全世界的人们每天都将水用于饮用、烹饪、沐浴、清洁和其它个人用 途。在许多国家，通过市政水处理使得饮用或与身体接触的水源相对安 全。此类市政处理通常使用化学物质(例如氯或臭氧)来处理水以消灭水 中的有害微生物。然而，这些供应不能完全有效地杀死所有细菌和其它病 原体，并且可能由于不当的处理操作而被细菌和其它病原体污染。在多种 情况下，必须要将这些污染物除去或中和后，水才能够使用。例如，在许 多医疗应用领域和在某些电子元件的制造过程中，都需要使用高度纯净的 水。另外一个更为普遍的实施例是，水在饮用或用于沐浴之前必须将任何 有害污染物除去。尽管已有现代化的水净化方法，但对于普通人而言仍存 在风险，特别是对于婴儿和免疫系统受损的人具有相当大的风险。在许多 国家，这个星球上相当比例的人口不能拥有“活水”，即能够递送到社区 或单个家庭的相当新鲜、安全的水源，而只能在当地水源如湖泊、池塘、 溪流、江河、水井、蓄水池、泉水等中获得用于饮用、烹饪、沐浴等的水 源。即使最新鲜的这些水源也具有一定含量的有害细菌和其它病原体。最 普遍的是，这些水源被高度污染并包含极高含量的有害微生物和病原体。 由于人口密度不断增加、水源不断减少并且经常没有社区水处理设备，与 污染水接触会导致致命的后果。由于饮用水源普遍与人和动物的排泄物相 邻，因此微生物污染是一个影响健康的主要问题。全世界每年水中滋生微 生物所产生的污染造成约六百万人死亡，其中有一半是5岁以下的儿 童。
1987年，美国环境保护署(EPA)引入了“微生物水净化装置的测试 指南标准和议定书”。议定书确立了在公用或家用供水系统中设计用于减 少与人体健康相关的特定污染物的饮用水处理系统性能的最低要求。要求 供应水源中流出的水中病毒清除率为99.99％(或相当于4log)，并且细 菌清除率为99.9999％(或相当于6log)才能够满足要求。由于大肠杆菌 (E.coli，细菌)在供水中普遍存在，且其被饮用后将产生相关风险，因 而将这种微生物用作大多数研究中的细菌。
已知用于盛水的容器也可被细菌和其它病原体污染，从而即使当新 鲜、安全的水保存在容器中时，这些水也会被容器本身污染(或再污 染)。此外，即使用水和普通洗涤剂清洗，使用者的水容器如浴室、浴 盆、饮用水罐等也可被污染并在该容器的表面留下生物膜。
一种处理水和其它电解质溶液以杀死微生物和其它病原体的有效方法 是使用电解槽，其中溶液(例如水)流经被施加电流的一组电极之间或其 上。经过电极之间并通过溶液的电流可将氯离子(残余的或加入的，例如 通过加入盐，NaCl)转化成一种或多种氯杀菌剂，该杀菌剂可有效地杀死 溶液中的细菌、病毒、寄生虫、原生动物、霉菌、孢子和其它病原体。电 解槽和用于电解水的方法的实施例公开于1971年10月26日公布的美国专利 3,616,355(Themy等人)，1977年12月13日公布的美国专利4,062,754 (Eibl)，1978年7月11日公布的美国专利4,100,052(Stillman)，1988年 8月2日公布的美国专利4,761,208(Gram等人)，1994年5月24日公布的 US 5,313,589(Hawley)，以及1999年9月21日公布的U.S.5,954,939 (Kanekuni等人)。
世界上许多用于烹饪、沐浴、饮用、清洁和娱乐(例如，游泳池和温 泉水)的水源被包含在水贮存器中，例如水箱、浴盆、水罐，以及池塘、 蓄水池、湖泊等。因此，特别关注的是被有害细菌和其它不健康微生物污 染的水贮存器，或者是包含在被这些相同的病原体污染的贮存器容器(浴 盆、水罐等)内的那些。已进行多种尝试来处理此类水贮存器，但没有一 种是完全有效的。已知处理游泳池中藻类和可能微生物的滋生只取得了有 限的成功。授予Dahlgren(1982年6月29日)的美国专利4,337,136公 开了具有一对银-铜电极(该电极靠着漂浮容器的底部)并包含一块12 伏的电池的装置。该装置将来自电极的银离子释放到水中，据称银离子可 攻击水中的细菌。授予Judd，Jr.(1991年5月7日)的美国专利 5,013,417公开了漂浮在池塘除沫器内的装置，连接到其底部的是一对铜 /银盘，为使盘之间的水畅通流动，该盘被充分间隔开。该装置可由光电 池或电池供电。牺牲阳极以处理游泳池水的漂浮装置的其它实施例公开于 美国专利5,059,296(1991年10月22日公布)和5,085,7532(1992年2月 4日公布)，其公开了在要处理的水面下具有净化室的漂浮的太阳能水清 洁器。这些参考文献没有一个提出可靠并完全有效地杀死水贮存器中微生 物的电解装置。
处理水贮存器的另一个部件描述于2000年11月30日公布的WO 00/71783，其描述了具有环形电解槽的便携式消毒装置，在电解槽内一批 盐水溶液被电解以形成电解的盐水溶液，用于对物质或未处理水容器灭 菌。该便携式消毒装置被描述为用于个人水净化的“笔式”净化装置。
尽管在电解水及其它电解溶液技术中取得了许多进步，仍需要更有效 的、更高效率的、更便携式的及更经济的电解装置和技术，用于处理安全 健康生存所需的世界水源。
本发明的目标包括：提供用于电解在容器、水箱和任何其它贮存器 (包括小池塘、蓄水池等)内储存或处理的水和其它电解溶液的改进的电 解装置；提供既有效地电解贮存器水又对使用或受益于该装置的人(包括 儿童和婴儿)安全的电解装置；提供处理贮存器水的自供电电解装置，该 装置可远离(不存在)常规家庭电流操作；提供整装的自供电电解装置， 其可有效可靠地电解水，并且大多数收入档次的消费者可消费得起；提供 可有效地杀死水源中的细菌和其它病原体，以及停留在水容器表面上并可 污染或再次污染水源的细菌和其它病原体的电解装置；提供可在水贮存器 内移动或者可通过移动、推进或水喷确保杀菌活性物质的必要扩散的电解 装置，以提供遍及水贮存器的杀菌有益效果；提供具有浮力和/或整装主 体及电解槽的改进电解装置，该电解槽具有密排电极，其可以低的所需功 率将水源中的氯离子有效转化成杀菌氧化剂；提供对水或电解溶液灭菌的 方法，万一有外部来源的再次污染，该方法可连续对贮存器灭菌；提供使 婴儿和小孩沐浴的改进方法，其实质上是消灭来自沐浴水的有害的和不健 康的微生物。
发明概述
本发明提供一种自供电电解装置，其放置于包含氯离子的电解溶液贮 存器内以电解该电解溶液，该装置包括：
(1)整装主体，
(2)包括一对电极的电解槽，由这对电极限定一条槽通路，电解溶液 可流过的经其间，该槽通路具有入口和出口，其中槽入口与贮存器电解溶 液流体连通，且其中槽通路在电极对之间形成间距在约0.1mm至约 5.0mm之间的间隙，和
(3)在电极对之间施加电流的电流源。
电解装置还可包括泵送贮存器水经过槽通路的部件。
本发明也提供自供电、自推进电解装置，其放置于包含氯离子的电解 溶液贮存器内以电解该电解溶液，该装置包括：
(1)整装主体，
(2)包括至少一对电极的电解槽，由这对电极限定一条槽通路，电解 溶液可流过的经其间，该槽通路具有入口和出口，其中槽入口与贮存器电 解溶液流体连通，
(3)在电极之间施加电流的电流源，和
(4)用于移动水贮存器内整装电解装置的推进部件。
电解槽优选包含在自推进整装装置的整装主体内。电解槽也可位于整 装主体浸没的外表面上，其中当整装主体移进水贮存器内时，贮存器水流 进电解槽的入口。自推进整装电解装置还可包括泵送贮存器水流过槽通路 的部件，该部件可为与推进部件相同的部件。在一个优选的实施方案中， 推进部件包括电动机传动的旋转叶轮，该电动机由电源供电。优选地，整 装主体可正向浮在电解溶液内，其中该装置至少部分暴露在贮存器电解溶 液的表面之上。
本发明也包括一种用自供电电解装置对包含卤离子的电解溶液贮存器 和任选地被微生物重复污染的贮存器消毒的方法，该方法包括：
1)提供盛污染水的贮存器；
2)用电解装置处理至少部分贮存器水，从而对水消毒；和任选地
3)对应微生物对水的再次污染，用电解装置再次处理至少部分贮存 器水，从而对水再次消毒。
一个优选的方法用电解装置连续处理电解溶液贮存器，从而防止贮存 器的再次污染。一个优选的方法处理贮存器溶液如下：将至少部分贮存器 溶液送至电解装置，电解该电解装置的电解槽内的部分贮存器水从而形成 包含一定量混合氧化剂物质的电解水流出物，将流出物排放到水贮存器 内，将流出物分散在整个水贮存器内，从而对贮存器消毒。本发明的一个 任选方法提供与经过电解槽的部分贮存器溶液混合并在该电解槽内电解的 本体卤离子源，从而形成包含一定量混合氧化剂物质的电解水流出物，该 氧化剂物质大于通过只电解部分贮存器溶液而形成的混合氧化剂物质的 量。
附图概述
对于技术人员来讲，在研究了以下说明书和参考示意图之后，本发明 的种种优点将是显而易见的，其中：
图1所示为用于本发明电解装置的一个平面电解槽。
图2所示为用于本发明电解装置的一个可供选择的电解槽。
图3所示为用于本发明电解装置的另一个可供选择的电解槽。
图4所示为本发明装置的一个实施方案，包括图1沿线4-4截取 的电解槽。
图5所示为本发明装置的一个实施方案，包括图3沿线5-5截取 的电解槽。
发明详述
定义
“自供电”是指装置包括该装置的指定功能所必需的电源或其它动力 源，其可包括，但不限于用于电解槽的电源、用于任何泵送部件的动力、 用于任何推进部件的动力、用于任何指示或控制部件的动力等。
“整装”是指装置及其所有元件被基本包含为单个制品或单元，并且 不需要在贮存器外用电线、固定剂等与外动力或推进部件进行物理连接。
“浮力”是指正浮力(即，主体和/或装置将漂浮在贮存器电解溶液 的表面上)和中性浮力(即，主体和/或装置将保持浸没或基本静止在贮 存器电解溶液内)。非浮力主体和/或装置将在贮存器电解溶液内迅速下 沉。
“流体连通”是指电解溶液可在两个物体(将流体连通限定在它们之 间)之间流动。
“杀菌”是指破坏所有微生物，包括细菌孢子。
“消毒”是指消除几乎所有的微生物形式，但不必是所有的。消毒不 能确保过度杀伤并且缺乏杀菌所达到的安全限度。
电解溶液
以其在本发明中最广泛的使用，电解溶液是能够流过电解槽通路的任 何化学相容的溶液，并且其包含足够的电解质以允许可测量的电流通过该 溶液。除了去离子水之外的水是优选的电解溶液，并可包括：海水；来自 江河、溪流、池塘、湖泊、水井、泉水、蓄水池等的水；矿泉水；自来 水；雨水和盐水溶液。电解溶液也可包括血液、血浆、尿液、极性溶剂、 电解清洁液、饮料等。如果本发明的电解溶液在其将要的使用中不发生化 学爆炸、燃烧、快速蒸发，或者其不快速腐蚀、溶解电解装置或换句话讲 不会造成电解装置危险，则本发明的电解溶液是化学相容的。
优选的是包含余量卤离子的电解溶液，卤离子包括氯离子、氟离子、 溴离子和碘离子，更优选为氯离子。如下文更详细地描述，电解期间，可 将卤离子转化成包括多种卤化物氧化剂的有效杀菌的混合氧化剂。本发明 的优选装置包括电解槽，其可非常有效地将包含低含量残余卤离子的贮存 器溶液转换成包含高含量杀菌混合氧化剂的流出液(即，由槽的出口排放 出的电解溶液)。此类包含残余卤离子的贮存器溶液可包含35,000ppm (海水)或更小，优选小于1,000ppm，更优选小于约400ppm，最优选小 于200ppm的卤离子。当然，包含更高含量残余卤离子的贮存器溶液还可 更有效地转换成具有甚至更多量混合氧化剂的流出液。这部分归因于电解 溶液的导电性随着卤离子的浓度增加而增加，从而使得在固定电压下有较 大电流穿过电极对之间的通路间隙。通常，为在固定功率(电流和电压) 下产生相同量的混合氧化剂，与具有较低浓度卤离子的电解溶液相比，具 有较高浓度卤离子的电解溶液将需要足够大的间距。
优选地，电解溶液的电导率ρ大于100μS/cm，优选大于150μS/cm， 甚至更优选大于250μS/cm，最优选大于500μS/cm。
主体
本发明装置具有其它元件位于其内或其上的主体。主体可为能包含一 个或多个其它电解装置元件的任何敞开或封闭物体，其它元件包括电解 槽、电源、泵送部件、推进部件和本体卤离子源。主体可由与贮存器电解 溶液和装置使用相容的任何材料制成。对于在水中使用时，取决于用途， 主体优选由塑料(包括PVC、聚乙烯、聚丙烯、其它聚烯烃、泡沫塑料、 橡胶塑料和聚苯乙烯泡沫塑料)、金属(包括锡、铝、钢等)制成；甚至 可使用木材和纸板(包括涂敷纸板)。优选耐用、有弹力的塑料，其有助 于保护内部部件免受外部的撞击和力，这些撞击和力否则可能会对它们造 成损害。
主体可被制成几乎任何形状，包括球形和椭圆形、立方形和直线形。 对于在婴儿浴缸中使用时，优选形状是玩具的形状，例如小船、鸭子、鲸 鱼或其它形状。
优选装置包括密封的或可密封的外壳，以防止电解溶液进入外壳，除 非是有意的(例如通过入口)。主体优选为封闭主体，在该主体内具有封 闭的空间以包含电解装置的一个或多个其它部件，最优选为防水的以防止 来自贮存器的溶液(例如水)进入主体(流过电解槽通路除外)，从而防 止短路或对电源和任何泵送部件、推进部件等的损害。主体可具有穿过其 外表面的开口，电解溶液可由该开口流经包含在主体内的电解槽。主体可 具有至少一个密封的或可密封的隔室，电源如一组干电池放置于其内。主 体可具有一个或多个用于开口的可移除上盖，通过其可将部件例如电池移 除、安装或替换，并且该上盖可为液封的。主体内密封的或可密封的隔室 用于防止液体如电解溶液进入，并确保浮力。主体的内部体积大小应既能 为部件提供空间，又能提供考虑该主体和其部件总重量而足以使装置浮起 的大气空间。对正浮力装置，该装置的目标最大浸没为约80％，这是指在 水面下的装置体积应为80％或更小。装置重量应为该装置所占体积的水 的重量的80％或更小。更便于处理的小型装置可有利地使用递送高产率 和高效率的小型泵、电解槽和电池组。
当电解槽位于主体内部时，将槽入口放置于通过主体外表面的至少一 个开口以及连接外部开口和槽入口的管子或管道，与贮存器溶液流体连 通。同样地，主体可具有在槽出口和贮存器之间流体连通的出口孔。
电解槽
电解槽是装置最重要的功能部件。电解槽通过使电流经过位于槽内或 流过该槽的电解溶液而产生杀菌剂，更具体地讲是产生自包含在贮存器电 解溶液内或加入到其中的卤离子。电解槽包括至少一对电极，在电极之间 流过电解溶液。槽通路是电极对之间的空间，并且具有被电极对的相对表 面限定的形状。槽通路具有槽间隙，它是两个相对电极之间的垂直距离。 通常，跨越电极相对表面的槽间隙将基本为常数。
通常，电解槽将有一个或多个入口孔与每个槽通路流体连通，和一个 或多个出口孔也与通路流体连通。入口孔也与贮存器溶液流体连通，使得 贮存器溶液可由通路流进入口，并流出电解槽出口。流出液(从通路流出 的电解溶液)典型地返回到贮存器，从而用产生的杀菌剂处理贮存器溶 液。
图1所示为可用于本发明电解装置的一个平面电解槽20。该槽包括 阳极21电极和阴极22电极。通过一对具有电极间隔材料31a和31b 的相对的不导电的电极固定器30a和30b保持电极的相互距离固定，该 间隔材料通过间隔空隙23将阳极和阴极的相对纵向边缘间隔开，从而形 成电极之间的通路24。通路24具有槽入口25和相对的槽出口26，电 解溶液通过它们可流入和流出该槽。贮存器溶液在扩大的流入口之间流入 槽内并进入槽通路24，该流入口在电极固定器30a和30b的延伸入口 部分32a和32b之间形成。通过固定部件(可包括不导电的、防水的粘 合剂、螺栓或其它部件)(未示出)将阳极和阴极组件以及相对的板固定 器紧紧地一起固定在不导电的阳极盖33(示出部分断面)和阴极盖34之 间，从而限制两个电极只暴露于流过通路24的电解溶液。阳极引线27 和阴极引线28横向并密封地延伸穿过分别在电极固定器30b和30a内 制作的槽。
图2所示为本发明一个可供选择的电解槽。该槽包括卷曲阳极21 和卷曲阴极22。阴极22的外表面和卷曲阳极21的内表面相对并在其 间形成通路24。形成的电极沿着其整个相对表面在电极之间提供一致的 间距。电解溶液可通过沿着边缘36b、36c和36d进入槽的任何开口流 入并流出槽通路。可供选择地，可将槽板沿着边缘36b密封以提供具有 入口孔和出口孔36c或36d的槽。通过多个沿着通路24周边放置的电 极间隔材料31将电极保持在它们的相对间隔位置内。通常，将槽的平面 基座(未示出)连接到电极的卷曲边缘36a，这也有助于稳定电极，防止 挠曲和相互分离。使用阳极引线27和阴极引线28将电源连接到槽上。
另一个优选的槽实施方案可包括对从任何方向流入并流向任何方向的 溶液流动敞开的一对电极。为举例说明，此类电解槽的一个实施例示于图 3，其中间隔材料31沿着通路24的周边放置以保持电极之间的间距。 只要间距足以提供液体流过电解槽通路，就可产生足够量的混合氧化剂以 有效地处理贮存器溶液。尽管图3中的槽显示的是矩形电极，但电极可 以其它形状提供，包括圆形、椭圆形和正方形。漏斗构件86显示固定在 电解槽上，邻近阴极22，尽管其也可固定到电极之一或两个电极上。在 图3中，基座35被连接到阳极21的上表面上，然后其可容易地固定 到主体16的外表面上。漏斗构件86也显示连接到阴极的整个周边，但 可连接到一侧，或连接到两侧或多侧。当安装到主体16上并连接至电源 50的槽，移动或推进通过贮存器时(如图5中方向90所示)，或者当 贮存器溶液移动越过槽时，漏斗构件有助于促使液体离开贮存器进入张开 的漏斗开口87并进入槽的入口。
电极
电极通常可具有任何形状，可有效传导电流通过自身和另一电极之间 的电解溶液，其可包括平面电极、环形电极、弹簧型电极和多孔电极。另 一种优选电极形状是如图2所示的卷曲板。通常，阳电极和阴电极，以 及置于两者之间的任何辅助电极的形状和位置使得阴极和阳极电极对之间 有一致的间隙。因此，一对平面电极将优选共同扩张并相互平行，或者被 相互之间固定的间距分开。
通常使用如图1所示的平面电极。采用平面电极的电解槽的纵横比 定义为阳极沿着溶液流动通道的长度与阳极横穿流动通道的宽度之比。通 常，电解槽的纵横比介于0.2和10之间，尽管更优选介于0.1和6 之间，最优选介于2和4之间。
电极对(阳极和阴极)通常为金属的导电材料，尽管也可使用非金属 的导电材料，例如碳。阳极和阴极的材料可以一样，但有利地为不同材 料。电极优选在尺寸上和空间上稳定，以避免使用期间电极过度的弯曲、 挠曲、扭曲和开裂，从而可在相对电极之间保持固定间距。为了使腐蚀最 小化，优选使用耐化学品金属。合适的电极的实施例公开于美国专利 3,632,498和美国专利3,771,385。优选的阳极金属是不锈钢、铂、钯、 铱、钌，以及铁、镍和铬，以及它们的合金与金属氧化物。更优选的是由 阀用金属制成的电极，例如钛、钽、铝、锆、钨或其合金，其用VIII族 金属覆盖或涂层，所述金属优选地选自铂、铱和钌，以及它们的合金与金 属氧化物。尤其优选的阳极是由钛核并被涂敷或沉积了钌、氧化钌、铱、 氧化铱，以及它们的混合物而制成，层厚度为至少0.1微米，优选至少 0.3微米。电极的厚度为约5mm或更小，尽管更优选约0.1mm至约 2mm。
对于许多应用，可使用厚度为约0.03mm至约0.3mm的金属箔。应 使箔电极在槽中稳定，这样它们不会对液体流过通道响应而变型或弯曲， 其可影响正常电解操作。当装置的成本必须最小化，或当电解装置的寿命 预期或预计比较短(通常约一年或更短)时，使用箔电极特别有利。箔电 极可以用上述任何金属制成，并且优选地作为层压材料附在较便宜的基座 金属上，如钽、不锈钢和其它材料。
本实施方案的电解槽可位于主体内、主体的外表面上、或者部分在外 侧并且部分在内侧。优选地，该槽位于装置的主体内，以避免使用者的手 和身体或者环境中其它不相容的物体接触电极和电路。
电解槽还可包括电解一批电解溶液(例如水)的批型室。该批型室包 括具有一对电极的批处理室。该批处理室装有来自贮存器的水，然后将水 电解并返回至贮存器。电极优选包括外部环形阳极和同心的内部阴极。可 供选择地，电解槽可包括电解一批水的批连续型室，在电解包含在该室内 的水步骤中，一部分水流入室内而另一部分水流出该室。优选地，贮存器 水与本体卤离子源混合以产生按比例更大量的混合氧化剂。合适的批处理 室，以及卤化物盐来源和控制该盐溶液电解的电路的实施例，公开于2000 年11月30日公布的WO 00/71783-A1，其引入本文以供参考。
电源
电解槽的操作需要电源，以提供电极之间穿过流动水通路的电流。优 选的电源是电池或电池组，优选选自碱性电池、锂电池、氧化银电池、氧 化锰电池或碳锌电池。电池可以具有1.5伏特、3伏特、4.5伏特、6 伏特的标称电压或任何其他满足电解装置功率需求的电压。最优选的是普 通型电池，如“AA”规格、“AAA”规格、“C”规格、和“D”规格的具 有1.5V电压的电池。两个或更多电池可以用电线串联(以加和它们的电 压)或并联(以加和它们的电流量)，或都采用(增加电压和电流)。可 有利地采用蓄电池。
可供选择的电源可为家用电流整流器，其可将100至230伏特的交 流电流转化成所需的直流电流。另一个可供选择的是可以转化(和储存) 太阳能为电能的太阳能电池。当电解槽的功率需求为低于2000毫安的电 流乘以在1.5和9伏之间的电压时，太阳能光电板可有利地使用。
在一个实施方案中，电解槽可包括单对电极，其阳极联到电池或电池 组的正极导线，阴极联到电池或电池组的负极导线。一系列两个或更多个 电极，或两个或更多个室(通常为一对电极)可以通过电线连接至电源。 通过将每个槽阳极连接到正端和每个槽阴极连接到负端使槽并联排列，前 提条件是来自电源的相同电势(电压)将通过每个槽，并且电源的总电流 将在槽的两个或多个电极对之间(均匀或不均匀)分配。通过将第一个槽 阳极连接到正端，第一个槽阴极连接到第二个槽阳极，第二个槽阴极连接 到负端，使(例如)两个槽串联排列，前提条件是来自电源的相同电流将 通过每个槽，并且电源的总电势将在两个槽之间(均匀或不均匀)分配。
电源还可包括电路，用于周期性地反转电池或电池组的输出极性，以 长时间维持高水平的电功效。极性反转可最小化和防止水垢沉积和任何带 电化学物质在电极表面上覆盖。
除了电解槽和任何泵送部件或推进部件之外，电源还可提供包括指示 灯的功率选择控制电路，以控制装置电操作的定时和持续时间。过一段时 间后，控制系统可自动切断通向电解槽、泵送部件、或推进部件、或它们 的任何组合的电流，并可开动指示灯以指示何时装置正在运行，何时应关 掉装置，何时贮存器水被安全灭菌，以及何时电池寿命减少。可供选择 地，通向电解槽和其它电部件的电流可简单地串联连线至启停开关，用指 示灯显示电正被递送至这些部件。
电解槽的操作
当将电能施加在电极对之间并通过电解溶液时，卤离子转化成杀菌剂 的化学过程会进行。由于在大多数水中氯化物是最普遍的卤化物，电解槽 化学过程和操作的描述可针对将氯化物转化成氯而被描述，尽管应当理解 其它卤化物，尤其是溴化物和碘化物，将与氯化物类似地作用和响应。类 似地，由于水(例如自来水)是尤其优选的电解溶液，以下所述将描述具 有残余含量氯离子水的使用，尽管应当理解也可使用其它电解溶液。
当包含残余含量氯离子的水流过阳极(电极对中荷上正电的电极)和 阴极(荷上负电的电极)之间时被电解。发生在阳极上的两个反应如下表 示为式1和2。
2Cl-→Cl2+2e-            (1)
H2O→1/2O2+2H++2e-       (2)
发生在阴极的一个反应表示为式3。
2H2O+2e-→H2+2OH-        (3)
此外，氯分子可转化为次氯酸和次氯酸根离子，分别如式4和5所 示。
Cl2+H2O→HOCl+Cl-+H+     (4)
HOCl→OCl-+H+            (5)
产生的氯气溶解或扩散到水中以次氯酸、次氯酸离子和次氯酸根离子 的形式产生游离氯。据信其可产生的其它各种混合氧化剂类包括二氧化氯 (ClO2)，其它氯代氧化物分子，包括臭氧、过氧化氢(H2O2)和游离基(单 线态氧、羟基)及其离子的氧化物分子。此类混合氧化剂被示范并描述于 美国专利3,616,355(公布于10/26/71)和美国专利4,761,208(公布 于8/2/88)。这些类型的混合氧化剂是非常有效的杀菌剂，但具有很短的 寿命，在平常环境条件下持续几分之一秒至几分钟。因此，从使用观点上 产生这些杀菌剂可确保最有效地用于杀菌类。此外，在溶液的整个使用期 间例如在浴缸内连续产生杀菌剂可高度有效地避免与沐浴相关的其它物体 对水的再次污染，其它物体如玩具、海绵和浴巾，或婴儿或沐浴者身体上 的污垢。
为有效处理贮存器溶液(包括流过电解槽的溶液以及用槽流出物中残 余的混合氧化剂处理的贮存器溶液内的那些)中的有害微生物，电解槽流 出物内混合氧化剂的浓度，按DPD方法测量，为至少0.1mg每升(约 0.1ppm)电解槽流出物，优选0.2mg每升(约0.2ppm)，更优选至少 1mg每升(约1ppm)，最优选至少5mg每升(约5ppm)。
对于小的便携式电解装置，尤其是对于本发明的那些装置，一个重要 的考虑是装置电源的产率。当使用电池电能时，重要的是对所消耗的每瓦 电提供最大可能的混合氧化剂产量。这样可确保长的电池寿命，更大的消 费者便利，更小的和更便携式的装置，以及更大的消费价值。
将电解槽的产率表示为式I，
η＝(CC1*Q)/(I*V)          (I)
其中：
η单位为每分钟消耗每瓦电能所得氯的微克数；
按DPD方法测定，CC1是产生的氯当量浓度，单位为毫克每升 (mg/L)；
I是电流，单位为安培；
Q是体积流速，单位为毫升每分钟(mL/m)；和
V是穿过电解槽的电势，单位为伏特。
依照本发明使用的电解装置产率η典型地大于100，且更典型地大 于250。在电解槽的优选实施方案中，当贮存器水具有的卤离子浓度大于 0.001％(10ppm)且小于0.1％时，产率η大于约500，更优选大于约 1000。优选地，当电流介于约100毫安和约2000毫安之间时电解装置 具有上述效率，暴露的阳电极表面的典型电流密度介于约5毫安/cm2和 100毫安/cm2之间，更优选介于约10毫安和50毫安/cm2之间。由于将 氯化物转化为氯所需要的电势为约1.36V，沿通路大于1.36V的电势将 产生来自氯离子的按比例更大量的混合氧化剂。维持在任何阳极和阴极对 之间的电势必须通常大于1.36V，且通常小于约12伏，优选介于约 2.0V和6V之间，更优选介于约3V和4.5V之间。对自供电整装装 置，电池是优选的电源。为得到一组电池的延长寿命，将装置优选设计成 穿过槽的电极对，需要20瓦或更小，优选5瓦或更小，更优选2.5瓦 或更小，最优选1瓦或更小的总功率。
通常，电解槽的槽间距大于约0.05mm，优选大于0.10mm，更优选大 于0.15mm，最优选大于约0.20mm，并且槽间距小于约5mm，优选小于约 2.0mm，更优选小于约0.80mm，最优选小于约0.50mm。更优选的槽间距 用于含有小于约200ppm卤离子浓度和大于约250μS/cm电导率ρ的电 解溶液。
阳极和阴极对入口和出口之间的停留时间通常小于10秒，优选小于 5秒，在更优选的实施方案中，介于约0.01秒和约1.5秒之间，最优 选介于0.05和约0.5秒之间。停留时间可近似用阳极和阴极对之间的 通路总体积除以水流过电解槽的平均流速。
电解装置的操作和有效性要求贮存器溶液以足够的量流过电解槽以产 生有效的用于所需用途的杀菌混合氧化剂产品。通常，若没有推动贮存器 溶液流过槽(而不是仅仅填入槽)的一些部件，将产生低含量的混合氧化 剂。来自贮存器的水可通过以下方式流过电解槽：泵送通过槽、装置主体 通过贮存器的运动，例如用手、用推力、或者用固定器或在柄部末端拉或 推装置通过电解槽。可供选择地，可将装置放于存在足以流过槽的水流的 贮存器区。
电解溶液贮存器的操作
在本发明贮存器中的电解装置操作中，不必整个体积的贮存器水都经 过电解槽。由于电解槽流出物内的高浓度(远远高于破坏贮存器溶液内微 生物种群所需的浓度)混合氧化剂的高杀菌活性，需要将小于贮存器总体 积的水流过该装置以确保贮存器溶液内所有的微生物被破坏。通常需要将 只占贮存器总体积约25％或更少，优选只占10％或更少流过电解槽。
本发明电解装置可中和至少约4log，优选至少约6log，更优选至少 约8log的电解溶液中流过电解装置的微生物。log中和作用是指进入电 解装置的活微生物与离开该电解装置的活微生物之差。例如，8log中和 作用是指这种情形，其中当108的活微生物存在于电解装置入口处的水 中时，该电解装置出口处的水中不存在活微生物。同样地，本发明电解装 置可中和至少约4log，优选至少约6log，更优选至少约8log的电解溶 液贮存器内已被电解装置处理的微生物。
泵送部件
所述装置优选提供有用于泵送贮存器水通过槽通路的泵送部件。泵送 部件可提供三个功能：使贮存器的电解溶液流过电解槽，其中当电流经过 该槽时可由卤离子产生混合氧化剂；将包含混合氧化剂的流出液排回并分 散在贮存器内；并利用流出液离开装置的力提供装置通过贮存器的运动 (推进)。
优选的泵送部件包括具有旋转叶轮的泵，安装在整装主体的内部，并 具有与贮存器溶液流体连通的泵入口，以及与电解槽入口流体连通的泵出 口。可使用自吸泵，例如蠕动泵。泵优选被通过电池供电的直接驱动电机 驱动，尽管可使用驱动该泵的其它动力部件，如机械上链发条或光电板。 优选地，泵电机采用与电解槽相同电压的动力。
流出物排放的方向既可影响混合氧化剂在贮存器内的分散，也可影响 装置通过贮存器的运动。就分散目的而言，已发现排放角度为水平向下约 45°是最适宜的。就推进目的而言，0°至约30°的排放角度作用良好。 直前推进通常可通过引导排放向外并以与装置重心相反的方向直线向后 (以下为“直后方向”)来实现。优选的是以大半径圆周转动装置的推进 部件，通过使排放角度与直后方向成约10°至约80°而实现。
泵可具有0.05升溶液每分钟，最多约10升每分钟的处理量。较高 的泵送速率是可能的，这取决于整装装置的尺寸和任何电源的能力。对于 便携式和常规碱性电池供电的装置，优选的泵送能力介于0.1和5升每 分钟之间，更优选介于0.2和2升每分钟之间。
当泵送部件的整个体积可全部定向通过电解槽时可将泵排放分开，其 中一部分经过电解槽，而剩余部分旁路经过电解槽。这使得装置能够递送 一定质量流速的电解溶液通过电解槽，而利用泵送溶液的旁路部分推进装 置。
可供选择地，电解装置可包括通过电解槽排放的泵送部件，其中一部 分来自电解槽的排放流出物回流至泵入口，以提供部分流出物连续再循环 返回通过槽入口。这样安排可增加所得混合氧化物在由电解槽排放的流出 物中的浓度。
本体卤离子源
本发明的一个任选实施方案包括电解装置，该装置包括本体卤离子源 以及递送本体卤离子源至与槽入口流体连通的部分贮存器水的部件。该实 施方案有利地用于当贮存器水具有非常低浓度的或者甚至没有卤离子的那 些情形，从而与仅仅来自贮存器溶液的混合氧化剂产量相比，可增加混合 氧化剂在流出物中的产量。优选地，所有本体卤离子源都通过电解槽，以 使本体卤离子源转化为混合氧化剂最大化，并且能够限定通常向贮存器中 加入的盐。本体卤离子源可向许多水源例如自来水补充普通量的卤离子， 以在流出物中产生非常高浓度的混合氧化剂。
本体卤离子源可以是浓缩的盐水溶液，与电解溶液贮存器流体接触的 盐片，或两者均有。优选的本体卤离子源是固体形式，例如卤化物盐的丸 剂或片剂，卤化物盐如氯化钠(食盐)。本体卤离子源的递送部件可包括 盐室，其包含卤化物盐，优选为丸剂或片剂，一部分贮存器水流经该盐 室，从而一部分卤化物盐溶解到部分水中。然后含盐的部分水流入电解 槽。盐室可包括盐空隙，该盐空隙形成在整装主体内且放置成与将流过电 解槽的部分水流体连通。
提供盐水溶液在盐水室内，该盐水室通过管子与电解槽的入口部分流 体连通，从而对应水流过入口部分，盐水溶液通过文丘里管吸入诱导通过 管子，其中可递送固定比例的盐水溶液。
可有利地使用在水中有非常低溶解度的其它卤化物盐，以控制该卤化 物盐的溶解速度。用作本体卤离子源固体形式的优选盐是低溶解性的盐， 例如氯化钙、氯化镁、氯化钾和氯化铵。丸剂也可用其它有机和无机物配 制以控制氯化钠的溶解速度。优选的是缓慢溶解的盐片，以释放足够的卤 离子来实现有效量的混合氧化杀菌剂的转化。卤离子的释放速度为对每升 处理的贮存器水典型地介于0.01mg和0.3mg卤离子之间。卤化物丸剂 可为盐与限制溶解材料的简单混合物，限制溶解材料可选自多种熟知的胶 囊包封材料。
本发明的以下实施方案旨在举例说明，但绝不限制本发明的实施。
实施方案I
整装、自推进电解装置的一个实施例以横截面示于图4中。鸭子形 电解装置10具有制成鸭子形状的浮力主体12。该主体具有基本连续的 外表面13和中空的内部14。该主体由用橡胶处理的PVC塑料塑造。在 主体内部，安装到基座16上的电传动马达44(型号RE260，LMP Inc.， Jersey City，N.J.)，其传动具有叶轮41(型号IMPELR-S，Swampworks Mfg.，Springfield，MO)的泵40。泵入口42的位置直接对着主体基座 16内的入口孔17，以提供水贮存器100与泵入口42之间的流体连 通。用防水的粘合剂70将泵入口外侧的泵周边密封至基座16，以防止 贮存器水向装置主体内的任何渗漏。通过6.35mm(英寸)的聚乙烯管 60将泵的排放43连接到安装在整装主体内的电解槽20的入口25。 图1所示类型的电解槽以沿图1的线4-4截取的横截面示于图4中。 电解槽20具有阳极板21和阴极板22，阳极板由钛制成具有氧化钌涂 层(1.45mm厚)并沿流体流的方向上测量为7.2cm长和2.7cm宽(穿过 流体流通道)，阴极板由不锈钢(1.45mm厚)制成，具有与阳极相同的 尺寸并与阳极平行相连放置。阳极和阴极被0.20mm的间距隔开，并在两 者之间限定通路24。电解槽的出口26排放到6.35mm(英寸)的聚 乙烯管61的一端，管的另一端在基座16的后端附近贯穿鸭形主体的后 端18，该端口在基座内的渗透开口处用防水的粘合剂密封以防止贮存 器水向主体内的渗漏。阳极引线27和阴极引线28通过电线分别连接到 电源50的正端和负端，该电源由两个串联排列的“AA”碱性电池(每个 1.5V)组成以提供3.0V电压的电源。上述泵马达44平行于电解槽下游 也与电池连线，以接收相同的3伏电压。通过3伏的电压，在驱动泵 40泵送400mL每分钟的水通过电解槽20中，电解槽消耗约0.20安培 而马达44消耗约200毫安。此外，指示灯80(型号160-1127-ND， Digi-Key)在线连接在泵马达和电池正端之间以在电流通过时发光。发光 对使用者可作为电解装置正在运行的指示。此外，恰好在正端下游连线启 停开关82以打开与关闭通向泵马达44和电解槽20的电流。指示灯 80和启停开关82被放置延伸穿过如图4所示的主体。
向20升容量的塑料浴盆中装入约10升包含大肠杆菌的溪流水。该 溪流水具有80ppm的残余氯化物含量。将水温调到28C以使水对婴儿舒 适。将110mL处理前的水的样本(样本A)收集在消过毒的125mL聚丙 烯带盖瓶子中，用于水中微生物污染和残余氯的基线读取。
将另外20cm长度的聚乙烯管连接到后端口18，用于对从装置排放 出的已电解水取样。放置鸭形电解装置漂浮在浴盆水的表面上，为了排 水，将取样管排放端放置在塑料浴盆外。将开关扳到“开”位置，则装置 开动(即，其泵送贮存器水通过有电流流过电极之间的电解槽)。30秒 后，将110mL直接从装置排放出的流出物水样(样本B)收集在消过毒 的125mL聚丙烯瓶中。将开关扳到“关”位置，并将取样管从装置的后 端口18移除。
将泵开关再次扳到“开”位置。泵立即开始泵送贮存器水流经电解 槽，并且从后端口出来进入水贮存器，从而向浮力装置提供向前推力。泵 和电解槽运行5分钟，这期间浮力鸭形装置在浴缸内的水表面上推动其 自身。在该时段内，泵和电解槽上消耗的电流测定为常数。然后将开关扳 到“关”位置，切断通向泵马达和电解槽的电流。用搅料桨(其已被消过 毒以防止处理水的再次污染)迅速搅拌浴盆水，以确保所得的这批电解水 均一化。将第三个110mL的所得电解贮存器水100样本(样本C)放置 于125mL聚丙烯带盖瓶子中，用于读取处理水中的微生物污染和残余 氯。结果示于表A中。
利用本领域已知的许多方法中的任何一个测量100mL样本中大肠杆 菌微生物的数目。例如，引入本文以供参考的美国专利4,925,789描述 了一种合适的测试。此外，可利用DPD(N，N-二乙基-对苯二胺)比色测 试方法测量存在于在电解装置出口处收集的110mL样本内的残余氯(混 合氧化剂)。该方法为本领域所熟知，并通过International Organization for Standardization，Water Quality，ISO Standard 7393-2：1985中的实施例加以阐述，该标准的实质引入本文以供参考。用 于DPD比色测试的合适DPD试剂是Hatch，Company of Loveland， Colorado制造的，目录号为21055-69。合适的色度计是Hatch Company of Loveland，Colorado制造的，型号为DR/890。
              表A   样本  氯含量，ppm，  利用DPD   微生物数   (生物体/升)   A  0.0   大于103   B  0.6   无   C  0.12   无
电解槽的产率η(由样本B)通过公式I确定为400。
一位母亲在接触浴盆外细菌污染过的表面后，可能经常会把其手放在 水中。此外，细菌和其它病原体可存在于沐浴海绵、织物和甚至其它玩具 的表面上。然而，进入电解贮存器溶液的被细菌或其它病原体污染的任何 物体立即通过装置的连续电解作用消毒，从而防止贮存器的再次污染。
在本发明的另一个实施方案中，可将类似上述取样管的长管连接到后 端口18，并当装置运转时留在适当的位置。来自该管长度末端的水排放 将造成该管的排放末端像蛇一样在水面下前后移动，从而将槽流出物分布 遍及贮存器。
实施方案II
一个在电极之间具有密排间隙的自供电整装电解装置的实施例以部分 横截面示于图5中。图5所示为具有制成船形状的整装主体12的电解 装置10。主体由PVC塑料制成。安装在整装主体的基座16外面的是图 3所示类型的电解装置20(以沿图3的线5-5截取的横截面示于图5 中)，其具有平面阳极板21和相对的平面阴极板22。阳极板由钛制成 具有氧化钌涂层(0.4微米厚)并测量为7.2cm长和2.7cm宽。阴极板 由不锈钢(1.45mm厚)制成，具有与阳极相同的长度和宽度尺寸。阴极 板在两个电极之间具有0.40mm的固定间距。由两个“AA”碱性电池(每 个1.5V)组成的电源50位于主体内，并串联连接穿过电极以提供3.0V 的电源。用电线将电池连接到阳极引线27和阴极引线28，这两个电极 引线向上延伸穿过基座16并进入主体12的内部。当整装船形装置以方 向90移动通过贮存器时，固定到槽底部的漏斗构件86促使进入漏斗开 口87的水流入槽通路。
该装置可用于电解水，效力与实施方案I中自推进、自供电浮力电 解装置所述基本相同。在本实施方案中，一旦将装置10放置于水贮存器 内，随着水涌进通路24，沿着电极对21和22将产生电流。通过用手 定期搅拌浴盆水，或者用手或优选用连接到装置上的伸出柄部移动装置通 过贮存器水几分钟，足量的水将流经具有限定空间的电极对之间，以产生 有效含量的杀菌混合氧化剂用于对沐浴水灭菌。
电解水的使用
流出电解装置20的电解水可有效地对贮存器水消毒或杀菌，使得贮 存器溶液可用作饮用水源、沐浴水源，或用作灭菌水源(即，其中微生物 已被中和的水)，以用于生产产品或清洁生产设备及无数其它用途。电解 的贮存器水也可被加入到其它水源中以对其清洁(例如，中和存在于水 池、桑拿浴、冷却塔等滞留水中的微生物)。此外，电解的贮存器水可用 于中和位于以下表面上的微生物：有机和无机表面、身体表面(例如， 手、脚、脸等)、硬表面和软表面、食用器具和食品接触表面、洗碗池、 工作台、水龙头、地板、软表面、织物、衣服及其它硬软表面。
优选的实施方案包括用于处理婴儿沐浴水的装置。婴儿需要频繁的沐 浴，包括从出生到6个月龄的时间，那时免疫系统还没完全发育，易受 细菌和其它病原体的攻击。婴儿沐浴的水可以是微生物的重要来源，该微 生物可通过与粘液区接触或者通过婴儿无意中摄取了沐浴水而引起疾病， 尤其是痢疾。在沐浴之前或期间对沐浴水灭菌通常减少，并可消除由沐浴 水引起的疾病。
由于有益的杀菌混合氧化剂的寿命短，电解后立即使用电解的贮存器 水是高度优选的。优选地，当用于消毒、卫生或灭菌时，贮存器水在电解 后约15分钟内，优选约5分钟内，更优选约1分钟内使用，最优选电 解后几乎立即使用。
对于本领域的技术人员来讲，在研究了前述说明书和下述权利要求 后，本发明的种种优势将会变得显而易见。
在发明详述中引用的所有文献的相关部分均引入本文以供参考；任何 文献的引用并不可理解为是对其作为本发明的现有技术的认可。
尽管已用具体实施方案来说明和描述了本发明，但对于本领域的技术 人员显而易见的是，在不背离本发明的精神和保护范围的情况下可作出许 多其它的变化和修改。因此，有意识地在附加的权利要求书中包括本发明 范围内的所有这些变化和修改。