CN106705312A - 一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置及无水加湿方法 - Google Patents

一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置及无水加湿方法 Download PDF

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郭剑锋
曹丽薇
韩霜
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F24HEATING; RANGES; VENTILATING
    • F24FAIR-CONDITIONING; AIR-HUMIDIFICATION; VENTILATION; USE OF AIR CURRENTS FOR SCREENING
    • F24F6/00Air-humidification, e.g. cooling by humidification

Abstract

本发明提供了一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的透水膜组件、无水加湿装置及使用该装置的无水加湿方法,解决了现有加湿器高能耗,装置复杂及核心部件易霉变难清理等问题,可实现无需额外增加水源等结构简单、低能耗、原理新颖、健康无菌之加湿目的,最终实现低成本、民用商业化的加湿。

Description

一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置及无 水加湿方法
技术领域
本发明涉及空气加湿技术领域,特别涉及一种经石墨烯改性高分子复合材料,应用该材料的无水加湿装置及无水加湿方法。
背景技术
随着空调制热或暖气的普及,不可避免的衍生出空气干燥问题。而湿度过低的空气是有损于人体的健康及其舒适度的。相关文献研究表明,干燥的空气会损伤呼吸系统表面粘膜,细菌病毒等容易入侵从而引发疾病。但空气相对湿度保持在50%以上时,如流感病毒会相对减少。干燥的空气不仅削弱了人体对外界复杂环境的免疫能力,引发口干舌燥,流鼻血等症状,使人容易产生心情烦躁,性情不安等负面心理情绪,而且还会对人们的日常工作造成危害或损失。如干燥的空气容易产生静电,严重的静电会影响人们的工作,尤其是石油和纺织等工业领域,若空气湿度不加以严格控制,将会酿造无法估量的后果。据卫生学指标来说,当空气湿度保持在40%~65%范围时,病毒和细菌不宜生存,静电产生少,且基本能达到人类满意的舒适度。过高或过低的相对湿度,都会对人类甚至动植物产生不良影响。对空气进行适当的湿度调节,不仅可以减少人体的水分流失,一定程度上起到养颜护肤,保健养生的作用,而且还会减少静电产生,切断病毒细菌的传播,也会起到预防疾病的积极作用。因此,解决空调或暖气制热时衍生出的空气湿度降低问题,便引起了人们越来越大的重视。
伴随人类生活质量的提升,空气加湿已然发展成为一门新的技术。目前,空气加湿按照加湿方法可分为有水加湿和无水加湿。其中,有水加湿是目前加湿技术当中最为成熟且应用最为广泛的一门技术。它是利用各种技术手段将液态水进行相变处理,转变成为水雾或蒸汽对空气进行加湿处理,从而有效改善环境的相对湿度。此法优点在于加湿效果理想,加湿速率快,缺点在于需额外进行定期加水,增加附加成本。有水加湿按照加湿的原理可分为等温加湿和等焓加湿。
1.等焓加湿又称之为水雾加湿。是指通过水的蒸发对空气进行加湿,空气湿度增加。但水在蒸发过程当中吸收了热量,显热减少,潜热增加,系统总的焓值保持不变。但该方法对加湿水源具有一定的要求,硬水质中浓度较高的钙镁离子在加湿时随着水蒸气弥漫于空气当中。长期与空气接触易被氧化,从而形成灰尘而散落室内。同时,经液态或气态硬水质流经的加湿器和加湿区,还会产生水垢和灰尘。若不能及时清理干净,将会降低加湿器的使用寿命。等焓加湿按照液态水雾化的方式不同又可分为①超声波水雾加湿:利用超声波的高频率震荡原理,将液态水雾化成1μm~5μm的超微粒子,达到给空气加湿的目的;②高压喷雾加湿:是用泵将液态水加压,通过喷头设备喷出水雾给空气加湿。此加湿设备通常安装在中央空调等大型设备上,家用一般较少采用;③离心式加湿:利用离心式转盘在马达的高速转动下,将水强力甩出打在雾化盘上,将液态水雾化成5μm~10μm的超微粒子,继而与空气进行热湿交换达到加湿的目的。
2.等温加湿。其原理是在不改变空气温度的前提下,通过给空气喷射水蒸气等方式增加空气湿度,是加湿技术当中最为简单易实现的加湿技术。优点在于加湿精度极高,误差受严格控制(±1%~±2%)。但加湿能耗高,加湿范围小,加湿区域不均匀,容易产生水垢等缺点,故而此法加湿难以在民用加湿器中得以应用。
无水加湿是一门新兴加湿技术,是指不用人工额外加水,能自动实现加湿的技术。其中,无水加湿又可分为①冷凝水加湿:采用空调冷凝水或暖气热化霜产生的水做水源,无需额外人工添加水源。此法受冷凝水量和霜化水量的限制加湿效率不稳定,且设备结构复杂,水质净化和设备保养难度大,因而难以商业化;②转轮加湿:也称之为吸附加湿,利用吸附材料制备而成的低温循环节能转换装置,将室外空气中的水份转移至室内,从而达到加湿的目的。此法可解决额外人工添加液态水带来的不方便性,避免了雾化液态水及其雾化装备等带来的额外附加成本问题,并极大的减少了病毒、细菌、霉菌等微生物生长的危害性,且室内湿度可控,达到便利、高效、环保和低成本的加湿目的,是真正意义上的无水加湿。
综上所述,加湿器的结构设计复杂,加湿效率低,加湿质量差,且设备成本及运行费用高,高能耗等问题是目前加湿技术难以克服的问题所在。故而,研发新型的加湿技术迫在眉睫。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种应用石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置。该装置针对以上综述问题,实现装置结构简单,原理新颖,高效加湿,环保无菌,加湿质量高,设备成本低,运行维护方便,节能等目的。可用于日常生活、工作生产的加湿。
针对目前加湿器出现的技术问题,为实现上述目的,本发明采用如下技术方案:
发明的一方面提供一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,包括获得无水加湿来源的工作腔体和气态水分子流动供给系统,其中,所述工作腔体沿气流走向设置有高湿度空气进气口、空气循环系统、透水膜组件和低湿度空气出气口,所述气态水分子流动供给系统设置有辅助气态水分子流动的分子泵,所述气态水分子流动供给系统的气态水分子流动方向的起始端与所述透水膜组件内部相通,末端设置有朝向待加湿环境的加湿区。
在一项可选的技术方案中,所述透水膜组件包括在具有若干微孔结构的表面涂覆了石墨烯/纳米高分子复合材料的多芯中空管,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端。
在一项可选的技术方案中,所述多芯中空管以内部通过顶端与水分子流动供给系统相通、底端密封、外表面暴露于工作腔体气流的方式设置。
在一项可选的技术方案中,所述多芯中空管的顶端开放,内部经多芯中空管外部的密封件与所述水分子流动供给系统密封连接,所述透水膜组件是密封的。
在一项可选的技术方案中,所述工作腔体还包括在透水膜组件(2)的气流走向下游的空气循环系统。
在一项可选的技术方案中,所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置还设置有智能监测和自动控制系统,其包括监测所述加湿区开口朝向的环境中空气湿度的湿度传感器,并控制空气循环系统和设置有分子泵的气态水分子流动传送系统。
发明的另一方面提供了一种石墨烯/纳米高分子复合材料制成的透水膜组件,其特征在于,所述透水膜组件包括在具有若干微孔结构的表面涂覆了石墨烯/纳米高分子复合材料的多芯中空管,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端,所述多芯中空管以顶端经外部密封件密封为一体、底端密封、外表面暴露的方式设置,所述透水膜组件是密封的。
发明的另一方面提供了一种改性的石墨烯/纳米高分子复合材料,其特征在于,所述石墨烯/纳米高分子复合材料为涂覆于表面具有若干微孔结构的多芯中空管的管状表层的石墨烯/纳米高分子复合材料,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端。
发明的另一方面提供了一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置的无水加湿方法,其特征在于,水分子通过所述获得无水加湿来源的工作腔体的透水膜组件,经气态水分子流动传送系统,在分子泵的协助下,连续地、半自发性地转移至所述加湿区排出到待加湿环境。
本发明的技术方案优点及有益效果在于:
1、分子水平加湿模式原理新颖:本发明采用由吸附材料制备而成的透水膜组件,将室外空气中的水蒸气以水分子形态转移至室内达到加湿的目的,不同于传统的水雾加湿模式。本发明采用的透水膜组件是经石墨烯改性过的纳米高分子复合材料制备而成,对水分子的选择通过性极强。由该复合材料表面的亲水端吸附空气中的水蒸气,水分子经复合材料内部强化亲水-疏水基团的透水通道转移至加湿区。
2、长效抑菌效应:本发明的石墨烯/纳米高分子复合材料制备的透水膜组件,具有长期有效抑制细菌霉菌等滋生,得到高质量加湿空气。
3、自清洁效应:本发明的石墨烯/纳米高分子复合材料制备的透水膜组件,还具有自清洁功效。根据GB/T2591-2003《抗菌塑料-抗菌性能试验方法和抗菌效果》,测定该透水膜组件的防霉能力强(0级),长期不长菌。设备使用期间无需更换透水膜组件,具有良好的自清洁功效。
4、绿色节能:本发明的石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿系统,是目前加湿技术当中(如水蒸气加湿、电热加湿、超声波加湿等加湿技术)最为环保低能耗的一种技术,仅借助于材料本身的亲水-疏水基团形成滤水通道,凭借辅助流动系统即可实现绿色、低能耗加湿之目的。
5、结构优化合理高效:本发明的石墨烯/纳米高分子透水膜组件,只允许气相水分子通过复合材料,无有害杂质通过,不需额外添加消毒单元。且组件由20~30根多芯中空管组成,大大增加了比表面积,从而提高了装置的加湿效率。本发明的透水膜组件还具有耐强酸强碱、抗菌特性,可大大节省额外添加辅助处理单元,如杀菌、防腐单元等。相比之下,本发明的加湿装置总体结构优化合理且加湿高效。
6、人工智能精确加湿:本发明具有精确监测系统,设置于室内端的湿度传感器可实现实时监测加湿区的空气湿度和相对湿度,并将环境数据反馈给控制中心。当湿度传感器检测到室内空气湿度低于预先设置的湿度参数时,自动控制系统将空气循环系统重新开启,外界湿度大的空气经空气循环系统协助从进气口进入蓄湿区,水分子经透水膜组件并在辅助气态水分子流动的分子泵的协同作用下,以健康无菌,无杂质的水分子形态连续地、半自发性地转移至加湿区给室内空气加湿。
附图说明
图1为本发明的简要结构示意图。其中:1-高湿度空气进气口;2-透水膜组件;3-蓄湿区;4-工作腔体;5-管状复合材料;6-低湿度空气出气口;7-辅助气态水分子流动的分子泵;8-加湿区;9-智能监测和自动控制系统。
图2为图1中单组透水膜组件。其中:单组透水膜组件由多根管状复合材料组成,且管状复合材料的外表层涂覆有经石墨烯改性过的纳米高分子涂层。组件底部采用密封树脂胶将多根管状复合材料密封,另一端与气态水分子流动传送系统的管道相通。
图3为图2中单根的管状复合材料。其中:管状复合材料中存在多芯中空管,管壁微观呈多孔结构,具有巨大比表面积,大大提高了加湿效率。
具体实施方式
如上文所述,本发明的第一方面提供一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,包括获得无水加湿来源的工作腔体4和气态水分子流动供给系统,其中,所述工作腔体4沿气流走向设置有高湿度空气进气口1、空气循环系统、透水膜组件2和低湿度空气出气口6,所述空气循环系统包括在高湿度空气进气口附近设置的风扇,用于将高湿度空气搬运至工作腔体中,所述气态水分子流动供给系统设置有辅助气态水分子流动的分子泵7,来提供负压,所述气态水分子流动供给系统的气态水分子流动方向的起始端与所述透水膜组件2内部相通,末端设置有朝向待加湿环境的加湿区8。
在一项可选的技术方案中,所述透水膜组件2包括在具有若干微孔结构的表面涂覆了石墨烯/纳米高分子复合材料的多芯中空管,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端。
在一项可选的技术方案中,所述多芯中空管以内部通过顶端与水分子流动供给系统相通、底端密封、外表面暴露于工作腔体4气流的方式设置。
在一项可选的技术方案中,所述多芯中空管的顶端开放,内部经多芯中空管外部的密封件与所述水分子流动供给系统密封连接,所述透水膜组件2为密封的,具有在-0.095MPa,保持1-3min的真空度。
优选地,所述石墨烯/纳米高分子复合材料经石墨烯改性,还具有抗菌杀菌作用。
在一项可选的技术方案中,所述工作腔体4还包括在透水膜组件2的气流走向下游的空气循环系统。
在一项可选的技术方案中,所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置还设置有智能监测和自动控制系统9,其包括监测所述加湿区8开口朝向的环境中空气湿度的湿度传感器,并控制空气循环系统和设置有分子泵7的气态水分子流动传送系统。
具体的监测和自动控制过程为,所述控制系统9在待加湿环境中空气湿度低于某预设定值时,由所述控制系统9控制的空气循环系统和分子泵7将自动启动,提高所述加湿区8开口朝向的环境中的空气湿度,直至达到预设定值停止加湿。
本发明的另一方面提供了一种石墨烯/纳米高分子复合材料制成的透水膜组件2,其特征在于,所述透水膜组件2包括在具有若干微孔结构的表面涂覆了石墨烯/纳米高分子复合材料的多芯中空管,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端,所述多芯中空管以顶端经外部密封件密封为一体、底端密封、外表面暴露的方式设置,所述透水膜组件2为密封的,优选具有在-0.095MPa,保持1-3min的真空度。
本发明的另一方面提供了一种改性的石墨烯/纳米高分子管状复合材料5,其特征在于,所述石墨烯/纳米高分子管状复合材料5为涂覆于表面具有若干微孔结构的多芯中空管的管状表层的石墨烯/纳米高分子复合材料,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端。
本发明的另一方面提供了一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置的无水加湿方法,其特征在于,水分子通过所述获得无水加湿来源的工作腔体4的透水膜组件2,经气态水分子流动传送系统,在分子泵7的协助下,连续地、半自发性地转移至所述加湿区8排出到待加湿环境。
在一项可选的技术方案中,所述无水加湿装置还设置有智能监测和自动控制系统9,其包括监测所述加湿区8开口朝向的环境中空气湿度的湿度传感器,并控制空气循环系统和辅助气态水分子流动的分子泵7,所述控制系统在待加湿环境中空气湿度低于某预设定值时,由所述控制系统控制的空气循环系统和分子泵7将自动启动,提高所述加湿区8开口朝向的环境中的空气湿度,直至达到预设定值停止加湿。
优选地,所述获得无水加湿来源的工作腔体4包含沿气流走向设置有高湿度空气进气口1、空气循环系统、透水膜组件2、空气循环系统、和低湿度空气出气口6。所述无水加湿装置的工作腔体4位于空气湿度大的室外,其中,所述设置有空气循环系统(例如风扇)的高湿度空气进气口1置于工作腔体4的底部,低湿度空气出气口6置于工作腔体4的顶部。工作腔体4内的气流走向为,高湿度空气进气口1在空气循环系统(如风扇)驱动下使外界(比如室外)的湿度大的空气流通至工作腔体4内形成蓄湿区3,经过所述透水膜组件2吸湿后的空气密度小,上升至工作腔体4顶部,由低湿度空气出气口6排出所述的工作腔体4外。所述透水膜组件2位于工作腔体4的蓄湿区3内,其外表面与工作腔体4内气流接触,内部与气体水分子流动供给系统相通。所述透水膜组件2内外侧形成一个水蒸气压浓度梯度,且在分子泵7的协同作用下,使蓄湿区3的高浓度水蒸气通过透水膜组件2,以一种健康环保无菌的气体水分子形态转移至加湿区8侧加湿加湿区8开口朝向的环境的空气。
具体地,所述透水膜组件2为一种复合材料涂覆于管壁外侧的管状基材组装而成,所述管状基材为一种管壁外侧多微孔、多芯通道管状物。
具体地,所述复合材料为一种经石墨烯改性过的亲水高分子聚合物。
具体地,所述石墨烯改性过的亲水高分子聚合物,该材料是将石墨烯与具有高导湿的纳米级高分子聚合物,通过分子结构中的极性基团形成氢键、共价键等化学键链接,形成具有强化亲水-疏水基团的疏水通道,使之形成多功能化的石墨烯/纳米高分子复合材料。
具体地,所述石墨烯/纳米高分子复合材料制备的管状复合材料5,其外侧亲水端吸附蓄湿区3的水蒸气。水蒸气以水分子的形态从膜外侧穿过石墨烯/纳米高分子复合材料的强化亲水-疏水基团的疏水通道,到达膜内侧,即在压差的驱动作用下使水分子连续地从蓄湿区3经气体水分子流动供给系统转移至加湿区8,实现加湿区8以及开口朝向的环境(比如室内)的空气加湿的目的。
具体地,所述石墨烯/纳米高分子复合材料制备的管状复合材料5,还具有抑菌抗菌作用。
优选地,所述石墨烯/纳米高分子复合材料制备的管状复合材料5,还具有自清洁功能。
具体地,所述基于石墨烯/纳米高分子管状复合材料5的无水加湿装置还包括智能监测和自动控制系统9,其中包括湿度传感器,用于监测室内的空气湿度并将监测数据反馈至智能自动控制中心。自动控制系统将根据人为设置程序自动给出指令控制开启或关闭加湿系统。
具体地,所述湿度传感器设置于加湿区8监测加湿区8开口朝向的环境(比如室内)的湿度。
优选地,所述石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置的智能监测和自动控制系统9还包括温度传感器,与湿度传感器共同监测室内的温度和湿度。
优选地,所述温度传感器设置于加湿区8监测加湿区8开口朝向的环境(比如室内)的温度。
优选地,所述石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置的智能自动控制系统,其应用程序设置如下:第一步:预先给加湿装置设定湿度参数,当湿度传感器检测到待加湿环境(如室内)空气湿度低于预先设置的湿度参数时,自动控制系统将空气循环系统重新开启,外界(比如室外)湿度大的空气经空气循环系统协助从进气口1进入蓄湿区3,气态水分子经透水膜组件2并在分子泵7的协同作用下,以健康无菌,无杂质的水分子形态连续地、半自发性地经气态水分子流动传送系统转移至加湿区8给室内空气加湿。蓄湿区3的空气经吸湿后密度变小,上升至所述工作腔体4顶部,经空气循环系统协助从出气口6排除,经历一个完整的加湿排气循环过程。
进一步地,当湿度传感器检测到室内空气湿度已达到预先设置的湿度参数时,自动控制系统将关闭加湿系统,包括设置有分子泵7的气态水分子流动传送系统和空气循环系统。
所述气态水分子流动传送系统,其特征在于包含分子泵7和气态水分子流动管道。所述分子泵7工作时使透水膜组件2管内形成负压状态,协同复合材料两侧的水蒸气浓度梯度差共同作用,使水分子连续地、半自发性地经气态水分子流动管道转移至加湿区8给室内空气加湿。
优选地,所述分子泵7在高速转动下将水分子转移至加湿区8,为避免水分子氧化分子泵7,需在分子泵7上设置分子筛,隔绝水分子氧化分子泵7内部结构及叶片。
所述空气循环系统为低功率风扇,受控制系统控制。工作腔体4内的气流走向为,入气口1下游的空气循环系统直接参与室外湿度大的空气流动,驱动室外湿度大的空气流动至蓄湿区3,被吸湿后的空气再由空气循环系统(出气口6上游的风扇)协助从出气口6排除。
优选地,所述进气口1设置有空气过滤器,图未示。
如下结合说明书附图对本发明具体实施方案进行详细说明如下:
如图1所示,外界高湿度空气经高湿度空气进气口1经过空气循环系统(低功率风扇)流通至蓄湿区3。蓄湿区内的透水膜组件2吸附空气中的水蒸气,在所述单根管状复合材料5膜外侧与膜内侧形成一个水蒸气浓度梯度差。在辅助气态水分子流动的分子泵7的协同作用下,蓄湿区内的水蒸气以水分子的形态转移至加湿区8侧加湿室内空气。被吸湿过后的干燥空气,其密度变小,上升至工作腔体的顶部。经低湿度空气出气口6,经过空气循环系统(低功率风扇)将干燥空气排出。
所述空气循环系统位于外界高湿度空气的进气口1的气流下游,此处设置有空气过滤系统,阻挡外界空气中的大颗粒灰尘、絮状物等杂质。
优选地,所述加湿装置的透水膜组件2,其组件数量可选择4~8组,可根据不同的加湿效果选择不同的组件数量,以达到不同加湿效果。
优选地,所述单组透水膜组件2,如图2所示,可采用管状复合材料5组成,管道材质可选如聚砜微孔管(PSU),聚丙烯微孔管,聚氯乙烯微孔管(PVC),聚偏氟乙烯微孔管(PVDF)、含氟共聚物微孔管等。透水膜组件2底端采用密封树脂胶将多根管状复合材料5密封,可选地,底端固定于PU管内。其中,PU管外径50mm,内径48mm。透水膜组件2的另一端开放,与气态水分子流动传送系统管道相通,采用相同尺寸的PU管固定。
优选地,图2所示单组透水膜组件2中,管状复合材料5采用20~30根达到最优加湿效率。
所述单根管状复合材料5,如图3所示。管道外径3.8mm,中空多芯管道中空内径均为0.8mm,管壁微观呈多孔结构形态为水分子流动通道,孔直径5.0nm~1.0mm之间均可达到水分子流通性能。
所述管状复合材料5表面成膜过程:在温度范围为10~200℃内,将经石墨烯改性过后的高分子材料制备的涂料涂覆于具有微孔结构的中空多芯管表面。成膜厚度在1~500μm,优选10~250μm范围内形成均匀膜材料,在此厚度范围内,既可以保证膜材料的机械强度,又可以满足系统组件的透水性能。
所述透水膜组件2采用的是经石墨烯改性过后高分子材料,利用该材料制备的管状复合材料5具有对水分子选择性通过的特殊性质。空气中的水蒸气被管状复合材料5表面的亲水基团吸附,即在吸附侧形成高浓度水分子分布,随后膜两侧产生一个水分子浓度差充当水分子转移驱动力。管状复合材料5结构内部存在无数条由高分子材料和多功能石墨烯通过极性基团连接形成强化亲水-疏水基团的水分子专属通道,只允许水分子通过此专属通道。在辅助气态水分子流动的分子泵7的协同作用下,使蓄湿区的水蒸气以水分子的形态转移至加湿区8。
本发明所采用的石墨烯/纳米高分子复合材料属于一种纳米级无孔膜质材料,在正常工作期间不会因为外界杂质而导致堵塞孔或降低膜材实使用寿命问题,可作为加湿设备的关键材料长期使用,无需更换。目前加湿技术当中常用的膜材其孔径约0.1nm,故而本发明所提供透水膜材料的水处理性能优于现有水处理技术的膜材。
本发明所述的“石墨烯/纳米高分子复合材料”、“石墨烯/纳米高分子管状复合材料”中的“/”是为了隔开所述的复合材料中的石墨烯或石墨烯复合材料和纳米高分子材料,在本文“石墨烯/纳米高分子复合材料”与“石墨烯/纳米高分子膜材”可以互换使用。
本发明所述的“均聚物”指的是由一种单体单元聚合而成的聚合物。
本发明所述的“共聚物”指的是由两种或两种以上的单体单元聚合而成的聚合物。
本发明所述的“导湿高分子聚合物”指的是易于湿气或水蒸气渗透的高分子聚合物。
优选地,本发明中所述的一种石墨烯/纳米高分子复合材料中所述高导湿高分子聚合物:导湿均聚物、导湿聚合物中的一种或多种任意组合配方。
具体地,本发明中所述的导湿高分子聚合物:由聚氧乙烯、聚苯乙烯硫酸、聚酯、聚碳酸酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰胺、聚氨酯、磺化的苯乙烯-丁二烯橡胶、苯乙烯丙烯酸酯、聚醚醚酮等中的一种单体单元的均聚物或两种及两种以上单体单元的共聚物组成,使所述的复合材料具有良好的亲水性。
具体地,本发明所述的导湿高分子聚合物所含特殊官能团包括:-OH、-SH、-COOH、-OR、-COOR、-PO3H2、-SO3H、-NH2等极性官能团中的一种或多种。
具体地,本发明所述的中空多芯管,可采用以下几种中的某种:聚砜类(PSU)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯、聚氯乙烯(PVC)、含氟共聚物等。
具体地,本发明所述的石墨烯复合材料可采用部分氧化或全氧化石墨烯、氧化石墨烯/银、氧化石墨烯/二氧化钛、部分氧化石墨烯/银/二氧化钛复合材料。
具体地,本实用“新型所述的氧化石墨烯/银或氧化石墨烯/二氧化钛”指的是石墨烯通过表面基团与银或二氧化钛材料接枝形成复合材料。
具体地,本发明所述的氧化石墨烯采用强质子酸差层处理,然后利用强氧化剂进行氧化处理,最后离心处理得到氧化石墨烯。其中,强质子酸采用如浓硫酸、浓硝酸等强酸。
本发明中所述的一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,无需额外设置加水装置,工作腔体4可自行获得无水加湿的来源,其气流走向为,水分子直接取自室外湿度大的空气中的水蒸气。由图1中所示借助入气口1下游的空气循环系统从入气口1将外界空气流至所述蓄湿区3内,经过透水膜组件2吸湿处理后又通过出气口6上游空气循环系统从出气口6排出至外界大气中,以此一个循环周期。
所述透水膜组件2,由多组表面涂覆有石墨烯/纳米级高分子材料涂层的、管壁多微孔的多芯中空管道组合而成。在所述的石墨烯/纳米高分子管状复合材料表面亲水基团的作用下吸附空气中的水蒸气,水蒸气以水分子的形态穿透复合材料中的透水通道。其中的透水通道是经强化后的亲水-疏水基团所形成。在辅助气态水分子流动的分子泵7的协同作用下,水分子转移至加湿区8侧给室内空气加湿。
所述的一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,具有智能加湿系统,受到所述加湿装置的智能监测和自动控制系统9的调控。位于室内端的湿度传感器可实时监测加湿区8的空气湿度和相对湿度,并将实时环境数据反馈给系统中心。当湿度传感器检测到室内空气湿度低于预先设置的湿度参数时,自动控制系统将空气循环系统重新开启,外界湿度大的空气经空气循环系统协助从进气口1进入蓄湿区3,水分子经透水膜组件并在辅助气态水分子流动系统的协同作用下,以健康无菌,无杂质的水分子形态连续的、半自发性地转移至加湿区8给室内空气加湿。
本发明中的术语“湿度”包括绝对湿度和相对湿度两种。其中,绝对湿度是指单位体积内的气体所含水分的质量,单位是mg/L。而相对湿度是绝对湿度与该温度饱和状态下水蒸气含量的比值,用百分比(%)表示。本发明可选用其中任一种作为指标,优选使用相对湿度。
本发明所述的一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其形状可以是设计成长方体、立方体、圆柱体、球体、椭圆体或其他不规则形状,可根据实际使用需求进行外观变化。
综上所述,本发明是基于一种石墨烯改性纳米高分子导湿材料制备的复合材料,将该材料调配成多功能性涂料,涂覆于多微孔的、具有巨大比表面积的中空管状物表面。管状复合材料5表面的亲水基团吸附空气中的水蒸气,即在该复合材料吸附侧形成高浓度的水分子,复合材料内侧方向其水分子浓度梯度逐渐减小。在此浓度梯度差的驱动下,水分子逐渐向中空多芯管内部运动。此外在辅助气态水分子流动的分子泵7的协同作用下,空气中的水蒸气以健康无菌无杂质的水分子形态半自发性地、连续地转移至加湿区给室内空气加湿。根据人为设置的湿度限制,当室内空气湿度达到预设定值后,自动控制系统将自动关闭加湿系统,其包括辅助循环系统及包括分子泵7的气体水分子流动传送系统,达到给室内空气精准清洁加湿的效果和节能目的。
本发明所述的加湿装置,其工作原理和具体的实施办法已有详细的描述。本实施例也是仅仅在自动控制系统开启的模式下为例进行的说明,应当理解的是若关闭自动控制系统,默认的是不能自动进行加湿工作,装置无法工作,在此不再一一赘述。
以上所述仅为本发明的优选实施例,并非因此限制本发明的保护专利范围,凡是利用本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等效修改、替换、改进、扩展等,均同理包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,包括获得无水加湿来源的工作腔体(4)和气态水分子流动供给系统,其中,所述工作腔体沿气流走向设置有高湿度空气进气口(1)、空气循环系统、透水膜组件(2)和低湿度空气出气口(6),所述气态水分子流动供给系统设置有辅助气态水分子流动的分子泵(7),所述气态水分子流动供给系统的气态水分子流动方向的起始端与所述透水膜组件(2)内部相通,末端设置有朝向待加湿环境的加湿区(8)。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,所述透水膜组件(2)包括在具有若干微孔结构的表面涂覆了石墨烯/纳米高分子复合材料的多芯中空管,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端。
3.根据权利要求2所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,所述多芯中空管以内部通过顶端与水分子流动供给系统相通、底端密封、外表面暴露于工作腔体气流的方式设置。
4.根据权利要求3所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,所述多芯中空管的顶端开放,内部经多芯中空管外部的密封件与所述水分子流动供给系统密封连接,所述透水膜组件(2)是密封的。
5.根据权利要求1所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,所述工作腔体(4)还包括在透水膜组件(2)的气流走向下游的空气循环系统。
6.根据权利要求1-5任一项所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置,其特征在于,还设置有智能监测和自动控制系统(9),其包括监测所述加湿区(8)开口朝向的环境中空气湿度的湿度传感器,并控制空气循环系统和设置有分子泵(7)的气态水分子流动传送系统。
7.一种石墨烯/纳米高分子复合材料制成的透水膜组件(2),其特征在于,所述透水膜组件(2)包括在具有若干微孔结构的表面涂覆了石墨烯/纳米高分子复合材料的多芯中空管,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端,所述多芯中空管以顶端经外部密封件密封为一体、底端密封、外表面暴露的方式设置,所述透水膜组件(2)是密封的。
8.一种改性的石墨烯/纳米高分子管状复合材料,其特征在于,所述石墨烯/纳米高分子管状复合材料为涂覆于表面具有若干微孔结构的多芯中空管的管状表层的石墨烯/纳米高分子复合材料,所述复合材料表面为吸附气态水分子的高分子复合材料亲水端。
9.一种根据权利要求1所述的基于石墨烯/纳米高分子复合材料的无水加湿装置的无水加湿方法,其特征在于,水分子通过所述获得无水加湿来源的工作腔体(4)的透水膜组件(2),经气态水分子流动传送系统,在分子泵(7)的协助下,连续地、半自发性地转移至所述加湿区(8)排出到待加湿环境。
10.权利要求9所述的一种无水加湿方法,其特征在于,所述无水加湿装置还设置有智能监测和自动控制系统(9),其包括监测所述加湿区(8)开口朝向的环境中空气湿度的湿度传感器,并控制空气循环系统和辅助气态水分子流动的分子泵(7),所述控制系统在待加湿环境中空气湿度低于某预设定值时,由所述控制系统(9)控制的空气循环系统和分子泵(7)将自动启动,提高所述加湿区(8)开口朝向的环境中的空气湿度,直至达到预设定值停止加湿。
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