CN108483584B - 一种电催化反应装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种电催化反应装置，包括一电催化本体，包括从上之下依次叠加而成的阳极催化层、介质层和阴极层；和一电解槽，水平方向两端分别设有一进料口和一出料口；电催化本体沿水平方向呈蛇形折叠而形成多层结构后置于电解槽中，并浸没于连续从进料口流入且从出料口流出的含有污染物的电解质溶液中进行电催化反应，上述多层结构中的相邻二层之间具有间隙。本发明的电催化反应装置对处理场地适应性强，可通过调节阴阳极板及介质材料的尺寸进行不同场地的适应，为电催化氧化技术的实际应用提供了重要技术手段。
Description
技术领域
本发明属于电催化技术领域，具体涉及一种电催化反应装置。
背景技术
电化学催化技术作为一种高级氧化技术，早已被许多研究证实其对于水中有机污染物具有高效的降解作用，相对于传统的物化、生化等污水处理技术与方法，电催化氧化技术具有处理效率高、无二次污染、设施占地面积小、参数可控性强等优势。虽然电催化氧化优点多，但长期以来，由于工艺降解有机物的电流效率低，能耗高，同时缺乏适当的电极材料，难以实现工业化。在电催化氧化技术中，电极板面积与阴阳阳极催化层和阴极层的间距是影响电催化效率的关键因素。其中，在二维电极中，扩大电极表面积是增加电解反应速度，提高电解效率的一种极为有效的方法，其在废水的电解处理当中，能够最大限度地提高电解反应速度，增大单位电解槽的反应量；而电阳极催化层和阴极层的间距的增大或减小，会导致反应体系的电阻也随之增大或减小，电阻的变化又引起输入能量(槽电压)的变化，阳极催化层和阴极层的间距大，槽电压增高，耗电量大，反之，耗电量小。
进行合理的反应器设计能够改善现有电催化反应效率低、能耗高的问题，进而提升其实际应用的可行性。就扩大电极表面积而言，传统的贵金属电极板具有费用高，延展性差等问题，难以适应不同形状的反应器需求。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术缺陷，提供一种电催化反应装置。
本发明的技术方案如下：
一种电催化反应装置，包括
一电催化本体，包括从上之下依次叠加而成的石墨烯材质的阳极催化层、多孔无纺布材质的介质层和碳布材质的阴极层；
和一电解槽，为玻璃材质，水平方向两端分别设有一进料口和一出料口；
电催化本体沿水平方向呈蛇形折叠而形成多层结构后置于电解槽中，并浸没于连续从进料口流入且从出料口流出的含有污染物的电解质溶液中进行电催化反应，上述多层结构中的相邻二层之间具有间隙。
在本发明的一个优选实施方案中，所述介质层的厚度为1～5mm。
进一步优选的，所述介质层的厚度为2～3mm。
在本发明的一个优选实施方案中，所述多层结构的层数为2～12。
进一步优选的，所述多层结构的层数为4～6。
在本发明的一个优选实施方案中，所述电解槽的形状为长方体。
本发明的有益效果是：
1、本发明的电催化反应装置对处理场地适应性强，可通过调节阴阳极板及介质材料的尺寸进行不同场地的适应，为电催化氧化技术的实际应用提供了重要技术手段。
2、本发明的电催化反应装置在常温常压条件下，可通过调节介质层厚度进行阴阳阳极催化层和阴极层的间距调控，通过改变三明治状结构堆叠层数进行污水在反应器的停留时间及通过的电催化反应单元个数调控，从而改善电催化反应效率。
3、本发明可满足反应器在经济成本及实际应用方面的多方位需求，无论在科学研究还是电催化产业应用方面均具有广阔前景。
附图说明
图1为本发明的电催化反应装置的结构示意图之一。
图2为本发明的电催化反应装置的结构示意图之二。
图3为本发明实施例2的实验结果图。
图4为本发明实施例3的实验结果图。
具体实施方式
以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。
实施例1
如图1和图2所示，一种电催化反应装置，包括一电催化本体1和一电解槽2。
电催化本体1，包括从上之下依次叠加而成的石墨烯材质的阳极催化层11、多孔无纺布材质的介质层12和碳布材质的阴极层13，介质层12的厚度为1～5mm，优选为2～3mm；
电解槽2，为玻璃材质的长方体，水平方向两端分别设有一进料口21和一出料口22；
电催化本体1沿水平方向呈蛇形折叠而形成5层的多层结构后置于电解槽2中，并浸没于连续从进料口21流入且从出料口22流出的含有污染物的电解质溶液中进行电催化反应，上述多层结构中的相邻二层之间具有间隙。
其制作方法如下：
(1)剪裁阳极催化层11、介质层12与阴极层13：将石墨烯复合材料粘附在碳布上作为阳极催化层11，以碳布作为阴极层13，多孔无纺布作为介质层12，阴阳极尺寸为20cm×100cm，介质层12尺寸为20cm×100cm，厚度1-5mm。
(2)将阳极催化层11、介质层12与阴极层13依次堆叠得到三明治结构；
(3)将上述三明治结构沿水平方向呈蛇形折叠而形成5层的多层结构，置入电解槽2(长方形250mL玻璃容器)中进行电催化氧化实验，在电解过程中，实验电流设置为200mA，由p12阳极极化装置(OuYa中兴技术)进行控制。
(4)将污染物的电解质溶液以连续流的方式重复通过多层电催化反应单元达成降解。
实施例2
利用实施例1制得的电催化反应装置在室温下，将10ppm的扑热息痛溶液作为目标污染物。污染物以50mL/min的速度进样，按每5-10min一次的取样间隔在出料口22进行取样，每次取样体积约2.5mL。再利用高效液相色谱(HPLC，Waters 2695)对水样中残留的扑热息痛的浓度进行测量，平均每组实验的时间跨度为100min左右。
电催化反应装置的三维结构如图1所示。反应器在连续流条件下电催化活性测试结果如图3所示，由图3可以看出，随着阳极催化层11和阴极层13的间距的减小，对扑热息痛的去除效率呈上升趋势。但是，当阳极催化层11和阴极层13的间距减小到2.0cm时，随着反应时间的延长，副反应能耗加大，出水水温增高；再者，随着阳极催化层11和阴极层13的间距的减小，耗电量急速增加。研究显示，当阳极催化层11和阴极层13的间距5mm减小到3mm时，扑热息痛在30min的去除率为90％，进一步减小阳极催化层11和阴极层13的间距至2mm时，扑热息痛在30min的去除率为95％。这一现象是由于阳极催化层11和阴极层13的间距增大导致两极板间的电阻增大，电流效率降低，去除率下降。反之，阳极催化层11和阴极层13的间距减小导致两极板间的电阻减小，电流效率升高，去除率上升。
实施例3
利用实施例1制得的电催化反应装置在室温下，将10ppm的扑热息痛溶液作为目标污染物。污染物以50mL/min的速度进样，按每5-10min一次的取样间隔在出料口22进行取样，每次取样体积约2.5mL。再利用紫外-可见分光光度计(UV-VIS，U-3900，日本Hitachi公司)于600nm处对水样中残留的RBk5染料的浓度进行测量，平均每组实验的时间跨度为100min左右。
上述电催化反应装置电催化染料活性测试结果如图4所示，由图4可以看出，电催化反应装置对于RBk5染料有非常良好的催化活性，在阳极催化层11和阴极层13的间距条件下，对于染料的催化降解效率在30min内均可以达到85％以上。其中阳极催化层11和阴极层13的间距为2mm时，体系有较高的降解效率，仅20min就可将染料色度全部去除。随着阳极催化层11和阴极层13的间距增加，降解效率缓慢降低，当阳极催化层11和阴极层13的间距为3、4、5mm时，反应到30min的去除率分别为92.50％、86.80％、85.83％。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。
Claims (3)
1.一种电催化反应装置，其特征在于：包括
一电催化本体，包括从上至下依次叠加而成的石墨烯材质的阳极催化层、多孔无纺布材质的介质层和碳布材质的阴极层；
和一电解槽，为玻璃材质，水平方向两端分别设有一进料口和一出料口；
电催化本体沿水平方向呈蛇形折叠而形成多层结构后置于电解槽中，并浸没于连续从进料口流入且从出料口流出的含有污染物的电解质溶液中进行电催化反应，上述多层结构中的相邻二层之间具有间隙；介质层的厚度为1~5mm，多层结构的层数为2~12，电解槽的形状为长方体。
2.如权利要求1所述的一种电催化反应装置，其特征在于：所述介质层的厚度为2~3mm。
3.如权利要求1所述的一种电催化反应装置，其特征在于：所述多层结构的层数为4~6。
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