碱性水的生产装置及方法与流程

本发明涉及一种碱性水的装置及方法，尤其是电解水生成碱性水的装置及方法。

背景技术：

电解水生成装置可以生成电解水，主要包括碱性水、弱酸性水、强酸性水等。分离膜(通常是离子交换膜)是电解水生成装置的核心设备，其与电解水的质量存在密切的关系。

CN104671365A公开了一种实验室用超纯水机所用连续电去离子装置，其包括淡水隔板、浓水隔板等元件，阳离子交换膜、阴离子交换膜、淡水隔板、浓水隔板都位于阳极电极板和阴极电极板之间，阳离子交换膜、阴离子交换膜、淡水隔板、浓水隔板相互交替排列，阳极电极板位于最外侧浓水隔板的外侧，阳极端板覆盖在阳极电极板上，离子交换树脂层位于阳离子交换膜和阴离子交换膜之间，阴极端板覆盖在阴极电极板上，阳极端板的顶端侧设有一个原水进口和一个废水出口，阳极端板的底端侧设有浓水进口，阴极端板的顶端侧设有一个纯水出口。该装置利用离子交换膜可以生产高纯水。

CN103880124B公开一种去离子纯水处理装置，有若干个方形的正极基板和若干个方形的负极基板间隔交错布置，每个正极基板和每个负极基板之间布置一个方形绝缘框体组件；每个绝缘框体组件均由绝缘框体、隔板、绝缘网、活性炭纤维层、阴离子交换膜及阳离子交换膜组成，正极基板与阴离子交换膜同侧，负极基板与阳离子交换膜同侧；在与隔板平行的绝缘框体的一对侧边上的绝缘网处设有孔，一侧边上是进水孔，另一侧边上是出水孔，在每个隔板上均开有流水孔，所有相邻绝缘框体组件上的进水孔和出水孔依次连接；通过施加静电场，强制离子向带有相反电荷的电极迁移，使其被电极表面产生的双电层吸附并从溶液中去除。该装置利用离子交换膜可以生产高纯水，去离子效率高。

因此，在目前的制水设备中，大多数是利用离子交换膜生产高纯水。目前，迫切需要开发一种碱性水的生产装置，其采用经过简单处理后的离子交换膜就可以生碱性水，同时不会或者很少地生成酸性水。

技术实现要素：

本发明的目的之一在于提供一种碱性水的生产装置，其能够生成碱性水，同时不会或者很少地生成酸性水。

本发明的另一个目的在于提供一种碱性水生产方法，其可以稳定地同时生成碱性水，同时不会或者很少地生成酸性水。

本发明的目的可以通过下述技术方案实现。

本发明提供一种碱性水的生产装置，所述装置包括壳体、隔膜、阳极和阴极；所述隔膜将所述壳体分隔为阳极室和阴极室，所述阳极设置在阳极室内，所述阴极设置在阴极室内；所述隔膜是采用如下方法制备得到的：

(1)将阳离子交换膜浸泡于浓度为2～15wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为12～36小时，晾干；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜浸泡于2～10wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为6～20小时，得到所述隔膜；

其中，步骤(1)和(2)中的碱金属盐均相同，且均为水溶性的碱金属盐。

根据本发明的装置，优选地，所述碱金属盐选自氯化钠、氯化钾、硝酸钠或硝酸钾中的一种。

根据本发明的装置，优选地，步骤(1)中，所述碱金属盐溶液的浓度为3～10wt％，所述浸泡时间为18～28小时。

根据本发明的装置，优选地，步骤(1)中，所述碱金属盐溶液的温度为22～28℃；晾干条件为：温度为15～35℃，相对湿度为25～60％，晾干时间为2～15小时。

根据本发明的装置，优选地，步骤(2)中，所述碱金属盐溶液的浓度为2～8wt％，所述浸泡时间为10～16小时，所述碱金属盐溶液的温度为25～30℃。

根据本发明的装置，优选地，步骤(1)的所述阳离子交换膜选自磺酸型离子交换膜、磷酸型离子交换膜、羧酸型离子交换膜中的任一种。

根据本发明的装置，优选地，步骤(1)的所述阳离子交换膜为异相膜，所述的异相膜包含离子交换树脂和粘合剂；所述的离子交换树脂选自苯乙烯系阳离子交换树脂；粘合剂选自聚烯烃。

根据本发明的装置，优选地，所述阳极室的下部设置有第一进水口，所述阳极室的上部设置有废水出口；所述阴极室的下部设置有第二进水口，所述阴极室的上部设置有碱性水出口。

本发明中还提供利用上述装置生产碱性水的方法，所述的方法包括如下步骤：

(A)、隔膜的制备步骤：

(1)将阳离子交换膜浸泡于浓度为2～15wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为12～36小时，晾干；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜浸泡于2～10wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为6～20小时，得到隔膜；

其中，步骤(1)和(2)中的碱金属盐均相同，且均为水溶性的碱金属盐；

(B)、电解水步骤：

分别向包括所述隔膜的装置的阳极室和阴极室供给自来水，对阳极和阴极施加电压，从阴极室导出碱性水。

根据本发明的方法，优选地，在所述电解水步骤(B)中，自来水的水压设置为0.2～0.6MPa，自来水的流速设置为1～5L/min，电解过程的电压设置为3～15V。

由于采用了特定方法制备得到的隔膜，本发明的电解水生产装置能够在电解水过程中能够生成碱性水，但不会同时生成酸性水或者很少地生成酸性水，同时所生产的碱性水质量达标。

附图说明

图1为实施例的电解水生产装置，其中：

1-壳体，11-阳极室，12-阴极室，2-隔膜，3-阳极，4-阴极，5-第一进水口，6-废水出口，7-第二进水口，8-碱性水出口。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明作进一步的说明，但本发明的保护范围并不限于此。

＜隔膜及其制备方法＞

本发明的碱性水的生产装置所使用的隔膜是通过对阳离子交换膜进行可控处理而得到的。阳离子交换膜经过处理后，所得隔膜的结构尚不完全清楚，因而无法采用结构特征在表征，只能通过制备方法特征来表征。我们猜想是隔膜的微观结构发生了复杂的变化，进而导致其离子通透性发生变化，从而使得其仅能生成碱性水，而不会同时生成酸性水。

下面介绍阳离子交换膜。本发明的阳离子交换膜可以选自磺酸型、磷酸型、羧酸型中的任一种，优选为磺酸型或羧酸型，更优选为磺酸型。本发明的阳离子交换膜可以为异相膜。本发明的异相膜包含离子交换树脂和粘合剂，还可以包括添加剂。离子交换树脂可以为苯乙烯系阳离子交换树脂；粘合剂可以为聚烯烃。

在本发明中，作为离子交换树脂的苯乙烯系阳离子交换树脂的实例包括但不限于001×7型阳离子交换树脂、001×7FC型阳离子交换树脂、001×7MB型阳离子交换树脂、001×8型阳离子交换树脂、001×10型阳离子交换树脂、D001型阳离子交换树脂、D001FC型阳离子交换树脂、D001MB型阳离子交换树脂。具体的生产厂家包括杭州争光树脂有限公司。作为优选，本发明的苯乙烯系阳离子交换树脂包括001×7型阳离子交换树脂、001×7FC型阳离子交换树脂、001×7MB型阳离子交换树脂、001×8型阳离子交换树脂、001×10型阳离子交换树脂。作为更优选，本发明的苯乙烯系阳离子交换树脂包括001×7型阳离子交换树脂、001×7FC型阳离子交换树脂、001×7MB型阳离子交换树脂。

在本发明中，作为粘合剂的聚烯烃可以包括聚烯烃均聚物、聚烯烃共聚物、聚烯烃均聚物的衍生物以及聚烯烃共聚物的衍生物。具体的实例包括但不限于聚乙烯、聚丙烯、聚正丁烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚乙烯醇、氯磺化聚乙烯等。本发明的聚乙烯可以为高密度聚乙烯、低密度聚乙烯和/或线性低密度聚乙烯。作为优选，本发明的聚乙烯为低密度聚乙烯和/或线性低密度聚乙烯。

在本发明中，所述的添加剂包括但不限于抗氧剂、稳定剂、增韧剂等。本发明的抗氧剂可以为芳香胺类抗氧剂或受阻酚类抗氧剂，还有可以包含辅助抗氧剂。芳香胺类抗氧剂的实例包括但不限于二苯胺、对苯二胺和二氢喹啉等。作为优选，本发明的抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，具体的实例包括但不限于2,6-二叔丁基-4-甲基苯酚、4,4'-硫代双(6-叔丁基-3-甲基苯酚)、四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)。辅助抗氧剂的实例包括硫代二丙酸双酯、双十二碳醇酯、双十四碳醇酯和双十八碳醇酯等，常与受阻酚类抗氧剂并用。本发明的抗氧剂实例包括但不限于抗氧剂1010、抗氧剂1076、抗氧剂CA、抗氧剂164、抗氧剂DNP、抗氧剂TNP、抗氧剂TPP、抗氧剂MB、抗氧剂264等。本发明的稳定剂包括但不限于硬脂酸钙、硬脂酸锌；优选为硬脂酸钙。本发明的增韧剂包括但不限于聚异丁烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、乙丙橡胶、三元乙丙橡胶、丁腈橡胶、丁苯橡胶、天然橡胶、顺丁橡胶等；优选为聚异丁烯和/或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。

将上述离子交换树脂和粘合剂以及添加剂等混合均匀，然后加工形成异相膜。根据本发明一个优选的实施方式，所述阳离子交换膜可以由包括如下重量份的组分制成：

在本发明中，离子交换树脂粉可以为001×7型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂；低密度聚乙烯的熔融指数为1.35～1.6克/10分；线性低密度聚乙烯的熔融指数为0.85～1.0克/10分；聚异丁烯的分子量为400～500万；氯磺化聚乙烯的含氯量为35～36wt％，含硫量为0.9～1.1wt％；苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物的熔融指数为0.8～3.0克/10份；抗氧化剂优选为四[β-(3,5-二叔丁基-4-羟基苯基)丙酸]季戊四醇酯(抗氧剂1010)。将上述原料通过混合、压延等步骤获得阳离子交换膜，这里不再赘述。在本发明中，熔融指数均是在温度220℃、负荷为10kg的条件下测定的。

本发明的阳离子交换膜也可采用市售商品，例如上海化工厂有限公司的3365，上海上化水处理材料有限公司的3361BW等。

下面介绍本发明的隔膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将上述阳离子交换膜浸泡于浓度为2～15wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为12～36小时，晾干；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜浸泡于2～10wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为6～20小时，得到所述隔膜；

其中，步骤(1)和(2)中的碱金属盐均相同，且均为水溶性的碱金属盐。

本发明中，所述制备方法还可以包括如下步骤：

(3)将步骤(2)得到的所述隔膜剪裁和打孔。

在步骤(1)～(2)中，所述碱金属盐可以选自氯化钠、氯化钾、硝酸钠或硝酸钾中的一种；优选为氯化钠或氯化钾，更优选为氯化钠。

在步骤(1)中，碱金属盐溶液的浓度可以为2～15wt％，优选为2～12wt％，更优选为3～10wt％，再优选为4～8wt％。步骤(1)的浸泡时间可以为12～36小时，优选为15～30小时，更优选为18～28小时，最优选为20～26小时。步骤(1)的碱金属盐溶液的温度可以为15～35℃，优选为15～32℃，更优选为18～30℃。根据本发明一个优选的实施方式，步骤(1)中碱金属盐溶液的温度为22～28℃。

在步骤(1)中，晾干条件为：温度为15～35℃，相对湿度为25～60％，晾干时间为2～15小时。优选地，所述晾干条件为温度为20～30℃，相对湿度为35～55％，晾干时间为3～8小时。更优选地，所述晾干条件为温度为22～28℃，相对湿度为38～52％，晾干时间为3～5小时。

在步骤(2)中，碱金属盐溶液的浓度可以为2～10wt％，优选为2～8wt％，更优选为3～6wt％。步骤(2)中浸泡时间可以为6～20小时，优选为8～18小时，再优选为10～16小时。步骤(2)的中碱金属盐溶液的温度可以为15～35℃，优选为15～32℃，更优选为18～30℃。根据本发明一个优选的实施方式，步骤(2)的碱金属盐溶液的温度为25～30℃。

根据本发明一种优选的实施方式，本发明的隔膜的制备方法，包括如下步骤：

(1)将上述阳离子交换膜浸泡于浓度为3～8wt％、温度为22～28℃的氯化钠溶液中，浸泡时间20～26小时，取出，置于温度为22～28℃，相对湿度为38～52％的环境中，晾干3～5小时；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜浸泡于浓度为2～6wt％、温度为25～30℃的氯化钠溶液中，浸泡时间10～16小时，取出，得到所述隔膜。

在步骤(3)中，将步骤(2)得到的隔膜剪裁和打孔。将所述隔膜剪裁为矩形，并在所述隔膜的四个角处打孔，以便于将所述隔膜固定安装至电解水装置中。所述隔膜固定安装于碱性水的生产装置的阴极和阳极之间，用于将碱性水的生产装置分隔为阳极室和阴极室。所述隔膜剪裁的尺寸与碱性水的生产装置内安装隔膜的装置尺寸相匹配，例如为100mm×200mm、200mm×400mm、400mm×800mm、800mm×1600mm。

＜碱性水的生产装置＞

本发明的碱性水的生产装置包括壳体、隔膜、阳极和阴极；其中，所述隔膜将所述壳体分隔为阳极室和阴极室，所述阳极设置在阳极室内，所述阴极设置在阴极室内。本发明的电解水生产装置还可以包括电源和电流调整单元。所述隔膜为采用上述方法制备的，不再赘述。

本发明的壳体可以采用耐碱的材料制成，其形状可以为矩形箱体或者不规则的形状，其可以一体成型或由不同的挡板焊接而成。本发明的隔膜将所述的壳体分隔为阳极室和阴极室。优选地，所述阴极室和阳极室是分隔的、不连通的。本发明中，所述阳极和阴极可采用不锈钢电极或铂钛电极(以钛或钛合金为基材、表面镀铂的电极)，优选为铂钛电极。

在本发明中，所述阳极室的下部设置有第一进水口，所述阳极室的上部设置有废水出口；所述阴极室的下部设置有第二进水口，所述阴极室的上部设置有碱性水出口。第一进水口用于与第一进水管连接，用于将自来水导入阳极室；废水出口与废水导出管连接，用于将阳极室中的水导出。第二进水口用于与第二进水管连接，用于将自来水导入阴极室；碱性水出口与碱性水导出管连接，用于将产生的碱性水导出。第一进水管和第二进水管均可以设置有流量控制阀，用于控制水的流速以及水压。废水导出管和碱性水导出管也均可以设置有流量控制阀，用于控制水的流速以及水压。根据本发明的一个具体实施方式，第一进水口与第二进水口与同一根进水管连接，用于导入自来水。

本发明的碱性水的生产装置还可包括电源和电流调整单元。电源用于对阳极和阴极施加电压。该电源为直流电源，可以为线性直流电源或脉冲直流电源，更优选为脉冲直流电源。电流调整单元通过调整电阻的大小来调整电解过程的电流大小。

<碱性水生产方法>

本发明的碱性水生产方法利用上述碱性水的生产装置来实现。本发明的碱性水生产方法包括(A)隔膜的制备步骤，以及(B)电解水步骤。

本发明的步骤(A)为隔膜的制备步骤，包括如下具体步骤：

(1)将阳离子交换膜浸泡于浓度为2～15wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为12～36小时，晾干；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜浸泡于2～10wt％的碱金属盐溶液中，浸泡时间为6～20小时，得到隔膜；

其中，步骤(1)和(2)中的碱金属盐均相同，且均为水溶性的碱金属盐。步骤(A)的具体条件如前所述，这里不再赘述。

下面详细描述步骤(B)。将自来水同时引入本发明的碱性水的生产装置的阳极室和阴极室中进行电解，在阴极室中生成碱性水，但是在阳极室不会或者很少地生成酸性水。本发明的自来水可以直接使用，或者在过滤后使用。

在步骤(B)中，隔膜两侧均通入自来水，自来水的水压设置为0.2～0.6MPa，优选为0.3～0.4MPa；自来水的流速设置为1～5L/min，优选为2～3L/min；电压设置为3～15V，优选为6～12V。根据本发明一种优选的实施方式，所述碱性水生产方法中，自来水的水压设置为0.3～0.4MPa，自来水的流速设置为2～3L/min，电压设置为6～12V。采用上述方法可以在阴极室生成碱性水，pH可以为8～11。此外，在步骤(B)中隔膜两侧的水压差可以为±5.5kPa以内，优选为±3kPa以内，更优选为±1kPa以内。

制备例1-隔膜的制备方法

将6kg氯磺化聚乙烯(CSM-40)和28kg聚异丁烯(德国巴斯夫公司，B200)在混炼机中混炼，加入100kg低密度聚乙烯(熔融指数为1.5克/10分钟)、20kg线性低密度聚乙烯(熔融指数为1克/10分钟)、3kg苯乙烯-丁二烯-苯乙烯共聚物(熔融指数为2克/10分钟)、1kg抗氧剂1010，在120℃下混炼10分钟得到预混料；将5kg硬脂酸钙加入该预混料中，混炼均匀后再加入400kg阳离子交换树脂粉(001×7型强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂)，混合均匀得到混合料；将混合料在延机压上形成厚度为0.40±0.03mm的膜片，压延温度为80℃；将上述膜片嵌入两层增强绦纶网布之间，通过液压机在150℃、0.5Mpa下热压60分钟，得到阳离子交换膜A。

然后，按照如下步骤进行处理：

(1)将阳离子交换膜A置于温度为18℃、浓度为6wt％的氯化钠溶液中浸泡22小时，取出阳离子交换膜，然后在温度为20℃、相对湿度为40％的条件下晾干5小时；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜置于温度为25℃、浓度为3wt％的氯化钠溶液中浸泡10小时，得到隔膜B1。

制备例2-隔膜的制备方法

(1)将阳离子交换膜A置于温度为18℃、浓度为8wt％的氯化钠溶液中浸泡20小时，取出阳离子交换膜，然后在温度为25℃、相对湿度为40％的条件下晾干3小时；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜置于温度为25℃、浓度为2wt％的氯化钠溶液中浸泡15小时，得到隔膜B2。

制备例3-隔膜的制备方法

(1)将阳离子交换膜A置于温度为18℃、浓度为5wt％的氯化钠溶液中浸泡24小时，取出阳离子交换膜，然后在温度为15℃、相对湿度为30％的条件下晾干6小时；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜置于温度为25℃、浓度为5wt％的氯化钠溶液中浸泡12小时，得到隔膜B3。

制备例4-隔膜的制备方法

(1)将阳离子交换膜A置于温度为18℃、浓度为10wt％的氯化钠溶液中浸泡18小时，取出阳离子交换膜，然后在温度为30℃、相对湿度为40％的条件下晾干2.5小时；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜置于温度为25℃、浓度为5wt％的氯化钠溶液中浸泡15小时，得到隔膜B4。

制备例5-隔膜的制备方法

(1)将阳离子交换膜A置于温度为18℃、浓度为12wt％的氯化钾溶液中浸泡15小时，取出阳离子交换膜，然后在温度为35℃、相对湿度为45％的条件下晾干3小时；

(2)将步骤(1)所得的阳离子交换膜置于温度为25℃、浓度为4wt％的氯化钾溶液中浸泡8小时，得到隔膜B5。

实施例1-碱性水的生产装置

本发明的碱性水的生产装置如图1所示，包括壳体1、隔膜2、阳极3和阴极4；其中，隔膜2将壳体1分隔为阳极室11和阴极室12，所述阳极3设置在阳极室11内，所述阴极4设置在阴极室12内。该装置还包括电源(未示出)和电流调整单元(未示出)，电源用于对阳极3和阴极4施加电压，电流调整单元用于调整电流。所述阳极3和阴极4均为不锈钢电极。隔膜2为制备例1方法制得的隔膜B1。

阳极室11的下部设置有第一进水口5，其上部设置有废水出口6；阴极室12的下部设置有第二进水口7，其上部设置有碱性水出口8。第一进水口5与第一进水管(未图示)连接，用于将自来水导入阳极室12；废水出口6与废水导出管(未图示)连接，用于将阳极室11内的水导出。第二进水口7与第二进水管(未图示)连接，用于将自来水导入阴极室12；碱性水出口8与碱性水导出管(未图示)连接，用于将产生的碱性水导出。第一进水管和第二进水管均设置有流量控制阀，用于控制水的流速以及水压。废水导出管和碱性水导出管均设置有流量控制阀，用于控制水的流速以及水压。

在使用上述装置时，首先通过第一进水口5向阳极室11供给自来水，同时通过第二进水口7向阴极室12供给自来水，调节流量控制阀以使得隔膜2两侧的水压差为±3kPa以内；对阳极3和阴极4施加电压，电压为8V；阳极室11中的水从废水出口6导出，其不是酸性水；阴极室12产生的是碱性水，从碱性水出口8导出。

通过电流调整单元调节电流，碱性水的pH值可在8～11范围内。经检测，25℃下碱性水游离氯含量低于0.05mg/L，碱性水的氧化还原电位ORP值低于-150mV。

实施例2-5

在实施例2-5中，除了将隔膜2分别替换为制备例2-5获得的隔膜B2-B5外，其他条件与实施例1相同。阳极室11中的水从废水出口6导出，其不是酸性水；阴极室12产生的是碱性水，从碱性水出口8导出。

通过电流调整单元调节电流，碱性水的pH值可在8～11范围内。经检测，25℃下碱性水游离氯含量低于0.05mg/L，碱性水的氧化还原电位ORP值低于-150mV。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。