超重力-電化學耦合與反應技術

超重力-電化學耦合技術是通過超重力電化學反應裝置來實現。離心機改裝的超重力電化學反應裝置屬于間歇操作的超重力電化學反應裝置。由于高速旋轉形成轉動慣量的制約，此裝置結構適用于小批量間歇操作，僅適用于實驗室研究，限制了超重力-電化學耦合技術的進一步發展。為了研發適合連續操作、規模處理的超重力電化學反應裝置，中北大學的劉有智等提出了“多級同心圓筒-旋轉床（MCE-RB）”電化學強化機制，研制出可連續操作的、適合規模處理和工業放大的多級同心圓筒-旋轉床（MCE-RB）式的超重力電化學反應裝置，并將其應用于電解廢水工藝中，有效減弱了電解廢水時的“氣泡效應”并強化了廢水的電化學反應傳質過程。在所研發的多級同心圓筒式超重力電化學反應裝置基礎上，通過將超重力分別與電催化和電Fenton技術耦合，發展出超重力-電化學-催化氧化耦合（超重力電催化）技術及裝置、超重力-電化學Fenton氧化耦合（超重力電Fenton）技術及裝置，形成了一系列超重力-電化學耦合（超重力電化學）技術及裝置。目前，該類超重力-電化學耦合裝置及技術在電解廢水方面取得了一些研究成果，在提效降耗方面提現出該裝置及其技術優勢。該類多級同心圓筒-旋轉床（MCE-RB）式的超重力電化學反應裝置及其技術豐富了超重力電化學反應裝置機構類型，拓展了超重力技術的應用領域，為超重力-電化學耦合技術邁向工業化發展邁出重要一步。隨后杜建平等研制出離心高速旋轉的超重力電沉積裝置，進行了超重力場中電沉積MnO2電極材料的研究。研究表明超重力場中可快速制得性能優良的電沉積材料。

目前，主要有以上三種典型的超重力電化學反應裝置，所形成的超重力-電化學耦合技術已在多個電化學反應過程中體現出超重力技術對其過程強化的技術優勢，具有廣闊應用前景。

離心機改裝的超重力電化學反應裝置是將離心機的轉子部分進行改裝，將電解槽（圓柱形塑料試杯）置于并固定資轉子的一端，在與之對應的轉子直徑的另一端安放平衡物，兩者處于軸對稱平衡狀態。轉子旋轉時，電解槽和平衡物圍繞離心機的中心軸旋轉，以此來模擬超重力場的作用，電解液一次性裝入試杯中，操作結束后將電解液排除。

離心機改裝的超重力電化學反應裝置主要包括：離心機、強電傳輸系統、弱電傳輸系統、氣體傳輸系統、圖像采集系統、電解槽體系和電化學反應控制系統。其中，電化學反應在電解槽中進行。利用離心機轉子的旋轉為電化學反應過程模擬超重力場；通過調速旋鈕來調節超重力場強度的大??；利用弱電系統的銅環來傳輸電化學信號、溫度控制信號和圖像信號；利用強電傳輸系統的功率環來傳送電解槽升溫所需的電力；通過氣體傳輸系統實現電化學反應產生氣體的在線收集或電解槽內氣氛的控制；利用圖像采集系統來監控電極表面的反應過程及界面狀態。該裝置可同步實現超重力場強度控制、電化學反應控制、溫度控制、圖像采集、氣體收集和槽內氣氛控制多種功能，適用于在實驗室內進行超重力環境下電化學反應過程的基礎研究。