Scientific journal
International Journal of Applied and fundamental research
ISSN 1996-3955
ИФ РИНЦ = 0,593

TECHNOLOGICAL EXPERIENCES ON CO2 UTILIZATION WITH RECEIPT OF COMMODITY PRODUCTS

Dosmukhamedov N.K. 1 Каplan V.A. 2 Zholdasbay E.E. 1 Kurmanseitov M.B. 1 Argyn A.A. 1 Egizekov M.G. 1
1 Satbayev University
2 Weizmann Institute of Science
1240 KB
The paper presents the results of technological experiments on the utilization of CO2 from waste gases of TPPs plants, previously purified from SO2 and NOx. The experiments were carried out using a more advanced design of the electrolyzer, electrodes and electrolysis technique, which was based on the results of thermodynamic and electrochemical analysis. The results of the compositions of the gas phase released in the cathode and anode spaces showed that the cathode gas obtained during electrolysis contains at least 97 % CO. The residual CO2 concentration in the cathode gases was below the detection limit of 0.5 %. During steady state electrolysis, the anode gas contained no less than 97 % O2, and with CO2 concentration, it was below the detection limit. The electrochemical decomposition potential of Li2CO3 at 800 and 900 °C, experimentally measured by the method of linear approximation, was Ud = 0.866 ± 0.014 V, which corresponded to the electrolysis efficiency of 86 ± 5 % under the conditions of the experiments performed. The reasons for the decrease in the thermodynamic efficiency of electrolysis have been established: firstly, this is a high overvoltage of the cathodic reaction of ~ 80 mV, which is more than half of the total overvoltage of 135 mV and, secondly, the effect of the ohmic resistance of the graphite anode, 60 mV. It is shown that the rate of the decomposition reaction of lithium carbonate when heated in air to its oxide with the release of CO2 depends on the partial pressure of CO2 over the melt. It was found that the decomposition of Li2CO3 upon heating increases with an increase in the partial pressure of CO2 over the melt. Lithium carbonate decomposes completely at 900 °C in a continuous stream of air that removes CO2 as it is produced in a closed crucible.
lithium carbonate
electrolysis
carbon monoxide
partial pressure
current density
cathode
anode
gas
overvoltage

Проблема стабилизации и улучшения качества окружающей среды, обеспечения экологической безопасности населения от деятельности металлургических предприятий и ТЭЦ приобретает острый характер и требует незамедлительного решения [1]. В этой связи разработка новых технологий, позволяющих проводить глубокую очистку отходящих газов от SO2 с дальнейшей полной утилизацией парникового газа (СО2) из очищенных от серы газов ТЭЦ и металлургических предприятий, становится значимой не только в национальном, но и в международном масштабе.

Электрохимическое восстановление CO2 считается одним из самых привлекательных способов хранения возобновляемых источников энергии, так как количество CO2 может быть уменьшено до газообразного CO или жидкого топлива: муравьиная кислота, метанол и углеводороды, технология переработки которых хорошо развита [2–4]. Поскольку скорость электродных реакций быстро увеличивается при нагревании, в настоящее время процессу электрохимического восстановления CO2 до CO при высоких температурах уделяется особое внимание [5–7]. Высокотемпературный электролиз расплавленных карбонатов требует поиска решений, ввиду наличия серьезных проблем, связанных с материальной устойчивостью электролизера к агрессивным средам. В работах [8–10] показано, что механизм процесса электролиза сульфатно-карбонатных расплавов более сложный, чем механизм процесса электролиза чистых карбонатных расплавов, ввиду протекания значительного количества побочных реакций между сульфатами и карбонатами с образованием различных продуктов.

В настоящей работе приведены результаты технологических опытов по утилизации парниковых газов путем электролиза жидкого карбоната лития с получением чистого СО и кислорода.

Материалы и методы исследования

Технологические опыты проводили в сварной ячейке, изготовленной из титана.

Выбор и обоснование конструкции электролизера, электродов и методика проведения опытов базировалась на результатах термодинамического и электрохимического анализа и технологических опытов электролиза карбоната лития с получением СО, изложенных в работе [11].

Опыты проводились с рабочими электродами из титана и графита при 850 и 900 °C с использованием прибора VersaSTAT3–200 Princeton Applied Research (макс. 2,5 A) со скоростью сканирования 1–50 мВ/с. Для расчетов использовался программный пакет V3-Studio. Длительный электролиз проводился при плотности катодного тока – 132 мА/см2 и плотности анодного тока – 92 мА/см2.

Во всех опытах в качестве противоэлектрода служила графитовая пластина размером 40×20×10 мм. Соотношение плотности тока между рабочими электродами и противоэлектродом составляло 1:5.

Исходная масса Li2CO3 в ячейке – 2,52 ± ± 0,05 кг, глубина расплава – 100 ± 5 мм.

Свободный объем катодного и анодного пространства над расплавом – 900 ± 100 см3.

Анализ состава газа проводился с использованием хроматографа GOW-MAC серии 350 с детектором теплопроводности и двумя колонками: молекулярные сита (0,5 нм) и Porapaq Q. Типичный объем пробы составлял 5 см3. Точность определения состава газа +/- 0,5 %. Термогравиметрический анализ разложения Li2CO3 был проведен с использованием прибора TGA SDT Q600 V8.3.

Во время опыта электролит контактировал с СО2, который поглощался через поверхность. Скорость поглощения CO2 увеличивалась постепенно от начала электролиза, а через 10 ч была постоянной. Электролиз проводили в течение 120 ч непрерывно. За 700 ч общего времени работы изменения в плотности тока в сумме составляли 5 %. Это указывает на достижение равновесия между электрохимическим восстановлением карбонатного иона CO32– и поглощением расплавом газообразного СО2.

Титановый корпус ячейки, титановый катод и часть графитового анода, погруженного в расплав, во всех проведенных опытах признаков коррозии не показали.

Результаты исследования и их обсуждение

Конструкция электролизера и его общий вид показан на рис. 1.

missing image file missing image file

а) б)

Рис. 1. Конструкция (а) и общий вид (б) электролизера

Ячейка изготовлена из сварных титановых пластин. Конструктивные размеры рабочего отсека (ширина × длина × высота): 120 × 110 × 260 мм. Ячейка внутри разделена стенками из титана на три секции – анодную, катодную и газопоглощающуюся.

Часть расплава контактировала в отдельном отсеке с чистым газом СО2 99,9 % при атмосферном давлении (рис. 1). В качестве электрода сравнения использовалась платиновая проволока или емкость с титаном. Из-за медленной коррозии Pt проволоки в расплаве каждый эксперимент с Pt проволокой проводился со свежим электролитом. Для каждого опыта использовался свежий Ti-электрод.

Составы газовой фазы, выделяющиеся в катодном и анодном пространстве, показаны на рис. 2.

missing image file

а) б)

missing image file

в) г)

Рис. 2. Результаты составов газовой фазы, выделяющихся в катодном и анодном пространстве: а) катодный газ на колонке с молекулярными ситами; б) катодный газ на колонке Porapaq Q (СО2 отсутствует);в) анодный газ на колонке с молекулярными ситами; г) анодный газ на колонке Porapaq Q (СО2 отсутствует)

Катодный газ содержал не менее 97 % CO (рис. 2, а). Концентрация CO2 была ниже предела обнаружения 0,5 %, (рис. 2, б). Анодный газ в установившемся режиме составил не менее 97 % O2 (рис. 2, в). Концентрация CO2 – ниже предела обнаружения (рис. 2, г).

Достигнута высокая эффективность электролиза, которая составила не менее 96 %.

Экспериментально измеренный методом линейной аппроксимации электрохимический потенциал разложения Li2CO3 при 800 и 900 °С, составил Ud = 0,866 ± 0,014 В (рис. 3), что соответствует эффективности электролиза 86 ± 5 % в условиях проведенных опытов.

missing image file

Рис. 3. Электрохимический потенциал разложения Li2CO3

Можно предположить существование двух возможных источников снижения эффективности электролиза. Во-первых, перенапряжение катодной реакции при 132 мА/см2 составила ~80 мВ, которая в условиях эксперимента была эквивалентна более половины общего перенапряжения равного 135 мВ. Во-вторых, немаловажный вклад в снижение эффективности процесса вносит омическое сопротивление графитового анода – 60 мВ.

Стабильность электролита

При нагревании на воздухе, Li2CO3 разлагается с образованием оксида лития и газа СО2, скорость которого зависит от парциального давления СО2 над расплавом.

Согласно результатам работы [12], равновесное давление CO2 над чистым Li2CO3 при 900 °C составляет 36 Торр, что намного выше парциального давления СО2 в атмосфере (0,24 Торр). Авторы работы [13] показали, что при парциальном давлении СО2, РCO2 = 1 атм. и температуре 1000 °C, карбонат лития сохраняет свою стабильность. Для проверки этих предположений были проведены экспериментальные исследования с использованием термогравиметрического анализа Li2CO3.

Количество исходной навески – 10 мг, подвергали термической обработке со скоростью нагрева 10 °C/мин. Установлено, что термическое разложение Li2CO3 увеличивается с ростом парциального давления CO2 над расплавом (рис. 4, а).

missing image file

а) б)

Рис. 4. Термогравиметрический анализ разложения Li2CO3: а) зависимость потери веса Li2CO3 от температуры; б) фазовая диаграмма состояния Li2CO3 – Li2O [14]

Разложение всей навески Li2CO3 достигнуто при температуре 900 °C при подаче непрерывного потока воздуха, который удалял CO2 по мере его производства в закрытом тигле. Установленный факт легко интерпретируется исходя из фазовой диаграммы состояния Li2CO3 – Li2O [14]. Согласно фазовой диаграмме Li2CO3 – Li2O (рис. 4, б), предел растворимости Li2O в Li2CO3 при 900 °C составляет 24 % (моль.). Следовательно, в результате плавления Li2CO3 образуется раствор, представляющий растворенный в Li2CO3 оксид лития.

Если электролиз проводится при 900 °C без внешнего источника CO2, то Li2O накапливается в расплаве, и в конечном итоге суспензия мелких кристаллов Li2O размером 0,1 мм образуется у поверхности электролита.

Когда электролиз проводится при 900 °C с внешним источником СО2, расплав электролита находится в устойчивом состоянии в течение сотен часов и образования кристаллов не наблюдается. Кроме того, как упоминалось выше, концентрация CO2, в катодном и анодном пространстве электролизера ниже 0,5 %, то есть 3,8 Торр, хотя на аноде должен выделяться CO2. Это означает, что парциальное давление СО2, находящегося в равновесии с расплавом в электролизной ячейке, ниже 3,8 Торр. Поэтому СО2 газ, образующийся в результате анодной реакции и термического разложения, полностью поглощается расплавом.

Попытка измерить концентрацию Li2O в расплаве во время стационарного электролиза не увенчалась успехом, поскольку при охлаждении и последующем извлечении электролита он активно поглощает CO2 из атмосферы. Однако, в зависимости от количества переданного заряда и количества газообразных продуктов, комбинированных анодных и катодных реакций, концентрацию Li2O в расплаве при электролизе можно оценить следующим образом. Количество Li2O в расплаве Li2CO3 при стационарном режиме зависит как от процесса электролитического разложения Li2CO3, так и от его термического разложения. За 10 ч электролиза расплава в количестве 2,52 кг до достижения установившегося равновесного состояния, при токе 18 А, общий переносимый заряд 6,48×105 производит 3,36 моль кислорода при эффективности Фарадея 100 %. Если не учитывать поступающий извне CO2, который может взаимодействовать с оксидным ионом в расплаве с образованием карбоната, молярное отношение этого количества оксид-иона к карбонату составляет 0,1 (2,52 кг Li2CO3 составляет приблизительно 34 моля). Принимая во внимание количество CO2, поступающее извне, можно предположить, что установленное отношение будет ниже. Уравнение термического разложения Li2CO3 при 900 °C приводит к равновесному давлению CO2 над расплавом, РСО2= 37 Торр [12]. В случае, если объем анодного или катодного пространства электролизера (рис. 4) менее 1 л, то РСО2 = 37 Торр будет соответствовать 8×10-4 молей СО2. Тогда равное молярное количество кислорода будет присутствовать в расплаве. Это связано с тем, что давление газа CO2 над расплавом в катодном или анодном пространстве меньше, чем 3,8 Торр. Следовательно, количество ионов оксида лития в расплаве, образующееся в результате термического разложения карбоната лития, будет незначительным. При этом верхняя граница молярного отношения оксида лития к его карбонату в равновесном расплаве будет равна 0,1.

Полученные результаты по равновесному давлению CO2 над расплавом Li2O – Li2CO3 позволяют сделать важный вывод для практики. Поскольку равновесное давление СО2 в электродных отсеках электролизера составляет 3,8 Торр (0,5 % атм), расплав может абсорбировать CO2 из любой газовой смеси, содержащей парциальное давление CO2 выше 3,8 Торр. На практике это означает, что отходящие газы, содержащие 75–80 % N2, 15–20 % CO2, являются подходящим источником CO2 для электрохимического процесса, описанного выше.

Заключение

1. Установлено, что электролиз расплавленного Li2CO3 с Ti-катодом и графитовым анодом – эффективный метод для электрохимического восстановления CO2 до CO. Показано, что в течение длительного электролиза (сотни часов), эффективность процесса при 900 °C близка к 100 %.

2. Показано, что термодинамический КПД электролиза при 100 мА/см2 составляет не менее 85 %. Установлено, что, несмотря на некоторое разложение Li2CO3 до Li2O, концентрация Li2O в расплаве не достигает предела растворимости.

3. Установлено, что электролиз может осуществляться непрерывно до тех пор, пока есть источник газа с хотя бы несколькими процентами СО2.

Исследования проводились в рамках грантового финансирования Комитета науки Министерства образования и науки Республики Казахстан на 2020–2022 гг. по приоритетному направлению «Рациональное использование природных ресурсов, в том числе водных ресурсов, геологии, переработки, новых материалов и технологий, безопасных изделий и конструкций» проекта № AP08856384 «Разработка новой высокотехнологичной технологии утилизации SO2 и CO2 из отходящих газов ТЭЦ и металлургических предприятий с получением товарных продуктов».