CN104709973B - 一种含原电池的电解水装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种含原电池的电解水装置，其包括盛水容器、直流电源、惰性金属电极、原电池，原电池由金属、活性炭粉末组成；当不通电时，原电池处于湿态下而形成原电池微电解；当原电池与直流电源正极连接且惰性金属电极与直流电源负极连接时，盛水容器形成一电解槽，原电池所在阳极内的铁离子被还原，溶液还原性增强且pH值升高；当原电池与直流电流负极连接且惰性金属电极与直流电源正极连接时，盛水容器形成一电解槽时，原电池所在阴极内的铁被氧化，溶液氧化性增强且pH值降低。本发明将原电池微电解、电解槽电解的优点结合于一起，且可用于使水还原性增强且pH值升高或使水的氧化性增强且pH值下降，结构简单且水处理成本低。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，尤其涉及一种含原电池的电解水装置。
背景技术
在现有的水处理技术中，特别在是自来水的深度处理技术中，应用到的原电池微电解技术和电解槽电解技术都是比较成熟的。
然而，在实际的水处理过程中，对于原电池微电解技术而言，其普遍存在以下缺陷，具体为：处理效率不高，且所释放的微电解产物会形成二次处理；对于电解槽电解技术而言，其普遍存在以下缺陷，具体为：电极容易被污染，需要获取碱性水时会产生酸性水，需要获取酸性水时会产生碱性水，且会造成水资源和电能源的浪费。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足而提供一种含原电池的电解水装置，该含原电池的电解水装置能够有效地将原电池微电解技术的优点与电解槽电解技术的优点结合于一起，该含原电池的电解水装置可用于使水还原性增强且pH值升高或使水的氧化性增强且pH值下降，结构简单、水处理成本低。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案来实现。
一种含原电池的电解水装置，包括有盛水容器，盛水容器内置放有一对电极，该对电极包括有惰性金属电极以及作为另一个电极的原电池，原电池由金属粉末与活性炭粉末组成；
该含原电池的电解水装置还包括有分别与惰性金属电极、原电池电连接的直流电源；当直流电源不通电时，原电池处于湿态下而形成原电池微电解；当原电池与直流电源的正极连接形成阳极且惰性金属电极与直流电源的负极连接形成阴极时，盛水容器形成一电解槽，原电池所在阳极内铁的离子被还原成铁，溶液还原性增强且pH值升高；当原电池与直流电流的负极连接形成阴极且惰性金属电极与直流电源的正极连接形成阳极时，盛水容器形成一电解槽时，原电池所在阴极内的铁被氧化成离子，溶液氧化性增强且pH值降低。
其中，所述直流电源的电流值范围为1mA-1500mA。
其中，所述原电池中活性炭粉末与金属粉末的质量比为1∶1-9。
其中，所述原电池中活性炭粉末的粒径值为10目-80目。
其中，所述原电池中的金属粉末为铁粉。
其中，所述铁粉的粒径值为10目-80目。
其中，所述原电池中的金属粉末为铁粉与铜粉的混合物、铁粉与锰粉的混合物或者铁粉与铜粉、锰粉的混合物。
其中，所述铁粉于金属粉末混合物中的含量为50％-90％。
其中，所述原电池由金属粉末与活性炭粉末烧结成型而成，烧结成型过程中，在绝氧的条件下加热，加热温度为400-900℃，保温时间为30-90分钟。
其中，所述原电池由金属粉末与活性炭粉末压结成型而成，压结成型过程中，压结压力为1-5MPa。
本发明的有益效果为：本发明所述的一种含原电池的电解水装置，其包括盛水容器、直流电源，盛水容器内置放惰性金属电极、原电池，原电池由金属粉末与活性炭粉末组成；当直流电源不通电时，原电池处于湿态下而形成原电池微电解；当原电池与直流电源的正极连接形成阳极且惰性金属电极与直流电源的负极连接形成阴极时，盛水容器形成一电解槽，原电池所在阳极内铁的离子被还原成铁，溶液还原性增强且pH值升高；当原电池与直流电流的负极连接形成阴极且惰性金属电极与直流电源的正极连接形成阳极时，盛水容器形成一电解槽时，原电池所在阴极内的铁被氧化成离子，溶液氧化性增强且pH值降低。本发明能够有效地将原电池微电解技术的优点与电解槽电解技术的优点结合于一起，且本发明可用于使水还原性增强且pH值升高或使水的氧化性增强且pH值下降，结构简单、水处理成本低。
附图说明
下面利用附图来对本发明进行进一步的说明，但是附图中的实施例不构成对本发明的任何限制。
图1为本发明的结构示意图。
在图1中包括有：
1——盛水容器
2——原电池
3——惰性金属电极
4——直流电源。
具体实施方式
下面结合具体的实施方式来对本发明进行说明。
实施例一，如图1所示，一种含原电池的电解水装置，包括有盛水容器1，盛水容器1内置放有一对电极，该对电极包括有惰性金属电极3以及作为另一个电极的原电池2，原电池2由金属粉末与活性炭粉末组成。
进一步的，该含原电池的电解水装置还包括有分别与惰性金属电极3、原电池2电连接的直流电源4；当直流电源4不通电时，原电池2处于湿态下而形成原电池2微电解；当原电池2与直流电源4的正极连接形成阳极且惰性金属电极3与直流电源4的负极连接形成阴极时，盛水容器1形成一电解槽，原电池2所在阳极内铁的离子被还原成铁，溶液还原性增强且pH值升高；当原电池2与直流电流的负极连接形成阴极且惰性金属电极3与直流电源4的正极连接形成阳极时，盛水容器1形成一电解槽时，原电池2所在阴极内的铁被氧化成离子，溶液氧化性增强且pH值降低。
需进一步解释，所述直流电源4的电流值为200mA，且直流电源4的电压值为3.7V；所述原电池2中活性炭粉末与金属粉末的质量比为1∶1，该金属粉末为铁粉，其中，活性炭粉末、铁粉的粒径值分别为50目。
需进一步指出，原电池2与惰性金属电极3之间的距离为6mm，原电池2呈圆柱形结构，其直径值为36mm；惰性金属电极3呈薄片圆形结构，其直径值液位36mm。其中，原电池2可采用烧结成型或者压结成型的方式加工而言，对于烧结成型的原电池2而言，在烧结成型过程中，在绝氧的条件下加热，加热温度为600℃，保温时间为60分钟；对于压结成型的原电池2而言，在压结成型过程中，压结压力为3MPa。另外，惰性金属电极3为表面敷铂的钛基金属。
实施例二，如图1所示，一种含原电池的电解水装置，包括有盛水容器1，盛水容器1内置放有一对电极，该对电极包括有惰性金属电极3以及作为另一个电极的原电池2，原电池2由金属粉末与活性炭粉末组成。
进一步的，该含原电池的电解水装置还包括有分别与惰性金属电极3、原电池2电连接的直流电源4；当直流电源4不通电时，原电池2处于湿态下而形成原电池2微电解；当原电池2与直流电源4的正极连接形成阳极且惰性金属电极3与直流电源4的负极连接形成阴极时，盛水容器1形成一电解槽，原电池2所在阳极内铁的离子被还原成铁，溶液还原性增强且pH值升高；当原电池2与直流电流的负极连接形成阴极且惰性金属电极3与直流电源4的正极连接形成阳极时，盛水容器1形成一电解槽时，原电池2所在阴极内的铁被氧化成离子，溶液氧化性增强且pH值降低。
需进一步解释，所述直流电源4的电流值为200mA，且直流电源4的电压值为3.7V；所述原电池2中活性炭粉末与金属粉末的质量比为1∶1，该金属粉末为铁粉与铜粉的混合物、铁粉与锰粉的混合物或者铁粉与铜粉、锰粉的混合物，所述铁粉于金属粉末混合物中的含量为70％，其中，活性炭粉末的粒径值为45目。
需进一步指出，原电池2与惰性金属电极3之间的距离为6mm，原电池2呈圆柱形结构，其直径值为36mm；惰性金属电极3呈薄片圆形结构，其直径值液位36mm。其中，原电池2可采用烧结成型或者压结成型的方式加工而言，对于烧结成型的原电池2而言，在烧结成型过程中，在绝氧的条件下加热，加热温度为400℃，保温时间为40分钟；对于压结成型的原电池2而言，在压结成型过程中，压结压力为5MPa。另外，惰性金属电极3为表面敷铂的钛基金属。
实施例三，如图1所示，一种含原电池的电解水装置，包括有盛水容器1，盛水容器1内置放有一对电极，该对电极包括有惰性金属电极3以及作为另一个电极的原电池2，原电池2由金属粉末与活性炭粉末组成。
进一步的，该含原电池的电解水装置还包括有分别与惰性金属电极3、原电池2电连接的直流电源4；当直流电源4不通电时，原电池2处于湿态下而形成原电池2微电解；当原电池2与直流电源4的正极连接形成阳极且惰性金属电极3与直流电源4的负极连接形成阴极时，盛水容器1形成一电解槽，原电池2所在阳极内铁的离子被还原成铁，溶液还原性增强且pH值升高；当原电池2与直流电流的负极连接形成阴极且惰性金属电极3与直流电源4的正极连接形成阳极时，盛水容器1形成一电解槽时，原电池2所在阴极内的铁被氧化成离子，溶液氧化性增强且pH值降低。
需进一步解释，所述直流电源4的电流值为1mA；所述原电池2中活性炭粉末与金属粉末的质量比为1∶9，该金属粉末为铁粉，其中，活性炭粉末、铁粉的粒径值分别为10目。
需进一步指出，原电池2与惰性金属电极3之间的距离为6mm，原电池2呈圆柱形结构，其直径值为36mm；惰性金属电极3呈薄片圆形结构，其直径值液位36mm。其中，原电池2可采用烧结成型或者压结成型的方式加工而言，对于烧结成型的原电池2而言，在烧结成型过程中，在绝氧的条件下加热，加热温度为900℃，保温时间为90分钟；对于压结成型的原电池2而言，在压结成型过程中，压结压力为1MPa。另外，惰性金属电极3为表面敷铂的钛基金属。
按本发明所描述的方法对多种水质进行了测试，其具有普遍性的结果：
1、本发明对测试水TDS的影响：
取测试水1，水质的TDS值为9，浸泡5分钟后倒掉，对电极时行初始化。静置在常温下的空气中半小时，然后再倒入测试水进行测试。
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极，通电4分钟后测试结果TDS值为20，重复以上方法，再次测试结果为TDS为16；再重复以上的方法，但将直流电源4反向接能，即电解槽的阴极与阳极互换，测试的结果TDS值为9；
取测试水2(为自来水)，水质的TDS值为615，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的TDS值为631，第二次测试的TDS值为633；
将电极反向，重复以上方法，TDS值为629；
2、本发明对测试水的pH值的影响：
测试水样1，pH值为6.39，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的pH值为9.55，第二次测试的pH值为8.81；
将电极反向，重复以上方法，pH值为5.48；
测试水样2，pH值为7.59，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的pH值为8.39，第二次测试的pH值为7.95；
将电极反向，重复以上方法，pH值为6.91；
3、本发明对测试水的氧化还原性的影响：
测试水样1，ORP值为81，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的ORP值为-56，第二次测试的ORP值为-91；
将电极反向，重复以上方法，ORP值为133；
4、本发明对测试水的氧化还原性的影响：
测试水样1，ORP值为83，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的ORP值为-88，第二次测试的ORP值为-132；
将电极反向，重复以上方法，ORP值为-25；
5、本发明对测试水的铁的离子含量的影响：
测试水样1，铁离子含量为0.007mg/L，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的铁离子含量为0.022mg/L，第二次测试的铁离子含量为0.063mg/L；
将电极反向，重复以上方法，铁离子含量为0.152mg/L；
测试水样2，铁离子含量为0.178mg/L，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的铁离子含量为0.216mg/L，第二次测试的铁离子含量为0.179mg/L；
将电极反向，重复以上方法，铁离子含量为1.974mg/L；
6、本发明对测试水的余氯含量的的影响：
测试水样1，余氯含量为0.06mg/L，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的余氯含量为0.05mg/L，第二次测试的余氯含量为0.06mg/L；
将电极反向，重复以上方法，余氯含量为0.04mg/L；
测试水样2，余氯含量为0.03mg/L，按上述同样的方法进行：
直流电源4的正极接原电池2，使原电池2作为电解装置的阳极，惰性金属电极3作为阴极：第一次测试的余氯含量为0.07mg/L，第二次测试的余氯含量为0.13mg/L；
将电极反向，重复以上方法，余氯含量为0.05mg/L；
上述测试中存在多个平衡：活性炭的吸附力与电场力存在着力学上的平衡，氯气的歧化反应与归中反应平衡，水的电离平衡。
对其现象进行分析，根据生活饮用水卫生标准，其限值规定如下：氯化物：250mg/L，硫酸盐：250mg/L，总硬度：450mg/L；其它的一些物质与这三个值相比，含量相当低，相差2个数量极以上；主要以氯及离子物、铁及离子物、氢离子、氢氧根离子进行分析。
当不通电时，原电池2处于湿态下，因为其中的材料主要是炭和铁的混合物，铁容易失去电子成为负极，从而与稳定性好的活性炭形成原电池2。形成原电池2后，不论是析氢腐蚀还是吸氧腐蚀，原电池2中都是由铁生成亚铁离子：Fe-2e-＝Fe2+其中吸氧腐蚀：O2+4e -+H2O＝4HO-，其中析氢腐腐蚀：2H++2e-＝H2↑。其它少量的局部反应可忽略；
为了增加电位差，促进铁的反应，在加工成型中加入一定比例铜粉或锰粉；其中，所加入的铜粉或锰粉可作为催化剂，促进或加剧其化学反应。另外，上述铁的离子包括3价铁离子和2价铁离子。
加入自来水，当原电池2与直流电源4的正极连接形成阳极，惰性金属电极3与直流电源4的负极连接形成阴极，接通电源的情况下，它形成了电解槽。在电解槽与原电池2共存的情况下，原电池2的影响可以忽略。
形成电解槽后，在电场的作用下，阴离子向原电池2所在的阳极移动。这时，氯离子(Cl-)、氢氧根离子(OH-)、硫酸根离子(SO4 2-)等阴离子向阳极(炭铁原电池2)聚集。包括原电池2中的亚铁离子(Fe2+)和表层极少量的铁离子(Fe3+)。
这里的分析是根据曹天叙电解理论，会使分析变得更简单一些。
氯离子先于氢氧根离子被氧化，成为氯(2Cl--2e＝Cl2↑)，由于氯离子的聚集在炭铁原电池2附近局部浓度大，氯容易被(炭铁原电池2)活性炭吸附；在活性炭内部，继续与铁和亚铁离子反应而消耗。
而阴极惰性金属电极3附近氢离子(H+)、钠离子(Na+)、钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)等阳离子聚集，包括由于电场力的影响，摆脱了活性炭的吸附力摆脱活性炭吸附力的亚铁离子(Fe2+)和少量的铁离子(Fe3+)。
由曹天叙电解理论可知，电解电解质溶液时，如果有能在常温下与水反应的金属离子，在阴极放电后便会与水反应产生氢，例如K+、Na+、Ca2+等。在常温下不与水反应的金属离子在阴极放电后沉积金属单质。例如Cu、Zn、Fe等。而铁在酸性环境下，也是置换生成氢气(Fe2++2e-＝Fe Fe3++3e-＝Fe H++e-→[H]→H2↑，)。故简化为这样的方程式：(2H++2e＝H2↑)
由上可知，从而使整个水溶液呈现还原性增强，PH值升高的现象。
加入自来水，当原电池2与直流电源4的负极连接形成阴极，惰性金属电极3与直流电源4的正极连接形成阳极，接通电源的情况下，它形成了电解槽。形成电解槽后，在电场的作用下，阳离子向原电池2所在的阴极移动。这里主要考核钙离子(Ca2+)、镁离子(Mg2+)，包括原电池2内部的亚铁离子(Fe2+)和表层少量的铁离子(Fe3+)。根据阳离子活性特征，亚铁离子(Fe2+)先被还原。反应式如下：Fe2++2e-＝Fe。在活性炭内部转化。
而阳极为惰性电极，阴离子包括氯离子(Cl-)、氢氧根离子(OH-)、硫酸根离子(SO4 2-)等在电场力的作用下向阳极聚集。这里的放电顺序为：S2-＞SO3 2-＞I-＞Fe2+＞Br-＞Cl-＞OH-＞NO3 2-＞SO4 2-。
故，反应如下：Fe2+-e＝Fe3+，2Cl--2e＝Cl2↑，氯气在水中继续发生反应，(Cl2+H2O＝2H++ClO-+Cl-)，使溶液呈现氧化性增强，PH值下降的现象。
以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种含原电池的电解水装置，其特征在于：包括有盛水容器(1)，盛水容器(1)内置放有一对电极，该对电极包括有惰性金属电极(3)以及作为另一个电极的原电池(2)，原电池(2)由金属粉末与活性炭粉末组成；
该含原电池的电解水装置还包括有分别与惰性金属电极(3)、原电池(2)电连接的直流电源(4)；当直流电源(4)不通电时，原电池(2)处于湿态下而形成原电池(2)微电解；当原电池(2)与直流电源(4)的正极连接形成阳极且惰性金属电极(3)与直流电源(4)的负极连接形成阴极时，盛水容器(1)形成一电解槽，原电池(2)所在阳极内铁的离子被还原成铁，溶液还原性增强且pH值升高；当原电池(2)与直流电源(4)的负极连接形成阴极且惰性金属电极(3)与直流电源(4)的正极连接形成阳极时，盛水容器(1)形成一电解槽，原电池(2)所在阴极内的铁被氧化成离子，溶液氧化性增强且pH值降低。
2.根据权利要求1所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述直流电源(4)的电流值范围为1mA-1500mA。
3.根据权利要求1所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述原电池(2)中活性炭粉末与金属粉末的质量比为1∶1-9。
4.根据权利要求1所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述原电池(2)中活性炭粉末的粒径值为10目-80目。
5.根据权利要求1所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述原电池(2)中的金属粉末为铁粉。
6.根据权利要求5所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述铁粉的粒径值为10目-80目。
7.根据权利要求1所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述原电池(2)中的金属粉末为铁粉与铜粉的混合物、铁粉与锰粉的混合物或者铁粉与铜粉、锰粉的混合物。
8.根据权利要求7所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述铁粉于金属粉末混合物中的含量为50％-90％。
9.根据权利要求1至8任意一项所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述原电池(2)由金属粉末与活性炭粉末烧结成型而成，烧结成型过程中，在绝氧的条件下加热，加热温度为400-900℃，保温时间为30-90分钟。
10.根据权利要求1至8任意一项所述的一种含原电池的电解水装置，其特征在于：所述原电池(2)由金属粉末与活性炭粉末压结成型而成，压结成型过程中，压结压力为1-5MPa。
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