基于滴水起电的废水处理装置的制造方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于滴水起电的废水处理装置，包括开尔文滴水起电模块和高压电场水处理模块，还可形成带水循环的废水处理装置及级联结构的废水处理装置。本发明不仅通过高压电场水处理模块的高压电场对水分子排列的影响和产生活性氧基团等方式对废水实现有效的抗垢杀菌处理，而且高压电场水处理模块的静电场来源是开尔文滴水起电模块通过滴水起电产生电荷积累，不需要额外的高压源，几乎不需要额外的能量输入，是一种无污染且低能耗的废水处理新方式。
【专利说明】
基于滴水起电的废水处理装置
技术领域
[0001] 本发明属于废水处理的技术领域，更具体地，涉及一种使用开尔文滴水起电装置 产生高压静电场实现低能耗废水抗垢杀菌处理的系统及方法。
【背景技术】
[0002] 来自工业、医用、垃圾、城市生活的各种废水污水中广泛存在着大量的细菌与病 毒，具有空间污染、急性传染和潜伏性传染等特征，如果不加以合理处理直接排放会造成严 重污染甚至引发传染病。在现代的污水处理环节中，消毒与杀菌已成为重要一环，国家污水 处理标准中早已将微生物列入基本控制指标。
[0003] 目前，广泛使用的废水消毒工艺仍然是以向污水废水中投放化学试剂为主，如氯 消毒、氯胺消毒、二氧化氯消毒等，存在成本过高，容易导致二次污染等问题。而静电水处理 技术是近几年发展起来的新技术，区别于投放化学物质、添加水体溶质等水处理方式，该技 术通过高压静电场使水分子极化产生有较强的杀菌消毒能力的活性氧基团，实现水消毒处 理，避免了化学反应副产物的产生，减少二次污染。但现有的高压电场水处理工艺主要是通 过高压直流电源产生高压电场，需要消耗大量电能，造成能源浪费。
【发明内容】
[0004] 本发明所要解决的技术问题是克服现有技术中的不足，提供一种基于滴水起电的 废水处理装置，在现存的高压电场水处理工艺基础上，直接利用开尔文滴水起电效应将多 级水处理系统水体流动本身的重力势能转化为电能产生高压静电场，搭建起了可代替现存 污水处理工艺的水处理装置。既避免了化学废水处理工艺的二次污染问题，也相对于现有 的高压静电水处理工艺大大降低了能耗。
[0005] 针对上述目的，本发明提供一种基于滴水起电的废水处理装置，包括开尔文滴水 起电模块，所述开尔文滴水起电模块利用静电感应原理使水滴带电，形成电压差;高压电场 水处理模块，所述高压电场水处理模块通过开尔文滴水起电模块形成的高压电场影响水分 子排列及产生活性氧基团对废水进行抗垢杀菌处理;所述高压电场水处理模块与开尔文滴 水起电模块电连接。
[0006] 所述开尔文滴水起电模块包括储水装置、滴水装置、静电感应环和盛水装置;所述 储水装置设于顶部，通过三叉水管和滴水装置相连，所述三叉水管上设有控制开关;所述滴 水装置的每个出水口下方分别设有固定的静电感应环，所述盛水装置位于静电感应环下 方，每个盛水装置相互且与周围其他物体电气隔离;每个盛水装置底部固定一圈具有导电 性能的金属薄片，并通过导线与静电感应环交叉相连。上方储水装置通过有两个分流管道 的滴水装置来滴水，每个出水口流出水滴，各自通过一个感应环流到相应的盛水装置里。左 侧的盛水装置通过电线与右侧的感应环相连接导通，同样右侧的盛水装置通过电线与左侧 的感应环相连接导通。假设某个瞬间左边盛水装置获得正电荷，则与之相连的右边感应环 也有一定的正电荷。由于静电感应作用，右边感应环上的正电荷，会吸引负电荷到右边的水 流中。右边的水滴会携带负电荷滴落，最终滴到右边的盛水装置内，使右边的盛水装置所带 负电荷增加积累，从而又使与之相连的左边感应环也带负电荷，它将会吸引正电荷到左边 的水流中。当水滴落到桶内，他们各自携带的正负电荷就会转移到盛水装置上并积累。
[0007] 所述滴水装置的出水口内部设有多孔片。使出水口的水流分支成不连续成柱的多 条细流。在保证水流不黏连成柱的前提下，孔数越多电荷积累的速度越快，水处理效果越 好。
[0008] 所述滴水装置出水口的到静电感应环之间的距离即出水口高度也是本发明水处 理效果的重要影响因素。在保证水不成柱状的情况下水速率越大，电荷积累速率越高。为了 在保证水流不成柱状的前提条件下提高水流速度，经过实验证明出水口高度存在一个最优 值，能使电荷积累速率达到最大值从而实现最优的水处理效果。最优值的计算过程如下：由 此，当圆筒面电荷密度为σ，半径为a，高为h，场点在z轴上，距静电上顶面为zl，距下底面为 z2,将其看成是由许多圆环单元组成，圆环单元厚为dz，带电量为^roadz，圆筒在该点场 强为
令E对?求一次导数为0，求出％，即把出水口放在此位置使水滴离开出水口所受的场强最 大。
[0009] 所述高压电场水处理模块由绝缘容器和两个金属电极构成，所述绝缘容器的前后 侧内壁上紧贴经过密封防水处理处理的金属电极，相当于一个相对的平行板电容器，所述 两个金属电极各自有一部分伸出绝缘容器作为导电接口，两个金属电极的导电接口与两个 静电感应环通过导线分别连接。在其两侧施加电压时，极板间距越小，其电场强度越大，此 时水处理效果越好。
[0010] 所述基于滴水起电的废水处理装置还包括水栗循环模块;所述水栗循环模块将盛 水装置与储水装置连接。
[0011] 所述水栗循环模块包括第一单片机和第一水栗，所述第一水栗的入水管连接盛水 装置，出水管连接储水装置，第一水栗的开关受第一单片机的控制。
[0012] 所述基于滴水起电的废水处理装置还包括自动控制排水模块，所述自动控制排水 模块将多个废水处理装置连接，形成级联结构。
[0013] 所述自动控制排水模块包括第二单片机和第二水栗，所述第二水栗的入水管插入 本级盛水装置，出水管插入下一级储水装置，第二水栗的开关受第二单片机的控制。
[0014] 所述盛水装置内设有感受水位信号的传感器，所述传感器与水栗循环模块的第一 单片机连接或与自动控制排水模块的第二单片机连接。当采用水栗循环模块时，若盛水装 置内的水位达到上限水位，传感器给单片机信号，单片机控制水栗开始工作，水被抽到储水 装置中，由于盛水装置中的水在储水装置中电荷中和，所以可循环使用；当水位低于下限水 位时，水栗停止工作。当采用自动控制排水模块形成级联结构时，当本级盛水装置内的水位 达到上限水位时，传感器给单片机信号，单片机控制水栗开始工作，触发排水模块，水被排 到下一级的储水装置中，实现级联结构中的多个废水处理装置共同运行，提高对废水的杀 菌效率。
[0015] 本发明的有益效果为:本发明不仅通过高压电场水处理模块的高压电场对水分子 排列的影响和产生活性氧基团等方式对废水实现有效的抗垢杀菌处理，而且高压电场水处 理模块的静电场来源是开尔文滴水起电模块通过滴水起电产生电荷积累，不需要额外的高 压源，几乎不需要额外的能量输入，是一种无污染且低能耗的废水处理新方式。
【附图说明】
[0016] 图1为本发明基于滴水起电的废水处理装置示意图。
[0017] 图2为本发明高压电场水处理模块示意图。
[0018] 图3(a)和图3(b)为本发明尚压电场抗垢水处理的原理不意图。
[0019]图4为带水循环的废水处理装置示意图。
[0020]图5为级联结构的废水处理装置示意图。
【具体实施方式】
[0021] 以下结合附图对本专利做进一步的解释说明。附图仅用于示例性说明，不能理解 为对本专利的限制；为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小;对于本 领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0022] 实施例1 如图1-3所示为本专利提供的一种基于滴水起电的废水处理装置，包括开尔文滴水起 电模块，所述开尔文滴水起电模块利用静电感应原理使水滴带电，形成电压差;高压电场水 处理模块10,所述高压电场水处理模块10通过开尔文滴水起电模块形成的高压电场影响水 分子排列及产生活性氧基团对废水进行抗垢杀菌处理;所述高压电场水处理模块10与开尔 文滴水起电模块电连接。
[0023]所述开尔文滴水起电模块包括储水装置20、滴水装置30、静电感应环40和盛水装 置50;所述储水装置20设于顶部，通过三叉水管和倒U型的滴水装置30相连，所述三叉水管 上设有控制开关60;所述滴水装置30设有第一出水DAi和第二出水口 A2,每个出水口下方分 别设有固定的第一静电感应环也和第二静电感应环B2,所述第一盛水装置&和第二盛水装 置(： 2分别位于第一静电感应环m和第二静电感应环Β2下方，每个盛水装置相互且与周围其 他物体电气隔离;每个盛水装置底部固定一圈具有导电性能的金属薄片，并通过导线100与 静电感应环交叉相连，即第一静电感应环m与第二盛水装置&连接，第二静电感应环Β 2与第 一盛水装置Ci相连。上方储水装置20通过有两个分流管道的滴水装置30来滴水，每个出水 口流出水滴，各自通过一个感应环流到相应的盛水装置里。打开滴水装置的控制开关60后， 水流开始向下流动，与固体之间的摩擦起电相类似，液体在关内的流动会使水流带电。首 先，在管壁和液体的接触面上，存在于液体中的一种符号的离子随机的被管壁吸附，并且与 紧邻的电性相反的另一层离子相互吸引形成偶电层。如果这种液体沿着管子流动，或将液 体喷出时，液体与管壁接触表面发生剧烈变化，偶电层受到破坏，液体中扩散的离子与流动 着的液体一起被迀移走，从而产生冲流电流，呈现带电现象。同时，由于液体中电荷的迀移， 原先吸附在管壁的离子被释放出来，新的偶电层会又重新形成。
[0024]为了实现电荷的积累，开尔文滴水起电模块引入了反馈机制。假设某个瞬间第一 盛水装置C1获得正电荷，则与之相连的第二静电感应环B2也有一定的正电荷。由于静电感 应作用，正电荷产生向外的运动趋势，而被持续束缚在水管内壁上，所以之后时刻，偶电层 中都是正电荷位于管壁，而液体中扩散的离子都是带有负电荷，冲流电流的电性不再随机 变化，第二静电感应环B2上的正电荷，会吸引负电荷到该出水口的水流中。第二出水口 A2的 水滴会携带负电荷滴落，最终滴到第二盛水装置&内，使第二盛水装置C2所带负电荷增加积 累，从而又使与之相连的第一静电感应环m也带负电荷，它将会吸引正电荷到该出水口的 水流中。与之相连的静电感应环的电位不断提高，进而强化了感应环的静电感应，使每滴水 携带的电量更多，不断循环这一正反馈过程，使两个盛水装置之间的电位差不断提高。当水 滴落到盛水装置内，他们各自携带的正负电荷就会转移到盛水装置上并积累。在不漏电的 理想状态下，电荷积累呈指数增长，实际上由于漏电，电荷的增长规律远比理想的小，特别 是当电压较高时，漏电也较大，最后达到一个稳定的电压。
[0025] 所述滴水装置30的第一出水口 A!和第二出水口 A2内部设有多孔片。使出水口的水 流分支成不连续成柱的多条细流。在保证水流不黏连成柱的前提下，孔数越多电荷积累的 速度越快，水处理效果越好。
[0026]所述滴水装置30出水口的到静电感应环之间的距离即出水口高度也是本发明水 处理效果的重要影响因素。在保证水不成柱状的情况下水速率越大，电荷积累速率越高。为 了在保证水流不成柱状的前提条件下提高水流速度，经过实验证明出水口高度存在一个最 优值，能使电荷积累速率达到最大值从而实现最优的水处理效果。最优值的计算过程如下： 由此，当圆筒面电荷密度为〇,半径为a，高为h，场点在z轴上，距静电上顶面为 Z1，距下底面 为Z2,将其看成是由许多圆环单元组成，圆环单元厚为dz，带电量为23i 〇adZ，圆筒在该点 场强为
令E对?求一次导数为0,求出&，即把出水口放在此位置使水滴离开出水口所受的场强最 大。
[0027] 如图2所示，所述高压电场水处理模块10由绝缘容器11和两个金属电极12构成，所 述绝缘容器11的前后侧内壁上紧贴经过密封防水处理处理的金属电极12,相当于一个相对 的平行板电容器，所述两个金属电极12各自有一部分伸出绝缘容器作为导电接口 13,两个 金属电极的导电接口 13与两个静电感应环通过导线分别连接。从而使其分别具有相反的高 电压，从而在平行板电容间形成高压电场，让废水流经金属电极间，通过高压电场影响水分 子排列及产生活性氧基团等机理，对废水进行抗垢杀菌处理。在其两侧施加电压时，极板间 距越小，其电场强度越大，此时水处理效果越好。
[0028] 如图3(a)和图3(b)所示为本发明高压电场抗垢水处理的原理示意图。在高压静电 场的作用下，水分子定向地按正负极顺序排列。从而使水中的离子被水的偶极子包围，并按 正、负顺序整齐地排列在水的偶极子群中而不能自由运动，使靠近器壁的离子阻力增大，对 废水进彳丁抗垢杀菌处理。
[0029] 实施例2 如图4所示为本专利提供的另一实施例，一种带水循环的废水处理装置，与实施例1所 述的基于滴水起电的废水处理装置结构和原理相似，区别在于还包括水栗循环模块70;所 述水栗循环模块70将盛水装置50与储水装置20连接。
[0030] 为了实现增加电荷的积累，本发明中使用水栗循环模块70将盛水装置50的水抽回 储水装置20中循环使用，所述水栗循环模块70包括第一单片机71和第一水栗72,所述第一 水栗72的入水管连接盛水装置50,出水管连接储水装置20,第一水栗72的开关受第一单片 机71的控制。
[0031]所述盛水装置50内设有感受水位信号的传感器80。当采用水栗循环模块70时，若 盛水装置50内的水位达到上限水位，传感器80给第一单片机71信号，第一单片机71控制第 一水栗72开始工作，水被抽到储水装置20中，由于盛水装置50中的水在储水装置20中电荷 中和，所以可循环使用；当水位低于下限水位时，第一水栗72停止工作。
[0032] 实施例3 如图5所示为本专利提供的又一实施例，一种级联结构的废水处理装置，与实施例1所 述的基于滴水起电的废水处理装置结构和原理相似，区别在于还包括自动控制排水模块 90,所述自动控制排水模块90将多个废水处理装置连接，形成级联结构。所述级联结构可为 两级级联或多级级联，本实施例中图5所示的为两级级联结构的废水处理装置。下一级废水 处理装置与一级废水处理装置结构相同，即包括储水装置20'、滴水装置30'、静电感应环 40 '和盛水装置50 '及其他一级废水处理装置具有的结构。
[0033]所述自动控制排水模块90包括第二单片机91和第二水栗92,所述第二水栗92的入 水管插入本级盛水装置50,出水管插入下一级储水装置20'，第二水栗92的开关受第二单片 机91的控制。
[0034] 所述盛水装置内设有感受水位信号的传感器。采用自动控制排水模块90形成级联 结构时，当本级盛水装置50内的水位达到上限水位时，传感器给第二单片机信号，第二单片 机控制第二水栗开始工作，触发排水模块，水被排到下一级的储水装置20'中，实现级联结 构中的多个废水处理装置共同运行，提高对废水的杀菌效率。
[0035] 实施例4 本专利提供的另一实施例为一种并联结构的废水处理装置，与实施例1所述的基于滴 水起电的废水处理装置结构和原理相似，区别在于本实施例将多个基于滴水起电的废水处 理装置并联，即将多个废水处理装置中的同电荷的感应圈相连，并且使多个废水处理装置 的同电荷的盛水装置联通。并联结构的废水处理装置可增快电荷的积累速度且增大电场强 度，并可以让更大流量的水同时被处理，提高污水处理效率。
[0036] 显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本专利所作的举例，而并非是对 本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可 以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本 发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求 的保护范围之内。
【主权项】
1. 一种基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，包括 开尔文滴水起电模块，所述开尔文滴水起电模块利用静电感应原理使水滴带电，形成 电压差； 高压电场水处理模块，所述高压电场水处理模块通过开尔文滴水起电模块形成的高压 电场影响水分子排列及产生活性氧基团对废水进行抗垢杀菌处理； 所述高压电场水处理模块与开尔文滴水起电模块电连接。2. 根据权利要求1所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，所述开尔文滴水 起电模块包括储水装置、滴水装置、静电感应环和盛水装置;所述储水装置设于顶部，通过 三叉水管和滴水装置相连，所述三叉水管上设有控制开关;所述滴水装置的每个出水口下 方分别设有固定的静电感应环，所述盛水装置位于静电感应环下方，每个盛水装置相互且 与周围其他物体电气隔离;每个盛水装置底部固定一圈具有导电性能的金属薄片，并通过 导线与静电感应环交叉相连。3. 根据权利要求2所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，所述滴水装置的 出水口内部设有多孔片。4. 根据权利要求2所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，所述滴水装置出 水口的高度满足距离静电感应环下底面的距离为z 2，所述22满足静电感应环在该点的场强;式中 静电感应环面电荷密度为为〇,半径为a，高为h，场点在z轴上，将静电感应环由多个圆环单 元组成，圆环单元厚为dz，带电量为2Ji〇adz。5. 根据权利要求1所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，所述高压电场水 处理模块由绝缘容器和两个金属电极构成，所述绝缘容器的前后侧内壁上紧贴经过密封防 水处理处理的金属电极，所述两个金属电极各自有一部分伸出绝缘容器作为导电接口，两 个金属电极的导电接口与两个静电感应环通过导线分别连接。6. 根据权利要求1所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，还包括水栗循环 模块;所述水栗循环模块将盛水装置与储水装置连接。7. 根据权利要求6所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，所述水栗循环模 块包括第一单片机和第一水栗，所述第一水栗的入水管连接盛水装置，出水管连接储水装 置。8. 根据权利要求1所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，还包括自动控制 排水模块，所述自动控制排水模块将多个废水处理装置连接，形成级联结构。9. 根据权利要求8所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，所述自动控制排 水模块包括第二单片机和第二水栗，所述第二水栗的入水管插入本级盛水装置，出水管插 入下一级储水装置。10. 根据权利要求7或9所述的基于滴水起电的废水处理装置，其特征在于，所述盛水装 置内设有感受水位信号的传感器，所述传感器与水栗循环模块的第一单片机连接或与自动 控制排水模块的第二单片机连接。
【文档编号】C02F1/48GK106044976SQ201610488316
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月24日
【发明人】王嘉辉, 苏晓煌, 张紫莹, 郑集文, 施展, 钟映宜, 崔峻豪
【申请人】中山大学