[发明专利]用于废水处理的反应性电化学膜

说明书

本发明的方面包括用于电催化的多孔并且能够透过水的电极，其包含：多孔并且能够透过水的反应性电化学膜(“REM”)，所述反应性电化学膜包含：多孔并且能够透过水的支撑膜；其中所述支撑膜包含钛金属；和位于金属支撑膜的至少一部分上的电催化涂层，所述电催化涂层为氧化锡双层，所述双层包含：与金属支撑膜相邻并直接接触的第一层；其中所述第一层包含掺杂有锑的氧化锡；和与所述第一层相邻并直接接触的第二层；其中所述第二层形成REM的表面，使得当REM与含水溶液接触时所述第二层与含水溶液直接接触；其中所述第二层包含掺杂有锑和镍或铈的氧化锡。优选地，所述支撑膜由钛金属形成。

相关申请的交叉引用

此申请要求于2019年6月25日提交的美国临时专利申请第62/866,459 号和于2019年6月25日提交的美国临时专利申请第62/866,448号的优先权的权益，特此将其每一个通过以整体方式引用并入。

背景技术

电化学过程(包括电氧化)正作为用于经由各种有毒的有机污染物的破坏来纯化水的有效技术兴起。经由电化学过程的废水处理的优点包括温和的反应条件、强氧化能力、容易的操作和环境相容性。电化学废水处理过程采用电催化剂，并且可以经由如下来操作：通过电催化剂进行的有机污染物的直接破坏，和/或，通过由电催化剂形成的反应性物质进行的有机污染物的间接破坏。反应性物质包括例如反应性氯物质和/或反应性氧物质。可被处理的相关废水包括坑厕(latrine)或污水(下水道，sewage)废水、纸张生产废水、纺织废水、填埋浸出液、和公共设施用水(utility water)。

对于大规模部署用于废水处理的电化学过程的挑战包括停留时间长和电流效率低。这些挑战的一个原因是传质可以限制这样的系统的总体效率，所述系统采用异相(电)催化剂。常规的电化学反应器典型地使用平行板电极，其中，将废水以或者单程或者重复循环模式泵送通过位于阳极和阴极之间的狭窄的流动通道(例如，mm至cm范围)。这样的配置可被称为旁流(flow-by) 模式或旁流(flow-by)系统。在旁流模式中，薄的静止边界层在电极的表面附近形成。此外，某些反应性物质(例如经由水在阳极表面上的氧化形成的氢氧基(羟基、羟基自由基，hydroxyl radical)(·OH))可以以极高的反应速率反应，其导致相对于阳极表面的非常狭窄的反应区(例如，在自阳极表面1mm内)。另一方面，在典型的旁流模式系统中，电极表面的边界层可以比100mm更厚。在此情况下，有机物扩散至反应区是困难的并且导致低传质速率。用于有机物的破坏的反应速率因而被传质速率限制，这降低总体电流效率。

用于电化学废水处理的流动通过(flow-through)系统是朝着解决由传质限制的反应速率的挑战而迈出的一步。例如，可以将废水主动泵送通过多孔陶瓷膜，其具有钛低价氧化物(titaniumsuboxide)的组成，从而将过滤技术与用于废水处理的电化学过程结合。在流动通过系统中，水流动通过电极材料的孔，减小边界层并且大大改进污染物朝着阳极表面区移动的传质速率。这是在与电极孔隙率相关联的增大的表面区域(表面面积，surface area)的益处以外的。然而，常规的流动通过系统具有其自身的挑战，这限制电极(例如阳极)有效性、限制电极寿命、和/或导致难以承受(prohibitive)的成本。这些挑战包括：电催化剂的钝化或失活、电催化剂材料的溶解、孔的堵塞或污染、成本(若进行预处理)、高的材料成本(例如在碳纳米管的情形中)、低的水渗透率、低的电流效率、电催化剂材料具有差的活性或者对于某些反应性物质 (例如在碳纳米管的情形中的氢氧基(hydroxylradical))的产生的低有效性、和 /或电催化剂材料具有差的活性或者对于某些有机污染物的直接破坏的低有效性。

发明内容