一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置及电解制氢方法

本发明属于多相流的蛇形微通道电解装置，具体涉及一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置及电解制氢方法。

背景技术：

1、虽然再生能源的开发已取得较大进展，但远不能适应我国能源发展战略的要求，在很长时间内，我国煤炭的基础能源地位将不会根本改变。煤的直接燃烧、焦化、气化和转化过程中排放的h2s和so2会导致严重的环境污染问题，含硫污染物的有效控制和煤炭的清洁高效利用势在必行。同时，氢能作为一种未来能源界极具发展潜力的能源，因其热值高、来源多样、储量丰富及适于大容量、长时间存储的特性，被认为是22世纪的“终极能源”，也为大规模储能技术提供了一种新思路。基于碘硫循环的硫化氢裂解循环制氢可在回收含硫污染物的同时，生产氢气。

2、硫化氢裂解循环主要包括以下四个反应：

3、(1)h2s+h2so4→2h2o+so2+s

4、(2)s+o2→so2

5、(3)so2+i2+2h2o→2hi+h2so4

6、(4)2hi→h2+i2

7、其中第3个反应为bunsen反应，为了使产物混酸自发分离，需要加入过量的水并在高于碘熔点的温度下进行。如果将碘溶于甲苯即可使该反应在常温下进行，进一步将其反应产物h2so4、hi、甲苯作为阳极电解液、以h2so4溶液为阴极电解液进行电解，即可在阳极得到高浓度硫酸，在阴极制得氢气，避免复杂的混酸分离过程。

8、传统的板框式电解装置中，对于多相流体的混合效果差，并且传质不均匀，耐腐蚀性一般，反应物停留时间短、中间过程不明确。因此解决以上问题的关键是找到一种传质效率高、可研究电解中间过程且耐腐蚀的电解装置。

技术实现思路

1、本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术的不足，提供一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置。该电解装置具有更大的比表面积、更高的传质系数、更短的扩散距离、更长的停留时间，特别是有利于多相反应流体的混合与传质，解决了传统板框式电解池的混合程度低，传质不均匀，耐腐蚀性一般，反应物停留时间短、中间过程不明确等导致的高能耗、低效率问题。

2、为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种适用于液液不互溶电解液的耐腐蚀蛇形微通道电解装置，其特征在于，该蛇形微通道电解装置包括电解槽，所述电解槽包括从左向右依次堆叠的左端板、阳极电解板、垫片、网状阳极、垫片、质子交换膜、垫片、网状阴极、垫片、阴极电解板和右端板，所述电解槽的各部件通过多根固定螺栓进行固定，所述阳极电解板、阴极电解板和垫片上均开设有蛇形微通道，所述阳极电解板连接有阳极电解液输入组件和阳极电解液回收组件，所述阴极电解板连接有阴极电解液循环组件，所述网状阳极连接直流电源正极，所述网状阴极连接直流电源负极。

3、上述的一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置，其特征在于，所述阳极电解板上的蛇形微通道一端为阳极进料口，另一端为阳极出料口，所述阳极电解板上开设有多个与阳极电解板上的蛇形微通道连接的取样口；所述阴极电解板上的蛇形微通道一端为阴极进料口，另一端为阴极出料口，所述左端板、阳极电解板、垫片、网状阳极、网状阴极、阴极电解板和右端板上均开设有与固定螺栓配合的螺栓孔。

4、上述的一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置，其特征在于，所述蛇形微通道通过多个直道和弯道组合而成，所述直道的数量为2个～20个。

5、上述的一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置，其特征在于，所述取样口的数量为1个～4个，所述取样口采用封堵螺栓和硅胶片进行密封。

6、上述的一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置，其特征在于，所述阳极电解液输入组件包括与阳极进料口连接的三通，所述三通的一个接口连接有第一蠕动泵，所述第一蠕动泵连接第一储液池，另一个接口连接有第二蠕动泵，所述第二蠕动泵连接第二储液池，所述第一蠕动泵、第一储液池和三通均通过输液管连接，所述第二蠕动泵、第二储液池和三通均通过输液管连接。

7、上述的一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置，其特征在于，所述阳极电解液回收组件包括与阳极出料口连接的收集池，所述收集池通过输液管连接有分液装置。

8、上述的一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置，其特征在于，所述阴极电解液循环组件包括依次连接的第三蠕动泵和第三储液池，并分别与阴极进料口和阴极出料口连接，所述第三蠕动泵、第三储液池、阴极进料口和阴极出料口之间均通过输液管连接，所述第三储液池上通过输液管连接皂泡流量计和氢气集气袋。

9、上述的一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置，其特征在于，所述输液管为橡胶耐腐蚀管，所述三通为玻璃材质，所述垫片为聚四氟乙烯材质，所述网状阳极为铂金材质，网状阴极为不锈钢材质，所述质子交换膜的型号为nafion117，所述阳极电解板和阴极电解板均为聚四氟乙烯材质。

10、另外，本发明还提供了一种适用于多相流的蛇形微通道电解装置进行电解制氢的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

11、步骤一、向第一储液池注入硫酸和氢碘酸混合溶液，向第二储液池注入甲苯，向第三储液池注入硫酸溶液，将网状阳极和网状阴极分别通过导线与直流稳压电源的正极和负极相连，然后开启第一蠕动泵、第二蠕动泵和第三蠕动泵，并保持第一蠕动泵和第二蠕动泵流量为3ml/min～10ml/min，第三蠕动泵的流量大于20ml/min，待蛇形微通道中充满液体后，打开直流电源以1a/dm-2～10a/dm-2的恒定电流密度进行电解，在与第三储液池连接的氢气集气袋中得到氢气。

12、本发明在第一储液池注入硫酸和氢碘酸混合溶液，在第二储液池注入甲苯，并通过三通混合，形成阳极电解液，通过在第三储液池注入浓度高于氢碘酸溶液的硫酸溶液，作为阴极电解液，与直流稳压电源连接后阳极发生的反应为：2hi＝i2+2h++2e-，阴极发生的反应为2h++2e-＝h2，并且通过控制第三蠕动泵的流量，保证阴极表面产生的氢气可以及时被带走。

13、上述的方法，其特征在于，步骤一中所述电解过程中每隔10min～20min记录槽电压、环境温度和压力，其中以直流稳压稳流电源记录电解池槽电压，环境温度和压力由温度计和气压表测量，每隔10min～20min收集阳极出料口以及取样口分离的i2—甲苯相和剩余溶液相以及循环的阴极电解液用于滴定取样，溶液中各离子浓度由全自动电位滴定仪进行滴定分析。本发明通过测量槽电压计算电解能耗，测量温度和压力计算氢气产生速率，通过实时取样分析了解流体在不同位置的流动、混合、传质及电解反应情况，用于计算反应物转化率、产物产率、反应速率，便于优化进料参数和操作条件，对于研究和实际生产具有很大的帮助。

14、需要说明的是，电位滴定是在滴定过程中在被测溶液中插入一个指示电极和一个参比电极，通过测量溶液电位变化以确定滴定终点的方法，其准确度优于普通滴定法。阳极液和阴极液中的h+浓度用naoh溶液滴定，阳极液和阴极液中的i-用agno3溶液滴定。甲苯中i2的浓度用na2s2o3溶液滴定。阴极氢气的产生速率由的收集池连接的皂膜流量计测量，阴极产生氢气的纯度由气体流量计及集气袋收集后，通过气相色谱仪分析纯度。

15、本发明与现有技术相比具有以下优点：

16、1、本发明通过设计电解槽，具有更大的比表面积、更高的传质系数、更短的扩散距离、更长的停留时间，特别是有利于多相反应流体的混合与传质，解决了传统板框式电解池的混合程度低，传质不均匀，耐腐蚀性一般，反应物停留时间短、中间过程不明确等导致的高能耗、低效率问题。

17、2、本发明与常规槽式电解池相比，微通道电解板具有更大的比表面积、更高的传质系数、更短的扩散距离、更长的停留时间，特别是有利于多相反应流体的混合与传质。

18、3、本发明电解板沿流道设置取样口，可以了解流体在不同位置的流动、混合、传质及电解反应情况，便于优化进料参数和操作条件，对于研究和实际生产具有很大的帮助。

19、下面通过附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的详细描述。