CN101746857A

CN101746857A - 用于水的电化学消毒的方法和设备

Info

Publication number: CN101746857A
Application number: CN200810185133A
Authority: CN
Inventors: 约瑟·摩洛勒斯; 斯蒂芬尼·摩洛勒斯; 让-玛丽·摩洛勒斯
Original assignee: EURPOEENNE DE TRAITEMENT DES EAUX
Current assignee: EURPOEENNE DE TRAITEMENT DES EAUX
Priority date: 2008-12-09
Filing date: 2008-12-09
Publication date: 2010-06-23

Abstract

本发明涉及一种设备和方法，用于在不添加化学品的情况下，借助包括一个阳极和一个阴极的一个电解槽，对水进行电化学消毒；其中所述电解槽被包含在一个外壳中，而该外壳带有水入口和出口装置，且所述阳极和阴极上加有电流。本发明的设备结合采用了：a)与阳极处的氧化和阴极处的还原有关的、对所溶解的有机物的直接效果：杀病毒、杀菌和抑制细菌的作用；b)与水的电解产生的氧化剂的作用有关的间接效果：补充的杀菌效果和剩余的抑制细菌效果。本发明的设备的可能应用包括：有助于消除水设施中的军团细菌、净化供人类使用的水、作为消毒手段(特别是在医疗领域)。

Description

用于水的电化学消毒的方法和设备

技术领域

本发明涉及一种设备和方法，用于在不添加化学品的情况下，借助包括一个阳极和一个阴极的一个电解槽，对水进行电化学消毒；其中所述电解槽被包含在一个外壳中，而该外壳带有水入口和出口装置，且所述阳极和阴极上加有电流。

本发明的设备结合采用了：

a)与阳极处的氧化和阴极处的还原有关的、对所溶解的有机物的直接效果：杀病毒、杀菌和抑制细菌的作用；

b)与水的电解产生的氧化剂的作用有关的间接效果：补充的杀菌效果和剩余的抑制细菌效果。

本发明的设备的可能应用包括：

-有助于消除水设施中的军团细菌(Legionella)；

-净化供人类使用的水(包括热水)；

-作为消毒手段，特别是在医疗领域。

背景技术

军团细菌(Legionella)是生活在水中的一种细菌。这种细菌主要被发现在滞留的家用热水、牙垢或冷却塔的水中。它在温度处于25℃与45℃之间的水管线中增殖。军团细菌主要在有高浓度的钙、镁和诸如铁、铜、锌和主要由于腐蚀和剥落而产生的污泥的环境中生存和增殖。

军团病是军团细菌引起的一种严重的呼吸道感染。它主要通过空气传播，且通常在公共设施、医院、临床、看护中心、养老院、温泉和海水浴等处对人群中的弱者造成严重的影响。

对这种严重的感染性综合症的防控，一方面是基于病例的监控，另一方面是基于对“水装置”的污染的监控。长期的防控则只能在永久性治疗的框架内进行。

到目前为止，在法国被批准的措施是基于过氯化作用和高温的措施。

关于过氯化作用，氯对管道有腐蚀作用且它在超过20℃的温度下不稳定。在管道网中长期存在有氯而导致的形成三氯甲烷的危险是不能排除的。

关于管道网的高温加热，即使这不产生化学产物，烫伤的危险也是严重的，因为从存储罐出来的水有60℃。另外，军团细菌获得对高温的抵抗力的危险是不能排除的。

另外，还有各种其他的处理尝试：氯化-溴化作用、臭氧、紫外线、铜-银离子发生等等。

以消除水设施中的病原物为目的的本发明的电化学水处理方法，不需要在开始时添加任何的化学反应物，因为它本身产生过氧化氢，即杀菌氧化剂。借助这种技术，从溶解的氧(阴极还原)产生的过氧化氢具有显著的残留效果并导致了无害水平的氧化产物(借助电流测定法而得到持续的控制)，这与如氯的大多数通常的氧化剂不同。

水通过一个采用催化电极的电过氧化模块并受到电化学处理。这种处理一方面导致了一种由于电场的直接效果，另一方面导致了由于电极上和电解槽中产生的化学反应的间接效果。

由于经过电极之间导致的该直接效果，产生了一种杀菌或细菌抑止效果(假单胞菌、大肠菌、军团菌)。当受污染的溶液受到高于细菌的膜中存在的电场的电场的作用时，就会观察到杀菌效果。

由于卤化物(Cl^-，Br^-，I^-)和/或水的氧化和或溶解的氧的还原而获得的间接效果，使得能够生成氧化剂(HClO，ClO^-，Cl₂，ClO₂ ^-，ClO₃ ^-HBrO，BrO^-，BrO₃ ^-，HOl，I₃ ^-，OH*…特别是H₂O₂)。这种间接效果，通过与电化学手段所生成的这些氧化剂的延长的接触，使得能够水的输送和直到使用的过程中额外地减少细菌和保护水；这种作用延伸到电解装置的出口处(剩余消毒能力)。

过氧化氢的反应性主要是由于它产生自由基反应的强能力，特别是在有金属催化剂存在的情况下。过氧化氢实际上可通过产生攻击细胞膜、lipids、参与呼吸循环或蛋白质合成的酶和诸如DNA和RNA的其他基本要素的自由基，而对微生物产生作用。同样地，次氯酸和氯氧化细胞膜、灭活上述酶并改变病原体的核酸。

现在描述最接近的现有技术：

a)专利W 09521795公布了一种用于水的细菌处理的电催化装置，它用于利用以下手段增加溶解的氧的浓度：

-同心电极；

-用于减少甚至消除造成溶解氧的浓度降低的紊流的装置；

-纵向彼此错开的相反的电极；

b)US2002/0168418公布了用于水的杀菌处理的一种电催化装置，它基于平的相对电极，用于增大溶解氧的浓度以改进动物的肠菌类。

发明内容

本发明则是要实现如下目的：

a)采用具有相对的相同表面的电极，从而能够实现更好条件下的极性反向；该两个电极上的电流密度是相同的，从而防止了由于不相等的脱碳而导致的一个电极相对于另一个电极的过早分解和在较小电极上(更强的电流密度)更为显著的二次反应；

b)提供相对的阳极和阴极，以补偿从一个电极的一端至另一端的电流密度变化；

c)保持两个相对电极之间的层状环流，以有助于各电极上的电化学反应并防止由于在一个电极上的反应而形成在另一个电极上的产物的破坏和与由于两种溶液的混合而在出口处发生的pH变化有关的震荡。

本发明涉及一种设备，其特征在于属于一个给定的电解槽的电极具有板的形式，这些板的相反的催化面是对称的、具有相同的表面并限定了一个空间，该空间在所有的点都具有同样的尺寸，且所述电极覆有铱和钌的混合金属氧化物，以利用由于包含在水中的卤化物的电解所产生的氧化剂的作用而剩余的补充间接杀菌和抑制细菌效果。

本发明还涉及采用所述设备的一种方法，其特征在于包括：使所要消毒的水在一个给定的电解槽的阳极与阴极的相对的催化面之间的空间中以层状或准层状的方式循环。

其特征还在于包括：以相反的方式给所述电极通以10与10A/dm²之间的直流或脉冲电流。

若干个电解槽可以以水工上并行的方式安装，以使它们的流量相加。

所述电解槽可被包含在一个共同的外壳中，所述外壳带有被所述电解槽所共用的入口和出口装置。

该***具有如下特点和优点：

-各电解槽是对称的：电极既是对称的又被催化剂所覆盖；

-电极上的触头容易焊接；

-流体在电极之间循环，这产生小的电压损失(因而是小的压强损失)，这与穿流技术的情况相反；

-整个水流都受到电场的作用，因为它在阳极和阴极的整个表面之间移过：消毒的直接作用在该溶液中起着完全的作用；

-极性逆转对阴极的脱碳不会造成任何困难；

-流体以层状或准层状的方式循环流动；

-在同一外壳中设置的电极的数目是不受限制的：唯一的限制是电源的电功率的(与电极的数目成正比)；

-过流或过压只影响电解的氧化剂产量；

-电解的自动化变得更容易：正确功能的连续控制变得可行，且电流和电压的强度变化容易被检测和修正；

-产生了多种氧化剂，不仅限于过氧化氢，从而具有限制微生物菌丛的忍受特别是抵抗过氧化氢的变异细菌的作用；

-电解槽很难发生堵塞，即使是对含有颗粒的水，这与采用碳毡的设备不同-其中由于严重的结垢而几乎不可能进行脱碳；只有酸清洗能够进行部分的脱碳但具有更换毡并发生碳纤维的丢失，这与用于人类使用的水的要求不相符合；

-在不发生脱碳的情况下该电解槽会发生堵塞，但在此情况下在完全堵塞之前电解电压将超过正常值(在多电极的情况下)且警报将被发出：在此情况下，电解槽可借助营养酸(alimentary acid)产物而被清洁；

-不会产生不希望的副产品；

-在此情况下不再需要预排放的上游。

从以下结合附图对作为非限定性的例子的本发明的至少一个优选实施例的详细描述，本发明的特性和优点将变得显而易见。

附图说明

图1是根据本发明的一种消毒电解槽的开路内部示意图；

图2是水工上并行安装的若干个根据本发明的消毒电解槽的开路内部示意图；

图3是水工上并行且电双极地安装的若干个根据本发明的消毒电解槽的开路内部示意图；

图4是与一个不一个罐和一个电化学和/或过滤预处理单元相连的根据本发明的一个消毒模块的闭路内部示意图。

具体实施方式

本发明涉及一种电化学水消毒设备，它不用添加化学品，采用了至少一个电解槽，该至少一个电解槽包括(图1)包含在一个外壳(3)中的一个阳极(1)和一个阴极(2)，该外壳(3)带有水的入口(4)和出口(5)装置，阳极(1)和阴极(2)通有电流。

所述设备结合利用了：

它使得能够：

a)所要消毒的水在两个电极(1)和(2)之间循环流动，该两个电极具有板的形式，这些板的相对的催化面是对称的、具有相同的表面并限定了一个空间，该空间在所有的点都具有同样的尺寸；

b)所述电极以相反的方式被通以1与10A/dm²之间的直流或脉冲电流。

存在于一个给定电解槽的相对的催化面之间的空间中的层状或准层状流：

a)是借助相对的电极的催化面的形式而获得的，这些面限定了一个空间，该空间在所有的点都具有同样的尺寸，且这些面具有同样的表面；

b)是借助水入口和出口装置的尺寸和形式而得到保持的。

根据本发明的两个应用变形，若干个电解槽能够以如下的水工方式安装：

a)串联以结合它们的消毒效果；

b)并联以结合它们的流量。

在这两种情况下，这些电解槽可被包含在一个共同的外壳中，该外壳具有所有电解槽共享的入口和出口装置。

需要处理的流体流必须是这样的，即总的氧化剂产量(浓度×流量)是恒定的。

根据本发明的两种应用变形，在电解槽水工上并联地安装的情况下：

a)这些电解槽(图2)可以借助联结阳极组的一个第一连接部分(1A)并借助联结阴极组的一个第二连接部分(2A)而被通以电流，所述连接是相反地安装的；

b)只有端部的电极(图3)是借助一个用于阳极的第一连接部分(1B)并借助一个用于阴极的第二连接部分(2B)而被通以电流，其他的电极是借助极化而工作的。

电解槽可以在水工上串联或并联安装，但不一定在电学上如此安装，在此情况下各电解槽可被单独通电。

根据本发明的不同的使用变形，一种电化学处理模块(6)：

a)可被浸泡在一个处理或沉淀罐中；

b)可被置于一个处理或沉淀罐(7)的环路上(图4)；

c)可被耦合至一个过滤***(8)(图4)，特别是颗粒或膜式过滤***，和/或被耦合至另一电化学处理模块。

这些电解槽可借助直流和/或脉冲电流而得到供电。

电极的极性的反向，根据按照所要处理的水的特性的一种确定的电压百分比增加量，和/或根据按照水的质量的一个确定的时序，而得到编程。

用于进行所述处理的所述设备采用了这样的电解槽，即这些电解槽每一个都包括两个板形的电极(1)和(2)，这些电极由导电材料构成或覆有导电材料。

该导电材料覆有用于水和溶解的氧的电化学氧化反应的催化剂。

该导电材料可优选地由钛构成，且所述催化剂可优选地是铱和钌的混合金属氧化物。

根据所用的水的导电率，电极(1)和(2)之间的空间通常在2与6mm之间。

电极的厚度通常在1与几mm之间。

电极的横向边缘的支撑部带有能够接收所述缘的槽，以避免边缘效应。自由面覆有一种催化剂以避免腐蚀并有助于脱碳。

该电化学处理模块可容纳2、4、6或更多个电极。

这些电极被分开一定距离，从而使碳酸钙沉淀不会造成流体通道的堵塞。

形成该电解槽的不同子单元的设置是这样的，即使得它们都不会造成太大的紊流。

所用的直流和/或脉冲电流的值通常在1与10A/dm²之间。

电解槽中的水的优化压强是3巴。

当这些电解槽被设置在一个罐上的一个环路中时，它们产生了具有更高的总氧化剂浓度的一部分水体，例如保护被处理的水不受存储和分配网络中的细菌和/或有机物的任何再污染，直到水被使用。这种水随后可被注入到将要处理的水中，在此应用中只有间接效果被利用。

这种处理可被用来通过在上述容器中进行浸泡而对诸如手术设备的设备进行消毒。

该***还可被用作污水的第三级处理，或者作为休闲或治疗用水(热泉、海水浴等等)的初级或次级处理。

对于上述应用以及冷却塔或任何其他空气处理***的水的净化，在电极可以暴露(不被包含在一个电解槽中)的意义上，处理可以是不同的。

液体此时可被置于与对流运动(对流现象)所产生的氧化剂相接触的状态。这种处理可在例如缓冲容器和水罐中被采用。

在同一容器中可运行多组电极。

暴露的电极组，也可通过被整装到管道的内部或外部，或通过被浸到所要处理的水中(例如对于水再循环网络中的容器)，而进行工作。

被电过氧化反应(electroperoxidation)所处理的水，不论处理的方式如何，都可被用于医学设备(治疗)。

当这种技术与颗粒过滤***相结合时，实现了技术的一种协同作用，因为微孔过滤完全阻止了寄生生物和细菌但没有阻止病毒，而电过氧化反应则起到杀死病毒的作用。

另外，电过氧化处理提供了剩余在水中的一种消毒能力，这是微孔过滤所不能提供的。

最后，电过氧化反应参与了溶解的有机材料的降解，而微孔过滤只阻止悬浮的材料(超过0.1微米的颗粒，或者对于超微孔过滤0.01微米的颗粒)。

当然，本发明不限于上述的实施例，而是可以有其他的变形，特别是：

-属于一个给定的电化学处理电解槽的电极的性质、形式和尺寸；

-所采用的催化剂的性质；

-属于一个给定的电化学处理模块的电极对的数目；

以及至其他应用的延伸，包括与其他开放或闭合回路中的消毒和/或过滤装置结合或不结合的不同的水的其他消毒应用。

Claims

1.用于水的电化学消毒的设备，它利用与阳极氧化和阴极还原作用相联系的对溶解的有机物的直接杀病毒、杀菌和抑制细菌作用，包括至少一个电解槽，该电解槽包括包含在一个外壳(3)中的一个阳极(1)和一个阴极(2)，该外壳(3)带有所要处理的水的入口装置(4)和出口装置(5)，所述阳极和阴极被通以一个电流；

其特征在于属于一个给定的电解槽的所述电极(1)和(2)具有板的形式，这些板的彼此相对的催化面是对称的、具有相同的表面、并限定了一个空间，在该空间中在所有点都具有同样的尺寸，所述电极覆有铱和钌的混合金属氧化物从而利用由于包含在水中的卤化物的电解所产生的氧化剂的作用而剩余的补充间接杀菌和抑制细菌作用。

2.根据权利要求1的设备，其特征在于多个电解槽在水工上串联地安装从而结合它们的消毒效果。

3.根据权利要求1的设备，其特征在于多个电解槽在水工上并联地安装从而结合它们的流量。

4.根据权利要求2或3的设备，其特征在于所述电解槽被包含在一个共同的外壳中，所述外壳带有由所有所述电解槽共享的入口和出口装置。

5.根据权利要求1至4中的任何一项的设备，其特征在于所述电解槽(6)被浸在一个处理或沉淀罐(7)中并借助对流现象而工作。

6.根据权利要求1至4中的任何一项的设备，其特征在于所述电解槽(6)被置于处理或沉淀罐(7)的环路上。

7.根据权利要求5或7的设备，其特征在于所述电解槽(6)被耦合至一个过滤***(8)，特别是颗粒或膜型的过滤***。

8.采用根据前述任何一项权利要求的设备的方法，其特征在于它包括使所要消毒的水在一个给定的电解槽的所述阳极与所述阴极的相对的催化面之间的空间中以层状或准层状方式进行循环。

9.根据权利要求8的方法，其特征在于包括用具有1与10A/dm²之间的值的直流和/或脉冲电流以相反的方式对所述电极供电。

10.根据权利要求8的方法，其特征在于包括：

根据按照所要处理的水的特性的一种确定的电压百分比增加量和/或根据按照水的性质的一个确定的时序，对所述电极的极性的反向进行编程。