弱鹼性負電位電解水製取裝置及電解飲水機的製作方法
2023-04-27 01:56:51 3
專利名稱：弱鹼性負電位電解水製取裝置及電解飲水機的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種用於製取電解功能水的裝置，屬於電解水裝置技術領域。
背景技術：
功能水是通過適當的手段，在特定的條件下，將外部的能量，例如機械能、磁能、電能、遠紅外熱能等作用於普通水，改變水的分子團結構使之具有有益功能的一類水的統稱。目前得到普遍公認而且唯一有標準可執行的是電解功能水，俗稱電解水或離子水。電解水是指在電解槽中通入直流電後，在陽極與陰極所產生的電解氧化水和電解還原水；電解氧化水含有較多的酸根離子(H+離子)，具有氧化性，又稱酸性水，電解還原水含有較多的氫氧根離子(OH-)，具有還原性，又稱鹼性水。國內外大量研究與數十年應用實踐證明，飲用電解還原水(弱鹼或中鹼)有益於養生，尤其是具有負氧化還原電位的弱鹼性電解還原水更是被稱為「長壽水」。現有知識中有關於電解水的大量報導可資參考。
市面上常見的現有電解水機，一般採用有隔膜電解槽結構，不僅結構複雜，而且膜容易被汙染。這方面的技術現有很多，本發明也無需多作介紹。
本申請人在先申請了採用無隔膜電解槽結構的電解水裝置，如已公開的中國專利ZL200820183101.7一種具有殺菌功能的飲水機、ZL200820184175.2一種電解功能水杯、ZL200820184176.7一種可攜式電解功能水製備器。這些已公開無隔膜電解槽結構的電解水裝置由於採用了直流脈衝電源產生的微電流對水進行電解，開創了無隔膜電解槽製取電解水的新方法和裝置。這些已公開的電解水裝置雖然可以實現無隔膜電解水，但是，一是受到微電流範圍的限制對直流脈衝電源提出很高要求，控制電路過於複雜，成本高；二是製取電解水時間過長，無法快速有效地製取適宜人飲用的弱鹼性負氧化還原電位的電解水。
發明內容
本發明解決的技術問題是提出一種結構簡單並能快速有效製取適宜人飲用的弱鹼性負氧化還原電位電解水的裝置。
為了解決上述技術問題，本發明提出的技術方案是一種弱鹼性負電位電解水製取裝置，包括電解槽，置於電解槽內的陰、陽電極，以及與陰陽電極電連接的直流脈衝電源，所述陰電極的表面積大於陽電極的表面積。
本發明的弱鹼性負電位電解水製取裝置的有益效果可以用本文後面實施例的實驗數據來證實，同時可以用本發明人經深入研究後得出的以下理論分析來加以說明 1、弱鹼性的形成 水通電後產生電解反應，反應式是H2O＝H++OH-，電解反應產生的氫根和氫氧根分別在陰極和陽極發生還原反應和氧化反應，生成的氧氣和氫氣會分別附著在正極和負極。由於氫鍵比氫氧鍵更容易打開而形成氫氣，這樣當陰極面積大於陽極時，就更有利於析氫反應的發生，而陽極相對陰極面積小則會導致陽極的電解反應不夠充分；最終導致水中氫氧根的生成大於氫根的生成而使電解後的水整體顯示弱鹼性。即使對於含有電解質的水(如自來水或含礦物質的純水)來說，在電解時，水中的陰離子如(Cl-)移向陽極發生氧化反應，而陽離子(Ca2+、Mg2+、Na+)移向陰極發生還原反應，由於陰極面積大於陽極，陰離子在陽極產生的副反應更容易影響氫氧根的氧化反應程度，而陽離子在陰極產生的副反應對氫根影響相對要小，因此同樣可以得到弱鹼性的水。
2、負氧化還原電位的形成 電解時能量的轉移實際上是電子的轉移，如高電壓負離子發生器即是利用能量電子轉移的原理來利用單電極向空氣中發射負離子。在水電解時，電能主要轉化為使水溫度升高的熱能和使水發生電化學反應的化學能。當用脈衝電流電解時，電極電壓也隨之發生波狀變化，提高了單位時間瞬間電壓，可以提高化學能產生而降低熱能消耗。高化學能則會使水中電子聚集，此時水中的氫原子在高電壓高能量情況下容易奪得電子形成相對穩定的氫負離子態。隨著水中氫負離子的不斷積聚，使水的氧化還原電位持續降低，最終成為穩定態的負電位水。
此外，水電解時，附著在陰極的氫在形成分子的過程中會先形成原始狀態的氫，也就是帶電子的活性氫(H-)。對於含有電解質的水來說，會因電解而在陰極周圍浮遊很多納米級金屬微粒。這些懸浮的金屬微粒具有吸附活性氫的性能，活性氫就會附著在金屬微粒上形成相對穩定的存儲狀態。活性氫與這些金屬微粒只是相互附著並無發生反應連接。因此仍保持其的原始狀態(即H-)。當陰極面積大於陽極時，可以使附著在陰極的還原氫能更充分地與金屬微粒接觸並發生吸附反應，從而使水中存在更多的活性氫穩定態。當活性氫(H-)在水中運動遇到氫離子(H+)，部分活性氫就會與氫離子發生反應而使水中的氫離子(H+)數量減少。
綜合以上理論分析，可以得出本發明的弱鹼性負電位電解水製取裝置，不僅結構簡單，而且能夠快速有效製取適宜人飲用的弱鹼性負氧化還原電位電解水。
值得一提的是以上理論分析從現有理論是無法得到任何有關啟示的；恰恰相反，現有的普遍認識是陰、陽兩電極面積大小不等是根本制不出有用的弱鹼性負氧化還原電位電解水的。在本發明之前的電解水領域尚缺乏足夠的理論指導情況下，為了突破現有技術無法簡單、快速、有效製取弱鹼性負氧化還原電位電解水的瓶頸，本發明人進行了長期的反覆實驗，最終找到陰、陽兩電極面積大小不等這一事後看似容易，但事前卻難以想像並需經歷艱辛實驗過程方能得到的認識和靈感。這就足以證明本發明的弱鹼性負電位電解水製取裝置不是顯而易見就能得到的。
上述技術方案的改進是所述陽電極在與所述陰、陽電極的幾何中心連線相垂直的平面內的正投影位於所述陰電極在所述平面內的正投影的範圍之內。
本發明人在找到上述陰、陽兩電極面積大小不等這一關鍵技術後，在進一步實驗中發現，當陽電極和陰電極在與其幾何中心連線相垂直的平面內的正投影彼此包圍重合的情況下(即陽電極在該平面內的正投影位於陰電極在該平面內的正投影的範圍之內的情況下)，製取電解水的弱鹼性和負氧化還原電位指標更為理想。在此需要強調說明的是電極的有效反應面積和電極的幾何面積是有區別的。這是因為電解反應會因陰、陽兩極的相對位置不同而不同。如圖1所示，當面積大小不同的陰、陽兩電極之間只是平行錯開放置時，電解反應主要是在兩電極在與其幾何中心連線相垂直的平面內相互重合的部分之間發生(電流只沿阻抗最小路徑流通)，這樣陰、陽兩電極的有效反應面積仍然趨於1∶1。
上述技術方案的進一步改進是所述陽電極與陰電極的表面積之比是1∶1.5～1∶8；所述陽電極與陰電極的間距的範圍是4mm-1000mm。
本發明人又從無數實驗中總結出陽電極與陰電極的表面積之比和陽電極與陰電極的間距同時滿足上述條件範圍時，能夠製取滿足弱鹼性和負氧化還原電位指標的電解水。需要強調說明的是如圖2所示，當表面積大小不同的陰、陽兩電極之間的間距超出上述條件範圍時，兩極板邊緣出現傾角，仍然會出現陰、陽兩電極的有效反應面積不等同於其幾何面積比的情況；對於電導率較高的源水(例如北方城市自來水)來說，保持合適的陽、陰電極表面積之比和陽、陰電極的間距尤為重要。
上述技術方案的更進一步改進是所述直流脈衝電源是輸出直流脈衝電壓的波形、幅值、佔空比、功率均可調節的掃頻脈衝發生器。經過本發明的發明人大量實驗得出，採用這種直流脈衝電源可以更有效地完成製取適宜人飲用的弱鹼性負氧化還原電位電解水。
上述技術方案的完善之一是所述陰、陽電極均是與電解槽側壁平行放置在電解槽內的平板。
上述技術方案的完善之二是所述陰、陽電極在與其幾何中心連線相垂直的平面內的投影面積基本相同，所述陽電極上制有均勻密布通孔。
上述技術方案的完善之三是所述陰、陽電極傾斜放置在電解槽內並與電解槽內側壁形成一夾角。
上述技術方案的完善之四是所述陽電極是球體，所述陰電極是平板。
上述技術方案的完善之五是所述陽電極是不規則的近似球體，所述陰電極是不規則的曲面板。
上述技術方案的完善之六是所述陽電極是帶有通孔的不規則平板，所述陰電極是大於陽電極的四邊帶倒角的平板。
上述技術方案的完善之七是所述陽電極是位於電解槽中央處的圓柱體，所述電解槽的內壁作為陰電極。
上述技術方案的進一步完善是所述陽電極是由鈦基表面鍍惰性材料製成的惰性電極，所述惰性材料是鉑、銥和釕之一。
本發明在上述技術方案的基礎上所衍生的另一種技術方案是一種電解飲水機，包括弱鹼性負電位電解水製取裝置，還包括進水口、出水口和串接於出水口的加熱裝置；所述電解槽是金屬桶，其內壁作為陰電極；所述陽電極安置在所述金屬桶內部正中央。
上述另一種技術方案的完善是所述陽電極與陰電極的表面積之比是1∶6，所述陽電極與陰電極的間距的範圍是30mm-1000mm。
上述另一種技術方案的進一步完善是所述金屬桶是不鏽鋼金屬桶，所述陽電極是由鈦基表面鍍惰性材料製成的圓柱環狀惰性電極，所述惰性材料是鉑、銥和釕之一。
下面結合附圖對本發明弱鹼性負電位電解水製取裝置及電解飲水機作進一步說明。
圖1是說明不同於本發明弱鹼性負電位電解水製取裝置的第一種陰陽電極放置情況的結構示意圖。
圖2是說明不同於本發明弱鹼性負電位電解水製取裝置的第二種陰陽電極放置情況的結構示意圖。
圖3是本發明實施例一弱鹼性負電位電解水製取裝置的結構示意圖。
圖4是圖3的A-A向截面圖。
圖5是本發明實施例二弱鹼性負電位電解水製取裝置的結構示意圖。
圖6是圖5的B-B向截面圖。
圖7是本發明實施例三弱鹼性負電位電解水製取裝置的截面結構示意圖。
圖8是本發明實施例四弱鹼性負電位電解水製取裝置的結構示意圖。
圖9是本發明實施例五弱鹼性負電位電解水製取裝置的結構示意圖。
圖10是本發明實施例六弱鹼性負電位電解水製取裝置的結構示意圖。
圖11是本發明實施例七弱鹼性負電位電解水製取裝置的截面結構示意圖。
圖12是本發明實施例八弱鹼性負電位電解水製取裝置的結構示意圖。
圖13是本發明實施例九電解飲水機的結構示意圖。
具體實施例方式 實施例一 本實施例的弱鹼性負電位電解水製取裝置，如圖3和圖4所示，包括電解槽1、置於電解槽1內的陰、陽電極2、3和連接陰、陽電極2、3的直流脈衝電源4。電解槽1採用非導電材質製成，陰、陽電極2、3均呈平板狀並均是由鈦基表面鍍鉑、銥或釕等惰性材料製成的惰性電極，陰、陽電極2、3與電解槽1的側壁平行放置在電解槽1內。陰電極2的表面積大於陽電極3的表面積，其中，陽電極3與陰電極2彼此的表面積之比是1∶1.5，陽電極3在與陰、陽電極2、3的幾何中心連線相垂直的平面內的正投影位於陰電極2在該平面內的正投影的範圍之內。此時根據實驗測算，陽電極3與陰電極2的間距的理想範圍是80mm-300mm。直流脈衝電源4是輸出直流脈衝電壓的波形、幅值、佔空比、功率均可調節的掃頻脈衝發生器。
實施例二 本實施例的弱鹼性負電位電解水製取裝置是在實施例一基礎上的改進，如圖5和圖6所示，除與實施例一相同以外所不同的是陰、陽電極2、3在與其幾何中心連線相垂直的平面內的投影面積基本相同，但陽電極3上制有均勻密布通孔5，陽電極3與陰電極2的表面積之比是1∶5(本實施例陽電極表面積是指去除通孔5後所餘的表面積)。此時實驗測算，陽電極3與陰電極2的間距的理想範圍是10mm-450mm。
實施例三 本實施例是在實施例二基礎上的改進，如圖7所示，除與實施例二相同以外所不同的是陽電極3上的通孔5更大更密集，從而使陽電極與陰電極的表面積之比為1∶8(本實施例陽電極的表面積是指去除通孔5後所餘的表面積)。此時根據實驗測算，陽電極3與陰電極2的間距的理想範圍是4mm-600mm。
將上述三個實施例中的弱鹼性負電位電解水製取裝置與採用陰、陽電極表面積相同的電解水裝置分別進行製取電解水實驗，主要實驗條件是 1)選用市售娃哈哈瓶裝純淨水、瓶裝農夫山泉礦泉水和南京市供自來水三種水源； 2)三個實施例中的電解槽1均為方形塑料容器180mm×130mm×130mm，約3升，實際注水容積＝2200ml，陰、陽兩電極2、3分別放置在電解槽1兩側內壁附近，陽電極3的表面積≈150cm2，並保持陰、陽兩電極2、3的間間≈180mm； 3)直流脈衝電源採用可變脈寬的直流脈衝電源，輸出峰值電壓範圍0-220V，輸出峰值直流電流範圍0-500毫安，其中A.實驗源水為純淨水時，保持最大輸出峰值電壓220V，制水周期均為30分鐘，期間電解平均電流從I＝3ma-60ma變化不等(由於純水電導率低，電流從開始到穩定有一波動範圍)；B.實驗源水為市售農夫山泉礦泉水時，制水周期均為15分鐘，保持電解平均電流I＝80ma；C.實驗源水為南京市供自來水時，制水周期均為5分鐘，保持電解平均電流I＝150ma； 4)為使實驗結果準確，每一制水周期完成後將電解槽1中水全部倒出至外部容器，充分攪拌並靜置2分鐘再測量PH及ORP值(Oxidation-Reduction Potential的縮寫，它表示溶液的氧化還原電位)，用石蕊試劑對比檢測PH值。
實驗結果如下表1-表3 表1
表2
表3
從表1-表3可見 (1)隨著陽極與陰極表面積比值的增大，所製取電解水的PH值和氧化還原負電位(ORP)值也增加，不同源水水質(如電導率不同)均是如此； (2)對於自來水，水中所含離子情況十分複雜，可能會發生各種副反應，水解生成鹼性物質，因此當陽極與陰極表面積相等時，也可能有一定弱鹼性和ORP值，但遠不如陽極與陰極不等比表面積時效果明顯。
實施例四 本實施例是在實施例一基礎上的一種變化，如圖8所示，其結構與實施例一基本相同，變化之處在於陰、陽電極2、3在電解槽1內是傾斜放置，兩電極板與電解槽1內側壁形成一夾角。
實施例五 本實施例是在實施例一基礎上的另一種變化，如圖9所示，其結構與實施例一基本相同，變化之處在於陽電極3是球體，陰電極2是平板狀。
實施例六 本實施例是在實施例一基礎上的又一種變化，如圖10所示，其結構與實施例一基本相同，變化之處在於陽電極3是不規則的近似球體狀，陰電極2是不規則的曲面板狀。
實施例七 本實施例是在實施例三基礎上的一種變化，如圖11所示，其結構與實施例三基本相同，變化之處在於陽電極3是帶有通孔5的不規則平板狀，陰電極2是略大於陽電極3的四邊帶倒角的平板狀。
實施例八 本實施例是在上述各實施例基礎上的一種變化，如圖12所示，其結構除與上述各實施例相同以外，變化之處在於陽電極3是位於電解槽1中央處的圓柱體，電解槽1採用導電材料製作，電解槽1的內壁作為陰電極2。
本發明的發明人將上述實施例四至實施例八的五種弱鹼性負電位電解水製取裝置按照前述實施例一至實施例三的實驗方法分別進行實驗，實驗所得結果與前述實施例一至實施例三的實驗結果大同小異，在此不再贅述。
實施例九 本實施例是在上述實施例八基礎上改進而來的一種電解飲水機，如圖13所示，該電解飲水機除包括上述實施例的弱鹼性負電位電解水製取裝置以外，1)還包括進水口6、出水口7和串接於出水口7上的加熱裝置8；2)電解槽1是不鏽鋼金屬桶，其內壁作為陰電極；3)陽電極3是由鈦基表面鍍鉑、銥或釕等惰性材料製成的圓柱環狀惰性電極，陽電極3安裝在不鏽鋼金屬桶體內部正中央；4)陽電極3與陰電極2的表面積之比是1∶6(本實施例陽電極的表面積包括裸露在外與水接觸的全部表面積，陰電極2的表面積是不鏽鋼金屬桶內壁的面積)，此時根據實驗測算，陽電極3與陰電極2的間距的理想範圍是30mm-1000mm。
由於不鏽鋼金屬桶體具有很好的機械強度和外表面裝飾性，可以省去飲水機外殼以降低產品成本；不鏽鋼金屬桶本身又是一個大容量的儲水桶，可以省去飲水機外部儲水罐；尤其是，對於製取弱鹼性負電位小分子團飲用水，不鏽鋼金屬桶內壁兼作為陰極電極，可以避免常規飲水機(熱膽)難以解決的重金屬析出超標問題。
本實施例的電解飲水機可以採用市售桶裝水(純淨水或礦泉水)，也可以是市供自來水作為源水。電解飲水機的加熱裝置根據用戶需要提供常溫水或即時提供熱水或開水。
本實施例的電解飲水機分別採用上述三種源水的典型實驗數據示於表5 表5
從表5可以看出，本實施例的電解飲水機可以製取鹼性值和氧化還原電位值完全滿足標準的適宜人飲用的電解水。注2007年4月30日出臺的電解制水機行業標準(CAS 124-2007)限定鹼性電解水的pH值7.0～9.5、ORP＜0mV，中國國家標準(GB 5749-2006)規定PH值不小於6.5且不大於8.5。
本實施例的電解飲水機，電解槽1在活化工作中，源水中的鈣鎂離子等不斷移向陰極，附著在作為電解槽1的不鏽鋼金屬桶內壁上，使得水的硬度得以降低。當完成若干制水周期後，可以倒換陰陽極的極性，使施加在作為陰電極2的不鏽鋼金屬桶內壁上的電壓為正，而陽電極3上的電壓為負，這樣就可以使附著在不鏽鋼金屬桶內壁上的浮垢剝離下來，經排汙口9排出。
本發明的用於製取功能水的電極不局限於上述實施例所述的具體技術方案，比如陰、陽電極2、3不一定是由鈦基表面鍍鉑、銥或釕等惰性材料製成的惰性電極，也可以是由普通金屬材料(如銅、鋁、不鏽鋼等)表面鍍其他金屬材料製成的非惰性電極，但從飲水安全角度考慮，陽電極3最好採用上述惰性電極；等等。凡採用等同替換形成的技術方案均為本發明要求的保護範圍。
權利要求
1.一種弱鹼性負電位電解水製取裝置，包括電解槽，置於電解槽內的陰、陽電極，以及與陰陽電極電連接的直流脈衝電源，其特徵在於所述陰電極的表面積大於陽電極的表面積。
2.根據權利要求1所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極在與所述陰、陽電極的幾何中心連線相垂直的平面內的正投影位於所述陰電極在所述平面內的正投影的範圍之內。
3.根據權利要求2所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極與陰電極的表面積之比是1∶1.5～1∶8；所述陽電極與陰電極的間距的範圍是4mm-1000mm。
4.根據權利要求3所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述直流脈衝電源是輸出直流脈衝電壓的波形、幅值、佔空比、功率均可調節的掃頻脈衝發生器。
5.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陰、陽電極均是與電解槽側壁平行放置在電解槽內的平板。
6.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陰、陽電極在與其幾何中心連線相垂直的平面內的投影面積基本相同，所述陽電極上制有均勻密布通孔。
7.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陰、陽電極傾斜放置在電解槽內並與電解槽內側壁形成一夾角。
8.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極是球體，所述陰電極是平板。
9.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極是不規則的近似球體，所述陰電極是不規則的曲面板。
10.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極是帶有通孔的不規則平板，所述陰電極是大於陽電極的四邊帶倒角的平板。
11.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極是位於電解槽中央處的圓柱體，所述電解槽的內壁作為陰電極。
12.根據權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極是由鈦基表面鍍惰性材料製成的惰性電極，所述惰性材料是鉑、銥和釕之一。
13.一種電解飲水機，其特徵在於包括權利要求1-4之任一所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，還包括進水口、出水口和串接於出水口的加熱裝置；所述電解槽是金屬桶，其內壁作為陰電極；所述陽電極安置在所述金屬桶內部正中央。
14.根據權利要求13所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述陽電極與陰電極的表面積之比是1∶6，所述陽電極與陰電極的間距的範圍是30mm-1000mm。
15.根據權利要求14所述弱鹼性負電位電解水製取裝置，其特徵在於所述金屬桶是不鏽鋼金屬桶，所述陽電極是由鈦基表面鍍惰性材料製成的圓柱環狀惰性電極，所述惰性材料是鉑、銥和釕之一。
全文摘要
本發明涉及一種用於弱鹼性負電位電解水製取裝置，還涉及一種電解飲水機，屬於電解水裝置技術領域。該弱鹼性負電位電解水製取裝置包括電解槽，置於電解槽內的陰、陽電極，以及與陰陽電極電連接的直流脈衝電源，陰電極的表面積大於陽電極的表面積。該電解飲水機除包括該弱鹼性負電位電解水製取裝置以外，還包括進水口、出水口和串接於出水口的加熱裝置；電解槽是金屬桶，其內壁作為陰電極；陽電極安置在所述金屬桶內部正中央。該弱鹼性負電位電解水製取裝置和電解飲水機不僅結構簡單，而且能夠快速有效製取適宜人飲用的弱鹼性負氧化還原電位電解水。
文檔編號C02F1/461GK101759252SQ20101010500
公開日2010年6月30日 申請日期2010年1月25日 優先權日2010年1月25日
發明者肖志邦 申請人:肖志邦