产生过氧化氢的制作方法

专利名称：产生过氧化氢的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过电解池来产生过氧化氢的设备和方法，且特别 涉及一种设置为例如在自动洗碗机中产生过氧化氢的设备。
背景技术：
在传统的自动洗碗机中，采用清洁剂来产生清洗液体，以在放置于洗碗 机中用于清洗的脏物上使用。但是，当清洗液体被释放到环境中时，这种清 洁剂会分解并产生污染物质。
已经提出在自动洗碗机中使用过氧化氢溶液作为清洗液。过氧化氢的优 点在于其仅能分解成水和氢，二者是无害的且不会对环境带来问题。
过氧化氢可能遇到的问题是其不稳定且不能长期保存而不分解。这些性 质降低了利用过氧化氢的吸引力，特别是在家用环境中过氧化氢的使用相对 不频繁和/或用量很小。
有鉴于这些问题，已经提出在使用时产生过氧化氢。用于电解地产生过
氧化氢的方法和设备披露于US 6,767,447中。电能用于产生电化学反应，即 水的电解。通过控制电解池阴极处的化学反应，产生过氧化氢。但是，该过 程需要很长时间，通常要数个小时，这降低了其作为家用过氧化溶液来源的 易用性。

发明内容
因而，本发明提供了一种用于产生过氧化氢的设备，包括设置为产生过 氧化氢的电解池、用于储存通过电解池产生的过氧化氢的贮存器和设置为启 动电解池并将储存的过氧化氢从贮存器供应到电解池的控制器。
通过将储存的过氧化氢作为电解池中的电解液，本发明允许过氧化氢的 储存浓度在需要是达到最大。这抵消了储存的过氧化氢的自然分解。
有利的是，控制器设置为监测储存的过氧化氢已经存在于贮存器中的时 间长度，并取决于该储存的时间长度来启动电解池经过一段时间。
4优选的是，过氧化氢的pH被控制，以使得其低于预定值。已经发现过
氧化氢具有低的pH,接近中性时，与具有更强碱性pH的过氧化氢相比分解更慢。
本发明特别适用于在自动洗碗机汇中使用。在预清洗阶段过氧化氢的浓 度可达到最大。


现在将通过参考附图的例子对本发明进行描述，其中 图1为电解池的示意图2为用于控制图1中的电解池导电性的系统的示意图； 图3为图1的电解池中电流变化的图； 图4为图1的电解池中过氧化氬的浓度变化的图； 图5为过氧化氢分解的典型速率图6为在不同初始浓度下图1的电解池中过氧化氢浓度的三次变化的
图7为根据本发明构造的用于储存和补充图1的电解池中的过氧化氢的 系统的示意图；和
图8为并入了图1的电解池以及图2和7的系统的器具拒的局部剖切透视图。
在整个说明书中相似的附图标记指代相似的部件。
具体实施例方式
图l示出了电解池，其通常由附图标记l表示。这纯粹是示意图且所示 特征不能用于测量。为了清楚在该图中仅示出了一个电解池1，但是实际上 可以串联地连接多个电解池。电解池l包括两个腔室2、 3， 二者^^皮离子交换 膜4分成具有阳极5的阳极腔室2和具有阴极6的阴极腔室3。电解池1还 包括空气腔室7。阴极6为碳纤维布式的电极，其将阴极腔室3与空气腔室 7分开。设置泵8，以便将空气从周围环境中泵入到空气腔室7中，以使得 空气以一定压力被保持在腔室7中。压力使得空气被迫进入碳纤维布阴极6， 以便向阴极提供氧气。氧气对于在阴极腔室3中产生过氧化氢来说是必要的。
阳极5和阴极6连接至DC电源9形式的电源。该电源可从主电源处获得，该主电源可被适当地转换并整流成具有适当电流和电压的DC电源9。 电解池1通过在阳极5和阴极6之间施加电势来启动，以产生腔室2、 3中 的离子和电极之间的内部化学反应。如果离子为带正电的阳离子，则它们朝 向阴极6流动并被还原。如果离子为带负电的阴离子，则它们朝向阳极5流 动并被氧化。
在阴极6处的化学反应可简单地表示为
2H++02 + 2e、H202
该反应包括通过氢离子和电子使来自空气腔室7的氧气进行阴极还原， 所述氢离子和电子产生于阳极腔室2中且经由膜4转移到阴极腔室3中。通 过控制该反应，在阴极腔室3中产生过氧化氢。
电解池1的腔室2、 3在其中具有各自不同的电解液。与阴极腔室3相 关的电解液被称为阴极电解液10。与阳极腔室2相关的电解液称为阳极电解 液11。
以前，产生过氧化氢的电解池使用一种电解液，阳极腔室和阴极腔室共 用，且为了方便该电解液通常是氯化钠溶液。但是，在阳极处的电化学反应 中会产生氯气，氯气有高毒性且排除了让这种电解池在诸如自动洗碗机的家 用器具中使用的可能性。已经提出使用其他的电解液，但是这些电解液通常 比氯化钠溶液更昂贵，且在阴极腔室中当产生过氧化氢而使电解液被耗尽时 必须进4亍补充。
这种装置允许使用者基于使用者的安全、成本、可获得性以及功效方面 的考虑针对每个电极来选择最合适的电解液。
在电解池1被启动之前，阴极电解液10包括氯化钠溶液。这是阴极电 解液的方便选择，特别地这种电解池用于自动洗碗机。这种洗碗机通常具有 存放洗碗盐的腔室。通常，这种盐已经被用于保持洗碗机中水软化剂的效力。 盐的这种储存以及水从本地水源来供应构成了氯化钠溶液的方便来源。
阳^l电解液11为金属^f危酸盐溶液，如碌b酸钠。^:化的自来水也可以用 作阳极电解液。在电化学反应过程中，在阳极5处仅产生氧气，氧气可被无 害地释放到大气中或在电解池中重复利用。在过氧化氢的电解产生过程中， 阳极电解液11不会被用光且因此不需要补充。
阳极5不会被阳极腔室中的电化学反应所消耗。适当的阳极材料为涂覆 有氧化铱的氧化钛筛网。常规的电解池必须采用能使氯气的产生最小化的阳极材料，例如钼。铂很昂贵，比含氧化铱的阳极贵的多。采用这种设备，可 选择阳极电解液使得在阳极处不产生氯，并允许使用更便宜的材料。进一步 的优点是含氧化铱的电解池与铂相比具有更低的电阻，这能改善过氧化氢的 产生速度。
离子交换膜4允许在各个腔室2、 3中的电解液10、 ll之间电接触，但 不允许电解液混合。
电解池l非常小，大约具有数个厘米宽。因此，典型的电解池仅可产生 少量的过氧化氢。可通过采用串联连接的多个这种电解池来获得更大的产 量。其他的用于提高产量的手段是在电解池和被保持在阴极电解液储存罐12 中的阴极电解液贮存器之间循环流动阴极电解液IO，如图2所示。阴极电解 液储存罐12具有数升的容量，通常大约5升。在使用中，过氧化氢在阴极 腔室3中产生，且该过氧化氪通过阴极电解液泵13泵入到阴极电解液罐12 中，以被更多的阴极电解液补充。当阴极电解液在电解池1的阴极腔室3和 阴极电解液罐12之间循环流动时，在阴极电解液中的过氧化氢浓度逐渐增 加。通过控制阴极6处的化学反应，且通过让阴极电解液在电解池1和储存 罐12之间循环流动，可以产生5升一批的具有所需浓度的过氧化氢溶液。 在典型的家用和轻工业应用中，已经发现大约0.35%的浓度足以用于大部分 目的。
类似地，提供了一种用于容纳阳极电解液11的贮存器的阳极电解液储 存罐14。阳极电解液罐14具有更小的容量，通常为大约l升。泵15用于在 阳极腔室2和阳极电解液储存罐14之间循环流动阳极电解液11,以便将最 新一批的离子供应到电解池1中。在阳极5处的电化学反应中，阳极电解液 11不会被用光。阳极电解液11仅需要通过偶尔地来自主供应部16的水来补 充，以便对已经从储存罐14蒸发的阳极电解液进行补充。
为了增加电解池1的反应速度，且因此增加过氧化氢的产生速度，在电 解池中需要足够的电流密度。这种电流密度需是稳定的，以便维持所需的产 生速度。金属盐溶液的贮存器17被设置且被控制，以便用该盐溶液注入阴 极电解液10,以便快速地使电解池的导电水平达到所需水平。在本实施例中， 保持在贮存器17中的金属盐溶液为氯化钠溶液，也就是盐水。
电流传感器18被布置为检测流过电解池1的电流。该电流表示了电解 池1的导电性。在本实施例中，电流传感器18包括电流换能器，该换能器产生代表了流向结合处理器19的控制器的电流强度。处理器19周期性地将 该信号与预定电流值进行比较，并根据被测电流值和预定电流值之间的差值 来控制连接至盐水的贮存器17的泵20。如果被传感器18检测的电流低于预 定值，则处理器被设置为启动盐水泵以便分配一定量的盐水。从fi存器17 而来的盐水进入到静态搅拌器21中，该搅拌器迫使盐水与从阴极电解液罐 12泵到电解池1中的阴极电解液混合。存在于搅拌器21中的混合液体随后 进入电解池l中并起到导电性的中间改变作用。
图3为示出了在典型的导电性控制过程中换能器处检测到的电流变化。 预定的电流水平设置为16安培。通过以上述方式在线地(in-line)增加金属 离子的浓度，电解池的导电性急剧增加，以使得电解池在几分钟内达到所需 的电流水平。通过调节和周期监测电流以及随后控制盐溶液的加入，电流水 平在产生一批过氧化氢的过程中被保持，在电流水平上具有相对较小的偏 差。由此，电解池l的导电性动态地改变，但不会受到电池本身的运行状态 的影响，如阴极处的空气压力、供电电压的改变、电解液的温度和供水的水 质。
处理器19可被设置为记录用于监测系统的导电性数据。导电性的不正 常的改变表示设备中存在错误，且因此数据可被用于向使用者或技师发出问 题警报。
图4示出了当阴极电解液IO在阴极电解液罐12和电解池之间循环流动 时通过电解池1产生的过氧化氬的速度。产生速度是稳定的且过氧化氢在两 个小时内达到所需浓度。
尽管这是过氧化氢被控产生的相对较快的速度，但是对于一些应用来说 还是较低。例如，在家用自动洗碗机中，对于使用者来说必须等待两个小时 来产生足够的过氧化氢来进行清洗装载物的目的，这非常不方便。阴极电解 液罐12被设置为储存一批通过电解池产生的过氧化氢。但是过氧化氢会在 数天之中分解。因此，如果这一批过氧化氢没有在该时间内使用，则其会劣 化并变得不可用。
根据本发明，通过对电解池1通电并在电池中循环流动阴极电解液罐12 的内容物，直到由此产生的过氧化氢达到所需的浓度，使得无论是否需要一 批过氧化氬都使储存在阴极电解液罐12中的过氧化氢的浓度达到定点。通 过用已经存在过氧化氢溶液的阴极电解液来开始过氧化氢产生过程，与用新鲜的水作为阴极电解液相比，具有所需浓度的 一批过氧化氢可被更快地产 生。
处理器19被设置为监^L已经被保持在罐12中的储存的过氧化氬的时间 长度。图5为用于过氧化氢的典型分解速度图。例如，如果过氧化氢已经被 储存了五天，则其将会分解，使得其浓度从大约0.4%减少大约0.225%。当 需要一批过氧化氲时，处理器19被设置为启动电解池1,以便使浓度回到所 需水平。图6为当电解池被以不同的初始浓度启动时过氧化氢的浓度随时间 的变化。例如，如果初始浓度为0.225%,则大约需要一个小时拉使浓度回 到0.4%，这比用纯水产生新的一批所需的两个小时来说短的多。该数据可 被处理器使用，以通过简单的运算来确定电解池1产生过氧化氢所需的时间， 以便产生具有预定浓度的 一批。
该系统示意性地显示于图7中，应用于家用洗碗机形式的器具，如图8 所示。洗碗机22包括具有盆24的绝缘外拒23,该盆的前壁绕其底部边缘可 枢转，以提供一能接近该盆的门25。形成装载物的碗、其他陶器、餐具和器 具放置在盆中的搁架上。 一个搁架26如图8所示处于盆24的上部。典型地， 另一搁架设置在盆24的底部。水从喷射器27、 28溅射到碗上，该喷射器通 过离心泵驱动，该泵通过电机供电转动。泵和电机在该图中没有显示。电解 池l、储存罐12、 14和过氧化氢产生设备的部件可装在器具的常规位置，例 如位于拒下方的隔间中或侧壁中的分隔部分中。
运行时，门25打开且形成机器的装载物的碗等被插入到搁架中。使用 者可操作的控制器29设置在前面板30上且可操作为启动清洗工作。机器被 充水且启动加热元件31。当水温足以让装载物充分清洗时，电机运转且泵将 热水驱动至溅射喷嘴27、 28,以启动预清洗步骤。
在图7中，洗碗机的盆以24指示且连接至家用主水源16。为了清楚， 结合处理器19的控制器没有在该图中显示。控制器被布置为控制泵、阀门 和洗碗机中的电解池。当洗碗机22被启动时，流动分配器32将来自与主水 源16内嵌连接的水软化器33的水直接分配到用于洗碗机的水槽中。这初始 化了预清洗步骤，这被用于从盆24中的要被清洗的物品上冲洗食物颗粒或 其他脏物。当预清洗步骤进行时，已经储存在阴极电解液罐12中的过氧化 溶液通过电解池l泵送，电解池^1从主电源获得的变压和整流电源供电。由 此，产生过氧化氬的过程不会从零开始，而是替代地从在储存的溶液中带有的残留浓度开始。这一过程持续，直到产生所需浓度的一批过氧化氢，此时 洗碗机被设置为启动其主要清洗步骤。
在主要清洗步骤中，连接至阴极电解液罐12的排水阀34被启动，以使 得容纳其中的一批过氧化器溶液被分配到洗碗机22的清洗盆24中。过氧化 氩用作用于清洗盆24中物品的清洁剂。已经发现过氧化氢特别适于清洗玻 璃物品，玻璃物品暴露于常规的清洁剂会划伤和模糊。过氧化氢的另一优点 是其分解成氧气和水，且在排放到环境中时不会产生污染。
而该主要清洗步骤发生时，阴极电解液罐12用来自主水源16的新鲜软 化水补充。过氧化氢产生过程再度开始，直到产生所需浓度的一批过氧化氢。 这一批随后被储存在阴极电解液罐12中，直到洗碗机再次运行，此时处理 器19确定过氧化物已经储存的时间长度并由此计算电解池1需要运行以替 代分解的过氧化氢的时间。该时间可以被告知洗碗机的使用者，例如通过在 控制面板30上的可视显示器。
当主要清洗完成时，盆24经由排水泵35被清空并重新充新鲜水，水被 加热以便沖洗装载物。在冲洗之后，盆再次排水。还可有干燥步骤。优选的 是，干燥步骤包括高速气流的短暂吹风，以迫使残留的水离开碗中的凹陷处， 如倒翻的杯子的底部。随后进行用于干燥碗的较慢空气流动过程。空气可被 力口热。
可实施为减少重新产生一批过氧化氢的时间的进一步措施包括降低其 分解的速度。通过降低分解的速度，储存了很长一段时间的一批过氧化氢会 具有比迄今可获得的更高的残留浓度。这可通过控制阴极电解液的pH值来 实现。已经发现pH值小于8.5使得一批过氧化氬具有较慢的分解速度。图5 示出了过氧化氢在pH值为8.11时的典型的分解。浓度从大约0.4%减低到大 约0.225 %大约需要五天。但是，如果pH值大于8.5，分解的速度更快。通 常，在pH值为8.64时在阴极处产生的一批过氧化氢从浓度为0.4%分解为 0.225 %需要半天。
阴极电解液的pH值可被控制的一种方式是通过控制阳极电解液的pH
pH值变化。阳极电解液的pH值的优选值为l和2之间。这可通过使用硫酸 钠溶液作为阳极电解液来实现。替换地，可以采用软化水。
在电解池l的启动过程中，阳极电解液不会用光，但是通常例如由于蒸
10发会少量损失。与保持在罐中的阳极电解液的总量相比，通过使用相对少量 的水来补充阳极电解液11,阳极电解液的pH值的变化被保持最小。在图7 中，提供了一种阳极电解液罐阀门36,设置为将来自主水源的水分配到阳极 电解液罐14。如果需要更大量的水，则添加少量的水，以允许阳极电解液 11的pH值稳定在一定剂量的水之间。阳极电解液11的pH值的进一步稳定 性可通过限制阳极电解液暴露于空气来实现，例如，使阳极电解液罐14气 密，以使得阳极电解液不需要非常频繁地加满。
已经参考釆用过氧化氬来洗碗的自动洗碗机对本发明进行了描述。但 是，本发明具有更多的应用。例如，本发明可用于其他的清洗操作，如地板 清洗器具并且特别是地毯清洗机。在并入本发明的蒸气清洗机或蒸气熨斗 中，过氧化氢被加热，这被认为能增加其漂白的效果。
过氧化氢具有杀菌效果，且因此本发明可用于家用和工业用途，以对器 具、工作表面消毒，以治疗伤病和感染以及作为洗手器的分配物。本发明的 其他应用对本领域技术人员来说是显而易见的。
权利要求
1、一种用于产生过氧化氢的设备，包括设置为产生过氧化氢的电解池、用于储存通过所述电解池产生的过氧化氢的贮存器和设置为启动所述电解池并将储存的过氧化氢从所述贮存器引入到所述电解池的控制器。
2、 如权利要求1所述的设备，其中，所述控制器还被设置为监测储存的过氧化氢已经存在于所述贮存器中的时间长度，并被设置为取决于该储存 的时间长度来启动所述电解池经过预定时间。
3、 如权利要求1或2所述的设备，还包括设置为使过氧化氬在所述贮 存器和电解池之间循环流动的泵。
4、 如前述权利要求中任何一项所述的设备，其中，所述控制器设置为 控制由所述电解池产生的过氧化氢的pH值低于预定值。
5、 如权利要求4所述的设备，其中，通过控制所述电解池中的电解液 的pH值来控制产生的过氧化氢的pH值低于预定值。
6、 如权利要求5所述的设备，其中，所述电解液与所述电解池的阳极 相关联。
7、 如权利要求5或6所述的设备，其中，所述电解液储存于气密罐中。
8、 如权利要求5、 6或7所述的设备，其中，通过加水来补充所述电解液。
9、 如权利要求8所述的设备，其中，与所述电解液的量相比加入相对 少量的水。
10、 如权利要求5至9中任何一项所述的设备，其中，所述电解液为软 化水。
11、 如权利要求10所述的设备，其中，水从本地主水源供应。
12、 如权利要求5至9中任何一项所述的设备，其中，所述电解液为硫 酸钠溶液。
13、 一种大致如上下文中参考附图所述的或如附图所示的用于产生过氧化氢 的设备。
14、 一种结合如前述任何一项权利要求所述的用于产生过氧化氢的设备 的装置。
15、 一种结合如权利要求1至13中任何一项所述的用于产生过氧化氢的设备的自动洗碗:才几。
16、 如权利要求15所述的自动洗碗机，设置为针对放置在洗碗机中用于清洗的物品用所述控制器产生预清洗步骤，所述控制器设置为启动所述电 解池和在所述预清洗步骤中将过氧化氬从所述贮存器引入到所述电解池。
17、 如权利要求15或16所述的自动洗碗机，其中，过氧化氢在清洗步 骤中从所述贝i存器施加到将要被清洗的物品上。
18、 如权利要求17所述的自动洗碗机，其中，当所述贮存器的过氧化 氢被清空时，所述电解池被启动以产生过氧化氬并储存在所述贮存器中。
19、 一种在包括电解池的设备中产生过氧化氢的方法，所述电解池配置 成产生过氧化氢，所述方法包括启动所述电解池并将储存的过氧化氢从贮 存器引入到所述电解池。
20、 一种清洗器皿的方法，包括向所述器皿施加过氧化氢的步骤，所述 过氧化氢通过权利要求19所述的方法产生。
21、 如权利要求20所述的方法，其中，在预清洗步骤中产生过氧化氢， 其中水被施加到要被清洗的器皿。
22、 如权利要求20或21所述的方法，其中，在主要清洗步骤中过氧化 氯从所述Hi存器施加到器皿。
23、 如权利要求22所述的方法，其中，当所述贮存器的过氧化氢被清 空时，所述电解池被启动以产生过氧化氢并储存在所述贮存器中。
全文摘要
一种电解池(1)，设置为产生过氧化氢且包括用于储存由电解池产生的过氧化氢的贮存器(12)。控制器(19)设置为启动电解池并将储存的过氧化氢从贮存器供应到电解池。通过将储存的过氧化氢作为电解液引入到电解池中，这允许储存的过氧化氢的浓度在需要时重新设定。这抵消了储存的过氧化氢的自然分解。过氧化氢的pH受到控制，以使得其低于预定值。已经发现具有低pH、接近中性的过氧化氢与具有更强碱性pH的过氧化氢相比分解更慢。
文档编号C25B1/30GK101448980SQ200780018093
公开日2009年6月3日 申请日期2007年4月2日 优先权日2006年4月11日
发明者内森·C·布朗, 方超英 申请人:戴森技术有限公司