氣體產(chǎn)生設備和方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及設備和方法，其中使用堿性含水介質(zhì)中的多巴胺，可被用于從潮濕空氣中獲取氮和產(chǎn)生其它氣體、游離或化合態(tài)的氫如氨。反應介質(zhì)是離子的和通過使用不同金屬電極在接近環(huán)境條件的壓力和溫度下強化電解。
【專利說明】氣體產(chǎn)生設備和方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及可用于發(fā)電的化學【技術領域】，更特別地涉及水的電解作用，和提供了通過使空氣流通過離子表面來獲取氣體流的方法。

【背景技術】
[0002]氨是食品生產(chǎn)中必不可少的化合物，并將繼續(xù)作為液相中的氨或氮化合物如硝酸鹽和尿素起作用。其它的應用前景是作為燃料，因為它在內(nèi)燃機中使用會產(chǎn)生無害的產(chǎn)物如氮氣和水。
[0003]從空氣中產(chǎn)生氮氣具有悠久歷史。1895年，Ragleigh發(fā)現(xiàn)了使空氣通過電弧能夠獲取一氧化氮(NO)。1900年,挪威人Birkeland和Eyde在上述發(fā)現(xiàn)的基礎上開發(fā)了一種方法。獲取稱作“Norge硝石”的產(chǎn)品(硝酸鈣)，是長期以來唯一的成功嘗試。一直嘗試取得更高效的方法，1918年，F(xiàn)ritz Haber被授予了諾貝爾化學獎，由于他發(fā)現(xiàn)了以他命名的工業(yè)方法開發(fā)的科學基礎，奠定了構成用于商業(yè)獲取氨的現(xiàn)代工藝的大部分方法的基礎。這些方法中的大部分雖然從空氣中獲取氮，但使用的氫來源于烴或水的電解作用。
[0004]大量的改進實質(zhì)上沒有改變Haber氨生產(chǎn)的發(fā)現(xiàn)，其簡明描述了在最低溫度下和在高壓和高溫下經(jīng)催化劑使空氣中的氮和氫接觸。
[0005]為了獲取空氣中的氮，在環(huán)境溫度和壓力下操作的獨特方法是通過豆科作物自然地進行。結合氮和產(chǎn)生化合物如硝酸鹽，其直接固化在土壤中或作物的根系上，并改進了農(nóng)作物的產(chǎn)量。
[0006]由于此原因從空氣中獲取氮已被稱為固氮。其它報道的方法是對所述方法的改進，一般來說從專門的微生物出發(fā)，大部分通過遺傳改造進行改進，并在嚴格限定的環(huán)境中操作。
[0007]在此領域中其它發(fā)明的特點在于探尋純化的氫和氮氣作為原料轉化為氣態(tài)氨或通過化學反應獲取其它含氮氣體的過程。所有上述方法具有的共同點為反應的條件是極端的。
[0008]例如，LouisO' Hare 的美國專利 4451436 “Nitrogen Fixat1n by Plasma andcatalyst”，其中使用頻率在60到600Hz之間、電壓在6到1kV之間的電極放電，用于氮和氫的分子和原子在等離子狀態(tài)下經(jīng)催化劑發(fā)生反應。為了避免產(chǎn)物的重新組合使用紫外輻射。
[0009]同樣，Hao-Lin Chen 的美國專利 4482525“Nitrogen Fixat1n Apparatus,其中使用電弧和通過特別設計的室用于在溫度3000° K下實現(xiàn)能量與壓力的適當關系(5-55kV/大氣氧氣/cm)固定空氣中的氮，以獲得激發(fā)振動狀態(tài)下的氮和氧用于最終獲得氧化亞氮。
[0010]John H.Holbrook 和 Jason K.Handley 的美國專利 7S11442 “Method andApparatus for Anhydrous Ammonia Product1n”發(fā)表于 2011 年 10 月，其中使用氣相的含水電解液和在溫度400-800°C之間和壓力10-300大氣壓下具有鈣鈦礦和摻雜物的質(zhì)子發(fā)生器。慘雜物是堿土金屬和其它如鑭、鋪、鐠、釹、钷、衫、銪、禮、鋪、鏑、欽、鉺、錢、鐿、鈧、乾、镥、硼、鋁、鎵、銦、銻、鉍、鉻、鐵、釕、鋨、鈷、銠；和使用的電催化劑是氧化物、硫化物和鉬、
鈀、鎳、鈷、銅、銀、鶴、鋨、釕、錯、銥、鉻、鐵、鑰、銀、錸、猛、銀、鉭的合金。
[0011]在另一方面，使用堿性電解液通過電解由水生產(chǎn)純氫的工藝已被公知。近年來授予一些有關基礎電化學電池組件改進的專利，特別涉及更好的電極材料的專利，主要為有關可滲透膜和膜反應器改進的專利。
[0012]然而，現(xiàn)在氫的生產(chǎn)已經(jīng)對環(huán)境造成了不同性質(zhì)和不同水平的破壞。
[0013]在另一方面，在工業(yè)上操作兩種類型電池，即固態(tài)氧化電池和堿性電池。在后一種電池中，使用約3N和5N的氫氧化鈉或氫氧化鉀濃度，溫度在70到90 V之間。電池的電壓在I到2.2V之間(效率在68%到80%之間)和電極電流為150mA/cm2。希望在不高于電中性電位下進行工作，因為高于這個值電池發(fā)射的能量被浪費會使效率低。
[0014]本發(fā)明電池的電壓和電流值接近水離解為氫和氧的反應的可逆電位值，特別是當電極非常靠近和電極間距離非常小時。在氫氧化鈉或氫氧化鉀濃度為IN到1.5N之間的堿性電解液中產(chǎn)生表面離子。如果不隔離開水流的表面，隨著時間的流逝，不會發(fā)現(xiàn)流體體積減少。此外，觀測不到水相中離子的組合。
[0015]如果避免了空氣的存在，可以用不同的方式在流體表面上由陰極收集氫氣。本發(fā)明采用的方法是考慮了堿性氫氧化物的皂化能力通過發(fā)泡實現(xiàn)。
[0016]當前獲取氨的所有工業(yè)方法均是在高壓(400大氣壓左右)和高溫(260°C左右)下進行。它的科學技術基礎來自于19世紀的Haber-Bosch方法?；贖aber發(fā)現(xiàn)的過程操作條件要求由于容器和管道材料所致的昂貴基礎設施。操作控制系統(tǒng)是復雜的，和由于內(nèi)在的危險，原料輸送和接觸都要小心實施。
[0017]在另一方面，目前應用的方法中，氫的供應通常涉及用于從原料源(無論是烴、碳或其它過程廢物)中提取氫的復雜技術，這導致了環(huán)境污染問題從氨生產(chǎn)裝置向氫生產(chǎn)裝置轉移。所有這些都涉及相當大的能量成本。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0018]本發(fā)明提供了能夠在環(huán)境壓力和低溫下及在離子介質(zhì)和優(yōu)選在原位中安全和經(jīng)濟地供應氫和其它氣體的知識。
[0019]本發(fā)明的方法導致在環(huán)境壓力下和低于水沸點的溫度下產(chǎn)生氨。
[0020]與前述相反，在本發(fā)明中，由于操作條件不要求昂貴的設備和如果要求可以在原位生產(chǎn)氨。
[0021]本發(fā)明基于多巴胺在含水溶液中增加離子流動性和離子轉移數(shù)的性能，特別是在離子溶液表面上。
[0022]據(jù)此，可解釋當空氣吹過含有多巴胺和離子的含水介質(zhì)的表面時在堿性含水介質(zhì)中產(chǎn)生氫。激發(fā)氮分子和水蒸氣發(fā)生產(chǎn)生氣態(tài)氨的反應。
[0023]當通過在電化學電池中進行的含水溶液電解增加了離子化時，效率得到改進。
[0024]電解液包括含多巴胺和增加低濃度下溶液電導率的堿性輔助電解質(zhì)的含水溶液。
[0025]在其它情況下，在標準電化學電池如在含有多巴胺及堿性輔助電解質(zhì)的水中，在低溫和環(huán)境壓力下獲取游離的氣體氫。
[0026]根據(jù)本發(fā)明，通過分解添加到電解質(zhì)水溶液中的適當鹽或者通過在離子表面直接接觸氣態(tài)化合物來獲得其它氣體。
[0027]生產(chǎn)氣體過程中反應溫度不會大幅升高。
[0028]本發(fā)明能夠生產(chǎn)和使用氫以原位產(chǎn)生氨或純氫，使得多種應用成為可能，最重要的是提供了替代燃料。
[0029]在本發(fā)明中從數(shù)量上看主要原料是水，它在方法過程中沒有大量消耗，從同樣方面看，其次是天然或合成的多巴胺和堿性輔助電解質(zhì)。如果為了更高效率希望在電化學電池中通過電能操作所述方法，可以使用太陽能來滿足要求，因為這個要求可通過以這種方式提供能量的可得技術合理地實現(xiàn)。
[0030]另外，本發(fā)明可以從含有多巴胺的堿性溶液中獲得氨和氫或它們的混合物，其中通過可應用的任何方法提高在流體表面的離子濃度，所述方法包括提高流體表面張力、略微提高溫度和脫除通過阻止或允許空氣存在產(chǎn)生的氣體。
[0031]在前段中描述的堿性電解質(zhì)可以被限制在包含吸濕性化合物和金屬合金、氧化物、氫氧化物或樹脂的堿性基質(zhì)上，使這項技術得以經(jīng)濟應用。
[0032]所述氣體的獲取在環(huán)境壓力下進行。電極材料會使溫度升高但低于水的沸點，所述溫度自然地升高或通過提供熱能實現(xiàn)。

【具體實施方式】
[0033]據(jù)前所述，本發(fā)明的目的是獲取包含氨、氫和烴的氣流的方法，其中潮濕空氣流與固體催化層表面和由兩個金屬電極在電流激發(fā)下生成的離子含水表面接觸。這些電極可以是單電極的、雙電極的、多孔的或粒狀的，它們可以是選自鐵、鎳、銅、碳、鋅、錫、鎂、鋁、鈦、金和銀的金屬合金，電極設置優(yōu)選鋼作陽極和銅作陰極。
[0034]開始時潮濕空氣流通過含有鈦鐵礦的半滲透隔板，在隔板上反應并進一步與由含多巴胺的電解液形成的含水離子表面反應，所述多巴胺的量是含水溶液重量的0.5%至15%之間，其中多巴胺可以從大蕉植物的汁液中提取或者也可以使用多巴胺氫氯化物。
[0035]電解液還包含:1N和2N之間的氫氧化鈉、氫氧化鉀和/或1，2_苯二酚作為輔助電解質(zhì)；可選自鶴酸鈉(Na2WO4.2Η20)、鑰酸鈉(Na2MoO4.2Η20)的可離解鹽和/或不溶于水的金屬如鐵、鎳、鋇、鈣和鎂的氧化物或氫氧化物?？蛇x擇地，提供熱源以達到希望的溫度值。在環(huán)境壓力或真空下溫度值可以在12-80°C之間。
[0036]本發(fā)明的目的是通過前面所述方法獲得如氫、烴和氨的含氫氣體，優(yōu)選氨和氫。
[0037]本發(fā)明的另一目的是具有上述條件使用純氮、水蒸氣或其它氣體取代空氣獲取氨、氫和烴的方法作為另一實施方案。
[0038]本發(fā)明的又一目的是產(chǎn)生包含氨、氫和烴的氣流的方法，其中使用的電解質(zhì)是元素周期表第一列元素的鹵鹽，其中還生成其它混合氣體或純氣體。
[0039]本發(fā)明的又一獨特特征是在通過表面活性劑形成的泡沫中回收含氫氣體。
[0040]本發(fā)明的另一目的涉及產(chǎn)生包含氨、氫和烴的氣流使用的設備，它包括:水平放置的圓筒形管(I)，所述管子帶有兩個相對的較小直徑開口(2)和(3);通過導線連接到電源正極的導線陽極(4);通過導線連接到電源負極的由纏繞在所述陽極周圍的導線構成的陰極(5)，兩個電極浸入到沉在所述管子底部和覆蓋所述電極的電解液流體中；和靠近開口
(2)的多孔陶瓷隔板(6)。
[0041]根據(jù)本發(fā)明的方法，潮濕空氣流或氣體經(jīng)隔板(6)通過開口(2)，其中所述潮濕空氣與從內(nèi)部涂覆在陶瓷隔板表面上的鈦鐵礦反應產(chǎn)生氨氣，所述氨氣通過由陽極(4)和陰極(5)產(chǎn)生的離子形成的活性表面形成電離蒸氣云，所述蒸氣云返回與空氣中的氮在所述隔板上反應，形成被導向開口(3)并在其中被收集的氣體。
[0042]圓筒形管(I)的內(nèi)壁上涂覆有金屬催化層。
[0043]根據(jù)本發(fā)明的方法，使用的電壓是陰極的0.5至6V/cm2。
[0044]對于實際應用如在汽車中，在原位產(chǎn)生純氫或氨的可能性由于本發(fā)明提出的用于產(chǎn)生這些氣體的有利條件不僅對這些氣體本身是很大的節(jié)約，而且當在所需要的位置和以所要求的量發(fā)生時，不需要進行氣體壓縮或儲備。
[0045]鑒于實際的能源危機提高生產(chǎn)成本和引起包括失業(yè)、迫使霸權政府在世界范圍內(nèi)為取得對戰(zhàn)略性自然資源的控制而做出的不理智行動的嚴重后果，本發(fā)明協(xié)調(diào)不同產(chǎn)業(yè)處理技術的改進和實施新技術，和它的應用將進一步減少人類活動對環(huán)境造成的破壞并對世界和平作出貢獻。
[0046]下列實施例更詳細地描述了本發(fā)明，但不限制本發(fā)明的范圍。
[0047]實施例
[0048]試驗以間歇和連續(xù)的方式進行。
[0049]實施例1-獲取氨、氫和烴
[0050]在環(huán)境壓力和溫度條件下，在半連續(xù)電化學電池中進行試驗，所述電池包含下列部件:
[0051]1.具有可調(diào)制電流電壓和強度的電源。
[0052]2.水平放置的圓筒形玻璃管，管直徑96_，長度220_，帶有兩個相對的較小直徑開口。
[0053]3.陽極，由AISI 316不銹鋼導線構成,直徑3mm,長度250mm(浸入面積2000mm2),通過導線連接到電源的正極。金屬用濃硝酸預處理用于鈍化該金屬。
[0054]4.陰極，由纏繞在陽相周圍的直徑2mm的實心銅合金線圈構成，線圈直徑I cm (浸入面積6000mm2)，通過導線連接到電源的負極。
[0055]5.體積為150cm3的流體電解液，包括IN氫氧化鈉和1cm3大蕉植物的榨汁液體的含水混合物(流體表面面積2000mm2)，沉在圓筒形管的底部并且覆蓋所述電極。
[0056]6.5mm直徑的塑料管，使潮濕空氣以100cm3/s從塑料管中吹出，通過多孔陶瓷隔板到達電解液表面。相對濕度為30%。
[0057]7.6000mm2橫截面積的浸潰鈦鐵礦(T1-Fe)的多孔陶瓷表面暴露在空氣中。
[0058]8.直流電(3V 和 3A)。
[0059]9.使塑料管釋放反應產(chǎn)品。
[0060]實驗過程中觀察到電離水蒸汽霧與氣流相對被導向陶瓷表面。運用定量分析測試在半連續(xù)電化學電池的出口物流中檢測到不同濃度的氨、氫、氧和氮。用于電化學電池出口物流的快速定性測試，通過在其中引入浸潰鹽酸的紙檢測出氯化銨的白霧。
[0061]實施例2
[0062]重復實施例1的反應條件，除了添加15、20和25cm3的大蕉植物的榨汁液體。
[0063]實施例3
[0064]重復實施例1的反應條件，除了代替大蕉植物的汁液提取物添加多巴胺氫氯化物。在連續(xù)實驗中加入5、50、100和150mg包含在氣泡中的多巴胺氫氯化物溶液。每個5cm3的氣泡包含200mg多巴胺。
[0065]實施例4
[0066]重復實施例2的反應條件,除了將銅陰極用鋅、鎂、鈦合金、Wood合金、鋼、青銅和鋁合金陰極代替。
[0067]實施例5
[0068]重復實施例1的電化學電池的相同條件，除了使用碳陰極，它在電解液中產(chǎn)生細碳顆粒，導致在出口物流中出現(xiàn)可燃氣體混合物。
[0069]實施例6
[0070]重復實施例1的電化學電池的相同條件，其中進一步向電解液中添加磷酸鈣(Ca3(PO4)2)和氫氧化鎳(Ni (OH)2) 0
[0071]實施例7-獲取氫的方法
[0072]間歇電化學電池，包括:
[0073]1.具有可調(diào)制電流電壓和強度的電源。
[0074]2.垂直放置的圓筒形玻璃管，管直徑96_，長度220_，帶有兩個平行的較小直徑開口。
[0075]3.陽極，由AISI 316不銹鋼導線構成,直徑3mm,長度250mm(浸入面積2000mm2),通過導線連接到電源的正極。金屬用濃硝酸預處理用于鈍化該金屬。
[0076]4.陰極，由纏繞在陽極周圍的直徑2mm的實心銅合金線圈構成，線圈直徑Icm(浸入面積6000mm2)，通過導線連接到電源的負極。
[0077]5.體積為300cm3的流體電解液，包括IN氫氧化鈉和1cm3大蕉植物的榨汁液體的含水混合物，覆蓋所述電極。
[0078]6.多孔隔板，分隔兩個電極，分隔間距為4mm。
[0079]7.直流電(3V 和 3A)。
[0080]利用圓筒形管內(nèi)的真空，通過陰極開口收集氫氣和通過陽極開口收集氧氣。
[0081]實施例8
[0082]重復實施例6的反應條件，除了大蕉植物的榨汁液體體積為15、20和25cm3。
[0083]實施例9
[0084]重復實施例7的反應條件，除了添加多巴胺氫氯化物來代替大蕉植物的榨汁提取物。在連續(xù)實驗中加入5、50、100和150mg包含在氣泡中的多巴胺氫氯化物溶液。每個5cm3的氣泡含有200mg的多巴胺。
[0085]實施例10
[0086]重復實施例6的反應條件,除了將銅陰極用鋅、鎂、鈦合金、wood合金、鋼、青銅和鋁合金陰極代替。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0087]附圖1-用來獲取氣流的設備，它包括:水平放置的圓筒形管(I)，所述管子帶有兩個相對的較小直徑開口(2)和(3);通過導線連接到電源正極的導線陽極(4);通過導線連接到電源負極的由纏繞在陽極周圍的導線構成的陰極(5);和多孔陶瓷隔板(6)。
【權利要求】
1.一種生產(chǎn)氣流的方法，其特征在于使潮濕空氣流在固體催化劑層表面與由電流激發(fā)的金屬電極形成的含水離子表面接觸，通過半滲透隔板之后，與包含在所述隔板表面內(nèi)的鈦鐵礦在溫度12°c至80°C之間和環(huán)境壓力或真空下反應，用于獲得氣流。
2.根據(jù)權利要求1的生產(chǎn)氣流的方法，其特征在于所述潮濕空氣流在由電解液形成的含水離子表面上反應，所述電解液包含: (a)多巴胺； (b)氫氧化物，作為輔助電解質(zhì)； (c)可離解鹽和/或氧化物或氫氧化物。
3.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于所述多巴胺的量是所述含水溶液重量的0.5%至 15%。
4.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于所述多巴胺提取自大蕉植物的汁液。
5.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于所述多巴胺是多巴胺氫氯化物。
6.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于所述氧化物和氫氧化物是不溶于水的。
7.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于所述金屬電極是單極的、雙極的、多孔的或粒狀的電極。
8.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于所述金屬電極是選自鐵、鎳、銅、碳、鋅、錫、鎂、招、鈦、金和銀的金屬合金。
9.根據(jù)權利要求8的方法，其特征在于所述電極設置優(yōu)選鋼作陽極和銅作陰極。
10.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于所述輔助電解質(zhì)選自氫氧化鈉、氫氧化鉀和/或1,2-苯二酚。
11.根據(jù)權利要求2的方法，其特征在于所述輔助電解質(zhì)濃度在1N和2N之間。
12.根據(jù)權利要求2的方法，其中所使用的鹽選自鎢酸鈉(Na2W04.2H20)和鑰酸鈉(Na2Mo04.2H20)。
13.根據(jù)權利要求2的方法，所述氧化物和氫氧化物的金屬選自鐵、鎳、鋇、鈣和鎂。
14.根據(jù)權利要求1的方法，其特征在于所獲取的氣流包含氨、氫和烴。
15.根據(jù)前述權利要求任一項的方法，其特征在于用于生產(chǎn)如氨、氫和烴的氣流。
16.根據(jù)前述權利要求任一項的方法，其特征在于用于獲取氨。
17.根據(jù)前述權利要求任一項的方法，其特征在于用于獲取氫。
18.根據(jù)權利要求1和2的方法，其特征在于使用純氮、水蒸氣或其它氣體替代空氣。
19.根據(jù)權利要求1和2的方法，其特征在于其中所使用的電解質(zhì)是元素周期表第一列元素的鹵鹽，和其中產(chǎn)生不同于氮和氫的其它混合氣體或純氣體。
20.根據(jù)權利要求1-14的方法，其中在通過表面活性劑形成的泡沫中回收氫。
21.用于根據(jù)前述權利要求的方法獲取氣流的設備，其特征在于所述設備包括:水平放置的圓筒形管(1)，所述管子帶有兩個相對的較小直徑開口(2)和(3);通過導線連接到電源正極的導線陽極(4);通過導線連接到電源負極的由纏繞在陽極周圍的導線構成的陰極(5)，兩個電極浸入到沉在管子底部和覆蓋所述電極的電解液流體中；和靠近開口(2)的多孔陶瓷隔板(6)。
22.根據(jù)權利要求20的設備，其中所述潮濕空氣流或氣體經(jīng)隔板(6)通過開口(2)，其中所述潮濕空氣與從內(nèi)部涂覆在所述陶瓷隔板表面上的鈦鐵礦反應產(chǎn)生氨氣，所述氨氣通過由陽極(4)和陰極(5)產(chǎn)生的離子形成的活性表面形成電離蒸氣云，所述蒸氣云與空氣中的氮在所述隔板上反應，形成被導向開口(3)并在其中被收集的氣體。
23.根據(jù)權利要求20的設備，其特征在于所述圓筒形管(I)的內(nèi)壁涂覆有金屬催化劑層。
【文檔編號】C01B3/02GK104411638SQ201280072217
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2012年4月5日 優(yōu)先權日:2012年4月5日
【發(fā)明者】馬塞洛·阿科斯塔·埃斯特拉達 申請人:馬塞洛·阿科斯塔·埃斯特拉達