專利名稱：用于軟化水的電化學處理方法和設備的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及用電化學處理水使其軟化的方法，以及實施此方法的設備。
在目標是使其軟化的各種水處理方法中，我們知道有不同的在離子交換聚合物上使用的雙列離子交換軟化法和裝置。我們還知道的一種處理方法是在待處理的水中加入比如石灰或純堿等化學試劑。在此兩種情況下，這類技術使用外來的化學試劑。使用這種技術一方面意味著使水質發(fā)生重大的改變，另一方面意味著定期地保持和供應消耗品，使得經(jīng)營成本提高。
另外，也還有使用磁場或電場的其他的水處理技術。這些已知的其他方法有促進水中的碳酸鈣晶核化和/或對此晶核的成長速度進行調節(jié)以延緩水垢產生的作用。這些水處理技術的缺點是，不會引起待處理的水中的碳酸鈣立即結晶和沉淀。
本發(fā)明力圖克服這些缺點，提出一種方法和設備，使得能在特別經(jīng)濟和可靠的條件下，使水全部或部分地實現(xiàn)被控制的軟化。
本發(fā)明涉及其目的是減小水硬度的一種電化學處理方法，在此方法中，在分別與電流發(fā)生器的正、負極相連，而且每一極至少包含一塊極板的陽極和陰極之間使待處理的水電解，該方法的特征在于它包括如下步驟在陰極上形成至少部分由碳酸鈣構成的薄多孔表層；同時進行水的電解和產生氣流，并通過陰極的孔隙，使得至少部分在電解過程中在表層上形成的由碳酸鈣構成的結晶在所述氣流的作用下剝離。
在本發(fā)明的一個實施方案中，特別以自動的方式，通過測量給定的參數(shù)值和根據(jù)所述的參數(shù)值改變通過待處理的液體的電流強度來控制被處理的水的硬度。
本發(fā)明涉及其目的是減小水硬度的電化學水處理裝置，該裝置包括一個電解槽，槽中裝有與電流發(fā)生器的正、負極分別相連的陽極和陰極，每個正、負極都包含至少一塊極板，其特征在于，該陰極包括至少部分由粘接的和多孔的碳酸鈣組成的表層，還包括一種裝置，它能驅動氣流通過此陰極的孔隙，使得在所述表層上形成的沉淀，特別是碳酸鈣沉淀剝離并沉淀下來。
在本發(fā)明的一個實施方案中，陰極由多孔金屬，特別是由燒結金屬制成，表面覆蓋一薄層多孔的碳酸鈣。
氣流可以由氫氣組成，尤其是可以通過將陰極電勢加到足夠的給定值得到此種氣體。
在本發(fā)明設備的一個實施方案中，它包含了適合于測量處理水的給定參數(shù)值的裝置，和適合于根據(jù)所述的參數(shù)值改變通過電解槽的電流強度的裝置。
下面參考附圖，以非限定性實施例的方式敘述本發(fā)明的各種實施方式。


圖1是本發(fā)明的水處理裝置的電路圖；圖2是本發(fā)明的水處理裝置的透視圖；圖3是本發(fā)明的陰極的一個實施方案的縱向截面圖；圖4是由多孔碳酸鈣薄層組成的表層覆蓋的陰極構成的實施方案示意圖；圖5是本發(fā)明的一種實施方案示意圖；圖6是本發(fā)明的水處理裝置沿圖7的VI-VI線的剖面圖；圖7是圖6所介紹的裝置沿圖6的VII-VII線的剖面圖。
在圖1上介紹的本發(fā)明的裝置主要包括一臺電流發(fā)生器1，它向功率分壓器3送去電流，分壓器在其端部A和B之間送出強度可調的電流，在此處它們分別和電解槽8中的陽極5及陰極7相連，電解槽8中裝有希望降低其硬度的水10。分壓器3的端部A和B連接著橋式分配器兩端，后者由兩個電阻，即固定電阻9和可調電阻11組成，其中由中心點C可以讀出可調的參考電壓，此值可送入電壓比較器13中。13和可調電壓發(fā)生器15相連，此發(fā)生器的正極接地，負極接在陰極7上，這樣就加上一個可調的負電壓。
現(xiàn)在看圖2的介紹，電解槽8比如包括平行六面體形的絕緣材料槽，在其底部有待處理水的流入管道22，在其上部是處理過的水的流出管道24。陰極7由8片不銹鋼極板7a構成，優(yōu)選食品級的牌號316L，這些極板之間由9個桿5a彼此平行地保持距離，中間插入絕緣環(huán)6，而這些桿就構成了陽極5。9個桿5a接在一起，并通過導線12連在正電極14上，而8片極板7a則彼此相連，并通過桿16連在負電極17上。構成陰極7的板7a的表面仔細地被用機械或最好是用電解的方法拋光。構成陰極7的板7a的總面積S與構成陽極5的桿5a的總面積S’之比大約為10-20，使得在陽極上的電流表面密度比在陰極7上大10-20倍。陰極極板7a之間彼此間距約為2cm。構成陽極5的材料是在上面進行水的氧化反應不產生過電壓的材料。此外，這些材料在很長的時間內應保持穩(wěn)定。因此優(yōu)選使用鈦材，特別優(yōu)選使用包有鉑、銥或釕的鈦材。
在此條件下，按如下所述的方法操作此設備。
在本發(fā)明方法的第一步，在構成陰極7的極板7a上形成所謂碳酸鈣初級多孔薄層。為此進行第一次水電解，這時調節(jié)電壓發(fā)生器15，使得在陰極7上加上負電壓，在陰極上的唯一電化學反應是溶解氧的還原反應，致使這時按照如下的反應在陰極上沉淀下粘接的碳酸鈣薄層
隨著在陰極7上形成碳酸鈣層，電解槽的電阻漸漸地增大，致使電解電流強度減小，因此在電壓比較器13的終端A和C之間的電位差也減小，達到由橋形分配器的可調電阻11預先給定的預定閾值。這個值優(yōu)選相當于電解槽的電流強度降低20％。這時比較器13給電壓發(fā)生器15一個命令，在陰極7上加上相對于地是負值的確定電壓，以促進在陰極上發(fā)生水的還原反應，這是按熟知的下式進行，釋放出氫氣
氫氣的釋放對陰極7上形成的碳酸鈣的初步薄層產生作用，產生多孔結構。從這時起，陰極7已經(jīng)準備好進行下一步，以減小裝在電解槽8中的水的硬度。
為此要在電解槽8中通過電流，并借助于電壓發(fā)生器15在陰極7上加上更高的負電壓，以促使水的還原，產生氫氣。
在此條件下，我們證實，多孔的碳酸鈣層起著成核中心的作用，在其表面上形成發(fā)源點，在電解的過程中，它們支撐碳酸鈣晶體的生長，由氫氣流將這些晶體從陰極上剝離，然后使它們沉淀到液體10中，并沉于槽8的底部，在那里將它們回收。隨著其形成而從陰極7上剝離的碳酸鈣晶體，隨著時間的進程，其初始層厚度保持不變的，因此電解可以進行需要的長時間。
另外，按照本發(fā)明，在陽極電流密度較大時，按照下式產生溶解的氧
這驅趕了被處理水中的二氧化碳，使之散逸到大氣中。
另外，溶解氧的濃度增加，這有利于陰極的反應，其原因在于增加了溶解氧的還原和水的還原，所有這兩種反應，都產生OH離子。
可以按如下的方法實施本發(fā)明的方法，即在實驗室或工廠中，預先制造有多孔碳酸鈣初級表層的預覆蓋陰極，這是實施本方法的第二步所必需的。
按照本發(fā)明也可以通過在陰極附近形成由強水合碳酸鈣構成的凝膠來大大改善脫碳酸鹽的效率。
為此要在陰極上加上足夠的負電壓，使陰極的表面電流密度超過2A/m2。按照本發(fā)明，陰極的表面電流密度優(yōu)選在2A/m2和8A/m2之間。
現(xiàn)已證實，在此條件下，在陰極上形成了凝膠，此凝膠對于在此電極上產生的氫的推動力，只有不大的阻力。
這個凝膠保證了兩個基本功能。首先，其基本上是作為一層膜起作用，對OH-離子在溶液中的移動，它起著阻滯劑的作用。此凝膠對H+離子向陰極的遷移也起著制動器的作用，這就減少了OH-與H+相結合的機會，這種結合會使得脫碳酸鹽的效率下降。
另外，這種特別由無定形單晶組成的凝膠吸引著Ca++離子以及碳酸根和碳酸氫根。已經(jīng)證實，OH離子不直接和碳酸氫根反應，但可以和通過反散射釋放出的H+反應，這樣就改進了脫碳酸鹽的效率，因為在凝膠中進行的H+和OH的每次中和都相當于Ca++和CO3--插到凝膠的晶體中。
為了實施本發(fā)明，可以使用非氫氣體。為此目的可以使用多孔陰極，特別是由燒結金屬制成的陰極。在第一步中將此陰極表面包敷碳酸鈣多孔層。如同在圖3中所示，此陰極由燒結金屬柱狀物7’組成，它含有一個縱向的中心腔體18，通過導線20它與加壓氣體喂送機構相通。釋放的氣體通過陰極7’，致使它帶出電解過程中在電極上產生的碳酸鈣晶體。
當然，在這樣的實施模式中，如果在陰極上不再需要為了釋放氫氣而進行水的還原，就不再使用電壓發(fā)生器15。
由于本發(fā)明的方法在陽極上產生二氧化碳，隨著處理的進行，被處理的水逐漸被酸化。如同在后面將要闡明的，pH值的減小使得能控制水的脫碳酸鹽進程。
如此制造出的脫碳酸鹽水，在不希望使用其對CaCO3的侵蝕性能之處(將在后面闡述)，應該進行處理以除去二氧化碳。為此將使用攪拌、渦流、滴流等眾所周知的方法。
為了在陰極7上形成初始的碳酸鈣表層，可使用在圖4上介紹的裝置。
在此圖上，該裝置包括一個燒結金屬制的支架，由它構成了具有鐘帽狀的陰極21。該鐘帽21浸在槽23中，由下管道25向槽內通入含碳酸鹽的水。槽23有一個上管道26，它起著溢流管的作用。電阻28被放在鐘罩21的中間，管道30溝通鐘罩的內部和槽的內部。為了在鐘罩21的多孔表面上得到多孔的碳酸鈣沉淀，如下所述進行操作。
向電阻28通入電流使裝在槽23中的水沸騰。在此操作的過程中，在鐘罩21的壁上，特別是外壁上形成了碳酸鈣的沉淀。在鐘罩21上形成的蒸汽氣泡穿過其燒結的金屬壁，通過穿透形成的碳酸鈣薄表層而向外部釋放，這樣就在薄層上造成孔隙。當多孔碳酸鈣薄層的厚度達到足夠厚時，就中斷了進程，我們就擁有了被覆著多孔碳酸鈣薄層的陰極。管道30使得能抽出已經(jīng)處理過的水，即部分除去碳酸鈣的水，得到蒸汽氣泡，此氣泡能最大限度地減小在鐘罩21內部形成的碳酸鈣的數(shù)量。
當然，每個陽極和每個陰極都可以由任意數(shù)目的元件構成。
當在燒結金屬上，更一般地說是在多孔金屬上形成了多孔的碳酸鈣層時，這個碳酸鈣層可以當作過濾膜，在用熱效應或電解得到膜時都是如此。我們可以很容易地定期中斷通過碳酸鈣層釋放氣體的過程，以使用這些層上的孔作為待過濾的水的通道。一種簡單的系統(tǒng)可以防止孔的堵塞，這包括交替進行過濾和氣體釋放的操作。
本發(fā)明特別可以以自動控制的方式控制水的脫碳酸鹽程度。為此，在電解過程中，不斷地測量水的物理化學參數(shù)，一旦該參數(shù)達到水的脫碳酸鹽狀態(tài)的代表性預定值，便對過程進行干預。這樣便可以測量水的pH值，當它達到給定值時就停止電解。對電解過程的干預也可以漸進地進行，比如隨著被處理的水的pH值的減小逐步地減小電解電流，當達到給定的極限值時就完全切斷電流現(xiàn)在來介紹圖5，本發(fā)明的裝置包括一個探頭36，它放在電解槽40的下游管線38中，并和分析裝置42相連。該裝置將探頭36測量的參數(shù)與在分析裝置42中記錄的參考值進行比較，具體有pH值、電導率等。裝置42與接口44連接，后者適合于對通過電解槽40的電流強度進行調節(jié)，根據(jù)探頭36的測量進行校正。
在水的硬度方面特別適合進行控制的參數(shù)是pH值，因為一方面與它的相關性窄，另一方面是容易測量。
當然，本發(fā)明的方法和設備與碳酸鈣的結晶過程一起，也保證了其它鹽類，特別是鐵鹽、鈉鹽和鎂鹽的沉淀，所有這些反應在一起可導致水的部分純化，或者更準確地說，使水更完全地脫鹽。因此本發(fā)明的意義是處理含鹽，或含鐵的水。
在一項實施方案中，本發(fā)明也可以在一個層狀沉降池中進行。
現(xiàn)在來介紹圖6和圖7上的設備，它包括一個封閉的槽50，在其上部有一個待處理水的入口管路52。槽50的內部被分成兩個室，一個室是入口54，體積較小，另一個是處理室58，由橫隔板56隔開，它由槽50的上部延伸直至與底部有一段距離，此距離使入口室54和處理室58溝通。處理室58的內部有一系列十二塊橫向的板59，它們相對于豎直方向有一個傾角，并在其下部由縱梁60固定，在其上部由縱梁62固定。傾斜板的上部通過溢流裝置64與處理過的水的排出管線66相連。
板59由金屬，特別是不銹鋼制成，彼此之間用縱向的桿68連在一起，構成許多作為本發(fā)明裝置的陰極7的電極。金屬絲70在板59之間伸展在每個上梁60和下梁62之間。同一梁的所有這些絲7 0彼此由縱向的絲72連在一起，不同的縱向絲72彼此由橫向絲74連在一起，使得不同的絲70構成許多作為裝置的陽極的電極。構成陽極5的不同絲70優(yōu)選由含銥的鈦制成。
這種裝置的特別的意義在于，它把一般的傾析和本發(fā)明的水處理結合在一起。此裝置的特別意義還在于，它把大的電極表面和大的除氣的體積結合在一起。
在本發(fā)明的一個特別有意義的實施模式中，將待處理的水通過一個基本由處理過程中從水中得到的碳酸鈣形成的晶體組成的流化床，以除去水的部分硬度，從而增大脫碳酸鹽的效率。也可以利用已經(jīng)處理過的水來進行這種通過過程。
借助于玻璃態(tài)的碳或銀來制造整個的陰極將是有意義的，這使得當水通過處理槽時，減少有時是過量的溶解于水中的氧。
根據(jù)本發(fā)明，可以使用如此得到的去鹽水，以便準時或定時地為裝置除垢，特別是為使用鍋爐完成裝置除垢。也可以使用延時系統(tǒng)，一般在白天時讓鍋爐開動；而在夜晚，則給分路裝置一個命令，讓前面處理過的水在鍋爐的管道和附件中循環(huán)。這樣就由于定期地稀釋了形成的水垢，明顯地減少了此鍋爐循環(huán)管路中的結垢。
權利要求
1.用于減小水硬度的電化學處理方法，其中在分別與電流發(fā)生器(1)的正極(B)與負極(A)相連的陽極(5)和陰極(7，7′)之間將待處理的水進行電解，每個電極至少包括一個極板(5a，7a)，其特征在于包括如下步驟--在陰極(7，7′)上制成至少部分地由碳酸鈣形成的多孔薄表層；--對水進行電解的同時形成通過陰極(7，7′)的孔隙的氣流，使得至少部分在電解的過程中在所述表層上形成的碳酸鈣組成晶體，并在所述氣流的作用下使之從表層上脫落。
2.權利要求1的方法，其特征在于氣流是氫氣流。
3.權利要求2的方法，其特征在于，在實施該方法的過程中，將陰極(7，7′)的電壓加到足夠的給定值，以在此電極上促進氫的釋放。
4.權利要求3的方法，其特征在于，在陰極上加的電壓使陰極上的表面電流密度為2A/m2至8A/m2。
5.前面權利要求中任意一項的方法，其特征在于，測量被處理水的給定的參數(shù)值，以及根據(jù)所述參數(shù)改變通過水的電流強度值。
6.權利要求5的方法，其特征在于，所述的參數(shù)是pH值。
7.前面權利要求中任意一項的方法，其特征在于，回收至少部分由碳酸鈣組成的晶體，以便形成床層，使待處理的和/或已處理的水通過此床層。
8.用于減小水硬度的電化學處理設備，包括裝有分別與電流發(fā)生器(1)的正極與負極相連的陽極(5)和陰極(7，7′)的電解槽(8，40)，而每一個槽由至少一個極板(5a，7a)組成，該設備的特征在于，陰極(7，7′)包括至少部分由多孔的粘接性碳酸鈣組成的表層，還包括推動氣流穿過此陰極的孔隙的裝置，使得在所述表層上形成的，特別是碳酸鈣的沉淀剝離并沉淀出來。
9.權利要求8的設備，其特征在于，陽極與陰極的表面積之比為20-50。
10.權利要求8或9的設備，其特征在于，陰極(7，7′)由多孔金屬組成，表面上覆蓋著多孔的碳酸鈣薄層。
11.權利要求8至10中之一項的設備，其特征在于，陰極(7，7′)的金屬是燒結金屬。
12.權利要求8至10中之一項的設備，其特征在于，陰極是由其外表面拋光的金屬組成。
13.權利要求8至12中之一項的設備，其特征在于，陰極是全部或部分由玻璃狀的碳或銀組成。
14.權利要求8至13中任意一項的設備，其特征在于包括從陰極(7，7′)處推動氫氣流的裝置。
15.權利要求8至14中之一項的設備，其特征在于包括一個裝置，能送入電流使陰極(7，7′)的電位達到足夠的給定值，以促進在電極上釋放氫氣。
16.權利要求15的設備，其特征在于，所述送電裝置使陰極的表面電流密度為2A/m2至8A/m2。
17.權利要求8至16中任意一項的設備，其特征在于包括一個適合于測量被處理水的給定參數(shù)值的裝置(36)，和適合于根據(jù)所述的參數(shù)改變通過電解槽(40)的電流強度值的裝置(42，44)。
18.權利要求8至17中之一項的設備，其特征在于，陽極(5)由鈦制成，表面覆蓋著如鉑、銥或釕之類材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及用電化學處理水使其軟化的方法,以及實施此方法的設備。其中在分別與電流發(fā)生器(1)的正極(B)與負極(A)相連的陽極(5)和陰極(7,7′)之間將待處理的水進行電解,每個電極至少包括一個極板。根據(jù)本發(fā)明,在陰極(7)上,構成至少部分由碳酸鈣組成的多孔薄表層,同時進行水的電解和產生氣體流,通過陰極(7)的孔隙,使得在電解過程中在所述表層上形成的至少部分由碳酸鈣構成的晶體,在所述氣體流的作用下從表層上剝離下來。
文檔編號C02F1/461GK1181746SQ96193299
公開日1998年5月13日 申請日期1996年3月8日 優(yōu)先權日1995年3月10日
發(fā)明者D·梅西耶 申請人:D·梅西耶