CN115821287A - 一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于电解技术领域，尤其涉及一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，利用复极式离子膜电解槽进行电解，阳极加入硫酸氢铵溶液，阴极加入过硫酸铵溶液，进行电解；通电时，在电场的作用下，溶液中各组分解离，阳极侧发生氧化反应SO₄ ^2‑失去电子生成过硫酸根离子(S₂O₈ ^2‑)，阳极侧电解后得到的过硫酸铵溶液发生水解反应生产硫酸氢铵与双氧水；阴极侧发生还原反应H⁺得到电子生成氢气。本发明所述方法通过优化电解槽，在电耗基本相近的情况下，同时获得双氧水及氢气产品。

Description

一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法

技术领域

本发明属于电解技术领域，尤其涉及一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法。

背景技术

双氧水(过氧化氢，化学式H₂O₂)，是一种重要的无机化工产品，也是工业领域重要的氧化剂、漂白剂、消毒剂和脱氯剂。在纺织、造纸、化工、轻工、医药、电子、食品、环保等领域应用广泛。

氢气(H₂)：氢气的应用领域很大，氢是主要的工业原料，也是最重要的工业气体和特种气体，在石油化工、电子工业、冶金工业、食品加工、浮法玻璃、精细有机合成、航空航天等方面有着广泛的应用。同时，氢也是一种理想的二次能源(二次能源是指必须由一种初级能源如太阳能、煤炭等来制取的能源)。在一般情况下，氢极易与氧结合。这种特性使其成为天然的还原剂使用于防止出现氧化的生产中。在玻璃制造的高温加工过程及电子微芯片的制造中，在氮气保护气中加入氢以去除残余的氧。在石化工业中，需加氢通过去硫和氢化裂解来提炼原油。氢的另一个重要的用途是对人造黄油、食用油、洗发精、润滑剂、家庭清洁剂及其它产品中的脂肪氢化。由于氢的高燃料性，航天工业使用液氢作为燃料。用于合成氨、合成甲醇、合成盐酸的原料，冶金用还原剂，石油炼制中加氢脱硫剂等。

硫酸氢铵电解制备过硫酸铵，然后水解生产双氧水，是早期生产双氧水的一种方法，由于能耗高，目前使用较少。该方法电解时阳极产生过硫酸铵，阴极产生氢气，早期主要应用阳极产品过硫酸铵，阴极氢气关注度不高。目前由于氢能的发展，太阳能发电、风电等绿电生产绿氢。目前生产氢气的电解槽，阳极产生氧气、阴极产生氢气，氧目前放空的比较多，造成电解过程电能利用率低。

基于此，将以上两种工艺结合起来，应用于未来绿电及绿氢的发展，可以充分利用该方法，同时获得氢气及双氧水，提高电解过程的能耗比。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，在电耗基本相近的情况下，同时获得双氧水及氢气产品。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，利用复极式离子膜电解槽，阳极加入硫酸氢铵溶液，阴极加入过硫酸铵溶液，进行电解，通电时，在电场的作用下，溶液中各组分解离，阳极侧发生氧化反应SO₄ ^2-失去电子生成过硫酸根离子(S₂O₈ ^2-)，阳极侧电解后得到的过硫酸铵溶液发生水解反应生产硫酸氢铵与双氧水，阴极侧发生还原反应H⁺得到电子生成氢气(H₂)。

其中阳极侧反应为：

2SO₄ ^2-→S₂O₈ ^2-+2e^-

阴极侧反应为：

2H⁺+2e^-→H₂↑

总化学反应方程式为：

2NH₄HSO₄-→(NH₄)₂S₂O₈+H₂↑

阳极侧电解后得到的过硫酸铵溶液发生水解反应生产硫酸氢铵与双氧水，反应方程式为：

(NH₄)₂S₂O₈+2H₂O-→2NH₄HSO₄+H₂O₂，

水解得到的硫酸氢铵可重新进入电解槽阳极进行电解，循环利用，同时产生的双氧水通过真空蒸发罐进行提纯，得到符合要求的双氧水。以此同时获得双氧水与氢气。

作为优选，所述电解槽包括阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有阳极，所述阴极室内设置有阴极，所述阳极室和阴极室用离子交换膜隔开，所述阳极室加入硫酸氢铵溶液，所述阴极室加入过硫酸铵溶液。

所述阳极为百叶窗式阳极结构，所述阴极为网式阴极结构。

所述阳极为钌涂层钛电极。本发明所述的复极式电解槽使用新型涂层技术——钌涂层钛电极，该电极相比其他石墨电极、铅电极、铂电极等具有以下优势：

1、阳极尺寸稳定，电解过程中电极间距离不变化，可保证电解操作在槽电压稳定情况下进行；

2、工作电压低,因此电能消耗小,直流电耗可降低10％---20％；

3、使用寿命比铅阳极高得多，可稳定工作4000小时以上，成本低；

4、具有优良的导电性和耐蚀性；

5、可避免铅阳极变形后的短路问题,因而可提高电流效率。

所述阴极由镍材制成，使用寿命长。

所述阳极室、阴极室、离子交换膜形成一个电解单元，多个电解单元之间采取阴阳极室同向排列串联供电组合。

单个反应室的电极面积可大可小，最大可达3.5m²以上，电解单元之间多采用先进的油压密封挤压的结构方式。

每台复极式离子膜电解槽可以串联几十个甚至上百个电解单元，单台总电压可达数百伏，所有串联电解单元电压的总和，而单台电解槽的总电流却不会很大，与每个电解单元的工作电流相同。

由于复极式离子膜电解槽较低电流匹配较高电压的特性，设备可有较高的整变效率，在装置中可有多台电解槽独立供电而物料管路相连，整体布局较为合理。

由多台电解槽组成的复极式离子膜电解装置，可适用于各种产能规模的生产装置，每台电解槽产能也可根据需求通过工作电流的变化作灵活调整，并可单独进行反应状态检测和相应的工艺调整和控制。多台运行的大规模生产装置可随时单槽停车检修，同样可以合理安排人员和时间进行有计划的长期的设备管理的维保。

本发明所用的复极式电解槽具有以下优点：

1、阳极半壳和阴极半壳以及离子膜组成的“独立单元”设计结构，易于更换电槽，维修时间短，组装好的单元最长可存放2年；

2、电槽单元的焊接由激光自动焊接，均匀，电流接触好，使用寿命稳定，有益于高电流密度下运行；

3、电解槽材料使用好，阳极用钛材制成，阴极由镍材制成，使用寿命长；

4、单元面积2.7㎡，操作电流密度一般为5-6KA/㎡，适于高电流密度下运行；

5、系统设计报警联锁多，安全性考虑周到。

有益效果

本发明公开了一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，由于早期电解法生产双氧水受电槽及能耗原因，该工艺使用较少，目前的电解制氢仅关注了阴极生产的氢气，本发明结合两种方法，通过优化电槽，同时获得氢气及双氧水。本发明在电耗基本相近的情况下，同时获得双氧水及氢气产品。

本发明所述方法利用复极式离子膜电解槽，所述电解槽的电极采用钛、镍基材加新型涂层，使用离子交换膜、单片电槽改为复极式多片电槽、在电耗基本相近的情况下，同时获得双氧水及氢气产品，产量大幅提高，能耗降低。电极采用新的涂层技术能够满足降低电耗的目的，同时选用离子膜实现阴阳极电解液的隔离。

附图说明

图1：本发明所述一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法的工艺流程图；

图2：本发明所述的复极式电解装置的单元槽的整体结构示意图；

图3：本发明所述的复极式电解装置的整体结构图；

图4：本发明所述的复极式电解装置供电组合结构示意图；

图5：离子交换膜的结构图。

图中，1：阳极室；2：阴极室；3：百叶窗式阳极；4：网式阴极；5：离子交换膜；6：挡板；7：导电接触条；8：降液板；9：PTFE进料分配管；10：法兰系统；11：收集渠；12：槽架；13：单元槽；14：阴极液总管；15：阳极液总管；16：压紧螺栓；17：铜排。

具体实施方式

以下，将详细地描述本发明。在进行描述之前，应当理解的是，在本说明书和所附的权利要求书中使用的术语不应解释为限制于一般含义和字典含义，而应当在允许发明人适当定义术语以进行最佳解释的原则的基础上，根据与本发明的技术方面相应的含义和概念进行解释。因此，这里提出的描述仅仅是出于举例说明目的的优选实例，并非意图限制本发明的范围，从而应当理解的是，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以由其获得其他等价方式或改进方式。

以下实施例仅是作为本发明的实施方案的例子列举，并不对本发明构成任何限制，本领域技术人员可以理解在不偏离本发明的实质和构思的范围内的修改均落入本发明的保护范围。除非特别说明，以下实施例中使用的试剂和仪器均为市售可得产品。

实施例

一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，工艺流程图如图1所示，具体如下：

(一)具体原料及用量：阳极为硫酸氢铵溶液，浓度400g/l，阴极为过硫酸铵溶液，浓度400g/l；

(二)仪器设备：复极式电解槽，钌涂层钛电极，可调直流稳压电源；

(三)工艺条件：电流密度为1A/cm²，理论电压2.96V，电解时间1h；

(四)产率纯度：经在上述条件下电解后，并将所得过氧化氢进一步蒸馏提纯，最终可得30％的双氧水，产率可达70％以上。

通电时，在电场的作用下，溶液中各组分解离，阳极侧发生氧化反应SO₄ ^2-失去电子生成过硫酸根离子(S₂O₈ ^2-)，阳极侧电解后得到的过硫酸铵溶液发生水解反应生产硫酸氢铵与双氧水，阴极侧发生还原反应H⁺得到电子生成氢气(H₂)。水解得到的硫酸氢铵可重新进入电解槽阳极进行电解，循环利用，同时产生的双氧水通过真空蒸发罐进行提纯，得到符合要求的双氧水。以此同时获得双氧水与氢气。

如图2-3所示，所述电解槽包括阳极室1和阴极室2，所述阳极室内设置有百叶窗式阳极3，所述阴极室内设置有网式阴极4，所述阳极室和阴极室用离子交换膜5隔开，所述阳极室加入硫酸氢铵溶液，所述阴极室加入过硫酸铵溶液。

所述的复极式电解装置的单元槽立体结构示意图如图2-3所示，所述电解槽的结构还包括挡板6、导电接触条7、降液板8、PTFE进料分配管9、法兰系统10。单元槽的结构特点：(1)复极式的阴极和阳极两种电极面对面组装，离子交换膜5装在阴阳极之间，外圈用法兰系统10紧固密封自一体，垫片为聚四氟乙烯，这样在停槽检修时对槽内液体处理较方便；(2)阴阳极液的进出口均在单元槽的底部，出口管内有一根插入单元槽的细长PTFE软管将气液导出，确保泄露电流的泄漏率小于0.01％，并且进出料软管都是透明的，使液体流动状况可见；(3)电流由导电接触条7导入电槽，各个单元槽由紧固机构压紧，由于单元槽是独立密封，因此紧固力较小，通常以接触良好即可；(4)阳极室设有降液板8，使其保持内部自然循环；(5)每个单元槽用绝缘螺栓单独密封，密封非常可靠；(6)挡板6材质为纯铜，位于阴极半壳与阳极半壳之间，起到电流传递的作用。

所述的复极式电解装置的整体结构图如图3所示，图3中槽架12；单元槽13；阴极液总管14；阳极液总管15；压紧螺栓16；铜排17。复极式电解槽由若干个独立单元槽支撑在一个大型的槽架12上，再用压紧螺栓16压紧以解决单元与单元之间的导电问题。每个独立单元槽由阴极半壳、离子膜和阳极半壳，四周用螺栓密封组装而成，而阴极液总管14、阳极液总管15通过半透明螺纹软管与单元槽连接，负责将阴极液与阳极液分别收集到相应的罐内。同时，35KV的外电经过变压器和整流器之后，通过铜排17输送至电解槽。

所述阳极为钌涂层钛电极。阳极尺寸稳定，电解过程中电极间距离不变化，可保证电解操作在槽电压稳定情况下进行；具有优良的导电性和耐蚀性；使用寿命比铅阳极高得多，可稳定工作4000小时以上，成本低；工作电压低,因此电能消耗小,直流电耗可降低10％---20％；可避免铅阳极变形后的短路问题,因而可提高电流效率。

所述阴极由镍材制成，使用寿命长。

所述阳极室、阴极室、离子交换膜形成一个电解单元，如图4所示，多个电解单元之间采取阴阳极室同向排列串联供电组合。

单个反应室的电极面积可大可小，最大可达3.5m²以上，电解单元之间多采用先进的油压密封挤压的结构方式。

每台复极式离子膜电解槽可以串联几十个甚至上百个电解单元，单台总电压可达数百伏，所有串联电解单元电压的总和，而单台电解槽的总电流却不会很大，与每个电解单元的工作电流相同。

由于复极式离子膜电解槽较低电流匹配较高电压的特性，设备可有较高的整变效率，在装置中可有多台电解槽独立供电而物料管路相连，整体布局较为合理。

由多台电解槽组成的复极式离子膜电解装置，可适用于各种产能规模的生产装置，每台电解槽产能也可根据需求通过工作电流的变化作灵活调整，并可单独进行反应状态检测和相应的工艺调整和控制。多台运行的大规模生产装置可随时单槽停车检修，同样可以合理安排人员和时间进行有计划的长期的设备管理的维保。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，利用复极式离子膜电解槽进行电解，阳极加入硫酸氢铵溶液，阴极加入过硫酸铵溶液，进行电解；通电时，在电场的作用下，溶液中各组分解离，阳极侧发生氧化反应SO₄ ^2-失去电子生成过硫酸根离子(S₂O₈ ^2-)，阳极侧电解后得到的过硫酸铵溶液发生水解反应生产硫酸氢铵与双氧水；阴极侧发生还原反应H⁺得到电子生成氢气。

2.根据权利要求1所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，水解得到的硫酸氢铵重新进入电解槽阳极进行电解，循环利用。

3.根据权利要求2所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，产生的双氧水通过真空蒸发罐进行提纯，得到符合要求的双氧水。

4.根据权利要求1所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，阳极加入的硫酸氢铵溶液浓度为400g/l，阴极加入过硫酸铵溶液浓度为400g/l。

5.根据权利要求4所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，所述电解的工艺条件为：电流密度为1A/cm²，理论电压2.96V，电解时间1h。

6.根据权利要求1所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，所述电解槽包括阳极室和阴极室，所述阳极室内设置有百叶窗式阳极，所述阴极室内设置有网式阴极，所述阳极室和阴极室用离子交换膜隔开。

7.根据权利要求6所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，所述阳极为钌涂层钛电极，所述阴极由镍材制成。

8.根据权利要求6所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，所述阳极室、阴极室、离子交换膜形成一个电解单元，多个电解单元之间采取阴阳极室同向排列串联供电组合；所述多台电解槽组成复极式电解装置，适用于各种产能规模的生产装置，每台电解槽产能根据需求通过工作电流的变化作灵活调整，单独进行反应状态检测和相应的工艺调整和控制；多台运行的大规模生产装置随时单槽停车检修，合理安排人员和时间进行有计划的长期的设备管理的维保。

9.根据权利要求6所述的硫酸氢铵电解生产双氧水及氢气的方法，其特征在于，电流由导电接触条导入电槽，各个单元槽由紧固机构压紧，由于单元槽是独立密封，因此紧固力较小，以接触良好即可；阳极室设有降液板，使其保持内部自然循环；每个单元槽用绝缘螺栓单独密封；挡板位于阴极半壳与阳极半壳之间，材质为纯铜，起到电流传递的作用；在单元槽顶部阴阳极均设有收集渠，与槽顶部上倾结构结合，使电解槽在停车检修时离子膜处于完全浸没状态，并且使阴极室与阳极室的压差波动极小；阴阳极液的进出口均在单元槽的底部，出口管内有一根插入单元槽的细长PTFE软管将气液导出，确保泄露电流的泄漏率小于0.01％，并且进出料软管都是透明的，使液体流动状况可见。

10.根据权利要求8所述的电解硫酸氢铵生产双氧水及氢气的复极式电解装置，其特征在于，复极式电解槽由若干个独立单元槽支撑在一个大型的槽架上，再用压紧螺栓压紧以解决单元与单元之间的导电问题；每个独立单元槽由阴极半壳、离子膜和阳极半壳，四周用螺栓密封组装而成，而阴极液总管、阳极液总管通过半透明螺纹软管与单元槽连接，负责将阴极液与阳极液分别收集到相应的罐内；同时，35KV的外电经过变压器和整流器之后，通过铜排输送至电解槽。

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