CN113278994A - 一种低压电解水臭氧发生装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种低压电解水臭氧发生装置，包括阳极组件、阴极组件和膜电极组件，其中，阳极组件包括阳极集流体，阳极集流体具有阳极进水口和阳极出水口；阴极组件包括阴极集流体，阴极集流体具有阴极进水口和阴极出水口；膜电极组件包括阳极电极片、质子交换膜和阴极电极片。电解过程中，阳极电极片电解产生臭氧和少量氧气，阴极电极片电解产生氢气；阳极集流体内流动的水流产生负压，在负压吸引作用下，阳极电极片电解产生的臭氧被吸附并随着水流由阳极出水口排出；同时，阴极集流体内水流产生负压吸引作用，将阴极电极片电解产生的氢气吸附，随着水流由阴极出水口排出。臭氧和氢气分离并单独排出，有利于提高臭氧的浓度。

Description

一种低压电解水臭氧发生装置

技术领域

本发明涉及电解水制备臭氧技术领域，特别是涉及一种低压电解水臭氧发生装置。

背景技术

臭氧是一种强氧化剂，它具有强烈的杀菌消毒作用和氧化降解有机污染物的能力，并且分解产物是氧气，不会产生二次污染，因此，臭氧是世界公认的绿色环保的广谱高效杀菌消毒剂。目前，臭氧广泛应用于饮用水处理、城镇生活污水处理、大气治理、果蔬保鲜、医疗卫生消毒等行业和领域。然而，因为臭氧稳定性差，常温下可自行分解成氧气，所以必须现制现用。

工业中生产臭氧主要采用介质阻挡放电法和电解法。介质阻挡放电法制备臭氧是通过交变高压电场在干燥的含氧气体中产生电晕，利用电晕中具有足够动能的高速电子轰击氧气分子使其离解为氧原子，然后经三体碰撞聚合为臭氧。这种技术产生臭氧虽然产量较大，但是臭氧浓度不高，且易产生氮氧化物污染环境。同时，高频高压放电时还会产生射频噪声。

电解法制备臭氧是通过选择具有较高析氧电位的阳极电极和稳定性强的阴极电极，利用低压直流电电解含氧电解质，从而在阳极产生臭氧。这种技术制备的臭氧浓度较高，且副产物为氧气和氢气，不会对环境造成污染。

公开号为CN101054679A的中国专利，公开了一种臭氧发生器，阳极采用具有较高析氧电位的二氧化铅或铂电极，阴极采用稳定性好的不锈钢或石墨电极，在隔膜式电解槽中电解磷酸盐复合溶液。此种臭氧发生器，因为其电解液为酸性溶液，工作时会腐蚀阴极，不利于长期稳定工作。

因此，目前多采用固体聚合物电解质代替传统电解质溶液，主要由离子交换膜和阴、阳极催化电极组成膜电极组件，利用该膜电极组件电解水产生臭氧。

公开号为CN107075701A的中国专利，公开了一种电解水臭氧制造装置，包括阳离子交换膜和分别从两侧与其紧密结合的阳极和阴极的膜电极组件，以及电解所需的电解池。原料水从进水端进入阳极室，在阳极电解产生臭氧后流向阴极室产生氢气，最后由出水端流出，并带出电解产生的臭氧。此种电解水臭氧制造装置阴、阳极室未分离，出水端释放氢气和臭氧的混合气体，致使臭氧浓度降低。

公开号为CN111575734A的中国专利，公开了一种阴极氧还原臭氧发生器，包括质子交换膜与阳极渗透膜电极、氧还原阴极渗透膜电极组成的膜电极组件和分别在膜电极组件两侧的阳极/阴极电解室壳体。此种臭氧发生器电解时会产生大量的热量，影响电解反应的继续进行，导致臭氧产量低；同时，电解室温度过高会导致贵金属电极更易被腐蚀，不利于装置长期稳定使用。

因此，如何改变现有技术中，电解水臭氧发生装置存在的臭氧浓度较低的现状，成为了本领域技术人员亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提供一种低压电解水臭氧发生装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高臭氧浓度和臭氧发生效率。

为实现上述目的，本发明提供了如下方案：本发明提供一种低压电解水臭氧发生装置，包括：

阳极组件，所述阳极组件包括阳极集流体，所述阳极集流体内能够容纳电解质溶液，所述阳极集流体具有阳极进水口和阳极出水口，所述阳极进水口和所述阳极出水口均与所述阳极集流体的内腔相连通；

阴极组件，所述阴极组件包括阴极集流体，所述阴极集流体内能够容纳电解质溶液，所述阴极集流体具有阴极进水口和阴极出水口，所述阴极进水口和所述阴极出水口均与所述阴极集流体的内腔相连通；

膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极电极片、质子交换膜和阴极电极片，所述阳极电极片位于所述阳极集流体与所述质子交换膜之间，所述阳极电极片能够与所述阳极集流体内的所述电解质溶液相接触，所述阴极电极片位于所述阴极集流体与所述质子交换膜之间，所述阴极电极片能够与所述阴极集流体内的所述电解质溶液相接触，所述阳极电极片与所述阴极电极片分别位于所述质子交换膜的两侧，电解产生的离子能够穿过所述阴极电极片、所述质子交换膜和所述阳极电极片并形成回路，所述阳极电极片和所述阴极电极片能够与外部电源相连。

优选地，所述阳极集流体朝向所述阳极电极片的一侧以及所述阴极集流体朝向所述阴极电极片的一侧均设置导流沟槽，所述阳极电极片和所述阴极电极片均利用所述导流沟槽与所述电解质溶液相接触。

优选地，所述导流沟槽为多个首尾相连的S形结构。

优选地，所述阳极集流体朝向所述阳极电极片的一侧面以及所述阴极集流体朝向所述阴极电极片的一侧面的开孔率均为40％-60％，所述开孔率为所述导流沟槽的面积与其所在的所述阳极电极片或所述阴极电极片的所在面的面积之比。

优选地，所述阳极集流体与所述阳极电极片之间以及所述阴极集流体与所述阴极电极片之间均设置密封垫圈。

优选地，所述阳极集流体与所述阴极集流体均为长方体结构，所述阳极电极片、所述阴极电极片以及所述质子交换膜均为矩形板状结构。

优选地，所述阳极集流体和所述阴极集流体均由钛合金材质制成，所述阳极电极片和所述阴极电极片均由硼掺杂金刚石材质制成。

优选地，所述阳极进水口和所述阳极出水口均设置于所述阳极集流体远离所述阳极电极片的一侧，所述阴极进水口和所述阴极出水口均设置于所述阴极集流体远离所述阴极电极片的一侧。

优选地，所述阳极电极片、所述质子交换膜和所述阴极电极片压合为一体结构形成所述膜电极组件。

优选地，所述阳极组件、所述阴极组件和所述膜电极组件压合为一体结构。

本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：本发明的低压电解水臭氧发生装置，包括阳极组件、阴极组件和膜电极组件，其中，阳极组件包括阳极集流体，阳极集流体内能够容纳电解质溶液，阳极集流体具有阳极进水口和阳极出水口，阳极进水口和阳极出水口均与阳极集流体的内腔相连通；阴极组件包括阴极集流体，阴极集流体内能够容纳电解质溶液，阴极集流体具有阴极进水口和阴极出水口，阴极进水口和阴极出水口均与阴极集流体的内腔相连通；膜电极组件包括阳极电极片、质子交换膜和阴极电极片，阳极电极片位于阳极集流体与质子交换膜之间，阳极电极片能够与阳极集流体内的电解质溶液相接触，阴极电极片位于阴极集流体与质子交换膜之间，阴极电极片能够与阴极集流体内的电解质溶液相接触，阳极电极片与阴极电极片分别位于质子交换膜的两侧，电解产生的离子能够穿过阴极电极片、质子交换膜和阳极电极片并形成回路，阳极电极片和阴极电极片能够与外部电源相连。

本发明的低压电解水臭氧发生装置，工作时，阳极组件一侧的水体经由阳极进水口进入阳极集流体，并与阳极电极片接触，并弥漫至阳极电极片与质子交换膜之间的间隙进行电解；在阴极一侧的水体经由阴极进水口进入阴极集流体，与阴极电极片接触，并弥漫至阴极电极片与质子交换膜之间的间隙进行电解。电解过程中，阳极电极片电解产生臭氧和少量氧气，阴极电极片电解产生氢气；阳极集流体内流动的水流产生负压，在负压吸引作用下，阳极电极片电解产生的臭氧被吸附并随着水流由阳极出水口排出；同时，阴极集流体内水流产生负压吸引作用，将阴极电极片电解产生的氢气吸附，随着水流由阴极出水口排出。本发明的低压电解水臭氧发生装置，阳极电极片和阴极电极片分别具备独立的电解室，实现了臭氧和氢气分离并单独排出，有利于提高臭氧的浓度，进而提高臭氧发生的工作效率。

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，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的低压电解水臭氧发生装置的结构示意图；

图2为本发明的低压电解水臭氧发生装置的工作原理示意图；

图3为本发明的低压电解水臭氧发生装置的导流沟槽的结构示意图；

其中，1为阳极组件，101为阳极集流体，102为阳极进水口，103为阳极出水口，2为阴极组件，201为阴极集流体，202为阴极进水口，203为阴极出水口，3为膜电极组件，301为阳极电极片，302为质子交换膜，303为阴极电极片，4为导流沟槽，5为密封垫圈。

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，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明的目的是提供一种低压电解水臭氧发生装置，以解决上述现有技术存在的问题，提高臭氧浓度和臭氧发生效率。

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

请参考图1-3，其中，图1为本发明的低压电解水臭氧发生装置的结构示意图，图2为本发明的低压电解水臭氧发生装置的工作原理示意图，图3为本发明的低压电解水臭氧发生装置的导流沟槽的结构示意图。

本发明提供一种低压电解水臭氧发生装置，包括：

阳极组件1，阳极组件1包括阳极集流体101，阳极集流体101内能够容纳电解质溶液，阳极集流体101具有阳极进水口102和阳极出水口103，阳极进水口102和阳极出水口103均与阳极集流体101的内腔相连通；

阴极组件2，阴极组件2包括阴极集流体201，阴极集流体201内能够容纳电解质溶液，阴极集流体201具有阴极进水口202和阴极出水口203，阴极进水口202和阴极出水口203均与阴极集流体201的内腔相连通；

膜电极组件3，膜电极组件3包括阳极电极片301、质子交换膜302和阴极电极片303，阳极电极片301位于阳极集流体101与质子交换膜302之间，阳极电极片301能够与阳极集流体101内的电解质溶液相接触，阴极电极片303位于阴极集流体201与质子交换膜302之间，阴极电极片303能够与阴极集流体201内的电解质溶液相接触，阳极电极片301与阴极电极片303分别位于质子交换膜302的两侧，电解质溶液无法穿过阳极电极片301与阴极电极片303，电解产生的离子能够穿过阴极电极片303、质子交换膜302和阳极电极片301并形成回路，阳极电极片301和阴极电极片303能够与外部电源相连，阳极电极片301和阴极电极片303均由可传导电流的材质制成。

本发明的低压电解水臭氧发生装置，工作时，阳极组件1一侧的水体经由阳极进水口102进入阳极集流体101，并与阳极电极片301接触，并弥漫至阳极电极片301与质子交换膜302之间的间隙进行电解；在阴极一侧的水体经由阴极进水口202进入阴极集流体201，与阴极电极片303接触，并弥漫至阴极电极片303与质子交换膜302之间的间隙进行电解。电解过程中，阳极电极片301电解产生臭氧和少量氧气，阴极电极片303电解产生氢气；阳极集流体101内流动的水流产生负压，在负压吸引作用下，阳极电极片301电解产生的臭氧被吸附并随着水流由阳极出水口103排出；同时，阴极集流体201内水流产生负压吸引作用，将阴极电极片303电解产生的氢气吸附，随着水流由阴极出水口203排出。本发明的低压电解水臭氧发生装置，阳极电极片301和阴极电极片303分别具备独立的电解室，实现了臭氧和氢气分离并单独排出，有利于提高臭氧的浓度，进而提高臭氧发生的工作效率。

具体地，阳极集流体101朝向阳极电极片301的一侧以及阴极集流体201朝向阴极电极片303的一侧均设置导流沟槽4，阳极电极片301和阴极电极片303均利用导流沟槽4与电解质溶液相接触。在阳极集流体101和阴极集流体201朝向膜电极组件3的一侧均设置导流沟槽4，保证了水体分布均匀，使水体与阳极电极片301或阴极电极片303充分接触，确保电解反应的顺利进行；与此同时，导流沟槽4内高速流动的水体有利于带走阳极电极片301以及阴极电极片303产生的热量，提高装置散热性能，有利于装置长期稳定运行。

在本具体实施方式中，导流沟槽4为多个首尾相连的S形结构，在提高水体与阳极电极片301或阴极电极片303充分接触的同时，减少阳极电极片301以及阴极电极片303与阳极集流体101的腔体以及阴极集流体201的腔体的接触面积，降低阳极电极片301或阴极电极片303与阳极集流体101的腔体以及阴极集流体201的腔体的接触电阻，有效降低能耗。

其中，阳极集流体101朝向阳极电极片301的一侧面以及阴极集流体201朝向阴极电极片303的一侧面的开孔率均为40％-60％，即导流沟槽4的面积与其所在的阳极集流体101的侧面或阴极集流体201的侧面面积之比。

在本具体实施方式中，阳极电极片301、质子交换膜302和阴极电极片303压合为一体结构形成膜电极组件3，阳极组件1、阴极组件2和膜电极组件3压合为一体结构。另外，阳极集流体101与阳极电极片301之间以及阴极集流体201与阴极电极片303之间均设置密封垫圈5，避免流体泄漏。

更具体地，阳极集流体101与阴极集流体201均为长方体结构，阳极电极片301、阴极电极片303以及质子交换膜302均为矩形板状结构。在本发明的其他具体实施方式中，阳极集流体101和阴极集流体201还可以根据实际需要选择不同的形状，膜电极组件3位于阳极集流体101与阴极集流体201之间，保证电解顺利进行。

实际应用中，阳极集流体101和阴极集流体201均由钛合金材质制成，阳极电极片301和阴极电极片303均由硼掺杂金刚石材质制成，能够有效提高臭氧产量，降低电解能耗。

进一步地，阳极进水口102和阳极出水口103均设置于阳极集流体101远离阳极电极片301的一侧，阴极进水口202和阴极出水口203均设置于阴极集流体201远离阴极电极片303的一侧，确保水体能够经由导流沟槽4输出顺利进行电解过程，避免水体由其他方向进入产生乱流。

本发明的低压电解水臭氧发生装置，阳极电极片301和阴极电极片303分别具备独立的电解室，实现了臭氧和氢气分离并单独排出，有利于提高臭氧的浓度，进而提高臭氧发生的工作效率。同时，在阳极集流体101与阴极集流体201均设置了导流沟槽4，保证了电解室内流体分布均匀，使水体与电极充分接触进行电解反应；与此同时，导流沟槽4内高速流动的水体有利于带走电极片产生的热量，提升散热性能，有利于装置长期稳定运行。

下面通过具体的实施例和对照例，对本发明的低压电解水臭氧发生装置，作进一步的解释说明：

实施例一

利用蠕动泵分别向阳极进水口102和阴极进水口202供给去离子水，使用直流恒定电源对臭氧发生器提供低压直流电，然后用臭氧检测仪检测阳极出水口103的臭氧浓度，其实验结果见表1。

对照例一

作为阳极和阴极的电极材料，可以考虑选取具有较高析氧电位的不同材料。本对照例通过分别选取铂电极和硼掺杂金刚石电极作为电极材料，加工成与实施例一相同尺寸和结构的电极，两两相互组合，采用与上述实施例一相同的工艺制作成臭氧发生器。使用这样的臭氧发生器，并施加0.2A稳定直流电，进行臭氧制备性能实验，其实验结果见表2。

表1实施例一中的臭氧制备性能实验结果

注：BDD是硼掺杂金刚石电极的缩写。

表2对照例一中不同材料电极的臭氧制备性能实验结果比较

注：BDD和Pt分别是硼掺杂金刚石电极和铂电极的缩写。

通过以上实施例一和对照例一的结果，可知以下：

1、随着电流的增加，臭氧产量会逐渐上升，但是在0.2A时获得最佳的电流效率，且此时产生单位臭氧的能耗也是最低的。这是因为电流升高，电极发热会增加，局部过热会加速臭氧分解，降低臭氧产量。另外，本发明的臭氧发生器在低功耗条件下，实现了高浓度臭氧的制备，可以适用于户外电池供电的应用场景。

2、在电流密度一定的情况下，相较于铂电极，阴极与阳极电极均选择硼掺杂金刚石电极能以较小的能耗，获得更高的臭氧产量。这是由于硼掺杂金刚石电极的析氧电位高于铂电极，且硼掺杂金刚石电极的化学稳定性更好，能在长时间电解过程保持其电化学特性不变。

本发明中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims (10)

1.一种低压电解水臭氧发生装置，其特征在于，包括：

阳极组件，所述阳极组件包括阳极集流体，所述阳极集流体内能够容纳电解质溶液，所述阳极集流体具有阳极进水口和阳极出水口，所述阳极进水口和所述阳极出水口均与所述阳极集流体的内腔相连通；

阴极组件，所述阴极组件包括阴极集流体，所述阴极集流体内能够容纳电解质溶液，所述阴极集流体具有阴极进水口和阴极出水口，所述阴极进水口和所述阴极出水口均与所述阴极集流体的内腔相连通；

膜电极组件，所述膜电极组件包括阳极电极片、质子交换膜和阴极电极片，所述阳极电极片位于所述阳极集流体与所述质子交换膜之间，所述阳极电极片能够与所述阳极集流体内的所述电解质溶液相接触，所述阴极电极片位于所述阴极集流体与所述质子交换膜之间，所述阴极电极片能够与所述阴极集流体内的所述电解质溶液相接触，所述阳极电极片与所述阴极电极片分别位于所述质子交换膜的两侧，电解产生的离子能够穿过所述阴极电极片、所述质子交换膜和所述阳极电极片并形成回路，所述阳极电极片和所述阴极电极片能够与外部电源相连。

2.根据权利要求1所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极集流体朝向所述阳极电极片的一侧以及所述阴极集流体朝向所述阴极电极片的一侧均设置导流沟槽，所述阳极电极片和所述阴极电极片均利用所述导流沟槽与所述电解质溶液相接触。

3.根据权利要求2所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述导流沟槽为多个首尾相连的S形结构。

4.根据权利要求2所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极集流体朝向所述阳极电极片的一侧面以及所述阴极集流体朝向所述阴极电极片的一侧面的开孔率均为40％-60％，所述开孔率为所述导流沟槽的面积与其所在的所述阳极电极片或所述阴极电极片的所在面的面积之比。

5.根据权利要求1所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极集流体与所述阳极电极片之间以及所述阴极集流体与所述阴极电极片之间均设置密封垫圈。

6.根据权利要求1所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极集流体与所述阴极集流体均为长方体结构，所述阳极电极片、所述阴极电极片以及所述质子交换膜均为矩形板状结构。

7.根据权利要求1所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极集流体和所述阴极集流体均由钛合金材质制成，所述阳极电极片和所述阴极电极片均由硼掺杂金刚石材质制成。

8.根据权利要求1-7任一项所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极进水口和所述阳极出水口均设置于所述阳极集流体远离所述阳极电极片的一侧，所述阴极进水口和所述阴极出水口均设置于所述阴极集流体远离所述阴极电极片的一侧。

9.根据权利要求1所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极电极片、所述质子交换膜和所述阴极电极片压合为一体结构形成所述膜电极组件。

10.根据权利要求1所述的低压电解水臭氧发生装置，其特征在于：所述阳极组件、所述阴极组件和所述膜电极组件压合为一体结构。

Images