本发明属于电化学反应技术领域，涉及一种连续式离心电化学反应装置及其运行方法和用途。
背景技术：
电化学冶金因其无需添加化学还原剂、污染少、对环境危害小的优点，而成为大宗矿产资源提取金属的共性方法。然而，在冶金电化学反应过程中，离子传质步骤往往是控制步骤，会造成严重的浓差极化，致使电化学反应效率和速率降低，电解能耗增加，使得电极表面反应潜力受到极大的限制。
离心加速度可以在常规条件难以达到的尺度范围内，强化电化学反应过程的液相传质，有效降低浓差极化。近年来，利用离心强化的方法来提升工业电化学受到国内外学者的广泛关注。linsw(j.electrochem.soc，2001，148:c284-c288)等将离心机应用于含汞低浓废水的电化学处理，可显著增强废水的处理效果。eftekhari(microelectron.eng，2003，69:17-25)在离心场电沉积铜，当离心加速度为210g时，铜电沉积速率增加2倍以上，可获得导电性能更为优异的致密金属膜。王明涌(物理化学学报，2009，25(05):883-889)在对含铅废水电化学处理过程中，发现离心加速度可以极大地提高废水处理的速率和效率，实现了废水的深度净化，并可显著降低槽电压，同步达到了节能和减排的目的。
广泛使用的离心电化学设备基本是以离心机为原型改造而成，以离心机试杯为电解槽，通过导电滑环传输弱电电流。离心机式的实验装置无法实现电解液的连续输入和输出，仅能间歇操作。导电滑环仅能进行小电流传输，适应工业应用需求的大电流输送无法进行。因此，目前广泛采用的离心强化电化学装置难以进行放大和工业应用。王明涌(cn101560674a，2009)发明了实验型的离心强化冶金电化学装置，实现了电极表面观测、反应器温度精确控制和气体连续在线采集等功能，但无法实现电解液的连续循环和产物的在线收集，仅能间歇操作。刘有智(cn101787555a，2010)发明了一种连续操作的多级同心圆筒式电解反应装置，可以进行液相的连续输入和输出，但该装置仅适用于有机废水的电解处理，不能对固态电解产物进行在线的连续收集，电流传输采用导电滑环完成，难以进行大电流的精确输送，因此该装置无法广泛应用于冶金电化学工业。李成威(cn103276412a，2013)设计了一种用于制备金属铜粉的阴极旋转式电解机，采用废紫铜粒做阳极，不锈钢圆盘作阴极，通过集电器和导电转轴进行电流的输送，大电流传输困难，且该设备只局限于粗铜电解精炼制金属粉，功能比较单一，不能对电解产物进行在线收集。赵业伟(cn204138396u，2015)研制了一种用于金属废液处理的旋转电极电解装置，电解液可连续循环，但仅能设置一对阴阳极，电解槽空间利用率低，且无法满足电解产物的在线收集，不能保证装置的长时间的运行，无法满足工业化的需求。
尽管利用离心加速度强化电化学反应取得了良好的效果，为电化学工业升级奠定了基础。然而，现有实验装置设计的缺陷，工业化放大存在诸多困难，导致离心强化电化学新方法工业化推广进展缓慢。因此，积极研制同步实现液相循环、大电流精确传输和固体产物在线采集的离心电化学工业化装置是实现该技术工业推广的关键和迫切需求。
技术实现要素：
针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种连续式离心电化学反应装置，该装置可实现电解液连续循环、大电流稳定传输和电解产物在线收集的功能，利用离心加速度可显著强化金属离子传质，抑制浓差极化，加速冶金电化学反应速率和效率。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
一种连续式离心电化学反应装置，包括电解槽，所述电解槽的顶部设置有可拆卸的电解槽盖，所述转轴的顶端连接有电动机；
所述电解槽的内部设置有圆盘电极组，所述圆盘电极组包括上端电极、中间电极和下端电极，所述上端电极固设于所述电解槽盖的底端，所述下端电极固设于所述电解槽的底部，所述电解槽盖的中部、所述上端电极的中部、所述下端电极的中部沿厚度方向均设置有通孔，所述转轴的下端依次穿过所述电解槽盖、所述上端电极、所述下端电极的通孔伸入所述电解槽的底部，所述中间电极垂直且绝缘连接于所述转轴，所述转轴的下端固设有刮粉刷，所述刮粉刷与所述下端电极的顶面相抵触；
所述电解槽的外部设置有整流器，所述整流器分别与所述上端电极、所述下端电极连接，所述中间电极通过电解液实现所述圆盘电极组的电极间的电连接；
所述电解槽的上部设置有电解乏液输出装置，所述电解槽的下部设置有电解原液输入装置，所述电解槽的底部设置有排料口。
所述上端电极、所述下端电极和所述中间电极均为双极性电极，在碱性溶液中时所述双极性电极的材质为高纯ni或不锈钢，在酸性溶液中时所述双极性电极的材质为钛基涂层电极或pbag合金；
优选地，所述上端电极、所述下端电极和所述中间电极的直径相同，所述上端电极与所述中间电极之间、所述中间电极与所述下端电极之间的间距均为2～15cm，极间电压为1～20v。
所述圆盘电极组的组数由所述中间电极的个数调节，优选为1～10组。
所述电动机的一端与所述转轴的顶端，所述电动机的另一端还连接有电动机控制器，以实现所述电动机转速的控制；
优选地，所述转轴的转速为0～1000rpm。
所述电解乏液输出装置包括溢流口和电解乏液储槽，所述溢流口设置于所述电解槽的上部，所述溢流口与所述电解乏液储槽通过溢流管相连接。
所述电解原液输入装置包括进液口、流量计、离心泵和电解原液储槽，所述进液口设置于所述电解槽的下部，所述离心泵设置于所述进液口与所述电解原液储槽之间，所述流量计设置于所述进液口与所述离心泵之间。
所述电解槽的底部还设置有阀门，所述阀门设置于所述排料口的上部。
所述通过导线与所述整流器连接，所述导线穿过所述电解槽盖并与所述电解槽盖绝缘；
优选地，所述下端电极通过导线与所述整流器连接，所述导线穿过所述电解槽的底部并与所述电解槽绝缘；
优选地，所述中间电极与所述转轴通过中间电极紧固件绝缘连接；
优选地，所述下端电极与所述转轴通过机械密封件连接。
本发明的目的之二在于提供一种连续式离心电化学反应装置的运行方法，所述方法包括如下步骤：电解原液由所述进液口进入所述电解槽的内部，所述电动机控制所述转轴旋转，带动所述中间电极旋转，在电极和电解液界面微区形成离心场，电化学反应在电极表面进行，电解乏液由所述溢流口排出，粉状电解产物在离心力作用下从所述中间电极表面脱落，下端电极表面的粉状电解产物则由所述刮粉刷刮下，粉状电解产物通过所述排料口排出。
本发明的目的之三在于提供一种连续式离心电化学反应装置的用途，将所述连续式离心电化学反应装置用于电解金属粉、金属电解提取、重金属和有机废水电化学处理。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的连续式离心电化学装置通过双极式串联电连接方式，无需导电滑环，实现大电流在动态-静态间的稳定连续传输。
(2)本发明的连续式离心电化学装置电解液连续输入和输出的同时，可在线连续收集电解产物，离心电化学装置的连续稳定运行，为其工业应用奠定了基础，有望实现冶金电化学工业升级。
(3)本发明的连续式离心电化学装置可显著强化电解金属粉、金属电解提取、重金属和有机废水处理，起到过程节能的目的。
(4)本发明的连续式离心电化学反应装置，该装置利用离心加速度可显著强化金属离子传质，抑制浓差极化，加速冶金电化学反应速率和效率，用于电解铜粉时电流效率最高达70.9％，铜的回收率最高达85％。
附图说明
图1为本发明的连续式离心电化学反应装置的结构示意图。
附图标记如下：
1-电动机；2-转轴；3-导线；4-电解槽盖；5-上端电极；6-中间电极紧固件；7-中间电极；8-电解槽；9-机械密封件；10-下端电极；11-阀门；12-排料口；13-进液口；14-流量计；15-离心泵；16-刮粉刷；17-电解原液储槽；18-整流器；19-电解乏液储槽；20-溢流口；21-电动机控制器。
具体实施方式
下面结合附图1并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。
如附图1所示，本发明的连续式离心电化学反应装置，包括电解槽8，电解槽8的顶部设置有可拆卸的电解槽盖4，转轴2的顶端连接有电动机1；其中，电解槽为绝缘耐腐蚀的电解槽。
电解槽8的内部设置有圆盘电极组，圆盘电极组包括上端电极5、中间电极7和下端电极10，且均为圆盘形状，上下端电极为固定式的，中间电极为旋转式的可随转轴2一起转动，上端电极5固设于电解槽盖4的底端，下端电极10固设于电解槽8的底部，电解槽盖4的中部、上端电极5的中部、下端电极10的中部沿厚度方向均设置有通孔，转轴2的下端依次穿过电解槽盖4、上端电极5、下端电极10的通孔伸入电解槽8的底部。电解槽8的外部设置有整流器18，整流器18分别与上端电极5、下端电极10连接。优选地，上端电极5通过导线3与整流器18连接，导线3穿过电解槽盖4并与电解槽盖4绝缘；优选地，下端电极10通过导线3与整流器18连接，导线3穿过电解槽8的底部并与电解槽8绝缘。上端电极5可以与整流器18的正极相连、也可与整流器18的负极相连，对应的，下端电极10可与整流器18的负极相连，也可与整流器18的正极相连，具体可根据实际需要调整连接方向。优选地，下端电极10与转轴2通过机械密封件9连接；中间电极7垂直且绝缘连接于转轴2，进一步地，中间电极7与转轴2通过中间电极紧固件6绝缘连接；中间电极7通过电解液实现圆盘电极组的电极间的电连接。转轴2的下端固设有刮粉刷16，刮粉刷16与下端电极10的顶面相抵触，刮粉刷16随转轴2转动时将下端电极10表面的粉状电解产物刮下。
电解槽8的上部设置有电解乏液输出装置，电解槽8的下部设置有电解原液输入装置，电解槽8的底部设置有排料口12。电解乏液输出装置包括溢流口20和电解乏液储槽19，溢流口20设置于电解槽8的上部，溢流口20与电解乏液储槽19通过溢流管相连接。电解原液输入装置包括进液口13、流量计14、离心泵15和电解原液储槽17，进液口13设置于电解槽8的下部，离心泵15设置于进液口13与电解原液储槽17之间，流量计14设置于进液口13与离心泵15之间。电解槽8的底部还设置有阀门11，阀门11设置于排料口12的上部。
上端电极5、下端电极10和中间电极7均为双极性电极，在碱性溶液中时双极性电极的材质为高纯ni或不锈钢，在酸性溶液中时双极性电极的材质为钛基涂层电极或pbag合金；优选地，上端电极5、下端电极10和中间电极7的直径相同，均为10～150cm，且连续可调，例如10cm、20cm、30cm、40cm、50cm、60cm、70cm、80cm、90cm、100cm、110cm、120cm、130cm、140cm、150cm，上端电极5与中间电极7之间、中间电极7与下端电极10之间的间距均为2～15cm，且连续可调，例如间距均为2cm、3cm、4cm、5cm、6cm、7cm、8cm、9cm、10cm、11cm、12cm、13cm、14cm、15cm，极间电压为1～20v，且连续可调，例如1v、2v、3v、4v、5v、6v、7v、8v、9v、10v、11v、12v、13v、14v、15v。
圆盘电极组的组数由中间电极7的个数调节，优选为1～10组，例如1组、2组、3组、4组、5组、6组、7组、8组、9组、10组。电动机1的一端与转轴2的顶端，电动机1的另一端还连接有电动机控制器21，以实现电动机转速的控制；优选地，转轴2的转速为0～1000rpm，且连续可调，例如100rpm、200rpm、300rpm、400rpm、500rpm、600rpm、700rpm、800rpm、900rpm、1000rpm。
本发明连续式离心电化学反应装置的运行方法，所述方法包括如下步骤：电解原液由所述进液口13进入所述电解槽8的内部，所述电动机1控制所述转轴2旋转，带动所述中间电极7旋转，在电极和电解液界面微区形成离心场，电化学反应在电极表面进行，电解乏液由所述溢流口20排出，粉状电解产物在离心力作用下从所述中间电极7表面脱落，下端电极10表面的粉状电解产物由所述刮粉刷16刮下，粉状电解产物通过所述排料口12排出。
实施例1
连续式离心电化学反应装置见图1，上端电极5通过硬质铜导线固定于电解槽盖4的底端，电解槽盖4为可拆卸结构；下端电极10通过硬质铜导线固定于电解槽体8的底部；中间电极7通过直角紧固件等距地固定于转轴2，中间电极7和上下端电极5、10构成圆盘电极组。
电动机1带动转轴2转动，转轴2转速的显示和调节通过电动机控制器21控制，转轴2带动中间电极7的高速旋转，在电极和溶液界面微区形成离心场，离心场的强度通过控制电动机1转速调控。
整流器18的正负极分别直接连接到上端电极5、下端电极10，中间电极7与端电极间通过双极式电连接导电，实现大电流在动态-静态间的连续传输。
电解液经离心泵15，从电解原液储槽17经进液口13进入反应装置内部，在离心力作用下，电解液与圆盘电极组充分接触和快速更新，电解乏液由反应器上部溢流口20排出，进入电解乏液储槽19，实现电解液连续地输入和输出。
粉状产物在离心力作用下脱离中间电极7表面，沿装置器壁，落入电解槽底部的排料口12，下端电极10表面的电解产物通过转轴带动的刮粉刷清理出电极表面，定期控制阀门11将电解产物排出，实现电解产物的在线收集。
实施例2
连续式离心电化学反应装置的电解槽的材质为聚四氟乙烯材质，内径为300mm，高400mm，中间电极片个数为3，电极板的直径为200mm，电极间距为50mm，电极为单面附有贵金属涂层的钛电极，附有涂层一侧为阳极，无涂层一侧为阴极。电解前打开离心泵15将电解原液输入反应装置内部，待装置充满电解液时，开启电动机1旋转带动中间电极7的旋转，调节转轴2转数，同时开启整流器18进行电化学反应，电解乏液由外壳上部溢流口20流出，粉状电解产物由外壳底部排料口12排出。
实施例3
采用与实施例2相同的装置和运行方法，针对5g/l的含铜溶液，当转轴不转时，电解铜的电流效率为32.1％，溶液中铜的回收率为43％。
实施例4
采用与实施例2相同的装置和运行方法，针对5g/l的含铜溶液，当转轴转速为244r/min，电流效率可达到64.6％，铜的回收率为71％。
实施例5
采用与实施例2相同的装置和运行方法，针对5g/l的含铜溶液，当转轴转速为500r/min，电流效率为70.9％，铜的回收率为85％。
实施例6
中间电极7的个数为1，其余与实施例2相同，针对2g/l的含铜溶液，当转轴转速为244r/min，电流效率为48.7％，铜的回收率为79％。
实施例7
中间电极7的个数为2，极间距为100mm，其余与实施例2相同，针对10g/l的含铜溶液，当转轴转速为100r/min，电流效率为53.2％，铜的回收率为65％。
实施例8
中间电极7的个数为2，极间距为80mm，其余与实施例2相同，针对10g/l的含镍溶液，当转轴转速为100r/min，电流效率为41.5％，镍的回收率为53％。
本发明的连续式离心电化学反应装置，无需导电滑环，可实现大电流的精确传输，电解液可连续循环，电解产物能够连续在线收集，满足离心电化学工业化应用的需求，可广泛应用于电解金属粉、金属电解提取、重金属和有机废水电化学处理。
以上实施例仅用来说明本发明的详细方法，本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。