CN1809655A - 通过电解制备臭氧的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种通过水的电解制备臭氧的装置。该装置包括一对互相面对的框架和在两片框架间相对地排列的阳极与阴极。阳极和阴极间设置有用于传递电解过程中形成的氢离子的固体聚合物电解质膜。此外，阴极和固体聚合物电解质膜间设置有辅助电极，从而水垢可以在辅助电极的表面上形成。隔板60插在阳极和阴极之间。与纯水和阳离子交换水一样，自来水可以被用作制备高浓度臭氧水的原料水。可以在电极和固体聚合物电解质膜之间实现压力的均匀，从而提供了稳定的操作。

Description

通过电解制备臭氧的装置

技术领域

本发明一般而言涉及一种臭氧发生器，具体地涉及一种通过电解水制备臭氧水的装置。

背景技术

通常，通过电解的臭氧发生器包括一对相对的电极和它们之间的固体聚合物电解质。将预期的电流施加于水中的电极，然后通过水的电解可以制备溶于水的高浓度臭氧。

常规地，臭氧水可以通过两类方法制备。

根据常规方法之一，通过电晕型放电而释放出臭氧，然后将释放出的臭氧加入并溶于水中，从而制备臭氧水。该方法需要供给空气的鼓风机和促进臭氧溶于水中的微鼓泡器。但是，这样导致了制造成本的增加和生产效率的下降，并伴随由其引起的噪音。此外，不想要的氮的氧化物在电晕放电过程中通过空气中氮气的氧化而产生。

在另一类方法中，分子状态的臭氧可以直接在水中制备，因此该方法可以解决上述技术中的问题。该方法根据水中相对的电极结构中的固体聚合物电解质的存在，分为膜型和非膜型。

在膜型方法中，美国专利第4,836,929号举例说明了该方法，铅电极和铂黑电极分别作为阳极和阴极，由固体聚合物电解质制成的膜被插入两电极之间。但是，技术上很难均匀地安装电极和固体聚合物电解质。而且，由于如操作中局部过压的非均匀性，电解过程中固体聚合物电解质可被局部损坏，这引起使用寿命显著缩短。

美国专利第4,416,747号公开了一种电极装置，其中固体聚合物电解质的表面用如铂的贵金属涂覆。但是，在实践中该电极装置不易制造，并且其生产成本很高。而且，该电极装置在技术上不稳定，这导致缺少可靠性。

另一方面，通过电解产生臭氧的过程中，水垢的形成是不可避免的。为了避免形成水垢，现有技术中的常规技术已使用净化水，其中引起水垢的2+阳离子成分如钙和镁已被去除。所以，在其应用上具有局限性。

这就是说，当没有从供给水中，例如通过使用硬酸性阳离子交换树脂或反渗透方法去除如钙和镁的2+阳离子而发生电解时，反应式(5)中产生的OH-离子用于沉淀如反应式(6)和(7)中的氢氧化物，所以水垢在阴极的表面上形成，从而电解的效率下降。

                            (5)

                        (6)

                        (7)

在非膜型的情况下，题目为“水中制备臭氧的方法和装置”的韩国专利第36389号说明了该类型方法，将由铂族金属形成的多对相对的电极置于水中，并对相对的电极施加电流，从而强电场可以在其周围集中。所以，臭氧可以在水中直接形成。

但是，在上述现有技术中，当自来水或相似级别的水被用作供给水时，由于水中缺少用于电流的电解质，所以需要较高的电压用于水的电解，从而增加电力的消耗并缩短电极的寿命。

另一方面，在使用蒸馏水或由阳离子交换树脂得到的净化水的情况下，由电极通过水的电流被明显抑制住。所以，在实际应用中具有局限性。

作为现有技术问题的另一个解决方案，题目为“在水中制备高浓度臭氧的装置”的韩国专利申请第10-2000-0011202号提出了一种技术，其中在臭氧发生器的电解池内安装震动器，从而去除在电极表面形成和生长的微泡。仅抑制泡沫没有成为现有技术中的一般问题的最终的解决方案。

发明内容

本发明的目的是提供通过水的电解制备臭氧的装置，其中水垢在阴极处的形成可以被减少，从而在不考虑原料水的级别的情况下制备高浓度的臭氧。

为了实现上述目的，根据本发明的一个技术方案，提供了一种通过水的电解制备臭氧的装置。该装置包括：通过在水中电解产生氧、臭氧和其它氧化物的阳极，通过在水中电解产生氢和其它产物的阴极，设置在阳极和阴极间的用于传递电解产生的氢离子的固体聚合物电解质膜，和设置在阴极和固体聚合物电解质膜间的辅助电极。辅助电极传递阳极产生的氢离子通过阴极，并且水垢通过2+阳离子和阴极产生的OH-离子的反应在辅助电极的表面上形成，从而减少了在阴极表面上出现的水垢形成。

优选地，辅助电极具有网格形状，并可以由不锈钢、钛、铂或铂涂层形成。该装置进一步包括用于在固体聚合物电解质膜和阳极间提供间隙的隔板。该隔板可以由聚四氟乙烯形成。

根据本发明的臭氧发生器，可以在电极和固体聚合物电解质膜间得到均匀的机械压力，从而可以防止局部损坏，并可以实现稳定的操作。而且，可以防止由于与膜的非均匀间隙引起的电解电压的增加，并且可以有效减少水垢在阴极上的形成，从而能够使用自来水来代替纯水。所以，可以实现具有低成本和高效率的可靠的臭氧发生系统及其各种可能的应用。

附图说明

从下面结合附图的详细描述可以更充分地理解本发明的进一步目的和优点，其中：

图1为根据本发明的一个实施方案的通过电解制备臭氧的装置的透视部件分解图；

图2说明了图1中所示的装置的装配结构；

图3显示了根据本发明的一个实施方案的辅助电极的俯视图；

图4为取决于本发明的辅助电极的存在与否，用电压值表示电解电阻的图；和

图5为显示在恒定电流方法和可变电流方法的情况下根据本发明产生的臭氧的浓度的图。

具体实施方式

参考附图，下文详细描述根据本发明的优选的实施方案。

图1说明了根据本发明的一个实施方案的通过电解制备臭氧的装置的透视部件分解图，其也被称为“臭氧发生器”。图2为图1中的臭氧发生器的装配图。参看图1和2，本发明的臭氧发生器包括一对互相面对的框架10、和相对地安装于该对框架10之间的阳极20和阴极30。阳极20和阴极30间设置有用于传递电解过程中形成的氢离子的固体聚合物电解质膜40。另外，阴极30和固体聚合物电解质膜40间设置有辅助电极50，从而水垢可以在辅助电极50的表面上形成。隔板60插在阳极20和阴极30间。下文将描述本发明的臭氧发生器的进一步的细节。

在阳极20处，氧和氢如反应式(1)所示而产生，然后臭氧通过如反应式(2)和(3)的反应产生。

                        (1)

                     (2)

                        (3)

在阴极30处，氢如反应式(4)和(5)所示而生成。

(n＝4～6)                 (4)

                        (5)

根据本发明，辅助电极50插在阴极30和固体聚合物电解质膜40之间，从而减少水垢在阴极30的表面上形成。即，形成的水垢被水洗去。所以，本发明的装置可使用自来水或相似级别的水以连续产生臭氧，而无需通过硬酸性阳离子交换树脂或反渗透方法来预处理原料水。

如上所述的辅助电极50可以将阳极20产生的氢离子顺利地传递到阴极30。如下面的反应式(6)和(7)所示，阴极产生的OH-离子与2+阳离子反应形成水垢。在本发明中，使水垢在辅助电极50的表面上形成，从而将在阴极30的表面上形成的水垢的量减到最小。

                    (6)

                    (7)

此外，辅助电极50以网的形状制成，其可以由细丝制成，从而形成的水垢附在辅助电极50上，而后易于从辅助电极50上去除。图3显示了根据本发明的一个实施方案的辅助电极的俯视图。所以，根据本发明，辅助电极50和其结构特征提供了现有技术中的电解电阻由于水垢的沉淀和积聚而被增加的问题的解决方案。辅助电极50优选以细金属丝网的形式，从而提供阴极20和固体聚合物电解质膜40间的紧密接触。

图4为显示根据本发明的辅助电极的存在与否，用电压值表示的电解电阻的附图。如图4所示，为了检验辅助电极的存在与否的情况下的电解电阻，本发明的臭氧发生器在装有和未装辅助电极50的情况下通过恒定电流法连续运转进行测试。

从图4可以理解，在恒定电流的条件下，对装置施加的电压随电解电阻成比例变化。所以，通过电压值的变化可以研究电解电阻。

在图4中，标记符号A表示使用辅助电极50和自来水(硬度65ppm)的情况，和B表示使用自来水(硬度65ppm)而不采用辅助电极50的情况。标记符号C表示通过硬酸性阳离子交换树脂将水预处理到5ppm的硬度的情况。对应于各种情况，显示了在1000小时的操作过程中电解电压的变化。

2+阳离子已通过阳离子交换树脂从自来水中去除的情况C显示了最稳定的电解电压。已发现没有去除2+阳离子(情况A和B)的电压高于情况C。

如图4所示，与没有辅助电极的情况B相比，发现已插入辅助电极50的情况A辅助电极已有效地减小了电解电阻。

用作辅助电极50的材料必须对酸、碱、和氧化材料具有很强的抵抗力和良好的电导率。优选的材料为不锈钢、钛、碳等。电极50优选具有10～100目的网的形状。0.1～2.0mm的厚度适合辅助电极50。

如上所述，在包括辅助电极50的电极装置中，由水垢在阴极30处形成而引起电解电阻增加的趋势可以被有效地抑制，同时实现了将均匀的压力施加于整个固体聚合物电解质膜上。因此，制备臭氧的效率可以被显著提高。

铂适合于阳极20和阴极30。作为选择，铂涂层可以用于由其它适当的材料制成的电极。阳极和阴极优选具有板的形状，并且具有一定比例的开口面积以有效地从电极释放出在其表面上形成的气泡。尽管优选网形电极，考虑到网形固有的弹性，当与固体聚合物电解质膜装配时必须要小心注意以保持其均匀性。穿孔板具有开口比可能受到限制的缺点。根据本发明，最适于电极20和30的开口比为其整个面积的30～80％。

根据应用，各种材料可以用于固体聚合物电解质膜40。例如，高氟化树脂(Nafion)(商标，Dupont制造)为一种优选材料。膜40所需的物理性质为0.083±0.004S/cm的电导率，0.07～0.23±0.02g/英寸²的单位重量，和0.05～0.18mm的厚度。膜40的形状优选为极度放大的电极。

如图1所示，两个电极20、30和固体聚合物电解质膜40通过一对框架10被装配，该框架由具有抗磨损的良好的物理和化学特性的材料制成。

两片框架10以彼此相对的关系被装配。框架10在其内部具有容纳电极并固定它们在适当位置的凹槽11，和容纳通过框架10的原料水(例如，自来水)的开口12。通过在一个框架上形成的突出物13和另一个框架上形成的孔14将框架装配和固定在一起。

阳极20和阴极30具有多个平行的缝21，其以预定的间隔被隔开。阳极和阴极分别具有接线端22和32，以向阳极和阴极供给电流。

隔板60起到在固体聚合物电解质膜40和阳极20间维持一定间隙的作用。使隔板60与阳极20的边缘和中心部分接触，并优选由具有抗磨损的优良的物理和化学性质的带、片或膜材料制成。作为选择，可以使用塑料结构。优选地，隔板60和阳极20之间的间隙保持0.01～0.5mm。

阳极20、阴极30和隔板60在其中心区域分别具有装配孔23、33和61。每个框架10在对应于装配孔23、33和61的位置具有装配突出物15。所以，当电极20、30和隔板60与框架10装配时，装配突出物15被插入装配孔中，从而所有的部件可以被固定并保持在正确的位置。

固体聚合物电解质膜40与阳极20相邻排列，并且辅助电极50与阴极30相邻。固体聚合物电解质膜40和辅助电极50以彼此面对的方式被彼此相邻装入。

隔板60和辅助电极50分别排列在固体聚合物电解质膜40的两侧，所以可以在固体聚合物电解质膜40和各电极20和30间得到均匀的压力，从而提供装置稳定的操作。

将具有上述结构的电极装置放于水中，将正直流电加到正极20，负直流电加到负极30。因此，发生如反应式(2)和(3)表示的电化学反应，从而产生溶于水的高浓度的臭氧。

电流可以通过两种方法供给。在第一种方法中，在操作的整个期间中供给根据系统特性预先确定的恒定电流。在第二种方法中，测定随水的性质改变的电解电阻，并且供给的电流随所测的电阻改变。图5为显示在恒定电流方法和可变电流方法的情况下根据本发明产生的臭氧的浓度的附图。在图5中，曲线A表示恒定电流方法，曲线B表示可变电流方法。

工业适用性

如上所述，根据本发明的臭氧发生器，在电极和固体聚合物电解质膜间可以得到机械压力的均匀，从而可以防止局部损坏并可以实现稳定的操作。而且，由与膜的非均匀的间隙引起的电解电压的增加可以被防止，并且在阴极上水垢的形成可以被有效地减少，从而能够使用自来水来代替纯水。所以，可以实现具有低成本和高效率的可靠的臭氧发生系统及其各种可能的应用。

尽管已就具体的说明性的实施方案描述了本发明，但本发明不受这些实施方案的限制，而只受所附权利要求的限制。应理解，在没有偏离本发明的范围和精神的情况下，本领域的普通技术人员可以改变或修改这些实施方案。

Claims (5)

1、一种通过水的电解制备臭氧的装置，该装置包括：

a)通过电解在水中产生氧、臭氧的阳极；

b)通过电解在水中产生氢的阴极；

c)设置在阳极和阴极间用于传递由电解产生的氢离子的固体聚合物电解质膜；和

d)安置在阴极和固体聚合物电解质膜之间的辅助电极，其中辅助电极传递阳极产生的氢离子通过阴极，并且其中水垢通过2+阳离子和阴极产生的OH-离子的反应在辅助电极的表面上形成，从而减少在阴极的表面上出现的水垢形成。

2、根据权利要求1所述的装置，其中辅助电极具有网格形状。

3、根据权利要求1所述的装置，其中辅助电极由不锈钢、钛、铂或铂涂层制成。

4、根据权利要求1所述的装置，该装置进一步包括用于在固体聚合物电解质膜和阳极之间提供间隙的隔板。

5、根据权利要求4所述的装置，所述隔板由聚四氟乙烯制成。

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