CN102677090B - 板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统，包括带加热的低位储槽、输液泵、带加热的高位槽、电沉积槽、低位断电槽、循环泵和电沉积药液，所述低位储槽的出液口和输液泵的进液口相连，所述输液泵的出液口分别连接电沉积槽的进液口和高位槽的进液口，高位槽的回液口分别连接低位储槽的进液口和接电沉积槽的进液口，所述电沉积槽的溢液口和低位断电槽的进液口相连，所述低位断电槽的出液口连接循环泵的进液口，循环泵的出液口连接高位槽的进液口；所述电沉积槽为复极式电沉积槽。本发明结构简单、工作效率高，采用高电压低电流运行，配置电源成本低，经济性好，利用本发明制得的复极式板状金属氧化物电极具有优良的电催化性能。

Description

板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统

技术领域

本发明涉及电化学方法制备金属氧化物电极技术领域，具体地指一种板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统。

背景技术

高浓度有毒性难生化降解的有机物废水，一直是我国污水治理的重点和难点。采用电化学高级氧化技术治理这些难降解的污水，已经成为废水处理领域的热门研究。

电化学高级氧化水处理技术的关键有三点：一是电极，二是电解槽结构，三是电源配置，其中技术的核心是电极。用作电极的材料主要有：金属材料、碳素材料、金属氧化物材料和非金属化合物材料等。

在金属材料电极领域，目前，常用的是单极式板状金属氧化物电极，包括正极金属氧化物电极和负极金属氧化物电极，将正极电极和负极电极交叉放置在电解槽中，用隔膜将阳极和阴极隔开。当直流电通过电解槽时，在阳极与溶液界面处发生氧化反应，在阴极与溶液界面处发生还原反应，以制取所需产品。采用单级式板状金属氧化物电极的电解槽具有电流大，变电整流工程造价高，系统复杂，可行性差的缺陷。

为了改进电解槽的性能，复极式板状金属氧化物电极已处在研究阶段，和单级式板状金属氧化物电极不同，其电极为一面为正极另一面为负极。将复极式板状金属氧化物电极置于电解槽中使用时，仅需将多个电极正极朝向相同的方向排列，无需隔膜将电极隔开。复极式板状金属氧化物电解槽能实现低电流，高电压，系统简单，可控性好。

单级式和复极式板状金属氧化物电极不同，所以在制备时，两者的电沉积方法也不相同。现行单极式电沉积大都是对电极的两面都进行同样的处理，比如电极两面同样进行烧结，或电极两面进行同样的电沉积。对电极两面同时进行同一种材料的电沉积即是单极式电沉积。单极式电沉积制得的电极，电极的两面是同一种材料；而复极式电沉积制得的电极，电极的两面可以是同一种材料，也可以不是同一种材料。

上述表明，复极式板状金属氧化物电极只能进行单面电沉积，而金属板单面电沉积不可避免地要产生应力变形，而且金属板面积越大产生的应力变形越大，使所制备的电极由平面变成凹面。很明显，呈凹面的电极势必影响电解槽的极板间距，继而影响电化学的电流分布、电流效率；另外，由于应力较大或应力集中，还会使电沉积层起泡、开裂甚至脱落，以至使板状金属氧化物电极失效。因此，以金属板为基材，在解决了基体金属板的应力变形问题、制造好复极式电沉积槽、有了适宜的电沉积方法之后，还需要有一套可行的循环系统装置，来制备复极式板状金属氧化物电极。

发明内容

本发明的目的在于填补现有技术的空白，提供一种快速、高效、结构紧凑、实用性好的的板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统。

为实现上述目的，本发明所提供的板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统，包括：带加热的低位储槽、输液泵、带加热的高位槽、电沉积槽、低位断电槽、循环泵和电沉积药液，所述低位储槽的出液口和输液泵的进液口相连，所述输液泵的出液口分别连接电沉积槽的进液口和高位槽的进液口，高位槽的回液口分别连接低位储槽的进液口和接电沉积槽的进液口，所述电沉积槽的溢液口和低位断电槽的进液口相连，所述低位断电槽的出液口连接循环泵的进液口，循环泵的出液口连接高位槽的进液口；所述电沉积槽为复极式电沉积槽，包括槽体，槽体内设有用于卡设电极的卡位，槽体底部设有进液口及分布管、上部设有出水口。

优选地，所述电源为直流稳压稳流电源。

优选地，所述电沉积药液的配方如下：硝酸铅110～150g/L、硝酸铜15～25g/L、硝酸锰30～50g/L、氟化钠1.0～1.5g/L、硝酸铋0.5～1.0mmol/L、硝酸3ml/L，稀土元素：镧、铈、钕、铕各1～10mmol/L。

优选地，所述电沉积药液的在所述板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统中的工作温度为50～60℃。

优选地，所述板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统中各设备依靠连通管道连接，且连通管道、低位储槽、高位槽、电沉积槽和低位断电槽采用聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯制作。

优选地，所述输液泵和循环泵为聚丙烯磁力驱动泵或防腐蚀磁力驱动泵。

使用上述复极式电沉积槽时，电极在槽内垂直放置，极板间距d＝10～30mm，两端的电极分别连接电源正极和电源负极，为复极式电路连接。

板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统和单极式电沉积系统的主要区别在于：第一，复极式电沉积制得的电极，电极的两面不是同一种材料，具有不同的性能和功能；单极式电沉积制得的电极，电极的两面是同一种材料，只能具有相同的性能和功能。第二，进行复极式电沉积时电极板在电沉积槽中按复极式电路排列和连接，只有槽两端的两块电极需要导线连接，其他的电极都不需要导线连接、耗材少、操作简单；进行单极式电沉积时电极板在电沉积槽中按单极式电路排列和连接，每块电极都需要导线连接，耗材多、操作复杂。第三，复极式电沉积电路可以实现低电流高电压，而单极式电沉积电路大都是高电流低电压。高电流低电压电源的制造成本与低电流高电压电源相比，前者的制造成本比后者要出高许多，电流越大，前者的制造成本会比后者成倍的高出。即是复极式电沉积电源的制造成本要比单极式电沉积电源的低得多，亦即是复极式电路电源的制造成本要比单极式电路电源的制造成本低得多。

本发明的有益效果：通过板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统可以高效且快速地进行金属板的单面电沉积。本循环系统结构紧凑、采用低电流高电压运行，生产成本低、经济性好。本循环系统所制得的复极式板状金属氧化物电极表面平整，电催化沉积层均匀，不起泡、无空洞、无裂纹、无脱落，牢牢地附着在金属板表面，具有优良的电催化性能，能够适用于复极式电催化水处理装置，其使用寿命可以达到1～5年。

附图说明

图1为本发明的复极式电沉积循环系统的工艺流程示意图。

图2为本发明的复极式电沉积槽的俯视结构及金属板在槽内排列示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细描述。

实施例1

准备待制备的复极式电沉积的10片极板，极板规格为L×W×δ＝500×400×1(式中单位：mm)。

电沉积槽4为复极式电沉积槽，包括槽体4.1，槽体4.1内设有用于卡设电极的卡位4.2，槽体底部设有进水口及分布管，槽体上部在淹没电极高位处设有出水口，电极在槽内如图放置，两端的电极4.3和电极4.4分别连接电源正极和电源负极。电沉积槽4的体积应能容纳上述规格的10片极板，10片极板在电沉积槽4之中垂直、同心、平行排列，极板间距d＝20mm，所以电沉积槽4的体积V为36L。

低位储槽1的体积为76L，带加热的高位槽3的体积为18L，低位断电槽5的体积为18L。

按照下述比例配制电沉积药液：

硝酸铅128g/L、硝酸铜20g/L、硝酸锰47g/L、氟化钠1.5g/L、硝酸铋0.9mmol/L、硝酸3ml/L，稀土元素：镧、铈、钕、铕各6mmol/L。

将低位储槽1、输液泵2、高位槽3、电沉积槽4、低位断电槽5和循环泵6按照如图1中所示的通过连通管道7相连接，组成复极式电沉积循环系统，低位储槽1的出液口和输液泵2的进液口相连，输液泵2的出液口分别连接电沉积槽4的进液口和高位槽3的进液口，高位槽3的回液口分别连接低位储槽1的进液口和接电沉积槽4的进液口，电沉积槽4的溢液口和低位断电槽5的进液口相连，低位断电槽5的出液口连接循环泵6的进液口，循环泵6的出液口连接高位槽3的进液口；电沉积槽4为复极式电沉积槽。

具体地，复极式电沉积采用直流稳压稳流电源，电源的输出正、负极分别连接在复极式电沉积槽内极板的第1片和第10片。

具体地，低位储槽1、高位槽3、电沉积槽4和低位断电槽5及系统中的连通管道7采用聚乙烯制作及连接，输液泵2和循环泵6选用聚丙烯磁力驱动泵。

将配制好电沉积药液65L并加进带加热的低位储槽1，待药液加热到要求的温度启动输液泵2(流量Q＝40L/min)，电沉积药液被泵入电沉积槽4并同时对电沉积槽4送电，当电沉积槽4满溢时，电沉积药液流入低位断电槽5，当低位断电槽5内药液液位达到1/2以上高度时启动循环泵6(流量Q＝2L/min)，同时停输液泵2，电沉积药液由循环泵6泵入高位槽3，再由高位槽3流入电沉积槽4中，电沉积槽4满溢时，电沉积药液再次流入低位断电槽5，如此循环100min，完成电沉积后，先断开电沉积电流，再停循环泵6。复极式电沉积分批进行，每批金属板在规定的时间内连续进行电沉积。每批金属板完成电沉积之后，将复极式电沉积循环系统内部余留的电沉积药液全部返回到低位储槽1之中密封储存，留作下次电沉积配制药液使用。

电沉积完毕后，制得板状金属氧化物电极，同一块电极上其阳极面沉积上具有催化氧化功能的金属氧化物材料，其阴极面沉积上具有催化活性功能的多金属材料。

实施例2

准备待制备的复极式电沉积的20片极板，极板规格为L×W×δ＝500×400×1(式中单位：mm)。

电沉积槽4为复极式电沉积槽，包括槽体4.1，槽体4.1内设有用于卡设电极的卡位4.2，槽体底部设有进水口及分布管，槽体上部在淹没电极高位处设有出水口，电极在槽内如图放置，两端的电极4.3和电极4.4分别连接电源正极和电源负极。电沉积槽4的体积应能容纳上述规格的20片极板，20片极板在电沉积槽4之中垂直、同心、平行排列，极板间距d＝15mm，所以电沉积槽4的体积V为58L。

低位储槽1的体积为122L，带加热的高位槽3的体积为29L，低位断电槽5的体积为29L。

按照下述比例配制电沉积药液：

硝酸铅126g/L、硝酸铜15g/L、硝酸锰45g/L、氟化钠1.1g/L、硝酸铋0.6mmol/L、硝酸3ml/L，稀土元素：镧、铈、钕、铕各4mmol/L。

将低位储槽1、输液泵2、高位槽3、电沉积槽4、低位断电槽5和循环泵6按照如图1中所示的通过连通管道7相连接，组成复极式电沉积循环系统，低位储槽1的出液口和输液泵2的进液口相连，输液泵2的出液口分别连接电沉积槽4的进液口和高位槽3的进液口，高位槽3的回液口分别连接低位储槽1的进液口和接电沉积槽4的进液口，电沉积槽4的溢液口和低位断电槽5的进液口相连，低位断电槽5的出液口连接循环泵6的进液口，循环泵6的出液口连接高位槽3的进液口；电沉积槽4为复极式电沉积槽。

具体地，复极式电沉积采用直流稳压稳流电源，电源的输出正负极分别连接在复极式电沉积槽内极板的第1片和第20片。

具体地，低位储槽1、高位槽3、电沉积槽4和低位断电槽5及系统中的连通管道7采用聚丙烯制作及连接，输液泵2和循环泵6选用防腐蚀磁力驱动泵。

将配制好电沉积药液104L并加进带加热的低位储槽1，待药液加热到要求的温度启动输液泵2(流量Q＝65L/min)，电沉积药液被泵入电沉积槽4并同时对电沉积槽4送电，当电沉积槽4满溢时，电沉积药液流入低位断电槽5，当低位断电槽5内药液液位达到1/2以上高度时启动循环泵6(流量Q＝4L/min)，同时停输液泵2，电沉积药液由循环泵6泵入高位槽3，再由高位槽3流入电沉积槽4中，电沉积槽4满溢时，电沉积药液再次流入低位断电槽5，如此循环120min，完成电沉积后，先断开电沉积电流，再停循环泵6。复极式电沉积分批进行，每批金属板在规定的时间内连续进行电沉积。每批金属板完成电沉积之后，将复极式电沉积循环系统内部余留的电沉积药液全部返回到低位储槽1之中密封储存，留作下次电沉积配制药液使用。

电沉积完毕后，制得板状金属氧化物电极，同一块电极上其阳极面沉积上具有催化氧化功能的金属氧化物材料，其阴极面沉积上具有催化活性功能的多金属材料。

经检测，上述实施例中制得的板状金属氧化物电极与普通金属氧化物电极相比，本发明制得的板状金属氧化物电极析氧电位升高、稳定性提高使用寿命大幅度延长(见下表)：

Claims (4)

1.一种板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统，包括：带加热的低位储槽(1)、输液泵(2)、带加热的高位槽(3)、电沉积槽(4)、低位断电槽(5)、循环泵(6)、电沉积药液和直流稳压稳流电源，其特征在于：所述低位储槽(1)的出液口和输液泵(2)的进液口相连，所述输液泵(2)的出液口分别连接电沉积槽(4)的进液口和高位槽(3)的进液口，高位槽(3)的回液口分别连接低位储槽(1)的进液口和接电沉积槽(4)的进液口，所述电沉积槽(4)的溢液口和低位断电槽(5)的进液口相连，所述低位断电槽(5)的出液口连接循环泵(6)的进液口，循环泵(6)的出液口连接高位槽(3)的进液口；所述电沉积槽(4)为复极式电沉积槽，包括槽体(4.1)，槽体(4.1)内设有用于卡设电极的卡位(4.2)，槽体(4.1)底部设有进水口及分布管、上部设有出水口；

所述电沉积药液的配方如下：硝酸铅110～150g/L、硝酸铜15～25g/L、硝酸锰30～50g/L、氟化钠1.0～1.5g/L、硝酸铋0.5～1.0mmol/L、硝酸3ml/L，稀土元素：镧、铈、钕、铕各1～10mmol/L。

2.根据权利要求1所述的板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统，其特征在于：所述电沉积药液的在所述板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统中的工作温度为50～60℃。

3.根据权利要求1所述的板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统，其特征在于：所述板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统中各设备依靠连通管道(7)连接，且连通管道(7)、低位储槽(1)、高位槽(3)、电沉积槽(4)和低位断电槽(5)采用聚丙烯、聚乙烯或聚氯乙烯制作。

4.根据权利要求1所述的板状金属氧化物电极复极式电沉积循环系统，其特征在于：所述输液泵(2)和循环泵(6)为聚丙烯磁力驱动泵或防腐蚀磁力驱动泵。