CN212387766U - 一种水能发电的纳米电光催化消毒器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种水能发电的纳米电光催化消毒器，包括水能发电系统、消毒系统，所述水能机上设置有进水口和叶轮发电机，水从进水口进入水能机，推动叶轮发电机发电；电控系统将产生的电能提供给所述消毒系统，并将剩余的电能储存起来；所述消毒系统与水能机之间设置有连通管，水经过水能机后通过所述连通管进入所述消毒系统。本实用新型利用自流水力推动叶轮发电机产生电能，控制紫外线灯管组对管筒内的纳米级二氧化钛触媒涂层和钛基复合材料的管筒加强拉杆的钛离子进行电光催化反应，从而实现强大氧化分解作用，瞬间破坏细菌的细胞膜和凝固病毒的蛋白质载体，杀灭细菌并分解细菌、真菌释放出的毒素，灭杀率达到99.99％。
Description
技术领域
本实用新型涉及水消毒器领域，特别是一种水能发电的纳米电光催化消毒器。
背景技术
传统的二氧化氯消毒是通过氧化反应来破坏其病菌的细胞膜，是纯化学反应，并且二氧化氯发生器消毒后的饮用水口感差及伴有刺鼻味，后期药剂维护成本高，需要专业技术人员操作及源水变化大时无法控制药剂投加量等弊端。氯消毒也会产生三氯甲烷，氯乙酸等具有潜在致癌致突变的有机副产物。
而市面上的紫外灯消毒器和臭氧发生器对菌落总群中金黄色葡萄球菌的杀菌率为80％左右，二氧化氯发生器对其细菌也要5分钟才能杀死，杀菌效率不高，且能耗大、紫外灯管清洗不彻底，无持久杀菌能力，容易造成管网的二次污染；浊度及水中悬浮物对紫外杀菌效果有较大影响；对于某些抗紫外线的病毒需要较高的灭活剂量；杀灭的细菌有可能会光修复。由于细菌、病菌和病毒长期暴露在太阳光下面，长时间的进化过程，使得这些细菌、病菌、病毒产生对单一紫外线的抵抗力，这种抵抗力被人们定义为活化酶。活化酶存在于细菌、病菌、病毒的细胞内，一旦细菌和病菌的DNA受到损伤，这种活化酶就会发挥功效，帮助受损部分迅速恢复成原来的状态。
实用新型内容
针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的是提供一种利用光催化技术和水能发电技术的纳米电光催化消毒器。
为了达到上述目的，本实用新型提供的技术方案如下：一种水能发电的纳米电光催化消毒器，包括水能发电系统、消毒系统，所述水能发电系统由水能机1和电控系统3组成，所述水能机1上设置有进水口101和叶轮发电机102，水从进水口101进入水能机1，推动叶轮发电机102发电；电控系统3将产生的电能提供给所述消毒系统，并将剩余的电能储存起来；
所述消毒系统包括管筒2、紫外线灯管组203、管筒加强拉杆204，所述管筒2内有纳米级二氧化钛触媒涂层202；所述消毒系统与水能机1之间设置有连通管4，水经过水能机1后通过所述连通管4进入所述消毒系统；所述消毒系统还包括出水口201。
进一步地，所述管筒加强拉杆204为钛基复合材料。是具备高模量、高硬度、高强度及良好高温性能的一种复合材料，作为所述管筒2内的加强拉筋，可以解决冲刷性及疲劳强度。同时也增强了紫外线光源对其照射时产生的氧化还原反应，从而达到极致的杀菌作用。
进一步地，所述紫外线灯管组203的波长为200～300nm。
进一步地，所述管筒2为石英玻璃。石英玻璃是高纯单组分玻璃，具有优良的热，光，电和机械性能，耐腐蚀，对大多数物质是稳定的，包括除氢氟酸以外的大多数酸，可以长期应用在恶劣的环境中，而且，石英玻璃在紫外线到红外线的整个光谱波段都有优良的透过性能。
进一步地，所述电控系统3包括稳压器、逆变器、蓄电池。水流推动叶轮发电机102发电，产生电能后通过稳压器保证220V电压供应所述消毒系统，多余的电能通过逆变器储存于蓄电池内，当流水压力小于0.1Mp时，蓄电池的电量将通过逆变器转变为220V电压持续供电，实时保证对水质的杀菌和消毒。
进一步地，所述纳米级二氧化钛触媒涂层202是将液态纳米二氧化钛原浆用50％-60％的蒸馏水稀释后倒入纳米喷枪壶中，雾化喷涂在所述管筒2内壁上。
进一步地，所述纳米级二氧化钛触媒涂层202的硬度等级在8-9级。
本实用新型的有益效果：本实用新型利用自流水力推动叶轮发电机产生电能，控制紫外线灯管组对管筒内的纳米级二氧化钛触媒涂层和钛基复合材料的管筒加强拉杆的钛离子进行电光催化反应，从而实现强大氧化分解作用，瞬间破坏细菌的细胞膜和凝固病毒的蛋白质载体，杀灭细菌并分解细菌、真菌释放出的毒素，灭杀率达到99.99％，把有机污染物分解成无污染的水和二氧化碳有机物的分解，以及对重金属的降解。同时具备以下优点：
1.纳米级二氧化钛触媒涂层稳定性好、无毒、价廉，在紫外线的照射下具备极强的氧化还原作用，将光催化剂表面的各种细菌及污染物摧毁；是一种持久的，绝对有效的杀菌技术，没有复活反应，没有菌群反弹现象，能绝对保证消毒效果和出水水质，不产生二次污染。2.不需要专业人员操作，插电通水即可，解决了很多没有办法供电的集中供水点的消毒问题，也可以解决大型自来水的节能降耗问题，减少了运营成本。3.不需要投加任何化学试剂，并且可以提高处理后水质口感，源水无论如何变化都能保证尾水病理指标优于国家规定的排放标准。4.有超强的氧化性，对水体的污染有机物有极强的分解作用，从而具有非常好的自洁功能，石英玻璃套管能保持长效的透光性，增加了消毒和杀菌效果；钛基合金管筒加强拉杆的钛元素在紫外线光源照射时增强氧化还原反应，从而达到极致的灭绝性杀菌作用。
附图说明
图1为纳米电光催化消毒器的剖面示意图；
图2为纳米电光催化消毒器的侧面视图。
具体实施方式
参照图1-2对本实用新型的做进一步的详细描述。
一种水能发电的纳米电光催化消毒器，包括水能发电系统、消毒系统，所述水能发电系统由水能机1和电控系统3组成，所述电控系统3包括稳压器、逆变器、蓄电池；所述水能机1上设置有进水口101和叶轮发电机102，水从进水口101进入水能机1，推动叶轮发电机102发电；水流推动叶轮发电机102发电，产生电能后通过稳压器保证220V电压供应所述消毒系统，多余的电能通过逆变器储存于蓄电池内，当流水压力小于0.1Mp时，蓄电池的电量将通过逆变器转变为220V电压持续供电，实时保证对水质的杀菌和消毒。
所述消毒系统包括石英玻璃管筒2、紫外线灯管组203、钛基复合管筒加强拉杆204，所述石英玻璃管筒2内有纳米级二氧化钛触媒涂层202；所述消毒系统与水能机1之间设置有连通管4，水经过水能机1后通过所述连通管4进入所述消毒系统；所述消毒系统还包括出水口201。
自流水从进水口101进入，推动叶轮发电机102发电后进入消毒系统，经过消毒系统中的点光催化反应灭菌消毒后从出水口201流出，得到符合排放标准的水。
纳米级二氧化钛触媒涂层202的制备方法为以下步骤：
1、选用德国进口的纳米级别为15nm二氧化钛粉体，当粒子的尺寸减小到纳米量级，将导致声、光、电、磁、热性能呈现新的特性。具有大的比表面积、表面原子数、表面能和表面张力，随着粒径的下降而急剧增加，小尺寸效应、表面效应、量子尺寸效应及宏观量子隧道效应等导致纳米微粒的热、磁、光、敏感特性和表面稳定性等不同于常规粒子。由于TiO2电子结构所具有的特点，使其受光时生成化学活泼性很强的超氧化物阴离子自由基和氢氧自由基，攻击有机物，达到降解有机污染物的作用。当遇到细菌时，直接攻击细菌的细胞，致使细菌细胞内的有机物降解，以此杀菌，并使之分解。纳米二氧化钛不仅能影响细菌繁殖力，而且能破坏细菌的细胞膜结构，达到降解细菌，防止二次污染，纳米二氧化钛属于非溶出型材料，在降解有机污染物和杀灭菌的同时，自身不分解、不溶出，光催化作用持久，并具有持久的杀菌、降解污染物效果。效果比普通二氧化钛粉体强50倍；
2、在制作纳米二氧化钛溶液为了增加硬度、冲刷耐磨度，必须选用环保的黏合剂，我们从砂轮烧结制造中用的玉米淀粉黏合剂得到启发，用40％-55％的玉米淀粉加入10％-15％的植物纤维素和35％-50％的蒸馏水用搅拌机进行搅拌2小时以上，随后加温到150℃保温一小时后，降温到60℃恒温3小时，冷却后入总量18％的环保型环氧树脂上搅拌机搅拌2小时，成功制作出纳米二氧化钛黏合剂，将35％-45％的液态纳米二氧化钛粉体倒入55％-65％的黏合剂中用搅拌机进行搅拌3小时后，成功制作出液态纳米二氧化钛原浆；
3、将液态纳米二氧化钛原浆用50％-60％的蒸馏水稀释后将倒入纳米喷枪壶中，通过0.3Mpa的压力雾化喷涂在管筒内壁上，涂层在2天后成膜，继续在喷涂一次，等待10天后在管筒会形成硬度为8-9H的涂膜，将永久性不被水冲刷掉，长期具有氧化还原性。
纳米级二氧化钛触媒涂层202催化杀灭细胞的过程分为四步：
1、Ti02微粒与细胞发生近距离的接触，细胞外层膜的渗透性发生改变，这步的损伤是可逆的；
2、细胞的细胞壁受到进一步的损伤，一些金属离子例如K+离子和一些小分子量物质渗透出细胞，产生对细胞的不可逆的损伤，这一步也开始发生细胞的死亡。但是磷脂双分子层有高度交联的分子结构，所以在此阶段的细胞损伤在电镜下也很难观察到；
3、更进一步的细胞膜损伤使更高分子量的物质，例如蛋白质渗出细胞外。同时部分细胞壁发生降解，由于渗透压作用，在破损处细胞质膜向周围基质突出，在此阶段大范围的细胞凋亡；
4、细胞内部的细胞器，遗传物质开始发生降解，紧接着细胞完全被矿化为C02和H20以及其它矿物质。细胞的降解过程也可能会从与Ti02接触的部分开始按以上顺序降解。细胞损伤的大体步骤是按细胞外膜一细胞壁一细胞质膜一内部细胞器与遗传物质的顺序。
电光催化性能试验：取一方形测试槽，将略小于测试槽面积的有纳米级二氧化钛触媒(nm-TiO2)板平放入其中，倒入COD为160mg/L和SS为40mg/L废水1000mL，以能将光催化网刚刚淹没为宜。用320W紫外光照射2分钟后取出，测定废水的吸光度和COD值，计算SS分解率和COD去除率，测定结果表明。废水的SS分解率和COD去除率分别到达了90％和81％，推测随着紫外光照射时间的延长，其脱色率和COD去除率会进一步提高。这是由于纳米级二氧化钛涂层中的nm-TiO2颗粒吸收了波长为200～300nm的光子后，价带中的电子会被激发到导带，形成活性很高的电子(e-)，同时价带上形成带正电的空穴(h+)，从而形成空穴，带负电的e-与纳米级二氧化钛(nm-TiO2)涂层表面的O2结合产生超氧阴离子自由基(O2·)和反应生成了强氧化性的羟基自由基(·OH)。·OH的氧化性能在水体中最强，可以有效的去除水体内的有机物。
发生如下反应：
O2+2H++2e→H2O2；
H2O2+e→OH+·OH；
OH+h+→·OH。
纳米电光催化反应系统的基本原理及作用：
纳米电光催化反应系统原理是用规定波长的紫外灯灯光及可见光照射纳米级(TiO2)涂层/钛基复合材料时电极进行水的电解反应和氧化还原，光催化反应将空气中的水或氧气催化成氧化能力的羟基自由基(·OH)和超氧阴离子自由基(O2·)，活性氧(·O)等具有氧化能力的光生活性基团，这些光生活性基团的能量相当于3600K的高温，具有很强的氧化性。当纳米级(TiO2)涂层接受规定波长的紫外线照射时，其内部由于吸收光能而激发产生电子·空穴对，TiO2的电子从价电带跃迁至导电带，在光触媒表面形成电子(e-)空穴(h+)对，带负电的e-与纳米级(TiO2)涂层/钛基复合材料表面的O2结合产生超氧阴离子自由基(O2·)。即光生载流子,然后迅速迁移到其表面并激活被吸附的氧和水分，带正电的h+与其表面的H2O结合产生羟基自由基(·OH)和活性氧(·O)，这两者在化学上都是极不稳定的物质，当污染物以及细菌吸附其表面时，就会发生链式降解反应。会产生类似光合作用(将光能转变为化学能)的光催化反应，产生出氧化能力极强的自由氢氧基和活性氧，具有很强的光氧化还原功能，这些强氧化性基团(能量相当于3600K的高温)可强效分解各种具有不稳定化学键的有机化合物和部分无机物，并可瞬间破坏细菌的细胞膜和凝固病毒的蛋白质载体。达到99.99％杀灭细菌并分解细菌、真菌释放出的毒素和分解有机污染物，把有机污染物分解成无污染的水(H2O)和二氧化碳(CO2)，因而具有极强的杀菌、除臭、分解有机物、分解化肥残留物、分解一定量的重金属的作用。
以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，并不是对本实用新型专利范围的限制，凡属于本实用新型思路下的技术方案均属于本实用新型的保护范围。应当指出，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型构思的前提下的若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。
Claims (7)
1.一种水能发电的纳米电光催化消毒器，包括水能发电系统、消毒系统，其特征在于：所述水能发电系统由水能机(1)和电控系统(3)组成，所述水能机(1)上设置有进水口(101)和叶轮发电机(102)，水从进水口(101)进入水能机(1)，推动叶轮发电机(102)发电；所述电控系统(3)将产生的电能提供给所述消毒系统，并将剩余的电能储存起来；
所述消毒系统包括管筒(2)、紫外线灯管组(203)、管筒加强拉杆(204)，所述管筒(2)内有纳米级二氧化钛触媒涂层(202)；所述消毒系统与水能机(1)之间设置有连通管(4)，水经过水能机(1)后通过所述连通管(4)进入所述消毒系统；所述消毒系统还包括出水口(201)。
2.根据权利要求1所述的一种水能发电的纳米电光催化消毒器，其特征在于：所述管筒加强拉杆(204)为钛基复合材料。
3.根据权利要求1所述的一种水能发电的纳米电光催化消毒器，其特征在于：所述紫外线灯管组(203)的波长为200～300nm。
4.根据权利要求1所述的一种水能发电的纳米电光催化消毒器，其特征在于：所述管筒(2)为石英玻璃。
5.根据权利要求1所述的一种水能发电的纳米电光催化消毒器，其特征在于：所述电控系统(3)包括稳压器、逆变器、蓄电池。
6.根据权利要求1所述的一种水能发电的纳米电光催化消毒器，其特征在于：所述纳米级二氧化钛触媒涂层(202)是将液态纳米二氧化钛原浆用50％-60％的蒸馏水稀释后倒入纳米喷枪壶中，雾化喷涂在所述管筒(2)内壁上。
7.根据权利要求6所述的一种水能发电的纳米电光催化消毒器，其特征在于：所述纳米级二氧化钛触媒涂层(202)的硬度等级在8-9级。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN111634973A (zh) * | 2020-07-07 | 2020-09-08 | 广西碧福环保工程有限公司 | 一种水能发电的纳米电光催化消毒器 |
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2020
- 2020-07-07 CN CN202021312628.2U patent/CN212387766U/zh active Active
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