CN111867971B - 用于水向过氧化氢的转化的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
在一种用于水向过氧化氢(H2O2)的转化的方法和装置中，电晕放电区被在第一电极(10)和第二电极(6)之间产生，第一电极(10)和第二电极(6)中的一个被绝缘并且第一电极(10)和第二电极(6)中的另一个不被绝缘，并且其中电极中的每个的各自的表面面向彼此。第一电极(10)被旋转从而诱导第一电极和第二电极之间的相对旋转；并且液体水被输送至第一电极的面向第二电极并且靠近第一电极的旋转轴线(4)的表面上，由此液体水在被第一电极的旋转导致的离心力的作用下向外地朝向第一电极的外围推进经过电晕放电区。
Description
技术领域
本发明涉及适合于工业的和家庭的应用的用于过氧化氢(H2O2)的生成的方法和装置。
背景技术
美国专利第9,610,559号和US 2017/0335471公开了用于水向H2O2的转化的装置，基于水蒸气向H2O2的转化的原理，通过将水蒸气输送经过在一对的电极之间产生的电晕放电区，一对的电极中的至少一个被绝缘。
这样的装置的一个缺点是不可能使用普通的非蒸馏自来水产生蒸气，因为某些蒸气分子的团当与温度达到800℃的流光电晕放电相互作用时蒸发。
作为结果，溶解在水中的Ca和Mg盐转移至固相并且作为水垢在电极上沉降，要求电极的定期清理。
不能够使用普通的水用于向H2O2转化显著地减少可能的应用的数目，例如植物、果实、浆果和花、温室以及静止的和移动的食品冷藏库的消毒，即当大量的蒸馏水的使用增加工艺的成本时。
根据已有的理论，在使用电晕放电的水向H2O2的转化中，仅5％的总能量直接地用于H2O2的生成，具有总消耗能量的总计95％的热损失。
因此，在是高能量消耗过程的生产高浓度H2O2中的问题中的一个是热量的从电极的有限的表面的强烈的消散。
发明内容
本发明的一个目的是延伸其的使用的领域以及简化转化器。
被考虑的目的首先通过放弃用于向H2O2的转化的水蒸气的使用并且代替地将水层布置在电极中的一个上沿着面向另一个电极的侧部从而保留电晕放电在其内发生的、在上水层和另一个电极之间的空气缝隙被实现。
因此，水的层和空气的层被同时地输送经过电晕放电区。
整个电晕放电电流流动经过水层，水层实际上被用作电极。
在所提出的方法中，水被供应至其的电极被相对于另一个静止电极旋转，同时水被供应至旋转的电极靠近其的旋转轴线。
由于在离心力的作用下电晕放电的直接段中的方向角的改变，液体流动作为层朝向电极边缘推进，层的厚度由水量、电极表面和其的旋转速度决定。
从旋转的电极的水移除当小的分散滴由于离心力从电极边缘被脱离时发生。因此，为了避免小的分散滴的蒸发，在电晕放电中，雾化在电晕放电范围外进行。
在实践中，仅要求旋转的电极的外径大于静止电极的外径。
本发明解决了在电晕放电的增加的强度的从电极的急剧热量移除的问题，以接收H2O2的高的浓度以及转化器的简化。
在一个实施方式中，技术方案是基于使用单一的液体容器将液体供应至电极以用于其的向H2O2的转化以及也用于冷却它们的构思。
此外，用于冷却电极的液体被移除入容器中。
因为液体被在容器中加热，所以被供应的液体被传递经过外部冷却器。
同时，在容器中的液体被用于在低电势端子和旋转的电极之间的电解期间将低电势从高交流电压发生器传输至旋转的电极。
被同时地供应的液体的单一的容器的冷却高电势和低电势电极的用途，电阻性去耦合是需要的。
去耦合通过经过由电绝缘材料10制造的通道的向高电势电极的液体供应和向容器的液体移除被实现，其中液体用作电阻器。具有10cm的长度和1.5mm的内径的通道具有10MΩ的电阻。
实现根据本发明的方法的转化器包含主体，主体包括上部分、中央部分和下部分。
上部分容纳电动机(具有电源端子和轴线，轮轴被紧固至轴线)、高电势静止电极(具有冷却轮廓以及用于向冷却轮廓的冷却液体供应并且用于从冷却轮廓的冷却液体移除的通道)、在高电势电极下的绝缘体、旋转的电极(具有被紧固至轮轴的偏离壁)以及用于向旋转的电极的面向高电势电极的侧部的液体供应的通道。
主体的中央容纳H2O2收集器、用于H2O2的向转化器外的移除的孔、用于向旋转的电极的面向高电势电极的侧部的冷却液体供应的通道、位于主体的下部分中的向容器的液体入口(H2O)以及用于从通道的液体移除的孔，用于从冷却轮廓至该容器的冷却液体移除。
此外，主体的下部分容纳压缩机，压缩机具有入口和出口开口和被紧固至轮轴的下部分的转子。
在主体外的是高交流电压发生器，具有电压供应端子和连接至高电压电极的高电势输出部以及连接至安装在在液体容器中的主体的下部分中的低电势端子的低电势输出部。
此外，外部冷却器位于主体外，其的输入部经过通道连接至压缩机输出部，并且冷却器输出部经过分布通道连接至用于向电极的液体供应的通道。
附图说明
为了理解本发明并且为了看到本发明可以如何在实践中被实施，实施方式现在将仅以非限制性的实施例的方式参考附图被描述，在附图中：
图1示意性地图示了根据本发明的一个实施方式的用于将水转化为H2O2的装置。
具体实施方式
参考附图，示出了根据本发明的一个实施方式的用于将水转化为H2O2的装置。装置包括以下的零件：主体1、具有供入端子3和轴线4的电动机2、由导电材料形成的被紧固至轴线4的轮轴5、高电势静止电极6、电极6的冷却轮廓7、绝缘体8、圆盘形状的旋转的电极10(具有偏斜壁11，构成第一电极，被紧固至轮轴5并且与轮轴5导电地接触)、用于冷却液体的从轮廓7的移除的通道12、用于冷却液体的从轮廓7移除至液体容器17的出口13、具有电源端子15的高交流电压发生器14、安装在液体容器17中的低电势端子16、压缩机18(具有被紧固至轮轴5的下部分的叶轮19)、压缩机18的入口20和其的出口21、外部冷却器23的入口通道22(连接至压缩机18的出口20)、开口24(构成用于向容器17的液体供应的水入口)、分布通道25(连接至外部冷却器23的出口和通道26、29和30，用于向电极6和10的液体供应)、收集器28(用于H2O2移除)以及出口27(用于H2O2的从收集器28向转化器外的移除)。
转化器操作是如下的：
H2O被经过开口24供应至容器17，以将容器17填充至在H2O2收集器28的底部的水平下方的水平。
然后电力被经过端子3供应至马达2并且电力被经过端子15供应至高交流电压发生器14。
因为高交流电压发生器14的高电压输出部连接至构成第二电极的高电势电极6，并且发生器14的低电压输出部连接至低电势端子16并且经过容器17中的液体电耦合至电极10，所以屏障电晕放电区9被在绝缘体8和旋转的电极10之间产生。
当马达2被启动时，压缩机18被激活，从容器17经过出口20向压缩机18的液体供应被初始化。压缩机18的叶轮19的旋转产生离心力，使来自容器17的液体在压力下从压缩机18的出口21经过通道22流动至外部冷却器23的输入部。
已冷却的液体从冷却器23的输出部经过分布通道25和通道30流动，被供应至旋转的电极10的面向绝缘体8的侧部，至靠近旋转的电极10的轴线的区域。该液体被在电极10的旋转期间产生的离心力分布在电极10的表面上在层中，层的厚度取决于液体量、电极10的表面和其的旋转速度。
旋转的液体层由于从电极10的边缘的液体分离被推进至圆盘边缘，在离心力的作用下该水层被转化为小的分散的滴，小的分散的滴落入容器28中，在容器28它们形成液体H2O2，液体H2O2被经过出口27移除至转化器外。
同时地，来自容器17的液体被经过外部冷却器23以及通道25和29输送至高电势电极6的冷却轮廓7，从冷却轮廓7其经过通道12和在主体1的中心中的开口13返回至容器17。
同时，来自容器17的经过冷却器23以及通道25和26的液体也到达旋转的电极10的不面向绝缘体8的侧部。
液体由于电极10的旋转被分布在电极10上，冷却其并且返回至容器17，因为壁11实际上防止该液体与到达容器28的被转化为H2O2的液体混合。
因为容器17中的液体量通过到达容器28的H2O2的量被连续地减少，所以容器17中的液位必须在操作期间通过以恒定的或脉冲的模式操作的外部剂量计被保持恒定。在转化器的完全的工作循环期间保持液位恒定是基本的要求，如例如在US 2017/0335471中描述的，其可以被进一步地引用。
H2O2可以被连续地或周期性地从容器28移除，取决于容器28的容积。因为转化器的主体1不具有空气入口和出口开口，所以在电晕放电区9中生成的臭氧(O3)在主体1内循环而不到达外界。
发明人已经构建具有以下的规格的转化器的开发原型：
| 1. | 绝缘层的材料 | 玻璃 |
| 2. | 电极之间的距离 | 1mm |
| 3. | 电极旋转速度 | 2000RPM |
| 4. | 交流电压源振幅 | ±5kV |
| 5. | 交流电压源频率 | 40kHz |
| 6. | 水消耗 | 300mL/h |
| 7. | 在转化器出口的H2O2浓度 | 100ppm |
H2O2的浓度是被供应的动力的函数，其的95％作为热量被浪费，仅5％有助于H2O2的生成。因此，为了产生如提出的H2O2的高浓度(100ppm)，大量废热被形成并且必须被消散。在实践中实现其的最好的方式是通过某个形式的冷却，如描述的。然而，能够满足于更小的浓度例如仅2ppm的制造商或最终用户可以通过成比例地减少电流减少功率，即相对于为了100ppm的浓度所需要的50分之一。那么加热效果被显著地减少，由此可以是可能的是通过环境空气流动实现足够的冷却而不需要外部冷却。
Claims (12)
1.一种用于水向过氧化氢(H2O2)的转化的方法，所述方法包括：
产生在形成为圆盘的第一电极和面向所述第一电极的第二电极之间的电晕放电区，所述第一电极直径大于所述第二电极，所述第一电极和所述第二电极间隔开，所述第一电极和所述第二电极中的一个被绝缘并且所述第一电极和所述第二电极中的另一个不被绝缘，并且其中所述电极中的每个的各自的表面面向彼此；
旋转所述第一电极从而诱导所述第一电极和所述第二电极之间的相对旋转；以及
将液体状态的水输送至所述第一电极的面向所述第二电极并且靠近所述第一电极的旋转轴线的表面上，由此所述液体状态的水在被所述第一电极的旋转导致的离心力的作用下，作为由水量、电极表面和其旋转速度决定其厚度的层，向外地朝向所述第一电极的外围推进经过所述电晕放电区，从而保留电晕放电在其内发生的、在上水层和所述第二电极之间的空气缝隙。
2.根据权利要求1所述的方法，其中H2O2的从所述第一电极的所述表面的移除通过H2O2的从其的边缘的雾化被实现。
3.根据权利要求2所述的方法，其中H2O2在所述电晕放电区外被雾化。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的方法，包括使用被供应至所述电极的不面向彼此的各自的表面的冷却液体冷却所述电极。
5.根据权利要求4所述的方法，其中被排放至所述第一电极上的所述液体状态的水以及所述冷却液体被从共用的容器经过外部冷却器供应。
6.根据权利要求5所述的方法，其中所述冷却液体被返回至所述容器。
7.根据权利要求4所述的方法，包括供应和移除用于冷却所述电极的所述冷却液体，高电压经过由电绝缘材料制造的通道被施加至所述电极。
8.一种用于将水转化为过氧化氢(H2O2)的装置，所述装置包括：
主体(1)，容纳朝向其的上端部的一对的电极(6、10)，所述一对的电极(6、10)中的一个被绝缘并且所述一对的电极(6、10)中的另一个不被绝缘，并且其中所述电极中的每个的各自的表面跨越在所述表面之间的缝隙面向彼此，使得当高交流电压被施加跨越所述电极时电晕放电区被在所述缝隙中产生，
第一电极(10)是圆盘形状的并且被同心地紧固至轮轴，所述轮轴由导电材料形成并且被可旋转地耦合至电动机(2)的轴，所述电动机(2)被安装在所述主体的所述上端部中，
第二电极(6)被安装在绝缘体(8)上并且配置为用于交流电压发生器(14)的高电压输出部的向其的连接，
所述第一电极(10)的外径大于所述第二电极(6)的外径，
水容器(17)，在所述主体的下端部中，
出口(27)，在所述水容器和所述电极中间，用于H2O2的向所述装置外的移除，
开口(24)，在所述主体中，用于将水供应至所述容器，以及
低电势端子(16)，位于所述主体内朝向其的所述下端部并且配置为用于连接所述交流电压发生器的低电压输出部；其中
液体状态的水被输送至所述第一电极的面向所述第二电极并且靠近所述第一电极的旋转轴线的表面上，由此所述液体状态的水在被所述第一电极的旋转导致的离心力的作用下，作为由水量、电极表面和其旋转速度决定其厚度的层，向外地朝向所述第一电极的外围推进经过所述电晕放电区，从而保留电晕放电在其内发生、在上水层和所述第二电极之间的空气缝隙。
9.根据权利要求8所述的装置，其中电极冷却液体被供应至所述电极的不面向彼此的各自的表面。
10.根据权利要求8所述的装置，还包括用于供应和移除用于冷却所述电极的冷却液体的压缩机(18)，高电压经过由电绝缘材料制造的通道被施加至所述电极。
11.根据权利要求8所述的装置，还包括用于从所述容器接收水和供应用于向H2O2的转化的已冷却的液体以及用于冷却所述电极表面的液体的外部冷却器(23)。
12.根据权利要求10或11所述的装置，包括由电绝缘材料形成的通道(12)，所述通道(12)用于递送和移除用于冷却所述电极的液体，高电压被供应至所述电极。
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