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CN101545114B - 一种电解-电渗析装置 - Google Patents

一种电解-电渗析装置 Download PDF

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Abstract

一种电解-电渗析装置，涉及一种电化学处理装置。该装置包括至少一个电解-电渗析单元和夹紧装置，每个电解-电渗析单元含有进料液接头，出料液接头，前盖板，后盖板，阳极板，阴极板，阳极电极柱，阴极电极柱，前密封垫片，后密封垫片以及离子选择性透过薄膜；该电解-电渗析装置是一种以耐腐蚀的绝缘材料为外壳，阳极板和阴极板分别通过阳极电极柱和阴极电极柱与外接电源导通。制造成本低廉，并能达成高效、稳定的电解-电渗析效果。

Description

一种电解-电渗析装置
技术领域
本发明涉及一种电化学处理装置，具体涉及一种电解-电渗析槽，它适合于在HI-I2-H2O混合物中HI的浓缩、以及HI或氢碘酸的电化学制备方面的应用，属于电化学技术领域。
背景技术
电解-电渗析(EED，又称离子交换隔膜电解法、或称为膜电解法)是一种高效电化学浓缩方法，也可用作特定化学品的电化学合成。能够在高温、酸、碱、强氧化剂等苛刻条件下使用的电解-电渗析装置，很有实用价值。
电解-电渗析已在热化学碘硫循环(IS循环)分解水制氢工艺中获得应用。IS循环是一种高效、清洁的规模制氢方法，尤其引人瞩目的是该方法有望与核能供热(如由高温气冷堆供热)相耦合。该过程中氢气是由HI-I2-H2O混合物(即HIx)中的HI分解而得，但由于HI与H2O之间会形成摩尔比1∶5的恒沸物，因此对HIx采用直接蒸馏或精馏时，尽管可获得HI，但会有大量的热能被用于水的蒸发，工艺的经济性将显著降低。鉴于此情况，国内外研究者提出：首先对HIx进行EED浓缩，使HIx中HI的浓度提高，超过恒沸组成，即HI∶H2O＞1∶5，则在蒸馏/精馏过程中，HI会大量蒸出，而水的蒸出量很少，在优化工艺后，甚至可得到纯HI气体，非常有利于IS工艺整体效率的提高。
HIx的EED具体原理是：当阴阳两极都有HIx物料流过时，H+在电场作用下，穿过质子选择性透过膜，由阳极区进入阴极区，同时在两极板上发生如下电极反应：
阳极：2I--2e→I2
阴极：I2+2e→2I-
综合起来的结果是，阳极区H+、I-减少，I2增多，而阴极区I2减少，H+、I-增多，即HI在阴极区获得了浓缩。
此外，如将上述过程中，阴极物料仍为HIx，而阳极物料为硫酸、盐酸或硝酸等溶液时，依然会发生：1)H+在电场作用下，穿过质子选择性透过膜，由阳极区进入阴极区，2)阴极反应I2+2e→2I-。而阳极侧发生硫酸、盐酸、硝酸等酸根对应的电极反应，如：阳极液为硫酸，阳极为析氧反应，综合起来，阳极区消耗了H+，阴极区I2减少，H+、I-增多，相当于在阴极区合成了HI。因此，可用EED的方法进行HI的生产。
上述EED过程需要在常温～130℃范围进行，要求在较高电流密度下操作，同时由于HIx具有极强的腐蚀性，因此EED池的结构设计和材质选择非常重要。目前现有技术中为应用于强腐蚀流体和处理对象，不得不采用高成本的不透石墨作为池体，使用较多的是日本、韩国研究者所采用的石墨结构的EED池，其槽体全部为石墨材料，由于普通的“不透性石墨”无法耐受HIx的腐蚀，因此所用石墨材料必须进行特殊处理，如进行玻璃碳化处理，以使石墨池在使用过程中不致因腐蚀而渗漏。但此情况下石墨池的成本将被显著提高，且难以进行规模放大；此外石墨的脆性，使其作为电解-电渗析池体有一定的安全隐患。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足和缺陷，提供一种电解-电渗析装置，使其不仅对高腐蚀性流体有很好的耐受性能，能够达成高效、稳定的电解-电渗析处理效果，而且制造成本非常低廉，且密封性良好。
本发明的技术方案如下：
一种电解-电渗析装置，其特征在于：该装置至少含有一个电解-电渗析单元(10)和夹紧装置，每个电解-电渗析单元含有进料液接头11a，出料液接头11b，前盖板2a，后盖板2b，阳极板3a，阴极板3b，前密封垫片6a，后密封垫片6b、离子选择性透过薄膜7以及阳极电极柱4a和阴极电极柱4b；在所述的前盖板2a和后盖板2b内部分别设有一凹腔，所述的阳极板和阴极板分别置于前盖板和后盖板凹腔中，或阳极板和阴极板分别置于后盖板和前盖板的凹腔中；所述的离子选择性透过薄膜7分别通过前密封垫片6a和后密封垫片6b与前盖板凹腔和后盖板凹腔构成前后两个腔室；在所述的阳极板和阴极板上均开有极板螺纹孔12，在所述的前盖板和后盖板上均开有与所述极板螺纹孔相对齐的盖板孔13，所述的阳极电极柱和阴极电极柱分别通过电极垫片和盖板孔进入前盖板腔室和后盖板腔室内并与电极板上的极板螺纹孔咬合旋紧；阳极板和阴极板分别通过阳极电极柱和阴极电极柱与外接电源导通。
上述技术方案中，所述的前盖板和后盖板采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、碳化硅或四氟乙烯与全氟(正)丙基乙烯基醚共聚物，或所述材料与石墨的复合物，以及以所述材料作为衬里的复合材料。
所述的阴极板、阳极板、阳极电极柱和阴极电极柱采用炭材料或过渡金属材料，或包含所述任一种材料的复合材料。
所述的阴极板和阳极板为刻有流道或无流道的板状结构、周边为框中间为网状结构或两种结构的组合。
所述的阳极电极柱和阴极电极柱均采用两端带有螺纹的螺纹杆，或均采用由螺纹杆和螺帽组成的电极柱组件。
在阴极板与离子选择性透过薄膜之间和阳极板与离子选择性透过薄膜之间设置石墨布或炭纤维布。
本发明中的电解-电渗析池为一种以耐腐蚀、绝缘材料为外壳的电解-电渗析处理装置，其阴、阳极腔体内部以常规石墨等材料为电极板，并采用螺纹结构巧妙地将极板通过电极柱与池体外部的电源相连。以上结构使本发明的电解-电渗析池的制造成本非常低廉，且密封性良好，对高腐蚀性流体有很好的耐受性能，能够达成高效、稳定的电解-电渗析处理效果。
附图说明
图1为包含单个电解-电渗析单元的电解-电渗析装置示意图。
图2为电极板与电极柱之间的安装示意图。
图3为采用第一种电极柱的安装和密封方式示意图。
图4采用第二种电极柱的安装和密封方式示意图。
图中：1a-前夹板；1b-后夹板；2a-前盖板；2b-后盖板；3a-阳极板；3b-阴极板；4a-阳极电极柱；4b-阴极电极柱；4a-1-电极柱螺纹杆；4a-2-电极柱螺帽；5a-阳极电极垫片；5b-阴极电极垫片；6a-前密封垫片；6b-后密封垫片；7-离子选择性透过薄膜；8-夹紧装置螺母；9-夹紧装置螺杆；10-电解-电渗析单元；11a-进料液接头；11b-出料液接头；12-极板螺纹孔；13-盖板孔；14-电极柱下端螺纹部分。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体内容作进一步的说明：
本发明提供的电解-电渗析装置，可由一个电解-电渗析单元加上夹紧装置构成，也可由若干个电解-电渗析单元10重复放置，再由加紧装置使其构成电解-电渗析装置。夹紧装置包括前夹板1a、后夹板1b，以及螺杆、螺母，为了简洁和便于说明，图1中的夹紧装置只画了一套螺杆9和螺母8。
图1为包含单个电解-电渗析单元的电解-电渗析装置的结构示意图。结合图1和图2，对本发明的电解-电渗析装置中的电解-电渗析单元说明如下，每个电解-电渗析单元含有进料液接头11a，出料液接头11b，前盖板2a，后盖板2b，阳极板3a，阴极板3b，前密封垫片6a，后密封垫片6b，离子选择性透过薄膜7，阳极电极柱4a和阴极电极柱4b；前盖板2a和后盖板2b内部分别设有一凹腔，所述的阳极板和阴极板分别置于前盖板和后盖板凹腔中，或阳极板和阴极板分别置于后盖板和前盖板的凹腔中；所述的离子选择性透过薄膜7分别通过前密封垫片6a和后密封垫片6b与前盖板凹腔和后盖板凹腔构成前后两个腔室。在所述的阳极板和阴极板上均开有极板螺纹孔12，在所述的前盖板和后盖板上均开有与所述极板螺纹孔相对齐的盖板孔13；阳极电极柱和阴极电极柱下端螺纹部分14分别通过电极垫片和盖板孔进入前盖板腔室和后盖板腔室内，并与电极板上的极板螺纹孔12咬合旋紧；阳极板和阴极板分别通过阳极电极柱和阴极电极柱与外接电源导通。
阳极电极柱4a和阴极电极柱4b与盖板之间分别设有阳极电极垫片5a和阴极电极垫片5b；阳极电极柱或阴极电极柱均采用两端带有螺纹的螺纹杆，或均采用由螺纹杆和螺帽组成的电极柱组件，其安装方式如下：
第一种电极柱如图3所示，其结构是两端带有螺纹的螺纹杆，该电极柱下端套上电极垫片后，由前盖板或后盖板上的盖板孔13进入盖板腔体之内并与阳极板或阴极板上的极板螺纹孔12咬合旋紧，旋紧过程中，电极垫片受到电极柱和盖板上端面的挤压产生密封效果。
第二种电极柱如图4所示，其形式是由螺纹杆4a-1和螺帽4a-2两部分组成的电极柱组件，其中螺帽4a-2的螺纹与螺纹杆4a-1的螺纹相匹配，安装时螺纹杆4a-1由前盖板或后盖板上的盖板孔13进入腔体之内并与电极板上的极板螺纹孔12咬合旋紧，将电极垫片套于前盖板或后盖板之上螺纹杆4a-1的露出部分，再将螺帽4a-2安装于电极柱之上，旋紧并挤压电极垫片，产生密封效果。
为耐受待处理物料的腐蚀，构成阴极板、阳极板、电极柱的材料可为炭材料、过渡金属材料、或包含上述任一种材料的复合材料或带有其镀层的材料。优选地，包括石墨、碳纤维、金、铂、钛、锆、铌、钽、钨、钽钨合金。
聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、碳化硅或四氟乙烯与全氟(正)丙基乙烯基醚共聚物，或所述材料与石墨的复合物，以及以所述材料作为衬里的复合材料。
阴极板和阳极板为刻有流道或无流道的板状结构、周边为框中间为网状结构或两种结构的组合。优选情况下，电极与离子选择性透过薄膜之间设置石墨布或炭纤维布，以增强电解-电渗析效果。
各电解电渗析单元前盖板、后盖板的侧壁上具有进、出料液的接头11a和11b。对于含有多个电解-电渗析单元的装置，根据工艺的需要，各单元的阴极侧料液接头并联，或串联；各单元的阳极侧料液接头并联，或串联。
在电源连接方面，对于含有多个电解-电渗析单元的装置，根据工艺的需要，各单元采用并联方式，各单元的阴极电极柱连接后，共同接直流电源的负极；而各单元的阳极电极柱相连接后，共同接直流电源的正极；或各单元采用串联方式，电流由直流电源正极流出，进入一个单元的阳极电极柱，并从其阴极电极柱流出，而后进入下一个单元的阳极电极柱，又从其阴极电极柱流出，依次类推，直至电流从最末一个单元的阴极电极柱流回直流电源的负极。
实施例一：
采用聚四氟乙烯作为前盖板和后盖板材料，石墨作为阴极板和阳极板，为促进流体的分布，其上刻有流道，电极柱形式如图3所示，也采用石墨材质。选择性透过膜选用Nafion 117CS(杜邦公司)质子交换膜，前密封垫片、后密封垫片和电极垫片均采用Viton A材料制成，构成的电解-电渗析装置，有效膜面积为36cm2，在刻流道电极板上固定有活性炭纤维布(CH700-10型，日本可乐丽公司)。
安装电极时，首先在电极柱下端套上电极垫片，由前盖板或后盖板上的盖板孔进入盖板腔体之内并与电极板上的极板螺纹孔咬合旋紧，旋紧过程中，电极垫片受到电极柱和盖板上端面的挤压产生密封效果。上述材料均为易得的市售商品，所制电解-电渗析装置的成本非常低廉。
在室温下，以上述装置对HI∶H2O∶I2＝1∶6.3∶0.5的含碘氢碘酸溶液进行处理，测得氢碘酸浓度(即[HI])为5.48mol/l，碘浓度(即[I2])为2.74mol/l。150mL该溶液在阴极侧循环流动，另450mL上述溶液在阳极侧循环流动，外接直流电保持电流恒定为7.2A，处理1小时后，阴极液[HI]提高为6.56mol/l，而[I2]降低为2.22mol/l。即HI在阴极侧获得了浓缩，I2相应减少。
实施例二：
采用PFA(四氟乙烯与全氟(正)丙基乙烯基醚共聚物)作为前盖板和后盖板材料，金作为阴极板和阳极板，为促进流体的分布，其上刻有流道，电极柱形式如图4所示，包括螺纹杆(4a-1)和电极组件(4a-2)两部分，采用材质为金。选择性透过膜选用Nafion 117CS(杜邦公司)质子交换膜，前密封垫片、后密封垫片和电极垫片均采用Viton A材料制成，构成的电解-电渗析装置，有效膜面积为36cm2，在刻流道电极板上固定有活性炭纤维布(CH700-10型，日本可乐丽公司)。安装电极时，首先将螺纹杆(4a-1)由前盖板或后盖板上的盖板孔伸入腔体之内并与电极板上的极板螺纹孔咬合旋紧，将电极垫片套于前盖板或后盖板之上的露出部分，再将电极组件安装于电极柱之上，旋紧并挤压电极垫片，产生密封效果。
采用上述电解-电渗析装置，对与实施例一相同的含碘氢碘酸溶液进行处理，在80℃下进行处理，150mL该溶液在阴极侧循环流动，另150mL上述溶液在阳极侧循环流动，外接直流电保持恒定为7.2A，处理1小时后，阴极液[HI]提高为6.40mol/l，而[I2]降低为2.32mol/l。即HI在阴极侧获得了浓缩，I2相应减少。
实施例三：
采用内衬聚四氟乙烯的碳化硅材料作为前盖板和后盖板材料，铂作为阴极板和阳极板，为促进流体的分布，其上刻有流道，电极柱形式如图4所示，包括螺纹杆(4a-1)和电极组件(4a-2)两部分，采用材质为金。选择性透过膜选用Nafion 117CS(杜邦公司)质子交换膜，前密封垫片、后密封垫片和电极垫片均采用Viton A材料制成，构成的电解-电渗析装置，有效膜面积为36cm2，在刻流道电极板上固定有活性炭纤维布(CH700-10型，日本可乐丽公司)。安装电极时，首先将螺纹杆(4a-1)由前盖板或后盖板上的盖板孔伸入腔体之内并与电极板上的极板螺纹孔咬合旋紧，将电极垫片套于前盖板或后盖板之上的露出部分，再将电极组件安装于电极柱之上，旋紧并挤压电极垫片，产生密封效果。
实施例四：
在常温下，采用与实施例一相同的材料制成电解-电渗析装置，此装置含有两个电解-电渗析单元A和B，有效膜面积均为36cm2，它们公用一套夹紧装置。处理料液[HI]为4.48mol/l，[I2]为1.20mol/l。150ml料液首先进入A的阴极侧，再流经B的阴极侧，循环流动；另150ml料液首先进入A的阳极侧，再流经B的阳极侧，循环流动。电路方面，外接直流电保持7.2A，首先流经A单元，再流经B单元。处理1.5小时后，阴极液转换为不含碘的无色氢碘酸，[HI]提高为6.28mol/l。
实施例五：
采用实施例一所述电解-电渗析装置，阴极料液为含碘的氢碘酸溶液，[HI]＝5.08mol/l，[I2]＝1.20mol/l，共150ml，循环流动。阳极液为1.59mol/l的磷酸，共150ml，循环流动。在20℃下，外接直流电保持恒定为7.2A，处理3小时后，阴极液转换为不含碘的无色氢碘酸，[HI]提高为6.87mol/l。即阴极侧消耗了I2，制备出了HI。

Claims (5)

1.一种电解-电渗析装置，其特征在于：该装置至少含有一个电解-电渗析单元(10)和夹紧装置，每个电解-电渗析单元含有进料液接头(11a)，出料液接头(11b)，前盖板(2a)，后盖板(2b)，阳极板(3a)，阴极板(3b)，前密封垫片(6a)，后密封垫片(6b)、离子选择性透过薄膜(7)以及阳极电极柱(4a)和阴极电极柱(4b)；在所述的前盖板(2a)和后盖板(2b)内部分别设有一凹腔，所述的阳极板和阴极板分别置于前盖板和后盖板凹腔中，或阳极板和阴极板分别置于后盖板和前盖板的凹腔中；所述的离子选择性透过薄膜(7)分别通过前密封垫片(6a)和后密封垫片(6b)与前盖板凹腔和后盖板凹腔构成前后两个腔室；在所述的阳极板和阴极板上均开有极板螺纹孔(12)，在所述的前盖板和后盖板上均开有与所述极板螺纹孔相对齐的盖板孔(13)，所述的阳极电极柱和阴极电极柱分别通过电极垫片和盖板孔进入前盖板腔室和后盖板腔室内并与电极板上的极板螺纹孔咬合旋紧；阳极板和阴极板分别通过阳极电极柱和阴极电极柱与外接电源导通；在阴极板与离子选择性透过薄膜之间和阳极板与离子选择性透过薄膜之间设置石墨布或炭纤维布。
2.按照权利要求1所述的电解-电渗析装置，其特征在于：所述的前盖板和后盖板采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚醚醚酮、碳化硅或四氟乙烯与全氟(正)丙基乙烯基醚共聚物，或所述材料与石墨的复合物，以及以所述材料作为衬里的复合材料。
3.按照权利要求1所述的电解-电渗析装置，其特征在于：所述的阴极板、阳极板、阳极电极柱和阴极电极柱采用炭材料或过渡金属材料，或包含所述任一种材料的复合材料。
4.权利要求1、2或3所述的电解-电渗析装置，其特征在于：所述的阴极板和阳极板为刻有流道或无流道的板状结构、周边为框中间为网状结构或两种结构的组合。
5.权利要求4所述的电解-电渗析装置，其特征在于：所述的阳极电极柱和阴极电极柱均采用两端带有螺纹的螺纹杆，或均采用由螺纹杆和螺帽组成的电极柱组件。
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