电化学反应器

1、流化床电化学反应器研究概况流化床电化学反应器研究概况 概念：概念： 实现电化学反应的设备或装置称为电化学反应器。实现电化学反应的设备或装置称为电化学反应器。 广泛应用于工业电解、化学电源、电镀和环境保护工程广泛应用于工业电解、化学电源、电镀和环境保护工程 领域中。领域中。 分类：分类： 按结构：按结构：箱式电化学反应器，筒式电化学反应器，结构 特殊的电化学反应器； 按工作方式：按工作方式：间歇式电化学反应器、置换流式电化学反 应器、连续搅拌式电化学反应器； 按工作电极形状：按工作电极形状：二维电极反应器（平行板、圆筒、棒 ）；三维电极反应器（多孔材料、纤维网、粒子粒子 等）。 在三维电极反应器

2、中：在三维电极反应器中： 填充的导电性粒子和纤维处于静止状态时填充的导电性粒子和纤维处于静止状态时, , 称为固定床电极；填充的导电性粒子处于流动称为固定床电极；填充的导电性粒子处于流动 状态时状态时, ,则称为流化床电极。则称为流化床电极。 流化床电化学反应器流化床电化学反应器( FBER)是一种三维颗是一种三维颗 粒电极反应器。粒电极反应器。 l 一般有阴极室和一般有阴极室和 阳极室组成阳极室组成 l 隔膜分开隔膜分开 l 颗粒电极既可在颗粒电极既可在 阴极室也可在阳阴极室也可在阳 极室极室 FBER 结构结构 FBER结构示意图结构示意图 圆柱形流化床电极示意图圆柱形流化床电极示意图 1

3、-1-液体预分器；液体预分器；2-2-分布板；分布板；3-3-流态化颗粒；流态化颗粒； 4-4-馈电极；馈电极；5-5-阳极隔膜；阳极隔膜；6-6-阳极阳极 矩形流化床电极示意图矩形流化床电极示意图 1-1-流态化颗粒电极；流态化颗粒电极；2-2-馈电极；馈电极；3-3-隔膜；隔膜；4-4-阳极阳极 FBER 特点特点： 1.比表面积大比表面积大 传统平板电极比表面积为15m2/m3,FBER比表面积高 达 3500m2/m3，因此具有非常高的时空产率和低的投 资成本。 2.传质膜厚度降低，传质效率高传质膜厚度降低，传质效率高 导电颗粒之间的频繁碰撞，导致颗粒表面扩散层变薄。 3.金属可连续回

4、收金属可连续回收 不断加入小颗粒并移走长大的颗粒。 4.相对相对PBER，FBER床层电位和反应速率更加均匀。床层电位和反应速率更加均匀。 FBER 的研究主要集中在三个方面：的研究主要集中在三个方面： (1)导电机理； (2)数学模拟；(3)应用开发。 导电机理：导电机理： 碰撞机理；双极机理 床层膨胀率较低时，颗粒密度较大，床层膨胀率较低时，颗粒密度较大， 颗粒间的碰撞非常剧烈，颗粒相互碰撞而颗粒间的碰撞非常剧烈，颗粒相互碰撞而 接触的时间大于相互孤立的时间。接触的时间大于相互孤立的时间。 床层中的颗粒相互碰撞而成链或成床层中的颗粒相互碰撞而成链或成 团并与对电极接触，整个床层呈现与对电团

5、并与对电极接触，整个床层呈现与对电 极相同的单极状态，颗粒仅发生阳极反应极相同的单极状态，颗粒仅发生阳极反应 或阴极反应，而不可能同时发生。或阴极反应，而不可能同时发生。 碰撞机理碰撞机理( (单极单极) ) 当床层膨胀率（颗粒团聚）增大到某一数值时，双极颗粒当床层膨胀率（颗粒团聚）增大到某一数值时，双极颗粒 开始出现，床层中的部分颗粒表现为单极，部分表现为双极。开始出现，床层中的部分颗粒表现为单极，部分表现为双极。 双极机理双极机理 （a）流化床层流化床层（b）颗粒或颗粒微团颗粒或颗粒微团 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - -

6、 - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + 对对电电极极隔隔膜膜 s m s m FBER属于非均相电化学反应系统属于非均相电化学反应系统 建立数学模型处理反应器设计问题：建立数学模型处理反应器设计问题： （1 1）涉及动量、质量、热量和电场能衡算，）涉及动量、质量、热量和电场能衡算， 热力学和反

7、应动力学等，各种因素给反应热力学和反应动力学等，各种因素给反应 器设计带来困难。器设计带来困难。 （2 2）由反应动力学方程、电荷守恒方程及电）由反应动力学方程、电荷守恒方程及电 荷传递方程、质量平衡方程建立数学模型。荷传递方程、质量平衡方程建立数学模型。 数学模拟数学模拟 数学模拟对电极电位分布的描述：数学模拟对电极电位分布的描述： ( )( ) / mm Ixdxdx ()() / ss Ixdxdx ( )( ) ms IIxIx 00L0 smsm x, I, IIx, II, I；边界条件：边界条件： 总电解电流：总电解电流： 导电颗粒电流：导电颗粒电流： 电解液电流：电解液电流：

8、带入边界条件，解方程得到导电颗粒电位及溶液电位曲线带入边界条件，解方程得到导电颗粒电位及溶液电位曲线 颗粒随机运动，频繁碰撞 颗粒电位颗粒电位: : 出现一次电位波动出现一次电位波动 溶液电位：溶液电位： 过电位：过电位： 数学模拟数学模拟电位波动现象电位波动现象 颗粒碰撞过程中电位波动示意图颗粒碰撞过程中电位波动示意图 a a+ +b b m ma ab b m ma am mb b a a b b + + mambmab sasbsab abab 废水处理废水处理 重金属离子回收与提炼重金属离子回收与提炼 有机电合成有机电合成 电镀电镀 燃料电池燃料电池 应用开发应用开发 重金属离子回收与

9、提炼重金属离子回收与提炼 金属电沉积回收或除去金属离子，如处理金属电沉积回收或除去金属离子，如处理 低含量铜、锌、银、铬的废滤液及废水等。低含量铜、锌、银、铬的废滤液及废水等。 FBER FBER 能较好地解决回收的金属含杂质较多能较好地解决回收的金属含杂质较多 和二次工序污染严重等问题。和二次工序污染严重等问题。 电流效率随电解液中电流效率随电解液中CuCu+ +浓度变化关系浓度变化关系 流化床电沉积数据流化床电沉积数据 Ag+回收率达到回收率达到85% 有机电合成有机电合成 利用环形利用环形FBER FBER 在石墨颗粒上电沉积非导电高在石墨颗粒上电沉积非导电高 分子邻苯二甲酸二辛酯分子邻

10、苯二甲酸二辛酯( EAA) ( EAA) 薄膜薄膜, , 获得较大获得较大 的膜沉积量的膜沉积量, , 使聚合反应时间缩短。使聚合反应时间缩短。 利用环形利用环形FBER FBER 在石墨颗粒表面进行苯胺在石墨颗粒表面进行苯胺(PA) (PA) 聚合聚合, , 保证了稳定的反应速率。保证了稳定的反应速率。 在在FBERFBER中将中将D D- -葡萄糖酸盐直接氧化生成葡萄糖酸盐直接氧化生成D D- -阿阿 拉伯糖拉伯糖, ,当电流密度为当电流密度为0.446A/cm2 0.446A/cm2 时时, , 转化率可转化率可 达达70%70%。 在在FBERFBER中电解合成乙醛酸，电流效率高，时中电解合成乙醛酸，电流效率高，时 空产率较大。空产率较大。 FBER存在的不足：存在的不足： 导电颗粒之间的间断接触产生较大的电阻；导电颗粒之间的间断接触产生较大的电阻； 床层内存在的电位分布使颗粒电极的整体活化面积得床层内存在的电位分布使颗粒电极的整体活化面积得 不到充分利用；不到充分利用； 电位波动影响颗粒电极表面的电化学反应以至反应器电位波动影响颗粒电极表面的电化学反应以至反应器 的宏观性能。的宏观性能。 今后研究开发的方向：今后研究开发的方向： 加强床层内颗粒电极的接触加强床层内颗粒电极的接触, 以提高颗粒相的电导率以提高颗粒相的电导率, 减少减少 床层内双极现象的发生和电极电