技术摘要：
本发明公开了一种阴极氧还原臭氧发生器及其使用方法，包括用于传递H 的质子交换膜，所述质子交换膜一侧设有阳极区，所述质子交换膜另一侧设有阴极区，所述阳极区包括阳极膜渗透电极、设有臭氧输出口及进水孔的第一电解池壳体，所述阴极区包括氧还原阴极膜渗透电极、设  全部
背景技术：
臭氧作为一种强氧化剂，因其氧化能力强，具有较强的杀菌消毒效果，杀菌消毒后 产生氧气，不会产生二次污染，因此在环境保护等领域越来越受到重视。目前，臭氧已经广 泛应用到饮用水处理、医疗用水处理、城市污水处理、食品消毒杀菌、空气净化等各个方面。 然而，由于臭氧容易自分解，不易储存，因此在采用臭氧时，普遍是现制现用。 目前，市场制取臭氧的方法主要分为电晕放电法、紫外线辐射法和固体聚合物膜 (PEM膜)电极低压电解法。其中，PEM膜电极低压电解法是一种新型的电化学方法制备臭氧， 利用直流电源电解含氧电解质，与电晕放电法和紫外线辐射法比较，该方法具有制备臭氧 气体浓度高、不含氮氧化物等致癌物质、制备成本低、膜电极使用寿命长、所采用的直流电 源的电压可以低至3-5伏，安全实用，便于推广、设备安装和维护简单等优点，成为一种最具 市场竞争力的臭氧制备方法。 PEM电解法产出臭氧的原理是采用低压直流导通固态膜电极的正负两极电解去离 子水，水在阳极溶液界面上以质子交换的形式被分离为氢氧分子，氧分子在阳极介面上因 高密度电流产生的电子激发而获得能量，并聚合成臭氧。 一般臭氧发生器阳极采用析氧电位较高的二氧化铅或铂，阴极采用铂或铂碳，如 专利  CN87202205、CN97212224.9等，大部分的研究围绕以纯水为原料的固体电解质臭氧发 生器展开，其构成部件一般包括质子交换膜和两极（阳极、阴极）对应的催化剂、多孔集流 片、导  流板和壳体。从部件功能离散化学角度考虑，将电催化活性材料与粘结材料（如 PTFE）混合，压制成单独的催化剂片，与独立的阳离子交换膜、多孔集流片、导流板及防腐片 等一起构成臭氧发生器，可方便和规范生产制造过程，如专利C N 9 7 1 2 2 1 2 6、 CN200680051679；从功能集成角度考虑，将催化剂层通过电镀、沉积的方法结合到导电透水 基体上，然后要两片电极间设置质子交换膜，可构成臭氧发生器，以实现构成部件的集成 化，如专利CN01126593、  CN200610138715；专利CN200520113829还提出在电解质膜和多孔 板之间采用自由铺放形式放置催化剂颗粒的阳极结构，期望能够便于加工和组装臭氧发生 器。 现有技术中，大部分低压点解式臭氧发生器析氢阴极使得氢从阴极溶液界面上直 接被排放，如授权公告号CN108411331B的中国发明专利，公开了一种低压电解臭氧发生器 的膜电极组件及其制备方法，虽提高臭氧产生效率，然而实际使用中其排出的氢气产生可 能存在的安全隐患，因此急需一种臭氧发生器产生臭氧的同时避免产生氢气，消除安全隐 患。 3 CN 111575734 A 说　明　书 2/6 页
技术实现要素：
本发明提供一种阴极氧还原臭氧发生器及其使用方法，避免产生氢气，消除安全 隐患。 为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是，提供一种阴极氧还原臭氧发生 器，包括用于传递H 的质子交换膜，所述质子交换膜一侧设有阳极区，所述质子交换膜另一 侧设有阴极区，所述阳极区包括阳极膜渗透电极、设有臭氧输出口及进水孔的第一电解池 壳体，所述阴极区包括氧还原阴极膜渗透电极、设有氧气输入口及排水孔的第二电解池壳 体，电解池的壳体材质为聚丙烯、聚四氟乙烯、偏氟乙烯、环氧树脂、硅橡胶、  氟橡胶、亚克 力、不锈钢、钛中的一种或几种，臭氧发生器外形可以为平板式，管式包括通道管式或螺旋 卷式，膜渗透电极和质子交换膜等部件的外形可以为圆形、多边形、环形、曲面形或不规则 形，所述阳极区发生的反应为：3H O→O ＋6e-＋6H 2 3   和/或2H - 2O→O2＋4e ＋4H ，所述阴极区 发生的反应为：O2＋4e-＋4H   →2H2O，水从阳极区进水孔通入，在阳极被电解产生O3，由上端 的臭氧输出口排出，H 通过质子交换膜进入阴极区，与通过风扇排入的空气中的O2发生氧还 原反应生成H2O，水通过排水孔排出，阴极选择氧还原阴极，可避免产生氢气，消除实际使用 中产生氢气可能存在的安全隐患。 优选地，所述氧还原阴极膜渗透电极包括阴极催化剂膜，所述阴极催化剂为铂钌 碳，所述阴极催化剂膜由阴极催化剂利用化学气相沉积法沉积在微孔板而制得。 优选地，所述阳极膜渗透电极包括阳极催化剂膜，所述阳极催化剂为二氧化铅，所 述阳极催化剂膜由阳极催化剂利用化学气相沉积法沉积在微孔板而制得。 优选地，所述微孔板的材料包括不锈钢、钛、银、铂、铁、镍、金、铅、钌、铱、钽、锡、 锑、石墨、活性碳、碳纤维中的一种或几种。 优选地，所述阳极膜渗透电极包括第一磁性纳米纤维膜，所述阳极催化剂膜夹设 于所述第一磁性纳米纤维膜与所述质子交换膜之间。 优选地，所述阴极膜渗透电极包括第二磁性纳米纤维膜，所述阴极催化剂膜夹设 于所述第一磁性纳米纤维膜与所述质子交换膜之间。 本方案中，质子交换膜配合阴阳两极膜渗透电极的多孔结构，保证液、固两相充分 接触的情况下迅速地将生成的气相转移出去，降低气体发生部位的电阻，第一磁性纳米纤 维膜和第二磁性纳米纤维膜之间会产生磁力，有利于阳极催化剂膜和阴极催化剂膜附着在 质子交换膜上，使催化剂不易脱落散失，延长了使用寿命，同时，若催化剂采用了铂等贵金 属时，减少催化剂的脱落散失还能大大降低使用成本，减少浪费；若催化剂采用了二氧化铅 等有毒物质时，能够减少甚至避免二氧化铅等脱落进入水中，避免环境污染等。 优选地，所述微孔板与所述第一电解池壳体或第二电解池壳体之间设有用于连接 电源的导通板，起到稳固电极和通电导体的作用，当然也可以是不设置导通板而将电源直 接与阳极膜渗透电极、 阴极膜渗透电极相导通的。 优选地，所述氧气输入口至少为2个，其中至少一个氧气输入口连通充气机，至少 一个氧气输入口连接气压缓冲袋，所述氧气输入口呈矩形阵列分布于所述第二电解池壳体 中部，保证氧气的充分和均匀的供给，让透过质子交换膜的H 得以充分消耗，气压缓冲袋避 免输入氧气过量导致电池壳体内气压过大而破坏阳极渗透电极或质子交换膜。 优选地，所述氧气输入口通过单向阀连通充气机，避免气体回流至充气机。 4 CN 111575734 A 说　明　书 3/6 页 还提供一种阴极氧还原臭氧发生器的使用方法，包括以下步骤： S1.由阳极区的进水孔加入电解液水，由阴极区的氧气输入口输入氧气，接通电源，电 解电压为3-5V，电解10-20min； S2.由阳极区的臭氧输出口收集臭氧，由阴极区的排水孔收集阴极产物水。 本方案的具体反应历程为：水从阳极区进水孔通入，在阳极被电解产生O3，由上端 的臭氧输出口排出，H 通过质子交换膜进入阴极区，与通过充气机充入的空气和/或O2发生 氧还原反应生成H2O，产物水通过排水孔排出。 本方案的有益效果为： 1.  阴极区采用氧还原阴极，通过充气机向氧气输入口输送氧气与H 反应成水，避免产 生氢气，消除实际使用中的安全隐患； 2.  氧气输入口呈矩阵分布于所述第二电解池壳体中部，保证氧气的充分和均匀的供 给，让透过质子交换膜的H 得以充分消耗； 3.  质子交换膜配合阴阳两极膜渗透电极的多孔结构，保证液、固两相充分接触的情况 下迅速地将生成的气相转移出去，降低气体发生部位的电阻。 附图说明 图1为阴极氧还原臭氧发生器的结构示意图； 图2为质子交换膜、阳极膜渗透电极、阴极膜渗透电极的侧向爆炸图； 图3为第一电池壳体的右视图； 图4为第二电池壳体的左视图； 图中：1、质子交换膜；2、阳极区；3、阴极区；21、阳极膜渗透电极；22、臭氧输出口；23、进 水孔；24、第一电解池壳体；31、氧还原阴极膜渗透电极；32、氧气输入口；33、排水孔；34、第 二电解池壳体；311、阴极催化剂膜；211、阳极催化剂膜；212、第一磁性纳米纤维膜；312、第 二磁性纳米纤维膜；4、导通板；5、充气机；6、气压缓冲袋；7、单向阀。