CN105803477B - 一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置及其使用方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置及其使用方法。该装置包括电解池、富氢水生成器、空气泵、活性水生成器、氧气湿度调节器、活性水储罐、氢气导出管、氢气导入管和催化床层；所述电解池的氧气出口与氧气湿度调节器连接；所述电解池的氢气出口通过氢气导入管与富氢水生成器连接；所述富氢水生成器与活性水生成器、活性水储罐顺次连接；所述活性水生成器还与空气泵连接；所述氢气导入管伸入富氢水生成器中的富氢水中，所述富氢水生成器通过氢气导出管与活性水生成器连接；所述催化床层设置于活性水生成器内部。该装置可广泛应用于医疗、家庭保健、以及其它需要高纯氧气、高纯氢气、高纯活性水、富氢水的场所。
Description
技术领域
本发明涉及一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置及其制造方法，特别是涉及一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置及其使用方法。
背景技术
轻便型的氧气产生装置具有十分广泛的用途，以家用吸氧机为例，随着人民生活水平的提高和社会老龄化的到来，家庭用吸氧机以其简便快捷受到了越来越多的家庭的欢迎。已成为重要的健康设备。
目前制氧机的制氧技术主要包括变压吸附（PSA）分子筛吸附分离制氧、膜分离富氧、化学药剂制氧、电解水制氧等；由于化学药剂制氧的成本高、产生废气污染物，膜分离富氧设备成本高、氧气浓度不高等问题；目前家庭制氧机应用最为广泛的技术为变压吸附（PSA）分子筛吸附分离制氧。
变压吸附分子筛分离制氧技术是一种物理分离富集制氧技术，利用分子筛对于氧气和氮气的吸附能力的差别实现对氧的分离及富集。优点是无需使用纯净水等，但是存在如下缺点：（1）需要使用无油空气压缩机，导致制氧能耗高和会在家庭产生噪音；（2）分子筛使用一段时间后会逐渐失去活性，需要更换；（3）生产的氧气不是纯净氧气，而是含有一定量氮气的富氧气体；（3）***较为负载，导致其成本高和维护难度大；
电解水制氧技术是一种十分先进的制备高纯度氧气的技术，具有无噪音、低成本、低能耗、氧气纯度高、使用寿命长等重要优点，但是由于其同时产生的易燃易爆的氢气的问题一直不能得到很好的解决，因此，电解水制氧机一直无法进入家庭作为家用吸氧机使用。
采用氢气和氧气直接反应生产的水被证明具有很低的缔合度和很高的渗透性，可以很容易穿透细胞壁对细胞补水，具有很高保健和美容价值，是一种高纯度的活性水。长期以来，由于其制造的高成本，因此，活性水仅仅在少数人群中得到了使用。同时，近年来人们发现了富氢水对于人类健康的重要价值。
针对目前的家用制氧技术存在的这样或者那样的问题，本发明提出了一种多功能的可同时产生多种具有重要物质的装置及其制备方法；在电解制备高纯氧气的同时，利用电解产生的氢气产生富氢水和超高纯活性水，不但解决了长期以来困扰家用电解水制氧机发展的产生易燃易爆氢气的问题，还同时产生了高价值的活性水和富氢水。更为重要的时，本设备可根据需要为用户提高高纯氧气、高纯氢气、活性水、富氢水等的一种或者同时提供几种，除了可用于家庭吸氧等健康用途之外，还可广泛应用于其它场合。
发明内容：
本发明所要解决的技术问题：通过将活性水生成器、富氢水生成器与电解水器、氧气湿度调节器耦合在一起的方式，提供一种同时产生高纯度氧气、超高纯活性水、富氢水、以及高纯氢气的方法。
本发明提供一种技术方案，在电解水产生高纯氧气的同时，使产生的具有易燃易爆倾向的氢气经过富氢水生成器生产富氢水，进一步通过超高纯活性水生成器生成超高纯活性水，实现可同时高效地产生多种产品。
本发明目的通过如下技术方案实现：
一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，包括纯水电解池3、富氢水生成器、空气泵、活性水生成器、氧气湿度调节器、活性水储罐、氢气导出管、氢气导入管和催化床层；
所述纯水电解池的氧气出口与氧气湿度调节器连接；所述纯水电解池的氢气出口通过氢气导入管与富氢水生成器连接；所述富氢水生成器与活性水生成器、活性水储罐顺次连接；所述活性水生成器还与空气泵连接；所述氢气导入管伸入富氢水生成器中的富氢水中，所述富氢水生成器通过氢气导出管与活性水生成器连接；所述催化床层设置于活性水生成器内部。
进一步地，还包括超声发生器；所述超声发生器设置于富氢水生成器内部。
进一步地，还包括排氢口、富氢水出口、活性水出口、氧气输出接口和尾气排放口；
所述排氢口和富氢水出口设置于富氢水生成器处；所述活性水储罐上设置有活性水出口；所述氧气湿度调节器上设置有氧气输出接口；所述活性水生成器上设置有尾气排放口。
进一步地，还包括纯水水箱和吸氧罩；所述纯水水箱与电解池连接；所述吸氧罩与氧气输出接口连接。
进一步地，还包括电源及控制器；所述电源及控制器与纯水水箱、纯水电解池、氧气湿度调节器分别连接。
进一步地，所述氧气湿度调节器中包括水雾捕集器、冷却翅片及加热器；所述冷却翅片设置于氧气湿度调节器的氧气入口处，所述水雾捕集器设置于氧气湿度调节器内部，与氧气输出接口连接；所述加热器位于氧气湿度调节器内部；所述水雾捕集器为多孔材料或者具有多孔结构, 可将氧气中多余的水雾捕集成为液体，使气体中不会含有过多的水分；冷却翅片主要是将从电解池出来的高温氧气冷却到室温，使得氧气具有合适的温度；加热器则主要用于在寒冷天气时给氧气适度增湿。
进一步地，所述活性水生成器中填充有纤维状填充催化剂、颗粒催化剂或者蜂窝陶瓷一体化催化剂材料，电解水产生的氢气在催化剂的催化作用下与经过过滤的空气反应，生成超纯活性水；所述富氢水生成器中，通过超声声震动方式，使氢气与水分子充分作用，生成含有活性氢气1- 5%的富氢水，当使用活性水时，得到的即为富氢活性水。上述装置中，其包含一个纯水电解池，该电解池为可采用纯水进行电解的固体电解质高效电解池，其电解电压可低至1.7V, 电解效率可达80%；其包含了一个氧气湿度调节装置，该装置包含多孔材料，可使氧气中的水蒸汽凝结分离出来；使氧气保持合适的湿度；氧气湿度过低时，则可以通过加热的方式使得氧气获得增湿，其相对湿度可调节在1%到100%之间；包含了一个智能管理及控制***，可有效低对整个***实行智能化的管理。
一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置的使用方法，将纯水导入纯水电解池，通入直流电电解分解水，产生的氧气导入氧气湿度调节器，经过调节湿度后，导出到氧气输出接口或者吸氧接口；电解产生的氢气导入富氢水生成器、然后进入活性水生成器，同时通过空气泵往活性水生成器泵入空气，氢气与空气中的氧气在催化剂的作用下生成高度活性的活性水；在有需要的情况下，直接将氢气导出使用，装置上装有导出氢气的备用接口。
上述方法，包括如下步骤：
（1）将水通入电解水器，在阴极和阳极加上电解电流，纯水电解产生氧气和氢气；所述电解池为高效固体电解质电解水器，所用固体电解质为全氟磺酸树脂膜，阴极由铂沉积在固体电解质的一面而形成，阳极是将铂和铱的合金沉积在固体电解质的另外一面而形成；所述铂和铱的合金中，铂和铱的摩尔比为0~10；
（2）从电解池导出的纯净氧气进入氧气湿度调节器调节湿度，然后通过氧气输出接口d导出；氧气湿度调节器包括多孔水捕集器，翅片冷却器及加热器；可实现对于氧气的湿度的有效调节；
（3）电解池产生的氢气将首先进入富氢水生成器，在超声波的作用，氢气与纯净水充分作用，生成含有氢气1wt% – 5wt%的富氢水；
（4）从富氢水生成器导出的氢气进入活性水生成器，与由空气泵泵入的空气混合，然后在催化剂作用下反应生产高纯活性水；活性水然后进入活性水储罐，尾气排出；活性水生成器中包括一个催化剂单元，该单元既为一体化的蜂窝陶瓷为载体的催化剂，也可以是颗粒状、纤维状载体负载的催化剂；所述催化剂的活性组分为Pt及其PtIr合金；Pt质量载量通常为1-10%。
上述方法中，步骤（1）中，所述电解水使用的为纯净水或者去离子水，电解电压为1.7 – 2.3V; 电解效率为50-80%；步骤（3）中，所述超声频率为 15 - 60KHz；所述催化剂为负载铂催化剂， 所述载体包括堇青石蜂窝陶瓷、碳蜂窝陶瓷、氧化铝纤维、氧化铝颗粒或碳载体。
上述方法中，富氢水生成器中装有固定频率的超声波发生器，超声频率为 10KHz。活性水生成器中的催化剂为负载铂催化剂，铂的载量通常为1 – 10%， 所有载体包括堇青石蜂窝陶瓷，碳蜂窝陶瓷，氧化铝纤维，氧化铝颗粒，碳载体等等。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
（1）电解效率高，能耗低，安静无噪音；
（2）生产的氧气纯度高，湿度可根据需求调节；
（3）不排出具有易燃易爆倾向的氢气，而是将氢气转化成为高价值的富氢水及活性水；
（4）可根据需要提供高纯氧气、高纯氢气、活性水、富氢水中的一种或者多种产品。
附图说明
图1为本发明一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置的结构示意图；
图2为富氢水生成器结构示意图；
图3为活性水生成器的示意图；
图4为湿度调节器的示意图。
图中各个部件如下：
纯水水箱1、电源及控制器2、纯水电解池3、富氢水生成器4、空气泵5、活性水生成器6、氧气湿度调节器7、活性水储罐8、吸氧罩9、氢气导出管10、氢气导入管11、超声发生器12、催化床层13、空气泵14、排氢口a、富氢水出口b、活性水出口c、氧气输出接口d、冷却翅片15、水雾捕集器16、加热器17.
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步地具体详细描述，但本发明的实施方式不限于此，对于未特别注明的工艺参数，可参照常规技术进行。
本发明一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，如图1~图4所示，包括纯水电解池3、富氢水生成器4、空气泵5、活性水生成器6、氧气湿度调节器7、活性水储罐8、氢气导出管10、氢气导入管11和催化床层13；所述纯水电解池3的氧气出口与氧气湿度调节器7连接；所述纯水电解池3的氢气出口通过氢气导入管11与富氢水生成器4连接；所述富氢水生成器4与活性水生成器6、活性水储罐8顺次连接；所述活性水生成器6还与空气泵5连接；所述氢气导入管11伸入富氢水生成器4中的富氢水中，所述富氢水生成器4通过氢气导出管10与活性水生成器6连接；所述催化床层13设置于活性水生成器6内部。还包括超声发生器12；所述超声发生器12设置于富氢水生成器4内部。还包括排氢口a、富氢水出口b、活性水出口c、氧气输出接口d和尾气排放口e；所述排氢口a和富氢水出口b设置于富氢水生成器4处；所述活性水储罐8上设置有活性水出口c；所述氧气湿度调节器7上设置有氧气输出接口d；所述活性水生成器6上设置有尾气排放口e。还包括纯水水箱1和吸氧罩9；所述纯水水箱1与电解池3连接；所述吸氧罩9与氧气输出接口d连接。还包括电源及控制器2；所述电源及控制器2与纯水水箱1、纯水电解池3、氧气湿度调节器7分别连接。所述氧气湿度调节器7中包括水雾捕集器16、冷却翅片15及加热器17；所述冷却翅片15设置于氧气湿度调节器7的氧气入口处，所述水雾捕集器16设置于氧气湿度调节器7内部，与氧气输出接口d连接；所述加热器17位于氧气湿度调节器7内部；所述水雾捕集器为多孔材料或者具有多孔结构（如pp棉）, 可将氧气中多余的水雾捕集成为液体，使气体中不会含有过多的水分；冷却翅片主要是将从电解池出来的高温氧气冷却到室温，使得氧气具有合适的温度；加热器则主要用于在寒冷天气时给氧气适度增湿。所述活性水生成器6中填充有纤维状填充催化剂、颗粒催化剂或者蜂窝陶瓷一体化催化剂材料，电解水产生的氢气在催化剂的催化作用下与经过过滤的空气反应，生成超纯活性水；所述富氢水生成器4中，通过超声声震动方式，使氢气与水分子充分作用，生成含有活性氢气1- 5%的富氢水，当使用活性水时，得到的即为富氢活性水。上述装置中，其包含一个纯水电解池，该电解池为可采用纯水进行电解的固体电解质高效电解池，其电解电压可低至1.7V, 电解效率可达80%；其包含了一个氧气湿度调节装置，该装置包含多孔材料，可使氧气中的水蒸汽凝结分离出来；使氧气保持合适的湿度；氧气湿度过低时，则可以通过加热的方式使得氧气获得增湿，其相对湿度可调节在1%到100%之间；包含了一个智能管理及控制***，可有效低对整个***实行智能化的管理。
实施例1
本实施例所用到的装置连接如上，其中电极活性面积为20平方厘米、由5个电解池串联而成的固体电解质纯水电解池，连接一可智能控制的直流电源，通入电解电流至10A，此时电解池的输入为8.9V, 单电池的电压1.75V, 产生的氧气经过湿度调节器调节湿度后，输出至吸氧面罩或者输出接口；
电解池中所用电极按照如下方法制备：Nafion-115膜固定在模具上，加入0.1M Pt(NH3)4Cl2 溶液，离子交换30分钟，更换溶液3次，移去二氯四氨合铂溶液，加入硼氢化钠溶液还原，制得膜电极的阴极；Nafion-115膜的另一侧加入二氯四氨合铂（0.1M）与三氯化铱(0.1M)的溶液，反复交换3次，移去混合溶液，然后加入硼氢化钠溶液， 还原得到含有PtIr合金的阳极催化剂层，催化剂层中铂和铱的摩尔比比为10：1。
电解池产生的氢气被引入一个装有饮用水富氢水生产装置（图2），在超声波（10KHz）的作用下，氢气与水分子充分作用，形成含有氢气5%的富氢水，该富氢水需要饮用时，由出水口放出。
由富氢水生成装置引出的氢气进入活性水生成器（图3），空气经过空气净化器净化后由一微型空气泵泵入活性水生成器，在催化剂作用下，空气与氢气作用，生产的活性水经过反应器底部流入活性水储罐；活性水生成器中的催化剂单元为一体化的催化剂，载体为具有微通道的堇青石蜂窝陶瓷，活性组分为铂，铂的质量负载量为1%；氢气在活性水生成器中完全转化成为活性水，排出尾气中氢的浓度低于10ppm。
实施例2
调节超声频率（1kHz）使得富氢水中氢气的体积浓度为1%；
活性水生产器中的催化剂电源为具有微通道的一体化催化剂，载体为蜂窝碳，活性组分为PtIr合金，Pt和Ir的原子比为95：5。
除上述不同外，其它均与实施例1相同。
实施例3
除活性水生成器中的催化剂改为氧化铝纤维负载的Pt催化剂外（Pt的载量为10wt%），其它均与实施例1相同。
实施例4
除活性水生成器中的催化剂改为氧化铝颗粒负载的铂催化剂（Pt的负载量为1wt%）外，其它均与实施例1相同。
本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，其特征在于，包括电解池、富氢水生成器、空气泵、活性水生成器、氧气湿度调节器、活性水储罐、氢气导出管、氢气导入管和催化床层；
所述电解池的氧气出口与氧气湿度调节器连接；所述电解池的氢气出口通过氢气导入管与富氢水生成器连接；所述富氢水生成器与活性水生成器、活性水储罐顺次连接；所述活性水生成器还与空气泵连接；所述氢气导入管伸入富氢水生成器中的富氢水中，所述富氢水生成器通过氢气导出管与活性水生成器连接；所述催化床层设置于活性水生成器内部；
所述可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置的使用方法为：将纯水导入电解池，通入直流电电解分解水，产生的氧气导入氧气湿度调节器，经过调节湿度后，导出到氧气输出接口或者吸氧接口；电解产生的氢气导入富氢水生成器、然后进入活性水生成器，同时通过空气泵往活性水生成器泵入空气，氢气与空气中的氧气在催化剂的作用下生成高度活性的活性水；在有需要的情况下，直接将氢气导出使用，装置上装有导出氢气的备用接口；
具体步骤步骤为：
（1）将水通入电解池，在阴极和阳极加上电解电流，纯水电解产生氧气和氢气；所述电解池为高效固体电解质电解水器，所用固体电解质为全氟磺酸树脂膜，阴极由铂沉积在固体电解质的一面而形成，阳极是将铂和铱的合金沉积在固体电解质的另外一面而形成；所述铂和铱的合金中，铂和铱的摩尔比为0~10；
（2）从电解池导出的纯净氧气进入氧气湿度调节器调节湿度，然后通过氧气输出接口d导出；氧气湿度调节器包括多孔水捕集器，翅片冷却器及加热器；
（3）电解池产生的氢气首先进入富氢水生成器，在超声波的作用，氢气与纯净水充分作用，生成含有氢气 1 wt % – 5 wt %的富氢水；
（4）从富氢水生成器导出的氢气进入活性水生成器，与由空气泵泵入的空气混合，然后在催化剂作用下反应生产高纯活性水；活性水然后进入活性水储罐，尾气排出；活性水生成器中包括一个催化剂单元，该单元为一体化的蜂窝陶瓷为载体的催化剂或颗粒状、纤维状载体负载的催化剂；所述催化剂的活性组分为Pt及其PtIr合金；Pt质量载量通常为1-10%；
步骤（1）中，所述电解水使用的为纯净水或者去离子水，电解电压为1.7 – 2.3V; 电解效率为50-80%；步骤（3）中，所述超声频率为 15 - 60KHz；步骤（4）中，所述催化剂为负载铂催化剂，所述催化剂的载体包括堇青石蜂窝陶瓷、碳蜂窝陶瓷、氧化铝纤维、氧化铝颗粒或碳载体。
2.根据权利要求1所述可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，其特征在于，还包括超声发生器；所述超声发生器设置于富氢水生成器内部。
3.根据权利要求1所述可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，其特征在于，还包括排氢口、富氢水出口、活性水出口、氧气输出接口和尾气排放口；
所述排氢口和富氢水出口设置于富氢水生成器处；所述活性水储罐上设置有活性水出口；所述氧气湿度调节器上设置有氧气输出接口；所述活性水生成器上设置有尾气排放口。
4.根据权利要求1或3所述可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，其特征在于，还包括纯水水箱和吸氧罩；所述纯水水箱与电解池连接；所述吸氧罩与氧气输出接口连接。
5.根据权利要求1所述可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，其特征在于，还包括电源及控制器；所述电源及控制器与纯水水箱、纯水电解池、氧气湿度调节器分别连接。
6.根据权利要求1所述可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，其特征在于，所述氧气湿度调节器中包括水雾捕集器、冷却翅片及加热器；所述冷却翅片设置于氧气湿度调节器的氧气入口处，所述水雾捕集器设置于氧气湿度调节器内部，与氧气输出接口连接；所述加热器位于氧气湿度调节器内部。
7.根据权利要求1所述可同时产生氧气、超纯活性水和富氢水的多功能装置，其特征在于，电解水产生的氢气在催化剂的催化作用下与经过过滤的空气反应，生成高纯活性水；所述富氢水生成器中，通过超声声震动方式，使氢气与水分子充分作用，生成含有活性氢气1-5%的富氢水，当使用活性水时，得到的即为富氢活性水。
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