WO2015154708A1 - 电解水杯 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电解水杯，属于电解设备技术领域。该水杯包括电解电源以及设有阴电极和阳电极的内胆，所述阳电极、阴电极分别连接电解电源的正、负极；所述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，所述透水性隔膜与所述阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。该水杯能够制取富含活性氢的且具有低氧化还原电位的适宜饮用的水。

Description

电解水杯 技术领域

本发明涉及一种电解水杯，属于水电解设备技术领域。

背景技术

水为生命之源。伴随着社会进步以及环境污染的加剧，人们对日常用水(包括居民生活用水，医疗用水、美容用水和食品制作等工业用水，等等)尤其是生活用水的水质提出越来越高和越来越多样化的需求。

由市政提供的民众日常生活用水,即使自来水厂出厂水质安全指标基本达标,输送到民众用水终端的“龙头水”,由于下述原因,也己经成为一种(特殊的)微污染水:

1)水环境污染日益恶化,现有自来水厂处理工艺陈旧,出厂水质已经难以达标(特别是在突发饮用水卫生事件的情况下)；

2)输水管网系统带来的二次污染；

3)水中余氯与残留有机物相互作用,可能生成源水中没有的新的有害物质(例如强致癌物三氯甲烷,等等)。尤其是,上述余氯导致的毒副产物,用诸如把水烧开的简单方法并不能去除。

因此,为保障饮水的绝对安全,有必要对龙头水加以再净化处理。通常人们认为将自来水烧开饮用是保证饮水安全的最简单办法。其实，自来水煮沸喝并不代表安全，因为水煮沸并不能“杀死”重金属、砷化物、氰化物、亚硝酸盐、有机污染物(比如农药、杀虫剂、合成洗涤剂等有害物质)，自来水中残留的余氯会与源水中的腐植酸、富里酸等反应生成三卤甲烷、卤乙酸等有毒致癌物，加热过程则会加速其生成。

目前已公示专利技术的电解制水杯均为无隔离膜结构，如专利号ZL201020582802.5的一种还原水无隔膜电解水杯，通过采用活性碳阳极和金属阴极对，利用活性碳阳极的强效吸附作用，产生对水电解时氧化还原反应总体平衡下的局部不平衡，来制取得到所需还原水。其优点为对水质净化效果极佳，缺点是纳米陶瓷(采用中间相工艺烧结的高比表面积活性碳块)对生产工艺要求高，且对于高硬度自来水，制水后pH可能超过8.5。再如专利号ZL201120509347.0的一种制取富含负氢离子水的无隔膜电解制水杯，采取钛基材惰性阳极构件和杯体的底板内壁设置一个δ范围是5mm≥δ＞0的间隙，其制水机理是利用在微小电流 下对水电解时传质反应滞后于电化学反应的差异。这种电解制水杯的优点是避免了制水后pH可能超过8.5，缺点则是对水的净化效果不如前一种。上述两种电解制水杯的的共性问题是制水功耗比较高。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种能够制取富含活性氢的、具有低氧化还原电位的适宜饮用的水的电解水杯。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种电解水杯，包括电解电源以及设有阴电极和阳电极的内胆，所述阳电极、阴电极分别连接电解电源的正、负极；所述阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜紧贴所述阳电极上，所述透水性隔膜与所述阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。

本发明的透水性隔膜也叫透水膜，是指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。

上述本发明申请公开的技术方案工作机理陈述如下：

本发明中所述透水性隔膜并非常规采用的离子膜，而是在水电解领域中从未用过的一种隔离膜，本发明人创新地将该透水性隔膜引入电解水杯中作为阴、阳电极间的隔离膜。

对水电解的正常反应是，阴极析氢(气)、阳极析氧(气)，H⁺离子趋向阴极区域，而OH^-离子则趋向阳极区域。本发明中，阴、阳电极之间设置有透水性隔膜，将电解池分割为阴极室和阳极室两个反应空间。

1)透水性隔膜与阴电极的间距δ大于零，即阴极室容积大于零，阴极析氢反应正常进行，生成氢气，阴极室、进而整个容器水的氧化还原电位下降

H⁺+e^-→H H+H→H₂↑ H+e^-→H^-

2)阳极室析氧反应为

①从水里迁移到阳极表面的液相传质吸附

OH^-(水)→OH^-(阳极表面)

②在阳极表面发生的反应

OH^-→OH+e^-

OH+OH→O+H₂O

OH+OH^-→O+e^-+H₂O

O+O→O₂↑

由于透水性隔膜覆盖在阳电极上，相当于阳极室容积＝0，阳极析氧反应因隔膜对阳极的覆盖受到干扰。在阳极脱附转化反应生成的H₂O以及在阳极析出的氧气，由于无处释放，只能在克服了透水性隔离膜的透水水阻后，穿过隔膜中无数微孔通道向阴极室迁移。

3)本发明中，隔膜的无数微孔蓄水空间，等效于阴、阳电极电解电流通路中相互并联的一个个微小水电阻。因阴电极与膜之间间距δ很小，阴极室水电阻压降可以忽略不计，外加电解电压主要作用在透水性隔膜上，每个微孔中单位电压强度极高。再加上透水性隔离膜的透水孔径很小(微米级乃至纳米级)，从阴极释放的高能电子在微孔中密集，相当于将一个大的放电电极(阴极)分解为无数个小曲率半径电极。因此，不仅在透水性隔膜微孔中对水电解氧化还原反应可充分进行，从阳极迁移到膜孔内的O₂受高能电子的轰击及强电场作用生成氧气泡，并激发连锁反应，诱发水体自身气化，在微孔内形成连续稳定的等离子放电，生成大量氧化因子，最终通过阴极区域扩散到容器水中。

综合上述反应过程可知，本发明通过创新的在阴、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)本发明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，使得本发明的实际功耗较之同类电解水杯大大降低。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。

本发明中，透水性隔膜的透水孔径大小进一步影响本发明处理水的效果。透水孔径小，则对阳极析氧气化反应的抑制效果好，而且透水孔径减小相当于放电电极的曲率半径减小，也有利于等离子放电的进行；但是透水孔径过小，对阳极析氧气化反应抑制过度，相当于大幅度提高了阳极析氧电位，在外加电解电压不变的情况下，阴阳极之间的电解电流大大下降，反而导致本发明中所期望的各种反应不能进行。此外，膜的透水孔径选择还关联到膜的机械强度等多种因素。经实践中反复试验，根据不同的用水需求综合考虑，本发明选择透水膜的孔径范围从2毫米到1纳米之间，涵盖日常生活水处理常用的超滤膜、纳滤膜和微滤膜。亦即，上述本发明技术方案的改进是：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。

作为优选的方案，所述阳电极设置于内胆内侧底部，所述内胆作为阴电极。这样电解水杯的结构更紧凑。

上述本发明技术方案完善一是：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或导电陶瓷制成的透水性隔膜。

通过上述对本发明技术方案的完善一，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。进一步地，倘若透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，且其中靠近阳电极的一层透水性隔膜具有导电性和微米级孔径(例如是由导电性陶瓷或活性炭纤维制成)，则将带来进一步的下述变化：

1)因为具有良好导电性,其本身产生的电压降很小,因此保证了水中等离子放电仍主要在靠向阴极一侧的非导电的、透水孔径更小的透水膜(一般选择为超滤膜)中进行。

2)由于介质的多孔性,一方面可以强化对阳极析氧的抑制,另一方面可以将源水中的污染物吸附在导电性陶瓷或活性炭纤维的孔隙里,受到阳极的直接氧化和间接氧化作用而深度降解去除。

3)对自来水中残留余氯有很好吸附,并在阳极作用下转化为无害氯离子,大大降低了水中残留余氯可能生成毒副产物的危险。

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)。

上述本发明技术方案完善三是：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。

上述本发明技术方案完善四是：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。在透水性隔膜上开有第二通孔，实质等效于产生一个个的无膜电解小区域，或者说相当于引入叠加了常规无膜电解反应，可以适当改变本发明的水处理效果，例如调整水的pH值等。第二通孔与透水性隔膜的透水孔区别在于：透水孔是采购的隔膜自身固有的，第二通孔则是另外单独制作的。

上述本发明技术方案完善五是：所述阴电极与透水性隔膜的间距δ是0毫米，所述透水性隔膜是叠加复合而成的三层透水性隔膜，靠近阴电极的一层透水性隔膜开设有一排第一腰形通孔，所述阴电极上开有一排第二腰形通孔，所述第一腰形通孔和第二腰形通孔相互垂直交叉。进一步地，所述阴电极、阳电极和三层透水性隔膜设置在绝缘的开口盒内，所述阴电极设于开口盒的开口处，所述阳电极设有穿出所述开口盒底部的导电螺杆，所述阳电极通过导电螺杆安装在内胆底部，所述阳电极通过导电螺杆与电解电源的正极连接。

上述本发明技术方案完善六是：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。采用直流脉冲电源、尤其是采用高电平窄脉宽的脉冲电源更加有利于阴阳电极间水体内部的等离子放电，得到更好的制水效果。其次，采用正负交变脉冲电解电源对电极组供电，有利于改善阴阳电极表面因双电层极化电容效应而导致的电流减小效率下降。

附图说明

下面结合附图对本发明的电解水杯作进一步说明。

图1是本发明实施例一的电解水杯的结构示意图。

图2是本发明实施例三的电解水杯的结构示意图。

图3是本发明实施例五中的透水性隔膜的结构示意图。

图4是本发明实施例六中的透水性隔膜的结构示意图。

图5是本发明实施例七中的电解单元的结构示意图。

图6是本发明实施例八的电解水杯的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的电解水杯参见图1，包括顶部设有灌水口和倒水口的内胆1和电解电源4，内胆1内侧底部设有一对阴电极2和阳电极3，阴电极2和阳电极3分别连接电解电源4的正负极。本实施例中电解电源4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)。

本实施例中阴电极2和阳电极3之间设有透水性隔膜5，透水性隔膜5紧贴阳电极2上，并覆盖阳电极3的全部表面，即透水性隔膜5包覆电极3的全部表面，而透水性隔膜5与阴电极的间距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，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。

本实施例的阴电极2和阳电极3在内胆1内的水中平行放置时，阴电极2位于阳电极3的上方。

采用本实施例的电解水杯进行水电解试验，水杯内胆1的直径为100毫米，高为150毫米，源水是RO纯水机的出水，TDS＝3mg/L，水杯内注水约0.8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。同时考虑到本发明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，分为五级，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

本实施例的电解水杯与实施例一基本相同，与实施例一不同的变化是：本实施例中透水性隔膜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。透水性隔膜5仍采用平均疏水孔径0.03微米的PVDF超滤膜，厚度为0.1mm。

将本实施例与实施例一的电解水杯进行水电解实验，源水为市供自来水，ORP＝+320mv,pH＝7.1,TDS＝148mg/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

本实施例的电解水杯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：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。

将本实施例的电解水杯进行水电解实验，本实施例在阴电极上均布开有24个直径φ1mm的第一通孔，电解时间20分钟，其他实验条件和检测方法与实施例一相同，实验结果如下表3：

表3

实施例四

本实施例的电解水杯是在实施例三基础上的改进，与实施例三的变化是：1)透水性隔膜5开有直径φ2.1mm的第二通孔，第二通孔与第一通孔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。

将本实施例的电解水杯进行水电解实验，电解时间20分钟，其他实验条件和检测方法与实施例三相同，实验结果如下表4：

表4

实施例五

本实施例的电解水杯是在实施例二基础上的改进，与实施例二的变化是：1)如图3所示，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。

将本实施例的电解水杯进行水电解实验，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5：

表5

由实验结果可得出：本实施例的电解水杯，由于透水性隔膜5是由活性炭纤维膜(毡)5-1和超滤膜5-2叠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。

实施例六

本实施例的电解水杯是在实施例五基础上的改进，与实施例五的变化是：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)如图4所示，朝向阴电极2(背离阳电极3)的超滤膜5-2包覆阳电极3的三个侧表面。

实施例七

本实施例的电解水杯与实施例一基本相同，如图5所示，与实施例一不同的变化是：1)阴电极2和阳电极3均为圆形，阴电极与透水性隔膜的间距δ是0毫米，透水性隔膜5同时紧贴在阴电极2和阳电极3上，阴电极2均布开有一排第一腰形通孔8；2)透水性隔膜5是叠加复合而成的三层透水性隔膜，第一层是朝向阴极2的UF超滤膜片(平均透水孔径0.05微米，厚度0.3mm，剪切成与阴电极相同尺寸的圆片膜)，UF超滤膜片5-10开有一排与第一腰形通孔8位置方向相互垂直的第二腰形通孔9；第二层(中间层)是对阳电极3全覆盖的MF超滤膜5-11(平均透水孔径80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5-12(比表面积1200m²/g，浸水紧压后厚度约1.8毫米)。

本实施例中的阴电极2、阳电极3以及透水性隔膜5构成一个电解单元，该电解单元可以集中设置在一个塑料外框11中。本实施例的电解水杯呈圆柱形，其内胆1的直径是54mm，内胆1的高是210mm，容积350mL；电解电源采用一块3.7V锂电池直接对阴、阳电极对供电(电解期间电流为60～90毫安)。

将市供自来水注满本实施例的电解水杯内，进行电解工作5分钟，检测电解前后的水样，结果如下表6：

表6

由检测结果可见，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。

当然，本实施例中靠近阳电极3的那层透水性隔膜也可以采用由导电性陶瓷制成的透水性隔膜。

实施例八

本实施例的电解水杯与实施例七基本相同，如图6所示，与实施例七不同的变化是：阳电极3安装在内胆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与内胆1底面后固定，同时也将透水性隔离膜5压紧；在阳电极3外周边加有一个用螺杆12固定的塑料外框11，用于将覆盖在阳电极3上的透水性隔离膜5压紧在内胆1底面，以做到对阳电极3的可靠包覆，本实施例阳电极3的底面紧贴内胆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；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导电螺杆13，外部供电的电解电源的正负极引线分别连接到导电螺杆13和定位螺杆10上。这样，可以使电解单元的结构更紧凑，而且可以将该电解单元应用其他相关领域。

本发明的电解水杯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可以是其他材料的惰性电极；2)透水性隔膜4与阴电极2的间距δ可以是0～10mm的任意间距，比如4mm、6mm、7mm或10mm等；3)透水性隔膜5也可以是三层以上的隔膜叠加而成；4)阴电极2和阳电极3的形状也可以是方形等各种形状；5)内胆1采用导电材料时，可以直接作为阴电极；6)本发明的上述多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发明要求的保护范围。

Claims (13)

1. 一种电解水杯，其特征在于：包括电解电源以及设有阴电极和阳电极的内胆，所述阳电极、阴电极分别连接电解电源的正、负极；所述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，所述透水性隔膜与所述阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10毫米。
2. 根据权利要求1所述电解水杯，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1所述电解水杯，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1所述电解水杯，其特征在于：所述透水性隔膜包覆所述阳电极的全部表面。
5. 根据权利要求1所述电解水杯，其特征在于：所述透水性隔膜包覆所述阳电极的部分表面。
6. 根据权利要求1所述电解水杯，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。
7. 根据权利要求1所述电解水杯，其特征在于：所述阴电极开有第一通孔，所述第一通孔的孔径大于等于1毫米。
8. 根据权利要求1-7之任一所述电解水杯，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。
9. 根据权利要求3所述电解水杯，其特征在于：所述阴电极与透水性隔膜的间距δ是0毫米，所述透水性隔膜是叠加复合而成的三层透水性隔膜，靠近阴电极的一层透水性隔膜开设有一排第一腰形通孔，所述阴电极上开有一排第二腰形通孔，所述第一腰形通孔和第二腰形通孔相互垂直交叉。
10. 根据权利要求9所述电解水杯，其特征在于：所述阴电极、阳电极和三层透水性隔膜设置在绝缘的开口盒内，所述阴电极设于开口盒的开口处，所述阳电极设有穿出所述开口盒底部的导电螺杆，所述阳电极通过导电螺杆安装在内胆底部，所述阳电极通过导电螺杆与电解电源的正极连接。
11. 根据权利要求1-7之任一所述电解水杯，其特征在于：所述阴电极是采用圆形钛基覆涂铂族氧化物制成的惰性电极，所述阳电极是采用碳质材料制成的 惰性电极。
12. 根据权利要求1-7之任一所述电解水杯，其特征在于：所述电解电源是高电平窄脉宽的交变直流脉冲电源，且正向脉冲电平大于反向脉冲电平。
13. 根据权利要求1-6之任一所述电解水杯，其特征在于：所述阳电极设置于内胆内侧的底部，所述内胆作为阴电极。

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