CN101448981A - 产生过氧化氢 - Google Patents

Abstract

一种电解池(1)，包括位于腔室中的电极，该腔室具有电解液(10)和电源(9)，该电源设置为向电极供电。电流传感器(18)检测电解池中的电流。设置金属盐溶液(17)的贮存器。控制器(19)设置为取决于在传感器处检测的电流而将从贮存器而来的金属盐溶液供应到电解池的腔室。这允许电解液的导电性快速地达到所需水平，且独立于动态的电解池状态。以前，金属盐被逐渐地加入电解液中。这很耗时且产生不一致的结果。

Description

产生过氧化氢

技术领域

本发明涉及一种用于通过电解池来产生过氧化氢的设备和方法，且特别涉及一种设置为例如在自动洗碗机中产生过氧化氢的设备。

背景技术

在传统的自动洗碗机中，采用清洁剂来产生清洗液体，以在放置于洗碗机中用于清洗的脏物上使用。但是，当清洗液体被释放到环境中时，这种清洁剂会分解并产生污染物质。

已经提出在自动洗碗机中使用过氧化氢溶液作为清洗液。过氧化氢的优点在于其仅能分解成水和氢，二者是无害的且不会对环境带来问题。但是，过氧化氢不稳定且不能长期保存而不分解。因此，已经提出在使用时电解地产生过氧化氢。

用于电解地产生过氧化氢的方法和设备披露于US 6,767,447中。电能用于产生电化学反应，即水的电解。通过控制电解池阴极处的化学反应，产生过氧化氢。

电解水遇到的问题是，为了得到好的过氧化氢产量，水必须是导电的。但是，普通自来水(其可能是最方便的水源)并不特别导电。为了提高导电性，可向水中引入可溶金属盐。盐的有利的选择是普通盐——氯化钠，因为其易于获得。

氯化钠引入到电解液中必须以受控的方式进行，以便将电解液的导电性增加到所需的用于有效电解反应的水平。但是，氯化钠逐渐加入到电解液中很费时。向电解液中加入的预定量的盐溶液不会形成所需的导电性，原因是水的质量、温度和动态的电解池状态。

发明内容

因而，本发明提供了一种用于产生过氧化氢的设备，包括具有电极的电解池，电极位于具有电解液的腔室中；设置为向电极供电能的电源；设置为检测电解池中的电流的电流传感器；金属盐溶液贮存器和控制器，该控制器设置为取决于在传感器处检测的电流而向电解池的腔室提供金属盐溶液。

本发明允许使电解液的导电性迅速达到所需水平。进而，电解池的导电性独立于电解池的状态来控制，如温度和水质的变化。

有利的是，泵设置有搅拌器，以便让电解液在电解池和罐之间循环流动，该搅拌器用于在电解液被泵到电解池中之前将从贮存器而来的盐溶液与电解液混合。这种设置提供了对电解池的导电性的动态调整。

优选的是，电解池中的电流通过换能器检测。与电解池的导电性变化有关的数据被记录。

附图说明

现在将通过参考附图的例子对本发明进行描述，其中：

图1为电解池的示意图；

图2为根据本发明构造的用于控制图1中的电解池导电性的系统的示意图；

图3为图1的电解池中电流变化的图；

图4为图1的电解池中过氧化氢的浓度变化的图；

图5为过氧化氢分解的典型速率图；

图6为在不同初始浓度下图1的电解池中过氧化氢浓度的三次变化的图；

图7为用于储存和补充图1的电解池中的过氧化氢的系统的示意图；和

图8为并入了图1的电解池以及图2和7的系统的器具柜的局部剖切透视图。

在整个说明书中相似的附图标记指代相似的部件。

具体实施方式

图1示出了电解池，其通常由附图标记1表示。这纯粹是示意图且所示特征不能用于测量。为了清楚在该图中仅示出了一个电解池1，但是实际上可以串联地连接多个电解池。电解池1包括两个腔室2、3，二者被离子交换膜4分成具有阳极5的阳极腔室2和具有阴极6的阴极腔室3。电解池1还包括空气腔室7。阴极6为碳纤维布式的电极，其将阴极腔室3与空气腔室7分开。设置泵8，以便将空气从周围环境中泵入到空气腔室7中，以使得空气以一定压力被保持在腔室7中。压力使得空气被迫进入碳纤维布阴极6，以便向阴极提供氧气。氧气对于在阴极腔室3中产生过氧化氢来说是必要的。

阳极5和阴极6连接至DC电源9形式的电源。该电源可从主电源处获得，该主电源可被适当地转换并整流成具有适当电流和电压的DC电源9。电解池1通过在阳极5和阴极6之间施加电势来启动，以产生腔室2、3中的离子和电极之间的内部化学反应。如果离子为带正电的阳离子，则它们朝向阴极6流动并被还原。如果离子为带负电的阴离子，则它们朝向阳极5流动并被氧化。

在阴极6处的化学反应可简单地表示为：

2H⁺+O₂+2e^-→H₂O₂

该反应包括通过氢离子和电子使来自空气腔室7的氧气进行阴极还原，所述氢离子和电子产生于阳极腔室2中且经由膜4转移到阴极腔室3中。通过控制该反应，在阴极腔室3中产生过氧化氢。

电解池1的腔室2、3在其中具有各自不同的电解液。与阴极腔室3相关的电解液被称为阴极电解液10。与阳极腔室2相关的电解液称为阳极电解液11。

以前，产生过氧化氢的电解池使用一种电解液，阳极腔室和阴极腔室共用，且为了方便该电解液通常是氯化钠溶液。但是，在阳极处的电化学反应中会产生氯气，氯气有高毒性且排除了让这种电解池在诸如自动洗碗机的家用器具中使用的可能性。已经提出使用其他的电解液，但是这些电解液通常比氯化钠溶液更昂贵，且在阴极腔室中当产生过氧化氢而使电解液被耗尽时必须进行补充。

这种装置允许使用者基于使用者的安全、成本、可获得性以及功效方面的考虑针对每个电极来选择最合适的电解液。

在电解池1被启动之前，阴极电解液10包括氯化钠溶液。这是阴极电解液的方便选择，特别地这种电解池用于自动洗碗机。这种洗碗机通常具有存放洗碗盐的腔室。通常，这种盐已经被用于保持洗碗机中水软化剂的效力。盐的这种储存以及水从本地水源来供应构成了氯化钠溶液的方便来源。

阳极电解液11为金属硫酸盐溶液，如硫酸钠。软化的自来水也可以用作阳极电解液。在电化学反应过程中，在阳极5处仅产生氧气，氧气可被无害地释放到大气中或在电解池中重复利用。在过氧化氢的电解产生过程中，阳极电解液11不会被用光且因此不需要补充。

阳极5不会被阳极腔室中的电化学反应所消耗。适当的阳极材料为涂覆有氧化铱的氧化钛筛网。常规的电解池必须采用能使氯气的产生最小化的阳极材料，例如铂。铂很昂贵，比含氧化铱的阳极贵的多。采用这种设备，可选择阳极电解液使得在阳极处不产生氯，并允许使用更便宜的材料。进一步的优点是含氧化铱的电解池与铂相比具有更低的电阻，这能改善过氧化氢的产生速度。

离子交换膜4允许在各个腔室2、3中的电解液10、11之间电接触，但不允许电解液混合。

电解池1非常小，大约具有数个厘米宽。因此，典型的电解池仅可产生少量的过氧化氢。可通过采用串联连接的多个这种电解池来获得更大的产量。其他的用于提高产量的手段是在电解池和被保持在阴极电解液储存罐12中的阴极电解液贮存器之间循环流动阴极电解液10，如图2所示。阴极电解液储存罐12具有数升的容量，通常大约5升。在使用中，过氧化氢在阴极腔室3中产生，且该过氧化氢通过阴极电解液泵13泵入到阴极电解液罐12中，以被更多的阴极电解液补充。当阴极电解液在电解池1的阴极腔室3和阴极电解液罐12之间循环流动时，在阴极电解液中的过氧化氢浓度逐渐增加。通过控制阴极6处的化学反应，且通过让阴极电解液在电解池1和储存罐12之间循环流动，可以产生5升一批的具有所需浓度的过氧化氢溶液。在典型的家用和轻工业应用中，已经发现大约0.35％的浓度足以用于大部分目的。

类似地，提供了一种用于容纳阳极电解液11的贮存器的阳极电解液储存罐14。阳极电解液罐14具有更小的容量，通常为大约1升。泵15用于在阳极腔室2和阳极电解液储存罐14之间循环流动阳极电解液11，以便将最新一批的离子供应到电解池1中。在阳极5处的电化学反应中，阳极电解液11不会被用光。阳极电解液11仅需要通过偶尔地来自主供应部16的水来补充，以便对已经从储存罐14蒸发的阳极电解液进行补充。

为了增加电解池1的反应速度，且因此增加过氧化氢的产生速度，在电解池中需要足够的电流密度。这种电流密度需是稳定的，以便维持所需的产生速度。根据本发明，金属盐溶液的贮存器17被设置且被控制，以便用该盐溶液注入阴极电解液10，以便快速地使电解池的导电水平达到所需水平。在本实施例中，保持在贮存器17中的金属盐溶液为氯化钠溶液，也就是盐水。

电流传感器18被布置为检测流过电解池1的电流。该电流表示了电解池1的导电性。在本实施例中，电流传感器18包括电流换能器，该换能器产生代表了流向结合处理器19的控制器的电流强度。处理器19周期性地将该信号与预定电流值进行比较，并根据被测电流值和预定电流值之间的差值来控制连接至盐水的贮存器17的泵20。如果被传感器18检测的电流低于预定值，则处理器被设置为启动盐水泵以便分配一定量的盐水。从贮存器17而来的盐水进入到静态搅拌器21中，该搅拌器迫使盐水与从阴极电解液罐12泵到电解池1中的阴极电解液混合。存在于搅拌器21中的混合液体随后进入电解池1中并起到导电性的中间改变作用。

图3为示出了在典型的导电性控制过程中换能器处检测到的电流变化。预定的电流水平设置为16安培。通过以上述方式在线地(in-line)增加金属离子的浓度，电解池的导电性急剧增加，以使得电解池在几分钟内达到所需的电流水平。通过调节和周期监测电流以及随后控制盐溶液的加入，电流水平在产生一批过氧化氢的过程中被保持，在电流水平上具有相对较小的偏差。由此，电解池1的导电性动态地改变，但不会受到电池本身的运行状态的影响，如阴极处的空气压力、供电电压的改变、电解液的温度和供水的水质。

处理器19可被设置为记录用于监测系统的导电性数据。导电性的不正常的改变表示设备中存在错误，且因此数据可被用于向使用者或技师发出问题警报。

图4示出了当阴极电解液10在阴极电解液罐12和电解池之间循环流动时通过电解池1产生的过氧化氢的速度。产生速度是稳定的且过氧化氢在两个小时内达到所需浓度。

尽管这是过氧化氢被控产生的相对较快的速度，但是对于一些应用来说还是较低。例如，在家用自动洗碗机中，对于使用者来说必须等待两个小时来产生足够的过氧化氢来进行清洗装载物的目的，这非常不方便。阴极电解液罐12被设置为储存一批通过电解池产生的过氧化氢。但是过氧化氢会在数天之中分解。因此，如果这一批过氧化氢没有在该时间内使用，则其会劣化并变得不可用。

通过对电解池1通电并在电池中循环流动阴极电解液罐12的内容物，直到由此产生的过氧化氢达到所需的浓度，使得无论是否需要一批过氧化氢都使储存在阴极电解液罐12中的过氧化氢的浓度达到定点。通过用已经存在过氧化氢溶液的阴极电解液来开始过氧化氢产生过程，与用新鲜的水作为阴极电解液相比，具有所需浓度的一批过氧化氢可被更快地产生。

处理器19被设置为监视已经被保持在罐12中的储存的过氧化氢的时间长度。图5为用于过氧化氢的典型分解速度图。例如，如果过氧化氢已经被储存了五天，则其将会分解，使得其浓度从大约0.4％减少大约0.225％。当需要一批过氧化氢时，处理器19被设置为启动电解池1，以便使浓度回到所需水平。图6为当电解池被以不同的初始浓度启动时过氧化氢的浓度随时间的变化。例如，如果初始浓度为0.225％，则大约需要一个小时拉使浓度回到0.4％，这比用纯水产生新的一批所需的两个小时来说短的多。该数据可被处理器使用，以通过简单的运算来确定电解池1产生过氧化氢所需的时间，以便产生具有预定浓度的一批。

该系统示意性地显示于图7中，应用于家用洗碗机形式的器具，如图8所示。洗碗机22包括具有盆24的绝缘外柜23，该盆的前壁绕其底部边缘可枢转，以提供一能接近该盆的门25。形成装载物的碗、其他陶器、餐具和器具放置在盆中的搁架上。一个搁架26如图8所示处于盆24的上部。典型地，另一搁架设置在盆24的底部。水从喷射器27、28溅射到碗上，该喷射器通过离心泵驱动，该泵通过电机供电转动。泵和电机在该图中没有显示。电解池1、储存罐12、14和过氧化氢产生设备的部件可装在器具的常规位置，例如位于柜下方的隔间中或侧壁中的分隔部分中。

运行时，门25打开且形成机器的装载物的碗等被插入到搁架中。使用者可操作的控制器29设置在前面板30上且可操作为启动清洗工作。机器被充水且启动加热元件31。当水温足以让装载物充分清洗时，电机运转且泵将热水驱动至溅射喷嘴27、28，以启动预清洗步骤。

在图7中，洗碗机的盆以24指示且连接至家用主水源16。为了清楚，结合处理器19的控制器没有在该图中显示。控制器被布置为控制泵、阀门和洗碗机中的电解池。当洗碗机22被启动时，流动分配器32将来自与主水源16内嵌连接的水软化器33的水直接分配到用于洗碗机的水槽中。这初始化了预清洗步骤，这被用于从盆24中的要被清洗的物品上冲洗食物颗粒或其他脏物。当预清洗步骤进行时，已经储存在阴极电解液罐12中的过氧化溶液通过电解池1泵送，电解池被从主电源获得的变压和整流电源供电。由此，产生过氧化氢的过程不会从零开始，而是替代地从在储存的溶液中带有的残留浓度开始。这一过程持续，直到产生所需浓度的一批过氧化氢，此时洗碗机被设置为启动其主要清洗步骤。

在主要清洗步骤中，连接至阴极电解液罐12的排水阀34被启动，以使得容纳其中的一批过氧化器溶液被分配到洗碗机22的清洗盆24中。过氧化氢用作用于清洗盆24中物品的清洁剂。已经发现过氧化氢特别适于清洗玻璃物品，玻璃物品暴露于常规的清洁剂会划伤和模糊。过氧化氢的另一优点是其分解成氧气和水，且在排放到环境中时不会产生污染。

而该主要清洗步骤发生时，阴极电解液罐12用来自主水源16的新鲜软化水补充。过氧化氢产生过程再度开始，直到产生所需浓度的一批过氧化氢。这一批随后被储存在阴极电解液罐12中，直到洗碗机再次运行，此时处理器19确定过氧化物已经储存的时间长度并由此计算电解池1需要运行以替代分解的过氧化氢的时间。该时间可以被告知洗碗机的使用者，例如通过在控制面板30上的可视显示器。

当主要清洗完成时，盆24经由排水泵35被清空并重新充新鲜水，水被加热以便冲洗装载物。在冲洗之后，盆再次排水。还可有干燥步骤。优选的是，干燥步骤包括高速气流的短暂吹风，以迫使残留的水离开碗中的凹陷处，如倒翻的杯子的底部。随后进行用于干燥碗的较慢空气流动过程。空气可被加热。

可实施为减少重新产生一批过氧化氢的时间的进一步措施包括降低其分解的速度。通过降低分解的速度，储存了很长一段时间的一批过氧化氢会具有比迄今可获得的更高的残留浓度。这可通过控制阴极电解液的pH值来实现。已经发现pH值小于8.5使得一批过氧化氢具有较慢的分解速度。图5示出了过氧化氢在pH值为8.11时的典型的分解。浓度从大约0.4％减低到大约0.225％大约需要五天。但是，如果pH值大于8.5，分解的速度更快。通常，在pH值为8.64时在阴极处产生的一批过氧化氢从浓度为0.4％分解为0.225％需要半天。

阴极电解液的pH值可被控制的一种方式是通过控制阳极电解液的pH值，因为阴极电解液的pH值的任何变化会成比例地产生阳极电极电解液的pH值变化。阳极电解液的pH值的优选值为1和2之间。这可通过使用硫酸钠溶液作为阳极电解液来实现。替换地，可以采用软化水。

在电解池1的启动过程中，阳极电解液不会用光，但是通常例如由于蒸发会少量损失。与保持在罐中的阳极电解液的总量相比，通过使用相对少量的水来补充阳极电解液11，阳极电解液的pH值的变化被保持最小。在图7中，提供了一种阳极电解液罐阀门36，设置为将来自主水源的水分配到阳极电解液罐14。如果需要更大量的水，则添加少量的水，以允许阳极电解液11的pH值稳定在一定剂量的水之间。阳极电解液11的pH值的进一步稳定性可通过限制阳极电解液暴露于空气来实现，例如，使阳极电解液罐14气密，以使得阳极电解液不需要非常频繁地加满。

已经参考采用过氧化氢来洗碗的自动洗碗机对本发明进行了描述。但是，本发明具有更多的应用。例如，本发明可用于其他的清洗操作，如地板清洗器具并且特别是地毯清洗机。在并入本发明的蒸气清洗机或蒸气熨斗中，过氧化氢被加热，这被认为能增加其漂白的效果。

过氧化氢具有杀菌效果，且因此本发明可用于家用和工业用途，以对器具、工作表面消毒，以治疗伤病和感染以及作为洗手器的分配物。本发明的其他应用对本领域技术人员来说是显而易见的。

Claims (17)

1、一种用于产生过氧化氢的设备，包括具有电极的电解池，所述电极位于具有电解液的腔室中；设置为向所述电极供电能的电源；设置为检测所述电解池中的电流的电流传感器；金属盐溶液的贮存器和控制器，所述控制器设置为取决于在所述传感器处检测的电流而向所述电解池的腔室提供金属盐溶液。

2、如权利要求1所述的设备，还包括设置为使电解液在所述腔室和罐之间循环流动的泵。

3、如权利要求2所述的设备，还包括搅拌器，所述搅拌器被设置为在电解液被泵入所述腔室中之前将来自所述贮存器的盐溶液与来自所述罐的电解液混合。

4、如权利要求3所述的设备，还包括设置为将盐溶液从所述贮存器泵到所述搅拌器的泵。

5、如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中，所述控制器设置为将检测电流与预定电流进行比较，并取决于所述检测电流和预定电流之间的差值供应预定量的盐溶液。

6、如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中，电流通过电流换能器检测。

7、如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中，所述控制器设置为根据在所述传感器处检测的电流来记录与所述电解池的导电性的变化相关的数据。

8、如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中，所述电解液包括与所述贮存器中一样的金属盐的溶液。

9、如权利要求8所述的设备，其中，所述金属盐为氯化钠。

10、如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中，所述电极包括在阴极腔室中的阴极。

11、如权利要求10所述的设备，其中，所述电解池还包括在第二腔室中的阳极。

12、如权利要求11所述的设备，其中，所述第二腔室包括与所述阴极腔室中的电解液不同的第二电解液。

13、一种大致如上下文中参考附图所述的或如附图所示的用于产生过氧化氢的设备。

14、一种结合如前述任何一项权利要求所述的用于产生过氧化氢的设备的装置。

15、一种结合如前述任何一项权利要求所述的用于产生过氧化氢的设备的自动洗碗机。

16、一种在电解池中产生过氧化氢的方法，所述电解池具有电极，所述电极位于具有电解液的腔室中，所述方法包括步骤：启动电源以向所述电极提供电能；检测所述电解池中的电流；并取决于传感器处检测的电流将来自贮存器的金属盐溶液供应到所述电解池的腔室。

17、一种清洗器皿的方法，包括向所述器皿施加过氧化氢的步骤，所述过氧化氢通过权利要求16所述的方法产生。

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