仿生電化學(xué)池的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種電化學(xué)反應(yīng)器，尤其是一種仿生電化學(xué)池，屬于化學(xué)反應(yīng)器領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]電化學(xué)池是電化學(xué)反應(yīng)發(fā)生的場所，至少具有四個(gè)關(guān)鍵部件或成分:電源或用電器、陽極、陰極和電解液，它們共同被置于一個(gè)容器中。如上第一個(gè)部件是電源時(shí)，則稱為電解池；若是用電器，則稱為電池。因此，電化學(xué)池可用于發(fā)電，也可用電能分解已有物質(zhì)產(chǎn)生新的物質(zhì)。
[0003]電化學(xué)池在工作時(shí)，將一個(gè)電化學(xué)反應(yīng)分為兩半:即氧化半反應(yīng)和還原半反應(yīng)。其中，氧化半反應(yīng)在陽極上進(jìn)行，還原半反應(yīng)在陰極上進(jìn)行，二者之間通過電解液交換反應(yīng)所需的化學(xué)物質(zhì)，通過外電路交換電子。例如，鋅空氣電池的空氣陰極上，在接受來自于陽極的電子的同時(shí)，氧氣被還原，與液體水分子結(jié)合形成水合氫氧根離子:
[0004]l/202(g)+H20⑴+2e = 2OH (aq)
[0005]金屬鋅陽極上，Zn向外電路釋放兩個(gè)電子的同時(shí)，與從空氣陰極擴(kuò)散來的0!1_結(jié)合形成ZnO和水:
[00〇6] Zn(s)+20H (aq) = ZnO (S)+H20⑴+2e
[0007]總反應(yīng)是:
[0008]Zn (s)+1/202 (g) = ZnO (s)
[0009]類似地，電解精煉銅過程中，在精銅陰極上，電解液中的Cu2+被還原為金屬銅:
[0010]Cu2 (aq)+2e = Cu(s)
[0011]而粗銅陽極被氧化為Cu2+進(jìn)入電解液，同時(shí)向外電路釋放出電子:
[0012]Cu(s)= Cu 2 (aq)+2e
[0013]總反應(yīng)是:
[0014]Cu(s)= Cu(s)
[0015]在電解水過程中，水在陽極被氧化，產(chǎn)生氧氣、質(zhì)子和電子:
[0016]H2Ofl) = 1/20 2(g)+2H (aq)+2e
[0017]而在陰極，質(zhì)子被還原為氫氣:
[0018]2H (aq)+2e = H2(g)
[0019]總反應(yīng)是:
[0020]H2O ⑴=H 2(g)+l/202(g)
[0021 ] 從以上電化學(xué)過程可以看出，在電化學(xué)池的兩個(gè)電極之間，分別存在電解液中的離子和外電路中的電子的定向移動(dòng)，而且，許多電化學(xué)反應(yīng)的物質(zhì)傳遞方向是單一的。一般地，電解液中的物質(zhì)(包括電解液、反應(yīng)物、中間產(chǎn)物、產(chǎn)物等)混合在一起，電極間物質(zhì)的擴(kuò)散速度緩慢，很多情況下完全限制了反應(yīng)的速度，成為電化學(xué)反應(yīng)速度的主控因素。此夕卜，若反應(yīng)物是根據(jù)反應(yīng)進(jìn)行的情況外加的，如前述鋅空氣電池中的氧氣，或者產(chǎn)生的產(chǎn)物需要及時(shí)移出反應(yīng)體系，如前述電解水產(chǎn)生的氫氣和氧氣，就會(huì)存在反應(yīng)物進(jìn)入反應(yīng)體系和氣泡附著在電極上造成電極可利用面積減小的問題，它們都嚴(yán)重影響電化學(xué)反應(yīng)的進(jìn)行，造成大量的無效能耗。
[0022]因此，為了使電化學(xué)池中氧化還原反應(yīng)快速地進(jìn)行，需要增強(qiáng)物質(zhì)傳遞的速度。在一般化學(xué)工業(yè)中，關(guān)于反應(yīng)物和產(chǎn)物傳遞過程的強(qiáng)制傳遞過程的研究極其重要。得到了廣泛的研究，但關(guān)于電化學(xué)池中物質(zhì)的強(qiáng)制傳遞過程研究相對較少。
[0023]鑒于生物體系中，連有特定腺體的各反應(yīng)器(臟器)通過管路連接，實(shí)現(xiàn)各種物質(zhì)在腺體提供的催化劑的高效催化或促進(jìn)下轉(zhuǎn)化、吸收和排泄的需求；其特點(diǎn)是管路中物質(zhì)的流動(dòng)方向是定向的，沒有返混，入口與出口與外界環(huán)境相通。如上關(guān)于電化學(xué)反應(yīng)過程的描述中可以看出，電化學(xué)池具有類似的要求，為此，我們研究了使電解液定向流動(dòng)起來的方法，從而形成了本發(fā)明技術(shù)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0024]發(fā)明目的:本發(fā)明的目的是提供一種使電解液定向無返混快速流動(dòng)，使電極間物質(zhì)的傳遞過程加快，從而大大加快電化學(xué)反應(yīng)速度，且使產(chǎn)物得到及時(shí)分離的仿生電化學(xué)池。
[0025]技術(shù)方案:本發(fā)明所述的仿生電化學(xué)池，包括互稱為對電極的陽極和陰極、導(dǎo)流板、用于發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的腔室以及推動(dòng)電解液定向流動(dòng)的泵或其它器件；其中，所述腔室用導(dǎo)流板分成兩個(gè)部分，陽極和陰極分置于其中，陽極所在的腔室為陽極區(qū)，陰極所在的腔室為陰極區(qū)，陽極區(qū)和陰極區(qū)互稱為對電極區(qū)，導(dǎo)流板由限流板和安插在限流板上的管路陣列構(gòu)成，腔室上設(shè)有入口和出口 ；工作時(shí)電解液在泵或其它器件的推動(dòng)下從入口進(jìn)入腔室，流過陽極區(qū)或陰極區(qū)，在導(dǎo)流板的限制下，集中的電解液分散在該電極區(qū)的電極平面上，以相同或相近的速度定向無返混地流過該電極平面，然后進(jìn)入對電極區(qū)，最后從對電極區(qū)的出口流出仿生電化學(xué)池。
[0026]其中，所述導(dǎo)流板的限流板與管路陣列垂直或者成一定角度；所述管路陣列的一端端部與限流板所在平面齊平或者突出限流板。導(dǎo)流板的管路陣列靠近電極的一端所在的平面與電極所在的平面平行、并且兩個(gè)平面之間保持一固定的距離。
[0027]所述腔室上設(shè)有反應(yīng)物入口，該反應(yīng)物入口與電解液的入口分置于同一個(gè)電極的兩側(cè)。
[0028]所述腔室的出口處設(shè)有用于分離電極反應(yīng)產(chǎn)物或雜質(zhì)的電解液純化與產(chǎn)物分離系統(tǒng)。該電解液純化與產(chǎn)物分離系統(tǒng)為氣液分離器、液液分離器和固液分離器中的至少一種。
[0029]另外，所述腔室的出口和入口之間設(shè)有電解液循環(huán)裝置，便于電解液的循環(huán)使用。
[0030]值得一提的是，導(dǎo)流板除了由上述的限流板和管路陣列構(gòu)成，還可以為平面隔板，并且電解液無法通過該隔板，所以腔室上還需要設(shè)有將陽極區(qū)和陰極區(qū)連通的管路，并且該管路上設(shè)置用于分離電極反應(yīng)產(chǎn)物或雜質(zhì)的電解液純化與產(chǎn)物分離系統(tǒng)。同時(shí)地，該電解液純化與產(chǎn)物分離系統(tǒng)可以是氣液分離器、液液分離器和固液分離器中的至少一種。
[0031]在此情況下，所述腔室的陽極區(qū)和/或陰極區(qū)上在電極的同一側(cè)同時(shí)設(shè)有反應(yīng)物入口和產(chǎn)物出口，并且在該側(cè)還設(shè)有由限流板和安插在限流板上的管路陣列構(gòu)成的導(dǎo)流板。
[0032]還有一種情形是在腔室內(nèi)陽極的一側(cè)或兩側(cè)、陰極的一側(cè)或兩側(cè)均設(shè)有由限流板和安插在限流板上的管路陣列構(gòu)成的導(dǎo)流板。
[0033]有益效果:本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，其顯著優(yōu)點(diǎn)為:該仿生電化學(xué)池中，電解液可以無返混地定向快速流動(dòng)，強(qiáng)化電化學(xué)池中各物質(zhì)在電極間的擴(kuò)散；同時(shí)可以在合適的地方快速加入反應(yīng)物，還能及時(shí)分離產(chǎn)物，阻止產(chǎn)物對反應(yīng)的干擾或者在對電極上的消耗，從而大幅度降低副反應(yīng)發(fā)生的幾率。
【附圖說明】
[0034]圖1A為本發(fā)明由限流板和安插在限流板上的管路陣列構(gòu)成的導(dǎo)流板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0035]圖1B-1D為圖1A E-E方向的截面圖；
[0036]圖2為當(dāng)反應(yīng)物為氣體或液體時(shí)本發(fā)明電化學(xué)池電極腔室的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0037]圖3為當(dāng)反應(yīng)物為固體時(shí)本發(fā)明電化學(xué)池電極腔室的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0038]圖4-9分別為不同電化學(xué)反應(yīng)類型的電化學(xué)池電極腔室的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步說明，其中，附圖中畫出了主要部件，省略的部件用文字描述。
[0040]本發(fā)明是一種仿生的電化學(xué)池，它具有生物體系消化系統(tǒng)的特征，即由一條管子連接多個(gè)分別實(shí)現(xiàn)特定功能的器件構(gòu)成，管子中的物料定向移動(dòng)沒有返混。所述功能器件主要包括陽極、陰極、導(dǎo)流板、用以發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)的腔室8等；如果需要，它還可以包括電解液循環(huán)裝置、電解液凈化器和產(chǎn)物分離器(后兩個(gè)可稱作電解液純化與產(chǎn)物分離系統(tǒng))；電解液儲(chǔ)槽和接電端子為公知的電化學(xué)反應(yīng)所需裝置，故沒有寫入權(quán)項(xiàng)中，其中，接電端子與外電路功能器件之間方便地用電線連接電化學(xué)池的電源或用電器。
[0041]