CN105441972B - 分腔式氢氧分离电解装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种分腔式氢氧分离电解装置及其方法，该装置包括电解槽、离子交换膜、控制电路板和锂电池；离子交换膜的边缘密封固定在电解槽的内壁上，电解槽通过离子交换膜分隔后形成第一密封腔体和第二密封腔体，第一密封腔***于离子交换膜的下方，第二密封腔***于离子交换膜的上方；第一密封腔体内固定有与离子交换膜相平行且位于其下方的正电极板，第二密封腔体内固定有与离子交换膜相平行且位于其上方的负电极板；离子交换膜呈倾斜状固定在电解槽的内壁上，水靠近该锐角的水平面与正电极板及电解槽的内侧壁之间形成一气体三角区。本发明实现了氧气及其他气体与氢气的完全分离，继而实现了纯氢气的制取。

Description

分腔式氢氧分离电解装置及其方法

技术领域

本发明涉及氢氧分离技术领域，尤其涉及一种分腔式氢氧分离电解装置及其方法。

背景技术

氢气是世界上已知的密度最小的气体，是相对分子质量最小的物质，氢是宇宙中含量最多的元素，氢气的质量只有空气的1/14，即在0 ℃时，一个标准大气压下，氢气的密度为0.0899 g/L。

大量生物学研究表明，氢气具有选择性中和自由基和亚硝酸阴离子的作用，这是氢气对抗氧化损伤治疗疾病的基础。研究表明，氢气能治疗的疾病类型非常多，例如恶性肿瘤、结肠炎、一氧化碳中毒后脑病、脑缺血、老年性痴呆、帕金森病、抑郁症、脊髓损伤、皮肤过敏、2型糖尿病、急性胰腺炎、器官移植损伤、小肠缺血、***炎症反应、放射损伤、视网膜损伤和耳聋等68多种疾病。尽管氢气对人体具有潜在的治疗疾病价值，但为了达到抗氧化的目的，如何使用氢气仍是我们面临的重要问题。目前使用氢气的方式有3种，一是可以采用直接呼吸含有氢气的混合气体，二是饮用或注射含氢气的溶液，三是经过皮肤扩散和诱导大肠细菌产生氢气。从使用和经济角度考虑，普通人饮用含氢气的水是比较理想的方法。在日本、中国台湾、香港等地被大量人群使用，氢气将成为人类的健康保护神。如何制氢成为了人类需要解决的问题。

1972年，日本科学家fujishima和 honda发现在外加电压下用紫外线照射TiO₂电极将水分解产生氢气，首次揭示可利用太阳能分解水制氢气的可能性。这种光电化学转换过程利用太阳能通过光催化分解水产生氢气，将能量密度低的太阳能转换为具有高能量、密度、高效率的化学能，是一种理想的绿色制氢途径，有望同时解决能源供给和环境污染的问题，因此该项技术是最具有理论研究意义和实际应用前景。但是该技术在应用过程中面临一个问题：光电解在运行过程中产生的气体如何进行在线分离呢。虽然这种方式利用光能源解决了氢气的制备，但是还是无法得到纯氢气，在分离的过程中氢气很容易与其他气体混合，这种气体有的有毒性，因此影响了氢气的使用。

随着经济的发展，后续出现了一种水电解得到氢氧的装置，按国内外现有的电解水分仍是采用KOH 或NaOH溶液后，以铅锌电极分解水溶液而得到氢气和氧气，所需要电子约3kw/h-5kw/h。这种分解方式不仅产气量不足，最主要的是分解出的氢气和氧气无法分离，因此还是无法实现纯氢气的制备。

综合上述描述，市面上急需一种能够完成将氢气和氧气及其他气体分离，得到纯氢气的技术。

发明内容

针对上述技术中存在的不足之处，本发明提供一种分腔式氢氧分离电解装置及其方法，将电解槽分隔成两个完全隔离的腔体，由于实现了纯氢气的提取及氧气等其他气体的排出。

为实现上述目的，本发明提供一种分腔式氢氧分离电解装置，包括电解槽、离子交换膜、控制电路板和锂电池；所述离子交换膜的边缘密封固定在电解槽的内壁上，电解槽通过离子交换膜分隔后形成用于盛装进行电解水的第一密封腔体和用于盛装可饮用水的第二密封腔体，所述第一密封腔***于离子交换膜的下方，所述第二密封腔***于离子交换膜的上方；所述控制电路板和锂电池均固定在电解槽的底端内，且锂电池与控制电路板电连接；

所述第一密封腔体内固定有与离子交换膜相平行且位于其下方的正电极板，所述第二密封腔体内固定有与离子交换膜相平行且位于其上方的负电极板，所述正电极板和负电极板均与控制电路板电连接；控制电路板通电工作后对第一密封腔体内的电解水进行电解，电解后在正极板上产生氧气，在负电极板上产生氢气；通过离子交换膜的隔离后产生的氢气不与氧气混合，形成纯氢气；

所述离子交换膜呈倾斜状固定在电解槽的内壁上，电解槽的内侧壁与正电极板向上倾斜的一端形成一锐角；电解水靠近该锐角的水平面与正电极板及电解槽的内侧壁之间形成一气体三角区；电解后氧气及电解水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；通过气体三角区的形成，可及时将第一密封腔体内的气体排出。

其中，该装置还包括一单向阀，外部水管通过单向阀与第一密封腔体连接，且通过单向阀给第一密封腔体内加水。

其中，所述电解槽的外表面镀覆有一绝缘层。

其中，所述电解槽的内径为9cm左右。

为实现上述目的，本发明还提供了一种分腔式氢氧分离电解方法，包括以下步骤：

步骤1，将正电极板和离子交换膜由下至上呈倾斜状固定在电解槽的内壁上；通过离子交换膜分隔后该电解槽形成用于盛装进行电解水的第一密封腔体和用于盛装可饮用水的第二密封腔体的两个腔体；

步骤2，将负电极板固定在第二密封腔体内，且位于离子交换膜上方；该正电极板、离子交换膜和负电极板三者位置相平行；

步骤3，控制电路板通电后，负电极板和正电极板开始进行电解；并在负电极板上产生氢气，在正电极板上产生氧气；通过离子交换膜的隔离后，产生的氢气不会与氧气混合，形成的是纯氢气；

步骤4，在第一密封腔体内产生气体的同时，通过血液透析原理，在正电极板与电解槽所形成的锐角处与电解水的水平面之间形成一气体三角区，电解后氧气及电解水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；通过气体三角区将第一密封腔体内的气体及时排出。

本发明的有益效果是：与现有技术相比，本发明提供的分腔式氢氧分离电解装置及其方法，

1）通过在电解槽内设置离子交换膜后将该电解槽分隔成两个完全隔离的密封腔体，且在第一密封腔体内放置正电极板，在第二密封腔体内放置负电极板，电解时在负电极板上产生氢气，在正电极板上产生氧气；由于离子交换膜分隔离，可完全将电解后的氢气和氧气完全隔离，因此在第二密封腔体内的氢气为纯氢气，因此第二密封腔体内的水可直接饮用；也可以将纯氢气排出收集，以备后续使用或配合其他使用。上述的改进，实现了氧气及其他气体与氢气的完全分离，继而实现了纯氢气的制取。

2）将离子交换膜呈倾斜状固定在电解槽的内壁上，电解槽的内侧壁与正电极板向上倾斜的一端形成一锐角；电解水靠近该锐角的水平面与正电极板及电解槽的内侧壁之间形成一气体三角区；电解后氧气及水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；该气体三角区，该区域无需单独设置，是根据血液透析原理形成的，电解得到的氧气及电解水中原本存在的氮气等其他气体可自动运动至该气体三角区，然后再排出；该设计，不仅能及时的排出氧气等其他气体，避免这些气体无法排出而重回水中，对水造成污染；而且，可将氧气等其他气体及时带动，完全杜绝这些气体与氢气混合，保证了氢气的绝对纯度。

3）本发明具有设计合理、操作便捷、成本低、制取纯氢气效果好等特点。

附图说明

图1为本发明的分腔式氢氧分离电解装置结构示意图；

图2为本发明的分腔式氢氧分离电解方法的步骤流程图。

主要元件符号说明如下：

10、电解槽 11、离子交换膜

12、控制电路板 13、锂电池

14、第一密封腔体 15、第二密封腔体

16、正电极板 17、负电极板

18、气体三角区。

具体实施方式

为了更清楚地表述本发明，下面结合附图对本发明作进一步地描述。

请参阅图1，本发明的分腔式氢氧分离电解装置，包括电解槽10、离子交换膜11、控制电路板12和锂电池13；离子交换膜11的边缘密封固定在电解槽10的内壁上，电解槽10通过离子交换膜11分隔后形成用于盛装进行电解水的第一密封腔体14和用于盛装可饮用水的第二密封腔体15，第一密封腔体14位于离子交换膜11的下方，第二密封腔体15位于离子交换膜11的上方；控制电路板12和锂电池13均固定在电解槽10的底端内，且锂电池13与控制电路板12电连接；

第一密封腔体14内固定有与离子交换膜11相平行且位于其下方的正电极板16，第二密封腔体15内固定有与离子交换膜11相平行且位于其上方的负电极板17，正电极板16和负电极板17均与控制电路板12电连接；控制电路板12通电工作后对第一密封腔体14内的电解水进行电解，电解后在正极板16上产生氧气O₂，在负电极板17上产生氢气H₂；通过离子交换膜11的隔离后产生的氢气不与氧气混合，形成纯氢气；

离子交换膜11呈倾斜状固定在电解槽10的内壁上，电解槽10的内侧壁与正电极板16向上倾斜的一端形成一锐角；电解水靠近该锐角的水平面与正电极板16及电解槽10的内侧壁之间形成一气体三角区18；电解后氧气及电解水中存在的氮气均聚集在该气体三角区18后排出；通过气体三角区18的形成，可及时将第一密封腔体14内的气体排出。

相较于现有技术的情况，本发明提供的分腔式氢氧分离电解装置，具有如下有益效果：

1）通过在电解槽10内设置离子交换膜11后将该电解槽10分隔成两个完全隔离的密封腔体，且在第一密封腔体14内放置正电极板16，在第二密封腔体15内放置负电极板17，电解时在负电极板17上产生氢气，在正电极板16上产生氧气；由于离子交换膜11分隔离，可完全将电解后的氢气和氧气完全隔离，因此在第二密封腔体内的氢气为纯氢气，因此第二密封腔体内的水可直接饮用；也可以将纯氢气排出收集，以备后续使用或配合其他使用。上述的改进，实现了氧气及其他气体与氢气的完全分离，继而实现了纯氢气的制取。

2）将离子交换膜11呈倾斜状固定在电解槽10的内壁上，电解槽10的内侧壁与正电极板16向上倾斜的一端形成一锐角；电解水靠近该锐角的水平面与正电极板及电解槽的内侧壁之间形成一气体三角区18；电解后氧气及水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；该气体三角区18，该区域无需单独设置，是根据血液透析原理形成的，电解得到的氧气及电解水中原本存在的氮气等其他气体可自动运动至该气体三角区，然后再排出；该设计，不仅能及时的排出氧气等其他气体，避免这些气体无法排出而重回水中，对水造成污染；而且，可将氧气等其他气体及时带动，完全杜绝这些气体与氢气混合，保证了氢气的绝对纯度。

3）本发明具有设计合理、操作便捷、成本低、制取纯氢气效果好等特点。

在本实施例中，该装置还包括一单向阀（图未示），外部水管通过单向阀与第一密封腔体14连接，且通过单向阀给第一密封腔体14内加水。本案中通过单向阀向第一密封腔体内加水进行电解；若是第一密封腔体内的水足够电解时，即可关闭单向阀；若是第一密封腔体内的水不够时，打开单向阀进行加水。由于第一密封腔体内的水进行电解后，里面残余有很多有害的气体或杂质，因为不能将这水通入加水的外加水管中，由此要使用单向流通的单向阀，避免水回流。当然，本案中并不局限通过单向阀对第一密封腔体进行加水，还可以是使用渗透膜等其他方式加水；如果是对加水方式的改变，只要保证第一密封腔体内水不会出现回流现象的实施方式，均属于对本案的的简单变形或变换，落入本案的保护范围内。

在本实施例中，电解槽10的外表面镀覆有一绝缘层（图未示）。由于电解槽内需要进行通过电解，因此需要对其外表面进行绝缘。

在本实施例中，电解槽10的内径为9cm左右。本案中电解槽10内径的设计，实现了小体积内的水电解分离出氢气及氧气；且通过离子交换膜分腔，实现了纯氢气的制取。

本发明提供的分腔式氢氧分离电解装置自动清洗和制作双氧水或消毒水功能，该装置设定有自动清洗功能，因为水在电解后除了产生氢气和氧气，还会因水质的差异产生其他矿物质的离子，反复使用装置后，这些矿物质离子会附着在电极板上形成通常所说的水垢。水垢的积累会影响电极板的效率进而影响装置的使用功效。所以装置***设定为每使用五次就自动清洗一次。

清洗的办法是将正负电极极反转，原本产生氢气的第二密封腔体内产生氧气，原本产生氧气的第一密封腔体内产生氢气。一方面，产生的氢气能将附着在第一密封腔体的正电极板上的物质还原，从而清洗电极板。另一方面，第二密封腔体内能产生具有消毒作用的双氧水，双氧水可以用于蔬果清洗消毒，餐具消毒等等。

请进一步参阅图2，本发明还提供了一种分腔式氢氧分离电解方法，包括以下步骤：

步骤S1，将正电极板和离子交换膜由下至上呈倾斜状固定在电解槽的内壁上；通过离子交换膜分隔后该电解槽形成用于盛装进行电解水的第一密封腔体和用于盛装可饮用水的第二密封腔体的两个腔体；

步骤S2，将负电极板固定在第二密封腔体内，且位于离子交换膜上方；该正电极板、离子交换膜和负电极板三者位置相平行；

步骤S3，控制电路板通电后，负电极板和正电极板开始进行电解；并在负电极板上产生氢气，在正电极板上产生氧气；通过离子交换膜的隔离后，产生的氢气不会与氧气混合，形成的是纯氢气；

步骤S4，在第一密封腔体内产生气体的同时，通过血液透析原理，在正电极板与电解槽所形成的锐角处与电解水的水平面之间形成一气体三角区，电解后氧气及电解水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；通过气体三角区将第一密封腔体内的气体及时排出。

本发明提供的分腔式氢氧分离电解方法，具有如下优势：

1）本方法通过离子交换膜的分隔后该电解槽形成用于盛装进行电解水的第一密封腔体和用于盛装可饮用水的第二密封腔体的两个腔体，在通电电解时，在负电极板17上产生氢气，在正电极板16上产生氧气；由于离子交换膜11分隔离，可完全将电解后的氢气和氧气完全隔离，因此在第二密封腔体内的氢气为纯氢气，因此第二密封腔体内的水可直接饮用；也可以将纯氢气排出收集，以备后续使用或配合其他使用。上述方法的改进，实现了氧气及其他气体与氢气的完全分离，继而实现了纯氢气的制取。

2）将离子交换膜11呈倾斜状固定在电解槽10的内壁上，电解槽10的内侧壁与正电极板16向上倾斜的一端形成一锐角；电解水靠近该锐角的水平面与正电极板及电解槽的内侧壁之间形成一气体三角区18；电解后氧气及水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；该气体三角区18，该区域无需单独设置，是根据血液透析原理形成的，电解得到的氧气及电解水中原本存在的氮气等其他气体可自动运动至该气体三角区，然后再排出；该设计，不仅能及时的排出氧气等其他气体，避免这些气体无法排出而重回水中，对水造成污染；而且，可将氧气等其他气体及时带动，完全杜绝这些气体与氢气混合，保证了氢气的绝对纯度。

3）本方法具有操作便捷、设备简单、工艺流程方便、制取纯氢气效果好及成本低等特点。

本发明中第一密封腔体内的水只用于电解；第二密封腔体内的水可以直接饮用，也可以直接在纯氢气收集，可用于制作面膜等美容产品，用于治疗多种疾病，以有益于人类身体健康。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是本发明并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种分腔式氢氧分离电解装置，其特征在于，包括电解槽、离子交换膜、控制电路板和锂电池；所述离子交换膜的边缘密封固定在电解槽的内壁上，电解槽通过离子交换膜分隔后形成用于盛装进行电解水的第一密封腔体和用于盛装可饮用水的第二密封腔体，所述第一密封腔***于离子交换膜的下方，所述第二密封腔***于离子交换膜的上方；所述控制电路板和锂电池均固定在电解槽的底端内，且锂电池与控制电路板电连接；

所述第一密封腔体内固定有与离子交换膜相平行且位于其下方的正电极板，所述第二密封腔体内固定有与离子交换膜相平行且位于其上方的负电极板，所述正电极板和负电极板均与控制电路板电连接；控制电路板通电工作后对第一密封腔体内的电解水进行电解，电解后在正极板上产生氧气，在负电极板上产生氢气；通过离子交换膜的隔离后产生的氢气不与氧气混合，形成纯氢气；

所述离子交换膜呈倾斜状固定在电解槽的内壁上，电解槽的内侧壁与正电极板向上倾斜的一端形成一锐角；电解水靠近该锐角的水平面与正电极板及电解槽的内侧壁之间形成一气体三角区；电解后氧气及电解水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；通过气体三角区的形成，可及时将第一密封腔体内的气体排出；

该装置还包括一单向阀，外部水管通过单向阀与第一密封腔体连接，且通过单向阀给第一密封腔体内加水。

2.根据权利要求1所述的分腔式氢氧分离电解装置，其特征在于，所述电解槽的外表面镀覆有一绝缘层。

3.根据权利要求1所述的分腔式氢氧分离电解装置，其特征在于，所述电解槽的内径为9cm。

4.一种分腔式氢氧分离电解方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，将正电极板和离子交换膜由下至上呈倾斜状固定在电解槽的内壁上；通过离子交换膜分隔后该电解槽形成用于盛装进行电解水的第一密封腔体和用于盛装可饮用水的第二密封腔体的两个腔体；外部水管通过单向阀与第一密封腔体连接，且通过单向阀给第一密封腔体内加水；

步骤2，将负电极板固定在第二密封腔体内，且位于离子交换膜上方；该正电极板、离子交换膜和负电极板三者位置相平行；

步骤3，控制电路板通电后，负电极板和正电极板开始进行电解；并在负电极板上产生氢气，在正电极板上产生氧气；通过离子交换膜的隔离后，产生的氢气不会与氧气混合，形成的是纯氢气；

步骤4，在第一密封腔体内产生气体的同时，通过血液透析原理，在正电极板与电解槽所形成的锐角处与电解水的水平面之间形成一气体三角区，电解后氧气及电解水中存在的氮气均聚集在该气体三角区后排出；通过气体三角区将第一密封腔体内的气体及时排出。