电解水杯的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种电解水杯，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。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。
【专利说明】电解水杯
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种电解水杯，属于水电解设备【技术领域】。
【背景技术】
[0002] 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。
[0003] 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：
[0004] 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）；
[0005] 2)输水管网系统带来的二次污染；
[0006] 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。
[0007] 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。
[0008] 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S范围是5mm> δ >〇的间隙，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。 实用新型内容
[0009] 本实用新型解决的技术问题是：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。
[0010] 为了解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是：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范围是〇< δ <10毫米。
[0011] 本实用新型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。
[0012] 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。
[0013] 上述本实用新型申请公开的技术方案工作机理陈述如下：
[0014] 本实用新型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，本实用新型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。
[0015] 对水电解的正常反应是，阴极析氢(气)、阳极析氧(气)，Η+离子趋向阴极区域，而 0Γ离子则趋向阳极区域。本实用新型中，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。
[0016] 本实用新型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4〇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。
[0017] 本实用新型中透水性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S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〇 2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。
[0018] 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：
[0019] 1)本实用新型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；
[0020] 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 本实用新型的实际功耗较之同类产品大大降低。当覆盖碳材质阳极时，还可有效防止碳颗 粒剥落造成短路。
[0021] 本实用新型中，透水性隔膜的透水孔径大小进一步影响本实用新型处理水的效 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，反而导致本实用新型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，本实用新型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。
[0022] 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。这样可 以使电解水杯的结构更紧凑。
[0023] 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 质材料或导电陶瓷制成的透水性隔膜。
[0024] 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。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：
[0025] 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。
[0026] 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。
[0027] 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。
[0028] 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)。
[0029] 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。
[0030] 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。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，可以适当改变本实用新型的水处 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。
[0031] 上述本实用新型技术方案完善五是：所述阴电极与透水性隔膜的间距δ是〇毫 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。
[0032] 本实用新型中的电解电源优选高电平窄脉宽的直流脉冲电源或交变脉冲电源，且 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0033] 下面结合附图对本实用新型的电解水杯作进一步说明。
[0034] 图1是本实用新型实施例一的电解水杯的结构示意图。
[0035] 图2是本实用新型实施例三的电解水杯的结构示意图。
[0036] 图3是本实用新型实施例五中的透水性隔膜的结构示意图。
[0037] 图4是本实用新型实施例六中的透水性隔膜的结构示意图。
[0038] 图5是本实用新型实施例七中的电解单元的结构示意图。
[0039] 图6是本实用新型实施例八的电解水杯的结构示意图。
【具体实施方式】
[0040] 实施例一
[0041] 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)。
[0042] 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S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. 1_。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。
[0043] 本实施例的阴电极2采用钛基覆涂钼族氧化物(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。
[0044] 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。
[0045] 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R0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；
[0046] 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
[0047] ①水中气泡量(强度）的目测分级：
[0048] 从水中气泡为零?实验中相对气泡含量最大，分为0?5级；
[0049] ②水中氧化因子的测定
[0050] 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，分为五级，定性判定水中氧化因子含量：
[0051] 无色-对应水中氧化因子基本为零，设为〇级；
[0052] 颜色最黄-对应水中氧化因子相对最多，设为5级；
[0053] 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。
[0054] 实验结果如下表1 :
[0055] 表 1
[0056]
【权利要求】
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S范围是 0彡δ彡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1-4之任一所述电解水杯，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。
6. 根据权利要求1-4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。
7. 根据权利要求1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 〇毫米，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。
8. 根据权利要求7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。
9. 根据权利要求1-4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 覆涂钼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。
10. 根据权利要求1-4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。
【文档编号】C02F1/461GK203833683SQ201420177248
【公开日】2014年9月17日 申请日期:2014年4月12日 优先权日:2014年4月12日
【发明者】肖志邦 申请人:大连双迪科技股份有限公司