一种过氧化氢发生装置及方法

本发明涉及过氧化氢生产，特别涉及一种过氧化氢发生装置及方法。

背景技术：

1、h2o2是一种重要的工业品，可用于处理水体、漂白、脱色、除味和消毒等方面。当前工业上主要采用蒽醌法生产h2o2，这种方法工艺繁琐，价格昂贵，原料或溶剂有毒、催化剂成本高，危险性高。

2、利用两电子路径的阴极氧还原反应可将o2和水经一步电化学反应转化为过氧化氢，是一种简易、清洁的原位产生过氧化氢的方法，避免了蒽醌法的各种缺点。对两电子氧还原反应具有高催化活性和选择性的催化剂是当前研究的热点，但是受溶解氧传质的限制，目前最优催化剂的氧还原极限电流密度尚不能满足工业生产上的需求。针对于此，可以考虑采用气体扩散电极加强氧传质，获得所需的高电流密度。然而，对于气体扩散电极，反应器设计需要考虑槽电压、电解液利用率、阳极利用率等因素。目前由于极板间距、阳极板利用率等因素导致h2o2生成速率低，生成量少。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明目的在于提供一种过氧化氢发生装置及方法。本发明提供的装置能够提高阳极的使用效率，从而提高h2o2生成速率。

2、为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：

3、本发明提供了一种过氧化氢发生装置，包括依次层叠设置的第一阴极、第一垫片、第一质子交换膜、第二垫片、阳极、第三垫片、第二质子交换膜、第四垫片和第二阴极；

4、所述第一阴极、第二阴极包括基底层和负载于所述基底层表面的扩散电极层；

5、所述阳极包括基体层和设置于所述基体层表面的阳极活性层；

6、所述垫片具有中空结构，厚度为1～10mm；

7、所述第一垫片的空腔形成第一阴极腔室，所述第二垫片的空腔形成第一阳极腔室；所述第三垫片的空腔形成第二阳极腔室，所述第四垫片的空腔形成第二阴极腔室；

8、所述第一阴极腔室与第一阳极腔室构成第一反应室，所述第二阴极腔室与第二阳极腔室构成第二反应室；

9、所述过氧化氢发生装置的工作模式为串联或并联。

10、优选的，所述质子交换膜的材质为氟磺酸型质子交换膜、nafion膜或非氟聚合物质子交换膜。

11、优选的，所述基底层的材质为导电多孔材料；

12、所述基底层的厚度为1～5mm。

13、优选的，所述扩散电极层由碳和聚合物经烧结得到；

14、所述碳与聚合物的质量比为5:2～4；

15、所述烧结的温度为280～430℃。

16、优选的，所述阳极为析氧电极，所述基体层的材质为钛，所述阳极活性层的成分包括pt、ru、ir、sb和ta中的一种或几种。

17、优选的，所述阳极为析氯电极，所述基体层的材质为钛，所述阳极活性层的成分包括铱钽混合物和/或氧化钴。

18、优选的，所述基体层的厚度为0.5～1.5mm；所述阳极活性层的厚度为6～15μm。

19、优选的，所述第一阴极、第二阴极的外侧独立地设置有阴极端板，所述阴极端板的材质为金属。

20、本发明提供了上述过氧化氢发生装置生产过氧化氢的方法，包括以下步骤：

21、配制电解质溶液；

22、将所述电解质溶液注入上述过氧化氢发生装置中，通电反应，得到过氧化氢溶液。

23、优选的，所述过氧化氢发生装置的工作模式为并联时，所述第一反应室与第二反应室各自独立工作，所述电解质溶液从第一阴极腔室、第一阳极腔室的进水口同时进入，从第一阴极腔室、第一阳极腔室的出水口同时流出；所述电解质溶液从第二阴极腔室、第二阳极腔室的进水口同时进入，从第二阴极腔室、第二阳极腔室的出水口同时流出；

24、当所述过氧化氢发生装置的工作模式为串联时，电解质溶液从第一阴极腔室、第一阳极腔室的进水口同时进入，从第二阴极腔室、第二阳极腔室的出水口同时流出。

25、优选的，所述过氧化氢发生装置的工作模式为并联或串联时，电解液的进出方向均为下进上出。

26、本发明提供了一种过氧化氢发生装置，包括依次层叠设置的第一阴极、第一垫片、第一质子交换膜、第二垫片、阳极、第三垫片、第二质子交换膜、第四垫片和第二阴极；所述第一阴极、第二阴极包括基底层和负载于所述基底层表面的扩散电极层；所述阳极包括基体层和设置于所述基体层表面的阳极活性层；所述垫片具有中空结构，厚度为1～10mm；所述质子交换膜的厚度≤150μm；所述第一垫片的空腔形成第一阴极腔室，所述第二垫片的空腔形成第一阳极腔室；所述第三垫片的空腔形成第二阳极腔室，所述第四垫片的空腔形成第二阴极腔室；所述第一阴极腔室与第一阳极腔室构成第一反应室，所述第二阴极腔室与第二阳极腔室构成第二反应室；所述过氧化氢发生装置的工作模式为串联或并联。

27、本发明提供的过氧化氢发生装置具有以下有益效果：

28、①本发明提供的过氧化氢发生装置在阴极和阳极之间仅有两层垫片+一层质子交换膜，间距极小，属于一般意义上的零极距反应器。

29、②在本发明中，质子交换膜能够防止生成的过氧化氢到阳极侧发生分解，从而降低产量。

30、③本发明通过设置两阴一阳的结构将过氧化氢发生装置隔成两个反应腔室，在提升了阳极的利用率的情况下可以为过氧化氢发生装置提供两种工作模式，在保证电流效率、槽电压的情况下，通过反应器不同的连接方式实现不同浓度过氧化氢的生产。当需要高流量低h2o2浓度(10～1500ppm)情况下，可以将两室并联工作，两室同进同出。当需要更高浓度h2o2(10～3000ppm)情况下，可以将两室串联工作。

31、④进一步地，本发明通过采用金属板板作为阴极端板，赋予过氧化氢发生装置一定的强度，避免由于组装所造成的变形、漏气、漏水的问题；同时，阴极端板能够作为导电层为阴极供电，使装置成本低，集成度高。

技术特征：

1.一种过氧化氢发生装置，包括依次层叠设置的第一阴极、第一垫片、第一质子交换膜、第二垫片、阳极、第三垫片、第二质子交换膜、第四垫片和第二阴极；

2.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述基底层的材质为导电多孔材料；

3.根据权利要求1或2所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述扩散电极层由碳和聚合物经烧结得到；

4.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述阳极为析氧电极，所述基体层的材质为钛，所述阳极活性层的成分包括pt、ru、ir、sb和ta中的一种或几种。

5.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述阳极为析氯电极，所述基体层的材质为钛，所述阳极活性层的成分包括铱钽混合物和/或氧化钴。

6.根据权利要求4或5所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述基体层的厚度为0.5～1.5mm；所述阳极活性层的厚度为6～15μm。

7.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述第一阴极、第二阴极的外侧独立地设置有阴极端板，所述阴极端板的材质为金属。

8.一种基于权利要求1～7任意一项所述过氧化氢发生装置生产过氧化氢的方法，包括以下步骤：

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述过氧化氢发生装置的工作模式为并联时，所述第一反应室与第二反应室各自独立工作，所述电解质溶液从第一阴极腔室、第一阳极腔室的进水口同时进入，从第一阴极腔室、第一阳极腔室的出水口同时流出；所述电解质溶液从第二阴极腔室、第二阳极腔室的进水口同时进入，从第二阴极腔室、第二阳极腔室的出水口同时流出；

10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述过氧化氢发生装置的工作模式为并联或串联时，电解液的进出方向均为下进上出。

技术总结本发明提供了一种过氧化氢发生装置及方法，属于过氧化氢生产技术领域。本发明提供的过氧化氢发生装置包括依次层叠设置的第一阴极、第一垫片、第一质子交换膜、第二垫片、阳极、第三垫片、第二质子交换膜、第四垫片和第二阴极。本发明提供的过氧化氢发生装置在阴极和阳极之间仅有两层垫片+一层质子交换膜，间距极小，属于一般意义上的零极距反应器。本发明通过设置两阴一阳的结构将过氧化氢发生装置隔成两个反应腔室，在提升了阳极的利用率的情况下可以为过氧化氢发生装置提供两种工作模式，在保证电流效率、槽电压的情况下，通过反应器不同的连接方式实现不同浓度过氧化氢的生产。技术研发人员：景文珩,何晨,陈斌,崔乐乐,舒晨,仇健受保护的技术使用者：南京工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18