CN108221273A - 一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明是一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置，是对现有利用离子水进行织物布草洗涤的离子工业洗衣机的原理和装置的创新。其特征在于：在保证洗衣机有足够的达到质量要求的离子水的前提下，减少对洗衣机内部空间的要求，去掉现有离子洗衣机结构中的顶部大水箱。具体的技术方案是利用电解水的酸碱度，即pH值和所有影响因素都呈非线性关系的特点，首先在机内体积较小的电解装置中制备高浓度的电解水，存储于制存两用的电解槽内，使用时在洗涤腔内稀释成为需要的较低浓度的活化离子水。大量实践验证了这种方法和装置的可行性和有效性。

Description

一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置
技术领域
本发明属于洗涤机械领域，尤其涉及一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法，是对现有利用离子水进行织物布草洗涤的方法和装置的改进。
背景技术
已授权的我国发明专利《具有离子洗涤、中水回用和杀菌消毒功能的洗涤机械》(专利号：ZL 200610020240.0)，提出了针对传统工业洗涤三大痛点：高耗水、高耗能、严重污染环境的解决方案。其核心技术是利用电解水和活化剂(称为活化离子水)替代工业洗衣粉进行布草洗涤。该专利已经实施多年，产品也已在市面上销售。节水、节能和环保方面获得了有益效果。
但上述专利技术在实际应用时，遇到一些困难。主要表现在以下方面：制备活化离子水的时间较长。为了实现在线制取足够高浓度的电解水用于主洗和漂洗，同时不延长洗涤时间，保证合理的生产效率，必须在洗涤过程中预先制备出足量的电解水。为此，在洗衣机结构上，机器的顶部增加了一个能预存1000 立升左右的不锈钢预存水箱(预存酸水和碱水各500立升)。增加预存水箱带来了诸多弊病：洗衣机总高太高(比传统洗衣机高出了35-40厘米)，既不美观，也不经济。如果增高太多，会在运输途中达到或超过最高限度。另外，由于大约一吨的水放置到洗衣机顶部，全机重心高移，带来安全隐患。设法通过技术改进，去掉附加水箱，可扫除推广应用离子工业洗衣机的障碍。本发明的目的是为了解决这个问题。
发明内容
最佳解决方案是在保证洗衣机有足够的达到质量要求的离子水的前提下，减少对洗衣机空间容积的要求，去掉现有离子工业洗衣机结构中的顶部大水箱。具体的技术方案是利用电解水的酸碱度，即pH值，和所有影响因素都呈非线性关系的特点。这个特点是由pH值的定义决定的：
pH＝-log[C]
其中，C为水中含有氢离子的浓度，用十进对数表示，即C＝10logC。影响溶液中酸碱度(pH)的因素有好几个，即法拉第常数、分子量大小、电流强度、水量、电解时间。可用一般数学公式来表达：(用增量表示)
ΔpH＝(C0+lg i-lg q)*ζ (1)
或ΔpH＝(C0+lg i-lg w+lg t)*ζ (2)
其中，C0是一个和法拉第常数与分子量有关的常数。
i电流(安培)
q流量(单位时间通过的流体质量)
w水量(立升或公斤)
t时间(秒)
ζ误差修正量(电解效率、计量误差等)
公式(1)或(2)是设计电解槽的基本公式。
由(2)式可观察到水量的对数lg w与pH增量值呈反比关系。lg w越大， pH值越小，反之亦真。由此可推导出不同的pH值和不同的容积(或质量) 之间的足够准确的近似表达式：
w2/w1＝10(pH 2-pH 1)＝10ΔpH (3)
其中，pH2和pH1分别对应两种水量的酸碱度(pH值)。
定义α＝w2/w1为稀释比。 (4)
于是，可算出为了达到指定的pH2，应增加多少中性水到w1中。
Δw＝(α-1)*w1 (5)
w2＝w1+Δw (6)
此公式在α＝2～50范围内，相当准确。
公式(3)～(6)就是本专利解决方案的理论基础。
例如，首先制备高浓度pH1溶液，对应水量为w1.然后加水，直到加水后的总水量的酸碱度达到要求的数值pH2，求解需要的稀释水量Δw。
假定w2＝20立升；pH2为12.5。给定pH1＝11。
根据(4)求得α＝10(pH 2-pH 1)＝10(11-2.5)＝101.5＝31.6(稀释系数取32)
根据(5)求出Δw＝(α-1)*w2＝31*20＝620立升(增加的中性水量)
稀释后的总水量w1＝α*w2＝32*20＝640立升.
这意味着，利用20升容积的小水量，电解得到高ph值12.5后，如果添加620 升pH＝7的中性水后，就可获得pH值为11的、总量为640升的大量离子水。当然，离子水的总量由洗衣机对主洗水总量的要求确定。一旦离子水的总量和 pH值确定之后，可以反推出需要的离子水发生器的水容量和pH值。
为了实践这个理念，还必须解决电解装置的结构和工作制式问题。目前，用于离子洗涤的电解槽，一般都是连续式多槽形式，即，调整好流量、电流之后，电解液一通即就。如果流量不够大，这种装置不能用来在线制离子水，只好加装预存水箱。为此，我们设计了一种静置式的多槽电解装置。替代连续式电解槽。这种装置的特点是电解槽和存储箱共用一个空间。而且需要的容积可以制作得足够小，内置于现有水洗机内部。这样一来，既无需增加离子水预存箱，又保证有足量的合格的主洗离子水。
下面通过具体例子，用工作流程和结构框图来进一步阐述本发明的创新思想。
附图说明
图1原液稀释比例表格
图2浓缩离子水稀释后洗涤效果比较
图3本发明的工作流程和基本结构框图
图1是根据本发明说明书提供的公式(3)至公式(6)计算和绘制的表格。它可用于估算高浓度离子水掺水稀释后所得到的离子水的pH值和稀释比、水量之间的关系。有必要解释一下图1表格的生成原理。假定一升原液含碱量用POH 值表示。图1给出了在一升原液中添加Y升水后对应的POH值及稀释比例。
根据以下定义：POH＝-log[C][C]＝10-POH。我们可计算稀释前后的浓度比：[C1]/[C2]＝10-POH1+POH2＝10POH2-POH1＝10POH；由于水的电解常数是 14，于是有：POH＝14-PH；POH＝POH2-POH1＝PH1-PH2。
假定已经制备的电解水的最大POH值为1，即PH1＝13POH＝13-PH2R＝[V2] /[V1]＝[C1]/[C2](稀释比例)，设V1＝1L，加中性水量为Y＝R-1(L)。 (水量不是1升时，Y要乘以原液水量)。在实际应用时，只要查表就可得到所需要的稀释比例和加水量。图1也给出了不同浓度的碱性离子水在洁净、洗涤、食品清洁、保健等方面的应用范围。从图表中可以看出，由于电解水的酸碱度和水中的氢离子浓度或氢氧根的浓度之间的非线性、十进对数关系，当离子总浓度不变，只改变水量时，单位离子水的pH值变化和水量变化不是线性的，而是呈对数变化关系。pH值稍有变化，水量就有很大的变化(反向变化)。例如，当初始pH值等于13时，为了使得电解水的碱性降低到pH＝11，查表可知，应该掺入大量中性水，掺水后，使得总水量是原先的100倍！而pH值只改变了 2个单位。这意味着，利用高pH值(12)的离子水，经稀释后作为低浓度(11) 使用，就可缩小容积100倍。我们正是利用了这个特性，作为本发明的指导理
图2是通过实际例子来证明用高浓度电解水稀释后生成的低浓度电解水进行洗涤，和用直接电解得到的低浓度电解水进行洗涤，两种洗涤结果是否相同？我们进行了多次实际洗涤对比，结论是几乎完全一样。选取了一组洗涤对比的数据列于图表2。其中，总共洗了两组，每组重复一次，共计4车。第一组是使用直接电解到低浓度pH值＝10.8的离子水洗涤，标记为第1车和第2车。第二组是使用电解到高浓度pH值＝12.5，然后稀释到低浓度pH＝10.8的离子水洗涤，标记为第3车和第4车。利用标准污染布和白度计光学仪器测量出洗涤前后的平均洗净度(每车有16块污染布)，然后换算成相对洗净率，便于分析比较。由图2看出，第一组的平均洗净率是0.1315；第二组的平均洗净率是0.1336。两者相差不到百分之1.6。结论是先制备高浓度离子水，然后稀释，进行洗涤的方法是可行的。不会影响洗涤布草的效果。
图3是一台典型的、应用本发明的方法设计的新型离子工业洗衣机的工作流程和基本结构框图。下面将进行具体说明。
具体实施方式
通过对图3所代表的具体实施例的分析，进一步阐述本发明的技术特点。图中，1和2分别是静置电解槽的碱性水和酸性水容器，中间由电解组件相隔开。电解组件由两片镀有铂金膜或镣铱合金膜的钛合金板电极1a和2a，中间夹着一片离子交换膜所组成。钛合金板电极呈网状，两面相通。1和2既是盛放电解液的容器又是存储碱性和酸性电解水的储箱，1和2的容积相等。3是经过软化处理的自来水暂存器，整个洗涤过程的用水都由它供应。开始制备离子水时，自来水通过三通阀11，经由电解槽底部的进水口1b和2b分别进入1和2，由水位计自动控制容器的最高液面。同时，电解催化剂(通常用饱和盐水)经由控制阀5分两路，通过进水口6和7进入1和2中，和容器中的水混合，成为含盐千分之一左右的电解液。接通直流电源后，开始制备离子水，自动控制电解时间，达到要求的酸碱度后停止电解，获得的离子水经由1和2上部的出水口进入四通酸碱水导流阀，导流阀确保电解槽电极的正负极性无论怎么变化，它的碱性和酸性出水口永远是固定极性的。被导流的碱性离子水通过进水阀进入洗涤腔17的路径中，先是经过混合阀12，和从活化剂储箱10中的活化剂混合，成为活化离子水(碱性)，然后经过稀释阀14和同时进入的自来水按一定比例混合，最后经过进水阀16进入洗涤腔17，浸润布草，进行主洗。必须注意这样一个程序：当1中的碱性水全部排出1后，要立即补满水，以避免2(满腔)和1之间产生过大的水压差，不至于损坏中间的离子交换膜。补满水后立即开始第二次电解，确保在第一个洗涤周期内已经制备好了下一次洗涤所需要的离子水。同时，还对已经制得的酸性离子水进行第二次电解，多少增加了酸性离子水的浓度，如果在主洗流程内已完成了第二次电解，则酸性水的酸度(pH 值)会减小0.3010(提高了酸度)。再看酸性离子水的应用，当主洗程序完毕，洗涤污水全部外排，中脱之后，立即将存于2中的酸性水经由导向阀8到混合阀13和来自酸性水活化剂储箱9中的辅料(漂液或柔软剂等)混合，再通过阀15，进水阀16进入洗涤腔17。也要注意正确控制酸水进入洗涤腔和稀释的程序。与控制碱水不同，酸性水的作用有三层：杀菌消毒、中和布草中的碱性残留液、漂洗布草。为了消毒，应保持进入到洗涤腔内酸性水的酸度，即pH值要低于2.7。这就是说，酸水第一次进入洗衣机中时，不要稀释，混合阀15中的自来水阀门保持关闭状态，酸水和布草直接接触，会有少部分消耗在中和布草内的残留碱液上，留下的就是杀菌用，兼有漂白作用。最后要补足自来水，进行漂洗。通常漂洗一次就够。必要时，可漂洗第二次。这就是离子洗涤布草的一般程序。采用我们开发的、专用于离子洗涤的活化剂后，不用蒸汽加热(这个特点带来节能和大幅度降低成本的优势)。
本发明的方法，还可以运用到外置式离子洗涤系统中。例如，离子洗衣龙的基本做法是本发明的另一个实施例。将由本人的另一专利详述。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但本发明的范围并不仅仅限于此，使用者可以在不脱离本发明的主旨的范围内进行各种变更，加以实施，但是都包括在本专利的保护范围内。

Claims (6)

1.一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置，其特征在于：在保证洗衣机有足够的达到质量要求的离子水的前提下，减少对洗衣机空间容积的要求，去掉现有离子工业洗衣机结构中的顶部大水箱，具体的技术方案是利用电解水的酸碱度，即pH值和所有影响因素都呈非线性关系的特点，这个特点是由pH值的定义决定的，
pH＝-log[C]
其中，C为水中含有氢离子的浓度，用十进对数表示，即C＝10log C，影响溶液中酸碱度(pH)的因素有法拉第常数、分子量大小、电流强度、水量、电解时间，可用一般数学公式来表达：
ΔpH＝(C0+lg i-lg q)*ζ (1)
或ΔpH＝(C0+lg i-lg w+lg t)*ζ (2)
由此可推导出不同的pH值和不同的容积(或质量)之间的足够准确的近似表达式：
其中，pH2和pH1分别对应两种水量的酸碱度(pH值)，
定义α＝w2/w1为稀释比， (4)
于是，可算出为了达到指定的pH2，应增加多少中性水到w1中，
Δw＝(a-1)*w1 (5)
w2＝w1+Δw (6)
此公式在a＝2～50范围内，相当准确；
公式(1)～(6)就是本专利解决方案的理论基础；具体做法是首先制备高浓度pH1溶液，对应水量为w1，然后添加中性水，直到总水量的酸碱度达到要求的数值pH2为止，求出需要的稀释水量Δw；这样，就可以首先在安装于洗涤机械内部的小体积的电解槽装置制备高浓度的电解水，使用时在洗涤腔内将它稀释到需要的低浓度的电解水，进行活化，获得活化离子水供洗涤用。
2.根据权利要求1所述的一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置，其特征在于：必须解决电解装置的结构和工作制式问题；目前，用于离子洗涤的电解槽，一般都是连续式多槽形式，我们设计了一种静置式的多槽电解装置，替代连续式电解槽；这种装置的特点是电解槽和存储箱共用一个空间，而且需要的容积可以制作得足够小，内置于现有水洗机内部；这样一来，既无需增加离子水预存箱，又保证有足量的合格的主洗离子水。
3.根据权利要求1所述的一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置，其特征在于：图3中，1和2分别是静置电解槽的碱性水和酸性水容器，中间由电解组件相隔开，电解组件由两片镀有铂金膜或镣铱合金膜的钛合金板电极1a和2a，中间夹着一片离子交换膜所组成；钛合金板电极呈网状，两面相通；1和2既是盛放电解液的容器又是存储碱性和酸性电解水的储箱；1和2的容积相等；3是经过软化处理的自来水暂存器，整个洗涤过程的用水都由它供应；开始制备离子水时，自来水通过三通阀11，经由电解槽底部的进水口1b和2b分别进入1和2，由水位计自动控制容器的最高液面；同时，电解催化剂(通常用饱和盐水)经由控制阀5分两路，通过进水口6和7进入1和2中，和容器中的水混合，成为含盐千分之一左右的电解液；接通直流电源后，开始制备离子水，自动控制电解时间。
4.根据权利要求1所述的一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置，其特征在于：获得的离子水经由1和2上部的出水口进入四通酸碱水导流阀，导流阀确保电解槽电极的正负极性无论怎么变化，它的碱性和酸性出水口永远是固定极性的；被导流的碱性离子水通过进水阀进入洗涤腔17的路径中，先是经过混合阀12，和从活化剂储箱10中的活化剂混合，成为活化离子水(碱性)，然后经过稀释阀14和同时进入的自来水按一定比例混合，最后经过进水阀16进入洗涤腔17，浸润布草，进行洗涤。
5.根据权利要求1所述的一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置，其特征在于：必须具有这样一个程序，当1中的碱性水全部排出后，要立即补满水，以避免2(满腔)和1(空腔)之间产生过大的水压差，不至于损坏中间的离子交换膜；补满水后应立即开始第二次电解，确保在第一个洗涤周期内已经制备好了下一次洗涤所需要的离子水；同时，还对已经制得的酸性离子水进行第二次电解，多少增加了酸性离子水的浓度，有利于漂洗和消毒。
6.根据权利要求4所述的一种利用高浓度活化离子水进行工业洗涤的方法和装置，其特征在于：当主洗程序完毕，洗涤污水全部外排，中脱之后，立即将存于2中的酸性水经由导向阀8到混合阀13和来自酸性水活化剂储箱9中的辅料(漂液或柔软剂等)混合，再通过阀15，进水阀16进入洗涤腔17；也要注意正确控制酸水进入洗涤腔和稀释的程序；与控制碱水不同，酸性水的作用有三层：杀菌消毒、中和布草中的碱性残留液、漂洗布草；为了消毒，应保持进入到洗涤腔内酸性水的酸度，即pH值要低于2.7；这就是说，酸水第一次进入洗衣机中时，不要马上稀释，混合阀15中的自来水阀门保持关闭状态，酸水和布草直接接触，会有少部分消耗在中和布草内的残留碱液上，留下的就是杀菌用，兼有漂白作用；最后要补足自来水，进行漂洗；通常漂洗一次就够，必要时，可漂洗第二次；这就是离子洗涤布草的一般程序；采用我们开发的、专用于离子洗涤的活化剂后，不用蒸汽加热(带来节能和大幅度降低成本的优势)。
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Application publication date: 20180629

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