CN117531345A

CN117531345A - 用于除味和消毒清洗的电化学方法及电解池装置、系统

Info

Publication number: CN117531345A
Application number: CN202410027033.9A
Authority: CN
Inventors: 王中利; 李洪正
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2024-01-09
Filing date: 2024-01-09
Publication date: 2024-02-09
Anticipated expiration: 2044-01-09
Also published as: CN117531345B

Abstract

用于除味和消毒清洗的电化学方法及电解池装置、系统，该电化学方法包括：将含有异味分子和病菌的空气通入由阴极、阳极和电解液组成的电解池中；在外加电压作用下，异味分子和病菌在阴极或阳极被氧化成溶于水的离子或破坏病毒的化学结构，实现除味和消毒；阴极间接氧化包括：在阴极发生氧气的还原反应，生成的过氧化氢将异味分子氧化并消杀病菌；阳极氧化包括：在阳极发生的水氧化过程中电极表面产生的*OH、*O、*OOH活性氧物种将异味分子和病菌直接氧化。本发明的电化学方法通过阴极氧还原反应生成的过氧化氢和阳极产生的活性氧共同作用于异味分子、细菌和病毒，较大地提高了异味去除和消毒杀菌的效率。

Description

用于除味和消毒清洗的电化学方法及电解池装置、系统

技术领域

本发明涉及水净化处理、空气净化和消毒杀菌技术领域，尤其涉及一种用于除味和消毒清洗的电化学方法及电解池装置、系统。

背景技术

通常像厕所这种阴暗、潮湿、透风差的环境下，通常有较大量的化学物质产生和排放，化学物质中主要的成分有氨、三乙胺，硫化氢、硫化铵和吲哚等含氮化合物和含硫化合物，这些化学物质不仅造成了难闻的气味，还形成了各种细菌、病原菌、病毒和寄生虫卵等微生物生长与繁殖的温床。包括细菌在内的微生物会不断滋生、裂变、腐败、发酵，这些化学物质如不能得到及时的清洁，容易悬浮在空气中并渗透在厕所这种空间的每个角落，不仅造成难闻的气味，还极大地危害人体健康。

目前异味去除的方法主要有手工清洁、喷香机、排气扇、蒸汽、84消毒、高压清洗机等方法，其中，手工清洁方法不仅效率低而且清洁根本不彻底；喷香机产生的香精和异味混合被吸入人体，除了气味更难闻，也可能会更加危害人们的身体健康；单纯的排气扇不能彻底解决厕所源源不断的异味问题；高压蒸汽本身存在一定的安全隐患，蒸汽产生的湿度也让细菌和微生物更难散发出去，这些传统方法也无法对空气中的细菌和病毒进行消杀。

因此，亟需寻找一种用于除味、消毒和清洗的方法，以解决上述问题。

发明内容

针对上述技术问题，本发明提供一种用于除味和消毒清洗的电化学方法及电解池装置、系统，以期至少部分地解决上述提及的技术问题中的至少之一。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

作为本发明的一个方面，提供了一种用于除味和消毒清洗的电化学方法，包括：将含有异味分子和病菌的空气通入由阴极、阳极和电解液组成的电解池中，异味分子和病菌吸附于电极上或分散在电解液中；在外加电压作用下，通过阴极间接氧化和阳极直接氧化，异味分子和病菌被氧化成可溶于水的离子或破坏病毒的化学结构，实现除味和消毒；其中，阴极间接氧化包括：在阴极发生氧气的还原反应，生成过氧化氢并扩散到电解液中将异味分子氧化和消杀病菌；阳极直接氧化包括：在阳极发生的水氧化过程中电极表面产生的*OH、*O、*OOH活性氧物种将异味分子和病菌直接氧化。

根据本发明的一些实施例，外加电压为12~96V的直流电压。

根据本发明的一些实施例，通入含有异味分子和病菌的空气流量为5-20L/min。

作为本发明的另一个方面，还提供了一种电解池装置，用于实现如上述的电化学方法，包括：密闭容器、曝气组件和电极组件；密闭容器用于容纳电解液，密闭容器包括阳极区域和阴极区域，阳极区域位于阴极区域的两侧；曝气组件设置于密闭容器的底部，适用于向阴极区域输送含有异味分子和病菌的空气；电极组件设置于密闭容器内，并设置于曝气组件的上方，电极组件包括：2个阳极，2个阳极平行间隔设置于阳极区域，适用于以阳极氧化的方式将异味分子直接氧化以及对病菌进行消杀；多个阴极，设置于阴极区域中，多个阴极沿空气上浮的方向倾斜地交错设置，以便形成供空气流动的弯折通道，适用于以阴极还原的方式将氧气转化为过氧化氢，得到适用于将异味分子氧化以及对病菌进行消杀的过氧化氢消毒液。

根据本发明的一些实施例，阴极的材料包括富含氮和氧官能团的碳基材料。其中，富含氮和氧官能团的碳基材料通过递进式氧化制得：将第一碳基材料浸入硝酸溶液中，在50~100℃进行预氧化处理3~9h，得到亲水性的第二碳基材料；将第二碳基材料进行10~30min的电氧化处理，使得第二碳基材料中的石墨氮转变为吡啶氮和吡咯氮，并生成羧基和碳氧双键；第一碳基材料包括石墨毡、碳纤维毡、氮掺杂的碳中的至少一种，电氧化处理的电解液为自来水，或者电氧化处理的电解液为含酸，或含碱，或含盐的溶液。

根据本发明的一些实施例，电解池装置的电解液为自来水或金属盐溶液；阳极的材料包括经过阳极氧化活化处理的金属材料，阳极的表面为金属氧化物和金属羟基氧化物，金属材料包括不锈钢材料，阳极被构造成网状结构，网状结构的目数为1000~3500；电解池装置还包括电源控制器，通过导线与电极组件电性连接，适用于为电极组件提供电子流动。

根据本发明的一些实施例，阴极、阳极被配置为通过阴阳极交替的方式进行再活化。

根据本发明的一些实施例，曝气组件包括：曝气池和微孔曝气器。曝气池设置于密闭容器的底部，适用于接受来自于外部的含异味分子和病菌的空气；微孔曝气器安装于曝气池上，适用于将曝气池内空气以微泡形式鼓入阴极区域。

根据本发明的一些实施例，还提供了一种用于除味和消毒清洗的系统，包括：如上述的电解池装置、待消毒清洗的卫生洁具和抽水泵。抽水泵的抽水端与电解池装置连通，抽水泵的出水端与卫生洁具连通，适用于将电解池装置内过氧化氢消毒液泵入卫生洁具，以对卫生洁具进行杀菌消毒。

根据本发明的一些实施例，抽水泵的出水端连接两个支路，其中一个支路连接卫生洁具，另一个支路连通外部大气，适用于直接流出过氧化氢消毒液。

作为本发明的再一个方面，还提供了一种如上述的电化学方法或如上述的电解池装置在空气净化、尾气处理以及化学品生产领域的应用。

基于上述技术方案，本发明的用于除味和消毒清洗的电化学方法及电解池装置、系统至少具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

本发明使用的电化学方法通过在阴极发生氧气的还原反应生成过氧化氢，以及在阳极对异味分子和病菌进行直接氧化，实现了阴阳极的共同作用，较大地提高了异味去除的效率。阳极对异味分子和病菌的直接氧化以及阴极生成的过氧化氢共同作用于细菌和病毒，能够引发细菌细胞内分子或原子的电离，从而导致细胞壁上脂链的断裂，破坏细胞壁；能够氧化含有SH的酶，从而干扰细菌的代谢，造成细胞分裂和繁殖的障碍；并且能够导致DHA的磷酸二酯键断裂，从而破坏微生物的遗传物质，从而较大的提高了对异味分子的氧化效率，实现对病菌的消杀。

异味分子中多包含氨、三乙胺，硫化氢、硫化铵和吲哚等含氮化合物和含硫化合物，阳极以直接氧化的方式将异味分子直接氧化以及对病菌进行消杀，使得异味分子中扩散至阳极区域的含氮化合物和含硫化合物在电解液中氧化。阴极区域中空气中的氧气在上浮的过程中发生阴极还原反应，生成过氧化氢。

本发明使用的电极组件中阴极和阳极的材料性质稳定，成本较低，有利于后续进行较大规模的推广。

使用本发明的用于除味和消毒清洗的系统通过电化学作用生成的过氧化氢即产即用，其消毒杀菌效果相对于手动配置效果更好，不会对人体造成危害，并且消毒后不容易造成毒性残留。

附图说明

图1为本发明实施例的用于除味和消毒清洗的电化学方法的除味原理示意图；

图2是本发明实施例的用于除味和消毒清洗的系统的结构示意图；

图3为本发明实施例的用于除味和消毒清洗的系统的消毒和杀菌原理示意图；

图4是本发明实施例的用于除味和消毒清洗的系统的背面示意图；

图5是本发明实施例1的氧化前和氧化后硫化铵溶液的紫外光谱图；

图6是本发明实施例1中在不同反应时间下硫化铵的浓度变化曲线图；

图7是本发明实施例2氧化前和氧化后三乙胺溶液的紫外光谱图；

图8是本发明实施例2中在不同反应时间下三乙胺的浓度变化曲线图；

图9是本发明实施例3的氧化前和氧化后甲醛溶液的紫外光谱图；

图10是本发明实施例3中在不同反应时间下甲醛的浓度变化曲线图；

图11是本发明实施例4的氧化前和氧化后吲哚溶液的紫外光谱图；

图12是本发明实施例5使用电解池装置的消毒杀菌的效果示意图；

图13为本发明实施例6电解池装置中的阴极采用亲水性氧化石墨材料时生成过氧化氢的电流效率曲线图。

【附图标记说明】

1-密闭容器；

110-阳极区域；

120-阴极区域；

2-曝气组件；

210-曝气池；

220-微孔曝气器；

3-电极组件；

310-阳极；

320-阴极；

330-金属支架；

4-导线；

5-电源控制器；

6-卫生洁具；

7-抽水泵；

8-第一阀门；

9-第二阀门；

10-空气泵；

11-导气管。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。

但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本发明的范围。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而，明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。此外，在以下说明中，省略了对公知技术的描述，以避免不必要地混淆本申请的概念。

在此使用的术语仅仅是为了描述具体实施例，而并非意在限制本发明。在此使用的术语“包括”表明了特征、步骤、操作的存在，但是并不排除存在或添加一个或多个其他特征。

在使用类似于“A、B和C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B和C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。在使用类似于“A、B或C等中至少一个”这样的表述的情况下，一般来说应该按照本领域技术人员通常理解该表述的含义来予以解释（例如，“具有A、B或C中至少一个的系统”应包括但不限于单独具有A、单独具有B、单独具有C、具有A和B、具有A和C、具有B和C、和/或具有A、B、C的系统等）。

在此使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有本领域技术人员通常所理解的含义，除非另外定义。应注意，这里使用的术语应解释为具有与本说明书的上下文相一致的含义，而不应以理想化或过于刻板的方式来解释。

需要说明的是,术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

使用目前传统的异味去除方法时，手工清洁效率较低清洁不彻底，喷香机使用的香精与异味混合吸入人体，影响人体健康，排气扇较难解决厕所源源不断的异味问题，高压蒸汽本身存在一定的安全隐患，并且蒸汽带来的湿度也较难让细菌和微生物散发出去。在实现本发明的过程中发现，利用电化学处理的方式，在阴极发生氧气的还原反应生成过氧化氢，在阳极进行对异味分子和病菌直接氧化，阴阳极能够共同作用将异味分子氧化并且对病菌进行灭活或消杀。

有鉴于此，本发明提出了一种用于除味和消毒清洗的电化学方法及电解池装置、系统，阴极发生氧气与两电子进行的还原反应生成过氧化氢，阳极发生异味分子与水之间的直接氧化反应，通过阴极和阳极的协同作用能够较为快速地氧化环境中的异味分子，例如硫化铵、三乙胺、甲醛和吲哚等。并且通过阴极制备得到的过氧化氢与阳极直接氧化的相互作用下，能够较为快速地捕获环境中的致病性病毒和细菌，破坏细菌和病毒的细胞壁、SH酶以及DNA，实现较为高效地广谱灭活消杀，能够有效地去除异味分子以及生产消毒清洗的过氧化氢消毒液。

根据本发明的一种示例性实施例，本发明提供了一种用于除味和消毒清洗的电化学方法，包括步骤S101~S102。

在步骤S101，将含有异味分子和病菌的空气通入由阴极、阳极和电解液组成的电解池中，使异味分子和病菌吸附于电极上或分散在电解液中。

在步骤S102，在外加电压作用下，通过阴极间接氧化和阳极直接氧化，异味分子和病菌被氧化成可溶于水的离子或破坏病毒的化学结构，实现除味和消杀病菌。

其中，阴极间接氧化包括：在阴极发生氧气的还原反应，生成过氧化氢并扩散到电解液中将异味分子氧化和消杀病菌；阳极直接氧化包括：在阳极发生的水氧化过程中电极表面产生的*OH、*O、*OOH活性氧物种将异味分子和病菌直接氧化。

根据本发明的一些实施例，本发明使用的电化学方法通过在阴极发生氧气的还原反应生成过氧化氢，以及在阳极对异味分子和病菌进行直接氧化，实现了阴阳极的共同作用，较大地提高了异味去除的效率。阳极对异味分子和病菌的直接氧化以及阴极生成的过氧化氢共同作用于细菌和病毒，能够引发细菌细胞内分子或原子的电离，从而导致细胞壁上脂链的断裂，破坏细胞壁；能够氧化含有SH的酶，从而干扰细菌的代谢，造成细胞分裂和繁殖的障碍；并且能够导致DHA的磷酸二酯键断裂，从而破坏微生物的遗传物质，从而较大的提高了对异味分子的氧化效率，实现对病菌的消杀和灭活。

图1为本发明实施例的用于除味和消毒清洗的电化学方法的除味原理示意图。如图1所示，具体地，以氨、三乙胺，硫化氢、硫化铵和吲哚等含氮化合物和含硫化合物等异味分子为例，阴极发生的化学反应包括：

O₂+2H⁺+2e⁻→H₂O₂

（NH₄）₂S+H₂O₂→NO₃ ^-+SO₄ ^-+H₂O

C₆H₁₅N+H₂O₂→R-NO₃+NO₃ ^-+H₂O

HCHO+H₂O₂→HCOOH+H₂O

C₈H₇N+H₂O₂→R-CO-L+R-N=N-R

阳极发生的化学反应包括：

（NH₄）₂S+[O]→NO₃ ^-+SO₄ ^-

R₃-N+[O]→R-NO₃+NO₃ ^-

HCHO+[O]→HCOOH

C₈H₇N+[O]→R-CO-L+R-N=N-R

其中，R代表烃基，[O]代表活性氧物种，例如*OH、*O、*OOH。

根据本发明的一些实施例，外加电压为12~96V的直流电压，例如可以为12V、20V、30V、40V、50V、60V、70V、80V、90V或96V，但并不以此为限。通入含有异味分子和病菌的空气流量为5-20L/min，例如可以为5L/min、10L/min、15L/min或20L/min，但并不以此为限。

图2是本发明实施例的用于除味和消毒清洗的系统的结构示意图。图3为本发明实施例的用于除味和消毒清洗的系统的消毒和杀菌原理示意图。

根据本发明的一种示例性实施例，本发明还提供了一种电解池装置，请参考图2~图3，包括：密闭容器1、曝气组件2和电极组件3。密闭容器1用于容纳电解液，密闭容器1包括阳极区域110和阴极区域120，阳极区域110位于阴极区域120的两侧。曝气组件2设置于密闭容器1的底部，适用于向阴极区域120输送含有异味分子和病菌的空气。电极组件3设置于密闭容器1内，并设置于曝气组件2的上方，电极组件3包括：2个阳极310和多个阴极320。2个阳极310平行间隔设置于阳极区域110，适用于以阳极氧化的方式将异味分子直接氧化以及对病菌进行灭活或消杀。多个阴极320设置于阴极区域120中，多个阴极320沿空气上浮的方向倾斜地交错设置，以便形成供空气流动的弯折通道，适用于以阴极还原的方式将氧气转化为过氧化氢，得到适用于将异味分子氧化以及对病菌进行消杀或灭活的过氧化氢消毒液。

根据本发明的一些实施例，阳极310以直接氧化的方式将异味分子直接氧化以及对病菌进行消杀，使得异味分子中扩散至阳极区域110的含氮化合物和含硫化合物在电解液中氧化。阴极区域120中空气中的氧气在上浮的过程中发生阴极还原反应，生成过氧化氢，过氧化氢能够将异味分子氧化为无气味并且溶于水的物质，同时能够消杀环境中的致病性病毒和细菌。并且通过多个阴极320倾斜地交错设置，提高了异味分子和病菌在电解池装置中的留存时间，有利于对异味分子的氧化和对病菌的消杀或灭活。

本发明通过阴极320形成的过氧化氢与阳极310金属氧化物或羟基氧化物上直接的氧化反应共同作用，较大地提高了异味去除效率。

根据本发明的一些实施例，本发明电解池装置的电极组件3，其阴极320和阳极310材料性质稳定，成本较低，有利于较大规模地应用。

根据本发明的一些实施例，阴极320生成的过氧化氢消毒液不仅比传统方法生成的过氧化氢活性高，并且具有较强的氧化能力，能够将异味分子，例如氨、三乙胺，硫化氢、硫化铵和吲哚等含氮化合物和含硫化合物氧化为没有气味且溶于水的物质，并且不会造成二次污染，同时过氧化氢能够破坏细菌和病毒的DNA、溶菌酶以及细胞壁，是一种较高效率、较高效能、使用方便、无毒和无腐蚀性的消毒剂，能杀灭各种微生物，对细菌繁殖体、病毒、真菌和芽孢均有较强的杀灭作用。阳极310发生氧化反应，能够直接把异味分子和空气中的细菌和病毒氧化，因而，阴阳极共同发挥作用使得异味去除和杀菌消毒效率较大地增加了。

根据本发明的一些实施例，电解池装置的电解液为自来水或金属盐溶液。阳极310的材料包括经过阳极氧化活化处理的金属材料，经过原位活化的金属材料能够形成金属氧化物或羟基氧化物，提供了阳极氧化反应的活性位点，为氧析出反应提供催化作用。阳极310表面的金属氧化物或羟基氧化物提供了氧析出反应的催化活性位点，使得异味分子中扩散至阳极区域的含氮化合物和含硫化合物在电解液中氧化，阳极310表面的金属氧化物或羟基氧化物能够直接发生氧化反应，对阳极310内部的材料起到了保护作用。金属材料包括不锈钢材料，阳极310被构造成网状结构，网状结构的目数为1000~3500，例如可以是1000、1500、2000、2500、3000或3500，但并不以此为限。相关技术中，阳极310通常采取以金属钛负载的贵金属铱、钌氧化物为主，其成本较高，较难大规模应用。而由于本发明中选用了低成本的稳定的不锈钢材料，并使用自来水作为电解液无需加入额外的盐，简化了电解过程，使用更为方便。电解池装置还包括：电源控制器5，通过导线4与电极组件3电性连接，适用于为电极组件3提供电子流动。电源控制器5用于控制该电解池装置电源的关闭和开启。图4是本发明实施例的用于除味和消毒清洗的系统的背面示意图。如图4所示，电源控制器5的直流电压为12~96V，其直流电压如上述的电化学处理的直流电压，在此不再赘述。电源控制器5例如可以包括直流电源控制器，直流电源控制器与外部电源电性连接，外接198V/242V的交流电，通过变压得到直流电压为12~96V之间。

根据本发明的一些实施例，将阳极310的金属材料在有机溶剂中超声处理，以去除附着在其表面的有机物质，再进行水洗、干燥后，置于电解槽中进行阳极310电氧化，阳极310电氧化根据需要使用碳酸钠作为支持电解液，在恒电流下进行电氧化处理。阳极310包括经过阳极氧化活化处理的金属材料，为氧析出反应提供催化作用。金属材料经电氧化处理，在阳极310表面产生一层致密的金属氢氧化物或羟基氧化物，其对氧析出反应具有较高活性而对过氧化氢分解呈现惰性，同时对阳极310内部的金属起到保护作用。

根据本发明的一些实施例，电极组件3还包括：两个金属支架330，金属支架330平行间隔设置于2个阳极310之间，以固定多个阴极320，多个阴极320与金属支架330的夹角为20~70°，例如可以是20°、30°、40°、50°、60°或70°，但并不以此为限。优选地，多个阴极320与金属支架330的夹角为30°。金属支架330上还设置有金属卡槽，适用于固定倾斜的阴极320，多个阴极320倾斜地交错设置，用于增加异味分子在电解池中的停留时间，从而提高氧化异味分子的效率。阴极320的两侧以及相向设立的阴极320之间的交界处还设置有挡板（图中未示出），用于增加异味分子在电解池中的停留时间，从而使反应更充分。

根据本发明的一些实施例，富含氮和氧官能团的碳基材料通过递进式氧化制得：将第一碳基材料浸入硝酸溶液中，在50~100℃进行预氧化处理3~9h，得到亲水性的第二碳基材料。将第二碳基材料进行10~30min的电氧化处理，使得第二碳基材料中的石墨氮转变为吡啶氮和吡咯氮，并生成羧基和碳氧双键。第一碳基材料包括石墨毡、碳纤维毡、氮掺杂的碳中的至少一种，电氧化处理的电解液为自来水，或者电氧化处理的电解液为含酸，或含碱，或含盐的溶液。本发明的阴极320材料包括富含氮和氧官能团的碳基材料，在阳极电势作用下，碳基材料中的石墨氮转化为吡啶氮和吡咯氮，使得碳基材料表面产生更多羧基和碳氧双键基团，含氮和氧官能团的碳基材料的缺陷增多，提供了氧气还原生成过氧化氢的催化活性位点。

根据本发明的一些实施例，通过将第一碳基材料浸入硝酸溶液中进行预氧化处理，由于硝酸的强氧化性，能够氧化第一碳基材料表面的碳原子，形成含氧官能团，由于引入的含氧官能团具有极性，能够与电解液中的水分子发生氢键相互作用，提高第一碳基材料表面与电解液的相互作用力，从而增强第一碳基材料的亲水性能，当与电解液接触时，有利于两者之间的电子转移，从而得到亲水性的第二碳基材料。进一步地，在自来水或各种含盐、含酸、含碱的溶液作为电解液进行电氧化时，例如可以使用草酸铵溶液作为电解液，在阳极电势作用下，第二碳基材料中的石墨氮转化为吡啶氮和吡咯氮的同时，表面产生更多的羧基和碳氧双键基团。在对碳基材料进行递进式氧化处理后，不仅官能团显著增多，微观形貌也发生很大变化，相较于未处理的第一碳基材料，富含氮和氧官能团的碳基材料的表面沟壑增多，粗糙度增大，呈现无规律的分布状态，缺陷增多，这将增大反应活性面积，有利于氧气还原反应生成过氧化氢。

根据本发明的一些实施例，第一碳基材料例如可以包括石墨毡、石墨板、碳毡或氮掺杂的多孔碳中的至少一种。

根据本发明的一些实施例，在将第一碳基材料浸入硝酸溶液前对第一碳基材料依次进行超声、水洗和干燥处理。先将第一碳基材料置于有机溶剂中进行超声处理，例如可以使用乙醇溶剂，以去除附着在第一碳基材料表面的有机物质。再对第一碳基材料进行水洗，以去除第一碳基材料上掺杂的有机溶剂，然后进行干燥处理，以保证经过预处理的碳基表面的清洁。

根据本发明的一些实施例，阴极320、阳极310被配置为通过阴阳极交替的方式进行再活化。在进行本发明相关预实验时发现，在阴阳极经历500次使用后，过氧化氢的产量略有下降，此时将阴极320和阳极310进行倒置，也就是使用富含氮和氧官能团的碳基材料作为阳极310，使用电氧化金属材料作为阴极320，对第二碳基材料进行重新氧化，其中氧化时长为170~190min，可以是170min、180min或190min，氧化电流为50~70mA，可以是50mA、60mA或70mA，使得该电极组件3能够达到较高的过氧化氢产量的同时，该电极组件3的稳定性能够达到1000次循环使用，通过阴阳极交替再活化能够有效地延长该电极组件3的使用寿命，该电极组件3能够循环使用几千次，其使用周期能够达到1~2年或者更久。

根据本发明的一些实施例，曝气组件2包括：曝气池210和微孔曝气器220。曝气池210设置于密闭容器1的底部，适用于接受来自于外部的含异味分子和病菌的空气。微孔曝气器220，微孔曝气器220安装于曝气池210上，适用于将曝气池210内空气以微泡形式鼓入阴极区域120，微孔曝气器220将鼓入的气泡变小，从而延长异味气体在电解池中的停留时间。

根据本发明的一种示例性实施例，还提供了一种用于除味和消毒清洗的系统，包括：如上述的电解池装置、卫生洁具6和抽水泵7。抽水泵7的抽水端与电解池装置连通，抽水泵7的出水端与卫生洁具6连通，适用于将电解池装置内过氧化氢消毒液泵入卫生洁具6，以对卫生洁具6进行杀菌消毒。

根据本发明的一些实施例，抽水泵7的抽水侧放置于密闭容器1内，用于将密闭容器1中的液体抽出，抽水泵7的出水端与卫生洁具6连通，用于去除卫生洁具6内部的异味和杀菌消毒。

根据本发明的一些实施例，抽水泵7的出水端连接两个支路，其中一个支路连接卫生洁具6，另一个支路连通外部大气，适用于直接流出过氧化氢消毒液。流出的过氧化氢消毒液可以对密闭空间进行杀菌消毒，例如对厕所的地板、墙壁、室内家具等物体进行清洗消毒。

根据本发明的一些实施例，该系统还包括第一阀门8和第二阀门9，其中第一阀门8设置于与卫生洁具6相连的支路上，用于控制使用在卫生洁具6上的过氧化氢消毒液的用量；第二阀门9设置于连通外部大气的另一个支路上，使用于控制另一支路上过氧化氢消毒液的流出的开启和关闭。

根据本发明的一些实施例，该系统还包括空气泵10，空气泵10通过导气管11与曝气池210相连通，适用于将含异味分子和病菌的空气输送至曝气池210，进而向电解池装置的阴极320底部输送含异味分子和病菌的空气，使得在阴极320的电催化作用下将空气中的氧气还原成过氧化氢。

根据本发明的一些实施例，抽水泵7的功率为5~20W，例如可以为5W、6W、7W、8W、9W、10W、11W、12W、13W、14W、15W、16W、17W、18W、19W或20W，但并不以此为限。抽水泵7的流量为500~3000L/Hr，例如可以为500L/Hr、1000L/Hr、1500L/Hr、2000L/Hr、2500L/Hr或3000L/Hr，但并不以此为限。

根据本发明的一些实施例，空气泵10的功率为5~20W，例如可以为5W、6W、7W、8W、9W、10W、11W、12W、13W、14W、15W、16W、17W、18W、19W或20W，但并不以此为限。空气泵10鼓入的空气流速为2~20L/min，例如可以为2L/min、3L/min、4L/min、5L/min、6L/min、7L/min、8L/min、9L/min、10L/min、11L/min、12L/min、13L/min、14L/min、15L/min、16L/min、17L/min、18L/min、19L/min或20L/min，但并不以此为限。

根据本发明的一些实施例，阴极320可根据扩展电解槽的大小，设置为10cm×10cm或者20cm×20cm的规格，可根据需要进行尺寸调整。阴极320的数量可根据需要调整为1片、2片、3片、4片、5片、10片或者更多，通过设置阴极320的数量不同，能够去除不同浓度的异味源。

根据本发明的一些实施例，阴极320和阳极310的电流密度在0.5~10mA/cm²，例如可以是0.5mA/cm²、1mA/cm²、2mA/cm²、3mA/cm²、4mA/cm²、5mA/cm²、6mA/cm²、7mA/cm²、8mA/cm²、9mA/cm²或10mA/cm²，但并不以此为限。阴极320和阳极310的电流密度具体为1~4mA/cm²的条件下运行40min后，该系统对异味分子的消除率达到90%以上，电流效率在95%以上，同时采用阴阳极交替再活化技术，能够有效延长电极的使用寿命。该电解池装置采用插槽式设计，阴极数量能够调整，电流密度方便调控，拓展性较强。

根据本发明的一种示例性实施例，还提供了一种如上述的系统在厕所异味去除和消毒清洗中的应用。

根据本发明的实施例，通过使用该系统，对异味分子的消除率达到90%以上，且无需加入额外的盐做电解液，使用方便。本发明的实施例通过调整阴极的个数，能够应用于家庭、工厂以及公共场所的厕所异味去除和消毒清洗等领域。使用本发明的生产过氧化氢的电解池装置通过电化学作用生成的过氧化氢即产即用，其消毒杀菌效果相对于手动配置效果更好，不会对人体造成危害，并且消毒后不容易造成毒性残留。

根据本发明的实施例，阳极310使用原位电氧化活化网状金属材料，阴极320使用氧化的富含氮和氧官能团的碳基材料，能够在提高制备过氧化氢稳定性的同时，简化电解过程，使用上更为方便，有利于在工业上推广。

根据本发明的一种示例性实施例，还提供了如上述的电化学方法或如上述的电解池装置在空气净化、尾气处理以及化学品生产领域的应用。

根据本发明的实施例，通过阳极310和阴极320的相互配合，能够将空气或尾气中污染物分子较为高效地进行电化学转化，以及通过阴极320的电还原和阳极的电氧化合成具有较高附加值的化学品。

以下通过实施例、附图和相关测试实验及其结果来进一步说明本发明。在下面的详细描述中，为便于解释，阐述了许多具体的细节以提供对本发明实施例的全面理解。然而明显地，一个或多个实施例在没有这些具体细节的情况下也可以被实施。而且，在不冲突的情况下，以下各实施例中的细节可以任意组合为其它可行实施例。

需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。下述实施例中使用的化学药品和原料均为市售所得或通过公认的处理方法自制得到。

下面通过具体实施例来详细说明本发明的电解池装置的除味效果。

实施例

本实施例1提供了电解池装置对硫化铵的去除效果。

电解条件：采用如图2和图4的电解池装置，电解液直接采用自来水，加入25mg硫化铵，在3mA/cm²的恒电流条件下电解40min，通入空气流量为5-20L/min。阳极310为氧化活化处理的金属材料，阴极320为氧化碳基材料，多个阴极320倾斜30°交替设置于多个阳极310之间，每片阴极320的氧化碳基材料的表观面积为100cm²，将多片氧化碳基的阴极320连入电路。在电解槽出水口取样，用紫外分光光度计监测氧化前和氧化后电解池中溶液的成分。

图5是本发明实施例1的氧化前和氧化后硫化铵溶液的紫外光谱图。如图5所示，氧化前硫化铵溶液在230nm处出现一个吸收峰，这代表了硫化铵的吸收峰，可以明显地看出氧化后硫化铵溶液中硫化铵的吸收峰大幅度下降，这就表示使用本发明的电解池装置可以有效地氧化硫化铵来达到去除异味的目的。

用紫外分光光度计在230nm处定量测量硫化铵浓度，图6是本发明实施例1中在不同反应时间下硫化铵的浓度变化曲线图，如图6所示，在10min后去除了80%的硫化铵，当延长时间后硫化铵去除速度明显下降，当时间延长到40min后，能够去除90%的硫化铵，再进一步延长时间硫化铵的浓度几乎没有发生变化，这是因为剩余的极少量硫化铵能够溶解在自来水中且不会挥发到空气中，不会对空气造成异味污染，当该电解池装置应用于家庭中去除空气中的硫化铵时，由于空气中挥发的硫化铵含量很低，所以在实际应用中电解时间设置在10-20min即可，若该电解池装置应用于工厂中去除空气中的硫化铵时，可延长电解时间或增加氧化碳基材料阴极的片数。

实施例

本实施例2提供了电解池装置对三乙胺的去除效果。

本实施例2的电解过程与实施例1大体相同，在此不再赘述。其不同之处在于，将实施例1中加入的25mg硫化铵替换为30mg三乙胺。

图7是本发明实施例2氧化前和氧化后三乙胺溶液的紫外光谱图。如图7所示，氧化前三乙胺溶液在210nm处出现一个吸收峰，这代表了三乙胺的吸收峰，氧化后可以明显地看出三乙胺的吸收峰大幅度下降且在280nm和370nm处出现了一个新峰，其中280nm处的峰归因于无机硝酸盐的紫外吸收峰，370nm处的峰归因于有机硝酸盐的紫外吸收峰，这就证明了电化学氧化方法可以有效地将三乙胺氧化为有机和无机硝酸盐来达到去除异味的目的。

用紫外分光光度计在210nm处定量测量硫化铵浓度，图8是本发明实施例2中在不同反应时间下三乙胺的浓度变化曲线图。如图8所示，在10min后去除了80%的三乙胺，当延长时间后三乙胺去除速度明显下降，当时间延长到40min后，能够去除超过90%的三乙胺，再延长时间后三乙胺浓度几乎没有发生变化，这是因为剩余的极少量三乙胺溶解在自来水中且不会挥发到空气中，不会对空气造成异味污染，当该电解池装置应用于家庭中去除空气中的三乙胺时，由于空气中挥发的三乙胺含量很低，所以在实际应用中电解时间设置在10-20min即可，若该电解池装置应用于工厂中去除空气中的三乙胺时，可延长电解时间或增加氧化碳基材料阴极的片数。

实施例

本实施例3提供了电解池装置对甲醛的去除效果。

本实施例3的电解过程与实施例1大体相同，在此不再赘述。其不同之处在于，将实施例1中加入的25mg硫化铵替换为30mg甲醛。

图9是本发明实施例3的氧化前和氧化后甲醛溶液的紫外光谱图。如图9所示，氧化前甲醛溶液在200-800nm处没有吸收峰，这是因为甲醛的紫外吸收峰为185nm，氧化后可以明显地看出在200nm处出现了一个新峰，其中200nm处的峰归因于甲酸的紫外吸收峰，这就证明了电化学氧化方法可以有效地将甲醛氧化为甲酸来达到去除异味气体的目的。

用乙酰丙酮分光光度法测量甲醛浓度，图10是本发明实施例3中在不同反应时间下甲醛的浓度变化曲线图。如图10所示，使用该电解池装置去除甲醛效果明显，当延长时间后甲醛去除速度稍微下降，当时间延长到40min后，能够去除超过98%的甲醛，再延长时间后甲醛浓度几乎没有发生变化，这是因为剩余的极少量甲醛溶解在自来水中且不会挥发到空气中，不会对人体造成伤害，当该电解池装置应用于家庭中去除空气中的甲醛时，由于空气中挥发的甲醛含量很低，所以在实际应用中电解时间设置在10-20min即可，若该电解池装置应用于工厂中去除空气中的甲醛时，可延长电解时间或增加氧化碳基材料阴极的片数。

实施例

本实施例4提供了电解池装置对吲哚的去除效果。

本实施例4的电解过程与实施例1大体相同，在此不再赘述。其不同之处在于，将实施例1中加入的25mg硫化铵替换为15mg吲哚。

在实验过程中发现，氧化前的吲哚溶液为淡黄色且溶解度很小，电解池底部还有未溶解的吲哚固体，氧化后的吲哚溶液变为深黄色且底部吲哚固体消失，这可以说明电化学氧化方法可以有效地去除吲哚。图11是本发明实施例4的氧化前和氧化后吲哚溶液的紫外光谱图。如图11所示，氧化前吲哚溶液在200nm和290nm处有明显吸收峰，其中200nm处的峰归因于吲哚在溶于水后生成羧基衍生物的的紫外吸收峰，290nm处为吲哚的紫外吸收峰，氧化后可以明显地看出吲哚的吸收峰大幅度下降且在350nm出现了一个新峰，其中350nm处的峰归因于脂肪族偶氮化合物的紫外吸收峰，这就证明了电化学氧化方法可以有效地将吲哚氧化为没有气味的物质来达到去除异味的目的。

实施例

本实施例5提供了电解池装置的消毒杀菌效果。

电解条件：采用如图1~2和图5的电解池装置，电解液直接采用自来水，在3mA/cm²恒电流条件下电解40min，通入空气量为5-20L/min。阳极310为氧化活化处理的金属材料，阴极320为氧化碳基材料，多个阴极320倾斜30°交替设置于多个阳极310之间，每片阴极320的氧化碳基材料的表观面积为100cm²，将多片氧化碳基的阴极320连入电路。在电解槽出水口取样进行杀菌实验。

消毒剂实验室杀菌效果检验方法依据为GB/T38502-2020。采用革兰氏阴性大肠杆菌（E.coil）和革兰氏阳性金黄色葡萄球菌（S.aureus）评价本实施例5中使用电解池装置的消毒杀菌效果。

实验过程：向48孔板中加入100微升的样品溶液，随后加入含有200微升细菌悬浮液（10⁴CFU/mL）的无菌磷酸盐缓冲液，然后将它们在恒温器中37℃的条件下孵育6小时，同时使用不加样品溶液的细菌培养基作为对照。将上述共培养物转移到100μL的固体琼脂培养基中，然后在37℃下孵育16~24h，计数、照相和记录琼脂平板上的集落形成单位，每组实验重复三次。

图12是本发明实施例5使用电解池装置的消毒杀菌效果图。如图12所示，阴极320间接氧化生成的过氧化氢和阳极310直接氧化共同作用于细菌和病毒，这能够引发细菌细胞内分子或原子的电离，从而导致细胞壁上脂链的断裂，破坏细胞壁；也能够氧化含有SH基的酶，使这些酶失去活性，从而干扰细菌的代谢，造成细胞分裂和繁殖的障碍；同时能够导致DNA的磷酸二酯键的断裂，从而破坏微生物的遗传物质。所以该电解池装置几乎将100%的细菌杀灭，能够满足杀菌消毒的需求。

实施例

本实施例6提供了电解池装置中的阴极320采用亲水性氧化石墨材料时生成过氧化氢的电流效率。

电解条件：采用H-Cell，电解池中的电解液直接采用自来水，3mA/cm²恒电流条件下电解40min，通入空气量为5-20/min。阳极310为氧化活化处理的金属材料，阴极320为亲水性氧化石墨材料，空气泵10通过导管11将带有异味分子的空气鼓入至阴极320的底部。在电解池装置出水口取样监测水中过氧化氢浓度，用草酸钛钾法测量过氧化氢浓度。

图13为本发明实施例6电解池装置中的阴极采用亲水性氧化石墨材料时生成过氧化氢的电流效率曲线图。如图13所示，由于电解池装置中阴极320使用亲水性氧化石墨材料，生成过氧化氢的效率在40min内均超过98%，这一方面说明电流几乎全部用来生成过氧化氢；另一方面说明在亲水性氧化石墨材料的阴极320上几乎没有发生其他副反应，这也保证了该电解池装置在实际应用上的节能性与安全性。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种用于除味和消毒清洗的电化学方法，其特征在于，包括：

将含有异味分子和病菌的空气通入由阴极、阳极和电解液组成的电解池中，使异味分子和病菌吸附于电极上或分散在电解液中；

在外加电压作用下，通过阴极间接氧化和阳极直接氧化，异味分子和病菌被氧化成溶于水的离子或破坏病毒的化学结构，实现除味和消杀病菌；

其中，所述阴极间接氧化包括：在阴极发生氧气的还原反应，生成过氧化氢并扩散到电解液中将异味分子氧化和消杀病菌；

所述阳极直接氧化包括：在阳极发生的水氧化过程中电极表面产生的*OH、*O、*OOH活性氧物种将异味分子和病菌直接氧化。

2.根据权利要求1所述的电化学方法，其特征在于，所述外加电压为12~96V的直流电压；通入所述含有异味分子和病菌的空气流量为5-20L/min。

3.一种电解池装置，用于实现如权利要求1或2所述的电化学方法，其特征在于，包括：

密闭容器（1），用于容纳电解液，所述密闭容器（1）包括阳极区域（110）和阴极区域（120），所述阳极区域（110）位于所述阴极区域（120）的两侧；

曝气组件（2），设置于所述密闭容器（1）的底部，适用于向所述阴极区域（120）输送含有异味分子和病菌的空气；

电极组件（3），设置于所述密闭容器（1）内，并设置于所述曝气组件（2）的上方，所述电极组件（3）包括：

2个阳极（310），2个所述阳极（310）平行间隔设置于所述阳极区域（110），适用于以阳极氧化的方式将所述异味分子直接氧化以及对所述病菌进行消杀；

多个阴极（320），设置于所述阴极区域（120）中，多个所述阴极（320）沿空气上浮的方向倾斜地交错设置，以便形成供空气流动的弯折通道，所述阴极（320）适用于以阴极还原的方式将氧气转化为过氧化氢，得到适用于将所述异味分子氧化以及对所述病菌进行消杀的过氧化氢消毒液。

4.根据权利要求3所述的电解池装置，其特征在于，所述阴极（320）的材料包括富含氮和氧官能团的碳基材料，其中，所述富含氮和氧官能团的碳基材料通过递进式氧化制得：

将第一碳基材料浸入硝酸溶液中，在50~100℃进行预氧化处理3~9h，得到亲水性的第二碳基材料；

将所述第二碳基材料进行10~30min的电氧化处理，使得所述第二碳基材料中的石墨氮转变为吡啶氮和吡咯氮，并生成羧基和碳氧双键；

其中，所述第一碳基材料包括石墨毡、碳纤维毡、氮掺杂的碳中的至少一种，所述电氧化处理的电解液为自来水，或者所述电氧化处理的电解液为含酸，或含碱，或含盐的溶液。

5.根据权利要求4所述的电解池装置，其特征在于，所述电解池装置的电解液为自来水或金属盐溶液；所述阳极（310）的材料包括经过阳极氧化活化处理的金属材料，所述阳极（310）的表面为金属氧化物和金属羟基氧化物，所述金属材料包括不锈钢材料，所述阳极（310）被构造成网状结构，所述网状结构的目数为1000~3500；

所述电解池装置还包括：电源控制器（5），通过导线（4）与所述电极组件（3）电性连接，适用于为所述电极组件（3）提供电子流动。

6.根据权利要求3~5中任一项所述的电解池装置，其特征在于，所述阴极（320）、阳极（310）被配置为通过阴阳极交替的方式进行再活化。

7.根据权利要求3~5中任一项所述的电解池装置，其特征在于，所述曝气组件（2）包括：

曝气池（210），设置于所述密闭容器（1）的底部，适用于接受来自于外部的含异味分子和病菌的空气；

微孔曝气器（220），所述微孔曝气器（220）安装于所述曝气池（210）上，适用于将所述曝气池（210）内空气以微泡形式鼓入所述阴极区域（120）。

8.一种用于除味和消毒清洗的系统，其特征在于，包括：

如权利要求3~7中任一项所述的电解池装置；

待消毒清洗的卫生洁具（6）；

抽水泵（7），所述抽水泵（7）的抽水端与所述电解池装置连通，所述抽水泵（7）的出水端与所述卫生洁具（6）连通，适用于将所述电解池装置内过氧化氢消毒液泵入所述卫生洁具（6），以对所述卫生洁具（6）进行杀菌消毒。

9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述抽水泵（7）的出水端连接两个支路，其中一个支路连接所述卫生洁具（6），另一个支路连通外部大气，适用于直接流出所述过氧化氢消毒液。

10.一种如权利要求1或2所述的电化学方法或如权利要求3~7中任一项所述的电解池装置在空气净化、尾气处理以及化学品生产领域的应用。