[发明专利]一种电化学降解生物质精炼有机废弃物产氢的双催化剂体系和方法

说明书

本发明提供了一种电化学降解生物质精炼有机废弃物产氢的双催化剂体系和方法，先将生物质精炼有机废弃物进行固液分离，根据浓度进行分级；然后将有机废弃物与助催化剂和氧化还原介体进行反应，氧化还原介体接受来自有机废弃物降解的电子，形成低价态的氧化还原介体；反应液送入电解槽中进行电解，低价态的氧化还原介体在阳极上发生氧化再生，同时阴极区域产生氢气，阳极区域的再生的液体返回降解系统循环。本发明采用氧化还原介体和助催化剂构成的“双催化剂”体系，通过电化学降解生物质精炼有机废弃物，可以同时产出高纯氢气，产单位氢气电能耗与同条件电解水相比节省50%左右。

技术领域

本发明涉及制氢技术领域，具体为一种电化学降解生物质精炼有机废弃物产氢的双催化剂体系和方法。

背景技术

生物质包括农业、林业剩余物或废弃物，如麦秸秆、甘蔗渣、米糠、玉米芯等，是来源广泛的碳基资源。生物质中的碳来自于大气中的CO₂，通过光合作用同化为淀粉、纤维素等有机物，被完全利用后重新释放进入大气碳循环之中，因此生物质被认为是碳中性的清洁资源。对生物质进行精炼，可以得到多种化工原料，如5-羟甲基糠醛(HMF)、2，5-呋喃二甲酸(FDCA)、苯酚、乳酸等。但是生物质精炼工艺产生大量高浓度的有机废液和废渣，这些有机废弃物成分复杂，进一步加工提炼困难，排放造成环境问题，限制了生物质资源的产业化应用。

生物质精炼有机废弃物的降解工艺一般包括催化氧化、光催化、微生物降解、电化学降解等。催化氧化需要通入氧气、臭氧氯气或者过氧化氢等氧化剂，通过与氧化剂的反应来降低废液中的有机质浓度(如专利申请CN109589995A、CN109835975A公开的方案)。光催化和微生物法能够处理的有机废液浓度小，处理速度慢，受到光催化材料和微生物生长周期的影响。电化学降解利用电解装置在阳极表面放电产生·OH基团或者产生过氧化氢来降解废液中的有机质(如专利申请CN113321270A、CN110306203A公开的方案)，但是现行的电化学降解工艺存在电极材料容易受到高浓度有机废物的污染的问题，导致电能利用率低，电能消耗大。专利申请CN106676564A、CN109355672A、CN109536984A公开了一种直接将生物质通过液相降解并电解产氢的方法，但仍存在生物质降解不彻底、生物质降解速率慢的问题。对于生物质精炼行业产生的有机废物难以有效处理，现行废弃物的处理方法投入成本大，收效微小，是生物质精炼行业的巨大经济负担，造成了行业发展的停滞不前。因此，急需开发一种能够高效、经济地处理生物质精炼有机废弃物的方法，将精炼的废弃物变废为宝，实现资源的整合利用。

发明内容

本发明提供一种电化学降解生物质精炼有机废弃物产氢的双催化剂体系和方法，其关键是采用氧化还原介体和助催化剂构成的“双催化剂”体系，通过电化学降解生物质精炼有机废弃物，可以同时产出高纯氢气。

本发明的技术方案是，一种电化学降解生物质精炼有机废弃物产氢的双催化剂体系，其特征在于：该双催化体系由氧化还原介体和助催化剂构成，其中氧化还原介体为杂多酸盐复合离子、或多价金属离子，或多价金属离子与无机或有机成分为配体形成的配合离子中的至少一种；助催化剂为碳基多孔材料负载的贵金属、无机非金属氧化物或无机金属氧化物负载的贵金属。

进一步地，氧化还原介体为液态；助催化剂为固态，助催化剂以固定床的形式置于反应体系中。

进一步地，所述有机成分的配体为含氮基团、含硫基团或含氧基团的有机物。

进一步地，有机废弃物的电化学降解采用双催化剂体系，其中助催化剂加入量为5-10g/L，氧化还原介体为0.05-3mol/L。

进一步地，有机废弃物中加入双催化剂体系时，有机废弃物浓度为0.1-30g/L。

本发明还涉及利用所述双催化剂体系进行电化学降解生物质精炼有机废弃物产氢的方法，包括以下步骤：