CN1152341A - 用于产生混合氧化剂气体的电解池 - Google Patents

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Abstract

电解池(10)包括阳极板(12)、阴极板(30)及插在该阳极板与阴极板之间的渗透膜(20)。阳极密封垫(14)插在阳极板与渗透膜之间，形成阳极室(34)。阳极密封垫可以包括一个双极电极(92)。阴极密封垫(28)插在阴极板与渗透膜之间，形成阴极室(36)。设置在阳极室外部的阳极电解液储存器(50)向阳极室供给阳极电解液(38)并从阳极室排出混合氧化剂气体(39)。设置在阳极电解液储存器及阳极室外部的阳极电解液补给罐(62)向阳极电解液储存器供应阳极电解溶液。阳极电解溶液借助于重力从阳极电解液补给罐输送到阳极电解液储存器，并流入阳极室。设置在阴极室外部的阴极电解液储存器(76)向阴极室供应阴极电解液(40)并从阴极室排出气体(73)。阴极电解液储存器中的阴极电解液靠重力输送到阴极室内。将电压施加到阳极板与阴极板之间以在各室中进行电解反应，从而产生用于对水进行有效处理的所需流量和比例的混合氧化剂气体。

Description

用于产生混合氧化剂气体的电解池
本专利申请是1993年10月21日提出的系列号08/141229的美国专利申请的部分继续申请。
本发明一般涉及通过电解反应产生由不同含氯物质的混合物组成的水体处理用氧化剂气体的电解池。
采用各种类型的水处理化学药剂控制生物活性如象孢子、细菌、病毒、过敏性、霉菌、以及对水质有不利影响的任何其他生物现象，已众所周知。为控制结垢和腐蚀而向水中加入化学药剂也是已知的。这类化学药剂经常在象游泳池、主题乐园一类的娱乐场用水、如冷却塔之类的工业或商业生产用水、工业和城市污水处理等、以及在饮用水中使用。鉴于目前对环境认识的提高，比以往更为迫切地需要将应用于污水处理和有价值的水资源保护的各种化学药剂减少到最低限度，并为此需要使工业和娱乐业用水得到最大限度的使用和循环使用。因此，为使在上述应用场合中的用水得到最大限度的使用和循环使用，要求用于水处理的化学药剂能有效地控制生物活性、腐蚀、及结垢，使水能够反复不断地重新使用，并且任何排水都是无害和无毒的。
使用氯对诸如游泳池、浴池、蓄水池、冷却塔的水、娱乐场用水等水体或户外露天的任何形式的水体进行消毒，是众所周知的。在过去，氯通常是通过直接使用蓄压储气罐中的氯气(Cl2)提供的。氯还可以通过电解池由电解产生来提供。也使用过其他的含氯气体物质如象二氧化氯(ClO2)对水体进行消毒。二氧化氯是一种危险的易爆气体，通常是在使用地点通过氯盐的化学分解以水溶液的形式产生。用电化学方法从氯化物产生二氧化氯，在大约1982年以前的文献中尚未见到过。
Lindstaedt的美国专利No.2887444公开了一种系统，在该系统中，向水体如游泳池供给低浓度的溶解食盐，并从主水体抽出水流，经电解产生氯后再将氯及水流送回主水体。
Murray的美国专利No.3223242公开了另一种形式的用于产生氯的电解池，将氯引入从游泳池或其他水体抽出的水流再送回该游泳池或其他水体。
Richards的美国专利No.3282823公开了一种用于在线地产生氯的电解池，将氯引入从游泳池抽出的水流再送回该游泳池。
在Oldershaw的美国专利No.3351542、Colvin的美国专利No.3378479、Kirkham的美国专利No.3669857、及Yates的美国专利No.4097356中提出了其他使用电解池对水体进行加氯消毒的氯化系统。这些电解池是以各种各样的构形公开的，该电解池的大多数都利用离子渗透膜分隔装有阳极和阴极的室。
用于电解池的离子渗透膜技术得到很好的开发。在电解池中使用的离子渗透膜可采用从石棉薄膜到羧酸盐树脂聚合物乃至全氟磺酸聚合物薄膜。全氟磺酸聚合物薄膜是由Dupont为使用于电解池而开发的。
Dotson的美国专利No.3793163公开了在电解池中采用Dupont全氟磺酸聚合物薄膜，并在讨论这类薄膜及其各种应用时引用了美国专利No.2636851；3017338；3560568；34696077；2967807；3282875及英国专利No.1184321。
Walmsley的美国专利No.3909378公开了另一种类型的氟化离子交换聚合物，用于在电解盐溶液的电解池中使用的薄膜。
对电解池中使用的薄膜技术的进一步讨论可在以下专利中查到，即Butler的美国专利No.3017338、Danna的美国专利No.3775272、Kircher的美国专利No.3960697、Carlin的美国专利No.4010085、及Westerlund的美国专利No.4069128。
在技术文献中也讨论了全氟磺酸薄膜的使用，例如1973年5～6月的Dupont Magazine(杜邦杂志)P22～25及由Grot、Munn及Walmsley提交141届美国电化学学会全国会议(得克萨斯州休斯顿市，1972年5月7～11日)的一篇题为“全氟化交换膜”的论文。
上列专利提出了电解池中使用的电极的结构。此外，以下专利给出了在这类电解池中使用的阳极和阴极的具体结构。
Giacopelli的美国专利No.3375184公开了一种带有可控多重电极的电解池，该电极是在电镀池中的平板电极。
Lohreberg的美国专利No.3951767公开了使用沿其底部具有沟槽的平板电解阳极导出在电解过程中产生的气泡。
Andreoli的美国专利No.565953公开了具有多个金属网的电镀设备，该金属网不连接在电路中，其作用是将电解分离的金属沉积出来。
Western和Hoogland在Electrochemical Technology(电化学工艺)5、56-58(1967)上发表的“由电解NaCl得到氯的ClO2含量”一文中报告了在缺乏氯酸盐的情况下电解NaCl不产生ClO2。
Sweeney的美国专利No.4256552公开了一种用于游泳池、水系统等加氯消毒的电解发生器，其中在阳极与阳离子交换膜之间的阳极室内，在室的分隔壁上设置了一个双极电极。
Sweeney的美国专利No.4334968公开了对美国专利No.4256552的电解池即发生器的改进，并公开了在该电解池中二氧化氯的产生。
Sweeney的美国专利No.4248681公开了一种在美国专利No.4256552及美国专利No.4334968的电解池中产生氯/二氧化氯混合物的方法并给出某些最佳操作条件。
Sweeney的美国专利No.4308117公开了一种具有三个室的电解池，其阳极和阴极分别设在外室而双极电极设在中央室。阳离子交换膜设置在中央室与阴极室的间壁上，而阴离子交换膜设置在中央室与阳极室的间壁上。
Sweeney的美国专利No.4324635公开了一种具有一个阳极室、一个阴极室、及一个由阳离子交换膜构成的分隔壁的电解池。该电解池包括一个使部分阴极液从阴极室到阳极室循环流动的泵，用于pH控制。
Sweeney的美国专利No.4804449公开了一种包括一个阳极室、一个阴极室的电解发生器，至少有一个分隔阳极和阴极室的壁由离子交换膜构成，并且在阳极或阴极的任何一个室内设有至少一个双极电极。
已经发现，采用由氯气和二氧化氯气的混合气组成的气体成分可以实现对生物活性、结垢、腐蚀的最佳控制度。在以上引用的专利中所公开的电解装置主要涉及通过电解反应产生氯气。以上引用的专利多数是用间断式操作产生氯气而不是连续式操作。采用间断式系统已知会使所产生的气体物质的成分随着电解液在使用过程中的浓度变化而发生变化，这极大地限制这类系统的有效性。此外，在现有技术中已知的许多电解池，因其结构而导致以电效率低的方式操作，为克服电解池的内阻并实现预期的电化学反应，需要高的电压输入。
因此，电解池最好是以这样一种方式构成，即能以预定的比值产生由氯和二氧化氯组成的混合氧化剂气体，以便最大限度地控制水体中的生物活性、结垢、及腐蚀。电解池的构成最理想的是便于以优选的比例产生氯气和二氧化氯气而且该比例在电解池操作期间不发生变化。
电解池最好是以这样一种方式构成，即能获得高的电效率，从而在实现预期的电解反应和产生所需气体的过程中能更有效地利用能量。电解池的构成最好是使其在现场便于操作和维护。另外，电解池的构成最理想的是从制造和经济的观点来看都是可行的。
为此，在本发明的实施中备有一种产生混合氧化剂气体的电解池，用于控制水体中的生物活性、结垢、及腐蚀。该电解池包括一个阳极板、一个阴极板、及一个插在该阳极板与阴极板之间的膜板。将一个在其中央带有开孔的阳极密封垫插在阳极板与膜板之间，形成一个容纳一定容积的阳极电解液的阳极室。该阳极密封垫可以包括一个在其开孔的一部分上延伸的双极电极。另一个在其中央带有开孔的密封垫插在阴极板与膜板之间，形成一个容纳一定容积的阴极电解液的阴极室。
设置在阳极室外部的阳极电解液储存器装有预定容积的阳极电解液并以液压方式与阳极板上的阳极电解液进口连接，用于向阳极室供给阳极电解液。阳极板上的混合气和阳极电解液出口是与阳极电解液储存器的混合气和阳极电解液进口连接的，用于排出在阳极室内产生的混合氧化剂气体并使阳极电解液连续地循环流过阳极室。阳极电解液储存器有一个出气口，用于使混合氧化剂气体从阳极电解液储存器排出并将其通入水体。阳极电解液储存器有一个阳极电解液供入口，用于从设置在阳极电解液储存器及阳极室外部的阳极电解液补给罐接受饱和的电解溶液。在阳极电解液补给罐中的电解溶液靠重力输送到阳极电解液储存器。在阳极电解液储存器中的阳极电解液靠重力输送到阳极室，并借助于热对流及混合氧化剂气体的迁移循环流过阳极室。
设置在阴极室外部的阴极电解液储存器装有预定容积的阴极电解液并以液压方式与阴极板上的阴极电解液进口连接，用于向阴极室供给阴极电解液。阴极板上的气体和阴极电解液出口是与阴极电解液储存器的气体和阴极电解液进口连接的，用于排出在阴极室内产生的气体并使阴极电解液连续地循环流过阴极室。阴极电解液储存器有一个出气口，用于从阴极电解液储存器排出气体。阴极电解液储存器有一个新鲜水进口及对水的引入进行调节的装置，用于将阴极电解液的比重保持在预定值。在阴极电解液储存器中的阴极电解液靠重力输送到阴极室，并借助于气体的迁移循环流过阴极室。
将3到10伏范围的电压施加在阳极和阴极之间，使阳极室内产生电解反应，产生出由二氧化氯(ClO2)和氯(Cl2)组成的混合氧化剂气体，并在阴极室内产生氢(H2)气。通过有效地从阴极室排出H2气、及通过钠离子(Na+)从阳极室通过膜板上的渗透膜的迁移，可促进阳极室内电解反应的完成，而钠离子(Na+)在阴极室内与氢氧基(OH-)离子反应生成氢氧化钠(NaOH)。由于在电解池的构成中包括了设置在外部的阳极电解液及阴极电解液储存器，因而使阳极室和阴极室的电解液容积减小，所以本电解池能使用如此低的电压产生出组成和流量均为最佳的混合氧化剂气体。此外，采用连续的阳极电解液供给系统取代间断式的系统，能够使产生的氧化剂气体具有所要求的混合氧化剂气体物质的恒定比例。
本发明的上述和其他特点和优点在参照说明书、权利要求、及以下附图对本发明有了更好的理解时，将看得更加清楚。
图1是按照本发明的原理构成的第1优选实施例的半示意横断面图。
图2是在电解池中使用的阳极板的平面图。
图3是构成电解池所用的密封垫的平面图。
图4是构成电解池所用的具有一个渗透膜的膜板的平面图。
图5是说明对在稳态条件下操作的电解池内循环的阳极电解液进行紫外光谱分析的曲线图。
图6是其电解池包括一个双极电极的实施例的半示意横断面图。
图7是其密封垫具有一个双极电极的实施例的平面图。
图8是图1的电解池的第2优选实施例的半示意横断面图。
图9是具有多个按照本发明的原理构成的电解池的第1优选多重电解池实施例的透视图。
图10是具有多个按照本发明的原理构成的电解池的第2优选多重电解池的透视图。
在本发明的实施中提供的电解池，可以在工业和(或)商业应用如象冷却塔、生产过程水处理、食品加工等的用水，在游乐业如象游泳池、主题乐园等，以及在市政应用如象污水处理及饮用水消毒等大规模水体中用来控制生物活性、腐蚀、及结垢。该电解池对生物活性、腐蚀、及结垢提供有效的控制而无需使用辅助的化学型添加剂。电解池是通过电解产生由含氯气体物质混合物组成的氧化剂气体并将其通入大规模水体实现上述控制的。
图1示出按照本发明的原理构成的第1优选的实施例。电解池10具有一个阳极板12，该阳极板12通常由刚性结构材料构成，沿其周边备有多个螺栓孔(图中未示出)。阳极板可以用任何型式的导电材料构成，但因与电解液及在阳极板上产生的电解生成物接触而在化学上应是耐蚀的，对氧化作用具有在电化学上的耐蚀性，并具有机械刚性，以使其能够用作在电解池中盛装电解液的一个结构构件。适用于构成阳极板的材料有铌、钶、锆、石墨、或钛。用钛可以构成优良的阳极板。此外，阳极板与电解池内的电解溶液接触的表面最好是用一种导电材料覆盖。适用的阳极板覆盖层有铂、钌、或铱。要求用这类材料覆盖阳极板，是因为用来构成阳极板的化学和电化学耐蚀材料一般都不是电的良导体。因此，要求使用这类覆盖层是为了增加阳极板在与电解溶液接触部位的导电性。在一个优选的实施例中，阳极板用钌覆盖。
阳极板可以配置成各种不同的几何形状，如正方形、矩形、圆形等。一种优先选用的阳极板结构是尺寸约为36cm×13cm的矩形。优先选用矩形结构的原因是矩形被认为能影响在电解池的室中形成的气泡大小和逸出。在电解反应过程中，高度大于宽度的电解池室在电解液内易于形成小的气泡，可将在阳极表面上造成开路的可能性减小到最低程度。阳极板可具有足以为电解池提供所需结构刚度的厚度。在一个优选的实施例中，阳极板的厚度约为2mm。
从电解池的阳极到阴极方向(图1中从左到右)看，一个阳极密封垫14紧贴着阳极板12的表面。如图3所示，该密封垫可由一块在垫的中央部分有一个开孔16的弹性材料构成。环绕该阳极密封垫的周边部分具有多个按照与阳极板的多个螺栓孔相对应的分布图形排列的螺栓孔18。该阳极密封垫可用非导电的、耐热、耐化学腐蚀的任何类型的弹性结构材料制造。适用于构成阳极密封垫的材料包括硅橡胶、氯化聚氯乙烯(CPVC)、聚四氟乙烯等。在一个优选的实施例中，该密封垫用80号CPVC制造。
为达到对电解池内的电解液的更为有效的密封，阳极密封垫的尺寸可以与阳极板的尺寸近似相同。在一个优选的实施例中，对于大约以40安培电流操作的电解池，密封垫的外形尺寸可约为33cm×13cm，而开孔尺寸可约为25cm×6cm。如图1和图2所示，要求阳极密封垫在长度上比阳极板小一些，以便子与从电解池伸出的阳极板上部进行电气连接。
膜板20紧贴着阳极密封垫14的表面。该膜板可以由一块渗透膜材料构成，便于在电解液中存在的阳离子通过其表面转移。如图4所示，渗透膜板各表面的周边部分可用不导电的耐热耐化学腐蚀的弹性材料22覆盖，例如硅橡胶、聚四氟乙烯等。最好是覆盖渗透膜的周边部分，以提高渗透膜板的刚性并提供与阳极密封垫对接的无孔隙表面，构成对电解液的密封。
膜板20具有的总体形状可与阳极密封垫14相同，以提供与阳极密封垫的有效密封，将电解液保持在电解池内。环绕膜板的周边部分备有按照与阳极板12及邻接的阳极密封垫14的螺栓孔分布图形相对应的图形排列的多个螺栓孔24。渗透膜的未覆盖部分26在尺寸和形状上可与阳极密封垫的开孔一致。因此，当将膜板与阳极密封垫靠紧连接时，渗透膜的未覆盖部分26所占的膜板面积在尺寸和形状上可与相邻接的阳极密封垫的开孔相吻合。为有利于在电解池中进行产生所需混合氧化剂气体的电解反应，渗透膜可用能使阳离子例如钠(Na+)离子等通过其表面转移的适用材料制作。适用的渗透膜包括用DuPont Chemical(杜邦化学公司)制造的以NAFION商标销售的离子渗透材料制作的渗透膜，或用Na-tional Filter Media of Salt Lake City、Utah(犹他州盐湖城的国家过滤介质公司)销售的以KANECARON商标投放市场的非离子变性聚丙烯晴材料制作的渗透膜。在一个优选的实施例中，渗透膜材料为KANECARON。在一个优选的实施例中，渗透膜材料片的厚度可约为1mm。
阴极密封垫28紧贴着膜板20的表面。阴极密封垫可具有与阳极密封垫14相同的尺寸和形状。因此，为简单起见，可参照图3来说明阴极密封垫。阴极密封垫由一块在垫的中央部分有一个开孔(类似于图3中的16)的弹性材料构成。环绕该密封垫的周边部分具有多个按照与邻接膜板20的多个螺栓孔24相对应的分布图形排列的螺栓孔(类似于图3中的18)。该阴极密封垫可用与构成阳极密封垫的上述同样类型的弹性耐化学腐蚀耐热的材料制造。在一个优选的实施例中，该密封垫用硅橡胶制造。
在一个优选的实施例中，阴极密封垫28制作成矩形，其外形尺寸和开孔尺寸与以上对阳极密封垫14所述外形尺寸和开孔尺寸近似相等。因此，当将其与膜板20的表面靠紧连接时，阴极密封垫膜的开孔在尺寸和形状上与渗透膜26的未覆盖部分相吻合。
阴极板30紧贴着阴极密封垫28的表面。阴极板可以用导电的、对电解液及在电解池内产生的电解生成物在化学上是耐蚀的、并具有机械刚性的材料制作，使其能够用作将电解液保持在电解池内的一个结构构件。由于对阴极板选用的材料不要求具有电化学耐蚀性，所以该材料应具有无需再加导电复盖层的足够的导电性。因氧化作用发生在阳极而不在阴极，所以对阴极板所选用的材料没有必要在电化学上具有惰性。适用于构成阴极板的材料可包括不锈钢316L、不锈钢317L、或254 SMO不锈钢。在一个优选的实施例中，该阴极板可用316L型不锈钢制作。
阴极板可具有各种不同的形状，如正方形、矩形、圆形等。基于以上对阳极板12所述的同样原因，阴极板最好选用矩形。在一个优选的实施例中，阴极板具有与邻接的阴极密封垫28的外形尺寸相似的尺寸。与阳极一样，阴极板环绕其表面的周边部分具有多个按照与邻接的阴极密封垫28的多个螺栓孔相对应的分布图形排列的螺栓孔(图中未示出)。阴极板可具有足以为电解池提供所需结构刚度的厚度。在一个优选的实施例中，阴极板的厚度约为3mm。
由阳极板12、阳极密封垫14、膜板20、阴极密封垫28、及阴极板30装配成的组合体即构成电解池。可用常用的紧固件如螺栓32将这些部件固定在一起。如图1和图2所示，可在阳极板12的与阳极密封垫相反的表面加一块绝缘板33，用于防止因固紧螺栓而在阳极板与阴极板之间造成电的短路。绝缘板33可由一块不导电的材料制作，环绕其周边具有多个按照与阳极板的多个螺栓孔相对应的分布图形排列的螺栓孔(图中未示出)。该绝缘板的尺寸小于阳极板，其尺寸与阳极密封垫的外形尺寸近似相等。在一个优选的实施例中，该绝缘板用聚氯乙烯(PVC)制作。因此，为防止在阳极板与阴极板之间造成电的短路，固定螺栓最好是覆盖或套以不导电材料。
在电解池中由阳极板、阳极密封垫、及膜板构成一个阳极室34。该阳极室的容积由阳极密封垫的开孔决定。同样，在电解池中由阴极板、阴极密封垫、及膜板构成一个阴极室36。该阴极室的容积由阴极密封垫的开孔决定。
阳极室34设计成能容纳一定容积的电解溶液38，当对该溶液通电时，将进行电解反应，产生由含有所需比例的氯的气体物质组成的氧化剂气体39。在一个优选的实施例中，该阳极室具有大约100毫升的容积。阳极室内的电解溶液在下文中称作阳极电解液。同样，阴极室容纳一定容积的不同电解溶液40，当对该溶液通电时，将进行电解反应，在阴极室产生氢。在一个优选的实施例中，该阴极室具有大约100毫升的容积。阴极室内所用的电解溶液在下文中称作阴极电解液。这里虽已公开了阳极室和阴极室的大约容积，但应该知道各室的容积只取决于在阳极室与阴极室之间的空间，正如以下将要说明的，其容积可以改变。
适用的阳极电解液可由任何一种水溶性氯化物盐组成，如氯化钠(NaCl)、氯化钾(KCl)、氯化锂(LiCl)、氯化铷(RbCl)、氯化铯(CsCl)、氯化铵(NH4Cl)、氯化镁(MgCl2)、氯化钙(CaCl2)等。适用的阳极电解液还可由亚氯酸盐如亚氯酸钠(NaClO2)单独或添加在水溶性氯化物盐内组成。对于阳极电解液最好是能包含一定量的亚氯酸盐，这是因为只有在阳极电解液中存在亚氯酸盐离子(ClO2 -)时才能电解生成二氧化氯气(ClO2)。在一个优选的实施例中，阳极电解液由氯化钠(NaCl)组成。为促进阳极室内的电解反应，所选择的阴极电解液应能迅速地进行这样的电解反应，即能使其电解生成物容易与阳极电解液的电解生成物结合，从而能推动阳极室内形成混合氧化剂气体39的反应加快完成。在一个优选的实施例中，阴极电解液由氢氧化钠(NaOH)组成，该氢氧化钠(NaOH)是作为在阴极室内通过电解水分子产生的氢氧基离子(OH-)与在阳极室内通过电解NaCl产生的钠离子(Na+)之间的反应物而生成的。因此，阴极电解液原本是水，但在电解池工作过程中，迅速进行电解并反应生成与所选用的特定阳极电解液对应的氢氧化物。
为了将与通过阳极电解液和阴极电解液容积的电传递有关的电解室内阻减小到最低限度，最好是将阳极板与阴极板的相互间隔靠近。为达到最小的内电阻，可将阳极板与阴极板的间隔距离设置在6mm到7cm之间。如后文所述，将阳极板与阴极板的间隔设置在此范围内还可使阳极室和阴极室各室内的阳极电解液和阴极电解液的循环变得容易。所要求的间隔可通过选择阳极板和阴极板密封垫的厚度来达到。在一个优选的实施例中，阳极板和阴极板的间隔距离约为13mm。在这样的实施例中，阳极和阴极密封垫各自的厚度约为6.5mm。
如图1和图2所示，阳极电解液进口接头42位于阳极板的下端，通过阳极板延伸到阳极室内。该阳极电解液进口接头可用常规方式例如用螺纹联接、焊接等连接于阳极板。阳极电解液进口接头具有一个可与阳极电解液输送管44螺纹连接配合的螺纹联接件。阳极电解液进口接头应设置在离阳极板的下端边缘有足够距离的部位，以免在将阳极电解液输送到阳极室内时受到阳极密封垫14的阻塞。
如图1和图2顶部附近所示，混合气和阳极电解液出口接头46位于阳极板的上端，并通过阳极板延伸到阳极室内。与阳极电解液进口接头相同，该阳极电解液出口接头可用以上公开的常规连接方式联接于阳极板。该混合气出口接头具有一个可与混合气输送管48螺纹连接的螺纹联接件。
阳极电解液储存器50由一个设在阳极室外部的能容纳预定容积的阳极电解液的密封容器构成。该阳极电解液储存器向阳极室供给阳极电解液，并接受阳极室内产生的氧化剂气体及通过阳极室循环的阳极电解液。该阳极电解液储存器与阳极室可以配置成使该阳极电解液储存器内的阳极电解液与阳极室内的阳极电解液之比在5000∶1到1∶1的范围之间。在第1优选的实施例中，该阳极电解液储存器具有大约为1升的容积。因此，阳极电解液储存器与阳极室的阳极电解液的比值约为10∶1。
阳极电解液储存器在其下端设有一个总是充满阳极电解液的阳极电解液出口52。阳极电解液出口与连接于阳极板的阳极电解液进口接头42的阳极电解液输送管44相连接。
阳极电解液储存器在其上端设有一个混合气和阳极电解液进口54，该进口54与连接于阳极板的混合气出口接头46的混合气输送管48相连接。该混合气进口应设在离阳极电解液储存器顶部有足够距离的部位，使其在该阳极电解液储存器内的阳极电解液液位之下。为便于从阳极室回收混合氧化剂气体和便于使阳极电解液通过阳极室循环，要求将该混合气进口设置在阳极电解液的液位之下。因此，混合气将阳极电解液以两相流的形式带入阳极电解液储存器，在其中可使气体与液相分离，然后通过阳极电解液储存器的出气口56从该储存器排出。
阳极电解液储存器50在靠近其底部设有一个阳极电解液供入口58。该阳极电解液供入口与从阳极电解液补给罐62伸出并以液压方式与其连接的阳极电解液供入管60相连接。阳极电解液补给罐由一个密封容器构成，用于制备和贮存阳极电解溶液。阳极电解液供入管60与设置在阳极电解液补给罐底端的阳极电解液排出口64相连接。阳极电解液的制备方法是将该容器打开并加入预定量的所需水溶性氯化物材料，即NaCl。阳极电解液补给罐在靠近其顶部设有一个新鲜水进口66，与新鲜水源连接。如需要时，可以安装液位控制系统，用来控制对阳极电解液补给罐的供水量，以将罐内的阳极电解液的液位保持恒定。通过将新鲜水引入阳极电解液补给罐将水溶性氯化物溶解于溶液内。在阳极电解液补给罐内贮存的阳极电解液最好是饱和的。饱和NaCl的比重约为1.19至1.20。
已经发现，当阳极室内的NaCl阳极电解液的比重约为1.1即不饱和时，可求得为补充混合氧化剂气体所需的Cl2和ClO2的比例。阳极电解液补给罐与阳极电解液储存器内的阳极电解液的比重之差，足以使阳极电解溶液借助于重力从阳极电解液补给罐通过阳极电解液供入管供入阳极电解液储存器。该比重差足以实现重力供液，而不需要通过以下方式增加阳极电解液补给罐内的阳极电解液的压头，即，将阳极电解液的液位保持得高于阳极电解液储存器内的阳极电解液液位，或将阳极电解液补给罐设置在比阳极电解液储存器高的位置。
此外还发现，当观察到阳极电解液中有氯离子(Cl-)变换为作为ClO2气的前体的亚氯酸盐离子(ClO2 -)时，始能产生出所需比例的Cl2和ClO2气。因此，当产生ClO2气时，在阳极电解液中有亚氯酸盐离子(ClO2 -)存在。把在阳极电解液中存在有亚氯酸盐离子(ClO2 -)作为产生ClO2气的迹象，将在下文中详细讨论。
为保持阳极电解液储存器和阳极室中的NaCl溶液的比重，希望向阳极电解液储存器供给饱和的NaCl溶液。因电解反应在阳极室进行，所以阳极室内存有的阳极电解液的比重将由于Cl2的产生和钠离子(Na+)的释放及其穿过渗透膜向阴极室的迁移而减小。通过不断地将饱和的NaCl阳极电解溶液从阳极电解液补给罐导入阳极电解液储存器，保持阳极室内的阳极电解液的比重。供入阳极电解液储存器的饱和NaCl用来补充或将阳极电解液储存器内的阳极电解液的比重提高到所需的值，以产生出优选成分的混合氧化剂气体。
阴极电解液进口接头68设置在靠近阴极板的底端，通过阴极板延伸到阴极室内。与阳极电解液进口接头一样，该阴极电解液进口接头可用上述的常用方式连接于阴极板。该阴极电解液进口用螺纹与阴极电解液输送管70配合连接。气体及阴极电解液出口接头72设置在靠近阴极板的顶端，通过阴极板延伸并通到阴极室内。该气体及阴极电解液出口接头可用以上对气体及阳极电解液出口接头所述的同样的常用连接方式联接于阴极。该气体出口既可使阴极电解液通过阴极室循环又便于将阴极室内产生的气体73从电解池排出。该气体出口接头用螺纹与气体输送管74配合连接。
阴极电解液贮存在阴极电解液储存器76内。该阴极电解液储存器由一个能容纳一定容积的阴极电解液的密封容器构成。该阴极电解液储存器与阴极室可以配置成使该阴极电解液储存器内的阴极电解液与阴极室内的阴极电解液之比在5000∶1到1∶1的范围之间。在第1优选的实施例中，该阴极电解液储存器具有大约为1升的容积。因此，阴极电解液储存器与阴极室的阴极电解液的比值约为10∶1。
阴极电解液储存器在靠近其底端设有一个总是充满阴极电解液的阴极电解液出口78。阴极电解液出口与连接于阴极板30的阴极电解液供入管70螺纹连接。阴极电解液储存器在靠近其上端设有一个气体和阴极电解液进口80。该气体进口与连接于阴极板30的气体输送管74螺纹连接。在一个优选的实施例中，该气体进口设在离阴极电解液储存器顶端有足够距离的部位，使其在该储存器内的阴极电解液液位之下。为便于从阴极室回收气体和便于使阴极电解液通过阴极室循环，要求将该气体进口设置在阴极电解液的液位之下。因此，阴极电解液以两相流的形式从阴极室进入阴极电解液储存器，在其中可使气体与液相分离，然后通过设在阴极电解液储存器顶部的出气口82从该储存器排出。
在一个优选的实施例中，在阴极电解液储存器内所贮存的NaOH溶液的比重大约在1.05至1.13范围之间。比重在此范围之内的阴极电解液，当导入阴极室时，显示出能获得Na+离子通过渗透膜从阳极室到阴极室的最佳的转移度。Na+离子从阳极室到阴极室的转移可促使混合氧化剂气体达到最佳比率，即，通过Na+离子移出阳极室可推动阳极室内的电解反应加快完成。比重小于1.05左右的阴极电解液在渗透膜26上提供的浓度梯度要大于为使Na+离子通过渗透膜26选择转移所需的浓度梯度。更准确地说，由于使用比重小于1.05左右的阴极电解液而产生的大的浓度梯度，将导致阳极电解液离子、即NaCl通过渗透膜转移，因而将会减少在阳极室内产生的混合氧化剂气体的量。而比重大于1.13左右的阴极电解液将不能在渗透膜上建立为使Na+离子通过该膜从阳极室转移所需的浓度梯度，因而同样会减少在阳极室内产生的混合氧化剂气体的量。
当NaOH阴极电解液从阴极电解液储存器流入阴极室时，溶液中存在的水分子进行电解产生H2气和OH-离子。OH-离子和从阳极室通过渗透膜转移过来的Na+离子通过阴极室循环并通过气体输送管74进入阴极电解液储存器。因此，在电解池工作过程中，阴极电解液储存器内的Na+和OH-离子增加，因而使阴极电解液的比重增加。为保持阴极室和阴极电解液储存器内阴极电解液的所要求的比重，阴极电解液储存器具有一个用于加水稀释阴极电解液的新鲜水进口84，及一个阴极电解液排放口(图中未示出)，用于保持所需的阴极电解液液位和清除阴极电解液储存器过多的Na+离子。
阴极电解液储存器还可以有一个水调节装置，用于根据阴极电解液的特定比重调节该储存器的进水量。该水调节装置可由一个比重计操作开关构成，例如磁簧开关、霍尔效应传感器、目视式紫外检测器等。在第1优选的实施例中，该水调节装置由一个比重计86构成，当阴极电解液的比重超过1.13时，该比重计上升到一定的液位，触发一个机构使水从新鲜水进口84放入阴极电解液储存器。随着新鲜水进入阴极电解液储存器并使阴极电解液的液位升高，多余的Na+离子被从阴极电解液储存器通过阴极电解液排放口清除。一当阴极电解液的比重回到所要求的比重范围时，该比重计下降，将放入阴极电解液储存器的水关断。这只不过是用于调节阴极电解液储存器内阴极电解液比重的装置的一个实施例。因此，应该知道虽然也可采用其他的调节阴极电解液比重的装置，但均在本发明的范围之内。
按照本发明的原理构成的电解池，通过在阳极板与阴极板之间施加从3伏到10伏范围的不同电压，产生出由Cl2和ClO2组成的混合氧化剂气体。在阳极室和阴极室内只分别存有容积相当小的阳极电解液和阴极电解液(在各室内近似有100毫升)，因此使电解池具有相当低的内阻。减低到如此程度的内阻，又使电解池能使用比在阳极室和阴极室进行电解反应所必要的电压仅稍高一点的电压操作。
人们认为在阳极室中NaCl能根据在阳极和阴极上施加的特定电压值进行多种不同的电解反应。当不希望受任何特定理论或机理的约束时，可认为在阳极室中的NaCl是通过一系列的竞争电解反应进行电解，主要地生成Cl2和ClO2。该反应的一个特点是在阳极电解液中存在由一系列的竞争电解反应产生的ClO2 -离子。图5示出当按照本发明的原理构成的电解池在稳态下工作时、即在施加约6伏电压且电流约为40安培而操作约5分钟之后，对通过阳极室循环的阳极电解液进行的紫外光谱分析。在图5中，ClO2 -离子的存在由在波长约为260毫微米处的吸光率峰值85指示，ClO2 -的特征紫外波长约为260毫微米。此外，图5还示出了由在波长约为375毫微米处的吸光率峰值87指示的ClO2气的存在，ClO2气的特征紫外波长约为375毫微米。
在混合氧化剂气体中ClO2对Cl2的最佳比值约为2比1。要求ClO2对Cl2具有这样的比值是因为已经发现：具有这样的比值的混合氧化剂气体当将其注入水体时在水体中可产生较多的ClO2 -和ClO3 -离子，其作用是能捕获水中的更多的钙(Ca)离子，以减少结垢。此外，ClO2气的优点在于它是比Cl2气持续时间长的氧化剂。虽然不是象次氯酸盐(OCl-)那样强的氧化剂，但ClO2是有益的中度氧化剂，原因是它处理安全而且对可能接触的如管道、泵、换热器等设备无害。
根据电化学原理，人们认为NaCl溶液先在低电压下进行电解产生Na+离子和Cl-离子。Na+离子通过渗透膜26的未覆盖部分从阳极室转移并进入阴极室。随着电压的增高，Cl-离子与Cl离子结合，生成所需的Cl2气。随着施加在阳极和阴极板之间的电压的增高，Cl2气与阳极电解液中的水分子反应，生成HClO。随着电压的进一步增高，HClO与阳极电解液中的水分子反应，生成HClO2。为实现上述最后的反应所需的电压值，由施加在阳极和阴极板上的范围约在3伏至10伏的电压差获得。由于实现从HClO2的亚氯酸盐组分生成CLO2气的电解反应所需的电压比生成HClO2所需的电压低得多，所以一旦HClO2已经生成，则其几乎是瞬时地反应而产生所需的ClO2气。
上述电化学原理由按照本发明的原理构成的电解池的如下操作所证实。如图5所示，在稳态操作期间，通过电解池的阳极室循环的阳极电解液已知含有ClO2气和作为ClO2气前体的ClO2 -离子。此外，已知由电解池产生的ClO2与Cl2的比例随着施加在阳极板和阴极板之间的电压的增高而增加。因此，如需要时，人们可以通过改变施加在阳极板和阴极板之间的电压来改变或调节预期的ClO2对Cl2的比例。
在确定施加在阳极板和阴极板之间的电压的所需范围时，应确定该电压不应高到通过H2O的电解而产生出H2O2或O3，因为这两种分子将干扰ClO2的产生。也已发现，在阳极板和阴极板之间施加的导致产生ClO2气的最低电压约大于4.25伏，在大约6.25伏时，ClO2气成为在阳极室产生的占主要位置的气体。
进入阴极室的NaOH溶液被认为是进行一系列的电解反应，借此使阴极电解液中的H2O分子生成OH-离子和H2气。因此，为推动阳极室内的电解反应加快完成，阴室内的电解反应也必须加快完成。通过对阴极的电解反应的化学计算可知，在阴极室产生的H2气要比在阳极室内产生的混合氧化剂气体多4至5倍。因此，为使阳极室和阴极室的电解反应加快完成，就必须尽可能有效地将H2气从阴极室移出。
在电解池工作期间，在阴极室产生的H2气将在阴极电解液容积中形成气泡。随着气泡的形成，气泡将通过阴极电解液迁移到阴极室中的气相空间88，如图1的上部所示。为能有效地聚集阴极室内的H2气，限定气相空间的阴极密封垫的开孔顶部可以是凸面。人们通常认为具有三角形顶部的气相空间有利于从阴极室聚集和转移H2气。
此外，为能有效地聚集阴极室内的H2气并控制H2气泡的大小，也可以选择气体及阴极电解液出口接头72和气体输送管74的直径。对阴极室要求保持小的正压，因为这有利于形成小的H2气泡，从而能将在阴极表面上造成开路的可能性降低到最小限度。
转移到阴极电解液储存器的H2通过出气口82从该储存器排出，可放入大气，或收集、贮存后销售。为了促进阴极室内的有效电解，要求H2气从阴极电解液储存器排出的速度能足以保持H2气泡通过阴极室的迁移。在一个优选的实施例中，H2气的排出速度最好不超过H2气的产生速度，使阴极室保持能控制气泡尺寸的小的正压。
阴极电解液储存器76中的阴极电解液可以用诸如重力供液、泵等各种输送方式供入阴极室。在第1优选的实施例中，阴极电解液靠重力供给。为保证阴极电解液流入阴极室，应使阴极电解液储存器中阴极电解液的液位高于阴极室内阴极电解液的液位。如图1所示，使阴极电解液储存器的位置高于电解池，即可在阴极电解液储存器中的阴极电解液与阴极室内的阴极电解液之间获得足够的液压头差。在第1优选的实施例中，至少要有25mm的高度差才足以提供所需的液压头差。
将H2气泡(在阴极室内由电解形成)通过阴极电解液的容积向上的迁移作为引起阴极电解液向上循环的一种“阴极电解液提升器”，可使阴极电解液能够通过阴极室连续循环。为使导致阴极电解液通过阴极室循环的H2气泡的迁移能力达到最大限度，最好是将阴极板靠近膜板20、因而也就是靠近相对的阳极板设置。如将阴极板与阳极板的间隔设置在如前所述的距离范围之内，则能使阴极电解液达到所要求的循环程度。
阳极电解液储存器50中的阳极电解液可以用诸如重力供液、泵等各种输送方式供入阳极室。在一个优选的实施例中，阳极电解液储存器中的阳极电解液靠重力供入阳极室。为保证阳极电解液流入阳极室，应使阳极电解液储存器中阳极电解液的液位高于阳极室内阳极电解液的液位。如图1所示，使阳极电解液储存器的位置高于电解池，即可在阳极电解液储存器中的阳极电解液与阳极室内的阳极电解液之间获得足够的液压头差。在第1优选的实施例中，至少要有25mm的高度差才足以提供所需的液压头差。
将Cl2和ClO2气泡(在阳极室内由电解形成)通过阳极电解液的容积向上的迁移作为引起阳极电解液向上循环的一种“阳极电解液提升器”，可使阳极电解液能够通过阳极室连续循环。为使导致阳极电解液通过阳极室循环的Cl2和ClO2气泡的迁移能力达到最大限度，最好是将阳极板靠近膜板20、因而也就是靠近相对的阴极板设置。如将阳极板与阴极板的间隔设置在如前所述的距离范围之内，则能使阳极电解液达到所要求的循环程度。此外，还借助于由阳极室内发生的电解反应所释放的热能形成的热对流，使阳极电解液通过阳极室循环。
从阳极室转移到阳极电解液储存器的混合氧化剂气体，通过阳极电解液迁移并聚集在阳极电解液储存器的顶部空间。所聚集的气体通过混合气出口56从阳极电解液储存器排出，用于引入被处理的水体。在一个优选的实施例中，混合气出口56通过管路与安装在要求处理的水的循环管道上的文丘里管(图中未示出)连接。通过以下方式将混合氧化剂气体通入水内：使水通过文丘里管循环起来，以促使混合氧化剂气体从阳极电解液储存器排出并注入水中。如按这种方式构成，则可用电解池将混合氧化剂气体注入要求处理的水的循环系统，保持混合氧化剂气体的注入量能提供对生物活性、腐蚀、及结垢的预期防护程度。
混合氧化剂气体从阳极电解液储存器排出的速度最好低于混合氧化剂气体的产生速度，以使阳极室内保持小的正压。在阳极室内保持小的正压能促使在阳极上形成小的气泡，从而能将在阳极表面上造成开路的可能性降低到最小限度。
在阳极室发生的电解反应已知会产生大量的热。所产生的热量主要传递给阳极板及阳极电解液，如不将热量移出，则最终会使阳极电解液沸腾。阳极电解液沸腾是不希望发生的，因为在阳极电解液中产生气泡将使阳极板与阳极电解液之间的接触程度大大减小，因而使电解池的效率降低。阳极室中产生的热可以利用各种熟知的热的处理装置去除，例如安装在阳极板表面上的散热片、在线地安装在阳极室与阳极电解液储存器之间的阳极电解液循环流的换热器等。在一个优选的实施例中，如图1所示，是将冷却水管线90引入并通过阳极电解液储存器，通过冷却进入阳极室的阳极电解液来控制阳极室中产生的热。
在第1优选的实施例中，大约6伏的电压就足以提供所需的通过电解池的约15至50安培的电流。已经发现，尺寸如上所述且以大约40安培电流工作的电解池，可产生足够的混合氧化剂气体量，在相当于1500吨冷却塔的工业用水中能有效地控制生物活性、腐蚀、及结垢。
在阳极板与阴极板之间施加预定的电压后，在阳极室及阴极室内便开始电解反应。已经发现，在反映着电化学系统达到平衡所需时间的大约5分钟后，在阳极室产生出其速率及比例符合要求的Cl2和ClO2气。仅仅在相当短的时间之后就能达到平衡的能力是起因于电解池的结构，即阳极和阴极室的小的工作容积。
在电解池已关停后，如分别保持阳极和阴极室中的阳极电解液和阴极电解液的平衡状态，则能缩短达到平衡的时间。如需要时，可在混合气输送管48及气体输送管74上安装阀门来保持阳极电解液和阴极电解液的平衡状态。在电解池工作之后关闭阀门，可将混合氧化剂气体及H2气分别保持在阳极和阴极室内。将气体保持在各室内能够减少为达到平衡所需的时间，是因为所需要的气体物质已经存在。作为另一方案，可将这些阀门安装在阳极电解液储存器的出气口56和出气口82处，能产生同样的效果。利用这些阀门可将启动后达到平衡所需的时间缩短75％那么多。
将阳极电解液和阴极电解液储存器分别设置在阳极室和阴极室外部的电解池同储存器和电极室构成整体的电解池相比，具有多项明显的优点。使用外部电解液储存器可使构成的电解池具有电解液容积减小的阳极室和阴极室、使电解池的内阻减小、并使电解池的电效率提高。使用外部电解液储存器因电解池较小而且工作不复杂，所以便于电解池的维护检修。使用外部电解液储存器可以将混合氧化剂气体从阳极电解液储存器而不是从阳极室抽出，而阳极室最希望的就是不打乱其平衡状态，以便能有效地产生混合氧化剂气体。因此，外部阳极电解液储存器用作一种缓冲器，可将对阳极室内的可能平衡的扰乱减小到最低限度。
因阳极和阴极电解液储存器相对于阳极室和阴极室分别具有大得多的容积，所以作为缓冲器可将各室内产生的比重波动减小到最低限度。对于第1优选的实施例，在各储存器和其对应的电解池室之间的大约10∶1的容积差，可缓和电解液流入各电解池室时对在各室内的电解过程产生的影响。因此，使用外部的阳极和阴极电解液储存器可使各电解池室接受具有恒定的预定成分的电解液，从而使电解池产生所需成分及流量的混合氧化剂气体的能力最佳化。
虽然在这里已说明了电解池的有限的实施例，但对本专业的熟练技术人员来说，显然可作多种修改和变更。例如，电解池可结合采用双极电极构成，应该知道这是属于本发明范围之内的。图6示出一种双极电极92插在阳极板12与膜板20之间的电解池。在该实施例中，可采用双极电极对通过阳极室内的电解产生所需比例的Cl2和ClO2气进行改进。
双极电极可用在化学上耐阳极电解液腐蚀、在电化学上耐阳极室内发生的电解反应腐蚀的刚性结构材料制成。此外，双极电极最好具有多个穿过其表面的开孔，以利于阳极电解液通过阳极室循环。在双极电极的两面最好具有导电覆盖层，以促进阳极室内的所需的电解反应。适用的导电覆盖层包括与以上对阳极板的覆盖所述的类型相同的材料。在一个结合采用了双极电极的优选实施例中，双极电极用由俄亥俄州查尔顿市的Eltech生产的多孔钛并覆盖铱的材料制作，其产品名称为EC600。
图7示出上述包括一个在开孔16的一部分上延伸的双极电极92的阳极密封垫14的实施例。该双电极可用舌槽榫接结构等固定在阳极密封垫的开孔内。双极电极可延伸并盖住整个开孔16，或只延伸到开孔的一部分。已经发现，如图7所示将双极电极安装在阳极密封垫的上半部，可获得所需混合氧化剂气体的最佳产生状态。应该知道图7所示的阳极密封垫实施例，除安装有双极电极外在各个方面都与上述及图3所示的阳极密封垫相似。
图8示出按照本发明的原理构成的电解池的第2优选实施例。电解池94的第2实施例与上述及图1所示的电解池的第1优选实施例类似，包括设置在电解池的阳极室98外部并以液压方式与其连接的阳极电解液储存器96、设置在阳极电解液储存器96外部并以液压方式与其连接的阳极电解液补给罐100、及设置在电解池的阴极室104外部并以液压方式与其连接的阴极电解液储存器102。该电解池是按照与以上对第1优选实施例所述及图示说明相同的方式构成的。
电解池的第2优选实施例与电解池的第1优选实施例的不同之处在于，阴极电解液储存器102装有一个形式为磁簧开关的比重传感器106，其作用是调节对阴极电解液储存器的新鲜水加入量，即当阴极电解液的比重增加到某一预定值时使水流入阴极电解液储存器，而当比重代表的浓度回到某一预定值时将流入阴极电解液储存器的新鲜水关断。在阴极电解液储存器内还装有一个以冷却盘管106构成的阴极电解液冷却装置，用于把阴极电解液的温度维持在某一预定的温度范围之内。通过冷却盘管的冷却介质可以是来自正在由该盘管处理的主水体的水或者是补给水，只要其是在所需的冷却温度即可。在一个优选的实施例中，要求将阴极电解液储存器内的阴极电解液保持在从65至90°F范围内。
此外，电解池的第2实施例与电解池的第1实施例的不同之处还在于，阳极电解液储存器96及阴极电解液储存器102的容积都分别增加到3升。储存器容积的增加能容纳更多的可被冷却的阴极电解液及阳极电解液，其本身又可作为一种散热手段用于将分别流入阳极室和阴极室的阳极电解液或阴极电解液的温度波动减小到最低程度。在各阳极及阴极电解液储存器内的阳极电解液及阴极电解液容积的增加还有助于减小因在电解池的阳极室及阴极室内发生电化学反应而对各储存器中的阳极电解液和阴极电解液造成的比重变化的程度；从而有利于电解池的平稳和不间断的操作。
电解池的第2实施例与电解池的第1实施例的不同之处还在于，阳极电解液储存器装有一个与以上对阴极电解液储存器所述型式相同的比重传感器110。该比重传感器的作用是加快阳极电解液计量泵112的驱动，计量泵112的进口端与从位于阳极电解液补给罐100底端的阳极电解液排放管116延伸过来的阳极电解液供入管114连接，而其出口端与延伸到阳极电解液储存器96底端的阳极电解液供入管118连接。泵112根据电解池94在操作过程中排出的阳极电解溶液量以计量后的流量将贮存在阳极电解液补给罐100的饱和NaCl溶液供入阳极电解液储存器96。在第2优选的实施例中，将泵112配置成以从每24小时0.1至0.6升(每天0.5至2加仑)的流量向阳极电解液储存器供入饱和的阳极电解溶液。但应该知道，所选择的阳极电解液供给流量决定于许多变量如施加在电极板之间的电压、渗透膜的状态、阳极电解液的比重等，因此当然可能与以上流量范围不同。
比重传感器110的作用是根据阳极电解液储存器96内的阳极电解液的预定比重值增加和(或)减小泵的计量流量，以保持预定的比重值。例如，当传感器检测到阳极电解液的比重低于预定值时，驱动该泵增加阳极电解液的计量流量。相反，当传感器检测到阳极电解液的比重高于预定值时，驱动该泵减小阳极电解液的计量流量。虽然已经图示说明了在第2优选的电解池实施例中使用的一种特定形式的比重传感器，但当然也可采用如以上对第1优选实施例所述的其他型式的传感器。
此外，电解池的第2实施例还可包括一个安装在阳极电解液补给罐100中的由浮子阀等构成的水调节装置(图中未示出)，其作用是通过调节新鲜水的供给量将补给罐内饱和阳极电解液的液位保持在预定的液位上。
图9示出按照本发明的原理构成的由5个电解池124组成的第1优选的多重电解池122实施例。各个电解池124是彼此相同的电解池，以同样的方式构成，并具有与上述及图示说明的第1优选的电解池实施例相同的尺寸。从各电解池的阳极板128伸出的阳极电解液进口接头126以液压方式并联于阳极电解液进液集合管130，接着以液压方式经过阳极电解液输送管132与阳极电解液储存器136的阳极电解液出口134相连接。阳极电解液从阳极电解液储存器136经过输送管132和集合管130以并行流方式供给各电解池的阳极室。
从各电解池的阳极板128伸出的混合气出口管140以液压方式并联于混合气集合管142，接着以液压方式经过混合气输送管144与阳极电解液储存器的混合气及阳极电解液入口146相连接。混合气从各电解池的阳极室经过输送管144和集合管142以并行流方式输送到阳极电解液储存器136。
从各电解池的阴极板150伸出的阴极电解液进口接头148以液压方式并联于阴极电解液进液集合管152，接着以液压方式经过阴极电解液输送管154与阴极电解液储存器158的阴极电解液出口156相连接。阴极电解液从阴极电解液储存器158经过输送管154和集合管152以并行流方式供给各电解池的阴极室。
从各电解池的阴极板150伸出的气体及阴极电解液出口管162以液压方式并联于气体及阴极电解液集合管164，接着以液压方式经过气体及阴极电解液输送管166与阴极电解液储存器158的气体及阴极电解液入口156相连接。气体及阴极电解液从各电解池的阴极室经过输送管166和集合管164以并行流方式输送到阴极电解液储存器158。
阳极和阴极电解液储存器136和158各自的容积分别大于以上对第1和第2优选的单个电解池实施例所述的容积，以适应增加了的阳极和阴极室容积，并能提供因使用多重电解池而增加的阳极和阴极电解液的排出流量。在优选的第1多重电解池实施例中，阳极和阴极电解液储存器的容积各为约22毫升。配置成具有如此容积的阳极电解液和阴极电解液储存器，能容纳一定容积的阳极电解液和阴极电解液，用作一种散热手段为阳极电解液和阴极电解液提供较好的温度控制，并且可作为缓冲器用来缓和在各电解池的阳极室和阴极室发生的电化学反应中固有的比重变化带来的影响。
阳极和阴极电解液储存器136和158分别以与以上对第2优选的单个电解池实施例所述及图示说明的同样方式构成，各自都装有冷却盘管170和172及比重传感器174和176。各阳极和阴极电解液储存器使用的比重传感器所具有的功能与以上对第2优选的单个电解池实施例所述的功能相同，即，调节从阳极电解液补给罐(图中未示出)经过阳极电解液计量泵178及阳极电解液供入口180供给阳极电解液储存器136的饱和阳极电解液的计量流量，以及调节通过新鲜水进口182供给阴极电解液储存器158的新鲜水加入量。在第1优选的多重电解池实施例中，计量泵178配置成以从每24小时0.2至1.1升(每天1至4加仑)的流量向阳极电解液储存器供入饱和的阳极电解溶液。
第1优选的多重电解池实施例的电解池124在电气上并联连接，在电解池上施加约30伏的总电压、即在每个电解池的阳极与阴极之间提供约为6伏的电压进行操作以产生混合氧化剂气体。施加30伏足以为该电解池提供约75至250安培的总的通过电流，或为每个电解池提供约15至50安培的通过电流。按照本实施例的原理构成的第1优选的多重电解池实施例可产生约为单个电解池的5倍的混合氧化剂气体，因此可适用于处理7500吨冷却塔的某种应用场合。
图10示出由5个电解池186组成的第2优选的多重电解池实施例。第2优选的多重电解池实施例与以上公开的第1优选的多重电解池实施例基本相同，只不过没有采用分别从各个电解池的阳极室和阴极室输送阳极电解液、混合气、阴极电解液、及气体和阴极电解液的集合管130、142、152、及164。相反，阳极电解液经过单独的阳极电解液输送管190供给各个电解池186的阳极室，该输送管190的一端以液压方式与从阳极板194伸出的阳极电解液进口接头192连接，而其另一端与阳极电解液储存器198的阳极电解液出口196相连接。阳极电解液储存器198配置成具有相等数量的单个的阳极电解液出口196，以提供与各个电解池的阳极电解液进口接头192的液压连接，因此不需要阳极电解液进液集合管。
从各电解池的阳极板194伸出的混合气出口接头200以液压方式通过混合气输送管202与阳极电解液储存器的混合气进口204连接。阳极电解液储存器198配置成具有相等数量的单个的混合气入口204，以提供与各个电解池的混合气出口接头200的液压连接，因此不需要混合气集合管。
在第2优选的多重电解池实施例中，阴极电解液经过阴极电解液输送管208供给各个电解池186的阴极室，该输送管208的一端以液压方式与从阴极板212伸出的阴极电解液进口接头(图中未示出)连接，而其另一端与阴极电解液储存器216的阴极电解液出口214相连接。阴极电解液储存器216配置成具有相等数量的单个的阴极电解液出口214，以提供与各个电解池的阴极电解液进口接头210的液压连接，因此不需要阴极电解液进液集合管。
从各电解池的阴极板212伸出的气体及阴极电解液出口管(图中未示出)以液压方式经过气体及阴极电解液输送管220与阴极电解液储存器的气体及阴极电解液入口222相连接。阴极电解液储存器216配置成具有相等数量的单个的气体及阴极电解液入口222，以提供与各个电解池的气体及阴极电解液出口的液压连接，因此不需要气体及阴极电解液集合管。
电解池、阳极电解液储存器、阴极电解液储存器、阳极电解液补给罐(图中未示出)、及饱和阳极电解液计量泵的各自配置方式与以上对第1优选的多重电解池实施例相同。此外，第2优选的多重电解池实施例与第1优选的多重电解池实施例一样，也是在电气上并联连接，因此操作方式相同，即，在5个电解池上施加约30伏的总电压并提供从75至250安培的总电流、或在每个电解池上施加约6伏的电压及15-50安培的电流，以产生所需的混合氧化剂气体。
虽然已经具体地描述及用图示说明了由5个电解池构成的第1和第2优选的多重电解池实施例，但应该知道按照本发明的原理构成的可按本发明组合的单个电解池的数目并不意味着有任何限制。例如，可以组合多于或少于5个电解池，使混合氧化剂气体的产生率足以满足在特定应用中的处理需要。
另一方面，为了增加混合氧化剂气体的产生率当然也可以不使用多重电解池，而按照本发明的原理构成加大尺寸的单台电解池。因此，例如可以采用比第1和第2优选的单个电解池的表面积大5倍的单台电解池，提供与第1和第2优选的由5个电解池构成的多重电解池实施例近似相同的混合氧化剂气体产生率。选择构成单台加大的电解池或是用多个较小的电解池进行组合，最终取决于对电解池是否有任何空间限制以及在制造成本上的差别。
因此，应该知道，在所附权利要求范围内，按照本发明的原理构成的电解池可按与以上的具体说明不同的方式实施。

Claims (28)

1.至少一个用于产生水体处理用的混合氧化剂气体的电解池，各电解池包括：
一个阳极室；
一个与该阳极室相邻接并以渗透膜分隔的阴极室；
一个设在阳极室外部的用于在其内容纳一定容积的阳极电解液的阳极电解液储存器，其中，该阳极电解液储存器连接于阳极室以便向该室输送阳极电解液；
一个设在阴极室外部用于在其中容纳一定容积的阴极电解液的阴极电解液储存器，其中该阴极电解液储存器连接于阴极室以便向该室输送阴极电解液；
将阳极电解液储存器内的阳极电解液的比重保持在预定值上的装置；
将阴极电解液储存器内的阴极电解液的比重保持在预定值上的装置。
2.根据权利要求1所述的电解池，它包括一个设在阳极电解液储存器及阳极室外部用于在其内存放一定容积的饱和阳极电解液的阳极电解液补给罐，其中，阳极电解液补给罐连接于阳极电解液储存器以便向该储存器输送饱和阳极电解液。
3.根据权利要求2所述的电解池，它包括一个连接在阳极电解液补给罐与阳极电解液储存器之间的泵，其中，将该泵配置成按预定的流量供给饱和阳极电解液。
4.根据权利要求3所述的电解池，其中，保持阳极电解液储存器内阳极电解液比重的装置包括一个设置在阳极电解液储存器内的比重传感器，当其被驱动时可调节泵的流量。
5.根据权利要求1所述的电解池，其中，保持阴极电解液储存器内阴极电解液比重的装置包括一个设置在阴极电解液储存器内的比重传感器，当其被驱动时使新鲜水流入阴极电解液储存器。
6.根据权利要求5所述的电解池，它包括多个电解池，其中，各个电解池的阳极室连接于一个设置在阳极室外部的公用阳极电解液储存器，以实现从该阳极电解液储存器向阳极室输送阳极电解液，并实现从阳极室向阳极电解液储存器输送混合气及阳极电解液。
7.根据权利要求6所述的电解池，它包括多个电解池，其中，各个电解池的阴极室连接于一个设置在阴极室外部的公用阴极电解液储存器，以实现从该阴极电解液储存器向阴极室输送阴极电解液，并实现从阴极室向阴极电解液储存器输送气体及阴极电解液。
8.至少一个用于产生混合氧化剂气体的电解池，包括：
阳极板；
与该阳极板相对的阴极板；
插在该阳极板与阴极板之间的渗透膜；
插在阳极板与渗透膜之间的阳极密封垫，用于形成一个容纳预定容积的阳极电解液的阳极室；
插在阴极板与渗透膜之间的阴极密封垫，用于形成一个容纳预定容积的阴极电解液的阴极室；
设置在阳极室外部的并以液压方式与其连接的阳极电解液储存器，用于以预定的比重向阳极室提供阳极电解液；
设置在阳极电解液储存器及阳极室外部的并以液压方式与阳极电解液储存器连接的阳极电解液补给罐，用于向阳极电解液储存器提供饱和阳极电解液；
用于以预定流量从该阳极电解液补给罐向阳极电解液储存器输送饱和阳极电解液的装置；以及
设置在阴极室外部并以液压方式与该阴极板室连接的阴极电解液储存器，用于以预定的比重向阴极室提供阴极电解液。
9.根据权利要求8所述的电解池，包括用于调节供给阴极电解液储存器的新鲜水量以将阴极电解液储存器内的阴极电解液比重保持在预定值的装置。
10.根据权利要求8所述的电解池，其中，用于输送饱和阳极电解溶液的装置包括一个安装在阳极电解液补给罐与阳极电解液储存器之间的泵。
11.根据权利要求10所述的电解池，其中，阳极电解液储存器装有一个监测阳极电解液储存器内阳极电解液比重的传感器，并且其中，将该传感器配置成当比重降到预定值以下时增加泵的流量。
12.根据权利要求8所述的电解池，其中，阳极电解液储存器装有一个冷却盘管，用于将其内存有的阳极电解液保持在预定的温度。
13.根据权利要求8所述的电解池，其中，阴极电解液储存器装有一个冷却盘管，用于将其内存有的阴极电解液保持在预定的温度。
14.根据权利要求8所述的电解池，在其阳极室内设有一个双极电极。
15.根据权利要求8所述的电解池，它包括多个电解池，其中，各个电解池的阳极室和阴极室以液压方式连接于阳极电解液储存器及阴极电解液储存器，以便向各阳极室输送阳极电解液并从各阳极室接收混合气，及向各阴极室输送阴极电解液并从各阴极室接收气体。
16.根据权利要求15所述的电解池，它包括：连接在各个阳极室与阳极电解液储存器之间以便输送阳极电解液的阳极电解液集合管；以及连接在各个阴极室与阴极电解液储存器之间以便输送阴极电解液的阴极电解液集合管。
17.根据权利要求16所述的电解池，它包括：连接在各个阳极室与阳极电解液储存器之间以便输送混合气及阳极电解液的混合气集合管；及连接在各个阴极室与阴极电解液储存器之间以便输送气体及阴极电解液的气体及阴极电解液集合管。
18.根据权利要求15所述的电解池，其中，阳极电解液储存器具有足够个数的单独的阳极电解液出口用于提供与各个电解池的各阳极室的液压连接，以便向其输送阳极电解液，并且其中，阴极电解液储存器具有足够个数的单独的阴极电解液出口用于提供与各个电解池的各阴极室的液压连接，以便向其输送阴极电解液。
19.根据权利要求18所述的电解池，其中，阳极电解液储存器具有足够个数的单独的混合气入口用于提供与各个电解池的各阳极室的液压连接，以便从其输送混合气，并且其中，阴极电解液储存器具有足够个数的单独的气体及阴极电解液入口用于提供与各个电解池的各阴极室的液压连接，以便从其输送气体及阴极电解液。
20.至少一个用于产生水体处理用的混合氧化剂气体的电解池，各电解池包括：
一个阳极板；
一个与该阳极板表面邻接的阳极密封垫；
一个与该阳极密封垫表面邻接的渗透膜，其中，阳极板、阳极密封垫、及渗透膜在其间构成一个阳极室，用于容纳一定容积的阳极电解液；
一个与该渗透膜表面邻接而与阳极密封垫相对的阴极密封垫；
一个与该阴极密封垫表面邻接而与渗透膜相对的阴极板，其中，阴极板、阴极密封垫、及渗透膜在其间构成一个阴极室，用于容纳一定容积的阴极电解液；
一个插在阳极板与渗透膜之间的双极电极；
一个设在阳极室外部用于容纳一定容积的阳极电解液的阳极电解液储存器，其中，该阳极电解液储存器以液压方式连接于阳极室以便向该室输送阳极电解液，而且其中，阳极电解液储存器装有将其内的阳极电解液的比重保持在预定值上的装置；以及
一个设在阴极室外部用于容纳一定容积的阴极电解液的阴极电解液储存器，其中，该阴极电解液储存器以液压方式连接于阴极室以便向该室输送阴极电解液，而且其中，阴极电解液储存器装有将其内的阴极电解液的比重保持在预定值上的装置。
21.根据权利要求20所述的电解池，它包括一个设置在阳极电解液储存器及阳极室外部用于容纳一定容积饱和阳极电解液的阳极电解液补给罐，其中，该阳极电解液补给罐以液压方式与阳极电解液储存器连接，以便向其输送阳极电解液。
22.根据权利要求21所述的电解池，它包括一个安装在阳极电解液补给罐与阳极电解液储存器之间的被配置成按预定流量向阳极电解液储存器供给饱和阳极电解液的泵。
23.根据权利要求22所述的电解池，其中，将阳极电解液保持在预定比重上的装置包括一个比重传感器，当其被驱动时可调节泵的流量。
24.根据权利要求20所述的电解池，其中，将阴极电解液保持在预定比重上的装置包括一个比重传感器，当其被驱动时可控制新鲜水流入阴极电解液储存器。
25.根据权利要求20所述的电解池，其中，阳极电解液储存器装有用于将其内存有的阳极电解液保持在预定温度的装置。
26.根据权利要求20所述的电解池，其中，阴极电解液储存器装有用于将其内存有的阴极电解液保持在预定温度的装置。
27.根据权利要求20所述的电解池，它包括多个电解池，其中，各个电解池的阳极室连接于一个设置在阳极室外部的公用阳极电解液储存器，以实现从该阳极电解液储存器向各个阳极室输送阳极电解液，并实现从各个阳极室向该阳极电解液储存器输送混合气及阳极电解液。
28.根据权利要求27所述的电解池，它包括多个电解池，其中，各个电解池的阴极室连接于一个设置在阴极室外部的公用阴极电解液储存器，以实现从该阴极电解液储存器向各个阴极室输送阴极电解液，并实现从各个阴极室向该阴极电解液储存器输送气体及阴极电解液。
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