节能环保多功能便携式泥水净化器的研制

段 芮 肖丁天 冉 豪 上海电力学院能源与机械工程学院

江 颖 上海电力学院经济与管理学院

引言

我国位于环太平洋地震带和欧亚地震带之间，地质构造复杂，地震活动的范围广、强度大、频率高。地震一般伴随有泥石流，山体滑坡等附属灾难的发生，会发生掩埋管网，泥沙污染水源等情况，造成饮用水稀缺等问题。大量的泥沙、岩石堆积道路，阻碍交通，加上受灾地区往往偏远，交通线瘫痪，救灾更为困难。

随着人们对饮水卫生和健康保健的要求不断提高，净水器的发展也从单一活性炭净水器逐渐演变成多功能净水器，进而发展成复合型净水器[1]。目前，净水行业呈现出诸多公司及行业进入的聚集效应。但是大部分净化水的机器针对的是家庭自来水，很多户外净水的装置是装在户外净水车上使用，受到地形，路况的限制比较大，不便于交通瘫痪的灾区补给用水。净水的设备，大部分采用的动力源是电动机、柴油机，净水的同时不仅消耗资源又有污染产生。

于是我们致力于开发此设备，直接目的是应对地震突发情况，提供紧急供水，为灾区救灾工作以及户外活动提供纯净水。水源主要是泥水、泉水、污水等大多数粘稠度不是太大的液体，能够将泥水处理达到饮用水标准，得到能够饮用、医疗、烹饪的纯净水。此外设备具有体积小，质量轻，便于携带。兼有人力动力源，零排放，无污染，操作简单，牢固结实等优点。本设备采用人力，零排放，无污染。

1 设备的设计结构

本设备由5个部分组成，分别是固体大颗粒处理系统，水流加压系统，宏观过滤系统，微观过滤系统，独立系统配件等（见图1）。

（1）固体大颗粒处理系统

本系统（见图2）负责过滤出水中的大颗粒杂质，如泥沙，石子，树叶等。

图1 设备总体示意图

图2 固体大颗粒处理系统

功能结构说明：污水自左往右，先后经过细密金属网（黄色部分）、极细渔线网（红色部分），分别对石子，泥块等大颗粒杂质及泥浆、沙子等小颗粒杂质进行拦截过滤。螺纹可拆卸管道是考虑到泥沙淤积，一旦达到过滤极限时，及时打开管道，进行疏通。单向水阀门确保水流方向为单向，与第二部分配合使用，保证加压时的压力环境。

（2）水流加压系统

本系统（见图3）通过手动加压，实现对液体的压强提升。

功能结构说明：水自左向右定向流动，按压把手时，利用杠杆原理竖直施加较大压力F1，再根据帕斯卡原理，通过液压装置施加更大的力F2，挤压时单向水阀门关闭，水被压到后面的设备中，进行处理。当提起把手时，在弹簧弹力和人力作用下，杠杆升起，单向水阀门打开，利用大气压力和虹吸原理，水流再次流入加压装置，完成整个的循环过程。

（3）宏观过滤系统

本系统（见图4）负责物理吸附，化学消毒。

图3 水流加压系统

图4 宏观过滤系统

结构功能说明：水流进入该部分，先后进行四次过滤、四次吸附及两次杀菌。首先是流经粗过滤棉，过滤出较小颗粒杂质。后经过前置活性炭层，这层的主要成分是颗粒椰壳活性炭层，炭柱高度短、流速快、水与活性炭接触时间短，快速完成第一次吸附，主要在于去除水中的有机物和胶体等。后流经细过滤棉，过滤剩余的部分过小颗粒杂质，再经过粉末椰壳活性炭的第二次吸附，吸附掉水中的氯、酚、砷、铅、氰化物、农药，色度等。后进入杀菌区，通过超细无纺布网区域，后经过载银活性炭处理，利用银离子完成第一次杀菌。接下来是亚硫酸钙处理区，杀灭水中各种病原菌，吸附有机物、有毒有害金属离子和细菌病毒，去除水体中的余氯。紧接着是沸石处理区，去除水中的浊度、色度、异味、重金属、氨氮等，然后是PP棉隔层滤除自来水中大于5 μm的颗粒杂质，如铁锈、红虫、泥浆、砂砾。最后进行第二次杀菌。

（4）微观过滤系统

本系统（见图5）负责分子级微观净水，有效去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。

结构功能说明：水流进入第四部分微观过滤系统后，先与第一层钠离子树脂滤芯接触，阳树脂即是钠离子树脂，简单说就是用树脂上的钠离子和水中的钙镁离子交换，可以减少水中钙镁离子含量，降低水的硬度，而后透过滤芯的第二层MF微滤膜,孔径在0.05 um以上，或为1 000以上分子量，以胶体、高分子有机物为去除对象[2]。最后采用半渗透技术，让水流与RO渗透膜接触，表面微孔的直径一般在0.5～10 nm之间，有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。

图5 微观过滤系统

（5）独立系统配件（与柴油机相连接的曲柄摇杆结构）

结构功能说明：柴油机转轴转动时带动曲柄运动，模拟人手上下按压和抬升的过程，能够在柴油机正常工作情况下，用机器替代人力，实现便携式泥水净化器运作的机械化，节省人力资源，并且能加快工作效率，加大出水量。

2 设备的设计特色

（1）设备的材料特色

这种净水器，既有活性炭的吸附净化作用，又有膜技术去除水中悬浮物、微生物等的优点，出水可以生饮。

1）本设备便是渐紧式净水器，利用阻塞式过滤原理，滤芯首尾相连，精密度由低到高排列且级数较多，结构复杂。目的在于增加截拦面积、分摊负荷。目前市场上的绝大部分产品属于这一类，技术比较成熟。

2）80%以上的净水器以活性炭过滤器为主[3]。该设备三次使用材质为椰壳的活性炭，以调节水的酸碱度而生产出纯净水，还放置有载银椰壳活性炭，阴离子能够起到消毒作用，一举两得。水流进入第四部分微观过滤系统后，先与第一层钠离子树脂滤芯接触，实现钠离子和水中的钙镁离子交换，将硬度较大的水转化为软水。过滤“门槛”多，过滤充分，水质较干净。

3）该设备利用RO渗透膜和MF 渗透膜等先进的过滤膜。微过滤膜是用纤维素或高分子材料制成的微孔滤膜，利用其均一孔径来截留水中的微粒、细菌、胶体等，使其不通过滤膜而被去除。这种微孔膜过滤技术能够过滤微米或纳米级的微粒和细菌。RO渗透膜孔径为0.0001～0.001微米，精密度极高，其微孔大小至少比细菌小200倍，利用反渗透膜的选择透过性和压力差（孔径0.0001～0.001 um），可去除水中离子、病毒、细菌、大分子、小分子等，分离效果很好。反渗透水净化是目前世界公认的精密度最高和最佳的水处理方式，经过反渗透膜的水是真正意义上的纯水[4,5]。

（2）设备的创意特色

1）本设备专门为灾区救援设计，科学合理的加压装置的结构设计，高度集成的过滤系统，使得设备体积很小，重量轻，便于运输到交通瘫痪、四面闭塞的地震灾区。

2）本项目的耐用性非常高，处理水源种类非常多，主要处理的水源为泥水，江河水，海水，还可以处理污水，工业废水，尿液，海水等多种污染度高的水体。

3）本项目用途广泛，除了用于灾区救援，还可用于户外运动的人群，可以作为露营基地的重要水源。另外可以安装在小型船只上，缺乏饮用水时，就地取材，将海水、江河水净化，应急性供水。

4）用电的净水器的耗电量根据容积的大小不同而不同，为300 W～1 000 W不等[6]。，本设备的动力源为人力，无污染，零排放。本设备既能产生饮用纯净水，又能产生生活用水，对水资源的利用率较高。而且处理的是废水、泥水，实现了废物利用。

3 设备的应用效果

（1）本设备的发明目的独特，是针对地震灾区的紧急性缺水状况而发明的。有益于缓解灾区用水紧张状况，防止人们因饮用污染水而感染疾病并引发传染病，减少灾区不必要的人员伤亡，有良好的社会效益。

（2）本设备的动力源为人力，无污染，零排放，符合节能减排的环保理念。在用水量大且水资源短缺的地区，可以对泥水污水等进行废物利用，既减少污水的排放，又循环使用水资源，提高了水资源的利用率，有利于可持续发展。

4 设备的市场前景

（1）我国处于地震带上，地震频发，震后的用水情况堪忧，不是缺水就是泥水。于是泥水净化器应运而生，且体积小，重量轻，即使是震后也便于进入灾区。也可以用于提供紧急用水，市场相对广阔。

（2）本设备实用性强，处理水源众多，用途广泛。经过一定改装可以用作新型污水处理装置，作为工业净水器，如煤矿工业矿井水的处理，提高矿井水处理回用率。

（3）该设计有很大的商业价值，可用于灾区救援、户外运动人等。随着人们生活水平的提高，户外运动如登山、露营等越来越受亲睐。有了这种净水器，我们在户外运动时就可以少带甚至不用自带水，只要找到水源，便可以“自制”饮用水。另外可以安装在小型船只上，缺乏饮用水时，就地取材，将海水，江河水净化为应急性供水，节能环保。由于活性炭和膜技术的多层处理，出水可生饮，市场较为广阔[7]。

[1]李长青,王明法,吴小辉,金涛. 国产家用净水器现状和发展(J).中国公共卫生.1999.15(6):537-538.

[2]膜技术及应用技术研究http://www.docin.com/p-121171827.html(DB) ,2011.01.28.

[3]许韡,王丹侠,张建文,沈俊毅等. 四种家用净水器功能的比较(J). 职业与健康 2011,27(17):2004-2005.

[4]孙志敏.影响反渗透膜及净水器的性能因素分析(J). 现代家电.2013,16:50.

[5]孙治荣,范延臻,王宝贞.国内外饮用水净水器的发展现状评述(J).哈尔滨建筑大学学报.1999,32(4):61-64.

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

[7]郭丽丽. 净水器迎来大发展契机(J). 证券导刊.2013,37:51-52.