基于电解液添加剂降低电解槽能耗的方法及其应用

本发明属于电解，具体地讲，是涉及一种基于电解液添加剂降低电解槽能耗的方法及其应用。

背景技术：

1、水电解制氢技术可以将光伏、风电等可再生能源转化为绿色氢能，广泛应用于化工、冶金、交通等领域。水电解制氢技术在各类水处理中也具有重要作用。水电解生成的氧气和氢气可用于高级氧化过程，提高有机污染物的降解效率。电解过程中产生的氧气在特定条件下可形成羟基自由基，这些自由基是强氧化剂，能有效分解复杂有机物。在生物水处理过程中，电解产生的氧气可增强生物处理单元的效率，提高水中的溶解氧浓度，增强微生物的代谢活性，提高污染物去除率。同时，电解过程中生成的氧气和氢气可引发金属离子的沉淀反应，将其转化为不溶性化合物，便于去除，参与的氧化反应还可有效去除废水中的恶臭物质，提高水质。在海水淡化过程中，电解生成的氧气可用于氧化和去除海水中的有机污染物和微生物，防止反渗透膜的污染和堵塞，并对海水进行消毒，减少生物污染和微生物负荷。电解过程中产生的氢气也可以直接作为能源使用，降低整体能耗，提高系统的能源利用率。

2、在规模化电解水制氢生产中，实现“大规模”、“低能耗”、“高稳定性”三者的统一，被中国科协列为2020年十大工程难题之一。为解决该难题，需要开发高效的催化材料及隔膜材料，并解决产物气泡对电极、电解槽及系统多尺度因素的负面影响。

3、水电解技术中电解产物气泡对电解槽和系统的多尺度因素产生负面影响，推高电解能耗、导致电解槽腐蚀等问题，已成为大规模电解槽提升电流密度和电解效率的关键瓶颈之一。在高电流密度电解时，产物气体以微细气泡（90%以上都为20-100微米）形式存在于电极表面和电解液中，降低了电极活性面积，增大了欧姆阻降。同时微细气泡的存在也增加后续气液分离的难度。另外，随着电流密度的进一步提高，电解液中的微细气泡群积聚泡沫化形成空腔，会导致腐蚀等安全问题，这些问题都导致了电流密度难以进一步提高。

4、cn 117165978 a 提出了一种利用多孔结构调控气泡的电解槽、电解装置及方法。针对电解槽内微细气泡尺寸小、脱离难等问题，通过在电解小室内安装多孔聚结内构件，增大液体湍动，增加微细气泡的碰撞概率，诱导气泡聚并长大并分离。从而降低电解槽的气泡能耗，增加电解效率。然而由于电解小室通道狭窄仅毫米级，该多孔结构在电解小室内加装、固定排布困难，难满足工业受限空间的操作要求。

5、因此，针对工业高电流密度时的电解过程产生的微细气泡难聚并、分离等问题，开发更高效、可行度更高的诱导微细气泡调控聚并的技术，以降低气泡能耗，大幅提升电解效率，对促进电解水工业规模化发展具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、鉴于上述现有技术中的不足，本发明提供一种基于电解液添加剂降低电解槽能耗的方法以及使用该方法的电解槽及电解装置以及其在水处理上的应用。利用电解液添加剂调控气泡，降低电解能耗，实现高电密的电解槽、电解装置与方法，进一步提高气液分离效果。

2、为实现上述目的，本发明的技术方案为：

3、一种基于电解液添加剂降低电解槽能耗的方法，向所述电解槽内的电解液中添加固体添加剂和/或液体添加剂，用于诱导电解产生的气液混合物中的微细气泡快速聚并长大分离；其中，所述固体添加剂选自金属微纳颗粒、疏水性材料的微纳颗粒中的一种或多种，所述液体添加剂选自表面活性剂中的一种或多种。

4、本发明进一步设置为，所述金属微纳颗粒选自铜、镍、铁微纳颗粒中的一种或多种。

5、本发明进一步设置为，所述疏水性材料的微纳颗粒sio2、al2o3、tio2、v2o5、ptfe、fep、etfe、pfa、聚苯乙烯、聚氨酯、聚烯烃、聚碳酸酯、聚酰胺、聚丙烯腈、聚酯的微纳颗粒中的一种或多种。需要说明的是，本发明中所使用的固体氧化物微纳颗粒同样选用这些固体氧化物的疏水性材料。

6、本发明进一步设置为，所述固体添加剂的粒径大小为10 nm-100 μm。所述固体添加剂由于粒径较小，可在电解气泡的生长上升扰动下均匀分布在电解液中。

7、本发明进一步设置为，所述固体添加剂的粒径大小为50 nm-50μm；优选为1μm ~25μm。

8、本发明进一步设置为，所述电解液中固体添加剂的浓度为0.01wt%-5.0wt%。

9、本发明进一步设置为，所述电解液中固体添加剂的浓度为0.01wt%-1.0wt%；优选为0.025~1.0%；进一步优选为0.05~0.1wt%。

10、本发明进一步设置为，所述液体添加剂选自乙醇、全氟丁基磺酸钾、十二烷基硫酸钠、十六烷基二甲基氯化铵、烷基醇酰胺中的一种或多种。

11、本发明进一步设置为，所述电解液中所述液体添加剂的浓度为0.01mm-2.0 m。

12、本发明进一步设置为，所述电解液中所述液体添加剂的浓度为0.1 mm-1.0m；进一步优选为1.0 mm-100.0 mm。

13、本发明提供一种降低能耗的电解槽，使用上述降低电解槽能耗的方法，向所述电解槽内的电解液中加入固体添加剂和/或液体添加剂。

14、本发明进一步设置为，所述电解槽包括多个并列的电解小室，每个所述电解小室包括两侧的阴极板和阳极板，以及设于所述阳极板和阴极板之间的隔膜；所述隔膜两侧与所述阴极板、阳极板之间分别设有阴极电极和阳极电极。

15、需要说明的是，本发明的技术方案通过设计向电解液中加入固体添加剂/或液体添加剂，促进微细气泡的聚并长大分离，从而有效解决微细气泡群导致的电解小室电压升高、电解能耗高等问题。本领域技术人员根据本发明的技术方案可以毫无疑义的确定本发明所述的电解槽是适用于产物中存在气体的电解反应。

16、本发明还提供一种降低能耗的电解装置，包括上述降低能耗的电解槽，一对气液分离装置和一对循环泵；其中，所述电解槽的底端设置有电解槽进口，上端设有分别用于输出阴极侧含气电解液和阳极侧含气电解液的第一出口和第二出口；每个所述气液分离装置的上部开设有含气电解液进口，顶端和底端分别开设有气相出口和液相出口；

17、所述第一出口和第二出口分别连接至两个所述气液分离装置的含气电解液进口，经所述气液分离装置的液相出口排出的液相由循环泵经所述电解液进口输送回所述电解槽中。

18、本发明还提供一种上述降低能耗的电解装置的应用，应用于水处理中；所述电解装置的电解槽底部还开设有进料口，用于将经预处理后的待处理的污水或废水输送至所述电解装置中进行处理，所述预处理包括固液分离、沉淀池沉淀和中和调节过程。

19、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

20、（1）本发明通过在电解液中添加固体添加剂和/或液体添加剂，促进气泡快速聚并长大，其中，固体微纳颗粒还可提供聚并接触位点，进一步桥接促进微细气泡的聚并长大分离，从而有效解决微细气泡群导致的电解小室电压升高、电解能耗高以及电流密度难以进一步提高等问题。

21、（2）本发明在电解液中添加的添加剂，可促进微细气泡快速聚并，增加了气泡尺寸，减少了电解液中微细气泡的存在，解决了微细气泡直径小带来的分离困难；相比较现有技术在电解槽中添加新的结构，操作更简单，也不受电解槽空间的限制，应用方便。

22、（3）采用本发明所提供的降低能耗的电解装置在应用于水处理的过程中，可以显著提高系统整体效率；同时电解产生的氢气和氧气可以实现更好地分离，从而在水处理中使产生的气体发挥更好的作用，更好的去除杂质，并且高纯度的氢氧可以保证系统整体的安全性。