用于电化学处理液体的电极组件的制作方法

本发明涉及用于电化学处理液体的电极组件，所述电极组件具有两个电极，所述电极各自具有至少一个电极表面和至少一个通流腔，所述通流腔具有至少一个入口和至少一个出口，通过至少一个电极在至少一个第一侧面形成所述至少一个通流腔的边界，所述电极在其电极表面上具有一种结构，使得电极表面和位于第一侧面对面的通流腔第二侧面之间的距离变化。本发明还涉及用于这种电极组件的电极以及使得这种电极组件工作的方法。本发明还涉及利用这种电极组件制备臭氧化水的方法。

背景技术：

例如EP 1 730 080 B1公开了一种此类装置。在使得该装置工作的方法中，引导水经过至少一个通流腔，其中水通过入口进入通流腔，并且通过出口离开通流腔。水在通流腔之内与施加了电压的电极接触或者靠近电极，使得排列在各个电极之间的水分子被分解成离子。

例如DE 299 16 125 U1公开了一种电极组件和用于电化学产生臭氧的电极。可将水分子水解分解，可以从水之内产生的氧离子获得臭氧。臭氧适合作为表面清洁、消毒和杀菌的氧化剂，以这种方式制备可以用于表面消毒的臭氧化水。

DE 199 22 665 A1以及上述DE 299 16 125 U1公开了使用例如金刚石电极作为电极，所述金刚石电极在三维基体的表面上具有细晶金刚石层。然而现有技术也将其它类型的电极用于电极组件，例如栅形电极，如二氧化铅或者铂栅形电极。

例如US 7,074,316 B2和US 6,565,736 B2还公开的相应电极组件的其它实施方式。

除了用于电化学反应的所述板状电极和栅形电极之外，也可使用固体填料构成的三维固定床电极。目的在于给溶解于水中分解成离子的电解质提供与电解质相配并且尽可能大的电极表面。若为电化学反应受电势控制的金属电极或者其它催化作用电极材料，则尤其要注意结构化电极会导致电极表面上的电场分布不均匀，因此每单位面积的反应产物转化量也会波动。

只要不需要电解质离子的连串反应或者混合，那么现有技术所公开的方法就是成功的。然而如果需要电解质离子均匀分布在液体中或者希望所产生的离子连串反应，就要考虑例如扩散之类的传质现象。在这种情况下，这些现象均会限制电化学效率，因为例如离子只能非常缓慢地在水中扩散。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种电极组件以及用于此类组件的电极，即使在这种情况下也能将其用来提升电化学效率，从而不需要连串反应和/或者混合。本发明还提供一种使得此类电极组件工作的方法以及利用这种电极组件制备臭氧化水的方法。

本发明通过权利要求1所述的电极组件实现所提出的目的，所述电极组件的特征在于，所述结构形成电极表面的至少30％并且经过适当设计，使得电极表面和第二侧面之间的距离沿着至少一个方向多次增大和减小，并且通过所述结构混合流过通流腔的液体，并且尤其使其成为湍流。所述结构具有至少0.2mm的深度。这意味着电极表面和对面的腔室侧面之间的距离在至少一个方向多次以至少0.2mm增大和减小。

所谓电极表面指的是电极的真实表面，也就是按规定使用电极组件的时候与液体接触的表面。如果所述结构涉及至少一个加工在电极中的矩形槽，那么不仅这个槽的基底或底部、而且槽的侧壁均属于电极表面，因为在按照规定使用电极组件的时候都会与液体接触。因此与平坦的表面相比，可通过所述结构增大电极表面。凡是能使得电极表面比具有相同外径尺寸的平坦表面更大的手段，尤其是隆起部分和/或者凹进部分，均可理解为所述结构。以下将外径尺寸与电极相同的平坦表面称作电极的基面，因此按照定义没有所述结构。

在通常使用的栅形电极或者板状电极中，液体平行于电极表面流动，流动介质的速度随着与电极表面的距离减小而减小。结果就必须考虑传质现象，这些尤其是限制性因素。同理适用于现有技术所公开的孔电极，其中的液体垂直于电极表面流过电极中的孔，同样优先选用均匀的层流，以使得经过电极的液体量尽可能大。就这种实施方式而言，流动介质的速度同样随着与电极表面的距离减小而减小。然而由于在所有情况下均在非常靠近电极表面处产生离子，这里不会导致离子的混合或者其它分布。

与这些实施方式的不同之处在于，在本发明所述的电极组件中通过电极表面上的结构形成大部分电极表面，即至少30％，所述电极表面经过适当设计，使得流过通流腔的液体混合并且成为湍流。因此可以克服传质限制，并且提升电化学过程的效率。液体直接在电化学活性电极表面上流过，并且所产生的离子会因为液体的湍流和混合而特别迅速均匀地分布在液体中。不必根据液体之内的离子扩散进行调整。

本发明所述的结构经过适当设计，使得电极表面和在电极对面一侧形成通流腔边界的第二侧面之间的距离沿着至少一个方向多次增大和减小。所述至少一个方向例如是流动方向。所述结构最好包括多个凹进部分，所述凹进部分可以具有几乎任意的形状。这些凹进部分可以相同或者不同，如果将多个凹进部分沿着至少一个方向依次排列，结果就会产生所需的效应，即电极表面和通流腔的第二侧面之间的距离多次增大和减小。事实证明，所述的距离最好在一个以上的方向多次增大和减小。在一个优选实施方式中，电极表面具有一种结构，所述结构可保证在平行于电极表面延伸的任何方向使得该电极表面和对面的通流腔第二侧面之间的距离多次增大和减小。可想而知，也可以存在距离变为零的区域，使得电极表面接触到对面的侧壁。当然重要的是电极组件的两个电极之间的电绝缘继续保留。电极表面和对面的第二侧面之间的距离变为零的区域例如可以呈直线状排列，或者呈岛屿状分布在通流腔上方。所述结构以及形成该结构的结构单元实际所选的形状取决于所期望的反应、所使用的液体、以及所需的流量和施加的电压或者电流。

因此本发明所述的结构(如前所述可以由多个结构单元构成)指的是电极表面和对面的通流腔第二侧面之间的距离变化、因而沿着至少一个方向多次增大和减小的这部分电极。

所述结构适宜形成电极表面的至少50％、首选至少60％、尤其适宜至少75％、特别适宜至少90％。也可使用所述结构形成电极表面的100％的电极。电极表面上的结构因此将会影响流过至少一个通流腔的液体的流体动力学特性，从而可以将例如静态混合器整合在活性电极表面之中。在理想情况下可使得电极表面的相应结构适应于相应的电解质体积流量和具体反应。例如可以通过定向盖板，例如通过为此所需的密封，迫使电化学反应进入流体动力学相关的区域之中。这样就能进一步优化混合，从而能够进一步提升电化学反应的效率。

在一个优选实施方式中，所加入的结构可以是多个线形的沟槽，例如可以将其设计成V形槽。这些沟槽的深度例如可以为0.5mm、0.8mm或者1.6mm。通过这些结构可使得实际的电极表面大于相应电极的基面，也就是大于尺寸与电极相同的平坦表面。实际电极表面与电极的基面之比例如为1.24、1.384或1.768。如果使用例如半球形的凹进部分，那么该系数可以例如是三。

所述至少一个电极适宜是金刚石电极，所使用的所有电极特别适宜是金刚石电极。

若为例如金属、石墨或者混合氧化物电极中存在的常见催化活性电极材料，则某个电极上相对于对应电极形成的电场就会受到结构化的影响。电场的强度将会沿着电极表面变化，结果也会导致不均匀产生电解质离子。即使当同样可以将所述材料用于本发明的一个实施例所述装置的时候，金刚石电极也优于这些材料。所述金刚石电极涉及的是基体由一种涂覆了多晶金刚石层的基材(例如硅)构成的电极。这些非催化活性电极均可以在电流控制下工作，因此尽管经过结构化处理，仍然可以保证电场比较均匀地分布在电极表面范围内。以这种方式完全可以实现本发明的优点，不会出现因为电场分布不均匀以及不均匀产生离子而引起的缺点。

电极组件首选具有两个通流腔，各自在至少一个第一侧面上通过至少一个电极形成所述通流腔的边界，所述电极在其电极表面上具有一种结构，使得电极表面和位于第一侧面对面的相应通流腔的第二侧面之间的距离变化。这样就能在两个相邻的通流腔中实现混合和湍流，从而不必将传质现象视作对电化学效率的限制。所述电极对于两个通流腔来说可以是相同的，或者例如具有不同的结构，可以用相同或者不同的材料制成。当然所述的两个电极首选是金刚石电极，所述金刚石电极具有与相应的液体体积流量、所期望的反应和反应产物相配的结构。

在一个优选实施方式中，两个通流腔通过隔膜分开，所述隔膜形成两个通流腔的第二侧面。该隔膜特别适宜是一种离子选择性隔膜，与现有技术已公开的这种隔膜一样。以这种方式可以利用大量不同的反应，并且可以产生大量不同的离子。

在两个通流腔之间最好有一个通过隔膜与第一通流腔和第二通流腔分开的第三通流腔。在一个优选实施方式中，两个隔膜同样可以是离子选择性的，这两个隔膜首选可以让不同的离子通过。以这种方式可以在三个相邻的腔室中产生不同的反应，这些反应均可控地进行，并且可在相应的液体中产生不同的反应产物和离子。以这种方式可在必要时同时产生不同的产物作为相同反应的产物。

所述结构适宜具有多个宽度变化的凹进部分、凹槽或者沟纹。所涉及的可以是具有规定宽度和深度的沟槽，所述宽度和/或者深度可以在相应沟槽的走向中变化。也可以使用宽度和深度不变的沟槽。沟槽可以相互平行，以一定角度相互交叉，角度适宜为90度，或者例如呈波浪形或者弯曲排列。各个凹进部分、沟纹或者沟槽之间的距离可以在全部电极表面范围内等距，或者可以变化选择。最好例如在电极表面的一些区域中存在比电极表面的其它区域中更多形成结构的单元。以这种方式可以选择性实现流过通流腔的液体形成湍流和良好混合的区域，这些区域与稳定的层流区域交替变化。

在一个优选实施方式中，所述结构具有多个凹进部分，这些凹进部分尤其可以相互重叠并且例如呈截球面形状。因此所涉及的是电极表面在其中呈截球面形状、适宜向内也就是离开位于电极对面的通流腔壁呈弯曲形状的凹进部分。如果多个这些凹进部分相互重叠，则意味着包围相应凹进部分的边缘线不是圆形。此外这样的线还不在常数平面中。当然可想而知，凹进部分也可以不是截球面形状，而是例如具有多边形、抛物面或者不规则形状。凹进部分密度较大的区域(因此在一定的平面段中有更多凹进部分)与凹进部分密度较小的区域(单位面积的凹进部分数量因此比较小)也可以在这里交替变化。这样也可以影响通流腔内部的流动，并且可以按照所需的参数进行调整。

本发明还可解决针对这种电极组件的电极提出的任务。

本发明还通过一种使得此类电极组件工作的方法解决所提出的任务，所述方法的特征在于，将液体经由至少一个入口引入至少一个通流腔之中，在通流腔之内通过电极表面上的结构使其混合，并且尤其使其成为湍流，并且经由至少一个出口离开所述至少一个通流腔。通过电极表面上的结构至少局部使得流过通流腔的液体混合并且尤其使其成为湍流即可。视所需的反应、输入和输出产物以及所需的流量而定，可以调整不同电极的尺寸以及所述结构的特殊形状和设计。

适宜引导液体经过所存在的每个通流腔，可引导不同流量的相应液体经过不同的通流腔。如果例如适当选择至少一个电极的电极表面上的结构，使得一方面存在很大的电极表面，从而可产生大量的离子和/或者反应产物，另一方面通过该结构使得大量的离子或者反应产物特别迅速并且尽可能均匀地分布在其中一个通流腔之内的液体之中，则可同时保证将大量的反应产物和/或者离子引向尤其适宜是离子选择性的隔膜，因此也会大幅度提高穿过隔膜和其它通流腔的离子数量。因为以这种方式可提高进入其它通流腔的离子的数量，因此可以提高其它通流腔中的流量，从而提高该方法的效率，同时减少需要处置的废水量。

本发明还通过一种利用此类电极组件制备臭氧化水的方法解决所提出的任务，按照该方法所述，引导纯水尤其是蒸馏水或者超纯水经过第一通流腔并且经过第二通流腔，通过电极表面的结构使得纯水尤其是蒸馏水或者超纯水在通流腔中混合，并且尤其使其成为湍流，给电极施加电压，从而在其中一个通流腔中形成臭氧化水。

阳极和阴极适宜具有不同的结构。以这种方式能够特别简单地使得电极表面适应子例如与流量、所需浓度和所使用的离子有关的相应要求和需求。此外在这里所述的实施方式中，电极上的隔膜面积还大于现有技术所公开的栅形电极。因此一方面改善能改善电极和隔膜之间的接触，另一方面减小了隔膜所承受的热负荷和/或者机械负荷。

在臭氧化水制备方法的一个实施例中，引导软化水直接经过电解槽的阳极室。通过大约相当于14mA/cm²电流密度的2A以上的电流在阳极产生可检出的抽样并且使其溶解于水中。臭氧产量随电流增大呈线性上升。所选单位时间产生的臭氧量与经过腔室的液体的体积流量大小几乎没有关系。当然在不同的体积流量下会出现不同的流体动力学状态，因此可使得或多或少的气态臭氧溶解于水中。较大的体积流量可在相应的腔室之内产生较大的湍流，因此在阳极表面上产生的臭氧的气泡较小。通过比较小的气泡提高气态臭氧与周围的水之间的接触面或界面，使得更多臭氧可以溶解于水中。

因此不一定要减小水的流速并且使得水尽可能长时间与阳极表面保持接触，就能将尽可能多的臭氧溶解子定量的水中。某些情况下比较合理的方式是选择较大的流速，使得更多臭氧可以按比例溶解于水中。如果以这种方式无法在水中达到充分的臭氧浓度，则可以重新引导水经过阳极室，这样就能提高臭氧浓度。然而此时要注意水中的臭氧会自然分解成氧。

以下将借助附图详细解释本发明的实施例。

附图说明

附图1a～1d本发明的第一个实施例所述电极的不同视图，

附图2本发明的一个实施例所述电极组件的示意图，

附图3a和3b附图2中所示电极组件的两个剖面图，

附图4打开状态下的附图2所示电极组件，

附图5电极的示意俯视图，以及

附图6a～6c附图5所示不同形状电极的剖面图。

具体实施方式

附图1a所示为朝向电极表面4观察的电极2。电极表面4具有多个凹进部分6，这些凹进部分在附图所示的实施例中呈截球面形状。凹进部分6共同形成电极表面4的结构8。可以看出各个凹进部分6相互重叠，使得附图1a中所示的凹进部分6的界线并非精确呈圆形。

附图1b所示为电极2的侧视图。可以看出相邻排列并且在侧视图中深度不同的各个凹进部分6。在各个凹进部分6之间有一些电极表面4在其中没有凹进部分6的区域。

所述电极2适宜是具有所述优点的金刚石电极。

附图1c所示为沿着附图1a中的剖切线A-A剖开的剖面图。这里可以看出各个凹进部分6相互重叠，使得两个相邻凹进部分6之间产生的结构没有达到电极表面4的全高，例如与凹进部分6的两个相邻直线之间的高度一样。

附图1d所示为具有多个凹进部分6的电极2的示意3D视图。当然凹进部分6也可以具有其它几何形状，并且不必规则排列。

附图2所示为布置在壳体12中的电极组件10。壳体12在附图所示的实施例中由两个腔室壳体14构成，并且由两个盖板16形成其边界。盖板具有与腔室壳体14中的孔对其的孔18，因此这里可以例如通过螺纹连接保证各个部件相互可靠固定。

接线端子20居中位于前端盖板16上，可以通过该接线端子给布置于壳体12之内的两个电极2的其中一个施加电流或者电压。背面的盖板16在附图所示的实施例中具有一个类似的接线端子20。

各个腔室壳体14还各自具有入口22和出口24，可以让将要进行电化学处理的液体进入腔室壳体14或者从中离开。

附图3a和3b所示为附图2中所示电极组件10的剖面图。附图3a所示为纵剖面图。首先可以看出具有入口22和出口24的两个腔室壳体14以及具有接线端子20的盖板16。两个电极2位于内部，可以通过与接线端子20相连的接触弹簧26和接触板28给其供应电流和电压。将两个通流腔相互分开的隔膜30位于两个电极2之间。

附图3a中所示的电极组件10具有两个通流腔。将要处理的液体经由相应的入口22进入相应的通流腔，并且在这里与属于相应通流腔的电极2接触，或者至少与通过电极2建立的电场接触。这样就可以进行电化学处理。液体随后经由相应的出口24重新流出。在相应的外侧通过电极2并且在对面的内侧通过隔膜30限制附图3a中没有绘出的两个通流腔，所述隔膜尤其适宜是一种离子选择性隔膜，这样就可使得某些离子从其中一个通流腔进入另一个通流腔。

附图3b所示为电极组件10及其腔室壳体14和盖板16的断面图。这里也绘出了电极2、接触弹簧26、接触板28和接线端子20。隔膜30在两个电极2之间延伸，该隔膜将两个也存在于附图3b中的通流腔相互分开。

附图3b中还显示出盖板16中的孔18，将螺丝32穿过这些孔，即可使得盖板16与腔室壳体14相互可靠固定。在附图3b中可以看出构成电极表面4的电极2的相应内侧上的结构8。

附图4所示为打开状态下的电极组件10，因此可以看见通流腔34。在附图4中还可看出腔室壳体14也有与盖板16中的孔18相互重叠对齐的孔36。

在附图4中右侧所示的腔室壳体14上绘出了电极2，该电极具有在附图4中自上而下延伸的纵向沟纹，这些沟纹共同形成结构8。液体尤其是将要处理的水经由附图4中没有绘出的入口22进入通流腔34，并且通过导向元件38将其引导到电极表面4上方。

将隔膜30布置在附图4中左侧所示的腔室壳体14上，隔膜在电极组件10闭合的状态下在位于电极2对面的一侧形成通流腔34的边界。

附图5所示为电极2的另一个示意俯视图，该电极在电极表面4上具有凹进部分6。在附图5中可以看出，电极2具有与附图5中所示电极的整体尺寸相当的长度和宽度。具有相同尺寸的平坦表面相当子电极2的基面。

附图6a～6c所示为附图5中所示电极2的局部剖面图，其中共同形成结构8的各个凹进部分6采用了不同的设计。附图6a～6c中的各个凹进部分6均为纵向槽。附图6a和6b中的凹槽具有斜壁40，在附图所示的实施例中，这些斜壁的夹角为60°。凹槽各自具有槽中心42，凹槽相对于槽中心镜像对称。在附图6a和6b所示的实施例中，两个相邻槽中心42之间的距离相同，并且例如为4mm。当然附图6a和6b中凹槽的深度可以有所不同。附图6a所示实施例的槽深例如为1.6mm，而附图6b中的各个凹槽只有0.8mm深度。这两种实施例的槽宽44相同，并且例如为3mm，因此两个相邻凹槽之间的距离为1mm。当然可想而知，凹槽也可以具有其它的侧壁40倾斜角度、相互间可以有其它距离可其它的槽宽44。

附图6c所示为比较平缓的凹槽、例如深度为0.5mm的凹槽形成的结构。这些凹槽也具有槽中心42和3mm的槽宽44。然而在附图所示的实施例中，侧壁40横断面呈圆弧形，并且具有例如1mm的半径。

附图标记

2 电极

4 电极表面

6 凹进部分

8 结构

10 电极组件

12 壳体

14 腔室壳体

16 盖板

18 孔

20 接线端子

22 入口

24 出口

26 接触弹簧

28 接触板

30 隔膜

32 螺丝

34 通流腔

36 孔

38 导向元件

40 侧壁

42 槽中心

44 槽宽