CN222139304U - 一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，包括阴极组件、阳极组件和质子交换膜，阴极组件包括多个堆叠的模块板，从内至外依次分别为阴极液体腔板、镂空挡板和阴极气体腔板，阴极液体腔板与镂空挡板之间设有阴极气体扩散电极，阳极组件的模块板为阳极液体腔板，质子交换膜设于阳极液体腔板与阴极液体腔板之间，质子交换膜与阳极液体腔室之间设有阳极电极；阴极液体腔板以及阳极液体腔板的中心均设有仿生叶片结构的空腔。本申请阴、阳两极液体腔板和阴极气体腔板通过采用仿生叶片的空腔，减少湍流死区，强化传质；阴极为气体扩散电极，于阴极液体腔板与镂空挡板之间，用于气体参与反应，从而实现过氧乙酸的产出。

Description

一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置

技术领域

本实用新型涉及一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置。

背景技术

过氧乙酸是一种绿色高效的过氧化物氧化剂，作为一种多功能化学品，具有广泛的工业应用，如纸浆漂白，环境消毒和化学合成。在工业上的制备方法主要由过氧化氢和乙酸，在硫酸的催化作用下合成，其产生大量废酸及高成本不符合绿色可持续发展理念，同时存在储存和运输风险。利用电化学氧还原原位生成的过氧化氢来合成过氧乙酸是一种可行的方案，该工艺避免了预先工业蒽醌法生成的高浓度过氧化氢；此外，电化学合成所需的电力更多地来自经济实惠的可再生能源，如太阳能和风能。

目前很少有关于电催化产过氧乙酸的报道，急需一种通过电催化方式规模合成过氧乙酸的设备，以改善传统工业合成所带来的一些弊端，实现过氧乙酸的绿色经济合成。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本实用新型的目的在于提供一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，具有结构简单，操作简便，强化传质以及高效合成过氧乙酸的特点。

本申请采用的技术方案如下：

一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，包括多个依次堆叠在一起的模块，从左至右依次为阴极气体腔板、镂空挡板、阴极液体腔板、质子交换膜和阳极液体腔板，且相邻两个模块板之间均夹紧有氟橡胶垫片一用于密封，氟橡胶垫片一中心设有空心空间以便其两侧的两个模块之间流体进行传质，其中阴极气体腔板面向镂空挡板的一侧与其临近的氟橡胶垫片一之间设有阴极气体扩散电极，阴极气体腔板内进入的气体通过镂空挡板渗入阴极气体扩散电极参与反应；

阳极液体腔室面向质子交换膜的一侧与其临近的氟橡胶垫片一之间设有阳极电极，所述阳极电极以及阴极气体扩散电极均通过连接Pt片或Cu片延申至外部，与电源连接；

其中，阴极液体腔板以及阳极液体腔板的中心均设有仿生叶片结构的空腔，且两者空腔的仿生叶片结构在空间上对称排布，且它们的相对两侧均分别设置与所述空腔相通的进口和出口。

进一步地，所述阴极液体腔板的出口通过循环泵一和阴极储液罐与阴极液体腔板的进口由管路连接，构成阴极液的循环回路。

进一步地，所述阴极气体腔板的中心设有仿生叶片结构的空腔，阴极气体腔板的相对两侧分别设置与其中心空腔相通的进气口和出气口，所述进气口与氧气瓶相连，出气口与所述阴极储液罐由管路连接，使阴极气体腔板的出气通往阴极储液罐，实现未接触电极表面的气体再次利用，增加阴极电解液的氧含量。

进一步地，所述阳极液体腔板的出口通过循环泵二和阳极储液罐与阳极液体腔板的进口由管路连接，构成阳极液的循环回路；其中，阳极液体腔板的出口与阴极液体腔板的进口位于同一侧，阳极液体腔板的进口与阴极液体腔板的出口位于相同的另外一侧，使它们两者内部空腔中的液体流动方向相反，形成错流，达到强化传质的目的。

进一步地，所述镂空挡板中心设有矩形阵列的密集孔洞，其孔洞的直径为0.5mm-2mm。

进一步地，每个模块以及氟橡胶垫片一的四周均设有螺栓孔，所有模块以及氟橡胶垫片一按照顺序组装，堆叠在一起的整体结构四周的螺栓孔对齐并通过相应的螺栓连接固定。

更进一步地，还包括两个外板，外板的四周设有螺栓孔，所述阴极液体腔板以及阳极液体腔板两者中心空腔的两侧均开口；所述仿生叶片流动电解池装置所包含的模块以及氟橡胶垫片一按照顺序组装，并在最外两侧分别设置氟橡胶垫片二和外板，堆叠在一起的整体结构四周的螺栓孔对齐并通过相应的螺栓连接固定，使得阴极液体腔板以及阳极液体腔板的外侧分别设有外板并与外板之间均夹紧有氟橡胶垫片二用于密封。

更进一步地，所述外板的材质为铝合金。

进一步地，质子交换膜的面积大于阴极液体腔板以及阳极液体腔板的中心空腔的面积。

与现有技术相比较，本实用新型的有益效果：

1)本实用新型阴、阳两极液体腔板和阴极气体腔板中心的空腔通过采用仿生叶片结构，减少湍流死区，强化传质，从而提高电催化产过氧乙酸效率。

2)本实用新型镂空挡板设有矩形阵列的密集孔洞，能够有效解决阴极液体腔板与阴极气体腔板由于液体、气体流动所产生的动能和重力势能造成的压差，避免对气体扩散电极造成损伤。

3)本实用新型具有结构简单、成本低的优点，容易实现工业规模电催化应用。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型的爆炸结构示意图；

图3为本实用新型中仿生叶片阴、阳两极液体腔板和阴极气体腔板的结构示意图；

图4为本实用新型中仿生叶片阴、阳两极液体腔板和阴极气体腔板结构的计算流体力学模拟图；

图5为本实用新型中镂空挡板结构示意图。

图中：1-阴极气体腔室，2-阴极液体腔室，3-阴极气体扩散电极，4-镂空挡板，5-外板，6-氟橡胶垫片二，7-阳极液体腔室，8-阳极电极，9-氟橡胶垫片一。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步说明，但本发明的保护范围并不限于此。

一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，包括多个模块，从左至右依次包括阴极气体腔板1、镂空挡板4、阴极液体腔板2、质子交换膜和阳极液体腔板7，且相邻两个模块板之间均夹紧有氟橡胶垫片一9用于密封，氟橡胶垫片一9中心设有空心空间以便其两侧的两个模块之间流体进行传质。其中阴极气体腔板1面向镂空挡板4的一侧与其临近的氟橡胶垫片一9之间设有阴极气体扩散电极3，阴极气体腔板1内进入的气体通过镂空挡板4渗入阴极气体扩散电极3参与反应。

阴极液体腔板2以及阳极液体腔板7的中心均设有仿生叶片结构的空腔，且两者空腔的仿生叶片结构在空间上对称排布，且它们的相对两侧均分别设置与所述空腔相通的进口和出口。

阴极液体腔板2的出口通过循环泵一和阴极储液罐与阴极液体腔板2的进口由管路连接，构成阴极液的循环回路。阳极液体腔板7的出口通过循环泵二和阳极储液罐与阳极液体腔板7的进口由管路连接，构成阳极液的循环回路。其中，阳极液体腔板7的出口与阴极液体腔板2的进口位于同一侧，阳极液体腔板7的进口与阴极液体腔板2的出口位于相同的另外一侧，使它们两者内部空腔中的液体流动方向相反，形成错流，达到强化传质的目的。

阴极气体腔板1的中心设有仿生叶片结构的空腔，阴极气体腔板1的相对两侧分别设置与其中心空腔相通的进气口和出气口，所述进气口与氧气瓶相连，出气口与所述阴极储液罐由管路连接，使阴极气体腔板1的出气通往阴极储液罐，实现未接触电极表面的气体再次利用，增加阴极电解液的氧含量。

如图3所示，阴极液体腔板2、阳极液体腔板7、阴极气体腔板1的中心的仿生叶片结构的空腔，其空腔内部分别通入阴、阳极电解液及氧气用于反应。

如图4所示，阴极液体腔板2、阳极液体腔板7和阴极气体腔板1通过计算流体力学模拟，其气液在仿生叶片结构的空腔内呈现均匀地流动状态，大幅度提高传质作用。

阴极液体腔板2与镂空挡板4之间设有阴极气体扩散电极3，阴极气体腔板1内进入的气体通过镂空挡板4渗入阴极气体扩散电极3参与反应，如图5所示，镂空挡板4为多孔结构，在保证氧气与电解液充分接触反应的同时，防止压差作用对阴极气体扩散电极造成损伤。

阳极液体腔板7与阴极液体腔板2之间设有质子交换膜，具体的说，对照图1中阴极液体腔板2的右侧依次设置氟橡胶垫片一9、质子交换膜、氟橡胶垫片一9和阳极液体腔板7，质子交换膜的面积大于阴极液体腔板2以及阳极液体腔板7的中心空腔的面积。

本发明中阳极液体腔室7面向质子交换膜的一侧与其临近的氟橡胶垫片一9之间设有阳极电极8，所述阳极电极8以及阴极气体扩散电极3均通过连接Pt片或Cu片延申至外部，与电源连接。若阳极电极8为多孔结构(如泡沫镍)，可以渗过溶液，其面积可以比阳极液体腔室7的中心空腔面积大，如果为Pt片等结构，其面积需要比阳极液体腔室7的中心空腔面积小来实现电解液流通。

如图5所示，镂空挡板4中心设有矩形阵列的密集孔洞，其孔洞的直径为0.5mm-2mm。

本发明每个模块的四周均设有螺栓孔，所述仿生叶片流动电解池装置所包含的模块板以及氟橡胶垫片一9按照顺序组装，堆叠在一起的整体结构四周的螺栓孔对齐并通过相应的螺栓连接固定。

对照图2，本发明装置还包括两个外板5，所述阴极液体腔板2以及阳极液体腔板7两者空腔的两侧均开口。所述仿生叶片流动电解池装置所包含的模块板按照顺序组装，并在最外两侧分别设置氟橡胶垫片二6和外板5，氟橡胶垫片二6及外板5的四周均设有相应的螺栓孔，上述堆叠在一起的整体结构四周的螺栓孔对齐并通过相应的螺栓连接固定，使得阴极液体腔板2以及阳极液体腔板7的外侧分别设有外板5并与外板5之间均夹紧有氟橡胶垫片二6用于密封。

外板5的材质可以为铝合金。

在下述实施例中，所述一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置在实际应用中能够高效生产纯液态过氧乙酸。

一种仿生叶片流动电解池装置用于电催化产过氧乙酸，在实际应用中能够高效生产纯液态过氧乙酸，具体步骤如下：首先组装仿生叶片流动电解池装置，其中阴极采用商业气体扩散电极(型号YSL-30T)，阳极电极采用石墨毡电极，而两极腔室则采用质子交换膜隔开。具体操作如下：

在阴极液腔中加入50mL 1mol/L乙酸水溶液作为阴极电解液，氧气以10m/s的流量通入阴极气体腔板内；在阳极室中加入50mL 0.5M Na₂SO₄水溶液作为阳极电解液。阴阳两极室电解液分别通过循环泵输送，其循环流量均为50mL/min。最后，通过恒电流仪施加20mA/cm²的电流密度进行反应，通过化学滴定分析法检测，1小时后产物纯液体过氧乙酸的浓度达到1000mg/L。

本说明书所述的内容仅仅是对发明构思实现形式的列举，本发明的保护范围不应当被视为仅限于实施例所陈述的具体形式。

Claims (9)

1.一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，包括多个依次堆叠在一起的模块，从左至右依次为阴极气体腔板（1）、镂空挡板（4）、阴极液体腔板（2）、质子交换膜和阳极液体腔板（7），且相邻两个模块板之间均夹紧有氟橡胶垫片一（9）用于密封，氟橡胶垫片一（9）中心设有空心空间以便其两侧的两个模块之间流体进行传质，其中阴极气体腔板（1）面向镂空挡板（4）的一侧与其临近的氟橡胶垫片一（9）之间设有阴极气体扩散电极（3），阴极气体腔板（1）内进入的气体通过镂空挡板（4）渗入阴极气体扩散电极（3）参与反应；

阳极液体腔板（7）面向质子交换膜的一侧与其临近的氟橡胶垫片一（9）之间设有阳极电极（8），所述阳极电极（8）以及阴极气体扩散电极（3）均通过连接Pt片或Cu片延申至外部，与电源连接；

其中，阴极液体腔板（2）以及阳极液体腔板（7）的中心均设有仿生叶片结构的空腔，且两者空腔的仿生叶片结构在空间上对称排布，且它们的相对两侧均分别设置与所述空腔相通的进口和出口。

2.如权利要求1所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，所述阴极液体腔板（2）的出口通过循环泵一和阴极储液罐与阴极液体腔板（2）的进口由管路连接，构成阴极液的循环回路。

3.如权利要求2所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，所述阴极气体腔板（1）的中心设有仿生叶片结构的空腔，阴极气体腔板（1）的相对两侧分别设置与其中心空腔相通的进气口和出气口，所述进气口与氧气瓶相连，出气口与所述阴极储液罐由管路连接，使阴极气体腔板（1）的出气通往阴极储液罐，实现未接触电极表面的气体再次利用，增加阴极电解液的氧含量。

4.如权利要求1所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，所述阳极液体腔板（7）的出口通过循环泵二和阳极储液罐与阳极液体腔板（7）的进口由管路连接，构成阳极液的循环回路； 其中，阳极液体腔板（7）的出口与阴极液体腔板（2）的进口位于同一侧，阳极液体腔板（7）的进口与阴极液体腔板（2）的出口位于相同的另外一侧，使它们两者内部空腔中的液体流动方向相反，形成错流，达到强化传质的目的。

5.如权利要求1所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，所述镂空挡板（4）中心设有矩形阵列的密集孔洞，其孔洞的直径为0.5mm-2mm。

6.如权利要求1所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，每个模块以及氟橡胶垫片一（9）的四周均设有螺栓孔，所有模块以及氟橡胶垫片一（9）按照顺序组装，堆叠在一起的整体结构四周的螺栓孔对齐并通过相应的螺栓连接固定。

7.如权利要求6所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，还包括两个外板（5），外板（5）的四周设有螺栓孔，所述阴极液体腔板（2）以及阳极液体腔板（7）两者中心空腔的两侧均开口；所述仿生叶片流动电解池装置所包含的模块以及氟橡胶垫片一（9）按照顺序组装，并在最外两侧分别设置氟橡胶垫片二（6）和外板（5），堆叠在一起的整体结构四周的螺栓孔对齐并通过相应的螺栓连接固定，使得阴极液体腔板（2）以及阳极液体腔板（7）的外侧分别设有外板（5）并与外板（5）之间均夹紧有氟橡胶垫片二（6）用于密封。

8.如权利要求7所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，所述外板（5）的材质为铝合金。

9.如权利要求1所述的一种高效电催化产过氧乙酸的仿生叶片流动电解池装置，其特征在于，质子交换膜的面积大于阴极液体腔板（2）以及阳极液体腔板（7）的中心空腔的面积。