CN112661108A - 一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其技术方案要点是：包括如下步骤：S1.制备含去离子水的气流和含苯的气流；S2.将含去离子水的气流通入电晕电场，使得去离子水被电离形成水二聚体自由基阳离子，同时将含苯的气流通入该电晕电场并与水二聚体自由基阳离子相接触反应，即可生成氢气与苯酚自由基阳离子；S3.苯酚自由基阳离子在电场的作用下将自动向负极区域富集，即可分离得到含氢气的气流。本方法基于电晕放电原理，直接将水二聚体自由基阳离子与苯的气相双分子反应，从而在制氢的同时可以将苯氧化得到苯酚，原子利用率高，无环境污染，能耗极低。
Description
技术领域
本发明涉及氢气的制备技术领域，具体是涉及一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法。
背景技术
氢气是重要的工业原料和还原剂，也是燃料电池的必要燃料。氢能作为一种高效、可靠和环境友好型能源，不仅可以提高能效、降低石油消费，保证能源安全，而且还能改善生态环境，实现能源多元化发展，是实现经济和社会可持续发展的重要选择。
目前工业制氢有很多种方法，也都存在着各自的优势和局限性。传统制备氢气的方式主要是电解水制氢和矿物燃料制氢。电解水制氢不仅能耗大，而且成本高，标准状况下，制备每立方米氢气消耗的电能高达5.5KWH，制备氢气成本高。而利用矿物燃料制氢则需要外界提供很高的反应热，大量损失化学能的同时，也带来温室气体CO2的排放。此外，天然气制氢和焦炉气制氢均适用于大规模制氢，但也均受限于原料的供应，并且具有污染性。在环保方面，焦炉气制氢利用的虽然是炼焦的副产物，但无法去除其中的污染物，而天然气制氢依然需要化石燃料作为原料。
目前也有提出其他新型制氢方法，比如甲醇重整制氢、太阳能制氢、生物制氢等，但这些制氢方法技术并不成熟，效率低且难以进行大规模的制氢。
此外，苯酚是一种重要的有机化工基础原料。近年来随着苯酚需求量的增加，异丙苯等传统生产工艺已经与可持续发展理念相冲突，苯直接一步氧化合成苯酚成为开辟苯酚合成路线的热点课题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提出一种能耗低、制备条件要求低且制备效率高的氢气制备方法。
本发明的技术方案是：提供一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，包括如下步骤：
S1.制备含去离子水的气流和含苯的气流；
S2.将含去离子水的气流通入电晕电场，使得去离子水被电离形成水二聚体自由基阳离子，同时将含苯的气流通入该电晕电场并与水二聚体自由基阳离子相接触反应，即可生成氢气与苯酚自由基阳离子；
S3.在S2中得到的含氢气与苯酚自由基阳离子的气流继续通过电晕电场的过程中，苯酚自由基阳离子在电场的作用下将自动向负极区域富集，即可分离得到含氢气的气流。
优选的，所述含去离子水的气流是将载气通过液态的去离子水得到的，所述含苯的气流是将载气通过液态的苯得到的，制备简单方便。
优选的，所述含去离子水的气流中的去离子水为常温常压下的饱和状态，所述含苯的气流中的苯为常温常压下的饱和状态。
优选的，所述含去离子水的气流的流速为10～50ml/min，所述含苯的气流的流速为10～50ml/min。
优选的，所述电晕电场由相对设置的正极板和负极板组成，所述正极板上设有多个电晕针，保证去离子水能够被快速且充分地电离成水二聚体自由基阳离子。
优选的，所述正极板和负极板之间的电压差为0～2.5kV，保证电离形成的水二聚体自由基阳离子的离子强度保持在较高水平。
优选的，所述正极板上的电晕针的针尖与负极板之间的距离为5～20mm。
优选的，所述正极板和负极板之间的压强控制在0.1～0.4MPa。
优选的，所述苯酚自由基阳离子在电场的作用下将富集于负极板形成晶斑，通过将多次反应产生的晶斑进行收集、分离、重结晶，以制得苯酚晶体。
与现有技术相比，上述方案的有益效果为：
1.本方法基于电晕放电原理，直接将水二聚体自由基阳离子与苯发生气相双分子反应，从而在制氢的同时可以将苯氧化得到苯酚；
2.本方法所产生的苯酚自由基阳离子在电场的作用下在负极板上定向排列堆积形成晶斑，这是苯直接一步氧化合成苯酚的新工艺；
3.原子利用率高，无环境污染，有效解决了传统异丙苯方法中丙酮产能过剩的问题；
4.反应所需条件简单，能耗极低，苯酚的法拉第效率可高达60％，产氢浓度可达2000ppm以上。
附图说明
图1是含苯的气流/含去离子水的气流的流速不同情况下，氢气浓度-反应时间曲线图，其中横坐标为时间，纵坐标为氢气浓度。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，电晕放电是指气体介质在不均匀电场中的局部自持放电，是一种常见的气体放电形式，主要发生在曲率半径较小的尖端电极附近。因此，通过在正极或负极设置曲率半径较小的尖端结构，并对正极和负极供以电压差，即可产生本发明所称的电晕电场。
实施例1
一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，包括如下步骤：
S1.以空气为载气，将载气分别通入去离子水的溶液和苯的溶液，从而得到常温常压下下的含饱和状态去离子水的气流和含饱和状态的苯的气流，且载气的气压控制在0.2MPa。
S2.在正极板上设置多个电晕针，并通过电源供电至正极板和负极板即产生电源电场；将含去离子水的气流以30ml/min的流速通入电晕电场，使得去离子水被电离形成水二聚体自由基阳离子，同时将含苯的气流同样以30ml/min的流速通入该电晕电场并与水二聚体自由基阳离子相接触反应，即可生成氢气与苯酚自由基阳离子。另外在本实施例中，正极板和负极板之间的电压差为2kV，正极板上的电晕针的针尖与负极板之间的距离为10mm，保证电离形成的水二聚体自由基阳离子的离子强度保持在较高水平，加快氢气的产出效率。
S3.在S2中得到的含氢气与苯酚自由基阳离子的气流继续通过电晕电场的过程中，苯酚自由基阳离子在电场的作用下将自动向负极板上富集，即可分离得到含氢气的气流。
此外，通过对多次反应后的负极板上的晶斑进行收集、分离、重结晶，即可制得苯酚晶体。
实施例2
一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，包括如下步骤：
S1.以氮气为载气，将载气分别通过去离子水的溶液和苯的溶液的液面上方，从而得到含去离子水的气流和含苯的气流，且载气的气压控制在0.2MPa。
S2.在正极板上设置多个电晕针，并通过电源供电至正极板和负极板即产生电源电场；将含去离子水的气流以40ml/min的流速通入电晕电场，使得去离子水被电离形成水二聚体自由基阳离子，同时将含苯的气流同样以40ml/min的流速通入该电晕电场并与水二聚体自由基阳离子相接触反应，即可生成氢气与苯酚自由基阳离子。另外在本实施例中，正极板和负极板之间的电压差为2.4kV，正极板上的电晕针的针尖与负极板之间的距离为15mm。
S3.在S2中得到的含氢气与苯酚自由基阳离子的气流继续通过电晕电场的过程中，苯酚自由基阳离子在电场的作用下将自动向负极板上富集，即可分离得到含氢气的气流。
此外，通过对多次反应后的负极板上的晶斑进行收集、分离、重结晶，即可制得苯酚晶体。
实施例3
一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，包括如下步骤：
S1.以氩气为载气，将载气依次通入去离子水的溶液和苯的溶液，从而得到含去离子水的气流和含苯的气流，且载气的气压控制在0.3MPa。
S2.在正极板上设置多个电晕针，并通过电源供电至正极板和负极板即产生电源电场；将含去离子水的气流以20ml/min的流速通入电晕电场，使得去离子水被电离形成水二聚体自由基阳离子，同时将含苯的气流同样以20ml/min的流速通入该电晕电场并与水二聚体自由基阳离子相接触反应，即可生成氢气与苯酚自由基阳离子。另外在本实施例中，正极板和负极板之间的电压差为2.4kV，正极板上的电晕针的针尖与负极板之间的距离为8mm。
S3.在S2中得到的含氢气与苯酚自由基阳离子的气流继续通过电晕电场的过程中，苯酚自由基阳离子在电场的作用下将自动向负极板上富集，即可分离得到含氢气的气流。
此外，通过对多次反应后的负极板上的晶斑进行收集、分离、重结晶，即可制得苯酚晶体。
图1是含苯的气流/含去离子水的气流在流速不同情况下，氢气浓度-反应时间曲线图，其中横坐标为时间，纵坐标为氢气浓度。图1中的含苯的气流/含去离子水的气流的流速分别为10mL/min,20mL/min,30mL/min,40mL/min，50mL/min，且其中含苯的气流中的苯含量为常温常压下的饱和状态，含去离子水的气流中去离子水含量为常温常压下的饱和状态。
由图1可以得出，含苯的气流/含去离子水的气流的流速过高或过低均会对氢气的产出效率造成影响。推测产生该现象的原因为：当流速过大时，反应物在电晕针阵列区域停留的时间较短，电晕电场未能将气流中的去离子水全部电离形成水二聚体自由基阳离子，而且产生的水二聚体自由基阳离子与苯发生有效碰撞的效率会下降，导致反应并不充分；当流速过小时，反应物浓度过低导致反应速率较慢。因此，较佳的生产条件为：含有去离子水的气流和含苯的气流分别以30mL/min的流速注入电晕电场进行反应。
另外需要说明的是，电晕电场的正极板和负极板之间的电压差、距离均应控制在合理范围内。否则，若正极板和负极板之间的电压差过大，水二聚体自由基阳离子可能会裂解，同时质子化水团簇等非反应杂离子会增加导致制氢效果变差；若正极板和负极板之间距离过大，则由于离子传输效率的下降，导致水二聚体自由基阳离子的离子强度降低，影响氢气的产生效率。
以上对本发明进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。
Claims (8)
1.一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.制备含去离子水的气流和含苯的气流；
S2.将含去离子水的气流通入电晕电场，使得去离子水被电离形成水二聚体自由基阳离子，同时将含苯的气流通入该电晕电场并与水二聚体自由基阳离子相接触反应，即可生成氢气与苯酚自由基阳离子；
S3.在S2中得到的含氢气与苯酚自由基阳离子的气流继续通过电晕电场的过程中，苯酚自由基阳离子在电场的作用下将自动向负极区域富集，即可分离得到含氢气的气流。
2.根据权利要求1所述的一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，所述含去离子水的气流是将载气通过液态的去离子水得到的，所述含苯的气流是将载气通过液态的苯得到的。
3.根据权利要求2所述的一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，所述含去离子水的气流中的去离子水为常温常压下的饱和状态，所述含苯的气流中的苯为常温常压下的饱和状态。
4.根据权利要求3所述的一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，所述含去离子水的气流的流速为10～50ml/min，所述含苯的气流的流速为10～50ml/min。
5.根据权利要求2所述的一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，所述载气的气压控制在0.1～0.4MPa。
6.根据权利要求1-5任一所述的一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，所述电晕电场由相对设置的正极板和负极板组成，所述正极板上设有多个电晕针。
7.根据权利要求6所述的一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，所述正极板和负极板之间的电压差为0～2.5kV。
8.根据权利要求6所述的一种基于水二聚体自由基阳离子的氢气制备方法，其特征在于，所述苯酚自由基阳离子在电场的作用下将富集于负极板形成晶斑，通过将多次反应产生的晶斑进行收集、分离、重结晶，以制得苯酚晶体。
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|---|---|
| CN (1) | CN112661108A (zh) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6491797B1 (en) * | 1993-11-05 | 2002-12-10 | Florida State University | Methods of oxidizing organic contaminants in aqueous mediums using corona induced reactions |
| CN101100415A (zh) * | 2006-07-03 | 2008-01-09 | 哈尔滨理工大学 | 苯直接羟基化制苯酚的绿色合成方法 |
| CN103263882A (zh) * | 2013-04-14 | 2013-08-28 | 东华理工大学 | 大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的方法及装置 |
| CN105951121A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-09-21 | 安庆师范大学 | 一种离子液体辅助电催化氧化制备苯酚的方法 |
| CN109200969A (zh) * | 2017-07-03 | 2019-01-15 | 海加控股有限公司 | 低温等离子双电场辅助处理含二氧化碳和/或一氧化碳气体合成化合物的方法 |
-
2020
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US6491797B1 (en) * | 1993-11-05 | 2002-12-10 | Florida State University | Methods of oxidizing organic contaminants in aqueous mediums using corona induced reactions |
| CN101100415A (zh) * | 2006-07-03 | 2008-01-09 | 哈尔滨理工大学 | 苯直接羟基化制苯酚的绿色合成方法 |
| CN103263882A (zh) * | 2013-04-14 | 2013-08-28 | 东华理工大学 | 大气压环境下制备水自由基阳离子团簇的方法及装置 |
| CN105951121A (zh) * | 2016-05-27 | 2016-09-21 | 安庆师范大学 | 一种离子液体辅助电催化氧化制备苯酚的方法 |
| CN109200969A (zh) * | 2017-07-03 | 2019-01-15 | 海加控股有限公司 | 低温等离子双电场辅助处理含二氧化碳和/或一氧化碳气体合成化合物的方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| DONGBO MI ET AL.: "Ambient Production of Abundant Water Radical Cations and Characterization of Their Reaction with Benzene", 《2018年中国质谱学术大会（CMSC 2018）》 * |
| SHUNICHI FUKUZUMI ET AL.: "One-Step Selective Hydroxylation of Benzene to Phenol", 《ASIAN JOURNAL OF ORGANIC CHEMISTRY》 * |
| 康颖等: "水为自由基源的电晕放电引发羟基自由基及氧化甲苯", 《科学通报》 * |
| 李明波等: "Fereducer反应强化直流电晕自由基簇射治理苯", 《环境科学》 * |
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