RU2800815C2 - Electrochemical flow reactor - Google Patents

Electrochemical flow reactor Download PDF

Info

Publication number
RU2800815C2
RU2800815C2 RU2021104925A RU2021104925A RU2800815C2 RU 2800815 C2 RU2800815 C2 RU 2800815C2 RU 2021104925 A RU2021104925 A RU 2021104925A RU 2021104925 A RU2021104925 A RU 2021104925A RU 2800815 C2 RU2800815 C2 RU 2800815C2
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
electrode
fluid
static mixer
flow
electrochemical
Prior art date
Application number
RU2021104925A
Other languages
Russian (ru)
Other versions
RU2021104925A (en
Inventor
Майкл Дэвид ХОРН
Бита БАЯТСАРМАДИ
Тео РОДОПУЛОС
Джон ЦАНАКЦИДИС
Даялан Ромеш ГУНАСЕГАРАМ
Кристиан ХОРНУНГ
Даррен ФРЭЙЗЕР
Дилан МАРЛИ
Эндрю Джозеф УРБАН
Original Assignee
Коммонвелт Сайентифик Энд Индастриал Рисерч Организейшн
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Коммонвелт Сайентифик Энд Индастриал Рисерч Организейшн filed Critical Коммонвелт Сайентифик Энд Индастриал Рисерч Организейшн
Publication of RU2021104925A publication Critical patent/RU2021104925A/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2800815C2 publication Critical patent/RU2800815C2/en

Links

Images

Abstract

FIELD: electrochemical flow cells.
SUBSTANCE: invention relates to an electrochemical flow cell, including: a reaction chamber; first electrode; second electrode; and a separator placed between the first and second electrodes, wherein the separator, at least partially, forms a first channel within the reaction chamber, configured to receive a flow of the first fluid in contact with the first electrode, and a second channel within the reaction chamber, configured to receive flow of the second fluid in contact with the second electrode. Moreover, the separator includes a permeable membrane configured to provide electrical communication between the first and second electrodes through the fluid streams, at the same time limiting the exchange of fluid between the fluid streams, and the first electrode is an electrode with a static mixer function, including an electrically conductive section a static mixer forming a plurality of separating structures configured to separate the first fluid stream into a plurality of separate substreams at a plurality of locations along the length of the first electrode. The invention also relates to an electrochemical flow system, a method for electrochemical processing of a fluid flow, a method for electrochemical synthesis of a product.
EFFECT: effective performance.
28 cl, 17 dwg

Description

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕFIELD OF TECHNOLOGY TO WHICH THE INVENTION RELATES

Настоящее изобретение относится к электрохимическому проточному реактору, такому как электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком. Это изобретение также относится к процессам, системам и способам, включающим применение электрохимического проточного реактора.The present invention relates to an electrochemical flow reactor such as a continuous flow electrochemical tubular reactor. This invention also relates to processes, systems and methods, including the use of an electrochemical flow reactor.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИBACKGROUND OF THE INVENTION

Реакторы с непрерывным потоком обычно включают реакционную камеру, где реактанты текучих сред непрерывно подают для введения в химическую реакцию с образованием продуктов, которые создают непрерывный выходной поток из реакционной камеры. Реакционные камеры обычно погружены в нагревающую/охлаждающую текучую среду, например, с конфигурацией кожухотрубного теплообменника, для облегчения подведения тепла к реакции/отведения от реакции.Continuous flow reactors typically include a reaction chamber where fluid reactants are continuously fed to react chemically to form products that create a continuous effluent from the reaction chamber. The reaction chambers are typically immersed in a heating/cooling fluid, eg in a shell and tube heat exchanger configuration, to facilitate heat addition/removal from the reaction.

В реакторах с непрерывным потоком могут быть использованы реакционные камеры со слоем носителя, в которых реакционная камера заполнена частицами твердого катализатора, который создает поверхности с каталитической активностью, на которых может протекать химическая реакция. Статические смесители могут быть использованы для предварительного смешивания потоков текучих сред перед контактом с реакционными камерами со слоем носителя, и ниже по потоку относительно этих камер для передачи тепла между центральной и наружными областями реакторных труб. Статические смесители включают твердые структуры, которые прерывают поток текучей среды для стимулирования перемешивания реактантов перед реакцией в реакционных камерах со слоем носителя и для содействия формированию желательных конфигураций тепло- и массопереноса ниже по потоку относительно этих камер.In continuous flow reactors, supported bed reaction chambers may be used in which the reaction chamber is filled with solid catalyst particles which provide surfaces with catalytic activity on which a chemical reaction can take place. Static mixers can be used to pre-mix the fluid streams prior to contact with, and downstream of, the carrier-bed reaction chambers to transfer heat between the central and outer regions of the reactor tubes. Static mixers include solid structures that interrupt fluid flow to promote mixing of the reactants prior to reaction in the carrier-bed reaction chambers and to assist in the formation of desired heat and mass transfer patterns downstream of these chambers.

Электрохимические проточные реакторы были использованы в обработке потоков текучих сред для удаления растворенных металлов электроосаждением ионов растворенных металлов с образованием твердых металлических продуктов на поверхности электродов, размещенных в электрохимических проточных реакторах. Электрохимические проточные реакторы для обработки воды были предназначены для систем с малым расходом потока, с имеющими большую площадь поверхности электродами, для высокой производительности и регулирования удаления растворенных металлов из потоков водных текучих сред, имеющих разбавленные/низкие концентрации ионов растворенных металлов. Электрохимические проточные реакторы также применяются в электросинтезе различных продуктов, и, в частности, для формирования реактантов или промежуточных продуктов.Electrochemical flow reactors have been used in the treatment of fluid streams to remove dissolved metals by electrodeposition of dissolved metal ions to form solid metal products on the surface of electrodes placed in electrochemical flow reactors. Electrochemical flow reactors for water treatment have been designed for low flow, high surface area electrode systems for high throughput and control of dissolved metal removal from aqueous fluid streams having dilute/low concentrations of dissolved metal ions. Electrochemical flow reactors are also used in the electrosynthesis of various products, and in particular for the formation of reactants or intermediates.

Существует потребность в альтернативных или усовершенствованных электрохимических проточных реакторах для обеспечения эффективного перемешивания, большого массопереноса, и/или универсальной применимости в промышленных вариантах использования.There is a need for alternative or improved electrochemical flow reactors to provide efficient mixing, high mass transfer, and/or general applicability in industrial applications.

Будет понятно, что любые прототипные публикации, на которые здесь приведены ссылки, не подразумевают признания того, что любые из этих документов составляют часть общепринятого знания в технологии, в Австралии или в любой другой стране.It will be understood that any prior art publications referenced herein do not imply an acknowledgment that any of these documents form part of the common knowledge in technology, in Australia or in any other country.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯSUMMARY OF THE INVENTION

Авторы настоящего изобретения провели исследование и разработали альтернативные электрохимические проточные реакторы, и установили, что статические смесители могут быть сконфигурированы для действия в качестве электрода внутри электрохимического проточного реактора для достижения эффективного перемешивания, высокого массопереноса, и/или универсальной применимости в промышленных вариантах использования. Электрохимические проточные реакторы могут включать электрод с функцией статического смесителя, отделенный от противоэлектрода проницаемой мембраной. Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции, в то же время обеспечивая высокую производительность. Электрод с функцией статического смесителя может представлять собой электрод, включающий участок статического смесителя.The present inventors have researched and developed alternative electrochemical flow reactors and have found that static mixers can be configured to act as an electrode within an electrochemical flow reactor to achieve efficient mixing, high mass transfer, and/or general applicability in industrial applications. Electrochemical flow reactors may include a static mixer electrode separated from the counter electrode by a permeable membrane. The static mixer electrode can be configured to enhance mass transfer and chaotic advection while providing high performance. The static mixer function electrode may be an electrode including a static mixer portion.

В одном аспекте представлена электрохимическая проточная ячейка, включающая:In one aspect, an electrochemical flow cell is provided, comprising:

реакционную камеру;reaction chamber;

первый электрод;first electrode;

второй электрод; иsecond electrode; And

сепаратор, размещенный между первым и вторым электродами, причем сепаратор, по меньшей мере частично, образует первый канал внутри реакционной камеры, предназначенный для принятия потока первой текучей среды в контакте с первым электродом, и второй канал внутри реакционной камеры, предназначенный для принятия потока второй текучей среды в контакте со вторым электродом,a separator placed between the first and second electrodes, wherein the separator at least partially defines a first channel within the reaction chamber designed to receive a first fluid flow in contact with the first electrode, and a second channel inside the reaction chamber designed to receive a second fluid flow media in contact with the second electrode,

причем сепаратор включает проницаемую мембрану, которая создает ионную коммуникацию между первым и вторым электродами через потоки текучих сред, в то же время ограничивая обмен текучей средой между потоками текучих сред, иwherein the separator includes a permeable membrane that creates ionic communication between the first and second electrodes through the fluid streams while limiting fluid exchange between the fluid streams, and

причем первый электрод включает участок статического смесителя, образующий множество разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока первой текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода.wherein the first electrode includes a static mixer portion forming a plurality of separating structures configured to separate the first fluid stream into a plurality of separate substreams at a plurality of locations along the length of the first electrode.

В одном варианте исполнения электрохимическая проточная ячейка представляет собой трубчатый реактор с непрерывным потоком.In one embodiment, the electrochemical flow cell is a continuous flow tubular reactor.

В одном варианте исполнения диаметр участка статического смесителя первого электрода может быть приблизительно равным диаметру первого канала. Первый электрод может быть размещен в контакте с сепаратором. Сепаратор и второй электрод могут быть размещены концентрически и соосно с центральной продольной осью первого электрода. Сепаратор и второй электрод могут быть по существу цилиндрическими. Второй электрод может составлять по меньшей мере часть стенки реакционной камеры.In one embodiment, the diameter of the static mixer portion of the first electrode may be approximately equal to the diameter of the first channel. The first electrode may be placed in contact with the separator. The separator and the second electrode can be placed concentrically and coaxially with the central longitudinal axis of the first electrode. The separator and the second electrode may be substantially cylindrical. The second electrode may constitute at least a portion of the wall of the reaction chamber.

В одном варианте исполнения первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть предназначен для усиления массопереноса и хаотической адвекции созданием множества разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода.In one embodiment, the first electrode including the static mixer portion may be designed to enhance mass transfer and chaotic advection by providing a plurality of separating structures configured to separate the fluid stream into a plurality of distinct substreams at a plurality of locations along the length of the first electrode.

В одном варианте исполнения смежные разделяющие структуры участка статического смесителя могут быть размещены под различными углами вращения вокруг центральной продольной оси участка статического смесителя. Участок статического смесителя может включать множество по существу сходных структурных модулей, размещенных последовательно вдоль длины участка статического смесителя. Первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть выполнен с возможностью усиления хаотической адвекции разделением потока первой текучей среды более чем на 200 м-1, соответственно числу циклов разделения потока первой текучей среды внутри данной длины вдоль участка статического смесителя первого электрода.In one embodiment, adjacent separating structures of the static mixer section may be placed at different angles of rotation around the central longitudinal axis of the static mixer section. The static mixer section may include a plurality of substantially similar building blocks arranged in series along the length of the static mixer section. The first electrode, including the static mixer section, can be configured to enhance chaotic advection by dividing the first fluid flow by more than 200 m -1 , corresponding to the number of cycles of first fluid flow separation within a given length along the static mixer section of the first electrode.

В еще одном варианте исполнения первый электрод, включающий участок статического смесителя, выполнен с возможностью действия при числе Пекле (Pe) по меньшей мере около 10000. Первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть выполнен с возможностью действия при падении давления вдоль первого электрода (в Па/м) от около 100 до 100000. Первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть выполнен с возможностью действия внутри первого канала для создания объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин.In yet another embodiment, the first electrode, including the static mixer section, is configured to operate at a Peclet number (Pe) of at least about 10,000. in Pa/m) from about 100 to 100,000. The first electrode, including the static mixer portion, may be configured to operate within the first channel to create a volumetric flow rate for the first fluid flow of at least about 0.1 ml/min.

В еще одном аспекте представлена электрохимическая проточная система, включающая по меньшей мере первую электрохимическую проточную ячейку согласно первому аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, как здесь описываемым.In yet another aspect, an electrochemical flow system is provided, including at least a first electrochemical flow cell according to a first aspect, embodiment, or example of an electrochemical flow cell as described herein.

В одном варианте исполнения электрохимическая проточная система включает первую и вторую электрохимическую проточную ячейку согласно любому аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, как здесь описываемым. Множество проточных трубопроводов могут быть предусмотрены для соединения первой электрохимической проточной ячейки со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.In one embodiment, the electrochemical flow system includes first and second electrochemical flow cells according to any aspect, embodiment, or example of an electrochemical flow cell as described herein. A plurality of flow conduits may be provided to connect the first electrochemical flow cell to the second electrochemical flow cell such that the first channel of the first electrochemical flow cell is in fluid communication with the second channel of the second electrochemical flow cell and the second channel of the first electrochemical flow cell is in communication. in fluid with the first channel of the second electrochemical flow cell.

В одном варианте исполнения электрохимическая проточная система дополнительно включает:In one embodiment, the electrochemical flow system further includes:

насос для создания течения текучей среды потоков текучих сред;a pump for creating a fluid flow of the fluid streams;

источник питания для регулирования протекающего через электроды тока, или подводимого к ним напряжения;a power source for regulating the current flowing through the electrodes, or the voltage applied to them;

управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, включающих концентрацию, величину расхода потока, температуру, давление, и время пребывания.a control device for regulating one or more system parameters including concentration, flow rate, temperature, pressure, and residence time.

В еще одном аспекте представлен способ электрохимической обработки потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки согласно любым аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, реактора или системы ее, как здесь описываемым. Способ может быть предназначен для обработки сточных вод, удаления ионов растворенных металлов из потока текучей среды, или извлечения металла из потока текучей среды.In yet another aspect, a method for electrochemically treating a fluid stream is provided, comprising using an electrochemical flow cell according to any aspect, embodiment, or example of an electrochemical flow cell, reactor, or system thereof, as described herein. The method may be for treating waste water, removing dissolved metal ions from a fluid stream, or removing metal from a fluid stream.

В одном варианте исполнения способа электрохимическая проточная ячейка, включающая первый электрод, содержащий участок статического смесителя, может действовать для обеспечения по меньшей мере одного из:In one embodiment of the method, an electrochemical flow cell including a first electrode containing a static mixer section may operate to provide at least one of:

хаотической адвекции разделением потока первой текучей среды более чем на 200 м-1, соответственно числу циклов разделения потока первой текучей среды внутри данной длины вдоль участка статического смесителя первого электрода;chaotic advection by dividing the flow of the first fluid by more than 200 m -1 , corresponding to the number of cycles of dividing the flow of the first fluid within a given length along the section of the static mixer of the first electrode;

числа Пекле (Pe) по меньшей мере около 10000;a Peclet number (Pe) of at least about 10,000;

падения давления вдоль первого электрода (в Па/м) от около 100 до 100000;pressure drop along the first electrode (in Pa/m) from about 100 to 100,000;

объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин;a volume flow rate for the first fluid stream of at least about 0.1 ml/min;

плотности тока на первом и втором электроде от около 1 мкА·м-2 до около 1000 А·м-2.current density at the first and second electrode from about 1 μA·m -2 to about 1000 A·m -2 .

Способ может включать действие первой и второй электрохимической проточной ячейки согласно любым аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, как здесь описываемым, причем множество проточных трубопроводов соединяют первую электрохимическую проточную ячейку со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.The method may include operating a first and a second electrochemical flow cell according to any aspect, embodiment, or example of an electrochemical flow cell as described herein, wherein a plurality of flow conduits connect the first electrochemical flow cell to the second electrochemical flow cell such that the first channel of the first electrochemical flow cell is in fluid communication with the second channel of the second electrochemical flow cell, and the second channel of the first electrochemical flow cell is in fluid communication with the first channel of the second electrochemical flow cell.

В еще одном аспекте представлен способ электрохимического синтеза продукта, предусматривающий применение электрохимической проточной ячейки согласно любым аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, реактора или системы их, как здесь описываемым.In yet another aspect, a method for electrochemically synthesizing a product is provided, using an electrochemical flow cell according to any aspect, embodiment, or example of an electrochemical flow cell, reactor, or system thereof as described herein.

В еще одном аспекте представлен способ удаления веществ из потока текучей среды, предусматривающий применение электрохимической проточной ячейки, реактора или системы их, согласно любым аспектам, вариантам исполнения или примерам их, как здесь описываемым. Вещества могут быть металлическими веществами, растворенными в потоке текучей среды.In yet another aspect, a method is provided for removing substances from a fluid stream, using an electrochemical flow cell, reactor, or system thereof, according to any aspects, embodiments, or examples thereof, as described here. The substances may be metallic substances dissolved in the fluid stream.

Будет понятно, что здесь описаны и другие аспекты, варианты исполнения и примеры электрохимической проточной ячейки, реактора или системы.It will be understood that other aspects, embodiments, and examples of an electrochemical flow cell, reactor, or system are described here.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙBRIEF DESCRIPTION OF THE DRAWINGS

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны и иллюстрированы далее, только в порядке примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:Preferred embodiments of the present invention are described and illustrated below, by way of example only, with reference to the accompanying drawings, in which:

Фигура 1 показывает схематическое изображение электрохимической проточной ячейки согласно некоторым вариантам исполнения;Figure 1 shows a schematic representation of an electrochemical flow cell according to some embodiments;

Фигура 2 показывает показывает схематическое изображение электрохимической проточной ячейки с сепаратором согласно некоторым вариантам исполнения;Figure 2 shows a schematic representation of an electrochemical flow cell with a separator according to some embodiments;

Фигура 3А показывает перспективный вид электрода с функцией статического смесителя согласно некоторым вариантам исполнения;Figure 3A shows a perspective view of an electrode with a static mixer function according to some embodiments;

Фигура 3В показывает (в отдельном изображении) перспективный вид участка статического смесителя электрода с функцией статического смесителя из Фигуры 3А;Figure 3B shows (in a separate image) a perspective view of the static mixer portion of the static mixer electrode of Figure 3A;

Фигура 3С показывает (в отдельном изображении) вид в разрезе участка статического смесителя электрода с функцией статического смесителя из Фигуры 3А;Figure 3C shows (in a separate image) a sectional view of the static mixer portion of the static mixer function electrode of Figure 3A;

Фигура 3D показывает (в отдельном изображении) вид сбоку участка статического смесителя электрода с функцией статического смесителя из Фигуры 3А;Figure 3D shows (in a separate image) a side view of the static mixer portion of the static mixer function electrode of Figure 3A;

Фигура 4А показывает перспективный вид электрохимической проточной ячейки согласно некоторым вариантам исполнения;Figure 4A shows a perspective view of an electrochemical flow cell according to some embodiments;

Фигура 4В показывает перспективный вид проточной ячейки из Фигуры 4А в разобранном состоянии;Figure 4B shows an exploded perspective view of the flow cell of Figure 4A;

Фигура 4С показывает вид в разрезе проточной ячейки из Фигуры 4А;Figure 4C shows a sectional view of the flow cell from Figure 4A;

Фигура 5 показывает перспективный вид торцевой крышки проточной ячейки из Фигуры 4А;Figure 5 shows a perspective view of the end cap of the flow cell of Figure 4A;

Фигура 6 показывает схематическиое изображение электрохимической проточной системы, включающей две электрохимических проточных ячейки, согласно некоторым вариантам исполнения;Figure 6 shows a schematic representation of an electrochemical flow system including two electrochemical flow cells, according to some embodiments;

Фигура 7 показывает хроноамперометрические отклики в 100 секундах с интервалами в 50 секунд в стационарном режиме и 50 секунд при постоянном расходе потока от 10 до 400 мл·мин-1 при постоянных потенциалах (a) -1,4 В, (b) -1,6 В, (c) -1,8 В, и (d) -2 В (0,001 M K3[Fe(CN)6]);Figure 7 shows chronoamperometric responses in 100 seconds at intervals of 50 seconds in steady state and 50 seconds at a constant flow rate from 10 to 400 ml min -1 at constant potentials of (a) -1.4 V, (b) -1, 6 V, (c) -1.8 V, and (d) -2 V (0.001 MK 3 [Fe(CN) 6 ]);

Фигура 8 показывает хроноамперометрические отклики в 100 секундах с интервалами в 50 секунд в стационарном режиме и 50 секунд при постоянном расходе потока от 10 до 400 мл·мин-1 при постоянных потенциалах (a) -1,4 В, (b) -1,6 В, (c) -1,8 В, и (d) -2 В (0,01 M K3[Fe(CN)6]);Figure 8 shows chronoamperometric responses in 100 seconds at intervals of 50 seconds in steady state and 50 seconds at a constant flow rate from 10 to 400 ml min -1 at constant potentials of (a) -1.4 V, (b) -1, 6 V, (c) -1.8 V, and (d) -2 V (0.01 MK 3 [Fe(CN) 6 ]);

Фигура 9 показывает хроноамперометрические отклики в 100 секундах с интервалами в 50 секунд в стационарном режиме и 50 секунд при постоянном расходе потока от 10 до 400 мл·мин-1 при постоянных потенциалах (a) -1,4 В, (b) -1,6 В, (c) -1,8 В, и (d) -2 В (0,1 M K3[Fe(CN)6]);Figure 9 shows chronoamperometric responses in 100 seconds at intervals of 50 seconds in steady state and 50 seconds at a constant flow rate from 10 to 400 ml min -1 at constant potentials of (a) -1.4 V, (b) -1, 6 V, (c) -1.8 V, and (d) -2 V (0.1 MK 3 [Fe(CN) 6 ]);

Фигура 10 показывает производительность электрохимической проточной ячейки при удалении ионов меди из 0,01М раствора серной кислоты при трех различных концентрациях Cu2+;Figure 10 shows the performance of an electrochemical flow cell in removing copper ions from a 0.01 M sulfuric acid solution at three different concentrations of Cu 2 + ;

Фигура 11 показывает (а) визуальное изображение электрода, действующего в качестве статического смесителя, до и после процессов, (b) EDS-анализ (энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии) и (с-е) SEM-изображения (из сканирующего электронного микроскопа) электрода с функцией статического смесителя после 5 часов электролиза; иFigure 11 shows (a) a visual image of an electrode acting as a static mixer before and after the processes, (b) an EDS analysis (Energy Dispersive X-ray Spectroscopy) and (c-e) an SEM image (from a scanning electron microscope) of an electrode with a function static mixer after 5 hours of electrolysis; And

Фигура 12 показывает концентрацию меди в зависимости от времени в течение 24 часов работы электрохимической проточной ячейки в варианте исполнения с разделенной конфигурацией.Figure 12 shows copper concentration versus time during 24 hours of operation of an electrochemical flow cell in a split configuration embodiment.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION

Настоящее изобретение описывает следующие различные неограничивающие варианты осуществления, которые имеют отношение в исследованиям, проведенным для идентификации электрохимических проточных реакторов, способных обеспечивать эффективное перемешивание, высокий массоперенос, и/или универсальную применимость в промышленных вариантах использования. Неожиданно было найдено, что электрод, включающий участок статического смесителя, мог бы быть конфигурирован внутри электрохимической проточной ячейки для достижения эффективного перемешивания, высокого массопереноса, и/или универсальной применимости в промышленных вариантах использования. Также было найдено, что мог бы быть создан эффективный электрохимический реактор, где электрод, включающий участок статического смесителя, был выполнен с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции. Кроме того, неожиданные преимущества относительно действия системы и производительности были выявлены введением сепаратора между электродом, включающим участок статического смесителя, и противоэлектродом, для размещения каждого из электродов в ионной коммуникации и в отдельных проточных каналах.The present invention describes the following various non-limiting embodiments that are relevant in studies conducted to identify electrochemical flow reactors capable of providing efficient mixing, high mass transfer, and/or universal applicability in industrial applications. Surprisingly, it has been found that an electrode including a static mixer section could be configured within an electrochemical flow cell to achieve efficient mixing, high mass transfer, and/or general applicability in industrial applications. It has also been found that an efficient electrochemical reactor could be provided where the electrode including the static mixer portion was configured to enhance mass transfer and random advection. In addition, unexpected advantages in terms of system operation and productivity were revealed by the introduction of a separator between the electrode including the static mixer section and the counter electrode to accommodate each of the electrodes in the ion communication and in separate flow channels.

ТерминыTerms

На протяжении этого описания, если конкретно не оговорено иное, или контекст не требует иного, ссылка на одиночную стадию, обсуждаемый состав, группу стадий или группу обсуждаемых композиций, должны рассматриваться как охватывающие одно или многие (то есть, одно или многие) из этих стадий, обсуждаемых композиций, групп стадий или групп обсуждаемых композиций. Таким образом, как применяемые здесь, формы единственного числа «a», «an» и «the» включают множественные аспекты, если контекст четко не оговаривает иное. Например, ссылка на «a» включает единственный объект, а также два или более; ссылка на «an» включает единственный объект, а также два или более; ссылка на «the» включает единственный объект, а также два или более, и так далее.Throughout this description, unless specifically stated otherwise, or the context otherwise requires, reference to a single step, a composition in question, a group of steps, or a group of compositions in question, is to be construed as encompassing one or many (i.e., one or many) of these steps. , discussed compositions, groups of stages or groups of discussed compositions. Thus, as used here, the singular forms "a", "an", and "the" include plural aspects unless the context clearly states otherwise. For example, a reference to "a" includes a single object as well as two or more; a reference to "an" includes a single object, as well as two or more; the reference to "the" includes a single object, as well as two or more, and so on.

Термин «и/или», например, «X и/или Y», означает либо «X и Y», либо «X или Y», и считается обеспечивающим четкую поддержку обоих значений или любого из значений.The term "and/or", for example, "X and/or Y" means either "X and Y" or "X or Y", and is considered to provide clear support for both values or any of the values.

Как применяемый здесь, термин «около», если не оговорено иное, обычно подразумевает +/-10%-ное, например, +/-5%-ное отклонение от указанного значения.As used here, the term "about", unless otherwise noted, usually means +/-10%, for example, +/-5% deviation from the specified value.

На всем протяжении этого описания слово «включают», или вариации, такие как «включает» или «включающий», будет пониматься как подразумевающее включение указанного элемента, целого числа или стадии, или группы элементов, целых чисел или стадий, но не исключающее любого другого элемента, целого числа или стадии, или группы элементов, целых чисел или стадий.Throughout this description, the word "comprise" or variations such as "comprises" or "comprising" will be understood to mean the inclusion of a specified element, integer, or step, or group of elements, integers, or steps, but not the exclusion of any other element, integer or stage, or group of elements, integers or stages.

Квалифицированным специалистам в этой области технологии будет понятно, что приведенное здесь изобретение подвержено вариациям и модификациям в ином плане, нежели конкретно описанные. Должно быть понятно, что изобретение включает все такие вариации и модификации. Изобретение также включает все из стадий, признаков, композиций и соединений, перечисленных или указанных в этом описании, по отдельности или в совокупности, и любые и все комбинации или любые из двух указанных стадий или признаков.Those skilled in the art will appreciate that the invention herein is subject to variations and modifications in other ways than those specifically described. It should be understood that the invention includes all such variations and modifications. The invention also includes all of the steps, features, compositions and compounds listed or referred to in this description, individually or in the aggregate, and any and all combinations or any of two of these steps or features.

Каждый пример описываемого здесь настоящего изобретения должен быть применим, с необходимыми поправками, к каждому и всякому другому примеру, если конкретно не оговорено иное. Настоящеее изобретение не должно быть ограничено в своей области конкретными описанным здесь примерами, которые предназначены только для иллюстративной цели. Функционально эквивалентные продукты, композиции и способы явно находятся в пределах области изобретения, как здесь описываемого.Each example of the present invention described herein is to be applicable, mutatis mutandis, to each and every other example, unless specifically stated otherwise. The present invention should not be limited in its scope to the specific examples described herein, which are for illustrative purposes only. Functionally equivalent products, compositions and methods are clearly within the scope of the invention as described here.

Если не оговаривается иное, все используемые здесь технические и научные термины имеют такое же значение, как это является общепонятным специалисту с обычной квалификацией в этой области технологии, к которой принадлежит изобретение. Хотя способы и материалы, сходные или эквивалентные тем, которые здесь описаны, могут быть использованы на практике или для тестирования настоящего изобретения, ниже описаны пригодные для этого способы и материалы. В случае противоречия будет преобладать настоящее изобретение, в том числе определения. В дополнение, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предполагаются быть ограничивающими.Unless otherwise stated, all technical and scientific terms used herein have the same meaning as is commonly understood by a person of ordinary skill in the field of technology to which the invention belongs. While methods and materials similar or equivalent to those described herein may be used to practice or test the present invention, suitable methods and materials are described below. In case of conflict, the present invention, including the definitions, will prevail. In addition, the materials, methods, and examples are illustrative only and are not intended to be limiting.

Электрохимический проточный реакторElectrochemical flow reactor

Может быть создана электрохимическая проточная ячейка, включающая: реакционную камеру, первый электрод, включающий участок статического смесителя, второй электрод, и сепаратор, размещенный между первым и вторым электродами.An electrochemical flow cell can be created, including: a reaction chamber, a first electrode including a static mixer section, a second electrode, and a separator placed between the first and second electrodes.

Сепаратор может, по меньшей мере частично, образовывать первый канал внутри реакционной камеры для принятия потока первой текучей среды в контакте с первым электродом, и второй канал внутри реакционной камеры, предназначенный для принятия потока второй текучей среды в контакте со вторым электродом. Будет понятно, что сепаратор обеспечивает возможность ионной коммуникации между первым и вторым электродами посредством потоков текучих сред. Сепаратор может представлять собой проницаемую мембрану, которая ограничивает обмен текучими средами между потоками текучих сред. Участок статического смесителя может образовывать/включать множество разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода. Будет понятно, что участок статического смесителя как часть электрода, является электрически проводящим. Дополнительные варианты исполнения и подробности электрохимической проточной ячейки описаны следующим образом.The separator may at least partially define a first channel within the reaction chamber to receive a first fluid flow in contact with the first electrode, and a second channel within the reaction chamber to receive a second fluid flow in contact with the second electrode. It will be appreciated that the separator allows ionic communication between the first and second electrodes via fluid flows. The separator may be a permeable membrane that limits the exchange of fluids between fluid streams. The static mixer section may form/include a plurality of separating structures configured to separate the fluid stream into a plurality of separate substreams at a plurality of locations along the length of the first electrode. It will be appreciated that the portion of the static mixer, as part of the electrode, is electrically conductive. Additional embodiments and details of the electrochemical flow cell are described as follows.

Со ссылкой на Фигуру 1, электрохимическая проточная ячейка 100 (без показанного сепаратора) включает реакционную камеру 102, содержащую первый электрод 104 и второй электрод 106. Второй электрод 106 может формировать по меньшей мере часть стенки реакционной камеры 102, как показано в Фигуре 1. Первый электрод 104 может включать статический смеситель. Второй электрод 106 может включать статический смеситель. Первый и второй электроды 104, 106 могут быть размещены концентрически, с окружающей другого конфигурацией, или в конфигурации с параллельным размещением.With reference to Figure 1, an electrochemical flow cell 100 (without a separator shown) includes a reaction chamber 102 containing a first electrode 104 and a second electrode 106. The second electrode 106 may form at least a portion of the wall of the reaction chamber 102 as shown in Figure 1. First electrode 104 may include a static mixer. The second electrode 106 may include a static mixer. The first and second electrodes 104, 106 may be placed concentrically, in a surrounding configuration, or in a parallel placement configuration.

Источник 110 электрической энергии может быть соединен с первым и вторым электродами 104, 106 через соответствующие первый и второй электрические проводники или кабели 114, 116, для подачи разности потенциалов или напряжения на электроды 104, 106. В некоторых вариантах исполнения первый электрод 104 может действовать как анод, и второй электрод 106 может действовать как катод. В некоторых вариантах исполнения первый электрод 104 может действовать как катод, и второй электрод 106 может действовать как анод. В некоторых вариантах исполнения отрицательный потенциал может быть подведен к первому электроду 104, и положительный потенциал может быть подведен ко второму электроду 106. В некоторых вариантах исполнения к первому электроду 104 может быть подведен положительный потенциал, и ко второму электроду 106 может быть подведен отрицательный потенциал.Electrical power source 110 may be connected to first and second electrodes 104, 106 via respective first and second electrical conductors or cables 114, 116 to provide a potential difference or voltage to electrodes 104, 106. In some embodiments, first electrode 104 may act as the anode, and the second electrode 106 may act as the cathode. In some embodiments, first electrode 104 may act as the cathode and second electrode 106 may act as the anode. In some embodiments, a negative potential may be applied to the first electrode 104 and a positive potential may be applied to the second electrode 106. In some embodiments, a positive potential may be applied to the first electrode 104 and a negative potential may be applied to the second electrode 106.

Первый и второй электроды 104, 106 могут быть сформированы из электропроводного материала, или могут включать электропроводное поверхностное покрытие. Дополнительные характеристики электродов 104, 106 описаны ниже согласно различным вариантам исполнения и примерам.The first and second electrodes 104, 106 may be formed from an electrically conductive material, or may include an electrically conductive surface coating. Additional characteristics of the electrodes 104, 106 are described below with respect to various embodiments and examples.

Насос 120 может быть размещен для создания течения текучей среды в реакционную камеру 102 по первому проточному трубопроводу 124 для текучей среды через первый впускной канал 134 в реакционной камере 102, для протекания текучей среды через первый электрод 104 или вокруг него. Насос 120 может быть размещен также для подачи текучей среды в реакционную камеру по второму проточному трубопроводу 126 для текучей среды через второй впускной канал 136 в реакционной камере 102, для протекания текучей среды между первым электродом 104 и вторым электродом 106. Затем текучая среда может вытекать из реакционной камеры 102 через первый выпускной канал 144, смежный с первым электродом 104, и второй выпускной канал 146, более близкий ко второму электроду 106.Pump 120 may be positioned to cause fluid to flow into reaction chamber 102 through first fluid flow conduit 124 through first inlet 134 in reaction chamber 102 to flow fluid through or around first electrode 104. The pump 120 may also be positioned to supply fluid to the reaction chamber through the second fluid flow conduit 126 through the second inlet 136 in the reaction chamber 102, for fluid to flow between the first electrode 104 and the second electrode 106. Fluid may then flow from reaction chamber 102 through a first outlet 144 adjacent to the first electrode 104 and a second outlet 146 closer to the second electrode 106.

В некоторых вариантах исполнения текучая среда может подаваться в первый и второй проточные трубопроводы 124, 126 независимо из первого насоса 120 и второго насоса 122, как показано в Фигуре 2. В некоторых вариантах исполнения первый и второй проточные трубопроводы 124, 126 могут подавать в реакционную камеру 102 различные текучие среды. Проточные трубопроводы 124, 126 могут включать, например, трубы или трубки.In some embodiments, fluid may be supplied to the first and second flow conduits 124, 126 independently from the first pump 120 and the second pump 122, as shown in Figure 2. In some embodiments, the first and second flow conduits 124, 126 may be supplied to the reaction chamber 102 different fluids. The flow conduits 124, 126 may include pipes or tubes, for example.

Со ссылкой на Фигуру 2, представлена электрохимическая проточная ячейка 200 согласно некоторым вариантам исполнения (с показанным сепаратором). Проточная ячейка 200 подобна проточной ячейке 100, описанной в отношении Фигуры 1, и сходные кодовые номера позиций использованы для подобных компонентов. В дополнение к компонентам, показанным в проточной ячейке 100 и изложенным выше, проточная ячейка 200 включает сепаратор 202. Сепаратор в варианте исполнения, как показанный в Фигуре 2, по меньшей мере частично отделяет первую текучую среду, находящуюся вокруг первого электрода 104 или рядом с ним, от второй текучей среды, смежной со вторым электродом 106, между первым и вторым электродами 104, 106. Сепаратор 202 совместно со стенками реакционной камеры 102 может формировать первый канал 204 и второй канал 206. Первый электрод 104 может быть размещен в первом канале 204, и второй электрод 106 может быть размещен в стенке второго канала 106 или формировать ее. Впускные каналы 134, 136 и выпускные каналы 144, 146 могут быть конфигурированы так, что первая текучая среда протекает через первый канал 204, и вторая текучая среда протекает через второй канал 206. В некоторых вариантах исполнения соотношение между площадями боковой поверхности поперечного сечения первого канала 204 и второго канала 206 может быть в диапазоне, например, от 0,01 до 100, от 0,1 до 10, от 0,5 до 5, от 0,3 до 1, от 0,5 до 0,9, от 0,5 до 1,5, или от 0,8 до 1,2.With reference to Figure 2, an electrochemical flow cell 200 is shown in some embodiments (with separator shown). The flow cell 200 is similar to the flow cell 100 described in relation to Figure 1 and similar reference numbers are used for similar components. In addition to the components shown in the flow cell 100 and set forth above, the flow cell 200 includes a separator 202. The separator, in the embodiment as shown in Figure 2, at least partially separates the first fluid around or near the first electrode 104 , from the second fluid adjacent to the second electrode 106, between the first and second electrodes 104, 106. The separator 202 together with the walls of the reaction chamber 102 may form the first channel 204 and the second channel 206. The first electrode 104 may be placed in the first channel 204, and the second electrode 106 may be placed in or formed into the wall of the second channel 106. The inlets 134, 136 and the outlets 144, 146 may be configured such that the first fluid flows through the first channel 204 and the second fluid flows through the second channel 206. In some embodiments, the ratio between the side cross-sectional area of the first channel 204 and the second channel 206 may range, for example, from 0.01 to 100, from 0.1 to 10, from 0.5 to 5, from 0.3 to 1, from 0.5 to 0.9, from 0 .5 to 1.5, or 0.8 to 1.2.

Сепаратор 202 может обеспечивать возможность течения электрических зарядов между электродами 104, 106, но ограничивать пропускание всей текучей среды через сепаратор 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может создавать ионную коммуникацию между первым и вторым электродами 104, 106. Например, ионы могут проходить из первого канала 204 в текучую среду канала 206, тогда как может быть предотвращено или существенно ограничено пропускание других компонентов текучих сред через сепаратор 202. В некоторых вариантах исполнения небольшое количество текучей среды может проходить через сепаратор 202, хотя сепаратор 202 может быть конфигурирован так, чтобы по существу препятствовать течению текучей среды через сепаратор 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать проницаемую мембрану, полупроницаемую мембрану или селективно проницаемую мембрану. Характеристики сепаратора 202 более подробно описаны ниже согласно различным вариантам исполнения.Separator 202 may allow electrical charges to flow between electrodes 104, 106, but restrict all fluid from passing through separator 202. In some embodiments, separator 202 may create ionic communication between first and second electrodes 104, 106. For example, ions may pass from the first passage 204 into the fluid passage 206, while other fluid components may be prevented or substantially limited from passing through separator 202. In some embodiments, a small amount of fluid may pass through separator 202, although separator 202 may be configured to substantially prevent fluid from flowing through separator 202. In some embodiments, separator 202 may include a permeable membrane, a semi-permeable membrane, or a selectively permeable membrane. The characteristics of the separator 202 are described in more detail below according to various embodiments.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 и стенки реакционной камеры 102 могут быть размещены так, чтобы образовывать каналы 204, 206 в конфигурации с параллельным размещением. Сепаратор 202 может быть по существу планарно протяженным между каналами 204, 206. В некоторых вариантах исполнения каналы 204, 206 могут быть протяженными по существу параллельно. В некоторых вариантах исполнения второй канал 206 может частично окружать первый канал 204. В некоторых вариантах исполнения первый и второй каналы 204, 206 могут быть размещены концентрически. В некоторых вариантах исполнения первый канал 204 может быть полностью сформирован внутренней поверхностью сепаратора 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 и камера 102 могут быть по существу цилиндрическими. В некоторых вариантах исполнения камера 102 может быть по существу соосной сепаратору 202. В некоторых вариантах исполнения второй электрод 106 может быть по существу соосным первому электроду 104. В некоторых вариантах исполнения все из стенки камеры 102 и сепаратора 202 могут быть по существу цилиндрическими и соосными центральной продольной оси первого электрода 104.In some embodiments, the separator 202 and the walls of the reaction chamber 102 may be positioned to form channels 204, 206 in a parallel array configuration. Separator 202 may extend substantially planarly between channels 204, 206. In some embodiments, channels 204, 206 may extend substantially in parallel. In some embodiments, the second channel 206 may partially surround the first channel 204. In some embodiments, the first and second channels 204, 206 may be placed concentrically. In some embodiments, the first channel 204 may be completely formed by the inner surface of the separator 202. In some embodiments, the separator 202 and chamber 102 may be substantially cylindrical. In some embodiments, chamber 102 may be substantially coaxial with separator 202. In some embodiments, second electrode 106 may be substantially coaxial with first electrode 104. In some embodiments, all of chamber wall 102 and separator 202 may be substantially cylindrical and coaxial with a central longitudinal axis of the first electrode 104.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может образовывать/включать вариации поверхности или волнистости для увеличения площади поверхности сепаратора 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть гофрированным. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть по существу цилиндрическим с продольными складками. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть по существу цилиндрическим с окружными складками.In some embodiments, cage 202 may form/include surface variations or undulations to increase the surface area of cage 202. In some embodiments, cage 202 may be corrugated. In some embodiments, the separator 202 may be substantially cylindrical with longitudinal folds. In some embodiments, separator 202 may be substantially cylindrical with circumferential folds.

Первый электрод 104 (и/или второй электрод 106) может включать участок статического смесителя (например, статический смесительный элемент, или SME), который образует структуру, имеющую такую геометрию, которая стимулирует перемешивание текучей среды, протекающей через статический смеситель между общим объемом текучей среды и поверхностью электрода, а также внутри самой текучей среды. Первый электрод может представлять собой электрод с функцией статического смесителя. Электрод 104 с функцией статического смесителя может быть предназначен для разделения потока во множестве различных местах разделения вдоль длины электрода 104, чтобы стимулировать тщательное перемешивание путем хаотической адвекции.The first electrode 104 (and/or the second electrode 106) may include a static mixer portion (e.g., a static mixing element, or SME) that forms a structure having a geometry that promotes mixing of the fluid flowing through the static mixer between the total volume of fluid and the electrode surface, as well as within the fluid itself. The first electrode may be a static mixer electrode. The static mixer electrode 104 may be designed to split the flow at a variety of different split locations along the length of the electrode 104 to promote thorough mixing by chaotic advection.

Статический смеситель может быть составлен множеством разделительных структур, размещенными в местах разделения для разделения потока. Разделительные структуры могут быть размещены под разными азимутальными углами в различных местах для разделения потока под различными углами. В некоторых вариантах исполнения разделительные структуры могут быть предназначены для разделения потока на два отдельных субпотока на каждом месте разделения. В некоторых вариантах исполнения разделительные структуры могут быть предназначены для разделения потока по меньшей мере на три отдельных субпотока на каждом месте разделения, например, таких как три, четыре, пять, шесть, семь или восемь отдельных струй.A static mixer may be composed of a plurality of separation structures placed at separation locations to separate the flow. Separation structures can be placed at different azimuth angles at different locations to separate the flow at different angles. In some embodiments, the splitter structures may be designed to split the stream into two separate substreams at each split point. In some embodiments, the separation structures may be designed to split the stream into at least three separate substreams at each separation point, such as three, four, five, six, seven, or eight separate jets, for example.

Геометрия статического смесителя может быть конфигурирована для усиления хаотической адвекции на основе свойств конкретной текучей среды. Структура статического смесителя может включать сетчатые элементы, включающие одно или многие пересекающиеся лезвия или лопатки, раскосы, неровности, волнистости и выступы, спирали, гофрированные пластины, открытые конфигурации, закрытые конфигурации, поры, каналы, полости, трубки, и многослойные конструкции.The static mixer geometry can be configured to enhance chaotic advection based on the properties of the particular fluid. The structure of a static mixer may include mesh elements including one or more intersecting blades or blades, braces, bumps, undulations and projections, spirals, corrugated plates, open configurations, closed configurations, pores, channels, cavities, tubes, and sandwich structures.

Геометрия может регулярно повторяться вдоль длины смесителя, или же может варьировать по размеру, типу и/или форме. Геометрия также может варьировать по своей характеристической длине от масштаба смесителя до нанометров, и технические особенности могут быть предусмотрены во всех масштабах длин между ними.The geometry may repeat regularly along the length of the mixer, or may vary in size, type and/or shape. The geometry can also vary in its characteristic length from mixer scale down to nanometers, and technical features can be provided at all length scales in between.

Со ссылкой на Фигуры 3А-3D, показан электрод 104 с функцией статического смесителя согласно некоторым вариантам исполнения. Электрод 104 включает участок 304 статического смесителя, протяженный между первым оконечным участком 334 и вторым оконечным участком 344. Оконечные участки 334, 344 могут представлять собой трубы или трубки для направления текучей среды через статический смеситель.With reference to Figures 3A-3D, an electrode 104 is shown with a static mixer function according to some embodiments. The electrode 104 includes a static mixer section 304 extending between the first end section 334 and the second end section 344. The end sections 334, 344 may be pipes or tubes for directing fluid through the static mixer.

Первый оконечный участок 334 может составлять первый впускной канал 134 проточной ячейки, и второй оконечный участок 344 может образовывать первый выпускной канал 144 проточной ячейки, такой как в проточных ячейках 100, 200, описанных выше в отношении Фигур 1 и 2. Оконечные участки 334, 344 также могут создавать область электрического контакта для соединения электрода 104 с источником 110 питания.The first end section 334 may constitute the first flow cell inlet 134, and the second end section 344 may form the first flow cell outlet 144, such as in the flow cells 100, 200 described above with respect to Figures 1 and 2. The end sections 334, 344 may also create an area of electrical contact to connect the electrode 104 to the power source 110.

Участок 304 статического смесителя показан в Фигурах 3В-3D без оконечных участков 334, 344, чтобы более четко показать геометрию согласно некоторым вариантам исполнения. Участок 304 статического смесителя включает множество прямолинейных разделительных структур, размещенных в повторяющихся модулях, причем каждый последующий модуль повернут на 90° относительно предшествующего модуля вокруг центральной продольной оси участка статического смесителя, протяженного от одного оконечного участка до другого. Участок 334 статического смесителя стимулирует хаотическую адвекцию текучей среды, протекающей через участок 334 статического смесителя, в общем направлении вдоль центральной продольной оси, разделяя и вновь объединяя поток во множестве местах разделения вдоль длины участка 334 статического смесителя. Разделительные структуры разделяют поток на множество отдельных субпотоки в каждом месте разделения, и отдельные субпотоки затем объединяются перед новым разделением в следующей разделительной структуре в следующем месте разделения.The static mixer section 304 is shown in Figures 3B-3D without the end sections 334, 344 to more clearly show the geometry in some embodiments. The static mixer section 304 includes a plurality of rectilinear spacer structures arranged in repeating modules, with each subsequent module rotated 90° relative to the preceding module about the central longitudinal axis of the static mixer section extending from one end section to the other. The static mixer section 334 stimulates chaotic advection of the fluid flowing through the static mixer section 334 in a general direction along the central longitudinal axis, splitting and recombining the flow at multiple separation locations along the length of the static mixer section 334. The splitter structures divide the stream into a plurality of separate substreams at each split site, and the individual substreams are then combined before splitting again in the next splitter structure at the next split site.

Всякий раз, как поток разделяется и объединяется, он вводит различные части текучей среды из объема текучей среды в контакт с поверхностью электрода 104, и многократное разделение потока вдоль длины статического смесителя повышает количество текучей среды, которая приходит в контакт с электродом 104.Each time the flow splits and combines, it brings different portions of the fluid from the fluid volume into contact with the surface of the electrode 104, and multiple flow splits along the length of the static mixer increase the amount of fluid that comes into contact with the electrode 104.

В некоторых вариантах исполнения диаметр электрода 104 с функцией статического смесителя может быть близким к внутреннему диаметру сепаратора 202. То есть, первый электрод 104 может быть плотно вставлен внутрь сепаратора 202. Наружная оболочка статического смесителя первого электрода 104 сообразно своей геометрии может по существу полностью заполнять внутренний объем, образуемый сепаратором 202. В некоторых вариантах исполнения объем первого электрода 104 может составлять величину в диапазоне от 1% до 99% внутреннего объема канала 204, необязательно, от 10% до 90%, от 20% до 80%, от 30% до 70%, или от 40% до 60%. В некоторых вариантах исполнения объем первого электрода 104 может занимать по меньшей мере около 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, или 99%, внутреннего объема канала 204. Дополнительные характеристики статического смесителя описаны ниже согласно различным вариантам исполнения.In some embodiments, the diameter of the static mixer electrode 104 may be close to the inner diameter of the separator 202. That is, the first electrode 104 may be tightly inserted into the separator 202. volume formed by the separator 202. In some embodiments, the volume of the first electrode 104 may be in the range from 1% to 99% of the internal volume of the channel 204, optionally, from 10% to 90%, from 20% to 80%, from 30% to 70%, or 40% to 60%. In some embodiments, the volume of the first electrode 104 may be at least about 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, or 99% , the internal volume of the channel 204. Additional characteristics of the static mixer are described below according to various versions.

Со ссылкой на Фигуры 4А-4С, показана электрохимическая проточная ячейка 400 согласно некоторым вариантам исполнения, в собранной конфигурации (Фиг. 4А), в разобранном состоянии (Фиг. 4В), и в поперечном разрезе (Фиг. 4С). Сходные компоненты обозначены подобными кодовыми номерами позиций, и могут включать любые из признаков проточных ячеек 100, 200, и компонентов, описанных в отношении Фигур 1 и 2, или электрода 104 с функцией статического смесителя, описанного в отношении Фигур 3А-3D.With reference to Figures 4A-4C, an electrochemical flow cell 400 according to some embodiments is shown in an assembled configuration (FIG. 4A), disassembled (FIG. 4B), and in cross section (FIG. 4C). Like components are identified by like reference numerals, and may include any of the features of the flow cells 100, 200 and components described with respect to Figures 1 and 2, or the static mixer electrode 104 described with respect to Figures 3A-3D.

Проточная ячейка может включать первый электрод 104, второй электрод 106, и сепаратор 202, размещенный между первым электродом 104 и вторым электродом 106. Первый электрод 104 может включать электрод 104 с функцией статического смесителя, как описано, например, в отношении Фигур 3А-3D.The flow cell may include a first electrode 104, a second electrode 106, and a separator 202 placed between the first electrode 104 and the second electrode 106. The first electrode 104 may include an electrode 104 with a static mixer function, as described, for example, in relation to Figures 3A-3D.

Сепаратор 202 может включать проницаемую, полупроницаемую или селективно проницаемую мембрану, которая является по существу цилиндрической и плотно охватывает участок 304 статического смесителя первого электрода 104. Сепаратор 202 и первый электрод 104 могут сообща формировать первый канал 204, вдоль которого текучая среда может протекать, контактировать с первым электродом 104 и перемешиваться участком 304 статического смесителя (смотри Фигуру 4С).Separator 202 may include a permeable, semi-permeable, or selectively permeable membrane that is substantially cylindrical and tightly encloses static mixer portion 304 of first electrode 104. Separator 202 and first electrode 104 may collectively form a first channel 204 along which fluid may flow, contact with the first electrode 104 and agitated by the static mixer section 304 (see Figure 4C).

Второй электрод 106 также может быть по существу цилиндрическим и образовывать наружную стенку реакционной камеры 102, окружающей сепаратор 202 и первый электрод 104. Сепаратор 202 и второй электрод 106 могут сообща формировать второй канал 206, вдоль которого текучая среда может протекать и контактировать со вторым электродом 106 (смотри Фигуру 4С).Second electrode 106 may also be substantially cylindrical and form the outer wall of reaction chamber 102 surrounding separator 202 and first electrode 104. Separator 202 and second electrode 106 may collectively form a second channel 206 along which fluid may flow and contact second electrode 106. (see Figure 4C).

Сепаратор 202 и второй электрод 104 могут быть размещены по существу концентрически и/или соосно центральной продольной оси первого электрода 104.Separator 202 and second electrode 104 may be placed substantially concentrically and/or coaxially with the central longitudinal axis of first electrode 104.

Сепаратор 202 и электроды 104, 106 удерживаются на месте двумя противоположными торцевыми крышками 500, показанными с дополнительными подробностями в Фигуре 5, согласно некоторым вариантам исполнения. Каждая торцевая крышка 500 включает корпус 501, образующий посадочное гнездо 502 сепаратора, посадочное гнездо 504 первого электрода и посадочное гнездо 506 второго электрода.Separator 202 and electrodes 104, 106 are held in place by two opposing end caps 500, shown in more detail in Figure 5, in some embodiments. Each end cap 500 includes a housing 501 defining a separator housing 502, a first electrode housing 504, and a second electrode housing 506.

Посадочное гнездо 506 второго электрода образовано круговой выемкой в корпусе 501, предназначенной для размещения по меньшей мере части конца второго электрода 106. Проточная ячейка 400 может включать прокладку 426 второго электрода, размещенную между вторым электродом 106 и каждой торцевой крышкой 500 для образования герметичного уплотнения между вторым электродом 106 и посадочным гнездом 506 второго электрода (смотри Фигуру 4В).The second electrode seat 506 is formed by a circular recess in the housing 501 to receive at least a portion of the end of the second electrode 106. The flow cell 400 may include a second electrode spacer 426 placed between the second electrode 106 and each end cap 500 to form a hermetic seal between the second electrode 106 and the second electrode receptacle 506 (see Figure 4B).

Посадочное гнездо 502 сепаратора образовано круговой выемкой (или в некоторых вариантах исполнения кольцевой выточкой), предназначенной для соответственного размещения первого оконечного участка 232 или второго оконечного участка 242 сепаратора 202 (смотри Фигуру 4В). Корпус 501 образует отверстие 516, размещенное между посадочным гнездом 502 сепаратора и посадочным гнездом 506 второго электрода, и перепускной канал от отверстия 516 для образования второго выпускного канала 136 или второго впускного канала 146, соответственно.Cage seat 502 is formed by a circular recess (or, in some embodiments, by an annular recess) for respectively accommodating first end portion 232 or second end portion 242 of separator 202 (see Figure 4B). The body 501 defines an opening 516 located between the separator seat 502 and the second electrode seat 506, and a bypass from the opening 516 to form a second outlet 136 or a second inlet 146, respectively.

Посадочное гнездо 504 первого электрода образовано цилиндрическим просверленным отверстием или перепускным каналом, предназначенным для введения соответствующих оконечных участков 334, 344 первого электрода 104. Посадочное гнездо 504 первого электрода может быть окружено фаской 514 на одной стороне корпуса 501, чтобы способствовать размещению первого электрода 104 в посадочном гнезде 504 первого электрода. Перепускной канал может пролегать от фаски 514 до отверстия 524 посадочного гнезда 504 первого электрода на другой стороне корпуса 501 (смотри Фиг. 4В). Первый и второй оконечные участки 334, 344 первого электрода 104 могут быть протяженными через перепускной канал и отверстие 524, и соответственно образуют первый впускной канал 134 или первый выпускной канал 144.The first electrode seat 504 is formed by a cylindrical drilled hole or bypass channel designed to receive the respective end portions 334, 344 of the first electrode 104. socket 504 of the first electrode. The bypass can extend from the chamfer 514 to the opening 524 of the first electrode seat 504 on the other side of the housing 501 (see FIG. 4B). The first and second end portions 334, 344 of the first electrode 104 may extend through the bypass and opening 524, and respectively form the first inlet 134 or the first outlet 144.

Уплотнение может быть сформировано между оконечными участками 334, 344 и торцевыми крышками 500 из уплотнительной пластины или крышки сальника 410 и прокладки 424 первого электрода (смотри Фиг. 4В). Крышка сальника 410 может включать отверстие 414 электрода для пропускания по меньшей мере части оконечных участков 334, 344, и множество отверстий для крепежных деталей (не показаны) для размещения множества крепежных деталей 412. Корпус 501 торцевых крышек 500 может содержать соответствующее множество выемок 512 для крепежных деталей, предназначенных для введения крепежных деталей 412. Крепежные детали 412 могут входить в зацепление (например, резьбовое) с выемками 512 для крепежных деталей для прижатия крышек 410 сальников к торцевым крышкам 500, зажимая прокладки 424 первого электрода между торцевыми крышками 500 и крышками 410 сальников, и к оконечным участкам 334, 344, образуя тем самым уплотнение между первым электродом 104 и торцевыми крышками 500.A seal may be formed between the end portions 334, 344 and the end caps 500 from a sealing plate or gland cover 410 and a first electrode gasket 424 (see FIG. 4B). Gland cover 410 may include an electrode opening 414 for passing at least a portion of the end portions 334, 344, and a plurality of fastener holes (not shown) for receiving a plurality of fasteners 412. fasteners 412. Fasteners 412 may engage (eg, threaded) with fastener recesses 512 to press gland covers 410 against end caps 500, pinching first electrode spacers 424 between end caps 500 and gland caps 410 , and to the end portions 334, 344, thereby forming a seal between the first electrode 104 and the end caps 500.

Торцевые крышки 500 могут быть стянуты друг с другом множеством стержней 440, протяженных между торцевыми крышками 500 и проходящих через соответствующее множество отверстий 542 для стяжных стержней, образованных в корпусе 500 каждой торцевой крышки 500. Стержни 440 могут быть предназначены для размещения крепежных деталей 442 стержней на каждом конце каждого стяжного стержня 440 для прижатия торцевых крышек 500 друг к другу и удерживания сепаратора 202 и первого и второго электродов 104, 106 между торцевыми крышками, образуя реакционную камеру 102 и проточную ячейку 400.The end caps 500 may be pulled together by a plurality of rods 440 extending between the end caps 500 and passing through a respective plurality of tie rod holes 542 formed in the housing 500 of each end cap 500. each end of each tie rod 440 to press the end caps 500 together and hold the separator 202 and the first and second electrodes 104, 106 between the end caps to form a reaction chamber 102 and a flow cell 400.

Электрохимические проточные ячейки 100, 200 и 400 могут обеспечивать повышенные производительности в электрохимических реакциях, по сравнению с традиционными электрохимическими проточными ячейками, благодаря геометрии статического смесителя первого электрода 104 (и/или второго электрода 106), стимулирующего усиленное перемешивание текучей среды, например, такое как хаотическая адвекция, для увеличения объема текучей среды, приводимой в контакт с первым электродом 104 и/или вторым электродом 106.The electrochemical flow cells 100, 200, and 400 can provide enhanced electrochemical reaction capacities over conventional electrochemical flow cells due to the static mixer geometry of the first electrode 104 (and/or the second electrode 106) facilitating enhanced mixing of the fluid, such as for example chaotic advection to increase the volume of fluid brought into contact with the first electrode 104 and/or the second electrode 106.

Электрохимические проточные ячейки 200 и 400 могут обеспечивать дополнительное преимущество в том плане, что потоки текучей среды могут удерживаться по существу по отдельности в каналах 204, 206 на любой стороне сепаратора 202. Это позволяет обеспечить независимое поступление текучих сред, удерживаемых по существу по отдельности, в то же время по-прежнему обеспечивая протекание электрохимических реакций. Например, в некоторых процессах конкретные частицы, например, такие как ионы металла, могут быть осаждены на поверхности одного из электродов 104, 106 в результате электроосаждения.Electrochemical flow cells 200 and 400 may provide the additional advantage that fluid streams can be held substantially separately in channels 204, 206 on either side of separator 202. while still allowing electrochemical reactions to take place. For example, in some processes, specific particles such as metal ions, for example, may be deposited on the surface of one of the electrodes 104, 106 by electrodeposition.

Со ссылкой на Фигуру 6, показана электрохимическая проточная система 600 согласно некотоырм вариантам исполнения. Система 600 включает первую проточную ячейку 200а и вторую проточную ячейку 200b, размещенные последовательно и получающие электроснабжение от двух источников 110а и 110b питания, соответственно. Хотя в некоторых вариантах исполнения обе проточных ячейки 200а, 200b может питать единственный источник 110 питания. Электрохимические проточные ячейки 200а, 200b могут быть по существу подобными проточным ячейкам 200 или 400, и могут включать любые из признаков компонентов, описанных выше в отношении Фигур 2-5.With reference to Figure 6, an electrochemical flow system 600 is shown in some embodiments. System 600 includes a first flow cell 200a and a second flow cell 200b arranged in series and powered by two power supplies 110a and 110b, respectively. Although in some embodiments both flow cells 200a, 200b may be powered by a single power source 110. Electrochemical flow cells 200a, 200b may be substantially similar to flow cells 200 or 400, and may include any of the features of the components described above with respect to Figures 2-5.

Система 600 может включать первый насос 120, подающий первую текучую среду из первого источника (Вход 1) в первый впускной канал 134а первой проточной ячейки 200а через первый проточный трубопровод 124а первой проточной ячейки 200а, и второй насос 122, подающий вторую текучую среду из второго источника (Вход 2) во второй впускной канал 136а первой проточной ячейки 200а через второй проточный трубопровод 126а первой проточной ячейки 200а. Первый и второй электроды 104b, 106b второй проточной ячейки 200b могут снабжаться электрическим напряжением в обратной полярности относительно напряжения, подводимого к первому и второму электродами 104а, 106а первой проточной ячейки 200а.System 600 may include a first pump 120 that supplies a first fluid from a first source (Inlet 1) to a first inlet 134a of first flow cell 200a through a first flow conduit 124a of first flow cell 200a, and a second pump 122 that supplies a second fluid from a second source. (Inlet 2) into the second inlet 136a of the first flow cell 200a through the second flow conduit 126a of the first flow cell 200a. The first and second electrodes 104b, 106b of the second flow cell 200b may be supplied with an electrical voltage in reverse polarity relative to the voltage applied to the first and second electrodes 104a, 106a of the first flow cell 200a.

Система 600 может быть конфигурирована так, что первая текучая среда, поступающая в первый впускной канал 134а первой проточной ячейки 200а, протекает через первый канал 204а и вытекает через первый выпускной канал 144а первой проточной ячейки 200а, затем поступает во второй впускной канал 136b второй проточной ячейки 200b через второй проточный трубопровод 126b второй проточной ячейки 200b, и вытекает через второй выпускной канал 146b в первый резервуар (Выход 1). Система 600 может быть дополнительно конфигурирована так, что вторая текучая среда, поступающая во второй впускной канал 136а первой проточной ячейки 200а, протекает через второй канал 206а и вытекает через второй выпускной канал 146а первой проточной ячейки 200а; затем поступает в первый впускной канал 134b второй проточной ячейки 200b через первый проточный трубопровод 124b; через первый канал 204b второй проточной ячейки 200b и вытекает через первый выпускной канал 144b во второй резервуар (Выход 2).The system 600 may be configured such that the first fluid entering the first inlet 134a of the first flow cell 200a flows through the first channel 204a and exits through the first outlet 144a of the first flow cell 200a, then enters the second inlet 136b of the second flow cell 200b through the second flow conduit 126b of the second flow cell 200b, and flows out through the second outlet 146b into the first reservoir (Outlet 1). The system 600 can be further configured such that the second fluid entering the second inlet 136a of the first flow cell 200a flows through the second channel 206a and exits through the second outlet 146a of the first flow cell 200a; then enters the first inlet 134b of the second flow cell 200b through the first flow conduit 124b; through the first channel 204b of the second flow cell 200b and flows through the first outlet channel 144b into the second reservoir (Outlet 2).

Например, источник первой текучей среды может включать загрязняющий металл, такой как медь, и может быть желательным удалить загрязнение из источника первой текучей среды и перенести загрязнение во вторую текучую среду. При протекании через систему 600 загрязняющее вещество будет осаждаться на первом электроде 104а первой проточной ячейки 200а из первой текучей среды, и, если имеется любое загрязнение, оставшееся в первой текучей среде после прохода через первую проточную ячейку 200а, загрязнение будет также осаждаться на втором электроде 106b второй проточной ячейки 200b, когда первая текучая среда протекает через второй канал 206b второй проточной ячейки 200b. Вторая текучая среда будет проходить через второй канал 206а первой проточной ячейки 200а и первый канал 204b второй проточной ячейки 200b для создания электрического контакта и завершения гальванической цепи для каждой проточной ячейки 200а, 200b.For example, the source of the first fluid may include a contaminating metal such as copper, and it may be desirable to remove the contamination from the source of the first fluid and transfer the contamination to the second fluid. As it flows through the system 600, the contaminant will be deposited on the first electrode 104a of the first flow cell 200a from the first fluid, and if there is any contaminant left in the first fluid after passing through the first flow cell 200a, the contaminant will also be deposited on the second electrode 106b second flow cell 200b when the first fluid flows through the second channel 206b of the second flow cell 200b. The second fluid will pass through the second channel 206a of the first flow cell 200a and the first channel 204b of the second flow cell 200b to create electrical contact and complete the galvanic circuit for each flow cell 200a, 200b.

В традиционных системах, когда загрязняющее вещество наросло на электроде в результате электроосаждения, электрод удаляют из системы, и осажденное загрязнение механически удаляют с поверхности электрода. Однако, когда используют систему 600, нет необходимости в извлечении электродов.In conventional systems, when a contaminant has built up on an electrode due to electrodeposition, the electrode is removed from the system and the deposited contaminant is mechanically removed from the electrode surface. However, when the system 600 is used, it is not necessary to remove the electrodes.

Как только загрязнение накопилось в результате осаждения на первом электроде 104а первой проточной ячейки 200а и втором электроде 106b второй проточной ячейки 200b, источники текучих сред могут быть переключены взаимообменом проточных трубопроводов 124а, 126а или использованием линейных задвижек или клапанов (не показаны) так, что первая текучая среда протекает через второй канал 206а первой проточной ячейки 200а и первый канал 204b второй проточной ячейки 200b, и вторая текучая среда протекает через первый канал 204а первой проточной ячейки 200а и второй канал 206b второй проточной ячейки 200b. Этим путем загрязнение будет удаляться с поверхностей первого электрода 104а первой проточной ячейки 200а и второго электрода 106b второй проточной ячейки 200b, и бóльшая часть загрязнения будет удалена из первой текучей среды и осаждена на втором электроде 106а первой проточной ячейки 200а и первом электроде 104b второй проточной ячейки 200b.Once fouling has accumulated as a result of deposition on the first electrode 104a of the first flow cell 200a and the second electrode 106b of the second flow cell 200b, the fluid sources can be switched by interchanging the flow conduits 124a, 126a or by using inline gate valves or valves (not shown) so that the first fluid flows through the second passage 206a of the first flow cell 200a and the first passage 204b of the second flow cell 200b, and the second fluid flows through the first passage 204a of the first flow cell 200a and the second passage 206b of the second flow cell 200b. In this way, contamination will be removed from the surfaces of the first electrode 104a of the first flow cell 200a and the second electrode 106b of the second flow cell 200b, and most of the contamination will be removed from the first fluid and deposited on the second electrode 106a of the first flow cell 200a and the first electrode 104b of the second flow cell 200b.

Электрохимическая проточная система 600 позволяет проводить электрохимическую реакцию неопределенно долго с относительно короткими перерывами для переключения путей текучих сред, сравнительно с традиционными системами, для которых требуется физическое извлечение и замена электродов, когда осаждение материала на электродах достигло некоторого порогового значения.The electrochemical flow system 600 allows the electrochemical reaction to run indefinitely with relatively short interruptions to switch fluid paths, compared to conventional systems that require the physical removal and replacement of electrodes when material deposition on the electrodes has reached a certain threshold.

Электрохимический трубчатый реакторElectrochemical tubular reactor

Электрохимический проточный реактор, например, описанная выше электрохимическая проточная ячейка, может быть сформирован в виде электрохимического трубчатого реактора с непрерывным потоком. Электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком может быть сформирован согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным для электрохимической проточной ячейки.An electrochemical flow reactor, such as the electrochemical flow cell described above, may be formed as a continuous flow electrochemical tubular reactor. The continuous flow electrochemical tubular reactor may be formed according to any of the embodiments or examples as described herein for the electrochemical flow cell.

Будет понятно, что трубчатый реактор может быть создан с различными формами, длинами и конфигурациями. Например, трубчатый реактор может включать реакторную камеру круглой или некруглой формы, или где реакционная камера включает один или многие проточные каналы, которые имеют круглую или некруглую окружную форму. Примеры некруглых форм могут включать прямоугольную форму, форму равнобедренного треугольника, эллиптическую, трапециевидную и шестиугольную форму. В одном варианте исполнения трубчатый реактор или реакторная камера имеет по существу круглую или цилиндрическую форму.It will be appreciated that the tubular reactor may be constructed in various shapes, lengths and configurations. For example, a tubular reactor may include a reactor chamber of circular or non-circular shape, or where the reaction chamber includes one or more flow channels that are circular or non-circular circumferential shape. Examples of non-circular shapes may include rectangular, isosceles triangle, elliptical, trapezoidal, and hexagonal shapes. In one embodiment, the tubular reactor or reactor chamber is substantially circular or cylindrical in shape.

Электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком может включать корпус реактора, образующий реакторную камеру для размещения по меньшей мере одного электрода с функцией статического смесителя, отдаленного на заданное расстояние от по меньшей мере одного противоэлектрода. Электрод с функцией статического смесителя может быть сформирован электродом, включающим участок статического смесителя или статический смесительный элемент, как здесь описанный. Будет понятно, что участок статического смесителя или статический смесительный элемент, или по меньшей мере часть любого покрытия на нем, может быть электрически проводящим. Реактор также включает проницаемую мембрану, действующую в качестве сепаратора для отделения по текучей среде электрода с функцией статического смесителя от противоэлектрода, в то же время с обеспечением электрического соединения между электродами. Реактор может образовывать проточный канал для размещения электрода с функцией статического смесителя, который отделен от проточного канала, который содержит противоэлектрод. Пара электродов может создавать пару катода и анода для инициирования электрохимической реакции в трубчатом реакторе. Электрод с функцией статического смесителя и противоэлектрод могут быть как катодом, так и анодом, в зависимости от тока, протекающего в электрохимической ячейке. Например, электродная пара может быть реверсирована переключением подводимого тока. Электрод с функцией статического смесителя также может быть выполнен с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции.The continuous flow electrochemical tubular reactor may include a reactor vessel defining a reactor chamber for receiving at least one static mixer electrode spaced at a predetermined distance from the at least one counter electrode. An electrode with a static mixer function may be formed by an electrode including a static mixer portion or a static mixing element as described herein. It will be appreciated that the static mixer portion or static mixing element, or at least a portion of any coating thereon, may be electrically conductive. The reactor also includes a permeable membrane that acts as a separator to fluidly separate the static mixer electrode from the counter electrode while still providing an electrical connection between the electrodes. The reactor may form a flow path for receiving a static mixer electrode that is separate from the flow path that contains the counter electrode. The pair of electrodes can create a pair of cathode and anode to initiate an electrochemical reaction in the tubular reactor. The static mixer electrode and counter electrode can be either cathode or anode, depending on the current flowing in the electrochemical cell. For example, the electrode pair can be reversed by switching the applied current. The static mixer electrode can also be configured to enhance mass transfer and random advection.

Будет понятно, что трубчатый реактор предназначен для обеспечения протекания по меньшей мере потока первой текучей среды через электрод с функцией статического смесителя, чтобы быть подвергнутым обработке с хаотической адвекцией и электрохимической реакцией перед выходом через выпускной канал. Также будет понятно, что каждый проточный канал в трубчатом реакторе может иметь по меньшей мере один впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал.It will be appreciated that the tubular reactor is designed to allow at least a flow of the first fluid through the static mixer function electrode to be subjected to a random advection and electrochemical reaction treatment before exiting through the outlet port. It will also be appreciated that each flow passage in the tubular reactor may have at least one inlet and at least one outlet.

Реактор может включать одну или многие отсеки камеры в сообщении по текучей среде между собой. Электрод с функцией статического смесителя может быть конфигурирован как заменяемый электрод для вставления в электрохимический реактор с непрерывным потоком, или выполнен как постоянно действующий электрод. Один или многие реакторы, или один или многие отсеки камер реактора, могут быть предназначены для работы в последовательном или параллельном режиме.The reactor may include one or more chamber compartments in fluid communication with each other. The static mixer electrode can be configured as a replaceable electrode for insertion into a continuous flow electrochemical reactor, or configured as a permanent electrode. One or more reactors, or one or more reactor compartments, may be designed to operate in series or in parallel.

Длина реакционной камеры 102, сепаратора 202 и электродов 104, 106 может быть в диапазоне от 2 мм до 100 м, от 10 мм до 10 м, от 50 мм до 1 м, от 100 мм до 500 мм, или от 200 мм до 300 мм. Корпус реактора или камеры может иметь диаметр между 5 мм и 5 м, с такими размерами противоэлектрода и рабочего электрода, чтобы составлять эффективную электрохимическую систему. В некоторых вариантах исполнения аспектное отношение (L/d) реактора может составлять по меньшей мере около 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, или 100.The length of the reaction chamber 102, separator 202, and electrodes 104, 106 can be in the range of 2 mm to 100 m, 10 mm to 10 m, 50 mm to 1 m, 100 mm to 500 mm, or 200 mm to 300 mm. The reactor vessel or chamber may have a diameter between 5 mm and 5 m, with counter and working electrodes sized to constitute an efficient electrochemical system. In some embodiments, the aspect ratio (L/d) of the reactor may be at least about 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, or 100.

СепараторSeparator

Сепаратор 202 может включать любой пористый материал, который обеспечивает возможность ионного транспорта, но препятствует протекнию текучей среды. Сепаратор может включать проницаемую мембрану, полупроницаемую мембрану или селективно проницаемую мембрану. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть сформирован из любого одного или более следующих материалов: нетканого волокнистого материала (хлопка, нейлона, сложных полиэфиров, стекла), полимерных пленок (полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена, поливинилхлорида), керамических материалов и материалов природного происхождения (резины, асбеста, древесины). В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать полимерные материалы с порами менее 20 Å. Сепаратор 202 может быть сформирован с использованием способов сухой и/или мокрой обработки. Сепараторы 202 из нетканых материалов могут включать изготовленный лист, полотно или мат, с однонаправленно или беспорядочно ориентированными волокнами.Separator 202 may include any porous material that allows ion transport but prevents fluid from flowing. The separator may include a permeable membrane, a semi-permeable membrane, or a selectively permeable membrane. In some embodiments, separator 202 may be formed from any one or more of the following materials: nonwoven fibrous material (cotton, nylon, polyesters, glass), polymeric films (polyethylene, polypropylene, polytetrafluoroethylene, polyvinyl chloride), ceramic materials, and materials of natural origin ( rubber, asbestos, wood). In some embodiments, the separator 202 may include polymeric materials with pores less than 20 Å. The separator 202 may be formed using dry and/or wet processing methods. The nonwoven separators 202 may include a fabricated sheet, web, or mat, with unidirectional or randomly oriented fibers.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать опорную жидкостную мембрану, включающую твердую и жидкостную фазы, содержащиеся внутри микропористой структуры.In some embodiments, the separator 202 may include a liquid support membrane including solid and liquid phases contained within the microporous structure.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать полимерные электролиты, которые образуют комплексы с солями щелочных металлов, которые создают ионные проводники, служащие в качестве твердых электролитов. Твердые ионные проводники могут служить и как сепаратор, и как электролит.In some embodiments, separator 202 may include polymer electrolytes that form complexes with alkali metal salts that create ionic conductors that serve as solid electrolytes. Solid ionic conductors can serve both as a separator and as an electrolyte.

Сепаратор 202 может быть сформирован однослойным или из многих слоев материала.The separator 202 may be formed as a single layer or from multiple layers of material.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть изготовлен из спеченного порошкового материала, такого как керамические материалы, стекла, пластики, металлокерамические материалы, и их комбинации, с образованием мембранной структуры.In some embodiments, separator 202 may be made from sintered powder material, such as ceramic materials, glasses, plastics, sintered materials, and combinations thereof, to form a membrane structure.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть предназначен для пропускания ионов сквозь него, в то же время препятствуя проникновению текучей среды. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может допускать пропускание через него небольшого количества текучей среды.In some embodiments, separator 202 may be designed to allow ions to pass through while preventing fluid from entering. In some embodiments, separator 202 may be capable of passing a small amount of fluid through it.

Сепаратор 202 может иметь внутренний диаметр, конфигурированный плотно охватывающим первый электрод 104. Например, внутренний диаметр сепаратора 200 может быть в диапазоне от 0,5 мм до 5 м, от 5 мм до 1 м, или от 5 мм до 10 мм.The separator 202 may have an inner diameter configured to tightly enclose the first electrode 104. For example, the inner diameter of the separator 200 may be in the range of 0.5 mm to 5 m, 5 mm to 1 m, or 5 mm to 10 mm.

Толщина сепаратора 202 может варьировать в зависимости от его пористости. Для нанопористых сепараторов толщина может составлять величину между 1 микроном и 100 микронами (1-100 мкм), и для микропористых мембран толщина может быть между 100 микронами (мкм) и 10 мм. Средний размер пор внутри материала сепаратора может варьировать между 10 Å и 100 микронами (мкм).The thickness of the separator 202 may vary depending on its porosity. For nanoporous separators, the thickness can be between 1 micron and 100 microns (1-100 µm), and for microporous membranes, the thickness can be between 100 microns (µm) and 10 mm. The average pore size within the separator material can vary between 10 Å and 100 microns (µm).

Будет понятно, что проницаемая мембрана, как правило, создает отдельные проточные каналы для каждого из электрода с функцией статического смесителя и противоэлектрода, в то же время сохраняя электрическое соединение, необходимое для электрохимической проточной ячейки. Как правило, проницаемая мембрана предотвращает течение текучей среды через мембрану, в то же время обеспечивая транспорт ионов. Например, если во время работы электрод с функцией статического смесителя действует как отрицательный электрод (то есть, катод), и противоэлектрод действует как положительный электрод (то есть, анод), поток текучей среды как католита для протекания через электрод с функцией статического смесителя (то есть, катод) может быть получен для конкретного применения, которое отличается от потока текучей среды как анолита для протекания через положительный противоэлектрод (то есть, анод). Другими словами, проницаемая мембрана создает ионную коммуникацию между двумя электродами для электрического соединения, в то же время разделяя два индивидуальных потока текучих сред, протекающих мимо каждого из катода и анода, что обеспечивает преимущества в плане производительности и технологической гибкости.It will be understood that the permeable membrane typically provides separate flow channels for each of the static mixer and counter electrodes, while maintaining the electrical connection required for the electrochemical flow cell. Typically, a permeable membrane prevents fluid from flowing through the membrane while allowing ion transport. For example, if during operation the static mixer electrode acts as the negative electrode (i.e., cathode) and the counter electrode acts as the positive electrode (i.e., anode), the fluid flow as the catholyte to flow through the static mixer electrode (i.e., i.e., cathode) can be prepared for a specific application that is different from fluid flow as an anolyte to flow through a positive counter electrode (i.e., anode). In other words, the permeable membrane creates ionic communication between the two electrodes for electrical connection while separating the two individual fluid streams flowing past each of the cathode and anode, which provides advantages in terms of performance and process flexibility.

Проницаемая мембрана может быть концентрически размещена вдоль трубчатого реактора для отделения электрода с функцией статического смесителя от противоэлектрода. Реактор может включать корпус внутреннего соосного проточного канала одного электрода и корпус наружного концентрического проточного канала другого электрода. Электрод с функцией статического смесителя может быть заключен во внутренний соосный проточный канал, наружный концентрический проточный канал, или в оба из внутреннего соосного проточного канала и наружного концентрического проточного канала. Проточный канал также может быть назван здесь проточным каналом для текучей среды.The permeable membrane may be placed concentrically along the tubular reactor to separate the static mixer electrode from the counter electrode. The reactor may include a housing of an inner coaxial flow channel of one electrode and a housing of an outer concentric flow channel of the other electrode. The static mixer function electrode may be enclosed in an inner coaxial flow path, an outer concentric flow path, or both of an inner coaxial flow path and an outer concentric flow path. The flow channel may also be referred to here as a fluid flow channel.

Сепаратор может представлять собой полупроницаемую мембрану. Полупроницаемая мембрана может представлять собой пористую трубчатную пленку, пористый керамический фильтр в виде трубки, или пористую пластиковую трубу, которая плотно охватывает электрод с функцией статического смесителя. Будет понятно, что полупроницаемая мембрана по существу ограничивает пропускание текучей среды через мембрану, в то же время обеспечивая транспорт ионов сквозь мембрану для сохранения электрического сообщения между разделенными электродом с функцией статического смесителя и противоэлектродом.The separator may be a semi-permeable membrane. The semi-permeable membrane can be a porous tubular film, a porous ceramic tube filter, or a porous plastic tube that tightly encloses the static mixer electrode. It will be appreciated that the semi-permeable membrane substantially limits the passage of fluid through the membrane while allowing transport of ions through the membrane to maintain electrical communication between the separated static mixer electrode and the counter electrode.

Сепаратор может представлять собой селективно проницаемую мембрану. Селективно проницаемая мембрана может обеспечивать селективность в том отношении, какие компоненты могут быть пропущены сквозь мембрану, например, конкретные текучие среды или ионы. Будет понятно, что селективно проницаемая мембрана избирательно ограничивает пропускание того, что не может пройти через мембрану, в то же время обеспечивая транспорт конкретных ионов через мембрану для поддерживания электрического сообщения между разделенными электродом с функцией статического смесителя и противоэлектродом.The separator may be a selectively permeable membrane. A selectively permeable membrane may provide selectivity as to which components may be allowed to pass through the membrane, such as specific fluids or ions. It will be understood that a selectively permeable membrane selectively restricts the passage of what cannot pass through the membrane, while allowing specific ions to pass through the membrane to maintain electrical communication between the separated static mixer electrode and the counter electrode.

Будет понятно, что каждый отдельный проточный канал оснащен по меньшей мере одним впускным каналом и по меньшей мере одним выпускным каналом. Отдельные потоки текучих сред могут быть предназначены для внутреннего соосного проточного канала и наружного концентрического проточного канала. Например, поток текучей среды как католита может быть предназначен для протекания через корпус внутреннего соосного проточного канала электрода с функцией статического смесителя, и поток текучей среды как анолита может быть предназначен для протекания через корпус наружного концентрического проточного канала. Как описано ранее, электрод с функцией статического смесителя также может быть выстроен соосно по существу вдоль оси трубчатого реактора.It will be appreciated that each individual flow channel is provided with at least one inlet and at least one outlet. Separate fluid streams may be provided for an inner coaxial flow channel and an outer concentric flow channel. For example, the catholyte fluid stream may be designed to flow through the body of the inner coaxial flow path of the static mixer function electrode, and the anolyte fluid stream may be designed to flow through the body of the outer concentric flow path. As previously described, the static mixer electrode may also be aligned substantially along the axis of the tubular reactor.

Электрод с функцией статического смесителяStatic mixer electrode

Как обсуждалось выше, либо первый электрод 104, либо второй электрод 106, либо оба из первого и второго электродов 104, 106, могут включать участок статического смесителя, образующий геометрию, которая стимулирует перемешивание текучей среды, протекающей через участок статического смесителя или вокруг него. Это может быть названо как электрод с функцией статического смесителя, или SME.As discussed above, either the first electrode 104 or the second electrode 106, or both of the first and second electrodes 104, 106, may include a static mixer portion defining a geometry that promotes mixing of fluid flowing through or around the static mixer portion. This may be referred to as a static mixer electrode, or SME.

Реактор может включать более чем один электрод с функцией статического смесителя, и/или более чем один противоэлектрод. Противоэлектрод также может быть оснащен электродом с функцией статического смесителя, например, катод и анод в электрохимическом проточном реакторе может быть в каждом случае оснащен отдельным электродом с функцией статического смесителя. Электрод с функцией статического смесителя может быть концентрически заключен внутри внутреннего соосного проточного канала, и противоэлектрод может быть заключен внутри наружного концентрического проточного канала.The reactor may include more than one static mixer electrode and/or more than one counter electrode. The counter electrode can also be equipped with an electrode with a static mixer function, for example, the cathode and anode in an electrochemical flow reactor can in each case be equipped with a separate electrode with a static mixer function. The static mixer function electrode may be concentrically enclosed within the inner coaxial flow passage, and the counter electrode may be enclosed within the outer concentric flow passage.

Будет понятно, что электрод с функцией статического смесителя может включать электропроводную поверхность. Электрод с функцией статического смесителя может действовать как анод или как катод, что зависит от направления течения подводимого тока. Для электрохимической проточной ячейки в принципе будет понятно, что анод является положительным электродом, где происходит окисление, и из реактанта высвобождаются электроны, и катод представляет собой отрицательный электрод, где происходит восстановление, и электроны потребляются еще одним реактантом.It will be appreciated that the static mixer function electrode may include an electrically conductive surface. An electrode with a static mixer function can act as an anode or as a cathode, depending on the direction of current flow. For an electrochemical flow cell, it will be understood in principle that the anode is the positive electrode where oxidation occurs and electrons are released from the reactant, and the cathode is the negative electrode where reduction occurs and electrons are consumed by yet another reactant.

Электрод с функцией статического смесителя может быть получен из материала, способного обеспечивать плотности тока на любом электроде в диапазоне от 1 мкА·м-2 до около 1000 А·м-2. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать электропроводный материал, например, проводящий углеродный материал, такой как графит, стеклоуглерод, или легированный бором алмаз, металлы, сплавы или интерметаллические соединения, в виде порошков, листов, стержней или брусков, полуметаллы или легированные или полупроводниковые материалы с узкой запрещенной зоной, покрытые металлами частицы, проводящие керамические материалы. В альтернативном варианте, подложка может быть выполнена из неэлектропроводного материала, и затем покрыта электрическим проводником. Непроводящие материалы могут представлять собой дисперсные непроводящие материалы, такие как пластики, керамические материалы, стекла или минералы, термореактивные смолы, термопластичные смолы, и натуральные продукты, такие как каучук и древесина. Электропроводные покрытия могут быть сформированы из металлов, металлических сплавов, интерметаллических соединений, проводящих соединений, или из любых электропроводных материалов, как описано выше.An electrode with a static mixer function can be made from a material capable of providing current densities at any electrode in the range from 1 µA·m -2 to about 1000 A·m -2 . The static mixer electrode or its substrate may include an electrically conductive material, such as a conductive carbon material such as graphite, glassy carbon, or boron-doped diamond, metals, alloys, or intermetallic compounds, in the form of powders, sheets, rods, or bars, semimetals, or doped or narrow bandgap semiconductor materials, metal coated particles, conductive ceramic materials. Alternatively, the substrate may be made of a non-conductive material and then coated with an electrical conductor. The non-conductive materials can be particulate non-conductive materials such as plastics, ceramic materials, glasses or minerals, thermoset resins, thermoplastic resins, and natural products such as rubber and wood. The electrically conductive coatings may be formed from metals, metal alloys, intermetallic compounds, conductive compounds, or any electrically conductive materials as described above.

Электрод с функцией статического смесителя может быть получен путем субтрактивной обработки с использованием одного способа или комбинаций способов обработки, таких как фрезерование, резка, токарная обработка, выдавливание, изгибание и скручивание, литье, формование или ковка, экструзия, прессование, по технологии с использованием микроэлектромеханических систем (MEMS), способами аддитивного изготовления, лазерной или электронно-лучевой сваркой, формированием сетки с помощью лазерной инженерии, экструзией материала, ламинированием листов, полимеризацией и фотополимеризацией, впрыскиванием материала или связующего материала, и способами печати.An electrode with a static mixer function can be obtained by subtractive processing using one method or combinations of processing methods, such as milling, cutting, turning, extruding, bending and twisting, casting, molding or forging, extrusion, pressing, using MEMS technology. systems (MEMS), additive manufacturing techniques, laser or electron beam welding, laser engineered meshing, material extrusion, sheet lamination, polymerization and photopolymerization, material or bonding material injection, and printing methods.

В некоторых вариантах исполнения корпус или подложка электрода с функцией статического смесителя могут быть электропроводными, например, из металла или металлического сплава, такого как никель, титан или нержавеющая сталь. В некоторых вариантах исполнения проводящее покрытие может быть нанесено на поверхность электрода, например, как титановая подложка, покрытая платиной. Покрытие может быть сформировано из металла, полуметалла или легированного или полупроводникового материала с узкой запрещенной зоной, проводящего керамического материала или соединения, проводящей формы углерода (например, графита, графена, или легированных углеродных материалов), проводящего полимера (например, полианилина), или их комбинаций. Покрытие может быть нанесено на поверхность одним или многими из следующих электрохимических способов, напылением металла, холодным напылением, химическим или физическим осаждением из паровой фазы, нанесением покрытия погружением, нанесением покрытия распылением, нанесением покрытия центрифугированием, спеканием или другими способами термической обработки, или любым способом, результатомк которого является тонкий слой нанесенного надлежащего материала.In some embodiments, the body or substrate of the static mixer electrode may be electrically conductive, such as metal or a metal alloy such as nickel, titanium, or stainless steel. In some embodiments, a conductive coating may be applied to the surface of the electrode, such as a titanium substrate coated with platinum. The coating may be formed from a metal, semi-metal, or narrow bandgap doped or semiconductor material, a conductive ceramic material or compound, a conductive form of carbon (e.g., graphite, graphene, or doped carbon materials), a conductive polymer (e.g., polyaniline), or their combinations. The coating may be applied to the surface by one or more of the following electrochemical methods, metal spraying, cold spraying, chemical or physical vapor deposition, dip plating, spray plating, spin plating, sintering, or other heat treatment methods, or any method. , which results in a thin layer of the proper material applied.

Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для стимулирования перемешивания, включающего характеристики тепло- и массопереноса, для перераспределения текучей среды по направлениям поперек основного потока, например, в радиальном и тангенциальном или азимутальном направлениях относительно центральной продольной оси электрода с функцией статического смесителя. В частности, электроды с функцией статического смесителя могут быть предназначены для усиления хаотической адвекции, тем самым сокращая ограничения в отношении скоростей реакций, которые зависят от диффузии. Электроды с функцией статического смесителя могут быть предназначены для обеспечения создания как можно большей площади поверхности для взаимодействия с потоком, чтобы облегчать электрохимические реакции и улучшать перемешивание потока так, что молекулы реактантов чаще контактируют с поверхностями электрода с функцией статического смесителя. Электроду с функцией статического смесителя могут быть приданы различные геометрические конфигурации или аспектные отношения для корреляции с конкретными вариантами применения. Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью усиления характеристик турбулентности, перемешивания и массопереноса потоков текучих сред. Конфигурации также могут быть рассчитаны на повышение эффективности, степени химической или электрохимической реакции, или других свойств, таких как падение давления (в то же время с сохранением предварительно заданных величин расхода потока), распределения времен пребывания, или коэффициентов тепло- и массопереноса.The static mixer electrode may be designed to promote agitation, including heat and mass transfer characteristics, to redistribute the fluid in directions transverse to the main flow, for example, in the radial and tangential or azimuth directions relative to the central longitudinal axis of the static mixer electrode. In particular, static mixer electrodes can be designed to enhance chaotic advection, thereby reducing the constraints on reaction rates that depend on diffusion. Static mixer electrodes can be designed to provide as much surface area as possible to interact with the flow to facilitate electrochemical reactions and improve flow mixing so that reactant molecules come into contact with the surfaces of the static mixer electrode more frequently. An electrode with a static mixer function can be given various geometries or aspect ratios to correlate with particular applications. The static mixer electrode may be configured to enhance the turbulence, mixing, and mass transfer characteristics of fluid streams. Configurations can also be designed to improve efficiency, degree of chemical or electrochemical reaction, or other properties such as pressure drop (while maintaining predetermined flow rates), residence time distributions, or heat and mass transfer coefficients.

Электрод с функцией статического смесителя может включать электропроводную составную подложку, образующую множество проходных сечений, предназначенных для усиления массопереноса и хаотической адвекции, например, разделением потоков текучих сред, протекающих между каждым из проходных сечений. Существенная часть поверхности подложки может быть электропроводной.An electrode with a static mixer function may include an electrically conductive composite substrate defining a plurality of passages designed to enhance mass transfer and random advection, for example, by separating fluid flows flowing between each of the passages. A substantial portion of the surface of the substrate may be electrically conductive.

Электрод с функцией статического смесителя может быть протяженным соосно вдоль длины и в сторону поперек диаметра проточного канала. В одном примере оболочка электрода с функцией статического смесителя может быть выполнена протяженной соосно вдоль длины внутреннего соосного проточного канала и в сторону поперек диаметра внутреннего соосного проточного канала, чтобы по существу занимать весь внутренний соосный проточный канал.An electrode with a static mixer function can be extended coaxially along the length and sideways across the diameter of the flow channel. In one example, the static mixer electrode sheath may be configured to extend coaxially along the length of the inner coaxial flow channel and laterally across the diameter of the inner coaxial flow channel to substantially occupy the entire inner coaxial flow channel.

Первый электрод 104 может иметь наружный диаметр, предусматривающий плотное прилегание внутри сепаратора 202. Например, наружный диаметр первого электрода 104 может быть в диапазоне от 0,5 мм до 5 м, от 5 мм до 1 м, или от 5 мм до 10 мм. В таких вариантах исполнения, как проточная ячейка 400, описанная в отношении Фигур 4А-4С, где первый и второй электроды размещены концентрически и соосно друг с другом, внутренний диаметр второго электрода может быть в диапазоне от 0,5 мм до 5 м, от 5 мм до 1 м, или от 10 мм до 20 мм.The first electrode 104 may have an outer diameter to fit snugly within the separator 202. For example, the outer diameter of the first electrode 104 may be in the range of 0.5 mm to 5 m, 5 mm to 1 m, or 5 mm to 10 mm. In embodiments such as the flow cell 400 described with respect to Figures 4A-4C, where the first and second electrodes are placed concentrically and coaxially with each other, the inner diameter of the second electrode may be in the range of 0.5 mm to 5 m, from 5 mm to 1 m, or from 10 mm to 20 mm.

Соотношение между внутренним диаметром сепаратора 202 и внутренним диаметром второго электрода 106 может быть, например, в диапазоне от 0,02 до 0,99, от 0,1 до 0,9, от 0,3 до 0,7, или от 0,4 до 0,6.The ratio between the inner diameter of the separator 202 and the inner diameter of the second electrode 106 may be, for example, in the range of 0.02 to 0.99, 0.1 to 0.9, 0.3 to 0.7, or 0. 4 to 0.6.

Электрически проводящая составная подложка электрода с функцией статического смесителя может включать прилегающую сеть из твердых электропроводных элементов, распределенных по всему внутреннему соосному проточному каналу, и предназначенную для инициирования хаотической адвекции текучей среды, протекающий через внутренний соосный проточный канал. Прилегающая сеть из твердых электропроводных элементов может быть сформирована в виде решетки взаимосвязанных сегментов, конфигурированных для создания множества отверстий для инициирования хаотической адвекции текучей среды, протекающий через внутренний соосный проточный канал.An electrically conductive composite electrode substrate with a static mixer function may include an adjacent network of solid electrically conductive elements distributed throughout the internal coaxial flow path and designed to initiate chaotic advection of fluid flowing through the internal coaxial flow path. The adjacent network of solid electrically conductive elements may be formed as a lattice of interconnected segments configured to create a plurality of orifices to initiate chaotic advection of fluid flowing through the internal coaxial flow channel.

Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен в конфигурации, выбранной из одной или более следующих общих неограничивающих примерных конфигураций:The static mixer function electrode may be configured in a configuration selected from one or more of the following general, non-limiting, exemplary configurations:

- открытых конфигураций со спиралями;- open configurations with spirals;

- открытых конфигураций с лопатками;- open configurations with blades;

- гофрированных пластин;- corrugated plates;

- многослойных структур;- multilayer structures;

- закрытых конфигураций с каналами или проемами;- closed configurations with channels or openings;

- взаимосвязанных сетей раскосов, неровностей, волнистостей и выступов.- interconnected networks of braces, irregularities, undulations and ledges.

В одном варианте исполнения подложке электрода с функцией статического смесителя может быть придана конфигурация сетки, имеющей множество интегральных блоков, образующих множество протоков, предназначенных для облегчения перемешивания одного или более реактантов в текучих средах.In one embodiment, a static mixer function electrode substrate may be configured into a grid having a plurality of integral blocks defining a plurality of flow paths designed to facilitate mixing of one or more reactants in fluids.

В еще одном варианте исполнения электрод с функцией статического смесителя может включать подложку, снабженную сеткой из взаимосвязанных сегментов, конфигурированных для создания множества отверстий для стимулирования перемешивания текучей среды, протекающей через реакторную камеру. Подложка также может быть предназначена для содействия тепло- и массопереносу, а также для перемешивания текучей среды.In yet another embodiment, the static mixer electrode may include a substrate provided with a grid of interlocking segments configured to provide a plurality of holes to promote mixing of the fluid flowing through the reactor chamber. The substrate may also be designed to promote heat and mass transfer, as well as to mix the fluid.

В некоторых вариантах исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для усиления хаотической адвекции, и, например, турбулентного перемешивания, такого как турбулентное перемешивание в поперечном сечении, поперечное (относительно потока) или локализованное турбулентное перемешивание. Геометрия электрода с функцией статического смесителя или его подложки может быть конфигурирована для изменения локализованных направлений течения или для разделения потока более, чем в заданное число раз внутри данной длины вдоль продольной оси электрода с функцией статического смесителя, такого как более 100 м-1, необязательно более 200 м-1, необязательно более 400 м-1, необязательно более 800 м-1, необязательно более 1500 м-1, необязательно более, чем 2000 м-1, необязательно более 2500 м-1, необязательно более 3000 м-1, необязательно более 5000 м-1. Геометрия или конфигурация электрода с функцией статического смесителя или его подложки может включать заданное число разделяющих поток структур внутри данного объема статического смесителя, такое как более 100 м-3, необязательно более 1000 м-3, необязательно более 1×104 м-3, необязательно более 1×106 м-3, необязательно более 1×109 м-3, необязательно более 1×1010 м-3.In some embodiments, the static mixer electrode may be designed to enhance chaotic advection, and, for example, turbulent mixing such as cross-sectional, transverse (with respect to flow) or localized turbulent mixing. The geometry of the static mixer electrode or its substrate can be configured to change localized flow directions or to split the flow more than a given number of times within a given length along the longitudinal axis of the static mixer electrode, such as greater than 100 m -1 , optionally greater than 200 m -1 , optionally more than 400 m -1 , optionally more than 800 m -1 , optionally more than 1500 m -1 , optionally more than 2000 m -1 , optionally more than 2500 m -1 , optionally more than 3000 m -1 , optionally more than 5000 m -1 . The geometry or configuration of the static mixer electrode or its substrate may include a predetermined number of flow separating structures within a given volume of the static mixer, such as greater than 100 m -3 , optionally greater than 1000 m -3 , optionally greater than 1×10 4 m -3 , optionally more than 1×10 6 m -3 , optionally more than 1×10 9 m -3 , optionally more than 1×10 10 m -3 .

Геометрия или конфигурация электрода с функцией статического смесителя или его подложки может быть рассчитана на согласование с каналом реакторной ячейки, такой как трубчатый реактор. Как было описано ранее, будет понятно, что термин «трубчатый» включает некруглые конфигурации, например, эллиптические. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут быть сформированы из множества сегментов или включать их. Некоторые или все из сегментов могут быть прямолинейными сегментами. Некоторые или все из сегментов могут включать многоугольные призмы, например, такие как прямоугольные призмы. Подложка может включать множество планарных поверхностей. Прямолинейные сегменты могут быть размещены под несколькими различными углами относительно продольной оси подложки, например, такими как два, три, четыре, пять или шесть различных углов. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать повторяющиеся структуры. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать множество сходных структур, периодически повторяющихся вдоль продольной оси подложки. Геометрия или конфигурация могут быть согласованными вдоль длины электрода с функцией статического смесителя или его подложки. Геометрия может варьировать вдоль длины электрода с функцией статического смесителя или его подложки. Прямолинейные сегменты могут быть соединены одним или многими изогнутыми сегментами. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка, как правило, могут образовывать винтовую поверхность (геликоид). Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать винтовую поверхность, включающую множество отверстий в поверхности геликоида.The geometry or configuration of the static mixer electrode or its substrate can be designed to match the channel of a reactor cell, such as a tubular reactor. As previously described, it will be understood that the term "tubular" includes non-circular configurations, such as elliptical. The static mixer electrode or its substrate may be formed from or include a plurality of segments. Some or all of the segments may be straight segments. Some or all of the segments may include polygonal prisms, such as rectangular prisms, for example. The substrate may include a plurality of planar surfaces. The straight segments can be placed at several different angles with respect to the longitudinal axis of the substrate, such as two, three, four, five or six different angles, for example. The static mixer electrode or its substrate may include repeating patterns. The static mixer electrode or its substrate may include a plurality of similar structures periodically repeated along the longitudinal axis of the substrate. The geometry or configuration may be consistent along the length of the static mixer function electrode or its substrate. The geometry may vary along the length of the static mixer electrode or its substrate. The straight segments may be connected by one or more curved segments. An electrode with a static mixer function or its substrate, as a rule, can form a helical surface (helicoid). The static mixer electrode or its substrate may include a helical surface including a plurality of holes in the surface of the helicoid.

Размеры электрода с функцией статического смесителя могут варьировать в зависимости от варианта применения. Электрод с функцией статического смесителя, или реактор, включающий электрод с функцией статического смесителя, может быть трубчатым. Электрод с функцией статического смесителя или труба реактора могут иметь диаметр (в мм) в диапазоне, например, от 1 до 5000, от 2 до 2500, от 3 до 1000, от 4 до 500, от 5 до 150, или от 10 до 100. Электрод с функцией статического смесителя или труба реактора могут иметь диаметр (в мм), например, по меньшей мере около 1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, или 1000. Электрод с функцией статического смесителя или труба реактора могут иметь диаметр (в мм), например, менее, чем около 5000, 2500, 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 100, 75, или 50. Аспектные отношения (L/d) электрода с функцией статического смесителя или реакторной камеры, включающей электрод с функцией статического смесителя, могут быть установлены в диапазоне, пригодном для величин расхода потока в промышленнм масштабе для конкретной реакции. Аспектные отношения могут быть в диапазоне, например, от около 1 до 1000, от 5 до 750, от 10 до 500, от 25 до 250, от 50 до 150, или от 75 до 125. Аспектные отношения могут быть, например, менее, чем около 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 125, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, или 2. Аспектные отношения могут быть, например, более, чем около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, или 100. Аспектные отношения могут быть установлены в диапазоне любых двух значений из указанных выше «менее» и «более».The dimensions of the static mixer electrode may vary depending on the application. The static mixer electrode or reactor including the static mixer electrode may be tubular. The static mixer electrode or reactor tube may have a diameter (in mm) in the range of, for example, 1 to 5000, 2 to 2500, 3 to 1000, 4 to 500, 5 to 150, or 10 to 100 The static mixer electrode or reactor tube may have a diameter (in mm) of at least about 1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, or 1000, for example. the reactor tube may have a diameter (in mm) of, for example, less than about 5000, 2500, 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 100, 75, or 50. The mixer or reactor chamber incorporating a static mixer function electrode can be set to a range suitable for industrial scale flow rates for a particular reaction. Aspect ratios may be in the range of, for example, about 1 to 1000, 5 to 750, 10 to 500, 25 to 250, 50 to 150, or 75 to 125. Aspect ratios may be, for example, less than than about 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 125, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, or 2. Aspect ratios may be, for example, more than about 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, or 100. Aspect ratios can be set to any two of "less than" and "greater" above.

Электроды с функцией статического смесителя могут быть предназначены для усиления таких характеристик, как перемешивание и тепло- и массоперенос, для величин расхода ламинарных потоков и величин расхода турбулентных потоков. Будет понятно, что для ньютоновских жидкостей, протекающих в полой трубе, корреляция ламинарных и турбулентных течений со значениями числа Рейнольдса (Re) обычно отвечала бы скоростям ламинарного течения, где Re составляет >4000. Будет понятно, что электроды с функцией статического смесителя снижают эти типичные значения Re для создания турбулентного течения. Электроды с функцией статического смесителя могут быть конфигурированы для скоростей ламинарного или турбулентного течения, чтобы обеспечить усиление характеристик, выбранных из одного или более из перемешивания, степени реакции, тепло- и массопереноса, хаотической адвекции, и падения давления. Будет понятно, что дополнительное стимулирование электрохимической реакции конкретного типа потребует учета ее собственных конкретных характеристик. Для течения в трубе число Рейнольдса может быть определено как Re=ρuDH/µ (ρ представляет плотность текучей среды в кг·м-3, u представляет среднюю скорость текучей среды в м·сек-1, DH представляет гидравлический диаметр трубы в метрах, и µ представляет динамическую вязкость текучей среды в Па·сек).Static mixer electrodes can be designed to enhance mixing and heat and mass transfer characteristics for laminar flow rates and turbulent flow rates. It will be appreciated that for Newtonian fluids flowing in a hollow tube, the correlation of laminar and turbulent flows with Reynolds numbers (Re) would typically correspond to laminar flow velocities where Re is >4000. It will be appreciated that static mixer electrodes reduce these typical Re values to create turbulent flow. Static mixer electrodes can be configured for laminar or turbulent flow velocities to provide enhanced characteristics selected from one or more of agitation, degree of reaction, heat and mass transfer, chaotic advection, and pressure drop. It will be understood that additional stimulation of a particular type of electrochemical reaction will require consideration of its own specific characteristics. For pipe flow, the Reynolds number can be defined as Re=ρuD H /µ (ρ represents the density of the fluid in kg m -3 , u represents the average fluid velocity in m s -1 , D H represents the hydraulic diameter of the pipe in meters , and µ represents the dynamic viscosity of the fluid in Pa·s).

В одном варианте исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при значении Re по меньшей мере 0,01, 0,1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, или 15000. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы в диапазоне Re от 0,1 до 2000, от 1 до 1000, от 10 до 800, или от 20 до 500. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы в диапазоне Re от около 1000 до 15000, от 1500 до 10000, от 2000 до 8000, или от 2500 до 6000. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при значении Re в диапазоне между любыми двумя значениями из описанных выше как «по меньшей мере».In one embodiment, the static mixer electrode may be designed to operate at a Re value of at least 0.01, 0.1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 350 0, 4000, 4500, 5000 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, or 15000. An electrode with a static mixer function can be designed to operate in the Re range from 0.1 to 20 00 , from 1 to 1000, from 10 to 800, or from 20 to 500. An electrode with a static mixer function can be designed to operate in the Re range from about 1000 to 15000, from 1500 to 10000, from 2000 to 8000, or from 2500 to 6000. An electrode with a static mixer function may be designed to operate at a Re value in the range between any two of the values described above as "at least".

В некоторых вариантах исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть описан числом Пекле (Pe), которое представляет еще один класс безразмерных величин, важных для явлений транспорта в континууме. Число Пекле представляет отношение скорости адвекции физического количества при течении к скорости диффузии того же количества под воздействием надлежащего градиента. В контексе переноса частиц или масс число Пекле представляет собой произведение числа Рейнольдса (Re) и числа Шмидта (Sc). В контексе тепловых текучих сред тепловое число Пекле эквивалентно произведению числа Рейнольдса (Re) и числа Прандтля (Pr). Число Пекле определяют как: Pe=скорость адвективного транспорта/скорость диффузионного транспорта. Для массопереноса его определяют как: PeL=Lu/D=ReLSc. Для теплопереноса его определяют как PeL=Lu/α=ReLPr, где α=k/ρcp. L представляет характеристическую длину, u представляет локальную скорость течения, D представляет коэффициент диффузии массы, и α представляет коэффициент теплопроводности, ρ представляет плотность, и cp представляет теплоемкость. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для обеспечения более высоких значений Пекле, чтобы усиливать хаотическую адвекцию для преобладания над диффузией для создания более равномерного распределения времен пребывания и сокращения дисперсии. Другими словами, конфигурация электрода с функцией статического смесителя для достижения более высоких чисел Пекле может, по меньшей мере согласно некоторым вариантам исполнения и примерам, как здесь описанным, обеспечивать улучшенную производительность и управление технологическим процессом.In some embodiments, a static mixer electrode can be described by a Peclet number (Pe), which is another class of dimensionless quantities important for continuum transport phenomena. The Peclet number represents the ratio of the rate of advection of a physical quantity in a flow to the rate of diffusion of the same quantity under the influence of an appropriate gradient. In the context of particle or mass transport, the Peclet number is the product of the Reynolds number (Re) and the Schmidt number (Sc). In the context of thermal fluids, the thermal Peclet number is equivalent to the product of the Reynolds number (Re) and the Prandtl number (Pr). The Peclet number is defined as: Pe=advective transport velocity/diffusion transport velocity. For mass transfer, it is defined as: Pe L =Lu/D=Re L Sc. For heat transfer, it is defined as PeL=Lu/α=Re L Pr, where α=k/ρc p . L represents the characteristic length, u represents the local flow velocity, D represents the mass diffusion coefficient, and α represents the thermal conductivity, ρ represents the density, and c p represents the heat capacity. A static mixer electrode can be designed to provide higher Peclet values to enhance chaotic advection to dominate diffusion to create a more even distribution of residence times and reduce dispersion. In other words, static mixer electrode configuration to achieve higher Peclet numbers may, in at least some embodiments and examples as described herein, provide improved performance and process control.

В одном варианте исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для действия при числе Пекле (Pe) по меньшей мере 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 106, или 107. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для действия при числе Пекле (Pe) менее, чем около 108, 107, 106, 500000, 250000, 100000, 75000, 50000, 25000, 20000, 15000, 10000, 5000, 2000, или 1000. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при числе Pe в диапазоне от около 103 до 108, от 103 до 107, или от 104 до 106. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при числе Pe между любыми двумя из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов.In one embodiment, the static mixer electrode may be designed to operate at a Peclet number (Pe) of at least 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 106, or 107. An electrode with a static mixer function may be designed to operate at a Peclet number (Pe) of less than about 108, 107, 106, 500,000, 250,000, 100,000, 75,000, 50,000, 25,000, 20,000, 15,000, 10,000, 5,000, 2,000, or 1,000. An electrode with a static mixer function can be designed to operate at a Pe number ranging from about 103 to 108, from 103 to 107, or from 104 to 106. The static mixer electrode may be designed to operate at a Pe between any two of the above upper and/or lower limits.

Объемное вытеснение в % электрода с функцией статического смесителя относительно корпуса проточного канала электрода может быть в диапазоне от около 1 до 90, от 5 до 70, от 10 до 30, или от 5 до 20. Объемное вытеснение в % электрода с функцией статического смесителя относительно корпуса проточного канала электрода может быть менее 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, или 5%. Объемное вытеснение в % электрода с функцией статического смесителя относительно корпуса проточного канала электрода может быть более 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60%, 70% или 80%. Объемное вытеснение в % может быть отрегулировано в диапазоне любых двух из вышеуказанных значений «менее» и «более».The % volumetric displacement of an electrode with a static mixer function relative to the electrode flow channel body can range from about 1 to 90, 5 to 70, 10 to 30, or 5 to 20. The % volume displacement of an electrode with a static mixer function relative to The body of the electrode flow channel can be less than 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, or 5%. Volumetric displacement in % of an electrode with a static mixer function relative to the body of the electrode flow channel can be more than 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60%, 70% or 80%. Volumetric displacement in % can be adjusted within the range of any two of the above "less" and "more" values.

Конфигурации электрода с функцией статического смесителя могут быть рассчитаны на усиление характеристик тепло- и массопереноса в реакторе, например, сокращения разности температур на выходе из поперечного сечения. Тепло- и массоперенос на электроде с функцией статического смесителя может, например, формировать температурный профиль в поперечном сечении или поперек потока, который имеет разность температур менее, чем около 20°C/мм, 15°C/мм, 10°C/мм, 9°C/мм, 8°C/мм, 7°C/мм, 6°C/мм, 5°C/мм, 4°C/мм, 3°C/мм, 2°C/мм, или 1°C/мм.Static mixer electrode configurations can be designed to enhance the heat and mass transfer characteristics of the reactor, such as reducing the temperature difference at the exit of the cross section. Heat and mass transfer at a static mixer electrode may, for example, form a cross-sectional or cross-flow temperature profile that has a temperature difference of less than about 20°C/mm, 15°C/mm, 10°C/mm, 9°C/mm, 8°C/mm, 7°C/mm, 6°C/mm, 5°C/mm, 4°C/mm, 3°C/mm, 2°C/mm, or 1 °C/mm.

Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут быть конфигурированы так, что при применении падение давления (то есть, разность давлений или противодавление) на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) составляет величину в диапазоне от около 0,1 до 1000000 Па/м (или 1 МПа/м), в том числе при любом значении и диапазоне любых значений между ними. Например, падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может быть менее, чем около 500000, 250000, 100000, 50000, 10000, 5000, 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, или 5 Па/м. Например, падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может составлять по меньшей мере около 10, 100, 1000, 5000, 10000, 50000, 100000, или 250000. Падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может быть отрегулировано в диапазоне любых двух из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов. Например, в одном варианте исполнения падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может быть в диапазоне между около 10 и 250000, 100 и 100000, или 1000 и 50000. Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью обеспечения более низкого падения давления относительно конкретного расхода потока. В этом отношении электрод с функцией статического смесителя, реактор, система и способы, как здесь описанные, могут быть осуществлены с параметрами, пригодными для промышленного применения. Вышеуказанные величины падения давления могут поддерживаться, где объемный расход потока составляет по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50 мл/мин.The static mixer electrode or its substrate may be configured such that, in use, the pressure drop (i.e., pressure difference or back pressure) across the static mixer electrode (in Pa/m) is between about 0.1 and 1000000 Pa/m (or 1 MPa/m), including at any value and range of any values between them. For example, the pressure drop across a static mixer electrode (in Pa/m) may be less than about 500,000, 250,000, 100,000, 50,000, 10,000, 5000, 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25 , 20, 15, 10, or 5 Pa/m. For example, the pressure drop across the static mixer electrode (in Pa/m) may be at least about 10, 100, 1000, 5000, 10000, 50000, 100000, or 250000. The pressure drop across the static mixer electrode ( in Pa/m) can be adjusted between any two of the above upper and/or lower limits. For example, in one embodiment, the pressure drop across the static mixer electrode (in Pa/m) may be between about 10 and 250,000, 100 and 100,000, or 1,000 and 50,000. The static mixer electrode may be configured to providing a lower pressure drop relative to a particular flow rate. In this regard, the static mixer function electrode, reactor, system, and methods as described herein can be implemented with parameters suitable for industrial applications. The above pressure drops can be maintained where the volume flow rate is at least 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6 , 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50 ml/min.

В одном варианте исполнения электроды с функцией статического смесителя могут быть рассчитаны на работу при объемном расходе потока по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, или 1000 мл/мин. В еще одном варианте исполнения объемный расход потока может быть меньше, чем около 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40, 30, 20, 10, или 5 мл/мин. Расход потока может быть в диапазоне, образованном любыми двумя из этих значений верхнего и/или нижнего пределов, например, в диапазоне между около 50 и 400, 10 и 200, или 20 и 200.In one embodiment, static mixer electrodes can be designed to operate at a volumetric flow rate of at least 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4 .5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800 , 900, or 1000 ml/min. In another embodiment, the volume flow rate may be less than about 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40, 30, 20, 10, or 5 ml/min. The flow rate may be in the range formed by any two of these upper and/or lower limit values, such as between about 50 and 400, 10 and 200, or 20 and 200.

Электрод с функцией статического смесителя может быть сформирован как модульная вставка для электрохимического реактора с непрерывным потоком или его камеры. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для использования с электрохимическим реактором с непрерывным потоком или его камеры в технологической линии. Электрохимический реактор с непрерывным потоком в технологической линии может представляет собой реактор с рециркуляционным контуром или однопроходный реактор.An electrode with a static mixer function can be formed as a modular insert for a continuous flow electrochemical reactor or its chamber. An electrode with a static mixer function may be designed for use with a continuous flow electrochemical reactor or chamber thereof in a process line. The in-line continuous flow electrochemical reactor may be a recirculating loop reactor or a single pass reactor.

Конфигурация электрода с функцией статического смесителя может быть определена с использованием пакета программ вычислительной динамики текучих сред (Computational Fluid Dynamics (CFD)), которая может быть использована для усовершенствования конструкции в плане усиления перемешивания реактантов для усиленного контакта и активации реактантов на поверхности электрода с функцией статического смесителя.An electrode with a static mixer function can be configured using a Computational Fluid Dynamics (CFD) software package, which can be used to improve the design in terms of enhancing reactant mixing for increased contact and activation of reactants on the surface of the static mixer electrode. mixer.

Электрод с функцией статического смесителя может представлять собой электрод с функцией статического смесителя, сформированный с использованием аддитивной технологии. Аддитивным формированием электрода с функцией статического смесителя, необязательно с каталитическими и/или коррозионно-стойкими покрытиями, можно получить электрод с функцией статического смесителя, рассчитанный на эффективные перемешивание, тепло- и массоперенос, электрохимическую реакцию, или дополнительную каталитическую реакцию. Способ аддитивного формирования позволяет получить электрод с функцией статического смесителя, физически тестированный на надежность и производительность, и, необязательно, дополнительно вновь спроектированный и повторно конфигурированный с использованием технологии аддитивного формирования (например, посредством 3D-печати). Аддитивное формирование обеспечивает гибкость в предварительном проектировании и испытании, и, кроме того, возможности нового проектирования и повторного конфигурирования электродов с функцией статического смесителя. Могут быть использованы электронно-лучевой 3D-принтер или лазерный 3D-принтер. Аддитивный материал для 3D-печати может представлять собой, например, чистый металл, такой как железо, кобальт, никель, медь, цинк, или сплав, такой как порошки на основе титановых сплавов (например, с диаметром в диапазоне 45-105 микрометров), порошки на основе кобальт-хромового сплава (например, FSX-414 или Stellite S21), или нержавеющей стали или алюминий-кремниевого сплава, или любого из сплавов на основе никеля (например, Inconel, Hastelloy). Диаметры частиц порошков, связанных с лазерными принтерами, как правило, являются меньшими, чем у применяемых в электронно-лучевых принтерах. В альтернативном варианте, подложка может быть изготовлена по аддитивной технологии из инертного материала, такого как пластик или стекло, и затем покрыта подходящим электропроводным материалом. В дополнение к электропроводной поверхности, электрод с функцией статического смесителя или его подложка необязательно могут дополнительно включать материалы с каталитической активностью, в зависимости от конкретной реакции или требуемого варианта применения.The static mixer electrode may be a static mixer electrode formed using additive technology. By additively forming a static mixer electrode, optionally with catalytic and/or corrosion resistant coatings, a static mixer electrode designed for efficient mixing, heat and mass transfer, electrochemical reaction, or additional catalytic reaction can be obtained. The additive shaping method produces a static mixer electrode physically tested for reliability and performance, and optionally further redesigned and reconfigured using additive shaping technology (eg, via 3D printing). Additive shaping provides flexibility in pre-design and testing, as well as the ability to re-design and re-configure static mixer electrodes. An electron beam 3D printer or a laser 3D printer can be used. The additive material for 3D printing can be, for example, a pure metal such as iron, cobalt, nickel, copper, zinc, or an alloy such as titanium alloy powders (for example, with a diameter in the range of 45-105 micrometers), powders based on cobalt-chromium alloy (eg FSX-414 or Stellite S21), or stainless steel or aluminium-silicon alloy, or any of the nickel-based alloys (eg Inconel, Hastelloy). The particle diameters of the powders associated with laser printers are typically smaller than those used in cathode ray printers. Alternatively, the substrate may be additively fabricated from an inert material such as plastic or glass and then coated with a suitable electrically conductive material. In addition to the electrically conductive surface, the static mixer electrode or its substrate may optionally further include materials with catalytic activity, depending on the particular reaction or application desired.

ПротивоэлектродCounter electrode

Будет понятно, что противоэлектрод является электропроводным. Противоэлектрод может действовать в качестве анода или катода, что зависит от направления подводимого электрического тока. Противоэлектрод может состоять из материала или конфигурирован согласно любым вариантам исполнения или примерам, как описанным выше для электрода с функцией статического смесителя.It will be understood that the counter electrode is electrically conductive. The counter electrode can act as an anode or cathode, depending on the direction of the applied electric current. The counter electrode may be composed of a material or configured according to any of the embodiments or examples as described above for the static mixer electrode.

Будет понятно, что противоэлектрод может включать электропроводную поверхность. Противоэлектрод может быть получен из материала, способного создавать плотности тока не любом электроде в диапазоне от около 1 мкА·м-2 до около 1000 А·м-2. Противоэлектрод может включать электропроводный материал, например, проводящий углеродный материал, такой как графит, стеклоуглерод, или легированный бором алмаз, металлы, сплавы или интерметаллические соединения, в виде порошков, листов, стержней или брусков, полуметаллы или легированные или полупроводниковые материалы с узкой запрещенной зоной, покрытые металлами частицы, проводящие керамические материалы. Противоэлектрод может быть выполнен из неэлектропроводного материала, и покрыт электрическим проводником. Непроводящие материалы могут представлять собой дисперсные непроводящие материалы, такие как пластики, керамические материалы, стекла или минералы, термореактивные смолы, термопластичные смолы, и натуральные продукты, такие как каучук и древесина. Электропроводные покрытия могут быть сформированы из металлов, металлических сплавов, интерметаллических соединений, проводящих соединений, или из любых электропроводных материалов, как описано выше для противоэлектрода или электрода с функцией статического смесителя.It will be understood that the counter electrode may include an electrically conductive surface. The counter electrode can be made from a material capable of producing current densities on any electrode in the range of about 1 µA·m -2 to about 1000 A·m -2 . The counter electrode may include an electrically conductive material, for example, a conductive carbon material such as graphite, glassy carbon, or boron-doped diamond, metals, alloys, or intermetallic compounds in the form of powders, sheets, rods, or bars, semi-metals, or doped or narrow-gap semiconductor materials. , plated particles, conductive ceramic materials. The counter electrode may be made of a non-conductive material and covered with an electrical conductor. The non-conductive materials can be particulate non-conductive materials such as plastics, ceramic materials, glasses or minerals, thermoset resins, thermoplastic resins, and natural products such as rubber and wood. The electrically conductive coatings may be formed from metals, metal alloys, intermetallic compounds, conductive compounds, or any electrically conductive materials as described above for the counter electrode or the static mixer electrode.

Конфигурация реактора и торцевой крышкиReactor and End Cap Configuration

Реактор может быть сформирован как сборный узел, включающий корпус реактора, первый электрод, второй электрод, сепаратор, и одну или две необязательных торцевых крышки. Торцевые крышки могут быть предназначены для уплонения корпуса реактора, и дополнительно необязательно конфигурированы в сочетании с одним или многими из первого электрода, второго электрода, сепаратора, для структурного поддерживания и центрирования при сборке и работе реактора.The reactor may be formed as an assembly including a reactor vessel, a first electrode, a second electrode, a separator, and one or two optional end caps. The end caps may be designed to seal the reactor vessel, and are further optionally configured in combination with one or more of the first electrode, second electrode, separator, for structural support and centering during reactor assembly and operation.

В одном варианте исполнения трубчатый реактор может включать первую и вторую торцевую крышку, причем каждая из первой и второй торцевых крышек совместно предназначена для скрепления противолежащих концов корпуса реактора и поддерживания в реакторе конструкционных деталей электрода с функцией статического смесителя, противоэлектрода и сепаратора.In one embodiment, the tubular reactor may include first and second end caps, with each of the first and second end caps cooperating to secure opposite ends of the reactor vessel and to support structural members of the static mixer electrode, counter electrode, and separator in the reactor.

Торцевые крышки могут составлять единую цельную деталь с электродом с функцией статического смесителя и/или противоэлектродом (например, торцевые крышки могут быть выполнены как часть одного из электродов). Торцевые крышки могут быть сформированы как единая цельная деталь электрохимической проточной ячейки или электрохимического трубчатого реактора с непрерывным потоком (например, вся электрохимическая проточная ячейка изготовлена способом аддитивного формирования).The end caps may be integral with the static mixer electrode and/or the counter electrode (eg, the end caps may be formed as part of one of the electrodes). The end caps may be formed as a single piece of an electrochemical flow cell or continuous flow electrochemical tubular reactor (eg, the entire electrochemical flow cell is fabricated by an additive forming process).

Торцевые крышки могут быть созданы согласно любым другим вариантам исполнения или примерам их, как здесь описано.End caps can be created according to any other embodiments or examples thereof, as described here.

Электрохимическая проточная системаElectrochemical flow system

Система для проведения электрохимической реакции в условиях непрерывного течения может включать электрохимическую проточную ячейку или электрохимический трубчатый реактор, согласно любым одному или многим аспектам, вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным.A system for carrying out an electrochemical reaction under continuous flow conditions may include an electrochemical flow cell or an electrochemical tubular reactor, according to any one or more aspects, embodiments, or examples as described herein.

Кроме того, система может включать насос для подачи потока текучей среды для одного или более реактантов текучей среды и любых продуктов их через реактор. Система может дополнительно включать электрический блок для подведения и регулирования электрического напряжения или тока, протекающего через электроды, для инициирования электрохимической реакции на поверхности раздела между потоком текучей среды и электродами. Система может дополнительно включать управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, выбранных из концентрации, величины расхода потока, температуры, давления и времени пребывания, одного или более реактантов текучей среды, или их источников или продуктов.In addition, the system may include a pump to provide a fluid stream for one or more fluid reactants and any products thereof through the reactor. The system may further include an electrical unit for applying and controlling an electrical voltage or current flowing through the electrodes to initiate an electrochemical reaction at the interface between the fluid flow and the electrodes. The system may further include a control device for controlling one or more system parameters selected from concentration, flow rate, temperature, pressure, and residence time, one or more fluid reactants, or their sources or products.

Реакторная система может включать один сборный узел проточной ячейки, или множество сборных узлов, соединенных параллельно или последовательно. Полярности электродов в каждом блоке могут быть присоединены одинаково в каждой ячейке или же в чередующемся порядке, при котором наружные электроды попеременно представляют собой анод, катод, анод, катод (или наоборот), и внутренние электроды попеременно представляют собой катод, анод, катод, анод (или наоборот). Система может быть настроена в любой комбинации этих полярностей. Величины напряжений или токов, подводимых к каждой ячейке в системе, могут быть идентичными, или могут варьировать, и скорости прокачивания через ячейки в системе могут быть идентичными или могут варьировать.The reactor system may include a single flow cell assembly, or a plurality of assembly assemblies connected in parallel or in series. The polarities of the electrodes in each block can be connected in the same way in each cell, or in an alternating order, in which the outer electrodes are alternately anode, cathode, anode, cathode (or vice versa), and the inner electrodes are alternately cathode, anode, cathode, anode (or vice versa). The system can be tuned in any combination of these polarities. The magnitudes of voltages or currents applied to each cell in the system may be identical or may vary, and the flow rates through the cells in the system may be identical or may vary.

Реакторная система может быть сформированной и управляемой так, чтобы быть приспособленной к переменной во времени входной мощности, например, от возобновляемых источников энергии. Например, скорости течения реактантов могут быть переменными сообразно мощности, доступной для электролиза, так, что течение через реактор поддерживается действующим, когда источник мощности меняется.The reactor system may be configured and controlled to accommodate time-varying power input, such as from renewable energy sources. For example, the flow rates of the reactants may be variable according to the power available for electrolysis, so that the flow through the reactor is kept active when the power source is changed.

Аспектные отношения реактора могут быть, например, подобными тем, какие описаны ранее для электрода с функцией статического смесителя, так что модуль электрода с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью вставления в реактор.The aspect ratios of the reactor may be, for example, similar to those previously described for the static mixer function electrode, so that the static mixer function electrode module can be configured to be inserted into the reactor.

Реактор может включать необязательный теплообменник для регулирования температуры реактора, камерного отсека, статического смесителя или компонентов текучей среды в них. Теплообменник может иметь конструкцию или конфигурацию кожухотрубного теплообменника.The reactor may include an optional heat exchanger to control the temperature of the reactor, chamber compartment, static mixer, or fluid components therein. The heat exchanger may be of a shell and tube heat exchanger design or configuration.

Настоящее изобретение также представляет систему для проведения электрохимической реакции в режиме непрерывного течения, включающую:The present invention also provides a continuous flow electrochemical reaction system comprising:

электрохимический реактор с непрерывным потоком, включающий один или многие электроды с функцией статического смесителя согласно любому из вариантов исполнения или примеров, как здесь описанных;a continuous flow electrochemical reactor comprising one or more electrodes with a static mixer function according to any of the embodiments or examples as described herein;

насос для подачи потока текучей среды для одного или более реактантов текучей среды и любых их продуктов через реактор;a pump for delivering a fluid stream for one or more fluid reactants and any products thereof through the reactor;

управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, выбранных из концентрации реактантов, величин расхода потока, протекающего тока, подводимого напряжения, давления, и времени пребывания.a control device for regulating one or more system parameters selected from reactant concentration, flow rates, current flow, input voltage, pressure, and residence time.

Система может включать необязательный теплообменник для регулирования температуры реактора или компонентов текучих сред в нем.The system may include an optional heat exchanger to control the temperature of the reactor or fluid components therein.

Система может дополнительно включать спектрометр, который может быть использован для идентификации и определения концентраций любого одного или более реактантов текучей среды или их продуктов.The system may further include a spectrometer that can be used to identify and determine the concentrations of any one or more fluid reactants or their products.

Одно или многие из реактора, реакторной камеры, камерного отсека и электрода с функцией статического смесителя в каждом случае могут быть сформированы в модульной форме для взаимно дополнительного сочетания их. Система может включать множество реакторов, которые могут иметь сходную или различную внутреннюю и/или наружную конфигурацию. Реакторы могут действовать в последовательном или в параллельном соединении, или в комбинации обоих. Будет понятно, что система, реактор, или каждый камерный отсек, может включать один или многие впускные каналы и выпускные каналы, чтобы обеспечивать подачу реактантов, получения продуктов, или для рециркуляции различных реактантов и/или продуктов.One or more of the reactor, reactor chamber, chamber compartment, and static mixer electrode in each case may be formed in a modular form to complement each other. The system may include a plurality of reactors, which may have a similar or different internal and/or external configuration. The reactors may operate in series or in parallel, or a combination of both. It will be appreciated that the system, reactor, or each chamber compartment may include one or more inlets and outlets to provide reactants, produce products, or recycle various reactants and/or products.

Также будет понятно, что реактор или система могут быть предназначены для рециркуляции различных реактантов, источников реактантов, промежуточных продуктов, или желательных продуктов, поступивших в камерные отсеки или образованных в них. Реактор или система могут быть сформированы с различными конструкциями и формами, например, в форме трубчатого реактора. В еще одном варианте исполнения реактор представляет собой однопроходный реактор.It will also be appreciated that the reactor or system may be designed to recycle various reactants, sources of reactants, intermediates, or desired products introduced into or formed in the chamber compartments. The reactor or system may be formed in various designs and shapes, for example in the form of a tubular reactor. In yet another embodiment, the reactor is a single pass reactor.

Система и процессы также могут быть объединены в более сложные системы, такие как системы и процессы, включающие установку для газификации угля, очистки и распределения воды, электролизер и/или риформер природного газа, установку химического синтеза и очистки, и так далее.The system and processes can also be combined into more complex systems, such as systems and processes including a coal gasification plant, water purification and distribution, a natural gas electrolyser and/or reformer, a chemical synthesis and purification plant, and so on.

Электрохимические варианты примененияElectrochemical Applications

Электрохимический проточный реактор, электрохимическая проточная ячейка или электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком, согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным, могут быть использованы для различных вариантов применения, включающих извлечение металлов, извлечение тяжелых и ценных металлов из сбросных вод и стоков предприятий горной промышленности, дезинфекцию и очистку воды (например, питьевой воды), и извлечение металлов из твердых отходов (например, шлама, отходов обогащения полезных ископаемых, и утилизированных продуктов), и электросинтез различных продуктов (например, генерация газа, хранение и преобразование энергии, регенерация реагентов, и полимеризация).An electrochemical flow reactor, an electrochemical flow cell, or a continuous flow electrochemical tubular reactor, according to any of the embodiments or examples as described herein, can be used for a variety of applications including metal recovery, recovery of heavy and valuable metals from mining effluents and effluents. industry, disinfection and purification of water (e.g. drinking water), and recovery of metals from solid wastes (e.g. sludge, mining waste, and salvaged products), and electrosynthesis of various products (e.g. gas generation, energy storage and conversion, regeneration reagents, and polymerization).

Реактор, включающий электрод с функцией статического смесителя, может быть предназначен для применения в системе и процессе электрохимической реакции в непрерывном потоке. Процесс может представлять собой поточный процесс в непрерывном потоке. Поточный процесс в непрерывном потоке может представлять собой рециркуляционный контур или однопроходный процесс. В одном варианте исполнения поточный процесс в непрерывном потоке представляет собой однопроходный процесс.A reactor including an electrode with a static mixer function may be designed for use in a continuous flow electrochemical reaction system and process. The process may be a continuous flow process. A continuous flow process may be a recirculation loop or a single pass process. In one embodiment, the continuous flow process is a single pass process.

Как упомянуто выше, электрохимический реактор, включающий электрод с функцией статического смесителя, способен проводить реакции в непрерывном режиме. В электрохимическом реакторе могут быть применены одно- или многофазные вводимые и продуктовые потоки. В одном варианте исполнения подаваемый материал (включающий один или многие реактанты) может быть сформирован как непрерывный поток текучей среды, например, жидкостный поток, содержащий либо: а) вещество как растворенный материал в подходящем растворителе, или b) жидкостный исходный материал, с сорастворителем или без него. Будет понятно, что поток текучей среды может быть образован одним или многими газообразными потоками, например, газообразным водородом или его источником. Подаваемый материал закачивают в реактор в виде потока под давлением, например, посредством насоса. В еще одном варианте исполнения подаваемый материал может быть в виде суспензии твердых веществ в потоке текучей среды, и в еще одном варианте исполнения поток реактантов текучей среды может содержать твердые вещества, жидкости и газы.As mentioned above, an electrochemical reactor including an electrode with a static mixer function is capable of carrying out reactions in a continuous mode. In an electrochemical reactor, single or multi-phase input and product streams can be used. In one embodiment, the feed material (comprising one or more reactants) may be formed as a continuous fluid stream, for example, a liquid stream containing either: a) a substance as a dissolved material in a suitable solvent, or b) a liquid feed, with a co-solvent without him. It will be appreciated that the fluid stream may be formed by one or more gaseous streams, such as hydrogen gas or a source thereof. The feed material is pumped into the reactor as a pressurized stream, for example by means of a pump. In yet another embodiment, the feed material may be in the form of a suspension of solids in a fluid stream, and in yet another embodiment, the fluid reactant stream may contain solids, liquids, and gases.

В одном варианте исполнения представлен способ электрохимической обработки потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки или электрохимического трубчатого реактора с непрерывным потоком согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным.In one embodiment, a process for electrochemically treating a fluid stream is provided, comprising the use of an electrochemical flow cell or a continuous flow electrochemical tubular reactor, according to any of the embodiments or examples as described herein.

Вышеуказанный способ может быть предназначен для удаления ионов растворенных металлов из потока текучей среды подведением постоянного тока к электроду с функцией статического смесителя и противоэлектроду, с образованием твердого отложения, содержащего металлы и/или металлические соединения, на поверхности электрода с функцией статического смесителя. Способ может быть предназначен для извлечения металла из потока текучей среды, полученного из сбросных вод («хвостов») предприятий горной промышленности. Способ может включать эксплуатацию в параллельном и/или последовательном режиме, как описано выше для реакторной системы. В одном варианте исполнения способ действует в последовательном режиме.The above method may be designed to remove dissolved metal ions from a fluid stream by applying direct current to the static mixer electrode and the counter electrode to form a solid deposit containing metals and/or metal compounds on the surface of the static mixer electrode. The method may be designed to recover metal from a fluid stream obtained from waste water ("tails") of the mining industry. The method may include operation in parallel and/or serial mode, as described above for the reactor system. In one embodiment, the method operates in sequential mode.

В одном примере способ включает по меньшей мере первый и второй электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком, причем каждый реактор конфигурирован так, что проницаемая мембрана отделяет электрод с функцией статического смесителя от противоэлектрода, образуя корпус внутреннего соосного проточного канала одного электрода, и корпус наружного концентрического проточного канала другого электрода, причем каждый проточный канал имеет по меньшей мере один впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал. Способ может обеспечивать отложение металла на электрод с функцией статического смесителя первого трубчатого реактора, в то же время с размещением второго реактора в последовательном соединении с обратной полярностью электродов, для удаления металла, ранее осажденного на электрод с функцией статического смесителя второго трубчатого реактора.In one example, the method includes at least a first and a second continuous flow electrochemical tubular reactor, each reactor configured such that a permeable membrane separates a static mixer electrode from a counter electrode, forming an inner coaxial flow channel housing of one electrode, and an outer concentric flow channel housing. channel of the other electrode, and each flow channel has at least one inlet channel and at least one outlet channel. The method may deposit metal on the static mixer electrode of the first tubular reactor while placing the second reactor in series with reverse polarity of the electrodes to remove metal previously deposited on the static mixer electrode of the second tubular reactor.

В дополнительном примере этого вышеуказанного способа поток первой текучей среды может быть введен во внутренний соосный проточный канал первого трубчатого реактора, и выходящий из его выпускного канала поток введен в наружный концентрический проточный канал второго трубчатого реактора. Второй поток текучей среды может быть одновременно введен в наружный концентрический проточный канал первого трубчатого реактора, и выходящий из его выпускного канала поток введен во внутренний соосный проточный канал второго трубчатого реактора. Первый трубчатый реактор может действовать имеющим первый электрод с функцией статического смесителя в условиях восстановления для накопления твердых металлических частиц, и второй трубчатый реактор работает имеющим второй электрод с функцией статического смесителя в условиях окисления для удаления любых присутствующих на нем металлических веществ.In a further example of this above method, a first fluid stream may be introduced into the inner coaxial flow path of the first tubular reactor, and its outlet stream introduced into the outer concentric flow path of the second tubular reactor. The second fluid stream can be simultaneously introduced into the outer concentric flow channel of the first tubular reactor, and the stream exiting its outlet channel is introduced into the inner coaxial flow channel of the second tubular reactor. The first tubular reactor may operate having a first electrode with a static mixer function under reducing conditions to accumulate solid metal particles, and the second tubular reactor can operate with a second electrode with a static mixer function under oxidizing conditions to remove any metal present thereon.

Еще одним преимуществом электрохимического проточного реактора и его системы согласно различным вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным, является то, что электрохимическая проточная ячейка или трубчатый реактор не нуждаются в разборке и замене катода, и обеспечивают эксплуатационную гибкость при работе в последовательном или в реверсивном режиме переключением тока и переключением подачи различных потоков текучих сред для удаления металла, металлических соединений или прочих содержащих металл продуктов, образованных на электроде с функцией статического смесителя как катоде в реакции восстановления.Another advantage of the electrochemical flow reactor and its system according to various embodiments or examples as described here is that the electrochemical flow cell or tubular reactor does not need to be dismantled and replaced by the cathode, and provides operational flexibility when operating in series or in reverse mode. switching the current and switching the supply of various fluid streams to remove metal, metal compounds or other metal-containing products formed at the static mixer electrode as a cathode in the reduction reaction.

Настоящее изобретение также представляет способ синтеза продукта реакцией одного или более реактантов в текучей среде, причем способ включает стадии:The present invention also provides a process for synthesizing a product by reacting one or more reactants in a fluid, the process comprising the steps of:

создания электрохимического реактора с непрерывным потоком, включающего электрод с функцией статического смесителя или систему согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным;creating a continuous flow electrochemical reactor comprising an electrode with a static mixer function or a system according to any of the embodiments or examples as described herein;

подачи по меньшей мере первого реактанта текучей среды в реактор через впускной канал для реактанта;supplying at least the first fluid reactant to the reactor through the reactant inlet;

эксплуатации реактора, или его управляющего устройства, для создания течения и проведения реакции по меньшей мере первого реактанта текучей среды через электрод с функцией статического смесителя;operating the reactor, or its control device, to create a flow and conduct the reaction of at least the first fluid reactant through the electrode with the function of a static mixer;

получения выходного потока, включающего продукт реакции по меньшей мере первого реактанта.obtaining an output stream including the reaction product of at least the first reactant.

Будет понятно, что различные параметры и условия, используемые в способе, такие как пропускаемый ток, давления и концентрации/количества материалов и реактантов, могут быть выбраны в зависимости от диапазона переменных величин процесса, включающих синтезированный продукт, условия и механизмы проводимой электрохимической реакции, источник реактантов, или тип используемых реактора и материалов и их конфигурации. Например, будут возникать различия, где один или многие реактанты текучей среды, или сорастворители (например, инертные носители), и т.д., представляют собой газы, жидкости, твердые вещества, или их комбинации.It will be understood that various parameters and conditions used in the process, such as current flow, pressures and concentrations/amounts of materials and reactants, can be selected depending on the range of process variables, including the synthesized product, the conditions and mechanisms of the electrochemical reaction being carried out, the source reactants, or the type of reactor and materials used and their configuration. For example, differences will occur where one or more of the fluid reactants, or co-solvents (eg, inert carriers), etc., are gases, liquids, solids, or combinations thereof.

Электрохимический проточный реактор может действовать с плотностями тока на любом электроде в диапазоне от 1 мкА·м-2 до около 1000 А·м-2. Плотность тока (в А·м-2), например, может быть менее, чем около 1000, 500, 200, 100, 50, 20, 10, 5,0, 2,0, 1,0, 0,5, 0,2, 0,1, 0,05, 0,02, 0,01, 0,005, 0,002, 0,001, 0,0005, 0,0002, 0,0001, 0,00005, 0,00002, 0,00001, 0,000005, 0,000002, или 0,000001. Плотность тока (в А·м-2), например, может быть больше, чем около 0,000002, 0,000005, 0,00001, 0,00002, 0,00005, 0,0001, 0,0002, 0,0005, 0,001, 0,002, 0,005, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 2,0, 5,0, 10, 20, 50, 100, 200, или 500. Плотность тока может быть отрегулирована в любом диапазоне двух значений, выбранных из двух значений, выбранных из любых из вышеуказанных значений. Будет понятно, что в различных вариантaх применения и конфигурациях могут быть использованы различные плотности тока.An electrochemical flow reactor can operate with current densities at any electrode in the range of 1 µA·m -2 to about 1000 A·m -2 . The current density (in A·m -2 ), for example, may be less than about 1000, 500, 200, 100, 50, 20, 10, 5.0, 2.0, 1.0, 0.5, 0 0.0005, 0.0001, 0.00005, 0.00002, 0.00001, 0 .000005, 0.000002, or 0.000001. The current density (in A m -2 ), for example, may be greater than about 0.000002, 0.000005, 0.00001, 0.00002, 0.00005, 0.0001, 0.0002, 0.0005 , 0.001, 0.002, 0.005, 0.01, 0.02, 0.05, 0.1, 0.2, 0.5, 1.0, 2.0, 5.0, 10, 20, 50, 100 , 200, or 500. The current density can be adjusted to any range of two values selected from two values selected from any of the above values. It will be understood that different current densities can be used in different applications and configurations.

В некоторых примерах прилагаемые к электродам напряжения могут быть меньшими, чем около 2,0, 1,8, 1,6, 1,4, 1,2, 1,0, 0,8, 0,6, 0,4, или 0,2. В некоторых примерах прилагаемые к электродам напряжения могут составлять по меньшей мере около 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2, 1,4, 1,6, или 1,8. Напряжения могут быть в диапазоне, включающем любые два из этих значений верхнего и/или нижнего пределов.In some examples, voltages applied to the electrodes may be less than about 2.0, 1.8, 1.6, 1.4, 1.2, 1.0, 0.8, 0.6, 0.4, or 0.2. In some examples, voltages applied to the electrodes may be at least about 0.2, 0.4, 0.6, 0.8, 1.0, 1.2, 1.4, 1.6, or 1.8. The voltages may be in a range including any two of these upper and/or lower limit values.

В одном примере эксплуатационная характеристика электрохимического проточного реактора может быть измерена по его эффективности извлечения. Эффективность извлечения включает количество веществ (например, загрязнений), таких как частицы растворенных металлов, присутствующие в текучей среде, которые могут быть удалены из текучей среды электрохимической проточной ячейкой. В одном примере эффективность извлечения, измеренная в % загрязнения, извлеченного (или удаленного) из текучей среды, составляет по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, или 99. В некоторых примерах любая из величин эффективности извлечения может быть достигнута в ходе непрерывной работы (например, рециркуляции в реакторе с рециркуляционным контуром), на протяжении менее, чем около 48 часов, 36 часов, 24 часов, 12 часов, 6 часов, 3 часов, 2 часов, или 1 часа. В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла (например, частицы меди), могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при концентрации (в моль/л) менее, чем около 1, 0,5, 0,1, 0,05, 0,01, 0,005, 0,001, 0,0005, 0,0001, 0,00005, или 0,00001. В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла (например, частицы меди), могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при концентрации (в моль/л) более, чем около 0,0001, 0,0005, 0,001, 0,005, 0,01, 0,05, 0,1, или 0,5. Удаленные вещества могут быть с концентрацией между любыми двумя из этих значений верхнего и/или нижнего пределов. Вышеуказанные эффективности извлечения и/или длительности рециркуляции могут быть применимы к любым концентрациям этих веществ (например, загрязнению). Например, эксплуатационная характеристика реактора, системы или способов может обеспечивать эффективность извлечения по меньшей мере около 50% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,01 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять по меньшей мере около 60% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,005 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять по меньшей мере около 70% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,001 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять около 80% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,0005 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять около 90% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,0001 моль/л.In one example, the performance of an electrochemical flow reactor can be measured by its recovery efficiency. Recovery efficiency includes the amount of substances (eg, contaminants), such as dissolved metal particles, present in the fluid that can be removed from the fluid by the electrochemical flow cell. In one example, recovery efficiency, measured as % of contaminant removed (or removed) from the fluid, is at least 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 75 80 85 90 95 96 97 98 or 99 than about 48 hours, 36 hours, 24 hours, 12 hours, 6 hours, 3 hours, 2 hours, or 1 hour. In yet another example, substances (e.g., contaminants), such as dissolved metal particles (e.g., copper particles), can be removed from a fluid where the particles are present in the fluid at a concentration (in mol/L) of less than about 1, 0.5, 0.1, 0.05, 0.01, 0.005, 0.001, 0.0005, 0.0001, 0.00005, or 0.00001. In yet another example, substances (e.g., contaminants) such as dissolved metal particles (e.g., copper particles) can be removed from a fluid where the particles are present in the fluid at a concentration (in mol/L) of greater than about 0, 0001, 0.0005, 0.001, 0.005, 0.01, 0.05, 0.1, or 0.5. The removed substances may be between any two of these upper and/or lower limits. The above recovery efficiencies and/or recycle times may apply to any concentration of these substances (eg, contamination). For example, the performance of the reactor, system, or methods may be capable of recovering at least about 50% of dissolved metal particles from a fluid having an initial concentration of less than about 0.01 mol/L. In yet another example, recovery efficiency may be at least about 60% of dissolved metal particles from a fluid having an initial concentration of less than about 0.005 mol/L. In yet another example, recovery efficiency may be at least about 70% of dissolved metal particles from a fluid having an initial concentration of less than about 0.001 mol/L. In yet another example, recovery efficiency may be about 80% of dissolved metal particles from a fluid having an initial concentration of less than about 0.0005 mol/L. In yet another example, recovery efficiency may be about 90% of dissolved metal particles from a fluid having an initial concentration of less than about 0.0001 mol/L.

В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла (например, частицы меди), могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при начальной концентрации (в млн-1) около или менее, чем около 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 10, 5, или 1. В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла, могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при начальной концентрации (в млн-1) около или более, чем около 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 750, или 1000. Удаляемые частицы могут быть с начальной концентрацией в текучей среды между любыми двумя из этих значений верхнего и/или нижнего пределов. В одном примере эффективность извлечения, измеренная в % извлекаемого (или удаляемого) загрязнения из текучей среды, составляет по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, или 99. В некоторых примерах любые из величин эффективности извлечения могут быть обеспечены в ходе непрерывной работы (например, рециркуляции в реакторе с рециркуляционным контуром), на протяжении менее, чем около 48 часов, 36 часов, 24 часов, 12 часов, 6 часов, 3 часов, 2 часов, или 1 часа. Вышеуказанные эффективности извлечения и/или длительности рециркуляции могут быть применимы к любым концентрациям этих веществ (например, загрязнению). Например, эксплуатационная характеристика реактора, системы или способов может обеспечивать эффективность извлечения по меньшей мере около 50% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющего начальную концентрацию около 100 млн-1 частиц растворенного металла, во время непрерывной работы менее, чем около 3 часов. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять по меньшей мере около 95% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию около 100 млн-1, в течение непрерывной работы менее, чем около 24 часов.In yet another example, substances (eg, contaminants), such as dissolved metal particles (eg, copper particles), may be removed from a fluid where the particles are present in the fluid at an initial concentration (in ppm ) of about or less than about 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 10, 5, or 1. In yet another example, substances (e.g., contaminants) such as dissolved metal particles can be removed from the fluid where the particles are present in the fluid at an initial concentration (in ppm ) of about or greater than about 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 750, or 1000. The particles to be removed may be at an initial concentration in the fluid between any two of these upper and/or lower limit values. In one example, the recovery efficiency, measured as % of contaminant recovered (or removed) from the fluid, is at least 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70 , 75 80 85 90 95 96 97 98 or 99 than about 48 hours, 36 hours, 24 hours, 12 hours, 6 hours, 3 hours, 2 hours, or 1 hour. The above recovery efficiencies and/or recycle times may apply to any concentration of these substances (eg, contamination). For example, the performance of the reactor, system, or methods may be capable of recovering at least about 50% dissolved metal particles from a fluid having an initial concentration of about 100 ppm dissolved metal particles during continuous operation of less than about 3 hours. In yet another example, recovery efficiency may be at least about 95% of dissolved metal particles from a fluid having an initial concentration of about 100 ppm during continuous operation of less than about 24 hours.

Температуры (°С) в отношении способа могут быть в диапазоне между -50 и 400, или при любом целом числе или диапазоне любых целых чисел между ними. Например, температура (°С) может составлять по меньшей мере около -50, -25, 0, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, или 350. Например, температура (°С) может быть менее, чем около 350, 300, 250, 200, 150, 100, или 50. Температура также может быть отрегулирована при почти любом из этих значений или в диапазоне между любыми из этих значений, таких как диапазон между около 0 и 250°С, от около 25 до 200oC, или от около 50 до 150oC.Temperatures (°C) in relation to the method may be in the range between -50 and 400, or any integer or range of any integers between them. For example, the temperature (°C) may be at least about -50, -25, 0, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, or 350. For example, the temperature (°C) may be less than than about 350, 300, 250, 200, 150, 100, or 50. The temperature can also be adjusted to almost any of these values, or in a range between any of these values, such as a range between about 0 and 250°C, from about 25 to 200 ° C, or about 50 to 150 ° C.

В одном варианте исполнения способ может быть исполнен для обеспечения величины Re по меньшей мере 0,01, 0,1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, или 15000. Способ может быть исполнен в диапазоне Re от около 0,1 до 2000, от 1 до 1000, от 10 до 800, или от 20 до 500. Способ может быть исполнен в диапазоне Re от около 1000 до 15000, от 1500 до 10000, от 2000 до 8000, или от 2500 до 6000. Способ может быть исполнен в диапазоне Re между любыми двумя из вышеуказанных «по меньшей мере» значений.In one embodiment, the method may be executed to provide a Re value of at least 0.01, 0.1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700 , 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500 , 5000, 5500, 6000, 6500 , 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, or 15000. The method can be performed in the Re range from about 0.1 to 2000, from 1 to 1000, from 10 to 800 , or from 20 to 500. The method can be performed in the Re range from about 1000 to 15000, from 1500 to 10000, from 2000 to 8000, or from 2500 to 6000. The method can be performed in the Re range between any two of the above "by at least" values.

В одном варианте исполнения способ может быть исполнен при числе Пекле (Pe) по меньшей мере 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 106, или 107. Способ может быть исполнен при числе Пекле (Pe) менее, чем около 108, 107, 106, 500000, 250000, 100000, 75000, 50000, 25000, 20000, 15000, 10000, 5000, 2000, или 1000. Способ может быть исполнен в диапазоне Pe от около 103 до 108, от 103 до 107, или от 104 до 106. Способ может быть исполнен в диапазоне Pe между любыми двумя из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов.In one embodiment, the method can be performed at a Peclet number (Pe) of at least 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 106, or 107. The method can be performed at a Peclet number (Pe) of less than about 108, 107, 106, 500000, 250000, 100000, 75000, 50000, 25000, 20000, 15000, 10000, 5000, 2000, or 1000. The method can be performed in the Pe range of about 103 to 108, from 103 to 107, or from 104 to 106. The method can be executed in the Pe range between any two of the above upper and/or lower limits.

Способ может обусловливать падение давления (или противодавление) (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя в диапазоне от около 0,1 до 1000000 Па/м (или 1 МПа/м), включая любое значение или диапазон любых значений между ними. Например, падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может быть менее, чем около 500000, 250000, 100000, 50000, 10000, 5000, 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, или 5 Па/м. Например, падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может составлять по меньшей мере около 10, 100, 1000, 5000, 10000, 50000, 100000, или 250000. Падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может быть отрегулировано в диапазоне между любыми двумя из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов. Например, в одном варианте исполнения падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может быть в диапазоне между около 10 и 250000, 100 и 100000, или 1000 и 50000. В этом отношении электрод с функцией статического смесителя, реактор, система или способы, как здесь описываемые, могут быть сформированы с параметрами, пригодными для вариантов промышленного применения. Вышеуказанные величины падения давления, или их диапазоны, могут быть обеспечены, где объемный расход потока составляет по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 500, 1000 мл/мин.The method may cause a pressure drop (or back pressure) (in Pa/m) across the static mixer electrode in the range of about 0.1 to 1,000,000 Pa/m (or 1 MPa/m), including any value or a range of any values in between. . For example, the pressure drop (in Pa/m) across an electrode with a static mixer function may be less than about 500,000, 250,000, 100,000, 50,000, 10,000, 5,000, 1,000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, or 5 Pa/m. For example, the pressure drop (in Pa/m) across an electrode with a static mixer function may be at least about 10, 100, 1,000, 5,000, 10,000, 50,000, 100,000, or 250,000. The pressure drop (in Pa/m) across an electrode with can be adjusted between any two of the above upper and/or lower limits by the static mixer function. For example, in one embodiment, the pressure drop (in Pa/m) across the static mixer electrode may be between about 10 and 250,000, 100 and 100,000, or 1,000 and 50,000. In this regard, the static mixer electrode, reactor, the system or methods as described herein may be configured with parameters suitable for industrial applications. The above pressure drops, or ranges thereof, can be achieved where the volumetric flow rate is at least 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4 .5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 500, 1000 ml/min.

В одном варианте исполнения объемный расход потока может быть получен на уровне по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, или 1000 мл/мин. В еще одном варианте исполнения объемный расход потока может быть получен на уровне менее, чем около 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40, 30, 20, 10, или 5 мл/мин. Величина расхода потока может быть в диапазоне между любыми двумя из этих значенией верхнего и/или нижнего пределов, например, в диапазоне между около 50 и 400, 10 и 200, или 20 и 200.In one embodiment, the volumetric flow rate can be obtained at a level of at least 0.1, 0.5, 1, 1.5, 2, 2.5, 3, 3.5, 4, 4.5, 5, 6 , 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, or 1000 ml /min In another embodiment, the volumetric flow rate can be obtained at a level of less than about 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40 , 30, 20, 10, or 5 ml/min. The flow rate may be between any two of these upper and/or lower limits, such as between about 50 and 400, 10 and 200, or 20 and 200.

Способ может предусматривать среднее время пребывания в статическом смесителе или реакторе в диапазоне от около 0,1 секунды до около 60 минут. Среднее время пребывания может быть, например, менее, чем около 60 минут, 45 минут, 30 минут, 15 минут, 10 минут, 5 минут, 1 минуты, 30 секунд, 10 секунд, или 5 секунд. Среднее время пребывания может быть, например, более, чем около 1 секунды, 5 секунд, 10 секунд, 30 секунд, 1 минуты, 5 минут, 10 минут, 15 минут, 30 минут, или 45 минут. Среднее время пребывания может быть выбрано в диапазоне, выбранном из любых двух из этих упомярутых ранее значений. Например, среднее время пребывания может быть в диапазоне от 5 секунд до 10 минут, от 1 секунды до 5 минут, или от 1 минуты до 60 минут.The method may include an average residence time in the static mixer or reactor ranging from about 0.1 second to about 60 minutes. The average residence time may be, for example, less than about 60 minutes, 45 minutes, 30 minutes, 15 minutes, 10 minutes, 5 minutes, 1 minute, 30 seconds, 10 seconds, or 5 seconds. The average residence time may be, for example, more than about 1 second, 5 seconds, 10 seconds, 30 seconds, 1 minute, 5 minutes, 10 minutes, 15 minutes, 30 minutes, or 45 minutes. The average residence time may be selected within a range selected from any two of these previously mentioned values. For example, the average residence time may be in the range of 5 seconds to 10 minutes, 1 second to 5 minutes, or 1 minute to 60 minutes.

Способ может обеспечивать Фарадеевскую эффективность (выход по току) (% прошедших зарядов, принявших участие в обсуждаемой реакции) по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 98, или 99. Способ может обеспечивать Фарадеевскую эффективность (% прошедших зарядов, принявших участие в обсуждаемой реакции) менее 99, 98, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, или 10. Способ может обеспечивать Фарадеевскую эффективность (% прошедших зарядов, принявших участие в обсуждаемой реакции) в диапазоне между любыми двумя из вышеуказанных значенией верхнего и/или нижнего пределов.The method can provide a Faraday efficiency (current output) (% of the passed charges that took part in the reaction under discussion) of at least 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, less than 99, 98, 95, 90, 85, 80, 75, 70 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, or 10. The method may provide a Faraday efficiency (% of charges passed through the reaction in question) between any two of the above upper and/or lower limits.

Потоки анолита и/или католита могут включать любой подходящий растворитель, электроактивные частицы и поддерживающий электролит. Концентрации растворенных веществ могут варьировать от частей на миллиард до пределов их растворимости (десятки молей на литр). В дополнение к растворенным веществам, потоки текучих сред также могут содержать множественные фазы в любой комбинации нерастворенных твердых веществ (например, твердых веществ, суспендированных в потоке текучей среды), несмешивающихся жидкостей и газов. Таким образом, потоки текучих сред могут включать водные и неводные растворители, молекулярные растворители, расплавленные соли, ионные жидкости, сверхкритические растворители, или их смеси. Растворенные вещества могут быть ионными, молекулярными или по существу ионными парами в растворе. Они могут быть растворенными твердыми веществами, газами, смешивающимися жидкостями, или их смесями. Другие присутствующие фазы могут представлять собой суспендированные твердые вещества или гели, органические или неорганические полимеры, природные продукты или их смеси. Они могут представлять собой газы или пары, преднамеренно введенные или образованные в результате течения и/или электрохимической активности. В еще одном примере текучая среда представляет собой жидкость или сложную жидкость, такую как жидкость, содержащая раствор и/или суспензию твердых веществ.The anolyte and/or catholyte streams may include any suitable solvent, electroactive species, and supporting electrolyte. Solute concentrations can vary from parts per billion to their solubility limits (tens of moles per liter). In addition to solutes, fluid streams can also contain multiple phases in any combination of undissolved solids (eg, solids suspended in a fluid stream), immiscible liquids, and gases. Thus, fluid streams may include aqueous and non-aqueous solvents, molecular solvents, molten salts, ionic liquids, supercritical solvents, or mixtures thereof. The solutes can be ionic, molecular, or substantially ionic pairs in solution. They may be dissolved solids, gases, miscible liquids, or mixtures thereof. Other phases present may be suspended solids or gels, organic or inorganic polymers, natural products, or mixtures thereof. They may be gases or vapors deliberately introduced or formed as a result of flow and/or electrochemical activity. In yet another example, the fluid is a liquid or a complex liquid such as a liquid containing a solution and/or suspension of solids.

В одном варианте исполнения может быть представлен способ удаления веществ из потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки или системы ее согласно любым аспектам, вариантам исполнения или примерам их, как здесь описанным. Вещества могут представлять собой металлические частицы, растворенные в потоке текучей среды. Будет понятно, что любые из вышеуказанных вариантов исполнения или примеров, относящихся к производительности электрохимической проточной ячейки, могут быть применимы к этому варианту исполнения.In one embodiment, a method for removing substances from a fluid stream may be provided, including the use of an electrochemical flow cell or system thereof, according to any aspects, embodiments, or examples thereof, as described herein. The substances may be metal particles dissolved in the fluid stream. It will be appreciated that any of the above embodiments or examples relating to electrochemical flow cell performance may be applicable to this embodiment.

ПРИМЕРЫEXAMPLES

Настоящее изобретение далее описано нижеследующими примерами. Должно быть понятно, что нижеследующее описание приведено только для цели иллюстрирования конкретных вариантов осуществления, и не предполагает ограничения в отношении вышеуказанного описания.The present invention is further described by the following examples. It should be understood that the following description is for the purpose of illustrating particular embodiments only, and is not intended to be limiting to the above description.

Пример 1Example 1

Был получен электрохимический проточный реактор, включающий сепаратор 200 (Фигура 2), наряду с трубопроводом для подачи жидкости, включающим перистальтический(-кие) насос(-сы) 120 (Masterflex L/S Variable-Speed Drive w/ Remote I/O; 600 об/мин) для регулирования течения электролита в ячейку, и источник 110 питания (потенциостат Autolab 302N от фирмы Metrohm Autolab BV, Утрехт, Нидерланды), для регулирования подводимых электрохимического потенциала/тока, протекающего через ячейку.An electrochemical flow reactor was obtained, including a separator 200 (Figure 2), along with a liquid supply pipeline, including a peristaltic pump(s) 120 (Masterflex L/S Variable-Speed Drive w/ Remote I/O; 600 rpm) to control the flow of electrolyte into the cell, and a power supply 110 (an Autolab 302N potentiostat from Metrohm Autolab BV, Utrecht, The Netherlands) to control the applied electrochemical potential/current flowing through the cell.

Изготовленный аддитивным формированием металлический электрод с функцией статического смесителя (SME) 104, 204 как рабочий электрод плотно вставили внутрь трубчатого пористого полимерного сепаратора 202 (GenPore Reading, США) в конфигурации для режима разделения, который образует рабочий отсек. На каждом конце электрода конструкцией предусмотрены два канала для создания соединения для течения текучей среды. Текучая среда поступала в рабочий отсек через эти трубопроводы. Как во всех статических смесителях, момент импульса раствора вызывает перемешивание, когда раствор протекает мимо множества наклонных граней поверхности смесителя. Инертный трубчатый противоэлектрод 102, в этом конкретном эксперименте выполненный из стеклоуглерода, окружает рабочий отсек при малом расстоянии от сепаратора, создавая малообъемный отсек противоэлектрода и формируя наружную оболочку ячейки. Весь сборный узел закупорен двумя торцевыми крышками 500 (Фигуры 4а, 4b и 4с). Каналы 144, профрезерованные в торцевых крышках, обеспечивают течение текучей среды в отсек противоэлектрода. Эта конфигурация позволяет использовать различные текучие среды в двух отсеках, если требуется в эксперименте.Additively formed metal static mixer electrode (SME) 104, 204 as a working electrode was tightly inserted inside a tubular porous polymer separator 202 (GenPore Reading, USA) in separation mode configuration that forms the work compartment. Two channels are provided at each end of the electrode to create a fluid flow connection. Fluid entered the working compartment through these pipelines. As in all static mixers, the angular momentum of the slurry causes agitation as the slurry flows past the many sloped faces of the mixer surface. An inert tubular counter electrode 102, in this particular experiment made of glassy carbon, surrounds the working compartment at a short distance from the separator, creating a low volume counter electrode compartment and forming the outer shell of the cell. The entire assembly is sealed with two end caps 500 (Figures 4a, 4b and 4c). Channels 144 milled into the end caps allow fluid to flow into the counter electrode compartment. This configuration allows the use of different fluids in the two compartments if desired in the experiment.

Производительность, с которой работает ячейка, может быть оценена сравнением предельного тока, измеренного при различных величинах расхода потока, с результатами испытания с использованием вращающегося дискового электрода (RDE) в том же растворе. Эти сравнения представляют собой полезные показатели производительности, и не применяются, чтобы делать любые выводы о гидродинамических условиях на поверхности статического смесителя.The performance at which the cell operates can be estimated by comparing the current limit measured at various flow rates with the results of a test using a rotating disk electrode (RDE) in the same solution. These comparisons are useful performance indicators and are not used to draw any conclusions about the hydrodynamic conditions at the surface of the static mixer.

Для оценки производительности двух конфигураций данного электрохимического проточного реактора провели серию экспериментов для исследования электрохимического восстановления феррицианида ([Fe(CN)6]3+) в растворе (10-3-10-1 M), в 0,5 M растворе хлорида калия в качестве поддерживающего электролита, с использованием покрытого платиной электрода с функцией статического смесителя (то есть, рабочего электрода) и трубы из стеклоуглерода (то есть, анода). Типичную реакцию восстановления в реакторе с разделенной конфигурацией проводили следующим образом.To evaluate the performance of two configurations of this electrochemical flow reactor, a series of experiments were performed to investigate the electrochemical reduction of ferricyanide ([Fe(CN) 6 ] 3+ ) in a solution (10 -3 -10 -1 M), in a 0.5 M solution of potassium chloride in as a support electrolyte, using a platinum-coated electrode with a static mixer function (i.e., working electrode) and a glassy carbon tube (i.e., anode). A typical reduction reaction in a reactor with a split configuration was carried out as follows.

Хроноамперометрические измерения проводили при ступенчатом изменении потенциала -1,4 В, -1,6 В. -1,8 В и -2 В, который прилагали к ячейке в течение 100 секунд, с ячейкой, действующей в течение первого 50-секундного интервала в стационарном режиме (то есть, 0 мл·мин-1), и в течение последнего 50-секундного интервала при постоянном расходе потока между 10 и 400 мл·мин-1 (Фигуры 7-9). Регистрировали токи установившегося режима для всех величин расхода потока и при повышении величины расхода потока, с регистрацией возрастания тока при всех ступенчатых изменениях потенциала. Хотя зарегистрированные тока возрастали с увеличением потенциала, наблюдались некоторые газовые пузырьки в растворе, выходящем из проточной ячейки, когда прилагали -1,8 В и -2 В. При этих более высоких потенциалах для этого формата эксперимента, в дополнение к восстановлению [Fe(CN)6]3+, на катоде происходило выделение водорода, которое может затруднять анализ.Chronoamperometric measurements were made with a step change in potential of -1.4 V, -1.6 V. -1.8 V and -2 V applied to the cell for 100 seconds, with the cell operating for the first 50 second interval of stationary mode (ie, 0 ml·min -1 ), and during the last 50-second interval at a constant flow rate between 10 and 400 ml·min -1 (Figures 7-9). The steady-state currents were recorded for all flow rates and with increasing flow rates, with the registration of an increase in current for all step changes in potential. Although the recorded currents increased with increasing potential, some gas bubbles were observed in the solution exiting the flow cell when -1.8 V and -2 V were applied. At these higher potentials, for this experimental format, in addition to reducing [Fe(CN ) 6 ] 3+ , hydrogen evolution occurred at the cathode, which can complicate the analysis.

Результаты эксперимента показали, что при более низких концентрациях электроактивных ионов, где реакция ограничивается массопереносом (то есть, 0,001 и 0,01 M [Fe(CN)6]3+), конфигурация электрохимической проточной ячейки значительно повышает скорость реакции. При более высокой концентрации (то есть, 0,1 M [Fe(CN)6]3+), где реакция контролируется массопереносом и кинетическими факторами (комплексный контроль), повышение скорости реакции является меньшим, между величинами от 1,5 до 3,7 раз быстрее, когда используют электрод с функцией статического смесителя.Experimental results showed that at lower electroactive ion concentrations where the reaction is mass transfer limited (ie, 0.001 and 0.01 M [Fe(CN) 6 ] 3+ ), the electrochemical flow cell configuration significantly increased the reaction rate. At a higher concentration (i.e., 0.1 M [Fe(CN) 6 ] 3+ ), where the reaction is controlled by mass transfer and kinetic factors (complex control), the reaction rate increase is smaller, between values from 1.5 to 3, 7 times faster when using an electrode with static mixer function.

Пример 2Example 2

Эффективность электрохимической проточной ячейки в удалении ионов меди из кислотного загрязненного раствора, содержащего 10-100 млн-1 Cu2+ в 0,01M H2SO4, оценивали с использованием электрода с функцией статического смесителя из нержавеющей стали (то есть, рабочего электрода) и трубы из стеклоуглерода (то есть, анода), при величинах расхода потока, варьирующих от 10 до 1000 мл·мин-1, в электрохимической проточной ячейке в варианте исполнения с разделенной конфигурацией. Как показано в Фигуре 10, при повышении расхода потока за пределы 50 мл·мин-1 эффективность удаления снижается, что обусловлено сокращением времени пребывания электроактивных ионов на поверхности рабочего электрода для завершения реакции восстановления (Фигуры 10а и 10b). С другой стороны, повышением расхода потока увеличивался заряд, проходящий через рабочий электрод, и соответственно возрастал выход по току (Фигуры 10с и 10d). Однако повышение расхода потока является эффективным до точки, за которой эффективность снижается вследствие сокращения времени пребывания электроактивных ионов на поверхности электрода.The efficiency of the electrochemical flow cell in removing copper ions from an acidic contaminated solution containing 10-100 ppm Cu 2+ in 0.01M H 2 SO 4 was evaluated using a stainless steel static mixer electrode (i.e., working electrode) and glassy carbon (ie, anode) tubes, at flow rates ranging from 10 to 1000 ml·min -1 , in an electrochemical flow cell in a split configuration embodiment. As shown in Figure 10, as the flow rate increases beyond 50 ml·min -1 , the removal efficiency decreases, due to the reduction in the residence time of electroactive ions on the surface of the working electrode to complete the reduction reaction (Figures 10a and 10b). On the other hand, increasing the flow rate increased the charge passing through the working electrode and correspondingly increased the current output (Figures 10c and 10d). However, increasing the flow rate is effective up to the point where the efficiency is reduced due to the reduced residence time of the electroactive ions on the electrode surface.

Пример 3Example 3

Также провели обстоятельные эксперименты по электролизу, чтобы показать, насколько эффективно электрохимическая проточная ячейка может удалять ионы меди из фиксированного объема загрязненного водного раствора. Два литра загрязненного медью водного раствора (то есть, 100 млн-1 CuSO4·4H2O в 0,01M H2SO4) обрабатывали с использованием электрохимической проточной ячейки при постоянном расходе потока 50 мл·мин-1 в течение 24 часов. Оптическое изображение и результаты SEM/EDS-анализа подтвердили осаждение ионов меди на рабочий электрод с функцией статического смесителя (Фигура 11), и результаты анализа ICP-MS-методом (масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой) показали, что было достигнуто 99,7%-ное сокращение концентрации меди в течение 24 часов в электрохимической проточной ячейке с разделенными конфигурациями (Фигура 12).Extensive electrolysis experiments were also performed to show how efficiently an electrochemical flow cell can remove copper ions from a fixed volume of contaminated aqueous solution. Two liters of a copper-contaminated aqueous solution (ie, 100 ppm CuSO 4 ·4H 2 O in 0.01M H 2 SO 4 ) was treated using an electrochemical flow cell at a constant flow rate of 50 ml·min -1 for 24 hours. Optical imaging and SEM/EDS analysis results confirmed copper ion deposition on the working electrode with static mixer function (Figure 11), and ICP-MS (Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry) analysis results showed that 99, 7% reduction in copper concentration over 24 hours in an electrochemical flow cell with split configurations (Figure 12).

Claims (39)

1. Электрохимическая проточная ячейка, включающая:1. Electrochemical flow cell, including: реакционную камеру;reaction chamber; первый электрод;first electrode; второй электрод; иsecond electrode; And сепаратор, размещенный между первым и вторым электродами, причем сепаратор, по меньшей мере частично, образует первый канал внутри реакционной камеры, выполненный с возможностью приема потока первой текучей среды в контакте с первым электродом, и второй канал внутри реакционной камеры, выполненный с возможностью приема потока второй текучей среды в контакте со вторым электродом,a separator placed between the first and second electrodes, wherein the separator at least partially forms a first channel within the reaction chamber configured to receive a flow of the first fluid in contact with the first electrode, and a second channel within the reaction chamber configured to receive the flow a second fluid in contact with the second electrode, причем сепаратор включает проницаемую мембрану, выполненную с возможностью обеспечения электрического сообщения между первым и вторым электродами через потоки текучих сред, в то же время ограничивая обмен текучей средой между потоками текучих сред, иwherein the separator includes a permeable membrane configured to provide electrical communication between the first and second electrodes through the fluid streams while limiting fluid exchange between the fluid streams, and причем первый электрод представляет собой электрод с функцией статического смесителя, включающий электропроводный участок статического смесителя, образующий множество разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока первой текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода.wherein the first electrode is a static mixer function electrode comprising an electrically conductive portion of the static mixer forming a plurality of separating structures configured to separate the first fluid stream into a plurality of distinct substreams at a plurality of locations along the length of the first electrode. 2. Ячейка по п. 1, причем электрохимическая проточная ячейка представляет собой трубчатый реактор с непрерывным потоком.2. Cell according to claim 1, wherein the electrochemical flow cell is a continuous flow tubular reactor. 3. Ячейка по п. 2, в которой электрод с функцией статического смесителя соосно выровнен по существу вдоль оси трубчатого реактора с непрерывным потоком.3. The cell of claim 2 wherein the static mixer function electrode is aligned substantially along the axis of the continuous flow tubular reactor. 4. Ячейка по любому из пп. 1-3, в которой электрод с функцией статического смесителя включает электропроводную подложку.4. Cell according to any one of paragraphs. 1-3, in which the static mixer function electrode includes an electrically conductive substrate. 5. Ячейка по п. 4, в которой подложка представляет собой металл или металлический сплав.5. Cell according to claim 4, wherein the substrate is a metal or a metal alloy. 6. Ячейка по любому из пп. 1-5, в которой электрод с функцией статического смесителя включает электропроводное покрытие.6. Cell according to any one of paragraphs. 1-5, in which the static mixer electrode includes an electrically conductive coating. 7. Ячейка по любому из пп. 1-6, в которой электрод с функцией статического смесителя включает электропроводную составную подложку, образующую множество проточных секций, выполненных с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции.7. Cell according to any one of paragraphs. 1-6, wherein the static mixer electrode includes an electrically conductive composite substrate forming a plurality of flow sections configured to enhance mass transfer and random advection. 8. Ячейка по любому из пп. 1-7, в которой диаметр участка статического смесителя первого электрода может быть приблизительно равным диаметру первого канала.8. Cell according to any one of paragraphs. 1-7, in which the diameter of the static mixer section of the first electrode may be approximately equal to the diameter of the first channel. 9. Ячейка по любому из пп. 1-8, в которой первый электрод размещен в контакте с сепаратором.9. Cell according to any one of paragraphs. 1-8, in which the first electrode is placed in contact with the separator. 10. Ячейка по любому из пп. 1-9, в которой сепаратор и второй электрод размещены концентрически и соосно с центральной продольной осью первого электрода.10. Cell according to any one of paragraphs. 1-9, in which the separator and the second electrode are placed concentrically and coaxially with the central longitudinal axis of the first electrode. 11. Ячейка по любому из пп. 1-10, в которой сепаратор и второй электрод являются по существу цилиндрическими.11. Cell according to any one of paragraphs. 1-10, in which the separator and the second electrode are substantially cylindrical. 12. Ячейка по любому из пп. 1-11, в которой второй электрод составляет по меньшей мере часть стенки реакционной камеры.12. Cell according to any one of paragraphs. 1-11, in which the second electrode forms at least part of the wall of the reaction chamber. 13. Ячейка по любому из пп. 1-12, в которой первый электрод, включающий участок статического смесителя, выполнен с возможностью действия внутри первого канала для создания объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин.13. Cell according to any one of paragraphs. 1-12, wherein the first electrode, including the static mixer portion, is operable within the first channel to create a volumetric flow rate for the first fluid flow of at least about 0.1 ml/min. 14. Электрохимическая проточная система, включающая по меньшей мере первую электрохимическую проточную ячейку по любому из пп. 1-13.14. Electrochemical flow system, including at least the first electrochemical flow cell according to any one of paragraphs. 1-13. 15. Система по п. 14, дополнительно включающая:15. The system according to claim 14, further comprising: вторую электрохимическую проточную ячейку по любому из пп. 1-13; иthe second electrochemical flow cell according to any one of paragraphs. 1-13; And множество проточных трубопроводов, соединяющих первую электрохимическую проточную ячейку со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.a plurality of flow conduits connecting the first electrochemical flow cell to the second electrochemical flow cell such that the first channel of the first electrochemical flow cell is in fluid communication with the second channel of the second electrochemical flow cell and the second channel of the first electrochemical flow cell is in fluid communication with the first channel of the second electrochemical flow cell. 16. Система по п. 14 или 15, дополнительно включающая:16. The system according to claim 14 or 15, further comprising: насос для создания течения текучей среды потоков текучих сред;a pump for creating a fluid flow of the fluid streams; источник питания для регулирования протекающего через электроды тока, или подводимого к ним напряжения;a power source for regulating the current flowing through the electrodes, or the voltage applied to them; управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, включающих концентрацию, величину расхода потока, температуру, давление и время пребывания.a control device for regulating one or more system parameters including concentration, flow rate, temperature, pressure, and residence time. 17. Способ электрохимической обработки потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки по любому из пп. 1-13, или системы по любому из пп. 14-16, введение первого потока обрабатываемой текучей среды в первый канал электрохимической проточной ячейки и получение обработанного выходного потока, включающего продукт реакции.17. A method for electrochemical processing of a fluid stream, including the use of an electrochemical flow cell according to any one of paragraphs. 1-13, or systems according to any one of paragraphs. 14-16 introducing a first process fluid stream into the first channel of the electrochemical flow cell and obtaining a treated effluent stream including the reaction product. 18. Способ по п. 17, в котором потоки первой и второй текучих сред включают жидкости.18. The method of claim 17 wherein the first and second fluid streams comprise liquids. 19. Способ по п. 17 или 18 для обработки сточных вод, удаления ионов растворенных металлов из потока текучей среды, или извлечения металла из потока текучей среды.19. The method of claim 17 or 18 for treating wastewater, removing dissolved metal ions from a fluid stream, or removing metal from a fluid stream. 20. Способ по п. 17 или 18 для удаления частиц растворенного металла из потока первой текучей среды, причем удаление частиц металла происходит на поверхности участка статического смесителя первого электрода.20. The method of claim 17 or 18 for removing dissolved metal particles from the first fluid stream, wherein the metal particles are removed at the surface of the static mixer portion of the first electrode. 21. Способ по любому из пп. 17-20, в котором электрохимическая проточная ячейка, включающая первый электрод, содержащий участок статического смесителя, выполнена с возможностью усиления хаотической адвекции разделением потока первой текучей среды более чем на 200 м-1, соответственно числу циклов разделения потока первой текучей среды внутри данной длины вдоль участка статического смесителя первого электрода.21. The method according to any one of paragraphs. 17-20, in which the electrochemical flow cell, including the first electrode containing the section of the static mixer, is configured to enhance chaotic advection by dividing the flow of the first fluid by more than 200 m -1 , corresponding to the number of cycles of dividing the flow of the first fluid within a given length along section of the static mixer of the first electrode. 22. Способ по любому из пп. 17-21, в котором электрохимическая проточная ячейка, включающая первый электрод, содержащий участок статического смесителя, выполнена с возможностью обеспечения числа Пекле (Pe) по меньшей мере около 10000.22. The method according to any one of paragraphs. 17-21, in which an electrochemical flow cell including a first electrode containing a static mixer section is configured to provide a Peclet number (Pe) of at least about 10,000. 23. Способ по любому из пп. 17-22, в котором электрохимическая проточная ячейка выполнена с возможностью обеспечения объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин.23. The method according to any one of paragraphs. 17-22, wherein the electrochemical flow cell is configured to provide a volumetric flow rate for the first fluid stream of at least about 0.1 ml/min. 24. Способ по любому из пп. 17-23, в котором поток первой текучей среды включает частицы растворенного металла при концентрации (моль/л) менее чем около 0,01.24. The method according to any one of paragraphs. 17-23, wherein the first fluid stream includes dissolved metal particles at a concentration (mol/L) of less than about 0.01. 25. Способ по любому из пп. 17-24, в котором электрохимическая проточная ячейка выполнена с возможностью обеспечения эффективности извлечения загрязнения или частиц металла в потоке первой текучей среды по меньшей мере 90% загрязнения или частиц металла, первоначально присутствующих в потоке первой текучей среды.25. The method according to any one of paragraphs. 17-24, wherein the electrochemical flow cell is configured to be effective in removing at least 90% of the contamination or metal particles in the first fluid stream of the contamination or metal particles originally present in the first fluid stream. 26. Способ по любому из пп. 17-25, в котором электрохимическая проточная ячейка выполнена с возможностью обеспечения плотностей тока на электроде с функцией статического смесителя и противоэлектроде в диапазоне от 1 мкА·м-2 до около 1000 А·м-2.26. The method according to any one of paragraphs. 17-25, wherein the electrochemical flow cell is configured to provide current densities at the static mixer electrode and the counter electrode in the range of 1 µA m -2 to about 1000 A m -2 . 27. Способ по любому из пп. 17-26, включающий работу первой и второй электрохимических проточных ячеек по любому из пп. 1-13, причем множество проточных трубопроводов соединяет первую электрохимическую проточную ячейку со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.27. The method according to any one of paragraphs. 17-26, including the operation of the first and second electrochemical flow cells according to any one of paragraphs. 1-13, wherein a plurality of flow conduits connect the first electrochemical flow cell to the second electrochemical flow cell such that the first conduit of the first electrochemical flow cell is in fluid communication with the second conduit of the second electrochemical flow cell, and the second conduit of the first electrochemical flow cell is in in fluid communication with the first channel of the second electrochemical flow cell. 28. Способ электрохимического синтеза продукта, включающий применение электрохимической проточной ячейки по любому из пп. 1-13 или системы по любому из пп. 14-16, реагирование первого потока текучей среды, включающего один или более реактантов, в первом канале электрохимической проточной ячейки и получение выходного потока, включающего продукт реакции.28. The method of electrochemical synthesis of the product, including the use of an electrochemical flow cell according to any one of paragraphs. 1-13 or systems according to any one of paragraphs. 14-16 reacting a first fluid stream including one or more reactants in a first channel of an electrochemical flow cell and producing an output stream including a reaction product.
RU2021104925A 2018-08-08 2019-08-07 Electrochemical flow reactor RU2800815C2 (en)

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
AU2018902887 2018-08-08

Publications (2)

Publication Number Publication Date
RU2021104925A RU2021104925A (en) 2022-09-09
RU2800815C2 true RU2800815C2 (en) 2023-07-28

Family

ID=

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3859195A (en) * 1972-09-20 1975-01-07 Du Pont Apparatus for electrochemical processing
US4388162A (en) * 1982-02-08 1983-06-14 Institute Of Gas Technology Continuous flow electrochemical cell and process
WO1993018208A1 (en) * 1992-03-04 1993-09-16 Hydro-Quebec Indirect cerium mediated electrosynthesis
RU2477651C1 (en) * 2009-04-15 2013-03-20 Альфа Лаваль Корпорейт Аб Flow-through module

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US3859195A (en) * 1972-09-20 1975-01-07 Du Pont Apparatus for electrochemical processing
US4388162A (en) * 1982-02-08 1983-06-14 Institute Of Gas Technology Continuous flow electrochemical cell and process
WO1993018208A1 (en) * 1992-03-04 1993-09-16 Hydro-Quebec Indirect cerium mediated electrosynthesis
RU2477651C1 (en) * 2009-04-15 2013-03-20 Альфа Лаваль Корпорейт Аб Flow-through module

Similar Documents

Publication Publication Date Title
CA3108552C (en) Electrochemical flow reactor
Schlumpberger et al. Scalable and continuous water deionization by shock electrodialysis
US8999132B2 (en) Desalination and purification system
KR101598676B1 (en) Electrolytic cell for ozone production
US6797179B2 (en) Method for removing dissolved metals from wastewater by electrocoagulation
US20110042219A1 (en) Non-faraday based systems, devices and methods for removing ionic species from liquid
Sun et al. Electrochemical-osmotic process for simultaneous recovery of electric energy, water, and metals from wastewater
Hardwick et al. Advances in electro-and sono-microreactors for chemical synthesis
JP7010529B2 (en) Sterilization and cleaning method using water electrolyzer and water electrolyzer and method for decomposing and removing harmful substances
CN112166209A (en) Electrode for split-flow type electrolytic flow device
RU2800815C2 (en) Electrochemical flow reactor
KR102487857B1 (en) Electrochemical Cell Stack for Wastewater Treatment with Isolated Electrodes
CN108927005B (en) Electrochemical separation device
JP4599113B2 (en) Impurity removal equipment
EP3044170A1 (en) Devices and methods for water desalination
JPH0244910B2 (en)
CN115784378A (en) Building block type conductive separation membrane system device and method for shale gas back drainage
WO2024100678A1 (en) Membraneless flow-by electrolytic reactor
Menon et al. Design and Development of Packed Bed Electrochemical Reactors (PBER's) Using Scrap Lead Dioxide as Novel Electrodes
AU2022348609A1 (en) Hybrid zero-gap electrolyzer for the treatment of ammonia in waste water and the production of pure hydrogen gas
TW202229166A (en) Graphene formation device
WO2023198881A1 (en) Continuous flow reaction device for an electrochemical process
Tatapudi et al. Process design of electrochemical wastewater treatment technologies
JP2005066411A (en) Method and apparatus for treating hydrochloric acid-containing waste liquid
WO1998007491A1 (en) Method and apparatus for extracting metal ions from aqueous solutions