CN105668725A - 连续饮用水净水机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种连续饮用水净水机，该净水机包括封闭容器、至少一对成对的阴电极和阳电极以及电解电源，所述阴电极和阳电极之间设有将两者完全隔开的透水性隔膜；所述透水性隔膜为叠置的两层非导电材料制成的透水性隔膜，分别是靠近阳电极的第一透水性隔膜和靠近阴电极的第二透水性隔膜；所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜之间填充有物理吸附滤芯；所述物理吸附滤芯上设有进水口，所述封闭容器的侧壁上设有出水口；在使用时，所述封闭容器内的水与阴电极直接接触，并通过所述第一透水性隔膜渗出使所述第一透水性隔膜与阳电极之间夹持有一层水膜。该净水机可以高效降解水中有机物、不产生毒副产物、可彻底灭活水中细菌、高度安全并可连续制水。

Description

连续饮用水净水机

技术领域

本发明涉及一种连续饮用水净水机，属于生活饮用水水质深度处理技术领域。

背景技术

当前，水环境加剧恶化，饮用水质卫生安全事故频发，已经严重危及人的生存。水污染主要是由人类活动产生的污染物造成，它包括工业污染源，农业污染源和生活污染源三大部分。日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据世界权威机构调查，每年因饮用不卫生水至少造成全球2000万人死亡，因此，水污染被称作"世界头号杀手"。

国内外大多数自来水厂至今仍采用沉淀、过滤、加氯消毒的陈旧工艺方法，将江河水或地下水简单加工成可饮用水。然而，面对工业污水、农业污水和生活污水猖獗泛滥涌入生活水源，自来水厂已经不堪重负无能为力。再加上自来水从水厂经输水管网及高层储水箱到达饮用水终端所带来的附加污染，市政自来水已不敢说是卫生的了。尤其是，自来水加氯虽然可有效杀除病菌，但同时也会产生较多的卤代烃化合物，这些含氯有机物的含量成倍增加，是引起人类患各种疾病的重大根源。即使是把自来水煮沸了，上述残留物仍驱之不去，还会使亚硝酸盐与三氯甲烷等致癌物增加。亦即，即便饮用开水的安全系数也是不高的。

现有水质净化产品或涉水产品，主要为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。面对日益严重的源水污染，现有的物理方式处理工艺已经远远不能保证水质达标。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。

因此传统的RO膜反渗透过滤方法生产的水质最为安全，但为保安全所换取的代价则是高达40%-70%甚至更多的逆反浓水被白白浪费排入下水管道，造成巨大的水资源和电能浪费，而且RO膜堵塞后更换的成本非常高。

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，是一种优良的高级氧化工艺，但电化学处理本身存在一系列问题，不宜在民用终端生活饮用水处理场合单独使用，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，重新审视研究化学水处理——尤其是电化学水处理技术与工艺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处理工艺、乃至化学水处理工艺与物理吸附过滤工艺联用的全新水质净化方法与装置，具有十分重要的现实意义。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种可以降解水中有机物、去除余氯、灭活水中细菌且不产生毒副产物的连续饮用水净水机。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种连续饮用水净水机，包括封闭容器、至少一对成对的阴电极和阳电极以及用于对所述阴电极和阳电极供电的电解电源，所述阴电极和阳电极之间设有将两者完全隔断的透水性隔膜；所述透水性隔膜为叠置的两层非导电材料制成的透水性隔膜，分别是靠近阳电极的第一透水性隔膜和靠近阴电极的第二透水性隔膜；所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜之间填充有物理吸附滤芯；所述物理吸附滤芯上设有进水口，所述封闭容器的侧壁上设有出水口；在使用时，所述阴电极与封闭容器内的水直接接触，所述阳电极仅与通过所述第一透水性隔膜渗出的渗透水接触。

需要说明的是，本发明处理的对象是市供自来水，正如背景技术中所述，现在水污染日益严重，市供自来水已经成为一种微污染水（或者说是特殊污染水），其污染源包括环境污染（如农药残留等）、氯消毒产生的污染以及管道二次污染等。

本发明的工作机理及带来的有益效果具体陈述如下。

1）本发明的结构特征是，以透水性隔膜（包括第一、第二透水性隔膜）为分界，分设在透水性隔膜两侧的阴阳电极对：阴电极设于封闭容器的盛水空间内部且阳电极设于封闭容器的盛水空间外部。

本发明中阳电极只与第一透水性隔膜渗出的渗透水接触（阳电极不与封闭容器内的水直接接触），把阳极直接氧化反应转移到过水容器外进行，源水中余氯和氡移向阳电极，透过第一透水性隔膜随渗透水排出，不致再返回封闭容器内污染水质。

2）本发明中第一、第二透水性隔膜的结构在微观上表现为无数透水微孔的过水通道区域，由于第一、第二透水性隔膜是非导电性材料制成，因而在透水微孔的过水通道内产生电压降，即当电解电源的电解电压施加于外电极（阳电极）和内电极（阴电极）后，在在透水微孔的过水通道内形成电压降落关系。

这样水电解时的析氢、析氧反应生成的气体很容易进入透水微孔的过水通道内并在过水通道内的水中生成气泡，在第一、第二透水性隔膜的透水微孔的过水通道内的狭小环境中气泡很容易破碎从而产生局部高温高压，进而以极小电压激发出高效的水体等离子放电，在透水性隔膜中及透水性隔膜周边区域水中生成羟基自由基类暂态氧化因子的等离子体（等离子体是和固态、液态、气态处于同一层次的物质第四态，低温等离子体富含电子、离子、自由基和激发态分子,电子与离子有很高的反应活性,可以使通常条件下难以进行或速度很难的化学反应变得十分迅速，通过水体放电生成等离子群，可以大大提高水体中污染物的降解效率），该羟基自由基暂态氧化因子的氧化性极强，具有非常好的杀菌效果，可以加入到出水中，同时在水中的存在时间又较短，可以直接还原为水从而在杀菌后不留任何毒副作用。

3）本发明在使用时，源水从进水口进入净水机，水流流向为：进水口→物理吸附滤芯→第二透水性隔膜→第二透水性过滤隔膜与阴电极之间储水空间→出水口，水中污染物先后经物理吸附滤芯吸附和第二透水性隔膜过滤去除，出水为常规净化的净水。另一方面，物理吸附滤芯和第一、第二透水性隔膜夹持在阴电极和阳电极之间，在电化学作用下（例如阳极的直接氧化、间接氧化、阴极还原反应），水中的细菌、微生物被彻底灭活，有机物最终趋于降解为二氧化碳和水。不仅对源水深度净化，而且对物理吸附滤芯（活性炭）起到一定的再生作用，也是对第一、第二透水性隔膜极好的保护，大大改善了细菌污染和浓差极化，使第一、第二透水性隔膜的有效寿命大大延长。

4）本发明将电化学处理与物理吸附处理进行结合，首先进行电化学处理，灭活细菌，深度降解去除源水中的有机物等主要污染物，然后通过物理吸附滤芯和第二透水性隔膜进行物理拦截滤除水中残留有害物质，而且也滤除电解工作过程中可能产生导致生物指标变差的次生物质，确保了出水水质尤其是生物指标的高度安全性。

上述技术方案的改进是：所述封闭容器包括管状的金属筒体以及设置在所述金属筒体两端的绝缘密封端盖，所述金属筒体兼作为阴电极；所述阳电极也呈管状且位于金属筒体内，相应地，所述物理吸附滤芯也呈管状且所述阳电极、物理吸附滤芯与金属筒体同心设置，所述第一透水性隔膜、第二透水性隔膜分别满覆布设在物理吸附滤芯的内表面、外表面，所述金属筒体上设有可将从第一透水性隔膜渗出的污水排出的排污口。这样，结构更紧凑，且阴、阳电极的面积相比同体积其他结构更大，净水效率大大提高。

上述技术方案的进一步改进是：所述阳电极紧贴第一透水性隔膜，所述阳电极上开有若干通孔；所述进水口位于金属筒体的一端，所述排污口位于金属筒体的另一端且与所述阳电极的空心管结构连通。

为了进一步提高膜中等离子放电特性，可以使所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜都采用亲水性的隔膜。亲水性膜表面能与水形成氢键有序结构，可以改善膜孔充水浸润状态，有利于膜中等离子放电过程持续进行。

优选的，所述第一透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状基本相同，所述第二透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状也基本相同。

本发明中，如果第一或第二透水性隔膜的透水微孔的孔径过大（即过水通道过大）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。透水微孔的孔径过小（即过水通道过小），会使电解产气无法进入微孔的透水孔径（也就无法在过水通道内生成气泡），从而使等离子放电无法正常进行。因此，经过发明人的反复试验，所述第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径小于2毫米且大于1纳米，所述第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%，即所述第一、第二透水性隔膜具有均匀孔径的透水微孔。

膜微孔的形状均匀性以及孔径大小的均匀性，对膜中等离子放电影响甚大。为了更好更多的生成羟基自由基等离子群，优选的，在使用时，所述透水性隔膜的每个透水微孔中均形成等离子放电。这样在使用放电时，阴阳电极间的电场方向可以透过每个透水微孔的等离子群，将等离子放电引导到透水性隔膜的所有过水通道内进行，从而以极小电压即可激发出水体等离子放电，在水中生成大量极具杀菌能力的暂态氧化因子，可以大大提高水体中污染物的降解效率，更好的进行杀菌消毒等。

另外，由于第一、第二透水性隔膜得到成对电极的夹持保护，试验证明在使用过程中不会因破损或阻塞等提前失效报废，始终保持稳定可靠工作状态；即使在透水性隔膜和电极表面偶有结垢也是较松散的浮垢，因此在电解过程中适当倒换施加给透水性隔膜两侧的成对电极的电解电压极性，就可以很容易的去除阴、阳离子析出物在电极和透水性隔膜表面的沉积结垢。

所述物理吸附滤芯可以选择PP棉、多孔陶瓷、颗粒活性炭、烧结活性炭或活性炭纤维制成的滤芯。

优选的，所述阳电极为钛材涂覆铂族氧化物制成的电极。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例二的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的连续饮用水净水机如图1所示，包括封闭容器10、成对的阴电极1和阳电极2以及用于对阴电极1和阳电极2供电的电解电源（图中未示出），阴电极1和阳电极2之间设有将两者完全隔断的透水性隔膜；透水性隔膜由两层非导电材料制成的过滤膜构成，分别是靠近阳电极2的第一透水性隔膜4-1和靠近阴电极1的第二透水性隔膜4-2；第一透水性隔膜4-1和第二透水性隔膜4-2叠置，且两者之间填充有物理吸附滤芯3，第一透水性隔膜4-1和第二透水性隔膜4-2都是非导电材料制成的隔膜；物理吸附滤芯3上设有进水口5-1，位于第二透水性隔膜4-2远离阳电极2的一侧的封闭容器10侧壁上设有出水口5-2；在使用时，封闭容器10内的水与阴电极1直接接触，阳电极2仅与第一透水性隔膜4-1渗出的渗透水接触。阳电极2与第一透水性隔膜4-1之间可能夹持一层水膜，也可能是通过水点接触或面接触等。

本实施例中电解电源优选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，这样可以提高电解效率。本实施例可以采用一对阴阳电板，也可以为了提高电解效率而采用多对阴阳电极。

本实施例中物理吸附滤芯3优选PP棉、多孔陶瓷、颗粒活性炭、烧结活性炭或活性炭纤维制成的滤芯。

本实施例不仅可以对源水深度净化，而且阴、阳电极可以对物理吸附滤芯（活性炭）起到一定的再生作用，这也是对第一、第二透水性隔膜极好的保护，可以大大改善细菌污染和浓差极化，使膜的有效寿命大大延长。

为了使得在膜中等离子更好的放电，作以下改进：1）第一透水性隔膜4-1的透水微孔的孔径尺寸基本相同，第二透水性隔膜4-2的透水微孔的孔径尺寸也基本相同。优选的，第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径小于2毫米且大于1纳米，所述第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。2)第一透水性隔膜4-1和第二透水性隔膜4-2采用亲水性的透水性隔膜。3）第一透水性隔膜4-1和第二透水性隔膜4-2在使用时每个透水微孔中均形成等离子放电。

为了更好的获得孔径均匀（孔径大小和形状基本相同）的微孔，并进一步改善隔膜的亲水性，本发明中第一透水性隔膜4-1和第二透水性隔膜4-2优选采用以下改性方法制得的隔膜：

1）将纳米二氧化钛溶液在温度为40℃-60℃的紫外箱内辐照10-30分钟；

2）由以下质量比的原料组成膜液：

PVDF：20%-30%

致孔剂：2-5%

步骤1）辐照后的纳米二氧化钛：2%-4%

表面活性剂：3%-5%

溶剂：70%-80%；

3）将配置好的膜液通过超声波振荡20-40分钟；

4）用刮膜机刮成液膜，将液膜在空气中静置10-30秒，然后浸入凝固液中凝固成透水性隔膜；

5）透水性隔膜在浓度为10%酒精水溶液中浸泡10-40分钟，然后放入去离子水中漂洗；；

6）将所述隔膜置于施加有10kv直流脉冲高压的纯水箱内处理1小时。

实施例二

本实施例是在实施例一基础上的改进，与实施例一的不同之处在于：如图2所示，本实施例中封闭容器10包括管状的金属筒体1以及设置在金属筒体1两端的两个绝缘密封端盖，分别是上端盖10-1和下端盖10-2。金属筒体1兼作为阴电极；阳电极2也呈管状且位于金属筒体1内，阳电极2与金属筒体1同心设置，金属筒体1上设有可将从第一透水性隔膜4-1渗出的污水排出的排污口；相应地，第一透水性隔膜4-1、第二透水性隔膜4-2和物理吸附滤芯3也呈管状，第一透水性隔膜4-1、第二透水性隔膜4-2分别满覆布设在物理吸附滤芯3的内表面、外表面。

本实施例还可以作以下改进：如图2所示，阳电极2紧贴第一透水性隔膜4-1，阳电极上开有若干通孔（图2中未示出），通孔可以使渗出第一透水性隔膜4-1的污水和离子等流出排掉；进水口位于金属筒体1的一端（上端盖10-1），排污口5-3位于金属筒体1的另一端（下端盖10-2），且与阳电极2的空心管结构连通。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，比如：阳电极为钛材涂覆铂族氧化物制成的电极，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)

1.一种连续饮用水净水机，包括封闭容器、至少一对成对的阴电极和阳电极以及用于对所述阴电极和阳电极供电的电解电源，所述阴电极和阳电极之间设有将两者完全隔断的透水性隔膜；其特征在于：所述透水性隔膜为叠置的两层非导电材料制成的透水性隔膜，分别是靠近阳电极的第一透水性隔膜和靠近阴电极的第二透水性隔膜；所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜之间填充有物理吸附滤芯；所述物理吸附滤芯上设有进水口，所述封闭容器的侧壁上设有出水口；在使用时，所述阴电极与封闭容器内的水直接接触，所述阳电极仅与通过所述第一透水性隔膜渗出的渗透水接触。

2.根据权利要求1所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述封闭容器包括管状的金属筒体以及设置在所述金属筒体两端的绝缘密封端盖，所述金属筒体兼作为阴电极；所述阳电极也呈管状且位于金属筒体内，相应地，所述物理吸附滤芯也呈管状且所述阳电极、物理吸附滤芯与金属筒体同心设置，所述第一透水性隔膜、第二透水性隔膜分别满覆布设在物理吸附滤芯的内表面、外表面，所述金属筒体上设有可将从第一透水性隔膜渗出的污水排出的排污口。

3.根据权利要求2所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述阳电极紧贴第一透水性隔膜，所述阳电极上开有若干通孔；所述进水口位于金属筒体的一端，所述排污口位于金属筒体的另一端且与所述阳电极的空心管结构连通。

4.根据权利要求1-3之任一所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述第一透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状基本相同，所述第二透水性隔膜的透水微孔的孔径大小和形状也基本相同。

5.根据权利要求1-3之任一所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述第一、第二透水性隔膜均是亲水性的透水性隔膜。

6.根据权利要求1-3之任一所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径尺寸范围是2毫米～1纳米，且所述第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

7.根据权利要求1-3之任一所述的连续饮用水净水机，其特征在于：在使用时，所述第一、第二透水性隔膜均的每个透水微孔中均形成等离子放电。

8.根据权利要求1-3之任一所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述物理吸附滤芯为PP棉或多孔陶瓷制成的滤芯。

9.根据权利要求1-3之任一所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述物理吸附滤芯为颗粒活性炭、烧结活性炭或活性炭纤维制成的滤芯。

10.根据权利要求1-3之任一所述的连续饮用水净水机，其特征在于：所述阳电极为钛材涂覆铂族氧化物制成的电极。