CN103991932B - 太阳能电化学除氟净水器 - Google Patents

Abstract

一种太阳能电化学除氟净水器，包括储水单元、电化学除氟单元，及用于供电的太阳能电池系统；电化学除氟单元包括外铝桶、过滤层和内铝桶，内铝桶和过滤层间形成净化水腔，过滤层和外铝桶间形成废水腔；内外铝桶互相绝缘并分别与太阳能电池系统相连，使内外铝桶成为电化学除氟单元的正负极；储水单元上设有进水口，储水单元与废水腔通过管道相连通，净化水腔与出水口相连通。本发明用太阳能作为电化学反应的动力电源，基于电化学原理除氟，电解生成的铝离子用来沉淀和分离水中的氟离子，从而获得符合卫生标准的生活饮用水。具有设备简单、成本低廉、净水效率好的优点，可置于阳台或悬挂在外墙面上，适用于家庭、办公场所和公共场所使用。

Description

太阳能电化学除氟净水器

技术领域

本发明属于太阳能电化学技术领域，具体涉及一种太阳能电化学除氟净水器。

背景技术

现在常用的饮用水除氟方法较多，在生活饮用水方面常用的有吸附和离子交换法：如除氟炭(骨炭)净水组件法；活性氧化铝法；沸石(分子筛)及离子树脂交换法；反渗透和电渗析法。

以上各种方法没有一种适合在各种经济状况、不同类型地区的普遍通用方法，各有优缺点，一些方法效果不错，但费用高、技术高，需要投入大量资金，同时需要持续的电力保障，如反渗透法、电渗析法等；一些方法投资以及运行费用低，但是受分离措施影响，效率有限，不能充分地去除水中氟化物，如硫酸铝法；在使用骨炭和其它滤料时，除非持续地监测残余氟化物，否则很难发现水氟超标突破点，造成除氟剂失效。因此各地在选用饮水除氟时，应充分考虑当地的经济、技术、水质等诸多因素。只有选用合适的除氟方法，才能使除氟措施有效和持久。

发明内容

本发明的目的在于提供一种太阳能电化学除氟净水器，该净水器以太阳能作为动力能源，具有设备简单、成本低廉、净水效率好的优点，能够除去饮用水中氟离子，获得合格的饮用水。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种太阳能电化学除氟净水器，包括储水单元、电化学除氟单元，以及用于给电化学除氟单元提供电能的太阳能电池系统；电化学除氟单元包括外铝桶、套装在外铝桶内的过滤层和套装在过滤层内的内铝桶；内铝桶和外铝桶互相绝缘并分别与太阳能电池系统相连，使内铝桶和外铝桶中的一个为电化学除氟单元的正极，另一个为负极；过滤层将内铝桶和外铝桶之间形成的空腔分隔成两部分，其中内铝桶和过滤层之间形成的空腔为净化水腔，过滤层和外铝桶之间形成的空腔为废水腔；储水单元上设有进水口，储水单元与废水腔通过管道相连通，净化水腔与出水口相连通。

所述的储水单元和电化学除氟单元位于壳体内，且电化学除氟单元位于储水单元的下方；太阳能电池系统组装在壳体上或放置在壳体的四周。

所述的储水单元和电化学除氟单元之间设有绝缘层，内铝桶、过滤层和外铝桶的顶端均固定在绝缘层上，管道上下两端开口并从上到下依次穿过储水单元的底部、绝缘层、内铝桶的底部和过滤层的底部，且储水单元的底部、内铝桶的底部和过滤层的底部与管道密封连接；

或者储水单元的底部由绝缘材料制成，内铝桶、过滤层和外铝桶的顶端均固定在储水单元的底部，管道上下两端开口并从上到下依次穿过储水单元的底部、内铝桶的底部和过滤层的底部，且储水单元的底部、内铝桶的底部和过滤层的底部与管道密封连接。

所述的管道为过滤装置，过滤装置内填充有过滤芯，过滤芯的材质包括PP棉、颗粒炭、压缩炭和后置活性炭中的一种或几种。

所述的进水口上设有进水口阀门，出水口上设有出水口阀门；

外壳上还设有与废水腔相连通的废水出口，废水出口上设有废水出口阀门；

进水口阀门、出水口阀门和废水出口阀门均位于壳体的外部。

所述的过滤层为阴阳离子交换膜，其膜厚度为0.1～0.5mm，工作温度为0～50℃，工作压力为0.1～0.2MPa。

所述的太阳能电池系统包括太阳能电池板、电池板固定基座、以及用于储存太阳能电池板产生的电能并给电化学除氟单元提供电能的蓄电池。

所述的太阳能电池板固定在电池板固定基座上；

太阳能电池板包括硅太阳能电池板、燃料敏化太阳能电池板或量子点敏化太阳能电池板；

电池板固定基座的材质包括不锈钢、铝合金或塑料。

所述的蓄电池的电源输入端通过导线与太阳能电池板的电源输出端相连，蓄电池的电源输出端的一个电极通过导线与内铝桶相连，另一个电极与外铝桶相连。

所述的蓄电池上设有用于转换电源输出端两个电极的正负极性的按钮，并设有用于调节电源输出端两个电极的输出电压的旋钮。

相对于现有技术，本发明的有益效果为：

本发明提供的太阳能电化学除氟净水器，采用了太阳能除氟技术，用太阳能作为电化学反应的动力电源，根据法拉第电解定律，基于电化学反应的原理除氟。本发明中的内铝桶和外铝桶既是储水的容器，又是发生电化学反应的电极，利用电解生成的铝离子来沉积和分离饮用水中氟离子，以此除去高氟水中的氟化物，从而达到减少水中氟化物含量的效果，而且电化学处理后的水还要经过滤层过滤后方能排出，保证了水质，确保能够获得符合CJ94-2005饮用水水质标准的生活饮用水。本发明具有设备简单、使用方便、制造技术简单、成本低廉、净水效率好的优点，在除去饮用水中氟离子的同时，可以获得合格的饮用水，具有良好的推广前景。本发明设计的太阳能电化学除氟净水器，适用于家庭、办公场所和公共场所使用，可根据实际设计，置于阳台或悬挂在外墙上，便于安装、使用和维护，是一种极具发展潜力的净水装置。本发明提供的太阳能电化学除氟净水器，以太阳能作为动力能源，在加强环境保护的同时也为国家节省了大量的能源消耗。该太阳能电化学除氟净水器采用电化学原理除氟，除氟效果理想，可净化自来水、河水、池水等，具有良好的普适性。

进一步的，本发明中在管道内装有PP棉、颗粒炭、压缩炭、后置活性炭等过滤芯，具有较强的吸附能力，能够对水进行过滤清洁，除去水中大量的颗粒杂质及有毒有害物质，在进行电化学反应前先起到吸附杂质和净化水质的作用，提高电化学除氟的反应效率，提高出水质量。

进一步的，本发明中管道上下两端开口并从上到下依次穿过储水单元的底部、内铝桶的底部和过滤层的底部，且储水单元的底部、内铝桶的底部和过滤层的底部与管道密封连接，这样的设计能够保证水按照设计的路线进行流动和处理，不会出现渗漏等情况，保证净水器在使用过程的安全性。

进一步的，本发明中的蓄电池上设有用于转换电源输出端两个电极的正负极性的按钮，在使用一段时间后可以改变内铝桶和外铝桶的极性，不仅提高电化学除氟的效果，还延长净水器的使用寿命。而且蓄电池上还设有用于调节电源输出端两个电极的输出电压的旋钮，可以根据场地的大小和氟离子含量的高低设计净水器尺寸和太阳能电池板的数量，再通过旋钮调节内铝桶和外铝桶上的电压，以满足不同强度的电化学除氟反应需求。

进一步的，本发明中还设有废液出口，在使用一段时间后可经废液出口排出高浓度的含氟废液。

进一步的，本发明中采用阴阳离子交换膜作为过滤层，该阴阳离子交换膜是一种对氟离子具有选择性的均相膜。依靠膜中离子交换剂所具有的功能离子与自来水同电性的离子相互交换而达到除盐、软化的功效，并且抑制生成的氟化物沉淀进入内铝桶和阴阳离子交换膜之间的空间。

附图说明

图1是本发明提供的太阳能电化学除氟净水器的主视图；

图2是本发明提供的太阳能电化学除氟净水器的A-A剖面图；

其中：1-太阳能电池板、2-电池板固定基座、3-进水口阀门、4-进水口、5-储水单元、6-出水口阀门、7-出水口、8-管道、9-内铝桶、10-过滤层、11-外铝桶、12-废水出口、13-废水出口阀门、14-外壳、15-蓄电池。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。

分离水中的氟离子，以达到净水除氟离子的目的，是当今净水器设计的当务之急。基于太阳能和电化学反应除氟，以及过滤装置净化两者协同的净水方式，是一种极具发展潜力的净水方法之一。利用太阳能电池板提供动力电源，利用电化学原理净水除氟，电解生成的铝离子用来沉淀和分离水中超标的氟离子，以此除去高氟水中的氟化物，从而获得符合卫生标准的生活饮用水。本发明的净水方式作为一种极具发展潜力的净水方法之一，电化学方法已经得到了广泛和深入的研究。而两者的结合是本发明的最大亮点，因为它的实际意义，现在的人们都晓得能源匮乏是一个很严峻的问题，而无论是水资源质量的问题还是能源缺乏的问题，在本发明中都可以很好地解决。

参见图1和图2，本发明提供的太阳能电化学除氟净水器，包括储水单元5、电化学除氟单元，以及用于给电化学除氟单元提供电能的太阳能电池系统；储水单元5和电化学除氟单元位于壳体14内，且电化学除氟单元位于储水单元5的下方；太阳能电池系统组装在壳体14上或放置在壳体14的四周。电化学除氟单元包括外铝桶11、套装在外铝桶11内的过滤层10和套装在过滤层10内的内铝桶9；过滤层10为阴阳离子交换膜，其膜厚度为0.1～0.5mm，工作温度为0～50℃，工作压力为0.1～0.2MPa。内铝桶9和外铝桶11互相绝缘并分别与太阳能电池系统相连，使内铝桶9和外铝桶11中的一个为电化学除氟单元的正极，另一个为负极；过滤层10将内铝桶9和外铝桶11之间形成的空腔分隔成两部分，其中内铝桶9和过滤层10之间形成的空腔为净化水腔，过滤层10和外铝桶11之间形成的空腔为废水腔；储水单元5与废水腔通过管道8相连通，储水单元5和电化学除氟单元之间设有绝缘层，内铝桶9、过滤层10和外铝桶11的顶端均固定在绝缘层上，管道8上下两端开口并从上到下依次穿过储水单元5的底部、绝缘层、内铝桶9的底部和过滤层10的底部；或者储水单元5的底部由绝缘材料制成，内铝桶9、过滤层10和外铝桶11的顶端均固定在储水单元5的底部，管道8上下两端开口并从上到下依次穿过储水单元5的底部、内铝桶9的底部和过滤层10的底部，且储水单元5的底部、内铝桶9的底部和过滤层10的底部与管道8密封连接。管道8为过滤装置，过滤装置内填充有过滤芯，过滤芯的材质包括PP棉、颗粒炭、压缩炭和后置活性炭中的一种或几种。储水单元5上设有进水口4，进水口4上设有进水口阀门3，净化水腔与出水口7相连通，出水口7上设有出水口阀门6；外壳14上还设有与废水腔相连通的废水出口12，废水出口12上设有废水出口阀门13；进水口阀门3、出水口阀门6和废水出口阀门13均位于壳体14的外部。太阳能电池系统包括太阳能电池板1、电池板固定基座2、以及用于储存太阳能电池板1产生的电能并给电化学除氟单元提供电能的蓄电池15。太阳能电池板1固定在电池板固定基座2上，太阳能电池板1包括硅太阳能电池板、燃料敏化太阳能电池板或量子点敏化太阳能电池板；电池板固定基座2的材质包括不锈钢、铝合金或塑料。蓄电池15的电源输入端通过导线与太阳能电池板1的电源输出端相连，蓄电池15的电源输出端的一个电极通过导线与内铝桶9相连，另一个电极与外铝桶11相连。蓄电池15上设有用于转换电源输出端两个电极的正负极性的按钮，并设有用于调节电源输出端两个电极的输出电压的旋钮。

本发明提供的太阳能电化学除氟净水器在使用时，太阳能电池板1吸收太阳能转化成电能并储存在蓄电池15中，水从进水口4进入储水单元5，经管道8初步过滤掉水中的杂质后流至外铝桶的11底部，即流入废水腔内，内铝桶9和外铝桶11由蓄电池15供电，成为电化学除氟反应的正负极，在废水腔内，电解生成的铝离子与水中的氟离子发生反应，能够沉淀和分离水中的氟离子，以此除去高氟水中的氟化物，然后去除了氟离子的水经过滤层10过滤，进一步去除杂质和电化学除氟反正生成的沉淀，然后从出水口7流出，从而获得符合卫生标准的生活饮用水。连续使用15天左右利用蓄电池上的按钮转换内外铝桶的极性，可以维持较好的除氟效果。而且根据水的流量和水中含氟量的不同，调节蓄电池上的旋钮来改变内外铝桶的电压，以适应不同反应强度的需求，满足流出的水达标。太阳能电池板是电化学除氟的动力能源，其尺寸和数量需根据净水器的容量、需水量和饮用水中氟离子含量来确定。例如：根据需求设计的净水器，所需主要部件及规格如下：

设计一：4块单晶硅太阳能电池板(电压：5V；电流：120mA，尺寸：84.5*55.5mm)、蓄电池(12V，2.3AH)、内铝桶(直径10cm，高18cm)、外铝桶(直径25cm，高20cm)、储水单元(直径25cm，高15cm)。出水速度200ml/min。

设计二：10块多晶硅太阳能电池板(电压：2V；电流：50mA，尺寸：60*60mm)、蓄电池(12V，4AH)、内铝桶(直径20cm，高15cm)、外铝桶(直径28cm，高20cm)、上储水单元(直径28cm，高20cm)。出水速度350ml/min。

基于设计一的太阳能电化学除氟净水器进行净化水实验，所得的实验数据如表1所示：

表1

注：中华人民共和国卫生部发布的《生活饮用水卫生标准》规定氟化物含量不应超过1mg L^-1。

从表1的数据可以看出本发明提供的太阳能电化学除氟净水器对自来水中的氟离子具有良好的净化效果，净化后的水质达标，适于饮用。

以上结合附图对本发明的实施例作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施例。依据本发明思路设计的净水器都在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：包括储水单元(5)、电化学除氟单元，以及用于给电化学除氟单元提供电能的太阳能电池系统；其中储水单元(5)和电化学除氟单元位于壳体(14)内，且电化学除氟单元位于储水单元(5)的下方；太阳能电池系统组装在壳体(14)上或放置在壳体(14)的四周；

电化学除氟单元包括外铝桶(11)、套装在外铝桶(11)内的过滤层(10)和套装在过滤层(10)内的内铝桶(9)；内铝桶(9)和外铝桶(11)互相绝缘并分别与太阳能电池系统相连，使内铝桶(9)和外铝桶(11)中的一个为电化学除氟单元的正极，另一个为负极；过滤层(10)将内铝桶(9)和外铝桶(11)之间形成的空腔分隔成两部分，其中内铝桶(9)和过滤层(10)之间形成的空腔为净化水腔，过滤层(10)和外铝桶(11)之间形成的空腔为废水腔；储水单元(5)上设有进水口(4)，储水单元(5)与废水腔通过管道(8)相连通，净化水腔与出水口(7)相连通；

其中储水单元(5)和电化学除氟单元之间设有绝缘层，内铝桶(9)、过滤层(10)和外铝桶(11)的顶端均固定在绝缘层上，管道(8)上下两端开口并从上到下依次穿过储水单元(5)的底部、绝缘层、内铝桶(9)的底部和过滤层(10)的底部，且储水单元(5)的底部、内铝桶(9)的底部和过滤层(10)的底部与管道(8)密封连接；或者储水单元(5)的底部由绝缘材料制成，内铝桶(9)、过滤层(10)和外铝桶(11)的顶端均固定在储水单元(5)的底部，管道(8)上下两端开口并从上到下依次穿过储水单元(5)的底部、内铝桶(9)的底部和过滤层(10)的底部，且储水单元(5)的底部、内铝桶(9)的底部和过滤层(10)的底部与管道(8)密封连接。

2.根据权利要求1所述的太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：所述的管道(8)为过滤装置，过滤装置内填充有过滤芯，过滤芯的材质包括PP棉、颗粒炭、压缩炭和后置活性炭中的一种或几种。

3.根据权利要求1所述的太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：所述的进水口(4)上设有进水口阀门(3)，出水口(7)上设有出水口阀门(6)；

外壳(14)上还设有与废水腔相连通的废水出口(12)，废水出口(12)上设有废水出口阀门(13)；

进水口阀门(3)、出水口阀门(6)和废水出口阀门(13)均位于壳体(14)的外部。

4.根据权利要求1所述的太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：所述的过滤层(10)为阴阳离子交换膜，其膜厚度为0.1～0.5mm，工作温度为0～50℃，工作压力为0.1～0.2MPa。

5.根据权利要求1所述的太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：所述的太阳能电池系统包括太阳能电池板(1)、电池板固定基座(2)、以及用于储存太阳能电池板(1)产生的电能并给电化学除氟单元提供电能的蓄电池(15)。

6.根据权利要求5所述的太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：所述的太阳能电池板(1)固定在电池板固定基座(2)上；

太阳能电池板(1)包括硅太阳能电池板、燃料敏化太阳能电池板或量子点敏化太阳能电池板；

电池板固定基座(2)的材质包括不锈钢、铝合金或塑料。

7.根据权利要求5所述的太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：所述的蓄电池(15)的电源输入端通过导线与太阳能电池板(1)的电源输出端相连，蓄电池(15)的电源输出端的一个电极通过导线与内铝桶(9)相连，另一个电极与外铝桶(11)相连。

8.根据权利要求7所述的太阳能电化学除氟净水器，其特征在于：所述的蓄电池(15)上设有用于转换电源输出端两个电极的正负极性的按钮，并设有用于调节电源输出端两个电极的输出电压的旋钮。