一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置及实验方法与流程

1.本发明涉及水系统的防垢处理技术领域，具体而言，尤其涉及一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置及实验方法。


背景技术：

2.摩擦纳米发电技术是近几年新兴的技术，其代表产物摩擦纳米发电机往往具有低功率、微电流、高电压的特点。摩擦纳米发电机依据结构类型可以分为四种基本工作模式：单电极模式、垂直接触-分离模式、水平滑动模式以及独立层模式。依据其收集能量的来源又可分为振动能收集、风雨能收集、生物能收集以及海洋能收集。依据不同的应用场景，摩擦纳米发电技术主要可以作为某些低功耗传感器的供能器件，或本身可以作为一种自供能的传感器投入适用。
3.在水系统防垢领域，通常局限于通过物理吸附或用化学药剂(酸、碱等)对水进行酸洗或碱洗。化学试剂的残留具有一定危害，因此目前化学方法正在被物理方法所取代。目前采用的物理防垢、除垢方法主要有机械除垢、磁场作用除垢、静电除垢、活性炭除垢、离子交换树脂除垢以及铜锌合金防垢等，但都在操作过程、经济成本、可靠性和除垢效果上存在一定的短板。
4.将摩擦纳米发电技术应用于水系统中收集水能，利用水能转换而来的电能构建高压防垢电场，这种思想虽有人以概念的形式提出，但是缺乏有力的试验和理论验证，且其所需的外界放大电路部分严重限制了该结构的应用场景。


技术实现要素：

5.根据上述提出的现有防垢方法安全性及可靠性低的问题，本发明提供一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置及实验方法。本发明通过仿生学结构，能够高效地将流体动能转化为电能，基于阵列组合排布的科学性，使得其构建的电场在流速150m/h，水温20℃下可稳定提供165v以上电压，避免了高压放大电路等冗余结构，具有高度的集成性。
6.本发明采用的技术手段如下：
7.一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置，包括：
8.循环水箱，所述循环水箱包括上壳体和下壳体，所述上壳体和下壳体通过螺栓紧密扣合，从而形成中空容纳腔体，其中在上壳体的一侧设置有进水口，在与所述进水口所在侧面相对的另一侧面下方的下壳体的侧面，设置有出水口；
9.摩擦纳米发电机阵列，所述摩擦纳米发电机阵列包括若干前后设置的仿生摩擦纳米发电机，各所述仿生摩擦纳米发电机上端与上壳体的顶部固定连接，底部自由下垂，各仿生摩擦纳米发电机的正、负极均并联后引出；
10.防垢电场电极，所述防垢电场电极包括防垢电场负电极和防垢电场正电极，二者相对设置从而形成中部静电场，所述防垢电场负电极与各仿生摩擦纳米发电机的负极引出端连接，所述防垢电场负正极与各仿生摩擦纳米发电机的正极引出端连接；
11.防垢目标，所述防垢目标设置在中部静电场内；
12.当有流体由进水口流入装置时，冲击所述摩擦纳米发电机阵列，各仿生摩擦纳米发电机会将水的动能变成电能，并由导线转移至防垢电场负电极和防垢电场正电极，从而形成高压静电场，在该电场作用下，使易结垢离子在水系统中发生不同方向的偏移，防止结垢。
13.进一步地，所述摩擦纳米发电机阵列靠近所述进水口设置，且其放置姿态被设定为以各仿生摩擦纳米发电机的正面承接水流方向。
14.进一步地，所述仿生摩擦纳米发电机包括：
15.fep基材；
16.导电石墨，所述导电石墨附着在所述fep基材表面，且导电石墨连接一导电铜片；
17.ptfe薄膜，所述ptfe薄膜连接一导电铜片；
18.海绵垫，所述海绵垫设置于导电石墨与ptfe薄膜之间，从而使二者之间在静置状态下存在间隙；
19.ptfe水密膜，所述ptfe水密膜与所述fep基材的边缘连接，从而在二者之间形成密封空间，所述导电铜片由所述密封空间的上方引出。
20.进一步地，所述ptfe薄膜厚度为0.04～0.06mm；
21.所述fep基材厚度为0.08～0.1mm；
22.所述导电铜片厚度为0.08～0.12mm；
23.所述海绵垫厚度为0.8～1.2mm。
24.本发明还公开了一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢实验方法，基于上述一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置实现，包括以下步骤：
25.s1、在试验平台上安置基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置；
26.s2、将数据采集装置安装到防垢装置内部对应的采集位置，其中数据采集装置的类型根据实验内容确定；
27.s3、使所述基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置内部的、带有易结垢离子的液体循环流动；
28.s4、基于所述数据采集装置采集实验数据，进行防垢效果评估。
29.进一步地，所述数据采集装置包括电压采集装置，所述电压采集装置于防垢电场电极连接。
30.进一步地，所述数据采集装置包括离子浓度测量仪，所述离子浓度测量仪的检测机构深入循环水箱内部的液体。
31.较现有技术相比，本发明具有以下优点：
32.本发明所述方法应用摩擦纳米发电技术与静电场防垢技术对水系统中结垢问题进行了有效抑制。该方法采用柔性海带型摩擦纳米发电机阵列对流场中流体动能到摩擦纳米发电机电能进行了高效转化，使其产生180v的静电场，最终实现水系统的防垢功能。该方法不但具有理论上的可行性，同时也在具有换热功能的循环水处理装置上进行了验证。设计对比试验，对剩余钙离子浓度和阻垢率进行了测量，达到预期效果。
33.基于上述理由本发明可在水系统防垢领域广泛推广。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置结构图。
36.图2为本发明基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置爆炸图。
37.图3为本发明仿生型摩擦纳米发电机结构示意图。
38.图4为实施例中防垢效果测试流程图。
39.图5为实施例中仿生海带型摩擦纳米发电机电场电压信号图。
40.图6为实施例中加热循环试验剩余钙离子浓度变化图。
41.图7为实施例中不同加热温度下阻垢率变化图。
42.图中：101、循环水箱下壳体；102、循环水箱上壳体；103、进水口；2、摩擦纳米发电机阵列；201、仿生摩擦纳米发电机；2011、fep基材；2012、海绵垫；2013、导电石墨；2014、导电铜片；2015、ptfe薄膜；2016、ptfe水密膜；301、防垢电场负电极；302、防垢电场正电极；4、防垢目标。
具体实施方式
43.需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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，显然，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。以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。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。
44.如图1-2所示，本发明提供了一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置，包括：循环水箱、摩擦纳米发电机阵列2、防垢电场电极以及防垢目标4。具体来说，循环水箱包括上壳体101和下壳体102，上壳体101和下壳体102通过螺栓紧密扣合，从而形成中空容纳腔体，其中在上壳体101的一侧设置有进水口103，在与所述进水口102所在侧面相对的另一侧面下方的下壳体102的侧面，设置有出水口104。摩擦纳米发电机阵列2包括若干前后设置的仿生摩擦纳米发电机201，各所述仿生摩擦纳米发电机201上端与上壳体101的顶部固定连接，底部自由下垂，各仿生摩擦纳米发电机201的正、负极均并联后引出。防垢电场电极包括防垢电场负电极301和防垢电场正电极302，二者相对设置从而形成中部静电场，所述防垢电场负电极301与各仿生摩擦纳米发电机201的负极引出端连接，所述防垢电场负正极302与各仿生摩擦纳米发电机201的正极引出端连接。防垢目标4设置在中部静电场内。
45.当有流体由进水口103流入装置时，冲击所述摩擦纳米发电机阵列2，各仿生摩擦纳米发电机201会将水的动能变成电能，并由导线转移至防垢电场负电极301和防垢电场正电极302，从而形成高压静电场，在该电场作用下，使易结垢离子在水系统中发生不同方向的偏移，防止结垢。
46.优选地，所述摩擦纳米发电机阵列2靠近所述进水口103设置，且其放置姿态被设定为以各仿生摩擦纳米发电机201的正面承接水流方向，这样可以最大限度的收集流体动能。
47.如图3所示，仿生摩擦纳米发电机201包括：fep基材2011、导电石墨2013、ptfe薄膜2015、海绵垫2012以及海绵垫2012。具体来说，导电石墨2013附着在所述fep基材2011表面，且导电石墨2013连接一导电铜片2014。ptfe薄膜2015也连接一导电铜片2014；海绵垫2012设置于导电石墨2013与ptfe薄膜2015之间，从而使二者之间在静置状态下存在间隙。ptfe水密膜2016与所述fep基材2011的边缘连接，从而在二者之间形成密封空间，所述导电铜片2014由所述密封空间的上方引出。
48.优选地，ptfe薄膜2015厚度为0.04～0.06mm；fep基材2011厚度为0.08～0.1mm；导电铜片2014厚度为0.08～0.12mm；海绵垫2012厚度为0.8～1.2mm。
49.基于海洋生物海带片状结构启发，本发明摩擦纳米发电机从上到下依次可分为三层，上层材料为ptfe薄膜，下层材料为fep薄膜，在fep薄膜上覆盖铜膜。中间层主要为海绵垫和密封其中的空气，用于将上下两层电极材料隔开，使其可以间断地接触分离进而产生电荷转移。当具有电正性的铜膜和具有电负性的ptfe薄膜相互接触分离时，此时将在柔性摩擦纳米发电表面聚集大量电荷，形成静电场，完成流体动能到摩擦纳米发电机电能的转换。
50.其制备材料如下：0.04～0.06mm的聚四氟乙烯(ptfe)薄膜和0.08～0.1mm的氟化乙烯丙烯共聚物(fep)薄膜，0.08～0.12mm铜膜，0.8～1.2mm厚的海绵垫等。
51.在本发明一个较佳的实施方式中，选用0.05mm的聚四氟乙烯(ptfe)薄膜和0.1mm的氟化乙烯丙烯共聚物(fep)薄膜，0.01mm铜膜，1mm厚的海绵垫以及导电油墨、导线等。其结构类似“三明治”结构，从上到下依次可分为三层。上层材料为ptfe薄膜，因其高含氟量而具有电负性，作为摩擦纳米发电机的负电极；下层材料为0.1mm的fep薄膜，在fep薄膜上贴附铜膜，用来作为摩擦纳米发电机的正电极。fep薄膜因其弹性较好，在流体作用下，可以提供摩擦纳米发电机在流场中摆动的恢复力；中间层主要为1mm厚的海绵垫和密封其中的空气，用于将上下两层电极材料隔开，使其可以间断地接触分离进而产生电荷转移。当具有电正性的铜膜和具有电负性的ptfe薄膜相互接触分离时，此时将在“海带片”表面聚集大量电荷，形成静电场，完成流体动能到摩擦纳米发电机电能的转换。
52.其防垢方法在于：仿生型摩擦纳米发电机以阵列的形式排布在需要防垢的水路系统中，当有流体流过时，该摩擦纳米发电机会将水的动能变成电能，并由导线转移到防垢电场电极板部分，进而形成高压静电场。在该电场作用下，易结垢离子会在水系统中发生不同方向的偏移，降低了其结合的概率，进而减少结垢现象的发生。值得注意的是，该方法不同于传统的静电防垢方法，不需要外界再额外添加电源供电装置；也不同于部分概念形式的摩擦纳米发电机防垢方法需要发电机部分、外界放大电路部分、防垢电场部分等多种组合。该方法设计的摩擦纳米发电机阵列已通过证明其可以更好的收集电能，取消了外界放大电路部分，这种高度集成式的结构无疑提高了其适用领域并降低了其维护成本。
53.本发明提出的摩擦纳米发电结构及防垢装置因其仿生学结构高效的流体动能到电能转换效率与阵列组合排布的科学性，使得其构建的电场在流速150m/h，水温20℃下可稳定提供165v以上电压，避免了高压放大电路等冗余结构，具有高度的集成性。相较于传统
电场防垢方案，避免了电力成本过高、漏电伤人、电路故障等一系列问题。
54.本发明还提供了一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢实验方法，基于上述的一种基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置实现，包括以下步骤：
55.s1、在试验平台上安置基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置；
56.s2、将数据采集装置安装到防垢装置内部对应的采集位置，其中数据采集装置的类型根据实验内容确定；
57.s3、使所述基于仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置内部的、带有易结垢离子的液体循环流动；
58.s4、基于所述数据采集装置采集实验数据，进行防垢效果评估。
59.在一种实施方式中，数据采集装置包括电压采集装置，所述电压采集装置于防垢电场电极连接。在另一种实施方式中，数据采集装置采用离子浓度测量仪，所述离子浓度测量仪的检测机构深入循环水箱内部的液体。
60.下面通过具体的应用实例，对本发明的实验方法做进一步说明。
61.实施例1
62.基于上述仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置进行各工况电压实验。在具体实施中，按照下面步骤进行：
63.步骤1、将0.05mm的聚四氟乙烯(ptfe)薄膜和0.1mm的氟化乙烯丙烯共聚物(fep)薄膜，0.01mm铜膜，1mm厚的海绵垫以及导电油墨、导线等材料制成仿生型摩擦纳米发电机；
64.步骤2、设计并搭建试验平台，完成仿生型摩擦纳米发电机及防垢电极的安置，如图2所示；
65.步骤3、进行试验，调节工况，用6517b型静电计测量各种工况下的最大静电场电压；
66.步骤4、用ni采集卡和labview将数据进行采集分析；
67.步骤5、将各个工况电压信号绘制成折线图以便分析，其中水温20℃，流速150m/h工况下可稳定提供165v以上电压，最大电压信号可达180v，如图4所示。
68.实施例2
69.基于上述仿生型摩擦纳米发电机的防垢装置进行剩余钙离子浓度实验，在具体实施中，按照下面步骤进行：
70.步骤1、在试验平台上安置摩擦纳米发电机及防垢装置；
71.步骤2、配置不同浓度的碳酸钙溶液进行循环，所测剩余钙离子浓度可以反映阻垢率。
72.步骤3、试验前采用mp523型离子浓度测量仪对钙离子浓度进行试验测试；
73.步骤4、在水温20～70℃以10℃为间隔依次进行试验测试，设置流速为150m/h；
74.步骤5、如图6所示，统计各个工况下阻垢率绘制成图，其阻垢率均在65％以上。
75.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。