[发明专利]电解式臭氧发生器及其阴极催化层的制备工艺

说明书

技术领域

本发明属于电化学领域，涉及一种制备臭氧的装置，尤其是一种电解式臭氧发生器及其阴极催化层的制备工艺。

背景技术

臭氧是一种环保型的氧化剂，在常用的氧化剂中其氧化性最强，且反应后的产物是对人体有益的氧气。由于上述优点，臭氧产品已经被广泛应用于饮用水处理、污水处理、化学氧化、纸浆漂白及医疗卫生等领域。

传统的臭氧产生技术为电晕法臭氧产生技术，是一种将干燥含氧的气体通过电晕放电区产生臭氧的方法，这种制备方法的专利比较多，如CN 96209877.9、CN 01817517.1、CN 02237175.3等。利用这种方法制备臭氧，必须配置性能优良的气体干燥装置，产生的臭氧浓度一般小于6％，且所制备的气体中含NOx类气体。因此，大大限制了这类臭氧发生器的使用范围。

电解法臭氧产生技术是上个世纪80年代兴起的技术，这种技术的阳极一般多采用析氧电位较高的二氧化铅(PbO₂)或者铂(Pt)，阴极也多采用Pt，如CN87022205、CN 97212224.9、CN97122126等。这种技术最大的优点是产生的臭氧浓度较高，一般情况下可达到10％～25％，其中不含有NOx类气体。但目前电解法产生臭氧的装置依然存在如下的缺陷：

1.利用Pt作为阳极制备臭氧成本太高，同时电流效率也不高；

2.利用二氧化铅做阳极制备臭氧，电极寿命较短，电流效率不高(10％～15％)；

3.现有的阳极催化层的制备工艺不稳定；

4.电解法制备臭氧的现有技术相对于无声放电法产生臭氧耗电量大。

因此，研制一种电流效率高、性能稳定且移动方便的臭氧发生装置依然是是国内外目前面临的难题。

利用硼掺杂的金刚石电极(硼碳电极)产生臭氧在上个世纪90年代末已有相关的报道，虽然硼碳电极有很高的化学稳定性，但由于在电极以及电解室制备技术方面的缺陷，产生臭氧的电流效率依然较低。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供一种电解式臭氧发生器，该电解式臭氧发生器采用多孔硼掺杂的金刚石电极为阳极，以碳载铂为阴极制备臭氧，优化设计制备臭氧的电解室，大幅度提高了硼碳电极产生臭氧的电流效率，且使电极连续使用寿命明显提高。

本发明的目的是通过以下技术方案来解决的：

这种电解式臭氧发生器及其阴极催化层的制备工艺，包括圆形Nafion膜和设于所述Nafion膜轴向两侧的阳极构件和阴极构件，其特征在于：所述阳极构件轴向外侧设有阳极夹板，所述阳极夹板轴向内侧端设有筒形电解室阳极壳体，所述电解室阳极壳体内同轴套设有阳极导流体，所述阳极导流体出口端依次同轴设置有阳极集流层和圆片状硼碳阳极片，所述圆片状硼碳阳极片为硼掺杂的金刚石电极且沿轴向均匀分布有若干小通孔，所述电解室阳极壳体径向设置有进水通孔和出水通孔，所述阴极构件轴向外侧设有阴极夹板，所述阴极夹板轴向内侧端设有筒形电解室阴极壳体，所述电解室阴极壳体内同轴套设有阴极导流体，所述阴极导流体出口端依次同轴设置有阴极集流层和圆片状阴极催化层，所述圆片状阴极催化层至少包括碳载铂和胶粘剂，所述电解室阴极壳体径向设置有进水通孔和出水通孔。

上述圆片状硼碳阳极片的厚度(H)为0.2～1.5mm，直径(D)为30～200mm，所述轴向小通孔的孔径(d)为0.2～0.8mm，相邻小通孔的孔间距(h)为3.0～6.0mm。

上述阴极催化层的制备工艺为：将具有铂载量为5％～20％的碳载铂与Nafion乳液按质量比为mPt∶m_Nafion＝1∶0.8～2混合，加入适量异丙醇搅拌均匀，在65～85℃水浴中搅拌至糊状，25～35℃下碾压成0.15±0.02mm厚的膜片，然后在55～75℃下烘干并剪切成所需尺寸，即为阴极催化层。

上述阳极集流层和阴极集流层均为圆形多孔钛板，其孔隙率为30％～45％，孔径为20～45μm，透气率为5～30M³cm/m².h.mmH₂O。

上述阳极导流体和阴极导流体均由带有若干轴向出水通孔的水分配盘和经支撑金属条与所述水分配盘轴向相连接的圆片状后座板组成，所述水分配盘、支撑金属条和后座板可以为一体成型式，也可以为分体组装式。

上述阳极夹板、电解室阳极壳体、阴极夹板、电解室阴极壳体的外表面均加工有散热槽。