CN103932358A - 果蔬清洗机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种果蔬清洗机，属于电解设备技术领域。该果蔬清洗机包括盛水容器和电解电源，盛水容器内设置有至少一个电解单元，电解单元包括至少一对阴电极和阳电极，电解电源用于对所述阴电极和阳电极供电；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，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。该果蔬清洗机可将源水制成富含大量超微氢气泡具有强还原能力和杀菌能力的富氢水，可高效、安全降解果蔬等食品中残留农药、杀虫剂，从而有益健康。

Description

果蔬清洗机

技术领域

本发明涉及一种果蔬清洗机，属于电解设备技术领域。

背景技术

蔬菜及瓜果中残留的农药和有毒重金属或无机物，日益为民众所担忧。所以才有了有机蔬菜的热卖与追捧。但是有机蔬菜的价格是普通蔬菜的3-10倍，对于一般收入的大众来说，常年食用有机蔬菜经济压力过大。另一方面，国家对有机蔬菜没有统一的标准，大多自称有机蔬菜的销售商都是商家的个人行为。实际是否真的“有机”令人困扰。

伴随着市场的需要，以及满足消费大众的需求。市场已推出能够降解农药的蔬菜水果的清洗商品机。主要有以下两种：

机械式果蔬清洗机：以水流循环冲洗方式或超声波震动的方式去除附着在蔬菜水果表面的农药等，缺点是去除农药效率低。

臭氧型果蔬清洗机：通过产生臭氧，利用臭氧的强氧化作用，降解农药效率优于机械式果蔬清洗机。然而，臭氧氧化的致命问题是伴有刺鼻异味，尤其是可能生成强致癌物——溴酸盐。此外，臭氧对于果蔬中残留重金属的去除效果不佳。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种可高效、安全降解果蔬等食品中残留农药、杀虫剂，从而有益健康的果蔬清洗机。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种果蔬清洗机，包括盛水容器和电解电源，所述盛水容器内设置有至少一个电解单元，所述电解单元包括至少一对阴电极和阳电极，所述电解电源用于对所述阴电极和阳电极供电；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。

上述技术方案中所述透水性隔膜也叫透水膜，是指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），等。

上述本发明公开的果蔬清洗机技术方案的工作机理及有益效果陈述如下。

本发明装置中的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，本发明人创新地将透水性隔膜引入电解单元中作为阴、阳电极间的隔离膜。由此我们认为本发明的电解单元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：

1、电极尖端直径曲率与透水膜孔隙直径的等效模型

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。

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，透水性隔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。

2、增大接触面积，提高水中反应效率

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，本发明与不加透水性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。

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。

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。

概括上述本发明的果蔬清洗机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：

1）水中形成有大量以氢气为主的超微气泡，在上升过程中不断破裂产生振动,极大的降低了残留农药与蔬菜的附着力使农药更好的溶入水而被水中的氧化因子降解，由于氢气具有极强的穿透力,可以深度到达蔬菜的纤维孔隙中,从而使氧化降解反应更加充分和全面。

2）水中氧化因子可强化对水中污染物的洗涤清除效果；当用于果蔬清洗时，δ越小，相关反应越激烈，洗涤、杀菌降解效果越好，而且由于阴极和膜之间有强烈气泡冲刷，将源水中的钙镁离子及洗涤污染物冲出，反而有助于防止阴电极和膜之间的阻塞；

3）本发明装置在产生大量高浓度氢气泡的同时电解后的水中OH-浓度增大，这都大大加强了农药本身水解作用更进一步加强了农药的降解效果，另外强氧化因子具有杀灭细菌的效果，这对食物生吃尤为重要；

4）无论是氧化因子对农药的氧化降解还是自然水解的加速反应都有效保持蔬菜水果的营养成分和口感。

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。

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～0.3mm），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。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，在果蔬清洗机中，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。

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。

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1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。

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自身的透水孔区别在于：透水孔是隔膜自身固有的，第二通孔则是另外单独制作的。

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。其中透水性隔膜的一种具体材料是：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。

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。

上述本发明技术方案的完善三是：所述盛水容器内设有波轮，所述电解单元沿盛水容器内的波轮周圈均匀布置。

附图说明

下面结合附图对本发明的果蔬清洗机作进一步说明。

图1是本发明实施例一的果蔬清洗机的内部局部结构示意图。

图2是图1的俯视图。

图3是图1的电解单元的结构示意图。

图4是图3的爆炸图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的果蔬清洗机，参见图1和图2，包括盛水容器10和电解电源。本实施例的盛水容器10内设置有一个的电解单元20。

如图3和图4所示，电解单元20包括一对阴电极2和阳电极3。电解电源用于对阴电极2和阳电极3供电。每对的阴电极2和阳电极3之间设有透水性隔膜4。

本实施例的透水性隔膜4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）；当然本实施例的透水性隔膜4也可以采用其他材质的透水过滤膜，平均透水孔径在小于等于2毫米且大于等于1纳米之间均可。

本实施例的透水性隔膜4同时紧贴在阴电极2和阳电极3上，透水性隔膜4与阴阳电极的间距为0。

本实施例的阴电极2和阳电极3均采用钛基覆涂铂族氧化物（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呈圆形片状。阴电极2上开有第一通孔21，阳电极的表面不开孔。

本实施例的透水性隔膜4是非导电性的透水性隔膜。

本实施例的电解电源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。

本实施例的阴电极2和阳电极3在电解单元20内平行放置，阴电极2位于阳电极3的上方。

本实施例的盛水容器10内设有波轮11，电解单元20沿盛水容器内的波轮11周圈均匀布置。

一、实验1

采用本实施例的电解单元20进行水电解实验，盛水容器容积为600×240×360毫米，源水是自来水，TDS=160mg/L，盛水容器注水约4升，电解时间为30分钟，每5分钟取水样测定一次。

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

①水中气泡量（强度）的目测分级：

从水中气泡为零～实验中相对气泡含量最大，分为0～5级；

②水中氧化因子的测定

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。同时考虑到本发明的电解单元20系专用于果蔬清洗机，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：

无色——对应水中氧化因子基本为零，设为0级；

颜色最黄——对应水中氧化因子相对最多，设为5级；

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。

实验1结果如下表1：

表1

实验结果分析

随电解时间的增加，水中氧化因子量均呈正比例增长。

二、实验2

无隔膜/离子膜/透水性隔膜的对比

将本实施例的透水性隔膜4与拿掉透水性隔膜或更换为离子膜的三种情况分别进行水电解，对比实验条件是：

1)拿掉阴电极2与阳电极3之间的透水性隔膜4，使阴电极2与阳电极3之间形成无隔离膜状态，阴电极2与阳电极3之间的间距为2.0毫米（用绝缘垫圈定位，保持间距不变）；

2)离子膜采用中性离子膜，离子膜与阴阳极间距分别是1毫米；

3)透水性隔膜4采用PVDF超滤膜；

4）实验源水为市售RO纯水机的出水，TDS=200mg/L，pH=7.6，向容器注入水约5升。

保持三种情况下电解电流均为300毫安，电解15分钟，实验2结果示于表2。

表2

三、实验3

测验阴电极与透水性隔膜之间间距范围变化对装置工作特性的影响

将本实施例的阴电极2与透水性隔膜4之间的间距δ2分别调整为：δ2=10、7、4、1、0毫米五种情况。其他实验条件与上述实验2相同，实验3结果示于表3。

表3

实施例二

本实施例的果蔬清洗机与实施例一基本相同，与实施例一不同的变化是：1）电解单元20包括两对阴电极2和阳电极3；2）透水性隔膜4与阴、阳电极的间距都是1mm；3）透水性隔膜4两端分别超出阴、阳电极一小段；4）每对阴电极2和阳电极3在水质调节单元20内相互平行且水平放置，两对阴电极2和阳电极3设于隔板上下两侧（图中未示出）。

实施例三

本实施例的果蔬清洗机与实施例一基本相同，与实施例一不同的变化是：1）阳电极3是采用石墨、活性炭等碳质材料制成的惰性电极；2）透水性隔膜4是采用石墨、活性炭等碳质材料制成的单层透水性隔膜；3）透水性隔膜4与阳电极3的间距δ1是8mm；4）透水性隔膜4与阴电极2的间距δ2是0.05mm。

实施例四

本实施例的果蔬清洗机与实施例二基本相同，与实施例二不同的变化是：1）在阴电极2上开有第一通孔21，通孔孔径取1mm；2）透水性隔膜4与阴电极2、阳电极3同长；3）透水性隔膜4紧贴阳电极3但与阴电极2分离，透水性隔膜4与阴电极2的间距δ2是2mm。

实施例五

本实施例的果蔬清洗机与实施例四基本相同，与实施例四的变化是：1）透水性隔膜4开有直径φ2.1mm的第二通孔41（见图4），第二通孔41与第一通孔21数量相同且基本同心对齐；2）透水性隔膜4与阴电极2的间距δ2是3mm。

实施例六

本实施例的果蔬清洗机，是实施例三基础上的变化，与实施例三不同的是：1）阴电极2和阳电极3均为圆片平面电极，尺寸均为直径48毫米，厚度1毫米；2）阴电极2均布开有梳状第一通孔21；3）透水性隔膜4有以下三种选择和设置：

①单层PVDF超滤膜，平均透水孔径0.03微米，厚度为0.5mm，不开孔，紧贴阴阳电极。

②两层膜叠加组合：第一层采用PVDF超滤膜，平均透水孔径0.03微米，厚度为0.5mm，不开孔，紧贴阳电极；第二层采用平均透水孔径0.05微米PVDF超滤膜片，厚度0.5mm，剪切成与阴电极2相同尺寸并开有梳状第二通孔41的圆片膜，紧贴阴电极；梳状第二通孔41与梳状第一通孔21位置方向相垂直。

③三层膜叠加组合：第一层采用活性炭纤维布，比表面积1200m2/g，浸水紧压后厚度约1.8毫米紧贴阳电极；第二层（中间层）采用PVDF超滤膜，平均透水孔径0.03微米，厚度为0.5mm，不开孔；第三层采用平均透水孔径0.05微米PVDF超滤膜片，厚度0.5mm，剪切成与阴电极2相同尺寸并开有梳状第二通孔41的圆片膜，紧贴阴电极；梳状第二通孔41与梳状第一通孔21位置方向相垂直。

关于透水性隔膜单层或多层组合对本实施例装置工作特性的影响的实验

本实施例的果蔬清洗机分别选择不同透水性隔膜4进行水电解实验如下：

1、实验条件

1.1盛水容器1的容积为500×500×1500毫米

1.2电解单元20，采用直流稳压电源；

1.3其他实验条件和检测方法与实施例一相同。

源水为市供自来水，TDS=160mg/L，pH=7.5，向容器注入水约5升。分别以上述单层隔离膜及组合隔离膜，各电解15分钟，电解过程中电解电流均保持为300毫安，实验结果示于表4。

表4

本发明的果蔬清洗机不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如：1）透水性隔膜4可以是由活性炭纤维膜（毡）和超滤膜叠加复合而成的二层透水性隔膜，活性炭纤维膜靠近阳电极3（朝向阳电极3）并且包覆阳电极3的全部表面，朝向阴电极2（背离阳电极3）的超滤膜包覆阳电极3的部分表面（阳电极朝向阴电极2一侧的全部表面）或包覆阳电极3的全部表面，并且超滤膜的两端略微超出阳电极；2）阳电极3与阴电极2均采用钛基覆涂铂族氧化物（涂层厚度为0.8毫米）制成的惰性电极，均呈圆形片状；3）阴电极2上开有的第一通孔21的孔径可以是1.5、2mm等；4）透水性隔膜4开有第二通孔41的孔径可以是2.5、3mm等；5）阴电极2和阳电极3的间距大于等于透水性隔膜4的厚度且小于等于20毫米；6）电解单元20是两个、四个或更多个；7）本发明的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案，等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种果蔬清洗机，包括盛水容器和电解电源，其特征在于：所述盛水容器内设置有至少一个电解单元，所述电解单元包括至少一对阴电极和阳电极，所述电解电源用于对所述阴电极和阳电极供电；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。

2.根据权利要求1所述果蔬清洗机，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或2所述果蔬清洗机，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3所述果蔬清洗机，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1毫米。

5.根据权利要求3所述果蔬清洗机，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。

6.根据权利要求3所述果蔬清洗机，其特征在于：所述透水性隔膜是单层透水性隔膜。

7.根据权利要求6所述果蔬清洗机，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。

8.根据权利要求3所述果蔬清洗机，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3所述果蔬清洗机，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。

10.根据权利要求1或2所述果蔬清洗机，其特征在于：所述盛水容器内设有波轮，所述电解单元沿盛水容器内的波轮周圈均匀布置。