[发明专利]一种原位制备碱性过氧化氢的方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种制备碱性过氧化氢水溶液的方法，更具体地说是涉及一 种通过燃料电池反应装置制备过氧化氢的方法，属于能源、催化，化工及 相关领域。

背景技术

过氧化氢是一种重要的无机化工原料和精细化工产品，广泛应用于化 学品合成、纸浆、纸和纺织品的漂白、金属矿物的处理，环保、电子、军 工及航天等多个领域。随着全球经济的快速发展，过氧化氢的应用领域不 断开拓，其市场需求量也在不断增长，并出现市场紧俏。国内外工业化生 产过氧化氢较普遍的采用蒽醌法，并从提高氢化催化剂效率和寿命、反应 器效率及调控技术等方面进一步完善。除此之外，许多科研院所、大公司 和厂家正在积极研究和开发其他全新的生产途径，这些方法主要有空气阴 极法、甲基苄基醇氧化法、异丙醇氧化法和氢氧直接合成法等。这些方法 各有优缺点，有待完善。氢氧直接合成法包括氢氧按一定比例混合进入反 应器进行催化反应生成过氧化氢，该法是一种具有环保意义的最直接、最 简捷和最经济的合成方法，此方法除去了蒽醌法需要的许多设备和原料， 装置费用可以比蒽醌法减少50％，产品成本也显著降低，通常选择Pd作为 催化剂，铝、硅和碳也是常用的助剂，但是氢氧混合催化合成法有两个主 要弊端，第一，H₂和O₂在很大一个浓度范围内容易爆炸，因此需要调整 H2和O2的比例，或者在反应物种加入稀释剂；第二，在催化剂的选择上， 一般用于生产过氧化氢的催化剂同时也很容易使氢气氧化成水，或者使过 氧化氢分解，安全隐患成为制约氢氧直接合成法制过氧化氢的主要因素， 对生产工艺及设备的要求很苛刻，一时还难以实现工业化，需要作进一步 的改进。

燃料电池膜反应器(FCMR)具有污染小，高效能、操作灵活，便于控制等 优点。燃料电池已经用于汽车动力源，并即将商业化，这些成果有力的推 动了FCMR产生和发展，并引起化学，化工研究人员的关注，研究表明， 此类反应器内阻较小，操作控制灵活方便。然而，由于燃料电池膜反应器 技术的复杂性，许多问题尚待解决，针对不同种类的反应，如何设计不同 形式的反应器及电极催化剂，如何确定进料方式及电极加工工艺均需要认 真研究。国外已经出现一些利用燃料电池膜反应器制备过氧化氢和电能共 生发研究报道，但都处于实验室探索阶段，反应器尺寸非常小，反应过程 中产生的电流密度小，电极反应机理尚不清楚。若反应器尺寸变大，则多 孔电极上的传质规律，电位分布规律及板间传递问题时将变得突出。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种新设计的燃料电池膜反应器，并 利用该燃料电池膜反应器生产过氧化氢，以解决现有技术中过氧化氢生产 污染严重或容易引起爆炸等特点。

本发明采用的技术方案：

一种原位制备碱性过氧化氢的方法，其采用盛有碱性电解质溶液的电 解池中进行，所述电解池从左到右依次由阴极端板、阴极气体扩散电极、 阴极室、离子交换膜、阳极室、阳极气体扩散电极、阳极端板叠加而成， 阴极端板和阳极端板通过导线电连接或分别与一恒压电源的负极和正极电 连接(阴极端板和阳极端板通过外电路连接)；

在阴极端板和阳极端板的外侧壁上均设置有进气口和出气口，而在阴 极端板和阳极端板靠近电极的一侧设有流场；所述阴、阳极气体扩散电极 由碳纸或碳布上负载(如；表面喷涂)有阴、阳极反应所需的用于生成过 氧化氢的电催化剂构成，以促进阴、阳极电极反应的进行；于阴、阳极室 中盛放有电解反应所需的碱性电解质溶液；

于阳极室上端和下端分别开有用于更换反应所需电解质的小孔，以维 持反应的高效进行；阴极室上端或下端开有小孔，平时密闭，当取样或者 产物的浓度达到要求时打开，取出过氧化氢水溶液。

氧气和氢气分别通过阴极端板、阳极端板的进气口进入反应器(燃料 电池膜反应器)的阴极和阳极，在载有催化剂的阳极气体扩散电极上发生 反应，反应的产物迅速进入阴极室和阳极室的电解质溶液，从而有利于过 氧化氢的富集；即：氢气经阳极端板上的进气口进入，在载有催化剂的阳 极气体扩散电极上发生反应，解离为氢离子并放出电子，氢离子通过离子 交换膜很快于碱性电解质溶液中反应，生成水，电子通过外电路，到达阴 极与传送进的氧气结合发生还原反应，在碱性条件下生成的过氧根离子， 迅速转移到溶液中富集起来。