CN116547414A - 流通电化学反应器 - Google Patents

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Abstract

一种流通电化学反应器包含具有溶液流动路径的外壳。流通或实心第一电极安置于所述溶液流动路径内。第二电极与所述流通或实心第一电极间隔开，由此在所述流通或实心第一电极与所述第二电极之间产生电活性间隙。所述电活性间隙小于5mm且大于2mm。

Description

流通电化学反应器
技术领域
本公开涉及液体纯化装置，且更具体地涉及用于纯化水的流通电化学反应器。
背景技术
随着环境中各种微生物和人为污染物的出现增加，获取纯净的饮用水是全世界日益关注的问题。可供饮用使用的水的质量极大地取决于源和主动处理过程而不同。源水的不同特性使得处理过程难以控制，更不用说标准化。举例来说，在源水中发现的各种污染物具有一系列不同属性，其指示用于去除的处理过程的类型(即，物理或化学)。因此，大部分商业化水处理系统由于其针对其特定源水实施的有限处理能力而不具有处理不同水源的物理和/或化学能力。在尝试解决主处理系统中的这些问题时，已出现涉及膜技术与产生羟基自由基的高级氧化过程的组合以引起存在于经处理的水中的污染物的降解的最近技术。然而，大部分已知水纯化装置每纯化一定量的水需要大量能量和/或易于堵塞。
发明内容
根据一些实例，流通电化学反应器包含具有溶液流动路径的外壳。流通或实心第一电极安置于溶液流动路径内。第二电极与流通或实心第一电极间隔开，由此在流通或实心第一电极与第二电极之间产生电活性间隙。电活性间隙小于5mm且大于2mm。
流通电化学反应器的前述实例可进一步包含以下任选的特征、结构和/或形式中的任何一个或多个。
在一些任选的形式中，流通电化学反应器可包含小于约4mm且大于约2.5mm的电活性间隙。
在其它任选的形式中，流通电化学反应器可包含具有约3mm的平均大小的电活性间隙。
在其它任选的形式中，第一电极为具有中空圆柱形形状的阳极。
在其它任选的形式中，第二电极为具有中空圆柱形形状的阴极。
在其它任选的形式中，阳极和阴极同心地布置，阳极位于阴极的圆柱形壁内。在其它任选的形式中，阳极和阴极可反转，其中阴极和阳极同心地布置且阴极位于阳极的圆柱形壁内。
在其它任选的形式中，阴极可具有包含多个开口的圆柱形壁，和/或阳极可具有包含多个开口的圆柱形壁。
在其它任选的形式中，溶液流动路径至少部分地在阳极内沿着阳极纵向轴线纵向延伸，且至少部分地径向朝外，大体上垂直于阳极纵向轴线延伸穿过阳极的壁。
在其它任选的形式中，溶液流动路径径向延伸穿过阳极的壁，跨电活性间隙径向延伸，且径向延伸穿过阴极壁中的多个开口。
在其它任选的形式中，流通电化学反应器可包含溶液流动路径中的电解质溶液。
在其它任选的形式中，流通电化学反应器可包含连接到阳极和连接到阴极的电源。
在其它任选的形式中，流通电化学反应器可包含在外壳的第一末端处的入口盖、入口盖相对间隔和阳极相对于阴极的对准。
在其它任选的形式中，流通电化学反应器可包含在外壳的第二末端处的出口导流盖，出口导流盖密封外壳的第二末端且从阴极的外部接收出口流，出口导流盖还密封中空阳极的一个末端。
在其它任选的形式中，流通电化学反应器可包含安置于外壳的第一末端处的适配器底座入口，适配器底座提供管道和电连接同时维持压力密封。
在其它任选的形式中，阴极可包括：不锈钢(或其它基于铁的合金)；石墨或其它含碳材料；尺寸稳定阳极(DSA)；马格涅利相(Magneli-phase)氧化钛(通式为TinO2n-1)；混合金属氧化物(例如，TiO2、RuO2、IrO2、SnO)；硼掺杂金刚石(BDD)；或其组合。
在其它任选的形式中，阳极可包括尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛(通式为TinO2n-1)、混合金属氧化物(例如，TiO2、RuO2、IrO2、SnO)、硼掺杂金刚石(BDD)或其组合。
根据另一实施例，电化学地处理溶液的方法包含将阳极和阴极定位成相距小于5mm且大于2mm，由此在阳极与阴极之间产生电活性间隙；将功率施加到阳极且施加到阴极；和使含有污染物的溶液穿过电活性间隙，电子横穿阴极与阳极之间的电活性间隙，由此电化学地处理溶液中的污染物。
附图说明
尽管本说明书通过特别指出并明确要求保护被视为形成本发明的主题的权利要求书作出结论，但通过以下结合附图的描述将更好地理解本发明。
图1为根据所附公开的流通电化学反应器的分解透视图。
图2为图1的流通电化学反应器的侧视图。
图3为图1的流通电化学反应器的侧横截面图。
图4为图1的流通电化学反应器的入口盖的特写侧横截面图。
图5为图1的流通电化学反应器的出口盖的特写侧横截面图。
具体实施方式
本文中所描述的流通电化学反应器有利地用于水处理，包含但不限于产生饮用水、处理城市或家庭废水和/或处理工业废水。本文中所描述的流通电化学反应器为耐久的且可缩放的以满足相对较小的个人或家庭需求以及相对较大的消费者、商业、城市或工业需求。有利地，本文中所描述的流通电化学反应器不具有移动部件，且因此具有长使用寿命，同时相对便宜且容易制造。此外，本文中所描述的流通电化学反应器出人意料地且出乎意料地可更高效地处理存在于待处理的水/溶液中的污染物，其中相比于先前装置，堵塞和短路显著较少，如本文中更详细地解释。
如本文中所使用，流通电化学反应器指代具有穿过其中的溶液流动路径的反应器。流通反应器的基本结构元件包含具有入口、出口、阳极和阴极的外壳，如例如在以全文引用的方式并入本文中的美国专利公开案第2019/0284066号中所描述和展示。已知流通电化学反应器由于固体在电活性间隙中聚结而容易发生积垢和短路。因此，大部分电化学系统利用相对较大的电极间隙(至少5mm或更大)和/或构建和布置为静态(非流动)系统以限制积垢风险。本文中所描述的流通电化学反应器具有小于5mm但大于2mm的电极间隙。在其它实施例中，流通电化学反应器可包含小于约4mm且大于约2.5mm，优选地约3mm的电活性间隙。前述电极间隙范围已出人意料地且出乎意料地证明提供极高水平的电化学效率而不会发生堵塞且可能短路，如本文中所描述。因此，本文中所公开的电活性间隙出人意料地允许流通电化学反应器更高效地处理污染物，同时有利地表明改进的电效率而无显著积垢。此外，小于5mm的电活性间隙有利地产生反应性氧化剂的所要混合物。举例来说，根据本公开的电化学反应有利地产生较高浓度的羟基自由基，这产生更高效的水处理。
所公开的流通电化学反应器可有利地用于纯化各种类型的水，包含废水(例如，家庭废水、商业废水、城市废水、工业废水)、雨水、湖水、河水、地下水以用于多个最终用途，且最显著地为用于纯化欲用于饮用的水。
所公开的流通电化学反应器利用电来实现水纯化。具体来说，在阳极表面上或附近产生氧化剂和杀菌剂，包含但不限于羟基自由基、游离氯和臭氧，其可破坏污染物，例如病原体和其它非所需的有机和无机材料(本文中统称为“污染物”)。污染物(例如，硝酸盐和金属离子)也可在阴极表面上还原，由此将这些非所需污染物转化为不太有害的化合物，而不添加化学物质。因此，所公开的流通电化学反应器可用于例如通过中和酸性和碱性污染物、氧化其它污染物和通过还原去除再其它污染物来处理具有复杂水化学物质的水。另外，所采用的电极不被反应消耗，这大幅度地减少了维护需求以及替换成本。因此，通过有机物质的聚结或通过金属的沉淀进行的电极的积垢或结垢可有利地通过反转电极的极性、用水回洗、添加氯化钠以供给水和增加电压或通过用弱酸或碱清洁来复原。
在用所公开的流通电化学反应器进行水处理期间，水被氧化以形成次级活性氧类(ROS)，例如羟基自由基和臭氧。氧化剂与存在于所处理的水/溶液中的大部分有机物质快速反应，由此形成二氧化碳和不太有害副产物。此外，当电子从污染物转移到阳极时，发生污染物的直接破坏。全氟化合物(例如，全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS))为可使用根据本公开的流通电化学反应器氧化的代表性污染物。游离氯还可由存在于待处理溶液中的任何环境氯离子，或由添加的金属氯化物(例如，氯化钠(NaCl))原位形成，且因此提供另一杀菌剂。除了强大的氧化和杀菌能力之外，阴极还产生可还原非所需的污染物的还原剂，由此使其降解和/或形成不太有害的化合物。氧化剂形成、间接次级氧化、直接电子转移和还原过程的组合能够纯化包含许多类型的污染物的水，所述污染物包含但不限于氨、亚硝酸盐、硝酸盐、全氟化合物、天然和合成有机化合物和病原体。本文中所公开的2mm与5mm之间的电极间隙对于给定功率输入有利地产生较高浓度的氧化剂物质(至少相对于常规流通电化学反应器)，由此更高效地减少有机物质和其它污染物的量(同样，至少相对于常规流通电化学反应器)。
由于水的电解而在电极表面上发生的pH变化可引起流入水的pH变化。通常，H+形成于阴极处，且OH-形成于阳极处，两者均以相对较高量形成。在阳极处发生的氧化可引起许多有机化合物的完全或部分矿化，从而导致CO2的形成。将所形成的CO2溶解于流入水中，由此产生降低pH的碳酸(H2CO3)。pH还可通过破坏氨而降低。因此，pH的变化至少部分地取决于流入水中的化学物质。另外，水合氢离子和氢氧化物物质的形成可足够高以与上文所提及的各种氧化还原过程耦合，病原体(包含细菌、病毒和原虫)无法存活。
如上文所论述，尽管不是必要的，但待处理溶液可包含添加的金属盐以促进电化学过程。举例来说，溶液可包含金属盐，其可提供可被氧化以原位形成氯气(强大的氧化剂)的氯离子源。氯气高度溶于水且经历水解以形成次氯酸(HOCl)。在一些情况下，还可形成二氧化氯(ClO2)。盐(例如，NaCl或其它盐)可引入电化学反应器上游和/或可存在于流入水中。
如本文中所使用，“约”、“大致”或“大体上”包含所陈述的值和如所属领域的技术人员所确定的特定值的可接受偏差范围内的均值，其考虑到所讨论的测量和与特定量的测量(即，测量系统的限制)相关联的误差。举例来说，“约”、“大致”或“大体上”可意指在一个标准偏差内，或在所陈述值的±10％、5％、3％或1％内。
如本文中所使用，“含碳”意指包括碳的材料。为了考虑如本文中所使用的“含碳”，材料应含有具有除+4氧化状态以外的碳原子的碳(使得碳原子能够被氧化)。举例来说，含碳材料包含但不限于石墨、石墨烯、富勒烯、导电塑料和金刚石。
如本文中所使用，“流通”阳极或阴极指代液体能够流过的阳极或阴极电极。流通电极的一些非限制性实例包含液体可流过的具有内部贯穿路径和/或包括穿孔、孔或孔洞的阳极或阴极。举例来说，可通过冲压在电极中制造孔洞。在一个实例中，实心但中空圆柱形电极可具有内部贯穿路径，其中液体可沿着中空圆柱形电极的长度轴向地流动。其它非限制性实例包含具有包括多孔材料的材料壁的阳极，例如具有包括多孔材料的材料壁的中空圆柱形阳极或阴极，液体可借以其沿着阳极或阴极的长度轴向地流动以及横向地流过圆柱形阳极或阴极壁。多孔电极，例如多孔马格涅利相，例如Ti4O7，阳极通常为优选的，因为其提供高表面积且与待电化学处理的水/溶液(通常为水)的接触增加，这有利于产生可与所处理的水/溶液内的污染物反应以及引起污染物的相对增加的氧化的相对增加量的氧化剂，例如羟基自由基和臭氧。还可使用固体板型阳极(其不是中空的且不具有内部流通路径)。因此，阳极和阴极都可为流通的或实心的。
为了操作任何电化学过程，必须存在充当阳极和阴极的两个(或更多)电极。如本文所使用，“电活性间隙”意指在充当阳极和阴极的电极之间的间隙或空间。在所公开的流通电化学反应器中，电活性间隙包含于流动路径中，溶液(通常待处理的水相)可流过所述流动路径且当电化学反应器的电极供电时电子可经由所述流动路径转移。电流流动可引起在电活性间隙内发生的各种化学反应，其致使所处理的水/溶液中的污染物降解和/或呈现为失活，由此纯化水并将非饮用水转换成饮用水和/或允许流出液流释放到环境。
因为预期较小电活性间隙(小于约5mm)导致固体堵塞、增加的水阻力(流体摩擦)和盐桥接从而引起最终短路，所以出人意料且出乎意料的是所公开的流动电化学通过反应器更高效地处理污染物，同时有利地展现改进的电效率而无显著积垢。将间隙增加到高于5mm导致待处理的水/溶液的显著较不高效的电化学纯化。将电活性间隙降低到低于2mm产生跨电活性间隙的电流泄漏、积垢和电弧。出人意料地，由于在2mm与5mm之间、在约2.5mm与约4mm之间，优选地约3mm的电化学间隙而产生的氧化剂的形态有利地富含强大的氧化剂，例如羟基自由基。
已确定电极间隙从5mm到3mm的减小出人意料地导致块电解质的电阻减小14％到33％，这取决于溶液的导电性。实际上，所属领域的技术人员将预期，在小于5mm的电活性间隙处，各种化学反应将干扰电流动，由此升高电极之间的电阻(或至少减轻电阻的减小)。此类干扰在显著水平下出人意料地未观察到，且因此，伴随电活性间隙减小到小于5mm的电阻的减轻出人意料地大于实际应用中原本预期的。在10ppm或更低的低总溶解固体(TDS)浓度下，电活性间隙从5mm到3mm的减小对应于33％的电解质电阻的减小，从16.7Ω到11.2Ω。在1000ppm的较高TDS浓度下，5mm到3mm的相同减小对应于14％的电解质电阻的减小，从3.1Ω到2.6Ω。TDS可包含在水中解离的任何离子性固体。所公开的电化学反应器有利地使用低功率，例如约5瓦到约40瓦，优选地约10瓦，以提供有效水处理。在其它实施例中，可例如在用于处理已知或预期含有PFAS的流入水溶液的装置中使用较高功率，可使用高达12伏特和50安培。
此外，电活性间隙从5mm到3mm的减小出人意料地引起在去除氨时一级速率常数的大致47％与203％之间的增加，及在产生氧化剂时的51％到84％的增加，如下文进一步论述。一级速率常数为反应器去除污染物的有效程度的指示。如本文中所使用，术语“一级速率常数”定义为由以下等式描述的常数k，
Ct＝C0e-kt
其中t为时间，Ct为时间t时物质的浓度，且C0为时间＝0时物质的初始浓度。通过将线性回归模型应用到Ln(C0/Ct)对时间的曲线来计算一级速率常数。
一般来说，相对较高的一级速率常数(k)意味着针对给定污染物的更高效反应器。换句话说，更快速地发生在反应器内发生的使污染物降解和/或呈现为失活的化学反应。
如本文中所使用，“尺寸稳定阳极”指代显示相对较高的导电性和耐腐蚀性的阳极。一般来说，尺寸稳定阳极由一种或多种金属氧化物制造，例如RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂)。
“混合金属氧化物电极”(其可用作阳极或阴极)通过用若干金属氧化物涂布衬底(例如，钛板或扩展网状物)来制成。一种氧化物通常为RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂)，其传导电且催化所要反应，例如原位产生氯气。金属氧化物其它外部涂层通常为不显著传导或催化但防止内部腐蚀的二氧化钛。
在一些实施例中，任选的预过滤器可安装在电极的上游和/或后过滤器可添加在电极的下游，捕获颗粒或各种无机或有机材料的前或后过滤器由此防止颗粒在电极之间产生短路桥接，和/或去除由电化学反应形成的颗粒。
现在转向图式，流通电化学反应器10包含具有溶液流动路径14的外壳12。流通或实心第一电极(例如，阳极16)安置于溶液流动路径14内。在所说明的实施例中，阳极16为环形，在一些情况下为包括多孔材料的中空圆柱体。
第二电极(例如，阴极18)与阳极16间隔开，由此在阳极16与阴极18之间产生电活性间隙20。电活性间隙20小于5mm且大于2mm。在示例性实施例中，电活性间隙为约3mm。如上文所提及，阳极16和阴极18的同心布置可反转。
在所说明的实施例中，阳极16和阴极18两者都具有中空圆柱形形状。阳极16和阴极18同心地布置，阳极16位于阴极18的圆柱形壁22内。图1至图5中所说明的布置可用作氧化反应器。在其它实施例中，例如当用作还原反应器时，阳极16和阴极18可反转(例如，通过反转电连接)，使得阴极18可位于阳极16的圆柱形壁内。无论如何，阳极16和阴极18可共享公共纵向轴线x。阳极16的内部24形成用于通过入口26进入外壳12的待处理的水/溶液的初始流动路径。当待处理的水/溶液填充内部24时，其纵向流动，平行于纵向轴线x，且最终到达内部24的底部，其中液体由插塞27阻止。一旦被阻止，压力在内部24中累积，这迫使液体径向朝外，垂直于纵向轴线x，穿过阳极16的壁流动。
液体可通过阳极中的多孔开口，或通过阳极16中的穿孔穿过阳极16的壁。无论如何，一旦液体流动穿过阳极16的壁，液体就进入电活性间隙20。当在电活性间隙20中时，化学反应发生在由带电阳极和阴极供应的电子流驱动的液体中。液体继续径向朝外流动穿过阴极壁22，例如穿过阴极壁22中的多个开口28。一旦穿过阴极壁22，液体就在形成于阴极18与外壳12之间的环形空间中朝向出口30流动。
在替代实施例中，阳极16和阴极18中的一个或两个可包括实心圆柱形壁。在此类实施例中，流动路径可进入阳极16的中空内部，向下流动直到收缩插塞27，随后围绕阳极16的底端，穿过阳极16壁的底部与插塞27之间的间隙，随后向上流动穿过电活性间隙20直到接触入口盖36，且穿过入口盖36与阴极18的顶端之间的间隙，随后在阴极18的外侧上向下流动到出口。在其它替代实施例中，阳极16或阴极18可包括实心圆柱形壁，且流动路径可在实心圆柱形壁的外表面上流动且穿过电活性间隙20。
电源34经由电连接32连接到阳极16且连接到阴极18。通常，电源将为DC电源。然而，可替代地使用AC电源。电源34为阳极16和阴极18充电，且待处理的水/溶液填充电活性间隙20，电子在阳极16与阴极18之间流动，且所提供的电驱动特定所要化学反应，引起污染物的氧化或还原和病原体的失活。
入口盖36安置在外壳12的第一末端38处，入口盖36维持阳极16相对于阴极18的恰当间隔和定向。出口导流盖40安置于外壳12的第二末端42处。出口导流盖40密封外壳12的第二末端42且从阴极18的外部接收出口流。出口导流盖40还与插塞27一起密封阳极24的内部24的一个末端。
适配器底座入口44安置于外壳12的第一末端38处，适配器底座入口44提供管道和电连接同时维持压力密封。
阴极18可包括不锈钢、石墨或其它含碳材料、尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛(通式为TinO2n-1，例如Ti4O7)、混合金属氧化物(例如，RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂)或硼掺杂金刚石(BDD)或其组合。如本文中所使用，术语“马格涅利相氧化钛”指代具有通式TinO2n-1，例如Ti4O7、Ti5O9、Ti6O11或其混合物的氧化钛。在一个实施例中，马格涅利相氧化钛可为Ti4O7。在其它实施例中，马格涅利相氧化钛可为马格涅利相氧化钛的混合物。
阳极16可包括尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛(通式为TinO2n-1，例如Ti4O7)、混合金属氧化物(例如，RuO2(氧化钌)、IrO2(氧化铱)、SnO(氧化锡)或PtO2(氧化铂)、硼掺杂金刚石(BDD)、其它或其组合中的一个。
阳极16和/或阴极18可包括催化涂层。催化涂层的厚度可在1μm与30μm之间，优选地在5μm与20μm之间，且更优选地在10μm与20μmm之间。催化涂层可包括选自钌(Ru)、铑(Rh)、钯(Pd)、铱(Ir)、铂(Pt)和钽(Ta)的群组中的一个或多个的金属。举例来说，催化组合可包括Ru与Ta的组合、Rh与Ta的组合、Pd与Ta的组合、Ir与Ta的组合、Pt与Ta的组合、Ru与Ir的组合、Rh与Ir的组合、Pd与Ir的组合或Pt与Ir的组合。
一旦构造并布置适当的流通反应器，将功率施加到阴极和阳极，且待处理的水/溶液穿过电极，产生其电化学纯化。随后从反应器中去除纯化水/溶液。所施加的功率可周期性地反转以防止电极的钝化且移除污垢物。在此实施例中，阴极可包含亚化学计量的氧化钛或其它电极材料。反应器可周期性地反洗以冲洗可能已经累积在电极的孔或开口中的堆积固体。
在所说明的实施例中，在使用期间，将功率施加到阴极和阳极，且将流入水转移到反应器的入口盖末端并进入竖直地位于反应器的中心的管状路径中。流入水从管的出口离开。通常，反应器的定向经定位(且因此相对于图中所描绘的图示旋转180度)以使得入口安置于底部处且出口安置于顶部处。在此布置中，流入水从底部流动到顶部。在其它实施例中，阳极和阴极可反转，如上文所论述。
根据任何实施例，流通反应器可进一步任选地包含氧化还原电位传感器、pH传感器、氯传感器、电导传感器、流速传感器、压力传感器、温度传感器、一个或多个污染物传感器(例如，氮气、TOC、UV-Vis等)或其组合。
使用所公开的用于电化学水处理的流通电化学反应器的一些优点为对酸性和碱性溶液的高耐腐蚀性、高导电性、增大的质量转移和电化学稳定性。
溶液可包括去离子水、自来水或源水中的金属氯化物(例如，氯化钠)的溶液。金属氯化物可为碱金属氯化物、碱土金属氯化物、其组合，但不限于此。待处理的水/溶液可包含多种活微生物、人为化合物、天然化合物或其任何组合。微生物可为细菌、病毒、原虫或其它。可同时存在不同种类的微生物。
由所公开的流通电化学反应器产生的氯和其它氧化剂(臭氧和羟基自由基)协同地一起工作以纯化所处理的溶液。
流入液体还可包含各种人为化合物。这些化合物中的许多为致癌物且对于人类和动物健康是高度危险的。这些化合物可高效地氧化为不太有害产物和氧化产物。
实例
组装和测试代表美国专利公开案第2019/0284066号中描述的当今技术水平的反应器的第一反应器和根据本公开的教示构造的第二反应器。第一组实例(下文的实例1到3)包含测试以展示环境污染物(在此情况下为氨)的补救。第二组实例(以下的实例4到6)包含测试以展示氧化剂的产生。第一组实例和第二组实例都证实根据本发明的反应器和方法尤其相对于比较的当今技术水平的反应器的出人意料且出乎意料的效果，如下文中进一步论述。
实例1-组装两个反应器。第一反应器(1a)包含包括马格涅利相Ti4O7的圆柱形阳极，其在外表面上涂布有具有约20μm的厚度的催化层。第一反应器阳极为约19.65英寸长且具有约2.33英寸的外径。阳极为多孔的和中空的，但阳极可为实心的或多孔的和中空的或非中空的。第一反应器(1a)还包含同心地布置在圆柱形阳极周围的圆柱形阴极，所述阴极包括不锈钢。第一反应器阴极为约19.75英寸长且具有约2.77英寸的外径和约2.56英寸的内径。第一反应器包含在阳极与阴极之间至少5mm的当今技术水平的电活性间隙。
第二反应器(1b)包含包括马格涅利相Ti4O7的圆柱形阳极，其涂布有具有约20μm的厚度的催化层。第二反应器阳极为约19.65英寸长且具有约2.33英寸的外径。阳极为多孔的和中空的，但阳极可为实心的或多孔的和中空的或非中空的。第二反应器(1b)还包含同心地布置在圆柱形阳极周围的圆柱形阴极，所述阴极包括不锈钢。第二反应器阴极为约19.75英寸长，具有2.77英寸的外径和约2.56英寸的内径的中空圆柱体。根据本发明，第二反应器包含在阳极与阴极之间的3mm的电活性间隙。使第一反应器(1a)和第二反应器(1b)经历如下相同的测试条件：
使含有75到95mg/L的氯化铵(NH4Cl)(其对应于20到25mg/L的N)、45mg/L的氯化钠(NaCl)和500mg/L的硫酸钠(Na2SO4)的十一升去离子水溶液以3GPM的流速穿过两个反应器(1a)和(1b)。在6伏的电压下将功率供应到电极。测试条件和结果概述于以下表1中。
表1
如表1的数据所展示，3mm电活性间隙(反应器1b)的速率常数超过5mm电活性间隙(反应器1a)的速率常数的203％(大3.03倍)。换句话说，3mm电活性间隙反应器(1b)使用相同的所施加功率量清除溶液中的氨比5mm电活性间隙反应器(1a)快3倍。此结果是出人意料的，且超过仅通过阻力下降(归因于较小间隙)来提高效率的预期结果，且考虑到将预期的堵塞，甚至更如此。
尽管不受理论约束，但相信较小电活性间隙(3mm相对于5mm)在电极之间产生更多的湍流，这产生若干有利的流动特性。第一，相信较多湍流产生持续地清洁电极且防止污垢积累和堵塞的冲洗作用，且由此将预期最终结果为短路。第二，相信湍流促进混合，这有助于发生在流体自身内的化学反应，例如氨或其它物质的氧化。第三，相信湍流促进电极表面的质量传输。当补救全氟化合物(例如，全氟辛酸(PFOA)和全氟辛烷磺酸(PFOS)时，此促进的质量传输是尤其有利的，其中应理解，全氟化合物的氧化发生在电极表面处。
实例2-来自实例1的两个反应器经历较高电压功率输入。否则，所有反应器特性和测试条件与实例1相同。在实例2中，在8v下供应功率。下文还使用反应器名称(1a、1b)。
表2
如表2的数据所展示，3mm电活性间隙(反应器1b)的速率常数超过5mm电活性间隙(反应器1a)的速率常数的155％(大2.55倍)。换句话说，3mm电活性间隙反应器1b清除溶液中的氨比5mm电活性间隙反应器1a快2.55倍。
实例3-来自实例1的两个反应器经历较高电压功率输入。否则，所有反应器特性和测试条件与实例1相同。在实例3中，在12v下供应功率。下文还使用反应器名称(1a、1b)。
表3
如表3的数据所展示，3mm电活性间隙(反应器1b)的速率常数超过5mm电活性间隙(反应器1a)的速率常数的47％(大1.47倍)。换句话说，3mm电活性间隙反应器1b清除溶液中的氨比5mm电活性间隙反应器1a快1.47倍。
进行额外实验以确定反应器中的氧化剂产生的程度。
实例4-来自实例1的两个反应器经历不同的测试参数。下文还使用反应器名称(1a、1b)。两个反应器1a、1b经历含有200mg/L的NaCl的剂量的去离子水的流动。在3GPM下对十一升水样品进行测试。在实例4中，在6V下施加施加到电极的功率。在剂量的去离子水中测量总氧化剂。一般来说，在水处理方面，总氧化剂产生的测量与反应器效率和性能相关。结果概述于以下表4中。
表4
如表4的数据中所展示，3mm电活性间隙(反应器1b)产生的总氧化剂比5mm电活性间隙(反应器1a)多79％。即使考虑到阻力下降(归因于较小间隙)，此类增强的氧化剂产生也是出人意料的且出乎意料的，并且甚至考虑到将预期的堵塞，甚至更如此。
实例5-除了电压之外，来自实例1的两个反应器经历与实例4中所描述相同的测试参数。下文还使用反应器名称(1a、1b)。测试4中的两个反应器1a、1b经历8伏的电压。结果概述于以下表5中。
表5
如表5的数据中所展示，3mm电活性间隙(反应器1b)产生的氧化剂(总氧化剂)比5mm电活性间隙(反应器1a)多84％。
实例6-除了电压之外，来自实例1的两个反应器经历与实例4中所描述相同的测试参数。下文还使用反应器名称(1a、1b)。测试6中的两个反应器1a、1b经历12伏的电压。结果概述于以下表6中。
表6
如表6的数据中所展示，3mm电活性间隙(反应器1b)产生的氧化剂(总氧化剂)比5mm电活性间隙(反应器1a)多51％。
如通过以上测试1到6所说明，3mm电活性间隙在每一情况下相对于当今技术水平的5mm或更大电活性间隙产生出乎意料地优良的结果。无法仅通过归因于电极之间的空间减小而导致电阻的减小来解释改进的量值。
除非明确地排除或另外限制，否则本文引用的每一文件，包含任何交叉引用的或相关的专利或申请以及本申请要求其优先权或权益的任何专利申请或专利，在此以全文引用的方式并入本文中。任何文件的引用均不承认其为本文中所公开或所要求的任何发明的现有技术，或其单独或与任何其它参考文件组合教示、表明或公开任何此类发明。此外，在本文中的术语的任何意义或定义与以引用方式并入的文献中的相同术语的任何意义或定义冲突的情况下，应以在本文中赋予所述术语的意义或定义为准。
虽然已经说明和描述了本发明的特定实施例，但是对于本领域技术人员来说显而易见的是，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以进行各种其他改变和修改。因此，旨在于所附权利要求书中涵盖在本发明的范围内的所有此类改变和修改。

Claims (22)

1.一种流通电化学反应器，其包括：
外壳，其包含溶液流动路径；
流通或实心第一电极，其安置于所述溶液流动路径内；
第二电极，其与所述流通或实心第一电极间隔开，在所述流通或实心第一电极与所述第二电极之间产生电活性间隙，所述电活性间隙小于5mm且大于2mm。
2.根据权利要求1所述的反应器，其中所述第一电极为阳极。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的反应器，其中所述第二电极为阴极。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的反应器，其中所述电活性间隙小于约4mm且大于约2.5mm。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的反应器，其中所述电活性间隙具有约3mm的平均大小。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的反应器，其中所述第一电极为具有中空圆柱形形状的阳极。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的反应器，其中所述第二电极为具有中空圆柱形形状的阴极。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的反应器，其中所述第一电极具有环形形状且所述第二电极具有环形形状，且所述第一电极和所述第二电极同心地布置，所述第一电极位于所述第二电极的壁内。
9.根据权利要求8所述的反应器，其中所述第二电极的所述壁具有多个开口。
10.根据权利要求9所述的反应器，其中所述溶液流动路径至少部分地在所述第一电极内沿着纵向轴线纵向延伸，且至少部分地径向朝外，大体上垂直于所述纵向轴线延伸穿过所述第一电极的壁。
11.根据权利要求10所述的反应器，其中所述溶液流动路径径向延伸穿过所述第一电极的壁，跨所述电活性间隙径向延伸，且径向延伸穿过所述第二电极的所述壁中的所述多个开口。
12.根据权利要求1至11中任一项所述的反应器，其进一步包括所述溶液流动路径中的电解质溶液。
13.根据权利要求1至12中任一项所述的反应器，其进一步包括连接到所述第一电极且连接到所述第二电极的电源，由此产生电路。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的反应器，其进一步包括在所述外壳的第一末端处的入口盖，所述入口盖维持所述第一电极和所述第二电极的恰当相对间隔和对准。
15.根据权利要求1至14中任一项所述的反应器，其进一步包括在所述外壳的第二末端处的出口导流盖，所述出口导流盖密封所述外壳的所述第二末端且从所述第二电极的外部接收出口流，所述出口导流盖还密封所述第一电极的一个末端。
16.根据权利要求1至15中任一项所述的反应器，其进一步包括安置于所述外壳的第一末端处的适配器底座入口，所述适配器底座提供管道和电连接同时维持压力密封。
17.根据权利要求1至16中任一项所述的反应器，其中所述第二电极包括不锈钢、石墨或其它含碳材料、尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相(Magneli-phase)氧化钛、混合金属氧化物或硼掺杂金刚石(BDD)中的一个。
18.根据权利要求1至17中任一项所述的反应器，其中所述第一电极包括尺寸稳定阳极(DSA)、马格涅利相氧化钛、混合金属氧化物或硼掺杂金刚石(BDD)中的一个。
19.一种电化学地处理溶液的方法，所述方法包括：
将第一电极和第二电极定位成相距小于5mm且大于2mm，由此在所述第一电极与所述第二电极之间产生电活性间隙；
将功率施加到所述第一电极且施加到所述第二电极；和
使含有污染物的溶液穿过所述电活性间隙，电子横穿所述第二电极与所述第一电极之间的所述电活性间隙，由此电化学地处理所述溶液中的所述污染物。
20.根据权利要求19所述的方法，其进一步包括还原所述第二电极上的污染物。
21.根据权利要求19或20中任一项所述的方法，其中所述污染物包括硝酸盐、过氯酸盐、硼酸盐、金属氧阴离子、金属离子和其组合中的一个。
22.根据权利要求19至21中任一项所述的方法，其中在不添加其它化学物质的情况下还原所述污染物。
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