CN1243667C - 用于在溶液中生成氧化剂的高效电解槽 - Google Patents

Abstract

一种杀死水中微生物的方法，即通过把含有某种形式卤化盐的原液溶液输入一个无薄膜电解槽中，该电解槽包括一个阳极和一个阴极，当电流流经阳极和阴极之间时，在阳极附近使原液溶液电解，并将卤化盐转化为抗微生物混合氧化剂。

Description

用于在溶液中生成氧化剂的高效电解槽

发明领域

本发明涉及从天然含有盐(例如天然具有氯化钠)或添加的盐(例如添加氯化钠)的水溶液中生成混合氧化剂(例如次氯酸和氯气)的装置和方法。我们的方法是利用一对电极之间的电势在水中感应出电流，通过使流经电极之间的水发生电解，从而杀灭水中的细菌。当被污染的水流过电极之间时，微生物会被杀死，水就被消毒了。另外，净化水中还保留着一定的残余杀菌效力，因为该反应使水中含有残留的氯离子，它可以生成诸如游离氯(Cl₂)、次氯酸离子(OCl^-)、以及其他杀菌离子和游离基等杀菌剂。使氯离子电解效率提高，从而能有效地杀死水中的微生物的两个关键参数是：去除使阳极和阴极分开的薄膜，以及使两个电极紧密相邻(例如小于0.5mm)。因此，我们开发出了几种能有效杀灭受污染溶液中微生物的小型、高效、便携式、电池供电的装置。

发明背景

各种氧化剂，比如次氯酸盐、氯、二氧化氯及其他氯基氧化剂，是在工业和家庭的加工和服务中以及商业和消费品中最有效的抗微生物制剂。这些氧化剂分子的强大氧化潜力使其理想地用于广泛的用途，包括消毒和杀菌。已知，水溶液中氧化剂类的浓度低至1ppm或更少就可以杀死多种微生物，包括细菌、病毒、霉菌、真菌和孢子。较高的氧化剂浓度，最高可达到数百ppm，能提供多种化合物的更强的消毒和氧化作用以用于各种应用，包括废水处理、工业用水处理(例如冷却水)、水果-蔬菜消毒、石油工业亚硫酸盐的处理、纺织工业和医药废弃物处理。氧化剂可以与酚类化合物起反应并使其分解，从而消除水中酚的味道和气味。氧化剂还被用于处理饮用水和废水，以除去氰化物、硫化物、醛和硫醇。

尽管采用分离-隔室和薄膜电解槽来制造次氯酸盐及其他氧化剂已达到工业规模，但它们仍未完全达到消费者的标准，即小型和轻便。虽然我们为消费者的应用开发过一些利用电化法的电化装置，但是证明它们的制造成本过于昂贵，而且需要大量的电能才能达到所要求的效率。现有技术中已经公开的利用离子渗透膜或膜片技术的商用电解槽，要求阳极电解液中基本上无二价阳离子，如镁和钙，以避免形成钙和镁盐的沉淀物，这些沉淀物能迅速地阻塞和覆盖薄膜，从而明显地降低或阻止电解反应。

因此，仍然需要一种简单、安全的方法和设备来在各种条件下制造家用抗微生物的氧化剂。本发明描述了一种廉价、易用且有效的制造抗菌氧化剂的方法和设备。

发明概述

本发明涉及一种从天然含有食盐(例如天然含有氯化钠的水)或加盐(例如加入氯化钠的水)的水溶液中利用无薄膜电解槽生成抗微生物氧化剂的方法。无薄膜电解槽包括一个阳极电极和一个阴极电极、及一个槽室，槽室中没有将槽通道分成两个(或更多)分离的阳极室和阴极室的离子渗透膜。当电荷穿过通道中的原液溶液时，各种盐类被转化为抗菌氧化剂，该通道形成接近阳极表面的槽室部分。

本发明提供了一种生产抗菌氧化剂的方法，其包括以下步骤：(1)提供一种原液溶液，它包括天然具有氯化盐的水或已添加过氯化盐的水；(2)使原液溶液流入包括一个阳极和一个阴极的无隔膜电解槽的槽室，并且溶液要沿着一个靠近阳极的通道流入；(3)在阳极和阴极之间形成电流，从而在该通道里使原液溶液电解，从而将通道中的一部分盐类转变为抗菌氧化剂；和(4)使电解后的水溶液从电解槽中流出，从而形成含有抗菌氧化剂的水流。

本发明提供了一种用于电解电解液的设备，所述设备包括：

(a)无隔板的电解槽，其包括：

(i)阳极；

(ii)与所述阳极相对且平行的阴极，所述阳极和所述阴极限定了在它们之间形成的通道；

(iii)与所述通道连通的进口，所述进口用于接收电解溶液流；和

(iv)与所述通道连通的出口，所述出口为已经电解的电解溶液流提供出口；和

(b)电源，用于提供从所述阳极到所述阴极的电流，其中所述电源提供的电能小于5瓦，其中电流使电解溶液流电解。

附图概述

对于熟练的技术人员来说，在研究了下列技术规格和参考示意图之后，本发明的种种优点将是显而易见的，其中：

图1所示为用于本发明的一个实际使用的电解槽；

图2所示为沿线2-2获得的图1所示电解槽的剖面图；

图3所示为本发明的一种实际备选电解槽的剖面图；

图4是另一种具有多孔阳极的电解槽的剖面图；

图5是又一种具有多孔阳极的电解槽的剖面图；

图6是另一种具有多孔阳极和多孔水流隔板的电解槽的剖面图；

图7是又一种具有多孔阳极和多孔水流隔板的电解槽的剖面图；

图8仍是一种具有多孔阳极和多孔水流隔板的电解槽的剖面图；

图9是水流槽结构的方框图；

图10是再循环槽结构的方框图；

图11是具有一个过滤器机构的水流槽的方框图；

图12是具有一个过滤器机构的再循环槽的方框图；

图13是具有一个开/关传感器的水流槽的方框图；

图14是具有一个开/关传感器的再循环槽的方框图；

图15是具有一个离子交换树脂的水流槽的方框图；和

图16是具有一个离子交换树脂的再循环槽的方框图。

发明详述

本发明通过电流穿过阳极和阴极之间的原液溶液，从而使低含量的盐的原始化合物进行转化，无论盐的原始化合物是天然存在于水中的(如河水或井水)还是后来溶解于溶液(例如加入盐，像氯化钠)的。当水溶液流经电解槽室，且阳极和阴极之间有电流通过时，水中将发生几个化学反应，同时使水溶液里含有一种或多种其他盐类和离子。

在阳极，在接近阳极表面的通道的一薄层水溶液内，发生如下的氯气制备反应：

由此反应生成的氯气(Cl₂)溶解于水，生成次氯酸根离子(OCl^-)。需要注意的是，其他一些潜在的氯-氧气反应(例如二氧化氯)也可能发生。不受任何特定理论的约束，据信阳极电极从水或与阳极邻近的其他离子中提取电子，这导致在原液溶液的薄表层内形成了抗菌氧化物。位于阳极交界面的该表层厚度被认为是约100纳米。因而，间隙尺寸较小比间隙尺寸较大能获得更高的转化效率。当然，存在某种限制，即在该点使水溶液流动而不产生显著背压已不再可能，或者间隙过小，以至于由于电极之间的低电阻而产生非常大的电流。流体动力学(其包括湍流流动溶液的分子运动)预测到，当溶液流通路径接近阳极表层时，盐的转化率将增加。因此，本发明的电解槽和电解系统为了使抗菌氧化物的转化率最大化，优选地使通过邻近阳极表层的原液溶液流最大化。另外，去掉典型地将阳极和阴极隔室分开的薄膜也能因防止离子穿越薄膜的缓慢迁移来增大反应速率。

本发明涉及一种或多种氧化剂产品的生产，可包括次氯酸盐、氯气、二氧化氯、臭氧、过氧化氢，以及一些其他的氯氧生成物。

原液溶液包括至少一种卤化盐构成的电解溶液，为简单起见，下文中将以更为优选的卤化物盐类，氯化钠为例来说明。氯化钠是一种存在于自来水、井水和其他水源中的普通盐类。因此，水里通常有制造所希望的混合氧化剂浓度所需的充足的氯离子。也可加入一定量的氯化钠来获得所需的原液溶液浓度，通常为至少0.1ppm。

包括在原液溶液中氯化盐的含量除了根据电解槽将氯化钠转化为混合氧化剂产品的转化率选择之外，还可以根据含氯物类(例如次氯酸盐)所要求的消毒级别来选择。天然存在或后来加入的氯化钠的含量通常为约1ppm至约500ppm。对于水源消毒，氯化钠含量优选地为约1ppm至约300ppm，更优选地为约10ppm至约200ppm。得到的混合氧化剂产品的含量为约0.1ppm至约10ppm，优选地为约1ppm至约2ppm。

在本发明的电解槽可获得的从氯化物盐类转化混合氧化剂的转化范围通常为小于约1％至约99％。转化水平极其显著地依赖于下文所述电解槽的设计，和该电解槽所使用的电流特性。

原液溶液可包含除了氯化钠之外的其他一种或多种可选择的盐类。这些可供选择的盐类可以用于增强从电解槽中的流出物的消毒性能，或者当电流经过电解槽时发生反应从而生成其他的混合氧化剂。另一种优选的盐是溴化钠。一种优选的用于电解含碱金属卤化物的电解水溶液的设备和方法公布在共同未决的普通转让美国临时专利申请60/280,913(档案号8492p)中，该专利提交于2001年4月2日。其他优选的盐类包括碱石盐类，最优选的是亚氯酸钠。一种包含碱金属卤化物的电解水溶液的优选的设备和方法公布在序号为09/947,846的美国专利申请中，在此引入本文以供参考。

本发明任选使用一种本地氯化盐原料并把氯化盐输送到原液溶液中的方法。该实施方案在下列情况下使用有利：当需要用电解槽处理的目标水未包含足够量的或未包含任何氯化盐时，本地氯化盐原料可以释放到一股流经电解槽的水溶液中。本地氯化盐原料也可释放进入水溶液的容器的一部分，然后将这部分溶液引入电解槽。优选地，为了使混合氧化剂的转化率最大化，并且限制盐类一次性地加入容器，则使所有的本地氯化盐原料通过电解槽。本地氯化盐原料也能补充任何已包含在水溶液中的氯化物盐类的残余含量。

本地氯化盐原料可以是浓盐水溶液，或与电解液容器有流体接触的盐类片剂，或二者。一种优选的本地氯化盐原料是固态或粉末状物质。输送本地氯化盐原料的方式可以包括一个含具有氯化盐的盐室，优选地是药丸和药片，一部分水溶液流过盐室，从而使一部分氯化盐溶解形成原液溶液。盐室可以包括一个在支撑电解槽装置的壳体内形成的盐空洞，它与流经电解槽的那部分水溶液保持流体通道。

任何水源均可用于形成原液溶液，包括井水、自来水、软化水，和工业生产过程中的水以及废水。然而，对于本发明的许多应用来说，未经过处理的水，如河水或井水是用于形成流动溶液的最优选的水，该溶液基本上只含有天然存在的氯离子。由于这些类型的天然水中含有足量的盐类，包括氯化钠，这将生成数量可观的混合氧化剂。

在选择的水源中加入其他盐类或电解质将增加水的导电性，这将使生成的混合氧化剂量增加。然而，导电性的增加未必能够获得更高的制备效率，因为导电率的增加将增大电流消耗。所以，在生产更多的混合氧化剂的同时，也将消耗更多的能量。一个适用于混合氧化剂生产率的计算公式可由公式I来表示，

η＝(CMO*Q)/(I*V)(I)

其中：

η单位是每分钟每消耗1瓦特电能所生成的混合氧化剂的毫克数；

CMO是生成的混合氧化剂的浓度，以毫克/升计(mg/l)；

I是电流，单位为安培；

Q是体积流速，以毫升/分钟计(ml/m)；和

V是通过电解槽的电势，单位为伏。

包含氯化钠的原液溶液可以从一个分批存储容器中输送给电解槽。或者，原液溶液也可以通过氯化钠的浓水溶液与一个二次水源的混合来连续地制备，并使混合物连续地流向电解槽。任选地，原液溶液的一部分可包括从电解槽流出溶液的再循环部分。并且，原液溶液可以包括任意前述来源的组合。原液溶液能够连续或周期性地流经电解槽。

电解槽

电解槽利用流经槽室的原液溶液中的电流来由氯离子生成混合氧化剂。无隔板电解槽包括至少一对电极，一个阳极和一个阴极。电解槽还包括一个供原液溶液流过的槽室，还包含一个接近阳极的通道。该通道包括接近阳极表面的薄层，转化反应就在这里发生。优选地使尽可能多的水流溶液穿过通道和薄的阳极表层区域。

在本发明的一个实施方案中，电解槽包括一个阳极和一个与之相对的(优选共同扩张的)阴极，二者被一个槽室隔开，槽室的形状由这对电极的相对表面限定。槽室有一个槽间隙，它是两个相对电极之间的垂直距离。典型地，跨越电极相对表面的槽间隙将基本上为恒定值。槽间隙优选地为0.5mm或更小，更优选地为0.2mm或更小。

电解槽也可以包括两个或多个阳极，或两个或多个阴极。阳极板和阴极板是可以交换的，因此一个阳极的每个表面都有一个阴极与之相对，在其间是一个槽室。1996年7月9日授予Ando等人的美国专利5,534,120和1977年12月13日授予Eibl等人的美国专利4,062,754中就有包括多个阳极和阴极电解槽的实施例。

通常，电解槽将有一个或多个进水孔与每个槽室保持流体相通，和有一个或多个出水孔与小室保持流体相通。进口孔也与原液溶液源保持流体相通，因此原液溶液就可以流过进口、槽室和电解槽的出口。流出溶液(从电解槽流出的电解后的原液溶液)包括一定量的混合氧化剂，它们是在有电流通过溶液的情况下，在电解槽通道内转化出来的。流出的溶液可以用作混合氧化剂源，例如，用于消毒物品，或用于处理其他大量的水或水溶液。流出物自身也可以是被处理过的溶液，其中该溶液包含有微生物或一些其他的可被氧化的源料，这些源料能够被生成的混合氧化剂溶液就地氧化。

本发明还提供一个混合氧化剂生成系统，其包括：

a)包括卤化盐的原液溶液来源；

b)一个具有槽室、且包括一个阳极和一个阴极的无薄膜电解槽，槽室有一个接近阳极的通道，和与槽室连接的供流体进出的进口和出口；

c)一种将原液溶液沿着通道送入槽室、并从出口流出的方法；和

d)一个使电流通过槽室内的水溶液的电流电源，电流将通道内卤化盐的一部分转化为混合氧化剂，并形成含有混合氧化剂的水溶液流出物。

图1和图2所示为本发明的电解槽10的一个实施方案。该槽包括一个阳极21电极和一个阴极22电极。一对相对的不导电电极夹30使两电极彼此之间保持固定的距离，电极夹的电极隔片31使阳极和阴极相对纵向边缘分离，并形成具有一定室间隙的槽室23。槽室23有一个供原液溶液流入电解槽的进口25，和一个反向的供流出物从电解槽排出的电解槽的出口26。阳极和阴极，以及相对的板夹以固定方式(未显示)被牢固地一并安装在一个不导电的阳极盖33(局部被切掉的显示)和阴极盖34之间，固定方式可以是包含不导电的耐水胶粘剂、螺钉，或其他方法，从而使两电极仅仅暴露在流过该槽室23的电解溶液中。阳极引线27和阴极引线28横向地伸展并可密封地穿过电极夹30形成的通道。

图2显示槽室23和沿着阳极21表面的通道24。通道24是槽室23的一部分，尽管显示为边界29，但是这只是为了说明它与阳极21接近，并不说明它与槽室的比例或相对比例。

本发明的电解槽的另一个实施方案如图3所示。该电解槽有一个阳极出口35。阳极出口排出在邻近阳极21的通道24中流动的一部分电解料液，做为阳极流出物。其余的电解槽的流出物从电解槽出口26排出，下文中还被分别描述为阴极流出物和阴极出口。在1994年5月31日授予Baker等人的美国专利5,316,740，1996年7月9日授予Ando等人的美国专利5,534,120，以及1999年1月12日授予Otsuka等人的美国专利5,858,201中描述过类似的电解槽，电解槽从阳极出口移去一部分流过邻近阳极的电解液。特别优选的是一种如图3所示的美国专利4,761,208中描述的电解槽，它使用一个在阳极和阴极之间且邻近出口的物理隔板(元件16)，这样在从阳极出口排出溶液之前，可以使邻近阳极的溶液与邻近阴极的溶液的混合最小或消除。优选地，将包括低含量或无混合氧化剂产品的阴极流出物送回并混入原液溶液。

电极通常可以具有任何形状，该形状可以使它本身和另一个电极之间的原液溶液中形成有效地导电，可以包括但不局限于平面电极、环形电极、弹簧类型电极和多孔电极。通过对阳极和阴极电极的加工成型和定位，使阳极和阴极电极对之间具有基本上均匀的间隙，如图2所示。另一方面，阳极和阴极可以具有不同的形状和不同的尺寸，并且可以分开放置且彼此的间隙不均匀。阳极和阴极之间重要的关系是在一个适当的电压下使充足的电流流过阳极，从而促进靠近阳极的电解槽通道内的卤化盐转化为混合氧化剂。

例如图2所示的平面电极，具有一个溶液流动路径方向上的长度，和一个与流动路径横向的宽度。平面电极的纵横比由长度与宽度的比值定义，通常为0.2至10，更优选地为0.1至6，最优选地为2至4。

电极，即阳极和阴极通常均为金属导电材料，尽管非金属的导电材料也可以使用，比如碳。阳极和阴极的材料可以一样，但也可以有利地采用不同材料。为了使腐蚀最小，优选使用耐化学腐蚀金属。在美国专利3,632,498和美国专利3,771,385中公开了适合的电极的实施例。优选的阳极金属是不锈钢、铂、钯、铱、钌，和铁、镍和铬，以及它们的合金与金属氧化物。更为优选是由例如钛、钽、铝、锆、钨或其合金金属制成的电极，它们表面有从第八金属元素族中选择的铂、铱、钌、及其氧化物与合金的镀层或涂层。一种优选的阳极由钛构成核心并镀有或涂有钌、氧化钌、铱、氧化铱，及其混合物，层厚度为至少0.1微米，优选地为至少0.3微米。

许多应用中可使用一种厚度为约0.03mm至约0.3mm的金属箔。应使箔电极在槽中稳定，这样当液体流过通道时，它们就不会发生干扰正常电解过程的翘曲或弯曲。当装置的造价必须最低，或当电解装置的寿命预期或预计比较短(通常约一年左右或更少)时，使用箔电极特别有利。箔电极可以用如上所述任何金属制成，并且优选地为压成薄片，装在一个价格低廉的导电基底金属上，比如钽、不锈钢等等。

本发明的特别优选的阳极电极是一种多孔的或液体能流过的阳极。多孔阳极具有大的表面积和大的孔隙空间，从而足以使大量的原液溶液从中流过。多孔阳极的多个气孔和流道提供了大大增加的表面积，该表面积为原液溶液的流过提供了多个通道。本发明中用到的多孔介质可以从俄亥俄州辛辛那提的Astro Met有限公司、北卡来落罗来州Henderson的Porvair有限公司或康奈提格州Farmington的MottMetallurgical商购获得。另外，美国专利5,447,774和5,937,641给出了适合的多孔介质处理的实施例。优选地，多孔阳极的表面积(以平方厘米计)与总容积(以立方厘米计)的比值超过约5cm^-1，更为优选的超过约10cm^-1、甚至更优选的超过约50cm^-1，并且最优选的是超过约200cm^-1。优选地多孔阳极具有的孔隙度至少约10％、更优选地是约30％至约98％，并且最优选地是约40％至约70％。优选地，多孔阳极在整个容积上具有一个高的表面积与导电性的组合，以使流过阳极的溶液流速最佳，且使溶液中所含的氯化盐向混合氧化剂产品的转化率最佳。

根据溶液暴露于阳极表面的时间，原液溶液穿过多孔阳极的流过路径应能充分地使氯化盐转化为混合氧化剂。通过原液溶液路径的选择可以与电流通过阳极的电流方向相平行(与电流方向相同或相反)，或者与电流方向交叉。多孔阳极允许更大部分的原液溶液流经靠近阳极表面的通道，从而增加可转变为含混合氧化剂产品的卤化盐的转化比例。

图4显示一个包括多孔阳极21的电解槽。该多孔阳极有多个象毛细管一样的流经通道24，通过流经通道，原液溶液可以穿过多孔阳极内部靠近阳极的表面层。在图4所示的电解槽中，原液溶液的流动与阳极和阴极之间的电流方向平行。

另一个具有多孔阳极的电解槽的实施方案如图5所示。在该实施方案中，原液溶液的流动方向与阳极和阴极之间的电流方向有交叉。因为穿过多孔阳极的流动通道通常很小(小于0.2mm)，所以实际上，穿过多孔阳极的单位溶液的流动所需要的压力将比等量的溶液穿过一个开口电解槽室所需要的压力更大。因此，在将原液溶液引入到具有一个多孔阳极和一个开口电解槽室的电解槽时，通常流过该多孔阳极并通过其表面的溶液量将会明显减少，因为溶液将优先地流过开口电解槽室。

为了解决上述原液溶液绕过多孔阳极的问题，优选地提供了如图6所示的电解槽室，在阴极22和多孔阳极21之间的槽室24内具有一个绝缘多孔流动隔板40。该多孔隔板40采用绝缘板是为了防止通过槽室材料在阳极和阴极之间形成电短路。当原液溶液流过电解槽室时，多孔隔板将产生一个溶液压降。多孔隔板不应该吸收或蓄水，而且不应该与水溶液及其中的化学成分，包括混合氧化剂产品起反应。多孔隔板40可以由一种不导电的材料制成，不导电材料可以但不限于从下列材料中选择：塑料，如聚乙烯、聚丙烯，和聚烯烃、玻璃或其他硅质材料以及硅。多孔隔板可以包括多个大小相同或不同的球形、椭圆形，和其它形状的物体，它们在槽室中可以松散地包在一起，或形成一个统一的物体阵列。图6所示多孔隔板40是由不同直径的球体组成阵列构成的。多孔隔板40还可以是一个或多个挡板，它实际上限制流过槽室24的溶液流动。如图7所示，这样的挡板可以包括一系列限制溶液流动的有孔垂直隔板。限制穿过不导电的、多孔绝缘隔板的原液溶液的流动能够显著地减少通过槽室的原液溶液的比例，从而增加在多孔阳极21的内部通道23里卤化盐的转化比例。

尽管流过多孔阳极以及包含多孔隔板40的槽室24的溶液可以混合并且在彼此之间往复流动，但是从电解槽出口26的不同区域流出的排出液的溶液成分基本是不同的。从多孔阳极排出的溶液38与从靠近阴极槽室排出的溶液39相比，前者的PH值明显较低而卤素产品的产出率明显较高。从多孔阳极排出的溶液38可以与排出溶液39分离开来，并通过放置如图8所示的隔层37而将其从电解槽中除去。

本发明的另一个实施方案采用了一种具有开口槽室的电解槽。开口槽室电解槽对于本发明中装盛原液溶液的容器特别有用；容器包括水池、浴缸、矿泉浴场、水箱，及其他开放的水体。原液溶液可以流入电解槽并从不同的方向到达阳极。原液溶液中的卤化盐可以含在容器中的溶液里，或者可以作为卤化盐的一个本地来源被送入容器中的溶液里，如前所述。开口槽室电解槽的实施例在美国专利4,337,136(Dahlgren)、美国专利5,013,417(Judd)、美国专利5,059,296(Sherman)、以及美国专利5,085,753(Sherman)中均有描述。

用于产生混合氧化剂的一个可替代的系统包括含有原液溶液的分批容器。一个再循环泵使料液循环从容器穿过电解槽，并且将流出液输送回分批容器。随着处理时间的延长，溶液中未反应的氯化盐的浓度将降至基本为零，这样原液溶液中所有氯化钠将几乎完全地转化为混合氧化剂产品。在一个稍有不同的系统中，电解槽可以被放置在分批容器的内部，被淹没在含有氯化钠的水溶液里。容器内部的泵或混合器推动溶液穿过电解槽，使溶液进行再循环直到达到氯化钠转化为混合氧化剂的目标转化率。

电解槽还可以包括能够电解一定量的原液溶液的分批式的槽。该分批式槽包括一个具有一对电极的分批室。该分批室充满了含氯化钠盐的原液溶液，然后原液溶液被电解形成包含混合氧化剂的分批的排出液。电极优选地包括一个外部环形阳极和一个同心的内部阴极。根据本发明，这里给出了一个适合的使用氯化钠盐供应源的分批式电解槽的实施例，该实施例公开于2000年11月30日公布的WO00/71783-A1专利中，该文献引入本文以供参考。

电流电源

一个电流电源在电极之间提供一个电流流动，通过穿过阳极原液溶液的通道。对于许多应用来说，优选的电源是家用(或者工业用)电流整流器，它将普通的100至230伏特的交流电转换为直流电。

对于的轻便或小型的个人用系统，一个优选的电源是单个电池或电池组，优选地从碱、锂、氧化银、氧化锰，或碳化锌电池中选择。电池可以具有1.5伏特、3伏特、4.5伏特、6伏特的标称电压，或任何其他的满足电解装置能量需求的电压。最优选的是普通型电池，例如“AA”规格、“AAA”规格、“C”规格、以及“D”规格的电池，它们的电压均为1.5V。两个或多个电池可以用电线串联(以增加其电压)或并联(以增加其电流容量)，或同时采用两种连接方法(同时增加电压和电流)。也可以方便地使用可充电电池和机械卷轴-弹簧装置。

另一个可供选择的是太阳能电池，它可以把太阳能转换(和存储)为电能。当电解槽要求的功率为电流低于2000毫安，电压在1.5和9伏之间时，可方便地使用太阳能光电板。许多其他的已知动力资源也可以用于本发明，包括但不限于，手工曲柄发电系统和水压/流动涡轮系统。

在一个实施方案中，电解槽可以包括单对电极，其阳极与电池或电池组的正极引线相连，阴极与电池或电池组的负极引线相连。一系列两个或更多个电极，或两个或更多个单元(各一对电极)可以通过电线与电源相连。通过把各单元阳极连接到正端(组)以及各单元阴极连接到负端(组)，从而将单元以并联方式排列，以为各单元提供相同的电势(电压)，并将总电流分配(均匀地或不均匀地)在两个或更多个电极对之间。将二个单元(例如)以串联方式排列，通过连接第一个单元的阳极到正端，第一个单元的阴极到第二个单元的阳极，以及第二个单元的阴极到负端，来为各单元提供相同的电流，并将总电压势能分配(均匀地或不均匀地)在两个单元上。

电源可以更进一步包括一个回路，用于周期性地使电池或电池组的输出端极性换向，目的是在时间上维持高水平的电效力。极性倒转能将水垢的生成降至最低或防止水垢以及带电化学物种在电极表面上沉淀。当使用相对的阳极和阴极时，极性的倒转功能特别适宜。

电解流出物

在大部分应用中，当已含氯化盐的溶液流动穿过电解装置时，受污染的溶液中的微生物将被杀死。在其他应用中，包含转化的混合氧化剂的流出液从电解槽中排出并被使用，例如用作一种消毒水溶液。流出液可被直接输送入一个可被氧化的溶液源，可被氧化的溶液源可被混合氧化剂氧化。可被氧化的溶液源可以是第二水源或其他包括微生物的水溶液，当与排出溶液混合或接触时，溶液源被破坏。在原液溶液内部的微生物也被消灭。

去除杂质

水中杂质呈多种形式存在。有时它们具有微生物的特征，并可能是病毒、细菌、真菌、寄生物或其他生物形态。去除一些或所有的这些杂质可以由位于电解槽前或后的过滤器辅助完成。特别需要注意的是去除99.95％的孢囊有机体，比如似隐孢菌素，如果过滤器的有效过滤尺寸小于孢囊的尺寸，这些孢囊有机体将会从污染水中除去(例如，一个能够去掉大于3微米微粒的过滤器)。

杂质也可能是非细菌性的。也可根据杂质大小来借助过滤器去除杂质。有时，水中的污染物可以具有有机的或无机的特征。同样希望能够使用一个过滤器去除一些或全部的有机或无机污染物。在其它情况下我们也可能希望把有机或无机物转化为一种更容易利用过滤器除去的形态。举例来说，砷(As)可以以两种氧化物(砷(III)和砷(V))中的一种氧化物形态存在。尽管两种氧化物都会对健康产生负面的后果，但是通常，人们认为砷(III)是毒性更强的形态。可能在水源中发现砷的氧化形态依据来源而不同。由于空气的氧化作用，地表水通常比地下水含的砷(V)的百分比更高。无机物砷(III)(亚砷酸盐)以及砷(V)(砷酸盐)的结构，加上它们的相应的酸解常数，如下所示。

砷酸盐

pKa＝2.2              pKa＝7.0                 pKa＝11.2

亚砷酸盐

pKa＝9.2

注意，在饮用水的酸碱度下，砷(V)将以单价或二价的阴离子形态存在，而砷(III)将以中性分子的形态存在。这意味着砷(V)、而不是砷(III)可以容易地利用阴离子交换树脂去除。所以，如果砷(III)能够容易地被氧化成砷(V)，那就意味着，离子交换法将是一种极好的用于去除砷的处理方法。对于一个典型的强碱离子交换树脂，在水中去除阴离子的选择性可能按以下顺序(从最容易的到最困难的)排列：硫酸盐＞砷酸盐＞硝酸盐＞亚砷酸盐＞氯化物＞重碳酸盐。

有些情况下，过滤器可能部分地或者全部地由离子交换树脂组成，以此作为对进入电解槽的电解溶液的预处理。特别引人注意的是离子交换树脂产生一种流出物，它能在电解以前增加电解溶液的卤离子浓度，例如，利用一个以氯化物形态存在的阴离子交换树脂。利用阳离子交换树脂可以使电解槽内水垢形成离子浓度(比如钙和镁)减到最小，从而使清理阳极(组)和阴极(组)的必要性降为最小。

实施例：

图9描绘了一个流动槽100的非限定性和示范性实施方案。流动槽100可包括一个进口110和一个出口120。可以使用小功率电源，(优选轻便的)可利用传统的家庭电池来为电解流动槽提供电流和电压。电解槽可具有多种规格，其中阳极的表面积为约0.1cm²至约60cm²。本发明的一个特别优选的实施方案包括一个电解槽，其阳极表面积为约1cm²至约20cm²、更为优选地为约3cm²至约10cm²。一个电驱动的带有发动机的泵能借助流动槽的结构将溶液灌输到电解槽中。这样的泵装置的典型溶液流速为约100至约300cc/min。

图10描绘了一种包括再循环槽200的非限定性和示范性实施方案，它包括一个槽100。再循环槽200可以包括一个水溶液容器204。容器204中具有含卤化盐的原液溶液。离开出口120的溶液可能被引入容器204，在这里溶液与原液溶液混合生成需要的电解种类的组合。一旦两种溶液混合，它们被引入进口110。两种溶液可采用任何目前已知的用于输送原料的方法来输送，而不仅限于用泵206。可任选地，容器204可包括一个进口210和一个出口220，从而允许导入外加的原液溶液和导出电解后的溶液以供利用。

图11描绘了流动槽100的一个非限定性和示范性实施方案。流动槽100可包括一个前置过滤器装置300。前置过滤器装置300可用来从原液溶液中滤除多种不希望的成分，包括但不限于，沉淀物、微粒、不溶物质、大有机物(例如孢囊)。为了达到理想的效益，过滤器机构300可由不同物质构成，包括但不限于粒状活性碳滤器、粒状活性碳块、活化碳纤维、硅藻土玻璃纤维、滤纸、离子交换树脂、尺寸上能消除的物质、电荷-改性的物质(本文引入WO0107090A1中一个图示实施例作为参考)，沸石、活性铝土、硅胶、硫酸钙、漂白土，以及活化铁铝氧石。对于与饮用水有关的应用，为了符合ANSI/NSF标准53，可更进一步地希望去除99.95％的、大小至少为3微米或更大的微粒。

图12描绘了类似于图10所示的再循环槽200的一个非限定性和示范性实施方案，而且包括一个与图11所示相类似的过滤机构。

图13描绘了流动槽100的一个非限定性和示范性实施方案。流动槽100可包括一个开-关传感器400。开-关传感器400可用来检测进入的原液溶液的存在，并产生响应以开启电源(未显示)，电源用来提供电解水溶液所需要的电能。以一种类似的方式，开关传感器也可以检测到进入的原液溶液的消失，并产生响应以关断电源(未显示)。

图14描绘了类似图10所示的再循环槽200的一个非限定性和示范性实施方案，而且包括一个类似图13所示的开-关传感器。

图15描绘了具有离子交换树脂500的流动槽的一个非限定性和示范性实施方案的方框图。离子交换树脂可用于两个目的。第一，它可以作为一种软水剂来降低流过槽100的水的总硬度；第二，它可以作为一种卤化物阴离子交换剂，这样，当在水中没有天然卤化物离子时，阴离子交换树脂可用于交换阴离子卤化物离子，以增大系统的效率。对于水中大多数的阴离子，易交换的卤素阴离子的一个实施例是氯离子。

软水剂用来降低水的总硬度。使用化学方法分析水中含有的碳酸氢钙以及碳酸氢镁的数量，就可以测定水的硬度。软水剂是一种特定类型的离子交换树脂水调节剂。典型地，阳离子交换树脂用于把水中的钙和镁的阳离子置换成其他的、通常为单价的阳离子。最普通的置换离子是钠或氢离子。大部分的水软化系统还包括一种用于再生阳离子交换树脂床的方法。用于树脂的再生的最普通的方法是盐水溶液流。氯化钠盐通常被用于此目的。

图16描绘了类似图10所示的再循环槽200的一个非限定性和示范性实施方案，而且包括一个类似于图15所示的离子交换树脂500。

实施例1-(流动槽和水中天然存在的盐)

如图9所示为用于处理脱氯自来水的电解槽的大致设计图。该电解槽的的一对相对的电极的通道间隙为约0.46mm。阳极由ES300-钛制成，镀有氧化钌和氧化铱。阴极由201不锈钢制成。平面电极的尺寸为长73.0mm、宽25.4mm。电极的表面积通过电极的长度乘以其宽度(例如7.30cm×2.54cm＝18.54cm2)来计算。脱氯水的制备是让自来水流过聚氨酯安装在水龙头上的过滤器(炭精块过滤器)以去除水中的氯。所用自来水的电导率为150uS/cm。测得自来水中的氯离子含量为78ppm。收集十公升的脱氯水。利用一台螺旋泵测得从玻璃容器穿过电解槽的溶液的流速为300ml/分钟。利用一个电源(Tenma实验室，模型72-630A)为电解槽提供4.5伏特的电压和0.43安培的电流。电压和电流相乘计算(例如4.5V×0.44A＝1.98W)得到功率。从电解槽中释放出溶液并进行分析。利用无氯化物的DPD Hach方法计算出流出溶液中共包含2.90ppm浓度的混合氧化剂。通过对公式I中(η＝(CMO*Q)/(I*V)))所说明的效率，计算得到所达到的生产率指标是439。各种其他的试验条件列在表格A中。

表A

电极间距(mm)	流率(ml/min)	电压(V)	电流(A)	功率(W)	电极表面积(cm2)	氧化剂浓度(ppm)	生产率指标
								0.46	100	4.5	0.65	2.93	18.5	12.56	429
0.46	500	4.5	0.44	1.98	18.5	1.42	359
								0.46	1000	4.5	0.40	1.80	18.5	0.54	300
0.46	100	6.0	1.14	6.84	18.5	20.90	306
								0.46	500	6.0	0.87	5.22	18.5	3.03	290
0.46	1000	6.0	0.73	4.38	18.5	1.13	258
								0.23	100	4.5	0.32	1.44	9.0	4.60	319
0.23	500	4.5	0.23	1.04	9.0	0.72	346
								0.23	1000	4.5	0.22	0.99	9.0	0.33	333
0.23	100	6.0	0.67	4.02	9.0	7.88	196
								0.23	500	6.0	0.45	2.70	9.0	1.20	222
0.23	1000	6.0	0.41	2.46	9.0	0.59	240
								0.46	100	4.5	0.25	1.13	9.0	3.53	312
0.46	500	4.5	0.20	0.90	9.0	0.44	244
								0.46	1000	4.5	0.18	0.81	9.0	0.12	148
0.46	100	6.0	0.42	2.52	9.0	6.18	245
								0.46	500	6.0	0.30	2.34	9.0	0.83	177
0.46	1000	6.0	0.35	2.10	9.0	0.26	124
								0.23	100	4.5	0.19	0.86	4.5	2.08	242
0.23	500	4.5	0.13	0.59	4.5	0.23	195
								0.23	1000	4.5	0.12	0.54	4.5	0.05	93
0.23	100	6.0	0.41	2.46	4.5	3.80	154
								0.23	500	6.0	0.25	1.50	4.5	0.44	147
0.23	1000	6.0	0.22	1.32	4.5	0.14	106
								0.46	100	4.5	0.07	0.32	4.5	0.99	309
0.46	500	4.5	0.06	0.27	4.5	0.13	241
								0.46	1000	4.5	0.06	0.27	4.5	0.04	148
0.46	100	6.0	0.14	0.84	4.5	1.80	214
								0.46	500	6.0	0.11	0.66	4.5	0.28	212
0.46	1000	6.0	0.11	0.66	4.5	0.10	152

实施例2-(流动槽和加入盐的水)

实施例1中的电解槽的工作过程利用的是制备好的由盐溶液组成的原液溶液。在脱离子水中添加了氯化钠盐。在本测试中，添加了500mg的工业氯化钠(Aldrich Chemical Company，Inc，Milwaukee，WI53233)并用搅拌棒混合直到完全溶解，由氯化钠盐溶液形成浓度为50ppm的氯化物。原液溶液保存在一个10公升的玻璃容器中。由一台螺旋泵测出从玻璃容器穿过电解槽的溶液流速为300ml/分钟。为电解槽提供的电压为4.5伏特，电流为0.22安培。对从电解槽中释放出的溶液进行分析。得出流出溶液中含2.13ppm的氧化剂。计算得到的生产率指数是645。

实施例3-(使用AA电池的流动槽)

实施例3中的电解槽的工作过程类似于如实施例1中所描述的电解槽，但电源换成了3节AA规格的电池(Duracell)。由一台螺旋泵测出从玻璃容器穿过电解槽的溶液的流速为300ml/分钟。3节AA规格电池为电解槽提供的电压为4.1伏特，电流为0.34安培。对从电解槽中释放出的溶液进行分析。得出流出溶液包含1.96ppm的氧化剂。计算得到的生产率指数是427。

实施例4-(再循环槽中装有含天然盐类的水)

图10所示的电解槽的工作条件与实施例1中所列工作条件相同。10公升水中的游离氧化剂浓度随时间增加。结果如下表B显示。

表B

电极间距(mm)	时间(min)	电压(V)	电流(A)	能量(W)	电极表面积(cm2)	氧化剂浓度(ppm)
							0.46	0	0	0	0	18.5	0
0.46	1	4.5	0.43	1.94	18.5	0.06
							0.46	3	4.5	0.45	2.03	18.5	0.23
0.46	5	4.5	0.44	1.98	18.5	0.41
							0.46	10	4.5	0.45	2.03	18.5	0.83
0.46	20	4.5	0.45	2.03	18.5	1.55
							0.46	30	4.5	0.45	2.03	18.5	2.31

本发明在大量的应用中可能会得到赞誉，这些应用包括但不限于：安装在水龙头上的过滤器、安装在厨房柜台上的水净化装置、安装在洗碗池下的水净化装置、野营/背包式水净化装置、旅行水净化装置、冰箱水净化装置、罐装自流水净化装置、洗澡水净化装置、以及矿泉类水净化装置。

对于本领域的技术人员来说，在研究了前述技术规格和下述权利要求后，本发明的种种优势将会变得更为显而易见。

Claims (33)

1.用于电解电解液的设备，所述设备包括：

(a)无隔板的电解槽，其包括：

(i)阳极；

(ii)与所述阳极相对且平行的阴极，所述阳极和所述阴极限定了在它们之间形成的通道；

(iii)与所述通道连通的进口，所述进口用于接收电解溶液流；和

(iv)与所述通道连通的出口，所述出口为已经电解的电解溶液流提供出口；和

(b)电源，用于提供从所述阳极到所述阴极的电流，其中所述电源提供的电能小于5瓦，其中电流使电解溶液流电解。

2.如权利要求1所述的设备，所述阳极表面积小于30cm²。

3.如权利要求1所述的设备，所述通道在所述阳极和所述阴极之间的距离小于0.6mm。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括壳体，所述壳体为所述电解槽和所述电源提供包容。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括流体运动机构，用来使电解溶液从所述进口流入，从所述出口排出。

6.如权利要求5所述的设备，其中所述流体运动机构使已从所述出口排出的电解溶液再循环，重新流入所述进口，从而使电解液重复电解过程。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括用于去除杂质的过滤器。

8.如权利要求7所述的设备，其中所述过滤器位于所述电解槽之前。

9.如权利要求7所述的设备，其中所述过滤器位于所述电解槽之后。

10.如权利要求7所述的设备，其中所述过滤器适于从电解溶液中去除99.95％的、大小为至少3微米的微粒。

11.如权利要求7所述的设备，其中所述过滤器去除有机物。

12.如权利要求11所述的设备，其中所述过滤器位于所述电解槽之后，并且所述电解槽把有机物转化为可以被所述过滤器去除的形态。

13.如权利要求7所述的设备，其中所述过滤器去除无机物。

14.如权利要求13所述的设备，其中所述过滤器位于所述电解槽之后，并且所述电解槽把无机物的氧化态转化为可以被所述过滤器去除的形态。

15.如权利要求13所述的设备，其中所述过滤器适于去除砷。

16.如权利要求13所述的设备，其中所述过滤器位于所述电解槽之后，并且所述电解槽把砷的氧化态转化为可以被所述过滤器去除的形态。

17.如权利要求13所述的设备，其中所述过滤器位于所述电解槽之后。

18.如权利要求7所述的设备，其中所述过滤器部分或全部由树脂构成。

19.如权利要求7所述的设备，其中所述过滤器部分或全部由碳构成。

20.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括在电解之前对电解溶液进行预处理的离子交换树脂。

21.如权利要求20所述的设备，其中所述离子交换树脂适于增加电解溶液中含卤离子的浓度。

22.如权利要求20所述的设备，其中所述离子交换树脂适于减少电解溶液中易形成水垢的离子。

23.如权利要求20所述的设备，其中所述离子交换树脂是软水剂。

24.如权利要求1所述的设备，其中所述设备还包括水感知传感器，能够在有水的时候触发电解过程的开始，并在无水的时候触发电解过程停止。

25.如权利要求24所述的设备，其中所述水感知传感器是场效应晶体管。

26.如权利要求1所述的设备，其中所述电源选自电池、交流-直流转换器、太阳能电池、手动曲柄发电机体系、水压/涡轮供能系统，及其组合形式。

27.如权利要求1所述的设备，其中所述阳极是箔电极。

28.如权利要求1所述的设备，其中所述阳极包括一组第八族金属。

29.如权利要求1所述的设备，其中所述阳极是多孔阳极。

30.如权利要求29所述的设备，其中所述多孔阳极是多孔金属阳极。

31.如权利要求1所述的设备，其中所述设备适用于以下一种或多种用途：安装在水龙头上的过滤器、安装在厨房柜台上的水净化装置、安装在洗碗池下的水净化装置、野营/背包式水净化装置、旅行水净化装置、冰箱水净化装置、罐装自流水净化装置、洗澡水净化装置、以及矿泉类水净化装置。

32.如权利要求1所述的设备，其中所述设备适于去除杂质。

33.如权利要求1所述的设备，其中所述设备适于杀灭微生物。

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