一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器及再生方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及氧碘化學(xué)激光器化學(xué)原料現(xiàn)場再生與系統(tǒng)集成技術(shù)，具體地說是一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的反應(yīng)器及其再生方法。
【背景技術(shù)】
[0002]氧碘化學(xué)激光器是目前唯一成功運(yùn)轉(zhuǎn)在電子態(tài)躍遷的化學(xué)激光器，氧碘化學(xué)激光器不同于第一代的HF/HD化學(xué)激光器(波長2.7-3.4 μ m)，它具有更短的波長(1.315 μ m)，正好位于大氣窗口。氧碘化學(xué)激光器在機(jī)械加工、材料、醫(yī)療技術(shù)等方面具有良好的應(yīng)用前旦
-5^ O
[0003]然而，氧碘化學(xué)激光器激光器也存在其不足之處，其面臨的主要問題如下:(I)其原料一堿性過氧化氫溶液、氯氣，在運(yùn)輸、存儲(chǔ)上均存在一定程度的不便；(2)在一些應(yīng)用場合，原料的補(bǔ)給難以有效保障或者成本巨大。
[0004]因此，因地制宜，充分利用氧碘化學(xué)激光器的生成產(chǎn)物，對(duì)其進(jìn)行一系列的化學(xué)化工過程轉(zhuǎn)化最終回到原料狀態(tài)，即實(shí)現(xiàn)原料的現(xiàn)場再生，成為解決氧碘化學(xué)激光器原料補(bǔ)給問題的一個(gè)突破口和關(guān)鍵技術(shù)。
[0005]從化學(xué)化工基本原理上說，物質(zhì)的轉(zhuǎn)化總是相互貫通，要實(shí)現(xiàn)氧碘化學(xué)激光器產(chǎn)物到原料的轉(zhuǎn)變可以設(shè)計(jì)出很多種路線和方案。相比其它化學(xué)化工轉(zhuǎn)化過程和方法，采用電化學(xué)方法對(duì)氧碘化學(xué)激光器的化學(xué)原料進(jìn)行再生具有高節(jié)能、高再生利用率、高原子經(jīng)濟(jì)性、低支撐保障要求等多方面的優(yōu)勢。
[0006]本發(fā)明從氧碘化學(xué)激光器原料補(bǔ)給需求出發(fā)，利用電化學(xué)基本原理，設(shè)計(jì)了氧碘化學(xué)激光器化學(xué)原料的電化學(xué)再生反應(yīng)器并提出相應(yīng)的再生方法，該反應(yīng)器只需電能輸入即可實(shí)現(xiàn)氧碘化學(xué)激光器化學(xué)原料的再生利用，對(duì)解決氧碘化學(xué)激光器的原料補(bǔ)給問題、拓展其應(yīng)用環(huán)境具有重要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]為了解決氧碘化學(xué)激光器在一些應(yīng)用場合面臨的原料補(bǔ)給問題，本發(fā)明從氧碘化學(xué)激光器原料補(bǔ)給需求出發(fā)，利用電化學(xué)基本原理，提出了一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器及其再生方法，技術(shù)方案如下:
[0008]一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器，利用電化學(xué)方法將氧碘化學(xué)激光器的產(chǎn)物經(jīng)一步電解反應(yīng)，直接、高效地轉(zhuǎn)變?yōu)樵?，?gòu)成如下:陽極板、陽極電極、陽極框、隔膜、陰極框、陰極電極、陰極板；陽極電極與隔膜和陽極框圍成陽極室，陰極電極與隔膜和陰極框圍成陰極室，其中陰極板下部開有氧氣或空氣進(jìn)氣口，陰極板上部開有氧氣或空氣出氣口，陽極板上部開有氯氣出氣口，陰極框和陽極框上部均有注液口、下部均有出液口，陰極板和陽極板靠電極一側(cè)上刻有氣體分配槽和流道。其中，陰極框和陽極框均為聚四氟乙烯或聚砜加工而成，陰極板和陽極板為石墨板或經(jīng)表面鍍銀或金的不銹鋼板，陽極活性成分為碳載二氧化釕、碳載釕、碳載鉬釕合金中的一種或多種的混合物，陰極活性成分為納米石墨粉、碳粉、碳納米管、石墨烯或納米金中的一種或多種的混合物，隔膜為聚四氟乙烯型陽離子交換膜、石綿模、玻璃纖維隔膜或無紡布，優(yōu)選為聚四氟乙烯型陽離子交換膜，進(jìn)一步優(yōu)選為全氟磺酸膜，陰陽極電極為以多孔碳紙為支撐體在其上涂布或噴涂一定量的活性成分而成。
[0009]一種氧碘化學(xué)激光器原料的再生方法，使用上述的電化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行氧碘化學(xué)激光器原料的再生，過程如下:將氧碘化學(xué)激光器產(chǎn)物分離得到的一定濃度的氯化鉀或氯化鈉水溶液輸入到電化學(xué)反應(yīng)器陰極側(cè)，在電解槽陽極側(cè)通入一定濃度的氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液；在反應(yīng)器陰極側(cè)氧/空氣入口處通入氧氣或空氣，設(shè)置為一定流量；設(shè)定直流電源電壓，通電使得反應(yīng)器開始工作，此時(shí)陽極側(cè)氯離子失去電子被氧化為氯氣并析出，陰極側(cè)發(fā)生氧的二電子還原反應(yīng)生成堿與過氧化氫的混合物；通電一段時(shí)間后，停電將上述電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的物料排放到儲(chǔ)罐，再次從步驟a)開始重復(fù)上述步驟，即得到氧碘化學(xué)激光器所需的化學(xué)原料一氯氣和堿性過氧化氫。上述過程中，直流電源電壓折合單節(jié)反應(yīng)器電壓為4.0-5.5V，優(yōu)選為4.5-5.0V,陽極氯化鉀或氯化鈉水溶液濃度為1.0-4.5mol/L，優(yōu)選為 3.0-4.5mol/L。
[0010]本發(fā)明相比傳統(tǒng)的化工過程，優(yōu)勢明顯。首先，流程簡單，化學(xué)激光器“廢料”經(jīng)過電化學(xué)反應(yīng)器一步轉(zhuǎn)化為了原料；其次，高度節(jié)能，該方法不論處于何種環(huán)境其轉(zhuǎn)化過程嚴(yán)格遵守法拉第定律，有多少電量輸入就產(chǎn)生相應(yīng)計(jì)量比的物質(zhì)轉(zhuǎn)化，主要的損耗來自于電化學(xué)極化、且可得到很好的控制，而反應(yīng)溫度一般接近室溫，不需要額外耗能；再次，再生利用率高，本發(fā)明中反應(yīng)產(chǎn)物無需分離，生產(chǎn)流程短，中間損耗低；最后，支撐保障要求低，只需電能。
【附圖說明】
[0011]圖1是本專利所述的電化學(xué)反應(yīng)器的結(jié)構(gòu)組成示意圖。
[0012]其中，1-陽極板；2-陽極電極；3-陽極框、；4-陽極室；5-隔膜;6_陰極框;7_陰極電極；8_陰極室；9_陰極板。
[0013]圖2是實(shí)施例1中，電化學(xué)反應(yīng)器陰極板、陽極板靠陰極室、陽極室一側(cè)流道示意圖。
【具體實(shí)施方式】
:
[0014]下面將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。
[0015]實(shí)施例1
[0016]陽極使用Ru02/C作為催化劑，陰極采用石墨粉作為催化劑。制備陰陽極電極，其過程如下:將碳紙浸入10wt%的PTFE乳液中I至2min，取出后烘干，除去其中的水分。通過稱量浸潰PTFE前后的重量可以得到PTFE的量，多次反復(fù)進(jìn)行上述過程直到浸入碳紙的PTFE的量達(dá)到設(shè)定的要求為止。然后將上述疏水處理后的碳紙放入馬弗爐中245°C處理半小時(shí)，以除去PTFE乳液中的表面活性劑。然后再在345°C處理半小時(shí)，使得PTFE熔融并在碳紙纖維上形成憎水網(wǎng)絡(luò)。PTFE含量為1wt.%。支撐層上還需要制備一層微孔層，以便于催化劑的擔(dān)載。稱取一定量的碳粉加入一定量的無水乙醇后混合均勻并超聲半小時(shí)，然后將其與PTFE乳液按PTFE:碳粉=3:7的質(zhì)量比進(jìn)行混合，再超聲半小時(shí)。混合均勻后，在40°C的水浴中加熱凝聚，使其形成粘稠狀的漿料。以涂布的方法均勻涂覆到上述憎水化處理過的碳紙上，使其表面平整并具有適當(dāng)?shù)目捉Y(jié)構(gòu)。室溫晾干后在245°C處理半小時(shí)，除去表面活性齊U。然后在345°C處理半小時(shí)，使得其中PTFE熔融。實(shí)驗(yàn)中，微孔層中碳粉的擔(dān)量為1.5mgcm_2，PTFE可以按上述比例折算得到。采用異丙醇為溶劑將Ru02/C粉末或石墨烯與PTFE乳液混合后，超聲均勻，得到漿料。然后將其均勻涂刮在帶有微孔層的碳紙上。陽極電極上的催化劑的擔(dān)量為lmgRu02cm_2，陰極電極上石墨烯擔(dān)量為Img cm_2。室溫晾干后在245°C處理半小時(shí)，除去表面活性劑，得到陰陽電極。
[0017]將上述陰陽電極和石墨陰極板、石墨陽極板、以及聚四氟乙烯陰極框、聚四氟乙烯陽極框按說明書所述順序組裝在一起，即得到用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器。
[0018]將氧碘化學(xué)激光器產(chǎn)物分離得到的4mol/L的氯化鉀水溶液輸入到電化學(xué)反應(yīng)器陰極側(cè)，在電解槽陽極側(cè)通入濃度為5mol/L的氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液；在反應(yīng)器陰極側(cè)氧/空氣入口處通入氧氣或空氣，設(shè)置為一定流量；設(shè)定直流電源電壓為4.5V，通電使得反應(yīng)器開始工作，通電時(shí)間2h，停電將上述電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的物料排放到儲(chǔ)罐。滴定法測試產(chǎn)出過氧化氫濃度，結(jié)果為0.563mol/Lo
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于: 利用電化學(xué)方法將氧碘化學(xué)激光器的產(chǎn)物經(jīng)一步電解反應(yīng)轉(zhuǎn)變?yōu)樵?，反?yīng)器的構(gòu)成如下:陽極板(I)、陽極電極(2)、陽極框(3)、隔膜(5)、陰極框(6)、陰極電極(8)、陰極板(9)； 陽極電極(2)與隔膜(5)和陽極框(3)圍成陽極室(4)，陰極電極(8)與隔膜(5)和陰極框(6)圍成陰極室(7)，其中陰極板(I)下部開有氧氣或空氣進(jìn)氣口，陰極板(I)上部開有氧氣或空氣出氣口，陽極板(9 )上部開有氯氣出氣口，陰極框(6 )和陽極框(3 )上部均有注液口、下部均有出液口，陰極板(9 )和陽極板(I)靠電極一側(cè)上刻有氣體分配槽和流道。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于: 其中陰極框(6)和陽極框(3)均為聚四氟乙烯或聚砜加工而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于: 陰極板和陽極板為石墨板或經(jīng)表面鍍銀或金的不銹鋼板。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于: 所述陽極活性成分為碳載二氧化釕、碳載釕、碳載鉬釕合金中的一種或多種。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于: 所述陰極活性成分為納米石墨粉、碳粉、碳納米管、石墨烯或納米金中的一種或多種。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于: 所述隔膜為聚四氟乙烯型陽離子交換膜、石綿模、玻璃纖維隔膜或無紡布。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種用于氧碘化學(xué)激光器再生的電化學(xué)反應(yīng)器，其特征在于: 陰陽極電極為以多孔碳紙為支撐體在其上涂布或噴涂活性成分而成。
8.一種氧碘化學(xué)激光器原料的再生方法，其特征在于: 使用權(quán)利要求1所述的電化學(xué)反應(yīng)器進(jìn)行氧碘化學(xué)激光器原料的再生，過程如下: a)將氧碘化學(xué)激光器產(chǎn)物分離得到的氯化鉀或氯化鈉水溶液輸入到電化學(xué)反應(yīng)器陰極側(cè)，在電解槽陽極側(cè)通入氫氧化鉀或氫氧化鈉水溶液； b)在反應(yīng)器陰極側(cè)氧/空氣入口處通入氧氣或空氣，設(shè)置為一定流量； c)設(shè)定直流電源電壓，通電使得反應(yīng)器開始工作，此時(shí)陽極側(cè)氯離子失去電子被氧化為氯氣并析出，陰極側(cè)發(fā)生氧的二電子還原反應(yīng)生成堿與過氧化氫的混合物； d)將反應(yīng)器通電一段時(shí)間后，停電將上述電化學(xué)反應(yīng)器內(nèi)的物料排放到儲(chǔ)罐，再次從步驟a)開始重復(fù)上述步驟，即得到氧碘化學(xué)激光器所需的化學(xué)原料一氯氣和堿性過氧化氫。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種氧碘化學(xué)激光器原料的再生方法，其特征在于:直流電源電壓折合單節(jié)反應(yīng)器電壓為4.0-5.5V。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述一種氧碘化學(xué)激光器原料的再生方法，其特征在于:陽極氯化鉀或氯化鈉水溶液濃度為1.0-4.5mol/L。
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種用于氧碘化學(xué)激光器原料再生的電化學(xué)反應(yīng)器及再生方法。該反應(yīng)器由陰極板、陰極電極、陰極框、隔膜、陽極框、陽極電極、陽極板等按順序組裝在一起構(gòu)成，其中陰極框和陽極框均為耐酸堿的聚合物加工而成，組裝在一起后，陰極框與隔膜和陰極電極合圍成陰極室，陽極框與隔膜和陽極電極合圍成陽極室。該反應(yīng)器可將氧碘化學(xué)激光器的產(chǎn)物—氯化鉀或氯化鈉的水溶液和氧氣經(jīng)電化學(xué)反應(yīng)直接轉(zhuǎn)化為氧碘化學(xué)激光器所需的化學(xué)原料—氯氣、堿性過氧化氫溶液，從而實(shí)現(xiàn)氧碘化學(xué)激光器化學(xué)原料的再生。本發(fā)明適用于氧碘化學(xué)激光器化學(xué)原料的現(xiàn)場再生和重復(fù)利用。
【IPC分類】C25B1-46, C25B9-08
【公開號(hào)】CN104711632
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201310684347
【發(fā)明人】柯長春, 陳文武, 許曉波, 王景龍, 劉宇時(shí), 呂國盛
【申請(qǐng)人】中國科學(xué)院大連化學(xué)物理研究所
【公開日】2015年6月17日
【申請(qǐng)日】2013年12月13日