專利名稱：一體化臭氧發(fā)生系統(tǒng)的制作方法
發(fā)明的背景發(fā)明的領(lǐng)域本發(fā)明涉及用于例如水凈化等各方面的臭氧生產(chǎn)。更具體地，本發(fā)明涉及一種電化學(xué)池和在該電化學(xué)池中發(fā)生臭氧的方法。
相關(guān)技術(shù)背景臭氧長期被認(rèn)為是一種有用的化學(xué)物品，尤以其突出的氧化活性獨(dú)具價值。因此活性，臭氧在消毒、去除氰胺、苯酚、鐵、錳及洗滌劑方面有廣泛用途。因此，臭氧在各方面有廣泛應(yīng)用，而且如果生產(chǎn)成本下降，應(yīng)用范圍無疑還會擴(kuò)大。另外，由于不論氣態(tài)、液態(tài)的臭氧，在濃縮時或溶于溶劑中、或吸收在池中時，都易爆，其運(yùn)輸有潛在的危險。因此臭氧在一般情況下都在使用處就地生產(chǎn)。然而，臭氧發(fā)生設(shè)備成本和生產(chǎn)的能效低下妨礙了臭氧在許多方面和許多場合的應(yīng)用。
臭氧可以通過電解生產(chǎn)，生產(chǎn)中，電流(一般為直流)跨接浸在電解液中，也就是導(dǎo)電液體中的電極上。電解液中含有水，水在電解時分解為其組成的元素O2和H2。在適宜的條件下，氧元素還可以O(shè)3形態(tài)出現(xiàn)。O3的出現(xiàn)可表達(dá)為∶ΔH°298＝207.5Kcal然而迄今在現(xiàn)有實(shí)用的電解系統(tǒng)中還沒有能實(shí)現(xiàn)高產(chǎn)出。
而且，因?yàn)槌粞鯕怏w壽命很短，最好在很接近要消費(fèi)臭氧處產(chǎn)生，并以基本上與消耗速率相等的速率產(chǎn)生。由于目前的許多臭氧應(yīng)用涉及用于氧化水、氣流和土壤中的污染物。一般地，把污染物運(yùn)到中樞臭氧處理廠是不現(xiàn)實(shí)的。相反，必須在污染的現(xiàn)場產(chǎn)生臭氧。這些場所可為工作著的，可為廢棄的廠礦，或者是幾乎無用或無用的偏遠(yuǎn)地區(qū)。而且臭氧的消耗率也要隨凈化過程的類型和現(xiàn)場本身的自然條件而變。
可惜的是，人們很少注意發(fā)展臭氧生產(chǎn)電化學(xué)池的配套的和自動操縱的支持系統(tǒng)及用具。為使此類系統(tǒng)有商業(yè)價值，系統(tǒng)必須可靠，不需經(jīng)常保養(yǎng)，運(yùn)轉(zhuǎn)效率高，并能以標(biāo)準(zhǔn)市電運(yùn)轉(zhuǎn)。在滿足這些目標(biāo)的同時還應(yīng)提供能以成本效益好的方式在凈化現(xiàn)場使用的簡單系統(tǒng)。
因此需要一種有效地用標(biāo)準(zhǔn)交流電和水運(yùn)轉(zhuǎn)的臭氧發(fā)生系統(tǒng)，以產(chǎn)生穩(wěn)定可靠的臭氧氣流，該系統(tǒng)如果是配套的、自動操縱的，并且很少需要保養(yǎng)，應(yīng)是很理想的。如果能將連續(xù)地按需求的速率供應(yīng)臭氧應(yīng)是更理想的。
還需要一種臭氧發(fā)生系統(tǒng)，它有效地用標(biāo)準(zhǔn)交流或直流電及水運(yùn)轉(zhuǎn)，以發(fā)送在直接使用的壓力產(chǎn)生的可靠的臭氧氣流，另外，其它的應(yīng)用將受益于一種已溶于水的高濃度臭氧流，它可以直接使用，也可以稀釋進(jìn)過程水流以達(dá)到目標(biāo)臭氧濃度。如果該臭氧發(fā)生系統(tǒng)是配套的，自動操縱的，并且很少需要保養(yǎng)，將是理想的。如果該系統(tǒng)有最少數(shù)量的運(yùn)動或者說磨損部件，并與目光電池、車輛發(fā)電系統(tǒng)、或電池電源等低壓電源兼容將是更理想的。
本發(fā)明概述本發(fā)明提供一種臭氧發(fā)生系統(tǒng)，它包括一個或多個含有一個陽極流場或室，和一個陰極流場或室的電解池。該系統(tǒng)還包括一個與陽極流場流體連通的陽極蓄池，該陽極蓄池含有一個排氣閥；和一個與陰極流場流體連通的陰極蓄池，該陰極蓄池含有一個排氣閥。陽極和陰極蓄池可含有一個入水口。陽極蓄池優(yōu)選地含有一個與陽極蓄池?zé)徇B通的水冷構(gòu)件和一個水循環(huán)構(gòu)件。陽極蓄池可含有一個豎管，豎管有一個小孔以平衡豎管和陽極蓄池中的水位。陽極蓄池可經(jīng)一個控制閥與陰極蓄池流體連通。該系統(tǒng)還含有一個有與陽極蓄池流體連通的一個入口和與陰極蓄池流體連通的一個出口的泵。陽極蓄池優(yōu)選地高于陽極流場并且陽極蓄池的入口優(yōu)選地與陽極流場的頂部連通。系統(tǒng)中可包括一個系統(tǒng)控制器，它編程為按陽極蓄池的水位操縱陽極蓄池排氣閥。該系統(tǒng)控制器還可編程為按陰極蓄池的水位操縱陰極蓄池排氣閥。
在本發(fā)明的另一方面，提供有發(fā)生臭氧的方法，包括下列步驟在一個或多個含有一個陽極流場和一個陰極流場的電解池中電解水，把氫與臭氧和氧分離；在陽極流場和陰極蓄池間循環(huán)水；在陽極蓄池中從水中分離臭氧和氧；從陽極蓄池中排出氧和臭氧；把水從陰極流場接收入一個陰極蓄池；從陰極蓄池的水中分離氫；從陰極蓄池排出氫；并在需要時向各蓄池添水以保持連續(xù)生產(chǎn)臭氧。該過程還可包括在陽極蓄池中冷卻水。優(yōu)選地，來自陰極流場的水可經(jīng)一根陽極蓄池中的豎管循環(huán)至陽極蓄池。優(yōu)選的豎管在其基部有一個小孔以平衡水位?？砂阉畯年帢O蓄池加往陽極蓄池。陽極蓄池和陰極蓄池可在相同或不同的壓力下工作并保持分別設(shè)定的壓力點(diǎn)和基本上恒定的水位。最好，陽極蓄池工作在低于陰極蓄池的壓力下，例如分別為約30psig(206.8kN/m2)和約40psig(275.7kN/m2)。從陽極蓄池排出的氣流含約10％至10％重量之間的臭氧。
該臭氧發(fā)生器可含有一或多個有一個陽極和一個陰極的電解池；一條連接電解池的供電電路；一個與陽極流體連通的陽極蓄池，陽極蓄池含有放氣構(gòu)件；一個在陽極蓄池和陽極之間流體連通的循環(huán)構(gòu)件；一個與陰極流體連通的陰極蓄池；一個與電源電路、循環(huán)構(gòu)件和陽極放氣構(gòu)件電氣連通的系統(tǒng)控制器；和一個連接系統(tǒng)控制器上的記憶裝置，記憶裝置包括一個可讀程序編碼，用以選擇包括有下述步驟的過程在電解池中電解水，在陽極池和陽極蓄池之間循環(huán)水，從陽極蓄池的水中分離臭氧和氧，從陽極蓄池中排出氧和臭氧，從陰極池向陰極蓄池中接收水，以及在需要時從陰極蓄池向陽極蓄池加水以保證連續(xù)生產(chǎn)臭氧。該臭氧發(fā)生器還可包含一個與陽極蓄池中的水熱連通的冷卻構(gòu)件和/或一個與電解池電氣連通的備用電池。
本發(fā)明提供一種臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)，它包括一或多個含有一個陽極和一個陰極的電解池。該系統(tǒng)還包括一個與陽極流體連通的陽極蓄池。陽極蓄池可含有一個入水口和出水口以充灌新鮮水和排出臭氧泡和水。陽極蓄池可在其頂部含有一個疏水構(gòu)件，使臭氧和氧氣能逸出陽極蓄池，而水保留在蓄池中。陽極蓄池可以與一個熱電裝置、機(jī)械致冷單元或散熱器之類的冷卻構(gòu)件熱連通，來從系統(tǒng)消除廢熱。陽極優(yōu)選地直接與陽極蓄池中的水接觸，使水能在蓄池自由交換，并使氣體能從陽極傳輸?shù)疥枠O蓄池。一個提供去離子水、反滲水、蒸餾水或其它合適供水的水源可設(shè)置得與陽極蓄池流體連通，優(yōu)選地經(jīng)過一個防倒流裝置。變通地，陽極可工作在自加壓方式，這樣在陽極壓力瞬間下降時，水源壓力能夠克服陽極壓力，而用水灌充陽極蓄池，此后陽極壓力下降結(jié)束，陽極重新經(jīng)產(chǎn)生氣體自行加壓。陽極蓄池壓力可通過水源與陽極蓄池之間的防倒流裝置或者閥門保持得高于水源壓力。以此方式，陽極蓄池中的壓力可升高到任何要求的壓力，至硬件的設(shè)計壓力。
該臭氧發(fā)生系統(tǒng)可含有一或多個含有一個陽極和一個陰極的電解池；一個連接該電解池的電源電路；一個電解池的備用電池，以延長陽極電催化的壽命，并對臭氧的需求提供快速響應(yīng)；一個與陽極連通液體的陽極蓄池和一個由多孔疏水膜構(gòu)成的氣體釋放裝置；一個與多孔疏水膜構(gòu)成的陰極氣體釋放裝置連通液體的陰極；一個用于把陰極的水返回陽極的循環(huán)管線；和一個從系統(tǒng)消除廢熱的冷卻構(gòu)件。
本發(fā)明的又一個方面提供一個廢氣摧毀系統(tǒng)，它利用催化劑把氫與空氣中的氧化合以消耗氫而不產(chǎn)生火焰和余熱。除了其它可利用此高度數(shù)、無污染廢熱的過程之外，該氫摧毀系統(tǒng)可以與一個含有適于把臭氧轉(zhuǎn)變?yōu)殡p原子氧的臭氧摧毀系統(tǒng)熱連通。
在本發(fā)明的再一個方面中，提供一種產(chǎn)生和發(fā)送臭氧的過程，含有下列步驟在一個或多個電解池中電解水，以在陽極產(chǎn)生氧和臭氧的混合物，在陰極產(chǎn)生氫；利用氣體上升，氣體強(qiáng)迫和熱力等自然循環(huán)手段在蓄池和電解池之間循環(huán)水，用多孔疏水膜從陽極水中分離臭氧/氧氣，從陰極接收氫氣和水；從陰極水中相態(tài)分離氫；經(jīng)過電滲透把原先從陽極轉(zhuǎn)移到陰極的水返回到陽極；使用多孔疏水膜分離和排出氫，這消除了對機(jī)械閥或控制系統(tǒng)的需要；連續(xù)或者周期性地向陽極加水以保持水供應(yīng)，自加壓該系統(tǒng)使得能夠發(fā)送增壓的氧/臭氧、氫，以及氧/臭氧飽和的水。可以采取其它有益的步驟，包括在升高的壓力下操作系統(tǒng)，把高濃度的臭氧溶于溶液，并在壓力下發(fā)送臭氧氣體和臭氧水以消除進(jìn)一步泵壓；從系統(tǒng)中消除余熱和降低系統(tǒng)的溫度，以把更多的臭氧溶于水中并增加臭氧的壽命；摧毀多余的臭氧和氫，使系統(tǒng)能運(yùn)轉(zhuǎn)在封閉的環(huán)境中而不需要通風(fēng)；利用摧毀氫的廢熱來強(qiáng)化臭氧的催化摧毀；及/或利用整個氣體摧毀單元的高度數(shù)廢熱為其它過程供熱。
本發(fā)明提供一種臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)，包含一個有一個陽極和一個陰極的電解池，一個與陰極連通的陰極蓄池，和一個置于與陰極蓄池?zé)徇B通的冷卻構(gòu)件。陰極可以形成陰極蓄池的一部分。在陰極蓄池的陰極相分離器室處，可包括一個置于陰極相分離器室頂部的氣體出口，而陰極置于陰極相分離器室的底部。而且，陰極相分離器室應(yīng)提供與陰極的流體連通，使水和氣泡在陰極和陰極相分離器室之間能夠自由交換。該臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)還可包括一個與陽極流體連通的陽極蓄池，一個與陰極蓄池連通液體的水源，一個經(jīng)過一防倒流裝置與陽極蓄池連通液體的水源，及/或一個氣體出口處的壓力控制裝置?？蛇x擇地，陽極蓄池可含有一個儲液器，一個位于蓄池頂部的氣體出口和一個置于氣體出口上方的多孔疏水膜，其中陽極蓄池的多孔疏水膜使氣體能從水中分離而壓住水。該系統(tǒng)還可以含有一個提供從陰極相分離器到陽極蓄池的流體連通的循環(huán)管線，可在循環(huán)管線中帶有一個防止倒流的裝置。優(yōu)選地，循環(huán)管線有足夠小的直徑，以防止溶解的臭氧從陽極蓄池向陰極相分離器的擴(kuò)散。更優(yōu)選的是，陰極和陽極由一個質(zhì)子交換膜分開。該系統(tǒng)可含有一個置于氣體出口中的壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件。此外，陽極蓄池可進(jìn)一步包含一個陽極蓄池基底附近的出水口。
本發(fā)明還提供一種臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)，含有多個電解池，每個有一個陽極和一個陰極，并進(jìn)一步含有與陽極連通的陽極蓄池，陽極蓄池優(yōu)選地含有一個氣體出口和一個置于該氣體出口之上的多孔疏水膜。多個電解池優(yōu)選地處于過濾器緊迫設(shè)置(filter press arrangement)下，但也可以設(shè)置得與形成陽極蓄池一部分的陽極在一起。
另外，本發(fā)明提供一種產(chǎn)生和發(fā)送臭氧的電化學(xué)方法，包括下列步驟(a)在一或多個電解池中電解水以在水中于陽極處產(chǎn)生臭氧，并在水中于陰極發(fā)生陰極產(chǎn)物；(b)在陰極和陰極蓄池之間循環(huán)水；及(c)冷卻在陰極蓄池中的水。氫氣可用一個置于陰極相分離器中的多孔疏水膜從水中分離。該方法還可包含經(jīng)一個質(zhì)子交換膜從陰極向陽極的反擴(kuò)散水，其中，質(zhì)子交換膜置于陰極和陽極之間。進(jìn)一步，該方法還包括在壓力下從陽極發(fā)送臭氧氣體及/或在壓力下從陽極蓄池發(fā)送陽極水。
本發(fā)明的進(jìn)一個方面提供一種電化學(xué)池，含有一個可壓縮電極，一個剛性電極和一個擠壓在可壓縮電極和剛性電極之間的質(zhì)子交換膜。優(yōu)選地，可壓縮電極和剛性電極內(nèi)含一種流體，其中在壓縮電極中流體受的壓力可大于剛性電極中流體所受的壓力。該電化學(xué)池可進(jìn)一步包含一個在可壓縮電極之后的剛性支持構(gòu)件，以減小對可壓縮電極的壓力。
最后，本發(fā)明提供一種運(yùn)轉(zhuǎn)電化學(xué)的方法，包括(a)以基本上等于反應(yīng)劑消耗的流速向一個電極提供一種反應(yīng)劑，和(b)以遠(yuǎn)大于該反應(yīng)物消耗的流速周期性地用該反應(yīng)物沖刷電極，以去除積累在電極上的成份?？蛇x地，該方法還包括(c)監(jiān)視反應(yīng)物進(jìn)入電極的流速。
附圖簡述參照附圖所示的實(shí)施例，對本發(fā)明作更具體的說明，可理解以上概述的本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)。應(yīng)當(dāng)注意，附圖僅示本發(fā)明的典型實(shí)施例，因此不應(yīng)認(rèn)為限制其范圍，因?yàn)楸景l(fā)明可用于其它等效實(shí)施例。


圖1所示為自動操縱的臭氧發(fā)生器示意圖，它僅用電力和蒸餾水運(yùn)轉(zhuǎn)；圖2為另一臭氧發(fā)生器的示意圖，它不用控制器、閥及水位傳感器；圖3為生產(chǎn)臭氧的電解池的分解透視圖；圖4為適用于圖2電解池的池架正視圖；圖5為完全被動臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)的示意圖，它僅以水和電源工作；圖6是一個陽極形成陽極蓄池底板的電化學(xué)池示意圖；圖7為有多個并排安置的但電氣串聯(lián)的陽極和陰極的另一個電化學(xué)池的剖視圖；圖8為圖3所示電極和支板的正面視圖；圖9為圖3所示電解池的剖視圖；圖10為完全被動臭氧發(fā)生系統(tǒng)的示意圖，帶有設(shè)計成過濾器迫緊型構(gòu)造的又一種電化學(xué)池120；圖11為設(shè)計成過濾器迫緊型構(gòu)造的又一種電化學(xué)池120的剖視圖；圖12為自動充壓臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)的示意圖；圖13A和圖13B為適用的恒流電源，具有三個向電解器供電的輸出電平；
圖14為自動操縱的臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)的示意圖；具有一個置于陰極蓄池中的冷卻構(gòu)件；圖15為被動臭氧發(fā)生器的示意圖，它不用電磁閥控制器、電磁閥及水位傳感器；圖16為適用于生產(chǎn)臭氧的電化學(xué)電解池組的分解圖；圖17為圖16所示池架的正面視圖；圖17a為圍繞幾個池元件形成的池架的剖視圖；圖17b為圍繞幾個池元件形成的另一池架的剖視圖；圖18為一種被動臭氧發(fā)生器的示意圖，它不用陽極蓄池；圖19為一種被動臭氧發(fā)生器的示意圖，它不用陽極蓄池，但依賴于水從陰極到陽極的反擴(kuò)散；圖20為一種被動臭氧發(fā)生器的示意圖，它不用陽極蓄池，但向一個管形質(zhì)子交換膜供水；圖21為一種臭氧接合系統(tǒng)的剖視圖，它帶有向水中提供臭氧反流的導(dǎo)流板；圖22為再一種臭氧接合系統(tǒng)的剖視圖，帶有內(nèi)疏水膜和外水流膜；圖23為一種臭氧發(fā)生器的局部示意圖，具有一個置于陰極蓄池和陽極之間的小孔和一個陽極沖刷系統(tǒng)；圖24為一個整體的臭氧釋放和重新接合系統(tǒng)230。
本發(fā)明詳細(xì)說明本發(fā)明提供一種臭氧發(fā)生器，用于向許多工業(yè)過程提供臭氧，例如用于光催化氧化在地下水之類無機(jī)溶劑中的有機(jī)成份。該臭氧發(fā)生器包括一個或多個電解池，后者含有一個陽極、一個陰極和一個置于陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)。該P(yáng)EM不僅傳導(dǎo)質(zhì)子，而且還隔絕電子并不透氣，以保持陽極產(chǎn)生的臭氧和氧氣與在陰極產(chǎn)生的氫氣或其它氣體相分離。該臭氧發(fā)生器還含有一個陽極蓄池，蓄池具有排出氧和臭氧的排氣閥，發(fā)生器還有一個用于循環(huán)在陽極蓄池和陽極流場間水的循環(huán)構(gòu)件，并且，可選地，有一個冷卻陽極蓄池中水的冷卻構(gòu)件。該臭氧發(fā)生器還含有一個具有一排出陰極產(chǎn)生氣體的排氣閥的陰極蓄池。盡管兩個蓄池可有分開的注水口，最好蓄池經(jīng)過一個隔離閥連通，使陽極蓄池可以從陰極蓄池充水，而同時連續(xù)生產(chǎn)臭氧。該臭氧發(fā)生器易于設(shè)計為自動操縱的結(jié)構(gòu)，使用一個系統(tǒng)控制器，它編程為使陽極蓄池和陰極蓄池以恒壓工作產(chǎn)生臭氧。
臭氧源最好產(chǎn)生一個臭氧在氧中含約10％至18％重量的氣流。這種電解池，包括去極化電解池，述于美國專利No.5,460,705，其說明在此引作參考。一種生產(chǎn)臭氧的全自控操縱電解池更優(yōu)選地用于遙遠(yuǎn)地點(diǎn)，如地下水處理設(shè)施中。
本發(fā)明的一個方面，陽極蓄池含有一個冷卻蓄池中水的冷卻構(gòu)件。因?yàn)槔鋮s過的水再循環(huán)到陽極間，電解池保持在30℃溫度以下，在此溫度下池的運(yùn)轉(zhuǎn)最為高效。沒有冷卻構(gòu)件，電解池中的電阻產(chǎn)熱來增加電解池的溫度，影響電解池的運(yùn)轉(zhuǎn)。
在本發(fā)明的另一個方面，臭氧發(fā)生器設(shè)有臭氧摧毀單元，或稱“臭氧摧毀”。臭氧摧毀與陽極蓄池的臭氧排放連通。生產(chǎn)并分離出的、但是在某些臭氧消耗過程中沒有使用的臭氧量，在接觸時催化摧毀。臭氧摧毀含有Fe2O3、MnO2或者貴金屬(如鉑、鈀)之類的催化劑，更優(yōu)選MnO2或者鉑。
本發(fā)明的又一個方面提供一種簡化的陽極蓄池，其中取消了臭氧控制閥和水位傳感器。簡化的陽極蓄池含有一個選擇性通過臭氧和氧氣而滯留水的膜。該膜優(yōu)選地為多孔聚四氟乙烯(PTFE)膜，可從W.L.Gore & Associates Inc.(位于Elkton，Maryland)購得，商品名為GORETEX。簡化的陽極蓄池還能取消連接陽極和陰極蓄池的管路中的關(guān)斷閥。沒有關(guān)斷閥，水自由地從陰極蓄池流向陽極蓄池以保持陽極蓄池充滿水。
本發(fā)明的再一個方面提供一種高效地生產(chǎn)臭氧的電解池。該電解池使用一個質(zhì)子交換膜(PEM)，例如全氟化磺酸聚酯片，緊密夾在陽極和陰極催化劑之間。陽極和陰極催化劑也分別與陽極流場和陰極流場緊密接觸。流場要么與置于各池之間的雙極板、要么與電解池組兩端的電流收集器板電接觸。陽極流場優(yōu)選地用鈦之類的閥用金屬制造。然而，由于閥用金屬在氫氣作用下會脆化，陰極流場優(yōu)選地用非閥用金屬的制造，例如不銹鋼、鎳、銅或其組合。
本發(fā)明的進(jìn)一個方面提供一個陽極和陰極流場，各有一個鄰近PEM的、平坦光滑且多孔的第一區(qū)，和一個更開放并提供一個低阻流路的第二區(qū)。第一區(qū)提供膜和電催化劑基本上連續(xù)并且均勻地支撐，使壓擠電解池組時不破壞膜和電催化劑。優(yōu)選的陽極流場有一個由多孔的粉末冶金鈦制成的第一區(qū)，和一個由輥軋延展的鈦制成的第二區(qū)，每一片從前一片旋轉(zhuǎn)90°角?？砂讯趸U(PbO2)之類的催化劑沉積在多孔的粉末冶金制成的陽極流場表面，也可沉積在PEM的表面。優(yōu)選的陰極流場有一個不銹鋼氈或絨和多孔不銹鋼制的第一區(qū)，和一個輥軋延展的不銹鋼制的第二區(qū)。如果第二區(qū)由延展的金屬制造，優(yōu)選地至少使用兩個延展的金屬片，且每個金屬片相對于前一個金屬片偏轉(zhuǎn)，最好為約90°。采用多個延展金屬片基本上消除了流場阻塞，在用單個延展金屬片時可能會發(fā)生此類阻塞。
因?yàn)椴讳P鋼氈如此易于壓縮，一種最優(yōu)選的陰極流場含有不銹鋼氈，至少兩個輥軋延展的不銹鋼，和一個置于氈和延展不銹鋼之間的剛性穿孔的不銹鋼片。優(yōu)選的穿孔不銹鋼片有大于氈中通道和小于延展不銹鋼中開孔的透孔。剛性穿孔不銹鋼片為不銹鋼氈提供支持并防止輥軋延展不銹鋼片損壞不銹鋼氈。
采用不銹鋼或鈦之類的氈提供了具有物理支持的膜，而剛性低于燒結(jié)料并且可以與膜或者膜對側(cè)的燒結(jié)料相符合。氈的可壓縮性防止對膜的總形變或者其它損傷，同時保持良好的接觸和支承。盡管氈可以用于電解池的雙側(cè)，但一般優(yōu)選地，氈僅用于一側(cè)，不論是陽極還是陰極。但是，由于氈的剛性低于燒結(jié)料，優(yōu)選地把氈用在電解池的高壓側(cè)，以防止氈被壓塌。
本發(fā)明提供一種適于小規(guī)模應(yīng)用的臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)。盡管本發(fā)明的臭氧發(fā)生器可以制得相當(dāng)大，但發(fā)生器也可制得相當(dāng)小而緊湊，以按應(yīng)用來生產(chǎn)臭氧。該臭氧發(fā)生器易于操作，并要求很少的保養(yǎng)。
在本發(fā)明的一個方面，一個陽極蓄池帶有一個疏水膜，來相分離在陽極從水中生產(chǎn)的氧和臭氧。疏水膜取消了對復(fù)雜的閥及水位指示器的需要，從而減少了潛在的損壞和維護(hù)。在陽極蓄池中采用疏水膜的另一個好處是蓄池可以充滿水，從而最有效地利用蓄池的空間。本發(fā)明使用的疏水膜包括任何抗臭氧、透氣而抗水的膜?？捎玫氖杷だ影ǘ嗫椎木鬯姆蚁?PTFE)和滲有氟化聚合物的多孔金屬或陶瓷。
在本發(fā)明的另一個方面，一個陰極相分離器帶有一個疏水膜，來從電滲轉(zhuǎn)移到陰極的水中產(chǎn)生的氫分離出來。該疏水膜置于陰極相分離器中，在從陰極形成的含氫水的上方。陰極相分離器可以獨(dú)立于電解池或陽極蓄池安放，從而提供了總系統(tǒng)結(jié)構(gòu)和尺寸的靈活性。
在本發(fā)明的又一個方面，陽極蓄池可連接到陽極，使陽極正面與陰極蓄池直接連通液體，即水和氣體可以自由流動其間。直接地連通液體使陽極處生產(chǎn)的臭氧能不經(jīng)過管路及歧管系統(tǒng)而通入陽極蓄池，那些管路系統(tǒng)從本質(zhì)上會造成臭氧泡聚結(jié)。在陽極處形成和分離微泡加強(qiáng)了臭氧溶入陽極水中并增加了陽極蓄池的臭氧儲存能力。把陽極直接連接到陽極蓄池的另一個優(yōu)點(diǎn)是，高效地從陽極帶走余熱。由于上升氣泡使陽極靠自然循環(huán)冷卻，因此該系統(tǒng)比利用泵強(qiáng)制循環(huán)方法對臭氧破壞得更少。
本發(fā)明的再一個方面中，陽極蓄池可提供一種含臭氧氣體、一種含高濃度臭氧的水流、或兼?zhèn)涠?。如果打算讓陽極蓄池兩者都發(fā)送，含臭氧氣體從陽極蓄池頂部附近的疏水膜上方得到，而含臭氧水流則從鄰接陽極的陽極蓄池底部附近抽出，即此處臭氧濃度最大。如果只需要臭氧氣體，陽極蓄池的尺寸可以按照臭氧需水起伏而設(shè)計為最小。
本發(fā)明的另一個方面，可不用泵而在壓力下發(fā)送氫氣、臭氧氣及/或含臭氧水。在一種完全被動的系統(tǒng)中，一個水源自由地與陽極蓄池和陰極相分離器連通，使氫氣、臭氧氣和含臭氧水可以水源同樣的壓力發(fā)送。被動系統(tǒng)全無運(yùn)動部件，極少需要保養(yǎng)。如果需要較高壓力，可以使用一種自加壓系統(tǒng)，其中用一個防倒流裝置保護(hù)低壓的水源，而從陽極蓄池出來的臭氧氣出口包括一個壓力控制裝置。臭氧氣體和氫氣的輸出壓力互不相關(guān)，直到達(dá)到共同的最大壓力。
本發(fā)明的又一個方面提供一種有效地從陽極氣體中洗滌臭氧的陽極蓄池。優(yōu)選地把熱補(bǔ)給水源導(dǎo)入陽極蓄池的頂部，由此建立一個溫度梯度(高溫在頂部，低溫在底部)和一個臭氧飽和梯度(高臭氧濃度在底部，低臭氧濃度在頂部)。緊鄰陽極并位于蓄池底部最冷的水保持臭氧的最高濃度，并提供第一個捕捉來自氣泡流的臭氧的機(jī)會。加進(jìn)陽極蓄池頂部的水僅能捕獲不能為其下方的水利用的臭氧，該下方的水就是向臭氧消耗過程發(fā)送臭氧的第一種水。
本發(fā)明的又一個方面提供一種獨(dú)一無二的氣體摧毀系統(tǒng)，它可摧毀廢氫及/或臭氧。氫氣與氧(或空氣)混合并通過摧氫催化劑而產(chǎn)熱。熱氣，包括多余的氧然后可與多余的臭氧結(jié)合，向下游經(jīng)過一個臭氧摧毀催化劑。由于臭氧發(fā)生器不停地產(chǎn)生氫。氫摧毀產(chǎn)生的熱把臭氧催化劑保持在較高的溫度使之更具活躍性，并不停地干燥臭氧摧毀催化材料。以此方式，臭氧摧毀催化劑保持在隨時可摧毀臭氧的狀態(tài)。變通地，氫摧毀可提供高度數(shù)的熱，可用于其它無關(guān)的過程，例如加熱家用熱水。
本發(fā)明提供一種用于現(xiàn)場產(chǎn)生和發(fā)送臭氧的臭氧發(fā)生器，它可以按適合的恒定的或可變的需求以相應(yīng)的速率提供臭氧。該臭氧發(fā)生器可以工作為批量方式，此時對臭氧的短期需求顯著高于電化學(xué)池和最高臭氧發(fā)生速率，而此需求又是周期性的。在此情況下，如果日平均需求相當(dāng)于日平均產(chǎn)量，該系統(tǒng)可在水中溶解足夠量的臭氧，從而如果相關(guān)過程需要臭氧時，可以以高濃度形式提供，并在注入過程水流時稀釋之。本發(fā)明的臭氧發(fā)生器可以為該過程提供含高濃度溶解臭氧的水流、高百分比重量臭氧的氣流，或二者兼有的臭氧。
該臭氧發(fā)生器包括一個或多個電解池，后者含一個陽極、一個陰極和一個置于陽極和陰極之間的質(zhì)子交換膜(PEM)。PEM不僅傳導(dǎo)質(zhì)子，而且隔離電子且不透氣，來把在陽極產(chǎn)生的臭氧和氧氣與在陰極產(chǎn)生的氫和其它氣體分開。優(yōu)選的PEM為全氟化磺酸聚合體，商品名為NAFION，可從Du Pont de Nemours公司(位于Wilmington，Delaware)購得。
該臭氧發(fā)生器還含有一個陽極蓄池，它與陽極連通液體，并且具有一個從液態(tài)水中分離臭氧和氧的裝置。該陽極蓄池優(yōu)選地安放成可使從陽極蓄池到陰極自由流動，并可使水、氧氣、臭氧氣從陽極到陰極蓄池自由流動。還優(yōu)選地，適當(dāng)?shù)卦O(shè)計和定向陽極及陰極蓄池，使得水的自由流動還受一種正常運(yùn)轉(zhuǎn)的結(jié)果產(chǎn)生的過程所驅(qū)動，例如由熱梯度和陽極產(chǎn)生氣體泡的上升形成的自然循環(huán)。如果要求使用的是產(chǎn)生臭氧飽和水，陽極與陰極蓄池之間的流體連通就設(shè)計成盡可能減少臭氧氣泡聚結(jié)，保持小臭氧氣泡尺寸使氣泡的表面面積最大，從而加強(qiáng)了與陽極蓄池中水的接觸。
該陽極蓄池還有一個多孔疏水膜，其安放的方式為氧和某些在陽極產(chǎn)生并混在陽極蓄池內(nèi)的水中的臭氧之間提供相分離。采用疏水膜，使陽極蓄池能夠直接接觸水源，來不斷地充灌陽極蓄池并在與饋水相同壓力下發(fā)送臭氧氣、氧氣和溶解在陽極水中的臭氧。水源優(yōu)選地經(jīng)小直徑管路與陽極蓄池連通，以減少或消除由于擴(kuò)散出該系統(tǒng)而損失的臭氧量。優(yōu)選的多孔疏水膜由聚四氟乙烯(PTFE)制成，如W.L.Gore & Associates公司(位于Elkon，Maryland)出售的GORETEX。
該臭氧發(fā)生系統(tǒng)還含有一個與自己的相分離器直接連通的陰極，使陰極產(chǎn)生的氫能排出用于一個從屬過程，用于通氣、或摧毀。陰極相分離器也可置于與陽極蓄池流體連通，從而使通過電滲透從陽極轉(zhuǎn)移到陰極的水最終返回陽極。該相分離器利用一種多孔疏水膜，使氫氣能向任何低于陰極壓力的壓力處自由釋放，同時保持系統(tǒng)中的水處于等于或高于氫氣排放壓力。
盡管陽極和陽極蓄池可以經(jīng)過管路與有大的池有效面積的過濾器迫緊型電解池組等連通液體，但一般優(yōu)選陽極置于與陽極蓄池直接連通液體，使陽極正面沿著陽極底板或壁可實(shí)現(xiàn)直接流體連通，同樣地，陰極可以與陰極相分離器連通氫和水，不論是經(jīng)過管路，還是把陰極相分離器置于與陰極直接連通液體。兩種陰極相分離器的結(jié)構(gòu)都是適用的。遠(yuǎn)離的陰極相分離器可以獨(dú)立地安放，但一體化的相分離器可能需要的零部件更少。
因此，本發(fā)明可以設(shè)計為，陽極蓄池和陰極相分離器的兩者之一，兩者都或者都不與電解池直接連通液體。在陽極蓄池和陰極相分離器都直接連通液體時，該系統(tǒng)可取L形或U形構(gòu)形，使陰極能放置成面對或者側(cè)對，使臭氧氣泡能夠分離，而陽極蓄池和陰極相分離器的疏水膜要放在其各自腔室頂部附近。
電解池優(yōu)選地產(chǎn)生氧氣中含有約10％至18％重量臭氧的氣體。這種電解池，包括去極化電解池，述于美國專利No.5,460,705，其說明在此引作參考。全被動生產(chǎn)臭氧的電解池，最優(yōu)選地用于小的定向應(yīng)用場合，例如定向用于水處理，或者裝入需要臭氧進(jìn)行消毒、潔凈、洗滌等的設(shè)備中。沒有運(yùn)動部件降低了裝置的原始成本，還減少了潛在的裝置故障及保養(yǎng)。
該陽極蓄池進(jìn)一步優(yōu)選地含有一個冷卻陰極蓄池中的水的冷卻裝置。由于冷卻的水與陽極、PEM直接連通，并且與陰極緊密地?zé)徇B通，電解池可以保持一個設(shè)定的溫度，優(yōu)選地在約35℃以下，這樣，電解池工作最高效，溶解在水中的臭氧量比高溫下多，而且溶解的臭氧的壽命延長。如果沒有某種形式冷卻構(gòu)件，電解池中電阻產(chǎn)生的熱會提高電解池的溫度，影響電解池的工作和凈臭氧輸出。作為冷卻系統(tǒng)的另一個方面，發(fā)生器系統(tǒng)設(shè)計適于用固態(tài)冷卻器，如熱電裝置。
一種優(yōu)選的電解池使用質(zhì)子交換膜(PEM)，如全氟化磺酸聚合體片，緊密接觸在陽極和陰極催化劑之間。陽極和陰極催化劑也與多孔基底緊密接觸，后者分別與陽極及陰極流場形成電接觸，流場典型地為多孔金屬，例如金屬網(wǎng)柵或者粉末冶金金屬顆?；蚶w維，并提供電化學(xué)池工作所必需的導(dǎo)電性。陽極流場優(yōu)選地由閥門用金屬，如鈦制造。然而，由于閥門用金屬與氫接觸會變脆，陰極流場優(yōu)選地用非閥門用金屬制造，如不銹鋼、鎳、銅、或者其結(jié)合物。
優(yōu)選地，該系統(tǒng)包括備用電池，在停電或不操作時保持跨電解池的電勢。優(yōu)選的備用電池系統(tǒng)包括一個連接電解器電源的電池，或者，如果有適當(dāng)保護(hù)，可直接連接市電。保持跨電解池的電勢證明可以延長二氧化鉛電催化劑的壽命，后者在完全沒有電勢時會降低產(chǎn)臭氧能力。而且，保持流經(jīng)電解池的電流還改善了接通響應(yīng)，使系統(tǒng)能快速進(jìn)入全輸出。
一個氫摧毀單元可以置于與氫相分離器的排氫口連通。氫摧毀具有一個貴金屬(如鉑或鈀)之類的催化劑，其中氫可以與氧結(jié)合，優(yōu)選地與自由的環(huán)境空氣或強(qiáng)流空氣中的氧結(jié)合，而沒有會產(chǎn)生熱及水蒸汽的火焰。類似地，一個臭氧摧毀單元或稱“臭氧摧毀”可以置于與陽極蓄池相分離器的排臭氧口連通，產(chǎn)生并分離但臭氧消耗過程沒有用完的臭氧在接觸時被催化摧毀。臭氧摧毀含有Fe2O3、MnO2或貴金屬(如鉑或鈀)之類的催化劑。該臭氧摧毀系統(tǒng)的工作由于與氫摧毀單元熱連通而得以加強(qiáng)。以此方式，氫氣與環(huán)境空氣的催化結(jié)合產(chǎn)生的廢熱以及臭氧降解為氧氣產(chǎn)生的熱可以用作高度數(shù)余熱。利用此余熱的一個例子是蒸餾臭氧發(fā)生系統(tǒng)的饋水來改善水質(zhì)。其它應(yīng)用為加熱無關(guān)過程的用水，如中央供暖、洗衣或家用熱水。
本發(fā)明的電解器能夠有效地產(chǎn)生高壓力的陽極和陰極氣體。此高壓能力使陽極蓄池能建立并保持高于用于充灌陽極供水壓力的壓力。這通過在通向陽極蓄池的饋水入口設(shè)置一個防倒流裝置和釋放陽極壓力的裝置來完成。當(dāng)陽極壓力釋放并保持低于水源壓力時，饋水自由地流入陽極蓄池。如果陽極蓄池的壓力建立并不讓排泄的話，蓄池內(nèi)的壓力就會升高。類似地，陰極系統(tǒng)也在高壓力或低壓力下發(fā)送氫氣。
優(yōu)選地提供一個釋壓構(gòu)件，使之不超過最高設(shè)計壓力。這可僅為液體，或?yàn)橐后w和氣體提供，但是不應(yīng)單獨(dú)為氣體提供，因?yàn)槭杷辉试S水離逸陽極蓄池。因此本發(fā)明的一個附加方面包括一個氣室，后者提供一個捕氣空間起一個容量緩沖器作用。在整個陽極蓄池灌滿水而沒有設(shè)使過量水能排出陽極蓄池的裝置時，容限在氣室的捕捉氣體的體積隨電解器產(chǎn)生氣泡而受壓縮，并隨氣泡經(jīng)過相分離器而發(fā)生膨脹。理想地，該氣室如此安置并設(shè)計，使其氣體不可能被液體置換，因?yàn)檫@些置換進(jìn)來的液體會減少該捕捉氣體室的容積。一種優(yōu)選的氣室為一個置于陰極及/或陽極蓄池內(nèi)的倒U形管。另一個特別優(yōu)選的氣室可以通過在任何與蓄池連通的液體管線中放置一個豎直短管形成，最優(yōu)選的是該短管位于陰極和陽極相分離器間的液體管線上，這樣就能連續(xù)地保持捕捉空間。
本發(fā)明的一個方面中，陽極及/或陰極蓄池設(shè)有分離氣相和液相的裝置，包括疏水膜或機(jī)械閥，它們能夠相分離電極處從水中產(chǎn)生的氣體，并用于保持水位。優(yōu)選的相分離器是一個疏水膜，這樣可省去閥和水位指示器的復(fù)雜系統(tǒng)，從而省卻了耐臭氧的密封及材料，減少了潛在的損壞，并減少了保養(yǎng)工作。在陽極蓄池中采用疏水膜的另一個好處是蓄池可以充滿水，能最充分地利用蓄池的空間。本發(fā)明使用的疏水膜可以是任何耐化學(xué)作用的膜，也就是說陽極相分離器要耐臭氧、透氣并拒水?？捎玫氖杷さ睦影ǘ嗫拙鬯姆蚁?PEFE)和滲有氟化聚合體的多孔金屬或陶瓷。
本發(fā)明的另一個方面，陰極相分離器設(shè)有一個相分離裝置，如保持水位的機(jī)械閥，或多孔疏水膜，使在陰極處從電滲透轉(zhuǎn)移到陰極的水中產(chǎn)生的氫氣能氣相分離。優(yōu)選的相分離裝置是一個置于陰極蓄池中的疏水膜，它位于來自陰極的含氫水的上方。陰極相分離器可以獨(dú)立于電解池或陽極蓄池放置，從而為整個系統(tǒng)的構(gòu)形和尺寸提供了靈活性。當(dāng)使用多孔疏水膜時，陰極可直接與水源接觸，這時，系統(tǒng)輸出(臭氧/氧氣或氫氣)的最高壓力受限于供水壓力。因此，可望包括一個置于水的預(yù)處理和引入之前的水壓提升裝置，例如泵。再有，此泵不必耐化學(xué)作用，只需適應(yīng)于去離子水就行。
本發(fā)明的另一個方面為氫氣、臭氧氣及/或含臭氧水提供不用泵也能在壓力下發(fā)送。在完全被動系統(tǒng)中，水源與陽極蓄池和陰極蓄池連通，從而，氫氣、臭氧氣和含臭氧的水可以在水源同樣的壓力下發(fā)送。被動系統(tǒng)無運(yùn)動部件并要求極少量保養(yǎng)。如果要求壓力更高，可采用一個自加壓系統(tǒng)，其中低壓水源由一個防倒流裝置來保護(hù)，并且陽極蓄池的臭氧氣輸出口包括一個壓力控制裝置。臭氧氣和氫氣的輸出壓力互不關(guān)聯(lián)，直到達(dá)到共同的最高壓力。
本發(fā)明的又一個方面，提供一個直立水柱類的陽極蓄池，它有效地從陽極氣體洗滌臭氧。陽極蓄池中的水可冷卻或者加壓以增加驅(qū)入溶液中的臭氧，并且，優(yōu)選地，使陽極水的混合最小。首先，本溶解、儲存和發(fā)送含高濃度臭氧水的系統(tǒng)可裝備內(nèi)水平隔板，用于在向陽極蓄池供新鮮水取代飽和水時使水的混合最小。內(nèi)隔板防止氣體上升混合，也就是由于上升的臭氧/氧氣泡造成的陽極蓄池中的水從底部到頂部攪動?？稍诟舭逯性O(shè)一個小孔而使氣泡從中通過。第二，新鮮水可先用熱交換器之類的東西加熱，然后再輸入到陽極蓄池中，以把新鮮水的溫度升高到或者稍高于環(huán)境溫度。熱補(bǔ)給水源優(yōu)選地引入到陽極蓄池的頂部，從而建立一個溫度梯度(頂部高溫、低部低溫)和一個臭氧飽和梯度(底部高濃度、頂部低濃度)。鄰近陽極的蓄池底部的最冷的水保持著臭氧的最高濃度，并且有從氣泡流中捕獲臭氧的第一機(jī)會。加到陽極蓄池頂部的水僅能捕獲不為其下方的水利用的臭氧，下部的水是要送到臭氧消耗過程的第一種水。因此，水的熱分離為混合造成了一個自然屏障。最后，可在陽極蓄池內(nèi)置多層疏水膜，使氣體直接沿水柱向上轉(zhuǎn)移，同時防止水的混合。在疏水膜之間的隔離區(qū)域或者說“微蓄池”內(nèi)的水流可以用直徑足夠小的外管路提供，以防止臭氧的反向擴(kuò)散。
本發(fā)明的另一個方面提供一個水潔凈系統(tǒng)，優(yōu)選地設(shè)在陰極蓄池循環(huán)回路中，由活性碳之類的催化劑床組成，以摧毀任何因膜或密封泄露、電滲透等在陰極水中存的臭氧，并且在該系統(tǒng)上串連管接一個去離子柱。陰極循環(huán)水全部或部分可經(jīng)該潔凈系統(tǒng)循環(huán)以連續(xù)地純化和為水去離子。除潔凈循環(huán)水外，同樣的或者不同的潔凈系統(tǒng)可以在補(bǔ)給水進(jìn)入陰極回路之前對其處理。
本發(fā)明的另一個方面，通過減少陽極蓄池的尺寸或者完全取消陽極蓄池而僅為陽極提供最少量的水，極大地減少陽極系統(tǒng)中的水量。把該系統(tǒng)設(shè)計成可以保持陽極的水位，使來自陽極的多余的水被臭氧氣流帶出陰極。然而，即使去掉了陽極蓄池，還是應(yīng)向陽極供水。水既可以用機(jī)械控制和反饋系統(tǒng)，也可以以預(yù)定的輸水速率供應(yīng)，諸如采用一個按電解器電流、時間及其它相關(guān)參數(shù)設(shè)計的小孔。另外，固定的輸水速率可以設(shè)計得稍微多提供一點(diǎn)兒水，多余的水會被臭氧氣卷走。
本發(fā)明的又一個方面提供間接地向陽極輸送電解用水及/或間接地向用于氫化的膜輸水。間接輸水可以利用適當(dāng)?shù)哪せ蛘呃霉艿肋B通著水源的管形膜裝置從陰極反向擴(kuò)散水來提供。
本發(fā)明的再一個方面可用去極化方式運(yùn)轉(zhuǎn)陰極，例如通過把氫與氧，可能是來自空氣中和氧相結(jié)合，以形成蒸汽而非氫氣。氧及其它去極化劑可用于改進(jìn)電解器的工作效率。
本發(fā)明的系統(tǒng)優(yōu)選地進(jìn)一步含有一個水冷卻構(gòu)件，它與陽極回路中的過程水熱連通，或者，優(yōu)選地與陰極回路中的過程水相連通。更優(yōu)選地，冷卻構(gòu)件設(shè)計得把電解池保持在約35℃以下的溫度，在此溫度下，延長已存在的溶解臭氧的壽命。若沒有某類冷卻構(gòu)件，電解池中電阻產(chǎn)生的熱會升高電解池的溫度，影響電解池工作和凈臭氧輸出量。
移位水冷卻構(gòu)件而使陰極回路進(jìn)行熱管理對全系統(tǒng)提供了三個基本好處。第一優(yōu)點(diǎn)涉及材料兼容性要求。陽極回路中的所有部件都必須適應(yīng)與臭氧飽和水一起運(yùn)轉(zhuǎn)，許多部件必須在材料上耐受更具腐蝕性的臭氧氣。因此用于陽極回路中濕元件的結(jié)構(gòu)材料優(yōu)選地選自鈦，316號不銹鋼、玻璃、聚四氟乙烯(可從Du Pont de Nemay，E.I & Co公司購賣Teflon產(chǎn)品，該公司位于Wilmington，Delaware)，和聚偏氟乙烯(如Elf Atochem出售的Kunar)等。相反，陰極是相對穩(wěn)定的系統(tǒng)，任何適應(yīng)高質(zhì)去離子水系統(tǒng)的材料都適合。大部分常見材料均適用于陰極回路中，包括與適用陽極回路的材料相比非常便宜的熱塑性塑料。此外，這些構(gòu)件用材多可從商界現(xiàn)貨購得，不用定制。例如陰極蓄池可以用聚乙烯制造而不必用陽極蓄池所要求的玻璃或者不銹鋼。
把熱管理移位到陰極回路的另一個好處是，增加臭氧的輸出，因?yàn)殛枠O回路中所含的水量這樣就可以降到最少。事實(shí)上，此處可僅有不到1升水，不然就要含有數(shù)十升水來覆蓋冷卻構(gòu)件的陽極回路。由于臭氧在水中的壽命遠(yuǎn)低于氣體形式的壽命，減少陽極回路中的水量，會減少為補(bǔ)充臭氧對水的損失對電解器的不斷的需求。另外限制陽極回路中的水量，可使相分離部分或全部在電解器組本身的陽極部分中進(jìn)行，而不是在外部的蓄器中進(jìn)行。這也增加了臭氧輸出，因?yàn)槌粞鯕馀菖c水接觸的時間少了，從而降解少了。
把熱管理移到陰極回路的另一個好處是，冷卻水循環(huán)泵從陽極回路改裝到陰極回路中。循環(huán)泵對溶解臭氧水所做的機(jī)械功使水中溶解的臭氧造成破壞，或者說降解。因?yàn)樗怀粞躏柡?，任何被去除或者摧毀的臭氧，此處是由于機(jī)械功造成的，都必須被置換。由于把循環(huán)泵移至陰極回路而避免了如此毀掉臭氧。
圖1為一個自操作臭氧發(fā)生器10的示意圖，它只靠電和蒸餾水運(yùn)轉(zhuǎn)。該臭氧發(fā)生器10的心臟是一組12的電解池(圖示為2個)14，被雙極板(圖示為1個)16分開并夾在一個正端板18和一個負(fù)端板20之間。兩個電解池各有一個陽極間22和一個陰極間24，它們被一個質(zhì)子交換膜26分開。電解池以美國專利No.5,460,705所述電解池相似的方式構(gòu)成，該專利說明在此引作參考，基本區(qū)別在于優(yōu)選的本發(fā)明陽極間和陽極間包括輥軋延展的金屬流場，而陰極間充水而不是氣體。出入陽極和陰極間的流向示意于圖1中，為了簡化僅畫出流經(jīng)框構(gòu)件28的。然而，應(yīng)當(dāng)了解，流體實(shí)際上流經(jīng)相鄰框構(gòu)件28、雙極板16、質(zhì)子交換膜等形成的歧管，它們把流體連通到端板18、20。
陽極間22供有來自陽極蓄池30的水。陽極蓄池30還起液/氣分離器的作用，其中，在陽極間22產(chǎn)生的氧和臭氧從去離子水中擴(kuò)散過來并收集在蓄池30的頂部。蓄池30優(yōu)選地包括一個豎管32來加強(qiáng)液/氣分離。優(yōu)選的豎管22在其側(cè)壁低于水線下包括一個小孔34，更優(yōu)選地是該小孔靠近陽極蓄池30的底部，它當(dāng)臭氧發(fā)生器在小流量閑置狀態(tài)時使豎管32中的水位下降，如循環(huán)泵關(guān)閉時，從而氣體能夠通過自然手段從陽極間22繼續(xù)上升。小孔34在正常運(yùn)轉(zhuǎn)時不干擾氣體沿豎管32上升。
陽極蓄池30中的水通過泵32循環(huán)回陽極間22。隨著水被生產(chǎn)氧和臭氧的電化學(xué)反應(yīng)消耗，水可以從去離子水源38或者從陰極蓄池40向陽極蓄池添加，這在后面還要詳述。在陽極蓄池30的上部聚集的氣體，基本上包括氧和臭氧，經(jīng)過一個臭氧控制閥42釋放。臭氧控制閥42控制氣體從蓄池30流出，要么以機(jī)械的方式控制，要么按系統(tǒng)控制器44的指令控制，后者可編程為各種方式。然而，控制閥32優(yōu)選地打開以保持水位高于水位傳感器46。
陰極蓄池40保持住從陰極間24上升的去離子水，陰極蓄池40還起液/氣分離器的作用，其中，在陰極間24產(chǎn)生的氫從去離子水中擴(kuò)散出來并收集在蓄池40的頂部。氫控制閥48與各種系統(tǒng)傳感器，優(yōu)選地與高/低液位指示器50、52協(xié)同控制氣體從蓄池40頂部流出。
陽極蓄池30和陰極蓄池40優(yōu)選地彼此連通并與去離子(DI)水源38連通。盡管這些部件可以用各種途徑連通，優(yōu)選為，系統(tǒng)保持簡單并包括最少量的閥門和連接口。一個優(yōu)選的構(gòu)形示于圖1，具有包括一個在蓄池30、40之間的第一關(guān)閉54和一個在DI水源38與陰極蓄池之間的第二關(guān)閉閥56的管路。還優(yōu)選地具有提供排水回路的管路，它有一個在陽極蓄池30和排水62之間的第三關(guān)閉閥58和一個在DI水源38和排水62之間的第四關(guān)閉閥60，以旁路第一和第二關(guān)閉閥用于沖洗或排空系統(tǒng)。
一個冷卻構(gòu)件64設(shè)置與陽極蓄池30中水的熱連接。優(yōu)選地，冷卻構(gòu)件64為一個放在陽極蓄池30內(nèi)的冷卻螺管，它經(jīng)過一個冷卻循環(huán)來循環(huán)一種冷卻流體，此冷卻循環(huán)包括一個冷凝器60和一個壓縮機(jī)68。盡管只示出了約三圈冷卻螺管64，但可以采用任意圈數(shù)。
臭氧發(fā)生器10還包括一個主電源單元70和一個從交流至直流轉(zhuǎn)換的整流器72用于運(yùn)轉(zhuǎn)電解池陣列12。主電源單元70優(yōu)選地經(jīng)合適的導(dǎo)線向發(fā)生器10中全部用電裝置供電。發(fā)生器10優(yōu)選地包括一個支持主電源單元70的備用電池74，它在斷電時向系統(tǒng)控制器44提供平穩(wěn)的直流電。電池74優(yōu)選地由充電器連續(xù)充電以保持電池74充滿電。主電源單元74和充電器76直接經(jīng)電線78連接到某外電源，如普通家用電網(wǎng)，或者汽油發(fā)電機(jī)用于邊遠(yuǎn)地區(qū)。
臭氧發(fā)生器10優(yōu)選地用一個系統(tǒng)控制器44自動控制，后者從傳感器接收各種信號并且切換和發(fā)送控制信號至圖1中所示的閥門、泵、開關(guān)及其它裝置。系統(tǒng)控制器44執(zhí)行存儲在記憶裝置中的系統(tǒng)控制軟件。該軟件編程以監(jiān)視指示系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的各種信號并按這些狀況控制各種裝置。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到系統(tǒng)控制器的編程可以進(jìn)行本發(fā)明范圍內(nèi)任意多數(shù)量的程式，并且包括附加的，非必需的程序，如系統(tǒng)診斷、通信、數(shù)據(jù)儲存等等。再有，該系統(tǒng)可包括此處未示或未說明的附加裝置和監(jiān)視器，如電源開關(guān)等。
在臭氧發(fā)生器10的工作中，去離子水源38優(yōu)選地以高于陽極蓄池30和陰極蓄池40正常工作范圍的壓力供水，從而可在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中添加去離子水。蓄池30、40優(yōu)選地設(shè)計工作在約0至30psig(206.8kN/m2)間的壓力范圍，而去離子水通常以約50psig(344.7kN/m2)向系統(tǒng)供應(yīng)。在發(fā)生器開始起動時，連接蓄池30、40和去離子水源38的閥54、56開啟。但通向一個系統(tǒng)排水62的閥58、60保持關(guān)閉。去離子水充灌陽極間22和陰極間24。在充灌陽極蓄池30和陰極蓄池40之前，氣閥42、48關(guān)閉，使系統(tǒng)中的壓力能上升至約30psig(206.8kN/m2)。向系統(tǒng)中提供附加的去離子水升高蓄池30、40的水位到達(dá)高水位傳感器46、50，通過把捕餡的空氣分別經(jīng)蓄池30、40中的氣閥42和48放走，以保持系統(tǒng)壓力低于約30psig(206.8kN/m2)。當(dāng)蓄池充灌滿時，去離子水流由第二關(guān)閉閥56終止。在向電解池12陣列供電時，開始用泵36循環(huán)陽極蓄池中的水和用冷卻構(gòu)件64冷卻蓄池30中的水。第一關(guān)閉閥54一般保持開啟，使從陽極間22經(jīng)質(zhì)子交換膜26帶向陰極間24的水能上升至陰極蓄池40并最終返回陽極蓄池30。
臭氧發(fā)生器起動時氣體閥關(guān)閉，使氧氣、臭氧和水蒸汽聚集在陽極蓄池30，而氫氣和水蒸汽聚集在陰極蓄池40，直至系統(tǒng)壓力達(dá)到要求的約30psig(206.8kN/m2)。氣閥42、48由系統(tǒng)控制器44操作以保持所要求的系統(tǒng)壓力，并在同時經(jīng)管線80向臭氧消耗過程，如前述氧化過程輸送氧/臭氧。濕氫可以收集使用或者燒掉。該臭氧發(fā)生器可以連續(xù)工作，同時可以通過暫時經(jīng)氣閥42、48增加氣流來補(bǔ)償向系統(tǒng)添加的水而不增高系統(tǒng)壓力。變通地，可在添加去離子水之前降低系統(tǒng)壓力。
圖2所示為另一種臭氧發(fā)生器140的示意圖，它可以不用控制器、閥門及水位傳感器工作。臭氧發(fā)生器140以與圖1所示臭氧發(fā)生器10相同的方式工作，但被改成以完全被動的方式工作，即不需要控制系統(tǒng)、閥及水位傳感器。發(fā)生器140取消了構(gòu)成圖1發(fā)生器10的全部電磁閥54、56、58、60、42、48、全部水位傳感器46、50、52和控制系統(tǒng)44。
被動發(fā)生器140提供了所有水處理要求并保持陽極蓄池142和陰極蓄池144中的滿水位。這些蓄池142、144都置于與去離子水源146直接連通。在陰極蓄池144和陽極蓄池142之間的流體管線直徑小到使從陰極蓄池144向陽極蓄池142提供足夠快速的液流，從而使溶解在陽極水中的臭氧不能擴(kuò)散到陰極蓄池144中。一個防倒流裝置150防止水或氣流從陽極蓄池142流到陰極蓄池144。
圖1所示的放氣控制閥42和48為疏水膜或者相分離器152、154取代，后者防止水液逸出蓄池142、144的頂部。這些疏水相分離器152、154對液態(tài)水提供了屏障，但是允許水蒸汽、氫氣、氧氣及臭氧氣之類的氣體自由轉(zhuǎn)移。分離器152、154在起動充灌時使來自去離子水源的水能夠取代蓄池142、144中排除了全部氣體，并且在水與疏水膜152、154直接接觸之后，隨著蓄池142、144中的壓力等于水源46的壓力，輸水停止。在全部工作過程中，在每個蓄池142、144中的水持續(xù)保持在這個水位。
在臭氧發(fā)生器系統(tǒng)140的正常運(yùn)轉(zhuǎn)中，在電解器156中產(chǎn)生的氣泡轉(zhuǎn)移到蓄水池中。在電解器156的陽極間158中產(chǎn)生的氧和臭氧氣泡轉(zhuǎn)移到陽極蓄池142，而在陰極間160中產(chǎn)生的氫氣泡轉(zhuǎn)移到陰極蓄池144，此處氣泡上升到各自蓄池的頂部表面與疏水膜152、154接觸。疏水膜152、154對來自蓄池內(nèi)部的、處于高壓下的氣體和水蒸汽向通氣管線162、164轉(zhuǎn)移幾乎沒有或者根本沒有限制。分離器152、154由支持結(jié)構(gòu)166、168適當(dāng)?shù)刂?，后者不僅對氣體和凝結(jié)液體提供自由流動，還對膜提供充分的支承，從而使蓄池之間的水和通氣管線的氣之間壓差可超過約100psig，膜152和支架166依次由容器頂170提供機(jī)械支承和液、氣密封。臭氧/氧的放氣口與膜152的干燥側(cè)連通，使原先保留在氣泡中的氣體能夠離開陽極蓄池。類似地，氫放氣管164與其膜154的干燥側(cè)直接連通，使原先保留在氣泡中的氫氣能離開陰極蓄池144。
可增加一個壓力調(diào)節(jié)器172，使膜152干燥側(cè)的氧和臭氧壓力可以達(dá)到任意值，直至容器142內(nèi)的液體壓力。以類似的方式，可以對氫放氣管164加一個壓力調(diào)節(jié)器174以控制氫的發(fā)送壓力。壓力調(diào)節(jié)器172、174可以相互獨(dú)立地工作，能夠把來自陽極蓄池142和陰極蓄池144氣體壓力從亞環(huán)境壓力單獨(dú)調(diào)節(jié)至水的壓力，水壓力對陽極蓄池142和陰極蓄池144是共同的?？梢约舆^壓調(diào)節(jié)器176、178，萬一排氣管162、164阻塞或產(chǎn)生過多氣體時來防止系統(tǒng)過壓。由釋壓閥176出來的臭氧可以在氣體經(jīng)放氣管180放至大氣之前用催化摧毀單元178摧毀。多余的氫或過壓氣體中的氫可以在一個催化摧毀單元182中摧毀，它用一個氣泵184提供的空氣中的氧與氫氣反應(yīng)。產(chǎn)生的水蒸汽和多余空氣經(jīng)過一個放氣管186放到大氣中。兩個摧毀單元178、182可置于相互連通，這樣，氫/氧化合反應(yīng)產(chǎn)生的廢熱可幫助摧毀臭氧。
可選擇在去離子水源146和蓄水池142、144之間加一個增壓泵188。可在供水管線上增加一個樹脂床以進(jìn)一步調(diào)節(jié)水。優(yōu)選地進(jìn)一步包括一個含有流速調(diào)節(jié)裝置192的回水回路，以連續(xù)地潔凈進(jìn)水，可用一個防倒流裝置194防止水倒流回水源146。
一個在陰極蓄池144中的輔助放氣系統(tǒng)，在供水中斷時防止氫氣從陰極蓄池144轉(zhuǎn)移到陽極蓄池142中。這是利用一個浸管196完成的，它在陰極蓄池144中向下伸到一個位于蓄池底部上方的、界定最低可接受水位的點(diǎn)198。浸管196向上伸出蓄池并連通一個帶有適當(dāng)支架和殼202的疏氫膜200。當(dāng)水位高于點(diǎn)198并且蓄池在壓力下時，水迫使管196中的所有氣體經(jīng)過疏氫膜200并且從處于大氣壓或低于大氣壓的放氣管203放出去。如果陰極蓄池中的水降至低于點(diǎn)198，現(xiàn)在在該管中的水從該管196中排進(jìn)蓄池144，使陰極蓄池144中的氣體能沿浸管向上逸出放氣管203。以此方式，蓄池144內(nèi)的壓力降低至環(huán)境壓力，防止液體進(jìn)一步從陰極蓄池轉(zhuǎn)移到陽極蓄池。
陽極蓄池142優(yōu)選地包括一個類似的輔助通氣系統(tǒng)，它有一個浸管204、疏氫相分離器206、殼208、及放氣管210。通過某個事件，如入水的壓力起伏，如果陽極蓄池142中的壓力大于陰極蓄池144中的壓力，從陰極蓄池到陽極蓄池的壓力驅(qū)動水轉(zhuǎn)移就會停止。如果陽極蓄池中的水位降到低于浸管204的下口212時，陽極系統(tǒng)中的壓力降低，重新建立從陰極蓄池到陽極蓄池的壓力驅(qū)動水轉(zhuǎn)移。
系統(tǒng)140的其余部分可保持與圖1中的發(fā)生器的其余部分不變。因此，系統(tǒng)140可包括一個陽極循環(huán)泵36、一個電源70、一個冷卻系統(tǒng)66，以及一個帶有水位平衡孔34的豎管32，它用于在陽極泵36關(guān)閉而水位降到低于豎管32頂部之下時自然循環(huán)水。冷卻系統(tǒng)64、66、68可用一個電子或者機(jī)械溫度控制器106和一個溫度傳感器35來操作，后兩者與冷凝系統(tǒng)和受溫度控制體直接連通，在圖1和圖2中受控體是陽極蓄池水，但也可以是陽極端板，或者其它任何代表電解器溫度的位置。電源單元70也以自動方式工作，具有電源輸出的自控以匹配臭氧需求。電解池臭氧優(yōu)選地用一種電解法產(chǎn)生，它提供工藝流程和成本兩方面的好處。用電解法，使用一個專門的電解池電解水發(fā)生臭氧。電源和水源是電化學(xué)生產(chǎn)O3的唯一需求。與通過電暈過程產(chǎn)生臭氧不同，電解發(fā)生的臭氧不含毒性副產(chǎn)品。電解反應(yīng)通過在陽極和陰極之間加直流電而發(fā)生，陽極和陰極分置在一個質(zhì)子交換膜(PEM)的兩側(cè)，后者優(yōu)選地為全氟化磺酸樹脂膜(如DU PON de Nemours公司(位于Wilminton，Delaware)出售的NAFION 117)。水饋往發(fā)生水氧化的陽極催化劑處，產(chǎn)生吸熱的O2演生反應(yīng)以及O3形成反應(yīng)。
利用過高電位和一定的電極材料選擇性地以犧牲O2演生來加強(qiáng)O3形成。水氧化反應(yīng)產(chǎn)生的質(zhì)子和電子在陰極重新結(jié)合。電子經(jīng)過外電路傳導(dǎo)到陰極。電子和質(zhì)子在水的存在下在陰極重新結(jié)合形成氫氣。
用PEM替代液體電解質(zhì)提供了幾個優(yōu)點(diǎn)。第一簡化了液體管理并消除了腐蝕性液體漏出的可能性。其次，PEM/陽極界面提供了一個很好適于電化學(xué)O3反應(yīng)的化學(xué)環(huán)境。以氟聚合體為基礎(chǔ)的PEM，如全氟化磺酸聚合體，具有很高的抗化學(xué)侵蝕能力。
圖3為生產(chǎn)臭氧的電解池組12的分解透視圖。電解池組12可以包括任何數(shù)量的單電解池，但此處所示為兩個結(jié)構(gòu)和運(yùn)轉(zhuǎn)相似的池90。每個池90含有一個延展的鈦流場107、一個在其面對PEM110的表面沉積有二氧化鉛催化劑的多孔鈦構(gòu)件108，和一個圍繞流場107和構(gòu)件108的池架109。PEM 110可覆蓋有陰極催化劑，諸如面對多孔不銹鋼片111的鉑，也可與其上形成陰極催化劑的碳纖維紙接觸(未示)。多孔不銹鋼片111對著陰極催化劑表面安放，后接一個輥軋延展的不銹鋼流場112，后者可包括多個片。另一個池架109圍繞片111和流場112放置。一個雙極板113放置在兩個池90之間，使相鄰不銹鋼流場112和相鄰鈦流場107之間能夠?qū)щ姟?br> 電解池組12的正端子(示于圖3頂部)包括一個電流收集器面板106和一個電流收集器105，后者耦連一個接到電源整流器72(示于圖1)正端子的電纜92上。一個隔離器板102對著電流收集器105安放來隔離端板101、水循環(huán)套管104、和氫/水套管103，水循環(huán)套管經(jīng)管路94從陽極蓄池30向陽極間送水，氫/水套管把水和氫從陰極經(jīng)管線96連通到陰極蓄池40。
電解池組12的陰端子(示于圖3的底部)包括一電流收集器面板114和一個電流收集器115，后者連接到一個接到電源整流器72(示于圖1)的負(fù)端子的電纜98上。一個隔離器板102對著電流收集器115安放，以隔離端板116和水/氧/臭氧套管99，后者從陽極間經(jīng)過管路110向陽極蓄池30輸送水、氧和臭氧。為此，電流收集器115由通過電解池組112的陽極水冷卻。電源的主散熱部件優(yōu)選地與被冷卻的電流收集器115熱接觸。
兩個端板101、116被拉在一起，把電解池組12的全部部件壓縮成一個過濾器緊迫型構(gòu)造，其中，相鄰的部件緊密接觸。池架109、膜110、雙極板113、電流收集器面板106被充分壓縮，以提供密封結(jié)構(gòu)并共同形成入、出電解池組12液體的岐管。
圖4為適用于圖3的電解池的池架109的正視圖。池架109有多個栓孔120圍繞其周邊邊緣，用于與鄰接的膜110、雙極板113或者電流收集器面板106對準(zhǔn)并固定在位，池架109有一個開口的中心區(qū)112，用于容納一個流場和電極，如延展的鈦流場107、多孔鈦片108以及在片108上形成的電催化劑。一個第一岐管設(shè)有孔排124，孔124可例如經(jīng)過槽隙126向中心區(qū)122供水。這樣，流經(jīng)中心區(qū)122的水優(yōu)選地收集在對面的岐管中，然后從水電解池組中抽出去，對面岐管含有孔128和槽隙130。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，兩個岐管中的孔124、128與穿過相鄰電解池組12部件上的類似孔對準(zhǔn)并連通(見圖3)。在此例中，水經(jīng)孔124和槽隙126輸送并通過鈦流場107和多孔鈦片108到達(dá)產(chǎn)生氧和臭氧的電催化劑。含臭氧的水經(jīng)槽隙130和孔128抽出電解池組而到達(dá)陽極蓄池。相反，孔132形成的岐管和孔134形成的岐管使液體能夠通過它們到達(dá)另一個池架(未示)，諸如圍繞不銹鋼流場112和多孔不銹鋼片111的池架。
圖5為全被動臭氧發(fā)生系統(tǒng)810的示意圖，它僅靠電和水工作，優(yōu)選地或?yàn)槿ルx子水、蒸餾水、或?yàn)榉礉B(RO)水。系統(tǒng)810包括一個臭氧發(fā)生器812、一個電源814、一個后備電池816、一個陽極蓄池818、一個陰極相分離器820和一個氣體摧毀單元828。臭氧發(fā)生器812優(yōu)選地為一個電解池，后者含有一個質(zhì)子交換膜822、一個有基底和流場的陰極824和一個有基底和流場的陽極826。陽極蓄池818含有一個陽極氣相分離器膜830和多孔的支持構(gòu)件832。陽極826由陽極蓄池818供水。陽極催化劑使陽極826能用水產(chǎn)生氧和臭氧，而其中一部分溶入陽極蓄池中的水中。陽極蓄池818還起液/氣分離器的作用，其中，在陽極826生成的氧和臭氧形成氣泡，或從去離子水中擴(kuò)散并升到蓄池818的頂部。這些氣體通過陽極相態(tài)分離器膜830，優(yōu)選地為多孔疏水膜，它設(shè)有適當(dāng)?shù)闹Ъ?32和槽路834，以在陽極蓄池818工作在所需系統(tǒng)壓力時保持膜830的完整性。
陰極824與一個陰極相分離器820連通液體，后者具有一個設(shè)有適當(dāng)多孔支持構(gòu)件838的多孔疏水膜836。來自膜836干燥側(cè)的氫氣經(jīng)支持構(gòu)件838并經(jīng)管線840排出到氣體摧毀單元828、或經(jīng)管線841排到無關(guān)的過程。優(yōu)選的是，從陽極826經(jīng)電滲透傳輸?shù)疥帢O824的水連續(xù)地從陰極相分離器820經(jīng)過一個流體管線842回送到陽極蓄池818，液體管線優(yōu)選地為小孔徑。液體管線842的直徑小到足以提供從陰極相分離器820至陽極蓄池818充分快速的液流，從而溶于陽極水中的臭氧不會擴(kuò)散進(jìn)陰極相分離器820。
疏水的相分離器830、836對液態(tài)的水提供一個障礙，但允許水蒸汽、氫氣、氧氣和臭氧氣等氣體自由轉(zhuǎn)移。分離器830、836使水源846能夠置于與陽極蓄池818直接連通液體，從而在開始灌充陽極蓄池和重灌陽極蓄池時水會替代存在于陽極蓄池818或陰極相分離器820中的所有氣體。在所有氣體從陽極蓄池818和陰極蓄池820的頂部空間848和850排出后，水會與疏水膜830、836直接發(fā)生接觸，而且在陽極蓄池818和陰極蓄池820中的壓力與水源846的壓力平衡時，水的傳輸終止。假如水源846中的壓力高于陽極蓄池中的壓力，在工作的各個階段，陽極蓄池818和陰極相分離器820會保持充滿水。供水管線852優(yōu)選為小直徑的，從而溶于陽極蓄池水中的臭氧不能擴(kuò)散進(jìn)水源846。
優(yōu)選地設(shè)一個冷卻構(gòu)件876，以從系統(tǒng)中帶走廢熱，并進(jìn)一步冷卻陽極蓄池的水以減少溶解臭氧的降解并提高臭氧飽和極限。一個優(yōu)選的冷卻構(gòu)件876示于圖5，含有一或多個與陽極蓄池818熱連通的熱電裝置878，例如經(jīng)過熱傳播器880。熱電裝置878的儲熱器優(yōu)選地連接到一個散熱構(gòu)件上，例如由環(huán)境空氣冷卻的散熱器882。熱傳播器880用于為經(jīng)陽極蓄池818的壁傳熱提供更多表面積，尤其是在該蓄池是用塑料或者傳熱性能差的金屬制造時。
陰極824產(chǎn)生并由疏水膜836分離的氫可由一個無關(guān)的過程消耗、存于壓力容器中，或者如圖5所示導(dǎo)入一個氣體摧毀系統(tǒng)828中。氣體摧毀系統(tǒng)828包括一個燃?xì)庠?28、一個氫氣-空氣混合區(qū)884、一個具有氫氣-空氣化合催化劑的氫摧毀區(qū)886、一個空氣-臭氧混合區(qū)888，以及一個具有臭氧催化劑890的臭氧摧毀區(qū)組成。氣體摧毀系統(tǒng)828還包括一個接口892，它可以開放到房間或大氣，或者導(dǎo)入放氣管894。優(yōu)選的氣體混合區(qū)884、888會含有一個曲徑，諸如不銹鋼絨或其它類似材料置于催化劑上游提供的曲徑，使氣體在整個催化劑表面上均勻地分布并充分混合氣體和空氣。氫摧毀催化劑可為任何適當(dāng)?shù)臍?氧化合摧化劑，例如貴金屬(鉑或鈀)，它可以支承在陶瓷結(jié)構(gòu)、鋁銖或丸上，或鍍在金屬基底上等。類似地，臭氧摧毀催化劑可以是任何適于把臭氧分解成氧的催化劑。適當(dāng)?shù)拇呋瘎┌ǖ幌抻贛nO2、Fe2O3鉑等，或其組合。優(yōu)選是氫摧毀區(qū)886置于上游及/或與臭氧摧毀區(qū)890熱接觸，使氫氧化產(chǎn)生的熱能幫助摧毀多余的臭氧。的確，如果氣態(tài)臭氧及/或氫可用于其它用途，如提供到其它過程，就不需要摧毀其中之一或兩者，而摧毀氫所提供的熱可由其它熱源提供，例如電阻加熱器，或者也可在室溫摧毀臭氧等。
圖6為一個優(yōu)選的陽極蓄池818和電化學(xué)池812的詳細(xì)示意圖，該系統(tǒng)具有一個陽極826和陰極824，后兩者帶有數(shù)十平方厘米或更小面積的活性催化劑區(qū)。陽極蓄池818的下端配備一個框架構(gòu)件896，后者具有一個大孔的金屬網(wǎng)898，從而允許水和氣泡自由通過。該金屬網(wǎng)對陽極多孔流場876提供機(jī)械支承和電接觸。陽極流場826有一個催化劑表面900，優(yōu)選地為二氧化鉛催化劑，沉積在接觸膜822的流場826的正面。催化劑表面900與質(zhì)子交換膜822直接接觸，后者再與陰極催化劑824直接接觸。陰極催化劑824具有多孔燒結(jié)料902形式的機(jī)械支持和電接觸，后者進(jìn)而得到端帽904的支承，端帽內(nèi)有一個流場906并有一個流體連接管908。在陰極824形成的氫和水經(jīng)此流體連接管908離開電解池812。電接線910和912分別向陽極和陰極提供電流。
圖7為一個變通的多池電解器950，它能利用較大的活性表面積，同時保持簡單總體結(jié)構(gòu)和低系統(tǒng)電流。這個電解器取消了大多數(shù)液體岐管及多個液氣密封，同時使部件數(shù)最少。電解器總成950包括一個電絕緣陽極支架952，它向多個陽極954提供流槽953，多個陽極954置于條帶中或其他類似的幾何圖形中，從而它們設(shè)有平行的流體連接管，或者說所有的陽極都暴露于同一陽極蓄池818，同時保持電絕緣。單個質(zhì)子交換膜956夾在多個陽極954和配對的陰極958之間。多個陰極958也由電絕緣陰極板960支承，絕緣陰極板提供液流槽962和機(jī)械支承，同時電絕緣各陰極958。一個第一陽極954設(shè)有電連線964，而其相應(yīng)的陰極用一個導(dǎo)電構(gòu)件966連接另一陽極，例如相鄰的陽極。各陽極和陰極連續(xù)地用其它的導(dǎo)體968，970和導(dǎo)體972電連接，直到最末陰極的電接觸。
圖8所示為代表陽極954和板952的正面視圖，這里電絕緣支板952對電分開的陽極954提供機(jī)械支持和液流槽路。圖8還表示位于膜956對面并對著陽極954的陰極958和板960。
圖9為圖8所示的電解器950剖視圖。陽極支架952優(yōu)選地由熱塑料模制，它適用于臭氧并提供適應(yīng)的機(jī)械支持，諸如聚偏氟乙烯(PVDF)，商品名為KYNAR，可從北美ELf Atochem公司(位于Philadelphia，Pennsylvania)購得。各陽極總成由無孔的導(dǎo)電陽極帶974組成，它隨著模注進(jìn)板952的流場圖形并通過板952的邊緣延伸以便于電接觸。在此無孔的波紋帶上安放一個多孔的燒結(jié)材料954，例如鈦，履蓋著陽極催化劑976。質(zhì)子交換膜956放在整個陽極總成上，并且此過程用一個由多孔燒結(jié)料958焙燒的陰極催化劑978，和一個無孔、導(dǎo)電的陰極帶980重復(fù)，此陰極帶的流場與模注進(jìn)陰極端板960的流場匹配，后者由有適當(dāng)?shù)幕瘜W(xué)和機(jī)械特性的不導(dǎo)電材料模制。
把陰極連接到陰極相分離器的液體連接未示于圖7和圖9中。這種連接管可含有一個提供一種小室的構(gòu)件，該小室用流體管線把每個槽路962連通到陰極相分離器820。使用池950時，端板952可形成陽極蓄池底或者壁的一部分，而無孔的導(dǎo)體帶974可用打孔金屬制成，它可以使水和氣體經(jīng)槽路953自由交換，但同時在帶974伸過板952邊緣時緊緊地對液體密封，并且形成對電源的電連接。
圖10為本發(fā)明的一種臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的示意圖，它類似于圖5的系統(tǒng)，例外的是，用經(jīng)過管道與陽極蓄池818和陰極相分離器820連通液體的電解池920取代了有直接與陽極蓄池818直接連通液體的陽極826的單個電解池812。注意該系統(tǒng)的其余部分可以不變并可以還以完全被動的方式運(yùn)轉(zhuǎn)。
圖11是電解池920的示意圖，它優(yōu)選用于提供更大的活性面積。此種系統(tǒng)中，為簡化電源，最好使系統(tǒng)電流保持相對地小，然而允許施加的電壓提高。電化學(xué)電解池組920可以通過濾器迫緊形的結(jié)構(gòu)提供，使得能夠采用電串聯(lián)的多個陽極和陰極。電解池組920設(shè)有水入流槽路928和水出流槽路934，它們輸送液體往、離各個陽極流場922、多孔陽極基底924以及陽極催化劑926。優(yōu)選地沿電解池相對的頂緣設(shè)置一個附加的水出流槽路935，使槽路935能夠與各陰極流場936、陰極基底938和陰極催化劑940以類似的方式連通。一對舉例的電解池組中的電解池示于圖中，此處液體連接管928和934向電解器組的陽極供水，以及從陽極取走水和氣泡。端板930向第一陽極流場922提供流體和電氣連接。陰極場936用另一端板942提供電接觸和機(jī)械支承，后者提供對第二陰極的電氣和流體連接。變通地，在陰極流場936和端板942之間可以放置另外的電解池，只要用導(dǎo)電雙極板分開就可，類似于雙極板945，它也可以提供合適的液體槽路。
整個組件的電源經(jīng)電連接供給。這個串聯(lián)組合式多個電化學(xué)池的方法，具有明顯的優(yōu)點(diǎn)，增加施加的電壓同時使系統(tǒng)電流保持為每個池的活性面積的函數(shù)，而不是總活性面積的函數(shù)。此電解池組結(jié)構(gòu)的其它說明詳見美國專利No.5,460,705，該專利在此引作參考。
圖12是一個自加壓臭氧發(fā)生器系統(tǒng)的示意圖。如果所希望的從臭氧發(fā)生系統(tǒng)得到的發(fā)送壓力高于水源壓力，添加防倒流裝置854、一個反壓調(diào)節(jié)裝置856和釋壓電磁閥858，系統(tǒng)810可運(yùn)轉(zhuǎn)在自加壓方式。變通地，這兩個部件856、858可以合并成一個單個電磁閥，它設(shè)計有適當(dāng)?shù)男】缀完P(guān)閉力，這樣，當(dāng)達(dá)到要求的氣體壓力時可以用氣體壓力迫開單個電磁閥。這個替換性閥然后會把系統(tǒng)壓力保持在或者接近閥的迫開壓力。
為在該自加壓系統(tǒng)中向陽極蓄池818充水，陽極818中的壓力通過開啟釋壓電磁閥858放出。陽極蓄池壓力降得低于水源壓力時，水就能自由地從水源846流入陽極蓄池818。允許水在一段適當(dāng)?shù)臅r間內(nèi)進(jìn)入陽極蓄池818，直到顯示出足量的水。然后關(guān)閉釋壓閥858，隨著氣體在陽極形成和被禁閉在陽極蓄池818內(nèi)，陽極蓄池內(nèi)的壓力上升。前述的反壓調(diào)節(jié)器856或高壓迫開電磁閥工作，以保持所要求的工作壓力。該系統(tǒng)既足以把經(jīng)管線860發(fā)送到臭氧氣消耗過程的臭氧氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)，也足以調(diào)節(jié)通過管線862送到臭氧化水消耗過程的臭氧化水的壓力，還足以把經(jīng)管線841輸送的氫氣壓力進(jìn)行調(diào)節(jié)。變通地，如果臭氧消耗過程提供適當(dāng)?shù)目刂?未示)，該壓力控制系統(tǒng)856、858也可以取消。應(yīng)認(rèn)識到，領(lǐng)域內(nèi)一般技術(shù)人員也可以構(gòu)思任何數(shù)目的保持和釋放系統(tǒng)壓力的適當(dāng)方法。
陽極蓄池818或陰極相分離器820還可以設(shè)置一種裝置，后者在所有氣體從陽極蓄池818和陰極相分離器820中排除的期間，防止靜水壓力增加到事故值。在這段時間，在陽極和陰極形成的氣泡會取代一部分已經(jīng)充滿陽極蓄池818和陰極相分離器820的水。氣泡所需要的附加系統(tǒng)容量可以一個由捕捉氣體系統(tǒng)866提供，例如倒U形管870，其末端868，872的位于，使得在最開始充灌陽極蓄池818時提供一個氣室866。可以構(gòu)想出任何數(shù)目的等效方法去釋放膜的液側(cè)壓力，包括常規(guī)的釋壓閥。但以簡單氣室866為優(yōu)，因?yàn)樗豢赡苁ъ`，不經(jīng)機(jī)加工及焊接，并且在制造安裝時可以置于陽極蓄池中也可以置于陰極相分離器中。U形管可以通過讓長腿868的底部安放在陽極蓄池818底部附近得到支承。短腿870使在每次陽極蓄池818中的水位降低到開孔872高度之下時，能夠重建氣室866。更優(yōu)選地，捕捉氣體系統(tǒng)可以含有一個防氣閥837，放在液體管線839或者任何連通陽極蓄池818的液體管線中。另外，可以包括一個過壓安全裝置，例如裂盤874，這應(yīng)是一個破壞性釋壓的普通方法。此外還可以利用疏水膜的自身穿透壓力防止系統(tǒng)中過壓造成的災(zāi)變。
圖14為一種自控臭氧發(fā)生器510的示意圖，它只靠電和水運(yùn)轉(zhuǎn)，水可以優(yōu)選地用蒸餾水、去離子水或者反滲(RO)水。該臭氧發(fā)生器510的心臟是一組512的電解池(圖中示兩個)514，由雙極板(圖示一個)516隔開，并夾在一個正端板518和一個負(fù)端板520之間。兩個電解池514的每一個有一個陽極間522和一個陰極間524，兩者由一個質(zhì)子交換膜526隔開。這些電解池以一般地類似于美國專利No.5,460,705所述的方式構(gòu)造，該專利在此引作參考，其主要區(qū)別已如前述。入、出陽極和陰極間的液流示意于圖14，為了簡化，僅畫出流過框架構(gòu)件528。但是應(yīng)該認(rèn)識到，液體實(shí)際上流經(jīng)由相鄰的框架構(gòu)件528、雙極板516、質(zhì)子交換膜528等形成的岐管，它們與端板518、520中的開孔連通液體。
所示陽極間522從一個陽極蓄池530接收液體。陽極蓄池530還起液/氣分離器的作用，其中在陽極間522發(fā)生的氧和臭氧從水中擴(kuò)散出并收集在該蓄池530的頂部。蓄池530優(yōu)選地包括一極豎管532來加強(qiáng)液/氣分離。
陽極蓄池530中的水重力饋回陽極間522。隨著水被產(chǎn)生氧和臭氧的電化學(xué)反應(yīng)消耗，水可從去離子水源538或從陰極蓄池540向陽極蓄池添加，可見下文詳述。
陰極蓄池540保持住從陰極間524升上來的去離子水。陰極蓄池540還起液/氣分離器的作用，其中在陰極間524中產(chǎn)生的氫從去離子水中擴(kuò)散出來，并收集在蓄池540的頂部。經(jīng)陰極蓄池通過的濕氫氣可以收集利用或者燒掉。
陽極蓄池530和陰極蓄池540優(yōu)選地互相連通并與去離子(DI)水源連通。盡管這些部件可以各種方式連通，優(yōu)選的是系統(tǒng)保持簡單并包括最少數(shù)目的閥和連接器。圖14示出一個優(yōu)選的構(gòu)形，其管路包括一個在蓄池530、540之間的第一關(guān)閉閥554和一個在去離子水源538和陰極蓄池540之間的第二關(guān)閉閥556。還優(yōu)選的是，具有提供排水回路的管路，該回路具有一個在陽極蓄池530和下水562之間的第三關(guān)閉閥和一個在去離子水源538和排水562之間的第四關(guān)閉閥，用于在沖刷或者排空系統(tǒng)時旁路第一和第二關(guān)閉閥。此三個電磁閥556、558、560和四個水位傳感器535、546、550和552用于保持兩個蓄池530、540中的水位。
一個冷卻構(gòu)件564處于與陰極蓄池的水有熱連系。冷卻流體經(jīng)一個致冷循環(huán)進(jìn)行循環(huán)，致冷循環(huán)包括一個冷凝器566和一個壓縮機(jī)568。盡管在示意圖中僅畫出致冷螺圈的約三個圈，但可以用任何數(shù)量的圈數(shù)，以進(jìn)行足夠的致冷來保持要求的水溫。優(yōu)選的熱交換器是螺旋形盤繞的平行板狀氟里昂/水交換器，如Elamco公司(位于Newark，Delaware)出售的那些熱交換器。
該臭氧發(fā)生器510還包括一個主電源單元570和一個把交流轉(zhuǎn)換成直電流以運(yùn)轉(zhuǎn)電解池陣列512的電源整流器572。主電源單元570優(yōu)選地經(jīng)適當(dāng)?shù)碾娋€向發(fā)生器510中的所有用電裝置供電。發(fā)生器510優(yōu)選地包括一個備用電池574，用于對主電源單元570提供斷電時的后備供電，為系統(tǒng)控制器544提供平穩(wěn)的直流電流。優(yōu)選地用一個充電器576給電池574連續(xù)充電，以保持電池574充足電。主電源單元570和充電器576通過電線578直接連接到某種外交流電源，諸如家用電源線或者野外用的汽油發(fā)電機(jī)。備用電池的輸出電流顯著低于主電源。此小電流量可在1安至1毫安，甚至更低。
臭氧發(fā)生器510優(yōu)選地通過一個系統(tǒng)控制器544自控，后者從傳感器接收各種信號，并切換信號以及把控制信號送達(dá)閥、泵、開關(guān)以及其它圖14所示的裝置。系統(tǒng)控制器544執(zhí)行存在一個記憶裝置中的系統(tǒng)控制軟件。軟件編程為監(jiān)視指示系統(tǒng)運(yùn)轉(zhuǎn)狀況的各種信號，并按這些狀況控制各種裝置。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，系統(tǒng)控制器可以在本發(fā)明的范圍內(nèi)采取任何大量的方案，并包括附加的，非必需的編程，如系統(tǒng)診斷、通信、數(shù)據(jù)儲存等等。另外，此系統(tǒng)可包括此文未示或未述的附加裝置和監(jiān)視器，諸如電源開關(guān)等。
在臭氧發(fā)生器510的運(yùn)轉(zhuǎn)期間，去離子水源538優(yōu)選地以高于陽極蓄池530和陰極蓄池540正常工作范圍的壓力供水，從而可在正常運(yùn)轉(zhuǎn)中向系統(tǒng)添加去離子水。蓄池530、540優(yōu)選地工作在約0至約30psig的壓力范圍，去離子水通常在50psip左右的壓力向系統(tǒng)供給。在發(fā)生器開始起動時，連接到蓄池530、540和去離子水源538的閥554、556開啟，而通向系統(tǒng)排水562的閥558、560保持關(guān)閉。去離子水充灌陽極間522和陰極間524。向系統(tǒng)加去離子水，通過讓陷入的氣體分別從蓄池530、540逸出，使蓄池530、540中的水位達(dá)到高水位傳感器546、550從而將系統(tǒng)的壓力保持在30psig以下。當(dāng)蓄池灌滿時，用第二關(guān)閉閥550停止去離子水流。用泵536循環(huán)陰極蓄池540中的水和用冷卻構(gòu)件564冷卻蓄池540中的水，優(yōu)選地發(fā)生在向電解池512陣列加電流時，傳輸泵554a將轉(zhuǎn)動，從而經(jīng)過質(zhì)子交換膜526從陽極間522帶往陰極間524的水可以升入陰極蓄池540并最終返回陽極蓄池530。
去離子水源538可包括任何補(bǔ)給水水源，諸如飲用水和凈水系統(tǒng)。一種適于用飲用水的優(yōu)選凈水系統(tǒng)包括，一個碳過濾床，后接一個離子交換樹脂床。還優(yōu)選的是，至少陰極水回路的一部分經(jīng)過一個凈水系統(tǒng)循環(huán)，以保持陰極回路中循環(huán)水的水質(zhì)。適用于陰極回路的一種優(yōu)選的凈水系統(tǒng)包括一個碳纖維床571后接一個離子交換樹脂床573。
圖14的系統(tǒng)表示一個主陰極水回路，包括一個陰極蓄池540、一個循環(huán)泵536、一個熱交換器564和電解器512。該系統(tǒng)還包括一個與主陰極水回路連通的側(cè)回路，其中側(cè)回路經(jīng)過一個凈水系統(tǒng)導(dǎo)引循環(huán)水的一部分，凈水系統(tǒng)優(yōu)選地含有碳纖維床571(主要用于摧毀可能存在水中的臭氧)和離子交換床573。
熱交換器，或者稱冷卻構(gòu)件564示為一種螺管，它從一個包括一個壓縮機(jī)568和一個冷凝器566的制冷系統(tǒng)循環(huán)致冷液。應(yīng)當(dāng)注意，冷卻構(gòu)件可為任何數(shù)目的業(yè)內(nèi)公知的不同設(shè)計，并可包括各種支持元件或者說設(shè)備(未示)。冷卻構(gòu)件，或者說冷卻系統(tǒng)可以用各種方式控制陰極水回路中的水溫，諸如按一個熱電偶循環(huán)開啟和關(guān)閉一個冷凝器，而熱電偶與陰極水、或者系統(tǒng)其它任何部分熱連接，包括產(chǎn)生大部分熱的陽極。
圖15為一個變通的臭氧發(fā)生器640的示意圖，它的工作不用控制器、閥及水位傳感器。臭氧發(fā)生器640進(jìn)行圖14的生器610相似的過程，但是修改為工作在完全被動的方式，不需要控制系統(tǒng)、閥、或者水位傳感器。發(fā)生器640取消作為圖14發(fā)生器510組成部分的所有電磁閥(或浮子開關(guān))556、558、560、泵544a，所有水位傳感器535、546、550、552以及控制系統(tǒng)544。
被動發(fā)生器系統(tǒng)640提供所有的水處理要求，保持在陽極蓄池642和陰極蓄池644中灌滿水。蓄池624、644都置于與去離子水源646直接連通。在陰極蓄池644和陽極蓄池642之間的流體管線648直徑小，以從陰極蓄池644向陽極蓄池642提供足夠快速的液流，使溶于陽極中的臭氧不能擴(kuò)散進(jìn)入陰極蓄池644。一個防倒流裝置650防止水或氣從陽極蓄池642流入陰極蓄池644。
水可以用疏水膜或相分離器652、654保持在蓄池中，它們防止液態(tài)水從蓄池642、644的頂部逸出。這此疏水的相分離器652、654對液態(tài)水提供障礙，但能讓水蒸汽、氫氣、氧氣、臭氧氣之類的氣體自由傳輸。在起始充灌時，分離器652、654使來自去離子水源646的水能夠取代蓄池642、644的所有氣體。在氣體從蓄池642、644中排凈而直接接觸疏水膜652、654時，隨著蓄池642、644中的壓力平衡了水源646的壓力，水的輸送停止。只要保持供水，在工作的各個階段，在各蓄池642、644中的水持續(xù)保持在這個水位。優(yōu)選地設(shè)釋壓閥672a和674a，用于在損壞疏水膜之前釋放高水壓。
在臭氧發(fā)生系統(tǒng)640正常工作時，在電解器656中產(chǎn)生氣泡，并轉(zhuǎn)移到蓄水池中。在電解器656的陽極間658中產(chǎn)生的氧和臭氧氣泡轉(zhuǎn)移到陽極蓄池642，而在陰極間660中產(chǎn)生的氫氣泡轉(zhuǎn)移到陰極蓄池644，此后氣泡上升到其各自蓄池的頂部，與疏水膜652、654發(fā)生接觸。疏水膜對來自蓄池內(nèi)部的氣體和水蒸汽的轉(zhuǎn)移很少有或沒有限制，它們在高壓抵達(dá)出氣管線662、664。分離器652、654由支承結(jié)構(gòu)666、668適當(dāng)?shù)刂С?，支承結(jié)構(gòu)提供氣體和所有凝結(jié)液體自由流動，但為膜提供足夠的支承，從而蓄池中的水和出氣管線中的氣體之間的壓差可能超過100psi。膜652和支架666反過來由容器頂670提供機(jī)械支持和液、氣密封。臭氧/氧放氣管662與膜652的干側(cè)直接連通，使原先含在汽泡中的氣體能夠離開陽極蓄池。同樣，氫出氣管664也與膜654的干側(cè)直接連通，使原含于氣泡中的氫氣能離開陰極蓄池644。
可加一個壓力調(diào)節(jié)器672，使膜652干側(cè)氧氣和臭氧氣的壓力能達(dá)到容器642中液壓以下的任何壓力值。以類似的方式，可向氫出氣管644加一個壓力調(diào)節(jié)器674，以控制氫的發(fā)送壓力。壓力調(diào)節(jié)器672、674可以互相獨(dú)立的工作，使得來自陰極蓄池642和來自陰極蓄池644的壓力能分別地調(diào)節(jié)到從亞環(huán)境壓力到水壓的氣體壓力，水壓對陽極蓄池642和陰極蓄池644是共同的?？稍黾舆^壓控制器676、678以防止主放氣管662、664阻塞或產(chǎn)生過剩氣體時系統(tǒng)過壓。附加的釋壓閥672a、674a防止蓄池中的水壓超過設(shè)計極限。出釋壓閥676的臭氧可以用一個催化催毀單元678在氣體經(jīng)放氣管680釋入大氣之前摧毀。過剩氫氣或者由過壓氣體產(chǎn)生的氫氣可以在一個催化摧毀單元682中摧毀，它由空氣泵684提供的空氣中的氧與氫氣反應(yīng)化合。產(chǎn)生的水蒸氣和剩余空氣經(jīng)一個放氣管686釋入大氣。兩摧毀單元678、682可置于相互熱連通，從而氫/氧化合產(chǎn)生的廢熱可以用于幫助摧毀臭氧氣。
在去離子水源646和蓄水池642、644之間可以加一個供選用的增壓泵688。為進(jìn)一步調(diào)節(jié)水，可在水源管線中加一個樹脂床690。優(yōu)選的是，進(jìn)一步包括一個包括流速調(diào)節(jié)裝置692的回返回路，以不斷潔凈進(jìn)水。一個防倒流裝置694用于防止水返回水源646。
一個在陰極蓄池644中的輔助放氣系統(tǒng)防止萬一供水中斷時氫氣從陰極蓄池644轉(zhuǎn)移到陽極蓄池642。這是用一個向下伸入陰極蓄池644至蓄池底上方的一點(diǎn)698的浸管696完成的，該點(diǎn)698界定最低可接受的水位，浸管696向上伸出蓄池與一個有適當(dāng)支承和殼702的疏水膜700連通。當(dāng)水位高于點(diǎn)698而蓄池在壓力下時，水迫使管696中的所有氣體經(jīng)疏水膜700后而出放氣管703，該通氣管處于大氣壓，或在大氣壓力之下。萬一陰極蓄池中的水降低到點(diǎn)698以下，現(xiàn)在管中的水會反排出管696進(jìn)入蓄池644，使陽極蓄池644內(nèi)的氣體能沿浸管向上從放氣管703逸出。以此方式，蓄池644中的壓力下降到大氣壓力，以防止液體進(jìn)一步從陰極蓄池轉(zhuǎn)移到陽極蓄池。
陽極蓄池642優(yōu)選地包括一個類似的輔助放氣管系統(tǒng)，它有浸管704、疏水相分離器706、殼708、和放氣管710。通過某個事件，例如入水的壓力起伏，如果在陽極蓄池642中的壓力高于陰極蓄池644中的壓力，從陰極蓄池到陽極蓄池的壓力驅(qū)動水轉(zhuǎn)移就會停止。陽極蓄池中的水位降到浸管704的下開孔712之下時，陽極系統(tǒng)中的壓力減少，從陰極蓄池到陽極蓄池的壓力驅(qū)動水轉(zhuǎn)移就會重新建立。
系統(tǒng)640的其余部分可保持與圖14的發(fā)生器510的其余部分不變。因此，系統(tǒng)640可包括一個陰極循環(huán)泵536、一個電源570、一個冷卻構(gòu)件566，和一個豎管532。冷卻系統(tǒng)564、566、568可用一個電子或機(jī)械溫度控制器606，以及一個與凝結(jié)系統(tǒng)和被調(diào)溫體直接連通的溫度傳感器運(yùn)轉(zhuǎn)，被調(diào)溫體在圖14和圖15中示為陽極蓄池水，但是可以是陽極端板，或者其它任何代表電解器溫度的位置。電源570也可以工作于自立的方式，自控輸出功率以匹配臭氧需求。一個熱切斷開關(guān)可以用于在一旦超過閾值溫度時切斷電解器的電源。
臭氧氣優(yōu)選地用一種電解法產(chǎn)生，它提供工藝和成本兩方面的好處。電解法中，用一個專門的電解池通過電解水產(chǎn)生臭氧。電源和水源是電化學(xué)生產(chǎn)O3的唯一需要。與電暈法產(chǎn)生的臭氧氣不同的是，電解發(fā)生的臭氧不含有毒副產(chǎn)品。電解反應(yīng)通過在陽極和陰極之間施直流電發(fā)生，陽極和陰極置于一個質(zhì)子交換膜(PEM)各一邊，此膜優(yōu)選地為一個氟化磺酸聚合體膜(諸如位于Wilmingron，Delaware的Dupont deNemours公司出售的NAFION 117)。水饋向陽極催化劑，此處發(fā)生水的氧化，產(chǎn)生吸熱和O2演生反應(yīng)和O3形成反應(yīng)。
利用高的過電位和一定的電極材料選擇性地以犧牲O2演生來加強(qiáng)O3形成，水氧化產(chǎn)生質(zhì)子和電子，它們在陰極重親結(jié)合。電子經(jīng)外電路導(dǎo)向陰極。在水的存在下，質(zhì)子和電子重新結(jié)合而形成氫氣。
采用PEM取代液體電解質(zhì)提供了幾個優(yōu)點(diǎn)。首先，液體管理得以簡化并排除了滲露腐蝕性液體的可能性。其次，PEM/陽極界面提供了一個很適于電化學(xué)O3反應(yīng)的化學(xué)環(huán)境?；煞酆衔?，例如全氟化磺酸聚合物的PEM顯示很高的耐化學(xué)侵蝕力。
圖16是生產(chǎn)臭氧的電解池組512的分解透視圖。電解池組512可包括任何數(shù)目單個電解池，但此處所示為兩個結(jié)構(gòu)和工作相似的電解池590。每個電解池590含有一個延展的鈦流場607，一個有沉積在其面對PEM610的表面上的二氧化鉛催化劑的多孔鈦構(gòu)件108，和一個圍繞流場607和構(gòu)件608放置的池架609。PEM610可以覆以鉑之類陰極催化劑，面向多孔不銹鋼片611，也可以放置得與一個碳纖維紙(未示)接觸，后者之上覆有陰極催化劑。一個多孔不銹鋼片611對著陰極催化劑表面放置，后接一個輥軋延展不銹鋼流場612，后者可包括多個片。另一個池架609圍繞片611和流場612放置。一個雙極板613置于兩個電解池590之間，允許在鄰接的不銹鋼流場612和鄰接的鈦流場607之間傳導(dǎo)電子。該系統(tǒng)可包括一個附加雙極板和一個在陽極流場607和電解器的端板601之間的流場602，以排除端板601與臭氧的接觸。盡管沒有圖示，板605和流場602或某些其它中間構(gòu)件，可以用于兩個端板，以排除端板接觸電解池內(nèi)同樣的或不同的流體。
兩個端板601、616被拉在一起，把電解池組512的全部部件壓成一個過濾器迫緊式結(jié)構(gòu)，其中鄰接的部件緊密接觸。池架609、膜610、雙極板613、電流收集面板616等被充分壓縮，以提供一個密封的連接結(jié)構(gòu)，并共同形成發(fā)送和抽出電解池組512中流體的岐管。
圖17為適用于圖16的電解池中池架609的前視圖。池架609有多個栓孔620和對準(zhǔn)孔621圍繞其周緣，以對準(zhǔn)并把池架與鄰接的膜610、雙極板613或電流收集器面板606固定在位。池架609有一個中央?yún)^(qū)622，它開口容納一個流場和電極，諸如延展的鈦流場607、多孔鈦片608和在該片608上形成的電催化劑。第一岐管由一排孔624提供，它們例如經(jīng)過槽隙626對中央?yún)^(qū)622供水。流經(jīng)中央?yún)^(qū)622的水然后優(yōu)選地收集在對面的岐管并從池架組中抽出，該后面的岐管含有孔628和槽隙630。應(yīng)當(dāng)認(rèn)識到，在兩個岐管中的孔624，628都對齊并與穿過鄰接的電解池組512部件上的同類孔相連通(見圖16)。此例中，水經(jīng)孔629和槽隙630發(fā)送并且通過鈦流場607和多孔鈦片608后進(jìn)入陽極蓄池電解池產(chǎn)生氧和臭氧。含臭氧水從槽隙626和孔624中抽出電解池組而進(jìn)入陽極蓄池。相反地，由孔632形成的岐管和由孔634形成的岐管可使流體從中流過而進(jìn)入另一個池架(未示)，諸如圍繞一個不銹鋼流場612和一個多孔不銹鋼片611的池架。
圖17a是圍繞幾個池部件形成的一個框架的剖視圖?？蚣?09可用于把一個鈦燒結(jié)件或者鈦氈構(gòu)件608和一個流場或多個流場607固定在一起成為一個共同的組件。以此方式，保持構(gòu)件608和流場607之間的緊密接觸，同時避免其間打滑和磨擦。燒結(jié)件608的運(yùn)動可產(chǎn)生一個作用在頂著燒結(jié)件608放置的膜(見圖16)上的剪刀。優(yōu)選地，該燒結(jié)件插入一個注塑的框架以提供絕對齊平而平坦表面對著此膜。變通地此框架可用一個架狀突起提供以保持該燒結(jié)件不動。
圖17b為圍繞幾個電解池部件形成的另一框架609的剖視圖。此處所示框架609固定一個鈦氈608a(陰極側(cè))、一個打孔的金屬片608b以支承此氈、一個皺紋雙極板613和一個多孔鈦片611(陽極側(cè))。變通地，鈦氈608a和鈦片608b可以用鈦燒結(jié)件取代。為減少部件成本并減少部件數(shù)量，雙極板優(yōu)選為編織或起皺紋后模塑進(jìn)框架中。編織或起皺紋的板613在構(gòu)件608a/b和611之間提供剛性支承，同時還在板613的雙側(cè)分別提供一個流場。此框架模制有與板613雙側(cè)流場都連通的流槽。此板因而對陽極和陰極都起雙極板和流場兩個作用。
圖18為被動臭氧發(fā)生器640的示意圖，除其運(yùn)轉(zhuǎn)無陽極蓄池642和相關(guān)連管線及設(shè)備之外與圖15所示相同。取代陽極蓄池，該發(fā)生器640從陰極蓄池644向陽極658供水。在管道594中放置一個限流器或者說阻尼孔645以限制發(fā)送到陽極658的水量。優(yōu)選地，阻尼孔654以很特定的流速從陰極回路向陽極回路輸水，該特定流速足以保持陽極在所有工作條件下都充滿水，尤其要考慮由生產(chǎn)臭氧消耗的水、電滲透轉(zhuǎn)到陰極的水和蒸發(fā)進(jìn)臭氧氣流中的水。而且，最好不要向陽極提供過多的水，那會使水進(jìn)入出口管600并與臭氧氣體一起從閥672出去。
圖23為一個臭氧發(fā)生器730的局部示意圖，具有一個置于陰極蓄池644和陽極658之間的阻尼孔645和一個陽極沖刷系統(tǒng)。如同圖18，阻尼孔645在陽極用水時向陽極供水。因?yàn)閹缀鯖]有或根本沒有水流出陽極間658，時間長了會積累污物并減少電解池的產(chǎn)量。陽極沖刷系統(tǒng)通過旁路阻尼孔645或另外提供一個液流，使陽極間658能周期性地受到?jīng)_刷。
圖19為被動臭氧發(fā)生器640示意圖，與圖18所示相同，只是它不直接向陽極658供水，而是依靠水從陰極660向陽極658反擴(kuò)散供水。在此實(shí)施例中，取消了管路594和阻尼孔，從而減少了部件數(shù)并進(jìn)一步簡化發(fā)生器的運(yùn)轉(zhuǎn)。因?yàn)?，含有入水?94、陰極660和出水管596的陰極回路保持滿水，對陰極660的供水應(yīng)總可用于向陽極658反擴(kuò)散水。優(yōu)選的是，陰極回路中的水是循環(huán)的，最好是連續(xù)不斷循環(huán)。
圖20為被動臭氧發(fā)生器640的示意圖，與圖19所示相同，只是它還直接向設(shè)有小管的質(zhì)子交換膜514供水。有小管的膜有利于向陽極催化劑供更多的水，比僅從陰極660反擴(kuò)散水為優(yōu)。重要的是，向陽極提供足夠的水用于臭氧生產(chǎn)反應(yīng)、補(bǔ)償從陽極到陰極電滲透造成的水損失和防止膜干燥丟失的水，膜干燥會使膜內(nèi)電阻增大。
如前所述，在許多應(yīng)用中，含臭氧水流是有用的。在某些這種應(yīng)用中，含臭氧水流必須是高質(zhì)水及/或去除某種污染的水。例如，臭氧可引入一個飲用水流，或者半導(dǎo)體生產(chǎn)的漂洗水流中，以氧化其中的污染物。盡管可使用臭氧化陽極水，陽極水源可能純度不夠高，或者臭氧化陽極水可能從電解器本身沾上污染物，例如鉛。因此，根據(jù)本發(fā)明，臭氧必須先脫離陽極水，然后再重新接合上一個有合適水質(zhì)的第一水源。脫離提供了沒有任何非揮發(fā)污染物的臭氧氣流，非揮發(fā)污染物例如有鉛、顆粒物及其它有機(jī)或無機(jī)物。重接合第二水源提供所要求的過程水流。
可以用一個蒸汽間隙或一個疏水膜使陽極水物理地與過程水分開來完成脫離和重新接合。從而消除了鉛之類的污染物分散到過程水，或者說使用該水的過程中。
圖21為一個臭氧接合或稱重接合系統(tǒng)710的剖視圖，具有設(shè)計用于在臭氧與其中所含過程水提供接觸的內(nèi)擋板712和內(nèi)孔或槽隙714。優(yōu)選地，臭氧和水流是反向流的，水向下流，而臭氧氣泡有上升的趨勢。擋板712可以業(yè)內(nèi)公知的各種方式設(shè)計，但是優(yōu)選地將減少或者說防止經(jīng)管線716引入系統(tǒng)710的水循環(huán)，以便建立一個臭氧濃度梯度，含有最高臭氧濃度的水在系統(tǒng)的下部，在此處臭氧化水經(jīng)出水管718抽出。擋板712阻抗可由溫度梯度、上升的臭氧氣泡和水流等造成的自然循環(huán)流動的相當(dāng)大部分。但是允許臭氧氣泡經(jīng)槽路714緩慢上升到系統(tǒng)710的頂部。過量的臭氧通過水上升到膜625，該膜允許臭氧通過并經(jīng)管線719出去，用于處理或再利用。
圖22是另一個臭氧接合或稱重接合系統(tǒng)720的剖視圖，具有多個內(nèi)疏水膜652和外水流構(gòu)件722。最好各由孔板666支承的疏水膜652界定一個充滿水的中間室724。水經(jīng)過管線716從一水源進(jìn)入上室724。允許臭氧氣通過膜625進(jìn)入下一個更高的室724。以此方式，臭氧氣連續(xù)地向上通過每個膜652，并且，如果臭氧沒有最終接合入過程水中，就從管線719出去。相反地，過程水向下流經(jīng)室724，并且只能經(jīng)外水流構(gòu)件722在室724之間上升或下降。以此方式，減少或者消除水在全系統(tǒng)720中循環(huán)，同時允許臭氧通過蓄池。而且，可以建立一個臭氧濃度梯度，最高的臭氧濃度保持在低室724的水中，此處的水經(jīng)管路718抽出供使用。應(yīng)認(rèn)識到，可以使用其它構(gòu)形和方法達(dá)到臭氧在水中重新接合，例如使用一個組合柱。
圖24是一個整體的臭氧脫離和重新接合系統(tǒng)730。系統(tǒng)730與圖23的系統(tǒng)720工作方式相同，只是它與一個陽極蓄池732直接液體連通，優(yōu)選地與一個電化學(xué)池740的一個陽極734直接液體連通。電化學(xué)池740是一個PEM電解池，具有一個陽極734，一個質(zhì)子交換膜736和一個陰極738，陽極和陰極與電源742的正和負(fù)極電連接。以這個或其它類似的結(jié)構(gòu)，水自由地提供給陽極，而水、臭氧和氧自由地從陽極流開進(jìn)入陽極蓄池。此結(jié)構(gòu)使水在熱梯度的自然力和陽極發(fā)生的氣泡浮力幫助下的自由流動。水源優(yōu)選地經(jīng)一個小直徑管道與陽極蓄池732連通，以減少或者消除通過擴(kuò)散逸出系統(tǒng)造成的臭氧損失量。
在陽極蓄池732中的臭氧允許通過疏水膜625，沿蓄池的頂部進(jìn)入鄰室724中的過程水。但是，因?yàn)樵撃な鞘杷模枠O水和所有非揮發(fā)性污染物會保留在蓄池732中。系統(tǒng)730中的臭氧化過程水經(jīng)管線718出去。應(yīng)認(rèn)識到池740可與任何其它形式的臭氧接合系統(tǒng)直接液體連通，包括擋板、組件等，只要陽極水保持與過程水分開就行。例1一種按圖1、3和4設(shè)計的臭氧發(fā)生器，每天用約5加侖(18.9升)去離子水，每天生產(chǎn)5磅(2.26公斤)臭氧。用一組10個電解池連續(xù)產(chǎn)生約每分鐘7升有15％重量臭氧的濕氧流。每個池有約100平方厘米的活性面積。陽極流場由三個輥軋延展的鈦片和一層與該延展鈦片電接觸的燒結(jié)鈦提供。燒結(jié)鈦層在其表面沉積有一薄層二層化鉛催化劑，而且二氧化鉛與一個質(zhì)子交換膜(PEM)面對面接觸。PEM是一層氟化磺酸聚合物NAFION 117。陰極電催化劑由一個滲有鉑催化劑的碳纖維紙?zhí)峁?。該纖維紙對著PEM的第二側(cè)放置，陰極流場然后鄰接碳纖維紙組裝，并包括一片可壓縮的不銹鋼氈、一個打孔的不銹鋼片和三片輥軋延展不銹鋼，此處三個片的寶石狀開孔與每個鄰接的片呈90°角。
陽極蓄池和陰極蓄池由硼-硅玻璃筒制成(在Corning，New York的Corning Glass Works公司出售的PYREX玻璃)，用螺栓固定在兩個不銹鋼端板之間，此兩板加工成可容納此玻璃筒并可連接各種管道和裝置。清澈的玻璃筒使人們能夠看到其中進(jìn)行的液/氣分離過程。每個蓄池豎直取向，容積約2加侖。陽極水用約70英尺長1/2英寸直徑的管子置于陽極蓄池中冷卻。該管連接到一個冷凝器單元，它在100°F(37.7℃)的環(huán)境溫度和35°F(1.66℃)的吸入溫度下額定為26,900英制熱量單位(28.37MJ)，(諸如F3AD-A325型，由位于Sidney，Ohio的Copeland公司出售)。電源接受70安培208伏三相電為各部件供電。電源整流器為六脈沖、中點(diǎn)整流器，由六個可控硅組成(110RK 180型，由加拿大的International Rectifier of El Segundo公司出售)。系統(tǒng)控制器可為可控硅提供相角控制，使電源輸出得以升降。例2按照圖5和6設(shè)計的一種臭氧發(fā)生器，以每分鐘約5毫克臭氧，并以受壓力的臭氧飽和水發(fā)送之，每升水至少含100mg臭氧，使用了單電解器池，活性面積約5cm2，它儲存并發(fā)送750ml含75mg溶解臭氧的水。陽極蓄池用兩英寸直徑約16英寸長的鈦管制造，并且機(jī)制鈦端帽焊接在位。頂端帽具有用于用螺栓固定在一膜支承組件的構(gòu)造，而且一個合適多孔疏水膜置于鈦端帽和一個不銹鋼膜支架以及流場組件之間。使用的相分離膜是多孔聚四氟乙烯材料，可從W.L.Gore andAssociates公司購買。焊接到陽極蓄池下端的端帽被加工成一個開口區(qū)，它為一個連接到一個電源正極的燒結(jié)鈦提供支持。該端帽的側(cè)或緣包括一個套管和一個流槽，使陽極蓄池和一個排出此蓄池的排水管之間能夠流體連通。套筒和流槽放置得稍高于陽極，從而陽極蓄池不能完全排空，從而減少陽極變干的可能性。PEM是一片全氟化磺酸聚合物，具體地，是從位于Wilmton，Delaware的Du Pont de Nemours公司購得的NAFION。陽極電催化劑由一種碳纖維紙?zhí)峁?，它滲有約0.1到1mg/cm2之間的鉑催化劑。碳纖維紙對著PEM的第二側(cè)放置，由燒結(jié)不銹鋼料制成的陰極流場置于與碳纖維紙的另一側(cè)接觸，從而向陰極催化劑提供機(jī)械支承和電連接。然后用螺栓把不銹鋼帽固定在組件底上。該端帽對陰極提供密封、流槽、流體連接和電連接。
陰極的排放管連接到一個與陽極蓄池和電解器組件分開的第二相分離器上。該第二相分離器由市場出售的相分離器組成，47mm的過濾器支架由聚四氟乙烯(PTFE)模制，但其它適當(dāng)?shù)氖猩铣鍪鄣幕蚨ㄗ龅南到y(tǒng)也可采用。在陰極相分離器中采用與陽極相分離器相同的多孔Gore膜。陰極相分離器用幾英尺長1/8英寸Teflon管連接到陽極蓄池上形成液體連接。陰極相分離器的氫連接用1/4英寸的乙烯管連接到氫摧毀器上，此管為美國Akron，Ohio的Stoneware公司出售，商品名為TYGON。
氣體摧毀單元用一根1/2英寸直徑約9英寸長并有兩個管子接頭的不銹鋼管制成，一個接頭在底部，一個在其長度的中間。它用一個約2英寸的不銹鋼絨包裹，外包3英寸鍍鉑鋁銖從側(cè)入口以下約1英寸到側(cè)入口以上約2英寸的區(qū)域用不銹鋼絨包裹，以提供臭氧與從下方的氫摧毀器出來的熱空氣混合。該管頂部的其余空間裝滿MnO2-FeO3小丸，它們可從位于Needham，Masschusetts處的Protech公司購買?？諝庥擅糠昼?升的隔膜泵提供，例如從California的ApolloEterprises of Ontario公司買到的隔膜泵。該摧毀器的頂端向大氣通氣。
熱管理由兩個熱電裝置提供，例如由New Jersey的Melcor ofTrenton公司出售PT6-12-40型。為增加熱接觸面積，用兩個鋁筒緊緊地夾在鈦管的外側(cè)，每個筒磨出一個平面，在每個平面上安裝一個熱電元件。在熱電元件的熱節(jié)上安裝一個翅片狀鋁散熱器，使廢熱能傳送到環(huán)境空氣。一個冰凍保護(hù)開關(guān)與熱電元件電源串聯(lián)。一旦陽極蓄池的溫度下降到接近結(jié)冰時，該雙金屬片開關(guān)斷開，關(guān)閉熱電元件，直到溫度上升到此開關(guān)的滯后范圍。
圖13A和13B所示為一個適用的恒流電源，有三個輸出電平向電解器供電。該電源提供一個最低的200mA電解池保持電流，一個5安培電流的正常輸出，和一個10安培的高電流輸出。一個位于陽極的過溫雙金屬片開關(guān)在陽極溫度升到約40℃以上時把電源置于最低電流工作方式。一個第二外開關(guān)或者說繼電器，在需要更多的臭氧產(chǎn)量時使電源能置于高輸出工作方式。電源還包括電池充電和備用電源運(yùn)轉(zhuǎn)的電路。
盡管以上說明針對本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施例，可以不偏離其基本范圍的前提下構(gòu)思其它的和進(jìn)一步的本發(fā)明實(shí)施例，其范圍由以下的權(quán)利要求書確定。
權(quán)利要求
1.一種臭氧發(fā)生系統(tǒng)，含有，一或多個電解池，各含有一個陽極室和一個陰極室；一個與陽極室液體連通的陽極蓄池，該陽極蓄池含有一個第一氣體釋放構(gòu)件；以及一個與陰極室液體連通的陰極蓄池，該陰極蓄池含有一個第二氣體釋放構(gòu)件。
2.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極和陰極蓄池各有一個入水口。
3.權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有與入水口液體連通的水源。
4.權(quán)利要求3所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有與水源液體連通的增壓泵。
5.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有與陰極蓄池液體連通的水源。
6.權(quán)利要求5所述的系統(tǒng)，其特征是，對液體從水源流到陰極蓄池?zé)o限制。
7.權(quán)利要求6所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極蓄池與陽極蓄池液體連通。
8.權(quán)利要求7所述的系統(tǒng)，其特征是，對陰極蓄池到陽極蓄池的流動沒有限制。
9.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個與陽極蓄池?zé)徇B通的水冷卻構(gòu)件。
10.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個置于陽極蓄池和陽極室之間的水循環(huán)構(gòu)件。
11.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池有一個用于從陽極蓄池返水的豎管。
12.權(quán)利要求11所述的系統(tǒng)，其特征是，豎管有一個用于以低循環(huán)速率平衡豎管和陽極蓄池水位的小孔。
13.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池與陰極蓄池的液體連通。
14.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個連通陽極蓄池和陰極蓄池的水流管線。
15.權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征是，在水流管線進(jìn)一步含有一個閥。
16.權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征是，水流管線直徑足夠小，從而基本上消除溶于陽極水中的臭氧和氧擴(kuò)散進(jìn)陰極。
17.權(quán)利要求14所述的系統(tǒng)，其特征是，水流管線有一個防倒流裝置，以防止水或氣體從陽極蓄池流通到陰極蓄池。
18.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個位于陽極蓄池和陽極室之間的水流管線，并在水流管線中放置一個泵。
19.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池高于陽極室之上，而且陽極蓄池入口與陽極室頂部連通。
20.權(quán)利要求19所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極處產(chǎn)生的氣體上升進(jìn)入陽極蓄池。
21.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，第一氣體釋放構(gòu)件是一個第一閥。
22.權(quán)利要求21所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個系統(tǒng)控制器，編程為根據(jù)陽極蓄池中的水位操縱第一閥。
23.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，第二氣體釋放構(gòu)件是一個第二閥。
24.權(quán)利要求23所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個系統(tǒng)控制器，編程為根據(jù)陰極蓄池中的水位操縱第二閥。
25.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，一或多個氣體釋放構(gòu)件含有一個疏水透氣構(gòu)件。
26.權(quán)利要求25所述的系統(tǒng)，其特征是，一或多個疏水透氣構(gòu)件含有多孔聚四氟乙烯。
27.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，第一氣體釋放構(gòu)件是一個疏水透氣膜。
28.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，第二氣體釋放構(gòu)件是一個疏水透氣膜。
29.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個置于與一或多個氣體釋放構(gòu)件液體連通的壓力調(diào)節(jié)器。
30.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個浸管，它有一個置于陰極蓄池中的第一端，一個處在大致環(huán)境壓力下的第二端，和一個置于第一端和第二端之間的疏水透氣膜。
31.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個浸管，它有一個置于陰極蓄池中的第一端，一個處在大致環(huán)境壓力下的第二端，和一個置于第一端和第二端之間的疏水透氣膜。
32.權(quán)利要求1所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個與電解池電連通的后備電池。
33.權(quán)利要求32所述的系統(tǒng)，其特征是，后備電池用并聯(lián)電路與一個電源連接。
34.一種發(fā)生臭氧的方法，含有下列步驟(a)在一個或多個含有一陰極和一陽極的電解池中電解水；(b)在陽極形成氧和臭氧；(c)在陽極和一個陽極蓄池之間循環(huán)水；(d)從陽極蓄池水中分離臭氧和氧；(e)從陽極蓄池排出氧和臭氧。(e)在陰極形成氫；(f)一個陰極蓄池從陰極接收水和氫；(g)從陰極蓄池中的水分離氫；并從陰極蓄池排出氫。
35.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有在陽極蓄池冷卻水的步驟。
36.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，來自陽極室的水經(jīng)一個陽極蓄池中的豎管循環(huán)到陽極蓄池。
37.權(quán)利要求36所述的方法，其特征是，豎管有一個用于平衡水位的小孔。
38.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有需要連續(xù)生產(chǎn)臭氧時向每個蓄池加水的步驟。
39.權(quán)利要求38所述的方法，其特征是，水從陰極蓄池加往陽極蓄池。
40.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，陽極蓄池工作在一個定點(diǎn)壓力，并有一個基本上恒定的水位。
41.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，陰極蓄池工作在一個定點(diǎn)壓力。
42.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，陽極蓄池工作在約30psig(206.8kN/m2)，而陰極蓄池工作在約40psig(275.7kN/m2)。
43.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，含有10％至18％左右重量臭氧的氧氣流從陽極蓄池排出。
44.權(quán)利要求38所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有用高于環(huán)境的壓力連續(xù)向每個蓄池供水的步驟。
45.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，進(jìn)一步包括增加氣體排放壓力的步驟。
46.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有分別地調(diào)節(jié)來自陽極蓄池的氣體排放壓力和來自陰極蓄池的氣體排放壓力的步驟。
47.權(quán)利要求34所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有把從陰極回收的水輸向陽極的步驟。
48.權(quán)利要求1所述的臭氧發(fā)生系統(tǒng)，其特征是，提供一個用于在陽極和陽極蓄池之間循環(huán)水的裝置。
49.權(quán)利要求48所述的系統(tǒng)，其特征是，循環(huán)裝置含有一個從陽極抽水并把水泵過陽極的泵，來自陽極的水再引入陰極蓄池。
50.權(quán)利要求49所述的系統(tǒng)，其特征是，該泵還把水從陽極蓄池泵到陰極，陰極與陽極蓄池連通。
51.權(quán)利要求9所述的臭氧發(fā)生系統(tǒng)，其特征是，水冷構(gòu)件含有一個冷卻螺管，該螺管經(jīng)一個冷卻回路循環(huán)致冷流體，冷卻回路包括一個冷凝器和一個壓縮機(jī)。
52.權(quán)利要求1所述的臭氧發(fā)生系統(tǒng)，其特征是，設(shè)有一個系統(tǒng)控制器，用于從傳感器接收信號，然后向該系統(tǒng)的活動部件發(fā)送控制信號。
53.權(quán)利要求52所述的系統(tǒng)，其特征是，與控制器相連的傳感器包含用于傳感陽極蓄池中的當(dāng)前液位的水位傳感器。
54.權(quán)利要求52或53所述的系統(tǒng)，其特征是，與控制器相連的傳感器裝置含有傳感陰極蓄池中的當(dāng)前液體的傳感器。
55.一種臭氧產(chǎn)生和發(fā)送系統(tǒng)，含有，一個具有一個陽極和一個陰極的電化學(xué)池和一個與陽極連通的陽極蓄池，該陽極蓄池有一個氣體出口，和一個放置在氣體出口上方的多孔疏水膜。
56.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極形成陽極蓄池的一部分。
57.權(quán)利要求56所述的系統(tǒng)，其特征是，氣體出口置于陽極蓄池的頂部，而陽極置于陽極蓄池的底部。
58.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池直接接到陽極。
59.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池直接接到陰極，使水和氣泡在陽極和陽極蓄池之間能夠自由交換。
60.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極蓄池進(jìn)一步含有一個釋壓構(gòu)件。
61.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池進(jìn)一步含有一個與陽極蓄池液體連通的捕氣室。
62.權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其特征是，捕氣室為一個置于陽極蓄池中的倒U形管。
63.權(quán)利要求61所述的系統(tǒng)，其特征是，捕氣室為一個置于一個與陽極蓄池連通的液體管線中的氣體陷阱。
64.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步包括與陽極蓄池液體連通的水源。
65.權(quán)利要求64所述的系統(tǒng)，其特征是，水源把水輸送到陽極的頂部。
66.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步包括一個經(jīng)一個防倒流裝置液體連通陽極蓄池的水源。
67.權(quán)利要求66所述的系統(tǒng)，其特征是，在氣體出口中進(jìn)一步含有一個壓力控制裝置。
68.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個與陰極蓄池?zé)徇B通的冷卻構(gòu)件。
69.權(quán)利要求68所述的系統(tǒng)，其特征是，冷卻構(gòu)件含有一個與散熱器熱連通的熱電裝置。
70.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個與陰極液體連通的陰極相分離器。
71.權(quán)利要求70所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極相分離器含有一個儲液器，一個在此儲液器頂部的出氣口和一個置于出氣口上方的多孔疏水膜。
72.權(quán)利要求71所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極相分離器的多孔疏水膜使氣體能與水分離，而水保持在壓力下。
73.權(quán)利要求70所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個提供從陰極相分離器到陽極蓄池的液體連通的循環(huán)管線。
74.權(quán)利要求73所述的系統(tǒng)，其特征是，循環(huán)管線含有一個防倒流裝置。
75.權(quán)利要求73所述的系統(tǒng)，其特征是，循環(huán)管線的直徑足夠小，以防止溶解的臭氧從陽極蓄池擴(kuò)散到陰極相分離器。
76.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極和陽極用一個質(zhì)子交換膜分開。
77.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，在氣體出口進(jìn)一步含有一個壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件。
78.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，多孔疏水膜使氣體從水中分離，同時水保持在壓力下。
79.權(quán)利要求55所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池進(jìn)一步含有一個在陽極蓄池底部附近的出水口。
80.一種臭氧發(fā)生和發(fā)送的系統(tǒng)，含有多個電化學(xué)池，每個有一個陽極和一個陰極；和一個與陽極連通的陽極蓄池，該陽極蓄池含有一個出氣口，和一個置于出氣口之上的多孔疏水膜。
81.權(quán)利要求80所述的系統(tǒng)，其特征是，多個電化學(xué)池置于一個過濾器迫緊型結(jié)構(gòu)中。
82.權(quán)利要求80所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極形成陽極蓄池的一部分。
83.權(quán)利要求80所述的系統(tǒng)，其特征是，通過陽極面對陽極蓄池而并排放置多個電化學(xué)池。
84.權(quán)利要求83所述的系統(tǒng)，其特征是，電化學(xué)池用電線串聯(lián)。
85.權(quán)利要求83所述的系統(tǒng)，其特征是，電化學(xué)池使用一個公共的質(zhì)子交換膜。
86.一種用于一個提供含有氣液流的電化學(xué)池的相分離器，含有(a)一個蓄池，有一個接收含氣液的入流通道，一個出氣口，一個置于出氣口上的疏水膜，和一個用于把液體返回電化學(xué)池的出流通道。
87.權(quán)利要求86所述的相分離器，其特征是，入流通道是一個第一管道，而出流通道是一個第二管道。
88.權(quán)利要求86所述的相分離器，其特征是，入流通道和出流通道是同一個通道。
89.權(quán)利要求88所述的相分離器，其特征是，蓄池沿一個界定該通道的界面直接連接著電化學(xué)系統(tǒng)。
90.一種用于產(chǎn)生臭氧和氫氣的電化學(xué)系統(tǒng)的廢氣摧毀系統(tǒng)，含有(a)一個有一個氫入口，一個氧源入口和一個曲折包間的第一區(qū)；(b)一個在第一區(qū)下游的第二區(qū)，第二區(qū)有一個氫氣摧毀催化劑；(c)一個在第二區(qū)下游的第三區(qū)，第三區(qū)含有一個臭氧入口和一個曲折的包間；(d)一個在第三區(qū)下游的第四區(qū)，第四區(qū)含有一個臭氧摧毀催化劑和一個放氣管。
91.權(quán)利要求90所述的廢氣摧毀單元，其特征是，氫摧毀催化劑與臭氧摧毀催化劑連通。
92.權(quán)利要求90所述的廢氣摧毀單元，其特征是，氫摧毀催化劑與一個無關(guān)過程熱連通。
93.一種發(fā)生和發(fā)送臭氧的電化學(xué)方法，包含下列步驟(a)在一或多的電解池中電解水，在陽極的水中產(chǎn)生氧和臭氧，在陰極的水中產(chǎn)生氫氣。(b)從陽極向一個陽極蓄池接收含溶解氧和臭氧氣體的陽極水，并且(c)用一個置于陽極蓄池中的多孔疏水膜從陽極水中分離臭氧/氧氣體；
94.權(quán)利要求93所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)從陰極向陰極蓄池接收氫氣和水；(e)用一個多孔疏水膜從陰極水中分離氫氣。
95.權(quán)利要求94所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(f)從陰極蓄池向陽極蓄池回收水。
96.權(quán)利要求93所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)向陽極蓄池添水；
97.權(quán)利要求93所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)向陽極蓄池的頂部加水；和(e)從陽極蓄池的底部抽取含有溶解臭氧的陽極水。
98.權(quán)利要求93所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)把陽極蓄池減壓至水源壓力以下；(e)使水能從水源流入陽極蓄池；及(f)重新加壓陽極蓄池；
99.權(quán)利要求93所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)通過限制流出陽極蓄池的氣流控制陽極蓄池的壓力。
100.權(quán)利要求93所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)在壓力下從陽極蓄池中發(fā)送臭氧氣。
101.權(quán)利要求93所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)在壓力下從陽極蓄池中發(fā)送陽極水。
102.權(quán)利要求94所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(f)摧毀多余的臭氧和氫。
103.一種臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng)，含有(a)一個具有一個陽極和一個陰極的電化學(xué)池；(b)一個與陰極連通的陰極蓄池；和(c)一個與陰極蓄池?zé)徇B通的冷卻構(gòu)件。
104.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極形成陰極蓄池的一部分。
105.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極蓄池是一個陰極相分離室。
106.權(quán)利要求105所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極相分離室包括一個置于陰極相分離室頂部的氣體出口，并且陰極置于陰極相分離室的底部。
107.權(quán)利要求105所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極相分離室與陰極液體連通，使水和氣泡能在陰極和陰極相分離室之間自由交換。
108.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個與陽極液體連通的陽極蓄池。
109.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個與陰極蓄池液體連通的水源。
110.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個經(jīng)一防倒流裝置與陽極蓄池液體連通的水源。
111.權(quán)利要求110所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個位于氣體出口中的壓力控制裝置。
112.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步含有一個與陽極液體連通的陽極蓄池。
113.權(quán)利要求112所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池含有一個蓄液池，一個位于蓄液池頂部的出氣口和一個在出氣口上方的多孔疏水膜。
114.權(quán)利要求113所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池的多孔疏水膜使氣體能從水中分離，而水處在壓力下。
115.權(quán)利要求112所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步包含一個提供從陰極相分離器到陽極蓄池液體連通的循環(huán)管線。
116.權(quán)利要求115所述的系統(tǒng)，其特征是，循環(huán)管線包含一個防倒流裝置。
117.權(quán)利要求115所述的系統(tǒng)，其特征是，循環(huán)管線直徑足夠小，以防止溶解的臭氧從陽極蓄池擴(kuò)散到陰極相分離器。
118.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，陰極和陽極由一個質(zhì)子交換膜分開。
119.權(quán)利要求114所述的系統(tǒng)，其特征是，進(jìn)一步包含一個置于出氣管中的壓力調(diào)節(jié)構(gòu)件。
120.權(quán)利要求103所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極蓄池進(jìn)一步含有一個靠近陽極蓄池底部的出水口。
121.一種發(fā)生和發(fā)送臭氧的系統(tǒng)，含有(a)多個電化學(xué)池，每個有一個陰極和一個陽極；(b)一個與陽極連通的陽極蓄池，該陽極蓄池有一個出氣口和一個置于出氣口之上的多孔疏水膜。
122.權(quán)利要求121所述的系統(tǒng)，其特征是，多個電化學(xué)池處于過濾器迫緊結(jié)構(gòu)。
123.權(quán)利要求121所述的系統(tǒng)，其特征是，陽極形成陽極蓄池的一部分。
124.一種發(fā)生和發(fā)送臭氧的電化學(xué)方法，含有下列步驟(a)在一或多個電解池中電解水，在陽極的水中發(fā)生臭氧，和在陰極的水中發(fā)生陰極產(chǎn)物；(b)在陰極的陰極蓄池之間循環(huán)水；并(c)冷卻陰極蓄池中的水。
125.權(quán)利要求124所述的方法，其特征是，用一個放置在陰極相分離器中的多孔疏水膜從陰極水中分離氫氣。
126.權(quán)利要求124所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)經(jīng)質(zhì)子交換膜從陰極向陽極反擴(kuò)散水，其中，質(zhì)子交換膜置于陰極和陽極之間。
127.權(quán)利要求124所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)在壓力下從陽極發(fā)送臭氧氣。
128.權(quán)利要求124所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(d)在壓力下從陽極發(fā)送陽極水。
129.權(quán)利要求125所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有下列步驟(f)摧毀多余的臭氧和氫；
130.一種電化學(xué)池，含有(a)一個可壓縮電極；(b)一個剛性電極；和(c)一個壓在可壓縮電極和剛性電極之間的質(zhì)子交換膜。
131.權(quán)利要求130所述的電化學(xué)池，其特征是，可壓縮電極和剛性電極含有一種流體，而且在可壓縮電極中的流體壓力大于剛性電極中的流體壓力。
132.權(quán)利要求130所述的方法，其特征是，進(jìn)一步含有一個處于可壓縮電極后面的剛性構(gòu)件，減少對可壓縮電極的壓力。
133.一種運(yùn)作電化學(xué)池的方法，含有(a)以基本上等于反應(yīng)劑消耗量的流量向電極提供反應(yīng)劑。(b)以明顯大于反應(yīng)劑消耗量的流量周期性地沖刷電極以去除積累在電極上的成分。
134.權(quán)利要求133的方法，其特征是，進(jìn)一步包括(c)監(jiān)測進(jìn)入電極的反應(yīng)劑流速。
全文摘要
本發(fā)明提供一種臭氧發(fā)生和發(fā)送系統(tǒng),它可以進(jìn)行小規(guī)模應(yīng)用,并要求很少的保養(yǎng)維護(hù)。該系統(tǒng)包括一個陽極蓄池和一個陰極相分離器,各有一個疏水膜,使產(chǎn)生的氣體能從水中進(jìn)行相態(tài)分離。該系統(tǒng)可構(gòu)造得被動工作,不帶有運(yùn)動部件,或者說以自施壓的方式工作,包括一個在陽極蓄池的出氣管處的壓力控制裝置或閥。還公開了一種以恒壓工作的臭氧發(fā)生器,用以產(chǎn)生連續(xù)的氧氣流中的臭氧氣流,含有10%至18%重量的臭氧。臭氧發(fā)生器包括一或多個電解池,后者含有一個陽極/陽極流場,一個陰極/陰極流場,一個用于保持臭氧和氧與氫分開的質(zhì)子交換媒介。該臭氧發(fā)生器還有一個放出氧和臭氧的陽極蓄池和一個放出氫氣的陰極蓄池。陽極蓄池可以從陰極蓄池充水,同時連續(xù)產(chǎn)生臭氧。臭氧發(fā)生器易于用一個編程來常壓運(yùn)轉(zhuǎn)陽極蓄地的系統(tǒng)控制器進(jìn)行自控。
文檔編號C25B1/13GK1264433SQ98805331
公開日2000年8月23日 申請日期1998年3月23日 優(yōu)先權(quán)日1997年3月21日
發(fā)明者克雷格·C·安德魯斯, 奧利弗·J·墨菲, 托馬斯·D·羅杰斯 申請人:林恩技術(shù)公司