电化学装置、电化学分解尿素合成过氧化氢的方法、应用转让专利
申请号 : CN202010989974.2
文献号 : CN112030182B
文献日 : 2021-08-31
发明人 : 陈平 , 舒海波 , 耿世奎 , 胡俊 , 王云露 , 李士松
申请人 : 安徽大学
摘要 :
权利要求 :
1.一种电化学装置,其特征在于,所述电化学装置包括:电解反应装置,用于在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解并在阴极通过输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢;以及气体输送装置,所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连接,气体输送装置用于输送氧气或压缩空气以实现同步尿素分解并且合成过氧化氢;
所述电解反应装置包括电极、隔膜和电解液,所述隔膜用于将电解液进行分隔形成阳极反应室与阴极反应室,所述电极用于在通电作用下将尿素在阳极反应室进行分解并在阴极反应室输入氧气或压缩空气后合成生成过氧化氢以完成同步催化过程;
所述电解反应装置包括两电极电化学反应体系或三电极电化学反应体系;当所述电解反应装置是两电极电化学反应体系时,所述电极包括位于阳极反应室的阳极电极与位于阴极反应室的阴极电极;当所述电解反应装置是三电极电化学反应体系时,所述电极包括对电极、工作电极与参比电极;
所述两电极电化学反应体系的电位区间未经IR校正为1.1V‑2.2V;所述三电极电化学反应体系的电位区间未经IR校正为0.1V‑0.9V。
2.根据权利要求1所述的电化学装置,其特征在于,所述分解与合成时采用的催化剂包括UOR催化材料和/或ORR催化材料。
3.根据权利要求1所述的电化学装置,其特征在于,所述隔膜包括阳离子交换膜和/或阴离子交换膜,所述电解液选自KOH、工业废水或生活废水。
4.根据权利要求1所述的电化学装置,其特征在于,所述电化学装置还包括用于与电极进行连接以进行通电的电源,所述电源通过线路与所述电极进行电性连接。
5.一种电化学分解尿素合成过氧化氢的方法,其特征在于,采用如权利要求1‑4任一所述的电化学装置,所述电化学分解尿素并合成过氧化氢的方法具体包括以下步骤:将电解反应装置通电后于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解,同时,在阴极通过气体输送装置输入的氧气或压缩空气进行反应合成生成过氧化氢。
6.根据权利要求5所述的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法,其特征在于,所述氧气或压缩空气的压力是0.1Bar‑20Bar。
7.一种如权利要求5‑6任一所述的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法在污水处理和/或过氧化氢制备中的应用。
说明书 :
电化学装置、电化学分解尿素合成过氧化氢的方法、应用
技术领域
背景技术
领域,还是制造三聚氰胺、脲醛树脂、炸药等化工产品的重要原料。如此大的尿素生产量和
使用量,不可避免的会产生大量的尿素废水(含尿素废水)。随着我国工业和农业的快速发
展,尿素废水所带来的环境问题日益严重,尿素废水中含有大量的氨氮,如果含尿素的废水
直接排放到环境中,必然会造成环境污染,如果进去江河湖泊中会使水体富营养化,产生异
味,甚至使鱼类大量死亡。
池等技术应用。工业上95%的过氧化氢通过蒽醌氧化产生,该方法虽然已经成熟并能高效
地生产大量的双氧水,但合成过程要用到2‑烷基‑9,10‑蒽醌作为有机溶剂,贵金属钯作为
加快反应速率的催化剂,存在着成本相对较高的问题。
在高温高压的情况下进行,条件要求高,动力需求大,能耗高,一般的中小型企业很难承受。
因此上述的技术方案在实际使用时还存在以下不足:以上多种尿素废水的处理方法在工业
应用中都存在着设备投入成本大,条件要求高等问题。
发明内容
装置进行分解尿素并合成过氧化氢,具体是在通电条件下于催化剂作用下在阳极将尿素进
行分解,电解反应装置输入氧气或压缩空气后,在阴极反应合成过氧化氢以实现同步催化
过程,通过采用同步电催化反应,在通过催化剂的作用下直接将废水中的尿素分解,有助于
治理环境,保护水质,同时合成过氧化氢,降低过电位,增强了设备利用率,具有极大的商业
价值和应用前景,不仅可以进行含尿素废水的治理,也可以用于生产过氧化氢,相比于传统
的过氧化氢生产方法,例如蒽醌氧化法等,可以有效降低生产成本。
将电解反应装置通电后于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解,同时,在阴极通过气体输
送装置输入的氧气或压缩空气进行反应合成过氧化氢。
压缩空气进行合成生成过氧化氢,所述气体输送装置的输出端与所述电解反应装置相连
接,用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢;而提供的电化学
分解尿素合成过氧化氢的方法以氧气或空气为原料,通过采用同步电催化反应,在催化剂
作用下直接将废水中的尿素分解,有助于治理环境,保护水质,同时合成了过氧化氢,降低
过电位,增强了设备利用率,具有极大的商业价值和应用前景,不仅可以进行含尿素废水的
治理,也可以用于生产过氧化氢,相比于传统的过氧化氢生产方法,可以有效降低生产成
本,同时工艺简单,装置设备模块化且要求低,反应条件简单,能就地使用,运输要求低,能
更加适用与高效工业生产过程,解决了现有尿素废水的处理方法在工业应用中存在着投入
成本高的问题,具有广阔的市场前景。
附图说明
道;13‑流量计;14‑流量调节件;15‑氧气发生器。
具体实施方式
员进一步理解本发明,但不以任何形式限制本发明。应当指出的是,对本领域的普通技术人
员来说,在不脱离本发明构思的前提下,还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的
保护范围。为了使本发明的技术方案更加清楚,本领域熟知的工艺步骤及器件结构在此省
略。
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。此外,术语“第一”、“第二”等仅
用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数
量。由此,限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特
征。在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上。
对其来源没有特别限制,可以通过相应企业购买或按本领域技术人员熟知的常规方法制备
的即可。本发明所有原材料,对其纯度没有特别限制,本发明优先采取分析纯或电化学领域
常规的纯度要求。本发明所有原材料,其来源和简称均属于本领域常规来源和简称,在其相
关用途的领域内均是清楚明确的,本领域技术人员根据简称以及相应的用途,能够从相应
企业购买得到或常规方法制备得到。
置模具组装相连通),用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢。
极反应合成过氧化氢以实现同步催化过程,通过采用同步电催化反应,在通过催化剂的作
用下直接将废水中的尿素分解,有助于治理环境,保护水质,同时合成过氧化氢,降低过电
位,增强了设备利用率,具有极大的商业价值和应用前景,不仅可以进行含尿素废水的治
理,也可以用于生产过氧化氢,相比于传统的过氧化氢生产方法,例如蒽醌氧化法等,可以
有效降低生产成本。
行分解并在阴极反应室5输入氧气或压缩空气后进行合成过氧化氢以实现同步催化过程。
对现有的尿素废水处理工艺存在耗能大,条件要求高,设备大型化以及过氧化氢合成工艺
的成本高,且生产地点集中化,运输成本高且大规模不易储存等缺点,通过摈弃了传统的高
成本分解尿素以及合成过氧化氢的方法,在诸多的化学反应方式中,选择了更加直接和环
保的电化学反应方式,又针对现在目前的电化学催化方式中,对于同步处理尿素废水和合
成过氧化氢的工艺相对较少,并且效率相对不高,设备无法一体化等缺陷,通过创造性的采
用了氧气或压缩空气为原料,多种高效UOR催化剂来同步进行电催化分解尿素并合成过氧
化氢,综合考虑了利用易收集气体氧气合成过氧化氢的装置和分解尿素的装置的一体化。
化学反应消耗的主要是氧气,但是我们可以也采用通入空气的方式进行生产过氧化氢,空
气来源相对很广泛,同时该过程需要的电能很小,很节能,表现出极具潜力的应用前景;本
发明提供的电化学装置更能够直接将电能转化成化学能,效率更高,装置模块化、一体化,
距离使用地点近,运输成本低,更适用于工业生产过程。
号根据需求进行选择,这里并不作限定)实现,阳极电极8和阴极电极9所对应的电解液来源
不同(即阳极电极8对应的电解液是阳极电解液1,阴极电极9对应的电解液是阴极电解液
7),可以分别通过两个容器来盛放阳极电解液1与阴极电解液7,主要通过管道(即第一循环
管路3与第二循环管路6)循环分别和阳极电极8与阴极电极9相连接。
反应室2中,所述对电极优选设置在阴极反应室5中。在其他实施例中,也可以不采用上述常
规设置,以更有利于电化学反应的进行为优选方案。
解要求以及生产要求进行选择和调整,本发明的电化学反应优选包括两电极电化学反应体
系或三电极电化学反应体系。
然,本发明对对所述两电极电化学反应体系的电压没有特别限制,以本领域技术人员熟知
的电化学反应中常规的电压即可,本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求
进行选择和调整,例如,本发明为保证电化学反应的进行,提高过程稳定性,所述两电极电
化学反应体系的电位区间优选为1.8v‑2.6v(未经IR校正),更优选为2.0‑2.9v(未经IR校
正),更优选为2.3v‑3.0v(未经IR校正)。
0.09V‑0.8V(vs.Hg/HgO)(未经IR校正),当然,这里并不是作为限定,本领域技术人员可以
根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整,通常,本发明对所述三电极电化学反
应体系的电压的具体选择和条件以本领域技术人员熟知的电化学反应的常规条件和选择
即可,通过采用所述三电极电化学反应体系的电位区间为0.1V‑0.9V(vs.Hg/HgO)(未经IR
校正),是为保证电化学反应的进行,提高过程稳定性。
可反应,相比传统方式需要高温高压的条件,常温常压更有利于过程的进行。
质为铂片,阳极电极8的催化剂材料包括α‑‑Ni(OH)2、NF‑Ni2P‑Fe2P等适用于UOR方向的材
料,所述阴极电极9的导电介质为铜片,阴极电极9的催化剂材料包括CMK‑3(有序介孔碳)等
适用于ORR方向的材料。
包括铂片或铜片,所述工作电极的催化剂材料包括α‑Ni(OH)2、NF‑Ni2P‑Fe2P等适用于UOR方
向的材料和/或CMK‑3等适用于ORR方向的材料,所述参比电极包括银/氯化银参比电极或
汞/氧化汞参比电极。
没有特别限制,以本领域技术人员熟知的电化学反应中常规的电解液即可,本领域技术人
员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整,这里只是优选KOH、工业废水或
生活废水。
以及生产要求进行选择和调整,本发明所述隔膜优选为能够传递离子且不溶于电解液的隔
膜即可,优选为阴离子交换膜或阳离子交换膜,具体可以为全氟磺酸质子交换膜(如
nafion117、nafion112等)、nafion重铸膜、非氟聚合物质子交换膜等。
可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整,本发明所述对电极的材质优选包
括铂片等。
以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整,本发明所述工作电极的催化剂材料
根据氧化还是还原优选为α‑Ni(OH)2、NF‑Ni2P‑Fe2P等适用于UOR方向的材料以及CMK‑3等适
用于ORR方向的材料。
的电解要求以及生产要求进行选择和调整,本发明所述参比电极的材质优选包括银/氯化
银参比电极或汞/氧化汞参比电极,更优选为汞/氧化汞参比电极。
电源4的一端与阳极电极8连,所述电源4的另一端和阴极电极9相连。
15产生的氧气进入气相室10后再进入阴极反应室5内的电解液中,所述输入管道12上还设
置有流量计13与流量调节件14,通过所述流量计13实时获得输送的气体的流量大小,同时
通过流量调节件14来进行灵活调节流量大小。
齿轮阀等,优选的,所述流量调节件14是现有产品中的电磁流量阀,具体型号根据需求进行
选择,这里并不作限定,只要可以在压力、温度或其它形式传感信号的作用下,按预定的要
求动作,或者不依赖传感信号而进行简单的开启或关闭,阀门依靠驱动或自动机构使启闭
件作升降、滑移、旋摆或回转运动,从而改变其流道面积的大小以实现其控制功能即可。
特别限定,本领域技术人员可以根据实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整。
数,以及相应的优选原则等均相互对应,在此不再一一赘述。
将电解反应装置通电后于催化剂作用下在阳极将尿素进行分解,同时,在阴极通过气体输
送装置输入的氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢。
化学反应将尿素分解并产生过氧化氢,本发明仅用氧气为原料,同步进行电解工业废水或
生活废水中的尿素并且产生工业原料过氧化氢,从而实现综合利用,通过同步电催化反应,
利用高效催化剂分解尿素,同时催化生成过氧化氢,该方法有助于解决工业以及生活废水
的污染问题,环保,设备小型化并且生成工业原料应用价值大,在国内倡导环保和低产能的
大背景下,该方案的实施具有极大的商业价值和应用前景;而且,本发明提供的电化学合成
方法工艺简单,装置设备模块化且要求低,反应条件简单,并且能就地使用,运输要求低,能
更加适用与高效工业生产过程。
压力是1‑16Bar,更优选为4‑11Bar,当然,这里并不是作为限定,本领域技术人员可以根据
实际的电解要求以及生产要求进行选择和调整,通常,本发明对所述氧气或压缩空气的具
体选择和条件以本领域技术人员熟知的常规条件和选择即可。
合考虑了利用易收集气体氧气合成过氧化氢装置和分解尿素装置的一体化,通过同步电催
化反应(其中的电能可以是太阳能或者风能转化),在催化剂的作用下来实现分解尿素和产
生过氧化氢同步进行,有助于治理环境污水,环保,设备小型化、一体化,在国内倡导环保和
去产能的大背景下,该方法的应用具有极大的商业价值和市场前景。实验结果表明,本发明
提供的电化学分解尿素合成过氧化氢的方法,稳定性相对较好,常温常压下对电流影响不
大,实验室中用氨敏电极对阳极产物进行分析得出尿素确实被分解,分解率高达95%之上,
紫外数据表明阴极有过氧化氢产生,产率高达97%之上。
尿素的分解率以及过氧化氢的产率。期间可以通过调节外界施加电位的数值,反应气的压
力与温度,催化剂材料的选择,电解液成分等参数,达到最佳的电解效果。
素并合成过氧化氢,通过同步电催化反应,在催化剂的作用下来实现分解尿素和产生过氧
化氢同步进行,有助于治理环境污水,环保,设备小型化、一体化,在国内倡导环保和去产能
的大背景下,该方法的应用具有极大的商业价值和市场前景。
电解液都可以循环使用。其化学反应消耗的主要是氧气,但是我们可以也采用通入空气,来
源相对更广泛,表现出极具潜力的应用前景。
对本发明的保护范围进行限制,本发明的保护范围也不限于下述的实施例。
电极为银/氯化银电极,在阳极反应室2循环入含KOH(浓度1mol/L)和尿素(浓度0.33mol/L)
的溶液,阴极反应室5循环入KOH(浓度1mol/L)溶液,并向气相室10通入氧气,在连续通入的
条件下恒电位同步分解尿素以及合成过氧化氢,电位控制在1.2v(相对于银/氯化银电极)
(未经IR校正)。
溶液(由磷酸氢二钠与磷酸二氢钠配制而成)混合后通过氨敏电极进行测试,再与标准溶液
进行比对,从而计算出尿素的分解率;对于阴极溶液,同样每隔25分钟进行取样,对于其过
4+
程中产生的过氧化氢浓度主要通过紫外光谱法测定,该测试方式基于黄色的Ce 溶液和过
4+ 3+
氧化氢之间的反应,最终Ce 会被还原成无色的Ce 。因此,过氧化氢的浓度可以根据被还
4+
原的Ce 的量计算出来,使用型号为UV‑3600的紫外可见分光光谱仪在特定波长为316nm条
4+
件下测定Ce 的浓度,紫外数据表明阴极有过氧化氢产生,产率高达97%之上。
极,阴极以铜片为电极,催化剂为CMK‑3,阳极电解液为模拟人体尿液,阴极电解液为KOH(浓
度1mol/L),并向气相室10通入氧气,在连续通入的情况下,进行LSV(线性扫描伏安法)测
试,测试时间分别为0min、5min、30min、60min每个时间测一次LSV,得出如图2与图3所示的
在模拟尿液条件下的LSV曲线图。其中,图2是测试时间分别为0min与5min的在模拟尿液条
件下的LSV曲线图,图3是测试时间分别为30min与60min的在模拟尿液条件下的LSV曲线图。
极,催化剂为CMK‑3,阳极电解液为模拟人体尿液,阴极电解液为KOH(浓度1mol/L),并向气
相室10通入氧气,进行电流‑时间测试,得出如图4所示的电流‑时间曲线图。结果表明,电解
系统稳定性偏好,能够很好的满足实际工业需求。
输入氧气或压缩空气进行合成生成过氧化氢,所述气体输送装置的输出端与所述电解反应
装置相连接,用于输送氧气或压缩空气确保实现同步尿素分解并且合成过氧化氢,并基于
该电化学装置提供了电化学分解尿素并合成过氧化氢的方法,具体是一种多材料和氧气
(压缩空气)同步电化学分解尿素并还原产生过氧化氢的方法,在通入氧气或者压缩空气
后,经过电化学反应将尿素分解并产生过氧化氢,本发明仅用氧气为原料,同步进行电解工
业废水或生活废水中的尿素并且产生工业原料过氧化氢,从而实现综合利用,通过同步电
催化反应,利用高效催化剂分解尿素,同时催化生成过氧化氢,该方法有助于解决工业以及
生活废水的污染问题,环保,设备小型化并且生成工业原料应用价值大,在国内倡导环保和
低产能的大背景下,该方案的实施具有极大的商业价值和应用前景;而且,本发明提供的电
化学合成方法工艺简单,装置设备模块化且要求低,反应条件简单,并且能就地使用,运输
要求低,能更加适用与高效工业生产过程,解决了现有尿素废水的处理方法在工业应用中
存在着投入成本高的问题。
以是机械连接,也可以是电连接;可以是直接相连,也可以通过中间媒介间接相连,可以是
两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言,可以通过具体情况理解上述术语
在本发明中的具体含义。
作出各种变化。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见
的变化或变动仍处于本发明的保护范围之中。