本发明涉及空气雾霾防治领域，具体地，涉及一种基于摩擦发电机的气体净化装置。
背景技术：
近几年重度雾霾天气在全国范围内频频出现。雾霾不仅造成大气浑浊、能见度恶化、影响出行安全，还会导致人的呼吸道感染和心血管疾病的发生，严重危及到人类的健康和生活。
当前国家治理雾霾的方式主要以下几类：减少工业废气和汽车尾气的排放、提高燃油和煤的质量以及人工降雨等。政府也采取了一系列的举措来响应雾霾的治理，如关闭污染企业、淘汰不合格的机动车、限制机动车牌照、车辆单双号限行、严格监测燃油质量、向天空喷洒水雾等。这些治理的方法存在的问题就是治标不治本，成本大并且效果不明显，大量的企业关闭造成大面积人口失业并给国家经济增长造成了无法估量的损失。因此从根源上做起，找准污染源对其进行吸收处理才是更可取的一条道路。
雾霾的主要是成分是二氧化硫、氮氧化物和可吸入颗粒物粉尘，其中可吸入颗粒物作为悬浮物的内核，是形成雾霾最关键的因素。如果能减少各种排放物中可吸入颗粒物的含量，将会对雾霾的消除起到巨大的作用。但是目前在这方面的技术成本都非常高，而且基本都是针对工厂排放物的大型处理设备或是针对室内空气的循环净化系统，针对机动车等小型移动式排放源的处理技术还未见报道。
技术实现要素：
为了解决现有技术中的上述问题，本发明的目的是提供一种全新的气体净化装置，用于解决空气中颗粒物的吸收和过滤的问题，尤其适用于机动车等可移动式设备的排放物处理。
为了实现上述目的，本发明提供一种气体净化装置，其特征在于，包括：第一外隔板、第二外隔板、2个以上的电极单元、2个以上的柔性振动膜和膜固定件；所述第一外隔板和第二外隔板面对面间隔设置，中间的空隙形成气体流道；所述第一外隔板和第二外隔板面向所述气体流道的侧面上贴合有所述电极单元，每个电极单元在相对的隔板侧面上，均有一个大小和形状都相同的电极单元与之正对面间隔设置，形成一个电极单元组，每个电极单元组之间绝缘隔离；每个所述电极单元组在所述气体流道中匹配设置一个所述柔性振动膜，所述柔性振动膜的一端固定在所述膜固定件上，沿气体流动方向的另一端为自由端，使得所述柔性振动膜在气体的作用下能够与相应电极单元组的2个电极单元表面发生接触和分离；所述电极单元的材料与所述柔性振动膜的表面材料具有不同的摩擦电特性；
优选地，还包括若干中间隔板，所述中间隔板间隔设置在所述第一外隔板和第二外隔板之间，形成2个以上的气体流道，在所述中间隔板的两侧贴合有所述电极单元，每个电极单元在相对的隔板侧面上，均有一个大小和形状都相同的电极单元与之正对面间隔设置，形成一个电极单元组；
优选地，任意两个所述隔板之间的相对距离和角度可调；
优选地，所有所述隔板平行设置；
优选地，各所述中间隔板的尺寸和形状相同，并且相邻两隔板之间的间距相同；
优选地，所述隔板的表面由绝缘材料制成；
优选地，所述电极单元的材料选自金属、导电氧化物或有机导体；
优选地，所述电极单元的厚度为20nm-2mm；
优选地，各所述电极单元的形状相同；
优选地，所述电极单元在所贴合的隔板上的投影为矩形，并且长宽比大于等于2:1，其中沿气体流动方向为长度方向；
优选地，各所述电极单元的尺寸相同；
优选地，在同一个隔板上，各所述电极单元呈行列式阵列分布，其中气体流动方向为列方向；
优选地，在每一列所述电极单元的两侧设置与所述隔板垂直的绝缘挡板，从而将所述气体流道进行分隔；
优选地，所述绝缘挡板将所述气体流道分割成若干独立的分支流道；
优选地，每个所述电极单元组中两个相对的电极单元间距为0.2cm-5cm；
优选地，所述柔性振动膜的表面为绝缘材料；
优选地，所述柔性振动膜的厚度为1μm-1mm；
优选地，所述柔性振动膜面向所述电极单元的表面为矩形，其长宽比大于等于2:1，其中气体流动方向为长度方向；
优选地，所述柔性振动膜与所述电极单元接触的表面经过极化处理，和/或，表面设置有微结构，该微结构用于增加所述柔性振动膜与所述电极单元的有效接触面积；
优选地，每个所述膜固定件与构成所述气体流道的两个相邻隔板之间的距离相同；
优选地，所述膜固定件包括转轴和夹板，所述夹板固定在转轴上并且能够围绕转轴旋转，所述柔性振动膜通过所述夹板与所述膜固定件连接；
优选地，还包括导流板，用于调整气体进入所述气体流道的方向；
优选地，还包括外壳，所述外壳有进气口、出气口和腔体，所述第一外隔板、第二外隔板和中间隔板位于所述腔体内；
优选地，还包括外壳，所述外壳有进气口、出气口和腔体，所述第一外隔板、第二外隔板、中间隔板和导流板位于所述腔体内；
优选地，在所述进气口和导流板之间安装有滤网；
优选地，所述外壳由绝缘体材料制成；
优选地，所述外壳为可拆卸结构。
本发明还提供一种机动车尾气净化装置，包括上述任一所述的气体净化装置。
本发明还提供一种机动车尾气净化装置，包括上述任一种气体净化装置，其中所述进气口与所述机动车的排气口相连。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明的气体净化装置具有成本低、无污染、吸附效率高及可循环使用等优点，其安装在车辆上，能够将汽车尾气中的PM1.0、PM2.5、PM5.0及PM10.0等造成雾霾的颗粒物进行有效的吸收和过滤。
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是本发明气体净化装置典型结构中主要部件的俯视示意图；
图2是本发明气体净化装置典型结构中主要部件的正视示意图；
图3是本发明气体净化装置的工作原理图；
图4是本发明气体净化装置另一种典型结构中主要部件的俯视示意图；
图5是本发明气体净化装置中膜固定件的一种典型结构示意图；
图6是本发明气体净化装置另一种典型结构中主要部件的正视示意图；
图7是本发明气体净化装置另一种典型结构中主要部件的正视示意图；
图8是本发明气体净化装置另一种典型结构中主要部件的俯视示意图；
图9是图8所示的气体净化装置中主要部件的正视示意图；
图10是本发明气体净化装置另一种典型结构中主要部件的正视示意图；
图11是本发明气体净化装置另一种典型结构中主要部件的正视示意图；
图12是本发明气体净化装置另一种典型结构中主要部件的正视示意图。
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。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“内”指朝向相应结构内部，“外”指朝向相应结构外部。
图1和图2所示的是本发明气体净化装置的一种典型结构，其中图1为主要部件的俯视图，图2为主要部件的正视图。该装置包括：第一外隔板101、第二外隔板102、2个以上的电极单元20、2个以上的柔性振动膜30和膜固定件40；第一外隔板101和第二外隔板102面对面间隔设置，中间的空隙形成气体流道；在第一外隔板101和第二外隔板102面向气体流道的侧面上贴合设置若干电极单元20，每个电极单元20在相对的隔板侧面上，均有一个大小和形状都相同的电极单元20与之正对面间隔设置，形成一个电极单元组，每个电极单元组之间绝缘隔离；每个电极单元组在气体流道中匹配设置一个柔性振动膜30，柔性振动膜30的一端固定在膜固定件40上，沿气体流动方向的另一端为自由端，使得柔性振动膜30在气体的作用下能够与相应电极单元组的2个电极单元20表面发生接触和分离；电极单元20的材料与柔性振动膜30的表面材料具有不同的摩擦电特性。
本发明中涉及的材料摩擦电特性是指一种材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种不同的材料相接触或摩擦时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电特性不同。例如，聚合物尼龙与铝箔接触的时候，其表面带正电，即失电子能力较强，聚合物聚四氟乙烯与铝箔接触的时候，其表面带负电，即得电子能力较强。
本实施方式中的气体，特别涉及汽车尾气，相应的颗粒物主要包括汽车尾气中的PM1.0、PM2.5、PM5.0及PM10.0等造成雾霾的颗粒物，但不限制于这些颗粒物，其他引起空气雾霾的颗粒物也在本发明的保护范围内。
本实施方式中，电极板20和柔性振动膜30实质上构成一个摩擦发电机，其基本原理如图3所示：当气流进入由上下两个电极单元20形成的气体流道时，会对柔性振动膜30造成扰动，使得柔性振动膜30在两个电极单元(为了方便区分，此处标记为201和202)之间发生振动，其表面与电极单元201和202发生反复的接触和分离，由于柔性振动膜30的表面和电极单元201及202的表面具有不同的摩擦电特性，使得二者在接触的过程中会在两种材料的表面分别形成相反的表面电荷，当两种材料分离时，这些表面电荷会在电极单元201或202与柔性振动膜30之间形成静电场。这些静电场的存在能够促使气流中的颗粒被吸附，从而达到了气体净化的目的。由此可见，本发明的装置巧妙地利用了气流本身对柔性振动膜的扰动来形成电场，无需外部供电即可实现静电除尘，整体结构简单，易于清洗，具有非常强的实用性。
以下将结合本实施方式对本发明气体净化装置的各组成部分进行详细说明，但是本领域的技术人员应该清楚，这些说明并不仅仅针对本实施方式，而是对本发明的所有实施方式均适用，这种行文方式仅仅是为了叙述方便和简洁。
第一外隔板101和第二外隔板102主要用于构成气体流道和为电极单元20提供支撑，一般为硬质材料，特殊情况下也可适用弹性材料。为保证各电极单元20表面电荷的均匀分布，隔板的表面优选为绝缘材料，本领域常用的有机聚合物材料均可选用。隔板既可以是单一材料形成的均一结构，也可以是同种或不同材料形成的多层结构，以满足不同的力学或其他性质的要求。2个隔板之间的距离和角度均可根据实际情况进行调节，例如可以是平行的或呈一定角度的，二者之间的距离应该满足柔性振动膜30与电极单元20之间的充分接触和分离。第一外隔板101和第二外隔板102的形状没有具体限定，可以是平板或曲面板。二者的尺寸可以相同也可以不同。图1和图2所示的实施方式中，两个隔板为尺寸相同的平面矩形板，正对面平行放置，这仅仅是一种实现方式，实际操作中，隔板的形状、尺寸和相对位置均是可以调节的。
电极单元20应具有导电的外表面，其材料可以选自金属、合金、导电氧化物或有机导体。优选采用金属或者合金材料，包括铝、铜、金和银中的一者或者多者的任意比例合金，优选为铝。电极单元20贴合在第一外隔板101和第二外隔板102面向气体流道的侧面上。电极单元20的厚度一般为20nm-2mm，优选为100nm-1mm，更优选为500nm-500μm。本装置中包含2个以上的电极单元20，分布在两个隔板上，一个隔板上的每个电极单元20在相对的隔板上均有一个形状和尺寸均相同的另一个电极单元20与之正对面间隔设置，这样两个电极单元20共同组成了一个电极单元组，共同与柔性振动膜30作用，构成所需的摩擦发电机。任意两个相邻的电极单元20之间绝缘隔离，从而保证每个电极单元组之间是绝缘隔离的。每个电极单元组中的两个正对面的电极单元间距为0.2cm-5cm，优选为0.5cm-3cm，更优选为0.8cm-1.5cm。
虽然每个电极单元组中的两个电极单元20需要形状和尺寸均相同，但是并不要求不同电极单元组中的电极单元20的形状和尺寸均相同。换句话说，不同电极单元组中的电极单元20的形状和尺寸可以相同，也可以不同的，例如可以一组是矩形，另一组为圆形。图4所示的实施方式中，使用了3种不同形状和尺寸的电极单元201、202和203，而且这些电极单元的排布方式也不同，方便根据气体流道中气流场的分布来调整电极单元的位置，以实现最佳的气体净化效果。本发明优选电极单元20在所贴合的隔板上的投影为矩形，并且长宽比(长度：宽度)大于等于2:1，本发明定义气体流动方向为长度方向。当各电极单元20的尺寸相同时，优选这些电极单元20在同一个隔板上呈行列式阵列分布，其中气体流动方向为列方向。这样规整的结构便于批量加工。
柔性振动膜30是本发明净化装置中另一个重要部件，最为关键的特点是柔性，即能够在气流的扰动下发生振动，以便与电极单元20发生接触和分离。为保证柔性，不宜过厚，一般为1μm-1mm，优选为10μm-500μm，更优选为50μm-200μm。除此之外，该柔性振动膜30的外表面应该与电极单元20的表面材料具有不同的摩擦电特性，这样才能真正构成摩擦发电机并使其正常工作。本发明优选其表面由绝缘材料材料，特别是有机聚合物材料制成，这些材料均为本领域的常用材料，特别是在摩擦发电机中常用的摩擦材料，可以从下列材料中任意选择：胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11、聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。
柔性振动膜30位于每个电极单元组的两个电极单元之间的空隙中，也即在气体流道中，其一端为固定端，通过膜固定件40进行固定，另一端为自由端，沿着气体流动的方向延伸，使得气体流过时能对其进行有效扰动，造成柔性振动膜30与电极单元20的接触和分离。为提高柔性振动膜30与电极单元20之间的接触面积，优选柔性振动膜30的形状和尺寸与电极单元20面向气体流道的表面的形状和尺寸相匹配，一般二者的形状相同或相似，尺寸上柔性振动膜20也应与电极单元20接近，可以稍大也可以稍小。优选柔性振动膜30面向电极单元20的表面为矩形，其长宽比(长度：宽度)大于等于2:1，本发明定义气体流动方向为长度方向。同电极单元20相同，各柔性振动膜30的尺寸可以相同也可以不同，参见图1和图4。
为了提高柔性振动膜30与电极单元20接触后产生的表面电荷密度，可以将柔性振动膜的表面进行极化处理，或者是在其表面设置微结构，以增加柔性振动膜30与电极单元20的有效接触面积。这两种处理方式可以同时使用，也可以单独使用一种，具体根据实际情况来决定。该微结构优选为纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米棒、纳米花、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及由前述结构形成的阵列，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，可以是通过光刻蚀、等离子刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。
膜固定件40用于固定柔性振动膜30的一端，为了提高柔性振动膜对气流的敏感性，可以使用转轴和夹板共同构成膜固定件40。具体可参见图5，夹板401的一端套在转轴402上，另一端夹持柔性振动膜30使之固定，夹板401能够围绕转轴402旋转。当然，这仅仅是一种具体实施方式，本领域还有很多可以实现本发明目的的其他方式，此处不能一一赘述，但是这些常规方式的选择并不能给技术方案带来创造性，因此都属于本发明所涵盖的范围。
膜固定件40的位置一般位于气体流道中，优选与构成气体流道的两个相邻隔板的距离相同，即使柔性振动膜30的固定端位于气体流道的中间。如果柔性振动膜30的重量相对较大，该位置可以调整。
图6为本发明气体净化装置的另一种典型结构示意图，在图1和图2所示实施方式的基础上，还包括若干中间隔板103。该中间隔板103间隔设置在第一外隔板101和第二外隔板102之间，将原有气体流道分割成2个以上的多层气体流道。而且每个中间隔板的两侧贴合有电极单元20，该电极单元20的设置要求与前述在第一外隔板101和第二外隔板102上的设置要求相同，即每个电极单元在相对的隔板上，均有一个大小和形状都相同的电极单元与之正对面间隔设置，形成一个电极单元组，这些电极单元组之间也是绝缘隔离的。
对中间隔板103的限制和要求与前述第一外隔板101和第二外隔板102相同，例如表面材料均为绝缘材料，相邻隔板之间的相对距离和角度都可调，如图7所示的实施方式，相邻隔板并不是平行设置，而是呈一定角度。形状和尺寸没有特殊限定，优选各中间隔板103的形状和尺寸相同，并且相邻两隔板之间的间距相同。由于第一外隔板101和第二外隔板102可能作为外壳使用，因此并不限定其形状和尺寸必须与中间隔板103相同。并不排除第一外隔板101和第二外隔板102为曲面板而中间隔板103为平面板的情况。
本实施方式形成了立体多层的气体流道，能够实现较大的处理量和更好的净化效果。对于中间隔板的个数可以根据实际需要确定。
图8为本发明气体净化装置的另一种典型结构示意图，在图1和图2所示的实施方式的基础上，在每一列电极单元20的两侧设置与隔板垂直的绝缘挡板70，从而将所述气体流道进行分隔。该绝缘挡板70既可以从一个隔板的表面延伸到与之相对的另一个隔板的表面，以将原本连通的气体流道分割成若干独立的分支流道(参见图9)；也可以仅与一个隔板相接，各分支流道之间并不完全独立。
绝缘挡板70的表面应为绝缘材料，其形状和尺寸可以根据实际情况进行调整。设置绝缘挡板70的主要目的是为了调整气流方向和强度，以便实现更好的气体净化效果。
本发明还提供了另一种方式来调整装置中的气体流向，即在气体进入电极单元组之前设置至少一个导流板60(可参见图11)。该导流板60可以采用本领域中常用的结构，为更好地控制气流流向，可在所述导流板60上设置至少一个导气孔。优选导流板60与电极单元20互相垂直设置。导流板60表面的材料可以为硬质绝缘材料，例如亚克力、塑料等。
图10为本发明气体净化装置的另一种典型结构示意图，在前述结构的基础上增加了外壳50，该外壳为空腔结构，有进气口501和出气口502，第一外隔板101、第二外隔板102和中间隔板103及其上的各部件均位于外壳50的腔体内，如果有导流板60，那么优选导流板60也位于腔体内，并且处于进气口501和隔板之间。该实施方式由于采用了外壳50，使其具有便于安装和携带的特点。
进气口501和出气口502可由普通导气管组成，气管材料可以为金属或耐高温聚合物材料。进气口501和出气口502的位置可根据实际应用情况进行设置，可设置在所述外壳50的同一侧，也可设置在所述外壳50的两侧。为滤除气流中的水分，还可在所述进气口501上设置干燥装置或冷凝装置(途中未画出)，该干燥装置为内部装有干燥剂颗粒的密封盒子，所述干燥剂颗粒可以为物理吸附型干燥剂，如硅胶、分子筛干燥剂等，也可为化学吸附型干燥剂，如氯化钙或硫酸钙等；所述冷凝装置为通常的冷凝管。
在图10所示的结构中，第一外隔板101和第二外隔板102直接作为外壳50的侧壁使用，但是这并不是必须的，在其他实施方式中外壳的侧壁可以单独设置，而第一外隔板101和第二外隔板102直接贴合在其侧壁的内侧即可。当外壳50的侧壁上直接贴合电极单元20时，其表面应由绝缘体材料制成，该绝缘体材料包括塑料和亚克力板中至少一者。在其他情况下，外壳也可以是金属材料或半导体材料。
外壳50为可拆卸结构，以便进行柔性振动膜30、电极单元20或者导流板60的清洗。外壳50的形状在此并不做具体限定，虽然图10中示出的外壳截面为矩形，但是在实际使用中可以根据气流情况以及安装位置进行调整，例如可以采用如图12所示的结构，在气体流入端和气体流出端分别采用类锥台型的结构，以调整气流。
考虑到可以在气流进入电极单元组之前，滤除气流中体积较大的颗粒物，可在进气口501与导流板60之间安装滤网。所述滤网可以是金属滤网，也可以由非金属材料制成。
无论是否设置导流板60，进气口501和出气口502均可以在外壳50的同侧，也可以在外壳50的不同侧，可以根据外壳50形状以及导流板60的设置情况进行设计。
根据上述的气体净化装置，本发明还提供一种机动车尾气净化装置，由前述的任意一种气体净化装置构成，其中对于不含外壳50的实施方式，可以安装在机动车排气管的内部，由汽车排气管作为其外壳即可；对于包含外壳50的实施方式，可以将进气口501与机动车的排气口直接连接，机动车工作时所排出的尾气将通过进气口直接进入净化装置，驱动净化装置中的柔性振动膜30发生振动，与电极单元20构成摩擦发电机进行发电，产生高压电场，对气体中的颗粒物进行静电吸附，以达到气体净化的目的。
因此，可知本发明的气体除尘装置具有成本低、无污染、吸附效率高及可循环使用等优点，将其应用在机动车上，能够将汽车尾气中的PM1.0、PM2.5、PM5.0及PM10.0等造成雾霾的颗粒物进行有效的吸收和过滤。
实施例
电极单元组个数：3×4×4＝48个；柔性振动膜由100μm的柔性聚酰亚胺(英文简写kapton)组成，kapton表面通过ICP刻蚀出纳米结构，尺寸：1.9cm×3.4cm×1.9cm；第一外隔板、第二外隔板、中间隔板和绝缘挡板由厚度2mm的亚克力板组成，电极单元使用0.2mm金属铝；导流板使用厚度3mm亚克力板并在表面有直径4mm导气孔12个，整个外壳由金属铝箔(0.4mm)组成；进气口和出气口直径2cm。
过滤效果：单个电极单元组与柔性振动膜间的电压400V以上，对汽车尾气的PM2.5、PM5.0、PM10.0过滤效率超过85％。
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。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。
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。