CN105671586A - 一种pem膜低压电解氢、臭氧发生*** - Google Patents

一种pem膜低压电解氢、臭氧发生*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，包括阴极储水箱、阳极储水箱、电解模块和恒流开关电源，所述电解模块通过管道分别与所述的阴极储水箱和阳极储水箱连通，所述电解模块包括阴极电解组件和阳极电解组件，所述的恒流开关电源通过导线分别与电解模块的阴极电解组件和阳极电解组件连接，所述的阴极储水箱和阳极储水箱均位于所述的电解模块上方。本发明的一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***结构简单，可根据不同需要制取富氢水和臭氧水，氢和臭氧从储水箱底部进入，提高了混合效果，使用纯水或去离子水作为原料，安全性能好，臭氧中不含有副产物致癌物等，综合使用成本低，而且水本身作为冷却介质，电解模块无需另外的冷却降温装置，采用独特工艺制造的阴极催化剂和阳极催化剂提高了氢和臭氧的发生效率。

Description

一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***
技术领域
本发明属于电化学技术领域，尤其涉及一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***。
背景技术
氢分子可以清除人体自由基，对衰老及多种因由自由基引起的急慢性疾病具有很好的治疗作用。“现代医学认为物质的腐化是酸化(氧化)的过程，吸烟饮酒、环境污染等都会时人体内产生大量过氧自由基，它会肆意破坏细胞组织，造成基因疾病和机体衰老，活性氢可以有效祛除体内的自由基，富氢水具有超过维生素C、胡萝卜素、卵磷脂等所有人类已知的抗氧化物的抗氧化性，对过敏性皮炎、便秘、高血压、糖尿病、癌症等由自由基引起的各类症状都有强大的防护作用，经常饮用富氢水，能够很好的促进新陈代谢，使每个细胞都能保持健康的状态，祛除体锈，延缓衰老”。
臭氧具有广谱灭菌、使用方便、无任何残留及瞬间灭菌的特点，而且完全避免了化学消毒剂给环境带来的危害，是一种理想的消毒灭菌物质，近年来已在美国、日本、欧洲许多国家广泛应用于公共水***、食品制药、工业加工、医疗卫生，特别是农产品生产、加工及储运过程中有较大规模的应用。
现有的臭氧发生装置还存在所产臭氧中含有副产物包括致癌物等、臭氧浓度低工作环境要求高，综合使用成本高，存在安全隐患等缺点，而且目前还未见能同时产生氢、臭氧的发生装置相关的报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种结构简单、效率高、成本低的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，包括阴极储水箱、阳极储水箱、电解模块和恒流开关电源，所述电解模块通过管道分别与所述的阴极储水箱和阳极储水箱连通，所述电解模块包括阴极电解组件和阳极电解组件，所述的恒流开关电源通过导线分别与电解模块的阴极电解组件和阳极电解组件连接，所述的阴极储水箱和阳极储水箱均位于所述的电解模块上方，电解产生的氢直接进入阴极储水箱，电解产生的臭氧直接进入阳极储水箱，可以产生高浓度臭氧水，产出的臭氧浓度高达25％(占臭氧和氧气总重量的百分比)。
进一步的，所述的阴极储水箱上端设置有第一气体出口，下端设置有第一连接管和第二连接管；所述的阳极储水箱上端设置有第二气体出口，下端设置有第三连接管和第四连接管。
进一步的，所述的阴极电解组件包括阴极水箱和设置在阴极水箱内的阴极板，所述的阴极板一侧设置有负极连接部，所述的负极连接部通过导线与所述的恒流开关电源连接，所述第一连接管与阴极水箱上端的氢排气口连接，所述第二连接管与阴极水箱下端的阴极进水口连接；所述的阳极电解组件包括阳极水箱和设置在阳极水箱内的阳极板，所述的阳极板一侧设置有正极连接部，所述的正极连接部通过导线与所述的恒流开关电源连接；所述的阴极板和阳极板之间为贵金属电极室，所述第三连接管与阳极水箱上端的臭氧排气口连接，所述第四连接管与阳极水箱下端的阳极进水口连接。
进一步的，所述的阴极板包括阴极夹板，所述的阴极夹板一侧表面由内到外依次设置有阴极微孔板、阴极催化剂层、阴极硅胶四氟软垫和阴极、阳极中间物质子交换膜；所述的阳极板包括阳极夹板，所述的阳极夹板一侧表面由内到外依次设置有阳极微孔板、阳极催化剂层、阳极硅胶四氟软垫和阴极、阳极中间物质子交换膜；所述的阴极板和阳极板相对间隔一定距离设置，两者之间为电极室。电解模块的核心部件运行工作时均为非消耗型，只需要保证电解液(纯水或去离子水)的电导率符合要求，设备即可得以稳定运行。所述的阴极板和阳极板共用同一块阴极、阳极中间物质子交换膜，在其两侧各加有硅胶四氟软垫，以确保阴极、阳极中间物质子交换膜不损伤。
进一步的，所述的阴极催化剂层的组成包含以下原料：氯铂酸0.02-3.1份，活性炭0.07-11份和异丙醇2-22份，制作方法为将阴极催化剂各组分按配方混合搅拌，得混合物；使用40-100℃纯净水抽滤清洗所述的混合物；烘干抽滤后的所述混合物；擀制或压制烘干后的所述混合物，即得。
进一步的，所述的阳极催化剂层的组成包含以下按重量百分比计的原料：硝酸铅190-600份，硝酸铜7-42份，硝酸1-17份，氟化钠0.08-1.7份，氯化高锡0.07-8份，三氯化锑0.06-10份，盐酸0.6-13份和丁醇5-49份，制作方法为将氯化高锡、三氯化锑、盐酸和丁醇进行防钝化处理，之后与硝酸铅、硝酸铜、硝酸和氟化钠混合搅拌，然后在50-100℃的熔锅中进行电解，采用30A-40A的直流电；将电解后的物质70℃烘干，研磨即得。
进一步的，所述的正极连接部与所述的恒流开关电源之间的导线间设置有继电器，以保证关闭电源工作开关时装置完全处于断电状态。
进一步的，所述的第一连接管、第二连接管、第三连接管和第四连接管均是由高丙烯腈NBR/PVC耐油、耐臭氧材料制成的连接管，防止管道腐蚀。
进一步的，所述的阴极微孔板和阳极微孔板均为多孔钛板。
有益效果：本发明的一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***结构简单，可根据不同需要制取富氢水和臭氧水，氢和臭氧从储水箱底部进入，提高了混合效果，氢和臭氧的发生效率高，使用纯水或去离子水作为原料，安全性能好，臭氧中不含有副产物致癌物等，综合使用成本低，而且水本身作为冷却介质，电解模块无需另外的冷却降温装置，采用独特工艺制造的阴极催化剂和阳极催化剂提高了氢和臭氧的发生效率。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明电解模块的结构示意图；
图3为本发明阴极板的结构示意图；
图4为本发明阳极板的结构示意图。
图中，1、阴极储水箱，101、第一连接管，102、第二连接管，103、第一气体出口，2、阳极储水箱，201、第三连接管，202、第四连接管，203、第二气体出口，3、电解模块，301、阴极水箱，3011、负极连接部，3012、阴极板，3012a、阴极夹板，3012b、阴极微孔板，3012c、阴极催化剂层，3012d、阴极硅胶四氟软垫，3012e、阴极、阳极中间物质子交换膜，3013、氢排气口，3014、阴极进水口，302、阳极水箱，3021、正极连接部，3022、阳极板，3022a、阴极夹板，3022b、阳极微孔板，3022c、阳极催化剂层，3022d、阳极硅胶四氟软垫，303、电极室，4、恒流开关电源，5、继电器。
具体实施方式
如在说明书及权利要求当中使用了某些词汇来指称特定组件。本领域技术人员应可理解，硬件制造商可能会用不同名词来称呼同一个组件。本说明书及权利要求并不以名称的差异来作为区分组件的方式，而是以组件在功能上的差异来作为区分的准则。如在通篇说明书及权利要求当中所提及的“包括”为一开放式用语，故应解释成“包括但不限定于”。说明书后续描述为实施本发明的较佳实施方式，然所述描述乃以说明本发明的一般原则为目的，并非用以限定本发明的范围。本发明的保护范围当视所附权利要求所界定者为准。
以下结合附图对本发明作进一步详细说明，但不作为对本发明的限定。
一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，包括阴极储水箱1、阳极储水箱2、电解模块3和恒流开关电源4，所述电解模块3通过管道分别与所述的阴极储水箱1和阳极储水箱2连通，所述电解模块3包括阴极电解组件和阳极电解组件，所述的恒流开关电源4通过导线分别与电解模块3的阴极电解组件和阳极电解组件连接，所述的阴极储水箱1和阳极储水箱2均位于所述的电解模块3上方。
特别优选的，所述的阴极储水箱1上端设置有第一气体出口103，下端设置有第一连接管101和第二连接管102；所述的阳极储水箱2上端设置有第二气体出口203，下端设置有第三连接管201和第四连接管202。
特别优选的，所述的阴极电解组件包括阴极水箱301和设置在阴极水箱301内的阴极板3012，所述的阴极板3012一侧设置有负极连接部3011，所述的负极连接部3011通过导线与所述的恒流开关电源4连接，所述第一连接管101与阴极水箱301上端的氢排气口3013连接，所述第二连接管102与阴极水箱301下端的阴极进水口3014连接；所述的阳极电解组件包括阳极水箱302和设置在阳极水箱302内的阳极板3022，所述的阳极板3022一侧设置有正极连接部3021，所述的正极连接部3021通过导线与所述的恒流开关电源4连接；所述的阴极板3012和阳极板3022之间为电极室303，所述第三连接管201与阳极水箱302上端的臭氧排气口3023连接，所述第四连接管202与阳极水箱302下端的阳极进水口3024连接。作为进一步优选的，也可将阴极储水箱1和/或阳极储水箱2设置为分别各自独立的二个水箱，分别与进水口、出气口连接。作为进一步优选的，也可以直接使用纯净水通过电解模块3产生富氢水和臭氧水而不需设置阴极储水箱1和阳极储水箱2。
特别优选的，所述的阴极板3012包括阴极夹板3012a，所述的阴极夹板3012a一例表面由内到外依次设置有阴极微孔板3012b、阴极催化剂层3012c、阴极硅胶四氟软垫3012d和阴极、阳极中间物质子交换膜3012e；所述的阳极板3022包括阳极夹板3022a，所述的阳极夹板3022a一侧表面由内到外依次设置有阳极微孔板3022b、阳极催化剂层3022c、阳极硅胶四氟软垫3022d和阴极、阳极中间物质子交换膜3012e；所述的阴极板3012和阳极板3022相对间隔一定距离设置，两者之间为电极室303。
特别优选的，所述的阴极催化剂层3012c的组成包含以下原料：氯铂酸0.02-3.1份，活性炭0.07-11份和异丙醇2-22份，制作方法为将阴极催化剂各组分按配方混合搅拌，得混合物；使用40-100℃纯净水抽滤清洗所述的混合物；烘干抽滤后的所述混合物；擀制或压制烘干后的所述混合物，即得。
特别优选的，所述的阳极催化剂层3022c的组成包含以下按重量百分比计的原料：硝酸铅190-600份，硝酸铜7-42份，硝酸1-17份，氟化钠0.08-1.7份，氯化高锡0.07-8份，三氯化锑0.06-10份，盐酸0.6-13份和丁醇5-49份，制作方法为将氯化高锡、三氯化锑、盐酸和丁醇进行防钝化处理，之后与硝酸铅、硝酸铜、硝酸和氟化钠混合搅拌，然后在50-100℃的熔锅中进行电解，采用30A-40A的直流电；将电解后的物质70℃烘干，研磨即得。
特别优选的，所述的正极连接部3021与所述的恒流开关电源4之间的导线间设置有继电器5。
特别优选的，所述的第一连接管101、第二连接管102、第三连接管201和第四连接管202均是由高丙烯腈NBR/PVC耐油、耐臭氧材料制成的连接管。
特别优选的，所述的阴极微孔板3012b和阳极微孔板3022b均为多孔钛板。
PEM低压电解法发生***可以同时产生氢和臭氧两种物质，可以得到富氢水和臭氧水，原理为采用低压直流电导通聚合物膜电极的阴阳两极电解去离子水，水在溶液界面上以质子交换的形式被电解分离，氢从阴极溶液界面上直接排放生成氢，氧分子在阳极界面上因高密度电流产生的电子激发而获得能量，并聚合成臭氧分子。
本发明的一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***结构简单，可根据不同需要制取富氢水和臭氧水，氢和臭氧从储水箱底部进入，提高了混合效果，氢和臭氧的发生效率高，使用纯水或去离子水作为原料，安全性能好，臭氧中不含有副产物致癌物等，综合使用成本低，而且水本身作为冷却介质，电解模块无需另外的冷却降温装置，采用独特工艺制造的阴极催化剂和阳极催化剂提高了氢和臭氧的发生效率。
上述说明示出并描述了本发明的若干优选实施例，但如前所述，应当理解本发明并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述发明构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离本发明的精神和范围，则都应在本发明所附权利要求的保护范围内。

Claims (9)

1.一种PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：包括阴极储水箱(1)、阳极储水箱(2)、电解模块(3)和恒流开关电源(4)，所述电解模块(3)通过管道分别与所述的阴极储水箱(1)和阳极储水箱(2)连通，所述电解模块(3)包括阴极电解组件和阳极电解组件，所述的恒流开关电源(4)通过导线分别与电解模块(3)的阴极电解组件和阳极电解组件连接，所述的阴极储水箱(1)和阳极储水箱(2)均位于所述的电解模块(3)上方。
2.根据权利要求1所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：所述的阴极储水箱(1)上端设置有第一气体出口(103)，下端设置有第一连接管(101)和第二连接管(102)；所述的阳极储水箱(2)上端设置有第二气体出口(203)，下端设置有第三连接管(201)和第四连接管(202)。
3.根据权利要求2所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：所述的阴极电解组件包括阴极水箱(301)和设置在阴极水箱(301)内的阴极板(3012)，所述的阴极板(3012)一侧设置有负极连接部(3011)，所述的负极连接部(3011)通过导线与所述的恒流开关电源(4)连接，所述第一连接管(101)与阴极水箱(301)上端的氢排气口(3013)连接，所述第二连接管(102)与阴极水箱(301)下端的阴极进水口(3014)连接；所述的阳极电解组件包括阳极水箱(302)和设置在阳极水箱(302)内的阳极板(3022)，所述的阳极板(3022)一侧设置有正极连接部(3021)，所述的正极连接部(3021)通过导线与所述的恒流开关电源(4)连接；所述的阴极板(3012)和阳极板(3022)之间为电极室(303)，所述第三连接管(201)与阳极水箱(302)上端的臭氧排气口(3023)连接，所述第四连接管(202)与阳极水箱(302)下端的阳极进水口(3024)连接。
4.根据权利要求3所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：所述的阴极板(3012)包括阴极夹板(3012a)，所述的阴极夹板(3012a)一侧表面由内到外依次设置有阴极微孔板(3012b)、阴极催化剂层(3012c)、阴极硅胶四氟软垫(3012d)和阴极、阳极中间物质子交换膜(3012e)；所述的阳极板(3022)包括阳极夹板(3022a)，所述的阳极夹板(3022a)一侧表面由内到外依次设置有阳极微孔板(3022b)、阳极催化剂层(3022c)、阳极硅胶四氟软垫(3022d)和阴极、阳极中间物质子交换膜(3012e)；所述的阴极板(3012)和阳极板(3022)相对间隔一定距离设置，两者之间为电极室(303)。
5.根据权利要求4所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于，所述的阴极催化剂层(3012c)的组成包含以下原料：氯铂酸0.02-3.1份，活性炭0.07-11份和异丙醇2-22份。
6.根据权利要求4所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：所述的阳极催化剂层(3022c)的组成包含以下按重量百分比计的原料：硝酸铅190-600份，硝酸铜7-42份，硝酸1-17份，氟化钠0.08-1.7份，氯化高锡0.07-8份，三氯化锑0.06-10份，盐酸0.6-13份和丁醇5-49份。
7.根据权利要求3所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：所述的正极连接部(3021)与所述的恒流开关电源(4)之间的导线间设置有继电器(5)。
8.根据权利要求3所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：所述的第一连接管(101)、第二连接管(102)、第三连接管(201)和第四连接管(202)均是由高丙烯腈NBR/PVC耐油、耐臭氧材料制成的连接管。
9.根据权利要求4所述的PEM膜低压电解氢、臭氧发生***，其特征在于：所述的阴极微孔板(3012b)和阳极微孔板(3022b)均为多孔钛板。
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