一種采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置制造方法
【專利摘要】一種采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，包括離子交換膜和在離子交換膜兩側的陽極室和陰極室；陽極室包括陽極端板、多孔陽極支撐材料和陽極催化層；陰極室包括陰極端板和多孔陰極催化材料；離子交換膜材料為陰離子交換膜。本實用新型避免了電解槽中膜和電極界面結垢得問題；極大的減緩了離子交換膜的結垢現(xiàn)象，避免了SPE電解槽結垢堵塞的問題，提高污水處理裝置的穩(wěn)定性和壽命。本實用新型對SPE電解槽陰極催化材料的選擇也可以擴寬，可大幅降低污水處理裝置的成本。
【專利說明】—種采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置

【技術領域】
[0001]本實用新型涉及環(huán)境保護領域水處理工業(yè)【技術領域】，尤其是涉及一種采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置。

【背景技術】
[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、喹啉等眾多無機及芳香族有毒有害物質，難于生化降解。電化學高級氧化是處理此類工業(yè)廢水的有效方法，電化學氧化利用電極表面產生的自由基(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污染物。此外，陰極可以在較低的電勢下，在陰極發(fā)生電催化還原水中質子產氫。然而，較高能耗一致是困擾電氧化技術應用于廢水處理的瓶頸，并且由于傳統(tǒng)電解槽的開放式設計，陰極產氫無法有效的回收。加拿大研究人員采用基于SPE質子交換膜改進設計的電解池有效減小了電極間距并降低能耗，規(guī)避了向原水添加支持電解質的成本增加問題，并利用質子交換膜阻隔陰陽極室，有效分離了陽極產氯氣與陰極所產氫氣(W02012/167375)。然而，該實用新型中采用的固體電解質是陽離子交換膜(如DuPont公司生產的Naf1n膜等)，陰極采用含Pt/C的陰極催化層大大提高電解槽成本。由于質子交換膜無法避免陽離子從陽極向陰極的遷移，因此，在電解過程中，除了在陽極有機廢水氧化產生的質子向陰極遷移外，廢水中的無機陽離子(如Na+、Ca2+、Mg2+等)也會向陰極發(fā)生遷移，在陰極側與因產氫而產生的大量0H_離子結合生成堿。因此，此電解槽設計不可避免在陰極發(fā)生堿性沉淀物結垢(如Ca(0H)2、Mg(0H)2等)，長時間運行必然帶來陰極氣體擴散層的堵塞與陰極極化的增加，使能耗增加并降低陰極壽命。因此，亟需對SPE “零間距”電解槽的膜材料及膜類型、陰極結構、電極材料等方面以及操作方式進行改進。
實用新型內容
[0003]本實用新型的目的在于設計一種新型的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，解決上述問題。
[0004]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用的技術方案如下:
[0005]一種采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，包括離子交換膜和在所述離子交換膜兩側的陽極室和陰極室；
[0006]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，所述陽極端板上面向所述離子交換膜的一側設有陽極流場槽，所述陽極流場槽的進水端設有陽極進水口，所述陽極流場槽的出水端設有陽極出水口 ；所述陽極催化層和所述多孔陽極支撐材料密封設置在所述陽極端板與所述離子交換膜之間；所述陽極催化層位于所述離子交換膜與所述多孔陽極支撐材料之間，并且緊貼在所述多孔陽極支撐材料上；所述多孔陽極支撐材料上設有陽極集流體，所述陽極集流體密封伸出所述陽極端板與所述離子交換膜之外；
[0007]所述陰極室包括陰極端板和多孔陰極催化材料，所述陰極端板上面向所述離子交換膜的一側設有陰極流場槽，所述陰極流場槽的進水端設有陰極進水口，所述陰極流場槽的出水端設有陰極出水口 ；所述多孔陰極催化材料密封設置在所述陰極端板與所述離子交換膜之間；所述多孔陰極催化材料上設有陰極集流體，所述陰極集流體密封伸出所述陰極端板與所述離子交換膜之外；
[0008]所述離子交換膜材料為陰離子交換膜。
[0009]所述多孔陽支撐材料為耐腐蝕的金屬絲編制網，其目數為50-400目，金屬絲的直徑為10-500微米，金屬絲網的厚度為100-1000微米；
[0010]所述陽極催化層為Ru02-Ti02，Pb02，Sn02_Sb203，Nb205_Sn02，Sn02_ln203，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。
[0011]所述耐腐蝕的金屬絲包括鎢絲、鈦絲、鑰絲或鈮絲。
[0012]所述耐腐蝕的金屬絲編制網為泡沫鈦網，所述泡沫鈦網的厚度為300微米-2000微米；
[0013]或者所述耐腐蝕的金屬絲編制網為多孔鈦板，所述多孔鈦板的厚度為500微米-3000微米，孔隙率大于40%。
[0014]所述陰極端板為鎳或不銹鋼鍍鎳制成；
[0015]所述陰極流場槽設計與所述陽極流場槽一致，為橫向或縱向蛇形、梳狀凹槽排布，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置，流場槽道從進水口開始至出水口結束；
[0016]所述多孔陰極催化材料為適用于堿性水電解槽中的析氫陰極電催化材料。
[0017]所述析氫陰極電催化材料包括Ni, Raney Ni, Ni_S, Ni_Mo,或者Ni_Mo_S。
[0018]所述陰極室與所述陽極室緊密相連，僅由所述離子交換膜阻隔分開，所述離子交換膜材料的厚度為50微米-150微米
[0019]還包括硅膠密封圈，所述陽極端板與所述離子交換膜之間通過所述硅膠密封圈密封，所述陰極端板與所述離子交換膜之間也通過所述硅膠密封圈密封。
[0020]本實用新型目的是提供一種基于一種新型的基于陰離子型固態(tài)電解質“零間距”電解槽裝置的設計與改進，解決國際專利PCT(W02012/167375)中SPE電解槽高成本陰極材料的替換與陰極產堿而導致的結垢堵塞問題，最終獲得一種新型的低能耗高效電化學氧化處理難降解有機廢水的SPE電解槽裝置。
[0021]本實用新型提供一種改變傳統(tǒng)難降解有機廢水的高效、經濟的處理工藝，并有效回收廢水中能源。本實用新型利用基于離子交換膜的“零間距”電解槽，在外加電壓2.5-4V的條件下，陽極高效礦化分解有機廢水中難降解有機污染物及氨氮，陰極可將有機物分解產生的質子在鎳基催化劑的作用下還原產氫，得以回收能源。本實用新型獨特之處是利用陰離子交換膜替換陽離子交換膜，并且在陰極引入循環(huán)水流，極大的減緩了離子交換膜陰極側的結垢現(xiàn)象，避免了陰極因陽離子產堿引起電極堵塞的問題，提高污水處理裝置的穩(wěn)定性。
[0022]本實用新型的有益效果可以總結如下:
[0023](1)本實用新型中采用陰離子交換膜代替了陽離子交換膜后，水在陰極發(fā)生還原生成氫氣同時產生0!Γ，通過陰離子交換膜從陰極側傳遞到陽極側，與陽極側廢水中的有機物氧化產生的質子結合生成水，從而避免了電解槽中膜和電極界面結垢得問題；極大的減緩了離子交換膜的結垢現(xiàn)象，避免了 SPE電解槽結垢堵塞的問題，提高污水處理裝置的穩(wěn)定性和壽命。
[0024](2)此外，本實用新型中采用陰離子交換膜代替了陽離子交換膜后，對SPE電解槽陰極催化材料的選擇也可以擴寬，例如可以采用Ni基、Fe基催化劑及集流體等代替了陽離子型SPE電解槽中的Pt等貴金屬催化劑，以Ti基雙極板代替石墨雙極板等，可大幅降低污水處理裝置的成本。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0025]圖1為本實用新型SPE電氧化系統(tǒng)主視方向的結構示意圖
[0026]圖2為本實用新型SPE電氧化系統(tǒng)的展開圖。
[0027]其中:1.陽極端板1，2.陽極流場槽2;3.硅膠密封圈3 ;4.多孔陽極支撐材料4;
5.陽極催化層5 ;6.陽極集流體6 ;7.離子交換膜7 ;8.陰極集流體8 ;9.多孔陰極催化材料9;10.陰極流場槽10;11.陰極端板11;101.陽極進水口 101(廢水)；102.陽極出水口102 (處理水)；20L陰極進水口 201 (自來水)；202.陰極出水口 202。

【具體實施方式】
[0028]為了使本實用新型所解決的技術問題、技術方案及有益效果更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本實用新型進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本實用新型，并不用于限定本實用新型。
[0029]如圖1和圖2所示的一種采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，包括離子交換膜7和在所述離子交換膜7兩側的陽極室和陰極室；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上面向所述離子交換膜7的一側設有陽極流場槽2，所述陽極流場槽2的進水端設有陽極進水口 101，所述陽極流場槽2的出水端設有陽極出水口 102 ;所述陽極催化層5和所述多孔陽極支撐材料4密封設置在所述陽極端板1與所述離子交換膜7之間；所述陽極催化層5位于所述離子交換膜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與所述離子交換膜7之外；所述陰極室包括陰極端板11和多孔陰極催化材料9，所述陰極端板11上面向所述離子交換膜7的一側設有陰極流場槽10，所述陰極流場槽10的進水端設有陰極進水口 201，所述陰極流場槽10的出水端設有陰極出水口 202 ;所述多孔陰極催化材料9密封設置在所述陰極端板11與所述離子交換膜7之間；所述多孔陰極催化材料9上設有陰極集流體8，所述陰極集流體8密封伸出所述陰極端板11與所述離子交換膜7之外；所述離子交換膜7材料為陰離子交換膜。
[0030]在更加優(yōu)選的實施例中，所述多孔陽支撐材料為耐腐蝕的金屬絲編制網，其目數為50-400目，金屬絲的直徑為10-500微米，金屬絲網的厚度為100-1000微米；所述陽極催化層 5 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。
[0031]在更加優(yōu)選的實施例中，所述耐腐蝕的金屬絲包括鎢絲、鈦絲、鑰絲或鈮絲。
[0032]在更加優(yōu)選的實施例中，所述耐腐蝕的金屬絲編制網為泡沫鈦網，所述泡沫鈦網的厚度為300微米-2000微米；或者所述耐腐蝕的金屬絲編制網為多孔鈦板，所述多孔鈦板的厚度為500微米-3000微米，孔隙率大于40%。
[0033]在更加優(yōu)選的實施例中，所述陰極端板11為鎳或不銹鋼鍍鎳制成；所述陰極流場槽10設計與所述陽極流場槽2 —致，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置流場槽道從進水口開始至出水口結束；所述多孔陰極催化材料9為適用于堿性水電解槽中的析氫陰極電催化材料。
[0034]在更加優(yōu)選的實施例中，所述析氫陰極電催化材料包括Ni，Raney Ni, N1-S,N1-Mo，或者 N1-Mo-S。
[0035]在更加優(yōu)選的實施例中，所述陰極室與所述陽極室緊密相連，僅由所述離子交換膜7阻隔分開，所述離子交換膜7材料的厚度為50微米-150微米
[0036]在更加優(yōu)選的實施例中，所述采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置還包括硅膠密封圈，所述陽極端板1與所述離子交換膜7之間通過所述硅膠密封圈3密封，所述陰極端板11與所述離子交換膜7之間也通過所述硅膠密封圈3密封。
[0037]在某個具體的實施例中:
[0038](1)本實用新型中，陽極室由陽極端板1、陽極流場槽10、硅膠密封圈3、陽極集流體6、多孔陽極支撐材料4、陽極催化層5組成，其中多孔陽支撐材料為鎢絲、鈦絲、鑰絲、鈮絲等耐腐蝕的金屬絲編制網，其目數為50-400目，金屬絲的直徑為10-500微米，金屬絲網的厚度為100微米-1000微米；如用泡沫鈦網作為陽極支持材料，其厚度約為300微米-2000微米；如用多孔鈦板做支持材料，其厚度為500-3000微米，孔隙率大于40%;陽極催化層 5 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。
[0039](2)本實用新型中，陰極由陰極端板11、陰極流場槽10、硅膠密封圈3、多孔陰極催化材料9，陰極集流體8五部分組成；陰極端板11為鎳或不銹鋼鍍鎳等材料制成，陰極流場10設計與陽極流場一致，為橫向或縱向蛇形、梳狀凹槽排布，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置，流場槽道從進水口開始至出水口結束；多孔陰極催化材料9為適用于堿性水電解槽中的析氫陰極電催化材料，如Ni，Raney Ni, N1-S, N1-Mo, N1-Mo-S等;
[0040](3)本實用新型“零間距”電解槽的陰極室與陽極室緊密相連，僅由離子交換膜7阻隔分開，所用的離子交換膜7材料為陰離子交換膜(如季胺鹽型陰離子交換膜、季膦型陰離子交換膜等)，膜的厚度為50-150微米(μπι); “零間距”電解槽上所施加工作電壓為2-4伏特，電解槽工作電流密度為1-20毫安/平方厘米；
[0041](4)本實用新型中SPE電解槽陽極、陰極板上各有一個進水口，進水口在極板底部與流場始端相連；SPE電解槽陽極、陰極各有一個出水口，出水口設在極板上部側面，與流場末端相連。
[0042](5)有機廢水以0.02-0.10ml/cm2.min的流速從陰離子型SPE電解槽陽極進口進入，在陽極發(fā)生電氧化作用下得到降解與礦化，處理水從陽極出口排出；
[0043](6)陰極進水為自來水或陽極處理水，陰極產生的氫氣從陰極出口流出，氣體得到分離后，液體再循環(huán)流入陰極。
[0044]與現(xiàn)有技術相比，本實用新型具有如下優(yōu)點:
[0045](1)本實用新型中采用陰離子交換膜代替了陽離子交換膜后，水在陰極發(fā)生還原生成氫氣同時產生0H_，通過陰離子交換膜從陰極側傳遞到陽極側，與陽極側廢水中的有機物氧化產生的質子結合生成水，從而避免了電解槽中膜和電極界面結垢得問題；避免了SPE電解槽結垢堵塞的問題，提高污水處理裝置的穩(wěn)定性和壽命。
[0046](2)此外，本實用新型中采用陰離子交換膜代替了陽離子交換膜后，對SPE電解槽陰極催化材料的選擇也可以擴寬，例如可以采用Ni基、Fe基催化劑及集流體等代替了陽離子型SPE電解槽中的Pt等貴金屬催化劑，以Ti基端板代替石墨端板等，可大幅降低污水處理裝置的成本。
[0047]以上通過具體的和優(yōu)選的實施例詳細的描述了本實用新型，但本領域技術人員應該明白，本實用新型并不局限于以上所述實施例，凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換等，均應包含在本實用新型的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:包括離子交換膜和在所述離子交換膜兩側的陽極室和陰極室； 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，所述陽極端板上面向所述離子交換膜的一側設有陽極流場槽，所述陽極流場槽的進水端設有陽極進水口，所述陽極流場槽的出水端設有陽極出水口 ；所述陽極催化層和所述多孔陽極支撐材料密封設置在所述陽極端板與所述離子交換膜之間；所述陽極催化層位于所述離子交換膜與所述多孔陽極支撐材料之間，并且緊貼在所述多孔陽極支撐材料上；所述多孔陽極支撐材料上設有陽極集流體，所述陽極集流體密封伸出所述陽極端板與所述離子交換膜之外； 所述陰極室包括陰極端板和多孔陰極催化材料，所述陰極端板上面向所述離子交換膜的一側設有陰極流場槽，所述陰極流場槽的進水端設有陰極進水口，所述陰極流場槽的出水端設有陰極出水口 ；所述多孔陰極催化材料密封設置在所述陰極端板與所述離子交換膜之間；所述多孔陰極催化材料上設有陰極集流體，所述陰極集流體密封伸出所述陰極端板與所述離子交換膜之外；所述離子交換膜材料為陰離子交換膜。
2.根據權利要求1所述的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:所述多孔陽支撐材料為耐腐蝕的金屬絲編制網，其目數為50-400目，金屬絲的直徑為10-500微米，金屬絲網的厚度為100微米-1000微米；
所述陽極催化層為 RuO2-T12, PbO2, SnO2-Sb2O3, Nb2O5-SnO2, SnO2-1n2O3, IrO2-Ta2O5,或者稀土金屬氧化物/Sb2O5-SnO2中的一種。
3.根據權利要求2所述的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:所述耐腐蝕的金屬絲包括鎢絲、鈦絲、鑰絲或鈮絲。
4.根據權利要求2所述的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:所述耐腐蝕的金屬絲編制網為泡沫鈦網，所述泡沫鈦網的厚度為300微米-2000微米； 或者所述耐腐蝕的金屬絲編制網為多孔鈦板，所述多孔鈦板的厚度為500微米-3000微米，孔隙率大于40%。
5.根據權利要求1所述的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:所述陰極端板為鎳或不銹鋼鍍鎳制成； 所述陰極流場槽設計與所述陽極流場槽一致，為橫向或縱向蛇形、梳狀凹槽排布，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置，流場槽道從進水口開始至出水口結束； 所述多孔陰極催化材料為適用于堿性水電解槽中的析氫陰極電催化材料。
6.根據權利要求5所述的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:所述析氫陰極電催化材料包括Ni，Raney Ni, N1-S, N1-Mo,或者Ni_Mo_S。
7.根據權利要求1所述的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:所述陰極室與所述陽極室緊密相連，僅由所述離子交換膜阻隔分開，所述離子交換膜材料的厚度為50微米-150微米。
8.根據權利要求1所述的采用陰離子交換膜固態(tài)電解質電解槽裝置，其特征在于:還包括硅膠密封圈，所述陽極端板與所述離子交換膜之間通過所述硅膠密封圈密封，所述陰極端板與所述離子交換膜之間也通過所述硅膠密封圈密封。
【文檔編號】C02F1/469GK204111387SQ201420519820
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權日:2014年9月11日
【發(fā)明者】曹文彬, 張艷, 蘇洋, 王鳳玉, 尹勝奎, 曹普晅 申請人:北京今大禹環(huán)保技術有限公司