无膜泵吸阳极电化学体系制备强酸性电解水的系统及方法

本发明属于电化学，涉及一种无膜泵吸阳极电化学体系制备强酸性电解水的系统及方法，其在不采用隔膜的情况下制备强酸性电解水并提高其产率。

背景技术：

1、酸性电解水(aew)是在含nacl溶液的电解槽中电解、在阳极侧(或阳极室)生成的产物，又名氧化电位水。作为一种新型环保消毒剂，aew具有易于制备、使用方便、价格低廉、杀菌广谱、无毒害和无残留等优势。通过主要评价指标可将其分为强酸性电解水(acew)、弱酸性电解水(waew)和微酸性电解水(saew)。acew由于其低ph(2.0～2.7)、高氧化还原电位(oxidation-reduction potential,orp)(≥1100mv)，高有效氯浓度(available chlorineconcentration,acc)(50～70mg/l)，对细菌和病毒都具有出色的抗菌活性，包括大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、白色念珠菌、乙型肝炎病毒(hbv)和人类免疫缺陷病毒(hiv)等。此外，研究表明，acew在体外和动物模型中都具有安全性和无毒性，且不会对环境造成危害。传统的acew一般是在有隔膜电解槽内制备，而由于有隔膜电解槽在电解过程中ph会不断升高，故通常采用原水和盐酸经一定比例混合后电解。

2、但是，现有技术中的这种装置产水量较小，效率低，且盐酸在我国属于管制材料并具有腐蚀性，使用受限且危险。此外，acew的ph过低，添加盐酸也无法使得出水ph符合acew。故在有隔膜的电解槽中，离子交换膜阻挡oh-的通过，从而防止在电解过程中阴极室和阳极室之间发生混合，可在阳极室获得ph为2-3的acew。但这种隔膜电解槽存在一定的技术限制。首先，隔膜电解槽装置对nacl浓度有严格限制，要求nacl浓度不高于6％，否则易生成大量cl2，影响acew的制备。这使其难以在较低的电解质浓度下制备得到有效成分较高的acew。此外，阳极室产生的主要离子(h+、na+)会因跨膜存在的浓度梯度和电位梯度而透过离子交换膜渗透到阴极室中，造成时空产率降低。最重要的是，离子交换膜的成本较高，对于水中细分散颗粒和悬浮物较敏感，限制其在实际生产过程中的应用。并且，膜电阻会不可避免的增加电解槽的总电阻，从而增加能耗。而且，传统的电催化反应中常采用二维电极，但二维电极的活性表面积有限，cl-到阳极表面的传质速率低，且平面状阳极会产生不均匀的气泡，附着到电极表面不易扩散，使电阻上升，其导致催化效率低，能耗高。

3、因此，亟需一种能耗低、催化效率高的方法或装置来解决上述技术问题。

技术实现思路

1、本发明解决技术问题所采取的技术方案是：一种无膜泵吸阳极电化学体系制备强酸性电解水的系统，包括：电解槽槽体、多孔滤芯阳极、阴极、直流电源、强酸性电解水储液罐，直流电源的正负极通过导线分别电连接多孔滤芯阳极与阴极，电解槽槽体内填充有用于电解的盐溶液，多孔滤芯阳极、阴极分别浸没在盐溶液中；多孔滤芯阳极呈长筒状，多孔滤芯阳极的筒壁设有多个导液孔连通多孔滤芯阳极的筒内和筒外，第一水泵的进水口连通至多孔滤芯阳极筒内的上部，直流电源的正极电连接多孔滤芯阳极；强酸性电解水储液罐通过第一水泵连通至多孔滤芯阳极的筒内；阳极包括：金属氧化物薄膜电极、亚氧化钛电极；金属氧化物薄膜电极具有尺寸稳定、使用寿命长、电催化性能高、成本低的特点，亚氧化钛电极具有高催化活性、高稳定性、安全环保、成本低廉的优势；多孔滤芯阳极与现有技术中活性表面积有限，cl-到阳极表面的传质速率低的二维电极相比，筒状三维阳极的多孔结构提供了丰富的电催化位点，泵吸作用抑制了h+和acc的扩散，增强cl-向阳极的传质和反应的接触时间，提高了产率，并加强水流扰动和气体逸散，进而促进了气泡从电极表面剥离，抑制气泡屏蔽效应。

2、优选的，所述阳极包括：以粉末成型钛滤芯为前驱体制备的金属氧化物薄膜电极、亚氧化钛粉末直接成型的亚氧化钛电极；金属氧化物薄膜电极由金属基体、中间惰性涂层和表面活性涂层三部分组成；亚氧化钛电极采用高压塑片-高温还原法通过亚氧化钛粉末直接制备无基体亚氧化钛一体化电极。

3、优选的，所述多孔滤芯阳极呈圆筒状，多孔滤芯阳极的顶部束口，第一水泵的进水口连通至多孔滤芯阳极的顶部束口内，阴极为瓦状，阴极环绕均布在多孔滤芯阳极侧壁的外围；多孔滤芯阳极上端束口或收口方便泵吸的方式，使得在阳极液体腔室内h+和acc浓度更高，且能够防止在电解过程中阴极室和阳极室之间发生混合，同时对阳极边界层和腔内的强酸性电解水集中、快速进行收集导出，而多孔滤芯阳极有利于待电解的盐溶液从阳极界面通过壁孔注入并电解，h+、cl-由于泵吸作用向正极液体腔室上部流动，使得酸性电解水的浓度沿多孔滤芯阳极内部的高度方向自下向上由低到高；优选的可以将多孔滤芯阳极的顶部设置为沿高度上升方向横截面逐渐减小的喇叭口形、台阶孔形、锥形或球面形；圆筒状的多孔滤芯阳极与金属氧化物薄膜电极、亚氧化钛电极方案的组合，使得薄膜电极的组分可均匀分布在多孔滤芯表面、孔隙及内部，取得更好的电解水效果。

4、更优的，所述多孔滤芯阳极内设有蜂窝孔状的钛滤芯。

5、更优的，所述电解水系统还设有碱性电解水储液罐、盐溶液储液罐，碱性电解水储液罐通过第二水泵连通至阴极所在液体腔室的上部，盐溶液储液罐通过第三水泵连通至电解槽槽体下部；通过将碱性电解水储液罐、盐溶液储液罐直接连接到电解槽槽体，并在各管路上设置管路阀门，方便在操作时根据电解槽槽体内各液位的酸碱度及盐溶液浓度实时调整注入盐溶液、泵吸酸性电解水或者泵吸碱性电解水，以降低能耗提高产率的同时达到最佳的电解模式。

6、更优的，所述多孔滤芯阳极的液体腔室内设有ph传感器、orp传感器和acc传感器，ph传感器、orp传感器、acc传感器、第一水泵、第二水泵分别电连接至控制器；ph传感器用于测量溶液的酸碱度，orp传感器为氧化还原电位传感器，主要用于测量溶液中氧化还原电位，acc传感器主要用于测量溶液的有效氯含量；通过电解槽槽体内的ph传感器、orp传感器和acc传感器采集电解槽槽体内的酸碱度、氧化还原电位和有效氯含量，在控制器中预设各阈值，通过其与预设值的匹配实现自动控制电解槽槽体的泵吸酸性电解水、泵吸碱性电解水及注入盐溶液的操作，实现远程电解操作或无人电解操作。

7、本发明还公开一种无膜泵吸阳极电化学体系制备强酸性电解水的方法，所述电解水的方法用于上述的电解水系统，方法包括以下步骤：

8、步骤s1：电解液从盐溶液储液罐经下部进水口进入电解槽；

9、步骤s2：阳极电解产生的h+和acc在泵吸作用下，随阳极边界层经由阳极内部孔隙直接泵吸至强酸性电解水储液罐中获得强酸性电解水；

10、步骤s3：富含oh-的碱性电解水通过异侧上部溢流出水口溢流至碱性电解水储液罐中

11、优选的，所述步骤s2中，阳极内部设置的ph传感器、orp传感器、有效氯传感器，进行在线检测强酸性电解水质量；具体为：控制器中设定ph、orp，有效氯出水范围，通过调节泵吸流速控制，ph过高，orp过低，acc过低可以降低泵吸流速，反之增加流速。

12、本发明的有益效果是：

13、1、本发明提出了一种多孔滤芯阳极设计方法，采用以粉末成型钛滤芯为前驱体制备的金属氧化物薄膜电极或亚氧化钛粉末直接成型的亚氧化钛电极，可获得活性组分均匀分布在多孔滤芯表面、孔隙及内部的电极。金属氧化物薄膜电极采用电沉积的方法制备，活性涂层可沉积至钛滤芯表面、孔隙及内部。亚氧化钛电极采用高压塑片-高温还原法将亚氧化钛粉末直接制备得到无基体亚氧化钛一体化电极。

14、2、本发明提供了一种低成本、低能耗、高稳定性的无膜泵吸阳极体系以制备acew，采用3d多孔滤芯阳极，其多孔结构提供了丰富的电催化位点，泵吸作用抑制了h+和acc的扩散，增强cl-向阳极的传质和反应的接触时间，提高了产率；并加强水流扰动和气体逸散，进而促进了气泡从电极表面剥离，抑制气泡屏蔽效应。其可使用更低浓度的nacl溶液制备有效成分更高acew。

15、3、本发明无膜泵吸阳极体系降低了成本和能耗，提高了对水质的适应性和运行的稳定性，且解决了传统无隔膜体系下产水量较小以及盐酸使用具有限制性和危险性的问题。