一种羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的装置及方法

摘要

本发明涉及一种羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的装置及方法。所述装置包括依次连通设置的进气室(12)、加热室(13)和沉积室(6)，其中进气室(12)和加热室(13)之间以及加热室(13)和沉积室(6)之间均设有法兰，在进气室(12)和加热室(13)的中心轴上设有羰基铁进料管(1)，所述进气室(12)底部设有CO进气口(2)，所述沉积室(6)沿气流方向设有石墨毡，加热室(13)中设有加热装置。总上，本发明有以下优点：(1)能大批量进行电极的处理；(2)复合电极材料表面铁的颗粒尺寸、形貌特征等可通过改变流量、载气速度、温度、沉积时间等工艺条件来控制；(3)一系列的尾气处理装置可以进行有效的成本控制和节能减排。

说明书

技术领域

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

背景技术

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

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

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

发明内容

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

此外，本发明提供了一种制备铁-碳复合电极材料的方法，所述方法包括以下步 骤：

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

2)步骤1)中生成的五羰基合铁进入沉积室6，控制沉积室6内的温度，使五 羰基铁合铁发生热解生成铁粉并沉积在石墨毡上，形成铁-碳复合电极材料。

其中，控制所述步骤1)中羰基铁流速为0.5g/s～100g/s；

所述步骤1)中反应气CO首先在换热器7内进行预热；

所述步骤2)中五羰基铁合铁发生热解的温度为240℃～360℃。

本发明装置和方法制备MFC的构本降低，而且提高产电效率，极大的提高电极 材料的生产效率。通过改变气化羰基铁流量和速度、载气温度、沉积时间等工艺条 件来控制电极表面羰基铁的负载量以及形貌尺寸等。

总上，本发明制备微生物燃料电池铁-碳复合电极材料的工艺及其反应器有以下 显著优点：

(1)能大批量进行电极的处理，生产效率高；

(2)复合电极材料表面铁的颗粒尺寸、形貌特征等可通过改变流量、载气速度、 温度、沉积时间等工艺条件来控制，产品可控性高；

(3)一系列的尾气处理装置可以进行有效的成本控制和节能减排。

附图说明

图1为本发明羰基铁沉积法制备铁-碳复合电极材料的装置结构示意图。

附图标识

1、液态羰基铁进口    2、CO进气口    3、气化喷嘴

4、电热丝            5、风帽        6、沉积室

7、换热器            8、旋风收尘    9、扩散收尘

10、冲击收尘         11、文氏管     12、进气室

13、加热室

具体实施方式

在一种用羰基铁沉积法制备微生物燃料电池铁-碳复合电极材料的反应器中，如 图1所示，由以下几部分组成：液态羰基铁进口1、CO进气口2、气化喷嘴3、电 热丝4、风帽5、沉积室6、换热器7、旋风收尘8、扩散收尘9、冲击收尘10、文氏 管11、进气室12以及加热室13。

本发明的沉积反应器为圆柱形铸铁，有三部分组成，两个法兰将进气室、加热室 和沉积室相连，进气室与加热室柱体直径相同，沉积室直径稍大，以增加石墨毡的 处理量，提高生产效率。

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

本发明的气化喷嘴由套管组成，内管为羰基铁流动相，外管为高压高纯CO气体， 既可以将羰基铁气化，又可以保护羰基铁不被氧化。

本发明的风帽使羰基铁气流分流，使其在反应器内分布均匀，同时给予其一定的 动能，使其产生强烈扰动，防止羰基铁颗粒沉积。

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

本发明所提供的制备铁-碳复合电极材料的方法为：将一定形状和尺寸的石墨毡 放在室温下干燥48小时。干燥后将薄板置于沉积室中，在温度为200℃下恒温12小 时，热解时通入300℃一氧化碳气作为保护气以确保无氧环境。定量开启羰基铁气体 和载气，羰基铁以一定速率热解为原子态铁，沉积在石墨电极表面，根据条件可以 形成不同的聚集尺寸和厚度。

实施例1

通过控制羰基铁流速，以1mg/cm²的负载量在预处理过的石墨毡上进行沉积负 载，作为空气阴极单室MFC的阴极进行产电实验，同时与阴极上无羰基铁负载的相 同的空气阴极MFC进行产电性能的对比。经对比发现，在相同实验条件下，阴极有 羰基铁负载的MFC的产电功率密度比阴极无羰基铁负载的MFC功率密度提高了 20％～25％。

实施例2

通过控制羰基铁流速，以1.5mg/cm²的负载量在预处理过的石墨毡上进行沉积负 载，作为空气阴极单室微生物燃料电池的阳极进行产电实验，同时与阳极上无羰基 铁负载的相同的空气阴极微生物燃料电池进行产电性能的对比。经对比发现，相同 实验条件下，阳极有羰基铁负载的微生物燃料电池的功率密度相同实验条件下阳极 无羰基铁负载的电池功率密度提高了15％～25％，同时测得库伦效率提高了约20％， COD去除率提高了约10％～15％。

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参 照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的 技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应 涵盖在本发明的权利要求范围当中。