一种光、电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及硫化氢转化的方法及装置。
【背景技术】
[0002]硫化氢作为一种有害气体，大量存在于煤层气，页岩气和天然气中，同时大量副产石油炼制、天然气加工和其它化学合成过程中。目前工业上主要采用克劳斯(Clauss)解决硫化氢的问题。
[0003]H2S+3/202 — S02+H20 (I)
[0004]2H2S+S02 — 2H20+3/xSx (2)
[0005]传统的克劳斯工艺可以将硫化氢部分氧化生成水和硫，回收硫化氢中的硫,氢则被氧化成水而产生浪费。
【发明内容】
[0006]本发明是为了解决硫化氢的资源高值化的问题，提供了一种光、电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法及装置，既解决环境污染问题，又使硫化氢高值化，即一种变废为宝的技术。
[0007]本发明的一种光、电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的方法分两步进行，第一步由光电催化或电催化还原质子产氢，同时在阳极上得到氧化还原电对的氧化态，第二步由氧化还原电对的氧化态穿过膜与硫化氢反应得到元素硫和氢离子，氢离子通过膜扩散到阴极参与第一步过程，元素硫可分离回收。本发明的光阴极主要是负载MoS2的P-型半导体，如Si，CdSe, CdTe, CuInxGa1 xSe2或CuInxGa1 XS2。本发明的阴极是负载MoS2的金属，碳电极或导电玻璃，如Ti，Cu，Fe，碳纸，石墨，FT0, ΙΤ0，本发明的阳极是非贵金属，如Ti，Cu，Fe。本发明的氧化还原电对是(SCN) 2/SCN，Fe (CN)63 /Fe (CN)64，Ce4+/Ce3+, Co (bpy)33+/Co (bpy) 32+, Fe3+/Fe2+, I3 /I , (SeCN) 2/SeCN , Cu (phen) 22+/Cu (phen) 2+, Cu (SP) (mmt) °/Cu (SP)(mmt)和Cu (dmp) /7Cu (dmp) 2+中的一种或两种以上氧化还原电对。
[0008]本发明的一种光、电催化-化学环反应耦合分解硫化氢的装置由阴极腔室、硫化氢腔室和阳极腔室组成。
[0009]阳极腔室与硫化氢腔室相邻接，阳极腔室与硫化氢腔室通过第二隔膜相分隔；阴极腔室通过第一隔膜与阳极腔室和/或硫化氢腔室相分隔；
[0010]装置的结构包含有以下五种类型:
[0011]1.从左至右依次为阴极腔室、硫化氢腔室和阳极腔室。阴极腔室和硫化氢腔室之间由第一隔膜分开，硫化氢腔室和阳极腔室由第二隔膜分开。
[0012]2.从左至右依次为阴极腔室、阳极腔室和硫化氢腔室。阴极腔室和阳极腔室之间由第一隔膜分开，阳极腔室和硫化氢腔室由第二隔膜分开。
[0013]3.阴极腔室位于左侧，阳极腔室和硫化氢腔室并列位于右侧。位于左侧的阴极腔室和位于右侧的阳极腔室和硫化氢腔室之间由第一隔膜分开，阳极腔室和硫化氢腔室由第二隔膜分开。
[0014]4.阴极腔室位于左侧，阳极腔室位于右侧，阴极腔室和阳极腔室之间由第一隔膜分开，硫化氢腔室由第二隔膜包裹置于阳极腔室中。
[0015]5.阴极腔室位于左侧，硫化氢腔室位于右侧，阴极腔室和硫化氢腔室之间由第一隔膜分开，阳极腔室由第二隔膜包裹置于硫化氢腔室中。
[0016]本发明优势在于:
[0017]利用光电催化或电催化，与化学反应耦合，将硫化氢最终分解为氢气和元素硫，实现了硫化氢的高值化利用，是一项变废为宝的技术。同时由于可采用太阳光作为能量输入，大大降低了硫化氢转化的成本。由于氢气和元素硫分别在两个反应腔室产生，此项硫化氢转化工艺的产物分离和回收较为容易。此外，涉及硫化氢转化过程的电极、电对和供能方式的选择灵活多样，在工业化应用上有较强的适应性。
【附图说明】
[0018]图1是【具体实施方式】一的实验装置。图中:1.阴极腔室；2.硫化氢腔室；3.阳极腔室；4.阴极；5.阳极；6.H2收集。
【具体实施方式】
[0019]为了进一步说明本发明，列举以下实施实例。
[0020]实施例一
[0021]从左至右依次为阴极腔室、硫化氢腔室和阳极腔室(参见图1)。阴极腔室与硫化氢腔室之间用naf1n膜隔开，硫化氢腔室与阳极腔室之间用Celgard膜隔开。在阴极腔室中加入0.2mol/L的K2SO4水溶液。在阳极腔室和硫化氢腔室中均加入含KSCN和K2SO4分别为0.2mol/L和0.25mol/L的水溶液。将尺寸为2cmX 2cm的负载MoS2的P-型半导体CdSe置于阴极腔室中，将尺寸为2cmX 2cm的FTO作为阳极置于阳极腔室中，外加恒压源通过导线连接阴极和阳极，电流表串联入电路中。此反应所用光源为300W氙灯，恒压源施加0.4V直流电压，硫化氢通入的气体流速为l.0ml/min，纯度大于99.9%。施加电压后，反应体系电流为0mA。开启光源后，反应体系产生电流120mA。光阴极上产生大量气泡,利用排水法收集。阳极溶液的颜色逐渐加深，硫化氢腔室内有淡黄色沉淀析出。整套反应过程非常稳定，反应进行Ih后停止光照和外加电压输入，记录排水法收集的氢气的体积为50ml，将硫化氢腔室中的悬浊收集,离心分离出元素硫,干燥后称重71.0mg0整个反应过程通入硫化氢2.68mmol，得到氢气2.23mmol，元素硫2.22mmol，硫化氢转化率为83%。5个循环后，电流和硫化氢转化率未见明显降低。
[0022]实施例二:与实施例一不同之处在于:
[0023]在阳极腔室和硫化氢腔室中加入含K4Fe (CN) 6和K2SO4分别为0.2mol/L和0.25mol/L的水溶液。硫化氢转化率为80%。
[0024]实施例三:与实施例一不同之处在于:
[0025]在阳极腔室和硫化氢腔室中加入含Ce(NO3)JPK2SO4分别为0.2mol/L和0.25mol/L的水溶液。硫化氢转化率为75%。
[0026]实施例四:与实施例一不同之处在于:
[0027]在阳极腔室和硫化氢腔室中加入含Co (bpy) 3C12和K2SO4分别为0.2mol/L和0.25mol/L的水溶液。硫化氢转化率为73%。
[0028]实施例五:与实施例一不同之处在于:
[0029]在阳极腔室和硫化氢腔室中加入含KI和K2SO4分别为0.2mol/L和0.25mol/L的水溶液。硫化氢转化率为62%。
[0030]实施例六:与实施例一不同之处在于:
[0031]在阳极腔室和硫化氢腔室中加入含Fe(NO3)JPK2SO4分别为0.2mol/L和0.25mol/L的水溶液。硫化氢转化率为43%。
[0032]实施例七:与实施例一不同之处在于:
[00