Question

【題目】沼氣的主要成分是CH4，還含有CO2、H2S等。Jo De Vrieze等設計了利用膜電解法脫除沼氣中的CO2和H2S，并將陰極處理后氣體制成高純度生物甲烷，其流程如圖所示。

(1) 需控制電解槽中陰極室pH>7，其目的是________________。

(2) 陽極室逸出CO2和________(填化學式)；H2S在陽極上轉化為SO42-而除去，其電極反應式為___________________。

(3) 在合成塔中主要發生的反應為：

反應Ⅰ： CO2(g)＋4H2(g)=CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1

反應Ⅱ： CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g)　ΔH2

調節＝4，充入合成塔，當氣體總壓強為0.1 MPa，平衡時各物質的物質的量分數如圖1所示；不同壓強時，CO2的平衡轉化率如圖2所示：

①反應CO2(g)＋CH4(g)=2CO(g)＋2H2(g)的△H＝________(用ΔH1、ΔH2表示)。

②圖1中，200～550 ℃時，CO2的物質的量分數隨溫度升高而增大的原因是__________。

③圖2中，相同溫度下，壓強越大，CO2的平衡轉化率越大，其原因是___________________；在壓強為10 MPa時，當溫度在200～800 ℃范圍內，隨溫度升高，CO2的平衡轉化率始終減小，其原因是________________________。

Answer 1

【答案】將H2S轉化為HS－(S2－)，部分CO2轉化為HCO3- (CO32-) O2 H2S＋4H2O－8e－===10H＋＋SO42- 2ΔH2—ΔH1 ΔH1＜0，ΔH2＞0，溫度升高時，反應Ⅰ向左移動增加的CO2的量大于反應Ⅱ向右移動減少的CO2的量 增大壓強，反應Ⅱ不移動，反應Ⅰ向正反應方向移動 反應Ⅰ中CO2減小的平衡轉化率始終大于反應Ⅱ中CO2增大的平衡轉化率(或反應Ⅰ、Ⅱ中CO2平衡時的凈轉化率呈減小趨勢)

【解析】

(1) 沼氣中的CO2和H2S，需在陰極室中處理達到合成高純度生物甲烷要求，需控制電解槽中陰極室pH>7，其目的是將H2S轉化為HS－(S2－)，部分CO2轉化為HCO3- (CO32-)。

(2) 陽極：2H2O -4e－=4H+＋O2↑,陽極室逸出CO2和O2；H2S在陽極上轉化為SO42-而除去，其電極反應式為H2S＋4H2O－8e－=10H＋＋SO42-。

(3) ①反應Ⅰ： CO2(g)＋4H2(g)=CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1，反應Ⅱ： CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g)　ΔH2，由蓋斯定律，反應Ⅱ×2-反應Ⅰ,反應CO2(g)＋CH4(g)=2CO(g)＋2H2(g)的△H＝2ΔH2—ΔH1。

②圖1中，200～550 ℃時，CO2的物質的量分數隨溫度升高而增大的原因是：ΔH1＜0，ΔH2＞0，溫度升高時，反應Ⅰ向左移動增加的CO2的量大于反應Ⅱ向右移動減少的CO2的量。

③圖2中，相同溫度下，壓強越大，CO2的平衡轉化率越大，其原因是：增大壓強，反應Ⅱ不移動，反應Ⅰ向正反應方向移動；

在壓強為10 MPa時，當溫度在200～800 ℃范圍內，隨溫度升高，CO2的平衡轉化率始終減小，其原因是：反應Ⅰ中CO2減小的平衡轉化率始終大于反應Ⅱ中CO2增大的平衡轉化率(或反應Ⅰ、Ⅱ中CO2平衡時的凈轉化率呈減小趨勢)。