饮水电解制取装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种饮水电解制取装置，属于水电解设备【技术领域】。该装置包括盛水容器、设于盛水容器内的至少一对阴电极和阳电极、用于对阴电极和阳电极供电的电解电源；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。该装置对水电解时可以制取出氧化还原电位低富含氢且具有一定杀菌能力的适宜饮用的水。
【专利说明】饮水电解制取装置
【技术领域】
[0001 ] 本发明涉及一种水电解装置，属于水电解设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002]现实中，日常用水尤其是生活用水所受污染越来越严重。现有以介质吸附或采用各种孔径的过滤膜将水中的有害物加以拦截滤除的物理方式处理工艺，由于吸附材料很容易饱和失效，而各种过滤膜又很容易被细菌污染或有机物阻塞或破损，实际情况是并不能达到理论设计所期望的水质净化效果，甚至连细菌超标问题都难以解决。另一方面，伴随社会的进步与生活水平的提高，人们也对日常用水健康指标提出更高要求。例如，期望饮水中富含氢、氧化还原电位比较低，以消除人体内号称“万病之源”的氧自由基，健康长寿。目前相对能满足上述日常用水综合需求的是电化学水处理技术。
[0003]电化学水处理，通过对水电解反应专门过程，既可制取得到氧化还原电位低富含氢的有益健康水，同时又通过阳极反应等过程，在水中生成强氧化因子，灭活细菌和降解水体中的各种污染物。例如已公示中国专利I (申请号201010120654.X)—种碱性还原水无隔膜电解装置，以及中国专利2 (申请号201010525481.X)还原水无隔膜电解装置，主要以制取富氢水为目的，兼有一定杀菌净化作用(主要通过阳极直接氧化和活性炭的吸附)。不过，中国专利I电解效率较低，且易碱性超标；中国专利2针对前者不足，将阴、阳两电极之间距离δ范围减小限定为5m > δ>0 ;但阴、阳两电极之间距离δ范围过小，又不可避免会发生因活性炭阳极表面破损剥落情况导致阴、阳极间短路。因此该专利现实应用中难以将S范围减小至Imm以下。总之，上述两专利的制水效率及水质净化能力均显不足需要改进。
[0004]此外，日常饮水场合因及装置不同，水的污染程度也不同。既要制取出健康的水，又要净化杀菌确保饮水安全，还要防止过度消毒导致水的生物性指标变差。然而，迄今尚没有一种既能改善水的健康指标同时又可针对具体饮水场合，适当调整水的杀菌净化能力的水处理装置。
【发明内容】
[0005]通过上述【背景技术】的描述可以知道，现有水净化处理技术不能保证日常饮水的安全；现有水电解处理技术只能解决人们对日常饮水的单一需求，目前尚没有一种可以同时满足人们对日常饮水的安全和健康需求的水电解装置。具体说，就是目前还没有一种水电解装置可以在高效制取氧化还原电位低富含氢的水的同时可以有效调节和控制氧化因子的生成量，以便根据人们对日常饮水的安全和健康的不同需求，制取出和去具有一定杀菌能力的适宜饮用的水。
[0006]因此，本发明要解决的技术问题是:提出一种通过电解可以制取出氧化还原电位低富含氢且具有一定杀菌能力的适宜饮用的水的装置。
[0007]为了解决上述技术问题，本发明申请公开的技术方案是:一种饮水电解制取装置，包括盛水容器、设于盛水容器内的至少一对阴电极和阳电极、用于对阴电极和阳电极供电的电解电源；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是OS δ <10毫米。
[0008]上述技术方案中所述透水性隔膜也叫透水膜或透水性隔离膜，是指可以穿透水分子的隔膜，其透水孔径从毫米级到纳米级，包括日常水处理使用的各种过滤膜，如:超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)和微滤膜(MF)，等。
[0009]上述技术方案中所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，是指透水性隔膜与阳电极之间基本是零间距。
[0010]上述本发明申请公开的技术方案工作机理陈述如下:
[0011]本发明装置中所述透水性隔膜并非常规采用的离子膜，而是在水电解领域中从未用过的一种隔离膜，本发明人创新地将该透水性隔膜引入水电解装置中作为阴、阳电极间的隔离膜。
[0012]对水电解的正常反应是，阴极析氢(气)、阳极析氧(气)，H+离子趋向阴极区域，而OH—离子则趋向阳极区域。本发明装置中，阴、阳电极之间设置有透水性隔膜，将电解池分割为阴极室和阳极室两个反应空间。
[0013]I)透水性隔膜与阴电极的间距δ大于零，即阴极室容积大于零，阴极析氢反应正常进行，生成氢气，阴极室、进而整个容器水的氧化还原电位下降
[0014]H++e_ — H H+H — H2 f H+e_ — F
[0015]2)阳极室析氧反应为
[0016]①从水里迁移到阳极表面的液相传质吸附
[0017]0H—(水)一0H—(阳极表面)
[0018]②在阳极表面发生的反应
[0019]OH- —OH+e-
[0020]0Η+0Η — 0+H20[0021 ] 0Η+0Η — 0+e +H2O
[0022]0+0 — O2 i
[0023]由于透水性隔膜覆盖在阳电极上，相当于阳极室容积=0，阳极析氧反应因隔膜对阳极的覆盖受到干扰。在阳极脱附转化反应生成的H2O以及在阳极析出的氧气，由于无处释放，只能在克服了透水性隔离膜的透水水阻后，穿过隔膜中无数微孔通道向阴极室迁移。
[0024] 3)本发明装置中，隔膜的无数微孔蓄水空间，等效于阴、阳电极电解电流通路中相互并联的一个个微小水电阻。因阴电极与膜之间间距S很小，阴极室水电阻压降可以忽略不计，外加电解电压主要作用在透水性隔膜上，每个微孔中单位电压强度极高。再加上透水性隔离膜的透水孔径很小(微米级乃至纳米级)，从阴极释放的高能电子在微孔中密集，相当于将一个大的放电电极(阴极)分解为无数个小曲率半径电极。因此，不仅在透水性隔膜微孔中对水电解氧化还原反应可充分进行，从阳极迁移到膜孔内的O2受高能电子的轰击及强电场作用生成氧气泡，并激发连锁反应，诱发水体自身气化，在微孔内形成连续稳定的等离子放电，生成大量氧化因子，最终通过阴极区域扩散到容器水中。
[0025]综合上述反应过程可知，本发明通过创新的在阴、阳电极之间设设置透水性隔膜，并将该透水性隔膜覆盖阳极以及控制透水性隔膜与阴电极的间距，带来的直接效果是:[0026]I)本发明装置不仅可制取得到氧化还原电位低富含氢的有益健康水，同时在水中还生成相当多的强氧化因子，较之其它现有富氢水制取技术，杀菌净化能力大大提升；
[0027]2)透水性隔离膜通常可以很薄(例如超滤膜的厚度可做到0.1mm~0.5mm)，在阴阳极之间加入隔离膜后，可以将阴阳电极之间间距稳定保持在基本等于隔离膜的厚度范围，同等工況下的电解电压可以很低，甚至仅仅以一块3.7V锂电池供电，可以形成2安培以上的工作电流，现有技术是无法做到的；加上膜中发生的等离子放电高效反应因素等，使得本发明装置的实际功耗较之同类装置大大降低。当覆盖碳材质阳极时，还可有效防止碳颗粒剥落造成短路。
[0028]3)通过对隔离膜与电极性状等的适当选择及调整，可以控制水中氧化因子的生成，以适应不同场合的饮水需求。
[0029]本发明装置中，透水性隔膜的透水孔径大小进一步影响本发明装置处理水的效果。透水孔径小，则对阳极析氧气化反应的抑制效果好，而且透水孔径减小相当于放电电极的曲率半径减小，也有利于等离子放电的进行；但是透水孔径过小，对阳极析氧气化反应抑制过度，相当于大幅度提高了阳极析氧电位，在外加电解电压不变的情况下，阴阳极之间的电解电流大大下降，反而导致本发明装置中所期望的各种反应不能进行。此外，膜的透水孔径选择还关联到膜的 机械强度等多种因素。经实践中反复试验，根据不同的用水需求综合考虑，本发明装置选择透水膜的孔径范围从2毫米到I纳米之间，涵盖日常生活水处理常用的超滤膜、纳滤膜和微滤膜。亦即，上述本发明技术方案的改进是:所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于I纳米。
[0030]上述本发明技术方案完善一是:所述透水性隔膜是单层透水性隔膜或者是多层透水性隔膜。其中，单层透水性隔膜可以是超滤膜或是采用碳质材料制成的透水性隔膜；多层透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜是采用碳质材料制成的透水性隔膜。
[0031]通过上述对本发明技术方案的完善一，可以在保证正常析氢反应的同时，又将水中有害物质吸附到活性炭膜中进行氧化降解，而且抑制水中的氧化物质不至于太多，防止生物指标变差，尤其适合对以“饮”为目的的生活水进行处理。进一步地，倘若透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，且其中靠近阳电极的一层透水性隔膜具有导电性和微米级孔径(例如是由导电性陶瓷或活性炭纤维制成)，则将带来进一步的下述变化:
[0032]I)因为具有良好导电性，其本身产生的电压降很小，因此保证了水中等离子放电仍主要在靠向阴极一侧的非导电的、透水孔径更小的透水膜(一般选择为超滤膜)中进行。
[0033]2)由于介质的多孔性，一方面可以强化对阳极析氧的抑制，另一方面可以将源水中的污染物吸附在导电性陶瓷或活性炭纤维的孔隙里，受到阳极的直接氧化和间接氧化作用而深度降解去除。
[0034]3)对自来水中残留余氯有很好吸附，并在阳极作用下转化为无害氯离子，大大降低了水中残留余氯可能生成毒付产物的危险。
[0035]上述本发明技术方案完善二是:透水性隔膜与阳电极的具体覆盖可以是覆盖阳电极的全部表面，也可以是覆盖阳电极的部分表面；当覆盖阳电极的部分表面时，优选是覆盖阳电极相对阴电极一侧的表面(也是主要反应面)。
[0036]上述本发明技术方案完善三是:所述阴电极上开有第一通孔，所述第一通孔的孔径大于等于I毫米。通过这样的改进，可以有利于阴极反应更充分进行，并将阴电极与隔离膜之间区域产生的氢气泡更好导出。
[0037]上述本发明技术方案完善四是:所述透水性隔膜上开有第二通孔，所述第二通孔的孔径大于2毫米。在透水性隔膜上开有第二通孔，实质等效于产生一个个的无膜电解小区域，或者说相当于引入叠加了常规无膜电解反应，可以适当改变本发明装置的水处理效果，例如调整水的pH值等。第二通孔与透水性隔膜的透水孔区别在于:透水孔是采购的隔膜自身固有的，第二通孔则是另外单独制作的。
[0038]上述本发明技术方案完善五是:所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或交变脉冲电源，交变脉冲电源的正向电压大于反向电压。
[0039]作为上述本发明技术方案的应用拓展之一是:本发明提出一种水杯，该水杯含有上述本发明技术方案。 [0040]作为上述本发明技术方案的应用拓展之二是:本发明提出一种水壶，该水壶含有上述本发明技术方案。
[0041]作为上述本发明技术方案的应用拓展之三是:本发明提出一种饮水机，该饮水机含有上述本发明技术方案。
[0042]作为上述本发明技术方案的应用拓展之四是:本发明提出一种热水瓶，该热水瓶含有上述本发明技术方案。
[0043]作为上述本发明技术方案的应用拓展之五是:本发明提出一种净水器，该净水器含有上述本发明技术方案。
[0044]作为上述本发明技术方案的应用拓展之六是:本发明提出一种开水炉，该开水炉含有上述本发明技术方案。
[0045]作为上述本发明技术方案的应用拓展之七是:本发明提出一种泡茶机，该泡茶机含有上述本发明技术方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0046]下面结合附图对本发明的饮水电解制取装置作进一步说明。
[0047]图1是本发明实施例一饮水电解制取装置的结构示意图。
[0048]图2是本发明实施例二饮水电解制取装置的结构示意图。
[0049]图3是本发明实施例三饮水电解制取装置的结构示意图。
[0050]图4是本发明实施例四二饮水电解制取装置的结构示意图。
[0051]图5是图4中A处的局部放大图。
[0052]图6是本发明实施例五饮水电解制取装置的结构示意图。
[0053]图7是图6中B处的局部放大图。
[0054]图8是本发明实施例六饮水电解制取装置的结构示意图。
[0055]图9是图8中C处的局部放大图。
[0056]图10是本发明实施例七饮水电解制取装置的结构示意图。
[0057]图11是本发明实施例八饮水电解制取装置的结构示意图。
[0058]图12是图11中D处的局部放大图。
[0059]图13是本发明实施例九饮水电解制取装置的结构示意图。[0060]图14是图13中E处的局部放大图。
[0061]图15是本发明实施例十饮水电解制取装置的结构及部件放大组合示意图。
[0062]图16是本发明实施例1^一饮水电解制取装置的结构及部件放大组合示意图。
【具体实施方式】
[0063]实施例一
[0064]本实施例的饮水电解制取装置参见图1，包括盛水容器1、设于盛水容器I内的一对阴电极2和阳电极3、用于对阴电极2和阳电极3供电的电解电源4 ;本实施例的盛水容器I为敞开式容器。在阴电极2和阳电极3之间设有透水性隔膜5，透水性隔膜5覆盖阳电极3上，透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是1mm。本实施例的透水性隔膜5采用平均透水孔径0.03微米的 单层PVDF超滤膜(聚偏二氟乙烯膜)，厚度为0.1mm。当然本实施例的超滤膜也可以采用其他材质的超滤膜，平均透水孔径在0.01~0.05微米之间均可。
[0065]本实施例的透水性隔膜5覆盖阳电极3的全部表面，即包覆电极3的全部表面。
[0066]本实施例的阴电极2采用钛基覆涂钼族氧化物(涂层厚度为0.8毫米)制成的惰性电极，阴电极2呈圆形片状；阳电极3采用石墨或活性炭等碳质材料制成，呈长方形片状。阴电极和阳电极的表面均不开孔。
[0067]本实施例的电解电源4采用高电平窄脉宽稳压30伏的直流脉冲电源，也可以采用交变脉冲电源(但正向电压要大于反向电压)。
[0068]本实施例的阴电极2和阳电极3在盛水容器I内的水中平行放置时，阴电极2位于阳电极3的上方。
[0069]采用本实施例的饮水电解装置进行水电解实验，盛水容器I的容积为200X80X120毫米，源水是RO纯水机的出水，TDS=3mg/L，盛水容器注水约1.5升，电解时间为30分钟，每5分钟取水样测定一次；
[0070]以下实验中，水中气泡量(强度)以及水中氧化因子多少采用定性观测方法
[0071]①水中气泡量(强度)的目测分级:
[0072]从水中气泡为零~实验中相对气泡含量最大，分为O~5级；
[0073]②水中氧化因子的测定
[0074]如前所述，由于氧化因子在水中存留时间极为短暂，现有的检测方法(例如化学反应法和捕获法)的分析选择性和可信度还难以令人满意。同时考虑到本发明装置系专用于日常用水的处理，侧重关心的是氧化因子的变化趋势级宏观作用。因此为简化重复实验工作量，专门研发了定性了解水中氧化因子总量的滴定液。通过自制滴定液滴定到水中后，观察水体颜色的变黄程度，分为5级，定性判定水中氧化因子含量:
[0075]无色-对应水中氧化因子基本为零，设为O级；
[0076]颜色最黄-对应水中氧化因子相对最多,设为5级；
[0077]从无色到颜色最黄中间颜色变化的程度不同分设为1、2、3和4级。
[0078]实验结果如下表1:
[0079]表1
[0080]
【权利要求】
1.一种饮水电解制取装置，包括盛水容器、设于盛水容器内的至少一对阴电极和阳电极、用于对阴电极和阳电极供电的电解电源；其特征在于:成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是O≤δ≤10毫米。
2.根据权利要求1所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于I纳米。
3.根据权利要求2所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜是由碳质材料制成的透水性隔膜。
4.根据权利要求2所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜是单层透水性隔膜，所述阳电极是含有碳质材料的阳电极。
5.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述单层透水性隔膜是超滤膜。
6.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述单层透水性隔膜是采用碳质材料制成的透水性隔膜。
7.根据权利要求3所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述阳电极是采用碳质材料制成的阳电极。
8.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述阳电极是采用碳质材料制成的阳电极。
9.根据权利要求3所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述阳电极是由钛基覆涂钼族氧化物制成的惰性电极和采用碳质材料制成的惰性电极复合而成，其中采用碳质材料制成的惰性电极靠近阴电极。
10.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述阳电极是由钛基覆涂钼族氧化物制成的惰性电极和采用碳质材料制成的惰性电极复合而成，其中采用碳质材料制成的惰性电极靠近阴电极。
11.根据权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜覆盖所述阳电极的全部表面。
12.根据权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜覆盖所述阳电极的部分表面。
13.根据权利要求12所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜覆盖所述阳电极朝向所述阴电极一侧的全部表面。
14.根据权利要求12所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜覆盖所述阳电极朝向所述阴电极一侧的部分表面。
15.根据权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述阴电极上开有第一通孔，所述第一通孔的孔径大于等于I毫米。
16.根据权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜开有第二通孔，所述第二通孔的孔径大于2毫米。
17.根据权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于:所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或交变脉冲电源，交变脉冲电源的正向电压大于反向电压。
18.—种水杯，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置。
19.一种水壶，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置。
20.一种饮水机，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置。
21.一种热水瓶，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置。
22.—种净水器，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置。
23.—种开水炉，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置。
24.一种泡茶机，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述饮水电解制取装置。
【文档编号】C02F1/461GK103936109SQ201410145755
【公开日】2014年7月23日 申请日期:2014年4月12日 优先权日:2014年4月12日
【发明者】肖志邦 申请人:大连双迪创新科技研究院有限公司