[发明专利]一种电解二氧化碳制甲酸钾的装置及电解方法

说明书

本发明公开了一种电解二氧化碳制甲酸钾的装置及电解方法，以氢氧化钾和二氧化碳为原料，通过电解的方法将其转化为甲酸钾。其工艺过程是在一个隔膜型双室电解池中，阴极室中添加氢氧化钾水溶液作为电解液，阳极室添加酸性钾盐或酸性水溶液作为阳极电解液，并在阴阳两室分别放入阴极电极和阳极电极后通电电解，通过pH值测定来确定反应终点，最后在阴极室得到甲酸钾水溶液。将甲酸钾水溶液送入蒸馏反应器，经过蒸馏后得到甲酸钾固体产品。

技术领域

本发明涉及精细化工材料的制备技术领域，尤其涉及一种电解二氧化碳制甲酸钾的装置及电解方法。

背景技术

甲酸钾是一种重要的化工产品，主要用于油田钻井液、融雪剂、防冻剂、炭黑表面改性剂，农作物叶面肥，水泥早强剂，皮革鞣制剂等。市场需求量大，具有良好的发展前景。目前甲酸的生产方法包括甲酸和氢氧化钾合成法、CO和氢氧化钾高压合成法等。普遍存在生产成本高的问题。在水溶液中通过电解的方法可以使CO₂转化为甲酸根，而大部分基于CO₂还原的研究是把甲酸作为目标产物。如果甲酸作为最终产品在生产过程中会设计到诸多问题，例如甲酸的富集问题，当高浓度甲酸产生时阴极室溶液的pH值显著下降则会导致CO₂溶解度下降、阴极催化剂的还原效率降低等。而且甲酸的沸点和水的沸点接近，难以制成甲酸浓溶液，因此将甲酸作为目标产物工业化难度较大。因此我们提出利用电还原CO₂的方法制备甲酸钾。在水溶液中通过电解的方法可以使CO₂转化为甲酸根，甲酸根产物会在阳极再次氧化，因此电化学还原CO₂制甲酸或者甲酸盐需要用阳离子隔膜电解池来解决这个问题。在采用双室电解池电解时普遍希望采用碱性溶液作为阳极电解液[参见J. Power Sources.,2013, 223, 68-73.]。使用碱性溶液作为阳极电解液可以降低电解过程中的槽电压，对电解过程有利。但是如果采用氢氧化钾溶液作为阳极电解质时，OHˉ反应生成O₂和水，而K⁺离子持续不断的透过离子交换膜进入阴极室，最终阴极室的反应如下：

CO₂ + 2K⁺ + H₂O + 2e⁻ → HCOOK + KOH

由于阴极室会不断通入CO₂，CO₂与KOH进一步生成KHCO₃，这样阴极室最终的产物HCOOK和KHCO₃难以分离。有文献在研究中使用了酸性溶液作为阳极电解液[电化学, 2017,23, 72-79]，该文献是以甲酸为目标产物开展的研究，并没有报道关于CO₂电化学还原得到甲酸钾的具体操作方法。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明公开了一种电解二氧化碳制甲酸钾的装置及电解方法，该方法可以解决目前工艺技术生产甲酸钾的诸多缺点，有利于CO₂减排并低成本生产甲酸钾。

本发明提出的一种电解二氧化碳制甲酸钾的装置，所述装置包括阳极室和阴极室，所述阳极室和阴极室之间通过阳离子交换膜连接，所述阳离子交换膜为Nafion膜，所述阳极室顶部开有氧气排出口，阳极室内装有阳极电解液，所述阳极电解液为酸性或中性电解液；所述阴极室顶部设有尾气排出口和二氧化碳接入口，阴极室内装有阴极电解液，阴极电解液为碱性电解液，所述阳极室内设有阳极电极，所述阴极室内设有二氧化碳接入管、pH计和阴极电极，所述阳极电极和阴极电极电连；所述二氧化碳接入管一端与二氧化碳接入口相连，另一端插入阴极电解液液面下。

一种电解二氧化碳制甲酸钾的装置的电解方法，以CO₂和氢氧化钾为原料，在带有阳离子交换膜的电解二氧化碳制甲酸钾的装置中通过电解反应制得产物甲酸钾，具体包括如下步骤：

第一步：在阴极室加入高浓度的氢氧化钾溶液并通入CO₂气体；