CN115558943A - 一种过氧化氢发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种过氧化氢发生装置，包括：依次叠置的阳极、质子交换膜和阴极；阳极端板，设于所述阳极一侧，所述阳极端板的侧面开设有第一供料口和第一出口且一侧表面上开设有槽状的第一流道，所述第一流道与所述阳极相连且所述第一流道的两端分别连接所述第一供料口和所述第一出口；阴极端板，设于所述阴极一侧，所述阴极端板的侧面开设有第二供料口和第二出口且一侧表面上开设有槽状的第二流道，所述第二流道与所述阴极相连且所述第二流道的两端分别连接所述第二供料口和所述第二出口。根据本发明实施例的过氧化氢发生装置，属于一般意义上的零极距反应器，阴极H₂O₂的产生速率和累积浓度高，且表观电流效率高。

Description

一种过氧化氢发生装置

技术领域

本发明涉及水体处理技术领域，具体涉及一种过氧化氢发生装置。

背景技术

H₂O₂是重要的工业品，可用于处理水体、漂白、脱色、除味和消毒等方面。当前工业上主要采用蒽醌法生产H₂O₂，这种方法工艺繁琐，价格昂贵，原料或溶剂有毒、催化剂成本高，危险性高。此外，由于高浓度H₂O₂潜在的安全隐患，因此通常零售的H₂O₂的浓度较低，大大提高了它们的运输成本。

另一方面，利用两电子路径的阴极氧还原反应可将O₂和水经一步电化学反应转化为过氧化氢，是一种简易、清洁的原位产生过氧化氢的方法，避免了蒽醌法的各种缺点。对两电子氧还原反应具有高催化活性和选择性的催化剂是当前研究的热点，但是受溶解氧传质的限制，目前最优催化剂的氧还原极限电流密度尚不能满足工业生产上的需求。针对于此，可以考虑采用气体扩散电极加强氧传质，获得所需的高电流密度。

然而，对于气体扩散电极，由于垫片和法兰的厚度较大，且还需要考虑电解液的流动通畅及均匀，因此极板间距通常较大(一般大于15mm)，造成其槽电压过大，进而导致较低的生成物产生速率和累积浓度、低的表观电流效率、高能耗、高水温和低电极寿命。

为此，亟需提供一种极板间距低、槽电压低的过氧化氢发生装置。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种过氧化氢发生装置，具有低的极板间距，从而能够有效降低槽电压，提高电流密度。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

根据本发明实施例的过氧化氢发生装置，包括：

依次叠置的阳极、质子交换膜和阴极；

阳极端板，所述阳极端板设于所述阳极一侧，所述阳极端板的侧面开设有第一供料口和第一出口，所述阳极端板的面向所述阳极一侧表面上开设有槽状的第一流道，所述第一流道与所述阳极相连且所述第一流道的两端分别连接所述第一供料口和所述第一出口；

阴极端板，所述阴极端板设于所述阴极一侧，所述阴极端板的侧面开设有第二供料口和第二出口，所述阴极端板的面向所述阴极一侧表面上开设有槽状的第二流道，所述第二流道与所述阴极相连且所述第二流道的两端分别连接所述第二供料口和所述第二出口。

进一步地，所述质子交换膜的厚度为150μm以下。

进一步地，所述第一流道、第二流道分别形成为蛇形流道，且所述蛇形流道所在区域分别与所述阳极、阴极相对应。

进一步地，所述阴极端板为石墨双极板，所述阳极端板为有机玻璃板。

进一步地，所述阴极包括：

基底层，所述基底层形成为多孔隙结构；

阴极活性层，所述阴极活性层吸附于所述基底层表面。

进一步地，所述基底层为泡沫镍材料制件，所述阴极活性层由含导电剂的阴极浆料喷涂在所述基体层上之后经烧结得到。

进一步地，所述阳极形成为网状，所述阳极包括基体层和覆盖在所述基体层表面的阳极活性层。

进一步地，所述阳极为析氧电极，所述阳极的基体层为钛基体，所述阳极活性层含有SnO₂、IrO₂、Ta₂O₅中的一种或多种。

进一步地，所述阳极为析氯电极，所述阳极的基体层为钛基体，所述阳极活性层含有钌钽混合物、氧化钴、或其混合物。

进一步地，过氧化氢发生装置还包括：

第一密封垫片，所述第一密封垫片设于所述阳极端板和所述质子交换膜之间，所述第一密封垫片上设有与所述阳极匹配的第一容纳槽，所述阳极设置在所述第一容纳槽内；

第二密封垫片，所述第二密封垫片设于所述阴极端板和所述质子交换膜之间，所述第二密封垫片上设有与所述阴极匹配的第二容纳槽，所述阴极设置在所述第二容纳槽内，

其中，所述阳极端板、所述第一密封垫片、所述质子交换膜、所述第二密封垫片、所述阴极端板通过螺丝可拆卸地连接。

本发明的上述技术方案至少具有如下有益效果之一：

1、根据本发明实施例的过氧化氢发生装置，在阴极和阳极之间只有一层质子交换膜，也就是说阴阳极的间距仅为一片质子交换膜的厚度，而该质子交换膜的厚度也就是阴阳电极之间的间距通常小于150μm，属于一般意义上的零极距反应器。在相同的电流密度和电解质浓度条件下，槽电压比传统的气体扩散电极装置小30％-70％左右，能耗也降低了30％-70％左右，水温降低5-25℃左右，阴极H2O2的产生速率和累积浓度提高10％-30％左右，表观电流效率提高10％-30％左右。而且，可以根据需要通过调节质子交换的厚度来调节极距。

2、由于质子交换膜充当了固体电解质，因此该装置的阴极部分无需可溶性的惰性电解质，而阳极部分的惰性电解质溶液亦无需消耗电解质，只需在运行一段时间后补充纯水，因此消耗性惰性电解质的成本完全降低至0元。

3、阴极端板设有第二流道，供液的同时将产生的气体输出，通过调节供液、供气速率，可以对其中的气液施加压力，流动速度快，能有效利用冲刷阴极表面，使得阴极表面新产生的H₂O₂快速脱离电极表面，电解液中H₂O₂扩散速度大大提高，更有利于H₂O₂的传质。

4、进一步地，通过采用石墨双极板作为阳极端板、阴极端板，具有一定的强度以避免由于组装所造成的变形、漏气、漏水的问题的同时，成本低，且可以实现轻量化。

附图说明

图1为根据一实施例的气体扩散电极的结构示意图，其中，(a)为爆炸图；(b)为组装图；

图2为根据本发明实施例的过氧化氢发生装置的爆炸图；

图3为图2所示的过氧化氢发生装置的组装图。

附图标记：

1.板状阳极；2.法兰；3.板状阴极；4.垫片；5.气室；

100.过氧化氢发生装置；110.阳极；120.质子交换膜；130.阴极；

140.阳极端板；

150.阴极端板；151.第二进液口；152.第二出口；

160.第一密封垫片；161.第一容纳槽；

170.第二密封垫片；171.第二容纳槽；

180.接线柱；190.温度传感器。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另作定义，本发明中使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。同样，“一个”或者“一”等类似词语也不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

下面，首先描述根据一实施例的气体扩散电极。

如图1所示，通常，气体扩散电极包括：板状阳极1、法兰2、板状阴极3、垫片4、以及气室5。

其中，板状阴极3和板状阳极1之间隔着法兰2和垫片4，而垫片4和法兰2的厚度较大，另外，由于需要考虑电解液的流动通畅及均匀性，通常在板状阳极1和法兰之间需要间隔有一定距离，这就导致了板状阴极3和板状阳极1的极距通常大于15mm，造成槽电压过大。

针对于此，本发明经过反复研究，提出了如图2-3所示的过氧化氢发生装置100。

下面，结合图2-3详细说明根据本发明实施例的过氧化氢发生装置100。

如图2所示，根据本发明实施例的过氧化氢发生装置100，包括：阳极110、质子交换膜120、阴极130，以及阳极端板140、阴极端板150。

其中，阳极110、质子交换膜120、以及阴极130依次叠置。也就是说，根据本发明实施例的过氧化氢发生装置100，在阳极110与阴极130之间只隔着薄薄的一层质子交换膜120，而质子交换膜的厚度(也就是阴阳电极之间的间距)通常小于150μm，换言之本发明的过氧化氢发生装置100属于一般意义上的零极距反应器，从而可以大大降低槽电压、提高生成物产生速率和累积浓度、提高表观电流效率、降低能耗、降低水温、提高电极寿命。

此外，阳极端板140设于阳极110一侧。阳极端板140的面向阳极110一侧表面上开设有槽状的第一流道(其所在区域如图2中虚线所示)且阳极端板140的其他侧表面(也就是说，除了面向阳极110一侧表面之外的任意一侧表面)开设有第一供料口和第一出口(未示出)。其中，第一流道与阳极110相连且第一流道的两端分别连接第一供料口和所述第一出口。

阴极端板150设于阴极130一侧。阴极端板150的面向阴极130一侧表面上开设有槽状的第二流道(其所在区域如图2中黑色区域)且阴极端板150的其他侧表面(也就是说，除了面向阴极130一侧表面之外的任意一侧表面。图2中示出了在侧面，但本发明不限于此)开设有第二供料口151和第二出口152。第二流道与阴极130相连且第二流道的两端分别连接第二供料口151和第二出口152。

首先，描述阳极110一侧反应。

根据本发明的上述过氧化氢发生装置100，可以通过第一供料口向第一流道内提供电解液，电解液通过第一流道与阳极110接触，在阳极110发生氧化反应，生成质子和氧气。阳极110的反应方程式可写为：2H₂O-4e^-＝4H⁺+O₂↑。

其中，氧气和液体通过第一出口流出，例如经过收集后提供给阴极130以发生还原反应。所产生的质子，通过质子交换膜交换到阴极130一侧，以发生还原反应生成过氧化氢。

接着，描述阴极130一侧反应。

根据本发明的上述过氧化氢发生装置100，通过第二供料口151向第二流道提供氧气和纯水(例如可以将氧气注入纯水中之后一起供入，也可以利用三通将氧气和纯水分别提供给第二供料口151)，由此氧气和纯水、以及电子首先在阴极130发生还原反应：3O₂+2H₂O+4e^-＝4HO₂ ^-；此后，所产生的HO₂ ^-与来自阳极侧穿过质子交换膜的质子H⁺发生反应：HO₂ ^-+H⁺＝H₂O₂，生成过氧化氢。阴极130所生成的过氧化氢随着阴极侧液体一起从第二出口152流出。

通过上述说明可知，在通过第二供料口151提供水、氧气等时，可以通过控制供料流速为第二流道中的气、液施加一定的压力，提高其流动速度，也就是说，通过调节供料速度，能够有效冲刷阴极130表面，使得阴极表面新产生的H₂O₂快速脱离电极表面，电解液中H₂O₂扩散速度大大提高，更有利于H₂O₂的传质。

此外，通过上述记载可知，质子交换膜120充当了固体电解质，因此本发明的过氧化氢发生装置110的阴极130无需使用可溶性的惰性电解质，而阳极110的惰性电解质溶液亦无需消耗电解质，只需在运行一段时间后补充纯水，因此不会消耗惰性电解质，省略了惰性电解质的使用成本。利用本发明的过氧化氢发生装置，使得电催化O₂还原产H₂O₂装置的能耗和电解质消耗成本大幅度降低，每万元成本的产值，从气体扩散电极装置的约2万元左右，上升至约4万元左右。

进一步地，质子交换膜120的厚度，例如可以设为150μm以下。关于质子交换膜120可以使用一般市售产品，可以根据需要选择相应厚度的质子交换膜120以实现相应的极距。另外，可以通过选择可改变质子交换膜120的品牌和型号来满足不同的机械强度、电化学性能要求。

进一步地，第一流道、第二流道例如可以分别形成为蛇形流道，且蛇形流道所在区域分别与阳极110、阴极130相对应。通过使得第一流道、第二流道形成为蛇形流道，可以使得电解液流畅分布均匀，且大大增加了电解液与阳极110的接触面积、以及纯水与阴极130的接触面积，有利于提高阴极H₂O₂的产生速率和累积浓度。

作为第一流道、第二流道，例如可以是开设在石墨板上的宽度为1mm左右，深度为1mm左右的蛇形的开口槽。也就是说，在石墨板表面形成沟脊结构，沟内流通气、液，而脊部分别接触相应的阳极或阴极。

进一步地，阴极端板150可以为石墨双极板，阳极端板140为有机玻璃板。石墨，具有导电性的同时，还具有材质轻、不会发生塑性变形等优点。而阳极端板140的有机玻璃板，同样具有材质轻、不会发生塑性变形等优点。也就是说，在阳极端板140、阳极110、质子交换膜120、阴极130、阴极端板150组装在一起时，不会发生变形，而且成本低廉，在其上开设槽状的流道时也易于加工。

进一步地，阴极130包括：基底层和阴极活性层。

其中，基底层形成为多孔隙结构。阴极活性层吸附于基底层表面。阴极130侧所产生的过氧化氢，化学活性高且不稳定，如果不能及时被从阴极130带走，则有可能进一步被还原成水。通过使用多孔隙结构的阴极130，能够降低表面吸附能，能够使得所产生的过氧化氢顺利且迅速的脱离阴极130表面，一方面有利于提高所产出的过氧化氢的浓度，另一方面使得制备效率增加。

例如，基底层可以采用泡沫镍材料制件。该材料在孔隙率高、同时具有适当的强度、且价格低廉易得。

进一步地，阴极活性层例如可以由含导电剂的阴极浆料喷涂在所述基体层上之后经烧结得到。也就是说，首先配置含导电剂以及阴极活性物质的阴极浆料，此后通过喷涂法将其喷涂在基底层上，此后进行干燥、烧结，即可得到具有一定强度的阴极活性层。

例如，将导电炭黑或改性导电炭黑、PTFE乳液和酒精以一定比例混溶，充分摇匀后，喷涂于泡沫镍材料(多孔的基材)上，然后放置在马弗炉中烧结，得到包括基底层和阴极活性层的阴极130。

关于阴极活性层的具体的制备方法，不受上述限制，也可以采用常规的制备方法制备得到。

进一步地，阳极110，例如可以形成为网状，且阳极110同样地可以包括基体层和覆盖在基体层表面的阳极活性层。参考上述可知，通过形成网状结构的阳极110，同样地有利于使得所产生的氧气迅速脱离阳极110，由于提高制备效率。

其中，阳极110例如可以使用市售的析氧电极或析氯电极，例如可以使用DSA电极。

其中，作为析氧电极，阳极的基体层例如为钛基体，阳极活性层例如可以含有SnO₂、IrO₂、Ta₂O₅中的一种或多种。上述阳极活性层可以在一定程度上提高阳极的效率、降低阳极过电位。

在阳极110为析氧电极的情况下，通过第一供料口提供的电解液中所溶解的惰性电解质例如可以为碱性、酸性、或中性的惰性电解质，具体而言，例如可以使用KOH、H₂SO₄、Na₂SO₄等。如上述说明可知，根据本发明的过氧化氢发生装置，其中阳极的惰性电解质可以实现零损耗，除了初期投入之外，在使用一段时间后只需补充纯水即可。

作为析氯电极，阳极的基体层例如可以为钛基体，阳极活性层含有钌钽混合物、氧化钴、或其混合物。在阳极为析氯电极的情况下，通过第一供料口提供的电解液中所溶解的惰性电解质例如可以为NaCl或KCl等含氯离子电解质，此时阳极110不仅产生氧气、质子，还可以实现协同产出Cl₂或NaClO，将其进行分离后利用可以进一步降低生产成本，获得更大收益。

进一步地，如图2所示，根据本发明实施例的过氧化氢发生装置，还可以包括：第一密封垫片160和第二密封垫片170。

具体而言，第一密封垫片160设于阳极端板140和质子交换膜130之间，第一密封垫片160上设有与阳极110匹配的第一容纳槽161，阳极110设置在第一容纳槽内。也就是说，阳极110嵌设在第一密封垫片160内的第一容纳槽161内，从而使得阳极端板140、第一密封垫片160、以及质子交换膜120依次叠置。

第二密封垫片170设于阴极端板150和质子交换膜120之间，第二密封垫片170上设有与阴极170匹配的第二容纳槽171，所述阴极设置在所述第二容纳槽171内。也就是说，阴极170嵌设在第二密封垫片170内的第二容纳槽171内，从而使得质子交换膜120、第二密封垫片170、阴极端板150依次叠置。

其中，阳极端板140、第一密封垫片160、质子交换膜120、第二密封垫片170、阴极端板150通过螺丝可拆卸地连接。具体而言，可以在阳极端板140、第一密封垫片160、质子交换膜120、第二密封垫片170、阴极端板150相对应位置处分别开设螺丝孔，此后通过螺母副穿过螺丝孔将阳极端板140、第一密封垫片160、质子交换膜120、第二密封垫片170、阴极端板150可拆卸地连接。

第一密封垫片160可以选择为与阳极110厚度相对应，第二密封垫片170可以选择为与阴极130的厚度相对应，由此可以将阳极110固定在阳极端板140与质子交换膜120之间，将阴极130固定在质子交换膜120与阴极端板150之间，且由于厚度相对应，即不会因阳极110、阴极130的四周空缺导致组装时发生变形，也不会因垫片的存在导致极距增加，同时还能够满足密封的要求，不会出现漏气、漏水的问题。

此外，如图2-图3所示，阳极110、以及阴极端板150上分别设有接线柱。由于阴极端板150具有导电性，可以直接将接线柱设置在阴极端板150上。相应地，由于阳极端板140不具有导电性，可以将接线柱直接设置在阳极110上。由此，可以通过接线柱对该过氧化氢发生装置通电，且结构简单。

此外，根据本发明的过氧化氢发生装置，还可以包括：温度传感器190。

相应地，阴极端板150上还设有温度传感器插入孔(未图示)，温度传感器插入孔与第二流道相连，温度传感器190插设在温度传感器插入孔内，用于测定阴极130的温度。由于阴极130侧所产生的过氧化氢，在温度较高时容易还原为水和氧气，为此，通过温度传感器190监测该阴极130的温度，当温度偏高时例如可以通过提高纯水的流速等来迅速对其进行降温，从而可以提高产率。

采用如图3所示过氧化氢发生装置，在相同的电流密度和电解质浓度条件下，槽电压比如图1所示传统的气体扩散电极装置小30％-70％左右，能耗也降低了30％-70％左右，水温降低5-25℃左右，阴极H₂O₂的产生速率和累积浓度提高10％-30％左右，表观电流效率提高10％-30％左右。

值得说明的是，本发明的过氧化氢发生装置，包括但不限于应用于水体处理领域，该过氧化氢发生装置还可以用于多种需要原位产生过氧化氢的场景，例如包括但不限于饮用水厂、污水厂的水体处理、消毒，食品加工厂的漂白、消毒、脱色、除味，造纸厂的漂白、脱色，医院的消毒，家用消毒措施，比如：洗衣机、消毒柜、洗碗机、扫/拖地机器人、空气净化器、空调、手持式消毒等。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种过氧化氢发生装置，其特征在于，包括：

依次叠置的阳极、质子交换膜和阴极；

阳极端板，所述阳极端板设于所述阳极一侧，所述阳极端板的面向所述阳极一侧表面上开设有槽状的第一流道且所述阳极端板的其他侧表面开设有第一供料口和第一出口，所述第一流道与所述阳极相连且所述第一流道的两端分别连接所述第一供料口和所述第一出口；

阴极端板，所述阴极端板设于所述阴极一侧，所述阴极端板的面向所述阴极一侧表面上开设有槽状的第二流道且所述阴极端板的其他侧表面开设有第二供料口和第二出口，所述第二流道与所述阴极相连且所述第二流道的两端分别连接所述第二供料口和所述第二出口。

2.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述质子交换膜的厚度为150μm以下。

3.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述第一流道、第二流道分别形成为蛇形流道，且所述蛇形流道所在区域分别与所述阳极、阴极相对应。

4.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述阴极端板为石墨双极板，所述阳极端板为有机玻璃板。

5.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述阴极包括：

基底层，所述基底层形成为多孔隙结构；

阴极活性层，所述阴极活性层吸附于所述基底层表面。

6.根据权利要求5所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述基底层为泡沫镍材料制件，所述阴极活性层由含导电剂的阴极浆料喷涂在所述基体层上之后经烧结得到。

7.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，所述阳极形成为网状，所述阳极包括基体层和覆盖在所述基体层表面的阳极活性层。

8.根据权利要求7所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，

所述阳极为析氧电极，所述阳极的基体层为钛基体，所述阳极活性层含有SnO₂、IrO₂、Ta₂O₅中的一种或多种。

9.根据权利要求7所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，

所述阳极为析氯电极，所述阳极的基体层为钛基体，所述阳极活性层含有钌钽混合物、氧化钴、或其混合物。

10.根据权利要求1所述的过氧化氢发生装置，其特征在于，还包括：

第一密封垫片，所述第一密封垫片设于所述阳极端板和所述质子交换膜之间，所述第一密封垫片上设有与所述阳极匹配的第一容纳槽，所述阳极设置在所述第一容纳槽内；

第二密封垫片，所述第二密封垫片设于所述阴极端板和所述质子交换膜之间，所述第二密封垫片上设有与所述阴极匹配的第二容纳槽，所述阴极设置在所述第二容纳槽内，

其中，所述阳极端板、所述第一密封垫片、所述质子交换膜、所述第二密封垫片、所述阴极端板通过螺丝可拆卸地连接。

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