一种臭氧电解槽的制作方法

本实用新型涉及臭氧水制备技术领域，具体属于一种在线制备臭氧水的臭氧电解槽。

背景技术：

臭氧是自然界最强的氧化剂之一，具有极强的氧化性，臭氧溶解于水得到臭氧水。电解水产生的臭氧水不会额外引入硝酸根离子，在消毒、食品、医疗、电子领域有广阔的前景。目前，一种较佳的电解水产生臭氧的电极材料为导电金刚石(bdd)，该材料由金刚石掺硼制成，导电金刚石电极有宽电化学势窗、低背景电流、极耐臭氧腐蚀，以及低吸附等特性，能够提高电解水制备臭氧的电解效率。

人工电解获得臭氧水或臭氧气体的方法之一是：两片导电金刚石片电极之间夹固体电解质膜,电源正负极分别接两片导电金刚石电极，通过电极电解水获得较高浓度的臭氧或臭氧水。设置固体电解质膜的目的在于只选择性允许离子透过，同时降低电回路的电阻，从而提高电解效率。这样的结构工作电流大，要求电回路电阻足够小，金刚石电极与固体电解质膜的贴合必须紧密，以将大电流引入到电解工作介质中，但贴紧后水流无法进入金刚石片与固体电解质膜的间隙，使得电解产生的臭氧也无法及时地扩散，无法扩散的气体造成气堵效应，阻碍了电解的持续进行，另一方面电解产生的热量也会累积，进一步降低了臭氧在水中的溶解度从而加剧上述效应。常规的制备臭氧水的方式是离线化进行的，通过提供足够的电解时长，让臭氧充分溶解扩散，并充分散热，使水中臭氧浓度累积并达到合适水平。而对于在线化的臭氧水制备来说，这是个包含流量与臭氧浓度之间的权衡、大电流工作条件与气体扩散之间的权衡、结构紧密程度与热量扩散之间的权衡等多重矛盾冲突的结构。解决上述矛盾的方案之一是金刚石片开孔开槽，但由于热膨胀系数的原因，目前金刚石片基材多为硅片或其他半导体材料，硅片取孔开槽较难加工，成品合格率低，不适合工业规模量产，取孔开槽后的金刚石片在大电流工作条件也极容易碎裂。

技术实现要素：

为了解决导电金刚石电极与固体电解质膜必须紧密贴合以降低电回路电阻，以及使电解产生的臭氧必须快速扩散之间的矛盾，本实用新型通过在金刚石电极层与固体电解质膜之间架设沿水流顺向设置的电极支撑装置，在金刚石电极层与固体电解质膜之间构成水气通道，使臭氧水和臭氧气体沿水气通道快速通过电极表面，从而提高了制备臭氧水的电解效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了一种臭氧电解槽，包括：绝缘框、第一电极、第二电极、第一电极支撑装置，第二电极支撑装置、电解质膜；

所述第一电极包括第一电极金属片和第一金刚石电极层，所述第二电极包括第二电极金属片和第二金刚石电极层；所述第一金刚石电极层和所述第二金刚石电极层的材质均为导电金刚石材料；

所述第一电极金属片、所述第一金刚石电极层、所述第一电极支撑装置、所述电解质膜、所述第二电极支撑装置、所述第二金刚石电极层、所述第二电极金属片由上至下依次设置；

所述第一金刚石电极层、所述第一电极支撑装置、所述电解质膜、所述第二电极支撑装置、所述第二金刚石电极层均位于所述绝缘框内；所述第一电极金属片、所述绝缘框、所述第二电极金属片依次紧密贴合形成耐压腔体，能够承受水流通过时的压力；

所述绝缘框的两侧设置有进水口和出水口，所述绝缘框的内部具有分别与所述进水口和所述出水口连通的进水腔和出水腔；所述进水腔位于所述电解质膜与所述进水口之间，所述出水腔位于所述电解质膜与所述出水口之间；

所述第一电极支撑装置包括若干第一电极支撑条，每一根所述第一电极支撑条沿水流方向设置，所述第一电极支撑条之间具有距离间隔；所述第二电极支撑装置包括若干第二电极支撑条，每一根所述第二电极支撑条沿水流方向设置，所述第二电极支撑条之间具有距离间隔；

所述电解质膜受到所述第一电极支撑装置和所述第二电极支撑装置的支撑而呈波浪形，所述电解质膜在波浪形的波峰或波谷处分别与所述第一电极或所述第二电极紧密贴合；所述第一支撑装置与所述电解质膜的表面之间形成允许水流通过的水气快速通道；所述第二支撑装置与所述电解质膜的表面之间形成允许水流通过的水气快速通道；所述水气快速通道连通所述进水腔和所述出水腔。

在电解过程中，只有阳极附近会产生臭氧，但是随着电解的持续，臭氧会使电极表面钝化而导致其性能衰退，另一方面电极表面也易出现碳酸钙沉积，因此本实用新型采用两电极相同的电极设置，在运行过程中定时循环倒极，从而抑制以上问题的发生，提高电解效率并且延长电极的使用寿命。

较佳地，所述第一电极支撑装置和所述第二电极支撑装置错位排列，其目的在于，在维持所述电解质膜与电极表面之间能够紧密接触的基础上，使所述电解质膜在所述臭氧电解槽内的厚度分布更均匀，从而使所述臭氧电解槽在其工作时，内部的电流分布更均匀，延长所述电解质膜的使用寿命。

较佳地，所述第一电极支撑装置和所述第二电极支撑装置的材质均与所述电解质膜的材质相同或者相似。其目的在于增大该类材质的材料与电极表面的总接触面积，降低电回路电阻，提高电解效率。

较佳地，所述第一电极支撑装置和所述第二电极支撑装置的材质均为绝缘体材料或者金属材料。

较佳地，所述绝缘框的材质为聚四氟乙烯、二氧化硅或氧化铝中的一种，也可以是其他机械强度佳、耐腐蚀的绝缘体材质。

较佳地，所述第一电极金属片以及所述第二电极金属片的材质为钛合金、钛、铂、金、镍、钯、铂钌合金或不锈钢中的一种，也可以是其他耐腐蚀、低电阻率的金属材质。

较佳地，所述电解质膜为全氟磺酸膜、全氟磺酸离子聚合物膜、非全氟磺酸离子聚合物膜中的一种。

进一步地，所述非全氟磺酸离子聚合物膜为阳离子树脂膜、阴离子树脂膜、全氟阳离子交换膜中的一种，也可以是其他耐腐蚀的固体电解质膜。

与现有技术相比，本实用新型具有如下有益效果：

1、本实用新型在使用电解质膜隔离第一电极与第二电极附近的电解质溶液、以及维持所述第一电极和所述第二电极之间的电阻充分小的基础上，设置水气快速通道用水流快速地将所电极上产生的臭氧溶解以及冲走，从而避免气堵效应的发生，解决了大工作电流与气体扩散之间的矛盾，另一方面通过水气快速通道协助散热，解决了散热与维持结构紧密贴合之间的矛盾，从而提高了臭氧的电解效率，实现了在线化的臭氧水的电解制备。

2、本实用新型在各个结构部件的材质均选取为耐腐蚀类材料的基础上，通过两电极相同的电极设置以及在运行时循环切换倒极，从而可以更好地维持电极性能并且延长电极的使用寿命。

3、本实用新型中的电解质膜、电极支撑条、第一金刚石电极层和第二金刚石电极层等机械强度较低的部件均为条状或者层状，易于加工成型，成品率高，从而降低生产成本，利于规模化生产。

附图说明

图1为本实用新型的外部结构示意图；

图2为本实用新型的内部结构示意图；

图3为本实用新型的分层结构示意图；

图4为本实用新型的水气快速通纵向截面结构示意图；

图5为本实用新型的横向截面结构示意图

图中：1、第一电极金属片；2、绝缘框；3、进水口；4、出水口；5、第一金刚石电极层；6、电解质膜；7、第二金刚石电极层；8、第一电极支撑条；9、进水腔；10、出水腔；11、水气快速通道；12、第二电极金属片；13、第二电极支撑条。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

第一实施例

图1示出了本实用新型的电解槽外部结构，第一电极金属片1、绝缘框2、第二电极金属片12通过螺栓紧固形成能够耐受水压的电解槽腔体，绝缘框2上开设有进水口3与出水口4，电解槽内水流方向即为由进水口3至出水口4的方向。

图2和图3示出了本实用新型的电解槽内部结构和分层结构，包括绝缘框2、第一电极、第二电极、第一电极支撑装置，第二电极支撑装置、电解质膜6；第一电极支撑装置包括若干条第一电极支撑条8；第二电极支撑装置包括若干条第二电极支撑条13；每一条第一电极支撑条8沿水流方向设置，之间具有距离间隔；每一条第二电极支撑条13沿水流方向设置，之间具有距离间隔；

第一电极包括第一电极金属片1和第一金刚石电极层5，第二电极包括第二电极金属片12和第二金刚石电极层7；第一金刚石电极层5和第二金刚石电极层7的材质均为导电金刚石材料；

第一电极金属片1、第一金刚石电极层5、第一电极支撑装置、电解质膜6、第二电极支撑装置、第二金刚石电极层7、第二电极金属片12由上至下依次设置；第一金刚石电极层5、第一电极支撑装置、电解质膜6、所述第二电极支撑装置、第二金刚石电极层7均位于绝缘框2内；

绝缘框2的内部具有分别与进水口3和出水口4连通的进水腔9和出水腔10；进水腔9位于电解质膜6与进水口3之间，出水腔10位于电解质膜6与出水口4之间；

电解质膜6受到第一电极支撑装置和第二电极支撑装置的支撑而呈波浪形，电解质膜6在波浪形的波峰或波谷处分别与第一电极或第二电极紧密贴合；第一电极支撑条8与电解质膜6的之间形成允许水流通过的水气快速通道11；第二电极支撑条13与电解质膜6之间形成允许水流通过的水气快速通道11；水气快速通道11连通进水腔9和出水腔10。

图5示出了本实用新型的横向截面结构示意图。在本实施例中，第一电极支撑装置和第二电极支撑装置错位排列。

运行时，第一电极金属片1，第二电极金属片12分别与电源的正负两极连接作为阴阳两极，通电电解时氢气在阴极析出，臭氧以及氧气在阳极析出，电极层表面产生的臭氧能够部分溶解在水中。图4示出了一条第一电极支撑条8一侧的水气快速通道11处的纵向截面结构示意图。净水水流从进水口3到达进水腔9，通过水气快速通道11，部分溶解并带出电极上产生的臭氧以及冲出未溶解的气体，到达出水腔10，再从出水口4离开电解槽；

当第一电极金属片1接电源正极、第二电极金属片12接电源负极时，电流从电源正极，第一电极金属片1，第一金刚石电极层5，电解质膜6，第二金刚石电极层7，第二电极金属片12，到电源负极，构成电流回路，此时氢气在第二金刚石电极层12上产生，臭氧和氧气在第一金刚石电极层1上产出，反之亦然。

在运行过程中，第一电极以及第二电极定时循环倒极，提高电解效率并且延长电极的使用寿命。

在本实施例中，第一电极金属片1和第二电极金属片12的材质均为钛合金；绝缘框的材质为聚四氟乙烯；电解质膜6、第一电极支撑条8和第二电极支撑条13的材质相同，均为全氟磺酸材料nafion-n117，电极支撑条使用与电解质膜6相同膜类材料的可以提高该材料与金刚石电极层的总接触面积，促进电解质溶液中的离子在电极表面的扩散和放电，提升电解效率。

第二实施例

本实施例与第一实施例的区别在于：第一电极金属片1和第二电极金属片12的材质均为不锈钢；电解质膜6、第一电极支撑条8和第二电极支撑条13的材质相同，均为全氟阳离子交换膜材料fumasep-f10120。相较于第一实施例，本实施例所用的部分部件材料成本较低，而能够达到的电解效率相近。

第三实施例

本实施例与第一实施例的区别在于：电解质膜6的材质为全氟阳离子交换膜材料fumasep-f10120、第一电极支撑条8和第二电极支撑条13的材质均为全氟磺酸材料nafion-n117。本实施例中的方案为第一实施例和第二实施例的折中方案。本实施例同样能够达到相近的电解效率，表明第一电极支撑条8和第二电极支撑条13的材质与电解质膜6并非相同而是同属一类材料时，也能够实现类似于第一、第二实施例的有益效果。

第四实施例

本实施例与第一实施例的区别在于：第一电极支撑条8和第二电极支撑条13的材质均为钛合金材料。

第五实施例

本实施例与第一实施例的区别在于：第一电极支撑条8和第二电极支撑条13的材质均为碳纤维材料。

本实用新型的第四、第五实施例表明支撑条的材质为耐腐蚀、能够导电但并非离子导体的金属、碳纤等材料时，同样能够实现本实用新型的有益效果。

对于本领域技术人员而言，显然本实用新型不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本实用新型的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本实用新型。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本实用新型的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本实用新型内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。