CN109704442B - 一种用于海水酸化装置的电极板结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于海水酸化装置的电极板结构。该电极板由中间分水流场，流体进出通道口，密封凹槽等组成，装入酸化装置中，在电极板上加载电流，能使水电解，阳极析氧，阴极析氢，在电场作用下，产生的H+进入到海水中，使海水pH降低，该电极板结构简单，可使流体流动均匀、通畅。

Description

一种用于海水酸化装置的电极板结构
技术领域
本发明涉及水电解，具体是涉及一种基于水电解技术的用于海水酸化装置的电极板结构。
背景技术
随着经济的发展，越来越多的气体被排放到大气中，尤其是二氧化碳的增加导致全球气候变暖，引发了一系列问题，寻找减少在大气中二氧化碳含量的解决方案，已经引起了人们在技术发展上的广泛研究。
在整个环境中，大气中的二氧化碳与海洋是始终平衡的。全世界海水中碳元素的总含量高达38000千亿吨，大约2-3％是以二氧化碳气体溶解的形式存在，剩下的97-98％是以碳酸氢盐和碳酸盐的化合状态存在。根据目前世界海洋的体积估算，海洋碳源是约为大气碳源的175多倍，当按照质量与体积比时，海洋中二氧化碳浓度(100mg/L)约为大气中浓度(0.77mg/L)的140倍。海水中溶解的HCO3 -与CO3 2-决定了深度为100米以上的海水pH值，与CO2存在着如下的平衡：
[CO2]T＝[CO2(g)]+[HCO3 -]+[CO3 2-]
因此，高效节能利用海水中高浓度的CO2对于环境的保护具有深远意义：首先，去除海水中的CO2可以间接的影响大气中的二氧化碳含量，其次，产生的新海水介质将能够从大气中吸收更多的二氧化碳，而不会影响海洋的酸碱性，再者，从海水中吸取CO2比传统碱液吸收的能耗更低，可以直接应用于生物固碳、低温固化等领域。目前，去除海水(或水)中溶解的CO2的主要方法有：电化学法、加热/减压法、化学沉淀法、鼓泡法、阴离子交换膜法等。其中电化学法具有效率高，残留率低等优点成为研究热点。
2014年，Heather D.Willauer等人利用电解阳离子交换模块【ElectrolyticCation Exchange Module(E-CEM)】将海水酸化，并从酸化海水中去除CO2。该模块装置中包含中间离子交换组件、电极组件(分为阳极和阴极组件)和将这三部分分隔开的阳离子交换膜。该装置在海水流量为114L/h，工作电流为30A条件下，耗时20分钟，海水pH降低为4。2011年，Heather D.Willauer等人利用连续电极除盐技术(CEDI)，来酸化海水，使用的装置与14年的E-CEM类似，该装置在海水流量为51.6L/h，工作电流为1.5A条件下，耗时120分钟，海水pH降低为4.05。
通过优化海水酸化装置使用的电极板结构，得到流体流动均匀、通畅的电极板，并缩短海水酸化时间。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可以将水电解，使流体流动均匀、通畅的电极板，组装在海水酸化装置中，在电极板上加载电流时，可以在短时间内，使通入装置的海水pH降低到4及以下。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于海水酸化装置的电极板为长方形金属平板状结构，于平板一侧表面中部设有中间分水流场，于平板的两端设有一对通孔，作为流体的进出口通道，于平板一侧表面中部设有中间分水流场，于平板的左右两侧边缘分别各设有两个通孔，三组通孔构成三种流体的三对流体进出口通道，于分水流场与其中一对流体进出口通道之间的平板表面设有导流槽，导流槽将中间分水流场与流体进出口通道连接，极板表面附有高导电耐腐蚀材料层。
中间分水流场为从左至右的连续条状直流道、弧线形流道或浮点形式流场，三对流体进出口通道中一对的两个通孔分别设置于电极板的左右两端边缘处，第二对的两个通孔分别设置于电极板的左侧上边缘处和对角线处的右侧下边缘处，第三对的两个通孔分别设置于电极板的左侧下边缘处和对角线处的右侧上边缘处。
电极板表面设有凹槽，于第一对流体进出口通道、导流槽和分水流场外部四周的平板表面设有环形密封凹槽，同时于第二、第三对流体进出口通道外部四周的平板表面分别设有环形密封凹槽，采用线密封或面密封方式实现密封，防止液体泄漏和窜液。
附图说明
图1电极板结构示意图；
图2实施例1中海水pH值与时间的关系曲线；
图3实施例2中海水pH值与时间的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
将两块电极板及海水腔板通过离子交换膜间隔顺序层叠，三块板上的三对流体进出口通道分别作为海水进出口通道、去离子水进出口通道、软化水进出口通道，一端的电极板为去离子水流通板，中间腔板为海水流通板，另一端的电极板为软化水流通板，于三块板的流场中分别通入去离子水、海水、软化水，在去离子水流通板和软化水流通板上加载直流电流，能使水电解，阳极析氧，阴极析氢，在电场作用下，产生的H+进入到海水中，使海水pH降低，该电极板结构简单，可使流体流动均匀、通畅。
本实施例中所用电极板材质为钛金属，图1为电极板结构示意图。图中1、2、3分别为海水进出口通道、去离子水进出口通道、软化水进出口通道，软化水为通过离子交换树脂去除了海水中金属离子的液体。该电极板是用来流通去离子水，电极板表面设有分水流场6(本实施中流场为平行流场)，去离子水通过水泵输送到去离子水进出口通道2中的去离子水进口通道中，经过导流槽4进入分水流场6中均匀分布，其中海水通过海水进出口通道1进出与该电极板平行的另一电极板表面腔体，软化水进出口通道3是软化水进出另一侧电极板表面腔体的通道，即三种流体通过三个通道流入的腔体是按照去离子水、海水和软化水顺序平行叠加的。在去离子水和软化水流经的两个电极板上加载直流电后，电极板流场中产生气体，出口以气液混合物形式，通过去离子水进出口通道2中的去离子水出口通道排出。每个电极板表面设有密封胶线槽5，放置密封件，用于电极板与其前后部件的密封，防止液体泄漏。
实施例1：
在本实例中，将该电极板组装到海水酸化装置中，电极板长度为366mm，宽度150mm，厚度为1mm，流道深度为0.4mm，配制海盐(BLUE DIAMOND CORAL SALT)浓度为35g/L的海水2L，并使配制的该溶液中NaHCO3终浓度为0.00115mol/L，海水pH约为8.17，在装置极板上加载直流电，进行2L海水的酸化实验，在海水流量为60L/h，操作电流为4A，海水经过8分钟循环，可以将海水pH降低到3.11。
实施例2：
在本实例中，将该电极板组装到海水酸化装置中，电极板长度为366mm，宽度150mm，厚度为1mm，流道深度为0.4mm，配制海盐(BLUE DIAMOND CORAL SALT)浓度为35g/L的海水3L，并使配制的该溶液中NaHCO3浓度为0.00115mol/L，海水pH约为8.17，在装置极板上加载直流电，进行3L海水的酸化实验，在海水流量为36L/h，操作电流为8A，海水通过一次性酸化，经过1.5分钟，可以将海水pH降低到4.3，经过5分钟，海水pH变为2.44。

Claims (7)

1.一种用于海水酸化装置的电极板结构，其特征在于：
所述电极板为长方形平板状结构，于平板一侧表面中部设有中间分水流场，于平板的两端设有一对通孔，作为流体的进出口通道，于平板的左右两侧边缘分别各设有两个通孔，左侧的一个通孔与右侧的一个通孔为一组，分别作为一种流体的进出口通道，三组通孔构成三种流体的三对流体进出口通道；
于中间分水流场与其中一对流体进出口通道之间的平板表面设有导流槽，导流槽将中间分水流场与流体进出口通道连接，流体可从此对流体进出口通道中的流体进口通道经导流槽流经中间分水流场后再经导流槽进入此对流体进出口通道中的流体出口通道；
于电极板表面附有高导电耐腐蚀材料层；
所述的中间分水流场为从左至右的连续平行流场或浮点形式流场，构成连续平行流场的平行流道为以下两种结构中的一种或两种组合：一种结构为条状直流道，另一种结构为弧线形或“S”形流道；浮点形式流场为极板表面设有凹槽、而于凹槽底部均匀排布有与凹槽深度相同高度的凸起，凹槽内凸起间的空隙即作为流场的流道；
所述的连续平行流场流道的垂直于流体流动方向的横截面形状是矩形、正方形、半圆形或梯形；浮点形式流场由极板表面凹槽底面上均匀排布的凸起构成，凸起形状为矩形和/或圆形。
2.按照权利要求1所述的一种用于海水酸化装置的电极板结构，其特征在于：
所述的电极板为表面附有高导电耐腐蚀材料层的金属板，材质为钛或不锈钢，高导电耐腐蚀材料层材质为Pt、Ru或Ir的一种或二种以上组合，涂层厚度1-5μm。
3.按照权利要求1所述的一种用于海水酸化装置的电极板结构，其特征在于：
所述的电极板厚度为1-1.5mm，分水流场中流道深度为0.2mm-0.6mm，流道宽度为1-2mm。
4.按照权利要求1所述的一种用于海水酸化装置的电极板结构，其特征在于：
三对流体进出口通道中一对的两个通孔分别设置于电极板的左右两端边缘处；第二对的两个通孔分别设置于电极板的左侧上边缘处和对角线处的右侧下边缘处；第三对的两个通孔分别设置于电极板的左侧下边缘处和对角线处的右侧上边缘处。
5.按照权利要求1所述的一种用于海水酸化装置的电极板结构，其特征在于：
于分水流场与其中第一对流体进出口通道之间的平板表面设有导流槽，于第一对流体进出口通道、导流槽和分水流场外部四周的平板表面设有环形密封凹槽，第一对流体进出口通道、导流槽和分水流场位于密封凹槽所围绕的环形区域内；
同时于第二、第三对流体进出口通道外部四周的平板表面分别设有环形密封凹槽，第二、第三对流体进出口通道分别位于各自密封凹槽所围绕的环形区域内。
6.按照权利要求5所述的一种用于海水酸化装置的电极板结构，其特征在于：
所述的电极板设有密封凹槽，凹槽深度为0.2-0.6mm，采用线密封或面密封方式实现密封，防止液体泄漏或窜液。
7.一种权利要求1-6任一所述的电极板结构在海水酸化装置中的应用，其特征在于：
将两块电极板及海水腔板通过离子交换膜间隔顺序层叠，三块板上的三对流体进出口通道分别作为海水进出口通道、去离子水进出口通道、软化水进出口通道，一端的电极板为去离子水流通板，中间腔板为海水流通板，另一端的电极板为软化水流通板，于三块板的流场中分别通入去离子水、海水、软化水，在去离子水流通板和软化水流通板上加载直流电流，构成海水酸化装置。
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