CN106219795A - 一种瓶盖式便携净水装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种瓶盖式便携净水装置，特征是壳体包括通过螺纹相互连接的进、出水壳体，壳体两端进、出水口的螺纹分别和拟连接的塑料饮水瓶口及盖的螺纹尺寸相互配合；进水端由筛网挡板把由PP棉层、片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层、片状活性炭和超滤膜依次叠合而成的净水工艺层按与壳体器壁垂直的方向封装固定在瓶盖内；所述片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料采用羟基磷灰石材料为基底，通过水热法合成，基底上修饰有片状或者海胆状纳米吸附金属氧化物材料。本发明装置简易便携，可过滤有机物、重金属离子、细菌、病毒、藻类等，即净即饮，适用于野战部队、野外工作者、户外探险、旅游以及抢险救灾应急情况下对洁净饮用水的需求。

Description

一种瓶盖式便携净水装置
技术领域
本发明属于净水材料和净水设备技术领域，具体涉及仿生纳米净水材料和瓶盖式便携净水装置。
背景技术
通常，野外工作者和应急救援人员对于净水器的需求是体积小、重量轻、便于携带，能处理江湖塘水等水源，随用随产，使用方便，出水水质达到《生活应用水卫生标准》或者《军队战时饮用水卫生标准》。而目前传统的饮用水处理需要加药、混凝、澄清、过滤及消毒等过程，工艺复杂，设备笨重，且往往饮用水有异味。中国专利CN2900496Y公开的一款重约200克的便携式净水器，在腔体内依次放置离子交换树脂、活性炭及中空纤维超滤膜，通过手动泵提供动力，原水依次通过滤料达到水质净化的目的。虽然采用超滤膜可有效滤除细菌，降低出水浊度，活性炭的使用延长了膜的使用寿命，出水相对稳定且水质达到军队战时饮用水标准，但其滤材较易堵塞。
还有如中国专利CN99247796.4所提供的便携式野外净水器，包括安装于外壳内的原水缸及净水缸，安装有粗滤板、过滤水箱等部件，这种净水器结构复杂且占用空间大，不能满足野外工作者的便携需求，而且净水过程需要等待，满足不了应急情况下的净水需求。另外，常见的净水装置多以自来水、湖泊、海洋等为水源，设计原理上对于重金属的去除效果弱，水源选择范围较窄。因此，亟待开发方便携带、不需电力、可及时使用的水质净化装置，以满足户外工作者、探险者和抢险救灾应急情况下的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种瓶盖式便携净水装置，以实现简易便携、过滤效率高、即净即饮的净水效果。
本发明瓶盖式便携净水装置，包括壳体1和净水工艺层2，其特征在于：所述壳体1包括通过螺纹相互连接的进水壳体1-1和出水壳体1-2；所述进水壳体1-1外端设有进水口5和内螺纹3-1，该内螺纹3-1和拟与之相配合连接的常用塑料饮水瓶的外螺纹尺寸相互配合一致；所述出水壳体1-2外端设有出水口6和外螺纹3-2，该外螺纹3-2和拟与之相配合连接的常用塑料饮水瓶瓶盖的内螺纹尺寸相互配合一致；进水端固设有筛网挡板4；所述净水工艺层2由PP棉层2-1、片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层2-2、片状活性炭2-3和超滤膜2-4，依次叠合后，用筛网挡板4将净水工艺层2按与壳体器壁垂直的方向封装固定在瓶盖内；
所述片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层2-2按如下步骤制备：称取0.05-0.25g的醋酸钙及0.1-0.2g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)置于在10ml去离子水中，搅拌形成溶液A；再将0.04-0.2g磷酸二氢钠溶解于20ml去离子水中，并搅拌半个小时，形成溶液B；然后在搅拌下将溶液A缓慢加入溶液B中，并用盐酸将其pH值调制到4.5，将所得到的透明溶液转移至50-70ml的聚四氟乙烯高压釜中，在600-1200W的微波反 应器中加热至100℃并保温5-100分钟后自然冷却至室温，离心收集白色产物，再对白色产物进行数次去离子水和无水乙醇洗涤后，放入真空干燥箱中50℃干燥10h，即得片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层；将片状海胆状羟基磷灰石置于反应器中，抽真空，然后通入氮气，系统压力通过针阀调节为5-80Pa，然后将射频功率保持在100-250W，反应5-30分钟；然后关闭电源，在反应器内外压力逐渐平衡后取出样品，即得到等离子体改性的片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料。
本发明瓶盖式便携净水装置可与常见的塑料饮水瓶相互连接使用：将进水口5通过内螺纹3-1与装有待净化水(通常为野外自然水体)的塑料饮水瓶瓶口的外螺纹相互配合连接，筛网挡板4外缘与腔体内壁通过摩擦力把净水工艺层材料固定在腔体内，当本装置通过内螺纹3-1与常用纯净水瓶螺纹连接，筛网挡板4与纯净水瓶瓶口通过螺纹压力压紧，挡板设计成筛网结构是为了能进水。所需的过滤压力通过人对塑料饮水瓶的挤压来提供。所述瓶盖式便携净水装置的瓶盖可采用现有的聚丙烯压塑工艺生产，所述PP棉、片状活性炭和超滤膜均可从市场直接购买到，并根据瓶盖内径的尺寸裁剪成合适的形状和尺寸以便可以不松不紧地固定在瓶盖式便携净水装置的壳体中。所述出水壳体外端出水口的外螺纹3-2用于固定防尘盖，以保证出水口的卫生。该外螺纹3-2和拟与之相配合连接的常用塑料饮水瓶瓶盖的内螺纹尺寸相互配合一致，从而可方便的利用现有塑料饮水瓶的瓶盖来作为防尘盖。
由于本发明盖式便携净水装置中的净水工艺层2采用了原水→PP棉层、片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层、片状活性炭(常用的活性炭是粉末状的，只能用片状的才能叠放在瓶盖内)和超滤膜叠合并封装在一起→出水构成的过滤净水工艺，其中的所述PP棉层可以滤除大颗粒的杂质，可降低浊度、过滤寄生虫等；所述片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层可高效滤除水中的重金属和一些有毒无机阴离子，如氟、砷等离子等；片状活性炭可有效抑菌且防止细菌氧化水中氨转化为亚硝酸盐，可吸附处理有机物重金属和异味；中空纤维超滤膜能去除微生物分子、高分子聚合物，能排除对人体有害物质细菌、病毒、藻类等，并允许水和微量元素、矿物质通过，有高分离透过通量和高机械强度；采用瓶盖式可方便与现有的矿泉水瓶直接配合，通过人对塑料饮水瓶的挤压来提供所需的过滤压力。
与现有通过加压装置提供过滤压力或者仅用“无纺布+活性炭+过滤膜”的净水工艺相比，本发明瓶盖式便携净水装置小巧轻便，净水快捷，而且还可以有效去除户外水源中的重金属、氟离子等。
由于本发明瓶盖式便携净水装置采用多层过滤，可选水源范围广，克服了现有净水装置体积大、无法去除重金属、需要等待等缺点，具有携带方便并可以实现即时净水的优点，特别适合野战部队、野外工作者、户外探险、旅游以及抢险救灾应急情况下对洁净饮用水的需求。
附图说明
图1是本发明瓶盖式便携净水装置的结构原理示意图。
图2是本发明瓶盖式便携净水装置净水工艺层的分解结构截面图。
具体实施方式
实施例1：
图1给出了本发明瓶盖式便携净水装置的结构原理示意图；图2是瓶盖式便携净水装置的净水工艺层的分解结构截面图。
如图1和图2中所示，本发明瓶盖式便携净水装置，包括壳体1和净水工艺层2组成，所述壳体1包括进水壳体1-1和出水壳体1-2，所述进水壳体1-1和出水壳体1-2通过阳螺纹3-3和阴螺纹3-4相互连接；所述进水壳体1-1外端设有进水口5和内螺纹3-1，该内螺纹和拟与之相互配合连接的常用矿泉水瓶的外螺纹尺寸一致，内径为30mm，螺距为2.5mm；；所述出水壳体1-2外端设有出水口6和外螺纹3-2，该外螺纹3-2用于固定防尘盖，以保证出水口的卫生，该外螺纹3-2和拟与之相配合连接的常用塑料饮水瓶瓶盖的内螺纹尺寸相互配合一致，从而可方便的利用现有塑料饮水瓶的瓶盖来作为防尘盖；进水端固设有筛网挡板4，净水材料通过挡板固定在腔内，设计成筛网结构是为了能进水；所述净水工艺层2由2mm厚的PP棉层2-1、2-4mm厚的片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层2-2、2mm厚的片状活性炭2-3和0.1mm的超滤膜2-4，依次叠合后，用筛网挡板4将净水工艺层2按与壳体器壁垂直的方向封装固定在瓶盖内，筛网挡板4外缘与腔体内壁通过摩擦力把净水工艺层材料固定在腔体内，当本装置通过内螺纹3-1与常用纯净水瓶螺纹连接，筛网挡板4与纯净水瓶瓶口通过螺纹压力压紧。
本实施例瓶盖式便携净水装置中的瓶盖式壳体具体采用的材质为聚丙烯，采用压塑生产工艺制备；所述PP棉、片状活性炭和超滤膜均可从市场直接购买，并根据瓶盖的尺寸进行裁剪；片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料采用羟基磷灰石材料为基底，通过水热法合成，基底上修饰有片状或者海胆状纳米吸附金属氧化物材料，该材料通过阳离子交换的原理吸附水中重金属离子。
该片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层2-2按如下仿生纳米材料层合成路线具体步骤制备：
(1)片状海胆状羟基磷灰石的合成：
称取0.05-0.25g的醋酸钙及0.1-0.2g十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)置于在10ml去离子水中，搅拌形成溶液A；再将0.04-0.2g磷酸二氢钠溶解于20ml去离子水中，并搅拌半个小时，形成溶液B；然后在搅拌条件下，将溶液A缓慢加入溶液B中，并用盐酸将其pH值调制到4.5，将所得到的透明溶液转移至50-70ml的聚四氟乙烯高压釜中，在600-1200W的微波反应器中加热至100℃并保温5-100分钟后自然冷却至室温，离心收集白色产物，再对白色产物进行数次去离子水和无水乙醇洗涤后，放入真空干燥箱中50℃干燥10h，即得片状海胆状羟基磷灰石；
(2)片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料的等离子体改性：
将片状海胆状羟基磷灰石置于反应器中，抽真空，然后通入氮气，系统压力通过针阀调节为5-80Pa。然后将射频功率保持在100-250W，反应5-30分钟。然后关闭电源， 在反应器内外压力逐渐平衡后取出样品，即获得等离子体改性的片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料。
采取上述方法制备得到的片状海胆状羟基磷灰石是纳米级别的仿生纳米材料，其比表面积大，活性位点多，吸附量大，去除速度快。
本实施例中瓶盖式便携净水装置的瓶盖式壳体1和筛网挡板4采用采用聚丙烯材质压塑工艺生产，所述净水工艺层2按照“PP棉层+片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层+片状活性炭+超滤膜”的次序排列，并根据瓶盖的尺寸裁剪成合适的形状和尺寸，用筛网挡板4把净水工艺层2不松不紧地填充固定在瓶盖式便携净水装置的壳体中。
本实施例中具体采用的PP棉层购自新乡市国海滤器有限公司公司生产的5μm规格的PP棉滤芯；片状活性炭购自苏通碳纤维公司生产的型号为U310的活性碳纤维片；本实施例中使用的超滤膜材料为聚偏氟乙烯(PVDF)中空纤维膜，购自山东金汇膜科技股份有限公司生产的型号为UFalB90的孔径为5微米的超滤膜；该纤维膜特点是化学稳定性好、机械强度高、抗吸附污染性好、耐紫外线老化、有高分离透过通量和高装填密度，是中空纤维分离膜中一个新型高效的品种。
本发明瓶盖式便携净水装置中的净水工艺层2采用PP棉层可降低浊度、过滤寄生虫等；采用片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层可高效滤除水中的重金属和一些有毒无机阴离子，如氟、砷等离子等；采用片状活性炭可吸附处理有机物重金属和异味；超滤膜能排除对人体有害物质细菌、病毒、藻类等，并允许水和微量元素、矿物质通过；通过调整净水工艺层2采用的多层过滤材料的适当厚度以控制使过滤过程中的工作压力低于0.5MPa(虽然理论上讲使用吸附材料越多过滤净水效果应当越好，但材料过多、太厚则过滤过程中所要求的水压也越大，因此应当以人挤压矿泉水瓶一般能达到的0.5MPa为限)。
使用时，将本发明瓶盖式便携净水装置的进水口通过螺纹与装有待净化水的塑料饮水瓶(例如可利用矿泉水瓶)瓶口的外螺纹相互配合连接，所需的过滤压力通过人对塑料饮水瓶的挤压来提供。饮水时，通过人手对常见软体塑料瓶身的挤压、水本身的重力以及人嘴的吸力，使饮水瓶中的水在压力作用下从进水口，依次经过“PP棉层+片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层+片状活性炭+超滤膜”的多层过滤工艺，经净水工艺层处理后的水从出水壳体1-2外端的出水口6流出。经检测，通过本发明瓶盖式便携净水装置处理后的一般野外自然水都能够达到饮用水标准，从而能够确保比较放心地满足净水和饮水需求。
与现有技术的通过加压装置提供过滤压力或者仅“无纺布+活性炭+过滤膜”的净水工艺相比，本发明瓶盖式便携净水装置由于采用多层过滤，可选水源范围广，可以高效过滤有效去除户外水源中的有机物、重金属离子、对人体有害物质细菌、病毒、藻类等；克服了现有净水装置体积大、无法去除重金属、需要等待等缺点。本发明瓶盖式便携净水装置小巧轻便，携带方便，净水快捷，重金属、氟离子等。具有简易便携、并可以实现即时净水的优点，特别适用于野战部队、野外工作者、户外探险、旅游以及抢险 救灾应急情况下对洁净饮用水的需求。
本发明瓶盖式便携净水装置使用次数，以吸附材料达到《生活饮用水卫生标准》(GB5749-2006)中污染物限量值的吸附穿透点为准，后需进行容器清洗并更换净水工艺层材料。为保证饮水安全，一般不建议对净水工艺层清洁回收使用。

Claims (2)

1.一种瓶盖式便携净水装置，包括壳体(1)和净水工艺层(2)，其特征在于：所述壳体(1)包括通过螺纹相互连接的进水壳体(1-1)和出水壳体(1-2)；所述进水壳体(1-1)外端设有进水口(5)和内螺纹(3-1)，该内螺纹(3-1)和拟与之相配合连接的常用塑料饮水瓶的外螺纹尺寸相互配合一致；所述出水壳体(1-2)外端设有出水口(6)和外螺纹(3-2)，该外螺纹(3-2)和拟与之相配合连接的常用塑料饮水瓶瓶盖的内螺纹尺寸相互配合一致；进水端固设有筛网挡板(4)；所述净水工艺层(2)由PP棉层(2-1)、片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层(2-2)、片状活性炭(2-3)和超滤膜(2-4)依次叠合后，用筛网挡板(4)将净水工艺层(2)按与壳体器壁垂直的方向封装固定在瓶盖内。
2.如权利要求1所述瓶盖式便携净水装置，特征在于：所述片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层按如下步骤制备：称取0.05-0.25g的醋酸钙及0.1-0.2g十六烷基三甲基溴化铵置于在10ml去离子水中，搅拌形成溶液A；再将0.04-0.2g磷酸二氢钠溶解于20ml去离子水中，并搅拌半个小时，形成溶液B；然后在搅拌条件下，将溶液A缓慢加入溶液B中，并用盐酸将其pH值调制到4.5，将所得到的透明溶液转移至50-70ml的聚四氟乙烯高压釜中，在600-1200W的微波反应器中加热至100℃并保温5-100分钟后自然冷却至室温，离心收集白色产物，再对白色产物进行数次去离子水和无水乙醇洗涤后，放入真空干燥箱中50℃干燥10h，即得片状海胆状羟基磷灰石仿生纳米材料层；将片状海胆状羟基磷灰石置于反应器中，抽真空，然后通入氮气，系统压力通过针阀调节为5-80Pa，然后将射频功率保持在100-250W，反应5-30分钟；然后关闭电源，在反应器内外压力逐渐平衡后取出样品，即得到等离子体改性的片状海胆状羟基磷灰石。
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