CN110127881A - 一种金刚石薄膜净水装置及其制备方法和应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种金刚石薄膜净水装置及其制备方法和应用,该装置包括位于密封结构内的两片掺杂金刚石薄膜,两片掺杂金刚石薄膜分别通过电流收集器与电源连接,所述密封结构内开设水流通道,两片掺杂金刚石薄膜通过水流通道与待净化水体接触,所述掺杂金刚石薄膜中间设置基底,两片掺杂金刚石薄膜之间设置离子交换膜。本发明公开的装置利用金刚石薄膜的机械‑化学‑电化学性能稳定、过氧电位高、电流效率高、无毒害杂质等优点,结合电路、水路结构优化设计,满足净水机的直饮净水处理,净水机后端出水管口灭菌及全屋分级供水系统灭菌等应用需求。

Description

一种金刚石薄膜净水装置及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及一种净水装置,特别涉及一种金刚石薄膜净水装置及其制备方法和应用。
背景技术
随着经济社会发展,饮水安全与健康问题越来越受到人们的关注。目前的家用净水机主要使用滤膜滤芯过滤及反渗透技术,为确保出水量,通常拥有储水罐。因此,储水罐及出水口管道容易滋生细菌、病毒、微生物等,从而发生二次污染影响水质。
现阶段,技术相对成熟的紫外灭菌系统,可以与出水管道进行融合设计,灭菌器件寿命长、启动快,并可以频繁启动,已在部分商业净水设备上进行应用。然而,紫外灭菌主要作用于细菌,紫外线杀菌是紫外线波长在240~280nm范围内,破坏细菌病毒中的DNA(脱氧核糖核酸)或RNA(核糖核酸)的分子结构,造成生长性细胞死亡和(或)再生性细胞死亡,达到杀菌消毒的效果。因此,紫外灭菌需要较长的作用时间,大多数细菌的灭杀时间在超过10秒,极个别微生物需要其生命周期完成后自然消亡;此外,水体对紫外线具有吸收效应,进一步降低紫外灭菌的效果。
臭氧是一种绿色环保高效的净水技术。传统的介质阻挡放电技术,通过对空气电离制备臭氧,臭氧的产生效率高,不可避免地引入有毒的氮氧化合物。因而不能直接应用于直饮水等的灭菌处理。电化学高级氧化法臭氧制备技术,则利用电化学方法,利用水分子制备臭氧,臭氧浓度高、纯净度高、不含有毒有害杂质。
发明内容
为解决上述技术问题,本发明提供了一种金刚石薄膜净水装置及其制备方法和应用,以达到充分利用金刚石薄膜机械-化学-电化学性能稳定、过氧电位高、电流效率高、无毒害杂质等优点,结合电路、水路结构优化设计,满足净水机的直饮净水处理,净水机后端出水管口灭菌及全屋分级供水系统灭菌等应用的目的。
为达到上述目的,本发明的技术方案如下:
一种金刚石薄膜净水装置,包括位于密封结构内的两片掺杂金刚石薄膜,两片掺杂金刚石薄膜分别通过电流收集器与电源连接,所述密封结构内开设水流通道,两片掺杂金刚石薄膜通过水流通道与待净化水体接触,所述掺杂金刚石薄膜中间设置基底,两片掺杂金刚石薄膜之间设置离子交换膜。
上述方案中,所述掺杂金刚石薄膜为硼掺杂金刚石薄膜、硼掺杂金刚石/碳化硅复合薄膜、硼掺杂金刚石/二氧化钛复合薄膜的一种或几种组合,其厚度为0.5-2000.0微米,掺杂浓度为500-25000ppm。
上述方案中,所述基底为厚度0-2.0mm的硅、钛、铌、钼的单质或者合金,或者氧化铝、氧化锆及其复合物。
上述方案中,两片掺杂金刚石薄膜之间的距离为0.01-2.0mm。
上述方案中,掺杂金刚石薄膜及其基底为具有栅状或多孔状阵列网格结构。
上述方案中,所述电流收集器为在金属钛表面设有金-铬镀层,金-铬镀层中金与铬的厚度比为0.05-0.20:1,金的厚度为10-100nm。
上述方案中,所述离子交换膜的厚度为0.005-0.5mm。
一种金刚石薄膜净水装置的制备方法,包括以下步骤:
1)利用化学气相沉积技术,在厚度为0-2.0mm基底上制备双面或单面厚度为0.5-2000.0微米,掺杂浓度为500-25000ppm的金刚石薄膜;
2)利用带有金-铬涂层的钛基金属作为电流收集器,实现掺杂金刚石薄膜的紧固;
3)利用带有水流通道的密封结构外壳,固定掺杂金刚石薄膜与电流收集器,并将两片金刚石薄膜的间距控制在0.01-2.0mm;
4)在两片金刚石薄膜之间设置离子交换膜,离子交换膜的两端设置于水流通道上,完成金刚石薄膜净水装置的制备。
一种金刚石薄膜净水装置的应用,应用于无储水罐净水机的直饮净水处理、全屋分级供水系统灭菌,以及净水机后端出水管口灭菌。
通过上述技术方案,本发明提供的金刚石薄膜净水装置利用电流传感器与外部电源连接,掺杂金刚石薄膜在电源阴极、阳极接通条件下产生的羟基自由基与臭氧,对待饮用水体进行灭菌与有机物降解处理;通过电化学高级氧化方法,由水分子制备微量的羟基自由基及臭氧等氧化剂,从而绿色环保高效灭杀自来水或饮用水中的微生物、细菌及病毒,实现饮用水、生活用水的净化灭菌功能,具有稳定、高效、无残留、无需添加药剂等优势。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为本发明实施例所公开的一种金刚石薄膜净水装置结构示意图;
图2为本发明实施例所公开的金刚石薄膜净水装置剖面示意图;
图3为12V恒定电压下电流密度及臭氧浓度随时间变化示意图。
图中,1、密封结构;2、掺杂金刚石薄膜;3、电流收集器;4、水流通道;5、基底;6、离子交换膜。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
本发明提供了一种金刚石薄膜净水装置,如图1和图2所示,该装置利用电化学氧化方法,高效灭杀微生物、细菌及病毒,实现饮用水、生活用水的净化灭菌功能。
如图1和图2所示,一种金刚石薄膜净水装置,包括位于密封结构1内的两片掺杂金刚石薄膜2,两片掺杂金刚石薄膜2分别通过电流收集器3与电源连接,密封结构1内开设水流通道4,两片掺杂金刚石薄膜2通过水流通道4与待净化水体接触,掺杂金刚石薄膜2中间设置基底5,两片掺杂金刚石薄膜2之间设置离子交换膜6。
本实施例中:
1)利用化学气相沉积技术,在厚度为1mm的硅基底5上制备双面厚度为5微米,硼掺杂浓度为2500ppm的金刚石薄膜2,电极间距为0.2mm;掺杂金刚石薄膜2及其基底5为具有栅状或多孔状阵列网格结构;
2)利用表面金镀层厚度50nm,铬镀层厚度为250nm的金属钛制作的电流收集器3,并与电路相连接,实现硼掺杂金刚石薄膜的紧固;
3)利用带有水流通道4的密封结构外壳,固定掺杂金刚石薄膜2与电流收集器3;
4)在两片掺杂金刚石薄膜2之间设置2层0.1mm厚度的离子交换膜6,离子交换膜6的两端设置于水流通道4上,加速质子迁移,用于提高臭氧产生效率,完成金刚石薄膜净水装置的制备。
具体应用时:
控制流经水流通道并与硼掺杂金刚石薄膜接触的待净化水体的流速为0.8L/min;两电流收集器之间接入12V恒压电源;2秒内开始产生臭氧,7秒内达到最高浓度的63.2%,臭氧最高浓度为1.05mg/L,对大肠杆菌浓度为300个/mL的待净化水体的灭杀效率为99%,具体见图3显示的12V恒定电压下电流密度及臭氧浓度随时间变化。黑色实心的为电流密度,空心方框为臭氧浓度。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (9)

1.一种金刚石薄膜净水装置,其特征在于,包括位于密封结构内的两片掺杂金刚石薄膜,两片掺杂金刚石薄膜分别通过电流收集器与电源连接,所述密封结构内开设水流通道,两片掺杂金刚石薄膜通过水流通道与待净化水体接触,所述掺杂金刚石薄膜中间设置基底,两片掺杂金刚石薄膜之间设置离子交换膜。
2.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜净水装置,其特征在于,所述掺杂金刚石薄膜为硼掺杂金刚石薄膜、硼掺杂金刚石/碳化硅复合薄膜、硼掺杂金刚石/二氧化钛复合薄膜的一种或几种组合,其厚度为0.5-2000.0微米,掺杂浓度为500-25000ppm。
3.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜净水装置,其特征在于,所述基底为厚度0-2.0mm的硅、钛、铌、钼的单质或者合金,或者氧化铝、氧化锆及其复合物。
4.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜净水装置,其特征在于,两片掺杂金刚石薄膜之间的距离为0.01-2.0mm。
5.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜净水装置,其特征在于,掺杂金刚石薄膜及其基底为具有栅状或多孔状阵列网格结构。
6.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜净水装置,其特征在于,所述电流收集器为在金属钛表面设有金-铬镀层,金-铬镀层中金与铬的厚度比为0.05-0.20:1,金的厚度为10-100nm。
7.根据权利要求1所述的一种金刚石薄膜净水装置,其特征在于,所述离子交换膜的厚度为0.005-0.5mm。
8.一种如权利要求1所述的金刚石薄膜净水装置的制备方法,其特征在于,包括以下步骤:
1)利用化学气相沉积技术,在厚度为0-2.0mm基底上制备双面或单面厚度为0.5-2000.0微米,掺杂浓度为500-25000ppm的金刚石薄膜;
2)利用带有金-铬涂层的钛基金属作为电流收集器,实现掺杂金刚石薄膜的紧固;
3)利用带有水流通道的密封结构外壳,固定掺杂金刚石薄膜与电流收集器,并将两片金刚石薄膜的间距控制在0.01-2.0mm;
4)在两片金刚石薄膜之间设置离子交换膜,离子交换膜的两端设置于水流通道上,完成金刚石薄膜净水装置的制备。
9.一种如权利要求1所述的金刚石薄膜净水装置的应用,其特征在于,应用于无储水罐净水机的直饮净水处理、全屋分级供水系统灭菌,以及净水机后端出水管口灭菌。
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