一種采用氧還原陰極的電解槽裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種采用基于多孔氣體擴(kuò)散電極的氧還原陰極的電解槽裝置，屬于環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域的水處理工業(yè)技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]許多工業(yè)廢水可生化性差，此外包含大量氨、氰、酚類、吡啶、喹啉等無機(jī)或有機(jī)芳香族毒害物質(zhì)，難于生化降解。電化學(xué)高級氧化是處理此類工業(yè)廢水的有效方法，電化學(xué)氧化利用電極表面產(chǎn)生的自由基(如羥基自由基直接氧化)或生成的氧化劑(如次氯酸間接氧化)，可有效氧化降解水中有機(jī)污染物。該方法具有處理效率高、操作簡便、環(huán)境友好等、便于技術(shù)聯(lián)用等特點(diǎn)。然而，較高的能耗一直是困擾電氧化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的瓶頸。
[0003]傳統(tǒng)電化學(xué)氧化法采用產(chǎn)氫陰極，在陰極發(fā)生電催化還原水中質(zhì)子產(chǎn)氫。并且，由于反應(yīng)在開放式電解槽中進(jìn)行，陰極產(chǎn)氫也未能得到有效回收利用，陽極的副產(chǎn)物氧與陰極產(chǎn)氫相互混合也有潛在的危險(xiǎn)。用于本發(fā)明的氧陰極在燃料電池與氯堿工業(yè)生產(chǎn)中已有廣泛應(yīng)用。在氫氧燃料電池中，氧在陰極還原生成水，該陰極包括主體為碳材料的氣體擴(kuò)散層與含有貴金屬催化劑的催化層。在氯堿工業(yè)方面，北京化工大學(xué)與藍(lán)星(北京)化工機(jī)械有限公司合作，將氧陰極成功應(yīng)用于氯堿工業(yè)，成果已轉(zhuǎn)化為多篇專利(公開號202730249U、202730250U、102925917A、103014748A)。將氧陰極運(yùn)用于電解裝置中，可從電極反應(yīng)根本層面大幅降低槽電壓，并且避免了傳統(tǒng)開放式電解槽中陰極產(chǎn)氫、陽極產(chǎn)氧的混合問題，同時(shí)提高經(jīng)濟(jì)效益與安全性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提供一種改變傳統(tǒng)難降解有機(jī)廢水的高效、經(jīng)濟(jì)的處理工藝。本發(fā)明利用基于氧還原陰極的電解槽，在外加電壓1-5伏特的條件下，陽極高效礦化分解有機(jī)廢水中難降解有機(jī)污染物及氨氮，陰極將通入的氧氣還原生成水。本發(fā)明獨(dú)特之處是利用氧還原陰極較傳統(tǒng)產(chǎn)氫陰極更高的電極電勢，減少有機(jī)污染物在陰極的可逆還原過程的發(fā)生，提升電流效率。此外，與傳統(tǒng)電解槽的能耗相比，本發(fā)明有效降低電極板間距，同時(shí)提升陰極電勢，導(dǎo)致電解槽電壓大幅降低，極大的提升了電化學(xué)氧化法處理廢水工藝的經(jīng)濟(jì)性。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下:
[0006]—種采用多孔氣體擴(kuò)散電極作陰極的電解槽裝置，包括陽極室、分隔腔室和陰極室;
[0007]所述陽極室包括陽極端板、分隔腔室、多孔陽極支撐材料和陽極催化層，所述水流室的下端設(shè)有進(jìn)水口，上端設(shè)有出水口 ；所述陽極催化層和所述多孔陽極支撐材料設(shè)置在所述陽極端板與所述分隔腔室之間；所述陽極催化層位于緊貼在所述多孔陽極支撐材料上，面向分隔腔室一側(cè);所述多孔陽極支撐材料上設(shè)有陽極集流體，所述陽極集流體密封伸出所述陽極端板之外；
[0008]所述分隔腔室為泡沫塑料、PMMA或硅膠材料制成，中空部分填充多孔玻璃纖維材料。所述陽極室和所述陰極室由分隔腔室隔開。
[0009]根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種采用氧還原陰極的電解槽裝置，其特征在于包括:
[0010]分隔腔室，
[0011 ]在所述分隔腔室一側(cè)的陽極室，
[0012]在所述分隔腔室另一側(cè)的陰極室，
[0013]其中
[0014]所述陽極室包括陽極端板、多孔陽極支撐材料和陽極催化層，所述陽極端板面向所述分隔腔室的一側(cè)設(shè)有陽極流場槽，所述陽極流場槽的進(jìn)水端設(shè)有陽極進(jìn)水口，所述陽極流場槽的出水端設(shè)有陽極出水口，
[0015]所述陽極催化層位于所述分隔腔室與所述多孔陽極支撐材料之間，
[0016]所述陰極室包括陰極端板和氣體擴(kuò)散電極，所述陰極端板面向所述分隔腔室的一側(cè)設(shè)有陰極流場槽，所述陰極流場槽的進(jìn)氣端設(shè)有陰極進(jìn)氣口，所述陰極流場槽的出氣端設(shè)有陰極出氣口；所述多孔氣體擴(kuò)散電極設(shè)置在所述陰極端板與所述分隔腔室之間，
[0017]所述分隔腔室空腔內(nèi)填充玻璃纖維填充物。
[0018]所述陰極室包括陰極端板和多孔氣體擴(kuò)散電極，所述多孔氣體擴(kuò)散電極密封設(shè)置在所述陰極端板與所述分隔腔室之間;所述陰極端板上面向所述多孔氣體擴(kuò)散電極的一側(cè)設(shè)有陰極流場槽，所述陰極流場槽的進(jìn)氣端設(shè)有陰極進(jìn)氣口，所述陰極流場槽的出氣端設(shè)有陰極出氣口；所述多孔氣體擴(kuò)散電極內(nèi)設(shè)有陰極集流體，所述陰極集流體密封伸出所述陰極端板之外；
[0019]所述陽極端板為聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)制成。
[0020]所述多孔陽支撐材料為耐腐蝕的金屬絲編制網(wǎng)，其目數(shù)為50-400目，金屬絲的直徑為10-500微米，金屬絲網(wǎng)的厚度為100-1000微米。
[0021 ]所述陽極催化層為Ru02-Ti02，Pb02，Sn02-Sb203，Nb205-Sn02，Sn02-1n203，Ir02-Ta205，或者稀土金屬氧化物/Sb205-Sn02中的一種或者多種的混合物。
[0022]所述耐腐蝕的金屬絲包括鎢絲、鈦絲、鉬絲或鈮絲。
[0023]所述耐腐蝕的金屬絲編制網(wǎng)為泡沫鈦網(wǎng)，所述泡沫鈦網(wǎng)的厚度為300微米-2000微米；
[0024]或者所述耐腐蝕的金屬絲編制網(wǎng)為多孔鈦板，所述多孔鈦板的厚度為500微米-3000微米，孔隙率大于40%。
[0025]所述陽極流場槽設(shè)計(jì)，為橫向底部寬槽與縱向窄槽構(gòu)成，寬槽寬3-6毫米，窄槽寬1-3毫米，槽深0.5-2.0毫米。
[0026]所述陰極端板為PMMA制成。
[0027]所述多孔氣體擴(kuò)散電極由氣體擴(kuò)散層、疏水骨架與催化劑構(gòu)成。構(gòu)成所述氣體擴(kuò)散層的材料包括碳黑、石墨、碳納米管及碳納米纖維。構(gòu)成所述疏水骨架的材料包括聚四氟乙烯(PTFE)、石蠟，聚乙烯，聚丙烯，錯，包括以其干粉添加劑、液相懸浮液(含專門的分散劑)形式添加，也可以以球形、纖維或多孔基底上的薄膜等形式存在。所述催化劑為適用于氧還原反應(yīng)的Pt催化劑。
[0028]所述陰極流場槽設(shè)計(jì)，為橫向或縱向蛇形、梳裝凹槽排布，槽寬1-3毫米，槽深0.5-2.0毫米，兩條或三條流道槽并行設(shè)置，流場槽道從進(jìn)水口開始至出水口結(jié)束；
[0029]所述陰極室與所述陽極室由所述分隔腔室阻隔分開。
[0030]還包括硅或泡沫塑料密封圈，所述陽極端板、分隔腔室與所述多孔氣體擴(kuò)散電極之間通過所述硅膠密封圈密封。
[0031]本發(fā)明的有益效果包括:
[0032](1)本發(fā)明采用氧還原陰極，氧在陰極還原生成水，與傳統(tǒng)產(chǎn)氫陰極相比，由于電極反應(yīng)的變化，能夠使電解槽電壓大幅降低。
[0033](2)氧還原陰極較傳統(tǒng)產(chǎn)氫陰極電勢更高，有效避免了污染物在陰陽兩極發(fā)生可逆氧化還原反應(yīng)，提升電流效率。
[0034](3)陰極不再產(chǎn)生氫氣，避免了傳統(tǒng)電解槽中陽極產(chǎn)氧與陰極產(chǎn)氫混合后的潛在危險(xiǎn)性。此外，與傳統(tǒng)開放式電解槽相比，本發(fā)明中設(shè)計(jì)的電解槽能夠極大減少極板間距，使溶液電勢降減少。
[0035](4)用主體為碳材料的多孔氣體擴(kuò)散電極代替N1、Fe金屬材料陰極，可大幅降低污水處理的固有成本。
【附圖說明】
[0036]圖1為根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的氧陰極電氧化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)的主視
[0037]示意圖。
[0038]圖2為圖1所示的實(shí)施例的氧陰極電氧化系統(tǒng)的展開圖。
[0039]圖3是根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的陽極的正視圖。
[0040]圖4是圖3所示的陽極的左視圖。
[0041]附圖標(biāo)記:
[0042]1.陽極端板;2.陽極流場槽;3.泡沫塑料密封圈；4.多孔陽極支撐材料;5.陽極催化層;6.陽極集流體;7.分隔腔室(填充有玻璃纖維或固體電解質(zhì))；8.陰極集流體;9.多孔氣體擴(kuò)散電極;10.陰極流場槽;11.陰極端板;101.陽極進(jìn)水口(廢水)；102.陽極出水口(處理水)；201.陰極進(jìn)氣口(空氣/氧氣)；202.陰極出氣口。
【具體實(shí)施方式】
[0043]以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0044]如圖1、圖2、圖3和圖4所示，根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的采用氧還原陰極的電解槽裝置包括分隔腔室7及其空腔中填充的玻璃纖維和在所述分隔腔室7兩側(cè)的陽極室和陰極室;所述陽極室包括陽極端板1、多孔陽極支撐材料4和陽極催化層5，所述陽極端板1面向所述分隔腔室7的一側(cè)設(shè)有陽極流場槽2，所述陽極流場槽2的進(jìn)水端設(shè)有陽極進(jìn)水口 101，所述陽極流場槽2的出水端設(shè)有陽極出水口 102;所述陽極催化層5位于所述分隔腔室7與所述多孔陽極支撐材料4之間，并且緊貼在所述多孔陽極支撐材料4上;所述多孔陽極支撐材料4上設(shè)有陽極集流體6，所述陽極集流體6密封伸出所述陽極端板1與所述分隔腔室7之外;所述陰極室包括陰極端板11和氣體擴(kuò)散電極9，所述陰極端板11面向所述分隔腔室7的一側(cè)設(shè)有陰極流場槽10，所述陰極流場槽10的進(jìn)氣端設(shè)有陰極進(jìn)氣口 201，所述陰極流場槽10的出氣端設(shè)有陰極出氣口 202;所述多孔氣體擴(kuò)散電極9設(shè)置在所述陰極端板11與所述分隔腔室7之間；所述多孔氣體擴(kuò)散電極9上設(shè)有陰極集流體8，所述陰極集流體8密封伸出所述陰極端板11與所述分隔腔室7之外。所述分隔腔室7空腔內(nèi)填充玻璃纖維填充物。
[0045]在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，所述多孔陽支撐材料4為耐腐蝕