CN101250710B - 电解式臭氧发生器及其阴极催化层的制备工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种电解式臭氧发生器及其阴极催化层的制备工艺，包括圆形Nafion膜和设于所述Nafion膜轴向两侧的圆形阳极构件和圆形阴极构件。这种电解式臭氧发生器，采用多孔硼掺杂的金刚石电极为阳极，阴极催化层采用碳载铂制备工艺，并且优化设计了制备臭氧的电解室，不仅性能稳定，而且大幅度提高了硼碳电极产生臭氧的电流效率，使其在室温下最高可达到30％，而且相对于现在大量使用的二氧化铅电极，其电极的连续使用寿命得到大幅度延长。
Description
技术领域
本发明属于电化学领域，涉及一种制备臭氧的装置，尤其是一种电解式臭氧发生器及其阴极催化层的制备工艺。
背景技术
臭氧是一种环保型的氧化剂，在常用的氧化剂中其氧化性最强，且反应后的产物是对人体有益的氧气。由于上述优点，臭氧产品已经被广泛应用于饮用水处理、污水处理、化学氧化、纸浆漂白及医疗卫生等领域。
传统的臭氧产生技术为电晕法臭氧产生技术，是一种将干燥含氧的气体通过电晕放电区产生臭氧的方法，这种制备方法的专利比较多，如CN 96209877.9、CN 01817517.1、CN 02237175.3等。利用这种方法制备臭氧，必须配置性能优良的气体干燥装置，产生的臭氧浓度一般小于6％，且所制备的气体中含NOx类气体。因此，大大限制了这类臭氧发生器的使用范围。
电解法臭氧产生技术是上个世纪80年代兴起的技术，这种技术的阳极一般多采用析氧电位较高的二氧化铅(PbO2)或者铂(Pt)，阴极也多采用Pt，如CN87022205、CN 97212224.9、CN97122126等。这种技术最大的优点是产生的臭氧浓度较高，一般情况下可达到10％～25％，其中不含有NOx类气体。但目前电解法产生臭氧的装置依然存在如下的缺陷：
1.利用Pt作为阳极制备臭氧成本太高，同时电流效率也不高；
2.利用二氧化铅做阳极制备臭氧，电极寿命较短，电流效率不高(10％～15％)；
3.现有的阳极催化层的制备工艺不稳定；
4.电解法制备臭氧的现有技术相对于无声放电法产生臭氧耗电量大。
因此，研制一种电流效率高、性能稳定且移动方便的臭氧发生装置依然是是国内外目前面临的难题。
利用硼掺杂的金刚石电极(硼碳电极)产生臭氧在上个世纪90年代末已有相关的报道，虽然硼碳电极有很高的化学稳定性，但由于在电极以及电解室制备技术方面的缺陷，产生臭氧的电流效率依然较低。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电解式臭氧发生器，该电解式臭氧发生器采用多孔硼掺杂的金刚石电极为阳极，以碳载铂为阴极制备臭氧，优化设计制备臭氧的电解室，大幅度提高了硼碳电极产生臭氧的电流效率，且使电极连续使用寿命明显提高。
本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：
这种电解式臭氧发生器及其阴极催化层的制备工艺，包括圆形Nafion膜和设于所述Nafion膜轴向两侧的阳极构件和阴极构件，其特征在于：所述阳极构件轴向外侧设有阳极夹板，所述阳极夹板轴向内侧端设有筒形电解室阳极壳体，所述电解室阳极壳体内同轴套设有阳极导流体，所述阳极导流体出口端依次同轴设置有阳极集流层和圆片状硼碳阳极片，所述圆片状硼碳阳极片为硼掺杂的金刚石电极且沿轴向均匀分布有若干小通孔，所述电解室阳极壳体径向设置有进水通孔和出水通孔，所述阴极构件轴向外侧设有阴极夹板，所述阴极夹板轴向内侧端设有筒形电解室阴极壳体，所述电解室阴极壳体内同轴套设有阴极导流体，所述阴极导流体出口端依次同轴设置有阴极集流层和圆片状阴极催化层，所述圆片状阴极催化层至少包括碳载铂和胶粘剂，所述电解室阴极壳体径向设置有进水通孔和出水通孔。
上述圆片状硼碳阳极片的厚度(H)为0.2～1.5mm，直径(D)为30～200mm，所述轴向小通孔的孔径(d)为0.2～0.8mm，相邻小通孔的孔间距(h)为3.0～6.0mm。
上述阴极催化层的制备工艺为：将具有铂载量为5％～20％的碳载铂与Nafion乳液按质量比为mPt∶mNafion＝1∶0.8～2混合，加入适量异丙醇搅拌均匀，在65～85℃水浴中搅拌至糊状，25～35℃下碾压成0.15±0.02mm厚的膜片，然后在55～75℃下烘干并剪切成所需尺寸，即为阴极催化层。
上述阳极集流层和阴极集流层均为圆形多孔钛板，其孔隙率为30％～45％，孔径为20～45μm，透气率为5～30M3cm/m2.h.mmH2O。
上述阳极导流体和阴极导流体均由带有若干轴向出水通孔的水分配盘和经支撑金属条与所述水分配盘轴向相连接的圆片状后座板组成，所述水分配盘、支撑金属条和后座板可以为一体成型式，也可以为分体组装式。
上述阳极夹板、电解室阳极壳体、阴极夹板、电解室阴极壳体的外表面均加工有散热槽。
上述阳极夹板和阴极夹板均为铝合金材质，所述电解室阳极壳体和所述电解室阴极壳体均为不锈钢材质，所述阳极导流体和阴极导流体均为钛或不锈钢材质。
本发明的电解室水流速度对产生臭氧的电流效率有一定的影响，经实验证明，水流每分钟通过阴阳极电解室的体积与电极的面积应该符合以下关系：
电极面积(m2)×4(m)±0.001(m3)＝水流体积(m3)。
本发明的电解式臭氧发生器使用多孔的硼掺杂的金刚石电极为阳极、碳载铂为阴极，同时优化设计了制备臭氧的电解室，不仅性能稳定，而且大幅度提高了硼碳电极产生臭氧的电流效率，使其在室温下最高可达到30％，而且相对于现在大量使用的二氧化铅电极，其电极的连续使用寿命得到大幅度延长。
附图说明
图1为本发明的结构拆解实体图；
图2为本发明的装配剖视图；
图3为本发明的圆片状硼掺杂的金刚石电极视图；
图4为本发明所述阳极导流体或阴极导流体的轴侧图；
图5为本发明所述阳极导流体或阴极导流体的结构视图。
其中：1为阳极夹板；2为密封垫圈；3为电解室阳极壳体；4为阳极导流体；5为密封垫圈；6为阳极集流层；7为硼碳阳极片；8为Nafion膜；9为阴极催化层；10为阴极集流层；11为密封垫圈；12为阴极导流体；13为电解室阴极壳体；14为密封垫圈；15为阴极夹板，16为出水通孔；17为水分配盘；18为后座板；19为支撑金属条，20为小通孔。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参见图1的结构拆解实体图和图2的装配剖视图，本发明包括圆形Nafion膜(8)和设于所述Nafion膜(8)轴向两侧的阳极构件和阴极构件，所述阳极构件轴向外侧设有阳极夹板(1)，所述阳极夹板(1)轴向内侧端设有筒形电解室阳极壳体(3)，所述电解室阳极壳体(3)内同轴套设有阳极导流体(4)，所述阳极导流体(4)出口端依次同轴设置有阳极集流层(6)和圆片状硼碳阳极片(7)，所述圆片状硼碳阳极片(7)为硼掺杂的金刚石电极且沿轴向均匀分布有若干小通孔(20)，所述电解室阳极壳体(3)径向设置有进水通孔和出水通孔，所述阴极构件轴向外侧设有阴极夹板(15)，所述阴极夹板(15)轴向内侧端设有筒形电解室阴极壳体(13)，所述电解室阴极壳体(13)内同轴套设有阴极导流体(12)，所述阴极导流体(12)出口端依次同轴设置有阴极集流层(10)和圆片状阴极催化层(9)，所述圆片状阴极催化层(9)至少包括碳载铂和胶粘剂，所述电解室阴极壳体(13)径向设置有进水通孔和出水通孔。
参见图2中的装配剖视图：(A).在阳极端，水自阳极壳体进水通孔流入阳极电解室，再经阳极导流体导流进入阳极集流层(6)和圆片状硼碳阳极片(7)，经过电解，一部分水分解转化为氧气和臭氧，氧气、臭氧连同未分解的水最后通过阳极壳体出水通孔流出阳极电解室；(B).在阴极端，水自阴极壳体进水通孔流入阴极极电解室，再经阴极导流体导流进入阴极极集流层(10)和阴极催化层(9)，经过电解，一部分水分解转化为氢气，氢气连同未分解的水最后通过阴极壳体出水通孔流出阴极电解室。
参见图3，本发明的圆片状硼碳阳极片(7)的厚度(H)为0.2～1.5mm，直径(D)为30～200mm，所述轴向小通孔(20)的孔径(d)为0.2～0.8mm，相邻小通孔(16)的孔间距(h)为3.0～6.0mm。
本发明的电解式臭氧发生器可以通过以下几个实施例实现：
实施例一：
圆片状硼碳阳极片(7)的厚度(H)为0.4mm，直径(D)为35mm；轴向小通孔(20)的孔径(d)为0.2mm，相邻小通孔(20)的孔间距(h)为3.0mm。
阴极催化层(9)的制备工艺为：将铂载量为10％的碳载铂与Nafion乳液按质量比为mPt∶mNafion＝1∶1.8混合，加入适量异丙醇搅拌均匀，在65℃水浴中搅拌至糊状，25℃下碾压成0.15±0.02mm厚的膜片，60℃下烘干并剪切成所需尺寸，即为阴极催化层。
将所加工的圆片状硼碳阳极片(7)和所制备的阴极催化层(9)安装在如图1或图2所示的电解室中，分别给电解室阴阳极通纯净水，水流速度为4L/min。
实施例二：
圆片状硼碳阳极片(7)的厚度(H)为0.8mm，直径(D)为55mm；轴向小通孔(20)的孔径(d)为0.5mm，相邻小通孔(20)的孔间距(h)为3.5mm。
阴极催化层(9)的制备工艺为：将铂载量为10％的碳载铂与Nafion乳液按质量比为mPt∶mNafion＝1∶1.5混合，加入适量异丙醇搅拌均匀，在75℃水浴中搅拌至糊状，35℃下碾压成0.15±0.02mm厚的膜片，70℃下烘干并剪切成所需尺寸，即为阴极催化层。
将所加工的圆片状硼碳阳极片(7)和所制备的阴极催化层(9)安装在如图1或图2所示的电解室中，分别给电解室阴阳极通纯净水，水流速度为10L/min。
实施例三：
圆片状硼碳阳极片(7)的厚度(H)为1.2mm，直径(D)为75mm；轴向小通孔(20)的孔径(d)为0.8mm，相邻小通孔(20)的孔间距(h)为4.0mm。
阴极催化层(9)的制备工艺为：将铂载量为20％的碳载铂与Nafion乳液按质量比为mPt∶mNafion＝1∶1.2混合，加入适量异丙醇搅拌均匀，在70℃水浴中搅拌至糊状，30℃下碾压成0.15±0.02mm厚的膜片，80℃下烘干并剪切成所需尺寸，即为阴极催化层。
将所加工的圆片状硼碳阳极片(7)和所制备的阴极催化层(9)安装在如图1或图2所示的电解室中，分别给电解室阴阳极通纯净水，水流速度为18L/min。
Claims (7)
1.一种电解式臭氧发生器，包括圆形Nafion膜(8)和设于所述Nafion膜(8)轴向两侧的阳极构件和阴极构件，其特征在于：所述阳极构件轴向外侧设有阳极夹板(1)，所述阳极夹板(1)轴向内侧端设有筒形电解室阳极壳体(3)，所述电解室阳极壳体(3)内同轴套设有阳极导流体(4)，所述阳极导流体(4)出口端依次同轴设置有阳极集流层(6)和圆片状硼碳阳极片(7)，所述圆片状硼碳阳极片(7)为硼掺杂的金刚石电极且沿轴向均匀分布有若干小通孔(16)，所述电解室阳极壳体(3)径向设置有进水通孔和出水通孔，所述阴极构件轴向外侧设有阴极夹板(15)，所述阴极夹板(15)轴向内侧端设有筒形电解室阴极壳体(13)，所述电解室阴极壳体(13)内同轴套设有阴极导流体(12)，所述阴极导流体(12)出口端依次同轴设置有阴极集流层(10)和圆片状阴极催化层(9)，所述圆片状阴极催化层(9)至少包括碳载铂和胶粘剂，所述电解室阴极壳体(13)径向设置有进水通孔和出水通孔。
2.根据权利要求书1所述的电解式臭氧发生器，其特征在于：所述圆片状硼碳阳极片(7)的厚度(H)为0.2～1.5mm，直径(D)为30～200mm，所述轴向小通孔(16)的孔径(d)为0.2～0.8mm，相邻小通孔(16)的孔间距(h)为3.0～6.0mm。
3.根据权利要求书1所述的电解式臭氧发生器，其特征在于：所述阳极集流层(6)和阴极集流层(10)均为圆形多孔钛板，其孔隙率为30％～45％，孔径为20～45μm，透气率为5～30M3cm/m2.h.mmH2O。
4.根据权利要求书1所述的电解式臭氧发生器，其特征在于：所述阳极导流体(4)和阴极导流体均由带有若干轴向出水通孔的水分配盘和经支撑金属条与所述水分配盘轴向相连接的圆片状后座板组成，所述水分配盘、支撑金属条和后座板可以为一体成型式，也可以为分体组装式。
5.根据权利要求书1所述的电解式臭氧发生器，其特征在于：所述阳极夹板(1)、电解室阳极壳体(3)、阴极夹板(15)、电解室阴极壳体(13)的外表面均加工有散热槽。
6.根据权利要求书1所述的电解式臭氧发生器，其特征在于：所述阳极夹板(1)和阴极夹板(15)均为铝合金材质，所述电解室阳极壳体(3)和所述电解室阴极壳体(13)均为不锈钢材质，所述阳极导流体(4)和阴极导流体(12)均为钛材质。
7.一种如权利要求书1所述的电解式臭氧发生器的阴极催化层的制备工艺，其特征在于：将具有铂载量为5％～20％的碳载铂与Nafion乳液按质量比为mPt∶mNafion＝1∶0.8～2混合，加入适量异丙醇搅拌均匀，在65～85℃水浴中搅拌至糊状，25～35℃下碾压成0.15±0.02mm厚的膜片，然后在55～75℃下烘干并剪切成所需尺寸，即为阴极催化层。
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