近年来，搭载电解水技术的各类产品在市场上纷纷涌现，如电解水马桶、电解水空气净化器、电解水扫地机器人等，在后疫情时代，这些产品备受关注。

家电产品搭载电解水杀菌技术，提高差异化竞争能力！（点击图片查看原文）

即便都称之为“电解水技术”，但是其中却有诸多不同！尤其是当电解质为自来水时，其中溶解有上百种物质，包含氯离子、钙离子、镁离子、钾离子、溶解氧、硫酸盐等微量的矿物质。同时，水在电解过程也会因电极材料、电解条件、水溶液电导率等差异，电解产物和产生量也不尽相同。

本文按电解过程的几种主要产物，简要阐述电解过程可能发生的各类反应及其原理……

注：本文主要介绍由自来水作为电解质的无隔膜电解技术，隔膜电解技术和添加各类电解质的技术在后续内容中介绍。

不同类型电解质的电解规律

电解(electrolysis)是将电流通过电解质溶液，在阴极和阳极上引起氧化还原反应的过程。

在阴极上发生还原反应的是溶液中的阳离子。当溶液中存在多种阳离子时，按金属活动性顺序，越不活泼的金属，其阳离子的氧化性越强，越容易被还原。在水溶液中，铝之前的金属的阳离子不可能被还原。

表1 不同类型电解质的电解规律

当电极材料为惰性电极时，阴极：氧化性强的阳离子得电子被还原，发生还原反应。

阳离子得电子由易到难的顺序是：

Ag+＞Hg⁺＞Cu²⁺＞H⁺＞Pb²⁺＞Fe²⁺＞Zn²⁺＞Al³⁺＞Mg²⁺＞Na⁺

红色部分在水溶液中基本不析出，不参加反应。

阳极：还原性较强的阴离子失电子被氧化，发生氧化反应。

S^2-＞I^-＞Br^-＞Cl^-＞OH^-＞含氧酸根

了解了不同电解质溶液时的电解产物和电解原理，便更容易理解自来水电解过程可能发生的反应类型。下文简要介绍自来水在电解过程最常见的几种反应：

一、电解产活性氯反应

活性氯是Cl₂ 、HClO 和ClO^－ 三种形式的总和，HClO 和ClO^－ 的比例由电解质溶液的pH 值决定 。自来水中都会含有一定量的氯离子，一方面其来自于矿物质的溶解，另外一部分来自于加氯消毒带来的氯离子。

当含Cl^－的自来水被电解时，阳极产生次氯酸或次氯酸盐，并伴随着析氧副反应的发生。Cl^－在阳极被氧化生成Cl₂ （式1），Cl₂ 溶于水生成次氯酸和盐酸（式2），次氯酸和次氯酸盐之间存在着动态平衡（式3） ，两者的相对含量因电解质溶液的pH 值而异。活性氯的杀菌效果则取决于原子氧的释放量（式4 ，5），电解产生活性氯所消耗的Cl^－通过杀菌过程得到再生。

阳极反应：

2Cl^－ → Cl₂ ＋ 2e^－                 （1）

Cl₂ ＋ H₂O → HClO ＋ HCl      （2）

HClO〈==〉ClO^－ ＋ H^＋         （3）

HClO → O ＋ Cl^－ ＋ H^＋         （4）

ClO－ → O ＋ Cl^－                   （5）

阴极反应：

2H⁺ + 2e^- → H₂↑                      （6）

由于自来水中氯离子的含量相对有限（《GB5749-2022生活饮用水卫生标准》中氯化物限量值≤250mg/L），且自来水的电导率相对较低（一般自来水的电导率介于125~1250 μs/cm之间），因此电解过程产生的活性氯也相对较低，一般不超过10mg/L。

二、电解产氢反应

水电解制氢是指水分子在直流电作用下被解离生成氧气和氢气，分别从电解槽阳极和阴极析出。

酸性条件下：

阳极：4H₂O - 4e^-→ 4H⁺+O₂↑

阴极：2H⁺+ 2e^-→ H₂↑ 

碱性条件下：

阳极：4OH^- - 4e-→ 2H₂O+O₂↑

阴极：2H₂O+ 2e^-→ H₂↑ +2OH^-

目前，氢气的应用主要的应用主要围绕三个方面，即能源、医疗和农业。而国家对氢经济的重视程度也提高到了前所未有的地步。

电解产氢反应在自来水电解过程的发生是不可避免的，同时随着阴极侧氢离子（H⁺）转变为氢气（H₂），氢氧根离子（OH^-）升高，当水中有钙镁离子存在时，就会在阴极上结成水垢，使电解效率降低。

但是，也有采用该技术原理去除水中的钙镁离子在阴极沉积，进而去除水垢。

电解技术在工业冷却循环水处理中的应用（点击图片查看原文）

三、电解产生活性氧反应

所谓的活性氧（ROS），概括地说，是指机体内或者自然环境中由氧组成，含氧并且性质活泼的物质的总称，具体包括臭氧（O₃）、过氧化氢（H₂O₂）、羟基（·OH）等。

Ⅰ、自来水在电解过程可以产生臭氧（O₃），所发生的反应如下：

阳极主反应：

3H₂O→O₃＋6H⁺+6e^-

阳极副反应：

2H₂O→O₂＋4H⁺+4e^-

阴极析氢反应：

2H⁺+2e^-→H₂

阴极氧还原反应：

O₂+4H⁺+4e^-→2H₂O

采用无隔膜结构产生的臭氧浓度相对较低，一般用在一些民用产品中，如果想要得到较高浓度的臭氧，一般采用介质阻挡放电法或SPE隔膜电解法。

Ⅱ、阳极氧化反应和阴极还原反应都可以产生H₂O₂，但是阳极氧化过程产生的过氧化氢浓度极低，且容易产生的H₂O₂容易被过氧化。因此，相对可行的方法是通过氧气在阴极发生二电子还原反应产生过氧化氢（H₂O₂）。其主要反应机理和过程如下：

阴极主反应：O₂+2e^-＋2H⁺→H₂O₂

阴极副反应：O₂+4e^-＋4H⁺→2H₂O

阳极主反应：2H₂O-4e^-→O₂↑＋4H⁺

阳极副反应：H₂O₂→HO₂·＋H⁺+e^-

                   HO₂·→O₂↑＋H⁺+e^-

                   H₂O₂＋O₂↑→H₂O

阴极氧还原技术产生过氧化氢（H₂O₂）的效率主要取决于阴极材料的选择催化活性，可商业化的氧还原阴极材料还有待进一步开发。

Ⅲ、电极电催化作用可以产生羟基自由基（·OH），其原理在于电极在电场作用下对水的氧化分解， 或是氢氧根离子的直接氧化， 如下式所示：

H₂O→·OH＋H⁺+e^-

OH^-→·OH+e^-

通过自来水直接电解产生羟基自由基（·OH）的效率相对较低，想要提高羟基自由基的产量，可通过多种技术的联合实现，如电解臭氧技术与光催化的结合、电解过氧化氢技术与光催化的结合等。

以上简要介绍了自来水在无隔膜电解条件下可能发生的几种主要反应，后续文章会详细介绍不同产物的反应过程、电极选择、电解槽的设计及技术应用，敬请期待！

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