[发明专利]利用选择性可渗透膜的方法

说明书

本发明涉及利用氢物质选择性可渗透膜用于合成产物的方法。本发明还涉及用于利用氢物质可渗透膜由氢插入或氢化反应来合成产物的方法。本发明还涉及用于利用氢物质选择性可渗透膜来合成氨的方法。所述膜提供了经表面修饰的膜，其可包括包含多个反应位点的能渗透的层，所述多个反应位点包括金属物质和用于促进该层中的反应的催化剂。

领域

本发明涉及利用氢物质选择性可渗透膜用于合成产物的方法。本发明还涉及利用氢物质可渗透膜由氢插入或氢化反应来合成产物的方法。本发明还涉及用于利用氢物质选择性可渗透膜来合成氨的方法。本发明还涉及可与所述方法相关的各种系统、膜和反应器。

背景

每年使用约2％的世界能源消耗生产超过1亿吨的氨。氨作为氮来源主要用于肥料工业(>80％)和用于工业过程(20％)。目前通过Haber-Bosch方法来生产氨，其为能源密集型方法，需要在高温(高达500℃)和高压(高达300巴)下使氢和氮在基于铁的催化剂上反应(即，3H₂+N₂→2NH₃)。该反应是放热的且具有负熵变，需要高温(动力学)和高压以使反应以合理的速率进行，且在每个阶段反应物仅有10-15％的转化。因此，将该步骤重复数次。在以9500kwh/吨产生氨时，该路径的总能源消耗非常高(如果经由电解而非天然气转化生产H₂，为12000kwh/吨)。

生产氨的其他方法包括基于电化学的方法。尽管仍需要相对高的能源输入并且还经受低的转化率，用于生产氨的电化学路径相较于Haber-Bosch方法可节约20％以上的能源消耗。氢可源自天然气转化或水的电解，或可通过水的电解或有机溶剂例如乙醇的分解来产生。取决于所用电解质材料的类型，可在环境条件下或在较高的温度下进行该方法。

需要发现氨合成的替代性路径，该路径可减少工艺条件的严格度，降低生产每单位氨的能源消耗，和增强氨转化率。

其他工业上重要的化学方法包括由氧和氢合成过氧化氢，和由一氧化碳或二氧化碳和氢合成烃。这样的方法要么涉及在高温和高压下运行的催化反应，要么涉及仍需要高能源输入的直接或间接的电化学方法。

以上工业方法是极度能源密集型的，效率低，并且能源再循环差。因此需要确定用于在减少的能源输入下进行大规模产物合成的新颖方法。

概述

本发明人确定了以上所确定的问题的多个解决方案。这导致了用于合成产物的各种方法、可渗透膜、反应器和系统的开发。注意的是，在一些方面和实施方案中确定的方法、膜、反应器或系统的一些特征并不是在本文中所描述的所有方面和实施方案中所需要的，应在该上下文中阅读该说明书。还将理解的是，在各个方面和实施方案中，方法步骤的顺序可能不是重要的并且可以变化。

使用氢物质选择性可渗透固体膜(HSPM)确定了用于合成产物的方法，所述氢物质选择性可渗透固体膜具有氢物质接收侧和产物合成侧，用于使第一反应物氢物质与第二反应物进行反应，其中对所述膜的至少产物合成侧进行了表面修饰。

所述表面修饰可包括对于第二反应物能渗透的外层，并且该层包含多个反应位点，所述多个反应位点包括金属物质和用于促进在第一反应物和第二反应物之间在外层中的反应的催化剂。所述表面修饰可通过以下中的至少一种来提供：

a.包括催化剂的粗糙化表面；

b.插入、散布于或嵌入HSPM的催化剂组合物；和

c.包括催化剂和氢物质可渗透的金属、其金属氧化物、金属合金或金属陶瓷的涂层。

在第一方面，提供了用于通过包括氢物质的至少第一反应物和第二反应物的反应来合成产物的方法，所述方法包括：

(i)提供氢物质选择性可渗透固体膜(HSPM)，其具有氢物质接收侧和产物合成侧；

(ii)在氢物质接收侧提供氢物质来源；