CN104903251B - 电解水产生方法和发生器 - Google Patents

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Abstract

通过电解具有溶解的碱金属氯化物(11)的水溶液(7)制备不含碱金属氯化物的酸性电解水(19)和不含碱金属氯化物的碱性电解水(9)两者的电解水产生方法和发生器。解决方案：电解水产生方法，包括以下步骤：从保存阳极电解质的阳极电解质储罐(10)将包含具有溶解的碱金属氯化物的水溶液的阳极电解质供应和循环至由阳离子交换膜(4)分隔成容纳阳极(5)的阳极室(2)和容纳阴极(6)的阴极室(3)的两个室的两隔室槽(1)的阳极室(2)中，将不含碱金属氯化物的原料水(7)供应至该阴极室(3)，并且进行电解由此在阴极室(3)处制备不含碱金属氯化物的碱性电解水，并且同时，在阳极室(2)处制备含氯气体，在从阳极电解质中分离并收集该气体(12)后，使其与不含碱金属氯化物的溶解流体接触以便被溶解，并且制备不含碱金属氯化物的酸性电解水(19)。

Description

电解水产生方法和发生器
技术领域
本发明涉及一种电解水产生方法和发生器，其稳定地并以高电流效率产生不含具有高腐蚀性的碱金属氯化物例如盐的高品质的酸性电解水和碱性电解水两者。
发明背景
近来，电解水发生器已经通过工业中的各种运动成为亮点，例如：JIS在2005年将电解水发生器确定为家庭用品；在学校午餐卫生管理标准中和教育、文化、体育、科学和技术部在2009年的相关手册中和在2009年与健康部相关的日本食品卫生协会的教学材料中涉及电解水利用的条款。
“电解水”是通过在弱DC电压下电解处理自来水或稀盐水获得的水溶液的总括，并可以大致分类为在阳极处形成的“酸性电解水”和在阴极处形成的“碱性电解水”。
通常，“酸性电解水”表示具有6.5或更低的pH值的总体酸性的电解水。其显示出广泛针对各种致病菌或其耐药菌(例如MRSA)的强杀菌力，发现多个应用领域包括医疗护理、牙科、食品或农业。主要杀菌因素是通过电解形成的次氯酸水。
此外，将“酸性电解水”分类为强酸性电解水、微酸性电解水和弱酸性电解水。将在pH 2.7或以下具有作为阳性成分的次氯酸的电解水(有效氯浓度：20-60ppm)称为强酸性电解水(强酸性次氯酸水)。对于强酸性电解水发生器，基于(日本)药事法独立地认可该应用，并且迄今为止该发生器为下述用途的目的而批准为医疗器械(含药事法修订，医疗器械生产销售)。
强酸性电解水(有效氯40ppm)显示出等同于高浓度(1,000ppm)次氯酸钠的抗菌·抗病毒活性(以及高诺罗病毒灭活效果)。这是因为，作为杀菌因素的次氯酸(HClO)的存在率在强酸性电解水中为大约90％，而碱性的次氯酸钠保持小于5％，且95％或更多以弱活性的次氯酸离子(ClO-)形式存在。然而，次氯酸容易与有机物反应，并因此，如果存在很多有机物，则强酸电解水的杀菌力显著降低。为了克服这一点，作为有效方式采用一种方法，该方法在于首先在其中已经显示油、脂肪和蛋白质的去除效果高的强碱性电解水中处理待杀菌的物体，并随后在强酸性电解水中处理。迄今为止已经进行了关于安全性的各种测试，由此证实了高水平。
微酸性电解水是pH值为5-6.5且有效氯为10-30ppm的次氯酸水溶液，并且其特征在于所有产生的水是灭菌水。其显示类似于强酸性电解水的抗菌·抗病毒活性。安全性测试结果相同。
具有落在微酸性电解水与强酸性电解水之间的pH范围的弱酸性电解水已经通过了食品安全委员会的审议。认为弱酸性电解水具有等同于强酸性电解水或微酸性电解水的活性和安全性。
另一方面，“碱性电解水”主要由电解中同时在阴极侧产生的苛性碱组成。“碱性电解水”大致分为两种：强碱性电解水(pH 11-11.5)和弱碱性电解水(pH 9-10)，称为碱性离子水，通过使用家用电解水发生器(别名为碱离子净水器)电解自来水而形成。该家用电解水发生器列为家用医疗器械，在药事法实施令中分类为“设备83医用材料发生器”。作为严格的对比临床测试的结果，批准作为医疗器械的例如下文提及的碱性离子水的效果已经得到证实。更具体地，其对“慢性腹泻、消化不良、在胃和肠中的异常发酵、抗酸以及胃酸过多”有效。此外，对便秘已经收到改善效果。其现在已经由药事法修订(2005)修订为具有“胃肠道症状的改善效果”。
通过电解在其中溶解含碱金属氯化物的电解质的水溶液例如氯化钠水溶液或氯化钾水溶液，在该电解水发生器中，在阳极处获得含有次氯酸水的酸性电解水，并在阴极处获得含有苛性碱的碱性电解水。要施加氯化钠水溶液和氯化钾水溶液作为电解质进行电解的该电解系统在阳极侧形成了包括对细菌(包括大肠杆菌)具有杀菌效果的次氯酸水的酸电解水，而在阴极侧形成了包括具有强去污力(例如脱脂和蛋白质去除)的苛性碱的碱性电解水，并广泛用于食品加工、农业以及医疗·护理领域。
对于产生包括次氯酸水的酸性电解水和包括苛性碱的碱性电解水的此类电解系统，使用两隔室槽和三隔室槽的方法是已知的。
在本发明中，将通过电解在阳极处形成的次氯酸水或包括在分离和回收后通过在溶解水中溶解阳极处产生的氯气所形成的次氯酸水的酸性电解水简单地称为“酸性电解水”，而将包括苛性碱的碱性电解水简单地称为“碱性电解水”。
作为施加两隔室槽的方法，专利文献1描述了实例。所述两隔室槽具有通过隔膜分隔的阳极和阴极，其中将氯化钠水溶液供应到阳极室，将原料水例如自来水或氯化钠水溶液供应至阴极室用于电解操作。
据指出，在以此方式制备的酸性电解水中残留有相对高浓度的未反应的氯化钠，并且此类氯化钠可在使用后沉淀，或将发生包括管道的金属腐蚀的问题。在通过两隔室法的此类电解水产生系统中，将盐水供应至该阳极室以提高电解效率。
出于这一原因，在该阳极室中产生的酸性电解水(其不仅含有次氯酸，而且含有氯化钠组分)将造成此类现象例如氯气通过平衡运动蒸发。由于次氯酸将在短时间内蒸发，对酸性电解水来说变得难以长期确保所需杀菌力，导致受限的应用。另外，外围设备被该氯化钠腐蚀严重阻碍了市场拓展。
然而，具有由通过阴离子交换膜分隔的阳极室、通过阳离子交换膜分隔的阴极室和通过这两种膜分隔的中间室所组成的构造的三隔室槽可以通过将原材料盐水供应至该中间室中来使原材料盐组分到形成的酸性电解水和碱性电解水中的混合最小化。因此，该三隔室槽可以解决迄今为止遇到的问题，包括高腐蚀性和不适于农业领域，并且许多公司参与开发相关设备，已经提交了许多专利申请。
代表性的专利文献包括专利文献2和专利文献3。该方法使用三隔室槽，包含通过两个具有离子交换能力的隔膜片材分隔的阳极室、中间室和阴极室。电解以这样的方式进行：以便将氯化钠水溶液供应至该中间室，将不含碱金属氯化物的原料水供应至该阳极室和阴极室以便分别在阳极处形成酸性电解水和在阴极处形成碱性电解水。在这种方法中，施加阴离子交换膜作为隔膜以分隔该阳极室与该中间室，施加阳离子交换膜作为隔膜以分隔该阴极室与该中间室。在理论上，仅有对于酸性电解水组合物所必需的氯离子从该中间室迁移至该阳极室，仅有对于碱性电解水组合物所必需的钠离子从该中间室迁移至该阴极室。因此建议：与两隔室槽相比，该方法在以更少残留氯化钠构成电解水方面是有利的，改善了使用后的盐沉淀或盐造成的金属腐蚀的问题。
如上所述，该三隔室槽施加两种类型的离子交换膜：阴离子交换膜和阳离子交换膜，以构成酸性电解水和碱性电解水。当比较市售阴离子交换膜和阳离子交换膜时发现，由于阴离子交换膜的阴离子传导性和离子选择性低劣，会发生以下问题。
例如，当以如下方式在三隔室槽中进行电解：将氯化钠水溶液供应至该中间室并将不包含碱金属氯化物例如盐的原料水供应至该阳极室与该阴极室时，氯离子从该中间室穿过该阴离子交换膜迁移至该阳极室，并且同时，钠离子穿过该阳离子交换膜迁移至该阴极室。此时，如反应式(1)所示的氯产生反应在阳极处进行，并且形成的氯立即与水如反应式(2)那样反应以构成酸性电解水。然而，当氯离子供应不足时，如反应式(3)中所示那样通过水的电解竞争地进行氧产生。另一方面，在阴极处，如反应式(4)中那样通过水的电解进行氢产生，并且通过形成的氢氧离子与由中间室供应的钠离子构成氢氧化钠水(碱性电解水)。
2Cl-→Cl2+2e-···(1)
Cl2+H2O→HClO+HCl···(2)
2H2O→O2+4H+4e-···(3)
2H2O+2e-→H2+2OH-···(4)
钠离子渗透市售阳离子交换膜的迁移速度足够快，即使电解时的电流密度改变，例如由3A/dm2的低水平变为20A/dm2的高水平，90％或更多的施加的电流用于构成碱性电解水。然而，氯离子渗透市售阴离子交换膜的迁移速度没有这么高。例如，用于组成酸性电解水的电流(电流效率)甚至通过低电流密度下的电解也为约80％，并在高电流密度下降低至约40％。因此，在阳极处构成次氯酸水的能量效率不高，导致了电流密度越高能量效率越低的问题。
此外，例如当电解通过该三隔室槽持续进行并同时将氯化钠水溶液循环并供应至该中间室时，循环的氯化钠水溶液的pH随时间降低(酸)，并且与此同时，由于有效氯成分在氯化钠水溶液中累积而产生对人体有害的氯气，造成泄露到电解系统外部的安全问题。氯气产生的原因还不清楚。通过由反应式(2)接连至反应式(1)来组成次氯酸和盐酸，通过副反应—反应式(3)组成氢离子。用于分隔阳极室与中间室的商业阴离子交换膜在离子选择性方面不足，并且预期次氯酸或氢离子将从该阳极室穿过该阴离子交换膜移动至该中间室。
市售阴离子交换膜的离子选择性呈现不足的原因在于以下事实：在三隔室槽中组成的酸性电解水甚至与低浓度的氯化钠混合。阴离子交换膜理论上不可透过作为阳离子的钠离子，然而在通过使用商业阴离子交换膜制备的次氯酸水中，清晰地察觉到与原料水相比钠离子浓度的提高。另一方面，商业阳离子交换膜具有足够的离子选择性，并且在阴极处形成的碱性电解水中与原料水相比极少允许氯离子浓度的提高。
除了上述问题之外，在商业阴离子交换膜中存在另一问题：由于氧化剂例如次氯酸加速了劣化，当电解持续进行时，离子选择性和阴离子传导性越来越低。作为阴离子交换膜劣化的约束方法，专利文献4和专利文献5建议，通过在阳极与阴离子交换膜之间设置多孔无纺织物或多孔结构体来在物理上疏离阳极处形成的氧化剂(例如次氯酸)与阴离子交换膜的接触。然而，不可能通过这些方法完全阻止氧化剂与阴离子交换膜的接触，并且通过在阳极与阴极之间插入隔离材料提高了槽电压，导致了电能消耗提高的另一个问题。
以这种方式，通过施加常规三隔室槽的电解水发生器的酸性电解水生产中电能的利用率(电流效率)低，主要是由于施加的阴离子交换膜，并且少量电解质不可避免地与制备的酸性电解水混合。此外，存在以下问题：随电解操作的时间推移，阳极交换膜会被阳极处产生的次氯酸劣化。迄今为止尚未提出解决所有这些问题的方法或装置。
相关技术文献
专利文献
专利文献1：日本未审专利申请公开Hei 07-214063
专利文献2：日本未审专利申请公开2000-212787
专利文献3：日本未审专利申请公开2009-072755
专利文献4：日本未审专利申请公开2006-322053
专利文献5：日本未审专利申请公开2012-110809
发明概述
技术问题
本发明的目的在于提供一种电解水产生方法与发生器，其可以克服施加如上所述的常规两隔室槽和三隔室槽的电解水产生方法和发生器的缺陷和问题，可以以高电流效率制备不含高腐蚀性碱金属氯化物例如盐的既包含酸性电解水又包含碱性电解水的高品质电解水，可以控制酸性电解水的pH，并可以以高耐久性长期稳定运行。
问题的解决方案
作为解决上述问题的第一解决方案，本发明提供一种电解水产生方法，包含以下步骤：
从保存阳极电解质的阳极电解质储罐将包含具有溶解的碱金属氯化物的水溶液的阳极电解质供应和循环至由阳离子交换膜分隔成容纳阳极的阳极室和容纳阴极的阴极室的两个室的两隔室槽的阳极室中，
将不含碱金属氯化物的原料水供应至该阴极室，并且
进行电解，由此
在阴极室处制备不含碱金属氯化物的碱性电解水，并且同时，
在阳极室处制备含氯气体，
在从阳极电解质中分离并收集该气体后，使其与不含碱金属氯化物的溶解流体接触以便被溶解，并且
制备不含碱金属氯化物的酸性电解水。
作为解决上述问题的第二解决方案，本发明提供电解水产生方法，其中当从阳极电解质中分离并收集的气体与溶解流体接触以便被溶解时，在经调节的流量下将电解制备的碱性电解水添加到该溶解流体中，用于控制不含碱金属氯化物的酸性电解水的pH。
作为解决上述问题的第三解决方案，本发明提供电解水产生方法，其中在将从阳极电解质储罐释放的含氯气体收集并与阳极室中释放的含氯气体混合后，使混合的含氯气体与该溶解流体接触以便被溶解，从而制备不含碱金属氯化物的酸性电解水。
作为解决上述问题的第四解决方案，本发明提供电解水产生方法，其中施加包含作为多孔体的阴极和紧密附着于该多孔阴极的阳离子交换膜的两隔室槽，并且通过使阳极室的背压大于阴极室的背压来将阳离子交换膜推向该多孔阴极。
作为解决上述问题的第五解决方案，本发明提供电解水产生方法，其中通过施加其中以10wt％或更多溶解碱金属氯化物的阳极电解质来进行电解。
作为解决上述问题的第六解决方案，本发明提供电解水产生方法，其中电解产生的含氯气体与该溶解流体的接触与溶解时间为每1毫升该气体0.05秒或更多。
作为解决上述问题的第七解决方案，本发明提供一种电解水发生器以通过两隔室槽同时制备不含碱金属氯化物的酸性电解水和不含碱金属氯化物的碱性电解水，包括：
通过阳离子交换膜分为容纳阳极的阳极室和容纳阴极的阴极室的两个室的两隔室槽，
保存阳极电解质的阳极电解质储罐，所述阳极电解质包含其中溶解碱金属氯化物的水溶液，
将阳极电解质储罐中的阳极电解质循环至阳极室的循环器，
用于从阳极室中排放在阳极室中释放的含氯气体及具有其溶解气体的阳极电解质的阳极电解质出口管，
将来自阳极电解质出口管的含氯气体与具有溶解气体的阳极电解质分离的气液分离器，
在气液分离器处与阳极电解质分离并收集后通过使该气体与不含碱金属氯化物的溶解流体接触来制备不含碱金属氯化物的酸性电解水的氯气溶解器，
将溶解流体供应至氯气溶解器的溶解流体入口管，
将不含碱金属氯化物的原料水供应至阴极室的原料水入口管，和
从阴极室排出在该阴极室中产生的碱性电解水的碱性电解水出口管。
作为解决上述问题的第八解决方案，本发明提供一种电解水发生器，其中通过以受控流量将电解制备的碱性电解水添加至氯气溶解器来调节所述不含碱金属氯化物的酸性电解水的pH，其中用在气液分离器处与该阳极电解质分离并收集的气体制备不含碱金属氯化物的酸性电解水，所述气体与溶解流体接触以便被溶解。
作为解决上述问题的第九解决方案，本发明提供一种电解水发生器，其中通过如下方法制备不含碱金属氯化物的酸性电解水：收集阳极电解质储罐中释放的含氯气体，将其与阳极室中释放的含氯气体混合，并使它们与溶解流体接触以便被溶解。
作为解决上述问题的第十解决方案，本发明提供一种电解水发生器，其中使用于将不含碱金属氯化物的原料水供应至阴极室的入口管中的原料水的一部分分支并连接到用于向氯气溶解器供应溶解流体的入口管，并且分支的原料水用作溶解流体。
作为解决上述问题的第十一解决方案，本发明提供一种电解水发生器，其中施加包含作为多孔体的阴极和紧密附着于该多孔阴极的阳离子交换膜的两隔室槽，并且通过使阳极室的背压大于阴极室的背压来将阳离子交换膜推向该多孔阴极。
发明的有利效果
根据本发明建议的电解水产生方法与发生器，采用不含碱金属氯化物的原料水进行电解，将所述不含碱金属氯化物的原料水供应至通过阳离子交换膜划分的两隔室槽的阴极室。随后可以以高电流效率在阴极侧制备几乎不含碱金属氯化物的碱性电解水。然而在阳极侧，使包含具有溶解的碱金属氯化物的水溶液的阳极电解质由保存阳极电解质的阳极电解质储罐循环，以高电流效率制备高浓度的含氯气体。在气液分离器处收集该高浓度的含氯气体，并且将其与包含具有溶解的碱金属氯化物的水溶液的阳极电解质分离，并与没有溶解碱金属氯化物的溶解流体接触以便在氯气溶解器处被溶解。以这种方式，可以有效地制备实际上不含碱金属氯化物的酸性电解水。此外，由于使用包含阳极、阴极和仅具有高耐久性的阳离子交换膜的两隔室槽，而不使用具有包括耐久性在内的许多问题的阴离子交换膜，本发明可以改善耐久性。
此外，当从阳极电解质中分离并收集的气体与该溶解流体接触以便被溶解时，本发明可以经由通过在控制流量下添加电解制备的碱性电解水而调节不含碱金属氯化物的酸性电解水的pH值，来制造任意所需强度的强酸性电解水、弱酸性电解水或微酸性电解水。
此外，如果电解持续进行，那么当氯从阳极电解质储罐中保存的阳极电解质中释放并在阳极电解质储罐中逐渐蔓延时，本发明可以防止氯泄漏，并通过使阳极电解质储罐中的含氯气体结合已经在阳极处释放的含氯气体并将其送至氯气溶解器来促进氯气的有效利用。
此外，在本发明的电解槽中，施加的阴极是多孔体并且与阳离子交换膜紧密接触而设置。将该阳极室构造为具有比阴极室更高的背压，以便将阳离子交换膜推向该多孔阴极，与常规三隔室槽相比这可以保持低槽电压并通过与提高的电流效率的协同效应来显著降低功率消耗。
此外，根据本发明，通过施加具有以10重量％或更高溶解的碱金属氯化物的阳极电解质进行电解，有效地促进通过反应式(1)进行的氯产生。产生的氯首先如反应式(2)中所示与阳极电解质反应，并以次氯酸和盐酸形式累积。当溶解在阳极电解质中的氯达到饱和时，氯开始以气体形式出现。
此外，根据本发明，可以通过将含氯气体与溶解流体的接触与溶解时间控制为每1毫升气体0.05秒或更多来防止氯泄漏到本发生器外部。
此外，根据本发明，可以将用于向阴极室供应不含碱金属氯化物的原料水的原料水入口管中的一部分原料水分支并连接至用于向氯气溶解器供应溶解流体的溶解流体入口管。因此，分支的原料水可以用作溶解流体，导致该设备的有效利用。然而，由于原料水的目的不同于溶解流体，如要提到的那样，在一些情况下使用单独的水溶液可能更好。
附图概述
图1显示本发明的电解水发生器的一个实例的流程图；
图2显示常规电解水发生器的一个实例的流程图。
实施方案描述
下面参考附图描述本发明的实施方案。
图1显示了本发明的电解水发生器的一个实例，包含两隔室槽1、阳极室2、阴极室3、阳离子交换膜4、阳极5、阴极6、原料水入口管7、碱性电解水储罐8、碱性电解水出口管9、阳极电解质储罐10、循环器11、气液分离器12、阳极气体管13、氯气管14、溶解流体入口管15、碱性电解水泵16、流量控制阀17、氯气溶解器18、酸性电解水出口管19和阳极电解质出口管20。
在本发明中，使用循环器11将包含其中溶解碱金属氯化物例如盐的水溶液的阳极电解质由储存阳极电解质的阳极电解质储罐10供应至被阳离子交换膜4分隔为两个隔室—容纳阳极5的阳极室2和容纳阴极6的阴极室3—的两隔室槽1的阳极室2，并在将不含碱金属氯化物例如盐的原料水由原料水入口管7供应至阴极室3的同时进行电解。通过电解操作，在阴极室3处制备不含碱金属氯化物的碱性电解水。将制备的碱性电解水经由碱性电解水储罐8由碱性电解水出口管9排出。
含氯气体在阳极室2中产生，并在气液分离器12处与阳极电解质分离，并将如此收集的气体经由阳极气体管13送至氯气溶解器18。将不含碱金属氯化物例如盐的溶解流体由溶解流体入口管15供应至氯气溶解器18，并且在氯气溶解器18中产生不含碱金属氯化物例如盐的酸性电解水。产生的酸性电解水经由酸性电解水出口管19排出。
另一方面，将通过气液分离器12分离的阳极电解质循环至阳极电解质储罐10。
阳极电解质储罐10中的阳极电解质中含有的碱金属氯化物部分分解以释放氯气。为了消除由氯气发生的气体泄漏的负面效果并有效利用氯气，将阳极电解质储罐10中释放的氯气经由氯气管14送至氯气溶解器18以用于制备酸性电解水。
一部分原料水可以用作溶解流体，经由从原料水入口管7分支的管道(未显示)将其供应至氯气溶解器18。
可以通过碱性电解水泵16经由碱性电解水储罐8在通过流量控制阀17控制流量下将在阴极室3中电解制备的碱性电解水添加到氯气溶解器18中的溶解流体中。以这种方式，可以将氯气溶解器18中制备的酸性电解水的pH值控制至所需值。
对于要用于阳极电解质的碱金属氯化物，可以举例LiCl、NaCl和KCl，其中可以优选施加NaCl和KCl。作为原料水，井水和城市供水是可用的。更适当地可用的是通过去除井水和城市供水中所含Ca离子和Mg离子制备的软水，通过进一步去除其它阳离子和阴离子制备的离子交换水，和通过去除甚至有机组分制备的纯水。
当在将含有这些碱金属氯化物中的一种或多种的阳极电解质供应至阳极室2的同时进行电解时，在阳极5处竞争地进行反应式(1)中显示的氯产生反应和反应式(3)中的氧产生反应。本发明通过将供应至阳极室2的水溶液中碱金属氯化物的浓度控制为10重量％或更高来使反应式(1)中的氯产生有效地进行。释放的氯首先如反应式(2)中所示与阳极电解质反应，并以次氯酸和盐酸形式累积，当阳极电解质中氯的溶解量达到饱和时，氯以气体形式释放。为了有效地产生氯气，有效的是使阳极电解质循环直到氯的溶解量达到饱和，或通过用添加至该阳极电解质的HCl降低pH值来降低氯溶解的饱和浓度。
在将上文举例的原料水供应至阴极室3的同时进行电解时，在阴极6处由反应式(4)中所示的水电解反应产生氢氧离子，制备了其中由阳极室2渗透穿过阳离子交换膜4的阳离子是反离子的碱性电解水，并且该碱性电解水经由碱性电解水储罐8由碱性电解水出口管9排出。该碱性电解水的pH为8或更大，但是其随原料水的流量或电解时的电流密度而改变。当在原料水中含有硬度成分例如Ca离子和Mg离子时，在阴极6表面上、在阴极室3内和在碱性电解水出口管9内部产生结垢。在长时间电解时容易发生此类问题，使得阴极反应被抑制，或使得碱性电解水的流动体积降低。为了抑制此类故障，对于供应至阴极室3的原料水来说，特别优选使用软水、离子交换水或纯水。
由于将具有低电导率的原料水供应至阴极室3，如果在阳离子交换膜4与阴极6之间存在空腔，则电解时槽电压显著变高，导致提高的功率消耗问题。那么为了解决这一问题，用多孔材料例如网、冲孔板和发泡体制造该阴极6，并将其设置成紧密附着于阳离子交换膜4，并且使阳极室2的背压大于阴极室3的背压，以便通过将阳离子交换膜4推向多孔阴极6的构造来将电解时的电解电压保持为低的。对于阳极室2，即使在阳离子交换膜4与阳极5之间存在空腔，电解时槽电压的升高也小，因为供应具有高电导率的阳极电解质。因此，阳离子交换膜4并不总是必需紧密附着于阳极5。作为保持阳极室2的背压高于阴极室3的背压的方法，可以举例如下：位于阳极室2上方的气液分离器12的高度保持大于位于阴极室3下游的碱性电解水储罐8和碱性电解水出口管9的高度。
将阳极5处释放的含氯气体与阳极电解质一起供应至气液分离器12，并且仅收集的气体移动至阳极气体管13，并且使阳极电解质返回到阳极电解质储罐10。如上所述，氯溶解在阳极电解质中直至接近饱和浓度。当电解持续进行时，氯开始从阳极电解质储罐10中累积的阳极电解质中释放，并且该罐逐渐变得充满氯，最终发生氯气泄露到该罐外部的安全问题。可以以将阳极电解质储罐10中的含氯气体引导至氯气管14并使其与阳极5处释放并转移至阳极气体管13的含氯气体结合的方式来防止此类氯泄露问题。
气体中的氯在氯气溶解器18中与溶解流体接触并溶解以便通过反应式(2)中显示的反应变为酸性电解水。然而，当并非全部量的供应至氯气溶解器18的氯与溶解流体接触并溶解时，未溶解的氯释放到系统外部，造成安全问题。为了防止该问题发生，必需供应足以溶解供应至氯气溶解器18的氯的数量的溶解流体。此外，对氯气溶解器18来说优选具有促进氯的接触与溶解的装置例如喷洒器、气体扩散器、外部搅拌器、静态搅拌器和洗涤器。此外，可以通过将由溶解流体电解释放的含氯气体的溶解所用的接触时间控制为每1ml该气体0.05秒或更长，来防止氯释放至系统外部。
在本发生器中，用于制造酸性电解水的溶解流体可以与用于制造碱性电解水的原料水相同或不同。在反应式(2)中显示的水与氯的反应中，除次氯酸外还副产盐酸，并且随后通过本发生器的酸性电解水倾向于变为酸。如上所述，作为供应至阴极室23的原料水，优选使用软水、离子交换水或纯水以控制Ca离子和Mg离子的结垢。然而，对用于制造次氯酸水的溶解流体来说，可以毫无问题地使用含有Ca离子和Mg离子的水，例如井水或城市供水。
在本发生器中，可以通过溶解流体的供应体积和从阳极5释放的含氯气体的供应体积来调节酸性电解水中次氯酸的浓度。然而，该pH值与次氯酸浓度一起降低，因为如反应式(2)中所示副产盐酸。如上所述，酸性电解水中的次氯酸水具有强氧化力，并用于大肠杆菌和细菌的杀菌用途。然而，该杀菌力随pH值而改变，并且已知约pH 6是强有力的。在低pH范围内，次氯酸变得与氯平衡，产生了从酸性电解水中的次氯酸水中释放氯气的风险。因此，在本发生器中，如图1中所示，制备的碱性电解水在碱性电解水储罐8中保存一次，并且可以通过使用碱性电解水泵16和流量控制阀17将合适量的碱性电解水与该溶解流体混合，来调节所产生的酸性电解水的pH值。
实施例
下面解释了使用本发明的电解水发生器制备次氯酸水和碱性电解水的实施例，但是本发明不限于这些实施方案。
实施例1
在如图1中所示的电解系统中，该两隔室槽1包含以使得通过热分解法在网形钛基底上涂覆铂催化剂的方式制备的具有60平方厘米投影面积的阳极5与阴极6的电极(由Permelec Electrode Ltd.制造的JL-510)与分隔该阳极室2和阴极室3的阳离子交换膜4(由Du Pont制造的Nafion(注册商标)N-115)。设置该阳离子交换膜4以使得各电极在各自一侧上与该膜接触。将气液分离器12布置在阳极室2上方5厘米处并调节以使得对该阳极室2施加50mm H2O的背压，并且还将碱性电解水出口管9布置在阴极室3上方5厘米处并调节以使得对该阴极室3施加50mm H2O的背压。
在实施例1中，没有安装图1中阳极电解质储罐10上方的氯气管14，并且阳极气体管13直接连接到氯气溶解器18。将来自溶解流体入口管15的溶解流体和来自碱性电解水储罐8的碱性电解水混合并由氯气溶解器18的上部喷入氯气溶解器18。
通过循环器11使作为约8wt％的氯化钠水溶液的该阳极电解质在阳极电解质储罐10与阳极室2之间循环。当将软水作为原料水以1升/分钟的流量供应至该阴极室3时，使用以6A施加至该阳极5和阴极6的电流进行电解。将自来水以1升/分钟的流量供应至氯气溶解器18作为溶解流体，使其与经由阳极气体管13供应的含氯气体接触以便溶解形成酸性电解水。设计氯气溶解器18的容量，以便将溶解流体与含氯气体的接触与溶解时间控制为1秒。
在距电解开始一小时内，槽电压的测量值为28V，由酸性电解水出口管19取样的次氯酸水中的有效氯浓度按氯计为108mg/L，pH为2.7，氯化钠密度的增量为4mg/L。由碱性电解水出口管9取样的碱性电解水的pH值为11.6，氯化钠密度的增量为1mg/L。在阳极电解质储罐10和酸性电解水出口管19的出口附近，仅略微感觉到氯气味，但是未达到成问题的水平。由施加的电数量计算的氯产生的数量为约40NmL/分钟，氯气溶解器18处溶解流体与含氯气体的接触与溶解时间估计为每1毫升该气体0.025秒。
实施例2
在与实施例1相同的条件下，使用实施例1中提及的电解系统进行电解，向供应至氯气溶解器18的溶解流体中添加任意数量的通过电解形成的碱性电解水。在距电解开始一小时内，槽电压的测量值为28V，并且当改变向溶解流体中添加的碱性电解水的数量时，产生的酸性电解水的数量、有效氯浓度和pH值、产生的碱性电解水的数量和pH值如表1所示。有可能通过控制向溶解流体中添加碱性电解水来调节该pH值。
实施例3
采用与实施例1中所述相同的电解系统，使用与实施例1相同的电解水发生器通过与实施例1中相同的方法进行电解操作，除了在实施例3中将氯气管14连接至阳极电解质储罐10的上部，并且在氯气管14与阳极气体管13接合在一起之后连接到氯气溶解器18。
在距电解开始一小时内，槽电压的测量值为28V，由酸性电解水出口管19取样的酸性电解水中的有效氯浓度按氯计为108mg/L，pH为2.7，氯化钠密度的增量为4mg/L。由碱性电解水出口管9取样的碱性电解水的pH值为11.6，氯化钠密度的增量为1mg/L。在酸性电解水出口管19的出口附近仅略微感觉到氯气味，但是在阳极电解质储罐10附近没有感觉到氯气味。
实施例4
使用与实施例3相同的电解系统与方法开始电解，除了在实施例4中如实施例1那样将碱性电解水出口管9设置在阴极室3上方5厘米处，并将阴极室3的背压调节至50mmH2O，将气液分离器12设置在阳极室2上方30厘米处并且将阳极室2的背压调节至300mm H2O。因此，在实施例4中，通过将阳极室的背压提高至大于阴极室的背压来将阳离子交换膜推向该多孔阴极。
在距电解开始一小时内，槽电压的测量值为2.8V，由酸性电解水出口管19取样的酸性电解水中的有效氯浓度按氯计为108mg/L，pH为2.7，氯化钠密度的增量为4mg/L。由碱性电解水出口管9取样的碱性电解水的pH值为11.6，氯化钠密度的增量为1mg/L。
实施例5
通过与实施例4中所述那些相同的电解系统和相同的方法进行电解操作，除了在实施例5中该阳极电解质为30wt％的氯化钠水溶液。
在距电解开始一小时内，槽电压的测量值为2.6V，由酸性电解水出口管19取样的酸性电解水中的有效氯浓度按氯计为113mg/L，pH为2.8，氯化钠密度的增量为4mg/L。由碱性电解水出口管9取样的碱性电解水的pH值为11.7，氯化钠密度的增量为1mg/L。
实施例6
通过与实施例5中所述那些相同的电解系统和相同的方法进行电解操作，除了在实施例6中溶解流体与含氯气体在氯气溶解器18中的接触与溶解时间为两秒。
在距电解开始一小时内，槽电压的测量值为2.6V，由酸性电解水出口管19取样的酸性电解水中的有效氯浓度按氯计为120mg/L，pH为2.7，氯化钠密度的增量为4mg/L。由碱性电解水出口管9取样的碱性电解水的pH值为11.7，氯化钠密度的增量为1mg/L。在阳极电解质储罐10和酸性电解水出口管19的出口附近未感觉到氯气味。
溶解流体与含氯气体的接触与溶解时间估计为每1毫升该气体0.05秒。
对比例1
图2是使用三隔室槽的常规类型的电解水发生器，包含三隔室槽21、阳极室22、阴极室23、中间室24、阴离子交换膜25、阳离子交换膜26、阳极27、阴极28、中间室电解质储罐29和循环器30。在图2中显示的电解水发生器中，该三隔室槽21被阴离子交换膜25(由Tokuyama Corporation制造的Neosepta(注册商标)AHA)分隔为阳极室22和中间室24，并被阳离子交换膜26(由Du Pont制造的Nafion(注册商标)N-115)进一步分隔为阴极室23和中间室24。阳极27和阴极28的电极(由Permelec Electrode制造的JL-510)，各自由通过热分解法涂覆有铂催化剂的具有60平方厘米投影面积的网形钛基底制成，分别设置在阳极室22和阴极室23中。
通过循环器30使作为约30wt％的氯化钠水溶液的中间室溶液在中间室电解质储罐29与中间室24之间循环。将作为原料水的软水以1L/分钟的流量供应至阴极室23，将作为原料水的自来水供应至阳极室22，并且通过以6A施加至阳极27和阴极28的电流进行电解。
在距电解开始一小时内，槽电压的测量值为6.2V，阳极27处制备的酸性电解水中的有效氯浓度按氯计为71mg/L，pH为2.6，氯化钠密度的增量为47mg/L。在阴极28处制备的碱性电解水的pH值为11.7，氯化钠密度的增量为1mg/L。
工业实用性
本发明的电解水产生方法和发生器可以减少原材料盐成分混合到产生的酸性电解水和碱性电解水中至最低程度，因此可以广泛应用于与高腐蚀性相关的工业中和应用于农业领域。
附图标记列表
1 两隔室槽
2 阳极室
3 阴极室
4 阳离子交换膜
5 阳极
6 阴极
7 原料水入口管
8 碱性电解水储罐
9 碱性电解水出口管
10 阳极电解质储罐
11 循环器
12 气液分离器
13 阳极气体管
14 氯气管
15 溶解流体入口管
16 碱性电解水泵
17 流量控制阀
18 氯气溶解器
19 酸性电解水出口管
20 阳极电解质出口管
21 三隔室槽
22 阳极室
23 阴极室
24 中间室
25 阴离子交换膜
26 阳离子交换膜
27 阳极
28 阴极
29 中间室电解质储罐
30 循环器

Claims (11)

1.电解水产生方法，包括以下步骤：
从保存阳极电解质的阳极电解质储罐将包含具有溶解的碱金属氯化物的水溶液的阳极电解质供应和循环至由阳离子交换膜分隔成容纳阳极的阳极室和容纳阴极的阴极室的两个室的两隔室槽的阳极室中，其中用多孔材料制造所述阴极并将其设置成紧密附着于所述阳离子交换膜，并且其中使所述阳极室的背压大于所述阴极室的背压，
将不含碱金属氯化物的原料水供应至该阴极室，其中所述不含碱金属氯化物的原料水由通过去除井水和城市供水中所含Ca离子和Mg离子制备的软水，或通过进一步去除其它阳离子和阴离子制备的离子交换水或通过进一步去除有机组分制备的纯水组成，
并且进行电解，由此
在阴极室处制备不含碱金属氯化物的碱性电解水，并且同时，
在阳极室处制备含氯气体，
在从阳极电解质中分离并收集该气体后，使所述气体与不含碱金属氯化物的溶解流体接触以便被溶解，并且
制备不含碱金属氯化物的酸性电解水。
2.如权利要求1中的电解水产生方法，其中当从阳极电解质中分离并收集的气体与溶解流体接触以便被溶解时，在经调节的流量下将电解制备的碱性电解水添加到该溶解流体中，用于控制不含碱金属氯化物的酸性电解水的pH。
3.如权利要求1或权利要求2中的电解水产生方法，其中在将阳极电解质储罐释放的含氯气体收集并与阳极室中释放的含氯气体混合后，使混合的含氯气体与该溶解流体接触以便被溶解，从而制备不含碱金属氯化物的酸性电解水。
4.如权利要求1或权利要求2中的电解水产生方法，其中施加包含作为多孔体的阴极和紧密附着于多孔阴极的阳离子交换膜的两隔室槽，并且通过使阳极室的背压大于阴极室的背压来将阳离子交换膜推向该多孔阴极。
5.如权利要求1或权利要求2中的电解水产生方法，其中通过施加其中以10wt％或更多溶解碱金属氯化物的阳极电解质来进行电解。
6.如权利要求1或权利要求2中的电解水产生方法，其中电解产生的含氯气体与该溶解流体的接触与溶解时间为每1毫升该气体0.05秒或更多。
7.通过两隔室槽同时制备不含碱金属氯化物的酸性电解水和不含碱金属氯化物的碱性电解水的电解水发生器，包含：
两隔室槽，通过阳离子交换膜分为容纳阳极的阳极室和容纳阴极的阴极室的两个隔室，其中用多孔材料制造所述阴极并将其设置成紧密附着于所述阳离子交换膜，并且其中在操作中所述阳极室的背压大于所述阴极室的背压，
保存阳极电解质的阳极电解质储罐，所述阳极电解质包含其中溶解碱金属氯化物的水溶液，
将阳极电解质储罐中的阳极电解质循环至阳极室的循环器，
用于从阳极室中排出阳极室中释放的含氯气体和具有其溶解气体的阳极电解质的阳极电解质出口管，
将来自阳极电解质出口管的含氯气体与具有溶解气体的阳极电解质分离的气液分离器，
在气液分离器处与阳极电解质分离并收集后通过使该气体与不含碱金属氯化物的溶解流体接触来制备不含碱金属氯化物的酸性电解水的氯气溶解器，
将溶解流体供应至氯气溶解器的溶解流体入口管，
将不含碱金属氯化物的原料水供应至阴极室的原料水入口管，和
从阴极室排出该阴极室中产生的碱性电解水的碱性电解水出口管。
8.如权利要求7中的电解水发生器，其中通过以受控流量将电解制备的碱性电解水添加至氯气溶解器来调节所述不含碱金属氯化物的酸性电解水的pH，其中用在气液分离器处与该阳极电解质分离并收集的气体制备不含碱金属氯化物的酸性电解水，使所述气体与溶解流体接触以便被溶解。
9.如权利要求7或权利要求8中的电解水发生器，其中通过如下方法制备不含碱金属氯化物的酸性电解水：收集阳极电解质储罐中释放的含氯气体，将其与阳极室中释放的含氯气体混合，并使混合气体与溶解流体接触以便被溶解。
10.如权利要求7或权利要求8中的电解水发生器，其中使用于将不含碱金属氯化物的原料水供应至阴极室的入口管中的原料水的一部分分支并连接到用于向氯气溶解器供应溶解流体的入口管，并且分支的原料水用作溶解流体。
11.如权利要求7或权利要求8中的电解水发生器，其中施加包含作为多孔体的阴极和紧密附着于多孔阴极的阳离子交换膜的两隔室槽，并且通过使阳极室的背压大于阴极室的背压来将阳离子交换膜推向该多孔阴极。
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