[发明专利]一种用于糠醛和5-羟甲基糠醛电氧化的装置及方法

说明书

本发明提供一种用于糠醛和5‑羟甲基糠醛电氧化的装置，包括用于填充并通过侧壁向外渗透碱液的中间腔，中间腔的两侧分别设置有阳极结构和阴极结构，所述阳极结构和所述阴极结构均通过一层隔膜与所述中间腔相连通；阳极结构和阴极结构均包括与隔膜紧密接触的催化层、与催化层接触的多孔支撑体，以及带有流道、进液口和出液口的腔体。利用该装置制备FDCA和糠酸时，既在高碱度下促进了反应，又避免糠醛或5‑羟甲基糠醛在高碱度条件下发生副反应和减少FDCA和糠酸纯化产生的废盐量。本发明还提供一种利用该装置制备FDCA和糠酸的方法，该方法工艺步骤简单。

技术领域

本发明涉及电化学领域，具体的说，涉及了一种用于糠醛和5-羟甲基糠醛电氧化的装置及方法。

背景技术

生物质作为一种新型的可再生非化石资源，被认为是潜在化石资源替代品。5-羟甲基糠醛，简称HMF，是生物质资源的重要代表性平台化合物之一，通过氧化HMF可制备2,5-呋喃二甲酸，简称FDCA，并进一步合成生物基聚2,5-呋喃二甲酸乙二醇酯(PEF)以替代聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)，实现生物基可降解塑料的规模制备。相比化学氧化法制备FDCA，电化学氧化HMF可在常温常压下进行，该反应不需用贵金属催化剂，不使用化学氧化剂，因此被视为值得开发的绿色合成工艺。

目前HMF电合成FDCA多停留在实验室阶段，且主要围绕催化剂进行研究。HMF电氧化催化剂活性组分以NiOOH为代表。NiOOH催化HMF电氧化主要是通过间接电氧化，即NiOOH将HMF氧化后被还原为Ni(OH)₂，Ni(OH)₂经过电氧化过程(Ni(OH)₂+OH^-＝NiOOH+H₂O+e)再生为NiOOH。由反应式可知，OH^-参与电极反应，提高其浓度有利于NiOOH生成，因此pH通常需大于13，甚至高达14。

在如此高的pH条件下，HMF会发生开环生成不溶性腐殖质和聚合物，造成FDCA收率下降。目前文献中HMF电氧化制备FDCA时，通常使用较低浓度HMF，一般不高于10mol/Lmol/L，以避免HMF快速降解。然而，对HMF电氧化制FDCA的工业化生产而言，则需用高浓度HMF，才可满足产能需要，这就需解决高浓度HMF在高碱度条件下的降解问题。另一方面，使用高碱度制得FDCA在溶液中以盐形式存在，需用大量酸进行中和才能得到FDCA的酸形式，因此FDCA工业生产将会产生大量废盐。

同样，糠醛是用木质纤维素生物炼制方法得到的关键化学物品之一，与HMF都属于重要的生物质来源的平台化合物分子，糠醛氧化可以制备糠酸，糠酸可与CO₂加成制备FDCA。在高pH的条件下，糠醛会发生自缩合和歧化反应，造成糠酸的收率下降。与HMF相似，对于糠醛电氧化制备糠酸的工业化生产而言，需用高浓度糠醛，才可满足产能需要，这就需解决高浓度糠醛在高碱度条件下的降解问题。另一方面，使用高碱度制得糠酸在溶液中以盐形式存在，需用大量酸进行中和才能得到糠酸，糠酸的工业生产将会产生大量废盐。

随着国家对环境排放愈加严格的监管，废盐处理费用必将提升。减少5-羟甲基糠醛和糠醛电氧化过程废盐产生对提升FDCA电合成产业的经济效益具有重要意义。

发明内容

有鉴于此，本发明有必要提供一种用于糠醛和5-羟甲基糠醛电氧化的装置及方法，以解决上述问题。

为此，本发明提供一种用于糠醛和5-羟甲基糠醛电氧化的装置，包括用于储存并通过侧壁向外渗透碱液的中间腔，所述中间腔的两侧分别设置有阳极结构和阴极结构；

所述阳极结构与所述中间腔之间、所述阴极结构与所述中间腔之间均通过一层隔膜相连通；

所述阳极结构和所述阴极结构均包括与隔膜紧密接触的催化层、与催化层接触的多孔支撑体，以及带有流道、进液口和出液口的腔体；