[发明专利]一种电氧化臭氧发生器

说明书

技术领域

本发明属于电化学氧化生成臭氧装置，具体说是一种气体生成部位具有可控式内压式结构和动态催化膜层的电氧化臭氧发生器。

背景技术

以水或水系电解质为原料，通过电解装置（臭氧发生器）可以在阳极获得具有一定浓度的臭氧-氧混合气体。与电晕法相比，电化学法生成臭氧具有电压低、臭氧浓度高、且所生成的气体中不含NO3类有害组分等特点，因此在饮用水处理、医疗卫生、污水处理、工业漂白等应用中具有明显优势。

电解法臭氧发生技术是上世纪80年代兴起的，目前已经有不少研究和应用报导。一般臭氧发生器阳极采用析氧电位较高的二氧化铅或铂，阴极采用铂或铂碳，如专利CN87202205、CN97212224.9等，大部分的研究围绕以纯水为原料的固体电解质臭氧发生器展开，其构成部件一般包括质子交换膜和两极（阳极、阴极）对应的催化剂、多孔集流片、导流板和壳体。从部件功能离散化学角度考虑，将电催化活性材料与粘结材料（如PTFE）混合，压制成单独的催化剂片，与独立的阳离子交换膜、多孔集流片、导流板及防腐片等一起构成臭氧发生器，可方便和规范生产制造过程，如专利CN97122126、CN200680051679；从功能集成角度考虑，将催化剂层通过电镀、沉积的方法结合到导电透水基体上，然后要两片电极间设置质子交换膜，可构成臭氧发生器，以实现构成部件的集成化，如专利CN01126593、CN200610138715；专利CN200520113829还提出在电解质膜和多孔板之间采用自由铺放形式放置催化剂颗粒的阳极结构，期望能够便于加工和组装臭氧发生器。此外，当使用磷酸、磷酸盐水溶液等电解质时，臭氧发生器结构往往与普通电解池类似，研究主要集中在电极材料和电解质体系方面，如专利CN200480004286、CN200710067351。

使用固体电解质的臭氧发生器具有体积小、电压低、可利用纯水作为电解原料等优点。但实际应用中，独立式片状结构的催化层需要使用（PTFE）等粘结剂，这使得催化剂层自身电阻和各片层间接触电阻增大，导致高能耗和温升；虽然以电镀形式在阳极可以形成二氧化铅催化剂层，但由此得到的电极层非常不平整，且容易破碎，这导致发生器具有高的电阻且使用寿命很短；专利CN200610138715采用在多孔钛板表面和孔隙内沉积催化剂方法制作的臭氧发生器，由于技术自身的限制，在实际应用中具有启动时间长，电压高的明显缺点。

电解水生成臭氧是一个气-液-固（催化剂）三相参与的电化学反应，在所施加的电解电压下，充分的液固相接触有利于电极反应的发生，而顺利将气体从催化剂层导出则有利于提高液-固相界面，避免局部因充气过多产生干化现象，减少电解电阻，降低局部放热量，从而提高电流效率，延长臭氧发生器使用寿命。

发明内容

本发明所要解决技术问题是：构建一个气体生成部位具有可控内压式结构和动态催化膜层的臭氧发生器，使之具有顺畅且可实现气液传输自平衡的两向渗透通道，从而有效提高臭氧生成效率，稳定臭氧发生器使用性能并延长其使用寿命。

本发明的技术方案为：使用具有选择性透过功能的膜渗透电极作为电解电极，通过控制膜电极上气、液两向渗透通道的孔径分布、数量、微结构和构成材料，在密封垫片、电极电板、导流外壳和紧固件的共同作用下，使气体生成部位具有局部可控的内压自平衡的气液传输速度，从而提高臭氧的生成浓度，并在保证液、固两相充分接触的情况下迅速地将生成的气相转移出去，降低气体发生部位的电阻。

在不改变电解原料物系和外加电压的情况下，使用具有动态催化膜层的膜渗透电极作为电解电极，针对气体生成部位调控其局部压力和气液两向传输速率，从而设计出高效的电解式臭氧发生器，这与此前简单地改变催化剂组分、调整发生器各组成部分间的相互关系等的设计是不同的。