[发明专利]过氧化氢的制备

说明书

技术领域

本发明涉及制备过氧化氢的方法。更特别地，本发明涉及采用生物电化学系统由含水的废物流制备过氧化氢的方法。

背景技术

在很多工业应用中过氧化氢是有效的氧化剂。除了作为消毒剂使用，还将其用于纸浆和纸漂白、清洁剂、废水处理、化学合成、冶金、在纺织工业以及电子工业中(Fierro et al.，Angew.Chem.Int.Ed.2006，45，6962-6984)。大规模的制备过氧化氢主要采用蒽醌自氧化法(AO法)或Riedl-Pfleiderer法。在该方法中采用氢气还原蒽醌，并且随后采用氧又将其氧化。在氧化步骤期间形成过氧化氢。所得的最终反应为：

H₂+O₂→H₂O₂(方程式1)

AO法是到目前为止用于制备过氧化氢的应用最多的技术，并且占全世界的过氧化氢制备的超过95％(Fierro et al.，Angew.Chem.Int.Ed.2006，45，6962-6984)。然而，也存在作为替代的方法。一种作为替代的方法是通过常规的电化学方法的过氧化氢制备。在这些常规的电化学方法中存在两种主要的方法：(i)电解器型方法(例如，Follerand Bombard，J.Appl.Electrochem.1995，25，613-627)，以及(ii)燃料电池型方法(例如，Yamanaka，Angew.Chem.Int.Ed.2003，42，3653-3655)。电解槽方法基于产生氧的化学催化的阳极：

阳极(酸性条件)：H₂O→0.5O₂+2H⁺+2e^-(方程式2a)

阳极(碱性条件)：2OH^-→0.5O₂+H₂O+2e^-(方程式2b)

燃料电池方法基于消耗氧的化学催化的阳极：

阳极(酸性条件)：H₂→2H⁺+2e^-(方程式3a)

阳极(碱性条件)：H₂+2OH^-→2H₂O+2e^-(方程式3b)

在两种方法中阳极与还原氧以形成过氧化氢的化学催化的阴极相结合。

阴极(酸性条件)：O₂+2H⁺+2e^-→H₂O₂(方程式4a)

阴极(碱性条件)：O₂+H₂O+2e-→HO₂^-+OH^-(方程式4b)

令人遗憾地，两种方法都需要大量的能量输入。由于大量的电能消耗，电解槽方法需要大量的能量输入；由于大量的氢消耗，燃料电池方法需要大量的能量输入。这就使得这些方法非常昂贵并且经常不是经济上可行的。

生物电化学系统，例如微生物燃料电池和微生物电解槽，通常被认为是由废水中存在的有机物质产生能量的有希望的未来技术。工业、农业和生活废水通常包含在排放到环境中之前需要移除的溶解的有机物。通常，这些有机污染物通过有氧处理得到移除，这可消耗大量的电能用于通气。

最近，生物电化学系统作为由含水的废物流(例如废水)产生能量和产品的可能引起关注的技术而涌现。生物电化学系统基于电化学活性微生物的使用，当它们氧化(并因此移除)含水的废物流(例如废水)中的(无机)有机物质时，其将电子传输到电极(阳极)。可通过将生物催化的阳极与进行还原反应的对电极(阴极)电连接来完成生物电化学的废水处理。由于在阳极和阴极之间的这种电连接，可发生电极反应并且电子可从阳极流向阴极。生物电化学系统可作为燃料电池(在这种情况下产生电能)或作为电解槽(在这种情况，向生物电化学系统供应电能)来操作。生物电化学系统的例子有用于电能产生的微生物燃料电池(Rabaey and Verstraete，Trends Biotechnol.2005，23，291-298)和用于制备氢气的生物催化的电解(专利WO2005005981A2)。