高效电产双氧水的方法及电催化反应装置

本发明属于膜分离与电化学高级氧化，具体涉及一种高效电产双氧水的方法及电催化反应装置。

背景技术：

1、由于人类活动和工业发展，全球水污染不断增加，对环境和人类健康构成重大挑战。因此，迫切需要先进且高效的水处理技术来应对日益严重的水环境威胁。在过去的二十年中，电化学高级氧化技术(electrochemical advanced oxidation processes，eaops)被认为是极具前景的有机污染废水处理方法，受到了广泛的关注和研究。在常见的eaop中，以电产h2o2为核心的eaop技术备受关注。例如，在电fenton(electro-fenton，ef)系统中，o2在阴极发生还原反应并生成h2o2，h2o2进一步与fe2+发生芬顿反应产生强氧化性的羟基自由基(.oh)氧化水中的有机污染物，这种原位电产h2o2的方式水处理效果好、集成化程度高、避免了h2o2运输带来的不便。

2、与其它贵金属材料相比，炭质材料具有极高的h2o2选择性和良好的导电性，被认为是电催化生成h2o2的理想阴极材料。目前，用于阴极电产h2o2的炭电极主要为板式电极。其中，板式电极通常由石墨或其它碳材料制备成板状，以板式电极电产h2o2的相关技术通常需要通过连接传统的用于气体扩散的曝气头直接向水溶液中曝入空气或纯氧来提供产生h2o2所需的o2。但由于此形式下o2在水中的溶解度低，传质受到抑制，因此生成的h2o2浓度也较低。导电多孔膜具有多孔结构、高导电性、高机械强度和低成本的特点。因此，如何利用导电多孔膜内部的多孔结构和特殊电极构型提高h2o2产量是值得研究的。

技术实现思路

1、本发明提供了一种高效电产双氧水的方法及电催化反应装置，该方法不仅可实现运行时含氧气体从膜组件内部向液相中的持续曝气，稳定性强，而且其氧传质效率高，电流效率高、机械强度高，h2o2生成率高，有效解决了曝气头电极制备复杂、成本高、氧传质效率低、机械强度低、电极稳定性差，难以大规模集成等问题。

2、为了达到上述目的，本发明提供了一种高效电产双氧水的方法，将曝气式导电多孔膜作为电化学系统的阴极，阳极作为辅助电极，通过向曝气式导电多孔膜内部持续通入含氧气体，使含氧气体通过膜组件内部空腔经曝气式导电多孔膜内部的多孔结构扩散至膜外部的电解液进行曝气，并在电解液中通过电催化反应电产双氧水。

3、作为优选，所述含氧气体选自氧气、空气中的一种，其通入气量为150-250ml/min。可以理解的是，本方案中空气中的含氧比例为21％。

4、作为优选，所述曝气式导电多孔膜的曝气条件为：电解液为1mol/lna2so4，体积为250～300ml，ph＝2～4，操作电压为1.5～2.5v，操作时间为10～60min。

5、作为优选，所述曝气式导电多孔膜为以活性炭、煤、石墨或金属钛为主要导电基材制备的导电多孔膜。

6、作为优选，所述曝气式导电多孔膜的外形为管式、板式、多通道式中的任一种。

7、可以理解的是，上述方案所提供的曝气式导电多孔膜宏观上具有良好的水渗透性(100-150l/m2 h bar)、丰富的多孔结构(孔隙率40-48％)、高比表面积(450-570m2/g)、良好的导电性(电导率300-500μs/cm)、高机械强度(抗折强度12-20mpa)、低廉的成本。

8、作为优选，所述膜组件与曝气式导电多孔膜相配套，所述膜组件的一端连接有与其相连通的气路管道，所述气路管道的另一端连接有气源，气源开通时，含氧气体通过膜组件内部空腔进入曝气式导电多孔膜内部。可以理解的是，膜组件采用亚克力塑料板按照导电多孔膜的尺寸(例如50×10×30mm)进行制作，主要起固定导电多孔膜上下两端以及连接气体管路的作用。

9、作为优选，所述膜组件的另一端进行密封或与其它相同的气路管道相联通。

10、作为优选，所述曝气式导电多孔膜在经无水乙醇以及自来水超声清洗、烘干后使用。

11、作为优选，所述阳极选自金属钛、石墨、导电炭膜中的任一种。

12、本发明提供了一种高效电产双氧水的电催化反应装置，包括：

13、阳极，安装在装有电解液的电解槽内，并通过导线连接至dc电源的正极；

14、阴极，所述阴极为上述任一项技术方案的曝气式导电多孔膜，所述曝气式导电多孔膜内置于与其相配套的膜组件内，安装在装有电解液的电解槽内，并通过导线连接至dc电源的负极；

15、气路管道，所述气路管道的一端连接有气源，另一端连接有与其相连通的膜组件，气源开通时，含氧气体通过膜组件内部空腔进入曝气式导电多孔膜内部。

16、与现有技术相比，本发明的优点和积极效果在于：

17、1、本发明提供了一种高效电产双氧水的方法，该方法采用曝气式导电多孔膜作为阴极，不仅可实现运行时含氧气体从膜组件内部向液相中的持续曝气，不易堵塞，稳定性强，而且其氧传质效率高，电流效率高、机械强度高，h2o2生成率高，有效解决了曝气头电极制备复杂、成本高、氧传质效率低、机械强度低、电极稳定性差，难以大规模集成等问题，可广发用于日常消毒和水处理等领域。

18、2、本发明提供的曝气式导电多孔膜可以廉价的活性炭、煤、石墨等为原材料，通过工业化方法制备，成本低、可规模化生产，同时也可根据需求生产为不同形状的产品，包括管式、多通道式等，便于集成化高密度安装。

技术特征：

1.一种高效电产双氧水的方法，其特征在于，将曝气式导电多孔膜作为电化学系统的阴极，阳极作为辅助电极，通过向曝气式导电多孔膜内部持续通入含氧气体，使含氧气体通过膜组件内部空腔经曝气式导电多孔膜内部的多孔结构扩散至膜外部的电解液进行曝气，并在电解液中通过电催化反应电产双氧水。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述含氧气体选自氧气、空气中的一种，其通入气量为150-250ml/min。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述曝气式导电多孔膜的曝气条件为：电解液为1mol/l na2so4，体积为250-300ml，ph＝2～4，操作电压为1.5-2.5v，操作时间为10-60min。

4.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述曝气式导电多孔膜为以活性炭、煤、石墨或金属钛为主要导电基材制备的导电多孔膜。

5.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述曝气式导电多孔膜的外形为管式、板式、多通道式中的任一种。

6.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述膜组件与曝气式导电多孔膜相配套，所述膜组件的一端连接有与其相连通的气路管道，所述气路管道的另一端连接有气源，气源开通时，含氧气体通过膜组件内部空腔进入曝气式导电多孔膜内部。

7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述膜组件的另一端进行密封或与其它相同的气路管道相联通。

8.根据权利要求1-3任一项所述的方法，其特征在于，所述曝气式导电多孔膜在经无水乙醇以及自来水超声清洗、烘干后使用。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述阳极选自金属钛、石墨、导电炭膜中的任一种。

10.一种高效电产双氧水的电催化反应装置，其特征在于，包括：

技术总结
本发明提供了一种高效电产双氧水的方法及电催化反应装置，属于膜分离与电化学高级氧化技术领域。本发明提供的高效电产双氧水的方法将曝气式导电多孔膜作为电化学系统的阴极，阳极作为辅助电极，通过向曝气式导电多孔膜内部持续通入含氧气体，使含氧气体通过膜组件内部空腔经曝气式导电多孔膜内部的多孔结构扩散至膜外部的电解液进行曝气，并在电解液中通过电催化反应电产双氧水。该方法不仅可实现运行时含氧气体从膜组件内部向液相中的持续曝气，稳定性强，而且其氧传质效率高，电流效率高、机械强度高，双氧水生成率高，有效解决了曝气头电极氧传质效率低、机械强度低、电极稳定性差，难以大规模集成等问题，可广发用于日常消毒和水处理等领域。

技术研发人员：李建新,杜明辉,董嘉炜,葛晓龙,王虹,武彪
受保护的技术使用者：天津工业大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/12