CN212451662U - 基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式h2o2合成反应器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，装置采用插拔式胶囊阴极直接插拔使用，通过底部卡槽固定，阳极板通过底部及侧边卡槽固定，阳极板交错形成折回廊道，所有阳极板连接至直流电源正极，所有胶囊阴极连接至直流电源负极。反应器入口连接电解液储罐出口，通过蠕动泵使电解液以一定流速持续进入反应器，电解液在反应器廊道中折回流动持续带走反应器合成的H₂O₂，反应器出口可连接H₂O₂储罐或H₂O₂应用装置。本实用新型可实现高效连续生产H₂O₂及H₂O₂的即产即用。

Description

基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H2O2合成反应器

技术领域

本实用新型所涉及的领域是电化学合成领域，特别涉及一种基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器。

背景技术

过氧化氢(H₂O₂)是一种工业化学品，广泛用于水和废水行业，可用于复杂有机化学品和新兴污染物的高级氧化和消毒处理。目前世界上95％的H₂O₂是通过蒽醌氧化法生产的，但该方法消耗大量能量且需要使用具有潜在致癌风险的化合物作为催化剂，是一种不绿色环保的方法。

通过二电子氧还原反应以电化学方式生产H₂O₂有望成为一种可以替代传统蒽醌法的新方法，该方法具有多种优势。目前作为电催化剂载体首选的碳材料大的比表面积，良好的热和化学稳定性以及低廉的价格，是将氧通过二电子还原成H₂O₂的极佳阴极。在所有电极结构中，空气扩散电极由于其较高的H₂O₂产生而引起了极大的关注。空气扩散电极由空气扩散层、集电器和催化层组成，在电解过程中，气体扩散层与空气接触，催化层与电解液接触，空气中的氧气从扩散层扩散进入催化层，结合氢离子，在活性位点的催化下反应生成H₂O₂。

目前实验室H₂O₂电合成通常在几十至数百毫升的反应器中进行，多采用间歇式，需要通过充分的搅拌以保证阴阳极之间快速的传质。电催化合成H₂O₂的长期目标集中在反应器装置的可扩展性上，以实现从实验室转向工业相关规模的合成。在反应器的扩展中，保证足够的电极面积以及快速的传质是非常必要的。同时还可能需要提高催化剂材料在浓H₂O₂中的稳定性或并入流动系统从电极上及时去除H₂O₂。

实用新型内容

本实用新型的目的是针对以上存在的问题，设计出一种基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器。该装置具有构造简单、制作成本低廉、拓展性强等特点，可有效地提高H₂O₂合成效率、通过灵活配置调整产生的H₂O₂浓度，并实现连续生成H₂O₂及H₂O₂的即产即用。插拔式胶囊阴极便于直接使用、灵活排列组合以及拆装更换等，且可通过电极数量的调节实现装置拓展及H₂O₂浓度的调节。

本实用新型的目的是通过以下技术方案实现的：基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，采用插拔式胶囊阴极，阳极板交错形成廊道，采用连续流进液，产生的H₂O₂在廊道内随电解液流动不断被积累并在末端被收集。

所述插拔式胶囊阴极采用由炭黑-石墨-PTFE制成的圆筒状空气扩散阴极，是将催化剂层、气体扩散层分别辊压至不锈钢网两侧后卷成圆筒形成内腔，气体扩散层在圆筒内侧，催化层在圆筒外侧的电极。卷筒侧边连接处通过一个特制长工字夹粘结固定，底部用封头密封，胶囊电极自成一体可直接插拔使用。

所述阳极板通过反应器侧边和底部的卡槽固定，阳极板的材料可选用贵金属(如铂系金属)、重金属(如Ni、Co)、金属合金以及金属复合金属氧化物(如钛基混合氧化物的钛铱电极、钛钌电极)等。

所述阳极板交错固定在反应器侧边和底部的槽中形成廊道，插拔式胶囊阴极通过反应器底部卡槽固定，圆筒内侧与空气直接接触，外侧与电解液接触，反应器中胶囊阴极列和阳极板有序交替排列。

本实用新型从反应器一侧持续进液，电解液沿阳极板交错形成的廊道向另一侧流动并在此过程中收集产生的H₂O₂，至反应器另一侧被收集。

本实用新型多个阳极板分别连接至直流电源正极，多个插拔式胶囊阴极分别连接至直流电源负极。

有益效果

1.该装置选用由炭黑-石墨-PTFE空气扩散阴极卷成的插拔式胶囊阴极，结构简单、布置灵活、便于直接使用及拆装更换，可保证反应器中足够的阴极表面积。

2.该装置拓展性强，可通过搭配不同尺寸或数量的插拔式胶囊阴极来实现不同的规模。

3.该装置采用推流式廊道，无需搅拌，电解液在廊道内连续流动可持续带走合成的H₂O₂不断积累并在反应器末端被收集或利用，促进H₂O₂的持续合成。

4.系统对于H₂O₂浓度的获得可通过调节电流的大小、通电的时间、阴阳极的数量、胶囊阴极面积与反应器体积比以及电解液的水力停留时间等进行控制，操作简便，可调控范围较大。

5.系统造价低廉，有机玻璃、石墨-炭黑-PTFE空气扩散阴极廉价易得。

附图说明

图1是插拔式胶囊阴极的结构示意图；

图2是基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器装置俯视图；

图3是基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器装置运行示意图；

附图标记：1-空气扩散层，2-不锈钢网，3-催化层，4-反应器池体，5-进液口，6-出液口，7-阳极板，8-胶囊阴极，9-直流电源，10-廊道式H₂O₂合成反应器，11-电解液储罐，12-蠕动泵，13-H₂O₂储罐。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例来对本实用新型做进一步的说明。

本实用新型提供了一种基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器装置。装置由反应器池体4、插拔式胶囊阴极8以及阳极板7组成，其中阳极板7交错排布形成廊道，可通过使用不同数量规格的电极实现反应器的拓展放大。反应器前端通过蠕动泵12连续泵入电解液，同时后端设置H₂O₂收集或利用装置13实现H₂O₂的即产即用，促进系统持续高效合成H₂O₂。

结合附图1所示，装置采用的插拔式胶囊阴极，由扩散层1、催化层3和用作集电器的不锈钢网2组成。催化层3由石墨、炭黑和PTFE乳液混合而成，将混合物搅拌至膏状辊压至不锈钢网2的一侧；扩散层1由炭黑和PTFE乳液以质量比4：9混合而成，辊压至不锈钢网2的另一侧，最终形成总厚度约1mm的片状阴极。将片状阴极切割成合适的尺寸后以空气扩散层1在内、催化层3在外卷成一个圆筒，连接处通过一个特制长工字夹粘结固定，底部用封头密封，插拔式电极自成一体，直接插进反应器卡槽固定即可使用，使用方便，便于灵活拆装组合及电极更换。

结合图2所示，该装置主体由有机玻璃材质制成，阳极板7通过反应器侧边及底部的卡槽固定，阳极板交错布置形成折回廊道，电解液从入口进入，在廊道中流动可同时带走产生的H₂O₂至末端被收集或利用，同时无需另加搅拌便可实现传质。阴极采用插拔式胶囊阴极8直接插入卡槽中固定，阳极板7及胶囊阴极8在反应器中有序布置，阴阳极间距可调。通过使用不同直径、不同高度以及不同数量的胶囊阴极可以实现反应器的放大及拓展。组装好的反应器连接一台直流电源9，阳极板7分别连接直流电源正极，胶囊阴极8分别连接直流电源负极，可通过调节电流大小、通电时间以及电极对数控制反应器的运行情况。

结合附图3所示，在装置前端入口连接电解液储罐11及蠕动泵12，后端出口连接至H₂O₂储罐或H₂O₂利用装置13。通过蠕动泵12向装置10中持续供给电解液可以实现装置连续运行及H₂O₂的即时收集利用，同时通过控制蠕动泵流速亦可实现对H₂O₂产量的调控。

应当理解的是，本实用新型所讨论的实施方案只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本实用新型所附权利要求的保护范围。

Claims (7)

1.基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，其特征在于，采用插拔式胶囊阴极，阳极板交错形成廊道，采用连续流进液，产生的H₂O₂在廊道内随电解液流动不断被积累并在末端被收集。

2.根据权利要求1所述的基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，其特征在于，所述插拔式胶囊阴极采用由炭黑-石墨-PTFE制成的圆筒状空气扩散阴极，是将催化剂层、气体扩散层分别辊压至不锈钢网两侧后卷成圆筒形成内腔，气体扩散层在圆筒内侧，催化层在圆筒外侧的电极。

3.根据权利要求2所述的基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，其特征在于，卷筒侧边连接处通过一个特制长工字夹粘结固定，底部用封头密封，胶囊电极自成一体可直接插拔使用。

4.根据权利要求1所述的基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，其特征在于，阳极板通过反应器侧边和底部的卡槽固定，阳极板的材料包括但不限于贵金属、重金属、金属合金以及金属复合金属氧化物。

5.根据权利要求1所述的基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，其特征在于，反应器中阳极板交错固定在反应器侧边和底部的槽中形成廊道，插拔式胶囊阴极通过反应器底部卡槽固定，圆筒内侧与空气直接接触，外侧与电解液接触，反应器中胶囊阴极列和阳极板有序交替排列。

6.根据权利要求1所述的基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，其特征在于，从反应器一侧持续进液，电解液沿阳极板交错形成的廊道向另一侧流动并在此过程中收集产生的H₂O₂，至反应器另一侧被收集。

7.根据权利要求1所述的基于插拔式胶囊阴极的连续流廊道式H₂O₂合成反应器，其特征在于，多个阳极板分别连接至直流电源正极，多个插拔式胶囊阴极分别连接至直流电源负极。

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