本發(fā)明涉及一種在最佳加工條件下生成電解水的方法和系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

含有離子鹽的溶液的電解是生成電解水過(guò)程的主要部分。溶液的電解在電解水中生成一系列活性分子和離子物質(zhì)，在某些情況下包括o3和hocl。

活性物質(zhì)的生成由許多因素決定，包括：

·溶液中全部溶解鹽引起的溶液的電導(dǎo)率；

·施加到溶液的電荷密度(功率)；和

·電極的表面積、流速和/或曝光時(shí)間(即溶液與電極的接觸時(shí)間)。

在許多應(yīng)用中，例如食品和農(nóng)業(yè)或園藝業(yè)中，由于高鹽度溶液具有潛在敏感性，因此鹽濃度必須受到限制。電解水生成過(guò)程中涉及的資金和操作成本也很高，因此人們希望最大限度地減少：

·電極尺寸和/或

·電解的電源要求

因此，需要一種優(yōu)化活性物質(zhì)生成的同時(shí)可提高電解水生成效率的系統(tǒng)和方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

根據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供了一種用于生成電解水組分的電解系統(tǒng)，所述系統(tǒng)包括：

包含電解質(zhì)水溶液的儲(chǔ)存器；

電解流電池與儲(chǔ)存器非固定地連通，以接收包含電解質(zhì)水溶液的進(jìn)料流，其中所述電池包括至少一對(duì)電極；其中電極連接到電源，所述電源可操作以提供過(guò)電位電解液，進(jìn)而生成包含多個(gè)活性分子和離子物質(zhì)的電解水進(jìn)料流；和

控制系統(tǒng)，其可操作從而根據(jù)電解質(zhì)溶液的鹽濃度來(lái)控制電源，來(lái)向所述電池提供預(yù)定電壓，其中預(yù)定電壓對(duì)應(yīng)于電解水中提供活性物質(zhì)的最佳濃度所需的最小電壓。

所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括加熱器，其可操作以將熱量供應(yīng)到所述電池中的電解質(zhì)溶液進(jìn)料流和/或電解質(zhì)溶液。優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)可進(jìn)一步操作以控制加熱器，進(jìn)而控制電解質(zhì)溶液的溫度。優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)可操作以將電解質(zhì)溶液/電解質(zhì)溶液進(jìn)料流的溫度保持在預(yù)定溫度或在預(yù)定溫度范圍內(nèi)，從而優(yōu)化給定特定濃度的電解質(zhì)的電導(dǎo)率，同時(shí)使活性物質(zhì)的熱降解最小化，以生成具有最佳濃度的活性分子和離子物質(zhì)的電解水進(jìn)料流。優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)可操作以將電解質(zhì)溶液和/或電解質(zhì)溶液進(jìn)料流的溫度控制在25℃和40℃之間；優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)可操作以根據(jù)鹽濃度和電池內(nèi)電解質(zhì)溶液的溫度來(lái)控制電源，進(jìn)而向所述電池提供預(yù)定電壓，其中預(yù)定電壓對(duì)應(yīng)于該溫度下電解質(zhì)溶液所需的最小電壓，以便使電解水中活性物質(zhì)達(dá)到最佳濃度。

所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括清潔供水系統(tǒng)，其可操作以將清潔水進(jìn)料流輸送到電解水進(jìn)料流以生成電解水組分進(jìn)料流。

優(yōu)選地，所述控制系統(tǒng)可操作以控制電解水進(jìn)料流、清潔水進(jìn)料流和電解水組分進(jìn)料流中至少一種的相對(duì)流速。

所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括與電解水進(jìn)料流和清潔水進(jìn)料流非固定連通的混合腔。

所述系統(tǒng)可進(jìn)一步包括用于控制至少一個(gè)進(jìn)料流相對(duì)流速的至少一個(gè)流量調(diào)節(jié)器。

例如，所述電解流電池可以是平行流電池。

根據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供了一種優(yōu)化電解水組分生成的方法，包括：

制備電解質(zhì)水溶液；

將所述電解質(zhì)水溶液引入電解池中，所述電解池包括位于所述電解池內(nèi)的至少一對(duì)電極，并設(shè)置為在使用中將與電源連接；和

操作電源以向電解池內(nèi)的電解質(zhì)溶液施加電壓，以生成包含多個(gè)活性分子和離子物質(zhì)的電解水；

其中所述方法進(jìn)一步包括操作控制系統(tǒng)，以根據(jù)所述電解質(zhì)溶液的鹽濃度和電導(dǎo)率來(lái)控制所述電源，進(jìn)而向所述電池提供預(yù)定電壓，其中預(yù)定電壓對(duì)應(yīng)于電解水中提供活性物質(zhì)的最佳濃度所需的最小電壓。

所述方法可進(jìn)一步包括加熱電解池內(nèi)的電解質(zhì)溶液。所述方法可進(jìn)一步包括加熱電解質(zhì)溶液進(jìn)料流。所述方法可進(jìn)一步包括操作控制系統(tǒng)，以控制電解池中電解質(zhì)溶液進(jìn)料流和/或電解質(zhì)溶液的溫度。優(yōu)選地，所述方法對(duì)所述控制系統(tǒng)進(jìn)行操作，以將電池中的電解質(zhì)溶液進(jìn)料流和/或電解質(zhì)溶液的溫度控制在25℃和40℃之間，從而優(yōu)化電解溶液的電導(dǎo)率，同時(shí)使活性物質(zhì)的熱降解最小化，以生成包括最佳濃度的活性分子和離子物質(zhì)的電解水進(jìn)料流。優(yōu)選地，所述方法進(jìn)一步包括操作所述控制系統(tǒng)，以根據(jù)鹽濃度和電池內(nèi)電解質(zhì)溶液的溫度來(lái)控制電源，進(jìn)而向所述電池提供預(yù)定電壓，其中預(yù)定電壓對(duì)應(yīng)于該溫度下電解質(zhì)溶液所需的最小電壓，以便使電解水中活性物質(zhì)達(dá)到最佳濃度。

所述方法可進(jìn)一步包括將電解水和清潔水的進(jìn)料流組合。所述方法可進(jìn)一步包括在攪拌腔內(nèi)組合并混合電解水和清潔水的進(jìn)料流。

所述方法可進(jìn)一步包括操作所述控制系統(tǒng)，以控制以下至少一種的相對(duì)流速：進(jìn)料流包括電解質(zhì)溶液、電解水進(jìn)料流和清潔水進(jìn)料流及其任何組合。

附圖說(shuō)明

圖1是根據(jù)本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的所述系統(tǒng)的流程示意圖；

圖2是說(shuō)明電壓和電流密度之間關(guān)系的曲線圖，可產(chǎn)生具有不同電導(dǎo)率的五種不同氯化鈉溶液的給定濃度活性分子和離子物質(zhì)的電解水組分；

圖3是說(shuō)明增加鹽溶液(氯化鈉)濃度對(duì)給定恒定電池面積、電荷密度和溫度產(chǎn)生的活性分子和離子物質(zhì)(游離有效氯-fac)濃度影響的曲線圖；和

圖4是說(shuō)明溫度對(duì)溶液電導(dǎo)率影響的曲線圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，所述系統(tǒng)1包括包含高濃度鹽溶液(例如鹽濃度等于或大于20g/l的鹽溶液)的電解質(zhì)水溶液的儲(chǔ)存器2。

所述儲(chǔ)存器2與所述電解流池4非固定地連通。所述電池4包括3-10個(gè)電極(例如8個(gè)電極)(未示出)。所述電極是硼摻雜的金剛石電極。但應(yīng)了解到，所述電池可包含任何合適數(shù)量的電極，并且電極可由任何合適的材料制成。

所述電解池包括位于電池內(nèi)的3至10個(gè)(例如8個(gè))硼摻雜金剛石電極(bde)的殼體和用于將電荷傳輸穿過(guò)電解質(zhì)溶液的金屬“接觸板”。

所述bde是片狀組件，并設(shè)成3-10片(例如8片)的堆疊。每片均與相鄰片具有固定距離。相鄰bde片之間的距離設(shè)有電池間隙，優(yōu)選小于5mm(例如在約2至3mm之間)；bde設(shè)置在塑料框中。所述bde將電荷傳輸穿過(guò)電解質(zhì)溶液，引起強(qiáng)偶極，并在金剛石的相間表面上產(chǎn)生帶正電和帶負(fù)電的自由基。

可通過(guò)任何合適的方式將電解質(zhì)溶液引入電解池中，從而以連續(xù)或分批處理生成電解水組分。在連續(xù)方法中，電解質(zhì)溶液可以合適的流速引入(例如流速為0.1至100l/min、3至5l/min)。在分批處理中，電解質(zhì)溶液流速可約為16l/min。

所述電極(未示出)連接到電源單元11，所述電源單元11可操作以向電池內(nèi)的電解質(zhì)溶液提供過(guò)電位，進(jìn)而產(chǎn)生包含多個(gè)活性分子和離子物質(zhì)的電解水進(jìn)料流15。所述進(jìn)料流15與所述混合器18非固定地連通。

所述系統(tǒng)還包括與混合器18非固定連通的純水儲(chǔ)存器16。所述混合器18是用于將電解水進(jìn)料流15與純水進(jìn)料流14混合的文氏管/受控混合器。應(yīng)了解到，可以使用任何合適的混合器。

所述系統(tǒng)1還包括位于儲(chǔ)存器2和電解流池4之間的加熱器6。所述加熱器4設(shè)成當(dāng)電解液進(jìn)料流13從儲(chǔ)存器2流動(dòng)到電解流池4時(shí)，按要求并在需要時(shí)將其加熱至預(yù)定溫度或預(yù)定溫度范圍。

所述系統(tǒng)1還包括流量調(diào)節(jié)器10、12，其設(shè)成獨(dú)立地調(diào)節(jié)來(lái)自純水儲(chǔ)存器16的電解質(zhì)進(jìn)料流13和凈水進(jìn)料流14的流速。

所述系統(tǒng)1進(jìn)一步包括控制系統(tǒng)8，其可操作以控制電源單元11，進(jìn)而控制施加在至少一對(duì)電極上的電壓。所述控制系統(tǒng)8還可操作以控制加熱器6，從而當(dāng)電解質(zhì)進(jìn)料流進(jìn)入電池4時(shí)可控制電解質(zhì)進(jìn)料流的溫度。應(yīng)了解到，所述加熱器可設(shè)于任何合適的位置以便向電解流池4內(nèi)的電解質(zhì)進(jìn)料流和/或電解質(zhì)提供熱量。例如，所述加熱器可設(shè)成當(dāng)電解質(zhì)存在于電池4內(nèi)時(shí)加熱電解質(zhì)。所述控制系統(tǒng)8還可操作以控制流量調(diào)節(jié)器10、12，進(jìn)而獨(dú)立地控制各進(jìn)料流13、14的流速。

優(yōu)選實(shí)施例中，來(lái)自電源單元的多余熱量可供應(yīng)到電解池中以預(yù)熱電解質(zhì)溶液，從而進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)的用電率?？梢酝ㄟ^(guò)調(diào)節(jié)施加到熱電泵或熱線圈的電能來(lái)控制，所述熱電泵或熱線圈的散熱器(熱交換器19)將電源單元11連接到可加熱電解質(zhì)溶液的加熱元件。

本實(shí)施例中的控制系統(tǒng)8是用于控制施加在電極上電壓，以及電解質(zhì)溶液、電解水、清潔水的相對(duì)流速和/或電解質(zhì)溶液溫度的單旋鈕，進(jìn)而在電極上提供預(yù)定電壓，其中預(yù)定電壓是該溫度下電解質(zhì)溶液所需的最小電壓，以使電解水中的活性物質(zhì)達(dá)到最佳濃度。

所述控制旋鈕設(shè)置范圍為“清潔水”到“全強(qiáng)度”。切換到“清潔水”可使流量、加熱和電壓設(shè)為零。所述混合器輸出的將是清潔水。切換到“全強(qiáng)度”意味著進(jìn)入混合器的清潔水流量為零。電解液的加熱和所施加的電壓將設(shè)于最大值?！扒鍧嵥焙汀叭珡?qiáng)度”的中間設(shè)置可利用進(jìn)入混合器的電解水進(jìn)料和清潔水之間相對(duì)流速的不同比例、以及施加到電解質(zhì)溶液的不同溫度，和施加在電極上的不同電壓，以產(chǎn)生包括濃度增加的活性物質(zhì)(以線性方式增加)的電解水組分，同時(shí)將輸出溶液的鹽濃度保持在預(yù)設(shè)范圍內(nèi)。

盡管本實(shí)施例包括單控制旋鈕，但應(yīng)了解到，所述控制系統(tǒng)8可通過(guò)數(shù)字顯示器操作。

高鹽度溶液需要明顯減少的電能來(lái)提供活性物質(zhì)的給定濃度。優(yōu)選地，電解質(zhì)溶液是高鹽度鹽溶液(例如包含至少20g/l鹽濃度的溶液)。因此，本發(fā)明提供了一種能量效率提高而成本降低的方法和系統(tǒng)，來(lái)提供具有給定濃度的活性物質(zhì)的電解水組分。

本發(fā)明的系統(tǒng)使高濃度鹽溶液可在電池內(nèi)電解(可選預(yù)定溫度和流速)，同時(shí)需要在電極間施加恒定、預(yù)定的最小電壓，以提供具有預(yù)定濃度活性物質(zhì)的電解水。

因此，本發(fā)明的系統(tǒng)和方法涉及使用和/或生產(chǎn)可能具有腐蝕性、刺激性和/或植物毒性的高鹽度溶液。因此，本發(fā)明的系統(tǒng)可選地包括一個(gè)混合腔，其中高鹽度電解水組分在生成后可在所述腔體內(nèi)通過(guò)純水立即稀釋。優(yōu)選地，電解水組分在生產(chǎn)后立即稀釋并在傳輸點(diǎn)將ew溶液中活性物質(zhì)的降解降至最低。因此，本發(fā)明的方法和系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)在電解質(zhì)溶液中產(chǎn)生所需濃度的活性物質(zhì)，同時(shí)使所需電源和/或電極尺寸最小化，并且還可提供輸出電解水組分(其鹽濃度可保證安全傳輸)。

本發(fā)明提供一種生產(chǎn)成本較低、用于生產(chǎn)電解水組分的系統(tǒng)和方法。由于操作系統(tǒng)的電能要求降低，因此操作成本降低且與本發(fā)明系統(tǒng)和方法相關(guān)的碳排放量也減少。由于工藝參數(shù)的優(yōu)化，電解池的尺寸減小且成本降低。

示例1——鹽濃度對(duì)所需電壓的影響。

如圖2所示，本發(fā)明研究了包含不同鹽濃度的氯化鈉溶液的五種不同電解質(zhì)溶液，以確定供應(yīng)到電池的電壓之間的關(guān)系，進(jìn)而獲得包含預(yù)定濃度活性物質(zhì)的電解水。

所研究的氯化鈉溶液的電導(dǎo)率值分別為0.55ms/cm、1.00ms/cm、2.00ms/cm、4.40ms/cm和9.98ms/cm，與鹽溶液濃度直接相關(guān)。溶液的電導(dǎo)率隨著鹽溶液濃度的增加而增加。

如圖2所示，為了提供包含預(yù)定濃度活性物質(zhì)的電解水，供應(yīng)到電池的所需電壓量隨著鹽溶液的電導(dǎo)率增加而降低。因此，與電導(dǎo)率值較低的更稀鹽溶液相比，為了生成具有預(yù)定濃度活性物質(zhì)的電解水，供應(yīng)給較濃鹽溶液需要較少的電壓。

由此看出，例如，對(duì)于電導(dǎo)率值為0.55ms/cm的氯化鈉溶液，提供具有預(yù)定濃度活性物質(zhì)的電解質(zhì)水所需的電能大約是電導(dǎo)率值為10ms/cm的氯化鈉溶液的六倍。

因此，本發(fā)明系統(tǒng)的所述控制系統(tǒng)可用于根據(jù)電解質(zhì)溶液的濃度(例如電解質(zhì)溶液的電導(dǎo)率)可操作地來(lái)控制提供給電池內(nèi)電極的電能，以優(yōu)化生成具有給定濃度活性物質(zhì)的電解水所需的電壓。因此，本發(fā)明提供了一種可生成具有給定濃度活性物質(zhì)的電解水的系統(tǒng)和方法，其能量效率提高(且成本降低)。

示例2——鹽濃度與通過(guò)電解產(chǎn)生的活性物質(zhì)濃度之間的關(guān)系。

將氯化鈉溶液引入圖1中系統(tǒng)的儲(chǔ)存器。電解質(zhì)氯化鈉溶液中鹽濃度發(fā)生了變化，但所述系統(tǒng)的熱量和電壓等所有其它操作條件保持不變。如圖3所示，電解池中生成的電解水中活性物質(zhì)的濃度與溶液中氯化鈉的濃度成正比。隨著電解液中鹽濃度的增加，生成的電解水中活性物質(zhì)的濃度也增加。

示例3——溶液的溫度和電導(dǎo)率之間的關(guān)系

圖4說(shuō)明了鹽溶液、水溶液以及鹽水混合溶液的溫度和電導(dǎo)率之間的關(guān)系?？梢钥闯觯话銇?lái)說(shuō)，隨著溫度的升高，溶液的電導(dǎo)率也增加。純水溶液電導(dǎo)率的增加比鹽溶液(nacl)更明顯。如圖4所示，當(dāng)溫度從10℃升至30℃時(shí)，鹽溶液(nacl)的電導(dǎo)率大約增加一倍。此電導(dǎo)率的增加表明，為了生成包含給定濃度活性物質(zhì)的電解水，較高溫度下提供給電解質(zhì)溶液的電能明顯降低。

此外還了解到，溶液的溫度是導(dǎo)致電解水組分不穩(wěn)定性的主要原因。優(yōu)選地，電解質(zhì)溶液的溫度范圍保持在25℃和40℃之間，在該溫度范圍內(nèi)可向電池提供最低的電能，從而在給定的電荷密度和鹽濃度下產(chǎn)生最高濃度的活性物質(zhì)。