CN110984290A - 一种仿植物根系集水装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种仿植物根系集水装置，包括NaCl溶液储存腔、超亲水复合材料纤维膜、亲水性纳滤膜、橡胶活塞、弹簧支撑装置、限位装置、位移传感器、淡水收集箱、反渗透装置、高压泵、减压阀、管道开关和浓盐水进水口；NaCl溶液储存腔内的低浓度NaCl溶液通过下部管路出口进入高压泵，提高了溶液的进水压力，再经过反渗透装置后淡水进入淡水收集箱，高压浓盐水经过减压阀减压后返回NaCl溶液储存腔。本发明一种仿植物根系集水装置首次尝试从土壤中获取水分，由于土壤与水的结合力比较强，所以本发明采用超亲水复合材料纤维膜以及高浓度NaCl溶液的高渗透压，强势从土壤中夺取水分，得到浓度较低的NaCl溶液；之后利用反渗透装置除盐达到持续获得淡水的目的。

Description

一种仿植物根系集水装置

技术领域

本发明属于制水设备技术领域，具体涉及一种仿植物根系集水装置。

背景技术

随着全球经济高速发展，人口数量持续增加，全球淡水资源短缺成为了一个急需解决的问题。地球大气层的厚度有十万米，其中水蒸气含量可达425g/m 3，因此从空气中制水是一种缓解淡水资源短缺行之有效的方案。但是与土壤中的含水量相比，空气中的含水量基本就是九牛一毛。从土壤中获取淡水资源也是一种很好的选择，但是由于水与土壤的结合力比较大，想从土壤中夺取水分困难是很大的。

对于陆生植物来说，土壤中的水分从土壤流向植物根系表面，穿过根系表面进入木质部，由根部的木质部经过茎部的木质部输送到叶片的木质部，再到叶内蒸腾部位，最后转化为气态转移到外界大气中去，这样就形成了一个连续的动态系统。在这个过程中，植物根系吸水起着重要作用。

陆生植物生长发育、新陈代谢等过程都离不开水资源，植物从土壤中吸水主要依靠其根部组织。植物根系的吸水机制分为两种，一种是在蒸腾作用较弱的情况下由于离子浓度的差异而使根内外产生水势差引起的主动吸水；另一种是在蒸腾作用较强的情况下由于蒸腾作用产生的水势差而使根系吸水-被动吸水。正常情况下，这两种吸水作用不是单独存在的。

静电纺丝技术分为熔体静电纺丝技术和溶液静电纺丝技术，是一种新兴的制造技术，是利用高压电场产生的静电力来拉伸聚合物液滴，当电场力足够大的时候，克服了聚合物表面张力的作用进而形成了微米或纳米级的纤维，沉积在负极接收板上，形成类似于无纺布的微米级纤维膜、纳米级纤维膜。由于静电纺丝技术操作简单、效率高，已被普遍用于制备微米纤维以及纳米纤维，进而生产出各种孔径在微米级尺度以及纳米级尺度的纤维膜。

鉴于淡水资源严重缺乏，有必要建立一个快速高效从土壤中制水的装置，进一步净化后作为饮用水使用。本发明通过模拟植物根系集水机理，利用渗透压来进行高效制水。

发明内容

本发明针对现有淡水资源缺乏的问题，提出了一种仿植物根系集水装置。其中利用超亲水复合材料纤维膜和高浓度NaCl溶液(NaCl质量分数在15％-30％)，可以有效地从土壤中夺取水分。该装置中的NaCl溶液储存腔容积可变，液面增加量与弹簧的位移量相等，保证了超亲水复合材料纤维膜与土壤表面始终接触，在这种情况下，由于土壤中的水与NaCl溶液存在较大的渗透压差，土壤中的水分先吸附在超亲水复合材料纤维膜上，进而在渗透压的作用下通过亲水性纳滤膜进入NaCl溶液中；超亲水复合材料纤维膜下面的亲水性纳滤膜，阻止了NaCl溶液中的Na+和Cl-渗透到土壤中去；这种方式克服了土壤与水较强的结合力的问题，利用高浓度NaCl溶液的高渗透压以及超亲水复合材料纤维膜的极低水接触角强势从土壤中夺取水分，快速有效地从土壤中获取水资源；此外采用反渗透装置对收集的溶液进行过滤，通过高压泵提高进水压力进而克服渗透压，水分子就可以穿过复合反渗透膜，再经过管路的传输，淡水就进入了淡水储存装置，而复合反渗透膜上方的高压高浓度NaCl溶液经过减压阀减压后通过管路返回NaCl溶液储存腔；反渗透装置中采用U形管设计，确保复合反渗透膜下方与水接触，减小了盐水的反渗透阻力，进一步减小了功率消耗；该装置采用太阳能电池板供电，使用逆变器将直流电源改变为交流电，供高压泵使用。该装置中超亲水复合材料纤维膜和亲水性纳滤膜具有较小的孔径，可以阻挡大量的颗粒物以及其他污染物，起到了对收集的水进行初步过滤的作用。

本发明所采用的技术方案是：一种仿植物根系集水装置，包括：NaCl溶液储存腔、超亲水复合材料纤维膜、亲水性纳滤膜、橡胶活塞、弹簧支撑装置、限位装置、位移传感器、淡水收集箱、反渗透装置、高压泵、减压阀、管道开关和浓盐水进水口；其中NaCl溶液储存腔上端不封口，亲水性纳滤膜漂浮于NaCl溶液表面，超亲水复合材料纤维膜放置于亲水性纳滤膜上，腔室下部有一个橡胶活塞，橡胶活塞套在弹簧支撑装置上，NaCl溶液储存腔底部装有限位装置，当位移传感器测得活塞的位移到达极限时，限位装置会旋转弹出一个销钉插入弹簧支撑装置的凹槽中，活塞就会被固定，不再从土壤中集水，NaCl溶液储存腔内的低浓度NaCl溶液通过下部管路出口进入高压泵，提高了溶液的进水压力，再经过反渗透装置后淡水进入淡水收集箱，高压浓盐水经过减压阀减压后返回NaCl溶液储存腔。此外该装置中的所有管路连接均需要添加密封件，避免压力损失，使水无损高效地传输到淡水收集箱。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其装置中的NaCl溶液储存腔其材料可以是聚乙烯、聚氯乙烯和聚丙烯等，形状为厚壁圆筒，该组件可以通过挤出成型或3D打印等方法制造。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其装置中的超亲水复合材料纤维膜其水接触角在10°-30°之间；孔径在10μm-20μm之间；孔隙率在80％到90％之间。该超亲水复合材料纤维膜可以使用溶液静电纺丝技术制备，其中一种制备方法为把聚乙烯醇和聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺溶液(DMF)中，并向其中加入亲水性纳米粒子，将其搅拌均匀后就得到了纺丝溶液；其中亲水性纳米粒子可以为亲水性二氧化硅颗粒、亲水性氧化锌颗粒、亲水性石墨烯颗粒等，颗粒的直径为15-20nm。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其亲水性纳滤复合膜孔径为1-2nm，其水接触角在10°-30°之间。其中一种方法为以哌嗪、壳聚糖和均苯三甲酰氯为原料，通过界面聚合法制备出亲水性纳滤复合膜。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其弹簧支撑装置底端与NaCl溶液储存腔底部固定连接，六个弹簧呈正六边形分布，弹簧支撑装置顶端与橡胶活塞套在一起，控制橡胶活塞的移动，并且确保NaCl溶液储存腔的密封；当弹簧的弹性系数为k，NaCl溶液储存腔的底面面积为A，溶液密度为：ρ，重力加速度为g，液面增加量为h，弹簧位移量为x，h＝kx/ρgA，只要当kx/ρg＝1就使得弹簧的位移量与液面增加量相同，确保超亲水复合材料纤维膜与土壤一直接触。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其限位装置固定在NaCl溶液储存腔底部，当位移传感器测得活塞的位移到达极限时，限位装置会旋转弹出一个销钉插入弹簧支撑装置的凹槽中，活塞被固定不能再次移动，也无法从土壤中获得水分，此时浓度较低的NaCl溶液通过下方管路出口进入高压泵中。当初始NaCl溶液浓度为25％，NaCl溶液储存腔的底面面积为100cm²，最初加入的NaCl溶液为1000ml，要求最终NaCl溶液的浓度不得低于10％；初始溶液高度为10cm，最终溶液高度为28cm左右，大约从土壤中获得了1800ml水，也就是说当活塞位移距离为18cm时，限位装置弹出销钉，限制橡胶活塞的进一步运动。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其高压泵可以在短时间内提高进水压力，可以达到7MPa以上，有足够的动力使水分子穿过复合反渗透膜(渗透阻力小于7MPa)，其可以为多级离心泵、高压柱塞泵等。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其反渗透装置由过滤腔、浓盐水出水口和U形管路组成；浓盐水出水口管路连通减压阀，浓盐水(浓度大于25％)经过减压后返回NaCl溶液储存腔；过滤腔内固定有复合反渗透膜。其复合反渗透膜由致密层和多孔支撑层两层组成；其多孔支持层材料可以为聚砜、聚丙烯和聚丙烯腈等；其致密层材料可以为芳香聚酰胺、哌嗪酰胺、丙烯-烷基聚酰胺与缩合尿素、糠醇与三羟乙基异氰酸酯、间苯二胺与均苯三甲酰氯等；其中一种制作方法为首先制作支撑层，然后在支撑层上设置交联聚酰胺层，得到初生态的聚酰胺膜，然后在初生态的聚酰胺膜的交联聚酰胺层上通过表面接枝的方法将亲水性聚合物接枝在交联聚酰胺层上，即得聚酰胺复合反渗透膜。该复合反渗透膜会阻挡Na+和Cl-的通过，但是水分子几乎不受影响，在进水压力大于渗透压的情况下，对Na+和Cl-的过滤效果超过98％，淡水通过U形管路进入淡水收集箱，压力较高的浓盐水从浓盐水出水口进入减压阀减压后返回NaCl溶液储存腔。

本发明为一种仿植物根系集水装置，淡水收集箱可以是各种塑料或其它材料的容器，如聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、玻璃、陶瓷、金属等，淡水收集箱内最好标有刻度。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其超亲水复合材料纤维膜采用溶液静电纺丝法制备，其对应的操作方法为：

第一步，配置纺丝溶液，使其尽可能搅拌均匀；

第二步，把纺丝溶液置于静电纺丝设备的注射器中，在注射器的金属针头与接收板间施加电场，在纺丝针头施加正的电压，接收板接地；

第三步，控制接收板的移动，使纤维沉积在一定区域，最后按照需要裁剪不同的形状以及尺寸。

本发明为一种仿植物根系集水装置，其对应的操作方法为：

第一步，在潮湿的土壤附近挖一个L形坑；

第二步，把装置放进L形坑中，通过浓盐水进水口加入一定量的浓盐水，使其上端漂浮的亲水性纳滤膜和超亲水复合材料纤维膜与土壤保持接触；

第三步，由于质量分数在15％-30％的NaCl溶液有极高的渗透压，并且超亲水复合材料纤维膜具有较小的水接触角，土壤中的水分先吸附在超亲水复合材料纤维膜上，进而通过渗透压克服亲水性纳滤膜的过滤阻力进入NaCl溶液中；当限位装置弹出后，活塞就会被固定，不再从土壤中集水，浓度较低的NaCl溶液通过下部管路出口进入高压泵，获得了较高的进水压力，再经过反渗透装置后淡水进入淡水收集箱，未通过复合反渗透膜的浓盐水通过减压阀减压后进入NaCl溶液储存腔。

第四步，几分钟后淡水收集箱中水位不再上升时，关闭限位装置，再通过浓盐水进水口加入一定量的浓盐水，开始新一轮的集水过程；在水收集满后及时更换新的淡水收集箱。

与现有技术相比，本发明的优点是：

1.该制水装置制作和操作简单，采用太阳能电池供电对环境友好，在土壤潮湿的区域可以持续制水，制水量较高；

2.该制水装置首次尝试从土壤中获取水分，由于土壤与水的结合力比较强，所以本发明采用超亲水复合材料纤维膜以及高浓度NaCl溶液的高渗透压，强势从土壤中夺取水分，得到浓度较低的NaCl溶液；之后利用反渗透装置除盐达到持续获得淡水的目的；本发明尤其在户外没有电能以及其他能源的情况下，仍然可以持续提供淡水，对于户外旅行以及探险团队有很大的帮助。

附图说明

图1为一种仿植物根系集水装置示意图；

图2为一种仿植物根系集水装置工作状态下的示意图；

图3为反渗透装置示意图。

图中：1-NaCl溶液储存腔；2-超亲水复合材料纤维膜；3-亲水性纳滤膜；4-橡胶活塞；5-弹簧支撑装置；6-限位装置；7-位移传感器；8-淡水收集箱；9-反渗透装置；10-高压泵；11-减压阀；12-管路开关；13-浓盐水进水口；14-过滤腔；15复合反渗透膜；16-U形管；17-浓盐水出水口。

具体实施方式

本发明所述的一种仿植物根系集水装置，如图1所示，包括NaCl溶液储存腔1、超亲水复合材料纤维膜2、亲水性纳滤膜3、橡胶活塞4、弹簧支撑装置5、限位装置6、位移传感器7、淡水收集箱8、反渗透装置9、高压泵10、减压阀11、管路开关12和浓盐水进水口13；其中NaCl溶液储存腔1上端不封口，通过浓盐水进水口13向NaCl溶液储存腔1中加入一定量的浓盐水，亲水性纳滤膜3漂浮于NaCl溶液表面，超亲水复合材料纤维膜2放置于亲水性纳滤膜3上；NaCl溶液储存腔1下部有一个橡胶活塞4，橡胶活塞4套在弹簧支撑装置5上，溶液高度的增加量与弹簧支撑装置5的位移相同，确保超亲水复合材料纤维膜2始终与土壤接触；NaCl溶液储存腔1底部存在限位装置6，当位移传感器7测得橡胶活塞4的位移到达极限时，限位装置6会旋转弹出一个销钉插入弹簧支撑装置5的凹槽中，橡胶活塞4就会被固定，不再从土壤中集水，NaCl溶液储存腔1内的低浓度NaCl溶液通过下部管路出口进入高压泵10中，提高了溶液的进水压力，再经过反渗透装置9后淡水进入淡水收集箱8，在管路开关12开启的情况下，复合反渗透膜15上方的高压浓盐水从浓盐水出水口17出去后经过减压阀11减压返回NaCl溶液储存腔1。此外该装置中的所有管路连接均需要添加密封件，避免压力损失，使水无损高效地传输到淡水收集箱8。

其中一种实施例如下：

1.在潮湿的土壤附近挖一个L形坑。

2.把装置放进L形坑中，通过浓盐水进水口加入一定量的浓盐水，使其上端漂浮的亲水性纳滤膜和超亲水复合材料纤维膜与土壤保持接触。

3.由于质量分数在15％-30％的NaCl溶液有极高的渗透压，并且超亲水复合材料纤维膜具有较小的水接触角，土壤中的水分先吸附在超亲水复合材料纤维膜上，进而通过渗透压克服亲水性纳滤膜的过滤阻力进入NaCl溶液中；当限位装置弹出后，活塞就会被固定，不再从土壤中集水，浓度较低的NaCl溶液通过下部管路出口进入高压泵，获得了较高的进水压力，再经过反渗透装置后淡水进入淡水收集箱，未通过复合反渗透膜的浓盐水通过减压阀减压后进入NaCl溶液储存腔。

4.几分钟后淡水收集箱中水位不再上升时，关闭限位装置，再通过浓盐水进水口加入一定量的浓盐水，开始新一轮的集水过程；在水收集满后及时更换新的淡水收集箱。

Claims (8)

1.一种仿植物根系集水装置，其特征在于：包括NaCl溶液储存腔、超亲水复合材料纤维膜、亲水性纳滤膜、橡胶活塞、弹簧支撑装置、限位装置、位移传感器、淡水收集箱、反渗透装置、高压泵、减压阀、管道开关和浓盐水进水口；其中NaCl溶液储存腔上端不封口，亲水性纳滤膜漂浮于NaCl溶液表面，超亲水复合材料纤维膜放置于亲水性纳滤膜上，腔室下部有一个橡胶活塞，橡胶活塞套在弹簧支撑装置上，NaCl溶液储存腔底部装有限位装置，当位移传感器测得活塞的位移到达极限时，限位装置会旋转弹出一个销钉插入弹簧支撑装置的凹槽中，活塞就会被固定，不再从土壤中集水，NaCl溶液储存腔内的低浓度NaCl溶液通过下部管路出口进入高压泵，提高了溶液的进水压力，再经过反渗透装置后淡水进入淡水收集箱，高压浓盐水经过减压阀减压后返回NaCl溶液储存腔。

2.根据权利要求1所述的一种仿植物根系集水装置，其特征在于：NaCl溶液储存腔的材料是聚乙烯、聚氯乙烯或聚丙烯，形状为厚壁圆筒。

3.根据权利要求1所述的一种仿植物根系集水装置，其特征在于：超亲水复合材料纤维膜其水接触角在10°-30°之间；孔径在10μm-20μm之间；孔隙率在80％到90％之间。

4.根据权利要求1所述的一种仿植物根系集水装置，其特征在于：超亲水复合材料纤维膜由聚乙烯醇、聚丙烯腈溶于二甲基甲酰胺溶液纺丝得到，并向其中加入亲水性纳米粒子，将其搅拌均匀后就得到了纺丝溶液；其中亲水性纳米粒子可以为亲水性二氧化硅颗粒、亲水性氧化锌颗粒、亲水性石墨烯颗粒等，颗粒的直径为15-20nm。

5.根据权利要求1所述的一种仿植物根系集水装置，其特征在于：弹簧支撑装置底端与NaCl溶液储存腔底部固定连接，六个弹簧呈正六边形分布，弹簧支撑装置顶端与橡胶活塞套在一起，控制橡胶活塞的移动，并且确保NaCl溶液储存腔的密封。

6.根据权利要求1所述的一种仿植物根系集水装置，其特征在于：限位装置固定在NaCl溶液储存腔底部，当位移传感器测得活塞的位移到达极限时，限位装置会旋转弹出一个销钉插入弹簧支撑装置的凹槽中。

7.根据权利要求1所述的一种仿植物根系集水装置，其特征在于：反渗透装置由过滤腔、浓盐水出水口和U形管路组成；浓盐水出水口管路连通减压阀，浓盐水经过减压后返回NaCl溶液储存腔；过滤腔内固定有复合反渗透膜；其复合反渗透膜由致密层和多孔支撑层两层组成；其多孔支持层材料可以为聚砜、聚丙烯和聚丙烯腈等；其致密层材料可以为芳香聚酰胺、哌嗪酰胺、丙烯-烷基聚酰胺与缩合尿素、糠醇与三羟乙基异氰酸酯、间苯二胺与均苯三甲酰氯等。

8.根据权利要求7所述的一种仿植物根系集水装置，其特征在于；在支撑层上设置交联聚酰胺层，得到初生态的聚酰胺膜，然后在初生态的聚酰胺膜的交联聚酰胺层上通过表面接枝的方法将亲水性聚合物接枝在交联聚酰胺层上，即得聚酰胺复合反渗透膜。

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