申请日2016.04.08
公开(公告)日2016.06.22
IPC分类号C02F1/461; C02F1/72; C02F1/30; B01D71/34; B01D69/02; B01D67/00
摘要
本发明涉及一种便携式饮用水处理装置，属于生活饮用水水质深度处理技术领域。该便携式饮用水处理装置包括一对阴阳电极、为阴阳电极供电的电解电源和固定电解电源的手柄，阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，阴阳电极均用于插入瓶装水容器中，阴阳电极均固定在手柄一端上，阳电极是制有网孔的筒状阳电极，透水性隔膜满遮包覆在阳电极外表面上，在使用时，阴电极与瓶装水容器内的存水接触，阳电极仅与瓶装水容器通过透水性隔膜渗透的渗透水接触。该便携式饮用水处理装置具有方便携带的对瓶装水瓶内的水进行高效净化的优点。
权利要求书
1.一种便携式饮用水处理装置，包括一对阴阳电极、为所述阴阳电极供电的电解电源和固定电解电源的手柄，阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，其特征在于：所述阴阳电极均用于插入瓶装水容器中，所述阴阳电极均固定在手柄一端上，所述阳电极是制有网孔的筒状阳电极，所述透水性隔膜满遮包覆在所述阳电极外表面上，在使用时，所述阴电极与瓶装水容器内的存水接触，所述阳电极仅与所述瓶装水容器通过所述透水性隔膜渗透的渗透水接触。
2.根据权利要求1所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：所述透水性隔膜是非导电性材料制成的透水性隔膜，所述透水性隔膜具有均匀孔径的透水微孔。
3.根据权利要求2所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：所述透水性隔膜是亲水性的透水性隔膜。
4.根据权利要求3所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：所述透水微孔中形成等离子放电。
5.根据权利要求4所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：在使用放电时，每个透水微孔中均形成等离子放电。
6.根据权利要求1至5之任一所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：所述手柄内埋设有连通阳电极和电解电源的第一导线和连通阴电极和电解电源的第二导线。
7.根据权利要求1至5之任一所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：所述筒状阳电极上开有用于所述瓶装水容器通过所述透水性隔膜渗透的渗透水排放的排污口。
8.根据权利要求1至5之任一所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：所述透水性隔膜的透水孔径均小于等于2毫米且大于等于1纳米且所述透水性隔膜中所有微孔的透水孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。
9.根据权利要求1至5之任一所述便携式饮用水处理装置，其特征在于：所述透水性隔膜是通过按照以下步骤制成的隔膜：
1)将纳米二氧化钛溶液在温度为40℃-60℃的紫外箱内辐照10-30分钟;
2)由以下质量比的原料组成膜液：
PVDF：20%-30%
致孔剂：2-5%
步骤1)辐照后的纳米二氧化钛：2%-4%
表面活性剂：3%-5%
溶剂：70%-80%;
3)将配置好的膜液通过超声波振荡20-40分钟;
4)用刮膜机刮成液膜，将液膜在空气中静置10-30秒，然后浸入凝固液中凝固成隔膜;
5)所述隔膜在浓度为10%酒精水溶液中浸泡10-40分钟，然后放入去离子水中漂洗;
6)将所述隔膜置于施加有10kv直流脉冲高压的纯水箱内处理1小时。
说明书
便携式饮用水处理装置
技术领域
本发明涉及一种便携式饮用水处理装置，属于生活饮用水水质深度处理技术领域。
背景技术
水污染主要是由人类活动产生的污染物造成，它包括工业污染源，农业污染源和生活污染源三大部分。日趋加剧的水污染，已对人类的生存安全构成重大威胁，成为人类健康、经济和社会可持续发展的重大障碍。据世界权威机构调查，每年因饮用不卫生水至少造成全球2000万人死亡，因此，水污染被称作"世界头号杀手"。当前，水环境加剧恶化，已经严重危及生命延续，特别当突发天灾人祸时尤甚。在世界上一些极端贫穷落后地区，饮到干净放心水对于普通民众而言甚至几近奢侈。倘若能以简单、廉价、高效的手段，使民众皆可饮到干净放心水，当为何等无量之功德!
国内外大多数自来水厂至今仍采用沉淀、过滤、加氯消毒的陈旧工艺方法，将江河水或地下水简单加工成可饮用水。然而，面对工业污水、农业污水和生活污水猖獗泛滥涌入生活水源，自来水厂已经不堪重负无能为力。再加上自来水从水厂经输水管网及高层储水箱到达饮用水终端所带来的附加污染，市政自来水已不敢说是卫生的了。尤其是，自来水加氯虽然可有效杀除病菌，但同时也会产生较多的卤代烃化合物，这些含氯有机物的含量成倍增加，是引起人类患各种疾病的重大根源。即使是把自来水煮沸了，上述残留物仍驱之不去，还会使亚硝酸盐与三氯甲烷等致癌物增加。亦即，即便饮用开水的安全系数也是不高的。
既然直接饮用自来水难保安全，净水器应运而生，成为民众硬性需求。然而，现有的以市供自来水为源水的水质净化产品或涉水产品，基本为介质吸附或采用各种孔径过滤膜将水中污染物加以拦截滤除的物理处理工艺。由于活性炭类吸附材料很容易饱和失效，而各种过滤膜又很容易被细菌污染或有机物阻塞或破损，因此实际情况是并不能如理论设计所期望那样作到对水中污染物的充分净化。面对日益严重的源水污染，现有以介质吸附或采用各种孔径过滤膜将水中污染物加以拦截滤除的物理方式水处理工艺已经远远不能保证水质达标。另外，传统的RO膜反渗透过滤方法对水资源的浪费非常严重，往往净化1升纯净水就需要排出3升浓缩废水。但是，物理方式水处理工艺也有可取之处：通常不生成毒副产物。
相比而言，化学水处理工艺虽具有廉价简单高效等诸多优点，却并不适宜于民用终端生活饮用水领域。究其原因，一是化学水处理工艺需要足够的反应时间，而在日常生活用水场合，净水器从开机进水到出水仅仅数秒钟乃至更短，污染物在净水器中停留时间太短，根本来不及完成相关化学反应处理;其二是，化学水处理工艺通常伴随一定的毒副作用。例如，尽管化学氧化反应可强效灭活细菌，深度降解有机物，去除水中的各种有害物质，但化学氧化法所生成的各类强氧化因子基本是无选择性、不可控的，若处理不当极可能生成源水中没有的新物质甚至强致癌物，反而危及饮水安全。而还原反应控制不当也会带来类似问题，例如硝酸盐可能转化为强致癌物亚硝酸盐;正因为如此，迄今未见在生活饮用水净化处理领域尤其是家庭饮水终端推广应用。
庆幸的是，日常生活中，饮用水需求往往具有分时段、间歇之特点。例如，家庭三顿饭用水及洗浴高峰主要集中在早中晚时间;洗衣用水则按周/次计算。日常生活中饮用水存储装置，通指带有储水箱(罐、容器)的饮用水终端，例如：1)管线净水系统终端壁挂机、台式或立式饮水机;2)RO纯水机出水储存压力桶(箱)，以及饮水杯、壶;3)城市供水管网高层建筑顶层安装的高位水箱，甚至农村居民抽取地下水至屋顶的储水罐。目前该类系统存在的共性问题是储水箱内水中细菌微生物超标，严重影响水质甚至异味发臭。迄今尚无好的解决方法。
同时，申请人发现，现有的瓶装水广泛使用，当瓶装水打开较久或瓶装水喝完后需要接取自来水时，没有现有设备。因此，急需开发出一种方便携带且能够满足市政自来水终端饮水深度净化要求的、以瓶装水瓶为反应池，对源水进行处理、家家户户都用得起的便携式饮用水处理装置。
发明内容
本发明解决的第一个技术问题是，针对现有技术不足，提出一种方便使用的对瓶装水瓶内的水进行净化的便携式饮用水处理装置。
本发明解决的第二个技术问题是，在解决上述第一个技术问题基础上，针对现有技术不足，提出一种在对瓶装水瓶内的水进行降解水中有机物时更少产生毒副产物的便携式饮用水处理装置。
申请人经过反复试验和多年探索，发现了电化学作为一种高级氧化水处理工艺，所附加毒副效应远较常规化学水处理工艺为小，而且电化学水处理工艺可以通过电参数的调整来强化处理强度减少反应时间。这样，电化学水处理技术具有克服物理水处理工艺软肋、可用于生活饮用水净化处理的一定潜力。
电化学水处理技术是使污染物质在电极上发生直接电化学反应或是利用电极表面产生强氧化性活性物质发生氧化反应而被转化.电化学技术及其辅以其他高级氧化技术的组合工艺，称为电化学体系，包括电极电催化、电-Fenton、电-O3、声-电、光-电等。
电化学水处理离不开电极作用，具体分为电极直接反应和电极间接反应。电极直接反应是指污染物在电极上直接被氧化或还原而从水中去除。直接电解可分为阳极过程和阴极过程。阳极过程就是污染物在阳极表面氧化而转化成毒性较小的物质或易生物降解的物质，甚至发生有机物无机化，从而达到削减、去除污染物的目的。阴极过程就是污染物在阴极表面还原而得以去除。
电极间接反应则是利用电化学产生的氧化还原物质作为反应剂或催化剂，使污染物转化成毒性更小的物质。阳极间接反应，在水中所产生的氧化还原物质，通常包括以下几类：(1)具有强氧化性的氯酸盐、次氯酸盐等;负电性，可以被阳极除去;(2)H2O2、O3(标准电极电势2.07，半衰期30-60min)等强氧化因子;(3)电化学反应产生的强氧化性且寿命极短的中间体，包括e(溶剂化电子)、·OH、HO2·、·O2等自由基，以·OH为主，可以降解有机物。
但是，电化学本质上仍属化学处理工艺，哪怕毒副作用再小，仍有使水的生物指标降低之风险。在水环境前所未有严重污染、在传统物理净水器已力不从心的今天，重新审视研究化学水处理——尤其是电化学水处理技术在生活饮用水净化处理应用的可能性，创新开发一种既能高效除去水中污染物、又无毒副产物的电化学处理工艺、乃至电化学水处理工艺与物理吸附过滤工艺协同联用的全新水质净化方法与装置，具有十分重要的现实意义。
为了解决上述第一个技术问题，本发明的发明人在上述认识的基础上提出如下技术方案：一种便携式饮用水处理装置，包括一对阴阳电极、为所述阴阳电极供电的电解电源和固定电解电源的手柄，阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，所述阴阳电极均用于插入瓶装水容器中，所述阴阳电极均固定在手柄一端上，所述阳电极是制有网孔的筒状阳电极，所述透水性隔膜满遮包覆在所述阳电极外表面上，在使用时，所述阴电极与瓶装水容器内的存水接触，所述阳电极仅与所述瓶装水容器通过所述透水性隔膜渗透的渗透水接触。
上述本发明的便携式饮用水处理装置技术方案的有益效果是：本发明装置的阴电极和阳电极之间设有透水性隔膜，阴阳电极均插入瓶装水容器中，阴电极与瓶装水容器内的存水接触，阳电极仅与瓶装水容器通过透水性隔膜渗透的渗透水接触，在保证本发明装置的电解反应正常进行的基础上，把阳极直接氧化反应转移到容器(瓶装水容器)外进行，阳极反应产物在容器外排走，不致再返回容器内污染水质。同时，水中的阴性污染物例如余氯等，受阳极电压作用，也可以从容器内水中透过透水性隔膜，迁移到容器外阳极区域。
需要特别指出的是：阳极直接氧化反应不是不需要，而是阳极反应生成物(例如臭氧)可能产生毒副作用，包括阴性污染物受阳极直接氧化反应生成物仍可能具有某些毒性，本发明将阳极设置到容器外部，上述毒副产物直接就外排了;并给出了源水电解在阳电极上的反应产物如氧气、臭氧、氯气等极大的排出空间，可以通过外面直接排放掉，不会透过隔膜再返回容器内污染容器内的水质，不会残留在容器内水中，从而大大减轻了上述强氧化物的毒副作用。
此外，阳电极是制有网孔的筒状阳电极，阳电极仅与所述瓶装水容器通过所述透水性隔膜渗透的渗透水接触，瓶装水容器内的源水中残留余氯和各种有害阴离子向阳电极迁移，穿出透水性隔膜进入阳电极与膜之间水体并排出。同时，将阴阳电极均插入瓶装水容器中，可以通过阴电极对水进行净化处理，降解源水中含有各种污染物(例如余氯)，不产生毒副产物。因此，水中的阴性污染物通过阴电极降解和阳电极电压作用，迁移到容器外阳极区域，容器中含量极少，综合处理效果极佳。
最后，将阴阳电极均固定在手柄一端上，阳电极是制有网孔的筒状阳电极，透水性隔膜满遮包覆在阳电极外表面上，可以方便携带并方便快捷的对瓶装水瓶内的水进行净化。
本发明为解决上述第二个技术问题，对上述技术方案的改进是：所述透水性隔膜是非导电性材料制成的透水性隔膜，所述透水性隔膜具有均匀孔径的透水微孔。
需要说明的是，本发明装置处理的对像是家庭终端饮水或瓶装水，家庭终端饮水一般是市供自来水，正如背景技术中所述，现在水污染日益严重，家庭终端饮水已经成为一种微污染水(或者说是特殊污染水)，其污染源包括环境污染(如农药残留等)、氯消毒产生的污染以及管道二次污染等。瓶装水是打开较久的水，也有一定的污染。
上述本发明公开的便携式饮用水处理装置技术方案的工作机理及有益效果陈述如下。
本发明装置结构特征是，参见图1，以透水性隔膜为分界，分设在透水性隔膜内外两侧的阴阳电极对：阴阳电极均固定在手柄一端上，阳电极是制有网孔的筒状阳电极，透水性隔膜满遮包覆在阳电极外表面上，阴电极与瓶装水容器内的存水接触，阳电极仅与瓶装水容器通过透水性隔膜渗透的渗透水接触。
当电解电源的电解电压施加于外电极(阳电极)和内电极(阴电极)后，形成如下的电压降落关系：
膜外阳电极(+)→阳电极与膜之间水膜的电压降U1→透水性隔膜自身阻抗产生的压降U2→透水性隔膜与容器(瓶装水容器)内的阴电极之间水阻抗产生的压降U3。
在本发明中，透水性隔膜的作用不仅仅是将容器内外隔离，由于自身的结构：透水性隔膜是非导电性材料制成的透水性隔膜，微观上表现为无数均匀微孔的过水通道区域(具有均匀孔径的微孔)，还可以在电解电压作用下，在透水性隔膜内微孔中形成水体低压冷等离子放电反应。低温等离子体富含电子、离子、自由基和激发态分子,电子与离子有很高的反应活性,可以使通常条件下难以进行或速度很难的化学反应变得十分迅速。
传统的水体等离子放电技术，为产生水体等离子放电，往往通过外部向水中导入气体，并施以加高强度脉冲电压或高温条件。本发明则将等离子放电引导到透水性隔膜的无数微小蓄水空间进行，依靠阳电极对水电解析氢、析氧反应生成的气体，部分进入膜中诱发水体自身气化(由于阳电极与容器内渗透通过透水性隔膜的渗透水接触，这样，阳电极贴近透水性隔膜，阳极反应的氧气等容易进入膜微孔并在微孔水中生成气泡，在膜微孔狭小环境中，气泡破碎产生局部高温高压)，进而以极小电压激发出高效的水体等离子放电，在水中生成羟基自由基类暂态氧化因子，该羟基自由基暂态氧化因子的氧化性极强(超过臭氧)同时在水中的存在时间又极短，因此可以在产生后迅速对水中有机物(如细菌)等污染物形成极强的降解作用并自身迅速氧化后直接还原为水，不留任何毒副作用。
由于常规化学水处理工艺在净化处理民众日常生活饮用水时，生成的各类强氧化因子基本是无选择性、不可控的，危及饮水安全，还原反应生成的强致癌物亚硝酸盐等，不适合应用在民众日常生活饮用水净化处理场合。因此，现实条件和常规思路限制了化学水处理工艺在民众日常生活饮用水方面的应用。本发明将常规电化学水生成的各类强氧化因子的不可控变成了可控，本发明正是利用羟自由基的这些特性，针对市供自来水这种特殊微污染水水质特点，通过结构上巧妙设计，一方面将阳极直接氧化反应引出到容器内水的外部发生，排除氧化反应毒副产物。另一方面将阳极间接氧化作用发挥到极致，实现对源水极其深度且安全的净化!
概括上述本发明的便携式饮用水处理装置技术方案的有益效果是：1)充分利用电化学水处理技术，以达到现有物理水处理工艺无法达到、对源水中污染物的深度降解、高效去除的效果，将阳极直接氧化反应引出到装置外部进行，抑制臭氧生成，以降低在容器内水中生成毒副产物的风险;2)瓶装水瓶内的水中的微生物，受透水性隔膜与容器内的阴电极之间U3的电场作用而灭活;3)主要依靠羟基类强氧化性且寿命极短、且无毒副作用的间接电化学中间体，来实现所期望的电化学水处理效果，将瓶装水瓶内的水质深度净化，确保饮水安全，且结构简单、实现方便。
本发明在上述技术方案基础上的进一步改进是：所述透水性隔膜是亲水性的透水性隔膜。
本发明的透水性隔膜是亲水性的透水性隔膜，亲水性膜表面能与水形成氢键有序结构，可以改善膜孔充水浸润状态，有利于膜中等离子放电过程持续进行。
本发明在上述技术方案基础上的更进一步改进是：在使用放电时，所述透水微孔中形成等离子放电。
本发明在上述技术方案基础上的再进一步改进是：在使用放电时，每个透水微孔中均形成等离子放电。
膜微孔的形状、以及孔径大小及均匀性，对膜中等离子放电影响甚大。为能在超低放电电压下高效生成等离子群，如图2所示，本发明中所采用的透水性隔膜，在使用放电时，电场方向透过每个透水微孔，两电极间电解电流经膜中各个微孔流通，相当于把一个大面积电极分割成了众多个针尖状的小电极，使得电极的放电曲率减小，放电效率得以提高，同时，本发明将等离子放电引导到透水性隔膜的无数微小蓄水空间进行，依靠对水电解析氢、析氧反应生成的气体，部分进入膜中诱发水体自身气化，进而以极小电压激发出高效的水体等离子放电，即可激发出水体等离子放电，在水中生成极具杀菌能力的暂态氧化因子，大大提高水体中污染物的降解效率。
本发明在上述技术方案基础上的完善一是：所述手柄内埋设有连通阳电极和电解电源的第一导线和连通阴电极和电解电源的第二导线。
由于在手柄内埋设有连通阳电极和电解电源的第一导线和连通阴电极和电解电源的第二导线，外观简洁，提高了电解电源供电的稳定性。
本发明在上述技术方案基础上的完善二是：所述筒状阳电极上开有用于所述瓶装水容器通过所述透水性隔膜渗透的渗透水排放的排污口。
通过在筒状阳电极上开有用于瓶装水容器通过透水性隔膜渗透的渗透水排放的排污口，可以将反应生成的有害气体和污水等及时排出。
本发明在上述技术方案基础上的完善三是：所述透水性隔膜的透水孔径均小于等于2毫米且大于等于1纳米且所述透水性隔膜中所有微孔的透水孔径尺寸相互之间彼此相差小于20%。
本发明装置中，如果透水性隔膜的透水孔径过大(即微孔空间过大)等效于变相增大了电极直径(电极曲率半径)致使水中放电起始激发电压增高，并且使产生气泡体积变大减小了气液两相接触反应的比表面积。而透水性隔膜的透水孔径过小(即微孔空间过小)，会使电解产气无法发生或是产气效率极其低下，小到一定程度会导致隔膜内各微孔中无数个小曲率半径电极的尖端放电无法正常进行。因此，经过发明人的反复试验，确定透水孔径范围是2毫米-1纳米。
本发明在上述技术方案基础上的完善四是：所述透水性隔膜是通过按照以下步骤制成的隔膜：
1)将纳米二氧化钛溶液在温度为40℃-60℃的紫外箱内辐照10-30分钟;
2)由以下质量比的原料组成膜液：
PVDF：20%-30%
致孔剂：2-5%
步骤1)辐照后的纳米二氧化钛：2%-4%
表面活性剂：3%-5%
溶剂：70%-80%;
3)将配置好的膜液通过超声波振荡20-40分钟;
4)用刮膜机刮成液膜，将液膜在空气中静置10-30秒，然后浸入凝固液中凝固成隔膜;
5)所述隔膜在浓度为10%酒精水溶液中浸泡10-40分钟，然后放入去离子水中漂洗;
6)将所述隔膜置于施加有10kv直流脉冲高压的纯水箱内处理1小时。
具体实用效果是：为使膜中放电易于进行，需要使得透水性隔膜具有均匀孔径的微孔，这可以通过对现有的透水性隔膜进行改性获得，透水性隔膜采用二氧化钛改性技术，通过采用辐照技术在超滤膜表面增加纳米二氧化钛亲水单体，提高超滤膜亲水性，增强膜的抗污能力、延长膜使用寿命。同时与水中冷等离子放电相互促进，可有效提高水中有机物降解率，还有效防止了因电流密度过大易导致生物性指标的恶化。