[发明专利]导电金刚石电极及使用该导电金刚石电极的臭氧生成器

说明书

技术领域

本发明涉及导电金刚石电极及使用该导电金刚石电极的臭氧生成器。

背景技术

在自然界中，臭氧是人们所熟知的具有极强氧化能力的一种物质，其在各种工业中有着广泛的应用。例如，臭氧在供水系统和污水工厂被用于消毒和脱色处理。臭氧的另一个优势在于其随着时间的流逝会自动分解变为无害的氧气。因此，与之前通过化学物质进行的工艺处理相比，臭氧被视为更简单且更安全的用于消毒和脱色工艺的化学物质，而且没有化学残余物或反应副产物带来的二次污染，从而提供了简单的后处理。

熟知的臭氧制备方法包括UV灯工艺、无声放电工艺以及电解工艺。UV灯工艺通过由UV射线激发氧来制备臭氧，可由相对简单的装置完成，但产量受到限制，并因此常用于房间和汽车的除臭。无声放电工艺是最普遍和常用的臭氧生成方法。该方法广泛应用于各种目的，从由小型臭氧生成器进行的简单的房间防臭到由具有每小时几十千克的输出能力的大型臭氧生成器进行的工业水处理。无声放电工艺使用氧气或空气中的氧作为原料，通过放电的激发生成臭氧。

电解工艺在通过电解水产生的阳极气体中产生臭氧。臭氧气体也可通过电解包括硫酸水溶液的水溶液来获得。然而，如果利用超纯水作为原材料并应用固体聚合物电解质膜(已知为全氟磺酸阳离子交换膜)来进行电解，则可以获得高浓度和高纯度的臭氧。利用超纯水电解的臭氧制备系统已经广泛应用于比如半导体晶片或LCD基板的精细清洁领域，因为其应用超纯水作为原材料，因此产生的气体所包含的杂质水平极低。

常规地，例如通过电解镀覆而沉积在包括钛的导电多孔金属上的二氧化铅(PbO₂)由于其在臭氧气体制备中出色的电流效率，已经被用作电解臭氧工艺的阳极。以全氟磺酸阳离子交换膜作为固体聚合物电解质膜并以二氧化铅作为阳极，在电解槽中室温电解超纯水时臭氧产生过程中的电流效率通常为10-15％，甚至在高电流密度下可高达到20％。尽管全氟磺酸阳离子交换膜在电解期间随着时间流逝而被消耗，但消耗的量很小，因此恒定的臭氧输出和操作安全性在连续的电解运行中可以维持两年以上。

如上所述，二氧化铅阳极在连续的电解操作和高电流密度下的臭氧产生过程中表现出高的电流效率，以及良好的长期稳定性，但二氧化铅阳极易于被还原并在还原环境中变质。例如，在电解操作的悬浮液中，电极表面的二氧化铅易于通过与包括保持在电解槽中的氢的还原性材料的化学反应或通过来自阴极极化的电解还原反应而被还原成氢氧化铅(Pb(OH)₂)，氧化铅(PbO)或铅离子(pb²⁺)。因为这些还原的物质既不具有臭氧产生能力也不具有导电性，所以在中止之后的恢复操作中会发现臭氧产生能力下降的现象。

因此，使用二氧化铅电极的电解臭氧生成系统常常具有提供保护电流的机构以避免操作停止期间性能的退化，保护电流在通常施加到电解槽的电解电流的1/10-1/1000的范围内。这种机构由用于供应保护电流的DC电源、电池和控制系统构成并持续地监测电解槽的状态，从而无电流状态不会发生，即使是短暂地发生。通过这种机构，可以防止二氧化铅阳极被暴露于还原环境，即使在电解操作停止期间。然而，这种机构的设置会使工作机构和电解臭氧生成系统的构造变得复杂，从而导致更高的设备成本。

而且，二氧化铅阳极包含大量的铅。当前，由于铅的毒性和法律要求，比如ROHS指南(参考非专利文献1)，铅的使用在所有工业日用品中都趋向于减少。ROHS指南涉及欧洲议会及2003年1月27日的关于电气电子设备中特定有毒物质使用限制的会议的2002/95/EC指令。

另一方面，已知使用导电金刚石作为阳极的水电解，其中导电金刚石的电导性由在晶体结构中添加的比如硼的掺杂剂引起，并且在臭氧产生方面提供高达40％的电流效率，这高于使用二氧化铅阳极的电解的电流效率。此外，导电金刚石阳极在化学和电化学稳定性上表现出色，即使在二氧化铅大量改变和退化的还原环境下，其性质和电解性能也不发生变化。因此，不再需要使用二氧化铅阳极的电解臭氧生成系统所必需的保护电流机构，导致简单的设备设计。实际上，组成导电金刚石的碳和硼均不是ROHS指南中的目标材料。