Procedimientos y aparato de producción electroquímica de monóxido de carbono, y usos del mismo.

Un procedimiento de producción electroquímica de al menos uno de monóxido de carbono,

metanol e hidrocarburosque comprende:

calentar sal de carbonato de metal alcalino o una mezcla de sales de carbonato de metal alcalino y alcalinotérreopara formar carbonato fundido;

realizar una electrólisis de dicho carbonato fundido usando al menos dos electrodos, en donde un primer electrodocomprende titanio y un segundo electrodo comprende grafito, titanio o combinación de los mismos, con inyecciónopcional de un gas que comprende dióxido de carbono a dicho carbonato fundido durante la electrólisis, dando asímonóxido de carbono.

Procedimientos y aparato de producción electroquímica de monóxido de carbono, y usos del mismo

CAMPO DE LA INVENCIÓN

La presente invención se refiere a un proceso electrolítico, procedimientos y aparato para la preparación de monóxido de carbono y en particular a la electrólisis de carbonatos fundidos para dar monóxido de carbono que puede usarse para el almacenamiento químico de energía eléctrica y adicionalmente como materia prima química para otros productos orgánicos.

ANTECEDENTES DE LA INVENCIÓN

Las principales fuentes de energía renovable, eólica y solar, dependen del clima y del tiempo. Además, las áreas geográficas más aptas para extraer estos recursos son remotas. Por tanto, el almacenamiento/transporte de energía química se considera la forma más probable de extraer la energía renovable.

Fuentes de energía química alternativas pueden incluir hidrocarburos y alifáticos oxigenados sintetizados a partir de CO e H2 mediante, por ejemplo, el proceso de Fischer-Tropsch. Más recientemente, el proceso de Fischer-Tropsch se ha considerado un procedimiento viable para preparar hidrocarburos incluso más pesados tales como combustibles diesel, y más preferentemente moléculas cerosas para la conversión en lubricantes eficientes limpios. La energía y materiales de partida para éstos se derivan actualmente de la combustión del carbón, con la liberación concomitante de CO2 como subproducto. Sin embargo, tal proceso aumenta el CO2 en la atmósfera y puede conducir a un clima global grave. Alternativamente, el propio CO2 puede usarse como fuente de carbono para la producción de materiales similares a petróleo. Esto puede entonces conducir a la posibilidad de regular la concentración de CO2 atmosférico.

Como el CO2 es uno de los compuestos de carbono más termodinámicamente estables, se requiere una fuente de energía reductora altamente energética o externa para convertirlo en otros compuestos de carbono. Es muy conocido que los carbonatos (CO32-)

pueden reducirse electroquímicamente según lo siguiente:

Cátodo (1) CO32-+ 2e -º CO + 2O2-

Ánodo (2) 2O-- 2e -º O2

Sin embargo, varios productos secundarios pueden dar carbono elemental sobre el cátodo o CO2 sobre el ánodo:

Cátodo: CO32-+ 4e -º C + 3O2

o sobre el ánodo:

CO32-- 2e -º CO2 + ½ O2

Además, el CO producido puede descomponerse:

CO º CO2 + C

El metanol es uno de los principales materiales de partida químicos, clasificándose el tercero en volumen detrás del amoniaco y el etileno. La demanda mundial de metanol como material de partida químico continúa aumentando, especialmente en vista de su función cada vez más importante (junto con el éter dimetílico) como fuente de olefinas tales como etileno y propileno y como fuente de energía alternativa, por ejemplo, como aditivo para combustible para motores o en la conversión de metanol en gasolina.

El metanol es no solo una forma conveniente y segura para guardar energía, sino que, junto con su éter dimetílico (DME) derivado, es un combustible excelente. El éter dimetílico se obtiene fácilmente a partir de metanol por deshidratación y es un combustible eficaz, particularmente en motores diesel debido a su alto índice de octanaje y propiedades favorables. El metanol y el éter dimetílico pueden mezclarse con gasolina o diesel y usarse como combustibles, por ejemplo, en motores de combustión interna o generadores de electricidad. Uno de los usos más eficientes del metanol es en celdas de combustible, particularmente en la celda de combustible de metanol directa (DMFC) en la que el metanol se oxida directamente con el aire a dióxido de carbono y agua a la vez que se produce la electricidad.

El documento GB-A-1109143 desvela la formación electroquímica de monóxido de carbono a partir de dióxido de carbono en un electrolito de carbonato fundido en una celda electrolítica equipada con un cátodo cubierto por un recubrimiento de grafito.

Así, existe la necesidad de un procedimiento electroquímico eficiente y una celda electroquímica eficiente para la reducción de carbonato en monóxido de carbono (CO) , que adicionalmente puede dar fuentes de energía química tales como, por ejemplo, metanol. Además, la producción de CO puede usarse para el transporte de energía.

RESUMEN DE LA INVENCIÓN

En una realización, la presente invención proporciona un procedimiento de producción electroquímica de monóxido de carbono que comprende: calentar sal de carbonato de metal alcalino o una mezcla de sales de carbonato de metal alcalino y alcalinotérreo para formar carbonatos fundidos; electrólisis de dicho carbonato fundido usando al menos dos electrodos en el que un primer electrodo comprende titanio y un segundo electrodo comprende grafito, titanio o combinación de los mismos, en el que un gas que comprende dióxido de carbono es opcionalmente inyectado a dicho carbonato fundido, dando así monóxido de carbono.

En una realización, la presente invención proporciona un procedimiento para la preparación de metanol o hidrocarburos que comprende: (a) calentar sal de carbonato de metal alcalino o una mezcla de sales de carbonato de metal alcalino y alcalinotérreo para formar carbonatos fundidos; electrólisis de dicho carbonato fundido usando al menos dos electrodos en el que un primer electrodo comprende titanio y un segundo electrodo comprende grafito, titanio o combinación de los mismos, en el que un gas que comprende dióxido de carbono es opcionalmente inyectado a dicho carbonato fundido, dando así monóxido de carbono; (b) hidrogenación de dicho monóxido de carbono para dar metanol o hidrocarburos.

En una realización, la presente invención proporciona una celda electroquímica para la fabricación de CO que comprende:

a. una fuente de alimentación;

b. una primera cámara de reacción que comprende una sal de carbonato de metal alcalino o una mezcla de carbonato de metal alcalino y carbonatos de metal alcalinotérreo;

c. una tobera para inyectar un gas que comprende CO2;

d. al menos dos electrodos, en la que un primer electrodo comprende titanio y un segundo electrodo comprende grafito, titanio o combinación de los mismos;

e. un sistema de calentamiento;

f. un primer conducto que transporta CO de dicha celda electroquímica a un acumulador de gas;

en la que dicho sistema de calentamiento calienta dicha sal de carbonato metálico para formar carbonato fundido; en la que dicha tobera inyecta opcionalmente dicho gas a dicho carbonato fundido; en la que dichos al menos dos electrodos están en contacto con dicho carbonato fundido y están opcionalmente localizados en compartimentos separados; y en la que aplicando voltaje se forma CO y se transporta mediante dicho primer conducto a un acumulador de gas.

En una realización, la presente invención proporciona un procedimiento de preparación de monóxido de carbono, comprendiendo dicho procedimiento la electrólisis de carbonato fundido usando una celda electroquímica de la presente invención.

En una realización, la presente invención proporciona un aparato para la fabricación de metanol o hidratos de carbono que comprende:

(i) una celda electroquímica que comprende:

a. una fuente de alimentación;

b. una primera cámara de reacción que comprende una sal de carbonato de metal alcalino o una mezcla de sales de carbonato de metal alcalino y de carbonato de metal alcalinotérreo;

c. una tobera para inyectar un gas que comprende CO2;

d. al menos dos electrodos, en la que un primer electrodo comprende titanio y un segundo electrodo comprende grafito, titanio o combinación de los mismos;

e. un sistema de calentamiento;

en la que dicho sistema de calentamiento calienta dicha sal de carbonato metálico para formar carbonato fundido; en la que dicha tobera inyecta opcionalmente dicho gas a dicho carbonato fundido; y dichos al menos dos electrodos están en contacto con dicho carbonato fundido y están opcionalmente localizados en compartimentos separados;

(ii) una segunda cámara de reacción una entrada para la introducción de H2 en dicha segunda cámara de reacción;

(iii) un primer conducto que transporta CO de dicha celda electroquímica a dicha segunda cámara;

(iv) un segundo conducto que transporta metanol o hidrocarburos de dicha segunda cámara de reacción a una salida;

en el que aplicando voltaje se forma CO y se transporta mediante dicho primer conducto a dicha segunda cámara de reacción; y en el que dicho CO e H2 reaccionan en dicha segunda cámara de reacción para dar dicho metanol o hidrocarburos.... [Seguir leyendo]

1. Un procedimiento de producción electroquímica de al menos uno de monóxido de carbono, metanol e hidrocarburos que comprende:

calentar sal de carbonato de metal alcalino o una mezcla de sales de carbonato de metal alcalino y alcalinotérreo para formar carbonato fundido;

realizar una electrólisis de dicho carbonato fundido usando al menos dos electrodos, en donde un primer electrodo comprende titanio y un segundo electrodo comprende grafito, titanio o combinación de los mismos, con inyección opcional de un gas que comprende dióxido de carbono a dicho carbonato fundido durante la electrólisis, dando así monóxido de carbono.

2. El procedimiento de la reivindicación 1, por el cual durante dicha electrólisis del carbonato fundido el carbonato metálico se oxida para dar óxido metálico.

3. El procedimiento de la reivindicación 2 que comprende eliminar dicho óxido metálico de una mezcla de reacción y reciclar dicho óxido metálico junto con dióxido de carbono para dar dicho carbonato metálico.

4. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por al menos uno de lo siguiente: (a) dicha sal de carbonato de metal alcalino está seleccionada de carbonato de litio, carbonato de potasio, carbonato sódico o cualquier combinación de los mismos; (b) dicha sal de carbonato de metal alcalinotérreo está seleccionada de carbonato de bario, carbonato de estroncio, carbonato cálcico o cualquier combinación de los mismos.

5. El procedimiento de la reivindicación 4, en el que dicha sal de carbonato de metal alcalino comprende al menos el 50 % en peso de carbonato de litio.

6. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 5, en el que dicha mezcla de sales de carbonato de metal alcalino y alcalinotérreo está en una relación de entre relación molar 1:1 a relación molar 0, 95:0, 05, respectivamente.

7. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado por al menos uno de lo siguiente: (i) dicho primer electrodo es un cátodo que es un electrodo de titanio o de aleación, en el que dicha aleación comprende al menos una de titanio, aluminio, circonio, tantalio, niobio o cualquier combinación de los mismos; y (ii) dicho segundo electrodo es un ánodo que es al menos uno de un electrodo de grafito, un electrodo de grafito comprimido, un electrodo de grafito vítreo, un electrodo de titanio recubierto de grafito, un electrodo de titanio, un electrodo de aleación de titanio, comprendiendo dicha aleación al menos uno de titanio, aluminio, circonio, tantalio, niobio o cualquier combinación de los mismos.

8. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 7, en el que dicho calentamiento se realiza a una temperatura de entre aproximadament.

85. 950 ºC.

9. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 8 que comprende recoger dicho monóxido de carbono en un acumulador de gas.

10. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 9 para la producción electroquímica de metanol o hidrocarburos, comprendiendo el procedimiento la hidrogenación de dicho monóxido de carbono para dar metanol o hidrocarburos.

11. El procedimiento de la reivindicación 10, en el que dicha electrólisis se realiza en una primera cámara de reacción y dicho monóxido de carbono es transportado a una segunda cámara de reacción en la que se realiza dicha hidrogenación.

12. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 11, en el que dicho dióxido de carbono es absorbido en dicho carbonato fundido desde gas que comprende entre el 0, 01-100 % de dióxido de carbono en peso.

13. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 1 a 12, en el que dicho dióxido de carbono es directamente absorbido del aire en dicho carbonato fundido.

14. El procedimiento de una cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, caracterizado por al menos uno de lo siguiente: dichos hidrocarburos se preparan mediante hidrogenación de monóxido de carbono según el proceso de Fischer-Tropsch; y dicho metanol se prepara mediante hidrogenación de monóxido de carbono en presencia de catalizador heterogéneo.

15. Una celda electroquímica para la preparación de monóxido de carbono que comprende:

a. una fuente de alimentación;

b. una primera cámara de reacción que comprende una sal de carbonato de metal alcalino o una mezcla de sal de carbonato de metal alcalino y de carbonato de metal alcalinotérreo;

c. una tobera para inyectar un gas que comprende CO2;

d. al menos dos electrodos, en donde un primer electrodo comprende titanio y un segundo electrodo comprende grafito, titanio o combinación de los mismos;

e. un sistema de calentamiento; y;

f. primer conducto que transporta monóxido de carbono de dicha celda electroquímica a un acumulador de gas;

en la que dicho sistema de calentamiento calienta dicha sal de carbonato metálico para formar carbonato fundido; en la que dicha tobera inyecta opcionalmente dicho gas a dicho carbonato fundido; en la que dichos al menos dos electrodos están en contacto con dicho carbonato fundido y están opcionalmente localizados en compartimentos separados; y en la que aplicando voltaje se forma monóxido de carbono y se transporta mediante dicho primer conducto a un acumulador de gas.

16. La celda electroquímica de la reivindicación 15, en la que el marco de dicha primera cámara de reacción está hecho de titanio o de una aleación de titanio, en donde dicha aleación comprende al menos uno de titanio, aluminio, circonio, tantalio, niobio o cualquier combinación de los mismos.

17. La celda electroquímica de la reivindicación 15 ó 16, caracterizada por al menos uno de lo siguiente: (i) dicho primer electrodo es un cátodo, dicho cátodo está seleccionado de un electrodo de titanio o un electrodo de aleación de titanio, en donde dicha aleación comprende al menos uno de titanio, aluminio, circonio, tantalio, niobio o cualquier combinación de los mismos; y (ii) dicho segundo electrodo es un ánodo, dicho ánodo está seleccionado de un electrodo de grafito, de grafito comprimido, de grafito vítreo, un electrodo de titanio recubierto de grafito y un electrodo de titanio o de aleación de titanio, en donde dicha aleación de titanio comprende al menos uno de titanio, aluminio, circonio, tantalio, niobio o cualquier combinación de los mismos.

18. La celda electroquímica de una cualquiera de las reivindicaciones 15 a 17, en la que dicha tobera está hecha de titanio

o de una aleación que comprende titanio, en donde dicha aleación comprende al menos uno de titanio, aluminio, circonio, tantalio, niobio o cualquier combinación de los mismos.

19. Un aparato para la preparación de metanol o hidratos de carbono que comprende: la celda electroquímica de una cualquiera de las reivindicaciones 15-18; una segunda cámara de reacción; una entrada para la introducción de H2 en dicha segunda cámara de reacción; un primer conducto que transporta monóxido de carbono de dicha celda electroquímica a dicha segunda cámara;

y;

un segundo conducto que transporta metanol o hidrocarburos de dicha segunda cámara de reacción a una salida para la recogida del metanol o los hidrocarburos; en la que aplicando voltaje se forma CO y se transporta mediante dicho primer conducto a dicha segunda cámara de reacción; y en la que dicho CO e H2 reaccionan en dicha segunda cámara de reacción para dar dicho metanol o hidrocarburos.

20. El aparato de la reivindicación 19 que comprende: una segunda celda electroquímica que comprende:

a. fuente de alimentación;

b. una tercera cámara de reacción;

c. al menos dos electrodos; en la que aplicando voltaje se forma H2; y; un tercer conducto que transporta H2 de dicha segunda celda electroquímica a dicha segunda cámara de reacción.