[发明专利]一种利用自来水产生臭氧水的膜电极及其制备方法

说明书

本发明涉及环境电化学技术领域，尤其涉及一种利用自来水产生臭氧水的膜电极及其制备方法。该膜电极包括离子交换膜、设置于离子交换膜一侧的阳极催化剂层和设置于离子交换膜另一侧的阴极催化剂层，所述阳离子交换膜为多孔陶瓷基固体聚合物电解质膜或石墨相C3N4/PFSA固体电解质复合膜。本发明应用广泛，如饮用水消毒、城市污水处理、医疗业消毒等。本发明的膜电极利用自来水产生臭氧水的制造原料只需要水，能源消耗低；本发明无需空气泵，使用产生的噪音小；生成高纯度臭氧，无任何其它副产物，不产生氮氧化物，不会对环境产生二次污染；可长时间工作，电解效率稳定，且无需额外添加含氧电解质。

技术领域

本发明涉及环境电化学技术领域，尤其涉及一种利用自来水产生臭氧水的膜电极及其制备方法。

背景技术

臭氧可用于净化空气，漂白饮用水，杀菌，处理工业废物等。实际应用中臭氧主要是采用介质阻挡放电法、电解法与紫外线法等进行制备。目前广泛应用的臭氧产生技术为高压放电产臭氧技术，该技术利用的空气泵产生的噪音大，制备臭氧的过程中容易产生具有毒性的氮氧化物，且制备的臭氧的浓度比较低。电解水式臭氧制备装置电流效率高，制备的臭氧浓度也高，电解的过程中不会产生氮氧化物，不会对环境产生二次污染，但现有技术通常需要利用酸性电解质，产生的臭氧输出为气体，往往需要通过管道将臭氧通入水中制备臭氧水。

发明内容

为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本发明的目的在于提供一种利用自来水产生臭氧水的膜电极，该膜电极制备臭氧的原料只需要水，能源消耗低，能够生成高纯度臭氧，无任何其它副产物。

本发明的另一目的在于提供一种利用自来水产生臭氧水的膜电极的制备方法，该制备方法操作简单，生产成本低，产品质量高。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种利用自来水产生臭氧水的膜电极，包括离子交换膜、设置于离子交换膜一侧的阳极催化剂层和设置于离子交换膜另一侧的阴极催化剂层，所述阳离子交换膜为多孔陶瓷基固体聚合物电解质膜或石墨相C3N4/PFSA固体电解质复合膜。

采用多孔陶瓷基固体聚合物电解质膜作为阳离子交换膜，无需添加电解质，减少副产物的生成；具有良好的导电性，电流效率高；具有良好的化学稳定性和热稳定性。

采用石墨相C3N4/PFSA固体电解质复合膜作为阳离子交换膜，电导率显著上升，质子传导率显著上升。

本发明制造臭氧的原料只需要水，能源消耗低，电解效率不受空气质量影响，不需干燥，不产生氮氧化物NOx；可长时间工作，电解效率稳定，也不需额外添加任何含氧电解质；能够生成高纯度臭氧和氧气，无任何其它副产物。

进一步地，所述阳极催化剂层采用硼碳金刚石异质结材料制成，所述阴极催化剂层采用石墨烯复合材料制成。

硼碳金刚石异质结材料具有机械性能高、耐腐蚀性好、热稳定性好、同时极高的电化学稳定性；上述结构组成的膜电极耐腐蚀，没有电解催化剂涂层脱落的问题；无热点损毁风险，强化独特结构设计，远超一般PEM电解臭氧装置；膜电极使用寿命可持续工作，达3年以上；产生臭氧利用低压直流电，电压不高过36V，安全性高，以更少的能量产生更多的臭氧气体，产生的臭氧气体纯度远超电晕法和紫外光法，纯度是电晕法的400％以上，紫外光法的900％以上；其具有低功耗、无维护频率低、不需要循环冷却、高纯臭氧持久性、臭氧发生瞬间性等优点。

本发明的另一目的通过下述技术方案实现：一种利用自来水产生臭氧水的膜电极的制备方法，包括如下步骤：

(1)采用硼碳金刚石异质结材料，制备阳极催化剂层；

(2)制备阳离子交换膜；

(3)制备阴极催化剂层；

(4)将阳极催化剂层、阳离子交换膜和阴极催化剂层压合，制得膜电极；