CN115142519A - 一种收集大气水产水的装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种收集大气水产水的装置，属于水收集装置技术领域。解决了水资源短缺的技术问题。本发明的收集大气水产水的装置，包括反应仓、吸附装置、连接管、收集装置、吸气装置和排气装置；反应仓为封闭容器；吸气装置和排气装置的外侧均与大气连通，内侧均与反应仓的内腔连通；吸附装置包括多个吸附板；连接管的一端与反应仓的内腔连通，另一端与收集装置密封连接。该装置可以快速吸附大气中的水分，并通过加热快速释放，通过冷凝，从而生产淡水。
Description
技术领域
本发明属于水收集装置技术领域，具体涉及一种收集大气水产水的装置。
背景技术
获得水资源对于改善全世界的人民的健康、生活水平和生产力至关重要。然而，预计到2050年，全球50％的人口将因地表水污染和地下水库枯竭而面临缺水问题。在这种情况下，淡水资源的时空分布不均尤其成问题，缺乏安全的淡水会导致健康和生活质量下降，并可能引发严重冲突。虽然改进水管理系统可以缓解一些国家的情况，但总体而言，补充淡水的生产是必要的，特别是在干旱地区。在这方面，海水淡化是一项强大的技术，但仅适用于沿海地区。因为经济和基础设施等相关因素使淡水的运输能力有限，内陆国家和发展中国家的农村地区不太可能从海水淡化中获得足够的安全用水。一种有效的方法就是直接从普遍存在的大气水蒸汽中生产水，这会大大降低水运输的成本和要求。更重要的是，这种方法可以在不污染环境的情况下提供安全饮用水。
现有的从大气中收集水的方法主要有三种：1.用网直接在雾中收集水；2.把水汽冷凝到其雾点之下来得到冷凝水；3.吸附剂辅助收集水。第一种方法虽然相对便宜且维护费用低，但在很大程度上依赖于雾的产生，因此其仅限于山区和沿海等多发大雾的地区，使其具有很大的地理局限性，无法被应用到缺水地区，特别是沙漠戈壁地带。第二种方法相对来说可以在任何地方使用，不具有地理局限性，但是其所耗费的能量和当地的气候有很大的关系。在干旱地区，由于大气相对湿度较低，想要把水汽冷凝到雾点所耗费的能量是巨大的，因此大大增加了其使用限制。作为对比，第三种方法吸附剂辅助的水收集可以解决以上问题，特别是其中的应用多孔材料的水收集是一种新兴的有效的水收集手段，其可以在低的相对湿度下进行水的吸收，并且在一定的温度或压力变化下下释放水汽，达到收集的目的，并且不受地理空间的限制是现在水收集研究的主要方向。而为了实现多孔材料辅助的大气中水分收集目的，就需要研发相配套的实施装置。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供一种收集大气水产水的装置，解决水资源短缺的问题，为收集大气水技术提供一种新装置。
为实现上述目的，采用以下技术方案：
本发明的收集大气水产水的装置，包括反应仓、吸附装置、连接管、收集装置、吸气装置和排气装置；
所述反应仓为封闭容器；
所述吸气装置和排气装置的外侧均与大气连通，内侧均与反应仓的内腔连通，吸气装置将大气吸入反应仓的内腔中，排气装置将吸附装置吸附的水汽吹入连接管中；
所述吸附装置包括多个吸附板，吸附板包括从上至下依次设置的第一固定框架、第一PTFE多孔膜、吸附材料、第二PTFE多孔膜和第二固定框架；吸附材料均匀分布于第一PTFE多孔膜和第二PTFE多孔膜之间，吸附材料吸附大气中的水汽；第一固定框架和第二固定框架固定连接；多个吸附板间隔固定；每个吸附板上均缠绕有加热丝；
所述连接管的一端与反应仓的内腔连通，连接管上设有阀门，连接管将吸附装置释放的水汽传输至收集装置；
所述收集装置与连接管的另一端密封连接，收集装置将水汽压缩或冷凝为水。
进一步的，所述反应仓外还设有保温仓，保温仓为封闭容器，反应仓固定在保温仓内，且反应仓的外表面与保温仓的内表面均有间隙。
进一步的，所述反应仓通过四个连接板固定在保温仓内，每个连接板的一侧与反应仓的两个侧面相交的棱连接，另一侧与保温仓的内侧面垂直连接。
进一步的，所述反应仓侧面上设有第一吸气孔、第一排气孔和第一传气孔，第一排气孔和第一传气孔设置在反应仓相对的两个面上；
吸气装置的数量与第一吸气孔的数量相同，一个吸气装置密封固定在一个第一吸气孔上，排气装置的数量与第一排气孔的数量相同，一个排气装置密封固定在一个第一排气孔上，连接管的数量与第一传气孔的数量相同，一个连接管的一端密封固定在一个第一传气孔上。
进一步的，所述反应仓侧面上设有第一吸气孔、第一排气孔和第一传气孔，第一排气孔和第一传气孔设置在反应仓相对的两个面上；
所述保温仓上与第一吸气孔、第一排气孔和第一传气孔相对应的位置设有第二吸气孔、第二排气孔和第二传气孔，吸气装置的数量与第一吸气孔的数量相同，一个吸气装置密封固定在一个第一吸气孔和第二吸气孔上，排气装置的数量与第一排气孔的数量相同，一个排气装置密封固定在一个第一排气孔和第二排气孔上，连接管的数量与第一传气孔的数量相同，一个连接管的一端密封固定在一个第一传气孔和第二传气孔上。
进一步的，所述反应仓由顶端开口的容器和密封盖组成，密封盖能够密封固定在顶端开口的容器的顶端开口上。
进一步的，所述吸附装置还包括多个连接杆、多个螺母和多个螺钉，第一固定框架和第二固定框架的结构相同，网格连接节点处均设有连接孔，第一固定框架和第二固定框架的部分连接孔经螺钉固定连接；多个吸附板的结构相同，且边缘对齐设置，每个连接杆从一个第一个吸附板的第一固定框架上剩余的连接孔穿入，依次穿过多个吸附板上与该连接孔同轴的连接孔，并从最后一个吸附板的第二固定框上与该连接孔同轴的连接孔穿出；连接杆的外表面设有外螺纹，相邻的两个吸附板之间通过套装在连接杆上的螺母间隔并固定位置。
进一步的，所述第一PTFE多孔膜和第二PTFE多孔膜的孔径均为1μm。
进一步的，所述吸附材料为SAPO-34。
进一步的，每片吸附板的厚度为1cm，相邻两片吸附板的间隔为2cm。
进一步的，所述反应仓的外轮廓为方体形，吸附装置外轮廓为立方体。
进一步的，所述反应仓、第一固定框架和第二固定框架的材料均为耐80-120℃的塑料。
进一步的，所述吸气装置和排气装置均为风扇。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
本发明的收集大气水产水的装置在多孔材料的吸附阶段可以使大气中的水分充分接触多孔材料，实现多孔材料的快速饱和吸附；在多孔材料水分的释放阶段通过对多孔材料进行加热，可以实现多孔材料孔道中水分子的快速释放，短时间内形成高湿度水汽，收集装置对多孔材料释放的高湿度水汽实现冷凝，从而生产淡水。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。
图1为本发明的收集大气水产水的装置的结构示意图；
图2为本发明的收集大气水产水的装置的反应仓和保温仓的结构示意图；
图3为本发明的收集大气水产水的装置的吸附装置的吸附板的结构示意图；
图4为本发明的收集大气水产水的装置的吸附装置的吸附板的结构示意图；
图5为本发明的收集大气水产水的装置的吸附装置的吸附板的结构示意图；
图6为本发明的收集大气水产水的装置的吸附装置的结构示意图；
图7为本发明实施例1的收集大气水产水的装置的吸附装置在25℃和90％相对湿度下的吸水曲线；
图8为本发明实施例1的收集大气水产水的装置的吸附装置在80℃下的热重释放曲线。
图中，1、反应仓，1-1、第一吸气孔，1-2、第一排气孔，1-3、第一传气孔，2、保温仓，3、连接板，4、吸附装置，4-1、第一固定框架，4-2、第一PTFE多孔膜，4-3、吸附材料，4-4、第二PTFE多孔膜，4-5、第二固定框架，4-6、连接孔，4-7、连接杆，4-8、螺母、4-9、电热丝，4-10、吸附板，4-11、螺钉，5、连接管，5-1、阀门，6、收集装置，7、吸气装置，8、排气装置。
具体实施方式
为了进一步理解本发明，下面对本发明优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点，而不是对本发明权利要求的限制。
如图1-6所示，本发明的收集大气水产水的装置包括反应仓1、吸附装置4、连接管5、收集装置6、吸气装置7和排气装置8。
上述技术方案中，反应仓1为封闭容器，形状没有特殊限制，通常外轮廓为方体形，如正方体或长方体。反应仓1上优选设有第一吸气孔1-1、第一排气孔1-2和第一传气孔1-3。且优选第一吸气孔1-1、第一排气孔1-2和第一传气孔1-3均设置在反应仓1的侧面上，第一排气孔1-2和第一传气孔1-3设置在反应仓1相对的两个面上。优选第一吸气孔1-1和第一传气孔1-3均为一个，第一排气孔1-1为四个。为方便吸附装置4的安装和更换，优选反应仓1由顶端开口的容器和密封盖组成，密封盖能够密封固定在顶端开口的容器的顶端开口上。优选反应仓1的材料为耐80-120℃的塑料。
吸气装置7和排气装置8的外侧与大气连通，内侧均与反应仓1的内腔连通。优选吸气装置7和排气装置8均为风扇。优选，吸气装置7的数量与第一吸气孔1-1的数量相同，一个吸气装置7密封固定在一个第一吸气孔1-1上，排气装置8的数量与第一排气孔1-2的数量相同，一个排气装置密封固定在一个第一排气孔1-2上。吸气装置7用于将大气吸入反应仓1的内腔中(在吸附装置4的吸附阶段)，排气装置8将吸附装置4吸附的水汽吹入连接管5中(在吸附装置4的脱水阶段)，且加快吸附装置4的脱水速率。
吸附装置4包括多个吸附板4-10。吸附板4-10包括从上至下依次设置的第一固定框架4-1、第一PTFE多孔膜4-2、吸附材料4-3、第二PTFE多孔膜4-4和第二固定框架4-5。吸附材料4-3均匀分布于第一PTFE多孔膜4-2和第二PTFE多孔膜4-4之间，优选吸附材料4-3为SAPO-34。优选第一PTFE多孔膜4-2和第二PTFE多孔膜4-4的孔径为1μm。第一固定框架4-1和第二固定框架4-5固定连接；优选第一固定框架4-1和第二固定框架4-5均为方形网格结构；材料均优选为耐120℃的塑料。优选吸附板4-10的厚度为1cm。多个吸附板4-10间隔固定。优选间隔为2cm。优选吸附板4-10共14片，吸附装置4外轮廓为立方体。优选吸附装置4还包括多个连接杆4-7、多个螺母4-8和多个螺钉4-11，第一固定框架4-1和第二固定框架4-5的结构相同，网格连接节点处均设有连接孔4-6，第一固定框架4-1和第二固定框架4-5的部分连接孔4-6经螺钉4-11固定连接；多个吸附板4-10的结构相同，且边缘对齐设置，每个连接杆4-7从一个第一个吸附板4-10的第一固定框架4-1上剩余的连接孔4-6穿入，依次穿过多个吸附板10上与该连接孔4-6同轴的连接孔4-6，并从最后一个吸附板4-10的第二固定框4-5上与该连接孔4-6同轴的连接孔4-6穿出；连接杆4-7的外表面设有外螺纹，相邻的两个吸附板4-10之间通过套装在连接杆4-7上的螺母4-8间隔并固定位置。每个吸附板4-10上均缠绕有加热丝4-9，加热丝4-9可以为多根，单独缠绕每片吸附板4-10，也可以为一根，依次缠绕每片吸附板4-10。优选加热丝4-9与排气装置8的电路连接，与排气装置8同时开启或者关闭。
连接管5的一端与反应仓1的内腔连通。连接管5上设有阀门5-1。优选连接管5的数量与第一传气孔1-3的数量相同，一个连接管5的一端密封固定在一个第一传气孔1-3上。连接管5将吸附装置4释放的高湿度水汽传输至收集装置7。
收集装置6与连接管5的另一端密封连接，收集装置6为冷凝器或压缩机。收集装置6将高湿度水汽压缩或冷凝为水。
上述技术方案中，由于吸附装置4在工作时需要保持一定温度(若吸附材料为SAPO-34，温度在80-120℃)，故优选反应仓1外还设有保温仓2，保温仓2为封闭容器，形状没有特殊限制，通常外轮廓为方体形，如正方体或长方体。反应仓1固定在保温仓2内，且反应仓1的外表面与保温仓2的内表面均有间隙。优选反应仓1通过四个连接板3固定在保温仓2内，每个连接板3的一侧与反应仓1的两个侧面相交的棱连接，另一侧与保温仓2的内侧面垂直连接。为保证吸气装置7和排气装置8的外侧与大气连通，内侧均与反应仓1的内腔连通。保温仓2上与第一吸气孔1-1、第一排气孔1-2和第一传气孔1-3相对应的位置设有第二吸气孔、第二排气孔和第二传气孔。吸气装置7密封固定在第一吸气孔1-1和第二吸气孔上，排气装置8密封固定在第一排气孔1-2和第二排气孔上。连接管5的一端密封固定在第一传气孔1-3和第二传气孔上。
本发明的收集大气水产水的装置的使用方法：在吸附阶段，打开吸气装置7，关闭阀门5-1，将大气从外界吸入到反应仓1的内腔中，吸附装置4内的吸附材料4-3吸附大气，达到一定湿度后(具体湿度依据大气湿度不同而不同，以大气湿度为A计算，该湿度≥A，可通过湿度传感器测定，也可人工判断)，进入脱附阶段，关闭吸气装置7，打开排气装置8，并加热加热丝4-9，打开阀门5-1，排气装置8将吸附材料4-3吸附的大气吹入连接管5中，并传输到收集装置6凝结出液态水，实现大气水收集的目的。
在本发明中所使用的术语，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，除非另有说明。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步的详细介绍。
在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂、装置、仪器、设备等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
以下结合实施例进一步说明本发明。
实施例1
采用具体实施方式中的装置，
吸附阶段，相对湿度90％吸附运行40min；
脱附阶段，加热到80℃运行60min；
结果表明，以吸附材料为100g SAPO-34计，吸附材料在25℃和90％相对湿度下吸水曲线，如图7所示，表明SAPO-34在此环境下40min即可从空气中吸附自身重量27％的水。
图8的TGA热重释放实验表明，SAPO-34在饱和吸附水分子后，80℃下16.6min可以释放总重量22.5％的水分子，既释放能力达到0.290g/g的水。
实施例2
采用具体实施方式中的装置，
吸附阶段，相对湿度90％吸附运行40min；
脱附阶段，加热到80℃运行60min；
结果表明，以吸附材料为1300g SAPO-34计，在脱附60min后收集到102g液态水，表明本发明的装置能够从干燥的环境中得到液态水，实现大气水收集作用。
显然，上述实施方式仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施例的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有实施例予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.收集大气水产水的装置，其特征在于，包括反应仓(1)、吸附装置(4)、连接管(5)、收集装置(6)、吸气装置(7)和排气装置(8)；
所述反应仓(1)为封闭容器；
所述吸气装置(7)和排气装置(8)的外侧均与大气连通，内侧均与反应仓(1)的内腔连通，吸气装置(7)将大气吸入反应仓(1)的内腔中，排气装置(8)将吸附装置(4)吸附的水汽吹入连接管(5)中；
所述吸附装置(4)包括多个吸附板(4-10)，吸附板(4-10)包括从上至下依次设置的第一固定框架(4-1)、第一PTFE多孔膜(4-2)、吸附材料(4-3)、第二PTFE多孔膜(4-4)和第二固定框架(4-5)；吸附材料(4-3)均匀分布于第一PTFE多孔膜(4-2)和第二PTFE多孔膜(4-4)之间，吸附材料(4-3)吸附大气中的水汽；第一固定框架(4-1)和第二固定框架(4-5)固定连接；多个吸附板(4-10)间隔固定；每个吸附板(4-10)上均缠绕有加热丝(4-9)；
所述连接管(5)的一端与反应仓(1)的内腔连通，连接管(5)上设有阀门(5-1)，连接管(5)将吸附装置(4)释放的水汽传输至收集装置(7)；
所述收集装置(6)与连接管(5)的另一端密封连接，收集装置(6)将水汽压缩或冷凝为水。
2.根据权利要求1所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，所述反应仓(1)外还设有保温仓(2)，保温仓(2)为封闭容器，反应仓(1)固定在保温仓(2)内，且反应仓(1)的外表面与保温仓(2)的内表面均有间隙。
3.根据权利要求2所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，所述反应仓(1)通过四个连接板(3)固定在保温仓(2)内，每个连接板(3)的一侧与反应仓(1)的两个侧面相交的棱连接，另一侧与保温仓(2)的内侧面垂直连接。
4.根据权利要求1-3任何一项所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，
所述反应仓(1)侧面上设有第一吸气孔(1-1)、第一排气孔(1-2)和第一传气孔(1-3)，第一排气孔(1-2)和第一传气孔(1-3)设置在反应仓(1)相对的两个面上；
吸气装置(7)的数量与第一吸气孔(1-1)的数量相同，一个吸气装置(7)密封固定在一个第一吸气孔(1-1)上，排气装置(8)的数量与第一排气孔(1-2)的数量相同，一个排气装置密封固定在一个第一排气孔(1-2)上，连接管(5)的数量与第一传气孔(1-3)的数量相同，一个连接管(5)的一端密封固定在一个第一传气孔(1-3)上。
5.根据权利要求2-3任何一项所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，
所述反应仓(1)侧面上设有第一吸气孔(1-1)、第一排气孔(1-2)和第一传气孔(1-3)，第一排气孔(1-2)和第一传气孔(1-3)设置在反应仓(1)相对的两个面上；
所述保温仓(2)上与第一吸气孔(1-1)、第一排气孔(1-2)和第一传气孔(1-3)相对应的位置设有第二吸气孔、第二排气孔和第二传气孔，吸气装置(7)的数量与第一吸气孔(1-1)的数量相同，一个吸气装置(7)密封固定在一个第一吸气孔(1-1)和第二吸气孔上，排气装置(8)的数量与第一排气孔(1-2)的数量相同，一个排气装置(8)密封固定在一个第一排气孔(1-2)和第二排气孔上，连接管(5)的数量与第一传气孔(1-3)的数量相同，一个连接管(5)的一端密封固定在一个第一传气孔(1-3)和第二传气孔上。
6.根据权利要求1-3任何所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，所述反应仓(1)由顶端开口的容器和密封盖组成，密封盖能够密封固定在顶端开口的容器的顶端开口上。
7.根据权利要求1-3任何一项所述的所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，所述吸附装置(4)还包括多个连接杆(4-7)、多个螺母(4-8)和多个螺钉(4-11)，第一固定框架(4-1)和第二固定框架(4-5)的结构相同，网格连接节点处均设有连接孔(4-6)，第一固定框架(4-1)和第二固定框架(4-5)的部分连接孔(4-6)经螺钉(4-11)固定连接；多个吸附板(4-10)的结构相同，且边缘对齐设置，每个连接杆(4-7)从一个第一个吸附板(4-10)的第一固定框架(4-1)上剩余的连接孔(4-6)穿入，依次穿过多个吸附板(10)上与该连接孔(4-6)同轴的连接孔(4-6)，并从最后一个吸附板(4-10)的第二固定框(4-5)上与该连接孔(4-6)同轴的连接孔(4-6)穿出；连接杆(4-7)的外表面设有外螺纹，相邻的两个吸附板(4-10)之间通过套装在连接杆(4-7)上的螺母(4-8)间隔并固定位置。
8.根据权利要求1-3任何一项所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，所述第一PTFE多孔膜(4-2)和第二PTFE多孔膜(4-4)的孔径均为1μm，吸附材料(4-3)为SAPO-34，每片吸附板(4-10)的厚度为1cm，相邻两片吸附板(4-10)的间隔为2cm。
9.根据权利要求2-3任何所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，所述反应仓(1)的外轮廓为方体形，吸附装置(4)外轮廓为立方体。
10.根据权利要求1所述的收集大气水产水的装置，其特征在于，所述反应仓(1)、第一固定框架(4-1)和第二固定框架(4-5)的材料均为耐80-120℃的塑料；
所述吸气装置(7)和排气装置(8)均为风扇。
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