使用金属卤化物形成产物的电化学系统和方法技术方案

本发明专利技术提供了用于形成选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合的一种或多种有机化合物或其对映体的电化学方法和系统。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】使用金属卤化物形成产物的电化学系统和方法相关申请的交叉引用本申请要求于2014年9月15日提交的美国临时专利申请No.62/050,562的权益，该美国临时申请在此通过引用而全文并入本公开内容。政府支持本文所述的工作在由能源部授予的编号为DE-FE0002474的基金下全部或部分由政府支持完成。政府拥有本专利技术的某些权利。
技术介绍
二氯化乙烯可通过使用由氯-碱法制成的氯气直接对乙烯进行氯化来制造。在以电化学方式例如通过氯-碱法生产苛性钠时，使用大量的能量、盐和水。通过电解氯化钠水溶液或盐水(brine)生产氯和苛性钠是需要高能耗的电化学工艺之一。为维持氯-碱工业的这一过程，总能量需求例如在美国为产生的总电力的约2％，而在日本约为1％。高能耗可能会导致因燃烧化石燃料而引起的高二氧化碳排放。因此，需要致力于降低电力需求以减少环境污染和减缓全球变暖。存在以低能耗的方式生产化学品的需求。
技术实现思路
在一个方面，本专利技术提供一种方法，其包括使阳极与阳极电解液接触，其中该阳极电解液包含咸水(saltwater)和金属卤化物；向阳极和阴极施加电压，并在阳极处将所述金属卤化物从较低氧化态氧化至较高氧化态；使阴极与阴极电解液接触；以及在水性介质中用包含所述咸水和处于较高氧化态的金属卤化物的阳极电解液将乙烯或乙烷卤化，以形成一种或多种有机化合物或其对映体以及处于较低氧化态的金属卤化物，其中所述水性介质包含超过5wt％的水；其中所述一种或多种有机化合物或其对映体选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合。在上述方面的一些实施方案中，所述咸水包括包含碱金属离子或碱土金属离子的水。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述方法进一步包括在选自以下的一种或多种反应条件下以大于20wt％的产率由乙烯或乙烷的卤化形成氯乙醇：约120-160℃的卤化混合物温度，约10分钟-2小时的温育时间，在卤化混合物中约7-12M的总卤化物浓度，用贵金属催化，及其组合；以及使用所述氯乙醇形成选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合的一种或多种有机化合物或其对映体。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，以大于40wt％的产率形成氯乙醇。在上述实施方案中，所述贵金属选自钌、铑、钯、银、锇、铱、铂、金、汞、铼、钛、铌、钽及其组合。在一些实施方案中，上述贵金属负载在固体上。在一些实施方案中，上述贵金属负载在碳上。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述方法进一步包括在选自以下的一种或多种反应条件下以大于20wt％的产率由乙烯或乙烷的卤化形成三氯乙醛(TCA)：约160-200℃的卤化混合物温度，约15分钟-2小时的温育时间，大于4.5M的处于较高氧化态的金属卤化物浓度，及其组合；以及使用所述TCA形成选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合的一种或多种有机化合物或其对映体。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，以大于40wt％的产率形成TCA。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述阳极电解液中氯化物含量的总量为6-15M。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述咸水包含氯化钠，并且所述阳极电解液包含在4-8M范围内的处于较高氧化态的金属卤化物，在0.1-2M范围内的处于较低氧化态的金属卤化物，以及在1-5M范围内的氯化钠。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述方法进一步包括在阴极处形成碱、水或氢气。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述阴极电解液包含水，并且所述阴极是将氧和水还原成氢氧根离子的氧去极化阴极；所述阴极电解液包含水，并且所述阴极是将水还原成氢气和氢氧根离子的析氢阴极；所述阴极电解液包含盐酸，并且所述阴极是将盐酸还原成氢气的析氢阴极；或者所述阴极电解液包含盐酸，并且所述阴极是使盐酸与氧气反应以形成水的氧去极化阴极。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述金属卤化物中的金属离子选自铁、铬、铜、锡、银、钴、铀、铅、汞、钒、铋、钛、钌、锇、铕、锌、镉、金、镍、钯、铂、铑、铱、锰、锝、铼、钼、钨、铌、钽、锆、铪及其组合。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述金属卤化物中的金属离子选自铁、铬、铜和锡。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述金属卤化物为氯化铜。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述金属卤化物中金属离子的较低氧化态为1+、2+、3+、4+或5+。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述金属卤化物中金属离子的较高氧化态为2+、3+、4+、5+或6+。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述金属卤化物中的金属离子是从Cu+转化为Cu2+的铜，所述金属卤化物中的金属离子是从Fe2+转化为Fe3+的铁，所述金属卤化物中的金属离子是从Sn2+转化为Sn4+的锡，所述金属卤化物中的金属离子是从Cr2+转化为Cr3+的铬，所述金属卤化物中的金属离子是从Pt2+转化为Pt4+的铂，或其组合。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，在阳极处不使用或不形成气体。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，所述方法进一步包括向所述阳极电解液中添加配体，其中该配体与所述金属卤化物相互作用。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，将处于较低氧化态的金属卤化物再循环回阳极电解液中。在上述方面和实施方案的一些实施方案中，包含处于较高氧化态的金属卤化物的阳极电解液进一步包含处于较低氧化态的金属卤化物。在另一个方面，提供了一种系统，其包含：电化学系统，其包含含有与阳极电解液接触的阳极的阳极室，其中该阳极电解液包含咸水和金属卤化物，其中该阳极被配置为将该金属卤化物从较低氧化态氧化至较高氧化态；以及含有与阴极电解液接触的阴极的阴极室；第一反应器，其可操作地连接至所述阳极室并被配置为使乙烯或乙烷与包含所述咸水和处于较高氧化态的金属卤化物的阳极电解液反应，以形成超过20wt％的CE，其中该反应器被配置为提供选自以下的一种或多种反应条件：约120-160℃的反应混合物温度，约10分钟-2小时的温育时间，在反应混合物中约6-12M的总卤化物浓度，用贵金属催化，及其组合；并且/或者形成超过20wt％的TCA，其中该反应器被配置为提供选自以下的一种或多种反应条件：约160-200℃的卤化混合物温度，约15分钟-2小时的温育时间，大于4.5M的处于较高氧化态的金属卤化物浓度，及其组合；以及第二反应器，其可操作地连接至第一反应器并被配置为由所述CE或TCA形成选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合的一种或多种有机化合物或其对映体。附图说明本专利技术的新特征在所附的权利要求书中具体阐述。通过参考以下对利用本专利技术原理的说明性实施方案加以阐述的详细描述及其附图，可更好地理解本专利技术的特征和优点，在这些附图中：图1为与电化学系统、反应器系统和分离系统相关的一些实施方案的图示。图2为与一种或多种有机化合物的形成相关的一些实施方案的图示。图3为电化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种方法，其包括：使阳极与阳极电解液接触，其中该阳极电解液包含咸水和金属卤化物；向阳极和阴极施加电压，并在该阳极处将所述金属卤化物从较低氧化态氧化至较高氧化态；使所述阴极与阴极电解液接触；以及在水性介质中用包含所述咸水和处于较高氧化态的金属卤化物的阳极电解液将乙烯或乙烷卤化，以形成一种或多种有机化合物或其对映体以及处于较低氧化态的金属卤化物，其中该水性介质包含超过5wt％的水；其中所述一种或多种有机化合物或其对映体选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.09.15 US 62/050,5621.一种方法，其包括：使阳极与阳极电解液接触，其中该阳极电解液包含咸水和金属卤化物；向阳极和阴极施加电压，并在该阳极处将所述金属卤化物从较低氧化态氧化至较高氧化态；使所述阴极与阴极电解液接触；以及在水性介质中用包含所述咸水和处于较高氧化态的金属卤化物的阳极电解液将乙烯或乙烷卤化，以形成一种或多种有机化合物或其对映体以及处于较低氧化态的金属卤化物，其中该水性介质包含超过5wt％的水；其中所述一种或多种有机化合物或其对映体选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合。2.如权利要求1所述的方法，其中所述咸水包括包含碱金属离子或碱土金属离子的水。3.如权利要求1或2所述的方法，其进一步包括在选自以下的一种或多种反应条件下以大于20wt％的产率由乙烯或乙烷的卤化形成氯乙醇：约120-160℃的卤化混合物温度，约10分钟-2小时的温育时间，在所述卤化混合物中约7-12M的总卤化物浓度，用贵金属催化，及其组合；以及使用所述氯乙醇形成选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合的一种或多种有机化合物或其对映体。4.如权利要求3所述的方法，其中所述氯乙醇以大于40wt％的产率形成。5.如前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括在选自以下的一种或多种反应条件下以大于20wt％的产率由乙烯或乙烷的卤化形成三氯乙醛(TCA)：约160-200℃的卤化混合物温度，约15分钟-2小时的温育时间，大于4.5M的处于较高氧化态的金属卤化物浓度，及其组合；以及使用所述TCA形成选自取代或未取代的二氧杂环己烷、取代或未取代的二氧戊环、二氯乙醚、二氯甲基甲基醚、二氯乙基甲基醚、氯仿、四氯化碳、光气及其组合的一种或多种有机化合物或其对映体。6.如权利要求5所述的方法，其中TCA以大于40wt％的产率形成。7.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阳极电解液中氯化物含量的总量为6-15M。8.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中咸水包含氯化钠，并且所述阳极电解液包含在4-8M范围内的处于较高氧化态的金属卤化物，在0.1-2M范围内的处于较低氧化态的金属卤化物，以及在1-5M范围内的氯化钠。9.如前述权利要求中任一项所述的方法，其进一步包括在所述阴极处形成碱、水或氢气。10.如前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述阴极电解液包含水，并且所述阴极是将氧和水还原成氢氧根离子的氧去极化阴极；所述阴极电解液包含水，并且所述阴极是将水还原成氢气和氢氧根离子的析氢阴极；所述阴极电解液包含盐酸，并且所述阴极...

【专利技术属性】
技术研发人员：T·A·阿尔布雷希特，丹尼斯·索拉，马格里特·K·莱克勒克，迈克尔·约瑟夫·韦斯，R·J·吉利亚姆，K·塞尔夫，
申请(专利权)人：卡勒拉公司，
类型：发明
国别省市：美国,US