CN103435131A - 一种制取酸性电解水的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种制取酸性电解水的方法及装置，在容器中盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液，设置一对加载直流电压的电极、对混合水溶液进行电离；具体的，氯化钠电离产生Na⁺和Cl^-、乙酸电离产生CH3COO^-和H⁺，Cl^-和H⁺结合产生HCl；由于乙酸在电场作用下会进行强烈的脱氢反应、使得混合水溶液中H⁺的浓度大大增加，从而加速Cl^-和H⁺的结合、使得混合水溶液电解制得有效氯浓度为20～200ppm的酸性电解水溶液。本发明在世界范围内首创性地将有机酸用于对强酸性电解水溶液的制取中；原材料极易取得、成本低廉，制作方法简单易行、安全可靠，装置结构简单、使用方便，利于大规模使用和推广。

Description

一种制取酸性电解水的方法及装置

技术领域

本发明涉及对水电解制取功能水的技术领域，具体是一种制取酸性电解水的方法与装置。

背景技术

通过对水加盐电解来制取得到的酸性电解水，具有广谱杀菌、迅速，使用方便、成本低，对人体无毒副作用、腐蚀性小等优势，是一种新型的环保型消毒剂。

酸性电解水依其酸性和制取方法的不同，又分为强酸性电解水(pH2.7 以下)、弱酸性电解水(pH2.7～5)、微酸性电解水(pH5～6.5)、电解次亚水(pH>7.5)，等等。其中，强酸性电解水的理化指标为：pH在2．0～3．5之间；ORP值达1000～1200mv；有效氯浓度为20～200ppm。强酸性水的高ORP值和低pH ，已经超出了微生物的生存范围。当ORP值达600mv 时，80%的细菌不能存活；当ORP值达800mv以上时，所有细菌都在几分钟内死亡；当ORP值达900mv以上时，则细胞膜破裂甚至达到细菌破碎的程度。而酸性电解水中富含的复杂化学因子，包括：次氯酸、过氧化氢和·OH羟基等等，则构成强效杀灭细菌的化学因素。酸性电解水的另一优势则是无残留毒性。国内外海量的研究及应用文献证明，酸性电解水在医疗卫生、食品加工、农业、畜牧业、家庭、乃至自然灾害发生期及病毒肆虐期的公共场所消毒杀菌等等场合，有着极其广泛的应用。

目前制取酸性电解水的基本方法，分为有隔离膜电解（二室型或三室型）和无隔离膜电解（一室型）方式。

有隔离膜加盐电解方式存在的主要问题是：装置结构复杂，对电极及隔离膜的要求高，对水的预处理要求高，能耗大，必须同时制取出酸性和碱性两种水，装置价格昂贵性价比不高等等。

为了克服有膜电解制取酸性电解水的不足，已公示有“盐+盐酸”无膜电解专利技术（例如：中国专利号200410021043），但是盐酸作为限制销售的危险化学品，一般家庭很难买到。

此外，酸性电解水的稳定性较差，存在不易保存的缺点。随着时间的处长及与光和空气的接触，酸性电解水的消毒杀菌效果会随之下降。因此，酸性电解水最好现制现用，而市面上制备酸性电解水的方法十分复杂、装置成本高昂，不便于在需要使用酸性电解水的现场现制现用。

现有酸性电解水制取方法与装置存在的种种问题，极大地限制了酸性电解水这一优良消毒产品的推广普及。在人们赖以生存的饮用水安全、空气安全、食品安全环境日益失去保障，自然灾患不断、病毒恣意肆虐的今天，开发一种原材料在日常生活中随处可见易得、家家户户可低成本现制现用消毒杀菌水的方法与装置，具有极其重要的现实意义。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种制取酸性电解水的方法及装置，其原材料在日常生活中随处可见易得、家家户户可现制现用，低成本制得消毒杀菌水。

本发明所采用的技术方案是：

一种制取酸性电解水的方法，在容器中盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液，设置一对加载直流电压的电极、对混合水溶液进行电离；具体的，氯化钠电离产生Na⁺和Cl^-、乙酸电离产生CH3COO^-和H⁺，Cl^-和H⁺结合产生HCl；由于乙酸在电场作用下会进行强烈的脱氢反应、使得混合水溶液中H⁺的浓度大大增加，从而加速Cl^-和H⁺的结合、使得混合水溶液电解制得有效氯浓度为20～200 ppm的酸性电解水溶液。

所述混合水溶液中氯化钠的浓度为0.3～15g/L，乙酸的浓度为0.1～7 g/L。

所述酸性电解水溶液的pH值在2.0～3.5之间、氧化还原电位在1000～1200mv之间。

一种制取酸性电解水的装置，包括容器，所述容器中设置有一对电极、并将电极的阳极和阴极分别连接电源的正、负端；所述电源是直流电源，容器中盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液。

作为对上述装置的改进，所述阴极采用活性炭材料制得。

作为对上述装置的第一种改进，所述容器为导电材料制得、作为电极的一端，电极的另一端设置在容器内部。

作为对上述装置的第二种改进，在所述容器中部竖直方向设置一块隔离膜，将容器分为2个腔室、并在2个腔室中分别设置阳极和阴极。

进一步的改进，在所述阳极腔室和阴极腔室内均盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液。

或者，在所述阳极和阴极紧贴隔离膜两侧设置、且阳极和阴极上均布开孔，在阳极腔室和阴极腔室中选用一个腔室盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液，另一个腔室在电解反应开始前为空。

更进一步的改进，在所述盛放混合水溶液的腔室内设置有加压装置，混合水溶液在加压装置的作用下从该腔室出发，依次单向通过该腔室所对应的电极、隔离膜和另一端电极，最终进入另一个腔室。

本发明所产生的有益效果：

本发明是申请人在深入研究和长期试验结果的基础上，研究出的一种制取酸性电解水的方法及装置。本发明的技术创新在于：巧妙利用羧酸类有机酸的电离脱氢反应，来强化和改进制取酸性水的电解反应过程，进而使电解效率得以提高；本发明的新颖性在于：世界范围内首创性地，将有机酸用于对酸性电解水溶液的制取中。本发明的最显著技术进步在于：食盐（氯化钠）和食醋（乙酸）这两种原材料属于日常生活中的必需品，随处可见、极易取得，因此，采用本发明方法可以极低的成本、极其方便的步骤制取酸性电解水溶液。本发明的方法简单易行、安全可靠，装置结构简单、使用方便，利于大规模使用和推广。

采用本方法制取的杀菌水（酸性电解水溶液）在申请人对其制备方法和装置保密的情况下，近年来在以下方面的使用都有良好的效果，如：在广东台山800亩海虾养殖场的杀菌试验、无锡太湖的蓝藻灭活试验、以及治疗脚气灰指甲等。上述成功使用表明，采用本发明方法及装置制取的酸性电解水，不仅与传统有隔离膜电解指标（ORP、pH、有效氯）相同，而且杀菌效果显著，制水成本则低于市售有隔离膜电解设备的百分之一，制取方法极其简单、方便。

附图说明

图1是本发明制取酸性电解水的装置第一种实施方式的结构示意图；

图2是本发明制取酸性电解水的装置第二种实施方式的结构示意图；

图3是本发明制取酸性电解水的装置第三种实施方式的结构示意图；

图4是本发明制取酸性电解水的装置第四种实施方式的结构示意图；

图5是本发明制取酸性电解水的装置第五种实施方式的结构示意图；

图中标号表示：1-容器、2-阳极、3-阴极、4-电源、5-隔离膜，a-乙酸和氯化钠的混合水溶液、b-酸性电解水溶液、c-碱性电解水溶液。

具体实施方式

本发明的制取酸性电解水方法的关键之处在于：在氯化钠（食盐）水溶液中添加适当比例的乙酸（醋酸），并对两者的混合水溶液施加直流电压进行电解。具体的：在容器1中盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液a，设置一对加载直流电压的电极、对乙酸和氯化钠的混合水溶液a进行电离。本具体实施方式中，乙酸和氯化钠的混合水溶液a中：氯化钠NaCl的浓度为0.3～15g/L，乙酸CH3COOH的浓度为0.1～7 g/L。具体的电离过程如下所述：

乙酸和氯化钠的混合水溶液a中的氯化钠NaCl电离产生钠离子Na+和氯离子Cl-、乙酸CH3COOH电离产生醋酸根离子CH3COO-和氢离子H+，之后，电离出的氯离子Cl-和氢离子H+结合产生盐酸分子HCl。由于乙酸CH3COOH在电场作用下会进行强烈的脱氢反应、使得乙酸和氯化钠的混合水溶液a中氢离子H+的浓度大大增加，从而加速氯离子Cl-和氢离子H+的结合、使得混合水溶液电解制得有效氯浓度为20～200 ppm的酸性电解水溶液b。当然，在对乙酸和氯化钠的混合水溶液a进行电离时，还会产生醋酸钠CH3COONa、次氯酸HClO、次氯酸钠NaClO、氢氧化钠NaOH、氢气H2、氯气Cl2等其他附属产品。但是，由于乙酸CH3COOH的电离脱氢反应速率要比氯化钠的电离速率快，因此，源源不断产生的氢离子H+，使得氢离子H+不断与氯离子Cl-相结合，致使最终得到的酸性电解水溶液b的氢离子浓度（即pH值）在2.0～3.5之间、氧化还原电位ORP在1000～1200mv之间。

由化学原理可知，羧酸类有机酸本身在自然条件下，有电离脱氢反应发生，从而表现出一定的酸性。当获得一定的电场能量后，会进一步强化氢的脱附过程。乙酸分子式为C2H4O2 （CH3COOH），因为乙酸是食醋的主要成分，又称醋酸，本身有杀菌效果。乙酸分子中含有两个碳原子的饱和羧酸，是烃的重要含氧衍生物，官能团为羧基，乙酸的羧基氢原子能够部分电离变为氢离子（或质子）而释放出来。在水中添加乙酸（具有羧基结构的物质），有助于水中氢离子H+浓度的增加，即pH值的降低。

对于无隔离膜的一室型电解槽（容器1）中对氯化钠NaCl（食盐）水溶液进行电解，往往只能得到偏中性或微弱碱性、氧化还原电位ORP在600～800mv的电解次亚水。然而，若在氯化钠NaCl（食盐）水溶液的电解池中加入乙酸CH3COOH（醋酸），并对两者的混合水溶液a进行电解时，由于乙酸在电场作用下的强化脱氢反应，使得混合电解水溶液中氢离子H+的浓度大大增加，从而导致混合电解水溶液的pH值快速下降、而氧化还原电位迅速增高，最终得到pH值在2．0～3．5之间、氧化还原电位ORP达到1000～1200mv、有效氯浓度为20～200ppm的酸性电解水溶液b。上述过程同样适用于使用设置有隔离膜的电解槽（容器1）对乙酸和氯化钠的混合水溶液a进行电解的情况，而且在加入乙酸的情况下，可以大大降低制取酸性电解水溶液b的功率消耗，或缩短制备时间。

本发明申请人需特别强调的是，电化学水处理技术本身是一门实验性极强的科学。对于有机酸溶液电解的情况、尤其是对乙酸和氯化钠的混合水溶液a的电解情况，尽管实际反应过程及制取强酸性水的机理可能十分复杂，但本发明申请人经过数年的实际试验证明，上述技术方案制取强酸性水的数据，则是真实稳定、且可重复试验验证，杀菌效果也是显著有效的。

 

如图1所示，是本发明制取酸性电解水的装置的第一种具体实施方式、也是该装置的基本结构，包括容器1，该容器1中设置有一对电极、并将电极的阳极2和阴极3分别连接电源4的正、负端。该电源4是直流电源，容器1中盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液a。具体的：在非导电的盛水容器1内设置有一对电解电极：阳极2和阴极3，在盛水容器1内的水中添加适当比例的食盐和乙酸（醋），通过直流电解电源4对其混合水溶液提供直流电压进行电解，来制取酸性电解水。

研究发现，酸性电解水溶液b的低pH值主要由析氧反应造成，而高氧化还原电位ORP主要是由析氯反应和析氧反应共同造成的。因此，对于上述制取酸性电解水装置的又一改进：电极的阴极3可以由活性炭类材料制成，以抑制阴极3上的析氢过程，强化阳极2的析氧反应和析氯反应。

进一步的，如图2所示、是本发明制取酸性电解水的装置的第二种具体实施方式，容器1可以采用导电材料制得、作为电极的一端，电极的另一端设置在容器1内部。即容器1为阳极2或阴极3，而剩下的阴极3或阳极2则设置在容器1的内部。这是对图1所示的制取酸性电解水装置技术方案的改进，其盛水容器1可以用电解电极之一所替代（阴极或阳极）。

更进一步的，可以在容器1中部竖直方向设置一块隔离膜5，该隔离膜5为市售的电解隔离膜5。隔离膜5将容器1分为2个独立的电解腔室、并在2个腔室中分别设置阳极2和阴极3。具体的：设置有阳极2的腔室称之为阳极腔室1-1，设置有阴极3的腔室称之为阴极腔室1-2。

如图3所示、是本发明制取酸性电解水的装置的第三种具体实施方式，在阳极腔室1-1和阴极腔室1-2内均盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液a，进行电离反应后，阳极腔室1-1中会得到酸性电解水溶液b，阴极腔室1-2中会得到碱性电解水溶液c。该装置适合在家庭或酒店餐馆中使用，特别适用于用于对果蔬的清洗和餐具的洗涤。阴极腔室1-2中得到的碱性电解水溶液c可以用于降解果蔬中残留的农药和重金属，而阳极腔室1-1中得到的酸性电解水溶液b可以用于果蔬餐具等洗净后的杀菌消毒处理。

对本发明制取酸性电解水装置的再进一步的变化，是将阳极2和阴极3紧贴隔离膜5的两侧设置、且阳极2和阴极3上均布开孔。在阳极腔室1-1和阴极腔室1-2中选用一个腔室盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液a，另一个腔室在电解反应开始前为空。这是对具有隔离膜5的酸性电解水装置的进一步改进，包括：将隔离膜5和阴极3、隔离膜5和阳极2之间的距离均缩小为零，并在阴极3和阳极2上开若干个透水（气）孔，使得制取酸性电解水的装置演变为零间距隔离膜电解制水结构，具体分为间歇式制水（图4）和连续制水（图5）两种结构。

如图4所示、是本发明制取酸性电解水的装置的第四种具体实施方式，只在盛水容器1的阳极腔室1-1内注入乙酸和氯化钠的混合水溶液a，并通过电源4提供直流电压对该溶液进行电解。在阳极腔室1-1最终得到酸性电解水溶液b，仅有极少量的碱性电解水溶液c依次通过阳极2、隔离膜5和阴极3，渗漏到阴极腔室1-2。这样的主要目的在于：减少甚至于不产生碱性电解水溶液c，只制取所需的酸性电解水溶液b。

同理，也可以在盛水容器1的阴极腔室1-2内注入乙酸和氯化钠的混合水溶液a，并通过电源4提供直流电压对该溶液进行电解，在阴极腔室1-2最终得到碱性电解水溶液c，仅有极少量的酸性电解水溶液b依次通过阴极3、隔离膜5和阳极2，渗漏到阳极腔室1-1。

连续制水结构的零间距隔离膜、制取酸性电解水的装置的结构特征为：在盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液a的腔室内设置有加压装置，乙酸和氯化钠的混合水溶液a在加压装置的作用下从该腔室出发，依次单向通过该腔室所对应的电极、隔离膜5和另一端电极，最终进入另一个腔室。具体如图5所示、是本发明制取酸性电解水的装置的第五种具体实施方式，阴极腔室1-2用于盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液a，因此在阴极腔室1-2上设置有加压装置。乙酸和氯化钠的混合水溶液a在加压装置的压力作用下进入盛水容器1密封承压的阴极腔室1-2，并使其通过阴极3和阳极2上的透水孔，沿阴极3→隔离膜5→阳极2的方向流至阳极腔室1-1。同时，乙酸和氯化钠的混合水溶液a在电解电源4提供的直流电压的作用下连续电解，在盛水容器1的阳极腔室1-1内得到所需的酸性电解水溶液b。

下面，我们使用两个具体的实施例，来对基于上述向食盐水溶液中添加羧酸类有机酸来电解制取酸性杀菌水的简易方法及其装置进行具体说明： 

实施例一  一种无隔离膜制取酸性电解水的装置

参见图1，盛水容器1为市售2.9升的长方形塑料盒；在盛水容器1的长边的内侧壁上分别固定一对形状相同、尺寸为80mm×100mm×0.8mm的电极板（即阴极3和阳极2）。所述电极板为钛基涂覆铂族氧化物的惰性电极，阴极3和阳极2之间的间距为190mm。电解电源4采用市售30V2A直流稳压电源4。

将市供自来水约2.7升注入盛水容器1中，加入少量食盐（氯化钠）、以调整到氯化钠的浓度约为2～10 g/L，并向水中加入约5～60毫升的市售白醋精、使其所含的乙酸浓度约为0.6～1 g/L。接通直流稳压电源4，输出12V恒压对电极连续供电，电解电流约0.5～0.3A。制水50分钟后断电，实测所制取酸性电解水溶液b的参数如下：pH值为2.6、氧化还原电位ORP为1080mv、有效氯浓度为45ppm，该酸性电解水溶液b是强酸性电解水溶液b。

实施例二  一种零间距隔离膜电解制取酸性水装置

参见图4，盛水容器1为市售2.9升的长方形塑料盒，沿长度方向在中部用隔离膜5隔为阴极腔室1-2和阳极腔室1-1这两个相互独立、不透水的区域。阴极3和阳极2分别紧贴隔离膜5的两侧、无间隙设置，且阴极3和阳极2为相同的钛基涂覆铂族氧化物的惰性电极板，尺寸为80mm×100mm×0.8mm，在阴极3和阳极2上各均布开有40个φ5的园孔。电解电源4采用市售30V2A直流稳压电源4。

在盛水容器1的阳极腔室1-1内注入市供自来水，水量约1.2升。加入少量食盐，浓度为7g/L，并向水中加入市售白醋精、使其所含的乙酸浓度约为1～3 g/L。接通直流稳压电源4，输出7.5V恒压对电极连续供电，电解电流约0.4～0.25A。制水35分钟后断电，实测所制取酸性电解水溶液b的参数如下：pH值为2.3、氧化还原电位ORP为1250mv、有效氯浓度为70ppm，该酸性电解水溶液b是强酸性电解水溶液b。

本发明的不局限于上述实施例所述的具体技术方案，凡采用等同替换形成的技术方案均为本发明要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种制取酸性电解水的方法，其特征在于：在容器中盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液，设置一对加载直流电压的电极、对混合水溶液进行电离；具体的，氯化钠电离产生Na⁺和Cl^-、乙酸电离产生CH3COO^-和H⁺，Cl^-和H⁺结合产生HCl；由于乙酸在电场作用下会进行强烈的脱氢反应、使得混合水溶液中H⁺的浓度大大增加，从而加速Cl^-和H⁺的结合、使得混合水溶液电解制得有效氯浓度为20～200 ppm的酸性电解水溶液。

2.根据权利要求1所述的制取酸性电解水的方法，其特征在于：所述混合水溶液中氯化钠的浓度为0.3～15g/L，乙酸的浓度为0.1～7 g/L。

3.根据权利要求1所述的制取酸性电解水的方法，其特征在于：所述酸性电解水溶液的pH值在2.0～3.5之间、氧化还原电位在1000～1200mv之间。

4.一种制取酸性电解水的装置，其特征在于：包括容器，所述容器中设置有一对电极、并将电极的阳极和阴极分别连接电源的正、负端；所述电源是直流电源，容器中盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液。

5.根据权利要求4所述的制取酸性电解水的装置，其特征在于：所述阴极采用活性炭材料制得。

6.根据权利要求4所述的制取酸性电解水的装置，其特征在于：所述容器为导电材料制得、作为电极的一端，电极的另一端设置在容器内部。

7.根据权利要求4所述的制取酸性电解水的装置，其特征在于：所述容器中部竖直方向设置一块隔离膜，将容器分为2个腔室、并在2个腔室中分别设置阳极和阴极。

8.根据权利要求7所述的制取酸性电解水的装置，其特征在于：所述阳极腔室和阴极腔室内均盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液。

9.根据权利要求7所述的制取酸性电解水的装置，其特征在于：所述阳极和阴极紧贴隔离膜两侧设置、且阳极和阴极上均布开孔，在阳极腔室和阴极腔室中选用一个腔室盛放乙酸和氯化钠的混合水溶液，另一个腔室在电解反应开始前为空。

10.根据权利要求9所述的制取酸性电解水的装置，其特征在于：所述盛放混合水溶液的腔室内设置有加压装置，混合水溶液在加压装置的作用下从该腔室出发，依次单向通过该腔室所对应的电极、隔离膜和另一端电极，最终进入另一个腔室。

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