WO2025239762A1 - Integrated method for producing ammonium sulfate by reclaiming phosphogypsum waste - Google Patents
Integrated method for producing ammonium sulfate by reclaiming phosphogypsum wasteInfo
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Definitions
- the present invention relates to processes, systems and techniques implemented in particular in the electrochemical production of ammonium sulfate by the use of an electrodialysis cell, and contributing more particularly to the valorization of phosphogypsum waste as well as carbon dioxide emissions from the phosphate industry.
- Ammonium sulfate is a fertilizer with a high mass content of nitrogen (21% N) that is widely used in agriculture. Conventional methods of producing this fertilizer are based on the Merseburg process, which often requires the use of ammonia from the combustion of fossil fuels.
- the present invention describes an integrated process for the production of ammonium sulfate-based fertilizers, using only a carbon dioxide source, a phosphogypsum source and a water and electricity source.
- the invention also relates to a method for capturing and fixing carbon dioxide (CO2) from an industrial gaseous effluent rich in carbon dioxide.
- the particularity of this invention lies in the fact that it uses, for each of its implementations, a common reaction sequence integrating the capture of the carbon dioxide contained in said industrial gaseous effluvium by means of an alkali hydroxide by its conversion into alkali carbonate, followed by the contacting of said alkali carbonate with a source of alkaline earth sulfate and conversion of the latter into alkali sulfate, water-soluble, and into insoluble or essentially insoluble alkaline earth carbonate in water.
- FIG. 1 shows the block diagram of the integrated system.
- FIG. 2 shows the variation of the concentration of ammonia/ammonium and carbon dioxide/carbonates as a function of pH.
- FIG. 3 shows the results of the comparison of energy requirements between integrated and conventional pathways.
- FIG. 4 shows a comparison of investment and operating cost results between integrated and conventional routes.
- the process that is the subject of the invention includes, among other things, the implementation of an industrial installation shown schematically in Fig. 1 and whose operation can be described as follows:
- An absorber column (100) used for capturing carbon dioxide from a smoke emitting carbon dioxide by introducing an alkaline capture solution of alkali hydroxide (407) and allowing the carbon dioxide to react with the alkali hydroxide to form a carbon dioxide-enriched solution consisting of alkali carbonate (107);
- the electrodialysis cell comprises six compartments, in which an aqueous solution of metal sulfate (303) flows through a first compartment (401) of the electrodialysis to separate the sulfate ions from the metal ions, in which the first compartment is delimited on the anodic side by an anion exchange membrane and on the cathodic side by a cation exchange membrane, in which a fourth (404) compartment is delimited on the anodic side by a cation exchange membrane and on the cathodic side by a bipolar membrane, the bipolar membrane comprising respectively an anion-permeable face and a cation-permeable face oriented to face an anode and a cathode of the electrodialysis cell; and the application of an electrical potential across the terminals of the electrodialysis cell causes a direct current to flow through the bipolar membrane, causing the dissociation of the water in the bipolar membrane into hydrogen protons and hydroxide ions; wherein the hydroxide
- carbon dioxide-rich combustion fumes (101) are directed to an absorber column (100).
- the carbon dioxide-rich combustion fumes may include atmospheric air or a carbon dioxide flue gas stack from the phosphoric acid production plant or any other carbon dioxide-emitting industry.
- the carbon dioxide concentration in rich combustion flue gas can represent between 1 and 100% of the total gas volumetric concentration.
- the absorber uses an alkali metal hydroxide solvent as its input.
- the alkali hydroxide solution can include at least sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, or cesium hydroxide.
- the alkali carbonate solution (107) may comprise either: sodium carbonate, lithium carbonate, potassium carbonate, or cesium carbonate.
- the alkali carbonate solution (107) is then directed to a carbonation reactor (300).
- the carbonation reactor takes as input phosphogypsum waste (301) from the phosphate industry.
- the phosphogypsum is assumed to be cleaned and primarily composed of calcium sulfate.
- the carbonation reactor (300) extracts the sulfate from the phosphogypsum to form alkali sulfate (303).
- the alkali sulfate solution (303) can comprise either sodium sulfate, lithium sulfate, potassium sulfate, or cesium sulfate.
- the alkaline sulfate is then directed to an electrodialysis stack (400).
- the electrodialysis stack (400) may include at least one electrodialysis cell.
- Each cell has two cation exchange membranes and one anion exchange membrane, sandwiched between two bipolar membranes.
- the bipolar membrane has an inner catalyst face and two outer faces that allow the exchange of cations and anions.
- Applying a voltage across the electrodialysis cell causes a direct current to flow through the bipolar membrane, which dissociates water into hydrogen protons and hydroxide ions.
- a pH of approximately 6-7 at the cation exchange layer (CEL) is sufficient to convert all ammonia into ammonium ions ( Figure 2a).
- an alkaline solution with a pH of 8.4 to 9 at the anion exchange layer (AEL) is sufficient to capture all the carbon dioxide as carbonate at the absorption column ( Figure 2b). Therefore, a voltage of 0.059 to 0.17 V must be applied across the bipolar membrane.
- the electrodialysis cell further comprises six compartments: an anode (405); a cathode (406); an alkaline compartment (404) defined between a bipolar membrane and a cation exchange membrane; an acidic compartment (403) defined between a bipolar membrane and a cation exchange membrane; and two additional compartments (401 and 402) each defined between an anion exchange membrane and its adjacent cation exchange membrane.
- One embodiment of the integrated method for the synthesis of ammonium sulfate-based fertilizers includes: supplying the electrodialysis cell with an energy source to generate the necessary electrons in the anode, cathode, and bipolar membranes; passing water through the bipolar membranes to separate it into hydroxide anions (OH-) and hydrogen cations (H+).
- the integrated ammonium sulfate production process described above has several advantages listed below compared to conventional production routes, but is not limited to them.
- This integrated route is less energy-intensive thanks to the use of an energy-efficient electrodialysis process for the synthesis of ammonium sulfate-based fertilizers.
- the integrated route requires 20% less energy compared to conventional processes (Haber-Bosch and electrochemical routes).
- the electrodialysis process requires approximately 3.18 kWh/kg DA, which comes mainly from ohmic losses in the ion-exchange membranes (1.74 kWh/kg DA).
- the integrated route avoids the use of energy-intensive PEM electrolysis and the CO2 desorption step, resulting in significant energy savings.
- Electrochemical processes are generally better suited to operation powered by renewable energy sources. This flexibility eliminates the need to integrate energy storage with renewable energy sources, thus reducing the overall system cost.
- chemical synthesis reactors such as Haber Bosch
- the embodiment described herein can be used in both intermittent and continuous production modes, under ambient temperature and atmospheric pressure conditions.
- the present invention requires no additional external raw materials other than carbon dioxide, water, electricity, and phosphogypsum.
- Other necessary reagents such as ammonia, nitrogen, and alkaline solutions are produced in-situ within the integrated process, thereby increasing the energy efficiency of the process and reducing transport losses compared to conventional processes.
- the invention further utilizes well-known and commercially available components: ion exchange membranes, a catalyst, an absorber column, a carbonation reactor, and an air separation unit.
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Abstract
Description
PROCÉDÉ INTÉGRÉ DE PRODUCTION DE SULFATE D'AMMONIUM PAR VALORISATION DES DÉCHETS DE PHOSPHOGYPSE INTEGRATED PROCESS FOR THE PRODUCTION OF AMMONIUM SULFATE BY THE VALORIZATION OF PHOSPHOGYPSE WASTE
DOMAINE DE L’INVENTION FIELD OF INVENTION
La présente invention concerne des procédés, systèmes et techniques mises en œuvre notamment dans la production électrochimique de sulfate d’ammonium par l’utilisation d’une cellule d’électrodialyse, et contribuant plus particulièrement à la valorisant des déchets de phosphogypse ainsi que des émissions de dioxyde de carbone de l’industrie du phosphate. The present invention relates to processes, systems and techniques implemented in particular in the electrochemical production of ammonium sulfate by the use of an electrodialysis cell, and contributing more particularly to the valorization of phosphogypsum waste as well as carbon dioxide emissions from the phosphate industry.
CONTEXTE DE L’INVENTION CONTEXT OF THE INVENTION
Le sulfate d’ammonium est un fertilisant à haute teneur massique en azote (21 % N) qui est largement utilisé dans l’agriculture. Les méthodes conventionnelles de production de ce fertilisant sont basées sur le procédé de Merseburg, qui nécessite souvent l’utilisation d’ammoniac provenant de la combustion des combustibles fossiles. Ammonium sulfate is a fertilizer with a high mass content of nitrogen (21% N) that is widely used in agriculture. Conventional methods of producing this fertilizer are based on the Merseburg process, which often requires the use of ammonia from the combustion of fossil fuels.
Au cours des dernières années, l’industrie agricole a fait face à une pression croissante pour adopter des pratiques plus durables, afin de répondre à la demande grandissante d’aliments tout en minimisant les impacts environnementaux. Une solution innovante, qui a attiré beaucoup d’attention à cet égard, est la production des e-ferti lisants (e-fertilizers). Cette technologie repose sur la production d’ammoniac vert à partir d’hydrogène renouvelable et d’azote récupéré dans l’air pour synthétiser les fertilisants. In recent years, the agricultural industry has faced increasing pressure to adopt more sustainable practices to meet growing food demand while minimizing environmental impacts. One innovative solution that has garnered significant attention in this regard is the production of e-fertilizers. This technology relies on producing green ammonia from renewable hydrogen and nitrogen captured from the air to synthesize fertilizers.
Cependant, cette méthode repose toujours sur l’utilisation du réacteur d’Haber Bosch pour la synthèse d’ammoniac. Ce dernier procédé utilise des catalyseurs à base de fer qui ont une flexibilité limitée et qui ne conviennent pas pour être alimentés par une source d’énergie variable telle que les énergies renouvelables.However, this method still relies on the use of the Haber-Bosch reactor for ammonia synthesis. This process uses iron-based catalysts which have limited flexibility and are not suitable for being powered by a variable energy source such as renewable energies.
De plus, les procédés industriels de production de sulfate d’ammonium existants impliquent souvent la mise en œuvre de plusieurs étapes de production et l’emploi de plusieurs équipements. Ce type de production séquentielle conduit à une méthode de production inefficace et plus coûteuse en capital. De plus, ces procédés souffrent du coût de production élevé de la production d’hydrogène vert, à moins que l’hydrogène gris à base de combustibles fossiles soit utilisé. Furthermore, existing industrial processes for the production of ammonium sulfate often involve the implementation of several production steps and the use of several pieces of equipment. This type of sequential production leads to an inefficient and more capital-intensive production method. Furthermore, these processes suffer from the high production cost of green hydrogen, unless gray hydrogen derived from fossil fuels is used.
Par conséquent, il est d’un intérêt industriel de développer des procédés de production intégrés de fertilisants à base de sulfate d’ammonium moins énergivores, moins coûteux, plus simples, continus et mieux adaptés à une alimentation par des sources d’énergies renouvelables. Therefore, it is of industrial interest to develop integrated production processes for ammonium sulfate-based fertilizers that are less energy-intensive, less expensive, simpler, continuous and better suited to being powered by renewable energy sources.
SOMMAIRE DE L’INVENTION SUMMARY OF THE INVENTION
Selon les aspects illustrés ci-dessous, la présente invention décrit un procédé intégré pour la production de fertilisants à base de sulfate d’ammonium, utilisant uniquement une source de dioxyde de carbone, une source de phosphogypse et une source d’eau et d’électricité. According to the aspects illustrated below, the present invention describes an integrated process for the production of ammonium sulfate-based fertilizers, using only a carbon dioxide source, a phosphogypsum source and a water and electricity source.
L’invention a premièrement pour objet un procédé pour la production de sulfate d’ammonium ((NH4)2SÛ4) par électrodialyse mettant en œuvre une source de cations ammonium (NH4+) d’une part, et d’anions de sulfate (SO4=) d’autre part.The invention primarily relates to a process for the production of ammonium sulfate ((NH4)2SÛ4) by electrodialysis using a source of ammonium cations (NH4 + ) on the one hand, and of sulfate anions (SO4 = ) on the other hand.
L’invention a également pour objet un procédé de captage et de fixation du gaz carbonique (CO2) à partir d’un effluent gazeux industriel riche en gaz carboniqueThe invention also relates to a method for capturing and fixing carbon dioxide (CO2) from an industrial gaseous effluent rich in carbon dioxide.
(CO2). (CO2).
La particularité de cette invention tient au fait qu’elle fait appel, pour chacune de ses mises en œuvres, à une séquence réactionnelle commune intégrant la capture du gaz carbonique contenu dans ledit effluve gazeux industriel au moyen d’un hydroxyde alcalin par sa conversion en carbonate alcalin, suivie de la mise en contact dudit carbonate alcalin avec une source de sulfate alcalino-terreux et conversion de ce dernier en sulfate alcalin, hydrosoluble, et en carbonate alcalino- terreux insoluble ou essentiellement insoluble dans l’eau. The particularity of this invention lies in the fact that it uses, for each of its implementations, a common reaction sequence integrating the capture of the carbon dioxide contained in said industrial gaseous effluvium by means of an alkali hydroxide by its conversion into alkali carbonate, followed by the contacting of said alkali carbonate with a source of alkaline earth sulfate and conversion of the latter into alkali sulfate, water-soluble, and into insoluble or essentially insoluble alkaline earth carbonate in water.
L’invention est identifiée de façon plus précise par les revendications ci-après. BREVE DESCRIPTION DES FIGURES The invention is more precisely identified by the following claims. BRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
FIG. 1 montre le schéma bloc du système intégré. FIG. 1 shows the block diagram of the integrated system.
FIG. 2 montre la variation de la concentration d’ammoniac/d’ammonium et de dioxyde de carbone/carbonates en fonction du pH. FIG. 2 shows the variation of the concentration of ammonia/ammonium and carbon dioxide/carbonates as a function of pH.
FIG. 3 montre les résultats de la comparaison des besoins énergétiques entre les voies intégrées et conventionnelles. FIG. 3 shows the results of the comparison of energy requirements between integrated and conventional pathways.
FIG. 4 montre une comparaison des résultats des coûts d’investissement et d’opération entre les voies intégrées et conventionnelles. FIG. 4 shows a comparison of investment and operating cost results between integrated and conventional routes.
DESCRIPTION DETAILLEE DE L'INVENTION DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Le procédé objet de l’invention comprend, entre autres, la mise en œuvre d’une installation industrielle schématisée en Fig. 1 et dont le fonctionnement peut être décrit comme suit : The process that is the subject of the invention includes, among other things, the implementation of an industrial installation shown schematically in Fig. 1 and whose operation can be described as follows:
- Une colonne d’absorbeur (100) utilisée pour la capture du dioxyde de carbone à partir d’une fumée émettant du dioxyde de carbone en introduisant une solution de capture alcaline d’hydroxyde alcalin (407) et en permettant au dioxyde de carbone de réagir avec l’hydroxyde alcalin pour former une solution enrichie en dioxyde de carbone constituée de carbonate alcalin (107) ; - An absorber column (100) used for capturing carbon dioxide from a smoke emitting carbon dioxide by introducing an alkaline capture solution of alkali hydroxide (407) and allowing the carbon dioxide to react with the alkali hydroxide to form a carbon dioxide-enriched solution consisting of alkali carbonate (107);
- Une unité de séparation de l’air (200) pour séparer l’azote (202) de la fumée appauvrie en dioxyde de carbone (103) ; - An air separation unit (200) to separate nitrogen (202) from carbon dioxide-depleted smoke (103);
- Un réacteur de carbonatation (300) pour la récupération du sulfate provenant des déchets de phosphogypse (301 ) afin de produire du sulfate alcalin (303) tout en précipitant le dioxyde de carbone sous forme de carbonates de calcium (302) ; - A carbonation reactor (300) for the recovery of sulfate from phosphogypsum waste (301) in order to produce alkali sulfate (303) while precipitating carbon dioxide in the form of calcium carbonates (302);
- Un stack d’électrodialyse (400), pour la production de sulfate d’ammonium (409), comprenant au moins une cellule d’électrodialyse, chaque cellule comprenant deux membranes bipolaires, une membrane échangeuse d’anions, deux membranes échangeuses de cations, une paire d’électrodes comprenant une électrode positive (anode) et une électrode négative (cathode). - La cellule d’électrodialyse comprend six compartiments, dans lequel une solution aqueuse de sulfate métallique (303) s’écoule à travers un premier compartiment (401 ) de l’électrodialyse pour séparer les ions sulfate des ions métalliques, dans lequel le premier compartiment est délimité du côté anodique par une membrane échangeuse d’anions et du côté cathodique par une membrane échangeuse de cations, dans lequel un quatrième (404) compartiment est délimité du côté anodique par une membrane échangeuse de cations et du côté cathodique par une membrane bipolaire, la membrane bipolaire comprenant respectivement une face perméable aux anions et une face perméable aux cations orientées pour faire face à une anode et à une cathode de la cellule d’électrodialyse ; et l’application d’un potentiel électrique aux bornes de la cellule d’électrodialyse fait circuler un courant continu à travers la membrane bipolaire, ce qui provoque la dissociation de l’eau de la membrane bipolaire en protons d’hydrogène et en ions hydroxyde ; dans lequel les ions hydroxyde du quatrième compartiment (404) réagissent avec les ions métalliques récupérés dans le premier compartiment pour former une solution aqueuse d’hydroxyde métallique (407) qui est recyclée dans l’absorbeur (100) ; dans lequel (i) les protons du cinquième (405) compartiment sont réduits à la cathode pour former de l’ammoniac (408), (ii) dans lequel les protons du troisième (403) compartiment réagissent avec l’ammoniac recyclé (408) du troisième (403) compartiment pour former des ions ammonium ; les ions d’ammonium migrent ensuite à travers la membrane échangeuse de cations vers le deuxième compartiment (402) et réagissent avec les ions sulfate pour donner une solution de sulfate d’ammonium (409). - An electrodialysis stack (400), for the production of ammonium sulfate (409), comprising at least one electrodialysis cell, each cell comprising two bipolar membranes, one anion exchange membrane, two cation exchange membranes, a pair of electrodes comprising a positive electrode (anode) and a negative electrode (cathode). - The electrodialysis cell comprises six compartments, in which an aqueous solution of metal sulfate (303) flows through a first compartment (401) of the electrodialysis to separate the sulfate ions from the metal ions, in which the first compartment is delimited on the anodic side by an anion exchange membrane and on the cathodic side by a cation exchange membrane, in which a fourth (404) compartment is delimited on the anodic side by a cation exchange membrane and on the cathodic side by a bipolar membrane, the bipolar membrane comprising respectively an anion-permeable face and a cation-permeable face oriented to face an anode and a cathode of the electrodialysis cell; and the application of an electrical potential across the terminals of the electrodialysis cell causes a direct current to flow through the bipolar membrane, causing the dissociation of the water in the bipolar membrane into hydrogen protons and hydroxide ions; wherein the hydroxide ions from the fourth compartment (404) react with the metal ions recovered in the first compartment to form an aqueous solution of metal hydroxide (407) which is recycled into the absorber (100); wherein (i) the protons from the fifth (405) compartment are reduced at the cathode to form ammonia (408), (ii) wherein the protons from the third (403) compartment react with the recycled ammonia (408) from the third (403) compartment to form ammonium ions; Ammonium ions then migrate through the cation exchange membrane to the second compartment (402) and react with sulfate ions to give an ammonium sulfate solution (409).
- Le sulfate d’ammonium est finalement isolé de la solution par toute méthode de déshydratation ou dessication (p. ex. spray drying) usuelle. - Ammonium sulfate is finally isolated from the solution by any usual dehydration or desiccation method (e.g. spray drying).
Description du fonctionnement du procédé Description of how the process works
Tout d’abord, une fumée de combustion riche en dioxyde de carbone (101 ) est dirigée vers une colonne d’absorbeur (100). La fumée de combustion riche en dioxyde de carbone peut comprendre l’air atmosphérique ou une cheminée de gaz de combustion de dioxyde de carbone provenant de l’usine de production d’acide phosphorique ou de toute autre industrie émettant du dioxyde de carbone. La concentration de dioxyde de carbone dans la fumée de combustion riche peut représenter entre 1 et 100 % des concentrations volumétriques du gaz total. L’absorbeur utilise un solvant d’hydroxyde de métal alcalin comme entrée. La solution d’hydroxyde alcalin peut comprendre au moins un hydroxyde de sodium, de l’hydroxyde de lithium, de l’hydroxyde de potassium ou de l’hydroxyde de césium.First, carbon dioxide-rich combustion fumes (101) are directed to an absorber column (100). The carbon dioxide-rich combustion fumes may include atmospheric air or a carbon dioxide flue gas stack from the phosphoric acid production plant or any other carbon dioxide-emitting industry. The carbon dioxide concentration in rich combustion flue gas can represent between 1 and 100% of the total gas volumetric concentration. The absorber uses an alkali metal hydroxide solvent as its input. The alkali hydroxide solution can include at least sodium hydroxide, lithium hydroxide, potassium hydroxide, or cesium hydroxide.
Le dioxyde de carbone réagit avec la solution d’hydroxyde dans l’absorbeur pour former une solution aqueuse riche en dioxyde de carbone (107) et libère une fumée appauvrie en dioxyde de carbone (103). La solution de carbonate alcalin (107) peut comprendre soit : du carbonate de sodium, du carbonate de lithium, du carbonate de potassium ou du carbonate de césium. Carbon dioxide reacts with the hydroxide solution in the absorber to form an aqueous solution rich in carbon dioxide (107) and releases a smoke depleted in carbon dioxide (103). The alkali carbonate solution (107) may comprise either: sodium carbonate, lithium carbonate, potassium carbonate, or cesium carbonate.
La solution de carbonate alcalin (107) est ensuite dirigée vers un réacteur de carbonatation (300). Le réacteur de carbonatation prend en entrée les déchets de phosphogypse (301 ) provenant de l’industrie des phosphates. Ici, le phosphogypse est supposé être nettoyé et principalement composé de sulfate de calcium. Le réacteur de carbonatation (300) extrait le sulfate du phosphogypse pour former du sulfate alcalin (303). La solution de sulfate alcalin (303) peut comprendre soit : du sulfate de sodium, du sulfate de lithium, du sulfate de potassium ou du sulfate de césium. The alkali carbonate solution (107) is then directed to a carbonation reactor (300). The carbonation reactor takes as input phosphogypsum waste (301) from the phosphate industry. Here, the phosphogypsum is assumed to be cleaned and primarily composed of calcium sulfate. The carbonation reactor (300) extracts the sulfate from the phosphogypsum to form alkali sulfate (303). The alkali sulfate solution (303) can comprise either sodium sulfate, lithium sulfate, potassium sulfate, or cesium sulfate.
Le sulfate alcalin est ensuite dirigé vers un stack d’électrodialyse (400). Le stack d’électrodialyse (400) peut comprendre au moins une cellule d’électrodialyse. The alkaline sulfate is then directed to an electrodialysis stack (400). The electrodialysis stack (400) may include at least one electrodialysis cell.
Chaque cellule possède deux membranes échangeuses de cations et une membrane échangeuse d’anions, prises en sandwich entre deux membranes bipolaires. La membrane bipolaire a une face interne de catalyseur et deux autres faces externes permettant l’échange d’anions des cations. L’application d’une tension à travers la cellule d’électrodialyse provoque le passage d’un courant continu à travers la membrane bipolaire, ce qui amène la membrane bipolaire à dissocier l’eau en protons d’hydrogène et en ions hydroxyde. La tension appliquée à la membrane bipolaire dépend de la concentration des protons d’hydrogène et des ions hydroxydes (ou du gradient de pH : V = 0,059 * (PHCEL - PHAEL). Each cell has two cation exchange membranes and one anion exchange membrane, sandwiched between two bipolar membranes. The bipolar membrane has an inner catalyst face and two outer faces that allow the exchange of cations and anions. Applying a voltage across the electrodialysis cell causes a direct current to flow through the bipolar membrane, which dissociates water into hydrogen protons and hydroxide ions. The voltage applied to the bipolar membrane depends on the concentration of hydrogen protons and hydroxide ions (or the pH gradient: V = 0.059 * (PHCEL - PHAEL)).
Comme le montre la Figure 2, un pH d’environ 6-7 au niveau de la couche d’échange cationique (CEL) est suffisant pour convertir tout l’ammoniac en ions ammonium (Figure 2a). De même, une solution alcaline avec un pH de 8,4 à 9 au niveau de la couche échangeuse d’anions (AEL) est suffisante pour capturer tout le dioxyde de carbone sous forme de carbonate au niveau de la colonne d’absorption (Figure 2b). Par conséquent, une tension de 0,059 à 0,17 V doit être appliquée à travers la membrane bipolaire. As shown in Figure 2, a pH of approximately 6-7 at the cation exchange layer (CEL) is sufficient to convert all ammonia into ammonium ions (Figure 2a). Similarly, an alkaline solution with a pH of 8.4 to 9 at the anion exchange layer (AEL) is sufficient to capture all the carbon dioxide as carbonate at the absorption column (Figure 2b). Therefore, a voltage of 0.059 to 0.17 V must be applied across the bipolar membrane.
La cellule d’électrodialyse comprend en outre six compartiments : une anode (405) ; une cathode (406) ; un compartiment alcalin (404) défini entre une membrane bipolaire et une membrane échangeuse de cations ; un compartiment acide (403) défini entre une membrane bipolaire et une membrane échangeuse de cations ; et deux compartiments supplémentaires (401 et 402) définis chacun entre une membrane échangeuse d’anions et sa membrane échangeuse de cations adjacente. The electrodialysis cell further comprises six compartments: an anode (405); a cathode (406); an alkaline compartment (404) defined between a bipolar membrane and a cation exchange membrane; an acidic compartment (403) defined between a bipolar membrane and a cation exchange membrane; and two additional compartments (401 and 402) each defined between an anion exchange membrane and its adjacent cation exchange membrane.
Un mode de réalisation de la méthode intégrée de synthèse d’engrais à base de sulfate d’ammonium comprend : l’alimentation de la cellule d’électrodialyse avec une source d’énergie pour générer les électrons nécessaires dans l’anode, la cathode et les membranes bipolaires ; faire passer l’eau à travers les membranes bipolaires pour la séparer en anions hydroxyde (OH-) et en cations hydrogène (H+) One embodiment of the integrated method for the synthesis of ammonium sulfate-based fertilizers includes: supplying the electrodialysis cell with an energy source to generate the necessary electrons in the anode, cathode, and bipolar membranes; passing water through the bipolar membranes to separate it into hydroxide anions (OH-) and hydrogen cations (H+).
; l’introduction d’un flux d’azote (202) dans le compartiment de l’anode de l’électrodialyse (405) pour le réduire en ammoniac (408) à l’aide de cations d’hydrogène et d’électrons fournis par une source d’énergie ; recyclant ainsi l’ammoniac obtenu (408) dans le compartiment acide (403) ce qui neutralise les acides (cations H+) conduisant à la formation de cations d’ammonium ; les cations ammonium passent sélectivement à travers la membrane échangeuse de cations dans le compartiment adjacent (402) ; l’introduction d’une solution aqueuse de sulfate métallique (303) dans un premier compartiment (401 ), dans lequel les cations métalliques passent sélectivement à travers la membrane échangeuse de cations dans le compartiment alcalin adjacent (404) pour régénérer la solution alcaline d’hydroxyde métallique vers la colonne d’absorption (100), et les anions sulfate passent sélectivement à travers la membrane échangeuse d’anions dans le compartiment adjacent (402) et réagissent avec les cations ammonium pour former une solution de sulfate d’ammonium. A la fin, trois flux séparés quittent le processus d’électrodialyse : une solution d’hydroxyde métallique basifié (407) ; un flux gazeux d’oxygène pur (410) ; et une solution de sulfate d’ammonium (409). Avantages du procédé ; the introduction of a nitrogen flow (202) into the electrodialysis anode compartment (405) to reduce it to ammonia (408) using hydrogen cations and electrons supplied by an energy source; thus recycling the ammonia obtained (408) into the acid compartment (403) which neutralizes the acids (H+ cations) leading to the formation of ammonium cations; the ammonium cations pass selectively through the cation exchange membrane into the adjacent compartment (402); the introduction of an aqueous solution of metal sulfate (303) into a first compartment (401), in which the metal cations pass selectively through the cation exchange membrane into the adjacent alkaline compartment (404) to regenerate the alkaline solution of metal hydroxide towards the absorption column (100), and the sulfate anions pass selectively through the anion exchange membrane into the adjacent compartment (402) and react with the ammonium cations to form an ammonium sulfate solution. At the end, three separate streams exit the electrodialysis process: a solution of basic metal hydroxide (407); a gaseous stream of pure oxygen (410); and a solution of ammonium sulfate (409). Advantages of the process
Le processus de production intégré production de sulfate d'ammonium décrite ci-dessus présente plusieurs avantages énumérés ci-dessous par rapport aux voies de production conventionnelles, mais sans pour autant s'y limiter. The integrated ammonium sulfate production process described above has several advantages listed below compared to conventional production routes, but is not limited to them.
(1 ) Cette voie intégrée est moins énergivore grâce à l’utilisation d’un procédé d’électrodialyse économe en énergie pour la synthèse d’engrais à base de sulfate d’ammonium. Comme le montre la figure 3, la voie intégrée nécessite 20 % d’énergie en moins par rapport aux procédés conventionnels (voies Haber Bosch et électrochimique). Le processus d’électrodialyse nécessite environ 3,18 kWh/kgAS, qui provient principalement des pertes ohmiques dans les membranes échangeuses d’ions (1 ,74 kWh/kgAS). La voie intégrée évite l’utilisation de l’électrolyse PEM énergivore et de l’étape de désorption du CO2, ce qui se traduit par d’importantes économies d’énergie. D’autres réductions d’énergie dans la voie intégrée sont possibles par: l’utilisation des electrocatalystes plus efficaces à la cathode qui favorisent cinétiquement la réaction de réduction de l’azote pour la production d’ammoniac ; améliorations de la stabilité et de l’efficacité des membranes échangeuses d’ions, notamment : résistivité plus faible, perméabilité plus élevée et stabilité plus élevée ; l’utilisation d’électrolytes plus efficaces et inertes qui ont des conductivités électrolytiques plus élevées tout en éliminant la formation des sous-produits. (2) Cette voie intégrée est moins coûteuse (Figure 4) : l’invention présentée ici implique l’utilisation de moins d’équipements de traitement par rapport aux procédés de l’état de la technique. Par conséquent, le coût d’investissement du processus (CAPEX) est inférieur à celui des procédés conventionnels. De plus, étant donné que l’invention ne nécessite pas l’utilisation des électrolyseurs PEM et des étapes de désorption du CO2, ses coûts d’exploitation (OPEX) sont nettement inférieurs. Dans l’ensemble, la voie intégrée divulguée dans le présent document permet d’avoir des économies en coûts de plus de 26 % (figure 4). (3) Plus flexible : les procédés électrochimiques sont en général plus adaptés au fonctionnement sous une alimentation par les sources d’énergies renouvelables. Cette flexibilité élimine le besoin d’intégrer le stockage d’énergie aux énergies renouvelables, réduisant ainsi le coût global du système. D’autre part, les réacteurs de synthèse chimique (tels que Haber Bosch) nécessitent une attention particulière lorsqu’ils sont alimentés par des sources intermittentes, car cela peut entraîner des dommages permanents à leurs catalyseurs. (1) This integrated route is less energy-intensive thanks to the use of an energy-efficient electrodialysis process for the synthesis of ammonium sulfate-based fertilizers. As shown in Figure 3, the integrated route requires 20% less energy compared to conventional processes (Haber-Bosch and electrochemical routes). The electrodialysis process requires approximately 3.18 kWh/kg DA, which comes mainly from ohmic losses in the ion-exchange membranes (1.74 kWh/kg DA). The integrated route avoids the use of energy-intensive PEM electrolysis and the CO2 desorption step, resulting in significant energy savings. Further energy reductions in the integrated route are possible through: the use of more efficient cathode electrocatalysts that kinetically promote the nitrogen reduction reaction for ammonia production; Improvements in the stability and efficiency of ion-exchange membranes include: lower resistivity, higher permeability, and greater stability; the use of more efficient and inert electrolytes with higher electrolytic conductivities while eliminating the formation of byproducts. (2) This integrated route is less expensive (Figure 4): the invention disclosed herein involves the use of less processing equipment compared to prior art processes. Consequently, the capital expenditure (CAPEX) of the process is lower than that of conventional processes. Furthermore, since the invention does not require the use of PEM electrolyzers and CO2 desorption steps, its operating expenses (OPEX) are significantly lower. Overall, the integrated route disclosed herein results in cost savings of more than 26% (Figure 4). (3) More flexible: Electrochemical processes are generally better suited to operation powered by renewable energy sources. This flexibility eliminates the need to integrate energy storage with renewable energy sources, thus reducing the overall system cost. On the other hand, chemical synthesis reactors (such as Haber Bosch) require special attention when powered by intermittent sources, as this can cause permanent damage to their catalysts.
(4) Plus simple : le mode de réalisation décrit ici peut être utilisé à la fois en mode de production intermittent ou continu, dans des conditions de température ambiante et de pression atmosphérique. De plus, la présente invention ne nécessite aucune matière première externe supplémentaire autre que le dioxyde de carbone, l’eau, l’électricité et le phosphogypse. D’autres réactifs nécessaires (tels que l’ammoniac, l’azote et les solutions alcalines) sont produits in-situ dans le procédé intégré, ce qui augmente l’efficacité énergétique du procédé et réduit les pertes de transport par rapport aux procédés conventionnels. (4) In simpler terms: the embodiment described herein can be used in both intermittent and continuous production modes, under ambient temperature and atmospheric pressure conditions. Furthermore, the present invention requires no additional external raw materials other than carbon dioxide, water, electricity, and phosphogypsum. Other necessary reagents (such as ammonia, nitrogen, and alkaline solutions) are produced in-situ within the integrated process, thereby increasing the energy efficiency of the process and reducing transport losses compared to conventional processes.
(5) L’invention met en outre en œuvre des composants bien connus et commercialement disponibles: membranes échangeuses d’ions, catalyseur, colonne d’absorbeur, réacteur de carbonatation et unité de séparation de l’air. (5) The invention further utilizes well-known and commercially available components: ion exchange membranes, a catalyst, an absorber column, a carbonation reactor, and an air separation unit.
Claims
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| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| MA65759 | 2024-05-16 | ||
| MA65759 | 2024-05-16 |
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|---|---|---|---|
| PCT/MA2025/050007 Pending WO2025239762A1 (en) | 2024-05-16 | 2025-05-16 | Integrated method for producing ammonium sulfate by reclaiming phosphogypsum waste |
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2025
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