本實(shí)用新型屬于電化學(xué)技術(shù)領(lǐng)域,涉及一種具有內(nèi)部自凈化功能的質(zhì)子交換膜水電解臭氧/氧發(fā)生裝置。

背景技術(shù)：

質(zhì)子交換膜型水電解式臭氧發(fā)生裝置和質(zhì)子交換膜型水電解式氧發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)相同，只是在發(fā)生器中使用的催化劑不同。都是以純水為原料，在低壓直流電的作用下，在陽極區(qū)可生產(chǎn)高濃度、高純度臭氧/氧氣，在陰極區(qū)可產(chǎn)生高純氫，且不產(chǎn)生對(duì)人體和環(huán)境有害的氮氧化物(NOx)，應(yīng)用前景十分廣闊。

已有的電解式臭氧/氧發(fā)生裝置如中國專利ZL201420547893.7公開了一種水電解臭氧發(fā)生裝置，中國專利ZL201520619763.4公開一種質(zhì)子交換膜型水電解制氧裝置。

臭氧/氧發(fā)生器陽極界面生成的H⁺由質(zhì)子交換膜遷移到陰極界面，同時(shí)裝置運(yùn)行過程中產(chǎn)生的金屬離子(Meⁿ⁺)也由質(zhì)子交換膜遷移到陰極界面。這些電解式臭氧/氧發(fā)生裝置都存在著當(dāng)發(fā)生器長期工作時(shí)，這些微量的金屬離子(Meⁿ⁺)在質(zhì)子交換膜陰極界面形成沉積物，覆蓋陰極催化劑，降低了催化劑的催化活性，增加了陰極膜電阻，增加析氫超電勢。

使發(fā)生器單槽工作電壓上升，最終影響發(fā)生器運(yùn)行壽命，當(dāng)單槽工作電壓上升到5伏以上時(shí)，將導(dǎo)致發(fā)生器損壞無法運(yùn)行。金屬離子(Meⁿ⁺)同時(shí)污染了陰極水罐的純水，影響其循環(huán)使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是提供一種具有自凈化功能的質(zhì)子交換膜水電解臭氧/氧發(fā)生裝置。

本實(shí)用新型在發(fā)生器運(yùn)行時(shí)采取了內(nèi)部連續(xù)自凈化措施，即在陰極室和陰極水罐循環(huán)回路中串接了離子交換器；在純水箱內(nèi)填裝離子交換樹脂，進(jìn)一步凈化陰極水罐的回流水和補(bǔ)充的原料水，經(jīng)過凈化后再送入陽極水罐。

本實(shí)用新型是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的。

一種具有自凈化功能的質(zhì)子交換膜型水電解臭氧/氧發(fā)生裝置，包括純水箱、臭氧/氧發(fā)生器、陽極水罐、陰極水罐，所述臭氧/氧發(fā)生器的陽極室與陽極水罐形成回路，臭氧/氧發(fā)生器的陰極室與陰極水罐形成回路，所述陰極水罐的下端通過回流管路與純水箱連通，用于回流純水，所述純水箱通過隔膜泵、二通電磁閥、電導(dǎo)率傳感器與陽極水罐連通，給陽極水罐供水；

所述陰極室與陰極水罐的回路中，串聯(lián)一個(gè)陽離子交換器。

所述離子交換器內(nèi)填裝有離子交換樹脂，離子交換器出水口連接臭氧/氧發(fā)生器陰極進(jìn)水管，離子交換器進(jìn)水口與陰極水罐出水口連通。

更一步地，所述純水箱內(nèi)填裝有離子交換樹脂，在純水箱中的陰極水罐回流水和純水箱的原料水經(jīng)過純水箱中的離子交換樹脂凈化后再通過隔膜泵送入陽極水罐；在隔膜泵和陽極水罐的連接管路上設(shè)置有二通電磁閥和電導(dǎo)率傳感器，電導(dǎo)率傳感器用于檢測純水的電導(dǎo)率，當(dāng)純水的電導(dǎo)率超過質(zhì)子交換膜型水電解臭氧/氧發(fā)生裝置的設(shè)定值時(shí)，系統(tǒng)停機(jī)。

所述臭氧/氧發(fā)生器為質(zhì)子交換膜型水電解式臭氧/氧發(fā)生器，臭氧/氧發(fā)生器可由一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)電解單元組成，電解單元中的質(zhì)子交換膜采用全氟磺酸陽離子交換膜。所述臭氧/氧發(fā)生器由直流恒流電源提供電能。

所述臭氧/氧發(fā)生器陽極室與陽極水罐連通，所述臭氧/氧發(fā)生器陰極室與陰極水罐連通。所述臭氧/氧發(fā)生器陽極產(chǎn)生的臭氧/氧通過管路進(jìn)入陽極水罐；臭氧/氧發(fā)生器陰極產(chǎn)生的氫氣通過管路進(jìn)入陰極水罐，構(gòu)成內(nèi)循環(huán)回路。臭氧/氧和氫氣分別在陽極水罐和陰極水罐實(shí)現(xiàn)氣/水分離且通過純水自動(dòng)散熱。

在純水箱、陽極水罐、陰極水罐上端都設(shè)置有液位計(jì)，用于控制液位。在純水箱上設(shè)置有補(bǔ)水口，用于補(bǔ)充純水。所述陰極水罐下端設(shè)置有陰極水罐回流管路，由陽極水罐通過發(fā)生器內(nèi)部遷移到陰極水罐的水經(jīng)回流管路重新回流到純水箱。所述離子交換樹脂為陽離子交換樹脂，或混合樹脂。

在陽極水罐的頂部設(shè)置有臭氧/氧排氣管；當(dāng)本實(shí)用新型裝置用于制備臭氧時(shí)，在臭氧排氣管上設(shè)置有三通電磁閥和臭氧催化分解器，當(dāng)短暫不使用臭氧時(shí)，臭氧通過臭氧催化分解器分解排掉，以免污染空氣。

在陰極水罐的頂部設(shè)置有氫氣排氣管與氫氣催化分解器連接；氫氣排氣管排出的氫氣經(jīng)氫氣催化分解器消氫后實(shí)現(xiàn)安全排放。

本實(shí)用新型臭氧/氧發(fā)生器工作原理是：(見附圖2)

臭氧發(fā)生器：臭氧發(fā)生器連通電源時(shí)，在臭氧發(fā)生器陰陽極發(fā)生下述反應(yīng)：

陽極反應(yīng)：H₂O-2e^-→2H⁺+1/3O₃↑

陰極反應(yīng)：2H⁺+2e^-→H₂↑

氧發(fā)生器：氧發(fā)生器連通電源時(shí)，在氧發(fā)生器陰陽極發(fā)生下述反應(yīng)：

陽極反應(yīng)：H₂O-2e^-→2H⁺+1/2O₂↑

陰極反應(yīng)：2H⁺+2e^-→H₂↑

臭氧/氧發(fā)生器陽極界面生成的H⁺由質(zhì)子交換膜遷移到陰極界面，同時(shí)微量的金屬離子(Meⁿ⁺)也由質(zhì)子交換膜遷移到陰極界面，這些微量的金屬離子(Meⁿ⁺)在質(zhì)子交換膜陰極界面形成沉積物。

通過實(shí)用新型可達(dá)到如下效果：

本實(shí)用新型由于在陰極室和陰極水罐水循環(huán)回路中增加了離子交換器；可有效交換由陽極室通過質(zhì)子交換膜遷移到陰極室并經(jīng)陰極室進(jìn)入陰極水罐水中的金屬離子(Meⁿ⁺)，降低水的電導(dǎo)率，從而降低電解槽工作電壓，大幅度延長發(fā)生器運(yùn)行壽命。

本實(shí)用新型由于在純水箱內(nèi)進(jìn)一步填裝離子交換樹脂，在陰極水罐和純水箱間增加回流管路，可進(jìn)一步凈化陰極水罐的回流水和原料水，確保符合電導(dǎo)率要求的純水送入陽極水罐；同時(shí)可節(jié)約原料用水。

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的說明。

附圖說明

圖1一種具有自凈化功能的質(zhì)子交換膜型水電解臭氧/氧發(fā)生裝置結(jié)構(gòu)示意圖。圖2臭氧/氧發(fā)生器工作原理圖。

圖中1-離子交換樹脂，2-純水箱，3-液位計(jì)，4-隔膜泵，5二通電磁閥，6-電導(dǎo)率傳感器，7-陽極水罐，8-三通電磁閥，9-臭氧催化分解器，10-臭氧/氧發(fā)生器，11-陽極室，12-質(zhì)子交換膜，13-陰極室，14-陽離子交換器,15-陰極水罐，16-氫氣催化分解器，17-回流管路。

具體實(shí)施方式

如附圖1所示，一種具有自凈化功能的質(zhì)子交換膜型水電解臭氧/氧發(fā)生裝置，包括純水箱、臭氧/氧發(fā)生器、陽極水罐、陰極水罐，所述臭氧/氧發(fā)生器的陽極室與陽極水罐形成回路，臭氧/氧發(fā)生器的陰極室與陰極水罐形成回路，所述陰極水罐的下端通過回流管路與純水箱連通，用于回收陰極水罐回流水，所述純水箱通過隔膜泵、二通電磁閥、電導(dǎo)率傳感器與陽極水罐連通，給陽極水罐供水；所述陰極室與陰極水罐的回路中，串聯(lián)一個(gè)陽離子交換器。

所述離子交換器內(nèi)填裝有離子交換樹脂，離子交換器出水口連接臭氧/氧發(fā)生器陰極進(jìn)水管，離子交換器進(jìn)水口與陰極水罐出水口連通。

更一步地，所述純水箱內(nèi)填裝有離子交換樹脂，在純水箱中的陰極水罐回流水和純水箱的原料水經(jīng)過純水箱中的離子交換樹脂凈化后再通過隔膜泵送入陽極水罐；在隔膜泵和陽極水罐的連接管路上設(shè)置有電導(dǎo)率傳感器，用于檢測純水的電導(dǎo)率。

所述臭氧/氧發(fā)生器為質(zhì)子交換膜型水電解式臭氧/氧發(fā)生器，臭氧/氧發(fā)生器可由一個(gè)、兩個(gè)或多個(gè)電解單元組成，電解單元中的質(zhì)子交換膜采用全氟磺酸陽離子交換膜。所述臭氧/氧發(fā)生器由直流恒流電源提供電能。

所述臭氧/氧發(fā)生器陽極室與陽極水罐連通，所述臭氧/氧發(fā)生器陰極室與陰極水罐連通。所述臭氧/氧發(fā)生器陽極產(chǎn)生的臭氧/氧通過管路進(jìn)入陽極水罐；臭氧/氧發(fā)生器陰極產(chǎn)生的氫氣通過管路進(jìn)入陰極水罐，構(gòu)成內(nèi)循環(huán)回路。臭氧/氧和氫氣分別在陽極水罐和陰極水罐實(shí)現(xiàn)氣/水分離且通過純水自動(dòng)散熱。

在純水箱、陽極水罐、陰極水罐上端都設(shè)置有液位計(jì)，用于控制液位。在純水箱上設(shè)置有補(bǔ)水口，用于補(bǔ)充純水。所述陰極水罐上端設(shè)置有陰極水罐回流管路，由陽極水罐通過發(fā)生器內(nèi)部遷移到陰極水罐的水經(jīng)回流管路重新回流到純水箱。所述離子交換樹脂為陽離子交換樹脂，或混合樹脂。

下面結(jié)合實(shí)用新型實(shí)施過程作進(jìn)一步說明。

臭氧/氧發(fā)生器通電電解時(shí)，陽極水罐向陰極水罐遷移水，其中微量的金屬離子(Meⁿ⁺)也隨水一起遷移到陰極水罐中。

陰極水罐中的遷移水經(jīng)陰極水罐出水口進(jìn)入離子交換器，在離子交換器中通過離子交換樹脂除去金屬離子(Meⁿ⁺)，再進(jìn)入臭氧/氧發(fā)生器陰極室。當(dāng)陰極水罐水位達(dá)到一定高度時(shí)，陰極水罐中的水經(jīng)回流管路自動(dòng)回流到純水箱中。

陰極水罐回流水中可能還含有微量的金屬離子(Meⁿ⁺)，進(jìn)入純水箱的陰極水罐回流水和補(bǔ)充的原料水在純水箱中通過離子交換樹脂進(jìn)一步除去金屬離子(Meⁿ⁺)，向陽極水罐補(bǔ)充經(jīng)離子交換樹脂凈化達(dá)到電導(dǎo)率要求的純水。

下面是實(shí)施本實(shí)用新型的具有內(nèi)部自凈化功能的質(zhì)子交換膜型水電解式臭氧發(fā)生裝置同現(xiàn)有技術(shù)裝置的比較。

所用的離子交換樹脂為上海勁凱樹脂有限公司生產(chǎn)的Amberlite MB20牌號(hào)混合樹脂。

質(zhì)子交換膜型水電解式臭氧發(fā)生裝置為臭氧產(chǎn)量40g/h的臭氧發(fā)生裝置。

表1：一種具有自凈化功能的質(zhì)子交換膜型水電解式臭氧發(fā)生裝置(40g/h)與現(xiàn)有技術(shù)裝置的綜合比較

本實(shí)用新型裝置適用于質(zhì)子交換膜型水電解式臭氧發(fā)生裝置，也適用于質(zhì)子交換膜型水電解式氧發(fā)生裝置。