具有各种尺寸/形状的孔的电极的电解单元的制作方法

专利名称：具有各种尺寸/形状的孔的电极的电解单元的制作方法
技术领域：
本发明公开内容涉及流体的电化学活化，尤其涉及电解单元和对应的方法。
背景技术：
电解单元用于各种不同的应用，用于改变流体的一个或多个特性。例如，电解单元 已经用于清洁/消毒应用、医学工业和半导体制造工艺。电解单元还已经用于各种其它应 用，并具有不同构造。对于清洁/消毒应用，电解单元用于产生阳极电解液电化学活化(EA)液体和阴极 电解液EA液体。已知阳极电解液EA液体具有消毒特性，阴极电解液EA液体具有清洁特 性。清洁和/或消毒系统的实例在菲尔德等人的于2007年8月16日公开的美国公开出版 物 No. 2007/0186368A1 中被公开。

发明内容
本公开的一方面涉及一种电解单元，其包括阳极电极和阴极电极。阳极电极或阴 极电极中的至少一个包括多个第一孔和多个第二孔，所述第一孔具有第一尺寸，所述第二 孔具有不同的第二尺寸。本公开的另一方面涉及一种电解单元，其包括阳极电极和阴极电极。阳极电极或 阴极电极中的至少一个包括多个第一孔和多个第二孔，所述第一孔具有第一形状，所述第 二孔具有不同的第二形状。本公开的另一方面涉及一种方法。该方法包括使用包括阳极电极和阴极电极的 电解单元来电解液体。所述阳极或阴极中的至少一个包括多个孔，其中多个孔中的至少两 个具有彼此不同的尺寸和/或形状。提供本发明内容，用于以简化的形式来介绍选择的构思，在下面的详细描述中会 进一步说明这些构思。本发明内容不是用于识别所要求保护的主题的主要特征或重要特 征，也不是用于帮助确定所要求保护的主题的保护范围。所要求保护的主题不局限于解决 背景技术中提及的任一缺陷或所有缺陷的实施方式。


图1是根据本公开的一个实例性方面的手持式喷射瓶的简化示意图。图2显示具有离子选择膜的电解单元的实例。图3显示根据本公开的又一实例的没有离子选择膜的电解单元。图4A是根据本公开的一个方面的、具有多个直线孔的导电聚合物电极的局部视 图，该导电聚合物电极的多个直线孔具有规则的网格图案。图4B是根据另一实例的导电聚合物电极的局部视图，该导电聚合物电极具有多 个不同尺寸的曲线孔，多个不同尺寸的曲线孔具有规则的网格图案。图4C是根据另一实例的导电聚合物电极的局部视图。该导电聚合物电极具有多个不规则和规则形状的孔，多个不规则和规则形状的孔具有多个不同的形状和尺寸。图5显示根据一个示例性实例的管状电解单元的实例。 图6是显示根据本公开的一个实例性方面的、施加到阳极和阴极的电压图的波形 图。图7是具有根据本公开的实施例的指示器的系统的框图，例如，其能够结合到本 文公开的任一实施例中。图8A是喷射瓶的立体图，该喷射瓶具有指示器灯，该指示器灯照射过瓶中携带的 液体。图8B是根据本公开的可选实施例的喷射瓶的立体图，该喷射瓶具有指示器灯，该 指示器灯照射过瓶中携带的液体。图8C是图8B显示的瓶的头部的后部立体图。图9A和9B是左手侧壳体的立体图，图9C是图8B显示的瓶的右手侧壳体的立体 图。图10显示安装在左手侧壳体上的各种部件。图IlA和IlB显示由图8B所示的瓶携带的液体容器。图12A显示安装在壳体的筒中的泵/单元组件的局部详细视图。图12B是从壳体中移出的泵/单元组件的立体图。图12C是去除了触发器的泵/单元组件的底部立体图。图13显示图12A-12C所示的组件的安装架的立体分解图。图14A和14B是图8B所示的瓶的触发器的立体图。图15A和15B是触发器靴的立体图，触发器靴盖在触发器上。图16A更详细地显示半壳体的下部腔室。图16B显示安装在图16A所示的腔室中的电路板和电池。图17是移动式清洁机的立体图，该移动式清洁机采用根据本公开的一个实例的 电解单元。图18是安装到根据另一实施例的平台的电解单元的简化框图。图19是根据本公开的另一实施例的全表面清洁器的立体图。图20是显示控制电路的框图，该控制电路用于控制根据本公开的所示实例的图 8-16所示的手持式喷射瓶内的各种部件。
具体实施例方式本公开的一个方面旨在于用于电解液体的方法和设备。1.手持式喷射瓶电解单元能够用于各种不同应用和容纳在各种不同类型的设备中，这些设备能够 是手持式、移动式、非移动式、壁安装式、电动或非电动的清洁/消毒车，例如轮式车。在本 实例中，电解单元结合在手持式喷射瓶中。图1是根据本公开的实例性方面的手持式喷射瓶10的简化示意图。喷射瓶10包 括储液器12，该储液器12用于包含待处理的液体，然后该液体通过喷嘴14分配。在一个实 例中，待处理的液体包括含水组成物，例如常规的自来水。
喷射瓶10还包括入口过滤器16、一个或多个电解单元18、管20和22、泵24、致动 器26、开关28、电路板和控制电子装置30以及电池32。尽管在图1未显示，管20和22例 如可以分别容纳在瓶10的颈部和筒部。帽34围绕瓶10的颈部密封储液器12。电池32例 如可以包括一次性电池和/或可充电电池，并且当受到电路板和控制电子装置30的激发时 能够给电解单元18和泵24提供电能。在图1所示的实例中，致动器26是触发器型致动器，其在断开和闭合状态之间致 动瞬时开关28。例如，当用户“按压”手触发器到按压状态时，触发器把开关致动到闭合状 态。当用户释放手触发器时，触发器把开关致动到断开状态。然而，致动器26在可选实施 例中能够具有其它类型，并且可能在另外的实施例中被去除。在缺少独立的致动器的实施 例中，用户能够直接致动开关28。当开关28处于断开的、非导电状态时，控制电子装置30 使电解单元18和泵24断电。当开关28处于闭合的、导电状态时，控制电子装置30使电解 单元18和泵24通电。泵24从储液器12、经过滤器16、电解单元18和管20吸取液体，并 迫使液体从管22和喷嘴14流出。取决于喷射器，喷嘴14可能是可调节的或可能是不可调 节的，例如，以便在喷出液流、雾化成雾或分配喷射之间进行选择。开关28自身能够具有任意合适的致动器类型，例如，图1所示的按钮开关、拨动 器(toggle)、摇摆器、任何机械连杆机构和/或任何非机械传感器(例如电容式、电阻式塑 料、热式、电感式等传感器)。开关28能够具有任何合适的接触配置，例如瞬时单极单投 (momenary, single-poles ingle throw)接角虫配置等。在可选实施例中，泵24被用机械泵代替，例如手触发式正排量泵，其中致动器触 发器26通过机械动作直接作用在泵上。在本实施例中，开关28能够与泵24分开致动，例 如电源开关，以便给电解单元18通电。在又一个实施例中，电池32被去除，由外部电源给 喷射瓶10输送电能，例如通过电线、插头和/或接触端子。图1所示的配置仅用作非限制性的实例。喷射瓶10能够具有任何其它结构和/ 或功能配置。例如，相对于从储液器12向喷嘴14的流体流方向，泵24能够位于单元18的 下游(如图1所示)，或者位于单元18的上游。如在下文更详细地描述的，喷射瓶包含喷射到待清洁和/或消毒的表面上的液 体。在一个非限制性的实例中，在液体被从瓶、作为输出喷射分配之前，电解单元18把液体 转换成阳极电解液EA液体和阴极电解液EA液体。阳极电解液和阴极电解液EA液体能够 作为组合的混合物或作为独立的喷射输出(例如通过独立的管和/或喷嘴)被分配。在图 1所示的实施例中，阳极电解液和阴极电解液EA液体作为组合的混合物被分配。在喷射瓶 提供小的和间歇的输出流量时，电解单元18能够具有小的包装，并能够例如通过包装或喷 射瓶携带的电池供电。2.电解单元 电解单元包括适用于在至少一个阳极电极和至少一个阴极电极之间的流体上施 加电场的任何流体处理单元。电解单元能够具有任何合适数量的电极、任何合适数量的用 于包含流体的室、和任何合适数量的流体输入和流出输出装置。该单元能够适用于处理任 何流体(例如液体或气-液组合流体)。该单元能够包括在阳极和阴极之间的一个或多个 离子选择膜，或者能够构造成没有任何离子选择膜。这里，具有离子选择膜的电解单元被称 作“功能发生器”。
电解单元能够用于各种不同应用和能够具有各种不同的结构，例如但不局限于 参照图1讨论的喷射瓶，和/或2007年8月16日公开的菲尔德等人的美国专利出版物 No. 2007/0186368中所公开的结构。因此，尽管这里相对于喷射瓶的上下文描述了关于电解 的各种元件和过程，但是这些元件和过程能够应用于和结合到其它的、非喷射瓶的应用中。3.具有膜的电解单元

3. 1单元结构图2是显示电解单元50的实例的示意图，该电解单元50能够用于例如图1所示 的喷射瓶中。电解单元50从液体源52接收待处理的液体。液体源52能够包括箱或其它 溶液储液器，例如图1中的储液器12，或者能够包括用于从外部源接收液体的配件或其它 入口。单元50具有一个或多个阳极室54和一个或多个阴极室56 (已知作为反应室)， 阳极室54和阴极室56被离子交换膜58分隔开，例如阳离子或阴离子交换膜。一个或多个 阳极电极60和阴极电极62 (所示每个电极中的一个)被分别设置在每个阳极室54和每个 阴极室56中。阳极和阴极电极60，62能够由任何合适的材料制成，例如导电聚合物、钛和 /或镀覆有贵金属(例如钼)的钛，或任何其它合适的电极材料。在一个实例中，阳极或阴 极中的至少一个至少部分地或全部地由导电聚合物制成。电极和各自的室能够具有任何合 适的形状和结构。例如，电极能够是平板、同轴板、棒或它们的组合。每个电极能够具有例 如实心结构或能够具有一个或多个孔。在一个实例中，每个电极形成为网孔。此外，例如， 多个单元50能够彼此串联或并联。电极60、62电连接到传统电源(未图示)的相对的端子。离子交换膜58位于电 极60和62之间。电源能够给阳极和阴极电极提供恒定的DC输出电压、脉冲的或被以其它 方式调制的DC输出电压、和/或脉冲的或被以其它方式调制的AC输出电压。电源能够具 有任何合适的输出电压电平、电流电平、占空度或波形。例如，在一个实施例中，电源以相对稳定状态施加供给到板的电压。电源(和/或 控制电子装置)包括DC/DC转换器，该DC/DC转换器使用脉宽调制(PWM)控制方案，以便控 制电压和电流输出。也可以使用其它类型的电源，这些电源能够是脉冲的或非脉冲的，并且 在其它电压和功率范围。参数是特定应用的(application-specific)。在操作期间，供给水(或待处理的其它液体)从源52供应到阳极室54和阴极室 56。在阳离子交换膜的情况中，一旦横跨阳极60和阴极62施加DC电压电势，例如在大约5 伏(V)至大约28伏(V)的范围内的电压，最初存在于阳极室54中的阳离子穿过离子交换 膜58向阴极62移动，同时阳极室54中的阴离子向阳极60移动。然而，存在于阴极室56 中的阴离子不能穿过阳离子交换膜，因此仍限制在阴极室56中。结果，单元50通过至少部分地利用电解电化学地活化供给水，并产生酸性阳极电 解液组成物70和碱性阴极电解液组成物72形式的电化学活化水。如果需要，例如，通过对电解单元的结构的改进，能够产生彼此不同比率的阳极电 解液和阴极电解液。例如，如果EA水的基本功能是清洁，单元能够构造成产生比阳极电解 液的量多的阴极电解液。可选地，例如，如果EA水的基本功能是消毒，单元能够构造成产生 比阴极电解液的量多的阳极电解液。此外，每个中的活性组分的浓度能够变化。例如，单元的阴极板与阳极板的比例能够为3 2，用于产生比阳极电解液的量多的阴极电解液。每个阴极板通过相应的离子交换膜与各个阳极板分隔开。因此，对于两个 阳极室，具有三个阴极室。该构造产生大约60%的阴极电解液对40%的阳极电解液。还能 够使用其它比率。3. 2实例反应
此外，与阳极60接触的水分子在阳极室54中电化学地氧化成氧气(O2)和氢离 子(H+)，同时与阴极62接触的水分子在阴极室56中电化学地还原成氢气(H2)和羟基离子 (0H_)。阳极室54中的氢离子被允许穿过阳离子交换膜58进入阴极室56，在阴极室56中 氢离子被还原成氢气；同时，阳极室54中的氧气被供给水氧化以形成阳极电解液70。此外， 由于日常的自来水典型地包括氯化钠和/或其它氯化物，因此阳极60氧化存在的氯化物， 以形成氯气。结果，产生了大量的氯，并且阳极电解液组成物70的PH随时间逐渐变成酸性。如上所述，当施加电压电势时，与阴极62接触的水分子被电化学地还原成氢气和 羟基离子(0H_)，同时阳极室54中的阳离子穿过阳离子交换膜58进入阴极室56中。这些阳 离子可用于与阴极62处产生的羟基离子电离子性地关联，同时氢气气泡在液体中形成。大 量的羟基离子随时间在阴极室56中聚集，并且与阳离子反应以形成碱性氢氧化物。此外， 氢氧化物保持成被限制在阴极室56，这是因为阳离子交换膜不允许带负电的羟基离子穿过 阳离子交换膜。结果，在阴极室56中产生大量的氢氧化物，并且阴极电解液组成物72的PH 随时间逐渐变成碱性。功能发生器50中的电解过程允许在阳极室54和阴极室56中聚集活性组分 (reactive species)以及形成亚1急离子和基(radical)。电化学活化过程典型地通过(在阳极60处)电子撤离或(在阴极62处)电子引 入而发生，其导致供给水的物理化学(包括结构、活性和催化)特性的变化。相信供给水 (阳极电解液或阴极电解液)在电极表面的紧临区域中获得活化，在该区域电场强度能够 达到非常高的水平。该区域能够称作双电层(EDL)。在继续电化学活化过程时，水偶极子(water dipoles)与该场大致对齐，并且水分 子的一部分氢键因此断裂。此外，单键连接的氢原子在阴极电极62处键合到金属原子(例 如，钼原子)，并且单键连接的氧原子在阳极电极60处键合到金属原子(例如，钼原子)。这 些键合的原子在相应电极的表面上在两维上向周围扩散，直至它们参与另外的反应为止。 其它原子和多原子组也可以类似地键合到阳极电极60和阴极电极62的表面上，并且随后 也可以进行反应。在表面处产生的分子(例如氧(O2)和氢(H2)),可以作为气体进入液相 水的小空穴(例如气泡)中和/或可以被液相水溶解。这些气相气泡因此扩散，或以其它 方式悬浮在整个液相的供给水中。气相气泡的尺寸可以根据各种因素而变化，例如施加给供给水的压力、供给水中 的盐和其它化合物的构成、和电化学活化的程度。因此，气相气泡可以具有各种不同的尺 寸，包括但不局限于大气泡(macrobubbles)、微气泡、纳米气泡、和它们的混合物。在包括 大气泡的实施例中，对于产生的气泡，合适的平均气泡直径的实例包括从大约500微米到 大约1毫米的范围的直径。在包括微气泡的实施例中，对于产生的气泡，合适的平均气泡直 径的实例包括从大约1微米到小于大约500微米的范围的直径。在包括纳米气泡的实施 例中，对于产生的气泡，合适的平均气泡直径的实例包括小于大约1微米的直径，特别合适 的平均气泡直径包括小于大约500纳米的直径，更尤其合适的平均气泡直径包括小于大约100纳米的直径。通过分子之间的、朝离开阳极电极60和阴极电极62的表面引导的吸引力，在 气-液界面处产生表面张力，这是因为与它们被吸引至电极表面处的气体分子相比，表面 分子被更多地吸引到水中的分子。相比，大量的水的分子在所有方向上被同等地吸引。因 此，为了增加可能的相互作用能，表面张力导致电极表面处的分子进入大量的液体中。在产生气相纳米气泡的实施例中，包含在纳米气泡(即，直径小于大约1微米的 气泡)中的气体被认为在供给水的相当大的时间段是稳定的，尽管它们有小的直径。虽然 不希望受到理 论的束缚，但是认为，当气体气泡的弯曲表面接近分子尺寸时，在气/液界面 处，水的表面张力下降。这降低了纳米气泡消散的自然趋势。此外，由于横跨膜58施加电压电势，因此纳米气泡气/液界面被充电。电荷引入 与表面张力相反的力，这也减慢或防止纳米气泡的消散。利用沿与由于表面张力而导致的 表面最小化相反的方向作用的电荷斥力，在界面处的同类电荷的出现降低了明显的表面张 力。通过提供有利于气/液界面的额外带电材料，可以增加任何作用。气/液界面的自然状态看上去是负的。具有低表面电荷密度和/或高极化度的其 它离子(例如cr，C10_，HO2-,和O2-)也有利于气/液界面，如同水合电子。含水基团/根也 更喜欢驻留在该界面处。因此，相信在阴极电解液(即，流过阴极室56的水)中出现的纳 米气泡带负电，但是阳极电解液(即，流过阳极室54的水)中的纳米气泡将具有很少的电 荷(过量的阳离子抵消了自然负电荷)。因此，当与阳极电解液混合时，阴极电解液纳米气 泡不可能失去它们的电荷。此外，由于阴极上的过电势，纳米气泡中的气体分子可以带电(例如02_)，因此增 加了纳米气泡的整个电荷量。可以相对于不带电的纳米气泡减小带电的纳米气泡的气/液 界面处的表面张力，并且使得它们的尺寸稳定。可以定性地理解为表面张力导致表面最小 化，而带电表面趋向于扩大，以便使类似电荷之间的排斥力最小。由于超过电解所需的过量 功率损耗，在电极表面处的升高的温度，也可以通过减小局部气体溶解度增加纳米气泡的 形成。由于同类电荷之间的排斥力以它们相隔距离的平方而倒数地增加，因此随着气泡 直径的减小朝外的压力增加。电荷的作用是减小表面张力的作用，表面张力趋向于减小表 面，而表面电荷趋向于扩大表面。因此，当这些相反力相等时就达到平衡。例如，假设气泡 (半径r)的内部表面上的表面电荷密度是Φ (e7米2)，通过求解下面的纳维一斯托克斯 (NavierStokes)公式，可以获得朝外压力("Pout")Pout = Φ2/2 ε 0(公式 1)其中D是气泡的相对介电常数(假设为一)，“ ε Q”是真空的电容率(即8. 854pF/ 米)。由气体上的表面张力引起的朝内压力(“Pin”)为Pin = 2g/r Pout(公式 2)其中“g”是表面张力(在25°C时为0.07198焦耳/米2)。因此，如果这些压力相 等，气泡的半径为r = 0. 28792 ε 0/Φ2(公式 3)因此，对于5纳米、10纳米、20纳米、50纳米和100纳米的纳米气泡直径，对于零的 过量内部压力所计算的电荷密度分别为0. 20,0. 14,0. 10,0. 06和0. 04e7纳米2气泡表面面积。通过使用电解单元(例如电解单元18)能够容易实现这种电荷密度。当气泡上的总 电荷增加到功率的2/3时，纳米气泡半径增加。在平衡的情况下，纳米气泡表面处的供料或 燃料(fuel)的有效表面张力为零，气泡中带电气体的存在增加了稳定的纳米气泡的尺寸。 将不要求进一步减小气泡尺寸，这是因为这会导致内部压力减小到低于大气压。在电解单元(S卩，电解单元18)中的各种情况中，由于表面电荷，纳米气泡可以分 成甚至更小的气泡。例如，假设半径为“r”和总电荷为“q”的气泡分成两个平分体积和电 荷的气泡(半径rl/2 = r/21/3和电荷q1/2 = q/2)，并且忽略气泡之间的库仑相互作用，那 么由于表面张力(AEst)和表面电荷(ΔΕ,)引起的能量变化的计算如下
权利要求
1.一种电解单元，包括阳极电极；和阴极电极，其中阳极电极或阴极电极中的至少一个包括多个第一孔和多个第二孔，所 述第一孔具有第一尺寸，所述第二孔具有不同的第二尺寸。
2.根据权利要求1所述的电解单元，其中包括多个第一孔和多个第二孔的一组孔中的 至少两个孔具有彼此不同的形状。
3.根据权利要求1所述的电解单元，其中包括多个第一孔和多个第二孔的一组孔中的 至少三个孔具有彼此不同的形状。
4.根据权利要求1所述的电解单元，其中多个第一孔和多个第二孔具有多边形形状。
5.根据权利要求1所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少一个孔具 有曲线围成的形状，该曲线围成的形状形成有至少一个弯曲边。
6.根据权利要求1所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少一个以规 则的图案布置。
7.根据权利要求1所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少一个以不 规则的图案布置。
8.根据权利要求1所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少一个孔具 有多边形形状，所述多边形形状具有至少一个大于180度的内角。
9.根据权利要求1所述的电解单元，还包括离子选择膜，所述离子选择膜设置在阳极 电极和阴极电极之间，并限定相应的阳极室和阴极室。
10.根据权利要求1所述的电解单元，其中阳极电极或阴极电极中的至少一个至少部 分地由导电聚合物形成，所述导电聚合物的表面电阻率为lOkhm/sq至106ohm/sq。
11.一种电解单元，包括阳极电极；和阴极电极，其中阳极电极或阴极电极中的至少一个包括多个第一孔和多个第二孔，所 述第一孔具有第一形状，所述第二孔具有不同的第二形状。
12.根据权利要求11所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少两个孔 具有彼此不同的尺寸。
13.根据权利要求11所述的电解单元，其中多个第一孔和多个第二孔具有多边形形状。
14.根据权利要求11所述的电解单元，其中多个第一孔和多个第二孔具有曲线围成的 形状，所述曲线围成的形状具有至少一个弯曲边。
15.根据权利要求11所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少一个以 规则的图案布置。
16.根据权利要求11所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少一个以 不规则的图案布置。
17.根据权利要求11所述的电解单元，其中多个第一孔或多个第二孔中的至少一个孔 形成多边形，所述多边形具有至少一个大于180度的内角。
18.根据权利要求11所述的电解单元，其中阳极电极或阴极电极中的至少一个至少部 分地由导电聚合物形成，所述导电聚合物的表面电阻率为IO1至106ohm/Sq。
19.一种方法，包括使用包括阳极电极和阴极电极的电解单元来电解液体，所述阳极 电极和阴极电极中的至少一个包括多个孔，其中多个孔中的至少两个具有彼此不同的尺寸 和/或形状。
20.根据权利要求19所述的方法，其中所述方法包括 将所述液体的第一部分导入包括阳极电极的阳极室中；将所述液体的第二部分导入包括阴极的阴极室中，其中所述阴极室通过离子选择膜与 所述阳极室隔离开；和横跨阳极电极和阴极电极施加电压，以便电化学地活化所述液体的第一和第二部分。
全文摘要
提供一种电解单元(18，50，80，406，552，708，804)，其包括阳极电极和阴极电极(60，62，84，86，100，104，108，204，206)。所述阳极电极或阴极电极(60，62，84，86，100，104，108，204，206)中的至少一个包括多个第一孔(102，106，110)和多个第二孔(102，106，110)，所述第一孔具有第一尺寸和/或形状，所述第二孔具有不同的第二尺寸和/或形状。
文档编号C02F1/461GK102112402SQ200980130794
公开日2011年6月29日 申请日期2009年6月19日 优先权日2008年6月19日
发明者布鲁斯·F·菲尔德 申请人:坦南特公司