ЭЛЕКТРОХИМИЧЕСКИЙ ПРОТОЧНЫЙ РЕАКТОР Российский патент 2023 года по МПК C25B9/19 C02F1/46 H01M50/477 B01F25/42 

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ

Настоящее изобретение относится к электрохимическому проточному реактору, такому как электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком. Это изобретение также относится к процессам, системам и способам, включающим применение электрохимического проточного реактора.

УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ

Реакторы с непрерывным потоком обычно включают реакционную камеру, где реактанты текучих сред непрерывно подают для введения в химическую реакцию с образованием продуктов, которые создают непрерывный выходной поток из реакционной камеры. Реакционные камеры обычно погружены в нагревающую/охлаждающую текучую среду, например, с конфигурацией кожухотрубного теплообменника, для облегчения подведения тепла к реакции/отведения от реакции.

В реакторах с непрерывным потоком могут быть использованы реакционные камеры со слоем носителя, в которых реакционная камера заполнена частицами твердого катализатора, который создает поверхности с каталитической активностью, на которых может протекать химическая реакция. Статические смесители могут быть использованы для предварительного смешивания потоков текучих сред перед контактом с реакционными камерами со слоем носителя, и ниже по потоку относительно этих камер для передачи тепла между центральной и наружными областями реакторных труб. Статические смесители включают твердые структуры, которые прерывают поток текучей среды для стимулирования перемешивания реактантов перед реакцией в реакционных камерах со слоем носителя и для содействия формированию желательных конфигураций тепло- и массопереноса ниже по потоку относительно этих камер.

Электрохимические проточные реакторы были использованы в обработке потоков текучих сред для удаления растворенных металлов электроосаждением ионов растворенных металлов с образованием твердых металлических продуктов на поверхности электродов, размещенных в электрохимических проточных реакторах. Электрохимические проточные реакторы для обработки воды были предназначены для систем с малым расходом потока, с имеющими большую площадь поверхности электродами, для высокой производительности и регулирования удаления растворенных металлов из потоков водных текучих сред, имеющих разбавленные/низкие концентрации ионов растворенных металлов. Электрохимические проточные реакторы также применяются в электросинтезе различных продуктов, и, в частности, для формирования реактантов или промежуточных продуктов.

Существует потребность в альтернативных или усовершенствованных электрохимических проточных реакторах для обеспечения эффективного перемешивания, большого массопереноса, и/или универсальной применимости в промышленных вариантах использования.

Будет понятно, что любые прототипные публикации, на которые здесь приведены ссылки, не подразумевают признания того, что любые из этих документов составляют часть общепринятого знания в технологии, в Австралии или в любой другой стране.

СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Авторы настоящего изобретения провели исследование и разработали альтернативные электрохимические проточные реакторы, и установили, что статические смесители могут быть сконфигурированы для действия в качестве электрода внутри электрохимического проточного реактора для достижения эффективного перемешивания, высокого массопереноса, и/или универсальной применимости в промышленных вариантах использования. Электрохимические проточные реакторы могут включать электрод с функцией статического смесителя, отделенный от противоэлектрода проницаемой мембраной. Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции, в то же время обеспечивая высокую производительность. Электрод с функцией статического смесителя может представлять собой электрод, включающий участок статического смесителя.

В одном аспекте представлена электрохимическая проточная ячейка, включающая:

реакционную камеру;

первый электрод;

второй электрод; и

сепаратор, размещенный между первым и вторым электродами, причем сепаратор, по меньшей мере частично, образует первый канал внутри реакционной камеры, предназначенный для принятия потока первой текучей среды в контакте с первым электродом, и второй канал внутри реакционной камеры, предназначенный для принятия потока второй текучей среды в контакте со вторым электродом,

причем сепаратор включает проницаемую мембрану, которая создает ионную коммуникацию между первым и вторым электродами через потоки текучих сред, в то же время ограничивая обмен текучей средой между потоками текучих сред, и

причем первый электрод включает участок статического смесителя, образующий множество разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока первой текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода.

В одном варианте исполнения электрохимическая проточная ячейка представляет собой трубчатый реактор с непрерывным потоком.

В одном варианте исполнения диаметр участка статического смесителя первого электрода может быть приблизительно равным диаметру первого канала. Первый электрод может быть размещен в контакте с сепаратором. Сепаратор и второй электрод могут быть размещены концентрически и соосно с центральной продольной осью первого электрода. Сепаратор и второй электрод могут быть по существу цилиндрическими. Второй электрод может составлять по меньшей мере часть стенки реакционной камеры.

В одном варианте исполнения первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть предназначен для усиления массопереноса и хаотической адвекции созданием множества разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода.

В одном варианте исполнения смежные разделяющие структуры участка статического смесителя могут быть размещены под различными углами вращения вокруг центральной продольной оси участка статического смесителя. Участок статического смесителя может включать множество по существу сходных структурных модулей, размещенных последовательно вдоль длины участка статического смесителя. Первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть выполнен с возможностью усиления хаотической адвекции разделением потока первой текучей среды более чем на 200 м^-1, соответственно числу циклов разделения потока первой текучей среды внутри данной длины вдоль участка статического смесителя первого электрода.

В еще одном варианте исполнения первый электрод, включающий участок статического смесителя, выполнен с возможностью действия при числе Пекле (Pe) по меньшей мере около 10000. Первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть выполнен с возможностью действия при падении давления вдоль первого электрода (в Па/м) от около 100 до 100000. Первый электрод, включающий участок статического смесителя, может быть выполнен с возможностью действия внутри первого канала для создания объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин.

В еще одном аспекте представлена электрохимическая проточная система, включающая по меньшей мере первую электрохимическую проточную ячейку согласно первому аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, как здесь описываемым.

В одном варианте исполнения электрохимическая проточная система включает первую и вторую электрохимическую проточную ячейку согласно любому аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, как здесь описываемым. Множество проточных трубопроводов могут быть предусмотрены для соединения первой электрохимической проточной ячейки со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.

В одном варианте исполнения электрохимическая проточная система дополнительно включает:

насос для создания течения текучей среды потоков текучих сред;

источник питания для регулирования протекающего через электроды тока, или подводимого к ним напряжения;

управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, включающих концентрацию, величину расхода потока, температуру, давление, и время пребывания.

В еще одном аспекте представлен способ электрохимической обработки потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки согласно любым аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, реактора или системы ее, как здесь описываемым. Способ может быть предназначен для обработки сточных вод, удаления ионов растворенных металлов из потока текучей среды, или извлечения металла из потока текучей среды.

В одном варианте исполнения способа электрохимическая проточная ячейка, включающая первый электрод, содержащий участок статического смесителя, может действовать для обеспечения по меньшей мере одного из:

хаотической адвекции разделением потока первой текучей среды более чем на 200 м^-1, соответственно числу циклов разделения потока первой текучей среды внутри данной длины вдоль участка статического смесителя первого электрода;

числа Пекле (Pe) по меньшей мере около 10000;

падения давления вдоль первого электрода (в Па/м) от около 100 до 100000;

объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин;

плотности тока на первом и втором электроде от около 1 мкА·м^-2 до около 1000 А·м^-2.

Способ может включать действие первой и второй электрохимической проточной ячейки согласно любым аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, как здесь описываемым, причем множество проточных трубопроводов соединяют первую электрохимическую проточную ячейку со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.

В еще одном аспекте представлен способ электрохимического синтеза продукта, предусматривающий применение электрохимической проточной ячейки согласно любым аспекту, варианту исполнения или примеру электрохимической проточной ячейки, реактора или системы их, как здесь описываемым.

В еще одном аспекте представлен способ удаления веществ из потока текучей среды, предусматривающий применение электрохимической проточной ячейки, реактора или системы их, согласно любым аспектам, вариантам исполнения или примерам их, как здесь описываемым. Вещества могут быть металлическими веществами, растворенными в потоке текучей среды.

Будет понятно, что здесь описаны и другие аспекты, варианты исполнения и примеры электрохимической проточной ячейки, реактора или системы.

КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ

Предпочтительные варианты осуществления настоящего изобретения описаны и иллюстрированы далее, только в порядке примера, со ссылкой на сопроводительные чертежи, в которых:

Фигура 1 показывает схематическое изображение электрохимической проточной ячейки согласно некоторым вариантам исполнения;

Фигура 2 показывает показывает схематическое изображение электрохимической проточной ячейки с сепаратором согласно некоторым вариантам исполнения;

Фигура 3А показывает перспективный вид электрода с функцией статического смесителя согласно некоторым вариантам исполнения;

Фигура 3В показывает (в отдельном изображении) перспективный вид участка статического смесителя электрода с функцией статического смесителя из Фигуры 3А;

Фигура 3С показывает (в отдельном изображении) вид в разрезе участка статического смесителя электрода с функцией статического смесителя из Фигуры 3А;

Фигура 3D показывает (в отдельном изображении) вид сбоку участка статического смесителя электрода с функцией статического смесителя из Фигуры 3А;

Фигура 4А показывает перспективный вид электрохимической проточной ячейки согласно некоторым вариантам исполнения;

Фигура 4В показывает перспективный вид проточной ячейки из Фигуры 4А в разобранном состоянии;

Фигура 4С показывает вид в разрезе проточной ячейки из Фигуры 4А;

Фигура 5 показывает перспективный вид торцевой крышки проточной ячейки из Фигуры 4А;

Фигура 6 показывает схематическиое изображение электрохимической проточной системы, включающей две электрохимических проточных ячейки, согласно некоторым вариантам исполнения;

Фигура 7 показывает хроноамперометрические отклики в 100 секундах с интервалами в 50 секунд в стационарном режиме и 50 секунд при постоянном расходе потока от 10 до 400 мл·мин^-1 при постоянных потенциалах (a) -1,4 В, (b) -1,6 В, (c) -1,8 В, и (d) -2 В (0,001 M K₃[Fe(CN)₆]);

Фигура 8 показывает хроноамперометрические отклики в 100 секундах с интервалами в 50 секунд в стационарном режиме и 50 секунд при постоянном расходе потока от 10 до 400 мл·мин^-1 при постоянных потенциалах (a) -1,4 В, (b) -1,6 В, (c) -1,8 В, и (d) -2 В (0,01 M K₃[Fe(CN)₆]);

Фигура 9 показывает хроноамперометрические отклики в 100 секундах с интервалами в 50 секунд в стационарном режиме и 50 секунд при постоянном расходе потока от 10 до 400 мл·мин^-1 при постоянных потенциалах (a) -1,4 В, (b) -1,6 В, (c) -1,8 В, и (d) -2 В (0,1 M K₃[Fe(CN)₆]);

Фигура 10 показывает производительность электрохимической проточной ячейки при удалении ионов меди из 0,01М раствора серной кислоты при трех различных концентрациях Cu2⁺;

Фигура 11 показывает (а) визуальное изображение электрода, действующего в качестве статического смесителя, до и после процессов, (b) EDS-анализ (энергодисперсионной рентгеновской спектроскопии) и (с-е) SEM-изображения (из сканирующего электронного микроскопа) электрода с функцией статического смесителя после 5 часов электролиза; и

Фигура 12 показывает концентрацию меди в зависимости от времени в течение 24 часов работы электрохимической проточной ячейки в варианте исполнения с разделенной конфигурацией.

ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Настоящее изобретение описывает следующие различные неограничивающие варианты осуществления, которые имеют отношение в исследованиям, проведенным для идентификации электрохимических проточных реакторов, способных обеспечивать эффективное перемешивание, высокий массоперенос, и/или универсальную применимость в промышленных вариантах использования. Неожиданно было найдено, что электрод, включающий участок статического смесителя, мог бы быть конфигурирован внутри электрохимической проточной ячейки для достижения эффективного перемешивания, высокого массопереноса, и/или универсальной применимости в промышленных вариантах использования. Также было найдено, что мог бы быть создан эффективный электрохимический реактор, где электрод, включающий участок статического смесителя, был выполнен с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции. Кроме того, неожиданные преимущества относительно действия системы и производительности были выявлены введением сепаратора между электродом, включающим участок статического смесителя, и противоэлектродом, для размещения каждого из электродов в ионной коммуникации и в отдельных проточных каналах.

Термины

На протяжении этого описания, если конкретно не оговорено иное, или контекст не требует иного, ссылка на одиночную стадию, обсуждаемый состав, группу стадий или группу обсуждаемых композиций, должны рассматриваться как охватывающие одно или многие (то есть, одно или многие) из этих стадий, обсуждаемых композиций, групп стадий или групп обсуждаемых композиций. Таким образом, как применяемые здесь, формы единственного числа «a», «an» и «the» включают множественные аспекты, если контекст четко не оговаривает иное. Например, ссылка на «a» включает единственный объект, а также два или более; ссылка на «an» включает единственный объект, а также два или более; ссылка на «the» включает единственный объект, а также два или более, и так далее.

Термин «и/или», например, «X и/или Y», означает либо «X и Y», либо «X или Y», и считается обеспечивающим четкую поддержку обоих значений или любого из значений.

Как применяемый здесь, термин «около», если не оговорено иное, обычно подразумевает +/-10%-ное, например, +/-5%-ное отклонение от указанного значения.

На всем протяжении этого описания слово «включают», или вариации, такие как «включает» или «включающий», будет пониматься как подразумевающее включение указанного элемента, целого числа или стадии, или группы элементов, целых чисел или стадий, но не исключающее любого другого элемента, целого числа или стадии, или группы элементов, целых чисел или стадий.

Квалифицированным специалистам в этой области технологии будет понятно, что приведенное здесь изобретение подвержено вариациям и модификациям в ином плане, нежели конкретно описанные. Должно быть понятно, что изобретение включает все такие вариации и модификации. Изобретение также включает все из стадий, признаков, композиций и соединений, перечисленных или указанных в этом описании, по отдельности или в совокупности, и любые и все комбинации или любые из двух указанных стадий или признаков.

Каждый пример описываемого здесь настоящего изобретения должен быть применим, с необходимыми поправками, к каждому и всякому другому примеру, если конкретно не оговорено иное. Настоящеее изобретение не должно быть ограничено в своей области конкретными описанным здесь примерами, которые предназначены только для иллюстративной цели. Функционально эквивалентные продукты, композиции и способы явно находятся в пределах области изобретения, как здесь описываемого.

Если не оговаривается иное, все используемые здесь технические и научные термины имеют такое же значение, как это является общепонятным специалисту с обычной квалификацией в этой области технологии, к которой принадлежит изобретение. Хотя способы и материалы, сходные или эквивалентные тем, которые здесь описаны, могут быть использованы на практике или для тестирования настоящего изобретения, ниже описаны пригодные для этого способы и материалы. В случае противоречия будет преобладать настоящее изобретение, в том числе определения. В дополнение, материалы, способы и примеры являются только иллюстративными и не предполагаются быть ограничивающими.

Электрохимический проточный реактор

Может быть создана электрохимическая проточная ячейка, включающая: реакционную камеру, первый электрод, включающий участок статического смесителя, второй электрод, и сепаратор, размещенный между первым и вторым электродами.

Сепаратор может, по меньшей мере частично, образовывать первый канал внутри реакционной камеры для принятия потока первой текучей среды в контакте с первым электродом, и второй канал внутри реакционной камеры, предназначенный для принятия потока второй текучей среды в контакте со вторым электродом. Будет понятно, что сепаратор обеспечивает возможность ионной коммуникации между первым и вторым электродами посредством потоков текучих сред. Сепаратор может представлять собой проницаемую мембрану, которая ограничивает обмен текучими средами между потоками текучих сред. Участок статического смесителя может образовывать/включать множество разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода. Будет понятно, что участок статического смесителя как часть электрода, является электрически проводящим. Дополнительные варианты исполнения и подробности электрохимической проточной ячейки описаны следующим образом.

Со ссылкой на Фигуру 1, электрохимическая проточная ячейка 100 (без показанного сепаратора) включает реакционную камеру 102, содержащую первый электрод 104 и второй электрод 106. Второй электрод 106 может формировать по меньшей мере часть стенки реакционной камеры 102, как показано в Фигуре 1. Первый электрод 104 может включать статический смеситель. Второй электрод 106 может включать статический смеситель. Первый и второй электроды 104, 106 могут быть размещены концентрически, с окружающей другого конфигурацией, или в конфигурации с параллельным размещением.

Источник 110 электрической энергии может быть соединен с первым и вторым электродами 104, 106 через соответствующие первый и второй электрические проводники или кабели 114, 116, для подачи разности потенциалов или напряжения на электроды 104, 106. В некоторых вариантах исполнения первый электрод 104 может действовать как анод, и второй электрод 106 может действовать как катод. В некоторых вариантах исполнения первый электрод 104 может действовать как катод, и второй электрод 106 может действовать как анод. В некоторых вариантах исполнения отрицательный потенциал может быть подведен к первому электроду 104, и положительный потенциал может быть подведен ко второму электроду 106. В некоторых вариантах исполнения к первому электроду 104 может быть подведен положительный потенциал, и ко второму электроду 106 может быть подведен отрицательный потенциал.

Первый и второй электроды 104, 106 могут быть сформированы из электропроводного материала, или могут включать электропроводное поверхностное покрытие. Дополнительные характеристики электродов 104, 106 описаны ниже согласно различным вариантам исполнения и примерам.

Насос 120 может быть размещен для создания течения текучей среды в реакционную камеру 102 по первому проточному трубопроводу 124 для текучей среды через первый впускной канал 134 в реакционной камере 102, для протекания текучей среды через первый электрод 104 или вокруг него. Насос 120 может быть размещен также для подачи текучей среды в реакционную камеру по второму проточному трубопроводу 126 для текучей среды через второй впускной канал 136 в реакционной камере 102, для протекания текучей среды между первым электродом 104 и вторым электродом 106. Затем текучая среда может вытекать из реакционной камеры 102 через первый выпускной канал 144, смежный с первым электродом 104, и второй выпускной канал 146, более близкий ко второму электроду 106.

В некоторых вариантах исполнения текучая среда может подаваться в первый и второй проточные трубопроводы 124, 126 независимо из первого насоса 120 и второго насоса 122, как показано в Фигуре 2. В некоторых вариантах исполнения первый и второй проточные трубопроводы 124, 126 могут подавать в реакционную камеру 102 различные текучие среды. Проточные трубопроводы 124, 126 могут включать, например, трубы или трубки.

Со ссылкой на Фигуру 2, представлена электрохимическая проточная ячейка 200 согласно некоторым вариантам исполнения (с показанным сепаратором). Проточная ячейка 200 подобна проточной ячейке 100, описанной в отношении Фигуры 1, и сходные кодовые номера позиций использованы для подобных компонентов. В дополнение к компонентам, показанным в проточной ячейке 100 и изложенным выше, проточная ячейка 200 включает сепаратор 202. Сепаратор в варианте исполнения, как показанный в Фигуре 2, по меньшей мере частично отделяет первую текучую среду, находящуюся вокруг первого электрода 104 или рядом с ним, от второй текучей среды, смежной со вторым электродом 106, между первым и вторым электродами 104, 106. Сепаратор 202 совместно со стенками реакционной камеры 102 может формировать первый канал 204 и второй канал 206. Первый электрод 104 может быть размещен в первом канале 204, и второй электрод 106 может быть размещен в стенке второго канала 106 или формировать ее. Впускные каналы 134, 136 и выпускные каналы 144, 146 могут быть конфигурированы так, что первая текучая среда протекает через первый канал 204, и вторая текучая среда протекает через второй канал 206. В некоторых вариантах исполнения соотношение между площадями боковой поверхности поперечного сечения первого канала 204 и второго канала 206 может быть в диапазоне, например, от 0,01 до 100, от 0,1 до 10, от 0,5 до 5, от 0,3 до 1, от 0,5 до 0,9, от 0,5 до 1,5, или от 0,8 до 1,2.

Сепаратор 202 может обеспечивать возможность течения электрических зарядов между электродами 104, 106, но ограничивать пропускание всей текучей среды через сепаратор 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может создавать ионную коммуникацию между первым и вторым электродами 104, 106. Например, ионы могут проходить из первого канала 204 в текучую среду канала 206, тогда как может быть предотвращено или существенно ограничено пропускание других компонентов текучих сред через сепаратор 202. В некоторых вариантах исполнения небольшое количество текучей среды может проходить через сепаратор 202, хотя сепаратор 202 может быть конфигурирован так, чтобы по существу препятствовать течению текучей среды через сепаратор 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать проницаемую мембрану, полупроницаемую мембрану или селективно проницаемую мембрану. Характеристики сепаратора 202 более подробно описаны ниже согласно различным вариантам исполнения.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 и стенки реакционной камеры 102 могут быть размещены так, чтобы образовывать каналы 204, 206 в конфигурации с параллельным размещением. Сепаратор 202 может быть по существу планарно протяженным между каналами 204, 206. В некоторых вариантах исполнения каналы 204, 206 могут быть протяженными по существу параллельно. В некоторых вариантах исполнения второй канал 206 может частично окружать первый канал 204. В некоторых вариантах исполнения первый и второй каналы 204, 206 могут быть размещены концентрически. В некоторых вариантах исполнения первый канал 204 может быть полностью сформирован внутренней поверхностью сепаратора 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 и камера 102 могут быть по существу цилиндрическими. В некоторых вариантах исполнения камера 102 может быть по существу соосной сепаратору 202. В некоторых вариантах исполнения второй электрод 106 может быть по существу соосным первому электроду 104. В некоторых вариантах исполнения все из стенки камеры 102 и сепаратора 202 могут быть по существу цилиндрическими и соосными центральной продольной оси первого электрода 104.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может образовывать/включать вариации поверхности или волнистости для увеличения площади поверхности сепаратора 202. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть гофрированным. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть по существу цилиндрическим с продольными складками. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть по существу цилиндрическим с окружными складками.

Первый электрод 104 (и/или второй электрод 106) может включать участок статического смесителя (например, статический смесительный элемент, или SME), который образует структуру, имеющую такую геометрию, которая стимулирует перемешивание текучей среды, протекающей через статический смеситель между общим объемом текучей среды и поверхностью электрода, а также внутри самой текучей среды. Первый электрод может представлять собой электрод с функцией статического смесителя. Электрод 104 с функцией статического смесителя может быть предназначен для разделения потока во множестве различных местах разделения вдоль длины электрода 104, чтобы стимулировать тщательное перемешивание путем хаотической адвекции.

Статический смеситель может быть составлен множеством разделительных структур, размещенными в местах разделения для разделения потока. Разделительные структуры могут быть размещены под разными азимутальными углами в различных местах для разделения потока под различными углами. В некоторых вариантах исполнения разделительные структуры могут быть предназначены для разделения потока на два отдельных субпотока на каждом месте разделения. В некоторых вариантах исполнения разделительные структуры могут быть предназначены для разделения потока по меньшей мере на три отдельных субпотока на каждом месте разделения, например, таких как три, четыре, пять, шесть, семь или восемь отдельных струй.

Геометрия статического смесителя может быть конфигурирована для усиления хаотической адвекции на основе свойств конкретной текучей среды. Структура статического смесителя может включать сетчатые элементы, включающие одно или многие пересекающиеся лезвия или лопатки, раскосы, неровности, волнистости и выступы, спирали, гофрированные пластины, открытые конфигурации, закрытые конфигурации, поры, каналы, полости, трубки, и многослойные конструкции.

Геометрия может регулярно повторяться вдоль длины смесителя, или же может варьировать по размеру, типу и/или форме. Геометрия также может варьировать по своей характеристической длине от масштаба смесителя до нанометров, и технические особенности могут быть предусмотрены во всех масштабах длин между ними.

Со ссылкой на Фигуры 3А-3D, показан электрод 104 с функцией статического смесителя согласно некоторым вариантам исполнения. Электрод 104 включает участок 304 статического смесителя, протяженный между первым оконечным участком 334 и вторым оконечным участком 344. Оконечные участки 334, 344 могут представлять собой трубы или трубки для направления текучей среды через статический смеситель.

Первый оконечный участок 334 может составлять первый впускной канал 134 проточной ячейки, и второй оконечный участок 344 может образовывать первый выпускной канал 144 проточной ячейки, такой как в проточных ячейках 100, 200, описанных выше в отношении Фигур 1 и 2. Оконечные участки 334, 344 также могут создавать область электрического контакта для соединения электрода 104 с источником 110 питания.

Участок 304 статического смесителя показан в Фигурах 3В-3D без оконечных участков 334, 344, чтобы более четко показать геометрию согласно некоторым вариантам исполнения. Участок 304 статического смесителя включает множество прямолинейных разделительных структур, размещенных в повторяющихся модулях, причем каждый последующий модуль повернут на 90° относительно предшествующего модуля вокруг центральной продольной оси участка статического смесителя, протяженного от одного оконечного участка до другого. Участок 334 статического смесителя стимулирует хаотическую адвекцию текучей среды, протекающей через участок 334 статического смесителя, в общем направлении вдоль центральной продольной оси, разделяя и вновь объединяя поток во множестве местах разделения вдоль длины участка 334 статического смесителя. Разделительные структуры разделяют поток на множество отдельных субпотоки в каждом месте разделения, и отдельные субпотоки затем объединяются перед новым разделением в следующей разделительной структуре в следующем месте разделения.

Всякий раз, как поток разделяется и объединяется, он вводит различные части текучей среды из объема текучей среды в контакт с поверхностью электрода 104, и многократное разделение потока вдоль длины статического смесителя повышает количество текучей среды, которая приходит в контакт с электродом 104.

В некоторых вариантах исполнения диаметр электрода 104 с функцией статического смесителя может быть близким к внутреннему диаметру сепаратора 202. То есть, первый электрод 104 может быть плотно вставлен внутрь сепаратора 202. Наружная оболочка статического смесителя первого электрода 104 сообразно своей геометрии может по существу полностью заполнять внутренний объем, образуемый сепаратором 202. В некоторых вариантах исполнения объем первого электрода 104 может составлять величину в диапазоне от 1% до 99% внутреннего объема канала 204, необязательно, от 10% до 90%, от 20% до 80%, от 30% до 70%, или от 40% до 60%. В некоторых вариантах исполнения объем первого электрода 104 может занимать по меньшей мере около 10%, 20%, 30%, 40%, 50%, 60%, 70%, 80%, 90%, 95%, 98%, или 99%, внутреннего объема канала 204. Дополнительные характеристики статического смесителя описаны ниже согласно различным вариантам исполнения.

Со ссылкой на Фигуры 4А-4С, показана электрохимическая проточная ячейка 400 согласно некоторым вариантам исполнения, в собранной конфигурации (Фиг. 4А), в разобранном состоянии (Фиг. 4В), и в поперечном разрезе (Фиг. 4С). Сходные компоненты обозначены подобными кодовыми номерами позиций, и могут включать любые из признаков проточных ячеек 100, 200, и компонентов, описанных в отношении Фигур 1 и 2, или электрода 104 с функцией статического смесителя, описанного в отношении Фигур 3А-3D.

Проточная ячейка может включать первый электрод 104, второй электрод 106, и сепаратор 202, размещенный между первым электродом 104 и вторым электродом 106. Первый электрод 104 может включать электрод 104 с функцией статического смесителя, как описано, например, в отношении Фигур 3А-3D.

Сепаратор 202 может включать проницаемую, полупроницаемую или селективно проницаемую мембрану, которая является по существу цилиндрической и плотно охватывает участок 304 статического смесителя первого электрода 104. Сепаратор 202 и первый электрод 104 могут сообща формировать первый канал 204, вдоль которого текучая среда может протекать, контактировать с первым электродом 104 и перемешиваться участком 304 статического смесителя (смотри Фигуру 4С).

Второй электрод 106 также может быть по существу цилиндрическим и образовывать наружную стенку реакционной камеры 102, окружающей сепаратор 202 и первый электрод 104. Сепаратор 202 и второй электрод 106 могут сообща формировать второй канал 206, вдоль которого текучая среда может протекать и контактировать со вторым электродом 106 (смотри Фигуру 4С).

Сепаратор 202 и второй электрод 104 могут быть размещены по существу концентрически и/или соосно центральной продольной оси первого электрода 104.

Сепаратор 202 и электроды 104, 106 удерживаются на месте двумя противоположными торцевыми крышками 500, показанными с дополнительными подробностями в Фигуре 5, согласно некоторым вариантам исполнения. Каждая торцевая крышка 500 включает корпус 501, образующий посадочное гнездо 502 сепаратора, посадочное гнездо 504 первого электрода и посадочное гнездо 506 второго электрода.

Посадочное гнездо 506 второго электрода образовано круговой выемкой в корпусе 501, предназначенной для размещения по меньшей мере части конца второго электрода 106. Проточная ячейка 400 может включать прокладку 426 второго электрода, размещенную между вторым электродом 106 и каждой торцевой крышкой 500 для образования герметичного уплотнения между вторым электродом 106 и посадочным гнездом 506 второго электрода (смотри Фигуру 4В).

Посадочное гнездо 502 сепаратора образовано круговой выемкой (или в некоторых вариантах исполнения кольцевой выточкой), предназначенной для соответственного размещения первого оконечного участка 232 или второго оконечного участка 242 сепаратора 202 (смотри Фигуру 4В). Корпус 501 образует отверстие 516, размещенное между посадочным гнездом 502 сепаратора и посадочным гнездом 506 второго электрода, и перепускной канал от отверстия 516 для образования второго выпускного канала 136 или второго впускного канала 146, соответственно.

Посадочное гнездо 504 первого электрода образовано цилиндрическим просверленным отверстием или перепускным каналом, предназначенным для введения соответствующих оконечных участков 334, 344 первого электрода 104. Посадочное гнездо 504 первого электрода может быть окружено фаской 514 на одной стороне корпуса 501, чтобы способствовать размещению первого электрода 104 в посадочном гнезде 504 первого электрода. Перепускной канал может пролегать от фаски 514 до отверстия 524 посадочного гнезда 504 первого электрода на другой стороне корпуса 501 (смотри Фиг. 4В). Первый и второй оконечные участки 334, 344 первого электрода 104 могут быть протяженными через перепускной канал и отверстие 524, и соответственно образуют первый впускной канал 134 или первый выпускной канал 144.

Уплотнение может быть сформировано между оконечными участками 334, 344 и торцевыми крышками 500 из уплотнительной пластины или крышки сальника 410 и прокладки 424 первого электрода (смотри Фиг. 4В). Крышка сальника 410 может включать отверстие 414 электрода для пропускания по меньшей мере части оконечных участков 334, 344, и множество отверстий для крепежных деталей (не показаны) для размещения множества крепежных деталей 412. Корпус 501 торцевых крышек 500 может содержать соответствующее множество выемок 512 для крепежных деталей, предназначенных для введения крепежных деталей 412. Крепежные детали 412 могут входить в зацепление (например, резьбовое) с выемками 512 для крепежных деталей для прижатия крышек 410 сальников к торцевым крышкам 500, зажимая прокладки 424 первого электрода между торцевыми крышками 500 и крышками 410 сальников, и к оконечным участкам 334, 344, образуя тем самым уплотнение между первым электродом 104 и торцевыми крышками 500.

Торцевые крышки 500 могут быть стянуты друг с другом множеством стержней 440, протяженных между торцевыми крышками 500 и проходящих через соответствующее множество отверстий 542 для стяжных стержней, образованных в корпусе 500 каждой торцевой крышки 500. Стержни 440 могут быть предназначены для размещения крепежных деталей 442 стержней на каждом конце каждого стяжного стержня 440 для прижатия торцевых крышек 500 друг к другу и удерживания сепаратора 202 и первого и второго электродов 104, 106 между торцевыми крышками, образуя реакционную камеру 102 и проточную ячейку 400.

Электрохимические проточные ячейки 100, 200 и 400 могут обеспечивать повышенные производительности в электрохимических реакциях, по сравнению с традиционными электрохимическими проточными ячейками, благодаря геометрии статического смесителя первого электрода 104 (и/или второго электрода 106), стимулирующего усиленное перемешивание текучей среды, например, такое как хаотическая адвекция, для увеличения объема текучей среды, приводимой в контакт с первым электродом 104 и/или вторым электродом 106.

Электрохимические проточные ячейки 200 и 400 могут обеспечивать дополнительное преимущество в том плане, что потоки текучей среды могут удерживаться по существу по отдельности в каналах 204, 206 на любой стороне сепаратора 202. Это позволяет обеспечить независимое поступление текучих сред, удерживаемых по существу по отдельности, в то же время по-прежнему обеспечивая протекание электрохимических реакций. Например, в некоторых процессах конкретные частицы, например, такие как ионы металла, могут быть осаждены на поверхности одного из электродов 104, 106 в результате электроосаждения.

Со ссылкой на Фигуру 6, показана электрохимическая проточная система 600 согласно некотоырм вариантам исполнения. Система 600 включает первую проточную ячейку 200а и вторую проточную ячейку 200b, размещенные последовательно и получающие электроснабжение от двух источников 110а и 110b питания, соответственно. Хотя в некоторых вариантах исполнения обе проточных ячейки 200а, 200b может питать единственный источник 110 питания. Электрохимические проточные ячейки 200а, 200b могут быть по существу подобными проточным ячейкам 200 или 400, и могут включать любые из признаков компонентов, описанных выше в отношении Фигур 2-5.

Система 600 может включать первый насос 120, подающий первую текучую среду из первого источника (Вход 1) в первый впускной канал 134а первой проточной ячейки 200а через первый проточный трубопровод 124а первой проточной ячейки 200а, и второй насос 122, подающий вторую текучую среду из второго источника (Вход 2) во второй впускной канал 136а первой проточной ячейки 200а через второй проточный трубопровод 126а первой проточной ячейки 200а. Первый и второй электроды 104b, 106b второй проточной ячейки 200b могут снабжаться электрическим напряжением в обратной полярности относительно напряжения, подводимого к первому и второму электродами 104а, 106а первой проточной ячейки 200а.

Система 600 может быть конфигурирована так, что первая текучая среда, поступающая в первый впускной канал 134а первой проточной ячейки 200а, протекает через первый канал 204а и вытекает через первый выпускной канал 144а первой проточной ячейки 200а, затем поступает во второй впускной канал 136b второй проточной ячейки 200b через второй проточный трубопровод 126b второй проточной ячейки 200b, и вытекает через второй выпускной канал 146b в первый резервуар (Выход 1). Система 600 может быть дополнительно конфигурирована так, что вторая текучая среда, поступающая во второй впускной канал 136а первой проточной ячейки 200а, протекает через второй канал 206а и вытекает через второй выпускной канал 146а первой проточной ячейки 200а; затем поступает в первый впускной канал 134b второй проточной ячейки 200b через первый проточный трубопровод 124b; через первый канал 204b второй проточной ячейки 200b и вытекает через первый выпускной канал 144b во второй резервуар (Выход 2).

Например, источник первой текучей среды может включать загрязняющий металл, такой как медь, и может быть желательным удалить загрязнение из источника первой текучей среды и перенести загрязнение во вторую текучую среду. При протекании через систему 600 загрязняющее вещество будет осаждаться на первом электроде 104а первой проточной ячейки 200а из первой текучей среды, и, если имеется любое загрязнение, оставшееся в первой текучей среде после прохода через первую проточную ячейку 200а, загрязнение будет также осаждаться на втором электроде 106b второй проточной ячейки 200b, когда первая текучая среда протекает через второй канал 206b второй проточной ячейки 200b. Вторая текучая среда будет проходить через второй канал 206а первой проточной ячейки 200а и первый канал 204b второй проточной ячейки 200b для создания электрического контакта и завершения гальванической цепи для каждой проточной ячейки 200а, 200b.

В традиционных системах, когда загрязняющее вещество наросло на электроде в результате электроосаждения, электрод удаляют из системы, и осажденное загрязнение механически удаляют с поверхности электрода. Однако, когда используют систему 600, нет необходимости в извлечении электродов.

Как только загрязнение накопилось в результате осаждения на первом электроде 104а первой проточной ячейки 200а и втором электроде 106b второй проточной ячейки 200b, источники текучих сред могут быть переключены взаимообменом проточных трубопроводов 124а, 126а или использованием линейных задвижек или клапанов (не показаны) так, что первая текучая среда протекает через второй канал 206а первой проточной ячейки 200а и первый канал 204b второй проточной ячейки 200b, и вторая текучая среда протекает через первый канал 204а первой проточной ячейки 200а и второй канал 206b второй проточной ячейки 200b. Этим путем загрязнение будет удаляться с поверхностей первого электрода 104а первой проточной ячейки 200а и второго электрода 106b второй проточной ячейки 200b, и бóльшая часть загрязнения будет удалена из первой текучей среды и осаждена на втором электроде 106а первой проточной ячейки 200а и первом электроде 104b второй проточной ячейки 200b.

Электрохимическая проточная система 600 позволяет проводить электрохимическую реакцию неопределенно долго с относительно короткими перерывами для переключения путей текучих сред, сравнительно с традиционными системами, для которых требуется физическое извлечение и замена электродов, когда осаждение материала на электродах достигло некоторого порогового значения.

Электрохимический трубчатый реактор

Электрохимический проточный реактор, например, описанная выше электрохимическая проточная ячейка, может быть сформирован в виде электрохимического трубчатого реактора с непрерывным потоком. Электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком может быть сформирован согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным для электрохимической проточной ячейки.

Будет понятно, что трубчатый реактор может быть создан с различными формами, длинами и конфигурациями. Например, трубчатый реактор может включать реакторную камеру круглой или некруглой формы, или где реакционная камера включает один или многие проточные каналы, которые имеют круглую или некруглую окружную форму. Примеры некруглых форм могут включать прямоугольную форму, форму равнобедренного треугольника, эллиптическую, трапециевидную и шестиугольную форму. В одном варианте исполнения трубчатый реактор или реакторная камера имеет по существу круглую или цилиндрическую форму.

Электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком может включать корпус реактора, образующий реакторную камеру для размещения по меньшей мере одного электрода с функцией статического смесителя, отдаленного на заданное расстояние от по меньшей мере одного противоэлектрода. Электрод с функцией статического смесителя может быть сформирован электродом, включающим участок статического смесителя или статический смесительный элемент, как здесь описанный. Будет понятно, что участок статического смесителя или статический смесительный элемент, или по меньшей мере часть любого покрытия на нем, может быть электрически проводящим. Реактор также включает проницаемую мембрану, действующую в качестве сепаратора для отделения по текучей среде электрода с функцией статического смесителя от противоэлектрода, в то же время с обеспечением электрического соединения между электродами. Реактор может образовывать проточный канал для размещения электрода с функцией статического смесителя, который отделен от проточного канала, который содержит противоэлектрод. Пара электродов может создавать пару катода и анода для инициирования электрохимической реакции в трубчатом реакторе. Электрод с функцией статического смесителя и противоэлектрод могут быть как катодом, так и анодом, в зависимости от тока, протекающего в электрохимической ячейке. Например, электродная пара может быть реверсирована переключением подводимого тока. Электрод с функцией статического смесителя также может быть выполнен с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции.

Будет понятно, что трубчатый реактор предназначен для обеспечения протекания по меньшей мере потока первой текучей среды через электрод с функцией статического смесителя, чтобы быть подвергнутым обработке с хаотической адвекцией и электрохимической реакцией перед выходом через выпускной канал. Также будет понятно, что каждый проточный канал в трубчатом реакторе может иметь по меньшей мере один впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал.

Реактор может включать одну или многие отсеки камеры в сообщении по текучей среде между собой. Электрод с функцией статического смесителя может быть конфигурирован как заменяемый электрод для вставления в электрохимический реактор с непрерывным потоком, или выполнен как постоянно действующий электрод. Один или многие реакторы, или один или многие отсеки камер реактора, могут быть предназначены для работы в последовательном или параллельном режиме.

Длина реакционной камеры 102, сепаратора 202 и электродов 104, 106 может быть в диапазоне от 2 мм до 100 м, от 10 мм до 10 м, от 50 мм до 1 м, от 100 мм до 500 мм, или от 200 мм до 300 мм. Корпус реактора или камеры может иметь диаметр между 5 мм и 5 м, с такими размерами противоэлектрода и рабочего электрода, чтобы составлять эффективную электрохимическую систему. В некоторых вариантах исполнения аспектное отношение (L/d) реактора может составлять по меньшей мере около 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, или 100.

Сепаратор

Сепаратор 202 может включать любой пористый материал, который обеспечивает возможность ионного транспорта, но препятствует протекнию текучей среды. Сепаратор может включать проницаемую мембрану, полупроницаемую мембрану или селективно проницаемую мембрану. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть сформирован из любого одного или более следующих материалов: нетканого волокнистого материала (хлопка, нейлона, сложных полиэфиров, стекла), полимерных пленок (полиэтилена, полипропилена, политетрафторэтилена, поливинилхлорида), керамических материалов и материалов природного происхождения (резины, асбеста, древесины). В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать полимерные материалы с порами менее 20 Å. Сепаратор 202 может быть сформирован с использованием способов сухой и/или мокрой обработки. Сепараторы 202 из нетканых материалов могут включать изготовленный лист, полотно или мат, с однонаправленно или беспорядочно ориентированными волокнами.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать опорную жидкостную мембрану, включающую твердую и жидкостную фазы, содержащиеся внутри микропористой структуры.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может включать полимерные электролиты, которые образуют комплексы с солями щелочных металлов, которые создают ионные проводники, служащие в качестве твердых электролитов. Твердые ионные проводники могут служить и как сепаратор, и как электролит.

Сепаратор 202 может быть сформирован однослойным или из многих слоев материала.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть изготовлен из спеченного порошкового материала, такого как керамические материалы, стекла, пластики, металлокерамические материалы, и их комбинации, с образованием мембранной структуры.

В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может быть предназначен для пропускания ионов сквозь него, в то же время препятствуя проникновению текучей среды. В некоторых вариантах исполнения сепаратор 202 может допускать пропускание через него небольшого количества текучей среды.

Сепаратор 202 может иметь внутренний диаметр, конфигурированный плотно охватывающим первый электрод 104. Например, внутренний диаметр сепаратора 200 может быть в диапазоне от 0,5 мм до 5 м, от 5 мм до 1 м, или от 5 мм до 10 мм.

Толщина сепаратора 202 может варьировать в зависимости от его пористости. Для нанопористых сепараторов толщина может составлять величину между 1 микроном и 100 микронами (1-100 мкм), и для микропористых мембран толщина может быть между 100 микронами (мкм) и 10 мм. Средний размер пор внутри материала сепаратора может варьировать между 10 Å и 100 микронами (мкм).

Будет понятно, что проницаемая мембрана, как правило, создает отдельные проточные каналы для каждого из электрода с функцией статического смесителя и противоэлектрода, в то же время сохраняя электрическое соединение, необходимое для электрохимической проточной ячейки. Как правило, проницаемая мембрана предотвращает течение текучей среды через мембрану, в то же время обеспечивая транспорт ионов. Например, если во время работы электрод с функцией статического смесителя действует как отрицательный электрод (то есть, катод), и противоэлектрод действует как положительный электрод (то есть, анод), поток текучей среды как католита для протекания через электрод с функцией статического смесителя (то есть, катод) может быть получен для конкретного применения, которое отличается от потока текучей среды как анолита для протекания через положительный противоэлектрод (то есть, анод). Другими словами, проницаемая мембрана создает ионную коммуникацию между двумя электродами для электрического соединения, в то же время разделяя два индивидуальных потока текучих сред, протекающих мимо каждого из катода и анода, что обеспечивает преимущества в плане производительности и технологической гибкости.

Проницаемая мембрана может быть концентрически размещена вдоль трубчатого реактора для отделения электрода с функцией статического смесителя от противоэлектрода. Реактор может включать корпус внутреннего соосного проточного канала одного электрода и корпус наружного концентрического проточного канала другого электрода. Электрод с функцией статического смесителя может быть заключен во внутренний соосный проточный канал, наружный концентрический проточный канал, или в оба из внутреннего соосного проточного канала и наружного концентрического проточного канала. Проточный канал также может быть назван здесь проточным каналом для текучей среды.

Сепаратор может представлять собой полупроницаемую мембрану. Полупроницаемая мембрана может представлять собой пористую трубчатную пленку, пористый керамический фильтр в виде трубки, или пористую пластиковую трубу, которая плотно охватывает электрод с функцией статического смесителя. Будет понятно, что полупроницаемая мембрана по существу ограничивает пропускание текучей среды через мембрану, в то же время обеспечивая транспорт ионов сквозь мембрану для сохранения электрического сообщения между разделенными электродом с функцией статического смесителя и противоэлектродом.

Сепаратор может представлять собой селективно проницаемую мембрану. Селективно проницаемая мембрана может обеспечивать селективность в том отношении, какие компоненты могут быть пропущены сквозь мембрану, например, конкретные текучие среды или ионы. Будет понятно, что селективно проницаемая мембрана избирательно ограничивает пропускание того, что не может пройти через мембрану, в то же время обеспечивая транспорт конкретных ионов через мембрану для поддерживания электрического сообщения между разделенными электродом с функцией статического смесителя и противоэлектродом.

Будет понятно, что каждый отдельный проточный канал оснащен по меньшей мере одним впускным каналом и по меньшей мере одним выпускным каналом. Отдельные потоки текучих сред могут быть предназначены для внутреннего соосного проточного канала и наружного концентрического проточного канала. Например, поток текучей среды как католита может быть предназначен для протекания через корпус внутреннего соосного проточного канала электрода с функцией статического смесителя, и поток текучей среды как анолита может быть предназначен для протекания через корпус наружного концентрического проточного канала. Как описано ранее, электрод с функцией статического смесителя также может быть выстроен соосно по существу вдоль оси трубчатого реактора.

Электрод с функцией статического смесителя

Как обсуждалось выше, либо первый электрод 104, либо второй электрод 106, либо оба из первого и второго электродов 104, 106, могут включать участок статического смесителя, образующий геометрию, которая стимулирует перемешивание текучей среды, протекающей через участок статического смесителя или вокруг него. Это может быть названо как электрод с функцией статического смесителя, или SME.

Реактор может включать более чем один электрод с функцией статического смесителя, и/или более чем один противоэлектрод. Противоэлектрод также может быть оснащен электродом с функцией статического смесителя, например, катод и анод в электрохимическом проточном реакторе может быть в каждом случае оснащен отдельным электродом с функцией статического смесителя. Электрод с функцией статического смесителя может быть концентрически заключен внутри внутреннего соосного проточного канала, и противоэлектрод может быть заключен внутри наружного концентрического проточного канала.

Будет понятно, что электрод с функцией статического смесителя может включать электропроводную поверхность. Электрод с функцией статического смесителя может действовать как анод или как катод, что зависит от направления течения подводимого тока. Для электрохимической проточной ячейки в принципе будет понятно, что анод является положительным электродом, где происходит окисление, и из реактанта высвобождаются электроны, и катод представляет собой отрицательный электрод, где происходит восстановление, и электроны потребляются еще одним реактантом.

Электрод с функцией статического смесителя может быть получен из материала, способного обеспечивать плотности тока на любом электроде в диапазоне от 1 мкА·м^-2 до около 1000 А·м^-2. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать электропроводный материал, например, проводящий углеродный материал, такой как графит, стеклоуглерод, или легированный бором алмаз, металлы, сплавы или интерметаллические соединения, в виде порошков, листов, стержней или брусков, полуметаллы или легированные или полупроводниковые материалы с узкой запрещенной зоной, покрытые металлами частицы, проводящие керамические материалы. В альтернативном варианте, подложка может быть выполнена из неэлектропроводного материала, и затем покрыта электрическим проводником. Непроводящие материалы могут представлять собой дисперсные непроводящие материалы, такие как пластики, керамические материалы, стекла или минералы, термореактивные смолы, термопластичные смолы, и натуральные продукты, такие как каучук и древесина. Электропроводные покрытия могут быть сформированы из металлов, металлических сплавов, интерметаллических соединений, проводящих соединений, или из любых электропроводных материалов, как описано выше.

Электрод с функцией статического смесителя может быть получен путем субтрактивной обработки с использованием одного способа или комбинаций способов обработки, таких как фрезерование, резка, токарная обработка, выдавливание, изгибание и скручивание, литье, формование или ковка, экструзия, прессование, по технологии с использованием микроэлектромеханических систем (MEMS), способами аддитивного изготовления, лазерной или электронно-лучевой сваркой, формированием сетки с помощью лазерной инженерии, экструзией материала, ламинированием листов, полимеризацией и фотополимеризацией, впрыскиванием материала или связующего материала, и способами печати.

В некоторых вариантах исполнения корпус или подложка электрода с функцией статического смесителя могут быть электропроводными, например, из металла или металлического сплава, такого как никель, титан или нержавеющая сталь. В некоторых вариантах исполнения проводящее покрытие может быть нанесено на поверхность электрода, например, как титановая подложка, покрытая платиной. Покрытие может быть сформировано из металла, полуметалла или легированного или полупроводникового материала с узкой запрещенной зоной, проводящего керамического материала или соединения, проводящей формы углерода (например, графита, графена, или легированных углеродных материалов), проводящего полимера (например, полианилина), или их комбинаций. Покрытие может быть нанесено на поверхность одним или многими из следующих электрохимических способов, напылением металла, холодным напылением, химическим или физическим осаждением из паровой фазы, нанесением покрытия погружением, нанесением покрытия распылением, нанесением покрытия центрифугированием, спеканием или другими способами термической обработки, или любым способом, результатомк которого является тонкий слой нанесенного надлежащего материала.

Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для стимулирования перемешивания, включающего характеристики тепло- и массопереноса, для перераспределения текучей среды по направлениям поперек основного потока, например, в радиальном и тангенциальном или азимутальном направлениях относительно центральной продольной оси электрода с функцией статического смесителя. В частности, электроды с функцией статического смесителя могут быть предназначены для усиления хаотической адвекции, тем самым сокращая ограничения в отношении скоростей реакций, которые зависят от диффузии. Электроды с функцией статического смесителя могут быть предназначены для обеспечения создания как можно большей площади поверхности для взаимодействия с потоком, чтобы облегчать электрохимические реакции и улучшать перемешивание потока так, что молекулы реактантов чаще контактируют с поверхностями электрода с функцией статического смесителя. Электроду с функцией статического смесителя могут быть приданы различные геометрические конфигурации или аспектные отношения для корреляции с конкретными вариантами применения. Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью усиления характеристик турбулентности, перемешивания и массопереноса потоков текучих сред. Конфигурации также могут быть рассчитаны на повышение эффективности, степени химической или электрохимической реакции, или других свойств, таких как падение давления (в то же время с сохранением предварительно заданных величин расхода потока), распределения времен пребывания, или коэффициентов тепло- и массопереноса.

Электрод с функцией статического смесителя может включать электропроводную составную подложку, образующую множество проходных сечений, предназначенных для усиления массопереноса и хаотической адвекции, например, разделением потоков текучих сред, протекающих между каждым из проходных сечений. Существенная часть поверхности подложки может быть электропроводной.

Электрод с функцией статического смесителя может быть протяженным соосно вдоль длины и в сторону поперек диаметра проточного канала. В одном примере оболочка электрода с функцией статического смесителя может быть выполнена протяженной соосно вдоль длины внутреннего соосного проточного канала и в сторону поперек диаметра внутреннего соосного проточного канала, чтобы по существу занимать весь внутренний соосный проточный канал.

Первый электрод 104 может иметь наружный диаметр, предусматривающий плотное прилегание внутри сепаратора 202. Например, наружный диаметр первого электрода 104 может быть в диапазоне от 0,5 мм до 5 м, от 5 мм до 1 м, или от 5 мм до 10 мм. В таких вариантах исполнения, как проточная ячейка 400, описанная в отношении Фигур 4А-4С, где первый и второй электроды размещены концентрически и соосно друг с другом, внутренний диаметр второго электрода может быть в диапазоне от 0,5 мм до 5 м, от 5 мм до 1 м, или от 10 мм до 20 мм.

Соотношение между внутренним диаметром сепаратора 202 и внутренним диаметром второго электрода 106 может быть, например, в диапазоне от 0,02 до 0,99, от 0,1 до 0,9, от 0,3 до 0,7, или от 0,4 до 0,6.

Электрически проводящая составная подложка электрода с функцией статического смесителя может включать прилегающую сеть из твердых электропроводных элементов, распределенных по всему внутреннему соосному проточному каналу, и предназначенную для инициирования хаотической адвекции текучей среды, протекающий через внутренний соосный проточный канал. Прилегающая сеть из твердых электропроводных элементов может быть сформирована в виде решетки взаимосвязанных сегментов, конфигурированных для создания множества отверстий для инициирования хаотической адвекции текучей среды, протекающий через внутренний соосный проточный канал.

Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен в конфигурации, выбранной из одной или более следующих общих неограничивающих примерных конфигураций:

- открытых конфигураций со спиралями;

- открытых конфигураций с лопатками;

- гофрированных пластин;

- многослойных структур;

- закрытых конфигураций с каналами или проемами;

- взаимосвязанных сетей раскосов, неровностей, волнистостей и выступов.

В одном варианте исполнения подложке электрода с функцией статического смесителя может быть придана конфигурация сетки, имеющей множество интегральных блоков, образующих множество протоков, предназначенных для облегчения перемешивания одного или более реактантов в текучих средах.

В еще одном варианте исполнения электрод с функцией статического смесителя может включать подложку, снабженную сеткой из взаимосвязанных сегментов, конфигурированных для создания множества отверстий для стимулирования перемешивания текучей среды, протекающей через реакторную камеру. Подложка также может быть предназначена для содействия тепло- и массопереносу, а также для перемешивания текучей среды.

В некоторых вариантах исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для усиления хаотической адвекции, и, например, турбулентного перемешивания, такого как турбулентное перемешивание в поперечном сечении, поперечное (относительно потока) или локализованное турбулентное перемешивание. Геометрия электрода с функцией статического смесителя или его подложки может быть конфигурирована для изменения локализованных направлений течения или для разделения потока более, чем в заданное число раз внутри данной длины вдоль продольной оси электрода с функцией статического смесителя, такого как более 100 м^-1, необязательно более 200 м^-1, необязательно более 400 м^-1, необязательно более 800 м^-1, необязательно более 1500 м^-1, необязательно более, чем 2000 м^-1, необязательно более 2500 м^-1, необязательно более 3000 м^-1, необязательно более 5000 м^-1. Геометрия или конфигурация электрода с функцией статического смесителя или его подложки может включать заданное число разделяющих поток структур внутри данного объема статического смесителя, такое как более 100 м^-3, необязательно более 1000 м^-3, необязательно более 1×10⁴ м^-3, необязательно более 1×10⁶ м^-3, необязательно более 1×10⁹ м^-3, необязательно более 1×10¹⁰ м^-3.

Геометрия или конфигурация электрода с функцией статического смесителя или его подложки может быть рассчитана на согласование с каналом реакторной ячейки, такой как трубчатый реактор. Как было описано ранее, будет понятно, что термин «трубчатый» включает некруглые конфигурации, например, эллиптические. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут быть сформированы из множества сегментов или включать их. Некоторые или все из сегментов могут быть прямолинейными сегментами. Некоторые или все из сегментов могут включать многоугольные призмы, например, такие как прямоугольные призмы. Подложка может включать множество планарных поверхностей. Прямолинейные сегменты могут быть размещены под несколькими различными углами относительно продольной оси подложки, например, такими как два, три, четыре, пять или шесть различных углов. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать повторяющиеся структуры. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать множество сходных структур, периодически повторяющихся вдоль продольной оси подложки. Геометрия или конфигурация могут быть согласованными вдоль длины электрода с функцией статического смесителя или его подложки. Геометрия может варьировать вдоль длины электрода с функцией статического смесителя или его подложки. Прямолинейные сегменты могут быть соединены одним или многими изогнутыми сегментами. Электрод с функцией статического смесителя или его подложка, как правило, могут образовывать винтовую поверхность (геликоид). Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут включать винтовую поверхность, включающую множество отверстий в поверхности геликоида.

Размеры электрода с функцией статического смесителя могут варьировать в зависимости от варианта применения. Электрод с функцией статического смесителя, или реактор, включающий электрод с функцией статического смесителя, может быть трубчатым. Электрод с функцией статического смесителя или труба реактора могут иметь диаметр (в мм) в диапазоне, например, от 1 до 5000, от 2 до 2500, от 3 до 1000, от 4 до 500, от 5 до 150, или от 10 до 100. Электрод с функцией статического смесителя или труба реактора могут иметь диаметр (в мм), например, по меньшей мере около 1, 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, или 1000. Электрод с функцией статического смесителя или труба реактора могут иметь диаметр (в мм), например, менее, чем около 5000, 2500, 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 100, 75, или 50. Аспектные отношения (L/d) электрода с функцией статического смесителя или реакторной камеры, включающей электрод с функцией статического смесителя, могут быть установлены в диапазоне, пригодном для величин расхода потока в промышленнм масштабе для конкретной реакции. Аспектные отношения могут быть в диапазоне, например, от около 1 до 1000, от 5 до 750, от 10 до 500, от 25 до 250, от 50 до 150, или от 75 до 125. Аспектные отношения могут быть, например, менее, чем около 1000, 750, 500, 250, 200, 150, 125, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, 9, 8, 7, 6, 5, 4, 3, или 2. Аспектные отношения могут быть, например, более, чем около 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, или 100. Аспектные отношения могут быть установлены в диапазоне любых двух значений из указанных выше «менее» и «более».

Электроды с функцией статического смесителя могут быть предназначены для усиления таких характеристик, как перемешивание и тепло- и массоперенос, для величин расхода ламинарных потоков и величин расхода турбулентных потоков. Будет понятно, что для ньютоновских жидкостей, протекающих в полой трубе, корреляция ламинарных и турбулентных течений со значениями числа Рейнольдса (Re) обычно отвечала бы скоростям ламинарного течения, где Re составляет >4000. Будет понятно, что электроды с функцией статического смесителя снижают эти типичные значения Re для создания турбулентного течения. Электроды с функцией статического смесителя могут быть конфигурированы для скоростей ламинарного или турбулентного течения, чтобы обеспечить усиление характеристик, выбранных из одного или более из перемешивания, степени реакции, тепло- и массопереноса, хаотической адвекции, и падения давления. Будет понятно, что дополнительное стимулирование электрохимической реакции конкретного типа потребует учета ее собственных конкретных характеристик. Для течения в трубе число Рейнольдса может быть определено как Re=ρuD_H/µ (ρ представляет плотность текучей среды в кг·м^-3, u представляет среднюю скорость текучей среды в м·сек^-1, D_H представляет гидравлический диаметр трубы в метрах, и µ представляет динамическую вязкость текучей среды в Па·сек).

В одном варианте исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при значении Re по меньшей мере 0,01, 0,1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, или 15000. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы в диапазоне Re от 0,1 до 2000, от 1 до 1000, от 10 до 800, или от 20 до 500. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы в диапазоне Re от около 1000 до 15000, от 1500 до 10000, от 2000 до 8000, или от 2500 до 6000. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при значении Re в диапазоне между любыми двумя значениями из описанных выше как «по меньшей мере».

В некоторых вариантах исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть описан числом Пекле (Pe), которое представляет еще один класс безразмерных величин, важных для явлений транспорта в континууме. Число Пекле представляет отношение скорости адвекции физического количества при течении к скорости диффузии того же количества под воздействием надлежащего градиента. В контексе переноса частиц или масс число Пекле представляет собой произведение числа Рейнольдса (Re) и числа Шмидта (Sc). В контексе тепловых текучих сред тепловое число Пекле эквивалентно произведению числа Рейнольдса (Re) и числа Прандтля (Pr). Число Пекле определяют как: Pe=скорость адвективного транспорта/скорость диффузионного транспорта. Для массопереноса его определяют как: Pe_L=Lu/D=Re_LSc. Для теплопереноса его определяют как PeL=Lu/α=Re_LPr, где α=k/ρc_p. L представляет характеристическую длину, u представляет локальную скорость течения, D представляет коэффициент диффузии массы, и α представляет коэффициент теплопроводности, ρ представляет плотность, и c_p представляет теплоемкость. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для обеспечения более высоких значений Пекле, чтобы усиливать хаотическую адвекцию для преобладания над диффузией для создания более равномерного распределения времен пребывания и сокращения дисперсии. Другими словами, конфигурация электрода с функцией статического смесителя для достижения более высоких чисел Пекле может, по меньшей мере согласно некоторым вариантам исполнения и примерам, как здесь описанным, обеспечивать улучшенную производительность и управление технологическим процессом.

В одном варианте исполнения электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для действия при числе Пекле (Pe) по меньшей мере 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 10⁶, или 10⁷. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для действия при числе Пекле (Pe) менее, чем около 10⁸, 10⁷, 10⁶, 500000, 250000, 100000, 75000, 50000, 25000, 20000, 15000, 10000, 5000, 2000, или 1000. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при числе Pe в диапазоне от около 10³ до 10⁸, от 10³ до 10⁷, или от 10⁴ до 10⁶. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для работы при числе Pe между любыми двумя из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов.

Объемное вытеснение в % электрода с функцией статического смесителя относительно корпуса проточного канала электрода может быть в диапазоне от около 1 до 90, от 5 до 70, от 10 до 30, или от 5 до 20. Объемное вытеснение в % электрода с функцией статического смесителя относительно корпуса проточного канала электрода может быть менее 90%, 80%, 70%, 60%, 50%, 40%, 30%, 20%, 10%, или 5%. Объемное вытеснение в % электрода с функцией статического смесителя относительно корпуса проточного канала электрода может быть более 1%, 5%, 10%, 15%, 20%, 25%, 30%, 35%, 40%, 50%, 60%, 70% или 80%. Объемное вытеснение в % может быть отрегулировано в диапазоне любых двух из вышеуказанных значений «менее» и «более».

Конфигурации электрода с функцией статического смесителя могут быть рассчитаны на усиление характеристик тепло- и массопереноса в реакторе, например, сокращения разности температур на выходе из поперечного сечения. Тепло- и массоперенос на электроде с функцией статического смесителя может, например, формировать температурный профиль в поперечном сечении или поперек потока, который имеет разность температур менее, чем около 20°C/мм, 15°C/мм, 10°C/мм, 9°C/мм, 8°C/мм, 7°C/мм, 6°C/мм, 5°C/мм, 4°C/мм, 3°C/мм, 2°C/мм, или 1°C/мм.

Электрод с функцией статического смесителя или его подложка могут быть конфигурированы так, что при применении падение давления (то есть, разность давлений или противодавление) на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) составляет величину в диапазоне от около 0,1 до 1000000 Па/м (или 1 МПа/м), в том числе при любом значении и диапазоне любых значений между ними. Например, падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может быть менее, чем около 500000, 250000, 100000, 50000, 10000, 5000, 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, или 5 Па/м. Например, падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может составлять по меньшей мере около 10, 100, 1000, 5000, 10000, 50000, 100000, или 250000. Падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может быть отрегулировано в диапазоне любых двух из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов. Например, в одном варианте исполнения падение давления на протяжении электрода с функцией статического смесителя (в Па/м) может быть в диапазоне между около 10 и 250000, 100 и 100000, или 1000 и 50000. Электрод с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью обеспечения более низкого падения давления относительно конкретного расхода потока. В этом отношении электрод с функцией статического смесителя, реактор, система и способы, как здесь описанные, могут быть осуществлены с параметрами, пригодными для промышленного применения. Вышеуказанные величины падения давления могут поддерживаться, где объемный расход потока составляет по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50 мл/мин.

В одном варианте исполнения электроды с функцией статического смесителя могут быть рассчитаны на работу при объемном расходе потока по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, или 1000 мл/мин. В еще одном варианте исполнения объемный расход потока может быть меньше, чем около 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40, 30, 20, 10, или 5 мл/мин. Расход потока может быть в диапазоне, образованном любыми двумя из этих значений верхнего и/или нижнего пределов, например, в диапазоне между около 50 и 400, 10 и 200, или 20 и 200.

Электрод с функцией статического смесителя может быть сформирован как модульная вставка для электрохимического реактора с непрерывным потоком или его камеры. Электрод с функцией статического смесителя может быть предназначен для использования с электрохимическим реактором с непрерывным потоком или его камеры в технологической линии. Электрохимический реактор с непрерывным потоком в технологической линии может представляет собой реактор с рециркуляционным контуром или однопроходный реактор.

Конфигурация электрода с функцией статического смесителя может быть определена с использованием пакета программ вычислительной динамики текучих сред (Computational Fluid Dynamics (CFD)), которая может быть использована для усовершенствования конструкции в плане усиления перемешивания реактантов для усиленного контакта и активации реактантов на поверхности электрода с функцией статического смесителя.

Электрод с функцией статического смесителя может представлять собой электрод с функцией статического смесителя, сформированный с использованием аддитивной технологии. Аддитивным формированием электрода с функцией статического смесителя, необязательно с каталитическими и/или коррозионно-стойкими покрытиями, можно получить электрод с функцией статического смесителя, рассчитанный на эффективные перемешивание, тепло- и массоперенос, электрохимическую реакцию, или дополнительную каталитическую реакцию. Способ аддитивного формирования позволяет получить электрод с функцией статического смесителя, физически тестированный на надежность и производительность, и, необязательно, дополнительно вновь спроектированный и повторно конфигурированный с использованием технологии аддитивного формирования (например, посредством 3D-печати). Аддитивное формирование обеспечивает гибкость в предварительном проектировании и испытании, и, кроме того, возможности нового проектирования и повторного конфигурирования электродов с функцией статического смесителя. Могут быть использованы электронно-лучевой 3D-принтер или лазерный 3D-принтер. Аддитивный материал для 3D-печати может представлять собой, например, чистый металл, такой как железо, кобальт, никель, медь, цинк, или сплав, такой как порошки на основе титановых сплавов (например, с диаметром в диапазоне 45-105 микрометров), порошки на основе кобальт-хромового сплава (например, FSX-414 или Stellite S21), или нержавеющей стали или алюминий-кремниевого сплава, или любого из сплавов на основе никеля (например, Inconel, Hastelloy). Диаметры частиц порошков, связанных с лазерными принтерами, как правило, являются меньшими, чем у применяемых в электронно-лучевых принтерах. В альтернативном варианте, подложка может быть изготовлена по аддитивной технологии из инертного материала, такого как пластик или стекло, и затем покрыта подходящим электропроводным материалом. В дополнение к электропроводной поверхности, электрод с функцией статического смесителя или его подложка необязательно могут дополнительно включать материалы с каталитической активностью, в зависимости от конкретной реакции или требуемого варианта применения.

Противоэлектрод

Будет понятно, что противоэлектрод является электропроводным. Противоэлектрод может действовать в качестве анода или катода, что зависит от направления подводимого электрического тока. Противоэлектрод может состоять из материала или конфигурирован согласно любым вариантам исполнения или примерам, как описанным выше для электрода с функцией статического смесителя.

Будет понятно, что противоэлектрод может включать электропроводную поверхность. Противоэлектрод может быть получен из материала, способного создавать плотности тока не любом электроде в диапазоне от около 1 мкА·м^-2 до около 1000 А·м^-2. Противоэлектрод может включать электропроводный материал, например, проводящий углеродный материал, такой как графит, стеклоуглерод, или легированный бором алмаз, металлы, сплавы или интерметаллические соединения, в виде порошков, листов, стержней или брусков, полуметаллы или легированные или полупроводниковые материалы с узкой запрещенной зоной, покрытые металлами частицы, проводящие керамические материалы. Противоэлектрод может быть выполнен из неэлектропроводного материала, и покрыт электрическим проводником. Непроводящие материалы могут представлять собой дисперсные непроводящие материалы, такие как пластики, керамические материалы, стекла или минералы, термореактивные смолы, термопластичные смолы, и натуральные продукты, такие как каучук и древесина. Электропроводные покрытия могут быть сформированы из металлов, металлических сплавов, интерметаллических соединений, проводящих соединений, или из любых электропроводных материалов, как описано выше для противоэлектрода или электрода с функцией статического смесителя.

Конфигурация реактора и торцевой крышки

Реактор может быть сформирован как сборный узел, включающий корпус реактора, первый электрод, второй электрод, сепаратор, и одну или две необязательных торцевых крышки. Торцевые крышки могут быть предназначены для уплонения корпуса реактора, и дополнительно необязательно конфигурированы в сочетании с одним или многими из первого электрода, второго электрода, сепаратора, для структурного поддерживания и центрирования при сборке и работе реактора.

В одном варианте исполнения трубчатый реактор может включать первую и вторую торцевую крышку, причем каждая из первой и второй торцевых крышек совместно предназначена для скрепления противолежащих концов корпуса реактора и поддерживания в реакторе конструкционных деталей электрода с функцией статического смесителя, противоэлектрода и сепаратора.

Торцевые крышки могут составлять единую цельную деталь с электродом с функцией статического смесителя и/или противоэлектродом (например, торцевые крышки могут быть выполнены как часть одного из электродов). Торцевые крышки могут быть сформированы как единая цельная деталь электрохимической проточной ячейки или электрохимического трубчатого реактора с непрерывным потоком (например, вся электрохимическая проточная ячейка изготовлена способом аддитивного формирования).

Торцевые крышки могут быть созданы согласно любым другим вариантам исполнения или примерам их, как здесь описано.

Электрохимическая проточная система

Система для проведения электрохимической реакции в условиях непрерывного течения может включать электрохимическую проточную ячейку или электрохимический трубчатый реактор, согласно любым одному или многим аспектам, вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным.

Кроме того, система может включать насос для подачи потока текучей среды для одного или более реактантов текучей среды и любых продуктов их через реактор. Система может дополнительно включать электрический блок для подведения и регулирования электрического напряжения или тока, протекающего через электроды, для инициирования электрохимической реакции на поверхности раздела между потоком текучей среды и электродами. Система может дополнительно включать управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, выбранных из концентрации, величины расхода потока, температуры, давления и времени пребывания, одного или более реактантов текучей среды, или их источников или продуктов.

Реакторная система может включать один сборный узел проточной ячейки, или множество сборных узлов, соединенных параллельно или последовательно. Полярности электродов в каждом блоке могут быть присоединены одинаково в каждой ячейке или же в чередующемся порядке, при котором наружные электроды попеременно представляют собой анод, катод, анод, катод (или наоборот), и внутренние электроды попеременно представляют собой катод, анод, катод, анод (или наоборот). Система может быть настроена в любой комбинации этих полярностей. Величины напряжений или токов, подводимых к каждой ячейке в системе, могут быть идентичными, или могут варьировать, и скорости прокачивания через ячейки в системе могут быть идентичными или могут варьировать.

Реакторная система может быть сформированной и управляемой так, чтобы быть приспособленной к переменной во времени входной мощности, например, от возобновляемых источников энергии. Например, скорости течения реактантов могут быть переменными сообразно мощности, доступной для электролиза, так, что течение через реактор поддерживается действующим, когда источник мощности меняется.

Аспектные отношения реактора могут быть, например, подобными тем, какие описаны ранее для электрода с функцией статического смесителя, так что модуль электрода с функцией статического смесителя может быть выполнен с возможностью вставления в реактор.

Реактор может включать необязательный теплообменник для регулирования температуры реактора, камерного отсека, статического смесителя или компонентов текучей среды в них. Теплообменник может иметь конструкцию или конфигурацию кожухотрубного теплообменника.

Настоящее изобретение также представляет систему для проведения электрохимической реакции в режиме непрерывного течения, включающую:

электрохимический реактор с непрерывным потоком, включающий один или многие электроды с функцией статического смесителя согласно любому из вариантов исполнения или примеров, как здесь описанных;

насос для подачи потока текучей среды для одного или более реактантов текучей среды и любых их продуктов через реактор;

управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, выбранных из концентрации реактантов, величин расхода потока, протекающего тока, подводимого напряжения, давления, и времени пребывания.

Система может включать необязательный теплообменник для регулирования температуры реактора или компонентов текучих сред в нем.

Система может дополнительно включать спектрометр, который может быть использован для идентификации и определения концентраций любого одного или более реактантов текучей среды или их продуктов.

Одно или многие из реактора, реакторной камеры, камерного отсека и электрода с функцией статического смесителя в каждом случае могут быть сформированы в модульной форме для взаимно дополнительного сочетания их. Система может включать множество реакторов, которые могут иметь сходную или различную внутреннюю и/или наружную конфигурацию. Реакторы могут действовать в последовательном или в параллельном соединении, или в комбинации обоих. Будет понятно, что система, реактор, или каждый камерный отсек, может включать один или многие впускные каналы и выпускные каналы, чтобы обеспечивать подачу реактантов, получения продуктов, или для рециркуляции различных реактантов и/или продуктов.

Также будет понятно, что реактор или система могут быть предназначены для рециркуляции различных реактантов, источников реактантов, промежуточных продуктов, или желательных продуктов, поступивших в камерные отсеки или образованных в них. Реактор или система могут быть сформированы с различными конструкциями и формами, например, в форме трубчатого реактора. В еще одном варианте исполнения реактор представляет собой однопроходный реактор.

Система и процессы также могут быть объединены в более сложные системы, такие как системы и процессы, включающие установку для газификации угля, очистки и распределения воды, электролизер и/или риформер природного газа, установку химического синтеза и очистки, и так далее.

Электрохимические варианты применения

Электрохимический проточный реактор, электрохимическая проточная ячейка или электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком, согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным, могут быть использованы для различных вариантов применения, включающих извлечение металлов, извлечение тяжелых и ценных металлов из сбросных вод и стоков предприятий горной промышленности, дезинфекцию и очистку воды (например, питьевой воды), и извлечение металлов из твердых отходов (например, шлама, отходов обогащения полезных ископаемых, и утилизированных продуктов), и электросинтез различных продуктов (например, генерация газа, хранение и преобразование энергии, регенерация реагентов, и полимеризация).

Реактор, включающий электрод с функцией статического смесителя, может быть предназначен для применения в системе и процессе электрохимической реакции в непрерывном потоке. Процесс может представлять собой поточный процесс в непрерывном потоке. Поточный процесс в непрерывном потоке может представлять собой рециркуляционный контур или однопроходный процесс. В одном варианте исполнения поточный процесс в непрерывном потоке представляет собой однопроходный процесс.

Как упомянуто выше, электрохимический реактор, включающий электрод с функцией статического смесителя, способен проводить реакции в непрерывном режиме. В электрохимическом реакторе могут быть применены одно- или многофазные вводимые и продуктовые потоки. В одном варианте исполнения подаваемый материал (включающий один или многие реактанты) может быть сформирован как непрерывный поток текучей среды, например, жидкостный поток, содержащий либо: а) вещество как растворенный материал в подходящем растворителе, или b) жидкостный исходный материал, с сорастворителем или без него. Будет понятно, что поток текучей среды может быть образован одним или многими газообразными потоками, например, газообразным водородом или его источником. Подаваемый материал закачивают в реактор в виде потока под давлением, например, посредством насоса. В еще одном варианте исполнения подаваемый материал может быть в виде суспензии твердых веществ в потоке текучей среды, и в еще одном варианте исполнения поток реактантов текучей среды может содержать твердые вещества, жидкости и газы.

В одном варианте исполнения представлен способ электрохимической обработки потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки или электрохимического трубчатого реактора с непрерывным потоком согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным.

Вышеуказанный способ может быть предназначен для удаления ионов растворенных металлов из потока текучей среды подведением постоянного тока к электроду с функцией статического смесителя и противоэлектроду, с образованием твердого отложения, содержащего металлы и/или металлические соединения, на поверхности электрода с функцией статического смесителя. Способ может быть предназначен для извлечения металла из потока текучей среды, полученного из сбросных вод («хвостов») предприятий горной промышленности. Способ может включать эксплуатацию в параллельном и/или последовательном режиме, как описано выше для реакторной системы. В одном варианте исполнения способ действует в последовательном режиме.

В одном примере способ включает по меньшей мере первый и второй электрохимический трубчатый реактор с непрерывным потоком, причем каждый реактор конфигурирован так, что проницаемая мембрана отделяет электрод с функцией статического смесителя от противоэлектрода, образуя корпус внутреннего соосного проточного канала одного электрода, и корпус наружного концентрического проточного канала другого электрода, причем каждый проточный канал имеет по меньшей мере один впускной канал и по меньшей мере один выпускной канал. Способ может обеспечивать отложение металла на электрод с функцией статического смесителя первого трубчатого реактора, в то же время с размещением второго реактора в последовательном соединении с обратной полярностью электродов, для удаления металла, ранее осажденного на электрод с функцией статического смесителя второго трубчатого реактора.

В дополнительном примере этого вышеуказанного способа поток первой текучей среды может быть введен во внутренний соосный проточный канал первого трубчатого реактора, и выходящий из его выпускного канала поток введен в наружный концентрический проточный канал второго трубчатого реактора. Второй поток текучей среды может быть одновременно введен в наружный концентрический проточный канал первого трубчатого реактора, и выходящий из его выпускного канала поток введен во внутренний соосный проточный канал второго трубчатого реактора. Первый трубчатый реактор может действовать имеющим первый электрод с функцией статического смесителя в условиях восстановления для накопления твердых металлических частиц, и второй трубчатый реактор работает имеющим второй электрод с функцией статического смесителя в условиях окисления для удаления любых присутствующих на нем металлических веществ.

Еще одним преимуществом электрохимического проточного реактора и его системы согласно различным вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным, является то, что электрохимическая проточная ячейка или трубчатый реактор не нуждаются в разборке и замене катода, и обеспечивают эксплуатационную гибкость при работе в последовательном или в реверсивном режиме переключением тока и переключением подачи различных потоков текучих сред для удаления металла, металлических соединений или прочих содержащих металл продуктов, образованных на электроде с функцией статического смесителя как катоде в реакции восстановления.

Настоящее изобретение также представляет способ синтеза продукта реакцией одного или более реактантов в текучей среде, причем способ включает стадии:

создания электрохимического реактора с непрерывным потоком, включающего электрод с функцией статического смесителя или систему согласно любым вариантам исполнения или примерам, как здесь описанным;

подачи по меньшей мере первого реактанта текучей среды в реактор через впускной канал для реактанта;

эксплуатации реактора, или его управляющего устройства, для создания течения и проведения реакции по меньшей мере первого реактанта текучей среды через электрод с функцией статического смесителя;

получения выходного потока, включающего продукт реакции по меньшей мере первого реактанта.

Будет понятно, что различные параметры и условия, используемые в способе, такие как пропускаемый ток, давления и концентрации/количества материалов и реактантов, могут быть выбраны в зависимости от диапазона переменных величин процесса, включающих синтезированный продукт, условия и механизмы проводимой электрохимической реакции, источник реактантов, или тип используемых реактора и материалов и их конфигурации. Например, будут возникать различия, где один или многие реактанты текучей среды, или сорастворители (например, инертные носители), и т.д., представляют собой газы, жидкости, твердые вещества, или их комбинации.

Электрохимический проточный реактор может действовать с плотностями тока на любом электроде в диапазоне от 1 мкА·м^-2 до около 1000 А·м^-2. Плотность тока (в А·м^-2), например, может быть менее, чем около 1000, 500, 200, 100, 50, 20, 10, 5,0, 2,0, 1,0, 0,5, 0,2, 0,1, 0,05, 0,02, 0,01, 0,005, 0,002, 0,001, 0,0005, 0,0002, 0,0001, 0,00005, 0,00002, 0,00001, 0,000005, 0,000002, или 0,000001. Плотность тока (в А·м^-2), например, может быть больше, чем около 0,000002, 0,000005, 0,00001, 0,00002, 0,00005, 0,0001, 0,0002, 0,0005, 0,001, 0,002, 0,005, 0,01, 0,02, 0,05, 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 2,0, 5,0, 10, 20, 50, 100, 200, или 500. Плотность тока может быть отрегулирована в любом диапазоне двух значений, выбранных из двух значений, выбранных из любых из вышеуказанных значений. Будет понятно, что в различных вариантaх применения и конфигурациях могут быть использованы различные плотности тока.

В некоторых примерах прилагаемые к электродам напряжения могут быть меньшими, чем около 2,0, 1,8, 1,6, 1,4, 1,2, 1,0, 0,8, 0,6, 0,4, или 0,2. В некоторых примерах прилагаемые к электродам напряжения могут составлять по меньшей мере около 0,2, 0,4, 0,6, 0,8, 1,0, 1,2, 1,4, 1,6, или 1,8. Напряжения могут быть в диапазоне, включающем любые два из этих значений верхнего и/или нижнего пределов.

В одном примере эксплуатационная характеристика электрохимического проточного реактора может быть измерена по его эффективности извлечения. Эффективность извлечения включает количество веществ (например, загрязнений), таких как частицы растворенных металлов, присутствующие в текучей среде, которые могут быть удалены из текучей среды электрохимической проточной ячейкой. В одном примере эффективность извлечения, измеренная в % загрязнения, извлеченного (или удаленного) из текучей среды, составляет по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, или 99. В некоторых примерах любая из величин эффективности извлечения может быть достигнута в ходе непрерывной работы (например, рециркуляции в реакторе с рециркуляционным контуром), на протяжении менее, чем около 48 часов, 36 часов, 24 часов, 12 часов, 6 часов, 3 часов, 2 часов, или 1 часа. В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла (например, частицы меди), могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при концентрации (в моль/л) менее, чем около 1, 0,5, 0,1, 0,05, 0,01, 0,005, 0,001, 0,0005, 0,0001, 0,00005, или 0,00001. В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла (например, частицы меди), могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при концентрации (в моль/л) более, чем около 0,0001, 0,0005, 0,001, 0,005, 0,01, 0,05, 0,1, или 0,5. Удаленные вещества могут быть с концентрацией между любыми двумя из этих значений верхнего и/или нижнего пределов. Вышеуказанные эффективности извлечения и/или длительности рециркуляции могут быть применимы к любым концентрациям этих веществ (например, загрязнению). Например, эксплуатационная характеристика реактора, системы или способов может обеспечивать эффективность извлечения по меньшей мере около 50% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,01 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять по меньшей мере около 60% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,005 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять по меньшей мере около 70% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,001 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять около 80% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,0005 моль/л. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять около 90% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию менее, чем около 0,0001 моль/л.

В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла (например, частицы меди), могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при начальной концентрации (в млн^-1) около или менее, чем около 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 10, 5, или 1. В еще одном примере вещества (например, загрязнение), такие как частицы растворенного металла, могут быть удалены из текучей среды, где частицы присутствуют в текучей среды при начальной концентрации (в млн^-1) около или более, чем около 5, 10, 25, 50, 75, 100, 250, 500, 750, или 1000. Удаляемые частицы могут быть с начальной концентрацией в текучей среды между любыми двумя из этих значений верхнего и/или нижнего пределов. В одном примере эффективность извлечения, измеренная в % извлекаемого (или удаляемого) загрязнения из текучей среды, составляет по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 96, 97, 98, или 99. В некоторых примерах любые из величин эффективности извлечения могут быть обеспечены в ходе непрерывной работы (например, рециркуляции в реакторе с рециркуляционным контуром), на протяжении менее, чем около 48 часов, 36 часов, 24 часов, 12 часов, 6 часов, 3 часов, 2 часов, или 1 часа. Вышеуказанные эффективности извлечения и/или длительности рециркуляции могут быть применимы к любым концентрациям этих веществ (например, загрязнению). Например, эксплуатационная характеристика реактора, системы или способов может обеспечивать эффективность извлечения по меньшей мере около 50% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющего начальную концентрацию около 100 млн^-1 частиц растворенного металла, во время непрерывной работы менее, чем около 3 часов. В еще одном примере эффективность извлечения может составлять по меньшей мере около 95% частиц растворенного металла из текучей среды, имеющей начальную концентрацию около 100 млн^-1, в течение непрерывной работы менее, чем около 24 часов.

Температуры (°С) в отношении способа могут быть в диапазоне между -50 и 400, или при любом целом числе или диапазоне любых целых чисел между ними. Например, температура (°С) может составлять по меньшей мере около -50, -25, 0, 25, 50, 75, 100, 150, 200, 250, 300, или 350. Например, температура (°С) может быть менее, чем около 350, 300, 250, 200, 150, 100, или 50. Температура также может быть отрегулирована при почти любом из этих значений или в диапазоне между любыми из этих значений, таких как диапазон между около 0 и 250°С, от около 25 до 200^oC, или от около 50 до 150^oC.

В одном варианте исполнения способ может быть исполнен для обеспечения величины Re по меньшей мере 0,01, 0,1, 1, 5, 50, 100, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 550, 600, 650, 700, 750, 800, 850, 900, 950, 1000, 1100, 1200, 1300, 1400, 1500, 1600, 1700, 1800, 1900, 2000, 2500, 3000, 3500, 4000, 4500, 5000, 5500, 6000, 6500, 7000, 7500, 8000, 8500, 9000, 9500, 10000, 11000, 12000, 13000, 14000, или 15000. Способ может быть исполнен в диапазоне Re от около 0,1 до 2000, от 1 до 1000, от 10 до 800, или от 20 до 500. Способ может быть исполнен в диапазоне Re от около 1000 до 15000, от 1500 до 10000, от 2000 до 8000, или от 2500 до 6000. Способ может быть исполнен в диапазоне Re между любыми двумя из вышеуказанных «по меньшей мере» значений.

В одном варианте исполнения способ может быть исполнен при числе Пекле (Pe) по меньшей мере 100, 1000, 2000, 5000, 10000, 15000, 20000, 25000, 50000, 75000, 100000, 250000, 500000, 10⁶, или 10⁷. Способ может быть исполнен при числе Пекле (Pe) менее, чем около 10⁸, 10⁷, 10⁶, 500000, 250000, 100000, 75000, 50000, 25000, 20000, 15000, 10000, 5000, 2000, или 1000. Способ может быть исполнен в диапазоне Pe от около 10³ до 10⁸, от 10³ до 10⁷, или от 10⁴ до 10⁶. Способ может быть исполнен в диапазоне Pe между любыми двумя из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов.

Способ может обусловливать падение давления (или противодавление) (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя в диапазоне от около 0,1 до 1000000 Па/м (или 1 МПа/м), включая любое значение или диапазон любых значений между ними. Например, падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может быть менее, чем около 500000, 250000, 100000, 50000, 10000, 5000, 1000, 750, 500, 250, 100, 75, 50, 25, 20, 15, 10, или 5 Па/м. Например, падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может составлять по меньшей мере около 10, 100, 1000, 5000, 10000, 50000, 100000, или 250000. Падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может быть отрегулировано в диапазоне между любыми двумя из вышеуказанных значений верхнего и/или нижнего пределов. Например, в одном варианте исполнения падение давления (в Па/м) на электроде с функцией статического смесителя может быть в диапазоне между около 10 и 250000, 100 и 100000, или 1000 и 50000. В этом отношении электрод с функцией статического смесителя, реактор, система или способы, как здесь описываемые, могут быть сформированы с параметрами, пригодными для вариантов промышленного применения. Вышеуказанные величины падения давления, или их диапазоны, могут быть обеспечены, где объемный расход потока составляет по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 100, 500, 1000 мл/мин.

В одном варианте исполнения объемный расход потока может быть получен на уровне по меньшей мере 0,1, 0,5, 1, 1,5, 2, 2,5, 3, 3,5, 4, 4,5, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 20, 30, 40, 50, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 350, 400, 450, 500, 600, 700, 800, 900, или 1000 мл/мин. В еще одном варианте исполнения объемный расход потока может быть получен на уровне менее, чем около 1000, 900, 800, 700, 600, 500, 450, 400, 350, 300, 250, 200, 150, 100, 75, 50, 40, 30, 20, 10, или 5 мл/мин. Величина расхода потока может быть в диапазоне между любыми двумя из этих значенией верхнего и/или нижнего пределов, например, в диапазоне между около 50 и 400, 10 и 200, или 20 и 200.

Способ может предусматривать среднее время пребывания в статическом смесителе или реакторе в диапазоне от около 0,1 секунды до около 60 минут. Среднее время пребывания может быть, например, менее, чем около 60 минут, 45 минут, 30 минут, 15 минут, 10 минут, 5 минут, 1 минуты, 30 секунд, 10 секунд, или 5 секунд. Среднее время пребывания может быть, например, более, чем около 1 секунды, 5 секунд, 10 секунд, 30 секунд, 1 минуты, 5 минут, 10 минут, 15 минут, 30 минут, или 45 минут. Среднее время пребывания может быть выбрано в диапазоне, выбранном из любых двух из этих упомярутых ранее значений. Например, среднее время пребывания может быть в диапазоне от 5 секунд до 10 минут, от 1 секунды до 5 минут, или от 1 минуты до 60 минут.

Способ может обеспечивать Фарадеевскую эффективность (выход по току) (% прошедших зарядов, принявших участие в обсуждаемой реакции) по меньшей мере 5, 10, 15, 20, 25, 30, 35, 40, 45, 50, 55, 60, 65, 70, 75, 80, 85, 90, 95, 98, или 99. Способ может обеспечивать Фарадеевскую эффективность (% прошедших зарядов, принявших участие в обсуждаемой реакции) менее 99, 98, 95, 90, 85, 80, 75, 70, 65, 60, 55, 50, 45, 40, 35, 30, 25, 20, 15, или 10. Способ может обеспечивать Фарадеевскую эффективность (% прошедших зарядов, принявших участие в обсуждаемой реакции) в диапазоне между любыми двумя из вышеуказанных значенией верхнего и/или нижнего пределов.

Потоки анолита и/или католита могут включать любой подходящий растворитель, электроактивные частицы и поддерживающий электролит. Концентрации растворенных веществ могут варьировать от частей на миллиард до пределов их растворимости (десятки молей на литр). В дополнение к растворенным веществам, потоки текучих сред также могут содержать множественные фазы в любой комбинации нерастворенных твердых веществ (например, твердых веществ, суспендированных в потоке текучей среды), несмешивающихся жидкостей и газов. Таким образом, потоки текучих сред могут включать водные и неводные растворители, молекулярные растворители, расплавленные соли, ионные жидкости, сверхкритические растворители, или их смеси. Растворенные вещества могут быть ионными, молекулярными или по существу ионными парами в растворе. Они могут быть растворенными твердыми веществами, газами, смешивающимися жидкостями, или их смесями. Другие присутствующие фазы могут представлять собой суспендированные твердые вещества или гели, органические или неорганические полимеры, природные продукты или их смеси. Они могут представлять собой газы или пары, преднамеренно введенные или образованные в результате течения и/или электрохимической активности. В еще одном примере текучая среда представляет собой жидкость или сложную жидкость, такую как жидкость, содержащая раствор и/или суспензию твердых веществ.

В одном варианте исполнения может быть представлен способ удаления веществ из потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки или системы ее согласно любым аспектам, вариантам исполнения или примерам их, как здесь описанным. Вещества могут представлять собой металлические частицы, растворенные в потоке текучей среды. Будет понятно, что любые из вышеуказанных вариантов исполнения или примеров, относящихся к производительности электрохимической проточной ячейки, могут быть применимы к этому варианту исполнения.

ПРИМЕРЫ

Настоящее изобретение далее описано нижеследующими примерами. Должно быть понятно, что нижеследующее описание приведено только для цели иллюстрирования конкретных вариантов осуществления, и не предполагает ограничения в отношении вышеуказанного описания.

Пример 1

Был получен электрохимический проточный реактор, включающий сепаратор 200 (Фигура 2), наряду с трубопроводом для подачи жидкости, включающим перистальтический(-кие) насос(-сы) 120 (Masterflex L/S Variable-Speed Drive w/ Remote I/O; 600 об/мин) для регулирования течения электролита в ячейку, и источник 110 питания (потенциостат Autolab 302N от фирмы Metrohm Autolab BV, Утрехт, Нидерланды), для регулирования подводимых электрохимического потенциала/тока, протекающего через ячейку.

Изготовленный аддитивным формированием металлический электрод с функцией статического смесителя (SME) 104, 204 как рабочий электрод плотно вставили внутрь трубчатого пористого полимерного сепаратора 202 (GenPore Reading, США) в конфигурации для режима разделения, который образует рабочий отсек. На каждом конце электрода конструкцией предусмотрены два канала для создания соединения для течения текучей среды. Текучая среда поступала в рабочий отсек через эти трубопроводы. Как во всех статических смесителях, момент импульса раствора вызывает перемешивание, когда раствор протекает мимо множества наклонных граней поверхности смесителя. Инертный трубчатый противоэлектрод 102, в этом конкретном эксперименте выполненный из стеклоуглерода, окружает рабочий отсек при малом расстоянии от сепаратора, создавая малообъемный отсек противоэлектрода и формируя наружную оболочку ячейки. Весь сборный узел закупорен двумя торцевыми крышками 500 (Фигуры 4а, 4b и 4с). Каналы 144, профрезерованные в торцевых крышках, обеспечивают течение текучей среды в отсек противоэлектрода. Эта конфигурация позволяет использовать различные текучие среды в двух отсеках, если требуется в эксперименте.

Производительность, с которой работает ячейка, может быть оценена сравнением предельного тока, измеренного при различных величинах расхода потока, с результатами испытания с использованием вращающегося дискового электрода (RDE) в том же растворе. Эти сравнения представляют собой полезные показатели производительности, и не применяются, чтобы делать любые выводы о гидродинамических условиях на поверхности статического смесителя.

Для оценки производительности двух конфигураций данного электрохимического проточного реактора провели серию экспериментов для исследования электрохимического восстановления феррицианида ([Fe(CN)₆]³⁺) в растворе (10^-3-10^-1 M), в 0,5 M растворе хлорида калия в качестве поддерживающего электролита, с использованием покрытого платиной электрода с функцией статического смесителя (то есть, рабочего электрода) и трубы из стеклоуглерода (то есть, анода). Типичную реакцию восстановления в реакторе с разделенной конфигурацией проводили следующим образом.

Хроноамперометрические измерения проводили при ступенчатом изменении потенциала -1,4 В, -1,6 В. -1,8 В и -2 В, который прилагали к ячейке в течение 100 секунд, с ячейкой, действующей в течение первого 50-секундного интервала в стационарном режиме (то есть, 0 мл·мин^-1), и в течение последнего 50-секундного интервала при постоянном расходе потока между 10 и 400 мл·мин^-1 (Фигуры 7-9). Регистрировали токи установившегося режима для всех величин расхода потока и при повышении величины расхода потока, с регистрацией возрастания тока при всех ступенчатых изменениях потенциала. Хотя зарегистрированные тока возрастали с увеличением потенциала, наблюдались некоторые газовые пузырьки в растворе, выходящем из проточной ячейки, когда прилагали -1,8 В и -2 В. При этих более высоких потенциалах для этого формата эксперимента, в дополнение к восстановлению [Fe(CN)₆]³⁺, на катоде происходило выделение водорода, которое может затруднять анализ.

Результаты эксперимента показали, что при более низких концентрациях электроактивных ионов, где реакция ограничивается массопереносом (то есть, 0,001 и 0,01 M [Fe(CN)₆]³⁺), конфигурация электрохимической проточной ячейки значительно повышает скорость реакции. При более высокой концентрации (то есть, 0,1 M [Fe(CN)₆]³⁺), где реакция контролируется массопереносом и кинетическими факторами (комплексный контроль), повышение скорости реакции является меньшим, между величинами от 1,5 до 3,7 раз быстрее, когда используют электрод с функцией статического смесителя.

Пример 2

Эффективность электрохимической проточной ячейки в удалении ионов меди из кислотного загрязненного раствора, содержащего 10-100 млн^-1 Cu²⁺ в 0,01M H₂SO₄, оценивали с использованием электрода с функцией статического смесителя из нержавеющей стали (то есть, рабочего электрода) и трубы из стеклоуглерода (то есть, анода), при величинах расхода потока, варьирующих от 10 до 1000 мл·мин^-1, в электрохимической проточной ячейке в варианте исполнения с разделенной конфигурацией. Как показано в Фигуре 10, при повышении расхода потока за пределы 50 мл·мин^-1 эффективность удаления снижается, что обусловлено сокращением времени пребывания электроактивных ионов на поверхности рабочего электрода для завершения реакции восстановления (Фигуры 10а и 10b). С другой стороны, повышением расхода потока увеличивался заряд, проходящий через рабочий электрод, и соответственно возрастал выход по току (Фигуры 10с и 10d). Однако повышение расхода потока является эффективным до точки, за которой эффективность снижается вследствие сокращения времени пребывания электроактивных ионов на поверхности электрода.

Пример 3

Также провели обстоятельные эксперименты по электролизу, чтобы показать, насколько эффективно электрохимическая проточная ячейка может удалять ионы меди из фиксированного объема загрязненного водного раствора. Два литра загрязненного медью водного раствора (то есть, 100 млн^-1 CuSO₄·4H₂O в 0,01M H₂SO₄) обрабатывали с использованием электрохимической проточной ячейки при постоянном расходе потока 50 мл·мин^-1 в течение 24 часов. Оптическое изображение и результаты SEM/EDS-анализа подтвердили осаждение ионов меди на рабочий электрод с функцией статического смесителя (Фигура 11), и результаты анализа ICP-MS-методом (масс-спектрометрии с индуктивно-связанной плазмой) показали, что было достигнуто 99,7%-ное сокращение концентрации меди в течение 24 часов в электрохимической проточной ячейке с разделенными конфигурациями (Фигура 12).

Изобретение относится к электрохимической проточной ячейке, включающей: реакционную камеру; первый электрод; второй электрод; и сепаратор, размещенный между первым и вторым электродами, причем сепаратор, по меньшей мере частично, образует первый канал внутри реакционной камеры, выполненный с возможностью приема потока первой текучей среды в контакте с первым электродом, и второй канал внутри реакционной камеры, выполненный с возможностью приема потока второй текучей среды в контакте со вторым электродом. Причем сепаратор включает проницаемую мембрану, выполненную с возможностью обеспечения электрического сообщения между первым и вторым электродами через потоки текучих сред, в то же время ограничивая обмен текучей средой между потоками текучих сред, и причем первый электрод представляет собой электрод с функцией статического смесителя, включающий электропроводный участок статического смесителя, образующий множество разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока первой текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода. Также изобретение относится к электрохимической проточной системе, способу электрохимической обработки потока текучей среды, способу электрохимического синтеза продукта. 4 н. и 24 з.п. ф-лы, 17 ил.

1. Электрохимическая проточная ячейка, включающая:

реакционную камеру;

первый электрод;

второй электрод; и

сепаратор, размещенный между первым и вторым электродами, причем сепаратор, по меньшей мере частично, образует первый канал внутри реакционной камеры, выполненный с возможностью приема потока первой текучей среды в контакте с первым электродом, и второй канал внутри реакционной камеры, выполненный с возможностью приема потока второй текучей среды в контакте со вторым электродом,

причем сепаратор включает проницаемую мембрану, выполненную с возможностью обеспечения электрического сообщения между первым и вторым электродами через потоки текучих сред, в то же время ограничивая обмен текучей средой между потоками текучих сред, и

причем первый электрод представляет собой электрод с функцией статического смесителя, включающий электропроводный участок статического смесителя, образующий множество разделяющих структур, выполненных с возможностью разделения потока первой текучей среды на множество отдельных субпотоков во множестве местоположений вдоль длины первого электрода.

2. Ячейка по п. 1, причем электрохимическая проточная ячейка представляет собой трубчатый реактор с непрерывным потоком.

3. Ячейка по п. 2, в которой электрод с функцией статического смесителя соосно выровнен по существу вдоль оси трубчатого реактора с непрерывным потоком.

4. Ячейка по любому из пп. 1-3, в которой электрод с функцией статического смесителя включает электропроводную подложку.

5. Ячейка по п. 4, в которой подложка представляет собой металл или металлический сплав.

6. Ячейка по любому из пп. 1-5, в которой электрод с функцией статического смесителя включает электропроводное покрытие.

7. Ячейка по любому из пп. 1-6, в которой электрод с функцией статического смесителя включает электропроводную составную подложку, образующую множество проточных секций, выполненных с возможностью усиления массопереноса и хаотической адвекции.

8. Ячейка по любому из пп. 1-7, в которой диаметр участка статического смесителя первого электрода может быть приблизительно равным диаметру первого канала.

9. Ячейка по любому из пп. 1-8, в которой первый электрод размещен в контакте с сепаратором.

10. Ячейка по любому из пп. 1-9, в которой сепаратор и второй электрод размещены концентрически и соосно с центральной продольной осью первого электрода.

11. Ячейка по любому из пп. 1-10, в которой сепаратор и второй электрод являются по существу цилиндрическими.

12. Ячейка по любому из пп. 1-11, в которой второй электрод составляет по меньшей мере часть стенки реакционной камеры.

13. Ячейка по любому из пп. 1-12, в которой первый электрод, включающий участок статического смесителя, выполнен с возможностью действия внутри первого канала для создания объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин.

14. Электрохимическая проточная система, включающая по меньшей мере первую электрохимическую проточную ячейку по любому из пп. 1-13.

15. Система по п. 14, дополнительно включающая:

вторую электрохимическую проточную ячейку по любому из пп. 1-13; и

множество проточных трубопроводов, соединяющих первую электрохимическую проточную ячейку со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.

16. Система по п. 14 или 15, дополнительно включающая:

насос для создания течения текучей среды потоков текучих сред;

источник питания для регулирования протекающего через электроды тока, или подводимого к ним напряжения;

управляющее устройство для регулирования одного или более параметров системы, включающих концентрацию, величину расхода потока, температуру, давление и время пребывания.

17. Способ электрохимической обработки потока текучей среды, включающий применение электрохимической проточной ячейки по любому из пп. 1-13, или системы по любому из пп. 14-16, введение первого потока обрабатываемой текучей среды в первый канал электрохимической проточной ячейки и получение обработанного выходного потока, включающего продукт реакции.

18. Способ по п. 17, в котором потоки первой и второй текучих сред включают жидкости.

19. Способ по п. 17 или 18 для обработки сточных вод, удаления ионов растворенных металлов из потока текучей среды, или извлечения металла из потока текучей среды.

20. Способ по п. 17 или 18 для удаления частиц растворенного металла из потока первой текучей среды, причем удаление частиц металла происходит на поверхности участка статического смесителя первого электрода.

21. Способ по любому из пп. 17-20, в котором электрохимическая проточная ячейка, включающая первый электрод, содержащий участок статического смесителя, выполнена с возможностью усиления хаотической адвекции разделением потока первой текучей среды более чем на 200 м^-1, соответственно числу циклов разделения потока первой текучей среды внутри данной длины вдоль участка статического смесителя первого электрода.

22. Способ по любому из пп. 17-21, в котором электрохимическая проточная ячейка, включающая первый электрод, содержащий участок статического смесителя, выполнена с возможностью обеспечения числа Пекле (Pe) по меньшей мере около 10000.

23. Способ по любому из пп. 17-22, в котором электрохимическая проточная ячейка выполнена с возможностью обеспечения объемного расхода потока для потока первой текучей среды по меньшей мере около 0,1 мл/мин.

24. Способ по любому из пп. 17-23, в котором поток первой текучей среды включает частицы растворенного металла при концентрации (моль/л) менее чем около 0,01.

25. Способ по любому из пп. 17-24, в котором электрохимическая проточная ячейка выполнена с возможностью обеспечения эффективности извлечения загрязнения или частиц металла в потоке первой текучей среды по меньшей мере 90% загрязнения или частиц металла, первоначально присутствующих в потоке первой текучей среды.

26. Способ по любому из пп. 17-25, в котором электрохимическая проточная ячейка выполнена с возможностью обеспечения плотностей тока на электроде с функцией статического смесителя и противоэлектроде в диапазоне от 1 мкА·м^-2 до около 1000 А·м^-2.

27. Способ по любому из пп. 17-26, включающий работу первой и второй электрохимических проточных ячеек по любому из пп. 1-13, причем множество проточных трубопроводов соединяет первую электрохимическую проточную ячейку со второй электрохимической проточной ячейкой так, что первый канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде со вторым каналом второй электрохимической проточной ячейки, и второй канал первой электрохимической проточной ячейки находится в сообщении по текучей среде с первым каналом второй электрохимической проточной ячейки.

28. Способ электрохимического синтеза продукта, включающий применение электрохимической проточной ячейки по любому из пп. 1-13 или системы по любому из пп. 14-16, реагирование первого потока текучей среды, включающего один или более реактантов, в первом канале электрохимической проточной ячейки и получение выходного потока, включающего продукт реакции.