CN108286057B - 一种高效率防腐蚀臭氧电解制备装置 - Google Patents

Abstract

本发明的电解装置包括均呈圆环形的第一电解发生器组、第二电解发生器组，第一电解发生器组位于中心，第二电解发生器组环绕着第一电解发生器设置，第一电解发生器中的阴极水箱成圆柱形位于同心圆的中心，第一电解发生器的第一阳极水箱和第一电解电极组件成圆环形环绕在圆柱形的第一阴极水箱外围，第二电解发生器为圆环形，形成层层套叠，本发明的设备制备臭氧的量以及浓度可高可低，而且制备速率可调，机器设备对不同消毒环境以及消毒需求的适应性较高；借助自身氢气燃烧控制电解温度的升高和降低，促进臭氧分解，具有防腐蚀效果。

Description

一种高效率防腐蚀臭氧电解制备装置

技术领域

本发明涉及电解制备臭氧水技术领域，尤其涉及一种高效率防腐蚀臭氧电解制备装置。

背景技术

臭氧是淡蓝色气体，是一种极强的氧化剂，通过氧化作用，抑制细菌的繁殖和生长，并导致细菌的死亡，它又是一种强杀菌剂。臭氧能溶于水，一定臭氧浓度的臭氧水同样具有极强的杀菌作用。臭氧和臭氧水能对食品、饮用水进行灭菌和消毒，在对饮用水进行消毒时，除了能杀灭水中的细菌，进一步纯化水中的杂质外，还能增加水中的含氧量。臭氧和臭氧水对细菌引发的各类皮肤病，细菌性炎症，烧伤表面等疾病，均有一定的疗效。臭氧和臭氧水还具有无副作用、无毒性、无二次污染等优点。因此，它被广泛地应用于饮用水、食品加工、医疗卫生、化工、环境保护等领域。

制备臭氧的方法有电晕法和电解法，电解法又以能制备高浓度臭氧优于电晕法。目前的电解臭氧发生装置，由电解臭氧发生器、电解臭氧发生器电源、阳极水箱、阴极水箱组成。从在上个世纪中后期，固体聚合物电解质技术被越来越多的用到产生臭氧的研究中，在固体聚合物电解质电解产生臭氧的结构中，固体聚合物离子交换膜这种固态电解质取代了传统的液态电解质，电催化颗粒直接附着于固体聚合物电解质膜两侧上，形成固体聚合物电解质复合膜，这种复合膜结构能增加电极反应的接触面积，大大提高反应物的传质速度，有利于反应产物的分离，将反应与分离融为一体，简化了电解装置的结构。膜电极组件由三部分组成，中间是固体聚合物电解质膜， 两边分别是阴极催化剂膜片和阳极催化膜片。目前，阳极催化剂膜片可以用铂、玻璃炭、二氧化锡以及二氧化铅等材料，其中二氧化铅稳定性好，且价格适中，被使用得较为广泛。阴极催化剂膜片则多采用铂、镀铂金属、碳以及镍合金等，其中铂的析氧过电位在贵金属及其合金中是最高的，对产生臭氧最为有利。在固体聚合物电解质臭氧发生器结构中，阴、阳极电催化材料与Nafion膜的复合电极是一种多孔电极，它具有比常规电极大得多的反应比表面积，有利于电解反应的进行。

现有技术中采用电解法制备臭氧的设备主要存在有以下技术问题：（1）、单个设备制备臭氧的量以及浓度有限，而且制备速率一般不可调，机器设备对不同消毒环境以及消毒需求的适应性较差；（2）、电解法制备臭氧时的阳极电解产物为臭氧和氧气，阴极电解产物为氢气和水，臭氧消毒所需要的是阳极产生的臭氧，但是阳极伴随的还有氧气，现有技术中一般不对这些氧气进行处理，而是将其直接混合在臭氧之中，这会对臭氧的浓度以及在水中的溶解性产生影响，降低臭氧水的溶解量，进而影响消毒效果；阴极电解产生的氢气一般是直接排放到空气中，既浪费了能源又会导致潜在的危险，因为氢气的集聚会导致局部氢气浓度升高，在合适条件下有可能会发生爆燃等危险事故；阴极的电解产物同时还有水，这些水会使阴极水槽中的水位慢慢升高，也会对电解的正常进行产生不利影响；（3）、现有技术中在电解工作前是加入处理后的纯水进行电解，但是以目前的技术，制备的纯水中不可避免的还是会含有一定量的杂质，而采用真正的超纯水又花费巨大，导致成本激增；含有杂质的“纯水”一方面会对电解的效率产生影响，另一方面由于其中各种金属离子的存在，还会在阴阳极板上产生水垢，更加剧了对电解效率的负面影响；（4）、现有技术中一般直接借助阴阳极水槽中的电解水进行设备散热和降温，但是这一冷却效果并不好，而臭氧又是对温度极为敏感的物质，过高的温度会导致臭氧分解消失；（5）、现有技术中一般是采用后续测量的方式测定臭氧水的浓度，这一测定具有一定的滞后性，不利于准确测定臭氧的实际生成量，而且臭氧又是一种较为容易分解的物质，也增加了测定的不准确性，不利于准确考量一台电解制臭氧设备的效能；（6）、现有技术中对对于阴极和阳极的冷却一般采用被动冷却的方式，主要是借助于电解水的流动对阴阳极水箱中的电解水进行被动冷却降温，这一冷却方式不具有可调控性，而且冷却效果不佳；（7）、在电解工作停止后，电解组件中仍会残留有一部分臭氧，这些残存的臭氧如果不及时清除，会对电解组件中的电极膜板以及阴阳极的水箱造成严重的腐蚀和氧化，进而或缩短电解组件以及电解设备的使用寿命和工作效率。

由于现有设备中存在有以上问题，因此，亟需开发一种新型的电解制备臭氧的设备，以填补市场空白。

发明内容

针对现有技术中存在的上述问题，本发明的目的在于提供一种高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，本发明采用两个复合的电解发生器组件，具有催化效率高、效率可调、防腐蚀的优点，同时还具有物料利用充分、防水垢沉积、臭氧生成量直观监测的技术效果，具有广阔的应用前景。

为达上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，包括均呈圆环形的第一电解发生器组、第二电解发生器组，所述第一电解发生器组、第二电解发生器组呈同心圆设置，第一电解发生器组位于同心圆的内侧中心位置，第二电解发生器组呈环形围绕在所述第一电解发生器组的外围；所述第一电解发生器组、第二电解发生器组之间设置有石墨烯导热材料，所述石墨烯导热材料与外界换热装置连接；

所述外界换热装置包括降温装置和升温装置，所述降温装置包括散热翅片和喷雾散热风扇，所述升温装置包括热辐射集热罩；

所述第一电解发生器组连接有第一电源，第二电解发生器组连接有第二电源；所述第一电源、第二电源相互独立且均设置有单独的启闭开关；

所述第一电解发生器组包括呈圆柱形的第一阴极水箱以及均呈圆环形并围绕在圆柱形第一阴极水箱外部的第一电解电极组件以及第一阳极水箱，第二电解发生器组包括均为圆环形的第二阴极水箱、第二阳极水箱以及第二电解电极组件；所述第一电解电极组件、第二电解电极组件中均包括阳极催化剂膜板、阴极催化剂膜板以及PEM膜；

所述臭氧电解制备装置还包括阴极水总管和阳极水总管,第一阴极水箱、第二阴极水箱分别通过第一阴极水管、第二阴极水管与阴极水总管连接；第一阳极水箱、第二阳极水箱分别通过第一阳极水管、第二阳极水管与阳极水总管连接；所述第一阴极水管上、第二阴极水管上以及第一阳极水管上、第二阳极水管上均分别设置有电磁阀；

所述臭氧电解制备装置还包括氢气总管、臭氧氧气混合气总管、臭氧氧气分离装置、氢气可控燃烧装置、氢气储存装置、氧气储存装置；

第一阴极水箱上部设置有第一氢气出气管，第一阳极水箱上部设置有第一臭氧氧气混合出气管；第二阴极水箱上部设置有第二氢气出气管，第二阳极水箱上部设置有第二臭氧氧气混合出气管；所述第一氢气出气管、第二氢气出气管均与氢气总管连接，所述氢气总管与氢气储存装置连接；第一臭氧氧气混合出气管、第二臭氧氧气混合出气管均与臭氧氧气混合气总管连接，所述臭氧氧气混合气总管与臭氧氧气分离装置连接；

所述臭氧氧气分离装置包括臭氧输送管和氧气输送管，所述臭氧输送管与臭氧使用装置连接，所述氧气输送管与氧气储存装置连接；所述氧气储存装置和氢气储存装置均与氢气可控燃烧装置连接，所述氢气可控燃烧装置还连接有凝结水收集装置和凝结水输送管，所述凝结水输送管与阳极水总管和/或阴极水总管连接；所述热辐射集热罩活动地设置在所述氢气可控燃烧装置的上部，由氢气可控燃烧装置通过燃烧而释放的热量被所述热辐射集热罩集中、吸收和传导给所述升温装置，所述升温装置将热量传导给所述石墨烯导热材料；

所述臭氧氧气分离装置上设置有臭氧生成量显示装置，所述阴极总管上还设置有抽水装置；

还包括控制装置，所述控制装置连接并控制所述第一电源、第二电源以及所述第一阴极水管、第二阴极水管、所述第一阳极水管、第二阳极水管上的所有电磁阀以及所述抽水装置。

优选的，所述石墨烯导热材料包括位于芯部的铜质金属导热体，金属导热体外侧包覆有导热橡胶，导热橡胶外侧包覆有石墨烯导热体；所述石墨烯导热体包括位于上表面上绝缘层和位于下表面的下绝缘层；所述上绝缘层下部依次设置有第一纤维增强层、第一石墨烯层、第一导热流体层、第二石墨烯层、第二导热流体层、第三石墨烯层、第二纤维增强层；第二纤维增强层位于所述下绝缘层的上方；所述第一导热流体层、第二导热流体层均为两端封闭的封装在石墨烯导热体中的导热流体腔，该导热流体腔内充满导热液；所述导热液为水或导热油；所述第一纤维增强层和第二纤维增强层为导热碳纤维增强层；所述上绝缘层和所述下绝缘层均为导热绝缘橡胶材料。

优选的，所述石墨烯导热材料设置在第一电解发生器组中的所述第一阳极水箱和第二电解发生器组中的所述第二阴极水箱之间；所述第一阳极水箱和所述第二阴极水箱与所述石墨烯导热材料相互接触的一侧均采用半刚性导热材料制成，所述半刚性导热材料包括由外而内依次设置的第一导热绝缘橡胶层、第一石墨烯导热层、导热粘结剂层、第二石墨烯导热层、第二导热绝缘橡胶层以及防水橡胶层。

优选的，所述凝结水输送管与凝结水储存装置相连，凝结水储存装置通过管道与阳极水总管和/或阴极水总管连接。

优选的，所述凝结水储存装置设置有输送泵，输送泵与所述控制装置相连。

优选的，所述臭氧生成量显示装置通过测量所生成的氧气的体积来表征臭氧的生成量。

优选的，所述氢气可控燃烧装置上还设置有热量辐照装置、报警装置以及自动灭火装置。

优选的，所述阳极水总管、阴极水总管还分别于外界纯水供应管道相连。

优选的，所述臭氧使用装置为臭氧喷气装置或者臭氧水混合制备装置。

优选的，所述臭氧氧气分离装置，采用低温分离或分层分离。

本发明的技术方案相对于现有技术，具有以下有益效果：

（1）、本发明的电解装置包括均呈圆环形的第一电解发生器组、第二电解发生器组，第一电解发生器组位于中心，第二电解发生器组环绕着第一电解发生器设置，第一电解发生器中的阴极水箱成圆柱形位于同心圆的中心，第一电解发生器的第一阳极水箱和第一电解电极组件成圆环形环绕在圆柱形的第一阴极水箱外围，第二电解发生器组为圆环形，套设在第一电解发生器组外侧，形成层层套叠、类似“洋葱圈”的结构，实现了两组电解发生器的组装，而且具有相对较小的占地面积。同时，由于位于内层的第一电解发生器组的直径比较小，进而其电解电极组件的面积也相应较小，即其电解效率也比较小，而位于外侧的第二电解发生器组却具有相对较大的直径，进而其电解电极组件的工作面积也就相对较大，具有较大的电解效率，其制备臭氧的效率也比较大。而且，本发明还设置有控制系统以及单独控制的阴阳极供水管路和独立的电源，可以单独控制这两个电解发生器组件的开启和关闭以及它们各自的原料供应等电解操作，实现二者的单独工作或者同时工作，比如：如果需要小面积消毒、低浓度消毒时，只需要开启电解效率较低的第一电解发生器组，当需要较高的工作效率时，可以根据需要开启第二电解发生器组，或者将这两个组进组合开启，以获得最大的制备效率。因此，本发明的设备制备臭氧的量以及浓度可高可低，而且制备速率可调，机器设备对不同消毒环境以及消毒需求的适应性较高。

（2）、本发明设置臭氧氧气分离装置，将阳极的电解产物臭氧和氧气进行分离，进行分类利用。本发明采用低温分离技术或分层分离技术将臭氧和氧气分离，分离出来的臭氧用于消毒使用，分离出来的氧气收集出来，暂存在氧气存储装置中备用。同时本发明还对阴极电解产生的氢气进行收集，设置氢气可控燃烧装置，再将收集得到的纯净氧气和氢气在氢气可控燃烧装置中进行可控条件下的燃烧，将这些产物消耗掉，由于氢气和氧气燃烧之后的产物是纯水，这些水是不含其它杂质的纯净水，具有比人工提纯或者过滤制备得到的水更高的纯度，水中几乎不含其它金属离子杂质，将这些水收集起来，作为阴极和/或阳极的电解水原料，避免了外界金属离子的引入，从根本上解决了电解电极组件上会沉积水垢的技术问题，同时还将阳极和阴极的电解产物成分利用，避免了物料浪费，节约了资源。同时，由于将氢气及时收集和燃烧处理，避免了局部氢气浓度的升高，提高了使用安全性，避免发生意外事故。

（3）、本发明在阴极总管上还设置有抽水装置，阴极的电解产物同时还有水，这些水会使阴极水槽中的水位慢慢升高，也会对电解的正常进行产生不利影响，本发明采用抽水装置，定时开启或者根据需要开启抽水，将阴极中多余的电解水抽出，避免过量的阴极水对电解产生不利影响。

（4）、本发明在第一电解发生器组、第二电解发生器组之间设置有石墨烯导热材料，该石墨烯导热材料与外界散热装置连接，提高了电解发生器组件的散热效果。现有技术中一般直接借助电解液对电解组件进行散热冷却，但是这一被动冷却方式的冷却效果并不好，而臭氧又是对温度极为敏感的物质，过高的温度会导致臭氧分解消失，而且还会对电解反应的平衡产生影响，不利于提高电解效率。本发明设置主动式散热装置，石墨烯材料具有优异的导热效果，采用石墨烯导热材料将电解发生器组件中的热量及时导出，并借助设置在外界的散热装置将这些热量及时散发出去，实现了对电解发生器组件的主动式降温冷却，具有良好的冷却效果，有效避免了高温对臭氧的不利影响，提高电解制备臭氧设备的效能。

此外，本发明的石墨烯导热材料配合外部换热装置使用，可以实现电解组件的热量的及时散发、冷却也可以实现对其进行适当的加热。本发明的阴阳极水箱的一侧也采用具有良好导热性能的材料制成，使得水箱中的热量及时散发出来，避免其内部发生热量的积累。本发明还利用了氢气燃烧的热量，如果臭氧制备装置停机，但是其内部还残留有一定量的臭氧，这些臭氧会对装置的零部件造成一定的氧化和腐蚀，而臭氧本身又对温度极为敏感，在较高温度下可以分解为氧气。因此，本发明借助氢气燃烧后得到的热量，采用热辐射罩将这些热量汇集起来，传导给石墨烯导热材料，石墨烯导热材料将这些热量传导到已经停机的电解组件中，对其进行加热，而残留在其中的臭氧在高温下随即发生分解，有效避免了臭氧的残留和对设备零部件的腐蚀，起到了良好的防腐蚀作用，并实现了自身产物的物尽期利用。

（5）、本发明在臭氧氧气分离装置上设置有臭氧量显示装置，该臭氧量显示装置通过测量所生成的氧气的体积来表征臭氧的生成量，本发明采用侧面对应的方式测量和表征臭氧的制备生成量，尽量降低了对臭氧的外界影响，减少制备得到的臭氧所经过的仪器或设备量。电解制备臭氧的阳极反应如下：

H₂O→1/3O₃+2H⁺+2e^-

H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^-

根据这一阳极反应可知，电解阳极制备得到的臭氧量和氧气量是存在有一定比例关系的，根据测得的氧气量可以推算出同时生成的臭氧量。由于臭氧在常规条件下极不稳定，很容易发生分解，而氧气却极为稳定，常规条件下一般不会发生性状的改变，属于比较容易测量的物质，因此，本发明采用直接测量氧气的方式间接反映臭氧的生成量，避免了对臭氧气体的外界干扰，通过数学换算的方式用氧气的量来表征臭氧的量，相对于现有技术中测量臭氧水浓度的方式，本发明的测量和表征方式更为准确也更能确切地反映出一台电解制备臭氧设备的工作效能。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中第一电解发生器组和第二电解发生器组的结构示意图；

图2是图1的横截面视图；

图3是本发明具体实施方式中石墨烯导热材料的横截面示意图；

图4是本发明具体实施方式中半刚性导热材料的横截面示意图。

附图标记：

1：第一电解发生器组，2：第二电解发生器组，3：石墨烯导热材料，4：第一电源，5：第二电源，6：第一阴极水箱，7：第一电解电极组件，8：第一阳极水箱，9：第二阴极水箱，10：第二阳极水箱，11：第二电解电极组件，12：石墨烯导热体，13：上绝缘层，14：下绝缘层，15：第一纤维增强层，16：第一石墨烯层，17：第一导热流体层，18：第二石墨烯层，19：第二导热流体层，20：第三石墨烯层，21：第二纤维增强层，22：半刚性导热材料，23：第一导热绝缘橡胶层，24：第一石墨烯导热层，25：导热粘结剂层，26：第二石墨烯导热层，27：第二导热绝缘橡胶层，28：防水橡胶层。

具体实施方式

下面结合附图1-4并通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。

一种高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，包括均呈圆环形的第一电解发生器组1、第二电解发生器组2，所述第一电解发生器组1、第二电解发生器组2呈同心圆设置，第一电解发生器组1位于同心圆的内侧中心位置，第二电解发生器组2呈环形围绕在所述第一电解发生器组1的外围；所述第一电解发生器组1、第二电解发生器组2之间设置有石墨烯导热材料3，所述石墨烯导热材料3与外界换热装置连接；

所述外界换热装置包括降温装置和升温装置，所述降温装置包括散热翅片和喷雾散热风扇，所述升温装置包括辐射集热罩；

所述第一电解发生器组1连接有第一电源4，第二电解发生器2组连接有第二电源5；所述第一电源4、第二电源5相互独立且均设置有单独的启闭开关；

所述第一电解发生器组1包括呈圆柱形的第一阴极水箱6以及均呈圆环形并围绕在圆柱形第一阴极水箱外部的第一电解电极组件7以及第一阳极水箱8，第二电解发生器组2包括均为圆环形的第二阴极水箱9、第二阳极水箱10以及第二电解电极组件11；所述第一电解电极组件7、第二电解电极组件11中均包括阳极催化剂膜板、阴极催化剂膜板以及PEM膜；

所述臭氧电解制备装置还包括阴极水总管和阳极水总管，第一阴极水箱6、第二阴极水箱9分别通过第一阴极水管、第二阴极水管与阴极水总管连接；第一阳极水箱8、第二阳极水箱10分别通过第一阳极水管、第二阳极水管与阳极水总管连接；所述第一阴极水管、第二阴极水管上以及第一阳极水管、第二阳极水管上均分别设置有电磁阀；

所述臭氧电解制备装置还包括氢气总管、臭氧氧气混合气总管、臭氧氧气分离装置、氢气可控燃烧装置、氢气储存装置、氧气储存装置；

第一阴极水箱6上部设置有第一氢气出气管，第一阳极水箱8上部设置有第一臭氧氧气混合出气管；第二阴极水箱9上部设置有第二氢气出气管，第二阳极水箱10上部设置有第二臭氧氧气混合出气管；所述第一氢气出气管、第二氢气出气管均与氢气总管连接，所述氢气总管与氢气储存装置连接；第一臭氧氧气混合出气管、第二臭氧氧气混合出气管均与臭氧氧气混合气总管连接，所述臭氧氧气混合气总管与臭氧氧气分离装置连接；

所述臭氧氧气分离装置包括臭氧输送管和氧气输送管，所述臭氧输送管与臭氧使用装置连接，所述氧气输送管与氧气储存装置连接；所述氧气储存装置和氢气储存装置均与氢气可控燃烧装置连接，所述氢气可控燃烧装置还连接有凝结水收集装置和凝结水输送管，所述凝结水输送管与阳极水总管和/或阴极水总管连接；所述热辐射集热罩活动地设置在所述氢气可控燃烧装置的上部，由氢气可控燃烧装置通过燃烧而释放的热量被所述热辐射集热罩集中、吸收和传导给所述升温装置，所述升温装置将热量传导给所述石墨烯导热材料；

所述臭氧氧气分离装置上设置有臭氧生成量显示装置，所述阴极总管上还设置有抽水装置；

还包括控制装置，所述控制装置连接并控制所述第一电源4、第二电源5以及所述第一阴极水管、第二阴极水管、所述第一阳极水管、第二阳极水管上的所有电磁阀以及所述抽水装置。

为了实现热量的有效传递，所述石墨烯导热材料包括位于芯部的铜质金属导热体，金属导热体外侧包覆有导热橡胶，导热橡胶外侧包覆有石墨烯导热体12；所述石墨烯导热体12包括位于上表面上绝缘层13和位于下表面的下绝缘层14；所述上绝缘层13下部依次设置有第一纤维增强层15、第一石墨烯层16、第一导热流体层17、第二石墨烯层18、第二导热流体层19、第三石墨烯层20、第二纤维增强层21；第二纤维增强层21位于所述下绝缘层14的上方；所述第一导热流体层17、第二导热流体层19均为两端封闭的封装在石墨烯导热体12中的导热流体腔，该导热流体腔内充满导热液；所述导热液为水或导热油；所述第一纤维增强层15和第二纤维增强层21为导热碳纤维增强层；所述上绝缘层13和所述下绝缘层14均为导热绝缘橡胶材料。

为了实现电解水箱中的热量传递，所述石墨烯导热材料设置在第一电解发生器组中的所述第一阳极水箱和第二电解发生器组中的所述第二阴极水箱之间；所述第一阳极水箱和所述第二阴极水箱与所述石墨烯导热材料相互接触的一侧均采用半刚性导热材料22制成，所述半刚性导热材料22包括由外而内依次设置的第一导热绝缘橡胶层23、第一石墨烯导热层24、导热粘结剂层25、第二石墨烯导热层26、第二导热绝缘橡胶层27以及防水橡胶层28。

氢气燃烧得到的冷凝水可能在电解工作初期不会有太多的量，需要先积攒一段时间，因此，需要设置相应的冷凝水储存装置，所述凝结水输送管与凝结水储存装置相连，凝结水储存装置通过管道与阳极水总管和/或阴极水总管连接。

控制装置根据实际需要控制对新生产的纯水的输送，为了实现这一功能，所述凝结水储存装置设置有输送泵，输送泵与所述控制装置相连。

为了检测臭氧的生成量并尽量减少臭氧所经过的仪器设备、降低其降解量，所述臭氧量显示装置通过测量所生成的氧气的体积来表征臭氧的生成量。

为了保证安全，所述氢气可控燃烧装置上还设置有热量辐照装置、报警装置以及自动灭火装置，一旦检测到氢气的泄漏或者燃烧出现不可控的意外情况，则立即进行灭火并报警，避免危险的进一步扩大。

在第一次使用本发明的装置时，需要向阴阳极水箱中首次加入电解纯水，因此，为了保证原料供应，所述阳极水总管、阴极水总管还分别于外界纯水供应管道相连。

根据需要，臭氧的使用一般可以分为直接使用气体，或者将臭氧混合在水中形成臭氧水使用，因此，所述臭氧使用装置为臭氧喷气装置或者臭氧水混合制备装置。

为了实现臭氧和氧气的有效分离，所述臭氧氧气分离装置采用低温分离或分层分离。其中，低温分离是利用热交换器和冷媒质将臭氧和氧气的混合气体的温度降低至臭氧的沸点温度和氧气的沸点温度之间，使臭氧转化为液态，而氧气仍然为气态，从而对氧气和臭氧的混合气体进行分离，分离出气态的氧气和液态的臭氧的方法。分层分离是利用臭氧和氧气的比重不同的原理，使臭氧和氧气静止分层，臭氧的比重比较大，位于下层，氧气的比重比较小，则位于上册，抽出上层或者下层，以此实现臭氧和氧气的分离。

本发明的工作原理是：通过控制装置打开第一、第二电解发生器组，根据所需臭氧量，设置打开的机组数量，并灵活调节开机机组的数量，实现能耗和效率的最优化组合；对生产的臭氧和氧气的混合气体进行分离，臭氧被用去消毒，氧气先储存起来，对氢气也进行收集，将收集得到的氧气和氢气在安全的可控条件下进行燃烧，通过燃烧得到的纯水作为后续电解反应的电解水原料，这些超纯水来自于设备的自循环，无须市面购买，纯度足够，从根本上解决了水垢沉积的问题，而且实现了设备原料的自循环，降低成本。通过测量稳定的氧气的量来表征臭氧的生成量，提高了测量的准确度。

臭氧制备完成后，电解装置停机，燃烧收集的氢气，收集热量，通过石墨烯导热材料将这些热量传导到电解组件中，对其进行加热使温度升高，其中残存的臭氧在高温下分解，有效避免了残存臭氧对设备的腐蚀。

本发明的电解装置包括均呈圆环形的第一电解发生器组、第二电解发生器组，第一电解发生器组位于中心，其他两个电解发生器组环绕着第一电解发生器设置，第一电解发生器中的阴极水箱成圆柱形位于同心圆的中心，第一电解发生器的第一阳极水箱和第一电解电极组件成圆环形环绕在圆柱形的第一阴极水箱外围，其他的电解发生器均为圆环形，套设在第一电解发生器组外侧，形成层层套叠、类似“洋葱圈”的结构，实现了两组电解发生器的组装，而且具有相对较小的占地面积。同时，由于位于内层的第一电解发生器组的直径比较小，进而其电解电极组件的面积也相应较小，即其电解效率也比较小，而位于外侧的两组电解发生器组却具有相对较大的直径，进而其电解电极组件的工作面积也就相对较大，具有较大的电解效率，其制备臭氧的效率也比较大。而且，本发明还设置有控制系统以及单独控制的阴阳极供水管路和独立的电源，可以单独控制这两个电解发生器组件的开启和关闭以及它们各自的原料供应等电解操作，实现二者的单独工作或者同时工作，比如：如果需要小面积消毒、低浓度消毒时，只需要开启电解效率较低的第一电解发生器组，当需要较高的工作效率时，可以根据需要开启第二电解发生器组，或者将这两个组进组合开启，以获得最大的制备效率。因此，本发明的设备制备臭氧的量以及浓度可高可低，而且制备速率可调，机器设备对不同消毒环境以及消毒需求的适应性较高。

（2）、本发明设置臭氧氧气分离装置，将阳极的电解产物臭氧和氧气进行分离，进行分类利用。本发明采用低温分离技术或分层分离技术将臭氧和氧气分离，分离出来的臭氧用于消毒使用，分离出来的氧气收集出来，暂存在氧气存储装置中备用。同时本发明还对阴极电解产生的氢气进行收集，设置氢气可控燃烧装置，再将收集得到的纯净氧气和氢气在氢气可控燃烧装置中进行可控条件下的燃烧，将这些产物消耗掉，由于氢气和氧气燃烧之后的产物是纯水，这些水是不含其它杂质的纯净水，具有比人工提纯或者过滤制备得到的水更高的纯度，水中几乎不含其它金属离子杂质，将这些水收集起来，作为阴极和/或阳极的电解水原料，避免了外界金属离子的引入，从根本上解决了电解电极组件上会沉积水垢的技术问题，同时还将阳极和阴极的电解产物成分利用，避免了物料浪费，节约了资源。同时，由于将氢气及时收集和燃烧处理，避免了局部氢气浓度的升高，提高了使用安全性，避免发生意外事故。

本发明在阴极总管上还设置有抽水装置，阴极的电解产物同时还有水，这些水会使阴极水槽中的水位慢慢升高，也会对电解的正常进行产生不利影响，本发明采用抽水装置，定时开启或者根据需要开启抽水，将阴极中多余的电解水抽出，避免过量的阴极水对电解产生不利影响。

本发明在第一电解发生器组、第二电解发生器组以及第三电解发生器组两两之间设置有石墨烯导热材料，该石墨烯导热材料与外界散热装置连接，提高了电解发生器组件的散热效果。现有技术中一般直接借助电解液对电解组件进行散热冷却，但是这一被动冷却方式的冷却效果并不好，而臭氧又是对温度极为敏感的物质，过高的温度会导致臭氧分解消失，而且还会对电解反应的平衡产生影响，不利于提高电解效率。本发明设置主动式散热装置，石墨烯材料具有优异的导热效果，采用石墨烯导热材料将电解发生器组件中的热量及时导出，并借助设置在外界的散热装置将这些热量及时散发出去，实现了对电解发生器组件的主动式降温冷却，具有良好的冷却效果，有效避免了高温对臭氧的不利影响，提高电解制备臭氧设备的效能。

此外，本发明的石墨烯导热材料配合外部换热装置使用，可以实现电解组件的热量的及时散发、冷却也可以实现对其进行适当的加热。本发明的阴阳极水箱的一侧也采用具有良好导热性能的材料制成，使得水箱中的热量及时散发出来，避免其内部发生热量的积累。本发明还利用了氢气燃烧的热量，如果臭氧制备装置停机，但是其内部还残留有一定量的臭氧，这些臭氧会对装置的零部件造成一定的氧化和腐蚀，而臭氧本身又4对温度极为敏感，在较高温度下可以分解为氧气。因此，本发明借助氢气燃烧后得到的热量，采用热辐射罩将这些热量汇集起来，传导给石墨烯导热材料，石墨烯导热材料将这些热量传导到已经停机的电解组件中，对其进行加热，而残留在其中的臭氧在高温下随即发生分解，有效避免了臭氧的残留和对设备零部件的腐蚀，起到了良好的防腐蚀作用。

本发明在臭氧氧气分离装置上设置有臭氧量显示装置，该臭氧量显示装置通过测量所生成的氧气的体积来表征臭氧的生成量，本发明采用侧面对应的方式测量和表征臭氧的制备生成量，尽量降低了对臭氧的外界影响，减少制备得到的臭氧所经过的仪器或设备量。电解制备臭氧的阳极反应如下：

H₂O→1/3O₃+2H⁺+2e^-

H₂O→1/2O₂+2H⁺+2e^-

根据这一阳极反应可知，电解阳极制备得到的臭氧量和氧气量是存在有一定比例关系的，根据测得的氧气量可以推算出同时生成的臭氧量。由于臭氧在常规条件下极不稳定，很容易发生分解，而氧气却极为稳定，常规条件下一般不会发生性状的改变，属于比较容易测量的物质，因此，本发明采用直接测量氧气的方式间接反应臭氧的生成量，避免了对臭氧气体的外界干扰，通过数学换算的方式用氧气的量来表征臭氧的量，相对于现有技术中测量臭氧水浓度的方式，本发明的测量和表征方式更为准确也更能确切地反应出一台电解制备臭氧设备的工作效能。

Claims (10)

1.一种高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，包括均呈圆环形的第一电解发生器组、第二电解发生器组，所述第一电解发生器组、第二电解发生器组呈同心圆设置，第一电解发生器组位于同心圆的内侧中心位置，第二电解发生器组呈环形围绕在所述第一电解发生器组的外围；所述第一电解发生器组、第二电解发生器组之间设置有石墨烯导热材料，所述石墨烯导热材料与外界换热装置连接；

所述外界换热装置包括降温装置和升温装置，所述降温装置包括散热翅片和喷雾散热风扇，所述升温装置包括热辐射集热罩；

所述第一电解发生器组连接有第一电源，第二电解发生器组连接有第二电源；所述第一电源、第二电源相互独立且均设置有单独的启闭开关；

所述第一电解发生器组包括呈圆柱形的第一阴极水箱以及均呈圆环形并围绕在圆柱形第一阴极水箱外部的第一电解电极组件以及第一阳极水箱，第二电解发生器组包括均为圆环形的第二阴极水箱、第二阳极水箱以及第二电解电极组件；所述第一电解电极组件、第二电解电极组件中均包括阳极催化剂膜板、阴极催化剂膜板以及PEM膜；

所述臭氧电解制备装置还包括阴极水总管与阳极水总管，第一阴极水箱、第二阴极水箱分别通过第一阴极水管、第二阴极水管与阴极水总管连接；第一阳极水箱、第二阳极水箱分别通过第一阳极水管、第二阳极水管与阳极水总管连接；所述第一阴极水管上、第二阴极水管上以及第一阳极水管上、第二阳极水管上均分别设置有电磁阀；

所述臭氧电解制备装置还包括氢气总管、臭氧氧气混合气总管、臭氧氧气分离装置、氢气可控燃烧装置、氢气储存装置、氧气储存装置；

第一阴极水箱上部设置有第一氢气出气管，第一阳极水箱上部设置有第一臭氧氧气混合出气管；第二阴极水箱上部设置有第二氢气出气管，第二阳极水箱上部设置有第二臭氧氧气混合出气管；所述第一氢气出气管、第二氢气出气管均与氢气总管连接，所述氢气总管与氢气储存装置连接；第一臭氧氧气混合出气管、第二臭氧氧气混合出气管均与臭氧氧气混合气总管连接，所述臭氧氧气混合气总管与臭氧氧气分离装置连接；

所述臭氧氧气分离装置包括臭氧输送管和氧气输送管，所述臭氧输送管与臭氧使用装置连接，所述氧气输送管与氧气储存装置连接；所述氧气储存装置和氢气储存装置均与氢气可控燃烧装置连接，所述氢气可控燃烧装置还连接有凝结水收集装置和凝结水输送管，所述凝结水输送管与阳极水总管和/或阴极水总管连接；所述热辐射集热罩活动地设置在所述氢气可控燃烧装置的上部，由氢气可控燃烧装置通过燃烧而释放的热量被所述热辐射集热罩集中、吸收和传导给所述升温装置，所述升温装置将热量传导给所述石墨烯导热材料；

所述臭氧氧气分离装置上设置有臭氧生成量显示装置，所述阴极总管上还设置有抽水装置；

还包括控制装置，所述控制装置连接并控制所述第一电源、第二电源以及所述第一阴极水管、第二阴极水管、所述第一阳极水管、第二阳极水管上的所有电磁阀以及所述抽水装置。

2.根据权利要求1所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述石墨烯导热材料包括位于芯部的铜质金属导热体，金属导热体外侧包覆有导热橡胶，导热橡胶外侧包覆有石墨烯导热体；所述石墨烯导热体包括位于上表面的上绝缘层和位于下表面的下绝缘层；所述上绝缘层下部依次设置有第一纤维增强的层、第一石墨烯层、第一导热流体层、第二石墨烯层、第二导热流体层、第三石墨烯层、第二纤维增强层；第二纤维增强层位于所述下绝缘层的上方；所述第一导热流体层、第二导热流体层均为两端封闭的封装在石墨烯导热体中的导热流体腔，该导热流体腔内充满导热液；所述导热液为水或导热油；所述第一纤维增强层和第二纤维增强层为导热碳纤维增强层；所述上绝缘层和所述下绝缘层均为导热绝缘橡胶材料。

3.根据权利要求2所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述石墨烯导热材料设置在第一电解发生器组中的所述第一阳极水箱和第二电解发生器组中的所述第二阴极水箱之间；所述第一阳极水箱和所述第二阴极水箱与所述石墨烯导热材料相互接触的一侧均采用半刚性导热材料制成，所述半刚性导热材料包括由外而内依次设置的第一导热绝缘橡胶层、第一石墨烯导热层、导热粘结剂层、第二石墨烯导热层、第二导热绝缘橡胶层以及防水橡胶层。

4.根据权利要求3所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述凝结水输送管与凝结水储存装置相连，凝结水储存装置通过管道与阳极水总管和/或阴极水总管连接。

5.根据权利要求4所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述凝结水储存装置设置有输送泵，输送泵与所述控制装置相连。

6.根据权利要求5所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述臭氧生成量显示装置通过测量所生成的氧气的体积来表征臭氧的生成量。

7.根据权利要求6所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述氢气可控燃烧装置上还设置有热量辐照装置、报警装置以及自动灭火装置。

8.根据权利要求7所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述阳极水总管、阴极水总管还分别于外界纯水供应管道相连。

9.根据权利要求8所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述臭氧使用装置为臭氧喷气装置或者臭氧水混合制备装置。

10.根据权利要求1-9中任一项所述的高效率防腐蚀臭氧电解制备装置，其特征在于，所述臭氧氧气分离装置，采用低温分离或分层分离。