专利名称：电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及由低导电性材料制成的电极，这种电极通常采用长条状的中空体形式。该中空体优选是由钛的亚化学计量氧化物等制成，在这种情况下，大多数有效制造方法都可使该中空体是多孔状的。
举例言之，如果一个管状体长500mm，外径18mm，壁厚3mm，体积电阻率是30mΩ.cm，并且在其一端进行电连接并施以2.83A的电流(旨在沿其长度方向上所有点处提供大约100A/m2的电流密度)，那么计算得知在该电极的两端之间的电压降大约是750mV。在很多的电化学应用中，由于这种电压降，就可能存在着其电势不足以执行预期功能的电极区域。在阳极与阴极之间为1-5V数量级的低电压下操作的电解过程的场合(这种情况是优选的，因为这通常会导致较低的用电成本)，不能保证电极的所有表面区域是等同有效的或者说是完全有效的，特别是对于电解过程例如水处理更是这样，此时表现出高的充气超电势(gassing overpotential)的电极表面更受欢迎(例如低价氧化钛、二氧化铅、掺杂的二氧化锡)。在这种情况下，实际的电流密度在这种电极两端之间的变化超过50％。
本发明的一个目的是提供一种与这种电极进行电连接的方法，该方法尤其是在电极体是由多孔材料构成的情况下将解决这类问题。
一方面，本发明提供一种电极，其包括一由低电导性材料制成的通常为长条状的中空体，一连接到电源的电导体，该电导体按间隔开的位置位于所述中空体内部并布置成使得电流沿着电极基本均匀地分布。
所述导体是由导电性实质上高于(至少2个数量级)所述电极体的导电性的材料制成。一种形式是，该导体是一根弹簧丝的线圈形状以致于在力学上迫使该线圈以规则的间隔与中空体的内壁表面接触。在另一个实施例中，各个导体段存在于沿着纵向间隔开的位置上并且每个导体段都与所述中空体的内壁接触。
所述中空体可以是由一系列材料制成。该电极中空体最优选是由TiOx形式的钛的亚化学计量氧化物制成，其中x的取值范围是约1.99-1.7。这样的中空体一般是多孔状的，因为以这种材料制造圆柱体或中空体的大多数成本低廉的方法容易导致多孔结构。可以有催化元素存在。在一个优选实施例中，该电极体是由钛的亚化学计量氧化物制成，而电极导体是电子管(valve)金属，由此可以形成耐久的电连接。
当本发明是适合使用体积电阻率高于大约20mΩ.cm的材料时，该中空体最好是至少200mm长。如果中空体材料的电阻率更高，则本发明适用于所述中空体是至少150mm长的场合。
本发明的电极适用于圆柱体电极几何形状是有利的许多处理中，例如流体处理以消除污染物质以及污染土壤的现场补救。一般地说，水污染可以分组成七类，如下1、污水以及其它需氧废物；2、传染性病原体；3、植物养分；4、外来有机化学品；5、无机矿物和化合物；6、沉积物；7、放射性物质污水与其它需氧废物一般可以被生物(有时是化学地)氧化成二氧化碳和水的含碳有机材料。这些废物可能是有问题的。在市政、疗养院、制革和屠宰场以及船舶排出的废水中通常可以发现传染性病原体。这类污染物能够使人和动物包括牲畜致病。
植物养分(例如氮和磷)能够促进水生植物的生长，该水生植物干扰了水的使用且其后来腐烂产生难闻的气味并增加了水中需氧废物的量。
外来有机化学品包括洗涤剂、杀虫剂中使用的表面活性剂、各种工业制品和其它有机化合物的降解产物。已知这些化合物之中的某些在极低的浓度下对鱼类就有毒性。这些化合物之中的许多是不易生物降解的。
无机矿物和化合物通常见于市政和工业废水及城市迳流中。这些污染物可杀死或伤害鱼类和其它水生生物且也可影响水的饮用或工业用途。一个明显的例子是汞在水中存在。另一个例子是在北方、在较冷的气候下用于除去路面冰冻的盐污染。
沉积物是由暴雨和洪水从地面、耕地、未保护的林地、过度放牧的牧场、露天矿、路面和城市推土区域上冲刷的土壤和矿物颗粒。沉积物填塞了河道和水库；侵蚀了电轮机和泵送设备，降低水生植物可以利用的阳光量；自来水过滤器；且冲积鱼巢、产卵和食品供应，由此降低了鱼类和水生贝类动物繁殖。
在水环境中的放射性物质通常来源于铀和钍的采矿和冶炼；来源于核电站和工业、医疗和科学实验用放射性材料。
另一方面，本发明提供一种用于电解处理液体的装置，其包括一用于包含待处理流体的腔室、一阳极和一阴极，以及一电流电源，所述阳极和阴极的至少之一是本发明中所公开的电极。
发现本发明在处理水和含水介质方面具有特别好的效果。在这种情况下，电流是在阳极和阴极之间的小缝隙中通过，水也是从该小缝隙通过。因为本发明的电极的结构，可保证沿电极的长度上将存在预定的最小电压例如3V。
由低价氧化钛制成的电极具有高的充气超电势，即在任何明显的电流通过之前所要求的电压，因为用于将水分解成氢气和羟基的表面的催化活性低。除表面被催化的情况之外，这个电势是超过1V，所以在接头附近对电流的有效驱动力是至多约为2V(如果总电压如上述是3V的话)而在另一端在非本发明的情况下由于在上述的条件下沿电极发生电压降，所以电压是1.25V。
在还一方面，本发明提供了一种操作上述装置的方法，其包括从电源供应电流至具有低导电性的电极上，阳极外部区域的电流密度是超过10A.m2，由此在电极上的任意两点之间的电压变化是低于200mV。
为了可以很好地理解本发明，现将参照附图通过举例的方式描述本发明，其中
图1显示了用于水处理的代表性电化学电池。
图2是图1中所示的一个实施例的截面的局部放大图且图3是另一个实施例的截面的局部放大图。
所述水处理系统包括一个电池，由此将待处理的水引入至两个长条状管状体电极之间的环形区域2中，之间的环形间隙是小的。每个电极通常是500mm长且是连接至直流电源4的各个电极上以致于一个电极是阴极5而另一个(例如，内电极)是阳极6。内电极的外径通常是18mm和环形间隙通常是2mm。当电流通过电极时，发生了电解反应，诸如处理水以除去污染物。水是在电极之间的环形间隙中通过。通常电连接至内电极的一端且提供约2.83A电流。如内电极是由壁厚为3mm和体积电阻率是30mQ.cm以下的低价氧化钛制成时，在非本发明的情况下沿着内电极的长度将发生约750mV的电压降，以致于在一端的电池电势将是约3V而在另一端为2.25V。
根据本发明，图1的阳极6包括由低价氧化钛通过模塑、挤压等等制成的长条状管10。所述管是500mm长，内径为12mm和外径为18mm，即壁厚为约3mm。
根据本发明的一个实施例且如图2所示，电流供应器包含一根沿管的内孔延伸的钛弹簧丝11。弹簧丝11的一端是连接至电源4上，另一端可由端盖密封。弹簧的线圈是在纵向间隔开的位置处被机械地压迫至与管的内壁接触由此电源沿管的长度方向基本上均匀地分布。结果，电池电压沿电池的整个长度上是基本上相等的且由此整个长度在其电化学功能例如杀微生物、氧化和/或还原污染物方面均是有效的。
阴极可以是于阳极具有相同的形状或者它可以具有标准的样式。
在图3所示的实施例中，线圈弹簧是由沿管的长度方向上间隔开的一系列单个接头替代。
本发明是不限于所示的实施例。所述的水处理装置可包含电池组且包括其它处理元件。不需要电极截面是圆形的。虽然就水处理而言描述了本发明，但所述电极在需要长条状电极的任何场合下均是有用的。此种应用包括现场土壤补救，和电化学合成反应，例如氧化还原体系。
权利要求
1.一种电极，其包括由低导电性材料制成的通常为长条状的中空体(5)，电导体(11，12)，该电导体是连接到电源(4)且以间隔开的位置位于该中空体(5)内部并设置成使得电流沿着电极基本均匀地分布。
2.如权利要求1所述的电极，其中所述电导体(11，12)是基本上沿中空体(5)的长度方向延伸。
3.如权利要求2所述的电极，其中所述导体(11)是一根弹簧丝线圈形状以致于在纵向间隔开的位置处被机械地压迫至与所述中空体(5)的内壁表面接触。
4.如权利要求1或2所述的电极，其中各个导体(12)是存在于纵向间隔开的位置处且每个导体均接触所述中空体(5)的内壁。
5.如前述权利要求任一所述的电极，其中所述导体的导电性比中空体的导电性高至少两个数量级。
6.如前述权利要求任一所述的电极，其中所述中空体是由多孔性材料制成。
7.如权利要求6所述的电极，其中所述电极体是由TiOx形式的钛的亚化学计量低氧化物制成，其中x是约1.99-1.7。
8.如前述权利要求任一所述的电极，其中所述中空体至少是200mm长。
9.如前述权利要求任一所述的电极，其中所述电导体是由电子管金属制成。
10.一种用于液体电解处理的装置，该装置包括一用于包含待处理液体的腔室、一阳极和一阴极，以及一电流电源，所述阳极和阴极的至少之一是如权利要求1-9任一中所述的电极。
11.如权利要求10所述的装置，其中所述液体是废水或水且所述处理是除去污染物。
12.一种操作如权利要求10或11所述的装置的方法，其包括从电源供应电流至所述电极上，其中阳极外部区域的电流密度是超过10A.m2，由此在电极上的任意两点之间的电压变化是低于200mV。
13.一种安装有如权利要求1-9任一所述的电极的现场土壤补救系统。
14.一种进行氧化还原类型的反应的装置，其安装有如 1-9任一所述的电极。
全文摘要
一种电极,其包括由多孔状低价氧化钛制成的长条状中空体(5),该中空体的内壁在间隔开的位置处与电导体(11,12)接触以致于沿电极的长度上电流基本上均匀分布。
文档编号C25B11/06GK1359431SQ0080991
公开日2002年7月17日 申请日期2000年7月3日 优先权日1999年7月1日
发明者希尔·安德鲁 申请人:阿特拉沃达有限公司