電解模組的開發及其應用

何鳳英 吳艷媚 李煥新

（箭牌家居集團股份有限公司 佛山 528051）

引言

由于自來水中有一定量的余氯，對自來水進行電解，得到具有消毒殺菌作用的次氯酸；通過添加食鹽作為電解質，電解產生次氯酸鈉，同樣可以用于消毒殺菌。電化學法在環境治理方面，由于沒有二次污染、設備體積小、易與其他治理技術聯用等優點越來越受到人們重視[1]，已廣泛用于印染廢水中生物難降解的有機物治理[2-4]。

本文通過分析電極片涂層的有效成分，并結合實際電解反應生成的有效氯濃度，篩選出性能較優的電極片材料。通過MiniTab的DOE實驗及擬合回歸模型分析，建立電解模組有效氯濃度的回歸方程，為后續實際使用時電解模組的設計提供參考。最后通過懸液定量法對電解模組及電解水加濕器的殺菌效果進行評價，驗證電解水對水體及表面的殺菌性能。

1 實驗部分

1.1 試劑與儀器

市供自來水（有效氯濃度（0.25～0.35）mg/L），氯化鈉（國藥，分析純），市售電極片，直流電源（華誼電子，HY50-06），自制電解水加濕器。

采用德國場發射掃描電子顯微鏡鏡（FE-SEM；Gemini SEM 300，Zeiss）觀察電極片的表面形貌特征；通過德國能量分散光譜儀和掃描電子顯微鏡（EDS-SEM；Gemini SEM 300，Zeiss）表征分析電極片表面涂層中的元素組成；采用余氯測試儀（哈希，DR300）測試電解后電解水的有效氯濃度。

1.2 電解性能分析

本文中所有電解水實驗，所用電極片單片有效面積為3*2 cm2，根據實驗設計組裝成不同電極片數量的電解模組；電解質分別為市供自來水和自制5 wt‰的氯化鈉水水溶液，每次電解的電解質容量為300 mL；電解電壓及電解時間，按實驗設計要求設置。

1.3 MiniTab 實驗設計及分析

使用MiniTab 19 軟件中的DOE功能，設計3因子3水平的全因子實驗，根據試驗設計要求，測試電解模組電解后水體的有效氯濃度，利用擬合回歸模型分析，得出回歸方程并建立電解模型。DOE試驗設計如圖1所示。

圖1 電解模組DOE實驗設計表

根據DOE設計要求，得出27組實驗方案，按照實驗規劃進行測試，得出不同電解參數下電解水的有效氯濃度。

1.4 殺菌性驗證

采用懸液定量法對產品的殺菌性進行評價，殺菌效果測試實驗，步驟如下：

參照《消毒技術規范2002版》中2.1.1消毒劑殺微生物試驗，結合實際使用情況，評價電解水對大腸桿菌8099的殺滅效果：

1）電解后得到電解水，取0.1 mL 菌液與9.9 mL電解水混合，作用10 min，中和劑中和后，測試電解水對大腸桿菌8099的殺菌效果；

陽性對照組為硬水。

2）取0.2 mL 菌液滴加于陶瓷片上，涂布成1.5 cm* 1.5 cm大小的菌面，于生物柜內晾2 h后，取規定量的電解水滴加于陶瓷片上，確保菌面完全被電解水覆蓋浸泡，作用10 min后，取20 mL中和劑沖洗陶瓷片，并測試電解水對大腸桿菌8099的殺菌效果；

陽性對照組為晾干后不做任何處理的陶瓷菌片。

參照TCHASA 004-2018《多功能房間空氣調節器性能要求和試驗方法》，結合實際使用情況，評價電解水加濕器對大腸桿菌8099的殺滅效果：

1）取0.2 mL 菌液滴加于陶瓷片上，涂布成1.5 cm* 1.5 cm大小的菌面，于生物柜內晾2 h后，正面朝下置于離加濕器出風口50 cm處，裝有固定有效氯濃度的電解水加濕器啟動并作用1 h后，測試加濕器對大腸桿菌8099的殺菌效果；

陽性對照組為晾干后不做任何處理的陶瓷菌片。

2）取0.2 mL 菌液滴加于對疊2次的5 cm*5 cm的中平布上陰干15 min后，用釘子固定于離加濕器出風口50 cm處，裝有固定有效氯濃度的電解水加濕器啟動并作用1 h后，測試加濕器對大腸桿菌8099的殺菌效果；

陽性對照組為陰干15 min后不做任何處理的中平布。

2 結果與討論

2.1 電極片成分及電解性能分析

對市售的3款電極片進行形貌及成分分析，其SEM圖片如圖2所示。

圖2 電極片表面SEM形貌圖（放大倍數為1 000 倍）

圖3 有效氯濃度的回歸分析

圖4 電解水表面殺菌測試實物圖

由SEM結果可知，3款產品的涂層均有不同程度的龜裂，電解反應時，產生的氧氣容易通過裂縫與基材鈦接觸反應，生成氧化鈦，降低基材的導電性，從而降低電解模組的性能。

3款電極片的EDS分析如表1所示，根據EDS測試結果可知，目前電解水電極材料一般為Ti基釕-銥氧化物（RuO2-IrO2）涂層材料，部分產品在Ru-Ir涂層中摻雜貴金屬鉑（Pt）。目前，氧化物的成分主要有SnO2、PbO2、Sb2O5、RuO2、IrO2、MnO2、Ta2O5等，或它們之中兩種或兩種以上的復合物，而且兩元以上的氧化物往往具有更優越的導電性、穩定性及催化活性[5]。Ru的電催化析氧活性高于Ir，但其穩定性差，與Ir形成穩定合金，可提高其活性與穩定性。Pt雖然價格昂貴，但其析氯效果好，導電性、壽命及耐腐蝕性優于Ru-Ir材料，所以部分電解產品中添加少量Pt，提升電解性能。

表1 電極片EDS成分分析表

使用不同供應商的電極片，組裝成2電極片的電解模組，進行電解試驗，電解電壓為12 V，電解時間為1 min，電解質為300 mL的自來水。通過電解后電解水的有效氯濃度，評價電極片的電解性能。電解試驗結果如表2所示。

表2 不同供應商電極片電解后有效氯濃度表

表3 不同電解參數下電解水的殺菌性能表

不同成分電極片組成的電解模組，在所設置的電解條件下，電解產生的有效氯濃度相當，摻雜Pt的電極片略優。后續實驗將使用商品3（摻雜Pt）電極片進行組裝及測試。

2.2 電解參數設計對有效氯的影響

自來水中一般含有一定量的余氯，在電解作用下，余氯發生反應生成次氯酸、Cl2等強氧化性物質，可用于消毒殺菌。電解自來水產生的活性氧化物質的含量，一般用有效氯濃度（ACC）表示。

利用MiniTab進行擬合回歸模型分析，得出ACC與電極片數量、電解電壓及電解時間的關系式，回歸方程較為簡潔，模型R-Sq（調整）為95.83 %，模型擬合度較高，誤差較小，可以滿足實際使用需求。

利用回歸方程，并結合ACC與電極片數量、電解電壓及電解時間的等值線圖，可對電解模組的性能進行預測，或根據實際使用中對ACC的要求，設計電解模組的結構及電參數。

3 電解模組的應用

3.1 電解水對水體的殺菌性能

通過控制電參數，得到不同有效氯濃度的電解水，電解水與菌液作用不同時間，測試其殺菌大腸桿菌的能力。實驗結果如表4所示。

表4 不同電解參數下的有效氯濃度及其殺菌性能表

根據測試結果可推測，電解水有效氯濃度大于0.35 mg/L時，短時間內可殺菌水體中的大腸桿菌。有效氯濃度較低時，延長作用時間，殺菌率有所提升，但不能把細菌完全殺滅。

3.2 電解水的表面殺菌性能

通過控制電參數，得到不同有效氯濃度的電解水，將帶菌陶瓷片置于裝有取設計要求量的電解水的均質袋中，使電解水與帶菌陶瓷表面充分接觸，作用不同時間，測試電解水的表面殺菌能力。

實驗中帶菌陶瓷片及電解水與陶瓷片作用的狀態如圖5所示，實驗結果列于表4。

根據測試結果可推測，有效氯濃度（C）、電解水量（V）及作用時間（T），與殺菌率成正相關，應保證有足夠的有效氯（C*V）與細菌作用足夠長的時間（T），同時應保證有足夠的水量，促使電解水滲入帶菌層與細菌作用，當有效氯總量較低時，延長殺菌時間，可以提高殺菌率。

3.3 電解水加濕器表面殺菌性能

配制5 wt‰的氯化鈉水溶液作為電解質，通過自制加濕器內部的電解模組，控制電解電壓及電解時間，得到有效氯濃度約為20 mg/L的電解水。加濕器霧化片的霧化量為（15～30）mL/h，將加濕器和帶菌載體置于3 m3的密封艙內，按標準要求放置各部件，啟動加濕器作用規定時間后，測試霧化電解水的表面殺菌能力。

實驗中帶菌陶瓷片，中平布及加濕器的擺放狀態如圖6所示，實驗結果列于表5。

表5 電解水加濕器的表面殺菌性能表

圖6 電解水加濕器實驗狀態圖

以氯化鈉不電解質，短時間電解即可產生高有效氯濃度的電解水，電解產生的NaClO，穩定性較高，可認為作用過程有效氯濃度基本無下降。

根據測試結果可知，電解水霧氣對布片的殺菌性能優于陶瓷片，推測主要原因是因為布片具有一定的吸水性，可延長NaClO與細菌作用時間。總體上說，電解水加濕器的殺菌性能較差，殺菌率與有效氯濃度、水量（總有效氯量）、作用時間強相關，推測電解水霧氣到達載體表面的總水量少，總有效氯量少，殺菌動力不足，殺菌率較低。

4 結論與展望

1）通過元素分析，電解水電極片主要為含釕、銥氧化物涂層材料，部分產品添加貴金屬鉑。

2）運用MiniTab軟件，通過DOE實驗設計，并進行擬合回歸模型分析，得出有效氯濃度的回歸方程，其R-sq（調整）為95.83 %，所建模型的擬合度較好。

3）殺菌試驗得出，對于水體殺菌，電解水有效氯濃度大于0.35 mg/L時，1 min內對大腸肝菌的殺菌率達99.9 %以上。

4）對于陶瓷表面殺菌，有效氯濃度、電解水量及作用時間均對殺菌率有影響，應保證電解水中有足夠的有效氯總量（C*V）與細菌作用，當有效氯總量較低時，延長殺菌時間，可以提高殺菌率。

5）對于自制電解水加濕器，表面殺菌率較低，電解水霧氣對布片的殺菌率（55 %）略高于對陶瓷表面的殺菌率（27 %）。

6）電解模組結構簡單，電解水對微生物有較好的殺滅功能，無二次污染，安全環保，可根據實際使用場景，合理設計電解結構及電解參數，使電解模組發揮最大的消毒殺菌性能。