一种杀菌元件、热水器及泡沫电极制备方法与流程

本发明属于杀菌技术领域，具体地说，是涉及一种杀菌元件、采用所述杀菌元件设计的热水器以及杀菌元件中泡沫电极的制备方法。

背景技术：

随着生活水平的提高，越来越多的人更加关注水质的健康问题。目前的水体灭菌技术主要有以下几种方式。

最常用和廉价的水体灭菌技术是氯气消毒法，但该技术会在水体中形成次氯酸等有害化学副产物。利用滤膜和紫外线过滤、杀菌的技术，其价格较为昂贵，应用范围受限。高温（约121℃）灭菌法可杀灭水体中的绝大多数有害微生物，但耗能巨大。

利用强电场也可以杀灭水中的细菌等有害微生物，现有技术中，通常将两个金属网分别连接电源的正负极，作为电场的阳极和阴极，通电后，两个金属网之间产生强电场。但该方法存在明显缺陷：一是所需电源电压较高，存在操作方面的安全隐患；二是金属网与电源正极直接连接，会发生严重的阳极溶解现象，溶解的金属阳离子会进入水体环境，对人体健康造成严重影响。

技术实现要素：

本发明提供了一种杀菌元件，所需电压较低、耗能少、成本低、安全无害、杀菌效率高。

为了解决上述技术问题，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种杀菌元件，包括两个平行且间隔布设的泡沫电极，每个泡沫电极均包括具有透水性的导电高分子泡沫材料以及由一维贵金属纳米材料在泡沫材料表面形成的分立芒刺；其中一个泡沫电极与电源正极连接，另一个泡沫电极与电源负极连接，通电后，两个泡沫电极之间形成电场。

进一步的，所述泡沫材料为具有耐水性的、孔径大于50mm的聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫，所述一维贵金属纳米材料为一维银纳米材料。

又进一步的，两个泡沫电极之间的间隔为5mm-15mm。

基于上述杀菌元件，本发明还提出了一种采用所述杀菌元件的热水器，包括主机、热水管、冷水管、混水阀、喷头、进水管，主机的出水口连接热水管的进水口，热水管的出水口连接混水阀的一个进水口，混水阀的另一个进水口连接冷水管的一个出水口，冷水管的另一个出水口连接进水管的进水口，进水管的出水口连接主机的进水口，混水阀的出水口连接所述喷头，在所述混水阀的出水口处安装有所述的杀菌元件；所述杀菌元件包括两个平行且间隔布设的泡沫电极，每个泡沫电极均包括具有透水性的导电高分子泡沫材料以及由一维贵金属纳米材料在泡沫材料表面形成的分立芒刺；其中一个泡沫电极与电源正极连接，另一个泡沫电极与电源负极连接，通电后，两个泡沫电极之间形成电场。

进一步的， 所述热水器还包括两个固定结构，每个固定结构均包括安装部和连接管；在所述安装部的上端面上开设有用于安装杀菌元件的泡沫电极的电极安装槽，且所述电极安装槽的深度大于所述泡沫电极的厚度；在所述安装部的下端面上安装有所述连接管，所述连接管与所述电极安装槽连通；杀菌元件的其中一个泡沫电极安装在其中一个固定结构的电极安装槽中，杀菌元件的另一个泡沫电极安装在另一个固定结构的电极安装槽中；两个固定结构的上端面贴合并固定在一起；其中一个固定结构的连接管与所述混水阀的出水口连通，另一个固定结构的连接管与所述喷头连通；通电后，两个泡沫电极形成的电场平行于水流方向。

进一步的，所述泡沫电极为圆形，所述连接管的中轴线穿过与所述泡沫电极的圆心，且所述连接管的内径小于等于所述泡沫电极的直径。

又进一步的，两个固定结构的上端面通过螺钉固定连接。

再进一步的，在所述固定结构的连接管上布设有外螺纹。

一种上述泡沫电极的制备方法，包括下述步骤：

（1）将硝酸银和十二烷基磺酸钠溶于去离子水中，形成溶液，所述溶液中硝酸银的浓度为4mmol/L、十二烷基磺酸钠的浓度为20mmol/L；

（2）将孔径大于50mm的聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫浸于上述溶液中，超声处理；

（3）取10 mmol/L的柠檬酸三钠水溶液80-120 mL加入到1L的上述溶液中，保温；

（4）取出上述的聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫，用去离子水洗涤直至洗涤废水变为无色，干燥、切割，制成泡沫电极。

进一步的，在步骤（2）中，超声处理的时间为20-30分钟；在步骤（3）具体包括：在800-1200转/分钟的磁力搅拌下，取10 mmol/L的柠檬酸三钠水溶液80-120 mL加入到1L的上述溶液中，于80-100℃温度条件下保温1-2小时；在步骤（4）中，干燥是在60℃的真空条件下进行的。

与现有技术相比，本发明的优点和积极效果是：本发明的杀菌元件集成了电穿孔灭菌、热杀菌、化学氧化灭菌原理，杀灭有害微生物，具有高效、节能、操作安全、结构简单等显著特点；且由于泡沫材料和一维贵金属纳米材料成本较低，降低了泡沫电极的成本，从而降低了杀菌元件的成本。本发明的泡沫电极制备方法，制作工艺十分简单，降低了制作成本。将上述杀菌元件应用在热水器中，在不影响热水器原有功能的基础上实现水体中有害微生物的杀灭功能，杀菌效率高，保障了用水安全和身体健康，节能降耗、成本较低、使用安全、操作便利，提高了用户的生活品质。

结合附图阅读本发明实施方式的详细描述后，本发明的其他特点和优点将变得更加清楚。

附图说明

图1是本发明所提出的灭菌元件的原理示意图；

图2是图1中杀菌元件的部分结构示意图；

图3是图2中泡沫电极的微观结构示意图；

图4是本发明所提出的热水器的一个实施例的结构示意图；

图5是本发明所提出的热水器的固定结构的结构示意图；

图6是图5的仰视图；

图7是图6中安装有泡沫电极的示意图；

图8是图5中的固定结构的安装示意图。

附图标记：

1、泡沫电极；1-1、泡沫材料；1-2、芒刺；2、电场；

3、热水器；4、主机；5、热水管；6、冷水管；7、混水阀；8、喷头；9、进水管；10、安全阀；

11、固定结构；12、安装部；12-1、安装孔；12-2、电极安装槽；13、连接管； 14、螺钉。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细地说明。

实施例一、本实施例的杀菌元件主要包括两个泡沫电极1，两个泡沫电极1平行且间隔布设，每个泡沫电极1均包括具有透水性的导电高分子泡沫材料1-1和由一维贵金属纳米材料在泡沫材料1-1表面形成的分立芒刺1-2，其中一个泡沫电极1与电源正极连接，作为阳极，另一个泡沫电极1与电源负极连接，作为阴极，参见图1至图3所示。

在本实施例中，两个泡沫电极1之间的间隔为5mm-15mm，以保证两个泡沫电极形成的电场长度足够，从而保证灭菌效果。

通电后，两个平行的泡沫电极1之间形成电场2，水体依次穿过其中一个泡沫电极、电场、另一个泡沫电极，水体流动方向与电场方向平行，即水体流动方向与电场方向相同或相反，图1中的箭头方向即为水体流动方向。

在本实施例中，泡沫材料选用具有耐水性的、孔径大于50mm的材料。

作为本实施例的一种优选设计方案，泡沫材料优选为具有耐水性的、孔径大于50mm的聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫，一维贵金属纳米材料优选为一维银纳米材料。

泡沫电极1的形状可根据实际需要进行设计，如设计为圆形、方形等。

电穿孔灭菌是应用强电场直接灭菌，由于强电场的作用使得细菌细胞膜的磷脂双分子层及蛋白质失稳，因此细胞透过性和导电性发生较大变化，小分子的物质能够自由透过细胞膜进入细胞内，从而引起细胞膜的膨胀破裂，如果细胞膜破坏严重则会导致细菌等微生物的立即死亡。电穿孔技术可杀灭水体中的细菌、原生动物和病毒，且不会产生有害的化学副产物。电穿孔技术简便易用，水体中微生物的去除率可达到99.9%，但所需要的电压高达10³-10⁵伏特，能量消耗较大，也存在操作安全风险。

本实施例的灭菌元件，由一维贵金属纳米材料在泡沫材料1-1表面形成的分立芒刺1-2具有良好的导电性，一方面会将电场强度提高几个数量级，达到电穿孔灭菌所需电场强度，不仅杀菌效率高，且大幅度降低了对电源电压的要求，所需电源电压较低，极易满足，无需线路改造，显著降低能耗，保障操作安全，例如，可以选择电压为5V的电源，远小于人体安全电压，既降低了能耗，又提高了操作安全性；另一方面，分立芒刺1-2尖端形成超高电压（非电场）环境，高电压产生的局部高温以及与水作用产生羟基自由基等强氧化性物质可直接作用细菌体或进入细菌内部，使细菌体蛋白质变性失活、阻断DNA复制、氧化呼吸酶，导致细菌死亡，不会产生有害化学副产物，安全无害；由于泡沫电极包括泡沫材料和一维贵金属纳米材料，即使与电源正极直接连接，也不会发生阳极溶解现象，避免由于阳极溶解现象对人体健康造成严重影响。

因此，本实施例的杀菌元件集成了电穿孔灭菌、热杀菌、化学氧化灭菌原理，对细胞膜、细胞壁、蛋白质、DNA等多个细胞器进行破坏，杀灭有害微生物，具有高效、节能、操作安全、结构简单等显著特点；且由于泡沫材料1-1和一维贵金属纳米材料成本较低，降低了泡沫电极1的成本，从而降低了杀菌元件的成本。

本实施例的杀菌元件可普遍适用于其他水处理装置或设备。

制备上述泡沫电极的步骤为：

（1）将硝酸银和十二烷基磺酸钠溶于去离子水中，形成溶液，溶液中硝酸银的浓度为4mmol/L、十二烷基磺酸钠的浓度为20mmol/L。

（2）将具有耐水性的、孔径大于50mm的聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫浸于上述溶液中，超声处理20-30分钟。

（3）在800-1200转/分钟的磁力搅拌下，取10 mmol/L的柠檬酸三钠水溶液80-120 mL加入到1L的上述溶液中，于80-100℃温度条件下保温1-2小时。

（4）取出上述的聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫，用去离子水洗涤直至洗涤废水变为无色，在60℃的真空条件下干燥，并按照一定规格进行切割，制成所需的泡沫电极。

经过以上步骤，银离子被柠檬酸三钠还原，在聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫表面原位形成晶核，作为助剂的十二烷基磺酸钠引导银团簇沿一维轴向生长为银纳米线或纳米棒结构。由于空间位阻作用，一维银纳米材料在泡沫表面形成纳米级的分立芒刺。

将两个切割好的泡沫电极（如切割成圆形或方形的泡沫电极）分别与电源正负极连接，平行且间隔布设即可得到杀菌元件。

通过上述步骤制成的泡沫电极，具有良好的耐水性和导电性。由该泡沫电极制成的杀菌元件，由于分立芒刺具有良好的导电性，会将电场强度提高几个数量级，达到电穿孔灭菌所需电场强度，不仅杀菌效率高，且大幅度降低了对电源电压的要求，所需电源电压较低，显著降低能耗，保障操作安全；分立芒刺尖端形成超高电压（非电场）环境，高电压产生的局部高温以及与水作用产生羟基自由基等强氧化性物质可直接作用细菌体或进入细菌内部，使细菌体蛋白质变性失活、阻断DNA复制、氧化呼吸酶，导致细菌死亡，不会产生有害化学副产物，安全无害；该泡沫电极与电源正极直接连接也不会发生阳极溶解现象，避免由于阳极溶解现象对人体健康造成严重影响。

本实施例的泡沫电极制备方法，制作工艺十分简单，降低了制作成本；且由于聚吡咯/聚氨酯导电复合泡沫和一维银纳米材料成本较低，降低了泡沫电极的成本，进而降低了杀菌元件的成本。

基于上述的杀菌元件，本实施例还提出了一种热水器3，主要包括主机4、热水管5、冷水管6、混水阀7、喷头8、进水管9等，参见图4所示，主机4的出水口连接热水管5的进水口，热水管5的出水口连接混水阀7的一个进水口，混水阀7的另一个进水口连接冷水管6的一个出水口，冷水管6的另一个出水口连接进水管9的进水口，进水管9的出水口连接主机4的进水口，混水阀7的出水口连接喷头8，在混水阀7的出水口处安装有所述的杀菌元件。

为了保护热水器3安全，在进水管9上安装有安全阀10。

杀菌元件通电后，两个泡沫电极之间形成电场。调节混水阀7，使得混水阀7的出水口流出合适温度的水，且混水阀7的出水口流出的水流经杀菌元件，水体中的细菌被杀菌元件杀死。

由于杀菌元件所需电源电压较低，显著降低能耗，避免了操作方面的安全隐患，提高了用水安全；且由于杀菌元件对电源电压要求较低，极易满足，无需对热水器的供电线路进行改造，使用现有的供电线路即可，如可以直接使用热水器的供电电源，使用方便；该杀菌元件杀菌效率高，且不会产生有害化学副产物，安全无害，保障了用水安全；杀菌元件成本较低，显著降低了具有灭菌功能的热水器的成本，提高了市场竞争力。

本实施例的热水器，在不影响热水器原有功能的基础上实现水体中有害微生物的杀灭功能，杀菌效率高，保障了用水安全和身体健康，节能降耗、成本较低、使用安全、操作便利，提高了用户的生活品质。

为了便于安装杀菌元件，热水器3还包括两个固定结构11，两个固定结构11的结构完全相同，每个固定结构11均包括安装部12和连接管13；在安装部12的上端面上开设有电极安装槽12-2，用于安装杀菌元件的泡沫电极，且电极安装槽12-2的深度大于泡沫电极的厚度；安装部12的下端面上安装有连接管13，连接管13与电极安装槽12-2连通，参见图5至图8所示。

杀菌元件的其中一个泡沫电极安装在其中一个固定结构11的电极安装槽12-2中，杀菌元件的另一个泡沫电极安装在另一个固定结构11的电极安装槽12-2中；两个固定结构的上端面紧密贴合并固定在一起，由于电极安装槽的深度大于泡沫电极的厚度，因此，当两个固定结构的上端面固定在一起时，两个泡沫电极平行且具有间隔，通过调整电极安装槽的深度即可调整两个泡沫电极之间的间隔大小。

在本实施例中，调整电极安装槽的深度，使得两个泡沫电极之间的间隔为5mm-15mm，以保证两个泡沫电极形成的电场长度足够，从而保证灭菌效果。

将其中一个固定结构11的连接管13与混水阀7的出水口连通，另一个固定结构11的连接管13与喷头8连通。其中一个泡沫电极连接电源正极，另一个泡沫电极连接电源负极，泡沫电极通电后，两个泡沫电极之间形成电场，且电场方向平行于流经的水体流动方向，图8中的箭头方向即为水体流动方向。

在安装部12上开设有安装孔12-1，螺钉14穿过安装孔12-1，使得两个固定结构的上端面固定在一起，从而使得两个固定结构固定在一起。

在本实施例中，安装部12设计为方形体，安装孔12-1开设有四个，四个安装孔12-1均匀布设在安装部12的边缘，通过四个螺钉14将两个固定结构11固定在一起，使得两个固定结构的连接稳定可靠。

假设两个固定结构分别称为第一固定结构和第二固定结构，第一固定结构的连接管连通混水阀的出水口，第二固定结构的连接管连通喷头，第一固定结构的上端面与第二固定结构的上端面紧密贴合并通过螺钉固定在一起，混水阀的出水口流出的水依次流过第一固定结构的连接管、第一固定结构的电极安装槽中安装的泡沫电极、电场、第二固定结构的电极安装槽中安装的泡沫电极、第二固定结构的连接管、喷头，最后流出，供用户使用。水体流经两个泡沫电极形成的电场，水中的细菌被杀灭，保障了用水安全和人体健康，提高了生活品质。

在连接管13上布设有外螺纹，便于与管路（如混水阀的出水口、喷头）螺纹连接，且连接稳定可靠、便于拆装。

在本实施例中，泡沫电极1设计为圆形，相适配的，电极安装槽12-2也设计为圆形，连接管13的中轴线穿过电极安装槽12-2和泡沫电极1的圆心。

连接管13的内径小于等于泡沫电极1的直径，以保证流过连接管13的水体会全部流过泡沫电极，避免杀菌不彻底。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的普通技术人员来说，依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所要求保护的技术方案的精神和范围。