[發(fā)明專利]一種基于合金金屬絲網(wǎng)-雙極膜復(fù)合電極技術(shù)制備丁二酸的方法

無效

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• 申請日: 2010-10-15
• 公開（公告）號: CN102021604A
• 公開（公告）日: 2011-04-20
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 陳震;鄭曦;謝鴻芳;陳日耀;陳曉;陳雙
• 申請（專利權(quán)）人: 福建師范大學(xué)
• 主分類號: C25B3/04
• 分類號: C25B3/04;C25B13/02;C25B11/03
• 代理公司: 福州元創(chuàng)專利商標(biāo)代理有限公司 35100
• 代理人: 蔡學(xué)俊;吳欽緣

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種電化學(xué)合成領(lǐng)域，具體涉及電解槽中陽極的設(shè)計及一種基于合金金屬絲網(wǎng)-雙極膜復(fù)合電極技術(shù)在陰極室制備丁二酸的方法。采用該方法具有綠色環(huán)保，節(jié)能減排的效果。

技術(shù)背景

電解生產(chǎn)中的節(jié)能技術(shù)一直是人們關(guān)注的焦點。電解槽中電解液在傳質(zhì)過程中因其阻抗發(fā)熱，將電能轉(zhuǎn)化為熱能，不但不必要地增加許多副反應(yīng)，如析氫、析氧及增加了非目標(biāo)產(chǎn)物的生成，同時還增加了電解槽中冷卻系統(tǒng)而帶來的不必要的設(shè)計及運行費用，從而增加了產(chǎn)品的成本。本發(fā)明以金屬-合金絲網(wǎng)為陽極，并將陽極金屬-合金絲網(wǎng)緊貼在雙極膜上，制備出金屬-合金絲網(wǎng)-雙極膜復(fù)合電極，將陽極室的空間大大壓縮，實現(xiàn)了零極距電解，消減了陽極室中的傳質(zhì)阻抗，從而減小了電解槽電壓，達(dá)到了節(jié)能的效果。

丁二酸是一種具有廣泛用途的有機化工原料。主要用于涂料、染料、塑料、粘合劑和醫(yī)藥方面。工業(yè)上合成丁二酸主要有化學(xué)法、生物轉(zhuǎn)化法和電解法。目前，大部分工業(yè)用丁二酸是通過化學(xué)法生產(chǎn)，主要分為氧化法、加氫法和催化加成法等，這些方法工藝比較成熟，但存在較多的問題，如副反應(yīng)較難控制、產(chǎn)率低、純度不高、操作條件難度高、使用催化劑價格昂貴等，而且在生產(chǎn)過程中會造成大量的污染。近年來，利用細(xì)菌或微生物發(fā)酵獲得丁二酸，由于采用淀粉、葡萄糖、牛乳或其它微生物能夠利用的廢料為原料，逐漸成為國內(nèi)外研究的熱點。但仍有大量的工作需進(jìn)一步研究和完善，如產(chǎn)品提取效率低、產(chǎn)酸率和轉(zhuǎn)化率低、生產(chǎn)成本昂貴、產(chǎn)生的廢水量大(據(jù)估計每生產(chǎn)1t丁二酸產(chǎn)生的廢水將達(dá)到10t以上)等，很難滿足工業(yè)生產(chǎn)的需要。

電化學(xué)生產(chǎn)丁二酸技術(shù)有隔膜法和無隔膜法兩種。隔膜法多以Nafion單膜做為電解槽的隔膜，采用該方法時因陰極室的析氫反應(yīng)使陰極液呈堿性，為保證丁二酸的生成應(yīng)外加酸來將陰極液調(diào)至酸性；無隔膜法為了防止陰極生成的丁二酸在陽極的電聚合反應(yīng)，存在有潛在的產(chǎn)品安全風(fēng)險，要嚴(yán)格控制陽極電位，給操作帶來不便。本發(fā)明以順丁烯二酸酐為原料，利用雙極膜作為電解槽的隔膜，順丁烯二酸酐在陰極水解還原后生成丁二酸，防止了丁二酸在陽極的多聚反應(yīng)，保證了產(chǎn)品的純度。此外，雙極膜中間層中的水解離出H⁺透過陽離子交換層到達(dá)陰極室補充氫離子的消耗。在電解過程中無需再外加無機酸來維持陰極室的酸性環(huán)境，節(jié)約了生產(chǎn)成本，同時也防止了環(huán)境污染，且具有高的電流效率，是一種綠色環(huán)保的新興工藝。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明以合金金屬絲網(wǎng)為陽極，并將陽極合金金屬絲網(wǎng)緊貼在雙極膜上，制備出合金金屬絲網(wǎng)-雙極膜復(fù)合電極，將陽極室的空間大大壓縮，實現(xiàn)了零極距電解，大大消減了陽極室中的傳質(zhì)阻抗，從而減小了電解槽電壓，達(dá)到了節(jié)能的效果。

本發(fā)明的技術(shù)方案是一種基于雙極膜技術(shù)，以價廉的順丁烯二酸酐為原料，采用綠色環(huán)保、節(jié)能的方法，在陰極室中制備丁二酸。采用本發(fā)明方法，制備條件溫和，在20℃～65℃下生產(chǎn)，陰極室的電流效率高于90％，達(dá)到節(jié)能的效果，目前尚未見有文獻(xiàn)報道。

為達(dá)到以上目的，本發(fā)明通過以下的的技術(shù)方案來實現(xiàn)：

(1)合金金屬絲網(wǎng)-雙極膜復(fù)合電極的制備：

將陽離子交換膜層乳液流延于合金金屬網(wǎng)格孔距為0.1～10mm的合金絲網(wǎng)上，待其近干時再在陽極膜上覆以陰離子交換膜層乳液，風(fēng)干后即為合金金屬絲網(wǎng)-雙極膜復(fù)合電極。

(2)電解槽組裝：

以雙極膜作為電解槽的中間隔膜，雙極膜采用反向組裝法，即雙極膜中的陽離子交換膜層面向陰極室，陰離子交換膜層面向陽極室；以合金金屬絲網(wǎng)作陽極；鉛電極作為陰極。

(3)電解液：

陰極室：順丁烯二酸的水溶液，0.1～3.0mol·L^-1；

陽極室：1mol·L^-1的硫酸溶液。

(4)電解條件|：

電流密度：10～100mA/cm²；

支持電解質(zhì)：0.1～1mol·L^-1的硫酸溶液。

電解槽電壓：2～4V；

電解液溫度：20℃～65℃。

(5)丁二酸的制備：

順丁烯二酸酐在陰極室內(nèi)水解為順丁烯二酸，繼而電還原后生成丁二酸，陰極室中制備丁二酸的反應(yīng)方程式如下：

雙極膜中間層內(nèi)的水解離生成的H⁺透過陽離子膜層進(jìn)入陰極室中，補充了順丁烯二酸電還原生成丁二酸過程中所需的H⁺，促使反應(yīng)正向進(jìn)行。