專利名稱：用于產(chǎn)生混合氧化劑氣體的電解池的制作方法
本專利申請(qǐng)是1993年10月21日提出的系列號(hào)08/141229的美國(guó)專利申請(qǐng)的部分繼續(xù)申請(qǐng)。
本發(fā)明一般涉及通過(guò)電解反應(yīng)產(chǎn)生由不同含氯物質(zhì)的混合物組成的水體處理用氧化劑氣體的電解池。
采用各種類型的水處理化學(xué)藥劑控制生物活性如象孢子、細(xì)菌、病毒、過(guò)敏性、霉菌、以及對(duì)水質(zhì)有不利影響的任何其他生物現(xiàn)象，已眾所周知。為控制結(jié)垢和腐蝕而向水中加入化學(xué)藥劑也是已知的。這類化學(xué)藥劑經(jīng)常在象游泳池、主題樂(lè)園一類的娛樂(lè)場(chǎng)用水、如冷卻塔之類的工業(yè)或商業(yè)生產(chǎn)用水、工業(yè)和城市污水處理等、以及在飲用水中使用。鑒于目前對(duì)環(huán)境認(rèn)識(shí)的提高，比以往更為迫切地需要將應(yīng)用于污水處理和有價(jià)值的水資源保護(hù)的各種化學(xué)藥劑減少到最低限度，并為此需要使工業(yè)和娛樂(lè)業(yè)用水得到最大限度的使用和循環(huán)使用。因此，為使在上述應(yīng)用場(chǎng)合中的用水得到最大限度的使用和循環(huán)使用，要求用于水處理的化學(xué)藥劑能有效地控制生物活性、腐蝕、及結(jié)垢，使水能夠反復(fù)不斷地重新使用，并且任何排水都是無(wú)害和無(wú)毒的。
使用氯對(duì)諸如游泳池、浴池、蓄水池、冷卻塔的水、娛樂(lè)場(chǎng)用水等水體或戶外露天的任何形式的水體進(jìn)行消毒，是眾所周知的。在過(guò)去，氯通常是通過(guò)直接使用蓄壓儲(chǔ)氣罐中的氯氣(Cl2)提供的。氯還可以通過(guò)電解池由電解產(chǎn)生來(lái)提供。也使用過(guò)其他的含氯氣體物質(zhì)如象二氧化氯(ClO2)對(duì)水體進(jìn)行消毒。二氧化氯是一種危險(xiǎn)的易爆氣體，通常是在使用地點(diǎn)通過(guò)氯鹽的化學(xué)分解以水溶液的形式產(chǎn)生。用電化學(xué)方法從氯化物產(chǎn)生二氧化氯，在大約1982年以前的文獻(xiàn)中尚未見到過(guò)。
Lindstaedt的美國(guó)專利No.2887444公開了一種系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中，向水體如游泳池供給低濃度的溶解食鹽，并從主水體抽出水流，經(jīng)電解產(chǎn)生氯后再將氯及水流送回主水體。
Murray的美國(guó)專利No.3223242公開了另一種形式的用于產(chǎn)生氯的電解池，將氯引入從游泳池或其他水體抽出的水流再送回該游泳池或其他水體。
Richards的美國(guó)專利No.3282823公開了一種用于在線地產(chǎn)生氯的電解池，將氯引入從游泳池抽出的水流再送回該游泳池。
在Oldershaw的美國(guó)專利No.3351542、Colvin的美國(guó)專利No.3378479、Kirkham的美國(guó)專利No.3669857、及Yates的美國(guó)專利No.4097356中提出了其他使用電解池對(duì)水體進(jìn)行加氯消毒的氯化系統(tǒng)。這些電解池是以各種各樣的構(gòu)形公開的，該電解池的大多數(shù)都利用離子滲透膜分隔裝有陽(yáng)極和陰極的室。
用于電解池的離子滲透膜技術(shù)得到很好的開發(fā)。在電解池中使用的離子滲透膜可采用從石棉薄膜到羧酸鹽樹脂聚合物乃至全氟磺酸聚合物薄膜。全氟磺酸聚合物薄膜是由Dupont為使用于電解池而開發(fā)的。
Dotson的美國(guó)專利No.3793163公開了在電解池中采用Dupont全氟磺酸聚合物薄膜，并在討論這類薄膜及其各種應(yīng)用時(shí)引用了美國(guó)專利No.2636851；3017338；3560568；34696077；2967807；3282875及英國(guó)專利No.1184321。
Walmsley的美國(guó)專利No.3909378公開了另一種類型的氟化離子交換聚合物，用于在電解鹽溶液的電解池中使用的薄膜。
對(duì)電解池中使用的薄膜技術(shù)的進(jìn)一步討論可在以下專利中查到，即Butler的美國(guó)專利No.3017338、Danna的美國(guó)專利No.3775272、Kircher的美國(guó)專利No.3960697、Carlin的美國(guó)專利No.4010085、及Westerlund的美國(guó)專利No.4069128。
在技術(shù)文獻(xiàn)中也討論了全氟磺酸薄膜的使用，例如1973年5～6月的Dupont Magazine(杜邦雜志)P22～25及由Grot、Munn及Walmsley提交141屆美國(guó)電化學(xué)學(xué)會(huì)全國(guó)會(huì)議(得克薩斯州休斯頓市，1972年5月7～11日)的一篇題為“全氟化交換膜”的論文。
上列專利提出了電解池中使用的電極的結(jié)構(gòu)。此外，以下專利給出了在這類電解池中使用的陽(yáng)極和陰極的具體結(jié)構(gòu)。
Giacopelli的美國(guó)專利No.3375184公開了一種帶有可控多重電極的電解池，該電極是在電鍍池中的平板電極。
Lohreberg的美國(guó)專利No.3951767公開了使用沿其底部具有溝槽的平板電解陽(yáng)極導(dǎo)出在電解過(guò)程中產(chǎn)生的氣泡。
Andreoli的美國(guó)專利No.565953公開了具有多個(gè)金屬網(wǎng)的電鍍?cè)O(shè)備，該金屬網(wǎng)不連接在電路中，其作用是將電解分離的金屬沉積出來(lái)。
Western和Hoogland在Electrochemical Technology(電化學(xué)工藝)5、56-58(1967)上發(fā)表的“由電解NaCl得到氯的ClO2含量”一文中報(bào)告了在缺乏氯酸鹽的情況下電解NaCl不產(chǎn)生ClO2。
Sweeney的美國(guó)專利No.4256552公開了一種用于游泳池、水系統(tǒng)等加氯消毒的電解發(fā)生器，其中在陽(yáng)極與陽(yáng)離子交換膜之間的陽(yáng)極室內(nèi)，在室的分隔壁上設(shè)置了一個(gè)雙極電極。
Sweeney的美國(guó)專利No.4334968公開了對(duì)美國(guó)專利No.4256552的電解池即發(fā)生器的改進(jìn)，并公開了在該電解池中二氧化氯的產(chǎn)生。
Sweeney的美國(guó)專利No.4248681公開了一種在美國(guó)專利No.4256552及美國(guó)專利No.4334968的電解池中產(chǎn)生氯/二氧化氯混合物的方法并給出某些最佳操作條件。
Sweeney的美國(guó)專利No.4308117公開了一種具有三個(gè)室的電解池，其陽(yáng)極和陰極分別設(shè)在外室而雙極電極設(shè)在中央室。陽(yáng)離子交換膜設(shè)置在中央室與陰極室的間壁上，而陰離子交換膜設(shè)置在中央室與陽(yáng)極室的間壁上。
Sweeney的美國(guó)專利No.4324635公開了一種具有一個(gè)陽(yáng)極室、一個(gè)陰極室、及一個(gè)由陽(yáng)離子交換膜構(gòu)成的分隔壁的電解池。該電解池包括一個(gè)使部分陰極液從陰極室到陽(yáng)極室循環(huán)流動(dòng)的泵，用于pH控制。
Sweeney的美國(guó)專利No.4804449公開了一種包括一個(gè)陽(yáng)極室、一個(gè)陰極室的電解發(fā)生器，至少有一個(gè)分隔陽(yáng)極和陰極室的壁由離子交換膜構(gòu)成，并且在陽(yáng)極或陰極的任何一個(gè)室內(nèi)設(shè)有至少一個(gè)雙極電極。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，采用由氯氣和二氧化氯氣的混合氣組成的氣體成分可以實(shí)現(xiàn)對(duì)生物活性、結(jié)垢、腐蝕的最佳控制度。在以上引用的專利中所公開的電解裝置主要涉及通過(guò)電解反應(yīng)產(chǎn)生氯氣。以上引用的專利多數(shù)是用間斷式操作產(chǎn)生氯氣而不是連續(xù)式操作。采用間斷式系統(tǒng)已知會(huì)使所產(chǎn)生的氣體物質(zhì)的成分隨著電解液在使用過(guò)程中的濃度變化而發(fā)生變化，這極大地限制這類系統(tǒng)的有效性。此外，在現(xiàn)有技術(shù)中已知的許多電解池，因其結(jié)構(gòu)而導(dǎo)致以電效率低的方式操作，為克服電解池的內(nèi)阻并實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電化學(xué)反應(yīng)，需要高的電壓輸入。
因此，電解池最好是以這樣一種方式構(gòu)成，即能以預(yù)定的比值產(chǎn)生由氯和二氧化氯組成的混合氧化劑氣體，以便最大限度地控制水體中的生物活性、結(jié)垢、及腐蝕。電解池的構(gòu)成最理想的是便于以優(yōu)選的比例產(chǎn)生氯氣和二氧化氯氣而且該比例在電解池操作期間不發(fā)生變化。
電解池最好是以這樣一種方式構(gòu)成，即能獲得高的電效率，從而在實(shí)現(xiàn)預(yù)期的電解反應(yīng)和產(chǎn)生所需氣體的過(guò)程中能更有效地利用能量。電解池的構(gòu)成最好是使其在現(xiàn)場(chǎng)便于操作和維護(hù)。另外，電解池的構(gòu)成最理想的是從制造和經(jīng)濟(jì)的觀點(diǎn)來(lái)看都是可行的。
為此，在本發(fā)明的實(shí)施中備有一種產(chǎn)生混合氧化劑氣體的電解池，用于控制水體中的生物活性、結(jié)垢、及腐蝕。該電解池包括一個(gè)陽(yáng)極板、一個(gè)陰極板、及一個(gè)插在該陽(yáng)極板與陰極板之間的膜板。將一個(gè)在其中央帶有開孔的陽(yáng)極密封墊插在陽(yáng)極板與膜板之間，形成一個(gè)容納一定容積的陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極室。該陽(yáng)極密封墊可以包括一個(gè)在其開孔的一部分上延伸的雙極電極。另一個(gè)在其中央帶有開孔的密封墊插在陰極板與膜板之間，形成一個(gè)容納一定容積的陰極電解液的陰極室。
設(shè)置在陽(yáng)極室外部的陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器裝有預(yù)定容積的陽(yáng)極電解液并以液壓方式與陽(yáng)極板上的陽(yáng)極電解液進(jìn)口連接，用于向陽(yáng)極室供給陽(yáng)極電解液。陽(yáng)極板上的混合氣和陽(yáng)極電解液出口是與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的混合氣和陽(yáng)極電解液進(jìn)口連接的，用于排出在陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生的混合氧化劑氣體并使陽(yáng)極電解液連續(xù)地循環(huán)流過(guò)陽(yáng)極室。陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器有一個(gè)出氣口，用于使混合氧化劑氣體從陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器排出并將其通入水體。陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器有一個(gè)陽(yáng)極電解液供入口，用于從設(shè)置在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器及陽(yáng)極室外部的陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐接受飽和的電解溶液。在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐中的電解溶液靠重力輸送到陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器。在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器中的陽(yáng)極電解液靠重力輸送到陽(yáng)極室，并借助于熱對(duì)流及混合氧化劑氣體的遷移循環(huán)流過(guò)陽(yáng)極室。
設(shè)置在陰極室外部的陰極電解液儲(chǔ)存器裝有預(yù)定容積的陰極電解液并以液壓方式與陰極板上的陰極電解液進(jìn)口連接，用于向陰極室供給陰極電解液。陰極板上的氣體和陰極電解液出口是與陰極電解液儲(chǔ)存器的氣體和陰極電解液進(jìn)口連接的，用于排出在陰極室內(nèi)產(chǎn)生的氣體并使陰極電解液連續(xù)地循環(huán)流過(guò)陰極室。陰極電解液儲(chǔ)存器有一個(gè)出氣口，用于從陰極電解液儲(chǔ)存器排出氣體。陰極電解液儲(chǔ)存器有一個(gè)新鮮水進(jìn)口及對(duì)水的引入進(jìn)行調(diào)節(jié)的裝置，用于將陰極電解液的比重保持在預(yù)定值。在陰極電解液儲(chǔ)存器中的陰極電解液靠重力輸送到陰極室，并借助于氣體的遷移循環(huán)流過(guò)陰極室。
將3到10伏范圍的電壓施加在陽(yáng)極和陰極之間，使陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生電解反應(yīng)，產(chǎn)生出由二氧化氯(ClO2)和氯(Cl2)組成的混合氧化劑氣體，并在陰極室內(nèi)產(chǎn)生氫(H2)氣。通過(guò)有效地從陰極室排出H2氣、及通過(guò)鈉離子(Na+)從陽(yáng)極室通過(guò)膜板上的滲透膜的遷移，可促進(jìn)陽(yáng)極室內(nèi)電解反應(yīng)的完成，而鈉離子(Na+)在陰極室內(nèi)與氫氧基(OH-)離子反應(yīng)生成氫氧化鈉(NaOH)。由于在電解池的構(gòu)成中包括了設(shè)置在外部的陽(yáng)極電解液及陰極電解液儲(chǔ)存器，因而使陽(yáng)極室和陰極室的電解液容積減小，所以本電解池能使用如此低的電壓產(chǎn)生出組成和流量均為最佳的混合氧化劑氣體。此外，采用連續(xù)的陽(yáng)極電解液供給系統(tǒng)取代間斷式的系統(tǒng)，能夠使產(chǎn)生的氧化劑氣體具有所要求的混合氧化劑氣體物質(zhì)的恒定比例。
本發(fā)明的上述和其他特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)在參照說(shuō)明書、權(quán)利要求、及以下附圖對(duì)本發(fā)明有了更好的理解時(shí)，將看得更加清楚。


圖1是按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的第1優(yōu)選實(shí)施例的半示意橫斷面圖。
圖2是在電解池中使用的陽(yáng)極板的平面圖。
圖3是構(gòu)成電解池所用的密封墊的平面圖。
圖4是構(gòu)成電解池所用的具有一個(gè)滲透膜的膜板的平面圖。
圖5是說(shuō)明對(duì)在穩(wěn)態(tài)條件下操作的電解池內(nèi)循環(huán)的陽(yáng)極電解液進(jìn)行紫外光譜分析的曲線圖。
圖6是其電解池包括一個(gè)雙極電極的實(shí)施例的半示意橫斷面圖。
圖7是其密封墊具有一個(gè)雙極電極的實(shí)施例的平面圖。
圖8是圖1的電解池的第2優(yōu)選實(shí)施例的半示意橫斷面圖。
圖9是具有多個(gè)按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電解池的第1優(yōu)選多重電解池實(shí)施例的透視圖。
圖10是具有多個(gè)按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電解池的第2優(yōu)選多重電解池的透視圖。
在本發(fā)明的實(shí)施中提供的電解池，可以在工業(yè)和(或)商業(yè)應(yīng)用如象冷卻塔、生產(chǎn)過(guò)程水處理、食品加工等的用水，在游樂(lè)業(yè)如象游泳池、主題樂(lè)園等，以及在市政應(yīng)用如象污水處理及飲用水消毒等大規(guī)模水體中用來(lái)控制生物活性、腐蝕、及結(jié)垢。該電解池對(duì)生物活性、腐蝕、及結(jié)垢提供有效的控制而無(wú)需使用輔助的化學(xué)型添加劑。電解池是通過(guò)電解產(chǎn)生由含氯氣體物質(zhì)混合物組成的氧化劑氣體并將其通入大規(guī)模水體實(shí)現(xiàn)上述控制的。
圖1示出按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的第1優(yōu)選的實(shí)施例。電解池10具有一個(gè)陽(yáng)極板12，該陽(yáng)極板12通常由剛性結(jié)構(gòu)材料構(gòu)成，沿其周邊備有多個(gè)螺栓孔(圖中未示出)。陽(yáng)極板可以用任何型式的導(dǎo)電材料構(gòu)成，但因與電解液及在陽(yáng)極板上產(chǎn)生的電解生成物接觸而在化學(xué)上應(yīng)是耐蝕的，對(duì)氧化作用具有在電化學(xué)上的耐蝕性，并具有機(jī)械剛性，以使其能夠用作在電解池中盛裝電解液的一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。適用于構(gòu)成陽(yáng)極板的材料有鈮、鈳、鋯、石墨、或鈦。用鈦可以構(gòu)成優(yōu)良的陽(yáng)極板。此外，陽(yáng)極板與電解池內(nèi)的電解溶液接觸的表面最好是用一種導(dǎo)電材料覆蓋。適用的陽(yáng)極板覆蓋層有鉑、釕、或銥。要求用這類材料覆蓋陽(yáng)極板，是因?yàn)橛脕?lái)構(gòu)成陽(yáng)極板的化學(xué)和電化學(xué)耐蝕材料一般都不是電的良導(dǎo)體。因此，要求使用這類覆蓋層是為了增加陽(yáng)極板在與電解溶液接觸部位的導(dǎo)電性。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陽(yáng)極板用釕覆蓋。
陽(yáng)極板可以配置成各種不同的幾何形狀，如正方形、矩形、圓形等。一種優(yōu)先選用的陽(yáng)極板結(jié)構(gòu)是尺寸約為36cm×13cm的矩形。優(yōu)先選用矩形結(jié)構(gòu)的原因是矩形被認(rèn)為能影響在電解池的室中形成的氣泡大小和逸出。在電解反應(yīng)過(guò)程中，高度大于寬度的電解池室在電解液內(nèi)易于形成小的氣泡，可將在陽(yáng)極表面上造成開路的可能性減小到最低程度。陽(yáng)極板可具有足以為電解池提供所需結(jié)構(gòu)剛度的厚度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陽(yáng)極板的厚度約為2mm。
從電解池的陽(yáng)極到陰極方向(圖1中從左到右)看，一個(gè)陽(yáng)極密封墊14緊貼著陽(yáng)極板12的表面。如圖3所示，該密封墊可由一塊在墊的中央部分有一個(gè)開孔16的彈性材料構(gòu)成。環(huán)繞該陽(yáng)極密封墊的周邊部分具有多個(gè)按照與陽(yáng)極板的多個(gè)螺栓孔相對(duì)應(yīng)的分布圖形排列的螺栓孔18。該陽(yáng)極密封墊可用非導(dǎo)電的、耐熱、耐化學(xué)腐蝕的任何類型的彈性結(jié)構(gòu)材料制造。適用于構(gòu)成陽(yáng)極密封墊的材料包括硅橡膠、氯化聚氯乙烯(CPVC)、聚四氟乙烯等。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該密封墊用80號(hào)CPVC制造。
為達(dá)到對(duì)電解池內(nèi)的電解液的更為有效的密封，陽(yáng)極密封墊的尺寸可以與陽(yáng)極板的尺寸近似相同。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，對(duì)于大約以40安培電流操作的電解池，密封墊的外形尺寸可約為33cm×13cm，而開孔尺寸可約為25cm×6cm。如圖1和圖2所示，要求陽(yáng)極密封墊在長(zhǎng)度上比陽(yáng)極板小一些，以便子與從電解池伸出的陽(yáng)極板上部進(jìn)行電氣連接。
膜板20緊貼著陽(yáng)極密封墊14的表面。該膜板可以由一塊滲透膜材料構(gòu)成，便于在電解液中存在的陽(yáng)離子通過(guò)其表面轉(zhuǎn)移。如圖4所示，滲透膜板各表面的周邊部分可用不導(dǎo)電的耐熱耐化學(xué)腐蝕的彈性材料22覆蓋，例如硅橡膠、聚四氟乙烯等。最好是覆蓋滲透膜的周邊部分，以提高滲透膜板的剛性并提供與陽(yáng)極密封墊對(duì)接的無(wú)孔隙表面，構(gòu)成對(duì)電解液的密封。
膜板20具有的總體形狀可與陽(yáng)極密封墊14相同，以提供與陽(yáng)極密封墊的有效密封，將電解液保持在電解池內(nèi)。環(huán)繞膜板的周邊部分備有按照與陽(yáng)極板12及鄰接的陽(yáng)極密封墊14的螺栓孔分布圖形相對(duì)應(yīng)的圖形排列的多個(gè)螺栓孔24。滲透膜的未覆蓋部分26在尺寸和形狀上可與陽(yáng)極密封墊的開孔一致。因此，當(dāng)將膜板與陽(yáng)極密封墊靠緊連接時(shí)，滲透膜的未覆蓋部分26所占的膜板面積在尺寸和形狀上可與相鄰接的陽(yáng)極密封墊的開孔相吻合。為有利于在電解池中進(jìn)行產(chǎn)生所需混合氧化劑氣體的電解反應(yīng)，滲透膜可用能使陽(yáng)離子例如鈉(Na+)離子等通過(guò)其表面轉(zhuǎn)移的適用材料制作。適用的滲透膜包括用DuPont Chemical(杜邦化學(xué)公司)制造的以NAFION商標(biāo)銷售的離子滲透材料制作的滲透膜，或用Na-tional Filter Media of Salt Lake City、Utah(猶他州鹽湖城的國(guó)家過(guò)濾介質(zhì)公司)銷售的以KANECARON商標(biāo)投放市場(chǎng)的非離子變性聚丙烯晴材料制作的滲透膜。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，滲透膜材料為KANECARON。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，滲透膜材料片的厚度可約為1mm。
陰極密封墊28緊貼著膜板20的表面。陰極密封墊可具有與陽(yáng)極密封墊14相同的尺寸和形狀。因此，為簡(jiǎn)單起見，可參照?qǐng)D3來(lái)說(shuō)明陰極密封墊。陰極密封墊由一塊在墊的中央部分有一個(gè)開孔(類似于圖3中的16)的彈性材料構(gòu)成。環(huán)繞該密封墊的周邊部分具有多個(gè)按照與鄰接膜板20的多個(gè)螺栓孔24相對(duì)應(yīng)的分布圖形排列的螺栓孔(類似于圖3中的18)。該陰極密封墊可用與構(gòu)成陽(yáng)極密封墊的上述同樣類型的彈性耐化學(xué)腐蝕耐熱的材料制造。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該密封墊用硅橡膠制造。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陰極密封墊28制作成矩形，其外形尺寸和開孔尺寸與以上對(duì)陽(yáng)極密封墊14所述外形尺寸和開孔尺寸近似相等。因此，當(dāng)將其與膜板20的表面靠緊連接時(shí)，陰極密封墊膜的開孔在尺寸和形狀上與滲透膜26的未覆蓋部分相吻合。
陰極板30緊貼著陰極密封墊28的表面。陰極板可以用導(dǎo)電的、對(duì)電解液及在電解池內(nèi)產(chǎn)生的電解生成物在化學(xué)上是耐蝕的、并具有機(jī)械剛性的材料制作，使其能夠用作將電解液保持在電解池內(nèi)的一個(gè)結(jié)構(gòu)構(gòu)件。由于對(duì)陰極板選用的材料不要求具有電化學(xué)耐蝕性，所以該材料應(yīng)具有無(wú)需再加導(dǎo)電復(fù)蓋層的足夠的導(dǎo)電性。因氧化作用發(fā)生在陽(yáng)極而不在陰極，所以對(duì)陰極板所選用的材料沒(méi)有必要在電化學(xué)上具有惰性。適用于構(gòu)成陰極板的材料可包括不銹鋼316L、不銹鋼317L、或254 SMO不銹鋼。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該陰極板可用316L型不銹鋼制作。
陰極板可具有各種不同的形狀，如正方形、矩形、圓形等?；谝陨蠈?duì)陽(yáng)極板12所述的同樣原因，陰極板最好選用矩形。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陰極板具有與鄰接的陰極密封墊28的外形尺寸相似的尺寸。與陽(yáng)極一樣，陰極板環(huán)繞其表面的周邊部分具有多個(gè)按照與鄰接的陰極密封墊28的多個(gè)螺栓孔相對(duì)應(yīng)的分布圖形排列的螺栓孔(圖中未示出)。陰極板可具有足以為電解池提供所需結(jié)構(gòu)剛度的厚度。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陰極板的厚度約為3mm。
由陽(yáng)極板12、陽(yáng)極密封墊14、膜板20、陰極密封墊28、及陰極板30裝配成的組合體即構(gòu)成電解池?？捎贸Ｓ玫木o固件如螺栓32將這些部件固定在一起。如圖1和圖2所示，可在陽(yáng)極板12的與陽(yáng)極密封墊相反的表面加一塊絕緣板33，用于防止因固緊螺栓而在陽(yáng)極板與陰極板之間造成電的短路。絕緣板33可由一塊不導(dǎo)電的材料制作，環(huán)繞其周邊具有多個(gè)按照與陽(yáng)極板的多個(gè)螺栓孔相對(duì)應(yīng)的分布圖形排列的螺栓孔(圖中未示出)。該絕緣板的尺寸小于陽(yáng)極板，其尺寸與陽(yáng)極密封墊的外形尺寸近似相等。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該絕緣板用聚氯乙烯(PVC)制作。因此，為防止在陽(yáng)極板與陰極板之間造成電的短路，固定螺栓最好是覆蓋或套以不導(dǎo)電材料。
在電解池中由陽(yáng)極板、陽(yáng)極密封墊、及膜板構(gòu)成一個(gè)陽(yáng)極室34。該陽(yáng)極室的容積由陽(yáng)極密封墊的開孔決定。同樣，在電解池中由陰極板、陰極密封墊、及膜板構(gòu)成一個(gè)陰極室36。該陰極室的容積由陰極密封墊的開孔決定。
陽(yáng)極室34設(shè)計(jì)成能容納一定容積的電解溶液38，當(dāng)對(duì)該溶液通電時(shí)，將進(jìn)行電解反應(yīng)，產(chǎn)生由含有所需比例的氯的氣體物質(zhì)組成的氧化劑氣體39。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該陽(yáng)極室具有大約100毫升的容積。陽(yáng)極室內(nèi)的電解溶液在下文中稱作陽(yáng)極電解液。同樣，陰極室容納一定容積的不同電解溶液40，當(dāng)對(duì)該溶液通電時(shí)，將進(jìn)行電解反應(yīng)，在陰極室產(chǎn)生氫。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該陰極室具有大約100毫升的容積。陰極室內(nèi)所用的電解溶液在下文中稱作陰極電解液。這里雖已公開了陽(yáng)極室和陰極室的大約容積，但應(yīng)該知道各室的容積只取決于在陽(yáng)極室與陰極室之間的空間，正如以下將要說(shuō)明的，其容積可以改變。
適用的陽(yáng)極電解液可由任何一種水溶性氯化物鹽組成，如氯化鈉(NaCl)、氯化鉀(KCl)、氯化鋰(LiCl)、氯化銣(RbCl)、氯化銫(CsCl)、氯化銨(NH4Cl)、氯化鎂(MgCl2)、氯化鈣(CaCl2)等。適用的陽(yáng)極電解液還可由亞氯酸鹽如亞氯酸鈉(NaClO2)單獨(dú)或添加在水溶性氯化物鹽內(nèi)組成。對(duì)于陽(yáng)極電解液最好是能包含一定量的亞氯酸鹽，這是因?yàn)橹挥性陉?yáng)極電解液中存在亞氯酸鹽離子(ClO2-)時(shí)才能電解生成二氧化氯氣(ClO2)。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陽(yáng)極電解液由氯化鈉(NaCl)組成。為促進(jìn)陽(yáng)極室內(nèi)的電解反應(yīng)，所選擇的陰極電解液應(yīng)能迅速地進(jìn)行這樣的電解反應(yīng)，即能使其電解生成物容易與陽(yáng)極電解液的電解生成物結(jié)合，從而能推動(dòng)陽(yáng)極室內(nèi)形成混合氧化劑氣體39的反應(yīng)加快完成。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陰極電解液由氫氧化鈉(NaOH)組成，該氫氧化鈉(NaOH)是作為在陰極室內(nèi)通過(guò)電解水分子產(chǎn)生的氫氧基離子(OH-)與在陽(yáng)極室內(nèi)通過(guò)電解NaCl產(chǎn)生的鈉離子(Na+)之間的反應(yīng)物而生成的。因此，陰極電解液原本是水，但在電解池工作過(guò)程中，迅速進(jìn)行電解并反應(yīng)生成與所選用的特定陽(yáng)極電解液對(duì)應(yīng)的氫氧化物。
為了將與通過(guò)陽(yáng)極電解液和陰極電解液容積的電傳遞有關(guān)的電解室內(nèi)阻減小到最低限度，最好是將陽(yáng)極板與陰極板的相互間隔靠近。為達(dá)到最小的內(nèi)電阻，可將陽(yáng)極板與陰極板的間隔距離設(shè)置在6mm到7cm之間。如后文所述，將陽(yáng)極板與陰極板的間隔設(shè)置在此范圍內(nèi)還可使陽(yáng)極室和陰極室各室內(nèi)的陽(yáng)極電解液和陰極電解液的循環(huán)變得容易。所要求的間隔可通過(guò)選擇陽(yáng)極板和陰極板密封墊的厚度來(lái)達(dá)到。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陽(yáng)極板和陰極板的間隔距離約為13mm。在這樣的實(shí)施例中，陽(yáng)極和陰極密封墊各自的厚度約為6.5mm。
如圖1和圖2所示，陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭42位于陽(yáng)極板的下端，通過(guò)陽(yáng)極板延伸到陽(yáng)極室內(nèi)。該陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭可用常規(guī)方式例如用螺紋聯(lián)接、焊接等連接于陽(yáng)極板。陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭具有一個(gè)可與陽(yáng)極電解液輸送管44螺紋連接配合的螺紋聯(lián)接件。陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭應(yīng)設(shè)置在離陽(yáng)極板的下端邊緣有足夠距離的部位，以免在將陽(yáng)極電解液輸送到陽(yáng)極室內(nèi)時(shí)受到陽(yáng)極密封墊14的阻塞。
如圖1和圖2頂部附近所示，混合氣和陽(yáng)極電解液出口接頭46位于陽(yáng)極板的上端，并通過(guò)陽(yáng)極板延伸到陽(yáng)極室內(nèi)。與陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭相同，該陽(yáng)極電解液出口接頭可用以上公開的常規(guī)連接方式聯(lián)接于陽(yáng)極板。該混合氣出口接頭具有一個(gè)可與混合氣輸送管48螺紋連接的螺紋聯(lián)接件。
陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器50由一個(gè)設(shè)在陽(yáng)極室外部的能容納預(yù)定容積的陽(yáng)極電解液的密封容器構(gòu)成。該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器向陽(yáng)極室供給陽(yáng)極電解液，并接受陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生的氧化劑氣體及通過(guò)陽(yáng)極室循環(huán)的陽(yáng)極電解液。該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器與陽(yáng)極室可以配置成使該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陽(yáng)極電解液與陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)極電解液之比在5000∶1到1∶1的范圍之間。在第1優(yōu)選的實(shí)施例中，該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器具有大約為1升的容積。因此，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器與陽(yáng)極室的陽(yáng)極電解液的比值約為10∶1。
陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器在其下端設(shè)有一個(gè)總是充滿陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極電解液出口52。陽(yáng)極電解液出口與連接于陽(yáng)極板的陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭42的陽(yáng)極電解液輸送管44相連接。
陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器在其上端設(shè)有一個(gè)混合氣和陽(yáng)極電解液進(jìn)口54，該進(jìn)口54與連接于陽(yáng)極板的混合氣出口接頭46的混合氣輸送管48相連接。該混合氣進(jìn)口應(yīng)設(shè)在離陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器頂部有足夠距離的部位，使其在該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陽(yáng)極電解液液位之下。為便于從陽(yáng)極室回收混合氧化劑氣體和便于使陽(yáng)極電解液通過(guò)陽(yáng)極室循環(huán)，要求將該混合氣進(jìn)口設(shè)置在陽(yáng)極電解液的液位之下。因此，混合氣將陽(yáng)極電解液以兩相流的形式帶入陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，在其中可使氣體與液相分離，然后通過(guò)陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的出氣口56從該儲(chǔ)存器排出。
陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器50在靠近其底部設(shè)有一個(gè)陽(yáng)極電解液供入口58。該陽(yáng)極電解液供入口與從陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐62伸出并以液壓方式與其連接的陽(yáng)極電解液供入管60相連接。陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐由一個(gè)密封容器構(gòu)成，用于制備和貯存陽(yáng)極電解溶液。陽(yáng)極電解液供入管60與設(shè)置在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐底端的陽(yáng)極電解液排出口64相連接。陽(yáng)極電解液的制備方法是將該容器打開并加入預(yù)定量的所需水溶性氯化物材料，即NaCl。陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐在靠近其頂部設(shè)有一個(gè)新鮮水進(jìn)口66，與新鮮水源連接。如需要時(shí)，可以安裝液位控制系統(tǒng)，用來(lái)控制對(duì)陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐的供水量，以將罐內(nèi)的陽(yáng)極電解液的液位保持恒定。通過(guò)將新鮮水引入陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐將水溶性氯化物溶解于溶液內(nèi)。在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐內(nèi)貯存的陽(yáng)極電解液最好是飽和的。飽和NaCl的比重約為1.19至1.20。
已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)陽(yáng)極室內(nèi)的NaCl陽(yáng)極電解液的比重約為1.1即不飽和時(shí)，可求得為補(bǔ)充混合氧化劑氣體所需的Cl2和ClO2的比例。陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陽(yáng)極電解液的比重之差，足以使陽(yáng)極電解溶液借助于重力從陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐通過(guò)陽(yáng)極電解液供入管供入陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器。該比重差足以實(shí)現(xiàn)重力供液，而不需要通過(guò)以下方式增加陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐內(nèi)的陽(yáng)極電解液的壓頭，即，將陽(yáng)極電解液的液位保持得高于陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陽(yáng)極電解液液位，或?qū)㈥?yáng)極電解液補(bǔ)給罐設(shè)置在比陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器高的位置。
此外還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)觀察到陽(yáng)極電解液中有氯離子(Cl-)變換為作為ClO2氣的前體的亞氯酸鹽離子(ClO2-)時(shí)，始能產(chǎn)生出所需比例的Cl2和ClO2氣。因此，當(dāng)產(chǎn)生ClO2氣時(shí)，在陽(yáng)極電解液中有亞氯酸鹽離子(ClO2-)存在。把在陽(yáng)極電解液中存在有亞氯酸鹽離子(ClO2-)作為產(chǎn)生ClO2氣的跡象，將在下文中詳細(xì)討論。
為保持陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器和陽(yáng)極室中的NaCl溶液的比重，希望向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器供給飽和的NaCl溶液。因電解反應(yīng)在陽(yáng)極室進(jìn)行，所以陽(yáng)極室內(nèi)存有的陽(yáng)極電解液的比重將由于Cl2的產(chǎn)生和鈉離子(Na+)的釋放及其穿過(guò)滲透膜向陰極室的遷移而減小。通過(guò)不斷地將飽和的NaCl陽(yáng)極電解溶液從陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐導(dǎo)入陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，保持陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)極電解液的比重。供入陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的飽和NaCl用來(lái)補(bǔ)充或?qū)㈥?yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陽(yáng)極電解液的比重提高到所需的值，以產(chǎn)生出優(yōu)選成分的混合氧化劑氣體。
陰極電解液進(jìn)口接頭68設(shè)置在靠近陰極板的底端，通過(guò)陰極板延伸到陰極室內(nèi)。與陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭一樣，該陰極電解液進(jìn)口接頭可用上述的常用方式連接于陰極板。該陰極電解液進(jìn)口用螺紋與陰極電解液輸送管70配合連接。氣體及陰極電解液出口接頭72設(shè)置在靠近陰極板的頂端，通過(guò)陰極板延伸并通到陰極室內(nèi)。該氣體及陰極電解液出口接頭可用以上對(duì)氣體及陽(yáng)極電解液出口接頭所述的同樣的常用連接方式聯(lián)接于陰極。該氣體出口既可使陰極電解液通過(guò)陰極室循環(huán)又便于將陰極室內(nèi)產(chǎn)生的氣體73從電解池排出。該氣體出口接頭用螺紋與氣體輸送管74配合連接。
陰極電解液貯存在陰極電解液儲(chǔ)存器76內(nèi)。該陰極電解液儲(chǔ)存器由一個(gè)能容納一定容積的陰極電解液的密封容器構(gòu)成。該陰極電解液儲(chǔ)存器與陰極室可以配置成使該陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陰極電解液與陰極室內(nèi)的陰極電解液之比在5000∶1到1∶1的范圍之間。在第1優(yōu)選的實(shí)施例中，該陰極電解液儲(chǔ)存器具有大約為1升的容積。因此，陰極電解液儲(chǔ)存器與陰極室的陰極電解液的比值約為10∶1。
陰極電解液儲(chǔ)存器在靠近其底端設(shè)有一個(gè)總是充滿陰極電解液的陰極電解液出口78。陰極電解液出口與連接于陰極板30的陰極電解液供入管70螺紋連接。陰極電解液儲(chǔ)存器在靠近其上端設(shè)有一個(gè)氣體和陰極電解液進(jìn)口80。該氣體進(jìn)口與連接于陰極板30的氣體輸送管74螺紋連接。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，該氣體進(jìn)口設(shè)在離陰極電解液儲(chǔ)存器頂端有足夠距離的部位，使其在該儲(chǔ)存器內(nèi)的陰極電解液液位之下。為便于從陰極室回收氣體和便于使陰極電解液通過(guò)陰極室循環(huán)，要求將該氣體進(jìn)口設(shè)置在陰極電解液的液位之下。因此，陰極電解液以兩相流的形式從陰極室進(jìn)入陰極電解液儲(chǔ)存器，在其中可使氣體與液相分離，然后通過(guò)設(shè)在陰極電解液儲(chǔ)存器頂部的出氣口82從該儲(chǔ)存器排出。
在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，在陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)所貯存的NaOH溶液的比重大約在1.05至1.13范圍之間。比重在此范圍之內(nèi)的陰極電解液，當(dāng)導(dǎo)入陰極室時(shí)，顯示出能獲得Na+離子通過(guò)滲透膜從陽(yáng)極室到陰極室的最佳的轉(zhuǎn)移度。Na+離子從陽(yáng)極室到陰極室的轉(zhuǎn)移可促使混合氧化劑氣體達(dá)到最佳比率，即，通過(guò)Na+離子移出陽(yáng)極室可推動(dòng)陽(yáng)極室內(nèi)的電解反應(yīng)加快完成。比重小于1.05左右的陰極電解液在滲透膜26上提供的濃度梯度要大于為使Na+離子通過(guò)滲透膜26選擇轉(zhuǎn)移所需的濃度梯度。更準(zhǔn)確地說(shuō)，由于使用比重小于1.05左右的陰極電解液而產(chǎn)生的大的濃度梯度，將導(dǎo)致陽(yáng)極電解液離子、即NaCl通過(guò)滲透膜轉(zhuǎn)移，因而將會(huì)減少在陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生的混合氧化劑氣體的量。而比重大于1.13左右的陰極電解液將不能在滲透膜上建立為使Na+離子通過(guò)該膜從陽(yáng)極室轉(zhuǎn)移所需的濃度梯度，因而同樣會(huì)減少在陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生的混合氧化劑氣體的量。
當(dāng)NaOH陰極電解液從陰極電解液儲(chǔ)存器流入陰極室時(shí)，溶液中存在的水分子進(jìn)行電解產(chǎn)生H2氣和OH-離子。OH-離子和從陽(yáng)極室通過(guò)滲透膜轉(zhuǎn)移過(guò)來(lái)的Na+離子通過(guò)陰極室循環(huán)并通過(guò)氣體輸送管74進(jìn)入陰極電解液儲(chǔ)存器。因此，在電解池工作過(guò)程中，陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的Na+和OH-離子增加，因而使陰極電解液的比重增加。為保持陰極室和陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)陰極電解液的所要求的比重，陰極電解液儲(chǔ)存器具有一個(gè)用于加水稀釋陰極電解液的新鮮水進(jìn)口84，及一個(gè)陰極電解液排放口(圖中未示出)，用于保持所需的陰極電解液液位和清除陰極電解液儲(chǔ)存器過(guò)多的Na+離子。
陰極電解液儲(chǔ)存器還可以有一個(gè)水調(diào)節(jié)裝置，用于根據(jù)陰極電解液的特定比重調(diào)節(jié)該儲(chǔ)存器的進(jìn)水量。該水調(diào)節(jié)裝置可由一個(gè)比重計(jì)操作開關(guān)構(gòu)成，例如磁簧開關(guān)、霍爾效應(yīng)傳感器、目視式紫外檢測(cè)器等。在第1優(yōu)選的實(shí)施例中，該水調(diào)節(jié)裝置由一個(gè)比重計(jì)86構(gòu)成，當(dāng)陰極電解液的比重超過(guò)1.13時(shí)，該比重計(jì)上升到一定的液位，觸發(fā)一個(gè)機(jī)構(gòu)使水從新鮮水進(jìn)口84放入陰極電解液儲(chǔ)存器。隨著新鮮水進(jìn)入陰極電解液儲(chǔ)存器并使陰極電解液的液位升高，多余的Na+離子被從陰極電解液儲(chǔ)存器通過(guò)陰極電解液排放口清除。一當(dāng)陰極電解液的比重回到所要求的比重范圍時(shí)，該比重計(jì)下降，將放入陰極電解液儲(chǔ)存器的水關(guān)斷。這只不過(guò)是用于調(diào)節(jié)陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)陰極電解液比重的裝置的一個(gè)實(shí)施例。因此，應(yīng)該知道雖然也可采用其他的調(diào)節(jié)陰極電解液比重的裝置，但均在本發(fā)明的范圍之內(nèi)。
按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電解池，通過(guò)在陽(yáng)極板與陰極板之間施加從3伏到10伏范圍的不同電壓，產(chǎn)生出由Cl2和ClO2組成的混合氧化劑氣體。在陽(yáng)極室和陰極室內(nèi)只分別存有容積相當(dāng)小的陽(yáng)極電解液和陰極電解液(在各室內(nèi)近似有100毫升)，因此使電解池具有相當(dāng)?shù)偷膬?nèi)阻。減低到如此程度的內(nèi)阻，又使電解池能使用比在陽(yáng)極室和陰極室進(jìn)行電解反應(yīng)所必要的電壓僅稍高一點(diǎn)的電壓操作。
人們認(rèn)為在陽(yáng)極室中NaCl能根據(jù)在陽(yáng)極和陰極上施加的特定電壓值進(jìn)行多種不同的電解反應(yīng)。當(dāng)不希望受任何特定理論或機(jī)理的約束時(shí)，可認(rèn)為在陽(yáng)極室中的NaCl是通過(guò)一系列的競(jìng)爭(zhēng)電解反應(yīng)進(jìn)行電解，主要地生成Cl2和ClO2。該反應(yīng)的一個(gè)特點(diǎn)是在陽(yáng)極電解液中存在由一系列的競(jìng)爭(zhēng)電解反應(yīng)產(chǎn)生的ClO2-離子。圖5示出當(dāng)按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電解池在穩(wěn)態(tài)下工作時(shí)、即在施加約6伏電壓且電流約為40安培而操作約5分鐘之后，對(duì)通過(guò)陽(yáng)極室循環(huán)的陽(yáng)極電解液進(jìn)行的紫外光譜分析。在圖5中，ClO2-離子的存在由在波長(zhǎng)約為260毫微米處的吸光率峰值85指示，ClO2-的特征紫外波長(zhǎng)約為260毫微米。此外，圖5還示出了由在波長(zhǎng)約為375毫微米處的吸光率峰值87指示的ClO2氣的存在，ClO2氣的特征紫外波長(zhǎng)約為375毫微米。
在混合氧化劑氣體中ClO2對(duì)Cl2的最佳比值約為2比1。要求ClO2對(duì)Cl2具有這樣的比值是因?yàn)橐呀?jīng)發(fā)現(xiàn)具有這樣的比值的混合氧化劑氣體當(dāng)將其注入水體時(shí)在水體中可產(chǎn)生較多的ClO2-和ClO3-離子，其作用是能捕獲水中的更多的鈣(Ca)離子，以減少結(jié)垢。此外，ClO2氣的優(yōu)點(diǎn)在于它是比Cl2氣持續(xù)時(shí)間長(zhǎng)的氧化劑。雖然不是象次氯酸鹽(OCl-)那樣強(qiáng)的氧化劑，但ClO2是有益的中度氧化劑，原因是它處理安全而且對(duì)可能接觸的如管道、泵、換熱器等設(shè)備無(wú)害。
根據(jù)電化學(xué)原理，人們認(rèn)為NaCl溶液先在低電壓下進(jìn)行電解產(chǎn)生Na+離子和Cl-離子。Na+離子通過(guò)滲透膜26的未覆蓋部分從陽(yáng)極室轉(zhuǎn)移并進(jìn)入陰極室。隨著電壓的增高，Cl-離子與Cl離子結(jié)合，生成所需的Cl2氣。隨著施加在陽(yáng)極和陰極板之間的電壓的增高，Cl2氣與陽(yáng)極電解液中的水分子反應(yīng)，生成HClO。隨著電壓的進(jìn)一步增高，HClO與陽(yáng)極電解液中的水分子反應(yīng)，生成HClO2。為實(shí)現(xiàn)上述最后的反應(yīng)所需的電壓值，由施加在陽(yáng)極和陰極板上的范圍約在3伏至10伏的電壓差獲得。由于實(shí)現(xiàn)從HClO2的亞氯酸鹽組分生成CLO2氣的電解反應(yīng)所需的電壓比生成HClO2所需的電壓低得多，所以一旦HClO2已經(jīng)生成，則其幾乎是瞬時(shí)地反應(yīng)而產(chǎn)生所需的ClO2氣。
上述電化學(xué)原理由按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電解池的如下操作所證實(shí)。如圖5所示，在穩(wěn)態(tài)操作期間，通過(guò)電解池的陽(yáng)極室循環(huán)的陽(yáng)極電解液已知含有ClO2氣和作為ClO2氣前體的ClO2-離子。此外，已知由電解池產(chǎn)生的ClO2與Cl2的比例隨著施加在陽(yáng)極板和陰極板之間的電壓的增高而增加。因此，如需要時(shí)，人們可以通過(guò)改變施加在陽(yáng)極板和陰極板之間的電壓來(lái)改變或調(diào)節(jié)預(yù)期的ClO2對(duì)Cl2的比例。
在確定施加在陽(yáng)極板和陰極板之間的電壓的所需范圍時(shí)，應(yīng)確定該電壓不應(yīng)高到通過(guò)H2O的電解而產(chǎn)生出H2O2或O3，因?yàn)檫@兩種分子將干擾ClO2的產(chǎn)生。也已發(fā)現(xiàn)，在陽(yáng)極板和陰極板之間施加的導(dǎo)致產(chǎn)生ClO2氣的最低電壓約大于4.25伏，在大約6.25伏時(shí)，ClO2氣成為在陽(yáng)極室產(chǎn)生的占主要位置的氣體。
進(jìn)入陰極室的NaOH溶液被認(rèn)為是進(jìn)行一系列的電解反應(yīng)，借此使陰極電解液中的H2O分子生成OH-離子和H2氣。因此，為推動(dòng)陽(yáng)極室內(nèi)的電解反應(yīng)加快完成，陰室內(nèi)的電解反應(yīng)也必須加快完成。通過(guò)對(duì)陰極的電解反應(yīng)的化學(xué)計(jì)算可知，在陰極室產(chǎn)生的H2氣要比在陽(yáng)極室內(nèi)產(chǎn)生的混合氧化劑氣體多4至5倍。因此，為使陽(yáng)極室和陰極室的電解反應(yīng)加快完成，就必須盡可能有效地將H2氣從陰極室移出。
在電解池工作期間，在陰極室產(chǎn)生的H2氣將在陰極電解液容積中形成氣泡。隨著氣泡的形成，氣泡將通過(guò)陰極電解液遷移到陰極室中的氣相空間88，如圖1的上部所示。為能有效地聚集陰極室內(nèi)的H2氣，限定氣相空間的陰極密封墊的開孔頂部可以是凸面。人們通常認(rèn)為具有三角形頂部的氣相空間有利于從陰極室聚集和轉(zhuǎn)移H2氣。
此外，為能有效地聚集陰極室內(nèi)的H2氣并控制H2氣泡的大小，也可以選擇氣體及陰極電解液出口接頭72和氣體輸送管74的直徑。對(duì)陰極室要求保持小的正壓，因?yàn)檫@有利于形成小的H2氣泡，從而能將在陰極表面上造成開路的可能性降低到最小限度。
轉(zhuǎn)移到陰極電解液儲(chǔ)存器的H2通過(guò)出氣口82從該儲(chǔ)存器排出，可放入大氣，或收集、貯存后銷售。為了促進(jìn)陰極室內(nèi)的有效電解，要求H2氣從陰極電解液儲(chǔ)存器排出的速度能足以保持H2氣泡通過(guò)陰極室的遷移。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，H2氣的排出速度最好不超過(guò)H2氣的產(chǎn)生速度，使陰極室保持能控制氣泡尺寸的小的正壓。
陰極電解液儲(chǔ)存器76中的陰極電解液可以用諸如重力供液、泵等各種輸送方式供入陰極室。在第1優(yōu)選的實(shí)施例中，陰極電解液靠重力供給。為保證陰極電解液流入陰極室，應(yīng)使陰極電解液儲(chǔ)存器中陰極電解液的液位高于陰極室內(nèi)陰極電解液的液位。如圖1所示，使陰極電解液儲(chǔ)存器的位置高于電解池，即可在陰極電解液儲(chǔ)存器中的陰極電解液與陰極室內(nèi)的陰極電解液之間獲得足夠的液壓頭差。在第1優(yōu)選的實(shí)施例中，至少要有25mm的高度差才足以提供所需的液壓頭差。
將H2氣泡(在陰極室內(nèi)由電解形成)通過(guò)陰極電解液的容積向上的遷移作為引起陰極電解液向上循環(huán)的一種“陰極電解液提升器”，可使陰極電解液能夠通過(guò)陰極室連續(xù)循環(huán)。為使導(dǎo)致陰極電解液通過(guò)陰極室循環(huán)的H2氣泡的遷移能力達(dá)到最大限度，最好是將陰極板靠近膜板20、因而也就是靠近相對(duì)的陽(yáng)極板設(shè)置。如將陰極板與陽(yáng)極板的間隔設(shè)置在如前所述的距離范圍之內(nèi)，則能使陰極電解液達(dá)到所要求的循環(huán)程度。
陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器50中的陽(yáng)極電解液可以用諸如重力供液、泵等各種輸送方式供入陽(yáng)極室。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器中的陽(yáng)極電解液靠重力供入陽(yáng)極室。為保證陽(yáng)極電解液流入陽(yáng)極室，應(yīng)使陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器中陽(yáng)極電解液的液位高于陽(yáng)極室內(nèi)陽(yáng)極電解液的液位。如圖1所示，使陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的位置高于電解池，即可在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器中的陽(yáng)極電解液與陽(yáng)極室內(nèi)的陽(yáng)極電解液之間獲得足夠的液壓頭差。在第1優(yōu)選的實(shí)施例中，至少要有25mm的高度差才足以提供所需的液壓頭差。
將Cl2和ClO2氣泡(在陽(yáng)極室內(nèi)由電解形成)通過(guò)陽(yáng)極電解液的容積向上的遷移作為引起陽(yáng)極電解液向上循環(huán)的一種“陽(yáng)極電解液提升器”，可使陽(yáng)極電解液能夠通過(guò)陽(yáng)極室連續(xù)循環(huán)。為使導(dǎo)致陽(yáng)極電解液通過(guò)陽(yáng)極室循環(huán)的Cl2和ClO2氣泡的遷移能力達(dá)到最大限度，最好是將陽(yáng)極板靠近膜板20、因而也就是靠近相對(duì)的陰極板設(shè)置。如將陽(yáng)極板與陰極板的間隔設(shè)置在如前所述的距離范圍之內(nèi)，則能使陽(yáng)極電解液達(dá)到所要求的循環(huán)程度。此外，還借助于由陽(yáng)極室內(nèi)發(fā)生的電解反應(yīng)所釋放的熱能形成的熱對(duì)流，使陽(yáng)極電解液通過(guò)陽(yáng)極室循環(huán)。
從陽(yáng)極室轉(zhuǎn)移到陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的混合氧化劑氣體，通過(guò)陽(yáng)極電解液遷移并聚集在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的頂部空間。所聚集的氣體通過(guò)混合氣出口56從陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器排出，用于引入被處理的水體。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，混合氣出口56通過(guò)管路與安裝在要求處理的水的循環(huán)管道上的文丘里管(圖中未示出)連接。通過(guò)以下方式將混合氧化劑氣體通入水內(nèi)使水通過(guò)文丘里管循環(huán)起來(lái)，以促使混合氧化劑氣體從陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器排出并注入水中。如按這種方式構(gòu)成，則可用電解池將混合氧化劑氣體注入要求處理的水的循環(huán)系統(tǒng)，保持混合氧化劑氣體的注入量能提供對(duì)生物活性、腐蝕、及結(jié)垢的預(yù)期防護(hù)程度。
混合氧化劑氣體從陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器排出的速度最好低于混合氧化劑氣體的產(chǎn)生速度，以使陽(yáng)極室內(nèi)保持小的正壓。在陽(yáng)極室內(nèi)保持小的正壓能促使在陽(yáng)極上形成小的氣泡，從而能將在陽(yáng)極表面上造成開路的可能性降低到最小限度。
在陽(yáng)極室發(fā)生的電解反應(yīng)已知會(huì)產(chǎn)生大量的熱。所產(chǎn)生的熱量主要傳遞給陽(yáng)極板及陽(yáng)極電解液，如不將熱量移出，則最終會(huì)使陽(yáng)極電解液沸騰。陽(yáng)極電解液沸騰是不希望發(fā)生的，因?yàn)樵陉?yáng)極電解液中產(chǎn)生氣泡將使陽(yáng)極板與陽(yáng)極電解液之間的接觸程度大大減小，因而使電解池的效率降低。陽(yáng)極室中產(chǎn)生的熱可以利用各種熟知的熱的處理裝置去除，例如安裝在陽(yáng)極板表面上的散熱片、在線地安裝在陽(yáng)極室與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器之間的陽(yáng)極電解液循環(huán)流的換熱器等。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，如圖1所示，是將冷卻水管線90引入并通過(guò)陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，通過(guò)冷卻進(jìn)入陽(yáng)極室的陽(yáng)極電解液來(lái)控制陽(yáng)極室中產(chǎn)生的熱。
在第1優(yōu)選的實(shí)施例中，大約6伏的電壓就足以提供所需的通過(guò)電解池的約15至50安培的電流。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，尺寸如上所述且以大約40安培電流工作的電解池，可產(chǎn)生足夠的混合氧化劑氣體量，在相當(dāng)于1500噸冷卻塔的工業(yè)用水中能有效地控制生物活性、腐蝕、及結(jié)垢。
在陽(yáng)極板與陰極板之間施加預(yù)定的電壓后，在陽(yáng)極室及陰極室內(nèi)便開始電解反應(yīng)。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，在反映著電化學(xué)系統(tǒng)達(dá)到平衡所需時(shí)間的大約5分鐘后，在陽(yáng)極室產(chǎn)生出其速率及比例符合要求的Cl2和ClO2氣。僅僅在相當(dāng)短的時(shí)間之后就能達(dá)到平衡的能力是起因于電解池的結(jié)構(gòu)，即陽(yáng)極和陰極室的小的工作容積。
在電解池已關(guān)停后，如分別保持陽(yáng)極和陰極室中的陽(yáng)極電解液和陰極電解液的平衡狀態(tài)，則能縮短達(dá)到平衡的時(shí)間。如需要時(shí)，可在混合氣輸送管48及氣體輸送管74上安裝閥門來(lái)保持陽(yáng)極電解液和陰極電解液的平衡狀態(tài)。在電解池工作之后關(guān)閉閥門，可將混合氧化劑氣體及H2氣分別保持在陽(yáng)極和陰極室內(nèi)。將氣體保持在各室內(nèi)能夠減少為達(dá)到平衡所需的時(shí)間，是因?yàn)樗枰臍怏w物質(zhì)已經(jīng)存在。作為另一方案，可將這些閥門安裝在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的出氣口56和出氣口82處，能產(chǎn)生同樣的效果。利用這些閥門可將啟動(dòng)后達(dá)到平衡所需的時(shí)間縮短75％那么多。
將陽(yáng)極電解液和陰極電解液儲(chǔ)存器分別設(shè)置在陽(yáng)極室和陰極室外部的電解池同儲(chǔ)存器和電極室構(gòu)成整體的電解池相比，具有多項(xiàng)明顯的優(yōu)點(diǎn)。使用外部電解液儲(chǔ)存器可使構(gòu)成的電解池具有電解液容積減小的陽(yáng)極室和陰極室、使電解池的內(nèi)阻減小、并使電解池的電效率提高。使用外部電解液儲(chǔ)存器因電解池較小而且工作不復(fù)雜，所以便于電解池的維護(hù)檢修。使用外部電解液儲(chǔ)存器可以將混合氧化劑氣體從陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器而不是從陽(yáng)極室抽出，而陽(yáng)極室最希望的就是不打亂其平衡狀態(tài)，以便能有效地產(chǎn)生混合氧化劑氣體。因此，外部陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器用作一種緩沖器，可將對(duì)陽(yáng)極室內(nèi)的可能平衡的擾亂減小到最低限度。
因陽(yáng)極和陰極電解液儲(chǔ)存器相對(duì)于陽(yáng)極室和陰極室分別具有大得多的容積，所以作為緩沖器可將各室內(nèi)產(chǎn)生的比重波動(dòng)減小到最低限度。對(duì)于第1優(yōu)選的實(shí)施例，在各儲(chǔ)存器和其對(duì)應(yīng)的電解池室之間的大約10∶1的容積差，可緩和電解液流入各電解池室時(shí)對(duì)在各室內(nèi)的電解過(guò)程產(chǎn)生的影響。因此，使用外部的陽(yáng)極和陰極電解液儲(chǔ)存器可使各電解池室接受具有恒定的預(yù)定成分的電解液，從而使電解池產(chǎn)生所需成分及流量的混合氧化劑氣體的能力最佳化。
雖然在這里已說(shuō)明了電解池的有限的實(shí)施例，但對(duì)本專業(yè)的熟練技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，顯然可作多種修改和變更。例如，電解池可結(jié)合采用雙極電極構(gòu)成，應(yīng)該知道這是屬于本發(fā)明范圍之內(nèi)的。圖6示出一種雙極電極92插在陽(yáng)極板12與膜板20之間的電解池。在該實(shí)施例中，可采用雙極電極對(duì)通過(guò)陽(yáng)極室內(nèi)的電解產(chǎn)生所需比例的Cl2和ClO2氣進(jìn)行改進(jìn)。
雙極電極可用在化學(xué)上耐陽(yáng)極電解液腐蝕、在電化學(xué)上耐陽(yáng)極室內(nèi)發(fā)生的電解反應(yīng)腐蝕的剛性結(jié)構(gòu)材料制成。此外，雙極電極最好具有多個(gè)穿過(guò)其表面的開孔，以利于陽(yáng)極電解液通過(guò)陽(yáng)極室循環(huán)。在雙極電極的兩面最好具有導(dǎo)電覆蓋層，以促進(jìn)陽(yáng)極室內(nèi)的所需的電解反應(yīng)。適用的導(dǎo)電覆蓋層包括與以上對(duì)陽(yáng)極板的覆蓋所述的類型相同的材料。在一個(gè)結(jié)合采用了雙極電極的優(yōu)選實(shí)施例中，雙極電極用由俄亥俄州查爾頓市的Eltech生產(chǎn)的多孔鈦并覆蓋銥的材料制作，其產(chǎn)品名稱為EC600。
圖7示出上述包括一個(gè)在開孔16的一部分上延伸的雙極電極92的陽(yáng)極密封墊14的實(shí)施例。該雙電極可用舌槽榫接結(jié)構(gòu)等固定在陽(yáng)極密封墊的開孔內(nèi)。雙極電極可延伸并蓋住整個(gè)開孔16，或只延伸到開孔的一部分。已經(jīng)發(fā)現(xiàn)，如圖7所示將雙極電極安裝在陽(yáng)極密封墊的上半部，可獲得所需混合氧化劑氣體的最佳產(chǎn)生狀態(tài)。應(yīng)該知道圖7所示的陽(yáng)極密封墊實(shí)施例，除安裝有雙極電極外在各個(gè)方面都與上述及圖3所示的陽(yáng)極密封墊相似。
圖8示出按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電解池的第2優(yōu)選實(shí)施例。電解池94的第2實(shí)施例與上述及圖1所示的電解池的第1優(yōu)選實(shí)施例類似，包括設(shè)置在電解池的陽(yáng)極室98外部并以液壓方式與其連接的陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器96、設(shè)置在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器96外部并以液壓方式與其連接的陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐100、及設(shè)置在電解池的陰極室104外部并以液壓方式與其連接的陰極電解液儲(chǔ)存器102。該電解池是按照與以上對(duì)第1優(yōu)選實(shí)施例所述及圖示說(shuō)明相同的方式構(gòu)成的。
電解池的第2優(yōu)選實(shí)施例與電解池的第1優(yōu)選實(shí)施例的不同之處在于，陰極電解液儲(chǔ)存器102裝有一個(gè)形式為磁簧開關(guān)的比重傳感器106，其作用是調(diào)節(jié)對(duì)陰極電解液儲(chǔ)存器的新鮮水加入量，即當(dāng)陰極電解液的比重增加到某一預(yù)定值時(shí)使水流入陰極電解液儲(chǔ)存器，而當(dāng)比重代表的濃度回到某一預(yù)定值時(shí)將流入陰極電解液儲(chǔ)存器的新鮮水關(guān)斷。在陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)還裝有一個(gè)以冷卻盤管106構(gòu)成的陰極電解液冷卻裝置，用于把陰極電解液的溫度維持在某一預(yù)定的溫度范圍之內(nèi)。通過(guò)冷卻盤管的冷卻介質(zhì)可以是來(lái)自正在由該盤管處理的主水體的水或者是補(bǔ)給水，只要其是在所需的冷卻溫度即可。在一個(gè)優(yōu)選的實(shí)施例中，要求將陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陰極電解液保持在從65至90°F范圍內(nèi)。
此外，電解池的第2實(shí)施例與電解池的第1實(shí)施例的不同之處還在于，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器96及陰極電解液儲(chǔ)存器102的容積都分別增加到3升。儲(chǔ)存器容積的增加能容納更多的可被冷卻的陰極電解液及陽(yáng)極電解液，其本身又可作為一種散熱手段用于將分別流入陽(yáng)極室和陰極室的陽(yáng)極電解液或陰極電解液的溫度波動(dòng)減小到最低程度。在各陽(yáng)極及陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陽(yáng)極電解液及陰極電解液容積的增加還有助于減小因在電解池的陽(yáng)極室及陰極室內(nèi)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)而對(duì)各儲(chǔ)存器中的陽(yáng)極電解液和陰極電解液造成的比重變化的程度；從而有利于電解池的平穩(wěn)和不間斷的操作。
電解池的第2實(shí)施例與電解池的第1實(shí)施例的不同之處還在于，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器裝有一個(gè)與以上對(duì)陰極電解液儲(chǔ)存器所述型式相同的比重傳感器110。該比重傳感器的作用是加快陽(yáng)極電解液計(jì)量泵112的驅(qū)動(dòng)，計(jì)量泵112的進(jìn)口端與從位于陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐100底端的陽(yáng)極電解液排放管116延伸過(guò)來(lái)的陽(yáng)極電解液供入管114連接，而其出口端與延伸到陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器96底端的陽(yáng)極電解液供入管118連接。泵112根據(jù)電解池94在操作過(guò)程中排出的陽(yáng)極電解溶液量以計(jì)量后的流量將貯存在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐100的飽和NaCl溶液供入陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器96。在第2優(yōu)選的實(shí)施例中，將泵112配置成以從每24小時(shí)0.1至0.6升(每天0.5至2加侖)的流量向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器供入飽和的陽(yáng)極電解溶液。但應(yīng)該知道，所選擇的陽(yáng)極電解液供給流量決定于許多變量如施加在電極板之間的電壓、滲透膜的狀態(tài)、陽(yáng)極電解液的比重等，因此當(dāng)然可能與以上流量范圍不同。
比重傳感器110的作用是根據(jù)陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器96內(nèi)的陽(yáng)極電解液的預(yù)定比重值增加和(或)減小泵的計(jì)量流量，以保持預(yù)定的比重值。例如，當(dāng)傳感器檢測(cè)到陽(yáng)極電解液的比重低于預(yù)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)該泵增加陽(yáng)極電解液的計(jì)量流量。相反，當(dāng)傳感器檢測(cè)到陽(yáng)極電解液的比重高于預(yù)定值時(shí)，驅(qū)動(dòng)該泵減小陽(yáng)極電解液的計(jì)量流量。雖然已經(jīng)圖示說(shuō)明了在第2優(yōu)選的電解池實(shí)施例中使用的一種特定形式的比重傳感器，但當(dāng)然也可采用如以上對(duì)第1優(yōu)選實(shí)施例所述的其他型式的傳感器。
此外，電解池的第2實(shí)施例還可包括一個(gè)安裝在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐100中的由浮子閥等構(gòu)成的水調(diào)節(jié)裝置(圖中未示出)，其作用是通過(guò)調(diào)節(jié)新鮮水的供給量將補(bǔ)給罐內(nèi)飽和陽(yáng)極電解液的液位保持在預(yù)定的液位上。
圖9示出按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的由5個(gè)電解池124組成的第1優(yōu)選的多重電解池122實(shí)施例。各個(gè)電解池124是彼此相同的電解池，以同樣的方式構(gòu)成，并具有與上述及圖示說(shuō)明的第1優(yōu)選的電解池實(shí)施例相同的尺寸。從各電解池的陽(yáng)極板128伸出的陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭126以液壓方式并聯(lián)于陽(yáng)極電解液進(jìn)液集合管130，接著以液壓方式經(jīng)過(guò)陽(yáng)極電解液輸送管132與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器136的陽(yáng)極電解液出口134相連接。陽(yáng)極電解液從陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器136經(jīng)過(guò)輸送管132和集合管130以并行流方式供給各電解池的陽(yáng)極室。
從各電解池的陽(yáng)極板128伸出的混合氣出口管140以液壓方式并聯(lián)于混合氣集合管142，接著以液壓方式經(jīng)過(guò)混合氣輸送管144與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的混合氣及陽(yáng)極電解液入口146相連接?；旌蠚鈴母麟娊獬氐年?yáng)極室經(jīng)過(guò)輸送管144和集合管142以并行流方式輸送到陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器136。
從各電解池的陰極板150伸出的陰極電解液進(jìn)口接頭148以液壓方式并聯(lián)于陰極電解液進(jìn)液集合管152，接著以液壓方式經(jīng)過(guò)陰極電解液輸送管154與陰極電解液儲(chǔ)存器158的陰極電解液出口156相連接。陰極電解液從陰極電解液儲(chǔ)存器158經(jīng)過(guò)輸送管154和集合管152以并行流方式供給各電解池的陰極室。
從各電解池的陰極板150伸出的氣體及陰極電解液出口管162以液壓方式并聯(lián)于氣體及陰極電解液集合管164，接著以液壓方式經(jīng)過(guò)氣體及陰極電解液輸送管166與陰極電解液儲(chǔ)存器158的氣體及陰極電解液入口156相連接。氣體及陰極電解液從各電解池的陰極室經(jīng)過(guò)輸送管166和集合管164以并行流方式輸送到陰極電解液儲(chǔ)存器158。
陽(yáng)極和陰極電解液儲(chǔ)存器136和158各自的容積分別大于以上對(duì)第1和第2優(yōu)選的單個(gè)電解池實(shí)施例所述的容積，以適應(yīng)增加了的陽(yáng)極和陰極室容積，并能提供因使用多重電解池而增加的陽(yáng)極和陰極電解液的排出流量。在優(yōu)選的第1多重電解池實(shí)施例中，陽(yáng)極和陰極電解液儲(chǔ)存器的容積各為約22毫升。配置成具有如此容積的陽(yáng)極電解液和陰極電解液儲(chǔ)存器，能容納一定容積的陽(yáng)極電解液和陰極電解液，用作一種散熱手段為陽(yáng)極電解液和陰極電解液提供較好的溫度控制，并且可作為緩沖器用來(lái)緩和在各電解池的陽(yáng)極室和陰極室發(fā)生的電化學(xué)反應(yīng)中固有的比重變化帶來(lái)的影響。
陽(yáng)極和陰極電解液儲(chǔ)存器136和158分別以與以上對(duì)第2優(yōu)選的單個(gè)電解池實(shí)施例所述及圖示說(shuō)明的同樣方式構(gòu)成，各自都裝有冷卻盤管170和172及比重傳感器174和176。各陽(yáng)極和陰極電解液儲(chǔ)存器使用的比重傳感器所具有的功能與以上對(duì)第2優(yōu)選的單個(gè)電解池實(shí)施例所述的功能相同，即，調(diào)節(jié)從陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐(圖中未示出)經(jīng)過(guò)陽(yáng)極電解液計(jì)量泵178及陽(yáng)極電解液供入口180供給陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器136的飽和陽(yáng)極電解液的計(jì)量流量，以及調(diào)節(jié)通過(guò)新鮮水進(jìn)口182供給陰極電解液儲(chǔ)存器158的新鮮水加入量。在第1優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例中，計(jì)量泵178配置成以從每24小時(shí)0.2至1.1升(每天1至4加侖)的流量向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器供入飽和的陽(yáng)極電解溶液。
第1優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例的電解池124在電氣上并聯(lián)連接，在電解池上施加約30伏的總電壓、即在每個(gè)電解池的陽(yáng)極與陰極之間提供約為6伏的電壓進(jìn)行操作以產(chǎn)生混合氧化劑氣體。施加30伏足以為該電解池提供約75至250安培的總的通過(guò)電流，或?yàn)槊總€(gè)電解池提供約15至50安培的通過(guò)電流。按照本實(shí)施例的原理構(gòu)成的第1優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例可產(chǎn)生約為單個(gè)電解池的5倍的混合氧化劑氣體，因此可適用于處理7500噸冷卻塔的某種應(yīng)用場(chǎng)合。
圖10示出由5個(gè)電解池186組成的第2優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例。第2優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例與以上公開的第1優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例基本相同，只不過(guò)沒(méi)有采用分別從各個(gè)電解池的陽(yáng)極室和陰極室輸送陽(yáng)極電解液、混合氣、陰極電解液、及氣體和陰極電解液的集合管130、142、152、及164。相反，陽(yáng)極電解液經(jīng)過(guò)單獨(dú)的陽(yáng)極電解液輸送管190供給各個(gè)電解池186的陽(yáng)極室，該輸送管190的一端以液壓方式與從陽(yáng)極板194伸出的陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭192連接，而其另一端與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器198的陽(yáng)極電解液出口196相連接。陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器198配置成具有相等數(shù)量的單個(gè)的陽(yáng)極電解液出口196，以提供與各個(gè)電解池的陽(yáng)極電解液進(jìn)口接頭192的液壓連接，因此不需要陽(yáng)極電解液進(jìn)液集合管。
從各電解池的陽(yáng)極板194伸出的混合氣出口接頭200以液壓方式通過(guò)混合氣輸送管202與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器的混合氣進(jìn)口204連接。陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器198配置成具有相等數(shù)量的單個(gè)的混合氣入口204，以提供與各個(gè)電解池的混合氣出口接頭200的液壓連接，因此不需要混合氣集合管。
在第2優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例中，陰極電解液經(jīng)過(guò)陰極電解液輸送管208供給各個(gè)電解池186的陰極室，該輸送管208的一端以液壓方式與從陰極板212伸出的陰極電解液進(jìn)口接頭(圖中未示出)連接，而其另一端與陰極電解液儲(chǔ)存器216的陰極電解液出口214相連接。陰極電解液儲(chǔ)存器216配置成具有相等數(shù)量的單個(gè)的陰極電解液出口214，以提供與各個(gè)電解池的陰極電解液進(jìn)口接頭210的液壓連接，因此不需要陰極電解液進(jìn)液集合管。
從各電解池的陰極板212伸出的氣體及陰極電解液出口管(圖中未示出)以液壓方式經(jīng)過(guò)氣體及陰極電解液輸送管220與陰極電解液儲(chǔ)存器的氣體及陰極電解液入口222相連接。陰極電解液儲(chǔ)存器216配置成具有相等數(shù)量的單個(gè)的氣體及陰極電解液入口222，以提供與各個(gè)電解池的氣體及陰極電解液出口的液壓連接，因此不需要?dú)怏w及陰極電解液集合管。
電解池、陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器、陰極電解液儲(chǔ)存器、陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐(圖中未示出)、及飽和陽(yáng)極電解液計(jì)量泵的各自配置方式與以上對(duì)第1優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例相同。此外，第2優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例與第1優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例一樣，也是在電氣上并聯(lián)連接，因此操作方式相同，即，在5個(gè)電解池上施加約30伏的總電壓并提供從75至250安培的總電流、或在每個(gè)電解池上施加約6伏的電壓及15-50安培的電流，以產(chǎn)生所需的混合氧化劑氣體。
雖然已經(jīng)具體地描述及用圖示說(shuō)明了由5個(gè)電解池構(gòu)成的第1和第2優(yōu)選的多重電解池實(shí)施例，但應(yīng)該知道按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的可按本發(fā)明組合的單個(gè)電解池的數(shù)目并不意味著有任何限制。例如，可以組合多于或少于5個(gè)電解池，使混合氧化劑氣體的產(chǎn)生率足以滿足在特定應(yīng)用中的處理需要。
另一方面，為了增加混合氧化劑氣體的產(chǎn)生率當(dāng)然也可以不使用多重電解池，而按照本發(fā)明的原理構(gòu)成加大尺寸的單臺(tái)電解池。因此，例如可以采用比第1和第2優(yōu)選的單個(gè)電解池的表面積大5倍的單臺(tái)電解池，提供與第1和第2優(yōu)選的由5個(gè)電解池構(gòu)成的多重電解池實(shí)施例近似相同的混合氧化劑氣體產(chǎn)生率。選擇構(gòu)成單臺(tái)加大的電解池或是用多個(gè)較小的電解池進(jìn)行組合，最終取決于對(duì)電解池是否有任何空間限制以及在制造成本上的差別。
因此，應(yīng)該知道，在所附權(quán)利要求范圍內(nèi)，按照本發(fā)明的原理構(gòu)成的電解池可按與以上的具體說(shuō)明不同的方式實(shí)施。
權(quán)利要求
1.至少一個(gè)用于產(chǎn)生水體處理用的混合氧化劑氣體的電解池，各電解池包括一個(gè)陽(yáng)極室；一個(gè)與該陽(yáng)極室相鄰接并以滲透膜分隔的陰極室；一個(gè)設(shè)在陽(yáng)極室外部的用于在其內(nèi)容納一定容積的陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，其中，該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器連接于陽(yáng)極室以便向該室輸送陽(yáng)極電解液；一個(gè)設(shè)在陰極室外部用于在其中容納一定容積的陰極電解液的陰極電解液儲(chǔ)存器，其中該陰極電解液儲(chǔ)存器連接于陰極室以便向該室輸送陰極電解液；將陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陽(yáng)極電解液的比重保持在預(yù)定值上的裝置；將陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陰極電解液的比重保持在預(yù)定值上的裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，它包括一個(gè)設(shè)在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器及陽(yáng)極室外部用于在其內(nèi)存放一定容積的飽和陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐，其中，陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐連接于陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器以便向該儲(chǔ)存器輸送飽和陽(yáng)極電解液。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電解池，它包括一個(gè)連接在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器之間的泵，其中，將該泵配置成按預(yù)定的流量供給飽和陽(yáng)極電解液。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電解池，其中，保持陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)陽(yáng)極電解液比重的裝置包括一個(gè)設(shè)置在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的比重傳感器，當(dāng)其被驅(qū)動(dòng)時(shí)可調(diào)節(jié)泵的流量。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電解池，其中，保持陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)陰極電解液比重的裝置包括一個(gè)設(shè)置在陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的比重傳感器，當(dāng)其被驅(qū)動(dòng)時(shí)使新鮮水流入陰極電解液儲(chǔ)存器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電解池，它包括多個(gè)電解池，其中，各個(gè)電解池的陽(yáng)極室連接于一個(gè)設(shè)置在陽(yáng)極室外部的公用陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，以實(shí)現(xiàn)從該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器向陽(yáng)極室輸送陽(yáng)極電解液，并實(shí)現(xiàn)從陽(yáng)極室向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器輸送混合氣及陽(yáng)極電解液。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的電解池，它包括多個(gè)電解池，其中，各個(gè)電解池的陰極室連接于一個(gè)設(shè)置在陰極室外部的公用陰極電解液儲(chǔ)存器，以實(shí)現(xiàn)從該陰極電解液儲(chǔ)存器向陰極室輸送陰極電解液，并實(shí)現(xiàn)從陰極室向陰極電解液儲(chǔ)存器輸送氣體及陰極電解液。
8.至少一個(gè)用于產(chǎn)生混合氧化劑氣體的電解池，包括陽(yáng)極板；與該陽(yáng)極板相對(duì)的陰極板；插在該陽(yáng)極板與陰極板之間的滲透膜；插在陽(yáng)極板與滲透膜之間的陽(yáng)極密封墊，用于形成一個(gè)容納預(yù)定容積的陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極室；插在陰極板與滲透膜之間的陰極密封墊，用于形成一個(gè)容納預(yù)定容積的陰極電解液的陰極室；設(shè)置在陽(yáng)極室外部的并以液壓方式與其連接的陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，用于以預(yù)定的比重向陽(yáng)極室提供陽(yáng)極電解液；設(shè)置在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器及陽(yáng)極室外部的并以液壓方式與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器連接的陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐，用于向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器提供飽和陽(yáng)極電解液；用于以預(yù)定流量從該陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器輸送飽和陽(yáng)極電解液的裝置；以及設(shè)置在陰極室外部并以液壓方式與該陰極板室連接的陰極電解液儲(chǔ)存器，用于以預(yù)定的比重向陰極室提供陰極電解液。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解池，包括用于調(diào)節(jié)供給陰極電解液儲(chǔ)存器的新鮮水量以將陰極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)的陰極電解液比重保持在預(yù)定值的裝置。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解池，其中，用于輸送飽和陽(yáng)極電解溶液的裝置包括一個(gè)安裝在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器之間的泵。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的電解池，其中，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器裝有一個(gè)監(jiān)測(cè)陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器內(nèi)陽(yáng)極電解液比重的傳感器，并且其中，將該傳感器配置成當(dāng)比重降到預(yù)定值以下時(shí)增加泵的流量。
12.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解池，其中，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器裝有一個(gè)冷卻盤管，用于將其內(nèi)存有的陽(yáng)極電解液保持在預(yù)定的溫度。
13.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解池，其中，陰極電解液儲(chǔ)存器裝有一個(gè)冷卻盤管，用于將其內(nèi)存有的陰極電解液保持在預(yù)定的溫度。
14.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解池，在其陽(yáng)極室內(nèi)設(shè)有一個(gè)雙極電極。
15.根據(jù)權(quán)利要求8所述的電解池，它包括多個(gè)電解池，其中，各個(gè)電解池的陽(yáng)極室和陰極室以液壓方式連接于陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器及陰極電解液儲(chǔ)存器，以便向各陽(yáng)極室輸送陽(yáng)極電解液并從各陽(yáng)極室接收混合氣，及向各陰極室輸送陰極電解液并從各陰極室接收氣體。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電解池，它包括連接在各個(gè)陽(yáng)極室與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器之間以便輸送陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極電解液集合管；以及連接在各個(gè)陰極室與陰極電解液儲(chǔ)存器之間以便輸送陰極電解液的陰極電解液集合管。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的電解池，它包括連接在各個(gè)陽(yáng)極室與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器之間以便輸送混合氣及陽(yáng)極電解液的混合氣集合管；及連接在各個(gè)陰極室與陰極電解液儲(chǔ)存器之間以便輸送氣體及陰極電解液的氣體及陰極電解液集合管。
18.根據(jù)權(quán)利要求15所述的電解池，其中，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器具有足夠個(gè)數(shù)的單獨(dú)的陽(yáng)極電解液出口用于提供與各個(gè)電解池的各陽(yáng)極室的液壓連接，以便向其輸送陽(yáng)極電解液，并且其中，陰極電解液儲(chǔ)存器具有足夠個(gè)數(shù)的單獨(dú)的陰極電解液出口用于提供與各個(gè)電解池的各陰極室的液壓連接，以便向其輸送陰極電解液。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的電解池，其中，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器具有足夠個(gè)數(shù)的單獨(dú)的混合氣入口用于提供與各個(gè)電解池的各陽(yáng)極室的液壓連接，以便從其輸送混合氣，并且其中，陰極電解液儲(chǔ)存器具有足夠個(gè)數(shù)的單獨(dú)的氣體及陰極電解液入口用于提供與各個(gè)電解池的各陰極室的液壓連接，以便從其輸送氣體及陰極電解液。
20.至少一個(gè)用于產(chǎn)生水體處理用的混合氧化劑氣體的電解池，各電解池包括一個(gè)陽(yáng)極板；一個(gè)與該陽(yáng)極板表面鄰接的陽(yáng)極密封墊；一個(gè)與該陽(yáng)極密封墊表面鄰接的滲透膜，其中，陽(yáng)極板、陽(yáng)極密封墊、及滲透膜在其間構(gòu)成一個(gè)陽(yáng)極室，用于容納一定容積的陽(yáng)極電解液；一個(gè)與該滲透膜表面鄰接而與陽(yáng)極密封墊相對(duì)的陰極密封墊；一個(gè)與該陰極密封墊表面鄰接而與滲透膜相對(duì)的陰極板，其中，陰極板、陰極密封墊、及滲透膜在其間構(gòu)成一個(gè)陰極室，用于容納一定容積的陰極電解液；一個(gè)插在陽(yáng)極板與滲透膜之間的雙極電極；一個(gè)設(shè)在陽(yáng)極室外部用于容納一定容積的陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，其中，該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器以液壓方式連接于陽(yáng)極室以便向該室輸送陽(yáng)極電解液，而且其中，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器裝有將其內(nèi)的陽(yáng)極電解液的比重保持在預(yù)定值上的裝置；以及一個(gè)設(shè)在陰極室外部用于容納一定容積的陰極電解液的陰極電解液儲(chǔ)存器，其中，該陰極電解液儲(chǔ)存器以液壓方式連接于陰極室以便向該室輸送陰極電解液，而且其中，陰極電解液儲(chǔ)存器裝有將其內(nèi)的陰極電解液的比重保持在預(yù)定值上的裝置。
21.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電解池，它包括一個(gè)設(shè)置在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器及陽(yáng)極室外部用于容納一定容積飽和陽(yáng)極電解液的陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐，其中，該陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐以液壓方式與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器連接，以便向其輸送陽(yáng)極電解液。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的電解池，它包括一個(gè)安裝在陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐與陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器之間的被配置成按預(yù)定流量向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器供給飽和陽(yáng)極電解液的泵。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的電解池，其中，將陽(yáng)極電解液保持在預(yù)定比重上的裝置包括一個(gè)比重傳感器，當(dāng)其被驅(qū)動(dòng)時(shí)可調(diào)節(jié)泵的流量。
24.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電解池，其中，將陰極電解液保持在預(yù)定比重上的裝置包括一個(gè)比重傳感器，當(dāng)其被驅(qū)動(dòng)時(shí)可控制新鮮水流入陰極電解液儲(chǔ)存器。
25.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電解池，其中，陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器裝有用于將其內(nèi)存有的陽(yáng)極電解液保持在預(yù)定溫度的裝置。
26.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電解池，其中，陰極電解液儲(chǔ)存器裝有用于將其內(nèi)存有的陰極電解液保持在預(yù)定溫度的裝置。
27.根據(jù)權(quán)利要求20所述的電解池，它包括多個(gè)電解池，其中，各個(gè)電解池的陽(yáng)極室連接于一個(gè)設(shè)置在陽(yáng)極室外部的公用陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，以實(shí)現(xiàn)從該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器向各個(gè)陽(yáng)極室輸送陽(yáng)極電解液，并實(shí)現(xiàn)從各個(gè)陽(yáng)極室向該陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器輸送混合氣及陽(yáng)極電解液。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的電解池，它包括多個(gè)電解池，其中，各個(gè)電解池的陰極室連接于一個(gè)設(shè)置在陰極室外部的公用陰極電解液儲(chǔ)存器，以實(shí)現(xiàn)從該陰極電解液儲(chǔ)存器向各個(gè)陰極室輸送陰極電解液，并實(shí)現(xiàn)從各個(gè)陰極室向該陰極電解液儲(chǔ)存器輸送氣體及陰極電解液。
全文摘要
電解池(10)包括陽(yáng)極板(12)、陰極板(30)及插在該陽(yáng)極板與陰極板之間的滲透膜(20)。陽(yáng)極密封墊(14)插在陽(yáng)極板與滲透膜之間，形成陽(yáng)極室(34)。陽(yáng)極密封墊可以包括一個(gè)雙極電極(92)。陰極密封墊(28)插在陰極板與滲透膜之間，形成陰極室(36)。設(shè)置在陽(yáng)極室外部的陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器(50)向陽(yáng)極室供給陽(yáng)極電解液(38)并從陽(yáng)極室排出混合氧化劑氣體(39)。設(shè)置在陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器及陽(yáng)極室外部的陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐(62)向陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器供應(yīng)陽(yáng)極電解溶液。陽(yáng)極電解溶液借助于重力從陽(yáng)極電解液補(bǔ)給罐輸送到陽(yáng)極電解液儲(chǔ)存器，并流入陽(yáng)極室。設(shè)置在陰極室外部的陰極電解液儲(chǔ)存器(76)向陰極室供應(yīng)陰極電解液(40)并從陰極室排出氣體(73)。陰極電解液儲(chǔ)存器中的陰極電解液靠重力輸送到陰極室內(nèi)。將電壓施加到陽(yáng)極板與陰極板之間以在各室中進(jìn)行電解反應(yīng)，從而產(chǎn)生用于對(duì)水進(jìn)行有效處理的所需流量和比例的混合氧化劑氣體。
文檔編號(hào)C25B9/08GK1152341SQ94194561
公開日1997年6月18日 申請(qǐng)日期1994年10月20日 優(yōu)先權(quán)日1993年10月21日
發(fā)明者杰弗里·D·阿倫 申請(qǐng)人:伊萊克特羅西公司