一种阳极可再生的电化学净水系统的制作方法

本实用新型涉及水净化领域，特别涉及饮用水净化领域，具体涉及一种阳极可再生的电化学净水系统。

背景技术：

饮用水厂通过沉降、过滤、消毒等工艺对来自地面或地下的饮用水源水进行处理，最后经管网输送到家庭用户。长期以来，环境污染物通过迁移、转化对现有水环境造成严重的污染，部分饮用水源超标事件频繁发生，饮用水厂因处理工艺的限制对于饮用水中的大量污染物处理效率非常有限。氯气消毒成为饮用水厂防止大肠菌群等有害微生物在供水管道内滋生的主要手段。氯气消毒过程中产生大量的致癌消毒副产物污染。现有城市饮用水输水管网大多采用铸铁管，镀锌管，含铅水龙头仍然在现有家庭中广泛使用。饮用水消毒残留的余氯随输水管网进入到各个家庭用户，余氯本身的异味造成人体感官严重不适，还会对城市输水管道、家庭水龙头等管壁造成快速氧化、致使大量的铅、锌、镉、铬等重金属离子溶出到饮用水中，对人体健康带来严重威胁。

牺牲阳极广泛应用于船舶、地下管道、地面储运设施以及电热水器等钢铁材料的阴极保护，随着燃料电池技术的发展，牺牲阳极也开始应用于金属空气电池领域。一些活泼金属如镁、锌等单质或合金氧化腐蚀能够产生更负的电位，不仅用于阴极保护，还广泛应用于饮用水脱除余氯、重金属以及产生富氢碱性水领域。其中kdf(铜锌合金)通过与余氯的反应：zn+2hocl＝zncl2+2oh-还原次氯酸或氯气，此外，通过kdf形成的原电池，锌氧化将铅离子置换到铜阴极表面。但kdf使用过程中，大量的锌溶解导致净化水中锌离子浓度显著上升，甚至超过了饮用水的卫生标准，对人体健康带来危害。镁颗粒作为滤芯，其氧化不仅能够脱除余氯，还能产生产氢气，但由于产生大量的氧化镁沉淀包裹镁颗粒造成活性显著下降并堵塞滤芯。

技术实现要素：

针对牺牲阳极在饮用水净化过程中大量消耗，部分进入水环境造成新的污染，同时阳极产生的氧化物钝化层抑制其持续氧化腐蚀的难题，本实用新型提供了一种阳极可再生的电化学净水系统。该发明主要应用于家庭饮用水的净化，也可应用于学校、宾馆、办公场所等供水终端的饮用水净化领域。该系统能有效去除饮用水中含有的余氯、消毒副产物、重金属离子，同时产生富含氢气的碱性水。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种阳极可再生的电化学净水系统，其特征在于，所述系统包括阳极室(1)、惰性阳极(2)、可再生阳极(3)、隔膜(4)、阴极室(5)、阴极(6)、直流电源一(7)、直流电源二(8)、自动控制器(9)、系统壳体(10)、高压开关(11)，进水电磁阀(12)、水渗透膜(13)、气体渗透膜(14)、排气阀(15)、隔膜二(16)、储水罐(17)、进水口(18)、净化水口(19)；其中惰性阳极和可再生阳极位于阳极室中，阴极位于阴极室中，阳极室和阴极室间壁中下部设置隔膜一，隔膜一采用质子交换膜，在间壁上部设置水渗透膜和气体渗透膜，水渗透膜和气体渗透膜均分别固定在塑料卡槽内，卡槽通过螺栓固定在间壁上；隔膜二采用无纺布，固定于阳极室内，防止惰性阳极与可再生阳极之间断路；直流电源一连接可再生阳极和阴极，直流电源二连接惰性阳极和可再生阳极；阴极室底部设置有进水口，上部设置净水出口，顶部设置排气阀，进水口设置进水电磁阀，出水口设置高压开关；其中高压开关可通过自动控制器或单独控制进水电磁阀以及直流电源一的启闭，自动控制器控制直流电源二、进水电磁阀以及排气阀的启闭；所述惰性阳极采用钛板、钛网，或者经钛、钌或铱氧化物修饰的钛板、钛网；或者为铅银合金板或网；所述可再生阳极采用活泼金属，选自铁、铁合金、锌或锌合金中的一种，其形状可采用棒状、筒状、片状、颗粒状。

所述阴极采用金属材料或者碳素材料，金属材料选自不锈钢或铁；碳素材料选自碳毡、碳纸、活性炭或无定形碳钎维。

所述气体渗透膜采用膨体聚四氟乙烯膜。

气体渗透膜将阳极室产生的气体渗透到阴极室，水渗透膜为单向渗透或单向阀，在阳极室内压降低后，从阴极室向阳极室渗透净化水，以补充阳极液。

此外，除阳极室与阴极室如上述并联构建外，还可以直接把阳极室作为独立单元嵌入到阴极室内；当以这样的方式时，隔膜一固定在阳极室的壳体上。

阴极室排气阀为电磁阀，阀内侧设置气体渗透膜。

优选地，阳极室或阴极室采用聚丙烯、聚乙烯、玻璃钢、聚四氟乙烯或有机玻璃材料构建。

优选地，隔膜一面向阳极一侧采用塑料网板支撑。

自动控制器可以采用附带plc控制芯片、集成电路组成；此外，自动控制器可以采用控制按钮面板、多参数数据显示面板。

阴极室的净化水出口高压开关与进水电磁阀联动启闭。

直流电源一可通过高压开关联动同时启闭，也可设置为联动延时启闭。

阴极室排气阀、进水电磁阀以及直流电源二可以通过与自动控制器的联用控制启闭；

进一步地，本实用新型还提供利用上述电化学净水系统净化饮用水的方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

步骤一、利用所述电化学净水系统，在净化饮用水过程中，通过高压开关(9)控制进水电磁阀(10)的启闭，当饮用水排出电化学系统时，高压开关(9)开启进水电磁阀(10)，同时启动直流电源一(5)向可再生阳极(2)和阴极(4)之间施加0.5v-6.0v的电压；当系统停止排出饮用水时，高压开关(9)关闭进水电磁阀(10)，并关闭直流电源一(5)，直流电源一(5)也可设置为延时关闭，延时关闭时间为1-60分钟；

步骤二，当电化学系统净化一定时间后，阳极室内的可再生阳极经过充分的氧化腐蚀，阳极液内积累大量的金属离子、氢氧化物后，开始进入可再生阳极再生运行模式，通过自动控制器(8)关闭高压开关(9)以及进水电磁阀(10)，开启排气阀(13)以及直流电源二(6)，直流电源二(6)在惰性阳极(1)和可再生阳极(2)之间施加2.0v-24v的电压。

其中，在步骤一中：

进一步的，高压开关(9)也可发出脉冲信号通过自动控制器(8)来控制进水电磁阀(10)以及直流电源一(5)的启闭，直流电源一(5)电压控制以及延时关闭与高压开关控制方式相同。

进一步的，直流电源一(5)启动过程中，阴极电势维持在-1.0v--1.5v(vsag/agcl)的负电势范围；在该电势范围内，流经阴极室饮用水中的余氯被还原为氯离子、消毒副产物被还原脱氯、重金属离子被还原为单质并沉积在阴极表面；

进一步的、阳极室可再生阳极氧化产生的少量氢气排入阴极室，阴极室内产生的氢气、富含氢氧根的碱性水从净化水出口排出；

其中，在步骤二中：

进一步的，正常净水模式与阳极再生模式的间隔周期设置为1-30天。

进一步的，在可再生阳极再生过程中，水通过惰性阳极氧化产生氧气，质子和电子，电解液内可再生金属离子(氧化物)获得阴极(再生模式下可再生阳极作为阴极)传递的电子以及电解质内的质子还原为单质，可再生阳极获得再生。

进一步的，电解产生的氧气以及少量氢气经气体渗透膜(12)排入阴极室，阴极室内过量的气体通过排气阀(13)排出系统外。

进一步的，再生模式运行时间设置为1-12小时，也可通过自动控制器显示的电流强度低于2-50ma作为再生结束的临界电流。

进一步的，阳极再生模式结束后，通过自动控制器关闭排气阀(13)，启动高压开关(9)和进水电磁阀(10)，系统进入净水模式。

进一步的，阳极液为不含氯离子的电解质，含盐量(以na2so4计)为0.1-10％。

进一步的，为了防止阳极钝化以及金属离子的水解，阳极液内还含有0.001mol-1.0mol/l硫酸。

该发明主要应用于家庭、学校、宾馆、办公场所的饮用水净化领域。

本实用新型的技术原理如下：

电化学净水系统净水模式下：

阳极反应：

m→m2++2e-

阴极反应：

h++e-+h2o→h2↑+oh-

pb2++2e-→pb↓

zn2++2e-→zn↓

cd2++2e-→cd↓

2clo-+2e-+4h+→cl-+2h2o

卤乙酸(haas)+e-→乙酸+cl-

净水模式下，可再生阳极氧化的产物在酸性环境下以金属离子积累，产生的质子通过质子交换膜迁移到阴极接受电子并生成氢气，饮用水中的余氯、重金属以及消毒副产物接受阴极的电子或氢气氧化产生的电子被还原，形成富含氢气和氢氧根的碱性水。

电化学净水系统阳极再生模式下阳极室内同时发生氧化还原反应：

其中惰性阳极发生水电解反应：

2h2o-4e-→o2↑+4h+

阴极(可再生阳极)发生还原反应：

m(oh)2+2h+→m2++2h2o

m2++2e-→m

2h++e-→h2↑

阳极再生模式下，阳极室内惰性阳极通过水电解析出氧气，产生的电子经阴极还原可再生金属离子为单质，部分质子获得电子产生少量的氢气。产生的氧气和少量的氢气经气体渗透膜和排气阀排出电化学净水系统。

有益效果

相比现有技术而言，本实用新型具有如下技术效果：

本实用新型的可再生阳极及其电化学净水系统，不仅发挥了牺牲阳极腐蚀电势低、氧化腐蚀产生的电流可还原饮用水中的大量氧化性污染物如余氯、氯代消毒副产物、硝酸盐、高氯酸盐、重金属离子的优势。同时，又避免了长期使用后牺牲阳极需要更换的缺陷。

阳极的定期再生避免了牺牲阳极长期使用过程中，钝化膜的形成对于阳极氧化以及阴极还原的影响。

本实用新型采用第三电极作为惰性电极来还原可再生阳极，避免了电化学系统的电压频繁反转造成阴极的消耗以及污染物的释放造成的二次污染。

本实用新型的可再生阳极与惰性阳极置于同一电解池内，阳极再生过程中，电磁阀关闭，惰性阳极电解水产生的氧气经气体渗透膜扩散到阴极室内，多余的氧气及少量氢气经系统的排气阀释放到外环境，避免对阴极环境造成影响。

阳极室内可再生阳极的定期再生避免了阳极氧化产生的大量氢氧化物沉淀的积累以及可能对质子膜的污染和堵塞。

阳极室内采用不含氯离子的电解质，避免了阳极再生过程中，惰性阳极水电解造成的氯气、次氯酸盐等污染物的产生。

阳极的定期再生有利于保持阳极室内阳极液电解质浓度的基本平衡。

附图说明：

附图1：本实用新型的阳极可再生的电化学净水系统结构图

其中：(1)阳极室；(2)惰性阳极；(3)可再生阳极；(4)隔膜一；(5)阴极室；(6)阴极；(7)直流电源一；(8)直流电源二；(9)自动控制器；(10)系统壳体；(11)高压开关；(12)进水电磁阀；(13)水渗透膜；(14)气体渗透膜；(15)排气阀；(16)隔膜二；(17)储水罐；(18)进水口；(19)净化水口。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述，但不限于下列实施例。

实施例1：电化学净水系统的构建

以5mm厚的聚丙烯(pp)板作为电化学净水系统的壳体(长90mm，宽140mm，高250mm)，其中阳极室长40mm，宽130，高250mm，有效容积1.3l，阴极室长70mm，宽130mm，高250mm，有效容积2.3l。阳极室与阴极室之间的间壁设置隔膜，隔膜一采用质子交换膜(nafion117，直径30mm)，隔膜一固定于间壁上的卡槽中，隔膜上端距壳体顶部50mm。在阳极室内，惰性阳极采用100×150mm，2mm厚的氧化铱涂层钛阳极板，可再生阳极采用100×150mm，厚2mm的纯铁板，分别固定于阳极室顶部的钛螺栓上，其中隔膜二采用聚丙烯无纺布，隔膜二包裹在可再生阳极周围。间壁上部分别设置水渗透膜和气体渗透膜，同样固定于间壁上的卡槽中。阴极室内的阴极采用三层石墨毡(120×200mm，厚5mm)构成的三维电极，通过钛丝互相连接并固定于阴极室顶部的钛螺栓上，其中，可再生阳极与阴极连接于直流电源一的正负极上，惰性阳极与可再生阳极连接于直流电源二的正负极上。阴极室的下部设置一个进水口，进水口端设置一个进水电磁阀，阴极室上部设置一个出水口，出水口端设置一个高压开关，高压开关再接一个储水桶，阴极室顶部设置一个排气阀，排气阀采用透气膜组合而成的电磁阀，其中进水电磁阀、排气阀、直流电源一、直流电源二、高压开关均连接在自动控制器上。通过高压开关与自动控制器协同控制电化学系统的进水、运行以及可再生阳极的再生过程。(参见说明书附图1)

实施例2：电化学系统的运行以及对饮用水的净化

采用实施例1构建的电化学系统，配制1.3l的的电解液(2％na2so4+0.01mh2so4)，注入到阳极室内。利用三通管将饮用水管道连接到电化学净水系统，开启净水系统后端储水罐的净水出口阀门，随系统内压力下降，高压开关启动进水电磁阀向系统输入饮用水，同时启动直流电源一在可再生阳极与阴极之间保持2.0v电压，在运行过程中，测试了静止流速和连续流条件下，不同外加电压下阴极电势的变化。

结果表明，在静止流速下，可保持电化学系统的阴极电势在-1.5v(vsag/agcl)。在连续流下，阴极电势可保持低于-1.0v(vsag/agcl)。

未处理饮用水中余氯在0.1-0.5mg/l之间，经电化学净水系统净化后出水余氯未检出。未处理饮用水pb浓度在3-30ug/l之间，经电化学净水系统处理后，pb小于0.5ug/l。

饮用水经电化学净水系统处理前，ph为7.5-8.0、orp在+200mv-+400mv，经本实用新型电化学系统净化后，ph大于9.0，orp低于-500mv，净化水氢气含量达到3ppm以上。

实施例3：电化学净水系统的阳极再生

采用实施例1的电化学净水系统，经10天的运行后，对可再生阳极进行再生模式操作。通过自动控制器关闭高压开关以及进水电磁阀，开启电磁排气阀以及直流电源二，直流电源二在惰性阳极和可再生阳极之间施加6.0v的电压。在可再生阳极再生过程中，阳极室产生的气体渗透进阴极室并通过排气阀排出净水系统，再生模式运行时间为6小时。阳极再生模式结束后，通过自动控制器关闭电磁排气阀，启动高压开关和进水电磁阀，系统进入净水模式。

实施例4：除阳极采用铜锌合金颗粒(50％锌+50％铜)外，其余同实施例1。

处理结果：经电化学系统净化后出水余氯未检出，pb检出分别小于0.6ug/l；ph大于8.8，氢气含量大于2.7ppm。

实施例5：除阳极采用纯锌外，其余同实施例1。

处理结果：经电化学系统净化后出水余氯在0.1mg/l，pb浓度在10ug/l；ph为8，未检出氢气。

由此可见，当阳极采用纯铁时，效果最佳。

对比例1：仅采用单一牺牲阳极的电化学净水系统

本实施例中，阳极室内仅使用牺牲阳极，牺牲阳极采用纯铁，其余条件同实施例1，将该实施例构建的电化学系统按照实施例2的方式运行并对饮用水进行净化。

结果表明，该系统在运行10天内可保持静止流速下电化学系统的阴极电势在-1.5v(vsag/agcl)。在连续流下，阴极电势可保持低于-1.0v(vsag/agcl)。超过10天后，阴极电势逐渐上升，运行超过30天后，静止流速、连续流速下，系统阴极电势分别上升到-1.0v(vsag/agcl)，-0.2v(vsag/agcl)。

系统运行超过30天后，检测未处理饮用水中余氯、重金属pb分别在0.1-0.5mg/l之间，经系统净化后出水余氯、重金属pb分别为0.1mg/l、3-15ug/l。

检查发现阳极室内铁阳极出现较严重的钝化现象，此外，阳极液内铁氧化物附着严重，质子膜表面有明显的铁氧化物层，由此得出，阳极钝化以及氧化物的附着可能是造成系统效果下降的主要原因。

对比例2：利用阴极作为惰性电极对可再生阳极进行再生

本实施例利用阴极作为惰性电极对可再生阳极进行再生，其中系统内可再生阳极材料采用纯铁，阴极采用耐腐蚀的316l不锈钢网颗粒，其余条件同实施例1，将该实施例构建的电化学系统按照实施例2的方式运行并按照实施例3对阳极进行再生。

结果表明，再生过程中，系统排气阀有氯气、次氯酸盐等气体溢出。再生模式运行超过24小时，检测系统内阳极室电解液内仍然有黄色的三价铁氧化物以及离子残留。阴极室内，316l不锈钢网颗粒出现腐蚀，出水显示有铁氧化物。

对比例3：阳极室电解液采用氯化钠作为电解质

采用实施例1的电化学净水系统，将阳极室的电解液更换为2％nacl+0.01mhcl，按照实施例2的方式运行，并按照实施例3对阳极进行再生。

结果表明，在静止流速下，可保持电化学系统的阴极电势在-1.5v(vsag/agcl)。在连续流下，阴极电势可保持低于-1.0v(vsag/agcl)。

未处理饮用水中余氯在0.2-0.5mg/l之间，经电化学净水系统净化后出水余氯未检出。未处理饮用水pb浓度在5-40ug/l之间，经电化学净水系统处理后，pb小于0.5ug/l。

饮用水经电化学净水系统处理前，ph为7.5-8.0、orp在+200mv-+400mv，经本实用新型电化学系统净化后，ph大于9.0，orp低于-500mv，净化水氢气含量达到3ppm以上。

系统运行10天后，对阳极进行再生，再生过程中从净水系统排气阀溢出强烈的氯气气味，再生过程不可持续。

上述结果表明，在低电压净水环境中，氯化钠是良好的电解质，而在高电压条件下，大量氯离子通过惰性阳极氧化为氯气或次氯酸盐。

对比例4：采用单一惰性阳极的电化学净水系统

本实施例中，将阳极室内牺牲阳极纯铁换为惰性阳极钛板，其余条件同实施例1，将该实施例构建的电化学系统按照实施例2的方式运行并对饮用水进行净化。

结果表明，在2.0v的低电压下，即便是净水流速下，电化学净水系统阴极电势难于达到-0.5v(vsag/agcl)，而在连续流下，阴极电势快速上升到+100-+200mv(vsag/agcl)。

未处理饮用水中余氯在0.2-0.5mg/l之间，经电化学净水系统净化后出水余氯在0.2-0.4mg/l。未处理饮用水pb浓度在10-50ug/l之间，经电化学净水系统处理后，pb在10-40ug/l，净水效果较差。

本实用新型的一种阳极可再生的电化学净水系统已经通过具体的实例进行了描述，本领域技术人员可借鉴本

技术实现要素：
，适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本实用新型的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本实用新型的范围之内。