还原水无隔膜电解装置的制作方法

专利名称：还原水无隔膜电解装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种制取还原水的电解装置，尤其是一种可以制取宽pH范围(各种 酸性、碱性和中性)还原水的电解装置，属于电解功能水技术领域。
背景技术：
水的氧化还原电位值(ORP值)表征水的还原能力，通常将水的氧化还原电位值 (ORP值)低于+200mV的水称作还原水。经国内外众多专家公认，饮用氧化还原电位 (ORP)低的水，尤其是负氧化还原电位的水，有助于降低活性氧等氧化性物质含量及其 活性，从而可以提高人体的免疫能力和自然治愈能力，延缓衰老。对水电解是目前制取还原水的基本途径，当电解槽内的阴、阳电极加电后，水 中的阳离子移向阴极得电子发生还原反应，水中的阴离子移向阳极失去电子发生氧化反 应，阴极侧的氢离子在形成分子的过程中会与阴极提供的电子耦合成单原子氢，吸收了 电子的单原子态氢就是活性氢或叫还原氢，具有很强的还原能力，水中含有的还原氢越 多则水的ORP值越低，水的还原性越强。水电解后不仅会具有还原性，还会由于氢离子浓度的变化产生酸性、中性和碱 性，其中，中性和弱碱性(pH值在7.0至8.5之间)还原水适宜人饮用，可以清除体内酸 性代谢废物、过氧化物；强碱性还原水可以分解毒素，用于蔬菜瓜果的消毒或用于衣物 洗涤；中性和弱酸性还原水可以保护皮肤表面的pH值不受破坏，增加皮肤的弹性，防止 皮肤干燥，起到美容护肤的作用；强酸性还原水可以作为医用消毒杀菌。因此，各种pH 值的还原水在很多场合有着广泛需求。目前市面上常见的电解水装置主要分为有隔膜和无隔膜两种，其中无隔膜电解 水装置是日用化还原水电解装置的发展方向。经相关检索，国内外公开的采用无隔膜电 解制取还原水的方法与装置有一、向电解水溶液中添加特定物质来制取一定pH值范围的还原水。例如，1) 申请号200880012095.1的中国专利公开的电解水、沐浴用热水及脂肪块的抑制方法，通 过添加物增加氢浓度电解得到溶解的氢浓度在0.20ppm以上、氧化还原电位为-150毫 伏 -500毫伏的碱性离子水，并试验证明所制的电解还原水能防止皮肤中脂肪的氧化变 质，使肌肤活化，防止氧化变质，抑制皮下脂肪块；2)申请号00126980.1中国专利公开 的电解还原水、抗癌药及其制备方法和设备，通过对添加NaOH的水进行电解，提供能 有效地治疗癌症的不含盐酸和氯气的电解还原水；3)申请号97191460.5中国专利公开的 还原性电解水及其生成方法，通过电解添加维生素C等还原剂的水，生成酸碱度(pH)为 3 12、氧化还原电位在-200毫伏以下的还原性电解水，作为水饮料、农用肥料、点滴 液、其它的注射液、透析液、化妆水使用；4)申请号200480005124.3的中国专利公开的 混合电解水的制造方法，通过向间距限定2_范围内的惰件电极-惰件电极对的无隔膜 电解槽内添加水溶性无机盐、有机电解质形成的混合水溶液并进行电解，再添加氢氧化 钠调节水的酸碱度，从而获得超氧化物自由基歧化能力高的混合电解水。上述制取还原水的装置或方法存在的缺陷是需依赖对原水加入特定添加剂进行电解，但特定添加剂 在日常应用场合并非容易得到，且添加剂不易做到定量控制，也难以实现酸碱度(pH值) 宽范围可调。因此，这些制取还原水的装置或方法无法日用商品化，即不能使普通家庭 能够随意得到宽范围pH值的还原水。二、通过对电极组施加特定电解电压和电流来制取一定pH值范围的还原水。例 如1)日本专利(特开2000-84560号公报)公开的一种还原水生成装置，采用对电极施 加高频交流电压进行电解；2)中国专利(申请号200510093514.7)公开的一种还原水生 成装置，该装置采用一对碳电极，将交流电源对各碳电极施加负(_)电压的时间设定为 在该碳电极的表面可形成不影响电极与水的导电性的膜的程度，将交流电源对各 碳电极施加正(+)电压的时间设定为在溶解已形成的氧化皮膜，且碳粒子从电极表面溶 出到水中之前就结束的程度，以此减少碳粒子的溶出，以氯离子、次氯酸离子和氯分子 残留量少的状态为目的，生成中性或弱碱性还原水。上述制取还原水的装置存在的缺陷 是只用应于特定原水(例如自来水)，只能制取中性或弱碱性的还原水且不易保持稳 定。三、通过对电解水溶液在电解前或电解过程中辅之以磁化、超声振动等其他能 量来制取某一pH值的还原水，例如申请号200580029188.1中国专利公开的中性电解水、 中性电解水的制造方法及中性电解水的制造装置。该装置和方法只能制取中性电解水， 且装置结构和电路控制复杂、功率消耗大。在研究分析了已有(无隔离膜)制取还原水的等等专利之后，本发明的发明人企 望从新的方向来探求更简捷易行的无隔离膜制取还原水的方法和装置。为此，经发明人 持续而递进地实验，发明人先后申请了如下代表性的中国专利1、申请号200820183101.7的一种具有杀菌功能的饮水机、申请号 200820184175.2的一种电解功能水杯、申请号200820184176.7 —种便携式电解功能水制
备器，其基本机理是将一对惰性电极间电解电流控制限定在一个小电流范围内，使得氢 气相对氧气比较容易产生，在阴极侧生成更多氢氧根负离子，达到无隔膜电解方式制取 弱碱性还原水的目的。2、进一步，申请号201010105001.4的一种弱碱性负电位电解水制取装置及电解 饮水机，设计使得一对惰性电极阴极和阳极的实际有效电解反应面积不相等，辅之以对 电解过程电参数的独特检测与控制，不再有小电流的限制，可实现无隔膜电解快速制取 弱碱性还原水。3、再进一步，申请号201010120654.X的碱性还原水无隔膜电解装置，设计以一 对金属(阴极)/活性碳(阳极)电极组无隔离膜电解制取碱性还原水的方法和装置，在 电解功能水装置技术领域中首创采用具有高比表面积的活性碳电极(而非单纯碳电极)， 特别是打破了迄今电解电极组均为相同材质的常规，利用不同材质的两电极在水电解氧 化还原反应中的特性差异、依靠活性碳的巨大比表面积的超强吸附作用，与金属电极形 成巨大反差，使之得到总体平衡而局部强烈且稳定的氧化还原反应失衡，从而得到弱碱 性乃至强碱性还原水。上述发明人申请的中国专利存在只能制取碱性(即窄pH范围)还原水的不足。 此外，现有的各种还原水无隔膜电解装置和方法(包括上述各专利)的共同不足是1)对不同水质(电导率)的适应性差(例如5摄氏度左右的市售瓶装纯净水或蒸馏水与我国 北方某些水硬度极高地区自来水烧开时的电导率相差近千倍)；2)不同原水在相同电解 工况下制取的还原水，氧化还原负电位(ORP值)与酸碱度(pH值)参数一致性不好； 3)由于对不同水质的适应性差，导致对电解电源和控制系统的要求非常高，电功率消耗 大、制造成本高。总之，现有各种还原水无隔膜电解装置和方法要么是依赖对原水加入 特定添加剂；要么是制取的电解还原水pH值范围窄(只能单一碱性或酸性)，要么是制 取的电解还原水ORP值难以长时间保持；要么是只适应于特定原水(例如自来水)；要 么是电功率消耗大、制造成本高；从而最终导致缺乏实用性而难以商品化普及。

发明内容
本发明要解决的技术问题是针对目前缺乏可制取酸碱性(pH值)宽范围还原 水无隔膜电解装置的现状，提出一种适应各种原水、无需添加任何物质直接通电即可制 取酸碱性(pH)宽范围和稳定态还原水且耗电小的无隔膜电解装置。为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是一种还原水无隔膜电解装 置，包括电解槽和置放在电解槽内的一对阴、阳电极，以及与所述阴、阳电极电连接的 电源；所述阴、阳电极之一是主要由活性炭制成的活性炭电极，另一电极是主要由金属 制成的金属电极；所述阴、阳两电极之间距离δ的范围是5ιη ^δ >0。如前面背景技术中所述，本发明人在持续而递进地实验中又有重大发现和实验 结果是，当将本发明人在先申请的碱性还原水无隔膜电解装置的两电极之间距离缩小到 某一范围内时，对不同电导率的原水电解至相同功能参数所需的电解电能(如功率)不仅 趋于相同，而且可以制取得到的氧化还原电位大大降低甚至为负值的酸性还原水，也就 是说不仅可以如在先申请的碱性还原水无隔膜电解装置那样制取碱性还原水，而且还可 以制取酸性还原水，甚至于各种酸、碱性的还原水。基于此实验结果(见后面具体实施 方式中的内容)，本发明还原水无隔膜电解装置的有益效果是可以适应各种原水、无 需添加任何物质直接通电即可制取宽pH范围(3-12)和稳定态的还原水，而且由于小距离 间隙的两电极所需的电能消耗也很小，因此该装置相比现有各种水电解装置具有更低的 电耗和制造成本，从而可以实现该无隔膜电解装置的商品化普及。对于本发明还原水无 隔膜电解装置如何实现上述技术问题和有益效果，本发明人在后面实施例将给予详细的 理论分析和实验证明。本发明人在此需要说明的是，电解水是一门试验科学，电解水装置的核心结构 较为简单，在电解制取还原水的技术效果上的任何改进都是靠大量实验来完成，因此即 使技术效果上的重大突破反映到装置的结构形式上往往较小，但这种细微的结构形式变 化却正是电解水装置不断取得技术突破的体现。此外，本发明人还要说明的是，背景技 术中提到的申请号200480005124.3中国专利公开的混合电解水的制造方法，该方法是采 用传统一对惰件电极并在电解槽内添加物质获得混合电解水,该方法无法获得宽pH范 围和稳定态还原水，也不能适用各种原水，该方法解决的技术问题和达到的技术效果与 本发明完全不同，因此该方法中限定电极间距与本发明的技术方案没有可比性，也就是 说，在本发明的研发思路和技术方案公开之前，从该方法中得不到有关本发明技术方案 的任何启示。
上述技术方案的改进是所述阴、阳两电极之间距离δ的范围是3ιη ^δ > 0。这样，电解效果更理想(理由参见后面实施例内容)。本发明在解决上述技术问题之后要解决的进一步技术问题是使上述无隔膜电 解装置能够对ρΗ值进行精确调整，从而制取在酸碱度(ρΗ值)宽范围内的任何所需ρΗ 小范围或所需ρΗ值的稳定态还原水，进而使上述无隔膜电解装置进一步可商品化。为了解决上述进一步技术问题，本发明对上述技术方案的进一步改进是所述 电源是输出正向电能和反向电能单向独立可调的交变电源。本发明人在持续而递进地实验中进一步的发现是，当电源是输出正向电能和反 向电能独立可调的交变电源时，不仅可以制取碱性还原水或酸性还原水，可对还原水在 宽范围酸碱度内(3 12)进行调整。首先要说明的是，所谓“正向”、“反向”，只是为了分析方便而引用的一个 相对概念。例如，不妨假设以施加在活性碳-金属电极组的电压以活性碳电极极性为(+) 而金属电极极性为(_)，作为提供电解电能的正向方向；以施加在活性碳-金属电极组的 电压以活性碳电极极性为㈠而金属电极极性为(+)，作为提供电解电能的反向方向。若按照以上相对方向的约定，则当电解电源输出正向电能大于反向电能时，可 制取得到碱性还原水；当电解电源输出正向电能小于反向电能时，可制取得到酸性还原 水；当电解电源输出正向电能等于反向电能时，可制取得到ρ ^7的中性还原水；一般地，当控制电解电源输出正向电能与反向电能的比值(绝对值)固定于0 — 无穷大区间某一值时，根据本发明人的试验结果，所制取的还原水其酸碱度(ρΗ)可以是 3 12范围内的某一局部区段。更进而，若以ρΗ值为监控参数，借助对电解电源的实时闭环控制(现有技 术)，实时调整正向或反向输出电解电压的参数(持续时间、幅值、频率、占空比)，由 后面的实施表例可见，完全可以将所制取还原水的ρΗ值精确控制在某一所需点。极端地，若当输出正向电能(反向电能)为某一值而输出反向电能(正向电能) 为零，此时可调交变电源等同于直流电解电源；或者，当电解交变电源输出为正向与反 向幅值相等、相位差180°、频率为50赫兹的正选波时，可调交变电源等同于普通工频 电源。这样，通过对电源输出正向电能和反向电能的单向独立调整，即可获得在宽范 围酸碱度内任意所需ρΗ值(乃至精确ρΗ值)的还原水。至于实现电解电源正向或反向输出电能不相等的方法则可由现有技术实现。例 如，可以通过改变施加在电极组正向或反向输出电压的幅值不等、或调节施加在电极组 正向脉冲的频率与反向脉冲的频率不相等、或调节施加在电极组正向脉冲的波形形状与 反向脉冲的波形形状不同，甚至可以通过在一个制水周期内先对电极组正向_反向供电 一段时间然后再反向-正向供电一段时间的方法来实现，参见后面实施例的表9和表10。上述技术方案的更进一步改进是所述电解槽构成所述电极之一。上述技术方案的再进一步改进之一是所述电源是输出正向电能和反向电能不 相等的交变电源。上述技术方案的再进一步改进之二是所述电源是输出正向电能和反向电能相 等的交变电源。
上述技术方案的完善是所述电源是输出正向电压和反向电压的幅值、频率、 波形或供电时间不相等的交变电源。上述技术方案的进一步完善是所述活性炭是烧结活性炭或压结活性炭，所述 金属是表面涂敷钼族元素氧化物的钛材。上述技术方案的更进一步完善是所述活性炭电极是烧结活性炭或压结活性炭 采用非粘接工艺成型而成。这样，可排除粘接剂对活性炭电极电解性能可能存在的不良 影响，保证制水水质的安全性。此外，采用适当非粘接工艺成型的活性碳电极还具有较 好的导电性、电导率可控、高比面积和高强度优点，并可制成各种复杂形状，更加有助 于商品化。


下面结合附图对本发明还原水无隔膜电解装置的式作进一步说明。图1是本发明具体实施方式
的还原水无隔膜电解装置的结构示意图。图2是现有还原水电解装置电极组之间的固液界面层离子分布图。图3是本发明具体实施方式
的还原水无隔膜电解装置电极组之间的固液界面层 离子分布图之一。图4是本发明具体实施方式
的还原水无隔膜电解装置电极组之间的固液界面层 离子分布图之二。
具体实施例方式本发明具体实施方式
的还原水无隔膜电解装置如图1所示，包括电解槽1和置 放在电解槽1内的一对阴、阳电极2、3(即阴电极2、阳电极3)，以及与阴、阳电极 2、3电连接的电源4。阴、阳电极2、3之一(即阴电极2或阳电极3)主要由活性炭 制成(即阴、阳电极2、3之一是活性炭电极)，另一电极(即阳电极3或阴电极2)主 要由金属制成(即阴、阳电极2、3之二是金属电极)。在本发明具体实施方式
中，活 性炭电极是采用活性炭经非粘接工艺成型而成，规格是40mmX40mmX5mm，电阻率为 1.87 Ω · m，比表面积= 760m2/g;金属采用表面涂敷钼族元素氧化物的钛材，规格是 40mmX40mmX0.3mm。两电极(即阴电极2与阳电极3)之间的距离大于零并小于等 于5mm;在本发明具体实施方式
中，阴电极2与阳电极3之间的距离分别限定有1mm、 2mm、3mm 禾口 5mm 四种。以下通过理论分析和实验来验证本发明具体实施方式
的还原水无隔膜电解装 置，能够实现本发明技术问题并达到相应的有益效果。一、本发明具体实施方式
的还原水无隔膜电解装置进行电解水时无需添加任何 物质，而且不受原水水质影响；同时能够减小电解的电能消耗。1、关于无需添加任何物质，而且不受原水水质影响理论分析当电压施加于金属-活性碳电极组时，电解电流大小主要取决于(1)阴、阳两 电极之间水溶液的等效阻抗；(2)活性碳电极自身的等效阻抗。对于水溶液的电解，若 忽略电路的动态过程，电解电源相当于对两个串联电阻性负载R1和R2供电。I = U/ (R^R2)-------(1)
R1=P1IVS1-------(2)R2 = P 2L2/S2-------(3)上式中I是电解电流，U是电解电压，P1是制成活性碳电极的材料电阻率 (Ω · m), P2是原水电阻率(Ω · m), L1是活性碳电极厚度；L2是两电极间距离，S1 是活性碳电极横截面积，S2是两电极间相互作用水溶液的截面积。如果R2远小于R1 (通常以RglOR2作为满足R2 “远小于” R1的条件)，则电解
电流基本由活性碳电极自身的等效电阻R1所决定。I = U/ (RJR2) ^U/Ri--------(4)^ R1 = IOR2 时，RVR2= (P1L1ZS1V(P2L2ZS2) = (P1L1V(P2L2) = 10，或 P1IVS1 = IOX (P2L2/S2)，于是δ =L2 = O1IXL1X(P1ZP2)X(S2ZS1) --------(5)由以上(1)-(5)式可知，当阳极和阴极之间距离δ缩小到临界限定值以下时， 阴电极2和阳电极3之间水溶液的等效电阻R2趋近于零，电解电流主要由活性碳电极自 身的等效电阻民所决定。对于相同的电解功率，尤其在活性碳电极自身的等效电阻民较 小的情况下，原水导电特性对水电解反应的影响大大降低，无论纯净水、蒸馏水、矿泉 水、矿物质水或不同硬度自来水，均能取得相近制水效果。由此带来的另一好处是，水 电解效率得以提高，耗电大大降低。实际上，水溶液的电解过程，特别是在本发明的金属-活性碳电极组间距δ微 小情况下，电解反应过程是十分复杂的，电解电源负载也并非为纯阻性；此外，活性碳 的导电特性、电极的形状等等，都会影响制水结果；加之伴随着阴、阳两电极之间间距 的缩小，电解水溶液在电极间的气化加剧、水的表面张力变化等等复杂因素，因此上式 (5)仅具有理论指导的意义，阴、阳电极组之间的最佳间距范围应通过实验确定。2、关于能够减小电解电能消耗的理论分析电解时，当电极和水接触时，由于库仑力、分子间力或者原子间力的作用， 使固液界面出现稳定的、符号相反的层电荷，称为界面双电层，双电层的厚度大约为2 埃 10埃范围之内。特别对于活性炭制成的活性炭电极，由于活性碳表面醌式结构的存 在，或由于活性碳表面的sP2、sP3轨道杂化键影响，在电解电流作用下，在活性碳电极 相对金属电极的层面还会形成所谓的法拉第准电容(赝电容)。双电层电容形成的溶剂化 离子层其厚度为溶剂化离子的半径，对于水化离子则半径约为0.3纳米至0.35纳米。现有还原水电解装置电解时如图2所示，当电极组之间的距离较大时，双电层 电容以及法拉第准电容所导致的两电极相对面间各电极界面生成的电荷堆积层稳定存 在。正是由于双电层的存在，对于阴、阳电极间水溶液电解，会带来电解电压的提高、 电极钝化等不利影响。为克服上述影响，需要加大电解功率以保证电解反应连续进行。但是当电极之间的距离缩小至上述限定范围δ内时如图3、图4所示，破坏了水 化离子层电荷稳定分布条件，水化离子层处于动态消失的失稳状态；其结果是维持相同 电解电流所需电解电压大大降低，亦即电解电能消耗得以减小，详细分析请见后面第13 页对本具体实施方式
的还原水无隔膜电解装置能够制取宽范围酸碱度(ρΗ)的还原水的理 论分析。此外，从下面表1和表3中也可以明显看出，在维持同样的电解电流为IOOma 时，随着两电极间距的减小，对应的电解电压相应降低。
3、为检验本发明具体实施方式
的还原水无隔膜电解装置对原水水质的敏感程度 及确定阴、阳两电极之间的最佳间距，并说明能够减小电解电能消耗，通过以下实验加 以验证选择市售桶装纯净水(电阻率=1897 Ω · m)和南京市供自来水(电阻率= 37.2 Ω ·ιη)作为实验原水。首先以纯净水为原水，选择阴电极2与阳电极3间距分别为 1mm、2mm、3mm、5mm进行电解实验，再选择阴电极2与阳电极3间距分别为7mm、 10mm、20mm、40mm进行对比电解实验，电解电源为常规直流稳压电源，电解过程中 维持电解电流=100毫安，每间隔1分钟记录对应电解电压值。然后再将原水换成南京 市供自来水，重复上述试验，不同是，电解电压为按上述电解纯净水试验中记录的每分 钟间隔电解电压值，测量记录相应的电解自来水电流值。实验结果见下表1和表2:表 权利要求
1.一种还原水无隔膜电解装置，包括电解槽和置放在电解槽内的一对阴、阳电极， 以及与所述阴、阳电极电连接的电源；所述阴、阳电极之一是主要由活性炭制成的活性 炭电极，另一电极是主要由金属制成的金属电极；其特征在于所述阴、阳两电极之间 距离δ的范围是>0。
2.根据权利要求1所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述阴、阳两电极之 间距离δ的范围是>0。
3.根据权利要求1或2所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述电源是输出正 向电能和反向电能单向独立可调的交变电源。
4.根据权利要求3所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述电解槽构成所述 电极之一。
5.根据权利要求4所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述电源是输出正向 电能和反向电能不相等的交变电源。
6.根据权利要求4所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述电源是输出正向 电能和反向电能相等的交变电源。
7.根据权利要求5所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述电源是输出正向 电压和反向电压的幅值、频率、波形或供电时间不相等的交变电源。
8.根据权利要求1-7之任一所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述活性炭 是烧结活性炭或压结活性炭，所述金属是表面涂敷钼族元素氧化物的钛材。
9.根据权利要求8所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述活性炭电极是烧 结活性炭或压结活性炭采用非粘接工艺成型而成。
10.根据权利要求9所述还原水无隔膜电解装置，其特征在于所述电源包括控制 电路、开关升压可变脉冲及功率放大电路、电极供电极性换向电路、单片机中央处理单 元、液晶显示及按钮控制单元和酸碱度与氧化还原电位参数检测电路。
全文摘要
本发明涉及一种还原水无隔膜电解装置，属于电解水技术领域。该装置包括电解槽和置放在电解槽内的一对阴、阳电极，以及与所述阴、阳电极电连接的电源；所述阴、阳电极之一是主要由活性炭制成的活性炭电极，另一电极是主要由金属制成的金属电极；所述阴、阳两电极之间距离δ的范围是5m≥δ＞0。该装置可以适应各种原水、无需添加任何物质直接通电即可制取宽pH范围和稳定态的还原水；而且该装置相比现有各种水电解装置具有更低的电耗和制造成本，从而可以实现该无隔膜电解装置的商品化普及。
文档编号C02F1/461GK102020341SQ20101052548
公开日2011年4月20日 申请日期2010年10月29日 优先权日2010年10月29日
发明者肖志邦 申请人:肖志邦