CN110528019A - 一种便携式家用产h2o2溶液装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种便携式家用产H2O2溶液装置及方法，属于H2O2溶液生产技术领域。所述的便携式家用产H2O2溶液装置包括进水口、反应器外壳、阴极钛网、阴极、绝缘网、阳极、出水阀门、电池盒、支架、阴极接线柱、阴极引线、阳极接线柱和阳极引线。本发明体积小巧、操作简单，以溶解氧饱和的食盐水为原料快速制备H2O2水溶液，可用于清洗眼镜、玩具、瓷砖，衣物漂白，下水道或马桶消毒，除螨，伤口消毒等多种用途。

Description

一种便携式家用产H2O2溶液装置及方法
技术领域
本发明属于H2O2溶液生产技术领域，尤其涉及一种便携式家用产H2O2溶液装置及方法。
背景技术
纯H2O2常温下是淡蓝色的黏稠液体，与水互溶，其水溶液无色透明，俗称双氧水。H2O2标准氧化电势1.78eV，具有氧化性，可以杀菌、分解有机物、氧化 H2S等无机物，目前主要用途是医用消毒及作为芬顿试剂的主要成分处理污水。市场上销售的H2O2水溶液主要通过蒽醌催化的方法生产，包括蒽醌的氢化、氧化和从有机溶剂中萃取H2O2等步骤，这种方法操作繁琐、能耗高、使用有毒化合物和贵金属作为催化剂，只能在工厂进行。目前研究工作以开发原位、高效地产 H2O2方法为目标，这样不仅能减少H2O2的生产、储存、运输成本，而且方便后续使用。
电催化技术可以在常温常压下还原O2原位产H2O2。常用的阴极材料包括贵金属、金属合金和碳材料。其中，碳材料地球含量丰富、价格低、没有金属析出污染环境的风险，是一种较好的电化学氧还原产H2O2催化剂。常见的碳材料，例如石墨棒、碳毡、碳纤维都表现产H2O2性能。研究发现表面介孔(直径2nm到50nm) 越多，碳材料产H2O2的效率越高。向电极中添加纳米材料能产生介孔，因此产生 H2O2的效率要高于常见碳材料。气体扩散电极是典型的介孔碳电极，这类电极的制作过程包括两个主要步骤，首先把纳米碳材料(包括碳纳米管、石墨烯、碳黑粉末、石墨粉、乙炔黑粉末、多孔碳粉末)与聚四氟乙烯乳液混合，然后通过真空抽滤、压制或烧结等方式制成薄片。这样获得的电极一般具有如下两个缺点：首先在使用过程中纳米碳容易脱落导致电极失效，其次电极比较薄，实际参与反应的有效面积小。如果能做出一种三维立体结构碳材料电极，从外表面到内部都布满介孔和微孔，而且电解液可以从电极内部流过，显然能克服催化剂脱落造成的失效并充分利用全部电极体积参与反应。
发明内容
本发明针对现有技术中无法在家庭中生产H2O2溶液的问题，本发明提出一种使用方便、结构简单的便携式家用产H2O2溶液装置。该装置以家庭必备的食盐、自来水为原料，以2节7号电池为电源，通过阴极还原食盐水中的溶解氧产生 H2O2。该设备无需水泵，仅利用重力作用实现水的流动。该装置的阴极由多根碳棒组成，碳棒是由用于手工制作的竹棒经过高温碳化和水热活化过程制得的，不但保留了竹棒天然通道而且在通道表面刻蚀出大量介孔，总孔隙率超过50％，能够在2min以内产生15ml浓度最高10mg/L的H2O2溶液，H2O2的浓度可通过延长反应时间提高。设备操作简单，满足家庭消毒的需求。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案是：
一种便携式家用产H2O2溶液装置，所述的便携式家用产H2O2溶液装置包括进水口1、反应器外壳2、阴极钛网3、阴极4、绝缘网5、阳极6、出水阀门7、电池盒8、支架9、阴极接线柱10、阴极引线11、阳极接线柱12和阳极引线13；
所述的反应器外壳2竖直安装在支架9上，分为顶部、中部和底部三部分，三部分通过螺纹连接，连接处放置密封圈防止漏水；顶部为进水口1，用于加注原料；中部为圆筒形结构，圆周面上开有两个通孔，用于阴极接线柱10和阳极接线柱12的引出；底部为出水管路，其上设置出水阀门7；
所述的阴极4设置在反应器外壳2的中部圆筒形结构中，由一根或多根碳棒紧密排列组成，阴极4的外部环绕有阴极钛网3；
所述的阴极接线柱10一端固定在阴极钛网3上，过通孔后另一端通过阴极引线11与电池盒8的阴极电连接，通孔处均密封处理；
所述的阳极6设置在反应器外壳2的中部圆筒形结构中，位于阴极4下方；
所述的阳极接线柱12一端固定在阳极6上，过通孔后另一端通过阳极引线 13与电池盒8的阴极电连接，通孔处均密封处理；
所述的绝缘网5设置在反应器外壳2的中部圆筒形结构中，位于阴极4和阳极6之间。
进一步的，所述的阴极4由1-17根碳棒组成，每根碳棒的直径1mm-6mm、长度2mm-15cm，碳棒内部具有直径1μm-100μm的有序排列的长通道，碳棒之间的通道尺寸300μm-800μm。
进一步的，所述的阳极6采用钛网作为基体，并在基体上附着氧化铱制成。
一种便携式家用产H2O2溶液方法，按以下步骤进行：
步骤一、出水阀门7开启四分之一；
步骤二、通过进水口1向装置内加注原料；
步骤三、当出水阀门7有水流出后关闭出水阀门7；
步骤四、开启电池盒8上的开关，电池盒8开始供电，生产反应开始进行；
步骤五、待反应进行一段时间后，关闭电池盒8上的开关终止反应，打开出水阀门7获取H2O2溶液；反应进行的时间与生产H2O2溶液的浓度有关。
进一步的，所述的原料为溶解氧饱和的食盐水。
本发明的有益效果：本发明所用材料为竹子，无需粘合剂、不含金属、制备简单、价格低、寿命长。其孔道具有多级结构，包括几纳米的表面孔到直径几十微米的细通道、直接100微米左右的主通道、几百微米的棒间距，提供了丰富的反应面积，因此产生H2O2的速度快。便携式设备体积小巧、操作简单、产 H2O2水溶液的浓度高、速度快，制备H2O2水溶液可用于清洗眼镜、玩具、瓷砖，衣物漂白，下水道或马桶消毒，除螨，伤口消毒等多种用途。
附图说明
图1为本发明一种便携式家用产H2O2溶液装置的阴极竹碳棒照片和横截面扫描电镜图；
图2为本发明一种便携式家用产H2O2溶液装置的示意图。
图中：1进水口；2反应器外壳；3阴极钛网；4阴极；5绝缘网；6阳极； 7出水阀门；8电池盒；9支架；10阴极接线柱；11阴极引线；12阳极接线柱； 13阳极引线。
具体实施方式
为使得本发明的发明目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，以下参照附图并结合具体实施方式来进一步描述发明，以令本领域技术人员参照说明书文字能够据以实施，本发明保护范围并不受限于该具体实施方式。显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
如图2所示的一种便携式家用产H2O2溶液装置，所述的便携式家用产H2O2溶液装置包括进水口1、反应器外壳2、阴极钛网3、阴极4、绝缘网5、阳极6、出水阀门7、电池盒8、支架9、阴极接线柱10、阴极引线11、阳极接线柱12 和阳极引线13；
所述的反应器外壳2竖直安装在支架9上，分为顶部、中部和底部三部分，三部分通过螺纹连接，连接处放置密封圈防止漏水；顶部为进水口1，用于加注原料；中部为圆筒形结构，圆周面上开有两个通孔，用于阴极接线柱10和阳极接线柱12的引出；底部为出水管路，其上设置出水阀门7；
所述的阴极4设置在反应器外壳2的中部圆筒形结构中，由一根或多根碳棒紧密排列组成，阴极4的外部环绕有阴极钛网3；
所述的阴极接线柱10一端固定在阴极钛网3上，过通孔后另一端通过阴极引线11与电池盒8的阴极电连接，通孔处均密封处理；
所述的阳极6设置在反应器外壳2的中部圆筒形结构中，位于阴极4下方；
所述的阳极接线柱12一端固定在阳极6上，过通孔后另一端通过阳极引线 13与电池盒8的阴极电连接，通孔处均密封处理；
所述的绝缘网5设置在反应器外壳2的中部圆筒形结构中，位于阴极4和阳极6之间。
进一步的，所述电池盒8中装有两节7号电池。
进一步的，所述的阴极4由1-17根碳棒组成，每根碳棒的直径1mm-6mm、长度2mm-15cm，碳棒之间的通道尺寸300μm-800μm。碳棒的按以下步骤制备：
步骤1、将竹棒在氮气保护下800℃以上碳化3h；
步骤2、将碳化后的竹棒放入KOH溶液中，在200-240℃温度下碱热刻蚀 6h-12h去除通道内的横隔膜；
步骤3、将碱热刻蚀后的竹棒在150-180℃温度下碱热活化6h-12h制造介孔；
按上述步骤制备的碳棒如图1所示，碳棒的主通道尺寸约为100μm，细通道尺寸10μm-50μm，通道表面分布的孔尺寸小于50nm；碳棒的含氮量在0.5-5％、电导率高于1000S/m、孔隙率超过50％；所有孔道均与表面联通，孔道表面被介孔覆盖且具有亲水性，水溶液可以快速充满孔道内部，也可以快速排空。
进一步的，所述的阳极6采用钛网作为基体，并在基体上附着氧化铱制成。
一种便携式家用产H2O2溶液方法，按以下步骤进行：
步骤一、出水阀门7开启四分之一；
步骤二、通过进水口1向装置内加注原料；
步骤三、当出水阀门7有水流出后关闭出水阀门7；
步骤四、开启电池盒8上的开关，电池盒8开始供电，生产反应开始进行；
步骤五、待反应进行一段时间后，关闭电池盒8上的开关终止反应，打开出水阀门7获取H2O2溶液；反应进行的时间与生产H2O2溶液的浓度有关。
进一步的，所述的原料为溶解氧饱和的食盐水。
本发明所用材料为竹子，无需粘合剂、不含金属、制备简单、价格低、寿命长。其孔道具有多级结构，包括几纳米的表面孔到直径几十微米的细通道、直径100微米左右的主通道、几百微米的棒间距，提供了丰富的反应面积，因此产生H2O2的速度快。便携式设备体积小巧、操作简单、产H2O2水溶液的浓度高、速度快，制备H2O2水溶液可用于清洗眼镜、玩具、瓷砖，衣物漂白，下水道或马桶消毒，除螨，伤口消毒等多种用途。

Claims (5)

1.一种便携式家用产H2O2溶液装置，其特征在于，所述的便携式家用产H2O2溶液装置包括进水口(1)、反应器外壳(2)、阴极钛网(3)、阴极(4)、绝缘网(5)、阳极(6)、出水阀门(7)、电池盒(8)、支架(9)、阴极接线柱(10)、阴极引线(11)、阳极接线柱(12)和阳极引线(13)；
所述的反应器外壳(2)竖直安装在支架(9)上，分为顶部、中部和底部三部分，三部分通过螺纹连接，连接处放置密封圈防止漏水；顶部为进水口(1)，用于加注原料；中部为圆筒形结构，圆周面上开有两个通孔，用于阴极接线柱(10)和阳极接线柱(12)的引出；底部为出水管路，其上设置出水阀门(7)；
所述的阴极(4)设置在反应器外壳(2)的中部圆筒形结构中，由一根或多根碳棒紧密排列组成，阴极(4)的外部环绕有阴极钛网(3)；
所述的阴极接线柱(10)一端固定在阴极钛网(3)上，过通孔后另一端通过阴极引线(11)与电池盒(8)的阴极电连接，通孔处均密封处理；
所述的阳极(6)设置在反应器外壳(2)的中部圆筒形结构中，位于阴极(4)下方；
所述的阳极接线柱(12)一端固定在阳极(6)上，过通孔后另一端通过阳极引线(13)与电池盒(8)的阴极电连接，通孔处均密封处理；
所述的绝缘网(5)设置在反应器外壳(2)的中部圆筒形结构中，位于阴极(4)和阳极(6)之间。
2.根据权利要求1所述的一种便携式家用产H2O2溶液装置，其特征在于，所述的阴极(4)由1-17根碳棒组成，碳棒内部具有直径1μm-100μm的有序排列的长通道，每根碳棒的直径1mm-6mm、长度2mm-15cm，碳棒之间的通道尺寸300μm-800μm。
3.根据权利要求1或2所述的一种便携式家用产H2O2溶液装置，其特征在于，所述的阳极(6)采用钛网作为基体，并在基体上附着氧化铱制成。
4.一种便携式家用产H2O2溶液方法，其特征在于，按以下步骤进行：
步骤一、出水阀门(7)开启四分之一；
步骤二、通过进水口(1)向装置内加注原料；
步骤三、当出水阀门(7)有水流出后关闭出水阀门(7)；
步骤四、开启电池盒(8)上的开关，电池盒(8)开始供电，生产反应开始进行；
步骤五、待反应进行一段时间后，关闭电池盒(8)上的开关终止反应，打开出水阀门(7)获取H2O2溶液；反应进行的时间与生产H2O2溶液的浓度有关。
5.根据权利要求4所述的便携式家用产H2O2溶液方法，其特征在于，所述的原料为溶解氧饱和的食盐水。
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