一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的多接触层摆动式摩擦纳米发电机制造技术

本发明专利技术公开了一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的摆动式摩擦纳米发电机，发电机包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底通过螺栓螺杆连接件固定于两侧端盖之间，阵列式摆动基底内嵌于阵列式固定基底内，阵列式摆动基底通过贯穿弧形通孔的连接轴及套筒与曲柄摇杆机构中的连杆一端铰接，连杆另一端通过销轴与曲柄铰接，曲柄固定于转轴的一端，该转轴通过轴承固定于支撑底座上，转轴的另一端固定有扇叶。本发明专利技术成功实现了利用摩擦纳米发电机对酸性三苯甲烷类阴离子染料有机污染物的处理，有望降低含酸性三苯甲烷类阴离子染料污染物工业废水的处理成本。

A Multi-Contact Layer Swing Friction Nano-Generator Based on 3D Printing Technology for Degradation of Organic Pollutants

The invention discloses a swing friction nano-generator based on 3D printing technology for organic pollutant degradation. The generator comprises a friction generator mechanism, a crank rocker mechanism and a fan-blade mechanism. The array fixed base in the friction generator mechanism is fixed between two end caps through bolt and bolt connectors, and the array swing base is embedded in the array fixed base. The swing base is hinged at one end of the connecting rod in the crank-rocker mechanism through the connecting shaft through the arc-shaped through hole and sleeve. The other end of the connecting rod is hinged with the crank through the pin shaft. The crank is fixed at one end of the rotating shaft. The rotating shaft is fixed on the support base through the bearing, and the fan blade is fixed at the other end of the rotating shaft. The invention successfully realizes the treatment of acid triphenylmethane anionic dye organic pollutants by using friction nano-generator, which is expected to reduce the treatment cost of industrial wastewater containing acid triphenylmethane anionic dye pollutants.

【技术实现步骤摘要】
一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的多接触层摆动式摩擦纳米发电机
本专利技术属于有机污染物降解体系与摩擦发电机技术结合的交叉领域，具体涉及一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的摆动式摩擦纳米发电机。
技术介绍
电芬顿法由电催化阴极附近的氧气生成的过氧化氢（H2O2）与Fe2+组合成为芬顿试剂，生成强氧化性的•OH，•OH进一步与有机污染物反应从而实现污染物的有效降解。但传统的电化学降解过程需要外部能量来驱动，这限制了其广泛应用。摩擦纳米发电技术作为一种新兴的能量收集与转换技术，自2012年王中林教授的团队首次专利技术以来，因其瞬间转换效率高，制作简便，环保无污染等优势而被众多科研爱好者关注，基于摩擦纳米发电机的自驱动系统的已成功为环境治理、传感器以及发光器件等提供能量源，对于未来能源结构的调整，具有重要意义。3D打印技术因其与计算机辅助软件的结合可以实现任意复杂结构零件的加工制作，并且使用的材料广泛，个性化加工优势突出，已广泛应用在航空航天、医疗、教育、考古等领域并突显不可替代的作用。将3D打印技术与摩擦纳米发电机这种能量收集技术相结合，制作出基于3D打印技术制作的摩擦纳米发电机与电催化阴极氧化法相结合组成的自驱动电化学降解系统，可以在不消耗化石燃料的前提下，实现从自然界收集能量用于污染物有效降解。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的摆动式摩擦纳米发电机，有效解决了目前摩擦纳米发电机制作程序繁琐，成本昂贵，复杂结构难以加工等问题，并且成功将其应用于有机污染物降解体系。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于所有包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底通过螺栓螺杆连接件固定于两侧端盖之间，其中，所述阵列式固定基底、阵列式摆动基底、端盖均由FDM式3D打印机加工制作，该阵列式固定基底的中部为空心结构，空心结构的边缘通过均布其上的隔板分隔成多个区域，隔板两侧分别依次设有金属电极板和第二摩擦层，阵列式摆动基底内嵌于阵列式固定基底内且该阵列式摆动基底上均布有与阵列式固定基底中的多个区域间隙配合的叶片，叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的第一摩擦层，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，多个金属导电层并联及多个金属电极板并联形成电能输出端，阵列式摆动基底通过中心轴及卧式轴承座固定于两侧端盖上并且该阵列式摆动基底通过固定于中心轴上的挡圈限位，端盖上设有弧形通孔，阵列式摆动基底通过贯穿弧形通孔的连接轴及套筒与曲柄摇杆机构中的连杆一端铰接，连杆另一端通过销轴与曲柄铰接，曲柄固定于转轴的一端，该转轴通过轴承固定于支撑底座上，转轴的另一端固定有扇叶，扇叶转动通过曲柄摇杆机构带动阵列式摆动基底以中心轴为中心往复摆动，实现第一摩擦层和第二摩擦层同步接触与分离，并将制备出的摩擦纳米发电机运用到有机污染物的降解体系中，成功实现了利用摩擦纳米发电机发电对酸性三苯甲烷类阴离子染料有机污染物的处理，有望降低含酸性三苯甲烷类阴离子染料污染物工业废水的处理成本。进一步优选，所述第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯或尼龙，第二摩擦层的厚度为50μm-1mm，金属电极板的材质为铝或铜。进一步优选，所述第二摩擦层进行电荷注入预处理。进一步优选，所述叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的海绵缓冲层和第一摩擦层。进一步优选，所述阵列式固定基底与阵列式摆动基底的材质均为聚乳酸（PLA）的1.75mm线性材料。进一步优选，所述的有机污染物为酸性三苯甲烷类阴离子染料—溴甲酚绿。本专利技术所述的摆动式摩擦纳米发电机在风力扇叶作用下将周围环境中风能转化为圆周运动的动能，再由曲柄连杆机构带动圆周阵列式摆动基底，将圆周运动转化为规律性的摆动，实现第一摩擦层与第二摩擦层的同步接触与分离，第一摩擦层与第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用下而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。所述第二摩擦层均经高压设备进行电荷预注入极化处理，提高单位面积电荷密度，进而提高电流输出，所述第一摩擦单元中添加海绵缓冲层，使第一摩擦层与第二摩擦层间接触更充分以提高数据输出稳定性。本专利技术所述的基于3D打印技术制作的摆动式摩擦纳米发电机，第二摩擦层均经过电荷预注入处理，提高摩擦层电荷密度；第一摩擦单元中添加有海绵缓冲层，提高数据输出稳定性；摆动式摩擦纳米发电机整体结构采用多接触层同步接触分离的圆周阵列式结构，不仅保证各摩擦层能严格同步相向或相对运动，使各摩擦层同一时刻发生接触或分离，又大大提高了空间利用率，提高输出特性和输出稳定性；摆动式摩擦纳米发电机摩擦层的数量可根据应用场景和需求相应的增加或减少，控制其输出特性以扩大其应用范围；摆动式摩擦纳米发电机可以在不同风速环境下进行不同频率的接触或分离运动，应用性较强。本专利技术所述的摆动式摩擦纳米发电机的输出性能由多重因素共同决定，包括摩擦层所选材料、摩擦接触层数量、曲柄摇杆机构中摇杆摆动频率等，目前利用8个摩擦层制备的摆动式摩擦纳米发电机的最佳输出短路电流和开路电压分别为1.08mA和1335V。在应用上所述八个接触层摆动式摩擦纳米发电机可同时点亮250个LED灯。进一步将摩擦纳米发电机运用到有机污染物溴甲酚绿的降解体系中。本专利技术的有益效果是：本专利技术的所述的电化学降解体系摆脱了需要消耗化石燃料等外部能量的驱动，采用基于3D打印制作的结构简单、转换效率高、输出功率大、输出电压和电流在可调控的摆动式摩擦纳米发电机，实现对风能、水流势能以及其它可以将动能转化为圆周运动、摆动式、往复式等形式的机械能进行有效收集，成功运用于酸性三苯甲烷类阴离子染料—溴甲酚绿的降解体系，有望降低含酸性三苯甲烷类阴离子染料污染物工业废水的处理成本。本专利技术提供的摆动式摩擦纳米发电机的优势在于：1、通过3D打印技术实现所述摩擦纳米发电机零部件的加工制作，制作成本低廉，个性化强，实现复杂结构的加工制作，环保无污染。2、通过对圆周阵列式摆动基底和圆周阵列式固定基底进行均匀阵列划分，使各摩擦层能严格同步地进行接触或分离，极大提高了摩擦纳米发电机的输出电流和输出的稳定性，所述摆动式摩擦纳米发电机在结构设计上有效利用了空间，提高了摩擦纳米发电机空间利用率；3、所述第二摩擦层聚合物经过高压设备进行电荷注入预处理，这种方法的优势大大提高了聚合物表面电荷密度，与对摩擦层作微纳结构处理的方法相比，可以获得更高的输出性能，同时降低了其制作成本，有利于推广应用；4、所述摆动式摩擦纳米发电机动力源采用圆周运动转换结合曲柄摇杆机构，使得摩擦纳米发电机可以收集更多形式的机械能而不仅仅局限于单纯的圆周运动和往复运动能量，极大地提高了摩擦纳米发电机的应用范围。附图说明图1是本专利技术中摆动式摩擦纳米发电机的结构示意本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的摆动式摩擦纳米发电机，摆脱了需要消耗化石燃料等外部能量的束缚，成功驱动了有机污染物的降解，其中，发电机的特征在于所有包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底通过螺栓螺杆连接件固定于两侧端盖之间，其中，所述阵列式固定基底、阵列式摆动基底、端盖均由FDM式3D打印机加工制作，该阵列式固定基底的中部为空心结构，空心结构的边缘通过均布其上的隔板分隔成多个区域，隔板两侧分别依次设有金属电极板和第二摩擦层，阵列式摆动基底内嵌于阵列式固定基底内且该阵列式摆动基底上均布有与阵列式固定基底中的多个区域间隙配合的叶片，叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的第一摩擦层，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，多个金属导电层并联及多个金属电极板并联形成电能输出端，阵列式摆动基底通过中心轴及卧式轴承座固定于两侧端盖上并且该阵列式摆动基底通过固定于中心轴上的挡圈限位，端盖上设有弧形通孔，阵列式摆动基底通过贯穿弧形通孔的连接轴及套筒与曲柄摇杆机构中的连杆一端铰接，连杆另一端通过销轴与曲柄铰接，曲柄固定于转轴的一端，该转轴通过轴承固定于支撑底座上，转轴的另一端固定有扇叶，扇叶转动通过曲柄摇杆机构带动阵列式摆动基底以中心轴为中心往复摆动，实现第一摩擦层和第二摩擦层同步接触与分离，将制备出的摩擦纳米发电机运用到有机污染物酸性三苯甲烷类阴离子染料—溴甲酚绿的降解体系中，发现溶液颜色随着降解时间逐渐由橙色变为无色，表明溴甲酚绿分子转化成了其它物质，成功实现了利用摩擦纳米发电机对酸性三苯甲烷类阴离子染料有机污染物的处理，有望降低含酸性三苯甲烷类阴离子染料污染物工业废水的处理成本。...

【技术特征摘要】
1.一种用于有机污染物降解的基于3D打印技术制作的摆动式摩擦纳米发电机，摆脱了需要消耗化石燃料等外部能量的束缚，成功驱动了有机污染物的降解，其中，发电机的特征在于所有包括摩擦发电机构、曲柄摇杆机构和扇叶机构，摩擦发电机构中阵列式固定基底通过螺栓螺杆连接件固定于两侧端盖之间，其中，所述阵列式固定基底、阵列式摆动基底、端盖均由FDM式3D打印机加工制作，该阵列式固定基底的中部为空心结构，空心结构的边缘通过均布其上的隔板分隔成多个区域，隔板两侧分别依次设有金属电极板和第二摩擦层，阵列式摆动基底内嵌于阵列式固定基底内且该阵列式摆动基底上均布有与阵列式固定基底中的多个区域间隙配合的叶片，叶片两侧分别依次设有与第二摩擦层相对的第一摩擦层，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，多个金属导电层并联及多个金属电极板并联形成电能输出端，阵列式摆动基底通过中心轴及卧式轴承座固定于两侧端盖上并且该阵列式摆动基底通过固定于中心轴上的挡圈限位，端盖上设有弧形通孔，阵列式摆动基底通过贯穿弧形通孔的连接轴及套筒与曲柄摇杆机构中的连杆一端铰接，连杆另一端通过销轴与曲柄铰接，曲柄固定于转轴的一端，该转轴通过轴承固定于支撑底座上，转轴的另一端固定有扇叶，扇叶转动通过曲柄摇杆机构带动阵列式摆动基底以中心轴为中...

【专利技术属性】
技术研发人员：王新宇，刘笑辰，张静静，邢志国，朱迎正，田苗，高书燕，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41