环境净化装置和系统的制作方法

本发明涉及污染物处理领域，具体地，涉及一种环境净化装置和系统。

背景技术：

近些年来，人们越来越关注环境污染问题。例如，水体生物污染是指致病微生物、寄生虫和某些昆虫等生物进入水体，或某些藻类大量繁殖，使水质恶化，直接或间接危害人类健康或影响渔业生产，甚至破坏整个河流的生态系统。举例来说，在自然界清洁水体中，1毫升水中的细菌总数在100个以下，而受到严重污染的水体可达100万个以上。

因此，现有技术中缺少一种能够有效净化环境中污染物的装置或者设备。

技术实现要素：

针对现有技术中的存在的缺少能够有效净化环境中污染物的装置的技术问题，本发明提供一种环境净化装置，该环境净化装置包括壳体、纳米抗菌单元、纳米发电单元，所述壳体用于容纳并保护纳米发电单元；所述纳米抗菌单元附着在所述壳体的外表面；以及所述纳米发电单元与所述纳米抗菌单元电连接，用于产生电荷以使在所述纳米抗菌单元上形成电场。

本发明所提供的环境净化装置和系统，采用的纳米抗菌单元比表面积大，能够充分与细菌接触，从而具有很好的杀菌效果；此外，本发明所提供的环境净化装置还包括纳米发电单元，其能够作为能源供给，无需外加电源并且其产生的电流能够在纳米抗菌单元之间形成强烈变化的电场，而电流可促进纳米抗菌单元的有效抗菌成分的释放和/或在纳米抗菌单元的纳米级尖 端处形成强烈的电荷聚集，从而产生尖端放电，使纳米抗菌单元具备更高的杀菌能力。即本发明所提供的环境净化装置具有很好的杀菌效果，能够实现绿色无污染地、有效地净化环境，例如水体、空气等。

本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一种实施方式的纳米抗菌材料的示例结构；

图2是根据本发明的一种实施方式的环境净化装置的结构示意图；

图3-4是根据本发明的一种实施方式的环境净化装置的内部结构的示意图；

图5是根据本发明的另一种实施方式的环境净化装置的结构示意图；

图6是根据本发明的再一种实施方式的环境净化装置的结构示意图；

图7是根据本发明的再一种实施方式的环境净化装置的内部结构的示意图；

图8是根据本发明的又一种实施方式的环境净化装置的结构示意图；

图9是根据本发明的又一种实施方式的环境净化装置的结构示意图；

图10是根据本发明的一种实施方式的环境净化系统的示意图；以及

图11-13是本发明所提供的环境净化装置的杀菌和污染物去除结果。

附图标记说明

1 银纳米颗粒 2 氧化锌纳米线 3 碳布基底

4 纳米抗菌单元 5 撞击物 6 壳体

7 第一发电层 8 导线 9 第二发电层

10 缓冲单元 11 绳索 100、200 环境净化装置

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明所提供的环境净化装置可以包括壳体、纳米抗菌单元、纳米发电单元，所述壳体用于容纳并保护纳米发电单元；所述纳米抗菌单元附着在所述壳体的外表面；以及所述纳米发电单元与所述纳米抗菌单元电连接，用于产生电荷以使在所述纳米抗菌单元上形成电场。

为了提供一种杀菌效果好且绿色无污染的环境净化装置，首先本申请考虑到选用纳米抗菌材料制成纳米抗菌单元，由于这种材料本身就具有一定的杀菌作用(金属，例如，金、银、铜等)在纳米状态下由于小尺寸效应、量子效应、强大的比表面积效应，使得杀菌效果更好)，因此本申请的由纳米抗菌材料制成的纳米抗菌单元本身就具有一定的杀菌效果。

优选地，所述纳米抗菌材料可以包括一维纳米材料。例如，所述纳米抗菌材料可以包括以下中的任一者：二氧化钛纳米材料、氧化锌纳米材料、氧化锡纳米材料、二氧化锆纳米材料、硫化镉纳米材料等生物相容性良好的纳米材料，例如所述纳米抗菌材料可以由上述生物相容性良好的纳米材料中的一者或多者的组合制成，由于这种材料还具有很强的光催化效果，因此采用这种材料制成的纳米抗菌单元还可以释放活性氧等物质，实现有效降解环境(例如水体)中的有机污染物。

更为优选地，图1示出了根据本发明提供的一种实施方式的纳米抗菌材料的示例结构，如图1所示，所述纳米抗菌材料为在碳布基底3上生长银纳 米颗粒1/氧化锌纳米线2的复合材料。其制备方法可简单的通过生长-浸泡-光还原等步骤完成，具有简单，快速且绿色合成等优点。并且该材料也具有很强的光催化效果，因此采用这种材料制成的纳米抗菌单元也可以释放活性氧等物质，实现有效降解环境(例如水体)中的有机污染物。

在此基础上，为了达到更好的杀菌效果，本申请所提供的环境净化装置还包括纳米发电单元，所述纳米发电单元与所述纳米抗菌单元电连接，其中所述纳米发电单元用于产生电荷以使在所述纳米抗菌单元上形成电场。该纳米发电单元产生的电流能够促进纳米抗菌单元的有效抗菌成分的释放和/或在纳米抗菌单元的纳米级尖端处形成强烈的电荷聚集，从而产生尖端放电，使纳米抗菌单元具备更高的杀菌能力。即本发明所提供的环境净化装置具有很好的杀菌效果，能够实现绿色无污染地、有效地净化环境，例如水体、空气等。

具体地，所述纳米发电单元可以包括撞击物、第一发电层、第二发电层、以及导线，其中所述第一发电层和所述第二发电层在撞击物的作用下摩擦和/或接触而产生彼此极性相反的电荷，并且所产生的电荷中的任一者通过导线被传递到所述纳米抗菌单元。

优选地，所述第一发电层可以包括第一电极层以及具有摩擦和/或接触产生静电荷效应的第一摩擦材料层，例如所述第一发电层由第一电极层以及具有摩擦和/或接触产生静电荷效应的第一柔性材料(即第一摩擦材料层)制成，并且所述第二发电层可以包括第二电极层，例如所述第二发电层由第二电极层制成。或者，所述第二发电层还可以包括第二电极层以及具有摩擦和/或接触产生静电荷效应的第二摩擦材料层，例如，所述第二发电层也可以由第二电极层以及具有摩擦和/或接触产生静电荷效应的第二柔性材料(即第二摩擦材料层)制成，但在这种情况中，第一摩擦材料层和第二摩擦材料层需要具有不同的电负性，以使得所述第一发电层和所述第二发电层在撞击物的 作用下摩擦和/或接触而产生彼此极性相反的电荷。第一摩擦材料层和/或第二摩擦材料层优选为柔性材料，可以在撞击物作用下发生形变而使第一发电层与第二发电层互相接触和分离。

优选地，所述第一摩擦材料层和/或所述第二摩擦材料层为柔性材料，可以为下列材料中的一种或者几种：聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚氯乙烯，聚三氟氯乙烯、聚苯丙烷碳酸盐、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨酯、聚邻苯二酸二烯丙酯、聚甲醛。其中，经过砂纸打磨处理的所述柔性材料的所述表面具有纳米或者微米级的表面粗糙度。

优选地，所述第一电极层和/或所述第二电极层是金、银、铂、铝、镍、铜、铁、铬、硒的金属合金和铟锡金属氧化物膜涂层电极层中的一者。

下面提供几种实施方式来详细说明本申请的发明构思，应当理解的是这里提供的实施方式均为示例性非局限性示例，本发明的保护范围不限于此。

图2是根据本发明的一种实施方式的环境净化装置100的结构示意图，如图2所示，该环境净化装置可以包括壳体6、纳米抗菌单元4、纳米发电单元(未示出)，其中所述壳体6用于容纳并保护纳米发电单元；所述纳米抗菌单元4附着在所述壳体1的外表面；以及所述纳米发电单元与所述纳米抗菌单元4电连接，用于产生电荷以使在所述纳米抗菌单元4上形成电场，其中所述壳体6可以为方形，优选地，所述壳体6可以由绝缘防水材料制成。

进一步地，图3-4是根据本发明的一种实施方式的环境净化装置100的内部结构的示意图。如图3所示，所述纳米发电单元包括撞击物5、第一发电层7、第二发电层9、以及导线8，其中所述撞击物5可以为球形。为了更好地说明纳米发电单元的具体结构，图4示出了图3中A部分的放大图，其中，所述第一发电层7以拱形结构固定于所述壳体6的至少一个内表面，其中所述第一发电层7可以包括第一电极层(图3中示出的与撞击物5直接接 触的那一层)和摩擦和/或接触会产生静电荷效应的第一摩擦材料层(图3中示出的在撞击物5的作用下会与第二发电层9接触的那一层)，所述第二发电层9固定设置在所述壳体6的所述至少一个内表面，所述第一发电层7和/或第二发电层9通过导线8与所述纳米抗菌单元4电连接。其中对于第二发电层9的配置，本领域技术人员可以根据实际情况(例如资金成本、对装置的结构、重量的需求等因素)进行选择，例如，所述第二发电层9可以如上所述仅由第二电极层制成，或者该第二发电层9也可以如上所述由第二电极层以及具有摩擦和/或接触会产生静电荷效应的第二摩擦材料层制成，但在这种情况中，第一摩擦材料层和第二摩擦材料层需要具有不同的电负性，以使得所述第一发电层和所述第二发电层在撞击物的作用下摩擦和/或接触而产生彼此极性相反的电荷。

采用这种实施方式配置的环境净化装置100的具体工作原理如下，假设将其投入在污染的水体中：

1、当处于静止状态时，第一发电层7和第二发电层9未接触，纳米发电单元处于电荷平衡状态；

2、当波浪吹动装置时，撞击物5开始运动，撞击纳米发电单元的第一发电层7使其与第二发电层9接触并发生摩擦，如图3所示，由于第一发电层7和第二发电层9的电负性不同，所以在两个发电层上会带上等量的异号电荷，于是会在两个发电层之间形成电势差，并通过导线8将电能输出到抗菌材料上，其中图4中示出的是第一发电层7与导线8相连，但实际上也可以是第二发电层9与导线8相连，根据实际情况可以选择连接的发电层；当撞击物5撞击幅度最大时，摩擦产生的电荷量最大；

3、当波浪减缓时，撞击物5与第一发电层7逐渐脱离，纳米发电单元的第一发电层7与第二发电层9也逐渐分离，由于第一发电层7包括的所述第一摩擦材料层是非导电有机薄膜层，所以为了保持电中性，会在第一电极 层中感应出等量异号电荷，于是在电势差的驱动下，电子在外电路中发生定向移动，再次输出电能；

4、当撞击物5与第一发电层7脱离时，纳米发电单元的第一发电层7与第二发电层9也完全分离，纳米发电单元完全恢复到初始状态，即处于电荷平衡状态。

采用这种实施方式，水体的波浪促使撞击物5不断运动，进而导致纳米发电单元产生电能，该电能促进纳米抗菌单元杀死水中细菌及藻类，并有效降解水中其他有机污染物，实现对水体的杀菌灭藻及污染物降解处理。

优选地，在这种实施方式中，所述纳米抗菌单元的数量可以为多个，和/或所述纳米发电单元的数量可以为多个，例如，如图3所示，可以配置为在该方形壳体的每一个表面都设置有图4所示的结构，以提高该环境净化装置100的杀菌效果。

优选地，在这种实施方式中，该环境净化装置100还可以包括缓冲单元(未示出)，所述缓冲单元位于所述壳体6的内表面与所述第二发电层9之间。采用这样的实施方式能够有效增加第一发电层7和第二发电层9之间的接触时间与接触面积，提高纳米发电单元的电能输出。此外，缓冲单元还可以降低撞击物5对环境净化装置100的冲击，有效地延长了环境净化装置100的使用寿命。

优选地，在这种实施方式中，该环境净化装置100还可以包括整流单元，所述整流单元串联在所述第一发电层7或所述第二发电层9与所述纳米抗菌单元4构成的电流回路中，从而将电极层输出的电压整流后统一输出给纳米抗菌单元4，实现增强杀菌效果的效果。

此外，本领域技术人员还可以以上述实施方式为基础对环境净化装置进行改进，例如，图5是根据本发明的另一种实施方式的环境净化装置的结构示意图，如图5所示，与上述实施方式不同点在于，本实施方式中的壳体6 为多个面构成的多面体结构，从而增加了纳米发电单元和纳米抗菌单元4的数量，提高了杀菌效果。

图6是根据本发明的再一种实施方式的环境净化装置200的结构示意图，如图6所示，该环境净化装置可以包括壳体6、纳米抗菌单元4、纳米发电单元(未示出)，其中所述壳体6用于容纳并保护纳米发电单元；所述纳米抗菌单元4附着在所述壳体1的外表面；以及所述纳米发电单元与所述纳米抗菌单元4电连接，用于产生电荷以使在所述纳米抗菌单元4上形成电流，其中所述壳体6可以为球形。

这种实施方式与图2-4所示的环境净化装置100的不同之处主要在于，将第一发电层与撞击物5结合在一起，从而简化了纳米发电单元的结构。

具体地，图7是根据本发明的再一种实施方式的环境净化装置200的内部结构的示意图。如图7所示，所述纳米发电单元包括撞击物5、第二发电层9、以及导线8，其中所述撞击物5可以为球形。改进点在于，所述第一发电层附着在所述撞击物5的外表面，所述第二发电层9固定设置在所述壳体的至少一个内表面，所述第二发电层9通过导线8与所述纳米抗菌单元4电连接。这里，对于所述第一发电层和第二发电层的配置与如上所述的环境净化装置100的实施方式类似，本领域技术人员同样可以根据实际情况进行配置和选择，在此不再赘述。

采用这种实施方式配置的环境净化装置200的具体工作原理如下，假设将其投入在污染的水体中：

1、当处于静止状态时，撞击物5和第二发电层9未接触，纳米发电单元处于电荷平衡状态；

2、当波浪吹动装置时，撞击物5开始运动，撞击第二发电层9并发生摩擦，由于附着在所述撞击物5外表面的第一发电层和第二发电层9的电负性不同，所以在两个发电层上会带上等量的异号电荷，于是会在两个发电层 之间形成电势差，并通过导线8将电能输出到抗菌材料上；当撞击物5撞击幅度最大时，摩擦产生的电荷量最大；

3、当波浪减缓时，撞击物5与第二发电层9逐渐脱离，由于第一发电层包括的所述第一摩擦材料层是非导电有机薄膜层，所以为了保持电中性，会在第一电极层中感应出等量异号电荷，于是在电势差的驱动下，电子在外电路中发生定向移动，再次输出电能；

4、当撞击物5与第二发电层9脱离时，纳米发电单元完全恢复到初始状态，即处于电荷平衡状态。

采用这种实施方式，水体的波浪促使撞击物5不断运动，进而导致纳米发电单元产生电能，纳米发电单元将电能输出到纳米抗菌单元4，使得在纳米抗菌单元4的纳米尺寸的微结构之间形成强烈变化的电场，一方面提高抗菌材料溶出，释放活性氧，提高材料的杀菌灭藻及污染物降解效果；另一方面，该强烈的电场可导致在材料的纳米尖端发生强放电并击穿细菌，从而使细菌死亡。

优选地，在这种实施方式中，所述纳米抗菌单元4的数量可以为多个，例如，如图6和7所示，可以配置为在该球形壳体6的表面都设置多个纳米抗菌单元4，每个纳米抗菌单元通过导线8与第二发电层连接，以提高该环境净化装置100的杀菌效果。

优选地，在这种实施方式中，该环境净化装置100还可以包括缓冲单元10，所述缓冲单元10位于所述壳体6的内表面与所述第二发电层9之间。采用这样的实施方式能够有效增加撞击物5和第二发电层9之间的接触时间与接触面积，提高纳米发电单元的电能输出。此外，缓冲单元10还可以降低撞击物5对环境净化装置200的冲击，有效地延长了环境净化装置200的使用寿命。

优选地，在这种实施方式中，该环境净化装置200还可以包括整流单元， 所述整流单元串联在所述第二发电层9与所述纳米抗菌单元4构成的电流回路中，从而将电极层输出的电压整流后统一输出给纳米抗菌单元4，实现增强杀菌效果的效果。

此外，本领域技术人员还可以以上述实施方式为基础对环境净化装置200进行改进，例如，图8是根据本发明的又一种实施方式的环境净化装置的结构示意图，如图8所示，与上述实施方式不同点在于，本实施方式中的第二发电层9可以包括多个互相不连通的子发电层，从而避免了电荷的均分效应，使纳米抗菌单元4上的有效电压增大，提高了杀菌效果。

图9是根据本发明的又一种实施方式的环境净化装置的结构示意图，如图9所示，该实施方式中的纳米发电单元与环境净化装置100的结构相类似，即使用撞击物5来撞击第一发电层7和第二发电层9，这样的结构与图3所示结构相比，纳米发电单元的结构更为简化，并且可以配置的较多的纳米抗菌单元，提高了杀菌效果。

图10是根据本发明的一种实施方式的环境净化系统的示意图，如图10所示，多个环境净化装置200通过连接部件(例如绳索11等)相互连接，可以连接为二维网状，也可以为三维网状，其中，连接部件可以为柔性或者硬性连接部件，从而实现大面积的水体杀菌灭藻及污染物降解。此外，采用这样的实施方式也十分方便回收并再次使用，避免造成二次污染。

应当理解的是，图10中所示仅为说明本发明构思的一种示例性非局限性示例，本领域技术人员可以根据实际情况选择将其他实施方式的同种环境净化装置连接(例如环境净化装置100)，或者将其他实施方式的多种环境净化装置连接(例如将环境净化装置100和环境净化装置200)连接到一起，本发明对此不进行限定。并且，还应当理解的是，将该环境净化装置置于水体也仅是一种示例性非局限性示例，本领域技术人员可以根据实际需要，选择使用该环境净化装置的环境，例如也可以将该环境净化装置悬挂在室内某 处来净化空气等。

图11-13是本发明所提供的环境净化装置的杀菌和污染物去除结果。例如，图11是利用本发明所提供的环境净化装置处理菌液的结果，处理后细菌数量明显减少，由此证明本发明所提供的环境净化装置是理想的水杀菌处理装置，实现水体杀菌灭藻的目的。

图12是利用不同电压对纳米抗菌材料加电进行杀菌的实验结果，其中20V和30V为直流电，TENG组为本发明所提供的环境净化装置发出的30V交流电。从表中可见，电压越高，杀菌效果越好；而同等电压情况下，TENG组杀菌效果达到99％，明显高于其他组，说明产生强烈变化的电场对杀菌效果有促进作用。

附图13是利用不同电压对纳米抗菌材料加电进行污染物去除实验结果，其中20V和30V为直流电，TENG组为本发明所提供的环境净化装置发出的30V交流电。从图中可见，电压越高，污染物去除率越高；同等电压下，TENG组污染物去除率最高，说明加电可提高材料纳米抗菌材料光催化能力，从而使污染物去除率提高。

应当理解的是，本领域技术人员可以根据本发明的公开选择上述各种实施方式中的任一者，或者选择上述各种实施方式的组合来配置环境净化装置，并且其他的替换实施方式也落入本发明的保护范围。

本发明所提供的环境净化装置和系统，采用的纳米抗菌单元比表面积大，能够充分与细菌接触，从而具有很好的杀菌效果；此外，本发明所提供的环境净化装置还包括纳米发电单元，其能够作为能源供给，无需外加电源并且其产生的电流能够在纳米抗菌单元之间形成强烈变化的电场，而电流可促进纳米抗菌单元的有效抗菌成分的释放和/或在纳米抗菌单元的纳米级尖端处形成强烈的电荷聚集，从而产生尖端放电，使纳米抗菌单元具备更高的杀菌能力。即本发明所提供的环境净化装置具有很好的杀菌效果，能够实现 绿色无污染地、有效地净化环境，例如水体、空气等需要进行净化的环境。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。