一种旋转电反应装置及其使用方法

本发明属于电化学反应器，具体涉及一种旋转电反应装置及其使用方法。

背景技术：

1、电化学性能的提升受到活化极化和浓差极化的阻碍，而目前降低浓差极化的方法主要通过改进电反应器进行。随着泡沫镍，石墨毡等三维多孔电极材料的大范围应用，这种三维多孔电极材料具有优异的电催化性能，但其狭窄的孔道以及较大的流动阻力带来了较大的浓差极化，因此降低电化学反应过程的浓差极化成为了迫切需要解决的问题。传统的釜式电反应器具有很大的浓差极化，而目前通过流动强化传质的流动式电反应器对浓差极化的降低也有限度。因此，急需一种新的电反应装置去减小浓差极化，提高有机电合成的电流密度和时空产率。

2、有机电合成是指利用电化学技术来合成高附加值有机化合物，不同于传统氧化还原方法，电化学技术使用电子作为驱动力。反应物与电极发生电子转移，当反应底物失去电子时发生氧化，相反当反应底物得到电子时则发生还原。有机电合成技术以电子转移代替含有有毒物质或腐蚀性强的氧化还原试剂，从而实现有机合成过程中绿色环保和环境友好的目标。有机电合成可以从源头上减轻甚至消除传统有机合成技术对环境造成的破坏，没有有毒废物产生，属于绿色化学。目前有机电合成的时空产率较低，主要也是受到浓差极化和活化极化的阻碍。有机电合成需要在电反应器中进行，而目前电反应器大多还是以釜式电反应器为主，其明显的缺点是传质效率差导致反应物在电极表面的浓度远小于溶液本体的浓度，存在较大的浓差极化。近来有流动型电解槽出现去减小浓差极化，但效果有限。而旋转使溶液获得离心力，能够使传质过程得到极大强化，可以应用于电反应器的设计中。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种旋转电反应装置及其使用方法，利用电机带动电反应器高速旋转，使电反应器中的三维多孔电极材料中的液体分布均匀，液体受到旋转产生的离心力，在三维多孔电极材料形成高速剪接，生产更小的液滴，减小电极表面的液膜厚度，增大电极表面的流速，提高传质效率，减小浓差极化，以此解决上述背景技术中提到的问题。

2、本发明提供如下技术方案：一种旋转电反应装置，包括外壳、旋转反应器、阴极液储液罐及阳极液储液罐，旋转反应器设置在外壳内并通过电机驱动；所述旋转反应器包括阴极反应器组件及与阴极反应器组件相对设置的阳极反应器组件，两者之间通过离子交换膜分隔并在两个反应组件的内部分别形成阴极室、阳极室；所述阴极室、阳极室分别与阴极液储液罐、阳极液储液罐通过输送系统连通；

3、所述外壳内通过隔板分隔为与阴极室、阳极室相对应的阴极液储液及阳极液储液，所述阴极液储液、阳极液储液分别与阴极液储液罐、阳极液储液罐通过输送系统连通。

4、进一步的，所述阴极反应器组件包括设有导液孔的导液板及设置在导液板外侧的阴极盖板，离子交换膜的一侧紧贴导液板的内侧设置，其与阴极盖板之间形成阴极室，阴极室通过导液板与外壳内的阴极液储液连通，阴极室内设有阴极导电板及阴极电极。

5、进一步的，所述阳极反应器组件包括设有导液孔的导液板及设置在导液板外侧的阳极盖板，离子交换膜的另一侧紧贴导液板的内侧设置，其与阳极盖板之间形成阳极室，阳极室通过导液板与外壳内的阳极液储液连通，阳极室内设有阳极电极、阳极防腐蚀导电板及阳极导电板。

6、进一步的，所述阴极盖板上设有阴极反应液进口管，阴极反应液进口管一端紧贴带有通孔的阴极导电板设置，并与阴极室连通；其另一端设有旋转接头，并通过输送系统与阴极液储液罐连通；所述阴极反应液进口管通过导电滑环与直流电源的负极连接。

7、进一步的，所述阳极盖板上设有阳极反应液进口管，阳极反应液进口管的一端紧贴带有通孔的阳极导电板设置，并与阳极室连通；另一端设有旋转接头，并通过输送系统与阳极液储液罐连通；所述阳极反应液进口管通过导电滑环与直流电源的正极连接。

8、进一步的，所述阳极反应液进口管的内部有防腐蚀层。

9、进一步的，所述阴极盖板与导液板之间、两个导液板之间、导液板与阳极盖板之间均设有密封垫。

10、进一步的，所述隔板位于两个导液板之间，隔板与导液板之间设有密封环。

11、进一步的，所述外壳固定在外壳固定座上，其包括外壳上盖及外壳底座，外壳上盖及外壳底座均为绝缘材质，且两者之间设有密封件。

12、一种旋转电反应装置的使用方法，包括以下具体步骤：

13、s1、将阴极反应液和阳极反应液分别倒入阴极液储液罐及阳极液储液罐，开启储液罐中的搅拌装置，使储液罐中的溶液混合均匀；开启电机，带动旋转电反应器旋转；

14、s2、将阴极反应液从阴极液储液罐中输送至旋转电反应器的阴极室，阴极反应液在阴极室中发生还原反应的同时受到旋转产生的离心力从对应的导液板中甩出，收集在阴极液储液中，并流回至阴极液储液罐；

15、同时，将阳极反应液从阳极液储液罐输送至旋转电反应器的阳极室8中，阳极反应液在阳极室8中发生氧化反应的同时受到旋转产生的离心力从对应的导液板中甩出，收集在阳极液储液中，并流回至阳极液储液罐。

16、s3、将直流电源的正、负极分别连接至阳极反应液进口管、阴极反应液进口管上的导电滑环；

17、s4、打开直流电源，控制电流保持恒定值，经过预设的反应时间后，关闭直流电源，分别测定阳极反应液和阴极反应液中产物的浓度，并将阴极反应液和阳极反应液中的产物提取出来。

18、通过采用上述技术，与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

19、1)本发明装置相比于传统的釜式电反应器或持续流动电反应器，本发明通过旋转使溶液获得离心力，在三维多孔电极中获得剪切力，使溶液在三维多孔电极中分布更加均匀，在电极表面的液膜更薄；

20、2)本发明装置能够加快传质过程，拥有更好的传质效率，实现更低的电化学浓差极化；

21、3)本发明中的电反应器部分使用轴承与外壳进行固定，且电反应器的各个零件通过螺栓固定，易于拆卸；

22、4)本发明中的离子交换膜，阴极电极和阳极电极能够根据反应的不同进行替换；

23、5)本发明中阴极室和阳极室通过离子交换膜分离，适用于更多的反应。

技术特征：

1.一种旋转电反应装置，包括外壳、旋转反应器(1)、阴极液储液罐(16)及阳极液储液罐(17)，旋转反应器(1)设置在外壳内并通过电机(14)驱动；其特征在于，所述旋转反应器(1)包括阴极反应器组件及与阴极反应器组件相对设置的阳极反应器组件，两者之间通过离子交换膜(9)分隔并在两个反应组件的内部分别形成阴极室(7)、阳极室(8)；所述阴极室(7)、阳极室(8)分别与阴极液储液罐(16)、阳极液储液罐(17)通过输送系统连通；

2.根据权利要求1所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述阴极反应器组件包括设有导液孔的导液板(33)及设置在导液板(33)外侧的阴极盖板(26)，离子交换膜(9)的一侧紧贴导液板(33)的内侧设置，其与阴极盖板(26)之间形成阴极室(7)，阴极室(7)通过导液板(33)与外壳内的阴极液储液连通，阴极室(7)内设有阴极导电板(28)及阴极电极(30)。

3.根据权利要求2所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述阳极反应器组件包括设有导液孔的导液板(33)及设置在导液板(33)外侧的阳极盖板(27)，离子交换膜(9)的另一侧紧贴导液板(33)的内侧设置，其与阳极盖板(27)之间形成阳极室(8)，阳极室(8)通过导液板(33)与外壳内的阳极液储液连通，阳极室(8)内设有阳极电极(34)、阳极防腐蚀导电板(31)及阳极导电板(29)。

4.根据权利要求3所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述阴极盖板(26)上设有阴极反应液进口管(24)，阴极反应液进口管(24)一端紧贴带有通孔的阴极导电板(28)设置，并与阴极室(7)连通；其另一端设有旋转接头(6)，并通过输送系统与阴极液储液罐(16)连通；所述阴极反应液进口管(24)通过导电滑环(4)与直流电源(12)的负极连接。

5.根据权利要求4所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述阳极盖板(27)上设有阳极反应液进口管(25)，阳极反应液进口管(25)的一端紧贴带有通孔的阳极导电板(29)设置，并与阳极室(8)连通；另一端设有旋转接头(6)，并通过输送系统与阳极液储液罐(17)连通；所述阳极反应液进口管(25)通过导电滑环(4)与直流电源(12)的正极连接。

6.根据权利要求5所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述阳极反应液进口管(25)的内部有防腐蚀层。

7.根据权利要求3所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述阴极盖板(26)与导液板(33)之间、两个导液板(33)之间、导液板(33)与阳极盖板(27)之间均设有密封垫(32)。

8.根据权利要求3所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述隔板(11)位于两个导液板(33)之间，隔板(11)与导液板(33)之间设有密封环。

9.根据权利要求1所述的一种旋转电反应装置，其特征在于，所述外壳固定在外壳固定座(19)上，其包括外壳上盖(2)及外壳底座(3)，外壳上盖(2)及外壳底座(3)均为绝缘材质，且两者之间设有密封结构。

10.一种旋转电反应装置的使用方法，其特征在于，包括以下具体步骤：

技术总结一种旋转电反应装置及其使用方法，属于电化学反应器技术领域。其包括外壳、旋转反应器、阴极液储液罐及阳极液储液罐，旋转反应器设置在外壳内并通过电机驱动；旋转反应器包括阴极反应器组件及与阴极反应器组件相对设置的阳极反应器组件，两者之间通过离子交换膜分隔并在两个反应组件的内部分别形成阴极室、阳极室；阴极室、阳极室分别与阴极液储液罐、阳极液储液罐通过输送系统连通。本发明利用高速旋转使溶液获得离心力，在三维多孔电极中获得剪切力，使溶液在三维多孔电极中分布更加均匀，在电极表面的液膜更薄，增强了传质效率，减小电反应过程中的浓差极化，加快反应速率，从而提高了电流密度和时空产率。技术研发人员：钟兴,李凯,王建国受保护的技术使用者：浙江工业大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18