基于湿度检测的污水过滤处理技术

　　申请日2016.01.29

　　公开(公告)日2016.07.06

　　IPC分类号C02F1/44; B01D63/02; B01D67/00; B01D69/08; B01D69/12; B01D71/38; B01D71/68; B01D71/76; B01D71/82; G01N27/22

　　摘要

　　本发明公开了一种基于湿度检测的污水过滤处理装置，该污水过滤处理装置的外部安装有ZnO基湿敏传感器模块，其可以检测污水处理过程中设备的环境湿度情况，进而对设备起到湿度警报功能;该ZnO基湿敏传感器模块的湿敏敏感元件部分为采用硅纳米孔柱材料为基底，氧化锌纳米线结合石墨烯材料为敏感材料制成，器件结构为叉指电极型，该结构具有极大的比表面积与良好的气体扩散通道，另外在污水过滤处理装置的表层设置脱湿的聚乙烯醇?乙二胺四甲叉磷酸?聚砜基膜中空纤维复合膜组件，大大提高了该装置的湿度感应，吸湿和防腐蚀功能。

　　权利要求书

　　1.一种基于湿度检测的污水过滤处理装置，其特征在于：所述污水过滤处理装置(1)的外部安装有ZnO基湿敏传感器模块(2);所述ZnO基湿敏传感器模块(2)主要由湿敏敏感元件和数据读取元件组成，所述湿敏敏感元件为叉指电极型，包括硅片衬底(10)、Si‐NPA(20)、氧化锌纳米线(30)和石墨烯层(40);所述污水过滤处理装置(1)上还设置有微处理器、LED显示灯条和无线通信模块;所述微处理器的输入端与所述ZnO湿敏传感器模块(2)的输出端连接，所述ZnO湿敏传感器模块(2)检测值达到预设值，所述微处理器控制LED显示灯条发出闪光，所述LED显示灯条连接有一个蜂鸣器，LED显示灯条闪烁的同时触动蜂鸣器发出警报;所述无线通信模块为CC2420无线通信模块，所述ZnO湿敏传感器模块(2)可通过所述CC2420无线通信模块发送检测数据至数据基站，移动用户终端可通过互联网查看检测结果或将检测数据上传至云存储中心，形成检测和监测网络;所述污水过滤处理装置(1)的输出电线侧壁上设置有一个用于脱湿的聚乙烯醇‐乙二胺四甲叉磷酸‐聚砜基膜中空纤维复合膜组件，该膜组件将聚乙烯醇‐乙二胺四甲叉磷酸‐聚砜基膜中空纤维复合膜固定在玻璃电极上，玻璃电极与湿敏传感器连接;所述氧化锌纳米线(30)长度约15μm。

　　2.根据权利要求1所述的污水过滤处理装置，其特征在于，所述湿敏敏感元件的制备方法如下：

　　步骤一，制备Si‐NPA衬底：对3cm×3cm的硅片衬底(10)进行包括清洗去污、水热法腐蚀制备Si‐NPA衬底;①取3cm×3cm的硅片，将硅片置于硫酸和双氧水体积比4：1的混合溶液中，超声处理20min，取出用去离子水清洗，以去除硅片表面的有机杂质;将硅片放置于体积比为H2O：H2O2：NH4OH=5：2：1的混合溶液中，超声清洗20min，随后取出用去离子水清洗，以去除硅片表面的有机物和金属络合物;②利用水热法腐蚀制备Si‐NPA：称取1.0g的Fe(NO3)·9H2O倒入聚四氟乙烯中，随后向其中加入20ml去离子水和30ml40%的HF溶液;将上步清洗的硅片放入溶液中，加盖放入水热釜中，随后将水热釜放入干燥箱中，180℃恒温保持30min，自然冷却后，取出硅片清洗即得Si‐NPA衬底;

　　步骤二，生长氧化锌纳米线：采用磁控溅射结合热氧化法制备氧化锌纳米线;将硅纳米孔柱衬底放入磁控溅射仪中，在溅射电压220V、溅射电流0.8A条件下，磁控溅射Zn膜，厚度为50nm，随后将其放入箱式炉中，在400℃下热氧化法处理4h，得到长度约15μm，直径约30nm的氧化锌纳米线;

　　步骤三，生长石墨烯层：采用化学气相沉积法制备石墨烯;首先在上步得到的衬底上磁控溅射一层金属Ni膜，厚度约为5nm;其次，将该衬底放入管式炉中，升温至900℃，按一定速率通入氢气作为保护还原气体，稳定30min，然后，按照一定比例同时通入甲烷2h，停止通入甲烷后开始自然降温;在Ni催化剂作用下，甲烷分子在高温下会裂解成碳原子和氢原子，在降温过程并且在氢气的保护下，碳原子会沉积形成一层石墨烯薄膜;

　　步骤四，蒸镀叉指电极：得到生长有氧化锌纳米线和石墨烯的硅纳米孔柱衬底后，在衬底表面覆盖叉指电极掩模版，利用磁控溅射法在其表面蒸镀一层500nm厚的Au薄膜作为电极;

　　步骤五，组装敏感元件与读取数据元件：读取数据元件的正负极导线连接到叉指电极上，两部分组成氧化锌基湿敏传感器器件;

　　所述的聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纤维复合膜组件的制备方法如下：

　　步骤一，聚砜中空纤维基膜预处理：聚砜中空纤维基膜在涂覆之前要进行预处理，用去离子水浸泡12h后，用1.0mol/l的盐酸浸泡60min，去除膜表面的甘油层和其他有机溶剂;然后用1.0mol/l的氢氧化钠溶液中和过量的盐酸，最后用去离子水反复冲洗，使膜表面呈中性，阴干备用;

　　步骤二，制备聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜中空纤维复合膜：将一定质量的平均聚合度为1750±50的聚乙烯醇加入去离子水中，在50℃水浴中搅拌约3h至聚乙烯醇完全溶解，得到5wt%聚乙烯醇均相水溶液;将溶液冷却至室温后加入一定量的乙二胺四甲叉磷酸，并在室温下搅拌1.5h，静置脱泡即得铸膜液;将经过预处理的聚砜基膜(截留分子量30000)在铸膜液浸泡20min后取出，垂直固定在晾丝架上阴干;将经过一次涂覆的膜在铸膜液中再浸泡20min后，反向固定在晾丝架上，室温下干燥过夜，制得所需的PVA-EDTMPA/PS中空纤维复合膜。

　　步骤三，固定：将聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜中空纤维复合膜固定在玻璃电极上。

　　说明书

　　一种基于湿度检测的污水过滤处理装置

　　技术领域

　　本发明涉及污水处理领域，具体涉及一种基于湿度检测的污水过滤处理装置。

　　背景技术

　　污水就是城市直接排放未经处理的生活或者是工业废水，污水处理装置能有效处理城区的生活污水，工业废水等，避免污水及污染物直接流入水域，对改善生态环境、提升城市品位和促进经济发展具有重要意义。

　　污水过滤处理装置一般适宜住宅小区、医院疗养院、办公楼、商场、宾馆、饭店、机关、学校、部队、水产加工厂、牲蓄加工厂、乳品加工厂等生活污水和与之类似的工业有机废水，如纺织、啤酒、造纸、制革、食品、化工等行业的有机污水处理，主要目的是将生活污水和与之相类似的工业有机废水处理后达到回用水质要求，使废水处理后资源化利用。

　　然而，相关技术中的污水过滤处理装置存在以下技术问题：在使用过程中，其自动控制模块或者设备模块不可避免的会受到环境湿度的危害，且目前仅采用人工定期巡查的方法对其工作环境的湿度情况进行逐一的排查，因此，浪费了大量的人力和物力且不便于监控。

　　发明内容

　　本发明的目的在于避免现有技术中的上述不足之处而提供一种基于湿度检测的污水过滤处理装置。

　　本发明的目的通过以下技术方案实现：

　　本发明提供了一种基于湿度检测的污水过滤处理装置，所述污水过滤处理装置(1)的外部安装有ZnO基湿敏传感器模块(2)，其可以检测污水处理过程中设备的环境湿度情况，进而对设备起到湿度警报功能;所述ZnO基湿敏传感器模块(2)主要由湿敏敏感元件和数据读取元件组成，所述湿敏敏感元件为叉指电极型，包括硅片衬底(10)、Si-NPA(20)、氧化锌纳米线(30)和石墨烯层(40);所述污水过滤处理装置(1)上还设置有微处理器、LED显示灯条和无线通信模块;所述微处理器的输入端与所述ZnO湿敏传感器模块(2)的输出端连接，所述ZnO湿敏传感器模块(2)检测值达到预设值，所述微处理器控制LED显示灯条发出闪光，所述LED显示灯条连接有一个蜂鸣器，LED显示灯条闪烁的同时触动蜂鸣器发出警报;所述无线通信模块为CC2420无线通信模块，所述ZnO湿敏传感器模块(2)可通过所述CC2420无线通信模块发送检测数据至数据基站，移动用户终端可通过互联网查看检测结果或将检测数据上传至云存储中心，形成检测和监测网络;所述污水过滤处理装置(1)的输出电线侧壁上设置有一个用于脱湿的聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纤维复合膜组件，该膜组件将聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纤维复合膜固定在玻璃电极上，玻璃电极与湿敏传感器连接;所述氧化锌纳米线(30)长度约15μm。

　　优选地，所述湿敏敏感元件的制备方法如下：

　　步骤一，制备Si-NPA衬底：对3cm×3cm的硅片衬底(10)进行包括清洗去污、水热法腐蚀制备Si-NPA衬底;①取3cm×3cm的硅片，将硅片置于硫酸和双氧水体积比4：1的混合溶液中，超声处理20min，取出用去离子水清洗，以去除硅片表面的有机杂质;将硅片放置于体积比为H2O：H2O2：NH4OH=5：2：1的混合溶液中，超声清洗20min，随后取出用去离子水清洗，以去除硅片表面的有机物和金属络合物;②利用水热法腐蚀制备Si-NPA：称取1.0g的Fe(NO3)·9H2O倒入聚四氟乙烯中，随后向其中加入20ml去离子水和30ml40%的HF溶液;将上步清洗的硅片放入溶液中，加盖放入水热釜中，随后将水热釜放入干燥箱中，180℃恒温保持30min，自然冷却后，取出硅片清洗即得Si-NPA衬底;

　　步骤五，组装敏感元件与读取数据元件：读取数据元件的正负极导线连接到叉指电极上，两部分组成氧化锌基湿敏传感器器件;

　　所述的聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜基膜中空纤维复合膜组件的制备方法如下：

　　步骤三，固定：将聚乙烯醇-乙二胺四甲叉磷酸-聚砜中空纤维复合膜固定在玻璃电极上。

　　本发明具有如下有益效果：

　　1.结构方面，本发明采用Si-NPA(硅纳米孔柱)材料为基底，ZnONWs(氧化锌纳米线)结合石墨烯为敏感材料，该结构具有极大的比表面积与良好的气体扩散通道，大大提高了该污水过滤处理装置中敏感材料的灵敏度;

　　2.采用石墨烯材料可以极大的增加材料的导电率，同时水分子主要吸附在纳米线与石墨烯的表面，容易脱附，该污水过滤处理装置对湿度响应的重复性良好;