CN109735866A - 一种次氯酸钠发生器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及电解设备技术领域，尤其涉及一种次氯酸钠发生器。其包括安装架、设置于安装架的电源、若干与电源连接的电解槽组件以及与所述电解槽组件连接的盐水管、进水管以及进酸管；所述电解槽组件包括设有进口和出口的安装槽、设置于安装槽的若干电极组以及换热件，所述换热件为外壁涂设酚醛树脂涂层的TA2钛管，所述进水管与若干电解槽组件的换热件串联；所述盐水管、进水管和进酸管通过统一套串联管结构与若干电解槽组件的安装槽串联，最上方电解槽组件的出口还连接有出液管。该发明能够解决电解环境温度过高问题、电解结垢问题以及副反应生成的氧气导致电极寿命降低的问题、且节能环保。

Description

一种次氯酸钠发生器

技术领域

本发明涉及电解设备技术领域，尤其涉及一种次氯酸钠发生器。

背景技术

次氯酸钠是一种非天然存在的强氧化剂，它的杀菌效力比氯气更强，属于真正高效、广谱、安全的强力灭菌、杀病毒药剂。次氯酸钠的稳定性比较差，消毒用的次氯酸钠溶液多以发生器现场制备的方式来生产。这种次氯酸钠发生器以浓度为3wt%~5wt%的食盐水作为原材料，通过电解反应产生次氯酸钠溶液。次氯酸钠发生器一般需要注意以下问题：

1.电解环境温度问题。在电解过程中，一方面由于用于电解的电极自身电阻问题，其在工作过程中会产生热量；另一方面由于电解反应本身为放热反应，会产生热量，这就导致随着电解的进行，电解槽组件内的温度升高，而我们需要制得的次氯酸钠产品的稳定性较低，温度过高会导致其分解，因此对电解槽组件内环境温度的控制尤为重要。

2.电解结垢问题。由于水中存在一些杂质，电解一段时间后，杂质析出并于电解槽内部结垢，因此需要定期进行除垢。传统的发生器一般采用交换电极的方式进行除垢，但这种方式容易损坏阳极涂层，会减少次氯酸钠发生器的寿命，因此需要一种能够有效除垢、且不影响自身寿命的次氯酸钠发生器。

3.电解电极材料问题。低浓度氯化钠水溶液的电解要求阳极材料具有良好的析氯抑氧的高选择电催化活性和耐久性，因此需要能够抑制阳极电极发生产氧副反应电极组。

发明内容

本发明要解决上述问题，提供一种能够解决电解环境温度过高问题以及电解结垢问题、且节能环保的次氯酸钠发生器。

本发明解决问题的技术方案是，提供一种次氯酸钠发生器，包括安装架、设置于安装架的电源、若干与电源连接的电解槽组件以及与所述电解槽组件连接的盐水管、进水管以及进酸管；所述电解槽组件包括设有进口和出口的安装槽、设置于安装槽的若干电极组以及换热件，所述换热件为外壁涂设酚醛树脂涂层的TA2钛管，所述进水管与若干电解槽组件的换热件串联；所述盐水管、进水管和进酸管通过同一套串联管结构与若干电解槽组件的安装槽串联，最上方电解槽组件的出口还连接有出液管。

优选地，所述电极组包括与电源正极连接的阳极电极、与电源负极连接的阴极电极以及中间感应电极，所述中间感应电极包括靠近所述阳极电极的感应阴极部和靠近所述阴极电极的感应阳极部。

优选地，所述阳极电极表面设有高氧超纳米晶钛涂层，所述高氧超纳米晶钛涂层，由以下方法制备得到：

（a）、对钛基板进行喷砂、酸洗、去离子水冲洗、干燥；

（b）、将氧化石墨烯和硅烷偶联剂KH-550分散于正丁醇中制成氧化石墨烯分散液，备用；将三氯化钌、五氯化钽、氯铱酸、钛酸丁酯分散于正丁醇制成高氧超纳米阳极涂层分散液，备用；

（c）、在钛基板上涂刷氧化石墨烯分散液，在90~100℃下烘干；然后，涂刷高氧超纳米阳极涂层分散液，在90~100℃下烘干；然后，在450~480℃下，烧结10~20min；

（d）、冷却后，重复步骤（c）20~30次，最后一次烧结40~60min。

优选地，所述三氯化钌、五氯化钽、氯铱酸、钛酸丁酯的质量比以钌、钽、铱、钛的原子质量计为（5~8）:（8~15）: （1~5）:（30~50）。

优选地，氧化石墨烯形成氧化石墨烯分散液时的用量为0.2~0.5g/L，高氧超纳米阳极涂层分散液的总金属离子浓度为0.2~0.3mol/L。

优选地，所述阳极电极和阴极电极分别通过接线件与所述安装槽连接，所述接线件包括设有若干用于容置阳极电极或阴极电极端部的凹槽的连接板以及穿过所述安装槽端部与电源连接的接线头，所述接线件的材质为钛铜合金；若干阳极电极通过所述连接板并联，若干阴极电极通过所述连接板并联。

优选地，所述安装槽端部设有安装板，所述换热件的进水端和出水端设置于同一安装板，所述换热件的本体经若干次弯曲后悬设于所述安装槽槽口上方。

优选地，还包括套设于所述安装槽、用于固定所述换热件悬空部分的固定件，所述固定件包括用于承接所述换热件的承接部和用于箍紧所述换热件的箍紧部，所述承接部开设有承接槽。

优选地，所述换热件内置有弹性除垢球；所述换热件外表面环状设有若干凸起部，两凸起部之间形成凹陷部，所述凸起部外壁设有由若干正六边形的凹槽形成的蜂窝槽。

优选地，所述串联管结构均设有超声波震荡器。

本发明的有益效果：

1.由换热件将热量带走，达到解决电解发热的目的。

2.进水管既与换热件连接、又与安装槽连接，进水管中的水在作为冷却水使用后还能作为对安装槽进行清洁的冲洗水使用，节能环保。

3.设置进酸管，对安装槽内的碱性液体进行中和，并对安装槽内的结垢进行溶解，提高次氯酸钠发生器的使用寿命。

4.设置若干机头组件，能够提高次氯酸钠的产生效率。且进水管与若干机头组件的换热件串联，盐水管、进水管和进酸管均与若干机头组件的安装槽串联，电源与若干机头组件串联，通过串联的方式减少连接管的使用、并能提高水、酸的利用率，达到节能环保的目的。

5.提供一种用于涂设在阳极电极表面的高氧超纳米晶钛涂层及其制备方法，能够解决电解稀盐水过程中出现的在阳极生成氧气的副反应使得氧气氧化破坏阳极的涂层、致使强化寿命降低的问题。

附图说明

图1是一种次氯酸钠发生器的结构示意图；

图2是一种次氯酸钠发生器电极组的结构示意图；

图3是一种次氯酸钠发生器换热件的结构示意图；

图4是一种次氯酸钠发生器换热件的截面图；

图中：安装架10，电源20，电解槽组件30，安装槽31，电极组32，阳极电极32a，阴极电极32b，中间感应电极32c，连接杆32d，接线件32e，换热件33，凸起部33a，凹陷部33b，固定件34，盐水管41，进水管42，进酸管43，出液管44。

具体实施方式

以下是本发明的具体实施方式，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的描述，但本发明并不限于这些实施例。

一种次氯酸钠发生器，如图1所示：包括安装架10、设置于安装架10的电源20、若干与电源20串联的电解槽组件30以及与电解槽组件30连接的盐水管41、进水管42以及进酸管43；电解槽组件30包括设有进口和出口的安装槽31、设置于安装槽31的若干电极组32以及换热件33，进水管42与若干电解槽组件30的换热件33串联；盐水管41、进水管42和进酸管43通过同一套串联管结构与若干电解槽组件30的安装槽31串联，最上方电解槽组件30的出口还连接有出液管44。

使用时，打开盐水管41向电解槽组件30依次通入稀盐水，并打开电源20对电极组32通电后，稀盐水中的氯化钠与水发生电离，分别在阴极和阳极生成氢气与氯气，剩下的氢氧根离子与钠离子结合生成氢氧化钠。氯气溶于水后，跟氢氧化钠发生反应，会生成氯化钠和次氯酸钠。而水中的氯离子，也会跟氢氧化钠发生反应，同样生成氯化钠和次氯酸钠，得到的次氯酸钠从出液管44在泵的作用下依次排出即可。电解的同时，还需打开进水管42与换热件33的连接处，以不断对电解槽组件30进行降温。电解完毕后，依次打开进酸管43、进水管42与安装槽31的连接处，以依次对安装槽31进行酸性和冲洗，即通过换热件33解决电解环境温度问题，通过进水管42以及进酸管43解决电解结垢问题。

如图3所示，安装槽31端部设有安装板，换热件33通过安装板悬设于安装槽31槽口上方；换热件33的进水端和出水端设置于同一安装板，从而向换热件33不停地通入循环冷却水。电解产生的热量沿着电极组32之间的间隙上升，接触到通有循环冷却水的换热件33后即可由换热件33将热量带走。

为了提高换热效果，将换热件33设计为外壁涂设有酚醛树脂涂层的TA2钛管。相比于传统的不锈钢结构，其制成的换热管壁厚更薄，能极大地提高换热效率。同时钛还具有强度高、重量轻的特点，由于本实施例中将钛管悬挂于安装槽31槽口上方，较轻的钛管能够更好地达到悬设效果，并有利于安装时密封。

又由于在大多数介质中，钛的钝化电位比氢的标准电极电位还要负，因此即使在非氧化性酸、如盐酸、硫酸中，重要存在氧，均能使钛发生钝化。而电解槽组件在经过一段时间的电解后，会进行酸洗除垢，那么这就容易导致钛的钝化，使得换热件33表面形成较厚的钝化膜，虽然增加了钛管的耐腐蚀性，但影响了换热效率。因此，于钛管表面涂设一层酚醛树脂涂层，能够防止钛的钝化、防止换热件33的腐蚀，且酚醛树脂对换热几乎没有影响。

这是从材料改进方面提高换热效果，还可以从结构改进方面提高换热效果。

可以将换热件33的本体经若干次弯曲后形成若干换热部，以增大热气与换热件33之间的接触面积从而提高换热效果。如图4所示，还可以在换热件33外表面环状设有若干凸起部33a，两凸起部33a之间形成凹陷部33b，凸起部33a外壁设有由若干正六边形的凹槽形成的蜂窝槽。一方面，通过这种凹凸结构以及蜂窝槽进一步扩大了换热件33的换热面积；另一方面，蜂窝槽33a除了具有较好的比刚度和比强度外，也是一种理想的散热结构。同时，，热气在这种结构间隙中与换热件33外壁不断产生冲击性较强的紊流。由于稀盐水中可能含有杂质、而电解过程会产生氢氧化钠，部分杂质和氢氧化钠会随着随热气不断接触到换热件33并附着于换热件33对其产生损害，并会减小后续热气与换热件33之间的接触面积，影响换热件33的换热效果，因此可以通过这种具有冲击性的紊流效果不断对换热件33表面进行冲击以减少水垢的附着。

此外，由于进入换热件33的冷却水并不是纯净水，水中的杂质容易在换热件33内壁结垢，不便清洗，因此在换热件33内置弹性除垢球，在向换热件33内通入水的同时，水流带动弹性除垢球撞击换热件33内壁以进行除垢。

由于换热件33是悬设于安装槽10槽口上方的，可能具有安装不稳定的问题。因此还包括套设于安装槽31、用于固定换热件33悬空部分的固定件34，固定件34包括用于承接换热件33的承接部和用于箍紧换热件33的箍紧部，承接部开设有承接槽。以承接部和箍紧部环抱住换热件33，并以固定件34环抱住安装槽31和换热件33，从而保持换热件33的稳定，防止换热件33向下塌落于安装槽31槽口或向上翘起等问题。

电解稀盐水是通过电极组32实现的，因此电极组32的设计也十分重要。如图2所示，电极组32包括与电源正极连接的阳极电极32a、与电源负极连接的阴极电极32b以及中间感应电极32c，中间感应电极32c包括靠近阳极电极32a的感应阴极部和靠近阴极电极32b的感应阳极部。

各个电极之间是相互平行并具有一定间隙的，当向安装槽31内通入稀盐水时，电极之间才会导通。其中，中间感应电极32c虽然不与电源直接连接，但是在感应电荷原理的作用下，其两端分别带上了正电荷和负电荷，从而产生的电路是，电流从正极到负极，依次经过阳极电极32a、感应阴极部、感应阳极部、阴极电极32b形成回路，电极之间串联。根据串联电路分压原理，电流能够按照所串联的电极数成倍下降，从而能够很大程度上降低电解电极时产生的电流和热量，进一步降低了电解产热所带来的安全隐患问题。

此外，阳极电极32a和阴极电极32b分别通过接线件32e设置于安装板，接线件32e包括设有若干用于容置阳极电极32a或阴极电极32b端部的凹槽的连接板以及穿过安装板与电源连接的接线头，从而将电极有秩序地安装于安装槽31内。且为了减少接线件40自身电阻发热问题并保证导电效果，接线件40的材质采用钛铜合金。

同时，中间感应电极32c不与安装槽31直接连接固定，而是将阳极电极32a和感应阴极部、阴极电极32b和感应阳极部分别通过连接杆32d连接。其中连接杆32d的材质应为绝缘材质，因此实施例中选用塑料材质的连接杆。

电解完毕后，对安装槽31进行酸洗和冲洗时，而仅仅使酸液或水流经安装槽31，不能够很好地对安装槽31进行清洗，因此串联管结构内均设有超声波震荡器，由于超声波在水中的传播距离远，因此串联管结构内的超声波震荡器能够带动电解槽组件30内的液体震荡除垢。

为了进一步增强水流和酸流的除垢效果，还可以在串联管结构与电解槽组件30的连通处设置压力泵，以使得酸液和水以一定速度进入电解槽组件30内并与电极和电解槽内壁发生撞击除垢。

针对本发明更进一步地需要说明的是，电解过程中实际上容易出现副反应，同时由于本实施例使用的是稀盐水（3wt%），最容易出现的副反应就是在阳极生成氧气，而氧气的生成则会氧化破坏阳极的涂层，致使强化寿命降低。因此在阳极电极32a表面设有高氧超纳米晶钛涂层。

电解时，由于阳极采用了高氧超纳米晶钛涂层，使得析氯电位降低至1.124；显著地降低了析氧副反应的发生率。并且将强化寿命提升至280h以上。

本实施例中，高氧超纳米晶钛涂层通过以下方法制造：

（a）、钛基板的处理，对钛基板进行喷砂、酸洗、去离子水冲洗、干燥；

（b）、将氧化石墨烯和硅烷偶联剂KH-550分散于正丁醇中制成氧化石墨烯分散液，备用；将三氯化钌、五氯化钽、氯铱酸、钛酸丁酯分散于正丁醇制成高氧超纳米阳极涂层分散液，备用；

（c）、在钛基板上涂刷氧化石墨烯分散液，在95℃下烘干；然后，涂刷高氧超纳米阳极涂层分散液，在95℃下烘干；然后，在470℃下，烧结15min；

（d）、冷却后，重复步骤（c）25次，最后一次烧结50min。

其中三氯化钌、五氯化钽、氯铱酸、钛酸丁酯的质量比以钌、钽、铱、钛的原子质量计为6:10: 3:40。石墨烯形成石墨烯分散液时的用量为0.4g/L。高氧超纳米阳极涂层分散液的总金属离子浓度为0.25mol/L。

将上述涂层进行强化寿命测试，强化寿命测试是阳极在硫酸溶液中高电流密度下电解的快速寿命试验法，通过测试不同被试阳极在相同浓度、温度的硫酸溶液中，在相同的电流密度下工作的电极强化寿命试验的失效时间，比较不同电极的使用寿命。

具体操作为：

（1）以质量浓度为1mol/L的盐酸为电解液，用本实施例具有高氧超纳米晶钛涂层的钛基板为工作阳极，固定安装，并完全淹没阴阳极有效工作部位；

（2）待电解液温度上升到40±1℃后，接通电源并调节电解电流密度为200A/dm²，并在试验过程中维持其恒定，电解过程中不定期地添加一定量的蒸馏水及H₂SO₄以维持电解液液位及浓度；

（3）每半小时记录一次电解时间、电解电流、电解槽电压值；

（4）电解槽电压开始迅速大幅度上升时停止试验；

（5）从开始实验到电解槽电压大幅度上升时所累积的电解时间称为被试电极的强化寿命试验失效时间。本次试验电极的面积为10.0cm²。

将上述涂层进行析氯电位测试，依据HG/T 2471-2011之7.5测定。

结果如下：

本发明上述方案中，三氯化钌、五氯化钽、氯铱酸、钛酸丁酯在烧结后，都形成了金属氧化物；其中，钌和铱的金属氧化物为导电性成分，钛和钽的金属氧化物为非导电性成分；涂层中添加非导电性成分，能使导电性成分趋于稳定；该涂层能够显著地缓解钛基金属板的钝化速度。

钛酸丁酯是作为粘结剂存在的，在烧结前，使得涂层液牢固地附着在基板上，是不可避免的成分，烧结后以二氧化钛的形式存在，钛酸丁酯的量需要有控制地使用，以能形成涂膜为宜，不宜过量，同时，使得导电成分能够被牢固的附着在基板上；五氯化钽在烧结后形成的金属氧化物，能够使得该导电薄膜与钛基板牢牢粘附，不发生脱落，并且一定程度上阻碍新生态氧穿过涂层，阻碍间隙腐蚀；从而显著地延长阳极寿命。

本发明上述方案中，氧化石墨烯分散液形成的涂层在烧结后形成了石墨烯层，石墨烯赋予了阳极良好的导电性，从而降低了阳极的析氯电位，降低了析氧副反应的发生率，进一步提高了阳极寿命。

一般来说，阳极寿命地降低是多因素影响的。其中主要的几个原因是：1，电解液的浓度低，电解3wt%稀盐水比电解饱和食盐水更容易发生析氧副反应；2，涂层的脱落，一旦发生析氧副反应，新生态氧不仅粒子小而且活性高，会透过涂层与钛基板发生反应，致使在涂层和基板之间产生二氧化钛钝化物，久而久之形成二氧化钛钝化层，一旦二氧化钛钝化层形成，阳极就失效了，宏观上表现为涂层易脱落。因此，要提高阳极寿命，也就是需要长期地保持阳极涂层有效；一方面可以通过降低析氧副反应的发生率来改善；另一方面，也可以通过阻止新生态氧透过阳极涂层来改善。在现有技术中，是通过改善涂层中的导电成分和非导电成分的组成和比例来实施的，比如提高钌依氯盐的添加量来改善导电性和电催化活性，从而降低析氯电位；另一方面提高氯化钽的用量，来阻碍新生态氧的透过，并改善涂层的附着性，延缓间隙腐蚀。

本发明还利用了石墨烯的特殊性质，一方面提高了涂层的导电性，提高电催化活性，降低析氯电位，另一方面也提高了涂层的稳定性。但由于石墨烯的分散性不佳，因此本发明先采用了氧化石墨烯分散液，并添加有硅烷偶联剂；使得氧化石墨烯不仅分散均匀并且与钛基板牢固地结合，阻碍新生态氧与钛基板的结合，避免钛基板钝化。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (10)

1.一种次氯酸钠发生器，其特征在于：包括安装架（10）、设置于安装架（10）的电源（20）、若干与电源（20）连接的电解槽组件（30）以及与所述电解槽组件（30）连接的盐水管（41）、进水管（42）以及进酸管（43）；所述电解槽组件（30）包括设有进口和出口的安装槽（31）、设置于安装槽（31）的若干电极组（32）以及换热件（33），所述换热件（33）为外壁涂设酚醛树脂涂层的TA2钛管，所述进水管（42）与若干电解槽组件（30）的换热件（33）串联；所述盐水管（41）、进水管（42）和进酸管（43）通过同一套串联管结构与若干电解槽组件（30）的安装槽（31）串联，最上方电解槽组件（30）的出口还连接有出液管（44）。

2.根据权利要求1所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：所述电极组（32）包括与电源正极连接的阳极电极（32a）、与电源负极连接的阴极电极（32b）以及中间感应电极（32c），所述中间感应电极（32c）包括靠近所述阳极电极（32a）的感应阴极部和靠近所述阴极电极（32b）的感应阳极部。

3.根据权利要求2所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：所述阳极电极（32a）表面设有高氧超纳米晶钛涂层，所述高氧超纳米晶钛涂层，由以下方法制备得到：

（a）、对钛基板进行喷砂、酸洗、去离子水冲洗、干燥；

（b）、将氧化石墨烯和硅烷偶联剂KH-550分散于正丁醇中制成氧化石墨烯分散液，备用；将三氯化钌、五氯化钽、氯铱酸、钛酸丁酯分散于正丁醇制成高氧超纳米阳极涂层分散液，备用；

（c）、在钛基板上涂刷氧化石墨烯分散液，在90~100℃下烘干；然后，涂刷高氧超纳米阳极涂层分散液，在90~100℃下烘干；然后，在450~480℃下，烧结10~20min；

（d）、冷却后，重复步骤（c）20~30次，最后一次烧结40~60min。

4.根据权利要求3所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：所述三氯化钌、五氯化钽、氯铱酸、钛酸丁酯的质量比以钌、钽、铱、钛的原子质量计为（5~8）:（8~15）: （1~5）:（30~50）。

5.根据权利要求3所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：氧化石墨烯形成氧化石墨烯分散液时的用量为0.2~0.5g/L，高氧超纳米阳极涂层分散液的总金属离子浓度为0.2~0.3mol/L。

6.根据权利要求2所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：所述阳极电极（32a）和阴极电极（32b）分别通过接线件（32e）与所述安装槽（31）连接，所述接线件（32e）包括设有若干用于容置阳极电极或阴极电极端部的凹槽的连接板以及穿过所述安装槽端部与电源连接的接线头，所述接线件（32e）的材质为钛铜合金；若干阳极电极（32a）通过所述连接板并联，若干阴极电极（32b）通过所述连接板并联。

7.根据权利要求1所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：所述安装槽（31）端部设有安装板，所述换热件（33）的进水端和出水端设置于同一安装板，所述换热件（33）的本体经若干次弯曲后悬设于所述安装槽（31）槽口上方。

8.根据权利要求7所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：还包括套设于所述安装槽（31）、用于固定所述换热件（33）悬空部分的固定件（34），所述固定件（34）包括用于承接所述换热件（33）的承接部和用于箍紧所述换热件的箍紧部，所述承接部开设有承接槽。

9.根据权利要求7所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：所述换热件（33）内置有弹性除垢球；所述换热件（33）外表面环状设有若干凸起部（33a），两凸起部（33a）之间形成凹陷部（33b），所述凸起部（33a）外壁设有由若干正六边形的凹槽形成的蜂窝槽。

10.根据权利要求1所述的一种次氯酸钠发生器，其特征在于：所述串联管结构均设有超声波震荡器。