CN101450824A - 水的电解活化 - Google Patents

Abstract

提供商业化的水单极活化，对来自河流或水井的未净化供水、海水、下水道污水、动物废弃物、加工厂废物、冷却塔水、游泳池和温泉水、船的压舱水和类似的污染水进行消毒。消毒由过氧化氢和臭氧，包括在对水进行电解单极活化时产生的在水中的氯和硫化合物来完成。单极活化还可以用来进行化学反应，如在海水活化中。本发明还产生对健康有益的碱性水。

Description

水的电解活化

发明领域

本发明涉及用于水处理的称作失衡电解或单极活化的电解过程。

背景技术

随世界人口的增加和气候变化引起的问题的增加，供水系统在世界许多地区已成为主要的问题。在本发明之前，氯化一直是对人用或农业用水的主要消毒方法。许多研究显示，烃氯化物，如氯胺(氯化过程的产物)，是致癌物质。如果使用氯对循环用于农业用途的污水进行消毒，则农作物最终变黄。其它消毒方法，如紫外线和臭氧生产和应用于供水系统存在许多限制。

单极活化用于水处理是一种通过DC电源从流经阳极池的液体中去除电子，并将电子加入到流经阴极池的单独的液体中的过程，该过程产生合成化合物。在阳极处，产生如过氧化氢的强生物杀灭剂，而在阴极处，产生弱化合物。

本发明利用了本发明人的美国专利5,882,502(1999年3月16日)和澳大利亚专利707701(1999年10月28日)中描述的无隔膜电解池。这种结构与单极活化方面的早期发明的常规隔膜电解池相比，容量大，效率高。在本发明人的英国专利GB2392441(2004年7月21日)，标题为“Electrolytic Activation ofFluids(流体的电解活化)”中对液体的单极活化进行了总体描述。

液体通过进行单极活化或失衡电解来活化的方法已成为化学的一个主要分支。该主题在俄罗斯得到深入研究，并且Dr.Vitold Bakhir在几篇论文中公开了该研究。Dr.Bakhir等获得了对用于电化学处理水的设备的美国专利5,427,667(1995年6月27日)，其目的是对水灭菌或使用该产品作为消毒剂。Dr.Bakhir的设备为管形，示于图1。外管可以是阳极，内管可以是阴极。圆锥形陶瓷隔膜隔开两个电极。液体输入外管并作为阳极液排出，另一个独立液体输入内管并作为阴极液排出。两个液体没有发生混合，该设备的作用是从阳极液去除电子并将电子供给阴极液。在以后的论文中，Dr.Bakhir指出，当阳极和阴极之间没有隔膜时失衡电解的效率较低。

虽然Dr.Bakhir的设备的主要应用是水处理，但是如Dr.Bakhir在论文中指出的，失衡电化学活化的应用是极广泛的。在能源、健康、农业、环境和普通工业的几乎所有商业应用中都调查了单极活化的益处。大多数情况下唯一的限制是使用阳极和阴极间的隔膜，因隔膜阻抗，限制了反应速率，以及因形成固体和盐对隔膜的阻塞造成的问题。

本发明人在获得的澳大利亚专利654774(1993年3月29日)、707701(1999年10月28日)和美国专利5,569,370(1996年10月29日)、5,882,502(1999年3月16日)中考虑到在阳极和阴极间不使用隔膜或膜的独特的电解池。这种电解池与常规隔膜电池相比，具有很高的Faraday效率、更高的能效率和更快的反应速率，可以使这种电解池应用于商业化应用，特别是在使用隔膜成为缺陷的应用中，因为隔膜被固体微粒、盐的沉淀物或油状电解液阻塞。

单极活化或失衡电解的应用示于图2。从输入阳极池的液体中除去电子，产生有强生物杀灭剂的酸性阳极液。在阴极池处，电子被加到独立的液体进料中，产生弱碱性洗涤液的阴极液。在大规模的实验室设备的测试中，确定从阳极池产生酸性水，从阴极池产生碱性水。电子从阳极运动至DC电源至阴极，通过阴极液至阴极溶液电极至阳极溶液电极，通过阳极液至阳极，形成单极电解池的完整的电子电路。本发明申请人已获得英国专利GB2392441(2004年7月21日)，标题为“ElectrolyticActivation of Fluids(流体的电解活化)”，其中，应用了图2示出的设备对水进行单极活化。

发明内容

因此，在一种形式中，本发明包括对水进行活化的单极电解设备，该设备包括阳极池组合件和阴极池组合件以及电源，所述阳极池组合件包括阳极和溶液电极，所述阴极池组合件包括阴极和溶液电极，所述电源向阳极池组合件和阴极池组合件提供DC脉冲电流，以及提供阴极溶液电极和阴极的连接，阴极溶液电极和阴极互换，导致阴极池的行为象在阳极模式下的阳极池，因而在阳极模式下的阳极池和阴极池的水中发生氧化反应，在阳极池和阴极池中都产生强生物杀灭剂，或者互换阳极溶液电极和阳极之间的连接，导致阳极池的行为象在阴极模式下的阴极池，因而在阴极模式下的阴极池和阳极池的水中发生还原反应。

施加的DC电流的脉冲频率优选为20-200千赫，DC脉冲电流的占空系数(dutycycle)的范围为20-80％。

阳极池组合件和阴极池组合件可以在温度为10-200℃和从大气压至最高300psig(22大气压)的压力条件下工作。

优选地，阳极和阴极各自包括多孔金属网，并包括或涂布有提供较低过电压和耐腐蚀性的材料。此外，固定在板型溶液电极之间的阳极和阴极可包括非导电材料的挡板，迫使水迂回行进在多孔金属网电极的里面和外面。

阳极池和阴极池溶液电极可以是固体结构的，以引导水迂回行进在金属网电极的里面和外面。

在另一个形式中，本发明包括使用上面所述的单极电解设备进行水处理的方法，其中，当阴极池按阳极模式连接时，从阳极池和阴极池产生酸性水。

在另一个形式中，本发明包括使用上面所述的单极电解设备进行水处理的方法，其中，当阳极池按阴极模式连接时，从阳极池和阴极池产生碱性水。

在一个实施方式中，进料水是海水或者含碱金属的水，单极活化过程导致产生氢和过量的氢氧离子，导致形成碱金属氢氧化物。活化后的水可以与二氧化碳气体接触，螯合二氧化碳为碱金属碳酸盐或碳酸氢盐。优选地在水进行活化之前或者之后，在水中加入改性剂，以改进对二氧化碳的吸收和螯合。二氧化碳吸收可以在反向电流系统中在升高的温度和压力下进行。在另一个形式中，本发明包括对水中二氧化碳进行螯合的方法，该方法包括以下步骤：使水流过如上面定义的单极电解设备，按照阴极模式运作，产生活化的水，使该活化的水与水中的二氧化碳接触，产生碱金属碳酸盐作为沉淀。所述水可以是海水。

在另一个形式中，本发明包括对水进行消毒的方法，该方法包括以下步骤：使水流过如上面定义的单极电解设备，按照阳极模式运作，产生消毒的水，这种水在滤除沉淀的固体后适合于人使用或者冲洗。所述水可以是污水、未净化的水源、或者来自工业生产的污染的水。

附图简要说明

上面概要描述了本发明，但有助于理解本发明。下面参见附图，附图中示出现有技术和本发明的优选实施方式以及对各种水消毒和二氧化碳螯合的应用例子。

在附图中

图1示出现有技术领域的单极活化池；

图2示出现有技术领域的单极无隔膜活化系统；

图3示出根据本发明的处于阳极模式的单极活化设备的第一实施例；

图3A示出图3所示的实施方式在运行时的pH与时间的曲线图；

图4示出根据本发明的处于阴极模式的单极活化设备的第二实施例；

图4A示出图4所示的实施方式在运行时的pH与时间的曲线图；

图5示出图3所示的实施方式中脉冲频率与过氧化氢产生的曲线图；

图6示出总病原体存活率的曲线图，作为用根据本发明的单极活化装置处理污水的结果。

图7示出使用根据本发明的单极活化设备进行污水消毒的过程；

图8示出使用根据本发明的单极活化设备进行商业用水的消毒过程；

图9示出使用根据本发明的单极活化设备对海水进行脱盐的设备；

图10示出使用根据本发明的单极活化设备进行海水活化的过程；

图11示出使用根据本发明的单极活化设备对家庭腐败物系统的消毒过程；

图12示出使用根据本发明的单极活化设备进行的灰水(grey water)消毒过程，用于高层建筑(high rise buildings)；

图13示出根据本发明用于冷却塔的单极活化过程，以控制军团杆菌属；

图14示出根据本发明的单极活化以对压舱水进行消毒；

图15示出根据本发明对用于家禽和家畜的水进行单极活化的方法；

图16示出根据本发明对污染的河流进行消毒的方法；和

图17示出根据本发明优选实施方式的电极的详细结构。

具体实施方式

图1示出Dr.Bakhir等取得专利的单极管形隔膜电池。把未净化的水进料1分到由陶瓷隔膜3隔开的阴极池2和阳极池4。未净化的水的矿物含量为0.3-1.5g/l，氧化还原电势为+200至+400，含有化学物Na、K、Ca、Mg、SO₄和HCO。产生的阳极液5为酸性，并含有强生物杀灭剂，如过氧化氢和臭氧。阳极液的pH为0.25-7，氧化还原电势为+700至+1200mV。可含有电解合成的化合物Cl₂O、HClO、Cl、ClO₂、OH、O、HO₂、H₂O₂、O₃、ClO、S₂O₈和C₂O₆。产生的阴极液6为碱性，只含有洗涤溶液。阴极液的pH可为7.5-13，氧化还原电势为-500至-800mV。可含有电解合成的化合物NaOH、KOH、HO、H₂O₂、H₃O₂、H₂和Ca(OH)₂。这种单极电解池的容量因为隔膜阻塞而受到限制，并产生酸性和碱性水。

图2示出过去已取得专利的无隔膜单极系统。未净化的水11输送到阳极池13，阳极池13包含阳极15和溶液电极14。活化后的水18从阳极池13排出。未净化的水12也输送到阴极池19，阴极池19包含阴极20和溶液电极21。活化后的水22从阴极池19排出。完整的电子电路16包括：阳极溶液电极14，通过阳极液18至阳极15至DC电源17至阴极20，通过阴极液22至阴极溶液电极21，通过外部导体16至阳极溶液电极14。

图3示出本发明的单极活化设备的一个实施方式，该实施方式中的设备是以阴极30作为阳极来产生最多生物杀灭剂的单极系统。主要通过互换与阴极30和阴极溶液电极31的连接来达到这种变化。电子流动方向颠倒，以致通过阴极从阴极液29除去电子，其方式与通过阳极25从阳极液除去电子的方式相同。

图3A示出通过图3的设置产生的活化阳极液和阴极液水的pH的曲线，显示在120分钟后，阳极液和阴极液的pH最初升高，然后下降至小于4.0。这与两种水都产生强生物杀灭剂一致。

图4示出本发明以阳极45作为阴极的单极系统。在这种阴极模式中，阳极45和阴极50将电子加入到阳极液48和阴极液49中。在这种模式中，产生弱溶液，使该单极系统的凝聚和还原作用最大化。

图4A示出由图4的设置产生的活化阳极液和阴极液水的pH曲线，显示阳极液48和阴极液49的pH都随时间提高。

图5示出图3所示的实施方式中DC电压的脉冲与产生的过氧化氢的曲线。该曲线是基于恒定电压和在大气压条件下取得的，该曲线显示过氧化氢产生随最高到50kHz的频率而增加。

图6示出采用根据本发明的单极活化装置处理污水的结果之一。该装置包括一个200升/分钟的便携式污水消毒装置。第一拖车包括一个14kw汽油发电机，DC电源和电压调制器，而泵、泵盒和电解池包括在第二拖车中。每个电解池包含5个钛电极100×1000mm和6个316不锈钢100×1000mm溶液电极。曲线中的数据包括阳极液和阴极液的数据。估计污染水在单极电解池中的保留时间约为30秒。观察到在活化的水中形成棕色沉淀物，沉降到该容器底部。在活化水表面还存在一些多泡物质，但是最终在泡沫破裂时沉降到底部。

图7是在污水厂曝气后对污水进行消毒，以生产饮料水的示意图。进料水60a取自在澄清器60澄清的溢流，通过泵61泵送到单极电解池62，该电解池以阳极模式运行。污水单极活化使固体凝聚和沉淀，通过诸如过氧化氢和臭氧之类的强生物杀灭剂进行消毒和分解药物。通过离心分离63或通过超细过滤器64去除固体和凝聚的分子，使滤液通过RO过滤器65，使含死的病原体的逆流再循环到澄清器60。在67调节pH，使最终的饮料水68不含药物。

图8示出对原料供水70的单极消毒示意图，未净化的供水70通过以阳极模式运行的单极电解池72，流过集管(header)71，至产物集管73。消毒后的水74从砂-碳过滤器75通过，然后，至密封容器76。密封容器76对保持消毒后水以及处理循环物流的小型单极装置77中臭氧和过氧化氢很重要。没有使用氯的消毒后的水78供给消费者。自动的生物杀灭的加满(top-up)装置79使用了根据本发明的单极活化，该装置可用于边远地区，以确保对水进行消毒。

图9示出将单极活化用于污水中化学品的聚集，以改进反渗透(RO)脱盐，以降低能源成本和RO介质的成本。通过单极电解池81泵入海水80，通过高强离心机82或超细滤器83除去聚集的化合物。海水然后通过凝聚84的第二阶段，产物从RO滤器85通过，以除去聚集或分解的、包括药物的分子。最终的水产品86适合作为饮用水或作为处理水。海水发生聚集是因为形成碱金属沉淀，导致在RO阶段去除的盐较少。

在各阶段估计的能耗如下：

 

第一单极阶段	0.6kwh/m3
		高强离心机阶段	0.8kwh/m3
第二单极阶段	0.6kwh/m3
		R0阶段	0.8kwh/m3

计划总能耗约为2.4-2.8kwh/m³，替代常规RO过滤所需的4-5kwh/m³。

海水直接脱盐导致以下缺陷：

·4-5kwh/m³的较高能源成本

·较高的过滤器介质成本和更频繁地替换

图10示出应用于从海水产生氢的单极活化，在活化的海水中产生过量的氢氧离子。在该海水中，有H(+)和OH(-)离子，当进行阴极模式的单极电解时，氢离子还原为氢气，留下过量的OH(-)离子。这些离子与海水中的元素，如钠、钙、钾和镁，反应，形成氢氧化物。在图10中，海水91输入阳极92和阴极95电解池，阳极池92为阴极模式。从阳极92和阴极95电解池产生氢93和96。产生的活化的海水94和97含有钠、钾、钙和镁的氢氧化物。

图11是示出对居住地的灰水或污水进行单极消毒的应用的图。在常规的污水槽100中处理污水。将污水收集在小型地下槽101中，用DC电源104通过单极电解池103将污水泵入102。消毒后的水从过滤器105通过，清洁的水储存在储槽108中，将冲洗质量的水109储备待用。过滤器逆流106返回腐烂物槽(septic tank)。

图12是示出对高层建筑中灰水进行消毒用于再循环的单极活化的图。灰水112收集在储槽113中，然后流经单极电解池114，之后储存在A类水槽115中，消毒后的水117用于冲洗或洗衣室19和盥洗室120。该系统还可以应用于替代高层建筑的小型社区。

图13示出应用于冷却塔以控制军团杆菌属的单极活化。来自冷却塔121的有约3克/升盐的水流经阳极模式的单极电解池122，在冷却塔顶部喷射阳极液123和阴极液124。产生的生物杀灭剂包括强的氯化物生物杀灭剂、过氧化氢和臭氧，它们足以杀灭与之接触的活化水中的包括军团杆菌属的病原体。单极电解池可以加压，在所用的水中产生更多的过氧化氢和臭氧以及更少的盐，以致如果这些氯化物生物杀灭剂对诸如用于艺术画廊的冷却塔系统的应用为有害时，则产生更少的氯化物生物杀灭剂。

图14示出对压舱水进行消毒的单极活化。这是一种相对简单的过程，因为卸货的船通常要取海水用于其航行至下一港口时的压舱。有害微生物可从一个港口被带至下一个港口。在船130的货舱中设置单极电解池132，压舱水133被活化，以及流经液体涡流分离器131，从压舱水134中除去油状物。活化后的水杀灭了压舱水中所有的微生物，以致能在停泊的港口安全排放压舱水，而不会引入有害微生物。

图15示出用于家禽和家畜的水的活化。该方法的目的有三重：(1)减少从这些动物排放的甲烷气体，(2)将甲烷转化为重量增加(weight gain)，和(3)增强动物对传染病的免疫系统。用于动物饮用的未净化的水147可输入混合槽145，其中混入有助于动物健康或生长的添加剂146，然后，将混合物转入到储槽140，再输入由带或不带备用电池144的几种电源143中的任一种供给电能的单极电解池141和142。储存活化的水，然后在需要时放入饲料槽148中作为家畜或家禽的饮用水。

图16是示出对污染河流或水路进行净化的单极活化的图。河流污染是由人的废物或工业废物引起的。在污染的河流149的适当地点筑坝，并将漂浮的垃圾引导至装备有螺旋桨的几个旋转筛151，152，以将固体垃圾153转移岸上，进行燃烧或用于土地填埋。污染的河水154输入几个液体涡流分离器155，在该分离器中，含少量细小固体的主要部分157从单极电解池158流过，进行消毒和凝聚，并将液体159返回到河流160的清洁的一侧。一些污染物沉降在河流底部，对这些沉降物进行疏浚150，送入液体涡流分离器155的活塞筒(pumpbox)。来自液体涡流分离器155的高固体含量的物流156被送去进行土地填埋。对河流的这种处理方式可以沿河流重复多次。

图17示出根据本发明优选实施方式的的详细结构。在该实施方式中，该电极可应用于阳极池组合件和阴极池组合件158，电极(阴极或阳极)160由多孔金属网片形成，以给出较大的表面积、活化位点，并能促进在电极表面上的湍流。电极可以由铁、铝不锈钢(316不锈钢)形成，可以具有涂层或没有涂层，来提供防腐蚀和提供低的过电压。或者，电极可以是涂敷有铂族氧化物的钛。在电极150周围是挡板设置162。该挡板设置162是由非导电材料形成，放置挡板是要迫使水迂回行进在多孔金属网电极内和外。在挡板设置周围是片金属溶液电极164。溶液电极可以由涂敷了铂族氧化物的钛或不锈钢(316不锈钢)构建。通过电极组合件的水流由虚线166表示。可看到水以曲折路径流动，因而能促进与各电极的良好接触。

因此，可看到，本发明提供了具有以下一个或多个特性的水活化设备：

1.改变运行的电解池模式

隔膜电解池只可以以发生氧化反应的阳极和发生还原反应的阴极进行操作。用使用大规模的单极设备的我们的无隔膜的单极系统进行的试验显示，通过将阳极溶液电极与阴极相连和将阴极溶液电极与DC电源的负极相连，阴极池可以象阳极池那样进行操作。来自阴极池的阴极液的pH成为酸性，来代替碱性，如下面图3所示。参见电流，电子以类似的方式从阴极移动到阳极。类似地，当改变连接，如图4所示，DC电源的正极与阳极溶液电极相连，阳极与阴极溶液电极相连，阳极液成为碱性。流至阳极的电流的方向与至阴极的电流相同。

这是一个非常重要的发现，因为如果将水的单极活化应用于消毒，则施加于水的所有能量都应用于消毒，与之相比，常规的隔膜电解池中只有一半活化水具有强生物杀灭剂。这一发现也可用于碱性液体中的化学反应，如产生氢的海水活化，在海水中留下过量的氢氧离子。

2.电流的脉冲频率

消毒是单极活化的一个主要应用，在该应用中，在阳极池产生强生物杀灭剂，过氧化氢和臭氧。在这些试验中，用Palintest Model 8000色度计测量过氧化氢。脉冲速率从0.005kHz变化到50kHz。结果示于下面的图5，其中，过氧化氢的产生随脉冲频率增加至最高为50kHz而明显增加。

使用根据本发明的便携式200升/分钟的单极活化装置，在WesternportSewage厂对水进行消毒，进行实地试验。下面的图7显示电能输入到污水对病原体存活率的作用。以阳极模式的阴极，对阴极水和阳极水的总板(plate)计数都从240,000计数/100ml降低到500计数/100ml。电解池电压为20伏，电极隙为6mm。

图7中病原体存活率的变化在试验误差之内，结论是在阳极和阴极池产生的生物杀灭剂大约相同。这确定了在大规模实验室试验中的发现，即可以电连接阴极，使阴极象阳极池那样进行操作。

3.电极隙的作用

测量显示，倘若在阳极和阴极上的溶液特性大约相同，并且安培/米²也相同，总电压等于阳极和阳极溶液电极之间的电压与阴极和阴极溶液电极的电压之和。

4.压力对生物杀灭剂产生的影响

在2007年2月14日对雨水进行的试验得出以下压力对过氧化氢和臭氧产生的影响

 

	负荷	KHz	伏	安培	H2O2，mg/L	O3，mg/L	压力psig
								试验11	60	50	36	10.2	2.1	4.0	0
试验14	60	50	36	10.2	2.1	4.2	0
								试验15	60	50	34.3	10.2	4.5	6.8	17

试验14和15是在以250cc/min速率向电解池添加氧的条件下进行的。该试验显示，电解池中的压力可以提高过氧化氢和臭氧的产生，但是添加氧并没有提高过氧化氢和臭氧的产生。

对Pt.Elliot污水的试验进一步显示，按照降低E.coli计数至0的目标，压力对生物杀灭剂产生的影响如下：

 

试验编号	伏	安培	压力psig	E.coli/100ml	开始的E.coli/100ml
						PESW5/24	24	11.6	0	1,300,000	2,400,000(没有曝气)
PESW3/3	18	10	20	0	240,000(曝气后)
						PESW3/4	20	12.5	20	0	240,000(曝气后)

在产生生物杀灭剂的活化期间的压力作用，即使在低压力水平也非常明显。

5.温度的影响

温度对生物杀灭剂产生的影响没有进行调查，因为对活化前的未净化水或污水进行加热是不经济的。但是，在某些应用中，水是温热或热的，在这些应用中，预期反应速率更快，达到反应的电压将低于水较冷时的电压。

6.电极结构阳极和阴极可以构造成高单位表面积，如多孔金属网。多孔金属网所具有的修剪的特性不仅产生大的表面积，而且修剪的表面含有大量的活性表面。电极上涂敷合适的材料，以降低过电压并防腐蚀。优选的结构是网形钛片，并涂敷这些试验中普遍使用的铂族氧化物。

溶液电极由涂敷铂族氧化物的钛平片构成，或者因为溶液电极在电解池为阳极模式时作用为“阴极”，已成功地使用不锈钢板电极。

用于该电极的金属类型也会影响水活化的结果。在上面讨论的便携装置中，在阳极模式中使用网形铁电极导致污水中磷酸盐的去除达约92％，硝酸盐的去除达约45％。试验中计划使用铝电极，以在添加钙离子或没有钙离子的污水中除去氯化物。

在电极组合件中，阳极或阴极设置在板溶液电极和非导体的挡板之间，使水迂回行进在金属网的电极内和外。这样产生水与阳极或阴极之间的良好接触。

7.当阳极池为阴极模式时，从阳极和阴极都产生碱性的水。许多人都认为碱性水有益于人和动物的健康。

8.在Hamilton，Victoria，Australia的污水厂(Sewage Plant)进行了更广泛的半商业规模的试验，结果如下：

 

试验	日期	单位	未净化污水	消毒后污水	除去或变化百分比
						1.总的大肠杆菌	19/09/2007	MPN/100ml	1,300,000	0	100％
2.E.coli	19/09/2007	MPN/100ml	22,000	0	100％
						3.浊度	19/09/2007	NTU	14	1.3	90.7％
4.悬浮固体	18/07/2007	mg/L	28	5	82.1％
						5.BOD	13/09/2007	mg/L	100	2	98％
6.磷	19/09/2007	mg/L	7.6	0.1	98.7％
						7.总氧化的氮	12/09/2007	mg/L	25	11	56.0％
8.总氮	12/09/2007	mg/L	42	23	45.2％
						9.总Kdj氮	13/09/2007	mg/L	27	19	29.6％
10.氨	19/09/2007	mg/L	11	14	+27.3％
						11.EC	22/06/2007	uS/cm	2600	2400	-7.7％
12.总贾第虫属	18/07/2007	cysts/L	40	0.7	98.3％
						13.总隐孢子虫属SPP	18/07/2007	oocysts/L	120	1	99.2％
14.FRNA大肠杆菌噬菌体	18/09/2007	pfu/100ml	450	1	99.8％
						15.雌二醇(Estradiol)	18/09/2007	ng/ml(ppb)	840	9	98.9％

在Hamilton的商业试验的重要结果之一是污水中潜在有害的药物，如雌二醇的分解最高可达到98.9％。如果污水需要再循环而用于人饮用时，这点很重要。

在Hamilton污水厂的试验中，以生产0.0E.coli/100ml、小于2BOD和小于2悬浮固体的处理的污水为基准，能耗约为1.0kwh/m³。

讨论

1.本发明最重要的特征是能够使阴极池象阳极池那样操作，相反，能使阳极池象阴极池那样操作。这是非常精通传统隔膜电解池的人很难以相信的发明。以本发明的无隔膜电解池，能在科学上得到证明，并本发明已经在许多小型和大型试验中得到证实。本发明的实施方式可以应用于许多对水消毒和环境产生主要影响的重要的化学过程。

为了水净化，通过连接阴极，在阳极产生强生物杀灭剂，使阴极象阳极池那样操作，能量有效地用于产生强生物杀灭剂，如过氧化氢和臭氧。

如果连接阳极，则使它象阴极那样操作，在两个电解池中都发生还原反应，一个主要应用是对海水活化，以从发电厂的废气流中或从空气中提取和螯合二氧化碳。在为岩盐的稀溶液的海水中，H(+)和OH(-)离子与Na(+)、K(+)、Ca(++)和Mg(++)一起存在于水中。当海水流经为阴极模式的单极电解池时，从海水中除去电子，发生以下反应：

2H(+)-2e(-)→H₂

该反应在海水中留下过量的OH(-)离子，导致形成Na、K、Ca和Mg的氢氧化物。当这种活化的海水与二氧化碳气体接触时，CO₂被吸收，并与水发生以下反应：

CO₂+H₂O→H₂CO₃

碳酸与基本Na、K、Ca和Mg的氢氧化物反应，形成Na、K、Ca和Mg的碳酸盐。操作过该系统的一个目的是试图产生碳酸氢盐，其量为被海水中所含Na、K、Ca和Mg在理论上螯合的量的两倍。在进行活化之前或之后可以在海水中加入改性剂，以提高活化的海水对二氧化碳的吸收率。选择海水作为螯合二氧化碳的方式，因为世界上的海洋具有吸收最高达2,000,000亿吨二氧化碳的容量。高碱金属含量的水也适合用于活化而吸收二氧化碳。二氧化碳的吸收可以在升高的压力和温度下进行，以达到二氧化碳更有效的吸收和螯合。优选在反电流(counter-current)吸收系统中进行时，有过量二氧化碳会促进生成碱金属碳酸氢盐，使对原始水中同样量的碱金属能螯合更多的二氧化碳。

2.脉冲电流是本发明的一个主要特征，因为试验显示如果电流不是脉冲式的，则几乎不会发生反应。试验表明最大反应发生在50kHz，但是预期更高频率会增加反应，但是随脉冲频率提高会达到峰值。

3.发现获得最佳结果的脉冲电流的占空系数约为60％，但这并不是确定的结论，可以认为，40-60％的占空系数对大多数应用已足够。

4.在消毒期间，甚至在很小增量下的较高压力会导致过氧化氢和臭氧的产量较高。在单极活化期间添加氧似乎并不难提高生物杀灭剂的产量，因此很难提出对以压力的小增量来提高生物杀灭剂生产的说明。

5.本发明的单极电解方法在阴极象阳极那样操作时可以产生有强生物杀灭剂的酸性水，在阳极象阴极那样操作时产生碱性水。许多人认为碱性水对人和动物的健康有益。

Claims (18)

1.一种对水进行活化的单极电解设备，该设备包括：阳极池组合件和阴极池组合件，向阳极池组合件和阴极池组合件提供DC脉冲电流的电源，可互换的阴极溶液电极和阴极的连接，使阴极池象阳极模式的阳极池那样操作，或者阳极溶液电极和阳极间的连接，可互换使阳极池象阴极模式中的阴极那样操作，所述阳极池组合件包括阳极和溶液电极，所述阴极池组合件包括阴极和溶液电极，从而在阳极模式时，阳极池和阴极池的水中都发生氧化反应，在阳极池和阴极池都产生强生物杀灭剂，在阴极模式时，在阳极池和阴极池的水中都发生还原反应。

2.如权利要求1所述的单极电解方法，其特征在于，施加的DC电流的脉冲频率为20-200kHz。

3.如权利要求1所述的单极电解方法，其特征在于，所述DC脉冲电流的占空系数的范围从20％到80％。

4.如权利要求1所述的单极电解方法，其特征在于，所述阳极池组合件和阴极池组合件在10-200℃温度下操作。

5.如权利要求1所述的单极电解方法，其特征在于，阳极和阴极池组合件在大气压至最高300psig(22大气压)的压力下操作。

6.如权利要求1所述的单极电解方法，其特征在于，所述阳极和阴极各自包括网形金属网，并包含或涂敷有能提供低过电压和耐腐蚀性的材料。

7.如权利要求6所述的单极电解方法，其特征在于，阳极和阴极包括非导电材料的挡板，迫使水迂回行进在网形金属电极中和外。

8.如权利要求1所述的单极电解方法，其特征在于，阳极池和阴极池溶液电极是固体结构，以引导水迂回行进在网形金属电极内或外。

9.一种使用权利要求1-8中任一项所述的单极电解设备对水进行处理的方法，其中，当阴极池按阳极模式连接时从阳极池和阴极池两者产生酸性水。

10.一种使用权利要求1-8中任一项所述的单极电解设备对水进行处理的方法，其中，当阳极池按阴极模式连接时从阳极池和阴极池两者产生碱性水。

11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进料水是海水或含碱金属的水，并且该单极活化方法导致产生氢和过量氢氧化离子，导致形成碱金属氢氧化物。

12.如权利要求11所述的方法，其特征在于，活化的水与二氧化碳气体接触，以螯合二氧化碳作为碱金属碳酸盐或碳酸氢盐。

13.如权利要求12所述的单极电解方法，其特征在于，在活化之前或之后，在水中加入改性剂，以提高二氧化碳的吸收和螯合。

14.如权利要求12所述的单极电解方法，其特征在于，在升高的温度和压力下在反向电流系统中进行二氧化碳的吸收。

15.一种对水中二氧化碳进行螯合的方法，该方法包括以下步骤：

使水流过权利要求1定义的单极电解设备，该设备以阴极模式运行而产生活化的水，使活化的水与水中的二氧化碳接触，以产生碱金属碳酸盐的沉淀。

16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，所述水是海水。

17.一种对水进行消毒的方法，该方法包括以下步骤：

使水流过权利要求1定义的单极电解设备，该设备以阳极模式运行而产生消毒的水，所述水在滤除沉淀的固体后适合人使用或用于冲洗。

18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，所述水是污水，未净化的供水，或在工业操作中污染的水。

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