CN110402240A - 具有隔离电极的用于废水处理的电化学电池的堆叠 - Google Patents

Abstract

公开了用于废水处理的电化学电池的堆叠，所述堆叠包括至少一个电化学电池，所述电化学电池具有固体聚合物膜、邻近膜的每一侧的阳极催化剂层和阴极催化剂层、紧邻催化剂层中的每一个放置的开孔网格以及紧邻每一个开孔网格放置的压缩框架。罩被放置在堆叠中的两个相邻电化学电池的压缩框架之间，从而形成跨越两个相邻电化学电池之间的距离的外壳，从而将阴极催化剂层或阳极催化剂层与堆叠被浸没在其中的反应器罐中的溶液隔离。

Description

具有隔离电极的用于废水处理的电化学电池的堆叠

技术领域

本发明涉及用于废水处理的电化学电池的堆叠，并且特别地本发明涉及用于除去有机污染物和无机污染物的电化学电池的堆叠，所述堆叠包括浸没在反应器罐中的至少一个电化学电池，其中电化学电池的一个电极由罩(cover)保护，所述罩将电极与废水或与反应器罐中的任何其他溶液隔离。

背景

对于新的废水处理方案，特别是对于有成本效益、可持续、不产生二次污染、符合水质标准并且具有最小的运行要求和维护要求的水处理系统的需求存在明显的增长。处理废水的优选的方法是通过非化学氧化技术，例如通过电化学氧化。电化学氧化在消除范围广泛的污染物例如持久性有机污染物、二噁英、氮物质(例如氨)、药物、病原体、微生物以及大多数优先污染物和杀虫剂中是有效的。

已经开发了多种包括流通式平行板、分隔室、填充床电极、堆叠式盘、同心圆筒、移动床电极和压滤机的电池配置，用于废水处理的直接和间接的电化学氧化。

用于废水处理的电解池的一种配置使用固体聚合物电解质(SPE)，如例如在本申请人的专利公布WO2012167375中描述的。该系统包括电解池，所述电解池包括具有阴极气体扩散层和阴极催化剂层的阴极、具有阳极扩散层和阳极催化剂层的阳极以及将阳极层和阴极层分开的固体聚合物膜电解质。通过引导废水通过设置在紧邻阳极流体递送层放置的阳极流场板中的流场通道，废水被均匀地递送到阳极流体递送层以及从阳极流体递送层被递送。在废水的电化学处理期间生成的氢气从阴极收集，并且通过设置在紧邻阴极流体递送层放置的流场板中的流场通道的方式引导出电解池。该系统可以包括呈堆叠的并且呈串联布置和/或并联布置的多个电解池，并且可以在没有阴极电解质或其他支持电解质(supporting electrolyte)的情况下操作。

本申请人还已经开发了如在本申请人的专利申请WO2017123969中公开的系统，其中电化学电池的堆叠被浸没在容纳待被处理的废水的反应器罐中，其中每一个电化学电池包括固体聚合物电解质(SPE)膜和阳极催化剂层与阴极催化剂层以及开孔网格(open poremesh)，每一个催化剂层邻近固体聚合物电解质膜的一侧，每一个开孔网格邻近催化剂层。该系统还包括压缩框架，每一个框架邻近开孔网格并且具有在由框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，压缩臂在连接部位处彼此连接。该系统还包括紧固件，所述紧固件穿过设置在压缩框架的臂中在连接部位处的孔、穿过设置在开孔网格中的孔和穿过催化剂涂覆膜突出，以将固体聚合物电解质膜、催化剂层和开孔网格压缩在两个压缩框架之间。此系统已经被证明由于流场板和无规的、非均相多孔介质(气体扩散层)的除去而以较低的操作成本实现较高的污染物除去速率。该系统提供低的电压操作和能量消耗，并且可以在可变的流出物流量操作。

在其中电化学电池的堆叠被浸没在具有暴露于待被处理的废水的阴极催化剂层和阳极催化剂层两者的反应器罐中的系统中，例如在本申请人的共同未决的专利申请中描述的系统中，在废水的氧化期间在阳极处形成的中间试剂可以使阴极催化剂中毒。此外，在阳极侧被氧化并且大体上没有一级污染物但可能潜在地包含氧化过程的中间试剂的废水，可以与阴极催化剂接触，并且中间试剂可以被还原，从而逆转在阳极侧发生的清洁氧化过程(cleaning oxidation process)。此外，在某些情况下，例如在包含氨的废水的处理的情况下，氯化钠(NaCl)被添加至反应器罐以诱导原位次氯酸盐的形成并且完成污染水的间接氧化。在这些情况下，氯化钠中的某些可以保持在反应器罐内的处理过的水中，并且可以通过将处理过的水输送至处理过的水收集罐的出口管道从罐中丢弃。氯化钠具备高的电导率，并且因此在某些情况下可以造成腐蚀来自处理系统的下游的管道的风险。

因此，其中电化学电池的堆叠被浸没在反应器罐中的系统的性能可以通过将阳极或阴极与反应器罐中的本体溶液(bulk solution)隔离来进一步改进。本发明解决此需求，提供如本文公开的若干益处。

发明概述

本发明描述了用于废水处理的电化学电池的堆叠，所述堆叠包括至少一个电化学电池，电化学电池包括固体聚合物电解质膜、邻近固体聚合物电解质膜的第一侧的阳极催化剂层和邻近固体聚合物电解质膜的与第一侧相对的第二侧的阴极催化剂层。电化学电池还包括第一开孔网格和第二开孔网格、第一压缩框架和第二压缩框架，所述第一开孔网格邻近阳极催化剂层，所述第二开孔网格邻近阴极催化剂层，所述第一压缩框架邻近与阳极催化剂层相邻的第一开孔网格，所述第二压缩框架邻近与阴极催化剂层相邻的第二开孔网格，压缩框架中的每一个具有在由框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，压缩臂在连接部位处彼此连接。紧固件穿过设置在第一压缩框架和第二压缩框架的压缩臂中在连接部位处的孔、穿过设置在第一开孔网格和第二开孔网格中的孔以及穿过固体聚合物电解质膜和阳极催化剂层与阴极催化剂层突出。紧固件连同压缩框架一起提供将固体聚合物电解质膜、催化剂层和开孔网格压缩在两个压缩框架之间的力。罩被附接至放置在电池的阳极催化剂层侧上的第一压缩框架或附接至放置在电池的阴极催化剂层侧上的第二压缩框架，以当堆叠被浸没在反应器罐中的溶液中时，通过将阳极催化剂层或阴极催化剂层与反应器罐中的溶液隔离来形成用于保护阳极催化剂层或阴极催化剂层的外壳(enclosure)。

在本发明的此第一实施方案中，罩具有一个侧面，该侧面设置有开口以用于允许废水、阳极溶液或阴极溶液进入堆叠中的电化学电池的阳极催化剂层或相应地阴极催化剂层。罩还包括入口管道、出口管道以及通风管道，所述入口管道用于将废水、阳极溶液或阴极溶液进料到由罩形成的外壳中，所述出口管道用于将在阳极催化剂处或阴极催化剂处形成的反应产物从由罩形成的外壳中除去，所述通风管道用于从由罩形成的外壳中除去气体。

堆叠还包括密封件，所述密封件在罩的设置有开口的侧面和紧邻该侧面的压缩框架之间。

罩由非导电材料制成。

堆叠包括通过至少一个杆连接的多个电化学电池，所述杆将堆叠中的电化学电池保持在距相邻电化学电池一定距离处。

在本发明的另一个实施方案中，电化学电池的堆叠包括至少一个重复单元，所述重复单元包括两个电化学电池，每一个电化学电池包括固体聚合物电解质膜、邻近固体聚合物电解质膜的第一侧的阳极催化剂层和邻近固体聚合物电解质膜的与第一侧相对的第二侧的阴极催化剂层。每一个电化学电池还包括第一开孔网格和第二开孔网格、第一压缩框架和第二压缩框架，第一开孔网格邻近阳极催化剂层，第二开孔网格邻近阴极催化剂层，第一压缩框架邻近第一开孔网格，第二压缩框架邻近第二开孔网格，压缩框架中的每一个具有在由框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，压缩臂在连接部位处彼此连接。紧固件穿过设置在第一压缩框架和第二压缩框架的压缩臂中在连接部位处的孔、穿过设置在第一开孔网格和第二开孔网格中的孔以及穿过固体聚合物电解质膜和阳极催化剂层与阴极催化剂层突出，并且连同压缩框架一起提供用于压缩电化学电池的部件所必需的力。堆叠还包括至少一个杆，所述杆用于连接堆叠中的电化学电池并且将重复单元中的第一电化学电池保持在距重复单元中的第二电化学电池一定距离处，使得第一电化学电池的阳极侧面向第二电化学电池的阳极侧，或者使得第一电化学电池的阴极侧面向第二电化学电池的阴极侧。

在此实施方案中，罩被放置在重复单元的两个相邻电化学电池的压缩框架之间，并且形成跨越两个相邻电池之间的距离的外壳，从而将重复单元的两个相邻电化学电池的阳极催化剂层或阴极催化剂层与反应器罐中的溶液隔离。

在一个实施方案中，堆叠的重复单元中的电化学电池被定位成使得与紧邻重复单元的第一电化学电池的阴极催化剂层的开放网格相邻的压缩框架面向与紧邻重复单元的第二电化学电池的阴极催化剂层的开放网格相邻的压缩框架，所述第二电化学电池与堆叠中的重复单元的第一电化学电池相邻。

在此实施方案中，罩被放置在重复单元的相邻电化学电池的压缩框架之间，并且罩具有入口管道、出口管道、通风管道、第一侧和第二侧，所述入口管道用于将阴极溶液进料到由罩形成的外壳中，所述出口管道用于将在阴极催化剂处形成的反应产物从由罩形成的外壳中除去，所述通风管道用于从由罩形成的外壳中除去气体，所述第一侧和所述第二侧彼此相对，每一侧设置有开口以允许阴极溶液进入两个相邻电池的阴极催化剂层。

在另一个实施方案中，堆叠中的电化学电池被定位成使得与紧邻重复单元的第一电化学电池的阳极催化剂层的开放网格相邻的压缩框架面向与紧邻重复单元的第二电化学电池的阳极催化剂层的开放网格相邻的压缩框架，所述第二电化学电池与堆叠中的重复单元的第一电化学电池相邻。

在此实施方案中，罩被放置在重复单元中的第一电化学电池和第二电化学电池的紧邻阳极催化剂的压缩框架之间，并且罩具有入口管道、出口管道以及通风管道、第一侧和第二侧，所述入口管道用于将废水或阳极溶液进料到由罩形成的外壳中，所述出口管道用于将在阳极催化剂层处形成的反应产物从由罩形成的外壳中除去，所述通风管道用于从由罩形成的外壳中除去气体，所述第一侧和所述第二侧彼此相对，每一侧设置有开口，以允许废水或阳极溶液进入重复单元中的两个相邻电池的阳极催化剂层。

在其中罩设置有两个相对的侧面的实施方案中，每一侧具有开口，密封件被放置在罩的每一侧和紧邻该侧的压缩框架之间。

在所有呈现的实施方案中，固体聚合物电解质膜可以是阴离子固体聚合物电解质或阳离子固体聚合物电解质，并且罩由非导电材料制成。

本发明还涉及用于处理废水的系统，所述系统包括至少一个此处描述的电化学电池的堆叠，堆叠被浸没在容纳废水或阴极溶液的反应器罐中。堆叠可以串联连接或并联连接。

还描述了用于废水处理的方法，方法包括以下步骤：

a.提供电化学电池的至少一个堆叠，所述堆叠包括罩，所述罩被附接至堆叠中的至少一个电化学电池的在阳极侧上的压缩框架，罩具有一个侧面，该侧面具有开口，所述开口面向电化学电池的阳极催化剂层侧，堆叠被浸没在容纳待被处理的废水的反应器罐中，

b.将阳极溶液供应至由罩和压缩框架形成的外壳，

c.提供跨过电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作电化学电池，从而降解废水中的污染物。

还描述了用于废水处理的方法，该方法包括以下步骤：

a.提供电化学电池的至少一个堆叠，所述堆叠包括罩，所述罩被附接至堆叠中的至少一个电化学电池的在阳极侧上的压缩框架，罩具有一个侧面，该侧面具有开口，所述开口面向电化学电池的阳极催化剂层侧，堆叠被浸没在容纳阴极溶液的反应器罐中，

b.将待被处理的废水供应至由罩和压缩框架形成的外壳，

c.提供跨过电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作电化学电池，从而降解废水中的污染物。

根据本发明的另一个实施方案的用于废水处理的另一种方法包括以下步骤：

a.提供电化学电池的至少一个堆叠，所述堆叠包括罩，所述罩被附接至堆叠中的至少一个电化学电池的在阴极侧上的压缩框架，罩具有一个侧面，该侧面具有开口，所述开口面向电化学电池的阴极催化剂层侧，堆叠被浸没在容纳待被处理的废水的反应器罐中，

b.将阴极溶液供应至由罩形成的外壳，所述罩被附接至压缩框架，

c.提供跨过电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作电化学电池，从而降解废水中的污染物。

公开了用于废水处理的另一种方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供至少一个重复单元，所述重复单元包括两个电化学电池和放置在重复单元的两个相邻电化学电池的压缩框架之间的罩，罩在其两个相对的侧面中的每一个上具有开口，每个开口面向两个相邻电池中的一个的阴极催化剂层侧，堆叠被浸没在容纳待被处理的废水的反应器罐中，

b.将阴极溶液供应至由罩和两个相邻电池的压缩框架形成的外壳，

c.提供跨过重复单元的电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作电化学电池，从而降解废水中的污染物。

公开了用于废水处理的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供至少一个重复单元，所述重复单元包括两个电化学电池和放置在重复单元的两个相邻电化学电池的压缩框架之间的罩，罩在其两个相对的侧面中的每一个上具有开口，每个开口面向两个相邻电池中的一个的阳极催化剂层侧，堆叠被浸没在容纳待被处理的废水的反应器罐中，

b.将阳极溶液供应至由罩和两个相邻电池的压缩框架形成的外壳，

c.提供跨过重复单元的电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作电化学电池，从而降解废水中的污染物。

公开了用于废水处理的方法，所述方法包括以下步骤：

a.提供至少一个重复单元，所述重复单元包括两个电化学电池和放置在两个相邻电化学电池的压缩框架之间的罩，罩在其两个相对的侧面中的每一个上具有开口，每个开口面向两个相邻电池中的一个的阳极催化剂层侧，堆叠被浸没在容纳阴极溶液的反应器罐中，

b.将废水供应至由罩和重复单元的两个相邻电池的两个压缩框架形成的外壳，

c.提供跨过电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作电化学电池，从而降解废水中的污染物。

附图简述

附图图示了本发明的具体的优选实施方案，但不应当被认为是以任何方式限制本发明的精神或范围。

图1图示了本系统中使用的用于废水处理的电化学电池的分解图。

图2图示了根据本系统的电化学电池的堆叠的示意图，所述电化学电池包括罩，所述罩被放置在堆叠中的两个相邻电池的阴极之间。

图3图示了用于废水处理的模块的分解图，所述模块包括反应器罐和图2中图示的电化学电池的堆叠。

图4图示了根据本发明的第一实施方案的电化学电池的堆叠的示意图。

图5图示了根据本发明的可以放置在两个相邻电池之间的罩的分解图。

图6图示了根据本发明的电化学电池的堆叠的示意图，所述电化学电池包括罩，所述罩被放置在堆叠中的两个相邻电池的阳极之间，所述堆叠被浸没在反应器罐中的废水中。

图7图示了电化学电池的堆叠的示意图，所述电化学电池包括罩，所述罩被放置在堆叠中的两个相邻电池的阳极之间，所述堆叠浸没在反应器罐中的阴极溶液中，其中废水穿过由罩形成的外壳和两个相邻电池循环。

图8图示了电化学电池的堆叠的示意图，所述电化学电池具有罩，所述罩放置在堆叠中的电池中的每一个的阴极侧上。

图9图示了罩的分解图，所述罩可以被附接至如图8中图示的堆叠中的电化学电池中的一个。

详述

某些术语被用于本说明中并且意图根据下文提供的定义解释。另外，例如“一(a)”和“包括(comprise)”的术语应被视为开放式的。此外，本文引用的所有美国专利出版物和其他参考文献意图通过引用以其整体并入。

本文中SPE代表固体聚合物电解质并且可以是任何合适的离子导电离聚物(阴离子的或阳离子的，有机形式或无机形式)，例如因此，SPE电化学电池是包括作为电解质的SPE的电池，向所述SPE供应电能以实现期望的电化学反应(其中正电压被施加至电池的阳极)。

本系统中使用的用于废水处理的示例性电化学电池在图1的分解图中图示。电化学电池100包括催化剂涂覆膜(catalyst coated membrane)102(CCM)，所述催化剂涂覆膜102由固体聚合物电解质膜104组成，所述固体聚合物电解质膜104在其两个侧面中的每一个侧面上涂覆有催化剂层106。在图1中仅示出了膜的第一侧上的一个催化剂层106，例如这可以是阳极催化剂层，但本领域技术人员将容易地理解，膜的相对的侧面也涂覆有催化剂层，所述催化剂层在此实施例中将是阴极催化剂层，并且可以具有与阳极催化剂层大体上相同的面积。在此上下文中，在本公开内容中，电化学电池的阳极活性区域被定义为在阳极侧上涂覆有催化剂层的膜的(或如在可选择的实施方案中在下面进一步描述的开孔网格的)区域，并且阴极活性区域被定义为在阴极侧上涂覆有催化剂层的膜的(或开孔网格的)区域。在图示的实施方案中，固体聚合物电解质膜104设置有孔105，孔105允许紧固件122在电化学电池的组装期间穿透膜，如下面进一步描述的。在可选择的实施方案中，固体聚合物电解质膜104未被预制有孔，并且在这种情况下，紧固件在电化学电池的组装过程期间穿透膜。电化学电池还包括在CCM的每一侧上紧邻催化剂涂覆膜102放置的开孔网格108和开孔网格110，以及各自分别紧邻开孔网格108和开孔网格110放置的压缩框架112和压缩框架114。开孔网格108和开孔网格110是设置有开孔以允许网格的相对大的孔隙率的网格，并且它们还设置有孔116，孔116允许紧固件122在电化学电池的组装期间穿透。开孔网格108和开孔网格110中的每一个的区域与电化学电池的阳极活性区域和相应地作为膜的催化剂涂覆区域的阴极活性区域大体上相同。在CCM(102)的周边处的区域128沿着其周边没有涂覆有催化剂并且具有电隔离功能。

在图示的实施例中具有带有四个侧面的矩形的形状的压缩框架112和压缩框架114各自设置有压缩臂118，压缩臂118在连接部位120处彼此连接并且在压缩框架的四个侧面之间的区域内展开。孔119在连接部位120处设置在压缩框架中，用于允许紧固件122在电化学电池的组装期间穿透。连接部位被分布在每个压缩框架的四个侧面之间的区域内。压缩框架112和压缩框架114设置有引线130以使得与电源电连接，电源通常是DC电源。本领域技术人员将理解，压缩框架112和压缩框架114可以具有与本发明附图中图示的矩形形状不同的形状，并且压缩臂118和连接部位120针对每个压缩框架被分布在由压缩框架的周边界定的区域内。在矩形形状的压缩框架的情况下，框架的周边由框架的侧面界定。

在图1至图3中，紧固件122被图示为与螺母126配合以确保所需的压缩力的螺纹螺栓，但本领域技术人员将容易地理解，任何其他紧固件，例如铆钉，可以被用于提供由压缩框架施加在开孔网格上和施加在CCM上的压缩力，并且这样的紧固件可能不需要任何另外的元件例如螺母126用于确保所需的压缩力。

SPE膜104提供电极(膜的阳极侧和阴极侧上的催化剂层)之间减小的间隙。在本发明中，不存在气体扩散层来负载(support)催化剂层，并且电极仅包括阳极催化剂层和阴极催化剂层106，在此实施方案中，每个催化剂层沉积在膜的一个侧面上，这也有助于较低的操作成本。开孔网格108和开孔网格110提供局部电流收集，并且由于它们的相对高的孔隙率，允许污染的水和处理过的水易于进入和离开催化剂层上的反应位点，并且易于除去紧邻催化剂层形成的气体。压缩框架112和压缩框架114允许开孔网格108和开孔网格110的周边电流收集，并且主要由于压缩臂的分布和相应地连接部位的分布，开孔网格的压缩臂118跨过整个阳极活性区域和相应地阴极活性区域实现开孔网格、膜和催化剂层的大体上均匀的压缩。例如，压缩框架112和压缩框架114由具有0.5mm至5mm的厚度的导电金属或陶瓷制成。本领域技术人员将理解，连接部位的数目和压缩框架的纵横比可以变化并且可以被配置成允许开孔网格的和CCM的大体上均匀的压缩，并且适应可商购的固体聚合物膜的不同的尺寸。

为了上述目的，开孔网格108和开孔网格110具有相对高的孔隙率。在本发明的上下文中，孔隙率被定义为网格的开放面积(open area)和体积之间的比率。可以使用的网格的类型包括但不限于由Bekaert供应的烧结的钛纤维网格和由Dexmet供应的膨胀的金属网格，所述烧结的钛纤维网格具有在250微米至550微米之间的网格厚度、在22微米至50微米之间的纤维直径和50％至85％的孔隙率，所述膨胀的金属网格具有在10微米至5,000微米之间的网格厚度、在0.04英寸至0.055英寸之间的线宽度、以及在30％和95％之间的孔隙率，其中每平方英寸约33个至493个开口并且其中菱形形状的开口对于LWD(菱形的长边)具有在0.075英寸至0.289英寸之间的尺寸以及对于SWD(菱形的短边)具有在0.032英寸至0.2英寸之间的尺寸，其中LWD和SWD是菱形形状的开口的对角线的尺寸，如例如在供应商的网站上所解释的。优选地，开孔网格由导电金属或陶瓷制成，并且具有在10微米至5,000微米之间的厚度和在约30％至95％之间的孔隙率。

电化学电池通过使用紧固件122将CCM 102压缩在开孔网格108和开孔网格110之间以及压缩在压缩框架112和压缩框架114之间被组装在一起，所述紧固件122穿过设置在压缩臂118中在连接部位120处的孔119、穿过设置在开孔网格108和开孔网格110中的孔116、穿过催化剂层106并且穿过设置在固体聚合物电解质膜104中的孔105。当固体聚合物电解质膜104不包括任何孔时，紧固件122可以在组装电化学电池时直接穿透膜。紧固件122可以设置有垫圈124，垫圈124将压缩力从紧固件扩展到压缩臂118，或者可选择地可以具有允许压缩力的扩展的形状。

紧固件122、垫圈124和螺母126由非导电材料制成。在本发明的电化学电池中，紧固件122穿透连接部位、开孔网格和CCM以确保压缩力跨过电化学电池的整个活性区域的大体上均匀的分布，并且保持在电极之间的减少的间隙。这与现有技术中描述的压缩系统不同，在现有技术中，电化学电池的压缩仅通过经由弹簧加载的螺栓对框架的周边压缩来实现，以避免任何压缩装置穿透SPE，更具体地穿透SPE膜。

在本系统中使用的电化学电池的堆叠在图2中图示。堆叠200包括多个电化学电池100，其具有与上文描述的图1中所图示的配置相同的配置。电池通过至少一个杆202彼此连接，所述杆提供单独的电化学电池100之间所需的间隔。图示的堆叠包括6个电化学电池，但本领域技术人员将容易地理解，根据本发明的堆叠可以包括更多的电化学电池，或者对于某些非常小规模的应用，少于6个电化学电池。在优选的实施方案中，一个堆叠包括50个电池，但堆叠可以包括多达约500个单独的电化学电池。罩260被放置在相邻电池100之间，以将两个相邻电池的阴极与反应器罐中的溶液隔离，如下文进一步解释的和图4中图示的。

如在本发明的实施方案中另外图示的，当组装成堆叠时，电化学电池可以被布置成使得一个电化学电池的阳极侧面向相邻电池的阴极侧，或者使得一个电化学电池的阴极侧面向相邻电池的阴极侧并且一个电化学电池的阳极侧面向相邻电化学电池的阳极侧。

用于废水处理的模块300包括被浸没在反应器罐中的电化学电池的堆叠200，如在图3中的分解图中所图示的。堆叠200被容纳在反应器罐302内，使得堆叠中的电化学电池中的每一个的一个电极(阳极或阴极，如下文另外描述的)被直接地暴露于废水和污染物或者暴露于容纳在反应器罐中的溶液，同时其他电极通过罩与反应器罐中的废水或溶液隔离。模块300还包括设置有进料口(feed port)(未示出)和排气口314的外盖304以及也设置有进料口(未示出)和排气口316的内盖306，内盖和外盖两者在反应器罐302的上部均覆盖反应器罐302以容纳废水和堆叠200并且控制来自模块的排放物。模块300还设置有液位传感器308以确保当水位低于期望的阈值时停止堆叠操作，这为膜和电极系统提供保护免受电阻烧坏和不均匀的水合。在反应器罐内，用于监测罐内的水位的液位传感器308被容纳在管310内。模块300还设置有液位开关312，用于当罐中的液位达到预定的液位时停止废水流入反应器罐中。

放置在两个相邻电池之间的罩仅在图2和图3中示意性地图示出，并且本领域技术人员将容易理解，每个罩可以包括另外的元件，例如入口管道和出口管道以及通风管道，如下文另外描述的以及在图5和图9中图示的。

在来自现有技术的电化学电池的堆叠中单独的电化学电池液位处发生的反应的示意性回顾中，所述电化学电池具有直接暴露于废水、更具体地暴露于包含氨的废水的阳极和阴极两者，阳极上的电化学氧化过程落入直接的、间接的表面介导的、和间接的二次氧化剂介导的氧化的类别中，其中特定的反应取决于所使用的固体聚合物电解质(SPE)的类型、催化剂的选择以及废水溶液的组成。正电荷载流子(carrier)使用阳离子SPE转移，而负电荷载流子使用阴离子SPE转移。在阳极侧上，当污染的废水被暴露于阳极催化剂层时，发生逐步氧化过程，其涉及直接的、间接的表面介导的或间接的二次氧化剂介导的氧化，分别地对于阳离子SPE如在式(Equation)1至式3中示出的以及对于阴离子SPE如在式6和式7中示出的。

对于基于阳离子SPE的电池，当废水(例如具有氨污染物的废水)被暴露于阳极催化剂层时，在阳极处发生逐步氧化过程，涉及如在式1中示出的直接氧化、或者如在式2(a)和式2(b)中示出的或者如在式3(a)和式3(b)中示出的间接氧化：

式1：氨的直接氧化(阳极半反应)：

式2：经由(a)由水产生羟基表面物质和(b)经由表面羟基物质氧化氨的氨的间接氧化(阳极半反应)：

式3：经由(a)由NaCl产生次氯酸盐物质和(b)经由次氯酸盐间接氧化氨的氨的间接二次氧化剂介导的氧化(阳极半反应)：

对于其中阳极半反应在式1或式2中示出的基于阳离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及由跨过SPE输送的质子直接生产氢气，如在式4中所示的：

对于其中阳极半反应在式3中示出的基于阳离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及经由跨过SPE的钠离子的输送直接产生氢氧化钠，如在式5(a)中示出的。氢氧化钠然后经历在溶液中与阳极反应的产物的后续反应以重整盐和水，如在式5(b)中所示的。

式5：

可选择地，对于基于阴离子SPE的电化学电池，当废水(在此情况下为氨污染物)被暴露于阳极催化剂层时，在阳极处发生逐步间接氧化过程，涉及羟基表面物质或次氯酸盐，分别如在式6和式7中示出的：

式6：经由表面羟基物质的氨的间接氧化(阳极半反应)：

式7：经由(a)由跨过SPE输送的Cl离子产生次氯酸盐物质以及(b)经由次氯酸盐间接氧化氨的氨的间接氧化(阳极半反应)：

对于其中阳极半反应在式6中示出的基于阴离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及由水生产羟基电荷载体和氢气，如在式8中所示的：

对于其中阳极半反应在式7中示出的基于阴离子SPE的电化学电池，阴极反应涉及由NaCl和水产生氯离子电荷载体和氢气，如在式9中所示的：

在式1至式3以及相应地在式6和式7中示出的反应是阳极半反应，并且如本领域技术人员将已知的，在许多情况下，在反应中可以存在许多中间步骤，并且因此可以存在许多中间物质。然而，这样的中间物质通常被氧化成最终产物，所述最终产物典型地包括含碳污染物的CO₂、含氮污染物的N₂以及含硫污染物的SO_x。

在阴极处，污染物当与阴极催化剂层接触时也可以被还原，并且这样的还原反应也可以有助于废水污染物的逐步除去以及在阳极处形成的中间化合物的氧化。

如现有技术中描述的，在其中阳极和阴极两者均被直接暴露于反应器罐中的废水的电化学电池的堆叠的系统中，在阳极处产生的或作为废水中的背景物质(backgroundspecies)存在的中间物质中的某些未被完全氧化，并且可以被废水携带并且可以达到阴极，使其中毒。例如，背景有机物质可以在阴极上聚合，和/或溶液中的微量金属可以电沉积在阴极上，这防止阴极进行式5(a)、式5(b)、式8和式9中示出的期望的电化学反应。

此外，在氨间接氧化过程的情况下，在阴极处发生的废水还原过程可以电化学地还原来自总的氨氧化反应的中间氨氧化产物，所述中间氨氧化产物可以与罐中的废水混合，从而达到阴极并且降低系统从废水中除去氨的效率。

在氨的间接氧化期间，盐(NaCl)被添加至污染的废水，以在阳极处被氧化，并且被用于原位生成可以氧化废水中的氨污染物的次氯酸盐物质。来自废水的盐可以与罐中的去污水(decontaminated water)混合，并且达到管道，所述管道将清洁水从罐输送至选定的排放位置，例如城市废水处理厂，这可能增加管道腐蚀。

本发明解决了上文呈现的所有缺点，并且从而增加了系统的除去速率，由此本发明描述了一种系统，其中堆叠中的电化学电池中的至少一个的阳极或相应地阴极与罐中的溶液隔离。

本系统的第一实施方案在图4中被示意性地图示。该系统被图示出具有包括重复单元400的堆叠，重复单元400包括两个电化学电池410和420，其中电化学电池的阴极侧“C”面向彼此，并且本领域技术人员将理解，根据本发明的堆叠可以包括更多的重复单元400，更多的重复单元400通过至少一个杆402被组装在一起，使得一个重复单元400中的电化学电池的每一个阳极面向紧邻该重复单元定位的重复单元中的电化学电池中的一个的阳极。

两个电化学电池410和相应地420中的每一个包括催化剂涂覆膜(CCM)，催化剂涂覆膜由以下组成：在一个侧面上涂覆有阳极催化剂层412和相应地阳极催化剂层422以及在另一侧面上涂覆有阴极催化剂层413和相应地阴极催化剂层423的固体聚合物电解质膜411和相应地固体聚合物电解质膜421。每个电化学电池还包括开孔网格414和开孔网格415，以及分别地开孔网格424和开孔网格425，所述开孔网格紧邻阳极催化剂层和相应地阴极催化剂层被放置在催化剂涂覆膜的每一侧上；以及压缩框架416和压缩框架417，以及分别地压缩框架426和压缩框架427，所述压缩框架各自紧邻开孔网格被放置。如关于2所描述的，以及在图4中进一步图示的，电池通过杆402彼此连接，杆402在单独的电池410和电池420之间提供一定间距。即使在图4中组件被图示为具有两个杆402，本领域技术人员将理解，需要至少一个杆402用于将电化学电池以它们之间期望的间距定位在堆叠中。

罩460被放置在两个电化学电池410和420之间，连接压缩框架417和压缩框架427，压缩框架417和压缩框架427各自紧邻两个相邻电化学电池410和420中的每一个的阴极侧上的开孔网格放置。罩在这些电化学电池的阴极之间形成不可渗透废水的外壳490，并且从而将阴极与罐中的废水隔离。图4中的组件的示意图示出在两个压缩框架416和417与固体聚合物膜411之间以及相应地在压缩框架426和427与固体聚合物膜421之间的间隙，并且本领域技术人员将理解，因为催化剂层的尺寸和沿着X轴的开孔网格的尺寸非常小(例如，小于5mm)，并且因为压缩系统将这些元件压缩在一起，所以在压缩框架416和压缩框架417与膜411之间以及相应地在压缩框架426和压缩框架427与膜421之间存在非常小的间隙。膜411和膜421的某些部分延伸超出活性区域(膜的催化剂涂覆区域)，并且置于压缩框架之间以将它们彼此电隔离。

由重复单元400形成的整个堆叠被浸没在容纳污染的废水450的罐430中。

阴极溶液470被进料至外壳490，并且在阴极侧上发生的反应的产物480从外壳中被除去。在氨除去过程期间，例如包含盐(NaCl)和水的溶液470被进料到外壳490中。氯离子(C1^-)通过阴离子交换膜被转移至阳极侧，形成次氯酸(HClO)，次氯酸还被用于氨氧化和从废水中除去。在阴极侧上发生的反应的产物480(包括例如NaOH)被冲洗出外壳。设置通风孔(venting orifice)475，用于允许消除在阴极侧上发生的反应期间产生的气体(例如氢气)。

罩460的三维图在图5中图示。罩包括主体466，主体466具有彼此相对的两个侧面461和462，在图4中图示的实施方案的组装的堆叠中，主体466紧邻面向两个相邻电化学电池中的每一个的阴极侧的压缩框架被放置。侧面461和相应地侧面462中的每一个设置有开口467，以允许通过入口管道464引入的阴极溶液进入组装的堆叠中的电化学电池的阴极侧，并且设置有密封件463，密封件463防止废水从反应器罐泄漏到由罩和组装的堆叠中的相邻电池的压缩框架形成的外壳490中，并且防止阴极溶液从外壳490泄漏到反应器罐中。罩设置有入口管道464和出口管道465，阴极溶液470可以通过入口管道464流入到外壳中，阴极催化剂处发生的反应的产物480可以通过出口管道465流出外壳。设置通风管道476，以允许气体通过通风孔475从外壳490排放(vent)到大气或排放到气体容纳罐。入口管道464和出口管道465和通风管道476可以穿行(thread)于罩的主体中，它们可以与罩的主体一起被模制或被焊接至罩的主体。应当理解，入口管道和出口管道在罩上的位置可以根据本发明的不同实施方案的堆叠设计而变化，但通常罩各自设置有入口管道、出口管道和通风管道。

图4中图示的电化学电池具有与本申请人的共同未决的申请62/279,631中描述的和图1中图示的构造的类似的构造。这适于本发明的所有实施方案。

图4中图示的堆叠中的电化学电池被布置成使两个相邻电化学电池的阴极面向彼此，并且暴露于由罩460形成的外壳490，从而与罐中的废水溶液隔离。在图6中示意性地图示的本发明的又一实施方案中，通过使两个相邻电化学电池510和520的阳极侧“A”面向彼此来将电化学电池组装在堆叠中，使得电化学电池510和电化学电池520的阳极侧上的催化剂层被暴露于由罩560与两个相邻电池的压缩框架形成的外壳590，并且从而与罐中的废水溶液550隔离。图6没有示出每个电化学电池的构造或罩的构造的进一步细节，但应当理解，此实施方案中的电化学电池具有与图1至图5中图示的电化学电池相同的构造，更具体地，所述电化学电池包括放置在两个开孔网格和两个压缩框架之间的催化剂涂覆膜，以及穿过由CCM、网格和用于确保堆叠压缩的压缩框架形成的组件突出的紧固件。罩560具有与图5中图示的罩类似的构造。

在图6中图示的实施方案中，包括至少一个重复单元500的堆叠被浸没在反应器罐530内的废水550中。罩560被放置在位于每个电化学电池的阳极(“A”)侧上的两个相邻电化学电池510和520的压缩框架之间。罩560形成外壳590，外壳590将这两个电化学电池的阳极(阳极催化剂层)与反应器罐中的废水隔离。在此实施方案中，废水中的污染物在电化学电池的阴极(“C”)侧上被还原，而包括例如H₂O和在某些情况下电解质例如NaOH或H₂SO₄的阳极溶液570被引入到外壳590中，以达到电化学电池510和电化学电池520的阳极。在阳极侧上，水被电解以形成质子，质子跨过至阴极侧。在阴极侧上，质子参与废水化合物(例如硝酸盐、亚硝酸盐或尿素)的电还原。反应产物580流出外壳590。反应气体(O₂、N₂等)通过通风孔575排放出外壳。

在图7中图示的实施方案中，包括至少一个重复单元600的堆叠被浸没在反应器罐630内的阴极溶液650中。罩660被放置在两个相邻电池610和620的压缩框架(未图示)之间在电池的阳极(“A”)侧上，以产生将两个相邻电化学电池的阳极(阳极催化剂层)与反应器罐中的溶液隔离的外壳690。废水670的流被引入到外壳690中，并且废水在电化学电池的阳极处被氧化，使得污染物被除去，并且清洁水680的流流出外壳690。设置通风孔675，用于允许消除在阳极侧上发生的反应期间产生的气体。图7中图示的实施方案的构造与图6中图示的实施方案的构造相同，唯一的不同是，图7中的反应器罐中的溶液是阴极溶液而不是废水，并且废水而不是阳极溶液循环通过外壳690。

在电化学电池610和电化学电池620的阳极和阴极处发生的反应类似于在图4中图示的实施方案中发生的反应。对于氨除去过程，例如，罐内的阴极溶液650包括盐(NaCl)和水。氯离子C1^-通过阴离子交换膜被转移至阳极侧，形成次氯酸(HClO)，在阳极侧上，次氯酸还被用于氨氧化和从废水中除去。在阴极侧上发生的反应的产物(包括例如NaOH)保持在罐内。在阴极侧上发生的反应期间形成的氢气被排放或从反应器罐的顶部被捕获。

本发明的另一个实施方案在图8中图示，图8示出包括电化学电池710和电化学电池720的堆叠700，电化学电池710和电化学电池720具有与图1中图示的电化学电池类似的构造。本领域技术人员将理解，堆叠可以根据需要包括仅一个电化学电池或更多的电池。如果堆叠包括多于一个电化学电池，则电化学电池优选地被布置成使得一个电化学电池的阳极侧A面向堆叠中的相邻电化学电池的阴极侧C，但其他布置也是可能的，由此一个电化学电池的阳极面向相邻电池的阳极，并且一个电化学电池的阴极面向相邻电池的阴极。堆叠700被浸没在反应器罐730内的废水750中。罩760A和相应地罩760B被附接至电化学电池710和相应地电化学电池720的在阴极侧上的压缩框架(未图示)。阴极溶液770被进料到在罩760A和相应地罩760B与放置在阴极侧上的电化学电池的压缩框架之间形成的外壳790A和外壳790B中，并且由于在阴极处发生的反应形成的反应产物流780A和反应产物流780B从外壳中被除去。

废水中的污染物通过在阳极催化剂上发生的氧化反应被除去，并且跨过膜至阳极侧的在阴极侧上形成的中间产物还有助于污染物的除去，类似于例如关于在图4中图示的实施方案的情况下在阳极处发生的氨氧化描述的过程。即使在图8的示意图中未示出，罩760A、罩760B设置有通风孔，以允许气体从外壳790A和相应地外壳790B中排放，这与图9中图示的通风孔775类似。

在未图示的本发明的另一个实施方案中，其中一个电化学电池的阳极面向相邻电池的阴极的电化学电池的堆叠，包括至少一个电化学电池，所述电化学电池在阳极侧上具有附接至其压缩框架的罩，或者优选地包括堆叠中的更多或所有的电化学电池，每个电化学电池在阳极侧上具有附接至其相应的压缩框架的罩。阳极溶液或废水可以以与关于图6和图7中图示的实施方案描述的类似方式被供应至由此形成的外壳。

在图8中图示的实施方案中用于隔离电化学电池的阴极的罩760A和罩760B具有与图5中图示的罩460不同的构造。这样的罩被图示为图9中的罩760。罩760具有主体766，主体766具有仅一个开放侧面(open side)761，开放侧面761设置有开口767，在图8中图示的实施方案的组装的堆叠中，开口767紧邻面向电化学电池的阴极侧的压缩框架被放置。开放侧面761设置有密封件763，密封件763防止废水从反应器罐泄漏到由罩和电化学电池的放置在阴极侧上的压缩框架形成的外壳790中，并且防止阴极溶液从外壳790泄漏到反应器罐中。与侧面761相对的侧面762是不具有任何开口的连续面板，并且防止来自反应器罐的任何废水达到外壳790。罩设置有入口管道764和出口管道765，阴极溶液可以通过入口管道764流入到外壳中，在阴极处发生的反应的产物可以通过出口管道765流出外壳。设置通风管道776，以允许气体通过通风孔775从外壳790排放到大气或排放到气体容纳罐。

废水处理系统可以包括图3中图示的多于一个模块300。污染的废水被储存在容纳罐(holding tank)中，污染的废水从容纳罐被泵送到模块300的反应器罐，污染的废水在模块300的反应器罐中被处理用于除去污染物。在一些实施方案中，反应器罐可以包括再循环泵或搅拌机构或者可以使用产物气体来帮助在罐内混合废水。如果系统包括多于一个模块300，则模块300中的堆叠可以被串联连接或并联连接，如例如在申请人的共同拥有的美国专利申请第14/648,414号中图示的。

在此处提供的实施方案中，每个电化学电池可以包括如图1中图示的催化剂涂覆膜(CCM)。在可选择的实施方案中，阳极催化剂和阴极催化剂可以例如被沉积在当电化学电池组装在一起时开孔网格的面向膜的侧面上。此外，在其他实施方案中，当电化学电池被组装在一起时，阳极催化剂可以被沉积在膜的一个侧面上并且阴极催化剂可以被沉积在开孔网格的面向膜的另一侧的侧面上；或者当电化学电池被组装在一起时，阴极催化剂可以被沉积在膜的一个侧面上并且阳极催化剂可以被沉积在开孔网格的面向膜的另一侧的侧面上。在所有实施方案中，在电极之间存在减小的间隙(催化剂层紧邻膜的阳极侧和相应地阴极侧放置或沉积在膜的阳极侧和相应地阴极侧上)，该间隙由系统的均匀压缩系统固定。

在本发明的所有实施方案中，“电极”理解成催化剂层，因为电极不包括气体扩散层，使得阳极事实上是阳极催化剂层，并且阴极是阴极催化剂层。阳极催化剂和阴极催化剂可以包括多种催化剂材料，包括但不限于铂，包含铱、钌、铑、钯、钴、镍、铁和铁合金的铂衍生的合金，铜和铜合金，混合的金属氧化物，金刚石，和陶瓷衍生的催化剂。如本领域中已知的，使用负载型催化剂可以改进催化材料的分散并且因此改进利用率，并且某些催化剂和载体(support)之间的相互作用可以提高催化活性和耐久性。可以与本发明中的催化剂材料的清单组合使用的催化剂载体的实例包括钛、铌、镍、铁、石墨、混合的金属氧化物和陶瓷。阳极催化剂和阴极催化剂还可以包括不锈钢或石墨。

本发明中描述的罩由非导电材料制成，比如例如聚四氟乙烯(PTFE)或PVDF，或其他这样的塑料材料。

与来自现有技术的解决方案相比，用于废水处理的本发明的电化学电池以及操作本发明的电化学电池的方法的优点很多。这些优点包括(1)阴极电极与正被处理的废水的隔离以防止结垢和阴极在操作期间中毒，(2)与阴离子型SPE材料组合，这允许在阴极上使用闭环高浓度盐水，以便在阳极上根据需要产生次氯酸，以及(3)阳极的隔离，以便允许阴极通过还原比如例如尿素还原成氨进行废水预处理，其中产物氨然后流过阳极外壳用于进行氧化。

2017年3月1日提交的美国临时专利申请序号62/465,448的公开内容以其整体并入本文。

虽然已经示出和描述了本发明的特定的要素、实施方案和应用，但当然将理解的是，本发明不限于此，因为本领域技术人员可以在不偏离本公开内容的精神和范围的情况下，特别是根据前述教导做出修改。这样的修改将被视为在附于此的权利要求的权限和范围内。

Claims (21)

1.一种用于废水处理的电化学电池的堆叠，所述堆叠包括至少一个电化学电池，所述电化学电池包括：

a.固体聚合物电解质膜；

b.阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的第一侧，所述阴极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的与所述第一侧相对的第二侧；

c.第一开孔网格和第二开孔网格，所述第一开孔网格邻近所述阳极催化剂层，所述第二开孔网格邻近所述阴极催化剂层；

d.第一压缩框架和第二压缩框架，所述第一压缩框架邻近所述第一开孔网格，所述第二压缩框架邻近所述第二开孔网格，所述压缩框架中的每一个具有在由所述框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，所述压缩臂在连接部位处彼此连接；

e.紧固件，所述紧固件穿过设置在所述第一压缩框架和所述第二压缩框架的所述压缩臂中在所述连接部位处的孔、穿过设置在所述第一开孔网格和所述第二开孔网格中的孔以及穿过所述固体聚合物电解质膜和所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层突出，

其中罩被附接至所述第一压缩框架或所述第二压缩框架，以形成外壳以用于将所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层隔离。

2.如权利要求1所述的堆叠，其中所述罩具有入口管道、一个侧面、出口管道以及通风管道，所述入口管道用于将废水、阴极溶液或阳极溶液进料到由所述罩形成的所述外壳中，所述侧面设置有开口以用于允许所述废水、所述阳极溶液或所述阴极溶液进入所述堆叠中的所述电化学电池的所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层，所述出口管道用于将在阳极催化剂处或在阴极催化剂处形成的反应产物从由所述罩形成的所述外壳中除去，所述通风管道用于从由所述罩形成的所述外壳中除去气体。

3.如权利要求2所述的堆叠，还包括密封件，所述密封件在所述罩的设置有所述开口的侧面和紧邻该侧面的所述压缩框架之间。

4.如权利要求1所述的堆叠，其中所述罩由非导电材料制成。

5.如权利要求1所述的堆叠，包括通过杆连接的多个电化学电池，所述杆将所述堆叠中的一个电化学电池保持在距相邻电化学电池一定距离处。

6.一种用于废水处理的电化学电池的堆叠，所述堆叠包括至少一个重复单元，所述重复单元包括两个电化学电池，每个电化学电池包括：

a.固体聚合物电解质膜；

b.阳极催化剂层和阴极催化剂层，所述阳极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的第一侧，所述阴极催化剂层邻近所述固体聚合物电解质膜的与所述第一侧相对的第二侧；

c.第一开孔网格和第二开孔网格，所述第一开孔网格邻近所述阳极催化剂层，所述第二开孔网格邻近所述阴极催化剂层；

d.第一压缩框架和第二压缩框架，所述第一压缩框架邻近所述第一开孔网格，所述第二压缩框架邻近所述第二开孔网格，所述压缩框架中的每一个具有在由所述框架的周边界定的区域内展开的压缩臂，所述压缩臂在连接部位处彼此连接；

e.紧固件，所述紧固件穿过设置在所述第一压缩框架和所述第二压缩框架的所述压缩臂中在所述连接部位处的孔、穿过设置在所述第一开孔网格和所述第二开孔网格中的孔以及穿过所述固体聚合物电解质膜和所述阳极催化剂层与所述阴极催化剂层突出，

其中所述堆叠还包括：

-至少一个杆，所述杆用于连接所述堆叠中的所述电化学电池并且将所述重复单元中的第一电化学电池保持在距所述重复单元中的第二电化学电池一定距离处，使得所述第一电化学电池的阳极侧面向所述第二电化学电池的阳极侧，或者使得所述第一电化学电池的阴极侧面向所述第二电化学电池的阴极侧；以及

-罩，所述罩被放置在所述重复单元的所述两个电化学电池的所述压缩框架之间，这形成跨越所述重复单元的所述两个电化学电池之间的所述距离的外壳，从而将所述重复单元的所述两个电化学电池的所述阳极催化剂层或所述阴极催化剂层与反应器罐中的溶液隔离。

7.如权利要求6所述的堆叠，其中所述罩具有入口管道、出口管道、通风管道、第一侧和第二侧，所述入口管道用于将阳极溶液、废水或阴极溶液进料到由所述罩形成的所述外壳中，所述出口管道用于将在阳极催化剂处或在阴极催化剂处形成的反应产物从由所述罩形成的所述外壳中除去，所述通风管道用于从由所述罩形成的所述外壳中除去气体，所述第一侧和所述第二侧彼此相对，每一侧设置有开口，以允许所述阳极溶液或所述废水或所述阴极溶液进入所述重复单元的所述两个电化学电池中的每一个的所述阳极催化剂层或相应地所述阴极催化剂层。

8.如权利要求7所述的堆叠，还包括密封件，所述密封件在所述罩的每一侧和紧邻该侧的所述压缩框架之间。

9.如权利要求6所述的堆叠，其中所述固体聚合物电解质膜是阴离子固体聚合物电解质。

10.如权利要求6所述的堆叠，其中所述固体聚合物电解质膜是阳离子固体聚合物电解质。

11.如权利要求6所述的堆叠，其中所述罩由非导电材料制成。

12.一种用于处理废水的系统，包括至少一个权利要求1所述的电化学电池的堆叠，所述堆叠被浸没在容纳废水或阴极溶液的反应器罐中。

13.如权利要求12所述的系统，其中所述堆叠被串联连接或并联连接。

14.一种用于处理废水的系统，包括至少一个权利要求6所述的电化学电池的堆叠，所述堆叠被浸没在容纳废水或阴极溶液的反应器罐中。

15.如权利要求14所述的系统，其中所述堆叠被串联连接或并联连接。

16.一种用于废水处理的方法，包括以下步骤：

a.提供至少一个权利要求1所述的电化学电池，所述电化学电池被浸没在容纳待被处理的所述废水的反应器罐中，

b.将阳极溶液供应至由所述罩形成的所述外壳，所述罩被附接至阳极侧上的所述第一压缩框架，

c.提供跨过所述电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作所述电化学电池，从而降解所述废水中的污染物。

17.一种用于废水处理的方法，包括以下步骤：

a.提供至少一个权利要求1所述的电化学电池，所述电化学电池被浸没在容纳阴极溶液的反应器罐中，

b.将待被处理的废水供应至由所述罩形成的所述外壳，所述罩被附接至阳极侧上的所述第一压缩框架，

c.提供跨过所述电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作所述电化学电池，从而降解所述废水中的污染物。

18.一种用于废水处理的方法，包括以下步骤：

a.提供至少一个权利要求1所述的电化学电池，所述电化学电池被浸没在容纳待被处理的所述废水的反应器罐中，

b.将阴极溶液供应至由所述罩形成的所述外壳，所述罩被附接至阳极侧上的所述第二压缩框架，

c.提供跨过所述电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作所述电化学电池，从而降解所述废水中的污染物。

19.一种用于废水处理的方法，包括以下步骤：

a.提供至少一个权利要求6所述的重复单元，所述重复单元被浸没在容纳待被处理的所述废水的反应器罐中，

b.将待被处理的阴极溶液供应至由所述罩形成的所述外壳，所述罩被附接至所述重复单元的所述第一电化学电池的所述第二压缩框架和所述重复单元的所述第二电化学电池的所述第二压缩框架，

c.提供跨过所述第一电化学电池和所述第二电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作所述电化学电池，从而降解所述废水中的污染物。

20.一种用于废水处理的方法，包括以下步骤：

a.提供至少一个权利要求6所述的重复单元，所述重复单元被浸没在容纳待被处理的所述废水的反应器罐中，

b.将阳极溶液供应至由所述罩形成的所述外壳，所述罩被附接至所述重复单元的所述第一电化学电池的所述第一压缩框架和所述重复单元的所述第二电化学电池的所述第一压缩框架，

c.提供跨过所述电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作所述电化学电池，从而降解所述废水中的污染物。

21.一种用于废水处理的方法，包括以下步骤：

a.提供至少一个权利要求6所述的重复单元，所述重复单元被浸没在容纳阴极溶液的反应器罐中，

b.将废水供应至由所述罩形成的所述外壳，所述罩被附接在所述重复单元的所述第一电化学电池的所述第一压缩框架和所述重复单元的所述第二电化学电池的所述第一压缩框架之间，

c.提供跨过所述电化学电池的电压，以及

d.以一定电流密度操作所述电化学电池，从而降解所述废水中的污染物。