基于阴极单元组的自由组装型H2O2合成反应器制造技术

本发明专利技术公开了一种基于阴极单元组的自由组装型H2O2合成反应器，由空气呼吸阴极单元组、阴极室反应槽、离子交换膜、阳极室组成。阳极采用钛

【技术实现步骤摘要】
基于阴极单元组的自由组装型H2O2合成反应器


[0001]本专利技术所涉及的领域是电化学合成领域，特别涉及一种用于高效电催化合成H2O2的自由组装型反应器装置。

技术介绍

[0002]过氧化氢(H2O2)是一种对环境无害的强化学氧化剂，分解时只有水(H2O)和氧气(O2)生成，无有害残留物产生，在纸浆漂白、纺织等许多制造业以及电子工业、废水处理、化学氧化等都具有极其广泛的应用。
[0003]工业上，过氧化氢是通过蒽醌氧化(AO)工艺得到的，每年的产量占H2O2总产量的95％。蒽醌工业需要大量的基础设施和大量的能源投入，集中生产更是需要额外的运输、存储和处理高浓度的H2O2，存在潜在的安全风险并且成本过高，所以蒽醌工艺被认为是一种不够绿色且对环境不友好的工艺。
[0004]通过氧还原反应(ORR)的两电子途径将O2电化学还原为H2O2，为原位生产H2O2提供了很大的潜力。碳基材料由于具有导电性高、孔隙率高、价格低廉、稳定性好、对H2O2分解性低等优点，成为H2O2生产的良好催化剂选择。目前在电化学体系中，基于碳基材料的空气呼吸阴极是一种理想的电极结构。空气呼吸阴极可以自发利用空气中的氧气，在催化剂的活性位点与来自电解质的H
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和催化层的电子共同反应生成H2O2。
[0005]但在电化学合成H2O2过程中，H2O2的生产能力不仅取决于催化剂和电极结构的性能，也受到反应器结构的影响。目前实验室H2O2电化学合成通常在几十至数百毫升的反应器中进行，电极有效面积小，这大大限制了H2O2的高效合成，合成的H2O2浓度较低。

技术实现思路

[0006]本专利技术的目的是针对以上存在的问题，设计出一种自由组装型H2O2合成反应器，通过模块化单元，使气相和液相流经多个顺序排列的空气呼吸阴极单元组，从而提高H2O2合成效率。在此过程中，可以通过紧密排列空气呼吸阴极单元组从而有效增加电极面积，同时，该空气呼吸阴极单元组具有随意插拔，灵活使用，更换便捷的优点。基于空气呼吸阴极单元组构建的自由组装型H2O2合成反应器，可以进行单独循环或多反应器串联连续流运行，实现高浓度H2O2合成，并具有放大规模化的潜质。
[0007]本专利技术采用技术方案如下：
[0008]该反应器主体是由空气呼吸阴极单元组、阴极室反应槽、离子交换膜和阳极室构成。该反应器阳极采用钛/二氧化铱板(Ti/IrO2)，也可采用其他贵金属(如Ni、Co等)、金属合金以及金属复合金属氧化物。阴极采用多个顺序排列的空气呼吸阴极单元组。
[0009]空气呼吸阴极单元组由一种超疏水的炭黑
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石墨
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PTFE空气呼吸阴极和不具有导电性的有机玻璃支撑结构组成。超疏水的炭黑
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石墨
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PTFE空气呼吸阴极是由催化层和用作集电器的不锈钢网组成，其中催化层是由石墨粉末、炭黑粉末聚四氟乙烯(PTFE)按比例混合搅拌至膏状而成。后将催化层辊压至不锈钢网集电器的一侧经马弗炉340℃煅烧形成炭
黑
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石墨
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PTFE空气呼吸阴极。
[0010]宽度与阴极室反应槽相同的多个空气呼吸阴极单元组经正反交替排列于阴极室反应槽中可形成S型电解液流动通路，通过回流循环实现H2O2高浓度累积。同时，空气呼吸阴极单元组可直接置入或移出阴极室反应槽中，无需拆卸反应器，操作方便快捷。
[0011]有益效果
[0012]1.该自由组装型H2O2合成反应器所采用的空气呼吸阴极单元组与阴极室反应槽独立，可多单元组排列，直接置入或移出阴极室反应槽，无需拆卸反应器。
[0013]2.该反应器的阴极面积可以通过改变空气呼吸阴极单元组的排列个数进行调节。
[0014]3.空气呼吸阴极单元组与阴极室反应槽宽度相同，且一侧留有电解液通路，经正反交替排列后在阴极室反应槽中形成S型廊道通路，进而通过循环回流运行以实现短时间内高浓度H2O2累积，最高累积浓度约2.7g/L。
附图说明
[0015]图1空气呼吸阴极单元组示意图。
[0016]1空气呼吸阴极2有机玻璃支撑结构3U型硅胶垫4螺丝固定口5气室
[0017]图2自由组装型H2O2合成反应器在不同电流密度条件下运行合成H2O2的累积产量。
[0018]图3自由组装型H2O2合成反应器在电流密度为20mA/cm2时，阴极室使用2M NaOH电解液(A)和阴极室使用1M Na2SO4电解液(B)，排列不同数量空气呼吸阴极单元组运行合成H2O2的累积产量。
具体实施方式
[0019]下面结合实施例对本专利技术作进一步描述，但本专利技术的实施方式不限于此。
[0020]一种用于高效原位合成H2O2的自由组装型反应器装置，该装置主体是由有机玻璃材质制成，由空气呼吸阴极单元组、阴极室反应槽、离子交换膜和阳极室构成。通过调节电流大小、通电时间和回流比控制反应器的运行情况，通过草酸钛钾分光光度法测定H2O2含量。
[0021]实施例1
[0022]本专利技术提供了一种空气呼吸阴极单元组的构型设计，如图1所示。每个空气呼吸阴极单元组由两片炭黑
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石墨
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PTFE空气呼吸阴极1组合而成，两片阴极的不锈钢网一侧相对，中间放置U型硅胶垫3隔开，在两片阴极的催化层一侧分别放置回型硅胶垫和有机玻璃支撑结构2，经塑料螺丝在螺丝固定口4固定后形成中间带有天然气室5的单元组。每片阴极面积为40cm2，单个空气呼吸阴极单元组阴极面积为80cm2。
[0023]实施例2
[0024]本专利技术提供了一种基于空气呼吸阴极单元组的自由组装型H2O2合成反应器的构型设计。反应器由阴极室反应槽、阳极室、离子交换膜和空气呼吸阴极单元组组成。其中空气呼吸阴极单元组嵌入阴极室反应槽，正反交替排列后形成S型廊道。阳极室上方设置阳极板插入槽，可放置多块阳极板。阳极室与阴极室反应槽之间放置离子交换膜。向阳极室加入NaOH电解液，向阴极室加入NaOH或Na2SO4电解液。将多个阳极板连接直流电源正极，将多个空气呼吸阴极单元组中的阴极分别连接直流电演的负极。利用回流蠕动泵将电解液从出水
口重新泵入室阴极室反应槽，设置不同回流比，以实现H2O2的浓度累积。
[0025]实施例3
[0026]将自由组装型H2O2合成反应器在不同电流密度下运行，阴极室反应槽内正反排列插入4组空气呼吸阴极单元组(电极面积为320cm2)，阳极室插入4块Ti/IrO2阳极板，向阳极室和阴极室分别加入1L和1.5L 2mol/L NaOH电解液，设置阴极室回流比为100％。如图2所示，在电流密度分别为10、20mA/cm2时，反应器运行8h后的H2O2累积产量分别达到3590mg/L和10377mg/L。
[0027]实施例4
[0028]将自由组装型H2O2合成反应器在最佳电流密度20mA/cm2下运行，在阴极室反应槽中排列放置不同数目本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于阴极单元组的自由组装型H2O2合成反应器，其特征在于，反应器由空气呼吸阴极单元组、阴极室反应槽、离子交换膜、阳极室组成。阳极采用钛
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二氧化铱板，将其插入阳极室的阳极板插入槽；阴极采用空气呼吸阴极单元组，将其嵌入阴极室反应槽经正反交替排列后形成S型廊道。向阳极室加入NaOH电解液，向阴极室加入NaOH或Na2SO4电解液。将多个阳极板连接直流电源正极，将多个空气呼吸阴极单元组中的阴极分别连接直流电演的负极。利用回流蠕动泵将电解液从出水口重新泵入室阴极室反应槽，设置不同回流比，以实现H2O2的高效合成和高浓度累积。2.根据权利要求1所述的自由组装型H2O2合成反应器阴极采用空气呼吸阴极单元组件。每个空气呼吸阴极单元组由两片阴极组合而成，两片阴极的不锈钢网一侧相对，中间放置U型硅胶垫隔开，在两片阴极的催化层一侧分别放置回型硅胶垫和有机玻璃支撑结构，经塑料螺丝在螺丝固定口固定后形成中间带有天然气室的单元组。3.根据权利要求1所述的自由组装型H2O2合成反应器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：李楠，乔羽婕，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：