利用高级氧化过程和电催化桨式电极的电解电池的制作方法

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。

背景技术：

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。

技术实现要素：

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。

附图说明

图1是根据本披露示出不同特征的电化学电池反应器的透视图；

图2示出了根据本披露的用于管道布局的框图，其中流入液与氧化物气体优选地使用文氏管设置来混合；

图3示出了使用所披露电解电池和具有火花塞的反应器管道的水处理设备的框图；

图4示出了用于另一种类型的电解电池构造的透视图，其中电容性放电管和杆形阳极可以以圆形方式安排在腔室中；

图5和图6对应地示出了根据本披露的电解电池的前截面图和顶部截面图，示出了杆形阳极和电容性放电管的一种非限制性安排；

图7示出了所披露电解电池的侧面正视图，示出了用于流入液入口和流出液的非限制性位置，并且还示出了杆形阳极和高电压电容性放电管的非限制性安排；

图8-10示出了根据本披露的使用电化学腔室的高级氧化配置和反应器管道的若干视图；

图11是根据本披露的电催化桨式电极的透视图，示出了电催化桨式电极的总体构造。优选地，桨式电极可以由限定成型的五边形扁平平板的交替安排组成，这些平板可以由绝缘体螺栓保持在一起；

图12示出了电催化桨式电极的另一个视图，示出了平板电极、特氟纶绝缘体、带螺纹绝缘体杆、特氟纶绝缘体螺母、金属间隔件、杆形阳极、金属螺母以及带螺纹金属杆；

图13示出了优选的电催化桨式电极的不同部件的分解图；

图14a示出了电催化桨式电极可以如何被附接到安装板上的前视图；

图14b示出了凸面不规则五边形电催化桨式电极的透视图；

图15示出了数个新颖的电催化桨式电极可以如何被放置在圆柱形反应器上以及它在前视图中的外观；

图16是剖面图或剖视图，示出了新颖的电催化桨式电极在放置在图15的圆柱形反应器上以及从圆柱形反应器的前侧从内测看时的样子；

图17示出了数个新颖的电催化桨式电极可以如何被放置在矩形反应器上以及它在前视图中的外观；

图18是剖面图或剖视图，示出了新颖的电催化桨式电极在放置在图17的矩形反应器上以及从矩形反应器的前侧从内测看时的样子；

图19是根据本披露的非限制性五边形平板电极的侧面正视图；并且

图20a、20b、20c和20d示出了根据本披露的五边形平板电极的透视图，并且示出了布置在平板电极的表面上的不同特征凸起。

具体实施方式

如图1中示出根据本披露的电化学电池反应器并总体上指定为电化学电池反应器20。优选地，反应器20可以是压力容器，该压力容器具有一个或多个电极40和附接或以其他方式固定到其上的喷嘴。有待处理的原流入液优选地诸如但不限于通过原流体入口24和原流体出口25从反应器主体22的底部或附近进入。内部分隔件27可以被设置在反应器主体22内以用于将优选地在反应器主体22的底部处的原流体通路区域(底部腔室)29与反应器主体22内的处理区域(顶部腔室)30彼此分离或隔离。反应器主体22可以优选地是圆柱形形状，并且可以根据系统的布局垂直地或水平地安装，电化学电池反应器20与该系统相关联或是其一部分。滤清器滤网或其他类型的过滤器可以被布置在底部腔室29内和/或布置在原流体入口24和/或原流体出口25处，以便在颗粒到达增压泵64之前过滤出较大尺寸的颗粒。

如将利用图2讨论的，在离开原流体出口25之后，原流体优选地与氧化物气体混合。与氧化物气体混合的流入液随后被泵送到歧管26中。歧管26优选地在反应器主体22的顶部部分之上或附近，并且被用于流体分配。多个管道出口28用作用于具有混合氧化物的流入液的入口以便将混合的氧化物流入液引导到反应器主体22的处理区域30中，并且促进通过使用在每个管道出口28的末端处的喷嘴32而将加压流体分配到反应器中，该喷嘴与处理区域30联通。喷嘴/管道出口28的数量不被认为限制于任何特定数字，并且可以使用改变数量的喷嘴/管道出口28，并且被认为在本披露的范围内。

一个或多个杆形电极40可以被安装和定位在处理区域30内，并且在实施例中可以从反应器主体22的顶侧垂直地安装。优选地，杆形电极40的阳极可以通过压紧螺母绝缘并且不接触反应器主体22。电极40可以被连接到单个电源50或多个电源上，其中它们的极性可以优选地以某些固定间隔变化。

出口管道36可以基本上定位在处理区域30中，并且可以优选地相对于反应器主体22居中或基本上居中定位，并且用作用于经处理流出液的排放路线或出口。

图2示出了管道布局，其中流入液可以优选地使用文氏管60设置与氧化物气体62混合。增压泵64可以被设置成提升进入的流入液的压力并且随后使流入液穿过文氏管。底部腔室29优选地将流入液接收在其中并且随后使流入液传送到增压泵64上。如果输入流具有大于增压泵64的限制的更高压力流，可以设置从底部腔室29至反应器20的压力释放阀和旁通管线以便平衡流入液的流动。在替代实施例中，底部腔室29被消除，并且原流体可以被直接馈送或转向到增压泵64和/或文氏管60。

旁通阀66，优选地球阀可以被设置用于维持跨文氏管的所需压降以用于优化最高可能的传质效率。跨文氏管60的压力差限定真空，并且因此允许对于注入流入液流中的处理所需的来自气体源62的行进穿过系统的一定体积的氧化物气体被处理。与氧化物气体混合的流入液随后可以被泵送或以其他方式引导到歧管26中。歧管26及其多个出口28/喷嘴32可以被设置成促进混合高压氧化物气体的流入液到反应器主体30的处理区域30中的分配。

图3示出了并入电解电池20和具有火花带202的反应器管道200的水处理设备的框图，该水处理设备在我们于2011年10月4日提交的共同未决的美国申请序列号13/252,198中更详细地讨论，该申请通过引用以其全部内容结合。

在使用中，流入液可以通过增压泵64进入过程，其中流入液可以优选地使用文氏管60构造优选地与氧化物气体62(例如，臭氧、氧气等)混合，流入液摄入可以优选地穿过增压泵64。流入液压力可以通过系统被提升并处理。跨文氏管的更高压力差形成允许氧化物气体62与流入液流良好混合的真空。与氧化物混合的加压流入液随后可以优选地通过一系列管道28/喷嘴32优选地被排放到反应器20的处理区域30中。该一系列喷嘴32可以优选地被朝向反应器20的中心引导。当优选地与氧化物气体混合的流入液退出喷嘴时，发生较大空化能量耗散。

与电解反应器电池20电极40的连接优选地连接到dc电源50，其中脉冲式dc电源50通过一个或多个电极40将脉冲式dc功率提供到水中。使用惰性电极40的电化学氧化可以通过两种机制发生：1)污染物在阳极表面处被破坏的直接氧化；以及2)介质被电化学生成以进行氧化的间接氧化。

从总体溶液至电极表面的传质发生，并且随后在电极表面处发生同质或异质化学反应。这些反应之后是在电极表面处的电子转移。最后，发生电子从电极表面至总体溶液的传质。

电子转移的速率由电极活动和电流密度管理，而传质的程度将由反应器容器中的湍流控制。通过电氧化过程释放的氨气随后可以被排出以便用于排出流动气体中的nox还原(参见图3)。

在那之后，流出液被泵送到反应器管道200中，可以穿过一系列挡板204。挡板主要被设置用于两个目的：(1)为了将压头的势能和速度利用到水力空化中，以及(2)为了氧化物气体纳米泡与流出液的有效混合。流动流体的压力速度关系被用于形成水力空化。在挡板204的每个孔洞处，液体的动能以压头的代价增加，从而导致孔口周围的压力下降到针对水力空化的阈值压力以下。随后，当液体喷射扩展时，压力增加导致气泡的坍缩。在流出液穿过多个孔口期间，发生边界层分离，并且可以在下游观察到高湍流能量耗散。

三个插脚火花塞202可以被安装在反应器管道200上以用于使用脉冲电压发生器在流出液中释放火花。具有高电压排放的脉冲电压发生器被认为克服流出液的电阻。脉冲电压发生器在流出液中形成火花，并且气体电磁阀同步脉冲并排放流出液中的氧化物气体。可以被截留在火花中间的气泡内爆，并且氧化物气体纳米泡随后被转换为多种氧化剂，如o3、oh-、ho2、h2o2和o。这些超级氧化剂随后被用于氧化存在于流出液中的污染物。

由火花塞在流出液中发射的uv光帮助杀菌过程并将流出液消毒。流出液中的火花的优选脉冲形式在流出液中生成声波。声波的随后压缩和疏松循环引起泡扩展和坍缩，从而以热、uv光、机械振动和剪切的形式释放大量能量。这种形式的能量可以被用于流出液的氧化和消毒。优选地，脉冲发生器使排放到流出液中的氧化物气体的频率与火花脉冲发生器匹配。压缩气体罐存储用于该过程的气体并用作贮存器。

图4-7示出了可以根据本披露使用的另一种类型的电解电池20a。在这个实施例中，可以提供容抗管70a和杆形阳极80a，并且可以优选地以圆形方式安排在电解电池20a的处理腔室30a内。优选地，流入液通过流入液入口24a从电解电池20a的底部径向进入，并且通过流出液出口25a从电解电池20a的顶部退出。容抗管70a和杆形阳极80a的优选安排也在图中示出。然而，这种安排不被认为是限制性的。

图8-10示出根据本披露的传授内容的高级氧化过程和使用电化学腔室20/20a和反应器管道200的系统300的不同视图。

起初，流入液通过与主吸气泵302和电动机303连接的入口301进入系统中。主排放吸气泵302随后被优选地分配成两个流，一个穿过文氏管并且另一个穿过具有自动化阀的旁通管线。自动化的旁通阀维持跨文氏管的所需压力以用于将适量的氧化物气体(如臭氧和氧气)混合到流入液流中。

与氧化物气体混合的流入液随后通过多个喷嘴而排放到主管道304中。这些喷嘴意图在主管道中实现最高可能空化能量耗散。喷嘴被用于增加进入主管道中的流出液的速度。更高的退出速度意味着更高的雷诺数以及因此更高的湍流能量耗散。

使用喷嘴的优点包括但不限于：

1)压力下的动态混合得到更大的传质

2)向文氏管注射器提供所希望的反压力。

3)更大剂量的氧化物气体是可能的。

由于空化能量耗散允许微泡或空腔的形成、增长和随后坍缩以极小的时间间隔(毫秒)发生，从而释放大量能量。能量的释放在非常小的格腔中发生，并且空化事件在多个位置处同时发生。总体效果是热点的生成、高度活性自由基的释放、连续清洁以及固体催化剂的表面积的增加，以及传质速率的增加。

空化现象的机制已经主要致力于机械效应，即湍流、液体循环电流和剪切应力的生成，由化学效应(活性自由基的生成)和热效应(局部热点的生成，即非常高温的情况)补充。这些局部化高能情况导致高度活性的自由基的形成，从而有助于有机物的破坏，并且还可以导致流出液流中存在的微生物的杀菌。

与多种氧化物混合的流出液随后通过入口322径向地进入电化学腔室中。电化学腔室可以类似于电解电池20a(图4-7)由杆形阳极312和电容性放电管332组成。杆形阳极312在流出液中释放dc电流。电极可以被涂覆有混合氧化物、贵金属和/或掺硼金刚石电极。

以下反应在阴极和阳极处发生：

(i)阴极处所期望的反应：

o3+h2o+e→oh·+o2+oh-

o2+h2o+2e→ho2-+oh-

o2+2h2o+2e→h2o2+2oh-

(ii)阳极处所期望的反应：

3oh-→ho2-+h2o+2e

oh-→oh·+e

o2+2oh-→o3+h2o+2e

2h2o→h2o2+2h++2e

o2+h2o→o3+2h+2e

h2o→o+2h++2e

流动穿过系统300的湍流有助于阳极与阴极之间的有效电子迁移。这些电极是非活性电极，其中阳极材料用作催化剂，并且在电极表面处生成的羟基有助于氧化过程。

优选地并且如图所示，可以存在包含在电化学腔室320内的多个电容性放电管332。电容性放电管332优选地包含外部石英管，该外部石英管可以经受流入液的液体压力。在石英管的中心中可以容纳电晕放电电极。电晕放电电极引起瞬时高压辉光放电。当介电阻挡层放电在具有稀有气体(氙)的电晕放电电极中操作时，形成微放电通道中的等离子体情况并且将其用作紫外线的强源。当污染物经受电化学腔室320中的超级氧化剂时，流出液通过氧化细菌菌落而消毒，无机污染物被氧化成它们的惰性形式。

电容性放电管322可以类似于我们于2011年10月4日提交的共同未决的申请序列号13/252,198中描述的电容性放电管80来构造和操作，该申请通过引用以其全部内容结合。

在形成水垢中非常不利的二价阳离子被鼓励以通过在电化学过程中提供电子和阴离子而沉淀。在沉淀后，这些沉淀的水垢颗粒在化学上是惰性的并保持悬浮。

在电化学腔室320内处理后，流出液退出出口324，并且可以优选地通过一组或多组并且优选地两组反应器管道340来传送或引导。每个反应器管道340可以类似于以上所讨论的反应器管道200，并且可以包含一系列挡板和多个火花塞202。火花塞202在水中释放高电压脉冲，这进而允许流出液氧化饱和，以便产生臭氧和羟基。产生的这些氧化物随后被用于氧化污染物。

来自一个或多个反应器管道340的排放被一起联接到公共排放管线并且最终通过流出液出口350而退出系统300。

用于某些部件的某些非限制性特性或特征可以包括：

a.杆形阳极可以以圆形阵列以其间约2"至4"的间隔来组装。

b.杆形阳极可以由具有用混合金属氧化物涂层涂覆的约10微米至100微米厚度的钛基金属的中心电极组成。杆上的涂层可以是iro2(约1％-40％)；ruo2(约1％-40％)；tio2(约1％-20％)以及具有(约1％-5％)金刚石管道涂层电极的掺硼金刚石电极的混合金属氧化物。

c.电极涂层厚度范围可以是约10微米至约100微米。

d.杆优选地不到达反应器的底部以防止电极短路。

e.杆形电极可以是圆形截面，以防止具有例如人发和油性粘土颗粒的粘性有机颗粒和纤维的电极区域的结垢或捕获和阻塞。

f.可以具有多个圆形喷嘴阵列，该喷嘴具有垂直入口，与泡沫混合将生成用于泡沫与流出液的有效混合的无规则湍流。优选地在反应器中不预期涡流运动。

g.优选地，针对液压空化不安装喷嘴，因此防止空化或杆形电极上的点蚀磨损。喷嘴被用于形成无规则湍流以将阳极表面上产生的混合oh基和阴极杆形电极上的过氧化氢基(ho2)与流入液混合以达到更好的处理效率。喷嘴阵列可以形成用于混合泡沫、oh基、过氧羟基与流入液的无规则湍流。氧化还原反应随后可以被加速，并且增强制程效率。

h.文氏管出口压力可以在约1至2巴的范围内，并且泡沫泡尺寸可以是约10微米至100微米以确保泡的有效表面积的可用性，以便与存在于流入液中的有机化合物反应。

i.利用文氏管在流出液中生成约5％至50％质量的泡沫可导致深色(脏)或不透明水中的显著uv光透光率。

j.低压dc电源连接到杆形电极上。

k.高压脉冲dc电源可以被连接到电容性放电管上。

l.为了安全并为了防止金属表面上的腐蚀，反应器的金属主体可以接地到地面。

m.dc电源可以低于约2vdc，并且可以以最高额定电流进行操作；安全控件可以自动地检测高电流并切断电源。

n.电极极性可以被反转以防止表面结垢或水垢。电极极性可以被反转以便还防止电极上的混合金属氧化涂层由于氢脆而分层。

o.电极的寿命可以在连续操作内在约50％至100％之间增加。

p.电容性放电管可以包含具有中心电极的石英管。石英管可以在石英管与电极之间包含导电气体。金属电极可以被设置有多个刷毛以用于更高的发射率。导电气体可以是帮助通过石英电介质将高压电力传导到金属管道的氩气、水银蒸气和氢气。高压可以通过此介质被施加，从而引起石英管与电极之间建立电晕放电。每个单独火花可以以uv光、热量、机械振动的形式释放能量。uv光可以击穿氧纳米泡，从而产生臭氧分子、(oh-)羟基。这些氧化物中间可以产生更多种氧化物，这些氧化物随后可以被用于氧化流入液中的污染物。中心晕光放电管的电源扫描频率和电压，以便发现过程所需的最佳臭氧/uv输出。

q.电容性放电管可以由具有带刷毛的中心电极的外部石英管组成，以便生成随后被排放到流体中以用于处理流体的uv光。电容性放电电极可以以在约1000hz至212khz的脉冲高压dc电源模式来操作。中心电极可以具有正极性，使外部石英管在流体中也是正极性的。当使用水银蒸汽时，可以在电容性放电管中生成约194nm至252nm的uv光。当使用氢气时，可以生成约180nm至194nm频谱的uv光。电容性放电管可以使用uv稳定化石英管来将电极容纳在中心中。

r.优选地，具有极性的一个dc电源可以与多个杆形电极、阳极杆和阴极杆回路电连接。高压dc脉冲电源可以优选地被连接到电容性放电管上。

s.从电容性放电管生成的uv光可以用于从存在于反应器中的流出液中的氧气泡沫制造(oh)羟基。约180nm至260nm之间的uv光谱可以由电容性放电管产生，并且可以用于在阴极表面上产生过氧氢自由基。

t.电容性放电管还可以产生245nm至265nm之间波长的uv光谱，该uv光谱被用于激活氯和二氧化氯基。约180nm至265nm波长的uv光谱催化有机物质与氧气泡沫的氧化。

u.喷嘴可以优选地指向圆形阵列中的反应器的中心以便生成具有无规则湍流的稳定氧泡沫。利用由喷嘴阵列无规则生成的湍流，由杆形电极生成的氧化物和由电容性放电管生成的氧化物可与流出液均匀地混合，从而增强氧化效率。喷嘴可以位于反应器的顶部处或反应器的一端处，而流体出口可以在底部或另一端处。这种安排有助于确保去除由反应器中的氧化还原反应生成的沉积物和固体沉淀剂。

w.文氏管和气体喷射优选地使气泡尺寸为约10至100微米。文氏管出口压力可以是约1至2巴。气体中氧气的浓度可以在约70％至99％之间。气体包括但不限于clo2，氧气可以被用于该过程。掺杂有co2的氧气可以被用于将ph调节在约6.5至7.2之间。

x.通过周期性反转电极的极性，可以防止电极涂层的氢脆并且可以防止阴极电荷下涂层的分层。还通过反转极性，电极的寿命可被增强约50％至100％。带负电荷的电极上由矿物质的沉淀导致的水垢将在反转极性的自动清洁周期期间在流出液流中与涂层分离。

y.优选的多个电容性放电管和杆形电极可以以交替和圆形阵列来安排。根据反应器的直径还可存在多个圆形阵列。杆形电极与电容性放电管之间的间距可以是约2"至6"之间。每个圆形阵列之间的距离可以是约2"至6"之间。出于来自杆形电极和电容性放电管的安全原因，反应器的外部金属壳可以被电接地。

z.杆形电极可以使用绝缘体与金属反应器绝缘，诸如但不限于优选地具有约1/8"至1/2"的厚度和约2"至6"管长的管状绝缘体。类似地，阴极放电管还可以与金属反应器绝缘，从而防止它直接电短路。

本披露的某些进一步特征、益处和/或优点包括但不限于以下各项：

1.一种电化学反应器，该电化学反应器用于使用以下各项去除来自水溶液的有机杂质和硬度：

(a)水泡沫发生器，该水泡沫发生器用于从氧气和臭氧气体以在约10与约30百分比之间的泡沫特征值来形成微尺寸气泡；

(b)杆形阳极，该杆形阳极具有铂金、dsa(尺寸不变阳极(电极))或具有金属壁容器的掺硼金刚石用于阴极电流回路；

(c)电容性放电管灯，该电容性放电管灯包含水银或氘蒸汽以用于生成脉冲式uvc光；

(d)停留时间，该停留时间在一分钟与三分钟之间以便完成氧化和沉淀反应。

2.使用权益1中的设备，在以下条件下在氧气泡沫中使用脉冲式放电电极来氧化recalerent有机化合物：

(a)电压超过约50kv，

(b)放电阴极在水溶液中由氧气保护层包围，

(c)至少两个回路阳极，该至少两个回路阳极用于使放电脉冲循环。

图11至20示出了桨式电极组件。在一个非限制性实施例中，可以在图11中的交替安排中提供并示出限定长度和角度的五边形平板的电极的交替安排。图19中示出了用于平板电极的优选的非限制性形状。平板的优选五边形形状不同于常规的规则五边形。所披露的五边形形状可以是具有限定长度的侧边ab、bc、cd、de和ae的特殊的凸面不规则五边形(参见图19)。在角度c和d可以优选地是135°并且所有其他角度(如角度a、b和e)可以优选地是90°的意义上，该板进一步是特定的。不同侧边的长度可以被改变以便增加或减少板的表面积，其中角度a、b和e优选地维持在90°并且角度c和d优选地维持在135度。

在另一个非限制性实施例中，该交替凸面不规则五边形平板可以具有铸造在其上的特征或凸起，以便在流体以高速流过电极时改善湍流和剪切(参见图20a-20d)。这些特征可以被以规则图案或以随机方式来安排。这些特征的尺寸可以在高于0mm至约5mmx约5mmx约5mm范围内。零测量值导致扁平平板，而当测量值大于零时，它在平板上产生一个非限制性特征。这些特征(凸起)之间的间距可以在约0.2英寸至约0.5英寸至约1英寸的范围内，并且在不影响可以设置其他特征的情况下可以在平板上容纳尽可能多的特征，尽管这不被考虑为限制性的。当越过特征平板电极的流体速度增加时，微湍流和微涡流在电极的附近并在电极的交替平板之间产生，这改善了大量介质中的氧化和还原性物种以及流动穿过介质的电流的传质。这进而增加了未处理流体中的不同不想要的种类的氧化还原的速率，从而增加了电氧化系统的总体效率。

在另一个非限制性实施例中，交替平板可以彼此分离某一距离x(参见图14a)。这个距离x可以根据流体中固体总溶解量(“tds”)值方面的负荷和即时应用而改变。例如，这个距离可以在非常低tds流体(诸如但不限于约500ppmtds水)中被减少至几毫米(约5-10)，或者这个距离x可以在高tds流体(诸如但不限于约30000ppmtds水)中被增加为更大的值，诸如但不限于约10-50毫米。具有电荷q1和q2的分离距离x的两个带电荷平板之间的静电力(f)由f＝(q1*q2)/(k*x²)给出，其中k取决于流体介质的性质。电流的强度由电荷沿着导体和穿过介质移动的速率所限定。因此，流动穿过系统的电流取决于平板之间的距离x以及在处理的流体介质的性质，并且因此该距离可以被调节以响应于在处理的介质的改变的性质，以便实现电荷流动的最佳条件，以便最大化氧化性物种产生以用于考虑的流体的完全处理。考虑的流体可以是来自油和天然气生产现场的回流采出水、来自精炼厂的h2s/硫醇污染水处理、医院废水或城市废水。

在又一非限制性实施例中，五边形电催化电极的交替平板可以使用间隔件分离距离x，该间隔件优选地由高度惰性的非导电绝缘体材料构成，诸如但不限于抗电晕特氟纶(聚四氟乙烯ptfe)，ptfe提供几乎通用的化学惰性；在300℃以下在所有已知溶剂中完全不溶性；优异的热稳定性；以及无与伦比的电特性，包括低介电损耗、低介电常数和高介质强度。此外，ptfe不在非常高温或在非常低温下变脆。抗电晕ptfe是ptfe的抗电晕形式。它是具有纯ptfe的实质上所有特性但具有大致千倍更长高压寿命的均质绝缘体。抗电晕ptfe在高压绝缘中的独特在于它对于机电和化学机械应力裂解的优异耐受性。

这些间隔件406可以如图12中和图13中的分解视图中所示地安排。两组三个五边形扁平平板电极402可以利用带螺纹绝缘体特氟纶杆410保持在一起。特氟纶绝缘体间隔件406维持平板电极402之间的距离。平板电极可以在绝缘体螺母414的帮助下保持在绝缘体杆410上。两个平板电极组件可以被连接到单独的杆形阳极/阴极426上。优选的三个平板电极402中的每一个可以通过金属带螺纹杆438和金属螺母430而连接到杆形阳极/阴极426上。两个杆形阳极/阴极426之间的距离由金属间隔件418和422维持。在此优选安排中，两个不同组电极组件可以利用绝缘体和金属带螺纹杆而保持在一起。以此方式，电极平板402可以被连接到dc电源的不同极性(正和负)上。绝缘体间隔件406维持每个电极平板402之间的距离，并且可以通过改变间隔件406的尺寸改变为所希望的距离。在一个非限制性构造中，电极平板402之间的距离可以在约0.5"-2"或更多的范围内。桨式电极上的带正电荷电极平板与带负电荷电极平板402的这种优选紧密接近增强了总体电解过程效率。

在又一非限制性实施例中，交替五边形平板402的极性可以以在约1khz-20khz的超高频率甚至以在约2000安培的非常高电流流动来切换(正变成负以及负变成正或者阳极变成阴极以及阴极变成阳极)。由电子控制机构控制的切换频率可以取决于电极上在考虑的未处理流体的tds方面的负荷。处理中的流体的tds值越高，切换频率越高，并且考虑的流体的tds越低，所需切换频率越低。作为非限制性实例，以500ppmtds可能需要100hz的切换频率，而以30000ppmtds可能需要1000hz的频率，并且以80-100,000ppmtds可能需要20000hz。

如上所述，每个桨式电极组件杆形阳极/阴极可以被连接到dc电源正极和负极出口。dc电源具有以由操作者/控制器所希望的设定频率反转电源极性的能力。人机界面(hmi)屏幕和用户界面可以提供用于设定和控制频率以便改变电极极性的能力。在反转极性的这种变化期间，每组电极平板(i)将变成阳极或阴极中的任一个。电子控制机构可以被设计成在约2000安培的非常高的电流流动条件下以在约1khz-20khz的此类超高频率来切换阳极和阴极的极性。能够以超高频率切换电极极性的这种能力提供新颖五边形电催化桨式电极的自动清洁能力，这允许反应器通过防止任何水垢在反应器上或在电极上沉积来保持清洁。这进而改善电极的电流流动效率持续更长的持续时间，这意味着更多有效电氧化还原反应，这进而意味着更高的氧化还原电势和整个系统的更高效率。

在又一非限制性实施例中，特征平板电极可以涂布有由优选地在导电pcd(多晶金刚石)的存在下以固定比例在高温下混合并反应的氧化铱、氧化钌、二氧化钛和氧化铂组成的约10-100μm厚的化学层。涂层可以被涂覆到电极以能够经受极性在约2000安培的非常高电流流动能力下的超高频率切换。未涂布有这种涂层的电极可能无法经受超高频率切换，并且它们的性能可能在非常短的操作时期内劣化。由于这些涂层的涂覆，新颖的电催化桨式电极已经示出用于在现场试验中的长时间操作中的稳定性能。另外，这些化学材料还可以用作催化剂以便进一步促进除了由流动穿过介质的电子引起的电化学反应之外的氧化和还原性物种形成，该介质诸如oh·、o3、o、h2o2、ho2、cl2、次氯酸(hocl)、次氯酸阴离子(clo^-)、亚氯酸盐(clo2^-)、二氧化氯(clo2)、过硫酸盐(s2o8^2-)、高铁酸盐(feo4^2-)、过氧碳酸酯(c2o6^2-)和高锰酸盐(mno4^-)、氯酸盐(clo3^-)和高氯酸盐(clo4^-)等。表1和表2对应地示出了未处理采出回流水中由单独的桨式电极以500ppm和30000ppmtds(固体总溶解量)形成的氧化性物种的计算量。

表1.在单独新颖桨式电极的不同电流效率下在500ppmtds未处理采出水下的氧化性物种的计算生产率

表2.在单独新颖桨式电极的不同电流效率下在30000ppmtds未处理采出水下的氧化性物种的计算生产率

如图15和图17中所示，可以在圆柱形500或矩形600反应器中部署任何数量的这些新颖电催化桨式电极，以便根据tds值、流动速率、反应器的容量、反应器中所需的停留时间以及由现场的客户所希望的处理程度来实现考虑的流体的功率需求。图16和图17对应地示出部署在圆柱形500和矩形600处理反应器上的桨式电极组件的内部视图。因此，有待处理的流体以一些方式进入反应器并流动越过所希望数量的新颖电催化桨式电极402，并且已处理流体离开反应器500或600或另一个反应器或电池反应器。当未处理流体流动越过桨式电极时，许多电化学反应，诸如溶解盐类的沉淀、高度反应的氧化性和还原性物种或自由基和分子的形成在电极处和大量流体中发生，这去除未处理流体的不希望组分并将未处理流体转换成已处理流体。

以上所讨论或附图中所示的所有位置、大小、形状、量度、数量、角度、电压、频率、部件或部分位置、构造、温度、重量、尺寸、值、百分比、材料、取向等仅通过实例并且不被认为是限制性的，并且可以选择和使用其他位置、大小、形状、量度、数量、角度、电压、频率、部件或部分位置、构造、温度、重量、尺寸、值、百分比、材料、取向等，并且全部被认为在本披露的范围内。

在附图中示出的某些部分的尺寸可能已为了清楚说明的目的而修改和/或扩大并且不被认为是限制性的。

除非针对权利要求要素、权利要求步骤或权利要求术语在说明书中描述或附图中示出的一个或多个特征、一个或多个部分、一个或多个部件、一个或多个特性或一个或多个功能在权利要求中利用权利要求要素、权利要求步骤或权利要求术语确切呈现，否则本发明者不考虑此类一个或多个特征、一个或多个部分、一个或多个部件、一个或多个特性或一个或多个功能为解释目的并且当如果权利要求要素、权利要求步骤或权利要求术语被解释或理解时而包括用于权利要求中的权利要求要素、权利要求步骤或权利要求术语。类似地，关于权利要求书中的任何“用于……的装置”要素，本发明者认为此类语言仅需要来自说明书的最小数量的特征、部件、步骤或部分以便实现“用于……的装置”语言的功能，并且不是说明书中描述的与“用于……的装置”语言的功能相关的所有特征、部件、步骤或部分。

在以上说明中，阐述了许多特定的细节以便提供对本安排和传授内容的全面理解。然而，将对本领域技术人员显而易见的是本安排和传授内容可以在不限制于这些特定细节中的一些或全部的情况下实践。

尽管已经示出和描述了本传授内容和安排的说明性实施例，但是旨在进行其他修改、变化和替代。因此，适当的是宽泛地并且以与本披露的范围一致的方式来解释所附权利要求书，如以下权利要求书中所阐述的。

尽管已经在某些方面描述本披露并且已经披露了某些实施例或修改，但是熟知本披露的本领域技术人员将理解不必由此类术语限制，或限制于在此披露的特定实施例和修改。因此，可以在不脱离本披露的精神的情况下实践由在此的传授内容提出的多种多样的替代方案，并且此类替代方案的权利被特别保留并被认为在本披露的范围内。