技术领域
本发明涉及一种涡流式水动能驱动的河流水污染治理装置，属于水污染处理技术领域。
背景技术
水安全是涉及国家长治久安的大事，寻找绿色无污染的高效解决方法来解决水污染无疑是当前保障水安全工作的重中之重；然而目前广泛采用的传统污水处理技术存在工艺流程复杂、操作繁琐、占地面积大、处理效率低、自动化水平低，污水净化的效率偏低，耗电量较大等问题。
近年来，利用材料的压电效应可引发的一系列催化反应引起了科学界的广泛注意；尤其利用水流原位驱动产生的压电场，利用高低位置不同蓄积势能而产生不同水流速度激发压电材料直接产生压电势来降解污染物不仅避免了额外的能源消耗，而且可以基于不同流速调节压电催化剂的能带结构，决定其催化特定化学反应的能力；但如何利用水流原位驱动产生的压电场，以及如何利用高低位置不同蓄积势能而产生不同水流速度激发压电材料直接产生压电势来降解污染物并控制内部载流子向催化剂表面的迁移的研究迄今为止还未见报道。
发明内容
本发明提出的是一种涡流式水动能驱动的河流水污染治理装置，其目的旨在利用水流动力驱动、借助压电效应实现对河流的水污染治理。
本发明的技术解决方案：一种涡流式水动能驱动的河流水污染治理装置，其结构包括涡轮反应器；涡轮反应器包括若干层涡轮装置3、转动轴14；转动轴14穿过若干层涡轮装置3，若干层涡轮装置3从上往下依次放置，每层涡轮装置3的轴承叶片12上均分布有压电材料6。
进一步地，所述每层涡轮装置3均包括若干轴承叶片12、转动主体17、轴承4；轴承4套在转动轴14上，转动轴14的外侧面与轴承4的内圈固定连接，轴承4的外圈与转动主体17固定连接；所述转动主体17的表面有卡槽15，若干轴承叶片12通过卡槽15固定在转动主体17上。
进一步地，所述的一种涡流式水动能驱动的河流水污染治理装置，其结构还包括承载支架；所述承载支架围绕在涡轮反应器四周；所述承载支架为两个半圆形筒壁5，两个半圆形筒壁5分布在涡轮反应器的两侧，两个半圆形筒壁5的凹面相对共同围成一个圆柱形空间，涡流反应器位于圆柱形空间内；涡流反应器中转动轴14的上端固定于横跨圆柱形空间上方的横向支架16上。
进一步地，所述的一种涡流式水动能驱动的河流水污染治理装置，其结构还包括主体装置1，上游水槽2，下游水槽7，上游水闸10，过滤网9；所述主体装置1整体呈台阶状，上游水槽2位于台阶状主体装置1的上层，下游水槽7位于台阶状主体装置1的下层，上游水闸10位于上游水槽2的入水口，上游水槽2的出水口位于涡轮反应器的上方，过滤网9位于上游水槽2的入水口和上游水槽2的出水口之间，下游水槽7的入水口位于涡轮反应器的下方。
进一步地，所述的一种涡流式水动能驱动的河流水污染治理装置，其结构还包括水流测速装置8，水质检测装置11；水流测速装置8安装在上游水槽2内，水质检测装置11设置在下游水槽7内。
进一步地，所述压电材料6为压电陶瓷片或BFO/PVDF压电薄膜。
进一步地，所述BFO/PVDF压电薄膜的制备方法包括：
1）、将聚偏二氟乙烯加入到磷酸三乙酯中，加热并搅拌得到混合溶液；
2）、在混合溶液中加入BFO粉末，搅拌至混合均匀后倒入模具容器内形成待凝固BFO/PVDF复合膜；
3）、将待凝固BFO/PVDF复合膜移入去离子水中进行凝固，待凝固后，在空气中干燥，得到BFO/PVDF压电薄膜。
进一步地，所述聚偏二氟乙烯与磷酸三乙酯的质量体积比为50：1～150：1，此处质量体积比的单位为mg/mL；所述加热并搅拌得到混合溶液具体为75℃～100℃加热搅拌2h～4h得到混合溶液；所述BFO粉末与聚偏二氟乙烯的质量比为1:5～1:20。
进一步地，所述BFO粉末的制备方法包括：
1）、将五水合硝酸铋与六水合氯化铁溶解于乙二醇水溶液中，搅拌均匀，得到铋盐与铁盐混合溶液；
2）、用NH3·H2O调铋盐与铁盐混合溶液的pH至9～12，在室温下搅拌得到悬浮液；
3）、通过对悬浮液进行离心，收集离心后的沉淀物；
4)、将通过离心收集的沉淀物加入到NaOH溶液中搅拌得到混合溶液；
5）、将混合溶液转移到水热釜中，反应温度下反应一定时间生成铁酸铋，反应结束冷却至室温后，将反应生成的铁酸铋洗涤、干燥得到BFO粉末。
进一步地，所述五水合硝酸铋与六水合氯化铁的摩尔比为0.5:1～1.5:1；所述乙二醇水溶液的浓度为50%；所述五水合硝酸铋与乙二醇水溶液的质量体积比（1～3）:400，此处质量体积比的单位为g/mL；所述NaOH溶液的浓度为5 mol/L，NaOH溶液与乙二醇水溶液的体积比为0.5:10～1.5:10；所述反应温度为150℃～200℃，反应时间为40h～60h；所述将反应生成的铁酸铋洗涤、干燥得到BFO粉末具体为用去离子水和乙醇分别洗涤三次，置于50℃～70℃烘箱内干燥10h～14h得到BFO粉末。
本发明的有益效果：
1）本发明通过涡轮的旋转过程，能有效利用水流动力，实现低能耗水污染治理：将水流动能转化成压电能，使用绿色能源，能减少能耗和污染；
2）本发明采用涡轮装置，将多层多叶压电陶瓷片或BFO/PVDF压电薄膜轮流交替参与催化反应，使每一层压电陶瓷片或BFO/PVDF压电薄膜的催化能力都处在较高的范围，能极大提高反应效率；
3）本发明中的涡轮反应器可采用可拆卸轴承涡轮装置，便于拆解、清理装置以及更换膜材料，维修成本低可直接投入使用，适宜推广。
附图说明
附图1为本发明中的涡轮反应器的剖面结构示意图。
附图2为本发明的整体结构示意图。
附图3为本发明中涡轮装置的一个应用实例结构分解示意图。
附图4为本发明中的轴承叶片的结构示意图。
附图5为本发明中所制备的BFO/PVDF压电薄膜示意图。
附图6为本发明中所制备BFO/PVDF压电薄膜降解罗丹明B性能图。
附图中1是主体装置，2是上游水槽，3是涡轮装置，4是轴承，5是半圆形筒壁，6是压电材料，7是下游水槽，8是水流测速装置，9是过滤网，10是上游水闸，11是水质检测装置，12是轴承叶片，13是螺栓，14是转动轴，15是卡槽，16是横向支架，17是转动主体。
具体实施方式
一种涡流式水动能驱动的河流水污染治理装置，其结构包括涡轮反应器；涡轮反应器包括若干层涡轮装置3、转动轴14；转动轴14穿过若干层涡轮装置3，若干层涡轮装置3从上往下依次放置，每层涡轮装置3的轴承叶片12上均分布有压电材料6。
所述若干层涡轮装置3优选为三层涡轮装置3，三层涡轮装置3从上往下依次等间距放置。
所述若干层涡轮装置3中每层涡轮装置3均包括若干轴承叶片12、转动主体17、轴承4；轴承4套在转动轴14上，转动轴14穿过轴承4，转动轴14的外侧面与轴承4的内圈固定连接，轴承4的外圈与转动主体17固定连接；所述转动主体17的表面有卡槽15，若干轴承叶片12通过卡槽15均匀分散的安装在对应的转动主体17上，具有可拆卸的功能。
所述转动主体17套在转动轴14的外围，转动主体17与转动轴14之间通过对应的轴承4连接，转动轴14的外侧面与轴承4的内圈固定连接，轴承4的外圈与对应的转动主体17固定连接。
所述压电材料6为压电陶瓷片或BFO/PVDF压电薄膜；压电陶瓷片或者BFO/PVDF压电薄膜具有合适的禁带宽度、优异的物理化学性能，适合于作为净水材料使用。
当压电材料6为压电陶瓷片时，可直接以压电陶瓷片为原材料制作轴承叶片。
所述BFO/PVDF压电薄膜为BiFeO3改性的PVDF压电薄膜。
所述BFO/PVDF压电薄膜优选直接吸附在轴承叶片12上，轴承叶片12末端通过卡槽15固定在转动主体上，可以定期通过卡槽15取下轴承叶片12，清理更换新的BFO/PVDF压电薄膜。
所述一种涡流式压电驱动的河流水污染治理装置，其结构还包括承载支架；所述承载支架围绕在涡轮反应器四周。
所述承载支架为两个半圆形筒壁5，两个半圆形筒壁5分布在涡轮反应器的两侧，两个半圆形筒壁5的凹面相对共同围成一个圆柱形空间，涡流反应器位于圆柱形空间内；如附图1所示涡流反应器中转动轴14的上端通过螺栓13固定于横跨圆柱形空间上方的横向支架16上，涡流反应器中的轴承叶片12通过轴承4实现在水流的冲击下旋转。
工作时，所述每层涡轮装置3的轴承叶片12在充分吸收水流动能后开始和转动主体17一起通过轴承4围绕转动轴14进行旋转，涡轮装置旋转后，污水冲击轴承叶片12的同时，水流与旋转的轴承叶片12产生碰撞，水流在不同层的涡轮装置3上的不同轴承叶片12之间被反复碰撞分散形成雾状水滴或分散的水流，有利于污水中的污染物被固定在轴承叶片12上的BFO/PVDF压电薄膜或压电陶瓷片吸附后降解，以达到净水的效果；通过本装置能够充分利用流水动能行可持续压电降解水环境中的污染物。
所述BFO/PVDF压电薄膜的制备方法包括以下步骤：
1）、将聚偏二氟乙烯加入到磷酸三乙酯中，加热并搅拌得到混合溶液；
2）、在混合溶液中加入BFO（铁酸铋）粉末，搅拌至混合均匀后倒入模具容器内形成待凝固BFO/PVDF复合膜；
3）、将待凝固BFO/PVDF复合膜移入去离子水中进行凝固，待完全凝固后，在空气中干燥，得到BFO/PVDF复合膜，BFO/PVDF复合膜即BFO/PVDF压电薄膜；优选将待凝固BFO/PVDF复合膜移入去离子水中凝固24 h彻底成膜。
所述步骤1）中聚偏二氟乙烯与磷酸三乙酯的质量体积比（聚偏二氟乙烯的质量/磷酸三乙酯的体积，质量体积比的单位为：g/L）为50：1～150：1，进一步优选为100：1。
所述步骤1）中加热并搅拌得到混合溶液优选75℃～100℃加热搅拌2h～4h得到混合溶液，进一步优选90℃加热搅拌3h得到混合溶液。
所述步骤2）中所加入BFO粉末与聚偏二氟乙烯的质量比优选为1:5～1:20，进一步优选为1:10。
所述步骤2）中搅拌至混合均匀后倒入模具容器内形成待凝固BFO/PVDF复合膜，具体优选为搅拌20 min～60 min至混合均匀后倒入培养皿静止形成待凝固BFO/PVDF复合膜，进一步优选搅拌30 min至混合均匀后倒入培养皿静止形成待凝固BFO/PVDF复合膜。
所述BFO（铁酸铋）粉末的制备方法包括以下步骤：
1）、将五水合硝酸铋与六水合氯化铁溶解于乙二醇水溶液中，搅拌均匀，得到铋盐与铁盐混合溶液；
2）、用NH3·H2O调铋盐与铁盐混合溶液的pH至9～12，在室温下搅拌得到悬浮液；优选用NH3·H2O调铋盐与铁盐混合溶液的pH至11，在室温下持续搅拌0.5 h～2 h，进一步优选在室温下持续搅拌1 h，得到悬浮液；
3）、通过对悬浮液进行离心，收集离心后的沉淀物；
4)、将通过离心收集的沉淀物加入到NaOH溶液中搅拌得到混合溶液，优选搅拌30min得到混合溶液；
5）、将混合溶液转移到水热釜中，反应温度下反应一定时间生成BFO（铁酸铋），反应结束冷却至室温后，将反应生成的BFO洗涤、干燥得到铁酸铋粉末。
所述五水合硝酸铋与六水合氯化铁的摩尔比优选为0.5:1～1.5:1，进一步优选为1:1；所述乙二醇水溶液的浓度优选为50%；所述五水合硝酸铋与乙二醇水溶液的质量体积比（五水合硝酸铋的质量/乙二醇水溶液的体积，质量体积比的单位为：g/mL）优选为（1～3）:400，进一步优选为2.43:400；所述NaOH溶液的浓度优选为5 mol/L，NaOH溶液与乙二醇水溶液的体积比优选为0.5:10～1.5:10，进一步优选为1:10；所述水热釜优选为聚四氟乙烯内衬的水热釜中；所述反应温度优选为150℃～200℃，反应时间优选为40h～60h，反应温度进一步优选为180℃，反应时间进一步优选为48h；所述将反应生成的BFO洗涤、干燥得到铁酸铋粉末优选为用去离子水和乙醇分别洗涤三次，置于50℃～70℃烘箱内干燥10h～14h得到铁酸铋粉末，进一步优选置于60℃烘箱内干燥12 h得到铁酸铋粉末。
一种涡流式压电驱动的河流水污染治理装置，其结构还包括主体装置1，上游水槽2，下游水槽7，上游水闸10，过滤网9；所述主体装置1整体呈台阶状，上游水槽2位于台阶状主体装置1的上层，下游水槽7位于台阶状主体装置1的下层，上游水闸10位于上游水槽2的入水口，上游水槽2的出水口位于涡轮反应器的上方，过滤网9位于上游水槽2的入水口和上游水槽2的出水口之间，下游水槽7的入水口位于涡轮反应器的下方；工作时，主体装置1放置于流水沟渠内，打开上游水闸10，污水通过上游水槽2的入水口流入上游水槽2，污水通过上游水闸10后从上游水槽2的出水口流出从涡轮反应器的上方进入涡轮反应器内，污水从上到下依次流过并冲击每层涡轮装置3上的轴承叶片12，污水冲击轴承叶片12上的压电陶瓷片或者BFO/PVDF压电薄膜产生压电效应促进产生的电子和空穴有效分离，产生自由基，进而产生活性物质降解污水中的污染物，经过涡轮反应器净化过的污水沿设定方向流入下游水槽7后排入下游渠道；所述过滤网9能过滤水中大型固体杂质，防止装置堵塞损伤轴承轴承叶片12。
当上游水槽2内污水的水流流速越大时，轴承叶片的转速也相应越大，流速与转速成正相关，可通过上游渠道内的水闸装置10控制水流流速在合适的区间内，以保证压电陶瓷片或者BFO/PVDF压电薄膜充分吸附并分解污染物同时保持合理的处理效率。
一种涡流式压电驱动的河流水污染治理装置，其结构还包括水流测速装置8，水质检测装置11；水流测速装置8安装在上游水槽2内，水质检测装置11设置在下游水槽7内；工作时，上游水槽2内的水流测速装置8测试上游水槽2内的污水水流速度，因为上游水槽2内水流的速度直接决定了每层涡轮装置3上轴承叶片12的旋转速度，轴承叶片12不同的旋转速度决定了水流对轴承叶片上压电材料的冲击效果，所以有必要根据需要控制水流速度；比如：当水流流速大于2km/h时，水流流过带动轴承叶片12转动，水流冲击产生压电效应，进而驱动压电陶瓷片或者BFO/PVDF压电薄膜产生催化作用，降解污水中新污染物环丙沙星等物质，起到污水净化效果；当上游水槽2内污水的水流流速为2km/h-6.9km/h时，轴承叶片的旋转速度会在2 r/s -3.4 r/s 之间；当上游水槽2内污水的水流流速6.9km/h-11 km/h时，轴承叶片的旋转速度会在3.4-5.4 r/s之间；根据水流测速装置8测试到的上游水槽2内的污水水流速度，来调整上游水闸10的打开程度，通过上游水闸10的打开程度使上游水槽2内的污水水流速度处于一个合适的范围，能够更合适的冲击轴承叶片产生旋转以保证压电陶瓷片或者BFO/PVDF压电薄膜充分吸附并分解污染物同时保持合理的处理效率；经过涡轮反应器净化过的污水沿设定方向流入下游水槽7后排入下游渠道,至此完成一次净水过程。
所述上游水槽2的内侧壁上设有刻度线用于检测污水水位，工作时通过刻度线监测上游水槽2内的水位进而通过上游水闸10打开的程度调节上游水槽2内的水位，确保水位在警戒线内。
实施例1
一种BFO（铁酸铋）粉末的制备方法，该方法包括：将2.43 g五水合硝酸铋与对应摩尔比为1:1的六水合氯化铁溶解于400 mL体积浓度为50%的乙二醇水溶液中，搅拌30min混合均匀，得到铋盐与铁盐混合溶液；用NH3·H2O调溶液pH至11，在室温下持续搅拌1 h，得到悬浮液；通过离心收集沉淀，加入40 mL浓度为5 mol/L的NaOH溶液，搅拌30 min得到混合溶液；将混合溶液转移到50 mL聚四氟乙烯内衬的水热釜中，反应温度为180℃，反应时间为48h；反应结束冷却至室温后，用去离子水和乙醇分别洗涤三次，置于60℃烘箱内干燥12 h，得到铁酸铋粉末。
实施例2
一种BFO/PVDF压电薄膜的制备方法，该方法包括：将200 mg聚偏二氟乙烯加入2mL磷酸三乙酯中，90℃加热搅拌3h得到混合溶液；加入20 mg实施例1制备的BFO粉末，继续搅拌30 min至混合均匀，然后倒入培养皿，随后移入去离子水中24 h；完全凝固后，在空气中干燥，得到BFO/PVDF压电薄膜（附图5中的BiFeO3/PVDF膜）；如附图5，相比较于纯的PVDF膜，能够明显的发现将BFO负载到PVDF构成BFO/PVDF压电薄膜；对比普通PVDF压电薄膜可显著提高对污水中有机污染物降解效率如附图6；在1 h内对于浓度为20 ppm的罗丹明B降解效率就能达到100%，远高于纯的PVDF（聚偏氟乙烯）膜，极大地提高了净水效率。