具有自净化功能的质子交换膜水电解臭氧/氧发生装置的制作方法
本实用新型属于电化学技术领域,涉及一种具有内部自净化功能的质子交换膜水电解臭氧/氧发生装置。
背景技术：
质子交换膜型水电解式臭氧发生装置和质子交换膜型水电解式氧发生装置结构相同，只是在发生器中使用的催化剂不同。都是以纯水为原料，在低压直流电的作用下，在阳极区可生产高浓度、高纯度臭氧/氧气，在阴极区可产生高纯氢，且不产生对人体和环境有害的氮氧化物(NOx)，应用前景十分广阔。
已有的电解式臭氧/氧发生装置如中国专利ZL201420547893.7公开了一种水电解臭氧发生装置，中国专利ZL201520619763.4公开一种质子交换膜型水电解制氧装置。
臭氧/氧发生器阳极界面生成的H+由质子交换膜迁移到阴极界面，同时装置运行过程中产生的金属离子(Men+)也由质子交换膜迁移到阴极界面。这些电解式臭氧/氧发生装置都存在着当发生器长期工作时，这些微量的金属离子(Men+)在质子交换膜阴极界面形成沉积物，覆盖阴极催化剂，降低了催化剂的催化活性，增加了阴极膜电阻，增加析氢超电势。
使发生器单槽工作电压上升，最终影响发生器运行寿命，当单槽工作电压上升到5伏以上时，将导致发生器损坏无法运行。金属离子(Men+)同时污染了阴极水罐的纯水，影响其循环使用。
技术实现要素：
本实用新型所要解决的技术问题是提供一种具有自净化功能的质子交换膜水电解臭氧/氧发生装置。
本实用新型在发生器运行时采取了内部连续自净化措施，即在阴极室和阴极水罐循环回路中串接了离子交换器；在纯水箱内填装离子交换树脂，进一步净化阴极水罐的回流水和补充的原料水，经过净化后再送入阳极水罐。
本实用新型是通过以下技术方案实现的。
一种具有自净化功能的质子交换膜型水电解臭氧/氧发生装置，包括纯水箱、臭氧/氧发生器、阳极水罐、阴极水罐，所述臭氧/氧发生器的阳极室与阳极水罐形成回路，臭氧/氧发生器的阴极室与阴极水罐形成回路，所述阴极水罐的下端通过回流管路与纯水箱连通，用于回流纯水，所述纯水箱通过隔膜泵、二通电磁阀、电导率传感器与阳极水罐连通，给阳极水罐供水；
所述阴极室与阴极水罐的回路中，串联一个阳离子交换器。
所述离子交换器内填装有离子交换树脂，离子交换器出水口连接臭氧/氧发生器阴极进水管，离子交换器进水口与阴极水罐出水口连通。
更一步地，所述纯水箱内填装有离子交换树脂，在纯水箱中的阴极水罐回流水和纯水箱的原料水经过纯水箱中的离子交换树脂净化后再通过隔膜泵送入阳极水罐；在隔膜泵和阳极水罐的连接管路上设置有二通电磁阀和电导率传感器，电导率传感器用于检测纯水的电导率，当纯水的电导率超过质子交换膜型水电解臭氧/氧发生装置的设定值时，系统停机。
所述臭氧/氧发生器为质子交换膜型水电解式臭氧/氧发生器，臭氧/氧发生器可由一个、两个或多个电解单元组成，电解单元中的质子交换膜采用全氟磺酸阳离子交换膜。所述臭氧/氧发生器由直流恒流电源提供电能。
所述臭氧/氧发生器阳极室与阳极水罐连通，所述臭氧/氧发生器阴极室与阴极水罐连通。所述臭氧/氧发生器阳极产生的臭氧/氧通过管路进入阳极水罐；臭氧/氧发生器阴极产生的氢气通过管路进入阴极水罐，构成内循环回路。臭氧/氧和氢气分别在阳极水罐和阴极水罐实现气/水分离且通过纯水自动散热。
在纯水箱、阳极水罐、阴极水罐上端都设置有液位计，用于控制液位。在纯水箱上设置有补水口，用于补充纯水。所述阴极水罐下端设置有阴极水罐回流管路，由阳极水罐通过发生器内部迁移到阴极水罐的水经回流管路重新回流到纯水箱。所述离子交换树脂为阳离子交换树脂，或混合树脂。
在阳极水罐的顶部设置有臭氧/氧排气管；当本实用新型装置用于制备臭氧时，在臭氧排气管上设置有三通电磁阀和臭氧催化分解器，当短暂不使用臭氧时，臭氧通过臭氧催化分解器分解排掉，以免污染空气。
在阴极水罐的顶部设置有氢气排气管与氢气催化分解器连接；氢气排气管排出的氢气经氢气催化分解器消氢后实现安全排放。
本实用新型臭氧/氧发生器工作原理是：(见附图2)
臭氧发生器：臭氧发生器连通电源时，在臭氧发生器阴阳极发生下述反应：
阳极反应：H2O-2e-→2H++1/3O3↑
阴极反应：2H++2e-→H2↑
氧发生器：氧发生器连通电源时，在氧发生器阴阳极发生下述反应：
阳极反应：H2O-2e-→2H++1/2O2↑
阴极反应：2H++2e-→H2↑
臭氧/氧发生器阳极界面生成的H+由质子交换膜迁移到阴极界面，同时微量的金属离子(Men+)也由质子交换膜迁移到阴极界面，这些微量的金属离子(Men+)在质子交换膜阴极界面形成沉积物。
通过实用新型可达到如下效果：
本实用新型由于在阴极室和阴极水罐水循环回路中增加了离子交换器；可有效交换由阳极室通过质子交换膜迁移到阴极室并经阴极室进入阴极水罐水中的金属离子(Men+)，降低水的电导率，从而降低电解槽工作电压，大幅度延长发生器运行寿命。
本实用新型由于在纯水箱内进一步填装离子交换树脂，在阴极水罐和纯水箱间增加回流管路，可进一步净化阴极水罐的回流水和原料水，确保符合电导率要求的纯水送入阳极水罐；同时可节约原料用水。
下面结合附图和具体实施方式对本实用新型作进一步的说明。
附图说明
图1一种具有自净化功能的质子交换膜型水电解臭氧/氧发生装置结构示意图。图2臭氧/氧发生器工作原理图。
图中1-离子交换树脂，2-纯水箱，3-液位计，4-隔膜泵，5二通电磁阀，6-电导率传感器，7-阳极水罐，8-三通电磁阀，9-臭氧催化分解器，10-臭氧/氧发生器，11-阳极室，12-质子交换膜，13-阴极室，14-阳离子交换器,15-阴极水罐，16-氢气催化分解器，17-回流管路。
具体实施方式
如附图1所示，一种具有自净化功能的质子交换膜型水电解臭氧/氧发生装置，包括纯水箱、臭氧/氧发生器、阳极水罐、阴极水罐，所述臭氧/氧发生器的阳极室与阳极水罐形成回路，臭氧/氧发生器的阴极室与阴极水罐形成回路，所述阴极水罐的下端通过回流管路与纯水箱连通，用于回收阴极水罐回流水，所述纯水箱通过隔膜泵、二通电磁阀、电导率传感器与阳极水罐连通，给阳极水罐供水；所述阴极室与阴极水罐的回路中，串联一个阳离子交换器。
所述离子交换器内填装有离子交换树脂，离子交换器出水口连接臭氧/氧发生器阴极进水管，离子交换器进水口与阴极水罐出水口连通。
更一步地，所述纯水箱内填装有离子交换树脂，在纯水箱中的阴极水罐回流水和纯水箱的原料水经过纯水箱中的离子交换树脂净化后再通过隔膜泵送入阳极水罐；在隔膜泵和阳极水罐的连接管路上设置有电导率传感器，用于检测纯水的电导率。
所述臭氧/氧发生器为质子交换膜型水电解式臭氧/氧发生器，臭氧/氧发生器可由一个、两个或多个电解单元组成，电解单元中的质子交换膜采用全氟磺酸阳离子交换膜。所述臭氧/氧发生器由直流恒流电源提供电能。
所述臭氧/氧发生器阳极室与阳极水罐连通，所述臭氧/氧发生器阴极室与阴极水罐连通。所述臭氧/氧发生器阳极产生的臭氧/氧通过管路进入阳极水罐；臭氧/氧发生器阴极产生的氢气通过管路进入阴极水罐，构成内循环回路。臭氧/氧和氢气分别在阳极水罐和阴极水罐实现气/水分离且通过纯水自动散热。
在纯水箱、阳极水罐、阴极水罐上端都设置有液位计，用于控制液位。在纯水箱上设置有补水口，用于补充纯水。所述阴极水罐上端设置有阴极水罐回流管路，由阳极水罐通过发生器内部迁移到阴极水罐的水经回流管路重新回流到纯水箱。所述离子交换树脂为阳离子交换树脂，或混合树脂。
下面结合实用新型实施过程作进一步说明。
臭氧/氧发生器通电电解时，阳极水罐向阴极水罐迁移水，其中微量的金属离子(Men+)也随水一起迁移到阴极水罐中。
阴极水罐中的迁移水经阴极水罐出水口进入离子交换器，在离子交换器中通过离子交换树脂除去金属离子(Men+)，再进入臭氧/氧发生器阴极室。当阴极水罐水位达到一定高度时，阴极水罐中的水经回流管路自动回流到纯水箱中。
阴极水罐回流水中可能还含有微量的金属离子(Men+)，进入纯水箱的阴极水罐回流水和补充的原料水在纯水箱中通过离子交换树脂进一步除去金属离子(Men+)，向阳极水罐补充经离子交换树脂净化达到电导率要求的纯水。
下面是实施本实用新型的具有内部自净化功能的质子交换膜型水电解式臭氧发生装置同现有技术装置的比较。
所用的离子交换树脂为上海劲凯树脂有限公司生产的Amberlite MB20牌号混合树脂。
质子交换膜型水电解式臭氧发生装置为臭氧产量40g/h的臭氧发生装置。
表1：一种具有自净化功能的质子交换膜型水电解式臭氧发生装置(40g/h)与现有技术装置的综合比较
本实用新型装置适用于质子交换膜型水电解式臭氧发生装置，也适用于质子交换膜型水电解式氧发生装置。
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