1、流化床电化学反应器研究概况,概念： 实现电化学反应的设备或装置称为电化学反应器。 广泛应用于工业电解、化学电源、电镀和环境保护工程领域中。,分类：按结构：箱式电化学反应器，筒式电化学反应器，结构特殊的电化学反应器；按工作方式：间歇式电化学反应器、置换流式电化学反应器、连续搅拌式电化学反应器；按工作电极形状：二维电极反应器（平行板、圆筒、棒）；三维电极反应器（多孔材料、纤维网、粒子 等）。,在三维电极反应器中： 填充的导电性粒子和纤维处于静止状态时,称为固定床电极；填充的导电性粒子处于流动状态时,则称为流化床电极。 流化床电化学反应器( FBER)是一种三维颗粒电极反应器。,一般有阴极室和阳极室
2、组成隔膜分开颗粒电极既可在阴极室也可在阳极室,FBER 结构,FBER结构示意图,圆柱形流化床电极示意图,1-液体预分器；2-分布板；3-流态化颗粒；4-馈电极；5-阳极隔膜；6-阳极,矩形流化床电极示意图,1-流态化颗粒电极；2-馈电极；3-隔膜；4-阳极,FBER 特点：,1.比表面积大 传统平板电极比表面积为15m2/m3,FBER比表面积高达 3500m2/m3，因此具有非常高的时空产率和低的投资成本。2.传质膜厚度降低，传质效率高导电颗粒之间的频繁碰撞，导致颗粒表面扩散层变薄。3.金属可连续回收不断加入小颗粒并移走长大的颗粒。4.相对PBER，FBER床层电位和反应速率更加均匀。,F
3、BER 的研究主要集中在三个方面： (1)导电机理； (2)数学模拟；(3)应用开发。,导电机理：碰撞机理；双极机理,床层膨胀率较低时，颗粒密度较大，颗粒间的碰撞非常剧烈，颗粒相互碰撞而接触的时间大于相互孤立的时间。 床层中的颗粒相互碰撞而成链或成团并与对电极接触，整个床层呈现与对电极相同的单极状态，颗粒仅发生阳极反应或阴极反应，而不可能同时发生。,碰撞机理(单极),当床层膨胀率（颗粒团聚）增大到某一数值时，双极颗粒开始出现，床层中的部分颗粒表现为单极，部分表现为双极。,双极机理,（a）流化床层,（b）颗粒或颗粒微团,FBER属于非均相电化学反应系统建立数学模型处理反应器设计问题：（1）涉及动
4、量、质量、热量和电场能衡算，热力学和反应动力学等，各种因素给反应器设计带来困难。（2）由反应动力学方程、电荷守恒方程及电荷传递方程、质量平衡方程建立数学模型。,数学模拟,数学模拟对电极电位分布的描述：,颗粒随机运动，频繁碰撞颗粒电位: 出现一次电位波动溶液电位：过电位：,数学模拟电位波动现象,颗粒碰撞过程中电位波动示意图,废水处理 重金属离子回收与提炼 有机电合成 电镀 燃料电池,应用开发,重金属离子回收与提炼,金属电沉积回收或除去金属离子，如处理低含量铜、锌、银、铬的废滤液及废水等。FBER 能较好地解决回收的金属含杂质较多和二次工序污染严重等问题。,电流效率随电解液中Cu+浓度变化关系,流
5、化床电沉积数据,Ag+回收率达到85%,有机电合成,利用环形FBER 在石墨颗粒上电沉积非导电高分子邻苯二甲酸二辛酯( EAA) 薄膜, 获得较大的膜沉积量, 使聚合反应时间缩短。利用环形FBER 在石墨颗粒表面进行苯胺(PA) 聚合, 保证了稳定的反应速率。在FBER中将D-葡萄糖酸盐直接氧化生成D-阿拉伯糖,当电流密度为0.446A/cm2 时, 转化率可达70%。在FBER中电解合成乙醛酸，电流效率高，时空产率较大。,FBER存在的不足：导电颗粒之间的间断接触产生较大的电阻；床层内存在的电位分布使颗粒电极的整体活化面积得不到充分利用；电位波动影响颗粒电极表面的电化学反应以至反应器的宏观性能。,今后研究开发的方向：加强床层内颗粒电极的接触, 以提高颗粒相的电导率, 减少床层内双极现象的发生和电极电位的不均匀分布；对FBER床层内的颗粒电位、溶液电位及过电位等波动信号进行深入分析；建立能够反映FBER本质特征的数学模型并进行合理简化,以指导反应器的设计和放大。,
