CN203938504U - 饮水电解制取装置及应用该装置的设备 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种饮水电解制取装置及应用该装置的设备，属于水电解设备技术领域。该装置包括盛水容器、设于盛水容器内的至少一对阴电极和阳电极、用于对阴电极和阳电极供电的电解电源；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。该装置对水电解时可以制取出氧化还原电位低富含氢且具有一定杀菌能力的适宜饮用的水。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种水电解装置及应用该装置的设备，属于水电解设备技术领域。
背景技术
现实中，日常用水尤其是生活用水所受污染越来越严重。现有以介质吸附或采用各种孔径的过滤膜将水中的有害物加以拦截滤除的物理方式处理工艺，由于吸附材料很容易饱和失效,而各种过滤膜又很容易被细菌污染或有机物阻塞或破损,实际情况是并不能达到理论设计所期望的水质净化效果，甚至连细菌超标问题都难以解决。另一方面，伴随社会的进步与生活水平的提高，人们也对日常用水健康指标提出更高要求。例如，期望饮水中富含氢、氧化还原电位比较低，以消除人体内号称“万病之源”的氧自由基，健康长寿。目前相对能满足上述日常用水综合需求的是电化学水处理技术。
电化学水处理，通过对水电解反应专门过程，既可制取得到氧化还原电位低富含氢的有益健康水，同时又通过阳极反应等过程，在水中生成强氧化因子，灭活细菌和降解水体中的各种污染物。例如已公示中国专利1(申请号201010120654.X)一种碱性还原水无隔膜电解装置，以及中国专利2(申请号201010525481.X)还原水无隔膜电解装置，主要以制取富氢水为目的，兼有一定杀菌净化作用(主要通过阳极直接氧化和活性炭的吸附)。不过，中国专利1电解效率较低，且易碱性超标；中国专利2针对前者不足，将阴、阳两电极之间距离δ范围减小限定为5m≥δ>0；但阴、阳两电极之间距离δ范围过小，又不可避免会发生因活性炭阳极表面破损剥落情况导致阴、阳极间短路。因此该专利现实应用中难以将δ范围减小至1mm以下。总之，上述两专利的制水效率及水质净化能力均显不足需要改进。
此外，日常饮水场合因及装置不同，水的污染程度也不同。既要制取出健康的水，又要净化杀菌确保饮水安全，还要防止过度消毒导致水的生物性指标变差。然而，迄今尚没有一种既能改善水的健康指标同时又可针对具体饮水场合，适当调整水的杀菌净化能力的水处理装置。
实用新型内容
通过上述背景技术的描述可以知道，现有水净化处理技术不能保证日常饮水的安全；现有水电解处理技术只能解决人们对日常饮水的单一需求，目前尚没有一种可以同时满足人们对日常饮水的安全和健康需求的水电解装置。具体说，就是目前还没有一种水电解装置可以在高效制取氧化还原电位低富含氢的水的同时可以有效调节和控制氧化因子 的生成量，以便根据人们对日常饮水的安全和健康的不同需求，制取出和去具有一定杀菌能力的适宜饮用的水。
因此，本实用新型要解决的技术问题是，提出一种通过电解可以制取出氧化还原电位低富含氢且具有一定杀菌能力的适宜饮用的水的装置。
本实用新型为解决上述技术问题提出的技术方案是：一种饮水电解制取装置，包括盛水容器、设于盛水容器内的至少一对阴电极和阳电极、用于对阴电极和阳电极供电的电解电源；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。
上述技术方案中所述透水性隔膜也叫透水膜或透水性隔离膜，是指可以穿透水分子的隔膜，其透水孔径从毫米级到纳米级，包括日常水处理使用的各种过滤膜，如：超滤膜(UF)、纳滤膜(NF)和微滤膜(MF)，等。
上述技术方案中所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，是指透水性隔膜与阳电极之间基本是零间距。
本实用新型通过创新的在阴、阳电极之间设设置透水性隔膜，并将该透水性隔膜覆盖阳极以及控制透水性隔膜与阴电极的间距,带来的直接效果是：
1)本实用新型装置不仅可制取得到氧化还原电位低富含氢的有益健康水，同时在水中还生成相当多的强氧化因子，较之其它现有富氢水制取技术，杀菌净化能力大大提升；
2)透水性隔离膜通常可以很薄(例如超滤膜的厚度可做到0.1mm～0.5mm)，在阴阳极之间加入隔离膜后，可以将阴阳电极之间间距稳定保持在基本等于隔离膜的厚度范围，同等工況下的电解电压可以很低，甚至仅仅以一块3.7V锂电池供电，可以形成2安培以上的工作电流，现有技术是无法做到的；加上膜中发生的等离子放电高效反应因素等，使得本实用新型装置的实际功耗较之同类装置大大降低。当覆盖碳材质阳极时，还可有效防止碳颗粒剥落造成短路。
3)通过对隔离膜与电极性状等的适当选择及调整，可以控制水中氧化因子的生成，以适应不同场合的饮水需求。
上述本实用新型技术方案的改进是：所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于1纳米。
上述本实用新型技术方案完善一是：所述透水性隔膜是单层透水性隔膜或者是多层透水性隔膜。其中，单层透水性隔膜可以是超滤膜或是采用碳质材料制成的透水性隔膜；多层透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜是采用碳质材料制成的透水性隔膜。
通过上述对本实用新型技术方案的完善一，可以在保证正常析氢反应的同时，又将水中有害物质吸附到活性炭膜中进行氧化降解，而且抑制水中的氧化物质不至于太多，防止生物指标变差，尤其适合对以“饮”为目的的生活水进行处理。
上述本实用新型技术方案完善二是：透水性隔膜与阳电极的具体覆盖可以是覆盖阳电极的全部表面，也可以是覆盖阳电极的部分表面；当覆盖阳电极的部分表面时，优选是覆盖阳电极相对阴电极一侧的表面(也是主要反应面)。
上述本实用新型技术方案完善三是：所述阴电极上开有第一通孔，所述第一通孔的孔径大于等于1毫米。通过这样的改进，可以有利于阴极反应更充分进行，并将阴电极与隔离膜之间区域产生的氢气泡更好导出。
上述本实用新型技术方案完善四是：所述透水性隔膜上开有第二通孔，所述第二通孔的孔径大于2毫米。
上述本实用新型技术方案完善五是：所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或交变脉冲电源，交变脉冲电源的正向电压大于反向电压。
作为上述本实用新型技术方案的应用拓展之一是：本实用新型提出一种水杯，该水杯含有上述本实用新型技术方案。
作为上述本实用新型技术方案的应用拓展之二是：本实用新型提出一种水壶，该水壶含有上述本实用新型技术方案。
作为上述本实用新型技术方案的应用拓展之三是：本实用新型提出一种饮水机，该饮水机含有上述本实用新型技术方案。
作为上述本实用新型技术方案的应用拓展之四是：本实用新型提出一种热水瓶，该热水瓶含有上述本实用新型技术方案。
作为上述本实用新型技术方案的应用拓展之五是：本实用新型提出一种净水器，该净水器含有上述本实用新型技术方案。
作为上述本实用新型技术方案的应用拓展之六是：本实用新型提出一种开水炉，该开水炉含有上述本实用新型技术方案。
作为上述本实用新型技术方案的应用拓展之七是：本实用新型提出一种泡茶机，该泡茶机含有上述本实用新型技术方案。
附图说明
下面结合附图对本实用新型的饮水电解制取装置及应用该装置的设备作进一步说明。
图1是本实用新型实施例一饮水电解制取装置的结构示意图。
图2是本实用新型实施例二饮水电解制取装置的结构示意图。
图3是本实用新型实施例三饮水电解制取装置的结构示意图。
图4是本实用新型实施例四二饮水电解制取装置的结构示意图。
图5是图4中A处的局部放大图。
图6是本实用新型实施例五饮水电解制取装置的结构示意图。
图7是图6中B处的局部放大图。
图8是本实用新型实施例六饮水电解制取装置的结构示意图。
图9是图8中C处的局部放大图。
图10是本实用新型实施例七饮水电解制取装置的结构示意图。
图11是本实用新型实施例八饮水电解制取装置的结构示意图。
图12是图11中D处的局部放大图。
图13是本实用新型实施例九饮水电解制取装置的结构示意图。
图14是图13中E处的局部放大图。
图15是本实用新型实施例十饮水电解制取装置的结构及部件放大组合示意图。
图16是本实用新型实施例十一饮水电解制取装置的结构及部件放大组合示意图。
具体实施方式
实施例一
本实施例的饮水电解制取装置参见图1，包括盛水容器1、设于盛水容器1内的一对阴电极2和阳电极3、用于对阴电极2和阳电极3供电的电解电源4；本实施例的盛水容器1为敞开式容器。在阴电极2和阳电极3之间设有透水性隔膜5，透水性隔膜5覆盖阳电极3上，透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是1mm。本实施例的透水性隔膜5采用平均透水孔径0.03微米的单层PVDF超滤膜(聚偏二氟乙烯膜)，厚度为0.1mm。当然本实施例的超滤膜也可以采用其他材质的超滤膜，平均透水孔径在0.01～0.05微米之间均可。
本实施例的透水性隔膜5覆盖阳电极3的全部表面，即包覆电极3的全部表面。
本实施例的阴电极2采用钛基覆涂铂族氧化物(涂层厚度为0.8毫米)制成的惰性电极，阴电极2呈圆形片状；阳电极3采用石墨或活性炭等碳质材料制成，呈长方形片状。阴电极和阳电极的表面均不开孔。
本实施例的电解电源4采用高电平窄脉宽稳压30伏的直流脉冲电源，也可以采用交变脉冲电源(但正向电压要大于反向电压)。
本实施例的阴电极2和阳电极3在盛水容器1内的水中平行放置时，阴电极2位于阳电极3的上方。
采用本实施例的饮水电解装置进行水电解实验，盛水容器1的容积为200×80×120毫米，源水是RO纯水机的出水，TDS＝3mg/L，盛水容器注水约1.5升，电解时间为30分钟，每5分钟取水样测定一次；
以下实验中，水中气泡量(强度)以及水中氧化因子多少采用定性观测方法
①水中气泡量(强度)的目测分级：
从水中气泡为零～实验中相对气泡含量最大，分为0～5级；
②水中氧化因子的测定
如前所述，由于氧化因子在水中存留时间极为短暂，现有的检测方法(例如化学反应法和捕获法)的分析选择性和可信度还难以令人满意。同时考虑到本实用新型装置系专用于日常用水的处理，侧重关心的是氧化因子的变化趋势级宏观作用。因此为简化重复实验工作量，专门研发了定性了解水中氧化因子总量的滴定液。通过自制滴定液滴定到水中后，观察水体颜色的变黄程度，分为5级，定性判定水中氧化因子含量：
无色——对应水中氧化因子基本为零，设为0级；
颜色最黄——对应水中氧化因子相对最多，设为5级；
从无色到颜色最黄中间颜色变化的程度不同分设为1、2、3和4级。
实验结果如下表1：
表1
实验结果分析
1、通过排水集气-燃烧方法并测量水中溶解氢含量，可以确定水中生成的大量气泡主要表现为氢气泡；
2、随电解时间的增加，水中的氢以及氧化因子量均呈正比例增长。
3、阳电极3碳材料的吸附作用，水中产生的氧化因子将减少，从而制成适宜饮用的水。
实施例二
本实施例的饮水电解制取装置与实施例一基本相同，如图2所示，与实施例一不同的变化是：透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是0mm，即透水性隔膜5同时紧贴覆盖在阴电极2和阳电极3上。透水性隔膜5仍采用平均疏水孔径0.03微米的PVDF超滤膜(聚偏二氟乙烯膜)，厚度为0.1mm。
将本实施例与实施例一的饮水电解装置进行水电解实验，源水为市供自来水，ORP＝+320mv,pH＝7.1,TDS＝48mg/L，其他实验条件与实施例一相同，二种实验结果如下表2：
表2
实验结果分析
1)一定范围内，随δ增加，水中及气泡中的含氢量增加、氧化还原电位下降、碱性加强，氧化因子减少；
2)δ趋于0，处理后水中的氧化因子增多。
实施例三
本实施例的饮水电解制取装置与实施例一基本相同，如图3所示，与实施例一不同的变化是：1)盛水容器1为封闭式容器，设有进水口6和出水口7；2)透水性隔膜5采用的是活性炭纤维布(比表面积1200m2/g，浸水紧压后厚度约1.8毫米)；3)透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是8mm。
本实施例的饮水电解制取装置，由于阳电极3和透水性隔膜5的碳材料本身强烈吸附作用，水中产生的氧化因子将大大减少，从而制成更加适宜饮用的水。
实施例四
本实施例的饮水电解制取装置与实施例二基本相同，如图4和图5所示，与实施例二不同的变化是：1)在阴电极2上开有第一通孔8，通孔孔径取1mm；2)透水性隔膜5包覆阳电极3的部分表面(阳电极朝向阴电极2一侧的全部表面)；3)透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是2mm。
实施例五
本实施例的饮水电解制取装置与实施例四基本相同，如图6和图7所示，与实施例四的变化是：1)透水性隔膜5开有直径φ2.1mm的第二通孔9，第二通孔9与第一通孔8数量相同且基本同心对齐；2)透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是3mm。
实施例六
本实施例的饮水电解制取装置是在实施例三基础上的改进，如图8和图9所示，与实施例三的变化是：1)透水性隔膜5是由活性炭纤维膜(毡)5-1和超滤膜叠5-2加复合而成的二层透水性隔膜，活性炭纤维膜5-1靠近阳电极3(朝向阳电极3)并且包覆阳电极3的全部表面，朝向阴电极2(背离阳电极3)的超滤膜5-2包覆阳电极3的部分表面(阳电极朝向阴电极2一侧的全部表面)，并且超滤膜5-2的两端略微超出阳电极；2)透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是5mm；3)阳电极3改为与阴电极2相同的采用钛基覆涂铂族氧化物(涂层厚度为0.8毫米)制成的惰性电极，呈圆形片状。将本实施例的饮水电解制取装置进行水电解实验，电解时间20分钟，其他实验条件与实施例五相同，实验结果如下表3：
表3
由实验结果可得出：本实施例的饮水电解制取装置，由于透水性隔膜5是由活性炭纤维膜(毡)5-1和超滤膜叠5-2加复合而成的二层透水性隔膜，因此可以大量吸附水中氧化因子，从而制成更适宜人饮用的富含氢及氧化还原电位低的水。
实施例七
本实施例的饮水电解制取装置与实施例一基本相同，如图10所示，与实施例一相比的变化是：透水性隔膜5是紧贴包覆在阳电极3朝向阴电极2一侧的部分表面，阳电极3的两端分别超出透水性隔膜5一小段。
实施例八
本实施例的饮水电解制取装置是实施例六基础上的变化，如图11和图12所示，与实施例六不同的是：1)活性炭纤维膜(毡)5-1由导电性陶瓷制成的透水膜取代；2)朝向阴电极2(背离阳电极3)的超滤膜5-2包覆阳电极3的部分表面，即包覆阳电极三个侧表面。
实施例九
本实施例的饮水电解制取装置是实施例六基础上的变化，如图13和图14所示，与 实施例六不同的是：1)朝向阴电极2(背离阳电极3)的超滤膜5-2包覆阳电极3的全部表面；2)在阴电极2上开有φ2mm第一通孔8；3)在透水性隔膜5(包括活性炭纤维膜(毡)5-1和超滤膜5-2)朝向阴电极2的一侧面上开有直径φ2.5mm的第二通孔9。
实施例十
本实施例的饮水电解制取装置与实施例一基本相同，如图15所示，与实施例一不同的变化是：1)透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是0mm，即透水性隔膜5同时紧贴在阴电极2和阳电极3上；2)阴电极2和阳电极3均为圆片平面电极；尺寸均为φ48毫米，厚度1毫米；3)阴电极2均布开有梳状第一通孔8；4)阳电极3安装在盛水容器1底部，阴电极2经定位螺杆10(外套加绝缘护套)同心穿过透水性隔膜5和阳电极3与盛水容器1底面后固定，同时也将透水性隔离膜5压紧；5)在阳电极3外周边加有一个用螺杆12固定的的塑料外框11，用于将覆盖在阳电极3上的透水性隔离膜5压紧在盛水容器1底面，以做到对阳电极3的可靠包覆，本实施例阳电极3的底面紧贴盛水容器1底面，因此透水性隔膜5包覆阳电极3除了底面以外的全部表面；6)在阳电极3底面与阴极2定位螺杆10相对90度位置焊接有两个均分的阳极螺杆13，外部供电电解电源的正负极引线分别连接到定位螺杆10和阳极螺杆13上。
实施例十一
本实施例是一种健康饮水装置，参见图16，系由实施例十结构演变而来。容器1、开梳状第一通孔8的阴电极2、惰性阳电极3等均不变。变化的是：透水性隔膜5由三层膜叠加组合而成，第一层是朝向阴极2的PVDF超滤膜片5-1(平均透水孔径0.03微米，厚度0.5mm，剪切成与阴电极相同尺寸的圆片膜)，PVDF超滤膜片5-1开有与梳状第一通孔8位置方向相互垂直的梳状第二通孔9；第二层(中间层)是对阳电极3全覆盖的PVDF超滤膜5-2(平均透水孔径0.05微米，厚度为0.5mm，不开孔)；第三层是紧贴阳电极3的活性炭纤维布5-3(比表面积1200m2/g，浸水紧压后厚度约1.8毫米)。
将市供自来水注满容器1，电解工作8分钟，电解电流保持为40～60毫安，检测电解前后水样，结果如下表12：
表4
由检验结果可见，源水经本实施例处理后，水质的安全性、健康性指标均大大提高。
实施例十二
本实施例是提供一种水杯，该水杯采用了上述实施例的饮水电解制取装置。
实施例十三
本实施例是提供一种水壶，该水壶采用了上述实施例的饮水电解制取装置。
实施例十四
本实施例是提供一种饮水机，该饮水机采用了上述实施的饮水电解制取装置。
实施例十五
本实施例是提供一种热水瓶，该热水瓶采用了上述实施例的饮水电解制取装置。
实施例十六
本实施例是提供一种净水器，该净水器采用了上述实施例的饮水电解制取装置。
实施例十七
本实施例是提供一种开水炉，该开水炉采用了上述实施例的饮水电解制取装置。
实施例十八
本实施例是提供一种泡茶机，该泡茶机采用了上述实施例的饮水电解制取装置。
实施例十九
本实施例的饮水电解制取装置与实施例一基本相同，与实施例一相比的变化是：阳电极3是由钛基覆涂铂族氧化物制成的惰性电极和采用碳质材料制成的惰性电极复合而成，其中采用碳质材料制成的惰性电极靠近阴电极2。
本实用新型的饮水电解制取装置及应用该装置的设备不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如：1)阳电极3和阴电极2也可以是二对；2)电解电源4也可以是交流脉冲电源；3)透水性隔膜4也可以是三层或更多层不同材质的隔膜叠加而成；4)阴电极2和阳电极3的形状也可以是除了圆形和方形的其他各种形状；5)实施例六中，靠近阳电极3的活性炭纤维膜5-1也可以是，或者是由石墨或其他碳材料制成的透水性隔膜；6)本实用新型的上述各个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案；等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本实用新型要求的保护范围。
Claims (22)
1.一种饮水电解制取装置，包括盛水容器、设于盛水容器内的至少一对阴电极和阳电极、用于对阴电极和阳电极供电的电解电源；其特征在于：成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。
2.根据权利要求1所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于1纳米。
3.根据权利要求2所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜是由碳质材料制成的透水性隔膜。
4.根据权利要求2所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜是单层透水性隔膜，所述阳电极是含有碳质材料的阳电极。
5.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述单层透水性隔膜是超滤膜。
6.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述单层透水性隔膜是采用碳质材料制成的透水性隔膜。
7.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述阳电极是采用碳质材料制成的阳电极。
8.根据权利要求4所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述阳电极是由钛基覆涂铂族氧化物制成的惰性电极和采用碳质材料制成的惰性电极复合而成的阳电极，其中采用碳质材料制成的惰性电极靠近阴电极。
9.根据权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜覆盖所述阳电极的全部表面。
10.根据权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜覆盖所述阳电极的部分表面。
11.根据权利要求10所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜覆盖所述阳电极朝向所述阴电极一侧的全部表面。
12.根据权利要求10所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜覆盖所述阳电极朝向所述阴电极一侧的部分表面。
13.根据权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述阴电极上开有第一通孔，所述第一通孔的孔径大于等于1毫米。
14.根据权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述透水性隔膜开有第二通孔，所述第二通孔的孔径大于2毫米。
15.根据权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置，其特征在于：所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或交变脉冲电源，交变脉冲电源的正向电压大于反向电压。
16.一种设备,该设备是水杯，其特征在于:所述水杯含有如权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置。
17.一种设备,该设备是水壶，其特征在于:所述水壶含有如权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置。
18.一种设备,该设备是饮水机，其特征在于:所述饮水机含有如权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置。
19.一种设备,该设备是热水瓶，其特征在于:所述热水瓶含有如权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置。
20.一种设备,该设备是净水器，其特征在于:所述净水器含有如权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置。
21.一种设备,该设备是开水炉，其特征在于:所述开水炉含有如权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置。
22.一种设备,该设备是泡茶机，其特征在于:所述泡茶机含有如权利要求1-8之任一所述饮水电解制取装置。
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