專利名稱：一種連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置及工藝的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及電解反應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式
電解反應(yīng)裝置及工藝。
背景技術(shù)：
電化學(xué)反應(yīng)過程中，發(fā)生在電極表面，如析氧、析氫、析氯等過程主要以氣泡形式 附著在電極和電解液表面或溶解到電解液當(dāng)中。當(dāng)電流密度增加時，產(chǎn)生的氣泡會導(dǎo)致電 解液和電解槽的阻抗增大，使得超電位和電極電勢分布不均，導(dǎo)致電極活性降低，嚴(yán)重影響 電解效果和速率。 超重力條件對電化學(xué)反應(yīng)過程有顯著影響，可促進(jìn)氣體析出，離子傳質(zhì)，近年來得 到研究者的重視。1999年，Mahito Atobe等人首先報(bào)道了超重力條件對電沉積聚苯胺膜 的形成速度及其性能有顯著影響。利用改裝的離心機(jī)營造超重力場，離心機(jī)轉(zhuǎn)子的一端為 塑料試杯(電解槽)做為電化學(xué)反應(yīng)裝置，與轉(zhuǎn)軸相垂直，另一端為平衡物，電解液一次性 裝入試杯中，操作結(jié)束后將電解液排出；2000年，邵光杰等人利用自制的離心高速電沉積 實(shí)驗(yàn)裝置，研究了電鍍鎳的工藝。實(shí)驗(yàn)裝置中的陰極套由電動機(jī)帶動高速旋轉(zhuǎn)，陽極和鍍 件置于陰極套內(nèi)，將固定在鈦管上的鍍鉑鈦板作陽極，與鍍件正對，鍍液經(jīng)由離心泵、鈦管 垂直噴向電鍍室內(nèi)壁，然后切向流經(jīng)鍍件表面；2003年，Ali Efrekhari等人使用同樣的改 裝的離心機(jī)設(shè)備營造超重力場，研究了超重力環(huán)境下銅在硅基上的電沉積情況；2004年， AliEfrekhari等人也使用同樣的改裝的離心機(jī)設(shè)備研究，得出超重力條件下電沉積吡咯膜 具有優(yōu)良的穩(wěn)定性和導(dǎo)電性；2004年，Mahito Atobe等人使用同樣的改裝的離心機(jī)設(shè)備研 究，得出超重力電沉積芳香族聚合物具有優(yōu)良的性能；2005年，王明涌等人使用同樣的改 裝的離心機(jī)設(shè)備，研究了超重力場對水溶液金屬電沉積鎳箔的組織結(jié)構(gòu)和性能的影響。使 用同樣的改裝的離心機(jī)設(shè)備，在2003年，H. Cheng研究了超重力環(huán)境下氯堿電解和水電解 制氫的過程，驗(yàn)證了超重力環(huán)境下可增大電解質(zhì)的自然對流速度，加速附著在電極上的氣 體脫離，從而增強(qiáng)了電極活化。 目前所用的超重力電化學(xué)裝置主要是應(yīng)用于電解過程。改裝的離心機(jī)設(shè)備的電化 學(xué)反應(yīng)裝置中的電解液是一次性裝入試杯中，操作結(jié)束后將電解液排出，過程對電解液進(jìn) 行批量處理，屬于間歇操作。由于高速旋轉(zhuǎn)形成轉(zhuǎn)動慣量的制約，這些裝置結(jié)構(gòu)僅適用于小 批量間歇操作，僅適用于實(shí)驗(yàn)室研究。邵光杰等人自制的離心高速電沉積裝置僅適合用于 電解方面的電沉積研究，對電解廢水，氯堿等規(guī)模性處電解方面應(yīng)用受到限制。因此，開發(fā) 連續(xù)操作的、適合規(guī)模性電解的超重力電解反應(yīng)裝置及工藝具有重要的意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為了解決現(xiàn)有技術(shù)中超重力電解反應(yīng)裝置只能適用于小批量間隙操作和 電沉積應(yīng)用的限制，提供了一種連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置及工藝。
3
本發(fā)明采用如下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn) 連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置，其特征在于包括絕緣外殼以及 設(shè)置有若干圓筒陰極的陰極盤和設(shè)置有若干圓筒陽極的陽極盤，圓筒陽極和圓筒陰極同心 交替排列(形成多個圓筒式電解池，構(gòu)成多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置)，各圓筒陰極的自 由端與陽極盤之間留有間隙，各圓筒陽極的自由端與陰極盤之間也留有間隙，陰極盤相對 外殼靜止設(shè)置，陽極盤中心連接可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸，陰極盤中心開孔連接與電解前液相儲 槽相連的液相進(jìn)口管，外殼頂部設(shè)置有氣相出口管，外殼底部設(shè)置有與電解后液相儲槽相 連的液相出口管。 各圓筒陰極和各圓筒陽極高度相等，各圓筒陰極距離陽極盤的距離與各圓筒陽極 距離陰極盤的距離相等，其距離為圓筒高度的1/4-1/5。液相出口管為U型液封管。
以同心交替排列的陽極盤上所連接的同心圓筒陽極和陰極盤上所連接的同心圓 筒陰極的個數(shù)，根據(jù)電解液停留時間或流量大小來確定，電解反應(yīng)裝置的尺寸也由此可確定。 本發(fā)明采用陽極盤及圓筒陽極和陰極盤及圓筒陰極結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了超重力電解連續(xù)
操作。此結(jié)構(gòu)電極內(nèi)外兩個表面均可參與電解反應(yīng)，克服了平板電極表面利用率低及表面 電流分布不均的問題，且圓筒陽極和圓筒陰極以同心交替排列，依靠陽極盤及同心圓筒陽 極旋轉(zhuǎn)形成超重力環(huán)境，可強(qiáng)化電解液傳質(zhì)過程，同時對陽極形成的析出的氣泡形成巨大 的剪切作用，促進(jìn)氣泡破裂、析出，使電極表面有較均勻的電流分布，及時消除了電極極化， 降低了內(nèi)阻，從而加快處理速率。 連續(xù)操作的超重力多級電解工藝調(diào)節(jié)電解液的pH值為7 8，由液相進(jìn)口管進(jìn) 入超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置的中心，在超重力的作用下，液體由中心沿徑向依 次通過由圓筒陽極和圓筒陰極交替排列形成的各級圓筒式電解池，經(jīng)電解反應(yīng)裝置的外殼 收集后，從液相出口管流出，電解過程中產(chǎn)生的氣體由氣相出口管排出，電解后的電解液可 排放或循環(huán)電解。該工藝不僅可以利用超重力技術(shù)加速氣體析出、加強(qiáng)電解傳質(zhì)過程，而且 可以進(jìn)行連續(xù)操作。對于單位時間相同處理量比較，其負(fù)荷低，設(shè)備小，能耗低(形成超重 力環(huán)境能耗低)，體現(xiàn)持液量很小，負(fù)荷小。 本發(fā)明相對現(xiàn)有技術(shù)具有如下有益效果利用超重力技術(shù)、陽極盤及同心圓筒陽 極和陰極盤及同心圓筒陰極組成的多級電解反應(yīng)裝置進(jìn)行電解，可加強(qiáng)電解反應(yīng)的傳質(zhì)， 加快電解產(chǎn)生的氣體析出，增強(qiáng)電極活化。相比常重力條件下電解，本發(fā)明在轉(zhuǎn)速800r/ min 1800r/min時電解，槽電壓可降低6% 18% ，極限電流密度可提高11% 34%，電 解時間也可相應(yīng)縮短30% 60%，處理效果也極大的增強(qiáng)，能耗也相應(yīng)降低。最重要的是 可進(jìn)行連續(xù)電解，電解液可連續(xù)進(jìn)入電解反應(yīng)裝置進(jìn)行電解，電解后的電解液可排放或循 環(huán)進(jìn)行電解。本發(fā)明體現(xiàn)了電解裝置中持液量小、負(fù)荷低，設(shè)備小，能耗低、連續(xù)運(yùn)行、規(guī)模 處理的優(yōu)勢，打破了超重力電解傳統(tǒng)的僅能進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究裝置和工藝，開發(fā)出適合于工業(yè) 化應(yīng)用的連續(xù)操作的超重力多級電解反應(yīng)裝置及工藝，推動了超重力電解反應(yīng)技術(shù)的進(jìn)一 步發(fā)展。


圖1是連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)工藝流程圖。
圖中1-電解前液相貯槽，2-泵，3_閥門1，4-流量計(jì)，5-超重力多級同心圓筒式 電解反應(yīng)裝置，6-液相進(jìn)口管，7-氣相出口管，8_電化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)或直流穩(wěn)壓電源， 9_液相出口管，10-閥門II， 11-閥門III， 12-電解后液相貯槽，13-泵11，14-閥門IV。
圖2是連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置圖。
圖中5. 1-滑環(huán)，5. 2-轉(zhuǎn)軸，5. 3-陽極盤，5. 4_圓筒陽極，5. 5_外殼，5. 6-陰極盤， 5. 7-圓筒陰極。
具體實(shí)施例方式
連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置包括陽極盤5. 3及圓筒陽極 5. 4和陰極盤5. 6及圓筒陰極5. 7組成的電解反應(yīng)裝置，直流穩(wěn)壓電源或電化學(xué)反應(yīng)控制 (裝置)系統(tǒng)；電解過程中，電解液連續(xù)進(jìn)入超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置5，陰極盤 5. 6呈靜止?fàn)顟B(tài)，陽極盤5. 3在中心轉(zhuǎn)軸5. 2帶動下高速旋轉(zhuǎn)，電解液受到超重力作用，發(fā) 生電解反應(yīng)。其中圓筒陽極5. 4和圓筒陰極5. 7以同心交替排列，圓筒陰極5. 7距陽極盤 5. 3距離與圓筒陽極5. 4距陰極盤5. 6距離相等，其距離為圓筒高度的1/4-1/5。圓筒陽極 5. 4和圓筒陰極5. 7交替排列形成多個圓筒式電解池，構(gòu)成多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置。
如圖1，開啟電化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)或直流穩(wěn)壓電源8后，電解液經(jīng)電解前液相貯槽 1、泵2加壓、閥門I 3調(diào)節(jié)流量、流量計(jì)4計(jì)量流量后，由液相進(jìn)口管6進(jìn)入超重力多級同 心圓筒式電解反應(yīng)裝置5中，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制超重力系數(shù)。過程中產(chǎn)生的氣體由氣相 出口管7排出或收集分析。電解反應(yīng)裝置內(nèi)液位不超過陰極盤5.6，通過液相出口管(U型 液封管)9調(diào)節(jié)，電解反應(yīng)后的液相由液相出口管9流出，或經(jīng)閥門II IO和閥門IIIll排 放、或流至電解后液相貯槽12經(jīng)泵II 13、閥門IV14循環(huán)至電解前液相貯槽1中繼續(xù)進(jìn)行 電解反應(yīng)。 如圖2，整個超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置由轉(zhuǎn)軸5. 2帶動陽極盤5. 3轉(zhuǎn) 動，通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速來控制超重力系數(shù)，陽極盤5. 3和陰極盤5. 6接線通過滑環(huán)5. 1分別連接 至直流穩(wěn)壓電源的正負(fù)極上或電化學(xué)反應(yīng)控制系統(tǒng)。電解液由電解反應(yīng)裝置上端中心處 的液相進(jìn)口管6流進(jìn)電解反應(yīng)裝置，由中心沿徑向依次通過呈交替排列的旋轉(zhuǎn)的圓筒陽極 5. 4和靜止的圓筒陰極5. 7進(jìn)行電解反應(yīng)，經(jīng)外殼5. 5收集后，從液相出口管9流出或循環(huán) 進(jìn)行連續(xù)電解反應(yīng)。電解過程中產(chǎn)生的氣體由氣相出口管7排出或采集進(jìn)行下一步分析。 其中圓筒陽極5.4和圓筒陰極5.7由若干個呈交替式排列的同心的陽極圓筒和圓筒陰極分 別固定在陽極盤5. 3和陰極盤5. 6上。陽極盤5. 3和轉(zhuǎn)軸5. 2連接，陰極盤5. 6和液相進(jìn) 口管垂直式連接，呈靜態(tài)固定。 例連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解含酚廢水的工藝 電解反應(yīng)裝置的外殼由有機(jī)玻璃材料制成，內(nèi)徑300mm，高200mm。同心圓筒陽極
材料為鈦，同心圓筒陰極材料為不銹鋼，陰陽電極間距10mm，陰極或陽極電極個數(shù)6個，電
極高度100mm，圓筒陰極距陽極盤距離與圓筒陽極距陰極盤距離相等為20mm。含酚廢水中苯酚含量為200mg/L 2000mg/L， COD含量為300 600mg/L，電解前
液相貯槽中加入NaOH溶液和H2S04溶液調(diào)節(jié)廢水的pH為7 8后，開啟電化學(xué)反應(yīng)控制
系統(tǒng)或直流穩(wěn)壓電源，電解液由液相進(jìn)口管進(jìn)入超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置中，
調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。過程中產(chǎn)生的氣體由氣相出口管排出。電解反應(yīng)后的液相由液相出口管(U型液封管)流至電解后液相貯槽，再循環(huán)至電解前液相貯槽中繼續(xù)進(jìn)行循環(huán)電解。電解5min 后，廢水的苯酚去除率可達(dá)89. 3%、C0D去除率可達(dá)83. 6% 。電解25min后，廢水的苯酚去 除率可達(dá)95. 4% 、C0D去除率無明顯變化。而在常重力條件下電解25min后，廢水的苯酚去 除率僅達(dá)64. 4%、 C0D去除率無明顯變化。
權(quán)利要求
一種連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置，其特征在于包括絕緣外殼(5.5)以及設(shè)置有若干圓筒陰極(5.7)的陰極盤(5.6)和設(shè)置有若干圓筒陽極(5.4)的陽極盤(5.3)，圓筒陽極(5.4)和圓筒陰極(5.7)同心交替排列，各圓筒陰極(5.7)的自由端與陽極盤(5.3)之間留有間隙，各圓筒陽極(5.4)的自由端與陰極盤(5.6)之間也留有間隙，陰極盤(5.6)相對外殼(5.5)靜止設(shè)置，陽極盤(5.3)中心連接可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸(5.2)，陰極盤(5.6)中心開孔連接與電解前液相儲槽(1)相連的液相進(jìn)口管(6)，外殼(5.5)頂部設(shè)置有氣相出口管(7)，外殼(5.5)底部設(shè)置有與電解后液相儲槽(12)相連的液相出口管(9)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置，其特征在 于各圓筒陰極(5. 7)和各圓筒陽極(5. 4)高度相等，各圓筒陰極(5. 7)距離陽極盤(5. 3) 的距離與各圓筒陽極(5.4)距離陰極盤(5.6)的距離相等，其距離為圓筒高度的1/4-1/5。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置，其特征在 于液相出口管(9)為U型液封管。
4. 一種連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)工藝，在如權(quán)利要求1或2或3所 述的裝置中完成，其特征在于調(diào)節(jié)電解液的pH值為7 8，由液相進(jìn)口管(6)進(jìn)入超重力多 級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置(5)的中心，在超重力的作用下，液體由中心沿徑向依次通過 由圓筒陽極(5. 4)和圓筒陰極(5. 7)交替排列形成的各級圓筒式電解池，經(jīng)電解反應(yīng)裝置 的外殼(5. 5)收集后，從液相出口管(9)流出，電解過程中產(chǎn)生的氣體由氣相出口管排出， 電解后的電解液可排放或循環(huán)電解。
全文摘要
本發(fā)明涉及電解反應(yīng)的技術(shù)領(lǐng)域，具體是一種連續(xù)操作的超重力多級同心圓筒式電解反應(yīng)裝置及工藝，解決了現(xiàn)有超重力電解反應(yīng)裝置只能適用于小批量間隙操作的問題。所述的裝置，包括絕緣外殼、設(shè)有圓筒陰極的陰極盤和設(shè)有圓筒陽極的陽極盤，圓筒陽極和圓筒陰極同心交替排列，陰極盤相對外殼靜止設(shè)置，陽極盤中心連接可高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)軸。所述的工藝電解液由液相進(jìn)口管進(jìn)入反應(yīng)裝置的中心，在超重力的作用下，液體由中心沿徑向依次通過由圓筒陽極和圓筒陰極交替排列形成的各級圓筒式電解池，經(jīng)電解反應(yīng)裝置的外殼收集后，從液相出口管流出。本發(fā)明的有益效果可進(jìn)行連續(xù)電解，是適合于工業(yè)化應(yīng)用的連續(xù)操作的超重力多級電解反應(yīng)裝置及工藝。
文檔編號C25B9/00GK101787555SQ20101003339
公開日2010年7月28日 申請日期2010年1月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年1月14日
發(fā)明者劉有智, 焦緯洲, 高璟 申請人:中北大學(xué)