專利名稱：新型綠色高鐵酸鹽和次氯酸鹽雙效電解槽的制作方法
一.本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域電化學(xué)科學(xué)與技術(shù)二.本發(fā)明的技術(shù)背景本發(fā)明主要論述一種新型的高鐵酸鹽及次氯酸鹽的電解槽。以高鐵酸鈉及高鐵酸鉀為代表的高鐵酸鹽是20世紀(jì)70年代以來開發(fā)的新型綠色高效強(qiáng)氧化劑，它以其優(yōu)越的強(qiáng)氧化性及電子接受體可以作為新一代綠色高效水處理劑及高能堿性電池的正極材料。
高鐵酸鉀是一種紫黑色的帶光澤晶體，干燥的高鐵酸鉀在室溫條件下可以長期穩(wěn)定存在。高鐵酸鹽極強(qiáng)的氧化性可以從它的酸性和堿性溶液中的標(biāo)準(zhǔn)電極電位看出。
EA＝2.20VEB＝0.76V因此，高鐵酸鹽是一種比高錳酸鹽更強(qiáng)的氧化劑，它能迅速地氧化水中的腐殖質(zhì)、有機(jī)醇、酚、醛酮、烯炔烴類及CN-、S2-、NH3等有毒惡臭物質(zhì)，同時(shí)自身被還原為無毒無害的Fe3+，不造成二次污染，因此高鐵酸鹽是一種集強(qiáng)氧化、絮凝、吸附、殺菌、除臭于一體的綠色高效水處理劑。另外，高鐵酸鉀具有406mAh/g的高電比容量，比通常用作高能堿性電池的電解二氧化錳(EMD)313mAh/g高出30％，而且高鐵酸鹽還原過程電極電勢恒定不變，因此高鐵酸鹽是理想的新一代電池正極材料。由此可見，高鐵酸鹽是一種有著廣闊應(yīng)用前景的新一代綠色材料，它以其獨(dú)特的水處理功能及高能電池材料吸引著越來越多的學(xué)者從事其制備工藝和應(yīng)用開發(fā)的研究。一直以來，高鐵酸鹽的合成工藝僅局限于實(shí)驗(yàn)室水平。其中以化學(xué)法即濕法相對(duì)較為成熟，但濕法工藝復(fù)雜，對(duì)環(huán)境污染大，后處理工作量大，時(shí)效長，因而無法實(shí)現(xiàn)隨時(shí)隨地制備高鐵酸鹽的需要。
次氯酸鹽也是一種人們常用的消毒凈水劑，大部分次氯酸鹽是以化學(xué)法生產(chǎn)的，它一般是氯堿工業(yè)的下沿產(chǎn)品，也有一部分次氯酸鹽是以電解法生產(chǎn)，其電解生產(chǎn)的次氯酸鹽在水處理，環(huán)境保護(hù)，衛(wèi)生防疫領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。
三.本發(fā)明的發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明針對(duì)高鐵酸鹽及次氯酸鹽的現(xiàn)有合成工藝，提出一種新型電解槽，它能同時(shí)隨時(shí)隨地方便地生產(chǎn)高鐵酸鹽和次氯酸鹽，從而為高鐵酸鹽的廣泛應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。本發(fā)明是這樣設(shè)計(jì)的將電解槽用隔膜分成高鐵酸鹽室和次氯酸鹽室，在高鐵酸鹽室里置入陽極(一)和陰極(二)，在次氯酸鹽室置入陽極(二)和陰極(一)。陽極(一)實(shí)際上是一個(gè)提供鐵源的可溶性陽極，陽極(二)是不溶性的析氯電極；陰極(一)和陰極(二)實(shí)際是兩個(gè)析氫陰極。它們分別以堿金屬的氯化物或氫氧化物的水溶液為電解液。這些關(guān)鍵電極是由下列材料制作的陽極(一)可以是低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼。
陽極(二)的組成石墨或金屬釕鈦電極或鍍鉑鈦基電極。
陰極(一)和陰極(二)可以由普通碳鋼或鍍鎳金屬絲(片)、石墨等材料構(gòu)成。
陽極(一)和陰極(一)與電源(一)的正極和負(fù)極相聯(lián)，陽極(二)和陰極(二)與電源(二)的正極和負(fù)極相聯(lián)。電源(二)可以是電源(一)經(jīng)簡單電路分流或分壓而成。
本發(fā)明的電解槽電源采用直流電為電源，它們是由兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源(一)和電源(二)組成。其中電源(一)對(duì)陰極(一)和陽極(一)電極對(duì)供電，電源(二)對(duì)陰極(二)和陽極(二)供電。
本發(fā)明所述的直流電，可以是恒流直流電，也可以是正弦脈沖直流電，正弦直流電的頻率范圍為1～100HZ，最佳頻率范圍為10～60HZ。
本發(fā)明所述的電解槽隔膜，可以是一般機(jī)械膜或離子交換膜。一般機(jī)械膜可以是聚氯乙烯編織膜或石棉膜或微孔橡膠片等。我們?cè)趯?shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，使用陽離子交換膜能夠得到更高濃度的高鐵酸鹽和次氯酸鹽溶液。其中以強(qiáng)酸性聚四氟乙烯離子交換膜的效果最佳，其它的陽離子交換膜也有一定的效果。
本發(fā)明所述的電解質(zhì)溶液，它分為在高鐵酸鹽室里的電解液(一)和次氯酸鹽室的電解液(二)。電解液(一)可以是堿金屬的氯化物或氫氧化物中的一種或幾種。它們的重量比組成為NaCl0～26.2％，KCl0～15％，LiCl0～15％， NaOH或KOH0～40％。電解液的最佳濃度(重量比)為(1)NaCl10～15％，KCl1～5％，NaOH3～8％(2)NaCl1～3％， KCl1～3％，NaOH或KOH25～40％。其中NaCl起著支持電解質(zhì)和活化可溶性鐵陽極的作用。電解液(二)是由堿金屬氯化物中的一種或幾種混合再溶于水而成。它們的重量比組成為NaCl0～26.2％，KCl0～25％，LiCl0～20％。其中最佳電解液(重量比)組成為NaCl2～11％，KCl0～2％。
當(dāng)電解槽接通電源后，電解槽便發(fā)生下列電化學(xué)反應(yīng)，其反應(yīng)原理可以表示如下陽極(一)--------------------------(1)陰極(一)----------------------------------(2)陽極(二)-------------------------------------(3)--------------------------------(4)陰極(二)----------------------------------(5)我們知道，在中性或堿性溶液中，OH-是電遷移最快的離子，而FeO42-電遷移速率只有OH-的一半，雖然電解液(一)實(shí)際采用的NaOH濃度可以很低，但陰極(二)卻通過析氫反應(yīng)使電解液(一)中的OH-濃度升高，同時(shí)溶液中一定濃度的Cl-可以起到活化可溶性鐵陽極的作用，使鐵陽極氧化成FeO42-而溶出。在高鐵酸鹽室里，我們使陽極(一)、陰極(二)的電極表面積之比為5～20∶1，從而在很高的陰極電流密度下，F(xiàn)eO42-陰極還原成為擴(kuò)散控制，陰極析氫成為主反應(yīng)，而陰極析氫反應(yīng)所產(chǎn)生的OH-又為陽極FeO42-的生成提供了條件。在次氯酸鹽室里，陰極(一)產(chǎn)生的OH-使陽極(二)產(chǎn)生的Cl2轉(zhuǎn)化為ClO-和Cl-。經(jīng)過一個(gè)小時(shí)的電解，我們可以分別從高鐵酸鹽室和次氯酸鹽室得到高鐵酸鹽溶液和次氯酸鹽溶液。
本電解槽與以往電解槽相比具有以下的優(yōu)點(diǎn)1.一個(gè)電解槽同時(shí)產(chǎn)生兩種有效物質(zhì)—高鐵酸鹽和含氯次氯酸鹽，這是以往的單一電解槽所不能實(shí)現(xiàn)的。
2.避免了以往高鐵酸鹽電解槽采用強(qiáng)腐蝕性的30～50％濃氫氧化鈉來生產(chǎn)高鐵酸鹽。新型雙效電解槽可以在以NaCl或KCl為主的電解質(zhì)液里產(chǎn)生滿足消毒、凈水、殺菌用的高鐵酸鹽。
3.雙效電解槽可以方便的應(yīng)用小型蓄電池作為電解電源，制成小型化電解槽，隨時(shí)隨地的生產(chǎn)高鐵酸鹽和次氯酸鹽，滿足人們?cè)谝巴?、家庭和工礦企業(yè)的殺菌消毒需要。
4.本電解槽電解生成的高鐵酸鹽溶液，比以往人們使用的氯氣、二氧化氯等氣體更安全、更方便儲(chǔ)存，而且無毒、無污染。
5.本電解槽在生產(chǎn)高鐵酸鹽的同時(shí)，生成次氯酸鹽溶液，避免了以往單一電解生成高鐵酸鹽所導(dǎo)致的某些不能用高鐵酸鹽來消毒凈水的場合，擴(kuò)大了它的應(yīng)用范圍。
通過以上對(duì)比，我們可以發(fā)現(xiàn)新型雙效電解槽比以往單一電解槽具有更大的優(yōu)點(diǎn)。
因此，我們可以看出，本發(fā)明有著廣闊的應(yīng)用前景，它可以方便地同時(shí)產(chǎn)生綠色高效的高鐵酸鹽和常規(guī)次氯酸鹽消毒凈水劑。新型電解槽又拓寬了合成高鐵酸鹽的途徑和方式，使高鐵酸鹽的合成不局限于目前實(shí)驗(yàn)室的合成范圍，可以推廣至野外、家庭、工礦企業(yè)，從而為高鐵酸鹽作為新一代綠色高效凈水劑的廣泛應(yīng)用提供了來源。
四.發(fā)明實(shí)施例1.實(shí)施例1以聚四氟乙烯塑料制成的長方形電解槽內(nèi)，用石棉膜隔成高鐵酸鹽室和次氯酸鹽室。在高鐵酸鹽室里平行的放置陽極(一)、陰極(二)(其中這兩個(gè)面積之比為10∶1)；在次氯酸鹽室平行放入陽極(二)、陰極(一)，用導(dǎo)線導(dǎo)出電極。陰極(一)、陽極(一)分別外接6V鉛蓄電池作電解電源(一)；陽極(二)、陰極(二)分別外接4V鉛蓄電池作電解電源(二)。
各電極的基質(zhì)材料的組成如下所示陽極(一)含碳0.2％(重量比)的低碳鋼片；陰極(一)鍍鎳普通碳鋼片；陽極(二)浸漬液體石蠟的純石墨板；陰極(二)鍍鎳黑鐵絲網(wǎng)。
向兩電極室分別放入重量比為20％NaCl+5％NaOH(高鐵酸鹽室)和8％ NaCl(次氯酸鹽室)。陰極(二)在300mA/cm2電流密度下電解5min后，再接通電源(一)，其電流密度為28mA/cm2(相對(duì)于陽極(一)的面積)，電解1h后即可得到滿足消毒凈水用的3.1g/l的高鐵酸鈉和8g/l的次氯酸鈉溶液。2.實(shí)施例2以聚氯乙烯塑料制成的長方形電解槽內(nèi)，用聚四氟乙烯陽離子交換膜隔成高鐵酸鹽室和次氯酸鹽室。在高鐵酸鹽室里平行地放置陽極(一)、陰極(二)；在次氯酸鹽室平行放入陽極(二)、陰極(一)，用導(dǎo)線導(dǎo)出電極。
陰極(一)、陽極(一)分別外接6V鎳氫蓄電池作電解電源(一)；陽極(二)、陰極(二)分別外接4V鉛蓄電池作電解電源(二)。
各電極的基質(zhì)材料的組成如下所示陽極(一)普通中碳鋼片；陰極(一)鍍鎳不銹鋼片；陽極(二)釕鈦金屬陽極；陰極(二)鎳合金絲網(wǎng)。
向兩電極室分別放入重量比為3.6％NaCl+25％NaOH(高鐵酸鹽室)和10％ KCl(次氯酸鹽室)。同時(shí)接通電源(一)和電源(二)，其中陰極(二)的電流密度為350mA/cm2，陽極(一)的電流密度為26mA/cm2，電解1.2h后即可得到滿足消毒凈水用的3.8g/l的高鐵酸鈉和9.5g/l的次氯酸鉀溶液。
權(quán)利要求
1.本發(fā)明所指的發(fā)明是一種新型的高鐵酸鹽及次氯酸鹽的電解槽。這種新型電解槽是以含氯化物為主的電解質(zhì)溶液，兩對(duì)陰、陽極及其所對(duì)應(yīng)的兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源和隔膜所構(gòu)成。
2.如權(quán)利要求書1所述的電解槽，它的電解質(zhì)溶液可以是LiCl或NaCl或KCl等堿金屬氯化物或氫氧化物中的一種或幾種混合溶于水而成。
3.如權(quán)利要求書1所述的電解槽電源，它可以向電解槽提供直流電，或者正弦脈沖直流電，正弦脈沖直流電的頻率范圍是1～100HZ，最佳頻率范圍10～60HZ。它的兩對(duì)陰、陽極分別是陰極(一)，陽極(一)及陰極(二)，陽極(二)，兩對(duì)電極分別由電源(一)，電源(二)供電。
4.如權(quán)利要求書3所述的陰極(一)，陽極(一)，陰極(二)，陽極(二)。陽極(一)的電極材料可以是低碳鋼、中碳鋼、高碳鋼制成；陽極(二)的電極材料可以由石墨、金屬釕鈦或鍍鉑鈦制成；其陰極(一)及陰極(二)可以由普通碳鋼、鍍鎳金屬絲(片)、石墨等材料中的一種制成。
5.如權(quán)利要求書2所述的電解質(zhì)溶液，它分為高鐵酸鹽室的電解液(一)和次氯酸鹽室的電解液(二)。電解液(一)可以是堿金屬的氯化物或氫氧化物中的一種或幾種。它們的重量比組成為NaCl0～26.2％，KCl0～15％，LiCl0～15％， NaOH或KOH0～40％。電解液(二)是由堿金屬氯化物中的一種或幾種混合再溶于水而成。它們的重量比組成為NaCl0～26.2％，KCl0～25％，LiCl0～20％。
6.如權(quán)利要求書1所述的電解槽隔膜，它可以是普通機(jī)械膜或者離子交換膜。
7.如權(quán)利要求書7所述的機(jī)械膜，它可以是聚氯乙烯的編織膜或者石棉網(wǎng)或微孔橡膠隔膜。
8.如權(quán)利要求書7所述的離子交換膜，它可以是聚四氟乙烯的陽離子交換膜或其它型陽離子交換膜。
9.如權(quán)利要求書5所述的電解質(zhì)溶液，它的最佳重量比組成為電解液(一)NaCl10～15％電解液(二)NaCl2～11％KCl1～5％ KCl0～2％NaOH3～8％
10.如權(quán)利要求書1所述的電解槽，它的電源可以是兩個(gè)相對(duì)獨(dú)立的電源或由電源(一)和電源(一)經(jīng)簡單電路分流而成的等效電源(二)構(gòu)成。
全文摘要
本發(fā)明主要敘述一種新型的電解生成高鐵酸鹽及含氯次氯酸鹽的電解槽，這種電解槽能以NaCl或KCl為主的電解液經(jīng)過電解同時(shí)生成一定濃度的高鐵酸鹽溶液及次氯酸鹽溶液。其中生成的高鐵酸鹽溶液是一種綠色環(huán)保的高效凈水消毒劑。這種新型的電解槽以離子交換膜分成兩個(gè)槽室，即高鐵酸鹽室和次氯酸鹽室，并在每個(gè)槽室內(nèi)置入一對(duì)分屬于不同電源的特殊材料制成的陰陽極。它經(jīng)過一定時(shí)間的電解，能夠得到滿足凈水消毒需要的高鐵酸鹽和次氯酸鹽溶液。
文檔編號(hào)C25B1/26GK1443874SQ0210413
公開日2003年9月24日 申請(qǐng)日期2002年3月8日 優(yōu)先權(quán)日2002年3月8日
發(fā)明者孫艷芝, 潘軍青, 萬平玉, 劉小光, 陳詠梅, 龐然, 楊曉波, 楊瑞影 申請(qǐng)人:孫艷芝