多倫多大學(xué)開發(fā)降低環(huán)氧乙烷生產(chǎn)中CO2排放的電化學(xué)方法

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。