[发明专利]一种电解水制备臭氧同时在线维护阴极的方法

说明书

本发明提供了一种电解水制备臭氧同时在线维护阴极的方法。该方法包括：将并联连接的工作阳极连接到工作电源的正极，将并联连接的工作阴极连接到工作电源的负极，制备臭氧；当工作阴极的表面有沉积物堆积时，通过复原阴极，以极性逆转的方式维护、复原工作阴极的活性，包括以下步骤：将复原电源的负极与复原阴极连接，复原电源的正极与工作阴极连接，工作阳极断开电流，清除工作阴极上的沉积物，在制备臭氧的同时完成对工作阴极的清洁。本发明的上述方法可以在不间断制备臭氧的同时清洁工作阴极。

技术领域

本发明涉及一种臭氧的制备方法，尤其涉及一种可以在线维护阴极的电解水制备臭氧的方法，属于臭氧制备技术领域。

背景技术

臭氧(O₃)能够溶解细菌、病毒和病原体的细胞膜，从而消灭绝大多数的微生物。由于臭氧的寿命短，效用快，微生物没有机会发展出对于臭氧的耐药性。臭氧最让人关注的安全问题是其刺激性的气味，它可与溴化物一起形成溴酸盐(一种致癌物)。以水作为臭氧的来源，并以电解为手段，可以实现无泄漏地产生臭氧，并按需要的方式进行制造。此种电解水臭氧发生器可以设计成各种便携式设备中以及通过固定的模块来处理工业中水回收和污水。臭氧在工业应用中的成本高，因此需要高效并连续的方式制造臭氧，并协同使用材料或装置来增加臭氧的性能。

电解水臭氧发生器依靠喷涂在阳极上的催化剂的特性来实现其高性能、低成本和长使用寿命。在实践中上述三个特性相互关联，如果催化剂可以产生高性能高产率的臭氧，则其它两个要求也会体现。高产能的水电解臭氧发生器必须由依靠良好的催化剂，该催化剂的性能直接影响到阳极的使用寿命。配合优化的阳极可使用经济的304不锈钢作为电解槽中的阴极。除了Fe²⁺和Mn²⁺等有害物质不能在电解水中存在外，基于Sb，Ni-SnO₂的阳极无需维护。上述金属离子将在阳极上形成永久性的氧化物沉积，导致阳极无法工作。另一面，不锈钢阴极容易结垢，需要定期维护以保证臭氧的正常生成。

不锈钢阴极水电解过程中最常见的污垢是Ca²⁺/Mg²⁺与碳酸根阴离子(CO₃^2-)形成的碳酸钙和碳酸镁沉淀形成的沉积物，其中所有的离子都可以在水中流动传播。清除碳酸盐沉积物有两种方法，化学或电解方法。化学上CaCO₃/MgCO₃能通过柠檬酸水溶液(螯合剂)溶解并去除。但是使用化学反应清洁阴极会需要中断臭氧设备工作。另外电解时，电解池中的阳极和阴极的极性进行反转也以将沉积于阴极上的沉积物进行溶解，反转时其中的阴极暂时变为阳极。在现有技术中，Malkin(US4088550)和Jansen(US4306952)中涉及电极反转的内容。其中，US4088550是现场生产次氯酸钠(NaClO)或漂白剂，其中使用电极反转技术使阴极恢复性能。US4306952使用到了将含氯的盐和电极反转的技术，其作用是在游泳池中制造氯(Cl₂) 用于现场的消毒灭菌。极性反转可以应用在不同的领域，在不同的应用中作用可能有所不同。例如，杨等人在国际氢能杂志(International Journal of HydrogenEnergy)2017年第422卷第 20260-20268页中公开了采用电极反转来最大化提高氢气的产生。近期Maher等人在《环境工程科学》2020年第37卷，99-108页中提及电极反转技术用于处理含有生物污染物和雌激素的化合物的废水。

与次氯酸钠和氯气相比，臭氧是一种更有效且环保的消毒剂。类似于其它水电解技术，臭氧水电解发生器也可以采用实时，无需添加化学药剂且不间断设备运转的极性反转技术进行阴极的维护。但是以钛为基材添加了Sb，Ni-SnO₂的阳极不能为负极性，因为如果为负极性其表面的涂层中的SnO₂将立即还原为Sn，阳极将会受到不可修复的破坏。因此，以钛为基材涂有Sb，Ni-SnO₂的阳极不能参与为了电解除垢而将电极反转的阴极的工作。

发明内容