CN103101994B - 制备还原水的装置 - Google Patents

Abstract

用于制备还原水的装置，所述水保持中性范围的pH并显示出优良的还原能力。用于制备还原水的所述装置包括：电解槽，所述电解槽包括装配有阴极的阴极室、装配有阳极的阳极室、和插置在所述阴极室和所述阳极室之间的中间室，其中所述阴极室和所述中间室装配有经过其供应水的入口和经过其排出水的出口，阳离子交换膜提供在所述阴极室和中间室之间，以及所述中间室包括阳离子交换树脂，当所述阳离子交换树脂与水反应时其离解出氢离子。

Description

制备还原水的装置

技术领域

本公开的实施方式涉及用于制备还原水的装置。更具体地，本公开的实施方式涉及用于制备具有优良还原能力的还原水的装置。

背景技术

按照与经济增长相应的水市场的发展，水通过多种方法获得。例如，在传统方法中，通过煮沸泉水或自来水获得水，然而近年来，使用包括家用碱离子净水器在内的净水器，使用该净水器是为了提升水的有益健康特性从而减少身体不适或不健康。

一种类型的净水器是反渗透(RO)型净水器，其能够去除存在于水中的70-90%的混浊、细菌、病毒、有机化合物、农用化学品、重金属、消毒副产品、无机离子等，并获得具有中性范围pH(5.8-8.5的pH)的清洁且可饮用的水。为此目的，这样的净水器具有如此配置：通常3-5个过滤器安置在净水器中，纯化的水储存在水槽中，且根据需要而选择性地获得冷水或热水。

然而，从净水器得到的水仅具有满足人体口渴以支持生存的基本功能，并在由水的氧化还原电位(以下，称为“ORP”)所代表的健康指数方面，具有等于或高于自来水的氧化能力。

为了克服净水器的所述缺点并给予功能性而研发的产品是碱离子净水器。所述碱离子净水器是用于制备pH为8.5或更高的水的医疗装置，它在四种胃肠道症状(慢性腹泻、消化不良、胃肠异型发酵和高胃酸度)中提供了还原效应，并被韩国食品和药物管理局所批准。在医学领域，临床试验已经证实所述碱离子净水器在多种疾病如肠疾病、脉管疾病、糖尿病和特应性皮炎的治疗中是有效的。最近的院校和研究论文报道主要功效是由水的还原能力造成的。

然而，在所述碱离子净水器中的水应包含足够量的离子，因为溶于水的离子充当电解质并且碱离子水在常规电解期间制得。为了保持所述数量的离子，过滤器被限制为满足一般的水净化需求的超滤(UF)过滤器而不是RO过滤器。而且，当在电解期间施加的电压和电流增大从而改善碱离子水的还原能力时，水的pH增大。如此制备的碱离子水不适合用于可饮用水。

发明内容

因此，本公开的一个方面是提供一种用于制备还原水的装置，所述还原水保持了中性范围的pH并显示出优良的还原能力。

此外，本公开的另一方面用于提供用于制备还原水的装置，所述装置改善了用于制备还原水的装置的阳离子交换树脂的寿命。

本公开的其它方面将在随后的描述中部分地阐述，且部分将从所述描述显然或通过对本公开的实践而习知。

根据本公开的一个方面，用于制备还原水的装置包括电解槽，所述电解槽包括装配有阴极的阴极室、装配有阳极的阳极室、和插置在所述阴极室和所述阳极室之间的中间室，其中所述阴极室和所述中间室装配有通过其供应水的入口和通过其排出水的出口，阳离子交换膜提供在所述阴极室和所述中间室之间，以及所述中间室包括阳离子交换树脂，当所述阳离子交换树脂与水反应时所述阳离子交换树脂可离解出氢离子。

所述装置还可包括循环器，该循环器用于供应水到所述中间室并将通过所述阳离子交换树脂排出的水再次供应给所述中间室。

所述循环器可包括：水槽，储存供应到中间室的水；通道（channel），形成通路，使存在于所述水槽中的水能够在所述中间室和所述水槽之间循环；和泵，用于在所述中间室和所述水槽之间循环存在于所述水槽中的水。

所述水槽可包括感测储存在所述水槽中的水的水位的水位传感器。

所述水槽可包括出口，储存在所述水槽中的水通过所述出口排出到外面。

所述装置可包括冷却装置，该冷却装置用于降低通过所述循环器供应到所述中间室的水的温度。

所述冷却装置可包括风扇，或使用热电半导体或制冷剂的冷却器（cooler）。

所述循环器可包括：通道，形成通路，使得已经流过所述中间室的水被再次引入到所述中间室中；泵，用于沿着所述通道循环被供应到所述中间室的水；和阀，用于控制供应到所述中间室的水的流动。

所述装置还可包括反渗透(RO)过滤器，该RO过滤器用于提纯供应到所述电解槽或所述循环器的水。

所述装置还可包括阀，所述阀用于控制水的流动使得从所述RO过滤器供应的所述水被供应给所述阴极室或所述循环器。

所述装置还可包括设置在所述阳极室和所述中间室之间的阳离子交换膜。

所述阴极、在所述阴极室和所述中间室之间提供的所述阳离子交换膜、以及所述阳离子交换树脂可以一个与一个地接触，所述阳离子交换树脂、在所述中间室和所述阳极室之间提供的所述阳离子交换膜、以及所述阳极可以一个与一个地接触。

此外，所述阴极和所述阳极可装配有孔，水可流经所述孔。

此外，所述阴极和所述阳极可具有网格（mesh）结构。

所述阳离子交换树脂可通过对换所述阴极和所述阳极而重复使用。

此外，所述装置还可包括向所述电解槽提供电压的电源。

所述装置还可包括阳离子交换树脂过滤器，供应到所述中间室的水流经所述阳离子交换树脂过滤器。

所述阳离子交换树脂过滤器还可包括阳离子交换树脂，当所述阳离子交换树脂与水反应时其可离解出氢离子。

所述装置还可包括反渗透（RO）过滤器，该RO过滤器用于提纯供应给所述阳离子交换树脂过滤器或所述阴极室的水。

所述装置还可包括分支通道，该分支通道用于将通过所述RO过滤器提纯的水供应给所述阳离子交换树脂过滤器和所述电解槽的所述阴极室。

所述阳离子交换树脂过滤器可包括入口和出口，从RO过滤器供应的水通过所述入口引入，供应到所述中间室的水通过所述出口排出。

所述阳离子交换树脂过滤器可插置在所述RO过滤器和所述电解槽之间，使得水在供应到所述中间室之前流经所述阳离子交换树脂过滤器。

所述阳离子交换树脂过滤器可分离地安装在用于制备还原水的所述装置上。

根据本公开的另一方面，用于制备还原水的装置包括：电解槽，包含装配有阴极的阴极室、装配有阳极的阳极室、和插置在所述阴极室和所述阳极室之间的中间室；和阳离子交换树脂过滤器，供应到所述中间室的水流经所述阳离子交换树脂过滤器，其中所述阴极室和所述中间室装配有通过其供应水的入口和通过其排出水的出口，和阳离子交换膜提供在所述阴极室和所述中间室之间。

所述装置还可包括阳离子交换树脂过滤器，供应到所述中间室的水流经所述阳离子交换树脂过滤器。

所述阳离子交换树脂过滤器还可包括阳离子交换树脂，当所述阳离子交换树脂与水反应时其可离解出氢离子。

所述装置还可包括反渗透(RO)过滤器，该RO过滤器用于提纯供应到所述阳离子交换树脂过滤器或所述阴极室的水。

所述装置还可包括分支通道，该分支通道用于将通过所述RO过滤器提纯的水供应给所述阳离子交换树脂过滤器和所述电解槽的所述阴极室。

所述阳离子交换树脂过滤器可包括入口和出口，从RO过滤器供应的水通过所述入口被引入，供应到所述中间室的水通过所述出口排出。

所述阳离子交换树脂过滤器可插置在所述RO过滤器和所述电解槽之间使得水在供应到所述中间室之前流经所述阳离子交换树脂过滤器。

所述阳离子交换树脂过滤器可分离地安装在用于制备还原水的所述装置上。

所述装置还可包括设置在所述阳极室和所述中间室之间的阳离子交换膜。

所述阴极、在所述阴极室和所述中间室之间提供的所述阳离子交换膜、和所述阳离子交换树脂可一个与一个地接触，以及所述阳离子交换树脂、在所述中间室和所述阳极室之间提供的所述阳离子交换膜、和所述阳极可一个与一个地接触。

此外，所述阴极和所述阳极可装配有孔，水流经所述孔。

此外，所述阴极和所述阳极可具有网格结构。

根据本公开的一个方面，可以获得具有中性pH并显示出优良的还原能力的还原水。

此外，使用所述阳离子交换树脂过滤器，有可能防止在所述中间室中在所述阳离子交换树脂中滋生细菌。

附图说明

结合附图，从实施方式的以下描述，本公开的这些和/或其它方面将变得显然且更容易理解，其中：

图1是示出传统的碱离子净水器的驱动机构的示意图；

图2和图3是示出根据本公开的一个实施方式的、用于制备还原水的装置的驱动机构的示意图；

图4是示出在图2和图3中示出的、用于制备还原水的装置中的阳离子交换树脂过滤器的视图；

图5是示出根据图2和图3中示出的实施方式的修改实施方式的、用于制备还原水的装置的驱动机构的示意图；

图6a和图6b是示出根据另一实施方式的、用于制备还原水的装置的驱动机构的示意图；

图7是示出在图6a和图6b的中间室中填充的阳离子交换树脂的功能的视图；

图8是曲线图，显示出在阴极室中制备的还原水的pH和ORP性能作为使用传统碱离子净水器的电解和根据图2或图6a和图6b所示的实施方式的用于制备还原水的装置的电解的结果；

图9是示出根据图6a所示的实施方式的修改实施方式的包括循环器的、用于制备还原水的装置的驱动机构的示意图；

图10是示出根据图6a所示的实施方式的包括冷却装置的、用于制备还原水的装置的驱动机构的示意图；

图11a和图11b是曲线图，显示出在图6a和图6b中描述的用于制备还原水的装置中，在电极互换之前和之后在阴极中制备的还原水的pH和ORP性能；

图12a和图12b是示出用于制备还原水的装置的电极的形状的视图；和

图13是示出在根据本公开实施方式的用于制备还原水的装置中的阳离子交换树脂、阳离子交换膜和电极的布置的视图。

具体实施方式

下面，将参考附图描述本公开的优选实施方式。

首先，将描述传统的碱离子净水器。

图1是示出传统的碱离子净水器的驱动机构的示意图。

所述碱离子净水器包括UF过滤器11和电解槽12，电解槽12包括阴极13、阳极14和设置在阴极13与阳极14之间的离子交换膜16。

水流经UF过滤器11。结果，去除了尺寸为0.01μm或更大的不可见微生物诸如病毒、微粒细菌和藻类胞子，而尺寸小于0.01μm的离子和微细组分则通过。将如此获得的净化水加到电解槽12中，并对其施加预定的电能以分解水。在电极13和14二者中发生的水的电解通过下面的反应式1描述。

反应式1

阴极(-电极)：2H₂O+2e-→H₂+2OH-,E0=-0.828V

阳极(+电极)：2H₂O→4H++O₂+4e-,E0=+1.229V

在该情况中，考虑到在阴极13中制备的水的氧化还原电位(ORP；相对于标准氢电极的电动势)，在只有OH-和H₂不正常地存在于水中的假定下，标准氢电极的电动势可通过以下的方程式1描述：

方程式1

其中n表示反应电子的数目，H_{2-标准氢电极}和H_2-阴极分别表示标准氢电极的H₂浓度(mol/L)和阴极的H₂浓度(mol/L)，OH^-表示OH^-的浓度(mol/L)。

在方程式1中，发生自发反应直至E=E+－E-从正值mV达到0mV。因为电子从工作电极移到标准氢电极，所以通过负(-)值表示氢还原电位差。在该情况中，包含工作电极的水表现还原能力。当电子从标准氢电极移到工作电极时，通过正(+)值表示氢还原电位差的值，并且工作溶液表现氧化能力。

从反应式1中可看出，当将E=E+－E-=1.229－(-0.828)=2.057V的电压施加到两个电极上时，引入的水在阴极生成氢气(H₂)和羟基(OH-)，并因而变为碱性。根据方程式1，ORP的值减小且可具有负(-)值。在阳极，水生成氧气(O₂)和氢离子(H+)，并因而变为酸性。根据反应式1，ORP值为正(+)值。

在传统的碱离子净水器中，随着施加的电压增大，碱度增大，并且还原水的pH以及还原能力增大。例如，经韩国食品和药物管理局批准的碱离子净水器限制于具有pH范围为8.5-10的2-级医疗装置。因此，在pH 10时，ORP为-85mV。如反应式1所示，当进一步增大施加的电压从而改善还原能力时，OH-产生量与H₂气体产生量成比例地增大。因此，pH增大，结果制备了非饮用水。因此，能使用碱离子净水器制备的还原水的还原能力具有pH增大的限制，且因此在最大化其值的方面存在限制。

此外，商业可用的RO过滤器型净水器具有去除存在于水中的游离性余氯、色度、混浊、氯仿、微生物和细菌的基本的水净化功能，以及去除有机化合物、农用化学品、重金属和无机离子的特殊的水净化功能，从而产生没有这些组分的纯净水。净化水具有5-15μs/cm的平均水导电率，其为一般自来水的平均电导率(约200-约220μs/cm)的1/15-1/40。

为了电解与流过UF过滤器的离子水具有相同纯度的水，需要施加400-500V的能量。这就是说，流过RO过滤器的纯净水的电解体系的布置是相当不切实际的，因为电解效率急剧降低。

根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置解决了净水器和碱离子净水器的问题，由此可以制备显示出优良还原能力且具有中性pH范围的水。

图2和图3是示出根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置的驱动机构的视图，图4是示出图2和图3所示的用于制备还原水的装置的阳离子交换树脂过滤器40的视图。

参考图2，根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置包括：电解槽22，所述电解槽22包括装配有阴极23的阴极室41、装配有阳极24的阳极室42以及插置在阴极室41和阳极室42之间的中间室43；RO过滤器21，用于净化供应给电解槽22的水；和阳离子交换树脂过滤器40，通过所述阳离子交换树脂过滤器40将水供应给电解槽22的中间室43。

根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置仅采用了净水器和碱离子净水器的优缺点中的优点，其中所述净水器用于提供已经从其去除了重金属、有机物质以及无机离子的净水，所述碱离子净水器用于提供已被还原但具有pH为8.5或更高的碱度且满足从其去除游离性余氯、色度、混浊和氯仿的基本净化水平的水，由此制备显示出中性pH范围(pH 5.8-8.5)以及优良的还原能力并且从其去除了微生物、细菌、残余氯、重金属、有机化合物、农用化学品等的净且稳定的水。

电解槽22包括装配有用于电解水的阴极23的阴极室41、装配有阳极24的阳极室42以及用阳离子交换树脂26填充且插置在阴极室41和阳极室42之间的中间室43。

此外，阳离子交换膜25和25'分别形成在阴极23和阳离子交换树脂26之间以及阳离子交换树脂26和阳极24之间，阴极23、阳离子交换膜25和阳离子交换树脂26一个与一个地接触，阳离子交换树脂26、阳离子交换膜25'和阳极24也可一个与一个地接触。

当在阳离子交换膜25与阴极23之间以及阳离子交换膜25'与阳极24之间存在预定距离时，从阳极24产生的H+离子通过阳离子交换膜25'向阳离子交换树脂26的移动效率会劣化，结果，从阴极23产生的还原水的pH被中和的效率会劣化。因此，优选地是，阳离子交换树脂26、阳离子交换膜25和25'以及电极23和24一个与一个地接触。

同时，流过RO过滤器21的水加入电解槽22。将流过RO过滤器21的水直接引入阴极室41中，而流过RO过滤器21的水并不直接引入用阳离子交换树脂26填充的中间室43中，而是在流经阳离子交换树脂过滤器40之后被引入中间室43中。因为仅阳离子通过阳离子交换膜25和25'，所以引入到阴极室41的水并不移动通过阳离子交换膜25到达中间室43。同样地，引入到中间室43的水并不移动通过阳离子交换膜25到达阴极室41。

在RO过滤器21的前端处还可提供沉积物过滤器和碳过滤器。

如上面的反应式1所述，当施加2.057V或更高的电压时，基于作为催化剂的阳离子交换树脂26的作用，在阳极24和与其相邻的被浸泡（soak）的阳离子交换膜25’之间通过电解产生的H+离子转移到阴极23，所转移的H+离子导致与OH-的中和反应，如下面的反应式2所描述的，因此防止了在阴极23产生的还原水的pH的增大。

反应式2

OH-(在阴极产生)+H+(从阳极和阳离子交换树脂转移)→H₂O(中性水)

因此，由于从阴极23产生的H₂，水具有在中性pH范围(5.8-8.5)内的负ORP值，因此显示出还原能力。

更具体地，如下面图7所示，流过RO过滤器21的水被供应给电解槽22的阴极室41，流过阳离子交换树脂过滤器40的水被供应给中间室43，引入到中间室43的阳离子交换树脂26中的水浸泡接触阳极24的阳离子交换膜25'。

当为了使预定电流流入电解槽22而施加电压时，水在阳离子交换膜25'的表面和阳极24的表面之间电解，从而产生H+和O₂。

因为在阳极24产生的O₂具有约 的尺寸，所以O₂不移动穿过阳离子交换膜25到达阴极23，而是经由引入到阳离子交换树脂26的水而排到外面。

当引入到阳离子交换树脂26中的水静止不流动时，溶解在水中的O₂浓度增大并因此氧化阳离子交换树脂26。结果，阳离子交换树脂26的寿命降低。此外，电解期间产生的热(Q∝W=I²R)未释放，因此阳离子交换膜25和25'以及阳离子交换树脂26的寿命降低。

此外，在阳极24制备的H+与在阴极23产生的OH-键合，从而防止因OH-增多而导致的pH增大，尽管从阴极室41排出的还原水的还原能力由于H₂增多而增大。

电解槽22还可包括施加电压的电源(未显示)。

在中间室43中填充的阳离子交换树脂26可以是H+型阳离子交换树脂。例如，阳离子交换树脂26是其中SO3H交换基团连接到聚合母体表面的树脂。在该情况中，当树脂浸泡在水中时，H+离子从树脂的表面分离直至它们与水中的H+离子平衡。

如上所述，阳离子交换树脂26填充由“□”型材料制成的在阴极室41和阳极室42之间的中间室43。基于在纯净水中通过电压差产生的能量，在阳极24产生的H+离子不能移到阴极23；而基于从阳离子交换树脂26分离的H+离子，H+离子可能从阳极24移动到阴极23。因此，形成了其中在阳离子交换树脂26的寿命限度期间即使在低电压下电流也流动的闭环配置。

通常地，在流过RO过滤器的水中未观测到细菌。然而，由于RO过滤器的内部总浸泡在水中，所以随时间流逝，细菌会由于各种原因诸如外部物质的引入而滋生。

然而，尽管细菌可能滋生，但是在流过RO过滤器的水中存在的细菌数量处于对人体无害的水平，且在阴极室41中制得并从其排出的还原水用作饮用水是没有问题的。

在这一点上存在问题，当细菌存在于流过RO过滤器并供应给用阳离子交换树脂26填充的中间室43的水中时，存在于水中的细菌容易被吸附在阳离子交换树脂26上，因为阳离子交换树脂26是由具有细孔结构的聚合物诸如聚苯乙烯制成。

吸附在阳离子交换树脂26上的细菌不容易从阳离子交换树脂26分离，且随时间流逝，其数量由于细菌的滋生而增多。结果，阳离子交换树脂26被污染。

当细菌的数量由于细菌滋生而增多时，阳离子交换树脂26的功能劣化，其寿命缩短，结果，用于制备还原水的装置的功能被不利地劣化。

为了解决该问题，根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置包括安装在RO过滤器21和中间室43之间的阳离子交换树脂过滤器40。

在流过RO过滤器2 1的水被供应给用阳离子交换树脂26填充的中间室43之前，水流经用阳离子交换树脂49填充的阳离子交换树脂过滤器40从而将在从RO过滤器排出的水中存在的细菌预先吸附在阳离子交换树脂过滤器40上，其中阳离子交换树脂49与中间室43中填充的阳离子交换树脂26相同。

结果，将流经阳离子交换树脂40的已去除了细菌的水供应给中间室43，以防止由于细菌的吸附而导致的中间室43的阳离子交换树脂26的功能劣化和寿命缩短。

如图2中所示，阳离子交换树脂过滤器40接收通过RO过滤器21过滤的水，并将过滤的水供应给中间室43。

如图4中所示，阳离子交换树脂过滤器40包括室（housing）48，该室48配备有在其中填充阳离子交换树脂49的空闲区域。

此外，所述室48在其两端提供有入口46和出口47，通过入口46供应流过RO过滤器21的水，通过出口47排出供应给中间室43的水。

在空闲区域中填充的阳离子交换树脂49是H+型阳离子交换树脂，其与电解槽22的中间室43中填充的阳离子交换树脂26是相同的类型。

例如，当树脂加入水中时，其中在该树脂中SO3H交换基团连接到具有细孔结构的聚合母体如聚苯乙烯的表面，H+离子从树脂的表面分离，直到它们与水中的H+离子平衡。

加入到阳离子交换树脂过滤器40的水是通过RO过滤器21提纯的水，且具有6.2至6.5的pH。流过阳离子交换树脂过滤器40的水包含从阳离子交换树脂49的表面上分离的H+离子，并因此该水具有4.2至4.5的降低的pH。

同时，在电解槽22的中间室43中，当水连续地流过阳离子交换树脂26时，H+离子在阳离子交换树脂26的表面持续地离解并消耗。因此，阳离子交换树脂26的功能劣化和寿命减少是不可避免的。如上所述，因为流过阳离子交换树脂过滤器40的水具有4.2至4.5的低pH，所以其具有等于或高于阳离子交换树脂26表面的H+离子浓度的氢离子浓度。因此，当这样的水被供应给中间室43时，在阳离子交换树脂26的表面离解和消耗的H+离子量减少，且阳离子交换树脂26的寿命相对延长。

流过RO过滤器21的水通过分支通道44被分离地供应到阳离子交换树脂过滤器40中和电解槽22的阴极室41中。连接到阳离子交换树脂过滤器40的分支通道44连接阳离子交换树脂40的入口46。

流过阳离子交换树脂过滤器40的水通过另一通道45而连接到中间室43。

如上所述，由于细菌吸附在阳离子交换树脂过滤器40的阳离子交换树脂49上，所以定期更换阳离子交换树脂49。因此，阳离子交换树脂过滤器40可分离地安装在用于制备还原水的装置上。

与如上所述的阳离子交换树脂过滤器40一起，使用通过电解而产生的H+离子来重复利用阳离子交换树脂26，由此延长阳离子交换树脂26的寿命。

如图2中所示，在阳极24通过电解产生的H+离子移到阳离子交换膜25'和阳离子交换树脂26，阳离子交换树脂26的与阳极24和阳离子交换膜25'相邻的部分的H+浓度高于平衡状态，并因此可以被部分地重复使用。因此，如图3所示，在预定流量的电解之后，交替改变图2的电解槽22的阳极24和阴极23的极性，其中电解槽22左右对称并且水被引入电解槽22中，阳离子交换树脂26用于传送作为催化剂的H+离子并且可重复使用，因此连续地制备还原水。此外，因为水仅在一个方向流动，所以通过使水反向而防止可能产生的离子交换膜的污染。

也就是说，经过电极互换，图2的阴极23变为图3的阳极24，图2的阳极24变为图3的阴极23。

因此，如图3所示，流过RO过滤器21的水被供应给设置在右边的改变后的阴极室41。因为该结构是基于中间室43左右对称的，所以取决于电极的极性，阴极23和阳极24可以互换。

图5是示出根据图2所示的本公开的实施方式的修改实施方式的、用于制备还原水的装置的驱动机构的视图。

图5所示的用于制备还原水的装置包括：电解槽22，电解槽22包括装配有阴极23的阴极室41、装配有阳极24的阳极室42以及插置在阴极室41和阳极室42之间的中间室43；RO过滤器21，用于提纯供应给电解槽22的水；和阳离子交换树脂过滤器40，水经过阳离子交换树脂过滤器40被供应给电解槽22的中间室43。

除了阳离子交换树脂未填充在电解槽22的中间室43中之外，图5所示的用于制备还原水的装置及其配置与图2中描述的根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置及其配置相同。

流过阳离子交换树脂过滤器40的水具有4.2至4.5的pH，并包含在阳离子交换树脂49的表面离解的H+离子，尽管在中间室43中未填充阳离子交换树脂。因此，基于在流经中间室43的水中包含的H+离子，H+离子从阳极24转移到阴极23，并且当对其施加电压时，形成能够流通电流的闭环配置（closed-loop configuration）。

在该实施方式中，因为在中间室43中不存在阳离子交换树脂，所以当控制恒定电流时，可施加15至25V的高电压，并因而产生热量。因此，可分离地提供散热器(未显示)以散发电解槽22的热量。

在该实施方式中，当施加到电解槽22的用于电解水的电流为3A以及电压为15至25V时，引入到电解槽22的阴极室41中的水具有6.2至6.6的pH、+300mV的ORP和100ml/m的流速，以及在电解槽22中制备的还原水具有9至10的pH和-400至-550mV的ORP。

当在中间室43中不存在阳离子交换树脂时，移向阴极室41的氢离子的移动效率劣化，以及在阴极室41中制备的还原水具有9至10的碱性pH。

也就是说，在该实施方式中制备的还原水具有与在传统的碱离子净水器中制备的水类似的pH，但显示出了更好的还原能力。因此，本实施方式可用于需要还原水的系统。

图6a和图6b是示出根据另一实施方式的用于制备还原水的装置的驱动机构的示意图，图7是示出在中间室43中填充的阳离子交换树脂的功能的视图。

根据本实施方式的用于制备还原水的装置包括：电解槽22，其包括装配有阴极23的阴极室41、装配有阳极24的阳极室42以及插置在阴极室41和阳极室42之间的中间室43；RO过滤器21，用于提纯供应到电解槽22的水；和循环器，用于将水供应给电解槽的中间室43。

为了电解水，电解槽22包括装配有阴极23的阴极室41、装配有阳极24的阳极室42以及填充阳离子交换树脂26的中间室43，该中间室43插置在阴极室41与阳极室42之间。此外，在阴极23和阳离子交换树脂26之间以及阳离子交换树脂26和阳极24之间分别形成阳离子交换膜25和25'。

同时，流过RO过滤器21的水加入到电解槽22。流过RO过滤器21的水直接引入阴极室41中，而流过RO过滤器21的水并未被直接引入填充阳离子交换树脂26的中间室43，而是通过在循环器中提供的水槽27被引入，循环器储存流过RO过滤器21的水。因为只有阳离子通过阳离子交换膜25和25'，所以引入到阴极室41的水不移动经过阳离子交换膜25到达中间室43。同样地，引入到中间室43的水不移动经过阳离子交换膜25到达阴极室41。

如上述反应式1所述，当施加2.057V或更高的电压时，基于阳离子交换树脂26的催化作用，在阳极24和与之相邻的水润湿阳离子交换膜25'之间通过电解而产生的H+离子转移到阴极23，所转移的H+离子与OH-产生了如下反应式2所描述的中和反应，从而防止了在阴极23中制备的还原水的pH增大。

反应式2

OH-(在阴极产生)+H+(从阳极和阳离子交换树脂转移)→H₂O(中性水)

因此，由于从阴极23产生的H₂，水具有在中性pH范围(5.8-8.5)的负的ORP值，因此显示出了还原能力。

更具体地，如下图7所示，当流过RO过滤器21的水被供应给电解槽22的阴极室41和填充阳离子交换树脂的中间室43时，引入到中间室43的水浸泡接触阳极24的阳离子交换膜25'。

为了使预定电流流入电解槽22而施加电压时，水在阳离子交换膜25'的表面与阳极24的表面之间电解，从而产生H+和O₂。

因为在阳极24中产生的O₂具有约 的尺寸，所以其不移动经过阳离子交换膜25到达阴极23而是通过引入到阳离子交换树脂26的水而被排到外面。

当引入阳离子交换树脂26的水静止不流动时，溶解在水中的O₂浓度增大并因而氧化阳离子交换树脂26。结果，阳离子交换树脂26的寿命减少。此外，在电解期间产生的热(Q∝W=I²R)没有释放，因而阳离子交换膜25和25'以及阳离子交换树脂26的寿命减少。

此外，在阳极24制备的H+与在阴极23产生的OH-键合，从而防止由于OH-增大而导致的pH增大，尽管从阴极室41排出的还原水的还原能力由于H₂增多而增大。

电解槽22还可包括用于施加电压的电源(未显示)。

在中间室43中填充的阳离子交换树脂26可以是H+型阳离子交换树脂。例如，阳离子交换树脂26是其中SO3H交换基团连接到聚合母体表面的树脂。在该情况下，当所述树脂浸泡在水中时，H+离子从所述树脂的表面分离直到它们与水中的H+离子平衡。

如上所述，阳离子交换树脂26填充在由“□”型材料制成的在阴极室41和阳极室42之间的中间室43中。基于在纯净水中通过电压差而产生的能量，在阳极24产生的H+离子不能移到阴极23，而基于从阳离子交换树脂26分离的H+离子，H+离子可能从阳极24移动到阴极23。因此，形成了闭环配置，在该闭环配置中在阳离子交换树脂26的寿命限度期间，即使在低电压下电流也流动。

图8是曲线图，显示在阴极室41中制备的还原水的pH和ORP性能作为使用传统的碱离子净水器电解和根据图2、图6a和图6b所示的实施方式的用于制备还原水的装置的电解的结果。原水（raw water）是流过UF过滤器和RO过滤器21的水，根据施加电压的增大，碱离子净水器仅在pH方面显示出从8.5到9.5的增大，而没有ORP从-150mV的显著增大，而根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置显示出ORP根据电压的增大而连续增至-500mV，但显示出7至7.5的稳定pH范围。

同时，当水不断流经阳离子交换树脂26时，H+离子连续地在阳离子交换树脂26表面消耗。因此，水流过而未电解，或使用在低电流下产生的H+离子使阳离子交换树脂26重复使用是不充分的，且阳离子交换树脂26的性能的劣化是不可避免的，尽管进行了电解。

作为重复使用传统的H+型阳离子交换树脂的方法，这里存在通过将树脂浸在HCl溶液中预定时间并通过使用存在于水中的过量H+而将树脂表面再生成-SO3H的方法。

然而，由于电解槽的结构特性，根据本公开实施方式的用于制备还原水的装置不能通过使用HCl溶液的化学方法来重复使用存在于其中的阳离子交换树脂。

因此，根据本公开的实施方式，水被供应给阳离子交换树脂26，通过阳离子交换树脂26排出的水被收集，阳离子交换树脂26的寿命通过连接到阳离子交换树脂26的循环器而延长。

如图6a和图6b所示，循环器包括：水槽27，储存供应给阳离子交换树脂26的水；通道29，提供通路，使得水在阳离子交换树脂26和水槽27之间循环；和泵28，提供驱动力，使得存在于通道29和水槽27中的水在阳离子交换树脂26和水槽27之间循环。

通过阀30和31的控制，从RO过滤器21供应的水被引入阴极室41或循环器的水槽27中。

当来自RO过滤器21的水被引入水槽27且预定量的水注入水槽27中时，泵28被驱动，储存在水槽27中的水被供应到电解槽22的中间室43，且流过中间室43的阳离子交换树脂26的水没有浪费而是被再次收集在水槽27中。

在水槽27中收集的水被再次供应给阳离子交换树脂26。

在定期重复该过程时，水在中间室43的阳离子交换树脂26和水槽27之间循环。这样，水被供应给阳离子交换树脂26。

供应给阳离子交换树脂26的水在流过RO过滤器21时被净化，其具有6.2至6.5的pH。流过阳离子交换树脂26的水在阳离子交换树脂26的表面上离解且包含H+离子，如反应式2所述，所述H+离子不包含用于将pH调整到中性水平的H+离子，因此具有4.2至4.5的降低的pH。

当流经阳离子交换树脂26后具有降低的pH的水未被丢弃时，通过水槽27收集，并被供应给中间室43的阳离子交换树脂26，供应给阳离子交换树脂26的水具有4.2至4.5的降低的pH，因此具有等于或类似于从阳离子交换树脂26的表面离解的H+离子浓度的氢离子浓度。因此，在阳离子交换树脂26的表面上离解和消耗的H+离子量减少，并且阳离子交换树脂26的寿命相对延长。

由于水随时间蒸发，所以储存在水槽27中的水的量会减少。因此，水槽27装配有水位传感器37以感测在水槽27中储存的水的水位。当水位降低至预定水平时，水被再次供应到水槽27，且储存在水槽27中的水的量可维持在预定水平或更高。

此外，当储存在水槽27中的水被长时间使用时，其可能被污染。因此，在预定时间后，将水槽27中存在的水排出并再次用新水填充水槽27。为此目的，水槽27可包括用于将水排到外面的出口。

图9是示出根据图6a所示的实施方式的修改实施方式的、包括循环器的用于制备还原水的装置的驱动机构的示意图。

如图9中所示，循环器包括：通道29，用于提供水循环的通路，使得供应给中间室43的阳离子交换树脂26的水能从阳离子交换树脂26排出并能被再次供应给阳离子交换树脂26；泵32，用于提供驱动力，使得供应给阳离子交换树脂26的水沿着通道29循环。

通过阀30和31的控制，从RO过滤器21供应的水被引入阴极室41或循环器中。当水从RO过滤器21被引入到循环器时，水被供应给中间室43的阳离子交换树脂26，同时水沿着循环器的通道29循环。

通过阀30的控制，循环器中的水可以预定时间间隔用新水替换。当用新水替换旧水（old water）时，所述旧水通过阀34的开口被排到外面。

因为在循环器中循环的水连续经过阳离子交换树脂26，所以其吸收由于电解装置的特性引起的阻力和温度升高而产生的热量。

因为供应给阳离子交换树脂26的水的温度的升高可降低阳离子交换树脂26的耐用性，所以为了降低在循环器中循环的水的温度，用于制备还原水的装置可包括冷却装置35 (见图10)。冷却装置35可以是风扇，或使用制冷剂或热电半导体的冷却器。

阳离子交换树脂使用循环器以及在电解之后产生的H+离子被重复使用，从而延长阳离子交换树脂的寿命。

如图6a所示，通过电解在阳极24产生的H+离子可移到阳离子交换膜25'和阳离子交换树脂26，以及阳离子交换树脂26的与阳极24和阳离子交换膜25'相邻的部分具有比平衡状态高的H+浓度，因此可被重复使用。

因此，如图6b所示，当实施预定流量的电解之后，图6a的电解槽22的阳极24和阴极23的极性可交替，其中电解槽22左右对称并且水被引入电解槽22中，阳离子交换树脂26用于传送作为催化剂的H+离子并且可重复使用，因此可连续地制备还原水。同时，因为仅在一个方向上的水流被反向，所以通过使水流反向而防止可能产生的离子交换膜的污染。

也就是说，经过电极互换，图6a的阴极23变为图6b的阳极53，图6a的阳极24变为图6b的阴极54，并且流过图6b中的RO过滤器51的水被引入阴极54和阳离子交换树脂56。因为该结构基于阳离子交换树脂56是左右对称，所以取决于电极极性，阴极53和阳极54可互换。

图11a和图11b是曲线图，显示在图6a和图6b中描述的用于制备还原水装置中在电极互换之前和之后在阴极制备的还原水的pH和ORP性能。

图11a显示了随着阳离子交换树脂的性能的劣化，还原水的pH的变化，同时水以预定流速流动。可从图11a可出，由于阳离子交换树脂的性能的劣化，从阴极排出的水显示出pH增大。

如图11b中所示，当互换电极和通道时，pH回复到中性范围以及ORP维持在-500mV或更高。

如图12a和图12b所示，用于根据本公开实施方式的电解槽的阴极和阳极可具有大量孔，水流过这些孔，其中所述孔彼此间隔开预定距离(图12a)，或为了进一步增大表面积而可以是网孔(网络)结构(图12b)。

基于该结构，可改善电解效率。用于电极的材料可以是涂覆铂的生物学稳定的钛电极，其不会由于所施加的电压而引起电离反应，显示出优良的导电性并且在生物学上是稳定的。

在根据本公开的实施方式的用于制备还原水的装置中，阴极和阳离子交换树脂可接触阳离子交换膜，以及阳离子交换树脂和阳离子交换膜可接触阳极。

图13是示出在根据本公开的实施方式的用于制备还原水的装置中的阳离子交换树脂、阳离子交换膜和电极的布置的视图。

当在阳离子交换膜85和85'与电极83和84之间存在预定距离时，在阳极84产生的H+离子向阳离子交换膜85'和阳离子交换树脂86移动的效率会劣化，并且中和在阴极83的水的pH的效率会劣化。

因此，如图13中所示，优选地，阳离子交换树脂86、阳离子交换膜85和85'以及电极83和84一个与一个地接触。此外，因为只有阳离子通过阳离子交换膜85和85'，所以水不能移过阳离子交换膜。因此，其中包含水的区域基于阳离子交换膜被划分。

根据本公开一个实施方式的用于制备还原水的装置能够制备中性(pH5.8-8.5)的还原水。

此外，所述装置可应用于家用和商业冰箱的分配器或室内加湿器。此外，通过所述装置制备的还原水是高活性还原水，其在室温下具有最大的H₂溶解水平并包含细小的裂解水分子，因此可用于包括卫生、化妆品和农业领域的各种应用中。

尽管已经显示和描述了本公开的数个实施方式，但本领域的普通技术人员可以理解，可在这些实施方式中做出改变而不脱离本发明的原理和精神，其范围在权利要求及它们的等效物中定义。

Claims (14)

1.一种用于制备还原水的装置，包含：

电解槽，包含装配有阴极的阴极室、装配有阳极的阳极室以及插置在所述阴极室和所述阳极室之间的中间室；以及

阳离子交换树脂过滤器，

其中所述阴极室和所述中间室都装配有经过其供应水的入口和经过其排出水的出口，

在所述阴极室和所述中间室之间提供有阳离子交换膜，

所述中间室包括阳离子交换树脂，当所述阳离子交换树脂与水反应时可离解出氢离子，

供应到所述中间室的所述入口的水流经所述阳离子交换树脂过滤器，

供应到所述阴极室的所述入口的水不流经所述阳离子交换树脂过滤器，以及

所述阴极、所述阳离子交换膜和所述阳离子交换树脂一个与一个地接触。

2.根据权利要求1所述的装置，还包含：

循环器，用于供应水到所述中间室并将经过所述阳离子交换树脂排出的水再次供应到所述中间室。

3.根据权利要求2所述的装置，其中所述循环器包含：

水槽，储存供应到所述中间室的水；

通道，形成通路，使存在于所述水槽中的水能够在所述中间室和所述水槽之间循环；和

泵，用于在所述中间室和所述水槽之间循环存在于所述水槽中的水。

4.根据权利要求3所述的装置，其中所述水槽包含：

水位传感器，用于感测所述水槽中储存的水的水位；和

出口，储存于所述水槽中的水通过该出口排到外面。

5.根据权利要求2所述的装置，其中所述循环器包含：

通道，形成通路，使得已经流过所述中间室的水被再次引入到所述中间室中；

泵，用于沿着所述通道循环供应到所述中间室的水；和

阀，用于控制供应到所述中间室的水的流动。

6.根据权利要求2所述的装置，还包含：

反渗透过滤器，用于提纯供应到所述电解槽或所述循环器的水；和

阀，用于控制水的流动使得从所述反渗透过滤器供应的所述水被供应给所述阴极室或所述循环器。

7.根据权利要求1所述的装置，还包含：

阳离子交换膜，设置在所述阳极室和所述中间室之间。

8.根据权利要求7所述的装置，其中所述阳离子交换树脂、在所述中间室和所述阳极室之间提供的所述阳离子交换膜、以及所述阳极一个与一个地接触。

9.根据权利要求7所述的装置，其中所述阳离子交换树脂通过反转所述阴极和所述阳极而重复使用。

10.根据权利要求1所述的装置，还包含：

阳离子交换树脂过滤器，供应到所述中间室的水流经该阳离子交换树脂过滤器，其中当所述阳离子交换树脂与水反应时，所述阳离子交换树脂可离解出氢离子。

11.根据权利要求10所述的装置，还包含：

反渗透过滤器，用于提纯供应到所述阳离子交换树脂过滤器或所述阴极室的水；和

分支通道，用于将经所述反渗透过滤器提纯的水供应到所述阳离子交换树脂过滤器和所述电解槽的所述阴极室。

12.根据权利要求11所述的装置，其中所述阳离子交换树脂过滤器包含：

入口，从所述反渗透过滤器供应的水经过该入口被引入；和

出口，供应到所述中间室的水通过该出口排出。

13.根据权利要求11所述的装置，其中所述阳离子交换树脂过滤器插置在所述反渗透过滤器和所述电解槽之间，使得水在被供应到所述中间室之前流经所述阳离子交换树脂过滤器。

14.根据权利要求10所述的装置，其中所述阳离子交换树脂过滤器可分离地安装在用于制备还原水的所述装置上。