This report presents an evaluation of three alternative anode reactions and eight redox shuttlesfor Copper Lavender’s electrochemical process for producing dibromoethane. This is donethrough a literary review with supporting experimental validation. The alternative anodereactions studied are the oxidation of chloride to chlorine, methanol to formaldehyde, andethanol to ethyl acetate. The evaluated redox shuttles include polyoxometalates, organiccompounds, iron-based complexes, and the Cu0/Cu2+ redox couple. Copper Lavender’s existingprocess is based on the 12-electron reduction of CO₂ to ethylene at the cathode and the 2-electron oxidation of bromide to bromine at the anode.

Alternative anode reactions are evaluated to address the system's electron imbalance while alsogenerating valuable byproducts that enhances the process profitability. All three oxidationprocesses were found to be suitable anode reactions, yielding commercially valuable productssuch as chlorine, formaldehyde, and ethyl acetate. To compare their performance, energyconsumption was calculated per ECU, which is defined as the paired production of one kg ofethylene along with the corresponding amount of byproduct based on stoichiometry.

Among the alternatives, pairing ethylene production with ethanol oxidation to ethyl acetateresulted in the lowest energy consumption, –0.462 kWh/ECU, indicating that this reactioncould theoretically generate energy. The methanol-to-formaldehyde and chloride-to-chlorinepairings showed higher energy requirements, at 2.99 kWh/ECU and 22.4 kWh/ECUrespectively. Despite the higher energy demand, chlorine production still yielded a high profitmargin of 184%. The highest profitability was observed for the ethylene and ethyl acetateproduction, with estimated profits between 175% and 296% depending on the varying marketprice of ethyl acetate. Experimental validation further confirmed that both ethanol andmethanol oxidation result in lower cell voltages than the conventional bromide oxidation, withethanol oxidation showing a higher conversion efficiency to ethyl acetate than methanol toformaldehyde.

Redox shuttles are used for transporting electrons from the anodic oxidation reactions to thecathodic 12-electron CO2 reduction. For integration into Copper Lavender’s process, a suitableredox shuttle should operate effectively at low pH levels, to favour bromine production overbromate formation, and have a redox potential that falls between the potentials of the cathode(0.06 V) and the selected anode reaction to reduce overall energy. Results indicate thatphosphomolybdic acid and potassium hydroquinone sulfonate produce favourable anodepotentials when paired with methanol and ethanol oxidation, suggesting a lower theoreticalenergy requirement compared to other redox shuttle options. Additionally, all investigatedredox shuttles could reduce the energy input required when paired with chlorine production.However, most of the redox shuttles would likely increase the energy demand when paired withethyl acetate production. This is because all redox shuttle potentials fall above both the cathodicand anodic potentials, placing them outside the optimal range for reducing overall energy input.Experimental results show that the redox shuttles Fe(EDTA)-/Fe(EDTA)2- and [P2W18O62]6- asanodic reactions lead to increased cell voltages, compared to bromide oxidation at the anode.Results also showed that the redox couple Cu2+/Cu0 offered minimal benefit in terms of voltagereduction and system simplification.

A capital expenditure (CAPEX) analysis was conducted to estimate the investment needed forscaling up the paired production of ethylene and chlorine. Based on theoretical energy values,the required investment is approximately 8 million EUR for a system with a production rate ofthree tonnes ethylene per day. However, practical factors such as overpotentials and ohmiclosses will increase the actual energy requirements and thereby raising the overall investmentcost. Since the electrolyser represents the largest cost component, elements such as membranesand electrodes have a greater influence on the total investment than indirect costs or balanceof plant (BOP) expenses.

Den här rapporten utvärderar tre alternativa anodreaktioner och åtta redoxshuttlar för CopperLavenders elektrokemiska process för produktion av dibrometan. Arbetet bygger på enlitteraturstudie med kompletterande experimentell validering. De alternativaanodreaktionerna som undersökts är oxidation av klorid till klor, metanol till formaldehyd samtetanol till etylacetat. De utvärderade redoxshuttlarna inkluderar polyoxometallater(polyoxometalates), organiska föreningar, järnbaserade komplex samt redoxparet Cu2+/Cu0.Copper Lavenders befintliga process inkluderar en 12-elektrons reduktion av CO2 till eten vidkatoden och en 2-elektrons oxidation av bromid till brom vid anoden.

Syftet med att använda alternativa anodreaktioner är att bidra med elektroner tillreduktionsprocessen samt att producera kommersiellt värdefulla biprodukter som kan ökaprocessens lönsamhet. Samtliga tre oxidationsreaktioner visade sig vara lämpligaanodreaktioner som ger upphov till värdefulla produkter som klor, formaldehyd och etylacetat.För att jämföra de olika alternativen beräknades energiförbrukningen per ECU, där en ECUmotsvarar den kombinerade produktionen av ett kilo eten och den motsvarande mängdenbiprodukt enligt den balanserade reaktionen.

Den samtidiga produktionen av eten och etylacetat har den lägsta energiförbrukningen på –0,462 kWh/ECU, vilket teoretiskt innebär att reaktionen genererar energi. Den samtidigaproduktionen av eten och formaldehyd och den för eten och klor kräver 2,99 kWh/ECUrespektive 22,4 kWh/ECU. Trots den högre energiförbrukningen ger klorproduktionen envinstmarginal på 184 %. Den högsta vinstmarginalen uppnåddes vid parad eten- ochetylacetatproduktion, vilket genererade en vinst mellan 175–296 % beroende påmarknadspriset för etylacetat. Experiment bekräftade även att både etanol- ochmetanoloxidation leder till lägre cell potentialer jämfört med den konventionellabromidoxidationen, där etanoloxidation visade högre konverteringseffektivitet till etylacetat änmetanol till formaldehyd gjorde.

Redoxshuttlar används för att transportera elektroner från anodreaktionerna till reduktionenav CO2 vid katoden. För att kunna användas i Copper Lavenders process bör en lämpligredoxshuttle fungera effektivt vid låga pH-värden, för att gynna bromproduktion överbromatbildning, samt ha en redoxpotential mellan katodpotentialen (0,06 V) och valdanodreaktion. Resultaten visar att fosfomolybdinsyra (phosphomolybdic acid) och kaliumhydrokinon sulfonat (potassium hydroquinone sulfonate) ger positiva anodpotentialer när deparas med metanol- och etanoloxidation, vilket antyder lägre teoretiskt energibehov änresterande alternativ. Alla undersökta redoxshuttlar kan minska energibehovet vid parningmed klorproduktion, men de flesta sannolikt ökar energibehovet vid parning medetylacetatproduktion. Detta är på grund av att redoxshuttlarnas potentialer är högre än bådekatodens och anodens potentialer, vilket innebär att de befinner sig utanför det optimalaspannet för att minska det totala energibehovet. Experiment visade att användningen avFe(EDTA)-/Fe(EDTA)2- och [P2W18O62]6- som anodreaktioner ökade cellpotentialen, jämförtmed när brom oxiderades. Experiment visade även att redoxshuttlen Cu2+/Cu0 gav liten elleringen fördel med avseende på cellpotential och processförenkling.

En investeringskostnadsanalys (CAPEX) genomfördes för att uppskatta investeringen för attskala upp den samtidiga produktionen av eten och klor. Baserat på teoretiska energivärdenuppskattas investeringen till cirka 8 miljoner euro för en anläggning med en kapacitet på treton eten per dag. Praktiska faktorer såsom överpotentialer kommer dock att öka den faktiskaenergiförbrukningen och därmed även investeringskostnaden. Eftersom elektrolysören utgörden största kostnadsfaktorn påverkar komponenter som membran och elektrodertotalinvesteringen mer än indirekta kostnader eller "balance of plant" kostnader (BOP).