一种利用自来水产生臭氧水的膜电极及其制备方法技术

本发明专利技术涉及环境电化学技术领域，尤其涉及一种利用自来水产生臭氧水的膜电极及其制备方法。该膜电极包括离子交换膜、设置于离子交换膜一侧的阳极催化剂层和设置于离子交换膜另一侧的阴极催化剂层，所述阳离子交换膜为多孔陶瓷基固体聚合物电解质膜或石墨相C3N4/PFSA固体电解质复合膜。本发明专利技术应用广泛，如饮用水消毒、城市污水处理、医疗业消毒等。本发明专利技术的膜电极利用自来水产生臭氧水的制造原料只需要水，能源消耗低；本发明专利技术无需空气泵，使用产生的噪音小；生成高纯度臭氧，无任何其它副产物，不产生氮氧化物，不会对环境产生二次污染；可长时间工作，电解效率稳定，且无需额外添加含氧电解质。含氧电解质。含氧电解质。

【技术实现步骤摘要】
一种利用自来水产生臭氧水的膜电极及其制备方法


[0001]本专利技术涉及环境电化学
，尤其涉及一种利用自来水产生臭氧水的膜电极及其制备方法。

技术介绍

[0002]臭氧可用于净化空气，漂白饮用水，杀菌，处理工业废物等。实际应用中臭氧主要是采用介质阻挡放电法、电解法与紫外线法等进行制备。目前广泛应用的臭氧产生技术为高压放电产臭氧技术，该技术利用的空气泵产生的噪音大，制备臭氧的过程中容易产生具有毒性的氮氧化物，且制备的臭氧的浓度比较低。电解水式臭氧制备装置电流效率高，制备的臭氧浓度也高，电解的过程中不会产生氮氧化物，不会对环境产生二次污染，但现有技术通常需要利用酸性电解质，产生的臭氧输出为气体，往往需要通过管道将臭氧通入水中制备臭氧水。

技术实现思路

[0003]为了克服现有技术中存在的缺点和不足，本专利技术的目的在于提供一种利用自来水产生臭氧水的膜电极，该膜电极制备臭氧的原料只需要水，能源消耗低，能够生成高纯度臭氧，无任何其它副产物。
[0004]本专利技术的另一目的在于提供一种利用自来水产生臭氧水的膜电极的制备方法，该制备方法操作简单，生产成本低，产品质量高。
[0005]本专利技术的目的通过下述技术方案实现：一种利用自来水产生臭氧水的膜电极，包括离子交换膜、设置于离子交换膜一侧的阳极催化剂层和设置于离子交换膜另一侧的阴极催化剂层，所述阳离子交换膜为多孔陶瓷基固体聚合物电解质膜或石墨相C3N4/PFSA固体电解质复合膜。
[0006]采用多孔陶瓷基固体聚合物电解质膜作为阳离子交换膜，无需添加电解质，减少副产物的生成；具有良好的导电性，电流效率高；具有良好的化学稳定性和热稳定性。
[0007]采用石墨相C3N4/PFSA固体电解质复合膜作为阳离子交换膜，电导率显著上升，质子传导率显著上升。
[0008]本专利技术制造臭氧的原料只需要水，能源消耗低，电解效率不受空气质量影响，不需干燥，不产生氮氧化物NOx；可长时间工作，电解效率稳定，也不需额外添加任何含氧电解质；能够生成高纯度臭氧和氧气，无任何其它副产物。
[0009]进一步地，所述阳极催化剂层采用硼碳金刚石异质结材料制成，所述阴极催化剂层采用石墨烯复合材料制成。
[0010]硼碳金刚石异质结材料具有机械性能高、耐腐蚀性好、热稳定性好、同时极高的电化学稳定性；上述结构组成的膜电极耐腐蚀，没有电解催化剂涂层脱落的问题；无热点损毁风险，强化独特结构设计，远超一般PEM电解臭氧装置；膜电极使用寿命可持续工作，达3年以上；产生臭氧利用低压直流电，电压不高过36V，安全性高，以更少的能量产生更多的臭氧
气体，产生的臭氧气体纯度远超电晕法和紫外光法，纯度是电晕法的400％以上，紫外光法的900％以上；其具有低功耗、无维护频率低、不需要循环冷却、高纯臭氧持久性、臭氧发生瞬间性等优点。
[0011]本专利技术的另一目的通过下述技术方案实现：一种利用自来水产生臭氧水的膜电极的制备方法，包括如下步骤：
[0012](1)采用硼碳金刚石异质结材料，制备阳极催化剂层；
[0013](2)制备阳离子交换膜；
[0014](3)制备阴极催化剂层；
[0015](4)将阳极催化剂层、阳离子交换膜和阴极催化剂层压合，制得膜电极；
[0016]其中，所述步骤(1)-(3)可同时进行或调换前后顺序。
[0017]上述制备方法简单、工艺成熟，压合制成的膜电极占据空间小，高度集成化，便携化；结构稳定、耐用性好；膜电极的通气性能良好，制备过程中阳离子交换膜不易变形。
[0018]进一步地，所述步骤(1)中，阳极催化剂层的制备方法包括如下步骤：将碳气体和氡气在1300-1700℃温度下分解成碳、氢原子和活性游离基团，氢原子以及活性游离基团与碳基体结合先形成一层碳化物过渡层；碳原子在碳化物过渡层沉积金刚石晶核；形成的金刚石晶核在5-7Gpa压力下长大成金刚石微晶，继而长大成金刚石薄膜。
[0019]采用上述方法制备阳极催化剂层，仪器设备简单，操作方便；金刚石制造成本低，成膜过程容易控制；金刚石晶核在5-7Gpa压力下长大，能够有效提高沉积薄膜的速率和质量。
[0020]进一步地，所述步骤(2)中，所述阳离子交换膜为多孔陶瓷基固体电解质复合膜，所述阳离子交换膜的制备方法包括如下步骤：
[0021]A1、陶瓷基磺化聚酰亚胺材料的制备：按重量份计，取二苯醚四甲酸二酐单原子分散铂碳2.8-3.2份、双乙酰胺0.8-1.2份、丙二醛2.8-3.2，得到磺化聚酰亚胺；
[0022]A2、将磺化聚酰亚胺加入到丙二醇中，制成磺化聚酰亚胺溶液，所述磺化聚酰亚胺与丙二醇的重量比为7.5-8.5：0.28-0.32，并在多孔镍铁陶瓷板上加压进行渗透反应，制成陶瓷基复合异相膜；
[0023]A3、将步骤A2中得到的陶瓷基复合异相膜在盐酸溶液中浸泡，制得阳离子交换膜。
[0024]采用上述方法制备多孔陶瓷基固体电解质复合膜，上述方法操作简单；采用上述方法制备的多孔陶瓷基固体电解质复合膜具有良好的导电性，电流效率高；具有良好的化学稳定性和热稳定性；既能进行电流传导也能进行离子选择性透过，将反应和分离偶合。
[0025]进一步地，所述步骤A2中，在多孔镍铁陶瓷板上加压进行渗透反应的压力为18-22Mpa。
[0026]进一步地，所述阳离子交换膜为石墨相C3N 4/PFSA固体电解质复合膜，所述阳离子交换膜的制备方法包括如下步骤：将石墨相和全氟磺酸树脂按照重量比3.8-4.2:0.9-1.1混合，加热，进行挤塑成膜，制得阳离子交换膜。
[0027]采用上述方法制备石墨相C3N 4/PFSA固体电解质复合膜，电导率显著上升，质子传导率显著上升，可能原因是石墨相C 3N 4上丰富的碱基集团与PFSA树脂上的磺酸根形成了酸碱共轭离子对，加快了质子选择性以及质子传输速度。
[0028]进一步地，所述步骤(2)中，石墨相和全氟磺酸树脂混合后，加热到190-210℃，进
行挤塑成膜。
[0029]进一步地，所述步骤(3)中，所述制备阴极催化剂层采用的阴极催化材料的制备方法包括如下步骤：以碳载体，非金属杂原子试剂和铂化合物为原料，通过搅拌回流、旋蒸后在380-420℃温度下干燥7-9h，研磨至50nm以下，在950-1050℃温度下处理相互作用得到阴极催化材料。
[0030]采用上述方法制备阴极催化剂层，测试结果显示该催化剂中铂元素以单原子铂的形式存在，催化活性高，在酸性和碱性体系中，氧还原起始电位和半波电位都和铂含量为20％的商业碳载铂催化剂相当；且制备过程中不会引入其他金属元素,稳定性较好。
[0031]进一步地，所述非金属杂原子为氮、氧、硫、磷、硅、卤素中的至少一种，所述铂化合物为铂氢氧化合物、铂硫化合物、铂氯化合物中的至少一种。
[0032]本专利技术的有益效果在于：本专利技术利用自来水产生臭氧水的膜电极应用广泛，如饮用水消毒、城市污水处理、医疗业消本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种利用自来水产生臭氧水的膜电极，其特征在于：包括离子交换膜、设置于离子交换膜一侧的阳极催化剂层和设置于离子交换膜另一侧的阴极催化剂层，所述阳离子交换膜为多孔陶瓷基固体聚合物电解质膜或石墨相C3N4/PFSA固体电解质复合膜。2.根据权利要求1所述的利用自来水产生臭氧水的膜电极，其特征在于：所述阳极催化剂层采用硼碳金刚石异质结材料制成，所述阴极催化剂层采用石墨烯复合材料制成。3.一种权利要求2所述的膜电极的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：(1)采用硼碳金刚石异质结材料，制备阳极催化剂层；(2)制备阳离子交换膜；(3)制备阴极催化剂层；(4)将阳极催化剂层、阳离子交换膜和阴极催化剂层压合，制得膜电极；其中，所述步骤(1)-(3)可同时进行或调换前后顺序。4.根据权利要求3所述的膜电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(1)中，阳极催化剂层的制备方法包括如下步骤：将碳气体和氡气在1300-1700℃温度下分解成碳、氢原子和活性游离基团，氢原子以及活性游离基团与碳基体结合先形成一层碳化物过渡层；碳原子在碳化物过渡层沉积金刚石晶核；形成的金刚石晶核在5-7Gpa压力下长大成金刚石微品，继而长大成金刚石薄膜。5.根据权利要求3所述的膜电极的制备方法，其特征在于：所述步骤(2)中，所述阳离子交换膜为多孔陶瓷基固体电解质复合膜，所述阳离子交换膜的制备方法包括如下步骤：A1、陶瓷基磺化聚酰亚胺材料的制备：按重量份计，取二苯醚四甲酸二酐单原子分散铂碳2.8-3.2份、双乙酰胺0.8-1.2份、丙二醛2.8-3.2，...

【专利技术属性】
技术研发人员：廖雨农，
申请(专利权)人：东莞市南柏电子科技有限公司，
类型：发明
国别省市：