CN203833687U - 健康饮水机 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种健康饮水机，该饮水机设有落水座，所述落水座的底部设有盛水容器，所述盛水容器设有进水口和出水口，所述进水口与落水座的底部水孔连接，所述出水口与饮水机的出水孔连接；所述盛水容器内设有杀菌装置，所述杀菌装置包括至少一对阴电极和阳电极以及用于给所述阴电极和阳电极供电的电解电源；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10mm，所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于1纳米。该饮水机可在水中生成用于杀灭水中细菌的氧化因子，且可有效控制氧化因子的类型及数量，同时降低水的氧化还原电位，确保饮水水质的安全与健康。

Description

健康饮水机

技术领域

本实用新型涉及一种健康饮水机，属于水电解设备技术领域。

背景技术

水为生命之源。伴随着社会进步以及环境污染的加剧，人们对日常用水（包括居民生活用水，医疗用水、美容用水和食品制作等工业用水，等等）尤其是生活用水的水质，不仅对安全性提出更高要求，而且希望水的氧化还原电位低至负值，以能清除体内所谓“万病之源”的氧自由基。

由市政提供的民众日常生活用水，即使自来水厂出厂水质安全指标基本达标，输送到民众用水终端的“龙头水”，由于输水管网二次污染等原因，也己经成为微污染水。为饮水安保障全,人们越来越多采用各种水质净化装置，或直接饮用市售瓶装、桶装水。然而，由于种种原因，净水器出水端或实际到达饮水终端的水，仍然难以避免细菌超标。例如，饮水机上的桶装水出水后产生的负压要靠未经消毒处理的空气来补充，空气夹带着细菌和尘埃进入饮水机，造成“二次污染”，同时还会在饮水机内形成一层滑腻的细菌膜，水中甚至会出现异味，危及饮水安全。

为解决饮水机的细菌污染，而发展了各种灭菌方法，其中比较有效的是电解或电场杀菌、臭氧杀菌等。然而，现有电解或电场杀菌、臭氧等杀菌方式存在的共性问题是，水中所产生的氧化因子往往是无选择的，强度难于控制，容易产生毒副作用（例如臭氧消毒不当极易生成强致癌物——溴酸盐）。

实用新型内容

本实用新型解决的技术问题是：提出一种可在水中生成用于杀灭水中细菌的氧化因子并可有效控制氧化因子的类型及数量的饮水机，该饮水机能够生产低氧化还原电位的水，从而可以确保饮水水质安全与健康。

为了解决上述技术问题，本实用新型提出的技术方案是：一种健康饮水机，所述饮水机设有落水座，所述落水座的底部设有盛水容器，所述盛水容器设有进水口和出水口，所述进水口与落水座的底部水孔连接，所述出水口与饮水机的出水孔连接；所述盛水容器内设有杀菌装置，所述杀菌装置包括至少一对阴电极和阳电极以及用于给所述阴电极和阳电极供电的电解电源；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10mm，所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于1纳米。

上述技术方案中所述透水性隔膜也叫透水膜，是指透水孔径从毫米级到纳米级，包括日常水处理使用的各种过滤膜，如：超滤膜（UF）、纳滤膜（NF）和微滤膜（MF），等。

上述技术方案中所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，是指透水性隔膜与阳电极之间基本是零间距。

上述本实用新型申请公开的技术方案工作机理陈述如下：

本实用新型中所述透水性隔膜并非常规采用的离子膜，而是在水电解领域中从未用过的一种隔离膜，本发明人创新地将该透水性隔膜引入水电解装置中作为阴、阳电极间的隔离膜。

对水电解的正常反应是，阴极析氢（气）、阳极析氧（气），H⁺离子趋向阴极区域，而OH^-离子则趋向阳极区域。本实用新型中，阴、阳电极之间设置有透水性隔膜，将电解池分割为阴极室和阳极室两个反应空间。

由于透水性隔膜覆盖在阳电极上，相当于阳极室容积=0，阳极析氧反应因隔膜对阳极的覆盖受到干扰。在阳极脱附转化反应生成的H₂O以及在阳极析出的氧气，由于无处释放，只能在克服了透水性隔离膜的透水水阻后，穿过隔膜中无数微孔通道向阴极室迁移。

本实用新型中，隔膜的无数微孔蓄水空间，等效于阴、阳电极电解电流通路中相互并联的一个个微小水电阻。因阴电极与膜之间间距δ很小，阴极室水电阻压降可以忽略不计，外加电解电压主要作用在透水性隔膜上，每个微孔中单位电压强度极高。再加上透水性隔离膜的透水孔径很小（微米级乃至纳米级），从阴极释放的高能电子在微孔中密集，相当于将一个大的放电电极（阴极）分解为无数个小曲率半径电极。因此，不仅在透水性隔膜微孔中对水电解氧化还原反应可充分进行，从阳极迁移到膜孔内的O₂受高能电子的轰击及强电场作用生成氧气泡，并激发连锁反应，诱发水体自身气化，在微孔内形成连续稳定的等离子放电，生成大量氧化因子，最终通过阴极区域扩散到容器水中。

综合上述反应过程可知，本实用新型通过创新的在阴、阳电极之间设设置透水性隔膜，并将该透水性隔膜覆盖阳极以及控制透水性隔膜与阴电极的间距,带来的直接效果是：

1）本实用新型仅可制取得到氧化还原电位低富含氢的有益健康水，同时在水中还生成相当多的强氧化因子，较之其它现有富氢水制取技术，杀菌净化能力大大提升；

2）透水性隔离膜通常可以很薄（例如超滤膜的厚度可做到0.1mm～0.5mm），在阴阳极之间加入隔离膜后，可以将阴阳电极之间间距稳定保持在基本等于隔离膜的厚度范围，同等工況下的电解电压可以很低，甚至仅仅以一块3.7V锂电池供电，可以形成2安培以上的工作电流，现有技术是无法做到的；加上膜中发生的等离子放电高效反应因素等，使得本实用新型的实际功耗较之同类饮水机大大降低。当覆盖碳材质阳极时，还可有效防止碳颗粒剥落造成短路。

3）通过对隔离膜与电极性状等的适当选择及调整，可以控制水中氧化因子的生成，以适应不同场合的饮水需求。

本实用新型中，透水性隔膜的透水孔径大小进一步影响本实用新型处理水的效果。透水孔径小，则对阳极析氧气化反应的抑制效果好，而且透水孔径减小相当于放电电极的曲率半径减小，也有利于等离子放电的进行；但是透水孔径过小，对阳极析氧气化反应抑制过度，相当于大幅度提高了阳极析氧电位，在外加电解电压不变的情况下，阴阳极之间的电解电流大大下降，反而导致本实用新型中所期望的各种反应不能进行。此外，膜的透水孔径选择还关联到膜的机械强度等多种因素。经实践中反复试验，根据不同的用水需求综合考虑，本实用新型选择透水膜的孔径范围从2毫米到1纳米之间，涵盖日常生活水处理常用的超滤膜、纳滤膜和微滤膜。

上述本实用新型技术方案完善一是：所述透水性隔膜是单层透水性隔膜或者是多层透水性隔膜。其中，单层透水性隔膜优选超滤膜或采用碳质材料制成的透水性隔膜；多层透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜优选采用碳质材料或导电陶瓷制成的透水性隔膜。

通过上述对本实用新型技术方案的完善一，可以在保证正常析氢反应的同时，又将水中有害物质吸附到活性炭膜中进行氧化降解，而且抑制水中的氧化物质不至于太多，防止生物指标变差，尤其适合对以“饮”为目的的生活水进行处理。进一步地，倘若透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，且其中靠近阳电极的一层透水性隔膜具有导电性和微米级孔径（例如是由导电性陶瓷或活性炭纤维制成），则将带来进一步的下述变化：

1)因为具有良好导电性,其本身产生的电压降很小,因此保证了水中等离子放电仍主要在靠向阴极一侧的非导电的、透水孔径更小的透水膜（一般选择为超滤膜）中进行。

2)由于介质的多孔性,一方面可以强化对阳极析氧的抑制,另一方面可以将源水中的污染物吸附在导电性陶瓷或活性炭纤维的孔隙里,受到阳极的直接氧化和间接氧化作用而深度降解去除。

3)对自来水中残留余氯有很好吸附,并在阳极作用下转化为无害氯离子,大大降低了水中残留余氯可能生成毒副产物的危险。

透水性隔膜与阳电极的具体覆盖可以是覆盖阳电极的全部表面，也可以是覆盖阳电极的部分表面；当覆盖阳电极的部分表面时，优选覆盖阳电极相对阴电极一侧的表面（也是主要反应面）。

上述本实用新型技术方案完善二是：所述阴电极上开有第一通孔，所述第一通孔的孔径大于等于1毫米。通过这样的改进，可以有利于阴极反应更充分进行，并将阴电极与隔离膜之间区域产生的氢气泡更好导出。

上述本实用新型技术方案完善三是：所述透水性隔膜上开有第二通孔，所述第二通孔的孔径大于2毫米。在透水性隔膜上开有第二通孔，实质等效于产生一个个的无膜电解小区域，或者说相当于引入叠加了常规无膜电解反应，可以适当改变本实用新型的水处理效果，例如调整水的pH值等。第二通孔与透水性隔膜的透水孔区别在于：透水孔是采购的隔膜自身固有的，第二通孔则是另外单独制作的。

上述本实用新型技术方案完善四是：所述电解电源是高电平窄脉宽的直流脉冲电源或交变脉冲电源。其中采用交变脉冲电源时，所述交变脉冲电源优选正向电压大于反向电压的交变脉冲电源。采用直流脉冲电源、尤其是采用高电平窄脉宽的脉冲电源更加有利于阴阳电极间水体内部的等离子放电，得到更好的制水效果。其次，采用正负交变脉冲电解电源对电极组供电，有利于改善阴阳电极表面因双电层极化电容效应而导致的电流减小效率下降。

上述本实用新型技术方案完善五是：所述盛水容器内还设有用于检测水质和水流量的传感器。本实用新型饮水机通过传感器检测水质，在放水过程中，电解电源可以根据水质（纯净水或矿泉水）设定不同的电解电压，杀菌装置向水中释放大量氧化因子，产生很强的瞬间杀菌作用，彻底灭水中细菌；在饮水机不供水的待机时间，电解电源可以设定微小电解电压，杀菌装置向水中缓慢释放适量氧化因子，防止桶装水桶中滋生细菌。

上述本实用新型技术方案的改进是：所述阴电极与透水性隔膜的间距δ是0毫米，所述透水性隔膜是由超滤膜和活性碳纤维滤膜两层叠加复合而成，其中活性碳纤维滤膜层紧贴所述阳电极；所述阴电极上开有一排第一腰形通孔，所述超滤膜开有一排第二腰形通孔，所述第一腰形通孔与第二腰形通孔相互垂直交叉。这样，可以在水中生成强氧化因子，该强氧化因子主要构成为羟基，也有适量H₂O₂和O₃等长效氧化因子，降低水的氧化还原电位，使水呈弱碱性，并改善了饮水口感。

上述本实用新型技术方案的进一步改进是：所述阴电极是采用钛基涂覆铂簇氧化物制成的惰性电极，所述阳电极是采用炭性材料制成的惰性电极惰性电极。

上述本实用新型技术方案的进一步改进是：所述阴电极、阳电极和透水性隔膜设置在绝缘的开口盒内，所述阴电极设于开口盒的开口处。

上述本实用新型技术方案的进一步改进是：所述阴电极经定位螺杆同心穿过透水性隔膜和阳电极与开口盒底面后固定，所述阳电极设有穿出所述开口盒底面的导电螺杆，所述阳电极通过导电螺杆安装在开口盒的底面；所述电电解电源的正负极引线分别连接到导电螺杆和定位螺杆实现对阳电极和阴电极的供电。

通过上述一系列改进，可以得到的有益效果是：由于阳电极为炭性材料，阳极析氧反应生成的氧气主要被吸附在活性炭内难以逃逸，进入透水性隔膜并穿过透水性隔膜溶解到水中的氧气量极少，因此生成臭氧（O₃）或双氧水（H₂O₂)的几率很低，而在强电解电压作用下，透水性隔膜中发生等离子放电过程生成的氧化因子主要表现为暂稳态的羟基自由基。羟基的活性很强，可强效灭活进入盛水容器的水中细菌，又不会在饮水机出水中残留过多的强氧化因子，影响水的生物性指标恶化；另一方面，透水性隔膜由超滤膜和活性碳纤维滤膜两层叠加复合而成，超滤膜开孔使得活性碳纤维滤膜与阴电极之间形成有阴极反应空间，阴极析氢反应正常进行；阴电极开孔更有利生成的氢气向水中溶解溢出，导致水的氧化还原电位下降。另外，通过上述改进，可以使杀菌装置结构紧凑，还可以使杀菌装置应用到其他相关设备中。

附图说明

下面结合附图对本实用新型健康饮水机作进一步说明。

图1是本实用新型实施例一的结构示意图。

图2是本实用新型实施例一中杀菌装置的结构示意图。

图3是本实用新型实施例三中杀菌装置的结构示意图。

图4是本实用新型实施例五中杀菌装置的结构示意图。

具体实施方式

实施例一

本实施例的健康饮水机，如图1和图2所示，饮水机设有落水座10，落水座10的底部设有盛水容器1，盛水容器1设有进水口1-1和出水口1-2，进水口1-1与落水座10的底部水孔连接，出水口1-2与饮水机的出水孔连接；盛水容1器内设有杀菌装置15，杀菌装置15包括一对阴电极2和阳电极3以及用于给阴电极2和阳电极3供电的电解电源4。

如图2所示，本实施例中阴电极2和阳电极3之间设有透水性隔膜5，透水性隔膜5紧贴阳电极3上，并覆盖阳电极3的全部表面，即透水性隔膜5包覆电极3的全部表面，而透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是1毫米。

本实施例的透水性隔膜5采用平均透水孔径0.03微米的单层PVDF超滤膜，厚度为0.1mm。当然本实施例的超滤膜也可以采用其他材质的透水膜，平均透水孔径在0.01～0.05微米之间均可。

本实施例的阴电极2采用钛基覆涂铂族氧化物（涂层厚度为0.8毫米）制成的惰性电极，阴电极2呈圆形片状；阳电极3采用石墨或活性炭等碳质材料制成，呈长方形片状。

本实施例的阴电极2和阳电极3在盛水容器1内的水中平行放置时，阴电极2位于阳电极3的上方。

本实施例还可以在盛水容器1内设置有用于检测水质和水流量的传感器11，这样饮水机在放水过程中，电解电源4可以根据测得的水质（纯净水或矿泉水）设定不同的电解电压，这样既能尽可能多的杀灭病菌，又不会产生过多的臭氧等毒副产物。

对本实施例的饮水机进行水电解试验，水质TDS=3mg/L，电压30V得到的实验结果如表1所示：

表1

对实验结果分析可以得出以下结论：

1）通过排水集气-燃烧方法并测量水中溶解氢含量，可以确定水中生成的大量气泡主要表现为氢气泡；

2）随电解时间的增加，水中的氢以及氧化因子量均呈正比例增长；

3）阳电极3碳材料的吸附作用，水中产生的氧化因子将减少，从而制成适宜饮用的水。

实施例二

本实施例的健康饮水机与实施例一基本相同，与实施例一不同的变化是：本实施例中透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是0mm，即透水性隔膜5同时紧贴在阴电极2和阳电极3上。透水性隔膜5仍采用平均疏水孔径0.03微米的PVDF超滤膜，厚度为0.1mm。

对本实施例的饮水机进行水电解试验，实验条件与实施例一相同，电解时间20分钟，二种实验结果如下表2：

表2

对实验结果进行分析可以得出以下结论：

1）一定范围内，随δ增加，水中及气泡中的含氢量增加、氧化还原电位下降、碱性加强，氧化因子减少；

2）δ趋于0，处理后水中的氧化因子增多。

实施例三

本实施例的健康饮水机与实施例一基本相同，如图3所示，与实施例一不同的变化是：1）在阴电极2上开有第一通孔8，通孔孔径取1mm；2）透水性隔膜5包覆阳电极3的部分表面（阳电极朝向阴电极2一侧的全部表面）；3）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是2mm。

将本实施例的健康饮水机进行水电解实验，本实施例在阴电极上均布开有24个直径φ1mm的第一通孔，其他实验条件和检测方法与实施例一相同，实验结果如下表3：

表3

实施例四

本实施例的健康饮水机是在实施例三基础上的改进，与实施例三的变化是：1）透水性隔膜5开有直径φ2.1mm的第二通孔，第二通孔与第一通孔8数量相同且基本同心对齐；2）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ是3mm。

将本实施例的健康饮水机进行水电解实验，其他实验条件和检测方法与实施例三相同，实验结果如下表4：

表4

实施例五

本实施例的健康饮水机是在实施例一基础上的改进，与实施例一的变化是对杀菌装置15作了改进，具体如下：如图4所示，阴电极2与透水性隔膜5的间距δ是0毫米，透水性隔膜5是由超滤膜5-1和活性碳纤维滤膜5-2两层叠加复合而成，其中活性碳纤维滤膜5-2紧贴阳电极3；阴电极2上开有一排第一腰形通孔，超滤膜5-1开有一排第二腰形通孔，第一腰形通孔与第二腰形通孔相互垂直交叉。这样，可以在水中生成强氧化因子，该强氧化因子主要构成为羟基，也有适量H₂O₂和O₃等长效氧化因子，降低水的氧化还原电位，使水呈弱碱性，并改善了饮水口感。

本实施例还可以作以下改进：1）阴电极2是采用钛基涂覆铂簇氧化物制成的惰性电极，阳电极3是采用炭性材料制成的惰性电极。

2）阴电极2、阳电极3和透水性隔膜5设置在绝缘的开口盒6内，阴电极2设于开口盒6的开口处。

3）阴电极2经定位螺杆61同心穿过透水性隔膜5和阳电极3与开口盒6底面后固定，阳电极3设有穿出开口盒6底面的导电螺杆62，阳电极3通过导电螺杆62安装在开口盒6的底面；电解电源4的正负极引线分别连接到导电螺杆61和定位螺杆62实现对阳电极3和阴电极2的供电。

为了评价本实施例的抑菌、杀菌能力，将市售桶装纯净水置于本实施例的的饮水机上(不接通电源)，从出水口放出大约1L水后将整个装置静置5天，在出水口取水样测试菌落总数为27000个/mL。然后接通电源，开启杀菌装置。以后每天的同一时间接水进行同样的测试，并保持每天放水2L左右。剔除操作误差，所取水样检测菌落群数，均少于10个/mL。试验结果表明，本发明杀菌装置饮水机确实具有比较好的持续杀菌作用。此外，出水的pH在7.1～7.8之间，氧化还原电位维持在-150mv～-280mv。

本实用新型的健康饮水机不局限于上述实施例所述的具体技术方案，比如：1）阳电极3可以是其他材料的惰性电极；2）透水性隔膜5与阴电极2的间距δ可以是0～10mm的任意间距，比如4mm、6mm、7mm或10mm等；3）透水性隔膜5也可以是三层以上的隔膜叠加而成；4）阴电极2和阳电极3的形状也可以是方形等各种形状；5）本实用新型的上述多个实施例的技术方案彼此可以交叉组合形成新的技术方案；等等。凡采用等同替换形成的技术方案均为本实用新型要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种健康饮水机，所述饮水机设有落水座，其特征在于：所述落水座的底部设有盛水容器，所述盛水容器设有进水口和出水口，所述进水口与落水座的底部水孔连接，所述出水口与饮水机的出水孔连接；所述盛水容器内设有杀菌装置，所述杀菌装置包括至少一对阴电极和阳电极以及用于给所述阴电极和阳电极供电的电解电源；成对的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述透水性隔膜覆盖在阳电极上，所述透水性隔膜与阴电极的间距δ范围是0≤δ≤10mm，所述透水性隔膜的透水孔径小于等于2毫米且大于等于1纳米。

2.根据权利要求1所述的健康饮水机，其特征在于：所述阴电极开有第一通孔，所述第一通孔的孔径大于等于1毫米。

3.根据权利要求1所述的健康饮水机，其特征在于：所述透水性隔膜开有第二通孔，所述第二通孔的孔径大于2毫米。

4.根据权利要求1-3之任一所述的健康饮水机，其特征在于：所述透水性隔膜是叠加复合而成的至少二层，其中靠近阳电极的一层透水性隔膜是由碳质材料制成的透水性隔膜。

5.根据权利要求1-3之任一所述的健康饮水机，其特征在于：所述透水性隔膜是单层透水性隔膜。

6.根据权利要求1所述的健康饮水机，其特征在于：所述阴电极与透水性隔膜的间距δ是0毫米，所述透水性隔膜是由超滤膜和活性碳纤维滤膜两层叠加复合而成，其中活性碳纤维滤膜紧贴所述阳电极；所述阴电极上开有一排第一腰形通孔，所述超滤膜开有一排第二腰形通孔，所述第一腰形通孔与第二腰形通孔相互垂直交叉。

7.根据权利要求6所述的健康饮水机，其特征在于：所述阴电极是采用钛基涂覆铂簇氧化物制成的惰性电极，所述阳电极是采用炭性材料制成的惰性电极惰性电极。

8.根据权利要求6或7所述的健康饮水机，其特征在于：所述阴电极、阳电极和透水性隔膜设置在绝缘的开口盒内，所述阴电极设于开口盒的开口处。

9.根据权利要求8所述的健康饮水机，其特征在于：所述阴电极经定位螺杆同心穿过透水性隔膜和阳电极与开口盒底面后固定，所述阳电极设有穿出所述开口盒底面的导电螺杆，所述阳电极通过导电螺杆安装在开口盒的底面；所述电解电源的正负极引线分别连接到导电螺杆和定位螺杆，从而实现对阳电极和阴电极的供电。

10.根据权利要求1、2、3或6所述的健康饮水机，其特征在于：所述盛水容器内还设有用于检测水质和水流量的传感器。