Question

【题目】沼气的主要成分是CH4，还含有CO2、H2S等。Jo De Vrieze等设计了利用膜电解法脱除沼气中的CO2和H2S，并将阴极处理后气体制成高纯度生物甲烷，其流程如图所示。

(1) 需控制电解槽中阴极室pH>7，其目的是________________。

(2) 阳极室逸出CO2和________(填化学式)；H2S在阳极上转化为SO42-而除去，其电极反应式为___________________。

(3) 在合成塔中主要发生的反应为：

反应Ⅰ： CO2(g)＋4H2(g)=CH4(g)＋2H2O(g)　ΔH1

反应Ⅱ： CO2(g)＋H2(g)=CO(g)＋H2O(g)　ΔH2

调节＝4，充入合成塔，当气体总压强为0.1 MPa，平衡时各物质的物质的量分数如图1所示；不同压强时，CO2的平衡转化率如图2所示：

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

②图1中，200～550 ℃时，CO2的物质的量分数随温度升高而增大的原因是__________。

③图2中，相同温度下，压强越大，CO2的平衡转化率越大，其原因是___________________；在压强为10 MPa时，当温度在200～800 ℃范围内，随温度升高，CO2的平衡转化率始终减小，其原因是________________________。

Answer 1

【答案】将H2S转化为HS－(S2－)，部分CO2转化为HCO3- (CO32-) O2 H2S＋4H2O－8e－===10H＋＋SO42- 2ΔH2—ΔH1 ΔH1＜0，ΔH2＞0，温度升高时，反应Ⅰ向左移动增加的CO2的量大于反应Ⅱ向右移动减少的CO2的量 增大压强，反应Ⅱ不移动，反应Ⅰ向正反应方向移动 反应Ⅰ中CO2减小的平衡转化率始终大于反应Ⅱ中CO2增大的平衡转化率(或反应Ⅰ、Ⅱ中CO2平衡时的净转化率呈减小趋势)

【解析】

(1) 沼气中的CO2和H2S，需在阴极室中处理达到合成高纯度生物甲烷要求，需控制电解槽中阴极室pH>7，其目的是将H2S转化为HS－(S2－)，部分CO2转化为HCO3- (CO32-)。

(2) 阳极：2H2O -4e－=4H+＋O2↑,阳极室逸出CO2和O2；H2S在阳极上转化为SO42-而除去，其电极反应式为H2S＋4H2O－8e－=10H＋＋SO42-。

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

②图1中，200～550 ℃时，CO2的物质的量分数随温度升高而增大的原因是：ΔH1＜0，ΔH2＞0，温度升高时，反应Ⅰ向左移动增加的CO2的量大于反应Ⅱ向右移动减少的CO2的量。

③图2中，相同温度下，压强越大，CO2的平衡转化率越大，其原因是：增大压强，反应Ⅱ不移动，反应Ⅰ向正反应方向移动；

在压强为10 MPa时，当温度在200～800 ℃范围内，随温度升高，CO2的平衡转化率始终减小，其原因是：反应Ⅰ中CO2减小的平衡转化率始终大于反应Ⅱ中CO2增大的平衡转化率(或反应Ⅰ、Ⅱ中CO2平衡时的净转化率呈减小趋势)。