[发明专利]一种流道膜反应器

说明书

本发明提供了一种流道膜反应器，属于化学反应容器领域。本发明提供了一种流道膜反应器，用于供阳极介质以及阴极介质发生电化学反应，包括：阳极片，一面具有阳极反应槽，阳极反应槽内设置有至少一个阳极介质入口以及至少一个阳极介质出口；阳极垫片，覆盖在阳极反应槽上；阴极片，一面具有阴极反应槽，阴极反应槽内设置有至少一个阴极介质入口以及至少一个阳极介质出口；阴极垫片，覆盖在阴极反应槽上；离子交换膜，设置在阳极片与阴极片之间；阳极电极，设置在阳极垫片与离子交换膜之间；以及阴极电极，设置在阴极垫片与离子交换膜之间。本发明提供的流道膜反应器可以实现高效的气液管理从而有效的实现二氧化碳还原的大规模应用。

技术领域

本发明涉及一种化学反应容器，具体涉及一种流道膜反应器。

背景技术

小分子醇类，尤其是甲醇，乙醇和正丙醇，在现代化学工业中起着至关重要的作用。迄今为止，小分子醇类的生产在很大程度上依靠化石和生物质碳源转化得到。而现有工艺条件下，这一过程往往伴随着明显的负环境友好性、较差的原子经济性，以及高能耗。例如，国内乙醇生产的主要途径为生物质发酵法。

通过可再生电力驱动的电化学二氧化碳还原(ECR)技术是实现上述目标的有效手段，其能够实现高附加值产物的生成以及净二氧化碳排放为零的指标。

电催化二氧化碳还原的工业级应用是该领域的未来发展趋势，可以弥补并逐步取代目前传统工业制备小分子醇类的技术。在这一技术化转变的过程中仍然存在以下四个难题：

(1)电流密度低。目前实验室使用的研究级别H-型电解池电流密度通常在50mA/cm²以下，远低于工业化所需要的300mA/cm²电流密度。研究表明，电流密度不仅仅取决于催化材料本身的导电性和反应活性，更重要的是受到质量传递的影响，即反应物的扩散以及电极电解液结构的影响；

(2)产物选择性及分离问题。铜基材料是目前已知的唯一可以将二氧化碳转化为深度还原C₂₊产物的金属催化剂。然而，深度还原的同时带来了产物选择性问题，现有技术条件下，反应产物包含了C1-～C10分子产物，包括但不限于一氧化碳(CO)、甲酸(HCOOH)、甲烷(CH₄)、乙烯(C₂H₄)、乙醇(C₂H₅OH)、正丙醇(n-C₃H₇OH)等多种重要大宗化工原料。后续产物分离一方面带来昂贵的分离设备投入，另一方面也将额外增加因过程损耗和能源投入导致的生产成本，对该技术的进一步工业化应用带来了巨大的阻碍。现阶段科学界针对这一问题的研究主要集中在催化剂的结构设计和组分调控上，以乙烯和乙醇这两种最重要的小分子产品为例，现有报道工作的选择性最高分别达到了70％和50％左右，距离90％以上的目标仍有一定的距离；

(3)稳定性问题。反应的稳定性和反应装置的运转寿命对于电催化二氧化碳转化技术的真正落地至关重要。目前稳定性问题集中体现在催化材料和装置两方面。尽管二氧化碳还原领域每年有数万篇文章产出，但其中绝大部分材料在追求材料本身结构设计、反应选择性和电流密度时难以兼顾材料本身的稳定性，稳定时间在百小时量级的材料居多，远远低于实际工业应用所需的最低水平4000小时。此外，业界采用的流动型电解池和实验室阶段使用的H^-型电解池在大电流长时间运转后，其中用于促进二氧化碳扩散的气体扩散层会出现明显腐蚀，最终导致水淹故障，使催化剂失活。

(4)水管理问题。流动电解池工作条件需要消耗大量高浓度碱性电解液，并产生废水，这为生产设备维护和废水处理增加额外的成本和安全隐患。

发明内容

本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种高电流密度、高转换率的流道膜反应器。