本發(fā)明涉及一種用于反應(yīng)器的雙極電解槽。

背景技術(shù)：
摻硼金剛石（BDD）憑借其化學(xué)惰性和寬電位窗而用于電化學(xué)產(chǎn)生氧化制品。另外，金剛石因其卓越的導(dǎo)熱性和硬度而著稱。已經(jīng)在例如EP0659691和US5399247中描述了固體并且?guī)繉拥膿脚鸾饎傠姌O石在電化學(xué)系統(tǒng)中的應(yīng)用。這些專利描述了在電化電解槽中使用導(dǎo)電金剛石電極。眾所周知，電化學(xué)反應(yīng)表面的面積確定了氧化制品的生產(chǎn)率（mol/s）。在WO2008/029258中，雙極電解槽被描述為具有這樣的優(yōu)點，即，中間電極同時起到陽極和陰極的作用，從而與標準構(gòu)造中一次操作相比，所述電極的工作面積有效地擴大一倍。通過化學(xué)氣相沉積（CVD）制成的摻硼金剛石通常以每小時若干或幾十微米的相對較低的速率生長。制造處理需要與待涂敷的面積成比例的資金支出和電力消耗。因此，較之更薄的層，生產(chǎn)較厚的層成比例地較為昂貴。更重要的是，每單位體積的金剛石的成本基本集中在一下限，而與制造規(guī)模無關(guān)。因此，對于成本效益較高的摻硼金剛石電極電化電解槽而言，要求相對于電解槽的體積最大化其工作表面面積。金屬電極上的通常幾十微米厚的摻硼金剛石薄涂層看起來滿足這種要求。此外，金屬電極還提供了抵抗變型和斷裂的結(jié)構(gòu)。也可以認為高導(dǎo)電性金屬襯底上的摻硼金剛石涂層的電阻將低于相等厚度的獨立金剛石層的電阻。然而，盡管擁有這些優(yōu)勢，由于在涂層中存在破壞氣密密封的缺陷，金屬襯底易于受到氧化制品的腐蝕?；谝韵略?，更厚的層不能成為解決方案：1.仍然不能保證消除缺陷，尤其在角部/邊緣部處；2.增大的應(yīng)力/失配（mismatch）應(yīng)力增大了涂層分層或者應(yīng)力性斷裂的可能性；3.生產(chǎn)更厚的層（兩側(cè)）的額外支出。因此，自由側(cè)（free-side）摻硼金剛石電極是涂層電極的更為堅固耐用的替代方案，原因在于，它們不易于氧化失效。獨立（free-standing）摻硼金剛石電極的一個重要缺陷是它們相對欠佳的抗斷裂性。盡管高質(zhì)量的摻硼金剛石能夠具有通常超過300MP的強度，但是它是對不良機械負荷相對敏感的脆性材料。在WO2008/029258中描述的雙極電解槽中，中心電極在邊緣部處由撓性材料支撐。這樣，從源自機械負荷的應(yīng)力計算的角度來看，電極可視為被簡單的支撐。在由均質(zhì)材料構(gòu)成并且承受不均勻負荷的簡單支撐的盤中的最大拉伸應(yīng)力σmax產(chǎn)生在盤的中心，并且能夠由以下方程計算得出：σmax=3wR2（3+v）/8t2方程1其中，w是以帕為單位的負荷，R是以m為單位的盤的半徑，v是泊松比，t是以m為單位的盤的厚度。所述方程表明對于給定負荷，層中的應(yīng)力與無支撐跨度的平方成正比，并且與厚度的平方成反比。概略地，這意味著如果電極的跨度增大一倍，則電極的厚度必須也增大一倍，以保持恒定應(yīng)力。因為以下因素此解決方案較為復(fù)雜。1.金剛石在生長表面上的斷裂應(yīng)力隨著層厚度的增大而減小。這是由于金剛石的強度由特征瑕疵的大小所控制；在這種情況下，為晶粒大小。因為生長面上的晶粒大小大致與厚度成比例增加，因此，破壞應(yīng)力對應(yīng)地下降；2.金剛石的斷裂應(yīng)力圍繞統(tǒng)計平均值分布。威布爾模數(shù)術(shù)語（Weibullmodulusterm）描述了斷裂應(yīng)力的這種分布：更高的威布爾模數(shù)限定了更緊密的斷裂應(yīng)力分布。然而，斷裂應(yīng)力取決于區(qū)域，并且更大的電極從統(tǒng)計上更可能包含將在低應(yīng)力水平下發(fā)生斷裂的區(qū)域。這兩個因素所導(dǎo)致的后果是，更大直徑的獨立層將需要厚度不相稱地增大，以保持機械強固性，從而導(dǎo)致額外的成本。有效電化電解槽的設(shè)計中的另一個關(guān)鍵因素是最優(yōu)化電極之間的間隔。減小電極間距能夠具有提高電解槽功率效率的優(yōu)勢。這是因為更小的間距在電解槽操作期間減小了電解液的電阻率并且對應(yīng)地降低了歐姆損耗。在WO2008/029258中，電解槽構(gòu)造成與每個電極相聯(lián)的一系列板或?qū)又?。盡管這種設(shè)計具有模塊化構(gòu)造的優(yōu)點，但是對電極間隔仍存在實際限制，原因在于每塊板必須包括用于電解液的供給槽、用于電極自身的支撐結(jié)構(gòu)和某些形式的密封材料。最佳地，這種構(gòu)造方法允許電極間隔減小，而不受諸如最小實際板厚度的因素的影響。最后，有利的是具有最高的成本效益，電化電解槽（electrochemicalcell）應(yīng)當構(gòu)造簡單，并且能夠以較低的成本制造。問題總結(jié)如下：1.較薄的摻硼金剛石電極易于發(fā)生機械斷裂2.較厚的電極的制造成本過高3.電極間距的實際下限高于最優(yōu)值4.電解槽中不充分的湍流降低了電極表面處的質(zhì)量輸送率。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，提供一種用于反應(yīng)器的雙極電解槽，所述雙極電解槽用于處理包括廢水和污水的電解液或者用于電合成，這種電解槽包括端電極和位于端電極之間的至少一個雙極電極，所述雙極電極或者每個雙極電極包括金剛石片，所述電解槽包括位于每個端電極和毗鄰的金剛石片之間的多孔支撐結(jié)構(gòu)，并且在設(shè)置有多于一片的金剛石片的情況下，多孔支撐結(jié)構(gòu)位于一對或者每對毗鄰的金剛石片之間，所述支撐結(jié)構(gòu)用于接觸并且支撐所述金剛石片或者每片金剛石片。因此，多孔支撐結(jié)構(gòu)形成夾層，以支撐所述金剛石片或者每片金剛石片，由此降低了發(fā)生機械斷裂的風(fēng)險并且使得能夠使用更薄的金剛石電極。在毗鄰的成對電極之間設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)確保電極間隔開，并且由此降低了電極間距的實際下限。支撐結(jié)構(gòu)的多孔性增強了電解槽中的湍流，這提高了電極表面處的質(zhì)量輸送率。每個支撐結(jié)構(gòu)均優(yōu)選地具有彈性。以這種方式，能夠吸收機械應(yīng)力。每個支撐結(jié)構(gòu)均包括網(wǎng)或者氈。在另一個實施例中，每個支撐結(jié)構(gòu)均包括被貫通槽穿透的主體。在又一個實施例中，每個支撐結(jié)構(gòu)均包括棒的柵格。所述柵格可以布置成使得棒相對于通過電解槽的流動方向成銳角。這改進了湍流。每個支撐結(jié)構(gòu)均可以由任何適當?shù)牟牧现瞥?，并且例如可以由耐腐蝕塑料材料（例如PP、PVDF或者PTFE）制成。支撐結(jié)構(gòu)可以具有隨機或者系統(tǒng)布置的孔。在一個實施例中，支撐結(jié)構(gòu)的孔的尺寸從電解槽的入口至出口減小。以這種方式，允許粗顆粒穿過電解槽逐漸遷移至逐漸變細的顆粒。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，提供一種用于反應(yīng)器的電極電解槽，用于處理包括廢水和污水的電解液或者用于電合成，所述電解槽包括電解槽主體和盒，所述盒包括多個金剛石電極片，所述金剛石電極片相互間隔開布置成堆，所述盒通過彈性裝置安裝在電解槽主體中，所述彈性裝置布置成彈性地吸收垂直于電極片的運動。通過在能夠安裝在電解槽主體中的盒中形成電極，簡化了制造。盒的彈性安裝允許電解槽因在操作期間發(fā)生的熱膨脹或者其它應(yīng)力源的作用而擴展和收縮。這在所使用的金剛石片相對較薄的情況下尤為重要。彈性裝置可以包括至少一個彈簧。所述彈簧或者每個彈簧可以呈任何適當?shù)男问?，但是在?yōu)選的實施例中，彈性裝置包括至少一個螺旋彈簧。所述彈簧或者每個彈簧可以具有適當?shù)拈L度，但是在優(yōu)選的實施例中，所述彈簧或者每個彈簧使得所述彈簧或者每個彈簧布置成在正常使用中運動不超過其可用運動的10%。以這種方式，彈簧保持盒上的恒定負荷。所述彈簧或每個彈簧可以使得所述彈簧或每個彈簧布置成在正常使用期間運動不超過其可用運動的5%。優(yōu)選地，彈性裝置包括多個彈簧。彈性裝置可以位于堆的僅一側(cè)上，但是優(yōu)選地是設(shè)置在堆的兩側(cè)?？梢砸匀魏芜m當?shù)姆绞桨惭b電極片。電極片可以通過它們之間的間隔裝置間隔開。電極片可以通過約束（tie）裝置一起安裝在盒中。約束裝置可以呈任何適當?shù)男问?，并且可以包括至少一根棒，所述棒貫穿電極片堆。所述棒或者每根棒可以承載所述間隔裝置或者每個間隔裝置，并且/或者所述間隔裝置或者每個間隔裝置可以被以被夾在片之間并且與片相接觸的方式承載。電解槽主體可以由塑料材料制成。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，提供一種用于反應(yīng)器的電解槽，用于處理包括廢水和污水的電解液或者用于電合成，所述電解槽包括盒，所述盒包括多個金剛石電極片，所述金剛石電極片相互間隔開安裝成堆，所述電解槽還包括電解槽主體和至少一個端蓋，使得盒被接收在主體中并且通過附接所述端蓋或者每個端蓋保持所述盒，所述端蓋或者每個端蓋均通過至少一個螺栓連接到主體，所述螺栓或者每個螺栓旋擰到主體中的耳軸中的螺紋孔中。螺栓能夠旋擰到塑料體中的螺紋孔中，但是使用耳軸提供了更牢固的螺紋附接，并且將負荷散布在耳軸的長度上。便捷地，主體限定了用于待處理的廢水和污水的入口和出口，并且歧管可以附接到入口和/或出口。所述歧管或每個歧管可以通過至少一個螺栓連接到電解槽，所述螺栓或者每個螺栓旋擰到主體中的耳軸中的螺紋孔中。優(yōu)選地，主體中的共用耳軸接收端蓋螺栓和連接歧管的螺栓。這減小了所需部件的數(shù)量并且簡化了構(gòu)造。適當?shù)?，設(shè)置有兩個端蓋，所述端蓋可以位于主體的相對的端部處。盒優(yōu)選地通過彈性裝置安裝在電解槽中，所述彈性裝置布置成彈性地吸收垂直于電極片的運動，垂直于電極片的方向優(yōu)選地與將盒插入主體中的插入方向一致，并且還優(yōu)選地與將端板連接到主體的所述螺栓或每個螺栓的軸線方向一致。彈性裝置可以包括至少一個彈簧，所述彈簧優(yōu)選地沿著所述方向作用。電極的厚度對電極間距的比可以為1：500或者更小，優(yōu)選地為1:300，優(yōu)選地為1：200；優(yōu)選地為1：100,，優(yōu)選地為1：50，優(yōu)選地為1：20，優(yōu)選地為1：10，優(yōu)選地為1：4或者更小。反應(yīng)器設(shè)計能夠?qū)崿F(xiàn)高液體吞吐量，而不會損壞易碎電極。反應(yīng)器可以布置成用于至少0.5m3/小時、優(yōu)選地至少1m3/小時，優(yōu)選地至少3m3/小時，優(yōu)選地至少5m3/小時，優(yōu)選地至少10m3/小時，更加優(yōu)選地20m3/小時，更加優(yōu)選地30m3/小時，優(yōu)選地至少50m3/小時的通流。電解槽優(yōu)選地包括背板，所述背板用于電接觸端部金剛石電極。背板優(yōu)選地是良好的導(dǎo)電體，優(yōu)選地是良好的導(dǎo)熱體，并且優(yōu)選地耐腐蝕。背板可以由諸如銅、鈦或者鈮的金屬制成。附圖說明現(xiàn)在將通過示例的方式參照附圖描述本發(fā)明的實施例，在所述附圖中：圖1是本發(fā)明的稱作示例1的實施例中的雙極電解槽的橫截面的側(cè)視圖；圖2是圖1的沒有端蓋的雙極電解槽的主體的平面圖；圖3是圖1的移除了歧管的電解槽的側(cè)視圖；圖4是圖1的電解槽的主體的橫截面的側(cè)視圖；圖5是圖1的電解槽的盒的側(cè)視圖；圖6是實施例的電解槽的盒的電極盤的平面圖；圖7是示例2中的電解槽的相鄰電極之間的支撐結(jié)構(gòu)的局部平面圖；以及圖8是示例3中的盒的局部視圖。具體實施方式示例1在圖1至圖4中，示出了雙極電化電解槽（100）的結(jié)構(gòu)。在這種設(shè)計中，電解槽主體（1）構(gòu)造成由諸如聚偏氟乙烯（PVDF）或者聚四氟乙烯（PTFE）的耐腐蝕塑料制成的整體件。在圖4中更為詳細示出的電解槽（100）的主體（1）大體是圓筒體，并且具有孔（102），所述孔軸向延伸，以容納中間金剛石電極（17）的組件，所述中間金剛石電極（17）的組件組裝成盒（4）、插入件或者堆的形式。在電解槽（100）的每個端部處，O形環(huán)密封件（10）定位在環(huán)形肩部（98）上，所述O形環(huán)密封件與兩個結(jié)合的端電極組件（5）形成連續(xù)密封。這些結(jié)合的端電極組件（5）中的每一個均由摻硼金剛石電極（106）構(gòu)成，所述摻硼金剛石電極（106）使用導(dǎo)電粘合劑、焊料或者黃銅附接到適當?shù)慕饘俦嘲澹?08）。金屬背板（108）選擇為良好導(dǎo)電體，以向摻硼金剛石電極（106）提供剛性支撐，并且具有適于環(huán)境的一定程度的耐腐蝕性。適當?shù)牟牧习ㄣ~、鈮或鈦。在使用過程中，金屬背板（108）連接到電源（未示出）。側(cè)向鉆孔（16）的矩陣在主體（1）中交叉鉆出，以允許液體從入口流到出口而不會產(chǎn)生較高的流動阻力。密集陣列的孔（16）設(shè)置在用于流體流動的最佳截面區(qū)域中，并且確保液體供應(yīng)沿著電解槽（100）的軸線均勻分布。在電解槽（100）的相對的側(cè)部上，在主體（1）的表面上機械加工出平坦部（110）。使用O形環(huán)密封件（9）將兩根歧管（3）密封在這些面（110）上。包括結(jié)合的端電極組件（5）的兩個摻硼金剛石電極（106）使用由彈簧加載的夾持環(huán)系統(tǒng)緊固到電解槽（100）。這包括由兩個部件構(gòu)成的蓋（114）。每個蓋（114）均包括：夾持環(huán)（116），所述夾持環(huán)（116）在孔（113）中接收柱頭螺栓，以將蓋（114）連接到電解槽主體（1）；和位于其中的彈簧部件（118）。夾持環(huán)（116）在其內(nèi)柱形表面（120）周圍限定了面向下方的肩部，所述肩部接合限定在裝有彈簧的部件（118）的外柱形表面（126）上的面向上方的肩部（124）。以這種方式，當螺母（12）旋擰在柱頭螺栓（14）上以將夾持環(huán)（116）夾到電解槽主體（1）上時，彈簧部件（118）也軸向接合。裝有彈簧的（sprung）部件（118）限定了多個袋狀部（128）。每個袋狀部均接收螺旋彈簧（112）。袋狀部（128）、柱頭螺栓（14）和彈簧（112）的軸線均平行于電解槽主體（1）的孔（102）的軸線。每個彈簧（112）的端部均支承在端電極（106）的背板（108）上。彈簧（112）的目的是在電解槽（100）因熱膨脹或者操作期間的其它應(yīng)力源的作用而膨脹和收縮的同時保持端電極（106）上的一致的載荷。兩根歧管（3）經(jīng)由柱頭螺栓（11）附接到電解槽（100）的主體（1），所述柱頭螺栓（11）錨固到兩對耳軸桿（1a），所述耳軸桿（1a）定位在主體（1）內(nèi)的孔（115）中。如圖1和圖2所見，柱頭螺栓（11）垂直于柱頭螺栓（14）并且附接到同一耳軸桿（1a）。耳軸安裝系統(tǒng)的好處在于：1.不需要柱通過電解槽（100），柱通過電解槽（100）將向塑料體（1）施加附加的負荷并且導(dǎo)致中央孔（102）發(fā)生不期望的扭曲；2.提高制成有O形環(huán)密封件（10）的面（98）的剛度，從而改進了O形環(huán)密封件（10）與面（98）壓縮接觸的一致性；3.提供了牢固的錨固點，即使使用螺紋插入件將柱頭螺栓（11）直接固定在軟塑料體（1）上也不容易實現(xiàn)這種牢固的錨固點。緊固到夾持環(huán)（116）的緊固件也使用柱頭螺栓（14）并且經(jīng)由耳軸桿（1a）中的螺紋孔部分地錨固。歧管（3）任選地裝配有由O形環(huán)（8）密封的轉(zhuǎn)接器（7），以便于連接到液體處理系統(tǒng)。在圖5中示出了雙極摻硼金剛石電極（17）的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。使用一系列銷（19）和間隔件將雙極摻硼金剛石電極（17）預(yù)組裝成堆或者盒（4）的形式。圖6中示出的圓形雙極摻硼金剛石電極（17）的每一個均具有使用例如激光切割出的七個孔（130）。一系列塑料（優(yōu)選地為聚四氟乙烯）制成的銷（19）插入貫通孔（130）。在每個銷（19）上均定位有一系列間隔件（18），所述間隔件（18）由諸如聚四氟乙烯的抗腐蝕材料制成或者由諸如氧化鋁或硅石的抗氧化陶瓷制成。有利的是間隔件（18）緊配合在銷（19）上，使得銷（19）和間隔件（18）在組裝之后保持附接。銷（19）和間隔件（18）的直徑期望地在切合實際的前提下盡可能地小。這種布置方案的優(yōu)勢如下：1.銷（19）和間隔件（18）為雙極摻硼金剛石電極（17）提供機械支撐，并且使得能夠使用更薄的雙極摻硼金剛石電極（17）。2.通過改變間隔件（18）的厚度來設(shè)置電極間距；3.銷（19）能夠延伸，以容納任何數(shù)量的雙極摻硼金剛石電極（17）；例如，在3-20或者更大數(shù)量范圍內(nèi)的任何數(shù)量；4.能夠增加穿過雙極摻硼金剛石電極（17）的間隔件（18）的數(shù)量，以例如使用任意螺距上的銷（19）的密集陣列來提供更多的支撐。通過考慮如下因素來限定銷（19）的最佳數(shù)量：雙極摻硼金剛石電極（17）的厚度；預(yù)期負荷；間隔件（18）的尺寸。對能夠容納的銷（19）的數(shù)量的唯一限制是可用的物理空間。雙極摻硼金剛石電極（17）的盒（4）可從電極主體（1）上便捷地拆卸下來，而不需要拆解整個電解槽結(jié)構(gòu)。因此，通過旋松柱頭螺栓（14）上的螺母（12）移除蓋（114），然后從電解槽主體（1）中的孔（102）中提出結(jié)合的端電極組件（5）和盒（4）。電解槽可以應(yīng)用在反應(yīng)器中用于處理廢水或污水，或者可以用于電合成。在上述實施例中，每個雙極摻硼金剛石電極（17）均具有約138mm的直徑和約0.5mm的厚度。雙極摻硼金剛石電極（17）間隔開5mm。因此，電極厚度與間距比率為1：10。電解槽用于在水以4m3/小時的流量流過電解槽的條件下處理廢水。示例2在另一個實施例中，省略間隔件（18），并且雙極摻硼金剛石電極（17）被支撐在三維結(jié)構(gòu)（圖7）上，所述三維結(jié)構(gòu)由一系列塑料棒（132）構(gòu)成，所述塑料棒正交布置成規(guī)則柵格。棒（132）的直徑確定雙極摻硼金剛石電極（17）的間距。棒（132）自身在間隙處通過鑄造結(jié)構(gòu)接合或在熱塑性材料的情況下通過熱接合，或者在不便于使用其它適當?shù)姆椒ńY(jié)合的材料的情況下釘住。以這種方式布置，棒具有通過增加電極表面附近的液體流動的相對速度并且因此有助于促進質(zhì)量傳遞而用作湍流增強件的有益效果。棒（132）可以由PTFE或PVDF制成。棒（132）構(gòu)成上述“多孔支撐結(jié)構(gòu)”的實施例。棒（132）與雙極摻硼金剛石電極（17）相接觸并且為雙極摻硼金剛石電極（17）提供機械支撐。由于電解槽中的空間，因此能夠?qū)崿F(xiàn)待處理的流體的高達50m3/小時的高通流。由本發(fā)明的構(gòu)造提供的支撐意味著可以使用高通流，而不會使金剛石電極不發(fā)生破裂或者對其造成其它損害。示例3在圖8示出的實施例中，省略了棒（132），并且電極支撐結(jié)構(gòu)包括織物網(wǎng)（134）或者任意定向的纖維，所述織物網(wǎng)（134）或者任意定向的纖維由諸如PVDF或者PTFE的抗腐蝕材料制成。這種結(jié)構(gòu)具有這樣的優(yōu)勢：在允許液體流通的同時在大部分雙極摻硼金剛石電極（17）上提供順應(yīng)的支撐。以這種方式，能夠進一步減小雙極摻硼金剛石電極（17）的厚度，以在實現(xiàn)充分大的表面面積的同時減小摻硼金剛石的體積。這尤其適用于液體電解液含有顆粒物質(zhì)的應(yīng)用。在這個示例中，網(wǎng)用作過濾器，所述過濾器捕獲太長而不能被電解槽的化學(xué)作用分解的顆粒。網(wǎng)的密度能夠在電解槽上發(fā)生變化，以允許粗顆粒穿過電解槽逐漸遷移至越來越小的顆粒。明顯的是，在以上所有示例中，如果所述盤保持基本完整，即，可以出現(xiàn)裂縫但盤基本成整體（如果盤在足夠多的點處被支撐，以克服電極在斷裂處附近偏斜），則金剛石盤將仍然用作雙極摻硼金剛石電極（17）。在這個實施例中間距為2mm。厚度對間距的比因此為1：4。電解槽能夠用于電合成。示例4在這個示例中，支撐結(jié)構(gòu)包括中空截面的耐腐蝕材料，在所述中空截面的耐腐蝕材料中，沿著液體流動的方向縱向地布置有一系列通道。在包括聚丙烯的工程塑料的范圍中能夠獲得這種結(jié)構(gòu)。薄膜表面中的一系列穿孔有助于電解液與電極表面相接觸?？卓梢圆贾贸擅芗嚵?，以與電極形成的較大的有效接觸面積。明顯的是，示例2、3和4可以以其它方式組合：例如，示例2的銷和間隔件支撐方法可以與示例4的網(wǎng)或者示例3的湍流增強件相組合，以實現(xiàn)不受網(wǎng)的順應(yīng)性和湍流增強件的尺寸的影響的板間距。