CN116462276A - 一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及净水装置技术领域，具体公开了一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，包括进水单元、膜净水单元、出水单元和控制单元，膜净水单元包括底座，底座上转动连接有柱状体，柱状体中开设有多个柱状净水腔，每个柱状净水腔的下端均连接有进水接管，每个柱状净水腔的顶端密封转动连接有出水接管，柱状体的内部开设有多个柱状净水腔，每个柱状净水腔中均设置有石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯；本发明公开的净水装置无需对滤芯进行拆装更换，其切换过程迅速快捷，不会对净水装置的连续水处理过程造成影响，同时还实现了滤芯在线自动清理，整个净水装置中滤芯的成本相比较现有反渗透净水装置更低，而且不会产生废水，降低了水资源的浪费。

Description

一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置

技术领域

本发明涉及净水装置技术领域，具体公开了一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置。

背景技术

在面对自然灾害、环境污染事故等造成的突发水源污染事故时，为了能够对污染水源进行净化处理使其达到饮用级别的效果，往往需要采用反渗透or膜或者超滤膜对水源进行处理，经超滤膜处理后的污染水源无法达到直接应用的效果，而经过反渗透or膜处理后的污染水源则能够达到直接饮用的效果，但是反渗透or膜成本相比较于超滤膜更高，并且反渗透or膜在对水源进行处理时会产生大量废水，导致水资源浪费严重。

申请号为2012206009063的实用新型专利公开了一种并联超滤膜净水装置，由浓水支管、淡水支管、异径三通、取样阀、超滤膜体、支架、进水管、底座组成，底座的上端设置支架，超滤膜体通过螺栓固定在支架上，超滤膜体的上端设置异径三通，异径三通与淡水支管相连通，淡水支管的一端设置取样阀，超滤膜体的上端一侧设置浓水支管，超滤膜体的下端设置进水管；该实用新型公开的超滤膜净水装置虽然净水效率高，但是经过超滤膜净化处理后的污染水源并不能达到饮用级别。另外，使用超滤膜对污染水源进行连续净化处理时，其超滤膜的表面容易被附着上杂质，导致净化处理时水压增大、对杂质的过滤效果下降，因此需要及时更换超滤膜，而该专利公开的超滤膜净水装置无法实现在线超滤膜清理，需要停止使用后将其拆开，并取出超滤膜的滤芯进行清理，整个清理过程繁琐，而且无法实现整个净水装置连续在线运行。因此，针对现有反渗透or膜以及现有超滤膜净水装置在针对突发性水源无法时其存在的不足，本申请提出了一种能够有效解决上述技术问题的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置。

发明内容

本发明的目的是针对现有反渗透or膜以及现有超滤膜净水装置在针对突发性水源无法时其存在的不足，提出了一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，包括进水单元、膜净水单元、出水单元和控制单元，所述膜净水单元包括底座，所述底座上转动连接有柱状体，所述柱状体的内部呈环形阵列状开设有多个柱状净水腔，每个所述柱状净水腔的下端均连接有伸出柱状体设置的进水接管，每个柱状净水腔的顶端密封转动连接有出水接管，所述出水接管的下端连接有插接端头，上端连接有从动齿轮，每个所述柱状净水腔的内壁上固定连接有垂直刷条，所述柱状净水腔的上端连接有伸出柱状体设置的反冲洗管，且反冲洗管的外端连接有单向阀，每个所述柱状净水腔中均设置有石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯，且石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯的净水出口端与插接端头密封插设连接；

所述膜净水单元的旁侧设置有驱动滤芯旋转清理的动力组件，所述动力组件包括第二支架，所述第二支架的顶端设置有动力电机，所述动力电机的电机轴上设置有主动齿轮，所述主动齿轮与从动齿轮处于同一水平高度，且主动齿轮位于从动齿轮随柱状体旋转的环形路径一侧并与从动齿轮相啮合。

作为上述方案的进一步设置，所述进水单元包括第一支架，所述第一支架上设置有送水泵，所述送水泵上设置有进液管和出液管，所述出液管靠近膜净水单元的端部连接有第一伸缩管，所述第一伸缩管的端部连接有与进水接管对齐设置的进水插管，所述第一支架上设置有将进水插管向进水接管处推动的推动装置。

作为上述方案的进一步设置，所述推动装置包括设置在第一支架下端的推动气缸，所述第一伸缩管与进水插管的连接处设置有连接板，所述推动气缸的活塞杆端部与连接板相连接。

作为上述方案的进一步设置，所述出水单元包括通过弹簧与第一支架顶端相连接的载板，所述载板上连接有第二伸缩管，所述第二伸缩管的下端连接有与出水接管对齐设置的出水插管，所述第二伸缩管的上端连接有净水排管。

作为上述方案的进一步设置，所述柱状体的上表面同心设置有导向环体，所述导向环体的上表面均匀开设有与每个出水接管对齐的滚轮导向凹槽，所述载板的下表面设置有与导向环体上表面相抵接的滚轮件。

作为上述方案的进一步设置，所述载板上设置有不少于两个的垂直滑杆，所述第一支架的顶端开设有与每个垂直滑杆相匹配的滑孔，所述弹簧设置在载板与第一支架顶端之间的垂直滑杆上。

作为上述方案的进一步设置，所述石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯包括滤芯外框和滤芯中心管，所述滤芯中心管同心设置在滤芯外框的内部，且端部伸出滤芯外框的上端设置，所述滤芯外框和滤芯中心管上均开设有通水孔，所述滤芯外框的外表面包覆有石墨烯诱导取向梯度功能膜片，位于所述滤芯外框和滤芯中心管之间的内腔中填装有改性活性炭。

作为上述方案的进一步设置，所述第二支架的下端且朝向膜净水单元的一侧设置有位于进水接管下方的接液槽。

作为上述方案的进一步设置，所述进水单元和出水单元上均设置有液体流量计，两个所述液体流量件与控制单元电性连接。

作为上述方案的进一步设置，所述出水单元的端部还连接有消毒装置。

与现有技术相比，本发明有益效果如下：

本发明公开的净水装置通过特殊结构设计的膜净水单元，当膜净水单元中正在使用的石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯过滤效果下降时，能够使得柱状体定角度旋转，从而快速切换一个新的滤芯投入污染水源的净化处理过程，整个过程无需对滤芯进行拆装更换，其切换过程迅速快捷，不会对净水装置的连续水处理过程造成影响。

本发明公开的净水装置还在膜净水单元具有旋转切换功能的前提下，在柱状净水腔的内部设置有带有柔性刷毛的垂直刷条，同时还通过动力电机、主动齿轮、从动齿轮、出水接管的设计，使得切换出来的滤芯能够在自身旋转过程中对其膜面上的杂质进行清理，再结合反冲洗水管中注入的冲洗液能够保证对滤芯的清洗效果；整个膜净水单元无需将滤芯从膜净水单元中拆卸下再手动清洗，其实现了滤芯在线自动清理，降低了作业人员的劳动强度。

本发明公开的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置是以石墨烯为链段诱导取向增强剂制备出来的超滤膜搭配改性活性炭作为过滤介质，实现了对污染水源的有效净化处理，经过石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯处理后的污水达到了直接饮用的效果，整个净水装置中滤芯的成本相比较现有反渗透净水装置更低，而且不会产生废水，降低了水资源的浪费。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明的第一立体结构示意图；

图2为本发明的第二立体结构示意图；

图3为本发明中膜净水单元的第一立体结构示意图；

图4为本发明中膜净水单元的第二立体结构示意图；

图5为本发明中柱状体的局部立体剖视结构图；

图6为本发明中进水单元的立体结构示意图；

图7为本发明中出水单元的立体结构示意图；

图8为本发明图2中A处的放大结构示意图；

图9为本发明中石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯的立体结构示意图；

图10为本发明中石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯的内部平面结构示意图。

其中：

进水单元，101-第一支架，102-送水泵，103-进液管，104-出液管，105-第一伸缩管，106-进水插管，107-推动装置；

膜净水单元，201-底座，202-柱状体，203-柱状净水腔，204-进水接管，205-出水接管，206-插接端头，207-从动齿轮，208-垂直刷条，209-反冲洗管，210-单向阀；

出水单元，301-弹簧，302-载板，303-第二伸缩管，304-出水插管，305-净水排管，306-导向环体，307-滚轮导向凹槽，308-滚轮件，309-垂直滑杆；

控制单元；

石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯，501-滤芯外框，502-滤芯中心管，503-通水孔，504-改性活性炭，505-石墨烯诱导取向梯度功能膜片；

动力组件，601-第二支架，602-动力电机，603-主动齿轮，604-接液槽；

液体流量计；

消毒装置。

实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本申请保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图1~10，并结合实施例来详细说明本申请。

实施例

实施例1公开了一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，参考附图1和附图2，该净水装置的主体包括进水单元1、膜净水单元2、出水单元3和控制单元4，其中进水单元1和出水单元3分别与膜净水单元2的进出端相连接，使得污染水源经过膜净水单元2处理后再由出水单元3排出。

参考附图3、附图4和附图5，膜净水单元2包括底座201和柱状体202，将柱状体202转动连接在底座201上，并在底座201上设置有驱动电机，该驱动电机的电机轴与柱状体202下端的转轴之间可有链条或者传动带进行连接，进而实现驱动柱状体202的定角度旋转。

在柱状体202的内部呈环形阵列状开设有多个柱状净水腔203，本图示中的柱状净水腔203设置有六个，然后在每个柱状净水腔203的下端均连接有伸出柱状体202设置的进水接管204，在每个柱状净水腔203的顶端通过密封轴承转动连接有出水接管205，并且出水接管205的下端连接有插接端头206，上端连接有从动齿轮207。在每个柱状净水腔203的内壁上固定连接有垂直刷条208，并且该垂直刷条208沿柱状净水腔203的轴线方向垂直设置，使得垂直刷条208上的柔性刷毛朝着柱状净水腔203的中轴线设置。

在柱状净水腔203的上端连接有伸出柱状体202设置的反冲洗管209，并且反冲洗管209的外端连接有单向阀210，通过该单向阀210的设计使得柱状净水腔203无法通过反冲洗管209流出，并在需要对柱状净水腔203进行冲洗时，可将冲洗液与反冲洗管209的外端相连接，进而向柱状净水腔203的内部注入冲洗液。

在每个柱状净水腔203中均设置有石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3，并且石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯5的净水出口端与插接端头206密封插设连接，使得石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3能够随着出水接管205进行转动。另外，为了方便对柱状净水腔203中的石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3进行更换，还在柱状体202的下端开设有拆卸口，并且每个拆卸口中密封设置有底盖板。

参考附图9和附图10，本实施例中的石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3包括滤芯外框501和滤芯中心管502，滤芯中心管502同心设置在滤芯外框501的内部，并且滤芯中心管502的上端部伸出滤芯外框501的上端设置，并在其外表面设置有键条使得滤芯中心管502在与插接端头206连接后，能够随着出水接管205进行旋转。在滤芯外框501和滤芯中心管502上均开设有通水孔503，然后在滤芯外框501的外表面包覆有石墨烯诱导取向梯度功能膜片505，同时还在位于滤芯外框501和滤芯中心管502之间的内腔中填装有改性活性炭504。

其中，石墨烯诱导取向梯度功能膜片505是以具有二维平面结构和适度疏水性的石墨烯作为链段诱导取向增强剂，并将其均匀分散聚合物铸膜液中制备而出的超滤膜，并且该超滤膜的纯水通量大于600L/m2h(0.1MPa，25℃)，断裂拉伸强度≥5MPa，断裂伸长率≥250%，膜的公称孔径<30nm，该石墨烯诱导取向梯度功能膜片505的制备成本只有现有普通超滤膜的70%，同时其过滤效果提高超过了现有普通超滤膜12%，具有较好的经济价值和净水效果。

改性活性炭504是采用微米零价铁和银作为活性组分通过浸渍、液相还原负载在载体上，制备负载微米零价铁和银的活性炭。将负载微米零价铁/银的活性炭经过高温活化、酯水解等，制备得到载银/铁亲水改性活性炭。该经过载银/铁亲水改性后的改性活性炭504具有吸附、氧化、还原、杀菌等功能，并且对重金属、化学品、放射性元素具有吸附去除作用，去除率≥85%。

参考附图3，在膜净水单元2的旁侧设置有驱动滤芯旋转清理的动力组件6，该动力组件6包括第二支架601，第二支架601的顶端设置有动力电机602，动力电机602的电机轴上设置有主动齿轮603。在设计过程中该主动齿轮603与从动齿轮207处于同一水平高度，并且主动齿轮603位于从动齿轮207随柱状体202旋转的环形路径一侧并与从动齿轮207相啮合。

当柱状体202定角度旋转将待清理的石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3转动至动力组件6位置处，此时主动齿轮603会与对应的从动齿轮207相啮合，然后在动力电机602以及齿轮的啮合传动下即可实现石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3在柱状净水腔203中绕自身轴线进行旋转，然后在旋转过程中利用垂直刷条208上的柔性刷毛将其膜面上的杂质进行有效清理，并在清理过程中可利用反冲洗管209中注入的冲洗液进行冲洗，使其能够将石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3的表面清洗干净，然后清理产生的废水则从对应的进水接管中排出。另外，为了对排出的清洗废水进行收集，本实施例还在第二支架601的下端且朝向膜净水单元2的一侧设置有位于进水接管204下方的接液槽604。

参考附图6、附图7以及附图8，具体的进水单元1包括第一支架101，在第一支架101上设置有送水泵102，送水泵102上设置有进液管103和出液管104，进液管103可通过管道与污染水源相连接，然后在出液管104靠近膜净水单元2的端部连接有第一伸缩管105，第一伸缩管105的端部连接有进水插管106，并将进水插管106与进水接管204对齐设置。

在第一支架101上还设置有将进水插管106向进水接管204处推动的推动装置107。该推动装置107包括设置在第一支架101下端的推动气缸1071，第一伸缩管105与进水插管106的连接处设置有连接板1072，推动气缸1071的活塞杆端部与连接板1072相连接。当进水接管204旋转至与进水插管106对齐后，启动推动气缸1071即可将进水插管106密封插入到进水接管204中，然后利用送水泵102送入污染水源。

出水单元3包括通过弹簧301与第一支架101顶端相连接的载板302，在载板302上连接有第二伸缩管303，并在第二伸缩管303的下端连接有与出水接管205对齐设置的出水插管304，然后还在第二伸缩管303的上端连接有净水排管305。为了实现在柱状体202旋转切换过程中，其出水单元3能够自动与出水插管304相连接，还在柱状体202的上表面同心设置有导向环体306，然后在导向环体306的上表面均匀开设有与每个出水接管205对齐的滚轮导向凹槽307，并在载板302的下表面设置有与导向环体306上表面相抵接的滚轮件308。最后，出水单元还包括设置在载板302上的垂直滑杆309，并且垂直滑杆309的数量要不少于两个，同时还在第一支架101的顶端开设有与每个垂直滑杆309相匹配的滑孔，并将弹簧301设置在载板302与第一支架101顶端之间的垂直滑杆309上。上述出水单元3能够在柱状体202旋转切换石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3的过程中，其导向环体306会顶动滚轮件308，进而使得在载板302、出水插管304向上移动，从而使得出水插管304与出水接管205分离，待旋转至与下一个石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3对齐后，由于滚轮导向凹槽307与滚轮件308的作用以及在弹簧301的作用下，该出水插管304又会再次向下移动，从而自动插入到对应的出水接管205上，进而将该石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯3投入使用。

实施例

实施例2公开了一种以实施例1中技术方案为基础进行进一步改进设计的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，本实施例2与实施例1相同之处不做再次说明，其不同之处在于，本实施例2还在整个净水装置上增设了消毒装置和自动控制系统。

其中，消毒装置8包括设置在膜净水单元2旁侧的消毒机柜，将出水单元中的净水排管305与消毒机柜的内腔相连接，并在消毒机柜的另一侧面下端连接有安全性接管，然后该消毒机柜的内部设置有紫外线消毒机构（图中未画出），利用紫外线对净化后的水体进一步消毒，以保证其饮用安全性。

自动控制系统包括设置在进水单元1和出水单元3上均设置有液体流量计7，两个液体流量计7作为信息采集单元与控制单元4电性连接，通过判断两个液体流量计7的数值偏差来判断石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯5是否发生堵塞以及过滤净化效果是否下降明显，一旦发现出水单元3上的液体流量计7数值远低于进水单元1上的数值，则控制单元4则直接控制柱状体202旋转切换新的石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯5投入使用，并且同时启动相应的清理成型，利用石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯5的旋转过程，再结合垂直刷条208和注入的冲洗液进行清理。

以上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)

1.一种石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，包括进水单元（1）、膜净水单元（2）、出水单元（3）和控制单元（4），其特征在于，所述膜净水单元（2）包括底座（201），所述底座（201）上转动连接有柱状体（202），所述柱状体（202）的内部呈环形阵列状开设有多个柱状净水腔（203），每个所述柱状净水腔（203）的下端均连接有伸出柱状体（202）设置的进水接管（204），每个柱状净水腔（203）的顶端密封转动连接有出水接管（205），所述出水接管（205）的下端连接有插接端头（206），上端连接有从动齿轮（207），每个所述柱状净水腔（203）的内壁上固定连接有垂直刷条（208），所述柱状净水腔（203）的上端连接有伸出柱状体（202）设置的反冲洗管（209），且反冲洗管（209）的外端连接有单向阀（210），每个所述柱状净水腔（203）中均设置有石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯（3），且石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯（5）的净水出口端与插接端头（206）密封插设连接；

所述膜净水单元（2）的旁侧设置有驱动滤芯旋转清理的动力组件（6），所述动力组件（6）包括第二支架（601），所述第二支架（601）的顶端设置有动力电机（602），所述动力电机（602）的电机轴上设置有主动齿轮（603），所述主动齿轮（603）与从动齿轮（207）处于同一水平高度，且主动齿轮（603）位于从动齿轮（207）随柱状体（202）旋转的环形路径一侧并与从动齿轮（207）相啮合。

2.根据权利要求1所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述进水单元（1）包括第一支架（101），所述第一支架（101）上设置有送水泵（102），所述送水泵（102）上设置有进液管（103）和出液管（104），所述出液管（104）靠近膜净水单元（2）的端部连接有第一伸缩管（105），所述第一伸缩管（105）的端部连接有与进水接管（204）对齐设置的进水插管（106），所述第一支架（101）上设置有将进水插管（106）向进水接管（204）处推动的推动装置（107）。

3.根据权利要求2所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述推动装置（107）包括设置在第一支架（101）下端的推动气缸（1071），所述第一伸缩管（105）与进水插管（106）的连接处设置有连接板（1072），所述推动气缸（1071）的活塞杆端部与连接板（1072）相连接。

4.根据权利要求1所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述出水单元（3）包括通过弹簧（301）与第一支架（101）顶端相连接的载板（302），所述载板（302）上连接有第二伸缩管（303），所述第二伸缩管（303）的下端连接有与出水接管（205）对齐设置的出水插管（304），所述第二伸缩管（303）的上端连接有净水排管（305）。

5.根据权利要求4所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述柱状体（202）的上表面同心设置有导向环体（306），所述导向环体（306）的上表面均匀开设有与每个出水接管（205）对齐的滚轮导向凹槽（307），所述载板（302）的下表面设置有与导向环体（306）上表面相抵接的滚轮件（308）。

6.根据权利要求5所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述载板（302）上设置有不少于两个的垂直滑杆（309），所述第一支架（101）的顶端开设有与每个垂直滑杆（309）相匹配的滑孔，所述弹簧（301）设置在载板（302）与第一支架（101）顶端之间的垂直滑杆（309）上。

7.根据权利要求1所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述石墨烯诱导取向梯度功能膜滤芯（5）包括滤芯外框（501）和滤芯中心管（502），所述滤芯中心管（502）同心设置在滤芯外框（501）的内部，且端部伸出滤芯外框（501）的上端设置，所述滤芯外框（501）和滤芯中心管（502）上均开设有通水孔（503），所述滤芯外框（501）的外表面包覆有石墨烯诱导取向梯度功能膜片（505），位于所述滤芯外框（501）和滤芯中心管（502）之间的内腔中填装有改性活性炭（504）。

8.根据权利要求1所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述第二支架（601）的下端且朝向膜净水单元（2）的一侧设置有位于进水接管（204）下方的接液槽（604）。

9.根据权利要求1所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述进水单元（1）和出水单元（3）上均设置有液体流量计（7），两个所述液体流量件（7）与控制单元（4）电性连接。

10.根据权利要求1所述的石墨烯诱导取向梯度功能膜的净水装置，其特征在于，所述出水单元（3）的端部还连接有消毒装置（8）。