CN109576732A - 制造活性氧o3的产生器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种制造活性氧O3的产生器，包括阳极、阴极，其特征在于：所述的阳极采用以掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜镀在钛基材(Sb,Ni‑SnO2/Ti)上，所述的阴极采用纳米碳纤维包覆不锈钢，阳极与电源正极相连，阴极与电源负极相连；本发明还包括质子交换膜(PEM)，质子交换膜(PEM)放置在阳极、阴极之间，将活性氧O3的产生器隔成两个腔室；两个腔室底部设有入水口，上部设有出气口；或放置阴极的腔室上部设有空气进气口，底部设有空气出气口，放置阳极的腔室上部出气口，底部设有入水口。本发明从材料技术,制造工艺及产生器设计，提升阳极的寿命、使阴极不积垢或及无氢气产生，只提供适时适量的活性氧O3，确保饮用水不含病毒。

Description

制造活性氧O3的产生器
技术领域
本发明涉及制造活性氧O3的产生器，提供免保养与安全的特性，属于杀菌保健技术领域。
背景技术
电解水产生O3活性氧，再将O3用于杀菌保健，是一种提升个人健康的有效作法。O3活性氧是一种强氧化剂：杀菌能力比一般的杀菌剂强千倍，且在没有溴离子(自来水中一般都不含该离子)下，O3杀菌后，不留下副产品，也不产生异味；只有无菌的清新之感。然而，透过电解水产生O3活性氧的技术，存在两个问题：(1)阴极积垢，须定期保养，造成使用不便，及(2)产生氢气(H2)，具有爆炸之虞。
发明内容
为了解决前述两问题，本发明提出一种制造活性氧O3的产生器，本发明利用质子交换膜(PEM)的产生器设计，同时，本发明也提出降低阳极的生产成本，及提升阳极寿命的工艺。
本发明的技术方案为：
制造活性氧O3的产生器，包括阳极、阴极，其特征在于：所述的阳极采用以掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜镀在钛基材(Sb,Ni-SnO2/Ti)上，所述的阴极采用纳米碳纤维包覆不锈钢，阳极与电源正极相连，阴极与电源负极相连。
本发明包括两片阳极(A)与三片阴极(C)，每两片阴极(C)之间放置一片阳极(A)，电极之间等距离排列。
所述掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜的制备方法为：锑、镍、锡三种金属分别来自草酸亚锡、三氧化二锑及醋酸镍，以去离水为溶剂，以氧化剂先将草酸亚锡转化为水溶性的α-锡酸，α-锡酸再将三氧化二锑溶解于去离水中，再加入安定剂，配制成药水；药水中各金属离子的浓度：[Sn4+]＝0.8～1.2mol/l，[Sb3+]为[Sn4+]的2.8～4.4％,[Ni2+]＝[Sn4+]的0.8～1.8％，将药水均匀涂布在钛基材上，经100－200℃低温烤干后；再于500－650℃下进行1–3小时的烧结；重复多次的上药-烤干-烧结，以得到所需的催化剂膜厚度。
所述氧化剂为臭氧、过甲酸、过氧化氢、过氧化氢叔丁醇、亚硝酸铵或过硫酸铵，氧化剂的用量为草酸亚锡之摩尔数的3-5倍。
所述安定剂为琥珀酸、己二酸、戊二酸、柠檬酸或乙二胺四乙酸，药水中安定剂含量为草酸亚锡重量的1％。
本发明还包括质子交换膜(PEM)，质子交换膜(PEM)放置在阳极、阴极之间，将活性氧O3的产生器隔成两个腔室，两个腔室底部设有入水口，上部设有出气口。
本发明还包括质子交换膜(PEM)，质子交换膜(PEM)放置在阳极、阴极之间，将活性氧O3的产生器隔成两个腔室，放置阴极的腔室上部设有空气进气口，底部设有空气出气口，放置阳极的腔室上部出气口，底部设有入水口。
所述的质子交换膜制备方法为：采用聚合物与交联剂以4:1的重量比混合配置成溶液，然后，以溶液铸造法成膜，洗净烘干而得到质子交换膜。所述聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、纤维素、糊精、木质素、多醣、明胶、樟脑、聚酰亚胺中的一个或二个以上物质混合物。所述交联剂为含有磺酸(-SO3H)官能团的交联剂。
本发明产生的活性氧O3一方面,它是能伤害动植物与人类的空气污染；另一方面,它的强氧化力可用以保护环境,维护个人的卫生与免疫力,及減弱人体的疼痛。以自来水作为O3的来源,并以镀了催化剂膜(Sb,Ni-SnO2)的钛金属阳极，搭配不锈钢阴极电解水,产生O3的技术,称为电解的活性氧O3,以EO3作为代号。EO3运转时,阳极同时产生O2与O3,阴极则生成氢气(H2)。本发明从材料技术,制造工艺及产生器设计，提升阳极的寿命、使阴极不积垢或及无氢气产生，只提供适时适量的活性氧O3，确保饮用水不含病毒。
附图说明
图1为本发明的开放式活性氧O3的产生器的示意图。
图2为本发明的免保养式活性氧EO3的产生器的示意图。
图3为本发明的无氢气式活性氧EO3的产生器的示意图。
具体实施方式
结合附图，进一步详述本发明如下：
本发明中三种制造活性氧O3的产生器技术的关键在于Sb,Ni-SnO2/Ti阳极的制作，亦即Sb,Ni-SnO2催化剂膜的生产。Sn-Sb-Ni三种金属的先驱物，分別选自草酸亚锡、三氧化二锑及醋酸镍，三种金属皆不用氯化物，避开选用氯化物的原因：防止氯离子(Cl-)腐蚀催化剂膜(即Sb,Ni-SnO2)，并防止在催化剂膜的制造中，产生盐酸(HCl)，伤害设备与人员；催化剂膜的制备方法：以去离子水作为溶剂，由于草酸亚锡与三氧化二锑均不溶于水，须使用一种氧化剂，先将草酸亚锡转化为水溶性的α-锡酸，α-锡酸再将三氧化二锑溶解于水中；所述的氧化剂过氧化氢，药水在储放期间,α-锡酸可能会转变为无化学活性的β-锡酸,使药水失效；故药水还加入琥珀酸作为安定剂，使α-锡酸不变质；EO3产生O3活性氧的命，与Sb,Ni-SnO2的催化剂膜厚成正比；当Sn-Sb-Ni三种金属盐的药水总浓度为0.2mol/l时,每一回的「上药-烘干-烧结」处理,只增加16～17纳米的催化剂膜厚。具有实用性的膜厚,至少在1微米(1000纳米)以上。为了缩短理想膜厚的产出时间,药水中[Sn4+]为1.2mol/l,[Sb3+]为[Sn4+]的2.8％,及[Ni2+]为[Sn4+]之0.8％；将药水均匀涂布在钛基材上，经100－200℃低温烤干后；再于500－650℃下进行1–3小时的烧结；重复多次的上药-烤干-烧结，以得到所需的催化剂膜厚度。
本发明中二种制造活性氧O3的产生器中所述的质子交换膜制备方法为：采用聚合物与交联剂以4:1的重量比混合配置成溶液，然后，以溶液铸造法成膜，洗净烘干而得到质子交换膜。所述聚合物为聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇按1：1进行混合。所述交联剂为对甲苯磺酸。
以低直流电压电解水产生O3活性氧的技术，英文名称为electrolytic ozone，简称EO3。本发明的O3活性氧产生器，以掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜镀在钛基材(Sb,Ni-SnO2/Ti)上，作为阳极，SS 304不锈钢作为阴极。Sb,Ni-SnO2/Ti阳极，是EO3技术中成本最低、可以用自来水电解、效率最高的阳极。本发明的O3活性氧产生槽，具有三种基本设计方式：(1)开放式：阳极与阴极间无隔离，(2)免保养式：酸性环境下运怍，阴极不积垢，及(3)无氢气式：以氧气取代水，供阴极电解，完全不产生氢气(H2)。
以水作为O3活性氧的先驱物，EO3电解时，阳极会产生O2与O3，阴极产生H2。如方程式(1)与(2)所显示：
阳极反应:5H2O→O2↑+O3↑+10H++10e- Eo＝1.23V (1)阴极反应:2H2O+2e-→H2↑+2OH- Eo＝0.0V (2)总反应:5H2O→5H2↑+O2↑+O3↑ Eo＝1.23V (3)总反应(3)为反应(1)与反应(2)相加，以消除电子(e-)，合并而得。同时，H+与OH-结合为H2O。EO3的电解产物为：H2、O2及O3三种气体。其中，在水中的溶解度最大的为O3，占O3气体量的0.3％。阳极反应(1)若只产生O2，标准电压(Eo)为1.23V，无法产生O3。Sb,Ni-SnO2中的掺杂物Ni，用以提升O2的产生电压至1.60V使O3也能生成；另一掺杂物Sb，则用以提升SnO2的导电度。H2与O3各代表EO3电解产物中，最强的还原剂与最强的氧化剂，两者都有净化饮用水的能力。方程式(2)的产物:H2与OH-，即是EO3在实用上，须要消除，以提供安全与免保养的保证。
本发明提出三种EO3产生器的组成设计，作为产生O3活性氧的不同运作模式：(1)开放式EO3产生器结构如图1所示，(2)免保养式EO3产生器结构如图2所示，及(3)无氢气式EO3产生器结构如图3所示。
开放式EO3产生器结构如图1所示，包括两片阳极(A)与三片阴极(C)，每两片阴极(C)之间放置一片阳极(A)，电极之间等距离排列；所述的阳极采用以掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜镀在钛基材(Sb,Ni-SnO2/Ti)上，所述的阴极采用SS 304不锈钢，两片阳极与电源102正极相连，三片阴极与电源102负极相连，底部设有进水口122，上部设有出气口124。开放式EO3产生器的阳极反应、阴极反应及总反应，如方程式(1)、(2)与(3)所显示。
免保养式EO3产生器结构如图2所示，包括一片阳极(A)、一片阴极(C)、质子交换膜(PEM)，质子交换膜(PEM)放置在阳极、阴极之间，将活性氧O3的产生器隔成两个腔室(222，224)，两个腔室底部设有入水口，上部设有出气口；所述的阳极采用以掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜镀在钛基材(Sb,Ni-SnO2/Ti)上，所述的阴极采用SS 304不锈钢，阳极与电源正极相连，片阴极与电源相连。阳极(A)与阴极(C)被质子交换膜(PEM)隔成两个腔室，质子在阳极室产生，穿过PEM進入阴极室，被阴极还原为氢气。
PEM将产生器隔成阳极室与阴极室。以氧气取代水，供阴极电解，完全不产生氢气(H2)；
无氢气式EO3产生器结构如图3所示。包括一片阳极(A)、一片阴极(C)、质子交换膜(PEM)，质子交换膜(PEM)放置在阳极、阴极之间，将活性氧O3的产生器隔成两个腔室(322，324)，放置阴极的腔室上部设有空气进气口，底部设有空气出气口，放置阳极的腔室上部出气口，底部设有入水口；所述的阳极采用以掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜镀在钛基材(Sb,Ni-SnO2/Ti)上，所述的阴极采用SS 304不锈钢，阳极与电源正极相连，片阴极与电源相连。
免保养式EO3产生器或无氢气式EO3产生器，均以质子交换膜(PEM)，将槽体隔成阳极室与阴极室。PEM为本发明自行开发的薄膜，选自非聚氟之高分子，包括：聚丙烯腈,聚乙烯吡咯烷酮,聚乙烯醇,聚丙烯酸,纤维素,木质素,多醣类,聚对苯二甲酸,及聚酰亚胺中之一个或多个的混合。高分子与含有磺酸(-SO3H)官能团之交联剂，或掺杂物配置成溶液。然后，以溶液铸造法成膜，洗净烘干即得PEM。免保养式EO3产生器的阳极反应、阴极反应及总反应，如方程式(4)、(5)与(6)所显示。
阳极反应：15H2O→O3↑+O3↑+10H3O++10e- (4)
阴极反应：10H3O++10e-→5H2↑+10H2O (5)
总反应：5H2O→5H2↑+O2↑+O3↑ (6)
方程式(4)中，水合质子(H3O+)在阳极上生成。H3O+穿过PEM，进入阴极室，在阴极上被还原为氢气。因此，阴极反应(方程式5)不产生氢氧离子(OH-)，亦即O3活性氧的产生，是在酸性环境中进行。酸性条件下，水中的钙离子(Ca2+)或镁离子(Mg2+)，无法产生碳酸钙或碳酸镁白色沉澱，亦即阴极积垢的来源。因此，阴极表面不会出现白色的积垢，成为免保养的EO3产生器。无氢气的EO3产生器与免保养槽类似，两者的阳极反应也相同。但是，无氢气槽的阴极反应如方程式(7)所显示。
O2+4H++4e-→2H2O+heat (7)
方程式(7)的反应物，可以取自空气或纯氧，也可来自阳极室成为“自给自足”的系统。如方程式(7)所示，阴极反应的产物为水与热，无氢气产生。事实上，方程式(7)也是燃料电池的阴极反应，须使用多孔、具有催化作用(催化氧气还原反应)的空气阴极。

Claims (10)

1.制造活性氧O3的产生器，包括阳极、阴极，其特征在于：所述的阳极采用以掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜镀在钛基材(Sb,Ni-SnO2/Ti)上，所述的阴极采用纳米碳纤维包覆不锈钢，阳极与电源正极相连，阴极与电源负极相连。
2.根据权利要求1所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：包括两片阳极(A)与三片阴极(C)，每两片阴极(C)之间放置一片阳极(A)，电极之间等距离排列。
3.根据权利要求1或2所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：所述掺杂锑与镍的二氧化锡催化剂膜的制备方法为：锑、镍、锡三种金属分别来自草酸亚锡、三氧化二锑及醋酸镍，以去离水为溶剂，以氧化剂先将草酸亚锡转化为水溶性的α-锡酸，α-锡酸再将三氧化二锑溶解于去离水中，再加入安定剂，配制成药水；药水中各金属离子的浓度：[Sn4+]＝0.8～1.2mol/l，[Sb3+]为[Sn4+]的2.8～4.4％,[Ni2+]＝[Sn4+]的0.8～1.8％，将药水均匀涂布在钛基材上，经100－200℃低温烤干后；再于500－650℃下进行1–3小时的烧结；重复多次的上药-烤干-烧结，以得到所需的催化剂膜厚度。
4.根据权利要求3所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：所述氧化剂为臭氧、过甲酸、过氧化氢、过氧化氢叔丁醇、亚硝酸铵或过硫酸铵，氧化剂的用量为草酸亚锡之摩尔数的3-5倍。
5.根据权利要求3所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：所述安定剂为琥珀酸、己二酸、戊二酸、柠檬酸或乙二胺四乙酸，药水中安定剂含量为草酸亚锡重量的1％。
6.根据权利要求1所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：还包括质子交换膜(PEM)，质子交换膜(PEM)放置在阳极、阴极之间，将活性氧O3的产生器隔成两个腔室，两个腔室底部设有入水口，上部设有出气口。
7.根据权利要求1所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：还包括质子交换膜(PEM)，质子交换膜(PEM)放置在阳极、阴极之间，将活性氧O3的产生器隔成两个腔室，放置阴极的腔室上部设有空气进气口，底部设有空气出气口，放置阳极的腔室上部出气口，底部设有入水口。
8.根据权利要求6或7所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：所述的质子交换膜制备方法为：采用聚合物与交联剂以4:1的重量比混合配置成溶液，然后，以溶液铸造法成膜，洗净烘干而得到质子交换膜。
9.根据权利要求8所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：所述聚合物为聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚丙烯酸、聚甲基丙烯酸甲酯、纤维素、糊精、木质素、多醣、明胶、樟脑、聚酰亚胺中的一个或二个以上物质混合物。
10.根据权利要求8所述的制造活性氧O3的产生器，其特征在于：所述交联剂为含有磺酸(-SO3H)官能团的交联剂。
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