CN105858982B - 一种简易台式饮水机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种简易台式饮水机，该饮水机包括电解单元和膜过滤单元；所述电解单元包括成对的电极、电解电源和水箱；所述水箱上设有第一进水口和第一出水口，所述成对的阴阳电极有两对，分别是第一电极对和第二电极对，所述第一电极对的阴、阳电极之间设有非导电材料制成的第一透水性隔膜，所述第二电极对的阴、阳电极之间设有非导电材料制成的第二透水性隔膜，所述第一透水性隔膜将第一电极对的阳电极与水箱隔开，所述第二透水性隔膜将第二电极对的阴电极与水箱隔开，所述第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极均位于水箱内；所述膜过滤单元设有第二进水口和第二出水口，所述第一出水口与第二进水口连通。该饮水机可以高效除去源水中污染物、彻底灭活源水中的细菌。

Description

一种简易台式饮水机

技术领域

本发明涉及一种简易台式饮水机，属于饮用水终端水质处理技术领域。

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。为减少乃至达到零废水排放，节约水资源，迄今已研发出各种专利技术。例如，将逆反浓水储存它用，或将浓水中的污染物先经分子筛等过滤后循环回用，或调整废水比例，或通过电气控制减少清洗排污时间，或经逆止阀直接返回自来水主管路中稀释，或以“双膜双水”模式，分质用水，等等。这些技术的共同不足，一是未从系统整体设计考虑，只是局部单一措施，往往使系统整体工作失衡；其二是均未考虑从改善膜元件的进水工况入手，减轻膜元件的工作负荷，可以说是“治标不治本”，故而迄今还未见真正实用商品化的产品问世。

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，重新审视关注化学水处理在生活饮用水净化处理应用的可能性，确保民众生活饮用水质安全，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：提供一种在降低水的硬度、降解水中有机物、灭活水中细菌的同时不产生毒副产物且工作可靠使用寿命长的饮水机。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种简易台式饮水机，包括电解单元和膜单元；所述电解单元包括阴阳成对的电极、为所述电极供电的电解电源和水箱，所述水箱上设有第一进水口和第一出水口；所述成对的阴阳电极有两对，分别是第一电极对和第二电极对，所述第一电极对的阴、阳电极之间设有非导电材料制成的第一透水性隔膜，所述第二电极对的阴、阳电极之间设有非导电材料制成的第二透水性隔开，所述第一透水性隔膜将第一电极对的阳电极与水箱隔绝，所述第二透水性隔膜将第二电极对的阴电极与水箱隔开，所述第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极均位于水箱内；所述膜过滤单元设有第二进水口和第二出水口，所述第一出水口与第二进水口连通；在使用时，所述第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极均与水箱内的水直接接触，所述第一电极对的阳电极仅与水箱内通过所述第一透水性隔膜渗出的渗透水接触，所述第二电极对的阴电极仅与水箱内通过所述第二透水性隔膜渗出的渗透水接触。

需要说明的是，本发明处理的对像是市供自来水，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。

本发明中所述膜过滤单元优选微滤膜过滤单元、超滤膜过滤单元或纳滤膜过滤单元。

本发明的工作机理及带来的有益效果陈述如下。

所述水箱以第一、第二透水性隔膜为分界：所述第一电极对分设在第一透水性隔膜两侧，所述第一电极对的阴电极在水箱内，而其阳电极在水箱外；所述第二电极对分设在第二透水性隔膜两侧，所述第二电极对的阳电极在水箱内，而其阴电极在水箱外。当然，如水箱内部设有空腔，第一或第二透水性隔膜设置在空腔壳体上，则设置在空腔内的第二电极对的阴电极或第一电极对的阳电极视为设置在水箱外。

首先以第一电极对为例，第一电极对的阳电极仅与水箱内渗透通过第一透水性隔膜的渗透水接触（阳电极不与水箱的水直接接触），把阳极直接氧化反应转移到水箱外进行，阳极反应产物在容器外排走，不致再返回容器内污染水质。同时，水中的阴性污染物例如余氯、各种有害阴离子等，受阳极电压作用，也可以从容器内水中透过第一透水性隔膜，迁移到水箱外随渗透水排出。

本发明中第一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，形成如下的电压降落关系：第一透水性隔膜外阳电极（+）→阳电极与第一透水性隔膜之间水膜的电压降U1→透水性隔膜自身阻抗产生的压降U2→第一透水性隔膜与水箱内的阴电极之间水阻抗产生的电压降U3。

而第一电极对的阳电极仅与第一透水性隔膜的渗透水接触，第一电极对的阳电极贴近第一透水性隔膜，这样电解时的析氢、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，在第一透水性隔膜中及第一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（超过臭氧），同时在水中的存在时间又极短，因此可以在产生后迅速对水中有机物（如细菌）等污染物形成极强的降解作用并自身迅速氧化后直接还原为水，不留任何毒副作用。

第二电极对与第一电极对类似，但电压降落的方向相反。因此同样的，本发明中第二电极对的阴电极与第二透水性隔膜的渗透水接触可以用来保证第二电极对的电解反应正常进行，并可以产生大量羟基自由基类暂态氧化因子。

同时，在第二电极对的作用下，水箱内源水中的钙镁离子、铁锰等金属阳离子等持续析出，穿过第二透水性隔膜排出，使得水箱中水的硬度持续下降，源水中有害重金属等逐步去除；而且基于水箱内第二电极对的阳极的直接氧化作用，源水中的微生物被灭活，有机物得到降解。

另外，第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极等效构成第三组电极对（阴、阳电极之间无隔膜），使源水中的微生物在其电场作用下被灭活，能够更好发挥电化学的净化作用。

本发明在使用时，源水首先经所述电解单元进行电化学处理，将源水中钙镁离子、铁锰以及强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐从水箱中排出，并通过羟基自由基类暂态氧化因子对源水进行杀菌和有机物降解，然后经所述膜过滤单元进一步物理拦截滤除水中残留有害物质（毒副产物仅为少量的H₂O₂和O₃，H₂O₂和O₃的分解半衰期一般不超过半小时，不仅不会对后端的过滤组件或者吸附组件产生不良影响，而且可以对滤组件或者吸附组件进行杀菌消毒），从而得到深度的净化水。本发明采用“前置电化学处理与膜过滤后置处理”的组合，从而克服了背景技术中“物理吸附-膜过滤前置处理与电解制水单元后置处理”的组合的各种缺陷（比如现有技术中提到的过滤膜容易破损失效、重金属超标等），得到所需的纯净水。

本发明中膜过滤单元为纯物理处理方式，确保了出水水质尤其是生物指标的高度安全性，而本发明源水中的污染物在进入膜过滤单元之前已经基本处理干净，因此膜过滤单元的工作负荷大大减轻，相应地，膜过滤单元的使用寿命大大延长，达到治标又治本的效果（使用寿命长且产生的净化水水质好）。

本发明中由于第一、第二透水性隔膜得到成对电极的夹持保护，试验证明，第一、第二透水性隔膜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；即使在第一、第二透水性隔膜和电极表面偶有结垢也是较松散的浮垢，在电解过程中适当倒换施加给第一、第二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。

本发明在实施时，还可以根据实际需要将两个电极对的极性定期倒向，此时电压等级也可以不相同，从而使第一、第二透水性隔膜交替降解有机物、排出有害重金属离子，或者排出残留余氯、各种有害阴离子等，这样不但可以进一步提高净化水的质量，充分发挥电化学的净化作用，而且可以保护第一、第二透水性隔膜，延长其使用寿命。

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、第二透水性隔膜的透水孔径过大（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。而如果第一、第二透水性隔膜的透水孔径过小（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，确定第一、第二透水性隔膜的透水孔径范围是小于等于2毫米且大于等于1纳米。

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，所述第一透水性隔膜和第二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。

通过对隔膜进行改性可以使其具有更好的亲水性，而且微孔的孔径尺寸均匀，具体改性工艺可采用公知的物理或化学工艺技术，诸如膜孔规整化整形、二氧化钛光催化、极窄高压脉冲对膜预处理，等等。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。本发明中第一透水性隔膜和第二透水性隔膜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）所述隔膜在浓度为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。

本发明在所述第一出水口与第二进水口之间设有增压泵，可以提高膜过滤单元的工作效率。

上述技术方案的改进是：所述增压泵与第二进水口之间设有三通阀，所述三通阀的入口与增压泵的出口连通，所述三通阀的第一出口与第二进水口连通，所述三通阀的第二出口与水箱的第一进水口连通。这样，所述三通阀就具有两种状态，分别是使增压泵的出口与第一进水口连通的第一状态和使增压泵的出口与第二进水口连通的第二状态，当三通阀处于第一状态时，就可以得到健康的饮用水；当三通阀处于第二状态时，可以使水箱内的水流动起来，从而实现循环电解，水中的各种阴阳离子在电解反应过程中，从水箱内穿过第一、第二透水性隔膜，迁移到水箱外排掉，使水箱内的水质得到不断净化。

优选的，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作进一步说明。

图1是本发明实施例的结构示意图。

具体实施方式

实施例

本实施例的简易台式饮水机如图1所示，包括电解单元和膜过滤单元9；电解单元包括两对阳阳成对的电极对、电解电源2和水箱1，电解电源2为电极对供电，水箱1上设有第一进水口1-1和第一出水口1-2；两对电极对分别是第一电极对和第二电极对，第一电极对的阴、阳电极3-1、3-2之间设有非导电材料制成的第一透水性隔膜5-1，第二电极对的阴、阳电极4-1、4-2之间设有非导电材料制成的第二透水性隔膜5-2，水箱1相对的侧壁上分别开设有第一窗口和第二窗口，第一透水性隔膜5-1满覆布设于第一窗口上，第二透水性隔膜5-2满覆布设于第二窗口上；第一电极对的阳电极3-2和阴电极3-1分别设于水箱1的外部和内部，第二电极对的阳电极4-2和阴电极4-1分别设于水箱1的内部和外部；膜过滤单元9设有第二进水口和第二出水口，第一出水口1-2与第二进水口连通；第一出水口1-2与第二进水口之间设有增压泵8；在使用时，水箱1内的水通过第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2渗出，并在第一透水性隔膜5-1与第一电极对的阳电极3-2之间夹持有一层水膜，第二透水性隔膜5-2与第二电极对的阴电极4-1之间也夹持有一层水膜。当然，渗透水与第一透水性隔膜5-1、第一电极对的阳电极3-2之间可能为点接触或者面接触；同样的，渗透水与第二透水性隔膜5-2、第二电极对的阴电极4-1之间也可能为点接触或者面接触。

本实施例中膜过滤单元9可以采用微滤膜过滤单元、超滤膜过滤单元或纳滤膜过滤单元等传统的膜过滤单元，也可以采用物理吸附过滤单元。

本实施例中电解电源2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。

本实施例中第一透水性隔膜5-1的透水微孔的孔径大小和形状基本相同，第二透水性隔膜5-2的透水微孔的孔径大小和形状也基本相同。进一步的，第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2优选透水孔径均小于等于2毫米且大于等于1纳米的隔膜，而且第一、第二透水性隔膜5-1、5-2的透水微孔的孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。

为了得到微孔的孔径均匀的第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2，可以采用公知的物理或化学工艺技术对现有的超滤膜、微滤膜或纳滤膜进行改性，诸如膜孔规整化整形、二氧化钛光催化、极窄高压脉冲对膜预处理，等等。当然，通过改性还可以改善隔膜的亲水性等。本实施例中第一透水性隔膜5-1、第二透水性隔膜5-2均可以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）所述隔膜在浓度为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。

在使用时，本实施例的饮水机先把源水从第一进水口1-1注入水箱1，然后在水箱1中对源水进行电解预处理，最后通过增压泵8输运至传统的膜过滤单元9对电解后的水进行过滤，得到深度净化的饮用水。

本实施例还可以作以下改进：

1）增压泵8与第二进水口之间设有三通电磁阀7，三通电磁阀7的入口与增压泵8的出口连通，三通电磁阀7的第一出口与第二进水口连通，三通电磁阀7的第二出口与水箱1的第一进水口1-1连通。这样，三通电磁阀7就具有两种状态，分别是使增压泵8的出口与第二进水口连通的第一状态和使增压泵8的出口与第一进水口1-1连通的第二状态，当三通电磁阀7处于第一状态时，就可以得到健康的饮用水；当三通电磁阀7处于第二状态时，可以使水箱1内的水流动起来，从而实现循环电解，水中的各种阴阳离子在电解反应过程中，从水箱1内穿过第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2，迁移到水箱1外排掉，使水箱1内的水质得到不断净化。

2）第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2均是亲水性的透水性隔膜。这样，可以提高透水性隔膜内微孔中形成水体低压冷等离子放电反应，得到更多的等离子群，从而提高杀菌效果。

3）将第一出水口1-2置于水箱1的侧壁，并将水箱1的底部制成锥状，在底部上设有用于排出水箱1内沉淀凝絮的排污口。

4）为了更好更多的生成羟基自由基等离子群，在使用时，第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2的每个透水微孔中均形成等离子放电。

5）第一透水性隔膜5-1和第二透水性隔膜5-2优选亲水性的透水性隔膜。

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，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 (7)

1.一种简易台式饮水机，包括电解单元和膜过滤单元；其特征在于：所述电解单元包括阴阳成对的电极、为所述电极供电的电解电源和水箱，所述水箱上设有第一进水口和第一出水口；所述成对的阴阳电极有两对，分别是第一电极对和第二电极对，所述第一电极对的阴、阳电极之间设有非导电材料制成的第一透水性隔膜，所述第二电极对的阴、阳电极之间设有非导电材料制成的第二透水性隔开，所述第一透水性隔膜将第一电极对的阳电极与水箱隔绝，所述第二透水性隔膜将第二电极对的阴电极与水箱隔开，所述第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极均位于水箱内；所述膜过滤单元设有第二进水口和第二出水口，所述第一出水口与第二进水口连通；所述第一出水口与第二进水口之间设有增压泵；在使用时，所述第一电极对的阴电极和第二电极对的阳电极均与水箱内的水直接接触，所述第一电极对的阳电极仅与水箱内通过所述第一透水性隔膜渗出的渗透水接触，所述第二电极对的阴电极仅与水箱内通过所述第二透水性隔膜渗出的渗透水接触。

2.根据权利要求1所述的简易台式饮水机，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。

3.根据权利要求1所述的简易台式饮水机，其特征在于：所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜的透水孔径均是亲水性的透水性隔膜。

4.根据权利要求2所述的简易台式饮水机，其特征在于：所述第一、第二透水性隔膜的透水微孔的孔径均小于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%。

5.根据权利要求1-3之任一项所述的简易台式饮水机，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。

6.根据权利要求1或2所述的简易台式饮水机，其特征在于：在使用时，所述第一透水性隔膜和第二透水性隔膜的每个透水微孔中均形成等离子放电。

7.根据权利要求1或2所述的简易台式饮水机，其特征在于，所述第一、第二透水性隔膜均采用以下方法制得的隔膜：

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）所述隔膜在浓度为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。