一种可降低成本的电化学法制备酸碱水的装置及工艺的制作方法

本发明涉及电化学制备酸碱水技术领域，更具体地，涉及一种可降低成本的电化学法制备酸碱水的装置及工艺，在此基础上，还涉及一种制备次氯酸消毒水的装置。

背景技术：

随着社会发展，人民生活水平的提高，对日常生活用水的质量有着更高的要求。通常，如图1所示，传统制备酸碱水的装置包括电解槽、阳极、阴极、以及离子膜。为了使阳极具有活性，阳极的结构为以钛金属作基体，在基体表面镀上铂，或者涂覆上铂族金属(钌、铱、钯)氧化物。通过在阳极和阴极之间设置仅容某种特定离子通过的离子膜，进行离子交换以产生酸碱水。由于离子膜在使用过程中沉积水合离子，会造成离子膜的堵塞。为了避免离子膜的堵塞，采用交换阳极和阴极的方法，即倒极，反向电离产生酸碱水，产生冲击力以导通沉积离子。由于需要倒极，阳极转变成阴极，而阴极转变成阳极，所以，传统的装置不仅需要阳极涂铂(或铂族金属)，也需要阴极涂铂(或铂族金属)。

一方面，我国是铂系金属资源缺乏的国家，本国产量不能满足生产需求，需要从国外进口才能满足实际用量；另一方面，在装置中使用了离子膜，由于国内离子膜的生产技术与国外还存在着差距，许多高端产品还需要使用进口的离子膜，其中以美国杜邦公司生产的离子膜质量较佳，其价格被国外供货商人为抬高，每平方米离子膜的价格高达一万元以上，这两方面正阻碍着酸碱水制备装置产品的推广使用。

更为关键的是，即使抛开上述价格高的问题，现有装置仍存在电极寿命受损、无法充分利用电极、发挥不出应有的材料价值的问题。如masatsugumotimitsu，ryuichiotogolwa，moriomatsunaga(electrochemicaacta40(2000)401-406)等人，对钛基二氧化铱、五氧化二钽涂层的阳极倒极运行做了研究，其结果显示当该电极材料在硫酸钠和硫酸混合溶液中，作为阳极以每平方米10000安培的超高电流密度运行，其工作寿命可达7000小时以上。而作为阴极以每平方米500安培的电流运行，其工作寿命不到200小时。从该结果可以发现，采用倒极之后阴极和阳极交换，将极大的影响电极的使用寿命，无疑使得装置成本更加高昂。

因此，为了降低酸碱水制备装置的成本、节约贵重金属资源、减少高端离子膜的进口使用，并且提高装置的使用寿命，亟待改进现有制备酸碱水的装置及工艺。

技术实现要素：

本发明的首要目的在于针对上述缺陷和不足，提供一种成本低、节约贵重金属、离子膜依赖性降低的、使用寿命长久的、无需倒极的电化学法制备酸碱水的装置。

本发明的另一个目的在于，提供一种电解效率高、结构紧凑、节约型的电化学法制备酸碱水的装置。

本发明的另一个目的在于，提供一种电化学法制备酸碱水的工艺方法。

本发明的再一个目的在于，提供一种既可以制备酸碱水，同时还能够产生消毒水的工艺方法。

为了实现上述目的，本发明采用的具体技术方案为：

本发明所述的电化学法制备酸碱水的装置，包括电解槽体、用于电解的电极、以及为电极提供电能的直流供电装置；其中，所述电极包括阳极体、以及阴极体，所述阳极体由基体、以及基体涂覆层构成，阴极体仅由基体构成，并且，所述阳极体与阴极体之间设有既可以导通离子，又可以微渗透溶液的微渗透膜。

本发明中涉及的工作原理包括以下反应：

阴极反应

2h2o+2e→2oh^-+h2↑(1)

阳极反应

2h2o-4e→4h⁺+o2↑(2)

目前市场上出售的电化学制备酸碱水的装置，其阴极和阳极均使用铂族贵金属化合物进行活化涂覆，目的是为了防止堵塞离子膜，用倒换电极的办法来维持电路的导通。这是因为虽然许多细微粒子本身不带电荷，但在水溶液中水是具有极性的分子，在电场的作用下会由于水合作用生成水合离子而使得细微粒子在外层具有电荷，迁移产生动态电位，称为ζ电位，从而引起膜的堵塞，为了保持电路导通，所以采取倒极的工艺。根据masatsugumotimitsu，ryuichiotogolwa，moriomatsunaga等人的研究可知，倒换电极后，电极的使用寿命将大大降低，并没有充分发挥电极的价值。本专利的目的是克服倒极引起电极寿命下降，成本上升的缺点。

本发明中采用既可以导通离子，又可以微渗透溶液的微渗透膜替换仅允许离子通过的离子膜，相对于离子膜来讲，通畅性提高，避免了水合离子堆积引起的堵塞，进而不需要采用倒极的方式保证电路畅通的工作方式，极大的提高了电极的使用寿命。传统技术的改进往往陷入在以离子膜为基础的思维惯式，其研究方向，同样是如何优化倒极工艺，减少装置的损伤，提高使用寿命。而采用允许离子和一些其他稍大体积的粒子通过的微渗透膜用于电解酸碱水的技术方案，跳出了传统的思维惯式，具有极大的创新。

本发明所述的电解效率高、结构紧凑、节约型的电化学法制备酸碱水的装置中，所述阳极体与微渗透膜的距离小于阴极体与微渗透膜的距离。

传统技术中因需要倒极操作，所以需要将电极与离子膜的距离设置为等距，以保证电极交换阴阳极后电解通路保持不变。而本发明不需要倒极操作，可以仅仅按需要将较长距离的电解通路设置在阴极体一侧，阳极体一侧的电解通路设置较短。这样的结构布局紧凑，缩短了阳极体一侧的电解通路，进而节省型材，制造所需要的材料较少。最重要的是，因为缩短电解通路，提高了电解效率，进一步地降低生产产品的成本。

为了提高电解效率、以及节省电解槽体的制作耗材，所述阳极体与微渗透膜的距离小于阴极体与微渗透膜的距离。更进一步的，所述阳极体与微渗透膜的距离不超过2mm，所述阳极体与阴极体的间距不超过5mm。所述微渗透膜的厚度为0.5～0.8mm。

为了方便导入和收集电解液，所述电解槽体包括内槽体、以及套设在内槽体上的外槽体；所述内槽体、以及外槽体上与微渗透膜的对应位置分别为阳极体、以及阴极体；所述阳极体与阴极体之间设有微渗透膜。所述阳极体与微渗透膜形成阳极区，所述阴极体与微渗透膜形成阴极区；所述外槽体设有与阴极区连通的电解溶液入口、以及阴极液出口，所述内槽体上设有阳极液流通孔、以及阳极液出口。

为了增加阳极区的电解液流通能力，所述内槽体上还设有阳极液入口。

为了方便加工，所述电解槽体的形状包括圆柱型、或棱柱型结构，其中电解槽体包括内槽体和外槽体。本发明中电解槽体的形状虽然在权利要求书中有明确列举出，但是，实际的电解槽体的形状包括但不限于上述形状，只要能够满足实际生产的需要，可以将电解槽体加工成其他形状，甚至是复杂形状。

为了提高导通效果，所述微渗透膜包括微渗透性离子膜、或陶瓷渗透膜。

为了保证电极免受腐蚀，所述基体为耐腐蚀不锈钢、纯钛、钛合金、或铌基体。

为了方便加工，所述电极为柱型、板型、或网状电极。本发明中的电极除了上述几种形状外，还可以根据实际需求加工成其他形状，甚至是复杂形状。

本发明所述的电化学法制备酸碱水的工艺方法，包括以下步骤：

s1.向电解槽体内注入电解溶液；

s2.启动直流供电装置为电极供电；

s3.导出位于微渗透膜两侧的电解溶液。

因为本发明改变传统思维惯式，用微渗透膜代替了离子膜，所以，避免了倒极工艺步骤，提高了电极的使用寿命，具有操作更加简单、方便，资源更加节约、利用充分的优势。

本发明所述的既可以制备酸碱水，同时还能够产生消毒水的工艺方法，建立在上述工艺方法上，具体为在所述步骤s3之前，向所述阴极体一侧加入nacl溶液。

本发明以微渗透膜作为隔膜材料，把电解单元分隔成阴极区和阳极区，在通以适当的直流电压进行电解水的操作时，在阳极上析出氧气，余下氢离子，所以阳极区的水体呈酸性。在阴极上析出氢气，余下氢氧根离子，所以阴极区的水体呈碱性。在阴极区中加入设定浓度的nacl水溶液，在阴极区里得到碱性水溶液，在阴极区中的氯离子cl^-在正电场的作用下，会通过微渗透膜进入阳极区，此时阳极上正发生析氧和析氯的竞争反应，如反应式(2)、(3)。

2cl^--2e→cl2↑(3)

因为水能溶解约双倍体积的氯，在未达到饱和溶解度时，氯不会逸出水体，同时溶于水中的氯会发生水解的二次反应而生成次氯酸hclo，如反应式(4)：

cl2+h2o→hcl+hclo(4)

水解生成了盐酸hcl和次氯酸hclo，次氯酸是除高氯酸hclo4之外，已知的具有第二强的氧化能力的化合物，它有着极强的杀灭病毒的能力。

对于在阳极上析氯和析氧的竞争反应，它取决于不同物质的化学势，更主要是取决于电极材料对某一个特征反应的催化性能。发明人在电解稀盐水阳极材料的研究中(李海涛,张帆,李望乐.电解低nacl海水生产次氯酸钠的阳极材料.ananodematerialusedintheelectrolysisoflow-nacl-contentseawatertoproducenaclo[j].材料研究与应用,2001,011(001):41-44.)，作了详细的讨论，根据法拉弟定律，如果以氯的直流电流析出效率作为代表参数的话，氯的析出效率和氧的析出效率之和是一百，以氯的析出效率为基础，可推导出氧的析出效率，至于氯析出的浓度，可以通过调节直流电流和溶液流量两个参数进行控制。

这种生产消毒水的工艺现有技术做不到的原因是：为了避免离子膜堵塞需要倒极，倒极后阴极阳极交换，难以实现固定在阴极侧(阴极区)加入nacl水溶液的工艺操作。本发明既可以制备酸碱水，同时又可以制备消毒水，巧妙的利用电化学反应机理，工艺步骤简单、产出的酸碱水和消毒水均具有很大的实用价值。与此同时，在一个工艺过程中同时产出酸碱水和消毒水，节约了电能，进一步地降低了生产成本。

为了提高生产效率，所述步骤s1之前，将多个所述的电化学法制备酸碱水的装置并联或串联。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

本发明中采用既可以导通离子，又可以微渗透溶液的微渗透膜替换仅允许离子通过的离子膜，相对于离子膜来讲，通畅性提高，避免了离子膜因水合离子堆积引起的堵塞。本发明不需要采用倒极的方式保证电路畅通的工作方式，极大的提高了电极的使用寿命。传统技术往往陷入以离子膜为基础的思维惯式，其研究方向，同样是延顺如何优化倒极工艺，减少装置的损伤，提高使用寿命等方向。而采用允许离子和一些其他稍大体积的粒子通过的微渗透膜用于电解酸碱水的技术方案，跳出了“倒极”的传统思维惯式，具有极大的创新。

本发明不需要倒极操作，可以仅仅按需要将较长距离的电解通路设置在阴极体一侧，阳极体一侧的电解通路设置较短。这样的结构布局紧凑，缩短了阳极体一侧的电解通路，进而节省型材，制造所需要的材料较少。最重要的是，因为缩短电解通路，提高了电解效率，进一步地降低生产产品的成本。

本发明改变传统思维惯式，用微渗透膜代替了离子膜，避免了倒极工艺步骤，提高了电极的使用寿命，具有操作更加简单、方便，资源更加节约、利用充分的优势。

本发明既可以制备酸碱水，同时又可以制备消毒水，巧妙的利用电化学反应机理，工艺步骤简单、产出的酸碱水和消毒水均具有很大的实用价值。与此同时，在一个工艺过程中同时产出酸碱水和消毒水，节约了电能，进一步地降低了生产成本。

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

附图说明

图1为传统酸碱水制备原理结构示意图。

图2为本发明优选实施方式中酸碱水制备装置结构示意图。

图3为本发明优选实施方式中电极截面结构示意图。

图4为本发明优选实施方式中电解槽体形状结构示意图。

图5为本发明优选实施方式中电极形状结构示意图。

图6为本发明优选实施方式中工艺方法流程图。

图7为本发明中验证产出次氯酸的实验结果图。

附图标记说明：

1电解槽体、11电解溶液入口、12、内槽体、13外槽体、121阳极液入口、2电极、21阳极体、22阴极体、211基体、212基体涂覆层、213阳极液流通孔、3直流供电装置、4微渗透膜、5阳极区、51阳极液出口、6阴极区、61阴极液出口。

具体实施方式

下面通过具体实施方式对本发明做进一步的解释及说明，应当理解下面的实施方式的目的是为了使本发明的技术方案更加清楚、易于理解，并不限制权利要求的保护范围。

如图2所示，本发明所述的电化学法制备酸碱水的装置，包括电解槽体1、用于电解的电极2、以及为电极2提供电能的直流供电装置3；其中，电极2包括阳极体21、以及阴极体22，所述阳极体21由基体211、以及基体涂覆层212构成，阴极体22仅由基体211构成，并且，阳极体21与阴极体22之间设有既可以导通离子，又可以微渗透溶液的微渗透膜4。为了提高导通效果，微渗透膜4包括微渗透性离子膜、或陶瓷渗透膜。为了保证电极免受腐蚀，基体211为耐腐蚀不锈钢、纯钛、钛合金、或铌基体。

在优选的实施方式中，微渗透膜4的厚度可以为0.5～0.8mm，最好为0.5～0.6mm。

在优选的实施方式中，为了提高电解效率、以及节省电解槽体的制作耗材，阳极体21与微渗透膜4的距离小于阴极体22与微渗透膜4的距离。更进一步的，阳极体21与微渗透膜4的距离不超过2mm，阳极体21与阴极体22的间距不超过5mm。

在优选的实施方式中，为了方便导入和收集溶液，电解槽体1包括内槽体12、以及套置在内槽体1上的外槽体13，所述内槽体12、以及外槽体13上与微渗透膜4的对应位置分别为阳极体21、以及阴极体22。阳极体21与阴极体22之间设有微渗透膜4。阳极体21与微渗透膜4形成阳极区5，阴极体22与微渗透膜4形成阴极区6；外槽体13设有与阴极区6连通的电解溶液入口11、以及阴极液出口61，内槽体12上设有阳极液流通孔213、以及阳极液出口51。为了增加阳极区的电解液流通能力，内槽体12上还设有阳极液入口121。

如图3所示，在优选的实施方式中，为了方便加工，所述电解槽体1的形状包括圆型、或多边柱体结构。本发明中电解槽体的形状虽然在权利要求书中有明确列举出，但是，实际的电解槽体的形状包括但不限于上述形状，只要能够满足实际生产的需要，可以将电解槽体加工成其他形状，甚至是复杂形状。

如图4所示，在优选的实施方式中，为了方便加工，电极2为实心柱型、管型、板型、或网型电极。本发明中的电极除了上述几种形状外，还可以根据实际需求加工成其他形状，甚至是复杂形状。

如图5所示，本发明所述的电化学法制备酸碱水的工艺方法，包括以下步骤：

s1.向电解槽体1内注入电解溶液；

s2.启动直流供电装置3为电极2供电；

s3.导出位于微渗透膜4两侧的电解溶液。

本发明所述的既可以制备酸碱水，同时还能够产生消毒水的工艺方法建立在上述工艺方法上，具体的所述步骤s3之前，向所述阴极体22一侧加入nacl溶液。

为了提高生产效率，所述步骤s1之前，将多个所述的电化学法制备酸碱水的装置并联或串联。

下面通过具体实施例对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例1中，阳极体中基体采用钛材质，涂覆层为1μm的镀铂层；阴极体的基体采用钛材质。阳极区的间距为1.5mm，阴极区的间距为2.5mm。经过实验验证，应用本实施例1的微渗透性膜应用于电解水时，通过调节电流，水的流量等参数，在阳极区得到ph不超过4.5的酸性水，在阴极区可以得到ph大于8的碱性水。

应用本实施例1中的装置电解稀盐水而制备次氯酸水时，使用微渗透性的隔膜材料，更有利一些，如电解千分之三左右浓度的稀盐水时，进入阴极区中的nacl溶液，在阴极上析出氢气，产生的氢氧根和钠作用生成稀的碱性溶液。在正电场的作用下，氯离子迁移至阳极区，在阳极上发生析氧和析氯的竞争性反应。发明人在“电解稀盐水阳极材料的研究”一文中得出当电解千分之六的nacl溶液时，析氯的电效约为60％。

以此为依据，在本装置中施加5v的直流电压，产生3a的直流电时，在阳极上每小时产生的氯量为电解时每小时阳极析氯量＝3ah/53.6ah(法拉弟电量)×22.4升×60％电效＝0.752升氯气。

水能溶解约两倍体积的氯气，在阳极区水的流量实际上每小时可调节至10升以上。此时氯的溶解度不会达到饱和，不可能有氯气逸出体系。

氯气溶于水时发生水解二次反应生成盐酸和次氯酸

cl2+h2o→hcl+hclo

即有一半的氯转化成次氯酸，此时的浓度为

0.752升/22.4升×71g氯＝2.38g氯

其中1.19g的氯水解二次反应生成次氯酸水溶液，其浓度大约为120ppm，1.19g/10升×1000g＝120ppm

通过调节电量和水的流量，即可调节水中次氯酸的浓度，如图7所示，通过次氯酸置换ki中的碘生成游离碘的实验，其结果显示溶液由无色变为黄色，证实电解产生的是次氯酸。

其反应机理如下：

ki+ch3cooh(醋酸)＝ch3cooh+hi

2hi+hclo＝nacl+h2o+i2

进一步地发明人为了证实通过本发明制备的次氯酸是否具备消毒灭菌的效果，于2020年04月02日，经广东省微生物分析检测中心处理，做出检测报告，报告编号为2020fm08376r01，样品名称为“次氯酸分解器-自制次氯酸消毒液”。

有效氯含量的检测

检测依据和方法：有效氯含量测定依据《消毒技术规范》2002版2.2.1.2.1。

仪器名称：酸碱两用滴定管gwc-b4782。

检测结论：有效氯含量(25℃)为101.0mg/l(101ppm)。

ph值的检测

仪器名称及编号：ph计(编号：crhj-8048)。

检测依据：《消毒技术规范》(卫生部2002年版)2.2.1.4。

检测条件：环境温度15.7℃，相对湿度67％。

检测结论：ph值(25℃)为4.5。

中和剂载体定量鉴定试验、载体浸泡定量杀菌试验

检测结论：本发明制备的样品原样，作用时间分别为0.5分钟、1.5分钟、3分钟，试验重复3次，对铜绿假单胞菌(atcc15442)的杀灭对数值≥3.00，符合《消毒技术规范》(2002年版)2.1.1.7规定的标准值，对该菌株消毒合格。

灭菌效果检测

检测结论：本发明制备的消毒液对黄金色葡萄球菌、大肠杆菌、白色念珠菌均具有杀灭作用。

消毒效果检测

检测样品：本发明自制次氯酸消毒液

试验菌株：h1n1a/pr8/34，广东省微生物菌种保护管理中心提供。

中和剂成分及浓度：0.5％硫代硫酸钠。

培养基名称及批号：含0.5％硫代硫酸钠的营养琼脂培养基(批号202000323)。

试验室：15m³室。

采样器：生化培养箱(型号：gwc-6056)，水浴锅(型号：gwc-23015)，jwl-8筛孔撞击式六级空气微生物采样器(型号：gwc-3-5019c)。

方法：

检测依据：《消毒技术规范》2015年版-3.3.2.5模拟现场试验。

检测环境：温度：25℃，湿度：51％。

喷雾时间5min，搅拌5min，静置5min。

方法简述：试验时使用空气加湿器雾化300ml样品原液到空气中，作用0.5min/3min后再六级采样器中装入含0.5％硫代硫酸钠中和剂的培养基平板，在相同位置对空间的空气进行采样。采样时将jwl-6筛孔撞击式六级空气微生物采样器放置于柜室中央1.5m高处，设置一个点采样，以16.7升1分钟的抽风量进行采样。处理对照组采样时间为1min，处理试验组采样时间为1min，试验重复3次。

采样后平板在36℃培养24h。

检测结论：使用本发明制备的消毒液对空气中h1n1甲型流感病毒杀灭率的检测结果＞99％，符合《消毒技术规范》2015年版-3.3.2.5标准要求，消毒合格。

对比例1

如图1所示，本对比例1中，阳极体采用钛基，涂覆层为1μm的镀铂层；阴极体采用钛基，涂覆层为1μm的镀铂层；阴极区、以及阳极区的间距均为2.5mm，总距离5mm。

实施例1与对比例1耗材价格的对比，一微米一平米的铂的重量为21.35克，每克的价格约为两百元，加上制备化合物以及镀液的制备成本，实际做成能够电解的镀铂层成本大概是金属本身价格的两倍，约为一万二千元每平方米。一微米一平米的微渗透膜的价格约为一千元，一微米一平米的离子膜的价格约为一万元。实施例1相比于对比例1，阳极体相同，阴极体省去了1μm厚的铂涂覆层，膜不同。按单个装置阴极体电极面积为3.5平方分米，渗透膜面积为3.5平方分米，实施例1与对比例1相比节约735元。

此外，本实施例1不需要倒极操作，阳极体与阴极体的使用寿命增加。按masatsugumotimitsu等人的结果推算，本实施例1的使用寿命至少提高了35倍。

而且，本实施例1还可以在阴极区加入nacl溶液以制备hclo消毒水。

另外，本实施例1与对比例1缩短阳极区的间距，提高了电解效率。

本发明是通过实施例来描述的，但并不对本发明构成限制，参照本发明的描述，所公开的实施例的其他变化，如对于本领域的专业人士是容易想到的，这样的变化应该属于本发明权利要求限定的范围之内。