CN103723868A

CN103723868A - ***

Info

Publication number: CN103723868A
Application number: CN201310711486.5A
Authority: CN
Inventors: 肖英
Original assignee: Individual
Current assignee: Dalian Shuangdi Innovative Technology Research Institute Co ltd
Priority date: 2012-12-28
Filing date: 2013-12-20
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2033-12-20
Also published as: CN203683286U; CN203676843U; CN103723868B; CN203676743U; CN103723871B; CN103721886A; CN103723871A; CN203683287U; CN203683180U; CN103767465B; CN203678595U; CN103721886B; CN203683289U; CN103720347B; CN103723869B; CN103723870A; CN103723870B; CN103723796B; CN103720347A; CN203683288U

Abstract

本发明涉及一种***，属于水处理技术领域。该***包括设有进水口和出水口的封闭壳体和电源，壳体内设有至少一对阳电极和阴电极，阳电极和阴电极分别连接电源的正负极，壳体内靠近进水口处设置一个阳电极，壳体内靠近出水口处设置一个阴电极，壳体内的进水口与出水口之间设有至少一级的过滤层，过滤层具有导电性并位于阴电极和阳电极之间。该***将电化学水处理与过滤集成，构成电化学处理与过滤处理密不可分协同作用高效处理的有机整体，将水中污染物分质过滤逐级去除，实现对源水的深度净化。

Description

***

技术领域

本发明涉及一种对生活用水进行净化的装置，属于水处理技术领域。

背景技术

水污染与民众生活水平提高催生了生活用水净化行业。然而迄今生活用水净化器的产品同质化严重，产品品质良莠不齐，质量问题层出不穷。我国***虽年年监督抽检，但历年公告的***不合格产品及厂家反而逐年递增。2010年，两种名牌超滤***因抽检细菌超标被通报；2011年***公告不合格品增加到14家。技术创新已成为制约饮用水净化器产业发展的首要瓶颈。如何确保饮用水质的绝对安全，以及节水、环保、健康，成为政府、社会、民众共同关注的焦点。

纵观现有生活用水净化器（以下简称***）技术及产品的状况如下：

1、以“龙头水”为处理对象的现有***技术已难以适应因环境水污染加剧、市供自来水输送二次污染、自来水加氯消毒有害毒副物等等源水水质的恶化。近年来，自然灾害不断，水污染突发卫生事件频发，要求***应设计有一定的弹性负荷强化处理能力，以保证在饮用水突发卫生事件应急期间能够仍能保证出水水质达标。然而，现有市售***根本无法满足如此高的要求。

2、市场现有***的典型工艺结构为：①前处理（PP棉、陶瓷、不锈钢滤网等，主要用于去除源水中的悬浮颗粒、胶体物质）→②中间处理（均采用颗粒碳-烧结碳，用于除异味、降低色度、吸附余氯、阻隔大分子有机物并吸附小分子有机物、吸附去除重金属离子和除菌等等）→③膜过滤（过滤精度0.1～0.01微米的超滤膜，用于滤除水中所有的悬浮物、胶体、微生物与病毒、以及部分大分子有机物；过滤精度为纳米的纳滤膜，主要用于脱除三卤甲烷中间体、异味、色度、农药、合成洗涤剂、可溶性有机物、Ca等硬度成分及蒸发残留物质；反渗透膜）→④后处理（载银活性炭等，主要为改善口感、抑菌等）。上述现有***的工艺结构存在的问题有：

2.1前处理尤其是中间环节—活性碳，起到承上启下的重要作用，却又极易受细菌污染等过早饱和失效，需要专业人士定期上门服务频繁更换，同时也增加了接头漏水的概率。

2.2由于前级预处理不能有效工作，大大加重了后级超滤（纳滤、反渗透）处理单元的负荷，以至其设计容量不得不加大，整机成本也相应增加。

2.3因前、中、后各级处理工作的负荷分配不合理，需频繁更换前级滤芯，导致现有***均为多级组装结构，无法集成到一个反应器中，性能价格比极低，同时还导致后级膜过滤单元提前破损失效，整机寿命短，这也是***不能真正成为家电商品的另一原因。

3、电化学水处理方法是以电化学电解过程的氧化还原反应为基础，利用电极反应及其相关过程，通过直接和间接的氧化还原、凝聚絮凝、吸附降解和协同转化等综合作用，对水中有机物、重金属、硝酸盐、胶体颗粒物、细菌、色度、嗅味等污染物具有优良的去除效果。但是，电化学水处理技术迄今难以应用到生活用水净化处理器中。这是因为，对于生活用***来说，水中污染物在***中停留接触时间仅仅是秒数量级，由于接触时间太短，因此根本来不及充分反应。目前较广泛应用的KDF（微生物抑制装置）水处理技术，算是电化学在生活生活用水净化处理器中一种比较好的尝试。但是KDF的比表面积不大，且价格较贵，通常是与活性碳组合使用；而且，KDF的自发原电池电位差太低，氧化还原效果不足。

发明内容

本发明解决的技术问题是：提出一种有效深度净化生活用水的***。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案是：一种***，包括设有进水口和出水口的封闭壳体和电源，所述壳体内设有至少一对的阳电极和阴电极，所述阳电极和阴电极分别连接电源的正负极，所述壳体内靠近进水口处设置一个阳电极，所述壳体内靠近出水口处设置一个阴电极，所述壳体内的进水口与出水口之间设有至少一级的过滤层，所述过滤层具有导电性并位于所述阴电极和阳电极之间。

本发明的***的有益效果是：通过将电化学水处理工艺与过滤工艺集成，构成电化学处理与过滤处理密不可分协同作用高效处理的有机整体，在反应器内电极电场间沿水过滤方向，通过兼具电化学与物理过滤双重作用的导电过滤层组合，反应池内的电化学反应过程划分成若干个不同的反应区域，各级过滤层由于在其两侧产生电压降而使其两侧形成正、负极；工作负荷趋于平衡，将水中污染物分质过滤逐级去除，实现对源水的深度净化。

本发明的发明人在实践中进一步发现，如果进水口处的阳电极采用由可析出离子的金属材料制成，则会在进水口处的水中形成絮凝，从而增强水质净化效果。为此，作为对本发明的***的进一步改进是：所述壳体内靠近进水口处的阳电极是由可析出离子的金属材料制成的阳电极。

本发明的发明人在实践中更进一步发现，若使源水进入本发明装置前后产生微涡旋紊流，可以显著改善对源水的净化和活化效果。为此，作为对本发明的***的更进一步改进是：所述进水口处设有使进水产生涡旋的多层网孔格栅；或者所述进水口处的阳电极上开有透水孔，进而该透水孔是大小不等的。

上述本发明技术方案的完善如下：

1、当阳电极是二个以上时，除了位于所述壳体进水口处的阳电极以外的其他阳电极采用惰性材料制成的阳电极。

2、所述过滤层是二级以上时，其沿水流方向的过滤精度由低到高。

3、所述阴、阳电极采用非对称交变脉冲电源进行供电；所述电源的正向脉冲峰值电平大于3伏特，其反向脉冲峰值电平小于等于2伏特，其脉冲频率大于等于0，其正向脉冲电平、反向脉冲电平、脉冲频率、脉冲波形和占空比均可独立调整。由于采用非对称交变脉冲电源的供电方式，因此改善了电极的工作条件，并大幅度降低电解功率损耗。

4、所述壳体作为阴电极。

5、所述壳体进水口处的阳电极是由铝或铁制成的阳电极，所述阴电极是采用钛或不锈钢制成的阴电极。

6、所述过滤层是由第一级微滤膜、第二级活性炭膜和第三级超滤膜组成的三级过滤层，所述微滤膜是采用多孔导电陶瓷或改性沸石制成的微滤膜，所述活性炭膜是采用填充活性碳的发泡材料或活性碳纤维滤布制成的活性炭膜，所述超滤膜是由支撑层上熔喷石墨或经纳米活化处理的竹炭粉层制成的超滤膜。

7、所述过滤层是由第一级的改性活性碳纤维毡布和第二级的超滤平板膜片组成的二级，所述活性碳纤维毡布比表面积是2000～2400m²/g，其叠层厚度是30毫米；所述超滤平板膜片是支撑面在外的双片叠加的超滤平板膜片，其标称过滤精度是0.02微米，其极限耐热温度180^oC，所述支撑面喷涂有2～4毫米厚度的超细竹炭粉层。

8、所述过滤层是活性炭与有机材料过滤膜通过压接或粘接方法制成的复合膜。

特注：上述本发明技术方案中提到的过滤层既然称为过滤层，则必然是透水性的，而且必然封盖壳体内全部水流的通路或者说过滤层成为壳体内全部水流的通路（即壳体内全部水流都应通过过滤层）。

附图说明

下面结合附图对本发明的***作进一步说明。

图1是本发明实施例一的***结构示意图。

图2是本发明实施例一的***的三级过滤层上形成电压降的示意图。

图3是本发明实施例一的***的单个过滤层形成电化学反应池的示意图。

图4是本发明实施例一的***的三级过滤层形成电化学反应池的示意图。

图5是本发明实施例二的***结构示意图。

图6是本发明实施例三的***结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的***参见图1，包括分别设有进水口8和出水口9的封闭壳体1和电源4，在壳体1内设有一对的阴电极2-1和阳电极2-2，阳电极2-2设置于壳体1内靠近进水口8处，阴电极2-1设置于壳体1内靠近出水口9处，阳电极2-2和阴电极2-1分别连接电源4的正负极。在壳体1内进水口8和出水口9之间设有沿水流方向过滤精度由低到高的三级过滤层（必然是透水性的），其中第一级过滤层是微滤膜3-1，第二级过滤层是活性炭膜3-2，第三级过滤层是超滤膜3-3。微滤膜3-1、活性炭膜3-2和超滤膜3-3位于阴电极2-1与阳电极2-2之间并布满壳体1内与水流方向垂直的横截面，从而成为壳体内全部水流的通路使壳体内全部水流都从这三级过滤层通过。壳体1可以采用不锈钢（内衬绝缘材料）、塑料或其他材料制成。

本实施例的阳电极2-2是由可析出离子的铝或铁制成（板状、棒状或其他形状）；阴电极2-1是采用钛或不锈钢制成（板状、棒状或其他形状），当然也可以采用其他惰性材料制成。

本实施例的过滤层具有导电性，具体是：

1）对于微滤膜3-1来说，直接采用多孔的导电陶瓷或改性沸石，因此具有导电性；微滤膜3-1的导电层厚度为6毫米。

2）对于活性炭膜3-2来说，直接采用填充活性碳的发泡材料或活性碳纤维滤布，因此具有导电性；活性炭膜3-2的导电层厚度为4毫米。

3）对于超滤膜3-3来说，可以在超滤膜3-3的支撑层上熔喷石墨或经纳米活化处理后的竹炭粉层，从而使超滤膜3-3具有导电性；超滤膜3-3的导电层厚度为2毫米。

本实施例的阴电极、阳电极采用一组非对称交变脉冲电源进行供电；该电源的正向脉冲峰值电平大于3伏特，其反向脉冲峰值电平小于等于2伏特，其脉冲频率大于等于0，其正向脉冲电平、反向脉冲电平、脉冲频率、脉冲波形和占空比均可独立调整。当然，本实施例电极的电源也可以采用直流脉冲电源或者其他现有可用于电解水的电源。

下面分析本实施例***对源水净化的工作原理

1、影响过滤层导电性的因素：

经电改性后膜材料的电阻率；膜的孔径；膜的体积参数，如面积、厚度。

2、在直流电解电源供电时，影响反应池中阴极和阳极间电流大小的因素：

①各个过滤层（三级膜）的等效电阻。在电化学反应过程中，因膜的材质及几何参数导致的电阻可以认为基本是个常数，而水的性质引起的电阻变化则是个变化的量。随着源水中污染物被逐级去除，源水的电阻逐渐增大。

②源水中TDS（溶解性总固体）对电解电流（电阻）的变化：

TDS指水中全部溶质的总量，包括无机物和有机物两者的含量。一般可用电导率值大概了解溶液中的盐份，一般情况下，电导率越高，盐份越高，TDS越高。

在无机物中，除开溶解成离子状的成分外，还可能有呈分子状的无机物。

典型溶解阴离子有：碳酸氢根(HCO₃ ^-), 碳酸根(CO₃ ^2-), 氢氧根(OH^-), 硫酸根(SO₄ ^2-), 氯离子(Cl^-), 氟离子(F^-), 硝酸根离子(NO₃ ^-), 硫离子(S₂ ^-)，磷酸根(PO₄ ^4-)

典型溶解阳离子有：钙离子(Ca²⁺), 镁离子(Mg²⁺), 钠离子(Na⁺),钾离子(K⁺), 铁离子(Fe²⁺ 或 Fe³⁺), 锰离子(Mn²⁺), 铝离子(Al³⁺), 钡离子(Ba²⁺), 锶离子(Sr²⁺), 铜离子(Cu²⁺)和锌离子(Zn²⁺)。

水中有机化合物大多呈负电性。

水中悬浮胶体物（通常包括细菌、黏土、硅胶体和铁腐蚀产物）也大多呈负电性。

③水本身在电解中的导电性

水在自然情况下，也能电离出少量的H^＋和OH^-，所以水也是电解质，只不过是一种弱电解质而已。在外施电压对水电解的情况下，不仅会生成大量的H^＋和OH^-离子，还会因阳极的间接氧化等因素，在水中生成相当的羟基自由基离子等非稳态强氧化剂离子，也同时参与导电过程。

综合上述分析，本实施例在设置有三级导电过滤层组件的电解反应池（***壳体）中，在阳极和阴极之间，施加电压对水电解产生电流，从电的角度看，三级导电过滤层的组合，等效于一个三级电阻串联的封闭直流电路，在每级导电过滤层上形成相应的电压降，如图2所示。

3、本实施例三级导电过滤层在电化学反应中所起到的作用

3.1从每个过滤层结构看，由于具有一定的导电层厚度，相当于一个三维复合电化学反应池，如图3所示。

3.2整个三级过滤层组件，相当于3个微型电解反应池的串联，如图4所示。

3.3从整个***看，相当于加入有隔离膜分割成阴极区、阳极区的电化学反应池，过滤层组件在电化学反应中又起到一个隔离分区的作用。兼具有电化学与过滤层的双重功能的导电过滤层，构成电解氧化还原反应中不可或缺的元件之一。

3.4本实施例通过对传统过滤层的电改性并按不同过滤精度分级组合，再与***内所设的电解电极组组合起来，已经赋予了传统的单一电化学、单一过滤层所完全不同的崭新特性。通过在过滤层内部、以及过滤层之间、电极与过滤层之间的多重电化学反应及膜的物理筛分过滤作用，将电化学水处理与过滤的各自优势发挥到极致，却又同时克服了各自单一使用时的弊病，使得对源水净化的质量与效率大大提高，微滤膜（前处理）→超滤（纳滤、反渗透）膜（后处理）的各级过滤层工作负荷基本平衡，实现对源水水质的分质净化。

显然，上述本实施例三级导电过滤层可以是一级、二级、四级、五级或N级。

实施例二

本实施例的***参见图5，是在实施例一基础上的进一步改进，除了与实施例一相同以外所不同的是：1）增加了一对（第二对）阴电极2-3和阳电极2-4；2）在壳体1内的进水口8处设有使进水产生涡旋的多层网孔格栅10。

当然，本实施例可以想到的变化是：1）可以取消多层网孔格栅10，通过在进水口8处的阳电极2-2上开设大小不等的透水孔，也可以达到使进水产生涡旋的作用，或者采用其他可以使进水产生涡旋的结构；2）多层网孔格栅10也可以设置在壳体1外的进水口8处。

实施例三

本实施例的***参见图6，是在实施例一基础上的进一步改进，除了与实施例一相同以外所不同的是：1）壳体1采用食品级PE塑料封装制作；2）阴电极2-1采用均布φ3透水孔的304不锈钢板，阳电极2-2采用均布φ3透水孔钛板表面喷涂铂族氧化物惰性材料；3）进水口8和出水口9均采用四分螺纹接口，可直接与日用生活的用水（供水）口直接对接；4）本实施例的过滤层分别是第一级的改性活性碳纤维毡布3-4和第二级的超滤平板膜片3-5，具体如下：

活性碳纤维毡布3-4系辽宁某厂生产，其比表面积2000～2400（m²/g），其叠层厚度30毫米，并对活性碳纤维毡布做了适当改性以强化其导电性能及保持均匀中孔孔系。

超滤平板膜片3-5采用广东某公司开发的PS-20平面膜片，其标称过滤精度0.02微米，其极限耐热温度180^oC，采用双片叠加，支撑面在外，并在支撑面喷涂2～4毫米厚度的超细竹炭粉层。

本实施例的非对称交变脉冲电解电源是本发明申请人自制的装置，作环氧树脂防水封装，以两块1430毫安时3.7V的锂电池叠加供电，并附带有220V充电附件。

本实施例***分别以广州、深圳、北京市供自来水进行了考核测试，结果证明，其净化后出水水质指标均不低于***《CJ1994-1998》直饮水标准。

上述实施例的***可以想到的变化是：壳体1直接采用不锈钢封装制作，并且直接作为阴电极2-1，即壳体1与阴电极2-1合二为一。

本发明的***不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如：过滤层也可以是活性炭与有机材料过滤膜通过压接或粘接方法制成的复合膜；等等。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

1.一种***，包括设有进水口和出水口的封闭壳体和电源，所述壳体内设有至少一对的阳电极和阴电极，所述阳电极和阴电极分别连接电源的正负极，其特征在于：所述壳体内靠近进水口处设置一个阳电极，所述壳体内靠近出水口处设置一个阴电极，所述壳体内的进水口与出水口之间设有至少一级的过滤层，所述过滤层具有导电性并位于所述阴电极和阳电极之间。

2.根据权利要求1所述***，其特征在于：所述壳体内靠近进水口处的阳电极是由可析出离子的金属材料制成的阳电极。

3.根据权利要求2所述***，其特征在于：当阳电极是二个以上时，除了位于所述壳体进水口处的阳电极以外的其他阳电极是采用惰性材料制成的阳电极。

4.根据权利要求1、2或3所述***，其特征在于：所述进水口处设有使进水产生涡旋的多层网孔格栅。

5.根据权利要求1、2或3所述***，其特征在于：所述进水口处的阳电极上开有使进水产生涡旋的透水孔。

6.根据权利要求1、2或3所述***，其特征在于：所述过滤层是二级以上时，其沿水流方向的过滤精度由低到高。

7.根据权利要求1、2或3所述***，其特征在于：所述电源采用非对称交变脉冲电源，其正向脉冲峰值电平大于3伏特，其反向脉冲峰值电平小于等于2伏特，其脉冲频率大于等于0，其正向脉冲电平、反向脉冲电平、脉冲频率、脉冲波形和占空比均可独立调整。

8.根据权利要求1、2或3所述***，其特征在于：所述壳体作为阴电极。

9.根据权利要求2或3所述***，其特征在于：所述壳体进水口处的阳电极是由铝或铁制成的阳电极，所述阴电极是采用钛或不锈钢制成的阴电极。

10.根据权利要求4所述***，其特征在于：所述过滤层是由第一级微滤膜、第二级活性炭膜和第三级超滤膜组成的三级过滤层，所述微滤膜是采用多孔导电陶瓷或改性沸石制成的微滤膜，所述活性炭膜是采用填充活性碳的发泡材料或活性碳纤维滤布制成的活性炭膜，所述超滤膜是由在支撑层上熔喷石墨或经纳米活化处理的竹炭粉层制成的超滤膜。

11.根据权利要求4所述***，其特征在于：所述过滤层是由第一级的改性活性碳纤维毡布和第二级的超滤平板膜片组成的二级过滤层，所述活性碳纤维毡布比表面积是2000～2400m²/g，其叠层厚度是30毫米；所述超滤平板膜片是支撑面在外的双片叠加的超滤平板膜片，其标称过滤精度是0.02微米，其极限耐热温度180^oC，所述支撑面喷涂有2～4毫米厚度的超细竹炭粉层。

12.根据权利要求4所述***，其特征在于：所述过滤层是活性炭与有机材料过滤膜通过压接或粘接方法制成的复合膜。

13.根据权利要求5所述***，其特征在于：所述透水孔是直径不等的透水孔。