一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的方法和系统

本发明涉及电化学，尤其是涉及一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的方法和系统。

背景技术：

1、纯碱的化学名称为碳酸钠(na2co3)，是一种重要的基础化工原料，广泛应用于轻工、建材、化学工业、食品工业、冶金、纺织、石油、国防、医药等领域。目前，国内生产碳酸钠的工业方法主要是氨碱法，其生产过程包括co2制备、盐水纯化、碳酸化反应、碳酸氢钠分解、氨的回收，废水处理等；然而，上述方法的突出缺点包括：1)工艺中会产生大量的废渣和其他副产物，原料利用率低，处理需要高额成本，对环境污染大；2)石灰石煅烧和氨回收系统设备庞大、能耗较高、流程较长；3)原料利用率低，氨在生产过程中容易挥发和损失，盐水中氯元素全部排放，增加了生产成本和环境负担。

2、近年来，国内外的研究人员一直在探索制备纯碱的技术并取得了一定成果。例如，cn104355326a公开了一种以硫酸钠和二氧化碳为原料制纯碱副产石膏的工艺，该工艺以硫酸钠和二氧化碳为原料制纯碱副产石膏，利用硫酸钠和碳酸氢铵的复分解反应，将反应获得的碳酸氢钠在强碱的作用下利用湿分解工艺制备纯碱，过程中产生的氨气和二氧化碳经蒸氨工序和碳化工序合成碳酸氢铵，所得碳酸氢铵循环进入工艺生产纯碱；然而，上述工艺较为复杂，物料循环量大，多次蒸发、冷却结晶的能耗高，进而导致生产成本较高。

3、此外，cn109437248a公开了一种以芒硝和碳酸氢铵为原料联合生产纯碱和硫酸铵的方法，该方法将碳酸氢铵、硫酸钠和水同时加入到反应器中混合反应，即有碳酸氢钠晶体生成，经真空过滤、洗涤、离心脱水，滤饼为碳酸氢钠湿料，湿料送煅烧工段煅烧后可得到纯碱产品，过滤母液送后续工段处理；然而，上述方法的原料利用率和产率较低。

4、鉴于此，特提出本发明。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的方法和系统，利用可再生的清洁电能和电厂等工业排放的二氧化碳生产纯碱和有价值的一氧化碳和氯气，工艺过程无废液、废渣排放，具有原料利用率高、节能减排、环境友好等优势。

2、本发明提供一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的方法，包括如下步骤：

3、s1：向双电极电解槽的阳极室中加入饱和氯化钠溶液并通入氮气，向双电极电解槽的阴极室中加入饱和碳酸氢钠溶液并通入二氧化碳；

4、s2：向双电极电解槽施加电压进行电解，阳极室中的饱和氯化钠溶液发生电化学反应生成氯气，阴极室中的二氧化碳发生电化学反应生成一氧化碳和氢氧根，同时阳极室中的钠离子通过隔膜扩散至阴极室并与氢氧根和二氧化碳反应生成过饱和碳酸氢钠溶液；

5、s3：对过饱和碳酸氢钠溶液进行过滤、热分解，得到纯碱。

6、本发明提供了一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的新工艺，阴极二氧化碳与水电还原，生产一氧化碳同时产生氢氧根；阳极电解氯化钠溶液产生氯气，钠离子通过隔膜扩散到阴极与氢氧根和二氧化碳反应生成碳酸氢钠，碳酸氢钠热分解得到纯碱和二氧化碳，二氧化碳循环利用。

7、本发明采用饱和氯化钠溶液作为阳极电解液，阳极发生电化学反应：2cl--2e-＝cl2。

8、本发明采用饱和碳酸氢钠溶液作为阴极电解液，同时通入二氧化碳作为反应物，阴极发生电化学反应：co2+h2o+2e＝co+2oh-。

9、阳极钠离子通过隔膜扩散至阴极，发生化学反应：2na++2oh-+2co2＝2nahco3。

10、碳酸氢钠进行热分解得到纯碱(碳酸钠)和二氧化碳，碳酸氢钠热分解反应式：2nahco3＝na2co3+co2+h2o。

11、工艺的总反应式：2nacl+2co2＝na2co3+cl2+co。

12、双电极电解槽包括阴极、阳极和隔膜，隔膜设置在阴极与阳极之间；其中，阴极可以采用金属银网电极，阳极可以采用金属钌网电极，隔膜可以采用阳离子交换膜。

13、在向双电极电解槽的阳极室和阴极室加入饱和氯化钠溶液和饱和碳酸氢钠溶液时，可以控制阳极室中的饱和氯化钠溶液与阴极室中的饱和碳酸氢钠溶液体积一致。在电解过程中，视反应器大小设计电解液的流速，例如以280-320ml/h的流速向阳极室中加入饱和氯化钠溶液，以280-320ml/h的流速向阴极室中加入饱和碳酸氢钠溶液。向双电极电解槽施加的电压为1.7-2.8v；双电极电解槽的温度为40-60℃；电解时间可以根据工艺需要合理设置，例如为2-4h。

14、电解后，对阳极室反应生成的氯气和反应后的氯化钠溶液进行气液分离，向气液分离得到的稀氯化钠溶液中添加氯化钠形成饱和氯化钠溶液后进行循环利用。

15、对阴极室反应生成的一氧化碳和过饱和碳酸氢钠溶液进行气液分离，对过饱和碳酸氢钠溶液进行过滤得到碳酸氢钠结晶和饱和碳酸氢钠溶液，对碳酸氢钠结晶进行热分解，热分解温度为250-300℃，对过滤得到的饱和碳酸氢钠溶液进行循环利用。

16、本发明还提供一种用于实施上述方法的系统，包括双电极电解槽、第一原料储存罐、第二原料储存罐、第一气液分离罐、第二气液分离罐、带式过滤机、储液罐和中间产品储存罐，双电极电解槽包括阴极、阳极和隔膜，阴极与隔膜之间形成阴极室，阳极与隔膜之间形成阳极室，第一原料储存罐储存饱和碳酸氢钠溶液并与阴极室连通，第二原料储存罐储存饱和氯化钠溶液并与阳极室连通，阳极室与氮气气源连通，阴极室与二氧化碳气源连通，第一气液分离罐的进口和液体出口分别与阴极室和带式过滤机连接，第二气液分离罐的进口与阳极室连接，带式过滤机的液体出口和固体出口分别与储液罐和中间产品储存罐连接。

17、进一步地，在第一原料储存罐与阴极室之间的连接管道上设有泵和阀门，在第二原料储存罐与阳极室之间的连接管道上设有泵和阀门。

18、进一步地，储液罐与第一原料储存罐连接，在储液罐与第一原料储存罐之间的连接管道上设有泵和阀门；第二气液分离罐的液体出口与第二原料储存罐连接，在第二气液分离罐与第二原料储存罐之间的连接管道上设有泵和阀门。

19、本发明提供了一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的方法和系统，克服了现有氨碱法生产纯碱存在的原料利用率低、排放大量废水废渣等难题，该方法利用可再生的清洁电能与电厂等工业排放的二氧化碳生产纯碱，在生成有价值的纯碱的同时，不仅可以减排二氧化碳，还能副产重要的化工基础原料一氧化碳与氯气，工艺过程原料利用率达到100％，无废液、废渣排放，既节能减排，同时对环境友好，属于原子经济的绿色化学过程，容易实现工业化，具有良好的环境效益和经济效益。

技术特征：

1.一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在电解过程中，以280-320ml/h的流速向阳极室中加入饱和氯化钠溶液，以280-320ml/h的流速向阴极室中加入饱和碳酸氢钠溶液。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，双电极电解槽的阴极为金属银网电极，阳极为金属钌网电极，隔膜为阳离子交换膜。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，向双电极电解槽施加的电压为1.7-2.8v；双电极电解槽的温度为40-60℃。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，热分解温度为250-300℃。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，电解后，对阳极室反应生成的氯气和反应后的氯化钠溶液进行气液分离，向气液分离得到的稀氯化钠溶液中添加氯化钠形成饱和氯化钠溶液后进行循环利用。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对阴极室反应生成的一氧化碳和过饱和碳酸氢钠溶液进行气液分离，对过饱和碳酸氢钠溶液进行过滤得到碳酸氢钠结晶和饱和碳酸氢钠溶液，对碳酸氢钠结晶进行热分解，对过滤得到的饱和碳酸氢钠溶液进行循环利用。

8.一种用于实施权利要求1-7任一所述方法的系统，其特征在于，包括双电极电解槽、第一原料储存罐、第二原料储存罐、第一气液分离罐、第二气液分离罐、带式过滤机、储液罐和中间产品储存罐，双电极电解槽包括阴极、阳极和隔膜，阴极与隔膜之间形成阴极室，阳极与隔膜之间形成阳极室，第一原料储存罐储存饱和碳酸氢钠溶液并与阴极室连通，第二原料储存罐储存饱和氯化钠溶液并与阳极室连通，阳极室与氮气气源连通，阴极室与二氧化碳气源连通，第一气液分离罐的进口和液体出口分别与阴极室和带式过滤机连接，第二气液分离罐的进口与阳极室连接，带式过滤机的液体出口和固体出口分别与储液罐和中间产品储存罐连接。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，在第一原料储存罐与阴极室之间的连接管道上设有泵和阀门，在第二原料储存罐与阳极室之间的连接管道上设有泵和阀门。

10.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，储液罐与第一原料储存罐连接，在储液罐与第一原料储存罐之间的连接管道上设有泵和阀门；第二气液分离罐的液体出口与第二原料储存罐连接，在第二气液分离罐与第二原料储存罐之间的连接管道上设有泵和阀门。

技术总结
本发明提供了一种二氧化碳电化学还原耦合纯碱生产的方法和系统。本发明的方法包括如下步骤：S1：向双电极电解槽的阳极室中加入饱和氯化钠溶液并通入氮气，向双电极电解槽的阴极室中加入饱和碳酸氢钠溶液并通入二氧化碳；S2：向双电极电解槽施加电压进行电解，阳极室中的饱和氯化钠溶液发生电化学反应生成氯气，阴极室中的二氧化碳发生电化学反应生成一氧化碳和氢氧根，阳极室中的钠离子通过隔膜扩散至阴极室并与氢氧根和二氧化碳反应生成过饱和碳酸氢钠溶液；S3：对过饱和碳酸氢钠溶液进行过滤、热分解，得到纯碱。本发明的方法无废液、废渣排放，具有原料利用率高、节能减排、环境友好等优势。

技术研发人员：彭峰,杨光星,曾利源,曾松峰,冯伟东,梁尔希,匡勇娇
受保护的技术使用者：广州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/11/26