[发明专利]一种水电解装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种水电解装置。

背景技术

臭氧是一种强氧化剂，具有很强的瞬间杀菌、灭菌、消毒、除臭、脱色、保鲜等功能，还可以分解难以分解的有机物。在传染病、病毒大肆流行的公共卫生和医疗领域，治理大气污染、水质污染的环境领域、食品和制药等工业领域、电子工业的洗净领域、自来水饮用水的消毒、工业废水以及核废料等高难度化学物质的分解处理领域，它的应用已经非常重要。

臭氧的应用有两个方面：一是臭氧体的应用，它主要用于空气的消毒和净化、介质气体的分解、工业尾气的分解排放等。超纯净臭氧体在医药工业、食品工业以及医疗等方面得到广泛应用；二是臭氧水的应用，目前的技术大多是将臭氧混入水中获得，混合方法很多，不同的方式获得的臭氧水浓度不同，但要达到应用目的，无论从设备投资成本还是能耗都比较高。

目前，有利用价值的臭氧体制取方法有以下几种方式：

1.以自然空气为原料的紫外线低压水银灯管法：这种方法制取出来的臭氧浓度很低，多用于空气消毒，而制取臭氧水的利用价值不高。

2.以纯氧气为原料的高频放电法：这种方法制取出来的臭氧浓度高于紫外线低压水银灯管法，无论是臭氧的利用还是臭氧水的利用，都是目前比较普及的方法。然而由于这种方法同时产生氮氧化物，而氮氧化物为致癌物质，因此导致这种方法在纯净领域和饮用水领域的应用受到极大的限制。

3.以纯水为原料的电解法：这种方法以水为原料，在以β-PbO₂为阳极催化剂和以白金(Pt/c)为阴极催化剂的电解催化作用下将氢和氧分离，阳极生成O₂和O₃，阴极生成H。这种方法制取出来的臭氧浓度很高很纯净，然而由于能耗大、价格昂贵，而且产品难以掌控，导致很难被普及采用。

据文献记载，水电解式臭氧发生器的研究是从1886年开始，经过长期的研究进步，于1985年SPE式电解臭氧发生器问世。这种形式的臭氧发生器基本结构以β-PbO₂为阳极催化层，以白金(Pt/c)为催化剂的阴极催化层，其中间夹着固体高分子电解质膜(SPE)，在阳极和阴极的外侧夹上具有导电体作用并起到透气透水作用的多孔质钛板或泡沫状钛材，再在其各自的外侧夹上接受正负电源给电的阴阳极钛板。工作时，给阳极供以纯水，通以2～3.5V的直流电，水在阴阳电极的催化作用下，氢原子通过固体高分子电解质膜(SPE)向阴极移动生成氢，剩余下来的氧原子在阳极放电生成臭氧，而阴极的白金催化层(Pt 1mg/cm²)起到氧化还原反应生成氢的作用。这种形式的技术仍是当今日本市场电解臭氧发生器的主流。

这种臭氧发生器的基本结构是：固体高分子电解质膜(SPE)立置于中央，阳极(+电极)和阴极(-电极)立置于其两侧，阳极超纯水原料电解槽和阴极积水槽再分别立置于阳极电极和阴极电极的两侧，阳极生成的含氧臭氧体连同含有臭氧的臭氧水由阳极电解槽排入阳极气液分离室(一般称其为阳极水箱)，利用臭氧和水的不同比重在此经过分离后，含有氧气的臭氧体由气液分离室的顶部排出；水再通过单向阀进入阳极电解槽；阴极生成的氢气和水由阴极积水槽排入阴极气液分离室(一般称其为阴极水箱)，利用氢气和水的不同比重在此经过分离后，氢气由气液分离室的顶部排出并经过空气稀释处理后排放到大气中；水由阴极气液分离室排放。这种立式排列置放的电解结构等于电极与电解用原料水也是立式置放，电极与水为侧面接触，水的重力向下，而侧面接触造成电解过程中电极与水的摩擦接触，生成的臭氧体在摩擦水域中朝上流动，形成流体性乱流和损失。而且，这种结构电解槽容积不易过大，导致了原料水量很小。此外，摩擦和乱流造成的损失导致了液体的升温，因此为了控制温度的上升，又不得不加以外部冷却水循环冷却等手段。这个结构存在的缺陷是：

(1)由于臭氧是强氧化剂，所以所有过流零件都必须采用耐腐蚀性很强的材料，多以钛合金、不锈钢316以上等金属材料或者聚四氟乙烯PTFE、PFA等树脂材料，零部件多，连接环节多，材料之间很难连接，造成成本相当昂贵，复杂的结构会造成供水、液面、温度等控制系统的复杂化，也造成使用者在管理、操作、维护等方面难度增大，这些都造成应用上的局限性；

(2)受其工艺所限，一旦中断供电，阳极催化层的β-PbO₂极易还原劣化，再启动时要到达一定电流效率和浓度所用时间需要时间长，为此一旦通以电流后即不可断电，装置中需要配备蓄电池或紧急备用电源，因此难以使用普及；