CN101787555A - 一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置及工艺 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电解反应的技术领域，具体是一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置及工艺，解决了现有超重力电解反应装置只能适用于小批量间隙操作的问题。所述的装置，包括绝缘外壳、设有圆筒阴极的阴极盘和设有圆筒阳极的阳极盘，圆筒阳极和圆筒阴极同心交替排列，阴极盘相对外壳静止设置，阳极盘中心连接可高速旋转的转轴。所述的工艺：电解液由液相进口管进入反应装置的中心，在超重力的作用下，液体由中心沿径向依次通过由圆筒阳极和圆筒阴极交替排列形成的各级圆筒式电解池，经电解反应装置的外壳收集后，从液相出口管流出。本发明的有益效果：可进行连续电解，是适合于工业化应用的连续操作的超重力多级电解反应装置及工艺。
Description
技术领域
本发明涉及电解反应的技术领域，具体是一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置及工艺。
背景技术
电化学反应过程中，发生在电极表面，如析氧、析氢、析氯等过程主要以气泡形式附着在电极和电解液表面或溶解到电解液当中。当电流密度增加时，产生的气泡会导致电解液和电解槽的阻抗增大，使得超电位和电极电势分布不均，导致电极活性降低，严重影响电解效果和速率。
超重力条件对电化学反应过程有显著影响，可促进气体析出，离子传质，近年来得到研究者的重视。1999年，Mahito Atobe等人首先报道了超重力条件对电沉积聚苯胺膜的形成速度及其性能有显著影响。利用改装的离心机营造超重力场，离心机转子的一端为塑料试杯(电解槽)做为电化学反应装置，与转轴相垂直，另一端为平衡物，电解液一次性装入试杯中，操作结束后将电解液排出；2000年，邵光杰等人利用自制的离心高速电沉积实验装置，研究了电镀镍的工艺。实验装置中的阴极套由电动机带动高速旋转，阳极和镀件置于阴极套内，将固定在钛管上的镀铂钛板作阳极，与镀件正对，镀液经由离心泵、钛管垂直喷向电镀室内壁，然后切向流经镀件表面；2003年，Ali Efrekhari等人使用同样的改装的离心机设备营造超重力场，研究了超重力环境下铜在硅基上的电沉积情况；2004年，AliEfrekhari等人也使用同样的改装的离心机设备研究，得出超重力条件下电沉积吡咯膜具有优良的稳定性和导电性；2004年，Mahito Atobe等人使用同样的改装的离心机设备研究，得出超重力电沉积芳香族聚合物具有优良的性能；2005年，王明涌等人使用同样的改装的离心机设备，研究了超重力场对水溶液金属电沉积镍箔的组织结构和性能的影响。使用同样的改装的离心机设备，在2003年，H.Cheng研究了超重力环境下氯碱电解和水电解制氢的过程，验证了超重力环境下可增大电解质的自然对流速度，加速附着在电极上的气体脱离，从而增强了电极活化。
目前所用的超重力电化学装置主要是应用于电解过程。改装的离心机设备的电化学反应装置中的电解液是一次性装入试杯中，操作结束后将电解液排出，过程对电解液进行批量处理，属于间歇操作。由于高速旋转形成转动惯量的制约，这些装置结构仅适用于小批量间歇操作，仅适用于实验室研究。邵光杰等人自制的离心高速电沉积装置仅适合用于电解方面的电沉积研究，对电解废水，氯碱等规模性处电解方面应用受到限制。因此，开发连续操作的、适合规模性电解的超重力电解反应装置及工艺具有重要的意义。
发明内容
本发明为了解决现有技术中超重力电解反应装置只能适用于小批量间隙操作和电沉积应用的限制，提供了一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置及工艺。
本发明采用如下的技术方案实现：
连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置，其特征在于包括绝缘外壳以及设置有若干圆筒阴极的阴极盘和设置有若干圆筒阳极的阳极盘，圆筒阳极和圆筒阴极同心交替排列(形成多个圆筒式电解池，构成多级同心圆筒式电解反应装置)，各圆筒阴极的自由端与阳极盘之间留有间隙，各圆筒阳极的自由端与阴极盘之间也留有间隙，阴极盘相对外壳静止设置，阳极盘中心连接可高速旋转的转轴，阴极盘中心开孔连接与电解前液相储槽相连的液相进口管，外壳顶部设置有气相出口管，外壳底部设置有与电解后液相储槽相连的液相出口管。
各圆筒阴极和各圆筒阳极高度相等，各圆筒阴极距离阳极盘的距离与各圆筒阳极距离阴极盘的距离相等，其距离为圆筒高度的1/4-1/5。液相出口管为U型液封管。
以同心交替排列的阳极盘上所连接的同心圆筒阳极和阴极盘上所连接的同心圆筒阴极的个数，根据电解液停留时间或流量大小来确定，电解反应装置的尺寸也由此可确定。
本发明采用阳极盘及圆筒阳极和阴极盘及圆筒阴极结构，实现了超重力电解连续操作。此结构电极内外两个表面均可参与电解反应，克服了平板电极表面利用率低及表面电流分布不均的问题，且圆筒阳极和圆筒阴极以同心交替排列，依靠阳极盘及同心圆筒阳极旋转形成超重力环境，可强化电解液传质过程，同时对阳极形成的析出的气泡形成巨大的剪切作用，促进气泡破裂、析出，使电极表面有较均匀的电流分布，及时消除了电极极化，降低了内阻，从而加快处理速率。
连续操作的超重力多级电解工艺：调节电解液的pH值为7～8，由液相进口管进入超重力多级同心圆筒式电解反应装置的中心，在超重力的作用下，液体由中心沿径向依次通过由圆筒阳极和圆筒阴极交替排列形成的各级圆筒式电解池，经电解反应装置的外壳收集后，从液相出口管流出，电解过程中产生的气体由气相出口管排出，电解后的电解液可排放或循环电解。该工艺不仅可以利用超重力技术加速气体析出、加强电解传质过程，而且可以进行连续操作。对于单位时间相同处理量比较，其负荷低，设备小，能耗低(形成超重力环境能耗低)，体现持液量很小，负荷小。
本发明相对现有技术具有如下有益效果：利用超重力技术、阳极盘及同心圆筒阳极和阴极盘及同心圆筒阴极组成的多级电解反应装置进行电解，可加强电解反应的传质，加快电解产生的气体析出，增强电极活化。相比常重力条件下电解，本发明在转速800r/min～1800r/min时电解，槽电压可降低6％～18％，极限电流密度可提高11％～34％，电解时间也可相应缩短30％～60％，处理效果也极大的增强，能耗也相应降低。最重要的是可进行连续电解，电解液可连续进入电解反应装置进行电解，电解后的电解液可排放或循环进行电解。本发明体现了电解装置中持液量小、负荷低，设备小，能耗低、连续运行、规模处理的优势，打破了超重力电解传统的仅能进行实验研究装置和工艺，开发出适合于工业化应用的连续操作的超重力多级电解反应装置及工艺，推动了超重力电解反应技术的进一步发展。
附图说明
图1是连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应工艺流程图。
图中：1-电解前液相贮槽，2-泵，3-阀门I，4-流量计，5-超重力多级同心圆筒式电解反应装置，6-液相进口管，7-气相出口管，8-电化学反应控制系统或直流稳压电源，9-液相出口管，10-阀门II，11-阀门III，12-电解后液相贮槽，13-泵II，14-阀门IV。
图2是连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置图。
图中：5.1-滑环，5.2-转轴，5.3-阳极盘，5.4-圆筒阳极，5.5-外壳，5.6-阴极盘，5.7-圆筒阴极。
具体实施方式
连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置包括：阳极盘5.3及圆筒阳极5.4和阴极盘5.6及圆筒阴极5.7组成的电解反应装置，直流稳压电源或电化学反应控制(装置)系统；电解过程中，电解液连续进入超重力多级同心圆筒式电解反应装置5，阴极盘5.6呈静止状态，阳极盘5.3在中心转轴5.2带动下高速旋转，电解液受到超重力作用，发生电解反应。其中圆筒阳极5.4和圆筒阴极5.7以同心交替排列，圆筒阴极5.7距阳极盘5.3距离与圆筒阳极5.4距阴极盘5.6距离相等，其距离为圆筒高度的1/4-1/5。圆筒阳极5.4和圆筒阴极5.7交替排列形成多个圆筒式电解池，构成多级同心圆筒式电解反应装置。
如图1，开启电化学反应控制系统或直流稳压电源8后，电解液经电解前液相贮槽1、泵2加压、阀门I 3调节流量、流量计4计量流量后，由液相进口管6进入超重力多级同心圆筒式电解反应装置5中，通过调节转速来控制超重力系数。过程中产生的气体由气相出口管7排出或收集分析。电解反应装置内液位不超过阴极盘5.6，通过液相出口管(U型液封管)9调节，电解反应后的液相由液相出口管9流出，或经阀门II 10和阀门III11排放、或流至电解后液相贮槽12经泵II 13、阀门IV14循环至电解前液相贮槽1中继续进行电解反应。
如图2，整个超重力多级同心圆筒式电解反应装置由转轴5.2带动阳极盘5.3转动，通过调节转速来控制超重力系数，阳极盘5.3和阴极盘5.6接线通过滑环5.1分别连接至直流稳压电源的正负极上或电化学反应控制系统。电解液由电解反应装置上端中心处的液相进口管6流进电解反应装置，由中心沿径向依次通过呈交替排列的旋转的圆筒阳极5.4和静止的圆筒阴极5.7进行电解反应，经外壳5.5收集后，从液相出口管9流出或循环进行连续电解反应。电解过程中产生的气体由气相出口管7排出或采集进行下一步分析。其中圆筒阳极5.4和圆筒阴极5.7由若干个呈交替式排列的同心的阳极圆筒和圆筒阴极分别固定在阳极盘5.3和阴极盘5.6上。阳极盘5.3和转轴5.2连接，阴极盘5.6和液相进口管垂直式连接，呈静态固定。
例：连续操作的超重力多级同心圆筒式电解含酚废水的工艺
电解反应装置的外壳由有机玻璃材料制成，内径300mm，高200mm。同心圆筒阳极材料为钛，同心圆筒阴极材料为不锈钢，阴阳电极间距10mm，阴极或阳极电极个数6个，电极高度100mm，圆筒阴极距阳极盘距离与圆筒阳极距阴极盘距离相等为20mm。
含酚废水中苯酚含量为200mg/L～2000mg/L，COD含量为300～600mg/L，电解前液相贮槽中加入NaOH溶液和H2SO4溶液调节废水的pH为7～8后，开启电化学反应控制系统或直流稳压电源，电解液由液相进口管进入超重力多级同心圆筒式电解反应装置中，调节转速。过程中产生的气体由气相出口管排出。电解反应后的液相由液相出口管(U型液封管)流至电解后液相贮槽，再循环至电解前液相贮槽中继续进行循环电解。电解5min后，废水的苯酚去除率可达89.3％、COD去除率可达83.6％。电解25min后，废水的苯酚去除率可达95.4％、COD去除率无明显变化。而在常重力条件下电解25min后，废水的苯酚去除率仅达64.4％、COD去除率无明显变化。
Claims (4)
1.一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置，其特征在于包括绝缘外壳(5.5)以及设置有若干圆筒阴极(5.7)的阴极盘(5.6)和设置有若干圆筒阳极(5.4)的阳极盘(5.3)，圆筒阳极(5.4)和圆筒阴极(5.7)同心交替排列，各圆筒阴极(5.7)的自由端与阳极盘(5.3)之间留有间隙，各圆筒阳极(5.4)的自由端与阴极盘(5.6)之间也留有间隙，阴极盘(5.6)相对外壳(5.5)静止设置，阳极盘(5.3)中心连接可高速旋转的转轴(5.2)，阴极盘(5.6)中心开孔连接与电解前液相储槽(1)相连的液相进口管(6)，外壳(5.5)顶部设置有气相出口管(7)，外壳(5.5)底部设置有与电解后液相储槽(12)相连的液相出口管(9)。
2.根据权利要求1所述的连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置，其特征在于各圆筒阴极(5.7)和各圆筒阳极(5.4)高度相等，各圆筒阴极(5.7)距离阳极盘(5.3)的距离与各圆筒阳极(5.4)距离阴极盘(5.6)的距离相等，其距离为圆筒高度的1/4-1/5。
3.根据权利要求1所述的连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置，其特征在于液相出口管(9)为U型液封管。
4.一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应工艺，在如权利要求1或2或3所述的装置中完成，其特征在于调节电解液的pH值为7～8，由液相进口管(6)进入超重力多级同心圆筒式电解反应装置(5)的中心，在超重力的作用下，液体由中心沿径向依次通过由圆筒阳极(5.4)和圆筒阴极(5.7)交替排列形成的各级圆筒式电解池，经电解反应装置的外壳(5.5)收集后，从液相出口管(9)流出，电解过程中产生的气体由气相出口管排出，电解后的电解液可排放或循环电解。
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