CN114133004A - 一种新型电催化膜反应器及其在制备高纯氢气上的应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种新型电催化膜反应器及其在制备高纯氢气上的应用,电催化膜反应器采用H型电解池,阴极室与阳极室之间由隔膜分隔,以膜电极为阳极,辅助电极为阴极,直流稳压电源提供恒定的电流,泵实现反应液的流动,本发明将电催化与膜的分离功能相耦合,在阳极室以有机物的电化学氧化反应替代析氧反应,从而降低析氧反应的过电位,在阴极室发生析氢反应制备高纯氢气,产氢纯度高,电流密度大,响应迅速,易于与可再生能源结合,产氢的能耗和成本低;更为重要的是,这种膜反应器可以采用含有苯酚、染料等难降解有机物污水为水源,不但可以降低水处理的能耗和成本,而且可以大大降低阳极反应的过电位、能耗以及氢气的成本。
Description
技术领域
本发明属于新能源领域,涉及电催化膜反应器以及高纯氢气(纯度为99.9%)的制备技术,尤其是一种新型电催化膜反应器及其在制备高纯氢气上的应用。
背景技术
随着人类社会对于清洁能源和环境保护的重视,近些年基于电催化氧化反应的水处理以及有机电化学合成中引起科研界和工业界的广泛关注。电催化氧化技术是讲电化学氧化反应与多相催化反应相结合的技术,其本质是将催化剂负载在电极上,在电场作用下,实现氧化反应,比如有机物的降解或者选择性氧化。因此,电催化氧化技术具有反应条件温和、绿色清洁、无需添加氧化剂等诸多优势。
虽然电催化氧化技术有诸多优势,但也存在以下不足之处,比如电极制备复杂且成本较高,反应过程中反应物和产物不能及时分离,导致产物无法调控或者氧化性能较差,从而严重影响电催化氧化的效率,增大其成本和能耗,使其难以规模化应用。电催化膜反应器将催化反应和膜分离技术相结合,实现膜分离与电化学技术耦合,从而构建电催化膜反应器,可以有效解决电化学氧化反应中所存在的传质限制,产物不能及时分离导致副反应等问题,既保留了传统有机电化学合成的优势,又抑制副反应和膜污染的发生,通过强化传质提高了反应器的效率。
然而,电催化膜反应器在能耗和电极反应效率方面仍然存在不足之处,比如阴极反应的氢气大量浪费,导致成本和能耗较高。
目前应用最为广泛的制氢技术是电解水制氢技术,其中包括碱水电解水制氢、质子交换膜电解制氢和高温固体氧化物电解水制氢技术。碱水电解制氢发展成熟,是最早的技术,目前商业化程度高、成本较低,是可再生能源制氢项目的方式,中间一般用离子交换膜,但是存在响应速度慢、碱液流失、腐蚀、能耗高等问题,适应波动性较差,与风光结合时需要配备储能等问题。固体氧化物水电解制氢,需要高温,而且对设备要求高,技术难度更大,且工作环境苛刻,目前技术成熟度不高,只是停留在实验室的概念而已。而质子交换膜电解制氢技术的响应速度快、运行电流密度高、能耗低、产氢压力高,制氢的纯度高、适应可再生能源发电的波动性特征,易于与可再生能源消纳相结合,所以最近几年PEM水电解制氢得到迅速发展。但这些反应器必须以纯水为水源,阳极反应只能是析氧反应,存在过电位高,能耗大等问题。
发明内容
本发明的目的在于,针对现有技术存在的问题,提供一种新型电催化膜反应器,利用隔膜将阴极与阳极隔开,阳极通过有机物氧化替代析氧反应,阴极制备高纯度氢气。
本发明提供了一种新型电催化膜反应器的设计;
本发明的另一目的在于提供所述新型电解池电催化膜反应器在制备高纯氢气上的应用;
本发明的上述目的是通过以下方案予以实现的:
一种新型电解池电催化膜反应器的反应装置,包括电解池、多孔膜电极、隔膜、泵、直流稳压电源等。所述的新型电解池包括阳极室、阴极室以及隔膜;所述的阳极室包括多孔膜电极、反应原料液以及电解质溶液;所述的阴极室包括辅助电极和电解质溶液。
所述新型电解池电催化膜反应器,以多孔膜电极作为阳极,辅助电极作为阴极,使用隔膜将阴极和阳极隔开,同时利用阳极和阴极反应,提高电流效率,在一定的工作电压和电流密度下,通过泵提供的负压,将产物抽吸到渗透侧,在实现反应物高选择性氧化或高效降解的同时,也促进了阴极电解水产生的高纯度氢气。
所述的阳极为膜电极,其膜可为平板式或者管式的无机金属膜、氧化物膜或者碳膜。
所述的膜电极,其催化剂可以为膜自身,也可以为膜电极负载的贵金属及其氧化物(比如Pt、Ir、Ru等)、过渡金属氧化物及硫化物或者磷化物,比如过渡金属Ni、Co、Fe以及多组分氧化物,如NiCoOx等。
所述的H型电解池阴极室与阳极室之间由隔膜分隔,其隔膜可以为离子型交换膜,也可以为质子交换膜。
所述的阴极可以为金属电极,如不锈钢网、泡沫镍、金属钛片等,或者石墨电极。
所述的阳极应用为基于电化学氧化的有机物降解或含氧化合物的制备,比如苯酚、酸性橙等降解,苯甲醇、乙醇、糠醛等有机物氧化制备醛、酸等产物;其阴极应用为高纯氢气制备。
采用离子交换膜或者质子交换膜作为隔膜,不但可以将阴极和阳极分隔,形成两个独立的反应室,而且可以将阳极的气体与阴极的氢气分离,使其达到99%以上的高纯氢气。若阴、阳极不加隔膜,那么反应器就相当于普通的单池,不能够分离得到高纯的氢气。本发明提高了阳极的利用率,将阳极有机物氧化与阴极产氢进行耦合,通过调控多孔膜电极和催化剂的种类、反应器的电压、电流密度、泵的流速,从而调控产物的选择性或难降解有机物的矿化以及氢气的析出,实现电化学氧化和高纯氢气的制备。
本发明以膜电极作为阳极,将电催化与膜的分离功能相耦合,因此可以将析氧反应转变为有机物的氧化,这样一来,基于我们这种电催化膜电极和质子交换膜的反应器,不但具有传统质子交换膜电解池的优势:产氢纯度高,电流密度大,响应迅速,易于与可再生能源结合,而且具有产氢的能耗和成本低等优势。更为重要的是,这种膜反应器可以采用含有苯酚、染料等难降解有机物污水为水源,这样不但可以降低水处理的能耗和成本,而且可以大大降低阳极反应的过电位、能耗以及氢气的成本。同时,这种膜反应器可以结合有机物电化学合成,这样将有机物的电化学氧化合成与产氢结合,不但可以降低产氢的能耗和成本,而且可以在阳极得到目标产物,比如醛、酸等含氧有机物,从而进一步降低产氢的成本和提升经济效益。
总的来说,本发明具有以下优势:
(1)本发明在常温常压下操作,膜电极作为阳极实现电催化过程与膜分离双功能,氧化反应过程可控,并且对于难降解有机物的降解或有机物的选择性氧化反应具有很高的效率。
(2)阴极采用商业化的金属电极或碳电极,成本低廉,而且高纯氢气的生成,极大地提高了反应器的效率,降低成本和能耗。
(3)利用质子交换膜将阴阳极隔开,阳极采用含有苯酚、染料等难降解有机物污水为水源,不但降低水处理的能耗和成本,而且还降低阳极反应的过电位。将有机物的电化学氧化合成与产氢结合,不但可以降低产氢的能耗和成本,而且可以在阳极得到目标产物,从而进一步降低产氢的成本和提升经济效益。
附图说明
图1(a)为H型管式膜电催化膜反应器示意图;
图中:1H型电解池,2质子交换膜,3用作阳极的管式膜电极,4用作阴极的金属电极,5直流稳压电源,6蠕动泵,7反应物产物收集装置,8进料液口,9出料液口,10出气口
图1(b)为平板膜电催化膜反应器示意图;
图中:21端板,22质子交换膜,23用作阳极的平板膜电极,24用作阴极的金属电极,25直流稳压电源,26蠕动泵,27反应物产物收集装置,28极板,29进料液口,30出料液口,31出气口
图2为实例1反应停留时间与COD和产氢速率之间的关系;
图3为处理前后的染料溶液对比照片;
图4为电流密度与染料脱色率和COD之间的关系图;
图5为高纯度氢气的TCD图。
具体实施方法
下面结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细描述
实例1
H型电催化膜反应器处理含酚废水
以负载钴氧化物纳米催化剂的多孔钛膜作为阳极,不锈钢网作为阴极,采用H型电解池构建电催化膜反应器,隔膜采用Nafion质子交换膜,通过直流电源提供稳定的电流,膜操作过程采用死端过滤方式,膜一端封闭,另一端通过管道与蠕动泵连接,经由泵不断提供负压,强化其传质过程。苯酚初始浓度为2mmolL-1,电解质浓度为14.4gL-1Na2SO4,膜反应器电流密度为1.0mAcm-2,停留时间为15min,COD去除率为99%,TOC去除率为90%,单位膜面积氢气产率为10mL/h,当把反应器装置放大到十倍,其产氢速率为100mL/h,实现了高效地处理含酚废水以及高效产氢。
反应停留时间与COD和产氢速率之间的关系如图2所示。
实例2
H型电催化膜反应器处理偶氮染料废水耦合产氢
采用原位负载钴氧化物纳米催化剂的多孔钛膜作为阳极,不锈钢网作为阴极,采用H型电解池构建电催化膜反应器。隔膜采用质子交换膜Nafion117,通过直流电源提供稳定的电流,膜操作过程采用死端过滤方式,膜一端封闭,另一端通过管道与蠕动泵连接,经由泵不断提供负压,强化其传质过程。酸性橙II初始浓度为10mgL-1,电解质浓度为14.4gL- 1Na2SO4,膜反应器电流密度为1.0mAcm-2,停留时间为20min,反应后其脱色率为100%,COD去除率为99%,TOC去除率为90%,产氢速率接近100mL/h。本发明实现了对酸性橙II模拟偶氮染料废水的高效去除以及高纯度产氢。
处理前后的染料溶液对比照片如图3所示。
电流密度与染料脱色率和COD之间的关系如图4。
实例3
H型电解池电催化膜反应器电催化氧化苯甲醇制备苯甲酸耦合产氢采用原位负载钴氧化物纳米催化剂的多孔钛膜作为阳极,不锈钢网作为阴极,采用H型电解池构建电催化膜反应器。隔膜采用Nafion质子交换膜,通过直流电源提供稳定的电流,膜操作过程采用死端过滤方式,膜一端封闭,另一端通过管道与蠕动泵连接,经由泵不断提供负压,强化其传质过程,苯甲醇初始浓度为10mgL-1,电解质浓度为4gL-1NaOH,膜反应器电流密度为2.0mAcm-2,停留时间为20min,苯甲醇的转化率为90%,苯甲酸的选择性为99%,产氢速率为100mL/h。本发明实现了对苯甲酸的电化学合成以及高纯度产氢。
图5为高纯度氢气TCD图。
实例4
H型电解池电催化膜反应器电催化氧化5-羟甲基糠醛(HMF)制备2,5-呋喃二甲酸(FDCA)耦合产氢
采用原位负载钴氧化物纳米催化剂的多孔钛膜作为阳极,不锈钢网作为阴极,采用H型电解池构建电催化膜反应器。隔膜采用Nafion质子交换膜,通过直流电源提供稳定的电流,膜操作过程采用死端过滤方式,膜一端封闭,另一端通过管道与蠕动泵连接,经由泵不断提供负压,强化其传质过程,5-羟甲基糠醛初始浓度为20mgL-1,电解质浓度为4gL- 1NaOH,膜反应器电流密度为2.0mAcm-2,停留时间为15min,糠醛的转化率为99%和,FDCA酸的选择性为99%,产氢速率为90mL/h。本发明实现了对HMF的电化学合成以及高纯度产氢。
Claims (9)
1.一种新型电催化膜反应器,其特征在于:采用H型电解池,阴极室与阳极室之间由隔膜分隔,以膜电极为阳极,辅助电极为阴极,直流稳压电源提供恒定的电流,泵实现反应液的流动。
2.根据权利要求1所述的电催化膜反应器,其特征在于:所述的隔膜为离子型交换膜或质子交换膜。
3.根据权利要求1所述的电催化膜反应器,其特征在于:所述的膜电极为平板式或者管式的无机金属膜、氧化物膜或者碳膜。
4.根据权利要求3所述的电催化膜反应器,其特征在于:所述的膜电极上负载有贵金属及其氧化物、过渡金属氧化物及硫化物或者磷化物。
5.根据权利要求1所述的电催化膜反应器,其特征在于:所述的阴极为金属电极或石墨电极。
6.一种权利要求1~5任一权利要求所述的电催化膜反应器在制备高纯氢气上的应用。
7.根据权利要求6所述的应用,其特征在于:在阴极室制备高纯氢气,在阳极室进行电化学氧化反应。
8.根据权利要求6所述的应用,其特征在于:所述的电化学氧化反应包括有机物降解反应或含氧化合物的制备反应。
9.根据权利要求8所述的应用,其特征在于:所述的有机物降解包括苯酚、酸性橙的降解,所述含氧化合物的制备包括苯甲醇、乙醇、糠醛有机物氧化制备醛、酸产物。
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