用于生产洗涤剂和消毒剂液体的方法和电解槽与流程

本发明涉及电解槽，更准确地说，涉及用于生产消毒剂和洗涤剂液体的电解槽，该电解槽包括与阴极同轴的锥形阳极。

本发明还涉及上述电解槽用于生产上述消毒剂和洗涤剂液体的操作方法。

背景技术：

迄今为止，已知许多技术用于生产针对生产化学溶液的工厂的电解槽。

例如，在水以及有机和无机液体的消毒和灭菌领域中已经存在同轴电化学槽，其可以从氯化钠水溶液开始实现消毒液和洗涤剂的生产。

消毒剂液体可用于需要对空气、有机和/或无机液体以及物体进行消毒的所有应用中。洗涤剂液体也可用作脱脂剂。

一般来说，电解槽由三个同轴圆柱体组成：

-具有最大直径的阳极；

-直径较小阴极，和

-具有中间直径并且置于上述两个电极之间的膜。

对上述装置进行组装并配备有一系列机械和电气组件，这些组件保证了部件的机械紧固，和工艺流体的压力密封，以及对电极的供电。

所述槽必须用直流电供电和具有由氯化钠水溶液组成的工艺流体，所述氯化钠水溶液从入口管线液压进入阳极和中间膜。所述水溶液中含有的氯化钠分子通过电解分离，并释放氯和钠。

更确切地说：

1.钠通过陶瓷膜并在阴极和膜之间的液压管线中产生洗涤剂液体。这条管线供应有水；和

2.氯不通过膜并保留在生产消毒液的溶液中至相应的输出管线。

在操作期间，电极以直流电操作并且由于焦耳效应而产生热能，其必须通过水或空气冷却系统充分地处理，以避免组件过度过热而导致破损。

阳极经受高直流通过，随着时间的推移，由于电荷的存在，倾向于在接触工艺流体的内表面上引起化学氧化和蚀刻，这导致构成阳极的金属厚度的逐渐减薄。

为了克服导致性能降低的阳极劣化、具有潜在微裂纹的结构弱化和液压泄漏的这些缺点，阳极的内表面被贵金属混合物构成的衬底(所谓的“涂层”)覆盖，这保护了制成阳极的金属，并避免了上述现象的发生。

然而，已经发现，当前市场上如此制造的电解槽在相同槽的结构设计中具有一系列关键和内在限制，这在操作、安装和/或维护步骤期间导致严重的可靠性和性能限制。

例如，美国专利号8,795,483b2公开了一种同轴圆柱形电解槽，其具有由金属圆柱体构成的阳极，其中在其两端连接有两个塑料头部，所述头部通过在塑料体本身中获得的螺纹拧紧。

这种结构方案的缺点在于螺纹座中材料的结构限制。其在头部形成裂缝之后，导致损害整个槽运行的液压泄漏。

此外，这种结构布置的另一个缺点在于，液压密封件由塑料头部中形成的座中的正常o形环组成，并由阳极端压紧。因此，利用这种结构布置，在密封件的损害之后密封件的最佳压紧不能得到保证并且发生工艺液体的泄漏，这可能引起未被涂层保护的金属材料外侧的腐蚀。

此外，从美国专利us7,374,645b2中已知一种圆柱形同轴电解槽，其提供了部件之间的连接通过头部在阳极内的穿透和橡胶密封件的插入来实现。

这种结构布置的缺点在于，不能保证对液体的最佳密封，并且由于疲劳、高温和金属腐蚀引起的机械应力会对塑料材料造成损坏。

在文献中us7897023b2描述了一种从碱金属或碱金属氯化物水溶液的电解开始生产气态电解质产品如氯和氧的方法，并且用于水净化和消毒过程以及用于某些化学产品的电化学生产。根据该方法，提供了一种同轴电解槽，其具有带有外部热交换器的槽冷却系统。

这种结构布置在所需的额外液压连接、构造和冷却流体再循环回路的维护方面显示出一些缺点。

另一方面，文献us9340883b2公开了一种从各种浓度的电解质水溶液开始生产广泛用于医学、生物学和生态学的消毒剂的电解方法。

这种生产方法和相关的电解槽的缺点是不能保证充分处理产生的热量，这也是由于隔膜、阳极室和阳极本身的低导热所致，这对整个电解槽来说是危急的。

文献us20130146473a1公开了一种用于生产具有清洁和消毒性能的氢氧化钠(naoh)稀溶液和次氯酸(hclo)稀溶液的电解方法。该方法涉及使用配备有三个腔室的同轴电解槽。

根据该文献，该方法包括将氯化钠或氯化钾水溶液再循环到圆柱形电解槽的中心室中，以及将软化过滤水供应到阴极室和阳极室中。

该方法有以下几个缺点：

-在电学方面，存在由两个膜决定的双电阻，这使得由电解槽施加的电场不均匀且不一致，伴随着能量消耗的增加和电解质量的劣化；

-由于双隔膜的存在使得隔热加倍，并且处理产生的热量的效率恶化；

-由于电解槽中存在三个腔室，因此组件的阻碍更大并且所需的液压连接增加。另一个缺点是没有槽冷却系统。

本发明的目的是通过提供同轴电解槽来解决现有技术的上述缺点/问题，其中阴极具有圆柱形状，而阳极具有锥行形状。本发明的另一个目的是通过提供用于生产具有非常低或没有盐残留的消毒剂和洗涤剂水溶液的方法，以及通过使用具有电极液体冷却系统的隔膜同轴电解槽来解决现有技术的上述缺点/问题。

技术实现要素：

本发明提供一种同轴电解槽，包括阳极、阴极、膜、两个头、封闭装置、垫圈和螺钉，其可以在不使用工具的情况下组装，并且其中所述阳极具有锥行形状。一旦所述电解槽由直流电供电，它允许从含有氯化钠的水溶液开始生产消毒和/或洗涤剂液体。

此外，本发明提供一种在电解槽中生产具有消毒剂和洗涤剂性质的稀氢氧化钠(naoh)和/或稀次氯酸(hclo)水溶液的方法。

因此，本发明提供基本上根据所附权利要求的电解槽和生产方法。

具体实施方式

现在将详细描述用于生产消毒和洗涤液的电解槽的两个优选实施方案，所述电解槽包括与阴极同轴的锥形阳极，并且根据本发明参考下述附图通过非限制性实例给出，其中：

图1是根据其第一实施方式的本发明的槽的透视图；

图2a是描述图1的电解槽的正视图；

图2b是图2a的槽沿线aa截取的纵向剖视图；

图3a是图1的槽的阴极圆柱体的纵向剖视图；

图3b是图1的槽的阳极体的纵向剖视图；

图3c是图1的槽的接头(集管(header))的纵向剖视图；

图4a至4c是说明本发明的槽的第二实施方式的视图；和

图5是涉及本发明生产方法的不同步骤的功能示意图。

现在参考附图，此处将说明根据本发明的电解槽的布置和操作。

现在参考图1、2b和3b，所述槽具有基本上圆柱形的主体1，其以同轴布置的方式包括阴极4、膜6和阳极3，并且其中两个头部2分别在其端部提供。

如图2b和3b所示，所述槽1包括由具有锥形(圆锥的)形状的管状构件构成的阳极3。更确切地说，所述阳极3具有中心圆柱体，其端部30的形状类似于截头圆锥形部分并与中心体连接。

已经研究、开发和优化了锥形端部30的形状因素和开口角度，以避免与同轴电解槽的典型几何形状相关的一系列问题。

如图2b所示，由于阳极3的端部30的锥行形状，实现了以下技术方案：

-头部2具有平行于端部30的连接表面20和垫圈21；

-阳极3和端头2之间的连接仅通过压力接触而无需螺纹来获得；

-在所述槽1内部，在阳极3和阴极4之间存在双液体冷却系统(图2b)，其通过每个头部2上的管件(fittings)22连接至外部冷却回路(外部回路未在图中示出)；

-反应器(即发生化学反应的体积)具有恒定面积的液压部分；

-这里提供自动记录/调整安装系统；

-头部2的成形允许根据不同的定向进行安装；和

-由于存在啮合于所述阴极4的螺纹部分上的环形螺母5(图2b)，手动拧紧/关闭所述槽1，向前推进所述螺母5促使所述槽1的所有组件处于抵靠布置和接触彼此紧固至止挡(stop)。

而且，如图2b和3b所示，根据本发明，阳极3由单件制成并且没有焊接。锥形阳极3采用无需焊接即可以单件制造的生产工艺产生。而且，阳极3的两个锥形端部30和圆柱形部分之间的连接没有焊接。

该技术方案的基础在于它确保了材料的连续性，以及阳极的机械、电、热和结构特征的连续性。

此外，如图3a所示，槽1的阴极4基本上是配备有管件40的防水管道，冷却流体在其中流动，并且其中在其外表面上获得该工艺的正电极。

现在特别参考图4a至4c，显示了本发明电解槽的第二实施方式，其中提供了阳极和阴极的双液体冷却系统。为清楚起见，相同的部件将具有相同编号。

根据该实施方式，槽阳极3在内部保持其锥行形状并且具有围绕阳极3外部的外圆柱形套筒31(图4b和4c)，并且在其中冷却流体可以循环通过在套筒32上获得的管件32(图4c)。

这种结构方案允许制备具有创新双液冷却系统的同轴电解槽。

更详细地说，阳极3和阴极4的双液体冷却系统允许提高系统的可靠性，降低操作温度。

此外，这种结构布置允许在操作电流增加的情况下增加消毒液的特定生产。

此外，使用冷却阳极3的冷却套筒(图4c)，可以拦截由于可能的结构裂缝引起的从阳极3泄漏的任何流体泄漏。

此外，可以在槽1的外表面上提供温度和电导率传感器的任何组装。该方案允许监测这些参数，因此在液体从阳极3泄漏的情况下(其改变流体的温度和电导率)，可以发出警报。

现在特别参考图2b和3c，本发明的槽1在头部2和阳极3之间具有锥形连接系统。

更确切地说，根据本发明提供的是，所有组件的连接完全通过压力接触获得，并且每个密封垫圈在两个完全平行的表面之间彼此压紧。

更准确和详细地说：图3c的头部2由塑料制成，并且除了流体连接件22之外，还包括用于垫圈(o形环，o-ring)21的座23，该垫圈与阳极3的锥形端部30的表面配合(图3b)，所述锥形端30的所述表面平行于头部2的塑料表面20。

现在参考图1、2a和2b，示出了槽1的组件的紧固系统(通过压力接触)。事实上并且根据本发明，槽1的部件一旦组装好通过环形螺母5和压力板50紧固，该板50推动并抵靠槽1的所有部件和组件，在阳极-头部-阴极之间产生液压密封而无需进一步使用夹紧或封闭构件或专用工具。

更确切地说，由环形螺母5制成的该组件闭合系统允许将均匀的闭合压力施加到组件上并通过板50，并因此获得阳极3与头部2和阴极4之间的液压密封。

有利地，该结构布置不需要用螺钉或销钉紧固塑料头部2，因此规避了由于过度紧固而导致的裂缝形成和塑料分离相关的所有风险。

此外，由于该方案，可以获得头部2的任何布置并且在紧固后使它们旋转，因为前者完全对称，它们可以旋转360°并根据不同的安装配置有可能提供液压连接件22的自由定向。

由于这种配置，可以获得具有紧固扭矩的闭合，可以由操作员在环形螺母5上手动调节直至最大闭合扭矩(等于约3nm)，可以在不使用任何类型工具的情况下达到。

此外，环形螺母5独立于其他组件，因此可以由任何材料制成。

根据本发明的槽1的另一个方面，提供了阳极3包含几何形状，所述几何形状设计成使所有表面与工艺流体接触，具有线性形状或在极限值内的曲率半径。

该方案在制造步骤期间因无锐角、边缘或尖点而允许保护涂层的最佳和正确铺设。正确铺设的整个保护层以最佳方式工作且没有弱化或分离现象，其优点是对可能的氧化、腐蚀和/或“刻蚀”保证阳极3随时间的完全保护。

根据本发明的槽的另一方面，提供了其所有组件的特定配置不存在与过热和/或升高的温度有关的问题。事实上，由于阳极3、头部2和阴极4的几何形状，它们被设计和优化以最佳地去除由电化学过程和焦耳效应产生的热量。

特别是，从图2b中可以看出，所述槽的液压截面具有恒定的面积。沿着整个槽1，在由阳极3、头部2和阴极4组成的组中，所述液压截面保持恒定以确保工艺流体的流动保持层流运动，没有湍流或损失，并且以恒定速度。该方案确保了除去该过程产生的热量的连续性。

另一方面，如图2b所示，阳极3在锥形连接点30处的截面积增加。更确切地说并且根据本发明，在接合点30附近和在垫圈21处用于将头部2连接至阳极3，即，在可能存在降低工艺流速的潜在危险间隙的地方，因此，随着随后的过热或蒸汽形成的冷却，已经对曲率和几何形状进行了详细设计，以允许锥体30的直径逐渐增加，结果增加了电极3和4之间的距离，其涉及降低焦耳效应以及接合点处热量形成，以确保对接合点的保护，并且通过降低导致热量产生的电压和电流场。

根据本发明的槽的另一个方面，可以预见，它将由没有焊接的组件构成。更确切地说，作为槽的操作过程的电化学过程类型，没有焊接具有多种价值，参考：

-由于结构的连续性的机械强度；

-没有边缘、尖点或尖角的表面和弯曲曲线的线性，这对于优化铺设保护涂层(涂层)是必不可少的；

-阳极3的恒定厚度，没有尺寸变化且温度恒定；和

-由于表面的等电位特征，电压场向工艺液体的均匀传输。

现在参考图5，这里将说明根据本发明和通过使用同轴电解槽生产洗涤剂和/或消毒剂溶液的方法。

根据本生产方法，电解过程性能(redox)的增加和最大化是使用具有不同操作配置的电解槽获得的，其允许获得具有不同水平的消毒液：

-次氯酸(hclo)；

-游离活性氯(fac-游离有效氯(freeavailablechlorine))；

-orp(氧化还原电位，redox)；和

-ph值

该方法的目的是生产具有低或无残留盐度的稀次氯酸(hclo)水溶液，此后称为“阳极电解液(anolyte)”，具有高能量效率和最小盐消耗。根据本方法，同时向阴极产生碱金属卤化物，从现在起称为“阴极电解液(catholyte)”，其含有约1％至10％的：

-氢氧化钠(naoh)(如果从饱和氯化钠(nacl)水溶液中获得)；或者

-氢氧化钾(koh)(如果从饱和氯化钾(kcl)水溶液中获得)。

阴极电解液具有作为清洁液的优点。

因此，该方法允许根据不同的溶质消耗产生具有不同残留盐度、ph和orp值的阳极电解液和阴极电解液。

众所周知，用于产生预定fac水平的电解过程需要已知的电量(以库仑(c)表示)，其根据法拉第定律方程式计算，其公式如下：

m＝a·i·t

其中，

m：释放物质的质量，以毫克为单位

a：电化学当量

i：电流，以安培为单位

t：时间，以秒为单位。

此外，众所周知，电解不是理想的过程，其效率在30％至60％之间变化。在许多情况下，获得物质的量低于理论计算的量，因为存在与热损失相关的总体低效率(generalinefficiencies)。这些损失实际上与通过焦耳效应用于电解过程的部分电流转换成热量有关，并且与电极的电压值、工作电流值和电阻值以及进行电解的流体密切相关。所述槽中产生的热量降低了该过程的效率，因为温度的升高能导致物质以气体形式排放，如clo2，这减少了电极和流体之间的接触表面，降低了所述槽的效率。

本发明的生产方法提供了配备有集成在阳极和阴极中的液体冷却系统的同轴槽的使用，这是由于两个冷却室与电极接触，这允许处理和消散该过程中产生的热量，保持流体和组件的低工作温度，从而防止电极的过度热膨胀。

设想阳极与塑料头部的连接件具有锥行形状和带有垫圈的密封系统，其通过释放由阳极向外膨胀产生的应力和结构张力来防止头部的破裂。

特别参考图2a和2b，示出了用于生产洗涤剂或消毒剂液体的圆柱形电解槽，其实施了本发明的生产方法。

所述槽具有以下特征：

-圆柱形阴极12(内部电极)，其具有内部液体冷却室2和在端部的液压连接件1；

-圆柱形阳极5(外部电极)，其具有锥形连接端件(terminals)、一个外部液体冷却室8、焊接管和液压连接管件；

-具有圆柱形陶瓷膜的同轴隔膜9，其具有适合于在电极之间定位以及适合于形成阳极室23和阴极室24的尺寸；

-用于阳极外部电绝缘的保护膜；

-具有同轴和圆柱形形状因素的电极5和12以及隔膜9，其允许与配备有液压连接管件的两个头部3和4的连接；

-具有钢制螺纹环形螺母13的压力闭合系统。

根据本发明的方法，所述电解槽具有用于生产洗涤剂和消毒溶液的双液冷却系统。

稀氢氧化钠水溶液(阴极电解液)的碱性更强，根据所使用的生产程序具有低残留盐度或没有残留盐度，并且可以用于清洁任何表面而无需漂洗。

稀次氯酸水溶液(阳极电解液)根据所使用的生产程序具有低残留盐度或没有残留盐度，并且除了ph之外，可以在该过程中调节可用的游离氯含量。结果，由此获得的这种水溶液可以有效地用于表面或物体的清洁和消毒，并且通过使用具有根据应用和所需的各种消毒程序可调节的ph和fac的溶液。

在图5的液压方案中说明了根据本发明的生产方法的详细非限制性实例。更确切地说，该生产方法提供了一种从软化过滤水开始实施的方法，该软化过滤水在阴极的冷却室200和阳极的冷却室800中、在阳极室的计量泵290中、在所述阴极的计量泵310中以约1.0-1.5巴(bar)的压力进料。

水流过阴极的冷却室200和阳极的冷却室800，随后被供应到喷射器330中，其利用“文丘里(venturi)”效应使水与来自阳极室的管道170的次氯酸、氯气和氧混合，形成稀水溶液输出。

系统的液压供应是用四个计量泵进行的，它们将软化水与饱和盐水溶液(kcl或nacl)混合。特别地，两个计量泵290和320设置在阳极室230的入口处，两个计量泵300和310设置在阴极室240处，其允许水通过两个“y”形管件360和370与饱和盐溶液混合，并具有可变和可调节的流速，为必要的生产方法制备最佳电解质溶液。

在各种类型的计量泵中，上述计量泵290、300、310和320优选地选择为蠕动泵，由于蠕动泵提供宽调节/控制的可能性，它们是优选的。在混合之后，所述电解质流分别从管件370引入至阳极室的入口160并从管件360引入至阴极室的入口150。

根据操作配置、出口处所需水溶液的类型以及所需的fac浓度，泵290、300、310和320可以在不同的流速下操作，准备不同类型的电解质入口溶液，所述电解质入口溶液以在总流量的0.5％至50％之间变化的比例通过该槽的阳极和/或阴极室。水和饱和盐溶液的比例可以根据产生模式和期望的效率水平来设定。

以约5-10v的电压施加直流电，正极性连接至阳极3(见图2a)而负极性连接至阴极4(参见图2a)，以便在电极之间引入电流通路，进行电解过程并使电解质在所述槽中离解，形成消毒液体和碱性液体。

因此，消毒剂阳极电解液从阳极室产生，且碱性阴极电解液由阴极室产生。置于两个电极之间的膜状隔膜具有允许阳极室和阴极室中电解质之间进行离子交换的孔隙率，允许电极之间的电流测试并防止所述槽中形成的消毒液体和碱性液体的混合。

在阳极室中产生的消毒液通过出口170被注入至喷射器330并与来自管件100和110的冷却水混合，以根据计量泵290和320上设定的流速形成fac可变的消毒剂水溶液。在阳极电解过程中形成的气体，如气态形式的氯和氧，借助于喷射器330产生的真空从阳极室230除去并溶解在冷却水流中。

另一方面，以计量泵300和310上设定的流速在阴极室240中产生的碱性液体通过出口180被注入至气体去除装置340，在该去除装置340中，从该工艺提取气态氢。

从气体去除装置340，所获得的阴极电解液可以被运送至排放口或可选地在罐中累积，或者经由计量泵350(优选地是变速蠕动泵)再循环并且通过入口160注入至阳极室230以允许生产经稀释具有中性ph的次氯酸(hclo)水溶液。

这里应该注意的是，根据本发明的生产方法，提供了独立且可单独调节的计量泵的使用，允许根据需要获得具有不同特征和性质的各种电化学过程和/或消毒液体。事实上，根据本方法，可以对电解质流速和浓度进行精细调节，以在槽中获得电解优化。特别地，并且根据操作需要，使用可以通过plc(可编程逻辑控制器(programmablelogiccontroller))存储和管理的各种预设操作配置，可以产生不同预定类型的消毒液体。

根据该方法，提供了plc，根据设定的配置和操作模式，它管理泵、电磁阀、传感器和设备，还使用过程参数反馈中的测量，以保持输出产品在设定值范围内。

在此必须指出，根据本生产方法，阳极室内的一部分水(h2o)根据以下化学反应分解成气态氢(h2)，氧气(o2)和臭氧(o3)：

在阴极室中

2h2o+2e-＝h2+2oh^-

在阳极室中的

2h2o-4e-＝o2+4h⁺

通过与钠(na)和氯(ci)的组合，自阴极室产生氢氧化钠(naoh)的碱性溶液，以及自阳极室产生含有一氧化氯(clo)、氯酸盐(clo3)和次氯酸(hclo)的混合物的消毒剂溶液。

根据图5的电路图并且如图4a至4c的电解槽所示，提供了双冷却系统。因此，在所述槽中实现了本发明的生产方法并且没有任何由于槽内部的过热而导致破损的风险的最小流量等于0.20l/h的流速。

下表1显示了通过本文所述的电解槽获得具有不同特性的消毒液并且实施本发明的生产方法的可能操作配置。

表1

表1中的数据是指泵290,300,310和320的流速相对于主流量等于1.0％的配置，即在100l/h的水流量中以1l/h的流速注入，在出口处产生各种消毒和碱性液体。

通过根据本发明的各种方式的生产方法获得的消毒液(阳极电解液)适用于以下用途：

-模式1：对家禽养殖场、乳品厂和奶厂进行消毒，

-模式2：对污染严重的环境进行消毒

-模式3：自来水或排水的消毒

-模式4：严重污染表面的消毒。

另外，根据本发明的生产方法，可以通过调节碱性液体的再循环泵350来控制稀次氯酸(hclo)水溶液的ph，酸性/中性/碱性。

优点

本发明的电解槽具有下述优点：

根据本发明的槽的第一有利方面，消除了接合点30和头部2中对应的裂缝、裂纹和开裂(cracks,cracksandcracks)。

根据本发明的槽的第二有利方面，可以避免保护涂层(涂层)的损坏。

根据本发明的槽的第三有利方面，底漆和“蚀刻”现象的扩散。

根据本发明的槽的第四有利方面，在组件的组装期间，紧固始终是最佳的。

根据本发明的槽的第五有利方面，避免了液压连接件的安装对准。

根据本发明的槽的第六方面，避免了操作中的过度过热。

根据本发明的槽的第七有利方面，利用上述结构方案，由于结构简单，不熟练的劳动者也可以拆卸和更换膜、头部2、电极3和4以及槽1的每个组件。

根据本发明的槽的第八有利方面，所述头部2是对称的，因此对安装误差可互换的。

根据第九个有利方面，所述电解槽由两个电绝缘的夹头构成，其压紧两个电极和隔膜，为圆柱形和同轴的。所述槽配备有电极的集成冷却件，无需外部系统，这允许降低液压流速、控制操作温度、最大限度地提高氯化钠(nacl)的转化效率和降低/消除残留盐度。

该方法的一个有利方面涉及通过将水(h2o)和氯化钠(nacl)或氯化钾(kc1)的饱和水溶液的混合物流过圆柱形电解槽的阳极室和/或阴极室，以各种流速和浓度生产稀氢氧化钠(naoh)和稀次氯酸(hclo)水溶液。

图5中的编号和部分

[100]阴极冷却室的入口

[200]阴极冷却室

[500]带锥形端部的圆柱形阳极

[600]阳极冷却室的入口

[800]阳极冷却室

[900]多孔膜状隔膜

[101]阳极冷却室的出口

[111]阴极冷却室的出口

[120]阴极

[150]阴极室的入口

[160]阳极室的入口

[170]阳极室的出口

[180]阴极室的出口

[230]阳极室

[240]阴极室

[290]阳极水计量泵

[300]电极阴极计量泵

[310]阴极计量泵

[320]阳极电解质计量泵

[330]“文丘里”喷射器

[340]气体去除装置

[350]用于碱性液体再循环的ph校正的计量泵

[360]“y”形预混合阴极室连接

[370]“y”形预混合阳极室连接。