節能環保多功能便攜式泥水凈化器的研制

段 芮 肖丁天 冉 豪 上海電力學院能源與機械工程學院

江 穎 上海電力學院經濟與管理學院

引言

我國位于環太平洋地震帶和歐亞地震帶之間，地質構造復雜，地震活動的范圍廣、強度大、頻率高。地震一般伴隨有泥石流，山體滑坡等附屬災難的發生，會發生掩埋管網，泥沙污染水源等情況，造成飲用水稀缺等問題。大量的泥沙、巖石堆積道路，阻礙交通，加上受災地區往往偏遠，交通線癱瘓，救災更為困難。

隨著人們對飲水衛生和健康保健的要求不斷提高，凈水器的發展也從單一活性炭凈水器逐漸演變成多功能凈水器，進而發展成復合型凈水器[1]。目前，凈水行業呈現出諸多公司及行業進入的聚集效應。但是大部分凈化水的機器針對的是家庭自來水，很多戶外凈水的裝置是裝在戶外凈水車上使用，受到地形，路況的限制比較大，不便于交通癱瘓的災區補給用水。凈水的設備，大部分采用的動力源是電動機、柴油機，凈水的同時不僅消耗資源又有污染產生。

于是我們致力于開發此設備，直接目的是應對地震突發情況，提供緊急供水，為災區救災工作以及戶外活動提供純凈水。水源主要是泥水、泉水、污水等大多數粘稠度不是太大的液體，能夠將泥水處理達到飲用水標準，得到能夠飲用、醫療、烹飪的純凈水。此外設備具有體積小，質量輕，便于攜帶。兼有人力動力源，零排放，無污染，操作簡單，牢固結實等優點。本設備采用人力，零排放，無污染。

1 設備的設計結構

本設備由5個部分組成，分別是固體大顆粒處理系統，水流加壓系統，宏觀過濾系統，微觀過濾系統，獨立系統配件等（見圖1）。

（1）固體大顆粒處理系統

本系統（見圖2）負責過濾出水中的大顆粒雜質，如泥沙，石子，樹葉等。

圖1 設備總體示意圖

圖2 固體大顆粒處理系統

功能結構說明：污水自左往右，先后經過細密金屬網（黃色部分）、極細漁線網（紅色部分），分別對石子，泥塊等大顆粒雜質及泥漿、沙子等小顆粒雜質進行攔截過濾。螺紋可拆卸管道是考慮到泥沙淤積，一旦達到過濾極限時，及時打開管道，進行疏通。單向水閥門確保水流方向為單向，與第二部分配合使用，保證加壓時的壓力環境。

（2）水流加壓系統

本系統（見圖3）通過手動加壓，實現對液體的壓強提升。

功能結構說明：水自左向右定向流動，按壓把手時，利用杠桿原理豎直施加較大壓力F1，再根據帕斯卡原理，通過液壓裝置施加更大的力F2，擠壓時單向水閥門關閉，水被壓到后面的設備中，進行處理。當提起把手時，在彈簧彈力和人力作用下，杠桿升起，單向水閥門打開，利用大氣壓力和虹吸原理，水流再次流入加壓裝置，完成整個的循環過程。

（3）宏觀過濾系統

本系統（見圖4）負責物理吸附，化學消毒。

圖3 水流加壓系統

圖4 宏觀過濾系統

結構功能說明：水流進入該部分，先后進行四次過濾、四次吸附及兩次殺菌。首先是流經粗過濾棉，過濾出較小顆粒雜質。后經過前置活性炭層，這層的主要成分是顆粒椰殼活性炭層，炭柱高度短、流速快、水與活性炭接觸時間短，快速完成第一次吸附，主要在于去除水中的有機物和膠體等。后流經細過濾棉，過濾剩余的部分過小顆粒雜質，再經過粉末椰殼活性炭的第二次吸附，吸附掉水中的氯、酚、砷、鉛、氰化物、農藥，色度等。后進入殺菌區，通過超細無紡布網區域，后經過載銀活性炭處理，利用銀離子完成第一次殺菌。接下來是亞硫酸鈣處理區，殺滅水中各種病原菌，吸附有機物、有毒有害金屬離子和細菌病毒，去除水體中的余氯。緊接著是沸石處理區，去除水中的濁度、色度、異味、重金屬、氨氮等，然后是PP棉隔層濾除自來水中大于5 μm的顆粒雜質，如鐵銹、紅蟲、泥漿、砂礫。最后進行第二次殺菌。

（4）微觀過濾系統

本系統（見圖5）負責分子級微觀凈水，有效去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等。

結構功能說明：水流進入第四部分微觀過濾系統后，先與第一層鈉離子樹脂濾芯接觸，陽樹脂即是鈉離子樹脂，簡單說就是用樹脂上的鈉離子和水中的鈣鎂離子交換，可以減少水中鈣鎂離子含量，降低水的硬度，而后透過濾芯的第二層MF微濾膜,孔徑在0.05 um以上，或為1 000以上分子量，以膠體、高分子有機物為去除對象[2]。最后采用半滲透技術，讓水流與RO滲透膜接觸，表面微孔的直徑一般在0.5～10 nm之間，有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等。

圖5 微觀過濾系統

（5）獨立系統配件（與柴油機相連接的曲柄搖桿結構）

結構功能說明：柴油機轉軸轉動時帶動曲柄運動，模擬人手上下按壓和抬升的過程，能夠在柴油機正常工作情況下，用機器替代人力，實現便攜式泥水凈化器運作的機械化，節省人力資源，并且能加快工作效率，加大出水量。

2 設備的設計特色

（1）設備的材料特色

這種凈水器，既有活性炭的吸附凈化作用，又有膜技術去除水中懸浮物、微生物等的優點，出水可以生飲。

1）本設備便是漸緊式凈水器，利用阻塞式過濾原理，濾芯首尾相連，精密度由低到高排列且級數較多，結構復雜。目的在于增加截攔面積、分攤負荷。目前市場上的絕大部分產品屬于這一類，技術比較成熟。

2）80%以上的凈水器以活性炭過濾器為主[3]。該設備三次使用材質為椰殼的活性炭，以調節水的酸堿度而生產出純凈水，還放置有載銀椰殼活性炭，陰離子能夠起到消毒作用，一舉兩得。水流進入第四部分微觀過濾系統后，先與第一層鈉離子樹脂濾芯接觸，實現鈉離子和水中的鈣鎂離子交換，將硬度較大的水轉化為軟水。過濾“門檻”多，過濾充分，水質較干凈。

3）該設備利用RO滲透膜和MF 滲透膜等先進的過濾膜。微過濾膜是用纖維素或高分子材料制成的微孔濾膜，利用其均一孔徑來截留水中的微粒、細菌、膠體等，使其不通過濾膜而被去除。這種微孔膜過濾技術能夠過濾微米或納米級的微粒和細菌。RO滲透膜孔徑為0.0001～0.001微米，精密度極高，其微孔大小至少比細菌小200倍，利用反滲透膜的選擇透過性和壓力差（孔徑0.0001～0.001 um），可去除水中離子、病毒、細菌、大分子、小分子等，分離效果很好。反滲透水凈化是目前世界公認的精密度最高和最佳的水處理方式，經過反滲透膜的水是真正意義上的純水[4,5]。

（2）設備的創意特色

1）本設備專門為災區救援設計，科學合理的加壓裝置的結構設計，高度集成的過濾系統，使得設備體積很小，重量輕，便于運輸到交通癱瘓、四面閉塞的地震災區。

2）本項目的耐用性非常高，處理水源種類非常多，主要處理的水源為泥水，江河水，海水，還可以處理污水，工業廢水，尿液，海水等多種污染度高的水體。

3）本項目用途廣泛，除了用于災區救援，還可用于戶外運動的人群，可以作為露營基地的重要水源。另外可以安裝在小型船只上，缺乏飲用水時，就地取材，將海水、江河水凈化，應急性供水。

4）用電的凈水器的耗電量根據容積的大小不同而不同，為300 W～1 000 W不等[6]。，本設備的動力源為人力，無污染，零排放。本設備既能產生飲用純凈水，又能產生生活用水，對水資源的利用率較高。而且處理的是廢水、泥水，實現了廢物利用。

3 設備的應用效果

（1）本設備的發明目的獨特，是針對地震災區的緊急性缺水狀況而發明的。有益于緩解災區用水緊張狀況，防止人們因飲用污染水而感染疾病并引發傳染病，減少災區不必要的人員傷亡，有良好的社會效益。

（2）本設備的動力源為人力，無污染，零排放，符合節能減排的環保理念。在用水量大且水資源短缺的地區，可以對泥水污水等進行廢物利用，既減少污水的排放，又循環使用水資源，提高了水資源的利用率，有利于可持續發展。

4 設備的市場前景

（1）我國處于地震帶上，地震頻發，震后的用水情況堪憂，不是缺水就是泥水。于是泥水凈化器應運而生，且體積小，重量輕，即使是震后也便于進入災區。也可以用于提供緊急用水，市場相對廣闊。

（2）本設備實用性強，處理水源眾多，用途廣泛。經過一定改裝可以用作新型污水處理裝置，作為工業凈水器，如煤礦工業礦井水的處理，提高礦井水處理回用率。

（3）該設計有很大的商業價值，可用于災區救援、戶外運動人等。隨著人們生活水平的提高，戶外運動如登山、露營等越來越受親睞。有了這種凈水器，我們在戶外運動時就可以少帶甚至不用自帶水，只要找到水源，便可以“自制”飲用水。另外可以安裝在小型船只上，缺乏飲用水時，就地取材，將海水，江河水凈化為應急性供水，節能環保。由于活性炭和膜技術的多層處理，出水可生飲，市場較為廣闊[7]。

[1]李長青,王明法,吳小輝,金濤. 國產家用凈水器現狀和發展(J).中國公共衛生.1999.15(6):537-538.

[2]膜技術及應用技術研究http://www.docin.com/p-121171827.html(DB) ,2011.01.28.

[3]許韡,王丹俠,張建文,沈俊毅等. 四種家用凈水器功能的比較(J). 職業與健康 2011,27(17):2004-2005.

[4]孫志敏.影響反滲透膜及凈水器的性能因素分析(J). 現代家電.2013,16:50.

[5]孫治榮,范延臻,王寶貞.國內外飲用水凈水器的發展現狀評述(J).哈爾濱建筑大學學報.1999,32(4):61-64.

[6]http://wenda.so.com/q/1393608146062602?src=300.2014.02.27.

[7]郭麗麗. 凈水器迎來大發展契機(J). 證券導刊.2013,37:51-52.