DE102004006868A1 - Electrolytic double diaphragm cell is used for displacement of acidic or basic gases from aqueous solution e.g. regeneration of diethanolamine in natural gas scrubbing units - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft ein elektrochemisches Verfahren entsprechend dem Oberbegriff des Anspruchs I.The The invention relates to an electrochemical process accordingly the preamble of claim I.
Sollen aus Gasgemischen Gasbestandteile abgetrennt werden, die in wässriger Lösung sauer oder basisch reagieren werden diese mit basischen bzw. sauren Waschmitteln gewaschen, da ihre Löslichkeit auf Grund der entsprechenden Protolysegleichgewichte wesentlich vom pH-Wert des Lösungsmittels abhängt. Ein Beispiel für ein solches Verfahren ist die Abtrennung von Schwefelwasserstoffspuren aus natürlichem Methangas mit Diethanolamin als basisches Waschmittel. Dies ist z.B. notwendig wenn das Methangas zur Herstellung von Wasserstoff mit Hilfe schwefelwasserstoffempfindlicher Katalysatoren verwendet werden soll (Reforming).Should From gas mixtures gas components are separated, which in aqueous solution acidic or basic, these are reacted with basic or acidic Washed detergents because their solubility due to the corresponding Protolysis equilibria substantially from the pH of the solvent depends. An example for one such method is the separation of traces of hydrogen sulfide from natural Methane gas with diethanolamine as basic detergent. This is e.g. necessary if the methane gas for the production of hydrogen used with the aid of hydrogen sulfide-sensitive catalysts should be (reforming).
Die Nachteile dieser Technologie sind:
- – Waschchemikalien werden verbraucht (Basen oder Säuren)
- – Es fallen Abfallstoffe an („verbrauchte" Waschchemikalien) bzw. die verwendeten Waschchemikalien müssen durch den Einsatz von Säuren oder Basen regeneriert werden wodurch Abfallstoffe entstehen
- – Die abgetrennten Gase werden nicht gleichzeitig separat aus dem bestehenden Verfahren ausgeschieden sondern können nur durch ein zweites Verfahren unter der Verwendung von Säuren oder Basen aus den verwendeten Waschchemikalien ausgetrieben werden
- – Das bestehende Verfahren ist nicht wartungsfrei da die Waschchemikalien regelmäßig ausgewechselt werden müssen. Um eine vollständige Abtrennung zu gewährleisten kann die Aufnahmekapazität der Waschchemikalien oft nicht vollständig genutzt werden.
- - Washing chemicals are consumed (bases or acids)
- - Waste materials are generated ("spent" washing chemicals) or the washing chemicals used must be regenerated by the use of acids or bases, which produces waste
- - The separated gases are not excreted separately from the existing process simultaneously but can only be driven out by a second method using acids or bases from the washing chemicals used
- - The existing process is not maintenance-free because the washing chemicals have to be changed regularly. To ensure complete separation, the uptake capacity of the laundry chemicals often can not be fully utilized.
Aufgabe der Erfindung ist die kontinuierliche und im laufenden Betrieb praktisch wartungsfreie Abtrennung der oben genannten Gasbestandteile aus einem strömenden Gasgemisch und die gleichzeitige seperate Abscheidung dieser Gasbestandteile in hoher Reinheit.task The invention is the continuous and operational during operation maintenance-free separation of the abovementioned gas components from a flowing Gas mixture and the simultaneous separate deposition of these gas components in high purity.
Diese Aufgabe wird durch eine spezielle elektrochemische Zelle und daran gekoppelte Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs I gelöst.These Task is through a special electrochemical cell and it coupled device solved with the features of claim I.
Die Vorteile dieses Verfahrens sind:
- – Die Abtrennung der oben genannten Gasbestandteile erfolgt kontinuierlich
- – Die Abtrennung erfolgt praktisch vollständig
- – Die abgetrennten Gasbestandteile werden ohne aufwendige Aufarbeitungsprozesse separat und in hoher Reinheit wieder aus dem Verfahren ausgeschieden
- – Es werden keine Waschchemikalien verbraucht
- – Es fallen keine Abfallstoffe an
- – Das Maß der Abtrennung lässt sich durch Veränderung des Elektrodenstroms kontrollieren
- – Es entsteht reiner Wasserstoff als Verfahrensnebenprodukt. Dieser lässt sich z.B. als sekundärer Energieträger verwenden
- – Es entsteht reiner Sauerstoff als Verfahrensnebenprodukt
- - The separation of the above gas components is carried out continuously
- - The separation is almost complete
- - The separated gas components are eliminated without costly work-up processes separately and in high purity again from the process
- - No washing chemicals are consumed
- - There are no waste materials
- - The degree of separation can be controlled by changing the electrode current
- - There is pure hydrogen as a process by-product. This can be used, for example, as a secondary energy source
- - Pure oxygen is produced as a process by-product
Bei der Anodenreaktionen der Wasserelektrolyse entstehen H+-Ionen als Redoxnebenprodukt und bei der Kathodenreaktion OH--Ionen. Trennt man den Anodenraum vom Kathodenraum eines Wasserelektrolyseurs durch ein Diaphragma (z.B aus Sinterglas oder Ton) voneinander, so fällt der Ionenaustausch zwischen den beiden Räumen durch Konvektion weg und die Ionen diffundieren hauptsächlich durch das elektrische Feld der Elektroden getrieben durch das Diaphragma hindurch (Migration). Da die Diffusionsrate der OH-- und H+-Ionen durch so ein Diaphragma von ihrer Konzentration, der Beschaffenheit des Diaphragmas, der Geometrie der elektrochemischen Zelle (Abstände der Elektroden, Dicke des Diaphragmas, eventueller Zwischenraum der durch zwei oder mehrere Diaphragmen von den Anoden und Kathodenräumen abgegrenzt ist), der Spannung an den Elektroden, dem Elektrodenstrom und der Temperatur abhängig ist stellt sich je nach Konstruktionsweise und Betriebsparametern nach einiger Zeit ein konstantes pH-Gefälle zwischen Anoden- und Kathodenraum ein. Dieses kann sehr groß sein. Es belief sich in Versuchen auf ca pH1 (Anodenraum) und pH13 (Kathodenraum). Ist dieser Gleichgewichtszustand erreicht, wandern genau so viele OH-- bzw. H+-Ionen durch das Diaphragma in die Richtung der gegensätzlich geladenen Elektrode wie sie an den jeweils anderen Elektroden entstehen und "neutralisieren" sich hauptsächlich im bzw. auf dem Diaphragma zu Wasser.In the anodic reactions of water electrolysis, H + ions are formed as redox by-products and OH - ions in the cathode reaction. If the anode compartment is separated from the cathode compartment of a water electrolyzer by a diaphragm (eg made of sintered glass or clay), the ion exchange between the two compartments is eliminated by convection and the ions mainly diffuse through the electrical field of the electrodes through the diaphragm (migration). , Since the diffusion rate of the OH - and H + ions through such a diaphragm of their concentration, the nature of the diaphragm, the geometry of the electrochemical cell (distances of the electrodes, thickness of the diaphragm, possible gap between two or more diaphragms of the anodes and cathode spaces is delimited), the voltage at the electrodes, the electrode current and the temperature is dependent adjusts depending on the construction and operating parameters after some time a constant pH gradient between the anode and cathode space. This can be very big. It amounted in tests to ca pH1 (anode space) and pH13 (cathode space). Once this state of equilibrium has been reached, exactly the same number of OH - or H + ions migrate through the diaphragm in the direction of the oppositely charged electrode as they are produced on the other electrodes and "neutralize" mainly in or on the diaphragm to water ,
Wird
eine Wasserelektrolysezelle konstruiert, die ein Doppeltdiaphragma
besitzt (vgl.
Diese
negativ geladenen Ionen diffundieren im elektrischen Feld der Elektroden
in Richtung der Anode (
Die
gleichzeitig im Anodenraum gebildeten H+-Ionen
diffundieren entsprechend in Richtung der Kathode (
Da
beide Ionensorten auf diese Weise in den Zwischenraum der Doppeltdiaphragma
diffundieren und dieser einen eigenen Reaktionsraum bildet, werden
dort die Hydrogencarbonationen wieder zur instabilen Kohlensäure protoniert,
welche zu Wasser und CO2 zerfällt (
Wird das Diaphragma zwischen dem Anoden- und Mittelraum durch eine Kationenaustauschermembran ersetzt, werden die Hydrogencarbonationen vollständig daran gehindert bis in den Anodenraum zu diffundieren und dort zu CO2 zu reagieren und sich somit mit dem Anodengas Sauerstoff zu vermischen (im Versuch wurden bereits ohne Kationenaustauschermembran 97,8% der Hydrogencarbonationen im Mittelraum der Zelle ausgeschieden). Durch eine Anionenaustauschermembran an Stelle des Diaphragmas zwischen dem Kathoden- und Mittelraums kann zusätzlich der Gesamttransportwirkungsgrad, gemessen am Elektrodenstrom, maximiert werden (im Versuch konnte bereits ohne diese Vorrichtung ein Transportwirkungsgrad von fast 100% erreicht werden).If the diaphragm between the anode and central space is replaced by a cation exchange membrane, the bicarbonate ions are completely prevented from diffusing to the anode space and reacting there to CO 2 and thus to mix with the anode gas oxygen (in the experiment were already without cation exchange membrane 97 , 8% of the bicarbonate ions in the middle of the cell excreted). An anion exchange membrane instead of the diaphragm between the cathode and central space can additionally maximize the overall transport efficiency, measured at the electrode flow (in the experiment a transport efficiency of almost 100% could already be achieved without this device).
Dieses Prinzip funktioniert analog auch bei SO2, SH2, HCN und allen anderen in wässriger Lösung sauer reagierenden Gasen.This principle also works analogously for SO 2 , SH 2 , HCN and all other gases which react acidically in aqueous solution.
Auch NH3, flüchtige Amine, PH3 und alle anderen in wässriger Lösung basisch reagierende Gase können mit diesem Prinzip im sauren Anodenelektrolyten in Lösung gehen und werden zum Mittelraum transportiert wo sie wieder ausgeschieden werden.NH 3 , volatile amines, PH 3 and all other gases which react basicly in aqueous solution can also dissolve in the acidic anodic electrolyte using this principle and are transported to the central space where they are excreted again.
Werden
an Stelle der reinen Gase Gasgemische in den Kathoden- oder Anodenelektrolyten
eingeleitet die die oben genannten Gase enthalten lässt sich
dieses Prinzip technisch nutzen um diese Gasbestandteile abzutrennen
und im Mittelraum der Zelle seperat wieder auszuscheiden. Dazu ist
eine Appratur vorgesehen bei der der Elektrolyt durch die Dreikammerzelle
gepumpt wird wodurch auch eine seperate Abscheidung der Redox-Nebenprodukte
Wasserstoff und Sauerstoff möglich
wird (vgl.
Der
Elektrolyt (z.B. Natriumsulfatlösung)
wird in drei Kreisläufen
(
Die
in den einzelnen Räumen
der Zelle entstehenden Gase werden in Gasabscheidern (
Die
Gasbestandteile lösen
sich im Kathodenelektrolyten (
Wasserstoff
(
Werden die elektrischen Pole der Elektroden vertauscht lässt sich die selbe Apparatur zur Abtrennung von Gasbestandteilen die in wässriger Lösung basisch reagieren benutzen. Die Austrittsstellen von Sauerstoff und Wasserstoff sind dabei ebenfalls vertauscht.Become the electric poles of the electrodes can be reversed the same apparatus for the separation of gas components in aqueous Solution basic use react. The exit points of oxygen and hydrogen are also reversed.
Eine nichtindustrielle Anwendung dieses Verfahrens ist die Verwendung als elektronisches Kreislauftauchergerät. Der Taucher atmet durch den Membrankontaktor in eine Gegenlunge aus. Dabei wird das Kohlendioxid der verbrauchten Luft abgetrennt und direkt in das Meereswasser befördert, welches durch den Mittelraum der Zelle strömt. Der bei der Aufrechterhaltung des pH-Gradienten entstehende Elektrolysesauerstoff wird ebenfalls in die Gegenlunge geleitet um die vom Kohlendioxid befreite Luft wieder mit Sauerstoff anzureichern. Die auf diese Weise regenerierte Luft kann wieder eingeatmet werden, wodurch sich der Kreislauf schließt.A Non-industrial application of this method is the use as electronic recirculation diver device. The diver breathers the membrane contactor in a counterlung. This is the carbon dioxide the spent air is separated and directly into the sea water promoted which flows through the central space of the cell. The at the maintenance of the pH gradient resulting electrolytic oxygen is also in the counterlung passed around the freed of carbon dioxide air with oxygen to enrich. The air regenerated in this way can again be inhaled, which closes the cycle.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| DE102004006868A DE102004006868A1 (en) | 2004-02-11 | 2004-02-11 | Electrolytic double diaphragm cell is used for displacement of acidic or basic gases from aqueous solution e.g. regeneration of diethanolamine in natural gas scrubbing units |
Applications Claiming Priority (1)
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Publications (1)
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|---|---|
| DE102004006868A1 true DE102004006868A1 (en) | 2005-09-01 |
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ID=34813292
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|---|---|---|---|
| DE102004006868A Withdrawn DE102004006868A1 (en) | 2004-02-11 | 2004-02-11 | Electrolytic double diaphragm cell is used for displacement of acidic or basic gases from aqueous solution e.g. regeneration of diethanolamine in natural gas scrubbing units |
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| Country | Link |
|---|---|
| DE (1) | DE102004006868A1 (en) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20230010993A1 (en) * | 2021-07-12 | 2023-01-12 | Dioxycle | Carbon dioxide extraction electrolysis reactor |
| CN116536706A (en) * | 2022-08-26 | 2023-08-04 | 宁波方太厨具有限公司 | Effluent pH value adjusting and controlling method for double-diaphragm electrolytic tank |
-
2004
- 2004-02-11 DE DE102004006868A patent/DE102004006868A1/en not_active Withdrawn
Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| US20230010993A1 (en) * | 2021-07-12 | 2023-01-12 | Dioxycle | Carbon dioxide extraction electrolysis reactor |
| CN116536706A (en) * | 2022-08-26 | 2023-08-04 | 宁波方太厨具有限公司 | Effluent pH value adjusting and controlling method for double-diaphragm electrolytic tank |
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