一種生產電解二氧化錳的方法與流程
2024-02-12 02:01:15
本發明電解錳領域，涉及一種用節能型電解製備電解二氧化錳的方法，特徵是使用電化學性能高的Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極作為電解槽的陰極，陰極接觸空氣側用耐蝕材料隔離出氣室的電解槽裝置，可以常壓或加壓運行，更有效降低槽電壓，節約能源，更長的電極壽命。
背景技術：
電解二氧化錳工業一直是高耗能的產業，目前的生產工藝採用銅、石墨等析氫陰極進行電解生產，槽電壓為2.5～4.0V1，耗能巨大，達2000～4000kWh·t-1，而且電流效率雖高達95％～98％，但陰極還有副產品氫氣產生，帶出的酸性電解溶液酸霧腐蝕廠房設備也造成生產環境汙染，並有爆燃性，影響著工人健康和安全。為了解決此問題，2010年我們發明了一種節能型電解二氧化錳的製備方法(ZL201010578846.5)，在不改變電解二氧化錳工藝原理和陽極反應的條件下，使用氣體擴散電極代替傳統的析氫陰極，因提高了陰極電位使槽電壓在理論上降低1.229V，降低能耗的同時陰極不析出氫氣，避免酸霧的產生，保護了環境。但這個方法的節能效果雖主要決定於新方法的原理，但也與陰極材料本身的性能，主要為電催化性和穩定性(即壽命)，以及空氣向陰極接觸空氣側的輸運方式與壓力緊密相關。
為此，本發明的目的在於提出一種節能型電解二氧化錳方法，可以更有效降低生產電解二氧化錳的槽電壓、降低能耗，極大提高電極壽命。
技術實現要素：
為了解決電解二氧化錳生產過程中能耗大並產生環境汙染的問題，本發明提供了一種節能型電解工藝與電解槽裝置的方法。
一種生產電解二氧化錳的方法，其特徵在於使用Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極作為陰極，電解液為20～40g·dm-3H2SO4+100～140g·dm-3MnSO4+溶液，溫度為80℃，陽極為鈦基塗層陽極。採用Pt/TiN-CNx為催化劑，其中CNx為納米線，Pt、TiN為納米粒子。
本發明使用在陰極接觸空氣側用耐蝕材料隔離出有開口氣室的電解槽裝置(圖1)，陰極一面與電解液接觸，另一面與空氣接觸，空氣中的氧氣在陰極發生還原反應，可以常壓或加壓運行，不僅更有效降低槽電壓、節約能源，加壓還可避免溶液側電解液過於滲入陰極而腐蝕集流體，避免電解液滲流入氣室而洩露。
Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極採用Pt/TiN-CNx為催化劑(其中CNx為納米線，Pt、TiN為納米粒子)，對比使用了Pt/C(其中Pt為納米粒子)為催化劑的傳統Pt/C氣體擴散電極以及Cu析氫電極。Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極比傳統Pt/C氣體擴散電極以及Cu析氫電極具有更好的電催化活性：在30g·dm-3H2SO4+120g·dm-3MnSO4溶液中使用100A·m-2電流通電電解，Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極、Pt/C氣體擴散電極氧還原陰極電位分別為0.01V、-0.02V(相對於Hg/Hg2SO4參比電極)，Cu電極的陰極析氫電位為-1.1V(相對於Hg/Hg2SO4參比電極)(圖2)。
採用本發明的節能型電解工藝與電解槽裝置的方法，在氣室空氣1大氣壓常壓下，Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極比傳統Pt/C氣體擴散電極具有更低的電解槽電壓，尤其是更長的壽命，分別為0.7V、1578h和0.9V、469h，Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極的壽命是傳統Pt/C氣體擴散電極的3倍以上，而使用Cu析氫電極的槽電壓達1.8V。
附圖說明
以下附圖僅旨在於對本發明做示意性說明和解釋，並不限定本發明的範圍。
其中：
圖1：使用Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極作為陰極的有開口氣室的電解槽結構
圖2：Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極與Pt/C氣體擴散電極在100A·m-2電流密度下的陰極電位
附圖標號說明：
1—陽極，2—Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極，3—有開口的氣室
具體實施方式：
實施例一
氣室空氣1大氣壓常壓下，將Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極裝在電解槽內，放入30g·dm-3H2SO4+120g·dm-3MnSO4溶液中，溫度為80℃，電流為100A·m-2通電電解獲得電解二氧化錳。作為對比，同樣常壓下將傳統Pt/C氣體擴散電極、以及Cu析氫電極裝在電解槽內進行通電電解。
Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極比傳統Pt/C氣體擴散電極具有更低的電解槽電壓，尤其是更長的壽命，分別為0.7V、1578h和0.9V、469h，而使用Cu析氫電極的槽電壓達1.8V。
實施例二
氣室空氣1.2大氣壓稍加壓下，將Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極裝在電解槽內，放入30g·dm-3H2SO4+120g·dm-3MnSO4溶液中，溫度為80℃，電流為100A·m-2通電電解獲得電解二氧化錳。作為對比，同樣加壓下將傳統Pt/C氣體擴散電極、以及Cu析氫電極裝在電解槽內進行通電電解。
Pt/TiN-CNx納米氣體擴散電極比傳統Pt/C氣體擴散電極具有更低的電解槽壓，並比常壓延長了壽命，分別為0.6V、1632h和0.8V、493h，而使用Cu析氫電極的槽電壓達1.8V。