CN105366772A - 一种便携式轻量化个人净水装置 - Google Patents

一种便携式轻量化个人净水装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于饮用水处理装置技术领域，公开了一种便携式轻量化个人净水装置。所述装置包括三元梯度管式膜预处理系统、脱盐系统和电源系统；所述的三元梯度管式膜预处理系统包括三元梯度管式超滤膜，该三元梯度管式超滤膜由外到内依次由支撑层、过渡层和分离层组成，所述支撑层和过渡层是PVDF烧结层，分离层是功能化Al2O3/PVDF膜材料；所述脱盐系统包括碳纤维管脱盐淡化膜。本发明采用三元梯度结构的高强度无机/有机复合管式膜，其流量大、自洁性好、排污能力强、机械强度高；采用碳纤维膜管的重量只是传统玻璃钢膜管的10％，极大地减轻了设备的重量；整个装置的体积小，可装载行李箱内，方便携带，应用前景良好。

Description

一种便携式轻量化个人净水装置
技术领域
本发明属于饮用水处理装置技术领域，具体涉及一种便携式轻量化个人净水装置。
背景技术
我国是一个自然灾害频发的国家，在灾后的重建工作中，如何让灾民和救灾的部队喝上干净的饮用水十分重要。物质运输耗时耗力，因地制宜，就地取材，利用当地水资源，根据需求处理不同水质，进行高效的水资源净化是一大瓶颈；因为工作野外执勤的人员或是爱好自由冒险热爱自然的人们，进行野外宿营时，安全干净饮用水必不可少。受制于我国的环境现状，未处理的天然水很难保证安全无污染，现有的净水器因为太多笨重而不便携带，如何就地取材，及时保证足够清洁的饮用水续航成为一大难题；我国的水资源总量处于全球前列，但人均水资源却远远不及发达国家，随着环境污染的日益严重，我国清洁的淡水资源愈发贫乏。对海水进行合理处理，高效快速淡化海水十分重要。
目前个人海水淡化系统的专利还未见报道，现有的海水淡化系统都具有较大体积，适合工业化生产，无法做到方便携带。而现有的个人净水系统，则很难做到快速高效的脱盐，不具备淡化海水的能力，并且用来过滤的膜组件容易被污染，无法做到自动清理，缩短了膜的使用寿命。
如何使净水装置小巧便携，做到即时而快速的苦水淡化，连续生产保证足够的出水量意义重大。因此，便携式多功能净水技术在我国有着广阔的情景，市场需求很大。
发明内容
为了解决以上现有技术的缺点和不足之处，本发明的目的在于提供一种便携式轻量化个人净水装置。
本发明目的通过以下技术方案实现：
一种便携式轻量化个人净水装置，包括三元梯度管式膜预处理系统、脱盐系统和电源系统；所述的三元梯度管式膜预处理系统包括三元梯度管式超滤膜，该三元梯度管式超滤膜由外到内依次由支撑层、过渡层和分离层组成，所述支撑层和过渡层是PVDF(聚偏氟乙烯)烧结层，分离层是功能化Al2O3/PVDF膜材料；所述脱盐系统包括碳纤维管脱盐淡化膜。
优选地，所述三元梯度管式超滤膜的直径为4～6cm，长度为25～30cm；所述三元梯度管式超滤膜中分离层的孔径为0.02～0.05um，厚度为0.1～0.2mm；过渡层的过滤孔径为1～10um，厚度为分离层厚度的5～10倍；支撑层的孔径为10～20um，厚度为分离层厚度的50～100倍。
所述的三元梯度管式膜预处理系统和脱盐系统之间还设置动态分离系统，所述动态分离系统设置三通管，三通管的其中两个端口分别通过压力调节阀与管式膜预处理系统和脱盐系统相连，三通管的另一个端口设置浓水出口；管式膜预处理系统设置透过液透水口通过高压泵连接至脱盐系统；苦水经过三元梯度管式膜预处理系统处理后，透过液通过透水口进入下级脱盐系统，而截留的藻类、微生物、大分子有机物等通过浓水出口排出系统。
所述三元梯度管式超滤膜通过如下方法制备：
(1)将颗粒度为100～200目的PVDF粉末灌入具有内管和外管的管状模具中，通过调整外管内径与内管外径的差距控制支撑层的厚度，在压力条件及140℃～160℃温度下高温烧结0.5～1h，冷却至室温，将模具退出，形成具有一层结构的支撑层管状预制体；
(2)将颗粒度为400～600目的PVDF粉末灌入过渡层烧结模具中，过渡层烧结模具是以支撑层管状预制体的内层为过渡层的外层，用外径小于管状预制体的不锈钢管作为过渡层烧结的内管模具，并调节内管模具的外径与管状预制体的内径差距控制过渡层的厚度，在压力条件及140℃～160℃温度下高温烧结0.5～1h，冷却至室温，将模具退出，形成具有二元梯度结构的二元PVDF管状体；
(3)将纳米Al2O3用氰基硅烷偶联剂进行表面改性后，用酸酸化，得到功能化Al2O3纳米颗粒；将PVDF粉末进行等离子体处理，得到表面引入氢氧基的改性PVDF；然后将功能化Al2O3纳米颗粒与改性PVDF在溶剂中进行缩合反应，得到化学键合的功能化Al2O3/PVDF铸膜液；
(4)以步骤(2)的二元PVDF管状体为基膜，采用步骤(3)的功能化Al2O3/PVDF铸膜液在基膜内表面涂布成膜，形成分离层；涂布结束后，将管状体于水浴中固化，然后用乙醇水溶液浸泡，晾干，得到所述三元梯度管式超滤膜。
优选地，所述碳纤维管脱盐淡化膜的直径为5～7cm，长度为35～40cm，膜管重量为120～140g，最大爆破压力为20MPa。
所述碳纤维管脱盐淡化膜采用尼龙内衬，尼龙内衬厚度3～5mm，尼龙内衬的外面缠绕碳纤维，碳纤维的厚度3～5mm。
所述碳纤维管脱盐淡化膜是将尼龙内衬的外面缠绕碳纤维，采用双组分环氧树脂浸渍碳纤维，在60～80℃温度下进行固化成型得到。
所述电源系统由直流开关电源，储能系统和电源转化开关组成：
所述直流开关电源，适用AC输入电源，PWM控制和调节，内置直流电扇强迫风冷和风机开关控制，工作频率25KHz，并带有短路/过载/过压保护，输入电源电压220V，输出电压24V，在供能的同时，还能对储能系统进行充电；
所述储能系统采用便携式锂电池组，电池类型采用磷酸铁锂电芯或锰酸锂电芯或三元材料电芯，额定电压24V，额定容量8Ah，可采用2组以上便携式锂电池组，储能系统可与太阳能板，风力发电机相接，将太阳能和风能转化为24V直流电后，对储能系统进行充电，在储能系统充满电后，在无外接电源的环境下可连续工作2～4小时；
所述电源转化开关设置多控点开关实现供电方式在直流开关电源和储能系统之间的转换。
本发明的装置具有如下优点及有益效果：
(1)本发明的装置采用三元梯度管式超滤膜-碳纤维管脱盐淡化膜抗污染系统的设计，三元梯度管式超滤膜结合动态分离系统，碳纤维管脱盐淡化膜的使用寿命延长7倍以上，由使用120～140小时后清洗增加到使用1000～1200小时后清洗；经预处理后的苦水基本不含大分子胶体，藻类，泥沙，不会对碳纤维管脱盐淡化膜的膜孔造成堵塞，这种功能化的设计，可高效进行苦水淡化处理，极大地提高装置的抗污染性，延长整个系统的使用寿命；
(2)本发明的三元梯度管式超滤膜采用多层次纳米结构设计方法和PVDF有机亲水改性技术，在烧结法制备高强度二元梯度结构的PVDF基膜基础上，通过强螯合性配体和等离子体分别对无机前体和PVDF材料进行化学改性，采用热致相变法制备由化学键牢固连接、孔径均匀的Al2O3/PVDF分离层，最终获得具有三元梯度结构的高强度无机/有机复合管式膜，其流量大、自洁性好、排污能力强、机械强度高；
(3)本发明装置的整个系统采用轻量化设计，采用的碳纤维膜管的重量只是传统玻璃钢膜管的10％，从而极大地减轻了设备的重量；整个装置的体积小，可装载行李箱内，方便携带，整个系统的重量小于10kg；
(4)本发明装置的电源系统具有可充电性，可外接220V电源，并配备充电电池，能连续工作2小时以上；根据需要，还可配置为太阳能发电或风能发电；
(5)本发明装置的使用范围广，可将海水、苦咸水、地震灾后水、地表水、山泉水以及来源不明等水源，处理成饮用水；
(6)利用本发明的装置净化水的产水量大，对于海水，产水量12～14升/小时；对于苦卤水，产水量20～22升/小时；对于地表水、山泉水等，产水量30～40升/小时；
(7)利用本发明的装置净化水的出水质量高，经净化后，水质可达到饮用水标准；本发明的装置能分离大部分盐类，可全部去除农药、微生物、有机物和悬浮物质等有毒有害物质。
附图说明
图1为本发明实施例1的一种便携式轻量化个人净水装置的结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。
实施例1
本实施例的一种便携式轻量化个人净水装置，如图1所示，包括三元梯度管式膜预处理系统、脱盐系统和电源系统；所述三元梯度管式膜预处理系统内设置直径为5cm，长度为25cm的三元梯度管式超滤膜，三元梯度管式膜预处理系统前依次设置进水口、压力计和供水泵，三元梯度管式膜预处理系统设置透过液出口通过高压泵与脱盐系统相连，脱盐系统内设置直径为55mm，长度为350mm的碳纤维管脱盐淡化膜；所述的三元梯度管式膜预处理系统和脱盐系统之间设置动态分离系统，所述动态分离系统设置三通管，三通管的其中两个端口分别通过压力调节阀与管式膜预处理系统的浓缩液出口和脱盐系统的浓盐水出口相连，三通管的另一个端口设置浓水出口；所述的电源系统为供水泵和高压泵提供动力。本实施例的装置从高压泵至高压调节阀段均采用高压不锈钢管连接，其他部位连接采用低压不锈钢管连接。
所述电源系统由直流开关电源，储能系统和电源转化开关组成：
所述直流开关电源，适用AC输入电源，PWM控制和调节，内置直流电扇强迫风冷和风机开关控制，工作频率25KHz，并带有短路/过载/过压保护，输入电源电压220V，输出电压24V，在供能的同时，还能对储能系统进行充电；
所述储能系统采用便携式锂电池组，电池类型采用磷酸铁锂电芯或锰酸锂电芯或三元材料电芯，额定电压24V，额定容量8Ah，可采用2组以上便携式锂电池组，储能系统可与太阳能板，风力发电机相接，将太阳能和风能转化为24V直流电后，对储能系统进行充电，在储能系统充满电后，在无外接电源的环境下可连续工作2～4小时；
所述电源转化开关设置多控点开关实现供电方式在直流开关电源和储能系统之间的转换。
本实施例所使用的三元梯度管式超滤膜通过如下方法制备：
(1)将颗粒度为200目的PVDF粉末灌入具有内管和外管的不锈钢管状模具中，通过调整外管内径与内管外径的差距控制支撑层的厚度为2mm，在10MPa压力条件及160℃温度下高温烧结1h，以10℃/min的速度冷却至室温，将模具退出，形成具有一层结构的支撑层管状预制体。
(2)将颗粒度为600目的PVDF粉末灌入过渡层烧结模具中，过渡层烧结模具是以支撑层管状预制体的内层为过渡层的外层，用外径小于管状预制体的不锈钢管作为过渡层烧结的内管模具，并调节内管模具的外径与管状预制体的内径差距控制过渡层的厚度为20mm，在10MPa压力条件及160℃温度下高温烧结1h，以10℃/min的速度冷却至室温，将模具退出，形成具有二元梯度结构的二元PVDF管状体。
(3)将高纯度的纳米Al2O3微颗粒团聚体真空干燥，以乙醇为分散溶剂超声分散，在60℃条件下，以硅烷偶联剂2-氰乙基三乙氧基硅烷，经过磁力搅拌、冷凝回流、离心分离，在Al2O3无机纳米粒子表面引入2-氰乙基三乙氧基硅烷，再在65℃恒温条件下，用乙酸酸化，即得到功能化Al2O3纳米颗粒；利用等离子体处理装置，在功率40W，气流量20cm3·s-1，以40cm距离处理PVDF粉末材料20s，得到表面引入氢氧基的改性PVDF。然后将功能化Al2O3纳米颗粒和改性PVDF材料充分混合，加入到二甲基甲酰胺(DMF)溶剂中，油浴升温至180℃，搅拌至充分均匀，保温3h，使功能化Al2O3纳米颗粒的表面羧基与改性PVDF表面的氢氧基进行缩合反应，充分逸出气泡，得到浓度为6g/L的具有化学键合的功能化Al2O3/PVDF铸膜液。
(4)以步骤(2)的二元PVDF管状体为基膜，采用步骤(3)的功能化Al2O3/PVDF铸膜液在基膜内表面通过旋转涂抹法涂布成膜，形成分离层；涂膜时，至下而上进行涂膜，设置刮涂速度10米/分，涂布温度90℃；涂布结束后，将管状体置于20℃温度的水浴中固化，然后用50％的乙醇水溶液浸泡40h，晾干，得到所述三元梯度管式超滤膜。
本实施例所使用的碳纤维管脱盐淡化膜通过如下方法制备：采用尼龙内衬，尼龙内衬的内径为55mm，厚度为3mm，将尼龙内衬的外面缠绕碳纤维，碳纤维的厚度为5mm，然后采用双组分环氧树脂浸渍碳纤维，在60～80℃温度下进行固化成型得到。
利用本实施例的装置对苦水进行净化的工作过程如下：
苦水经供水泵加压后，进入三元梯度管式膜预处理系统进行预处理，透过液通过不锈钢管道进入下级脱盐系统，而截留的藻类、微生物、大分子有机物等通过浓缩液出口经压力调节阀从三通管的浓水出口排出，压力调节阀调节三元梯度管式超滤膜的运行压力范围为0.2～0.3MPa。经过预处理后的水经由高压泵加压后，从碳纤维管脱盐淡化膜的进水端进入，淡化水从碳纤维管脱盐淡化膜的另一端的淡化水出口流出，经过转子流量计，即可作为净化水输出，可供饮用，而盐分被碳纤维管脱盐淡化膜截留下来形成浓盐水，通过高压调节阀后，经过不锈钢管路流经三通管，与预处理系统的浓缩液通过浓水出口排出。
上述净化过程的具体操作步骤如下：
(1)将进水端的过滤嘴浸没在待处理的水中，检查各处管路保证连接紧密。
(2)将电源插头接入220V交流电源。如果在野外或当没有外接电源时，可通过电源转化开关，采用储能系统进行供电，或是根据所处地理位置和环境条件，采用太阳能或风能对储能系统进行充电，并通过储能系统对本装置进行供电。待电路接通后，打开供水泵开关和高压泵开关，开始抽取水。
(3)通过供水泵加压，经过三元梯度管式超滤膜初步净化，待透过水的流速稳定后，调节三元梯度管式超滤膜后的压力调节阀门，使水流的进口压力维持在0.2MPa附近。
(4)初步净化后的水，经高压泵加压后进入碳纤维管脱盐淡化膜，待浓盐水的出口端开始有浓盐水流出时，通过调节碳纤维管脱盐淡化膜出口端的压力调节阀门，使浓盐水的出口端处压力表的读数稳定在6.0MPa。
(5)待碳纤维管脱盐淡化膜工作稳定后，淡化水出水端的流量稳定下来，此时的水即为处理后的淡化水，可作为淡化水输出备用。
(6)完成苦水脱盐后，完全打开碳纤维管脱盐淡化膜浓盐水出口端的压力调节阀门，完全打开三元梯度管式超滤膜浓缩液出水端的压力调节阀门，进行动态清洗膜组件1～2分钟。然后，依次序先后关闭高压泵、供水泵和总电源。
实施效果
取一定量的苦水，经过本实施例的便携式轻量化个人净水装置处理1小时后，将得到的淡化水进行分析，检测结果见表1。
表1.苦水淡化水检测结果
由表1可以看出，经过便携式轻量化个人净水装置处理后，净化水的菌落总数为7，远低于国家限定指标的100；浑浊度小于0.5，达到国家小于1的要求；净化水无异臭，无异味，无肉眼可见物。溶解性总固体757mg/L，总硬度含量62.5mg/L均达到国家的限量指标。净水器对砷，铅，汞，六价铬极高，砷，铅，汞，六价铬等重金属离子的残留量分别低于0.001mg/L，0.0025mg/L，0.0004mg/L，0.004mg/L，远低于国家饮用水规定的限量指标。经过净化后的水质可以完全满足生活饮用水的卫生标准，出水水质优于国家标准。
上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其它的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述装置包括三元梯度管式膜预处理系统、脱盐系统和电源系统；所述的三元梯度管式膜预处理系统包括三元梯度管式超滤膜，该三元梯度管式超滤膜由外到内依次由支撑层、过渡层和分离层组成，所述支撑层和过渡层是PVDF烧结层，分离层是功能化Al2O3/PVDF膜材料；所述脱盐系统包括碳纤维管脱盐淡化膜。
2.根据权利要求1所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述三元梯度管式超滤膜的直径为4～6cm，长度为25～30cm；所述三元梯度管式超滤膜中分离层的孔径为0.02～0.05um，厚度为0.1～0.2mm；过渡层的过滤孔径为1～10um，厚度为分离层厚度的5～10倍；支撑层的孔径为10～20um，厚度为分离层厚度的50～100倍。
3.根据权利要求1所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述的三元梯度管式膜预处理系统和脱盐系统之间还设置动态分离系统，所述动态分离系统设置三通管，三通管的其中两个端口分别通过压力调节阀与管式膜预处理系统和脱盐系统相连，三通管的另一个端口设置浓水出口；管式膜预处理系统设置透过液透水口通过高压泵连接至脱盐系统。
4.根据权利要求2所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述三元梯度管式超滤膜通过如下方法制备：
(1)将颗粒度为100～200目的PVDF粉末灌入具有内管和外管的管状模具中，通过调整外管内径与内管外径的差距控制支撑层的厚度，在压力条件及140℃～160℃温度下高温烧结0.5～1h，冷却至室温，将模具退出，形成具有一层结构的支撑层管状预制体；
(2)将颗粒度为400～600目的PVDF粉末灌入过渡层烧结模具中，过渡层烧结模具是以支撑层管状预制体的内层为过渡层的外层，用外径小于管状预制体的不锈钢管作为过渡层烧结的内管模具，并调节内管模具的外径与管状预制体的内径差距控制过渡层的厚度，在压力条件及140℃～160℃温度下高温烧结0.5～1h，冷却至室温，将模具退出，形成具有二元梯度结构的二元PVDF管状体；
(3)将纳米Al2O3用氰基硅烷偶联剂进行表面改性后，用酸酸化，得到功能化Al2O3纳米颗粒；将PVDF粉末进行等离子体处理，得到表面引入氢氧基的改性PVDF；然后将功能化Al2O3纳米颗粒与改性PVDF在溶剂中进行缩合反应，得到化学键合的功能化Al2O3/PVDF铸膜液；
(4)以步骤(2)的二元PVDF管状体为基膜，采用步骤(3)的功能化Al2O3/PVDF铸膜液在基膜内表面涂布成膜，形成分离层；涂布结束后，将管状体于水浴中固化，然后用乙醇水溶液浸泡，晾干，得到所述三元梯度管式超滤膜。
5.根据权利要求1所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述碳纤维管脱盐淡化膜的直径为5～7cm，长度为35～40cm，膜管重量为120～140g，最大爆破压力为20MPa。
6.根据权利要求5所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述碳纤维管脱盐淡化膜采用尼龙内衬，尼龙内衬厚度3～5mm，尼龙内衬的外面缠绕碳纤维，碳纤维的厚度3～5mm。
7.根据权利要求6所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述碳纤维管脱盐淡化膜是将尼龙内衬的外面缠绕碳纤维，采用双组分环氧树脂浸渍碳纤维，在60～80℃温度下进行固化成型得到。
8.根据权利要求1所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述电源系统由直流开关电源，储能系统和电源转化开关组成。
9.根据权利要求8所述的一种便携式轻量化个人净水装置，其特征在于：所述直流开关电源，适用AC输入电源，PWM控制和调节，内置直流电扇强迫风冷和风机开关控制，工作频率25KHz，并带有短路/过载/过压保护，输入电源电压220V，输出电压24V；所述储能系统采用便携式锂电池组，电池类型采用磷酸铁锂电芯或锰酸锂电芯或三元材料电芯，额定电压24V，额定容量8Ah；所述电源转化开关设置多控点开关实现供电方式在直流开关电源和储能系统之间的转换。
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