利用高级氧化过程和电催化桨式电极的电解电池制造技术

在此披露通过用于空化的流入液入口安排和一对或多对电极来电解处理水。这些电极能够提供连续阳极和阴极操作以用于处理水。可以通过沿着圆周径向安排的混合喷嘴将与氧化剂气体预混合的压缩流入液泵送到反应器容器中。可以按设定间隔周期性地使通向该电极的电流的极性反向。电催化桨式电极可以用于处理回流和采出水。该桨式电极可以由交替的五边形扁平平板电极组成，这些交替的五边形扁平平板电极由可调节的可变距离特氟纶间隔件分离。该桨式电极设置有化学涂层，该化学涂层能够在非常高的电流流动条件下以超高频率切换阳极和阴极的极性/使其反向，从而使该桨式电极在苛刻的现场条件下更有效、稳定且持久。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】利用高级氧化过程和电催化桨式电极的电解电池
本披露总体上涉及水处理领域，并且更具体地，涉及通过使用电解反应器电池回收经处理污水、农业径流水和工业废水中的氨和尿素。本披露还总体上涉及流体的电催化氧化处理，并且更具体地，涉及使用流体组分的电催化氧化在流体中形成氧化性物种。本披露还涉及使用电解来沉淀溶解盐类。
技术介绍
电解是电流借此用来促进流入液中的污染物的分解的过程。电解电池在水处理工业中的使用为人所知已有多年。这些应用包括在过程中产生所需要的氧化物并使用它们来消除有害和不想要的有机体。大多数现代污水处理设施和现代农业成熟处理设施使用最初的厌氧固体消化步骤以便为生成设备生成甲烷气体从而为设施提供动力。来自有机材料的甲烷生成的副产物是来自流出液中的尿素和其他有机氮化合物的氨生成。基于电解的水处理设备的问题在于电极表面上沉积的水垢。当处理进行时，由于在阳极发生氧化反应并且在阴极发生还原反应，所以发生化学结垢。在反应器中沉积的水垢和结垢需要更高的电流以便维持跨电极的相同电势。电力已使用多年以便引起流体中的电化学反应。当电流使用分开有限距离的阳极和阴极而穿过溶液时，是电子流的电流流动穿过溶液。在溶液中电子被转移到分子并且分子被转换为离子时(反之亦然)，这诱导阳极和阴极处的氧化还原反应。典型地，EMF(电动势)源被用于通过溶液发送电力，并且流动通过溶液的电流是随电极的表面积、阳极与阴极之间的距离、所施加的电位差、电极的性质以及电流流动通过的介质的性质而变的。过去已经作出努力来传送尽可能多的电流以便通过改变许多以上所述因素来加速在电极表面处发生的化学反应。然而，诸如漏电流、长时间段内的电池效率、盐类在电极上的沉淀、腐蚀、结垢、传质限制、电极耐久性和稳定性的问题已经是使电解成本非常高的一些限制。本披露解决这些问题中的一些，尝试在诸如压裂水、回流水等的废水处理的背景下降低电解成本。
技术实现思路
总体上，本披露涉及从经处理污水和工业废水中回收氨和尿素。氨离子富集于电化学电池的阴极室中。阴极室的pH可以被维持在10以上以便将氨离子转换为氨气。沉淀在阴极表面上的硬盐类通过由空化形成的湍流而去除。漂白剂在阳极上的任选生成可以被用来将氨转换为氮气，并且臭氧在阳极中的任选添加可以被用来增加有机物破坏速率。本披露的装置可以被用来使用阳极、阴极和水力空化来给流出液消毒。反应器中的高湍流增强导致废水中的氨的有效降解的传质效率。为了增强电氧化过程的性能并且为了消除反应器的水垢和结垢，可以使用以下优选方法：1)向反应器中提供流入液的高湍流进入；2)以特定间隔使该或这些电极的极性交替；和/或3)使流入液经受水力空化，这允许高空化能量耗散。空化能量被用于分解有机污染物，并且因此辅助电氧化过程。优选地，本披露可以包括一个或多个反应器，该一个或多个反应器包括液体密闭壳和一对或多对电极。电极可以优选地被涂覆有混合氧化物、贵金属和/或掺硼金刚石电极。可以提供向电极供应电压和电流的用于每个反应器的电源。控制器可以被提供用于切换并调节通向电极的电压和电流，这样使得电极的极性可以以受控制的间隔反转。流体的电解在阴极和阳极处发生。在阴极处，氢气可以被释放以便生成氢氧化物基团并局部升高水的pH。OH-基在阴极处的形成与有机和无机化合物反应，并且因此加速氧化反应。电极的极性可以被周期性地反转以便缓解电极表面水垢。氧化物气体可以优选地通过文氏管构造被注入并与进入的流入液混合。与氧化剂气泡混合的流入液通过优选地安排在圆形阵中的一个或多个喷嘴而排放到反应器中。喷嘴阵列将流入液流优选地引导到反应器的中心中，在该中心处实现高湍流能量耗散。氧化剂气泡经受压力和速度变化，其中它们坍缩从而引起被称为声发光的现象。氧化剂通过排放喷嘴引入反应器中通过水力空化在低压区中形成纳米泡的空化。当这些纳米气泡穿过一个或多个增压区时，它们坍缩/内爆。空泡的坍缩可以产生流体中有机物质的紫外氧化。空泡的坍缩可以产生高能量状况，如紫外光、剪切、高压、热、机械振动、噪声等。披露了通过用于空化的流入液入口安排和一对或多对电极来电解处理水。这些电极能够提供连续阳极和阴极操作以用于处理水。与氧化物气体预混合的压缩流入液可以通过沿着圆周径向安排的混合喷嘴而泵送到反应器容器中。用于每个反应器的电源向电极供应电压和电流。控制器维持到电极的电压和电流。施加到每个电极的每个电压极性的持续时间可以优选地是相同的。可以按设定间隔周期性地使通向该电极的电流的极性反向。还披露一种新颖的电催化桨形电极，该电极具有在长时间段内携带非常高电流密度的容量。在本披露的一个非限制性实施例中，电极可以是特定尺寸和角度、彼此间隔特定距离并且其间具有特定高度惰性、非导电材料间隔件的五边形阳极和阴极板的交替安排。任何数量的这些电极可以被部署在任何形状的罐或反应器中，诸如矩形管道反应器或圆柱形罐反应器或者为此用于实现所希望的处理程度(诸如沉淀或高级氧化性物种生成)的任何其他形状的反应器。在另一个非限制性实施例中，交替五边形电极平板之间的距离可以是可调节/可变的，并且可以取决于电极上的负载根据沉积所需的量或者根据氧化物产物生成所需的量来调节/调谐，以便基于未处理流入液流体的质量实现所希望的处理。在又一非限制性实施例中，在电极的表面上设置用于在流体以高速越过优选的交替五边形板时增强流体中的湍流和剪切的特征。这些特征具有特定几何结构以及形状和尺寸，并且可以以规则图案或以随机图案来安排。这些特征的存在减少流体的边界层厚度并增加流体的局部速度，并且因此产生帮助增加离子和交替阳极与阴极之间的分子种类的传质的局部微湍流和涡流。这进而帮助增加由于溶液中的离子和分子的增加的传质而流动穿过溶液的电流，这进而极大地增强在阳极和阴极处发生的电化学反应的速率。在又一非限制性实施例中，五边形板的极性可以使用专用电子切换控制机构以非常高的频率来交替。交替五边形板的极性可以以大约1000-20000Hz来回切换。交替五边形板的这种高频率极性切换的工作周期可在约30分钟至99小时的范围内完成数次。新颖电极的这种特征赋予电极自动清洁能力，并且因此消除当前现有技术状态的一些限制，诸如电极上的水垢、降低的电流效率、电极在长操作时间内的腐蚀和稳定性和耐久性。对于如以当前现有技术状态完成的电极手动清洁，它还减少了操作中所需的停机时间，从而降低操作和维护的成本。电子控制机构可以控制交替五边形板的极性的超高频率切换。在又一非限制性实施例中，可以提供一种特定厚度的化学涂层，该化学涂层可以被涂覆在交替五边形板上。涂层的存在有助于桨式电极以在约200-2000Amp范围内的非常高电流流动或约0.1-1.0Amp/cm2范围内的电流密度持续新颖桨式电极的交替平板的极性的超高频率切换，这在不损坏电极的情况下，在持续的时间段内以高电流流动提供了电极极性的新颖的超高频率切换。在又一非限制性实施例中，涂层用作用于在流体中产生氧化物产物的催化剂，因此进一步增强除了以昂贵电力的电化学反应产生的氧化物产物之外在流体中生成的氧化物产物的量。电催化桨式电极可以用于处理回流和采出水。该桨式电极可以由交替的五边形扁平平板电极组成，这些交替的五边形扁平平板电极由可调节的可变距离特氟纶间隔件分离。该桨式电极设置有化学本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种电催化桨式电极组件，包括：多个凸面不规则五边形扁平平板电极，每个平板电极具有短边，其中该多个平板电极按以下模式来安排，其中这些平板电极的该短边从被布置在下部位置抑或上部位置中开始交替；以及多个间隔件，所述多个间隔件中的每一个被布置在相邻平板电极之间以用于使这些平板电极彼此分离。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】1.一种电催化桨式电极组件，包括：多个凸面不规则五边形扁平平板电极，每个平板电极具有短边，其中该多个平板电极按以下模式来安排，其中这些平板电极的该短边从被布置在下部位置抑或上部位置中开始交替；以及多个间隔件，所述多个间隔件中的每一个被布置在相邻平板电极之间以用于使这些平板电极彼此分离。2.如权利要求1所述的电催化桨式电极组件，其中所述间隔件由特氟纶材料构成。3.如权利要求1所述的电催化桨式电极，其中这些间隔件在长度上是可调节的或者具有不同长度，以便提供相邻平板之间的可调节可变距离。4.如权利要求1所述的电催化桨式电极，其中这些平板电极的外表面设置有突起，以便局部围绕该电极生成微湍流和微涡流。5.如权利要求1所述的电催化桨式电极组件，其中这些平板中的每一个具有极性，并且交替平板的极性能够在约200-2000安培的非常高的电流流动下以在约1kHz-20kHz范围内的超高频率速率从正到负和从负到正地来回切换。6.如权利要求1所述的电催化桨式电极组件，进一步包括涂覆在该平板电极的表面上的约10-100μm厚的化学涂层。7.如权利要求6所述的电催化桨式电极组件，其中该化学涂层是氧化铱、氧化钌、二氧化钛和氧化铂的混合物。8.如权利要求6所述的新颖电催化桨式电极组件，其中该化学涂层用作在未处理流体中产生另外氧化性物种的催化剂。9.如权利要求6所述的电催化桨式电极组件，其中这些化学涂层沿着该电极的该表面涂覆有多晶金刚石导电层，以便进一步提高该电极的导电性和稳定性。10.如权利要求1所述的电催化桨式电极组件，其中这些平板电极中的一个或多个被部署在圆柱形或矩形罐或反应器中，以便处理该罐或反应器内的在考虑中的流体。11.如权利要求10所述的电催化桨式电极组件，其中处理在考虑中的该流体是沉淀或生成氧化性和还原性物种，诸如自由基或者分子或离子，或者两者的组合。12.如权利要求10所述的电催化桨式电极组件，其中所述平板电极在原位生成氧化性和还原性物种，以便消除未处理流体流中的所不希望的组分，并且将高TDS未处理流体转变成低TDS经处理流体。13.如权利要求1所述的电催化桨式电极组件，其中所述平板电极以具有从约0.5英寸至约2.0英寸的范围的距离间隔开。14.如权利要求1所述的电催化桨式电极组件，其中所述平板电极与DC电源电联通。15.一种电催化桨式电极组件，包括：多个凸面不规则五边形扁平平板电极，每个平板电极具有短边，其中该多个平板电极按以下模式来安排，其中这些平板电极的该短边从被布置在下部位置抑或上部位置中开始交替；多个间隔件，所述多个间隔件中的每一个被布置在相邻平板电极之间以用于使这些平板电极彼此分离；至少一根杆，该至少一根杆延伸穿过所述多个平板电极并且基本上垂直于该多个平板电极定向，所述多个间隔件中的至少一些沿着所述至少一根杆的长度部分布置；第一金属杆，该第一金属杆延伸穿过所述多个平板电极中的使它们的短边布置在底部位置中的这些平板电极，所述第一金属杆基本上垂直于这些定位在底部的短边平板电极定向；第一金属间隔件，该第一金属间隔件沿着所述第一金属杆的至少一部分布置；第一杆形阳极/阴极，该第一杆形阳极/阴极被固定到该第一金属杆上并通过该第一金属杆与这些定位在底部的短边平板电极电联通；所述第一杆形阳极/阴极相对于这些定位在底部的短边平板电极由所述第一金属间隔件维持在适当位置；第二金属杆，该第二金属杆延伸穿过所述多个平板电极中的使它们的短边布置在顶部位置中的这些平板电极，所述第二金属杆基本上垂直于这些定位在顶部的短边平板电极定向；第二金属间隔件，该第二金属间隔件沿着所述第二金属杆的至少一部分布置；第二杆形阳极/阴极，该第二杆形阳极/阴极被固定到该第二金属杆上并通过该第二金属杆与这些定位在顶部的短边平板电极电联通；所述第二杆形阳极/阴极相对于这些定位在顶部的短边平板电极由所述第二金属间隔件维持在适当位置。16.如权利要求15所述的电催化桨式电极组件，其中所述间隔件由特氟纶材料构成。17.如权利要求15所述的电催化桨式电极，其中这些间隔件在长度上是可调节的或者具有不同长度，以便提供相邻平板之间的可调节可变距离。18.如权利要求15所述的电催化桨式电极，其中这些平板电极的外表面设置有突起，以便局部围绕该电极生成微湍流和微涡流。19.一种电催化桨式电极组件，包括：多个凸面不规则五边形扁平平板电极，每个平板电极具有短边，其中该多个平板电极按以下模式来安排，其中这些平板电极的该短边从被布置在下部位置抑或上部位置中开始交替，这些平板电极中的每一个的外表面具有突起，以便局部围绕该电极生成微湍流和微涡流，所述平板电极以具有从约0.5英寸至约2.0英寸的范围的距离间隔开；多个特氟纶间隔件，所述多个间隔件中的每一个被布置在相邻平板电极之间以用于使这些平板电极彼此分离；至少一根杆，该至少一根杆延伸穿过所述多个平板电极并且基本上垂直于该多个平板电极定向，所述多个间隔件中的至少一些沿着所述至少一根杆的长度部分布置；第一金属杆，该第一金属杆延伸穿过所述多个平板电极中的使它们的短边布置在底部位置中的这些平板电极，所述第一金属杆基本上垂直于这些定位在底部的短边平板电极定向；第一金属间隔件，该第一金属间隔件沿着所述第一金属杆的至少一部分布置；第一杆形阳极/阴极，该第一杆形阳极/阴极被固定到该第一金属杆上并通过该第一金属杆与这些定位在底部的短边平板电极电联通；所述第一杆形阳极/阴极相对于这些定位在底部的短边平板电极由所述第一金属间隔件维持在适当位置；第二金属杆，该第二金属杆延伸穿过所述多个平板电极中的使它们的短边布置在顶部位置中的这些平板电极，所述第二金属杆基本上垂直于这些定位在顶部的短边平板电极定向；第二金属间隔件，该第二金属间隔件沿着所述第二金属杆的至少一部分布置；第二杆形阳极/阴极，该第二杆形阳极/阴极被固定到该第二金属杆上并通过该第二金属杆与这些定位在顶部的短边平板电极电联通；所述第二杆形阳极/阴极相对于这些定位在顶部的短边平板电极由所述第二金属间隔件维持在适当位置。20.如权利要求19所述的电催化桨式电极组件，其中这些平板中的每一个具有极性，并且交替平板的极性能够在约200-2000安培的非常高的电流流动下以在约1kH-20kHz范围内的超高频率速率从正到负和从负到正地来回切换。21.如权利要求19所述的电催化桨式电极组件，进一步包括涂覆在该平板电极的表...

【专利技术属性】
技术研发人员：迈克尔·弗雷姆，桑吉弗·雅赫特，
申请(专利权)人：全球水资源控股有限责任公司，
类型：发明
国别省市：美国,US