[发明专利]一种对碘硫循环中硫酸相和氢碘酸相进行纯化的工艺

说明书

技术领域

本发明涉及一种对碘硫循环中硫酸相和氢碘酸相进行纯化的工艺，属于碘硫热化学循环制氢相关技术领域。

背景技术

氢能被认为是最理想的二次能源，也被称作人类的未来能源。然而传统的制氢方法和技术由于存在CO₂排放、效率低等缺点而制约了氢能的开发。因此研究清洁、高效、可持续的制氢方法越来越成为人们关注的焦点。在众多热化学循环制氢方法中，美国GA公司提出的碘硫(IS)循环被美、日、法等许多国家选为未来核能制氢的首选流程。该过程由3个反应组成：

(1)Bunsen反应(放热，～120℃)：SO₂+I₂+2H₂O＝2HI+H₂SO₄

(2)硫酸分解(吸热，800-900℃)：H₂SO₄＝H₂O+SO₂+1/2O₂

(3)碘化氢分解(吸热，300-500℃)：2HI＝H₂+I₂

上述三个反应在高温热驱动下，发生耦合，组成一个闭路循环，净反应为水分解：H₂O＝H₂+1/2O₂。该循环具有产氢效率高、反应物以气液态存在易输送、易闭合循环、无CO₂排放等优点，因此有望成为清洁、经济、可持续的大规模制氢方法。遗憾的是，IS循环的原理虽然非常简单，但要真正实现其闭合循环运行和规模化连续产氢，却有许多科学与技术相关问题需要解决。其中本森(Bunsen)反应产物硫酸相和氢碘酸的纯化就是需要解决的一个问题。在碘浓度较高的反应条件下，本森反应生成的两种酸可自发地分成两液相，即轻液相硫酸相和重液相氢碘酸相。由于分配平衡的存在，两相中难免含有少量杂质，即硫酸相中含有少量HI和氢碘酸中含有少量H₂SO₄，杂质的存在在一定条件下可以引发下列副反应：

(4)S生成反应：H₂SO₄+6HI＝S+3I₂+4H₂O

(5)H₂S生成反应：H₂SO₄+8HI＝H₂S+4I₂+4H₂O

副反应的发生不但会影响物料平衡，降低碘硫循环的整体效率，而且，固态硫的生成还有可能造成管道堵塞，妨碍物料的输送，影响闭合循环的正常运行。

为了消除副反应生成的硫化氢和硫，日本专利JP2008-137824A(热化学制氢装置及方法，公开日2008年6月19日)提供了一种热化学制氢装置和方法，该专利采用纯氧气作为吹扫气体通过氧化反应：H₂SO₄+H₂S+O₂＝2SO₂+2H₂O及S+O₂＝SO₂来消除硫酸相和氢碘酸相中副反应生成的硫化氢和硫。但是，该专利并没有明确给出去除硫酸相中少量氢碘酸和氢碘酸相中少量硫酸的原理，以及如何抑制副反应的发生，并且，以高活性的纯氧作为吹扫气体，可能造成对氢碘酸的深度氧化，从而影响纯化反应的进行。

为了抑制副反应的发生，避免硫和硫化氢的生成，需要分别去除硫酸相中少量的氢碘酸和氢碘酸相中少量的硫酸，得到较纯的硫酸和氢碘酸溶液，目前国际上通用的IS循环过程中硫酸相和氢碘酸相的纯化方法是利用本森反应的逆反应：(6)2HI+H₂SO₄＝SO₂+I₂+2H₂O来实现两相纯化。