專利名稱：產(chǎn)生過氧化氫的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種用于通過電解池來產(chǎn)生過氧化氬的設備和方法，且特別 涉及一種設置為例如在自動洗碗機中產(chǎn)生過氧化氫的設備。
背景技術：
在傳統(tǒng)的自動洗碗機中，采用清潔劑來產(chǎn)生清洗液體，以在放置于洗碗 機中用于清洗的臟物上使用。但是，當清洗液體被釋放到環(huán)境中時，這種清 潔劑會分解并產(chǎn)生污染物質(zhì)。
已經(jīng)提出在自動洗碗機中使用過氧化氫溶液作為清洗液。過氧化氫的優(yōu) 點在于其僅能分解成水和氬，二者是無害的且不會對環(huán)境帶來問題。但是， 過氧化氫不穩(wěn)定且不能長期保存而不分解。因此，已經(jīng)提出在使用時電解地 產(chǎn)生過氧化氫。
用于電解地產(chǎn)生過氧化氫的方法和設備披露于US 6,767,447中。電能用 于產(chǎn)生電化學反應，即水的電解。通過控制電解池陰極處的化學反應，產(chǎn)生 過氧化氫。
電解水遇到的問題是，為了得到好的過氧化氫產(chǎn)量，水必須是導電的。 但是，普通自來水(其可能是最方便的水源)并不特別導電。為了提高導電 性，可向水中引入可溶金屬鹽。鹽的有利的選擇是普通鹽一一氯化鈉，因為 其易于獲得。
氯化鈉^ 1入到電解液中必須以受控的方式進行，以便將電解液的導電性 增加到所需的用于有效電解反應的水平。但是，氯化鈉逐漸加入到電解液中 很費時。向電解液中加入的預定量的鹽溶液不會形成所需的導電性，原因是 水的質(zhì)量、溫度和動態(tài)的電解池狀態(tài)。

發(fā)明內(nèi)容
因而，本發(fā)明提供了一種用于產(chǎn)生過氧化氬的設備，包括具有電極的電 解池，電極位于具有電解液的腔室中；設置為向電極供電能的電源；設置為
4檢測電解池中的電流的電流傳感器；金屬鹽溶液貯存器和控制器，該控制器 設置為取決于在傳感器處檢測的電流而向電解池的腔室提供金屬鹽溶液。
本發(fā)明允許使電解液的導電性迅速達到所需水平。進而，電解池的導電 性獨立于電解池的狀態(tài)來控制，如溫度和水質(zhì)的變化。
有利的是，泵設置有攪拌器，以便讓電解液在電解池和罐之間循環(huán)流動， 該攪拌器用于在電解液被泵到電解池中之前將從貯存器而來的鹽溶液與電 解液混合。這種設置提供了對電解池的導電性的動態(tài)調(diào)整。
優(yōu)選的是，電解池中的電流通過換能器檢測。與電解池的導電性變化有 關的數(shù)據(jù)被記錄。


現(xiàn)在將通過參考附圖的例子對本發(fā)明進行描述，其中 圖1為電解池的示意圖2為根據(jù)本發(fā)明構造的用于控制圖1中的電解池導電性的系統(tǒng)的示意
圖3為圖1的電解池中電流變化的圖4為圖1的電解池中過氧化氫的濃度變化的圖5為過氧化氬分解的典型速率圖6為在不同初始濃度下圖1的電解池中過氧化氫濃度的三次變化的
圖7為用于儲存和補充圖1的電解池中的過氧化氫的系統(tǒng)的示意圖；和 圖8為并入了圖1的電解池以及圖2和7的系統(tǒng)的器具拒的局部剖切透 視圖。
在整個說明書中相似的附圖標記指代相似的部件。
具體實施例方式
圖l示出了電解池，其通常由附圖標記l表示。這純粹是示意圖且所示 特征不能用于測量。為了清楚在該圖中僅示出了一個電解池1,但是實際上 可以串聯(lián)地連接多個電解池。電解池l包括兩個腔室2、 3, 二者被離子交換 膜4分成具有陽極5的陽極腔室2和具有陰極6的陰極腔室3。電解池1還 包括空氣腔室7。陰極6為碳纖維布式的電極，其將陰極腔室3與空氣腔室7分開。設置泵8，以便將空氣從周圍環(huán)境中泵入到空氣腔室7中，以使得
空氣以一定壓力被保持在腔室7中。壓力使得空氣被迫進入碳纖維布陰極6， 以便向陰極提供氧氣。氧氣對于在陰極腔室3中產(chǎn)生過氧化氬來說是必要的。
陽極5和陰極6連接至DC電源9形式的電源。該電源可從主電源處獲 得，該主電源可^皮適當；也轉(zhuǎn)換并整流成具有適當電流和電壓的DC電源9。 電解池1通過在陽極5和陰極6之間施加電勢來啟動，以產(chǎn)生腔室2、 3中 的離子和電極之間的內(nèi)部化學反應。如果離子為帶正電的陽離子，則它們朝 向陰極6流動并被還原。如果離子為帶負電的陰離子，則它們朝向陽極5流 動并被氧化。
在陰極6處的化學反應可簡單地表示為
2H++02 + 2e、H202
該反應包括通過氬離子和電子使來自空氣腔室7的氧氣進行陰極還原， 所述氫離子和電子產(chǎn)生于陽極腔室2中且經(jīng)由膜4轉(zhuǎn)移到陰極腔室3中。通 過控制該反應，在陰極腔室3中產(chǎn)生過氧化氫。
電解池1的腔室2、 3在其中具有各自不同的電解液。與陰極腔室3相 關的電解液被稱為陰極電解液10。與陽極腔室2相關的電解液稱為陽極電解 液11。
以前，產(chǎn)生過氧化氫的電解池使用一種電解液，陽極腔室和陰極腔室共 用，且為了方便該電解液通常是氯化鈉溶液。但是，在陽極處的電化學反應 中會產(chǎn)生氯氣，氯氣有高毒性且排除了讓這種電解池在諸如自動洗碗機的家 用器具中使用的可能性。已經(jīng)提出使用其他的電解液，但是這些電解液通常 比氯化鈉溶液更昂貴，且在陰極腔室中當產(chǎn)生過氧化氫而使電解液被耗盡時 必須進4亍4卜充。
這種裝置允許使用者基于使用者的安全、成本、可獲得性以及功效方面 的考慮針對每個電極來選擇最合適的電解液。
在電解池l被啟動之前，陰極電解液10包括氯化鈉溶液。這是陰極電 解液的方便選擇，特別地這種電解池用于自動洗碗機。這種洗碗機通常具有 存放洗碗鹽的腔室。通常，這種鹽已經(jīng)被用于保持洗碗機中水軟化劑的效力。 鹽的這種儲存以及水從本地水源來供應構成了氯化鈉溶液的方便來源。
陽極電解液11為金屬硫酸鹽溶液，如硫酸鈉。軟化的自來水也可以用 作陽極電解液。在電化學反應過程中，在陽極5處僅產(chǎn)生氧氣，氧氣可被無害地釋放到大氣中或在電解池中重復利用。在過氧化氫的電解產(chǎn)生過程中， 陽極電解液11不會被用光且因此不需要補充。
陽極5不會被陽極腔室中的電化學反應所消耗。適當?shù)年枠O材料為涂覆 有氧化銥的氧化鈦篩網(wǎng)。常規(guī)的電解池必須采用能使氯氣的產(chǎn)生最小化的陽 極材料，例如柏。柏很昂貴，比含氧化銥的陽極貴的多。釆用這種設備，可 選擇陽極電解液使得在陽極處不產(chǎn)生氯，并允許使用更便宜的材料。進一步 的優(yōu)點是含氧化銥的電解池與鉑相比具有更低的電阻，這能改善過氧化氫的 產(chǎn)生速度。
離子交換膜4允許在各個腔室2、 3中的電解液10、 ll之間電接觸，但 不允許電解液混合。
電解池l非常小，大約具有數(shù)個厘米寬。因此，典型的電解池僅可產(chǎn)生 少量的過氧化氫?？赏ㄟ^采用串聯(lián)連接的多個這種電解池來獲得更大的產(chǎn) 量。其他的用于提高產(chǎn)量的手段是在電解池和被保持在陰極電解液儲存罐12 中的陰極電解液歌存器之間循環(huán)流動陰極電解液10，如圖2所示。陰極電解 液儲存罐12具有數(shù)升的容量，通常大約5升。在使用中，過氧化氫在陰極 腔室3中產(chǎn)生，且該過氧化氬通過陰極電解液泵13泵入到陰極電解液罐12 中，以被更多的陰極電解液補充。當陰極電解液在電解池1的陰極腔室3和 陰極電解液罐12之間循環(huán)流動時，在陰極電解液中的過氧化氫濃度逐漸增 加。通過控制陰極6處的化學反應，且通過讓陰極電解液在電解池1和儲存 罐12之間循環(huán)流動，可以產(chǎn)生5升一批的具有所需濃度的過氧化氫溶液。 在典型的家用和輕工業(yè)應用中，已經(jīng)發(fā)現(xiàn)大約0.35 %的濃度足以用于大部分 目的。
類似地，提供了一種用于容納陽極電解液11的貯存器的陽極電解液儲 存罐14。陽極電解液罐14具有更小的容量，通常為大約l升。泵15用于在 陽極腔室2和陽極電解液儲存罐14之間循環(huán)流動陽極電解液11，以便將最 新一批的離子供應到電解池1中。在陽極5處的電化學反應中，陽極電解液 11不會被用光。陽極電解液11僅需要通過偶爾地來自主供應部16的水來補 充，以便對已經(jīng)從儲存罐14蒸發(fā)的陽極電解液進行補充。
為了增加電解池1的反應速度，且因此增加過氧化氫的產(chǎn)生速度，在電 解池中需要足夠的電流密度。這種電流密度需是穩(wěn)定的，以便維持所需的產(chǎn) 生速度。根據(jù)本發(fā)明，金屬鹽溶液的貯存器17被設置且被控制，以便用該鹽溶液注入陰極電解液10,以便快速地使電解池的導電水平達到所需水平。 在本實施例中，保持在貯存器17中的金屬鹽溶液為氯化鈉溶液，也就是鹽 水。
電流傳感器18被布置為檢測流過電解池1的電流。該電流表示了電解 池1的導電性。在本實施例中，電流傳感器18包括電流換能器，該換能器 產(chǎn)生代表了流向結合處理器19的控制器的電流強度。處理器19周期性地將 該信號與預定電流值進行比較，并根據(jù)被測電流值和預定電流值之間的差值
來控制連接至鹽水的貯存器17的泵20。如果被傳感器18檢測的電流低于預 定值，則處理器被設置為啟動鹽水泵以便分配一定量的鹽水。從貯存器17 而來的鹽水進入到靜態(tài)攪拌器21中，該攪拌器迫使鹽水與從陰極電解液罐 12泵到電解池1中的陰極電解液混合。存在于攪拌器21中的混合液體隨后 進入電解池1中并起到導電性的中間改變作用。
圖3為示出了在典型的導電性控制過程中換能器處檢測到的電流變化。 預定的電流水平設置為16安培。通過以上述方式在線地(in-line)增加金屬 離子的濃度，電解池的導電性急劇增加，以使得電解池在幾分鐘內(nèi)達到所需 的電流水平。通過調(diào)節(jié)和周期監(jiān)測電流以及隨后控制鹽溶液的加入，電流水 平在產(chǎn)生一批過氧化氫的過程中被保持，在電流水平上具有相對較小的偏 差。由此，電解池1的導電性動態(tài)地改變，但不會受到電池本身的運行狀態(tài) 的影響，如陰極處的空氣壓力、供電電壓的改變、電解液的溫度和供水的水 質(zhì)。
處理器19可被設置為記錄用于監(jiān)測系統(tǒng)的導電性數(shù)據(jù)。導電性的不正 常的改變表示設備中存在錯誤，且因此數(shù)據(jù)可被用于向使用者或技師發(fā)出問
題警報。
圖4示出了當陰極電解液10在陰極電解液罐12和電解池之間循環(huán)流動 時通過電解池1產(chǎn)生的過氧化氫的速度。產(chǎn)生速度是穩(wěn)定的且過氧化氫在兩 個小時內(nèi)達到所需濃度。
盡管這是過氧化氫被控產(chǎn)生的相對較快的速度，但是對于一些應用來說 還是較低。例如，在家用自動洗碗機中，對于使用者來說必須等待兩個小時 來產(chǎn)生足夠的過氧化氫來進行清洗裝載物的目的，這非常不方便。陰極電解 液罐12被設置為儲存一批通過電解池產(chǎn)生的過氧化氬。但是過氧化氫會在 數(shù)天之中分解。因此，如果這一批過氧化氬沒有在該時間內(nèi)使用，則其會劣化并變得不可用。
通過對電解池1通電并在電池中循環(huán)流動陰極電解液罐12的內(nèi)容物， 直到由此產(chǎn)生的過氧化氳達到所需的濃度，使得無論是否需要一批過氧化氫 都使儲存在陰極電解液罐12中的過氧化氫的濃度達到定點。通過用已經(jīng)存 在過氧化氫溶液的陰極電解液來開始過氧化氮產(chǎn)生過程，與用新鮮的水作為 陰極電解液相比，具有所需濃度的一批過氧化氫可被更快地產(chǎn)生。
處理器19被設置為監(jiān)視已經(jīng)被保持在罐12中的儲存的過氧化氬的時間 長度。圖5為用于過氧化氫的典型分解速度圖。例如，如果過氧化氬已經(jīng)一皮 儲存了五天，則其將會分解，使得其濃度從大約0.4%減少大約0.225%。當 需要一批過氧化氫時，處理器19被設置為啟動電解池1,以便使?jié)舛然氐剿?需水平。圖6為當電解池被以不同的初始濃度啟動時過氧化氫的濃度隨時間 的變化。例如，如果初始濃度為0.225%,則大約需要一個小時拉使?jié)舛然?到0.4%,這比用純水產(chǎn)生新的一批所需的兩個小時來說短的多。該數(shù)據(jù)可 被處理器使用，以通過簡單的運算來確定電解池1產(chǎn)生過氧化氳所需的時間， 以便產(chǎn)生具有預定濃度的 一批。
該系統(tǒng)示意性地顯示于圖7中，應用于家用洗碗機形式的器具，如圖8 所示。洗碗機22包括具有盆24的絕緣外拒23,該盆的前壁繞其底部邊緣可 樞轉(zhuǎn)，以提供一能接近該盆的門25。形成裝載物的碗、其他陶器、餐具和器 具放置在盆中的擱架上。 一個擱架26如圖8所示處于盆24的上部。典型地， 另一擱架設置在盆24的底部。水從噴射器27、 28濺射到碗上，該噴射器通 過離心泵驅(qū)動，該泵通過電機供電轉(zhuǎn)動。泵和電機在該圖中沒有顯示。電解 池l、儲存罐12、 14和過氧化氫產(chǎn)生設備的部件可裝在器具的常規(guī)位置，例 如位于拒下方的隔間中或側壁中的分隔部分中。
運行時，門25打開且形成機器的裝載物的碗等被插入到擱架中。使用 者可操作的控制器29設置在前面板30上且可操作為啟動清洗工作。機器被 充水且啟動加熱元件31。當水溫足以讓裝載物充分清洗時，電機運轉(zhuǎn)且泵將 熱水驅(qū)動至濺射噴嘴27、 28,以啟動預清洗步驟。
在圖7中，洗碗機的盆以24指示且連接至家用主水源16。為了清楚， 結合處理器19的控制器沒有在該圖中顯示?？刂破鞅徊贾脼榭刂票?、閥門 和洗碗機中的電解池。當洗碗機22被啟動時，流動分配器32將來自與主水 源16內(nèi)嵌連接的水軟化器33的水直接分配到用于洗碗機的水槽中。這初始化了預清洗步驟，這被用于從盆24中的要被清洗的物品上沖洗食物顆?；?其他臟物。當預清洗步驟進行時，已經(jīng)儲存在陰極電解液罐12中的過氧化 溶液通過電解池l泵送，電解池被從主電源獲得的變壓和整流電源供電。由 此，產(chǎn)生過氧化氳的過程不會從零開始，而是替代地從在儲存的溶液中帶有 的殘留濃度開始。這一過程持續(xù)，直到產(chǎn)生所需濃度的一批過氧化氫，此時 洗碗機被設置為啟動其主要清洗步驟。
在主要清洗步驟中，連接至陰極電解液罐12的排水閥34被啟動，以^吏 得容納其中的一批過氧化器溶液^^分配到洗碗機22的清洗盆24中。過氧化 氫用作用于清洗盆24中物品的清潔劑。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)過氧化氫特別適于清洗玻 璃物品，玻璃物品暴露于常規(guī)的清潔劑會劃傷和模糊。過氧化氳的另一優(yōu)點 是其分解成氧氣和水，且在排放到環(huán)境中時不會產(chǎn)生污染。
而該主要清洗步驟發(fā)生時，陰極電解液罐12用來自主水源16的新鮮軟 化水補充。過氧化氫產(chǎn)生過程再度開始，直到產(chǎn)生所需濃度的一批過氧化氫。 這一批隨后被儲存在陰極電解液罐12中，直到洗碗機再次運行，此時處理 器19確定過氧化物已經(jīng)儲存的時間長度并由此計算電解池1需要運行以替 代分解的過氧化氫的時間。該時間可以被告知洗碗機的^吏用者，例如通過在 控制面板30上的可視顯示器。
當主要清洗完成時，盆24經(jīng)由排水泵35被清空并重新充新鮮水，水被 加熱以便沖洗裝載物。在沖洗之后，盆再次排水。還可有干燥步驟。優(yōu)選的 是，干燥步驟包括高速氣流的短暫吹風，以迫使殘留的水離開^5宛中的凹陷處， 如倒翻的杯子的底部。隨后進行用于干燥碗的較慢空氣流動過程?？諝饪?皮 力口熱。
可實施為減少重新產(chǎn)生一批過氧化氫的時間的進一步措施包括降低其 分解的速度。通過降低分解的速度，儲存了很長一段時間的一批過氧化氫會 具有比迄今可獲得的更高的殘留濃度。這可通過控制陰極電解液的pH值來 實現(xiàn)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)pH值小于8.5使得一批過氧化氫具有較慢的分解速度。圖5 示出了過氧化氳在pH值為8.11時的典型的分解。濃度從大約0.4%減低到大 約0.225 %大約需要五天。但是，如果pH值大于8.5，分解的速度更快。通 常，在pH值為8.64時在陰極處產(chǎn)生的一批過氧化氫從濃度為0.4%分解為 0.225 %需要半天。
陰極電解液的pH值可被控制的一種方式是通過控制陽極電解液的pH
10值，因為陰極電解液的pH值的任何變化會成比例地產(chǎn)生陽極電極電解液的
pH值變化。陽極電解液的pH值的優(yōu)選值為l和2之間。這可通過使用辟^酸
鈉溶液作為陽極電解液來實現(xiàn)。替換地，可以釆用軟化水。
在電解池l的啟動過程中，陽極電解液不會用光，但是通常例如由于蒸 發(fā)會少量損失。與保持在罐中的陽極電解液的總量相比，通過使用相對少量
的水來補充陽極電解液11，陽極電解液的pH值的變化被保持最小。在圖7 中，提供了一種陽極電解液罐問門36,設置為將來自主水源的水分配到陽極 電解液罐14。如果需要更大量的水，則添加少量的水，以允許陽極電解液 11的pH值穩(wěn)定在一定劑量的水之間。陽極電解液11的pH值的進一步穩(wěn)定 性可通過限制陽極電解液暴露于空氣來實現(xiàn)，例如，使陽極電解液罐14氣 密，以使得陽極電解液不需要非常頻繁地加滿。
已經(jīng)參考采用過氧化氫來洗碗的自動洗碗機對本發(fā)明進行了描述。但 是，本發(fā)明具有更多的應用。例如，本發(fā)明可用于其他的清洗操作，如地板 清洗器具并且特別是地毯清洗機。在并入本發(fā)明的蒸氣清洗機或蒸氣熨斗 中，過氧化氬被加熱，這被認為能增加其漂白的效果。
過氧化氫具有殺菌效果，且因此本發(fā)明可用于家用和工業(yè)用途，以對器 具、工作表面消毒，以治療傷病和感染以及作為洗手器的分配物。本發(fā)明的 其他應用對本領域技術人員來說是顯而易見的。
權利要求
1、一種用于產(chǎn)生過氧化氫的設備，包括具有電極的電解池，所述電極位于具有電解液的腔室中；設置為向所述電極供電能的電源；設置為檢測所述電解池中的電流的電流傳感器；金屬鹽溶液的貯存器和控制器，所述控制器設置為取決于在所述傳感器處檢測的電流而向所述電解池的腔室提供金屬鹽溶液。
2、 如權利要求1所述的設備，還包括設置為使電解液在所述腔室和罐 之間纟盾環(huán);流動的泵。
3、 如權利要求2所述的設備，還包括攪拌器，所述攪拌器被設置為在 電解液被泵入所述腔室中之前將來自所述貯存器的鹽溶液與來自所述罐的 電解液混合。
4、 如權利要求3所述的設備，還包括設置為將鹽溶液從所述貯存器泵 到所迷攪拌器的泵。
5、 如前述權利要求中任何一項所述的設備，其中，所述控制器設置為 將檢測電流與預定電流進行比較，并取決于所述檢測電流和預定電流之間的 差值供應預定量的鹽溶液。
6、 如前述權利要求中任何一項所述的設備，其中，電流通過電流換能 器檢測。
7、 如前述權利要求中任何一項所述的設備，其中，所述控制器設置為 根據(jù)在所述傳感器處檢測的電流來記錄與所述電解池的導電性的變化相關的數(shù)據(jù)。
8、 如前述權利要求中任何一項所述的設備，其中，所述電解液包括與 所述貯存器中一樣的金屬鹽的溶液。
9、 如權利要求8所述的設備，其中，所述金屬鹽為氯化鈉。
10、 如前述權利要求中任何一項所述的設備，其中，所述電極包括在陰 極腔室中的陰極。
11、 如權利要求10所述的設備，其中，所述電解池還包括在第二腔室 中的陽極。
12、 如權利要求11所述的設備，其中，所述第二腔室包括與所述陰極 腔室中的電解液不同的第二電解液。
13、 一種大致如上下文中參考附圖所述的或如附圖所示的用于產(chǎn)生過氧化氫 的設備。
14、 一種結合如前述任何一項權利要求所述的用于產(chǎn)生過氧化氫的設備的裝置。
15、 一種結合如前述任何一項權利要求所述的用于產(chǎn)生過氧化氬的設備 的自動洗》宛才幾。
16、 一種在電解池中產(chǎn)生過氧化氬的方法，所述電解池具有電極，所述 電極位于具有電解液的腔室中，所述方法包括步驟啟動電源以向所述電極 提供電能；檢測所述電解池中的電流；并取決于傳感器處檢測的電流將來自 貯存器的金屬鹽溶液供應到所述電解池的腔室。
17、 一種清洗器皿的方法，包括向所述器皿施加過氧化氫的步驟，所述 過氧化氬通過權利要求16所述的方法產(chǎn)生。
全文摘要
一種電解池(1)，包括位于腔室中的電極，該腔室具有電解液(10)和電源(9)，該電源設置為向電極供電。電流傳感器(18)檢測電解池中的電流。設置金屬鹽溶液(17)的貯存器?？刂破?19)設置為取決于在傳感器處檢測的電流而將從貯存器而來的金屬鹽溶液供應到電解池的腔室。這允許電解液的導電性快速地達到所需水平，且獨立于動態(tài)的電解池狀態(tài)。以前，金屬鹽被逐漸地加入電解液中。這很耗時且產(chǎn)生不一致的結果。
文檔編號C25B1/30GK101448981SQ200780018169
公開日2009年6月3日 申請日期2007年4月2日 優(yōu)先權日2006年4月11日
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