电渗析法再生CO_2电还原电解液的研究_张龙龙

环境工程2011年第29卷增刊电渗析法再生CO2电还原电解液的研究张龙龙李军(中国船舶重工集团公司第七一八研究所,河北邯郸056027)摘要:探索了电渗析法再生CO2电还原电解液的可行性。以HCOOK溶液作为CO2电还原反应后的模拟液,采用单室电渗析装置对其进行再生,考察了电流、时间、温度等操作条件对电流效率和再生率的影响,研究结果表明:在常温条件下,操作电流低于极限电流时,采用电渗析法再生CO2电还原电解液具有高的电流效率和再生率。关键词:电渗析;CO2电还原;电解液RECOVERINGTHEELECTROLYTEOFELECTROCHEMICALREDUCTIONOFCO2WITHELECTRODIALYSISZhangLonglongLiJun(The718thResearchInstituteofCSIC,Handan056027,China)Abstract:AnelectrodialysisreactorisemployedtorecoverytheelectrolyteofelectrochemicalreductionofCO2.Theeffectofcurrent,time,temperatureontheelectrodialysisprocesswasstudied.Itisconcludedthatatnormaltemperaturehighelectriccurrentcoefficientandrecoveryratecouldbeobtainedwhenthecurrentwaslessthanlimitingcurrent.Keywords:electrodialysis;electrochemicalreductionofCO2;electrolyte0引言随着工业的高速发展,地球的生态环境正在遭到严重破坏,其中温室效应是人类面临的主要问题之一,而导致温室效应的直接原因是CO2的大量排放,因此,如何开发和综合利用CO2已成为化学领域的重要研究方向。CO2电还原是综合利用CO2多种途径之一,是在电极及催化剂的催化作用下,将CO2通过电化学反应转化为液态有机物,其主要目标产物为甲酸或甲醇。与化学合成法相比,CO2电还原法具有装置操作简便、容易放大、副产物少等优点[1-2]。研究表明,在水溶液中加入支持电解质可以显著影响CO2的法拉第效率[3],而采用KOH作为支持电解质可以获得较大的CO2还原效率,但其存在的问题是随着CO2溶入和电化学反应的进行,溶液中的OH-将逐渐被目标产物HCOO-取代,成为HCOOK溶液,KOH被消耗,为了保证CO2电还原持续进行,必须对KOH进行再生。电渗析技术是近年发展起来的新型分离技术,广泛的应用于污水处理[4]、酸碱制备[5]、溶液再生及提浓等领域[6],而利用电渗析技术再生CO2电还原的支持电解质KOH还未见研究报道,本文采用HCOOK溶液作为CO2电还原反应后的模拟液,开展电渗析法再生CO2电还原电解液试验研究。1实验部分1.1再生原理在电渗析器中,采用阳离子交换膜将电渗析器分为阳极室和阴极室,阴极室注入去离子水,阳极室注入HCOOK溶液,通上直流电后,在阳极和阴极将分别发生水的解离:阳极:2H2O-4e※4H++O2阴极:3H2O+4e※4OH-+H2在阳极室,水解离产生的H+与HCOO-结合生成甲酸,K+在电场的作用下通过阳离子交换膜进入阴极,并与阴极水解离产生的OH-结合生成KOH,完成KOH的再生。1.2实验装置及步骤实验装置图如图2所示,由电源、电渗析器、循环泵、气液分离器组成,其中电渗析器是核心部件,为单小室结构,主要由端板、极板、支撑网、电极、离子交换膜、密封垫组成,在本实验中,阳极采用钛涂钌电极,阴极采用钛镀铂电极,膜为阳离子交换膜,以上部件的有效面积为43cm2,气液分离器上标明刻度,可以读取364DOI:10.13205/j.hjgc.2011.s1.105环境工程2011年第29卷增刊溶液的体积。图1再生原理示意图2实验装置简图实验开始时,向气液分离器1中装入一定体积的HCOOK溶液,向气液分离器2中装入相同体积的去离子水,打开循环泵,接通电源,采用恒电流电解电渗析,每隔0.5h从气液分离器2中取样分析KOH浓度,同时读取分离器2内的电解液体积,并采用万用表测量电渗析器两端电压,KOH浓度采用酸碱滴定法测定。1.3数据处理电流效率是电渗析过程的主要指标,它表示电渗析过程中电流的利用效率。电流效率按式(1)计算:η=理论耗电量实际耗电量×100%=VFΔcIt×100%(1)式中V———气液分离器2中的电解液体积;■c———气液分离器2中K+摩尔浓度变化;F———法拉第常数;I———电渗析电流;t———电渗析时间。再生率是指阴极K+浓度占阳