[发明专利]电解装置及其电解方法

说明书

技术领域

本发明涉及电解装置及其电解方法，其中将包含痕量碱土类金属离子如钙离子和镁离子的非纯化水用作原料，具有其中将原料水供给至阴极室的构造，特征在于可防止碱土类金属的氢氧化物等的垢沉积在阴极表面上。

背景技术

利用电解反应的水处理被广泛用于通过电解生产功能水、生产臭氧水和生产电解水，灭菌，以及分解除去有害物质等目的。用于这些处理的反应器具有通常具有阳极、阴极以及设置在二者之间的离子交换膜或容纳在框体内的多孔隔膜的构造，称为电解槽或电解室。这种电解槽或电解室包括隔膜、被隔膜分隔的阳极室、被隔膜分隔的阴极室、设置在阳极室中的阳极和设置在阴极室中的阴极，并且已知有两室型电解装置和三室型电解装置。两室型电解装置包括隔膜法电解装置、阳离子交换膜法电解装置和作为该类型的特殊方法的固体聚合物电解质法电解装置。

隔膜法电解装置使用多孔隔膜作为隔膜，阳离子交换膜法电解装置使用阳离子交换膜作为隔膜，固体聚合物电解质法电解装置使用阳离子交换膜作为固体聚合物电解质(solid polymer electrolysis)，其中阳极和阴极紧密附着在阳离子交换膜的两表面上，从而构成甚至可电解导电性小的纯水的电解装置。

三室型电解装置设置有阳离子交换膜和阴离子交换膜作为隔膜来分隔阳极室和阴极室，从而在阳离子交换膜和阴离子交换膜之间形成中间室。通过这些电解装置生产各种功能水和臭氧水。

本发明涉及电解装置及其电解方法，其中包含痕量碱土类金属离子如钙离子和镁离子的非纯化水用作待电解的原料；更详细地，本发明提出了在使用非纯化水作为原料水的通过电解的臭氧水生产装置及其臭氧水生产方法、功能水生产装置及功能水生产方法和电解水生产装置和电解水生产方法，灭菌法，废水处理法等中，可改善氢氧化物等在阴极上沉积的问题的装置及其方法。另外，本发明的电解装置及其电解方法可有助于解决其它应用领域中类似的问题。

一般来说，在废液处理法或包括碱性离子化水的功能水的生产方法中采用包含碱土类金属离子如钙离子和镁离子的非纯化水作为原料。在这些使用非纯化水的电解方法中，首先来自阴极表面的阴极液的pH值随电解时间增加，以痕量钙作为主要元素的碱土类金属离子以其氢氧化物、氧化物和碳酸盐的形式沉积在阴极表面上作为非导电性的垢(scale)(水垢)，引起电解功能障碍。

为了解决这些问题，专利文献1和专利文献2提出了将酸用于阴极室液的方法；然而构造变得复杂且安全操作变得困难。专利文献3提出通过以预定时间间隔交替使用在电解水的生产装置中设置的辅助槽和多个电极来抑制阴极沉积。然而，该装置设计需要大型设备，导致成本增加。专利文献4详细描述了通过在装置操作的正常关闭时进行酸洗等除去沉积的方法，这导致复杂的操作步骤。专利文献5建议通过用盐酸酸化非隔膜电解室来防止阴极上的沉积。该方法使用包括盐酸的强酸化学溶液，这不仅在操作安全性或成本上不利，而且可能取决于应用而不接受强酸。

专利文献6介绍了如下的操作方式：电解室的阳极和阴极在电解性能下降时逆转，以便通过反向电流恢复性能。在这种情况下，在施加反向电流和构成的金属元素洗脱下阴极暂时行使阳极的功能。来自洗脱的金属的大部分离子如Cr和Ni，不仅不期望作为包含在处理液中的离子，而且还浸透固体聚合物电解质膜而使其离子输送能力下降。为此，高耐腐蚀性阀金属(valve metals)可用于阴极。然而，在该情况下，阴极表面上需要昂贵的贵金属涂层来降低电解过电压。此外，还担心暂时转换为阴极的阳极的阴极还原和由伴随的氢脆化(hydrogen embrittlement)所导致的下降。

专利文献7介绍了应用覆盖有涂布在形成于导电性基体上的低氢过电压层上的还原防止膜(reduction preventive film)的阴极，利用无隔膜电解方法，通过氯化物的水溶液的电解来生产次氯酸盐的方法。将有机阳离子交换膜物质或无机阳离子交换膜物质或它们的混合物质用作还原防止膜。然而，在无隔膜电解方法中，该还原防止膜防止次氯酸离子在阴极还原，其中阳极处的产物直接接触阴极，而不防止主要是碱土类金属氢氧化物的阴极沉积。另一方面，在根据本发明使用隔膜的电解方法和电解装置中，与专利文献7不同，不需要任何还原防止膜来防止次氯酸离子(阳极处的产物)还原。

在使用隔膜的常规电解方法和电解装置中，当含有碱土类金属离子的非纯化水用作原料时，离子化为阳离子的金属离子在阴极表面上聚集，并且pH升高，作为主要材料的氢氧化物的垢形成为阴极沉积物质。由此形成的垢妨碍电解操作。常规提出的抑制垢形成的技术是不利的，需要成本和人力或牺牲部分性能。需要进一步改善。