CN106048641A - 一种成对电化学制备Fe3+和H2的工艺方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，特别是在隔离膜电化学反应器中，以含Fe²⁺的硫酸水溶液为阳极液，Fe²⁺在阳极发生氧化反应生成Fe³⁺；以硫酸水溶液为阴极液，H⁺在阴极发生还原反应得到H₂；实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。本发明的工艺方法实现了阴极和阳极同时得到目标产物的成对电化学合成，工艺过程简单，操作控制方便，过程的原子利用率高，设备投资及生产成本低，过程安全可靠，有利于大规模工业化。

Description

一种成对电化学制备Fe3+和H2的工艺方法

技术领域

本发明涉及一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法的工艺方法，属于无机物合成技术领域，尤其是铁化合物合成技术领域；也属于氢气制备技术领域，尤其是氢能源制备技术领域；也属于电化学反应工程和化工分离技术领域。

背景技术

1.硫酸介质中Fe³⁺作为氧化剂使用的特点

在酸性介质中，Fe³⁺和Fe²⁺都能够稳定存在，Fe³⁺与Fe²⁺之间可以发生反应如下：

2Fe³⁺→2Fe²⁺+2e^-

该反应的标准电极电位在1.0mol/LH₂SO₄溶液，因此，Fe³⁺是具有中等氧化能力的氧化剂，而Fe²⁺是具有中等还原能力的还原剂。Fe³⁺能够将I^-、H₂S、Fe、Cu等氧化：

2Fe³⁺+2I^-→2Fe²⁺+I₂

2Fe³⁺+H₂S→2Fe²⁺+S+2H⁺

2Fe³⁺+Fe→3Fe²⁺

2Fe³⁺+Cu→2Fe²⁺+Cu²⁺

反应中Fe³⁺被还原为Fe²⁺，I^-被氧化为I₂(或I₃ ^-)而使溶液呈棕褐色。Fe³⁺比I₂的氧化能力强。

因此，许多在酸性条件下以I₂为氧化剂的反应过程都可以用Fe³⁺氧化剂取代。例如：在酸性吸收剂吸收脱除SO₂的过程中，用氧化剂Fe³⁺取代I₂，Fe³⁺可以与吸收溶解的SO₂反应生成H₂SO₄，同时Fe³⁺被还原为Fe²⁺。在酸性吸收剂吸收脱除SO₂的过程中，采用Fe³⁺作为氧化剂与I₂氧化剂相比，具有如下突出优点：

(1)Fe³⁺/Fe²⁺是硫酸水溶液中具有中等氧化能力的氧化/还原电对，Fe³⁺作为硫酸介质中具有中等氧化能力的氧化剂使用具有其突出的优势，而且该氧化/还原电对也易于实现循环使用。Fe³⁺/Fe²⁺在硫酸水溶液中发生如下：

2Fe³⁺→2Fe²⁺+2e

该反应的标准电极电位比I₂/I⁺标准电极电位 略高，Fe³⁺比I₂的氧化能力强。

而在硫酸介质中，析氧反应的反应式为：

2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

该反应的标准电极电位为

显然，在阳极上析氧之前，先发生Fe³⁺到Fe²⁺转化的反应。

(2)Fe³⁺在硫酸水溶液中的溶解度大，容易得到高浓度的Fe³⁺硫酸水溶液，而I₂在水溶液中溶解度很小。I₂的熔点为119℃，常温下为固态，其在硫酸水溶液中的溶解度小，为了使I₂呈液态，需将操作温度提高到I₂的熔点以上。但是，在酸性吸收剂吸收脱除SO₂的过程中，提高操作温度会导致SO₂的溶解度下降。显然，必然存在SO₂溶解度和I₂溶解度之间的矛盾。为了提高I₂的溶解度，还可采用苯、甲苯等有机溶剂，但会导致SO₂吸收转化过程成为液-液非均相反应过程，带来液-液分散混合和反应后液-液分散***的分离问题，而且有机溶剂的引入也会带来溶剂回收、***污染等问题。

(3)Fe³⁺容易再生，而I₂的再生困难。虽然Fe³⁺和I₂都能采用电化学氧化技术实现再生，但是由于Fe³⁺能溶解在溶液中，易于通过电化学法在阳极再生，可实现连续操作。I^-电化学氧化再生为I₂的操作温度高，I₂会在阳极表面沉积，导致电极失活，使电化学反应难以正常进行，难以满足工业化生产的要求。

(4)采用Fe³⁺为氧化剂时，生成的含Fe²⁺的硫酸水溶液通过电化学阴极还原可脱除溶液中的Fe²⁺，实现硫酸水溶液与Fe²⁺的分离；而使用I₂为氧化剂时，所生成的H₂SO₄和HI的分离困难。脱除了Fe²⁺的硫酸水溶液进一步采用吸收SO₃或者蒸发脱水的方法可以制得到满足用户要求的硫酸产品。

(5)Fe³⁺/Fe²⁺***腐蚀性小而氢碘酸腐蚀性强。Fe³⁺/Fe²⁺***腐蚀性小，采用含Fe^{3 +}氧化剂的硫酸水溶液***，设备材料的选择只需满足耐硫酸腐蚀要求。以I₂为氧化剂时，氧化反应生成氢碘酸，氢碘酸水溶液的腐蚀性大，特别是当氢碘酸与硫酸共存以及高温条件下，腐蚀性极强，很难找到合适的材料以满足过程的使用要求。

(6)Fe³⁺作为氧化剂的体系，Fe³⁺可以循环使用，且循环使用过程的损失少，经济性好；硫酸铁、硫酸亚铁性质稳定，不挥发，而且铁盐来源广、价格低、安全性好。以I₂为氧化剂时，由于碘容易升华，工艺过程中碘的损失量大，操作困难。

因此，研发Fe³⁺的循环利用工艺，特别是将硫酸水溶液中的Fe²⁺氧化为Fe³⁺的工艺，实现Fe³⁺/Fe²⁺电对的循环使用，不但具有重要的应用价值和学术价值，而且具有显著的社会效益和经济效益。

2.氢气

2.1 氢气的性质和主要用途

氢气(Hydrogen)是已知的最轻的气体，其密度只有空气的1/14，即在标准大气压，0℃下氢气的密度为0.0899g/L。氢气在氧气中燃烧放出大量的热，是一种清洁能源；液态氢可作火箭或导弹的高能燃料；氢气还在冶金、化学工业等领域有着广泛的应用。氢气作为燃料具有资源丰富、燃烧发热量高和污染少的特点。因此，制氢技术一直备受关注。

2.2 现有制备氢气的方法

(1)可燃物转化工艺：主要有天然气蒸气转化生产氢气、石油蒸气转化、由煤和水生产氢气等。采用可燃物转化工艺生产氢气是大规模工业制氢过程，生产的氢气主要作为合成氨或加氢反应的原料使用。

(2)含氢化合物裂解工艺：主要有甲醇裂解、氨分解和水分解制备氢气等工艺。其中水分解制氢主要有高温条件下催化分解水制氢以及电解水制氢。生产的氢气主要作为中、小规模企业生产化工产品的原料使用。

(3)以水和生物质为原料制氢：以碱性水溶液(氢氧化钾或氢氧化钠)为电解液，分别以铁和镍作为阴极和阳极，在隔离膜电化学反应器中电解，阴极得到氢气，阳极得到氧气；用氧化亚铜作催化剂采用紫外线照射从水中制取氢气；用钼化合物作为催化剂从水中制取氢气；通过光催化反应和超声波照射分解水制氢；从微生物中提取的酶制氢气；以细菌为原料制取氢气；以绿藻为原料制取氢气；利用太阳能从生物质和水中制取氢气等。

(4)其它制备氢气的方法：除了上述方法外，为了充分利用资源，可以从工业废气中分离回收氢气；实验室制备氢气方法，采用硫酸与锌反应制备氢气；生产氢气球时采用强碱与铝或硅反应制备氢气。

2.3 电解水制氢的特点及存在的主要问题

显然，以水和生物质为原料制取氢气是最佳途径，主要的问题是如何合理利用能源。

在上述制备氢气的方法中，电解水制氢是目前以水为原料制备氢气的工业化生产方法。该方法以碱性水溶液(氢氧化钾或氢氧化钠)为电解液，分别以铁和镍作为阴极和阳极，在隔离膜电化学反应器中电解，阴极得到氢气，阳极得到氧气。

电解水制备的氢气产品纯度高，可得到纯度在99.7％以上的氢气。这种高纯度的氢气可广泛用于电子、仪器、仪表工业中的还原剂、保护气以及坡莫合金的热处理等；粉末冶金工业中作为制钨、钼、硬质合金等的还原剂；制取多晶硅、锗等半导体的原材料；油脂加氢；双氢内冷发电机中的冷却气等。但是，电解水制氢存在以下问题：

(1)生产成本高：因为在电解水制氢过程中只是阴极反应生成目标产物氢气，阳极生成的氧气的用途不大，因此生产成本比较高。

(2)槽电压较高，能量消耗大：由于阳极析氧气的电位比较高，因此电解过程的操作槽电压比较高，能量消耗大。

(3)存在安全隐患：在隔离膜电化学反应器中，阳极生成氧气，阴极生成氢气，如果操作不当，会发生氧气和氢气的混合而存在***隐患。

电化学技术作为清洁生产技术具有广泛的应用前景，研发工艺简单、生产成本低、经济环保的成对电化学合成工艺技术，提高过程的安全性，降低能量消耗，提高产品质量，提高过程的原子利用率，实现阴极和阳极同时得到目标产物的成对电化学合成，不仅具有显著的经济效益和应用价值，而且具有重要的学术意义。

发明内容

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，该方法能实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成，有效地解决现有技术存在的问题。

本发明所采取的技术方案是：一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，是在隔离膜电化学反应器中，以含Fe²⁺的硫酸水溶液为阳极液，Fe²⁺在阳极发生氧化反应生成Fe³⁺；以硫酸水溶液为阴极液，H⁺在阴极发生还原反应得到H₂；实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

本发明所述方法的具体步骤如下：

(1)阳极液配制：将含有Fe²⁺的硫酸水溶液直接作为阳极液；或者在阳极液配制设备中，将硫酸与水混合，再溶入硫酸亚铁，得到含Fe²⁺的硫酸水溶液作为阳极液。

(2)阴极液配制：将硫酸水溶液直接作为阴极液，或者将硫酸与水混合得到的硫酸水溶液作为阴极液。

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化反应生成Fe³⁺；阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应得到H₂；实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

进一步，第(1)步所述的硫酸水溶液中硫酸的浓度为0.2mol/L-8.0mol/L，Fe²⁺浓度为0.2mol/L-2.0mol/L，操作温度为20℃-60℃。

进一步，第(2)步所述的硫酸水溶液中硫酸的浓度为0.2mol/L-8.0mol/L，Fe²⁺的浓度为≤0.2mol/L，操作温度为20℃-60℃。

进一步，第(3)步所述的隔离膜为耐酸阳离子交换膜。

进一步，第(3)步所述的阳极为PbO₂电极、石墨电极，阳极的几何型状可以是平板、网状和三维固定床电极或者多孔电极的任意一种。

进一步，第(3)步所述的阴极为铁，阴极的几何型状可以是平板、网状和三维固定床电极或者多孔电极的任意一种。

进一步，第(3)步Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂过程中，阳极操作电流密度为10mA/cm²-300mA/cm²，操作温度为20℃-80℃。

进一步，第(3)步Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂过程中，阴极操作电流密度为10mA/cm²-600mA/cm²，操作温度为20℃-80℃。

本发明采用的技术原理：

(1)Fe²⁺再生制备Fe³⁺，实现Fe³⁺的循环使用，同时联产H₂

硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极电化学氧化生成Fe³⁺，同时H⁺在阴极发生还原反应得到H₂。Fe³⁺电化学再生同时联产H₂过程的反应式如下：

阳极：2Fe²⁺→2Fe³⁺+2e^-

阴极：2H⁺+2e^-→H₂

总反应：2Fe²⁺+2H⁺→2Fe³⁺+H₂

(2)Fe²⁺易在阳极发生电化学氧化反应再生得到Fe³⁺

在Fe³⁺再生过程中，采用电化学氧化技术，阳极室中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化反应生成Fe³⁺，实现Fe³⁺/Fe²⁺电对的循环使用。

2Fe²⁺→2Fe³⁺+2e

该反应的标准电极电位

硫酸水溶液中，析氧反应的反应式为：

2H₂O→O₂+4H⁺+4e^-

该反应的标准电极电位为

显然，在阳极析氧之前，先发生Fe²⁺到Fe³⁺转化的反应。

(3)硫酸水溶液中H⁺易在阴极发生电化学还原反应生成H₂

阴极室中H⁺在阴极发生还原反应生成H₂，在实现Fe²⁺阳极氧化生成Fe³⁺的同时，在阴极发生H⁺的电化学还原反应得到H₂。

2H⁺+2e^-→H₂

该反应的标准电极电位为

显然，在硫酸水溶液中阴极上容易发生析氢反应。

(4)阳极和阴极成对电合成

在隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生氧化反应生成Fe³⁺；阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生还原反应生成H₂，实现阴极和阳极的的成对电合成。

(5)硫酸水溶液中Fe³⁺和Fe²⁺具有一定的稳定性和溶解度

在硫酸水溶液中，Fe³⁺及Fe²⁺都能够稳定存在，而且具有比较大的溶解度。

本发明采用的主要工艺技术：

(1)Fe²⁺阳极氧化和H⁺阴极还原成对电化学合成技术：在以阳离子交换膜为隔离膜的电化学反应器中，阳极发生Fe²⁺电化学氧化生成Fe³⁺的反应，同时阴极发生H⁺的电化学还原反应得到H₂，实现双室电极的有效利用。

(2)含Fe²⁺硫酸水溶液中阳极上Fe²⁺电化学氧化再生制备Fe³⁺的技术：以PbO₂为阳极，以SO₂吸收转化过程中得到的含Fe²⁺的硫酸水溶液为电解液，在阳极实现Fe²⁺电化学氧化再生得到Fe³⁺，由于该电极的析O₂过电位大，因此Fe²⁺氧化生成Fe³⁺过程的电流效率高。

(3)硫酸水溶液中铁电极上H⁺发生电化学还原反应制备H₂的技术：在隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生还原反应生成H₂。由于阳极是Fe²⁺到Fe³⁺转化，因此可以在阴极和阳极同时得到目标产物，实现双室电极的有效利用。

本发明的有益效果体现在：

(1)过程及能量利用率高：采用Fe³⁺再生及联产H₂成对电化学合成技术，Fe²⁺在阳极氧化得到Fe³⁺和H⁺阴极还原得到H₂的双极成对电化学合成技，实现Fe³⁺再生及联产H₂成对电化学合成，双室电极得到了有效利用，过程的效率及能量利用率高。

(2)Fe²⁺氧化生成Fe³⁺过程的电流效率高：以含Fe²⁺的硫酸水溶液为电解液，在阳极实现Fe²⁺电化学氧化再生得到Fe³⁺，由于Fe²⁺电化学氧化生成Fe³⁺的电极电位比H₂O分解生成O₂的电极电位低，发生析氧的可能性极小，因此，Fe²⁺氧化生成Fe³⁺过程的电流效率高。

(3)联产的H₂产品纯度高，能耗低，过程安全可靠：在隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在电极上发生还原反应生成H₂。与传统的电解H₂O制H₂技术相比，由于本发明的工艺阳极无O₂产生，得到的H₂纯度高，而且避免了可能存在的O₂与H₂混合发生***的安全隐患；由于Fe²⁺电化学氧化生成Fe³⁺的电极电位比H₂O分解生成O₂的电极电位低，因此其槽电压也比电解水制H₂低。本发明的工艺技术不仅H₂产品的纯度高，而且能耗低，过程安全可靠。

(4)Fe³⁺/Fe²⁺为间接电化学氧化/还原电对：硫酸水溶液中的Fe³⁺为具有中等氧化能力的氧化剂，发生氧化反应后，Fe³⁺被还原为Fe²⁺。在硫酸水溶液中，Fe³⁺和Fe²⁺均具有一定的溶解度，且性质稳定。Fe²⁺可以通过电化学氧化再生得到Fe³⁺，能够实现Fe³⁺/Fe²⁺电对的循环利用，物料和能量的利用效率高。

(5)采用铁电极为阴极，不但催化活性高，而且过程无二次污染：采用铁电极为阴极，与***中的物质相一致，减少了过程可能带来的污染。

(6)本发明的工艺方法实现了阴极和阳极同时得到目标产物的成对电化学合成，工艺过程简单，操作控制方便，过程的原子利用率高，设备投资及生产成本低，过程安全可靠，有利于大规模工业化。

附图说明

图1为本发明方法步骤流程图。

图2为本发明方法电化学反应器设备示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明。

实施例一

如图1和图2所示，一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，具体步骤如下：

(1)阳极液配制：将硫酸与水混合制得硫酸水溶液，再将硫酸亚铁溶解在该硫酸水溶液中，制得含0.2mol/L H₂SO₄及0.2mol/L Fe²⁺的阳极液，操作温度为20℃。

(2)阴极液配制：将硫酸与水混合制得含0.2mol/L H₂SO₄的水溶液作为阴极液，操作温度为20℃。

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在以磺酸型阳离子交换膜为隔离膜的电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，以平板PbO₂电极为阳极，操作电流密度为10mA/cm²，操作温度为20℃，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化得到Fe³⁺，反应后的阳极液作为含氧化剂Fe³⁺的硫酸水溶液使用。以平板铁电极为阴极，操作电流密度为10mA/cm²，操作温度为20℃，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应生成H₂，实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

实施例二

如图1和图2所示，一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，具体步骤如下：

(1)阳极液配制：将含有Fe³⁺的硫酸水溶液与硫酸及水混合，再将硫酸亚铁溶解在该溶液中，制得含8.0mol/L H₂SO₄、2.0mol/L Fe²⁺及Fe³⁺浓度≤0.2mol/L的阳极液，操作温度为60℃。

(2)阴极液配制：将含有Fe³⁺和Fe²⁺硫酸水溶液与硫酸及水混合，制得含6.0mol/LH₂SO₄、0.02mol/L Fe²⁺及0.02mol/L Fe³⁺浓度的阴极液，操作温度为60℃。

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在以磺酸型阳离子交换膜为隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，以网状PbO₂电极为阳极，操作电流密度为300mA/cm²，操作温度80℃，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化再生得到Fe³⁺，反应后的阳极液作为含氧化剂Fe³⁺的硫酸水溶液使用。以网状铁电极为阴极，操作电流密度为600mA/cm²，操作温度为80℃，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应生成H₂，实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

实施例三

如图1和图2所示，一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，具体步骤如下：

(1)阳极液配制：将含有Fe³⁺的硫酸水溶液与硫酸及水混合，再将硫酸亚铁溶解在该溶液中，制得含1.0mol/L H₂SO₄、0.4mol/L Fe²⁺及0.2mol/L Fe³⁺的阳极液，操作温度为40℃。

(2)阴极液配制：将含有Fe³⁺和Fe²⁺硫酸水溶液与硫酸及水混合，制得含4.0mol/LH₂SO₄、0.01mol/L Fe²⁺及0.02mol/L Fe³⁺的阴极液，操作温度为40℃。

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在以磺酸型阳离子交换膜为隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，以石墨三维固定床电极为阳极，操作电流密度为100mA/cm²，操作温度为60℃，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化再生得到Fe³⁺，反应后的阳极液作为含氧化剂Fe³⁺的硫酸水溶液使用。以三维固定床电极铁电极为阴极，操作电流密度为600mA/cm²，操作温度为60℃，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应生成H₂，实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

实施例四

如图1和图2所示，一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，具体步骤如下：

(1)阳极液配制：将含有Fe²⁺的硫酸水溶液直接作为阳极液，其组成为2.0mol/LH₂SO₄、2.0mol/L Fe²⁺及0.1mol/L Fe³⁺，操作温度为60℃。

(2)阴极液配制：将含有Fe³⁺和Fe²⁺硫酸水溶液与硫酸及水混合，制得含4.0mol/LH₂SO₄、0.01mol/L Fe²⁺及0.02mol/L Fe³⁺的阴极液，操作温度为60℃。

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在以磺酸型阳离子交换膜为隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，以石墨三维固定床电极为阳极，操作电流密度为200mA/cm²，操作温度为80℃，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化再生得到Fe³⁺，反应后的阳极液作为含氧化剂Fe³⁺的硫酸水溶液使用。以网状铁电极为阴极，阴极操作电流密度为400mA/cm²，操作温度为80℃，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应生成H₂，实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

实施例五

如图1和图2所示，一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，具体步骤如下：

(1)阳极液配制：将含有Fe³⁺的硫酸水溶液与硫酸及水混合，再将硫酸亚铁溶解在该溶液中，制得含4.0mol/L H₂SO₄、2.0mol/L Fe²⁺及Fe³⁺浓度≤0.2mol/L的阳极液，操作温度为30℃。

(2)阴极液配制：将含有Fe³⁺和Fe²⁺硫酸水溶液与硫酸及水混合，制得含5.0mol/LH₂SO₄、Fe³⁺浓度≤0.02mol/L及Fe³⁺浓度≤0.02mol/L的阴极液，操作温度为30℃。

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在以磺酸型阳离子交换膜为隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，以网状PbO₂电极为阳极，操作电流密度为100mA/cm²，操作温度为60℃，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化再生得到Fe³⁺，反应后的阳极液作为含氧化剂Fe³⁺的硫酸水溶液使用。以三维多孔铁电极为阴极，操作电流密度为500mA/cm²，操作温度为60℃，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应生成H₂，实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

实施例六

如图1和图2所示，一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，具体步骤如下：

(1)阳极液配制：配制含8.0mol/L H₂SO₄、2.0mol/L Fe²⁺的阳极液，操作温度为40℃。

(2)阴极液配制：将含有Fe³⁺和Fe²⁺硫酸水溶液与硫酸及水混合，制得含6.0mol/LH₂SO₄、0.02mol/L Fe²⁺及0.02mol/L Fe³⁺浓度的阴极液，操作温度为40℃。

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在以磺酸型阳离子交换膜为隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，以PbO₂三维固定床电极为阳极，操作电流密度为200mA/cm²，操作温度为80℃，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化再生得到Fe³⁺，反应后的阳极液作为含氧化剂Fe³⁺的硫酸水溶液使用。以网状铁电极为阴极，操作电流密度为400mA/cm²，操作温度为80℃，阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应生成H₂，实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

本发明不限于上述实施例，凡采用等同替换或等效替换形成的技术方案均属于本发明要求保护的范围。除上述各实施例，本发明的实施方案还有很多，凡采用等同或等效替换的技术方案，均在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于，特别是在隔离膜电化学反应器中，以含Fe²⁺的硫酸水溶液为阳极液，Fe²⁺在阳极发生氧化反应生成Fe³⁺；以硫酸水溶液为阴极液，H⁺在阴极发生还原反应得到H₂；实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

2.根据权利要求1所述的一种成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于，具体步骤如下：

(1)阳极液配制：将含有Fe²⁺的硫酸水溶液直接作为阳极液；或者在阳极液配制设备中，将硫酸与水混合，再溶入硫酸亚铁，得到含Fe²⁺的硫酸水溶液作为阳极液；

(2)阴极液配制：将硫酸水溶液直接作为阴极液，或者将硫酸与水混合得到的硫酸水溶液作为阴极液；

(3)Fe²⁺氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂：在隔离膜电化学反应器中，以硫酸为支持电解质，阳极室内硫酸水溶液中的Fe²⁺在阳极发生电化学氧化反应生成Fe³⁺；阴极室内硫酸水溶液中的H⁺在阴极发生电化学还原反应得到H₂；实现Fe²⁺氧化制备Fe³⁺以及联产H₂的成对电化学合成。

3.根据权利要求2所述的成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于：第(1)步所述的硫酸水溶液中硫酸的浓度为0.2mol/L-8.0mol/L，Fe²⁺浓度为0.2mol/L-2.0mol/L，操作温度为20℃-60℃。

4.根据权利要求2所述的成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于：第(2)步所述的硫酸水溶液中硫酸的浓度为0.2mol/L-8.0mol/L，Fe²⁺浓度≤0.2mol/L，操作温度为20℃-60℃。

5.根据权利要求2所述的成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于：第(3)步所述的隔离膜为耐酸阳离子交换膜。

6.根据权利要求2所述的成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于：第(3)步所述的阳极为PbO₂电极、石墨电极，阳极的几何型状可以是平板、网状和三维固定床电极或者多孔电极的任意一种。

7.根据权利要求2所述的成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于：第(3)步所述的阴极为铁，阴极的几何型状可以是平板、网状和三维固定床电极或者多孔电极的任意一种。

8.根据权利要求2所述的成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于：第(3)步Fe^{2 +}氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂过程中，阳极操作电流密度为10mA/cm²-300mA/cm²，操作温度为20℃-80℃。

9.根据权利要求2所述的成对电化学制备Fe³⁺和H₂的工艺方法，其特征在于：第(3)步Fe^{2 +}氧化制备Fe³⁺和H⁺还原制备H₂过程中，阴极操作电流密度为10mA/cm²-600mA/cm²，操作温度为20℃-80℃。