新型便携式太阳能净水器的设计

1 引言

根据世界卫生组织(WHO)的数据，目前，人类已经在水中发现了2 000多种污染物，尽管这些毒素在水中的含量不高，但是由于人类每天都要大量饮水，这些有害物质经过日积月累的累积，会给人体的健康带来负面影响。尤其在我国西藏地区，村民仍然直接饮用当地的泉水、河流和地下水，这类生活用水中存在大量的垃圾、动物尸体、动物粪便、沉积物等，内含大量细菌，如大肠杆菌、金黄色葡萄球菌、伤寒沙门氏菌、霍乱、叶状病毒等病原菌，直接饮用，极易导致疾病。为了获取干净、安全的饮用水，需要设计出一款便捷、经济实惠、易于携带的净水装置。

目前，市面上的净水装置多为大中型的固定设备，采用交流电供电方式，或者是一些非常简易的个人小型净水设备，而简便、可携带、清洁能源功能的净水设备则很难找到。故此，本研究提出了设计一种太阳能净水器。该净水器是一种小型节能净水设备，它通过自身的太阳能板将光能转化为电能，存储在蓄电池中。在净化饮水过程中，无需自来水压，通过蓄电池供电，驱动水泵，将雨水、井水、河水、湖水等吸入设备进行过滤和蒸馏，去除有害物质，同时可以有效过滤细菌病原体，从而达到有效提高人们饮水安全的目的。

2 净水器部分设计原理

2.1 净水装置工作原理

本研究设计的太阳能净水器采用折叠式太阳能光伏板。该光伏板配备最大太阳能功率跟踪伺服系统，可以随着太阳的偏移转动太阳能光伏板，从而时刻处在最大的发电功率状态。太阳能光伏板将太阳能转为直流电存储在蓄电池中，为净水装置的增压泵提供能量。增压泵将水抽取到净水装置中，经过一系列的过滤消毒等处理流程，将干净的水送出。利用不同的过滤技术，可将不同的水中杂质进行滤除，具体的滤除技术所对应的滤除杂质参数如图1所示。

由图1中的信息可以获取到：利用微滤膜就可将直径大于0.1～1 μm的杂质滤除，因此利用微滤膜就可将水中的大块悬浮固体以及大直径的菌落进行滤除。针对细菌或蛋白质等大分子有机物可采用图1中所示的超滤膜，该超滤膜的过滤参数可去除大于0.01 μm的物质。针对小分子的有机物、无机盐等纳米级0.001 μm的物质，利用纳米膜可将这些物质进行滤除。针对溶于水的金属盐、细菌、有机物等物质，利用反渗透膜可滤除大于0.0001 μm的物质。因此，为了保证饮水安全，可将水中的悬浮物、细菌、大块菌落进行有效过滤。

本研究在水过滤部分采用预处理加反渗透技术。反渗透技术原理如图2所示，利用该技术可有效地滤除水中杂质、细菌。

图1多种过滤技术所对应的过滤参数

图2反渗透工作原理

2.2 工艺流程设计

太阳能净水器处理工艺流程如图3所示。本研究设计的太阳能净水器最主要的流程是反渗透膜，但也加了两个步骤的预处理，分别为加药和粗滤。

加药步骤主要是给水中加入氯制剂。氯制剂通过与水进行反应生成次氯酸。次氯酸可穿透细菌等的细胞壁，具有较强的氧化性，因此，次氯酸可有效地杀死水中的各种细菌及病原菌。

粗滤的目的在于隔离水中残存的氯、各类水中杂质、悬浮物等。而利用反渗透装置可以基本将各类细菌、有机物、病原菌等离子滤除。

图3工艺流程

2.3 净水器结构设计

太阳能净水器包含太阳能光伏板、蓄电池、水箱、过滤器以及小型水泵等设备。以上设备的总体重量较大，因此，为了净水器装置牢固耐用，必须采用可以承受较大重量的材质作为装置的框架。本设计采用不锈钢正方形钢管，利用该钢管采用焊接工艺作为净水器的框架结构。太阳能净水器装置采用两个水箱，分别为上下水箱，这两个水箱分别有一个进水口、出水口。其中，下水箱用作存储增压泵抽取上来的水，上水箱则用来存储经过了净化装置的干净饮用水。这两个水箱的材质没有较为严格的要求，因此可以采用塑料、软布袋或者铁皮等材料。本研究所设计的水箱如图4所示。

图4净水器水箱结构

本净水器的粗过滤器采用筛网型过滤器，利用该过滤器可将水中的泥沙、悬浮物等大颗粒滤除。

电力增压泵，利用储存在蓄电池中的电能直接进行供电，利用设计好的水箱，可将增压泵抽取的水存在水箱。

本装置的前置过滤器主要是先初步地去除水中杂质，将水中的各种有毒有害物体进行吸取，同时还可吸附加入氯制剂过程中存在的消毒副产物。前置过滤器的材质主要使用布料，布料里面的物质主要是活性吸附炭、亚硫酸钙等。

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