[0001]
本发明涉及化学设备相关技术领域，尤其是指一种
电化学产生过氧化氢的装置及其方法。
背景技术：
[0002]
过氧化氢溶液是各种工业应用的重要化学品，包括化学合成、纸浆和造纸、纺织品漂白、清洁和蚀刻、环境保护、健康消费类应用等。作为一种高效无害无残留的氧化剂，被广泛应用于水体的杀菌消毒以及有机污染物的处理中。现有工业应用的过氧化氢主要由电解法或蒽醌法生产。
[0003]
电解法主要通过电解硫酸铵溶液生产过硫酸铵，由阳极室流出，含量约为180～240g/l，经贮槽供水解用。在减压下，过硫酸铵溶液进入水解蒸馏器进行水解蒸馏。过氧化氢随蒸汽及酸雾蒸出，经分离器除去酸雾，再于蒸馏塔中精馏，从塔底得到过氧化氢(控制浓度27.5%)。
[0004]
(nh4)2s2o8+2h2o
→
2nh4hso4+h2o2蒽醌法以氢化萜松醇和苯(体积比1：1)为溶剂的工作液，含有2-乙基蒽醌100~110g/l和四氢2-乙基蒽醌70~80g/l，由定量泵送入装有镍催化剂的反应釜。在压力0.2～0.3kpa和温度50~60℃下连续通氢气氢化控制氢化度50%。氢化液经过滤，于顶部进入氧化塔，在40～50℃下与氧气进行逆流氧化。氧化液用水进行逆流萃取，得浓度为27.5%～30%的过氧化氢水溶液，再用苯萃取净化的成品。这两种大规模生产方法均需要消耗大量的电力能源，步骤繁琐，而且对于场地要求高，只能大规模集中化生产。另一方面，过氧化氢溶液不稳定，会在常温下自行分解为水和氧气，在运输和存储中均存在安全风险，同时增加了相应的成本。
技术实现要素：
[0005]
本发明是为了克服现有技术中存在上述的不足，提供了一种成本低的电化学产生过氧化氢的装置及其方法。
[0006]
为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种电化学产生过氧化氢的装置，包括反应槽和电源，所述反应槽的内侧壁上设有阴极电极，所述的反应槽上设有盖板，所述的盖板上设有阳极电极，所述的阴极电极和阳极电极上均设有催化剂，所述的反应槽内设有电解液，所述的盖板上设有进气管和出气管，所述进气管的一端安装在盖板，所述进气管的另一端置于反应槽内且与电解液相接触，所述出气管的一端安装在盖板，所述出气管的另一端置于盖板的外侧，所述的反应槽上设有输入端口和输出端口，所述的阴极电极和阳极电极均与电源电连接。
[0007]
该技术核心是设计一个新型的不需要膜的高效清洁、小型分散式电化学反应器，可以实时实地通过二电子氧还原来产生过氧化氢。该装置设计构造包括阴阳两个电极以及由电极围起来的中间反应槽构成，反应槽接有进气管、输入端口以及过氧化氢的输出端口，阴极电极与阳极电极外接电源。相比普通电化学反应器，该结构设计简单，不需要隔膜，成
本低。
[0008]
作为优选，所述反应槽的形状为内部中空的圆柱形，所述的盖板安装在反应槽上且与反应槽密封连接，所述阳极电极的一端安装在盖板上，所述阳极电极的另一端置于反应槽内且与电解液相接触。圆柱形的设计也使得其作为核心，更方便整合入各种小型家用杀菌等设备里，美观且实用。
[0009]
作为优选，所述阴极电极的形状为圆环形，所述的阴极电极贴附在反应槽的内侧表面上，所述的阳极电极为碳柱电极且安装在盖板的中心处。这样独特的设计可以保证在有限空间内，使得阴极表面最大化，可以更快更有效的产生一定量的过氧化氢，环形电极的设计保证的水平方向电场的均匀性，增加了设备的稳定性和可扩充性。
[0010]
作为优选，所述的阴极电极和阳极电极均由导电材料制作而成，所述的阴极电极和阳极电极均通过阳极电镀或物理附着催化剂。
[0011]
作为优选，所述的阴极电极和阳极电极由石墨或铜管制作而成，所述的催化剂为碳基催化剂。
[0012]
作为优选，所述的电解液是以水为载体的弱碱导电溶液，所述的弱碱为nahco3、naco3、khco3、k2co3中的一种或多种。
[0013]
本发明还提供了一种电化学产生过氧化氢的方法，具体包括如下步骤：（1）电源电力输入后，二电子氧还原反应在阴极电机的催化剂涂层表面进行，以氧气为反应物，生成的过氧化氢会扩散至反应槽；（2）对阳极电极会同步进行水氧化反应，以反应槽里的电解液为反应物，生成氧气；（3）反应槽里的过氧化氢浓度会随着反应时间逐渐增加，直到达到平衡或者最大浓度状态，通过反应槽的输出端口进行收集。
[0014]
作为优选，在步骤（1）中，通过二电子氧还原来产生过氧化氢，具体阴极电极反应如下：o
2 + 2(h
+ + e-)
→
h2o2。
[0015]
作为优选，在步骤（2）中，阳极电极的匹配用于水氧化的电解阳极，反应如下：h2o
→
0.5o2+2(h
+ + e-)。
[0016]
本发明的有益效果是：该结构设计简单，不需要隔膜，成本低，可以保证在有限空间内，使得阴极表面最大化，可以更快更有效的产生一定量的过氧化氢，环形电极的设计保证的水平方向电场的均匀性，增加了设备的稳定性和可扩充性，更方便整合入各种小型家用杀菌等设备里，美观且实用。
附图说明
[0017]
图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的方法流程图。
[0018]
图中：1. 催化剂，2. 盖板，3. 阳极电极，4. 出气管，5. 进气管，6. 电解液，7. 阴极电极，8. 反应槽，9. 电源。
具体实施方式
[0019]
下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的描述。
[0020]
如图1所述的实施例中，一种电化学产生过氧化氢的装置，包括反应槽8和电源9，反应槽8的内侧壁上设有阴极电极7，反应槽8上设有盖板2，盖板2上设有阳极电极3，阴极电极7和阳极电极3上均设有催化剂1，反应槽8内设有电解液6，盖板2上设有进气管5和出气管4，进气管5的一端安装在盖板2，进气管5的另一端置于反应槽8内且与电解液6相接触，出气管4的一端安装在盖板2，出气管4的另一端置于盖板2的外侧，反应槽8上设有输入端口和输出端口，阴极电极7和阳极电极3均与电源9电连接。
[0021]
反应槽8的形状为内部中空的圆柱形，盖板2安装在反应槽8上且与反应槽8密封连接，阳极电极3的一端安装在盖板2上，阳极电极3的另一端置于反应槽8内且与电解液6相接触。阴极电极7的形状为圆环形，阴极电极7贴附在反应槽8的内侧表面上，阳极电极3为碳柱电极且安装在盖板2的中心处。阴极电极7和阳极电极3均由导电材料制作而成，阴极电极7和阳极电极3均通过阳极电镀或物理附着催化剂1。阴极电极7和阳极电极3由石墨或铜管制作而成，催化剂1为碳基催化剂。电解液6是以水为载体的弱碱导电溶液，弱碱为nahco3、naco3、khco3、k2co3中的一种或多种。
[0022]
电源9部分包括但不限于
锂电池或者墙插等传统技术，通过变压稳压，将电压控制在0-20v之前，电流10-500ma之间的直流电，用于电化学反应的供能。阳极电极3由包括但不限于石墨、铜管材料制作而成，用于执行水氧化反应完成反应闭环。催化剂1为市面上已知多种催化材料用于燃料电池反应。阴极电极7为双氧水发生反应的电极，由包括但不限于石墨、铜管材料制作而成，用于执行氧气还原反应完成反应闭环。反应槽8是反应发生的腔体，反应产物从电极脱落进入水体进行收集，该部分包含不固定形态的输出端口，用于导出反应产物，输出端口的形态视具体产品接口而定，输入端口用于输入电解液6。进气管5用于主动通气，将氧气通入反应槽8，作为电化学反应的原料。出气管4用于排出反应过程中可能积累起的气压和未反应的空气。
[0023]
如图2所示，本发明还提供了一种电化学产生过氧化氢的方法，具体包括如下步骤：（1）电源电力输入后，二电子氧还原反应在阴极电机的催化剂涂层表面进行，以氧气为反应物，生成的过氧化氢会扩散至反应槽；通过二电子氧还原来产生过氧化氢，具体阴极电极反应如下：o
2 + 2(h
+ + e-)
→
h2o2（2）对阳极电极会同步进行水氧化反应，以反应槽里的电解液为反应物，生成氧气；阳极电极的匹配用于水氧化的电解阳极，反应如下：h2o
→
0.5o2+2(h
+ + e-)总反应为：h2o+0.5o2→
h2o2其中阴极二电子氧还原以及阳极水氧化反应都可以通过已经报道的有效碳基催化剂催化完成，对液体的导电性和酸碱性没有硬性要求。
[0024]
（3）反应槽里的过氧化氢浓度会随着反应时间逐渐增加，直到达到平衡或者最大浓度状态，通过反应槽的输出端口进行收集。
[0025]
其中：反应槽设计为圆柱槽，阴极为环形电极，在圆柱槽的内表面，阳极为碳柱电极，在圆柱槽的中心，这样独特的设计可以保证在有限空间内，使得阴极表面最大化，可以
更快更有效的产生一定量的过氧化氢，环形电极的设计保证的水平方向电场的均匀性，增加了设备的稳定性和可扩充性。该装置将革新以及互补现有工业中大规模、能量密集以及繁琐的蒽醌制备过氧化氢的工艺，通过氧还原电化学反应合成过氧化氢，提供一种更简单和更可持续的方法来最大化的实现这一重要化学品的使用价值。尤其对于饮用水等家用杀菌的使用，这种生产方法可以促使在发展中国家饮用水有问题的地区，可以随时随地的生产过氧化氢来净化饮用水和消毒。该装置可以高效低功耗安全的产生中低浓度过氧化氢溶液，可广泛应用于家庭杀菌消毒、个人卫生，果蔬清洁以及有机
污水处理等领域。技术特征：
1.一种电化学产生过氧化氢的装置，其特征是，包括反应槽（8）和电源（9），所述反应槽（8）的内侧壁上设有阴极电极（7），所述的反应槽（8）上设有盖板（2），所述的盖板（2）上设有阳极电极（3），所述的阴极电极（7）和阳极电极（3）上均设有催化剂（1），所述的反应槽（8）内设有电解液（6），所述的盖板（2）上设有进气管（5）和出气管（4），所述进气管（5）的一端安装在盖板（2），所述进气管（5）的另一端置于反应槽（8）内且与电解液（6）相接触，所述出气管（4）的一端安装在盖板（2），所述出气管（4）的另一端置于盖板（2）的外侧，所述的反应槽（8）上设有输入端口和输出端口，所述的阴极电极（7）和阳极电极（3）均与电源（9）电连接。2.根据权利要求1所述的一种电化学产生过氧化氢的装置，其特征是，所述反应槽（8）的形状为内部中空的圆柱形，所述的盖板（2）安装在反应槽（8）上且与反应槽（8）密封连接，所述阳极电极（3）的一端安装在盖板（2）上，所述阳极电极（3）的另一端置于反应槽（8）内且与电解液（6）相接触。3.根据权利要求2所述的一种电化学产生过氧化氢的装置，其特征是，所述阴极电极（7）的形状为圆环形，所述的阴极电极（7）贴附在反应槽（8）的内侧表面上，所述的阳极电极（3）为碳柱电极且安装在盖板（2）的中心处。4.根据权利要求1或2或3所述的一种电化学产生过氧化氢的装置，其特征是，所述的阴极电极（7）和阳极电极（3）均由导电材料制作而成，所述的阴极电极（7）和阳极电极（3）均通过阳极电镀或物理附着催化剂（1）。5.根据权利要求4所述的一种电化学产生过氧化氢的装置，其特征是，所述的阴极电极（7）和阳极电极（3）由石墨或铜管制作而成，所述的催化剂（1）为碳基催化剂。6.根据权利要求1所述的一种电化学产生过氧化氢的装置，其特征是，所述的电解液（6）是以水为载体的弱碱导电溶液，所述的弱碱为nahco3、naco3、khco3、k2co3中的一种或多种。7.一种电化学产生过氧化氢的方法，其特征是，具体包括如下步骤：（1）电源电力输入后，二电子氧还原反应在阴极电机的催化剂涂层表面进行，以氧气为反应物，生成的过氧化氢会扩散至反应槽；（2）对阳极电极会同步进行水氧化反应，以反应槽里的电解液为反应物，生成氧气；（3）反应槽里的过氧化氢浓度会随着反应时间逐渐增加，直到达到平衡或者最大浓度状态，通过反应槽的输出端口进行收集。8.根据权利要求7所述的一种电化学产生过氧化氢的方法，其特征是，在步骤（1）中，通过二电子氧还原来产生过氧化氢，具体阴极电极反应如下：o
2 + 2(h
+ + e-)
→
h2o2。9.根据权利要求8所述的一种电化学产生过氧化氢的方法，其特征是，在步骤（2）中，阳极电极的匹配用于水氧化的电解阳极，反应如下：h2o
→
0.5o2+2(h
+ + e-)。
技术总结
本发明公开了一种电化学产生过氧化氢的装置及其方法。它包括反应槽和电源，反应槽的内侧壁上设有阴极电极，反应槽上设有盖板，盖板上设有阳极电极，阴极电极和阳极电极上均设有催化剂，反应槽内设有电解液，盖板上设有进气管和出气管，进气管的一端安装在盖板，进气管的另一端置于反应槽内且与电解液相接触，出气管的一端安装在盖板，出气管的另一端置于盖板的外侧，反应槽上设有输入端口和输出端口，阴极电极和阳极电极均与电源电连接。本发明的有益效果是：该结构设计简单，不需要隔膜，成本低，保证的水平方向电场的均匀性，增加了设备的稳定性和可扩充性，更方便整合入各种小型家用杀菌等设备里，美观且实用。美观且实用。美观且实用。
技术研发人员：陈志华 陈书铖 杨帆 杨旭
受保护的技术使用者：浙江清越科技有限公司
技术研发日：2020.09.17
技术公布日：2021/1/29
声明：
“电化学产生过氧化氢的装置及其方法与流程” 该技术专利(论文)所有权利归属于技术(论文)所有人。仅供学习研究，如用于商业用途，请联系该技术所有人。
我是此专利(论文)的发明人(作者)
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编辑：中冶有色技术网
来源：浙江清越科技有限公司
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2024年07月26日 ~ 28日 
