環境凈化裝置和系統的制作方法

本發明涉及污染物處理領域，具體地，涉及一種環境凈化裝置和系統。

背景技術：

近些年來，人們越來越關注環境污染問題。例如，水體生物污染是指致病微生物、寄生蟲和某些昆蟲等生物進入水體，或某些藻類大量繁殖，使水質惡化，直接或間接危害人類健康或影響漁業生產，甚至破壞整個河流的生態系統。舉例來說，在自然界清潔水體中，1毫升水中的細菌總數在100個以下，而受到嚴重污染的水體可達100萬個以上。

因此，現有技術中缺少一種能夠有效凈化環境中污染物的裝置或者設備。

技術實現要素：

針對現有技術中的存在的缺少能夠有效凈化環境中污染物的裝置的技術問題，本發明提供一種環境凈化裝置，該環境凈化裝置包括殼體、納米抗菌單元、納米發電單元，所述殼體用于容納并保護納米發電單元；所述納米抗菌單元附著在所述殼體的外表面；以及所述納米發電單元與所述納米抗菌單元電連接，用于產生電荷以使在所述納米抗菌單元上形成電場。

本發明所提供的環境凈化裝置和系統，采用的納米抗菌單元比表面積大，能夠充分與細菌接觸，從而具有很好的殺菌效果；此外，本發明所提供的環境凈化裝置還包括納米發電單元，其能夠作為能源供給，無需外加電源并且其產生的電流能夠在納米抗菌單元之間形成強烈變化的電場，而電流可促進納米抗菌單元的有效抗菌成分的釋放和/或在納米抗菌單元的納米級尖 端處形成強烈的電荷聚集，從而產生尖端放電，使納米抗菌單元具備更高的殺菌能力。即本發明所提供的環境凈化裝置具有很好的殺菌效果，能夠實現綠色無污染地、有效地凈化環境，例如水體、空氣等。

本發明的其它特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是根據本發明的一種實施方式的納米抗菌材料的示例結構；

圖2是根據本發明的一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖；

圖3-4是根據本發明的一種實施方式的環境凈化裝置的內部結構的示意圖；

圖5是根據本發明的另一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖；

圖6是根據本發明的再一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖；

圖7是根據本發明的再一種實施方式的環境凈化裝置的內部結構的示意圖；

圖8是根據本發明的又一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖；

圖9是根據本發明的又一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖；

圖10是根據本發明的一種實施方式的環境凈化系統的示意圖；以及

圖11-13是本發明所提供的環境凈化裝置的殺菌和污染物去除結果。

附圖標記說明

1 銀納米顆粒 2 氧化鋅納米線 3 碳布基底

4 納米抗菌單元 5 撞擊物 6 殼體

7 第一發電層 8 導線 9 第二發電層

10 緩沖單元 11 繩索 100、200 環境凈化裝置

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發明。

本發明所提供的環境凈化裝置可以包括殼體、納米抗菌單元、納米發電單元，所述殼體用于容納并保護納米發電單元；所述納米抗菌單元附著在所述殼體的外表面；以及所述納米發電單元與所述納米抗菌單元電連接，用于產生電荷以使在所述納米抗菌單元上形成電場。

為了提供一種殺菌效果好且綠色無污染的環境凈化裝置，首先本申請考慮到選用納米抗菌材料制成納米抗菌單元，由于這種材料本身就具有一定的殺菌作用(金屬，例如，金、銀、銅等)在納米狀態下由于小尺寸效應、量子效應、強大的比表面積效應，使得殺菌效果更好)，因此本申請的由納米抗菌材料制成的納米抗菌單元本身就具有一定的殺菌效果。

優選地，所述納米抗菌材料可以包括一維納米材料。例如，所述納米抗菌材料可以包括以下中的任一者：二氧化鈦納米材料、氧化鋅納米材料、氧化錫納米材料、二氧化鋯納米材料、硫化鎘納米材料等生物相容性良好的納米材料，例如所述納米抗菌材料可以由上述生物相容性良好的納米材料中的一者或多者的組合制成，由于這種材料還具有很強的光催化效果，因此采用這種材料制成的納米抗菌單元還可以釋放活性氧等物質，實現有效降解環境(例如水體)中的有機污染物。

更為優選地，圖1示出了根據本發明提供的一種實施方式的納米抗菌材料的示例結構，如圖1所示，所述納米抗菌材料為在碳布基底3上生長銀納 米顆粒1/氧化鋅納米線2的復合材料。其制備方法可簡單的通過生長-浸泡-光還原等步驟完成，具有簡單，快速且綠色合成等優點。并且該材料也具有很強的光催化效果，因此采用這種材料制成的納米抗菌單元也可以釋放活性氧等物質，實現有效降解環境(例如水體)中的有機污染物。

在此基礎上，為了達到更好的殺菌效果，本申請所提供的環境凈化裝置還包括納米發電單元，所述納米發電單元與所述納米抗菌單元電連接，其中所述納米發電單元用于產生電荷以使在所述納米抗菌單元上形成電場。該納米發電單元產生的電流能夠促進納米抗菌單元的有效抗菌成分的釋放和/或在納米抗菌單元的納米級尖端處形成強烈的電荷聚集，從而產生尖端放電，使納米抗菌單元具備更高的殺菌能力。即本發明所提供的環境凈化裝置具有很好的殺菌效果，能夠實現綠色無污染地、有效地凈化環境，例如水體、空氣等。

具體地，所述納米發電單元可以包括撞擊物、第一發電層、第二發電層、以及導線，其中所述第一發電層和所述第二發電層在撞擊物的作用下摩擦和/或接觸而產生彼此極性相反的電荷，并且所產生的電荷中的任一者通過導線被傳遞到所述納米抗菌單元。

優選地，所述第一發電層可以包括第一電極層以及具有摩擦和/或接觸產生靜電荷效應的第一摩擦材料層，例如所述第一發電層由第一電極層以及具有摩擦和/或接觸產生靜電荷效應的第一柔性材料(即第一摩擦材料層)制成，并且所述第二發電層可以包括第二電極層，例如所述第二發電層由第二電極層制成。或者，所述第二發電層還可以包括第二電極層以及具有摩擦和/或接觸產生靜電荷效應的第二摩擦材料層，例如，所述第二發電層也可以由第二電極層以及具有摩擦和/或接觸產生靜電荷效應的第二柔性材料(即第二摩擦材料層)制成，但在這種情況中，第一摩擦材料層和第二摩擦材料層需要具有不同的電負性，以使得所述第一發電層和所述第二發電層在撞擊物的 作用下摩擦和/或接觸而產生彼此極性相反的電荷。第一摩擦材料層和/或第二摩擦材料層優選為柔性材料，可以在撞擊物作用下發生形變而使第一發電層與第二發電層互相接觸和分離。

優選地，所述第一摩擦材料層和/或所述第二摩擦材料層為柔性材料，可以為下列材料中的一種或者幾種：聚酰亞胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸鹽、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚鄰苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。其中，經過砂紙打磨處理的所述柔性材料的所述表面具有納米或者微米級的表面粗糙度。

優選地，所述第一電極層和/或所述第二電極層是金、銀、鉑、鋁、鎳、銅、鐵、鉻、硒的金屬合金和銦錫金屬氧化物膜涂層電極層中的一者。

下面提供幾種實施方式來詳細說明本申請的發明構思，應當理解的是這里提供的實施方式均為示例性非局限性示例，本發明的保護范圍不限于此。

圖2是根據本發明的一種實施方式的環境凈化裝置100的結構示意圖，如圖2所示，該環境凈化裝置可以包括殼體6、納米抗菌單元4、納米發電單元(未示出)，其中所述殼體6用于容納并保護納米發電單元；所述納米抗菌單元4附著在所述殼體1的外表面；以及所述納米發電單元與所述納米抗菌單元4電連接，用于產生電荷以使在所述納米抗菌單元4上形成電場，其中所述殼體6可以為方形，優選地，所述殼體6可以由絕緣防水材料制成。

進一步地，圖3-4是根據本發明的一種實施方式的環境凈化裝置100的內部結構的示意圖。如圖3所示，所述納米發電單元包括撞擊物5、第一發電層7、第二發電層9、以及導線8，其中所述撞擊物5可以為球形。為了更好地說明納米發電單元的具體結構，圖4示出了圖3中A部分的放大圖，其中，所述第一發電層7以拱形結構固定于所述殼體6的至少一個內表面，其中所述第一發電層7可以包括第一電極層(圖3中示出的與撞擊物5直接接 觸的那一層)和摩擦和/或接觸會產生靜電荷效應的第一摩擦材料層(圖3中示出的在撞擊物5的作用下會與第二發電層9接觸的那一層)，所述第二發電層9固定設置在所述殼體6的所述至少一個內表面，所述第一發電層7和/或第二發電層9通過導線8與所述納米抗菌單元4電連接。其中對于第二發電層9的配置，本領域技術人員可以根據實際情況(例如資金成本、對裝置的結構、重量的需求等因素)進行選擇，例如，所述第二發電層9可以如上所述僅由第二電極層制成，或者該第二發電層9也可以如上所述由第二電極層以及具有摩擦和/或接觸會產生靜電荷效應的第二摩擦材料層制成，但在這種情況中，第一摩擦材料層和第二摩擦材料層需要具有不同的電負性，以使得所述第一發電層和所述第二發電層在撞擊物的作用下摩擦和/或接觸而產生彼此極性相反的電荷。

采用這種實施方式配置的環境凈化裝置100的具體工作原理如下，假設將其投入在污染的水體中：

1、當處于靜止狀態時，第一發電層7和第二發電層9未接觸，納米發電單元處于電荷平衡狀態；

2、當波浪吹動裝置時，撞擊物5開始運動，撞擊納米發電單元的第一發電層7使其與第二發電層9接觸并發生摩擦，如圖3所示，由于第一發電層7和第二發電層9的電負性不同，所以在兩個發電層上會帶上等量的異號電荷，于是會在兩個發電層之間形成電勢差，并通過導線8將電能輸出到抗菌材料上，其中圖4中示出的是第一發電層7與導線8相連，但實際上也可以是第二發電層9與導線8相連，根據實際情況可以選擇連接的發電層；當撞擊物5撞擊幅度最大時，摩擦產生的電荷量最大；

3、當波浪減緩時，撞擊物5與第一發電層7逐漸脫離，納米發電單元的第一發電層7與第二發電層9也逐漸分離，由于第一發電層7包括的所述第一摩擦材料層是非導電有機薄膜層，所以為了保持電中性，會在第一電極 層中感應出等量異號電荷，于是在電勢差的驅動下，電子在外電路中發生定向移動，再次輸出電能；

4、當撞擊物5與第一發電層7脫離時，納米發電單元的第一發電層7與第二發電層9也完全分離，納米發電單元完全恢復到初始狀態，即處于電荷平衡狀態。

采用這種實施方式，水體的波浪促使撞擊物5不斷運動，進而導致納米發電單元產生電能，該電能促進納米抗菌單元殺死水中細菌及藻類，并有效降解水中其他有機污染物，實現對水體的殺菌滅藻及污染物降解處理。

優選地，在這種實施方式中，所述納米抗菌單元的數量可以為多個，和/或所述納米發電單元的數量可以為多個，例如，如圖3所示，可以配置為在該方形殼體的每一個表面都設置有圖4所示的結構，以提高該環境凈化裝置100的殺菌效果。

優選地，在這種實施方式中，該環境凈化裝置100還可以包括緩沖單元(未示出)，所述緩沖單元位于所述殼體6的內表面與所述第二發電層9之間。采用這樣的實施方式能夠有效增加第一發電層7和第二發電層9之間的接觸時間與接觸面積，提高納米發電單元的電能輸出。此外，緩沖單元還可以降低撞擊物5對環境凈化裝置100的沖擊，有效地延長了環境凈化裝置100的使用壽命。

優選地，在這種實施方式中，該環境凈化裝置100還可以包括整流單元，所述整流單元串聯在所述第一發電層7或所述第二發電層9與所述納米抗菌單元4構成的電流回路中，從而將電極層輸出的電壓整流后統一輸出給納米抗菌單元4，實現增強殺菌效果的效果。

此外，本領域技術人員還可以以上述實施方式為基礎對環境凈化裝置進行改進，例如，圖5是根據本發明的另一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖，如圖5所示，與上述實施方式不同點在于，本實施方式中的殼體6 為多個面構成的多面體結構，從而增加了納米發電單元和納米抗菌單元4的數量，提高了殺菌效果。

圖6是根據本發明的再一種實施方式的環境凈化裝置200的結構示意圖，如圖6所示，該環境凈化裝置可以包括殼體6、納米抗菌單元4、納米發電單元(未示出)，其中所述殼體6用于容納并保護納米發電單元；所述納米抗菌單元4附著在所述殼體1的外表面；以及所述納米發電單元與所述納米抗菌單元4電連接，用于產生電荷以使在所述納米抗菌單元4上形成電流，其中所述殼體6可以為球形。

這種實施方式與圖2-4所示的環境凈化裝置100的不同之處主要在于，將第一發電層與撞擊物5結合在一起，從而簡化了納米發電單元的結構。

具體地，圖7是根據本發明的再一種實施方式的環境凈化裝置200的內部結構的示意圖。如圖7所示，所述納米發電單元包括撞擊物5、第二發電層9、以及導線8，其中所述撞擊物5可以為球形。改進點在于，所述第一發電層附著在所述撞擊物5的外表面，所述第二發電層9固定設置在所述殼體的至少一個內表面，所述第二發電層9通過導線8與所述納米抗菌單元4電連接。這里，對于所述第一發電層和第二發電層的配置與如上所述的環境凈化裝置100的實施方式類似，本領域技術人員同樣可以根據實際情況進行配置和選擇，在此不再贅述。

采用這種實施方式配置的環境凈化裝置200的具體工作原理如下，假設將其投入在污染的水體中：

1、當處于靜止狀態時，撞擊物5和第二發電層9未接觸，納米發電單元處于電荷平衡狀態；

2、當波浪吹動裝置時，撞擊物5開始運動，撞擊第二發電層9并發生摩擦，由于附著在所述撞擊物5外表面的第一發電層和第二發電層9的電負性不同，所以在兩個發電層上會帶上等量的異號電荷，于是會在兩個發電層 之間形成電勢差，并通過導線8將電能輸出到抗菌材料上；當撞擊物5撞擊幅度最大時，摩擦產生的電荷量最大；

3、當波浪減緩時，撞擊物5與第二發電層9逐漸脫離，由于第一發電層包括的所述第一摩擦材料層是非導電有機薄膜層，所以為了保持電中性，會在第一電極層中感應出等量異號電荷，于是在電勢差的驅動下，電子在外電路中發生定向移動，再次輸出電能；

4、當撞擊物5與第二發電層9脫離時，納米發電單元完全恢復到初始狀態，即處于電荷平衡狀態。

采用這種實施方式，水體的波浪促使撞擊物5不斷運動，進而導致納米發電單元產生電能，納米發電單元將電能輸出到納米抗菌單元4，使得在納米抗菌單元4的納米尺寸的微結構之間形成強烈變化的電場，一方面提高抗菌材料溶出，釋放活性氧，提高材料的殺菌滅藻及污染物降解效果；另一方面，該強烈的電場可導致在材料的納米尖端發生強放電并擊穿細菌，從而使細菌死亡。

優選地，在這種實施方式中，所述納米抗菌單元4的數量可以為多個，例如，如圖6和7所示，可以配置為在該球形殼體6的表面都設置多個納米抗菌單元4，每個納米抗菌單元通過導線8與第二發電層連接，以提高該環境凈化裝置100的殺菌效果。

優選地，在這種實施方式中，該環境凈化裝置100還可以包括緩沖單元10，所述緩沖單元10位于所述殼體6的內表面與所述第二發電層9之間。采用這樣的實施方式能夠有效增加撞擊物5和第二發電層9之間的接觸時間與接觸面積，提高納米發電單元的電能輸出。此外，緩沖單元10還可以降低撞擊物5對環境凈化裝置200的沖擊，有效地延長了環境凈化裝置200的使用壽命。

優選地，在這種實施方式中，該環境凈化裝置200還可以包括整流單元， 所述整流單元串聯在所述第二發電層9與所述納米抗菌單元4構成的電流回路中，從而將電極層輸出的電壓整流后統一輸出給納米抗菌單元4，實現增強殺菌效果的效果。

此外，本領域技術人員還可以以上述實施方式為基礎對環境凈化裝置200進行改進，例如，圖8是根據本發明的又一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖，如圖8所示，與上述實施方式不同點在于，本實施方式中的第二發電層9可以包括多個互相不連通的子發電層，從而避免了電荷的均分效應，使納米抗菌單元4上的有效電壓增大，提高了殺菌效果。

圖9是根據本發明的又一種實施方式的環境凈化裝置的結構示意圖，如圖9所示，該實施方式中的納米發電單元與環境凈化裝置100的結構相類似，即使用撞擊物5來撞擊第一發電層7和第二發電層9，這樣的結構與圖3所示結構相比，納米發電單元的結構更為簡化，并且可以配置的較多的納米抗菌單元，提高了殺菌效果。

圖10是根據本發明的一種實施方式的環境凈化系統的示意圖，如圖10所示，多個環境凈化裝置200通過連接部件(例如繩索11等)相互連接，可以連接為二維網狀，也可以為三維網狀，其中，連接部件可以為柔性或者硬性連接部件，從而實現大面積的水體殺菌滅藻及污染物降解。此外，采用這樣的實施方式也十分方便回收并再次使用，避免造成二次污染。

應當理解的是，圖10中所示僅為說明本發明構思的一種示例性非局限性示例，本領域技術人員可以根據實際情況選擇將其他實施方式的同種環境凈化裝置連接(例如環境凈化裝置100)，或者將其他實施方式的多種環境凈化裝置連接(例如將環境凈化裝置100和環境凈化裝置200)連接到一起，本發明對此不進行限定。并且，還應當理解的是，將該環境凈化裝置置于水體也僅是一種示例性非局限性示例，本領域技術人員可以根據實際需要，選擇使用該環境凈化裝置的環境，例如也可以將該環境凈化裝置懸掛在室內某 處來凈化空氣等。

圖11-13是本發明所提供的環境凈化裝置的殺菌和污染物去除結果。例如，圖11是利用本發明所提供的環境凈化裝置處理菌液的結果，處理后細菌數量明顯減少，由此證明本發明所提供的環境凈化裝置是理想的水殺菌處理裝置，實現水體殺菌滅藻的目的。

圖12是利用不同電壓對納米抗菌材料加電進行殺菌的實驗結果，其中20V和30V為直流電，TENG組為本發明所提供的環境凈化裝置發出的30V交流電。從表中可見，電壓越高，殺菌效果越好；而同等電壓情況下，TENG組殺菌效果達到99％，明顯高于其他組，說明產生強烈變化的電場對殺菌效果有促進作用。

附圖13是利用不同電壓對納米抗菌材料加電進行污染物去除實驗結果，其中20V和30V為直流電，TENG組為本發明所提供的環境凈化裝置發出的30V交流電。從圖中可見，電壓越高，污染物去除率越高；同等電壓下，TENG組污染物去除率最高，說明加電可提高材料納米抗菌材料光催化能力，從而使污染物去除率提高。

應當理解的是，本領域技術人員可以根據本發明的公開選擇上述各種實施方式中的任一者，或者選擇上述各種實施方式的組合來配置環境凈化裝置，并且其他的替換實施方式也落入本發明的保護范圍。

本發明所提供的環境凈化裝置和系統，采用的納米抗菌單元比表面積大，能夠充分與細菌接觸，從而具有很好的殺菌效果；此外，本發明所提供的環境凈化裝置還包括納米發電單元，其能夠作為能源供給，無需外加電源并且其產生的電流能夠在納米抗菌單元之間形成強烈變化的電場，而電流可促進納米抗菌單元的有效抗菌成分的釋放和/或在納米抗菌單元的納米級尖端處形成強烈的電荷聚集，從而產生尖端放電，使納米抗菌單元具備更高的殺菌能力。即本發明所提供的環境凈化裝置具有很好的殺菌效果，能夠實現 綠色無污染地、有效地凈化環境，例如水體、空氣等需要進行凈化的環境。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合，為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。