一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置

1.本发明涉及水处理领域技术领域，尤其是涉及一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置。


背景技术：

2.随着化学工业污染物的排放，以及药物的大量使用和随意排放，使得水体中的污染物成分日渐复杂。光催化技术可以利用绿色清洁的太阳能激发半导体氧化物，将水中的污染物降解为无毒无害的co2和h2o，从而达到去臭、脱色、除毒等目的。相较于传统水处理技术，具有工艺简单、能耗低、易操作等优点，可使许多有毒污染物完全降解，因而在深度水处理过程中具有很高的应用价值。
3.应用较广泛的光催化剂主要有tio2、zno等，面对传统催化剂在光催化降解过程中存在禁带宽度较大和光生电子-空穴复合率高的缺点，研究者们进行了一系列工作，如掺+杂改性、半导体复合等方式提高催化剂的催化活性，但是体相电荷分离效率仍然很低。近年来利用压电效应是提高催化效率的有效方法：利用压电效应的内置电场，促进光生载流子的分离，从而实现利用机械能提高压电及光催化效率。
4.在压电材料实际应用中，驱动力的选择是其实际应用和进一步发展的重要因素。目前多数使用超声振动或外置电场驱动压电材料产生压电效应，存在耗能大等问题。此外，在压电光催化体系中，能够有效耦合压电和光催化作用进行污染物降解的装置十分有限，传统光催化反应器由于结构的原因均有不同的缺陷，如悬浮式反应器光催化剂分离困难，固定床式反应器中的催化剂与反应物接触面积较小，导致降解效率降低。因此在压电光催化装置的结构设计上需要做出适当的优化，在有效提升光催化效率的同时，简化反应系统，使其实现应用价值。


技术实现要素：

5.发明目的：为了克服背景技术的不足，本发明公开了一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置。
6.技术方案：本发明公开的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，包括漏斗型壁面，所述漏斗型壁面内表面设有螺旋式反应槽，所述螺旋式反应槽两端连通漏斗型壁面上部的进水口和底部的出水口，所述漏斗式反映槽槽内贴覆压电薄膜，所述出水口处设有水力发电机，所述漏斗型壁面上方设有氙灯与水力发电机连接。
7.进一步的，所述螺旋式反应槽为以壁面为槽边的砖混结构，砂浆抹面，四周涂覆防渗材料。
8.进一步的，所述螺旋式反应槽内间隔设置多个压电薄膜固定器，对压电薄膜进行固定。
9.进一步的，所述压电薄膜为非中心对称结构，采用钙钛矿型压电材料、二维超薄材料、层状铋系材料及有机压电材料中的一种或者多种。
10.进一步的，所述水利发电机连接储电设备。
11.进一步的，所述储电设备连接有驱动水泵，与出水口连接，将未达标废水输送至进水口，再次处理。
12.进一步的，所述漏斗型壁面的坡度为1:1～1:1.5；半径为1～2m；所述螺旋式反应槽横截面积为0.0025～0.01m2。
13.进一步的，所述进水口设置流量控制开合装置，废水流量为0.011～0.076m3/s。
14.工作原理：废水通过进水口进入螺旋式反应槽，当反应槽中布设的压电薄膜受到水流涡激剪力作用时，将发生一定程度的形变，在压电薄膜层内部发生极化现象，两个相对表面会出现正负相反的电荷，在材料内部形成内建电场，促使负载在薄膜上的光催化剂电子和空穴有效分离；同时，经过降解后的污水在重力作用下利用水力发电原理产出电能并储存利用，供给氙灯，在氙灯光照射下，产生自由基，在膜表面发生氧化还原反应，从而达到降解污染物的作用。
15.有益效果：与现有技术相比，本发明有效利用水流驱动压电薄膜产生压电效应，将水流作用在压电结构单元表面的机械能转换成化学能，并用于降解污染物；同时利用水力发电原理，将机械能转化为电能并收集利用；本发明不仅结构简单，易于实现，节能环保，相较于传统光催化装置要节约成本，提高工作效率，且由于自身具备能源补充，工作寿命较长，可获得巨大的经济效益。
附图说明
16.图1为本发明结构示意图；
17.图2为本发明漏斗型壁面俯视图；
18.图3为本发明漏斗型壁面剖视图。
具体实施方式
19.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的说明。
20.如图1-3所示的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，包括漏斗型壁面1，所述漏斗型壁面1内表面设有螺旋式反应槽2，所述螺旋式反应槽2为以壁面为槽边的砖混结构，砂浆抹面，四周涂覆防渗材料。所述螺旋式反应槽2两端连通漏斗型壁面1上部的进水口101和底部的出水口102，所述漏斗式反映槽2槽内贴覆压电薄膜3，所述螺旋式反应槽2内间隔设置多个压电薄膜固定器6，对压电薄膜3进行固定。
21.所述压电材料具有非中心对称结构，包括氧化锌(zno)，钙钛矿型压电材料，如钛酸钡(batio3)；二维超薄材料，如少层二硫化钼(mos2)，硒化钼(mose2)，硫化钨(ws2)等；层状铋系材料，如碘酸氧铋(bioio3)，氯氧铋(biocl)等，以及有机压电材料，如聚偏氟乙烯(pvdf)；材料选自其中的一种或多种。
22.所述出水口102处设有水力发电机4，所述漏斗型壁面1上方设有氙灯5与水力发电机4连接，所述水利发电机4连接储电设备7，所述储电设备7连接有驱动水泵，与出水口102连接，将未达标废水输送至进水口101，再次处理。
23.水力发电机在水流冲击作用下，叶轮旋转从而发电。之后通过变压输出装置将可用的电能传输至用电设备，即氙灯光源，多余的电能则通过变压输出装置传输至电能存储
设备进行存储。
24.当薄膜受到水流涡激剪力作用时，将发生一定程度的形变，在压电薄膜层内部发生极化现象，两个相对表面会出现正负相反的电荷，在材料内部形成内建电场，促使负载在薄膜上的光催化剂电子和空穴有效分离；在氙灯照射下，产生自由基，在膜表面发生氧化还原反应，从而达到降解污染物的作用。同时，经过降解后的污水在重力作用下利用水力发电原理产出电能并储存利用。
25.所述漏斗型壁面1的坡度为1:1～1:1.5；半径为1～2m；所述螺旋式反应槽2横截面积为0.0025～0.01m2。
26.所述氙灯光源功率为300w，根据水轮机发电量计算公式：
27.n＝9.81
×q×h×
η
28.其中：n——输出机械功率(w)
29.q——流量(m3/s)
30.h——水头(m)
31.η——发电机效率，取0.7～0.9
32.因此，为满足氙灯基本工作电量需求，流量需控制在不低于0.011m3/s，所述进水口101设置流量控制开合装置，废水流量为0.011～0.076m3/s。


技术特征：
1.一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：包括漏斗型壁面(1)，所述漏斗型壁面(1)内表面设有螺旋式反应槽(2)，所述螺旋式反应槽(2)两端连通漏斗型壁面(1)上部的进水口(101)和底部的出水口(102)，所述漏斗式反映槽(2)槽内贴覆压电薄膜(3)，所述出水口(102)处设有水力发电机(4)，所述漏斗型壁面(1)上方设有氙灯(5)与水力发电机(4)连接。2.根据权利要求1所述的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：所述螺旋式反应槽(2)为以壁面为槽边的砖混结构，砂浆抹面，四周涂覆防渗材料。3.根据权利要求1所述的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：所述螺旋式反应槽(2)内间隔设置多个压电薄膜固定器(6)，对压电薄膜(3)进行固定。4.根据权利要求1所述的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：所述压电薄膜(3)为非中心对称结构，采用钙钛矿型压电材料、二维超薄材料、层状铋系材料及有机压电材料中的一种或者多种。5.根据权利要求1所述的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：所述水利发电机(4)连接储电设备(7)。6.根据权利要求5所述的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：所述储电设备(7)连接有驱动水泵，与出水口(102)连接，将未达标废水输送至进水口(101)，再次处理。7.根据权利要求1所述的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：所述漏斗型壁面(1)的坡度为1:1～1:1.5；半径为1～2m；所述螺旋式反应槽(2)横截面积为0.0025～0.01m2。8.根据权利要求7所述的基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，其特征在于：所述进水口(101)设置流量控制开合装置，废水流量为0.011～0.076m3/s。

技术总结
本发明公开了一种基于水力发电的压电-光催化污染物降解装置，包括漏斗型壁面，所述漏斗型壁面内表面设有螺旋式反应槽，所述螺旋式反应槽两端连通漏斗型壁面上部的进水口和底部的出水口，所述漏斗式反映槽槽内贴覆压电薄膜，所述出水口处设有水力发电机，所述漏斗型壁面上方设有氙灯与水力发电机连接。本发明有效利用水流驱动压电薄膜产生压电效应，将水流作用在压电结构单元表面的机械能转换成化学能，并用于降解污染物；同时利用水力发电原理，将机械能转化为电能并收集利用；本发明不仅结构简单，易于实现，节能环保，相较于传统光催化装置要节约成本，提高工作效率，且由于自身具备能源补充，工作寿命较长，可获得巨大的经济效益。效益。效益。


技术研发人员：敖燕辉 温英英 陈娟
受保护的技术使用者：河海大学
技术研发日：2021.11.18
技术公布日：2022/2/18