CN102020341A

CN102020341A - 还原水无隔膜电解装置

Info

Publication number: CN102020341A
Application number: CN 201010525481
Authority: CN
Inventors: 肖志邦
Original assignee: Individual
Current assignee: Li Guomei; Lu Shengmei; Nanjing One Hydrogen Health Technology Co Ltd
Priority date: 2010-10-29
Filing date: 2010-10-29
Publication date: 2011-04-20

Abstract

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。

Description

还原水无隔膜电解装置

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2mm范围内的惰性电极-惰性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氧化皮膜的程度，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200820184176.7一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***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5mm≥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性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3mm≥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pH值进行精确调整，从而制取在酸碱度(pH值)宽范围内的任何所需pH小范围或所需pH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(-)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pH≈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(pH)可以是3～12范围内的某一局部区段。

更进而，若以pH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pH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pH值(乃至精确pH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铂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。

附图说明

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40mm×40mm×5mm，电阻率为1.87Ω·m，比表面积＝760m²/g；金属采用表面涂敷铂族元素氧化物的钛材，规格是40mm×40mm×0.3mm。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和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/(R₁+R₂) -------(1)

R₁＝ρ₁L₁/S₁ -------(2)

R₂＝ρ₂L₂/S₂ -------(3)

上式中：I是电解电流，U是电解电压，ρ₁是制成活性碳电极的材料电阻率(Ω·m)，ρ₂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R₁≥10R₂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/(R₁+R₂)≈U/R₁ --------(4)

当R₁＝10R₂时，R₁/R₂＝(ρ₁L₁/S₁)/(ρ₂L₂/S₂)＝(ρ₁L₁)/(ρ₂L₂)＝10，或ρ₁L₁/S₁＝10×(ρ₂L₂/S₂)，于是

δ＝L₂＝0.1×L₁×(ρ₁/ρ₂)×(S₂/S₁) --------(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R₁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R₁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(pH)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100ma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＝1897Ω·m)和南京市供自来水(电阻率＝37.2Ω·m)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1

将表1中两种原水的电流差异比进行汇总并统计电解5分钟后电流差异的最大值如表2：

表2

重复上述试验，不同是，将活性碳-金属电极对的电解供电极性对调(即活性碳电极为阴极，金属电极为阳极)，取阴电极2与阳电极3间距分别为1mm、2mm、3mm、5mm进行电解实验，并选择阴电极2与阳电极3间距分别7mm进行对比电解实验，实验结果见下表3和表4：

表3

将表3中两种原水的电流差异比进行汇总并统计电解5分钟后电流差异的最大值如表4：

表4

从以上表1～表4可看出，1)上述实验均是在不添加任何物质的情况下直接对原水进行电解的；2)随着阴阳两电极间距的减小，不仅产生相同电解电流的电解电压(电解电能)大大减小，而且在相同电解电能下水质差异对电解过程的影响也大大降低，当阴阳两电极间距小于等于5mm时，电流差异变化已经不大；尤其是当阴阳两电极间距小于等于3mm后，电流差异很小几乎可以说没有变化，此时电解效果更佳。由此可证明，当阴阳两电极间距缩小到某一范围内时，本发明具体实施方式的还原水无隔膜电解装置直接对原水进行电解时不受原水水质影响，也就是说可以适应各种原水；而且电解电能消耗得以减小。根据上述实验结果，本发明具体实施方式的还原水无隔膜电解装置确定两电极之间距离δ的范围是5mm≥δ＞0，更优选的范围是3mm≥δ＞0。

二、本发明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(pH)的还原水。

1、理论分析：

水在电解时，附着在阴极的氢离子在结合成氢气的过程中会先形成带电子的单原子态氢也就是活性氢或叫还原氢。另一方面，活性炭在电解情况下有相当数量的纳米级粒子(离子)等进入水中。这些纳米级的金属离子、络合物、螯合物、胶状质物等具有吸附活性氢的性质。当活性氢附着在这些粒子上时，就形成悬浮在水中具有稳定状态的活性氢。这样，随着水中稳定态活性氢的不断积聚，很快可以使水的氧化还原电位持续降低，最终成为稳定态的负氧化还原电位水(可参见前述申请号201010120654.X的中国专利-碱性还原水无隔膜电解装置)。

当金属电极和活性碳电极之间的距离缩小至上述限定范围5mm≥δ＞0时，水电解氧化还原过程将由两电极界面间宏观区域，缩小到主要在金属电极-活性碳电极之间微小间距界面发生。对于相同的电解功率消耗，常规的氧化还原反应不仅更加激烈、充分，而且电极间水化离子层动态形成与消失的失稳状态，十分有助于活性氢的生成，详细分析如下：

(1)先以金属电极作阴极(-)、活性碳电极作阳极(+)的水电解过程为例，如图3所示，由于两电极间距离减小到与溶剂化离子层厚度可相比拟的程度，聚集在金属阴极侧的氢正离子和聚集在活性碳阳极侧的氢氧根负离子，趋于相互结合重新还原成水的几率增大，使水化离子层减小；同时，因双电层电容和法拉第准电容(赝电容)的双电层效应又促使更多离子从活性碳电极面析出以企图维持水化离子层的稳定。在此动态过程中，提供了更多的氢离子捕获电子生成活性氢的机会。同样地，对于金属电极作阳极(+)、活性碳电极作阴极(-)的水电解反应，如图4所示，同样有促进活性氢生成的类似过程。亦即，在本发明装置中，双电层电容和法拉第准电容(赝电容)效应起到推动和帮助生成活性氢的有益作用。

(2)伴随着电极之间距离减小，水电解氧化还原反应加剧，阴极电极侧生成氢气或阳极电极侧生成氧气的反应也更加强烈。气化效应帮助活性氢更多地动态生成，同时有助于活性碳内纳米级离子更容易析出。

(3)活性碳电极内部孔系所融浸水电解反应，对于本发明装置制取还原水的前期预处理效果开始凸现出来：第一，活性碳特有的大孔、中孔和微孔通道，如同纵横交错的江河湖海水系，电解容器中的水能够容易进出活性碳电极内部孔系；第二，在电解电源作用下，被分隔于活性碳内无数孔隙内外的水溶液较之在活性碳电极之外，其氢键更容易被打开，水电解生成氢正离子和氢氧根负离子，其浓度沿电解电流方向按梯度场分布，并在金属电极和活性碳电极间施加的电解电压作用下沿电流方向从活性碳电极内部向外有序移动；第三，在电流作用下，活性碳制作时生成有一些纳米级金属粒子(离子)、络合物、螯合物和胶状质物受电场力和界面浓度极差等影响，更加容易从活性碳析出进入水体中；第四，活性碳巨大比表面积吸附特性，使氢气或氧气不易产生或牢牢吸附在活性碳内部难以逃逸，部分氢离子和氢氧根离子则在活性碳内重新结合还原成水。

综上所述，随着阴阳两电极间距的减小，确实有利于水电解过程中活性氢的生成，从而使水的氧化还原电位值(ORP值)降低。

2、为了证实阴阳电极组的间距减小对水电解氧化还原反应的影响，进行以下实验：

仍分别选取市售桶装纯净水(pH＝6.3，ORP＝230)和南京市供自来水(pH＝8.1，ORP＝340)作为原水。阴阳电极组分别采用金属电极-金属电极、碳电极-碳电极、金属电极-活性碳电极三组阴阳电极组进行对比电解实验。所用电极尺寸与前述实验相同，所用金属电极为表面涂敷铂族元素氧化物的钛材，所用活性碳电极采用竹炭烧结或压结后经非粘接工艺成型而成，电阻率为6.52Ω·m，比表面积＝165m²/g。电解电源为常规直流电源，试验时维持电解电流为100ma。选择阴、阳电极2、3的间距分别为1mm、3mm、5mm，每一电解过程时间10分钟，采集阴、阳电极间距与酸碱度(pH)、氧化还原电位(ORP)的关系，结果示于下表5、表6、表7和表8：

表5

表6

表7

表8

通过对比表5、表6、表7和表8可见，采用活性碳电极-惰性金属电极组时，随着阴阳两电极间距的缩小，可以获得宽范围pH值且具有更高负氧化还原电位值(ORP值)的还原水；而对于阴、阳电极组均为金属电极组，或阴、阳电极组均采用活性碳电极组的情况，虽然也有氧化还原电位值降低的趋势，但难以稳定地获得负氧化还原电位值(活性碳电极-金属电极组，无论供电极性如何，制得水质的氧化还原电位均为负值，但金属-金属电极组或碳-碳电极组很难实现)，而且酸碱度(pH值)变化范围很小。还要附加说明的是，本发明人在持续二年多所得到的上述试验数据中发现，南京市供自来水质的四季变化以及市售桶装纯净水在空气中暴露时间的长短，对现有常用的金属-金属电极组或碳-碳电极组试验数据的影响很大，几乎无固定规律可言；而对于本发明装置所采用的活性碳-惰性金属电极组及电极之间的小间距)，如上表所示，可以确认其制水规律则是完全稳定的。

由此可证明，当阴阳两电极间距缩小到某一范围内时，本发明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(pH值)和稳定负氧化还原电位值的还原水，而且能够减小电解电能消耗。

3、至于本发明具体实施方式的还原水无隔膜电解装置分别制取宽范围酸碱度(pH值)内的任意所需pH值(或小范围)的碱性、酸性和中性还原水的情况分别理论分析和实验验证如下：

3.1、理论分析

3.1.1碱性负氧化还原电位水的生成

在金属电极为阴极、活性碳电极为阳极情况下，氢气在金属阴极生成过程中氢离子吸取电子生成还原氢并附着在活性碳内析出的纳米级离子(粒子)上，形成稳定的氧化还原负电位；另一方面，氧气和氢离子被吸附在活性碳阳极内部，电解容器内水溶液阴阳离子的总量失衡，氢氧根离子数大于氢离子数而呈现碱性。

3.1.2、酸性负氧化还原电位水的生成

对于金属电极为阳极、活性碳电极为阴极情况，此时外加电解电压极性为金属电极(+)、活性碳电极(-)，在活性碳电极表面将生成氧化皮层，阻碍活性碳内部各种纳米级粒子(离子)的析出。比如前述申请号201010120654.X的中国专利-碱性还原水无隔膜电解装置就是这种情况，在该装置中，即便转换施加于金属电极和活性碳电极组的电压极性，即以金属电极作阻极并以活性碳电极作阴极，由于金属阳极与活性碳阴极之间距离L远大于上述限定距离δ，在金属阳极上生成氧气的过程中不能形成剧烈动态气化，金属阳极侧氢离子不易转化成活性氢；加之活性碳阴极表面电荷堆积层的存在，阻碍着活性碳内部各种纳米级粒子(离子)的析出，因此只能用于制取碱性还原水而难以制取酸性还原水。

然而，当金属电极和活性碳电极之间的间距缩小到接近上述本发明具体实施方式的装置限定距离δ时：首先，活性碳阴极表面电荷堆积层趋于减小乃至消失，对活性碳内部各种纳米级粒子(离子)的析出障碍大大减轻；其次，氧气在金属阳极生成的过程中，氢离子在上述强烈气化和双电层电容和法拉第准电容(赝电容)综合影响下容易捕捉电子生成活性氢并附着在活性碳内析出的纳米级粒子(离子)上，形成稳定的氧化还原负电位；再次，氢气和氢氧根离子被吸附在活性碳阴极内部，电解容器内水溶液阴阳离子的总量失衡，氢离子数大于氢氧根离子数而呈现酸性。

3.1.3、任意所需pH值(酸性、碱性和中性)负氧化还原电位水的生成

实际上，本发明具体实施方式的还原水无隔膜电解装置，当金属电极为阳极、活性碳电极为阴极时的电解电流要小于金属电极为阴极、活性碳电极为阳极时的电解电流。这是因为，在后者情况下活性碳中的导电阳离子析出向金属阴极运动导致电流增加；而在金属电极为阳极、活性碳电极为阴极的情况下，对于活性碳内导电阳离子则起到阻碍其析出的作用。因而，对金属-活性碳电极施加一定频率的交变电解电压制得的还原水并非中性。但是通过对金属-活性碳电极组施加频率、波形峰值、占空比或供电时间不相等(或叫不对称)的正向或反向交变电压，亦即通过控制施加在两电极间正向或反向电能不相等(或叫不对称)，在获取氧化还原负电位还原水的同时，则可调节水的酸碱性，得到任意所需酸碱度(pH)小范围或所需pH值的碱性、酸性、乃至中性的还原水。特别地，如果对金属-活性碳电极施加一定频率的交流等幅电解电压(即控制施加在两电极间正向或反向电能相等)，则上述碱性负氧化还原电位水和酸性负氧化还原电位水可以交替生成，理论上即可得到酸碱度(pH值)趋于中性的还原水。

3.2、以上酸碱度(pH)值可调负氧化还原电位水生成的分析可通过以下实验来证实，实验条件与前述基本相同，其中活性炭电极的电阻率为1.06Ω·m，比表面积＝830m²/g；两电极之间的距离1mm。电解电源为输出频率、波形可变的脉冲发生器，并经极性换向电路后功率放大输出(现有技术实现)；电解电源具体包括控制电路、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。实验原水为市售桶装纯净水(pH＝6.1，ORP＝225)和南京市供自来水(pH＝8.1，ORP＝316)。实验结果见下表9和表10：

表9

表10

从表9和表10中可看出，通过调节施加在金属电极-活性碳电极组的正向或反向电能(即正向或反向交变电压的频率、波形峰值、占空比或供电时间不相等或相等)，确实可以制取宽范围酸碱度(pH)内的任意所需pH值或小范围的负氧化还原电位水。例如，当金属电极为阴极(-)、活性碳电极为阳极(+)时，若保持加在金属电极的电压为零，则得到碱性还原水；若保持加在活性碳电极的电压为零，则得到酸性还原水；若在金属电极-活性碳电极组间施加一定频率的交流等幅电解电压，理论上可得到中性还原水，然而实际由于上述活性碳电极内导电离子的影响，实际得到的是弱酸性或弱碱性还原水；若对金属-活性碳电极组施加不等频率、或不等峰值、或不同占空比的正向或反向直流脉冲电压，则得到所需酸碱度(pH)的还原水。

更进而地，通过实时跟踪酸碱度(pH)变化的闭环电路控制，实时调整正向或反向输出电解电压的参数(幅值、频率、占空比)，完全可以实现对pH的精确控制。

4、当制水过程结束停止对电极组供电之后，由本发明具体实施方式的还原水无隔膜电解装置所制取的还原水，其氧化还原负电位值相比现有的电解水方法和装置可以保持更长时间。这不仅是因为还原氢吸附在活性碳析出之纳米级粒子上能够稳定保持，还由于在电解电源停止供电后，金属电极-活性碳电极之间双电层电容和法拉第准电容储存有相当电能，该储存电能逐渐释放，可以对氧化还原负电位起到维持作用。

综上所述，本发明具体实施方式的还原水无隔膜电解装置貌似简单的结构特征，却包含着十分复杂的氧化还原反应过程和机理，绝非显而易见，轻易可得。甚至诸如水的表面张力等等在本发明装置电极界面间可能产生微观影响等因素，本发明人依据现有电化学理论尚难以作出更进一步地解释，但氧化还原反应的宏观效果确实朝向我们所期望的趋势发生，例如：在金属电极和活性碳电极之间单一生成氢气或氧气、更多还原氢生成并保持稳定，等等。

作为迄今研究与应用最成熟、唯一有行业标准、且被国家认可的电解水技术，仍然存在需要设置离子隔离膜、酸碱度(pH)不可独立调控、氧化还原电位(ORP)难以保持、只适用特定人群、以及高成本高售价等等诸多不足。本发明的还原水无隔膜电解装置不仅突破了电化学高功耗的应用瓶颈，而且创造性地实现了在保持高负氧化还原电位的同时，酸碱度(pH)可独立按需调控。在本发明的还原水无隔膜电解装置原理技术的基础上，通过与其它常规水质处理技术的适当组合，可以开发出兼具民用终端水质深度净化与功能活化为目的的各种实用化装置。

本发明的还原水无隔膜电解装置不局限于上述具体实施方式所述的基本技术方案，其具体运用可以有很多种，比如：1)电解槽1也可以直接构成一对阴、阳电极2、3之一；2)当将上述具体实施方式所述的基本技术方案运用到水壶上时，可以得到还原水无隔膜电解水壶；3)当将上述具体实施方式所述的基本技术方案运用到水杯上时，可以得到还原水无隔膜电解水杯；4)当将上述具体实施方式所述的基本技术方案运用到净水桶上时，可以得到还原水无隔膜电解净水桶；5)当将上述具体实施方式所述的基本技术方案运用到饮水机上时，可以得到还原水无隔膜电解饮水机；6)当将上述具体实施方式所述的基本技术方案运用到水质处理上时，可以得到专门的电解水质调节器；7)当将上述具体实施方式所述的基本技术方案与雾化器结合时，可以得到专门的无隔膜电解还原水雾化装置；等等。这些具体运用技术方案形成的产品就是一个个具体普及的商品，从而实现本发明还原水无隔膜电解装置的商品化普及。这些具体运用技术方案形成的产品可参见与本发明同日申请的各实用新型专利。凡采用等同替换或变换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims

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5mm≥δ＞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3mm≥δ＞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铂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。