Iodine-sulfur(IS) hydrogenation production process consists of three sections, which are so called a Bunsen reaction section, a HI decomposition section and a $H_2SO_4$ decomposition section as a closed cycle. For highly efficient operation of a Bunsen reaction section, we investigated the phase separation characteristics of $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ system into two liquid phases($H_2SO_4$-rich phase and $HI_x$-rich phase) in the high temperature ranges, mainly from 353 to 393 K, and in the $H_2SO_4/HI/H_2O/I_2$ molar ratio of $1/2/14{\sim}30/0.3{\sim}13.50$. The desired results for the minimization of impurities in each phase were obtained in conditions with the higher temperature and the higher $I_2$ molar composition. On the basis of the distribution of $H_2O$ to each phase, it is appeared that the affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was more superior to that between $H_2SO_4$ and $H_2O$.
Kim, Hyo Sub;Lee, Dong Hee;Lee, Jong Gyu;Park, Chu Sik;Kim, Young Ho
Applied Chemistry for Engineering
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v.29
no.1
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pp.56-61
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2018
In Bunsen reaction section for the integrated operation of sulfur-iodine (SI) process, $I_2$ and $H_2O$ reactants are supplied as dissolved species in an $HI_x$ solution. Most of the $H_2SO_4$ product is found in the $HI_x$ phase when Bunsen reaction is performed using the $HI_x$ solution and $SO_2$ feed, so that the volume ratio of the $H_2SO_4$ phase to the $HI_x$ phase is very low. In this study, we investigated the effects of ultrasound irradiation on Bunsen reaction using the $HI_x$ solution to improve its phase separation performance. With ultrasound irradiation, the amount of $H_2SO_4$ moved to the $H_2SO_4$ phase from the $HI_x$ phase increased by up to 58.0 mol% and the volume of $H_2SO_4$ phase also increased by up to 13.1 vol%. In particular, the effect of ultrasound irradiation on the phase separation was improved with decreasing operating temperature, $I_2$ and $H_2O$ feed concentrations. The ultrasound irradiation induces the formation of additional $H_2O$ molecules by shifting microscopically the reaction equilibrium in the $HI_x$ phase. Afterward, the additionally generated $H_2O$ and isolated $H_2SO_4$ molecules form more $H_2SO_4{\cdot}xH_2O$ (x = 5-6) clusters that can be moved to the $H_2SO_4$ phase.
The objective of this work was to study the properties of purification of two liquid phase for exclusion of impurities in each phase. The experiments for process variables were carried out in the temperature range($H_{2}SO_{4}$ phase: $413{\sim}513$ K, $HI_{x}$ phase: $353{\sim}453$ K) and in the $N_{2}$ flow rate range($H_{2}SO_{4}$, $HI_{x}$ phase: $50{\sim}200$ mL/min). As the results, it is appeared that the principles of $H_{2}SO_{4}$ phase purification was due to stripping, evaporation and reverse bunsen reaction and $HI_{x}$ phase purification was due to stripping and reverse bunsen reaction. In purification of $H_{2}SO_{4}$ phase, the concentration rate of $H_{2}SO_{4}$ phase was controled by temperature but the temperature had few effects on yield of $H_{2}SO_{4}$. In purification of $HI_{x}$ phase, we observed products of side reactions($H_{2}S$, S) over 433 K. The purity of $HI_{x}$ phase was increased with increasing $N_{2}$ flow rate because impurites were decreased with increasing conversion of reverse reaction.
For highly efficient operation of a Bunsen process section in an iodine-sulfur thermochemical hydrogen production cycle using nuclear heat, the process characteristics of $H_2SO_4-HI-H_2-O-I_2$ mixture system for separating into two liquid phases ($H_2SO_4$-rich phase and $HI_x$-rich phase) and the distribution of $H_2O$ to each phase were investigated.The experiments for process variables were carried out in the temperature range, from 298 to 353 K, and in the $H_2SO_4/HI/H_2O/I_2$ molar ratio of 1/2/14~20/0.5~8.0. As the results, for the $SO_2-I_2-H_2O$ Bunsen reaction system, the ranges between the starting point and the saturation point for two liquid phases separation were determined by calculation. The best result for the minimization of impurities (HI and $I_2$ in $H_2SO_4$ phase and $H_2SO_4$ in $HI_x$ phase) in each phase was obtained in an optimum condition with the highest temperature of 353 K and the highest $I_2$ molar composition. In this condition, the $HI/H_2SO_4$ molar ratio in the $H_2SO_4$-rich phase and the $H_2SO_4/HI_x$ molar ratio in the $HI_x$-rich phase were 0.024 and 0.028, respectively. For the distribution of $H_2O$ to each phase, it is appeared that the affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was more superior to that between $H_2SO_4$ and $H_2O$. The affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was decreased with increasing temperature but increased with increasing $I_2$ molar composition.
The hydration mechanism of the $3CaO{\cdot}Al_2O_3-CaSO_4{\cdot}2H_2O$ system in the presence of alkali sulfates has been investigated. The early hydration rate of $3CaO{\cdot}Al_2O_3$ was accelerated by the addition of $Na_2SO_4$ and $K_2SO_4$. This is closely related to the formation of syngenite $(CaSO_4{\cdot}K_2SO_4{\cdot}H_2O)$, and the U-phase added $K_2SO_4$ and $Na_SO_4$ in the $3CaO{\cdot}Al_2O_3-CaSO_4{\cdot}2H_2O$ system, respectively. The formation of the rigid syngenite and U-phase structure led to rapid setting and decreases the sulfate content in the liquid phase of the hydrating cement to the extent that it cannot adequately retard the hydration of $3CaO{\cdot}Al_2O_3$. In case of the alkali sulfate not added to the $3CaO{\cdot}Al_2O_3-CaSO_4{\cdot}2H_2O$ system, the ettringite was transformed to monosulfoaluminate immediately after the consumption of gypsum. However, when the alkali sulfates were added to this system, the ettringite did not transform to monosulfoaluminate immediately even though the gypsum was completely consumed. There was a stagnation period to transform to the monosufoaluminate after the consumption of gypsum because the syngenite and U-phase remained as the sulfate source.
The Sulfur-iodine(SI) thermochemical cycle is one of the most promising methods for massive hydrogen production. For the purpose of continuous operation of SI cycle, phase separation characteristics into two liquid phases ($H_2SO_4$-rich phase and $HI_x$-rich phase) were directly investigated via Bunsen reaction. The experiments for Bunsen reaction were carried out in the temperature range, from 298 to 333 K, and in the $I_2/H_2O$ molar ratio of $0.109{\sim}0.297$ under a continuous flow of $SO_2$ gas. As the results, solubility of $SO_2$, decreased with increasing the temperature, had considerable influence on the global composition in the Bunsen reaction system. The amounts of impurity in each phase(HI and $I_2$ in $H_2SO_4$-rich phase and $H_2SO_4$ in $HI_x$-rich phase) were decreased with increasing $H_2SO_4$ molar ratio and temperature. To control the amounts of impurity in $HI_x$-rich phase, temperature is a factor more important than $I_2/H2_O$ molar ratio. On the other hand, the affinity between $HI_x$ and $H_2O$ was increased with increasing $I_2/H2_O$molar ratio.
The Sulfur-Iodine(SI) thermochemical hydrogen production process consists of three sections, which are so called the Bunsen reaction section, the $H_2SO_4$ decomposition section and the HI decomposition section. In order to identify the phase separation characteristics in the reaction conditions with the high solubility of $SO_2$, we conducted the Bunsen reaction at the low temperatures, ranging from 283 to 298K, with the $I_2/H_2O$ molar ratios of 2.5/16.0 and 3.5/16.0. The molar ratios of HI/$H_2SO_4$ products obtained from low temperature Bunsen reactions were ca. 2, indicating that there were no side reactions. The amount of reacted $SO_2$ was increased with decreasing the temperature, while the amounts of unreacted $I_2$ and $H_2O$ were decreased. In the phase separation of the products, the amount of a $H_2SO_4$ impurity in $HI_x$ phase was increased with decreasing the temperature, though the temperature has little affected on HI and $I_2$ impurities in $H_2SO_4$ phase.
The Langmuir adsorption isotherm at the $(Pt)/0.1M\;H_2SO_4$ electrolyte interface has been qualitatively analyzed using the ac impedance measurement and phase-shift method. The phase shift $(\phi)$ depends on both the cathode potential (E<0) and frequency (f) and is inversely proportional to the factional surface coverage $(\theta)$. At an intermediate frequency band (ca. $1\~100$ Hz), the phase-shift profile $(\phi\;vs.\;E)$ can be related to the fractional surface coverage $(\theta\;vs.\;E)$. The phase-shift profile $(\phi\;vs.\;E)$ can be used as an experimental method to estimate and analyze the Langmuir adsorption isotherm $(\theta\;vs.\;E)$. The equilibrium constant (K) and the standard free energy $({\Delta}G_{ads})$ of the adsorbed hydrogen atom $(H_{ads})\;and\;3\times10^{-4}$ and 20.1 kJ/mol, respectively.
A Bunsen reaction section is a primary stage of Sulfur-iodine thermochemical hydrogen production cycle. This section is important, because it decides the efficiency of next stages. In order to produce hydrogen very efficiently, the characteristics of Bunsen reaction were investigated via two experimental methods. The one is a phase separation of $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ mixture system, and the other is a direct Bunsen reaction. The characteristics of each method were investigated and compared. As the result of this study, the amount of HI and $I_2$ in $H_2SO_4$ phase via Bunsen reaction was more decreased than that via $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ mixture system with increasing $I_2$ concentration. However, the amount of $H_2SO_4$ in $HI_x$ phase via Bunsen reaction was remarkably increased with increasing $I_2$ concentration, while that via $H_2SO_4-HI-H_2O-I_2$ mixture system was decreased. On the other hand, the range of initial composition which is able to separate into two liquid phases without $I_2$ solidification was almost alike.
Spherical nanosized cobalt powder with an average size of 150-400 nm was successfully prepared at room temperature from cobalt sulfate heptahydrate ($CoSO_4{\cdot}7H_2O$). Wet chemical reduction method was adopted to synthesize nano cobalt powder and hypophosphorous acid ($H_3PO_2$) was used as reduction agent. Both the HCP and the FCC Co phase were developed while $CoSO_4{\cdot}7H_2O$ concentration ranged from 0.7 M to 1.1 M. Secondary phase such as $Co(OH)_2$ and $CO_3O_4$ were also observed. Peaks for the crystalline Co phase having HCP and FCC structure crystallized as increasing the concentration of $H_3PO_2$, indicating that the amount of reduction agent was enough to reduce $Co(OH)_2$. Consequently, a homogeneous Co phase could be developed without second phase when the $H_3PO_2/CoSO_4{\cdot}7H_2O$ ratio exceeded 7.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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