[发明专利]一种羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及微生物燃料电池领域，具体地，本发明涉及一种羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的装置及方法。

背景技术

随着人类社会的高速发展，传统化石燃料已经濒临枯竭，难以长期支持人类生存和发展，也带来了环境污染、全球气候变暖等生态威胁。同时，工业和生活废水排放量以及废水中化学需氧量(COD)排放量也在逐年递增，危害环境，降低经济运行效率。常规的污水处理方法不仅耗能高，同时也会加剧温室效应。

微生物燃料电池(MFC)是近几年来发展的水处理和产电的一种实用新技术。MFC利用微生物作为催化剂来降解有机物，产生电能，实现了从污水处理到能量回收的一步转化。此外，MFC还具有转化效率高，底物适用范围广，操作条件温和，微生物作为催化剂可自我复制等众多优点，因此，其将具有不可限量的应用开发前景。

但是目前，构造成本依然是限制MFC广泛应用的主要因素，多数MFC采用贵金属Pt作为阴极催化剂，这极大的增加了MFC的构造成本；采用镍合金、碳纳米管及导电聚合物物作为阳极催化剂虽有所改善，但也不能从根本上同时解决成本效率问题。同时，目前在负载铂、铁以及导电聚合物的手段均是通过分散剂以及粘附剂进行刷涂，效率低下，不能大批量操作，并且涂覆不均匀，影响实验效果。因此设计出用羰基铁法沉积于石墨电极上制备铁-碳复合电极作为MFC的阴、阳极材料，不仅能大幅降低构造成本，也能获得很好的产电性能，对MFC的应用具有十分重要的意义。

发明内容

本发明的目的在于为了克服上述问题提供了一种羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的装置。

本发明的再一目的在于为了克服上述问题提供了一种羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的方法。

为了实现上述目的，本发明提供的羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的装置，包括依次连通设置的进气室12、加热室13和沉积室6，其中进气室12和加热室13之间以及加热室13和沉积室6之间设有法兰，在进气室12和加热室13的中心轴上设有羰基铁进料管1，所述进气室12底部设有CO进气口2，所述沉积室6沿气流方向设有石墨毡，加热室中设有加热装置。

作为上述方案的一种改进，所述羰基铁进料管1为双层套管，内管为羰基铁流动相，外管为高压高纯CO气体，既可以将羰基铁气化，又可以保护羰基铁不被氧化。

作为上述方案的又一种改进，所述装置为圆柱形铸铁，其中进气室12和加热室13柱体直径相同，沉积室6直径比进气室12和加热室13大，以增加石墨毡的处理量，提高生产效率。

作为上述方案的再一种改进，所述羰基铁进料管1靠近沉积室6的一端设有气化喷嘴3，所述气化喷嘴3的上部设有风帽5，风帽使羰基铁气流分流，使其在反应器内分布均匀，同时给予其一定的动能，使其产生强烈扰动，防止羰基铁颗粒沉积。

作为上述方案的再一种改进，本发明的沉积室中放置石墨毡，石墨毡的平面与气流方向平行，这样放置既可以保证羰基铁在石墨毡表面有效的沉积，方便通过控制羰基铁气流来控制羰基铁在石墨毡表面沉积的形貌，也可以降低流通阻力，降低能耗，防止气流破坏石墨毡。

作为上述方案的再一种改进，所述装置在沉积室6出口设有设置换热器7，所述换热器7与CO进气口2相连通，用于对反应气CO的预热。

作为上述方案的还一种改进所述换热器7的出口依次连通旋风收尘8、扩散收尘9、冲击收尘10和文氏管11，用于对反应尾气中的气固混合物进行分离和净化，分离得到的固体经再加工后回收利用。

本发明的羰基铁由泵以一定的流速压入反应器，羰基铁的形式一般为液态，也可以为微小固态颗粒，羰基铁的形式主要取决于石墨毡上羰基铁沉积的形貌尺寸等特征。

本发明的尾气后续处理装置由一系列的换热、分离和收尘设备组成。从沉积室流出的高温气体需要进行分离和收集以达到节能环保和降低成本目的。首先高温混合尾气进入换热器，利用尾气的余热将CO原料气加热，换热过程中，一部分固体颗粒被分离出来。这样既达到节能要求，也能对尾气进行初步的分离。然后换热后的尾气进一步经旋风收尘、扩散收尘、冲击收尘和文氏管等收集装置后，将固体混合物进行分离，经再加工后回收利用。

此外，本发明提供了一种制备铁-碳复合电极材料的方法，所述方法包括以下步骤：

1)将羰基铁通过羰基铁进料管进入气化喷嘴，反应气CO通过CO进气口2进入加热室，羰基铁通过气化喷嘴3分散，在气化喷嘴3与风帽5之间的空间内和CO反应，生成五羰基铁合铁；