CN109498825A - 一种家用消毒装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及消毒装置领域，具体是涉及一种家用消毒装置，包括了消毒缸体和过氧化氢产生系统，所述消毒缸体还具有一使该消毒缸体内的水恒温的加热装置，所述过氧化氢产生系统包括了水泵、气泵以及多个电解单元槽，每个电解单元槽都包括了具有一电解腔室的壳体，该电解腔室内布设有阴极电极和阳极电极，所述壳体上还具有与电解腔室连通的一进水口、一出水口、一曝气口，所述消毒缸体内的水经水泵从进水口输送至电解腔室内并从出水口回流至消毒缸体内，所述气泵与曝气口相连，以解决现有的双氧水产生装置并不适用于家用消毒装置的问题。

Description

一种家用消毒装置

技术领域

本发明涉及消毒设备领域，具体是涉及一种家用消毒装置。

背景技术

随着经济的发展和人们物质水平的日益提高，人们越来越重视自己的健康，对于果蔬、食饮具、织物、厨卫等消毒需求越来越高。目前，家用消毒的主要方法有物理方法和化学方法。物理方法主要包括用高温水来进行浇烫清洗，高温煮沸，消毒柜中则用紫外线或者高温蒸汽消毒等(如专利CN201711375038.7，CN201520795273.X)；化学方法则通过如氯、二氧化氯、氯胺等之类的漂泊粉或漂白剂等消毒试剂来进行消毒(如专利CN201220629269.2)。上述方法各有利弊，其中有些方法如高温煮沸、高温蒸汽消毒等需相对较多时间(5-10分钟)和较高温度(80-130℃)才能达到较好的消毒效果；消毒柜中进行紫外或臭氧消毒，难于去除食饮具表面上的污垢，且设备复杂，紫外光照射消毒时间一长，又有臭氧的臭味；漂泊粉或漂白剂虽可去除污垢，但漂泊粉或漂白剂会残留，并且氯化消毒剂能与水中微量的有机物发生化学反应，在消毒后的饮用水中生成一些可致癌的化学消毒副产物，形成新的污染。

过氧化氢别名双氧水，是一种环保型的消毒剂，分解产物为水和氧气，对水体无害，对常见的藻类和细菌却有较强的杀生能力，目前已广泛应用于制药、生物科技、生物医学、卫生保健、生物、食品和环境保护等诸多方面。过氧化氢在消毒剂的排序上，属于高效广谱消毒剂。过氧化氢中的羟基分子和其衍生物可以直接作用于细菌外层结构膜，使细菌通透性屏障遭到破坏，细菌体内外物质平衡系统受到破坏而死亡。过氧化氢的自由羟基分子可直接与微生物的蛋白质和核酸发生反应，使其结构受到破坏导致死亡。研究还发现，过氧化氢的分解产物可使细菌酶系统受到抑制并可与酶蛋白链中的氨基酸起反应作用。另外，过氧化氢的羟基分子进入细菌细胞膜内可作用细菌的DNA链中的磷酸二酯键并使其断裂死亡。但是现有的双氧水产生装置并不适用于家用消毒装置，其主要具有以下几个技术问题：

(1)电解生成双氧水的反应实际是氧气在阴极上2电子和4电子的竞争反应，其中2电子反应生成过氧化氢，4电子反应生成水，需采用合适的阴极电催化材料和电极结构抑制4电子反应，以提高2电子反应的比例。

(2)即使电解生成双氧水的2电子反应选择性达到100％，过氧化氢的理论产量仍然达不到相关规定的过氧化物类消毒剂卫生标准。例如1A电流下，反应1分钟，反应选择性达100％，过氧化氢的理论产量仅为10mg，其产出效率低下，不足以对食饮具进行有效消毒。

(3)室温下，水中饱和溶解氧浓度在8～9ppm之间，溶解度低，如仅依靠水中溶解的氧气参与反应，不足以提供阴极反应所需的反应物量。

(4)为防止消毒水产生装置两电极间的中间产物互相干扰，使生成的过氧化氢在阳极氧化，通常在阴阳极间会加入一层聚合物隔膜，以隔离阴阳极的产物，但是这层隔膜会被过反应装置中的自由基降解而老化，从而影响设备的使用寿命，而且气体要通过气室到达阴极表面，影响了反应效率。

(5)电极生成的过氧化氢很容易被过渡金属和还原有机物降解生成水，因而应尽量抑制生成的过氧化氢发生降解。

(6)在污水处理等领域，电解生过氧化氢通常在碱性溶液环境中进行，因为在碱性环境中过氧化氢的中间产物HO₂ ^-在溶液中较为稳定，但是对于家用食饮具的消毒，鉴于使用安全性和便捷性，不宜添加pH调节剂。

(7)在污水处理等领域，双氧水生成装置通常采用大件的流水池设计，有高达几平米到几十平米的大面积电极，为达到较高电流密度而有很高的电流输出、复杂的电解液体系等，如专利CN201410511566.0中所述的一种自产双氧水电解水的处理装置，而家用消毒装置体积有限，这些设计并不适用于家用消毒装置。

发明内容

本发明旨在提供一种家用消毒装置，以解决现有的双氧水产生装置并不适用于家用消毒装置的问题。

具体方案如下：

一种家用消毒装置，包括了消毒缸体和过氧化氢产生系统，所述消毒缸体还具有一使该消毒缸体内的水恒温的加热装置，所述过氧化氢产生系统包括了水泵、气泵以及多个电解单元槽，每个电解单元槽都包括了具有一电解腔室的壳体，该电解腔室内布设有阴极电极和阳极电极，所述壳体上还具有与电解腔室连通的一进水口、一出水口和一曝气口，所述消毒缸体内的水经水泵从进水口输送至电解腔室内并从出水口回流至消毒缸体内，所述气泵与曝气口相连。

进一步的，所述阳极电极朝向阴极电极的一面上具有第一疏水涂层，背离阴极电极的一面上具有析氧活性涂层；所述阴极电极朝向阳极电极的一面上具有氧还原活性涂层，背离阳极电极的一面上具有第二疏水涂层。

进一步的，所述阳极电极上的第一疏水涂层为疏水含氟聚合物膜层，析氧活性涂层为钛、钌、铱金属氧化物中的一种或者其组合的涂层。

进一步的，所述阴极电极上的第二疏水涂层由导电剂、粘结剂制得的基础层和含氟聚合物疏水层构成。

进一步的，所述阳极电极为不锈钢件、钛件、钛合金件、钛镀铂件中的一种；所述阴极电极为石墨毡、泡沫镍、泡沫铜、铜网、碳布或者碳纸中的一种。

进一步的，所述阴、阳极电极倾斜设置在电解腔室内；所述阴极电极具有第二疏水涂层的表面上设有若干小凹槽。

进一步的，所述阳极电极和阴极电极之间的间距为3～5mm。

进一步的，所述进水口和出水口分别设置在壳体位于阳极电极和阴极电极之间下端和上端，所述曝气口设置在壳体临近阴极电极侧壁的下端。

进一步的，还包括一流水摆件，从电解腔室内流出含有过氧化氢的水经由该流水摆件回流至消毒缸体内。

本发明提供的家用消毒装置与现有技术相比较具有以下优点：

(1)本发明提供的家用消毒装置采用水恒温加热系统，温度在一定范围内可调，即可提高杀菌效率，在取出食饮具时又不觉烫手(张平均等人在《食品级过氧化氢的消毒特性及其在食品行业中的应用》一文中提到，温度升高可使过氧化氢杀菌效果增强，室温下过氧化氢只有缓慢的杀菌作用，温度升高后其杀菌速度和杀菌效果明显提高。如质量分数为1.25％的食品级过氧化氢稀释溶液，21℃，10min，对金黄色葡萄球菌杀菌效果99.96％；如果把温度提高到45℃，只需要2.5min，杀菌效果99.999％；如果再把温度提高到60℃，0.80min就可以对金黄色葡萄球菌杀菌效果99.99999％。)。

(2)本发明提供的家用消毒装置通过选择和优化阴阳极电催化材料，以及制备具有正反面功能性涂层的阴阳电极板，减小阴阳极面积，最大限度的提高了2电子反应比例，提高了产物效率和电流效率。

(3)本发明提供的家用消毒装置通过控制阴、阳极电极之间的间距，使阳极电极产生的氧气能到达阴极电极表面，而不随水流排出，为阴极电极提供了氧气反应物，同时通过阴极电极一侧设计小凹槽改善电极结构的方法，增加了阴极表面三相中氧气的浓度，从而提高了产物效率。

(4)本发明提供的家用消毒装置采用与现有的阳极结构相反的方法(现有的阳极电极具有活性涂层的一面与阴极电极相对)，将阳极电极涂有第一疏水层的一面与阴极电极相对，这种结构设计使阴极电极的反应产物过氧化氢不易向阳极扩散，而随着水流方向流出反应装置，从而避免了由于阴、阳极电极上反应产物的相互交换而降低反应效率的问题。

(5)本发明提供的家用消毒装置采用无隔膜体系，降低了整个电极装置的欧姆电阻，从而使装置具有低的槽电压和低的电流输出，保证了产品适用的安全性，降低了所需电压和能耗。

(6)本发明提供的家用消毒装置可直接采用弱酸性的自来水，使用方便，不需添加任何辅助物。

(7)本发明提供的家用消毒装置设计成流水摆件形式，流水可循环生成过氧化氢，并且有一定的可观赏性。

附图说明

图1示出了家用消毒装置的示意图。

图2示出了电解单元槽的示意图。

图3示出了多个电解单元槽并联设置的示意图。

图4示出了多个电解单元槽并串联设置的示意图。

图5示出了阴极电极和阳极电极的示意图。

具体实施方式

为进一步说明各实施例，本发明提供有附图。这些附图为本发明揭露内容的一部分，其主要用以说明实施例，并可配合说明书的相关描述来解释实施例的运作原理。配合参考这些内容，本领域普通技术人员应能理解其他可能的实施方式以及本发明的优点。图中的组件并未按比例绘制，而类似的组件符号通常用来表示类似的组件。

现结合附图和具体实施方式对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明提供了一种家用消毒装置，在本实施例中以茶具消毒装置为例来进行说明，该茶具消毒装置包括了消毒缸体10和过氧化氢产生系统20，其中，所述消毒缸体10还具有一使该消毒缸体10内的水恒温的加热装置12，在本实施例中，该加热装置12是作为该消毒缸体10底座的加热装置12，通过加热装置12上的控制旋钮120可以调节消毒缸体10内的水温，恒温加热系统属于公知技术，在此不进行赘述。通常消毒缸体10内的水温控制在30～50°，优选在45°左右，在次温度范围内即可提高杀菌效率，且在取出茶具时又不觉烫手，这里所使用的水可以是中性的纯净水或者是直接使用中性偏弱酸性的自来水。

参考图1和图2，所述过氧化氢产生系统20包括了水泵22、气泵24以及多个电解单元槽26，每个电解单元槽26都包括了具有一电解腔室262的壳体260，该电解腔室262内布设有一阴极电极32和阳极电极30，所述壳体260上还具有与电解腔室262连通的一进水口263、一出水口264、一曝气口265，出气则从出水口264和水一同流出，所述消毒缸体10内的水经水泵22从进水口263输送至电解腔室262内并从出水口264回流至消毒缸体10内，在电解单元槽26的进水口263的前端还可以设置一过滤器，以对消毒缸体10内的水中含有的杂质进行过滤，所述气泵24与曝气口265相连，由气泵抽入空气至电解腔室262内，以使过氧化氢生成反应的进行。

参考图3和图4，其中多个电解单元槽26之间可以以串联或者并联的方式设置，其中图3示出的是多个电解单元槽26以并联方式设置的示意图，其采用并联供气和供水的方式进行电解；图4示出的是多个电解单元槽26以串联方式设置的示意图，其串联系统的电解水从每个电解单元槽进水口流入，出水口流出，再通入到下一个串联的电解单元槽中，气泵则采用多孔气泵从每个电解单元槽的曝气口265同时进行供气，多个电解单元槽26是为了增加过氧化氢的产率，以使消毒缸体10内的水中的过氧化氢的含量能够达到消毒使用的浓度。

为防止消毒水产生装置两电极间的中间产物互相干扰，使生成的过氧化氢在阳极氧化，现有的做法是在阴阳极之间加入一层聚合物隔膜，以隔离阴阳极的产物，但是这层隔膜会被过反应装置中的自由基降解而老化，从而影响设备的使用寿命；而且气体要通过隔膜到达阴极表面，这会影响了反应效率，因而本实施例采用如下方式来提高过氧化氢的产率，而且还不需要使用聚合物隔膜。参考图5，具体是在所述阳极电极30朝向阴极电极32的一面上设置第一疏水涂层300，背离阴极电极32的一面上设置析氧活性涂层302；在所述阴极电极32朝向阳极电极30的一面上具有氧还原活性涂层320，背离阳极电极30的一面上具有第二疏水涂层322。

在本实施例中，较佳的，所述阳极电极30上的第一疏水涂层300为疏水含氟聚合物膜层，析氧活性涂层302为钛、钌、铱金属氧化物中的一种或者其组合的涂层。

在本实施例中，较佳的，所述阴极电极32上的第二疏水涂层322由导电剂、粘结剂制得的基础层和含氟聚合物疏水层构成。

在本实施例中，较佳的，所述阳极电极可以是不锈钢件、钛件、钛合金件、钛镀铂件中的一种；所述阴极电极可以是石墨毡、泡沫镍、泡沫铜、铜网、碳布或者碳纸中的一种。

本实施例中过氧化氢产生系统20的工作机理是：

阳极电极30的反应主要为氧析出反应。背向阴极电极32的阳极电极30表面具有析氧活性涂层302，其包括了氧气形成反应和脱附过程，主要反应方程式如下：

2H₂O＝O₂+4H⁺+4e^-

阳极电极30另一面具有第一疏水涂层300，使得析出的氧气能够更好的到达阴极电极32的表面，而不随水流排出，为阴极电极32提供反应物。

在阴极电极32的反应主要为氧还原反应。氧气(一部分为阳极电极30生成而达到阴极电极32表面的氧，一部分是由气泵24泵入而溶解于水中的氧)首先在阴极电极32的氧还原活性涂层320表面吸附分解，这包括了氧气的扩散与化学吸附分解过程。之后氧气发生电催化还原，途径主要有2电子反应途径和4电子反应途径两种。其中在中性介质中的2电子反应途径生成过氧化氢双氧水，其反应方程式如下：

O₂+2H⁺+2e^-＝H₂O₂

电解生成的大部分过氧化氢随水流流出，小部分的过氧化氢随电解质流向阳极电极30，但由于阳极电极30朝向阴极电极的一侧涂覆有第一疏水涂层300，电解质不易达到，而且阳极电极30背向阴极电极32的一侧不断有氧气析出并随水流向阴极电极32，也阻止了过氧化氢向阳极电极30的进一步扩散。

为了增加过氧化氢在阴极电极32的产出率，还可以由以下几种改进方案中的一种或者多种组合来提高过氧化氢的产出率：

(1)、所述第二疏水涂层涂由疏水剂、粘结剂与多孔材料制得，多孔材料上的小孔隙、小凹槽可以增加了阴极电极32表面三相中氧气的浓度。

(2)、所述阴极电极32和阳极电极30倾斜设置在电解腔室262内，以为增加电解液与阴极电极32和阳极电极30的接触时间和接触面积。

(3)、所述阳极电极30和阴极电极32之间的间距为3～5mm，控制阴极、阳极电极之间的间距，使阳极电极30产生的氧气能够更好的到达阴极电极32的表面，而不会随水流排出，为阴极电极32提供反应物。

(4)、所述进水口和出水口分别设置在壳体位于阳极电极30和阴极电极32之间下端和上端，所述曝气口设置在壳体临近阴极电极侧壁的下端，以使气泵24泵入的空气直接与阴极电极32接触，以使氧气能够直接吸附在阴极电极上，为阴极电极32提供反应物。

另外，本实施例中的电解单元槽26中的阳极电极30和阴极电极32采用无隔膜体系，降低了整个电极装置的欧姆电阻，从而使该消毒装置具有低的槽电压和低的电流输出，保证了产品适用的安全性，降低了所需电压和能耗。

在本实施例中，上述的阴极电极32可以通过以下步骤制得：

S10、碳基层制作：称一定量的碳黑、乙炔黑、石墨烯或经过氧化处理的碳纳米管粉末，加入无水乙醇超声震荡，再滴入一定量的PTFE乳液，继续超声波震荡，使之充分混合均匀；磁力搅拌同时水浴加热直至混合物形成膏状；将制得的膏状混合物在一定压力下压实在泡沫Ni网电极、不锈钢网、铜网或毛毡、碳纸或者碳布上后自然晾干，之后灼烧固化；

S11、疏水层制作：在固化好的碳基层一面涂刷PTFE乳液疏水层，自然干燥后高温灼烧固化，重复多次制成第二疏水涂层。

S12、氧还原活性层制作：将一定量的碳黑加入0.5％的Nafion无水乙醇溶液中制备成悬浊液，超声后的悬浊液多次重复刷在碳基层的另一面上后自然干燥；

在本实施例中，上述的阳极电极30可以通过以下步骤制得：

S20、该阳极电极的基材为钛板，钛板浸没至硫酸溶液中或者草酸溶液中，放入恒温水浴锅进行加热并搅拌以对钛板进行刻蚀，刻蚀完成后取出钛板清洗表面；

S21、取一定量钛酸四丁酯加入到无水乙醇中，搅拌使其混合均匀，再加入三氯化钌、氯化锡的乙醇溶液进行溶解，将配制好的溶液搅拌均匀，取一定量的溶液滴在刻蚀好的钛板的一面，烘干后放入马弗炉进行热氧化，取出冷却，重复多次，最后将钛板放进马弗炉退火，以形成具有析氧活性涂层的金属氧化物阳极。

S22、在阳极板的另一面涂刷PTFE乳液疏水层，自然干燥后250℃下灼烧固化，重复多次制成第一疏水涂层。在本实施例中，上述的阳极电极30还可以通过以下步骤制得：

S30、该阳极电极的基材为碳纸，将碳纸放入一定浓度的硝酸镍、硝酸铁混合水溶液中，一定电压下进行电沉积，在碳纸的一面上形成析氧活性涂层的铁镍氧化物活性涂层。

S31、在碳纸的另一面涂刷PTFE乳液疏水层，自然干燥后250℃下灼烧固化，重复多次制成第一疏水涂层。

在本实施例中，该茶具消毒装置还包括一流水摆件，从电解腔室262内流出含有过氧化氢的水经由该流水摆件回流至消毒缸体10内，流水可循环生成过氧化氢，并且有一定的可观赏性，其中，流水摆件可以是多种形状和图案的设计，只需保证水能进行循环即可。

尽管结合优选实施方案具体展示和介绍了本发明，但所属领域的技术人员应该明白，在不脱离所附权利要求书所限定的本发明的精神和范围内，在形式上和细节上可以对本发明做出各种变化，均为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种家用消毒装置，其特征在于：包括了消毒缸体和过氧化氢产生系统，所述消毒缸体还具有一使该消毒缸体内的水恒温的加热装置，所述过氧化氢产生系统包括了水泵、气泵以及多个电解单元槽，每个电解单元槽都包括了具有一电解腔室的壳体，该电解腔室内布设有阴极电极和阳极电极，所述壳体上还具有与电解腔室连通的一进水口、一出水口和一曝气口，所述消毒缸体内的水经水泵从进水口输送至电解腔室内并从出水口回流至消毒缸体内，所述气泵与曝气口相连。

2.根据权利要求1所述的家用消毒装置，其特征在于：所述阳极电极朝向阴极电极的一面上具有第一疏水涂层，背离阴极电极的一面上具有析氧活性涂层；所述阴极电极朝向阳极电极的一面上具有氧还原活性涂层，背离阳极电极的一面上具有第二疏水涂层。

3.根据权利要求2所述的家用消毒装置，其特征在于：所述阳极电极上的第一疏水涂层为疏水含氟聚合物膜层，析氧活性涂层为钛、钌、铱金属氧化物中的一种或者其组合的涂层。

4.根据权利要求2所述的家用消毒装置，其特征在于：所述阴极电极上的第二疏水涂层由导电剂、粘结剂制得的基础层和含氟聚合物疏水层构成。

5.根据权利要求2所述的家用消毒装置，其特征在于：所述阳极电极为不锈钢件、钛件、钛合金件、钛镀铂件中的一种；所述阴极电极为石墨毡、泡沫镍、泡沫铜、铜网、碳布或者碳纸中的一种。

6.根据权利要求2所述的家用消毒装置，其特征在于：所述阴极电极和阳极电极都倾斜设置在电解腔室内，所述阴极电极具有第二疏水涂层的表面上设有若干小凹槽。

7.根据权利要求2所述的家用消毒装置，其特征在于：所述阳极电极和阴极电极之间的间距为3～5mm。

8.根据权利要求2所述的家用消毒装置，其特征在于：所述进水口和出水口分别设置在壳体位于阳极电极和阴极电极之间下端和上端，所述曝气口设置在壳体临近阴极电极侧壁的下端。

9.根据权利要求1所述的家用消毒装置，其特征在于：还包括一流水摆件，从电解腔室内流出含有过氧化氢的水经由该流水摆件回流至消毒缸体内。