CN103894012B - 一种饮用水过滤装置及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种饮用水过滤装置及其制作方法，包括以下步骤：1）截取一段裸子植物的木质部作为过滤材料，并制为圆台状；2）采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取植物结构特征，获取植物管胞与纹孔的几何结构数据，计算该段材料的平均管胞、纹孔分布数据；3）根据上面步骤中取得的数据，计算该段过滤材料的压力；4）根据上面步骤中取得的数据，计算该段过滤材料的流量；5）根据使用环境的流量要求，选取多段圆台状过滤材料，令所选取的过滤材料流量之和大于使用环境的流量要求；将多段过滤材料并联使用。本发明的过滤装置价格低廉、取材方便；本发明的过滤方法具有天然、无毒害的特点；过滤方法及装置均无须电力供应。

Description

一种饮用水过滤装置及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种饮用水过滤装置及其制作方法，属于环境保护处理与人类健康饮用水处理技术领域。
背景技术
水是人类赖以生存的重要条件之一，我国由于受到水质环境污染等问题，饮用水安全问题非常严峻。由致病性细菌、病毒、原虫或寄生虫引起的传染性疾病都与饮用水相关的最常见、最普遍的健康风险。水消毒处理的常见技术包括氯化、过滤、紫外线消毒、巴氏消毒或煮沸和臭氧处理。氯化处理是有效的大规模水处理，但对于小城镇和村庄规模就变得非常昂贵。终端用户水质量控制往往是更有效的因为问题的微生物再生，副产品的消毒剂，管道腐蚀和污染分布系统中。煮沸是一种水消毒的有效方法，但是煮沸消毒水需要消耗能源。紫外线消毒是终端用户最有前途的可用技术，但需要电力和维护的UV灯或足够阳光。砂过滤方法可以去除病原体，但需要较大面积和专业的维护知识。同时消除病原生物膜过滤器成本高，导致其难以大面积推广应用。
目前没有一种理想的技术，采用小和低廉过滤方法及装置解决使用终端用户的水过滤方法。本发明采用价格便宜、容易获得、一次性的和有效地去除病原体效果的膜材料，提出一种新的膜材料过滤制作方法，可大幅度提高安全饮用水供应能力。
发明内容
为了克服现有的过滤方法及装置价格昂贵且耗能大，本发明提供一种饮用水过滤装置及其制作方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种饮用水过滤装置及其制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）截取一段裸子植物的木质部作为过滤材料，并制为圆台状；
2）采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取植物结构特征，采用光学图像计算方法获取植物管胞与纹孔的几何结构数据；并结合蒙特卡罗数理概率统计方法，得到该段材料的平均管胞、纹孔分布数据；
3）根据步骤1）、2）中取得的数据，用式I、II、III计算该段过滤材料的压力：
（I）
（II）
（III）
式中，为纹孔膜两边压力差，y为引起的位置偏移量，为纹孔膜中径向微纤维开口数；为微纤维开口的弹性模量；为偏移的应力数；为微纤维开口的横截面积；是纹孔膜偏离后产生的半径；为纹孔膜的直径；为纹孔塞直径；为圆台状过滤材料的高，为单位长度为1mm的条件下水过滤经过纹孔数，为安全系数，根据设计要求确定，π为圆周率；
4)根据步骤1）、2）、3）中取得的数据，根据哈根-泊肃叶方程，建立木质部圆台的水动力阻力；用式Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，VII计算该段过滤材料的流量；
（Ⅳ）
（V）
（VI）
式中，为木质部总的水流阻力；为管胞长度；为管胞直径；为水的粘度系数；π为圆周率；为纹孔膜阻力系数；为多孔介质的系数；为微纤维宽度；为平均孔的直径；为开口直径；为开口空腔长度；为纹孔膜直径；为纹孔塞直径；为单管胞横截面积的平均速度；p为过滤材料的压力；Q为水过滤的流量；,分别为圆台的上下圆直径；为管胞空腔所占木质部横截面积的比例系数；是木质部过滤圆台并联数目；
5）根据使用环境的流量要求，选取多段圆台状过滤材料，令所选取的过滤材料流量之和大于使用环境的压力要求；将多段过滤材料并联使用。
本发明采用裸子植物木质部作为去除病原体等过滤膜材料，根据膜材料几何结构特点，对饮用水进行过滤。裸子植物是原始的种子植物，其发生发展历史悠久。裸子植物多数种类为常绿乔木，除买麻藤纲植物以外。裸子植物很多为重要林木，尤其在北半球，大的森林80%以上是裸子植物。木质部是裸子植物的运输组织，负责将根吸收的水分及溶解于水里面的离子往上运输，以供其他器官组织使用，另外它还具有支持植物体的作用。
裸子植物木质部中只有管胞而无导管和纤维，管胞径向壁上具裸子植物特有的具缘纹孔。木质部管胞间通过这些纹孔相连通，纹孔中有一层较薄的且有孔隙的纹孔膜，膜的两边是纹孔腔。管胞的纹孔膜是具高度透性的，水分和溶解在水中的无机盐可通过纹孔膜。纹孔膜中心圆凸为纹孔塞，其细胞壁结构保持较完好。而它周围的壁结构大多消失，剩下网状的纤维束，称之为纹孔缘。纹孔缘为纳米级微孔（最大孔为几十纳米）纤维束构成的多孔介质材料，可渗透水分子团。由于管胞上排布着大量的纹孔，可有效放大过滤膜的面积，因而提高了过滤水的流量。
本发明的优越性主要表现在：
1、本发明的过滤装置价格低廉、取材方便；采用裸子植物木质部作为去除病原体等过滤膜材料，根据膜材料几何结构特点，对饮用水进行过滤；
2、本发明的过滤方法具有天然、无毒害的特点；可有效去除泥沙、铁锈、细菌、病毒、大分子有机物等有害物质，保留水中的矿物质和微量元素；
3、本发明的过滤方法及装置无须电力供应；可应用在城镇家庭等饮用水终端，以及无安全饮用水的野外和偏远乡村地区使用等。
附图说明
以下结合附图和本发明的实施方式来做进一步详细的说明。
图1为本发明的制作方法流程图。
图2为本发明的纹孔显微结构图。
具体实施方式
参见附图1，本实施例通过以下方法步骤来制作天然过滤装置：
1）截取一段裸子植物的木质部作为过滤材料，并制为圆台状；
2）采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取植物结构特征，采用光学图像计算方法获取植物管胞与纹孔的几何结构数据；并结合蒙特卡罗数理概率统计方法，得到该段材料的平均管胞、纹孔分布数据；
3）根据步骤1）、2）中取得的数据，用式I、II、III计算该段过滤材料的压力：
（I）
（II）
（III）
式中，式中，为纹孔膜两边压力差，y为引起的位置偏移量0.8，=100，为纹孔膜中径向微纤维开口数；=5GPa，为微纤维开口的弹性模量；=0.03，为偏移的应力数；=707为微纤维开口的横截面积；是纹孔膜偏离后产生的半径；=3.8为纹孔膜的直径；=1.2为纹孔塞直径；=10mm，为圆台状过滤材料的高，为水过滤经过纹孔数0.2，=0.6,为安全系数，根据设计要求确定，π=3.14，为圆周率；经上式计算，该段过滤材料允许的压力最大压力差为0.34Mpa；
4）根据步骤1）、2）、3）中取得的数据，用式Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，VII计算该段过滤材料的流量；
（Ⅳ）（V）
（VI）
式中，为木质部总的水流阻力；=3.2mm，为管胞长度；=35.4，为管胞直径；=，为水在20℃情况下的粘度系数；=1为纹孔膜阻力系数；=0.7，为多孔介质的系数；=30nm为微纤维宽度；=43nm，为平均孔的直径；=9，为开口直径；=1.4，为开口空腔长度；=3.8，为纹孔膜直径；=1.2，为纹孔塞直径；为单管胞横截面积的平均速度；p为过滤材料的压力；Q为水过滤的流量；=8mm，=6mm，分别为圆台的上下圆直径；管胞空腔所占木质部横截面积的比例系数=0.8。是过滤圆台并联数目，单个n=1。可计算出木质部总的水流阻力=；过滤材料的压力p=0.34Mpa；水过滤的流量Q=；
5）根据使用环境的流量要求，选取多段圆台状过滤材料，令所选取的过滤材料流量之和大于使用环境的流量要求；可将多段过滤材料并联使用。
参见附图2，本实施例选取的裸子植物木质部的管胞组织具有纹孔，管胞间通过这些纹孔相连通，纹孔中有一层较薄的且有孔隙的纹孔膜，膜的两边是纹孔腔。纹孔膜中心圆凸为纹孔塞1，其细胞壁结构保持较完好。而它周围的壁结构大多消失，剩下网状的纤维束，称之为纹孔缘2。纹孔缘2为纳米级微孔（最大孔为几十纳米）纤维束构成的多孔介质材料，可渗透水分子团3。由于管胞上排布着大量的纹孔，可有效放大过滤膜的面积，因而提高了过滤水的流量。
本实施例还可选取同种、同区域树木，截取相类似直径的同年生，相同长度的树枝，具有相类似的木质部结构特征和几何参数。同种树木具有相同的木质部和纹孔结构特征，选择同区域、长势相似树木的水分传输状况类似，截取同年生树枝和直径类似的树枝部分具有类似的几何结构。以此为依据来选择树枝木质部制作过滤膜，具有较好的重复性，可避免每次测量木质部过滤膜的繁杂。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员还能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种饮用水过滤装置的制作方法，其特征在于：包括以下步骤：
1）截取一段裸子植物的木质部作为过滤材料，并制为圆台状；
2）采用扫描电子显微镜和透射电子显微镜获取植物结构特征，采用光学图像计算方法获取植物管胞与纹孔的几何结构数据；并结合蒙特卡罗数理概率统计方法，得到该段材料的平均管胞、纹孔分布数据；
3）根据步骤1）、2）中取得的数据，用式I、II、III计算该段过滤材料的压力：
（I）
（II）
（III）
式中，为纹孔膜两边压力差，y为引起的位置偏移量，为纹孔膜中径向微纤维开口数；为微纤维开口的弹性模量；为偏移的应力数；为微纤维开口的横截面积；是纹孔膜偏离后产生的半径；为纹孔膜的直径；为纹孔塞直径；为圆台状过滤材料的高，为单位长度为1mm的条件下水过滤经过纹孔数，为安全系数，根据设计要求确定，π为圆周率；
4）根据步骤1）、2）、3）中取得的数据，根据哈根-泊肃叶方程，建立木质部圆台的水动力阻力；用式Ⅳ，Ⅴ，Ⅵ，VII计算该段过滤材料的流量；
（Ⅳ）
（V）
（VI）
式中，为木质部总的水流阻力；为管胞长度；为管胞直径；为水的粘度系数；π为圆周率；为纹孔膜阻力系数；为多孔介质的系数；为微纤维宽度；为平均孔的直径；为开口直径；为开口空腔长度；为纹孔膜直径；为纹孔塞直径；为单管胞横截面积的平均速度；p为过滤材料的压力；Q为水过滤的流量；,分别为圆台的上下圆直径；为管胞空腔所占木质部横截面积的比例系数；是木质部过滤圆台并联数目；
5）根据使用环境的流量要求，选取多段圆台状过滤材料，令所选取的过滤材料流量之和大于使用环境的压力要求；将多段过滤材料并联使用。
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植物木质部水分传输数值模拟研究进展;孙殷等;《农机化研究》;20110131(第1期);全文 *

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