、5、10、20odH等）和碳酸鹽硬度（例如5、10、20okH等）的pH值與流速的關(guān)系的標 準校準曲線。在用戶能夠使用該機器用于生產(chǎn)具有期望的pH的水之前，供給水的硬度和碳 酸鹽硬度的試驗是需要的，并且該裝置可以使用實際數(shù)據(jù)找到合適的校準曲線，該裝置從 該校準曲線改變流速以實現(xiàn)pH控制。
[0098] 因此，假定水的流速（通過流速計或用戶輸入），水量（通過加權(quán)或通過用戶輸 入）和水3的初始pH對pH調(diào)節(jié)器1是已知的，合適的處理時間、電流/電壓可以通過使用 已知參數(shù)檢查曲線來確定。制作曲線的示范過程在實驗結(jié)果中被描述。在本發(fā)明的實施例 中，曲線可以通過制造商得到并預(yù)裝到pH調(diào)節(jié)器內(nèi)，所以最終用戶不必麻煩去做。
[0099] 在本發(fā)明的一個實施例中，用戶輸入還可以包括裝置的地理位置，其可以可替代 被確定是否pH調(diào)節(jié)器或與pH調(diào)節(jié)器通信的裝置具有在其中啟動的定位功能。并且地理位 置有時鏈接到包括初始pH的水性質(zhì)，特別是對于自來水，并且因此水3的初始pH可通過第 一單元4基于用戶輸入來估計/確定。
[0100] 在一些更高級的實施例中，pH調(diào)節(jié)器1可以連接到內(nèi)聯(lián)網(wǎng)或互聯(lián)網(wǎng)，其中可以從 專業(yè)的數(shù)據(jù)源，例如給水裝置，得到水3的更精確初始pH，在這種情況下，第一單元4可以包 括通信單元，其能夠與用戶家中或辦公室中的網(wǎng)絡(luò)裝置，諸如網(wǎng)關(guān)或路由器通信。
[0101] 圖5示出了用于根據(jù)本發(fā)明的一個實施例制備經(jīng)pH調(diào)節(jié)的水的裝置。在一個實 施例中，裝置5包括pH調(diào)節(jié)器，例如，如圖2所示，和第二單元51，該第二單元51與pH調(diào)節(jié) 器液體連接并被配置為分配經(jīng)pH調(diào)節(jié)的水。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該明白，在不同的情況下， 圖2或圖3中所示的實例可以在裝置5中被采用以用于pH調(diào)節(jié)。通常，裝置5設(shè)有入水口 51、水箱52、pH調(diào)節(jié)器53、出水口 54、溫度調(diào)節(jié)器55和控制器56?？刂破?6與溫度調(diào)節(jié) 器55和pH調(diào)節(jié)器53通信連接。在一個實施例中，水箱52可被用作在其中進行電解過程 的pH調(diào)節(jié)器53的腔室。溫度調(diào)節(jié)器55與出水口 54導(dǎo)熱連接，因此可在分配之前將水加 熱或冷卻。上述第一單元可以并入控制器56中或單獨安裝到裝置5。應(yīng)該理解的是，圖5 是裝置5的說明性視圖，并且可以示出可選元件，例如溫度調(diào)節(jié)器55,因此圖5不應(yīng)被視為 嚴格排他的，替代方案也是可行的。
[0102] 在上述實施例中，過渡金屬氧化物被用作法拉第準電容材料的一個例子，以為陰 極或陽極提供超電容，從而抑制在兩個電極中的一個處的水電解。在一個替代實施例中，共 軛導(dǎo)電性聚合物可以被用于替代過渡金屬氧化物。以下描述將闡明本替代實施例。
[0103] 共軛導(dǎo)電性聚合物（CCP)是由于31共軛主鏈的存在能夠?qū)щ姷挠袡C聚合物。聚 吡咯（PPy)是在最近的幾十年中最常使用的CCP之一。PPy可以被P-摻雜或n-摻雜來獲 得導(dǎo)電性并用作法拉第電容。PPy的充電和放電原理與TMO類似，也是基于與離子的電化學(xué) 反應(yīng)。共軛導(dǎo)電性聚合物的細節(jié)對本領(lǐng)域技術(shù)人員是公知的，因此不進一步描述。
[0104] 為了增加比電容和穩(wěn)定性，在一個優(yōu)選實施例中，碳被摻雜到聚吡咯中。例如，石 墨烯被用于改性聚吡咯。下面的實施例給出了產(chǎn)生石墨烯改性聚吡咯（簡稱GmPPy)的一 個解決方案。
[0105] GmPPy電極可通過使用循環(huán)伏安法（CV)在基板上的PPy和石墨稀的容易的一步原 位電沉積來制備?；鍍?yōu)選是多孔鈦基板，以改善電極的穩(wěn)定性并增加電極和電解質(zhì)水溶 液之間的接觸。實驗裝備示于圖6中。三電極系統(tǒng)被用于制造，其中多孔Ti板被作為工作 電極60,正常的鈦電極被作為反電極62,并且飽和甘汞電極（SCE)被作為參考電極64。含 有石墨稀粉末、吡咯單體并摻雜陰離子的含水懸浮液66 (例如H2S04)被使用，并且CHI760C 電化學(xué)工作站被用來為CV電沉積提供電力。需要指出的是，上述實驗裝備僅僅是一個例 子，本領(lǐng)域技術(shù)人員將能夠設(shè)計處制造GmPPy電極的其他工業(yè)化解決方案。
[0106] 并且圖7描繪了GmPPy的微觀結(jié)構(gòu)的示意圖，其中G代表由石墨稀形成的網(wǎng)狀框 架，陰影部分代表PPy。
[0107] 下面的實驗將闡明GmPPy電極的電化學(xué)特性。如上所述并如圖6所示，GmPPy電 極經(jīng)由采用循環(huán)伏安法（CV)原位電沉積吡咯（PY)和石墨烯到鈦板上被合成。掃描速度被 設(shè)定為250mV/s，電壓范圍為0-1. 25V，并且200個循環(huán)被重復(fù)用于制造。具有28%、49%和 66% (以重量計）PPy百分比的三個不同GmPPy電極被制備（比率是由Py與溶劑中的石墨 稀的起始比率確定的）。
[0108] GmPPy電極的電化學(xué)特性由CV采用100mV/s的掃描速率進行測量。如圖8A所示， P.代表電勢，CD.代表電流密度，80表示28 %PPy，82代表49 %PPy并且84代表66 %PPy。 GmPPy電極的比電容通過整合由CV曲線包圍的區(qū)域進行計算。測量結(jié)果表明，GmPPy電極 的比電容（SC)對于28 %PPy為57F/g，對于49 %PPy為107F/g和對于66 %PPy為178F/ g。在我們以前的實驗中，純PPy電極已被制備，并且SC經(jīng)計算為大約15F/g，與純PPy電極 相比，其表示一種改進的GmPPy電極的SC(5至10倍大）。
[0109] 在如圖8B所示的100個充電-放電循環(huán)后，通過比較SC估計電化學(xué)穩(wěn)定性。N.代 表循環(huán)數(shù)，SC代表比電容。如實驗結(jié)果所表明的，GmPPy電極可以保持在第一個循環(huán)測量 的其初始SC的約50%。具體地講，具有28%PPy比率的GmPPy保持初始SC的40. 2%，具 有48 %PPy比率的GmPPy保持57. 2 %，具有66 %PPy比率的GmPPy保持56. 5 %。對比純 PPy電極，在相同的測定條件下，在我們的測試中其保持小于40%的其初始SC，在長期穩(wěn)定 性方面，具有各種石墨烯比率的GmPPy電極具有相對較好的性能。在500次循環(huán)后，GmPPy 電極仍然可以保持初始SC的約30%。這表明，通過GmPPy電極中石墨烯的改性，電化學(xué)穩(wěn) 定性可以得到改善。綜上所述，與純PPy電極相比，由于石墨稀框架的存在，GmPPy具有幾 個優(yōu)點：
[0110] ?改進比電容：由石墨烯形成的框架可有助于分離PPy，使得更大比率的PPy可訪 問溶液中的離子。用于增強的法拉第電荷轉(zhuǎn)移反應(yīng)的從溶液中到活性位點的該有效電解質(zhì) 轉(zhuǎn)運會導(dǎo)致GmPPy與純PPy相比更高的比電容。
[0111] ?改進的電化學(xué)穩(wěn)定性：電極中的石墨稀部分將形成框架結(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，從而導(dǎo)致改善的電化學(xué)穩(wěn)定性。
[0112] ?改進的電導(dǎo)率：添加高導(dǎo)電性石墨烯能有效提高所得的GmPPy電極的導(dǎo)電性。
[0113] 其結(jié)果是，石墨烯和PPy的協(xié)同效應(yīng)使得GmPPy電極適合于pH值調(diào)節(jié)應(yīng)用中的長 期超級電容器。
[0114] 圖9A示出了使用GmPPy作為陽極的pH調(diào)節(jié)器9的示意性結(jié)構(gòu)。直流電源90被 用來為pH調(diào)節(jié)器提供所需的電力。陽極92具有GmPPy材料，并且陰極94具有MM0材料。 在電解過程期間，GmPPy將由于其超級電容器特性通過失去電子被放電。同時，溶液中的陰 離子將被GmPPy陽極92吸附。通過這樣做，消耗OF的氧化還原反應(yīng)在GmPPy陽極92將被 抑制。在陰極94處，消耗H+的氧化還原反應(yīng)仍然發(fā)生，并且產(chǎn)生氫氣112。因此，本實施例 打破了H+和0『之間原有的平衡，從而導(dǎo)致pH上升和堿性水96。在這種情況下，GmPPy至 少部分被提前充電。
[0115] 圖9B示出了使用GmPPy作為陰極的pH調(diào)節(jié)器9的示意性結(jié)構(gòu)。直流電源90被 用來為pH調(diào)節(jié)器提供所需的電力。陽極92具有MM0材料，陰極94具有GmPPy材料。在電 解過程期間，GmPPy將由于其超級電容器特性通過獲取電子被充電。同時，溶液中的陽離子 將被GmPPy陰極94吸附。這樣，消耗H+的氧化還原反應(yīng)在GmPPy陰極94將被抑制。在陽 極92處，消耗OF的氧化還原反應(yīng)仍發(fā)生并生成氧氣0 2。該實施例打破了H+和OIT之間原 有的平衡，從而導(dǎo)致pH下降和酸性水98。在這種情況下，GmPPy至多部分被提前充電。
[0116] 類似于上述實施例，調(diào)節(jié)器9可以被配置為使得陰極和陽極是可互換的，從而法 拉第準電容材料可以根據(jù)溶液的pH需要被減小或增大，用作陰極和陽極中的任一個。
[0117] 為了測試GmPPy電極的pH調(diào)節(jié)能力，在電解硫酸鈉水溶液（EC= 520ys/cm)中， GmPPy電極（49%PPy)被用作一個電極，以及MM0被用作另一個電極。電解質(zhì)溶液的總體 積為150毫升，并且用于電解施加的電壓為30V。GmPPy作為陽極和作為陰極的結(jié)果分別在 圖10A和圖10B，以及下面的表1中被示出。
[0118] 表 1
[0120] 根據(jù)pH調(diào)節(jié)的實際要求，控制器可為電解確定下列參數(shù)：
[0121] 電解時間-液體與電極的接觸時間越長，越多的OF陰離子或H+陽離子被產(chǎn)生，這 意味著越低或越高的pH可以被實現(xiàn)；
[0122] 電流/電壓-增加電流/電壓將增加電極和溶液之間的電子轉(zhuǎn)移速度，從而增加 011_或11 +離子的產(chǎn)生率。
[0123] 此外，pH調(diào)節(jié)器的下列特性可以影響電解的性能，而這些特性應(yīng)在設(shè)計pH調(diào)節(jié)器 時進彳T考慮：
[0124] 電極材料的導(dǎo)電率-電極的更高EC將增加OF或H+離子的產(chǎn)生率，反之亦然；
[0125] 電極的表面面積-增加的電極表面積將提高OF或H+離子的產(chǎn)生率，反之亦然；
[0126] 此外，供給水的性質(zhì)也會影響pH調(diào)節(jié)器的性能。具有高碳酸鹽硬度的供給水將具 有更大的緩沖作用，即與所產(chǎn)生的H+或0IT反應(yīng)，并導(dǎo)致更小的pH值變化；具有低碳酸鹽硬 度的供給水將有較少的緩沖作用，從而導(dǎo)致更大的pH值變化。因此，在pH調(diào)節(jié)器中，電解 時間、電流/電壓、電極的電導(dǎo)率和電極的表面積，可以進一步根據(jù)目標市場地區(qū)/國家的 水的碳酸鹽硬度來優(yōu)化。可替代地，pH值調(diào)節(jié)器還包括檢測器，用于檢測供給水的硬度，并 且控制器根據(jù)所檢測的硬度控制電解時間和電流/電壓。
[0127] 如進一步所描述的，裝置5可以體現(xiàn)為以下各種實施例。
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