电解模组的开发及其应用

何凤英 吴艳媚 李焕新

（箭牌家居集团股份有限公司 佛山 528051）

引言

由于自来水中有一定量的余氯，对自来水进行电解，得到具有消毒杀菌作用的次氯酸；通过添加食盐作为电解质，电解产生次氯酸钠，同样可以用于消毒杀菌。电化学法在环境治理方面，由于没有二次污染、设备体积小、易与其他治理技术联用等优点越来越受到人们重视[1]，已广泛用于印染废水中生物难降解的有机物治理[2-4]。

本文通过分析电极片涂层的有效成分，并结合实际电解反应生成的有效氯浓度，筛选出性能较优的电极片材料。通过MiniTab的DOE实验及拟合回归模型分析，建立电解模组有效氯浓度的回归方程，为后续实际使用时电解模组的设计提供参考。最后通过悬液定量法对电解模组及电解水加湿器的杀菌效果进行评价，验证电解水对水体及表面的杀菌性能。

1 实验部分

1.1 试剂与仪器

市供自来水（有效氯浓度（0.25～0.35）mg/L），氯化钠（国药，分析纯），市售电极片，直流电源（华谊电子，HY50-06），自制电解水加湿器。

采用德国场发射扫描电子显微镜镜（FE-SEM；Gemini SEM 300，Zeiss）观察电极片的表面形貌特征；通过德国能量分散光谱仪和扫描电子显微镜（EDS-SEM；Gemini SEM 300，Zeiss）表征分析电极片表面涂层中的元素组成；采用余氯测试仪（哈希，DR300）测试电解后电解水的有效氯浓度。

1.2 电解性能分析

本文中所有电解水实验，所用电极片单片有效面积为3*2 cm2，根据实验设计组装成不同电极片数量的电解模组；电解质分别为市供自来水和自制5 wt‰的氯化钠水水溶液，每次电解的电解质容量为300 mL；电解电压及电解时间，按实验设计要求设置。

1.3 MiniTab 实验设计及分析

使用MiniTab 19 软件中的DOE功能，设计3因子3水平的全因子实验，根据试验设计要求，测试电解模组电解后水体的有效氯浓度，利用拟合回归模型分析，得出回归方程并建立电解模型。DOE试验设计如图1所示。

图1 电解模组DOE实验设计表

根据DOE设计要求，得出27组实验方案，按照实验规划进行测试，得出不同电解参数下电解水的有效氯浓度。

1.4 杀菌性验证

采用悬液定量法对产品的杀菌性进行评价，杀菌效果测试实验，步骤如下：

参照《消毒技术规范2002版》中2.1.1消毒剂杀微生物试验，结合实际使用情况，评价电解水对大肠杆菌8099的杀灭效果：

1）电解后得到电解水，取0.1 mL 菌液与9.9 mL电解水混合，作用10 min，中和剂中和后，测试电解水对大肠杆菌8099的杀菌效果；

阳性对照组为硬水。

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，于生物柜内晾2 h后，取规定量的电解水滴加于陶瓷片上，确保菌面完全被电解水覆盖浸泡，作用10 min后，取20 mL中和剂冲洗陶瓷片，并测试电解水对大肠杆菌8099的杀菌效果；

阳性对照组为晾干后不做任何处理的陶瓷菌片。

参照TCHASA 004-2018《多功能房间空气调节器性能要求和试验方法》，结合实际使用情况，评价电解水加湿器对大肠杆菌8099的杀灭效果：

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，于生物柜内晾2 h后，正面朝下置于离加湿器出风口50 cm处，装有固定有效氯浓度的电解水加湿器启动并作用1 h后，测试加湿器对大肠杆菌8099的杀菌效果；

阳性对照组为晾干后不做任何处理的陶瓷菌片。

2）取0.2 mL 菌液滴加于对叠2次的5 cm*5 cm的中平布上阴干15 min后，用钉子固定于离加湿器出风口50 cm处，装有固定有效氯浓度的电解水加湿器启动并作用1 h后，测试加湿器对大肠杆菌8099的杀菌效果；

阳性对照组为阴干15 min后不做任何处理的中平布。

2 结果与讨论

2.1 电极片成分及电解性能分析

对市售的3款电极片进行形貌及成分分析，其SEM图片如图2所示。

图2 电极片表面SEM形貌图（放大倍数为1 000 倍）

图3 有效氯浓度的回归分析

图4 电解水表面杀菌测试实物图

由SEM结果可知，3款产品的涂层均有不同程度的龟裂，电解反应时，产生的氧气容易通过裂缝与基材钛接触反应，生成氧化钛，降低基材的导电性，从而降低电解模组的性能。

3款电极片的EDS分析如表1所示，根据EDS测试结果可知，目前电解水电极材料一般为Ti基钌-铱氧化物（RuO2-IrO2）涂层材料，部分产品在Ru-Ir涂层中掺杂贵金属铂（Pt）。目前，氧化物的成分主要有SnO2、PbO2、Sb2O5、RuO2、IrO2、MnO2、Ta2O5等，或它们之中两种或两种以上的复合物，而且两元以上的氧化物往往具有更优越的导电性、稳定性及催化活性[5]。Ru的电催化析氧活性高于Ir，但其稳定性差，与Ir形成稳定合金，可提高其活性与稳定性。Pt虽然价格昂贵，但其析氯效果好，导电性、寿命及耐腐蚀性优于Ru-Ir材料，所以部分电解产品中添加少量Pt，提升电解性能。

表1 电极片EDS成分分析表

使用不同供应商的电极片，组装成2电极片的电解模组，进行电解试验，电解电压为12 V，电解时间为1 min，电解质为300 mL的自来水。通过电解后电解水的有效氯浓度，评价电极片的电解性能。电解试验结果如表2所示。

表2 不同供应商电极片电解后有效氯浓度表

表3 不同电解参数下电解水的杀菌性能表

不同成分电极片组成的电解模组，在所设置的电解条件下，电解产生的有效氯浓度相当，掺杂Pt的电极片略优。后续实验将使用商品3（掺杂Pt）电极片进行组装及测试。

2.2 电解参数设计对有效氯的影响

自来水中一般含有一定量的余氯，在电解作用下，余氯发生反应生成次氯酸、Cl2等强氧化性物质，可用于消毒杀菌。电解自来水产生的活性氧化物质的含量，一般用有效氯浓度（ACC）表示。

利用MiniTab进行拟合回归模型分析，得出ACC与电极片数量、电解电压及电解时间的关系式，回归方程较为简洁，模型R-Sq（调整）为95.83 %，模型拟合度较高，误差较小，可以满足实际使用需求。

利用回归方程，并结合ACC与电极片数量、电解电压及电解时间的等值线图，可对电解模组的性能进行预测，或根据实际使用中对ACC的要求，设计电解模组的结构及电参数。

3 电解模组的应用

3.1 电解水对水体的杀菌性能

通过控制电参数，得到不同有效氯浓度的电解水，电解水与菌液作用不同时间，测试其杀菌大肠杆菌的能力。实验结果如表4所示。

表4 不同电解参数下的有效氯浓度及其杀菌性能表

根据测试结果可推测，电解水有效氯浓度大于0.35 mg/L时，短时间内可杀菌水体中的大肠杆菌。有效氯浓度较低时，延长作用时间，杀菌率有所提升，但不能把细菌完全杀灭。

3.2 电解水的表面杀菌性能

通过控制电参数，得到不同有效氯浓度的电解水，将带菌陶瓷片置于装有取设计要求量的电解水的均质袋中，使电解水与带菌陶瓷表面充分接触，作用不同时间，测试电解水的表面杀菌能力。

实验中带菌陶瓷片及电解水与陶瓷片作用的状态如图5所示，实验结果列于表4。

根据测试结果可推测，有效氯浓度（C）、电解水量（V）及作用时间（T），与杀菌率成正相关，应保证有足够的有效氯（C*V）与细菌作用足够长的时间（T），同时应保证有足够的水量，促使电解水渗入带菌层与细菌作用，当有效氯总量较低时，延长杀菌时间，可以提高杀菌率。

3.3 电解水加湿器表面杀菌性能

配制5 wt‰的氯化钠水溶液作为电解质，通过自制加湿器内部的电解模组，控制电解电压及电解时间，得到有效氯浓度约为20 mg/L的电解水。加湿器雾化片的雾化量为（15～30）mL/h，将加湿器和带菌载体置于3 m3的密封舱内，按标准要求放置各部件，启动加湿器作用规定时间后，测试雾化电解水的表面杀菌能力。

实验中带菌陶瓷片，中平布及加湿器的摆放状态如图6所示，实验结果列于表5。

表5 电解水加湿器的表面杀菌性能表

图6 电解水加湿器实验状态图

以氯化钠不电解质，短时间电解即可产生高有效氯浓度的电解水，电解产生的NaClO，稳定性较高，可认为作用过程有效氯浓度基本无下降。

根据测试结果可知，电解水雾气对布片的杀菌性能优于陶瓷片，推测主要原因是因为布片具有一定的吸水性，可延长NaClO与细菌作用时间。总体上说，电解水加湿器的杀菌性能较差，杀菌率与有效氯浓度、水量（总有效氯量）、作用时间强相关，推测电解水雾气到达载体表面的总水量少，总有效氯量少，杀菌动力不足，杀菌率较低。

4 结论与展望

1）通过元素分析，电解水电极片主要为含钌、铱氧化物涂层材料，部分产品添加贵金属铂。

2）运用MiniTab软件，通过DOE实验设计，并进行拟合回归模型分析，得出有效氯浓度的回归方程，其R-sq（调整）为95.83 %，所建模型的拟合度较好。

3）杀菌试验得出，对于水体杀菌，电解水有效氯浓度大于0.35 mg/L时，1 min内对大肠肝菌的杀菌率达99.9 %以上。

4）对于陶瓷表面杀菌，有效氯浓度、电解水量及作用时间均对杀菌率有影响，应保证电解水中有足够的有效氯总量（C*V）与细菌作用，当有效氯总量较低时，延长杀菌时间，可以提高杀菌率。

5）对于自制电解水加湿器，表面杀菌率较低，电解水雾气对布片的杀菌率（55 %）略高于对陶瓷表面的杀菌率（27 %）。

6）电解模组结构简单，电解水对微生物有较好的杀灭功能，无二次污染，安全环保，可根据实际使用场景，合理设计电解结构及电解参数，使电解模组发挥最大的消毒杀菌性能。