WO2017005594A1 - Electrolytic system and reduction method for electrochemical carbon dioxide utilization, alkali carbonate preparation and alkali hydrogen carbonate preparation - Google Patents

Electrolytic system and reduction method for electrochemical carbon dioxide utilization, alkali carbonate preparation and alkali hydrogen carbonate preparation Download PDF

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cathode
catholyte
alkali
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Günter Schmid
Maximilian Fleischer
Philippe Jeanty
Ralf Krause
Erhard Magori
Anna Maltenberger
Sebastian Neubauer
Christian Reller
Bernhard Schmid
Elena Volkova
Kerstin Wiesner
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Siemens Aktiengesellschaft
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Definitions

  • the present invention relates to a reduction method and an electrolysis system for electrochemical carbon dioxide utilization. Carbon dioxide is introduced into an electrolyte cell and reduced at a cathode.
  • Natural carbon dioxide degradation occurs, for example, through photosynthesis.
  • carbon dioxide are reacted to form carbohydrates. This process is not so easy on a large scale
  • Electrochemical CO 2 reduction on metal electrodes from Y Electrochemical CO 2 reduction on metal electrodes from Y.
  • carbon dioxide is reduced, for example, to silver, gold or zinc cathodes, almost exclusively carbon monoxide is produced.
  • the table shows Faraday efficiencies [%] of products produced by carbon dioxide reduction on various metal electrodes. The values given apply to a 0.1 M potassium bicarbonate solution as electrolyte and current densities below 10 mA / cm 2 . On a silver cathode, for example, predominantly carbon monoxide and only a little hydrogen would be produced.
  • THE REACTION ⁇ nen at the anode and cathode can be represented by the following reaction sliding ⁇ cations: Cathode: 2 C0 2 + 4 e "+ 4 H + - 2 CO + 2 H 2 0
  • the proposed solution should enable a continuous carbon dioxide conversion. It is an object of the invention to provide an improved reduction process and electrolysis system for carbon dioxide utilization.
  • the electrolyzer system of the invention for carbon dioxide recycling comprises at least one electrolyzer with an anode in an anode compartment and a cathode in a cathode compartment, said cathode compartment comprising at least one access for carbon dioxide and wherein the cathode compartment is ⁇ staltet that, OBTAINED carbon dioxide in contact with the cathode bring to.
  • the cathode compartment comprises a catholyte or is configured to receive a catholyte, wherein the catholyte may be communicated with the cathode compartment via the same access as the carbon dioxide or via a separate second access.
  • at least the anode compartment, in the operation of the cell anode and cathode compartment alkali cations.
  • a catholyte is an electrolyte which is directly influenced by the cathode during the electrolysis. Accordingly, anolyte is also referred to below when an electrolyte is referred to, which is in direct influence of the anode in an electrolysis. With alkali metal cations, positively charged ions are referred to, the at least one element of the ers ⁇ th main group of the periodic system.
  • the anode chamber of the electrolyser comprises at least one To ⁇ gear for an anolyte and comprises an anolyte or at least is adapted to receive an anolyte via this access, whereby this stand-anolyte comprises chlorine anion.
  • the anode compartment and the cathode compartment are separated by a membrane.
  • the membrane is at least one mechanical separating layer, for example a diaphragm, which separates at least the resulting in Ano ⁇ denraum and cathode compartment electrolysis products apart.
  • separator membrane or separating layer Since it is gaseous substances, in particular for the electrolysis ⁇ products, will be ⁇ vorzugt a membrane with a high bubble point of 10 mbar or larger used.
  • bubble point is a defining variable for the membrane used, which describes ⁇ from which pressure difference ⁇ between the two sides of the membrane would use a gas flow through the membrane.
  • the membrane may also be a proton- or cation-conducting or permeable membrane. While molecules, liquids or gases are separated, a proton or cation flow is ensured from the anode compartment to the cathode compartment.
  • a membrane is used which has sulfonated polytetrafluoroethylene, eg Nafion.
  • the electrolysis system further comprises at least one separation basin for the crystallization of an alkali metal bicarbonate and / or alkali metal carbonate from the catholyte.
  • ⁇ sondere has this separation basin on a product outlet.
  • a second separating basin can also be provided for a most advantageous crystallization process. This is then typically in
  • Chloride anions are oxidized at the anode to chlorine and chlorine gas exit as the anolyte, the Alkalika ⁇ functions migrate through the membrane into the catholyte where they in The cathode compartment react with the carbonate or hydrogen carbonate formed there to form an alkali metal carbonate or alkali metal bicarbonate and, in particular, leave the catholyte circuit via the separate product outlet of the separating basin.
  • the electrolysis system according to the invention has the advantage, in addition to chlorine, at least one alkali carbonate and / or alkali bicarbonate to produce as a chemical valuable material. Whether alkali carbonate or alkali hydrogen carbonate is produced depends, for example, on the alkali metal and the recycling process. In aqueous solution, for example, solubility is crucial.
  • the combustion of sodium in carbon dioxide is an example in which Koh ⁇ lenstoffmonoxid directly and sodium carbonate Na 2 Cue 3 is generated.
  • the electrolysis system described serves the
  • Monoethylene glycol are provided.
  • the very advantageous utilization of the compensating current by the cations thus creates an electrolysis system which enables continuous hydrogen carbonate production.
  • the catholyte has the effect of increasing the electrolyte concentration continuously.
  • the catholyte is guided into a catholyte cycle, ie into the cathode space pumped and derived again, the catholyte can be removed from the resulting in the cathode compartment hydrogen carbonate.
  • at least one pump is arranged in particular in the catholyte circuit, for example, but also in the anolyte circuit, which ensures an electrolyte circulation.
  • Alkali cations continue to alkali bicarbonates.
  • the alkali metal cations present in the cathode space are taken from the anode compartment, in which they were initially introduced, in particular as Alkalichlo ⁇ chloride as Oxidationsedukt or in the form of another Alkalisal- zes, for example, to increase the conductivity.
  • the alkalization is preferably carried out in the anode compartment as alkali metal chloride.
  • the membrane between the anode and cathode space is chosen in particular so that the Kat ⁇ ion current is ensured from the anode space to the cathode in the electric field of the electrolyzer.
  • the temperature and pH dependence of the solubility of alkali hydro ⁇ gencarbonaten now leads that different processes are performed to crystallize or for removal from the catholyte:
  • the temperature dependence of the solubility of the desired as electrolysis product alkali metal bicarbonates can be used.
  • the separating basin preferably comprises a cooling device, by means of which the catholyte is cooled by several degrees Kelvin, in contrast to the temperature range which prevails in the electrolyzer.
  • the adjusted temperature difference is from the separating basin to
  • Electrolyzer at least 15 K, in particular at least 20 K.
  • a temperature difference between 30 K and 50 K may be particularly suitable.
  • the temperature difference between The electrolyzer and separating basin can be in a temperature range between 5 K and 70 K.
  • the lowering of the temperature in the separating basin has the additional advantage for the entire system that a cooling takes place in the catholyte circulation before the return of the catholyte into the cathode space.
  • a cooling takes place in the catholyte circulation before the return of the catholyte into the cathode space.
  • Katholyt Vietnameselauf and / or the cathode compartment are made available to the catholyte volume according to puf ⁇ fern.
  • the pH of the catholyte can also be considered as such for the
  • Control of the deposition of the alkali metal bicarbonate can be used from the electrolyte.
  • the pH in the cathode compartment is first increased to a higher value, e.g. kept at 8 or higher. This can shift the equilibrium in favor of the alkali carbonate as opposed to the alkali hydrogen carbonate.
  • Separation tank is then lowered the pH, preferably to a value of 6 or less, which leads to the formation and crystallization of the alkali metal bicarbonate.
  • the pH reduction is typically done by blowing carbon dioxide into the capture tank.
  • an alkali metal bicarbonate or an alkali carbonate may be ge ⁇ forms.
  • the two described procedures for withdrawing the desired product from the catholyte can also be combined.
  • the sodium carbonate Na 2 CC> 3 can be obtained in retrospect from the crystallized sodium bicarbonate NaHCC> 3 by heating. Then, even preferably produced initially bicarbonate, separated, and it rubver ⁇ ⁇ After working in the transition of the desired proportion to carbonate.
  • the pH-dependence of the bicarbonate or carbonate ions is e.g. shown in Figure 6 in a Hägg diagram for a sodium carbonate solution.
  • a buffer reservoir is preferably also provided in the anolyte circulation, which buffer can also be used, in particular, for introducing or delivering alkali metal chloride into the electrolyte in order to maintain the salt content in the anolyte.
  • the catholyte at least one solvent on, insbesonde re ⁇ water.
  • aqueous electrolytes and, accordingly, water-soluble conductive salts are used.
  • the electrolyte content can be increased by the addition of other carbonates, bicarbonates, but also sulfates or other conductive salts, to increase the conductivity of the electrolyte in the
  • the electrolytic system on the anolyte side has a gas separation device which is designed to carry out the chlorine gas separation from the anolyte.
  • a gas separation device can also be provided in the catholyte circuit, for example if it is aligned with the carbon monoxide gas generation by using a cathode containing silver.
  • additional devices for inlets or outlets from the system or additional buffer reservoirs can be provided.
  • anion-membrane is therefore not of pre ⁇ part.
  • the described reduction process for carbon dioxide utilization by means of an electrolysis system comprises the following steps: A catholyte and carbon dioxide is introduced into a cathode space and brought into contact therewith with a cathode. Inside the cathode compartment, this catholyte has alkali cations which migrate through the membrane which separates the anode and cathode compartments. At least part of the Katholytvolumens is introduced into a separation basin, where bicarbonate is an alkali and / or alkaline carbonate auskristalli ⁇ Siert.
  • an anolyte which has chloride anions, introduced into an anode compartment and there brought into contact with an anode, at the anode, the
  • Chloride anions oxidized to chlorine and this separated as chlorine gas via a gas separation device from the anolyte is preferably, this reduction method is performed such that anolyte and catholyte is performed in each case from each other in a ge ⁇ separated circuit, ie two pumps in Provided electrolysis, which cause at least at one point in the circulation transport of the catholyte through the Katho ⁇ denraum and transport of the anolyte through the anode compartment.
  • the circuits are separated from each other by the membrane in the electrolyte, which ideally allows only cation transport from the anode compartment into the cathode compartment.
  • the in the cathode chamber Need Beer ⁇ saturated alkali cations are obtained from the anode chamber.
  • the anolyte preferably has an alkali metal chloride, this can accordingly likewise be used as electrolyte salt but also as electrolysis product.
  • the alkali metal chloride in the anolyte as Elektrolyseedukt and an additional conductive salt, for example, a sulfate, a phosphate et cetera, preferably an alkali metal sulfate, can be used.
  • ammonium salts or their homologues can also be used.
  • Imidazolium salts or other ionic liquids can the selectivity of the electrode, particularly the cathode, posi tive ⁇ influence.
  • the cathode Typically generated in the reduction process in the re ⁇ production of carbon dioxide at the cathode, carbon monoxide, ethylene, methane, ethanol and / or monoethylene glycol.
  • a corresponding cathode is used as a catalyst of these reactions.
  • the cathode preferably has copper for this purpose.
  • the hydroxide ions formed in the reduction of carbon dioxide are converted to hydrogen carbonate ions with excess carbon dioxide.
  • the Hydrogencarbonaterzeugung directly in the cathode compartment has the advantage that they can react directly with existing in the cathode compartment alkali cations to another interesting valuable material, as he would otherwise have to be produced in separate manufacturing processes.
  • a portion of the Katholytvolumens is in particular at least introduced into a deposition tank and ⁇ , preferably where it is cooled by at least 15 K is at least 20 K.
  • the Temperature- is exploited dependence of Carbonatlösige to extract the value ⁇ material from the catholyte.
  • the temperature ⁇ difference of separation tank to electrolyzer may also be more than 30 K, in particular more than 50 K, depending on the present to be extracted alkali metal bicarbonate and also depending on which other salts are present in the cycle.
  • the temperature difference between electrolyzer and separation unit can be between 5 K and 70 K.
  • Hydrogen carbonate product from the catholyte volume the dependence of the solubility of the pH value is exploited.
  • This method can be combined with the temperature-dependent method.
  • the reduction process to at least part of the Katholytvolumens is introduced into a deposition tank and there ⁇ whose pH is less lowered in particular with ⁇ means of injecting carbon dioxide of more than 8 to a pH of 6 or more.
  • Just buffering the pH to a value above 8 in the cathode compartment has the advantage of preventing precipitation of the alkali metal hydrogencarbonate in the cathode compartment itself.
  • the reduction process can be carried out so that the precipitated alkali metal bicarbonate is converted by heating to alkali carbonate. This can be done directly after the crystallization of the bicarbonate in the
  • Separation tanks are made or carried separately from the described electrolysis system.
  • the process can be run in such a way that the pH in the cathode chamber in the upper limit of the reaction to 8 or higher is maintained, so that the equilibrium is shifted to favor nearest ⁇ of sodium carbonate: 2 NaHC0 3 - Na 2 C0 3 + H 2 0 + C0. 2
  • the carbon dioxide feed into the system must be very well controlled to get into and maintain this basic regime.
  • the pH would then be lowered for optimal separation of the sodium bicarbonate by blowing carbon dioxide, and thus shifting the equilibrium reaction again in favor of sodium hydrogen carbonate.
  • the process is not be limited to ⁇ sodium bicarbonate.
  • potassium bicarbonate can also be prepared in this process. Analogous to the described deposition process for sodium bicarbonate and the potassium bicarbonate from a pure Kaliumhydrogen- carbonate electrolyte by lowering the temperature in
  • the separating tank AB preferably crystallized potassium sulfate K 2 S0 4 from which the terminal, that is in circulation direction after Separation tank AB, the electrolyte can be recycled.
  • the volume of electrolyte, the potassium sulfate K 2 S0 4 has been removed, is then, preferably in egg ⁇ nem further separating tank, concentrated, ie the Kaliumhydrogencarbonatties is removed by cooling, for example, the water to obtain the crystalline material.
  • this method is also applicable to other cations or mixtures of cations.
  • the migration of the cations, the catholyte concentrates on so far that the hardest most soluble salt or double ⁇ salt precipitates. It is important that the process of concentration and deposition does not take place in the cathode compartment, that is, not in the electrolysis cell itself, but instead the catholyte is integrated into an electrolysis system
  • Separation tank is transported.
  • the separation in the separating basin is achieved or promoted.
  • a suitable pressure difference between electrolysis cell and the separation tank e.g. Via a temperature, pH or pressure gradient
  • Separation tank can be up to 100 bar. Preferably, a pressure difference between 2 bar and 20 bar would be selected. An increased pressure in the separating basin would be the
  • FIG. 1 shows a schematic illustration of an electrolysis system with carbon dioxide reservoir and separating basin
  • FIG. 2 shows a schematic illustration of an electrolysis system with gas diffusion electrode
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a PEM structure of an electrolysis cell
  • FIG. 4 shows a schematic representation of a PEM
  • FIG. 5 shows a schematic illustration of a PEM
  • FIG. 6 shows a Hägg diagram
  • FIG. 1 and 2 Examples of electrolysis systems are shown Carbon Reduction in schematic representation, which can be read as flowcharts for ⁇ be signed reduction process alike.
  • the left side shows the anolyte circuit AK, while the right side shows the catholyte circuit KK.
  • These two circuits AK, KK are connected via the electrolyzer El, E2, whose anode compartment AR and cathode compartment KR are connected to one another via a membrane M or are separated from one another via these.
  • the membrane M a kationenlei ⁇ tend membrane M is preferably employed.
  • an anode A in the cathode space KR, a cathode K is arranged, which are electrically connected via a voltage source U.
  • Both Circuits AK, KK preferably each have a pump PI, P2, which pump the electrolytes through the electrolyzer.
  • devices N1, N2, N3 may be present in both circuits AK, KK at different points in the flow direction, which may be additional inflows or outflows or as buffer reservoirs.
  • a gas separating G2 is ⁇ least provided with a product outlet PA2 over which the product chlorine gas Cl 2 can be removed.
  • a gas separating Gl is provided with product outlet PA1 least the same inlet, of which for example the electrolysis ⁇ product carbon monoxide CO, for example, water ⁇ H 2 material can be removed.
  • other electrolysis products such as ethylene, methane, ethanol, monoethylene glycol can over this or example meadow over another
  • the electrolyzer El, E2 has, for example, a gas diffusion electrode GDE for the carbon dioxide inlet.
  • GDE gas diffusion electrode
  • the carbon dioxide C0 2 is introduced into the electrolyte via a reservoir C0 2 -R and in the direction of circulation in front of the cathode space KR.
  • the catholyte circulation KK has a separation basin AB, which can be integrated directly into the circulation or through which only a part of the catholyte volume is guided.
  • a branch of the circuit can as KK shows ⁇ ge in Figures 1 and 2, may be provided.
  • the separating tank AB or more series-connected separating tank may be connected for example with a cooling device or with a buffer reservoir PR, so that the crystallization of bicarbonate through a ⁇ provide a temperature difference, pressure difference, or pH difference to the electrolyzer El, E2 is favored.
  • the separating basin AB has a product outlet PA3.
  • a plurality of separation basins connected in series would each have a product outlet.
  • electrolysis systems are shown, as they can be used for an embodiment of the invention. Care is taken in this setup that separate anolyte AK and KKK catholyte circuits are present.
  • the electrolytes used are then pumped continuously through the electrolytic cell El, E2, ie through the anode space AR and through the cathode space KR.
  • a pump PI, P2 pre ⁇ see in the structure in each of the two circuits AK, KK in each case a pump PI, P2 pre ⁇ see.
  • the structure can comprise materials made of plastic, plastic-coated metal or glass.
  • Vorratsge ⁇ vessels glass flask can be used, the cell itself is, for example, from PTFE, the tubes made of neoprene.
  • the electrolyzer El, E2 as it is installed in the electrolysis systems shown, may also have a different structure, as shown for example in Figures 3 to 5.
  • An alternative electrolysis cell is the after
  • the electrolysis ⁇ cell can be configured as a PEM half-cell, as shown in Figures 4 and 5, in which the anode side is designed as a PEM half-cell, ie the anode A is arranged in direct contact with the membrane PEM and the anode space AR is arranged on the side facing away from the membrane of the anode A.
  • the cathode K is porous and at least partially gas-permeable and / or electrolyte-permeable.
  • the anode PEM half cell with a gas diffusion electrode GDE is shown in FIG. 4
  • a back-flow cathode K is shown, the cathode space KR is connected via the cathode K with a gas reservoir.
  • the gas reservoir in turn has in this case at least one gas inlet GE and, where appropriate, ⁇ outlet GA.
  • One such embodiment is previously incorporated sets ⁇ for example, as an oxygen-consuming electrode, for example in the production of caustic soda. Then would the cathode K flows behind with oxygen.
  • the oxygen-consuming cathode can be used, for example, to avoid the formation of hydrogen H 2 in the cathode space KR in favor of a reaction towards water H 2 0.
  • the water-forming energy reduces the necessary system voltage U and thus causes a lower energy consumption of the electrolysis system.
  • the cathode K of an oxygen-consuming electrode composed of silver before ⁇ namely, it may also catalyze the oxide reduction Kohlenstoffdi-. If no oxygen to Ver Berg- asked supply, the oxygen-consuming reaction can not take place ⁇ . Instead, the carbon dioxide reduction to carbon monoxide CO takes place with some hydrogen formation. If, for example, sodium is chosen as the alkali metal, the following reactions take place in the cathode space KR when using a copper-containing cathode K:
  • the chlorine gas Cl 2 is formed, as described, by oxidation of the chloride anions Cl ⁇ at the anode A, the other electrolysis products formed at the cathode K or by subsequent reactions in the cathode space KR.
  • the example of sodium is particularly suitable since the sodium bicarbonate can be very easily separated from the electrolyte.
  • sodium bicarbonate and sodium carbonate are important, frequently needed chemical recyclables.
  • Worldwide annual sodium carbonate production is around 50 million tonnes, such as the Roskill Market Report "Soda Ash: Market Outlook to 2018", available from Roskill Information Services Ltd, email: info@roskill.co.uk, www. roskill.co.uk/soda-ash, it can be seen.
  • Table 2 lists further salts, potassium hydrogen carbonate KHCO 3 , potassium sulfate K 2 S0 4 , potassium phosphate K 3 PO 4 , potassium iodide KI, potassium bromide KBr, potassium chloride KCl, sodium hydrogencarbonate NaHCC> 3, sodium sulfate Na 2 SO 4 , which are preferably used can be.
  • other sulfates, Phospha ⁇ te, iodides or bromides can be used to increase the conductivity in the electrolyte.
  • the solubility of sodium bicarbonate NaHCC> 3 in water is 69 g / l at 0 ° C, 96 g / l at 20 ° C, 165 g / l at 60 ° C and 236 g / l at 100 ° C.
  • sodium carbonate NaCC> 3 dissolves comparatively well, with a solubility of 217 g / l at 20 ° C. In continuous electrolysis, therefore, the sodium bicarbonate NaHCC> 3 tends to crystallize in the
  • Electrolysis cell El, E2. This can have an increased tempera ⁇ ture as already produced by the operation of the system and also be counteracted by an appropriate pH Value buffering.
  • the sodium bicarbonate NaHCC> 3 should first crystallize out of the electrolyte in separating tank AB. By pumping the electrolyte into a circuit KK, the sodium bicarbonate NaHCC> 3 formed in the cathode space KR is led out of it and the
  • KK may catholyte by a separating tank AB reciprocated by extending or there is a branch of a Sectionvolu ⁇ mens of the catholyte in a separating tank AB, in which, for example by cooling the electrolyte the Natriumhydrogencar- carbonate NaHCO can be crystallized> 3 and thus recovered.
  • the electrolysis cells E1, E2 in operation by process losses anyway warm up, it can come to the effective crystallization to temperature differences of up to 70 K between the cathode space KR and Ab Abborgebecken. Preference is given to working in a range between 30 K and 50 K Tempe ⁇ temperature difference. In particular with a temperature difference of at least 15 K or even at least 20 K.
  • Electrolytes this must be considered> 3 in the crystallization of the sodium umhydrogencarbonats NaHCO to obtain a mög ⁇ lichst pure product.
  • a hydro ⁇ gensulfat HS0 4 ⁇ or sulfate S0 4 2 ⁇ used as a conductive additive.
  • This may, for example, be sodium sulfate Na 2 S0 4 or sodium hydrogensulfate NaHS0 4 .
  • the solubility of sodium hydrosulfide ⁇ hydrogen sulfate NaHS0 4 is 1080 g / 1 at 20 ° C and that of Natri ⁇ sulfate Na 2 S0 4 is 170 g / 1 at 20 ° C, s. Table 2.
  • Sodium hydrogen carbonate production can replace previously used standard Solvay process.
  • the Solvay process for producing sodium bicarbonate has one major drawback, namely that it consumes very large amounts of water.
  • sodium carbonate Na 2 CC> 3 about one kilogram of unusable Calcium chloride CaCl 2 produced, which is usually discharged into the sewage and thus into rivers and seas.
  • a Jah ⁇ resher ein of 50 million tons of sodium carbonate Na2C03 this is so in about 50 million tons of calcium chloride CaC12.
  • Sodium hydrogen carbonate aHC0 3 occurs as a natural mineral Nahcolith in the United States of America. It usually occurs finely distributed in oil shale and can then be obtained as a by-product of oil extraction. A mining of particularly rich Nahcolith horizons is operated in the state of Colorado. However, the annual production in 2007 was just 93,440 tonnes. It also comes in, for example
  • FIG. 6 shows an example of a Hägg diagram of a 0.05 molar solution of carbon dioxide CO 2 in order to illustrate the dependence on the concentration and pH parameters. Be in a medium pH range

Abstract

Described is an electrolytic system comprising an electrolytic cell, a separation of the anolyte side and the catholyte side, and a separation and withdrawal device for an alkali carbonate and/or an alkali hydrogen carbonate. The disclosed reduction method allows for the continuous carbon dioxide utilization and simultaneous preparation of multiple valuable chemical products.

Description

Beschreibung description
Elektrolysesystem und Reduktionsverfahren zur elektrochemischen Kohlenstoffdioxid-Verwertung, Alkalicarbonat- und Electrolysis system and reduction process for electrochemical carbon dioxide utilization, alkali carbonate and
AIkalihydrogencarbonaterzeugung AIkalihydrogencarbonaterzeugung
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Reduktionsverfahren und ein Elektrolysesystem zur elektrochemischen Kohlenstoffdioxid-Verwertung. Kohlenstoffdioxid wird in eine Elektroly- sezelle eingeleitet und an einer Kathode reduziert. The present invention relates to a reduction method and an electrolysis system for electrochemical carbon dioxide utilization. Carbon dioxide is introduced into an electrolyte cell and reduced at a cathode.
Stand der Technik State of the art
Aktuell wird ca. 80 % des weltweiten Energiebedarfs durch die Verbrennung von fossilen Brennstoffen gedeckt, deren Verbrennungsprozesse eine weltweite Emission von etwa 34000 Millio¬ nen Tonnen Kohlenstoffdioxid in die Atmosphäre pro Jahr ver¬ ursacht. Durch diese Freisetzung in die Atmosphäre wird der Großteil an Kohlenstoffdioxid entsorgt, was z.B. bei einem Braunkohlekraftwerk bis zu 50000 Tonnen pro Tag betragen kann. Kohlenstoffdioxid gehört zu den sogenannten Treibhaus¬ gasen, deren negative Auswirkungen auf die Atmosphäre und das Klima diskutiert werden. Da Kohlenstoffdioxid thermodynamisch sehr niedrig liegt, kann es nur schwierig zu wiederverwertba- ren Produkten reduziert werden, was die tatsächliche Wieder¬ verwertung von Kohlenstoffdioxid bisher in der Theorie bezie¬ hungsweise in der akademischen Welt belassen hat. Currently about 80% of global energy demand is met by the burning of fossil fuels whose combustion processes worldwide emission of about 34,000 tons of carbon dioxide Millio ¬ nen into the atmosphere per year ver ¬ ursacht. As a result of this release into the atmosphere, most of the carbon dioxide is disposed of, which, for example, can amount to up to 50,000 tons per day for a lignite-fired power plant. Carbon dioxide is one of the so-called greenhouse gases ¬ whose negative impact on the atmosphere and climate are discussed. Since carbon dioxide is thermodynamically very low, it can be reduced reindeer difficult to wiederverwertba- products what the actual re ¬ recycling of carbon dioxide so far rela ¬ hung, in theory, has left in the academic world.
Ein natürlicher Kohlenstoffdioxid-Abbau erfolgt beispielswei- se durch Fotosynthese. Dabei werden in einem zeitlich und auf molekularer Ebene räumlich in viele Teilschritte aufgeglie¬ derten Prozess Kohlenstoffdioxid zu Kohlehydraten umgesetzt. Dieser Prozess ist so nicht einfach großtechnisch Natural carbon dioxide degradation occurs, for example, through photosynthesis. Here, in a spatially into many partial steps up glie ¬ derten time and at the molecular level process carbon dioxide are reacted to form carbohydrates. This process is not so easy on a large scale
adaptierbar. Eine Kopie des natürlichen Fotosyntheseprozesses mit großtechnischer Fotokatalyse ist bisher nicht ausreichend effizient . Eine Alternative stellt die elektrochemische Reduktion des Kohlenstoffdioxids dar. Systematische Untersuchungen der elektrochemischen Reduktion von Kohlenstoffdioxid sind noch ein relativ junges Entwicklungsfeld. Erst seit wenigen Jahren gibt es Bemühungen, ein elektrochemisches System zu entwickeln, das eine akzeptable Kohlenstoffdioxidmenge reduzieren kann. Forschungen im Labormaßstab haben gezeigt, dass zur Elektrolyse von Kohlenstoffdioxid bevorzugt Metalle als Kata¬ lysatoren einzusetzen sind. Aus der Veröffentlichung adaptable. A copy of the natural photosynthesis process with large-scale photocatalysis is not yet sufficiently efficient. An alternative is the electrochemical reduction of carbon dioxide. Systematic studies of the electrochemical reduction of carbon dioxide are still a relatively recent field of development. Only for a few years has there been an effort to develop an electrochemical system that can reduce an acceptable amount of carbon dioxide. Research in the laboratory scale have shown that are to be used for the electrolysis of carbon dioxide preferably metals as catalysts Kata ¬. From the publication
Electrochemical CO2 reduction on metal electrodes von Y. Electrochemical CO 2 reduction on metal electrodes from Y.
Hori, veröffentlicht in: C. Vayenas, et al . (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp . 89-189, sind Faraday Effizienzen an unterschiedlichen Metallkathoden zu entnehmen, siehe Tabelle 1 . Hori, published in: C. Vayenas, et al. (Eds.), Modern Aspects of Electrochemistry, Springer, New York, 2008, pp. 89-189, Faraday efficiencies can be seen on different metal cathodes, see Table 1.
Wird Kohlenstoffdioxid beispielsweise an Silber-, Gold- oder Zink-Kathoden reduziert, entsteht nahezu ausschließlich Kohlenstoffmonoxid . If carbon dioxide is reduced, for example, to silver, gold or zinc cathodes, almost exclusively carbon monoxide is produced.
Elektrode CH4 c2H4 C2H5OH C3H7OH CO HCOO~ H2 TotalElectrode CH 4 c 2 H 4 C 2 H 5 OH C 3 H 7 OH CO HCOO ~ H 2 Total
Cu 33 3 25 5 5 7 3 0 1 3 9 4 20 5 103 5Cu 33 3 25 5 5 7 3 0 1 3 9 4 20 5 103 5
Au 0 0 0 0 0 0 0 0 87 1 0 7 10 2 98 0Au 0 0 0 0 0 0 0 0 87 1 0 7 10 2 98 0
Ag 0 0 0 0 0 0 0 0 81 5 0 8 12 4 94 6Ag 0 0 0 0 0 0 0 0 81 5 0 8 12 4 94 6
Zn 0 0 0 0 0 0 0 0 79 4 6 1 9 9 95 4Zn 0 0 0 0 0 0 0 0 79 4 6 1 9 9 95 4
Pd 2 9 0 0 0 0 0 0 28 3 2 8 26 2 60 2Pd 2 9 0 0 0 0 0 0 28 3 2 8 26 2 60 2
Ga 0 0 0 0 0 0 0 0 23 2 0 0 79 0 102 0Ga 0 0 0 0 0 0 0 0 23 2 0 0 79 0 102 0
Pb 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 97 4 5 0 102 4Pb 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 97 4 5 0 102 4
Hg 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 99 5 0 0 99 5Hg 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 99 5 0 0 99 5
In 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 94 9 3 3 100 3In 0 0 0 0 0 0 0 0 2 1 94 9 3 3 100 3
Sn 0 0 0 0 0 0 0 0 7 1 88 4 4 6 100 1Sn 0 0 0 0 0 0 0 0 7 1 88 4 4 6 100 1
Cd 1 3 0 0 0 0 0 0 13 9 78 4 9 4 103 0Cd 1 3 0 0 0 0 0 0 13 9 78 4 9 4 103 0
Tl 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 95 1 6 2 101 3Tl 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 95 1 6 2 101 3
Ni 1 8 0 1 0 0 0 0 0 0 1 4 88 9 92 4Ni 1 8 0 1 0 0 0 0 0 0 1 4 88 9 92 4
Fe 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 94 8 94 8Fe 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 94 8 94 8
Pt 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 95 7 95 8Pt 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 1 95 7 95 8
Ti 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 99 7 99 7 Ti 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 99 7 99 7
Tabelle 1: Table 1:
In der Tabelle sind Faraday Effizienzen [%] von Produkten an- gegeben, die bei der Kohlenstoffdioxid-Reduktion an verschiedenen Metallelektroden entstehen. Die angegebenen Werte gelten für eine 0,1 M Kaliumhydrogencarbonatlösung als Elektrolyten und Stromdichten unterhalb von 10 mA/cm2. An einer Silberkathode würden beispielsweise überwiegend Koh- lenmonoxid und nur wenig Wasserstoff entstehen. Die Reaktio¬ nen an Anode und Kathode können mit folgenden Reaktionsglei¬ chungen dargestellt werden: Kathode: 2 C02 + 4 e" + 4 H+ - 2 CO + 2 H20 The table shows Faraday efficiencies [%] of products produced by carbon dioxide reduction on various metal electrodes. The values given apply to a 0.1 M potassium bicarbonate solution as electrolyte and current densities below 10 mA / cm 2 . On a silver cathode, for example, predominantly carbon monoxide and only a little hydrogen would be produced. THE REACTION ¬ nen at the anode and cathode can be represented by the following reaction sliding ¬ cations: Cathode: 2 C0 2 + 4 e "+ 4 H + - 2 CO + 2 H 2 0
Anode : 2 H20 ->■ 02 + 4 H+ + 4 e" Wie Tabelle 1 außerdem zu entnehmen ist, entstehen etwa an einer Kupferkathode, eine Vielzahl an Kohlenwasserstoffen als Reaktionsprodukte. Von besonderem wirtschaftlichem Interesse ist beispielsweise die elektrochemische Erzeugung von Methan oder Ethylen, Ethanol oder Monoethylenglykol . Dabei handelt es sich um energetisch höherwertige Produkte als Kohlenstoff¬ dioxid. Anode: 2 H 2 0 -> ■ 0 2 + 4 H + + 4 e " As can also be seen from Table 1, a large number of hydrocarbons are formed as reaction products, for example, on a copper cathode. Of particular economic interest is, for example, the electrochemical production of methane or ethylene, ethanol or monoethylene glycol. It is energetically higher quality products than carbon dioxide ¬.
Ethylen : 2C02 + 12e" + 8H20 C2H4 + 120H" Methan: C02 + 8e" + 4H20 - CH4 + 40H" Ethylene: 2C0 2 + 12e " + 8H 2 0 C 2 H 4 + 120H " Methane: C0 2 + 8e " + 4H 2 0 - CH 4 + 40H "
Ethanol : 2C02 + 12e" + 9H20 C2H5OH + 120H" Ethanol: 2C0 2 + 12e " + 9H 2 0 C 2 H 5 OH + 120H "
Monoethylenglykol : 2C02 + lOe" + 8H20 HOC2H4OH + 10OH" Monoethylene glycol: 2C0 2 + lOe " + 8H 2 0 HOC 2 H 4 OH + 10OH "
Mit einem chloridhaltigen Elektrolyten kann folgende Reaktion an der Anode ablaufen: With a chloride-containing electrolyte, the following reaction can take place at the anode:
2 Cl" ->■ Cl2 + 2 e" 2 Cl " -> ■ Cl 2 + 2 e "
Bei der elektrochemischen StoffUmsetzung von Kohlenstoffdio- xid in ein energetisch höherwertiges Produkt sind die Erhö¬ hung der Wirtschaftlichkeit von Interesse sowie eine Verbes¬ serung hinsichtlich der kontinuierlichen Betreibbarkeit der Elektrolysesysteme . In the electrochemical reaction of fuel Kohlenstoffdio- hydroxide in a energetically higher quality product, the raised stabili ¬ hung the economics of interest as well as a verb ¬ provement in terms of the continuous operability of the electrolysis systems.
Folglich stellt es sich als technisch erforderlich dar, eine verbesserte Lösung für die elektrochemische Kohlenstoffdio- xid-Verwertung vorzuschlagen, welche die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile vermeidet. Insbesondere soll die vorzuschlagende Lösung eine kontinuierliche Kohlenstoffdio- xidumsetzung ermöglichen. Es ist Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Reduktionsverfahren und Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung anzugeben . Consequently, it is technically necessary to propose an improved solution for the electrochemical carbon dioxide utilization, which avoids the disadvantages known from the prior art. In particular, the proposed solution should enable a continuous carbon dioxide conversion. It is an object of the invention to provide an improved reduction process and electrolysis system for carbon dioxide utilization.
Diese der vorliegenden Erfindung zugrundeliegenden Aufgaben werden durch ein Elektrolysesystem gemäß dem Patentanspruch 1 sowie durch ein Reduktionsverfahren gemäß dem Patentanspruch 9 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Ge¬ genstand der Unteransprüche. Beschreibung der Erfindung These objects underlying the present invention are achieved by an electrolysis system according to the patent claim 1 and by a reduction method according to the patent claim 9. Advantageous embodiments of the invention are Ge ¬ subject of the dependent claims. Description of the invention
Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxid- verwertung umfasst zumindest einen Elektrolyseur mit einer Anode in einem Anodenraum und einer Kathode in einem Kathodenraum, wobei der Kathodenraum zumindest einen Zugang für Kohlenstoffdioxid aufweist und wobei der Kathodenraum ausge¬ staltet ist, das zugegangene Kohlenstoffdioxid in Kontakt mit der Kathode zu bringen. Des Weiteren umfasst der Kathodenraum einen Katholyten oder ist ausgestaltet, einen Katholyten aufnehmen zu können, wobei der Katholyt dem Kathodenraum über denselben Zugang wie das Kohlenstoffdioxid oder über einen separaten zweiten Zugang zugehen kann. Außerdem weist zumindest der Anodenraum, im Betrieb der Zelle Anoden- und Kathodenraum Alkalikationen auf. The electrolyzer system of the invention for carbon dioxide recycling comprises at least one electrolyzer with an anode in an anode compartment and a cathode in a cathode compartment, said cathode compartment comprising at least one access for carbon dioxide and wherein the cathode compartment is ¬ staltet that, OBTAINED carbon dioxide in contact with the cathode bring to. Further, the cathode compartment comprises a catholyte or is configured to receive a catholyte, wherein the catholyte may be communicated with the cathode compartment via the same access as the carbon dioxide or via a separate second access. In addition, at least the anode compartment, in the operation of the cell anode and cathode compartment alkali cations.
Als Katholyt wird ein Elektrolyt bezeichnet, der in direktem Einfluss der Kathode bei der Elektrolyse steht. Entsprechend wird im Folgenden auch von Anolyt gesprochen, wenn ein Elektrolyt bezeichnet wird, der in direktem Einfluss der Anode bei einer Elektrolyse steht. Mit Alkalikationen werden positiv geladene Ionen bezeichnet, die zumindest ein Element der ers¬ ten Hauptgruppe des Periodensystems aufweisen. A catholyte is an electrolyte which is directly influenced by the cathode during the electrolysis. Accordingly, anolyte is also referred to below when an electrolyte is referred to, which is in direct influence of the anode in an electrolysis. With alkali metal cations, positively charged ions are referred to, the at least one element of the ers ¬ th main group of the periodic system.
Der Anodenraum des Elektrolyseurs weist zumindest einen Zu¬ gang für einen Anolyten auf und umfasst einen Anolyten oder ist zumindest ausgestaltet, über diesen Zugang einen Anolyten aufzunehmen, wobei diesesr Anolyt Chloranionen aufweist. The anode chamber of the electrolyser comprises at least one To ¬ gear for an anolyte and comprises an anolyte or at least is adapted to receive an anolyte via this access, whereby this stand-anolyte comprises chlorine anion.
Typischerweise sind in dem Elektrolysesystem der Anodenraum und der Kathodenraum durch eine Membran voneinander getrennt. Die Membran ist dabei zumindest eine mechanisch trennende Schicht, z.B. ein Diaphragma, welches zumindest die im Ano¬ denraum und Kathodenraum entstehenden Elektrolyseprodukte voneinander trennt. Man könnte dann auch von Separatormembran oder Trennschicht sprechen. Da es sich bei den Elektrolyse¬ produkten insbesondere um gasförmige Stoffe handelt, wird be¬ vorzugt eine Membran mit einem hohen Bubble-Point von 10 mbar oder größer eingesetzt. Der sogenannte Bubble-Point ist dabei eine definierende Größe für die eingesetzte Membran, der be¬ schreibt, ab welchem Druckunterschied ΔΡ zwischen den zwei Seiten der Membran ein Gasfluss durch die Membran einsetzen würde. Bei der Membran kann es sich auch um eine protonen- oder kationenleitende bzw. -durchlässige Membran handeln. Während Moleküle, Flüssigkeiten oder Gase separiert werden, ist ein Protonen- bzw. Kationenfluss vom Anodenraum zum Kathodenraum gewährleistet. Vorzugsweise wird eine Membran ein- gesetzt, die sulfoniertes Polytetrafluorethylen, z.B. Nafion aufweist . Typically, in the electrolysis system, the anode compartment and the cathode compartment are separated by a membrane. The membrane is at least one mechanical separating layer, for example a diaphragm, which separates at least the resulting in Ano ¬ denraum and cathode compartment electrolysis products apart. One could then also speak of separator membrane or separating layer. Since it is gaseous substances, in particular for the electrolysis ¬ products, will be ¬ vorzugt a membrane with a high bubble point of 10 mbar or larger used. The so-called bubble point is a defining variable for the membrane used, which describes ¬ from which pressure difference ΔΡ between the two sides of the membrane would use a gas flow through the membrane. The membrane may also be a proton- or cation-conducting or permeable membrane. While molecules, liquids or gases are separated, a proton or cation flow is ensured from the anode compartment to the cathode compartment. Preferably, a membrane is used which has sulfonated polytetrafluoroethylene, eg Nafion.
Das Elektrolysesystem umfasst des Weiteren zumindest ein Abscheidebecken zur Auskristallisation eines Alkalihydrogen- carbonats und/oder Alkalicarbonats aus dem Katholyten. Insbe¬ sondere weist dieses Abscheidebecken einen Produktauslass auf. Je nach Produkt, ob ein Alkalihydrogencarbonats und/oder Alkalicarbonat dem Katholyten entnommen werden soll, und je nach Alkalimetall, kann für einen möglichst vorteilhaften Auskristallisationsprozess auch ein zweites Abscheidebecken vorgesehen sein. Dieses ist dann typischerweise in The electrolysis system further comprises at least one separation basin for the crystallization of an alkali metal bicarbonate and / or alkali metal carbonate from the catholyte. In particular ¬ sondere has this separation basin on a product outlet. Depending on the product, whether an alkali metal bicarbonate and / or alkali metal carbonate is to be removed from the catholyte, and depending on the alkali metal, a second separating basin can also be provided for a most advantageous crystallization process. This is then typically in
Katholytkreislaufrichtung nach dem ersten Abscheidebecken angeordnet . Je nach eingesetztem Kathodenmaterial entstehen bei der Reduktion von Kohlenstoffdioxid unterschiedliche Produkte: Bei¬ spielsweise entstehen Kohlenmonoxid, Ethylen, Methan, Ethanol oder Monoethylenglykol . In all diesen Fällen entstehen außerdem Hydroxidionen, welche durch überschüssiges Kohlenstoff- dioxid zu Hydrogencarbonat neutralisiert werden. Die Quelle der Alkalikationen liegt im Anodenraum. Durch die Membran hindurch kompensiert ein Kationenstrom den durch die angelegte Spannung bedingten elektrischen Strom. Beispielsweise werden die Alkalikationen und die Chloridanionen in Form eines Chloridsalzes in den Anolyten zu dosiert. Während die Katholytkreislaufrichtung arranged after the first Abscheidebecken. In ¬ play as produced carbon monoxide, ethylene, methane, ethanol or monoethylene glycol: Depending on the cathode material, different products are formed in the reduction of carbon dioxide. In all these cases, hydroxide ions are also formed, which are neutralized by excess carbon dioxide to bicarbonate. The source of alkaline cations lies in the anode compartment. Through the membrane, a cation current compensates for the electrical current caused by the applied voltage. For example, the alkali cations and the chloride anions are metered in the form of a chloride salt in the anolyte. While the
Chloridanionen an der Anode zu Chlor oxidiert werden und als Chlorgas den Anolytkreislauf verlassen, wandern die Alkalika¬ tionen durch die Membran in den Katholytkreislauf, wo sie im Kathodenraum mit dem dort entstehenden Carbonat oder Hydro- gencarbonat zu einem Alkalicarbonat oder Alkalihydrogencarbo- nat reagieren und insbesondere über den separaten Produktaus- lass des Abscheidebeckens den Katholytkreislauf verlassen. Chloride anions are oxidized at the anode to chlorine and chlorine gas exit as the anolyte, the Alkalika ¬ functions migrate through the membrane into the catholyte where they in The cathode compartment react with the carbonate or hydrogen carbonate formed there to form an alkali metal carbonate or alkali metal bicarbonate and, in particular, leave the catholyte circuit via the separate product outlet of the separating basin.
Das erfindungsgemäße Elektrolysesystem hat den Vorteil, neben Chlor zusätzlich wenigstens ein Alkalicarbonat und/oder Alka- lihydrogencarbonat als chemischen Wertstoff zu erzeugen. Ob Alkalicarbonat oder Alkalihydrogencarbonat entsteht hängt z.B. vom Alkalimetall und vom Verwertungsverfahren ab. In wässriger Lösung etwa ist die Löslichkeit ausschlaggebend. Das schwerlöslichere Carbonat oder Hydrogencarbonat kristal¬ lisiert aus. Bei Natrium und Kalium ist es das Hydrogencarbo¬ nat, das schwerlöslicher als das Carbonat ist und dann in ei- nem Folgeschritt kalziniert werden muss. Die Verbrennung von Natrium in Kohlenstoffdioxid ist ein Beispiel, bei dem Koh¬ lenstoffmonoxid und direkt Natriumcarbonat Na23 erzeugt wird . Darüber hinaus dient das beschriebene Elektrolysesystem derThe electrolysis system according to the invention has the advantage, in addition to chlorine, at least one alkali carbonate and / or alkali bicarbonate to produce as a chemical valuable material. Whether alkali carbonate or alkali hydrogen carbonate is produced depends, for example, on the alkali metal and the recycling process. In aqueous solution, for example, solubility is crucial. The schwerlöslichere carbonate or bicarbonate kristal ¬ lisiert out. When sodium and potassium, it is the hydrogen carbonate ¬ nat, the poorly soluble than the carbonate and then NEM following step must be calcined in egg. The combustion of sodium in carbon dioxide is an example in which Koh ¬ lenstoffmonoxid directly and sodium carbonate Na 2 Cue 3 is generated. In addition, the electrolysis system described serves the
Kohlenstoffdioxidverwertung und es kann auch damit typischerweise noch wenigstens ein dritter Wertstoff, wie beispiels¬ weise Kohlenstoffmonoxid, Ethylen, Methan, Ethanol oder Kohlenstoffdioxidverwertung and it can also so typically even at least one third recyclables such example ¬, carbon monoxide, ethylene, methane, ethanol or
Monoethylenglykol bereitgestellt werden. Über die sehr vor- teilhafte Ausnutzung des Ausgleichsstroms durch die Kationen ist damit ein Elektrolysesystem geschaffen, welches eine kontinuierliche Hydrogencarbonatproduktion ermöglicht. Monoethylene glycol are provided. The very advantageous utilization of the compensating current by the cations thus creates an electrolysis system which enables continuous hydrogen carbonate production.
Wie bereits beschrieben, folgt der eigentlichen Kathodenreak- tion, in der das Kohlenstoffdioxid reduziert wird, eine Fol¬ gereaktion, nämlich die Neutralisierung der Hydroxidionen (OH-) . Diese werden insbesondere durch überschüssiges Kohlen¬ stoffdioxid zu Hydrogencarbonat (HC03 ~) neutralisiert. Dies hat zum einen die Wirkung, dass der pH-Wert im Kathodenraum dadurch in einem pH-Wertbereich von 6 bis 8 gepuffert wird.As already described, is followed by the actual Kathodenreak- tion in which the carbon dioxide is reduced, a Fol gereaktion ¬, namely the neutralization of the hydroxide ions (OH-). This can be neutralized, in particular by excess carbon dioxide to ¬ bicarbonate (HC0 3 ~). On the one hand, this has the effect of buffering the pH in the cathode compartment in a pH range of 6 to 8.
Außerdem hat es die Wirkung, dass die Elektrolytkonzentration kontinuierlich anstiege. Wird aber der Katholyt in einen Katholytkreislauf geführt, d.h. in den Kathodenraum hinein gepumpt und daraus auch wieder abgeleitet, kann dem Katholyten das im Kathodenraum entstandene Hydrogencarbonat entnommen werden. Dazu ist insbesondere im Katholytkreislauf, beispielsweise aber auch im Anolytkreislauf, jeweils wenigs- tens eine Pumpe angeordnet, die für einen Elektrolytkreislauf sorgt . In addition, it has the effect of increasing the electrolyte concentration continuously. However, if the catholyte is guided into a catholyte cycle, ie into the cathode space pumped and derived again, the catholyte can be removed from the resulting in the cathode compartment hydrogen carbonate. For this purpose, in each case at least one pump is arranged in particular in the catholyte circuit, for example, but also in the anolyte circuit, which ensures an electrolyte circulation.
Anschließend an die Neutralisierungsreaktion der Hydroxidionen (OH~) mit überschüssigem Kohlenstoffdioxid zu Subsequent to the neutralization reaction of the hydroxide ions (OH-) with excess carbon dioxide to
Hydrogencarbonationen (HC03 ~) reagieren diese bevorzugt mitHydrogencarbonationen (HC0 3 ~ ) react with these preferred
Alkalikationen weiter zu Alkalihydrogencarbonaten . Die Alkalikationen, die im Kathodenraum vorliegen, entstammen dem Anodenraum, in den sie zunächst insbesondere als Alkalichlo¬ rid als Oxidationsedukt oder in Form eines anderen Alkalisal- zes, z.B. zur Erhöhung der Leitfähigkeit, eingebracht wurden. In den Anodenraum nachgeführt werden die Alkalikation bevorzugt als Alkalichlorid. Die Membran zwischen dem Anoden- und Kathodenraum ist dabei insbesondere so gewählt, dass der Kat¬ ionenstrom vom Anodenraum zur Kathode hin im elektrischen Feld des Elektrolyseurs gewährleistet ist. Die Temperatur- und auch pH-Wertabhängigkeit der Löslichkeit von Alkalihydro¬ gencarbonaten führt nun dazu, dass unterschiedliche Prozesse zur Auskristallisation bzw. zur Entnahme aus dem Katholyten vorgenommen werden: Alkali cations continue to alkali bicarbonates. The alkali metal cations present in the cathode space, are taken from the anode compartment, in which they were initially introduced, in particular as Alkalichlo ¬ chloride as Oxidationsedukt or in the form of another Alkalisal- zes, for example, to increase the conductivity. The alkalization is preferably carried out in the anode compartment as alkali metal chloride. The membrane between the anode and cathode space is chosen in particular so that the Kat ¬ ion current is ensured from the anode space to the cathode in the electric field of the electrolyzer. The temperature and pH dependence of the solubility of alkali hydro ¬ gencarbonaten now leads that different processes are performed to crystallize or for removal from the catholyte:
Zum einen kann die Temperaturabhängigkeit der Löslichkeit der als Elektrolyseprodukt erwünschten Alkalihydrogencarbonate genutzt werden. Dazu umfasst das Abscheidebecken vorzugsweise eine Kühlvorrichtung, mittels der der Katholyt im Gegensatz zum Temperaturbereich, der im Elektrolyseur vorherrscht, um mehrere Grad Kelvin abgekühlt wird. Bevorzugt liegt die ein¬ gestellte Temperaturdifferenz vom Abscheidebecken zum On the one hand, the temperature dependence of the solubility of the desired as electrolysis product alkali metal bicarbonates can be used. For this purpose, the separating basin preferably comprises a cooling device, by means of which the catholyte is cooled by several degrees Kelvin, in contrast to the temperature range which prevails in the electrolyzer. Preferably, the adjusted temperature difference is from the separating basin to
Elektrolyseur bei mindestens 15 K, insbesondere mindestens 20 K. Je nach Elektrolytkonzentration im Katholyten und je nach dem, mit welchen Alkalikationen das Hydrogencarbonat gebildet ist, kann auch eine Temperaturdifferenz zwischen 30 K und 50 K besonders geeignet sein. Die Temperaturdifferenz zwischen Elektrolyseur und Abscheidebecken kann in einem Temperaturbereich zwischen 5 K und 70 K liegen. Electrolyzer at least 15 K, in particular at least 20 K. Depending on the electrolyte concentration in the catholyte and depending on the, with which Alkalikationen the hydrogen carbonate is formed, and a temperature difference between 30 K and 50 K may be particularly suitable. The temperature difference between The electrolyzer and separating basin can be in a temperature range between 5 K and 70 K.
Die Absenkung der Temperatur im Abscheidebecken hat den zu- sätzlichen Vorteil für das Gesamtsystem, dass eine Abkühlung im Katholytkreislauf vor der Rückführung des Katholyten in den Kathodenraum erfolgt. Somit wird eine zu hohe systembe¬ dingte Wärmeentwicklung, gerade im Elektrolyseur vermieden. Aber eine gegebenenfalls extra für diesen Zweck vorgesehene Kühleinrichtung kann eingespart werden. The lowering of the temperature in the separating basin has the additional advantage for the entire system that a cooling takes place in the catholyte circulation before the return of the catholyte into the cathode space. Thus, an excessive systembe ¬ related heat development, avoided just in the electrolyzer. But an optionally provided for this purpose cooling device can be saved.
Auch bei der Abscheidemethode der Auskristallisation des Alkalihydrogencarbonats mittels Abkühlung des Katholyten werden bevorzugt pH-Wertpuffer eingesetzt, die beispielsweise in ei- nem Pufferreservoir dem Abscheidebecken und/oder dem Also in the deposition method of crystallization of the alkali metal bicarbonate by cooling the catholyte pH buffer are preferably used, for example, in a buffer reservoir to the separating basin and / or the
Katholytkreislauf und/oder dem Kathodenraum zur Verfügung gestellt werden, um das Katholytvolumen entsprechend zu puf¬ fern . Der pH-Wert des Katholyten kann auch als solcher für dieKatholytkreislauf and / or the cathode compartment are made available to the catholyte volume according to puf ¬ fern. The pH of the catholyte can also be considered as such for the
Steuerung des Abscheidevorgangs des Alkalihydrogencarbonats aus dem Elektrolyten herangezogen werden. Dazu wird insbesondere der pH-Wert im Kathodenraum zunächst auf einem höheren Wert, z.B. bei 8 oder höher gehalten. Dies kann das Gleichge- wicht zugunsten des Alkalicarbonats im Gegensatz zum Alkali- hydrogencarbonat verschieben. Zur Auskristallisation im Control of the deposition of the alkali metal bicarbonate can be used from the electrolyte. In particular, the pH in the cathode compartment is first increased to a higher value, e.g. kept at 8 or higher. This can shift the equilibrium in favor of the alkali carbonate as opposed to the alkali hydrogen carbonate. For crystallization in
Abscheidebecken wird dann der pH-Wert abgesenkt, bevorzugt auf einen Wert von 6 oder weniger, was zur Bildung und Auskristallisation des Alkalihydrogencarbonats führt. Die pH- Wertabsenkung geschieht typischerweise durch Einblasen von Kohlenstoffdioxid in das Abscheidebecken. Separation tank is then lowered the pH, preferably to a value of 6 or less, which leads to the formation and crystallization of the alkali metal bicarbonate. The pH reduction is typically done by blowing carbon dioxide into the capture tank.
Je nach dem, mit welchem Alkalikation das Hydrogencarbonat reagiert, und abhängig vom pH-Wert im Kathodenraum, kann zu- nächst ein Alkalihydrogencarbonat oder ein Alkalicarbonat ge¬ bildet werden. Insbesondere können die beiden beschriebenen Vorgehensweisen zur Entnahme des erwünschten Produktes aus dem Katholyten auch kombiniert werden. In manchen Fällen, z.B. bei der Bildung von Natriumhydrogencarbonat NaHCC>3, kann beispielsweise das Natriumcarbonat Na2CC>3 auch im Nachhinein aus dem auskristallisierten Natriumhydrogencarbonat NaHCC>3 durch Erhitzen gewonnen werden. Dann wird sogar bevorzugt zu- nächst Hydrogencarbonat erzeugt, abgeschieden, und im Nach¬ gang der gewünschte Mengenanteil davon zu Carbonat weiterver¬ arbeitet . Depending on with which alkali metal cation reacts hydrogen, and depending on the pH in cathode chamber, initially an alkali metal bicarbonate or an alkali carbonate may be ge ¬ forms. In particular, the two described procedures for withdrawing the desired product from the catholyte can also be combined. In some cases, For example, in the formation of sodium bicarbonate NaHCC> 3, for example, the sodium carbonate Na 2 CC> 3 can be obtained in retrospect from the crystallized sodium bicarbonate NaHCC> 3 by heating. Then, even preferably produced initially bicarbonate, separated, and it weiterver ¬ ¬ After working in the transition of the desired proportion to carbonate.
Die pH-Wertabhängigkeit der Hydrogencarbonat- oder Carbonat- ionen ist z.B. in Figur 6 in einem Hägg-Diagramm für eine Natriumcarbonatlösung gezeigt. The pH-dependence of the bicarbonate or carbonate ions is e.g. shown in Figure 6 in a Hägg diagram for a sodium carbonate solution.
In dem Elektrolysesystem ist bevorzugt auch im Anolytkreis- lauf ein Pufferreservoir vorgesehen, welches insbesondere auch zum Einbringen bzw. Nachliefern von Alkalichlorid in den Elektrolyten dienen kann, um den Salzgehalt im Anolyten zu halten . In the electrolysis system, a buffer reservoir is preferably also provided in the anolyte circulation, which buffer can also be used, in particular, for introducing or delivering alkali metal chloride into the electrolyte in order to maintain the salt content in the anolyte.
In einer bevorzugten Ausführungsform des Elektrolysesystems weist der Katholyt wenigstens ein Lösemittel auf, insbesonde¬ re Wasser. Typischerweise wird mit wässrigen Elektrolyten und dementsprechend wasserlöslichen Leitsalzen gearbeitet. Der Leitsalzgehalt kann über die Zugabe von weiteren Carbonaten, Hydrogencarbonaten aber auch Sulfaten oder anderen Leitsalzen erhöht werden, um die Leitfähigkeit des Elektrolyten im In a preferred embodiment of the electrolytic system, the catholyte at least one solvent on, insbesonde re ¬ water. Typically, aqueous electrolytes and, accordingly, water-soluble conductive salts are used. The electrolyte content can be increased by the addition of other carbonates, bicarbonates, but also sulfates or other conductive salts, to increase the conductivity of the electrolyte in the
Katholyt- sowie auch im Anolytkreislauf zu erhöhen, was im Gesamtsystem zu einer Erhöhung des StoffUmsatzes führt. Je nachdem, welche und in welchen Mengen zusätzliche Leitsalze im Katholytkreislauf enthalten sind, muss der Auskristallisa- tionsprozess entsprechend angepasst werden, um das gewünschte Produkt in möglichst reiner Form zu extrahieren. Eingesetzte Leitsalze werden daher typischerweise so gewählt, dass deren Löslichkeit sich signifikant von der des Alkalihydrogencarbo- nats bzw. des Alkalicarbonats unterscheidet.  To increase catholyte as well as in the anolyte, which leads to an increase in the StoffUmsatzes in the overall system. Depending on which and in what quantities additional conductive salts are contained in the catholyte cycle, the Auskristallisa- tion process must be adjusted accordingly in order to extract the desired product in the purest possible form. Conducting salts used are therefore typically selected so that their solubility differs significantly from that of the alkali metal bicarbonate or of the alkali metal carbonate.
Typischerweise weist das Elektrolysesystem auf der Anolyt- seite eine Gasabtrennungseinrichtung auf, welche ausgestaltet ist, die Chlorgasabtrennung aus dem Anolyten vorzunehmen. Auch im Katholytkreislauf kann eine Gasabtrennungseinrichtung vorgesehen sein, z.B. wenn dieser durch Einsatz einer Silber enthaltenden Kathode auf die Kohlenstoffmonoxidgas-Erzeugung ausgerichtet ist. Im Anolyt- sowie im Katholytkreislauf kön- nen zusätzliche Einrichtungen für Zu- oder Auslässe aus dem System oder zusätzliche Pufferreservoirs vorgesehen sein. Typically, the electrolytic system on the anolyte side has a gas separation device which is designed to carry out the chlorine gas separation from the anolyte. A gas separation device can also be provided in the catholyte circuit, for example if it is aligned with the carbon monoxide gas generation by using a cathode containing silver. In the anolyte and in the catholyte circuit, additional devices for inlets or outlets from the system or additional buffer reservoirs can be provided.
Die Art und Qualität der eingesetzten Membran im Elektroly- seur trägt letztendlich wesentlichen Anteil daran, wie rein das auskristallisierte Produkt ist. Wird als Membran ledig¬ lich ein Separator eingesetzt, können beispielsweise auch Chloridanionen in den Kathodenraum diffundieren, selbst entgegen des elektrischen Feldes im Elektrolyseur, so dass neben Hydrogencarbonat gegebenenfalls auch Chloride entstehen. Da- her wird in dem beschriebenen Elektrolysesystem bevorzugt eine kationenleitende Membran eingesetzt, die nahezu aus¬ schließlich Kationen passieren können. Eine rein The type and quality of the membrane used in the electrolyte ultimately makes a significant contribution to how pure the crystallized product is. Is used as a single membrane ¬ Lich a separator, for example, chloride anions also diffuse into the cathode space, even against the electric field in the electrolyzer, so that in addition to hydrogen, where appropriate, chlorides arise. DA forth is described in the electrolysis system is preferably used a cation-conductive membrane which may eventually pass out almost ¬ cations. A pure
anionenleitende Membran ist dementsprechend nicht von Vor¬ teil. anion-membrane is therefore not of pre ¬ part.
Das beschriebene Reduktionsverfahren zur Kohlenstoffdioxid- verwertung mittels eines Elektrolysesystems, wie oben stehend beschrieben wurde, umfasst folgende Schritte: Ein Katholyt und Kohlenstoffdioxid wird in einen Kathodenraum eingebracht und dort in Kontakt mit einer Kathode gebracht. Im Inneren des Kathodenraums weist dieser Katholyt Alkalikationen auf, die durch die Membran, die Anoden- und Kathodenraum trennt, hindurch wandern. Zumindest ein Teil des Katholytvolumens wird in ein Abscheidebecken eingeleitet und dort ein Alkali- hydrogencarbonat und/oder ein Alkalicarbonat auskristalli¬ siert. Außerdem wird ein Anolyt, welcher Chloridanionen aufweist, in einen Anodenraum eingebracht und dort in Kontakt mit einer Anode gebracht, an der Anode werden die The described reduction process for carbon dioxide utilization by means of an electrolysis system, as described above, comprises the following steps: A catholyte and carbon dioxide is introduced into a cathode space and brought into contact therewith with a cathode. Inside the cathode compartment, this catholyte has alkali cations which migrate through the membrane which separates the anode and cathode compartments. At least part of the Katholytvolumens is introduced into a separation basin, where bicarbonate is an alkali and / or alkaline carbonate auskristalli ¬ Siert. In addition, an anolyte, which has chloride anions, introduced into an anode compartment and there brought into contact with an anode, at the anode, the
Chloridanionen zur Chlor oxidiert und dieses als Chlorgas über eine Gasabtrennungseinrichtung aus dem Anolyten abgetrennt. Typischerweise erfolgt dieses Reduktionsverfahren so, dass Anolyt und Katholyt jeweils in einem voneinander ge¬ trennten Kreislauf geführt wird, d.h. es sind zwei Pumpen im Elektrolysesystem vorgesehen, die zumindest an einer Stelle im Kreislauf einen Transport des Katholyten durch den Katho¬ denraum und einen Transport des Anolyten durch den Anodenraum bewirken. Die Kreisläufe sind durch die Membran im Elektroly- seur voneinander getrennt, welche idealerweise ausschließlich einen Kationentransport aus dem Anodenraum in den Kathodenraum zulässt. Insbesondere werden die im Kathodenraum benö¬ tigten Alkalikationen aus dem Anodenraum erhalten. Der Anolyt weist dazu bevorzugt ein Alkalichlorid auf, dieses kann dem- entsprechend als Leitsalz aber auch als Elektrolyseedukt gleichermaßen eingesetzt werden. Alternativ kann das Alkalichlorid im Anolyten als Elektrolyseedukt und ein zusätzliches Leitsalz, z.B. ein Sulfat, ein Phosphat et cetera, bevorzugt ein Alkalisulfat, eingesetzt werden. Alternativ können auch Ammoniumsalze oder deren Homologe eingesetzt werden. Chloride anions oxidized to chlorine and this separated as chlorine gas via a gas separation device from the anolyte. Typically, this reduction method is performed such that anolyte and catholyte is performed in each case from each other in a ge ¬ separated circuit, ie two pumps in Provided electrolysis, which cause at least at one point in the circulation transport of the catholyte through the Katho ¬ denraum and transport of the anolyte through the anode compartment. The circuits are separated from each other by the membrane in the electrolyte, which ideally allows only cation transport from the anode compartment into the cathode compartment. In particular, the in the cathode chamber Need Beer ¬ saturated alkali cations are obtained from the anode chamber. For this purpose, the anolyte preferably has an alkali metal chloride, this can accordingly likewise be used as electrolyte salt but also as electrolysis product. Alternatively, the alkali metal chloride in the anolyte as Elektrolyseedukt and an additional conductive salt, for example, a sulfate, a phosphate et cetera, preferably an alkali metal sulfate, can be used. Alternatively, ammonium salts or their homologues can also be used.
Imidazoliumsalze oder andere ionische Flüssigkeiten können die Selektivität der Elektrode, besonders der Kathode, posi¬ tiv beeinflussen. Typischerweise wird bei dem Reduktionsverfahren bei der Re¬ duktion des Kohlenstoffdioxids an der Kathode Kohlenstoff- monoxid, Ethylen, Methan, Ethanol und/oder Monoethylenglykol erzeugt. Dazu wird eine entsprechende Kathode als Katalysator dieser Reaktionen eingesetzt. Die Kathode weist dazu bevor- zugt Kupfer auf. Der große Vorteil dieses Reduktionsverfah¬ rens ist, dass neben der Kohlenstoffdioxidverwertung zusätzlich chemische Wertstoffe erzeugt werden können. Imidazolium salts or other ionic liquids can the selectivity of the electrode, particularly the cathode, posi tive ¬ influence. Typically generated in the reduction process in the re ¬ production of carbon dioxide at the cathode, carbon monoxide, ethylene, methane, ethanol and / or monoethylene glycol. For this purpose, a corresponding cathode is used as a catalyst of these reactions. The cathode preferably has copper for this purpose. The great advantage of this Reduktionsverfah ¬ proceedings that besides the chemical Kohlenstoffdioxidverwertung recyclable materials can be produced in addition.
In einer Ausführungsform des Reduktionsverfahrens werden die bei der Kohlenstoffdioxidreduktion entstehenden Hydroxidionen mit überschüssig vorhandenem Kohlenstoffdioxid zu Hydrogen- carbonationen umgewandelt. Die Hydrogencarbonaterzeugung direkt im Kathodenraum hat den Vorteil, dass diese direkt mit im Kathodenraum vorhandenen Alkalikationen weiter reagieren können zu einem weiteren interesssanten Wertstoff, wie er sonst in separaten Herstellungsprozessen produziert werden müsste . Um diesen Wertstoff dem System zu entnehmen, wird insbesondere zumindest ein Teil des Katholytvolumens in ein Abscheide¬ becken eingeleitet und dort um wenigstens 15 K, bevorzugt um wenigstens 20 K abgekühlt. Hier wird also die Temperaturab- hängigkeit der Carbonatlöslichkeit ausgenutzt, um den Wert¬ stoff aus dem Katholytkreislauf zu entnehmen. Die Temperatur¬ differenz von Abscheidebecken zu Elektrolyseur kann auch mehr als 30 K betragen, insbesondere auch mehr als 50 K, je nach vorliegendem zu extrahierendem Alkalihydrogencarbonat und auch abhängig davon, welche weiteren Salze im Kreislauf vorhanden sind. Die Temperaturdifferenz zwischen Elektrolyseur und Abscheideeinheit kann zwischen 5 K und 70 K betragen. In one embodiment of the reduction process, the hydroxide ions formed in the reduction of carbon dioxide are converted to hydrogen carbonate ions with excess carbon dioxide. The Hydrogencarbonaterzeugung directly in the cathode compartment has the advantage that they can react directly with existing in the cathode compartment alkali cations to another interesting valuable material, as he would otherwise have to be produced in separate manufacturing processes. To remove this value material to the system, a portion of the Katholytvolumens is in particular at least introduced into a deposition tank and ¬, preferably where it is cooled by at least 15 K is at least 20 K. Here the Temperature- is exploited dependence of Carbonatlöslichkeit to extract the value ¬ material from the catholyte. The temperature ¬ difference of separation tank to electrolyzer may also be more than 30 K, in particular more than 50 K, depending on the present to be extracted alkali metal bicarbonate and also depending on which other salts are present in the cycle. The temperature difference between electrolyzer and separation unit can be between 5 K and 70 K.
In einer alternativen Variante zur Extraktion des In an alternative variant for the extraction of the
Hydrogencarbonatproduktes aus dem Katholytvolumen wird die Abhängigkeit der Löslichkeit vom pH-Wert ausgenutzt. Dieses Verfahren kann mit dem temperaturabhängigen Verfahren kombiniert werden. In einer Ausführungsform des Reduktionsverfahrens wird dazu zumindest ein Teil des Katholytvolumens in ein Abscheide¬ becken eingeleitet und dort dessen pH-Wert insbesondere mit¬ tels Einblasen von Kohlenstoffdioxid von über 8 auf einen pH- Wert von 6 oder weniger abgesenkt. Gerade das Puffern des pH- Werts auf einen Wert über 8 im Kathodenraum bringt den Vorteil, das Ausfällen des Alkalihydrogencarbonats im Kathoden¬ raum selbst zu verhindern. Hydrogen carbonate product from the catholyte volume, the dependence of the solubility of the pH value is exploited. This method can be combined with the temperature-dependent method. In one embodiment of the reduction process to at least part of the Katholytvolumens is introduced into a deposition tank and there ¬ whose pH is less lowered in particular with ¬ means of injecting carbon dioxide of more than 8 to a pH of 6 or more. Just buffering the pH to a value above 8 in the cathode compartment has the advantage of preventing precipitation of the alkali metal hydrogencarbonate in the cathode compartment itself.
Das Reduktionsverfahren kann so vorgenommen werden, dass das ausgefällte Alkalihydrogencarbonat durch Erhitzen zu Alkali- carbonat umgewandelt wird. Dies kann direkt im Anschluss an die Auskristallisation des Hydrogencarbonats im The reduction process can be carried out so that the precipitated alkali metal bicarbonate is converted by heating to alkali carbonate. This can be done directly after the crystallization of the bicarbonate in the
Abscheidebecken vorgenommen werden oder separat von dem beschriebenen Elektrolysesystem erfolgen. Separation tanks are made or carried separately from the described electrolysis system.
Alternativ zur Temperaturmethode der Auskristallisation oder zur temperaturunterstützten Auskristallisation oder auch in Kombination mit dieser kann der Prozess so gefahren werden, dass der pH-Wert im Kathodenraum im oberen Limit der Reaktion um 8 oder höher gehalten wird, so dass das Gleichgewicht zu¬ nächst zugunsten von Natriumcarbonat verschoben ist: 2 NaHC03 - Na2C03 + H20 + C02. As an alternative to the temperature method of crystallization or for temperature-assisted crystallization or in combination with this, the process can be run in such a way that the pH in the cathode chamber in the upper limit of the reaction to 8 or higher is maintained, so that the equilibrium is shifted to favor nearest ¬ of sodium carbonate: 2 NaHC0 3 - Na 2 C0 3 + H 2 0 + C0. 2
Dazu muss die Kohlenstoffdioxidzufuhr in das System sehr gut kontrolliert werden, um in dieses basische Regime zu gelangen und dieses zu halten. Im Abscheidebecken würde dann der pH- Wert zur optimalen Abscheidung des Natriumhydrogencarbonats durch Einblasen von Kohlenstoffdioxid gesenkt und somit die Gleichgewichtsreaktion wieder zugunsten von Natriumhydrogen- carbonat verschoben. Das Verfahren ist aber nicht auf Natriumhydrogencarbonat be¬ schränkt. Beispielsweise kann auch Kaliumhydrogencarbonat in diesem Verfahren hergestellt werden. Analog zum beschriebenen Abscheideverfahren für Natriumhydrogencarbonat kann auch das Kaliumhydrogencarbonat aus einem reinen Kaliumhydrogen- carbonatelektrolyten durch Absenken der Temperatur im To do this, the carbon dioxide feed into the system must be very well controlled to get into and maintain this basic regime. In the separating basin, the pH would then be lowered for optimal separation of the sodium bicarbonate by blowing carbon dioxide, and thus shifting the equilibrium reaction again in favor of sodium hydrogen carbonate. The process is not be limited to ¬ sodium bicarbonate. For example, potassium bicarbonate can also be prepared in this process. Analogous to the described deposition process for sodium bicarbonate and the potassium bicarbonate from a pure Kaliumhydrogen- carbonate electrolyte by lowering the temperature in
Abscheidebecken auskristallisiert werden. Bei 20°C beträgt die Löslichkeit von Kaliumhydrogencarbonat 337 g/1, bei 60°C 600 g/1. Etwas anders muss vorgegangen werden, wenn ein zusätzliches Leitsalz, z.B. Kaliumsulfat (K2S04) eingesetzt werden soll. Dieses hat eine geringere Löslichkeit von 111,1 g/1 bei 20°C und 250 g/1 bei 100°C, was dazu führt, dass im gemischten Elektrolyten immer zunächst das Kaliumsulfat ausfallen würde. Um das Kaliumhydrogencarbonat (KHCO3) aus einem Elektrolyten, der sowohl Kaliumsulfat als auch Kaliumhydrogencarbonat ent¬ hält, zu gewinnen, muss folgendermaßen vorgegangen werden: Im Abscheidebecken AB kristallisiert bevorzugt Kaliumsulfat K2S04 aus, welches im Anschluss, also in Kreislaufrichtung nach dem Abscheidebecken AB, dem Elektrolyten wieder zugeführt werden kann. Das Elektrolytvolumen, dem das Kaliumsulfat K2S04 bereits entzogen wurde, wird dann, bevorzugt in ei¬ nem weiteren Abscheidebecken, aufkonzentriert , d.h. der Kaliumhydrogencarbonatlösung wird z.B. durch Abkühlung das Wasser entzogen, um das kristalline Material zu erhalten. Separation tanks are crystallized. At 20 ° C, the solubility of potassium bicarbonate is 337 g / 1, at 60 ° C 600 g / 1. Something different must be done if an additional conductive salt, eg potassium sulfate (K 2 S0 4 ) is to be used. This has a lower solubility of 111.1 g / 1 at 20 ° C and 250 g / 1 at 100 ° C, which means that in the mixed electrolyte always first the potassium sulfate would precipitate. In order to recover the potassium hydrogen carbonate (KHCO 3) from an electrolyte, which holds both potassium sulfate and potassium ent ¬, must be carried out as follows: In the separating tank AB preferably crystallized potassium sulfate K 2 S0 4 from which the terminal, that is in circulation direction after Separation tank AB, the electrolyte can be recycled. The volume of electrolyte, the potassium sulfate K 2 S0 4 has been removed, is then, preferably in egg ¬ nem further separating tank, concentrated, ie the Kaliumhydrogencarbonatlösung is removed by cooling, for example, the water to obtain the crystalline material.
Prinzipiell ist dieses Verfahren auch für andere Kationen bzw. Mischungen von Kationen anwendbar. Durch die Migration der Kationen konzentriert sich der Katholyt dabei so weit auf, bis sich das am schwersten löslichste Salz oder Doppel¬ salz abscheidet. Dabei ist wichtig, dass der Prozess der Aufkonzentration und Abscheidung nicht im Kathodenraum also nicht in der Elektrolysezelle selbst erfolgt, sondern der Katholyt dafür in ein im Elektrolysesystem integriertes In principle, this method is also applicable to other cations or mixtures of cations. The migration of the cations, the catholyte concentrates on so far that the hardest most soluble salt or double ¬ salt precipitates. It is important that the process of concentration and deposition does not take place in the cathode compartment, that is, not in the electrolysis cell itself, but instead the catholyte is integrated into an electrolysis system
Abscheidebecken transportiert wird. Über einen weiteren zusätzlichen physikalischen oder chemischen Unterschied zwischen Elektrolysezelle und Abscheidebecken, also z.B. über einen Temperatur-, pH-Wert- oder Druckgradienten wird die Abscheidung im Abscheidebecken erreicht oder begünstigt. Eine geeignete Druckdifferenz zwischen Elektrolysezelle und Separation tank is transported. For another additional physical or chemical difference between the electrolysis cell and the separation tank, e.g. Via a temperature, pH or pressure gradient, the separation in the separating basin is achieved or promoted. A suitable pressure difference between electrolysis cell and
Abscheidebecken kann bis zu 100 bar betragen. Bevorzugt würde eine Druckdifferenz zwischen 2 bar und 20 bar gewählt werden. Ein erhöhter Druck im Abscheidebecken würde die Separation tank can be up to 100 bar. Preferably, a pressure difference between 2 bar and 20 bar would be selected. An increased pressure in the separating basin would be the
Hydrogencarbonatbildung begünstigen . Promote bicarbonate formation.
Auf Anodenseite sind grundsätzlich auch alternative Anodenre¬ aktionen denkbar, allerdings ist die Kopplung mit der Chlor- Produktion die wirtschaftlich sinnvollste, da der Chlormarkt bei ca. 75 Millionen Tonnen pro Jahr liegt. Die heutige Pro¬ duktion an Natriumhydrogencarbonat (NaHCOs) liegt bei ca. 50 Millionen Tonnen im Jahr, die bisher über den energetisch ungünstigen Solvay-Prozess hergestellt werden. On the anode side, alternative Anodenre ¬ actions are conceivable in principle, but the coupling with the chlorine production is the most economically sound because the chlorine market is about 75 million tons per year. Today's Pro ¬ production of sodium bicarbonate (NaHCO) is about 50 million tons a year, which have hitherto been made over the energetically unfavorable Solvay process.
Mit dem beschriebenen Elektrolysesystem und Reduktionsverfahren ist es möglich, elektrochemisch kontinuierlich und gleichzeitig drei Wertstoffe zu erzeugen: An der Kathode wird aus der Kohlenstoffdioxid-Reduktion ein Wertstoff wie Kohlen- monoxid, Ethylen, Methan, Ethanol oder Monoethylenglykol ge¬ wonnen, als Folgeprodukt dieser Reduktion entstehend im Ka¬ thodenraum Natriumhydrogencarbonat und/oder Natriumcarbonat als Koppelprodukt und auf Anodenseite wird Chlor produziert. Beispiele und Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung werden noch in exemplarischer Weise mit Bezug auf die Figuren 1 bis 6 der angehängten Zeichnung beschrieben: With the described electrolytic system and reduction method, it is possible to produce electrochemically continuously and simultaneously three valuable materials: At the cathode, a recyclable material is obtained from the carbon dioxide-reduction monoxide as carbon, ethylene, methane, ethanol or monoethylene glycol ge ¬ gained as a result product of this reduction Ka arising in the space ¬ Thode sodium hydrogen carbonate and / or sodium as a coproduct and on the anode side, chlorine is produced. Examples and embodiments of the present invention will be further described by way of example with reference to Figures 1 to 6 of the accompanying drawings:
Figur 1 zeigt in schematischer Darstellung ein Elektrolysesystem mit Kohlenstoffdioxid-Reservoir und Abscheidebecken, Figur 2 zeigt in schematischer Darstellung ein Elektrolysesystem mit Gasdiffusionselektrode, FIG. 1 shows a schematic illustration of an electrolysis system with carbon dioxide reservoir and separating basin, FIG. 2 shows a schematic illustration of an electrolysis system with gas diffusion electrode,
Figur 3 zeigt in schematischer Darstellung einen PEM-Aufbau einer Elektrolysezelle, FIG. 3 shows a schematic representation of a PEM structure of an electrolysis cell,
Figur 4 zeigt in schematischer Darstellung eine PEM-FIG. 4 shows a schematic representation of a PEM
Halbzelle gekoppelt mit einer Gasdiffusionselektro¬ de, Figur 5 zeigt in schematischer Darstellung eine PEM-Half-cell coupled to a gas diffusion electric ¬ de, Figure 5 shows a schematic illustration of a PEM
Halbzelle gekoppelt mit einer hinterströmten Katho¬ de und Half cell coupled with a back-flowed Katho ¬ de and
Figur 6 zeigt ein Hägg-Diagramm. FIG. 6 shows a Hägg diagram.
In den Figuren 1 und 2 sind in schematischer Darstellung Beispiele für Elektrolysesysteme zur Kohlenstoffdioxidreduktion gezeigt, welche gleichermaßen als Flussdiagramme für den be¬ schriebenen Reduktionsprozess gelesen werden können. Auf der linken Seite ist jeweils der Anolytkreislauf AK, auf der rechten Seite der Katholytkreislauf KK gezeigt. Verbunden sind diese beiden Kreisläufe AK, KK über den Elektrolyseur El, E2, dessen Anodenraum AR und Kathodenraum KR über eine Membran M miteinander verbunden bzw. über diese voneinander getrennt sind. Als Membran M wird bevorzugt eine kationenlei¬ tende Membran M eingesetzt. Im Anodenraum AR ist eine Anode A, im Kathodenraum KR eine Kathode K angeordnet, welche über eine Spannungsquelle U elektrisch verbunden sind. Beide Kreisläufe AK, KK weisen bevorzugt jeweils eine Pumpe PI, P2 auf, welche die Elektrolyten durch den Elektrolyseur pumpen. Zusätzlich können Einrichtungen Nl, N2, N3 in beiden Kreisläufen AK, KK an unterschiedlicher Stelle der Flussrichtung vorhanden sein, welche zusätzliche Zu- oder Abflüsse oder als Pufferreservoirs sein können. Im Anolytkreislauf AK ist zu¬ mindest eine Gasabscheideeinrichtung G2 mit einem Produktauslass PA2 vorgesehen, über welche das Produkt Chlorgas Cl2 entnommen werden kann. Im Katholytkreislauf KK ist ebenso zu- mindest eine Gasabscheideeinrichtung Gl mit Produktauslass PA1 vorgesehen, über welche beispielsweise das Elektrolyse¬ produkt Kohlenstoffmonoxid CO, beispielsweise auch Wasser¬ stoff H2 entnommen werden kann. Aber auch weitere Elektrolyseprodukte, wie Ethylen, Methan, Ethanol, Monoethlenglykol können über diesen oder beispielswiese über einen weiterenIn Figures 1 and 2 Examples of electrolysis systems are shown Carbon Reduction in schematic representation, which can be read as flowcharts for ¬ be signed reduction process alike. The left side shows the anolyte circuit AK, while the right side shows the catholyte circuit KK. These two circuits AK, KK are connected via the electrolyzer El, E2, whose anode compartment AR and cathode compartment KR are connected to one another via a membrane M or are separated from one another via these. The membrane M a kationenlei ¬ tend membrane M is preferably employed. In the anode space AR, an anode A, in the cathode space KR, a cathode K is arranged, which are electrically connected via a voltage source U. Both Circuits AK, KK preferably each have a pump PI, P2, which pump the electrolytes through the electrolyzer. In addition, devices N1, N2, N3 may be present in both circuits AK, KK at different points in the flow direction, which may be additional inflows or outflows or as buffer reservoirs. In the anolyte circuit AK a gas separating G2 is ¬ least provided with a product outlet PA2 over which the product chlorine gas Cl 2 can be removed. In the catholyte KK a gas separating Gl is provided with product outlet PA1 least the same inlet, of which for example the electrolysis ¬ product carbon monoxide CO, for example, water ¬ H 2 material can be removed. But also other electrolysis products, such as ethylene, methane, ethanol, monoethylene glycol can over this or example meadow over another
Produktauslass dem System entnommen werden. Der Elektrolyseur El, E2 weist beispielsweise eine Gasdiffusionselektrode GDE für den Kohlenstoffdioxideinlass auf. Im Fall des in Figur 1 gezeigten Elektrolyseurs El ist ein Zweikammeraufbau gewählt und das Kohlenstoffdioxid C02 wird über ein Reservoir C02-R und in Kreislaufrichtung vor dem Kathodenraum KR in den Elektrolyten eingebracht. Der Katholytkreislauf KK weist in beiden gezeigten Fällen ein Abscheide- becken AB auf, welches direkt in den Kreislauf eingebunden sein kann oder durch welches nur ein Teil des Katholytvolu- mens geführt wird. Dazu kann, wie in den Figuren 1 und 2 ge¬ zeigt, ein Abzweig des Kreislaufs KK vorgesehen sein. Das Abscheidebecken AB oder mehrere hintereinandergeschaltete Abscheidebecken, können beispielsweise mit einer Kühleinrichtung oder mit einem Pufferreservoir PR verbunden sein, so dass die Auskristallisation des Hydrogencarbonats durch Ein¬ stellen einer Temperaturdifferenz, Druckdifferenz oder pH- Wertdifferenz zum Elektrolyseur El, E2 begünstigt wird. Des Weiteren weist das Abscheidebecken AB einen Produktauslass PA3 auf. Mehrere hintereinandergeschaltete Abscheidebecken würden jeweils einen Produktauslass aufweisen. In den Figur 1 und 2 sind also Elektrolysesysteme gezeigt, wie sie für eine Ausführung der Erfindung eingesetzt werden können. In diesem Aufbau wird darauf geachtet, dass separate Anolyt- AK und Katholytkreise KK vorhanden sind. Die verwen- deten Elektrolyte werden dann kontinuierlich durch die Elektrolysezelle El, E2, d.h. durch den Anodenraum AR und durch den Kathodenraum KR gepumpt. Dazu sind in dem Aufbau in jedem der beiden Kreisläufe AK, KK jeweils eine Pumpe PI, P2 vorge¬ sehen. Der Aufbau kann Materialien aus Kunststoff, kunst- stoffbeschichtetes Metall oder Glas aufweisen. Als Vorratsge¬ fäße können Glaskolben eingesetzt werden, die Zelle selbst ist bspw. aus PTFE, die Schläuche aus Neopren. Product outlet are taken from the system. The electrolyzer El, E2 has, for example, a gas diffusion electrode GDE for the carbon dioxide inlet. In the case of the electrolyzer El shown in Figure 1, a two-chamber construction is selected and the carbon dioxide C0 2 is introduced into the electrolyte via a reservoir C0 2 -R and in the direction of circulation in front of the cathode space KR. In both cases shown, the catholyte circulation KK has a separation basin AB, which can be integrated directly into the circulation or through which only a part of the catholyte volume is guided. For this purpose, a branch of the circuit can as KK shows ¬ ge in Figures 1 and 2, may be provided. The separating tank AB or more series-connected separating tank, may be connected for example with a cooling device or with a buffer reservoir PR, so that the crystallization of bicarbonate through a ¬ provide a temperature difference, pressure difference, or pH difference to the electrolyzer El, E2 is favored. Furthermore, the separating basin AB has a product outlet PA3. A plurality of separation basins connected in series would each have a product outlet. In the figure 1 and 2 so electrolysis systems are shown, as they can be used for an embodiment of the invention. Care is taken in this setup that separate anolyte AK and KKK catholyte circuits are present. The electrolytes used are then pumped continuously through the electrolytic cell El, E2, ie through the anode space AR and through the cathode space KR. For this purpose, in the structure in each of the two circuits AK, KK in each case a pump PI, P2 pre ¬ see. The structure can comprise materials made of plastic, plastic-coated metal or glass. As Vorratsge ¬ vessels glass flask can be used, the cell itself is, for example, from PTFE, the tubes made of neoprene.
Der Elektrolyseur El, E2, wie er in den gezeigten Elektrolysesystemen verbaut ist, kann auch einen anderen Aufbau aufweisen, wie er beispielsweise in den Figuren 3 bis 5 gezeigt ist. Eine alternative Elektrolysezelle ist die nach dem The electrolyzer El, E2, as it is installed in the electrolysis systems shown, may also have a different structure, as shown for example in Figures 3 to 5. An alternative electrolysis cell is the after
Polymerelektrolytmembranaufbau (PEM-Aufbau) . In diesem Fall liegt zumindest eine Elektrode direkt an der Polymer¬ elektrolytmembran PEM an. Entsprechend kann die Elektrolyse¬ zelle als PEM-Halbzelle ausgestaltet sein, wie in den Figuren 4 und 5 gezeigt, in denen die Anodenseite als PEM-Halbzelle ausgestaltet ist, also die Anode A in direktem Kontakt mit der Membran PEM angeordnet ist und der Anodenraum AR auf der membranabgewandten Seite der Anode A angeordnet ist. Polymer electrolyte membrane construction (PEM structure). In this case, at least one electrode is located directly on the polymer electrolyte membrane ¬ PEM. Accordingly, the electrolysis ¬ cell can be configured as a PEM half-cell, as shown in Figures 4 and 5, in which the anode side is designed as a PEM half-cell, ie the anode A is arranged in direct contact with the membrane PEM and the anode space AR is arranged on the side facing away from the membrane of the anode A.
In den Fällen, wie in Figur 4 und 5 gezeigt, ist die Kathode K porös und zumindest teilweise gasdurchlässig und/oder elektrolytdurchlässig ausgeführt. In der Figur 4 ist die Ano- den-PEM-Halbzelle mit einer Gasdiffusionselektrode GDE zumIn the cases shown in FIGS. 4 and 5, the cathode K is porous and at least partially gas-permeable and / or electrolyte-permeable. In FIG. 4, the anode PEM half cell with a gas diffusion electrode GDE is shown in FIG
Einbringen des Kohlenstoffdioxids CO2 in den Kathodenraum KR kombiniert. Außerdem ist in der Figur 5 eine hinterströmte Kathode K gezeigt, deren Kathodenraum KR über die Kathode K mit einem Gasreservoir verbunden ist. Das Gasreservoir weist dabei seinerseits zumindest einen Gaseinlass GE und gegebe¬ nenfalls Gasauslass GA auf. Eine solche Ausführungsform wird bisher beispielsweise als Sauerstoffverzehrelektrode einge¬ setzt, z.B. bei der Herstellung von Natronlauge. Dann würde die Kathode K mit Sauerstoff hinterströmt. Die Sauerstoffver- zehrkathode kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, die Wasserstoffbildung H2 im Kathodenraum KR zu vermeiden zugunsten einer Reaktion hin zu Wasser H20. Dabei senkt die Wasser- bildungsenergie die notwendige Systemspannung U und bewirkt somit einen geringeren Energieverbrauch des Elektrolysesystems. Da die Kathode K einer Sauerstoffverzehrelektrode vor¬ nehmlich aus Silber besteht, kann sie auch die Kohlenstoffdi- oxidreduktion katalysieren. Wird kein Sauerstoff zur Verfü- gung gestellt, kann die SauerstoffVerzehrreaktion nicht ab¬ laufen. Stattdessen findet die Kohlenstoffdioxidreduktion zu Kohlenstoffmonoxid CO mit einer gewissen Wasserstoffbildung statt . Wird beispielsweise als Alkalimetall Natrium gewählt, laufen bei Einsatz einer kupferhaltigen Kathode K folgende Reaktionen im Kathodenraum KR ab: Introducing the carbon dioxide CO 2 into the cathode space KR combined. In addition, in Figure 5, a back-flow cathode K is shown, the cathode space KR is connected via the cathode K with a gas reservoir. The gas reservoir in turn has in this case at least one gas inlet GE and, where appropriate, ¬ outlet GA. One such embodiment is previously incorporated sets ¬ for example, as an oxygen-consuming electrode, for example in the production of caustic soda. Then would the cathode K flows behind with oxygen. The oxygen-consuming cathode can be used, for example, to avoid the formation of hydrogen H 2 in the cathode space KR in favor of a reaction towards water H 2 0. The water-forming energy reduces the necessary system voltage U and thus causes a lower energy consumption of the electrolysis system. Since the cathode K of an oxygen-consuming electrode composed of silver before ¬ namely, it may also catalyze the oxide reduction Kohlenstoffdi-. If no oxygen to Verfü- asked supply, the oxygen-consuming reaction can not take place ¬. Instead, the carbon dioxide reduction to carbon monoxide CO takes place with some hydrogen formation. If, for example, sodium is chosen as the alkali metal, the following reactions take place in the cathode space KR when using a copper-containing cathode K:
Ethylen: 12 NaCl + 14 C02 + 8 H20 ->■ C2H4 + 12 NaHC03 + 6 Cl2 Ethylene: 12 NaCl + 14 C0 2 + 8 H 2 O -> ■ C 2 H 4 + 12 NaHCO 3 + 6 Cl 2
Methan: 8 NaCl + 9 C02 + 4 H20 ->■ CH4 + 8 NaHC03 + 4 Cl2 Methane: 8 NaCl + 9 C0 2 + 4 H 2 0 -> ■ CH 4 + 8 NaHC0 3 + 4 Cl 2
Ethanol: 12 NaCl + 14 C02 + 9 H20 ->■ C2H5OH + 12 NaHC03 + 6 Cl2 Monoethylenglykol : Ethanol: 12 NaCl + 14 C0 2 + 9 H 2 O -> C 2 H 5 OH + 12 NaHCO 3 + 6 Cl 2 monoethylene glycol
10 NaCl + 12 C02 + 8 H20 ->■ HOC2H4OH + 10 NaHC03 + 5 Cl2. 10 NaCl + 12 C0 2 + 8 H 2 O -> ■ HOC 2 H 4 OH + 10 NaHCO 3 + 5 Cl 2 .
Bei einer silberhaltigen Kathode K würde folgende Reaktion an der Kathode K ablaufen: For a silver-containing cathode K, the following reaction would take place at the cathode K:
Kohlenstoffmonoxid : Carbon monoxide:
2 NaCl + 3 C02 + H20 ->■ CO + 2 NaHC03 + Cl2. 2 NaCl + 3 C0 2 + H 2 0 -> ■ CO 2 + NaHC0 3 + Cl 2.
Diese Gleichungen beschreiben den Summenprozess in der Elekt- rolysezelle. Das Chlorgas Cl2 entsteht, wie beschrieben, durch Oxidation der Chloridanionen Cl~ an der Anode A, die anderen Elektrolyseprodukte entstehen an der Kathode K bzw. durch Folgereaktionen im Kathodenraum KR. Das Beispiel Natrium ist besonders geeignet, da sich das Nat- riumhydrogencarbonat sehr gut aus dem Elektrolyten abscheiden lässt. Außerdem handelt es sich bei Natriumhydrogencarbonat und Natriumcarbonat um wichtige, häufig benötigte chemische Wertstoffe. Die weltweite jährliche Natriumcarbonatproduktion liegt bei etwa 50 Millionen Tonnen, wie beispielsweise dem Roskill-Marktbericht „Soda Ash: Market Outlook to 2018", available from Roskill Information Services Ltd, E-Mail: in- fo@roskill.co.uk, www.roskill.co.uk/soda-ash, zu entnehmen ist . These equations describe the summation process in the electrolysis cell. The chlorine gas Cl 2 is formed, as described, by oxidation of the chloride anions Cl ~ at the anode A, the other electrolysis products formed at the cathode K or by subsequent reactions in the cathode space KR. The example of sodium is particularly suitable since the sodium bicarbonate can be very easily separated from the electrolyte. In addition, sodium bicarbonate and sodium carbonate are important, frequently needed chemical recyclables. Worldwide annual sodium carbonate production is around 50 million tonnes, such as the Roskill Market Report "Soda Ash: Market Outlook to 2018", available from Roskill Information Services Ltd, email: info@roskill.co.uk, www. roskill.co.uk/soda-ash, it can be seen.
Die Löslichkeit von Natriumhydrogencarbonat NaHC03 in Wasser H20 ist vergleichsweise gering und zeigt auch eine starke Temperaturabhängigkeit, s. Tabelle 2. The solubility of sodium bicarbonate NaHC0 3 in water H 2 0 is comparatively low and also shows a strong temperature dependence, s. Table 2.
MolekuKHCO3 K2SO4 K3PO4 KI KBr KCl NaHC03 Na2S04 larformel MolekuKHCO3 K2SO4 K3PO4 KI KBr KCl NaHC0 3 Na 2 S0 4 larformel
Molarmas100.1 174.3 212.3 166.0 119.0 74.6 84.01 142.04 se in  Molarmas100.1 174.3 212.3 166.0 119.0 74.6 84.01 142.04 se in
g/mol g / mol
Löslichkeit in H20 bei 20°C: Solubility in H 2 O at 20 ° C:
In g/1 337 111 900 1400 678 344 96 170 In g / 1 337 111 900 1400 678 344 96 170
In mol/1 3.37 0.64 4.24 8.43 5.70 4.61 1.19 1.14In mol / 1 3.37 0.64 4.24 8.43 5.70 4.61 1.19 1.14
Leitfähigkeiten σ in mS/cm: Conductivities σ in mS / cm:
Bei 0.05M 4.8 9.9 17.3 7.2 7.7 7.4 5.8 14.8 At 0.05M 4.8 9.9 17.3 7.2 7.7 7.4 5.8 14.8
Bei 0.1M 9.1 19.2 30.1 14.0 14.3 13.8 28.1 51.6At 0.1M 9.1 19.2 30.1 14.0 14.3 13.8 28.1 51.6
Bei 0.5M 38.9 (69.9) 108 65.2 67.5 62.8 At 0.5M 38.9 (69.9) 108 65.2 67.5 62.8
Tabelle2  Table 2
In der Tabelle 2 sind weitere Salze, Kaliumhydrogencarbonat KHCO3, Kaliumsulfat K2S04, Kaliumphosphat K3PO4, Kaliumiodid KI, Kaliumbromid KBr, Kaliumchlorid KCl, Natriumhydrogencar- bonat NaHCC>3, Natriumsulfat Na2S04 aufgeführt, die bevorzugt eingesetzt werden können. Aber auch andere Sulfate, Phospha¬ te, Iodide oder Bromide können zur Erhöhung der Leitfähigkeit im Elektrolyten eingesetzt werden. Durch ständiges Zuführen des Kohlenstoffdioxids müssen Carbonate bzw. Hydrogencarbona- te nicht zugeführt werden, sondern werden im Betrieb im Ka¬ thodenraum KR gebildet. Die Löslichkeit von Natriumhydrogencarbonat NaHCC>3 in Wasser beträgt 69 g/1 bei 0°C, 96 g/1 bei 20°C, 165 g/1 bei 60°C und 236 g/1 bei 100°C. Natriumcarbonat NaCC>3 löst sich hingegen vergleichsweise gut, dessen Löslichkeit liegt bei 217 g/1 bei 20°C. Bei fortlaufender Elektrolyse neigt also das Natrium- hydrogencarbonat NaHCC>3 zu einer Auskristallisation in derTable 2 lists further salts, potassium hydrogen carbonate KHCO 3 , potassium sulfate K 2 S0 4 , potassium phosphate K 3 PO 4 , potassium iodide KI, potassium bromide KBr, potassium chloride KCl, sodium hydrogencarbonate NaHCC> 3, sodium sulfate Na 2 SO 4 , which are preferably used can be. But other sulfates, Phospha ¬ te, iodides or bromides can be used to increase the conductivity in the electrolyte. By continuously supplying the carbon dioxide or carbonates Hydrogencarbona- must te not be supplied, but are formed in the operation in the Ka ¬ Thode space KR. The solubility of sodium bicarbonate NaHCC> 3 in water is 69 g / l at 0 ° C, 96 g / l at 20 ° C, 165 g / l at 60 ° C and 236 g / l at 100 ° C. In contrast, sodium carbonate NaCC> 3 dissolves comparatively well, with a solubility of 217 g / l at 20 ° C. In continuous electrolysis, therefore, the sodium bicarbonate NaHCC> 3 tends to crystallize in the
Elektrolysezelle El, E2. Dem kann über eine erhöhte Tempera¬ tur, wie sie ohnehin durch den Betrieb des Systems entsteht und auch durch eine entsprechende pH-Wertpufferung entgegengewirkt werden. Das Natriumhydrogencarbonat NaHCC>3 soll erst im Abscheidebecken AB aus dem Elektrolyten auskristallisie- ren. Durch das Umpumpen des Elektrolyten in einen Kreislauf KK wird das im Kathodenraum KR gebildete Natriumhydrogencar- bonat NaHCC>3 aus diesem herausgeführt und der Electrolysis cell El, E2. This can have an increased tempera ¬ ture as already produced by the operation of the system and also be counteracted by an appropriate pH Value buffering. The sodium bicarbonate NaHCC> 3 should first crystallize out of the electrolyte in separating tank AB. By pumping the electrolyte into a circuit KK, the sodium bicarbonate NaHCC> 3 formed in the cathode space KR is led out of it and the
Katholytkreislauf KK kann durch ein Abscheidebecken AB hin- durch verlaufen oder es erfolgt ein Abzweig eines Teilvolu¬ mens des Katholyten in ein Abscheidebecken AB, in dem z.B. durch die Abkühlung des Elektrolyten das Natriumhydrogencar- bonat NaHCC>3 auskristallisiert und somit gewonnen werden kann. Da sich die Elektrolysezellen El, E2 im Betrieb durch Prozessverluste ohnehin stark erwärmen, kann es zur effektiven Auskristallisation auf Temperaturdifferenzen von bis zu 70 K zwischen Kathodenraum KR und Abscheidebecken AB kommen. Bevorzugt wird in einem Bereich zwischen 30 K und 50 K Tempe¬ raturdifferenz gearbeitet. Insbesondere mit einer Temperatur- differenz von mindestens 15 K oder sogar mindestens 20 K. KK may catholyte by a separating tank AB reciprocated by extending or there is a branch of a Teilvolu ¬ mens of the catholyte in a separating tank AB, in which, for example by cooling the electrolyte the Natriumhydrogencar- carbonate NaHCO can be crystallized> 3 and thus recovered. Since the electrolysis cells E1, E2 in operation by process losses anyway warm up, it can come to the effective crystallization to temperature differences of up to 70 K between the cathode space KR and Ab Abscheidebecken. Preference is given to working in a range between 30 K and 50 K Tempe ¬ temperature difference. In particular with a temperature difference of at least 15 K or even at least 20 K.
Enthält der Katholyt noch weitere Zusätze zur Leitfähigkeits¬ steigerung und damit Erhöhung der Energieeffizienz, minimiert also ein zusätzliches Leitsalz die ohmschen Verluste im Does the catholyte further additions to the conductivity ¬ increase, thus increasing energy efficiency, thus minimizing additional electrolyte salt in the ohmic losses
Elektrolyten, muss dies bei der Auskristallisation des Natri- umhydrogencarbonats NaHCC>3 berücksichtigt werden, um ein mög¬ lichst reines Produkt zu erhalten. Bevorzugt wird ein Hydro¬ gensulfat HS04 ~ oder Sulfat S04 2~ als Leitzusatz eingesetzt. Dies kann beispielsweise Natriumsulfat Na2 S04 oder Natrium- hydrogensulfat NaHS04 sein. Die Löslichkeit von Natriumhydro¬ gensulfat NaHS04 beträgt 1080 g/1 bei 20°C und die von Natri¬ umsulfat Na2 S04 beträgt 170 g/1 bei 20°C, s. Tabelle 2. Bei diesem großen Löslichkeitsunterschied zu Natriumhydrogencar- bonat NaHCC>3 ist gewährleistet, dass im Abscheidebecken be- vorzugt Natriumhydrogencarbonat NHCO3 auskristallisiert. Die¬ se Variante des Reduktionsverfahrens hat den immensen Vor¬ teil, dass dieses im Grunde den für die Electrolytes, this must be considered> 3 in the crystallization of the sodium umhydrogencarbonats NaHCO to obtain a mög ¬ lichst pure product. Preferably, a hydro ¬ gensulfat HS0 4 ~ or sulfate S0 4 2 ~ used as a conductive additive. This may, for example, be sodium sulfate Na 2 S0 4 or sodium hydrogensulfate NaHS0 4 . The solubility of sodium hydrosulfide ¬ hydrogen sulfate NaHS0 4 is 1080 g / 1 at 20 ° C and that of Natri ¬ sulfate Na 2 S0 4 is 170 g / 1 at 20 ° C, s. Table 2. With this large difference in solubility to sodium hydrogen carbonate NaHCC> 3, it is ensured that sodium bicarbonate preferentially crystallizes out NHCO 3 in the separation tank. The ¬ se variant of the reduction process has the immense pre ¬ in part, that this is basically the for
Natriumhydrogencarbonatherstellung bislang standardmäßig eingesetzten Solvay-Prozess ersetzen kann. Das Solvay-Verfahren zur Natriumhydrogencarbonatherstellung hat nämlich einen großen Nachteil, nämlich dass es sehr große Mengen an Wasser verbraucht. Außerdem werden pro Kilogramm Soda, also Natrium- carbonat Na2CC>3, in etwa auch ein Kilogramm unverwendbares Kalziumchlorid CaCl2 erzeugt, welches zumeist ins Abwasser und damit in Flüsse und Meere abgegeben wird. Bei einer Jah¬ resherstellung von 50 Millionen Tonnen Natriumcarbonat Na2C03 beträgt dies also auch in etwa 50 Millionen Tonnen Kalzium- Chlorid CaC12. Sodium hydrogen carbonate production can replace previously used standard Solvay process. The Solvay process for producing sodium bicarbonate has one major drawback, namely that it consumes very large amounts of water. In addition, per kilogram of soda, ie sodium carbonate Na 2 CC> 3, about one kilogram of unusable Calcium chloride CaCl 2 produced, which is usually discharged into the sewage and thus into rivers and seas. In a Jah ¬ resherstellung of 50 million tons of sodium carbonate Na2C03 this is so in about 50 million tons of calcium chloride CaC12.
Die neben dem Solvay-Prozess verfügbaren natürlichen Quellen für Soda Na2CC>3 reichen bei Weitem nicht aus. Natriumhydro- gencarbonat aHC03 kommt als natürliches Mineral Nahcolith in den Vereinigten Staaten von Amerika vor. Es tritt meist feinverteilt in Ölschiefer auf und kann dann als Beiprodukt der Ölförderung gewonnen werden. Ein Bergbau besonders reicher Nahcolith-Horizonte wird im Bundesstaat Colorado betrieben. Die jährliche Förderung jedoch lag im Jahre 2007 bei ledig- lieh 93.440 Tonnen. Außerdem kommt es beispielsweise in The natural sources of soda Na 2 CC> 3 available besides the Solvay process are far from sufficient. Sodium hydrogen carbonate aHC0 3 occurs as a natural mineral Nahcolith in the United States of America. It usually occurs finely distributed in oil shale and can then be obtained as a by-product of oil extraction. A mining of particularly rich Nahcolith horizons is operated in the state of Colorado. However, the annual production in 2007 was just 93,440 tonnes. It also comes in, for example
Sodaseen in Ägypten, in der Türkei im Van-See, in Ostafrika, z. B. im Lake Natron und andere Seen des ostafrikanischen Grabens, in Mexiko, in Kalifornien (USA) , und als Trona  Soda lakes in Egypt, in Turkey in Lake Van, in East Africa, eg. In Lake Natron and other lakes in the East African Trench, in Mexico, California (USA), and as Trona
(Na(HC03) · Na2C03 · 2H20) in Wyoming (USA), Mexiko, Ostafrika und in der südlichen Sahara vor. (Na (HC0 3) · Na 2 C0 3 · 2H 2 0) in Wyoming (USA), Mexico, East Africa and in the southern Saharan desert.
In der Figur 6 ist zur Verdeutlichung der Abhängigkeit von den Konzentrations- und pH-Wertparametern ein Beispiel für ein Hägg-Diagramm einer 0,05 molaren Lösung von Kohlenstoff- dioxid CO2 gezeigt. In einem mittleren pH-Wert Bereich liegenFIG. 6 shows an example of a Hägg diagram of a 0.05 molar solution of carbon dioxide CO 2 in order to illustrate the dependence on the concentration and pH parameters. Be in a medium pH range
Kohlenstoffdioxid CO2 und dessen Salze nebeneinander vor. Carbon dioxide CO 2 and its salts next to each other.
Während im stark basischen Kohlenstoffdioxid CO2 bevorzugt als Carbonat CO32-, im mittleren pH-Wert-Bereich bevorzugt als Hydrogencarbonat HC03~ vorliegt, kommt es bei niedrigen pH-Werten im sauren Milieu zur Austreibung der While in the preferred strongly basic carbon dioxide CO2 is preferably present as carbonate CO32-, middle pH value range as bicarbonate HC03 ~, occurs at low pH values in the acidic medium for the expulsion of
Hydrogencarbonationen aus der Lösung in Form von Kohlenstoffdioxid CO2.  Hydrogen carbonate ions from the solution in the form of carbon dioxide CO2.

Claims

Patentansprüche claims
1. Elektrolysesystem zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung, umfassend einen Elektrolyseur (E1-E5) mit einer Anode (A) in einem Anodenraum (AR) , einer Kathode (K) in einem Kathodenraum (KR) , wobei der Kathodenraum (KR) zumindest einen Zugang für Kohlenstoffdioxid (C02) aufweist und ausgestaltet ist das zugegangene Kohlenstoffdioxid (C02) in Kontakt mit der Katho¬ de (K) zu bringen, wobei der Kathodenraum (KR) einen 1. An electrolysis system for carbon dioxide utilization, comprising an electrolyzer (E1-E5) with an anode (A) in an anode compartment (AR), a cathode (K) in a cathode compartment (KR), wherein the cathode compartment (KR) at least one access for carbon dioxide (C0 2 ) and configured to bring the incoming carbon dioxide (C0 2 ) in contact with the Katho ¬ de (K), wherein the cathode space (KR) a
Katholyten umfasst oder aufnehmen kann, welcher durch den selben Zugang oder einen separaten dem Kathodenraum (KR) zugehen kann, und welcher Alkalikationen aufweist und wobei der Anodenraum (AR) zumindest einen Zugang für einen Anolyten aufweist und einen Anolyten umfasst oder über diesen Zugang aufnehmen kann, wobei der Anolyt Chloranionen aufweist. Catholyte which may be accessed through the same access or a separate cathode compartment (KR) and which has alkali cations, and wherein the anode compartment (AR) has at least one access for an anolyte and includes or is able to access an anolyte wherein the anolyte comprises chlorine anions.
2. Elektrolysesystem nach Anspruch 1 mit einem 2. electrolysis system according to claim 1 with a
Abscheidebecken (AB) , wobei das Abscheidebecken (AB) zur Auskristallisation eines Alkali-Hydrogencarbonats und/oder Alka- li-Carbonats aus dem Katholyten ausgestaltet ist und einen Produktauslass (PA3) aufweist. Abscheidebecken (AB), wherein the Abscheidebecken (AB) for the crystallization of an alkali metal bicarbonate and / or Alkali carbonate from the catholyte is configured and has a product outlet (PA3).
3. Elektrolysesystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei das Abscheidebecken (AB) eine Kühlvorrichtung aufweist. 3. electrolysis system according to claim 1 or 2, wherein the Abscheidebecken (AB) comprises a cooling device.
4. Elektrolysesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche mit wenigstens einem Reservoir (PR) , welches so ausgestaltet ist und derart mit dem Kathodenraum (KR) und/oder dem 4. electrolysis system according to one of the preceding claims with at least one reservoir (PR), which is configured and in such a way with the cathode space (KR) and / or the
Abscheidebecken (AB) verbunden angeordnet ist, dass es zur Pufferung des Katholyten dient. Abscheidebecken (AB) is arranged so that it serves to buffer the catholyte.
5. Elektrolysesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Katholyt wenigstens ein Lösemittel umfasst, insbe¬ sondere Wasser. 5. electrolysis according to one of the preceding claims, wherein the catholyte comprises at least one solvent, in particular ¬ special water.
6. Elektrolysesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anolyt wenigstens ein wasserlösliches Alkalisalz aufweist . 6. electrolysis system according to any one of the preceding claims, wherein the anolyte has at least one water-soluble alkali metal salt.
7. Elektrolysesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei der Anodenraum (AR) mit einer Gasabtrennungseinrichtung zur Chlorgasabtrennung aus dem Anolyten verbunden ist. 7. electrolysis system according to any one of the preceding claims, wherein the anode space (AR) is connected to a gas separation means for chlorine gas separation from the anolyte.
8. Elektrolysesystem nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei Anodenraum (AR) und Kathodenraum (KR) durch eine kationenleitende Membran (M) voneinander getrennt sind. 8. electrolysis system according to any one of the preceding claims, wherein the anode space (AR) and cathode space (KR) by a cation-conducting membrane (M) are separated from each other.
9. Reduktionsverfahren zur Kohlenstoffdioxid-Verwertung mittels eines Elektrolysesystems nach einem der vorstehenden Ansprüche, 9. Reduction method for carbon dioxide utilization by means of an electrolysis system according to one of the preceding claims,
bei dem ein Katholyt und Kohlenstoffdioxid (C02) in einen Ka¬ thodenraum (KR) eingebracht und in Kontakt mit einer Kathode (K) gebracht wird, in which a catholyte and carbon dioxide (C02) into a Ka ¬ Thode space (KR) were introduced and in contact with a cathode (K) accommodated
bei dem an der Kathode (K) Kohlenstoffdioxid (C02) reduziert wird, in which carbon dioxide (CO 2) is reduced at the cathode (K),
bei dem ein Anolyt, welcher Chloridanionen (C1-) aufweist, in einen Anodenraum (AR) eingebracht und in Kontakt mit einer Anode (A) gebracht wird, wherein an anolyte having chloride anions (C1-) is introduced into an anode space (AR) and brought into contact with an anode (A),
bei dem an der Anode (A) Chloridanionen (C1-) zu Chlor (C12) oxidiert werden und dieses als Chlorgas über eine Gasabtren¬ nungseinrichtung aus dem Anolyten abgetrennt wird, in which at the anode (A) chloride anions (C1-) to chlorine (C12) are oxidized and this is separated as chlorine gas via a Gasabtren ¬ tion device from the anolyte,
bei dem der Anolyt Alkalikationen aufweist, die in den in which the anolyte has alkaline cations contained in the
Katholyten migrieren und Migrate catholyte and
bei dem zumindest ein Teil des Katholytvolumens in ein wherein at least a portion of the catholyte volume in a
Abscheidebecken eingeleitet wird und dort ein Alkali- Hydrogencarbonat und/oder Alkali-Carbonat auskristallisiert. Separation basin is initiated and there crystallized an alkali hydrogen carbonate and / or alkali carbonate.
10. Reduktionsverfahren nach Anspruch 9, bei dem an der Kathode (K) Kohlenstoffdioxid (C02) zu Kohlenstoffmonoxid (CO) , Ethylen (C2H4) , Methan (CH4) , Ethanol (C2H5OH) und/oder 10. The reduction process of claim 9, wherein at the cathode (K) carbon dioxide (C0 2 ) to carbon monoxide (CO), ethylene (C 2 H 4 ), methane (CH 4 ), ethanol (C 2 H 5 OH) and / or
Monoethylenglykol (OHC2H4OH) reduziert wird. Monoethylene glycol (OHC 2 H 4 OH) is reduced.
11. Reduktionsverfahren nach Anspruch 10, bei dem die bei der Kohlenstoffdioxidreduktion entstehenden Hydroxidionen (OH~) mit überschüssig vorhandenem Kohlenstoffdioxid (C02) zu Hydrogencarbonationen (HC03 ~) umgewandelt werden. 11. reduction method according to claim 10, wherein the hydroxide ions formed during the Carbon Reduction (OH ~) with excess existing carbon dioxide (C0 2) to bicarbonate ions (HC0 ~ 3) converted.
12. Reduktionsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis bei dem zumindest ein Teil des Katholytvolumens in ein 12. A reduction method according to any one of claims 9 to wherein at least a portion of the catholyte volume in a
Abscheidebecken eingeleitet wird und dort um wenigstens Abscheidebecken is initiated and there at least
Kelvin, bevorzugt wenigstens 20 Kelvin abgekühlt wird. Kelvin, preferably at least 20 Kelvin is cooled.
13. Reduktionsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 12, bei dem zumindest ein Teil des Katholytvolumens in ein 13. reduction process according to any one of claims 9 to 12, wherein at least a portion of the catholyte volume in a
Abscheidebecken eingeleitet wird und dort dessen pH-Wert mit tels Einblasen von Kohlenstoffdioxid (C02) von über 8 auf ei nen pH-Wert von 6 oder weniger abgesenkt wird. Separation Basin is introduced and where its pH is lowered by means of blowing carbon dioxide (C02) of over 8 to a pH of 6 or less.
14. Reduktionsverfahren nach einem der Ansprüche 9 bis 13, bei dem zumindest ein Teil des Katholytvolumens in ein 14. A reduction method according to any one of claims 9 to 13, wherein at least a portion of the catholyte volume in a
Abscheidebecken eingeleitet wird und dort ein Alkali- Hydrogencarbonat auskristallisiert wird, welches im Anschluss durch Erhitzen in ein Alkali-Carbonat umgewandelt wird. Separation basin is initiated and there an alkali hydrogen carbonate is crystallized, which is subsequently converted by heating in an alkali carbonate.
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