CN218321684U - 一种无膜结构的电解水臭氧发生器 - Google Patents

一种无膜结构的电解水臭氧发生器 Download PDF

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Abstract

本实用新型公开了一种无膜结构的电解水臭氧发生器，包括电极板和与电极板连接的电源；电极板包括基板和在基板表面的掺杂导电金刚石薄膜，基板的表面具有凹凸结构或基板的表面开有孔，电极板浸泡在流动的待电解液中，无膜结构是指无固体聚合物电解质膜。本实用新型的无膜结构的电解水臭氧发生器，整体结构简单且设计合理，为现有技术提供了一种无膜结构的电解水臭氧发生器的全新设计形式，基板表面的BDD提高了基板的电势窗口和导电性，同时与基板上开有的凹凸结构或表面上所开孔配合实现了无膜即可实现电解水发生臭氧这一过程，大大降低了成本，降低了技术应用限制，极具应用前景。

Description

一种无膜结构的电解水臭氧发生器
技术领域
本实用新型涉及臭氧发生设备技术领域，涉及一种无膜结构的电解水臭氧发生器。
背景技术
一个多世纪以来，臭氧作为水处理消毒剂被广泛应用在废水和水再利用行业中。由美国环境保护署(USEPA)法规的实施推动了向包括臭氧在内的替代消毒剂(即非氯)的转变。这些需要饮用水设施来优化原生动物病原体和病毒的灭活，以防止主要与氯消毒相关的消毒副产物(DBP)的形成。臭氧是广谱、高效的绿色杀菌剂。由于其极强的氧化性能够在极短的时间内破坏细菌、病毒等微生物的生物结构。另外，臭氧易分解成氧气，对人体无害，不存在二次污染，这是其它杀菌剂不能与之相比较的优点。
电解法是利用低压直流电源电解含氧电解液产生臭氧的方法。20世纪80年代以前，传统电解法实在含氧酸和盐类为环境的电解液中进行离子交换的，但该方法存在电解液配方复杂、电解面积小、臭氧产量低和运行费用高的缺陷，在实际应用中受到了极大的限制。后来随着电解法制备臭氧技术的快速发展，离子交换膜/质子交换膜作为固体聚合物电解质(SPE)取代传统电解法技术成为了一种最具代表性的电化学臭氧合成技术。该技术利用离子交换膜取代了以往的液态电解质，可应用于低导电率的液体中产生臭氧。其主要反应如下：
阳极反应：
3H2O→O3+6H++6e-
在使用电解技术进行消毒时，有两个关键是为了获得高效的过程。首先是使用的阳极。在众多阳极种类中，掺硼金刚石涂层(Boron Doped Diamond,BDD)电极是效果最高的电极材料之一。与其他电极材料相比，BDD具有较宽的电势窗口和导电性，可在液体中原位产生高浓度臭氧。BDD与离子交换膜相结合，在液体中电解制备O3在实际使用过程中碰到很多问题。由于离子交换膜的力学性能差、稳定性较差等问题，导致离子交换膜寿命极短需频繁更换，从而大大提高了BDD类臭氧发生器的维护成本。现有市场上高性能离子交换膜已被欧洲、美国、日本等发达国家所垄断。随着这些国家对中国“卡脖子”技术封锁的日益严格，日本和美国已经对中国禁售。该行业相关企业需以高价格从欧洲采购，极大提高企业生产成本，压缩利润，抑制了该行业技术在中国的发展。
因此，开发一种无需离子交换膜即可完成电解水臭氧设备极具现实意义。
实用新型内容
由于现有技术存在上述缺陷，本实用新型提供了一种无需离子交换膜(或质子交换膜)即可完成电解水臭氧设备，克服了现有电解水臭氧发生器的性能直接取决于离子交换膜的性能，高性能离子交换膜价格高昂，这大大增加了电解水臭氧发生器的成本的缺陷。
为了实现上述目的，本实用新型提供以下技术方案：
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，包括电极板；
所述电极板包括基板和基板表面的掺杂导电金刚石膜，所述基板的表面具有凹凸结构或所述基板的表面开有孔；
所述无膜结构的膜结构为固体聚合物电解质膜。
本实用新型的无膜结构的电解水臭氧发生器，整体结构简单且设计合理，为现有技术提供了一种无膜结构的电解水臭氧发生器的全新设计形式，基板表面的BDD提高了基板的电势窗口和导电性，同时与基板上开有的凹凸结构或表面上所开孔配合实现了无膜(离子交换膜或质子交换膜等固体聚合物电解质)且无需正负极材料配合即可实现电解水发生臭氧这一过程，大大降低了成本，降低了技术应用限制，极具应用前景。
作为优选的技术方案：
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，还包括和与电极板连接的电源；
所述电极板浸泡在流动的待电解液中(凹凸结构或基板的表面所开的孔与待电解液接触)；
基板表面设有凹凸结构的电极板上电流方向与待电解液的流动方向相同；
基板的表面开有孔的电极板上电流方向与待电解液的流动方向垂直。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述基板的材质选自陶瓷材料、金属材料、半导体材料、碳材料及复合材料中的一种以上；
所述基板的厚度为0.01～100mm；
所述基板为圆形或矩形，基板的形状本领域技术人员可根据实际需求进行设定，此处仅给出几种可行的设计形式而已；
所述掺杂导电金刚石膜是采用热丝化学气相沉积法、等离子微波化学气相沉积法或直流喷射化学气相沉积法涂敷在基板表面上的，当然其他可行的沉积方法也可适用于本实用新型；
所述固体聚合物电解质膜为离子交换膜或质子交换膜；
所述掺杂导电金刚石膜的厚度为10nm～30μm；
所述掺杂导电金刚石膜为硼掺杂金刚石膜；
所述掺杂导电金刚石膜的掺硼量为100～200000ppm；
所述掺杂导电金刚石膜上硼掺杂金刚石晶粒尺寸为2nm～50μm。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述陶瓷材料选自氧化铝、碳化硅和氮化硅中的一种以上；
所述金属材料选自铌、钽、钨和钼中的一种以上；
所述碳材料为石墨；
所述掺杂导电金刚石膜的掺硼量为100～30000ppm；
所述掺杂导电金刚石膜上硼掺杂金刚石晶粒尺寸为500nm～10μm。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述凹凸结构在电极板上排成至少一条线槽；
所述线槽的截面为匚形、U形、V形或梯形；
所述线槽的深度为0.001～10mm；
同一平面上相邻线槽的间距为0.01～50mm；
电极板上一个以上平面开有线槽，同一平面上的线槽等距排列或者同一平面上相邻线槽的间距不同。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述线槽的深度为0.1～5mm；
同一平面上相邻线槽的间距为0.1～10mm；
所述线槽为直线槽或曲线槽，如线槽为直线槽，优选地，待电解液的流动方向与直线槽方向平行。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述电源为直流电源；
所述待电解液的流动速度为0.01～1000L/min，所述待电解液的电导率小于500S/m；
所述电源的电压为0.5～100V；所述电极板上电流密度为0.5mA/cm2～1A/cm2；
所述电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度为0.001ppm～10g/L，通过控制电极面积大小、电极BDD面积大小、液体流速速度、电压/电流密度等工艺参数即可调整产生臭氧浓度。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述电源为脉冲直流电源，倒极时间间距为0.5～1000s；
所述待电解液为电导率小于100mS/m的去离子水；所述电源的电压为1～20V；所述电极板上电流密度为1～100mA/cm2。
优选脉冲直流电源是因为：在实际测试中，很多水硬度比较高，导致电极表面结垢(导致导电金刚石薄膜与水隔绝，无法产生臭氧)，在通电情况下，阳极区域附近的pH偏低(阳极产生H+，导致水中ph为弱酸性)，阴极区偏高(产生H2和OH-，从而容易与水中钙镁离子结合，形成CaO、MgO等垢)，通过倒极(正负极)颠倒，可通过阳极弱酸性的水溶解表面的水垢。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述电源(脉冲直流电源)的倒极(正负极对调)时间间距为1～20s。
如上所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，所述凹凸结构在基板上等距排列；
所述凹凸结构为棱锥结构、棱台结构、圆台结构和圆锥结构中的一种以上当然本领域技术人员可根据实际情况对凹凸结构的形状、尺寸及排布规律等进行恰当的调整；
所述孔为通孔或盲孔；
所述孔在基板上规律或无规律排布；
所述孔为圆形、方形、长圆形或条形，当然本领域技术人员可根据实际情况对孔的形状、尺寸及排布规律等进行恰当的调整。
以上技术方案仅为本实用新型的一种可行的技术方案而已，本实用新型的保护范围并不仅限于此，本领域技术人员可根据实际需求合理调整具体设计。
上述实用新型具有如下优点或者有益效果：
本实用新型的无膜结构的电解水臭氧发生器，整体结构简单且设计合理，为现有技术提供了一种无膜结构的电解水臭氧发生器的全新设计形式，基板表面的BDD提高了基板的电势窗口和导电性，同时与基板上开有的凹凸结构或表面上所开孔配合实现了无膜(离子交换膜或质子交换膜等固体聚合物电解质)且无需正负极材料配合即可实现电解水发生臭氧这一过程，其还与待电解液的流动方向、电极板上电流方向配合，大大降低了成本，降低了技术应用限制，极具应用前景。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本实用新型及其特征、外形和优点将会变得更加明显。在全部附图中相同的标记指示相同的部分。并未按照比例绘制附图，重点在于示出本实用新型的主旨。
图1是实施例1的电极板的立体示意图；
图2是实施例1的电极板的主视图；
图3是图2A位置放大示意图；
图4是实施例1的电极板的凹槽截面的示意图；
图5是实施例2的电极板的凹槽截面的示意图；
图6是实施例3的电极板的凹槽截面的示意图；
图7是实施例4的电极板的凹槽截面的示意图；
图8是实施例1的电解水臭氧发生器作业时的示意图；
图9是实施例5的电极板的立体示意图；
图10是实施例5的电极板的主视图；
图11实施例6的电极板的立体示意图；
图12是实施例6的电极板的主视图；
图13和14分别是实施例7的电极板的俯视图和主剖视图；
其中，1-电极板，11-基板，12-掺杂导电金刚石膜(硼掺杂金刚石膜)，13-凸起结构，2-电源，3-电线，4-待电解液的流动方向，5-条形通孔。
具体实施方式
下面结合附图和具体的实施例对本实用新型中的结构作进一步的说明，但是不作为本实用新型的限定。
实施例1
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，如图5所示，包括如图1～4所示的电极板1和与电极板1连接的电源2；
电极板1包括矩形基板11(厚度为10mm，基板材质为氧化铝，尺寸为100mm*100mm)和涂敷在基板11表面的硼掺杂金刚石膜12(采用等离子微波化学气相沉积法涂敷在基板表面上的，硼掺杂金刚石膜的厚度为300nm，硼掺杂金刚石膜的掺硼量为3000ppm，硼掺杂金刚石膜上硼掺杂金刚石晶粒尺寸为1000nm)，基板11的两面上均开有相互平行且截面为匚形的直线槽，直线槽的深度为0.5mm，同一平面上相邻直线槽的间距为2mm；
电源2为倒极直流电源，倒极时间间距为10s，电源的电压为10V，电极板上电流密度为50mA/cm2，电极板浸泡在流动的待电解液中且电极板上电流方向以及待电解液的流动方向(待电解液的流动速度为2L/min)与直线槽方向平行，电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度大于3g/L。
实施例2
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，与实施例1基本相同，不同在于，其直线槽的凹槽截面如图5所示，为U形，基板为氮化硅基板且硼掺杂金刚石膜采用直流喷射化学气相沉积法涂敷在基板表面上的，电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度大于1g/L。
实施例3
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，与实施例1基本相同，不同在于，其直线槽的凹槽截面如图6所示，为开口小的等腰梯形且基板为石墨基板，电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度大于4g/L。
实施例4
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，与实施例1基本相同，不同在于，其直线槽的凹槽截面如图7所示，为开口大的等腰梯形且基板为铌基板，电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度大于6g/L。
实施例5
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，与实施例1基本相同，不同在于，基板如图8和9所示的碳化硅基板，其上设有等距排列的四棱锥结构；
通过热丝化学气相沉积法在碳化硅基板(基板厚度5mm/尺寸50x50mm、四棱锥结构的尺寸：棱边均为1mm)上生长处晶粒平均大小为3μm的BDD，BDD膜厚8μm，BDD掺硼量：10000ppm，形成SiC/BDD电极；
将该电极两端对称地接在电源上，放入去流动的离子水中(导电率15μscm-1，流速为1L/min)，加载直流倒极电源电压5V，电流密度20mA/cm2，正负极倒极频率为1min/次，检测产生的O3浓度大于2ppm。
实施例6
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，与实施例5基本相同，不同在于，基板如图10和11所示，其上设有等距排列的四棱台结构，电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度大于1g/L。
实施例7
一种无膜结构的电解水臭氧发生器，与实施例1基本相同，不同在于，电极板1如图12和13所示，包括矩形基板11(厚度为10mm，基板材质为氧化铝，尺寸为195mm*100mm)和涂敷在基板11表面的硼掺杂金刚石膜12(采用等离子微波化学气相沉积法涂敷在基板表面上的，硼掺杂金刚石膜的厚度为300nm，硼掺杂金刚石膜的掺硼量为3000ppm，硼掺杂金刚石膜上硼掺杂金刚石晶粒尺寸为1000nm)，基板11上开有多条相互平行的条形通孔5，条形通孔5的宽度为0.5cm且相邻条形通孔5的间距为2cm；
电流方向与待电解液自条形通孔穿过，电极板上电流方向与待电解液的流动方向垂直；
电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度大于2g/L。
经验证，本实用新型的无膜结构的电解水臭氧发生器，整体结构简单且设计合理，为现有技术提供了一种无膜结构的电解水臭氧发生器的全新设计形式，基板表面的BDD提高了基板的电势窗口和导电性，同时与基板上开有的凹凸结构或表面上所开孔配合实现了无膜(离子交换膜或质子交换膜等固体聚合物电解质)且无需正负极材料配合即可实现电解水发生臭氧这一过程，其还与待电解液的流动方向、电极板上电流方向配合，大大降低了成本，降低了技术应用限制，极具应用前景。
本领域技术人员应该理解，本领域技术人员在结合现有技术以及上述实施例可以实现变化例，在此不做赘述。这样的变化例并不影响本实用新型的实质内容，在此不予赘述。
以上对本实用新型的较佳实施例进行了描述。需要理解的是，本实用新型并不局限于上述特定实施方式，其中未尽详细描述的设备和结构应该理解为用本领域中的普通方式予以实施；任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例，这并不影响本实用新型的实质内容。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于：包括电极板；
所述电极板包括基板和基板表面的掺杂导电金刚石膜，所述基板的表面具有凹凸结构或所述基板的表面开有孔；
所述无膜结构的膜结构为固体聚合物电解质膜。
2.根据权利要求1所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，还包括和与电极板连接的电源；
所述电极板浸泡在流动的待电解液中；
基板表面设有凹凸结构的电极板上电流方向与待电解液的流动方向相同；
基板的表面开有孔的电极板上电流方向与待电解液的流动方向垂直。
3.根据权利要求1所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述基板的厚度为0.01～100mm；
所述基板为圆形或矩形；
所述掺杂导电金刚石膜是采用热丝化学气相沉积法、等离子微波化学气相沉积法或直流喷射化学气相沉积法涂敷在基板表面上的；
所述固体聚合物电解质膜为离子交换膜或质子交换膜；
所述掺杂导电金刚石膜的厚度为10nm～30μm；
所述掺杂导电金刚石膜为硼掺杂金刚石膜；
所述掺杂导电金刚石膜的掺硼量为100～200000ppm；
所述掺杂导电金刚石膜上硼掺杂金刚石晶粒尺寸为2nm～50μm。
4.根据权利要求3所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述掺杂导电金刚石膜的掺硼量为100～30000ppm；
所述掺杂导电金刚石膜上硼掺杂金刚石晶粒尺寸为500nm～10μm。
5.根据权利要求1所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述凹凸结构在电极板上排成至少一条线槽；
所述线槽的截面为匚形、U形、V形或梯形；
所述线槽的深度为0.001～10mm；
同一平面上相邻线槽的间距为0.01～50mm；
电极板上一个以上平面开有线槽，同一平面上的线槽等距排列或者同一平面上相邻线槽的间距不同。
6.根据权利要求5所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述线槽的深度为0.1～5mm；
同一平面上相邻线槽的间距为0.1～10mm；
所述线槽为直线槽或曲线槽。
7.根据权利要求2所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述电源为直流电源；
所述待电解液的流动速度为0.01～1000L/min，所述待电解液的电导率小于500S/m；
所述电源的电压为0.5～100V；所述电极板上电流密度为0.5mA/cm2～1A/cm2；
所述电解水臭氧发生器产生臭氧的浓度为0.001ppm～10g/L。
8.根据权利要求7所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述电源为脉冲直流电源，倒极时间间距为0.5～1000s；
所述待电解液为电导率小于100mS/m的去离子水；所述电源的电压为1～20V；所述电极板上电流密度为1～100mA/cm2。
9.根据权利要求8所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述电源的倒极时间间距为1～20s。
10.根据权利要求1所述的一种无膜结构的电解水臭氧发生器，其特征在于，所述凹凸结构在基板上等距排列；
所述凹凸结构为棱锥结构、棱台结构、圆台结构和圆锥结构中的一种以上；
所述孔为通孔或盲孔；
所述孔在基板上规律或无规律排布；
所述孔为圆形、方形、长圆形或条形。
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