[0001]

本發(fā)明涉及化學(xué)設(shè)備相關(guān)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是指一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置及其方法。

背景技術(shù)：

[0002]

過氧化氫溶液是各種工業(yè)應(yīng)用的重要化學(xué)品，包括化學(xué)合成、紙漿和造紙、紡織品漂白、清潔和蝕刻、環(huán)境保護(hù)、健康消費(fèi)類應(yīng)用等。作為一種高效無害無殘留的氧化劑，被廣泛應(yīng)用于水體的殺菌消毒以及有機(jī)污染物的處理中?，F(xiàn)有工業(yè)應(yīng)用的過氧化氫主要由電解法或蒽醌法生產(chǎn)。

[0003]

電解法主要通過電解硫酸銨溶液生產(chǎn)過硫酸銨，由陽極室流出，含量約為180～240g/l，經(jīng)貯槽供水解用。在減壓下，過硫酸銨溶液進(jìn)入水解蒸餾器進(jìn)行水解蒸餾。過氧化氫隨蒸汽及酸霧蒸出，經(jīng)分離器除去酸霧，再于蒸餾塔中精餾，從塔底得到過氧化氫(控制濃度27.5%)。

[0004]

(nh4)2s2o8+2h2o

→

2nh4hso4+h2o2蒽醌法以氫化萜松醇和苯(體積比1：1)為溶劑的工作液，含有2-乙基蒽醌100~110g/l和四氫2-乙基蒽醌70~80g/l，由定量泵送入裝有鎳催化劑的反應(yīng)釜。在壓力0.2～0.3kpa和溫度50~60℃下連續(xù)通氫氣氫化控制氫化度50%。氫化液經(jīng)過濾，于頂部進(jìn)入氧化塔，在40～50℃下與氧氣進(jìn)行逆流氧化。氧化液用水進(jìn)行逆流萃取，得濃度為27.5%～30%的過氧化氫水溶液，再用苯萃取凈化的成品。這兩種大規(guī)模生產(chǎn)方法均需要消耗大量的電力能源，步驟繁瑣，而且對(duì)于場(chǎng)地要求高，只能大規(guī)模集中化生產(chǎn)。另一方面，過氧化氫溶液不穩(wěn)定，會(huì)在常溫下自行分解為水和氧氣，在運(yùn)輸和存儲(chǔ)中均存在安全風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)增加了相應(yīng)的成本。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

[0005]

本發(fā)明是為了克服現(xiàn)有技術(shù)中存在上述的不足，提供了一種成本低的電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置及其方法。

[0006]

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案：一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，包括反應(yīng)槽和電源，所述反應(yīng)槽的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有陰極電極，所述的反應(yīng)槽上設(shè)有蓋板，所述的蓋板上設(shè)有陽極電極，所述的陰極電極和陽極電極上均設(shè)有催化劑，所述的反應(yīng)槽內(nèi)設(shè)有電解液，所述的蓋板上設(shè)有進(jìn)氣管和出氣管，所述進(jìn)氣管的一端安裝在蓋板，所述進(jìn)氣管的另一端置于反應(yīng)槽內(nèi)且與電解液相接觸，所述出氣管的一端安裝在蓋板，所述出氣管的另一端置于蓋板的外側(cè)，所述的反應(yīng)槽上設(shè)有輸入端口和輸出端口，所述的陰極電極和陽極電極均與電源電連接。

[0007]

該技術(shù)核心是設(shè)計(jì)一個(gè)新型的不需要膜的高效清潔、小型分散式電化學(xué)反應(yīng)器，可以實(shí)時(shí)實(shí)地通過二電子氧還原來產(chǎn)生過氧化氫。該裝置設(shè)計(jì)構(gòu)造包括陰陽兩個(gè)電極以及由電極圍起來的中間反應(yīng)槽構(gòu)成，反應(yīng)槽接有進(jìn)氣管、輸入端口以及過氧化氫的輸出端口，陰極電極與陽極電極外接電源。相比普通電化學(xué)反應(yīng)器，該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要隔膜，成

本低。

[0008]

作為優(yōu)選，所述反應(yīng)槽的形狀為內(nèi)部中空的圓柱形，所述的蓋板安裝在反應(yīng)槽上且與反應(yīng)槽密封連接，所述陽極電極的一端安裝在蓋板上，所述陽極電極的另一端置于反應(yīng)槽內(nèi)且與電解液相接觸。圓柱形的設(shè)計(jì)也使得其作為核心，更方便整合入各種小型家用殺菌等設(shè)備里，美觀且實(shí)用。

[0009]

作為優(yōu)選，所述陰極電極的形狀為圓環(huán)形，所述的陰極電極貼附在反應(yīng)槽的內(nèi)側(cè)表面上，所述的陽極電極為碳柱電極且安裝在蓋板的中心處。這樣獨(dú)特的設(shè)計(jì)可以保證在有限空間內(nèi)，使得陰極表面最大化，可以更快更有效的產(chǎn)生一定量的過氧化氫，環(huán)形電極的設(shè)計(jì)保證的水平方向電場(chǎng)的均勻性，增加了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性。

[0010]

作為優(yōu)選，所述的陰極電極和陽極電極均由導(dǎo)電材料制作而成，所述的陰極電極和陽極電極均通過陽極電鍍或物理附著催化劑。

[0011]

作為優(yōu)選，所述的陰極電極和陽極電極由石墨或銅管制作而成，所述的催化劑為碳基催化劑。

[0012]

作為優(yōu)選，所述的電解液是以水為載體的弱堿導(dǎo)電溶液，所述的弱堿為nahco3、naco3、khco3、k2co3中的一種或多種。

[0013]

本發(fā)明還提供了一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的方法，具體包括如下步驟：（1）電源電力輸入后，二電子氧還原反應(yīng)在陰極電機(jī)的催化劑涂層表面進(jìn)行，以氧氣為反應(yīng)物，生成的過氧化氫會(huì)擴(kuò)散至反應(yīng)槽；（2）對(duì)陽極電極會(huì)同步進(jìn)行水氧化反應(yīng)，以反應(yīng)槽里的電解液為反應(yīng)物，生成氧氣；（3）反應(yīng)槽里的過氧化氫濃度會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間逐漸增加，直到達(dá)到平衡或者最大濃度狀態(tài)，通過反應(yīng)槽的輸出端口進(jìn)行收集。

[0014]

作為優(yōu)選，在步驟（1）中，通過二電子氧還原來產(chǎn)生過氧化氫，具體陰極電極反應(yīng)如下：o

2 + 2(h

+ + e-)

→

h2o2。

[0015]

作為優(yōu)選，在步驟（2）中，陽極電極的匹配用于水氧化的電解陽極，反應(yīng)如下：h2o

→

0.5o2+2(h

+ + e-)。

[0016]

本發(fā)明的有益效果是：該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要隔膜，成本低，可以保證在有限空間內(nèi)，使得陰極表面最大化，可以更快更有效的產(chǎn)生一定量的過氧化氫，環(huán)形電極的設(shè)計(jì)保證的水平方向電場(chǎng)的均勻性，增加了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性，更方便整合入各種小型家用殺菌等設(shè)備里，美觀且實(shí)用。

附圖說明

[0017]

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明的方法流程圖。

[0018]

圖中：1. 催化劑，2. 蓋板，3. 陽極電極，4. 出氣管，5. 進(jìn)氣管，6. 電解液，7. 陰極電極，8. 反應(yīng)槽，9. 電源。

具體實(shí)施方式

[0019]

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的描述。

[0020]

如圖1所述的實(shí)施例中，一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，包括反應(yīng)槽8和電源9，反應(yīng)槽8的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有陰極電極7，反應(yīng)槽8上設(shè)有蓋板2，蓋板2上設(shè)有陽極電極3，陰極電極7和陽極電極3上均設(shè)有催化劑1，反應(yīng)槽8內(nèi)設(shè)有電解液6，蓋板2上設(shè)有進(jìn)氣管5和出氣管4，進(jìn)氣管5的一端安裝在蓋板2，進(jìn)氣管5的另一端置于反應(yīng)槽8內(nèi)且與電解液6相接觸，出氣管4的一端安裝在蓋板2，出氣管4的另一端置于蓋板2的外側(cè)，反應(yīng)槽8上設(shè)有輸入端口和輸出端口，陰極電極7和陽極電極3均與電源9電連接。

[0021]

反應(yīng)槽8的形狀為內(nèi)部中空的圓柱形，蓋板2安裝在反應(yīng)槽8上且與反應(yīng)槽8密封連接，陽極電極3的一端安裝在蓋板2上，陽極電極3的另一端置于反應(yīng)槽8內(nèi)且與電解液6相接觸。陰極電極7的形狀為圓環(huán)形，陰極電極7貼附在反應(yīng)槽8的內(nèi)側(cè)表面上，陽極電極3為碳柱電極且安裝在蓋板2的中心處。陰極電極7和陽極電極3均由導(dǎo)電材料制作而成，陰極電極7和陽極電極3均通過陽極電鍍或物理附著催化劑1。陰極電極7和陽極電極3由石墨或銅管制作而成，催化劑1為碳基催化劑。電解液6是以水為載體的弱堿導(dǎo)電溶液，弱堿為nahco3、naco3、khco3、k2co3中的一種或多種。

[0022]

電源9部分包括但不限于鋰電池或者墻插等傳統(tǒng)技術(shù)，通過變壓穩(wěn)壓，將電壓控制在0-20v之前，電流10-500ma之間的直流電，用于電化學(xué)反應(yīng)的供能。陽極電極3由包括但不限于石墨、銅管材料制作而成，用于執(zhí)行水氧化反應(yīng)完成反應(yīng)閉環(huán)。催化劑1為市面上已知多種催化材料用于燃料電池反應(yīng)。陰極電極7為雙氧水發(fā)生反應(yīng)的電極，由包括但不限于石墨、銅管材料制作而成，用于執(zhí)行氧氣還原反應(yīng)完成反應(yīng)閉環(huán)。反應(yīng)槽8是反應(yīng)發(fā)生的腔體，反應(yīng)產(chǎn)物從電極脫落進(jìn)入水體進(jìn)行收集，該部分包含不固定形態(tài)的輸出端口，用于導(dǎo)出反應(yīng)產(chǎn)物，輸出端口的形態(tài)視具體產(chǎn)品接口而定，輸入端口用于輸入電解液6。進(jìn)氣管5用于主動(dòng)通氣，將氧氣通入反應(yīng)槽8，作為電化學(xué)反應(yīng)的原料。出氣管4用于排出反應(yīng)過程中可能積累起的氣壓和未反應(yīng)的空氣。

[0023]

如圖2所示，本發(fā)明還提供了一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的方法，具體包括如下步驟：（1）電源電力輸入后，二電子氧還原反應(yīng)在陰極電機(jī)的催化劑涂層表面進(jìn)行，以氧氣為反應(yīng)物，生成的過氧化氫會(huì)擴(kuò)散至反應(yīng)槽；通過二電子氧還原來產(chǎn)生過氧化氫，具體陰極電極反應(yīng)如下：o

2 + 2(h

+ + e-)

→

h2o2（2）對(duì)陽極電極會(huì)同步進(jìn)行水氧化反應(yīng)，以反應(yīng)槽里的電解液為反應(yīng)物，生成氧氣；陽極電極的匹配用于水氧化的電解陽極，反應(yīng)如下：h2o

→

0.5o2+2(h

+ + e-)總反應(yīng)為：h2o+0.5o2→

h2o2其中陰極二電子氧還原以及陽極水氧化反應(yīng)都可以通過已經(jīng)報(bào)道的有效碳基催化劑催化完成，對(duì)液體的導(dǎo)電性和酸堿性沒有硬性要求。

[0024]

（3）反應(yīng)槽里的過氧化氫濃度會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間逐漸增加，直到達(dá)到平衡或者最大濃度狀態(tài)，通過反應(yīng)槽的輸出端口進(jìn)行收集。

[0025]

其中：反應(yīng)槽設(shè)計(jì)為圓柱槽，陰極為環(huán)形電極，在圓柱槽的內(nèi)表面，陽極為碳柱電極，在圓柱槽的中心，這樣獨(dú)特的設(shè)計(jì)可以保證在有限空間內(nèi)，使得陰極表面最大化，可以

更快更有效的產(chǎn)生一定量的過氧化氫，環(huán)形電極的設(shè)計(jì)保證的水平方向電場(chǎng)的均勻性，增加了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性。該裝置將革新以及互補(bǔ)現(xiàn)有工業(yè)中大規(guī)模、能量密集以及繁瑣的蒽醌制備過氧化氫的工藝，通過氧還原電化學(xué)反應(yīng)合成過氧化氫，提供一種更簡(jiǎn)單和更可持續(xù)的方法來最大化的實(shí)現(xiàn)這一重要化學(xué)品的使用價(jià)值。尤其對(duì)于飲用水等家用殺菌的使用，這種生產(chǎn)方法可以促使在發(fā)展中國家飲用水有問題的地區(qū)，可以隨時(shí)隨地的生產(chǎn)過氧化氫來凈化飲用水和消毒。該裝置可以高效低功耗安全的產(chǎn)生中低濃度過氧化氫溶液，可廣泛應(yīng)用于家庭殺菌消毒、個(gè)人衛(wèi)生，果蔬清潔以及有機(jī)污水處理等領(lǐng)域。技術(shù)特征：

1.一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，其特征是，包括反應(yīng)槽（8）和電源（9），所述反應(yīng)槽（8）的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有陰極電極（7），所述的反應(yīng)槽（8）上設(shè)有蓋板（2），所述的蓋板（2）上設(shè)有陽極電極（3），所述的陰極電極（7）和陽極電極（3）上均設(shè)有催化劑（1），所述的反應(yīng)槽（8）內(nèi)設(shè)有電解液（6），所述的蓋板（2）上設(shè)有進(jìn)氣管（5）和出氣管（4），所述進(jìn)氣管（5）的一端安裝在蓋板（2），所述進(jìn)氣管（5）的另一端置于反應(yīng)槽（8）內(nèi)且與電解液（6）相接觸，所述出氣管（4）的一端安裝在蓋板（2），所述出氣管（4）的另一端置于蓋板（2）的外側(cè)，所述的反應(yīng)槽（8）上設(shè)有輸入端口和輸出端口，所述的陰極電極（7）和陽極電極（3）均與電源（9）電連接。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，其特征是，所述反應(yīng)槽（8）的形狀為內(nèi)部中空的圓柱形，所述的蓋板（2）安裝在反應(yīng)槽（8）上且與反應(yīng)槽（8）密封連接，所述陽極電極（3）的一端安裝在蓋板（2）上，所述陽極電極（3）的另一端置于反應(yīng)槽（8）內(nèi)且與電解液（6）相接觸。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，其特征是，所述陰極電極（7）的形狀為圓環(huán)形，所述的陰極電極（7）貼附在反應(yīng)槽（8）的內(nèi)側(cè)表面上，所述的陽極電極（3）為碳柱電極且安裝在蓋板（2）的中心處。4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，其特征是，所述的陰極電極（7）和陽極電極（3）均由導(dǎo)電材料制作而成，所述的陰極電極（7）和陽極電極（3）均通過陽極電鍍或物理附著催化劑（1）。5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，其特征是，所述的陰極電極（7）和陽極電極（3）由石墨或銅管制作而成，所述的催化劑（1）為碳基催化劑。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置，其特征是，所述的電解液（6）是以水為載體的弱堿導(dǎo)電溶液，所述的弱堿為nahco3、naco3、khco3、k2co3中的一種或多種。7.一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的方法，其特征是，具體包括如下步驟：（1）電源電力輸入后，二電子氧還原反應(yīng)在陰極電機(jī)的催化劑涂層表面進(jìn)行，以氧氣為反應(yīng)物，生成的過氧化氫會(huì)擴(kuò)散至反應(yīng)槽；（2）對(duì)陽極電極會(huì)同步進(jìn)行水氧化反應(yīng)，以反應(yīng)槽里的電解液為反應(yīng)物，生成氧氣；（3）反應(yīng)槽里的過氧化氫濃度會(huì)隨著反應(yīng)時(shí)間逐漸增加，直到達(dá)到平衡或者最大濃度狀態(tài)，通過反應(yīng)槽的輸出端口進(jìn)行收集。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的方法，其特征是，在步驟（1）中，通過二電子氧還原來產(chǎn)生過氧化氫，具體陰極電極反應(yīng)如下：o

2 + 2(h

+ + e-)

→

h2o2。9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的方法，其特征是，在步驟（2）中，陽極電極的匹配用于水氧化的電解陽極，反應(yīng)如下：h2o

→

0.5o2+2(h

+ + e-)。

技術(shù)總結(jié)

本發(fā)明公開了一種電化學(xué)產(chǎn)生過氧化氫的裝置及其方法。它包括反應(yīng)槽和電源，反應(yīng)槽的內(nèi)側(cè)壁上設(shè)有陰極電極，反應(yīng)槽上設(shè)有蓋板，蓋板上設(shè)有陽極電極，陰極電極和陽極電極上均設(shè)有催化劑，反應(yīng)槽內(nèi)設(shè)有電解液，蓋板上設(shè)有進(jìn)氣管和出氣管，進(jìn)氣管的一端安裝在蓋板，進(jìn)氣管的另一端置于反應(yīng)槽內(nèi)且與電解液相接觸，出氣管的一端安裝在蓋板，出氣管的另一端置于蓋板的外側(cè)，反應(yīng)槽上設(shè)有輸入端口和輸出端口，陰極電極和陽極電極均與電源電連接。本發(fā)明的有益效果是：該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，不需要隔膜，成本低，保證的水平方向電場(chǎng)的均勻性，增加了設(shè)備的穩(wěn)定性和可擴(kuò)充性，更方便整合入各種小型家用殺菌等設(shè)備里，美觀且實(shí)用。美觀且實(shí)用。美觀且實(shí)用。

技術(shù)研發(fā)人員：陳志華 陳書鋮 楊帆 楊旭

受保護(hù)的技術(shù)使用者：浙江清越科技有限公司

技術(shù)研發(fā)日：2020.09.17

技術(shù)公布日：2021/1/29