膜-電極組件、使用該組件的電解池、制備臭氧水的方法和裝置、消毒方法以及廢水或廢液處理方法制造方法及圖紙

本發明專利技術提供一種膜-電極組件、使用該組件的電解池、制備臭氧水的方法和裝置、消毒方法以及廢水或廢液處理方法，通過使用該它們，以高效率制備在陽極得到的電解反應產物或分解產物；通道的壓降被最小化，且在不會犧牲生產容量的情況下，裝置被設計成具有緊湊的尺寸。本發明專利技術涉及一種膜-電極組件，其包括固體聚合物電解質膜，所述膜具有陽離子交換膜，陽極和陰極，它們分別牢固地粘附至固體聚合物電解質膜的表面，在所述陽極、所述固體聚合物電解質膜和所述陰極的整個表面上具有復數個通過這些元件的直徑0.1毫米或更大的通孔；使用該膜-電極組件的電解池；制備臭氧水的方法和裝置；消毒方法；和廢水或廢液處理方法。

【技術實現步驟摘要】
【國外來華專利技術】
本專利技術涉及膜-電極組件、使用該組件的電解池、制備臭氧水的方法和裝置、消毒方法以及廢水或廢液處理方法。
技術介紹
在工業上，電解反應用于制備化學物質，如氯和苛性鈉，其在現代工業中起到了關鍵的作用。電解反應也被應用于廢水處理，以電解去除有害物質。用于這種過程的反應容器，稱為電解槽或電解池，通常具有殼體結構，所述殼體容納有陽極和陰極或，除此之外，定位在兩者之間的固體聚合物電解質膜。大部分電解池具有這樣的結構，其陽極側和陰極側 存在的液體或氣體在物理上是分離的。但是，在一些電解過程中，陽極液和陰極液要求或允許混合；并且這種工藝使用的電解池具有滿足該目的的結構。本專利技術屬于后者，其中陽極液和陰極液是混合的，且原料水的離子化程度很小，本專利技術涉及如下的膜-電極組件，其具有固體聚合物電解質膜，該膜在陽極和陰極之間是交錯的，并且涉及使用所述膜-電極組件的電解池。本專利技術涉及一種膜-電極組件，使用該組件的電解池，制備臭氧水的方法和裝置，消毒方法，以及廢水或廢液處理方法。除了臭氧水的制備以外，本專利技術還可以在各種應用中提供可能的解決方案，包括但不限于有機電解合成，分解含二噁英的有機氯化合物，在遇到災難時或在發展中國家使用河水來制備飲用水。最近，由于臭氧水優異的消毒效果和對有機物質的降解活性，其已被廣泛應用于醫療和食品衛生領域，用于半導體制備系統等。臭氧水的制備方法可以簡要的分為兩組通過在純氧氣或含氧氣體中放電的氣相制備過程和通過水的電解的電化學方法。氣相制備過程具有優異的能源效率，并使用于相對大規模的制備系統中，在施加于純氧的較高的電壓下運行。在氣相制備過程中，臭氧水是通過在氣-液反應器中與水接觸獲得。另一方面，電解制備的方法在幾十伏或更低的低電壓下通過電解池操作，水為原料，通過這種方法導向性制備(directory manufactured)臭氧水。此方法相對容易地用簡單的結構配置，基本上為電解池和電源，提供了高濃度臭氧水，適合于小型或中等規模的制備容量。在臭氧水的制備中，在使用具有低離子化度的純水電解，因為其低的離子化度，僅在水中配置陽極和陰極將不會促進電解反應。出于這個原因，在陰極和陽極之間插入固體聚合物電解質膜作為氫離子的移動路徑，因此，電解池配置有陽極、陰極和固體聚合物電解質膜作為功能元件。臭氧通過如下的反應式形成臭氧形成反應(陽極)3H20=03+6H++6e_E°=+l. 51V氧形成反應(陽極)2H20=02+4H++4e_E°=+l. 23V氫形成反應(陰極)2H++2e_=H2在上文中，臭氧生成反應與氧形成反應是競爭反應，其中具有較低生成電位的氧為主導(presidentially)方式，因此有效的臭氧形成電流低。此外，由于電解使用具有高過電壓的氧化鉛陽極或導電金剛石陽極，在高電勢下進行，以抑制氧的產生，因此操作過程中需要高的電解電壓。其結果是，臭氧水電解具有低的電源效率，其是電流效率和電壓效率的乘積，并有期望其得到改進。一般來說，傳統類型的臭氧水電解制備中，陽極側和陰極側通過固體聚合物電解質膜物理分離，電解過程沒有陽極電解液和陰極電解液的混合。例如，在電解池中，陽極和陰極平行布置，如在如PTL I等中所示，且電解液與它們并列通過。這種結構與PTL 2和PTL 3中所采用的類似。因此，在傳統類型的系統中，原料水與陰極和陽極的表面平行流動，進入所述電極的一端，從另一端排出。因此，隨著電解反應的進展，該液體組合物產生變化，并且除非固定在足夠的流量，入口和出口的反應條件會是不同的。這種結構上的不便之處是特別嚴重的，會在采用非純水為原料的臭氧水制備中造成氫氧化物沉淀的問題，如采用自來水，井水和雨水作為原料時。在以往的應用此類非純化水的臭氧水制備中，陰極電解液的PH值將會隨電解的進行而增加，造成在原料水中痕量存在的堿土金屬的氫氧化物大量沉淀于進行反應的陰極表面的出口側，達到使電解難以繼續的程度。為了應付這種情況，必須定期地停止操作進行酸洗以除去沉淀物，如PTL 4中詳細描述的。此問題通常是不僅體現在普通結構的電解池中，如在PTL 3中所示，也出現在那些具有特殊結構的，如在PTL 5中提出的。在專PTL6和7中，陰極室是分離且使用酸作為陰極電解液，以減少沉淀物，但其結構變得復雜且必需要額外的維護以安全操作。然而，在PTL 8中，提出了一種替代方法以恢復操作的性能，該方法當電解特性惡化時，通過顛倒電解池的陽極/陰極提供反向電流來實現。在這種情況下，當供給反向電流時，陰極暫時作為陽極以及痕量的金屬元素洗脫。洗脫的金屬離子滲透到固體聚合物電解質膜，造成其離子遷移能力顯著惡化，因此，為了防止金屬元素洗脫，必須使用具有閾值的金屬制備陰極并在其表面覆蓋昂貴的貴金屬涂層。此夕卜，陽極暫時作為陰極工作也可能導致其劣化。由于傳統電解池的設計問題，原料水通過電解池一端處的入口進入，在電極上平行流動，并從電解池另一端的出口排出，如在PTL9所示。這種結構設計對于一個安裝類型的系統來說沒有問題，其提供足夠的安裝空間，但是將該系統方便配備到一個現有的管路的中路時，如安裝在房子中的自來水管路，這樣的電解池結構，可能會干擾緊湊設計的概念。PTLlO中公開了臭氧制備系統中水被供應到催化劑電極，所述催化劑電極包括支撐于陽極和陰極之間的陽離子交換膜，連通所述陽極電極和所述陰極電極的通孔設置在所述陽離子交換膜上面對原料水供給路線的部分；并且水，如自來水，從原料水供給路線供給各電極(陽極或陰極)中的任一個電極，然后通過所述通孔到另一電極(PTL10專利公報第3頁第22-32行)。在PTL1010中，設置了連通陽極室和陰極室的通孔，但沒有在陽極電極、陰極電極和離子交換膜上設置通孔，因此，原料水不流過陽極電極、陰極電極以及離子交換膜中的相同位點。從而，電解效率是極低的。PTLll公開了一種電解臭氧發生元件，其中，電解空氣中的濕分以產生臭氧。在該元件中，設置了穿透陽極、固體聚合物電解質膜以及陰極的中部的直徑5mm的通孔。(PTL11的專利公報第4頁右欄第11-13行，第7頁右欄第7-14行，以及圖10)然而，PTL 11涉及從進料空氣中所含的濕分生成臭氧的氣相反應，并且通孔用于循環空氣原料，而不是液體，從而與允許液體通過的通孔具有不同的目的。在PTLll的圖10中，描述了在陽極中的設置多個孔的例子，但并未在固體聚合物電解質膜和陰極提供對應于所有那些在陽極中的通孔，而只有一個在中心的通孔26。并且如果這個元件用于液相反應，不能維持電解液的順利流動，不能實現有效的電解。除了用于臭氧水的制備領域，本專利技術還能用于以下領域。I.廢水或廢液處理I)電解氨化合物作為一種氨分解方法，所述氨包含在家庭廢水、畜牧業廢液，漁業廢水和某些工業廢水中，電解是公知有效的。例如，NPLl中公開的工藝，其中添加支持電解質，如氯化鈉，硫酸鈉，以有效地促進電解。然而，通過使用本專利技術的膜-電極組件作為第三方組件，所述膜-電極組件具有插入陽極和陰極之間的固體聚合物電解質膜，可以在不添加這些的電解質作為第三成分的情況下進行處理。在這些應用中，本專利技術的膜-電極組件的其他結構特征對涉及實際電解池也是有效的。2)處理含有機物質的廢水 多個涉及含有機物質的廢水處理的電解處理系統的應用已見報道，但本文檔來自技高網...

【技術保護點】

【技術特征摘要】
【國外來華專利技術】...

【專利技術屬性】
技術研發人員：新田英郎，細沼正志，
申請(專利權)人：阿庫亞愛克斯公司，培爾梅烈克電極股份有限公司，
類型：
國別省市：