Ph调节器,包括ph调节器的装置和调节ph值的方法
【技术领域】
[0001] 本发明一般涉及家庭用水性质的调节，尤其涉及pH调节器和包括pH调节器的家 用电器。
【背景技术】
[0002] 在过去的几十年期间，已经进行了密集的研宄以找到调节水的pH值的容易但可 控的方法。水的pH值调节的常用方法基本上分为三类：基于化学添加剂，基于离子交换 (TEX)树脂和基于电解。通过使用前两种方法中的任一个，由于低容量，用户需要经常更换 化学添加剂或树脂，并且不能精确地控制pH值。基于电解的方法施加电力将水分解成02和 H2，在水中留下0H1PH+，从而改变pH值，见表达式（1)和（2)。
[0003] 2H++2e--H2(阴极）（1)
[0004] 40H- 4e-- 2H20+02 (阳极）（2)
[0005] 基于电解的方法面临的主要问题是副产品，例如废水。例如，虽然用户只需要一定 量的酸性水，相同量的碱性水也将会产生，并且反之亦然。
【发明内容】
[0006] 因此，有利的是提供一种新的pH调节器和诸如水之类的电解质水溶液的pH调节 方法，其能够单向调节pH值，而不产生废水。
[0007] 此外，如果该pH调节器是可更新的，以免除用户不方便维护是有利的。
[0008] 此外，如果在需要更新之前，pH调节器可以处理尽可能多的水将是有利的。
[0009] 此外，如果pH调节器不仅可用于减少或增加水的pH值，而且可以两种方式使用， 将是有利的。
[0010] 根据一个实施例，描述了一种被配置为调节电解质水溶液的pH值的pH调节器， pH调节器包括具有阳极和阴极的电解槽，阴极包含法拉第准电容材料，在pH调节器的操作 中，法拉第准电容材料从阳极获取电子，并通过与所述阴离子进行电化学反应从电解质水 溶液中吸附阳离子，在电解质水溶液中的or通过失去电子被消耗，从而在电解质水溶液中 留下H+;或阳极包含法拉第准电容材料，并且在pH调节器的操作中，法拉第准电容材料失 去电子并通过与所述阴离子进行电化学反应从电解质水溶液中吸附阴离子，在电解质水溶 液中的H+通过获取电子在阴极被消耗，从而在电解质水溶液中留下0H'
[0011] pH调节器还可包括控制器，以控制在电解槽中的电解过程。
[0012] 在下文中，采用自来水作为电解质水溶液的例子。然而，应当理解的是，其他电解 质水溶液，例如蒸馏水、生理盐水的水溶液或适合于本发明的实施例的任何其它水溶液也 可用于本文所描述的目的。例如，如将要进一步描述的，根据本发明的一些实施例，含有非 常有限离子的水，例如蒸馏水，也是可行的电解质水溶液。
[0013] 在一个实施例中，法拉第准电容材料可包括过渡金属氧化物（TM0)。如果TM0被包 括在阴极中，在pH调节器的操作中，在阴极发生伪法拉第反应，由此与阳离子吸附进入TM0 的晶格内一起，过渡金属的氧化状态被降低吸附。在阳极或其附近，or失去电子（即被氧 化），以产生H20和02(见表达式（2))。参照作为对称电解的表达式（1)和（2)的反应，在 本段中前述可称为不对称电解，其通过在电极中掺入TM0实现。因此H+并不像表达式（1) 一样被消耗，而是留在水中，溶液的pH值被相应地减小。
[0014] 在另一个实施例中，如果TM0被包括在阳极内，在pH调节器的操作中，伪法拉第反 应发生在阳极，由此过渡金属的氧化状态被增强。阳极失去电子，并且在溶液中的阴离子被 TM0吸附。在水中的H+通过在阴极获得电子被消耗（参见表达式（1))。在水中的0IT并不 像表达式（2) -样在阳极被消耗，而是留在水中，溶液的pH值被相应地增加。
[0015] 根据本发明的一个实施例，电解质水溶液是自来水。当与淋浴房、婴儿盆、雾化器 (例如便携式的雾化器）、卫生设备或任何其它适于具有单向pH调节器的装置结合时，pH 调节器可以处理自来水，以具有pH值调节后的水。在一个实施例中，pH值调节后的水是弱 酸性，其将有利于皮肤护理，尤其有利于婴儿皮肤屏障功能的恢复，这将在下文中进一步描 述。自来水中存在的Na+、Mg2+、Ca2+和K+中的任一个或其任何组合，可以为被TM0吸附的阳 离子的实施例。
[0016] 在一个实施例中，pH调节器还包括被配置为获得与水的pH值有关的信息的第一 单元，并且控制器被配置成根据所获得的信息来控制电解过程，以便将水的pH值调节至目 标pH值。
[0017] 第一单元可以被形成为pH传感器或硬度传感器，其为控制器提供水的pH值，例如 在电解期间的初始pH值和/或瞬时pH值。如果自来水流入pH调节器并以调节后的pH值 流出，假定水的流量和初始pH值（通常自来水随着时间的过去具有稳定的pH值），通过控 制施加到电极对的电流或电压，控制器可将水的pH值调节至目标pH值。如果水被倒入/注 入容器，并以相对静止状态被保持在该容器中直到pH调节结束为止，则假定容器内保持的 水的量和初始pH值，目标pH值可通过控制以下参数中的一个或多个被实现：电解时间（持 续时间）、施加到电极对的电流或电压，或适合影响电解的任何其他参数。
[0018] 在一个实施例中，所获得的与水的pH值有关的信息可包括指示水的初始pH值的 用户输入。第一单元可以是用户接口，诸如小键盘、触摸屏、音频接收器、照相机或适于接收 用户输入的任何其他元件。应该理解的是，用户输入可以是精确的pH值，例如7. 5,或其他 信息，基于该信息可以通过pH调节器得到供给水的pH值。例如，用户可输入水的类型，例 如自来水，然后第一单元基于历史数据确定供给水的初始pH值，例如自来水的pH值的经验 值。用户可以进一步将作为附加输入的地理位置输入到pH调节器，从而pH调节器可以基 于由位置指示的特定区域的自来水的经验pH值确定供给水的pH值。
[0019] 因此，只要用户知道供给水的pH值，或供给水的pH值随时间的过去是稳定的，pH 调节器就能够获得供给水的初始pH值，而不具有pH检测器。如果出于成本或紧凑性考虑， pH值检测器不是优选的，这可能是有利的。
[0020] 在本发明的一个实施例中，TM0被涂覆在基板上或掺杂在基板内。该基板可以是 金属或金属氧化物，例如，Ti或Ti的MM0(混合金属氧化物）、不锈钢、碳材料（例如碳板、 碳纸）、硅基材料（例如玻璃碳材料）。
[0021] 在一些情况下，在电极的基板上的诸如Mn02之类的TM0的涂层对电解可能是有利 的。Mn02在电极中发挥的作用是通过充电/放电过程打破正常水电解反应之间的平衡，换 句话说，Mn02目的在于不对称电解以改变pH值。只要在电极上存在MnO2，在理论上溶液的pH值在电解过程期间将变化。实际的pH调节性能可以通过结合适当量的此02来优化。
[0022] 在一个实施例中，TM0满足下述反应，
[0023] TMO + A+ + e -TMO A+ ( 3 )
[0024] 其中，TMO代表在电极中的过渡金属氧化物，A+代表吸附的阳离子并不限于一价阳 离子，例如H+、Na+或K+，但也可以涵盖Mg2+、Ca2+、Fe2+或水中的任何其它阳离子，e代表TM0 从阳极得到的电子。
[0025] TM0的替代物包括共轭导电性聚合物（CCP)。CCP被p-掺杂或n-掺杂来获得导 电性并起法拉第电容的作用。当在阴极被使用时，CCP可以被充电以获得电子，并且在阴极 表达式（2)的反应将至少部分被抑制，并且因此H+累积。或者，当在阳极被使用时，CCP可 以被放电以失去电子，并且在阳极表达式（1)的反应将至少部分地被抑制，并且因此or累 积。CCP比双电层电容（EDLC)材料具有更大的比电容，这意味着CCP可以使用更多的电力 被充电和放电，从而导致pH值调节的更高能力。
[0026] CCP的例子包括聚吡咯（PPy)。PPy显示了相对较高的电容并且在长时间使用后保 持稳定。
[0027] 在进一步的优选实施例中，CCP可以是碳掺杂的PPy。在本实施例中，碳，例如石墨 烯被掺杂，以形成含有PPy的框架，并且石墨烯改性PPy(GmPPy)被产生。这个实施例的优 点可以包括：
[0028] 改进的比电容：由石墨烯形成的框架可有助于分离PPy，使得PPy的较大部分对溶 液中的离子可访问。因此，PPy的更大面积与更多的离子相接触，以具有更多的法拉第电荷 转移反应。以这种方式，通过法拉第电荷转移反应可以释放或储存更多的电力，并且因此， 与纯PPy相比较，该GmPPy显示出更高的比电容。
[0029] 改进的电化学稳定性：电极中的石墨烯形成框架结构，其中PPy不能在大块电极 基质内部形成互连网络。其结果是，被认为是PPy电极不稳定的原因的在充放电循环期间PPy的溶胀和收缩作用将大大再生，从而改善的电化学稳定性。
[0030] 改进的导电性：添加高导电性石墨烯能有效改进所得到的GmPPy电极的导电性。
[0031] 在进一步优选的实施例中，所述碳掺杂PPy被沉积在所述阴极或所述阳极的多孔 钛基板上。
[0032] 在本实施例中，电极的多孔结构增加了PPy和电解质水溶液之间的接触面积，从 而提尚了pH调节性能。
[0033] 优选地，在控制器的控制下电解槽可以互换电极。通过互换电极，以下可以实现：
[0034] (a)包括法拉第准电容材料的电极的更新；
[0035] 作为超级电容器，虽然包含法拉第准电容材料的电极具有高的电容，但如果仅被 用于在单一方向上的pH调节，例如仅用于增加或仅用于减小pH值，其最高电容仍可达到。 一些水可以被添加到电解槽，使其能够进行更新。在一个实施例中，出口的水可以具有高于 7的pH值，并且可以用于需要碱性环境的特定应用中，或者可替代地作为废水被处理。
[0036] (b)在逆向方向上的单向pH调节，即在pH值递减后pH值递增。已经证明，碱性水 和酸性水两者在人们的日常生活和工业应用中都占有一席之地。因此，具有法拉第准电容 材料电极将是令人兴奋的，其在制备酸性水期间至少部分被充电，以被用于制备碱性水，或 反之亦然。在一个实施例中，碱性水可用于卫生、烹饪、食物清洗等，其同时更新电极。
[0037] 在一个实施例中，提供了一种具有前述pH调节器的用于制备经pH值调节的水的 装置。此外，该装置还包括