一种基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法技术

本发明专利技术公开了一种基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法，具体包括：金属镁与氮气在高温下反应生成氮化镁，氮化镁加入水中生成氢氧化镁沉淀和氨气，在氢氧化镁溶液中通入氯化氢气体得到氯化镁溶液，并进一步加热脱水得到无水氯化镁，得到无水氯化镁电解得到氯气和金属镁，氯气在水电解产生的氢气中点燃得到氯化氢气体；如此形成一个完整的循环过程。相比于金属锂介导的合成氨的循环过程，镁离子还原为金属镁的过电位低于锂离子还原为金属锂，因此电解氯化镁的所需的电能要低于电解氯化锂，所需提供的电能成本更少，仅需额外提供一些反应热能。金属镁介导合成氨体系更适合于在各种化工产业中作为消耗多余电能和热能的补充，具有较好的应用前景。较好的应用前景。较好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法


[0001]本专利技术涉及一种合成氨的方法，具体涉及一种基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法。

技术介绍

[0002]氮是地球上生命体和现代工业社会的基本组成部分。氨(NH3)被认为是现代最常见的化学品，并广泛应用于化工领域，同时NH3容易储存与运输，在未来氢经济中扮演着重要的角色。目前，唯一具有工业规模的合成氨技术是德国化学家哈伯和博世在20世纪初开发的以气相N2和H2为原料的合成氨工艺。哈伯法工艺存在条件苛刻、对设备要求高、能耗高(每年消耗全球2％能源供给)、转化率低等问题，越来越不符合经济社会发展的要求。特别是在满足小规模合成氨的需求时，哈伯法合成氨装置不仅前期需要投入巨大的建设成本，规模比较小相应的经济效益也会更低。
[0003]相比哈伯法，电化学合成氨近年来已被证实可在温和条件下进行，是一种潜在的合成氨替代技术。但是目前该工艺存在一些技术难点有待突破，使其产氨速率、法拉第效率等性能不高，距离商用化生产差距较大。
[0004]因此，目前提出一种金属介导的合成氨策略，以金属镁为例，金属镁和氮气反应得到氮化镁，再继续与水反应后得到氢氧化镁和氨，氢氧化镁再通过反应后电解得到金属镁，形成金属的循环使用，电能是该循环中最大的消耗。相较于金属锂，金属镁的还原电位更低。因此，在同一条件下，将镁盐还原为金属镁的理论消耗电能更少。另外，金属镁在存储和运输过程中所需的成本也低于金属锂。

技术实现思路

[0005]本专利技术至少解决以上工业哈伯法合成氨的现有问题，另外相比于金属锂参与循环合成氨的方法有一定技术成本的优势。本专利技术的目的在于提供一种基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法。
[0006]本专利技术提供了一种金属镁为关键介导，能够循环参与固氮合成氨的方法，具体包括：金属镁与氮气在高温下反应生成氮化镁，氮化镁加入水中生成氢氧化镁沉淀和氨气，在氢氧化镁溶液中通入氯化氢气体得到氯化镁溶液，并进一步加热脱水得到无水氯化镁，将无水氯化镁加热至熔融状态(700℃)，电解得到氯气和金属镁，氯气在水电解产生的氢气中点燃得到氯化氢气体；如此形成一个完整的循环过程。
[0007]本专利技术中，金属镁作为固氮的主要载体，在循环过程中可以再生，且除了一些不可避免的损耗外没有明显的消耗过程。
[0008]本专利技术中，只有氮气与水作为合成氨过程中的化工原料，以及电能作为推动循环进行的驱动力。
[0009]本专利技术中，金属镁作为关键的介质，通过电解熔融氯化镁得到金属镁实现循环再生过程。
[0010]本专利技术中，除了氮气和水外，其余参与合成氨循环过程的原料可实现百分比的再生，除不可避免的损耗外，金属镁和氯气的循环效率可接近100％。
[0011]本专利技术的优势在于可以利用化工产业中多余的电能和热能来实现小规模的合成氨。将难以储存的电能和热能转化为高能量比、稳定的化学能。
[0012]本专利技术的优势在于可以利用化工产业中多余的电能和热能来实现小规模的合成氨。将难以储存的电能和热能转化为高能量比、稳定的化学能。
[0013]相比于工业哈伯法，金属镁介导合成氨体系对于反应装置的所需要求更低，更有利于在小规模合成氨的装置设计中控制成本。
[0014]相比于金属锂介导的合成氨的循环过程，镁离子还原为金属镁的过电位低于锂离子还原为金属锂，因此电解氯化镁的所需的电能要低于电解氯化锂，所需的电能更少。同时，金属镁在存储和运输中的成本低于金属锂，在小规模的合成氨过程中也能实现较好的经济效益，同时对于基础设施的投入成本明显降低，更适合于在各种化工产业中作为消耗多余电能和热能的补充，具有较好的灵活性。
[0015]本专利技术的目的通过下述方案实现：
[0016]一种基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法，包括以下步骤：
[0017](1)金属镁在高纯氮气中环境下加热点燃得到氮化镁粉末；生成固态氮化镁，将生成的氮化镁在氮气气氛下收集起来，准备进行下一步反应；
[0018](2)将氮化镁粉末加入到水中，在常温条件下生成氨气和氢氧化镁沉淀，以气态的形式收集得到氨，随着氮化镁与水反应使得溶液温度逐渐升高，可将剩余溶解溶液中的氨排出；
[0019](3)在有氢氧化镁沉淀的溶液中通入氯化氢气体至氢氧化镁沉淀消失，使其完全生成氯化镁，进一步加热浓缩将氯化镁从溶液中分离出来，得到无水氯化镁；
[0020](4)加热无水氯化镁和无水氯化盐至熔融状态(700℃)，通电进行电解，阳极得到氯气，阴极得到金属镁；
[0021](5)电解水产生氢气和氧气，将氢气和氯气混合点燃，得到氯化氢气体；
[0022]至此，金属镁和氯化氢在循环中实现再生，整个循环实现闭合。
[0023]步骤(1)中所述金属镁与高纯氮气的加热点燃温度为400～1000℃，优选为温度在700℃以上时，能显著提高氮化镁的生成速率；
[0024]步骤(2)中所述氮化镁与水的用量比为0.2～10g：50～2000mL；
[0025]步骤(2)中氮化镁与水的反应在室温条件即可进行，且产生的气体只有氨，收集反应产生的气体即可得到高纯度的产物氨；氮化镁与水生成氨气和氢氧化镁的反应是一个放热反应，随着反应的进行，系统温度会逐步升高，反应速率会进一步提升。如果升高温度，可以进一步加快反应速度；
[0026]步骤(2)中在氮化镁与水反应生成氢氧化镁沉淀，进行分离后，在水中通入一定量的氯化氢气体，反应后即可得到氯化铵，通过脱水后最终可得到氯化铵固体；
[0027]步骤(3)中所述加热是指在100～180℃的温度加热得到无水氯化镁，优选温度为150℃；
[0028]步骤(4)中无水氯化盐为氯化钾，氯化钠，氯化钙等氯化物中的至少一种，可以提高溶液的导电性能；另外，加入氯化钠能够电解质与电极间的润湿角，促进金属镁汇集在电
极上；氯化钙可以增加电解液的密度，使得还原的镁更容易浮在电解液表面，易于收集；
[0029]步骤(4)中所述无水氯化盐优选为无水氯化钙；所述无水氯化镁和无水氯化钙的摩尔比为1：(0.2～1.2)；
[0030]步骤(5)中，在制备氯化氢气体的工艺中，氢气和氯气的摩尔比(1.2～2)：1，优选为1.5：1。
[0031]本专利技术相对于现有技术，具有如下的优点及有益效果：
[0032]本专利技术中，以金属镁为固氮载体，通过在氮气中点燃得到氮化镁这一固氮过程，相比于哈伯法所需的高温高压条件，金属镁固氮的反应要求和效率均有明显的优势。
[0033]本专利技术中，合成氨气所需的氮源自氮气，质子源自于水。
[0034]本专利技术中，氮化镁直接与水反应生成氨和氢氧化镁沉淀，可通过简单的沉淀分离和脱水过程将氢氧化镁和氨分离提纯，极大的降低了产物分离提纯的成本。
[0035]本专利技术中，氯气参与金属镁还原的过程(电解熔融氯化镁得到金属镁)和氯化氢气体的合成。
[0036]本专利技术中，所述的金属镁循环固氮合成氨的方法，实本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法，其特征在于：将金属镁与氮气加热点燃反应生成氮化镁，氮化镁加入水中生成氢氧化镁沉淀和氨气，在氢氧化镁溶液中通入氯化氢气体得到氯化镁溶液，并进一步加热脱水得到无水氯化镁，将无水氯化镁加热至熔融状态，电解得到氯气和金属镁，氯气在水电解产生的氢气中点燃得到氯化氢气体；如此形成一个完整的循环过程。2.根据权利要求1中所述基于金属镁的介质循环固氮合成氨的方法，其特征在于包括以下步骤：(1)金属镁在氮气中环境下加热点燃得到氮化镁粉末；生成固态氮化镁，将生成的氮化镁在氮气气氛下收集起来，准备进行下一步反应；(2)将氮化镁粉末加入到水中，在常温条件下生成氨气和氢氧化镁沉淀，以气态的形式收集得到氨，随着氮化镁与水反应使得溶液温度逐渐升高，可将剩余溶解溶液中的氨排出；(3)在有氢氧化镁沉淀的溶液中通入氯化氢气体至氢氧化镁沉淀消失，使其完全生成氯化镁，进一步加热浓缩将氯化镁从溶液中分离出来，得到无水氯化镁；(4)加热无水氯化镁和无水氯化盐至熔融状态，通电进行电解，阳极得到氯气，阴极得到金属镁；(5)电解水产生氢气和氧气，将氢气和氯气混合点燃，得到氯化氢气体；至此，金属镁和氯化氢在循环中实现再生，整个循环实现闭合。3.根据权利要求1或2中所述基于金属镁的介...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁良鑫，陈斯波，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：