用于生产电解水的电解系统的制作方法

本发明涉及一种在最佳加工条件下生成电解水的方法和系统。

背景技术：

含有离子盐的溶液的电解是生成电解水过程的主要部分。溶液的电解在电解水中生成一系列活性分子和离子物质，在某些情况下包括o3和hocl。

活性物质的生成由许多因素决定，包括：

·溶液中全部溶解盐引起的溶液的电导率；

·施加到溶液的电荷密度(功率)；和

·电极的表面积、流速和/或曝光时间(即溶液与电极的接触时间)。

在许多应用中，例如食品和农业或园艺业中，由于高盐度溶液具有潜在敏感性，因此盐浓度必须受到限制。电解水生成过程中涉及的资金和操作成本也很高，因此人们希望最大限度地减少：

·电极尺寸和/或

·电解的电源要求

因此，需要一种优化活性物质生成的同时可提高电解水生成效率的系统和方法。

技术实现要素：

根据本发明的第一方面，提供了一种用于生成电解水组分的电解系统，所述系统包括：

包含电解质水溶液的储存器；

电解流电池与储存器非固定地连通，以接收包含电解质水溶液的进料流，其中所述电池包括至少一对电极；其中电极连接到电源，所述电源可操作以提供过电位电解液，进而生成包含多个活性分子和离子物质的电解水进料流；和

控制系统，其可操作从而根据电解质溶液的盐浓度来控制电源，来向所述电池提供预定电压，其中预定电压对应于电解水中提供活性物质的最佳浓度所需的最小电压。

所述系统可进一步包括加热器，其可操作以将热量供应到所述电池中的电解质溶液进料流和/或电解质溶液。优选地，所述控制系统可进一步操作以控制加热器，进而控制电解质溶液的温度。优选地，所述控制系统可操作以将电解质溶液/电解质溶液进料流的温度保持在预定温度或在预定温度范围内，从而优化给定特定浓度的电解质的电导率，同时使活性物质的热降解最小化，以生成具有最佳浓度的活性分子和离子物质的电解水进料流。优选地，所述控制系统可操作以将电解质溶液和/或电解质溶液进料流的温度控制在25℃和40℃之间；优选地，所述控制系统可操作以根据盐浓度和电池内电解质溶液的温度来控制电源，进而向所述电池提供预定电压，其中预定电压对应于该温度下电解质溶液所需的最小电压，以便使电解水中活性物质达到最佳浓度。

所述系统可进一步包括清洁供水系统，其可操作以将清洁水进料流输送到电解水进料流以生成电解水组分进料流。

优选地，所述控制系统可操作以控制电解水进料流、清洁水进料流和电解水组分进料流中至少一种的相对流速。

所述系统可进一步包括与电解水进料流和清洁水进料流非固定连通的混合腔。

所述系统可进一步包括用于控制至少一个进料流相对流速的至少一个流量调节器。

例如，所述电解流电池可以是平行流电池。

根据本发明的第二方面，提供了一种优化电解水组分生成的方法，包括：

制备电解质水溶液；

将所述电解质水溶液引入电解池中，所述电解池包括位于所述电解池内的至少一对电极，并设置为在使用中将与电源连接；和

操作电源以向电解池内的电解质溶液施加电压，以生成包含多个活性分子和离子物质的电解水；

其中所述方法进一步包括操作控制系统，以根据所述电解质溶液的盐浓度和电导率来控制所述电源，进而向所述电池提供预定电压，其中预定电压对应于电解水中提供活性物质的最佳浓度所需的最小电压。

所述方法可进一步包括加热电解池内的电解质溶液。所述方法可进一步包括加热电解质溶液进料流。所述方法可进一步包括操作控制系统，以控制电解池中电解质溶液进料流和/或电解质溶液的温度。优选地，所述方法对所述控制系统进行操作，以将电池中的电解质溶液进料流和/或电解质溶液的温度控制在25℃和40℃之间，从而优化电解溶液的电导率，同时使活性物质的热降解最小化，以生成包括最佳浓度的活性分子和离子物质的电解水进料流。优选地，所述方法进一步包括操作所述控制系统，以根据盐浓度和电池内电解质溶液的温度来控制电源，进而向所述电池提供预定电压，其中预定电压对应于该温度下电解质溶液所需的最小电压，以便使电解水中活性物质达到最佳浓度。

所述方法可进一步包括将电解水和清洁水的进料流组合。所述方法可进一步包括在搅拌腔内组合并混合电解水和清洁水的进料流。

所述方法可进一步包括操作所述控制系统，以控制以下至少一种的相对流速：进料流包括电解质溶液、电解水进料流和清洁水进料流及其任何组合。

附图说明

图1是根据本发明一个实施例的所述系统的流程示意图；

图2是说明电压和电流密度之间关系的曲线图，可产生具有不同电导率的五种不同氯化钠溶液的给定浓度活性分子和离子物质的电解水组分；

图3是说明增加盐溶液(氯化钠)浓度对给定恒定电池面积、电荷密度和温度产生的活性分子和离子物质(游离有效氯-fac)浓度影响的曲线图；和

图4是说明温度对溶液电导率影响的曲线图。

具体实施方式

如图1所示，所述系统1包括包含高浓度盐溶液(例如盐浓度等于或大于20g/l的盐溶液)的电解质水溶液的储存器2。

所述储存器2与所述电解流池4非固定地连通。所述电池4包括3-10个电极(例如8个电极)(未示出)。所述电极是硼掺杂的金刚石电极。但应了解到，所述电池可包含任何合适数量的电极，并且电极可由任何合适的材料制成。

所述电解池包括位于电池内的3至10个(例如8个)硼掺杂金刚石电极(bde)的壳体和用于将电荷传输穿过电解质溶液的金属“接触板”。

所述bde是片状组件，并设成3-10片(例如8片)的堆叠。每片均与相邻片具有固定距离。相邻bde片之间的距离设有电池间隙，优选小于5mm(例如在约2至3mm之间)；bde设置在塑料框中。所述bde将电荷传输穿过电解质溶液，引起强偶极，并在金刚石的相间表面上产生带正电和带负电的自由基。

可通过任何合适的方式将电解质溶液引入电解池中，从而以连续或分批处理生成电解水组分。在连续方法中，电解质溶液可以合适的流速引入(例如流速为0.1至100l/min、3至5l/min)。在分批处理中，电解质溶液流速可约为16l/min。

所述电极(未示出)连接到电源单元11，所述电源单元11可操作以向电池内的电解质溶液提供过电位，进而产生包含多个活性分子和离子物质的电解水进料流15。所述进料流15与所述混合器18非固定地连通。

所述系统还包括与混合器18非固定连通的纯水储存器16。所述混合器18是用于将电解水进料流15与纯水进料流14混合的文氏管/受控混合器。应了解到，可以使用任何合适的混合器。

所述系统1还包括位于储存器2和电解流池4之间的加热器6。所述加热器4设成当电解液进料流13从储存器2流动到电解流池4时，按要求并在需要时将其加热至预定温度或预定温度范围。

所述系统1还包括流量调节器10、12，其设成独立地调节来自纯水储存器16的电解质进料流13和净水进料流14的流速。

所述系统1进一步包括控制系统8，其可操作以控制电源单元11，进而控制施加在至少一对电极上的电压。所述控制系统8还可操作以控制加热器6，从而当电解质进料流进入电池4时可控制电解质进料流的温度。应了解到，所述加热器可设于任何合适的位置以便向电解流池4内的电解质进料流和/或电解质提供热量。例如，所述加热器可设成当电解质存在于电池4内时加热电解质。所述控制系统8还可操作以控制流量调节器10、12，进而独立地控制各进料流13、14的流速。

优选实施例中，来自电源单元的多余热量可供应到电解池中以预热电解质溶液，从而进一步优化系统的用电率。可以通过调节施加到热电泵或热线圈的电能来控制，所述热电泵或热线圈的散热器(热交换器19)将电源单元11连接到可加热电解质溶液的加热元件。

本实施例中的控制系统8是用于控制施加在电极上电压，以及电解质溶液、电解水、清洁水的相对流速和/或电解质溶液温度的单旋钮，进而在电极上提供预定电压，其中预定电压是该温度下电解质溶液所需的最小电压，以使电解水中的活性物质达到最佳浓度。

所述控制旋钮设置范围为“清洁水”到“全强度”。切换到“清洁水”可使流量、加热和电压设为零。所述混合器输出的将是清洁水。切换到“全强度”意味着进入混合器的清洁水流量为零。电解液的加热和所施加的电压将设于最大值。“清洁水”和“全强度”的中间设置可利用进入混合器的电解水进料和清洁水之间相对流速的不同比例、以及施加到电解质溶液的不同温度，和施加在电极上的不同电压，以产生包括浓度增加的活性物质(以线性方式增加)的电解水组分，同时将输出溶液的盐浓度保持在预设范围内。

尽管本实施例包括单控制旋钮，但应了解到，所述控制系统8可通过数字显示器操作。

高盐度溶液需要明显减少的电能来提供活性物质的给定浓度。优选地，电解质溶液是高盐度盐溶液(例如包含至少20g/l盐浓度的溶液)。因此，本发明提供了一种能量效率提高而成本降低的方法和系统，来提供具有给定浓度的活性物质的电解水组分。

本发明的系统使高浓度盐溶液可在电池内电解(可选预定温度和流速)，同时需要在电极间施加恒定、预定的最小电压，以提供具有预定浓度活性物质的电解水。

因此，本发明的系统和方法涉及使用和/或生产可能具有腐蚀性、刺激性和/或植物毒性的高盐度溶液。因此，本发明的系统可选地包括一个混合腔，其中高盐度电解水组分在生成后可在所述腔体内通过纯水立即稀释。优选地，电解水组分在生产后立即稀释并在传输点将ew溶液中活性物质的降解降至最低。因此，本发明的方法和系统可实现在电解质溶液中产生所需浓度的活性物质，同时使所需电源和/或电极尺寸最小化，并且还可提供输出电解水组分(其盐浓度可保证安全传输)。

本发明提供一种生产成本较低、用于生产电解水组分的系统和方法。由于操作系统的电能要求降低，因此操作成本降低且与本发明系统和方法相关的碳排放量也减少。由于工艺参数的优化，电解池的尺寸减小且成本降低。

示例1——盐浓度对所需电压的影响。

如图2所示，本发明研究了包含不同盐浓度的氯化钠溶液的五种不同电解质溶液，以确定供应到电池的电压之间的关系，进而获得包含预定浓度活性物质的电解水。

所研究的氯化钠溶液的电导率值分别为0.55ms/cm、1.00ms/cm、2.00ms/cm、4.40ms/cm和9.98ms/cm，与盐溶液浓度直接相关。溶液的电导率随着盐溶液浓度的增加而增加。

如图2所示，为了提供包含预定浓度活性物质的电解水，供应到电池的所需电压量随着盐溶液的电导率增加而降低。因此，与电导率值较低的更稀盐溶液相比，为了生成具有预定浓度活性物质的电解水，供应给较浓盐溶液需要较少的电压。

由此看出，例如，对于电导率值为0.55ms/cm的氯化钠溶液，提供具有预定浓度活性物质的电解质水所需的电能大约是电导率值为10ms/cm的氯化钠溶液的六倍。

因此，本发明系统的所述控制系统可用于根据电解质溶液的浓度(例如电解质溶液的电导率)可操作地来控制提供给电池内电极的电能，以优化生成具有给定浓度活性物质的电解水所需的电压。因此，本发明提供了一种可生成具有给定浓度活性物质的电解水的系统和方法，其能量效率提高(且成本降低)。

示例2——盐浓度与通过电解产生的活性物质浓度之间的关系。

将氯化钠溶液引入图1中系统的储存器。电解质氯化钠溶液中盐浓度发生了变化，但所述系统的热量和电压等所有其它操作条件保持不变。如图3所示，电解池中生成的电解水中活性物质的浓度与溶液中氯化钠的浓度成正比。随着电解液中盐浓度的增加，生成的电解水中活性物质的浓度也增加。

示例3——溶液的温度和电导率之间的关系

图4说明了盐溶液、水溶液以及盐水混合溶液的温度和电导率之间的关系。可以看出，一般来说，随着温度的升高，溶液的电导率也增加。纯水溶液电导率的增加比盐溶液(nacl)更明显。如图4所示，当温度从10℃升至30℃时，盐溶液(nacl)的电导率大约增加一倍。此电导率的增加表明，为了生成包含给定浓度活性物质的电解水，较高温度下提供给电解质溶液的电能明显降低。

此外还了解到，溶液的温度是导致电解水组分不稳定性的主要原因。优选地，电解质溶液的温度范围保持在25℃和40℃之间，在该温度范围内可向电池提供最低的电能，从而在给定的电荷密度和盐浓度下产生最高浓度的活性物质。