CN108623061A - 一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置及方法，所述装置中含有石墨烯过滤膜，待处理的海水或污水通过陶瓷过滤层，可以实现水体的第一次净化处理；第一次过滤的水通过石墨烯过滤膜后，再次被过滤，得到第二次过滤的水，同时所述石墨烯过滤膜有吸热和传热的作用，可以对穿过膜的水进行蒸发，实现第三次净化，从而制备得到纯净水；所述装置可以充分利用太阳能，节能环保，将污水净化处理，得到纯净水；不仅如此，所述装置还可以用于海水淡化等技术领域；所述装置具有简单、净化完全、易于操作、净化周期较短、既可以小规模生产也可以实现大规模的生产需求等优点。
Description
技术领域
本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置及使用该装置的一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯方法。
背景技术
众所周知，地球水资源丰富，但是可供人直接饮用的淡水仅占其中的2.53％。海水淡化是一项水资源的开源增量技术，不仅如此，对生活污水、工业废水等污水的回收再利用也是一项水资源的增量技术。
目前，对于污水处理主要有以下几种方法：(1)物理化学法，其主要包括对悬浮物、粒子、色度和有毒化学物的沉积、浮选、吸附、筛选、凝固、氧化、臭氧化作用、电解、反渗透、超滤和纳滤等。主要工艺有沉积和浮选、凝固和沉淀作用、吸附作用、化学氧化作用、膜过滤、臭氧化作用等；(2)生物法，其主要包括活性污泥法、好氧塘、好氧生物反应器、厌氧处理、真菌处理等；(3)其他方法，如利用活化粉煤灰，改进的A/O工艺等处理造纸废水。不同的污水处理方法可以对不同来源的污水进行处理，而针对每一种污水类型，也有适合其的处理方法。例如：微电解法适用于工业水的处理，特别是针对有机物浓度大、高毒性、高色度、难生化废水的处理，可大幅度地降低废水的色度和COD，提高B/C比值即提高废水的可生化性；可广泛应用于印染、化工、电镀、制浆造纸、制药、洗毛、农药、酒精等各类工业废水的处理及处理水回用工程。但是其存在一个最大的缺点，就是在污水净化处理过程中，需要通入大量的电能，这对于大规模生产并不适用，不仅消耗了大量的电能，还可能由于电能的开发而浪费更多的核能、生物质、煤炭等其他能源，更为严重的是带来一系列其他的环境污染问题。
当前的海水淡化方法主要有蒸馏法和反渗透法两种，蒸馏法需要消耗大量的热源，反渗透法虽然具有更高的脱盐率和更低的能耗，但是成本高、不利于产业化，有待开发新的技术。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置，所述装置可以充分利用太阳能，节能环保，将海水淡化或污水净化提纯，得到纯净水；所述装置具有简单、提纯完全、易于操作、提纯周期较短、既可以小规模生产也可以实现大规模的生产需求等优点。
本发明的另一个目的在于提供一种采用上述装置的基于太阳能的海水淡化或污水提纯方法。
本发明目的是通过如下技术内容实现的：
一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置，所述装置包括石墨烯反应器，用于海水淡化或污水提纯；和纯净水接收器，用于纯净水收集；
所述石墨烯反应器为立式，包括筒体、菲涅尔透镜、聚光漏斗、石墨烯过滤膜、出水口和陶瓷过滤层；
所述筒体上部与聚光漏斗连接；
所述菲涅尔透镜与聚光漏斗上部密封连接，所述石墨烯过滤膜与聚光漏斗下部密封连接，所述菲涅尔透镜、聚光漏斗与石墨烯过滤膜围合形成密封的空间；
所述聚光漏斗的内壁有一层吸热涂层；
所述石墨烯过滤膜与所述陶瓷过滤层的上表面接触；
所述陶瓷过滤层的上表面除与石墨烯过滤膜接触的部分之外的部分有一层密封涂层，所述密封涂层与所述聚光漏斗下部的外壁密封连接；
所述陶瓷过滤层位于反应器筒体底部；
所述纯净水接收器包括虹吸管和纯净水接收装置；所述聚光漏斗侧壁上部连接有一出水口，所述出水口穿过筒体侧壁、与所述虹吸管的一端连接，虹吸管的另一端位于所述纯净水接收装置中的底部。
根据本发明，所述菲涅尔透镜位于反应器筒体顶部，起吸收并聚焦阳光的作用。
根据本发明，所述的纯净水接收装置选自带盖器皿，如带盖玻璃瓶等。
根据本发明，所述虹吸管在所述纯净水收集装置中的底部时，需要被水浸没，所述纯净水收集装置的顶部需要超过水平面，从而起到纯净水冷却作用。
根据本发明，所述反应器筒体用粗糙的黑色陶瓷制成，起到吸热的作用。
如前所述，所述聚光漏斗的内壁设置了一层吸热涂层，该涂层是用来快速吸收来自太阳能的热量，以便保持所述菲涅尔透镜、聚光漏斗与石墨烯过滤膜围合形成密封空间的温度。
根据本发明，所述密封涂层选自黑色吸热涂层，优选为黑色石墨烯涂层。
根据本发明，所述的石墨烯过滤膜的厚度小于等于3mm。
根据本发明，所述的聚光漏斗上部的直径与筒体内径相当。
根据本发明，所述的陶瓷过滤层选自多孔陶瓷。
根据本发明，所述密封涂层上设置一开口，通过阀与加压设备相连；需要时为陶瓷过滤层加压。
根据本发明，所述装置还包括一个或多个挽手，设置在筒体外壁，用于拿放和/或固定所述装置，也可起到避免人体直接接触高热的设备。
本发明还提供一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯方法，所述方法采用上述的基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置。
根据本发明，所述方法具体包括以下步骤：
S1.将所述装置放置于待处理的污水或海水中，所述装置漂浮在所述水中；
S2.待处理的污水或海水通过陶瓷过滤层，实现水体第一次净化；
S3.通过陶瓷过滤层的过滤水通过石墨烯过滤膜进入聚光漏斗中，实现第二次水体净化；
S4.利用聚光漏斗中的热量，将进入到聚光漏斗中的第二次过滤水蒸发成水蒸气，实现第三次水体净化；然后，将所述水蒸气通过出水口和虹吸管排放至纯净水收集装置中。
根据本发明，所述虹吸管在所述纯净水收集装置中的底部时，需要被水浸没，所述纯净水收集装置的顶部需要超过水平面，从而起到纯净水冷却作用。
根据本发明，步骤S3和S4中，当石墨烯过滤膜、菲涅尔透镜和聚光漏斗所形成的密封空间的温度超过形成可抽取待处理水体的临界大气压所需的温度时，该密封空间内的临界大气压能够形成局部的抽吸力，即负压，从而使得通过陶瓷过滤层的过滤水通过石墨烯过滤膜进入聚光漏斗中，实现第二次水体净化；在所述密封空间内的高温加热下，进入到聚光漏斗中的第二次过滤水被迅速蒸发形成水蒸气，实现第三次水体净化；
若石墨烯过滤膜、菲涅尔透镜和聚光漏斗所形成的密封空间的温度达不到形成可抽取待处理水体的临界大气压所需要的温度时，该密封空间内的临界大气压形成的抽吸力不足以使得通过陶瓷过滤层的过滤水穿过石墨烯过滤膜，可采用施加外部压力的方法，把经陶瓷过滤层过滤后得到的过滤水压入到聚光漏斗内，完成第二次和第三次的水体净化。
本发明中，所述石墨烯过滤膜、聚光漏斗和菲涅尔透镜围合形成的密封空间可形成负压空间，用于降低过滤水表面的蒸气压，从而降低过滤水所需的蒸发温度；同时，加速海水或污水通过陶瓷过滤层的过滤效率。
本发明中，所述石墨烯过滤膜、聚光漏斗和菲涅尔透镜围合形成的密封空间的热量来源于太阳光透过菲涅尔透镜并聚焦太阳光至石墨烯过滤膜上，石墨烯过滤膜吸热并放热，可以使经过石墨烯过滤膜过滤后的水进行加热和蒸发。
本发明中，所述石墨烯过滤膜中的石墨烯分子结构紧密，所以污水或海水中只有水分子能通过，而其他杂质不能通过，从而可以用来实现经陶瓷过滤层过滤后的过滤水的进一步净化。
根据本发明，所述石墨烯过滤膜的清洗用干净的抹布抹洗即可。
根据本发明，所述的聚光漏斗的清洗只需要打开菲涅尔透镜，用干净的抹布抹洗即可。
根据本发明，所述的陶瓷过滤层的清洗需要泡在清水中，清洗表面的盐及杂质。
本发明的有益效果：
本发明提供一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置及方法，所述装置中含有石墨烯过滤膜，待处理的海水或污水通过陶瓷过滤层，可以实现水体的第一次净化处理；第一次过滤的水通过石墨烯过滤膜后，再次被过滤，得到第二次过滤的水，同时所述石墨烯过滤膜有吸热和传热的作用，可以对穿过膜的水进行蒸发，实现第三次净化，从而制备得到纯净水；所述装置可以充分利用太阳能，节能环保，将污水净化处理，得到纯净水；不仅如此，所述装置还可以用于海水淡化等技术领域；所述装置具有简单、净化完全、易于操作、净化周期较短、既可以小规模生产也可以实现大规模的生产需求等优点。
附图说明
图1为本发明所述的一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置；
其中，1石墨烯反应器；2菲涅尔透镜；3聚光漏斗；4石墨烯过滤膜；5高热蒸发区；6陶瓷过滤层；7出水口；8纯净水接收器；9负压空间；10虹吸管；11挽手；12太阳光；13筒体；14纯净水接收装置。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外，应理解，在阅读了本发明所记载的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本发明所限定的范围。
一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置，所述装置包括石墨烯反应器1，用于海水淡化或污水提纯；和纯净水接收器8，用于纯净水收集；
所述石墨烯反应器为立式，包括筒体13、菲涅尔透镜2、聚光漏斗3、石墨烯过滤膜4、出水口7和陶瓷过滤层6；
所述筒体13上部与聚光漏斗3连接；
所述菲涅尔透镜2与聚光漏斗3上部密封连接，所述石墨烯过滤膜4与聚光漏斗3下部密封连接，所述菲涅尔透镜2、聚光漏斗3与石墨烯过滤膜4围合形成密封的空间；
所述聚光漏斗3的内壁有一层吸热涂层；
所述石墨烯过滤膜4与所述陶瓷过滤层6的上表面接触；
所述陶瓷过滤层6的上表面除与石墨烯过滤膜4接触的部分之外的部分有一层密封涂层，所述密封涂层与所述聚光漏斗3下部的外壁密封连接；
所述陶瓷过滤层6位于反应器筒体13底部；
所述纯净水接收器8包括虹吸管10和纯净水接收装置14；所述聚光漏斗3侧壁上部连接有一出水口7，所述出水口7穿过筒体13侧壁、与所述虹吸管10的一端连接，虹吸管10的另一端位于所述纯净水接收装置14中的底部。
在本发明的一个优选实施方式中，所述菲涅尔透镜位于反应器筒体顶部。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的纯净水接收装置选自带盖器皿，如带盖玻璃瓶等。所述虹吸管在所述纯净水收集装置中的底部时，需要被水浸没，所述纯净水收集装置的顶部需要超过水平面，从而起到纯净水冷却作用。
在本发明的一个优选实施方式中，所述反应器筒体用粗糙的黑色陶瓷制成。
在本发明的一个优选实施方式中，所述聚光漏斗的内壁设置了一层吸热涂层，该涂层是用来快速吸收来自太阳能的热量，以便保持所述菲涅尔透镜、聚光漏斗与石墨烯过滤膜围合形成密封空间的温度。
在本发明的一个优选实施方式中，所述密封涂层选自黑色吸热涂层，优选为黑色石墨烯涂层。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的石墨烯过滤膜的厚度为3mm。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的聚光漏斗上部的直径与筒体内径相当。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的陶瓷过滤层选自多孔陶瓷。
在本发明的一个优选实施方式中，所述密封涂层上设置一开口，通过阀与加压设备相连；需要时为陶瓷过滤层加压。
在本发明的一个优选实施方式中，所述装置还包括在筒体外壁上设置的一个或多个挽手。
使用时，将所述装置放置于待处理的污水或海水中，利用所述装置的重力，其可以漂浮在所述水中(所述陶瓷过滤层6位于水平面以下)；利用重力和毛细管效应，底部的待处理的污水或海水被吸附并通过陶瓷过滤层6，进入到所述石墨烯反应器1中，实现水体第一次净化；通过陶瓷过滤层6的过滤水在负压的作用下会通过石墨烯过滤膜4进入聚光漏斗3中，实现第二次水体净化；聚光漏斗3表面吸热材料吸收到的热量、和菲涅尔透镜2聚焦后产生的热量以及石墨烯过滤膜4本身的导热能力使得所述石墨烯过滤膜、菲涅尔透镜和聚光漏斗所形成的密封空间，即高热蒸发区5产生高温，并将进入到聚光漏斗3中的第二次过滤水蒸发成水蒸气，实现第三次水体净化，然后，所述水蒸气通过出水口7和虹吸管10排放至纯净水收集装置14中；
所述虹吸管10在所述纯净水收集装置14中的底部时，需要被水浸没，所述纯净水收集装置14的顶部需要超过水平面，从而起到纯净水冷却作用。
当石墨烯过滤膜4、菲涅尔透镜2和聚光漏斗3所形成的密封空间的温度超过形成可抽取待处理水体的临界大气压所需的温度时，该密封空间内的临界大气压能够形成局部的抽吸力，即负压，从而使得通过陶瓷过滤层6的过滤水通过石墨烯过滤膜6进入聚光漏斗3中，实现第二次水体净化；在所述密封空间内的高温加热下，进入到聚光漏斗3中的第二次过滤水被迅速蒸发形成水蒸气，实现第三次水体净化；
若石墨烯过滤膜4、菲涅尔透镜2和聚光漏斗3所形成的密封空间的温度达不到形成可抽取待处理水体的临界大气压所需要的温度时，该密封空间内的临界大气压形成的抽吸力不足以使得通过陶瓷过滤层6的过滤水穿过石墨烯过滤膜4，可采用施加外部压力的方法，把经陶瓷过滤层6过滤后得到的过滤水压入到聚光漏斗3内，完成第二次和第三次的水体净化。
所述石墨烯过滤膜4、聚光漏斗3和菲涅尔透镜2围合形成的密封空间可形成负压空间，用于降低过滤水表面的蒸气压，从而降低过滤水所需的蒸发温度；同时，加速海水或污水通过陶瓷过滤层的过滤效率。
所述石墨烯过滤膜4、聚光漏斗3和菲涅尔透镜2围合形成的密封空间的热量来源于太阳光透过菲涅尔透镜2并聚焦太阳光至石墨烯过滤膜4上，石墨烯过滤膜4吸热并放热，可以使经过石墨烯过滤膜4过滤后的水进行加热和蒸发。
所述石墨烯过滤膜4中的石墨烯分子结构紧密，所以污水或海水中只有水分子能通过，而其他杂质不能通过，从而可以用来实现经陶瓷过滤层过滤后的过滤水的进一步净化。
在本发明的一个优选实施方式中，所述石墨烯过滤膜的清洗用干净的抹布抹洗即可。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的聚光漏斗的清洗只需要打开菲涅尔透镜，用干净的抹布抹洗即可。
在本发明的一个优选实施方式中，所述的陶瓷过滤层的清洗需要泡在清水中，清洗表面的盐及杂质。
以上，对本发明的实施方式进行了说明。但是，本发明不限定于上述实施方式。凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置，其特征在于，所述装置包括石墨烯反应器，用于海水淡化或污水提纯；和纯净水接收器，用于纯净水收集；
所述石墨烯反应器为立式，包括筒体、菲涅尔透镜、聚光漏斗、石墨烯过滤膜、出水口和陶瓷过滤层；
所述筒体上部与聚光漏斗连接；
所述菲涅尔透镜与聚光漏斗上部密封连接，所述石墨烯过滤膜与聚光漏斗下部密封连接，所述菲涅尔透镜、聚光漏斗与石墨烯过滤膜围合形成密封的空间；
所述聚光漏斗的内壁有一层吸热涂层；
所述石墨烯过滤膜与所述陶瓷过滤层的上表面接触；
所述陶瓷过滤层的上表面除与石墨烯过滤膜接触的部分之外的部分有一层密封涂层，所述密封涂层与所述聚光漏斗下部的外壁密封连接；
所述陶瓷过滤层位于反应器筒体底部；
所述纯净水接收器包括虹吸管和纯净水接收装置；所述聚光漏斗侧壁上部连接有一出水口，所述出水口穿过筒体侧壁、与所述虹吸管的一端连接，虹吸管的另一端位于所述纯净水接收装置中的底部。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述菲涅尔透镜位于反应器筒体顶部。
优选地，所述的纯净水接收装置选自带盖器皿，如带盖玻璃瓶等。
优选地，所述虹吸管在所述纯净水收集装置中的底部时，需要被水浸没，所述纯净水收集装置的顶部需要超过水平面，从而起到纯净水冷却作用。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述反应器筒体用粗糙的黑色陶瓷制成。
4.根据权利要求1-3中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述密封涂层选自黑色吸热涂层，优选为黑色石墨烯涂层。
5.根据权利要求1-4中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述的聚光漏斗上部的直径与筒体内径相当。
优选地，所述的石墨烯过滤膜的厚度小于等于3mm。
优选地，所述的陶瓷过滤层选自多孔陶瓷。
优选地，所述密封涂层上设置一开口，通过阀与加压设备相连；需要时为陶瓷过滤层加压。
6.根据权利要求1-5中任一项权利要求所述的装置，其特征在于，所述装置还包括一个或多个挽手，设置在筒体外壁。
7.一种基于太阳能的海水淡化或污水提纯方法，所述方法采用权利要求1-6中任一项所述的基于太阳能的海水淡化或污水提纯装置。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法具体包括以下步骤：
S1.将所述装置放置于待处理的污水或海水中，所述装置漂浮在所述水中；
S2.待处理的污水或海水通过陶瓷过滤层，实现水体第一次净化；
S3.通过陶瓷过滤层的过滤水通过石墨烯过滤膜进入聚光漏斗中，实现第二次水体净化；
S4.利用聚光漏斗中的热量，将进入到聚光漏斗中的第二次过滤水蒸发成水蒸气，实现第三次水体净化；然后，将所述水蒸气通过出水口和虹吸管排放至纯净水收集装置中。
9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述虹吸管在所述纯净水收集装置中的底部时，需要被水浸没，所述纯净水收集装置的顶部需要超过水平面，从而起到纯净水冷却作用。
优选地，步骤S3和S4中，当石墨烯过滤膜、菲涅尔透镜和聚光漏斗所形成的密封空间的温度超过形成可抽取待处理水体的临界大气压所需的温度时，该密封空间内的临界大气压能够形成局部的抽吸力，即负压，从而使得通过陶瓷过滤层的过滤水通过石墨烯过滤膜进入聚光漏斗中，实现第二次水体净化；在所述密封空间内的高温加热下，进入到聚光漏斗中的第二次过滤水被迅速蒸发形成水蒸气，实现第三次水体净化；
若石墨烯过滤膜、菲涅尔透镜和聚光漏斗所形成的密封空间的温度达不到形成可抽取待处理水体的临界大气压所需要的温度时，该密封空间内的临界大气压形成的抽吸力不足以使得通过陶瓷过滤层的过滤水穿过石墨烯过滤膜，可采用施加外部压力的方法，把经陶瓷过滤层过滤后得到的过滤水压入到聚光漏斗内，完成第二次和第三次的水体净化。
10.根据权利要求8或9所述的方法，其特征在于，所述石墨烯过滤膜的清洗用干净的抹布抹洗即可。
优选地，所述的聚光漏斗的清洗只需要打开菲涅尔透镜，用干净的抹布抹洗即可。
优选地，所述的陶瓷过滤层的清洗需要泡在清水中，清洗表面的盐及杂质。
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