CN211886777U - 多级电催化膜反应器 - Google Patents

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CN211886777U CN201990000272.8U CN201990000272U CN211886777U CN 211886777 U CN211886777 U CN 211886777U CN 201990000272 U CN201990000272 U CN 201990000272U CN 211886777 U CN211886777 U CN 211886777U
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张玉军
王虹
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Abstract

本申请提出一种多级电催化膜反应器，包括：反应器本体，其具有进行电化学反应的腔室；两级或两级以上的多孔膜电极对，其设置于腔室内；供料单元，其设置于反应器本体的一侧并与腔室连通，用于向腔室提供反应原料；产物收集单元，其设置于反应器本体的另一侧并与腔室连通，用于收集腔室内生成的产物；和电源，其正极和负极分别连接至每级多孔膜电极对的多孔膜电极和辅助电极，或辅助电极和多孔膜电极，以形成电极对。本申请的多级电催化膜反应器具有转化率高、稳定性好、安全可靠、绿色环保、可反复使用等优点。

Description

多级电催化膜反应器
技术领域
本申请属于有机电化学合成技术领域，尤其涉及一种多级电催化膜反应器。
背景技术
被称为绿色合成技术的有机电化学合成，以电子作为试剂，是通过电子的得失实现有机物合成的一种新技术，被称为“古老的方法，崭新的技术”，已广泛应用于医药、香料、助剂、染料中间体等行业。膜分离作为一种高效节能、环境友好的新型分离技术，已被广泛应用于石油、化工、医药、生物、食品及水处理等各个领域。将电化学技术和膜分离技术进行耦合构建电催化膜反应器，利用多孔膜电极的高比表面积负载更多的催化剂，进一步提高活性位点数量，同时反应物透过膜表面的过程，强化对流传质作用增加电子传递的效率，且产物被及时从膜表面分离，防止过度氧化，同时提高了原料的转化率和目标产物的选择性。
化工领域已存在多种反应器。传统的反应器包括：管式反应器、釜式反应器、塔式反应器、固定床反应器、流化床反应器等。这些反应器都会涉及到高温、高压、氧化剂、还原剂、催化剂流失中的一个或者多个问题，在未来节能、绿色、高效的工艺要求中，迫切地需要开发新型高效的新型反应器。
中国发明专利CN101597096A公开了一种电催化膜反应器，包括可调式直流稳压电源、连接导线、电催化复合膜、辅助电极、料液槽、真空表、蠕动泵、渗透液槽等部分。
中国发明专利CN102634815A公开了一种电催化膜氧化四氟丙醇制备四氟丙酸钠的方法。其特征在于反应与分离一体化合成四氟丙酸钠。该发明以钛基电催化膜为阳极，辅助电极为阴极构成电催化膜反应器；反应物或料液为四氟丙醇和钠盐的混合水溶液，在一定的工作电压和电流密度条件下，四氟丙醇在膜表面被催化氧化为中间产物四氟丙酸，四氟丙酸再与料液中的电解质钠盐反应生成四氟丙酸钠，同时通过蠕动泵抽吸在一定的膜渗透通量条件下，使反应物四氟丙醇与产物四氟丙酸钠实现实时在线分离；通过收集膜透过液，调节pH 值至7-8左右，再经浓缩得到四氟丙酸钠产品。
中国发明专利CN103436910A公开了一种电催化膜氧化葡萄糖的制备葡萄糖酸及葡萄糖二酸的方法。其特征在于以电催化膜为阳极，辅助电极为阴极，经导线与稳压电压连接，构建电催化膜反应器，催化氧化葡萄糖。
中国发明专利CN104032327A公开了一种电催化氧化烷烃制备环己醇和环己酮的方法。该方法以负载金属氧化物的多孔金属电催化膜为阳极，辅助电极为阴极构成电催化膜反应器；反应原料液为环己烷、有机溶剂和电解质的混合水溶液，在一定的工作电压和电流密度条件下，环己烷在膜表面及孔内被膜上负载的金属氧化物催化氧化为产物环己醇和环己酮，同时通过蠕动泵产生的负压，在一定的膜渗透通量条件下，将产物抽吸到渗透侧，实现实时在线分离或传递，将膜透过液分离纯化，最终获得产物环己醇和环己酮。
然而以上方法和技术的不足之处在于：1)仅有单个膜电极对，无法实现高的转化率；2)无法实现连续化生产和运行；3)功能单一，仅提供了电化学氧化的功能和方法。
实用新型内容
本申请针对上述问题，提出一种多级电催化膜反应器及其在有机电化学反应中的应用和方法。
本申请一方面提供一种多级电催化膜反应器，包括：
反应器本体，其具有进行电化学反应的腔室；
两级或两级以上的多孔膜电极对，其设置于所述腔室内；所述多孔膜电极对包括相对设置的多孔膜电极和辅助电极；所述多孔膜电极包括支撑膜和负载在所述支撑膜上的催化剂；
供料单元，其设置于所述反应器本体的一侧并与所述腔室连通，用于向所述腔室提供反应原料；
产物收集单元，其设置于所述反应器本体的另一侧并与所述腔室连通，用于收集所述腔室内生成的产物；和
电源，其正极和负极分别连接至每级所述多孔膜电极对的多孔膜电极和辅助电极，或辅助电极和多孔膜电极，以形成电极对。
作为优选，两级或两级以上的所述多孔膜电极对以阴级和阳极彼此交错的方式设置，相邻多孔膜电极对的级间距为1～100mm。
作为优选，所述支撑膜为钛膜、镍膜、炭膜中的一种，所述多孔膜电极的平均孔径为0.1～10μm，厚度为1～20mm，孔隙率为5～40％。
作为优选，所述催化剂为电化学氧化催化剂或电化学还原催化剂；所述电化学氧化催化剂包括CeO2、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MoO3、PbO2、SnO2、TiO2、 V2O5中的至少一种；所述电化学还原催化剂包括Au、Pb、In、Cd、Sn、Zn、 Ru、Cu金属单质及其氧化物中的至少一种。
作为优选，所述辅助电极为不锈钢或钛金属中的一种。
作为优选，每级所述多孔膜电极对或多级所述多孔膜电级对之间设有用于取样的取样点。
作为优选，所述多级电催化膜反应器还设有控温装置，所述控温装置设置于所述供料单元和/或所述反应器本体外部。
作为优选，所述供料单元与所述腔室的下端连通，所述产物收集单元与所述腔室的上端连通，以使整个体系按照自下而上的路径流通。
作为优选，所述供料单元与所述腔室的连通路径上设置有泵，用于向所述反应器本体的腔室内泵入反应原料。
本申请另一方面提供一种上述任一项所述的多级电催化膜反应器在有机电化学氧化或有机电化学还原反应中的应用。
作为优选，所述有机电化学氧化反应中被氧化的有机物包括醇类、醛类、烷烃和酚类；所述醇类包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、环己醇、苯甲醇等中的一种；所述醛类包括苯甲醛、五羟甲基糠醛中的一种；所述烷烃包括戊烷、己烷、环己烷、辛烷中的一种；所述酚类包括苯酚。
作为优选，所述有机电化学还原反应中被还原的有机物包括酸性气体和有机酸；所述酸性气体包括CO2；所述有机酸包括甲酸、乙酸、丁酸、苯甲酸、脂肪酸、不饱和脂肪酸或油脂中的一种。
本申请再一方面提供一种根据任一项所述的多级电催化膜反应器进行有机电化学氧化或有机电化学还原反应的方法，所述方法包括以下步骤：
配置多孔膜电极对：根据生成物，选定多孔膜电极的支撑膜以及负载在其上的催化剂的种类，并确认辅助电极类型；将两级或两级以上的多孔膜电极对以阴极和阳极彼此交错的方式设置于反应器本体的腔室内；
准备反应原料：根据所要进行的电化学反应，选定反应原料并放置于供料单元内，将相应的电解质溶液放置于腔室内；
开启电源，向各多孔膜电极对提供稳定的电流；
开启泵，将反应原料由供料单元连续泵入反应器本体的腔室内；和
通过产物收集单元收集由腔室内所生成的产物。
作为优选，反应原料经由腔室的下端泵入，自下而上依次经过各级多孔膜电极对，进行多级催化电化学反应，产物经由腔室的上端被产物收集单元收集。
作为优选，控制电源的操作电压范围为0.5～20V，并控制电流密度范围为 0.5～20mA/cm2。
作为优选，借助泵控制反应原料在腔室内的停留时间为1～50min。
作为优选，所述方法还包括通过设置于供料单元和/或反应器本体外部的控温装置，控制供料单元和/或腔室内的温度为0～80℃。
作为优选，所述方法还包括通过设置于每级所述多孔膜电极对或多级所述多孔膜电级对之间的采样点，采集不同位置的样品进行检测的步骤。
与现有技术相比，本申请的优点和积极效果在于：
(1)将催化剂固载在导电良好的支撑膜上形成多孔膜电极，稳定性好，可反复使用，并且通过设置两级或两级以上的多孔膜电极对，实现电化学氧化或还原反应的高效性。
(2)在常温、常压下操作，具有安全可靠的特点。
(3)以电子为“试剂”，不使用强氧化性或者强还原性的试剂，污染任何污染物排放，绿色环保。
(4)反应主要通过电压或电流密度控制，使用的电压或电流密度较低，能耗低。
(5)连续化操作，具有高效、高选择性、操作简单等优点，适用于工业化实施。
附图说明
图1为本申请多级电催化膜反应器的结构示意图。
以上各图中：1、反应器本体；11、腔室；2、多孔膜电极对；21、阳极； 22、阴极；3、供料单元；4、产物收集单元；5、电源；6、取样点；7、控温装置；8、泵；9、控制阀；10、压力表。
具体实施方式
下面，通过示例性的实施方式对本申请进行具体描述。然而应当理解，在没有进一步叙述的情况下，一个实施方式中的单元、结构和特征也可以有益地结合到其他实施方式中。
在本申请的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”、“上”、“下”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或单元必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，本申请中所述多孔膜电极对的级数表示多孔膜电极对的对数。
本申请的实施例一方面提供一种多级电催化膜反应器，如图1所示，包括：
反应器本体1，其具有进行电化学反应的腔室11；
两级或两级以上的多孔膜电极对2，其设置于所述腔室11内；所述多孔膜电极对包括相对设置的多孔膜电极和辅助电极；所述多孔膜电极包括支撑膜和负载在所述支撑膜上的催化剂；
供料单元3，其设置于所述反应器本体1的一侧并与所述腔室11连通，用于向所述腔室11提供反应原料；
产物收集单元4，其设置于所述反应器本体1的另一侧并与所述腔室11连通，用于收集所述腔室11内生成的产物；和
电源5，其正极和负极分别连接至每级所述多孔膜电极对2的多孔膜电极和辅助电极，或辅助电极和多孔膜电极，以形成电极对。
需要说明的是，图1中21为与电池正极相连的阳极，22为与电池负极相连的阴极。当进行有机电化学还原反应时，多孔膜电极对2中的多孔膜电极用作阴极22，辅助电极用作阳极21；当进行有机电化学氧化反应时，多孔膜电极对 2中的多孔膜电极用作阳极21，辅助电极用作阴极22。
上述实施例所提供的多级电催化膜反应器，通过设置两级或两级以上的多孔膜电极对，并且将催化剂固载在支撑膜上，稳定性好，可反复使用，反应物会逐级经过多孔膜电极对进行有机电合成反应，实现电化学氧化或还原的高效性；以电子为“试剂”，不使用强氧化性或者强还原性的试剂，污染任何污染物排放，绿色环保；具有高效、高选择性、操作简单等优点，适用于工业化生产和应用。
作为一种优选的实施方式，两级或两级以上的所述多孔膜电极对2以阴级 22和阳极21彼此交错的方式设置，相邻多孔膜电极对2的级间距为1～100mm。如图1所述，在本实施例中，电极对按照阳极21、阴极22、阳极21、阴极22……的方式排布，实现逐级的氧化或还原反应。此外，将级间距控制在上述范围内，一方面可以控制反应器的整体体积，另一方面可以保证逐级有机电合成反应的连续性；可以理解的是，相邻多孔膜电极对2的级间距还可以为20mm、40mm、 60mm、80mm等，本领域技术人员可以在上述范围内进行选择。
作为一种优选的实施方式，所述支撑膜为钛膜、镍膜、炭膜中的一种，所述多孔膜电极的平均孔径为0.1～10μm，厚度为1～20mm，孔隙率为5～40％。在本实施例中，选用导电性良好的材料作为支撑膜，保证电化学反应的进行并且可以反复使用。将所述多孔膜电极的平均孔径、厚度和孔隙率控制在上述范围内，可以保证反应物顺利透过多孔膜电极进行电化学反应，并且有利于发挥膜的筛分作用和吸附作用，增加电子的传递效率，强化对流传质作用。可以理解的是，所述多孔膜电极的平均孔径还可以为0.5μm、1μm、2μm、5μm、6μm、8μm等，厚度还可以为5mm、10mm、15mm等，孔隙率还可以为10％、20％、30％等，本领域技术人员可根据实际需要在上述各范围内进行选择。
作为一种优选的实施方式，所述催化剂为电化学氧化催化剂或电化学还原催化剂；所述电化学氧化催化剂包括CeO2、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MoO3、PbO2、 SnO2、TiO2、V2O5中的至少一种；所述电化学还原催化剂包括Au、Pb、In、Cd、 Sn、Zn、Ru、Cu金属单质及其氧化物中的至少一种。本实施例选定高活性的电化学氧化催化剂和还原催化剂，在现有技术的基础上，实现了反应器的还原功能。根据实际的反应需要，本领域技术人员可以选择以上氧化或还原催化剂均匀负载在支撑膜上，不仅有物理吸附，还有强化学键作用，稳定性好，可以提高原料的转化效率和产率。
作为一种优选的实施方式，所述辅助电极为不锈钢或钛金属中的一种。
作为一种优选的实施方式，每级所述多孔膜电极对2或多级所述多孔膜电级对2之间设有用于取样的取样点6，可检测不同位置所取到的样品，从而控制反应进程，此外还可以进行动力学研究。
作为一种优选的实施方式，所述多级电催化膜反应器还设有控温装置7，所述控温装置7设置于所述供料单元3和/或所述反应器本体1外部。温度高低影响电化学反应的转化率和催化剂的催化效率。本实施例通过设置控温装置7，更好地实现对有机电化学合成反应的控制。可选的，所述控温装置7可以为普通仪表或利用PLC控制。
作为一种优选的实施方式，所述供料单元3与所述腔室11的下端连通，所述产物收集单元4与所述腔室11的上端连通，以使整个体系按照自下而上的路径流通。本实施例考虑到流体力学并且通过实验验证，如图1所示的自下而上的路径，效果最佳。由此，反应原料从反应器本体1的下端进入腔室11，并自下而上逐级经过多孔膜电极对2进行化学反应，最终产物从腔室11的上端进入产物收集单元4。然而可以理解的是，除本实施例的反应原料从下到上的路径之外，其他流通的路径(例如左至右、右至左、前至后、后至前、上至下)也是可行的。
作为一种优选的实施方式，所述供料单元3与所述腔室11的连通路径上设置有泵8，用于向所述反应器本体1的腔室11内泵入反应原料。本实施例通过设置泵替代一次性投料，实现了连续投料，有利于实现连续化生产。
作为一种优选的实施方式，所述腔室与所述供料单元3和所述产物收集单元4连通的路径上均设置有控制阀9，用以控制反应原料的供给以及产物的输出。
此外，还可设置其他适用的测量装置，例如图1中所示的压力表10，用于测量反应器本体1中的压力。
本申请实施例的另一方面提供一种根据以上任一实施例所述的多级电催化膜反应器在有机电化学氧化或有机电化学还原反应中的应用。
特别地，上述应用所述有机电化学氧化反应中被氧化的有机物包括醇类、醛类、烷烃和酚类；所述醇类包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、环己醇、苯甲醇等中的一种；所述醛类包括苯甲醛、五羟甲基糠醛中的一种；所述烷烃包括戊烷、己烷、环己烷、辛烷中的一种；所述酚类包括苯酚。
上述应用所述有机电化学还原反应中被还原的有机物包括酸性气体和有机酸；所述酸性气体包括CO2；所述有机酸包括甲酸、乙酸、丁酸、苯甲酸、脂肪酸、不饱和脂肪酸或油脂中的一种。
本申请实施例的再一方面提供一种根据以上任一实施例所述的多级电催化膜反应器进行有机电化学氧化或有机电化学还原反应的方法，所述方法包括以下步骤：
配置多孔膜电极对2：根据生成物，选定多孔膜电极的支撑膜以及负载在其上的催化剂的种类，并确认辅助电极类型；如图1所示，将两级或两级以上的多孔膜电极对2以阴极和阳极彼此交错的方式设置于反应器本体1的腔室11内；
准备反应原料：根据所要进行的电化学反应，选定反应原料并放置于供料单元3内，将相应的电解质溶液放置于腔室内；
开启电源5，向各多孔膜电极对2提供稳定的电流；
开启泵8，将反应原料由供料单元3连续泵入反应器本体1的腔室11内；和
通过产物收集单元4收集由腔室11内所生成的产物。
作为一种优选的实施方式，反应原料经由腔室11的下端泵入，自下而上依次经过各级多孔膜电极对2，进行多级催化电化学反应，产物经由腔室11的上端被产物收集单元4收集。
作为一种优选的实施方式，控制电源5的操作电压范围为0.5～20V，并控制电流密度范围为0.5～20mA/cm2。反应主要通过电压或电流密度控制，使用的电压或电流密度较低，能耗低。
作为一种优选的实施方式，所述方法还包括通过设置于供料单元3和/或反应器本体1外部的控温装置7，控制供料单元3和/或腔室11内的温度为0～80℃。
作为一种优选的实施方式，借助泵8控制反应原料在腔室11内的停留时间为1～50min。
作为一种优选的实施方式，所述方法还包括通过设置于每级所述多孔膜电极对2或多级所述多孔膜电级对2之间的采样点6，采集不同位置的样品进行检测的步骤。
上述实施例所提供的电化学氧化或还原的方法，利用多级电催化膜反应器进行，通过调控多孔膜电极种类、数量、分布方式，并且控制反应器的电压范围、电流密度，反应原料的停留时间、温度等，从而控制原料转化率和产物的产率，实现电化学氧化或还原的高效性。此外，在常温、常压下操作，且不使用强氧化剂或强还原剂，具有高效、绿色、操作简单、安全可靠的特点，适于工业化实施，可广泛应用于有机电合成工业。
以下结合具体实施例，对本申请所述的多级催化膜反应器及应用其进行有机电化学合成反应的方法进行说明。
实施例1
电化学还原乙酸制备乙醇
采用原位负载Cu纳米催化剂的多孔钛膜作为阴极(具有高电化学还原活性)，辅助导电的钛金属网作为阳极(仅作为对电极，形成电流通路，电化学氧化作用很小)，采用阴极与阳极交错的方式组装五级电催化膜反应器，该反应器具有强电化学还原作用。通过直流电源提供稳定的电流，原料液在蠕动泵的作用下从反应器本体的底部进入腔室，逐步透过每一对多孔膜电极对，实现多级催化电化学反应，最终进入透过液罐(产物收集单元)。在常压下，乙酸的溶液中，电解质为15g/L Na2SO4，乙酸初始浓度为20mmol/L，膜反应器电流密度为1.0 mA/cm2，停留时间为10min。
在本实施例中，以温度作为变量对多级电催化膜反应器进行调控。由表1 中可知，温度从15℃升高到35℃，相应地，乙酸的转化率先增加后降低。其中，温度为25℃时，乙酸的转化率达到95.5％，乙醇的选择性大于99％。
表1温度对乙酸还原效率的影响
温度(℃) 乙酸转化率(％) 乙醇选择性(％)
15 68.0 >99
20 76.5 >99
25 95.5 >99
30 86.5 >99
35 76.1 >99
实施例2
电化学还原CO2制备甲酸和CO
采用原位负载Au纳米催化剂的多孔钛膜作为阴极(具有高电化学还原活性)，辅助导电的钛金属网作为阳极(仅作为对电极，形成电流通路，电化学氧化作用很小)，采用阴极与阳极交错的方式组装四十级电催化膜反应器，该反应器具有强电化学还原作用。通过直流电源提供稳定的电流，原料液在蠕动泵的作用下从反应器本体的底部进入腔室，逐步透过每一对多孔膜电极对，实现多级催化电化学反应，最终进入透过液罐。在常压下，在Na2CO3溶液通入CO2饱和溶液，膜反应器电流密度为1.0mA/cm2，停留时间为20min。当温度为25℃时，CO2转化率达到96.0％，甲酸和CO的选择性为95％，其中CO占比约为10％。
实施例3
电化学催化氧化环己醇制备环己酮
采用原位负载V2O5纳米催化剂的多孔钛膜作为阳极(具有高电化学氧化活性)，辅助导电的不锈钢网作为阴极(仅作为对电极，形成电流通路，电化学还原作用很小)，采用阴极与阳极交错的方式组装十级电催化膜反应器，该反应器具有强电化学氧化作用。通过直流电源提供稳定的电流，原料液在蠕动泵的作用下从反应器本体的底部进入腔室，逐步透过每一对多孔膜电极对，实现多级催化电化学反应，最终进入透过液罐。常压下，环己醇初始浓度为5mmol/L，电解质为5g/L NaOH，停留时间为40min，反应温度为30℃。
在本实施例中，以电流密度作为变量对多级电催化膜反应器进行调控。从表2中可知，随着电流密度增加，转化效率先增加后降低。其中，电流密度为 2.0mA/cm2时，环己醇转化率达到95.0％，环己酮的选择性高达99.4％，良好的性能优于文献中报道的多数贵金属催化剂。
表2电流密度对氧化环己醇效率的影响
Figure DEST_PATH_GDA0002394138780000111
Figure DEST_PATH_GDA0002394138780000121
实施例4
电化学催化氧化环己烷制备环己醇和环己酮
采用原位负载V2O5纳米催化剂的多孔钛膜作为阳极(具有高电化学氧化活性)，辅助导电的不锈钢网作为阴极(仅作为对电极，形成电流通路，电化学还原作用很小)，采用阴极与阳极交错的方式分别组装多级电催化膜反应器。通过直流电源提供稳定的电流，原料液在蠕动泵的作用下从反应器本体的底部进入腔室，逐步透过每一对多孔膜电极对，实现多级催化电化学反应，最终进入透过液罐。常压下，环己烷-乙酸-水互溶体系中，环己烷初始浓度为20mmol/L，电解质为5g/L NaOH，膜反应器电流密度为1.0mA/cm，停留时间为10min，温度30℃。
在本实施例中，以多孔膜电极对的级数(多孔膜电极对个数)为变量对多级反应器进行调控。由表3中可知，多孔膜电极对的级数越多，转化效率越高。其中，当反应器级数为50级时，环己烷转化率达到96.0％，环己醇和环己酮的总选择性高达99.9％。
表3不同反应器级数的催化效率
Figure DEST_PATH_GDA0002394138780000122
Figure DEST_PATH_GDA0002394138780000131
环己烷是大宗化工原料，通过氧化环己烷制备环己酮和环己醇(KA油)，进一步氧化制备己二酸用于生产尼龙66。目前，通过工业上氧化环己烷制备KA 油主要有钴盐氧化法、硼酸类氧化法、无催化氧化法，但是因C-H键稳定性高，很难被氧化，导致转化率低(<15％)、选择性低(75～91％)、能耗高、高污染，如表4所示，是国际公认的效率最低的大型化工工艺，严重制约了尼龙等相关产业的发展。
表4工业上氧化环己烷的工艺
Figure DEST_PATH_GDA0002394138780000132
中国发明专利CN104032327A也公开了电催化氧化烷烃制备环己醇和环己酮的方法，但环己烷转化率仅为9.37％，环己醇和环己酮的总选择性为94.2％。
综合以上可以得出，本实施例环己烷的转化率远高于现有方法的转化率，可以高达96.0％，能够实现环己烷的高效转化。环己醇和环己酮的总选择性高达99.9％，反应效率明显提高，良好的性能优于文献中报道的多数环己烷氧化工艺，具有广泛的应用前景。
以上所述，仅是本申请的较佳实施例而已，并非是对本申请作其它形式的限制，任何熟悉本专业的技术人员可能利用上述揭示的技术内容加以变更或改型为等同变化的等效实施例应用于其它领域，但是凡是未脱离本申请技术方案内容，依据本申请的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与改型，仍属于本申请技术方案的保护范围。

Claims (15)

1.一种多级电催化膜反应器，其特征在于，包括：
反应器本体，其具有进行电化学反应的腔室；
两级以上的多孔膜电极对，其设置于所述腔室内；所述多孔膜电极对包括相对设置的多孔膜电极和辅助电极；所述多孔膜电极包括支撑膜和负载在所述支撑膜上的催化剂；
供料单元，其设置于所述反应器本体的一侧并与所述腔室连通，用于向所述腔室提供反应原料；
产物收集单元，其设置于所述反应器本体的另一侧并与所述腔室连通，用于收集所述腔室内生成的产物；和
电源，其正极和负极分别连接至每级所述多孔膜电极对的多孔膜电极和辅助电极，或辅助电极和多孔膜电极，以形成电极对。
2.根据权利要求1所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，两级以上的所述多孔膜电极对以阴级和阳极彼此交错的方式设置，相邻多孔膜电极对的级间距为1～100mm。
3.根据权利要求1或2所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述支撑膜为钛膜、镍膜、炭膜中的一种，所述多孔膜电极的平均孔径为0.1～10μm，厚度为1～20mm，孔隙率为5～40％。
4.根据权利要求1或2所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述催化剂为电化学氧化催化剂或电化学还原催化剂；所述电化学氧化催化剂包括CeO2、MnO2、Mn2O3、Mn3O4、MoO3、PbO2、SnO2、TiO2、V2O5中的一种；所述电化学还原催化剂包括Au、Pb、In、Cd、Sn、Zn、Ru、Cu金属单质及其氧化物中的一种。
5.根据权利要求1所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述辅助电极为不锈钢或钛金属中的一种。
6.根据权利要求1-2和5中任一项所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，每级所述多孔膜电极对或多级所述多孔膜电级对之间设有用于取样的取样点。
7.根据权利要求1-2和5中任一项所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述多级电催化膜反应器还设有控温装置，所述控温装置设置于所述供料单元和/或所述反应器本体外部。
8.根据权利要求1-2和5中任一项所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述供料单元与所述腔室的下端连通，所述产物收集单元与所述腔室的上端连通，以使整个体系按照自下而上的路径流通。
9.根据权利要求8所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，反应原料经由腔室的下端泵入，自下而上依次经过各级多孔膜电极对，进行多级催化电化学反应，产物经由腔室的上端被产物收集单元收集。
10.根据权利要求1或2所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述供料单元与所述腔室的连通路径上设置有泵，用于向所述反应器本体的腔室内泵入反应原料。
11.根据权利要求1所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述多级电催化膜反应器为应用于有机电化学氧化或有机电化学还原反应中的反应器。
12.根据权利要求11所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述有机电化学氧化反应中被氧化的有机物包括醇类、醛类、烷烃和酚类；所述醇类包括甲醇、乙醇、丙醇、丁醇、环己醇、苯甲醇中的一种；所述醛类包括苯甲醛、五羟甲基糠醛中的一种；所述烷烃包括戊烷、己烷、环己烷、辛烷中的一种；所述酚类包括苯酚。
13.根据权利要求11所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述有机电化学还原反应中被还原的物质包括酸性气体；所述酸性气体包括CO2。
14.根据权利要求11所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述有机电化学还原反应中被还原的有机物包括有机酸；所述有机酸包括甲酸、乙酸、丁酸、苯甲酸、脂肪酸或油脂中的一种。
15.根据权利要求11所述的多级电催化膜反应器，其特征在于，所述有机电化学还原反应中被还原的有机物包括有机酸；所述有机酸包括不饱和脂肪酸。
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