基于光催化的封闭水域水质改善装置的制作方法

本发明涉及水质改善技术领域，具体涉及基于光催化的封闭水域水质改善装置。

背景技术：

封闭型水体的富营养化是一个全球性的水环境污染问题。我国封闭水域分布较为广泛，因其具有水域面积小、易污染等特点，水体自净能力低，富营养化程度高。富营养化是水体有机污染的一种表现，会加快水体老化过程。据统计，我国约有80％以上的封闭型水体存在富营养化问题。

现有的处理方式主要有生物处理、化学处理以及机械处理三种。生物处理法处理周期长，难度系数大，还可能会造成生物入侵。化学处理法成本高，容易造成二次污染。机械处理法耗能高，在对水进行抽取的过程中容易将水下污染更为严重的底泥带到水上，造成二次污染。

经对现有技术文献的检索发现，中国发明专利申请号201620532650.5，该技术公开了一种抽取式半自动水域净化装置，包括骨架、牵引绳、网布和吸附材料。在骨架上端中间设有牵引绳，骨架四周包裹若干层网布，每层网布上设有若干吸附材料，用于对污染物进行吸附。每层网布上端设有牵引绳，用于将网布拉出，可以在更换外层网布上附着的吸附材料时，不影响内层网布上的吸附材料发挥吸附作用。但该装置需要人工回收网布并更换吸附材料，且净化能力会随着吸附材料的吸附能力下降而下降，耗费人力及吸附材料且净化效果不稳定。

中国专利申请号201620297089.7，该技术涉及带溶解氧装置的水质改善装置，装置主要包括潜水泵及溶解氧装置。工作时，潜水泵将封闭水域水面下的底泥附近的水吸入潜水泵，氧溶解装置利用洒水喷嘴使潜水泵供给的水与氧供给源压送的氧高效混合从而生成高浓度氧水，并将生成的高浓度氧水朝整周方向排出，使湖底水保持在有氧状态，使微生物活化而进行水的净化，能有效改善装置周围水质，且可以抑制氮、磷等营养盐从底泥溶出。但在实际净化过程中时，无法对水面的蓝藻进行清理，且只能对装置周围的水质进行改善，不能有效解决水体富营养化问题。

技术实现要素：

根据现有技术的不足，本发明的目的是提供基于光催化的封闭水域水质改善装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

基于光催化的封闭水域水质改善装置，包括：

船体，漂浮在水面上，所述船体上设有甲板，所述甲板下方为船舱，所述甲板边缘设有排水孔、通过第一舵机开启和关闭所述排水孔的排水门；

抽水模块，包括设在所述船舱内的柱塞泵，所述柱塞泵上设有均穿设所述船体的抽水管和注水管，所述抽水管用于从水中抽取污水，所述注水管用于向所述甲板上注入污水；

驱动模块，包括用于驱动所述柱塞泵运动的风力驱动装置和电力驱动装置；

处理模块，包括设在所述甲板上的多块反应板，所述反应板上涂有所述反应板上涂有光触媒涂料，所述光触媒涂料用于与污水中的污染物反应；

控制模块，包括控制板，所述控制板与所述风力驱动装置和所述电力驱动装置电连接，用于控制所述风力驱动装置和所述电力驱动装置运动，进而控制所述柱塞泵运动。

进一步的，所述风力驱动装置包括自外向内穿设甲板的中心轴、设置在所述中心轴顶部的多个叶片、安装在中心轴底部且输出轴竖直向下设置有第一伸缩杆，所述第一伸缩杆上设有第一大锥齿轮和竖直向下设置的第二伸缩杆，所述第二伸缩杆上安装有第一小锥齿轮，所述柱塞泵的传动轴横向设置且安装有与所述第一大锥齿轮啮合的第二大锥齿轮和与所述第一小锥齿轮啮合的第二小锥齿轮，所述电力驱动装置包括安装在船舱内且与所述控制器电连接的电机，所述电机的输出轴横向设置且安装有与所述第一小锥齿轮啮合的第三小锥齿轮，当所述第一伸缩杆带动所述第一大锥齿轮下降时，所述第一大锥齿轮与所述第二大锥齿轮啮合，使得所述风力驱动装置带动所述柱塞泵运动，当所述第二伸缩杆带动所述第一小锥齿轮下降时，所述第三小锥齿轮与所述第一小锥齿轮啮合，所述第一小锥齿轮与所述第二小锥齿轮啮合，所述控制器控制所述电机转动从而带动所述柱塞泵运动。

进一步的，多个所述叶片关于所述中心轴呈中心对称分布，每一所述叶片为螺旋形且截面为矩形。

进一步的，所述第一伸缩杆通过第一电动推杆控制伸缩，所述第二伸缩杆通过第二电动推杆控制伸缩，所述第一电动推杆和所述第二电动推杆与所述控制器电连接。

进一步的，所述甲板上设有刮板，所述刮板为矩形板状结构，所述刮板的一端套设在所述中心轴上。

进一步的，所述甲板上设有残渣泄露孔，所述残渣泄露孔底部设有用于挡住所述残渣泄露孔的挡板，所述挡板通过第二舵机驱动转动，所述舵机与所述控制板电连接，所述挡板底部设有残渣收集盒。

进一步的，所述光触媒涂料为γ-fe2o3载体的复合型光触媒涂料。

进一步的，所述光触媒涂料掺铁的百分率为2％到3％。

进一步的，所述中心轴顶部设有风速传感器，所述传感器与所述控制器电连接。

进一步的，所述甲板底部设有第一压力传感器，所述船体顶部设有第二压力传感器，所述第一压力传感器和所述第二压力传感器与所述控制器电连接。

与现有技术相比，本发明具有以下优点和有益效果：

1.本发明所述的基于光催化的封闭水域水质改善装置，主要适合用于小型封闭水域，抽取表面水层，利用光催化原理理净化水后排出，从而实现改善水质的目的。

2.本发明所述的基于光催化的封闭水域水质改善装置，多个叶片可接受来自各个方向的风，提高风能的利用效率，实现能源的绿色化。

3.本发明所述的基于光催化的封闭水域水质改善装置，设有电力驱动装置，用来弥补风力驱动装置在无风时或者风小时不能带动柱塞泵运动的缺陷。

4.本发明所述的基于光催化的封闭水域水质改善装置，甲板上设有残渣泄露孔，残渣泄露孔底部设有用于挡住残渣泄露孔的挡板，挡板底部设有残渣收集盒，利用光触媒处理水体中的无机物氮和大部分的有机污染物后，部分处理后的废弃残渣可通过残渣收集盒收集，这些残渣存在的多糖、蛋白质与脂肪等可用于加工工精细饲料或优质肥料。

5.本发明所述的基于光催化的封闭水域水质改善装置，甲板上设有反应板，反应板上涂有以γ-fe2o3载体的复合型光触媒涂料，以γ-fe2o3载体的复合型光触媒涂料是将光触媒材料与涂料相结合，而生存出来的一种具有光催化性能的环保涂料，可以使吸附在表面的物质发生氧化或还原反应，空气中的水或氧气被催化成氧化能力极强的活性基团，可强效分解有机化合物和部分无机物，并可破坏微生物的细胞结构，到达清洁的效果。

6.本发明所述的基于光催化的封闭水域水质改善装置，γ-fe2o3载体的复合型光触媒涂料含铁量为2％到3％，掺铁二氧化钛相比于纯二氧化钛，有更好的光催化效果，另外，含铁量为2％到3％时，脱色率较大。

7.本发明所述的基于光催化的封闭水域水质改善装置，可高效处理有机、无机污染物，具有无污染、可重复利用等优点，大大降低消耗成本，具有良好的节能减排效益和社会效益。

附图说明

图1为本发明一个实施例的结构示意图。

图2为本发明另一个实施例的结构示意图。

图3为本发明船舱内部示意图。

图4为本发明甲板的结构示意图。

图5为本发明柱塞泵的结构示意图。

图6为本发明挡板的结构示意图。

图7为本发明残渣收集盒的结构示意图。

图8为本发明掺铁二氧化钛与纯二氧化钛吸光度与波长的比较图。

图9为本发明掺铁二氧化钛与纯二氧化钛光催化降解废水的降解率与时间关系示意图。

图10为本发明脱色率与不不同掺铁量样品关系曲线。

图11为本发明的电路原理框图。

图12为本发明的工作流程图。

其中：100、船体；110、甲板；111、反应板；112、残渣泄露孔；120、船舱；130、排水孔；140、残渣收集盒；150、挡板；

200、抽水模块；210、柱塞泵；211、注水管；212、抽水管；220、第二大锥齿轮；230、第二小锥齿轮；

300、驱动模块；310、风力驱动装置；311、中心轴；312、叶片；313、第一伸缩杆；314、第二伸缩杆；315、第一大锥齿轮；316、第一小锥齿轮；317、刮板；320、电力驱动装置；321、电机；322、第三小锥齿轮。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。

如图1-图12所示，基于光催化的封闭水域水质改善装置包括船体100、抽水模块200、驱动模块300、处理模块和控制模块。船体100漂浮在水上，抽水模块200用于将水抽入船体100中，驱动模块300用于驱动抽水模块200运动，处理模块用于与水中的污染物反应，控制模块用于控制驱动模块300的开启和关闭。

本装置主要适合用于小型封闭水域，抽取表面水层，利用光催化原理理净化水后排出，从而实现改善水质的目的。

如图1-图4所示，船体100在水面上漂浮，船体100上设有甲板110，甲板110下方为船舱120，甲板110边缘设有排水孔130和通过第一舵机开启和关闭排水孔130的排水门。

本发明中，船体100为顶部开口的倒圆台形腔体结构，便于漂浮在水上，船体100由亚克力板制成。

抽水模块200包括设在船舱120内的柱塞泵210，如图3和图4所示，柱塞泵210上设有均穿设船体100的抽水管212和注水管211，抽水管212用于从水中抽取污水，注水管211用于向甲板110上注入污水。注水管211和抽水管212由不锈钢材料制成。

驱动模块300包括用于驱动柱塞泵210运动的风力驱动装置310和电力驱动装置320。在通常情况下，本装置通过风力驱动装置310驱动柱塞泵210运动，电力驱动装置320用来弥补风力驱动装置310在无风时或者风小时不能带动柱塞泵210运动的缺陷。

处理模块包括设在甲板110上的多块反应板111，反应板111上涂有光触媒涂料，光触媒涂料用于与污水中的污染物反应。

控制模块包括控制板，控制板与风力驱动装置310、电力驱动装置320和第一舵机电连接，控制板用于控制风力驱动装置310和电力驱动装置320运动，进而控制柱塞泵210运动，从水中抽取污水，向甲板110上注入污水，从而使污水中的污染物与反应物反应，控制板同时控制第一舵机运动，使排水门开启或关闭，进而使排水孔130开启或关闭，从而使甲板110上的污水排出。

本发明中，可设置电池对本装置进行供电。

下面将结合附图3和图4对本发明的风力驱动装置310和电力驱动装置320进行详细的说明。

风力驱动装置310包括自外向内穿设甲板110的中心轴311、设置在中心轴311顶部的多个叶片312、安装在中心轴311底部且输出轴竖直向下设置有第一伸缩杆313，第一伸缩杆313上设有第一大锥齿轮315和竖直向下设置的第二伸缩杆314，第二伸缩杆314上安装有第一小锥齿轮316，柱塞泵210的传动轴横向设置且安装有与第一大锥齿轮315啮合的第二大锥齿轮220和与第一小锥齿轮316啮合的第二小锥齿轮230，电力驱动装置320包括安装在船舱120内且与控制器通过驱动器电连接的电机321，电机321的输出轴横向设置且安装有与第一小锥齿轮316啮合的第三小锥齿轮322。

本发明使用过程中，主要采用风力驱动装置310驱动柱塞泵210运动，当采用风力驱动装置310驱动柱塞泵210运动时，控制器控制第一伸缩杆313带动第一大锥齿轮315下降，使第一大锥齿轮315与第二大锥齿轮220啮合，风带动叶片312转动，驱动中心轴311和第一大锥齿轮315转动，进而带动与第一大锥齿轮315啮合的第二大锥齿轮220转动，从而带动柱塞泵210运动。在无风时或者风小时，控制器控制第二伸缩杆314带动第一小锥齿轮316下降，第三小锥齿轮322与第一小锥齿轮316啮合，第一小锥齿轮316与第二小锥齿轮230啮合，电机321运动使第三小锥齿轮322转动带动与其啮合的第一小锥齿轮316转动，第一小锥齿轮316转动带动与其啮合的第二小锥齿轮230转动，使得控制器控制电机321转动从而带动柱塞泵210运动，用来弥补风力驱动装置310在无风时或者风小时不能带动柱塞泵210运动的缺陷。

在一个实施例中，如图1所示，多个叶片312关于中心轴311呈中心对称分布，叶片312均为螺旋形且截面为矩形，通过风带动叶片312转动进而带动中心轴311转动。

在另一个实施例中，如图2所示，支撑架固定在中心轴311顶部。支撑架包括上支撑架和下支撑架，上支撑架和下支撑架均包括多根支撑杆。上支撑架中，支撑杆一端固定在中心轴311上，另一端悬空，多根支撑杆关于中心轴311呈中心对称分布，相邻的两根支撑杆另一端通过一根连接杆固定连接。下支撑架中，支撑杆一端固定在中心轴311上，另一端悬空，多根支撑杆关于中心轴311呈中心对称分布，相邻的两根支撑杆另一端通过一根连接杆固定连接。叶片312包括矩形扇叶和螺旋形扇叶，上支撑架和下支撑架上下对应的支撑杆间设置一个矩形扇叶，中心轴311顶部设有关于中心轴311呈中心对称分布的至少两个截面为矩形的螺旋形扇叶。

两种实施方式中，叶片312的受风性能好，不需要偏航系统；叶片312安装维护简便；噪音小，交变应力影响小，寿命更长，风力驱动装置310均可接收所有方向的风，保证风能利用效率的最大化。

优选的，第一伸缩杆313通过第一电动推杆控制伸缩，第二伸缩杆314通过第二电动推杆控制伸缩，第一电动推杆和第二电动推杆与控制器电连接。

优选的，甲板110上设有刮板317，如图1-图3所示，刮板317为矩形板状结构，刮板317的一端套设在中心轴311上。通过设置刮板317，在中心轴311转动时，可以带动刮板317转动，使水中的污染物与反应物反应更加充分。

优选的，甲板110上设有残渣泄露孔112，如图5和图6所示，残渣泄露孔112底部设有用于挡住残渣泄露孔112的挡板150，挡板150通过第二舵机驱动转动，第二舵机与控制板电连接，挡板150底部设有残渣收集盒140。

使用过程中，残渣泄露孔112为常闭状态，控制板间隔一段时间控制第二舵机运动，带动挡板150转动，使得残渣泄露孔112打开，通过刮板317将甲板110上的残渣从残渣泄露孔112带入残渣收集盒140。

下面将结合附图对本发明的反应物进行详细的说明。

甲板110上的反应物用于与水中的污染物反应，反应物为光触媒涂料，光触媒涂料为以γ-fe2o3载体的复合型光触媒涂料。光触媒涂料是将光触媒材料与涂料相结合，而生产出来的一种具有光催化性能的环保涂料。当用光照射半导体时，受激电子从半导体价带跃迁至导带，此时导带获得光生电子，价带留下光生空穴，从而在半导体内部生成载流子。这些载流子能迁移到半导体表面与吸附在表面的物质发生氧化或还原反应。其中空气中的水或氧气被催化成氧化能力极强的活性基团，可强效分解有机化合物和部分无机物，并可破坏微生物的细胞结构。

采用紫外—可见光光谱分析法，参照图8所示，得出掺铁二氧化钛与纯二氧化钛的吸光度与波长，在整个可见光波长360-700nm内，掺铁二氧化钛的吸光度高于纯二氧化钛，其光谱吸收边带从纯二氧化钛的400nm左右拓展到450nm左右。吸收边带发生了红移，掺杂铁离子的二氧化钛纳米微粒的光谱响应范围向可见光区拓展，比纯二氧化钛光催化剂的吸光度提高了了5倍。

通过进行cod降解实验来检验掺铁二氧化钛与纯二氧化钛的光催化能力，取偶氮废水原水样20ml，稀释到1000ml，分成两份，调节ph值为4，分别用最佳条件下制备的纯tio2和fe-tio2粉体各50g作光催化剂，在紫外光条件下进行光催化降解实验来降解偶氮废水。每取一次水样，来分别进行化学需氧量测定，cod值采用重铬酸盐法测定。

纯tio2和fe-tio2光催化降解偶氮废水的光催化降解率d％随时间变化关系参照图9所示，可得出掺铁二氧化钛的光催化效果明显要比纯二氧化钛要好。

通过以上实验，本发明采用掺铁二氧化钛作为光催化剂，而掺铁量w(fe3+/tio2)对fe-tio2催化剂的光催化影响效果较大。在相同光催化条件下对不不同掺铁量化剂进行光催化处理偶氮废水实验，原吸光度均为0.085，每组10ml。

由图10可看出，当掺铁质量百分比为2.5％时脱色率最大，因此控制掺铁质量百分比为2％到3％。

下面将对本发明的选用的传感器进行详细的说明。

优选的，中心轴311顶部设有风速传感器，风速传感器与控制器电连接，当风速传感器测得的风速较小时，控制器控制第二伸缩杆314带动第一小锥齿轮316下降并控制电机321运动，电机321运动使第三小锥齿轮322转动带动与其啮合的第一小锥齿轮316转动，第一小锥齿轮316转动带动与其啮合的第二小锥齿轮230转动，使得电力驱动装置320带动柱塞泵210运动，用来弥补风力驱动装置310在无风时或者风小时不能带动柱塞泵210运动的缺陷。

优选的，参照图11所示，由于甲板110上容纳的污水量有限，因此在甲板110底部设置第一压力传感器和在船体100顶部设置第二压力传感器以控制甲板110上的污水量。第一压力传感器和第二压力传感器与控制器电连接，当第一压力传感器未感受到压力时，控制器控制第一伸缩杆313下降，通过风力驱动装置310驱动柱塞泵210运动，通过风速传感器检测风速，若无风时或者风小时，控制器控制第二伸缩杆314下降，通过电力驱动装置320用来弥补风力驱动装置310在无风时或者风小时不能带动柱塞泵210运动的缺陷；当第二压力传感器感受到压力时，控制器控制第一伸缩杆313上升，使风力驱动装置310或电力驱动装置320停止驱动柱塞泵210运动，控制器通过第一定时器定时，使污染物和反应物在一定时间内进行反应，反应完，控制器控制第一舵机运动带动使排水门开启，使甲板110上的污水排出，控制器通过第二定时器设定一定排水时间，排水完，控制器控制第一舵机运动带动使排水门关闭，控制器控制第二舵机运动打开挡板150，使残渣被刮板317推入残渣收集盒140，控制器通过第三定时器设定一定收集时间，收集完后，控制器控制第二舵机运动关闭挡板150。

本发明的实施例中，污水中的污染物与反应物的反应时间为1小时。

由于反应物为光触媒涂料，晚上没有光，因此光触媒涂料无法工作，但其余各部分均能工作。因此白天和晚上工作模式有所不同。本装置利用光敏元件与控制器电连接，通过控制器控制电机321运动自动切换白天工作模式和夜间工作模式。其中，光敏元件可以是光敏电阻或光电传感器。

下面对本发明的工作过程进行详细的描述。

白天工作模式中，如图12所示，当第一压力传感器未感受到压力时，控制器控制第一伸缩杆313下降，通过风力驱动装置310驱动柱塞泵210运动，通过风速传感器检测风速，若无风时或者风小时，控制器控制第二伸缩杆314下降，通过电力驱动装置320用来弥补风力驱动装置310在无风时或者风小时不能带动柱塞泵210运动的缺陷；当第二压力传感器感受到压力时，控制器控制第一伸缩杆313上升，使风力驱动装置310或电力驱动装置320停止驱动柱塞泵210运动，控制器通过第一定时器定时，使污染物和反应物在一定时间内进行反应，反应完，控制器控制第一舵机运动带动使排水门开启，使甲板110上的污水排出，控制器通过第二定时器设定一定排水时间，排水完，控制器控制第一舵机运动带动使排水门关闭，控制器控制第二舵机运动打开挡板150，使残渣被刮板317推入残渣收集盒140，控制器通过第三定时器设定一定收集时间，收集完后，控制器控制第二舵机运动关闭挡板150。

夜间工作模式中，电机321、第一压力传感器、第二压力传感器和风速传感器断开，柱塞泵210仅通过风力驱动装置310驱动运动，第一舵机控制排水门开启，使得排水口为常开状态，控制器通过定时器定时，使污染物和反应物在一定反应时间内进行反应，反应时间完，控制器控制第二舵机运动打开挡板150，使残渣被刮板317推入残渣收集盒140，收集完毕后，控制器控制第二舵机运动关闭挡板150，通过挡板150和刮板317的旋转，将藻类收集至残渣收集盒140，达到在晚上低耗能收集藻类的目的。

显然，上述所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。