T/CAMIE 34-2025 生物基固体废物催化制备高值化学品技术规范

ICS 13.030.40 CCS G85

团体 标准

T/CAMIE 34—2025

生物基固体废物催化制备高值化学品技术规范

Technical specification for the catalytic preparation of high-value chemicals from biomass solid waste

2025-10-27发布 2025-11-20实施

中国环保机械行业协会发 布

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目次

前言 Ⅲ

1 范围 1

2 规范性引用文件 1

3 术语和定义 1

4 总体要求 2

5 技术要求 3

5.1 技术路线 3

5.2 预处理 3

5.3 装置 4

5.4 工艺 4

5.5 产物 5

6 产物指标的测量 5

7 检验方法 7

8 环境适应性与职业健康 8

8.1 环境适应性 8

8.2 职业健康 8

9 包装、运输与贮存 8

9.1 包装 8

9.2 运输 8

9.3 贮存 8

附录A(资料性) 电解槽设计参考及开机要求 10

附录B(资料性) 催化剂选择及催化剂设计选型的基础数据 12

B.1 催化剂材料及选择 12

B.2 电化学表面积 12

B.3 转换频率(TOF) 12

B.4 电化学阻抗(EIS) 12

B.5 稳定性 12

B.6 使用寿命 12

B.7 电导率 12

B.8 耐腐蚀性 13

B.9 选择性 13

B.10 催化剂的再生与回收 13

B.11 催化剂的负载量 13

B.12 催化剂的分散性与均匀性 13

I

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B.13 催化剂的制备工艺 13

B.14 安全性 13

B.15 与反应体系的兼容性 13

B.16 电解液的再生 13

附录C(资料性) 试验报告 14

C.1 概述 14

C.2 报告项目 14

C.3 试验数据 14

C.4 试验测试的一般信息 14

C.5 测试目的及范围 15

C.6 试验电解槽的基础信息 15

C.7 测试数据中主要操作条件、输入及输出参数信息 15

C.8 测试过程的偏差 16

C.9 数据后处理 16

C.10 结论与验收标准 16

附录D(规范性) 电流测试值计算高值化学品产率 17

D.1 原理 17

D.2 电解含生物基固体废物电解液值高值化学品时的法拉第定律 17

D.3 电流效率 17

D.4 电流测试值计算高值化学品产量 17

附录E(资料性) 测量 18

E.1 仪器规范 18

E.2 测量方法 18

E.3 稳定性 19

E.4 计量单位 19

附录F(资料性) 主要试验(或验证)情况 20

F.1 试验一 20

F.2 试验二 20

F.3 试验三 20

图 1 生物基固体废物催化制备高值化学品的技术路线图 3

图A.1 电解槽样本参考图 10

表 1 高值化学品等级划分 5

表C.1 实验测试的基本记录表 14

表C.2 参数信息 15

表E.1 测量参数及计量单位 19

Ⅱ

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前言

本文件按照GB/T 1.1—2020《标准化工作导则第1部分：标准化文件的结构和起草规则》的规定起草。

请注意本文件的某些内容可能涉及专利。本文件的发布机构不承担识别专利的责任。

本文件由中国环保机械行业协会提出并归口。

本文件起草单位：北京工业大学、华北电力大学、江苏理工学院、常州厚德新能源集团有限公司、常州厚丰新能源有限公司、光大环保技术装备(常州)有限公司、光环智创环保装备(江苏) 有限公司。

本文件主要起草人：王长龙、吴玉锋、宋岷洧、陆强、叶招莲、戴国洪、王怀栋、殷晓飞、李智、 丁江浩、刘功起、吴永新、孙丽娟、付志臣。

本文件为首次发布。

Ⅲ

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生物基固体废物催化制备高值化学品技术规范

1 范围

本文件规定了生物基固体废物催化制备高值化学品的总体要求、技术要求、产物指标的测量、 检验方法、环境适应性与职业健康、包装、运输与贮存。

本文件适用于生物基固体废物的电催化、热催化、光催化、生物催化、酸碱催化转化处理，涵盖秸秆、纤维等生物基固体废物的资源化再利用。

2 规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，仅该日期对应的版本适用于本文件;不注日期的引用文件，其最新版本(包括所有的修改单) 适用于本文件。

GB/T 6678 化工产品采样总则

GB 8978 污水综合排放标准

GB 12348 工业企业厂界环境噪声排放标准

GB 15577 粉尘防爆安全规程

GB 15605 粉尘爆炸泄压规范

GB 16297 大气污染物综合排放标准

GB/T 19630 有机产品生产、加工、标识与管理体系要求

GB 20300 道路运输爆炸品和剧毒化学品车辆安全技术条件

GB/T 20042.3 质子交换膜燃料电池第3部分：质子交换膜测试方法

GB/T 20861 废弃产品回收利用术语

GB 30871 危险化学品企业特殊作业安全规范

GB/T 33761 绿色产品评价通则

GB/T 40980 生化制品中还原糖的测定柱前衍生高效液相色谱法

GB/T 45539 PEM电解槽技术要求

GB/T 50087 工业企业噪声控制设计规范

3 术语和定义

GB/T 20861界定的以及下列术语和定义适用于本文件。

3.1

生物基固体废物 biomass solid waste

来源于动植物或微生物的有机物质，经生产、加工或使用后产生的，具有可再生性和化学转化潜力，可通过电催化技术转化为高附加值化学品、燃料或材料的固态废弃物质。

3.2

生物基固体废物单体 biomass solid waste derived monomer

通过物理、化学或生物预处理手段，从生物基固体废物中分离或解聚得到的，具备明确化学组

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成与可催化转化特性的单一有机组分或结构单元，可直接或经修饰后作为合成化学品的原料。 3.3

电催化 electrocatalysis

通过施加电压、电流引发电化学反应，从而降低反应活化能、提高反应效率、促进化学物质转化的化学反应过程。

3.4

电催化剂 electrocatalysts

用于促进电催化反应、降低反应活化能，并提高目标反应的选择性和反应速率的固态物质。 3.5

选择性 selectivity

在催化反应过程中，目标高值化学品的生成物质的量占所有消耗的反应物总物质的量的百分比。 3.6

产品收率 yield

实际获得的目标高值化学品产物质量(或物质的量)占理论最大生成量的百分比。 3.7

电流效率 current efficiency

在电催化反应中，实际用于生成目标产物的有效电荷量与理论所需电荷量的百分比。 3.8

电压效率 voltage efficiency

在电催化体系中，理论分解电压与实际操作电压的百分比，反映电化学反应过程中能量利用的经济性。

3.9

产品纯度 product purity

目标化学品在最终产物中所占的质量或物质的量百分比，表征产物中目标成分与杂质(包括未反应的原料、副产物、催化剂残留及外来污染物等)的分离与富集程度。

3.10

高值化学品 high-value chemicals

利用催化技术将生物基固体废物转化而成的，具有显著高于原料经济价值和应用价值的化学产品。

3.11

电解槽 electrolyzer

以生物基固体废物衍生物(如合成气、有机酸等)为原料，通过电催化反应，将其转化为高值化学品(如烯烃、醇类等),且核心部件为膜电极组件( MEA)、 具备对温度、压力、电压及物料流量精确控制功能的专用反应装置。

4 总体要求

4.1 企业应具备对生物基固体废物进行分类、清洗、粉碎、预处理、催化转化及资源化利用的相关人员、技术、装备和场地。企业的生产设施和场地应满足必要的环境污染防治要求，按照环评批复文件和排污许可证要求规范生产。

4.2 从事生物基固体废物催化制备化学品的企业应合理规划和设置各类生产区域，包括生物基固

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体废物存储区、生产加工区、产品贮存区、固体废物(或危险废物)存放区等，各区域应有明确的标识，具备防渗、防火及防爆设施。生物基固体废物应按种类分区贮存。

4.3 生物基固体废物催化制备化学品过程中，不得使用国家已明确淘汰或禁止的设备和技术，应采用高效、环保的催化工艺和设备。

4.4 企业应对原料进行必要的分类、清洗和破碎等预处理，并根据其化学组成选择适宜的催化转化工艺。宜采用连续化反应系统和绿色催化技术，以提高反应效率、产物选择性和资源转化效率。

4.5 催化转化后的产物应进行有效分离和纯化，以获取高值化学品。

4.6 生产过程中产生的废水经处理后应达到GB 8978的要求方可排放，产生的废气处理后应达到 GB 16297的要求方可排放。

4.7 企业应建立完备的生产台账，详细分类记录生物基固体废物的入库、出库、加工数量及催化制备化学品的产量。台账应保留5年以上，确保产品溯源。

5 技术要求

5.1 技术路线

催化反应的过程主要通过电催化转化处理来实现生物基固体废物单体向燃料、烯烃、芳烃等高附加值的化学品的转化，应根据生物基固体废物的物理化学性质，选择适宜的预处理和催化转化工艺路线，技术路线参考图1。

生物基固体废物

分类并破碎

粒径 < 5mm

碱性条件

5%～20%的NaOH/KOH, 温度<200℃)

酸性条件

2%～10%的H₂SO₄/HCI, 温度<150℃

生物基固体废物单体

电催化热催化光催化生物催化酸碱催化转化

产物分离

高纯产品

图 1 生物基固体废物催化制备高值化学品的技术路线图

5.2 预处理

5.2.1 不同类型的生物基固体废物在进入反应装置前，应按照其化学组成进行分类，以确保反应过程中反应条件统一，反应效率稳定。

5.2.2 在进入反应装置前，生物基固体废物宜被粉碎至粒径5mm 以下。

5.2.3 化学预处理过程包含碱性条件处理和酸性条件处理：

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a ) 在碱性条件下，通过加入氢氧化钠( NaOH) 或氢氧化钾( KOH) 等强碱溶液，以5%～20% 浓度对生物基固体废物进行处理，温度宜控制在200 ℃以下;

b) 在酸性条件下，使用浓度为2%～10%的硫酸( H₂SO₄)、盐酸( HCl) 等对生物基固体废物进行化学解聚，温度宜控制在150 ℃以下;

c) 宜在高温高压反应系统中进行预处理，优选连续式管式反应器，反应时间通常为2h～24h。

5.3 装置

5.3.1 电催化方法应选用电催化反应器作为反应仪器，优选具有良好的电解液循环能力的膜电极反应器( MEA) 或双室流动电解槽，其中，电解槽的设计参考及开机要求参考附录A。

5.3.2 对电解槽具体部件的要求包括：

a) 阴离子交换膜的离子电导率≥0.1 S/cm, 溶胀率<5%;

b) 催化剂应具有高催化活性和稳定性，气体扩散层孔隙率高，导电性良好，应符合GB/T 20042.3 的规定;

c) 密封垫应与极板等设备具有良好的适配性;

d) 流场板应具备优良的导电性、耐腐蚀性及机械强度;

e) 端板应确保电解槽内部的气密性、机械稳定性及电流传导效率;

f) 紧固件应具有良好的耐腐蚀性。

5.3.3 电解槽的组装要求包括：

a) 应正确安装隔膜，确保气体的有效分离并防止短路;

b) 隔膜框的孔道方向应准确无误;

c) 应使用定位孔和定位杆，确保极板组件的垂直度和水平度，避免任何倾斜或错位;

d) 在极板与隔膜之间、缸框与端板之间应加装密封垫圈以确保电解槽的密封性，垫圈需均匀露出框架一定距离;

e) 电解槽的对地绝缘电阻应符合设计要求;

f) 组装环境应整洁，槽体内应无油污、铁屑及其他金属物;

g) 焊接、紧固等工艺应符合GB/T 45539的标准和设计要求;

h) 组装过程中应进行质量监控和检查，发现问题应及时处理。

5.3.4 电催化反应器中的电极或电催化剂材料应具有高导电性和稳定性，优选材料包括铂、钯、 镍等贵金属电极，或是具有较好的催化活动的负载稀土元素的电极材料，或是碳纳米管、石墨烯等非金属电极。催化剂选择及催化剂设计选型的基础数据可参照附录B。

5.3.5 设备的关键部件如电极、催化剂等应具有良好的耐久性，宜满足循环使用10次后，仍保持较高的催化活性和稳定性。

5.4 工艺

5.4.1 电催化反应器中电流密度宜控制在0.2 A/cm²~2 A/cm², 反应电压宜控制在1.5V～3.0V, 反应温度范围为20 ℃~80℃,电流效率应不低于85%,电压效率应不低于75%。

5.4.2 反应效率、法拉第效率与选择性满足以下要求：

a ) 生物基固体废物经过催化反应后，应至少达到95%的转化率。对于特定高值化学品的制备， 转化率应不低于98%;

b) 生物基固体废物的电催化反应法拉第效率应高于80%;

c) 目标化学品的选择性应高于90%。

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5.4.3 宜采用循环伏安测试、线性伏安测试、电位阶跃测试、稳态实验、交流阻抗测试等方法进行测试，以确定反应过程中的电催化活性、反应机理、动力学特性、反应速率及电极性能。

5.4.4 电解模式的选择原则：

a ) 恒电流电解：可直接控制反应速率(电流密度),宜用于强调反应过程稳定性、可控性及易于放大规模的场景。

b) 恒电位电解：宜用于强调产物选择性和反应路径控制的研发阶段或特定小规模高附加值产品合成场景。

5.4.5 在催化反应过程中，宜采用在线气体分析(如质谱)和液相色谱法实时监测反应产物，并通过调整反应条件优化化学品生成效率。对于高值化学品的检测方法参照GB/T 40980的规定。

5.4.6 应优先采用中和反应、沉淀分离或膜过滤技术等高效的废水处理工艺。

5.4.7 在生物基固体废物催化制备化学品的过程中，应该记录其催化过程中测试条件和相关测试试验结果，形成试验报告，报告格式及内容可参考附录C。

5.5 产物

5.5.1 在催化反应结束后，应通过膜分离、冷凝、萃取、精馏等方法对产物进行高效分离。

5.5.2 针对不同的产物类型可采用相应的分离工艺，以确保高纯度的产品输出。

5.5.3 应根据测试数据计算出高值化学品产率，电流测试值计算高值化学品产率的原理、方法可参考附录D。

5.5.4 产物中目标化学品满足以下要求：

a) 产率不低于80%,其中高附加值化学品应达到或超过90%;

b) 产品纯度不低于90%,对于某些高产品纯度要求的应用场景，如医药、电子等领域，产品纯度标准应提高至95%及以上;

c) 产物中的高值化学品根据产品纯度划分为4个等级，见表1。等级代号由“BHC”(Biomass High-value Chemical) 和一位罗马数字组成，数字越小，代表产品纯度等级越高。

表1 高值化学品等级划分

高值化学品代号

等级名称

产品纯度

BHC-I

生化试剂级

≥99.9%

BHC-Ⅱ

精细化学品级

≥99.0%

BHC-Ⅲ

工业优级品

≥95%

BHC-IV

工业粗产品级

不设下限，需明确标注

6 产物指标的测量

6.1.1 产物测量对象包括：

a) 主要产物：高值化学品(如酸类、酮类等)及其他有机小分子。

b) 副产物：氧气、氢气等。

6.1.2 产物测量指标及计算方法包括：

a ) 产品纯度：

5

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6

…

 

…………

 

…(1)

式中：

P——生物基固体废物催化转化生成的产品纯度，单位为百分比(%);

m日标产物 ——由生物基固体废物催化转化生成的目标产物的质量，单位为千克( kg); m总产物 ——由生物基固体废物催化转化生成的总产物的质量，单位为千克( kg)。

b) 产品选择性：

… …………………(2)

式中：

S——生物基固体废物催化转化生成的产品选择性，单位为百分比(%);

”自标产物 — 由生物基固体废物催化转化生成的目标产物的物质的量，单位为摩尔( mol); n反应物消耗总量——由生物基固体废物催化转化消耗的物质的量，单位为摩尔( mol)。

c) 产品收率：

式中：

 

 

…

 

…

…

 

………

 

(3)

Y——生物基固体废物催化转化生成的产品收率，单位为百分比(%);

m实际产物— 由生物基固体废物催化转化的实际产物的质量，单位为千克 ( kg); M理论产物 ——根据理论计算得出的理论产物的质量，单位为千克( kg)。

d) 反应速率：

 

………

 

……

 

(4)

式中：

S——生物基固体废物催化转化的反应速率，单位为摩尔每克每小时[mol/(g·h)]; △,——每克催化剂总共转化出的目标产物的物质的量，单位为摩尔每克(mol/g); △,——催化剂催化转化总时间，单位为小时 (h)。

e) 电流效率：

 

…………

 

… …(5)

式中：

电流——生物基固体废物催化转化过程的电流效率，单位为百分比(%);

Q实际——生物基固体废物催化转化过程消耗的总电荷量(电量),单位为库仑 ( C);

Q理论——生物基固体废物催化转化过程理论消耗的总电荷量(电量),单位为库仑 ( C); n——生成 1 mol 目标产物所需的电子的物质的量，单位为摩尔每摩尔( mol/mol);

m——生物基固体废物催化转化过程中目标产物的实际生成物质的量，单位为摩尔( mol); F——法拉第常数，其值为96485库仑每摩尔 ( C/mol);

I——生物基固体废物催化转化过程的平均电流，单位为安培 ( A);

t ——电解时间，单位为秒( s)。

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f) 电压效率：

7

 

……………

 

……

 

· (6)

式中：

7电压—生物基固体废物催化转化过程的电压效率，单位为百分比(%); E理论——热力学平衡条件下的最小分解电压，单位为伏特( V);

E实际 —实际运行电压，单位为伏特( V)。

g) 法拉第效率：

 

…………

 

……

 

· (7)

式中：

n=——生物基固体废物催化转化过程的法拉第效率，单位为百分比(%);

n——生成1 mol 目标产物所需的电子的物质的量，单位为摩尔每摩尔( mol/mol);

m ——生物基固体废物催化转化过程中目标产物的实际生成物质的量，单位为摩尔( mol);

F——法拉第常数，其值为96485库仑每摩尔( C/mol);

I——生物基固体废物催化转化过程的平均电流，单位为安培( A);

t ——电解时间，单位为秒( s)。

6.1.3 宜选择适宜的测量设备和测量方法进行测试，测量设备和方法可参考附录E。

6.1.4 宜通过气相色谱( GC)、 液相色谱( HPLC)、核磁谱( NMR) 和红外光谱( FTIR) 等技术手段对产物进行定性及定量分析，确定产物的组成及其比例。

6.1.5 宜测量产物的熔点、沸点、密度与黏度等物理性质。

6.1.6 产物测量的流程如下：

a) 样品采集：在催化反应结束后从反应体系中均匀采集产物样品。

b) 预处理：对采集的样品进行适当的预处理。

c) 测量操作：按照测量方法和设备的操作规程对样品进行测量并记录测量数据。

d) 数据分析：对测量数据进行处理和分析，计算产品纯度、产率等指标。

6.1.7 产物测量的质量控制要求包括：

a) 应定期对测量设备进行校准和验证;

b) 应对同一批次产物进行多次平行样测试，评估测量结果的重复性和稳定性;

c) 应使用已知产品纯度和组成的标准物质进行比对测试，验证测量方法的准确性。

7 检验方法

7.1 对生物基固体废物原料进行分类、清洗、粉碎和化学预处理后的质量进行检验，确保生物基固体废物经过预处理后的物理状态(如粒度分布)、化学成分(如纤维素、半纤维素、木质素含量)、 水分、灰分和重金属等杂质含量符合技术规范要求。

7.2 对催化剂、电解质等辅助材料进行检验，验证其产品纯度、活性等指标。

7.3 对电解槽、电源、测量仪器等设备进行检验，确保其性能稳定、准确可靠。涉及压力容器或密闭反应系统时，应确保其密封性能的安全性。

7.4 对电解液的组成进行取样留样并分析具体含量，留样操作应符合GB/T 6678的规定。

7.5 在催化反应过程中，应对电流密度、电压、温度等反应条件进行实时监测和记录，确保其符

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合5.4.2中反应速率、法拉第效率与选择性要求。

7.6 对催化反应后的产物进行收集、纯化和分析，验证其组成、产品纯度和收率等指标，应符合 5.5.4的要求以及GB/T 19630的规定，宜符合 GB/T 33761的规定。

7.7 所有检验合格的成品高值化学品及副产品(如2,5-呋喃二甲酸、氢气、氧气)应在产品包装的显著位置设置固定的产品标志。

8 环境适应性与职业健康

8.1 环境适应性

8.1.1 生产车间内的噪声应符合GB/T 50087的限值要求，厂界环境噪声应符合GB 12348的规定。

8.1.2 生产车间的粉尘排放应符合GB 15577 和GB 15605的规定，大气污染物的排放浓度不得超过GB16297 中规定的限值要求。

8.2 职业健康

8.2.1 从业人员应接受定期的职业健康教育与培训，确保其了解相关的职业健康安全规范与操作流程，并具备应对紧急情况的能力。

8.2.2 操作人员必须按规定配备并正确穿戴符合国家标准的劳动防护用品，包括但不限于工作服、 防尘面罩、防护手套、护目镜等，保障生产操作中的健康与安全。

8.2.3 企业应建立健全消防安全检查制度，并定期对设施设备进行检修和维护，确保设备始终处于安全、正常的工作状态。

8.2.4 生产过程中应严格防范火灾、爆炸、触电等可能危害人身安全的事故发生，易燃、易爆及其他危险化学品必须妥善管理和规范使用，确保安全操作和储存。

9 包装、运输与贮存

9.1 包装

9.1.1 产品应采用清洁、干燥、无毒、无害的包装材料进行包装。

9.1.2 产品包装上应清晰标注产品的名称、规格型号、生产日期、批次号、生产厂家等信息。

9.1.3 危险化学品或特殊化学品的包装应符合GB 30871的规定，并标注相应的警示标志和说明。

9.1.4 固体化学品应采用密封性良好的包装袋或包装桶进行包装，液体化学品应采用防漏、耐压的容器包装并配备相应的密封盖和垫片。

9.1.5 易挥发或有毒有害的化学品应采用双层包装或加装吸附材料。

9.2 运输

9.2.1 应根据化学品的性质、数量和运输距离等因素选择合适的运输方式，如公路运输、铁路运输或水路运输等。

9.2.2 对于需要特殊处理的化学品，如易燃易爆品、有毒有害品等，应采用专门的运输工具和设备进行运输。

9.2.3 运输车辆应符合GB 20300的要求，具备化学品运输资质和条件并配备相应的防护设施和应急处理设备，如灭火器、防泄漏沙袋等。

9.2.4 运输过程中应避免剧烈震动、碰撞和摩擦，防止包装破损和化学品泄漏。

9.2.5 危险品或特殊化学品应按照GB 30871的规定运输，并遵守相应的运输限制和警示要求。

9.3 贮存

9.3.1 化学品应贮存在干燥、通风、阴凉、无火源和无阳光直射的场所，避免高温、潮湿和氧化

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等不利条件。

9.3.2 化学品贮存区域应设置明显的标识和安全警示标志。

9.3.3 不同种类的化学品应分类存放，避免相互接触和反应，引起安全事故。

9.3.4 对于易燃易爆品、有毒有害品等危险品应设置专门的贮存区域，并采取相应的安全措施， 如防爆墙、消防设备等。

9.3.5 应定期对贮存化学品进行检查和盘点，确保化学品的数量和质量符合要求。

9.3.6 对于过期或失效的化学品应及时处理，避免对环境造成污染和危害。

9.3.7 贮存区域应建立相应的管理制度和操作规程，明确人员职责和操作要求，确保贮存过程的安全有序。

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附录 A

( 资料性)

电解槽设计参考及开机要求

A.1 基于技术规范设计的电解槽样本参考图，如图 A.1 所示。在生物基固体废物催化转化过程中使用的电解槽宜满足基本结构和设计要求。电解槽用于支持反应中必要的电化学过程，特别是在催化反应中提供稳定的电流密度和温控环境。其中涉及的关键组件定义如下：

a) 端板：用于将电池各部分压紧在一起，起到固定、支撑和保护电解槽内部组件的作用。

b) 流场板：由金属、石墨材料或导电聚合物构成的导电平板，负责分配反应气体、收集电流、机械支撑、水热管理以及分隔阴阳两极反应气的重要作用。

c) 气体扩散层：由碳纸、碳布等多孔性材料构成，内部具有大量的孔隙，是提供气体扩散通道和作为电极的支撑材料。

d) 阴离子交换膜：一类含有碱性活性基团、对阴离子具有选择透过性的高分子聚合物膜，又称离子选择透过性膜。

e) 膜电极组件：主要由阴离子交换膜、催化剂或电极、气体扩散层三类关键材料和边框组成的电解槽的关键核心部件。

阳极气液分

离室

阴极气液分离室

阳极液出口

阴极筋板

阳极室入口液分散管

阴极密封面

阴极液入口(含高值化学品)

阳极液入口分散管

阳极液入口 (含废弃高聚 物单 体 )

阳极密封面

阳极液下部循环板

阳极密封面

阳极筋板

阴极液出口

图A.1 电解槽样本参考图

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A.2 电解槽设计具体要求

a) 尺寸与容量：电解槽的尺寸应根据实际生产规模设计，设备容量须与催化反应的处理能力匹配， 确保高效转化和充分反应。

b) 耐腐蚀性：材料选择和表面处理须具备较强的耐腐蚀性能，能够在强酸、强碱或其他腐蚀性环境下使用。

c) 安全性：设计时必须充分考虑到高温高压的工作条件，应配备超压保护、温度监控和紧急停机功能，确保操作安全。

d) 图 A.1 中的设计为参考模型，具体设计方案应根据实际应用场景、生物基固体废物的性质及反应条件进一步优化。

A.3 电解槽开车前检查流程及要求

在准备工作阶段，须依照物料流程对各环节进行细致核查：

a ) 逐一确认各阀门的启闭状态，确保其符合操作要求，并尽可能利用远程控制系统进行阀门调试，以验证其功能性;

b) 全面审视设备状态，特别关注过滤器是否正常启用、冷却系统是否已接通水源等关键细节;

c) 维修作业结束后，需重点排查管路系统，确保所有盲板均已被拆除，避免造成流程阻塞;

d) 仔细检查现场，寻找任何可能的泄漏迹象(如跑、冒、滴、漏),同时验证螺栓紧固情况及接地系统的完好性;

e ) 严格核对铜排的连接稳定性，确保正负极对接准确无误，并检查所有电线电缆的连接是否既正确又牢固;

f) 对各机泵进行盘车测试，确认其运转顺畅，同时检查润滑油位是否适中，以及电力供应是否已到位;

g) 仔细检查极板与电源正负极间，确保无金属搭接，以防短路风险;

h) 确认整流变压器与整流控制柜均处于待命状态，随时可投入运行;

i) 校验所有报警装置及检测仪表的准确性，确保其无异常指示，并能真实反映系统运行状态;

j) 核实联锁与报警系统是否已激活，并核对设定值是否符合安全标准;

k) 清点现场防护用品数量，确保充足，并检查应急器材的完好性与齐备性;

1) 评估公用辅助系统(包括脱盐水、冷却水、氮气及仪表空气)的压力与阀门状态，确保其满足运行需求;

m) 最后检测碱液的浓度，确保其符合工艺要求。

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附录 B

( 资料性)

催化剂选择及催化剂设计选型的基础数据

B.1 催化剂材料及选择

电催化剂选择的标准涉及多个方面，这些标准共同决定了阳极氧化生物基固体废物制备高值化学品性能，关键的选择标准包括：

a) 交换电流密度：交换电流密度越高，本征活性越高，这是评价电催化剂优劣的重要指标之一。

b) 过电势：过电势越低，说明催化剂在驱动特定电化学反应时所需的额外电压越小，从而反映出催化剂的良好性能。通常通过线性扫描伏安法( LSV) 来测试过电势。

c)Tafel 斜率：斜率越低表示增加相同的电流密度所需增加的过电位越低，反应动力学越快。催化剂的具体选择可以参考附录F。

B.2 电化学表面积

电化学活性表面积( ECSA):ECSA 描述了催化剂活性位点数量的多少，活性位点越多，催化剂性能越好。ECSA 可以通过双电层电容( Cai) 来估算。

B.3 转换频率( TOF)

TOF 是衡量催化剂内在活性的重要参数，表示在单位时间内，催化剂能够促使多少分子发生特定的电化学反应。TOF 值越高，说明催化剂的活性越强。

B.4 电化学阻抗( EIS)

通过EIS 测量可以获得催化剂和电解质之间的界面电荷转移电阻( Rct) 等信息。Rct 越小，说明催化剂具有更快的反应速率和更好的催化性能。

B.5 稳定性

催化剂的稳定性是评价其寿命的重要指标。在长时间运行或多次循环使用后，催化剂应能保持其活性和结构的稳定。

B. 6 使用寿命

催化剂使用寿命是指催化剂从首次投入反应体系开始，至其催化性能(包括但不限于催化活性、 选择性等关键指标)下降至无法满足本技术规范规定的反应效率和产物质量要求时的累计使用时间。其中，催化活性以目标化学反应的转化率为衡量指标，当转化率低于初始活性的80%且经再生处理后仍无法恢复至规定阈值时;选择性以目标产物在总产物中的占比为衡量指标，当选择性低于初始选择性的90%且严重影响产物分离与纯化工艺时，即判定催化剂达到使用寿命终点。

B. 7 电导率

电催化剂必须具有良好的电导率，以确保电子在电极和电解质之间的有效传输。

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除了之前提到的电催化选择标准外，还有一些额外的要求也需要考虑，特别是在实际应用和特定场景下。

B.8 耐腐蚀性

电催化剂在长时间接触电解质溶液时，必须具有良好的耐腐蚀性，以防止因腐蚀而导致的活性降低或结构破坏。

B.9 选择性

在存在多种可能反应的情况下，催化剂应能优先促进生物基固体废物氧化反应，从而抑制析氧反应，提高产品纯度和收率。

B.10 催化剂的再生与回收

考虑到经济性和可持续性，催化剂应易于从反应体系中分离、再生和回收，以降低生产成本并减少废物产生。

B.11 催化剂的负载量

催化剂负载量是指单位质量或单位体积的催化剂载体上所负载的活性物质的量，通常以质量百分比( wt%) 或摩尔比表示。负载量的计算基于催化剂制备完成后的实测值，往往通过电感耦合等离子体光发射光谱法( ICP-OES) 等其他方式进行测试。催化剂在电极上的负载量应适中，既要保证足够的催化活性，又要避免过高的负载导致电极性能下降或成本增加。根据生物基固体废物催化转化的工艺特性及催化剂性能要求，活性物质负载量应控制在3 wt%～30 wt% 范围内。

B.12 催化剂的分散性与均匀性

催化剂在电极上的分散性和均匀性对于提高催化效率和反应速率至关重要。良好的分散性可以确保更多的活性位点参与反应，而均匀性则有助于维持反应的稳定性和一致性。

B.13 催化剂的制备工艺

催化剂的制备工艺应简单、可控且易于规模化生产，以确保催化剂的一致性和可重复性。

B. 14 安全性

催化剂在使用过程中应确保安全性，避免产生有毒有害或易燃易爆的物质，同时要考虑催化剂本身及反应产物的毒性、刺激性和环境危害。

B.15 与反应体系的兼容性

催化剂应与反应体系(包括电解质、溶剂、反应物等)具有良好的兼容性，以避免因相互作用而导致催化剂失活或反应体系不稳定。

B.16 电解液的再生

电解液再生是指针对电催化过程中因离子浓度失衡、杂质积累或成分降解导致性能下降的电解液，通过物理分离(如膜分离、蒸馏)、化学提纯(如沉淀过滤、离子交换)或电化学活化(如脉冲电解、电极再生)等工艺，恢复其离子组成、导电性能及催化反应适配性的过程。

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附录 C ( 资料性) 试验报告

C. 1 概述

试验报告宜保持内容的逻辑性、准确性和完整性，遵循科学严谨的态度，具有可读性和可追溯性。

C. 2 报告项目

试验报告可提供以下关键信息，便于全面理解实验的过程和结果：

a) 实验的基本信息;

b) 实验的目的与假设;

c) 材料与方法;

d) 实验过程与观察;

e) 结果与分析;

f) 附录。

C. 3 试验数据

试验数据建议包含以下信息：

a) 试验名称;

b) 测试条件;

c) 测试数据;

d) 日期与时间;

e) 环境条件;

f) 试验者或试验机构名称与资格证;

g) 试验电解槽数据。

C.4 试验测试的一般信息

下表所包含的信息为试验测试的一般信息，建议按照下表进行实验测试的基本记录，见表C.1。

表C.1 实验测试的基本记录表

测试次数

测试设备型号

阳极进料口流速

阴极进料口流速

阳极产物平均产率

阴极产物平均产率

检测日期

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C.5 测试目的及范围

电解槽的测试旨在全面评估其安全性、稳定性、运行效率及性能优化潜力，同时支持设计研发和材料选择。测试范围广泛涵盖测量电解槽的电阻、电流、电压等电气参数，分析电解液的主要成分和杂质含量，确保电解液的品质符合要求。测量电解槽产生的气体纯度、气体释放情况等，确保气体的质量和安全性。评估电解槽在异常情况下的安全性能，如过热、过压等。电解槽的启动时间、 加载电流速度、操作便利性和自动化水平等性能的测试。进行能效评估，测量电解槽的能量消耗和转换效率。

C.6 试验电解槽的基础信息

试验电解槽的基础信息记录建议包括如下参数：

a) 电极及电催化剂的有效面积;

b) 电极的材料成分;

c) 阴离子膜型号;

d) 槽体的材料成分;

e) 气体扩散层的型号。

C.7 测试数据中主要操作条件、输入及输出参数信息

测试数据中主要操作条件、输入及输出参数信息，见表C.2。

表C. 2 参数信息

参数

描述

单位

实际值

理论值

抽样率

可控精确度

I

电流

A

i

电流密度(i=电流/活性面积)

A/cm²

TD

电解槽温度

℃

Xin

阳极进料口组分

%

Xout

阳极出料口组分

%

Qin

阳极进料口流量

mL/min

Qout

阳极出料口流量

mL/min

Y

高值化学品产率

%

η

法拉第效率

%

u

电压效率(热中性电压/实际电压)

%

In

直流效率

%

pH

酸碱度

一

C

阴极气体出口组分

%

Pamb

环境压力

kPa

RHamb

环境相对湿度

%

Kin

阴极进料口流量

mL/min

Kout

阴极出料口流量

mL/min

U

电池电压

V

P

电池功率密度

W/cm³

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C.8 测试过程的偏差

宜记录任何测试过程中由测试者或仪器产生的偏差。

C.9 数据后处理

宜详细描述任何由试验数据计算而来的参数计算过程。

C.10 结论与验收标准

测试结果评价宜参考测试目的和验收标准。

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附录 D

(规范性)

电流测试值计算高值化学品产率

D.1 原理

通过理论计算确定产物的理论量，根据实验结果确定实际得到的产物量，然后将实际产量除以理论产量，得出产率，并以百分比形式表示。

D.2 电解含生物基固体废物电解液值高值化学品时的法拉第定律

以典型农林固体废物单体——5-羟甲基糠醛( HMF) 为例

在标准状况下，用6×96485 C 电量，可电解1 mol HMF制取1 mol 高值化学品2,5-呋喃二甲酸( FDCA) 和3 mol 氢气。

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1 mol FDCA在标准状况下为142.108g;

故在标准状况下，制取1kg FDCA所需理论电量为公式( D.1):

D.3 电流效率

以取样的样品中FDCA 含量检定电流效率为公式( D.2):

式中：

n——电流效率，单位为百分比(%)。

D.4 电流测试值计算高值化学品产量

电流测试值计算FDCA 产量按公式( D.3) 进行：

式中：

Q——FDCA产量，单位为千克每小时( kg/h);

I——通过电解小室的直流工作电流，单位为安培( A); n——电解小室数。

 

……

…(D.1)

……………………(D.2)

… … …………(D.3)

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附录 E ( 资料性) 测量

E. 1 仪器规范

应按照测量值范围选择测量仪，并确保仪器的性能、安全性和可靠性以满足特定的应用需求。 试验中试验环境条件、使用仪器和器具及其精度要求如下：

a) 温度：25 ℃±5℃。

b) 空气湿度：5%～95%。

c) 温度计：测量环境温度，精度为0.1级。

d) 湿度计：测量环境湿度，精度为0.1级。

e) 流量计：测量气体流速，精度为0.1级。

f) 移液枪：用于溶液的配比，精度为0.01。

g) 电子pH计：用于测量电解液的pH值，精度为0.01级。

h) 蠕动泵：用于电解液循环流动，精度为0.01级。

i) 电化学工作站：用于测量电化学反应时的电压、电流和阻抗等电化学数据，电压精度为其满量程的±0.5%,电流精度为其满量程的±0.5%。

j) 安捷伦Agilent HPLC 1260 HPLC液相色谱仪：用于测量液相产物，流速精度可以达到0.3%RSD (相对标准偏差),一般小于0.15%RSD。

E. 2 测量方法

用目测方法检查反应池外观，主要为是否清洁、平整，是否有变形、泄漏等。

将装好的反应器装入电解液，放在干净的纸上，静置20 min, 观察是否漏液。

定性判断电极活性：

a) 将工作电极、对电极和参比电极分别进行连接;

b) 在电化学工作站仪器上设定参数(扫速，电压区间等);

c) 利用循环伏安法进行测试，直至数据变化不大于0.5%时，停止测试;

d) 利用线性扫描伏安法进行测试，直至数据变化不大于0.5%时，停止测试;

e) 主要采用电化学阻抗谱( EIS) 法进行测量，应注意在测量时保证系统处于稳定状态;

f) 在电化学工作站仪器上设定参数(低频、高频、电压等);

g) 将交流正弦波叠加在直流电流或电压上，并开始测量;

h) 将交流正弦波扫到规定的频率范围内，测量每个频率的阻抗;

i) 利用等效电路模拟得到阻抗数值。

测试结果应表示为复阻抗图(奈奎斯特图/科尔作图)或波特图(以被测频率对数为横坐标的阻抗图)。

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E. 3 稳定性

本测试的目的是在恒电压条件下，将所有测试输入参数定为设定值，以验证电极的稳定活性。 该试验也可在恒电流条件下进行：

a) 将工作电极、对电极和参比电极分别进行连接;

b) 在电化学工作站仪器上设定参数(恒电压或恒电流);

c) 电压或者电流变化不超过±0.4%。

E.4 计量单位

测量参数及计量单位见表E.1。

表E.1 测量参数及计量单位

参数

单位

温度

K

湿度

RH

电流

A

电流密度

A/cm²

电压

V

电阻

Ω

时间：小时、分、秒

h,min,s

流量

cm³/ min

电荷量

C

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附录 F

( 资料性)

主要试验( 或验证)情况