CN104192950B - 一种连续进水式固态电解质电解槽阴极系统 - Google Patents
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Abstract
电化学高级氧化是处理难生物降解有机废水的有效方法。然而，较高能耗一致是困扰电氧化技术应用于废水处理的瓶颈。本发明提供一种基于固态聚合物电解质(SPE)“零间距”电解槽的阴极材料与运行方式的改进设计，与解决阴极产碱而导致的结垢堵塞问题。同时，通过采用Ni基材替换Pt，解决阴极材料的高成本，最终获得一种低能耗高效电化学氧化处理难降解有机废水的装置。本专利中所述一种连续进水式SPE电解槽阴极系统，包括离子交换膜和在所述离子交换膜两侧的阳极室和阴极室；所述阳极室包括阳极端板、多孔阳极支撑材料和阳极催化层；所述阴极室包括阴极端板和多孔阴极催化材料。
Description
技术领域
本发明涉及环境保护领域水处理工业技术领域，尤其是涉及一种连续进水式固态电解质电解槽阴极系统。
背景技术
许多工业废水可生化性差，此外包含大量氨、氰、酚类、吡啶、喹啉等众多无机及芳香族有毒有害物质，难于生化降解。电化学高级氧化是处理此类工业废水的有效方法，电化学氧化利用电极表面产生的自由基(如羟基自由基直接氧化)或生成的氧化剂(如次氯酸间接氧化)，可有效氧化降解水中有机污染物。此外，阴极可以在较低的电势下，在阴极发生电催化还原水中质子产氢。然而，较高能耗一致是困扰电氧化技术应用于废水处理的瓶颈，并且由于传统电解槽的开放式设计，阴极产氢无法有效的回收。加拿大研究人员采用基于固态聚合物电介质(SPE)改进设计的电解池有效减小了电极间距并降低能耗，规避了向原水添加支持电解质的成本增加问题，并利用质子交换膜阻隔阴阳极室，有效分离了阳极产氯气与阴极所产氢气(WO2012/167375)。然而，该发明中阴极采用含Pt/C的阴极催化层大大提高电解槽成本。由于质子交换膜无法避免阳离子从阳极向阴极的渗透，因此，阴极在发生质子还原产氢的同时，有大量的OH－离子与Na+、Mg2+、Ca2+等阳离子结合生成碱(反应式)。因此，利用非液体阴极设计不可避免在阴极发生碱性沉淀物结垢(如Ca(OH)2、Mg(OH)2、NaOH等)，长时间运行必然带来阴极气体扩散层的堵塞与阴极极化的增加，使能耗增加并降低阴极寿命。因此，亟需对SPE“零间距”电解槽的阴极结构、电极材料等方面以及操作方式进行改进。
发明内容
本发明的目的在于设计一种新型的连续进水式固态电解质电解槽阴极系统，解决上述问题。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种连续进水式SPE电解槽阴极系统，包括离子交换膜和在所述离子交换膜两侧的阳极室和阴极室；
所述阳极室包括阳极端板、多孔阳极支撑材料和阳极催化层，所述阳极端板上面向所述离子交换膜的一侧设有阳极流场槽，所述阳极流场槽的进水端设有阳极进水口，所述阳极流场槽的出水端设有阳极出水口；所述阳极催化层和所述多孔阳极支撑材料密封设置在所述阳极端板与所述离子交换膜之间；所述阳极催化层位于所述离子交换膜与所述多孔阳极支撑材料之间，并且紧贴在所述多孔阳极支撑材料上；所述多孔阳极支撑材料上设有阳极集流体，所述阳极集流体密封伸出所述阳极端板与所述离子交换膜之外；
所述阴极室包括阴极端板和多孔阴极催化材料，所述阴极端板上面向所述离子交换膜的一侧设有阴极流场槽，所述阴极流场槽的进水端设有阴极进水口，所述阴极流场槽的出水端设有阴极出水口；所述多孔阴极催化材料密封设置在所述阴极端板与所述离子交换膜之间；所述多孔阴极催化材料上设有阴极集流体，所述阴极集流体密封伸出所述阴极端板与所述离子交换膜之外；所述离子交换膜材料为阳离子交换膜。
所述多孔阳极支撑材料为耐腐蚀的目数为50-400目的金属丝编制网，或者为耐腐蚀的孔隙率>40％，孔径>1微米的多孔金属板，或者为耐腐蚀的孔径>1×2毫米的冲孔金属网；
所述阳极催化层为RuO2-TiO2，PbO2，SnO2-Sb2O3，Nb2O5-SnO2，SnO2-In2O3，IrO2-Ta2O5，或者稀土金属氧化物/Sb2O5-SnO2中的一种或者多种的混合物；
所述耐腐蚀的金属丝包括钨丝、钛丝、钼丝或铌丝。
所述耐腐蚀的金属丝编制网为厚度为300微米-2000微米的钛网；或者所述耐腐蚀的多孔金属板为多孔钛板，所述多孔钛板的厚度为500微米-3000微米，孔隙率大于40％；所述冲孔金属网为冲孔钛金属网，孔径大于1×2毫米，厚度1-2毫米。
所述阴极端板为镍或不锈钢镀镍制成；
所述阴极流场槽设计与所述阳极流场槽一致，为横向或纵向蛇形、梳裝凹槽排布，槽宽1-3毫米，槽深0.5-2.0毫米，两条或三条流道槽并行设置，流场槽道从进水口开始至出水口结束；
所述多孔阴极催化材料为适用于碱性水电解槽中的析氢阴极电催化材料。
所述析氢阴极电催化材料包括Ni，RaneyNi，Ni-S，Ni-Mo，或者Ni-Mo-S。
所述阴极室与所述阳极室紧密相连，仅由所述离子交换膜阻隔分开，所述离子交换膜材料的厚度为50微米-150微米
所述离子交换膜材料为阳离子交换膜或者阴离子交换膜。
还包括硅密封圈，所述阳极端板与所述离子交换膜之间通过所述硅胶密封圈密封，所述阴极端板与所述离子交换膜之间也通过所述硅胶密封圈密封。
本发明所谓的SPE，即solidpolymerelectrolyte,固态聚合物电解质。本发明目的是提供一种基于固态电解质“零间距”电解槽的阴极材料与运行方式的改进设计，解决高成本阴极材料的替换与阴极产碱而导致的结垢堵塞问题，最终获得一种低能耗高效电化学氧化处理难降解有机废水的装置。
本发明的有益效果可以总结如下：
本发明中采用Ni网代替了SPE电解槽中阴极的Pt等贵金属催化剂，以Ti基端板代替石墨端板等，可大幅降低污水处理装置的成本。
附图说明
图1为本发明SPE电氧化系统主视方向的结构示意图
图2为本发明SPE电氧化系统的展开图。
其中：1.阳极端板1，2.阳极流场槽2；3.硅胶密封圈3；4.多孔阳极支撑材料4；5.阳极催化层5；6.阳极集流体6；7.离子交换膜7；8.阴极集流体8；9.多孔阴极催化材料9；10.阴极流场槽10；11.阴极端板11；101.阳极进水口101(废水)；102.阳极出水口102(处理水)；201.阴极进水口201(自来水)；202.阴极出水口202。
具体实施方式
为了使本发明所解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1和图2所示的一种连续进水式固态电解质电解槽阴极系统，包括离子交换膜7和在所述离子交换膜7两侧的阳极室和阴极室；所述阳极室包括阳极端板1、多孔阳极支撑材料4和阳极催化层5，所述阳极端板1上面向所述离子交换膜7的一侧设有阳极流场槽2，所述阳极流场槽2的进水端设有阳极进水口101，所述阳极流场槽2的出水端设有阳极出水口102；所述阳极催化层5和所述多孔阳极支撑材料4密封设置在所述阳极端板1与所述离子交换膜7之间；所述阳极催化层5位于所述离子交换膜7与所述多孔阳极支撑材料4之间，并且紧贴在所述多孔阳极支撑材料4上；所述多孔阳极支撑材料4上设有阳极集流体6，所述阳极集流体6密封伸出所述阳极端板1与所述离子交换膜7之外；所述阴极室包括阴极端板11和多孔阴极催化材料9，所述阴极端板11上面向所述离子交换膜7的一侧设有阴极流场槽10，所述阴极流场槽10的进水端设有阴极进水口201，所述阴极流场槽10的出水端设有阴极出水口202；所述多孔阴极催化材料9密封设置在所述阴极端板11与所述离子交换膜7之间；所述多孔阴极催化材料9上设有阴极集流体8，所述阴极集流体8密封伸出所述阴极端板11与所述离子交换膜7之外。
在更加优选的实施例中，所述多孔阳支撑材料为耐腐蚀的金属丝编制网，其目数为50-400目，金属丝的直径为10-500微米，金属丝网的厚度为100微米-1000微米；所述阳极催化层5为RuO2-TiO2，PbO2，SnO2-Sb2O3，Nb2O5-SnO2，SnO2-In2O3，IrO2-Ta2O5，或者稀土金属氧化物/Sb2O5-SnO2中的一种或者多种的混合物；
在更加优选的实施例中，所述耐腐蚀的金属丝包括钨丝、钛丝、钼丝或铌丝。
在更加优选的实施例中，所述耐腐蚀多孔金属为多孔钛板，孔隙率>40％，孔径>1微米。
在更加优选的实施例中，所述阴极端板11为镍或不锈钢镀镍制成；所述阴极流场槽10设计与所述阳极流场槽2一致，为横向或纵向蛇形、梳裝凹槽排布，槽宽1-3毫米，槽深0.5-2.0毫米，两条或三条流道槽并行设置，流场槽道从进水口开始至出水口结束；所述多孔阴极催化材料9为适用于碱性水电解槽中的析氢阴极电催化材料。
在更加优选的实施例中，所述析氢阴极电催化材料包括Ni，RaneyNi，Ni-S，Ni-Mo，或者Ni-Mo-S。
在更加优选的实施例中，所述阴极室与所述阳极室紧密相连，仅由所述离子交换膜7阻隔分开，所述离子交换膜7材料的厚度为50微米-150微米
在更加优选的实施例中，所述离子交换膜7材料为阳离子交换膜7或者阴离子交换膜7。
在更加优选的实施例中，所述连续进水式固态电解质电解槽阴极系统还包括硅密封圈，所述阳极端板1与所述离子交换膜7之间通过所述硅胶密封圈3密封，所述阴极端板11与所述离子交换膜7之间也通过所述硅胶密封圈3密封。
在某个具体的实施例中：
(1)本发明中，阳极室由阳极端板1、阳极流场槽10、硅胶密封圈3、阳极集流体6、多孔阳极支撑材料4、阳极催化层5组成，其中多孔阳支撑材料为钨丝、钛丝、钼丝、铌丝等耐腐蚀的金属丝编制网，其目数为50-400目，金属丝的直径为10-500微米，金属丝网的厚度为100微米-1000微米；如用泡沫钛网作为阳极支持材料，其厚度约为300微米-2000微米；如用多孔钛板做支持材料，多孔金属板(孔隙率>40％，孔径>1微米)；如用冲孔金属网做支撑材料，其孔径>1×2毫米；阳极催化层5为RuO2-TiO2，PbO2，SnO2-Sb2O3，Nb2O5-SnO2，SnO2-In2O3，IrO2-Ta2O5，或者稀土金属氧化物/Sb2O5-SnO2中的一种或者多种的混合物。
(2)本发明中，阴极由阴极端板11、阴极流场槽10、硅胶密封圈3、多孔阴极催化材料9，阴极集流体8五部分组成；阴极端板11为镍或不锈钢镀镍等材料制成，阴极流场10设计与阳极流场一致，为横向或纵向蛇形凹槽排布，槽宽2-5毫米，槽深1-3毫米，流场槽道从进水口开始至出水口结束；多孔阴极催化材料9为适用于碱性水电解槽中的析氢阴极电催化材料，如Ni，RaneyNi，Ni-S，Ni-Mo，Ni-Mo-S等；
(3)本发明“零间距”电解槽的阴极室与阳极室紧密相连，仅由离子交换膜7阻隔分开，所用的离子交换膜7材料为阳离子交换膜7(如Nafion膜)或者阴离子交换膜7，膜的厚度为50-150微米(μm)；“零间距”电解槽上所施加工作电压为2-4伏特，电解槽工作电流密度为1-20毫安/平方厘米；
(4)本发明中SPE电解槽阳极、阴极板上各有一个进水口，进水口在极板底部与流场始端相连；SPE电解槽阳极、阴极各有一个出水口，出水口设在极板上部侧面，与流场末端相连。
本发明中采用Ni网代替了SPE电解槽中阴极的Pt等贵金属催化剂，以Ti基端板代替石墨端板等，可大幅降低污水处理装置的成本。
以上通过具体的和优选的实施例详细的描述了本发明，但本领域技术人员应该明白，本发明并不局限于以上所述实施例，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (1)
1.一种连续进水式SPE电解槽阴极系统，其特征在于：包括离子交换膜和在所述离子交换膜两侧的阳极室和阴极室；
所述阳极室包括阳极端板、多孔阳极支撑材料和阳极催化层，所述阳极端板上面向所述离子交换膜的一侧设有阳极流场槽，所述阳极流场槽的进水端设有阳极进水口，所述阳极流场槽的出水端设有阳极出水口；所述阳极催化层和所述多孔阳极支撑材料密封设置在所述阳极端板与所述离子交换膜之间；所述阳极催化层位于所述离子交换膜与所述多孔阳极支撑材料之间，并且紧贴在所述多孔阳极支撑材料上；所述多孔阳极支撑材料上设有阳极集流体，所述阳极集流体密封伸出所述阳极端板与所述离子交换膜之外；
所述阴极室包括阴极端板和多孔阴极催化材料，所述阴极端板上面向所述离子交换膜的一侧设有阴极流场槽，所述阴极流场槽的进水端设有阴极进水口，所述阴极流场槽的出水端设有阴极出水口；所述多孔阴极催化材料密封设置在所述阴极端板与所述离子交换膜之间；所述多孔阴极催化材料上设有阴极集流体，所述阴极集流体密封伸出所述阴极端板与所述离子交换膜之外；所述多孔阳极支撑材料为耐腐蚀的目数为50-400目的金属丝编制网，或者为耐腐蚀的孔隙率>40％，孔径>1微米的多孔金属板，或者为耐腐蚀的孔径>1×2毫米的冲孔金属网；
所述阳极催化层为RuO2-TiO2，PbO2，SnO2-Sb2O3，Nb2O5-SnO2，SnO2-In2O3，IrO2-Ta2O5，或者稀土金属氧化物掺杂Sb2O5-SnO2中的一种或者多种的混合物；
所述耐腐蚀的金属丝编制网为厚度为300微米-2000微米的钛网；或者所述耐腐蚀的多孔金属板为多孔钛板，所述多孔钛板的厚度为500微米-3000微米，孔隙率大于40％；所述冲孔金属网为冲孔钛金属网，孔径大于1×2毫米，厚度1-2毫米；所述阴极端板为镍或不锈钢镀镍制成；
所述阴极流场槽设计与所述阳极流场槽一致，为横向或纵向蛇形、梳装凹槽排布，槽宽1-3毫米，槽深0.5-2.0毫米，两条或三条流道槽并行设置，流场槽道从进水口开始至出水口结束；
所述多孔阴极催化材料为适用于碱性水电解槽中的析氢阴极电催化材料；所述析氢阴极电催化材料包括Ni，RaneyNi，Ni-S，Ni-Mo，或者Ni-Mo-S；
所述阴极室与所述阳极室紧密相连，仅由所述离子交换膜阻隔分开，所述离子交换膜的厚度为50微米-150微米；
所述离子交换膜为阳离子交换膜或者阴离子交换膜；
所述系统还包括硅胶密封圈，所述阳极端板与所述离子交换膜之间通过所述硅胶密封圈密封，所述阴极端板与所述离子交换膜之间也通过所述硅胶密封圈密封。
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