電催化水設備的制作方法

本發明涉及一種電催化水設備。

背景技術：

電催化是指在電場的作用下，存在于電極表面或溶液相中的修飾物能促進或抑制在電極上發生的電子轉移反應，而電極表面或溶液相中的修飾物本身并不發生變化的一類化學反應。電催化反應速度不僅僅由催化劑的活性所決定，而且還與電場及電解質的本性有關。由于電場強度很高，對參加電化學反應的分子或離子具有明顯的活性作用，使反應所需的活性能大大降低。在電催化反應中，由于電極催化劑的作用發生了電極反應，使化學能直接轉變成電能，最終輸出電能。

放電過程能產生高能環境，產生的等離子體中含有大量高能活性粒子，對許多分子有破壞作用。這些高能活性粒子與催化劑相結合，能有效提高放電處理效果，促進有機分子分解，因而成為污染處理技術研究和開發的熱點。

電催化水一般通過采用電催化技術的電催化水設備制得。現有技術中，中國專利申請CN104098162A公開了一種電磁水處理裝置，該電磁水處理裝置包括有一離子交換膜、一流水管道、至少一正極板、至少一負極板和磁性裝置，該些正極板和該些負極板用于在該流水管道內施加一電場，該磁性裝置用于在該流水管道內施加一垂直于該電場的磁場。然而，該電磁水處理裝置存在下述問題：

(1)耗電量約為電解的1/3，相對來說耗能較大；

(2)存在高壓放電時電場不均勻的現象，分解有機有毒物質、油污時存在死角；

(3)所產生的自由基的量無法達到使用時所需的要求。

技術實現要素：

本發明要解決的技術問題是為了克服現有技術中的傳統的電催化水設備耗能較大、高壓放電時電場不均勻、分解有毒有害物質時存在死角以及產生的自由基含量低等缺陷，提供一種電催化水設備。

本發明是通過下述技術方案來解決上述技術問題：

一種電催化水設備，包括一組由下至上平行疊置的N個電催化單元，該些電催化單元的首尾端通過連通水管依次連通，其中，N為大于或等于2的整數，其特點在于，各該電催化單元包括：

電解管道，形成有密閉空腔，該密閉空腔內設有相對設置的正極板和負極板，該正極板和負極板分別與該電解管道的側壁相對設置且用于在該電解管道內施加一電場，該正極板和負極板分別與一電源的正極和負極電連接；

絕緣管道，位于該正極板與負極板之間，該絕緣管道內設有一低介電常數材料形成的填充層，該填充層內形成有可供水流通的空間，且該填充層與該絕緣管道的側壁之間形成有與該空間相連通的間隙，該絕緣管道的側壁上設有若干與該間隙相連通的通孔；

其中，第一個該電催化單元中電解管道的一端設置有一進水口，第N個該電催化單元中電解管道的端部的兩個相對的側壁上分別設置有一出水口，且兩個該出水口分別位于靠近該正極板和負極板的位置處。

在本方案中，在電解管道內設置正極板和負極板，使得在正極板和負極板通電后，會在兩個電極板之間產生強大的電場，使得附著在正極板和負極板上的金屬氧化物觸媒在電場中會感應成為半導體，該金屬氧化物觸媒能起到催化劑的作用，促進水分子與氧氣生成氫離子和氫氧根離子，從而提高了電催化水中的氫氧自由基含量，使得中和重金屬離子電荷的能力更強。

另外，在正極板和負極板之間設置有絕緣管道和低介電常數材料形成的填充層，能夠避免正極板和負極板分別直接對絕緣管道放電，且位于正極板與絕緣管道之間的離子、以及為負極板與絕緣管道之間的離子均能穿過絕緣管道以及填充層到達對應的區域；且由于低介電常數材料的存在，能夠增加 阻抗，使得正極板和負極板之間形成的電場更加均勻，從而提高水中放電的均勻性，使得水分子的電解更加充分，降低電流節省能耗，提高電極片的壽命超過30％。

此外，采用本發明的電催化水設備的結構，當設備運行時，兩高壓電極通電放電，高壓電流穿過低介電常數材料，使它們因極化產生電容式感應電場而放電，極大地增大放電的范圍，提高放電產生的效果，能使得所產生的電催化水在分解有機、有毒物質，殺滅細菌，中和重金屬離子電荷等方面均有大幅提升，并且產生的電催化水中的氫氧自由基含量高。

進一步地，靠近該正極板和負極板的位置處分別設有一出水口，則可以根據實際情況的需要選擇酸性水和堿性水，使得該電催化水設備的應用場合更廣。且在第一個該電催化單元中設置有一進水口，在第N個該電催化單元中設置有一出水口，使得水經過了N個電催化單元，從而使得水的電解更加充分，從而提高了酸性水的酸度和堿性水的堿度，從而提高了電催化水分解有機有毒物質、油污、殺死細菌的能力。

較佳地，第N個該電催化單元中該電解管道的一端設置有另一出水口，該另一出水口位于相對應的兩個該出水口之間并與兩個該出水口位于該電解管道的同一端，且該正極板、負極板分別與該另一出水口的軸線之間的距離相等。

在本方案中，第N個該電催化單元中設置有位于正極板和負極板之間的中間位置處的另一出水口，從而可以根據實際情況的需要選擇中性水，進一步擴大了該電催化水設備的應用場合。

較佳地，該正極板和該電解管道中與該正極板相對設置的側壁的內表面之間、該負極板和該電解管道中與該負極板相對設置的側壁的內表面之間分別形成有一第一流道和第二流道，且該第一流道與第二流道的寬度相等。

在本方案中，第一流道與第二流道的寬度相等，使得正極板與負極板之間產生的強大的電場更加均勻，從而提高了水分子的電解效率。

較佳地，該正極板和負極板上分別均布設有若干貫穿孔。

在本方案中，貫穿孔的設置使得位于正極板與電解管道之間的水分子、以及位于負極板與電解管道之間的水分子分別能夠穿過正極板、負極板到達正極板與負極板之間形成的強大電場內，從而使得電解管道內水分子的催化更加充分，進一步充分地提高了水分子的電解效果，使得電解管道內水分子的電解不存在死角。

較佳地，該正極板和負極板中遠離該進水口的一端分別向外延伸有電極柱，兩個該電極柱上分別開設有一連接孔，且兩個該電極柱分別通過導線、該連接孔與該電源的正極、負極電連接。

在本方案中，該正極板和負極板通過電極柱與電源的正極、負極電連接，僅將導線焊接于電極柱的連接孔內便可實現正極板、負極板分別與電源的正極、負極的電連接，降低了生產成本，且電連接更加可靠。

較佳地，該電源為高壓直流電源，該電源的電壓為20V-18000V；或者，該電源為高壓交流電源，該電源的電壓為20V-23000V。

較佳地，各該電解管道包括：中空、兩端為開口的殼體和兩個端蓋，兩個該端蓋分別通過一密封件密封連接于該殼體的兩端并形成有該密閉空腔。

在本方案中，密封件的設置提高了該密閉空腔的密封性。

較佳地，該些通孔均勻分別于該絕緣管道的側壁，且該些通孔形成一網狀結構；

該絕緣管道位于該正極板與負極板之間的中間位置，且該絕緣管道的材質為UPVC、PVC、PP或聚四氟乙烯。

在本方案中，采用上述結構形式，可以保持因放電或電解產生的正離子正常地移往陽極，負離子正常地移往陰極；可以保持較大部分正離子保持靠近陽極，負離子保持靠近陰極。

較佳地，該填充層包括若干依次排列設置的填充物，該填充物的形狀為球狀、立方體狀或橢球狀，且該填充物的材質為低介電常數材料。

在本方案中，絕緣管道和填充層的設置使正極板與負極板間的放電透過低介電常數材料而達到均勻放電的目的；同時，無需使用陽離子交換膜或使 用陰離子交換膜，即可將水中正離子較大比例地集中于陽極并使負離子較大比例地分離并集中于陰極附近，具有替代陽離子交換膜與陰離子交換膜的功能。

較佳地，該低介電常數材料為玻璃、氧化鋁、陶瓷、剛玉瓷和金紅石瓷中的一種或多種；該填充物的當量直徑為6mm-7mm。

較佳地，各該填充物的外表面均包覆有一催化層。

在本方案中，填充物當作載體，在其表面涂布有催化層，該催化層在水中形成濕式氧化觸媒，而此濕式氧化觸媒位于正負電極所形成的高壓電場之間，吸收電場能量形成濕式電觸媒，具有提高氧化并破壞廢氣的能力，使原來困難分解破壞的廢氣變得容易處理。

較佳地，該催化層的材質為非均相貴金屬催化系列材料，該非均相貴金屬催化系列材料優選為Ru、Rh、Pt、Ir和Pd的金屬氧化物中的一種或多種；或者，該催化層的材質為過渡金屬氧化物催化系列材料，該過渡金屬氧化物催化系列材料優選為Cu、Mn、Fe和Zn的金屬氧化物中的一種或多種。

在符合本領域常識的基礎上，上述各優選條件，可任意組合，即得本發明各較佳實例。

本發明的積極進步效果在于：

(1)本發明的電催化水設備極大地增大放電面積，使產生分解有機有毒物質、油污、殺死細菌等能力提升超過50％。

(2)本發明的電催化水設備提高了水中放電的均勻性，不存在死角，放電范圍廣，電催化水中的氫氧自由基含量高，中和重金屬離子電荷的能力更強。

(3)本發明的電催化水設備中，由于低介電常數材料的存在，能夠增加阻抗，提高水中放電的均勻性，降低電流節省能耗，提高正極板和負極板的使用壽命超過30％。

(4)本發明將原來用熱與壓力為催化提供能量，改變為以電場來為催化提供能量，提高系統的操控性，同時，經過電催化提高氧化并破壞廢氣的 能力，使原來困難分解破壞的廢氣變得容易處理。

附圖說明

圖1為本發明一實施例的電催化水設備的立體結構示意圖。

圖2為本發明一實施例的電催化水設備的分解結構示意圖。

圖3為本發明一實施例的電催化水設備的另一位置狀態的立體結構示意圖。

圖4為本發明一實施例的電催化水設備中其中一個電催化單元的結構示意圖。

圖5為本發明一實施例的電催化水設備中其中一個電催化單元的內部結構示意圖。

圖6為圖5中沿A-A的剖視圖。

圖7為圖5中正極板的結構示意圖。

圖8為圖5中絕緣管道的局部結構示意圖。

圖9為圖5中填充層的結構示意圖。

圖10為圖4中電解管道的分解結構示意圖。

圖11為本發明另一實施例的電催化水設備的立體結構示意圖。

圖12為本發明另一實施例的電催化水設備的另一位置狀態的立體結構示意圖。

附圖標記說明：

電催化水設備：1

電催化單元：11

電催化單元：12

電解管道：13

密閉空腔：131 殼體：132 端蓋：133

正極板：135 貫穿孔：1351

電極柱：1352 連接孔：1353 導線：1354

負極板：136 貫穿孔：1361 電極柱：1362

連接孔：1363 導線：1364 電源：137

絕緣管道：14 填充層：141 空間：1411

填充物：1412 間隙：142 通孔：143

空腔：144

連通水管：15

進水口：16

出水口：17

另一出水口：18

控制閥：19

電催化水設備：2

電催化單元：21

電催化單元：22

電催化單元：23

連通水管：24

進水口：25

出水口：26

另一出水口：27

具體實施方式

下面舉個較佳實施例，并結合附圖來更清楚完整地說明本發明。

在本發明的描述中，需要理解的是，術語“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“豎直”、“水平”、“頂”、“底”“內”、“外”等指示的方位或位置關系為基于附圖所示的方位或位置關系，僅是為了便于描述本發明和簡化描述，而不是指示或暗示所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

實施例1

圖1-3示出了一種電催化水設備1，該電催化水設備1包括一組由下至上平行疊置的N個電催化單元11、12，該些電催化單元11、12的首尾端通過連通水管15依次連通。其中，N為大于或等于2的整數，且N為偶數。在本實施例中，N為2。

其中，請根據圖4-5所示，各該電催化單元11、12包括：電解管道13和絕緣管道14。該電解管道13內形成有一密閉空腔131。在實際的使用過程中，各電催化單元的密閉空腔通過連通水管相互連通，使得從進水口進來的水可依次流過各電催化單元，從而提高了水分子的催化效率，進而保證了水分子的充分電解。

如圖10所示，各該電解管道13包括：中空、兩端為開口的殼體132和兩個端蓋133，兩個該端蓋133分別通過一密封件(圖中未示出)密封連接于該殼體132的兩端并形成有該密閉空腔131。密封件的設置提高了該密閉空腔的密封性，避免密閉空腔內的水溢出。

其中，該密閉空腔131內設有相對設置的正極板135和負極板136，該正極板135和負極板136分別與該電解管道13的殼體132的兩個側壁相對設置且用于在該電解管道內施加一電場。同時，該正極板135和負極板136分別與一電源137的正極和負極電連接。

該正極板135和該電解管道13中與該正極板135相對設置的側壁的內表面之間、該負極板136和該電解管道13中與該負極板136相對設置的側壁的內表面之間分別形成有一第一流道和第二流道，且該第一流道與第二流道的寬度相等。第一流道與第二流道的寬度相等，使得正極板與負極板之間產生的強大的電場更加均勻，從而提高了水分子的電解效率。

如圖5、7所示，該正極板135和負極板136上分別均布設有若干貫穿孔1351、1361。其中，貫穿孔的設置使得位于正極板與電解管道之間的水分子、以及位于負極板與電解管道之間的水分子分別能夠穿過正極板、負極板到達正極板與負極板之間形成的強大電場內，從而使得電解管道內水分子的催化更加充分，進一步充分地提高了水分子的電解效果，使得電解管道內水 分子的電解不存在死角。

請結合圖5、7予以理解，該正極板135和負極板136中遠離該進水口的一端分別向外延伸有電極柱1352、1362，兩個該電極柱1352、1362上分別開設有一連接孔1353、1363，且兩個該電極柱1352、1362分別通過導線1354、1364、該連接孔1353、1363與該電源137的正極、負極電連接。其中，電源137放置于第二個該電催化單元12的頂部。

在本實施例中，該正極板和負極板通過電極柱與電源的正極、負極電連接，僅將導線焊接于電極柱的連接孔內便可實現正極板、負極板分別與電源的正極、負極的電連接，降低了生產成本，且電連接更加可靠。

在本實施例中，該電源為高壓直流電源，該電源的電壓為20V-18000V，該電源的電壓優選為50V-15000V。當然，根據實際情況的需要，該電源也可以為高壓交流電源，該電源的電壓為20V-23000V，該電源的電壓優選為50V-20000V。

如圖5-6所示，絕緣管道14位于該正極板135與負極板136之間，該絕緣管道14內設有一低介電常數材料形成的填充層141。該填充層內形成有可供水流通的空間1411，且該填充層141與該絕緣管道14的側壁之間形成有與該空間相連通的間隙142，該絕緣管道的側壁上設有若干與該間隙142相連通的通孔143。在實施例中，如圖8所示，該絕緣管道內形成有空腔144，且該絕緣管道的兩端為開口，同時，該絕緣管道的橫截面形狀為矩形。

其中，該些通孔143均勻分別于該絕緣管道14的側壁，且該些通孔143形成一網狀結構。該些通孔143的直徑均優選為5mm-6mm。該絕緣管道14位于該正極板135與負極板136之間的中間位置，且該絕緣管道14的材質為絕緣高分子材料，優選為UPVC、PVC、PP或聚四氟乙烯。在使用時，這樣可以保持因放電或電解產生的正離子正常地移往陽極(即正極板位置處)，負離子正常地移往陰極(即負極板位置處)；可以保持較大部分正離子保持靠近陽極，負離子保持靠近陰極。

另外，如圖9所示，該填充層141包括若干依次排列設置的填充物1412， 該填充物1412的形狀為球狀、立方體狀或橢球狀，且該填充物1412的材質為低介電常數材料。該低介電常數材料為玻璃、氧化鋁、陶瓷、剛玉瓷和金紅石瓷中的一種或多種。該填充物1412的當量直徑為6mm-7mm。在實際的使用過程中，所述填充物的直徑與所述通孔的直徑相匹配，一般所述填充物的直徑大于所述通孔的直徑。

在使用中，采用上述結構形式的絕緣管道和填充層使正極板與負極板間的放電透過低介電常數材料而達到均勻放電的目的；同時，無需使用陽離子交換膜或使用陰離子交換膜，即可將水中正離子較大比例地集中于陽極并使負離子較大比例地分離并集中于陰極附近，具有替代陽離子交換膜與陰離子交換膜的功能。

此外，各該填充物的外表面均包覆有一催化層。其中，填充物當作載體，在其表面涂布有催化層，該催化層在水中形成濕式氧化觸媒，而此濕式氧化觸媒位于正負電極所形成的高壓電場之間，吸收電場能量形成濕式電觸媒，具有提高氧化并破壞廢氣的能力，使原來困難分解破壞的廢氣變得容易處理。

進一步地，該催化層的材質為非均相貴金屬催化系列材料。其中，該非均相貴金屬催化系列材料優選為Ru、Rh、Pt、Ir和Pd的金屬氧化物中的一種或多種。當然，在實際的使用過程中，該催化層的材質也可以采用過渡金屬氧化物催化系列材料。其中，該過渡金屬氧化物催化系列材料優選為Cu、Mn、Fe和Zn的金屬氧化物中的一種或多種。

請根據圖1-3予以理解，第一個該電催化單元11中電解管道13的一端設置有一進水口16，第二個該電催化單元12中電解管道14中殼體的端部的兩個相對的側壁上分別設置有一出水口17，且兩個該出水口17分別位于靠近該正極板和負極板的位置處。在本實施例中，進水口16設置于遠離電極柱的一端。兩個出水口17均與該進水口16位于該電催化水設備的同一端。

進一步地，第二個該電催化單元12中該電解管道14中靠近該出水口17位置處的其中一個端蓋的一端設置有另一出水口18，該另一出水口18位于相對應的兩個該出水口17之間并與兩個該出水口17位于該電解管道14的 同一端，且該正極板、負極板分別與該另一出水口的軸線之間的距離相等。在本實施例中，另一出水口也與該進水口位于該電催化水設備的同一端。

其中，兩個該出水口、另一出水口處均設置有一控制閥19，通過該控制閥19可調節出水量。

使用時，將正極板通過第一導線與電源的正極電連接，將負極板通過第二導線與電源的負極電連接，該正極板與負極板之間相互放電并形成強大的電場。在電場的作用下，附著在正極板和負極板上的金屬氧化物觸媒在電場中會感應成為半導體，該金屬氧化物觸媒能起到催化劑的作用，促進水分子與氧氣生成氫離子和氫氧根離子，與此同時，由于低介電常數材料的存在，極大地增大放電的范圍，并使得正極板和負極板之間形成的電場更加均勻，使得水分子的電解更加充分，進而使得水分子中氫離子穿過絕緣管道和填充層向該正極板運動，最終在該正極板附近形成酸性水，相應地，氫氧根離子穿過絕緣管道和填充層向該負極板運動，在該負極板附近形成堿性水，同時，在該絕緣管道和填充層附近形成中性水。

本實施例的電催化水設備具有以下技術效果：

第一、在電解管道內設置正極板和負極板，使得在正極板和負極板通電后，會在兩個電極板之間產生強大的電場，使得附著在正極板和負極板上的金屬氧化物觸媒在電場中會感應成為半導體，該金屬氧化物觸媒能起到催化劑的作用，促進水分子與氧氣生成氫離子和氫氧根離子，從而提高了電催化水中的氫氧自由基含量，使得中和重金屬離子電荷的能力更強。

第二、在正極板和負極板之間設置有絕緣管道和低介電常數材料形成的填充層，能夠避免正極板和負極板分別直接對絕緣管道放電，且位于正極板與絕緣管道之間的離子、以及為負極板與絕緣管道之間的離子均能穿過絕緣管道以及填充層到達對應的區域；且由于低介電常數材料的存在，能夠增加阻抗，使得正極板和負極板之間形成的電場更加均勻，從而提高水中放電的均勻性，使得水的電解更加充分，降低電流節省能耗，提高電極片的壽命超過30％。

第三、采用本發明的電催化水設備的結構，當設備運行時，兩高壓電極通電放電，高壓電流穿過低介電常數材料，使它們因極化產生電容式感應電場而放電，極大地增大放電的范圍，提高放電產生的效果，能使得所產生的電催化水在分解有機、有毒物質，殺滅細菌，中和重金屬離子電荷等方面均有大幅提升，并且產生的電催化水中的氫氧自由基含量高。

第四、靠近該正極板和負極板的位置處分別設有一出水口，則可以根據實際情況的需要選擇酸性水和堿性水，使得該電催化水設備的應用場合更廣。且在第一個該電催化單元中設置有一進水口，在第N個該電催化單元中設置有一出水口，使得水經過了N個電催化單元，從而使得水的電解更加充分，從而提高了酸性水的酸度和堿性水的堿度，從而提高了電催化水分解有機有毒物質、油污、殺死細菌的能力。

第五、第N個該電催化單元中設置有位于正極板和負極板之間的中間位置處的另一出水口，從而可以根據實際情況的需要選擇中性水，進一步擴大了該電催化水設備的應用場合。

實施例2

本實施例的電催化水設備2與實施例1的電催化水設備1的結構具有較多相似之處，在此不做過多贅述，本實施例的電催化水設備與實施例1的不同之處在于，如圖11-12所示，該電催化水設備2包括一組由下至上平行疊置的N個電催化單元21、22、23，該些電催化單元21、22、23的首尾端通過連通水管24依次連通。其中，N為大于或等于2的整數，且N為奇數。如圖11所示，N為3。

其中，進水口25設置于第一個該電催化單元21中遠離電極柱的一端，兩個該出水口26和另一出水口27均設置于第三個該電催化單元23中靠近電極柱的一端。

另外，兩個出水口26和另一出水口27均位于該電催化水設備2中遠離該進水口25的一端。

效果實施例

在相同的實驗條件下，對本實施例電催化水設備與傳統的電催化水設備的水分子的電解效率、分解有機有毒物質、油污、殺死細菌等能力進行了以下測試，測試結果如表1所示。

表1、本實施例電催化水設備與傳統的電催化水設備對比

雖然以上描述了本發明的具體實施方式，但是本領域的技術人員應當理解，這僅是舉例說明，本發明的保護范圍是由所附權利要求書限定的。本領域的技術人員在不背離本發明的原理和實質的前提下，可以對這些實施方式做出多種變更或修改，但這些變更和修改均落入本發明的保護范圍。