对水进行电化学消毒的方法

摘要

本发明涉及一种使水通过容纳在壳体中的至少一个槽来对该水进行电化学消毒的方法，所述壳体设有用于传送和移除该水的装置。本发明方法的特征在于其包括：a)使用电解槽，其具有阳极和阴极，二者都是板形的并且彼此平行，所述阳极和阴极的相对催化面具有相同的表面积并且形成对称的电极间空间，而没有优选路径或短路；b)沿着待处理的水的通道的整个长度，在所述板之间产生湍流状态，所述湍流状态具有交替地和相继地将包含在所溶解的物质中的微生物投向所述阳极和所述阴极的作用，使得它们经历由电极之间存在的pH强烈变化引起的失活效应以及在与电极表面形成的O

说明书

技术领域

本发明涉及一种对水进行电化学消毒的方法，而不需添加任何化学品，该方法使该水通 过容纳在壳体中的至少一个电解槽，所述壳体设有用于传送和移除该水的装置，并且利用与 阳极中的氧化作用和阴极中的还原作用相关的直接杀病毒剂、杀菌剂和抑菌效应，以及与电 解水产生的氧化剂的作用相关的补充间接杀菌效应和残余抑菌效应。

背景技术

具有相同申请人的专利EP1597202描述了一种方法：

-其由以下组成：利用催化电极，使待连续处理的水通过电学过氧化组件，由此使水经 历电化学处理；

-一方面，利用作用于溶解的有机材料的与阳极中的氧化作用和阴极中的还原作用相关 的直接效应(杀病毒剂、杀菌剂和抑菌效应)，并且另一方面，利用与通过水电解产生的氧化 剂的作用相关的间接效应(补充杀菌效应和残余抑菌效应)；

-该方法通过在水运送和储存至使用点这一过程中延长与电化学产生的氧化剂的接触， 能够额外地减少细菌和保护水，该作用在电解槽的出口处被延长(残余消毒容量)。

由溶解的氧(阴极还原)和水(阳极氧化)产生的氧化剂具有明显的残余效应并以无害 的速率产生氧化产物，这与大多数所用的氧化剂(例如氯)是相反的。

用于实施所述方法的装置包括阳极和阴极，这二者是板形的并且彼此平行，所述阳极和 阴极的相对催化面是对称的并且具有相同的表面积，从而能够以最佳条件进行极性反转(两 个电极上的电流密度相同)，防止由于脱碳发生相对彼此的过早降解(这不是相同的)，以及 防止发生副反应，这对于较小的电极(较高的电流密度)而言是更重要的。

施加于所述装置的操作条件如下：

-在两个相对电极之间施加连续的层流状态(regime)，以限制湍流，所述湍流会促进水 垢粘附(结垢)在电极上或电极之间，其具有使之过早老化的效应；

-通过直流和/或脉冲电流的方式供给相对的阳极和阴极，以补偿每个电极一端至另一端 的电流密度变化。

在真实条件下进行质量鉴定测试(qualification test)期间，发现某些细菌较少或甚至几 乎不受电极之间通道的影响。

其中，值得一提的是铜绿假单胞菌(Pseudomonas aeruginosa)和产气荚膜梭菌(Clostridium  perfringens)。

因此，对于上述细菌而言，进行细菌处理已经被证明在层流状态下是大体上无效的。

事实上，在层流状态下，直接从槽的一端通向另一端的水层(距离阳极和阴极等距)仅 经历与通过电极之间的电流有关的效应(经由阴离子和/或阳离子与电极之间的电子转移)。

发明内容

为了提高主要针对铜绿假单胞菌和产气荚膜梭菌细菌的杀菌处理的效率，本申请人研究 出了要求保护的方法，该方法还使用电化学槽，其包括阳极和阴极，二者都是板形的，彼此 平行，所述阳极和阴极的相对催化面具有相同的表面积并且形成对称的电极间空间，而没有 优选路径或短路。

使用本申请人研究的结果作为起始点并基于“反映水酸度的氢电势(pH)在阳极(氧化 发生的地方)附近非常低(低于1)，相反在阴极(还原发生的地方)附近却非常高(高于14)” 这一事实，申请人在相对电极之间施用特定的湍流水力状态(regime)，以：

-沿着槽内的整个通道，对存在于水中的微生物交替且相继地(alternatively and  successively)施加强烈的pH变化，目的是使它们失活；

-交替且相继地使所述微生物非常紧密地接触在电极表面上形成的O₂和OH，目的是提 高直接和间接效应。

此外，电极之间的电场为10伏特的数量级，在细菌膜处的水平足以引发“电介质击穿”。

槽以这样的湍流状态运行，使得系统的性能得到真正的改进，由此允许对更为进化的生 物体进行测试，例如原生动物(例如变形虫)、真菌和酵母。

为了优化处理性能，即消毒处理，本申请人发现，在下游流体中引入金属件(即由铜制 成)与水接触，通过形成寿命短的强烈(powerful)的基团化合物，具有加速水系统生成的氧 化化合物的分解速率(形成寿命短的强烈的基团化合物)的作用。

对于电极和水回路的结垢，已经利用以下技术中的至少一种，通过控制槽上游的水的结 垢能力得以限制：

-钙和镁阳离子在阳离子交换树脂上的选择性保留；

-通过与晶体形式或液体形式的聚磷酸盐接触，螯合钙离子；

-通过磁性、感应或等效的阻垢剂的作用，抑制石灰石(碳酸钙)的结垢能力。

附图说明

在阅读了以下本发明的至少一优选实施方案的详细说明后，本发明的特征和优点将变得 明显，实施方案是以非限制性例子和附图(图1)的形式提供的，附图是示出电极之间微生 物的通道以及电极附近的化学反应的示意性略图。

具体实施方式

本发明涉及一种对水进行电化学消毒的方法，该方法使所述水通过容纳在壳体中的至少 一个电解槽，所述壳体设有用于传送和移除所述水的装置，并且利用与阳极的氧化作用和阴 极的还原作用相关的直接杀病毒剂、杀菌剂和抑菌效应以及与通过电解水产生的氧化剂的作 用相关的补充间接杀菌效应和残余抑菌效应。

本发明的方法实质上的特征在于其包括：

a)使用电解槽，其包括一个阳极和一个阴极，二者都是板形的并且彼此平行，所述阳极 和阴极的相对的催化面具有相同的表面积并且形成对称的电极间空间，没有优选路径或短路；

b)沿着待处理的水的通道的整个长度，在所述板之间，利用位于其上游或下游的设备， 产生湍流状态，所述湍流状态具有交替且相继地将包含在所溶解的物质中的微生物投向所述 阳极和所述阴极的作用，使得它们经历由电极之间存在的pH强烈变化引起的失活效应以及 在与电极表面形成的O₂和OH基团接触时产生的额外的杀菌效应。

图1示出了：

-阳极A(pH<1)和阴极C(pH>14)

-在介于所述两个电极之间的微生物M之后的路径；

-阳极处的化学反应：2H₂O＝4H⁺+3e+O₂^-

-阴极处的化学反应：2H₂O＝2OH^-+H₂

为了优化处理的性能，特别是消毒方面，本发明的方法还包括：在下游流体中放置金属 件(即由铜制成)与水接触，从而通过形成寿命短的强烈的基团化合物，加速水系统产生的 氧化化合物的分解速率。

此外，为了抑制电极和水回路结垢，本发明的方法还包括在其上游施加选自以下的技术：

-钙和镁阳离子在阳离子交换树脂上的选择性保留；

-通过与晶体形式或液体形式的聚磷酸盐接触，螯合钙离子；

-通过磁性或感应阻垢剂的作用，抑制石灰石(碳酸钙)的结垢能力。

此外，为了清洁电极，本发明的方法还包括向其施加：

-超声场；或

-产生共振现象的高频场。

用于实施所述方法的装置包括扰流器，例如：

-位于槽的入口处、设有一系列导流板(deflector)的湍流发生器，所述导流板以相对的 方向安装并由圆柱形环支承，其适配电解槽的入口喷嘴；

-为了提高板之间的湍流状态，在板的前沿上的U形咬合构型。

消毒系统的作用是在流过内部分布网络的水中保持具有充足的氧化消毒剂浓度，使得悬 浮在水中的细菌(来自现有城市的冷水系统、回水或生物膜)在到达吸取点(drawing point) 之前被破坏或失活。因此，确保使用与其应用一致的有质量的水意味着在现场随着时间检测 在取水点处存在足够的浓度，测量的氯当量的目标值占0.5至1mg/l之间。

实施的电解原理能够基于水中包含的氧产生氧化消毒剂。

内部研究已经示出：通过本发明方法产生的氧化剂的持久性倾向于作为氧化剂初始浓度 的函数的持久性的对数进化(logarithmic evolution)，。例如，对于0.5mg/l初始浓度，寿命为 约24小时，对于1mg/l则升高至30小时。对于2.5mg/l为15天，并且对于10mg/l则为大于 一个月(31天)。

电解槽通常与流量计(桨式，具有脉冲发生器，或其他)和电子板连接，电子板操控通 往所述槽的电流，作为通过的流量和操作者所采用的设定的函数。

根据本发明的两个操作变形，可以以水力的方式安装数个槽：

-串联以累积其消毒效果；或

-并联以累积其流率。

在两种情况中，这些槽可以封闭在共用的壳体中，所述壳体设有传送和移除装置，该装 置也对所述槽组件共用。

这些槽可以以水力的方式串联或并联，但并非必须电联接，各槽可以独立地供给。

根据本发明的多个操作变形，电化学处理模块可以：

a)浸入到处理箱或沉淀箱中；

b)放置到处理箱或沉淀箱的环路上；

c)耦合至过滤系统，尤其是颗粒式的或具有膜的，和/或耦合至其他电化学处理模块。

可以对一个或多个槽供给直流和/或脉冲电流。

电极极性反转根据明确确定的电压升高的百分数作为待处理水的特征的函数而程序化的 和/或根据依赖于水的品质明确确定的时间而程序化。

两个电极之间的空间通常介于2至6mm之间，这取决于所用水的电导率。

电极的厚度通常介于1mm至数毫米之间。

电化学处理模块可以包括2、4、6或更多个电极。

所用的直流和/或脉冲电流具有通常介于1至10A/dm²之间的值。

槽中的最佳水压为3巴。

当槽安装成在大桶上(vat)形成回路时，它们以较高的总氧化剂浓度产生一定体积的水， 例如以保护经处理的水在储存和分配系统中免受由病菌和/或有机物引起的任何再次污染，直 到使用点。然后可将该水注入待处理的水中，因为在此应用中，仅使用间接效应。

可以使用这种实施方式，通过浸入到上述大桶中，以消毒装置，例如手术器械。

该系统还可以用作三级废水处理或用作旨在用于娱乐或治疗用途的水(温泉水、海滨疗 法……)的主要处理或二级处理。

对于上述应用以及水消毒、冷却塔或其他空气处理系统，在电极组是裸露的情况中(未 容纳在槽中)，该实施方式可以有所不同。

随后可使液体物料与通过对流运动(对流现象)产生的氧化剂接触。可在例如缓冲罐和 蓄水池中采用这类实施方式。

在同一个大桶中可以使用数组电极。

电极组还可以整合到管道的内侧或外侧且浸没在待处理水中(例如，水循环系统的水池)。

无论使用的实施方式是什么类型，利用该装置处理的水可最终用于医疗应用(治疗)。

当此技术与颗粒过滤系统组合时，会产生技术协同作用，因为微滤完全阻止了寄生物和 细菌，但不能完全阻止病毒，而该装置有助于破坏病毒。

此外，该装置为水提供微滤和紫外照射都无法提供的残余消毒能力。

最后，该装置有助于所溶解的有机物质的降解，而微滤只能阻止悬浮物质(颗粒大于0.1 微米，或在超滤的情况下为0.01微米)。

当然，本领域技术人员通过应用和采用已知的不需描述或表示的装置能够实施所述的和 描绘的本发明。

在不偏离由权利要求书的术语所确定的本发明范围的情况下，本领域技术人员也可以设 想其他的变形。