이온이 애노드액 구획(316)으로부터 캐소드액 구획(314)으로 전달될 수 있도록 무시해도 좋은 스루 다공성(through porosity)을 갖는 그것의 두께의 일부를 가질 수 있다. 막은 또한 알칼리 금속 전도성 유리-세라믹 예컨대 일본의 오하라 글래스에 의해 생산되는 물질로 부분적으로 구성될 수 있다.The cation conductive membrane 312 is preferably substantially permeable to only cations and substantially impermeable to anions, polyanions, and dissolved sulfur. Membrane 312 may be fabricated in part from an alkali metal ion conductive material. If the metal to be recovered by the cell is sodium, a particularly suitable material for the divider is known as NaSICON, which has a relatively high ionic conductivity at room temperature. A typical NaSICON composition would be substantially Na 1 + x Zr 2 Si x P 3 - x O 12 , where 0<x<3. Other NaSICON compositions are known in the art. Alternatively, if the metal to be recovered from the cell is lithium, then a particularly suitable material for the divider is lithium titanium having a composition substantially Li (1+x+4y) Al x Ti (1-xy) (PO 4 ) 3 . phosphate (LTP), where 0<x<0.4. Other suitable materials may come from the ionically conductive glass and glass ceramic families such as the general composition Li 1+x Al x Ge 2-x PO 4 . Other lithium conductive materials are known in the art. Membrane 312 prevents liquid in anolyte compartment 316 and catholyte compartment 314 from being transferred from one compartment to another but substantially only alkali ions (M + ), such as sodium ions or lithium ions, into the anolyte. It may have a portion of its thickness with negligible through porosity to allow transfer from compartment 316 to catholyte compartment 314 . The film may also be partially composed of alkali metal conductive glass-ceramics such as materials produced by Ohara Glass of Japan.

애노드(326)는 애노드액 구획(316) 내에 위치된다. 그것은 전기적으로 전도성 재료 예컨대 스테인레스강, 니켈, 철, 철 합금, 니켈 합금, 및 당해기술에 공지된 다른 애노드 물질로 제작될 수 있다. 애노드(326)는 직류 전원 장치의 양극 단자에 연결된다. 애노드(326)는 메쉬, 모놀리스 구조일 수 있거나 애노드 구조를 통해 애도드액의 통과를 허용하는 특징을 갖는 모놀리스일 수 있다. 애노드액 용액은 유입구(330)를 통해 애노드액 구획으로 공급되고 유출구(332)를 통해 구획의 밖으로 통과한다. 전해 전지(300)는 또한 애노드액 구획이 동일한 통로를 통해 공급되고 부분적으로 빼내어지는 세미-연속적 방식으로 동작될 수 있다.The anode 326 is located within the anolyte compartment 316 . It can be made of electrically conductive materials such as stainless steel, nickel, iron, iron alloys, nickel alloys, and other anode materials known in the art. The anode 326 is connected to the positive terminal of the DC power supply. Anode 326 may be a mesh, monolithic structure or may be a monolith with features that allow passage of the anolyte through the anode structure. The anolyte solution is supplied to the anolyte compartment through an inlet 330 and passes out of the compartment through an outlet 332 . Electrolytic cell 300 may also be operated in a semi-continuous manner in which the anolyte compartment is supplied and partially withdrawn through the same passage.

전자 전도성 캐소드(324)는 스트립, 밴드, 로드, 또는 메쉬의 형태이다. 캐소드(324)는 대부분의 전자 컨덕터 예컨대 강철, 철, 구리, 또는 그래파이트로 구성될 수 있다. 캐소드의 일부는 전기적 접촉을 위해 캐소드액 구획(314) 및 캐소드액 구획(314) 및 전지 하우징(310) 외부의 일부 내에 배치될 수 있다. 대안적으로, 리드(325)는 전기적 접촉을 위해 전지 하우징(310) 외부의 캐소드로부터 연장될 수 있다.The electronically conductive cathode 324 is in the form of a strip, band, rod, or mesh. Cathode 324 may be comprised of most electronic conductors such as steel, iron, copper, or graphite. A portion of the cathode may be disposed within the catholyte compartment 314 and the catholyte compartment 314 and a portion outside the cell housing 310 for electrical contact. Alternatively, the lead 325 may extend from the cathode outside the cell housing 310 for electrical contact.

극성 용매를 포함할 수 있는 알칼리 이온 전도성 액체가 캐소드액 구획(314) 내에 있다. 적합한 극성 용매의 비-제한적인 예는 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 디에틸 카보네이트 등과 같다. 적절한 알칼리 금속 염, 예컨대 클로라이드, 브로마이드, 아이오다이드, 퍼클로레이트, 헥사플루오로포스페이트 등은 그러한 캐소드액 용액을 형성하기 위해 극성 용매에서 용해된다. 주로 캐소드액은 용융된 알칼리 금속의 배스이다.An alkali ionically conductive liquid, which may include a polar solvent, is in the catholyte compartment 314 . Non-limiting examples of suitable polar solvents are tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, propylene carbonate, ethylene carbonate, diethyl carbonate, and the like. Suitable alkali metal salts such as chloride, bromide, iodide, perchlorate, hexafluorophosphate and the like are dissolved in a polar solvent to form such catholyte solution. Mainly the catholyte is a bath of molten alkali metal.

전해 전지(300)의 동작의 하나의 비-제한적인 예는 하기와 같이 설명된다: 애노드액 용액은 애노드액 구획(316)으로 공급된다. 전극(324, 326)은 조성물에 따라 범위가 약 1.8V와 약 2.5V 사이에 이르는 분해 전압보다 더 큰 애노드(326)와 캐소 사이의 전위가 있도록 에너자이징된다. 동시에, 알칼리 금속 이온, 예컨대 나트륨 이온은 막(312)을 통해 캐소드액 구획(314)으로 전달되며, 나트륨 이온은 전자가 캐소드(324)를 통해 공급되는 캐소드액 구획(314) 내에 금속 상태로 환원되고, 설파이드 및 폴리설파이드는 낮은 폴리설파이드 음이온이 높은 폴리설파이드 음이온이 되고/되거나 원소 황이 애노드에 형성되도록 애노드(326)에서 산화된다. 황이 형성되는 동안에 그것은 전부 또는 일부로 애노드액 용매로 용해된다. 황 포화 또는 냉각 시에, 황은 전해 전지의 애노드액 구획(316)의 하단에 그러한 침강(settles)의 제 2 액체상을 형성할 수 있다. 황은 도 3에 도시된 바와 같이, 전지 외부의 용기에 침강하기 위해 애노드액 용액으로 제거될 수 있거나 그것은 선택적 황 유출구(338)를 통해 침강 구역(336)으로부터 직접 제거될 수 있다.One non-limiting example of the operation of the electrolytic cell 300 is described as follows: An anolyte solution is supplied to the anolyte compartment 316 . Electrodes 324 and 326 are energized such that, depending on the composition, there is a potential between the anode 326 and the cathode greater than the decomposition voltage ranging between about 1.8V and about 2.5V. At the same time, alkali metal ions, such as sodium ions, are transferred to the catholyte compartment 314 through the membrane 312 , and the sodium ions are reduced to a metallic state within the catholyte compartment 314 where electrons are supplied through the cathode 324 . sulfides and polysulfides are oxidized at the anode 326 such that the low polysulfide anions become high polysulfide anions and/or elemental sulfur is formed in the anode. During the formation of sulfur it is dissolved in whole or in part into the anolyte solvent. Upon sulfur saturation or cooling, the sulfur may form a second liquid phase of such settles at the bottom of the anolyte compartment 316 of the electrolytic cell. The sulfur may be removed with the anolyte solution to settle in a vessel external to the cell, as shown in FIG. 3 , or it may be removed directly from the settling zone 336 via an optional sulfur outlet 338 .

동작 모드는 하나의 전해 전지의 애노드액이 제 2 전지로 및 제 2 전지로부터 제 3 전지 등으로 흐르게 할 수 있으며 각각의 연속적인 전지에서 나트륨 대 설파이드의 비율은 폴리설파이드 형태가 고차가 됨에 따라 감소한다. 도 4는 알칼리 금속을 추출하고 알칼리 금속 설파이드를 낮은 알칼리 금속 폴리설파이드로, 낮은 알칼리 금속 폴리설파이드를 더 높은 알칼리 금속 폴리설파이드로, 및 더 높은 알칼리 금속 폴리설파이드를 높은 알칼리 금속 폴리설파이드로, 및 높은 알칼리 금속 폴리설파이드를 황으로 산화시키기 위해 연속적으로 동작되는 4개의 전해 전지(402, 404, 406, 408)의 비-제한적인 도식도이다. 전해 전지(402, 404, 406, 및 408)는 최종 전지에서만 황이 생산되지만 알칼리 금속이 모든 캐소드에서 생산되도록 동작될 수 있다.The mode of operation may allow the anolyte of one electrolytic cell to flow to and from the second cell to the third cell, etc. and in each successive cell the ratio of sodium to sulfide decreases as the polysulfide form becomes higher. do. 4 shows alkali metal extraction and conversion of alkali metal sulfide to low alkali metal polysulfide, low alkali metal polysulfide to higher alkali metal polysulfide, and higher alkali metal polysulfide to high alkali metal polysulfide, and It is a non-limiting schematic diagram of four electrolytic cells 402, 404, 406, 408 operated in series to oxidize alkali metal polysulfide to sulfur. Electrolytic cells 402, 404, 406, and 408 can be operated such that only the final cell produces sulfur, but alkali metals are produced at all cathodes.

비-제한적인 예에서, 알칼리 금속 모노설파이드, 예컨대 나트륨 설파이드(Na2S)는 제 1 전해 전지(402)로 도입될 수 있다. DC 전원 장치의 영향하에, 나트륨 이온은 애노드액 구획으로부터 캐소드액 구획으로 수송되며 알칼리 이온은 알칼리 금속을 형성하기 위해 환원된다. 설파이드는 낮은 폴리설파이드, 예컨대 Na2S4 형성하기 위해 애노드액 구획에서 산화된다. 낮은 알칼리 금속 폴리설파이드는 제 2 전해 전지(404)의 애노드액 구획으로 수송된다. DC 전원 장치의 영향하에, 나트륨 이온은 애노드액 구획으로부터 캐소드액 구획으로 수송되며 알칼리 이온은 알칼리 금속을 형성하기 위해 환원된다. 낮은 폴리설파이드는 더 높은 폴리설파이드, 예컨대 Na2S6 형성하기 위해 애노드액 구획에서 산화된다. 더 높은 알칼리 금속 폴리설파이드는 제 3 전해 전지(406)의 애노드액 구획으로 수송된다. DC 전원 장치의 영향하에, 나트륨 이온은 애노드액 구획으로부터 캐소드액 구획으로 수송되며 알칼리 이온은 알칼리 금속을 형성하기 위해 환원된다. 더 높은 폴리설파이드는 높은 폴리설파이드, 예컨대 Na2S8을 형성하기 위해 애노드액 구획에서 산화된다. 높은 알칼리 금속 폴리설파이드는 제 4 전해 전지(408)의 애노드액 구획으로 수송된다. DC 전원 장치의 영향하에, 나트륨 이온은 애노드액 구획으로부터 캐소드액 구획으로 수송되며 알칼리 이온은 알칼리 금속을 형성하기 위해 환원된다. 높은 폴리설파이드는 황을 형성하기 위해 애노드액 구획에서 산화되며, 이는 애노드액 구획으로부터 차후에 제거되고 회수된다.In a non-limiting example, an alkali metal monosulfide, such as sodium sulfide (Na 2 S), may be introduced into the first electrolytic cell 402 . Under the influence of the DC power supply, sodium ions are transported from the anolyte compartment to the catholyte compartment and alkali ions are reduced to form alkali metals. Sulfides are low polysulfides, such as Na 2 S 4 . oxidized in the anolyte compartment to form. The low alkali metal polysulfide is transported to the anolyte compartment of the second electrolytic cell 404 . Under the influence of the DC power supply, sodium ions are transported from the anolyte compartment to the catholyte compartment and alkali ions are reduced to form alkali metals. Low polysulfides produce higher polysulfides, such as Na 2 S 6 . oxidized in the anolyte compartment to form. The higher alkali metal polysulfide is transported to the anolyte compartment of the third electrolytic cell 406 . Under the influence of the DC power supply, sodium ions are transported from the anolyte compartment to the catholyte compartment and alkali ions are reduced to form alkali metals. Higher polysulfides are oxidized in the anolyte compartment to form high polysulfides, such as Na 2 S 8 . The high alkali metal polysulfide is transported to the anolyte compartment of the fourth electrolytic cell 408 . Under the influence of the DC power supply, sodium ions are transported from the anolyte compartment to the catholyte compartment and alkali ions are reduced to form alkali metals. High polysulfide is oxidized in the anolyte compartment to form sulfur, which is subsequently removed and recovered from the anolyte compartment.

상이한 폴리설파이드의 전술된 예는 그러한 고차 폴리설파이드가 폴리설파이드를 산화시키는 것 및 나트륨 이온을 제거하는 것의 조합에 의해 형성될 수 있다는 기초 원리의 대표적인 예로서 주어진다는 점이 이해될 것이다.It will be understood that the foregoing examples of different polysulfides are given as representative examples of the underlying principle that such higher polysulfides can be formed by a combination of oxidizing the polysulfide and removing sodium ions.

도 4와 관련하여 기재되는 다중-전지 구현예는 알칼리 금속 및 황이 단일 전지 구현예와 비교하여 더 에너지 효율적으로 형성될 수 있게 한다. 에너지 효율에 대한 이유는 더 적은 에너지가 더 높은 폴리설파이드와 비교하여 더 낮은 폴리설파이드를 산화시키는 것을 필요로 하기 때문이다. 폴리설파이드를 황으로 산화시키는데 필요한 전압은 약 2.2 볼트인 반면, 모노설파이드 및 낮은 폴리설파이드는 더 낮은 전압, 예컨대 1.7 볼트에서 산화될 수 있다.The multi-cell embodiment described with respect to FIG. 4 allows alkali metals and sulfur to be formed more energy efficiently compared to a single cell embodiment. The reason for energy efficiency is that less energy is required to oxidize the lower polysulfide compared to the higher polysulfide. The voltage required to oxidize polysulfide to sulfur is about 2.2 volts, while monosulfide and low polysulfide can be oxidized at lower voltages, such as 1.7 volts.

알칼리 금속이 나트륨인 경우에, 하기 전형적인 반응은 전해 전지(300)에서 발생할 수 있다:When the alkali metal is sodium, the following typical reaction may occur in electrolytic cell 300:

캐소드에서:At the cathode:

Na+ + e- → NaNa + + e- → Na

애노드에서:At the anode:

1) Na2Sx → Na+ + e- + ½ Na2S(2x) 1) Na 2 S x → Na + + e - + ½ Na 2 S (2x)

2) Na2Sx → Na+ + e- + ½ Na2Sx + x/16 S8 2) Na 2 S x → Na + + e - + ½ Na 2 S x + x/16 S 8

여기서 x는 범위가 0 내지 약 8까지 이른다.where x ranges from 0 to about 8.

대부분의 나트륨은 나트륨 폴리설파이드 보다는 용융된 염에서 염화나트륨의 전기분해로부터 상업적으로 생산되지만, 분해 전압 및 에너지 요건은 표 1에 제시된 바와 같이 클로라이드와 비교하여 폴리설파이드에 대해 약 절반이다.Most sodium is produced commercially from the electrolysis of sodium chloride in molten salt rather than sodium polysulfide, but the decomposition voltage and energy requirements are about half for polysulfide compared to chloride as shown in Table 1.

표 1. 나트륨 및 리튬 클로라이드 및 설파이드의 분해 전압 및 에너지(와트-시간/몰)Table 1. Decomposition voltage and energy (watt-hour/mol) of sodium and lithium chloride and sulfide

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나트륨/폴리설파이드 전지의 개방 회로 전위는 더 낮은 폴리설파이드, Na2S3가 분해될 때 1.8V만큼 낮은 반면, 전압은 상승하는 황 함량에 따라 상승한다. 따라서, 더 낮은 황 함량을 갖는 애노드액을 사용하여 전기분해의 일부를 동작시키는 것이 바람직할 수 있다. 일 구현예에서, 평면 NaSICON 또는 리튬 티타늄 포스페이트(LTP) 막은 나트륨 또는 리튬을 각각 재생하기 위해 사용된다. NaSICON 및 LTP는 표 2에 제시된 바와 같이 우수한 저온 전도도를 갖는다. 베타 알루미나에 대한 전도도 값은 May. G. May, J. Power Sources,3, 1(1978)에 의해 보고되는 300℃ 전도도 및 활성화 에너지로부터 추정되었다.The open circuit potential of the sodium/polysulfide cell is as low as 1.8 V when the lower polysulfide, Na 2 S 3 , is decomposed, while the voltage rises with the rising sulfur content. Therefore, it may be desirable to operate a portion of the electrolysis using an anolyte having a lower sulfur content. In one embodiment, planar NaSICON or lithium titanium phosphate (LTP) membranes are used to regenerate sodium or lithium, respectively. NaSICON and LTP have good low temperature conductivity as shown in Table 2. Conductivity values for beta alumina were obtained from May. It was estimated from the 300°C conductivity and activation energy reported by G. May , J. Power Sources, 3, 1 (1978).

표 2. 25℃, 120℃에서 NaSICON, LTP, 베타 알루미나의 전도도Table 2. Conductivity of NaSICON, LTP, Beta Alumina at 25°C and 120°C

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2개 이상의 세트의 전지를 동작시키는 것이 유익할 수 있으며, 그것의 비-제한적인 예는 도 4에 도시된다. 일부 전지는 애노드액에서 저차 설파이드 및 폴리설파이드로 동작하는 반면 또 하나의 세트의 전지는 고차 폴리설파이드로 동작할 것이다. 후자에서, 유리 황은 제거를 필요로 하는 생성물이 될 것이다.It may be beneficial to operate two or more sets of cells, a non-limiting example of which is shown in FIG. 4 . Some cells will operate with lower order sulfides and polysulfides in the anolyte while another set of cells will operate with higher order polysulfides. In the latter, free sulfur will be a product that requires removal.

본 발명의 범위 내에서 하나의 특정 구현예를 논의하는 하기 예가 아래에 제공된다. 이러한 구현예는 본질적으로 예시적이고 본 발명의 범위를 어떤 식으로든 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다.The following examples discussing one specific embodiment within the scope of the present invention are provided below. These embodiments are exemplary in nature and should not be construed as limiting the scope of the invention in any way.

전해 유동 전지는 대략 3.2 cm2 활성 영역을 갖는 1" 직경 NaSICON 막을 이용한다. NaSICON은 또한 환경에 내성이 있는 비-전도성 재료로 구성되는 스캐폴드에 밀봉된다. 하나의 적합한 스캐폴드 물질은 알루미나이다. 유리는 밀봉 물질로 사용될 수 있다. 전해질의 유동 경로는 전극과 막 사이의 갭을 통할 것이다. 애노드(황 전극)는 알루미늄으로 구성될 수 있다. 캐소드는 알루미늄 또는 스테인레스강일 수 있다. 양극성 전극 설계를 갖는 유동 전지를 구성하는 것은 본 발명의 범위 내에 있다. 애노드액 및 캐소드액 용액은 각각 저장기 및 펌프를 가질 것이다. 애노드액 저장기는 진탕기를 가질 것이다. 전체 시스템은 150℃의 최대 온도로 온도 제어를 갖고 또한 건조 커버 가스에서 배싱되도록 구성되는 것이 바람직할 것이다. 시스템은 또한 5 VDC로 및 최대 100 mA/cm2까지 전달할 수 있는 전원 장치를 갖는 것이 바람직할 것이다.The electrolytic flow cell utilizes a 1" diameter NaSICON membrane with an active area of approximately 3.2 cm 2 . NaSICON is also sealed in a scaffold comprised of a non-conductive material that is resistant to the environment. One suitable scaffold material is alumina. Glass can be used as sealing material The flow path of electrolyte will be through the gap between electrode and membrane Anode (sulfur electrode) can be made of aluminum Cathode can be aluminum or stainless steel Bipolar electrode design It is within the scope of the present invention to construct a flow cell with a flow cell.The anolyte and catholyte solution will each have a reservoir and a pump.The anolyte reservoir will have a shaker.The whole system is temperature controlled with a maximum temperature of 150°C. It would also be desirable for the system to have a power supply capable of delivering at 5 VDC and up to 100 mA/cm 2 .

가능한 한 많이, 기대된 조건에서 내부식성인 물질이 구성을 위해 선택될 것이다. 유동 전지는 전극과 막 사이의 갭이 변화될 수 있도록 설계될 것이다.To the extent possible, materials that are resistant to corrosion under the expected conditions will be selected for construction. The flow cell will be designed so that the gap between the electrode and the membrane can be varied.

전술된 관점에서, 개시된 발명은 하기 이점 중 하나 이상을 포함한다는 점이 인정될 것이다:In view of the foregoing, it will be appreciated that the disclosed invention includes one or more of the following advantages:

전지로부터 알칼리 금속을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 액체 형태로 제거하는 것.Continuous or semi-continuous removal of alkali metals in liquid form from cells.

전지로부터 황을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 액체 상태로 제거하는 것.Continuous or semi-continuous liquid removal of sulfur from a cell.

전해 전지로부터 높은 알칼리 금속 폴리설파이드 및 용해된 황을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 제거하며, 그렇게 함으로써 황에 의해 애노드의 분극을 감소시키는 것.Continuous or semi-continuous removal of high alkali metal polysulfides and dissolved sulfur from electrolytic cells, thereby reducing the polarization of the anode by sulfur.

용매 및 알칼리 금속 폴리설파이드가 실질적으로 회수되어 그것이 전해 공정으로 다시 복귀될 수 있도록 용매, 황, 및 알칼리 금속 폴리설파이드의 혼합물을 함유하는 스트림으로부터 황을 연속적으로 또는 세미-연속적으로 분리하는 것.The continuous or semi-continuous separation of sulfur from a stream containing a mixture of solvent, sulfur, and alkali metal polysulfide such that the solvent and alkali metal polysulfide can be substantially recovered and returned to the electrolytic process.

전해 전지를 온도 및 압력에서 동작시켜, 구성의 전해 전지 물질은 높은 상승된 온도에 내성이 있지 않은 물질을 포함할 수 있다.By operating the electrolytic cell at temperature and pressure, the electrolytic cell material of construction may include materials that are not resistant to high elevated temperatures.

본 발명의 특정 구현예가 실증되고 기재되었지만, 수많은 변형은 본 발명의 사상으로부터 유의미하게 벗어나는 것 없이 생각이 떠오르고, 보호 범위는 첨부한 청구항의 범위에 의해서만 제한된다.While specific embodiments of the present invention have been illustrated and described, numerous modifications can be made without significantly departing from the spirit of the invention, the scope of protection being limited only by the scope of the appended claims.

Claims (25)

알칼리 금속 모노설파이드 및 폴리설파이드를 전기화학적으로 산화시키는 방법으로서,
알칼리 이온을 선택적으로 수송하도록 구성된 알칼리 이온 전도성 막을 포함하는 전해 전지를 수득하는 단계이며, 상기 막은 애노드로 구성된 애노드액 구획 및 캐소드로 구성된 캐소드액 구획을 분리하는 것인 단계;
알칼리 금속 모노설파이드, 알칼리 금속 폴리설파이드, 또는 이들의 혼합물, 및 원소 황을 부분적으로 용해시키는 애노드액 용매를 포함하는 애노드액 용액을 상기 애노드액 구획으로 도입하는 단계;
상기 캐소드액 구획으로 캐소드액을 도입하는 단계이며, 상기 캐소드액은 용융된 알칼리 금속을 포함하는 것인 단계;
전류를 작동 온도에서 상기 전해 전지에 인가함으로써:
i. 액체 원소 황 또는 더 높은 수준의 알칼리 금속 폴리설파이드 및 알칼리 금속 이온을 형성하기 위해 모노설파이드 또는 폴리설파이드를 상기 애노드액 구획에서 산화시키고;
ii. 상기 알칼리 금속 이온이 상기 애노드액 구획으로부터 상기 알칼리 이온 전도성 막을 통해 상기 캐소드액 구획으로 전달되게 하고;
iii. 액체 원소 알칼리 금속을 형성하기 위해 상기 알칼리 금속 이온을 상기 캐소드액 구획에서 환원시키는 단계;
액체 원소 황이 상기 애노드액 용액에서 포화되는 것을 허용하는 단계; 및
제 2 액체상을 형성하기 위해 상기 애노드액으로부터 액체 원소 황을 분리하는 단계
를 포함하는 방법.
A method for electrochemically oxidizing alkali metal monosulfides and polysulfides, comprising:
obtaining an electrolytic cell comprising an alkali ion conductive membrane configured to selectively transport alkali ions, wherein the membrane separates an anolyte compartment composed of an anode and a catholyte compartment composed of a cathode;
introducing into the anolyte compartment an anolyte solution comprising an alkali metal monosulfide, alkali metal polysulfide, or mixtures thereof, and an anolyte solvent that partially dissolves elemental sulfur;
introducing catholyte into the catholyte compartment, wherein the catholyte comprises molten alkali metal;
By applying an electric current to the electrolytic cell at an operating temperature:
i. oxidizing monosulfide or polysulfide in said anolyte compartment to form liquid elemental sulfur or higher levels of alkali metal polysulfide and alkali metal ions;
ii. causing the alkali metal ions to pass from the anolyte compartment through the alkali ion conductive membrane to the catholyte compartment;
iii. reducing the alkali metal ion in the catholyte compartment to form a liquid elemental alkali metal;
allowing liquid elemental sulfur to be saturated in the anolyte solution; and
separating liquid elemental sulfur from the anolyte to form a second liquid phase;
How to include.
제1항에 있어서, 상기 액체 원소 황은 상기 전해 전지 내에 있는 침강 구역에서 상기 애노드액 용액으로부터 분리되는 방법.The method of claim 1 , wherein the liquid elemental sulfur is separated from the anolyte solution in a settling zone within the electrolytic cell. 제1항에 있어서, 상기 액체 원소 황은 상기 전지 외부에 있는 침강 구역에서 상기 애노드액 용액으로부터 분리되는 방법.The method of claim 1 , wherein the liquid elemental sulfur is separated from the anolyte solution in a settling zone external to the cell. 제1항에 있어서, 상기 애노드액 용액으로부터 상기 액체 원소 황의 분리는 중량측정, 여과, 및 원심분리로부터 선택된 분리 기술 중 하나 이상을 포함하는 방법.The method of claim 1 , wherein the separation of the liquid elemental sulfur from the anolyte solution comprises one or more of a separation technique selected from gravimetry, filtration, and centrifugation. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 이온 전도성 막은 음이온, 상기 캐소드액 용매, 상기 애노드액 용매, 및 용해된 황에 실질적으로 불투과성인 방법.The method of claim 1 , wherein the alkali ion conductive membrane is substantially impermeable to anions, the catholyte solvent, the anolyte solvent, and dissolved sulfur. 제1항에 있어서, 상기 알칼리 이온 전도성 막은 알칼리 금속 전도성 세라믹 또는 유리 세라믹을 부분적으로 포함하는 방법.The method of claim 1 , wherein the alkali ion conductive membrane partially comprises an alkali metal conductive ceramic or glass ceramic. 청구항 1에 있어서, 상기 알칼리 이온 전도성 막은 고체 MSICON(Metal Super Ion CONducting) 물질을 포함하며, M은 Na 또는 Li인 방법.The method according to claim 1, wherein the alkali ion conductive membrane comprises a solid MSICON (Metal Super Ion CONducting) material, and M is Na or Li. 제1항에 있어서, 상기 애노드액 용매는 N,N-디메틸아닐린, 퀴놀린, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 벤젠, 사이클로헥산, 플루오로벤젠, 트리플루오로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 이소프로판올, 에틸 프로피오날, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 디메틸프로필렌우레아, 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에탄올 및 에틸 아세테이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트로부터 선택된 1 이상의 용매를 포함하는 방법.According to claim 1, wherein the anolyte solvent is N,N-dimethylaniline, quinoline, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, benzene, cyclohexane, fluorobenzene, trifluorobenzene, toluene, xylene, Tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, isopropanol, ethyl propional, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, dimethylpropyleneurea, formamide, methyl formamide, dimethyl formamide, acetamide, methyl acetamide, dimethyl A method comprising at least one solvent selected from acetamide, triethylamine, diethyl acetamide, ethanol and ethyl acetate, propylene carbonate, ethylene carbonate, and diethyl carbonate. 제1항에 있어서, 상기 애노드액 용매는 60-100 체적% 극성 용매 및 0-40 체적% 무극성 용매를 포함하는 방법.The method of claim 1 , wherein the anolyte solvent comprises 60-100% by volume polar solvent and 0-40% by volume apolar solvent. 알칼리 금속 폴리설파이드 및 모노설파이드를 전기화학적으로 산화시키는 방법으로서,
알칼리 이온을 선택적으로 수송하도록 구성된 제 1 알칼리 이온 전도성 막을 포함하는 제 1 전해 전지를 수득하는 단계이며, 상기 막은 제 1 애노드로 구성된 제 1 애노드액 구획 및 제 1 캐소드로 구성된 제 1 캐소드액 구획을 분리하는 것인 단계;
알칼리 금속 모노설파이드, 알칼리 금속 폴리설파이드, 또는 이들의 혼합물, 및 원소 황을 부분적으로 용해시키는 애노드액 용매를 포함하는 제 1 애노드액 용액을 상기 제 1 애노드액 구획으로 도입하는 단계;
상기 제 1 캐소드액 구획으로 제 1 캐소드액을 도입하는 단계이며, 상기 캐소드액은 용융된 알칼리 금속을 포함하는 것인 단계;
전류를 상기 전해 전지에 인가함으로써:
i. 더 높은 수준의 폴리설파이드 및 알칼리 금속 이온을 형성하기 위해 모노설파이드 또는 폴리설파이드를 상기 제 1 애노드액 구획에서 산화시키고;
ii. 상기 알칼리 금속 이온이 상기 제 1 애노드액 구획으로부터 상기 제 1 알칼리 이온 전도성 막을 통해 상기 제 1 캐소드액 구획으로 전달되게 하고;
iii. 원소 알칼리 금속을 형성하기 위해 상기 알칼리 금속 이온을 상기 제 1 캐소드액 구획에서 환원시키는 단계;
애노드액 용액을 상기 제 1 전해 전지로부터, 알칼리 이온을 선택적으로 수송하도록 구성된 제 2 알칼리 이온 전도성 막을 포함하는 제 2 전해 전지로 수송하는 단계이며, 상기 막은 제 2 애노드로 구성된 제 2 애노드액 구획, 및 캐소드 및 제 2 캐소드액으로 구성된 제 2 캐소드액 구획을 분리하는 것인 단계;
전류를 상기 제 2 전해 전지에 인가함으로써:
i. 액체 원소 황 및 알칼리 금속 이온을 형성하기 위해 더 높은 수준의 폴리설파이드를 상기 제 2 애노드액 구획에서 산화시키고;
ii. 상기 알칼리 금속 이온이 상기 제 2 애노드액 구획으로부터 상기 제 2 알칼리 이온 전도성 막을 통해 상기 제 2 캐소드액 구획으로 전달되게 하고;
iii. 액체 원소 알칼리 금속을 형성하기 위해 상기 알칼리 금속 이온을 상기 제 2 캐소드액 구획에서 환원시키는 단계;
액체 원소 황이 상기 제 2 전해 전지 중 상기 애노드액 용액에서 포화되는 것을 허용하는 단계; 및
제 2 액체상을 형성하기 위해 상기 애노드액으로부터 액체 원소 황을 분리하는 단계
를 포함하는 방법.
A method for electrochemically oxidizing alkali metal polysulfides and monosulfides, comprising:
obtaining a first electrolytic cell comprising a first alkali ion conductive membrane configured to selectively transport alkali ions, wherein the membrane comprises a first anolyte compartment composed of a first anode and a first catholyte compartment composed of a first cathode separating;
introducing a first anolyte solution comprising an alkali metal monosulfide, an alkali metal polysulfide, or mixtures thereof, and an anolyte solvent partially dissolving elemental sulfur into the first anolyte compartment;
introducing a first catholyte into the first catholyte compartment, the catholyte comprising molten alkali metal;
By applying a current to the electrolytic cell:
i. oxidizing monosulfide or polysulfide in said first anolyte compartment to form higher levels of polysulfide and alkali metal ions;
ii. causing the alkali metal ions to pass from the first anolyte compartment through the first alkali ion conductive membrane to the first catholyte compartment;
iii. reducing the alkali metal ion in the first catholyte compartment to form elemental alkali metal;
transporting an anolyte solution from the first electrolytic cell to a second electrolytic cell comprising a second alkali ion conductive membrane configured to selectively transport alkali ions, the membrane comprising a second anolyte compartment comprising a second anode; and separating a second catholyte compartment composed of a catholyte and a second catholyte;
By applying a current to the second electrolytic cell:
i. oxidizing higher levels of polysulfide in the second anolyte compartment to form liquid elemental sulfur and alkali metal ions;
ii. causing the alkali metal ions to transfer from the second anolyte compartment through the second alkali ion conductive membrane to the second catholyte compartment;
iii. reducing the alkali metal ions in the second catholyte compartment to form a liquid elemental alkali metal;
allowing liquid elemental sulfur to be saturated in the anolyte solution in the second electrolytic cell; and
separating liquid elemental sulfur from the anolyte to form a second liquid phase;
How to include.
제10항에 있어서, 상기 액체 원소 황은 상기 제 2 전해 전지 내에 있는 침강 구역에서 상기 애노드액으로부터 분리되는 방법.11. The method of claim 10, wherein said liquid elemental sulfur is separated from said anolyte in a settling zone within said second electrolytic cell. 제10항에 있어서, 상기 액체 원소 황은 상기 제 2 전해 전지 외부에 있는 침강 구역에서 상기 애노드액으로부터 분리되는 방법.11. The method of claim 10, wherein said liquid elemental sulfur is separated from said anolyte in a settling zone external to said second electrolytic cell. 제10항에 있어서, 상기 애노드액 용액으로부터 상기 액체 원소 황의 분리는 중량측정, 여과, 및 원심분리로부터 선택된 분리 기술 중 하나 이상을 포함하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the separation of the liquid elemental sulfur from the anolyte solution comprises one or more of a separation technique selected from gravimetry, filtration, and centrifugation. 제10항에 있어서, 상기 제 1 알칼리 이온 전도성 막 및 제 2 알칼리 이온 전도성 막은 음이온, 상기 캐소드액 용매, 상기 애노드액 용매, 및 용해된 황에 실질적으로 불투과성인 방법.11. The method of claim 10, wherein the first alkali ion conductive membrane and the second alkali ion conductive membrane are substantially impermeable to anions, the catholyte solvent, the anolyte solvent, and dissolved sulfur. 제10항에 있어서, 상기 제 1 알칼리 이온 전도성 막 및 제 2 알칼리 이온 전도성 막은 알칼리 금속 전도성 세라믹 또는 유리 세라믹을 부분적으로 포함하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the first alkali ion conductive membrane and the second alkali ion conductive membrane partially comprise an alkali metal conductive ceramic or glass ceramic. 제10항에 있어서, 상기 제 1 알칼리 이온 전도성 막 및 제 2 알칼리 이온 전도성 막은 고체 MSICON(Metal Super Ion CONducting) 물질을 포함하며, M은 Na 또는 Li인 방법.11. The method of claim 10, wherein the first alkali ion conductive membrane and the second alkali ion conductive membrane comprise a solid MSICON (Metal Super Ion CONducting) material, and M is Na or Li. 제10항에 있어서, 상기 애노드액 용매는 N,N-디메틸아닐린, 퀴놀린, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 벤젠, 사이클로헥산, 플루오로벤젠, 트리플루오로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 이소프로판올, 에틸 프로피오날, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 디메틸프로필렌우레아, 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에탄올 및 에틸 아세테이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트로부터 선택된 1 이상의 용매를 포함하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the anolyte solvent is N,N-dimethylaniline, quinoline, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, benzene, cyclohexane, fluorobenzene, trifluorobenzene, toluene, xylene, Tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, isopropanol, ethyl propional, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, dimethylpropyleneurea, formamide, methyl formamide, dimethyl formamide, acetamide, methyl acetamide, dimethyl A method comprising at least one solvent selected from acetamide, triethylamine, diethyl acetamide, ethanol and ethyl acetate, propylene carbonate, ethylene carbonate, and diethyl carbonate. 제10항에 있어서, 상기 애노드액 용매는 60-100 체적% 극성 용매 및 0-40 체적% 무극성 용매를 포함하는 방법.11. The method of claim 10, wherein the anolyte solvent comprises 60-100 volume % polar solvent and 0-40 volume % apolar solvent. 알칼리 금속 모노설파이드 또는 알칼리 금속 폴리설파이드를 산화시키는 전해 전지로서,
애노드로 구성되고; 알칼리 금속 모노설파이드, 알칼리 금속 폴리설파이드, 또는 이들의 혼합물, 및 원소 황을 부분적으로 용해시키는 애노드액 용매를 포함하는 애노드액 용액을 함유하며; 애노드액 용액 유입구 및 애노드액 용액 유출구를 더 포함하는 애노드액 구획;
캐소드로 구성되고; 용융된 알칼리 금속을 포함하는 캐소드액을 함유하며; 캐소드액 유출구를 더 포함하는 캐소드액 구획;
알칼리 이온을 선택적으로 수송하도록 구성되며; 음이온, 상기 애노드액 용매, 및 용해된 황에 실질적으로 불투과성인 알칼리 이온 전도성 막;
상기 애노드 및 상기 캐소드에 전기적으로 커플링되는 것이며,
액체 원소 황 및 알칼리 금속 이온을 형성하기 위해 알칼리 금속 모노설파이드 또는 폴리설파이드를 상기 애노드액 구획에서 산화시키고;
상기 알칼리 금속 이온이 상기 애노드액 구획으로부터 상기 알칼리 이온 전도성 막을 통해 상기 캐소드액 구획으로 전달되게 하고;
액체 원소 알칼리 금속을 형성하기 위해 상기 알칼리 금속 이온을 상기 캐소드액 구획에서 환원시키도록 구성된, 전기 포텐셜의 공급원; 및
상기 액체 원소 황이 제 2 액체상을 형성하고 상기 애노드액 용액으로부터 분리되는 원소 황 침강 구역; 및
상기 애노드액 용액 유출구보다 낮은 위치에 배치된 상기 전해 전지로부터 액체 원소 황의 제거를 위한 황 유출구
를 포함하는 전해 전지.
An electrolytic cell for oxidizing alkali metal monosulfide or alkali metal polysulfide, comprising:
composed of an anode; an anolyte solution comprising an alkali metal monosulfide, an alkali metal polysulfide, or mixtures thereof, and an anolyte solvent that partially dissolves elemental sulfur; an anolyte compartment further comprising an anolyte solution inlet and an anolyte solution outlet;
composed of a cathode; contains a catholyte comprising molten alkali metal; a catholyte compartment further comprising a catholyte outlet;
configured to selectively transport alkali ions; an alkali ion conductive membrane substantially impermeable to anions, the anolyte solvent, and dissolved sulfur;
is electrically coupled to the anode and the cathode,
oxidizing alkali metal monosulfide or polysulfide in said anolyte compartment to form liquid elemental sulfur and alkali metal ions;
causing the alkali metal ions to pass from the anolyte compartment through the alkali ion conductive membrane to the catholyte compartment;
a source of electrical potential configured to reduce the alkali metal ion in the catholyte compartment to form a liquid elemental alkali metal; and
an elemental sulfur precipitation zone in which the liquid elemental sulfur forms a second liquid phase and is separated from the anolyte solution; and
a sulfur outlet for removal of liquid elemental sulfur from the electrolytic cell disposed at a position lower than the anolyte solution outlet
An electrolytic cell comprising a.
제19항에 있어서, 상기 알칼리 이온 전도성 막은 알칼리 금속 전도성 세라믹 또는 유리 세라믹을 부분적으로 포함하는 전해 전지.20. The electrolytic cell of claim 19, wherein the alkali ion conductive membrane partially comprises an alkali metal conductive ceramic or glass ceramic. 제19항에 있어서, 상기 알칼리 이온 전도성 막은 고체 MSICON(Metal Super Ion CONducting) 물질을 포함하며, M은 Na 또는 Li인 전해 전지.20. The electrolytic cell of claim 19, wherein the alkali ion conductive membrane comprises a solid MSICON (Metal Super Ion CONducting) material, and M is Na or Li. 제19항에 있어서, 상기 애노드액 용매는 N,N-디메틸아닐린, 퀴놀린, 테트라하이드로푸란, 2-메틸 테트라하이드로푸란, 벤젠, 사이클로헥산, 플루오로벤젠, 트리플루오로벤젠, 톨루엔, 자일렌, 테트라에틸렌 글리콜 디메틸 에테르(테트라글라임), 디글라임, 이소프로판올, 에틸 프로피오날, 디메틸 카보네이트, 디메톡시 에테르, 디메틸프로필렌우레아, 포름아미드, 메틸 포름아미드, 디메틸 포름아미드, 아세트아미드, 메틸 아세트아미드, 디메틸 아세트아미드, 트리에틸아민, 디에틸 아세트아미드, 에탄올 및 에틸 아세테이트, 프로필렌 카보네이트, 에틸렌 카보네이트, 및 디에틸 카보네이트로부터 선택된 1 이상의 용매를 포함하는 전해 전지.20. The method of claim 19, wherein the anolyte solvent is N,N-dimethylaniline, quinoline, tetrahydrofuran, 2-methyl tetrahydrofuran, benzene, cyclohexane, fluorobenzene, trifluorobenzene, toluene, xylene, Tetraethylene glycol dimethyl ether (tetraglyme), diglyme, isopropanol, ethyl propional, dimethyl carbonate, dimethoxy ether, dimethylpropyleneurea, formamide, methyl formamide, dimethyl formamide, acetamide, methyl acetamide, dimethyl An electrolytic cell comprising at least one solvent selected from acetamide, triethylamine, diethyl acetamide, ethanol and ethyl acetate, propylene carbonate, ethylene carbonate, and diethyl carbonate. 제19항에 있어서, 상기 애노드액 용매는 60-100 체적% 극성 용매 및 0-40 체적% 무극성 용매를 포함하는 전해 전지.20. The electrolytic cell of claim 19, wherein the anolyte solvent comprises 60-100 volume % polar solvent and 0-40 volume % non-polar solvent. 제19항에 따른 제 1 전해 전지 및 제19항에 따른 제 2 전해 전지를 포함하는 복수의 커플링된 전해 전지이며, 여기서 상기 제 2 전해 전지의 애노드액 용액 유입구는 제 1 전해 전지의 애노드액 용액 유출구에 연결되는 것인 복수의 커플링된 전해 전지.A plurality of coupled electrolytic cells comprising a first electrolytic cell according to claim 19 and a second electrolytic cell according to claim 19, wherein the anolyte solution inlet of the second electrolytic cell is the anolyte of the first electrolytic cell a plurality of coupled electrolytic cells connected to the solution outlet. 제19항에 따른 제 1 전해 전지, 제19항에 따른 제 2 전해 전지, 제19항에 따른 제 3 전해 전지, 및 제19항에 따른 제 4 전해 전지를 포함하는 복수의 커플링된 전해 전지이며, 여기서 상기 제 4 전해 전지의 애노드액 용액 유입구는 제 3 전해 전지의 애노드액 용액 유출구에 연결되고, 제 3 전해 전지의 애노드액 용액 유입구는 제 2 전해 전지의 애노드액 용액 유출구에 연결되고, 제 2 전해 전지의 애노드액 용액 유입구는 제 1 전해 전지의 애노드액 용액 유출구에 연결되는 것인 복수의 커플링된 전해 전지.A plurality of coupled electrolytic cells comprising a first electrolytic cell according to claim 19 , a second electrolytic cell according to claim 19 , a third electrolytic cell according to claim 19 , and a fourth electrolytic cell according to claim 19 . wherein the anolyte solution inlet of the fourth electrolytic cell is connected to the anolyte solution outlet of the third electrolytic cell, and the anolyte solution inlet of the third electrolytic cell is connected to the anolyte solution outlet of the second electrolytic cell, and the anolyte solution inlet of the second electrolytic cell is connected to the anolyte solution outlet of the first electrolytic cell.
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