CN114210459A - 一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置和方法 - Google Patents

一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置和方法，属于环境保护领域，该装置设有纳米结构的放电电极，可以在较低电压下发生电晕放电，大幅度强化了气体放电的效果，使雾滴在较低的电压下充分荷电；双层地电极与放电电极平行设置形成空间电场，双层地电极两个表面分别设有微米疏水结构层和微米亲水结构层；当荷电雾滴进入空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极，以使微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层并将雾滴凝聚成大液滴。本发明设有纳米结构的放电电极以强化放电效果；还设有包括微米疏水结构层和微米亲水结构层的双层地电极以强化对雾滴的捕集能力，对形成的大液滴有较强的输运能力，从而提升收集效率。

Description

一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置和方法
技术领域
本发明属于环境保护技术领域，更具体地，涉及一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置和方法。
背景技术
雾是一种空气中悬浮了大量小液滴，造成能见度降低的一种自然现象。雾滴的存在会大幅度降低人类活动的能见度，而且可以携带颗粒物漂浮在空气中，降低空气质量。因此，可能会造成巨大的经济损失。对雾滴的有效收集，不仅可以缓解上述问题，而且还能够将收集到的雾水用以缓解干旱半干旱地区水资源短缺的问题，且不会破坏水文环境。
传统的双电极静电除雾装置是由阵列电极与地电极组成的，雾气进入电场被荷电，在电场力的作用下凝结在地电极上。但雾气需在较高的电压下才能够充分荷电，对电源及绝缘性要求较高；地电极仅靠电场力捕获雾滴，收集效率低。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置和方法，其目的在于放电电极1设置纳米放电涂层，强化放电效果；双层地电极表面设有微米疏水结构层和微米亲水结构层；当荷电的雾滴进入所述空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极以使微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，进而将雾滴凝聚成大液滴，由此解决传统静电除雾集水装置收集效率低的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，包括：
放电电极1用于在负直流电压下发生电晕放电使雾气流中的雾滴充分荷电；放电电极1表面设有纳米结构涂层5，用于强化放电效果；
双层地电极2，在雾气流方向与放电电极1平行设置，以与放电电极1形成空间电场；双层地电极2靠近放电电极1的表面设有微米疏水结构层，远离放电电极1的表面设有微米亲水结构层；当荷电的雾滴进入所述空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极2，双层地电极2上的微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，以使微米亲水结构层将雾滴凝聚成大液滴。
在其中一个实施例中，放电电极1包括多个尖锐的放电单元；所述尖锐的放电单元为针形电极、线形电极、刀片电极中的一种。
在其中一个实施例中，利用气相生长法、刻蚀或光刻方法将导电性良好的纳米材料垂直于放电电极1表面，形成纳米结构涂层5。
在其中一个实施例中，双层地电极2包括贴合设置的第一层网状电极和第二层网状电极。
在其中一个实施例中，所述第一层网状电极为微米疏水结构层，所述第二层网状电极为微米亲水结构层。
在其中一个实施例中，第一层网状电极和第二层网状电极上均设有多个相邻的菱形网孔。
在其中一个实施例中，所述第一层网状电极为多个T型电极呈预设角度斜坡分布的疏水结构层。
在其中一个实施例中，所述方法还包括：
气流通道，设有进气口和出气口；放电电极1和双层地电极2均设置在所述进气口和所述出气口之间，用于对双层地电极2凝结的滴液进行导流；
储水箱，设置于气流通道底部，用于容纳导流后的液滴。
在其中一个实施例中，所述气流通道上设有收集坡度；所述收集坡度上覆盖有疏水涂层。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水方法，包括：
S1：在负直流电压下放电电极1发生电晕放电使雾气流中的雾滴充分荷电；放电电极1表面设有纳米结构涂层5，用于强化放电效果；
S2：当荷电的雾滴进入空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极2，以使双层地电极2上的微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，并在微米亲水结构层将雾滴凝聚成大液滴；
其中，双层地电极2与放电电极1在雾气流方向平行设置形成所述空间电场，双层地电极2靠近放电电极1的表面设有微米疏水结构层，远离放电电极1的表面设有微米亲水结构层。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本发明提供的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置具有纳米结构的放电电极1，可以在较低电压下发生电晕放电，大幅度强化了气体放电的效果，使雾滴在较低的电压下充分荷电；双层地电极2与放电电极1在雾气流方向平行设置形成所述空间电场，双层地电极2靠近放电电极1的表面设有微米疏水结构层，远离放电电极1的表面设有微米亲水结构层；当荷电的雾滴进入空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极2，以使双层地电极2上的微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，并在微米亲水结构层将雾滴凝聚成大液滴。设有微米疏水结构层和微米亲水结构层的双层地电极2能够强化对雾滴的捕集能力，同时对形成的大液滴有较强的输运能力。
附图说明
图1是本发明一实施例提供的带有微纳结构涂层的电晕放电除雾集水装置的结构示意图；
图2是本发明一实施例提供的电晕放电除雾集水装置中放电电极1的示意图；
图3是本发明一实施例提供的电晕放电除雾集水装置中双层地电极的示意图；
图4是本发明一实施例提供的电晕放电除雾集水装置中绝缘支柱的示意图；
图5是本发明一实施例提供的电晕放电除雾集水装置中纳米结构涂层的示意图；
图6是本发明一实施例提供的电晕放电除雾集水装置中微米结构涂层示意图；
图7是本发明一实施例提供的电晕放电除雾集水方法的原理图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1放电电极；2双层地电极；3负直流高压电源；4绝缘支柱；5纳米结构涂层；6微米结构涂层。
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。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，包括：
放电电极1用于在负直流电压下发生电晕放电使雾气流中的雾滴充分荷电；放电电极1表面设有纳米结构涂层5，用于强化放电效果；
双层地电极2，在雾气流方向与放电电极1平行设置，以与放电电极1形成空间电场；双层地电极2靠近放电电极1的表面设有微米疏水结构层，远离放电电极1的表面设有微米亲水结构层；当荷电的雾滴进入空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极2，双层地电极2上的微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，以使微米亲水结构层将雾滴凝聚成大液滴。
具体的，本发明提供了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置及方法，包括：放电电极1、双层地电极2、负直流高压电源3、绝缘支柱4、纳米结构涂层5、微米结构涂层6。绝缘支柱4用于支撑放电电极1，并有很好的绝缘性；放电电极1表面设置有纳米结构涂层5，用以强化放电电极1的放电效果；双层地电极2表面设置有微米结构涂层6，分别位于双层地电极2的两面，一面为疏水结构，一面为亲水结构。放电电极1、双层地电极2预设间隔平行放置，放电电极1接通负直流高压电源3后，电极上的纳米结构涂层5由于具有极小的曲率半径，开始发生电晕放电。携雾气流从放电电极1的位置进入电场区域，被荷电；荷电后的雾滴在电场作用下向地电极驱进；雾滴到达地电极附近时，不仅受到电场力，而且还有双层地电极2近放电电极1表面的疏水结构的可将液滴输运至另一侧的亲水表面，亲水结构使液滴凝聚成大液滴，使液滴定向输运，强化地电极捕获雾滴，运输液滴的能力。举例来说，绝缘支柱可以为12kV的标准绝缘子支柱。放电电极1与双层地电极的预设距离为1～4cm。
在其中一个实施例中，放电电极1包括多个尖锐的放电单元；尖锐的放电单元为针形电极、线形电极、刀片电极中的一种。
在其中一个实施例中，利用气相生长法、刻蚀或光刻方法将导电性良好的纳米材料垂直于放电电极1表面，形成纳米结构涂层5。
其中，放电电极1由尖锐的电极组成，如针、线、刀片等电极。放电电极1表面涂有纳米结构，纳米结构由导电性良好的纳米材料组成，如碳纳米管，通过气相生长法、刻蚀或者光刻等方法使纳米结构垂直于电极表面。
在其中一个实施例中，双层地电极2包括贴合设置的第一层网状电极和第二层网状电极。
在其中一个实施例中，第一层网状电极为微米疏水结构层，第二层网状电极为微米亲水结构层。
在其中一个实施例中，第一层网状电极和第二层网状电极上均设有多个相邻的菱形网孔。
在其中一个实施例中，第一层网状电极为多个T型电极呈预设角度斜坡分布的疏水结构层。
具体的，放电电极1表面涂有纳米结构，纳米结构由导电性良好的纳米材料组成，如碳纳米管，通过气相生长法、刻蚀或者光刻等方法使纳米结构垂直于电极表面。地电极为双层电极，均由网状结构组成。双层地电极两面设置不同的微米级结构，近放电电极1表面为定向疏水结构，远放电电极1表面为亲水结构。定向疏水结构为T型斜坡结构，坡度可以为30°。
在其中一个实施例中，方法还包括：
气流通道，设有进气口和出气口；放电电极1和双层地电极2均设置在进气口和出气口之间，用于对双层地电极2凝结的滴液进行导流；
储水箱，设置于气流通道底部，用于容纳导流后的液滴。
在其中一个实施例中，气流通道上设有收集坡度；收集坡度上覆盖有疏水涂层。
按照本发明的另一方面，提供了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水方法，包括：
S1：在负直流电压下放电电极1发生电晕放电使雾气流中的雾滴充分荷电；放电电极1表面设有纳米结构涂层5，用于强化放电效果；
S2：当荷电的雾滴进入空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极2，以使双层地电极2上的微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，并在微米亲水结构层将雾滴凝聚成大液滴；
其中，双层地电极2与放电电极1在雾气流方向平行设置形成空间电场，双层地电极2靠近阵列压电极1的表面设有微米疏水结构层，远离放电电极1的表面设有微米亲水结构层。
具体的，本发明还提供了一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水方法，包括：以“放电电极强化放电，地电极强化应用”的原则，在放电电极1上设置纳米级结构涂层，强化电晕放电效果，使雾滴在较低的电压下可以充分荷电。在双层地电极上设置微米级结构涂层，靠近放电电极1的表面为疏水结构，远离放电电极1表面为亲水层，强化地电极对雾滴的捕集能力、对形成大液滴的输运能力。举例来说，放电电极1与双层地电极的预设距离为1～4cm。
图1是基于微纳结构强化放电收集的静电除雾集水装置示意图，包括放电电极1、双层地电极2、负直流高压电源3、绝缘支柱4、纳米结构涂层5、微米结构涂层6。放电电极1表面涂有良好导电性的纳米结构涂层5，并通过气相生长法使纳米结构垂直于电极表面。双层地电极2上设置有不同的微米结构涂层6，分别是T型斜坡式的定向疏水结构、亲水结构。放电电极1被绝缘支柱4支撑，与双层地电极2预设距离平行放置，放电电极1接通负直流高压电源3，双层地电极2可靠接地。
基本工作原理为：放电电极1接通负直流高压电源3后，电极上的纳米结构涂层5由于具有极小的曲率半径，开始发生电晕放电。携雾气流从放电电极1的位置进入电场区域，被荷电。荷电后的雾滴在电场作用下向地电极驱进。雾滴到达地电极附近时，不仅受到电场力，而且还有双层地电极2近放电电极1表面的疏水结构的可将液滴输运至另一侧的亲水表面，亲水结构使液滴凝聚成大液滴，使液滴定向输运，强化地电极捕获雾滴，运输液滴的能力。
如图2所示，放电电极1由尖锐材料(针、线、刀片等)组成，间距为4cm。
如图3所示，双层地电极2由两层菱形网组成，由加班固定。
如图4所示，绝缘支柱由标准的12kV的绝缘子支柱构成。
如图5所示，纳米结构(如碳纳米管)通过气相沉积等方法使纳米架构垂直于电极表面。
如图6所示，微米结构分为斜坡型T型疏水结构和亲水结构，分别位于双层地电极的两面。基于上述基于微纳结构强化放电收集的静电除雾集水装置，实施例提供了除雾集水装置的运行方法，具体包括：
携雾气流从放电电极1的位置进入电场区域，在纳米结构强化的电晕放电的作用下，雾滴被荷电，并在电场作用下定向运动至双层地电极2附近，在此处荷电雾滴不仅受到电场力的作用，同时T型疏水层会定向输运雾滴至亲水层区域，在亲水层被快速捕集形成大液滴，并定向输运至电极下方。良好导电性纳米结构不仅可以强化放电电极1的放电效果，降低运行电压，还能够防止电极氧化锈蚀。地电极上的双层疏水亲水结构，不仅能够强化雾滴的捕集作用，还能够定向输运液滴，提高收集效率和气流通过率。
如图7所示，接通负直流高压电源3与放电电极1，双层地电极2可靠接地。放电电极1上的纳米结构涂层5发生电晕放电。
综上所述，本发明提供放电电极1接通负直流高压电源3后，电极上的纳米结构涂层5由于具有极小的曲率半径，在低电压下开始发生电晕放电。携雾气流从放电电极1的位置进入电场区域，被荷电。荷电后的雾滴在电场作用下向地电极驱进。雾滴到达地电极附近时，不仅受到电场力，而且还有双层地电极2近放电电极1表面的疏水结构的可将液滴输运至另一侧的亲水表面，亲水结构使液滴凝聚成大液滴，使液滴定向输运，强化地电极捕获雾滴，运输液滴的能力。导电纳米涂层不仅能够强化放电效果，降低运行电压，还能够防止电极锈蚀。疏水层和亲水层的组合，不仅可以提高雾滴的捕集能力、还能够定向输运液滴，提高经济效益。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，包括：
放电电极(1)用于在负直流电压下发生电晕放电使雾气流中的雾滴充分荷电；放电电极(1)表面设有纳米结构涂层(5)，用于强化放电效果；
双层地电极(2)，在雾气流方向与放电电极(1)平行设置，以与放电电极(1)形成空间电场；双层地电极(2)靠近放电电极(1)的表面设有微米疏水结构层，远离放电电极(1)的表面设有微米亲水结构层；当荷电的雾滴进入所述空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极(2)，双层地电极(2)上的微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，以使微米亲水结构层将雾滴凝聚成大液滴。
2.如权利要求1所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，放电电极(1)包括多个尖锐的放电单元；所述放电单元为针形电极、线形电极、刀片电极中的一种。
3.如权利要求2所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，利用气相生长法、刻蚀或光刻方法将导电性良好的纳米材料垂直于放电电极(1)表面，形成纳米结构涂层(5)。
4.如权利要求1所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，双层地电极(2)包括贴合设置的第一层网状电极和第二层网状电极。
5.如权利要求4所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，所述第一层网状电极为微米疏水结构层，所述第二层网状电极为微米亲水结构层。
6.如权利要求5所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，第一层网状电极和第二层网状电极上均设有多个相邻的菱形网孔。
7.如权利要求5所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，所述第一层网状电极为多个T型电极呈预设角度斜坡分布的疏水结构层。
8.如权利要求1所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，所述方法还包括：
气流通道，设有进气口和出气口；放电电极(1)和双层地电极(2)均设置在所述进气口和所述出气口之间，用于对双层地电极(2)凝结的滴液进行导流；
储水箱，设置于气流通道底部，用于容纳导流后的液滴。
9.如权利要求8所述的基于微纳结构强化放电的静电除雾集水装置，其特征在于，所述气流通道上设有收集坡度；所述收集坡度上覆盖有疏水涂层。
10.一种基于微纳结构强化放电的静电除雾集水方法，其特征在于，包括：
S1：在负直流电压下放电电极(1)发生电晕放电使雾气流中的雾滴充分荷电；放电电极(1)表面设有纳米结构涂层(5)，用于强化放电效果；
S2：当荷电的雾滴进入空间电场后在电场力的作用下被驱动至双层地电极(2)，以使双层地电极(2)上的微米疏水结构层将雾滴输运至微米亲水结构层，并在微米亲水结构层将雾滴凝聚成大液滴；
其中，双层地电极(2)与放电电极(1)在雾气流方向平行设置形成所述空间电场，双层地电极(2)靠近放电电极(1)的表面设有微米疏水结构层，远离放电电极(1)的表面设有微米亲水结构层。
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