本文聚焦于多層流動反應(yīng)池在工業(yè)級電合成領(lǐng)域的發(fā)展，詳細(xì)闡述其技術(shù)原理、優(yōu)勢及面臨的挑戰(zhàn)。多層流動反應(yīng)池通過創(chuàng)新的堆疊式電極設(shè)計與流動化學(xué)深度融合，在提升反應(yīng)效率、選擇性和空間利用率上成果顯著，在精細(xì)化工、二氧化碳資源化及廢水處理等工業(yè)場景應(yīng)用潛力巨大。但在邁向大規(guī)模工業(yè)應(yīng)用進(jìn)程中，層間干擾、規(guī)模化瓶頸及長期穩(wěn)定性等難題亟待攻克。通過多學(xué)科協(xié)同創(chuàng)新，開發(fā)先進(jìn)材料、優(yōu)化工程設(shè)計與智能控制策略，多層流動反應(yīng)池有望突破現(xiàn)有局限，成為工業(yè)級電合成的核心技術(shù)，推動綠色化學(xué)工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

一、引言

      隨著全球?qū)G色化學(xué)和可持續(xù)發(fā)展的關(guān)注度不斷提升，工業(yè)合成領(lǐng)域正經(jīng)歷深刻變革，尋求更加高效、環(huán)保的生產(chǎn)技術(shù)成為當(dāng)務(wù)之急。電合成作為一種環(huán)境友好且反應(yīng)路徑獨(dú)特的技術(shù)，正受到越來越多的關(guān)注。其通過精確控制電極電勢驅(qū)動化學(xué)反應(yīng)，避免了傳統(tǒng)化學(xué)合成中大量化學(xué)試劑的使用，顯著減少了廢棄物的產(chǎn)生，為化工生產(chǎn)的綠色轉(zhuǎn)型帶來了希望。然而，傳統(tǒng)的電化學(xué)裝置，如單層電化學(xué)反應(yīng)器，在傳質(zhì)效率、反應(yīng)速率和產(chǎn)物選擇性等方面存在一定局限，嚴(yán)重限制了其大規(guī)模應(yīng)用。在單層反應(yīng)器中，電流分布不均導(dǎo)致部分電極區(qū)域反應(yīng)活性低下，反應(yīng)物在靜態(tài)或緩慢流動的電解液中擴(kuò)散速率緩慢，使得反應(yīng)效率難以提升，同時副反應(yīng)頻發(fā)，產(chǎn)物選擇性差。

      多層電合成流動反應(yīng)池的出現(xiàn)，為突破這些瓶頸提供了新的解決方案。它巧妙地將堆疊式電極結(jié)構(gòu)與流動化學(xué)原理相結(jié)合，開創(chuàng)了電合成領(lǐng)域的新局面。近年來，隨著材料科學(xué)、流體力學(xué)以及電化學(xué)等多學(xué)科的交叉融合發(fā)展，多層電合成流動反應(yīng)池在基礎(chǔ)研究和實際應(yīng)用方面均取得了一系列令人矚目的進(jìn)展。本文將深入探討其設(shè)計原理、傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)制、廣泛的應(yīng)用場景以及在工業(yè)推廣過程中面臨的技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案，為該領(lǐng)域的進(jìn)一步研究和工業(yè)化應(yīng)用提供全面的參考。

二、多層流動反應(yīng)池的工作原理

（1）電化學(xué)基礎(chǔ)原理

      多層電合成流動反應(yīng)池的運(yùn)作根基是經(jīng)典的電化學(xué)理論。當(dāng)具有一定流速的反應(yīng)液在外部壓力（如蠕動泵提供的壓力）作用下，穩(wěn)定地流入反應(yīng)池內(nèi)的流道，并依次流過陽極和陰極表面時，電化學(xué)反應(yīng)隨即啟動。在陽極，反應(yīng)物分子失去電子，發(fā)生氧化反應(yīng)；在陰極，反應(yīng)物分子得到電子，進(jìn)行還原反應(yīng)。以常見的有機(jī)電合成反應(yīng)為例，若要將硝基化合物還原為氨基化合物，在陰極表面，硝基（-NO?）會逐步得到電子，經(jīng)過亞硝基（-NO）等中間態(tài)，最終轉(zhuǎn)化為氨基（-NH?），其具體的電子轉(zhuǎn)移步驟和反應(yīng)動力學(xué)過程受到電極電勢、反應(yīng)物濃度以及反應(yīng)溫度等多種因素的綜合影響。而陽極則可能發(fā)生如析氧反應(yīng)等作為氧化半反應(yīng)與之匹配，以維持整個電化學(xué)反應(yīng)體系的電荷平衡。在這個過程中，電極電勢如同反應(yīng)的 “開關(guān)" 和 “調(diào)節(jié)器"，精準(zhǔn)控制著反應(yīng)的方向和速率。合適的電極電勢能夠降低反應(yīng)的活化能，使反應(yīng)物分子更容易跨越能壘發(fā)生反應(yīng)；同時，電極表面的微觀結(jié)構(gòu)和化學(xué)性質(zhì)也對反應(yīng)的選擇性起著關(guān)鍵作用，不同的電極材料和表面修飾方式會優(yōu)先促進(jìn)特定反應(yīng)路徑的進(jìn)行，從而提高目標(biāo)產(chǎn)物的生成比例。

（2）多層堆疊式結(jié)構(gòu)優(yōu)勢

      多層堆疊式結(jié)構(gòu)是這類反應(yīng)池的核心設(shè)計亮點。從宏觀上看，整個反應(yīng)池由多個相同或不同功能的反應(yīng)單元層層堆疊而成，猶如搭建一座精密的 “電化學(xué)大廈"。每個反應(yīng)單元通常包含陽極、陰極以及夾在中間的電解質(zhì)流道，它們緊密排列，形成一個緊湊且高效的反應(yīng)空間。在微觀層面，各層電極之間的間距經(jīng)過精心設(shè)計，一般處于毫米甚至微米量級，以確保電場能夠在各層間均勻分布，同時優(yōu)化電解液在層間的流動狀態(tài)。這種緊密的堆疊方式極大地提高了空間利用率，相較于傳統(tǒng)的單個反應(yīng)池，在相同的體積下能夠集成更多的反應(yīng)位點，從而顯著提升反應(yīng)的整體規(guī)模和效率。例如，在一些工業(yè)級的多層電合成流動反應(yīng)池中，通過將數(shù)十個甚至上百個反應(yīng)單元堆疊在一起，能夠?qū)崿F(xiàn)每小時數(shù)千克的產(chǎn)物生成量，這是傳統(tǒng)電化學(xué)裝置難以企及的。此外，多層結(jié)構(gòu)還賦予了反應(yīng)池靈活的操作特性，不同層的電極可以根據(jù)反應(yīng)的階段性需求或不同的反應(yīng)步驟，獨(dú)立施加不同的電勢，從而實現(xiàn)復(fù)雜的串聯(lián)或并行反應(yīng)，極大地拓展了電合成反應(yīng)的種類和應(yīng)用范圍。以精細(xì)化工中的多步有機(jī)合成為例，在一個多層流動反應(yīng)池中，前幾層電極可以將原料逐步轉(zhuǎn)化為中間產(chǎn)物，后幾層電極再對中間產(chǎn)物進(jìn)行進(jìn)一步修飾和轉(zhuǎn)化，最終得到目標(biāo)產(chǎn)物，避免了傳統(tǒng)工藝中需要分離和提純中間產(chǎn)物的繁瑣步驟，提高了生產(chǎn)效率和原子經(jīng)濟(jì)性。

三、傳質(zhì)強(qiáng)化機(jī)制

（1）流道設(shè)計創(chuàng)新

      流道作為反應(yīng)液在反應(yīng)池內(nèi)流動的 “高速公路"，其設(shè)計對傳質(zhì)效率起著決定性作用。近年來，科研人員在流道設(shè)計方面展現(xiàn)出了豐富的創(chuàng)造力，開發(fā)出了多種創(chuàng)新結(jié)構(gòu)。其中，仿生流道設(shè)計借鑒了自然界中樹葉脈絡(luò)的分形結(jié)構(gòu)，通過巧妙的分支和變徑設(shè)計，使反應(yīng)液在流道內(nèi)能夠?qū)崿F(xiàn)更均勻的流速分布。這種分形流道能夠有效避免傳統(tǒng)直交流道中容易出現(xiàn)的流速不均和死區(qū)問題，讓反應(yīng)液能夠更充分地與電極表面接觸，從而加速反應(yīng)物向電極表面的傳輸以及產(chǎn)物從電極表面的脫離。研究數(shù)據(jù)表明，采用仿生分形流道的多層電合成流動反應(yīng)池，其內(nèi)部反應(yīng)液的流速均勻性相較于傳統(tǒng)直交流道提高了 30%-50%，傳質(zhì)效率相應(yīng)提升了 2-3 倍。

      另一種具特色的流道設(shè)計是氣液分離流道，該流道在內(nèi)部嵌入了疏水多孔膜。在電化學(xué)反應(yīng)過程中，當(dāng)有氣體產(chǎn)物（如氫氣、氧氣等）生成時，這些氣體在浮力和流動剪切力的作用下，會優(yōu)先向疏水多孔膜遷移，并通過膜的孔隙從反應(yīng)液中分離出去。這一設(shè)計有效解決了氣體產(chǎn)物在反應(yīng)液中積累導(dǎo)致的 “氣堵" 問題，維持了反應(yīng)液的順暢流動，保證了電極表面始終有新鮮的反應(yīng)物供應(yīng)，極大地提升了反應(yīng)的穩(wěn)定性和持續(xù)運(yùn)行能力。例如，在電催化水分解制氫反應(yīng)中，氣液分離流道能夠及時將產(chǎn)生的氫氣排出反應(yīng)體系，避免氫氣氣泡在電極表面附著而阻礙反應(yīng)的進(jìn)行，使得反應(yīng)能夠長時間穩(wěn)定運(yùn)行，電流密度保持在較高水平。

（2）流速與流量調(diào)控

      精確調(diào)控反應(yīng)液的流速和流量是優(yōu)化傳質(zhì)的重要手段。在多層電合成流動反應(yīng)池中，流速和流量的變化會直接影響反應(yīng)液與電極表面的接觸時間以及反應(yīng)物和產(chǎn)物的濃度分布。一般來說，適當(dāng)提高流速能夠有效減薄電極表面的擴(kuò)散層厚度，根據(jù) Nernst 擴(kuò)散層理論，流速增加時，擴(kuò)散層厚度可從傳統(tǒng)靜態(tài)體系下的約 100μm 壓縮至 10μm 以下，從而顯著加快反應(yīng)物向電極表面的擴(kuò)散速率，提高反應(yīng)電流密度。例如，在電催化二氧化碳還原反應(yīng)中，當(dāng)反應(yīng)液流速從 0.5mL/min 提高到 5mL/min 時，二氧化碳的傳質(zhì)速率提升了 5-8 倍，電流密度相應(yīng)增加了 3-4 倍，產(chǎn)物收率也得到了明顯提高。然而，流速并非越高越好，過高的流速可能導(dǎo)致反應(yīng)液與電極表面的接觸時間過短，使得部分反應(yīng)物來不及發(fā)生反應(yīng)就被帶出反應(yīng)池，反而降低了反應(yīng)效率。因此，需要根據(jù)具體的反應(yīng)體系和電極特性，通過實驗和模擬相結(jié)合的方法，找到最佳的流速和流量操作區(qū)間，以實現(xiàn)傳質(zhì)效率和反應(yīng)效率的雙重優(yōu)化。在多層電合成流動反應(yīng)池中，將三維多孔電極與精心設(shè)計的流道相結(jié)合，能夠進(jìn)一步發(fā)揮二者的協(xié)同優(yōu)勢。實驗結(jié)果表明，在相同的反應(yīng)條件下，采用三維多孔電極與適配流道組合的反應(yīng)池，其電流密度相較于傳統(tǒng)平板電極與簡單流道組合提升了 4-6 倍，反應(yīng)效率得到了顯著提升。三維多孔電具有巨大的比表面積，能夠提供更多的反應(yīng)活性位點，而精心設(shè)計的流道則確保了反應(yīng)液能夠充分進(jìn)入電極的孔隙內(nèi)部，與活性位點充分接觸，同時及時帶走反應(yīng)產(chǎn)物，避免產(chǎn)物在電極表面的積累而導(dǎo)致活性位點的堵塞。

四、工業(yè)應(yīng)用實例

（1）精細(xì)化工合成

      在精細(xì)化工領(lǐng)域，多層流動反應(yīng)池展現(xiàn)出了性能。以藥物中間體的合成為例，傳統(tǒng)工藝中化學(xué)還原過程需使用 H?和貴金屬催化劑，成本高昂且會產(chǎn)生大量廢水，對環(huán)境造成嚴(yán)重污染。而采用多層電合成流動反應(yīng)池，通過精確調(diào)控各層電極的電勢，能夠?qū)崿F(xiàn)對反應(yīng)路徑的精準(zhǔn)控制，以高選擇性和高產(chǎn)率得到目標(biāo)產(chǎn)物。在合成某關(guān)鍵藥物中間體時，多層流動反應(yīng)池的電流密度可提升至 200-500mA/cm2，相較于傳統(tǒng)工藝，反應(yīng)效率大幅提高，同時避免了貴金屬催化劑的使用和廢水的產(chǎn)生，降低了生產(chǎn)成本，減少了環(huán)境污染。在一些不對稱電催化反應(yīng)中，多層流動反應(yīng)池同樣表現(xiàn)出色。通過采用手性修飾的 Cu 電極（如 L - 脯氨酸修飾），在流動體系中能夠?qū)崿F(xiàn)對映體過量（ee 值）>90% 的高選擇性合成，為手性藥物的制備提供了高效、綠色的新途徑。這種精確的手性控制能力在傳統(tǒng)的批量反應(yīng)體系中是很難實現(xiàn)的，充分體現(xiàn)了多層流動反應(yīng)池在精細(xì)化工復(fù)雜合成反應(yīng)中的優(yōu)勢。

（2）二氧化碳資源化

      隨著全球?qū)μ贾泻湍繕?biāo)的追求，二氧化碳資源化利用成為研究熱點。多層流動反應(yīng)池在這一領(lǐng)域展現(xiàn)出巨大潛力。例如，設(shè)計雙層反應(yīng)池可實現(xiàn)二氧化碳的高效轉(zhuǎn)化。在第一層，利用 Ag 納米片催化劑將 CO?還原為 CO；在第二層，采用 Cu-ZnO 復(fù)合催化劑將 CO 進(jìn)一步轉(zhuǎn)化為 C?H?。實驗結(jié)果表明，該雙層反應(yīng)池在工業(yè)相關(guān)的電流密度 300mA/cm2 下，C?H?的法拉第效率可達(dá) 65%，為二氧化碳的資源化利用提供了一種具前景的技術(shù)方案。通過多層反應(yīng)池的設(shè)計，可以將原本復(fù)雜的多步反應(yīng)集成在一個緊湊的裝置中，實現(xiàn)反應(yīng)的連續(xù)化和高效化，減少了中間產(chǎn)物的分離和傳輸過程，提高了整體的能源利用效率和經(jīng)濟(jì)效益。這種將二氧化碳轉(zhuǎn)化為高附加值化學(xué)品的技術(shù)，不僅有助于緩解溫室氣體排放問題，還能為化工行業(yè)提供新的原料來源，推動循環(huán)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展。

（3）廢水處理

      多層流動反應(yīng)池在廢水處理領(lǐng)域也具有重要應(yīng)用價值。對于含氯有機(jī)物等難降解污染物的廢水處理，可設(shè)計四層串聯(lián)的反應(yīng)池。在第一層，通過 Cl?氧化產(chǎn)生強(qiáng)氧化性的 Cl?或 ClO?；第二層利用這些強(qiáng)氧化劑產(chǎn)生?OH 自由基；第三層和第四層則利用?OH 自由基對有機(jī)物進(jìn)行礦化分解。實際運(yùn)行數(shù)據(jù)表明，采用這種多層反應(yīng)池結(jié)構(gòu)，對四氯乙烯（PCE）等典型含氯有機(jī)物的降解率可超過 99%，且能耗較傳統(tǒng)電解法降低 60%。多層反應(yīng)池能夠根據(jù)廢水處理的不同階段需求，在不同層實現(xiàn)針對性的反應(yīng)，逐步將污染物轉(zhuǎn)化為無害物質(zhì)，同時通過優(yōu)化流道設(shè)計和電極配置，提高了電能的利用效率，降低了處理成本，為工業(yè)廢水的高效、低成本處理提供了新的技術(shù)手段。

五、技術(shù)挑戰(zhàn)與解決方案

（1）層間干擾與串?dāng)_

      隨著多層流動反應(yīng)池層數(shù)的增加，層間干擾與串?dāng)_問題逐漸凸顯。電解液在流經(jīng)多層時，前一層反應(yīng)產(chǎn)生的副產(chǎn)物或未反應(yīng)的物質(zhì)可能會隨著電解液進(jìn)入下游反應(yīng)層，對后續(xù)反應(yīng)產(chǎn)生負(fù)面影響，導(dǎo)致產(chǎn)物選擇性下降或反應(yīng)效率降低。為解決這一問題，可在層間集成吸附模塊，如活性炭濾層，利用活性炭的高吸附性能，去除電解液中的干擾物質(zhì)，凈化電解液，減少其對下游反應(yīng)的影響。采用離子交換膜隔離不同反應(yīng)區(qū)也是一種有效的方法。例如，在一些反應(yīng)體系中，不同層可能需要不同的酸堿環(huán)境，此時可使用陽離子膜或陰離子膜將不同反應(yīng)區(qū)隔開，阻止離子的無序遷移，維持各層反應(yīng)環(huán)境的穩(wěn)定性。在設(shè)計多層反應(yīng)池時，應(yīng)盡量采用模塊化設(shè)計理念，將多個小型反應(yīng)池并聯(lián)，而非單純增加層數(shù)。這樣在一定程度上可減少因?qū)訑?shù)過多導(dǎo)致的層間干擾問題，同時便于對每個模塊進(jìn)行單獨(dú)的維護(hù)和調(diào)整，提高整個反應(yīng)系統(tǒng)的靈活性和可靠性。

（2）規(guī)?；糯笃款i

      在將多層流動反應(yīng)池從實驗室規(guī)模向工業(yè)級規(guī)模放大的過程中，面臨諸多挑戰(zhàn)。隨著反應(yīng)池規(guī)模的增大，流體分布不均的問題愈發(fā)嚴(yán)重。在大型多層反應(yīng)池中，由于流道長度增加、結(jié)構(gòu)復(fù)雜度上升，反應(yīng)液難以均勻地分配到各個流道和反應(yīng)層，導(dǎo)致部分區(qū)域反應(yīng)液流量不足，電極利用率低，而部分區(qū)域流量過大，反應(yīng)時間過短，整體反應(yīng)效率下降。為應(yīng)對這一問題，可借助計算流體力學(xué)（CFD）模擬技術(shù)，對不同規(guī)模和結(jié)構(gòu)的反應(yīng)池內(nèi)流體流動情況進(jìn)行詳細(xì)模擬分析。通過模擬結(jié)果，優(yōu)化流道的幾何參數(shù)，如寬度、曲率半徑等，設(shè)計合理的分流和集流結(jié)構(gòu)，確保反應(yīng)液能夠均勻地分布到各個反應(yīng)區(qū)域。在工業(yè)級反應(yīng)池的制造過程中，可采用 3D 打印技術(shù)定制化流道。3D 打印能夠?qū)崿F(xiàn)復(fù)雜流道結(jié)構(gòu)的精確制造，根據(jù)模擬優(yōu)化后的設(shè)計方案，生產(chǎn)出適應(yīng)不同規(guī)模需求的流道，有效改善流體分布不均的問題，提高反應(yīng)池的放大效果和工業(yè)應(yīng)用可行性。

（3）長期穩(wěn)定性

      多層流動反應(yīng)池在長期運(yùn)行過程中，催化劑中毒和膜污染等問題會導(dǎo)致其性能逐漸衰減。在電化學(xué)反應(yīng)中，反應(yīng)體系中的雜質(zhì)或副產(chǎn)物可能會吸附在催化劑表面，占據(jù)活性位點，使催化劑失活，即催化劑中毒。而對于采用了離子交換膜或氣液分離膜等膜組件的反應(yīng)池，長時間運(yùn)行后，膜表面可能會積累污垢、微生物或其他雜質(zhì)，導(dǎo)致膜的通透性下降，分離效率降低，即膜污染。為提高催化劑的抗中毒能力，可對催化劑進(jìn)行表面修飾，采用化學(xué)包覆、摻雜等手段，在催化劑表面形成一層保護(hù)膜，阻止雜質(zhì)的吸附，同時保持催化劑的活性位點能夠有效接觸反應(yīng)物。定期對催化劑進(jìn)行再生處理，如采用化學(xué)清洗、熱活化等方法，去除催化劑表面的雜質(zhì)，恢復(fù)其活性。對于膜污染問題，可選擇抗污染性能好的膜材料，如具有特殊表面電荷或親疏水性質(zhì)的膜，減少雜質(zhì)在膜表面的吸附。在反應(yīng)系統(tǒng)中設(shè)置預(yù)處理單元，對進(jìn)入反應(yīng)池的電解液進(jìn)行過濾、除雜等預(yù)處理，降低雜質(zhì)對膜的污染風(fēng)險。建立在線監(jiān)測系統(tǒng)，實時監(jiān)測膜的性能參數(shù)，如通量、分離效率等，當(dāng)膜性能下降到一定程度時，及時進(jìn)行清洗或更換膜組件，確保反應(yīng)池的長期穩(wěn)定運(yùn)行。

六、結(jié)論與展望

      多層電合成流動反應(yīng)池通過獨(dú)特的堆疊式電極結(jié)構(gòu)與流動化學(xué)的深度融合，在提升反應(yīng)效率、選擇性和空間利用率方面展現(xiàn)出顯著優(yōu)勢，在精細(xì)化工、二氧化碳資源化、廢水處理等眾多工業(yè)領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。然而，要實現(xiàn)其在工業(yè)級電合成中的廣泛應(yīng)用，仍需克服層間干擾、規(guī)?；糯蠛烷L期穩(wěn)定性等一系列技術(shù)挑戰(zhàn)。通過多學(xué)科的協(xié)同創(chuàng)新，如材料科學(xué)領(lǐng)域開發(fā)更高效、穩(wěn)定且抗干擾的電極材料和膜材料，工程設(shè)計領(lǐng)域借助先進(jìn)的模擬技術(shù)優(yōu)化反應(yīng)池結(jié)構(gòu)和流道設(shè)計，以及自動化控制領(lǐng)域構(gòu)建智能監(jiān)測與調(diào)控系統(tǒng)，多層流動反應(yīng)池有望突破現(xiàn)有局限，成為工業(yè)級電合成的核心技術(shù)裝備。未來，隨著相關(guān)技術(shù)的不斷進(jìn)步，多層流動反應(yīng)池不僅將推動傳統(tǒng)化學(xué)工業(yè)向綠色、高效方向轉(zhuǎn)型升級，還可能催生新的化學(xué)反應(yīng)路徑和工業(yè)生產(chǎn)模式，為實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展的目標(biāo)提供強(qiáng)有力的技術(shù)支撐。

產(chǎn)品展示

     SSC-ECFN8030多層電合成流動反應(yīng)池，將多組電池串聯(lián)使用，驗證產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用模型，可快速實現(xiàn)電催化的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用。電池流道設(shè)計簡單有效，便于組裝一體，具有高效率、高穩(wěn)定、長壽命的特性，適用于氣液流動條件下的電催化反應(yīng)，用于電化學(xué)合成、電催化二氧化碳、電催化合成氨、電合成雙氧水等。

產(chǎn)品優(yōu)勢：

1)池體采用雙密封技術(shù)，密封效果極加，不漏液。

2)流道材質(zhì)根據(jù)客戶使用情況可以選擇，鈦合金，石墨或鍍金可選。

3)多種流道可以選擇，標(biāo)配為蛇形通道，根據(jù)實驗需求可以定做不同流動樣式。

4)多電池組合使用，采用特殊的流道設(shè)計，氣體串連，提高產(chǎn)物產(chǎn)率。

5)電極有效活性面積可選擇行多。

6)管路接頭均為標(biāo)準(zhǔn)接頭，可選擇多種管路 。

7)可根據(jù)需求定制各種池體結(jié)構(gòu)。