CN103936111A

CN103936111A - 净水器辅助净化装置

Info

Publication number: CN103936111A
Application number: CN201410146708.8A
Authority: CN
Inventors: 肖志邦
Original assignee: Dalian Shuangdi New Technology Research Institute Co Ltd
Current assignee: Dalian Shuangdi New Technology Research Institute Co Ltd
Priority date: 2014-04-12
Filing date: 2014-04-12
Publication date: 2014-07-23
Anticipated expiration: 2034-04-12
Also published as: WO2015154706A1; CN103936111B

Abstract

本发明涉及一种净水器辅助净化装置，属于电解设备技术领域。该装置包括设有进水口的盛水容器，所述进水口与净水器连通；所述盛水容器的壳体内设有阴电极和阳电极，还包括用于对所述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，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。该装置可生成大量以氢为主的超微气泡和强氧化因子，能够对源水进行净化杀菌，与常规净水器结合，可以制取出高度安全且适宜饮用的水。

Description

净水器辅助净化装置

技术领域

本发明涉及一种净水器辅助净化装置，属于水电解设备技术领域。

背景技术

由市政提供的民众日常生活用水,即使自来水厂出厂水质安全指标基本达标,输送到民众用水终端的“龙头水”,由于下述原因,也己经成为一种(特殊的)微污染水:

1）水环境污染日益恶化,现有自来水厂处理工艺陈旧,出厂水质已经难以达标(特别是在突发饮用水卫生事件的情况下)；

2）输水管网系统带来的二次污染；

3）水中余氯与残留有机物相互作用,可能生成源水中没有的新的有害物质(例如强致癌物三氯甲烷,等等)。尤其是,上述余氯导致的毒副产物,用诸如把水烧开的简单方法并不能去除。

因此,为保障饮水的绝对安全,有必要对龙头水加以再净化处理。

市场上现有以“龙头水”为处理对象的净水器,均属于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。由于活性炭类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,因此实际情况是并不能如理论设计所期望那样作到对水中污染物的充分净化。但物理方式水处理工艺也有一个优点,就是不会生成毒副产物。相比而言,化学水处理工艺虽然具有廉价简单高效等诸多优点,但迄今尚未见有在日常生活用水处理场合广泛应用。究其原因,一是化学水处理工艺需要足够的反应时间。而在日常生活用水场合,净水器从开机到出水仅仅数秒钟,污染物在净水器中停留时间太短,根本来不及完成相关化学反应处理；其二是,化学水处理工艺有可能伴随一定的毒副作用。例如,尽管化学氧化反应工艺可强效灭活细菌,深度降解有机物,去除水中的各种有害物质,但化学氧化法所生成的各类强氧化因子基本是无选择性、不可控的,若处理不当极可能产生源水中没有的新物质,反而危及饮水安全。正因为如此,在民众日常生活饮用水净化处理场合,对于化学水处理工艺的应用可以说是慎之又慎。然而,在水环境前所未有严重污染、传统物理净水器已力不从心的今天,重新审视关注化学水处理在生活饮用水净化处理应用的可能性,创新开发一种既能高效除去水中污染物又无毒副产物、高度安全的化学氧化水质净化方法与装置,具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：提出一种具有较好杀菌能力的净水器辅助装置，该装置可以制取出适宜人饮用的富含氢且氧化还原电位低的水。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种净水器辅助净化装置，包括设有进水口的盛水容器，所述进水口与净水器连通；其特征在于：所述盛水容器的壳体内设有阴电极和阳电极，还包括用于对所述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，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米，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。

本发明的透水性隔膜也叫透水膜，是指透水孔径从毫米级到纳米级，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。

上述技术方案中所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，是指透水性隔膜与阳电极之间基本是零间距。

上述本发明申请公开的技术方案工作机理陈述如下：

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一种隔离膜，本发明人创新地将该透水性隔膜引入水电解装置中作为阴、阳电极间的隔离膜。

对水电解的正常反应是，阴极析氢（气）、阳极析氧（气），H⁺离子趋向阴极区域，而OH-离子则趋向阳极区域。本发明装置中，阴、阳电极之间设置有透水性隔膜，将电解池分割为阴极室和阳极室两个反应空间。

1）透水性隔膜与阴电极的间距δ大于零，即阴极室容积大于零，阴极析氢反应正常进行，生成氢气，阴极室、进而整个容器水的氧化还原电位下降

H⁺+e^-→H H+H→H₂↑ H+e^-→H^-

2）阳极室析氧反应为

①从水里迁移到阳极表面的液相传质吸附

OH^-（水）→OH^-（阳极表面）

②在阳极表面发生的反应

OH^-→OH+e^-

OH+OH→O+H₂O

OH+OH^-→O+e^-+H₂O

O+O→O₂↑

由于透水性隔膜覆盖在阳电极上，相当于阳极室容积=0，阳极析氧反应因隔膜对阳极的覆盖受到干扰。在阳极脱附转化反应生成的H₂O以及在阳极析出的氧气，由于无处释放，只能在克服了透水性隔离膜的透水水阻后，穿过隔膜中无数微孔通道向阴极室迁移。

3）本发明装置中，隔膜的无数微孔蓄水空间，等效于阴、阳电极电解电流通路中相互并联的一个个微小水电阻。因阴电极与膜之间间距δ很小，阴极室水电阻压降可以忽略不计，外加电解电压主要作用在透水性隔膜上，每个微孔中单位电压强度极高。再加上透水性隔离膜的透水孔径很小（微米级乃至纳米级），从阴极释放的高能电子在微孔中密集，相当于将一个大的放电电极（阴极）分解为无数个小曲率半径电极。因此，不仅在透水性隔膜微孔中对水电解氧化还原反应可充分进行，从阳极迁移到膜孔内的O₂受高能电子的轰击及强电场作用生成氧气泡，并激发连锁反应，诱发水体自身气化，在微孔内形成连续稳定的等离子放电，生成大量氧化因子，最终通过阴极区域扩散到容器水中。

综合上述反应过程可知，本发明通过创新的在阴、阳电极之间设设置透水性隔膜，并将该透水性隔膜覆盖阳极以及控制透水性隔膜与阴电极的间距,带来的直接效果是：

1）本发明装置不仅可制取得到氧化还原电位低富含氢的有益健康水，同时在水中还生成相当多的强氧化因子，较之其它现有富氢水制取技术，杀菌净化能力大大提升；

2）透水性隔离膜通常可以很薄（例如超滤膜的厚度可做到0.1mm～0.5mm），在阴阳极之间加入隔离膜后，可以将阴阳电极之间间距稳定保持在基本等于隔离膜的厚度范围，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；加上膜中发生的等离子放电高效反应因素等，使得本发明装置的实际功耗较之同类装置大大降低。当覆盖碳材质阳极时，还可有效防止碳颗粒剥落造成短路。

3）通过对隔离膜与电极性状等的适当选择及调整，可以控制水中氧化因子的生成，以适应不同场合的饮用水需求。

本发明装置中，透水性隔膜的透水孔径大小进一步影响本发明装置处理水的效果。透水孔径小，则对阳极析氧气化反应的抑制效果好，而且透水孔径减小相当于放电电极的曲率半径减小，也有利于等离子放电的进行；但是透水孔径过小，对阳极析氧气化反应抑制过度，相当于大幅度提高了阳极析氧电位，在外加电解电压不变的情况下，阴阳极之间的电解电流大大下降，反而导致本发明装置中所期望的各种反应不能进行。此外，膜的透水孔径选择还关联到膜的机械强度等多种因素。经实践中反复试验，根据不同的饮用水需求综合考虑，本发明装置选择透水膜的孔径范围从2毫米到1纳米之间，涵盖日常生活水处理常用的超滤膜、纳滤膜和微滤膜。

上述本发明技术方案的完善一是：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，单层透水性隔膜优选超滤膜或采用碳质材料制成的透水性隔膜；多层透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜是采用碳质材料制成的透水性隔膜；当所述透水性隔膜采用碳质材料制成的单层透水性隔膜时，阳电极可优选含有碳质材料的阳电极。

通过上述对本发明技术方案的完善一，可以在保证正常析氢反应的同时，又将水中有害物质吸附到活性炭膜中进行氧化降解，而且抑制水中的氧化物质不至于太多，防止生物指标变差，尤其适合对以“饮”为目的的生活水进行处理。进一步地，倘若透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，且其中靠近阳电极的一层透水性隔膜具有导电性和微米级孔径（例如是由导电性陶瓷或活性炭纤维制成），则将带来进一步的下述变化：

1)因为具有良好导电性,其本身产生的电压降很小,因此保证了水中等离子放电仍主要在靠向阴极一侧的非导电的、透水孔径更小的透水膜（一般选择为超滤膜）中进行。

2)由于介质的多孔性,一方面可以强化对阳极析氧的抑制,另一方面可以将源水中的污染物吸附在导电性陶瓷或活性炭纤维的孔隙里,受到阳极的直接氧化和间接氧化作用而深度降解去除。

3)对自来水中残留余氯有很好吸附,并在阳极作用下转化为无害氯离子,大大降低了水中残留余氯可能生成毒副产物的危险。

上述本发明技术方案的完善二是：透水性隔膜与阳电极的具体覆盖可以是覆盖阳电极的全部表面，也可以是覆盖阳电极的部分表面；当覆盖阳电极的部分表面时，优选覆盖阳电极相对阴电极一侧的表面（也是主要反应面）。

上述本发明技术方案完善三是：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完善四是：所述透水性隔膜上开有第二通孔，所述第二通孔的孔径大于2毫米。在透水性隔膜上开有第二通孔，实质等效于产生一个个的无膜电解小区域，或者说相当于引入叠加了常规无膜电解反应，可以适当改变本发明装置的水处理效果，例如调整水的pH值等。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。

上述本发明技术方案完善五是：当本发明装置盛水容器为金属材质（例如不锈钢）时，可直接以盛水容器的壳体作为阴电极。

上述本发明技术方案完善六是：所述盛水容器的进水口通过外接净水器的排污口与净水器连通。

上述本发明技术方案完善七是：所述盛水容器的进水口通过连接净水器的进水管或出水管与净水器连通。

上述本发明技术方案完善八是：所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或正向电压电平大于反向电压电平的交变脉冲电源。

附图说明

下面结合附图对本发明的净水器辅助净化装置作进一步说明。

图1是本发明实施例一的净水器辅助净化装置的结构示意图。

图2是本发明实施例二的净水器辅助净化装置的结构示意图。

图3是本发明实施例三的净水器辅助净化装置的结构示意图。

图4是本发明实施例四中的正负极以及透水性隔膜的结构示意图。

图5是本发明实施例五中的正负极以及透水性隔膜的结构示意图。

图6是本发明实施例六中的正负极以及透水性隔膜的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的净水器辅助净化装置参见图1（包括设有进水口9的盛水容器1，盛水容器1的进水口9外接现有净水器7的排污口6，净水器7设有进水管10-1和出水管10-2。盛水容器1壳体内设有阴电极2和阳电极3，阴电极2和阳电极3之间设有透水性隔膜5，透水性隔膜5紧贴阳电极3上，透水性隔膜5包覆阳电极3的全部表面，透水性隔膜5与阴电极2的间距δ=1mm。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，厚度为0.1mm。当然本实施例的超滤膜也可以采用其他材质的透水性滤膜，平均透水孔径在0.1～0.05微米之间均可。

本实施例的阴电极2为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，阳电极3采用石墨或活性炭等碳质材料制成，阴阳电极均为圆片形，表面均不开孔。

本实施例阴电极2、阳电极3采用直流的电解电源4进行供电，电解电源4为高电平窄脉宽稳压24伏的交变直流脉冲电源，且正向脉冲电平大于反向脉冲电平。

本实施例的净水器辅助净化装置可以在水中形成有大量以氢气为主的超微气泡，超微氢气泡上浮到净水器7中，可以冲洗现有净水器7中的过滤膜（或活性炭）8的外表面，防止过滤膜（或活性炭）8的外表面结垢，减轻浓差极化，使源水中的污染物絮凝沉淀而去除。同时装置产生的强氧化因子对水进行杀菌，并防止活性碳过早饱和，大幅度延长活性碳的更换周期。

采用本实施例的净水器辅助净化装置与一台标称流量为380升/小时的市售常规超滤净水器对接（盛水容器1的进水口密封套接到该净水器的排污口6）进行了水电解实验。盛水容器1的内腔为：直径D=120mm，高80毫米；将该净水器内的超滤滤芯去除,以市供自来水（TDS=187mg/L）将净水器（连同盛水容器）注满水（约20升），关闭净水器的进水口10-1，电解时间为30分钟，每隔5分钟从净水器中取水样测定一次；

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：

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。

实验结果如下表1：

表1

实验结果分析

1、通过排水集气-燃烧方法并测量水中溶解氢含量，可以确定水中生成的大量气泡主要表现为氢气泡；

2、随电解时间的增加，水中的氢以及氧化因子量均呈正比例增长；

3、阳电极3碳质材料的吸附作用，水中产生的氧化因子将减少，从而制成适宜饮用的水。

实施例二

本实施例的净水器辅助净化装置是在实施例一基础上的改进，如图2所示，与实施例一的变化是：1）将盛水容器1设置在净水器7的进水管10-1处，这样净水器辅助净化装置在水中形成的大量以氢气为主的超微气泡和强氧化因子可以在水压的作用下进入净水器，同样起到达到杀菌和清洁的作用。当然，盛水容器1也可以与进水管10-1进行串接（再在盛水容器1开有出水口），进一步地，盛水容器1也可以与出水管10-2进行并接或串接。

2）阳电极3变更为钛基覆涂铂族氧化物（涂层厚度为0.8毫米）的惰性电极。

3）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是3mm。

本实施例调整透水性隔膜5对阳电极3的覆盖方式进行对比实验：第一种方式如图2所示，透水性隔膜5完全包覆阳电极3的全部表面；第二种方式，透水性隔膜5仅仅覆盖阳电极3朝向阴电极2一侧2/3部分表面（图中示未出），两种方式中其它结构参数均不变。实验条件也与实施例一相同。分别试验透水性隔膜5对阳电极3的二种覆盖方式，测试结果如下表2：

表2

实验结果分析

一定范围内，随透水性隔膜5对阳电极3的增加，水中及气泡中的含氢量增加、氧化还原电位下降、碱性加强，氧化因子减少；反之，水中氧化因子则增多。实施例三

本实施例的净水器辅助净化装置是在实施例一基础上的改进，如图3所示，与实施例一的变化是：1）盛水容器1壳体为不锈钢材质，并作为阴电极2；2）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是2mm。

将本实施例的净水器辅助净化装置进行水电解实验，电解时间20分钟，其他实验条件和检测方法与实施例一相同，实验结果如下表3：

表3

实施例四

本实施例的净水器辅助净化装置是在实施例一基础上的改进，如图4所示，与实施例一的变化是：1）阴电极2上均布开有24个直径φ1mm的第一通孔；2）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是4mm；3）阳电极3变更为钛基覆涂铂族氧化物（涂层厚度为0.8毫米）的惰性电极；4）透水性隔膜5包覆阳电极3的部分表面（阳电极3朝向阴电极2一侧的全部表面）。

表3

实施例五

本实施例的净水器辅助净化装置是在实施例四基础上的改进，与实施例一的变化是：1）如图5所示，透水性隔膜5是由活性炭纤维膜（毡）5-1和超滤膜5-2叠加复合而成的二层透水性隔膜，活性炭纤维膜5-1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5-2包覆阳电极3的部分表面（阳电极3朝向阴电极2一侧的全部表面），并且超滤膜5-2的两端略微超出阳电极；2）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是5mm；3）阳电极3改为与阴电极2相同的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，呈圆形片状。

将本实施例的净水器辅助净化装置进行水电解实验，电解时间20分钟，其他实验条件与实施例一相同，实验结果如下表4：

表4

由实验结果可得出：本实施例的净水器辅助净化装置，由于透水性隔膜5是由活性炭纤维膜（毡）5-1和超滤膜5-2叠加复合而成的二层透水性隔膜，因此可以大量吸附水中氧化因子，从而制成更适宜人饮用的富含氢及氧化还原电位低的水。

实施例六

本实施例的净水器辅助净化装置是在实施例五基础上的改进，与实施例五的变化是：1）活性炭纤维膜（毡）5-1由导电性陶瓷制成的透水膜取代；2）如图6所示，朝向阴电极2（背离阳电极3）的超滤膜5-2包覆阳电极3的三个侧表面；3）透水性隔膜与阴电极2的间距δ是9mm。

本发明的净水器辅助净化装置不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如：1）阳电极3可以是其他材料的惰性电极；2）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ可以是0～10mm的任意间距，比如7mm、8mm或10mm等；3）透水性隔膜5也可以是三层或更多层不同材质的隔膜叠加而成；4）阴电极2和阳电极3的形状也可以是包括圆形和方形的各种形状；5）本发明的上述多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

1.一种净水器辅助净化装置，包括设有进水口的盛水容器，所述进水口与净水器连通；其特征在于：所述盛水容器的壳体内设有阴电极和阳电极，还包括用于对所述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，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米，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所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜是由碳质材料制成的透水性隔膜。

3.根据权利要求1所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述透水性隔膜是单层透水性隔膜，所述阳电极是含有碳质材料的阳电极。

4.根据权利要求3所述净水器辅助净化装置，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透水性隔膜。

5.根据权利要求1-4之任一所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述透水性隔膜覆盖所述阳电极的全部表面。

6.根据权利要求1-4之任一所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述透水性隔膜覆盖所述阳电极的部分表面。

7.根据权利要求1-4之任一所述饮水电解制取装置，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1毫米。

8.根据权利要求1-4之任一所述净水器辅助净化装置，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。

9.根据权利要求1-4之任一所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述盛水容器的壳体是金属制成的壳体，并直接作为阴电极。

10.根据权利要求1-4所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述盛水容器的进水口通过外接净水器的排污口与净水器连通。

11.根据权利要求1-4所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述盛水容器的进水口通过连接净水器的进水管或出水管与净水器连通。

12.根据权利要求1-4之任一所述净水器辅助净化装置，其特征在于：所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或正向电压电平大于反向电压电平的交变脉冲电源。