专利名称：新型绿色高铁酸盐和次氯酸盐双效电解槽的制作方法
一.本发明所属技术领域电化学科学与技术二.本发明的技术背景本发明主要论述一种新型的高铁酸盐及次氯酸盐的电解槽。以高铁酸钠及高铁酸钾为代表的高铁酸盐是20世纪70年代以来开发的新型绿色高效强氧化剂，它以其优越的强氧化性及电子接受体可以作为新一代绿色高效水处理剂及高能碱性电池的正极材料。
高铁酸钾是一种紫黑色的带光泽晶体，干燥的高铁酸钾在室温条件下可以长期稳定存在。高铁酸盐极强的氧化性可以从它的酸性和碱性溶液中的标准电极电位看出。
EA＝2.20VEB＝0.76V因此，高铁酸盐是一种比高锰酸盐更强的氧化剂，它能迅速地氧化水中的腐殖质、有机醇、酚、醛酮、烯炔烃类及CN-、S2-、NH3等有毒恶臭物质，同时自身被还原为无毒无害的Fe3+，不造成二次污染，因此高铁酸盐是一种集强氧化、絮凝、吸附、杀菌、除臭于一体的绿色高效水处理剂。另外，高铁酸钾具有406mAh/g的高电比容量，比通常用作高能碱性电池的电解二氧化锰(EMD)313mAh/g高出30％，而且高铁酸盐还原过程电极电势恒定不变，因此高铁酸盐是理想的新一代电池正极材料。由此可见，高铁酸盐是一种有着广阔应用前景的新一代绿色材料，它以其独特的水处理功能及高能电池材料吸引着越来越多的学者从事其制备工艺和应用开发的研究。一直以来，高铁酸盐的合成工艺仅局限于实验室水平。其中以化学法即湿法相对较为成熟，但湿法工艺复杂，对环境污染大，后处理工作量大，时效长，因而无法实现随时随地制备高铁酸盐的需要。
次氯酸盐也是一种人们常用的消毒净水剂，大部分次氯酸盐是以化学法生产的，它一般是氯碱工业的下沿产品，也有一部分次氯酸盐是以电解法生产，其电解生产的次氯酸盐在水处理，环境保护，卫生防疫领域有着广泛的应用。
三.本发明的发明内容本发明针对高铁酸盐及次氯酸盐的现有合成工艺，提出一种新型电解槽，它能同时随时随地方便地生产高铁酸盐和次氯酸盐，从而为高铁酸盐的广泛应用提供了基础。本发明是这样设计的将电解槽用隔膜分成高铁酸盐室和次氯酸盐室，在高铁酸盐室里置入阳极(一)和阴极(二)，在次氯酸盐室置入阳极(二)和阴极(一)。阳极(一)实际上是一个提供铁源的可溶性阳极，阳极(二)是不溶性的析氯电极；阴极(一)和阴极(二)实际是两个析氢阴极。它们分别以碱金属的氯化物或氢氧化物的水溶液为电解液。这些关键电极是由下列材料制作的阳极(一)可以是低碳钢、中碳钢、高碳钢。
阳极(二)的组成石墨或金属钌钛电极或镀铂钛基电极。
阴极(一)和阴极(二)可以由普通碳钢或镀镍金属丝(片)、石墨等材料构成。
阳极(一)和阴极(一)与电源(一)的正极和负极相联，阳极(二)和阴极(二)与电源(二)的正极和负极相联。电源(二)可以是电源(一)经简单电路分流或分压而成。
本发明的电解槽电源采用直流电为电源，它们是由两个相对独立的电源(一)和电源(二)组成。其中电源(一)对阴极(一)和阳极(一)电极对供电，电源(二)对阴极(二)和阳极(二)供电。
本发明所述的直流电，可以是恒流直流电，也可以是正弦脉冲直流电，正弦直流电的频率范围为1～100HZ，最佳频率范围为10～60HZ。
本发明所述的电解槽隔膜，可以是一般机械膜或离子交换膜。一般机械膜可以是聚氯乙烯编织膜或石棉膜或微孔橡胶片等。我们在实验中发现，使用阳离子交换膜能够得到更高浓度的高铁酸盐和次氯酸盐溶液。其中以强酸性聚四氟乙烯离子交换膜的效果最佳，其它的阳离子交换膜也有一定的效果。
本发明所述的电解质溶液，它分为在高铁酸盐室里的电解液(一)和次氯酸盐室的电解液(二)。电解液(一)可以是碱金属的氯化物或氢氧化物中的一种或几种。它们的重量比组成为NaCl0～26.2％，KCl0～15％，LiCl0～15％， NaOH或KOH0～40％。电解液的最佳浓度(重量比)为(1)NaCl10～15％，KCl1～5％，NaOH3～8％(2)NaCl1～3％， KCl1～3％，NaOH或KOH25～40％。其中NaCl起着支持电解质和活化可溶性铁阳极的作用。电解液(二)是由碱金属氯化物中的一种或几种混合再溶于水而成。它们的重量比组成为NaCl0～26.2％，KCl0～25％，LiCl0～20％。其中最佳电解液(重量比)组成为NaCl2～11％，KCl0～2％。
当电解槽接通电源后，电解槽便发生下列电化学反应，其反应原理可以表示如下阳极(一)--------------------------(1)阴极(一)----------------------------------(2)阳极(二)-------------------------------------(3)--------------------------------(4)阴极(二)----------------------------------(5)我们知道，在中性或碱性溶液中，OH-是电迁移最快的离子，而FeO42-电迁移速率只有OH-的一半，虽然电解液(一)实际采用的NaOH浓度可以很低，但阴极(二)却通过析氢反应使电解液(一)中的OH-浓度升高，同时溶液中一定浓度的Cl-可以起到活化可溶性铁阳极的作用，使铁阳极氧化成FeO42-而溶出。在高铁酸盐室里，我们使阳极(一)、阴极(二)的电极表面积之比为5～20∶1，从而在很高的阴极电流密度下，FeO42-阴极还原成为扩散控制，阴极析氢成为主反应，而阴极析氢反应所产生的OH-又为阳极FeO42-的生成提供了条件。在次氯酸盐室里，阴极(一)产生的OH-使阳极(二)产生的Cl2转化为ClO-和Cl-。经过一个小时的电解，我们可以分别从高铁酸盐室和次氯酸盐室得到高铁酸盐溶液和次氯酸盐溶液。
本电解槽与以往电解槽相比具有以下的优点1.一个电解槽同时产生两种有效物质—高铁酸盐和含氯次氯酸盐，这是以往的单一电解槽所不能实现的。
2.避免了以往高铁酸盐电解槽采用强腐蚀性的30～50％浓氢氧化钠来生产高铁酸盐。新型双效电解槽可以在以NaCl或KCl为主的电解质液里产生满足消毒、净水、杀菌用的高铁酸盐。
3.双效电解槽可以方便的应用小型蓄电池作为电解电源，制成小型化电解槽，随时随地的生产高铁酸盐和次氯酸盐，满足人们在野外、家庭和工矿企业的杀菌消毒需要。
4.本电解槽电解生成的高铁酸盐溶液，比以往人们使用的氯气、二氧化氯等气体更安全、更方便储存，而且无毒、无污染。
5.本电解槽在生产高铁酸盐的同时，生成次氯酸盐溶液，避免了以往单一电解生成高铁酸盐所导致的某些不能用高铁酸盐来消毒净水的场合，扩大了它的应用范围。
通过以上对比，我们可以发现新型双效电解槽比以往单一电解槽具有更大的优点。
因此，我们可以看出，本发明有着广阔的应用前景，它可以方便地同时产生绿色高效的高铁酸盐和常规次氯酸盐消毒净水剂。新型电解槽又拓宽了合成高铁酸盐的途径和方式，使高铁酸盐的合成不局限于目前实验室的合成范围，可以推广至野外、家庭、工矿企业，从而为高铁酸盐作为新一代绿色高效净水剂的广泛应用提供了来源。
四.发明实施例1.实施例1以聚四氟乙烯塑料制成的长方形电解槽内，用石棉膜隔成高铁酸盐室和次氯酸盐室。在高铁酸盐室里平行的放置阳极(一)、阴极(二)(其中这两个面积之比为10∶1)；在次氯酸盐室平行放入阳极(二)、阴极(一)，用导线导出电极。阴极(一)、阳极(一)分别外接6V铅蓄电池作电解电源(一)；阳极(二)、阴极(二)分别外接4V铅蓄电池作电解电源(二)。
各电极的基质材料的组成如下所示阳极(一)含碳0.2％(重量比)的低碳钢片；阴极(一)镀镍普通碳钢片；阳极(二)浸渍液体石蜡的纯石墨板；阴极(二)镀镍黑铁丝网。
向两电极室分别放入重量比为20％NaCl+5％NaOH(高铁酸盐室)和8％ NaCl(次氯酸盐室)。阴极(二)在300mA/cm2电流密度下电解5min后，再接通电源(一)，其电流密度为28mA/cm2(相对于阳极(一)的面积)，电解1h后即可得到满足消毒净水用的3.1g/l的高铁酸钠和8g/l的次氯酸钠溶液。2.实施例2以聚氯乙烯塑料制成的长方形电解槽内，用聚四氟乙烯阳离子交换膜隔成高铁酸盐室和次氯酸盐室。在高铁酸盐室里平行地放置阳极(一)、阴极(二)；在次氯酸盐室平行放入阳极(二)、阴极(一)，用导线导出电极。
阴极(一)、阳极(一)分别外接6V镍氢蓄电池作电解电源(一)；阳极(二)、阴极(二)分别外接4V铅蓄电池作电解电源(二)。
各电极的基质材料的组成如下所示阳极(一)普通中碳钢片；阴极(一)镀镍不锈钢片；阳极(二)钌钛金属阳极；阴极(二)镍合金丝网。
向两电极室分别放入重量比为3.6％NaCl+25％NaOH(高铁酸盐室)和10％ KCl(次氯酸盐室)。同时接通电源(一)和电源(二)，其中阴极(二)的电流密度为350mA/cm2，阳极(一)的电流密度为26mA/cm2，电解1.2h后即可得到满足消毒净水用的3.8g/l的高铁酸钠和9.5g/l的次氯酸钾溶液。
权利要求
1.本发明所指的发明是一种新型的高铁酸盐及次氯酸盐的电解槽。这种新型电解槽是以含氯化物为主的电解质溶液，两对阴、阳极及其所对应的两个相对独立的电源和隔膜所构成。
2.如权利要求书1所述的电解槽，它的电解质溶液可以是LiCl或NaCl或KCl等碱金属氯化物或氢氧化物中的一种或几种混合溶于水而成。
3.如权利要求书1所述的电解槽电源，它可以向电解槽提供直流电，或者正弦脉冲直流电，正弦脉冲直流电的频率范围是1～100HZ，最佳频率范围10～60HZ。它的两对阴、阳极分别是阴极(一)，阳极(一)及阴极(二)，阳极(二)，两对电极分别由电源(一)，电源(二)供电。
4.如权利要求书3所述的阴极(一)，阳极(一)，阴极(二)，阳极(二)。阳极(一)的电极材料可以是低碳钢、中碳钢、高碳钢制成；阳极(二)的电极材料可以由石墨、金属钌钛或镀铂钛制成；其阴极(一)及阴极(二)可以由普通碳钢、镀镍金属丝(片)、石墨等材料中的一种制成。
5.如权利要求书2所述的电解质溶液，它分为高铁酸盐室的电解液(一)和次氯酸盐室的电解液(二)。电解液(一)可以是碱金属的氯化物或氢氧化物中的一种或几种。它们的重量比组成为NaCl0～26.2％，KCl0～15％，LiCl0～15％， NaOH或KOH0～40％。电解液(二)是由碱金属氯化物中的一种或几种混合再溶于水而成。它们的重量比组成为NaCl0～26.2％，KCl0～25％，LiCl0～20％。
6.如权利要求书1所述的电解槽隔膜，它可以是普通机械膜或者离子交换膜。
7.如权利要求书7所述的机械膜，它可以是聚氯乙烯的编织膜或者石棉网或微孔橡胶隔膜。
8.如权利要求书7所述的离子交换膜，它可以是聚四氟乙烯的阳离子交换膜或其它型阳离子交换膜。
9.如权利要求书5所述的电解质溶液，它的最佳重量比组成为电解液(一)NaCl10～15％电解液(二)NaCl2～11％KCl1～5％ KCl0～2％NaOH3～8％
10.如权利要求书1所述的电解槽，它的电源可以是两个相对独立的电源或由电源(一)和电源(一)经简单电路分流而成的等效电源(二)构成。
全文摘要
本发明主要叙述一种新型的电解生成高铁酸盐及含氯次氯酸盐的电解槽，这种电解槽能以NaCl或KCl为主的电解液经过电解同时生成一定浓度的高铁酸盐溶液及次氯酸盐溶液。其中生成的高铁酸盐溶液是一种绿色环保的高效净水消毒剂。这种新型的电解槽以离子交换膜分成两个槽室，即高铁酸盐室和次氯酸盐室，并在每个槽室内置入一对分属于不同电源的特殊材料制成的阴阳极。它经过一定时间的电解，能够得到满足净水消毒需要的高铁酸盐和次氯酸盐溶液。
文档编号C25B1/26GK1443874SQ0210413
公开日2003年9月24日 申请日期2002年3月8日 优先权日2002年3月8日
发明者孙艳芝, 潘军青, 万平玉, 刘小光, 陈咏梅, 庞然, 杨晓波, 杨瑞影 申请人:孙艳芝