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CN105002517B - 一种臭氧生成电极及其阳极的生产工艺和臭氧产生器 - Google Patents

一种臭氧生成电极及其阳极的生产工艺和臭氧产生器 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种臭氧生成电极及其阳极的生产工艺和臭氧产生器，一种臭氧生成电极，包括阴极和阳极，阳极的表面具有触媒，触媒为掺杂了Sb、Ni的SnO2复合膜层，阴极与阳极之间具有放电间隙。该臭氧生成电极中阳极的生产工艺，包括冲孔、裁切、喷砂、酸蚀、洗净、烘干、涂覆、热烘、热解、循环、烧结步骤。应用该臭氧生成电极的臭氧产生器，包括至少一个臭氧生成电极，用于给臭氧生成电极供电的电源，和至少一个用于放大电源供给的超级电容。本发明的有益效果，阳极的表面具有用于增加臭氧产生效率的触媒，提高了电导度，产生O3的效率提高，且成本低廉；阳极的生产工艺中的混合溶胶不含氯，提高了阳极的使用寿命。

Description

一种臭氧生成电极及其阳极的生产工艺和臭氧产生器
技术领域
本发明涉及一种臭氧生成电极，特别涉及一种工作效率高的臭氧生成电极，及该臭氧生成电极中阳极的生产工艺和应用了该臭氧生成电极的臭氧产生器。
背景技术
在缺乏水之消毒系统的地区，饮用水是令人生病之最可能的来源。山林间看似清澈的水，可能含有寄生性原生虫，饮用后可能产生长期性的疾病，让人痛苦一辈子。为了消除水中的微生物病毒，世上的自来水公司大都以氯为消毒剂。氯除了具有刺鼻的臭味，它无法杀死原生虫，同时，它可能与水中的有机物如苯，结合为一种致癌物。相较之下，臭氧与紫外线UV的消毒，便不会产毒性副产品。
事实上，自从1906年以来，法国尼斯市政府就用电解消毒自来水。电解消毒是一种以电流在水中电解化学品，产生水之消毒剂的技艺。可用的化学品中，氯化钠是最广被采用的，被电解成为次氯酸钠，如美国专利第3622479号、第4512865号与第4761208号所揭示。另外，次氯酸钠也被用以去除水中的氨气，如美国专利第5935392号与第6348143号所宣称。在前述之所有处理中，次氯酸离子是发生功能的消毒剂。然而，次氯酸离子能长期停留在水中，增加水的总溶解固体，变一种变成污染物。
发明内容
本发明的目的是解决上述现有技术的不足，提出一种适用范围较广、工作效率较高的臭氧生成电极及其阳极的生产工艺，并提出了一种使用该臭氧生成电极的臭氧产生器。
为了达到上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种臭氧生成电极，包括阴极和阳极，特别地，所述阳极的表面具有用于增加臭氧产生效率的触媒，所述触媒为掺杂了Sb、Ni的SnO2复合膜层，所述阴极与阳极之间具有放电间隙。
优选的，所述臭氧生成电极的阴极比阳极多一个，并且阴、阳极相间隔设置。
优选的，所述臭氧生成电极具有两个阴极和一个阳极，所述阳极设置于两个阴极之间，并且所述阳极两侧分别与两个阴极之间具有放电间隙。
优选的，所述阴极的基材为不锈钢，所述阳极的基材为Ti。
优选的，所述阳极和阴极的形状均为具有复数冲孔的板状。
本发明还揭示了一种臭氧生成电极中阳极的生产工艺，特别地，所述阳极的表面具有触媒，所述触媒为掺杂了Sb、Ni的SnO2复合膜层，所述生产工艺包括如下步骤，
S1、冲孔步骤，对Ti板进行冲孔，冲孔的孔径为2 ~ 4 毫米；
S2、裁切步骤，将Ti板裁切成复数大小一致的Ti片；
S3、喷砂步骤，对Ti片表面进行喷砂粗化；
S4、酸蚀步骤，将Ti片放入草酸水溶液中煮，进行酸蚀；
S5、洗净步骤，采用去离子水对Ti片进行冲洗；
S6、烘干步骤，对Ti片进行烘干；
S7、涂覆步骤，将SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O的混合溶胶均匀的涂覆Ti片；
S8、热烘步骤，对混合溶胶进行加热烘干，使其在Ti片上形成膜；
S9、热解步骤，对膜进行热分解，使SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O分解氧化；
S10、循环步骤，步骤S7、步骤S8、步骤S9重复4~12次；
S11、烧结步骤，对Ti片上的膜进行烧结，形成掺杂Sb、Ni的SnO2复合膜层。
优选的，所述涂覆步骤还包括混合溶胶制作步骤，将SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O混合液体加热至70oC~90oC ，然后进行通氧并搅拌，形成SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O的混合溶胶；
混合溶胶中Sn : Sb : Ni的摩尔比为 (900 ~1000) : (10 ~ 16) : (1 ~ 3 )。
本发明还揭示了一种臭氧产生器，特别地， 包括至少一个臭氧生成电极，
用于给臭氧生成电极供电的电源，和至少一个用于放大电源供给的超级电容。
优选的，所述臭氧发生器具有用于充放电状态间相切换的两组相同的超级电容。
优选的，所述电源的电压为4V~10V，电源的输出电流为1A以内。
本发明的有益效果体现在：
1.阳极的表面具有用于增加臭氧产生效率的触媒，提高了电导度，产生O3的效率提高，且成本低廉；
2.根据边际效益，阴、阳极均具有复数孔，电极边缘的电流密度较高，电化学反应较剧烈，使阳极与阴极产生大量的气泡；
3.阴极比阳极多一个，提高了阳极的利用率，降低了成本；
4.阳极的生产工艺中的混合溶胶不含氯，氯具有较强的腐蚀性，因此采用不含氯的混合溶胶能有效提高阳极的使用寿命，同时氯化物在高温工艺中会产生盐酸，易对操作员产生伤害及易损坏设备；
5.本发明的阳极无须匹配使用Pt 阴极与离子交换膜，也无须在水中添加电解质，即能搭配不锈钢阴极，直接处理切削油废水，迅速分解切削油分子；
6.本发明一种臭氧生成电极应用广泛，适用性强。
附图说明
图1为本发明一种臭氧生成电极中阳极的生产工艺流程图。
具体实施方式
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限于本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。
一种臭氧生成电极，包括阴极和阳极，阳极的表面具有用于增加臭氧产生效率的触媒，触媒为掺杂了Sb、Ni的SnO2复合膜层，阴极与阳极之间具有放电间隙。阴极、阳极的基材为Al、Fe、Cu、Ni、Ti、Ag、Mg、Sn、Zn或不锈钢中的一种，阳极、阴极的形状为板状、球状、块状、粒状、棒状、线状、网状、柱状或管状中的一种，为了充分利用阳极，臭氧生成电极的阴极比阳极多一个，并且阴、阳极相间隔设置。臭氧生成电极具有两个阴极和一个阳极，阳极设置于两个阴极之间，并且阳极两侧分别与两个阴极之间具有放电间隙。阴极的基材为不锈钢，无须使用Pt阴极与离子交换膜，也无须在水中添加电解质，直接处理切削油废水，迅速分解切削油分子，成本低廉，阳极的基材为Ti。阳极和阴极的形状均为具有复数冲孔的板状。
水分子在阳极上被氧化，在阴极上被还原，可用方程式和来说明：
阳极氧化：2H2O =O2+ 4H+ + 4e- ，Eo = 1.23V
阴极还原：2H2O + 2e- = H2+ 2OH- ，Eo = 0.0 V
O2产生的同时，O3也可能在阳极上一起产生，只是产生O3的标准电极电位较高，如方程式所示：
3H2O = O3+ 6H+ + 6e- ，Eo = 1.6V
由此可知若要使水的电解能够产生可利用的O3量，则所用的阳极材料的氧过电位必须高于1.6V值，需选用氧过电位在1.6V以上的材料，这样才能在产生O2之前出现大量的O3，因此本发明中阳极为Ti基材，具有触媒，触媒为掺杂Sb、Ni的SnO2复合膜层。
SnO2的氧过电位比Pt高0.6V，产生O3的效率高，为提高电导度对SnO2进行掺杂，掺杂后的SnO2产生O3的效率能得到提高。
具体的，臭氧生成电极具有两个阴极和一个阳极，所述阴极和阳极为大小一致的板状，阳极位于两个阴极之间并且相互之间平行设置，所述阳极与两侧阴极的间隙均等，实验表明，电极的边缘比电极其他表面产生的气泡要多，电极边缘的电流密度较高，电化学反应较剧烈，这称为边际效应，因此为使阳极与阴极产生多量的气泡，阴、阳极均具有复数孔，并且两个阴极与一个阳极的孔均相匹配，相匹配的孔形成三孔同轴结构，众多孔洞能使阳极与阴极的产物迅速脱离电极表面，阳极与阴极之间具有绝缘连接件。当然该臭氧生成电极仅为本案的具体案例之一，还可以有其他的结构设置，阴阳极的数量不设限制，例如采用五层结构、七层结构等；阴阳极的形态不设置限制，例如采用圆筒状结构、三角状结构、球状结构等，均在本案的保护范围之类，在此不再穷举赘述。
以下是本发明一种臭氧生成电极中阳极的生产工艺，阳极的表面具有触媒，触媒为掺杂了Sb、Ni的SnO2复合膜层，生产工艺包括如下步骤，
S1、冲孔步骤，对Ti板进行冲孔，冲孔的孔径为2 ~ 4 毫米；
S2、裁切步骤，将Ti板裁切成复数大小一致的Ti片；
S3、喷砂步骤，对Ti片表面进行喷砂粗化，表面粗糙度为 1~2 微米；
S4、酸蚀步骤，将Ti片放入草酸水溶液中煮，进行酸蚀；采用8~12% 的草酸水溶液，维持75oC~85oC煮50~80分钟；
S5、洗净步骤，采用去离子水对Ti片进行冲洗；
S6、烘干步骤，对Ti片进行烘干，烘干温度为90~100oC；
S7、涂覆步骤，将SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O的混合溶胶均匀的涂覆Ti片；
涂覆步骤还包括混合溶胶制作步骤，
将SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O混合液体加热至70oC~90oC ，然后进行通氧并搅拌，通氧搅拌时间为50~80分钟，形成SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O的混合溶胶；混合溶胶不含氯，氯为许多材料腐蚀的一种根源，不利于阳极的寿命。同时氯化物在高温工艺中会产生盐酸，伤害操作员与设备。因此，本发明所采用的混合溶胶，能提高阳极的寿命，同时不会危及操作员，对设备亦无损害。
混合溶胶中Sn : Sb : Ni的摩尔比为 (900 ~1000) : (10 ~ 16) : (1 ~ 3 )。
S8、热烘步骤，对混合溶胶进行加热烘干，使其在Ti片上形成膜，热烘温度为100oC~ 150oC；
S9、热解步骤，对膜进行热分解，使SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO) 2·4H2O分解氧化，热解温度为450oC ~ 550oC；
S10、循环步骤，步骤S7、步骤S8、步骤S9重复4~12次；加厚Ti片膜的厚度；
S11、烧结步骤，对Ti片上的膜进行烧结，形成掺杂Sb、Ni的SnO2复合膜层，烧结温度600~650oC，烧结时间为 60~120分钟。
以下是本发明一种臭氧产生器，包括至少一个上述的臭氧生成电极，用于给臭氧生成电极供电的电源，和至少一个用于放大电源供给的超级电容。其中，电源的电压为4V~10V，电源的输出电流为1A以内。优化的，臭氧发生器具有用于充放电状态间相切换的两组相同的超级电容。
具体的，臭氧产生器包括壳体、延伸出壳体的臭氧生成电极、设置于壳体内给臭氧生成电极供电的电源、用于充放电状态间相切换的两组相同的超级电容和控制电路，电源、两组超级电容及控制电路形成复合电源模块。
以下是本发明臭氧产生电极对自来水和地沟水的杀菌实验，杀菌实验结果如表1显示：
表1
以下是本发明臭氧产生电极的杀菌与分解水中农药（乐果）实验，实验结果如表2显示：
表2
表2实验所用的农药浓度, 远大于一般农民的施药剂量。本发明臭氧产生电极以小面积,充分展示分解水中农药的能力。
应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施方式中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
上文所列出的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并非用以限制本发明的保护范围，凡未脱离本发明技艺精神所作的等效实施方式或变更均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种臭氧生成电极，包括阴极和阳极，阴极的基材为不锈钢，阳极的基材为Ti，所述阴极与阳极之间具有放电间隙，其特征在于：所述阴极和阳极的形状均为具有复数冲孔的板状，所述阳极的表面具有用于增加臭氧产生效率的触媒，所述触媒为掺杂了Sb和Ni的SnO2复合膜层，该复合膜层采用以下工艺加工形成：
S1、冲孔步骤，对Ti板进行冲孔，冲孔的孔径为2 ~ 4毫米；
S2、裁切步骤，将Ti板裁切成复数大小一致的Ti片；
S3、喷砂步骤，对Ti片表面进行喷砂粗化；
S4、酸蚀步骤，将Ti片放入草酸水溶液中煮，进行酸蚀；
S5、洗净步骤，采用去离子水对Ti片进行冲洗；
S6、烘干步骤，对Ti片进行烘干；
S7、涂覆步骤，将SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO)2·4H2O的混合溶胶均匀地涂覆Ti片；
S8、热烘步骤，对混合溶胶进行加热烘干，使其在Ti片上形成膜；
S9、热解步骤，对膜进行热分解，使SnC2O4、Sb2O3、Ni(CH3COO)2·4H2O分解氧化；
S10、循环步骤，步骤S7、步骤S8、步骤S9重复4 ~ 12次；
S11、烧结步骤，对Ti片上的膜进行烧结，形成掺杂Sb和Ni的SnO2复合膜层；
其中，所述混合溶胶系将SnC2O4、Sb2O3和Ni(CH3COO)2·4H2O混合液体加热至70℃~ 90℃并在通氧气的情形下搅拌配制而成，混合溶胶当中Sn : Sb : Ni的摩尔比为 (900 ~1000) : (10 ~ 16) : (1 ~ 3)。
2.根据权利要求1所述的一种臭氧生成电极，其特征在于：所述臭氧生成电极的阴极比阳极多一个，阴极与阳极间隔设置。
3.根据权利要求2所述的一种臭氧生成电极，其特征在于：所述臭氧生成电极具有两个阴极和一个阳极，所述阳极设置于两个阴极之间，阳极两侧分别与两个阴极之间具有放电间隙。
4.一种臭氧产生器，其特征在于：包括至少一个如权利要求1至3任意一项所述的臭氧生成电极、用于给臭氧生成电极供电的电源，以及两组用于放大电源供给的超级电容；所述两组超级电容相同，在臭氧发生器充放电状态之间相互切换。
5.根据权利要求4所述的一种臭氧产生器，其特征在于：所述电源的电压为4V ~ 10V，电源的输出电流为1A以内。
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