[发明专利]利用双极式离子交换膜电解生产过氧化氢的方法和装置

说明书

本发明涉及过氧化氢、过酸盐等在碱性溶液中的电解生产方法和装置。

工业上大量生产过氧化氢，一直用下列三种方法中的一种来进行，即：

i)在氧气中加热氧化钡，以生成过氧化钡，随后用酸来溶解过氧化钡，从

而获得过氧化氢；

ii)对硫酸或其盐进行电解阳极氧化，以使其转变成过硫酸盐，然后将其水

解，从而获得过氧化氢；以及

iii)对有机物(通常为蒽醌)进行循环催化氧化，然后将其还原。

虽然人们知道其他方法，即氧的阴极还原法，来生产过氧化氢已有一段时间，然而这种方法只是在最近才在工业上用来生产过氧化氢溶液。上述第一种工业方法的劳动强度大，因此不再具有重要性。第二种方法所需能耗高，致使能耗低得多的蒽醌法得以工业化。各种蒽醌法通常能生产出含70～90％(重量)过氧化氢的溶液，因此可以降低运输和贮存费用；然而有一点十分重要，即由于这些方法的复杂性，导致了相对较高的资本和运行费用，因此这些方法只有利于商业性工厂的大规模生产。理论上低能耗的氧阴极还原法，近来受到相当大的注意，特别是由于制造适用于过氧化氢生产的气体扩散阴极的工艺已经获得了改进；这种电化学方法在操作上可能十分简单，尽管迄今产品仍只是一种稀的碱性过氧化氢溶液。

稀的碱性过氧化氢溶液特别适用于木材纸浆的漂白工业。除了木材纸浆的漂白外，过氧化氢的碱性溶液还适合作其他的漂白应用和化学漂白作业。在这类漂白作业中，低浓度的电化学生产的过氧化氢，不需要进一步浓缩即可以使用，因此，过氧化氢的电化学法现用现生产，已预期用来向木材纸浆工厂供应过氧化氢，以作漂白之用。

有几种以氧的阴极还原来电解生产过氧化氢的方法，已经获得了专利权。Yu-Ren Cin(SRI International，Report No.68B，1992年3月)总结了最重要的一些专利文件，并提出了对己工业化的蒽醌法与氧的阴极还原法之间的经济比较。然而，所提出的电解制备碱性过氧化氢溶液的方法的一个主要缺点是，固有的碱对过氧化物之比(摩尔)大于2，这就限制了它的最终应用。

事实上，在一种常用来在碱性电解液(例如氢氧化钠)中生产过氧化氢的电解槽中，其阴极反应产生：

                       (1)

因此，可以看出，钠离子对过氧化物的最小摩尔比是2。

Jasinski和Kuehn(US4,384,931，1983年5月24日)认为，使用酸性阳极液对降低碱与过氧化物之比有利。他们公开了一种具有两种电解液(一种为酸性，另一种为碱性)的电解槽，这两种电解液被一块可透过阳离子的离子交换膜(阳离子选择性隔膜)分隔开。酸性的含水阳极电解液加入耐酸阳极与阳离子选择性隔膜之间的空间；碱性的含水阴极电解液加入气体扩散阴极与该离子交换膜之间的空间；并将一种含氧气体通到气体扩散阴极的外表面上。酸性阳极液中的水被电解成了氧、氢离子和电子：

                     (2)

电中性要求氢离子(H⁺)通过阳离子交换膜朝阴极迁移，并进入阴极液中。

在阴极处，氧透过气体扩散阴极而扩散，并与从阳极液透过离子交换膜迁移过来的氢离子(H⁺)以及与存在于阴极液中的钠离子一起反应，生成氢氧化钠和过氧化氢，该反应可按下列的任一种反应式进行：

           (3)

                 (4)

然而，迁入阴极液中的氢离子(H⁺)也由于下列的反应而将碱中和；

                 NaOH+H⁺→H₂O+Na⁺  (5)