CN208948909U - 一种利用封闭阳极室构建的净化饮用水的电化学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种利用封闭阳极室构建的净化饮用水的电化学系统，该系统针对饮用水中含有硝酸盐、高氯酸盐、余氯、消毒副产物以及重金属离子超标、现有活性金属电子供体如锌、镁应用过程中易于产生二次污染的现状，结合电解水机运行过程中带来的副产氯气、次氯酸盐以及重金属离子富集的问题，利用封闭阳极室构建的电化学系统，既可通过电化学还原途径去除余氯、消毒副产物、重金属离子，还可通过生物电化学催化还原硝酸盐、高氯酸盐等污染物，在上述污染物净化过程中，同时产生富含氢气的还原碱性水。

Description

一种利用封闭阳极室构建的净化饮用水的电化学系统

技术领域

本实用新型涉及水净化领域，特别涉及饮用水净化领域，具体涉及一种利用封闭阳极室及其构建的净化饮用水的电化学系统。

技术背景

饮用水厂通过沉降、过滤、消毒等对来自地面或地下水源的饮用水进行处理，最后经管网输送到家庭用户。长期以来，环境污染物通过迁移、转化对现有水环境造成严重的污染，部分饮用水源超标事件频繁发生，饮用水厂因处理工艺的限制对于饮用水中的大量污染物处理效率非常有限。氯气消毒成为饮用水厂防止大肠菌群等有害微生物在供水管道内滋生的主要手段。氯气消毒过程中产生大量的致癌消毒副产物污染。现有城市饮用水输水管网大多采用铸铁管，镀锌管，含铅水龙头仍然在现有家庭中广泛使用。饮用水消毒残留的余氯随输水管网进入到各个家庭用户，余氯本身的异味造成人体感官严重不适，还会对城市输水管道、家庭水龙头等管壁造成快速氧化、致使大量的铅、锌、镉、铬等重金属离子溶出到饮用水中，对人体健康带来严重威胁。

牺牲阳极广泛应用于船舶、地下管道、地面储运设施以及电热水器等钢铁材料的阴极保护，随着燃料电池技术的发展，牺牲阳极也开始应用于金属空气电池领域。一些活泼金属如镁、锌等单质或合金氧化腐蚀能够产生更负的电位，不仅用于阴极保护，还广泛应用于饮用水脱除余氯、重金属以及产生富氢碱性负离子水领域。其中KDF(铜锌合金)通过与余氯的反应：Zn+2HOCl＝ZnCl2+2OH-还原次氯酸或氯气，此外，通过KDF形成的原电池，锌氧化将铅离子置换到铜阴极表面。但KDF使用过程中，大量的锌溶解导致净化水中锌离子浓度显著上升，甚至超过了饮用水的卫生标准，对人体健康带来危害。镁颗粒作为滤芯，其氧化不仅能够脱除余氯，还能产生产氢气，但由于产生大量的氧化镁沉淀包裹镁颗粒造成活性显著下降并堵塞滤芯。

基于水电解原理开发的电解水机已应用于饮用水净化领域，主要用于在阴极室产生还原的碱性水以及阳极室产生强氧化的酸性水，其电解水机结构中，主要通过一个阳离子交换膜分隔阴阳极室，低电导率的饮用水电解过程中，高电阻带来能量效率的降低，电解过程中，饮用水中的氯离子在阳极室内氧化为氯气以及次氯酸等有害产物，而其中的重金属离子通过阳离子交换膜在阴极室内富集，产生的还原碱性水加重了重金属的污染。

发明内容

针对饮用水中含有硝酸盐、高氯酸盐、余氯、消毒副产物以及重金属离子超标、现有活性金属电子供体如锌、镁应用过程中易于产生二次污染的现状，结合电解水机运行过程中带来的副产氯气、次氯酸盐以及重金属离子富集的问题。本实用新型提供了一种利用封闭阳极室构建的净化饮用水的电化学系统。该发明主要应用于家庭饮用水的净化，也可应用于学校、宾馆、办公场所等供水终端的饮用水净化领域。本实用新型的利用封闭阳极室构建的电化学系统，既可通过电化学还原途径去除余氯、消毒副产物、重金属离子，还可通过生物电化学催化还原硝酸盐、高氯酸盐等污染物。在上述污染物净化过程中，同时产生富含氢气的还原碱性水。

为达到上述目的，本实用新型提供如下技术方案：

一种利用封闭阳极室构建的净化饮用水的电化学系统，其特征在于，所述净化饮用水的阳极室结构为密封结构，包括阳极室(1)、阳极(2)以及固定端子(3)、气体渗透膜(4)、质子交换膜(5)、通过螺纹密封的可拆卸底座(6)、连接底座的中心导流管(7)、中心导流管上部通过活接螺帽(8)与阳极室顶部的螺纹密封，中心导流管上端连接滤芯的端盖；阳极室(1)嵌入到阴极室(9)中，阴极室(9)同时也是饮用水净化器的壳体，阴极(10)上部设置固定基座；壳体上部为可拆卸的密封端盖(11)，端盖设置了贯穿内外的钛螺栓和电源端子(12)，阴极和阳极均通过钛丝固定于端盖内的电源端子(12)上，端盖外部的电源端子分别连接直流电源(13)的正负极上，阴极通过可透水的上下端盖(14)进行固定，或者通过网格状的半圆柱框架(15)进行固定，同时净水器出口端设置循环泵(16)；阳极采用铁或铁合金、镁或镁合金；阴极采用石墨毡、碳毡、碳布、活性炭、无定型碳材料、不锈钢网或不锈钢网颗粒；气体渗透膜采用膨体聚四氟乙烯膜，固定于阳极室的顶部带螺纹的突出部的基座，通过带内螺纹的空心盖固定；其设置部位高于质子交换膜。

进一步的，阳极室为密封结构，其顶部、侧边以及底部开孔并通过螺纹密封。

进一步的，阳极室形状为圆柱体或半圆柱体。

进一步的，阳极室形状为圆柱体时，采用阳极室在上，阴极在下的设置，阳极室靠近净水器外壳的上端盖，通过阴极中心导流管与阳极室下端的中心导流管嵌合连接；中心导流管与上端盖出水口嵌合连接；圆柱体形阳极室下部设置一个45°的锥形底座，锥形底座与圆柱体连接部分采用螺纹连接。

阳极室为圆柱体构建的电化学系统，当饮用水通过上端盖进水口进入系统后，通过阳极室顶部以及外沿往下并穿过阴极上端的透水端盖，再从阴极的下端端盖依次流入中心导流管，并从净水器外壳端盖的出水口流出。

进一步的，阳极室形状为半圆柱体时，阳极室与阴极并列设置，通过阴极区内的中心导流管与上端盖的出水口嵌合连接。

阳极室为半圆柱体构建的电化学系统，当饮用水通过端盖进水口进入系统后，穿过阴极区，再从阴极区的下端端盖依次流入导流管，并从净水器外壳端盖的出水口流出。

进一步的，当净水器进出水端不集中在上端盖时，阳极室与阴极内均不设置中心导流管，饮用水从上端盖进入，从下端盖流出，或从下端盖进入，上端盖流出。

进一步的，为了强化阳极室与阴极室的压力平衡，可在阳极室顶部通过管道连接一个独立的气体渗透膜。

进一步的，质子交换膜可固定于阳极室顶部，通过顶部带螺纹的凹型下沉基座，利用带外螺纹空心螺栓固定。

进一步的，质子交换膜也可固定于阳极室上部的侧面，通过侧面的带螺纹的突出基座，利用带内螺纹的空心盖固定。

进一步的，圆柱体阳极室也可不设可拆卸的底座，其中心导流管贯通于阳极室的上下端，棒状阳极可直接从固定气体渗透膜的孔洞置入。

进一步的，当采用筒状阳极时，需要从圆柱体阳极室底部可拆卸的底座置入。

进一步的，阳极通过钛螺栓固定于阳极室的阳极基座上，钛螺栓穿过基座中心孔，基座内外采用密封垫密封，并用钛螺帽固定，螺帽与螺栓之间采用生料带或螺丝胶密封。

进一步的，暴露于阳极室外部、外壳端盖内的电源端子的钛螺栓采用螺丝胶密封。

进一步的，连接阴阳极与外壳端盖内电源端子间的钛丝采用绝缘外壳密封。

含有一定浓度电解质的阳极液通过固定气体渗透膜的孔洞加入，然后再固定气体渗透膜。需要更换阳极液时，松开固定气体渗透膜的空心盖，换液完成后再次固定气体渗透膜。

进一步的，饮用水净化器的端盖电源端子内外采用密封垫密封，并用钛螺帽固定，螺帽与螺栓之间采用生料带或螺丝胶密封。

进一步的，所述的电化学系统，通过直流电源施加电压时，阳极室内的阳极氧化释放电子通过电路传递到阴极，质子通过质子交换膜渗透到阴极区。

进一步的，阳极室内阳极氧化产生的部分气体通过气体渗透膜渗透进入阴极室内。

进一步的，阳极室内阳极液减少后，通过质子交换膜的渗透吸水功能，以及阴极室淡水与阳极室阳极液之间的浓差迁移补充阳极液至最高液位。

进一步的，阴极获得电子后可直接还原氯气、次氯酸盐为氯离子、也可还原、降解消毒副产物。

进一步的，阴极获得电子后，可直接把重金属离子还原为单质附着在阴极表面。

进一步的，当阴极附着电活性微生物时，微生物可通过阴极获得电子还原硝酸盐、亚硝酸盐、高氯酸盐、消毒副产物等污染物。

进一步的，阴极室内迁移的质子获得电子后生成氢气，形成富氢饮用水。

本申请进一步涉及上述电化学系统用于净化饮用水的应用。

有益效果：

相比现有技术而言，本实用新型具有如下技术效果：

本实用新型的阳极室嵌入到阴极室内，依靠质子交换膜的吸水渗透功能，在饮用水净化过程中，自动完成封闭阳极室阳极液的补充。

质子交换膜设置在阳极室的上部或顶部，减轻了金属氧化产生的金属离子部分水解后，氢氧化物在膜表面的沉积。

阳极室接近净水器壳体的顶部，饮用水进入净水器后，通过质子交换膜迁移的质子随水流进入阴极区，增加了质子的迁移效率。

气体渗透膜部位高于质子交换膜的设置，避免了质子交换膜表面积累气体，阻碍质子的迁移与膜的吸水透水功能的发挥。

阳极室底部可拆卸底座的设计，可将筒状阳极等大比表面积的电极置入阳极室内，增大电流强度。

净水器外设置自循环泵，通过进出水的循环，增加电化学系统内质子传递以及其他污染物的还原效率。

附图说明：

附图1：本实用新型的圆柱体封闭阳极室结构图；

附图2：本实用新型的圆柱体封闭阳极室构建的电化学净水系统结构图；

附图3：本实用新型的半圆柱体封闭阳极室构建的电化学净水系统结构图。

其中：

(1)阳极室；(2)阳极；(3)阳极固定端子；(4)气体渗透膜；(5)质子交换膜；(6)螺纹密封的可拆卸底座；(7)中心导流管、(8)固定中心导流管的活接螺帽；(9)阴极室；(10)阴极；(11)密封端盖；(12)电源端子；(13)直流电源；(14)阴极固定端盖；(15)半圆柱体网格框架；(16)外置循环泵。

具体实施方式

下面结合实施例对本实用新型作进一步描述，但不限于下列实施例。

实施例1：圆柱体封闭阳极室的构建

本实用新型的圆柱体封闭阳极室采用聚丙烯材料，圆柱体直径为75mm，高100mm，圆柱体中心设置一个20mm内径的导流管，圆柱体下部为高20mm的45°角的椎体，圆柱体顶端设置直径15mm的阳极插入口以及阳极固定端子，固定端子通过螺纹密封，顶部还设置直径15mm的气体渗透膜，气体渗透膜采用PTFE膜，通过橡胶密封垫、密封盖以及螺纹固定。圆柱体的侧边距顶端25mm处设置质子交换膜固定盖，固定盖的直径为15mm，通过螺纹固定，阳极采用直径12mm，长80mm的纯铁棒，阳极通过钛螺丝固定于阳极室顶端的固定端子上，质子交换膜采用橡胶垫密封固定。(参见说明书附图1)

实施例2：半圆柱体封闭阳极室的构建

本实用新型的半圆柱体封闭阳极室半圆直径为75mm，高200mm，半圆顶端设置20mm直径的气体渗透膜固定盖，气体渗透膜采用PTFE膜，通过橡胶密封垫以及螺纹固定，半圆柱体顶端设置一个4mm的孔，作为阳极固定端子的插入口，半圆柱体底部设置一个直径30mm的阳极插入口，通过带螺纹的固定盖以及橡胶垫密封，半圆柱体竖截面距顶端20mm，设置质子交换膜固定盖，固定盖直径30mm，质子交换膜采用橡胶密封垫固定密封，阳极采用直径20mm，高150mm的镁棒，从半圆柱体底部的插入口中置入，并通过4mm的钛螺丝固定，钛螺丝与螺杆之间采用生料带密封，钛螺丝通过橡胶垫固定于半圆柱体顶部的固定端子插入口。(参见说明书附图3)

实施例3：圆柱体封闭阳极室电化学净水系统的构建及饮用水的净化

采用实施例1构建的圆柱体封闭阳极室，将其整体置于阴极室内，阴极室也是净化饮用水的电化学系统的外壳，该电化学系统采用从密封端盖集成进出水的方式，其外壳直径80mm，高250mm，阴极采用宽120mm石墨毡，采用卷绕方式通过两端端盖进行固定，卷绕后保持石墨毡之间有2-5mm缝隙，固定后的阴极直径为75mm，中心插入导流管，其中阴极位于圆柱体封闭阳极室的下方，通过导流管贯穿封闭阳极室并嵌入外壳的密封端盖，利用钛丝分别将阳极和阴极固定于净水器的密封端盖内侧的电源端子，密封端盖外侧的电源端子分别连接直流电源的正负极，电化学系统的出水口通过三通连接一个循环泵，循环泵的出口连接电化学系统的进水口，循环泵强化系统内物质的传递和反应速率。(参见说明书附图2)

将该净水系统进水口接入饮用水管道，在间歇运行模式下，外加1.0V的电压，在启动循环泵进行循环时，30分钟内可使电化学净水系统的阴极电势下降到-1.0V(VS Ag/AgCl)以下。同样条件下，未启动循环泵，电化学净化系统阴极电势降到-1.0V(VS Ag/AgCl)的时间延长到120分钟。

采集电化学系统的进出水水样分析其中的分析的污染物，结果表明：

未处理饮用水中余氯在0.10-0.40mg/L之间，净化后出水余氯在0.02mg/L以下。未处理饮用水Pb浓度在3-18ug/L，净化后出水Pb小于0.5ug/L。

采用气相色谱(配ECD检测器)对饮用水中消毒副产物分析表明：未处理饮用水中，三氯乙酸38-57ug/L，净化后出水三氯乙酸降到5ug/L以下。

实施例4：半圆柱体封闭阳极室电化学净水系统的构建及饮用水的净化

采用实施例2构建的半圆柱体封闭阳极室，将其整体置于阴极室内，阴极室也是净化饮用水的电化学系统的外壳，该电化学系统采用上部密封端盖进水，从外壳下部出水的方式，外壳直径80mm，高250mm，阴极为Φ10×10mm，80目的西塔环，装填在直径75mm，高200mm的半圆柱体的不锈钢网(20目)框架内，与半圆柱体阳极室侧面质子膜固定盖对应的不锈钢网框架向内凹陷，不锈钢网框架也是阴极的集流网，半圆柱体阳极室与半圆柱体不锈钢网框架并列置入电化学系统的外壳内，利用钛丝分别将阳极和阴极固定于净水器的密封端盖内侧的电源端子，密封端盖外侧的电源端子分别连接直流电源的正负极，电化学系统的出水口通过三通连接一个循环泵，循环泵的出口连接电化学系统的进水口，循环泵强化系统内物质的传递和反应速率。(参见说明书附图3)。

将该净水系统进水口接入饮用水管道，在间歇运行模式下，外加0.5V的电压，在启动循环泵进行循环时，20分钟内可使电化学净水系统的阴极电势下降到-1.4V(VS Ag/AgCl)。同样条件下，未启动循环泵，电化学净化系统阴极电势降到-1.4V(VS Ag/AgCl)的时间延长到60分钟。

采集电化学系统的进出水水样分析其中的分析的污染物，结果表明：

未处理饮用水中余氯在0.2-0.60mg/L之间，净化后出水余氯在0.01mg/L以下。未处理饮用水Pb浓度在4-25ug/L，净化后出水Pb小于0.2ug/L。

采用离子色谱-电导检测法对饮用水中高氯酸盐分析表明：未处理饮用水中，高氯酸盐6-20ug/L，净化后出水高氯酸盐降到1ug/L以下。

对比实施例1：铁棒作为阳极直接置入阴极室内

将封闭阳极室内的铁棒阳极单独置入阴极室内，其余条件同实施例3。

结果表明，净化系统出水出现黄绿色。检测结果表明，进水中未检出二铁离子，而出水中的二价铁离子显著上升到500mg/L以上。

采集电化学系统的进出水水样分析其中的分析的污染物，结果表明：

未处理饮用水中余氯在0.20-0.50mg/L之间，净化后出水余氯在0.20mg/L以下。未处理饮用水Pb浓度在4-20ug/L，净化后出水Pb3-12ug/L。

采用气相色谱(配ECD检测器)对饮用水中消毒副产物分析表明：未处理饮用水中，三氯乙酸38-57ug/L，净化后出水三氯乙酸在20-30ug/L之间。

对比实施例3气体渗透膜膜与质子交换膜膜都固定于封闭阳极室顶端

将气体渗透膜与质子交换膜固定于封闭阳极室的顶端，其他条件同实施例3。

将该净水系统进水口接入饮用水管道，在间歇运行模式下，外加0.5V的电压，无论是否启动循环泵，电化学净化系统阴极电势难于降到-1.4V(VS Ag/AgCl)。把电化学净水系统解封后，观察到封闭阳极室顶端质子交换膜下端积累大量的气泡，阻碍了质子的传递，并导致电化学净水系统难于运行。

对比实施例4质子交换膜固定于封闭阳极室下部

将质子交换膜固定于封闭阳极室的下部(距底部10mm)，其他条件同实施例4。

结果表明，系统经过3个月的运行后，阴极电势有缓慢上升的趋势，从间歇进水时的-1.4V(VS Ag/AgCl)，逐步上升到--1.0V(VS Ag/AgCl)以上。

在此期间，采集电化学系统的进出水水样分析其中的分析的污染物，结果表明：

未处理饮用水中余氯在0.2-0.60mg/L之间，净化后出水余氯在大于0.1mg/L。未处理饮用水Pb浓度在4-25ug/L，净化后出水Pb在1-5ug/L之间。

采用离子色谱-电导检测法对饮用水中高氯酸盐分析表明：未处理饮用水中，高氯酸盐6-20ug/L，净化后出水高氯酸盐在4-8ug/L之间。

上述结果说明系统的还原效率下降，将电化学净水系统解封后，观察到封闭阳极室底部积累有灰色的氢氧化镁沉积物，这些沉积物在质子膜上的积累以及质子交换的下降导致阴极电势上升，并导致系统对氧化性污染物的还原效率下降。

本实用新型的一种利用封闭阳极室构建的净化饮用水的电化学系统已经通过具体的实例进行了描述，本领域技术人员可借鉴本实用新型内容，适当改变原料、工艺条件等环节来实现相应的其它目的，其相关改变都没有脱离本实用新型的内容，所有类似的替换和改动对于本领域技术人员来说是显而易见的，都被视为包括在本实用新型的范围之内。

Claims (9)

1.一种利用封闭阳极室构建的净化饮用水的电化学系统，其特征在于，所述净化饮用水的阳极室结构为密封结构，包括阳极室(1)、阳极(2)以及固定端子(3)、气体渗透膜(4)、质子交换膜(5)、通过螺纹密封的可拆卸底座(6)、连接底座的中心导流管(7)、中心导流管上部通过活接螺帽(8)与阳极室顶部的螺纹密封，中心导流管上端连接滤芯的端盖；阳极室(1)嵌入到阴极室(9)中，阴极室(9)同时也是饮用水净化器的壳体，阴极(10)上部设置固定基座；壳体上部为可拆卸的密封端盖(11)，端盖设置了贯穿内外的钛螺栓和电源端子(12)，阴极和阳极均通过钛丝固定于端盖内的电源端子(12)上，端盖外部的电源端子分别连接直流电源(13)的正负极上，阴极通过可透水的上下端盖(14)进行固定，或者通过网格状的半圆柱框架(15)进行固定，同时净水器出口端设置循环泵(16)；阳极采用铁或铁合金、镁或镁合金；阴极采用石墨毡、碳毡、碳布、活性炭、无定型碳材料、不锈钢网或不锈钢网颗粒；气体渗透膜采用膨体聚四氟乙烯膜，固定于阳极室的顶部带螺纹的突出部的基座，通过带内螺纹的空心盖固定；其设置部位高于质子交换膜。

2.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，阳极室形状为圆柱体或半圆柱体。

3.根据权利要求2所述的电化学系统，其特征在于，阳极室形状为圆柱体时，采用阳极室在上，阴极在下的设置，阳极室靠近净水器外壳的上端盖，通过阴极中心导流管与阳极室下端的中心导流管嵌合连接；中心导流管与上端盖出水口嵌合连接；圆柱体形阳极室下部设置一个45°的锥形底座，锥形底座与圆柱体连接部分采用螺纹连接。

4.根据权利要求2所述的电化学系统，其特征在于，阳极室形状为半圆柱体时，阳极室与阴极并列设置，通过阴极区内的中心导流管与上端盖的出水口嵌合连接。

5.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，当净水器进出水端不集中在上端盖时，阳极室与阴极内均不设置中心导流管，饮用水从上端盖进入，从下端盖流出，或从下端盖进入，上端盖流出。

6.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，在阳极室顶部通过管道连接一个独立的气体渗透膜。

7.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，质子交换膜固定于阳极室顶部，通过顶部带螺纹的凹型下沉基座，利用带外螺纹空心螺栓固定；或者质子交换膜固定于阳极室上部的侧面，通过侧面的带螺纹的突出基座，利用带内螺纹的空心盖固定。

8.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，阳极通过钛螺栓固定于阳极室的阳极基座上，钛螺栓穿过基座中心孔，基座内外采用密封垫密封，并用钛螺帽固定，螺帽与螺栓之间采用生料带或螺丝胶密封。

9.根据权利要求1所述的电化学系统，其特征在于，连接阴阳极与外壳端盖内电源端子间的钛丝采用绝缘外壳密封。