CN109402657A - 一种内循环电解式臭氧发生装置 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电化学技术领域,涉及一种内循环电解式臭氧发生装置。本发明在阴极水箱下部设置空腔，空腔内部用作阴极室反应用，在空腔和阴极水箱之间采用内置原料水循环孔道，使之构成一个整体阴极反应组件。同样，阳极水箱下部设置空腔，空腔内部作为阳极室反应用，在空腔和阳极水箱之间采用内置原料水循环孔道，使之构成一个整体阳极反应组件。本发明在阴极水箱构件上部设置有离子交换树脂柱。本装置组装方便，结构紧凑、散热效果好、臭氧浓度高，运行稳定。
Description
技术领域
本发明属于电化学技术领域,涉及一种内循环电解式臭氧发生装置。
背景技术
质子交换膜型水电解式臭氧发生装置都是以纯水为原料，在低压直流电的作用下，在阳极区产生高浓度、高纯度臭氧，在阴极区产生高纯氢，且不产生对人体和环境有害的氮氧化物（NOx），应用领域十分广阔。
已有的电解式臭氧发生装置如中国专利ZL201420547893.7和中国专利ZL201611046873.1等所公开的电解式臭氧发生装置，都预先将阴极水箱、阳极水箱和以膜电极组件组成的发生器分别制作成独立的三个部件，然后采用外接水循环管道构成双极外循环水路。依上述三个部件所组装的电解式臭氧发生装置难以规模化生产，且水管道接口多，组装工艺复杂，双极外循环水管道工作时存在漏水隐患，难以保证产品质量。
发明内容
为了克服上述已有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供了一种内循环电解式臭氧发生装置。
本发明将阴极水箱和阴极室，阳极水箱和阳极室采用一体化设计。在阴极水箱下部设置空腔，空腔内部用作阴极室反应用，在空腔和阴极水箱之间采用内置原料水循环孔道，使之构成一个整体阴极反应组件。同样，阳极水箱下部设置空腔，空腔内部作为阳极室反应用，在空腔和阳极水箱之间采用内置原料水循环孔道，使之构成一个整体阳极反应组件。水电解工作时，阴极反应组件和阳极反应组件的内置孔道内的原料水进行自动循环，并实现气液分离和散热双重功能。通过反应室内外水温差和气体上升的动力使冷热水通过内循环孔道自动循环，同时产生热交换。
本发明是通过以下技术方案实现的：
一种内循环电解式臭氧发生装置，包括可贴合在一起的阴极水箱和阳极水箱，所述阴极水箱下部有对穿的空腔，空腔为梯形结构，由稍小的阴极电解空腔和稍大的阴极端板空腔组成，阴极电解空腔底部通过阴极水箱壁上的阴极进水孔与阴极水箱内部连通，顶部通过阴极水箱壁上的阴极水/气出孔与阴极水箱内部连通；所述阳极水箱下部有对穿的空腔，空腔为梯形结构，由稍小的阳极电解空腔和稍大的阳极端板空腔组成，阳极电解空腔底部通过阳极水箱壁上的阳极进水孔与阳极水箱内部连通，顶部通过阳极水箱壁上的阳极水/气出孔与阳极水箱内部连通。
所述的阴极电解空腔和阳极电解空腔用于安装电解单元，包括中间的膜电极组件和膜电极组件两侧的阴极导流板、阳极导流板，阴极导流板和阳极导流板外侧分别有阴极导电端板和阳极导电端板，分别位于阴极端板空腔和阳极端板空腔内，阴极水箱在阴极电解空腔处的凸缘上有阴极螺栓孔，阳极水箱在阳极电解空腔处的凸缘上有阳极螺栓孔，使用螺栓穿过阳极导电端板、阳极螺栓孔、阴极螺栓孔、阴极导电端板紧固。
阴极水箱下部朝向电解单元侧有阴极水阻力孔，阳极水箱下部朝向电解单元侧有阳极水阻力孔，阴极水阻力孔和阳极水阻力孔通过密封圈连通，保持阴极水箱和阳极水箱的水位平衡。
膜电极组件与空腔之间用密封圈密封，防止阴极和阳极产生的气体混合，所述阴极导流板和阳极导流板上有凸柱，用于使水、气均匀。
本发明分别在阴极水箱和阳极水箱底部设置阴极水阻力孔和阳极水阻力孔。阴极水箱和阳极水箱贴合在一起时，阴极水阻力孔和阳极水阻力孔通过密封圈连通，螺栓紧固后，密封圈既能保证阴极水箱和阳极水箱中水的平衡，还能防止漏水。
水电解工作时，阴极水箱和阳极水箱中设置的气/水循环通道内的原料水进行自动循环，并具有气液分离和散热双重功能。
阴极水箱上还有阴极补水口和氢气出口，阳极水箱上有阳极补水口和臭氧出口。
阴极水箱中，通过阴极补水口加入的原料水由阴极水箱上部进入阴极水箱下部，再通过阴极电解空腔底部的阴极进水孔进入阴极室，产生的氢气和水通过阴极电解空腔顶部的阴极气/水出口进入阴极水箱上部，然后通过阴极水箱顶部的氢气出口排出。
阳极水箱中，通过阳极补水口加入的原料水首先由阳极水箱上部进入阳极水箱下部，再通过阳极电解空腔底部的阳极进水孔进入阳极室，产生的臭氧气和水通过阳极电解空腔顶部的阳极气/水出口进入阳极水箱上部，然后通过阳极水箱顶部的臭氧出口排出。
所述阴极水箱和下部空腔里的阴极室构成一个整体的阴极组件。阴极组件内设置有内置的水循环孔道，其由阴极进水孔和阴极水/气出孔组成。阴极水/气出孔内径大于阴极进水孔内径，有益于氢气排出。
所述阳极水箱和下部空腔里的阳极室构成一个整体的阳极组件。阳极组件内设置有水循环孔道，其由阳极进水孔和阳极水/气出孔组成。阳极水/气出孔内径大于阳极进水孔内径，有益于臭氧排出。
所述阴极水箱和阳极水箱为矩形箱体结构。
所述阴极导流板、阳极导流板上的凸柱，可为圆形、方形或菱形。
本发明分别在阴极水箱和阳极水箱中设置气/水循环通道，增强气/水分离和原料水散热；同时在阴极水箱和阳极水箱中设置阴极水阻力孔和阳极水阻力孔，通过水阻力孔以保持阴极水箱构件和阳极水箱构件中水的平衡。
进一步地，本发明一种内循环电解式臭氧发生装置在阴极水箱上部设置有离子交换器。
所述阴极水箱上部侧壁上设置有带内螺纹的离子交换器的安装孔。所述的离子交换器包括底座，底座为同芯变径圆柱体，底座中间段有外螺纹用于与阴极水箱壁上的内螺纹配合安装，底座前段安装有离子交换柱，离子交换柱为圆管结构，管壁分布有通孔，管壁内衬筛网，筛网内填充有离子交换树脂，离子交换树脂的粒径大于筛网孔径。在阴极水箱上部的安装孔安装离子交换器时，内衬密封圈防止漏水。
本发明的结构使阴极水箱和阴极室的构成实现一体化，阳极水箱和阳极室的构成实现一体化，其结构简单，减少外部连接，容易做到标准化和小型化，可以用于冰箱、空调、洗衣机等家电领域，也易于规模化生产。本发明在阴极水箱上部设置有离子交换树脂柱，可以降低水中杂质离子，以净化原料水质，从而降低电解槽工作电压，大幅度延长发生器运行寿命。
附图说明
图1，一种内循环电解式臭氧发生装置结构示意图。
图1中1-阴极水箱，2-阴极补水口，3-氢气出口，4-臭氧出口，5-阳极补水口，6-阳极水箱，7-阳极气/水出口，8-阳极导流板，9-阳极导电端板，10-阳极室，11-膜电极组件，12-紧固螺栓，13-密封圈，14-阳极进水孔，15-阳极水阻力孔，16-阴极水阻力孔， 17-阴极进水孔，18-阴极室，19-阴极导电端板，20-阴极导流板，21-阴极气/水出口，22-离子交换器。
图2，阴极水箱内部结构示意图。
图2中23-安装孔，24-阴极螺栓孔，25-阴极电解空腔，26-阴极端板空腔。
图3阳极水箱内部结构示意图。
图3中27-阳极端板空腔，28-阳极螺栓孔，29-阳极电解空腔。
图4离子交换器结构示意图。
图4中30-离子交换柱，31-通孔，32-底座，33-外螺纹，34-筛网，35-离子交换树脂。
图5，膜电极组件示意图。
图5中36-阴极多孔集电器，37-阳极多孔集电器，38-阳极催化膜，39-离子交换膜，40-阴极催化膜。
具体实施方式
如图1所示，一种内循环电解式臭氧发生装置，包括可贴合在一起的阴极水箱和阳极水箱。
如图2所示，所述阴极水箱下部有对穿的空腔，空腔为梯形结构，由稍小的阴极电解空腔和稍大的阴极端板空腔组成，阴极电解空腔底部通过阴极水箱壁上的阴极进水孔与阴极水箱内部连通，顶部通过阴极水箱壁上的阴极水/气出孔与阴极水箱内部连通。
如图3所示，所述阳极水箱下部有对穿的空腔，空腔为梯形结构，由稍小的阳极电解空腔和稍大的阳极导电端板空腔组成，阳极电解空腔底部通过阳极水箱壁上的阳极进水孔与阳极水箱内部连通，顶部通过阳极水箱壁上的阳极水/气出孔与阳极水箱内部连通。
如图1所示，所述的阴极电解空腔和阳极电解空腔用于安装电解单元，包括中间的膜电极组件和膜电极组件两侧的阴极导流板、阳极导流板，膜电极组件与空腔之间用密封圈密封，防止阴极和阳极产生的气体混合，所述阴极导流板和阳极导流板上有凸柱，用于使水、气均匀，阴极导流板和阳极导流板外侧分别有阴极导电端板和阳极导电端板，分别位于阴极端板空腔和阳极导电端板空腔内。
阴极水箱在阴极电解空腔处的凸缘上有阴极螺栓孔，阳极水箱在阳极电解空腔处的凸缘上有阳极螺栓孔。使用螺栓穿过阳极导电端板、阳极螺栓孔、阴极螺栓孔、阴极导电端板紧固。
如图1所示，阴极水箱下部朝向电解单元侧有阴极水阻力孔，阳极水箱下部朝向电解单元侧有阳极水阻力孔，阴极水阻力孔和阳极水阻力孔通过密封圈连通，保持阴极水箱和阳极水箱的水位平衡。
本发明分别在阴极水箱和阳极水箱内部设置气/水循环通道，以增强阴极水箱和阳极水箱中的气/水分离和原料水散热。
阴极水箱和阳极水箱贴合在一起时，阴极水阻力孔和阳极水阻力孔通过密封圈连通，螺栓紧固后，密封圈既能保证阴极水箱和阳极水箱中水的平衡，还能防止漏水。
水电解工作时，阴极水箱和阳极水箱中设置的气/水循环通道内的原料水进行自动循环，并具有气液分离和散热双重功能。
如图1所示，所述阴极水箱和阳极水箱为矩形箱体结构。
所述的阴极电解空腔和阳极电解空腔为矩形，所述的阴极端板空腔和阳极导电端板空腔为圆形，所述的阴极导电端板和阳极导电端板为圆形。
阴极水箱中，通过阴极补水口加入的原料水由阴极水箱上部进入阴极水箱下部，再通过阴极电解空腔底部的阴极进水孔进入阴极室，产生的氢气和水通过阴极电解空腔顶部的阴极气/水出口进入阴极水箱上部，然后通过阴极水箱顶部的氢气出口排出。
阳极水箱中，通过阳极补水口加入的原料水首先由阳极水箱上部进入阳极水箱下部，再通过阳极电解空腔底部的阳极进水孔进入阳极室，产生的臭氧气和水通过阳极电解空腔顶部的阳极气/水出口进入阳极水箱上部，然后通过阳极水箱顶部的臭氧出口排出。
所述的阳极水箱采用聚四氟乙烯材料、偏氟乙烯塑料，所述的阴极水箱选用塑料，如ABS塑料。
紧固用的螺栓可采用金属材料，如304及以上的不锈钢材料。
所述密封垫圈采用硅橡胶或氟橡胶材料，优选氟橡胶材料。
所述阴极导流板、阳极导流板上的凸柱，可为圆形、方形或菱形。
所述的阴极导电端板、阳极导电端板分别设置有对称分布的螺栓孔，与阴极水箱、阳极水箱上的阴极螺栓孔、阳极螺栓孔相对应。阳极导电端板上的螺栓孔内有绝缘孔套，以使阴/阳极导电端板之间绝缘隔离，防止阴/阳极短路。
所述的阴极导电端板、阳极导电端板采用金属材料，优选硬质合金铝，不锈钢制成。
所述的膜电极组件的结构已有现有技术报道，所述的膜电极组件由离子交换膜 ，阴极催化膜，阴极多孔集电器，阳极多孔集电器，阳极催化膜构成，如图5所示。
所述离子交换膜为现有技术中常用的全氟磺酸阳离子交换膜。
所述阴极多孔集电器、阳极多孔集电器采用烧结式的多孔钛片经处理加工制成。
进一步地，本发明一种内循环电解式臭氧发生装置在阴极水箱上部设置有离子交换器，如图1所示。
当阴极水箱中的原料水循环流经离子交换柱时，原料水中的金属离子（Men+）同离子交换器中的阳离子交换树脂交换，从而降低水中杂质离子，以净化原料水质，降低电解槽工作电压，大幅度延长发生器运行寿命。
所述阴极水箱上部侧壁上设置有带内螺纹的离子交换器安装孔。如图4所示，所述的离子交换器包括底座，底座为同芯变径圆柱体，底座中间段有外螺纹用于与阴极水箱壁上的内螺纹配合安装，底座前段安装有离子交换柱，离子交换柱为圆管结构，管壁分布有通孔，管壁内衬筛网，筛网内填充有离子交换树脂，离子交换树脂的粒径大于筛网孔径。在阴极水箱上部的安装孔安装离子交换器时，内衬密封圈防止漏水。
所述离子交换树脂为阳离子交换树脂，或混合树脂。
阴极水箱中，通过阴极补水口加入的原料水在与离子交换柱接触时，原料水中的金属离子（Men+）和离子交换柱中的离子交换树脂进行离子交换，金属离子（Men+）同离子交换柱中的阳离子交换树脂交换除去。净化后的原料水进入阴极水箱下部，再通过阴极进水孔进入阴极室，产生的氢气通过阴极气/水出口进入阴极水箱上部，然后通过阴极水箱顶部的氢气出口排出。
中国专利ZL201611046873.1所公开的电解式臭氧发生装置中，在阴极室与阴极水罐的水循环回路中，串联了一个离子交换器，当离子交换树脂失效或需要更换时，不便于拆卸或更换树脂。
本发明在阴极水箱上部设置有离子交换树脂柱，当阴极水箱中的原料水循环经离子交换树脂柱时原料水中的金属离子（Men+）通过离子交换树脂除去，以降低水的电导率，从而降低电解槽工作电压，大幅度延长发生器运行寿命，同时当离子交换树脂失效或需要更换时，便于拆卸或更换。
加工时，将上述阴、阳极水箱分别预先加工成型。
将上述离子交换器各部件预先加工成型并组合在一起。
将上述膜电极组件分别预先加工成型。
将阴极水箱、阳极水箱贴合在一起，将加工好的膜电极组件置入阴极水箱的阴极电解空腔和阳极水箱的阳极电解空腔中，两侧放入阴极导流板和阳极导流板。再将预先加工成型好的阴极导电端板和阳极导电端板分别放在两侧的阴极端板空腔和阳极导电端板空腔中，阳极导电端板的螺栓孔内置绝缘孔套，用紧固螺栓紧固在一起，将离子交换器安装在阴极水箱的离子交换器安装孔中，构成本发明的一种内循环电解式臭氧发生装置。
阴极水箱下部的阴极水阻力孔和阳极水箱下部的阳极水阻力孔相通，用密封圈密封，防止阴极水箱构件和阳极水箱构件漏水。
本发明的一种内循环电解式臭氧发生装置其组装方便，结构紧凑、散热效果好、臭氧浓度高，运行稳定。
根据本发明所装配的一种内循环电解式臭氧发生装置在直流恒流电源作用下，臭氧发生装置单槽电压为3.7v，阳极室产生的臭氧气的臭氧浓度为25.6%（wt%）。臭氧发生装置能够连续或者间隙方式运行，散热效果好、臭氧浓度高，运行稳定。
Claims (10)
1.一种内循环电解式臭氧发生装置，其特征在于，包括可贴合在一起的阴极水箱和阳极水箱，所述阴极水箱下部有对穿的空腔，空腔为梯形结构，由稍小的阴极电解空腔和稍大的阴极端板空腔组成，阴极电解空腔底部通过阴极水箱壁上的阴极进水孔与阴极水箱内部连通，顶部通过阴极水箱壁上的阴极水/气出孔与阴极水箱内部连通；所述阳极水箱下部有对穿的空腔，空腔为梯形结构，由稍小的阳极电解空腔和稍大的阳极端板空腔组成，阳极电解空腔底部通过阳极水箱壁上的阳极进水孔与阳极水箱内部连通，顶部通过阳极水箱壁上的阳极水/气出孔与阳极水箱内部连通；
所述的阴极电解空腔和阳极电解空腔用于安装电解单元，电解单元包括中间的膜电极组件和膜电极组件两侧的阴极导流板、阳极导流板，阴极导流板和阳极导流板外侧分别有阴极导电端板和阳极导电端板，分别位于阴极端板空腔和阳极端板空腔内，阴极水箱在阴极电解空腔处的凸缘上有阴极螺栓孔，阳极水箱在阳极电解空腔处的凸缘上有阳极螺栓孔，使用螺栓穿过阳极导电端板、阳极螺栓孔、阴极螺栓孔、阴极导电端板紧固；
阴极水箱下部朝向电解单元侧有阴极水阻力孔，阳极水箱下部朝向电解单元侧有阳极水阻力孔，阴极水阻力孔和阳极水阻力孔通过密封圈连通，保持阴极水箱和阳极水箱的水位平衡。
2.根据权利要求1所述的臭氧发生装置，其特征在于，膜电极组件与空腔之间用密封圈密封，防止阴极和阳极产生的气体混合，所述阴极导流板和阳极导流板上有凸柱，用于使水、气均匀。
3.根据权利要求1所述的臭氧发生装置，其特征在于，阴极水箱上有阴极补水口和氢气出口，阳极水箱上有阳极补水口和臭氧出口。
4.根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于，阴极水/气出孔内径大于阴极进水孔内径。
5.根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于，阳极水/气出孔内径大于阳极进水孔内径。
6.根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述阴极水箱和阳极水箱为矩形箱体结构。
7.根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述的阴极电解空腔和阳极电解空腔为矩形，所述的阴极端板空腔和阳极导电端板空腔为圆形，所述的阴极导电端板和阳极导电端板为圆形。
8.根据权利要求 2所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述阴极导流板、阳极导流板上的凸柱为圆形、方形或菱形。
9.根据权利要求1或2所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述阴极水箱上部设置有离子交换器。
10.根据权利要求9所述的臭氧发生装置，其特征在于，所述的离子交换器包括底座，底座为同芯变径圆柱体，底座中间段有外螺纹用于与阴极水箱壁上的内螺纹配合安装，底座前段安装有离子交换柱，离子交换柱为圆管结构，管壁分布有通孔，管壁内衬筛网，筛网内填充有离子交换树脂，离子交换树脂的粒径大于筛网孔径。
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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