一种磷化氢气体的电化学处理装置的制作方法

本实用新型涉及一种磷化氢气体的处理方法，属于废气处理技术领域。

背景技术：

磷化氢(PH₃)是一种无色、剧毒、易燃的气体，主要产生于粮食仓库熏蒸杀虫、次磷酸钠生产、半导体工业、黄磷生产以及污泥沉淀等过程中。由于磷化氢气体有剧毒，当其在空气中浓度为2～4mg/m³时，人可嗅到其气味；当其在空气中浓度为超过9.7mg/m³时，可致人中毒；当其在空气中浓度为550～830mg/m³时，人接触后会在0.5～1.0小时内会发生死亡；当其在空气中浓度超过2798mg/m³时，可使人迅速致死。为了防止含有磷化氢气体的混合气体对环境的污染和生物的毒害，排放前必须对磷化氢气体进行处理。

目前现有技术中对磷化氢废气进行吸收净化的装置和方法主要有燃烧法、湿法和干法。其中燃烧法是传统的磷化氢处理方法，通过磷化氢和空气混合在焚化炉内燃烧生成磷酸烟雾，所得烟雾通入吸收塔制得工业级的磷酸，但此方法的缺点在于焚化炉采用电加热，属于高能耗设备，产生的磷酸烟雾对反应器有较强的腐蚀性，而且焚化炉各段温度相差大，不利于安全生产，还存在漏气的可能性。湿法处理磷化氢是采用次氯酸钠为吸收剂，生成较稳定的磷酸盐类，缺点是：产生大量反应的副产物氯气造成二次污染，次氯酸的化学性质不稳定，极易分解、失效，需要频繁更换吸收液，增加额外成本。干法处理磷化氢是采用活性炭对磷化氢进行吸附，但没有改变磷化氢的化学性质，不足之处是吸附后的活性炭要采用或燃烧或解析的方法进行后期处理，仍然存在污染问题。

以上方法无论是化学转换法和吸附法，大都或多或少的造成一定程度的二次污染。

公开号CN 103551031A的中国发明申请文献公开了一种一种电化学协同液相催化氧化净化磷硫氰的方法及装置，通过电化学氧化、催化剂催化氧化的共同作用将含磷、硫、氰中的一种或多种的混合气进行处理，处理后磷、硫、氰分别被氧化为磷酸、单质硫、二氧化碳和氮气或氨气，但是该方法的吸收中需要添加重金属，不仅会增加成本，吸收废液难处理。只经过一次吸收难以保证吸收效果，阳极电极产生氧气有限，只适用低浓度的气体。

技术实现要素：

针对现有技术的不足之处，本实用新型提出了一种磷化氢气体的电化学处理装置，采用本实用新型设备，使得排放的磷化氢废气完全吸收降解，实现磷化氢“零”含量排放，同时避免传统化学吸收方法中所需的大量化学氧化剂，避免了二次污染。

一种磷化氢气体的电化学处理装置，包括反应室，还包括：

水平设于所述反应室内的至少一层气体扩散阳极，底层气体扩散阳极的下方为气体加压室、上方为电化学吸收室；

设于所述电化学吸收室内的网状阴极和曝气装置，所述网状阴极与气体扩散阳极通过导线外接电源；

以及设于所述气体加压室上的进气口，该进气口的外接管路上设置气体加压设备。

多层气体扩散阳极之间并联，所述加压设备可以采用加压泵或增压风机等常规加压设备，本实用新型在磷化氢电化学吸收室中，含磷化氢废气通过气体加压泵压入，透过气体扩散阳极，大部分磷化氢在外加电源正电势作用下，在阳极/电解液界面被氧化成磷酸盐，剩余磷化氢溶入电解液；电解液中通入空气，氧气组分在阴极负电势作用下与阳极传递的质子结合还原成双氧水，从而进一步氧化截留溶于电解液中的残余磷化氢气体，从而实现磷化氢完全吸收降解。

阳极/电解液界面发生的具体的反应式为：

(1)PH₃+4H₂O→PO₄^3-+11H⁺+8e^-

阴极电极发生的具体的反应式为：

(2)O₂+2H₂O+2e^-→H₂O₂+2OH^-

(3)H₂O₂+PH₃+2OH^-→HPO₃^2-+5H₂O。

所述气体加压室和电化学吸收室之间通过气体扩散阳极和对应的支撑材料隔离；气体扩散阳极电极可以使磷化氢气体自由的通入磷化氢电化学吸收室，同时可以杜绝磷化氢电化学吸收室中的电解液渗透。

优选地，所述气体扩散阳极由炭黑与活性炭滚压在网状金属材料上制备而成，活性炭与炭黑的比例为1:2～1:5，气体扩散阳极的厚度为0.5mm～2mm。

进一步优选，活性炭与炭黑比例为1:2～3；更进一步优选为1:2，合适的比例能够高效的氧化吸收废气中的磷化氢，同时能够保持扩散阳极电极优良的透气性。

以最优比例为例，具体的操作方法如下：取活性炭10g和炭黑20g溶于乙醇溶液(300mL)中，充分搅拌1h后加入聚四氟乙烯60g，再搅拌1h，然后80℃下加热蒸发乙醇至面团状，接着通过辊压机将面团状的混合物压制在不锈钢网上制得厚度为1mm的阳极电极，最后在340℃下煅烧20分钟后制得气体扩散阳极。

气体扩散阳极的制备本身可采用现有技术实现，只是在上述制备方法下制备的阳极性能更好。

优选地，所述气体扩散阳极设置为层数为1～5层，相邻气体扩散阳极之间的间距为5cm～30cm。本实用新型所述的多层扩散阳极电极可以对含磷化氢的气体进行分散。废气被分散成若干弱小气流，增加了气液的接触面积，加大了反应几率，使得磷化氢在阳极/电解液界面能够被充分吸收。多层阳极的设置还可以利用不同层数的阳极适应不同浓度的气体。

进一步优选地，所述气体扩散阳极设置为层数为3～5层，相邻气体扩散阳极之间的间距为10cm～20cm，单层气体扩散阳极的厚度为0.8～1.2mm。

更进一步优选地，所述气体扩散阳极设置为层数为5层，相邻气体扩散阳极之间的间距为20cm，单层气体扩散阳极的厚度为1mm。

进一步优选地，还设有用于支撑底层气体扩散阳极的支撑架。

优选地，所述电化学反应室内且位于气体扩散阳极和网状阴极之间设有隔层，所述曝气装置位于所述隔层与网状阴极之间。进一步优选，所述隔层为无纺布。

隔层位于阴极电极和阳极电极之间，隔层材料为无纺布，可以保证空气不会扩散到阳极，从而避免影响阳极的磷化氢的吸收性能，同时其价格低廉，还可以分散磷化氢，提高阴极的吸收效率。

进一步地，所述曝气装置为微孔曝气器，曝气方式为微孔爆气。能够增加空气的利用率，提高阴极的双氧水产率。

优选地，所述网状阴极为镍网，钛网或不锈钢网，目数为100-150目；进一步优选为100-150目的不锈钢网；最优选为150目的不锈钢网。进一步地，所述网状阴极覆盖反应室内的整个横截面。能高效的利用空气中的氧气组分与质子结合产生双氧水，并且不锈钢网造价低廉，具有良好导电性能可在实际应用中扩大化利用。

优选地，所述反应室顶部设有磷化氢检测器。用于检测处理后尾气中磷化氢的浓度。

进一步地，设置在所述电化学吸收室内的电解液的上方。

所述电化学吸收室反应器的高径比为1:1～5:1。进一步优选，所述反应器的高径比为2～3:1，最优选为3:1。

优选地，所述气体加压室和磷化氢电化学吸收室依次从下往上排布，所述气体加压室和磷化氢电化学吸收室的体积比为1:1～1:10；进一步优选，气体加压室和磷化氢电化学吸收室的体积比为1:1～1:5；最优选为1:5。

利用本实用新型电化学处理装置进行磷化氢尾气吸收的方法包括如下步骤：

(1)通过加压气泵将磷化氢尾气压入气体加压室中，气压为0.5MPa-1.5MPa.

(2)磷化氢尾气透过气体扩散阳极，在阳极/电解液界面被氧化成磷酸盐，剩余磷化氢溶入电解液中；

(3)电解液中通入空气，氧气组分在网状阴极负电势作用下与气体扩散阳极传递的质子结合还原成双氧水，从而进一步氧化截留溶于电解液中的残余磷化氢气体，实现磷化氢完全吸收降解。

优选地，电化学吸收室的阳极电流密度为在100A/m²–300A/m²；电化学吸收室中电解液为氢氧化钾或者氢氧化钠，电解液浓度为1mol/L-5mol/L。

合适的电流密度能够保证有效的氧化磷化氢；合适的碱度能够保证电解液的同时能够促进磷化氢的吸收。

进一步优选地，电化学吸收室的阳极电流密度为在150A/m²–250A/m²；电化学吸收室中电解液为氢氧化钾溶液，浓度为2mol/L-4mol/L。

更进一步优选地，电化学吸收室的阳极电流密度为在180A/m²–220A/m²；电化学吸收室中电解液为氢氧化钾溶液，浓度为2.5mol/L-3.5mol/L。

最优选地，电化学吸收室的阳极电流密度为在200A/m²；电化学吸收室中电解液为氢氧化钾溶液，浓度为3mol/L。

本实用新型利用多层扩散阳极的电化学氧化磷化氢，将气态的磷化氢转换为液态的磷酸盐，无二次污染，是一项高效，对保护人体健康和大气环境都具有积极意义的实用新型。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的优点是实现磷化氢废气的完全吸收，并且不会产生二次污染。

(2)本实用新型适用范围广，可以适用于不同规模不同浓度的磷化氢气体；本实用新型的方法适用于浓度在0ppm～20000ppm的磷化氢尾气的处理，均能达到完全吸收的目的。

(3)本实用新型装置能够通过控制电源改变阳极电流密度实现机械电子化操作，降低了人员工作强度，提升了对人员的安全防护，整个装置及工艺安全有效，简单可行，可工程放大，彻底地解决了磷化氢吸收难题。

(4)不添加任何化学试剂，阳极可以保证吸收效果，可以利用不同层数的阳极可以适应不同浓度的气体，阴极产生双氧水可以保证吸收效果。

(5)本实用新型的气体吸收发生在阳极电极/电解液界面，能够快速有效的吸收，除此之外，阴极产生的双氧水能够吸收残余的低浓度的磷化氢气体，确保气体的完全吸收。

附图说明

图1是本实用新型装置的结构示意图。

图中所示附图标记如下：

1-气体加压室 2-支撑架 3-电化学吸收室

4-隔层 5-曝气装置 6-磷化氢检测器

7-网状阴极 8-电源 9-气体扩散阳极

10-气体进口。

具体实施方式

如图1所示，一种磷化氢气体的电化学处理装置，包括反应室，反应室内由气体扩散阳极9及对应的支撑架2分隔为上下两个反应腔，位于气体扩散阳极下方的空间为气体加压室1，气体加压室带有进气口10，进气口10的外接管路上设置加压泵(图中未示出)，位于气体扩散阳极上方的空间为电化学吸收室3，电化学吸收室内盛装电解液，电解液液面上方设置磷化氢检测器6。

气体扩散阳极6设置为1～5层，所有气体扩散阳极之间并联，支撑架2用于支撑底层阳极相邻阳极之间的间距为5cm～30cm，进一步优选设置为15cm～25cm；单层阳极的厚度为0.5mm～2mm，进一步优选设置为0.8～1.2mm。本实施方式中，最优选的设置为：气体扩散阳极设置为层数为3层，相邻气体扩散阳极之间的间距为20cm，单层气体扩散阳极的厚度为1mm。

电化学吸收室内还设有水平设置的网状阴极7，网状阴极可采用镍网，钛网或不锈钢网，目数为100-150目；本实施方式中优选为100～150目的不锈钢网，网状阴极覆盖反应室的整个横截面。

气体扩散阳极9和网状阴极7之间通过导线连接电源8的正负极，电化学吸收室内且位于网状阴极和气体扩散阳极之间设置隔层4，本实施方式中，隔层为无纺布，曝气装置5设置在隔层与网状阴极之间，防止空气进入阳极电极，本实施方式中，曝气装置采用微孔曝气器。

本实施方式中，气体扩散阳极由如下方法制备：

取活性炭10g和炭黑20g溶于乙醇溶液(300mL)中，充分搅拌1h后加入聚四氟乙烯60g，再搅拌1h，然后80℃下加热蒸发乙醇至面团状，接着通过辊压机将面团状的混合物压制在不锈钢网上制得厚度为1mm的阳极电极，最后在340℃下煅烧20分钟后制得气体扩散阳极。

采用上述装置进行磷化氢尾气处理的方法如下：

(1)通过加压气泵将磷化氢尾气压入气体加压室中，气压为0.5MPa-1.5MPa.

(2)磷化氢尾气透过气体扩散阳极，在阳极/电解液界面被氧化成磷酸盐，剩余磷化氢溶入电解液中；

(3)电解液中通入空气，氧气组分在网状阴极负电势作用下与气体扩散阳极传递的质子结合还原成双氧水，从而进一步氧化截留溶于电解液中的残余磷化氢气体，实现磷化氢完全吸收降解。

电化学吸收室内盛装电解液，电解液采用氢氧化钠溶液或氢氧化钾溶液浓度为2mol/L-4mol/L；电化学吸收室的阳极电流密度为在150A/m²–250A/m²。

实施例1

电化学吸收器：直径50cm，高150cm，阳极电极(活性炭与炭黑比例为1:2)电极层数为3层，电极间距为10cm，每层电极厚度为0.5mm，阴极电极为100目的不锈钢网。电解液为1mol/L的氢氧化钠溶液。

打开电源，控制阳极电流密度为100A/m²，打开空气曝气装置和尾气加压泵。磷化氢尾气(1000ppm)压入气体扩散室(1.0MPa)后依次透过多层扩散阳极电极，在每一层阳极/电解液界面被氧化成磷酸盐，同时阴极电极附件产生大量的双氧水，双氧水与经过阳极电极和无纺布扩散后残余的磷化氢被化学吸收，上方的磷化氢检测器显示读数为0ppm。磷化氢废气通过多层扩散阳极和双氧水的共同左右实现磷化氢的完全去除。

实施例2

电化学吸收器：直径30cm，高100cm，阳极电极(活性炭与炭黑比例为1:4)电极层数为5层，电极间距为20cm，每层电极厚度为1mm，阴极电极为160目的不锈钢网。电解液为3mol/L的氢氧化钠溶液。

打开电源，控制阳极电流密度为200A/m²，打开空气曝气装置和尾气加压泵。磷化氢尾气(20000ppm)压入气体扩散室(0.5MPa)后依次透过多层扩散阳极电极，在每一层阳极/电解液界面被氧化成磷酸盐，同时阴极电极附件产生大量的双氧水，双氧水与经过阳极电极和无纺布扩散后残余的磷化氢被化学吸收，上方的磷化氢检测器显示读数为0ppm。磷化氢废气通过多层扩散阳极和双氧水的共同左右实现磷化氢的完全去除。

以上所述仅为本实用新型专利的具体实施案例，但本实用新型专利的技术特征并不局限于此，任何相关领域的技术人员在本实用新型的领域内，所作的变化或修饰皆涵盖在本实用新型的专利范围之中。