一種連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】電化學(xué)高級(jí)氧化是處理難生物降解有機(jī)廢水的有效方法。然而，較高能耗一致是困擾電氧化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的瓶頸。本實(shí)用新型提供一種連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，以解決陰極產(chǎn)堿而導(dǎo)致的結(jié)垢堵塞問題。同時(shí)，通過采用Ni基材替換Pt，解決陰極材料的高成本，最終獲得一種低能耗高效電化學(xué)氧化處理難降解有機(jī)廢水的裝置。本專利中所述一種連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，包括離子交換膜和在所述離子交換膜兩側(cè)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；所述陰極室包括陰極端板和多孔陰極催化材料。
【專利說明】一種連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實(shí)用新型涉及環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域水處理工業(yè)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其是涉及一種連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)。

【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、喹啉等眾多無機(jī)及芳香族有毒有害物質(zhì)，難于生化降解。電化學(xué)高級(jí)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。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(zhì)子產(chǎn)氫。然而，較高能耗一致是困擾電氧化技術(shù)應(yīng)用于廢水處理的瓶頸，并且由于傳統(tǒng)電解槽的開放式設(shè)計(jì)，陰極產(chǎn)氫無法有效的回收。加拿大研宄人員采用基于固態(tài)聚合物電介質(zhì)(SPE)改進(jìn)設(shè)計(jì)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(zhì)的成本增加問題，并利用質(zhì)子交換膜阻隔陰陽極室，有效分離了陽極產(chǎn)氯氣與陰極所產(chǎn)氫氣(W02012/167375)。然而，該實(shí)用新型中陰極采用含Pt/C的陰極催化層大大提高電解槽成本。由于質(zhì)子交換膜無法避免陽離子從陽極向陰極的滲透，因此，陰極在發(fā)生質(zhì)子還原產(chǎn)氫的同時(shí)，有大量的OH —咼子與Na+、Mg2+、Ca2+等陽咼子結(jié)合生成堿(反應(yīng)式)。因此，利用非液體陰極設(shè)計(jì)不可避免在陰極發(fā)生堿性沉淀物結(jié)垢(如Ca (OH) 2、Mg(0H)2、Na0H等)，長時(shí)間運(yùn)行必然帶來陰極氣體擴(kuò)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(duì)SPE “零間距”電解槽的陰極結(jié)構(gòu)、電極材料等方面以及操作方式進(jìn)行改進(jìn)。
實(shí)用新型內(nèi)容
[0003]本實(shí)用新型的目的在于設(shè)計(jì)一種新型的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，解決上述問題。
[0004]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案如下:
[0005]一種連續(xù)進(jìn)水式SPE電解槽陰極系統(tǒng)，包括離子交換膜和在所述離子交換膜兩側(cè)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(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 ；所述陽極催化層和所述多孔陽極支撐材料密封設(shè)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(shè)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(cè)設(shè)有陰極流場槽，所述陰極流場槽的進(jìn)水端設(shè)有陰極進(jìn)水口，所述陰極流場槽的出水端設(shè)有陰極出水口 ；所述多孔陰極催化材料密封設(shè)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(shè)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陽離子交換膜。
[0008]所述多孔陽極支撐材料為耐腐蝕的目數(shù)為50-400目的金屬絲編制網(wǎng)，或者為耐腐蝕的孔隙率>40 %，孔徑>1微米的多孔金屬板，或者為耐腐蝕的孔徑>1X2毫米的沖孔金屬網(wǎng)；
[0009]所述陽極催化層為RuO2-T12, Pb02，SnO2-Sb2O3, Nb2O5-SnO2, SnO2-1n2O3, IrO2-Ta2O5,或者稀土金屬氧化物/Sb2O5-SnO2中的一種或者多種的混合物；
[0010]所述耐腐蝕的金屬絲包括鎢絲、鈦絲、鉬絲或鈮絲。
[0011]所述耐腐蝕的金屬絲編制網(wǎng)為厚度為300微米-2000微米的鈦網(wǎng)；或者所述耐腐蝕的多孔金屬板為多孔鈦板，所述多孔鈦板的厚度為500微米-3000微米，孔隙率大于40% ;所述沖孔金屬網(wǎng)為沖孔鈦金屬網(wǎng)，孔徑大于1X2毫米，厚度1-2毫米。
[0012]所述陰極端板為鎳或不銹鋼鍍鎳制成；
[0013]所述陰極流場槽設(shè)計(jì)與所述陽極流場槽一致，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(shè)置，流場槽道從進(jìn)水口開始至出水口結(jié)束；
[0014]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。
[0015]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。
[0016]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
[0017]所述離子交換膜材料為陽離子交換膜或者陰離子交換膜。
[0018]還包括硅密封圈，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。
[0019]本實(shí)用新型所謂的SPE，即solid polymer electrolyte,固態(tài)聚合物電解質(zhì)。本實(shí)用新型目的是提供一種基于固態(tài)電解質(zhì)“零間距”電解槽的陰極材料與運(yùn)行方式的改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決高成本陰極材料的替換與陰極產(chǎn)堿而導(dǎo)致的結(jié)垢堵塞問題，最終獲得一種低能耗高效電化學(xué)氧化處理難降解有機(jī)廢水的裝置。
[0020]本實(shí)用新型的有益效果可以總結(jié)如下:
[0021]本實(shí)用新型中采用Ni網(wǎng)代替了 SPE電解槽中陰極的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。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0022]圖1為本實(shí)用新型SPE電氧化系統(tǒng)主視方向的結(jié)構(gòu)示意圖
[0023]圖2為本實(shí)用新型SPE電氧化系統(tǒng)的展開圖。
[0024]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(jìn)水口 101(廢水)；102.陽極出水口102 (處理水)；20L陰極進(jìn)水口 201 (自來水)；202.陰極出水口 202。

【具體實(shí)施方式】
[0025]為了使本實(shí)用新型所解決的技術(shù)問題、技術(shù)方案及有益效果更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型進(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)施例僅用以解釋本實(shí)用新型，并不用于限定本實(shí)用新型。
[0026]如圖1和圖2所示的一種連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，包括離子交換膜7和在所述離子交換膜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I上面向所述離子交換膜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和所述多孔陽極支撐材料4密封設(shè)置在所述陽極端板I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(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I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(cè)設(shè)有陰極流場槽10，所述陰極流場槽10的進(jìn)水端設(shè)有陰極進(jìn)水口 201，所述陰極流場槽10的出水端設(shè)有陰極出水口 202 ;所述多孔陰極催化材料9密封設(shè)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(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與所述離子交換膜7之外。
[0027]在更加優(yōu)選的實(shí)施例中，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微米-1000微米；所述陽極催化層 5 為 RuO2-T12, Pb02，SnO2-Sb2O3, Nb2O5-SnO2, SnO2-1n2O3, IrO2-Ta2O5,或者稀土金屬氧化物/Sb2O5-SnO2中的一種或者多種的混合物；
[0028]在更加優(yōu)選的實(shí)施例中，所述耐腐蝕的金屬絲包括鎢絲、鈦絲、鉬絲或鈮絲。
[0029]在更加優(yōu)選的實(shí)施例中，所述耐腐蝕多孔金屬為多孔鈦板，孔隙率>40%，孔徑>1微米。
[0030]在更加優(yōu)選的實(shí)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(shè)計(jì)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(shè)置，流場槽道從進(jìn)水口開始至出水口結(jié)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。
[0031]在更加優(yōu)選的實(shí)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。
[0032]在更加優(yōu)選的實(shí)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
[0033]在更加優(yōu)選的實(shí)施例中，所述離子交換膜7材料為陽離子交換膜7或者陰離子交換膜7。
[0034]在更加優(yōu)選的實(shí)施例中，所述連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)還包括硅密封圈，所述陽極端板I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。
[0035]在某個(gè)具體的實(shí)施例中:
[0036](I)本實(shí)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、鉬絲、鈮絲等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微米-1000微米；如用泡沫鈦網(wǎng)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，多孔金屬板(孔隙率>40%，孔徑>1微米)；如用沖孔金屬網(wǎng)做支撐材料，其孔徑>1X2毫米；陽極催化層5為RuO2-T12, PbO2, SnO2-Sb2O3,Nb2O5-SnO2, SnO2-1n2O3, IrO2-Ta2O5，或者稀土金屬氧化物/Sb2O5-SnO2中的一種或者多種的混合物。
[0037](2)本實(shí)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(shè)計(jì)與陽極流場一致，為橫向或縱向蛇形凹槽排布，槽寬2-5毫米，槽深1-3毫米，流場槽道從進(jìn)水口開始至出水口結(jié)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；
[0038](3)本實(shí)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材料為陽離子交換膜7(如Naf1n膜)或者陰離子交換膜7，膜的厚度為50-150微米Um);“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；
[0039](4)本實(shí)用新型中SPE電解槽陽極、陰極板上各有一個(gè)進(jìn)水口，進(jìn)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(gè)出水口，出水口設(shè)在極板上部側(cè)面，與流場末端相連。
[0040]本實(shí)用新型中采用Ni網(wǎng)代替了 SPE電解槽中陰極的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。
[0041]以上通過具體的和優(yōu)選的實(shí)施例詳細(xì)的描述了本實(shí)用新型，但本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，本實(shí)用新型并不局限于以上所述實(shí)施例，凡在本實(shí)用新型的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本實(shí)用新型的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，其特征在于:包括離子交換膜和在所述離子交換膜兩側(cè)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(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 ；所述陽極催化層和所述多孔陽極支撐材料密封設(shè)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(shè)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(cè)設(shè)有陰極流場槽，所述陰極流場槽的進(jìn)水端設(shè)有陰極進(jìn)水口，所述陰極流場槽的出水端設(shè)有陰極出水口 ；所述多孔陰極催化材料密封設(shè)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(shè)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陽離子交換膜。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，其特征在于:所述多孔陽極支撐材料為耐腐蝕的目數(shù)為50-400目的金屬絲編制網(wǎng)，或者為耐腐蝕的孔隙率>40%，孔徑>1微米的多孔金屬板，或者為耐腐蝕的孔徑>1X2毫米的沖孔金屬網(wǎng)； 所述陽極催化層為 Ru02-Ti02、Pb02、Sn02_Sb203、Nb205-Sn02、SnO2-1n2O3UrO2-Ta2O5、或者稀土金屬氧化物/Sb2O5-SnO2中的一種。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，其特征在于:所述耐腐蝕的金屬絲包括鎢絲、鈦絲、鉬絲或鈮絲。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，其特征在于:所述耐腐蝕的金屬絲編制網(wǎng)為厚度為300微米-2000微米的鈦網(wǎng)；或者所述耐腐蝕的多孔金屬板為多孔鈦板，所述多孔鈦板的厚度為500微米-3000微米，孔隙率大于40% ;所述沖孔金屬網(wǎng)為沖孔鈦金屬網(wǎng)，孔徑大于I X 2毫米，厚度1-2毫米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，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(shè)計(jì)與所述陽極流場槽一致，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(shè)置，流場槽道從進(jìn)水口開始至出水口結(jié)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(jù)權(quán)利要求5所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，其特征在于:所述析氫陰極電催化材料選用N1、Raney N1、N1-S、N1-Mo或者N1-Mo-S。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，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(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，其特征在于:所述離子交換膜材料為陽離子交換膜或者陰離子交換膜。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)進(jìn)水式固態(tài)電解質(zhì)電解槽陰極系統(tǒng)，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(hào)】C02F1/461GK204198463SQ201420520870
【公開日】2015年3月11日 申請(qǐng)日期:2014年9月11日 優(yōu)先權(quán)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(qǐng)人:北京今大禹環(huán)保技術(shù)有限公司