[發(fā)明專利]一種低成本生產(chǎn)高純度過氧化氫和氫氣的電解方法

有效

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• 申請日: 2016-07-19
• 公開（公告）號: CN105951117B
• 公開（公告）日: 2018-02-02
• 發(fā)明（設計）人: 李國嶺
• 申請（專利權）人: 李國嶺
• 主分類號: C25B1/00
• 分類號: C25B1/00;C25B1/02;C25B11/04
• 代理公司: 洛陽公信知識產(chǎn)權事務所(普通合伙)41120
• 代理人: 孫笑飛

技術領域

本發(fā)明涉及一種制備過氧化氫和氫氣的方法，具體地說是一種利用電解方式制備高純度過氧化氫和氫氣的方法。

背景技術

過氧化氫又名雙氧水，是一種重要的化工原料，具有無污染特性，廣泛應用于印染、造紙、環(huán)保、冶金、食品、化學合成、電子、軍工、航天等行業(yè)。過氧化氫的工業(yè)生產(chǎn)方法有電解法、蒽醌法、異丙醇法、陰極陽極還原法、氫氧直接化合法等。其中，電解法是20世紀90年代之前生產(chǎn)過氧化氫的主要方法，采用金屬鉑為電解槽的陽極，鉛或石墨為陰極，硫酸、硫酸鉀或硫酸銨為電解液，總化學反應方程為2H₂O = H₂O₂ + H₂。在陽極發(fā)生氧化反應，將硫酸根氧化為過硫酸根，然后過硫酸根在水解器中減壓水解生成過氧化氫；在陰極發(fā)生還原反應生成氫氣。該電解法優(yōu)點是電流效率高、工藝流程短、產(chǎn)品質(zhì)量高，但耗電量大、鉑為貴重金屬，因此生產(chǎn)成本高，不適合大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。目前，國內(nèi)外生產(chǎn)過氧化氫的主流方法是蒽醌法，在鎳基或鈀基催化劑作用下，將烷基蒽醌加氫生成氫蒽醌，然后將氫蒽醌用O₂氧化，生成烷基蒽醌和過氧化氫，其總化學反應方程為H₂ + O₂ = H₂O₂。蒽醌法技術成熟，自動化控制程度高，原料成本和能耗較低，適合大規(guī)模生產(chǎn)，其缺點是生產(chǎn)工藝復雜，產(chǎn)物純度較低。

氫氣是一種高效的潔凈能源載體和重要的化工原料，在燃料電池、航空航天、化學合成、醫(yī)藥、冶金、電子、玻璃、機械制造等領域廣泛使用。按照國家標準，氫氣分為工業(yè)氫氣和純氫兩大類。常見的工業(yè)制氫途徑有化石燃料(如石油、天然氣、煤)或通用燃料（如醇類、烴類）轉(zhuǎn)化、電解水等。其中，電解水制氫是最傳統(tǒng)的氫氣生產(chǎn)方法，采用鉑、氧化銥或鎳鈷鐵復合材料等作為陽極，鉑、鉛或鎳基材料等作為陰極，電解液或酸性或堿性，總化學反應方程為2H₂O = O₂ + 2H₂。在陽極發(fā)生氧化反應生成氧氣；在陰極發(fā)生還原反應生成氫氣。電解水制氫的效率較高、工藝成熟、設備簡單、純度高，但耗電量大，生產(chǎn)成本高。

總體來說，電解法生產(chǎn)過氧化氫和氫氣的最大劣勢就是耗電和電極材料成本高。如果能夠有效降低成本，電解法在效率、工藝流程、純度上的優(yōu)勢，會碾壓其它的生產(chǎn)方法。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術問題是提供一種低成本生產(chǎn)高純度過氧化氫和氫氣的電解方法。

本發(fā)明為解決上述技術問題所采用的技術方案是：一種低成本生產(chǎn)高純度過氧化氫和氫氣的電解方法，采用晶向為{111}、{110}、{100}或{010}的純相或摻雜釩酸鉍單晶片作為電解槽的陽極，將堿性電解液加入電解槽后，在電解槽的陽極和陰極上外加偏壓，使陽極生成過氧化氫，陰極生成氫氣。

所述純相或摻雜釩酸鉍單晶的化學成分為(Bi_1-xA_x)(V_1-yB_y)O₄,其中A為+3價金屬陽離子，B為+4或+6價金屬陽離子，0≤x,y≤0.2。

所述的+3價金屬陽離子為Sc、Fe、Ga、In或Sb的金屬陽離子。

所述的+4或+6價金屬陽離子為Ti、W或Mo的金屬陽離子。

所述的堿性電解液為pH值范圍8-14。

所述陰極為鉛、石墨或鎳基合金。

電解完成后收集陽極區(qū)域的電解液，蒸發(fā)、濃縮，得到過氧化氫溶液。

所述的純相或摻雜釩酸鉍單晶片固定在導電玻璃的導電膜上。

所述的外加偏壓為2.1-2.8 V，電解時的電流密度0.01-0.3 A/cm²。

本發(fā)明的有益效果是：與現(xiàn)有技術相比，采用單晶半導體氧化物替代昂貴的金屬鉑作為電解陽極，大幅降低了生產(chǎn)成本。在2.1-2.8 V外加偏壓條件下，采用堿性電解液，在釩酸鉍單晶片陽極生成過氧化氫，同時在陰極生成氫氣。比傳統(tǒng)電解硫酸或硫酸鹽的鉑電極所需的起始電壓更小，在電能利用效率上比鉑電極更高。該方法有效降低了電極材料成本，提高電能利用效率，同時生產(chǎn)高純度過氧化氫和氫氣，具有重要的工業(yè)應用價值。

附圖說明

圖1是本發(fā)明所用電解槽的示意圖。

圖中標記：111、陽極，112、陰極，113、電解槽質(zhì)子交換膜，121、電解槽外加正向偏壓。