自呼吸原位电合成过氧化氢生成器、雾化消毒设备及方法

本发明涉及消毒设备，尤其涉及一种自呼吸原位电合成过氧化氢生成器、一体化雾化消毒设备及方法。

背景技术：

1、雾化消毒是一种将消毒液体分散为超微颗粒，主动捕获灭杀空间内空气及实体表面病菌的技术。与传统擦拭和喷洒消毒方式相比，雾化消毒不仅有效解决了消毒死角问题，其自动雾化运行模式还有利于节省多次循环消杀作业所需的人力成本。在人们对环境卫生要求越来越高的情境下，基于雾化消毒的优势，也作为一种理想的消毒方式逐渐获得更多亲睐。

2、在雾化消毒方式的基础上，消毒液的种类选择和获取形式成为核心。常见的消毒液种类包括臭氧和含氯消毒液，但都伴有刺激性气味和强腐蚀作用，所引入的异味和风险极大地降低了用户安全感，且不能实现消毒时的人机共存模式。在众多选择中，过氧化氢消毒液以其消毒高效性和无色无味无残留特性成为环保安全的方案，可以有效规避上述负面问题。然而，目前对于过氧化氢消毒液的获取，多源于工业上通过蒽醌法或电解法大规模集中化制备的高浓度过氧化氢溶液。一方面，在生产和运输过程中面临着大量材料试剂、电力能源和浓度损耗以及爆炸危险；另一方面，还增加了稀释备用的繁琐操作。此外，无法轻易获取却存在极大需求量的消毒液耗材也成为矛盾点，严重限制了用户对于消毒设备的使用。针对以上缺陷，采用双电子氧还原技术原位电合成低浓度过氧化氢消毒液这一获取形式成为对策，而考虑到水中的溶解氧浓度较低，往往需要额外配置供氧组件才足以支撑过氧化氢合成反应的进行，又导致了各功能模块的高难度一体化集成和非必要的电能消耗。

3、以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本技术的新颖性和创造性。

技术实现思路

1、为解决上述技术问题，本发明提出一种自呼吸原位电合成过氧化氢生成器、一体化雾化消毒设备及方法，通过空气阴极的自曝气功能，可以实现以自来水作为唯一耗材，无需氧气发生功能装置，即可在低电耗下完成空气消毒，且全过程绿色、安全。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、第一方面，本发明公开了一种自呼吸原位电合成过氧化氢生成器，包括反应壳体、反应阳极、空气阴极，其中所述反应壳体内设有反应腔，且所述反应壳体的一侧面处开设有与所述反应腔连通的孔洞，所述反应阳极固定设置于所述反应腔中，所述空气阴极密封固定于所述孔洞处，且所述空气阴极和所述反应阳极相互间隔设置，其中所述空气阴极包括催化层、支撑层和扩散层，所述催化层和所述扩散层分别通过预设比例的聚四氟乙烯和导电炭黑的混合材料负载至所述支撑层的相对的两侧而形成，且所述催化层设置于所述支撑层靠近所述反应壳体的一侧，所述扩散层设置于所述支撑层远离所述反应壳体的一侧。

4、优选地，所述空气阴极和所述反应阳极平行设置，且二者的间距为1~10mm。

5、优选地，所述预设比例是指聚四氟乙烯与导电炭黑的质量比为0.2-5，且所述催化层和所述扩散层分别是采用辊压法将所述混合材料负载至所述支撑层的相对的两侧而形成的。

6、优选地，所述支撑层采用金属网结构，所述金属网结构采用不锈钢、镍或铜制成。

7、优选地，所述催化层的厚度为5~50μm。

8、优选地，所述孔洞内设有台阶结构，所述空气阴极通过密封圈、环形压块和紧固件固定于所述台阶结构的台阶面处，其中所述密封圈抵接在所述台阶面和所述空气阴极的所述催化层之间，所述环形压块的内侧抵接在所述空气阴极的所述扩散层上，所述紧固件用于将所述压块固定连接于所述反应壳体上。

9、优选地，所述反应壳体的顶端设有开口端，所述反应阳极从所述开口端插入至所述反应腔中且密封固定于所述开口端；且所述反应阳极采用片式或网状的纯钛基材涂层电极，其中的涂层采用铂族贵金属氧化物中的至少一种。

10、第二方面，本发明公开了一种一体化雾化消毒设备，包括基体单元、雾化单元以及第一方面所述的自呼吸原位电合成过氧化氢生成器，其中所述基体单元包括容置壳体和传动组件，所述容置壳体内设有容置腔，所述反应壳体固定连接于所述容置壳体上，且所述传动组件连通所述反应腔与所述容置腔以用于在所述反应腔和所述容置腔之间进行液体循环，所述雾化单元连接于所述容置壳体上，以用于将所述容置腔内的液体雾化成液态颗粒。

11、第三方面，本发明公开了一种雾化消毒方法，包括以下步骤：

12、在第二方面所述的一体化雾化消毒设备的所述容置腔内加入水之后，运行所述传动组件以在所述反应腔和所述容置腔之间进行液体循环，所述空气阴极利用水和所述扩散层的氧气传质，在水和所述催化层接触的界面处进行双电子氧还原反应，生成过氧化氢；并通过所述雾化单元将所述容置腔内的液体雾化成液态颗粒。

13、优选地，所述反应阳极和所述空气阴极上所施加的电压在20v以内。

14、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明提出的自呼吸原位电合成过氧化氢生成器，其中反应阳极设置于反应腔中，空气阴极密封固定设置于反应壳体上与反应腔连通的孔洞处，其中空气阴极包括支撑层以及负载于支撑层相对的两侧的催化层和扩散层，催化层与反应腔连通，扩散层暴露于空气中，且催化层和扩散层分别采用预设比例的聚四氟乙烯和导电炭黑的混合材料制成，其中可以使得空气阴极在水和催化层接触的界面处的气-液-固三相界面，消耗氧气和水及电子，发生双电子氧还原反应原位合成过氧化氢，法拉第电流效率接近100%。与依赖于从阳极反应或外部曝气中获得氧气的全浸没式阴极相比，该生成器生产过氧化氢需要的氧气是直接来源于空气，空气阴极的催化层合成过氧化氢消耗氧气，反应的三相界面形成了和大气中氧气的分压差，空气阴极利用由氧气分压驱动的自呼吸功能，可以源源不断地从空气中通过空气阴极的扩散层对反应所消耗的氧气进行补充，突破了氧气来源和传质限制，从而实现了更高的过氧化氢生产效率和浓度。因此，通过本发明提出的自呼吸原位电合成过氧化氢生成器，其中的空气阴极具备了自曝气功能，实现了以自来水作为唯一耗材，无需氧气发生功能装置，即可在低电耗下完成空气消毒，且全过程绿色、安全。

15、在进一步的方案中，扩散层采用质量比为0.2-5的聚四氟乙烯与导电炭黑的混合材料制成，使得其能够具有强疏水的性质，表面接触角大于140°，可以有效地防止水淹没氧气扩散传质的通道，从而进一步提升了氧气的传质效率。

16、在进一步的方案中，催化层的厚度设置得足够薄（5~50μm），一方面提高了电场排斥作用将所生产过氧化氢推离阴极的效率，从而避免生产的过氧化氢在扩散到溶液的过程中被分解，另一方面，氧气的传质距离变短，提高了氧气的传质效率。

17、在进一步的方案中，基于上述提供的自呼吸原位电合成过氧化氢生成器，构筑了以自呼吸空气阴极为关键，仅以自来水为耗材，在低电压下即可进行过氧化氢原位合成；再将该生成器进一步与基体单元和雾化单元集成为一体，将上述制备氢氧化氢的工艺成功应用于空气消毒领域，并进一步证实其有拓展应用至其他更多领域的可能性。而且，生成器（反应单元）、基体单元和雾化单元三个单元之间的连接进行了适配性调整，确保反应液以连续流的形式进行循环，且体系运行在短时间达到稳定状态后雾化出的过氧化氢始终保持在较高浓度。另外，其中的容置腔可以存储溶液（最开始是水，反应腔反应一段时间之后就是水和过氧化氢的混合液）用于雾化消毒且与独立的过氧化氢发生器实现循环，使得反应腔可以设置得较小，仅需极少量溶液即可完全浸没电极，避免由溶液液面下降所导致的电极无效工作面积以及非必要的电能损耗问题。