专利名称：弱碱性负电位电解水制取装置及电解饮水机的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于制取电解功能水的装置，属于电解水装置技术领域。
背景技术：
功能水是通过适当的手段，在特定的条件下，将外部的能量，例如机械能、磁能、电能、远红外热能等作用于普通水，改变水的分子团结构使之具有有益功能的一类水的统称。目前得到普遍公认而且唯一有标准可执行的是电解功能水，俗称电解水或离子水。电解水是指在电解槽中通入直流电后，在阳极与阴极所产生的电解氧化水和电解还原水；电解氧化水含有较多的酸根离子(H+离子)，具有氧化性，又称酸性水，电解还原水含有较多的氢氧根离子(OH-)，具有还原性，又称碱性水。国内外大量研究与数十年应用实践证明，饮用电解还原水(弱碱或中碱)有益于养生，尤其是具有负氧化还原电位的弱碱性电解还原水更是被称为“长寿水”。现有知识中有关于电解水的大量报道可资参考。
市面上常见的现有电解水机，一般采用有隔膜电解槽结构，不仅结构复杂，而且膜容易被污染。这方面的技术现有很多，本发明也无需多作介绍。
本申请人在先申请了采用无隔膜电解槽结构的电解水装置，如已公开的中国专利ZL200820183101.7一种具有杀菌功能的饮水机、ZL200820184175.2一种电解功能水杯、ZL200820184176.7一种便携式电解功能水制备器。这些已公开无隔膜电解槽结构的电解水装置由于采用了直流脉冲电源产生的微电流对水进行电解，开创了无隔膜电解槽制取电解水的新方法和装置。这些已公开的电解水装置虽然可以实现无隔膜电解水，但是，一是受到微电流范围的限制对直流脉冲电源提出很高要求，控制电路过于复杂，成本高；二是制取电解水时间过长，无法快速有效地制取适宜人饮用的弱碱性负氧化还原电位的电解水。
发明内容
本发明解决的技术问题是提出一种结构简单并能快速有效制取适宜人饮用的弱碱性负氧化还原电位电解水的装置。
为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是一种弱碱性负电位电解水制取装置，包括电解槽，置于电解槽内的阴、阳电极，以及与阴阳电极电连接的直流脉冲电源，所述阴电极的表面积大于阳电极的表面积。
本发明的弱碱性负电位电解水制取装置的有益效果可以用本文后面实施例的实验数据来证实，同时可以用本发明人经深入研究后得出的以下理论分析来加以说明 1、弱碱性的形成 水通电后产生电解反应，反应式是H2O＝H++OH-，电解反应产生的氢根和氢氧根分别在阴极和阳极发生还原反应和氧化反应，生成的氧气和氢气会分别附着在正极和负极。由于氢键比氢氧键更容易打开而形成氢气，这样当阴极面积大于阳极时，就更有利于析氢反应的发生，而阳极相对阴极面积小则会导致阳极的电解反应不够充分；最终导致水中氢氧根的生成大于氢根的生成而使电解后的水整体显示弱碱性。即使对于含有电解质的水(如自来水或含矿物质的纯水)来说，在电解时，水中的阴离子如(Cl-)移向阳极发生氧化反应，而阳离子(Ca2+、Mg2+、Na+)移向阴极发生还原反应，由于阴极面积大于阳极，阴离子在阳极产生的副反应更容易影响氢氧根的氧化反应程度，而阳离子在阴极产生的副反应对氢根影响相对要小，因此同样可以得到弱碱性的水。
2、负氧化还原电位的形成 电解时能量的转移实际上是电子的转移，如高电压负离子发生器即是利用能量电子转移的原理来利用单电极向空气中发射负离子。在水电解时，电能主要转化为使水温度升高的热能和使水发生电化学反应的化学能。当用脉冲电流电解时，电极电压也随之发生波状变化，提高了单位时间瞬间电压，可以提高化学能产生而降低热能消耗。高化学能则会使水中电子聚集，此时水中的氢原子在高电压高能量情况下容易夺得电子形成相对稳定的氢负离子态。随着水中氢负离子的不断积聚，使水的氧化还原电位持续降低，最终成为稳定态的负电位水。
此外，水电解时，附着在阴极的氢在形成分子的过程中会先形成原始状态的氢，也就是带电子的活性氢(H-)。对于含有电解质的水来说，会因电解而在阴极周围浮游很多纳米级金属微粒。这些悬浮的金属微粒具有吸附活性氢的性能，活性氢就会附着在金属微粒上形成相对稳定的存储状态。活性氢与这些金属微粒只是相互附着并无发生反应连接。因此仍保持其的原始状态(即H-)。当阴极面积大于阳极时，可以使附着在阴极的还原氢能更充分地与金属微粒接触并发生吸附反应，从而使水中存在更多的活性氢稳定态。当活性氢(H-)在水中运动遇到氢离子(H+)，部分活性氢就会与氢离子发生反应而使水中的氢离子(H+)数量减少。
综合以上理论分析，可以得出本发明的弱碱性负电位电解水制取装置，不仅结构简单，而且能够快速有效制取适宜人饮用的弱碱性负氧化还原电位电解水。
值得一提的是以上理论分析从现有理论是无法得到任何有关启示的；恰恰相反，现有的普遍认识是阴、阳两电极面积大小不等是根本制不出有用的弱碱性负氧化还原电位电解水的。在本发明之前的电解水领域尚缺乏足够的理论指导情况下，为了突破现有技术无法简单、快速、有效制取弱碱性负氧化还原电位电解水的瓶颈，本发明人进行了长期的反复实验，最终找到阴、阳两电极面积大小不等这一事后看似容易，但事前却难以想象并需经历艰辛实验过程方能得到的认识和灵感。这就足以证明本发明的弱碱性负电位电解水制取装置不是显而易见就能得到的。
上述技术方案的改进是所述阳电极在与所述阴、阳电极的几何中心连线相垂直的平面内的正投影位于所述阴电极在所述平面内的正投影的范围之内。
本发明人在找到上述阴、阳两电极面积大小不等这一关键技术后，在进一步实验中发现，当阳电极和阴电极在与其几何中心连线相垂直的平面内的正投影彼此包围重合的情况下(即阳电极在该平面内的正投影位于阴电极在该平面内的正投影的范围之内的情况下)，制取电解水的弱碱性和负氧化还原电位指标更为理想。在此需要强调说明的是电极的有效反应面积和电极的几何面积是有区别的。这是因为电解反应会因阴、阳两极的相对位置不同而不同。如图1所示，当面积大小不同的阴、阳两电极之间只是平行错开放置时，电解反应主要是在两电极在与其几何中心连线相垂直的平面内相互重合的部分之间发生(电流只沿阻抗最小路径流通)，这样阴、阳两电极的有效反应面积仍然趋于1∶1。
上述技术方案的进一步改进是所述阳电极与阴电极的表面积之比是1∶1.5～1∶8；所述阳电极与阴电极的间距的范围是4mm-1000mm。
本发明人又从无数实验中总结出阳电极与阴电极的表面积之比和阳电极与阴电极的间距同时满足上述条件范围时，能够制取满足弱碱性和负氧化还原电位指标的电解水。需要强调说明的是如图2所示，当表面积大小不同的阴、阳两电极之间的间距超出上述条件范围时，两极板边缘出现倾角，仍然会出现阴、阳两电极的有效反应面积不等同于其几何面积比的情况；对于电导率较高的源水(例如北方城市自来水)来说，保持合适的阳、阴电极表面积之比和阳、阴电极的间距尤为重要。
上述技术方案的更进一步改进是所述直流脉冲电源是输出直流脉冲电压的波形、幅值、占空比、功率均可调节的扫频脉冲发生器。经过本发明的发明人大量实验得出，采用这种直流脉冲电源可以更有效地完成制取适宜人饮用的弱碱性负氧化还原电位电解水。
上述技术方案的完善之一是所述阴、阳电极均是与电解槽侧壁平行放置在电解槽内的平板。
上述技术方案的完善之二是所述阴、阳电极在与其几何中心连线相垂直的平面内的投影面积基本相同，所述阳电极上制有均匀密布通孔。
上述技术方案的完善之三是所述阴、阳电极倾斜放置在电解槽内并与电解槽内侧壁形成一夹角。
上述技术方案的完善之四是所述阳电极是球体，所述阴电极是平板。
上述技术方案的完善之五是所述阳电极是不规则的近似球体，所述阴电极是不规则的曲面板。
上述技术方案的完善之六是所述阳电极是带有通孔的不规则平板，所述阴电极是大于阳电极的四边带倒角的平板。
上述技术方案的完善之七是所述阳电极是位于电解槽中央处的圆柱体，所述电解槽的内壁作为阴电极。
上述技术方案的进一步完善是所述阳电极是由钛基表面镀惰性材料制成的惰性电极，所述惰性材料是铂、铱和钌之一。
本发明在上述技术方案的基础上所衍生的另一种技术方案是一种电解饮水机，包括弱碱性负电位电解水制取装置，还包括进水口、出水口和串接于出水口的加热装置；所述电解槽是金属桶，其内壁作为阴电极；所述阳电极安置在所述金属桶内部正中央。
上述另一种技术方案的完善是所述阳电极与阴电极的表面积之比是1∶6，所述阳电极与阴电极的间距的范围是30mm-1000mm。
上述另一种技术方案的进一步完善是所述金属桶是不锈钢金属桶，所述阳电极是由钛基表面镀惰性材料制成的圆柱环状惰性电极，所述惰性材料是铂、铱和钌之一。
下面结合附图对本发明弱碱性负电位电解水制取装置及电解饮水机作进一步说明。
图1是说明不同于本发明弱碱性负电位电解水制取装置的第一种阴阳电极放置情况的结构示意图。
图2是说明不同于本发明弱碱性负电位电解水制取装置的第二种阴阳电极放置情况的结构示意图。
图3是本发明实施例一弱碱性负电位电解水制取装置的结构示意图。
图4是图3的A-A向截面图。
图5是本发明实施例二弱碱性负电位电解水制取装置的结构示意图。
图6是图5的B-B向截面图。
图7是本发明实施例三弱碱性负电位电解水制取装置的截面结构示意图。
图8是本发明实施例四弱碱性负电位电解水制取装置的结构示意图。
图9是本发明实施例五弱碱性负电位电解水制取装置的结构示意图。
图10是本发明实施例六弱碱性负电位电解水制取装置的结构示意图。
图11是本发明实施例七弱碱性负电位电解水制取装置的截面结构示意图。
图12是本发明实施例八弱碱性负电位电解水制取装置的结构示意图。
图13是本发明实施例九电解饮水机的结构示意图。
具体实施例方式 实施例一 本实施例的弱碱性负电位电解水制取装置，如图3和图4所示，包括电解槽1、置于电解槽1内的阴、阳电极2、3和连接阴、阳电极2、3的直流脉冲电源4。电解槽1采用非导电材质制成，阴、阳电极2、3均呈平板状并均是由钛基表面镀铂、铱或钌等惰性材料制成的惰性电极，阴、阳电极2、3与电解槽1的侧壁平行放置在电解槽1内。阴电极2的表面积大于阳电极3的表面积，其中，阳电极3与阴电极2彼此的表面积之比是1∶1.5，阳电极3在与阴、阳电极2、3的几何中心连线相垂直的平面内的正投影位于阴电极2在该平面内的正投影的范围之内。此时根据实验测算，阳电极3与阴电极2的间距的理想范围是80mm-300mm。直流脉冲电源4是输出直流脉冲电压的波形、幅值、占空比、功率均可调节的扫频脉冲发生器。
实施例二 本实施例的弱碱性负电位电解水制取装置是在实施例一基础上的改进，如图5和图6所示，除与实施例一相同以外所不同的是阴、阳电极2、3在与其几何中心连线相垂直的平面内的投影面积基本相同，但阳电极3上制有均匀密布通孔5，阳电极3与阴电极2的表面积之比是1∶5(本实施例阳电极表面积是指去除通孔5后所余的表面积)。此时实验测算，阳电极3与阴电极2的间距的理想范围是10mm-450mm。
实施例三 本实施例是在实施例二基础上的改进，如图7所示，除与实施例二相同以外所不同的是阳电极3上的通孔5更大更密集，从而使阳电极与阴电极的表面积之比为1∶8(本实施例阳电极的表面积是指去除通孔5后所余的表面积)。此时根据实验测算，阳电极3与阴电极2的间距的理想范围是4mm-600mm。
将上述三个实施例中的弱碱性负电位电解水制取装置与采用阴、阳电极表面积相同的电解水装置分别进行制取电解水实验，主要实验条件是 1)选用市售娃哈哈瓶装纯净水、瓶装农夫山泉矿泉水和南京市供自来水三种水源； 2)三个实施例中的电解槽1均为方形塑料容器180mm×130mm×130mm，约3升，实际注水容积＝2200ml，阴、阳两电极2、3分别放置在电解槽1两侧内壁附近，阳电极3的表面积≈150cm2，并保持阴、阳两电极2、3的间间≈180mm； 3)直流脉冲电源采用可变脉宽的直流脉冲电源，输出峰值电压范围0-220V，输出峰值直流电流范围0-500毫安，其中A.实验源水为纯净水时，保持最大输出峰值电压220V，制水周期均为30分钟，期间电解平均电流从I＝3ma-60ma变化不等(由于纯水电导率低，电流从开始到稳定有一波动范围)；B.实验源水为市售农夫山泉矿泉水时，制水周期均为15分钟，保持电解平均电流I＝80ma；C.实验源水为南京市供自来水时，制水周期均为5分钟，保持电解平均电流I＝150ma； 4)为使实验结果准确，每一制水周期完成后将电解槽1中水全部倒出至外部容器，充分搅拌并静置2分钟再测量PH及ORP值(Oxidation-Reduction Potential的缩写，它表示溶液的氧化还原电位)，用石蕊试剂对比检测PH值。
实验结果如下表1-表3 表1
表2
表3
从表1-表3可见 (1)随着阳极与阴极表面积比值的增大，所制取电解水的PH值和氧化还原负电位(ORP)值也增加，不同源水水质(如电导率不同)均是如此； (2)对于自来水，水中所含离子情况十分复杂，可能会发生各种副反应，水解生成碱性物质，因此当阳极与阴极表面积相等时，也可能有一定弱碱性和ORP值，但远不如阳极与阴极不等比表面积时效果明显。
实施例四 本实施例是在实施例一基础上的一种变化，如图8所示，其结构与实施例一基本相同，变化之处在于阴、阳电极2、3在电解槽1内是倾斜放置，两电极板与电解槽1内侧壁形成一夹角。
实施例五 本实施例是在实施例一基础上的另一种变化，如图9所示，其结构与实施例一基本相同，变化之处在于阳电极3是球体，阴电极2是平板状。
实施例六 本实施例是在实施例一基础上的又一种变化，如图10所示，其结构与实施例一基本相同，变化之处在于阳电极3是不规则的近似球体状，阴电极2是不规则的曲面板状。
实施例七 本实施例是在实施例三基础上的一种变化，如图11所示，其结构与实施例三基本相同，变化之处在于阳电极3是带有通孔5的不规则平板状，阴电极2是略大于阳电极3的四边带倒角的平板状。
实施例八 本实施例是在上述各实施例基础上的一种变化，如图12所示，其结构除与上述各实施例相同以外，变化之处在于阳电极3是位于电解槽1中央处的圆柱体，电解槽1采用导电材料制作，电解槽1的内壁作为阴电极2。
本发明的发明人将上述实施例四至实施例八的五种弱碱性负电位电解水制取装置按照前述实施例一至实施例三的实验方法分别进行实验，实验所得结果与前述实施例一至实施例三的实验结果大同小异，在此不再赘述。
实施例九 本实施例是在上述实施例八基础上改进而来的一种电解饮水机，如图13所示，该电解饮水机除包括上述实施例的弱碱性负电位电解水制取装置以外，1)还包括进水口6、出水口7和串接于出水口7上的加热装置8；2)电解槽1是不锈钢金属桶，其内壁作为阴电极；3)阳电极3是由钛基表面镀铂、铱或钌等惰性材料制成的圆柱环状惰性电极，阳电极3安装在不锈钢金属桶体内部正中央；4)阳电极3与阴电极2的表面积之比是1∶6(本实施例阳电极的表面积包括裸露在外与水接触的全部表面积，阴电极2的表面积是不锈钢金属桶内壁的面积)，此时根据实验测算，阳电极3与阴电极2的间距的理想范围是30mm-1000mm。
由于不锈钢金属桶体具有很好的机械强度和外表面装饰性，可以省去饮水机外壳以降低产品成本；不锈钢金属桶本身又是一个大容量的储水桶，可以省去饮水机外部储水罐；尤其是，对于制取弱碱性负电位小分子团饮用水，不锈钢金属桶内壁兼作为阴极电极，可以避免常规饮水机(热胆)难以解决的重金属析出超标问题。
本实施例的电解饮水机可以采用市售桶装水(纯净水或矿泉水)，也可以是市供自来水作为源水。电解饮水机的加热装置根据用户需要提供常温水或即时提供热水或开水。
本实施例的电解饮水机分别采用上述三种源水的典型实验数据示于表5 表5
从表5可以看出，本实施例的电解饮水机可以制取碱性值和氧化还原电位值完全满足标准的适宜人饮用的电解水。注2007年4月30日出台的电解制水机行业标准(CAS 124-2007)限定碱性电解水的pH值7.0～9.5、ORP＜0mV，中国国家标准(GB 5749-2006)规定PH值不小于6.5且不大于8.5。
本实施例的电解饮水机，电解槽1在活化工作中，源水中的钙镁离子等不断移向阴极，附着在作为电解槽1的不锈钢金属桶内壁上，使得水的硬度得以降低。当完成若干制水周期后，可以倒换阴阳极的极性，使施加在作为阴电极2的不锈钢金属桶内壁上的电压为正，而阳电极3上的电压为负，这样就可以使附着在不锈钢金属桶内壁上的浮垢剥离下来，经排污口9排出。
本发明的用于制取功能水的电极不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如阴、阳电极2、3不一定是由钛基表面镀铂、铱或钌等惰性材料制成的惰性电极，也可以是由普通金属材料(如铜、铝、不锈钢等)表面镀其他金属材料制成的非惰性电极，但从饮水安全角度考虑，阳电极3最好采用上述惰性电极；等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。
权利要求
1.一种弱碱性负电位电解水制取装置，包括电解槽，置于电解槽内的阴、阳电极，以及与阴阳电极电连接的直流脉冲电源，其特征在于所述阴电极的表面积大于阳电极的表面积。
2.根据权利要求1所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极在与所述阴、阳电极的几何中心连线相垂直的平面内的正投影位于所述阴电极在所述平面内的正投影的范围之内。
3.根据权利要求2所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极与阴电极的表面积之比是1∶1.5～1∶8；所述阳电极与阴电极的间距的范围是4mm-1000mm。
4.根据权利要求3所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述直流脉冲电源是输出直流脉冲电压的波形、幅值、占空比、功率均可调节的扫频脉冲发生器。
5.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阴、阳电极均是与电解槽侧壁平行放置在电解槽内的平板。
6.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阴、阳电极在与其几何中心连线相垂直的平面内的投影面积基本相同，所述阳电极上制有均匀密布通孔。
7.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阴、阳电极倾斜放置在电解槽内并与电解槽内侧壁形成一夹角。
8.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极是球体，所述阴电极是平板。
9.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极是不规则的近似球体，所述阴电极是不规则的曲面板。
10.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极是带有通孔的不规则平板，所述阴电极是大于阳电极的四边带倒角的平板。
11.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极是位于电解槽中央处的圆柱体，所述电解槽的内壁作为阴电极。
12.根据权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极是由钛基表面镀惰性材料制成的惰性电极，所述惰性材料是铂、铱和钌之一。
13.一种电解饮水机，其特征在于包括权利要求1-4之任一所述弱碱性负电位电解水制取装置，还包括进水口、出水口和串接于出水口的加热装置；所述电解槽是金属桶，其内壁作为阴电极；所述阳电极安置在所述金属桶内部正中央。
14.根据权利要求13所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述阳电极与阴电极的表面积之比是1∶6，所述阳电极与阴电极的间距的范围是30mm-1000mm。
15.根据权利要求14所述弱碱性负电位电解水制取装置，其特征在于所述金属桶是不锈钢金属桶，所述阳电极是由钛基表面镀惰性材料制成的圆柱环状惰性电极，所述惰性材料是铂、铱和钌之一。
全文摘要
本发明涉及一种用于弱碱性负电位电解水制取装置，还涉及一种电解饮水机，属于电解水装置技术领域。该弱碱性负电位电解水制取装置包括电解槽，置于电解槽内的阴、阳电极，以及与阴阳电极电连接的直流脉冲电源，阴电极的表面积大于阳电极的表面积。该电解饮水机除包括该弱碱性负电位电解水制取装置以外，还包括进水口、出水口和串接于出水口的加热装置；电解槽是金属桶，其内壁作为阴电极；阳电极安置在所述金属桶内部正中央。该弱碱性负电位电解水制取装置和电解饮水机不仅结构简单，而且能够快速有效制取适宜人饮用的弱碱性负氧化还原电位电解水。
文档编号C02F1/461GK101759252SQ20101010500
公开日2010年6月30日 申请日期2010年1月25日 优先权日2010年1月25日
发明者肖志邦 申请人:肖志邦