CN109809605A - 基于超声波空化和光催化协同作用的净水机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机，该装置在加热储水罐内部设置紫外线灯管和二氧化钛，进行光催化杀菌；同时，在加热储水罐底端设置超声波换能器，利用其产生的超声波进行杀菌。本发明采用超声波空化协同光催化技术，避免过滤膜的使用，保证长期工作的稳定性，减少维护问题，保证饮用水品质健康。

Description

基于超声波空化和光催化协同作用的净水机

技术领域

本发明涉及水质采样装置领域，更具体地说，涉及一种无人船自动采样装置。

背景技术

目前市场上的净水机大致所用的净水原理，分别为微滤、超滤、纳滤和反渗透，所用的净水机都是基于以上4种原理或叠加或优化生产设计的。但是这几种原理的饮水机还尚有一定的缺陷，基于超滤和微滤的过滤方式的净水机不能独立用于饮水装置；基于反渗透的过滤方式的净水机所净化的水缺少矿物质元素，不适宜长期饮用；基于纳滤膜的过滤方式的净水机，在实际使用过程中容易堵塞，使用寿命比理论值小得多，而且也会产生金属离子过滤问题，降低矿物质元素含量(相对反渗透膜轻)。此外所有的膜净化技术都存在以下缺点：污垢在膜上的沉积，因此，长期使用依然容易滋生细菌，降低净水质量。

发明内容

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提出一种无人船自动采样装置，该装置可以自动收放采样管，自动调整采样深度，占用空间小，稳定和可靠性高，方面维护。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

为克服现有技术存在的缺陷，本发明提出一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机。

本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：

设计一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机，包括饮水机外壳(4)，所述饮水机外壳(4)顶端设有封板(1)，所述饮水机外壳(4)一侧壁顶端安装有控制面板(2)，所述控制面板(2)下方安装有水龙头(3)，所述饮水机外壳(4)位于水龙头(3)设有水槽(5)，所述饮水机外壳(4)内部设有加热储水罐(7)和普通储水罐(10)；所述加热储水罐(7)设有直接与水接触的加热管，在所述加热储水罐(7)内部附着有二氧化钛，二氧化钛作为光催化反应的催化剂，所述加热储水罐(7)内部顶端与底端之间设有用于放置紫外线灯管(16)的密封管子(16-1)，在所述加热储水罐(7)顶端开设有第一进水口，在所述加热储水罐(7)底端开设有第一出水口和第二出水口，在所述加热储水罐(7)底端安装有超声波换能器(21)；所述普通储水罐(10)顶端开设有第二进水口，底端开设有第三出水口、第四出水口；所述单向阀(14)通过第三水管(19)与第一出水口连通，所述单向阀(14)通过第二水管(18)与第三出水口连通；所述第二水泵(13)的输入端通过第四水管(17)与第四出水口连通，所述第二水泵(13)的输出端通过第七水管(11)与电磁阀(12)连通，所述第一水泵(9)的输入端通过第五水管(20)与第二出水口连通，所述第一水泵(9)的输出端通过第六水管(8)与电磁阀(12)连通；所述第一进水口与粗净化器(6)通过第一水管(15)连通，所述粗净化器(6)内填充有吸附剂；还包括控制系统，用于控制所述电磁阀(12)的进水状态、第一水泵(9)和第二水泵(13)的启闭状态、电热管的加热状态、紫外线灯管(16)的启闭状态、超声波换能器(21)的启闭状态，以及检测加热储水罐(7)和普通储水罐(10)的水温、水位数据。

在上述方案中，所述吸附剂为活性炭、沸石中的一种或混合物。

本发明的工作原理如下：

S1，自来水流入粗净化器，经过粗净化器的作用将其中的铁锈、沙粒、悬浮物等较大杂质去除。

S2，经粗净化器净化的水沿第一水管流入加热储水罐。

S3，加热储水罐根据程序设定温度进行加热，同时紫外线灯管点亮进行光催化反应，超声波换能器开始工作进行空化反应，两者协同作用，共同进行杀菌消毒的功能。

S4，普通储水罐与加热储水罐之间由第二水管、单向阀、第三水管连接，经加热储水罐处理的水可部分流入普通储水罐中，作为冷水储备。加热储水罐内置的紫外线灯管可定时工作，抑制细菌的滋生，因此保证了饮水的健康问题。

S5，根据按键信息，控制系统分析热水与冷水的需求，控制电磁阀的工作状态，启用第一水泵和第二水泵，两个水泵分别将水从储水罐中，加热储水罐的水由第五水管抽出并流经第六水管进入到电磁阀中，普通储水罐的水由第四水管并流经第七水管进入到电磁阀中，由电磁阀和第一水泵、第二水泵控制热水和冷水的流量比例，从而控制其出水温度。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

本发明采用超声波空化协同光催化技术，避免过滤膜的使用，保证长期工作的稳定性，减少维护问题，保证饮用水品质健康。

附图说明

下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：

图1是一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机的外部示意图；

图2是一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机的内部示意图；

图3是加热储水罐和普通储水罐的连接示意图；

图4是加热储水罐的结构示意图；

图5是图3的侧面示意图；

图6是电磁阀的结构示意图；

图7是电磁阀控制电路的示意图；

图8是水泵控制电路的示意图；

图9是紫外线灯管控制电路的示意图；

图10是微电脑时间控制开关的示意图；

图11是温度控制器的示意图；

图12是超声波发生电路的示意图。

图中：封板1，控制面板2，水龙头3，水机外壳4，水槽5，粗净化器6，加热储水罐7，第六水管8，第一水泵9，普通储水罐10，第七水管11，电磁阀12(其中：电磁线圈12-1，敞开件12-2，阀座12-3，弹簧12-4)，第二水泵13，单向阀14，第一水管15，紫外线灯管16，密封管子16-1，第四水管17，第二水管18，第三水管19，第五水管20，超声波换能器21。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

如图1-5所示，本发明提供一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机，包括饮水机外壳4，饮水机外壳4顶端设有封板1，饮水机外壳4一侧壁顶端安装有控制面板2，控制面板2下方安装有水龙头3，饮水机外壳4位于水龙头3设有水槽5，饮水机外壳4内部设有加热储水罐7和普通储水罐10；加热储水罐7设有直接与水接触的电加热器R_L，在加热储水罐7内部附着有二氧化钛，二氧化钛作为光催化反应的催化剂，加热储水罐7内部顶端与底端之间设有用于放置紫外线灯管16的密封管子16-1，在加热储水罐7顶端开设有第一进水口，在加热储水罐7底端开设有第一出水口和第二出水口，在加热储水罐7底端安装有外部超声波换能器21；普通储水罐10顶端开设有第二进水口，底端开设有第三出水口、第四出水口；单向阀14通过第三水管19与第一出水口连通，单向阀14通过第二水管18与第三出水口连通；第二水泵13的输入口通过第四水管17与第四出水口连通，第二水泵13的输出口通过第七水管11与电磁阀12连通，第一水泵9的输入口通过第五水管20与第二出水口连通，第一水泵9的输出口通过第六水管8与电磁阀12连通；电磁阀12的第一输出口与第二进水口连通，电磁阀12的第二输出口与粗净化器6的输入口连通；第一进水口与粗净化器6的输出口通过第一水管15连通，粗净化器6内填充有吸附剂，吸附剂为活性炭、沸石中的一种或混合物。该净水机还包括控制系统，用于控制电磁阀12的进水状态、通过检测水位数据控制第一水泵9和第二水泵13的启闭状态、通过检测加热储水罐7和普通储水罐10的水温控制电加热器R_L的加热状态、紫外线灯管16的启闭状态、超声波换能器21的启闭状态。

此控制系统包括电磁阀控制电路，如图7所示，电磁阀控制电路的工作原理如下：如图6所示，电磁阀12的电磁线圈12-1通电时，电磁线圈12-1产生电磁力把敞开件12-2从阀座12-3上提起，阀门12-3打开，水可以流动；断电时，电磁力消失，弹簧12-4把敞开件12-2压在阀座12-3上，阀门12-3敞开；图7中，EMV是电磁阀12，通过控制两个继电器对电磁阀12施加正向或反向24V的电压就可以控制其弹出或收回，当需要控制电磁阀12弹出或收回时，通过施加持续200ms的24V电压，然后将电磁阀12两端接地，即电磁阀12两端不施加电压，此处需注意的是电磁阀12两端都接了地。

此控制系统还包括水泵控制电路，如图8所示，在此净水机中需要在火线零线并联二个水泵控制电路(写错了)。对于单个水泵，当水位下降时，浮球开关触点闭合，水泵工作。当水位到达设定水位时，浮球开关触点断开，水泵停止工作。

此控制系统还包括紫外线灯管控制电路，紫外线灯管16属于气体放电灯，主要采用漏磁变压器作为供电方式，初级绕组输入220V，次级绕组输出110V，在其前端加入一个微电脑时间控制开关，如图9所示，可以简便实现定时控制紫外线灯管16的通电时间。如图10所示，微电脑时间控制开关是一个以单片微处理器为核心配合电子电路等组成一个电源开关控制装置，时间可以设定从1秒钟到168小时，每日可设置8-16组，且有多路控制功能，一次设定长期有效。

控制系统还包括温度控制器，其可以采集温度信息并根据温度变化在开关内部产生一些特殊的效应，实现对加热设备电路的通断。温度控制器的工作原理为通过温度传感器对环境温度自动进行采样、即时监控，温度控制器在环境温度高于控制设定值时控制电路启动，可以设置控制回差。温控器由转换显示机构、设定机构、比较运算机构、输出机构四大机构组成。温度传感器将采集的温度信号转化为电信号传给温度控制器，温度控制器的通过转换显示机构将电信号转换为数字或模拟值，通过比较运算机构将设定机构的设定温度值进行比较，最终通过输出机构输出，控制加热电路的通断，实现对水温的控制。考虑到整个温度控制系统的成本与耐用性，本实施例使用较为简易实用的采用555时基电路的温度控制器，如图11所示。当饮水机中的水温未达到预设值时，温度较低，由于热敏电阻Rt为负温度系数的热敏电阻，阻值较大，NE555芯片2脚的电位低于Ec电压约4V，NE555芯片的3脚输出高电平，触发双向晶闸管V导通，电加热器R_L开始进行加热，电路开始循环计时。当水温到达预设值后，测温器中的热敏电阻Rt减小，即使循环还未完成时，电加热器R_L在定时周期结束后就被断开。当热敏电阻处的温度降低到预设值以下时会再次触发双向闸晶管V导通，使电加热器R_L开始进行加热。如此，便可以实现对该饮水机内的水温进行自动的控制。其中，各器件的选型均可以参考图11中各器件型号。

此控制系统还包括设置在与超声波换能器21连接的超声波发生电路，如图12所示。当饮水机开始工作，温度控制器加热时，超声波发生电路同时开始工作，将脉冲信号送入乙类互补推免功率放大电路，利用其输出信号驱动CMOS管，并将其脉冲信号利用高压脉冲变压器进行功率放大，放大后的信号幅值可达100多伏，然后超声波换能器将超声波发生电路输出的高频电能转换为高频声波能，进而实现饮水机的杀菌功能。

在本发明实施例中，超声波杀菌原理如下：超声波空化是以超声波换能器为声源，将电能转化为高频的声波能，当用一定声强的超声波辐照溶液时，在声场的膨胀相位，水中溶解的空气就聚集成小气泡(空化核)。这些气泡在声场的压缩相位半径满足共振尺寸的气泡就可发生压缩坍缩。该过程瞬间发生(几个ns之间)。由于过程极短，气泡内气体产生的热量来不及消散就将气泡内的物质加热至高达5000℃的高温。高温导致液-气相界面的水分子裂解为自由基。同时，气泡内的O₂(来自水体中的溶解氧)也被高温裂解为氧化性极强的氧自由基等物质。这些强氧化性物质一旦生成就迅速和水中的有机物反应并将其氧化为低分子量的物质。

在本发明实施例中，光催化杀菌原理如下：加热储水罐7内附的半导体TiO₂的能带结构是由一个高能导带和一个低能价带组成，它们之间的区域被称为禁带，禁带是一个不连续的区域。半导体的吸收光波长λ与带隙能的关系式为：

λ＝1240/E_g (1)

TiO₂的带隙能E_g为3.2eV，其具有的能量相当于λ＝387.5nm光子具有的能量。当TiO₂半导体受到大于或等于其带隙能的光照射时，处于价带上的电子(e^-)会被激发并在飞秒内移动至导带，激发后留下一个空白而未被填充的价带空穴(h⁺)，因此光照射后产生了一对电子-空穴(e^--h⁺)，然后经过一系列的反应，最终在催化剂表面生成强氧化性的羟基。下面是一些公认假设发生在激发后的催化剂表面上的氧化还原反应：

光激发：TiO₂+hv→e^-+h⁺； (2)

电子e^-带电载体的捕获：e-CB→e-TR； (3)

空穴h⁺带电载体的捕获：h+VB→h+TR； (4)

电子空穴的复合：e-TR+h+VB(h+TR)→e-CB+heat； (5)

电子消除剂：O₂+e^-→O₂ ^-·； (6)

超氧基的质子化：O₂ ^-+H⁺→HO₂·； (7)

电子的再去除：HO₂·+e^-→HO₂ ^-； (8)

双氧水的形成：HO₂ ^-+H⁺→H₂O₂； (9)

羟基的产生：H₂O₂+O₂ ^-·→OH·+OH^-+O₂； (10)

H₂O(OH^-)+h⁺→OH·+H⁺； (11)

羟基的光降解：R-H+OH·→R·+H₂O； (12)

空穴的直接降解：R+h→中间产物→最终产物。 (13)

公式(3)及公式(4)中的e-TR和h+TR分别表示催化剂表面捕捉的价带电子和导带空穴。

附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (2)

1.一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机，包括饮水机外壳(4)，所述饮水机外壳(4)顶端设有封板(1)，所述饮水机外壳(4)一侧壁顶端安装有控制面板(2)，所述控制面板(2)下方安装有水龙头(3)，所述饮水机外壳(4)位于水龙头(3)设有水槽(5)，其特征在于，所述饮水机外壳(4)内部设有加热储水罐(7)和普通储水罐(10)；所述加热储水罐(7)设有直接与水接触的加热管，在所述加热储水罐(7)内部附着有二氧化钛，二氧化钛作为光催化反应的催化剂，所述加热储水罐(7)内部顶端与底端之间设有用于放置紫外线灯管(16)的密封管子(16-1)，在所述加热储水罐(7)顶端开设有第一进水口，在所述加热储水罐(7)底端开设有第一出水口和第二出水口，在所述加热储水罐(7)底端安装有超声波换能器(21)；所述普通储水罐(10)顶端开设有第二进水口，底端开设有第三出水口、第四出水口；所述单向阀(14)通过第三水管(19)与第一出水口连通，所述单向阀(14)通过第二水管(18)与第三出水口连通；所述第二水泵(13)的输入端通过第四水管(17)与第四出水口连通，所述第二水泵(13)的输出端通过第七水管(11)与电磁阀(12)连通，所述第一水泵(9)的输入端通过第五水管(20)与第二出水口连通，所述第一水泵(9)的输出端通过第六水管(8)与电磁阀(12)连通；所述第一进水口与粗净化器(6)通过第一水管(15)连通，所述粗净化器(6)内填充有吸附剂；还包括控制系统，用于控制所述电磁阀(12)的进水状态、第一水泵(9)和第二水泵(13)的启闭状态、电热管的加热状态、紫外线灯管(16)的启闭状态、超声波换能器(21)的启闭状态，以及检测加热储水罐(7)和普通储水罐(10)的水温、水位数据。

2.根据权利要求1所述的一种基于超声波空化和光催化协同作用的净水机，其特征在于，所述吸附剂为活性炭、沸石中的一种或混合物。