Способ для утилизации углекислого газа
METHOD FOR RECYCLING CARBON DIOXIDE

Изобретение относится к электрохимическим технологиям, а именно к способам утилизации углекислого газа и может найти применение для очистки воздуха рабочих помещений, сокращения газовых выбросов промышленных предприятий, охраны окружающей среды и уменьшения парникового эффекта.
2
2
2
2
2
2
2
2
Известен способ утилизации углекислого газа из дымового газа электростанций (патент РФ № 2600348, 2016 г.). Способ включает следующие стадии: 1) использование композитного водного абсорбента, состоящего из органического амина и функционализированной ионной жидкости, в качестве абсорбента CO; 2) образование различных слоев жидкости с помощью отстаивания до прозрачности; 3) осуществление нагревания и разложения жидкости, полученной с помощью разделения и богатой A·CO и B·CO, для рециркуляции, с получением высоко концентрированного газа CO и композитного водного абсорбента; 4) рециркуляцию композитного водного абсорбента, полученного на стадии 3); 5) охлаждение высококонцентрированного газа CO для конденсации в нем горячего водяного пара; 6) осуществление газожидкостной сепарации высококонцентрированного газа CO, прошедшего охлаждение на стадии 5), с получением газа CO с чистотой ≥99%; 7) превращение высокочистого газа COв жидкость для получения продукта высококонцентрированного жидкого углекислого газа промышленного типа.  Недостатками известного способа являются его высокая сложность, энергозатратность и трудоемкость.
Известен способ утилизации углекислого газа из дымовых газов промышленных предприятий (заявка на изобретение № 2010106954, 2011 г.), включающий поглощение диоксида углерода кальциевым поглотителем в области высоких температур, в виде 10%-ого структурированного водного раствор известкового «молока», которым орошают отходящие дымовые газы, а образовавшийся карбонат кальция сушат при температуре 110°С и подвергают термическому разложению при температуре 900°С на оксид кальция и диоксид углерода, который затем перерабатывают в товарный продукт. Недостатком известного способа его высокая энергозатратность и сложность.
Известен абсорбент для очистки промышленных газов от кислых компонентов (патент США № 4336233, 1982 г.), включающий водный раствор третичного алконоламинового компонента и активатора сорбции. Недостатком использования адсорбента является то, что его водные растворы содержат высокую долю воды и требуют затрат на их транспортировку к установке по обработке газа и обеспечение мер безопасности для персонала.
3
3
3
-
-
2-
Известен комплексный способ удаления углекислого газа из низкотемпературных вод, содержащих гидрокарбонат-ионы (прототип, патент РФ № 2640524, 2018 г.), состоящий в безвозвратном удалении химическим переводом содержащихся в воде гидрокарбонат-ионов НСО в нерастворимые или малорастворимые карбонаты с последующим удалением растворенного углекислого газа аэрацией.  Недостатком известного способа является его низкая эффективность работы. Это связано с тем, что он не удаляет углекислый газ в газообразном состоянии, а в растворенном в воде виде переводит в нерастворимые вещества только гидрокарбонат-ионы НСО, а другие формы растворенного углекислого газа, в частности, карбонат-ионы СОиз воды не удаляет.
3
2
3
3
3
3
3
3
2
3
3
3
3
-
2-
-
+
2-
-
-
2-
-
2-
-
Задача, на решение которой направлено изобретение заключается в повышении эффективности работы способа для утилизации углекислого газа. Поставленная задача решается следующим образом. В прототипе аэрацию используют для удаления растворенного в воде углекислого газа после безвозвратного удаления химическим переводом содержащихся в воде гидрокарбонат-ионов НСО в нерастворимые или малорастворимые карбонаты. В предлагаемом способе наоборот воду с помощью аэрации насыщают углекислым газом, что позволяет его утилизировать в растворенном состоянии с помощью электролиза. При пропускании углекислого газа через воду он растворяется в ней в количестве, подчиняющемся закону Генри-Дальтона, частично преобразуется в нестабильную угольную кислоту (НСО), и присутствует в воде в виде карбонат-ионов СО, гидрокарбонат-ионов НСО и катионов Н. Применив электролиз, при котором в поле электрического тока положительно заряженные катионы движутся к катоду, а отрицательно заряженные ионы к аноду, где на поверхности электродов при воздействии электрического тока происходит их преобразование в химические элементы и соединения отличные от молекул углекислого газа, т.е. он утилизируется в другие вещества. В частности, карбонат-ионы СО переходят в нерастворимые и малорастворимые карбонаты, а гидрокарбонат-ионы НСО преобразуются в растворимые гидрокарбонаты. Проведение электролиза при охлаждении рабочего раствора предотвращает разложение карбонатов и гидрокарбонатов, которое происходит при их нагревании, что позволяет вывести их как продукты утилизации углекислого газа вместе с отработанной водой. Охлаждение воды в комбинации с избыточным давлением так же замедляет переход растворенного в ней углекислого газа в газообразное состояние, тем самым повышается эффективность его утилизации в процессе электролиза. Кроме того, прокачивании углекислого газа через воду повышает эффективность электролиза за счет перемешивания рабочего раствора и смывания с поверхностей электродов пузырьками газа образовавшиеся на них твердых веществ.  В результате электролиза выделяются также газообразные продукты (кислород, водород) и не утилизированный углекислый газ. Полученную смесь газов отводят и выделяют из нее, например, с помощью, мембранных технологий не утилизированный углекислый газ, который направляют для повторной утилизации, что позволяет осуществить его полную утилизацию. Воду, с твердыми и растворенными продуктами электролиза отводят, очищают от твердых веществ, включая карбонаты, с применением известных физических способов (отстаивание, центрифугирование, фильтрование и др.), а растворенные в воде гидрокарбонаты удаляю известными химическими способами. После очистки воду направляют для повторного использования по циклической схеме. В случае необходимости добавляют небольшое количество воды, потерянной в процессе утилизации углекислого газа. Для утилизации углекислого газа можно использовать предварительно газированную воду. При рН меньше 4,5 гидрокарбонат-ионов НСО в воде нет, и вся угольная кислота находится в виде растворенного СО и карбонат-ионов СО. При рН=8,4 угольная кислота присутствует в воде только в виде гидрокарбонат-ионов НСО. При рН воды от 9 до 11 вся угольная кислота содержится в воде только в форме карбонат-ионов СО и гидрокарбонат-ионов НСО, что позволяет ее полностью утилизировать в процессе электролиза в виде карбонатов и гидрокарбонатов. Для завершения очистки воды после электролиза от растворенных в ней гидрокарбонатов используют химические способы их безвозвратного удаления, как в прототипе, в виде нерастворимых или малорастворимых карбонатов. Полученные в результате очистки воды газообразные и твердые вещества, а также аккумулированное тепло можно использовать на практические цели. По предложенному способу можно утилизировать углекислый газ, находящийся в смеси с другими газами, например, в воздухе, газовых выбросах промышленных предприятий путем пропускания газовой смеси через воду вместо чистого углекислого газа.
3
3
-
2-
Технический результат, заключающийся в повышении эффективности утилизации углекислого газа и сокращении объема используемой при этом воды. Он достигается за счет того, что кроме гидрокарбонат-ионов НСОиз воды удаляют карбонат-ионы СО, а перед их удалением   производят аэрацию воды углекислым газом при избыточном давлении 0,3-0,7 МПа с предварительным ее умягчением и охлаждением до температуры 4-7ºС, при этом аэрацию проводят одновременно с электролизом и охлаждением рабочего раствора до температуры 4-7ºС; отводят газообразные продукты электролиза, выделяют из них неутилизированный углекислый газ, возвращают его для повторной утилизации; отводят отработанную воду с твердыми и растворенными продуктами электролиза, очищают ее от них и возвращают для повторного использования. Воду можно предварительно газировать, а затем проводят в ней электролиз. Для повышения эффективности способа в процессе электролиза можно устанавливать рН воды от 9 до 11. Для утилизации углекислого газа в воздухе или другой газовой смеси ее можно пропускать через воду вместо углекислого газа.
Таким образом, заявляемая совокупность признаков является существенной и необходимой для достижения поставленной цели.
2
Сущность изобретения способа поясняется чертежом, где на фиг.1 приведена схема предлагаемого способа. Способ работает следующим образом. Воду готовят (охлаждают, умягчают) для эффективного растворения в ней углекислого газа (этап 1), пропускают через нее углекислый газ при избыточном давлении, который в ней растворяется и одновременно проводят электролиз получаемого раствора с его охлаждением (этап 2), в результате чего растворенный в воде углекислый газ утилизируется переходя в карбонаты и гидрокарбонаты, газообразные продукты электролиза (кислород, водород) и не утилизированный углекислый газ собирают и направляют для выделения из смеси газов неутилизированный углекислый газ (этап 3), который направляют для повторной утилизации на этап 2, где добавляют новую порцию СО, которая заменяет утилизированную часть углекислого газа. Воду с образовавшимися в ходе электролиза твердыми и растворенными веществами направляют для очистки (этап 4). Затем воду очищают (этап 5) и направляют для повторного использования на этап 1.
2
Пример. Водопроводную воду охлаждали до температуры 7-8ºС умягчали, пропускали через нее углекислый газ при избыточном давлении 0,5 МПа и одновременно проводили электролиз раствора с его охлаждением до температуры 7-8ºС. Электролиз проводили при постоянном электрическом токе напряжением 220 B. Газообразные продукты электролиза собирали и с помощью мембранной технологии из смеси газов выделяли углекислый газ, который направляли для повторной утилизации с добавлением новой порцию СО, взамен утилизированной части углекислого газа. После электролиза водный раствор, не содержал углекислого газа. Его очищали от образовавшихся в процессе электролиза твердых и растворенных в воде веществ. Очищенную воду использовали для повторного растворения углекислого газа. Был проведен химический анализ отстоявшегося осадка с остатками отработанной воды после электролиза газированной и негазированной воды на наличие карбонатов и гидрокарбонатов. Результаты химического анализа показали, что после электролиза газированной воды осадок и отработанная вода содержит карбонаты и гидрокарбонаты, в количестве 9,3 г/л, тогда как в осадке и отработанной воде без ее газирования карбонатов и гидрокарбонатов не обнаружено. Это свидетельствует об утилизации растворенного в воде углекислого газа в виде этих соединений.
Таким образом, представленное изобретение позволяет повысить степень утилизации углекислого газа, снизить объем используемой при этом воды и тем самым повысить эффективность работы способа для утилизации углекислого газа.