Ph調(diào)節(jié)器,包括ph調(diào)節(jié)器的裝置和調(diào)節(jié)ph值的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明一般涉及家庭用水性質(zhì)的調(diào)節(jié)，尤其涉及pH調(diào)節(jié)器和包括pH調(diào)節(jié)器的家 用電器。
【背景技術(shù)】
[0002] 在過去的幾十年期間，已經(jīng)進(jìn)行了密集的研宄以找到調(diào)節(jié)水的pH值的容易但可 控的方法。水的pH值調(diào)節(jié)的常用方法基本上分為三類：基于化學(xué)添加劑，基于離子交換 (TEX)樹脂和基于電解。通過使用前兩種方法中的任一個(gè)，由于低容量，用戶需要經(jīng)常更換 化學(xué)添加劑或樹脂，并且不能精確地控制pH值?；陔娊獾姆椒ㄊ┘与娏⑺纸獬?2和 H2，在水中留下0H1PH+，從而改變pH值，見表達(dá)式（1)和（2)。
[0003] 2H++2e--H2(陰極）（1)
[0004] 40H- 4e-- 2H20+02 (陽極）（2)
[0005] 基于電解的方法面臨的主要問題是副產(chǎn)品，例如廢水。例如，雖然用戶只需要一定 量的酸性水，相同量的堿性水也將會(huì)產(chǎn)生，并且反之亦然。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 因此，有利的是提供一種新的pH調(diào)節(jié)器和諸如水之類的電解質(zhì)水溶液的pH調(diào)節(jié) 方法，其能夠單向調(diào)節(jié)pH值，而不產(chǎn)生廢水。
[0007] 此外，如果該pH調(diào)節(jié)器是可更新的，以免除用戶不方便維護(hù)是有利的。
[0008] 此外，如果在需要更新之前，pH調(diào)節(jié)器可以處理盡可能多的水將是有利的。
[0009] 此外，如果pH調(diào)節(jié)器不僅可用于減少或增加水的pH值，而且可以兩種方式使用， 將是有利的。
[0010] 根據(jù)一個(gè)實(shí)施例，描述了一種被配置為調(diào)節(jié)電解質(zhì)水溶液的pH值的pH調(diào)節(jié)器， pH調(diào)節(jié)器包括具有陽極和陰極的電解槽，陰極包含法拉第準(zhǔn)電容材料，在pH調(diào)節(jié)器的操作 中，法拉第準(zhǔn)電容材料從陽極獲取電子，并通過與所述陰離子進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)從電解質(zhì)水 溶液中吸附陽離子，在電解質(zhì)水溶液中的or通過失去電子被消耗，從而在電解質(zhì)水溶液中 留下H+;或陽極包含法拉第準(zhǔn)電容材料，并且在pH調(diào)節(jié)器的操作中，法拉第準(zhǔn)電容材料失 去電子并通過與所述陰離子進(jìn)行電化學(xué)反應(yīng)從電解質(zhì)水溶液中吸附陰離子，在電解質(zhì)水溶 液中的H+通過獲取電子在陰極被消耗，從而在電解質(zhì)水溶液中留下0H'
[0011] pH調(diào)節(jié)器還可包括控制器，以控制在電解槽中的電解過程。
[0012] 在下文中，采用自來水作為電解質(zhì)水溶液的例子。然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，其他電解 質(zhì)水溶液，例如蒸餾水、生理鹽水的水溶液或適合于本發(fā)明的實(shí)施例的任何其它水溶液也 可用于本文所描述的目的。例如，如將要進(jìn)一步描述的，根據(jù)本發(fā)明的一些實(shí)施例，含有非 常有限離子的水，例如蒸餾水，也是可行的電解質(zhì)水溶液。
[0013] 在一個(gè)實(shí)施例中，法拉第準(zhǔn)電容材料可包括過渡金屬氧化物（TM0)。如果TM0被包 括在陰極中，在pH調(diào)節(jié)器的操作中，在陰極發(fā)生偽法拉第反應(yīng)，由此與陽離子吸附進(jìn)入TM0 的晶格內(nèi)一起，過渡金屬的氧化狀態(tài)被降低吸附。在陽極或其附近，or失去電子（即被氧 化），以產(chǎn)生H20和02(見表達(dá)式（2))。參照作為對(duì)稱電解的表達(dá)式（1)和（2)的反應(yīng)，在 本段中前述可稱為不對(duì)稱電解，其通過在電極中摻入TM0實(shí)現(xiàn)。因此H+并不像表達(dá)式（1) 一樣被消耗，而是留在水中，溶液的pH值被相應(yīng)地減小。
[0014] 在另一個(gè)實(shí)施例中，如果TM0被包括在陽極內(nèi)，在pH調(diào)節(jié)器的操作中，偽法拉第反 應(yīng)發(fā)生在陽極，由此過渡金屬的氧化狀態(tài)被增強(qiáng)。陽極失去電子，并且在溶液中的陰離子被 TM0吸附。在水中的H+通過在陰極獲得電子被消耗（參見表達(dá)式（1))。在水中的0IT并不 像表達(dá)式（2) -樣在陽極被消耗，而是留在水中，溶液的pH值被相應(yīng)地增加。
[0015] 根據(jù)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例，電解質(zhì)水溶液是自來水。當(dāng)與淋浴房、嬰兒盆、霧化器 (例如便攜式的霧化器）、衛(wèi)生設(shè)備或任何其它適于具有單向pH調(diào)節(jié)器的裝置結(jié)合時(shí)，pH 調(diào)節(jié)器可以處理自來水，以具有pH值調(diào)節(jié)后的水。在一個(gè)實(shí)施例中，pH值調(diào)節(jié)后的水是弱 酸性，其將有利于皮膚護(hù)理，尤其有利于嬰兒皮膚屏障功能的恢復(fù)，這將在下文中進(jìn)一步描 述。自來水中存在的Na+、Mg2+、Ca2+和K+中的任一個(gè)或其任何組合，可以為被TM0吸附的陽 離子的實(shí)施例。
[0016] 在一個(gè)實(shí)施例中，pH調(diào)節(jié)器還包括被配置為獲得與水的pH值有關(guān)的信息的第一 單元，并且控制器被配置成根據(jù)所獲得的信息來控制電解過程，以便將水的pH值調(diào)節(jié)至目 標(biāo)pH值。
[0017] 第一單元可以被形成為pH傳感器或硬度傳感器，其為控制器提供水的pH值，例如 在電解期間的初始pH值和/或瞬時(shí)pH值。如果自來水流入pH調(diào)節(jié)器并以調(diào)節(jié)后的pH值 流出，假定水的流量和初始pH值（通常自來水隨著時(shí)間的過去具有穩(wěn)定的pH值），通過控 制施加到電極對(duì)的電流或電壓，控制器可將水的pH值調(diào)節(jié)至目標(biāo)pH值。如果水被倒入/注 入容器，并以相對(duì)靜止?fàn)顟B(tài)被保持在該容器中直到pH調(diào)節(jié)結(jié)束為止，則假定容器內(nèi)保持的 水的量和初始pH值，目標(biāo)pH值可通過控制以下參數(shù)中的一個(gè)或多個(gè)被實(shí)現(xiàn)：電解時(shí)間（持 續(xù)時(shí)間）、施加到電極對(duì)的電流或電壓，或適合影響電解的任何其他參數(shù)。
[0018] 在一個(gè)實(shí)施例中，所獲得的與水的pH值有關(guān)的信息可包括指示水的初始pH值的 用戶輸入。第一單元可以是用戶接口，諸如小鍵盤、觸摸屏、音頻接收器、照相機(jī)或適于接收 用戶輸入的任何其他元件。應(yīng)該理解的是，用戶輸入可以是精確的pH值，例如7. 5,或其他 信息，基于該信息可以通過pH調(diào)節(jié)器得到供給水的pH值。例如，用戶可輸入水的類型，例 如自來水，然后第一單元基于歷史數(shù)據(jù)確定供給水的初始pH值，例如自來水的pH值的經(jīng)驗(yàn) 值。用戶可以進(jìn)一步將作為附加輸入的地理位置輸入到pH調(diào)節(jié)器，從而pH調(diào)節(jié)器可以基 于由位置指示的特定區(qū)域的自來水的經(jīng)驗(yàn)pH值確定供給水的pH值。
[0019] 因此，只要用戶知道供給水的pH值，或供給水的pH值隨時(shí)間的過去是穩(wěn)定的，pH 調(diào)節(jié)器就能夠獲得供給水的初始pH值，而不具有pH檢測(cè)器。如果出于成本或緊湊性考慮， pH值檢測(cè)器不是優(yōu)選的，這可能是有利的。
[0020] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，TM0被涂覆在基板上或摻雜在基板內(nèi)。該基板可以是 金屬或金屬氧化物，例如，Ti或Ti的MM0(混合金屬氧化物）、不銹鋼、碳材料（例如碳板、 碳紙）、硅基材料（例如玻璃碳材料）。
[0021] 在一些情況下，在電極的基板上的諸如Mn02之類的TM0的涂層對(duì)電解可能是有利 的。Mn02在電極中發(fā)揮的作用是通過充電/放電過程打破正常水電解反應(yīng)之間的平衡，換 句話說，Mn02目的在于不對(duì)稱電解以改變pH值。只要在電極上存在MnO2，在理論上溶液的pH值在電解過程期間將變化。實(shí)際的pH調(diào)節(jié)性能可以通過結(jié)合適當(dāng)量的此02來優(yōu)化。
[0022] 在一個(gè)實(shí)施例中，TM0滿足下述反應(yīng)，
[0023] TMO + A+ + e -TMO A+ ( 3 )
[0024] 其中，TMO代表在電極中的過渡金屬氧化物，A+代表吸附的陽離子并不限于一價(jià)陽 離子，例如H+、Na+或K+，但也可以涵蓋Mg2+、Ca2+、Fe2+或水中的任何其它陽離子，e代表TM0 從陽極得到的電子。
[0025] TM0的替代物包括共軛導(dǎo)電性聚合物（CCP)。CCP被p-摻雜或n-摻雜來獲得導(dǎo) 電性并起法拉第電容的作用。當(dāng)在陰極被使用時(shí)，CCP可以被充電以獲得電子，并且在陰極 表達(dá)式（2)的反應(yīng)將至少部分被抑制，并且因此H+累積?；蛘?，當(dāng)在陽極被使用時(shí)，CCP可 以被放電以失去電子，并且在陽極表達(dá)式（1)的反應(yīng)將至少部分地被抑制，并且因此or累 積。CCP比雙電層電容（EDLC)材料具有更大的比電容，這意味著CCP可以使用更多的電力 被充電和放電，從而導(dǎo)致pH值調(diào)節(jié)的更高能力。
[0026] CCP的例子包括聚吡咯（PPy)。PPy顯示了相對(duì)較高的電容并且在長(zhǎng)時(shí)間使用后保 持穩(wěn)定。
[0027] 在進(jìn)一步的優(yōu)選實(shí)施例中，CCP可以是碳摻雜的PPy。在本實(shí)施例中，碳，例如石墨 烯被摻雜，以形成含有PPy的框架，并且石墨烯改性PPy(GmPPy)被產(chǎn)生。這個(gè)實(shí)施例的優(yōu) 點(diǎn)可以包括：
[0028] 改進(jìn)的比電容：由石墨烯形成的框架可有助于分離PPy，使得PPy的較大部分對(duì)溶 液中的離子可訪問。因此，PPy的更大面積與更多的離子相接觸，以具有更多的法拉第電荷 轉(zhuǎn)移反應(yīng)。以這種方式，通過法拉第電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)可以釋放或儲(chǔ)存更多的電力，并且因此， 與純PPy相比較，該GmPPy顯示出更高的比電容。
[0029] 改進(jìn)的電化學(xué)穩(wěn)定性：電極中的石墨烯形成框架結(jié)構(gòu)，其中PPy不能在大塊電極 基質(zhì)內(nèi)部形成互連網(wǎng)絡(luò)。其結(jié)果是，被認(rèn)為是PPy電極不穩(wěn)定的原因的在充放電循環(huán)期間PPy的溶脹和收縮作用將大大再生，從而改善的電化學(xué)穩(wěn)定性。
[0030] 改進(jìn)的導(dǎo)電性：添加高導(dǎo)電性石墨烯能有效改進(jìn)所得到的GmPPy電極的導(dǎo)電性。
[0031] 在進(jìn)一步優(yōu)選的實(shí)施例中，所述碳摻雜PPy被沉積在所述陰極或所述陽極的多孔 鈦基板上。
[0032] 在本實(shí)施例中，電極的多孔結(jié)構(gòu)增加了PPy和電解質(zhì)水溶液之間的接觸面積，從 而提尚了pH調(diào)節(jié)性能。
[0033] 優(yōu)選地，在控制器的控制下電解槽可以互換電極。通過互換電極，以下可以實(shí)現(xiàn)：
[0034] (a)包括法拉第準(zhǔn)電容材料的電極的更新；
[0035] 作為超級(jí)電容器，雖然包含法拉第準(zhǔn)電容材料的電極具有高的電容，但如果僅被 用于在單一方向上的pH調(diào)節(jié)，例如僅用于增加或僅用于減小pH值，其最高電容仍可達(dá)到。 一些水可以被添加到電解槽，使其能夠進(jìn)行更新。在一個(gè)實(shí)施例中，出口的水可以具有高于 7的pH值，并且可以用于需要堿性環(huán)境的特定應(yīng)用中，或者可替代地作為廢水被處理。
[0036] (b)在逆向方向上的單向pH調(diào)節(jié)，即在pH值遞減后pH值遞增。已經(jīng)證明，堿性水 和酸性水兩者在人們的日常生活和工業(yè)應(yīng)用中都占有一席之地。因此，具有法拉第準(zhǔn)電容 材料電極將是令人興奮的，其在制備酸性水期間至少部分被充電，以被用于制備堿性水，或 反之亦然。在一個(gè)實(shí)施例中，堿性水可用于衛(wèi)生、烹飪、食物清洗等，其同時(shí)更新電極。
[0037] 在一個(gè)實(shí)施例中，提供了一種具有前述pH調(diào)節(jié)器的用于制備經(jīng)pH值調(diào)節(jié)的水的 裝置。此外，該裝置還包括