專利名稱：用于軟化水的電化學(xué)處理方法和設(shè)備的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用電化學(xué)處理水使其軟化的方法，以及實(shí)施此方法的設(shè)備。
在目標(biāo)是使其軟化的各種水處理方法中，我們知道有不同的在離子交換聚合物上使用的雙列離子交換軟化法和裝置。我們還知道的一種處理方法是在待處理的水中加入比如石灰或純堿等化學(xué)試劑。在此兩種情況下，這類技術(shù)使用外來(lái)的化學(xué)試劑。使用這種技術(shù)一方面意味著使水質(zhì)發(fā)生重大的改變，另一方面意味著定期地保持和供應(yīng)消耗品，使得經(jīng)營(yíng)成本提高。
另外，也還有使用磁場(chǎng)或電場(chǎng)的其他的水處理技術(shù)。這些已知的其他方法有促進(jìn)水中的碳酸鈣晶核化和/或?qū)Υ司Ш说某砷L(zhǎng)速度進(jìn)行調(diào)節(jié)以延緩水垢產(chǎn)生的作用。這些水處理技術(shù)的缺點(diǎn)是，不會(huì)引起待處理的水中的碳酸鈣立即結(jié)晶和沉淀。
本發(fā)明力圖克服這些缺點(diǎn)，提出一種方法和設(shè)備，使得能在特別經(jīng)濟(jì)和可靠的條件下，使水全部或部分地實(shí)現(xiàn)被控制的軟化。
本發(fā)明涉及其目的是減小水硬度的一種電化學(xué)處理方法，在此方法中，在分別與電流發(fā)生器的正、負(fù)極相連，而且每一極至少包含一塊極板的陽(yáng)極和陰極之間使待處理的水電解，該方法的特征在于它包括如下步驟在陰極上形成至少部分由碳酸鈣構(gòu)成的薄多孔表層；同時(shí)進(jìn)行水的電解和產(chǎn)生氣流，并通過(guò)陰極的孔隙，使得至少部分在電解過(guò)程中在表層上形成的由碳酸鈣構(gòu)成的結(jié)晶在所述氣流的作用下剝離。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，特別以自動(dòng)的方式，通過(guò)測(cè)量給定的參數(shù)值和根據(jù)所述的參數(shù)值改變通過(guò)待處理的液體的電流強(qiáng)度來(lái)控制被處理的水的硬度。
本發(fā)明涉及其目的是減小水硬度的電化學(xué)水處理裝置，該裝置包括一個(gè)電解槽，槽中裝有與電流發(fā)生器的正、負(fù)極分別相連的陽(yáng)極和陰極，每個(gè)正、負(fù)極都包含至少一塊極板，其特征在于，該陰極包括至少部分由粘接的和多孔的碳酸鈣組成的表層，還包括一種裝置，它能驅(qū)動(dòng)氣流通過(guò)此陰極的孔隙，使得在所述表層上形成的沉淀，特別是碳酸鈣沉淀剝離并沉淀下來(lái)。
在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施方案中，陰極由多孔金屬，特別是由燒結(jié)金屬制成，表面覆蓋一薄層多孔的碳酸鈣。
氣流可以由氫氣組成，尤其是可以通過(guò)將陰極電勢(shì)加到足夠的給定值得到此種氣體。
在本發(fā)明設(shè)備的一個(gè)實(shí)施方案中，它包含了適合于測(cè)量處理水的給定參數(shù)值的裝置，和適合于根據(jù)所述的參數(shù)值改變通過(guò)電解槽的電流強(qiáng)度的裝置。
下面參考附圖，以非限定性實(shí)施例的方式敘述本發(fā)明的各種實(shí)施方式。


圖1是本發(fā)明的水處理裝置的電路圖；圖2是本發(fā)明的水處理裝置的透視圖；圖3是本發(fā)明的陰極的一個(gè)實(shí)施方案的縱向截面圖；圖4是由多孔碳酸鈣薄層組成的表層覆蓋的陰極構(gòu)成的實(shí)施方案示意圖；圖5是本發(fā)明的一種實(shí)施方案示意圖；圖6是本發(fā)明的水處理裝置沿圖7的VI-VI線的剖面圖；圖7是圖6所介紹的裝置沿圖6的VII-VII線的剖面圖。
在圖1上介紹的本發(fā)明的裝置主要包括一臺(tái)電流發(fā)生器1，它向功率分壓器3送去電流，分壓器在其端部A和B之間送出強(qiáng)度可調(diào)的電流，在此處它們分別和電解槽8中的陽(yáng)極5及陰極7相連，電解槽8中裝有希望降低其硬度的水10。分壓器3的端部A和B連接著橋式分配器兩端，后者由兩個(gè)電阻，即固定電阻9和可調(diào)電阻11組成，其中由中心點(diǎn)C可以讀出可調(diào)的參考電壓，此值可送入電壓比較器13中。13和可調(diào)電壓發(fā)生器15相連，此發(fā)生器的正極接地，負(fù)極接在陰極7上，這樣就加上一個(gè)可調(diào)的負(fù)電壓。
現(xiàn)在看圖2的介紹，電解槽8比如包括平行六面體形的絕緣材料槽，在其底部有待處理水的流入管道22，在其上部是處理過(guò)的水的流出管道24。陰極7由8片不銹鋼極板7a構(gòu)成，優(yōu)選食品級(jí)的牌號(hào)316L，這些極板之間由9個(gè)桿5a彼此平行地保持距離，中間插入絕緣環(huán)6，而這些桿就構(gòu)成了陽(yáng)極5。9個(gè)桿5a接在一起，并通過(guò)導(dǎo)線12連在正電極14上，而8片極板7a則彼此相連，并通過(guò)桿16連在負(fù)電極17上。構(gòu)成陰極7的板7a的表面仔細(xì)地被用機(jī)械或最好是用電解的方法拋光。構(gòu)成陰極7的板7a的總面積S與構(gòu)成陽(yáng)極5的桿5a的總面積S’之比大約為10-20，使得在陽(yáng)極上的電流表面密度比在陰極7上大10-20倍。陰極極板7a之間彼此間距約為2cm。構(gòu)成陽(yáng)極5的材料是在上面進(jìn)行水的氧化反應(yīng)不產(chǎn)生過(guò)電壓的材料。此外，這些材料在很長(zhǎng)的時(shí)間內(nèi)應(yīng)保持穩(wěn)定。因此優(yōu)選使用鈦材，特別優(yōu)選使用包有鉑、銥或釕的鈦材。
在此條件下，按如下所述的方法操作此設(shè)備。
在本發(fā)明方法的第一步，在構(gòu)成陰極7的極板7a上形成所謂碳酸鈣初級(jí)多孔薄層。為此進(jìn)行第一次水電解，這時(shí)調(diào)節(jié)電壓發(fā)生器15，使得在陰極7上加上負(fù)電壓，在陰極上的唯一電化學(xué)反應(yīng)是溶解氧的還原反應(yīng)，致使這時(shí)按照如下的反應(yīng)在陰極上沉淀下粘接的碳酸鈣薄層
隨著在陰極7上形成碳酸鈣層，電解槽的電阻漸漸地增大，致使電解電流強(qiáng)度減小，因此在電壓比較器13的終端A和C之間的電位差也減小，達(dá)到由橋形分配器的可調(diào)電阻11預(yù)先給定的預(yù)定閾值。這個(gè)值優(yōu)選相當(dāng)于電解槽的電流強(qiáng)度降低20％。這時(shí)比較器13給電壓發(fā)生器15一個(gè)命令，在陰極7上加上相對(duì)于地是負(fù)值的確定電壓，以促進(jìn)在陰極上發(fā)生水的還原反應(yīng)，這是按熟知的下式進(jìn)行，釋放出氫氣
氫氣的釋放對(duì)陰極7上形成的碳酸鈣的初步薄層產(chǎn)生作用，產(chǎn)生多孔結(jié)構(gòu)。從這時(shí)起，陰極7已經(jīng)準(zhǔn)備好進(jìn)行下一步，以減小裝在電解槽8中的水的硬度。
為此要在電解槽8中通過(guò)電流，并借助于電壓發(fā)生器15在陰極7上加上更高的負(fù)電壓，以促使水的還原，產(chǎn)生氫氣。
在此條件下，我們證實(shí)，多孔的碳酸鈣層起著成核中心的作用，在其表面上形成發(fā)源點(diǎn)，在電解的過(guò)程中，它們支撐碳酸鈣晶體的生長(zhǎng)，由氫氣流將這些晶體從陰極上剝離，然后使它們沉淀到液體10中，并沉于槽8的底部，在那里將它們回收。隨著其形成而從陰極7上剝離的碳酸鈣晶體，隨著時(shí)間的進(jìn)程，其初始層厚度保持不變的，因此電解可以進(jìn)行需要的長(zhǎng)時(shí)間。
另外，按照本發(fā)明，在陽(yáng)極電流密度較大時(shí)，按照下式產(chǎn)生溶解的氧
這驅(qū)趕了被處理水中的二氧化碳，使之散逸到大氣中。
另外，溶解氧的濃度增加，這有利于陰極的反應(yīng)，其原因在于增加了溶解氧的還原和水的還原，所有這兩種反應(yīng)，都產(chǎn)生OH離子。
可以按如下的方法實(shí)施本發(fā)明的方法，即在實(shí)驗(yàn)室或工廠中，預(yù)先制造有多孔碳酸鈣初級(jí)表層的預(yù)覆蓋陰極，這是實(shí)施本方法的第二步所必需的。
按照本發(fā)明也可以通過(guò)在陰極附近形成由強(qiáng)水合碳酸鈣構(gòu)成的凝膠來(lái)大大改善脫碳酸鹽的效率。
為此要在陰極上加上足夠的負(fù)電壓，使陰極的表面電流密度超過(guò)2A/m2。按照本發(fā)明，陰極的表面電流密度優(yōu)選在2A/m2和8A/m2之間。
現(xiàn)已證實(shí)，在此條件下，在陰極上形成了凝膠，此凝膠對(duì)于在此電極上產(chǎn)生的氫的推動(dòng)力，只有不大的阻力。
這個(gè)凝膠保證了兩個(gè)基本功能。首先，其基本上是作為一層膜起作用，對(duì)OH-離子在溶液中的移動(dòng)，它起著阻滯劑的作用。此凝膠對(duì)H+離子向陰極的遷移也起著制動(dòng)器的作用，這就減少了OH-與H+相結(jié)合的機(jī)會(huì)，這種結(jié)合會(huì)使得脫碳酸鹽的效率下降。
另外，這種特別由無(wú)定形單晶組成的凝膠吸引著Ca++離子以及碳酸根和碳酸氫根。已經(jīng)證實(shí)，OH離子不直接和碳酸氫根反應(yīng)，但可以和通過(guò)反散射釋放出的H+反應(yīng)，這樣就改進(jìn)了脫碳酸鹽的效率，因?yàn)樵谀z中進(jìn)行的H+和OH的每次中和都相當(dāng)于Ca++和CO3--插到凝膠的晶體中。
為了實(shí)施本發(fā)明，可以使用非氫氣體。為此目的可以使用多孔陰極，特別是由燒結(jié)金屬制成的陰極。在第一步中將此陰極表面包敷碳酸鈣多孔層。如同在圖3中所示，此陰極由燒結(jié)金屬柱狀物7’組成，它含有一個(gè)縱向的中心腔體18，通過(guò)導(dǎo)線20它與加壓氣體喂送機(jī)構(gòu)相通。釋放的氣體通過(guò)陰極7’，致使它帶出電解過(guò)程中在電極上產(chǎn)生的碳酸鈣晶體。
當(dāng)然，在這樣的實(shí)施模式中，如果在陰極上不再需要為了釋放氫氣而進(jìn)行水的還原，就不再使用電壓發(fā)生器15。
由于本發(fā)明的方法在陽(yáng)極上產(chǎn)生二氧化碳，隨著處理的進(jìn)行，被處理的水逐漸被酸化。如同在后面將要闡明的，pH值的減小使得能控制水的脫碳酸鹽進(jìn)程。
如此制造出的脫碳酸鹽水，在不希望使用其對(duì)CaCO3的侵蝕性能之處(將在后面闡述)，應(yīng)該進(jìn)行處理以除去二氧化碳。為此將使用攪拌、渦流、滴流等眾所周知的方法。
為了在陰極7上形成初始的碳酸鈣表層，可使用在圖4上介紹的裝置。
在此圖上，該裝置包括一個(gè)燒結(jié)金屬制的支架，由它構(gòu)成了具有鐘帽狀的陰極21。該鐘帽21浸在槽23中，由下管道25向槽內(nèi)通入含碳酸鹽的水。槽23有一個(gè)上管道26，它起著溢流管的作用。電阻28被放在鐘罩21的中間，管道30溝通鐘罩的內(nèi)部和槽的內(nèi)部。為了在鐘罩21的多孔表面上得到多孔的碳酸鈣沉淀，如下所述進(jìn)行操作。
向電阻28通入電流使裝在槽23中的水沸騰。在此操作的過(guò)程中，在鐘罩21的壁上，特別是外壁上形成了碳酸鈣的沉淀。在鐘罩21上形成的蒸汽氣泡穿過(guò)其燒結(jié)的金屬壁，通過(guò)穿透形成的碳酸鈣薄表層而向外部釋放，這樣就在薄層上造成孔隙。當(dāng)多孔碳酸鈣薄層的厚度達(dá)到足夠厚時(shí)，就中斷了進(jìn)程，我們就擁有了被覆著多孔碳酸鈣薄層的陰極。管道30使得能抽出已經(jīng)處理過(guò)的水，即部分除去碳酸鈣的水，得到蒸汽氣泡，此氣泡能最大限度地減小在鐘罩21內(nèi)部形成的碳酸鈣的數(shù)量。
當(dāng)然，每個(gè)陽(yáng)極和每個(gè)陰極都可以由任意數(shù)目的元件構(gòu)成。
當(dāng)在燒結(jié)金屬上，更一般地說(shuō)是在多孔金屬上形成了多孔的碳酸鈣層時(shí)，這個(gè)碳酸鈣層可以當(dāng)作過(guò)濾膜，在用熱效應(yīng)或電解得到膜時(shí)都是如此。我們可以很容易地定期中斷通過(guò)碳酸鈣層釋放氣體的過(guò)程，以使用這些層上的孔作為待過(guò)濾的水的通道。一種簡(jiǎn)單的系統(tǒng)可以防止孔的堵塞，這包括交替進(jìn)行過(guò)濾和氣體釋放的操作。
本發(fā)明特別可以以自動(dòng)控制的方式控制水的脫碳酸鹽程度。為此，在電解過(guò)程中，不斷地測(cè)量水的物理化學(xué)參數(shù)，一旦該參數(shù)達(dá)到水的脫碳酸鹽狀態(tài)的代表性預(yù)定值，便對(duì)過(guò)程進(jìn)行干預(yù)。這樣便可以測(cè)量水的pH值，當(dāng)它達(dá)到給定值時(shí)就停止電解。對(duì)電解過(guò)程的干預(yù)也可以漸進(jìn)地進(jìn)行，比如隨著被處理的水的pH值的減小逐步地減小電解電流，當(dāng)達(dá)到給定的極限值時(shí)就完全切斷電流現(xiàn)在來(lái)介紹圖5，本發(fā)明的裝置包括一個(gè)探頭36，它放在電解槽40的下游管線38中，并和分析裝置42相連。該裝置將探頭36測(cè)量的參數(shù)與在分析裝置42中記錄的參考值進(jìn)行比較，具體有pH值、電導(dǎo)率等。裝置42與接口44連接，后者適合于對(duì)通過(guò)電解槽40的電流強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，根據(jù)探頭36的測(cè)量進(jìn)行校正。
在水的硬度方面特別適合進(jìn)行控制的參數(shù)是pH值，因?yàn)橐环矫媾c它的相關(guān)性窄，另一方面是容易測(cè)量。
當(dāng)然，本發(fā)明的方法和設(shè)備與碳酸鈣的結(jié)晶過(guò)程一起，也保證了其它鹽類，特別是鐵鹽、鈉鹽和鎂鹽的沉淀，所有這些反應(yīng)在一起可導(dǎo)致水的部分純化，或者更準(zhǔn)確地說(shuō)，使水更完全地脫鹽。因此本發(fā)明的意義是處理含鹽，或含鐵的水。
在一項(xiàng)實(shí)施方案中，本發(fā)明也可以在一個(gè)層狀沉降池中進(jìn)行。
現(xiàn)在來(lái)介紹圖6和圖7上的設(shè)備，它包括一個(gè)封閉的槽50，在其上部有一個(gè)待處理水的入口管路52。槽50的內(nèi)部被分成兩個(gè)室，一個(gè)室是入口54，體積較小，另一個(gè)是處理室58，由橫隔板56隔開，它由槽50的上部延伸直至與底部有一段距離，此距離使入口室54和處理室58溝通。處理室58的內(nèi)部有一系列十二塊橫向的板59，它們相對(duì)于豎直方向有一個(gè)傾角，并在其下部由縱梁60固定，在其上部由縱梁62固定。傾斜板的上部通過(guò)溢流裝置64與處理過(guò)的水的排出管線66相連。
板59由金屬，特別是不銹鋼制成，彼此之間用縱向的桿68連在一起，構(gòu)成許多作為本發(fā)明裝置的陰極7的電極。金屬絲70在板59之間伸展在每個(gè)上梁60和下梁62之間。同一梁的所有這些絲7 0彼此由縱向的絲72連在一起，不同的縱向絲72彼此由橫向絲74連在一起，使得不同的絲70構(gòu)成許多作為裝置的陽(yáng)極的電極。構(gòu)成陽(yáng)極5的不同絲70優(yōu)選由含銥的鈦制成。
這種裝置的特別的意義在于，它把一般的傾析和本發(fā)明的水處理結(jié)合在一起。此裝置的特別意義還在于，它把大的電極表面和大的除氣的體積結(jié)合在一起。
在本發(fā)明的一個(gè)特別有意義的實(shí)施模式中，將待處理的水通過(guò)一個(gè)基本由處理過(guò)程中從水中得到的碳酸鈣形成的晶體組成的流化床，以除去水的部分硬度，從而增大脫碳酸鹽的效率。也可以利用已經(jīng)處理過(guò)的水來(lái)進(jìn)行這種通過(guò)過(guò)程。
借助于玻璃態(tài)的碳或銀來(lái)制造整個(gè)的陰極將是有意義的，這使得當(dāng)水通過(guò)處理槽時(shí)，減少有時(shí)是過(guò)量的溶解于水中的氧。
根據(jù)本發(fā)明，可以使用如此得到的去鹽水，以便準(zhǔn)時(shí)或定時(shí)地為裝置除垢，特別是為使用鍋爐完成裝置除垢。也可以使用延時(shí)系統(tǒng)，一般在白天時(shí)讓鍋爐開動(dòng)；而在夜晚，則給分路裝置一個(gè)命令，讓前面處理過(guò)的水在鍋爐的管道和附件中循環(huán)。這樣就由于定期地稀釋了形成的水垢，明顯地減少了此鍋爐循環(huán)管路中的結(jié)垢。
權(quán)利要求
1.用于減小水硬度的電化學(xué)處理方法，其中在分別與電流發(fā)生器(1)的正極(B)與負(fù)極(A)相連的陽(yáng)極(5)和陰極(7，7′)之間將待處理的水進(jìn)行電解，每個(gè)電極至少包括一個(gè)極板(5a，7a)，其特征在于包括如下步驟--在陰極(7，7′)上制成至少部分地由碳酸鈣形成的多孔薄表層；--對(duì)水進(jìn)行電解的同時(shí)形成通過(guò)陰極(7，7′)的孔隙的氣流，使得至少部分在電解的過(guò)程中在所述表層上形成的碳酸鈣組成晶體，并在所述氣流的作用下使之從表層上脫落。
2.權(quán)利要求1的方法，其特征在于氣流是氫氣流。
3.權(quán)利要求2的方法，其特征在于，在實(shí)施該方法的過(guò)程中，將陰極(7，7′)的電壓加到足夠的給定值，以在此電極上促進(jìn)氫的釋放。
4.權(quán)利要求3的方法，其特征在于，在陰極上加的電壓使陰極上的表面電流密度為2A/m2至8A/m2。
5.前面權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，其特征在于，測(cè)量被處理水的給定的參數(shù)值，以及根據(jù)所述參數(shù)改變通過(guò)水的電流強(qiáng)度值。
6.權(quán)利要求5的方法，其特征在于，所述的參數(shù)是pH值。
7.前面權(quán)利要求中任意一項(xiàng)的方法，其特征在于，回收至少部分由碳酸鈣組成的晶體，以便形成床層，使待處理的和/或已處理的水通過(guò)此床層。
8.用于減小水硬度的電化學(xué)處理設(shè)備，包括裝有分別與電流發(fā)生器(1)的正極與負(fù)極相連的陽(yáng)極(5)和陰極(7，7′)的電解槽(8，40)，而每一個(gè)槽由至少一個(gè)極板(5a，7a)組成，該設(shè)備的特征在于，陰極(7，7′)包括至少部分由多孔的粘接性碳酸鈣組成的表層，還包括推動(dòng)氣流穿過(guò)此陰極的孔隙的裝置，使得在所述表層上形成的，特別是碳酸鈣的沉淀剝離并沉淀出來(lái)。
9.權(quán)利要求8的設(shè)備，其特征在于，陽(yáng)極與陰極的表面積之比為20-50。
10.權(quán)利要求8或9的設(shè)備，其特征在于，陰極(7，7′)由多孔金屬組成，表面上覆蓋著多孔的碳酸鈣薄層。
11.權(quán)利要求8至10中之一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，陰極(7，7′)的金屬是燒結(jié)金屬。
12.權(quán)利要求8至10中之一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，陰極是由其外表面拋光的金屬組成。
13.權(quán)利要求8至12中之一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，陰極是全部或部分由玻璃狀的碳或銀組成。
14.權(quán)利要求8至13中任意一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于包括從陰極(7，7′)處推動(dòng)氫氣流的裝置。
15.權(quán)利要求8至14中之一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于包括一個(gè)裝置，能送入電流使陰極(7，7′)的電位達(dá)到足夠的給定值，以促進(jìn)在電極上釋放氫氣。
16.權(quán)利要求15的設(shè)備，其特征在于，所述送電裝置使陰極的表面電流密度為2A/m2至8A/m2。
17.權(quán)利要求8至16中任意一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于包括一個(gè)適合于測(cè)量被處理水的給定參數(shù)值的裝置(36)，和適合于根據(jù)所述的參數(shù)改變通過(guò)電解槽(40)的電流強(qiáng)度值的裝置(42，44)。
18.權(quán)利要求8至17中之一項(xiàng)的設(shè)備，其特征在于，陽(yáng)極(5)由鈦制成，表面覆蓋著如鉑、銥或釕之類材料。
全文摘要
本發(fā)明涉及用電化學(xué)處理水使其軟化的方法,以及實(shí)施此方法的設(shè)備。其中在分別與電流發(fā)生器(1)的正極(B)與負(fù)極(A)相連的陽(yáng)極(5)和陰極(7,7′)之間將待處理的水進(jìn)行電解,每個(gè)電極至少包括一個(gè)極板。根據(jù)本發(fā)明,在陰極(7)上,構(gòu)成至少部分由碳酸鈣組成的多孔薄表層,同時(shí)進(jìn)行水的電解和產(chǎn)生氣體流,通過(guò)陰極(7)的孔隙,使得在電解過(guò)程中在所述表層上形成的至少部分由碳酸鈣構(gòu)成的晶體,在所述氣體流的作用下從表層上剝離下來(lái)。
文檔編號(hào)C02F1/461GK1181746SQ96193299
公開日1998年5月13日 申請(qǐng)日期1996年3月8日 優(yōu)先權(quán)日1995年3月10日
發(fā)明者D·梅西耶 申請(qǐng)人:D·梅西耶