CN106477708A

CN106477708A - 复合净水装置及其方法

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Publication number: CN106477708A
Application number: CN201510760248.2A
Authority: CN
Inventors: 黄志彬; 陈建宏; 杨欣茹; 胡启章; 林炜杰
Original assignee: Spring Foundation of NCTU
Current assignee: Spring Foundation of NCTU
Priority date: 2015-08-28
Filing date: 2015-11-10
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2035-11-10
Also published as: TW201708121A; TWI547445B; US10207940B2; US20170057847A1; CN106477708B

Abstract

本发明涉及一种复合净水装置及其方法，该复合净水装置包括容器、牺牲阳极、光触媒阳极与阴极，而容器用以容置含水及气体的液体，光触媒阳极具有光触媒以进行光触媒反应，阴极与牺牲阳极及光触媒阳极进行电解反应，其中，牺牲阳极、光触媒阳极及阴极均浸置在容器中以接触液体。据此，本发明可提升净水效果，且能延长牺牲阳极的寿命。

Description

复合净水装置及其方法

技术领域

本发明提供一种复合净水技术，尤指一种将牺牲阳极、光触媒阳极及阴极均浸置在同一容器中的复合净水装置及其方法。

背景技术

在现今水处理的技术领域中，乃将光触媒净化单元与电解净化单元分别置于不同容器，故在仅具有单一光触媒净化单元或电解净化单元的单一容器中，经处理的水仅能经过一次降解，而无法在单一容器中经过两次降解以大幅提升其效能。

另外，由于先前技术中光触媒净化单元所含有的光触媒并未电性耦接电源，故在光触媒处产生强氧化剂(如电洞与氢氧自由基(·OH))后，往往使得强氧化剂的电洞与光激发分离电子之间发生再结合反应，从而大幅降低强氧化剂的产生量。

因此，如何克服上述现有光触媒净化单元与电解净化单元分置于不同容器，以及光触媒净化单元虽含有光触媒但并未电性耦接电源的诸多缺点，实为本领域技术人员的一大课题。

发明内容

有鉴于上述现有技术的缺失，本发明提供一种复合净水装置，其可提升净水效果，且能延长牺牲阳极的寿命。

本发明的复合净水装置包括：一容器，其用以容置含水及气体的液体；至少一牺牲阳极；至少一光触媒阳极，其具有光触媒以进行光触媒反应而净化该液体；以及至少一阴极，其用以与该牺牲阳极及该光触媒阳极进行电解反应而净化该液体；其中，该牺牲阳极、光触媒阳极及阴极均浸置在该容器中以接触该液体。

本发明还提供一种复合净水方法，其包括下列步骤：a)提供包含一容器、至少一牺牲阳极、至少一光触媒阳极与至少一阴极的复合净水装置，其中，该光触媒阳极具有光触媒，且该牺牲阳极、光触媒阳极及阴极均浸置在该容器中；b)输入含水及气体的液体至该容器中，以在该牺牲阳极处经电解反应使该牺牲阳极产生低价数牺牲离子，且在该阴极处利用该液体及该气体产生过氧化氢(H₂O₂)；c)该低价数牺牲离子与该过氧化氢交互作用形成高价数牺牲离子、强氧化剂(·OH)及氢氧离子(OH-)，且由该强氧化剂净化该液体；d)该光触媒阳极进行光触媒反应使该液体产生另一强氧化剂(·OH)；以及e)输出净化后的该液体。

因此，本发明通过将牺牲阳极、光触媒阳极、阴极均浸置在同一容器中，进而提升净水效果。同时，本发明通过在阴极处使牺牲阳极的高价数牺牲离子还原回低价数牺牲离子，从而延长牺牲阳极的寿命。

附图说明

图1为说明根据本发明的一种复合净水装置的剖视图；

图2为说明根据本发明的一种复合净水装置的侧视图；

图3为说明根据本发明的一种复合净水装置的立体图；

图4为说明操作本发明的一种复合净水装置时的水流方向的剖视图；以及

图5为说明根据本发明的一种复合净水方法的步骤流程图。

符号说明

1 复合净水装置

10 容器

101 顶部

102 底部

103 侧部

104 腔室

105 进水口

106 出水口

105a、106a 管件

11 牺牲阳极

12 光触媒阳极

13 阴极

14 曝气元件

15 固定元件

16 光源

17 透光元件

20 电源

F₁、F₂、F₃ 水流方向

S41、S42、S43、S44、S45 步骤。

具体实施方式

以下借助特定的具体实施例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其他优点及功效。本发明也可经由其它不同的具体实施例加以施行或应用，本说明书中的各项细节也可基于不同观点与应用，在不悖离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

请参阅图1与图2，图1为说明根据本发明的一种复合净水装置1的剖视图，图2为说明根据本发明的一种复合净水装置1的侧视图。如图所示，复合净水装置1包括一容器10、至少一牺牲阳极11、至少一光触媒阳极12与至少一阴极13。

容器10用以容置含水及气体的液体，光触媒阳极12具有光触媒以进行光触媒反应而净化液体，阴极13用以与牺牲阳极11及光触媒阳极12共同进行电解反应而净化液体，且牺牲阳极11、光触媒阳极12及阴极13均浸置在容器10中以接触液体。

特定而言，上述的容器10可具有相对的顶部101及底部102、与连接顶部101及底部102的侧部103，以由顶部101、底部102与侧部103共同形成用以容置含水及气体的液体(即水中溶有气体)的腔室104。

另外，容器10具有进水口105及出水口106。详细而言，顶部101可与侧部103一体成形，或者，顶部101可为与侧部103卡合的盖体，而进水口105及出水口106可依设计需要而设置在容器10的任何位置。特定而言，进水口105及出水口106可设置在顶部101，而进水口105可再连接通向外部的管件105a，且出水口106可再连接通向外部的管件106a。管件105a或管件106a可为水管或导管等。

上述的牺牲阳极11可经由导线电性耦接例如附加在复合净水装置1中或外部的电源20以进行电解反应，特定而言，牺牲阳极11的材料可为铁或铜。因此，在电源20提供电能的情况下，牺牲阳极11可与液体以类似下列化学式(1)产生低价数牺牲离子。例如，在牺牲阳极11的材料为铁或铜的情况下，低价数牺牲离子为二价铁离子(Fe²⁺)或一价铜离子(Cu⁺)。下列化学式(1)是以铁的牺牲阳极11为例：

Fe→Fe²⁺ (1)

上述的阴极13也可经由导线电性耦接例如附加在复合净水装置1中或外部的电源20以进行电解反应。特定而言，阴极13的材料为含碳的材料，且牺牲阳极11及阴极13的形状可为柱状、片状、条状或管状等。因此，在电源20提供电能的情况下，阴极13可与液体以下列化学式(2)产生过氧化氢(H₂O₂)。

2H⁺+O₂+2e^-→H₂O₂ (2)

在产生低价数牺牲离子及过氧化氢之后，液体中的低价数牺牲离子及过氧化氢可交互作用，并以类似下列化学式(3)形成高价数牺牲离子、强氧化剂(如电洞与氢氧自由基(·OH))及氢氧离子(OH^-)，且强氧化剂可净化液体以对液体第一次降解。例如，在牺牲阳极11的材料为铁或铜的情况下，高价数牺牲离子为三价铁离子(Fe³⁺)或二价铜离子(Cu²⁺)。下列化学式(3)为以铁的牺牲阳极11为例：

Fe²⁺+H₂O₂→·OH+Fe³⁺+OH^- (3)

由于本发明将牺牲阳极11及阴极13一起设置在同一腔室104中，故高价数牺牲离子还可再于阴极13处以类似下列化学式(4)还原回低价数牺牲离子，从而提供额外的低价数牺牲离子予化学式(3)，俾减少化学式(1)中从牺牲阳极11取得的低价数牺牲离子的需要量，故能减缓牺牲阳极11的损耗，延长其寿命。下列化学式(4)为以铁的牺牲阳极11为例：

Fe³⁺+e^-→Fe²⁺ (4)

上述的光触媒阳极12可具有光触媒，进一步而言，光触媒阳极12可包含网状基材及网状基材上供进行光触媒反应以净化液体的二氧化钛(TiO₂)层，举例而言，网状基材可为不锈钢网基材或钛网基材。而光触媒阳极12在外界的背景光线下，可以类似下列化学式(5)对含水的液体产生强氧化剂而对液体进行第二次降解。下列化学式(5)为以二氧化钛光触媒阳极12为例：

而光触媒阳极12可经由导线电性耦接电源20，使光触媒阳极12处因外界的背景光线激发下产生的强氧化剂的电洞与电子受电场驱使而拉开，从而不易发生电洞与电子再结合反应并保持强氧化剂的产生量。

另外，本发明的复合净水装置1还包括经由导线电性耦接电源20且与光触媒阳极12进行光触媒反应的光源16，以透过光源16加强光触媒阳极12的光触媒反应。特定而言，光源16可为与光触媒阳极12进行光触媒反应以提升净化效果的紫外光(UV)灯具，俾透过紫外光灯具加强光触媒阳极12的光触媒反应。而在光源16存在的情况下，复合净水装置1还包含使光源16的照射更为均匀且位于光源16与光触媒阳极12之间的透光元件17。再者，于存在光源16的情况下，光触媒阳极12可围绕光源16。

本发明的复合净水装置1还包括设置或浸置在容器10的腔室104中以送入额外气体予液体的曝气元件14，而额外气体可为用于上列化学式(2)的空气或氧气。

本发明的复合净水装置1还包括设置在容器10的腔室104中以固定牺牲阳极11、光触媒阳极12及阴极13的固定元件15。

图3为说明根据本发明的一种复合净水装置1的立体图。在本实施例中，图3与上述图1的进水口105、出水口106、牺牲阳极11、光触媒阳极12及阴极13可对应顶部101的位置而从顶部101的外缘向中央依序排列，即可为进水口105、牺牲阳极11及阴极13的组、光触媒阳极12、出水口106。

值得注意的是，牺牲阳极11及阴极13并非限制为二者位于离侧部103相同距离处，而是意欲界定牺牲阳极11及阴极13的组离侧部103的距离介于进水口105与光触媒阳极12之间，即离侧部103的距离排列可为进水口105、牺牲阳极11、阴极13、光触媒阳极12、出水口106，或排列可为进水口105、牺牲阳极11和阴极13、光触媒阳极12、出水口106，又或排列可为进水口105、阴极13、牺牲阳极11、光触媒阳极12、出水口106，且出水口106可接置抽水泵(图中未显示)。

图4为说明操作本发明的一种复合净水装置1时的水流方向的剖视图。如图所示，从进水口105进入的液体的水流方向为F₁，先在牺牲阳极11和阴极13处进行上列化学式(1)和(2)，且在穿过光触媒阳极12之前进行化学式(3)，从而对液体作第一次降解，而液体可在穿过光触媒阳极12(即水流方向F₂)时进行化学式(5)，从而对液体作第二次降解，最后，经二次降解的液体从出水口106排出(即水流方向F₃)。然而，于存在光源16的情况下，出水口106可位于光触媒阳极12与光源16之间。

在本发明的复合净水装置1的另一实施例中，于光触媒阳极12包含网状基材及二氧化钛层的情况下，由于网状基材可供第二次降解的液体穿过，故出水口106可位于光触媒阳极12与牺牲阳极11及阴极13的组之间，较佳的是，出水口106可接置抽水泵，以利第二次降解的液体顺利穿过光触媒阳极12后进入出水口106。

而在本发明的复合净水装置1的又一实施例中，进水口105、出水口106、牺牲阳极11、光触媒阳极12及阴极13对应顶部101的位置而从顶部101的外缘向中央依另一顺序排列，即可为阴极13、进水口106、牺牲阳极11、光触媒阳极12、出水口106，且出水口106可接置抽水泵(图中未显示)，故从进水口105进入的液体可在牺牲阳极11与阴极13之间及在穿过光触媒阳极12之前进行化学式(1)至(3)，从而对液体作第一次降解，而液体可在穿过光触媒阳极12时进行化学式(5)，从而对液体作第二次降解，最后，经二次降解的液体从出水口106排出。另外，于存在光源16的情况下，出水口106可位于光触媒阳极12与光源16之间。再者，在本实施例中，阴极13对应容器10(即腔室104)的内壁的外表面可为疏水性表面，且相对外表面的内表面可为亲水性表面。

图5为说明根据本发明的一种复合净水方法的步骤流程图，其使用上述图1至图4的复合净水装置1。复合净水装置1的各组件已于上文叙述，故不再赘述，而复合净水方法可包括如图5所示的步骤S41至步骤S45。

在步骤S41，提供包含一容器10、至少一牺牲阳极11、至少一光触媒阳极12与至少一阴极13的复合净水装置1，其中，光触媒阳极12具有光触媒，且牺牲阳极11、光触媒阳极12及阴极13均浸置在容器10中。而牺牲阳极11、光触媒阳极12及阴极13可经由导线电性耦接电源20，俾透过电源20提供电力予牺牲阳极11及阴极13以进行电解反应，并使电源20带走光触媒阳极12经光触媒反应离析出的电子。

在步骤S42，输入含水及气体的液体，以在牺牲阳极11处经电解反应使牺牲阳极11产生低价数牺牲离子(即以铁作为牺牲阳极11的化学式(1))，且在阴极13处利用液体及气体产生过氧化氢(H₂O₂)(即化学式(2))。

在步骤S43，低价数牺牲离子与过氧化氢交互作用形成高价数牺牲离子、强氧化剂(如电洞与氢氧自由基(·OH))及氢氧离子(OH^-)(即以铁作为牺牲阳极11的化学式(3))，且由强氧化剂净化液体。另外，形成高价数牺牲离子之后，在阴极13处使高价数牺牲离子还原回低价数牺牲离子(即以铁作为牺牲阳极11的化学式(4))，从而提供额外的低价数牺牲离子予化学式(3)，俾减少化学式(1)中从牺牲阳极11取得的低价数牺牲离子的需要量，故能减缓牺牲阳极11的损耗而延长其寿命。

在步骤S44，光触媒阳极12进行光触媒反应使液体产生另一强氧化剂(·OH)(即化学式(5))。

在步骤S45，输出经二次净化后的液体。

而在复合净水装置1还包括设置或浸置在容器10的腔室104中以供应额外气体予液体的曝气元件14的情况下，在步骤S42，曝气元件14将化学式(2)所须要的空气或氧气的额外气体供应予液体，以在阴极13处使液体及额外气体产生过氧化氢。

综上所述，相较于现有技术，本发明藉由将牺牲阳极、光触媒阳极与阴极均浸置在同一容器中，而使须净化的液体能经两次降解后才排出，从而提升净水效果。同时，本发明在阴极处使牺牲阳极的高价数牺牲离子还原回低价数牺牲离子，从而减少从牺牲阳极取得的低价数牺牲离子的需要量，以延长牺牲阳极的寿命。

上述实施例仅用以例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修改。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种复合净水装置，其特征为，该装置包括：

一容器，其用以容置含水及气体的液体；

至少一牺牲阳极；

至少一光触媒阳极，其具有光触媒以进行光触媒反应而净化该液体；以及

至少一阴极，其用以与该牺牲阳极及该光触媒阳极进行电解反应而净化该液体；

其中，该牺牲阳极、光触媒阳极及阴极均浸置在该容器中以接触该液体。

2.如权利要求1所述的复合净水装置，其特征为，该装置还包括曝气元件，其设置在该容器中以送入额外气体予该液体，且该额外气体为空气或氧气。

3.如权利要求1所述的复合净水装置，其特征为，该光触媒阳极包含网状基材及该网状基材上的二氧化钛层。

4.如权利要求1所述的复合净水装置，其特征为，该牺牲阳极的材料为铁或铜，且该阴极的材料为含碳的材料。

5.如权利要求1所述的复合净水装置，其特征为，该装置还包括电源，其电性耦接该光触媒阳极、牺牲阳极及阴极以进行该电解反应。

6.如权利要求1所述的复合净水装置，其特征为，该装置还包括电性耦接电源的光源，以由该光源与该光触媒阳极进行该光触媒反应，且该光源为紫外光(UV)灯具。

7.如权利要求6所述的复合净水装置，其特征为，该装置还包括透光元件，其位于该光源与该光触媒阳极之间。

8.如权利要求1所述的复合净水装置，其特征为，该容器具有进水口、出水口、顶部、底部、与连接该顶部及底部的侧部，且由该顶部、底部与侧部共同形成用以容置该液体的腔室，而该进水口、该牺牲阳极及阴极、该光触媒阳极、该出水口对应该顶部的位置而从该顶部的外缘向中央依序排列。

9.一种复合净水方法，其特征为，该方法包括下列步骤：

a)提供包含一容器、至少一牺牲阳极、至少一光触媒阳极与至少一阴极的复合净水装置，其中，该光触媒阳极具有光触媒，且该牺牲阳极、光触媒阳极及阴极均浸置在该容器中；

b)输入含水及气体的液体至该容器中，以在该牺牲阳极处经电解反应使该牺牲阳极产生低价数牺牲离子，且在该阴极处利用该液体及该气体产生过氧化氢(H₂O₂)；

c)该低价数牺牲离子与该过氧化氢交互作用形成高价数牺牲离子、强氧化剂(·OH)及氢氧离子(OH^-)，且由该强氧化剂净化该液体；

d)该光触媒阳极进行光触媒反应使该液体产生另一强氧化剂(·OH)；以及

e)输出净化后的该液体。

10.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，该复合净水装置还包括设置在该容器中的曝气元件，且于步骤b)该曝气元件将额外气体供应予该液体，以在该阴极处使该液体及该额外气体产生该过氧化氢。

11.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，于步骤c)形成该高价数牺牲离子之后，在该阴极处使该高价数牺牲离子还原回该低价数牺牲离子。

12.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，该光触媒阳极包含网状基材及该网状基材上的二氧化钛层。

13.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，该牺牲阳极的材料为铁或铜，故该低价数牺牲离子为二价铁离子(Fe²⁺)或一价铜离子(Cu⁺)，且该高价数牺牲离子为三价铁离子(Fe³⁺)或二价铜离子(Cu²⁺)。

14.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，该阴极的材料为含碳的材料。

15.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，该牺牲阳极、该光触媒阳极及该阴极电性耦接电源，以于步骤d)由该电源带走该光触媒阳极经该光触媒反应离析出的电子。

16.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，该复合净水装置还包括电性耦接电源的光源，以于步骤d)由该光源与该光触媒阳极进行该光触媒反应。

17.如权利要求16所述的复合净水方法，其特征为，该光源为紫外光(UV)灯具，以于步骤d)由该光源与该光触媒阳极进行该光触媒反应，且该复合净水装置还包含位于该光源与该光触媒阳极之间的透光元件。

18.如权利要求9所述的复合净水方法，其特征为，该容器具有进水口、出水口、顶部、底部、与连接该顶部及底部的侧部，且由该顶部、底部与侧部共同形成用以容置该液体的腔室，而该进水口、该牺牲阳极及阴极、该光触媒阳极、该出水口对应该顶部的位置而从该顶部的外缘向中央依序排列。