有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置及方法，包括填充床隔膜反应器、储液池和管道系统；储液池包括阳极储液池和阴极储液池，用于气液分离；填充床隔膜反应器包括阳极区、阴极区和连接两者的质子交换膜；阳极区和阴极区均包括反应室、配水区，配水区位于反应室下方且通过布水板相连；阳极反应室和阴极反应室内部均填充有粒子电极，外侧设有极板；管道系统连接各储液池和填充床隔膜反应器，阳极出气与阴极未反应气体通过三通阀门合并通入阴极反应室。该方法通过阳极氧化有机废水的同时阴极还原其产生的CO2，使有机废水被处理的同时在阴极产生具有工业价值的有机酸，可以有效实现有机废水能源化与节能减排。可以有效实现有机废水能源化与节能减排。可以有效实现有机废水能源化与节能减排。

【技术实现步骤摘要】
有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置及方法


[0001]本专利技术涉及二次资源电化学回收
，具体涉及有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置及方法。

技术介绍

[0002]工业的发展使有机废水排放总量及种类逐渐增多，此类废水成分复杂，有机物浓度高且难生物降解，未经有效处理的有机废水排入自然水体将对人类和环境造成巨大伤害。现有处理有机废水的方式包括吸附法、芬顿氧化法、臭氧氧化法、光催化氧化法和电催化氧化法等，其中反应条件温和、无需投加额外化学药剂的电催化氧化法备受关注，但是上述包括电催化在内的处理方式在处理过程中都会释放大量CO2，加剧温室效应。长期以来人们一直忽视在污水处理领域的CO2资源化利用，CO2不仅仅是温室气体的主要成分，同时也是一种经济的、安全的、可持续的碳氧资源化合物，其中在电催化过程中CO2可以还原产生甲酸、甲醇、甲烷等多种有价产物，因此将阳极氧化有机物协同阴极还原其产生的CO2是一种实现有机废水能源化的新方法。
[0003]此外，传统的电解反应器采用的是二维电极反应器，此类反应器的电极活化面积与有效容积的比值即面体比过小，反应的活跃区域集中在极板附近，因而会受到传质速率的限制，存在着时空产率小、电流利用率低、能耗高的问题。

技术实现思路

[0004]针对上述存在的技术不足，本专利技术的目的是提供有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置及方法，该方法通过阳极氧化有机废水的同时阴极还原其产生的CO2，装置传质速率更快，能耗低，使有机废水被高效处理的同时在阴极产生具有工业价值的有机酸，可以有效实现有机废水能源化与节能减排。
[0005]为解决上述技术问题，本专利技术采用如下技术方案：
[0006]本专利技术的一个目的是提供一种有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置，包括填充床隔膜反应器、储液池和管道系统；
[0007]所述填充床隔膜反应器包括极板垫块、阳极极板、阳极区、质子交换膜、阴极区和阴极极板；所述阳极区包括阳极反应室、阳极配水区、阳极室进液口、阳极室出液口；所述阴极区包括阴极反应室、阴极配水区、阴极室进液口、阴极室进气口和阴极室出液口，所述阴极室进液口、阴极室进气口和阳极室进液口均设在配水区，所述阳极室出液口和阴极室出液口安装在各反应室上部；配水区均位于反应室下方，且配水区与反应室通过布水板相连；
[0008]所述阴极区与阳极区通过质子交换膜相连；所述阳极反应室内部填充阳极粒子电极，外侧设有阳极极板；所述阴极反应室内部填充阴极粒子电极，外侧设有阴极极板；所述阳极极板和阴极极板外侧均安装有极板垫块；
[0009]所述储液池包括阳极储液池和阴极储液池，所述管道系统包括阳极室进液管、阳极室出液管、阳极出气管、阴极室出液管、阴极出气管、阴极室进液管和阴极室进气管；所述
阳极室出液管连通阳极储液池与阳极室出液口，所述阳极室进液管通过蠕动泵连通阳极储液池与阳极室进液口；所述阴极室出液管连通阴极储液池与阴极室出液口，所述阴极室进液管通过蠕动泵连通阴极储液池与阴极室进液口，所述阳极出气管、阴极出气管与阴极室进气管通过三通阀门连通阴极储液池、阳极储液池与阴极室进气口。
[0010]进一步地，所述阳极储液池内设有搅拌器，且通过密封盖密闭；所述阴极储液池内设有搅拌器和排气阀，且通过密封盖密闭。
[0011]进一步地，所述阳极粒子电极包括活性炭和二氧化铅颗粒中的任意一种。
[0012]进一步地，所述阴极粒子电极为负载型催化剂粒子电极，载体包括活性炭、氧化铝、分子筛、碳纤维管中的任意一种或两种以上组合，催化剂包括Sn、Bi中的任意一种。
[0013]进一步地，所述阴极极板为过渡金属、金属基衍生物，包括Pb、In、Sn、Bi、SnO
x
中的任意一种。
[0014]进一步地，所述阳极极板为钛基涂层电极，包括IrO2‑
Ta2O5、RuO2‑
IrO2、PbO2、SnO2‑
Sb的任意一种。
[0015]进一步地，所述阴极极板和阳极极板通过两侧的极板垫块与反应区挤压固定。
[0016]进一步地，所述的阳极储液池和阴极储液池液面应高于阴极反应室液面，以防止阴极液倒吸至储液池内。
[0017]本专利技术的另一个目的是提供有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置的有机物氧化及其CO2阴极还原方法，包括以下步骤：
[0018]S1：阳极液通过蠕动泵由阳极储液池进入阳极配水区，再由阳极配水区直接进入阳极反应室，在阳极反应室发生有机物氧化反应后，产生的CO2气体伴随阳极液由阳极出液口流回阳极储液池，阳极储液池内进行气液分离，CO2气体通过阳极出气口排出；
[0019]S2：阳极出气口连接有阳极出气管，阳极产生的CO2气体经过阳极出气管、阴极室进气管，由阴极室进气口进入阴极配水区；阴极液通过蠕动泵由阴极储液池进入阴极配水区，作为电解质溶液进入阴极反应室；步骤S1与步骤S2同时进行，所述阳极反应室发生的有机物氧化反应与析氧反应生成H+通过质子交换膜进入阴极反应室，气体中的CO2在阴极反应室发生还原转化，生成气态产物CO和有机酸，同时质子交换膜有效阻止还原产生的物质迁移至阳极室被氧化；
[0020]S3：未反应完的CO2气体伴随阴极液由阴极出液口流出进入阴极储液池，阴极储液池(23)内进行气液分离；分离出的CO2气体经阴极出气管(17)与阳极出气管中气体通过三通阀门混合一同输送到阴极配水区，再由阴极配水区直接进入阴极反应室再进行反应。
[0021]进一步地，步骤S1中的所述阳极液为有机废水，步骤S2中所述阴极液为碳酸氢盐。
[0022]本专利技术的有益效果在于：
[0023]1.本申请通过巧妙设计电催化装置，阳极反应室发生有机废水氧化反应，进行污水处理，反应条件温和、无需投加额外化学药剂；
[0024]2.本申请将降解有机物生成的CO2通过管道输送到阴极区，且阳极氧化有机物生成的H
+
通过质子交换膜进入阴极反应室，气体中的CO2经电化学反应还原转化一部分生成气态产物CO，另一部分与H
+
反应生成有机酸；该过程有机废水
→
CO2→
甲酸等能源物质的转化间接实现了有机废水能源化，尤其是将有机废水降解产生的CO2资源化利用，达到碳减排的目的。
[0025]3.本申请阴极室中未反应完全的气体并未直接排出，而是与阳极气体进一步混合再次通入阴极室循环利用，可以有效提高CO2的转化率，并通过增大压强的方法以提高CO2的溶解度，进一步强化CO2还原。
[0026]4.本申请电化学反应器反应室填充的粒子电极有效增大电极面体比，同时大大缩短反应传质距离，同时阴极粒子电极增加反应面积，多孔条件在一定程度上延长了反应时间，同时本装置构型进行了改进，相较现有技术极板间距离更短，电流密度更高，传质速率更快，能耗低。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置，其特征在于，包括填充床隔膜反应器、储液池和管道系统；所述填充床隔膜反应器包括极板垫块(4)、阳极极板(5)、阳极区(8)、质子交换膜(9)、阴极区(10)和阴极极板(13)；所述阳极区包括阳极反应室(6)、阳极配水区(7)、阳极室进液口、阳极室出液口；所述阴极区包括阴极反应室(11)、阴极配水区(12)、阴极室进液口、阴极室进气口和阴极室出液口，所述阴极室进液口、阴极室进气口和阳极室进液口均设在配水区，所述阳极室出液口和阴极室出液口安装在各反应室上部；配水区均位于反应室下方，且配水区与反应室通过布水板相连；所述阴极区(10)与阳极区(8)通过质子交换膜(9)相连；所述阳极反应室(6)内部填充阳极粒子电极，外侧设有阳极极板(5)；所述阴极反应室(11)内部填充阴极粒子电极，外侧设有阴极极板(13)；所述阳极极板(5)和阴极极板(13)外侧均安装有极板垫块(4)；所述储液池包括阳极储液池(2)和阴极储液池(23)，所述管道系统包括阳极室进液管(20)、阳极室出液管(3)、阳极出气管(21)、阴极室出液管(14)、阴极出气管(17)、阴极室进液管(18)和阴极室进气管(22)；所述阳极室出液管(3)连通阳极储液池(2)与阳极室出液口，所述阳极室进液管(20)通过蠕动泵(16)连通阳极储液池(2)与阳极室进液口；所述阴极室出液管(14)连通阴极储液池(23)与阴极室出液口，所述阴极室进液管(18)通过蠕动泵(16)连通阴极储液池(23)与阴极室进液口，所述阳极出气管(21)、阴极出气管(17)与阴极室进气管(22)通过三通阀门(19)连通阴极储液池(23)、阳极储液池(2)与阴极室进气口。2.如权利要求1所述的一种有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置，其特征在于，所述阳极储液池(2)内设有搅拌器(1)，且通过密封盖密闭；所述阴极储液池内设有搅拌器(1)和排气阀(15)，且通过密封盖密闭。3.如权利要求1所述的一种有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置，其特征在于，所述阳极粒子电极包括活性炭和二氧化铅颗粒中的任意一种。4.如权利要求1所述的一种有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置，其特征在于，所述阴极粒子电极为负载型催化剂粒子电极，载体包括活性炭、氧化铝、分子筛、碳纤维管中的任意一种，催化剂包括Sn、Bi中的任意一种。5.如权利要求1所述的一种有机物阳极氧化协同CO2阴极还原的能源化装置，其特征在于，所述阴极极板(...

【专利技术属性】
技术研发人员：王立章，向俊威，侯静，
申请(专利权)人：中国矿业大学，
类型：发明
国别省市：