專利名稱：電極的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由低導(dǎo)電性材料制成的電極，這種電極通常采用長條狀的中空體形式。該中空體優(yōu)選是由鈦的亞化學(xué)計(jì)量氧化物等制成，在這種情況下，大多數(shù)有效制造方法都可使該中空體是多孔狀的。
舉例言之，如果一個(gè)管狀體長500mm，外徑18mm，壁厚3mm，體積電阻率是30mΩ.cm，并且在其一端進(jìn)行電連接并施以2.83A的電流(旨在沿其長度方向上所有點(diǎn)處提供大約100A/m2的電流密度)，那么計(jì)算得知在該電極的兩端之間的電壓降大約是750mV。在很多的電化學(xué)應(yīng)用中，由于這種電壓降，就可能存在著其電勢(shì)不足以執(zhí)行預(yù)期功能的電極區(qū)域。在陽極與陰極之間為1-5V數(shù)量級(jí)的低電壓下操作的電解過程的場合(這種情況是優(yōu)選的，因?yàn)檫@通常會(huì)導(dǎo)致較低的用電成本)，不能保證電極的所有表面區(qū)域是等同有效的或者說是完全有效的，特別是對(duì)于電解過程例如水處理更是這樣，此時(shí)表現(xiàn)出高的充氣超電勢(shì)(gassing overpotential)的電極表面更受歡迎(例如低價(jià)氧化鈦、二氧化鉛、摻雜的二氧化錫)。在這種情況下，實(shí)際的電流密度在這種電極兩端之間的變化超過50％。
本發(fā)明的一個(gè)目的是提供一種與這種電極進(jìn)行電連接的方法，該方法尤其是在電極體是由多孔材料構(gòu)成的情況下將解決這類問題。
一方面，本發(fā)明提供一種電極，其包括一由低電導(dǎo)性材料制成的通常為長條狀的中空體，一連接到電源的電導(dǎo)體，該電導(dǎo)體按間隔開的位置位于所述中空體內(nèi)部并布置成使得電流沿著電極基本均勻地分布。
所述導(dǎo)體是由導(dǎo)電性實(shí)質(zhì)上高于(至少2個(gè)數(shù)量級(jí))所述電極體的導(dǎo)電性的材料制成。一種形式是，該導(dǎo)體是一根彈簧絲的線圈形狀以致于在力學(xué)上迫使該線圈以規(guī)則的間隔與中空體的內(nèi)壁表面接觸。在另一個(gè)實(shí)施例中，各個(gè)導(dǎo)體段存在于沿著縱向間隔開的位置上并且每個(gè)導(dǎo)體段都與所述中空體的內(nèi)壁接觸。
所述中空體可以是由一系列材料制成。該電極中空體最優(yōu)選是由TiOx形式的鈦的亞化學(xué)計(jì)量氧化物制成，其中x的取值范圍是約1.99-1.7。這樣的中空體一般是多孔狀的，因?yàn)橐赃@種材料制造圓柱體或中空體的大多數(shù)成本低廉的方法容易導(dǎo)致多孔結(jié)構(gòu)?？梢杂写呋卮嬖?。在一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例中，該電極體是由鈦的亞化學(xué)計(jì)量氧化物制成，而電極導(dǎo)體是電子管(valve)金屬，由此可以形成耐久的電連接。
當(dāng)本發(fā)明是適合使用體積電阻率高于大約20mΩ.cm的材料時(shí)，該中空體最好是至少200mm長。如果中空體材料的電阻率更高，則本發(fā)明適用于所述中空體是至少150mm長的場合。
本發(fā)明的電極適用于圓柱體電極幾何形狀是有利的許多處理中，例如流體處理以消除污染物質(zhì)以及污染土壤的現(xiàn)場補(bǔ)救。一般地說，水污染可以分組成七類，如下1、污水以及其它需氧廢物；2、傳染性病原體；3、植物養(yǎng)分；4、外來有機(jī)化學(xué)品；5、無機(jī)礦物和化合物；6、沉積物；7、放射性物質(zhì)污水與其它需氧廢物一般可以被生物(有時(shí)是化學(xué)地)氧化成二氧化碳和水的含碳有機(jī)材料。這些廢物可能是有問題的。在市政、療養(yǎng)院、制革和屠宰場以及船舶排出的廢水中通?？梢园l(fā)現(xiàn)傳染性病原體。這類污染物能夠使人和動(dòng)物包括牲畜致病。
植物養(yǎng)分(例如氮和磷)能夠促進(jìn)水生植物的生長，該水生植物干擾了水的使用且其后來腐爛產(chǎn)生難聞的氣味并增加了水中需氧廢物的量。
外來有機(jī)化學(xué)品包括洗滌劑、殺蟲劑中使用的表面活性劑、各種工業(yè)制品和其它有機(jī)化合物的降解產(chǎn)物。已知這些化合物之中的某些在極低的濃度下對(duì)魚類就有毒性。這些化合物之中的許多是不易生物降解的。
無機(jī)礦物和化合物通常見于市政和工業(yè)廢水及城市逕流中。這些污染物可殺死或傷害魚類和其它水生生物且也可影響水的飲用或工業(yè)用途。一個(gè)明顯的例子是汞在水中存在。另一個(gè)例子是在北方、在較冷的氣候下用于除去路面冰凍的鹽污染。
沉積物是由暴雨和洪水從地面、耕地、未保護(hù)的林地、過度放牧的牧場、露天礦、路面和城市推土區(qū)域上沖刷的土壤和礦物顆粒。沉積物填塞了河道和水庫；侵蝕了電輪機(jī)和泵送設(shè)備，降低水生植物可以利用的陽光量；自來水過濾器；且沖積魚巢、產(chǎn)卵和食品供應(yīng)，由此降低了魚類和水生貝類動(dòng)物繁殖。
在水環(huán)境中的放射性物質(zhì)通常來源于鈾和釷的采礦和冶煉；來源于核電站和工業(yè)、醫(yī)療和科學(xué)實(shí)驗(yàn)用放射性材料。
另一方面，本發(fā)明提供一種用于電解處理液體的裝置，其包括一用于包含待處理流體的腔室、一陽極和一陰極，以及一電流電源，所述陽極和陰極的至少之一是本發(fā)明中所公開的電極。
發(fā)現(xiàn)本發(fā)明在處理水和含水介質(zhì)方面具有特別好的效果。在這種情況下，電流是在陽極和陰極之間的小縫隙中通過，水也是從該小縫隙通過。因?yàn)楸景l(fā)明的電極的結(jié)構(gòu)，可保證沿電極的長度上將存在預(yù)定的最小電壓例如3V。
由低價(jià)氧化鈦制成的電極具有高的充氣超電勢(shì)，即在任何明顯的電流通過之前所要求的電壓，因?yàn)橛糜趯⑺纸獬蓺錃夂土u基的表面的催化活性低。除表面被催化的情況之外，這個(gè)電勢(shì)是超過1V，所以在接頭附近對(duì)電流的有效驅(qū)動(dòng)力是至多約為2V(如果總電壓如上述是3V的話)而在另一端在非本發(fā)明的情況下由于在上述的條件下沿電極發(fā)生電壓降，所以電壓是1.25V。
在還一方面，本發(fā)明提供了一種操作上述裝置的方法，其包括從電源供應(yīng)電流至具有低導(dǎo)電性的電極上，陽極外部區(qū)域的電流密度是超過10A.m2，由此在電極上的任意兩點(diǎn)之間的電壓變化是低于200mV。
為了可以很好地理解本發(fā)明，現(xiàn)將參照附圖通過舉例的方式描述本發(fā)明，其中

圖1顯示了用于水處理的代表性電化學(xué)電池。
圖2是圖1中所示的一個(gè)實(shí)施例的截面的局部放大圖且圖3是另一個(gè)實(shí)施例的截面的局部放大圖。
所述水處理系統(tǒng)包括一個(gè)電池，由此將待處理的水引入至兩個(gè)長條狀管狀體電極之間的環(huán)形區(qū)域2中，之間的環(huán)形間隙是小的。每個(gè)電極通常是500mm長且是連接至直流電源4的各個(gè)電極上以致于一個(gè)電極是陰極5而另一個(gè)(例如，內(nèi)電極)是陽極6。內(nèi)電極的外徑通常是18mm和環(huán)形間隙通常是2mm。當(dāng)電流通過電極時(shí)，發(fā)生了電解反應(yīng)，諸如處理水以除去污染物。水是在電極之間的環(huán)形間隙中通過。通常電連接至內(nèi)電極的一端且提供約2.83A電流。如內(nèi)電極是由壁厚為3mm和體積電阻率是30mQ.cm以下的低價(jià)氧化鈦制成時(shí)，在非本發(fā)明的情況下沿著內(nèi)電極的長度將發(fā)生約750mV的電壓降，以致于在一端的電池電勢(shì)將是約3V而在另一端為2.25V。
根據(jù)本發(fā)明，圖1的陽極6包括由低價(jià)氧化鈦通過模塑、擠壓等等制成的長條狀管10。所述管是500mm長，內(nèi)徑為12mm和外徑為18mm，即壁厚為約3mm。
根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例且如圖2所示，電流供應(yīng)器包含一根沿管的內(nèi)孔延伸的鈦彈簧絲11。彈簧絲11的一端是連接至電源4上，另一端可由端蓋密封。彈簧的線圈是在縱向間隔開的位置處被機(jī)械地壓迫至與管的內(nèi)壁接觸由此電源沿管的長度方向基本上均勻地分布。結(jié)果，電池電壓沿電池的整個(gè)長度上是基本上相等的且由此整個(gè)長度在其電化學(xué)功能例如殺微生物、氧化和/或還原污染物方面均是有效的。
陰極可以是于陽極具有相同的形狀或者它可以具有標(biāo)準(zhǔn)的樣式。
在圖3所示的實(shí)施例中，線圈彈簧是由沿管的長度方向上間隔開的一系列單個(gè)接頭替代。
本發(fā)明是不限于所示的實(shí)施例。所述的水處理裝置可包含電池組且包括其它處理元件。不需要電極截面是圓形的。雖然就水處理而言描述了本發(fā)明，但所述電極在需要長條狀電極的任何場合下均是有用的。此種應(yīng)用包括現(xiàn)場土壤補(bǔ)救，和電化學(xué)合成反應(yīng)，例如氧化還原體系。
權(quán)利要求
1.一種電極，其包括由低導(dǎo)電性材料制成的通常為長條狀的中空體(5)，電導(dǎo)體(11，12)，該電導(dǎo)體是連接到電源(4)且以間隔開的位置位于該中空體(5)內(nèi)部并設(shè)置成使得電流沿著電極基本均勻地分布。
2.如權(quán)利要求1所述的電極，其中所述電導(dǎo)體(11，12)是基本上沿中空體(5)的長度方向延伸。
3.如權(quán)利要求2所述的電極，其中所述導(dǎo)體(11)是一根彈簧絲線圈形狀以致于在縱向間隔開的位置處被機(jī)械地壓迫至與所述中空體(5)的內(nèi)壁表面接觸。
4.如權(quán)利要求1或2所述的電極，其中各個(gè)導(dǎo)體(12)是存在于縱向間隔開的位置處且每個(gè)導(dǎo)體均接觸所述中空體(5)的內(nèi)壁。
5.如前述權(quán)利要求任一所述的電極，其中所述導(dǎo)體的導(dǎo)電性比中空體的導(dǎo)電性高至少兩個(gè)數(shù)量級(jí)。
6.如前述權(quán)利要求任一所述的電極，其中所述中空體是由多孔性材料制成。
7.如權(quán)利要求6所述的電極，其中所述電極體是由TiOx形式的鈦的亞化學(xué)計(jì)量低氧化物制成，其中x是約1.99-1.7。
8.如前述權(quán)利要求任一所述的電極，其中所述中空體至少是200mm長。
9.如前述權(quán)利要求任一所述的電極，其中所述電導(dǎo)體是由電子管金屬制成。
10.一種用于液體電解處理的裝置，該裝置包括一用于包含待處理液體的腔室、一陽極和一陰極，以及一電流電源，所述陽極和陰極的至少之一是如權(quán)利要求1-9任一中所述的電極。
11.如權(quán)利要求10所述的裝置，其中所述液體是廢水或水且所述處理是除去污染物。
12.一種操作如權(quán)利要求10或11所述的裝置的方法，其包括從電源供應(yīng)電流至所述電極上，其中陽極外部區(qū)域的電流密度是超過10A.m2，由此在電極上的任意兩點(diǎn)之間的電壓變化是低于200mV。
13.一種安裝有如權(quán)利要求1-9任一所述的電極的現(xiàn)場土壤補(bǔ)救系統(tǒng)。
14.一種進(jìn)行氧化還原類型的反應(yīng)的裝置，其安裝有如 1-9任一所述的電極。
全文摘要
一種電極,其包括由多孔狀低價(jià)氧化鈦制成的長條狀中空體(5),該中空體的內(nèi)壁在間隔開的位置處與電導(dǎo)體(11,12)接觸以致于沿電極的長度上電流基本上均勻分布。
文檔編號(hào)C25B11/06GK1359431SQ0080991
公開日2002年7月17日 申請(qǐng)日期2000年7月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年7月1日
發(fā)明者希爾·安德魯 申請(qǐng)人:阿特拉沃達(dá)有限公司