CN1329576A - 用于纯化水溶液及合成化学品的电解装置、方法 - Google Patents

Abstract

电纯化受污染的水介质,诸如地下水与工业生产设施如制纸厂、食品加工厂与纺织厂的废水,通过改进的、更经济的开放式结构的电解槽设计,其具有彼此电连接的数个导电性多孔元件,以立即将水介质纯化、脱色与消毒。该电池可为分隔式或未分隔式,及以单极或双极结构连接。当与非常窄的毛细管间隙电接合时,可确保更经济的操作,特别当处理导电性非常低的溶液时。新的电解槽设计亦适用于有机与无机类型的化学品,诸如次氯酸盐漂白剂与其他氧化产物的电合成作用。

Description

用于纯化水溶液及合成化学品的电解装置、方法

技术领域

本发明一般涉及水溶液的纯化作用和实用化学产品的制备，更特别涉及电化学方法，与用于饮水、工业废水与受污染的地下水的电纯化作用以及有用产品中有机与无机化学品的电化学合成作用(电合成作用)的更有效率、经济且更安全的电解装置。

发明背景

在人口增加与限制供水的城镇中，废水为一有用的资源。废水再利用除了减轻对于有限的淡水供应压力外，亦可通过降低溪流与湖泊所承受的污排水而增进其品质。可将废水回收并再利用于农作物与景区的灌溉、地下水的补充或休闲游憩的目的。

提供适于饮用的水是另一种生活所需。天然取得的水的品质因地区而不同，经常需要除去微生物，诸如细菌、真菌、孢子与其他生物体如似隐孢菌，盐、重金属离子、有机物，及其污染物组合。

过去数年间，曾使用多种的一级、二级与三级处理法，进行工业废水的去污染作用、地下水的纯化作用以及家庭供水的处理以使其可供安全饮用。该方法主要包括机械与生物方法的组合，如粉碎作用、沉积用、污泥消解作用、活化污泥过滤作用、生物氧化作用、硝化作用等。亦广泛地使用物理与化学方法，诸如化学添加物的絮凝作用或凝聚作用，沉淀作用，过滤作用，以氯、臭氧、芬顿(Fenton)试剂的处理，反渗透作用，紫外线杀菌作用等。

亦有多种电化学技术用于工业废水与地下水的去污染作用，包括处理家庭供水以供饮用。虽然电化学方法日益普及，但相较于前述的机械、生物与化学方法，其在水与排放水处理方面所发挥的作用仍相当小。在一些情况下，发现其它技术在初始资金成本与能量消耗方面较为经济。通常，与传统的氯化作用、臭氧化作用、凝聚作用等相比，早期的电化学方法在初始资金成本与运作成本方面并不具竞争力。

早期的电化学方法需要添加作为导电性改性剂的支持电解质，其不仅增加运作成本，亦进一步产生有关副产物处理的问题。在一些情况下，电化学方法无法将污染物浓度降至政府法规所容许的程度，因而无法有效地处理溶液。因此，该电化学方法尚不足以持续实现有机污染物的实质完全矿化，以及缺乏将工业废水充分脱色以符合政府法规的能力。

虽然早期的电化学方法有缺点，电化学仍被看好为水溶液的去污染作用的主要技术。因此，需要更有效率与更安全的电化学电解槽结构与方法，以更经济地处理大量的工业废水、排放水流与污染的地下水，包括家庭供水去污染作用以使其适于饮用。该电化学电解槽结构亦适用于电合成化学产品。

发明简述

本发明涉及用于电纯化水溶液的改进装置，该水溶液特别是排放水流，其包含受到广泛的化学与生物污染物污染的废水，该污染物包括来自如有机与一些无机化合物的代表性基团。代表性的可能无机污染物包括氨、联胺、硫化物、亚硫酸盐、亚硝酸盐、硝酸盐、亚磷酸盐、金属离子等。有机污染物包括有机金属化合物；来自纺织厂的染料；来自食品加工厂的碳水化合物、脂肪与蛋白质类物质；排放水流，诸如来自纸浆与制纸厂的含有木质素与其他色素的黑色液体；一般类型的水污染物，包括致病性微生物，如细菌、真菌、霉菌、孢子、胞囊菌、原生动物与其他感染性介质如病毒；耗氧废弃物等。

虽然无法完整地列出所有能以申请专利方法成功地处理的可能污染物的名称，可以理解，出现于本申请中的文字“受污染的含水电解质溶液”或其变化意欲涵盖所有可能的有机、无机、金属离子或生物性污染物。

用以实施本发明的电纯化方法与装置，其有效地纯化实质上任何水溶液的能力特别值得注意，该水溶液包含一或多种有机物与一些无机物，包括以低至＜1ppm至高至＞300,000ppm浓度范围存在的有害金属离子与生物性污染物。

在大部分的情况下，仅需要电力即能实现污染物组成物中所需的化学变化。自来水的导电性即足以供改进的电解槽设计运行。因而，在受污染的水溶液中加入添加剂，以改进受处理溶液的导电性及实现所需的污染物分解作用，既非必要，亦非必然有利的。有益地，在大部分的情况下并未在电纯化反应中产生固态副产物，因而不会造成耗费巨大的处理问题。本发明的改进的电化学方法，可在能与传统的非电化学方法诸如氯化作用、臭氧化作用与凝聚作用竞争的成本下，实现完全的或实质完全的脱色作用、有机污染物的完全矿化作用、及生物性污染物的完全破坏作用，即使污染物以混合型污染物存在，进而符合或超过政府的法规规定的水平。

因此，本发明的主要目的在于提供一电解槽，其包含位于一电解装置区作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极。优选该电极位置足够接近，使其电极间的间隙不仅可将槽电压与IR损失降至最低，亦可在不需要附加的支持电解质或载流介质下实现导电性。提供构件用于将电解质溶液直接添加至电极以分布于电极间的间隙。提供构件用于调节电解质溶液在电解装置区中的滞留时间。当电解槽用于电纯化作用时，电解质留置于该电解装置区一段足够长的时间，以待污染物的改性作用发生，在电池中的滞留期间通过电化学上的直接方式及/或通过化学改性作用而将污染物变成毒性较低的物质。提供其他的构件来收集自电解装置区沉降的经处理的电解质溶液。明显地，本发明的电解槽具有一“开放式结构”。

除了本发明的电化学电解槽之外，还进一步提供构件以供实用与有效运行，如通过泵构件或重力而将受污染的含水电解质溶液直接添加至槽；用于受污染的含水电解质溶液的预处理装置，例如用于通气、pH值调整、加热、过滤较大型颗粒；以及用于后处理的装置，例如pH值调整与冷却、或氯化作用以在饮用水应用上提供残余的杀菌效果。此外，本发明包括管线内的监测，其具有传感器与微处理器以进行自动化电脑辅助的方法控制，诸如pH值传感器、紫外线与可见光、用于生物性污染物、温度的传感器等。

本发明进一步的目的是提供用于纯化水溶液的***，其包括：

(ⅰ)一个电解槽，其包含位于一电解装置区的作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极。该电极位置彼此足够接近，电极间的间隙可将槽电压与IR损失降至最低。同时包括一输送管构件，用于将受污染的含水电解质溶液直接添加至电解装置区的电极。该电解电池的特征在于具有开放式结构。

(ⅱ)一控制阀构件，用以控制受污染的含水电解质溶液直接经由上述(ⅰ)的输送管构件而至电极的流动。

(ⅲ)包括用以将受污染的含水电解质溶液泵送通过该输送管构件的装置，以及然后

(ⅳ)包括用以提供电解槽一直流电力供应的一整流器元件。

该纯化***还包括传感器构件与电脑化构件，该传感器及电脑化构件用以接收来自该传感器构件的输入数据与提供输出信号以控制至少一种选自下列群中的操作条件电流密度、受污染的水溶液至电解电池的流速、受污染的含水电解质溶液的温度与pH值。选择性的组分包括用以进一步处理电化学产生的气态副产物的排气构件、用以进行受污染的含水电解质溶液的预处理构件，该预处理选自过滤作用、pH值调整与温度调整。

如上述，本发明的电解槽的新颖之处尤其在于它的“开放式结构”。如说明书与权利要求所述，“开放式结构”或其变化界定为适于控制该经处理或去污染的含水电解质溶液与气态或挥发性副产物的渗漏或排出的电化学电解槽设计。上述的定义还表示免除或排除传统的封闭式电化学电解槽或槽类型的电解槽设计，其使用传统的间接构件以将电解质添加至电极。封闭流动类型的电化学电解槽，例如通常由数个机器或射入模压的电池框架构成，一般在压力下接合成一个不渗漏的密封堆叠物，及具有衬垫或O型环以避免电解质自槽中渗漏。该类型的密闭式电化学电解槽，一般见于封闭式的板或框架类型的电解槽。电解槽组件需要非常紧密的装配公差配合，以密封该电解槽及避免电解质与气体渗漏至空气中。因此，该等电化学电解槽具有高初始成本、整修成本包括损坏的电解槽框架及来自封闭式的板或框架类型电解槽拆装的衬垫的更换成本。

因本发明的电化学电解槽的配置为“开放式”而非密封式，使得以控制含水电解质溶液与气态副产物的渗漏，而无需密封式的电解槽设计，包括衬垫、O型环与其他密封装置。反之，电解槽组成部件根据需要而以各种机械构件维持于紧密相邻的位置，构件包括如钳、螺栓、线绳、环圈或通过卡锁在一起而交互作用的配件等。结果，以本发明新的开放式电池概念，或将初始电解槽成本、更新与维修成本降至最低。

在本发明的开放式结构的电解槽中，电解质自一进料器直接添加至电解装置区的电极，该进料器位于相对于电极面而言的中央位置，例如，其中受污染的溶液通过流过电极间非常窄的间隙或空间或与电极接触。在此期间，水溶液中的污染物于电极中直接转变成毒性较低的物质及/或经由自发性产生化学氧化剂或还原剂，诸如氯，漂白剂即次氯酸盐，氢，氧或反应性氧产物如臭氧、过氧化物如过氧化氢、羟基游离基等，而经化学改性成毒性较低的物质，如二氧化碳、硫酸盐、氢、氧与氮。在一些情况下，依所处理溶液中污染物的组成物组成而定，在电解槽处理之前或处理期间，在该溶液中添加低浓度的一些盐类诸如氯化钠、铁盐或其他催化性盐类，可能是需要的。例如，其可用以产生一些活性氯，以在经处理的水中提供残余浓度的消毒剂，或产生亚铁离子，以促进以所添加或电化学生成的过氧化氢产生芬顿(Fenton)试剂。同样地，亦可在进料物流中导入氧或空气，以促使过氧化物生成。

因电解质通常在正压下直接添加至电极组中，在电解作用期间所产生的气体诸如氢与氧，不易通过形成绝缘层或气泡区而蓄积于电极表面。气体对于电极的遮蔽作用造成较大的电流内阻，而导致较高的槽电压与较大的电力消耗。然而，在本发明中，电解质直接流至电池，而溶液在电极间的间隙的动态流动，可降低气体遮蔽作用及进而降低槽电压。

由抽泵或重力进料构件而进入电解槽的水溶液，级联流动越过与通过可采用的电极间的间隙，及因重力而离开电池的电解装置区，向下降至一储存器中以进行后处理或加以排出，诸如排至天然水道中。相反地，电解所产生的任何未溶解的气体，则自槽中向上排至大气中，如果需要的话，抽至烟气收集器或通风橱中，以供收集或进一步处理。

虽然如上述的直接进料的“开放式结构”电化学电解槽，优选无需常规的电解槽护罩或槽，详述于后，出现于说明书及权利要求中的“开放式结构”除了前述的定义之外，包括该电化学电解槽的设计，其中经直接添加的电极位于一开放式槽或一开放式电解槽护罩的内部区域。一开放式槽的电化学电解槽的代表实例，披露于美国专利第4,179,347号(授予Krause等)，该电解槽用于废水流消毒的连续***中。该电解槽具有一开放式顶部、一底壁、侧壁与位于槽内部彼此隔开的电极。受污染的水溶液并非直接添加至位于槽中的电极，而是如Krause等人所揭露，电解质最初添加至该槽的一个第一终端，其中内部的导流板在废水中产生水流，使废水向上与向下地循环通过平行的电极及在电极间循环。因而，在Krause等人的开放式电解槽中，实质上通过将电极置于该槽中水溶液所驻留的较低区域，而经由一溢流效应而使电解质与电极间接地接触，而不象本发明直接将电解质送至电极组，其中在压力下将电解液压迫通过邻近的阳极与阴极间的间隙。该被动式溢流效应不足以实现有效的破坏作用所需质量传递条件，特别当污染物以低浓度存在时。因此，电解反应的气态副产物能够并经常在电极表面形成一气体气泡层。其因较高的内阻而造成较高的槽电压与较大的能量消耗。

因此，就本发明的目的而言，出现于说明书及权利要求中的“开放式结构”意欲包括开放式槽类型的电化学电解槽，其中电极组位于一开放式槽/护罩的内部，及包括用以将受污染的水溶液直接添加至电极的构件。在直接添加的情况下，该护罩并不作为受污染的水溶液的储存器，否则受污染的水溶液将间接地由一溢流效应而被动地接合该电极。

就本发明的目的而言，可以了解的是，“开放式结构”亦包括促成邻近电化学电解槽与纯化***的保护装置，诸如装设以降低操作者受伤可能性的防溅罩、遮护板与罩笼。因而，例如将本发明的电解电解槽与纯化***设置于一小房间内，亦涵盖于出现于说明书及权利要求中的“开放式结构”的含意之内。

Beck等人于美国专利第4,048,047号披露另一类型的电化学电池设计。Beck等人的电池设计包括环形电极板的一个双极组，其以隔板分开以提供自0.05至2毫米的电极间隙。液态电解质经由一进入电极组的中央开口然后向外的一管线直接添加至电极板，使电解液沿该电极组的外部流下。然而，该电极组置于一相连的封闭式护罩中，其具有一覆盖罩以避免气体反应物、蒸汽或反应产物损失。因此Beck等人的电解槽的封闭式结构并不符合发本发明的“开放式结构”电解槽的标准。

虽然曾指出本发明的改进与高度经济的电化学电解槽设计的“开放式结构”，基于免除传统的封闭式电解槽设计，包括板与框架类型的电池及传统的槽类型的电解槽，以及传统的部分开放式结构类型的电解槽设计，不论其等为间歇式或连续式，可以理解，出现于说明书及权利要求中的“开放式结构”，亦指能以在一些情况下邻近电池电极或其边缘的各种嵌入物、阻隔物、隔板、导流板等加以改进的电化学电解槽。该改进具有改变电解质的循环与方向的效应，及增加驻留、滞留时间，以及因而影响停留时间与电解质自电解槽排出的速率。尽管如此，当电极本身仍为实质上可接近时，该部分开放式的改进型电化学电解槽，确实涵盖于“开放式结构”的含意之内。代表性的改进型电化学电解槽，其电极仍为实质上类似且涵盖于说明书及 中的“开放式结构”的含意之内，为所谓的“瑞士卷电解槽(Swiss rollcell)”设计，其中例如移去彼此重叠及以同心方式卷起的电极的管状封闭式外壳，而形成一“开放型的瑞士卷电解槽”。

本发明进一步的目的在于提供一种更有效率的电化学电解槽设计，其能有效地处理含水介质中不同浓度(自少至数ppm至数千ppm)与宽范围的化学与生物污染物，而相较于常规水纯化***在资金成本与电力消耗方面具有经济竞争力。本发明的电化学***与方法具有显著改善的经济效果，使能经由连续方法而适于处理来自生产设施的大量工业废水，该生产设施诸如化学工厂、纺织厂、造纸厂、食品加工厂等。

较低的槽电压与较高的电流密度是以高度经济性的开放式结构实现，特别当结构为一单极电化学电池时，其所配备的电极具有窄的毛细管电极间隙。一般而言，电极间的间隙宽度窄至足以实现导电性，而毋需在受污染的水溶液中添加附加的支持电解质或载流介质。因而，可免除在受污染的水性电解质溶液中添加支持电解质以作为载流介质的需求。

因而，本发明进一步的目的在于提供改进的、更经济的及更安全的连续式、半连续式或间歇式方法，其以下列步骤电纯化受污染的水溶液：

(ⅰ)提供一电解槽，其包括位于一电解装置区的作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极。该电极位置彼此足够接近，以提供可将电池电压与IR的损失降至最低的电极间隙。提供构件用于将受污染的水溶液直接添加至电解装置区的电极。提供构件用于调节电解作用期间电解质溶液于电解装置区的驻留时间，以改性该污染物。该电解槽的特征在于如前述的“开放式结构”；

(ⅱ)将受污染的含水电解质溶液直接添加至电解槽的电解装置区，以及

(ⅲ)在电解槽的电极施予一电压，以改性并优选破坏含水电解质溶液中的污染物。

可以理解，该方法一般包括自该电解电池回收一经纯化的电解质溶液的步骤。然而，本发明考虑将经纯化的水溶液直接输送至例如流域中，或选择性地送至其他后处理站。

如前述，该方法是在一开放式结构的电解槽中进行，该电池可为单极或双极结构。因为该开放式结构，如此所述，本发明可为一种单极结构设计。此特别有利之处在于，因为当受污染的水溶液的电解导电性相当低时及同时需维持低的电池电压时，将需要较高的电流密度，这将特别有利。同样地，本发明的改进型电化学电解槽可具有一个双极结构，特别适用于大型设备以降低总线与整流器的成本。

一般，在单极开放式电解槽设计中，各电极进行电连接。而在双极结构中与末端电极进行电连接。然而，在许多方面的应用中需要增加电极的表面积，特别自实验室规模的电化学电解槽扩大至半工业规模，及最后扩大至工业尺寸的开放式电解槽。若在电解槽的扩大中可实现用以实现本发明方法的一个更有效率的电解槽设计，及进一步降低资金成本与运作成本，这是有利的。

因此，本发明的另一个主要目的，提供本发明开放式电解槽观念的其他与更经济的实施例，其中多孔电极的表面彼此相邻，及配置于一垂直面或以一组的形式彼此水平地重叠。通常为网或筛的多孔电极，彼此电接触，而各电极组仅需单一供电电极以将电压导入该处。因而，通过将电极配置于该代表性形式中，将显著地增加有效的电极表面积，而不需要如其他情况地增加电源的外接电接触数目。通过将电极分层，可降低连接的成本，同时亦节省电极购置费。其他的益处包括以开放式电解槽配置改进运行的效率，以及因电解槽电压较低的结果而降低电力消耗与降低运行成本。

因此，本发明所研发出“开放式电解槽”结构的实施例，其中该电解槽包括位于一电解装置区作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极。至少一个电极包括数个导电性多孔元件，其彼此相邻及彼此电接触。提供构件用于将一含水电解质溶液直接添加至电解装置区的电极，及用于调节该电解质溶液在电解装置区的驻留时间。

此外，包括数个导电性多孔元件的电极，可与一固态、非孔性导电电极元件组合。

还包括用以电纯化受污染的水溶液的一种方法，其步骤包括：

(ⅰ)提供一开放式结构的电解槽，其包括位于一电解装置区作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极。至少一个电极包括数个导电性多孔元件，例如网或筛，其彼此相邻及彼此电接触。提供构件用于将一受污染的含水电解质溶液直接添加至电解装置区的电极。亦提供构件用于调节该含水电解质溶液在电解装置区中的驻留时间，以改性其中的污染物；

(ⅱ)将受污染的含水电解质溶液添加至(ⅰ)的电解槽中，以及

(ⅲ)在电解槽的电极施加一电压，以改性含水电解质溶液的电解质中的污染物。

本发明的改进的电纯化方法，亦包括处理受到金属离子污染的水溶液。通常，其为来自电镀槽排放水、金属溶出液、杀生物制剂与涂料的有毒物质，及可被一复合剂、表面活性剂或还原剂螯合。本发明的电纯化方法可破坏该复合剂、表面活性剂或还原剂，以释出有害金属以在电解电池中进行进一步的处理，或选择性地例如转送至一金属回收电解槽，以自溶液中电积出金属。

虽然在此披露的电解槽的主要用途为电纯化受污染的溶液，本发明的“开放式”结构可用于其他的实际应用上。代表性实例包括无机与有机化合物的电化学合成作用，诸如碘酸盐与过碘酸盐、二氧化氯、过硫酸盐、及经由柯尔伯(Kolbe)羧酸电解法或由活化烯烃的电氢化二聚作用的二聚物、电解水而形成氢与氧等。

因而，本发明的另一个主要目的在于提供电合成方法以生产有用的产品，该方法的步骤包括：

(ⅰ)提供一具有开放式结构的电解槽，其中该电解槽配备有位于一电解装置区的作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极。至少一个电极包括数个导电性多孔元件，例如网或筛，其彼此相邻及彼此电接触。提供构件用于将一电解质溶液直接添加至电解装置区的电极。亦提供构件用于调节该电解质溶液在电解装置区中的驻留时间；

(ⅱ)在(ⅰ)的电解槽中添加包含一种电活性基质诸如一种无机盐类溶液的电解质，该溶液如制造漂白剂时的碱金属水性溶液、制造过碘酸盐时的碘酸盐、一种酸的水溶液等；以及

(ⅲ)在电解槽的电极施加一电压，以电解该电解质溶液而形成一有用的化学产品。

本发明的实施例包括用以电合成一有用产品的方法，其中该电解槽配备一个多孔性隔膜或选择性渗透膜。

附图说明

为进一步了解本发明及其特性，应参考附图，其中：

图1为侧视图，显示本发明的直接进料、开放式结构、控制渗漏的电化学电解槽的第一实施例，其中电极以水平定向位于一个集水容器之上；

图2为图1的电化学电解槽的侧视图，其电极为垂直定向；

图3为侧视图，显示本发明的直接进料、开放式结构、控制渗漏的电化学电解槽的第二实施例，其中电极位于一开放式电解槽护罩的内部；

图4为图1的电极电解槽组的剖视图；

图5为本发明以单极结构连接的一个电极组的侧视图；

图6为本发明以双极结构连接的一个电极组的侧视图；

图7为以分离器加以间隔的一个电极组的正视图；

图8为一个开放式电化学电解槽的侧视图，其具有以单极结构连接的多孔电极组；

图9为一个开放式电化学电解槽的侧视图，其具有以双极结构连接的多孔电极组；及

图10为说明依据本发明方法将苯酚水溶液去污染的电纯化作用结果，如实施例所示。

优选实施例说明

首先，图1为一个电化学电解槽10，用于纯化前述受污染的水溶液，其以通过入口22的受污染的水12表示。受污染的水12于电解槽10的电解装置区14中加以处理，如所示电解槽10为完全开放式结构，容许电解反应的气态副产物诸如氧与氢16释放至大气中。在一些情况下，需要收集电解反应期间所产生的一些潜在有害的气体，以避免排至大气中。例如在电解含有盐水或海水的含水排放水流期间，在阳极可产生氯。可回收该气体，例如通过邻近电化学电解槽10的一个常规设计的真空动力通风装置(未显示)。

电解装置区14包括于图1和4中以水平定向所示的一个电极组17，及包括至少一个阴极18与至少一个阳极20。例如阳极20可作用为一终端板21用来支撑电极、隔板与分离器的组合以成为一组装后的电极组17。位于电极之间的非导电性电极隔板23，提供相邻的阳极与阴极之间所需的电极间的间隙或空间。虽然图1和4仅显示一个中央阴极与在阴极18对侧的阳极，可以理解，该电极组可由数个交替排列的阳极、隔板、阴极等所形成，以螺栓构件25穿过该组及以终端板将组件维持于结构稳定的组装中。

该终端板、电极与隔板可具有大致为长方形的几何形状。然而，任何其他可能的几何形状与尺寸，皆在本发明的范围之内，包括正方形、圆形或环形配置等有限的例举。受污染的含水性电解质溶液经由供应管线22而直接添加至电解装置区14中的电极。显示供应管线22位于相对于阳极/终端板21的中央位置。可为固态且平面的电极，优选为网/筛类型的物质。此促使进入电极组的含水电解质溶液直接与电极接触，以及径向流过该电极组内的各电极表面，而朝向其边缘。此外，进入的溶液通常以轴向流动，或正常地流至电极平面的纵轴，使得该受污染的水溶液以喷泉似的效应级联流动越过与通过该电极组，而在过程中最大化与电极表面的接触。不含或实质不含污染物的经纯化的水24，离开电解装置区14可收集于一开放式槽26中，或汇集进入一排放管线(未显示)以排至天然流域等。

可以理解，直接添加至电解装置区的受污染水溶液的进料，并不需要如图1-4所示位于相对于该电极组的中央位置。其他的直接进料路径包括反转进料点，使得受污染的水溶液自该电极组的底部添加，或以相对于电极平面的一个斜角或钝角添加。此外，该直接进料的进入点可与该等电极的平面表面边缘成轴向，其中该受污染的溶液送至电极组的周边边缘。

用于调节该受污染的水溶液于电解装置区14的驻留时间及用于控制经去污与纯化的水24自该处渗漏的一种便利的方式，可经由阀28及/或常规设计的抽泵构件(未显示)。受污染的水直接进入该电极组及经去污的水离开该组的流速，可经由人工或标准设计的自动化流量控制阀28而加以调节。调整流速(公升/分钟)，使其足以在经处理的溶液离开该电解装置区之际，有效地破坏污染物。本领域的普通技术人员在本公开的启发下将了解可通过其他方式而最优化本发明的电化学电解槽的性能，诸如增加该溶液于电解装置区中的路径。例如，加设导流板可增加该溶液于电解装置区中的滞留时间。其他的方式包括扩大电极的表面积，以降低在电解区中的驻留时间。实际上，本领域的电化学家亦将了解能以较高的电流密度而增加该电解槽的性能。

因为电解槽的几何形状以及可便利地使用单极与双极结构的能力，可使用实际上任何的电极物质，包括平板、网状形式的金属，泡沫材料或其他物质，诸如石墨、玻璃态碳、网状玻璃态碳及颗粒状碳。此亦包括电极物质的组合物，诸如包括以适宜的绝缘性或导电性物质分隔的二个金属层的双层元件等。

适用作为阳极的代表性实例包括该一般所知的稀有金属阳极，尺寸不变的阳极，碳、网状碳与含石墨的阳极，掺杂的钻石阳极，含有低于化学计量的氧化钛的阳极，及含有氧化铅的阳极。更具体的代表性实施例包括镀铂的钛稀有金属阳极，商标为DSA-O₂的阳极，及其他阳极，诸如可购自美国纽约州兰开斯特的E1ectrosynthesis公司的高表面积类型的阳极如毛毡、泡沫材料、筛等。其他的阳极物质包括基于钛的铂/铱、钛的氧化钌、钛的氧化铱、钛的氧化钉、银金属的氧化银、钛的氧化钌、钛的氧化锡、钛的氧化钌、镍的氧化镍(III)、金、低于化学计量的氧化钛，及特别是所谓的玛格捏利(Magneli)相氧化钛，其化学式为TiO_x，其中X自约1.67至约1.9。优选低于化学计量的氧化钛为Ti₄O₇。玛格捏利(Magneli)相氧化钛及其制备方法，披露于美国专利第4,422,917号(授予Hayfield)，其引于此为参考。其亦可以商标Ebonex而商购。当电催化性金属氧化物，如PbO₂、RuO₂、IrO₂、SnO₂、Ag₂O、Ti₄O₇及其他作为阳极时，发现若将该等氧化物掺离各种阳离子或阴离子，可进一步增进本发明的电催化性氧化作用、稳定性或去污染作用的导电性。选择适宜的阳极物质将基于下列因素的考虑，诸如成本、阳极物质于处理溶液中的稳定性及其用以实现高效率的电催化性质等。

适宜的阴极物质包括金属，诸如铅、银、铁、镍、铜、铂、锌、锡等，以及如碳、石墨、埃伯内克斯(Ebonex)、各种合金等。气体扩散电极亦用于本发明的方法中。如此，其在转换氧气或空气成为有效量的过氧化物的作用中可作为阴极，以降低氢的释出及/或用以降低槽电压。不论阳极或阴极的电极物质，不论其表面积的大小，能以一种电催化剂加以涂覆。当毒性或有害物质以低浓度存于含水电解质中时，表面积较大的电极，例如金属板网筛、金属珠或石墨珠、碳毛毡或网状玻璃态碳，特别适于实现高效地破坏此类物质。

特定的阳极与阴极物质的选择，基于成本、稳定性与电催化性质。例如，电化学领域的普通技术人员将了解当需要将氯化物转变为氯时；将水转变为臭氧、羟基游基或其他反应性氧产物时；使用例如一种缓慢溶解的含铁金属阳极，经由以电化学方式产生的芬顿(Fenton)试剂而将氧或空气转变为过氧化氢或羟基游离基时；以及硝酸盐的催化性还原作用而转变为氮，或有机卤素化合物的催化性还原作用而转变为毒性较低的卤化物离子或有机部分时，应选择何种电极材料。

当处理包含污染物的复合混合物水溶液时，催化性阳极与阴极材料的选择特别重要，其中可选择电极物质以用于污染物配对的破坏作用。例如，受到有机物质、微生物与硝酸盐污染物污染的水流，可于同一电化学电解槽中使用一种产生反应性氧产物的阳极，诸如铌上的铂或埃伯内克斯(Ebonex)，而同时处理，以破坏微生物与氧化有机物。此外，该相同的电池亦可配备用以破坏硝酸盐的一种铅或其他电催化性阴极物质。

如前所述，非导电性电极隔板23提供相邻的阳极与阴极之间所需的电极间的间隙或空间。隔板23以聚合物质诸如聚烯烃如聚丙烯与聚乙烯制造的非导电性的绝缘多孔网筛，其厚度决定电极间的间隙宽度。此外，容许使用离子性聚合物隔板，其可有效地增加电解槽的离子导电性，使进一步降低槽电压与运行成本。适宜尺寸的离子交换树脂，如阳离子与阴离子树脂球固定于电极之间的间隙中。

就大部分的应用而言，电极间的间隙自接近无间隙以避免电极短路，至约2mm。具体地，优选该极小的毛细管尺寸的间隙小于1mm，自0.1至＜1mm。该极小的电极间的间隙，使电流得以传递通过相对而言非导电性的介质。此为例如水受到有机化合物污染的情况。因而，可由本发明破坏溶液中的污染物，而无需添加任何载流无机盐类以增加该含水介质中的离子导电性。更进一步，该极窄的电极间的间隙，提供较低的槽电压的重要优点，其进而降低电力消耗与降低运行成本。因而，本发明的开放式结构的电化学电解槽与极窄的电极间的间隙的组合，提供较低的初始资金成本以及较低的运行成本。该特点在大规模应用时特别重要，如依据权利要求中的方法纯化饮用水与废水的情况。

图2所示为本发明的电化学电解槽的另一个实施例，其中电解装置区30为一开放式结构。电解质32直接添加至垂直定向的电极组34。结果表明，经处理的水溶液36主要自电极组34的顶部与底部周边边缘排出。其可进一步依导流板的使用，例如用以控制所处理溶液的驻留时间，而加以改变。经纯化的溶液收集于电解装置区30下方的容器38中。

图3所示为本发明的第三实施例，其中电解装置区40包括如上所述的一个电极组42，其位于一开放式护罩/槽44内部。护罩44设在顶部开端，容许电解反应的气态副产物如氢与氧，即可排放大气中或借助一适宜的装置如通风橱(未显示)而加以收集。受污染的含水电解质溶液46直接添加至位于开放式护罩44中的电极组42，其不同于电解槽，其中因电极浸于送至该槽的溶液中的原因，而使电极间接地接收该溶液。因重力而向下级联流动的经纯化的水48被收集于护罩44内部的底部及并且被排出。

本发明的开放式结构电化学电解槽的一个重要优点，在于其等即可适于单极或双极结构的能力。就此而言，图5所示为一单极开放式结构电化学电解槽。在图5中的单极电解槽中，阳极52、54与56各需要一个电连接器以作为电源，在该情况下经由一总线58作为共用的“外接”供应线。类似地，阴极60与62各需要一个电连接器，其经显示经由一共用总线64。该单极电解槽设计的特征，在于各电极的双面皆具有活性，具有相同的极性。

因为用于市镇区域的水纯化作用，一般而言为大规模应用，必须达到可能范围内的最低槽电压，以降低电力消耗。本发明的开放式结构、单极电解槽设计以及极窄的电极间的间隙的组合，因为具有较低的内阻、较低的槽电压与较高的电流密度，不仅具有较低的初始资金成本的优点，亦具有较低的运行成本。如本发明的一些实施例，在不添加无机盐载流介质之下处理导电性相当低的受污染的含水介质时，如受到非极性有机溶剂污染的水溶液，该组合特别有利。

就Beck等人于美国专利第4,048,047号所披露的电解槽而言，本发明具有极窄的电极间的间隙的开放式结构、单极、控制渗漏的电化学电解槽是非常独特的。Beck等人的封闭式电化学电解槽，使得由各电极的外接电接触所实现的具有高电流密度的单极连线变得非常困难与昂贵。相反地，以本发明的电化学电解槽的开放式结构，可促进至个别电极的电气连接，不论该电解槽为单极或双极设计。因而，相较于本发明的改进型电化学电解槽或其他用于大量体积的水纯化方法中的非电化学技术而言，Beck等人的封闭式双极电化学电解槽将不具经济性与成本竞争力。

如前述，本发明的具有极窄毛细管电极间的间隙的开放式结构、控制渗漏的电化学电解槽，即可适用双极结构。图6说明如本发明的开放式结构的双极电解槽，其仅需要经由二个终端电极/终端板76与78的“外接”电接触72与74。该双极电极中的各个内电极80、82与84在相反侧具有不同的极性。虽然该双极电极在该电极组的各电池中有效使用同一的电流而相当经济，本发明的一重要方面涉及由极窄的电极间的间隙而使一电流通过相对不导电的介质进而处理溶液。即，该受污染的水溶液可具有相当低导电性，约相当于自来水的导电性。为有效地处理该溶解，需要在较高的电流密度运行。本发明的单极电解槽结构可在所述的低槽电压以及高电流密度下运行。虽然未详细地说明，可以理解本发明的电解槽使用标准电源，包括直流电源、交流电源、脉冲电源及电池电源。

本发明亦涉及具有用于受污染的含水电解质溶液的分配器构件的开放式结构电化学电解槽，该构件诸如具有数个开口与孔的一长度的管81，或自受污染的含水电解质进料入口延伸通过电解装置区的电极组的深度的一进料管。其可促成该溶液更均匀地流至该电极元件。这种具有足够的孔隙度、直径与长度的金属或塑料材料的多孔管，特别适用于含有众多电极元件的电极组，及可应用于开放式结构的单极、双极及例如瑞士卷电解槽。就具有电极元件的深电解槽组而言，各电极元件具有较大的表面积，可提供一个以上的多孔进料管，其以歧管与进料入口导管结合一起。

本发明的开放式结构、双极、控制渗漏的电化学电解槽，可最有效地用以纯化离子导电性高于前述的水溶液，促使以较低的电流密度实现较经济的运行。在各情况下，不论该电池为单极或双极设计，本发明的电化学电解槽可促进其电连接。

象水纯化作用的大量体积的应用，最好需要低的资金及运行成本，方能在经济上具有吸引力。发明人发现，通过减少对于精密机器组件、衬垫、昂贵的膜与电解槽分离器的需求可大幅降低资金成本。低运行成本可由去除电解槽膜与分离器，即未分隔的电化学电解槽，而得到窄的电极间的间隙与较低的IR，进而获得较低的电池电压而实现。然而，较小电极间的间隙，亦使本发明的电解槽能于例如含有低浓度的支持电解质的一有机介质中，以各种电极、绝缘体物质等运行。本发明的开放式结构可适于多种应用，但电解槽分隔器诸如膜或电解槽分离器的使用，将形成阳极电解液室与阴极电解液室。适用于本发明的电化学电解槽的方法实施例包括电化学合成作用中的媒介型反应，其中该膜或电解槽分离器的目的在于防止阳极所产生的产物在阴极还原及/或阴极所产生的产物在阳极氧化。

图7为开放式结构的电化学电解槽90的一代表性实施例，其具有阳极/终端板92与94与中央阴极96，以及位于电极间的阳离子交换膜98与100。膜98与100防止电池中阳极电解液与阴极电解液混合，虽然容许该溶液流动通过位于该膜中心的开口102。

使用一隔膜或分离器的电化学电解槽的实施例，优选配备有离子交换膜，当然也可使用多孔性隔膜类型的分离器。以聚乙烯、聚丙烯、聚乙烯叉-二氟化物、聚氯乙烯、聚四氟乙烯(PTFE)、聚合物-石棉掺合物等的微孔性薄膜为主的商品可取得的多种惰性材质，适用作为多孔性隔膜或分离器。

适用的阳离子与阴离子类型的选择性渗透膜，可购自众多制造商与供应商，包括此类公司，如以商标Rsipore购自美国纽约州Hauppauge的RAI Research公司取得、E.I.DuPont、Tokuyama Soda、Asahi Glass等。一般而言，经氟化的膜因其总体稳定性而为最佳。一种特别适宜的选择性渗透离子交换膜类型为全氟磺酸膜，诸如以Nafion商标购自E.I.DuPont公司。本发明亦包括形成为固态聚合物电解质复合物的膜与电极。亦即，至少一个电极，阳极或阴极或阳极或阴极二者，与离子交换膜结合而形成一个整体的组件。

虽然本发明前述的实施例提及的电极组，如分别于图1和2中的元件17与34，该电极组包括以窄的电极间的间隙而彼此分隔的个别、单一的阳极与单一的阴极组件。图4以剖视图说明代表性的电极组，其包括由具有其本身的外接电接触19的一个单一平面筛元件所组成的一个阴极18。在阴极18各侧的非导电性的多孔隔板23，提供所需的电极间的间隙，以将该阴极元件与相邻的终端阳极20分隔。虽然图4所示具有位于终端阳极20之间的单一阴极筛的一电极组，可以理解，本发明的较大处理量的商业化或半商业化试验规模的电解槽，通常将具有包含数个交替排列的阳极与阴极的电解槽组，在单极结构时各电极具有一外接电接触。

然而，本发明的电解槽的放大形式需要较大的电极表面积，可由如图8与9所示将数个单独的多孔电极元件堆叠起来，而以较经济的方式实现该结果。包含导电性多孔元件例如网或筛的多电极元件，在单极(图8)或双极(图9)开放式电解槽结构中彼此相邻及彼此电接触。

开放式电解槽实施例的阳极或阴极抑或阳极与阴极二者，可为多电极元件设计。即，包含多电极元件的一个阳极组以电接触方式固定一起，以及可与包含一个单一电极元件的一个阴极相邻，反之亦然。最好以图8加以说明，其包括固定于终端板105之间的单极开放式电解槽104，其具有位于单一阴极元件108之间的多个孔性阳极元件106，该阴极经显示为多孔性阴极，但亦可为非孔性的板状电极。通过多孔的非导电性隔板107的构件，而将阳极106与阴极108分隔。有利地，阳极组106仅需要一个单一的“供电”电极110，以将任一侧的电压输送至同一组中与其接触的其他电极元件。通过这种方式而将电极元件堆叠一起，可显著地增加有效电极表面，而无需象其他情况下需要增加至电源113的外接电接触112的数目。此不仅降低外接电路接头的成本与电极的成本，亦可增进运行的效率，形成较低的槽电压与较低的电力消耗，以降低运行成本。

电极的导电性多孔元件能以例如金属或碳制造，及可为穿孔金属板、焊接金属丝布、编织金属丝布、多孔金属板、碳毛毡、编织碳布、网状玻璃态碳包括诸如具有海绵性质的镍泡沫材料的金属泡沫材料形成。可商购的穿孔金属板的代表性实施例为低碳钢板，与具有均一与合适尺寸的孔图型的微蚀刻316类型的不锈钢板。焊接金属丝布包括304型的不锈钢布与不锈钢针织的钢丝网。金属丝布为以金属丝编织或焊接形成的材料，及能以多种网尺寸取得。亦能以304型的不锈钢级取得。多孔金属板包括经开缝与延展的板。该板/薄板为轻质的，但因其等开口的菱形构架模式而极为坚固。其一般以碳钢与304型的不锈钢制造。

本发明包括在单一电解槽中作为电极元件的不同多孔材料的组合，以实现例如一氧化作用/还原作用效应的组合。电极的导电性多孔元件的孔密度可自1至约500孔/线性英寸。该导电性多孔元件亦可具有约自10至90％的开口面积。一些元件，诸如泡沫材料可具有自1至约1000孔/线性英寸的孔隙度，与自5至约85％的密度。该电极元件可简单地堆叠为紧密的电接触状态，或焊接一起及根据需要焊接至供电电极，以确保电连接通过该组的所有组件。

图9所示为类似于图8的一开放式电解槽设计114，但为一双极结构，经图示所有的中间电极组116具有数个多孔电极元件。各电极组的个别元件与同一组的其他元件电接触。电力经由终端板阳极118而送至该电解槽。电极组116彼此以多孔隔板120分隔。

在具有或不具有“供电”电极之下，可使用的电极元件的最佳数目将为数个变量的函数，这些变量包括多孔电极元件的厚度、所处理溶液的导电性与整体的最佳电解槽设计。除了供电电极(图8)之外，电极元件的数目可为1至100，及更具体地为1至10个电极元件。在电解条件下该供电电极为稳定与导电的前提下，该供电电极能以与个别的电极元件相同或不同的材料来制备。

在溶液的纯化过程中，本发明提供低导电性介质的处理。然而，可能需要添加非常低浓度惰性可溶性盐类，诸如碱金属盐类如钠与钾的硫酸盐、氯化物、磷酸盐等。亦可使用稳定的季铵盐。如前述，可在电极之间的空间置入适宜尺寸的离子交换树脂球，以增加导电性。其可进一步地降低槽电压与整体的运行成本。

进入该电解槽的受污染溶液，其温度可自近乎冷冻至接近沸腾，及更具体地约为40°至90℃。较高的温度有利于降低槽电压并增加污染物破坏速率。若需要的话，可由预先加热进入的溶液、加热电极、或在电池中的经由IR加热而达到较高的温度，特别当溶液具有低导电性时，例如在纯化饮用水的情况。通过适宜地调整槽电压与在电池中的驻留时间，可达到上述范围的有利温度。

未分隔型电池，其为本发明用于纯化受污染的水溶液的优选实施例，在电解作用期间可产生多种实用的阳极与阴极产物，此类产物有助于污染物的化学破坏作用与水溶液的纯化作用。此类产物包括氧、臭氧、过氧化氢、羟基游离基及活性氧产物。虽然亦适用于该方法中但非优选的产物包括经由盐水或海水的电解作用而产生的氯与次氯酸盐(漂白剂)。虽然不希望受限于任一特定的作用机理，为使受到毒性有机物质与微生物污染的水性溶液的去污染、脱色与杀菌方法取得成功，包括前述的几种方法均可同时进行。其包括，但不限于，污染物在阳极的直接氧化作用、由阴极的直接还原作用而破坏污染物、由阳极所产生的氧气微气泡而将进料物流氧化、由氧气与氢气的微气泡而将进料物流的挥发性物质脱除、电池中的IR加热作用、排出该开放式电解槽的水流的充气作用等。

使用此述方法的本发明的开放式电解槽结构，可成功地破坏或除去多种化合物、微生物及其他有害物质，诸如前述的金属离子。代表性实例包括脂族醇、酚、硝酸盐或卤化芳香族化合物等。亦可达到降低颜色或完全脱色，以及消毒作用，包括病毒的破坏。

水溶液中具有多种的金属盐类，包括来自电积槽排放水、金属溶出液、杀生物制剂与涂料的离子形式的有毒金属，其很难由离子交换或传统的化学或电化学方式而加以去除或回收。该等金属包括稀有金属如铂、银与金，以及非稀有金属如铜、镍、钴与锡等。在可排入下水道的此类金属最高容许浓度方面，政府的法规将越加严格。因为可能存在其他组成成份，一般为复合剂、表面活性剂、还原剂及其他类似的物质，该可溶性金属溶液通常难以处理。

因此，本发明亦包括电纯化受到有害金属离子污染的水溶液，其在此所披露的开放式电解槽中由使用前述的方法而处理。其包括由在开放式电解槽的阴极的金属还原作用而进行该溶液的去污染作用，以及处理来自电镀槽排放水、金属溶出液、杀生物制剂、涂料与其他受污染的工业水溶液的金属离子，其中该金属被各种复合剂、表面活性剂或还原剂螯合。溶液组成成分，包括复合剂，最初以电化学方式加以破坏，而大幅地促进自该溶液回收/去除金属的作用。代表性的复合剂可包括氰化物、铁氰化物、硫代硫酸盐、亚胺、羟基羧酸如酒石酸、柠檬酸与乳酸等。该方法可有效地释放出该离子化金属，以在电解槽中进行还原作用或加以回收/去除。选择性地，经部分处理的水溶液，可在开放式电解槽外以下列方法进一步加以处理：如离子交换、碱的沉淀作用、由诸如Renovare International公司所制造的Rebocell^TM的一金属回收电化学电解槽中的电解作用。后一方法促成将金属电积于一个具有大表面积的阴极上。

下列特定实施例说明本发明的各种实施方式，然而，其仅作为说明之用，而非用于完全限定本发明。

实施例I

以一电极组装设具有一开放式结构的一个单极电化学电解槽，该电极组包含直径为12.065厘米与厚度为0.95厘米的316不锈钢端板。亦在该电极组中装入一中央阴极，其由具有7.8×7.8开口/线性厘米、0.046厘米的钢丝直径、0.081厘米的开口宽度及41％的开口面积的316不锈钢网组成。阳极为美国罗德岛州的Blake Vincent Metals公司所制造的二个镀铂的铌电极所组成。在铌基质两侧皆电积的阳极，具有635微米的厚度，其被拉延为厚度为约0.51厘米的网及具有0.159厘米的菱形间隙。位于相邻的电极之间的隔板以具有8.27×8.27开口/线性厘米、0.0398厘米的线直径、0.084厘米的开口宽度及46％的开口面积的聚乙烯网制造，其由美国俄亥俄州克里夫兰的McMaster-Carr公司供应。电极间的间隙约为0.04厘米，其由聚乙烯网的厚度所决定。除了省去通风橱之外，该电化学电解槽的简图对应于图1。通过流速约为1厘米/分钟的AC-3C-MD March离心泵的方式，而使得水溶液再循环于玻璃收集槽与电解槽之间。使用Sorensen DCR 60-45B电源，以产生电解槽所需的电压降。

制备一试验溶液，其在1公升的自来水中含有1克酚。该溶液在电池中循环，及通入25安培的恒电流。处理约2-3分钟后，最初澄清的溶液变红，可能显示苯醌类型中间产物的存在。最初为35伏特的电解槽电压，迅速地降至8-9V，而溶液的温度稳定于约56-58℃。定期取样及分析总有机碳量(TOC)。示于图10的结果显示，总有机碳量降低似乎是因为酚可能进行完全的氧化作用而变成二氧化碳，其进而自该溶液中以气体形式排除。实施例II

为显示在纺织业排放水中的脱色作用，以自来水制备1公升的溶液，其含有0.1克纺织品染料Remazol^TM Black B(Hoechst Celanese公司)、0.1克表面活性剂Tergitol^TM 15-S-5(Union Carbide公司)及1克氯化钠。

试验溶液的组成类似于纺织染整方法所产生的典型排放水，其中即使非常低浓度的Remazol Black亦赋予该溶液非常深的颜色。Remazol Black特别难以处理的纺织染料。迄今，用以处理RemazolBlack的其他方法，诸如通过臭氧作用或使用次氯酸盐漂白剂的方法，皆未能产生符合需求的脱色效果。

在实施例I中所装设的单极电解槽中，以25安培恒定电流，电解上述含有Remazol Black的溶液。槽电压约为25伏特，及溶液的温度达到52℃。该溶液最初的颜色为深蓝色。电解10分钟之后，该溶液的颜色变为粉红色，在30分钟后，该溶液实质上为无色。

实施例III

进行进一步的试验，以显示地下水的去污染作用。腐殖酸为地下水中的典型污染物，其由植物物质的分解作用产生。含有腐殖酸的水，即使所含的浓度很低，皆为深色的，而颜色的去除相当困难。

制备自来水中的深褐色溶液，其含有30ppm腐殖酸的钠盐(Aldrich公司)，而且不含有用以增加溶液导电性的添加剂。将溶液循环通过类似于实施例I中所用的单极电化学电解槽，但该电解槽仅配备一个阳极与二个阴极。通入10安培恒定电流2.5小时。槽电压为24-25伏特，及温度达到58℃。在试验结束时，该溶液完全澄清的，表明有效地破坏腐殖酸。

实施例IV

进行进一步的试验，以显示本发明的电解槽与方法在将来自食品加工厂的排放水消毒与降低化学需氧量(COD)方面的作用。

来自一个墨西哥麦芽生产厂的250毫升废水，以类似于第I例所用的单极、开端式配置的电化学电池加以处理，除了阳极总面积为6cm2之外。其目的在于降低COD、部分或完全脱色、消除微生物与臭味。

通入1安培恒定电流150分钟；槽电压自最初的22伏特降至17.5V，及溶液的温度达到44℃。

结果示于下表中：

表
			COD	1700ppm	27ppm
颜色	橘黄色	澄清
			微生物	具活性	经杀灭
臭味	有	无

实施例V

进行进一步的试验，以显示本发明的电解槽与方法在一次通过配置中的脱色功效。

将自来水中含有15ppm浓度的甲基紫染料的深紫色溶液，以250ml/分钟的流速，以一次通过的模式循环通过类似于第I例所用的单极、开放式电化学电解槽。其目的是实现完全脱色。

通入25安培电流；槽电压为25伏特，及溶液的温度达到65℃。

在一次通过该电解槽后，获得一澄清溶液。

实施例VI

进行一试验，以显示开放式结构的电化学电解槽在电合成化学品方的用途，在本例中该化学品为次氯酸钠。

以释放出催化性氯的阳极，诸如Eltech Systems公司所生产的DSA阳极，取代实施例I的电化学电解槽。将每公升含有10克氯化钠盐水溶液加至电解装置区，其中在阳极产生氯而在阴极产生氢氧化钠。让氯与苛性钠于电解槽中反应，以产生次氯酸钠漂白剂的稀释水溶液。

实施例VII

使用图8所示的单极电池配置进行试验，以表明开放式电池结构，其使用包含数个彼此相邻且彼此电力接触的导电性多孔元件的电极。该电解槽配备一个每线性英寸具有10股的铂/铌编织网阳极。二个铂/铌节电接触且位于作为供电电极的第三个铂/铌筛之上，该第三个铂/铌筛则与一个直流电源的正极终端连接。阴极元件为与该直流电源的负极终端连接的一个单一镍筛。

待处理的电解质包含5克氯化钠，将其添加至1公升的60℃水性无电镍电积排放水中，其中含有60克镍盐、25克次磷酸钠及化学需氧量为20,000ppm。电解作用在55mA/cm²、5.5v的槽电压进行，直至排放水的化学需氧量降至初始值的约10％。然后在一个具有大表面积的碳阴极的电化学电解槽中处理该排放水，以电积出溶液中所剩余的大部分的镍。

此表明破坏无电敷镀槽的排放水中的复合剂，及释放出的金属离子通过电积方式而加以回收。

虽然本发明以不同的具体例共同加以说明，其仅作说明之用。因而，本领域的普通技术人员自前述的详细说明，将了解许多替代方案、改进与变化，因此所有替代方案与变化涵盖于所附权利要求的保护范围之内。

Claims (40)

1.一种电解槽，其特征在于一个开放式结构及包括位于一电解装置区中作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极；该电极位置彼此充分接近，以提供可将槽电压与IR的损失降至最低的一电极问的间隙；用于将电解质溶液直接添加至该电解装置区的该电极的构件，及用于调节该电解质溶液在该电解装置区中的驻留时间的构件。

2.如权利要求l的电解槽，其中该开放式结构的特征在于控制电解质溶液及/或气态副产物自该电解装置区的渗漏。

3.如权利要求1的电解槽，其特征在于一个用于处理受污染水溶液的电纯化电解槽。

4.如权利要求1的电解槽，其特征在于一个用于制备有机或无机化学品的电合成电解槽。

5.如权利要求1的电解槽，其特征在于所述连接于一个单极或双极结构的电极。

6.如权利要求5的电解槽，其特征在于至少一个包含数个彼此相邻与彼此电力接触的导电性多孔元件的电极。

7.如权利要求6的电解槽，其特征在于该电极的该导电性多孔元件以金属或碳制造。

8.如权利要求6的电解槽，其特征在于该电极的该导电性多孔元件包含独立地选自穿孔金属板、焊接金属丝布、编织金属丝布、多孔金属板、碳毛毡、编织碳布、网状玻璃态碳及金属泡沫材料的材料。

9.如权利要求6的电解槽，其中该电极包括数个导电性多孔元件，其特征在于一个供电电极以及自1至100个与该供电电极电力连接的附加导电性多孔元件。

10.如权利要求1的电解槽，其中该用以调节驻留时间的构件的特征在于泵构件、控制阀构件或泵构件与控制阀构件的组合。

11.如权利要求1的电解槽，其特征在于用于将电解质溶液均匀地分布于该电极全部的构件。

12.如权利要求1的电解槽，其中该阳极的特征在于可电催化产生反应性氧产物。

13.如权利要求12的电解槽，其中该电催化性阳极的特征在于其制造材料选自稀有金属、氧化锡、二氧化铅、低于化学计量的氧化钛及掺杂的钻石。

14.如权利要求1的电解槽，其中该阴极的特征在于可电催化硝酸盐的破坏作用。

15.如权利要求1的电解槽，其中该阴极的特征在于为适于将氧还原成水或过氧化物的气体扩散阴极。

16.如权利要求1的电解槽，其特征在于一个未分隔的电化学电解槽。

17.如权利要求1的电解槽，其特征在于在该阳极与阴极之间存在一个电解槽分隔器，以形成阳极电解液室与阴极电解液室。

18.如权利要求1的电解槽，其特征在于至少一个传感器选自pH值、紫外光、可见光传导性、氢与氯。

19.如权利要求1的电解槽，其特征在于至少一个电源选自直流电源、交流电源、脉冲电源及电池电源。

20.如权利要求1的电解槽，其特征在于传感器构件与电脑化构件，该电脑化构件用以接收来自传感器构件的输入数据与提供输出信号，以控制该电解槽中至少一种操作条件，其选自电流密度、电解质溶液至该电解槽的流速、温度与电解质的酸碱值。

21.一种用于电纯化受污染的水溶液的方法，其特征在于下列步骤，其包括：

(ⅰ)提供一个电解槽，其包含一开放式结构，位于一电解装置区中作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极；该电极位置彼此充分接近，以提供可将槽电压与IR的损失降至最低的电极间的间隙；用于将一受污染的电解质溶液直接添加至该电解装置区的电极构件，及用于调节该电解质溶液在该电解装置区中驻留时间以改性其中的污染物的构件；

(ⅱ)在(ⅰ)的电解槽中添加一受污染的电解质溶液；及

(ⅲ)在该电解电池的电极施加一电压，以电解该受污染的水溶液及改性其中的污染物。

22.如权利要求21的电纯化方法，其中该电解槽的开放式结构的特征在于控制电解质溶液及/或气态副产物的渗漏。

23.如权利要求21的电纯化方法，其特征在于该电解槽的电极连接于一个单极或双极结构。

24.如权利要求23的电纯化方法，其特征在于该电解槽中的至少一个包含数个彼此相邻且彼此电力接触的导电性多孔元件的电极。

25.如权利要求21的电纯化方法，其特征在于直接添加至该电极的含水电解质溶液包含污染物，其选自有机化合物、无机化合物、微生物、病毒、金属离子及其混合物。

26.如权利要求21的电纯化方法，其特征在于含水电解质溶液包含微生物，其选自细菌、孢子、胞囊菌、原生动物、真菌及其混合物。

27.如权利要求21的电纯化方法，其特征在于添加至该电解槽中的含水电解质溶液包含一染料或其他产生颜色的污染物，及自该电解槽回收的改性的含水电解质溶液为基本上无色的。

28.如权利要求21的电纯化方法，其特征在于在含水电解质溶液中加入足以增进污染物的破坏作用的数量的载流介质的条件下，进行电解作用。

29.如权利要求28的电纯化方法，其中该载流介质为一种碱性物质或一种选自酸、酸式盐与酸性化合物的酸性物质。

30.如权利要求21的电纯化方法，其特征在于在含水电解质溶液中添加足量的盐的步骤，以在经纯化的溶液中提供一活性卤素残余物。

31.如权利要求21的电纯化方法，其特征在于添加至该电解槽的含水电解质溶液受到金属离子污染。

32.如权利要求31的电纯化方法，其特征在于该金属离子来自电镀槽排放水、金属溶出液、杀生物制剂与涂料的毒性金属，该金属可被一复合剂、表面活性剂或还原剂螯合。

33.如权利要求32的电纯化方法，其特征在于在该电解槽中改性该复合剂、表面活性剂或还原剂，以释放出金属离子以在该电解槽中进一步处理或转送至一个金属回收电解槽。

34.一种用于电合成化学品的方法，其特征在于下列步骤，其包括：

(ⅰ)提供一个电解槽，其包含一开放式结构，位于一电解装置区中作为电极的至少一个阳极与至少一个阴极，用于将电解质溶液直接添加至该电解装置区的该电极的构件，及用于调节该电解质溶液在该电解装置区中的驻留时间的构件；

(ⅱ)在(ⅰ)的电解槽中添加电解质，其包含一种电活性基质的溶液；及

(ⅲ)在该电解电池的电极施加电压，以电解该电解质而形成一有用产物。

35.如权利要求34的电合成方法，其特征在于该电解槽的电极连接于一个单极或双极结构。

36.如权利要求35的用以电合成化学品的方法，其特征在于至少一个包含数个彼此相邻与彼此电接触的导电性多孔元件的电极。

37.如权利要求36的用以电合成化学品的方法，其特征在于该电极的导电性多孔元件以金属或碳制造。

38.如权利要求34的用以电合成化学品的方法，其特征在于该电解质包括一种盐或一种酸的水溶液。

39.如权利要求34的用以电合成化学品的方法，其特征在于该有用产物为一无机或有机化合物。

40.如权利要求34的用以电合成化学品的方法，其特征在于(ⅰ)的电解槽包括一多孔性隔膜或一选择性渗透膜。

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