电子催化饮用水净化设备负离子水运行试验

熊易华 周克钊
中国市政工程西南设计研究院，成都市星辉中路11号，610081

　　提要 电子催化饮用水净化设备的出水正是有益健康的负离子水。该设备处理成本低，用途广泛，特别适用于小区分质供水。运行试验证明，原水经过该设备处理，氧化还原电位有所降低，pH值有所提高，碱度、硬度和碳酸氢根皆略有降低，钙的去除量仅为11%左右，Ames试验阴性。
　　饮用水的安全性已经越来越令人担忧，解决这一敏感问题的根本措施在于水源污染控制和水厂深度处理，但皆难以在短期内实现。小区分质供水是目前最经济、最可靠、最方便的方法，同时也是节水的有效措施。
　　国家“九五”科技攻关96-909-03-03-01子专题中开发研制的小区规模的电子催化饮用水净化设备^{[1、2、12、13]}，具有良好的消毒能力，能够彻底去除有机污染物、无机还原性物质和氧化性物质、重金属和多余硬度，但同时保留对人体有益的适当的矿物质，特别是能够去除致突变物质和自由基（活性氧），改善生物学指标，而且处理成本低，用途广泛。
　　饮用水中的活性氧能够损伤遗传基因，使人患高血压、动脉硬化，甚至使人致癌。日本的研究者通过实验证明，水电解后生成的负离子水，能够消除活性氧，防止活性氧损伤遗传基因，从而有益健康。电子催化饮用水净化设备的出水正是这种负离子水^[3]。

1 工作原理

　　电子催化净水设备根据电化学反应和催化反应原理，并辅以过滤，深度处理饮用水，流程见图1。一般包括电解槽、消毒器、催化器和后过滤器。电解槽由隔膜分为阳极区和阴极区，电解槽的两远离侧的两个电极板分别连结着直流电源的两极。进水依次流过电解槽阳极区、消毒器、催化器、电解槽阴极区和后过滤器。根据需要，可在适当位置设置提升泵和流量计。电子催化净水设备的进水一般采用自来水，若采用未经处理的原水，则须增加预过滤以去除进水中悬浮杂质。
　　进水首先通过阳极区，利用阳极和电解产生的阳离子的氧化作用和阳极贵金属的催化作用，迅速直接氧化破坏细菌和病毒的组成物质而杀死细菌和病毒，并氧化分解有机杂质和无机还原性杂质，包括酚、甲醛、有机磷、有机金属化合物、硫化物等，同时产生活性氯等氧化剂。阳极区的酸性环境还可去除碱性杂质，电场作用可脱稳并凝聚胶体杂质。
　　在消毒器中，保持足够的消毒时间，活性氯等氧化剂继续消毒和氧化分解有机杂质。
　　在催化器中，利用碳锰催化剂迅速彻底分解活性氯等氧化剂，产生氧化能力极强的自由基，继续强化消毒和深度氧化分解有机杂质。
　　在阴极区中，利用阴极和电解产生的阴离子的还原作用，进一步彻底去除消毒过程中可能产生的氧化性杂质，防止有机卤代物的产生，改善饮用水的生物学指标，并去除重金属离子。阴极区的碱性环境，还可去除酸性杂质，水解去除有机杂质，包括氨基化合物和腈类等，去除水中重金属和多余的硬度，电场作用可继续脱稳并凝聚胶体杂质。
　　最后通过后过滤器去除水中浊度，包括处理过程中产生的悬浮物。

　　电子催化净水设备的技术关键在于隔膜式电解槽和碳锰催化剂。
　　显然，如果电解槽的阳极区和阴极区发生掺混，则两区的功能会互相抵消。曾经出现的电子净水器、静电净水器和微电解杀菌器的电解槽^{[4、5、6、7、8、9、10、11、14、15]}未用膜分区，当然效果有限。电子催化净水设备利用隔膜分区，发挥了两区的不同功能，保证了处理效果。该设备的独特的阴极区处理，去除活性氧，防止有机卤代物的产生，改善饮用水的生物学指标。
　　电子催化净水设备采用的高效催化剂，大大增强了消毒和氧化分解有机杂质的能力。

2 去除亚硝酸盐效果

　　针对深圳地区居住小区分质供水的要求，于2000年1月至3月在成都龙泉进行了电子催化净水设备去除亚硝酸盐试验，运行稳定后的数据摘要于表1，并参见图2。
　　其中流量皆为160 L/h，数据按电流从小到大排列。由表和图可以清楚地看出，处理效果随电流的增加而改善，若电流不足，即使氯离子增加，也仍然不能满足严格的出水亚硝酸盐要求。由此可见，氯离子本身并不是处理效果的控制因素，一定流量下的电流才是根本的控制因素。达到7 A以上电流是处理效果的关键，达到则可以满足处理的严格要求，否则，即使达到6.9 A，且原水浓度降低几乎一半，也不能满足处理的严格要求。
　　由表1可见，电子催化净水设备具有极优的去除亚硝酸盐的能力，在适当的运行参数下能够使出水亚硝酸盐氮浓度小于0.8 μg/L，相当于小于亚硝酸根2 μg/L，这已经达到反渗透处理的纯净水的标准了。适当的运行参数为：
　　原水亚硝酸盐氮浓度上限为0.6 mg/L左右；
　　160 L/h流量下电流7 A以上，即需电量44 Ah/m3以上。

表1 去除亚硝酸盐运行试验数据摘要 日期及时间 电流（A） 亚硝酸盐氮（μg/L） 氯离子（mg/L） 备 注 进水 出水 2000-1-26 15:14 4.0 600 460 100 2000-2-21 16:14 5.0 760 102 200 2000-2-23 13:34 6.6 780 121 50 2000-2-25 13:50 6.9 360 83 50 2000-3-14 13:40 7.4 580 <0.8 100 检出限为0.8 μg/L 2000-1-24 12:40 7.7 660 <0.8 100 同上

　　电子催化净水设备去除亚硝酸盐的机理，应该是的亚硝酸根在电解槽阳极区、消毒槽和催化器中被阳极、有效氯或自由基氧化为硝酸根。至于硝酸根在阴极区是否被还原为氮气，有待进一步考查，但出水水质证明硝酸根肯定未被重新还原成为亚硝酸根。

3 电流、电压和电阻

　　运行试验于2000年1月至12月在成都龙泉、青羊宫和洞子口进行。试验发现，原水矿化度对设备电流的影响很大。原水为地下水的洞子口的电流最大，而原水为由地面水制成的自来水的龙泉和青羊宫的电流较小。试验中三处的电压接近，这是因为设备的电压一直开在最大，并未有意调节电压，试验电压的波动是由于外电网和附近用电设备引起的。试验发现，原水矿化度对设备电阻的影响同样很大。地下水的洞子口的电阻最小，自来水的龙泉和青羊宫的电阻较大。同一原水试验的电阻波动，是由于阴极和膜结垢引起的，垢越厚，则电阻越大，清洗后则电阻减小。另外，刚开机时电阻也会大一些。
　　由于龙泉自来水、青羊宫自来水和洞子口地下水的电流分别为5、3和10 A，流量皆为160 L/h，因此需电量分别为40、24和79 Ah/m3；由于电压皆为70 v，所以电解槽功率分别为350、210和700 w。再加上提升泵的功率200 w，则设备总功率分别为550、410和900 w，耗电量则分别为4.4、3.3和7.1 kwh/m3。值得注意的是，设备的需电量还应有较大的压缩空间，另外，通过压缩电解槽的极板距离，可以在同样电流下降低设备的电压，也还可以进一步压缩耗电量。

4 处理效果

　　运行试验详细考查了设备进出水的氧化还原电位、pH、高锰酸钾指数、碱度、硬度和碳酸氢根的变化情况。
　　由图3可见，原水经过电子催化净水设备处理，氧化还原电位有所降低。其降低的原因，应该是原水中的氧化物，如余氯等，在设备的催化器和电解槽阴极区内分别被催化分解和还原去除，而且原水中的溶解氧被阴极区中的大量微细氢气泡带走。由于出水的氧化还原电位并不是很低，所以出水中应该没有还原剂。电子催化净水设备能够降低原水的氧化还原电位这一事实，证实了该设备可以去除水中的氧化剂，包括致癌的活性氧或自由基，提高了饮用水的生物学性能。
　　由图4可见，设备出水的pH值有所提高，但仍在GB5749-85《生活饮用水卫生标准》的范围以内，这不仅有利于健康，而且有助于去除原水中的重金属和部分去除硬度。
　　设备出水的高锰酸钾指数略有升高，当然远远低于GB5749-85《生活饮用水卫生标准》的限制。升高的原因，也许是去除了原水中的氧化剂。
　　设备出水的碱度、硬度和碳酸氢根皆有所降低，这是由于出水的pH值提高所引起的。
　　电子催化净水设备可以去除多余的钙，但去除量并不大，不至于影响饮用水的有益矿物质的含量。根据青羊宫试验的两次测定进出水中钙离子的数据，进水钙离子分别为35和36 mg/L，出水钙离子分别为35和31 mg/L，最大的去除率仅为11%。
　　2000年11月，将电子催化净水设备的进出水委托华西医科大学公共卫生学院进行了Ames试验，出水未检出致突变性。

5 处理过程

　　运行试验中，通过在设备中各关键位置进行了采取水样和化验分析，证实了原水在设备中的水质变化情况，化验数据见表2，氧化还原电位、pH的变化情况分别参见图5和6。滤罐出水实际上已经是设备的最终出水了，大罐用于贮存设备出水。
　　由图5可以看出，阳极出水的氧化还原电位与进水相比，有非常显著的提高，这是阳极区强烈氧化的效果；经过催化以后，氧化还原电位有显著的下降，但仍显著高于进水，这是由于催化剂分解了阳极出水中的大部分氧化剂；经过阴极处理以后，氧化还原电位又有显著的下降，已经显著低于进水，这是阴极还原的效果。

表2 处理过程中水质变化情况 位置 氧化还原电位（mv） pH IMn（mg/L） 硬度（mg/L） 碳酸氢根（mg/L） 阳极进水 650 7.40 0.37 388 374 阳极出水 1040 7.05 0.47 338 268 阴极进水 800 6.90 0.49 344 276 阴极出水 560 7.75 0.16 378 349 滤罐出水 640 7.60 0.27 360 341 大罐出水 640 7.95 0.13 352 325

　　由图6可以看出，阳极出水的pH值较进水有所下降，这是由于阳极上有氧气逸出，使得阳极区水中氢离子浓度增加引起的；经过催化以后，pH继续下降，这应该是催化分解氧化剂引起的；经过阴极处理以后，pH有很大的提高，显著高于进水，这是由于阴极有氢气泡逸出，使阴极区水中氢离子浓度降低所致。

　　高锰酸钾指数在流程中变化不大。由于所有的高锰酸钾指数值皆低于0.5 mg/L，此时用标准方法已不可能测出，这里是采用分光光度法测定的。
　　硬度和碳酸氢根在流程中变化皆不大，出水略低于进水，这应该是pH值提高引起的。

6 结论与问题

　　小区规模的电子催化饮用水净化成套设备具有良好的消毒能力，能够去除有机污染物、无机还原性物质和氧化性物质、重金属和多余硬度，但同时保留对人体有益的适当的矿物质，特别是能够去除致突变物质和自由基（活性氧），改善生物学指标。该设备的出水正是有益健康的负离子水。电子催化净水设备处理成本低，用途广泛，特别适用于小区分质供水。
　　原水经过电子催化净水设备处理，氧化还原电位有所降低，pH值有所提高，碱度、硬度和碳酸氢根皆略有降低，钙的去除量仅为11%左右，Ames试验未检出致突变性。
　　电子催化净水设备通过运行试验，达到了预期处理效果，但也发现不少问题有待改进和进一步研究。设备流程中水质的变化情况有待进一步长期监测，建议加强对直接影响水质的水中微量有机物质的化验分析。
　　电子催化净水设备是一种采用物理和化学方法处理饮用水的新技术、新设备，有着独特的净水机理和效果，值得进一步深入研究，并在长期生产运行中不断改进。

参考文献
[1]周克钊，饮用水电子催化净水装置，中国专利ZL95242842.3，1995年12月16日。
[2]周克钊，电子催化饮用水净化技术，西南给排水，2000年第2期（总第116期），38～40页。
[3]刘文玉，日本证实负离子水有益健康，新华每日电讯，1997年6月17日，第7版。
[4]刘湘秦译，阳极氧化用于饮水消毒（译自西德《水与污水》1981年第5期），市政工程译文，1983年9月，第394号，北京市市政设计院。
[5]袁晓勤译，用直接电解法进行水的消毒（译自苏联《生物与化学技术》1984年第1期），给水排水，1985年第6期，34-37页。
[6]南京格林三春柳设备厂，电子水处理器，中国专利ZL90212341.6，1990年6月13日。
[7]戴继岚，电子水处理和静电水处理原理与应用（上），给水排水，1992年第1期，57～60页。
[8]戴继岚，电子水处理和静电水处理原理与应用（下），给水排水，1992年第2期，54～57页。
[9]戴继岚，电子水处理器，中国专利ZL92236208.4，1992年10月16日。
[10]戴继岚，家用电子净水器，中国专利ZL92236209.2，1992年10月16日。
[11]陈正林，微型电子水处理器，中国专利ZL93236890.5，1993年5月18日。
[12]Worldwide Technologies, Emerald series water purification systems, 1994.
[13]Worldwide Technologies, Drinking water purification, 1994.
[14]张德胜等，微电解水处理的实验研究，中国给水排水，第14卷，第3期，1998年5月，5～7页。
[15]张德胜等，微电解杀菌器的研制与应用，中国给水排水，第14卷，第5期，1998年9月，4～5页。

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国家“九五”科技攻关96-909-03-03-01子专题