[发明专利]化学合成用的复合膜及加有该膜的反应器及使用该膜的方法

说明书

发明背景和概述

本发明涉及一种用于化学合成的复合膜及其使用方法。这样的复合膜特别适用于由氢和氧合成过氧化氢。

今天商品的发展方向是使用“环境友好”的材料。一种这样的材料就是过氧化氢。过氧化氢有许多潜在的应用，例如在化学氧化法中的应用。一个特别大的应用领域是用作纸漂白剂。预计今后许多年过氧化氢的需求会迅速增长。因此，开发一种生产这种商品的有效方法是有利的。

大部分过氧化氢(H₂O₂)由大家熟悉的蒽醌法制造。例如，参看Binran,1 Appl.Chem.Ed.Chem.Soc.302(Japan 1986)。这一方法的缺点是，它需要加入许多有机溶剂，生成许多不希望有的副产物以及需要各种分离步骤。制备H₂O₂的另一方法是在碱金属氢氧化物溶液中氧的阴极还原法。但是，这一方法消耗大量的电能。生产过氧化氢的另一方法是用悬浮在或溶于含水磺酸溶液和盐酸溶液中的负载型或均相铂族金属催化剂，使氢和氧催化反应。但是，这一方法需要使氢和氧在高压下(为了优化性能，压力通常大于7000kPa)形成危险的、有可能爆炸的混合物，构成严重的安全隐患。

希望有这样一种反应器和方法，它不需要有机溶剂、复杂的电器设备以及有潜在爆炸性反应物的直接混合物，这里公开的本发明试图解决上述的许多困难。现已发现，使用这样一种反应器池设计可提供这样一种环境，在这一环境中，在没有反应物如氢和氧的直接混合物的情况下，可使用相当高的压力。在该反应器池设计中，通过催化上优化的复合膜使反应物彼此受控地分离开。反应器池使用新型的还原催化剂，并可对许多类型的反应优化。此外，因为氢和氧可在单一的反应器中直接反应，所以不必使用有机溶剂。

一方面，本发明涉及一种用于化学合成的复合膜，它含有基材、第一面和第二面，其中基材使第一面和第二面在操作上相连；第一面含有氧化催化剂(如铂)，而第二面含有还原催化剂；还原催化剂含有元素形式或组合形式的镧、锌、铈、镨、钕、钐、铕、钆、铽、镝、钬、铒、铥、镱、镥、铋或铟。这种复合膜然后可用于适合的反应器设计中。例如，可用于通过氢和氧安全反应合成过氧化氢的适合反应器设计，包括：

(a)上述复合膜，其中第一面为氢接触面，而第二面为氧接触面；

(b)用于氢与复合膜的氢接触面接触的氢供应室；

(c)用于氧与复合膜的氧接触面接触的氧供应室。

复合膜处于氢供应室和氧供应室之间，以致氢接触面在操作上与氢供应室相连，而氧接触面在操作上与氧供应室相连。这类化学化应器也适用于希望在类似条件下进行的其他合成反应。

发明详述

现已发现一种复合膜，它提供一种在没有机溶剂的条件下，在室温下，通过H₂和O₂在单一的反应器中直接反应，有效合成H₂O₂的方法。利用这里所述的还原催化剂，这一复合膜也可进行下述许多其他的化学合成反应：烯烃(如丙烯)氧化成烯化氧(如环氧丙烷)；由SO₂、H₂O和O₂生产H₂SO₄(参见Langer et al.,“Chemicals with Power”,Chemtech 226,229(April 1985))；由有机硝基化合物生产胺类染料(参见Spillman et al.,“Why Not Make Chemicals in Fuel Cell?”,Chemtech176,182(March 1984)；以及由苯生产酚(参见Otsuka et.,al.,“DirectSynthesis of Phenol from Benzene dring O₂-H₂ Fuel Cell Reactions”,139〔No.9〕J.Eleclrochem.soc.2381(1992))。目前认为H₂O₂的合成具有重要的意义，在这里将作更具体地讨论。但是，根据以下公开内容，一个熟悉本专业的技术人员还能将本发明的复合膜用于其他反应，只对H₂O₂合成进行具体的讨论并不意味着要限制本发明的范围。