日常用水电解制取装置制造方法
【专利摘要】本发明涉及一种日常用水电解制取装置，属于水电解设备【技术领域】。该装置包括包括盛水容器、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，所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于1纳米。该装置对水电解时可低耗、高效的生成大量安全可用的氧化因子并可以有效调节水中氧化因子，从而强化对水中污染物的洗涤清除效果，同时满足用户对于用水安全和功能性等多方面需求。
【专利说明】日常用水电解制取装置
【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】，不属于污水处理【技术领域】。
【背景技术】
[0002]现实中，日常用水(不含污水)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，有必要引入新的水质强效净化技术。另一方面，伴随社会的进步，人们也对日常用水提出一些功能性需求。例如，期望 能够增强水的洗涤能力、清除被洗涤物中的污物、以节能减排，等等。针对上述对日常用水的需求，比较适宜的是水体等离子放电技术。
[0003]等离子体是由大量自由电子和离子组成、且在整体上表现为电中性的物质第四态。所谓水体等离子放电技术，乃是通过适当方式诱发水中放电，促使水分子发生电离与激发。水体等离子放电技术具体形式有多种变化，共同特征是，水中存在大量气泡，以及生成大量强氧化因子(.0H、.H、H2O2、游离氧、臭氧等等)；显然对洗涤而言，水中的超微气泡可深度渗透到洗涤物内部将污垢冲洗剥落；而强氧化因子可将水体中的各种污染物高效降解。然而，现有水体等离子放电技术存在初始激发电压较高、电极侵蚀较严重、能耗过高等不足，尚难以在日常用水尤其是生活用水中应用。
[0004]中国专利I (ZL200480007381.0)公示了一种以所谓“虚拟网孔点”水中放电方法制取离子化杀菌水的技术与装置，对于水体等离子放电技术用于日常生活用水作了十分有益的尝试。然而，该技术不仅受放电机理及实际制造工艺限制(阴阳电极间距不能保持很小)效率难以提高，尤其是不能根据日常用水不同场合的具体用水需求，对水中放电生成的强氧化因子类型及数量做相应调整；故应用范围有限。
[0005]至于污水处理中通过电解生成强氧化因子的技术，由于污水与日常用水在水质上差距甚大，且污水电解处理属于高能耗工业技术，因此与日常用水电解的民用技术完全不同。
【发明内容】
[0006]通过上述【背景技术】的描述可以知道，现有水处理技术只针对单一需求而且也难以达到，目前尚没有一种可以同时满足人们对日常用水的安全和功能性需求的水处理装置。在日常用水领域，需要寻求一种低功耗、高效和用水安全的微放电水体冷等离子体发生，同时能将产生的冷等离子体充分均匀释放而达到与水充分反应的技术或装置；或者说，需要一种可以低功耗、高效产生大量安全可用氧化因子的水处理装置，以便根据人们对日常用水的安全或功能性的不同需求，制取出去污力强适宜洗涤的水或具有一定杀菌能力的水。
[0007]因此，本发明要解决的技术问题是:提出一种能够低功耗和高效电解产生大量安全可用氧化因子，从而制取出去污力强适宜洗涤的水或具有一定杀菌能力的水的装置。
[0008]为了解决上述技术问题，本发明申请公开的技术方案是:一种日常用水电解制取装置，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，所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于I纳米。
[0009]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(本发明限定透水孔径范围是2毫米-1纳米)的透水隔膜，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)，
坐寸ο
[0010]上述本发明公开的日常用水电解制取装置技术方案的工作机理及有益效果陈述如下。
[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的一种隔膜，本发明人创新地将透水性隔膜引入水电解装置中作为阴、阳电极间的隔膜。由此我们认为本发明的日常用水电解制取装置在工作时的反应过程除了常规电解反应过程以外，产生了一个新的重要反应过程，即水体低压冷等离子放电反应过程。具体分析如下:
[0012]1、电极尖端直径曲率与透水膜孔隙直径的等效模型
[0013]在水体放电中，诱发水中等离子体产生往往需要给予一个激发的初始高电压，影响初始电压主要因素之一即为放电电极的参数。在同等条件下电极材质、放电间距、电极直径(电极曲率半径)对初始激发电压都有影响。随着电极直径的减小，起始激发电压降低。从另一个角度说，在外加相同电压条件下，电极直径越小越有利于增强离子体通道中自由基产生的剧烈程度。在本发明中，阴阳电极之间有一层透水性隔膜，隔膜拥有无数个透水直径很小(毫米级乃至纳米级)的孔隙，从宏观看可视为将大范围电极的水中放电反应等效分解为无数个极小曲率半径电极的尖端放电。进而极大的降低了激发等离子体反应的初始电压。
[0014]水中电解时会生成大量超微气泡，其中有氢气泡也有氧气泡。而气泡的局部放电能大大增加反应活性分子的生成并且易于产生羟基等自由基，从而提高水中放电的反应效率。但是在气泡中产生放电需要气泡中的场强高于水中，要求整体电场较均匀；在本发明中，透水膜将阴阳两组大电极分解为无数组子电极，但是所有子电极的材质、电压均相同。这就保证在宏观领域整体电场均匀排布，电解所产生的气泡在上升过程中所受电场较均匀，保证了放电反应的高效率。
[0015]2、增大接触面积，提高水中反应效率
[0016] 众所周知，总体积相同的同等物体,被分成的个体越多总体的比表面积越大。同理，本发明与不加透水隔膜的对电极放电情况对比，在产生等量气体的情况下，在无数个超微孔隙内水电解所产生的微气泡体积远远小于同等面积不加透水隔膜对电极电解所产生的气泡体积，而气泡数量也远远多于它。这就有效增加了气液两相接触的比表面积。而我们知道，等离子体次生成的各种氧化因子(如:羟基)主要发生在气液两相的接触面。也就是说:气液两相的接触面积越大，氧化因子的生成越多和反应越充分，水中有机物的降解、微生物杀菌效果更加优良，更进一步提高了水中放电反应的最终效率。[0017]传统的水体等离子放电技术，为产生水体等离子放电，往往通过外部向水中导入气体，并施以加高强度脉冲电压或高温条件。本发明则创新将等离子放电引导到透水性隔膜的无数微小蓄水空间进行，依靠对水电解析氢、析氧反应生成的气体，进入膜中诱发水体自身气化，进而以极小电压激发出高效的水体等离子放电，其意义不仅在于效率的提高，还有效防止了因电流密度过大易导致生物性指标的恶化。
[0018]本发明装置中，如果透水性隔膜透水孔径过大(即微孔空间过大)等效于变相增大了电极直径(电极曲率半径)致使水中放电起始激发电压增高，并且使产生气泡体积变大减小了气液两相接触反应的比表面积。而透水性隔膜透水孔径过小(即微孔空间过小)，会使电解产气无法发生或是产气效率极其低下，小到一定程度会导致隔膜内各微孔中无数个小曲率半径电极的尖端放电无法正常进行。因此，经过发明人的反复试验，确定透水孔径范围是2毫米-1纳米。 [0019]概括上述本发明的日常用水电解制取装置技术方案的有益效果是:本发明通过将具有一定孔径的透水性隔膜设置在阴、阳极之间，在常规电解反应过程以外带来了在透水性隔膜内微孔中形成水体低压冷等离子放电反应，从而可以高效的在水中生成具杀菌能力的暂态氧化因子。具体实用效果是:水中氧化因子可强化对水中污染物的洗涤清除效果，同时满足用户对于用水安全和功能性等多方面需求。
[0020]本发明在上述技术方案基础上的改进是:所述阴电极和阳电极的间距大于等于所述透水性隔膜的厚度且小于等于20毫米。
[0021]本发明装置中，同等电压情况下，阴阳电极间的距离越小(极端情况下阴阳电极间的距离=膜的厚度)水中电场强度越大，电极间的等离子通道更易形成，冷等离子体产生效率更高，生成的氧化因子越多。而且膜可以很薄(例如超滤膜可做到0.1mm~0.3_)，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。反之，拉大阴阳电极间的距离，生成的氧化因子相应减少，尤其是臭氧类强氧化剂的生成几率下降了。我们知道，臭氧大量产生于氧气以气泡形式通过放电区域。阴阳电极间距离增大，阳极析出氧气进入处于等离子放电状态的膜中的几率减少，对比而言臭氧就减少了。水中所生成的氧化因子，更多地表现为羟基类暂态氧化因子。这在某些用水场合(例如美容用水)恰恰是所需的。但是间距过大又带来效率的降低，甚至膜中放电过程无法进行。因此，经过发明人的反复试验，日常生活用水阴电极和阳电极的间距大于等于所述透水性隔膜的厚度且小于等于20毫米为最佳。
[0022]本发明在上述技术方案基础上的进一步改进是:所述透水性隔膜是非导电性的透水性隔膜。这是因为，多数情况下，希望水中产生的氧化因子越多越好。导电性较好的透水性隔膜在放电反应时容易与相近的电极形成复合电极而影响水中放电反应的效果和生成物的种类，不可控因素较多，因此优选非导电性的透水性隔膜。
[0023]上述本发明技术方案的更进一步改进是: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，并将阴电极与隔膜之间区域产生的氢气泡更好导出。
[0024]上述本发明技术方案的再进一步改进是: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。通过这样的改进可以有利于产生的气泡更好的导出，尤其是在阴阳电极与透水性隔膜间距较小时其气泡导出效果更好。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。
[0025]在某些用水场合希望水中生成的氧化因子中，过氧化氢的成分能多一些，则可选用碳质材料膜(例如具有一定导电性的活性炭纤维布)。此时碳质隔膜等效于一个中间电极，靠阳极侧等效于中间阴极(而碳质隔膜与阴极间则等效于一个活性炭阳极-金属阴极对)，基于活性炭阴极Fenton反应生成较多的H202 ;进一步地，我们可以通过两层以上不同性状隔膜的优化组合，控制水中氧化因子的生成情况，即可以有效调节和控制氧化因子生成量。因此，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。其中透水性隔膜的具体选择是:所述单层透水性隔膜是超滤膜或采用碳质材料制成的单层透水性隔膜。
[0026]上述本发明技术方案的完善二是:所述电解电源是高电平窄脉宽的直流或交变脉冲电源。采用高电平窄脉宽的脉冲电源更加有利于阴阳电极间水体内部的等离子放电，得到更好的制水效果。
[0027]作为上述本发明技术方案的应用拓展之一是:本发明提出一种厨房清洗水槽，该厨房清洗水槽含有上述本发明技术方案。
[0028]作为上述本发明技术方案的应用拓展之二是:本发明提出一种洗碗机，该洗碗机含有上述本发明技术方案。[0029]作为上述本发明技术方案的应用拓展之三是:本发明提出一种果蔬清洗装置，该果蔬清洗装置含有上述本发明技术方案。
[0030]作为上述本发明技术方案的应用拓展之四是:本发明提出一种洗衣机，该洗衣机含有上述本发明技术方案。
[0031]作为上述本发明技术方案的应用拓展之五是:本发明提出一种洗浴装置，该洗浴装置含有上述本发明技术方案。
[0032]作为上述本发明技术方案的应用拓展之六是:本发明提出一种牙刷消毒器，该牙刷消毒器含有上述本发明技术方案。
[0033]作为上述本发明技术方案的应用拓展之七是:本发明提出一种指甲治疗仪或脚气治疗仪，该指甲治疗仪或脚气治疗仪含有上述本发明技术方案。
[0034]作为上述本发明技术方案的应用拓展之八是:本发明提出一种皮肤治疗仪、皮肤护理装置或便携式皮肤护理喷瓶，该皮肤治疗仪、皮肤护理装置或便携式皮肤护理喷瓶含有上述本发明技术方案。
[0035]作为上述本发明技术方案的应用拓展之九是:本发明提出一种医用灌肠机，该医用灌肠机含有上述本发明技术方案。
[0036]作为上述本发明技术方案的应用拓展之十是:本发明提出一种空气加湿器，该空气加湿器含有上述本发明技术方案。
【专利附图】
【附图说明】
[0037]下面结合附图对本发明的日常用水电解制取装置作进一步说明。
[0038]图1是本发明实施例一日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0039]图2是本发明实施例二日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0040]图3是本发明实施例三日常用水电解制取装置的结构示意图。[0041]图4是本发明实施例四日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0042]图5是图4中A处的局部放大图。
[0043]图6是本发明实施例五日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0044]图7是图6中B处的局部放大图。
[0045]图8是本发明实施例六日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0046]图9是图8中C处的局部放大图。
[0047]图10是本发明实施例七日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0048]图11是图8中D处的局部放大图
[0049]图12是本发明实施例八日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0050]图13是本发明实施例九日常用水电解制取装置的结构示意图。
[0051]图14是本发明实施例十日常用水电解制取装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0052]实施例一
[0053]本实施例的日常用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。在一对阴电极2和阳电极3之间设有透水性隔膜5，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)；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。
[0054]透水性隔膜5与阴、阳电极的间距δ都是1mm，而且隔膜5两端分别超出阴、阳电极一小段。
[0055]本实施例的阴电极2和阳电极3均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呈长方形片状。阴电极和阳电极的表面均不开孔。
[0056]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。
[0057]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，阴电极2位于阳电极3的上方。
[0058]一、实验 I
[0059]采用本实施例的日常用水电解装置进行水电解实验，盛水容器容积为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。
[0060]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
[0061]①水中气泡量(强度)的目测分级:
[0062]从水中气泡为零~实验中相对气泡含量最大，分为O~5级；
[0063]②水中氧化因子的测定
[0064]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:
[0065]无色——对应水中氧化因子基本为零，设为O级；
[0066]颜色最黄-对应水中氧化因子相对最多，设为5级；
[0067]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。
[0068]实验I结果如下表1:
[0069]表1
[0070]
【权利要求】
1.一种日常用水电解制取装置，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，所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于I纳米。
2.根据权利要求1所述日常用水电解制取装置，其特征在于:所述阴电极和阳电极的间距大于等于所述透水性隔膜的厚度且小于等于20毫米。
3.根据权利要求1所述日常用水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜是非导电性的透水性隔膜。
4.根据权利要求2所述日常用水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜是非导电性的透水性隔膜。
5.根据权利要求4所述日常用水电解制取装置，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。
6.根据权利要求4所述日常用水电解制取装置，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。
7.根据权利要求4所述日常用水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜是单层透水性隔膜。
8.根据权利要求4所述日常用水电解制取装置，其特征在于:所述透水性隔膜是多层透水性隔膜。
9.根据权利要求7所述日常用水电解制取装置，其特征在于:所述单层透水性隔膜是超滤膜或采用碳质材料制成的单层透水性隔膜。
10.根据权利要求4所述日常用水电解制取装置，其特征在于:所述电解电源是高电平窄脉宽的直流或交变脉冲电源。
11.一种厨房清洗水槽，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
12.一种洗碗机，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
13.—种果蔬清洗装置，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
14.一种洗衣机，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
15.一种洗浴装置，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
16.一种牙刷消毒器，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取>j-U ρ?α装直。
17.一种指甲治疗仪，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取>j-U ρ?α装直。
18.一种脚气治疗仪，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取>j-U ρ?α装直。
19.一种皮肤治疗仪，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取>j-U ρ?α装直。
20.一种皮肤护理装置，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
21.一种便携式皮肤护理喷瓶，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
22.—种医用灌肠机，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取装置。
23.一种空气加湿器，其特征在于含有如权利要求1-10之任一所述日常用水电解制取>j-U ρ?α装直。
【文档编号】C02F1/461GK103936110SQ201410146256
【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