[发明专利]一种膜电极低压电解式臭氧发生器的膜电极及其阳极和阳极的制作方法

说明书

一种膜电极低压电解式臭氧发生器的膜电极及其阳极和阳极的制作方法涉及电解臭氧发生器的膜电极。本发明采用电催化活性高、耐蚀性高、无二次污染的硼掺杂金刚石作为阳极催化剂，进一步，利用气相沉积法将硼掺杂金刚石直接沉积于多孔钛板上，并与聚合物质子交换膜热压成集多孔钛板、阳极催化剂与聚合物质子交换膜于一体的阳极结构。与现有技术相比，该阳极结构不仅制备工艺简单，组装方便，有利于批量生产，而且沉积于多孔钛板表面的硼掺杂金刚石薄膜具有多孔结构，有效提高透水、透气性能，避免由于透水透气不畅导致催化剂性能的下降、槽压和温度升高等现象，提高膜电极使用寿命，保证膜电极电解臭氧发生器能长期稳定运行。

技术领域

本发明涉及电解式臭氧发生器技术领域，具体涉及电解臭氧发生器的膜电极。

背景技术

臭氧是一种极强的氧化剂，具有强烈的杀菌消毒作用和氧化降解有机污染物的能力，且反应后的产物是对人体有益的氧气，无副作用、无毒性、无二次污染等优点，在废水的高级氧化处理、饮用水深度净化、环境保护、食品加工、医疗护理、果蔬保鲜等领域的应用变得越来越广泛。

目前现有市场制取臭氧的方法主要分为电晕放电法、紫外线辐射法和固体聚合物膜(PEM膜)电极低压电解法。其中，PEM膜电极低压电解法是一种新型的电化学方法制备臭氧，与电晕放电法和紫外线辐射法比较，该方法具有制备臭氧气体浓度高、不含氮氧化物等致癌物质、制备成本低、膜电极使用寿命长、设备安装和维护简单等优点，成为一种最具市场竞争力的臭氧制备方法。

PEM膜电极是低压电解式臭氧发生器的核心部件。目前典型PEM膜电极组件包括多孔钛板、阳极催化剂、阴极催化剂和固体聚合物质子交换膜等。其中，阳极催化剂和阳极结构(由多孔钛板、阳极催化剂和聚合物质子交换膜构成)对发生器性能起到关键作用。

电化学合成臭氧技术要求阳极催化剂材料对臭氧析出具有良好的电催化活性和抗腐蚀性能。石墨、玻璃碳、金属Pt是早期电化学合成臭氧技术研究中曾经使用过阳极材料，但由于金属Pt电极价格太过昂贵；石墨和玻璃碳使用过程中容易被腐蚀而消耗等缺点，现有市场上的低压电解式臭氧发生器产品通常采用电催化活性高、抗腐蚀性能良好、价格较为便宜的二氧化铅材料作为膜电极的阳极催化剂。

阳极结构也是影响电化学合成臭氧效率的重要因素。在当前的电化学合成臭氧发生器系统中，是将阳极材料经混料制片后经热压到固体聚合物质子交换膜上形成催化剂与膜电极集合体，再与多孔钛板(多孔钛板起到导流、导电和支持催化剂的作用)通过机械压紧构成阳极结构。与传统分离是电极相比，这种膜电极一体化技术具有设备简单、体积小、电流效率高、能耗低等优点。

上述的低压电解式臭氧发生器的PEM膜电极所采用阳极催化剂和阳极结构虽然在电化学合成臭氧性能上具有许多优点，但也存在不容忽视的缺点：一方面，二氧化铅作为阳极催化剂，无论从二氧化铅原材料的制备环节、二氧化铅膜片加工过程中还是在电化学合成臭氧过程中，实际上都无法避免毒性Pb离子对环境造成二次污染；另一方面，目前采用阳极结构制备工艺过程相对繁琐复杂，不容易保证产品质量，且在运行过程中，催化剂容易堵塞多孔钛板，导致水、气体流通不畅，超压升高，降低膜电极使用寿命。这两方面的缺点都将会阻碍PEM膜电极低压电解臭氧发生器产品的商业推广和实际应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种膜电极低压电解式臭氧发生器的阳极催化剂。

本发明的目的还在于提供一种膜电极低压电解式臭氧发生器的阳极结构。

本发明的目的还在于提供一种膜电极低压电解式臭氧发生器的阳极制作方法。

本发明的目的还在于提供一种膜电极低压电解式臭氧发生器的膜电极。

本发明为实现上述目的可以采用以下技术方案来实现：