加拿大多倫多大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)以可再生電力為基礎(chǔ)的電化學(xué)工藝生產(chǎn)環(huán)氧乙烷(EO),與傳統(tǒng)工藝相比,可減少生產(chǎn)過程中的碳排放,旨在實(shí)現(xiàn)該過程的綠色發(fā)展。
電化學(xué)方法可以降低CO2排放,但面臨兩個重大挑戰(zhàn):一是乙烯難溶于水,而水是電化學(xué)電池內(nèi)部首選的電解質(zhì)溶劑,低溶解度會影響乙烯與電池陽極的相互作用,并降低氧化過程效率;二是提高電池功率可提高EO的生產(chǎn)效率,但會過度氧化乙烯,產(chǎn)生更多的CO2。
該團(tuán)隊(duì)通過使用電解質(zhì)中的氯離子作為載體,使其在電池陽極和乙烯之間傳遞電荷來改善其相互作用,從而解決電化學(xué)方法中乙烯過度氧化的問題。
當(dāng)電流流過電化學(xué)電池陽極時,氯離子轉(zhuǎn)換為氯氣,進(jìn)而形成次氯酸和鹽酸。次氯酸與乙烯反應(yīng)形成乙烯氯醇(1-氯-2-羥基乙烷)。同時,陰極將水分解以釋放氫氧根陰離子和氫氣,可作為附加產(chǎn)品被捕獲。該電池內(nèi)有一層隔離其催化電極的膜,可防止電池兩面的溶液混合。待陽極和陰極反應(yīng)發(fā)生后,將兩種溶液從電池中移出并合并,使乙烯氯醇與氫氧化物反應(yīng)生成EO。在工業(yè)生產(chǎn)中,該操作可在連續(xù)生產(chǎn)中進(jìn)行,以進(jìn)一步提高效率。
試驗(yàn)結(jié)果表明:約有70%的電池電流用于生產(chǎn)EO產(chǎn)品,且不產(chǎn)生CO2排放;參與反應(yīng)的乙烯約97%轉(zhuǎn)化為EO,理論上未反應(yīng)的乙烯可通過電解池再循環(huán)。電流密度為1 Acm2。該電池還以相似的效率將丙烯轉(zhuǎn)化為EO。對該工藝的技術(shù)經(jīng)濟(jì)分析結(jié)果表明,在最佳試驗(yàn)條件下,生產(chǎn)EO的成本約為1 500美元t,與常規(guī)工藝相當(dāng)。
2019年,該團(tuán)隊(duì)推出一種將CO2轉(zhuǎn)化為乙烯的電化學(xué)工藝,中試裝置可生產(chǎn)乙烯100 kgd。該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在該中試裝置上運(yùn)行EO生產(chǎn)工藝。