气体产生设备和方法
【专利摘要】本发明涉及设备和方法，其中使用碱性含水介质中的多巴胺，可被用于从潮湿空气中获取氮和产生其它气体、游离或化合态的氢如氨。反应介质是离子的和通过使用不同金属电极在接近环境条件的压力和温度下强化电解。
【专利说明】气体产生设备和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及可用于发电的化学【技术领域】，更特别地涉及水的电解作用，和提供了通过使空气流通过离子表面来获取气体流的方法。
【背景技术】
[0002]氨是食品生产中必不可少的化合物，并将继续作为液相中的氨或氮化合物如硝酸盐和尿素起作用。其它的应用前景是作为燃料，因为它在内燃机中使用会产生无害的产物如氮气和水。
[0003]从空气中产生氮气具有悠久历史。1895年，Ragleigh发现了使空气通过电弧能够获取一氧化氮(NO)。1900年,挪威人Birkeland和Eyde在上述发现的基础上开发了一种方法。获取称作“Norge硝石”的产品(硝酸钙)，是长期以来唯一的成功尝试。一直尝试取得更高效的方法，1918年，Fritz Haber被授予了诺贝尔化学奖，由于他发现了以他命名的工业方法开发的科学基础，奠定了构成用于商业获取氨的现代工艺的大部分方法的基础。这些方法中的大部分虽然从空气中获取氮，但使用的氢来源于烃或水的电解作用。
[0004]大量的改进实质上没有改变Haber氨生产的发现，其简明描述了在最低温度下和在高压和高温下经催化剂使空气中的氮和氢接触。
[0005]为了获取空气中的氮，在环境温度和压力下操作的独特方法是通过豆科作物自然地进行。结合氮和产生化合物如硝酸盐，其直接固化在土壤中或作物的根系上，并改进了农作物的产量。
[0006]由于此原因从空气中获取氮已被称为固氮。其它报道的方法是对所述方法的改进，一般来说从专门的微生物出发，大部分通过遗传改造进行改进，并在严格限定的环境中操作。
[0007]在此领域中其它发明的特点在于探寻纯化的氢和氮气作为原料转化为气态氨或通过化学反应获取其它含氮气体的过程。所有上述方法具有的共同点为反应的条件是极端的。
[0008]例如，LouisO' Hare 的美国专利 4451436 “Nitrogen Fixat1n by Plasma andcatalyst”，其中使用频率在60到600Hz之间、电压在6到1kV之间的电极放电，用于氮和氢的分子和原子在等离子状态下经催化剂发生反应。为了避免产物的重新组合使用紫外辐射。
[0009]同样，Hao-Lin Chen 的美国专利 4482525“Nitrogen Fixat1n Apparatus,其中使用电弧和通过特别设计的室用于在温度3000° K下实现能量与压力的适当关系(5-55kV/大气氧气/cm)固定空气中的氮，以获得激发振动状态下的氮和氧用于最终获得氧化亚氮。
[0010]John H.Holbrook 和 Jason K.Handley 的美国专利 7S11442 “Method andApparatus for Anhydrous Ammonia Product1n”发表于 2011 年 10 月，其中使用气相的含水电解液和在温度400-800°C之间和压力10-300大气压下具有钙钛矿和掺杂物的质子发生器。惨杂物是碱土金属和其它如镧、铺、镨、钕、钷、衫、铕、礼、铺、镝、钦、铒、钱、镱、钪、乾、镥、硼、铝、镓、铟、锑、铋、铬、铁、钌、锇、钴、铑；和使用的电催化剂是氧化物、硫化物和钼、
钯、镍、钴、铜、银、鹤、锇、钌、错、铱、铬、铁、钥、银、铼、猛、银、钽的合金。
[0011]在另一方面，使用碱性电解液通过电解由水生产纯氢的工艺已被公知。近年来授予一些有关基础电化学电池组件改进的专利，特别涉及更好的电极材料的专利，主要为有关可渗透膜和膜反应器改进的专利。
[0012]然而，现在氢的生产已经对环境造成了不同性质和不同水平的破坏。
[0013]在另一方面，在工业上操作两种类型电池，即固态氧化电池和碱性电池。在后一种电池中，使用约3N和5N的氢氧化钠或氢氧化钾浓度，温度在70到90 V之间。电池的电压在I到2.2V之间(效率在68%到80%之间)和电极电流为150mA/cm2。希望在不高于电中性电位下进行工作，因为高于这个值电池发射的能量被浪费会使效率低。
[0014]本发明电池的电压和电流值接近水离解为氢和氧的反应的可逆电位值，特别是当电极非常靠近和电极间距离非常小时。在氢氧化钠或氢氧化钾浓度为IN到1.5N之间的碱性电解液中产生表面离子。如果不隔离开水流的表面，随着时间的流逝，不会发现流体体积减少。此外，观测不到水相中离子的组合。
[0015]如果避免了空气的存在，可以用不同的方式在流体表面上由阴极收集氢气。本发明采用的方法是考虑了碱性氢氧化物的皂化能力通过发泡实现。
[0016]当前获取氨的所有工业方法均是在高压(400大气压左右)和高温(260°C左右)下进行。它的科学技术基础来自于19世纪的Haber-Bosch方法。基于Haber发现的过程操作条件要求由于容器和管道材料所致的昂贵基础设施。操作控制系统是复杂的，和由于内在的危险，原料输送和接触都要小心实施。
[0017]在另一方面，目前应用的方法中，氢的供应通常涉及用于从原料源(无论是烃、碳或其它过程废物)中提取氢的复杂技术，这导致了环境污染问题从氨生产装置向氢生产装置转移。所有这些都涉及相当大的能量成本。
【发明内容】
[0018]本发明提供了能够在环境压力和低温下及在离子介质和优选在原位中安全和经济地供应氢和其它气体的知识。
[0019]本发明的方法导致在环境压力下和低于水沸点的温度下产生氨。
[0020]与前述相反，在本发明中，由于操作条件不要求昂贵的设备和如果要求可以在原位生产氨。
[0021]本发明基于多巴胺在含水溶液中增加离子流动性和离子转移数的性能，特别是在离子溶液表面上。
[0022]据此，可解释当空气吹过含有多巴胺和离子的含水介质的表面时在碱性含水介质中产生氢。激发氮分子和水蒸气发生产生气态氨的反应。
[0023]当通过在电化学电池中进行的含水溶液电解增加了离子化时，效率得到改进。
[0024]电解液包括含多巴胺和增加低浓度下溶液电导率的碱性辅助电解质的含水溶液。
[0025]在其它情况下，在标准电化学电池如在含有多巴胺及碱性辅助电解质的水中，在低温和环境压力下获取游离的气体氢。
[0026]根据本发明，通过分解添加到电解质水溶液中的适当盐或者通过在离子表面直接接触气态化合物来获得其它气体。
[0027]生产气体过程中反应温度不会大幅升高。
[0028]本发明能够生产和使用氢以原位产生氨或纯氢，使得多种应用成为可能，最重要的是提供了替代燃料。
[0029]在本发明中从数量上看主要原料是水，它在方法过程中没有大量消耗，从同样方面看，其次是天然或合成的多巴胺和碱性辅助电解质。如果为了更高效率希望在电化学电池中通过电能操作所述方法，可以使用太阳能来满足要求，因为这个要求可通过以这种方式提供能量的可得技术合理地实现。
[0030]另外，本发明可以从含有多巴胺的碱性溶液中获得氨和氢或它们的混合物，其中通过可应用的任何方法提高在流体表面的离子浓度，所述方法包括提高流体表面张力、略微提高温度和脱除通过阻止或允许空气存在产生的气体。
[0031]在前段中描述的碱性电解质可以被限制在包含吸湿性化合物和金属合金、氧化物、氢氧化物或树脂的碱性基质上，使这项技术得以经济应用。
[0032]所述气体的获取在环境压力下进行。电极材料会使温度升高但低于水的沸点，所述温度自然地升高或通过提供热能实现。
【具体实施方式】
[0033]据前所述，本发明的目的是获取包含氨、氢和烃的气流的方法，其中潮湿空气流与固体催化层表面和由两个金属电极在电流激发下生成的离子含水表面接触。这些电极可以是单电极的、双电极的、多孔的或粒状的，它们可以是选自铁、镍、铜、碳、锌、锡、镁、铝、钛、金和银的金属合金，电极设置优选钢作阳极和铜作阴极。
[0034]开始时潮湿空气流通过含有钛铁矿的半渗透隔板，在隔板上反应并进一步与由含多巴胺的电解液形成的含水离子表面反应，所述多巴胺的量是含水溶液重量的0.5%至15%之间，其中多巴胺可以从大蕉植物的汁液中提取或者也可以使用多巴胺氢氯化物。
[0035]电解液还包含:1N和2N之间的氢氧化钠、氢氧化钾和/或1，2_苯二酚作为辅助电解质；可选自鹤酸钠(Na2WO4.2Η20)、钥酸钠(Na2MoO4.2Η20)的可离解盐和/或不溶于水的金属如铁、镍、钡、钙和镁的氧化物或氢氧化物。可选择地，提供热源以达到希望的温度值。在环境压力或真空下温度值可以在12-80°C之间。
[0036]本发明的目的是通过前面所述方法获得如氢、烃和氨的含氢气体，优选氨和氢。
[0037]本发明的另一目的是具有上述条件使用纯氮、水蒸气或其它气体取代空气获取氨、氢和烃的方法作为另一实施方案。
[0038]本发明的又一目的是产生包含氨、氢和烃的气流的方法，其中使用的电解质是元素周期表第一列元素的卤盐，其中还生成其它混合气体或纯气体。
[0039]本发明的又一独特特征是在通过表面活性剂形成的泡沫中回收含氢气体。
[0040]本发明的另一目的涉及产生包含氨、氢和烃的气流使用的设备，它包括:水平放置的圆筒形管(I)，所述管子带有两个相对的较小直径开口(2)和(3);通过导线连接到电源正极的导线阳极(4);通过导线连接到电源负极的由缠绕在所述阳极周围的导线构成的阴极(5)，两个电极浸入到沉在所述管子底部和覆盖所述电极的电解液流体中；和靠近开口
(2)的多孔陶瓷隔板(6)。
[0041]根据本发明的方法，潮湿空气流或气体经隔板(6)通过开口(2)，其中所述潮湿空气与从内部涂覆在陶瓷隔板表面上的钛铁矿反应产生氨气，所述氨气通过由阳极(4)和阴极(5)产生的离子形成的活性表面形成电离蒸气云，所述蒸气云返回与空气中的氮在所述隔板上反应，形成被导向开口(3)并在其中被收集的气体。
[0042]圆筒形管(I)的内壁上涂覆有金属催化层。
[0043]根据本发明的方法，使用的电压是阴极的0.5至6V/cm2。
[0044]对于实际应用如在汽车中，在原位产生纯氢或氨的可能性由于本发明提出的用于产生这些气体的有利条件不仅对这些气体本身是很大的节约，而且当在所需要的位置和以所要求的量发生时，不需要进行气体压缩或储备。
[0045]鉴于实际的能源危机提高生产成本和引起包括失业、迫使霸权政府在世界范围内为取得对战略性自然资源的控制而做出的不理智行动的严重后果，本发明协调不同产业处理技术的改进和实施新技术，和它的应用将进一步减少人类活动对环境造成的破坏并对世界和平作出贡献。
[0046]下列实施例更详细地描述了本发明，但不限制本发明的范围。
[0047]实施例
[0048]试验以间歇和连续的方式进行。
[0049]实施例1-获取氨、氢和烃
[0050]在环境压力和温度条件下，在半连续电化学电池中进行试验，所述电池包含下列部件:
[0051]1.具有可调制电流电压和强度的电源。
[0052]2.水平放置的圆筒形玻璃管，管直径96_，长度220_，带有两个相对的较小直径开口。
[0053]3.阳极，由AISI 316不锈钢导线构成,直径3mm,长度250mm(浸入面积2000mm2),通过导线连接到电源的正极。金属用浓硝酸预处理用于钝化该金属。
[0054]4.阴极，由缠绕在阳相周围的直径2mm的实心铜合金线圈构成，线圈直径I cm (浸入面积6000mm2)，通过导线连接到电源的负极。
[0055]5.体积为150cm3的流体电解液，包括IN氢氧化钠和1cm3大蕉植物的榨汁液体的含水混合物(流体表面面积2000mm2)，沉在圆筒形管的底部并且覆盖所述电极。
[0056]6.5mm直径的塑料管，使潮湿空气以100cm3/s从塑料管中吹出，通过多孔陶瓷隔板到达电解液表面。相对湿度为30%。
[0057]7.6000mm2横截面积的浸溃钛铁矿(T1-Fe)的多孔陶瓷表面暴露在空气中。
[0058]8.直流电(3V 和 3A)。
[0059]9.使塑料管释放反应产品。
[0060]实验过程中观察到电离水蒸汽雾与气流相对被导向陶瓷表面。运用定量分析测试在半连续电化学电池的出口物流中检测到不同浓度的氨、氢、氧和氮。用于电化学电池出口物流的快速定性测试，通过在其中引入浸溃盐酸的纸检测出氯化铵的白雾。
[0061]实施例2
[0062]重复实施例1的反应条件，除了添加15、20和25cm3的大蕉植物的榨汁液体。
[0063]实施例3
[0064]重复实施例1的反应条件，除了代替大蕉植物的汁液提取物添加多巴胺氢氯化物。在连续实验中加入5、50、100和150mg包含在气泡中的多巴胺氢氯化物溶液。每个5cm3的气泡包含200mg多巴胺。
[0065]实施例4
[0066]重复实施例2的反应条件,除了将铜阴极用锌、镁、钛合金、Wood合金、钢、青铜和铝合金阴极代替。
[0067]实施例5
[0068]重复实施例1的电化学电池的相同条件，除了使用碳阴极，它在电解液中产生细碳颗粒，导致在出口物流中出现可燃气体混合物。
[0069]实施例6
[0070]重复实施例1的电化学电池的相同条件，其中进一步向电解液中添加磷酸钙(Ca3(PO4)2)和氢氧化镍(Ni (OH)2) 0
[0071]实施例7-获取氢的方法
[0072]间歇电化学电池，包括:
[0073]1.具有可调制电流电压和强度的电源。
[0074]2.垂直放置的圆筒形玻璃管，管直径96_，长度220_，带有两个平行的较小直径开口。
[0075]3.阳极，由AISI 316不锈钢导线构成,直径3mm,长度250mm(浸入面积2000mm2),通过导线连接到电源的正极。金属用浓硝酸预处理用于钝化该金属。
[0076]4.阴极，由缠绕在阳极周围的直径2mm的实心铜合金线圈构成，线圈直径Icm(浸入面积6000mm2)，通过导线连接到电源的负极。
[0077]5.体积为300cm3的流体电解液，包括IN氢氧化钠和1cm3大蕉植物的榨汁液体的含水混合物，覆盖所述电极。
[0078]6.多孔隔板，分隔两个电极，分隔间距为4mm。
[0079]7.直流电(3V 和 3A)。
[0080]利用圆筒形管内的真空，通过阴极开口收集氢气和通过阳极开口收集氧气。
[0081]实施例8
[0082]重复实施例6的反应条件，除了大蕉植物的榨汁液体体积为15、20和25cm3。
[0083]实施例9
[0084]重复实施例7的反应条件，除了添加多巴胺氢氯化物来代替大蕉植物的榨汁提取物。在连续实验中加入5、50、100和150mg包含在气泡中的多巴胺氢氯化物溶液。每个5cm3的气泡含有200mg的多巴胺。
[0085]实施例10
[0086]重复实施例6的反应条件,除了将铜阴极用锌、镁、钛合金、wood合金、钢、青铜和铝合金阴极代替。
【专利附图】
【附图说明】
[0087]附图1-用来获取气流的设备，它包括:水平放置的圆筒形管(I)，所述管子带有两个相对的较小直径开口(2)和(3);通过导线连接到电源正极的导线阳极(4);通过导线连接到电源负极的由缠绕在阳极周围的导线构成的阴极(5);和多孔陶瓷隔板(6)。
【权利要求】
1.一种生产气流的方法，其特征在于使潮湿空气流在固体催化剂层表面与由电流激发的金属电极形成的含水离子表面接触，通过半渗透隔板之后，与包含在所述隔板表面内的钛铁矿在温度12°c至80°C之间和环境压力或真空下反应，用于获得气流。
2.根据权利要求1的生产气流的方法，其特征在于所述潮湿空气流在由电解液形成的含水离子表面上反应，所述电解液包含: (a)多巴胺； (b)氢氧化物，作为辅助电解质； (c)可离解盐和/或氧化物或氢氧化物。
3.根据权利要求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.根据权利要求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.根据权利要求2的方法，其特征在于所述多巴胺是多巴胺氢氯化物。
6.根据权利要求2的方法，其特征在于所述氧化物和氢氧化物是不溶于水的。
7.根据权利要求1的方法，其特征在于所述金属电极是单极的、双极的、多孔的或粒状的电极。
8.根据权利要求1的方法，其特征在于所述金属电极是选自铁、镍、铜、碳、锌、锡、镁、招、钛、金和银的金属合金。
9.根据权利要求8的方法，其特征在于所述电极设置优选钢作阳极和铜作阴极。
10.根据权利要求2的方法，其特征在于所述辅助电解质选自氢氧化钠、氢氧化钾和/或1,2-苯二酚。
11.根据权利要求2的方法，其特征在于所述辅助电解质浓度在1N和2N之间。
12.根据权利要求2的方法，其中所使用的盐选自钨酸钠(Na2W04.2H20)和钥酸钠(Na2Mo04.2H20)。
13.根据权利要求2的方法，所述氧化物和氢氧化物的金属选自铁、镍、钡、钙和镁。
14.根据权利要求1的方法，其特征在于所获取的气流包含氨、氢和烃。
15.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于用于生产如氨、氢和烃的气流。
16.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于用于获取氨。
17.根据前述权利要求任一项的方法，其特征在于用于获取氢。
18.根据权利要求1和2的方法，其特征在于使用纯氮、水蒸气或其它气体替代空气。
19.根据权利要求1和2的方法，其特征在于其中所使用的电解质是元素周期表第一列元素的卤盐，和其中产生不同于氮和氢的其它混合气体或纯气体。
20.根据权利要求1-14的方法，其中在通过表面活性剂形成的泡沫中回收氢。
21.用于根据前述权利要求的方法获取气流的设备，其特征在于所述设备包括:水平放置的圆筒形管(1)，所述管子带有两个相对的较小直径开口(2)和(3);通过导线连接到电源正极的导线阳极(4);通过导线连接到电源负极的由缠绕在阳极周围的导线构成的阴极(5)，两个电极浸入到沉在管子底部和覆盖所述电极的电解液流体中；和靠近开口(2)的多孔陶瓷隔板(6)。
22.根据权利要求20的设备，其中所述潮湿空气流或气体经隔板(6)通过开口(2)，其中所述潮湿空气与从内部涂覆在所述陶瓷隔板表面上的钛铁矿反应产生氨气，所述氨气通过由阳极(4)和阴极(5)产生的离子形成的活性表面形成电离蒸气云，所述蒸气云与空气中的氮在所述隔板上反应，形成被导向开口(3)并在其中被收集的气体。
23.根据权利要求20的设备，其特征在于所述圆筒形管(I)的内壁涂覆有金属催化剂层。
【文档编号】C01B3/02GK104411638SQ201280072217
【公开日】2015年3月11日 申请日期:2012年4月5日 优先权日:2012年4月5日
【发明者】马塞洛·阿科斯塔·埃斯特拉达 申请人:马塞洛·阿科斯塔·埃斯特拉达