酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置及工藝

本發(fā)明涉及化工廢水處理技術(shù)和新能源，特別是涉及利用酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置及工藝。

背景技術(shù)：

1、隨著城市化的快速發(fā)展，工業(yè)用水的劇增導致廢水的種類和數(shù)量迅猛增加，從而引起日趨廣泛和嚴重的水體污染現(xiàn)象，甚至對人類的安全和健康造成了很大的威脅。工業(yè)廢水的排放量大，污染范圍廣，排放來源廣泛，主要來自于石化、紡織、鋼鐵和電鍍等工業(yè)，形成了成分復雜，種類繁多，濃度各異，有毒刺激的工業(yè)廢水。高濃度酸堿度的工業(yè)廢水由于可生化性差，難以處理成為我國水環(huán)境安全的重要威脅。目前工業(yè)廢酸廢堿廢水的處理主要有中和法、離子交換法以及化學轉(zhuǎn)化法等。作為現(xiàn)階段新興水資源發(fā)展的重要一環(huán)，工業(yè)廢水再生利用也是我國減少工業(yè)廢水排放的重要舉措。

2、甲烷作為一種主要的溫室氣體和眾多工業(yè)化學品的源頭原料，將其轉(zhuǎn)換為高附加值化學品(例如甲醇、乙醇等有機物)被認為是緩解溫室效應(yīng)的重要手段。作為傳統(tǒng)甲烷水蒸氣重整技術(shù)的新興替代技術(shù)，電催化甲烷轉(zhuǎn)換技術(shù)可以在室溫下實現(xiàn)甲烷的轉(zhuǎn)化，可以有效緩解傳統(tǒng)工藝帶來的經(jīng)濟成本和環(huán)境壓力。而且電催化甲烷轉(zhuǎn)化技術(shù)可以定向地將甲烷轉(zhuǎn)化為醇類和有機酸等小分子產(chǎn)物，可作為源頭原料合成高附加值化學品例如乙醛、乙醚、乙酸乙酯及乙胺等物質(zhì)，也可投入到餐飲、洗護、染料和燃料等行業(yè)。目前，通過電催化實現(xiàn)甲烷的轉(zhuǎn)換需要至少2.0v(vs.sce)電能的輸入才能實現(xiàn)甲烷的轉(zhuǎn)化，所以如何降低轉(zhuǎn)換過程的過電勢也是目前研究的重點。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、鑒于以上所述現(xiàn)有技術(shù)的缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置及工藝，避免了常規(guī)工業(yè)行業(yè)中將低濃度酸堿度廢水中和處理排放損失廢酸廢堿中儲存的化學能，以及因為劇烈中和會即刻生成大量沉淀需要進一步的后續(xù)分離和處理的問題，且本發(fā)明利用酸堿不對稱電解槽將廢酸廢堿溶液中儲存的化學能轉(zhuǎn)換為電能，以輔助驅(qū)動電催化甲烷轉(zhuǎn)化反應(yīng)，同時生產(chǎn)氫氣。

2、為實現(xiàn)上述目的及其他相關(guān)目的，本發(fā)明提供一種酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，包括至少一對電催化電極對，所述電催化電極對包括電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極和析氫對電極，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極作為陽極設(shè)于廢堿溶液中，所述析氫對電極作為陰極設(shè)于廢酸溶液中，所述廢酸溶液與所述廢堿溶液之間設(shè)置有離子交換膜，使廢酸溶液與廢堿溶液隔開形成廢酸電解槽和廢堿電解槽，所述廢堿電解槽底部還設(shè)有甲烷曝氣管，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極、析氫對電極與外接電源相連。

3、本發(fā)明的一些實施例中，所述電催化電極對多于一對時，各對所述電催化電極對之間串聯(lián)連接。

4、本發(fā)明的一些實施例中，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極電選自nio/ni、nio-zro2、改性nio、zro2、coo2、fe2o3中的一種。

5、本發(fā)明的一些實施例中，所述析氫對電極選自鉑電極、摻鉑石墨烯、鎳片、不銹鋼網(wǎng)中的一種。

6、本發(fā)明的一些實施例中，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極和析氫對電極可以為膜電極。

7、本發(fā)明的一些實施例中，所述廢酸電解槽、廢堿電解槽為具有耐酸堿腐蝕性的材料。

8、本發(fā)明的一些實施例中，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極與所述析氫對電極之間的間距為1～10cm。

9、本發(fā)明的一些實施例中，所述離子交換膜為陽離子交換膜、陰離子交換摸或雙極膜中的一種。

10、本發(fā)明的一些實施例中，所述裝置還包括氫氣收集設(shè)備。

11、本發(fā)明的一些實施例中，所述裝置還包括氫氣檢測設(shè)備。

12、本發(fā)明的一些實施例中，所述裝置還包括循環(huán)泵，使廢酸電解槽中的廢酸溶液與廢堿電解槽中的廢堿溶液均能夠各自從外置儲液罐流動循環(huán)更新或從廢液源處得到不斷補充。

13、本發(fā)明的一些實施例中，所述廢酸溶液為含有大量游離h+或者吸附/消耗oh-的溶液。

14、本發(fā)明的一些實施例中，所述廢堿溶液為含有大量游離oh-或者吸附/消耗h+的溶液。

15、本發(fā)明還提供一種利用酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置電催化甲烷轉(zhuǎn)化并制備氫氣的工藝，將廢酸溶液引入廢酸電解槽中，將廢堿溶液引入廢堿電解槽中，在廢堿電解槽中通入甲烷，開啟電源對電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極和析氫對電極通電，廢堿電解槽和廢酸電解槽中分別利用酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化和氫氣析出。

16、如上所述，本發(fā)明的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置及工藝，具有以下有益效果：

17、1)本發(fā)明的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置采用工業(yè)廢酸廢堿中儲存的化學能作為甲烷電催化轉(zhuǎn)化并協(xié)同制氫的部分驅(qū)動能，使得甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫的過程中，節(jié)約部分電能的輸入，充分利用含有廢酸廢堿的工業(yè)廢水，將其作為二次原材料，實現(xiàn)節(jié)約能源，降低能耗。

18、2)本發(fā)明的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置以外接電源和廢酸廢堿中儲存的化學能共同作為驅(qū)動能，構(gòu)成電能和廢酸廢堿中和能協(xié)同驅(qū)動的甲烷電催化轉(zhuǎn)化耦合析氫的反應(yīng)，這一設(shè)計實現(xiàn)了甲烷轉(zhuǎn)化、高效制氫、廢水處理、提高經(jīng)濟性等多重目標。

19、3)本發(fā)明裝置結(jié)構(gòu)簡單，操作靈活，引入廢酸廢堿和過渡金屬基甲烷電催化劑，實現(xiàn)甲烷轉(zhuǎn)換協(xié)同制氫效率高，減少環(huán)境污染，具有很高的性價比優(yōu)勢。

技術(shù)特征：

1.一種酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，包括至少一對電催化電極對，所述電催化電極對包括電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極和析氫對電極，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極作為陽極設(shè)于廢堿溶液中，所述析氫對電極作為陰極設(shè)于廢酸溶液中，所述廢酸溶液與所述廢堿溶液之間設(shè)置有離子交換膜，使廢酸溶液與廢堿溶液隔開形成廢酸電解槽和廢堿電解槽，所述廢堿電解槽底部還設(shè)有甲烷曝氣管，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極、析氫對電極與外接電源相連。

2.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述電催化電極對多于一對時，各對所述電催化電極對之間串聯(lián)連接。

3.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極選自nio/ni、nio-zro2、改性nio、zro2、coo2、fe2o3中的一種；

4.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述廢酸電解槽、廢堿電解槽為具有耐酸堿腐蝕性的材料。

5.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極與所述析氫對電極之間的間距≤10cm。

6.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述離子交換膜為陽離子交換膜、陰離子交換摸或雙極膜中的一種。

7.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述裝置還包括氫氣收集設(shè)備；

8.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述裝置還包括循環(huán)泵，使廢酸電解槽中的廢酸溶液與廢堿電解槽中的廢堿溶液均能夠各自從外置儲液罐流動循環(huán)更新或從廢液源處得到不斷補充。

9.如權(quán)利要求1所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，其特征在于，所述廢酸溶液為含有大量游離h+或者吸附/消耗oh-的溶液；

10.一種利用權(quán)利要求1～9任一項所述的酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置電催化甲烷轉(zhuǎn)化并制備氫氣的工藝，其特征在于，將廢酸溶液引入廢酸電解槽中，將廢堿溶液引入廢堿電解槽中，在廢堿電解槽中通入甲烷，開啟電源對電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極和析氫對電極通電，廢堿電解槽和廢酸電解槽中分別利用酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化和氫氣析出。

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明提供一種酸堿中和能輔助驅(qū)動甲烷電催化轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫裝置，包括至少一對電催化電極對，所述電催化電極對包括電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極和析氫對電極，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極作為陽極設(shè)于廢堿溶液中，所述析氫對電極作為陰極設(shè)于廢酸溶液中，所述廢酸溶液與所述廢堿溶液之間設(shè)置有離子交換膜，使廢酸溶液與廢堿溶液隔開形成廢酸電解槽和廢堿電解槽，所述廢堿電解槽底部還設(shè)有甲烷曝氣管，所述電催化甲烷轉(zhuǎn)化電極、析氫對電極與外接電源相連；本發(fā)明還提供一種電催化甲烷轉(zhuǎn)化協(xié)同制氫的工藝，利用廢酸廢堿中和能作為輔助驅(qū)動能，構(gòu)成輔助驅(qū)動的電催化反應(yīng)系統(tǒng)，減少電能消耗，實現(xiàn)工業(yè)酸堿廢水處理、甲烷轉(zhuǎn)化、高效產(chǎn)氫、節(jié)約能源等多重目標。

技術(shù)研發(fā)人員：陳容,翁國明
受保護的技術(shù)使用者：上海交通大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/10/31