[发明专利]一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置及工艺

说明书

技术领域

本发明涉及电解反应的技术领域，具体是一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置及工艺。

背景技术

电化学反应过程中，发生在电极表面，如析氧、析氢、析氯等过程主要以气泡形式附着在电极和电解液表面或溶解到电解液当中。当电流密度增加时，产生的气泡会导致电解液和电解槽的阻抗增大，使得超电位和电极电势分布不均，导致电极活性降低，严重影响电解效果和速率。

超重力条件对电化学反应过程有显著影响，可促进气体析出，离子传质，近年来得到研究者的重视。1999年，Mahito Atobe等人首先报道了超重力条件对电沉积聚苯胺膜的形成速度及其性能有显著影响。利用改装的离心机营造超重力场，离心机转子的一端为塑料试杯(电解槽)做为电化学反应装置，与转轴相垂直，另一端为平衡物，电解液一次性装入试杯中，操作结束后将电解液排出；2000年，邵光杰等人利用自制的离心高速电沉积实验装置，研究了电镀镍的工艺。实验装置中的阴极套由电动机带动高速旋转，阳极和镀件置于阴极套内，将固定在钛管上的镀铂钛板作阳极，与镀件正对，镀液经由离心泵、钛管垂直喷向电镀室内壁，然后切向流经镀件表面；2003年，Ali Efrekhari等人使用同样的改装的离心机设备营造超重力场，研究了超重力环境下铜在硅基上的电沉积情况；2004年，AliEfrekhari等人也使用同样的改装的离心机设备研究，得出超重力条件下电沉积吡咯膜具有优良的稳定性和导电性；2004年，Mahito Atobe等人使用同样的改装的离心机设备研究，得出超重力电沉积芳香族聚合物具有优良的性能；2005年，王明涌等人使用同样的改装的离心机设备，研究了超重力场对水溶液金属电沉积镍箔的组织结构和性能的影响。使用同样的改装的离心机设备，在2003年，H.Cheng研究了超重力环境下氯碱电解和水电解制氢的过程，验证了超重力环境下可增大电解质的自然对流速度，加速附着在电极上的气体脱离，从而增强了电极活化。

目前所用的超重力电化学装置主要是应用于电解过程。改装的离心机设备的电化学反应装置中的电解液是一次性装入试杯中，操作结束后将电解液排出，过程对电解液进行批量处理，属于间歇操作。由于高速旋转形成转动惯量的制约，这些装置结构仅适用于小批量间歇操作，仅适用于实验室研究。邵光杰等人自制的离心高速电沉积装置仅适合用于电解方面的电沉积研究，对电解废水，氯碱等规模性处电解方面应用受到限制。因此，开发连续操作的、适合规模性电解的超重力电解反应装置及工艺具有重要的意义。

发明内容

本发明为了解决现有技术中超重力电解反应装置只能适用于小批量间隙操作和电沉积应用的限制，提供了一种连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置及工艺。

本发明采用如下的技术方案实现：

连续操作的超重力多级同心圆筒式电解反应装置，其特征在于包括绝缘外壳以及设置有若干圆筒阴极的阴极盘和设置有若干圆筒阳极的阳极盘，圆筒阳极和圆筒阴极同心交替排列(形成多个圆筒式电解池，构成多级同心圆筒式电解反应装置)，各圆筒阴极的自由端与阳极盘之间留有间隙，各圆筒阳极的自由端与阴极盘之间也留有间隙，阴极盘相对外壳静止设置，阳极盘中心连接可高速旋转的转轴，阴极盘中心开孔连接与电解前液相储槽相连的液相进口管，外壳顶部设置有气相出口管，外壳底部设置有与电解后液相储槽相连的液相出口管。

各圆筒阴极和各圆筒阳极高度相等，各圆筒阴极距离阳极盘的距离与各圆筒阳极距离阴极盘的距离相等，其距离为圆筒高度的1/4-1/5。液相出口管为U型液封管。

以同心交替排列的阳极盘上所连接的同心圆筒阳极和阴极盘上所连接的同心圆筒阴极的个数，根据电解液停留时间或流量大小来确定，电解反应装置的尺寸也由此可确定。

本发明采用阳极盘及圆筒阳极和阴极盘及圆筒阴极结构，实现了超重力电解连续操作。此结构电极内外两个表面均可参与电解反应，克服了平板电极表面利用率低及表面电流分布不均的问题，且圆筒阳极和圆筒阴极以同心交替排列，依靠阳极盘及同心圆筒阳极旋转形成超重力环境，可强化电解液传质过程，同时对阳极形成的析出的气泡形成巨大的剪切作用，促进气泡破裂、析出，使电极表面有较均匀的电流分布，及时消除了电极极化，降低了内阻，从而加快处理速率。