CN113621980A - 一种制备过氧化氢的流动式电化学装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种制备过氧化氢的流动式电化学装置，设有一个以上的反应器和外接电源，所述反应器包括电解液腔体、阴极电极和阳极电极，所述电解液腔体相对的面上分别设有进液口和出液口，所述阴极电极和阳极电极设置在所述电解液腔体内部，所述外接电源分别与所述阴极电极和阳极电极电连接，所述阴极电极和阳极电极之间设有分隔电极、增强电解液涡流效应的隔板，所述隔板为绝缘隔板。本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置是一种设计简单的流动式过氧化氢发生装置，使用日常生活中常见的自来水或者自然水体作为电解液就可以发生氧化还原电化学反应合成过氧化氢，而且可以根据需要通过添加电解质溶质来提高产生的过氧化氢溶液浓度，简单易用。

Description

一种制备过氧化氢的流动式电化学装置

技术领域

本发明涉及电化学设备领域，具体涉及一种制备过氧化氢的流动式电化学装置。

背景技术

过氧化氢，分子式H₂O₂，作为除水外的另一种氢的氧化物，是一种天然存在于空气和水中是一种天然存在的化学物质。过氧化氢有较强的氧化性，其还原产物为水，不引入杂质且不污染环境，因此是一种用途十分广泛的氧化剂，是各种工业应用的重要化学品，在化学合成、纸浆和造纸、纺织品漂白、清洁和蚀刻、环境保护等领域都有应用。早在18世纪，人类就发现并开始使用过氧化氢，然而，现有工业中生产过氧化氢，制备工艺繁琐，需要使用大规模、能量密集的生产设备。而且，过氧化氢溶液不稳定，在运输和储存需要合适的容器来防止过氧化氢被光降解，其自然分解出的氧气也对运输和储存设施带来了额外的设备成本和潜在的安全隐患，增加了相应的成本。

发明内容

针对上述提到的现有技术中的生产过氧化氢溶液的设备规模大、耗能高，不便于现场应用的问题，本发明提供一种新型高效清洁、小型分散式、无隔膜，通过二电子氧还原反应来产生过氧化氢的流动式电化学反应装置。反应装置的电解液腔体内设有用于产生过氧化氢的阴极电极和阳极电极以及支撑分隔电极的隔板；当电解液流过电化学反应器时，在合适电极材料以及催化剂的作用下，二电子氧还原反应在阴极进行，以电解液中的溶解氧气为反应物，生成的过氧化氢会扩散至电解液中，同时对阳极会同步进行水氧化反应，以电解液中的水为反应物，生成氧气，溶解到电解液中或分散为气泡被流动的电解液带出。

本发明解决其技术问题采用的技术方案是：一种制备过氧化氢的流动式电化学装置，设有一个以上的反应器和外接电源，所述反应器包括电解液腔体、阴极电极和阳极电极，所述电解液腔体相对的面上分别设有进液口和出液口，所述阴极电极和阳极电极设置在所述电解液腔体内部，所述外接电源分别与所述阴极电极和阳极电极电连接，所述阴极电极和阳极电极之间设有分隔电极并增强电解液涡流效应的隔板，所述隔板为绝缘隔板。

本发明解决其技术问题采用的技术方案进一步还包括：

如上所述的流动式电化学装置，所述隔板为格栅板、多孔板或三维多孔聚合纤维板中的一种或多种，所述隔板采用三维多孔聚合纤维材料、陶瓷或塑料中的一种制成。

如上所述的流动式电化学装置，所述阴极电极和阳极电极沿着所述电解液腔体的长度方向设置，所述阴极电极和阳极电极呈与所述电解液腔体内壁形状吻合的板状或弧板状，所述阴极电极和阳极电极相对地固定在所述隔板两侧的电解液腔体内壁上。

如上所述的流动式电化学装置，所述阴极电极和阳极电极沿着所述电解液腔体的长度方向设置，所述阴极电极呈圆筒状，所述阳极电极呈条状，所述阳极电极设置在所述阴极电极的轴心处，所述隔板为圆柱形的三维多孔聚合纤维板，所述隔板的大小与所述阴极电极吻合，所述隔板插装在所述阴极电极中，所述阳极电极插装在所述隔板中。

如上所述的流动式电化学装置，所述隔板包括固定部和导流部，所述固定部设有两块，所述固定部设置在电解液腔体的两侧并将所述阴极电极或阳极电极固定在电解液腔体的内壁上，所述导流部设有两块以上，所述导流部的一端固定设置在其中一块固定部上且另一端与另一块固定部之间留有间隙，相邻的导流部相互交错设置，使得导流部之间形成电解液流动的通道。

如上所述的流动式电化学装置，所述进液口处设有过滤器，所述过滤器为多孔陶瓷过滤器或聚合纤维过滤器。

如上所述的流动式电化学装置，所述进液口出设有过滤器，所述过滤器为多孔陶瓷过滤器或聚合纤维过滤器。

如上所述的流动式电化学装置，所述阴极电极的材料为泡沫镍、多孔石墨板、烧结钛、活性炭毡或碳纸中的一种。

如上所述的流动式电化学装置，所述阴极电极上涂覆有阴极催化剂，所述阴极催化剂为Pt/C、PtHg4、O-CNTs、氧化石墨、高表面积活化碳粉、高比表面积氧化石墨、M-N-C(M＝Co，Fe，Mn)、功能化碳粉等中一种。

如上所述的流动式电化学装置，所述阳极材料为铂、钯、钉、铑、铱、锇、金中的一种或多种与铁、钴或镍中的一种或多种的合金或掺硼金刚石薄膜、玻璃碳。

如上所述的流动式电化学装置，所述阳极电极表面涂覆或沉积有水氧化(OER)催化剂，所述水氧化(OER)催化剂为NiCoOx、CoFeOx、IrOx/SrIrO3、IrO2、RuO2、FeCoW、NiOx、NiFeOx或固态Pt中的一种。

本发明的有益效果是：本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置是一种设计简单、小型化、分散式、流动式、实时在线、更节能和安全的过氧化氢生发装置，使用日常生活中常见的自来水或者自然水体作为电解液就可以发生氧还原电化学反应合成过氧化氢，并在需要时可以通过添加日常可见的电解质溶质提升所产生过氧化氢浓度；此外，还解决过氧化氢运输和储存的安全性和经济性问题，可以方便地安装在各类家用电器中，实现过氧化氢在日常生活和生产活动中的即时生产和使用，从而极大地拓展了过氧化氢这一优良的消毒剂在家庭和公共空间中的消毒杀菌和污染物净化用途上的使用范围。

下面将结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。

附图说明

图1为本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置实施例一的连接关系示意图；

图2为本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置实施例一中反应器的剖面结构示意图；

图3为本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置实施例一与其他反应装置产生的过氧化氢溶液浓度对比图；

图4为本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置实施例二反应器的剖面结构示意图；

图中，1、反应器，11、电解液腔体，111、进液口，112、出液口，12、阴极电极，13、阳极电极，14、隔板，141、固定部，142、导流部，2、外接电源，3、过滤器，4、外置水泵。

具体实施方式

本实施例为本发明优选实施方式，其他凡其原理和基本结构与本实施例相同或近似的，均在本发明保护范围之内。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置实施例一参照图1和2所示，设有两个反应器1和一个外接电源2，为了方便将生产出的过氧化氢溶液输送使用目的地，第二个反应器1之后还连接有外置水泵4。反应器1包括电解液腔体11、阴极电极12和阳极电极13，本实施例中，电解液腔体11为长方体，内部是中空的电解液腔，电解液腔体11的顶面和底面上分别设有进液口111和出液口112，进液口111设置在底面的左侧，出液口112设置在顶面的右侧。阴极电极12和阳极电极13设置在电解液腔体11内部，外接电源2通过穿过电解液腔体11的电线与阴极电极12和阳极电极13电连接，电解液腔体11上设有供电线穿过的电线孔和密封电线孔的密封边。为了将避免短路，阴极电极12和阳极电极13之间设有分隔电极、增强电解液涡流效应的隔板14，隔板14为绝缘隔板，采用绝缘材料制成。此外，具体生产实施中，还可以利用外置水泵4将从出液口112中流出的过氧化氢溶液再次输送到进液口111中，让过氧化氢溶液循环反应，以提高反应率，提高过氧化氢溶液的浓度。外接电源2可以选用锂电池、铅酸电池、镍氢电池、干电池等电源，也可以通过相应的电路将市电交流电转化为直流后使用，外接电源2的电压根据电极的面积和电解液电导率等参数进行优化选择，本实施例中外接电源为利用电路转化为直流电的市电交流电。

本实施中，阴极电极12和阳极电极13沿着电解液腔体11的长度方向设置，阴极电极12和阳极电极13呈与电解液腔体11内壁形状吻合的板状，阴极电极12和阳极电极13相对地固定在隔板14两侧的电解液腔体11内壁上。在具体生产实施中，电极的形状可以根据电解液腔体11内壁形状设置成弧板状。

为了增加电解液在电解液腔体11内的涡流效应，提高反应效率，增加产品浓度，本实施例的隔板14包括固定部141和导流部142，固定部141设有两块，固定部141设置在电解液腔体11的两侧并将阴极电极12或阳极电极13固定在电解液腔体11的内壁上，电解液腔体11的内壁上设有配合固定阴极电极12或阳极电极13的插槽。为了使得电解液能够与电极接触，本实施例中固定部为141为格栅板，在实际生产实施中，固定部141还可以直接做成大小与电解液腔体11内壁形状吻合的框体或者采用三维多孔聚合纤维制作的支撑板。固定部141上分别设有导流部142，本实施例中导流部142呈板状，两块固定部141上的导流部142相向设置且相互交错已形成用于弯折流通的电解液的弯折流道。导流部142的数量在确保电解液能够自由流动的情况下，根据电解液腔体11的长度增减，本实施例中导流部142设有十块。当电解也以较高的流速通过进液口111进入到电解液腔体11中时，在导流部142的作用下，产生较大强度的湍流，促进阴极反应的进行。

考虑的使用方便，本实施例的制备过氧化氢的流动式电化学装置的电解液可以是经过处理的自来水、矿泉水等常见的水体，也可以是雨水、河水、海水等天然水体，还可以是未经处理的生活废水、工业废水等。为了在使用是避免电解液中可能含有的杂质堵塞反应器1，本实施的反应器1的进液口111处设有过滤器3，过滤器3为多孔陶瓷过滤器，以便充分取出电解液中的固体物质。在具体使用中还可以根据过滤需要选用聚合纤维过滤器、活性炭过滤器等不同种类和过滤效果的过滤器。

由于本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置是通过二电子氧还原反应来产生过氧化氢的，总反应为：

H₂+0.5O₂→H₂O₂

在阴极上具体发生的反应如下：

O₂+2(H⁺+e^-)→H₂O₂

因此，阴极电极材料应当选用具有三维结构的材料，以利于阴极催化剂的附着，同时提高阴极的相对表面积，提高产生过氧化氢的效率。本实施例中阴极电极12的材料选用了多孔石墨板，在具体生产实施中还可以采用泡沫镍、烧结钛、活性炭毡或碳纸中的一种。为了抑制阴极端产生的四电子氧还原反应，提高过氧化氢的产量，阴极电极12上涂覆有阴极催化剂，本实施例的阴极催化剂为高比表面积氧化石墨，在具体生产实施中阴极催化剂可以根据阴极材料和电解液的成分在Pt/C、PtHg₄、O-CNTs、氧化石墨、高表面积活化碳粉、M-N-C(M＝Co，Fe，Mn)、功能化碳粉中选择。

同时在电化学反应装置的阳极一侧则发生了水的电解反应，具体如下：

H₂O→0.5O₂+2(H⁺+e^-)

因此阳极电极13材料应当选用性质稳定不易被氧化的及金属材料，如铂、钯、钌、铑、铱、锇、金中的一种或多种与铁、钴或镍中的一种或多种的合金，或者具有宽的电化学势窗、较好的物理化学稳定性以及低吸附特性的非金属材料，如掺硼金刚石薄膜、玻璃碳。本实施例中，阳极电极13为玻璃碳电极。同时为了促进水氧化反应的进行，阳极电极13表面涂覆或沉积有水氧化(OER)催化剂，水氧化(OER)催化剂可以选用NiCoOx、CoFeOx、IrOx/SrIrO3、IrO2、RuO2、FeCoW、NiOx、NiFeOx或固态Pt中的一种，本实施例中，阳极电极13上涂覆的水氧化(OER)催化剂为固态Pt。

本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置实施例二参照图4所示，设有一个反应器1和外接电源2，反应器1包括电解液腔体11、阴极电极12和阳极电极13。本实施例中电解液腔体11呈中空的圆柱形，内部是发生电化学反应的电解液腔，进液口111和出液口112分别设置在圆柱形电解液腔体11的两个底面上并且相互错开。阴极电极12和阳极电极13沿着电解液腔体11的长度方向设置在电解液腔体11内部，阴极电极12呈与电解液腔11内壁形状吻合的圆筒状，并固定安装在电解液腔体11的内壁上，电解液腔体11的内壁上设有能够固定阴极电极12的固定结构；阳极电极13呈条状，设置在阴极电极12的轴心处，电解液腔体11的两个底面上设有相对设置的固定插槽固定阳极电极12。外接电源2通过穿过电解液腔体11的电线与阴极电极12和阳极电极13电连接，电解液腔体11上设有供电线穿过的电线孔和密封电线孔的密封边。隔板14为圆柱形的三维多孔聚合纤维板，隔板14的大小与阴极电极12吻合，隔板14插装在阴极电极12中，阳极电极13插装在隔板14中。由于三维多孔聚合纤维材料具有良好的可压缩性和一定刚度，可以通过调节材料的压缩量灵活的调节隔板14对阴极电极12的支撑力度，防止阴极电极12和阳极电极13接触造成短路。此外，三维多孔聚合纤维材料的多孔结构可以在电解液通过时，使得电解液产生数量极大的微小湍流，增强阴极和阳极上的离子交换速率，提升过氧化氢的产生速率，提高反应率。

本实施例中，本实施例中阴极电极12的材料选用了泡沫镍，阴极电极12上涂覆的阴极催化剂为Pt/C。阳极电极13的材料选用了铱铁合金阳极电极13表面沉积的水氧化(OER)催化剂为IrO₂。

通过以下实验证明本发明的有益效果。

一、实验设计

采用如表一所示的试验条件进行试验：

二、试验结果分析

试验结果参照图3所示，试验组1在采用了拆除了隔板后的实施例一的流动式电化学装置，在直流电压12V、仅使用自来水作为电解液的条件下，流动式电化学装置产生的过氧化氢溶液浓度最终在30mg/L，明显高于非流动式的反应装置，说明流动式的反应装置能够提高电解反应的反应率；试验组2采用了完整的实施例一的流动式电化学装置，在直流电压12V、仅使用自来水作为电解液的条件下，过氧化氢产生的速率和平衡浓度有了更加显著的提升，说明通过设置隔板增加电解液的涡流效应能够改变反应平衡，提升反应率；试验组3采用了完整的实施例一的流动式电化学装置，在直流电压12V、使用0.1mol/L硫酸钠溶液作为电解液的条件下，产生过氧化氢的浓度可以有约10倍的提升，达到约1000mg/L(0.1％质量分数)的浓度，大大扩展了该发明的可应用场景。而作为对比实验的非流动式不锈钢电极电解槽仅能产生浓度为2mg/L左右的过氧化氢溶液。上述实验结果证明了本发明可以提供一种有效快速产生所需浓度的过氧化氢溶液的流动式电化学装置。

本发明的制备过氧化氢的流动式电化学装置是一种设计简单、小型化、分散式、流动式、实时在线、更节能和安全的过氧化氢生发装置，使用日常生活中常见的自来水或者自然水体作为电解液就可以发生氧化还原电化学反应合成过氧化氢，并在需要时可以通过添加日常可见的电解质溶质提升所产生过氧化氢浓度；此外，还解决过氧化氢运输和储存的安全性和经济性问题，可以方便地安装在各类家用电器中，实现过氧化氢在日常生活和生产活动中的即时生产和使用，从而极大地拓展了过氧化氢这一优良的消毒剂在家庭和公共空间中的消毒杀菌和污染物净化用途上的使用范围。

Claims (10)

1.一种制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，设有一个以上的反应器(1)和外接电源(2)，所述反应器(1)包括电解液腔体(11)、阴极电极(12)和阳极电极(13)，所述电解液腔体(11)相对的面上分别设有进液口(111)和出液口(112)，所述阴极电极(12)和阳极电极(13)设置在所述电解液腔体(11)内部，所述外接电源(2)分别与所述阴极电极(12)和阳极电极(13)电连接，所述阴极电极(12)和阳极电极(13)之间设有分隔电极并增强电解液涡流效应的隔板(14)，所述隔板(14)为绝缘隔板。

2.如权利要求1所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述隔板(14)为平板、格栅板或多孔板中的一种或多种，所述隔板(14)采用三维多孔聚合纤维材料、陶瓷或塑料中的一种制成。

3.如权利要求1所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述阴极电极(12)和阳极电极(13)沿着所述电解液腔体(11)的长度方向设置，所述阴极电极(12)和阳极电极(13)呈与所述电解液腔体(11)内壁形状吻合的板状或弧板状，所述阴极电极(12)和阳极电极(13)相对地固定在所述隔板(14)两侧的电解液腔体(11)内壁上。

4.如权利要求1所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述阴极电极(12)和阳极电极(13)沿着所述电解液腔体(11)的长度方向设置，所述阴极电极(12)呈圆筒状，所述阳极电极(13)呈条状，所述阳极电极(13)设置在所述阴极电极(12)的轴心处，所述隔板(14)为圆柱形的三维多孔聚合纤维板，所述隔板(14)的大小与所述阴极电极(12)吻合，所述隔板(14)插装在所述阴极电极(12)中，所述阳极电极(13)插装在所述隔板(14)中。

5.如权利要求3所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述隔板(14)包括固定部(141)和导流部(142)，所述固定部(141)设有两块，所述固定部(141)设置在电解液腔体(11)的两侧并将所述阴极电极(12)或阳极电极(13)固定在电解液腔体(11)的内壁上；所述固定部(141)上分别设有导流部(142)，两块固定部(141)上的导流部(142)相向设置且相互交错以形成用于弯折流通的电解液的弯折流道。

6.如权利要求1所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述进液口(111)处设有过滤器(3)，所述过滤器(3)为多孔陶瓷过滤器或聚合纤维过滤器。

7.如权利要求1所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述阴极电极(12)的材料为泡沫镍、多孔石墨板、烧结钛、活性炭毡或碳纸中的一种。

8.如权利要求7所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述阴极电极(12)上涂覆有阴极催化剂，所述阴极催化剂为Pt/C、PtHg4、O-CNTs、氧化石墨、高表面积活化碳粉、高比表面积氧化石墨、M-N-C(M＝Co，Fe，Mn)、功能化碳粉等中一种。

9.如权利要求1所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述阳极材料为铂、钯、钉、铑、铱、锇、金中的一种或多种与铁、钴或镍中的一种或多种的合金或掺硼金刚石薄膜、玻璃碳。

10.如权利要求9所述的制备过氧化氢的流动式电化学装置，其特征在于，所述阳极电极(13)表面涂覆或沉积有水氧化(OER)催化剂，所述水氧化(OER)催化剂为NiCoOx、CoFeOx、IrOx/SrIrO3、IrO2、RuO2、FeCoW、NiOx、NiFeOx或固态Pt中的一种。

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