CN113564626A - 一种次氯酸电解槽 - Google Patents

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Abstract

本发明属于涉及一种次氯酸电解槽，包括电解槽本体，所述本体内设置有阳极室和阴极室，所述阳极室与阴极室之间设置有微滤膜；所述阴极室设置有阴极进口和阴极出口，所述阴极室内设置有第一阴极板；所述阳极室设置有阳极进口和阳极出口，所述阳极室内设置有阳极板和第二阴极板；所述第一阴极板、第二阴极板分别与电源的负极连接，所述阳极板与所述电源的正极连接。本发明通过微滤膜将次氯酸电解槽分为阳极室和阴极室，在次氯酸电解槽的阳极室内设置阳极板和第二阴极板，阴极室内设置第一阴极板。在阳极室内设置第二阴极板能够有效地提高电解食盐水获得的次氯酸液内次氯酸根的浓度，从而提高次氯酸液的有效氯含量。

Description

一种次氯酸电解槽
技术领域
本发明涉及电解设备领域，尤其涉及一种制备次氯酸电解槽。
背景技术
次氯酸是一种强氧化剂，能杀死水里的细菌，所以自来水常用氯气(1L水里通入约0.002g氯气)来杀菌消毒。次氯酸能使染料和有机色质褪色，一般用作漂白剂、氧化剂、除臭剂和消毒剂。在生物学中，次氯酸被嗜中性白细胞(NeutropHil)用来杀灭细菌，被广泛用于游泳池的含氯消毒剂产品。
现有的制备次氯酸的装置很多，方法也有很多种。而工业制法有两种：一种是由氯气、四氯化碳·水与氧化汞一同摇荡后蒸馏而得，反应式如下：
Ca(ClO)2+H2O+CO2＝CaCO3↓+2HClO
还有一种通过电解食盐水来制备次氯酸的方法，也是工业上常采用的方法。当接通电源后,带负电的OH-和Cl-移向阳极,带正电的Na+和H+移向阴极。
阳极发生氧化反应：2Cl--2e＝Cl2↑
阴极发生还原反应：2H++2e＝H2↑
总反应式如下：
2NaCl+2H2O＝＝＝2NaOH+H2↑+Cl2↑
当阳极附近生成的氯气溶解于水中时，会形成次氯酸和盐酸，该反应是可逆反应，反应式如下：
H2O+Cl2＝HCl+HClO
有效氯，是指含氯化合物(尤其作为消毒剂时)中氧化能力相当的氯量，可以定量地表示消毒效果。有效氯含量是指含氯化合物中氧化态氯的百分含量。氧化氯含量越高，消毒杀菌效果越强。市场销售的次氯酸钠消毒液(如施康消毒液、康威达消毒液等)含有效氯5％左右，84消毒液原液的有效氯含量应为4％～7％。对于含氯消毒剂来说，其浓度为1％，即为有效氯含量10000mg/L。
在实现本发明的过程中，发明人发现现有技术中存在如下问题：工业上使用的传统电解槽电解食盐水获得的次氯酸液中次氯酸根浓度较低，有效氯含量约50-100ppm，消毒杀菌效果较弱。
如图1所示，现有的一种次氯酸电解槽采用两个电解槽，利用隔膜将第一个电解槽分为阴极室和阳极室，并在第一个电解槽的阳极室出液口连接有第二个电解槽，用于对阳极室内的食盐水和盐酸进行二次电解，提高电解食盐水制备次氯酸的效率。但这种次氯酸电解槽需要占用更大的空间、更多的电能，能耗较大。
在如下文献中，还可以发现更多与上述技术方案相关的信息。授权公开号为CN111334816A的中国专利文件提供了一种电解制备次氯酸水的方法，采用阴离子交换膜替代传统的石棉网隔膜或者涤纶布隔膜。上述技术方案相比传统技术更加安全、环保，制取的次氯酸浓度有所提高，但其需要采用的电极反应催化剂成本较高，不适应大批量生产的需求。
发明内容
为此，需要提供一种次氯酸电解装置，用以解决现有次氯酸电解装置存在电解食盐水得到的次氯酸液有效氯含量低的问题。
本发明提供一种次氯酸电解槽，包括：
电解槽本体，所述本体内设置有阳极室和阴极室，所述阳极室与阴极室之间设置有微滤膜；所述阴极室设置有阴极进口和阴极出口，所述阴极室内设置有第一阴极板；所述阳极室设置有阳极进口和阳极出口，所述阳极室内设置有阳极板和第二阴极板；
所述第一阴极板、第二阴极板分别与电源的负极连接，所述阳极板与所述电源的正极连接。
优选地，所述阳极出口设置有调节阳极出液流速的第一阀门。
优选地，所述阴极出口设置有调节阴极出液流速的第二阀门。
优选地，所述阳极出口位置设置有用于检测流量的第一流量计和/或，所述阴极出口处设置有第二流量计。
优选地，所述第一阴极板和/或第二阴极板为钛板。
优选地，所述阳极板的表面设置有防腐涂层。
优选地，所述防腐涂层为钌铱涂层。
优选地，还包括支撑架，所述支撑架包括第一支撑架和第二支撑架，所述第一支撑架用于连接所述阳极板和所述第一阴极板，所述第二支撑架用于连接所述阳极板和第二阴极板。
优选地，所述第一支撑架和所述第二支撑架的数量均为多个，且所述第一支撑架和所述第二支撑架交错设置。
优选地，还包括：
第一电源，包括第一正极和第一负极；所述第一阴极板、第二阴极板分别与所述第一负极连接，所述阳极板与所述第一正极连接。
区别于现有技术，上述技术方案通过微滤膜将次氯酸电解槽分为阳极室和阴极室，在次氯酸电解槽的阳极室内设置阳极板和第二阴极板，阴极室内设置第一阴极板。通电时，阴极室内的第一阴极板和阳极室内第二阴极板发生还原反应，同时阳极室阳极板发生氧化反应。在阳极室内设置第二阴极板能够有效地提高电解食盐水获得的次氯酸液内次氯酸根的浓度，从而提高有效氯含量。
附图说明
图1为背景技术所述现有次氯酸电解槽的结构示意图；
图2为本发明一具体实施方式所述次氯酸电解槽的结构示意图；
图3为本发明一具体实施方式所述次氯酸电解槽的反应原理图。
附图标记说明：
1、阳极室；
11、阳极进口；12、阳极出口；13、阳极板；14、第二阴极板；
2、阴极室；
21、阴极进口；22、阴极出口；23、第一阴极板；
3、微滤膜；
4、第一支撑架；
5、第二支撑架。
具体实施方式
为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。应理解，这些实施例仅用于说明本申请而不用于限制本申请的范围。
在本申请的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“第一”、“第二”、仅用于描述的目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；除非另有规定或说明，术语“多个”是指两个或两个以上；术语“连接”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接，或电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参阅图2，本发明提供一种次氯酸电解槽，包括电解槽本体，本体内设置有阳极室1和阴极室2，阳极室1与阴极室2之间设置有微滤膜3。
过滤膜根据微孔孔径的大小分为微滤膜(MF)、超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)和反渗透膜(RO)四种形式，微滤膜一般指过滤孔径在0.1-1微米之间的过滤膜。微滤膜采用的材料包括但不限于聚偏氟乙烯(PVDF)、聚砜(PSF)、聚丙烯腈(PAN)、聚氯乙烯(PVC)、聚丙烯(PP)等。微滤膜可以限制本实施例涉及到的次氯酸电解槽内的离子流通的速度。
阴极室2设置有阴极进口21和阴极出口22，阴极室内设置有第一阴极板23；阳极室1设置有阳极进口11和阳极出口12，阳极室内设置有阳极板13和第二阴极板14。阴极进口和阳极进口可以设置在次氯酸电解槽相对较高的位置，便于加入反应液体。加入反应液体后，随着重力的作用液体自然往下流动，而阴极出口和阳极出口可以设置在电解槽相对较低的位置，便于制备得到的次氯酸液从阴极出口流出。阴极板和阳极板均可以采用石墨电极、铅电极、钛电极等等。优选的，次氯酸电解槽阳极室和阴极室的内壁也采用不容易被腐蚀的材料。
本实施例涉及的次氯酸电解槽内部可被配置为密闭环境，阳极室还设置有氯气排气口和氢气排气口，阴极室设置有氢气排气口，以便于将产生的氢气以及氯气分开，并进行后续处理，避免直接排放氢气和氯气对环境造成污染、甚至造成安全隐患的情况发生。由于氢气的密度较小，氯气的密度大，氢气排气口向上设置，氯气排气口向下设置。
第一阴极板、第二阴极板分别与电源的负极连接，阳极板与电源的正极连接。第一阴极板和第二阴极板发生氧化反应，阳极板发生还原反应。
如图3所示，在使用过程中，阳极进口11通入稀盐水，阴极进口21通入纯水。阴极室内的氢离子发生氧化反应得到电子生成产物H2，同时产生大量的氢氧根离子，阴极室内会形成强碱性电解水环境。阳极室内第二阴极板附近的氢离子发生与第一阴极板同样的氧化反应，生成氢气，并产生氢氧根离子。阳极室内的阳极板附近氯离子发生还原反应产生氯气，氯气与水反应产生盐酸和次氯酸，酸性较强。阴极室内的氢氧根离子通过微滤膜进入到阳极室，与阳极室内的HCl、HClO发生中和反应，生成NaCl和NaClO。而第二阴极板与阳极板之间没有微滤膜的限制，氢氧根离子直接与氢离子结合。阳极室内继续对生成的NaCl、HCl进行电解，第一阴极板附近产生氢氧根离子，能够中和阳极室内的氢离子，阳极室内的pH值相应地升高。当次氯酸电解槽内的氢氧根离子被完全中和后，电解生成的HCl中和NaClO生成产物次氯酸水，直至电解系统的pH值下降至某一值后，反应将停止，由此制取高浓度的次氯酸水。
通过上述技术方案可制备pH范围为1-7的次氯酸液，制备得到的次氯酸液的有效氯含量最高可以达到1000ppm。
在优选的实施例中，阳极出口12设置有调节阳极出液流速的第一阀门。第一阀门可以通过调节阳极出口12的流量来调节阳极室内流出液体中的次氯酸根的浓度。次氯酸属于弱电解质，在水溶液中绝大部分以HClO分子的形式存在，极少数在水分子的作用下形成水合离子H+和ClO-。阳极室内电解盐水产生的次氯酸钠在强酸性电解水环境下为次氯酸，这一电解反应则有起到提高次氯酸浓度的作用。将阳极出口的流量调小后，阳极室内的次氯酸液与食盐水在阳极室1内反应的时间变长，从而达到提高次氯酸浓度的作用。将阳极出口流量调大，次氯酸液在阳极室内的反应时间变短，次氯酸的浓度则变低。
在优选的实施例中，阴极出口设置有调节阴极出液流速的第二阀门。通常情况下，阳极室内由于氢离子较多呈现而强酸性，阴极室氢氧根离子较多而呈现强碱性。在阴极出口设置第二阀门可控制调节阴极出口的流量，从而调节次氯酸的pH值。将阴极出口的流量调小，总进水流量不变，阴极室内的氢氧根数量增多，氢氧根不断往阳极室移动，从而使得阳极室内的氢氧化钠增多，可中和阳极室的pH，达到提高次氯酸溶液pH值的作用。反之，阴极出口流量调大，次氯酸pH值相应地降低，移动到阳极室的氢氧根数量减少，中和的pH值减小，次氯酸溶液pH值降低。调节pH值，得到pH值为5-6的次氯酸可直接作用于皮肤。
在优选的实施例中，阳极出口12位置设置有用于检测流量的第一流量计和/或，阴极出口22用于检测流量设置有第二流量计。在阳极出口设置第一流量计便于对阳极出口的流量进行检测、观察和控制，进而影响次氯酸液的有效氯含量。阴极出口处设置的第二流量计便于对阴极出口的流量进行检测、观察和控制，进而调节阴极室内液体的pH值。第一流量计和第二流量计可以检测流量，控制单元可以根据流量计检测得到的流量值对于阳极室或阴极室的出液浓度进行调节，从而得到满足生产要求的溶液。
在优选的实施例中，第一阴极板23和/或第二阴极板14为钛板。常用的电极分为非金属电极和金属电极。与传统的石墨电极、铅基合金电极相比，钛电极具有工作电压低、电能消耗小、工作寿命长、可提高电流密度、耐腐蚀性强、基体可反复使用等等优点。
在优选的实施例中，阳极板13的表面设置有防腐涂层。由于本实施例涉及的次氯酸电解槽内盛放有氯化钠溶液，阳极板长期与其接触容易被腐蚀。因此需要在阳极板的表面采取防止腐蚀的措施。防腐涂层是指涂敷在金属表面上使之与周围介质隔离，以防止金属腐蚀的一种覆盖层，具有良好的电绝缘性和隔水性，有较强的附着力，能抗化学破坏和有一定的机械强度。
在优选的实施例中，防腐涂层为钌铱涂层。按照在电化学反应中阳极析出气体来区分，用于阳极上析出氯气的称为析氯阳极，如钌系涂层钛电极；用于阳极上析出氧气的为析氧阳极，如铱系涂层钛电极。若电极涂层中含有二氧化钌，电极的析氯电位降低，但该电极的析氧电位也低，电极在析氯的同时也有氧析出，从而使析氯电流效率下降，氯中含氧量上升。而在电极涂层中添加二氧化铱氧化物可以提高氧的析出电位，降低氧的析出量。使得氯中含氧量减少。且将铱元素加入涂层中，有效提高了电极的使用寿命。通过在阳极表面涂覆氧化钌铱涂层，可以提高阳极解析氯的特性，并可在阳极、阴极通电时降低钛管的温度，有效降低电解反应产生的热量，提高其长时间电化学反应的稳定性，使其高效节能。
优选的，钌铱涂层包括钌层板和铱层板，铱层板、钌层板沿阳极板的厚度方向自内而外设置，即可以在最外层设置钌层板，用药提升阳板的活性和性能，减少污染；在最外层靠里的一层设置铱层板，用于提高阳极板的附着力，使工作电流密度大幅度提高。
在优选的实施例中，还包括支撑架，支撑架包括第一支撑架4和第二支撑架5，第一支撑架用于连接阳极板和第一阴极板，第二支撑架用于连接阳极板和第二阴极板。第一支撑架和第二支撑架可以分开设置，也可以一体成型同时连接第一阴极板、阳极板和第二阴极板。支撑架的材质优选为绝缘材质，这样可以避免对电解过程和结果产生干扰。通过设置支撑架一方面可以增强次氯酸电解槽内的电极的结构稳定性，防止其晃动甚至与其他电极板接触；另一方面，固定各个电极板后，电解过程中电极间距离不改变，可保证电解操作在槽电压稳定情况下进行。
在优选的实施例中，第一支撑架4和第二支撑架5的数量均为多个，且第一支撑架和第二支撑架交错设置。第一支撑架和第二支撑架数量为多个，能进一步增强阳极板、第一阴极板以及第二阴极板的结构稳定性。
在优选的实施例中，第一电源包括第一正极和第一负极；第一阴极板、第二阴极板分别与第一负极连接，阳极板与第一正极连接。第一阴极板和第二阴极板连接在同一个电源上，结构简单，节约成本。
在其他一些实施例中，至少两个电源，包括第一电源和第二电源，第一电源和第二电源相互独立，第一电源包括第一正极和第一负极；第二电源包括第二负极和第二正极。第一阴极板与第一负极连接，第二阴极板与第二负极连接，阳极板与分别与第一正极、第二正极连接。次氯酸与至少两个电源连接，一方面可以保证槽电压不低于反应所需的电压值，进一步提高电解槽的反应速度。另一方面，第一电源与第二电源相互独立，可以单独开启第一电源或者单独开启第二电源，从而更加方便地控制次氯酸电解槽内的反应。当单独开启第一电源时，只有第一阴极板和阳极板可以进行电解反应。当单独开启第二电源时，只有第二阴极板和阳极板可以进行电解反应。
需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本发明的专利保护范围。因此，基于本发明的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种次氯酸电解槽，其特征在于，包括：
电解槽本体，所述本体内设置有阳极室和阴极室，所述阳极室与阴极室之间设置有微滤膜；所述阴极室设置有阴极进口和阴极出口，所述阴极室内设置有第一阴极板；所述阳极室设置有阳极进口和阳极出口，所述阳极室内设置有阳极板和第二阴极板；
所述第一阴极板、第二阴极板分别与电源的负极连接，所述阳极板与所述电源的正极连接。
2.根据权利要求1所述的次氯酸电解槽，其特征在于，所述阳极出口设置有调节阳极出液流速的第一阀门。
3.根据权利要求1所述的次氯酸电解槽，其特征在于，所述阴极出口设置有调节阴极出液流速的第二阀门。
4.根据权利要求1所述的次氯酸电解槽，其特征在于，所述阳极出口处设置有第一流量计和/或所述阴极出口处设置有第二流量计。
5.根据权利要求1所述的次氯酸电解槽，其特征在于，所述第一阴极板和/或第二阴极板为钛板。
6.根据权利要求1所述的次氯酸电解槽，其特征在于，所述阳极板的表面设置有防腐涂层。
7.根据权利要求6所述的次氯酸电解槽，其特征在于，所述防腐涂层为钌铱涂层。
8.根据权利要求1所述的次氯酸电解槽，其特征在于，还包括支撑架，所述支撑架包括第一支撑架和第二支撑架，所述第一支撑架用于连接所述阳极板和所述第一阴极板，所述第二支撑架用于连接所述阳极板和第二阴极板。
9.根据权利要求8所述的次氯酸电解槽，其特征在于，所述第一支撑架和所述第二支撑架的数量均为多个，且所述第一支撑架和所述第二支撑架交错设置。
10.根据权利要求1所述的次氯酸电解槽，其特征在于，还包括：
第一电源，包括第一正极和第一负极；所述第一阴极板、第二阴极板分别与所述第一负极连接，所述阳极板与所述第一正极连接。
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