多层电合成流动反应池的传质优化与性能提升

 针对传统单层电合成反应池传质效率低、空间利用率不足、电流密度受限等问题，多层电合成流动反应池凭借其层叠式结构设计与强化传质特性，成为绿色电合成领域的研究热点。本文从多层反应池的结构设计原理出发，系统阐述流道构型优化、电极界面改性、层间协同调控等关键传质优化技术，结合流体力学模拟与实验验证，分析不同优化策略对反应池电流效率、产物选择性、时空产率等核心性能指标的影响规律，并探讨其在有机电合成、二氧化碳资源化等领域的应用前景，为多层电合成流动反应池的工业化推广提供理论与技术支撑。

一、引言

      电合成技术以电子为 “绿色试剂"，可在温和条件下实现有机合成、污染物降解、资源回收等反应，契合当前化工行业低碳化转型需求。流动反应池因反应物连续流动、产物及时分离的特点，相较于传统釜式反应器具有更高的反应效率与安全性，已广泛应用于电合成领域。

       然而，传统单层流动反应池存在电极面积与反应器体积比偏低、反应物在电极表面停留时间短、传质阻力大等缺陷，导致反应电流密度与产物选择性难以突破。多层电合成流动反应池通过层叠式电极排布与模块化设计，大幅提升单位体积内的有效反应面积，同时通过流道构型优化与层间协同调控，强化反应物向电极表面的传递速率，为解决传质限制问题提供了有效路径。

      本文聚焦多层电合成流动反应池的传质优化技术与性能提升方法，梳理结构设计、界面调控、操作参数优化等方面的研究进展，旨在为该类反应器的设计升级与工业化应用提供参考。

二、多层电合成流动反应池的结构设计基础

       多层电合成流动反应池的核心优势源于其层叠式结构与精准的流场调控，合理的结构设计是实现传质优化的前提。其基本结构主要由电极单元、流道单元、密封单元、集电单元四部分组成，各单元的设计参数直接影响传质效率与反应性能。

2.1 电极单元设计

      电极是电合成反应的核心位点，多层反应池的电极单元通常采用 “阳极 - 隔膜 - 阴极" 的三明治结构，并将该基础单元进行层叠，形成多组串联或并联的反应模块。

       电极材料与形貌：优先选用多孔金属、碳基材料（如石墨毡、碳纳米管阵列）等具有高比表面积的电极，增大反应物与电极的接触概率；对于催化性能要求较高的反应，可通过负载 Pd、Pt、MnO₂等催化剂提升反应活性位点数量。

       电极排布方式：串联排布可提升反应的总电势，适用于需要高电位驱动的反应；并联排布可增大反应通量，适用于规模化生产场景。层间电极间距需精准控制，间距过大会增加传质距离，过小则易导致流体阻力过大，通常控制在 0.5~5 mm 范围内。

2.2 流道单元设计

      流道是反应物流动的通道，其构型直接决定流体的流动状态与传质路径。多层反应池的流道单元需保证各层流体分布均匀，避免出现 “死区" 或流速不均的现象。

      流道构型分类：常见的流道构型包括蛇形流道、叉指形流道、平行流道等。蛇形流道可延长反应物在池内的停留时间，适用于慢反应体系；叉指形流道通过分流与汇流强化流体扰动，降低边界层厚度，提升传质系数；平行流道结构简单，流体阻力小，适用于大通量反应场景。

      层间流场协同：多层反应池需设计统一的进 / 出液口与分流结构，确保各层流道的流速一致。可通过数值模拟（如 CFD）优化流道的长宽比、进出口位置，避免因层间压力差导致的流体分布不均。

2.3 密封与集电单元设计

     密封单元采用耐酸碱、耐有机溶剂的材料（如氟橡胶、聚四氟乙烯），防止层间渗漏，保证反应的稳定性；集电单元需选用导电性好、耐腐蚀的材料（如钛合金、铜排），降低接触电阻，避免因 IR 降过大导致的能量损耗。

三、多层电合成流动反应池的传质优化关键技术

      传质过程是电合成反应的限速步骤，主要包括反应物从主体溶液向电极表面的扩散、反应物在电极表面的吸附、产物从电极表面脱附并扩散至主体溶液三个阶段。针对多层反应池的结构特点，可通过以下技术手段强化传质效率。

3.1 流道流体力学优化

      流体的流动状态直接影响边界层厚度，层流状态下边界层较厚，传质阻力大；湍流状态下流体扰动增强，边界层变薄，传质效率显著提升。

      基于 CFD 的流道模拟优化：利用计算流体动力学软件（如 Fluent、COMSOL）模拟不同流道构型下的流速分布、压力分布与剪切力分布，预测传质系数的变化规律。例如，在蛇形流道中增设扰流柱，可增强流体扰动，将边界层厚度降低 30%~50%。

      操作参数调控：通过提升进液流速、优化反应温度等操作参数，强化流体的对流扩散。流速提升可增大流体的雷诺数，促进层流向湍流转变；温度升高可增大反应物的扩散系数，降低溶液黏度，进一步提升传质速率。但需注意，流速过高会增加能耗，温度过高可能导致副反应加剧，需结合具体反应体系进行优化。

3.2 电极界面改性技术

     电极表面的物理化学性质直接影响反应物的吸附与传质效率，通过界面改性可有效提升电极的传质性能与催化活性。

     多孔化改性：采用电化学蚀刻、模板法、烧结法等方式制备多孔电极，增大电极的比表面积与粗糙程度。例如，将金属钛电极进行阳极氧化处理，制备 TiO₂纳米管阵列电极，其比表面积较光滑电极提升 10 倍以上，显著增强反应物的吸附能力。

      催化剂负载与功能化修饰：在电极表面负载高活性催化剂，并通过表面修饰引入亲水性或疏水性基团，调控反应物与电极的相互作用。例如，在碳毡电极表面负载 Cu 纳米颗粒，并修饰羧基基团，可增强对 CO₂的吸附与活化，提升 CO₂电还原的产物选择性。

      电极表面亲疏水性调控：通过等离子体处理、化学接枝等方法调控电极表面的亲疏水性，使反应物更易在电极表面铺展，降低传质阻力。例如，将电极表面改性为亲水性，可促进水溶液中反应物的吸附；改性为疏水性，则适用于有机溶剂体系的电合成反应。

3.3 层间电位协同调控

      多层反应池的各层电极可独立调控电位，通过设计合理的电位梯度，实现层间传质与反应的协同强化。

      串联电位调控：对于分步反应体系，可在不同层电极设置不同的电位，使反应物在逐层流动过程中完成多步反应，避免中间产物的累积，提升产物收率。例如，在醇类氧化反应中，第一层电极设置低电位实现醇向醛的转化，第二层电极设置高电位实现醛向羧酸的转化，中间产物无需分离，直接连续反应。

     电位脉冲调控：采用脉冲电位代替恒定电位，可减少电极表面的产物吸附与钝化，强化产物脱附过程。脉冲电位的 “氧化 - 还原" 交替模式，可有效清除电极表面的积碳或副产物，维持电极的长期稳定运行。

四、多层电合成流动反应池的性能评价与应用案例

4.1 核心性能评价指标

     多层电合成流动反应池的性能需通过以下关键指标进行评价，以验证传质优化的效果：

     电流效率：反映电能转化为目标产物的效率，电流效率越高，能耗越低。传质效率提升可减少反应物的扩散限制，降低副反应的发生概率，从而提升电流效率。

     产物选择性：指目标产物占总产物的比例，是衡量反应精准性的核心指标。层间电位协同调控与电极界面改性可显著提升目标产物的选择性。

     时空产率：指单位体积、单位时间内目标产物的产量，是评价反应器工业化潜力的关键指标。多层反应池通过提升单位体积内的电极面积，可将时空产率提升 2~5 倍。

4.2 典型应用案例

4.2.1 有机电合成领域

     在苯甲醛电氧化制备苯甲酸的反应中，采用多层叉指形流道反应池，通过 CFD 优化流道构型，增设扰流柱，强化流体扰动。结果表明，与传统单层反应池相比，传质系数提升 40%，电流效率从 65% 提升至 89%，时空产率提升 3 倍以上，且产物选择性保持在 95% 以上。

4.2.2 二氧化碳资源化领域

      在 CO₂电还原制备一氧化碳的反应中，采用多层多孔铜电极反应池，通过等离子体改性调控电极表面亲疏水性，同时设置层间梯度电位。实验结果显示，CO 的法拉第效率达到 92%，时空产率达到 0.8 mol・L⁻¹・h⁻¹，远高于传统单层反应池，且反应器可稳定运行 100 h 以上。

五、工业化应用挑战与展望

       多层电合成流动反应池在提升传质效率与反应性能方面具有显著优势，但在工业化推广过程中仍面临以下挑战：

      放大效应：实验室规模的小型反应器易于实现流场均匀分布，而放大至工业规模时，层间流体分布不均、传质效率下降等问题凸显，需开发模块化设计与精准分流技术。

      成本控制：多孔电极、高性能催化剂的制备成本较高，密封与集电单元的材料成本占比大，需开发低成本的替代材料与制备工艺。

      系统集成：需与上游原料预处理、下游产物分离纯化系统进行集成，形成连续化生产工艺，提升整体生产效率。

      未来，多层电合成流动反应池的发展方向可聚焦于以下方面：一是结合人工智能与数值模拟，实现反应器的精准设计与优化；二是开发新型柔性电极与可降解密封材料，提升反应器的环保性与经济性；三是拓展在精细化工、新能源材料合成等领域的应用，推动绿色电合成技术的工业化升级。

六、结论

      多层电合成流动反应池通过层叠式结构设计，突破了传统单层反应器的空间限制，结合流道流体力学优化、电极界面改性、层间电位协同调控等传质优化技术，可显著提升反应的电流效率、产物选择性与时空产率。该技术在有机电合成、二氧化碳资源化等领域展现出广阔的应用前景，随着模块化设计与低成本制备技术的发展，有望成为绿色化工领域的核心装备之一。

产品展示

      SSC-ECFN8030多层电合成流动反应池，将多组电池串联使用，验证产业化应用模型，可快速实现电催化的产业化应用。电池流道设计简单有效，便于组装一体，具有高效率、高稳定、长寿命的特性，适用于气液流动条件下的电催化反应，用于电化学合成、电催化二氧化碳、电催化合成氨、电合成双氧水等。

产品优势：

1)  池体采用双密封技术，密封效果极加，不漏液。

2)  流道材质根据客户使用情况可以选择，钛合金，石墨或镀金可选。

3)  多种流道可以选择，标配为蛇形通道，根据实验需求可以定做不同流动样式。

4)  多电池组合使用，采用特殊的流道设计，气体串连，提高产物产率。

5)  电极有效活性面积可选择行多。

6)  管路接头均为标准接头，可选择多种管路 。

7)  可根据需求定制各种池体结构。