KR20240023533A - 알칼리 금속 알콕사이드의 제조를 위한 3-챔버 전해 셀 - Google Patents
알칼리 금속 알콕사이드의 제조를 위한 3-챔버 전해 셀 Download PDFInfo
- Publication number
- KR20240023533A KR20240023533A KR1020237045183A KR20237045183A KR20240023533A KR 20240023533 A KR20240023533 A KR 20240023533A KR 1020237045183 A KR1020237045183 A KR 1020237045183A KR 20237045183 A KR20237045183 A KR 20237045183A KR 20240023533 A KR20240023533 A KR 20240023533A
- Authority
- KR
- South Korea
- Prior art keywords
- chamber
- solution
- intermediate chamber
- electrolysis cell
- alkali metal
- Prior art date
Links
- -1 alkali metal alkoxides Chemical class 0.000 title claims abstract description 38
- 229910052783 alkali metal Inorganic materials 0.000 title claims abstract description 31
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 title claims description 7
- 238000005868 electrolysis reaction Methods 0.000 claims abstract description 95
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims abstract description 69
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 63
- 239000003792 electrolyte Substances 0.000 claims abstract description 55
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 claims abstract description 45
- 230000004888 barrier function Effects 0.000 claims abstract description 29
- 150000001768 cations Chemical class 0.000 claims abstract description 22
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 25
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 18
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 18
- 239000007788 liquid Substances 0.000 claims description 16
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 15
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 claims description 14
- 239000011521 glass Substances 0.000 claims description 13
- 150000004820 halides Chemical class 0.000 claims description 11
- 238000012856 packing Methods 0.000 claims description 9
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 9
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- 150000001340 alkali metals Chemical class 0.000 claims description 7
- 229920003023 plastic Polymers 0.000 claims description 7
- 239000004033 plastic Substances 0.000 claims description 7
- 229910001413 alkali metal ion Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 125000004432 carbon atom Chemical group C* 0.000 claims description 4
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 4
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 claims description 4
- 230000003647 oxidation Effects 0.000 claims description 4
- 238000007254 oxidation reaction Methods 0.000 claims description 4
- 239000005060 rubber Substances 0.000 claims description 4
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M Bicarbonate Chemical compound OC([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-M 0.000 claims description 3
- BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L Carbonate Chemical compound [O-]C([O-])=O BVKZGUZCCUSVTD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 229910002651 NO3 Inorganic materials 0.000 claims description 3
- NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N Nitrate Chemical compound [O-][N+]([O-])=O NHNBFGGVMKEFGY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L Sulfate Chemical compound [O-]S([O-])(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-L 0.000 claims description 3
- 125000001495 ethyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 claims description 3
- 229910052744 lithium Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000012360 testing method Methods 0.000 claims description 3
- 229910004283 SiO 4 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N Sulfurous acid Chemical compound OS(O)=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 12
- 230000006378 damage Effects 0.000 abstract description 5
- 239000008151 electrolyte solution Substances 0.000 abstract description 2
- 239000012528 membrane Substances 0.000 description 32
- PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N Nickel Chemical compound [Ni] PXHVJJICTQNCMI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 18
- 150000002500 ions Chemical class 0.000 description 18
- 239000002585 base Substances 0.000 description 14
- 239000011734 sodium Substances 0.000 description 13
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 12
- WQDUMFSSJAZKTM-UHFFFAOYSA-N Sodium methoxide Chemical compound [Na+].[O-]C WQDUMFSSJAZKTM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 12
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 11
- 239000010936 titanium Substances 0.000 description 10
- 239000000460 chlorine Substances 0.000 description 9
- 230000005484 gravity Effects 0.000 description 9
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 description 9
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 150000004703 alkoxides Chemical class 0.000 description 8
- 150000001450 anions Chemical class 0.000 description 8
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 7
- 229910052759 nickel Inorganic materials 0.000 description 7
- OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N Methanol Chemical compound OC OKKJLVBELUTLKV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 229910052708 sodium Inorganic materials 0.000 description 6
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 6
- ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N Chlorine atom Chemical compound [Cl] ZAMOUSCENKQFHK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 5
- 239000002253 acid Substances 0.000 description 5
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 5
- 229910052801 chlorine Inorganic materials 0.000 description 5
- 150000001805 chlorine compounds Chemical class 0.000 description 5
- 230000007797 corrosion Effects 0.000 description 5
- 238000005260 corrosion Methods 0.000 description 5
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 description 5
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 5
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 5
- 229910001251 solid state electrolyte alloy Inorganic materials 0.000 description 5
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 5
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Substances O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N Palladium Chemical compound [Pd] KDLHZDBZIXYQEI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000002378 acidificating effect Effects 0.000 description 4
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000011651 chromium Substances 0.000 description 4
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 4
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 4
- 150000002739 metals Chemical class 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 4
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 4
- BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N platinum Chemical compound [Pt] BASFCYQUMIYNBI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 229920000915 polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 4
- 239000004800 polyvinyl chloride Substances 0.000 description 4
- 229910001415 sodium ion Inorganic materials 0.000 description 4
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M Chloride anion Chemical compound [Cl-] VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N Chromium Chemical compound [Cr] VYZAMTAEIAYCRO-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N Glycerine Chemical compound OCC(O)CO PEDCQBHIVMGVHV-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N Molybdenum Chemical compound [Mo] ZOKXTWBITQBERF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 229920000557 Nafion® Polymers 0.000 description 3
- 239000004743 Polypropylene Substances 0.000 description 3
- HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M Sodium hydroxide Chemical compound [OH-].[Na+] HEMHJVSKTPXQMS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 3
- 229910000831 Steel Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000011324 bead Substances 0.000 description 3
- 229920000457 chlorinated polyvinyl chloride Polymers 0.000 description 3
- 229910052804 chromium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 3
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 239000011733 molybdenum Substances 0.000 description 3
- 229910052750 molybdenum Inorganic materials 0.000 description 3
- 229920001155 polypropylene Polymers 0.000 description 3
- 229910052700 potassium Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000010959 steel Substances 0.000 description 3
- CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M Bromide Chemical compound [Br-] CPELXLSAUQHCOX-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N Carbon dioxide Chemical compound O=C=O CURLTUGMZLYLDI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M Fluoride anion Chemical compound [F-] KRHYYFGTRYWZRS-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M Ilexoside XXIX Chemical compound C[C@@H]1CC[C@@]2(CC[C@@]3(C(=CC[C@H]4[C@]3(CC[C@@H]5[C@@]4(CC[C@@H](C5(C)C)OS(=O)(=O)[O-])C)C)[C@@H]2[C@]1(C)O)C)C(=O)O[C@H]6[C@@H]([C@H]([C@@H]([C@H](O6)CO)O)O)O.[Na+] DGAQECJNVWCQMB-PUAWFVPOSA-M 0.000 description 2
- 239000002228 NASICON Substances 0.000 description 2
- 241000047703 Nonion Species 0.000 description 2
- 239000004693 Polybenzimidazole Substances 0.000 description 2
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 2
- ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N Potassium Chemical compound [K] ZLMJMSJWJFRBEC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000005708 Sodium hypochlorite Substances 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000000956 alloy Substances 0.000 description 2
- 239000003011 anion exchange membrane Substances 0.000 description 2
- 239000007853 buffer solution Substances 0.000 description 2
- 229910017052 cobalt Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000010941 cobalt Substances 0.000 description 2
- GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N cobalt atom Chemical compound [Co] GUTLYIVDDKVIGB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N dioxoiridium Chemical compound O=[Ir]=O HTXDPTMKBJXEOW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 2
- 229910052736 halogen Inorganic materials 0.000 description 2
- 150000002367 halogens Chemical class 0.000 description 2
- XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N hydrogen iodide Chemical compound I XMBWDFGMSWQBCA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N hypochlorous acid Chemical compound ClO QWPPOHNGKGFGJK-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 229910000457 iridium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920000620 organic polymer Polymers 0.000 description 2
- 229910052763 palladium Inorganic materials 0.000 description 2
- 229910052697 platinum Inorganic materials 0.000 description 2
- 229920001643 poly(ether ketone) Polymers 0.000 description 2
- 229920002480 polybenzimidazole Polymers 0.000 description 2
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 2
- 239000011591 potassium Substances 0.000 description 2
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 description 2
- 229910001925 ruthenium oxide Inorganic materials 0.000 description 2
- WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N ruthenium(iv) oxide Chemical compound O=[Ru]=O WOCIAKWEIIZHES-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N sodium hypochlorite Chemical compound [Na+].Cl[O-] SUKJFIGYRHOWBL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 description 2
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 description 2
- LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-L sulfite Chemical compound [O-]S([O-])=O LSNNMFCWUKXFEE-UHFFFAOYSA-L 0.000 description 2
- 229920003934 Aciplex® Polymers 0.000 description 1
- 229910000851 Alloy steel Inorganic materials 0.000 description 1
- QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N B#[Ti]#B Chemical compound B#[Ti]#B QYEXBYZXHDUPRC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 239000004801 Chlorinated PVC Substances 0.000 description 1
- KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N Chlorine Chemical compound ClCl KZBUYRJDOAKODT-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000531 Co alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229920003935 Flemion® Polymers 0.000 description 1
- WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N Lithium Chemical compound [Li] WHXSMMKQMYFTQS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910000990 Ni alloy Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 description 1
- 229920001153 Polydicyclopentadiene Polymers 0.000 description 1
- FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N Sodium cation Chemical compound [Na+] FKNQFGJONOIPTF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910033181 TiB2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910010413 TiO 2 Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000001476 alcoholic effect Effects 0.000 description 1
- 150000001339 alkali metal compounds Chemical class 0.000 description 1
- 150000008044 alkali metal hydroxides Chemical class 0.000 description 1
- 125000000217 alkyl group Chemical group 0.000 description 1
- QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O ammonium group Chemical group [NH4+] QGZKDVFQNNGYKY-UHFFFAOYSA-O 0.000 description 1
- 239000010405 anode material Substances 0.000 description 1
- 238000013459 approach Methods 0.000 description 1
- 239000011260 aqueous acid Substances 0.000 description 1
- 239000003225 biodiesel Substances 0.000 description 1
- 239000012267 brine Substances 0.000 description 1
- 239000000872 buffer Substances 0.000 description 1
- 239000001569 carbon dioxide Substances 0.000 description 1
- 229910002092 carbon dioxide Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005341 cation exchange Methods 0.000 description 1
- 125000002091 cationic group Chemical group 0.000 description 1
- 150000003841 chloride salts Chemical class 0.000 description 1
- 150000001875 compounds Chemical class 0.000 description 1
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010949 copper Substances 0.000 description 1
- 238000000354 decomposition reaction Methods 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- QLTKZXWDJGMCAR-UHFFFAOYSA-N dioxido(dioxo)tungsten;nickel(2+) Chemical compound [Ni+2].[O-][W]([O-])(=O)=O QLTKZXWDJGMCAR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- DGXKDBWJDQHNCI-UHFFFAOYSA-N dioxido(oxo)titanium nickel(2+) Chemical compound [Ni++].[O-][Ti]([O-])=O DGXKDBWJDQHNCI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000007323 disproportionation reaction Methods 0.000 description 1
- 238000000909 electrodialysis Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- XUCNUKMRBVNAPB-UHFFFAOYSA-N fluoroethene Chemical group FC=C XUCNUKMRBVNAPB-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 229910002804 graphite Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010439 graphite Substances 0.000 description 1
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M hydroxide Chemical compound [OH-] XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 125000001449 isopropyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])(*)C([H])([H])[H] 0.000 description 1
- 229910000833 kovar Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000011133 lead Substances 0.000 description 1
- 230000007774 longterm Effects 0.000 description 1
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 description 1
- NBTOZLQBSIZIKS-UHFFFAOYSA-N methoxide Chemical compound [O-]C NBTOZLQBSIZIKS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000013508 migration Methods 0.000 description 1
- 230000005012 migration Effects 0.000 description 1
- 125000004123 n-propyl group Chemical group [H]C([H])([H])C([H])([H])C([H])([H])* 0.000 description 1
- 229910000510 noble metal Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 1
- 230000000149 penetrating effect Effects 0.000 description 1
- 229920000636 poly(norbornene) polymer Polymers 0.000 description 1
- 238000000746 purification Methods 0.000 description 1
- 239000000376 reactant Substances 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 239000012266 salt solution Substances 0.000 description 1
- 238000009958 sewing Methods 0.000 description 1
- QDRKDTQENPPHOJ-UHFFFAOYSA-N sodium ethoxide Chemical compound [Na+].CC[O-] QDRKDTQENPPHOJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M sodium;chloride;hydrate Chemical compound O.[Na+].[Cl-] HPALAKNZSZLMCH-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 1
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 1
- 239000007784 solid electrolyte Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 125000000542 sulfonic acid group Chemical group 0.000 description 1
- 239000004753 textile Substances 0.000 description 1
- 229920001187 thermosetting polymer Polymers 0.000 description 1
- XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J titanium tetrachloride Chemical compound Cl[Ti](Cl)(Cl)Cl XJDNKRIXUMDJCW-UHFFFAOYSA-J 0.000 description 1
- 150000003626 triacylglycerols Chemical class 0.000 description 1
- UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N tungsten carbide Chemical compound [W+]#[C-] UONOETXJSWQNOL-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/13—Single electrolytic cells with circulation of an electrolyte
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B13/00—Diaphragms; Spacing elements
- C25B13/04—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material
- C25B13/05—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials
- C25B13/07—Diaphragms; Spacing elements characterised by the material based on inorganic materials based on ceramics
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/01—Products
- C25B3/07—Oxygen containing compounds
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B3/00—Electrolytic production of organic compounds
- C25B3/20—Processes
-
- C—CHEMISTRY; METALLURGY
- C25—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES; APPARATUS THEREFOR
- C25B—ELECTROLYTIC OR ELECTROPHORETIC PROCESSES FOR THE PRODUCTION OF COMPOUNDS OR NON-METALS; APPARATUS THEREFOR
- C25B9/00—Cells or assemblies of cells; Constructional parts of cells; Assemblies of constructional parts, e.g. electrode-diaphragm assemblies; Process-related cell features
- C25B9/17—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof
- C25B9/19—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms
- C25B9/21—Cells comprising dimensionally-stable non-movable electrodes; Assemblies of constructional parts thereof with diaphragms two or more diaphragms
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Organic Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical Kinetics & Catalysis (AREA)
- Electrochemistry (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Metallurgy (AREA)
- Ceramic Engineering (AREA)
- Inorganic Chemistry (AREA)
- Electrolytic Production Of Non-Metals, Compounds, Apparatuses Therefor (AREA)
Abstract
본 발명은, 제 1 양태에서, 3개의 챔버를 갖는 전기분해 셀에 관한 것으로, 중간 챔버는 양이온, 예를 들어 NaSICON 에 투과성인 고체-상태 전해질에 의해 캐소드 챔버로부터, 그리고 확산 배리어에 의해 애노드 챔버로부터 분리된다. 본 발명은 중간 챔버가 내부구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기분해 셀은, 국부적으로 pH 가 낮아져 고체-상태 전해질에 대한 손상으로 이어지는, 전기분해 동안 전기분해 셀의 중간 챔버에서 농도 구배가 형성되는 문제를 해결한다. 내부구조물은 전해질 용액이 전기분해 동안 중간 챔버를 통해 흐를 때 전해질 용액의 와류를 초래하며, 이는 pH 구배의 형성을 방지한다.
제 2 양태에서, 본 발명은 본 발명에 따른 전기분해 셀에서 알칼리 금속 알콕사이드 용액을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
본 발명에 따른 전기분해 셀은, 국부적으로 pH 가 낮아져 고체-상태 전해질에 대한 손상으로 이어지는, 전기분해 동안 전기분해 셀의 중간 챔버에서 농도 구배가 형성되는 문제를 해결한다. 내부구조물은 전해질 용액이 전기분해 동안 중간 챔버를 통해 흐를 때 전해질 용액의 와류를 초래하며, 이는 pH 구배의 형성을 방지한다.
제 2 양태에서, 본 발명은 본 발명에 따른 전기분해 셀에서 알칼리 금속 알콕사이드 용액을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
Description
본 발명은, 제 1 양태에서, 3개의 챔버를 갖는 전기분해 셀에 관한 것으로, 중간 챔버는 양이온, 예를 들어 NaSICON 에 투과성인 고체-상태 전해질에 의해 캐소드 챔버로부터, 그리고 확산 배리어에 의해 애노드 챔버로부터 분리된다. 본 발명은 중간 챔버가 내부구조물을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 따른 전기분해 셀은, 국부적으로 pH 가 낮아져 고체-상태 전해질에 대한 손상으로 이어지는, 전기분해 동안 전기분해 셀의 중간 챔버에서 농도 구배가 형성되는 문제를 해결한다. 내부구조물은 전해질 용액이 전기분해 동안 중간 챔버를 통해 흐를 때 전해질 용액의 와류를 초래하며, 이는 pH 구배의 형성을 방지한다.
제 2 양태에서, 본 발명은 본 발명에 따른 전기분해 셀에서 알칼리 금속 알콕사이드 용액을 제조하기 위한 방법에 관한 것이다.
1. 배경기술
알칼리 금속 알콕사이드 용액의 전기화학적 제조는 예를 들어 DE 103 60 758 A1, US 2006/0226022 A1 및 WO 2005/059205 A1 에 기재되어 있는 중요한 산업적 공정이다. 이들 공정의 원리는 알칼리 금속염, 예를 들어 염화나트륨 또는 NaOH 의 용액이 애노드 챔버에 존재하고, 해당 알코올 또는 해당 알칼리 금속 알콕사이드의 낮은 농도를 갖는 알코올성 용액, 예를 들어 나트륨 메톡사이드 또는 나트륨 에톡사이드가 캐소드 챔버에 존재하는 전기분해 셀에 반영된다. 캐소드 챔버 및 애노드 챔버는 사용된 알칼리 금속 이온을 전도하는 세라믹, 예를 들어 NaSICON 또는 칼륨 또는 리튬에 대한 유사체에 의해 분리된다. 전류의 인가시, 염소는 애노드에서 - 알칼리 금속의 염화물 염이 사용될 때 - 형성되고, 수소와 알콕사이드 이온은 캐소드에서 형성된다. 알칼리 금속 이온이 중간 챔버로부터 캐소드 챔버로 그에 대해 선택적인 세라믹을 통해 이동한다는 점에서 전하는 균형을 이룬다. 중간 챔버와 애노드 챔버 사이의 전하 균형은 양이온 교환 멤브레인이 사용될 때 양이온의 이동 또는 음이온 교환 멤브레인이 사용될 때 음이온의 이동, 또는 비-특정 확산 배리어가 사용될 때 양자의 이온 타입들의 이동으로부터 발생한다. 이는 애노드 챔버에서 알칼리 금속 알콕사이드의 농도를 증가시키며, 애노드액에서의 나트륨 이온의 농도는 저하된다.
NaSICON 고체-상태 전해질은 또한 다른 화합물의 전기화학적 제조에 사용된다:
WO 2014/008410 A1 은 원소 티타늄 또는 희토류를 제조하기 위한 전해 공정을 기재한다. 이 공정의 기초는 염화티타늄이 TiO2 및 대응하는 산으로부터 형성되고, 이는 나트륨 알콕사이드와 반응되어 티타늄 알콕사이드 및 NaCl 을 제공하고, 최종적으로 원소 티타늄 및 나트륨 알콕사이드에 전해적으로 변환된다는 것이다.
WO 2007/082092 A2 및 WO 2009/059315 A1 은 바이오디젤을 제조하기 위한 방법을 기재하고 있으며, 여기서 NaSICON 에 의해 전해적으로 제조된 알콕사이드의 도움으로, 트리글리세라이드가 먼저 상응하는 알칼리 금속 트리글리세라이드로 변환되고 제 2 단계에서 전해적으로 생성된 양성자와 반응하여 글리세롤 및 개개의 알칼리 금속 수산화물을 제공한다.
따라서, 선행 기술은 이온 투과성 층, 예를 들어 NaSICON 고체-상태 전해질을 갖는 전기분해 셀에서 수행되는 공정을 기재한다. 그러나, 이러한 고체-상태 전해질은 통상적으로 수성 산에 대한 장기간 안정성이 부족하다는 단점을 갖는다. 이는 애노드 챔버에서 전기분해 동안, 산화 공정 (예를 들어, 불균형화(disproportionation) 또는 산소 형성에 의한 할로겐 생성의 경우) 의 결과로서 pH 가 떨어진다는 점에서 문제가 있다. 이러한 산성 조건은 공정이 산업적 규모로 사용될 수 없을 정도로 NaSICON 고체-상태 전해질을 공격한다. 이러한 문제에 대응하기 위해, 선행 기술에서는 다양한 접근법이 설명되었다.
예를 들어, 3-챔버 셀이 선행 기술에서 제안되었다. 이들은 전기투석 분야에서 알려져 있으며, 예를 들어 US 6,221,225 B1 이다.
WO 2012/048032 A2 및 US 2010/0044242 A1 은, 예를 들어, 이러한 3-챔버 셀에서 차아염소산나트륨 및 유사한 염소 화합물을 제조하기 위한 전기화학적 공정을 기재하고 있다. 셀의 캐소드 챔버 및 중간 챔버는 여기서 양이온에 투과성인 고체-상태 전해질, 예를 들어 NaSICON 에 의해 분리된다. 이를 산성 애노드액으로부터 보호하기 위해, 중간 챔버에는, 예를 들어 캐소드 챔버로부터의 용액이 공급된다. US 2010/0044242 A1 은 또한 도 6 에서, 차아염소산나트륨을 획득하기 위해 중간 챔버로부터의 용액과 챔버 외부의 애노드 챔버로부터의 용액을 혼합하는 가능성을 기재하고 있다.
이러한 셀은 또한 알칼리 금속 알콕사이드의 제조 또는 정제를 위해 선행 기술에서 제안되었다.
예를 들어, US 5,389,211 A 은 챔버들이 양이온-선택적 고체-상태 전해질 또는 다른 비이온성 분할 벽에 의해 서로 구분되는, 3-챔버 셀이 사용되는 알콕사이드 용액을 정제하기 위한 공정을 기재한다. 중간 챔버는 캐소드 챔버로부터의 정제된 알콕사이드 또는 하이드록사이드 용액이 애노드 챔버로부터의 오염 용액과 혼합되는 것을 방지하기 위해 버퍼 챔버로서 사용된다.
DE 42 33 191 A1 은 다중 챔버 셀 및 다중 셀의 스택에서 염 및 알콕사이드로부터의 알콕사이드의 전해 회수를 기재한다.
WO 2008/076327 A1 은 알칼리 금속 알콕사이드를 제조하기 위한 방법을 기재하고 있다. 이는 3-챔버 셀을 사용하며, 그 중간 챔버는 알칼리 금속 알콕사이드로 채워졌다 (예를 들어, WO 2008/076327 A1 의 단락 [0008] 및 [0067] 참조). 이는 전기분해 과정에서 더욱 산성이 되는, 애노드 챔버에 존재하는 용액으로부터 중간 챔버와 캐도드 챔버를 분리하는 고체-상태 전해질을 보호한다. 유사한 배열이 WO 2009/073062 A1 에 기재되어 있다. 그러나, 이러한 배열은 알칼리 금속 알콕사이드 용액이 원하는 생성물이지만, 이는 버퍼 용액으로서 소모되고 지속적으로 오염된다는 단점이 있다. WO 2008/076327 A1 에 기재된 공정의 추가 단점은 캐소드 챔버에서 알콕사이드의 형성이 2개의 멤브레인 또는 고체-상태 전해질을 통한 알칼리 금속 이온의 확산 레이트에 의존한다는 것이다. 이는 결국 알콕사이드의 형성을 늦추게 된다.
추가적인 문제는 3-챔버 셀의 지오메트리로부터 유발된다. 이러한 챔버에서의 중간 챔버는 확산 배리어에 의해 애노드 챔버로부터 그리고 이온-전도성 세라믹에 의해 캐소드 챔버로부터 분리된다. 전기분해 동안, 이는 불가피하게 pH 구배의 발생 및 무용 부피(dead volume)를 초래한다. 이는 이온-전도성 세라믹을 손상시킬 수 있고, 결과적으로 전기분해의 전압 요구를 증가시키고 및/또는 세라믹의 파단으로 이어질 수 있다.
이러한 효과는 전기분해 챔버 전체에 걸쳐 발생하지만, pH 의 드롭은 이온-전도성 세라믹에 의해 바운드되기 때문에 특히 중간 챔버에서 중요하다. 가스는 통상적으로 애노드 및 캐소드에서 형성되어, 이들 챔버들에서 적어도 어느 정도의 혼합이 있다. 대조적으로, 중간 챔버에서는 이러한 혼합이 발생하지 않아서, 그 안에서 pH 구배가 생긴다. 이러한 원치 않는 효과는 염수(brine)가 일반적으로 전기분해 셀을 통해 상대적으로 느리게 펌핑된다는 사실에 의해 강화된다.
따라서, 본 발명의 목적은 알칼리 금속 알콕사이드의 전해 제조를 위한 개선된 공정, 및 또한 이러한 공정에 특히 적합한 전기분해 챔버를 제공하는 것이다. 이들은 위에 언급된 단점들을 갖지 않으며, 특히 pH 구배의 형성 이전에 고체-상태 전해질의 개선된 보호 및 선행 기술에 비해 반응물의 더 적은 사용을 보장할 것이다.
2. 발명의 간단한 설명
놀랍게도, 이제 발견된 것은 본 발명에 의해 다루어진 문제를 해결하는 전기분해 셀 및 공정이다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 전기분해 셀 E <100> 은 적어도 하나의 애노드 챔버 KA <101>, 적어도 하나의 캐소드 챔버 KK <102> 및 적어도 하나의 개재된 중간 챔버 KM <103> 을 포함하고,
KA <101> 은 애노드 전극 EA <104> 및 유출구 AKA <106> 를 포함하고,
KK <102> 은 캐소드 전극 EK <105>, 유입구 ZKK <107> 및 유출구 AKK <109> 를 포함하고,
KM <103> 은 유입구 ZKM <108> 를 포함하고, 확산 배리어 D <110> 에 의해 KA <101> 로부터 분할되고 알칼리 금속 양이온-전도성 고체-상태 전해질 FK <111> 에 의해 KK <102> 로부터 분할되고,
KM <103> 및 KA <101> 은 액체가 KM <103> 으로부터 KA <101> 로 라우팅될 수 있는 커넥션 VAM <112> 에 의해 서로 연결되고,
중간 챔버 KM <103> 가 내부구조물 <120> 를 포함하는 것을 특징으로 하고,
내부구조물 <120> 은 중간 챔버 KM <103> 을 통해 흐르는 전해질 L3 <114> 에서 난류 및 와류를 유도하도록 구성된다.
제 2 양태에서, 본 발명은 본 발명의 제 1 양태에 따른 전기분해 셀 E <100> 에서 알코올 ROH 중 알칼리 금속 알콕사이드 XOR 의 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법에 관한 것으로,
방법은 동시에 진행하는 다음의 단계들 (a), (b) 및 (c):
(a) 알코올 ROH 을 포함하는 용액 L2 <113> 이 KK <102> 를 통해 라우팅되는 단계,
(b) 양이온으로서 X 를 포함하는 염 S 의 중성 또는 알칼리성, 수용액 L3 <114> 은 KM 을 통해, 그 후 VAM 을 경유하여, 그 후 KA <101> 을 통해 라우팅되는 단계,
(c) EA <104> 와 EK <105> 사이에 전압이 인가되는 단계를 포함하고,
L2 <113> 에서보다 L1 <115> 에서 더 높은 XOR 의 농도로, 유출구 AKK <109> 에서 용액 L1 <115> 을 제공하며,
L3 <114> 에서보다 L4 <116> 에서 더 낮은 S 의 농도로, 유출구 AKA <106> 에서 S 의 수용액 L4 <116> 을 제공하고,
X 는 알칼리 금속 양이온이고 R 은 1 내지 4 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 라디칼이다.
3. 도면
도 1 은 본 발명에 따른 전기분해 셀 <100> 및 본 발명에 따른 공정의 바람직한 실시형태를 나타낸다. 3-챔버 셀 E <100> 은 캐소드 챔버 KK <102>, 애노드 챔버 KA <101> 및 개재된 중간 챔버 KM <103> 를 포함한다.
캐소드 챔버 KK <102> 는 캐소드 전극 EK <105>, 유입구 ZKK <107> 및 유출구 AKK <109> 를 포함한다.
애노드 챔버 KA <101> 는 애노드 전극 EA <104> 및 유출구 AKA <106> 를 포함하고 커넥션 VAM <112> 을 통해 중간 챔버 KM <103> 에 연결된다.
중간 챔버 KM <103> 는 유입구 ZKM <108> 를 포함한다.
3개의 챔버는 3-챔버 셀 E <100> 의 외벽 <117> 에 의해 바운드된다. 캐소드 챔버 KK <102> 는 또한 나트륨 이온에 선택적으로 투과성인 NaSICON 고체-상태 전해질 FK <111> 에 의해 중간 챔버 KM <103> 로부터 분리된다. 중간 챔버 KM <103> 는 부가적으로 확산 배리어 D <110> 에 의해 애노드 챔버 KA <101> 로부터 결국 분리된다. NaSICON 고체-상태 전해질 FK <111> 및 확산 배리어 D <110> 은 3-챔버 셀 E <100> 의 전체 깊이 및 높이에 걸쳐 확장된다. 확산 배리어 D <110> 은 유리로 만들어진다.
도 1 에 따른 실시형태에서, 커넥션 VAM <112> 은 전기분해 셀 E <100> 외부에, 특히 튜브 또는 호스에 의해 형성되고, 그 재료는 고무, 금속 및 플라스틱으로부터 선택될 수도 있다. 커넥션 VAM <112> 을 통해, 3-챔버 셀 E <100> 의 외벽 WA <117> 외부에서 중간 챔버 KM <103> 로부터 애노드 챔버 KA <101> 내로 액체를 라우팅하는 것이 가능하다. 커넥션 VAM <112> 은 애노드 챔버 KA <101> 의 베이스에서 전기분해 셀 E <100> 의 외벽 WA <117> 을 관통하는 유입구 ZKA <119> 에 중간 챔버 KM <103> 의 베이스에서 전기분해 셀 E <100> 의 외벽 WA <117> 을 관통하는 유출구 AKM <118> 를 연결한다.
pH 10.5 인 염화나트륨의 수용액 L3 <114> 은 중간 챔버 KM <103> 내로, 중력 방향으로, 유입구 ZKM 를 통해 도입된다. 중간 챔버 KM <103> 로부터의 유출구 AKM <118> 와 애노드 챔버 KA <101> 로의 유입구 ZKA <119> 사이에 형성된 커넥션 VAM <112> 은 중간 챔버 KM <103> 를 애노드 챔버 KA <101> 에 연결한다. 염화 나트륨 용액 L3 <114> 은 이 커넥션 VAM <112> 을 통해 중간 챔버 KM <103> 로부터 애노드 챔버 KA <101> 내로 라우팅된다.
메탄올 L2 <113> 중 나트륨 메톡사이드의 용액은 유입구 ZKK <107> 를 통해 캐소드 챔버 KK <102> 내로 라우팅된다.
동시에, 전압은 캐소드 전극 EK <105> 과 애노드 전극 EA <104> 사이에 인가된다. 이는 전해질 L2 <113> 중 메탄올의 감소를 초래하여 캐소드 챔버 KK <102> 에서 H2 및 메톡사이드를 제공한다 (CH3OH + e- → CH3O- + ½ H2). 동시에, 나트륨 이온은 중간 챔버 KM <103> 로부터 NaSICON 고체-상태 전해질 FK <111> 을 통해 캐소드 챔버 KK <102> 내로 확산한다. 전반적으로, 이는 캐소드 챔버 KK <102> 에서 나트륨 메톡사이드의 농도를 증가시키고, 이는 나트륨 메톡사이드 L1 <115> 의 메탄올 용액을 제공하며, 이의 나트륨 메톡사이드 농도는 L2 <113> 에 비해 상승된다.
애노드 챔버 KA <101> 에서, 염화물 이온의 산화가 발생하여 염소 분자를 제공한다 (Cl- → ½ Cl2 + e-). 유출구 AKA <106> 에서, 수용액 L4 <116> 이 획득되며, 여기서 NaCl 의 함량이 L3 <114> 에 비해 감소된다. 반응 Cl2 + H2O → HOCl + HCl 에 따라, 물 중 염소 가스 (Cl2) 는, 차아염소산 및 염산을 형성하며, 이는 추가 물 분자와 산성 반응을 일으킨다. 산도는 NaSICON 고체-상태 전해질 <111> 을 손상시키지만, 본 발명에 따른 배열에 의해 애노드 챔버 KA <101> 로 제한되고, 이로써 전기분해 셀 E <100> 에서 NaSICON 고체-상태 전해질 FK <111> 로부터 멀리 유지된다. 이는 그 수명을 상당히 증가시킨다.
중간 챔버 KM <103> 에는, 유리 또는 플라스틱 비드 <121> 을 함유하는 메시형 와이어 바스켓 <122> 형태의 내부구조물 <120> 이 또한 있다. 와이어 바스켓 <122> 은 중간 챔버 KM <103> 에 느근하게 배치되어 있지만, <117> 의 외벽 내부에 또한 고정될 수도 있다. 유입구 ZKM <108> 를 통해 공급된 수용액 L3 <114> 은 이러한 내부구조물 <120> 을 통해 가이드되며, 이는 와류 및 난류를 초래한다. 용액에서의 이러한 난류 L3 <114> 는 점진적 전기분해로 중간 챔버 KM <103> 에서 pH 구배의 빌드업을 방지하고, NaSICON 고체-상태 전해질 <111> 에 직접 인접하는 용액에서 낮은 pH 의 발생을 방지한다. 이는 NaSICON 고체-상태 전해질 <111> 의 서비스 수명을 더욱 증가시킨다.
도 2 는 도 1 에 나타낸 것에 대응하는 본 발명에 따른 전기분해 셀 및 본 발명에 따른 방법의 추가 실시형태를 나타낸다. 여기서 하나의 차이는 중간 챔버 KM <103> 로부터 애노드 챔버 KA <101> 까지의 커넥션 VAM <112> 이 확산 배리어 D <110> 에서의 천공에 의해 형성된다는 것이다. 또한, 내부구조물 <120> 로서, 중간 챔버 KM <103> 에 느슨하게 존재하는 와이어 바스켓 <122> 보다는 오히려, NaSICON 고체-상태 전해질 FK <111> 에 대한 중간 챔버 KM <103> 내부로 투영되는 다중 유리 또는 플라스틱 스터드(stud) <123-2> 가 제공된다. 대안적으로 또는 부가적으로, 확산 배리어 D<110> 상에 대응하는 스터드 <123-1> 를 제공하는 것이 또한 가능하다. 도 1 에 나타낸 실시형태에서와 같이 또한, 유입구 ZKM <108> 를 통해 공급된 수용액 L3 <114> 은 이러한 내부구조물 <120> 에 의해 와류된다. 용액 L3 <114> 에서의 이러한 난류는 점진적 전기분해로 중간 챔버 KM <103> 에서 빌드업되는 pH 구배를 파괴한다.
4. 발명의 상세한 설명
4.1 전기분해 셀 E
본 발명의 제 1 양태는 전기분해 셀 E <100> 에 관한 것이다. 본 발명의 제 1 양태에 따른 전기분해 셀 E <100> 은 적어도 하나의 애노드 챔버 KA <101>, 적어도 하나의 캐소드 챔버 KK <102> 및 적어도 하나의 개재된 중간 챔버 KM <103> 을 포함한다. 이는 또한 하나보다 많은 애노드 챔버 KA <101> 및/또는 캐소드 챔버 KK <102> 및/또는 중간 챔버 KM <103> 를 갖는 전기분해 셀 E <100> 을 포함한다. 이들 챔버가 모듈 형태로 서로 결합되는 이러한 전기분해 셀은, 예를 들어 DD 258 143 A3 및 US 2006/0226022 A1 에 기재되어 있다.
애노드 챔버 KA <101> 는 애노드 전극 EA <104> 을 포함한다. 이러한 종류의 유용한 애노드 전극 EA <104> 은 본 발명의 제 2 양태에서의 본 발명에 따른 방법의 조건 하에서 안정한 당업자에게 친숙한 임의의 전극이다. 이들은 특히, WO 2014/008410 A1, 단락 [024] 또는 DE 10360758 A1, 단락 [031] 에 기재되어 있다. 이 전극 EA <104> 은 각각 천공 또는 확장될 수도 있는 하나의 층으로 구성되거나 서로 평행한 다수의 평면 층으로 구성될 수도 있다. 애노드 전극 EA <104> 은 특히 루테늄 산화물, 이리듐 산화물, 니켈, 코발트, 니켈 텅스테이트, 니켈 티타네이트, 귀금속 예컨대 특히, 티타늄 또는 Kovar ® 와 같은 지지체 상에 지지된 백금으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다 (개별 컴포넌트들이 다음과 같은 것이 바람직한 철/니켈/코발트 합금: 54 질량% 의 철, 29 질량% 의 니켈, 17 질량% 의 코발트). 추가 가능한 애노드 재료는 특히 스테인리스강, 납, 흑연, 텅스텐 카바이드, 티타늄 이붕화물이다. 바람직하게, 애노드 전극 EA <104> 은 루테늄 산화물/이리듐 산화물 (RuO2 + IrO2 / Ti) 로 코팅된 티타늄 애노드를 포함한다.
캐소드 챔버 KK <102> 는 캐소드 전극 EK <105> 을 포함한다. 이러한 종류의 유용한 캐소드 전극 EK <105> 은 그 조건 하에서 안정한 당업자에게 친숙한 임의의 전극이다. 이들은 특히, WO 2014/008410 A1, 단락 [025] 또는 DE 10360758 A1, 단락 [030] 에 기재되어 있다. 이러한 전극 EK <105> 은 메쉬 울(mesh wool), 3차원 매트릭스 구조 및 "볼(ball)"로 구성되는 그룹으로부터 선택될 수도 있다. 캐소드 전극 EK <105> 은 특히 강철, 니켈, 구리, 백금, 백금화 금속, 팔라듐, 탄소-지지된 팔라듐, 티타늄으로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료를 포함한다. 바람직하게, EK <105> 는 니켈을 포함한다.
적어도 하나의 중간 챔버 KM <103> 는 애노드 챔버 KA <101> 와 캐소드 챔버 KK <102> 사이에 있다.
전기분해 셀 E <100> 은 통상적으로 외벽 WA <117> 을 갖는다. 외벽 WA <117> 은 특히 강철, 바람직하게는 고무화된 강철, 플라스틱, 특히 Telene ® (열경화성 폴리디시클로펜타디엔), PVC (폴리비닐클로라이드), PVC-C (포스트-염소화된 폴리비닐클로라이드), PVDF (폴리비닐리덴플루오라이드) 로 구성되는 그룹으로부터 선택된 재료로 만들어진다. WA <117> 은 특히 유입구 및 유출구에 대해 천공될 수도 있다. WA <117> 내에는 그 후 적어도 하나의 애노드 챔버 KA <101>, 적어도 하나의 캐소드 챔버 KK <102> 및 적어도 하나의 개재된 중간 챔버 KM <103> 가 있다.
KM <103> 은 확산 배리어 D <110> 에 의해 KA <101> 로부터 그리고 알칼리 금속 양이온-전도성 고체-상태 전해질 FK <111> 에 의해 의해 KK <102> 로부터 분리된다.
확산 배리어 D <110> 에 대해, 본 발명의 제 2 양태에서 본 발명에 따른 방법의 조건 하에서 안정하고 중간 챔버 KM <103> 내로 애노드 챔버 KA <101> 에 존재하는 액체로부터의 양성자의 전달을 방지하거나 늦추는 임의의 재료를 사용하는 것이 가능하다.
사용된 확산 배리어 D <110> 은 특히 비-이온-특정 분할 벽이거나 특정 이온에 투과성인 멤브레인이다. 확산 배리어 D <110> 은 바람직하게는 비-이온=특정 분할 벽이다.
비-이온-특정 분할 벽의 재료는 특히 패브릭(fabric), 특히 텍스타일 패브릭(textile fabric) 또는 금속 직물(metal weave), 특히 소결된 유리 또는 유리 프릿인 유리, 특히 세라믹 프릿인 세라믹, 멤브레인 다이어프램으로 구성되는 그룹으로부터 선택되며, 더 바람직하게는 유리이다.
확산 배리어 D <110> 이 "특정 이온에 투과성인 멤브레인" 인 경우, 본 발명에 따라 이것이 의미하는 것은 개개의 멤브레인이 다른 이온들에 비해 이를 통한 특정 이온들의 확산을 촉진한다는 것이다. 보다 구체적으로, 이것이 의미하는 것은 반대 전하의 이온에 대한 특정한 전하 타입의 이온의 확산을 촉진하는 멤브레인이다. 더욱 더 바람직하게는, 특정 이온에 투과성인 멤브레인은 또한 이를 통해 동일한 전하 타입의 다른 이온에 대한 하나의 전하 타입의 특정한 이온의 확산을 촉진한다.
확산 배리어 D <110> 이 "특정 이온에 투과성인 멤브레인" 인 경우, 확산 배리어 D <110> 은 특히 음이온 전도성 멤브레인 또는 양이온-전도성 멤브레인이다.
본 발명에 따라, 음이온-전도성 멤브레인은 음이온을 선택적으로 전도하고, 바람직하게는 특정한 음이온을 선택적으로 전도하는 것이다. 즉, 이들은 이를 통한 음이온의 확산, 특히 양성자를 통한 양이온의 확산을 촉진하며; 훨씬 더 바람직하게, 이들은 부가적으로 이를 통한 다른 음이온의 확산보다 이를 통한 특정한 음이온의 확산을 촉진한다.
본 발명에 따라, 양이온-전도성 멤브레인은 양이온을 선택적으로 전도하고, 바람직하게는 특정한 양이온을 선택적으로 전도하는 것이다. 즉, 이들은 음이온 확산에 비해 이를 통한 양이온의 확산을 촉진하고; 훨씬 더 바람직하게, 이들은 부가적으로 이를 통한 다른 양이온의 확산에 비해 이를 통한 특정한 양이온의 확산을 촉진하며, 더욱 바람직하게는 또한 양성자가 아닌 양이온, 더욱 바람직하게는 양성자를 통한 나트륨 양이온의 확산을 촉진한다.
"다른 이온 Y 의 확산에 비해 특정한 이온 X 의 확산을 촉진하는" 것에 의해 특히 의미하는 것은, 해당 멤브레인에 대한 주어진 온도에서 이온 타입 X 의 확산 계수 (단위: m 2/s) 가 해당 멤브레인에 대한 이온 타입 Y 의 확산 계수보다 10배, 바람직하게는 100배, 바람직하게는 1000배 더 높다는 것이다.
확산 배리어 D <110> 가 "특정 이온에 투과성인 멤브레인" 인 경우, 음이온 전도성 멤브레인인 것이 바람직한데, 이는 이것이 특히 애노드 챔버 KA <101> 로부터 중간 챔버 KM <103> 내로 양성자의 확산을 효과적으로 방지하기 때문이다.
사용된 음이온-전도성 멤브레인은 특히 염 S 에 의해 둘러싸인 음이온에 대해 선택적인 것이다. 이러한 멤브레인은 종래에 당업자에게 알려져 있으며 당업자에 의해 사용될 수 있다.
염 S 는 바람직하게는 X 의 할로겐화물, 황산염, 아황산염, 질산염, 탄산수소염 또는 탄산염이여, 더욱 더 바람직하게는 할로겐화물이다.
할로겐화물은 불화물, 염화물, 브롬화물, 요오드화물이다. 가장 바람직한 할로겐화물은 염화물이다.
사용된 음이온-전도성 멤브레인은 바람직하게는 할로겐화물, 바람직하게는 염화물에 대해 선택적인 것이다.
음이온-전도성 멤브레인은, 예를 들어 M.A. Hickner, A.M. Herring, E.B. Coughlin, Journal of Polymer Science, Part B: Polymer Physics 2013, 51, 1727-1735, by C.G. Arges, V. Ramani, P.N. Pintauro, Electrochemical Society Interface 2010, 19, 31-35 에 의해, WO 2007/048712 A2 에, 그리고 텍스트북 page 181 에 Volkmar M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik: Grundlagen, Reaktionstechnik, Prozessoptimierung [Electrochemical Engineering: Fundamentals, Reaction Technology, Process Optimization], 1st edition (8 October 2003) 에 의해 기재되어 있다.
따라서, 훨씬 더 바람직하게는, 사용된 음이온-전도성 멤브레인은 특히 폴리에틸렌, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르 케톤, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 및 불소화 멤브레인, 예컨대 폴리퍼플루오로에틸렌, 바람직하게는 폴리스티렌으로부터 선택된 유기 폴리머이며, 여기서 이들은 -NH3 +, -NRH2 +, -NR3 +, =NR+;-PR3 + 로부터 선택된 공유 결합된 작용기를 가지며, 여기서 R 은 바람직하게는 1 내지 20 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 기, 또는 다른 양이온성 기이다. 이들은 바람직하게는 -NH3 +, -NRH2 + 및 -NR3 + 로부터 선택된, 더욱 바람직하게는 -NH3 + 및 -NR3 + 로부터 선택된 공유 결합된 작용기, 훨씬 더 바람직하게는 -NR3 + 를 갖는다.
확산 배리어 D <110> 가 양이온-전도성 멤브레인인 경우, 특히 염 S 에 의해 둘러싸인 양이온에 대해 선택적인 멤브레인이다. 훨씬 더 바람직하게, 확산 배리어 D <110> 는 알칼리 금속 양이온-전도성 멤브레인, 훨씬 더 바람직하게는 칼륨 및/또는 나트륨 이온-전도성 멤브레인, 가장 바람직하게는 나트륨 이온-전도성 멤브레인이다.
양이온-전도성 멤브레인은, 예를 들어 텍스트북 181 에, Volkmar M. Schmidt, Elektrochemische Verfahrenstechnik: Grundlagen, Reaktionstechnik, Prozessoptimierung, 1st edition (8 October 2003) 에 의해 기재되어 있다.
따라서, 더욱 더 바람직하게는, 사용된 양이온-전도성 멤브레인은 특히 폴리에틸렌, 폴리벤즈이미다졸, 폴리에테르 케톤, 폴리스티렌, 폴리프로필렌 및 불소화된 멤브레인, 예컨대 폴리퍼플루오로에틸렌, 바람직하게는 폴리스티렌 및 폴리퍼플루오로에틸렌으로부터 선택되는 유기 폴리머이며, 여기서 이들은 -SO3 -, -COO-, -PO3 2- 및 -PO2H- 로부터 선택된 공유 결합된 작용기, 바람직하게는 -SO3 - 를 지닌다 (DE 10 2010 062 804 A1, US 4,831,146 에 기재됨).
이는, 예를 들어 설폰화 폴리퍼플루오로에틸렌 (Nafion ® with CAS number: 31175-20-9) 일 수도 있다. 이들은 예를 들어, WO 2008/076327 A1, 단락 [058], US 2010/0044242 A1, 단락 [0042] 또는 US 2016/0204459 A1 로부터 당업자에게 알려져 있으며, Nafion ®, Aciplex ® F, Flemion ®, Neosepta ®, Ultrex ®, PC-SK ® 상표명 하에서 상업적으로 입수가능하다. Neosepta® 멤브레인은, 예를 들어 S.A. Mareev, D.Yu. Butylskii, N.D. Pismenskaya, C. Larchet, L. Dammak, V.V. Nikonenko, Journal of Membrane Science 2018, 563, 768-776 에 의해 기재된다.
만약 확산 배리어 D <110> 로서 양이온-전도성 멤브레인이 사용되는 경우, 이는 예를 들어, 설폰산 기로 관능화된, 특히 하기 화학식 PNAFION 의 폴리머일 수도 있으며, 여기서 n 및 m 은 독립적으로 1 부터 106 까지의 정수, 바람직하게는 10 부터 105 까지의 정수, 더욱 바람직하게는 102 부터 104 까지의 정수일 수도 있다.
유용한 알칼리 금속 양이온-전도성 고체-상태 전해질 FK <111> 은, 양이온, 특히 알칼리 금속 양이온, 훨씬 더 바람직하게는 나트륨 양이온을, 중간 챔버 KM <103> 로부터 캐소드 챔버 KK <102> 내로 수송할 수 있는 임의의 고체-상태 전해질이다. 이러한 고체-상태 전해질은 당업자에게 알려져 있으며 예를 들어, DE 10 2015 013 155 A1 에, WO 2012/048032 A2, 단락 [0035], [0039], [0040] 에, US 2010/0044242 A1, 단락 [0040], [0041] 에, DE 10360758 A1, 단락 [014] 내지 [025] 에 기재되어 있다. 이들은 NaSICON, LiSICON, KSICON 명칭 하에서 상업적으로 판매된다. 나트륨 이온 전도성 고체 전해질 FK <111> 이 바람직하며, 이는 훨씬 더 바람직하게는 NaSICON 구조를 갖는다. 본 발명에 따라 사용가능한 NaSICON 구조는 또한 예를 들어, N. Anantharamulu, K. Koteswara Rao, G. Rambabu, B. Vijaya Kumar, Velchuri Radha, M. Vithal, J Mater Sci 2011, 46, 2821-2837 에 의해 기재된다.
NaSICON 은 바람직하게는 화학식
MI 1+2w+x-y+z MII w MIII x ZrIV 2-w-x-y MV y (SiO4)z (PO4)3-z 의 구조를 갖는다.
MI 은 Na+, Li+, 바람직하게는 Na+ 로부터 선택된다.
MII 은 바람직하게는 Mg2+, Ca2+, Sr2+, Ba2+, Co2+Ni2+ 로부터 선택되고, 더 바람직하게는 Co2+, Ni2+ 로부터 선택되는, 2가 금속 양이온이다.
MIII 은 바람직하게는 Al3+, Ga3+, Sc3+, La3+, Y3+, Gd3+, Sm3+, Lu3+, Fe3+, Cr3+ 로부터 선택되고, 더 바람직하게는 Sc3+, La3+, Y3+, Gd3+, Sm3+ 로부터 선택되며, 특히 바람직하게는 Sc3+, Y3+, La3+ 로부터 선택되는 3가 금속 양이온이다.
MV 는 바람직하게는 V5+, Nb5+, Ta5+ 로부터 선택되는 5가 금속 양이온이다.
로마 인덱스 I, II, III, IV, V 는 개개의 금속 양이온이 존재하는 산화 수를 표시한다.
w, x, y, z 는 실수이며, 여기서 0 ≤ x < 2, 0 ≤ y < 2, 0 ≤ w < 2, 0 ≤ z < 3 이고,
w, x, y, z 는 1 + 2w + x - y + z ≥ 0 및 2 - w - x - y ≥ 0 이도록 선정된다.
훨씬 더 바람직하게 본 발명에 따라, NaSICON 은 화학식 Na(1 + v)Zr2SivP(3 - v)O12 의 구조를 가지며, 여기서 v 는 0 ≤ v ≤ 3 인 실수이다. 가장 바람직하게, v = 2.4 이다.
캐소드 챔버 KK <102> 는 또한, 예를 들어 캐소드 챔버 KK <102> 에 액체, 예를 들어 용액 L2 <113> 의 첨가, 그리고 그 안에 존재하는 액체, 예를 들어 용액 L1 <115> 의 제거를 가능하게 하는 유입구 ZKK <107> 및 유출구 AKK <109> 를 포함한다. 유입구 ZKK <107> 및 유출구 AKK <109> 는 용액이 캐소드 챔버 KK <102> 를 통해 흐름에 따라 캐소드 전극 EK <105> 과 접촉하게 되는 방식으로 캐소드 챔버 KK <102> 상에 장착된다. 이는 알코올 ROH 에서 알칼리 금속 알콕사이드 XOR 의 용액 L2 <113> 이 KK <102> 를 통해 라우팅될 때, 본 발명의 제 2 양태에서 본 발명에 따른 공정의 수행 시 유출구 AKK <109> 에서 획득될 용액 L1 <115> 에 대한 전제조건이다.
애노드 챔버 KA <101> 는 또한 애노드 챔버 KA <101> 에 존재하는 액체, 예를 들어 수용액 L4 <106> 의 제거를 가능하게 하는 유출구 AKA <106> 를 포함한다. 또한, 중간 챔버 KM <103> 는 유입구 ZKM <108> 를 포함하는 한편, KA <101> 및 KM <103> 는 액체가 KM <103> 로부터 KA <101> 내로 라우팅될 수 있는 커넥션 VAM <112> 에 의해 서로 연결된다. 그 결과, 용액 L3 <114> 은 유입구 ZKM <108> 를 통해 KM <103> 로 도입될 수 있고, 이는 KM <103> 를 통해, 그 후 VAM <112> 를 경유하여, 애노드 챔버 KA <101> 내로, 최종적으로는 애노드 챔버 KA <101> 를 통해 라우팅될 수 있다. VAM <112> 및 유출구 AKA <106> 는 용액 L3 <114> 이 애노드 챔버 KA <101> 를 통해 흐름에 따라 애노드 전극 EA <104> 과 접촉하게 되는 방식으로 애노드 챔버 KA <101> 상에 장착된다. 이는 용액 L3 <114> 이 먼저 KM <103>, 그 후 VAM <112>, 그 후 KA <101> 를 통해 라우팅될 때 제 2 양태에서 본 발명에 따른 공정의 수행 시 유출구 AKA <106> 에서 획득될 수용액 L4 <116> 에 대한 전제조건이다.
유입구 ZKK <107>, ZKM <108>, ZKA <119> 및 유출구 AKK <109>, AKA <106>, AKM <118> 는 당업자에게 알려진 방법들에 의해 전기분해 셀 E <100> 상에 장착될 수도 있다.
커넥션 VAM <112> 은 전기분해 셀 E <100> 내에 및/또는 전기분해 셀 E <100> 외부에, 바람직하게는 그 내에 형성될 수도 있다.
커넥션 VAM <112> 이 전기분해 셀 E <100> 내에 형성되는 경우, 확산 배리어 D <110> 에서 적어도 하나의 천공에 의해 형성되는 것이 바람직하다.
커넥션 VAM <112> 이 전기분해 셀 E <100> 외부에 형성되는 경우, 전기분해 셀 E <100> 외부에서 실행되는 KM <103> 및 KA <101> 의 커넥션에 의해 형성되는 것이 바람직하고, 특히 외벽 WA <117> 을 통한 유출구 AKM <118> 는 중간 챔버 KM <103> 에, 바람직하게는 중간 챔버 KM <103> 의 베이스에 형성되고, 유입구 ZKM <108> 는 더 바람직하게 중간 챔버 KM <103> 의 상단 단부에 있고, 외벽 WA <117> 을 통한 유입구 ZKA <119> 는 애노드 챔버 KA <101> 에, 바람직하게는 애노드 챔버 KA <101> 의 베이스에 형성되며, 이들은 도관, 예를 들어 바람직하게는 고무 또는 플라스틱으로부터 선택된 재료를 포함하는, 파이프 또는 호스에 의해 연결된다. 그 후 출구 AKA <106> 는 더 바람직하게는 애노드 챔버 KA <101> 의 상부 단부에 있다.
"중간 챔버 KM <103> 의 베이스에서의 유출구 AKM <118>" 에 의해 의미되는 것은, 유출구 AKM <118> 가 용액 L3 <114> 이 중력 방향으로 중간 챔버 KM <103> 를 나오는 방식으로 전기분해 셀 <100> 에 부착된다는 것이다.
"애노드 챔버 KA <101> 의 베이스에서의 유입구 ZKA <119>" 에 의해 의미되는 것은, 유입구 ZKA <119> 가 용액 L3 <114> 이 중력 반대로 애노드 챔버 KA <101> 에 진입하는 방식으로 전기분해 셀 E <100> 에 부착된다는 것이다.
"중간 챔버 KM <103> 의 상단 단부에서의 유입구 ZKM <108>" 에 의해 의미되는 것은, 유입구 ZKM <108> 가 용액 L3 <114> 이 중력 방향으로 중간 챔버 KM <103> 에 진입하는 방식으로 전기분해 셀 E <100> 에 부착된다는 것이다.
"애노드 챔버 KA <101> 의 상단 단부에서의 유출구 AKA <106>" 에 의해 의미되는 것은, 유출구 AKA <106> 가 용액 L4 <116> 이 중력 반대로 애노드 챔버 KA <101> 를 나오는 방식으로 전기분해 셀 <100> 상에 장착된다는 것이다.
이 실시형태는 유출구 AKM <118> 가 중간 챔버 KM <103> 의 베이스에서의 외벽 WA <117> 에 의해 형성되고, 유입구 ZKA <119> 가 애노드 챔버 KA <101> 의 베이스에서 외벽 WA <117> 에 의해 형성될 때 특히 유리하므로 바람직하다. 이러한 배열은 특히 간단한 방식으로 L4 <116> 로 애노드 챔버 KA <101> 로부터 애노드 챔버 KA 에 형성된 가스들을 제거하여, 이들을 추가로 분리하는 것을 가능하게 한다.
커넥션 VAM <112> 이 전기분해 셀 E <100> 외부에 형성될 때, 도 1 에 특히 나타낸 바와 같이, 특히 ZKM <108> 및 AKM <118> 는 중간 챔버 KM <103> 의 외벽 WA <117> 의 반대편 단부에 배열되고 (즉, 전기분해 셀 E <100> 의 베이스에서의 ZKM <108> 및 상단 단부에서의 AKM <118> 또는 그 역 또한 마찬가지) ZKA <119> 및 AKA <106> 는 애노드 챔버 KA <101> 의 외벽 WA <117> 의 반대편 단부에 배열된다 (즉, 전기분해 셀 E <100> 의 베이스에서의 ZKA <119> 및 상단 단부에서의 AKA <106> 또는 그 역 또한 마찬가지). 이러한 지오메트리 덕분에, L3 <114> 는 2개의 챔버 KM <103> 및 KA <101> 를 통해 흘러야 한다. 여기서 ZKA <119> 및 ZKM <108> 는 전기분해 셀 E <100> 의 동일한 측면 상에 형성되는 것이 가능하며, 이 경우 AKM <118> 및 AKA <106> 는 전기분해 셀 E <100> 의 동일한 측면 상에 또한 자동으로 형성된다. 대안으로, 도 1 에 나타낸 바와 같이, ZKA <119> 및 ZKM <108> 는 전기분해 셀 E <100> 상에 형성되는 것이 가능하며, 이 경우 AKM <118> 및 AKA <106> 는 또한 전기분해 셀 E <100> 의 반대편 측면 상에 자동으로 형성된다.
커넥션 VAM <112> 이 전기분해 셀 E <100> 내에 형성될 때, 이는 특히 전기분해 셀 E <100> 의 상단 단부 또는 베이스, 바람직하게는 도 2 에 나타낸 바와 같은 상단 단부인, 전기분해 셀 E <100> 의 일 측면 ("측면 A") 이, 유입구 ZKM <108> 및 유출구 AKA <106> 를 포함하고, 확산 배리어 D <110> 가 이 측면 ("측면 A") 으로부터 전기분해 셀 E <100> 로의 진행을 확장하지만, 그 후 전기분해 셀 E <100> 의 베이스 또는 상단 단부인, 반대편 측면 A 의 전기분해 셀 E <100> 의 측면 ("측면 B") 에는 완전히 도달하지 않으며, 동시에 3-챔버 셀 E <100> 의 높이의 50% 이상, 바람직하게는 3-챔버 셀 E <100> 의 높이의 60% 내지 99%, 더 바람직하게는 3-챔버 셀 E <100> 의 70% 내지 95%, 훨씬 더 바람직하게 3-챔버 셀 E <100> 의 80% 내지 90%, 여전히 더 바람직하게는 3-챔버 셀 E <100> 의 85% 를 커버한다는 점에서 구현된다. 확산 배리어 D <110> 는 3-챔버 셀 E <100> 의 측면 B 을 터치하지 않기 때문에, 갭은 따라서 3-챔버 셀 E <100> 의 측면 B 의 외벽 WA <117> 과 확산 배리어 D <110> 사이에서 발생한다. 그 경우, 갭은 커넥션 VAM <112> 이다. 이러한 지오메트리 덕분에, L3 <114> 는 2개의 챔버 KM <103> 및 KA <101> 를 통해 완전히 흘러야 한다.
이들 실시형태는 수성 염 용액 L3 <114> 이 애노드 전극 EA <104> 과 접촉하기 전에 산-민감성 고체-상태 전해질을 지나 흘러서, 산의 형성을 초래하는 것을 최상으로 보장한다.
본 발명에 따르면, "전기분해 셀 E <100> 의 베이스" 는 용액 (예를 들어, 도 1 에서 AKM <118> 의 경우 L3 <114>) 이 중력과 동일한 방향으로 전기분해 셀 E 로부터 빠져나가는 전기분해 셀 E <100> 의 측면, 또는 용액 (예를 들어, 도 1 및 도 2 에서 ZKK <107> 의 경우 용액 L2 <113>, 그리고 도 1 에서 AKA <119> 의 경우 L3 <114>) 이 중력과 반대로 전기분해 셀 E 에 공급되는 전기분해 셀 E 의 측면이다.
본 발명에 따르면, "전기분해 셀 E 의 상단 단부" 는 용액 (예를 들어, 도 1 및 도 2 에서, AKA <106> 의 경우 L4 <116> 그리고 AKK <109> 의 경우 L1 <115>) 이 중력과 반대로 전기분해 셀 E 로부터 빠져나가는 측면, 또는 용액 (예를 들어, 도 1 및 도 2 에서 ZKM <108> 의 경우 L3 <114>) 이 중력과 동일한 방향으로 전기분해 셀 E 에 공급되는 측면이다.
본 발명에 따르면, 중간 챔버 KM 는 내부구조물 <120> 를 포함한다. 본 발명에 따르면, 내부구조물 <120> 은 고체 상태이다. 이러한 종류의 적합한 내부구조물은 전기분해 조건에 충분히 불활성인 당업자에게 알려진 임의의 물품 또는 구조물이다.
내부구조물 <120> 은 특히 고무; 특히 폴리스티렌, 폴리프로필렌, PVC, PVC-C 로부터 선택되는 플라스틱; 유리; 도자기; 금속으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함한다. 금속은 특히 티타늄, 철, 몰리브덴, 크롬, 니켈로부터 선택된 금속 또는 2 이상의 금속의 합금이고, 바람직하게는 티타늄, 철, 몰리브덴, 크롬, 니켈로부터 선택된 적어도 2개의 금속을 포함하는 합금이고, 훨씬 더 바람직하게는 철 뿐만 아니라, 티타늄, 몰리브덴, 크롬, 니켈로부터 선택된 적어도 하나의 추가 금속을 포함하는 강철 합금이고, 가장 바람직하게는 스테인리스 강이다.
내부구조물 <120> 은 특히 구조화된 패킹, 구조화되지 않은 패킹 (랜덤 패킹) 및 트레이, 예를 들어 버블-캡 트레이, 밸브 트레이, 터널-캡 트레이, Thormann 트레이, 크로스-슬롯 버블 캡 트레이 또는 체(sieve) 트레이로부터 선택된다.
구조화되지 않은 패킹은 일반적으로 랜덤 패킹이다. 사용된 랜덤 패킹은 통상적으로 Raschig 링, Pall 링, Berl 새들(saddle) 또는 Intalox® 새들이다. 구조화된 패킹은 예를 들어, Sulzer 에 의해 Mellapak ® 상표명으로 판매된다.
내부구조물 <120> 중간 챔버 KM <103> 에서 느슨할 수도 있으며, 예를 들어 도 1 에 나타낸 바와 같이, 와이어 프레임워크 <122> 로 구성된 바스켓에서, 유리로 만들어진 구형 <121> 일 수도 있다.
대안적으로, 내부구조물 <120> 은 또한, 예를 들어 고체-상태 전해질 FK <111> 상에, 확산 배리어 D <110> 상에, 또는 중간 챔버 KM <103> 의 내부를 바운드하는 외벽 <117> 상에 고정될 수도 있다. 고정은 당업자에게 알려진 방법에 의해, 예를 들어 나사 커넥션, 클램핑, 접착제 본딩 (폴리머 접착제, PVC 접착제) 에 의해 실시될 수 있다.
따라서, 도 2 에 나타낸 스터드 <123-2> 은 고체-상태 전해질 FK <111> 상에 장착되고, 스터드 <123-1> 는 확산 배리어 D <110> 상에 장착된다. 대응하는 스터드는 또한 중간 챔버 KM <103> 내부를 바운드하는 외벽 <117> 상에 장착될 수도 있으며, 그 경우 중간 챔버에서 종유석- 또는 석순같은 구조를 형성한다.
알칼리 금속 양이온-전도성 고체-상태 전해질 FK <111> 상에 또는 확산 배리어 D <110> 상에 내부구조물 <120> 을 고정하는 것은, 예를 들어, 해당 벽 상의 와이어 프레임에 이들을 고정함으로써 달성될 수 있다.
본 발명의 제 1 양태에 따른 전기분해 셀 E <100> 의 바람직한 실시형태에서, 내부구조물 <120> 은 중간 챔버 KM 에 의해 둘러싸인 부피의 1% 내지 99%, 더 바람직하게는 10% 내지 99%, 훨씬 더 바람직하게는 40% 내지 90%, 훨씬 더 바람직하게는 50% 내지 90%, 훨씬 더 바람직하게는 60% 내지 90%, 가장 바람직하게는 80% 내지 90% 의 비율 ζ 를 차지한다.
비율 ζ (% 로) 은 ζ = [(VO - VM)/ VO]*100 에 의해 계산된다.
VO 는 여기서 액체의 최대 부피, 예를 들어 전해질 L3 <114> 이고, 이는 내부구조물 <120> 를 포함하지 않는 경우 중간 챔버 KM <103> 에 의해 수용될 수 있다.
VM 은 여기서 액체의 최대 부피, 예를 들어 전해질 L3 <114> 이며, 이는 내부구조물 <120> 을 포함하는 경우 중간 챔버 KM <103> 에 의해 수용될 수 있다.
놀랍게도, 중간 챔버 KM <103> 에서의 내부구조물 <120> 은 본 발명에 따른 공정 동안 중간 챔버 KM <103> 를 통해 흐르는 전해질 L3 <114> 에서 난류 및 와류를 유도한다. 이것은 전기분해 동안 pH 구배의 빌드업을 늦추거나 완전히 방지하며, 이는 산-민감성 고체-상태 전해질 FK <111> 을 보호하고 따라서 전기분해를 위한 더 긴 실행 시간을 가능하게 하거나 전기분해 셀 E <100> 의 수명을 연장시킨다.
내부구조물 <120> 은 중간 챔버 KM <103> 및 애노드 챔버 KA <101> 를 통한 전해질 L3 <114> 의 흐름을, 충분히 가능하게 하거나, 완전히 차단하지 않도록 중간 챔버 KM <103> 에 장착되는 것이 자명할 것이다.
본 발명에 따른 전기분해 셀의 바람직한 실시형태에서, 내부구조물 <120> 은 유입구 ZKM <108> 와 커넥션 VAM <112> 사이의 중간 챔버 KM 에서 직접 경로를 방해한다.
중간 챔버 KM 에서 유입구 ZKM <108> 와 커넥션 VAM <112> 사이의 직접 라우트가 방해되는지 여부는 다음의 "스레드 테스트" 에 의해 확인된다.
1. 스레드는 유입구 ZKM <108> 가 중간 챔버 KM 내로 개방하는 개구를 통해 그리고 커넥션 VAM <112> 이 중간 챔버 KM 내로 개방하는 개구로부터 실행된다. 스레드는 여기서 그의 단부가 중간 챔버 KM 외부에 놓일 만큼 충분히 길다.
2. 스레드의 개개의 단부 상에 반대 방향으로 힘이 가해져, 스레드가 파괴없이 팽팽해진다.
3. 동작 동안 내부구조물 <120> 에 의해 터치되는 적어도 하나의 스레드가 있는 경우, 이것이 단계 1. 및 단계 2. 에 따라 중간 챔버 내로 도입되고 팽팽해지면, 중간 챔버 KM 에서 유입구 ZKM <108> 와 커넥션 VAM <112> 사이의 직접 라우트가 방해되는 특징이 충족된다.
4. 단계 1. 및 단계 2. 에 따라 중간 챔버 내로 도입되고 팽팽해질 때, 내부구조물 <120> 에 의해 터치되는, 스레드가 없는 경우, 중간 챔버 KM 에서 유입구 ZKM <108> 와 커넥션 VAM <112> 사이의 직접 라우트가 방해되는 특징은 충족되지 않는다.
가장 바람직하게는, 예를 들어 Hemingway 또는 Nexos 에 의해 판매되는 바와 같이, 0.2 mm 의 직경을 갖는 낚싯줄이 스레드 테스트에 사용된다.
4.2 본 발명에 따른 방법
본 발명의 제 2 양태에 따른 방법은 본 발명의 제 1 양태에 따른 전기분해 셀 E <100> 에서 알코올 ROH 중 알칼리 금속 알콕사이드 XOR 의 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 것이며,
본 발명의 제 2 양태에 따른 방법은 동시에 진행되는 단계들 (a), (b) 및 (c) 를 포함한다.
단계 (a) 에서, 알코올 ROH, 바람직하게는 알칼리 금속 알콕사이드 XOR 및 알코올 ROH 를 포함하는 용액 L2 <113> 은 KK <102> 를 통해 라우팅된다. X 는 알칼리 금속 양이온이고 R 은 1 내지 4 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 라디칼이다.
X 는 바람직하게는 Li+, K+, Na+ 로 이루어진 그룹으로부터, 더 바람직하게는 K+, Na+ 로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. 가장 바람직하게는, X = Na+ 이다.
R 은 바람직하게는 n-프로필, 이소-프로필, 에틸 및 메틸로 이루어진 그룹, 더 바람직하게는 에틸 및 메틸로 이루어진 그룹으로부터 선택된다. R 은 가장 바람직하게는 메틸이다.
용액 L2 <113> 은 바람직하게는 물이 없다. 본 발명에 따라 "물이 없는" 에 의해 의미되는 것은, 용액 L2 <113> 중 알코올 ROH 의 중량을 기준으로 용액 용액 L2 <113> 중 물의 중량이 ≤ 1:10, 더 바람직하게는 ≤ 1:20, 훨씬 더 바람직하게는 ≤ 1:100, 훨씬 더 바람직하게는 ≤ 0.5:100 라는 것이다.
용액 L2 <113> 이 XOR 을 포함하는 경우, 용액 L2 <113> 중 XOR 의 질량 비율은 전체 용액 L2 <113> 을 기준으로, 특히 > 0 중량% 내지 30 중량%, 바람직하게는 5 중량% 내지 20 중량%, 더 바람직하게는 10 중량% 내지 20 중량%, 더 바람직하게는 10 중량% 내지 15 중량%, 가장 바람직하게는 13 중량% 내지 14 중량%, 매우 가장 바람직하게는 13 중량% 이다.
용액 L2 <113> 이 XOR 을 포함하는 경우, 용액 L2 <113> 에서 XOR 대 알코올 ROH 의 질량비는 특히 1:100 내지 1:5 의 범위, 더 바람직하게는 1:25 내지 3:20 의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 1:12 내지 1:8 의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 1:10 이다.
단계 (b) 에서, 양이온으로서 X 를 포함하는 염 S 의 중성 또는 알칼리성, 수용액 L3 <114> 은 KM <103> 을 통해, 그 후 VAM <112> 을 경유하여, 그 후 KA <101> 을 통해 라우팅된다.
염 S 는 바람직하게는 X 의 할로겐화물, 황산염, 아황산염, 질산염, 탄산수소염 또는 탄산염이여, 더욱 더 바람직하게는 할로겐화물이다.
할로겐화물은 불화물, 염화물, 브롬화물, 요오드화물이다. 가장 바람직한 할로겐화물은 염화물이다.
수용액 L3 <114> 의 pH 는 ≥ 7.0, 바람직하게는 7 내지 12 의 범위, 더 바람직하게는 8 내지 11 의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 10 내지 11, 가장 바람직하게는 10.5 이다.
용액 L3 <113> 중 염 S 의 질량 비율은 전체 용액 L3 <113> 을 기준으로, 바람직하게는 > 0 중량% 내지 20 중량%, 바람직하게는 1 중량% 내지 20 중량%, 더 바람직하게는 5 중량% 내지 20 중량%, 훨씬 더 바람직하게는 10 중량% 내지 20 중량% 의 범위, 가장 바람직하게는 20 중량% 이다.
놀랍게도, 단계 (b) 에서, 중간 챔버 KM <103> 에서의 내부구조물 <120> 은 본 발명에 따른 공정 동안 중간 챔버 KM <103> 를 통해 흐르는 전해질 L3 <114> 에서 난류 및 와류를 초래한다. 이것은 전기분해 동안 pH 구배의 빌드업을 늦추거나 완전히 방지하며, 이는 산-민감성 고체-상태 전해질 FK <111> 을 보호하고 따라서 전기분해를 위한 더 긴 서비스 수명을 가능하게 하거나 전기분해 셀 E <100> 의 수명을 연장시킨다.
단계 (c) 에서, 전압은 그 후 EA <104> 와 EK <105> 사이에 인가된다.
이는 전하 소스로부터 애노드로의 전류의 전달, 이온들을 통한 캐소드로의 전하의 전달 및 궁극적으로 전하 소스로 다시 전류의 전달을 초래한다. 전하 소스는 당업자에게 알려져 있고, 통상적으로 교류를 직류로 변환하고 전압 변압기를 통해 특정한 전압을 생성할 수 있는 정류기이다.
이는 결국 다음의 결과를 가져온다:
용액 L1 <115> 은 L2 <113> 에서보다 L1 <115> 에서 더 높은 XOR 의 농도로, 유출구 AKK <109> 에서 획득되고,
S 의 수용액 L4 <116> 은 L3 <114> 에서보다 L4 <116> 에서 더 낮은 S 의 농도로, 유출구 AKA <106> 에서 획득된다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 방법에서, 특히, 전류 밀도 (= 중간 챔버 KM <103> 에 존재하는 양극액과 접촉하는 고체-상태 전해질의 면적에 대한 전기분해 셀에 공급된 전류의 비) 가 10 내지 8000 A/m2 의 범위, 더 바람직하게는 100 내지 2000 A/m2 의 범위, 훨씬 더 바람직하게는 300 내지 800 A/m2 의 범위, 그리고 훨신 더 바람직하게는 494 A/m2 인 그러한 전류가 흐르는 전압이 인가된다. 이는 당업자에 의해 표준 방식으로 결정될 수 있다. 중간 챔버 KM <103> 에 존재하는 애노드액과 접촉하는 고체-상태 전해질의 면적은 특히 0.00001 내지 10 m2, 바람직하게는 0.0001 내지 2.5 m2, 더 바람직하게는 0.0002 내지 0.15 m2, 훨씬 더 바람직하게는 2.83 cm2 이다.
본 발명의 제 2 양태에 따른 방법의 단계 (c) 는 2개의 챔버 KM <103> 및 KA <101> 가 적어도 부분적으로 L3 <114> 로 가득하고 KK <102> 는 적어도 부분적으로 L2 <113> 로 가능할 때 수행된다.
단계 (c) 에서 EA <104> 와 EK <105> 사이에서 전하의 전달이 발생한다는 사실은, KK <102>, KM <103> 및 KA <101> 가 전극들 EA <104> 및 EK <105> 을 회로가 완전한 정도로 커버하도록 동시에 L2 <113> 또는 L3 <114> 로 가득함을 의미한다.
이것은 특히 L3 <114> 의 액체 스트림이 KM <103>, VAM <112> 및 KA <101> 를 통해 연속적으로 라우팅될 때 그리고 KK <102> 를 통한 L2 <113> 의 액체 스트림, 및 L3 <114> 의 액체 스트림은 전극 EA <104> 을 커버하고 L2 <113> 의 액체 스트림은 전극 EK <105> 을 적어도 부분적으로, 바람직하게는 완전히 커버하는 경우이다.
전해질 L3 <114> 의 스트림이 중간 챔버 KM <103> 에서 내부구조물을 만나기 때문에, 이러한 챔버에서 통상의 pH 구배의 형성이 없다. 이러한 효과는, 내부구조물 <120> 이 유입구 ZKM <108> 와 커넥션 VAM <112> 사이의 중간 챔버 KM 에서 직접 경로를 차단할 때 더 강해지는데, 이는 내부구조물 <120> 이 그 후 중간 챔버 KM <103> 를 통해 전해질 L3 <114> 의 흐름 경로 내에 있고 방해받지 않는 흐름을 방해하기 때문이다.
이러한 원하는 효과는 바람직하게는 단계 (b) 의 수행 동안 중간 챔버 KM <103> 를 통한 전해질 L3 <114> 의 유량을 변화시킴으로써 본 발명의 제 2 양태에 따른 방법에서 증폭되며, 이는 pH 구배의 형성을 방해하는 추가 난류를 생성할 수 있다.
추가 바람직한 실시형태에서, 본 발명의 제 2 양태에 따른 방법은 연속적으로 수행되며, 즉 단계 (c) 에 따라 전압을 인가하면서, 단계 (a) 및 단계 (b) 가 연속적으로 수행된다.
단계 (c) 의 수행 후, 용액 L1 <115> 은 유출구 AKK <109> 에서 획득되며, L1 <115> 중 XOR 의 농도는 L2 <113> 에서 더 높다. L2 <113> 가 이미 XOR 을 포함한 경우, L1 <115> 중 XOR 의 농도는 L2 <113> 에서 보다, 1.01 내지 2.2 배, 더 바람직하게는 1.04 내지 1.8 배, 훨씬 더 바람직하게는 1.077 내지 1.4 배, 훨씬 더 바람직하게는 1.077 내지 1.08 배 더 높으며, 가장 바람직하게는 L2 <113> 에서 1.077 배 더 높으며, 여기서 L1 <115> 에서 및 L2 <113> 에서 XOR 의 질량 비율은 더 바람직하게는 10중량% 내지 20중량%, 훨씬 더 바람직하게는 13중량% 내지 14중량% 의 범위이다.
S 의 수용액 L4 <116> 은 L3 <114> 에서보다 L4 <116> 에서 더 낮은 S 의 농도로, 유출구 AKA <106> 에서 획득된다.
수용액 L3 <114> 중 양이온 X 의 농도는 바람직하게는 3.5 내지 5 mol/l 의 범위이고, 더 바람직하게는 4 mol/l 이다. 수용액 L4 <116> 중 양이온 X 의 농도는 더 바람직하게는 각 경우에 사용된 수용액 L3 <114> 보다 0.5 mol/l 더 낮다.
특히, 본 발명의 제 2 양태에 따른 방법은 20℃ 내지 70℃, 바람직하게는 35℃ 내지 65℃, 더 바람직하게는 35℃ 내지 60℃, 훨씬 더 바람직하게는 35℃ 내지 50℃ 의 온도에서 그리고 0.5 bar 내지 1.5 bar, 바람직하게는 0.9 bar 내지 1.1 bar, 더 바람직하게는 1.0 bar 의 압력에서 수행된다.
본 발명에 따른 방법의 수행 과정에서, 수소는 통상적으로 유출구 AKK <109> 를 통해 용액 L1 <115> 과 함께 셀로부터 제거될 수 있는, 캐소드 챔버 KK <102> 에서 형성된다. 그 후 수소 및 용액 L1 <115> 의 혼합물은 그 후, 본 발명의 특정한 실시형태에서, 당업자에게 알려진 방법에 의해 분리될 수 있다. 사용된 알칼리 금속 화합물이 할로겐화물, 특히 염화물일 때, 염소 또는 다른 할로겐 가스가 애노드 챔버 KA <101> 에서 형성하는 것이 가능하며, 이는 유출구 AKK <106> 를 통해 용액 L4 <116> 과 함께 셀로부터 제거될 수 있다. 부가적으로, 마찬가지로 제거될 수 있는, 산소 또는/및 이산화탄소가 형성되는 것이 또한 가능하다. 염소, 산소 및/또는 CO2 와 용액 L4 <116> 의 혼합물은 그 후, 본 발명의 특정한 실시형태에서, 당업자에게 알려진 방법에 의해 분리될 수 있다. 그 후 마찬가지로, 염소, 산소 및/또는 CO2 가스가 용액 L4 <116> 으로부터 분리한 후, 이를 당업자에게 공지된 방법으로 분리하는 것이 가능하다.
이러한 결과는 선행 기술을 고려하여 놀랍고 예상치 못한 것이었다. 본 발명에 따른 방법은 버퍼 용액으로서 캐소드 공간으로부터 알콕사이드 용액을 희생해야하지 않으면서, 선행 기술에서와 같이, 산-불안정성 고체-상태 전해질을 부식으로부터 보호한다. 따라서, 본 발명에 따른 방법은 WO 2008/076327 A1 에 기재된 절차보다 더 효율적이며, 여기서 생성물 용액은 중간 챔버에 사용되며, 이는 전체 변환을 감소시킨다. 또한, 산-불안전성 고체-상태 전해질은 내부구조물 <120> 에 의해 pH 구배의 형성이 방지된다는 점에서 안정화된다.
실시예들
비교예 1
나트륨 메톡사이드 (SM) 가 애노드 챔버에서의 20 중량% 의 NaCl 용액 (물 중) 및 캐소드 챔버에서의 10 중량% 의 메탄올성 SM 용액의 공급으로, 캐소드 공정을 통해 생성되었다. 이러한 전기분해 셀은, 전기분해 셀이 중간 챔버에 내부구조물을 갖지 않았고, 즉 도 1 에 나타낸 유리 비드 <121> 을 갖는 와이어 바스켓 <122> 을 포함하지 않았다는 것을 제외하고, 도 1 에 나타낸 것에 대응하는 3개의 챔버로 구성되었다. 중간 챔버와 애노드 챔버 사이의 커넥션은 전기분해 셀의 베이스에 장착된 호스에 의해 확립되었다. 애노드 챔버 및 중간 챔버는 2.83 cm² 음이온 교환 멤브레인 (Tokuyama AMX, 폴리머의 암모늄 그룹) 에 의해 분리되었다. 캐소드 챔버 및 중간 챔버는 2.83 cm² 의 면적을 갖는 NaSICON 타입의 세라믹에 의해 분리되었다. 세라믹은 화학식 Na3.4Zr2.0Si2.4P0.6O12 의 화학적 조성을 가졌다.
애노드액은 중간 챔버를 통해 애노드 챔버 내로 전달되었다. 애노드액의 유량은 1 l/h 였으며, 캐소드액의 유량은 90 ml/h 였고, 0.14 A 의 전류가 인가되었다. 온도는 35℃ 였다. 전기분해는 5 V 의 정전압으로 500 시간 동안 수행되었다.
장기간에 걸친 중간 챔버에서 pH 구배가 발생하였으며, 이는 전기분해 과정에서 전극으로의 이온의 이동 및 애노드에서의 추가 반응에서 형성된 양성자의 확산에 기인하는 것으로 관찰되었다. pH 에서의 이러한 국부적인 증가는, 고체-상태 전해질을 공격할 수 있고 특히 매우 긴 동작 기간의 경우에 고체-상태 전해질의 부식 및 파단을 유도할 수 있기 때문에 바람직하지 않다.
비교예 2
비교예 1 은 단지 하나의 애노드 챔버 및 하나의 캐소드 챔버를 포함하는 2-챔버 셀로 반복되었으며, 애노드 챔버는 NaSICON 타입의 세라믹에 의해 캐소드 챔버로부터 분리된다. 따라서 이 전기분해 셀은 어떠한 중간 챔버도 포함하지 않았다. 이는 비교예 1 에 비해 세라믹 부식이 훨씬 더 빠른 것으로 반영되며, 이는 전압 곡선의 빠른 상승으로 이어진다. < 5 V 의 시작 전압 값으로, 이것은 100 시간 내에서 > 20 V 로 상승한다.
발명예 1
유리 비드 <121> 을 갖는 와이어 프레임워크로 구성된 바스켓 <122> 이 중간 챔버에 배치되고, 상기 바스켓이 NASICON 고체-상태 전해질과 대면하는 중간 챔버의 절반을 점유하는, 비교예 1 이 반복된다. 이러한 배열은 중간 챔버를 통한 전해질의 균일한 흐름을 방해하여, 전해질에 난류를 초래한다. 이는 전기분해 동안 pH 구배가 빌드업되는 것을 어렵게 한다.
발명예 2
콘-형상의 구조 <123-1> 및 <123-2> 가 중간 챔버 KM <103> 에서 NASICON 세라믹 또는 확산 배리어에 고정되는, 비교예 1 이 반복된다.
이러한 배열은 중간 챔버를 통한 전해질의 균일한 흐름을 너무 방해하여, 난류를 초래한다. 이는 전기분해 동안 pH 구배가 빌드업되는 것을 어렵게 한다.
결과
본 발명에 따른 방법에서 본 발명에 따른 3-챔버 셀의 사용은, 고체-상태 전해질의 부식을 방지하고, 동시에, 중간 챔버를 위해 알칼리 금속 알콕사이드 생성물을 희생할 필요가 없고, 전압이 일정하게 유지된다. 두 비교예 1 및 비교예 2 의 비교로부터 명백한 이러한 이점은 본 발명의 놀라운 효과를 강조한다.
또한, 중간 챔버에서 전해질의 와류 및 난류에 의해 점진적인 전기분해로 빌드업되는 pH 구배의 완화 또는 파괴는 전기분해 챔버의 수명 연장을 유도한다. 이러한 구배는, 특히 매우 긴 동작 기간의 경우, 전기분해를 더욱 더 어렵게 하고 부식 및 궁극적으로 고체-상태 전해질의 파단을 유도할 수 있다. 발명예 1 및 발명예 2 에 따른 실행에서, 이러한 pH 구배는 파괴되며, 이는 2-챔버 셀에 걸쳐 3-챔버 셀에 의해 제공되는 언급된 이점에 부가하여, 고체-상태 전해질의 안정성을 추가로 증가시킨다.
Claims (16)
- 적어도 하나의 애노드 챔버 KA <101>, 적어도 하나의 캐소드 챔버 KK <102> 및 적어도 하나의 개재된 중간 챔버 KM <103> 을 포함하는 전기분해 셀 E <100> 로서,
KA <101> 은 애노드 전극 EA <104> 및 유출구 AKA <106> 를 포함하고,
KK <102> 은 캐소드 전극 EK <105>, 유입구 ZKK <107> 및 유출구 AKK <109> 를 포함하고,
KM <103> 은 유입구 ZKM <108> 를 포함하고, 확산 배리어 D <110> 에 의해 KA <101> 로부터 분할되고 알칼리 금속 양이온-전도성 고체-상태 전해질 FK <111> 에 의해 KK <102> 로부터 분할되고,
KM <103> 및 KA <101> 은 액체가 KM <103> 으로부터 KA <101> 내로 라우팅될 수 있는 커넥션 VAM <112> 에 의해 서로 연결되고,
상기 중간 챔버 KM <103> 은 내부구조물 <120> 을 포함하고, 상기 내부구조물 <120> 은 상기 중간 챔버 KM <103> 을 통해 흐르는 전해질 L3 <114> 에서 난류 및 와류를 유도하도록 구성되는 것을 특징으로 하는 전기분해 셀 E <100>. - 제 1 항에 있어서,
상기 알칼리 금속 이온 전도성 고체-상태 전해질 FK <111> 은 화학식 MI 1+2w+x-y+z MII w MIII x ZrIV 2-w-x-y MV y (SiO4)z (PO4)3-z 의 구조를 갖고,
식중 MI 은 Na+ 및 Li+ 로부터 선택되고,
MII 은 2가 금속 양이온이고,
MIII 은 3가 금속 양이온이고,
MV 는 5가 금속 양이온이며,
로마 인덱스 I, II, III, IV, V 는 개개의 금속 양이온이 존재하는 산화 수를 표시하고,
w, x, y, z 는 실수이며, 여기서 0 ≤ x < 2, 0 ≤ y < 2, 0 ≤ w < 2, 0 ≤ z < 3 이고,
w, x, y, z 는 1 + 2w + x - y + z ≥ 0 및 2 - w - x - y ≥ 0 이도록 선정되는, 전기분해 셀 E <100>. - 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
상기 내부구조물 <120> 은 트레이, 구조화된 패킹, 구조화되지 않은 패킹으로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 전기분해 셀 E <100>. - 제 1 항 내지 제 3 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부구조물 <120> 은 고무, 플라스틱, 유리, 도자기, 금속으로부터 선택되는 적어도 하나의 재료를 포함하는, 전기분해 셀 E <100>. - 제 1 항 내지 제 4 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 커넥션 VAM <112> 은 상기 전기분해 셀 E <100> 내에 형성되는, 전기분해 셀 E <100>. - 제 1 항 내지 제 5 항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 내부구조물 <120> 은 상기 중간 챔버 KM 에 의해 둘러싸인 부피의 1% 내지 99% 의 비율 ζ 을 차지하고,
ζ = [(VO - VM)/ VO]*100 이고,
VO 는 내부구조물 <120> 을 포함하지 않는 경우, 상기 중간 챔버 KM <103> 에 의해 수용될 수 있는 액체의 최대 부피이고,
VM 은 내부구조물 <120> 를 포함하는 경우, 상기 중간 챔버 KM <103> 에 의해 수용될 수 있는 액체의 최대 부피인, 전기분해 셀 E <100>. - 제 1 항 내지 제 6 항 중 어느 한 항에 있어서,
내부구조물 <120> 은 설명에서 언급된 스레드 테스트에 따라 유입구 ZKM <108> 와 커넥션 VAM <112> 사이의 상기 중간 챔버 KM 에서 직접 경로를 방해하는, 전기분해 셀 E <100>. - 제 1 항 내지 제 7 항 중 어느 한 항에 기재된 전기분해 셀 E <100> 에서 알코올 ROH 중 알칼리 금속 알콕사이드 XOR 의 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법으로서,
상기 방법은 동시에 진행하는 다음의 단계들 (a), (b) 및 (c):
(a) 상기 알코올 ROH 을 포함하는 용액 L2 <113> 이 KK <102> 를 통해 라우팅되는 단계,
(b) 양이온으로서 X 를 포함하는 염 S 의 중성 또는 알칼리성, 수용액 L3 <114> 이 KM <103> 을 통해, 그 후 VAM <112> 을 경유하여, 그 후 KA <101> 을 통해 라우팅되는 단계,
(c) EA <104> 와 EK <105> 사이에 전압이 인가되는 단계
를 포함하고,
L2 <113> 에서보다 L1 <115> 에서 더 높은 XOR 의 농도로, 상기 유출구 AKK <109> 에서 상기 용액 L1 <115> 을 제공하며,
L3 <114> 에서보다 L4 <116> 에서 더 낮은 S 의 농도로, 상기 유출구 AKA <106> 에서 S 의 수용액 L4 <116> 을 제공하고,
X 는 알칼리 금속 양이온이고 R 은 1 내지 4 개의 탄소 원자를 갖는 알킬 라디칼인, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 8 항에 있어서,
X 는 Li+, Na+, K+ 로 이루어진 그룹으로부터 선택되는, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 8 항 또는 제 9 항에 있어서,
S 가 X 의 할로겐화물, 황산염, 아황산염, 질산염, 탄산수소염 또는 탄산염인, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 8 항 내지 제 10 항 중 어느 한 항에 있어서,
R 은 메틸 및 에틸로 이루어진 군으로부터 선택되는, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 8 항 내지 제 11 항 중 어느 한 항에 있어서,
L2 <113> 은 알코올 ROH 및 알칼리 금속 알콕사이드 XOR 를 포함하는, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 12 항에 있어서,
L2 <113> 중 XOR 대 알코올 ROH 의 질량비는 1:100 내지 1:5 의 범위인, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 12 항 또는 제 13 항에 있어서,
L1 <115> 중 XOR 의 농도는 L2 <113> 에서보다 1.01 내지 2.2 배 더 높은, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 8 항 내지 제 14 항 중 어느 한 항에 있어서,
20 내지 70℃ 의 온도 및 0.5 내지 1.5 bar 의 압력에서 수행되는, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법. - 제 8 항 내지 제 15 항 중 어느 한 한에 있어서,
상기 중간 챔버 KM <103> 를 통한 전해질 L3 <114> 의 유량은 단계 (b) 의 수행 동안 변화되는, 용액 L1 <115> 을 제조하기 위한 방법.
Applications Claiming Priority (3)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
EP21182470.1 | 2021-06-29 | ||
EP21182470.1A EP4112780B1 (de) | 2021-06-29 | 2021-06-29 | Dreikammerelektrolysezelle zur herstellung von alkalimetallalkoholaten |
PCT/EP2022/066943 WO2023274796A1 (de) | 2021-06-29 | 2022-06-22 | Dreikammerelektrolysezelle zur herstellung von alkalimetallalkoholaten |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
KR20240023533A true KR20240023533A (ko) | 2024-02-22 |
Family
ID=76708089
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
KR1020237045183A KR20240023533A (ko) | 2021-06-29 | 2022-06-22 | 알칼리 금속 알콕사이드의 제조를 위한 3-챔버 전해 셀 |
Country Status (5)
Country | Link |
---|---|
EP (2) | EP4112780B1 (ko) |
JP (1) | JP2024523349A (ko) |
KR (1) | KR20240023533A (ko) |
CN (1) | CN117580977A (ko) |
WO (1) | WO2023274796A1 (ko) |
Family Cites Families (26)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DD258143A3 (de) | 1986-03-03 | 1988-07-13 | Koethen Ing Hochschule | Elektrolysezelle fuer stofftransportgehemmte oder durch konzentrationsabnahmen kinetisch verlangsamte elektrodenreaktionen |
US4831146A (en) | 1988-03-21 | 1989-05-16 | Air Products And Chemicals, Inc. | Process for preparing triacetone amine and other oxopiperidines |
US5254227A (en) * | 1989-06-16 | 1993-10-19 | Olin Corporation | Process for removing catalyst impurities from polyols |
DE4233191C2 (de) | 1992-01-16 | 1995-06-29 | Huels Chemische Werke Ag | Verfahren zur Herstellung von Alkoholaten |
US5389211A (en) | 1993-11-08 | 1995-02-14 | Sachem, Inc. | Method for producing high purity hydroxides and alkoxides |
US5425856A (en) * | 1994-04-26 | 1995-06-20 | Occidental Chemical Corporation | Method of making alkali metal alcoholates |
US5575901A (en) * | 1995-01-31 | 1996-11-19 | Sachem, Inc. | Process for preparing organic and inorganic hydroxides or alkoxides or ammonia or organic amines from the corresponding salts by electrolysis |
US6294066B1 (en) | 1997-01-23 | 2001-09-25 | Archer Daniels Midland Company | Apparatus and process for electrodialysis of salts |
US20080173540A1 (en) * | 2003-12-11 | 2008-07-24 | Joshi Ashok V | Electrolytic Cell for Producing Alkali Alcoholates |
US7824536B2 (en) | 2003-12-11 | 2010-11-02 | Ceramatec, Inc. | Electrolytic method to make alkali alcoholates using ceramic ion conducting solid membranes |
JP5314246B2 (ja) | 2003-12-11 | 2013-10-16 | アメリカン パシフィック コーポレイション | イオン伝導性セラミックの固体膜を用いたアルカリアルコラートを生成するための電気分解による方法 |
US8075758B2 (en) | 2003-12-11 | 2011-12-13 | Ceramatec, Inc. | Electrolytic method to make alkali alcoholates using ion conducting alkali electrolyte/separator |
DE10360758A1 (de) | 2003-12-23 | 2005-07-28 | Degussa Ag | Elektrochemische Herstellung von Alkalialkoholaten mit Hilfe einer keramischen Festelektrolytmembran |
DE102005051162A1 (de) | 2005-10-24 | 2007-04-26 | Basf Ag | Oberflächenstrukturierte Membranen und mit Katalysator beschichtete Membranen sowie Membran-Elektroden-Einheiten daraus |
EP1966413B1 (en) * | 2005-12-20 | 2017-06-21 | Ceramatec, Inc. | Electrolytic process to produce sodium hypochlorite using sodium ion conductive ceramic membranes |
JP2009523192A (ja) | 2006-01-11 | 2009-06-18 | セラマテック・インク | アルカリイオン伝導セラミックス膜を使用したバイオディーゼルの製造方法 |
EP2212449A4 (en) | 2007-11-02 | 2010-12-08 | Ceramatec Inc | ELECTROLYSIS METHOD FOR THE SEPARATION OF ALKALIMETALLIONS OF ALKALISALCES FROM GLYCERIN |
WO2010027825A2 (en) * | 2008-08-25 | 2010-03-11 | Ceramatec, Inc. | Methods for producing sodium hypochlorite with a three-comportment apparatus containing an acidic anolyte |
DE102010062804A1 (de) | 2010-01-12 | 2011-07-14 | Evonik Degussa GmbH, 45128 | Verfahren zur Herstellung von 1,1 Diarylalkanen und Derivativen davon |
WO2012048032A2 (en) | 2010-10-07 | 2012-04-12 | Ceramatec, Inc. | Chemical systems and methods for operating an electrochemical cell with an acidic anolyte |
EP2870277B1 (en) | 2012-07-03 | 2021-04-14 | Enlighten Innovations Inc. | Apparatus and method of producing metal in a nasicon electrolytic cell |
KR101719293B1 (ko) | 2015-01-13 | 2017-03-23 | 한국과학기술연구원 | 다공성 나피온 막 및 그 제조 방법 |
DE102015013155A1 (de) | 2015-10-09 | 2017-04-13 | Forschungszentrum Jülich GmbH | Elektrolytmaterial mit NASICON-Struktur für Feststoff-Natriumionenbatterien sowie Verfahren zu deren Herstellung |
US11105006B2 (en) * | 2018-03-22 | 2021-08-31 | Sekisui Chemical Co., Ltd. | Carbon dioxide reduction apparatus and method of producing organic compound |
ES2955404T3 (es) * | 2020-03-24 | 2023-11-30 | Evonik Operations Gmbh | Procedimiento para la producción de alcoholatos de metal alcalino en una célula electrolítica de tres cámaras |
EP3885471B1 (de) * | 2020-03-24 | 2023-07-19 | Evonik Operations GmbH | Verbessertes verfahren zur herstellung von natriumalkoholaten |
-
2021
- 2021-06-29 EP EP21182470.1A patent/EP4112780B1/de active Active
-
2022
- 2022-06-22 CN CN202280046253.5A patent/CN117580977A/zh active Pending
- 2022-06-22 EP EP22735407.3A patent/EP4363639A1/de active Pending
- 2022-06-22 KR KR1020237045183A patent/KR20240023533A/ko unknown
- 2022-06-22 WO PCT/EP2022/066943 patent/WO2023274796A1/de active Application Filing
- 2022-06-22 JP JP2023577604A patent/JP2024523349A/ja active Pending
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
EP4363639A1 (de) | 2024-05-08 |
JP2024523349A (ja) | 2024-06-28 |
WO2023274796A1 (de) | 2023-01-05 |
EP4112780B1 (de) | 2023-08-02 |
EP4112780A1 (de) | 2023-01-04 |
CN117580977A (zh) | 2024-02-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US11174559B2 (en) | Process for preparing alkali metal alkoxides in a three-chamber electrolysis cell | |
KR102274666B1 (ko) | 중수의 전해농축 방법 | |
US11629415B2 (en) | Process for preparing sodium alkoxides | |
JP4209777B2 (ja) | ガス拡散電極を備えた電解セル | |
US9551076B2 (en) | Electrochemical reactor and process | |
JP2000104189A (ja) | 過酸化水素の製造方法及び製造用電解槽 | |
JP2013194323A (ja) | オリフィスを有する酸素消費電極を用いるアルカリ金属塩化物の電気分解法 | |
CA3193346A1 (en) | Method of operating capillary-based electro-synthetic or electro-energy cells | |
US9150970B2 (en) | Process for electrolysis of alkali metal chlorides with oxygen-consuming electrodes in micro-gap arrangement | |
US20220267911A1 (en) | Process for preparing alkali metal alkoxides in a three-chamber electrolysis cell | |
US4137136A (en) | Method for electrolyzing alkali metal halide aqueous solution | |
JPS59100278A (ja) | ナロ−・ギヤツプガス電極型電解槽 | |
JP6543277B2 (ja) | 狭い間隙の非分割電解槽 | |
KR20240023533A (ko) | 알칼리 금속 알콕사이드의 제조를 위한 3-챔버 전해 셀 | |
KR20240023532A (ko) | 알칼리 금속 알콕사이드의 제조를 위한 3-챔버 전해 셀 | |
FI73744C (fi) | Foerfarande foer anvaendning av en elektrokemisk vaetske/gascell. | |
CN117813419A (zh) | 用于电解池的包含固态电解质陶瓷的抗破裂分隔壁 | |
HU180463B (hu) | Eljárás halogének és alkálifém-hidroxidok előállítására alkálifém-halogenidek elektrolízise útján | |
JPH10280180A (ja) | 過酸化水素水の製造装置及び方法 | |
TW202340350A (zh) | 聚對苯二甲酸乙二酯的解聚合之改良方法 | |
JPS5844749B2 (ja) | 高純度なアルカリ金属水酸化物の製造方法 | |
JPS60187688A (ja) | 高純度なアルカリ金属水酸化物の製法 | |
JPS6156315B2 (ko) | ||
JPS5814510B2 (ja) | イオンコウカンマクデンカイホウホウ |