CN1211293C - 蒸水器及其操作方法 - Google Patents

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Abstract

一种机械蒸水器(10)包括不透水的圆顶状上表面(12)和连接(26)到不透水的圆顶状上表面(12)的膜底部(14)，从而在膨胀时形成一个小室(20)。该膜底部(14)支持透过其的水全蒸发过程。集水井(16)具有一个开口，从水全蒸发过程冷凝的水滴收集进入该开口。集水井(16)位于膜底部(14)之内，并且如(图1)所示，通常从该膜底部(14)向外向下延伸。使用中，最好将污染水源(24)与该膜底部(14)完全接触，使集水井(16)既起到向该水源(24)散热的受热器的作用，又在该蒸水器(10)漂浮和浸没于该水源(24)时起到为其提供稳定性的作用。

Description

蒸水器及其操作方法
技术领域
总的来说，本发明涉及蒸水器，并且本发明尤其但不仅涉及从污染水源，如海水或咸水中提供饮用水的蒸水器。
背景技术
在干旱或严酷的环境下，经常难以低成本地探测或提供饮用水，以用于直接饮用、烹调或将例如人或动物食用的食物或药物的再水化。例如，海湾周围的国家具有大量的海水储量，但是内陆的饮用水几乎没有。因此，居住点集聚在提供主要淡水源的天然河流周围，或集聚在通过昂贵的淡化工厂或者连接偏远水库的管道网提供淡水的港口周围。此外，富含盐的水或污染水也不能用于灌溉，因为它通常对植物在生理上有害，并且如果要将这样的水用于食品制造，则要进行某种形式的提纯。所以，任何向农作物供应水的限制都可能限制农作物产量，这些限制是由获得适合清洁水的有限性，或者由实际生产适合清洁水的成本所产生的。换句话说，虽然可能容易获得通常“受污染”形态的水，但是要将污染水纯化到意欲使用所必需的程度还不是经济上可行的。
就为了人的生存而需确保饮用水这方面而言，可能遭遇的恶劣环境是在大海上(当游船遇险之后而处于在救生筏上时)、在沙漠中并且甚至是在星际间探索时。此外，包括干旱、水灾和地震的自然灾害也会显著并且不利地中断向原本可充分供应的区域的饮用水供应。实际上，在后者的这些情况下也许事实上必需用船向受影响的区域运输饮用水，这是非常昂贵的，并且在后勤上难以短时间完成。
注意到以下这点也是有趣的：由海洋法要求和由军队使用的救生包实际上包含很大量的包装饮用水，因此救生包总重的很大一部分可直接归因于所携带的大量水。所以，救生包通常是笨重的，并且如果携带的话会给负荷者带来额外的重压。
太空局如NASA也十分关心在太空中的水的再循环。此外，水的密度在太空飞行中会增加一个小的却是限制性的因素，在发射时必需限制太空飞行器所携带的水量，以限制重量并限制对额外的推力以及由此所需的更多燃料的需要。因此再循环是必需的。此外，对于新千年到来后所计划的未来可能的星际间探索，如何进行水的鉴别以及将其有效地转化为饮用水或适用于水栽法的水，这都是些重大的课题。
在工业规模上使用的淡化机理包括蒸发工艺、电解和反渗透；所有这些都是相对昂贵的，并且经常要求巨大的系统和/或动力的供应。显而易见，在紧急情况下(例如)这样的系统不可能实现，即使是存在也由于需要提供稳定并相当可观的动力供应而不会起作用。
因此需要提供相对简单并且便宜的水净化系统。
发明内容
根据本发明的第一个方面，提供了一种蒸水器，其包括：一个小室，该小室具有一个基本上不透水的上部和一个与基本上不透水的上部连在一起的底部，所述底部由一层膜形成，该膜支持透过其的水全蒸发过程；和一个集水井，该集水井具有一个开口，在小室内从水全蒸发过程冷凝的水滴收集进入该开口，该集水井位于所述底部之内，通常从那里向外延伸。
优选该膜是无孔的。
优选在所述小室之内形成许多冷凝塔板，小室中的这许多冷凝塔板将水滴送到所述集水井中。
在本发明的另一个方面，提供了一种蘑菇形蒸水器，其包括：一个湿润小室，该湿润小室由一个基本上不透水的圆顶上部形成，该圆顶上部与一个膜底部连在一起，所述底部支持透过其的水全蒸发过程；一个热传导性集水井，该集水井具有一个开口，在湿润小室内从水全蒸发过程冷凝的水滴收集进入该开口，该集水井位于底部之内，通常从那里向下延伸；和一个龙头，其与热传导的集水井连在一起，用于将饮用水从该蘑菇形蒸水器中放出。
在一个优选实施方案中，所述膜含有共聚醚酯弹性体，其水蒸气渗透率至少为400g/m2/24hr，优选水蒸气渗透率超过1000g/m2/24hr。
在本发明一个更进一步的方面，提供了一种净化污染水的方法，其包括：形成一个湿润小室，该湿润小室具有一个基本上不透水的上表面，该上表面与一个膜底部连在一起，该膜底部支持透过其的水全蒸发过程；提供一个集水井，该集水井具有一个在所述湿润小室之内的开口；提供一个与所述膜底部并置的污染水给水，由此形成一个穿过膜底部的蒸汽压力梯度；以及将在所述湿润小室内冷凝的水导入所述开口中。
该方法还可以任选地包括以下步骤：通过使用集水井作为“受热器”，利用湿润小室和水源之间的温差来冷凝水蒸气。
优选，该方法也包括将在所述湿润小室内冷凝的水滴引导离开所述膜底部，并进入所述集水井。
在本发明一个更进一步的方面，提供了一种蒸水器，其包括：一个湿润小室，该小室在基本上不透水的部分和无孔膜之间形成，该无孔膜支持透过其的水全蒸发过程；和一个集水井，该集水井具有一个开口，在所述小室内从水全蒸发过程冷凝的水滴收集进入该开口，该集水井的位置对着湿润小室的底部。
优选，所述基本上不透水的部分为所述蒸水器提供了侧壁和底部，并因此起到将水滴汇入集水井的作用。使用中，所述整个的蒸水器被浸没。
在本发明又一个方面中，提供了一种净化污染水的方法，其包括：形成一个湿润小室，该湿润小室具有一个基本上不透水的表面，该表面与一个无孔膜连在一起，该无孔膜支持透过其的水全蒸发过程；提供一个集水井，该集水井具有一个对着所述湿润小室底部的开口；将污染水的给水与无孔膜接触，由此形成一个穿过无孔膜的蒸汽压力梯度；以及在重力作用下将在所述湿润小室内冷凝的水导入所述开口中。
有利地是，本发明的蒸水器提供一种水净化系统，该水净化系统具有简单的机械结构，并且可以快速配置。对于一个可能不具有活动部件的优选实施方案而言，造价和复杂性都低。实际上，该蒸水器可以被包装成低重量、紧凑的形式，可以容易地将其装配。优选实施方案的蒸水器设计的缩放比例是任意的。因此饮用水的供给可以在不用人工能源(电池、发电机等)的情况下获得，因为该过程通过利用自然产生的热差来运行，并且如果希望，任何任选的活动部件可以通过自然力如太阳能、风或波浪能来驱动。
附图说明
现在将对本发明示范性实施方案参考附图进行描述，其中：
图1是一个蒸水器的示意图，原位显示，体现本发明的基本要素；
图2是图1的蒸水器的底平面图；
图3是一个蒸水器的局部剖视图，该蒸水器具有各种优选并任选的特征，这些特征可以并入图1的基本蒸水器中；
图4是一个蒸水器的局部剖视图，该蒸水器具有任选的滴注塔板、排水槽并增加了冷凝表面，这都可以并入图1的基本蒸水器或图3的蒸水器中；
图5是又一个蒸水器的局部剖视图，该蒸水器具有各种优选并任选的特征，这些特征可以并入图1的基本蒸水器或图3或4的蒸水器中；
图6显示了前面图中任何一个任选但优选的实施方案的水泵装置和收集器；
图7显示了一个体现本发明的蒸水器，其还包括一个贮水池；和
图8是蒸水器的一种择一构造，其体现了本发明各种实施方案的设计概念。
具体实施方式
在图1的基本简图中以举例方式显示了本发明的蒸水器10的结构基本要素。
蒸水器10包括一个圆顶外侧部分12，其与一个亲水膜底部14相连。该亲水膜底部14用作基底，并与集水井16共同起作用，集水井16为蒸水器10(原地)提供了稳定用的压载。一般地，集水井16居中位于蒸水器10的几何结构之内，并以杆状的形式向下延伸，这使得蒸水器10具有蘑菇形的横截面。优选带有单向阀的龙头18通常位于或靠近集水井16的底部。所述圆顶外侧部分12优选由耐用、吸热并基本上不透水的材料(如聚氯乙烯、其它塑料、金属等)层制成，圆顶外侧部分12、亲水膜底部14和集水井16形成小室20。中心轴22可以延伸到所述集水井和圆顶外侧部分12之间，也许超过圆顶外侧部分12。通常，中心轴22可以为蒸水器10提供结构支撑，特别是圆顶外侧部分12通过圆顶外层与之适当相连。
操作时，蒸水器漂浮在一个污染水源或其它非饮用水源24中，如漂浮在海、泻湖、河流或咸水中，在圆顶外侧部分12和亲水膜底部14之间有一个相交部分26，其在水源24的表面以下。圆顶外侧部分12和亲水膜底部14一般是粘结、焊接或缝合在一起的，不过其它固定方法显然也是可能的。然而相交部分26是不透水的。一旦浸入水源24中，水蒸气全蒸发通过亲水膜底部14，这使得小室20具有相对较高的湿度。
小室20的内表面用作冷凝表面，水滴通常并主要导入集水井16中。优选，中心轴22(也用作冷凝表面)由具有良好导热性能的材料如镀锌钢制成。当然，中心轴22可以由塑性材料制造，塑性材料比金属能更好地抵抗与水的接触，不过塑性材料的强度和刚性通常次于金属，但是金属需要处理以防止并阻止生锈以及其它形式的腐蚀/疲劳。集水井16也优选由与中心轴22相同的材料制成，不过同样需要集水井16具有良好的导热性能。因此在使用中，集水井16用作在相对冷的水源24中的受热器，因此任何热连接的内部结构(如中心轴22)也获得了借助于集水井16将热量散热进入周围水源24的能力。因此通过利用集水器作为受热器以及由周围的水提供的冷却效应，提高了冷凝速率。
可以理解到，冷凝通常发生在最冷的表面上，因此具有散热能力的那些表面(最终进入周围污染水的给水中)是最有效率的。此外，就蒸水器的最佳性能而言，冷凝表面的效率非常重要，因为冷凝降低了小室20内的湿度并因此提高了横穿亲水膜的蒸汽压力梯度，因此提高了通过膜的水蒸气渗透速率。
已发现在空气流能促使水全蒸发从其表面28上消散时，亲水膜底部14运行更有效，可通过更多的水蒸气。因此，通常优选圆顶外侧部分12是不透水的吸热层，以便防止收集(即冷凝)在集水井16内的饮用水29蒸发，或同时防止水蒸气从小室中逸出。此外，因为实际上圆顶外层12设计用来吸收热量，可以在小室20内形成自然对流，这促使从亲水膜底部14的表面28的全蒸发过程的速度加快。
为了促进小室内的冷却，一个特别的实施方案在该圆顶外侧部分12外面使用了一个吸水表面27，由此在太阳的作用下将吸收的水蒸发，通常在蒸水器10之内，更特别是在小室20的上半区起到冷却作用。
在一个优选实施方案中，在污染水源24表面以上的蒸水器10部分通常呈半球形，整个亲水膜底部14总是完全浸没。
考虑到蒸水器10内的相对内部高度轮廓，集水井16相对于亲水膜底部12的表面向上抬升；带有升高的凸缘，那么在蒸水器10受波浪作用等不利影响时，最终冷凝收集在集水井16之内的清洁饮用水不会从侧面明显溢出。
暂时转到图2所示的蒸水器10的底平面图，可以看到集水井16的优选形状。虽然通常也将压载物加到蒸水器10上，以保持蒸水器在水中的方向基本直立，但集水井16优选包括许多叶轮23，这有三个目的。第一，集水井16作为受热器的效率通过增大表面面积而升高。第二，增大的表面面积增加了冷凝和蓄水面积。第三，当集水井被淹没时(或者部分地或者优选彻底地)，叶轮改进了蒸水器10的稳定性。
优选增加蒸水器10的重量，以保证亲水膜底部14在使用中总是处于水源24的表面之下，可以通过集水井16的实际重量以及在集水井16内冷凝收集到的清洁饮用水来达到(至少部分达到)这一目的。有利的是，由于亲水膜底部14总是处在水面以下，减少了膜被损坏和击穿的可能性，这是因为物体通常会撞着蒸水器10的边缘并因此与圆顶外层12接触。此外，由于亲水膜底部14总是处在水面以下，所以膜的效率(即它的性能)即使不是被最佳化至少也会被提高。
本发明优选实施方案的蒸水器10的设计使其适用于许多环境，包括公海、海港、河流、洪水泛滥的平原和隐蔽的泻湖。该设计的特征是，其具有固有的驾御波浪的能力，同时保持基本上直立。另一选择，考虑到固定的或半固定的蒸水机所处水体床的位置，可以确保其在一个固定位置上，或者它们可以被固定到该水体床上，但是能移动以适应水深的变化(例如在潮汐水域中)。
总之，该冷凝物代表一种可能是没有微生物的清洁饮用水的供给。
或者通过使用压缩气体，或者通过将其吹涨可以使小室20充气。显然，在用产生足量饮用水的工业尺寸的膜的情况下，优选前一种方式，并且也限制了在小室中引入微生物等的可能性。然而，就救生包而言，因为个人通常仅可能在援救之前的没有几个(至多不过几个)小时或天内需要救生包，那么小室20被含该个人的微生物的空气所污染大概并不重要。就救生设备而言，可以通过最初包装在集水井16内的小罐来提供压缩气体。另一选择，对于固定的蒸水机，小室20可以处于完全展开的状态。
对于相对小的和紧凑的蒸水器结构来说，一个特别的设计方案使用了可伸缩的中心轴22，其可以折入集水井16中。可用尼龙型棒条来使余下的圆顶外侧部分12和膜底部14呈半刚性的，例如操纵并固定在某个位置上以提供任何所需要的结构刚度。
至于大小规模，这取决于所希望的展开面积。对于救生包，一个人每天需要大约0.5-8升的饮用水(取决于体力的运用、温度和湿度)。因此，集水井16的体积必须考虑这个条件，但是也可能受包装条件所束缚。因此，优选救生设备中集水井的容量将为0.5-8升，更优选1-4升，最优选约2-3升。显然，可以将其它更笨重的尺寸用于例如水灾赈济工作。同样，应该选择亲水膜底部面积和冷凝室的尺寸，以反映出要收集的预定水量；并且相似的因素也将影响所选的亲水膜的性质和厚度，以及影响是否并入在这里公开的这些任选性质。
对于一个每天可以提供几立方米饮用水的蒸水器装备，可能需要一个明显更大的集水井16。然而，可以有趣地注意到，本发明蒸水器10的固有浮力(由有效密封的小室20产生)仍可以使冷凝和收集在集水井16中的饮用水很容易地用龙头开关。实际上，根据阿基米德斯原理，在集水井16中装有冷凝并随后收集的水时，该蒸水器仍然留有浮力(并且通过具有更低的重心而变得更加稳定)。对于根据本发明的优选实施方案构造的更大蒸水器，可以使用定期或连续抽取法(使用一个泵)，并相应调整集水井16的尺寸。
在一个特别的实施方案中，集水井16可以从该蒸水器的“顶盖部分”有选择地拆开，以利于再使用之前的维修和清扫。因此，该集水井16可以包括螺纹和“O”型环密封设备。
至于通过龙头18引出饮用水，在集水井16中收集的饮用水提供了一些有限水位差，其用于清除相连的排水管内聚集的有机物残清和真正出口周围生长的藻类。
图3显示一个蒸水器30的局部剖视图，该蒸水器并入几个可以任选包括(单独地或一起)在图1的基本蒸水器10中可能设计的设备和变体。例如，图3的蒸水器30具有环绕蒸水器30周边的外部缓冲器32。如所期望的，缓冲器32(其可以是充气的或可以由耐用材料如橡胶制成)起到阻碍与蒸水器30碰撞的碎片的作用，并因此保护了该蒸水器。另外，在一个特别的实施方案中，改进的亲水膜底部34包括脊、丝状物或皱折，以显著增加与水源24接触的膜面积；这相对于该蒸水器的整体的实际尺寸提高了其效率。在一个特别的实施方案中，亲水膜底部34呈阶梯状，以促使气泡总是上升并离开该膜的表面38(或该膜的支承表面)。同时，用斜的亲水膜底部34，也可能有利于在斜坡底部通常靠近集水井16处包括次要排水口40。这些次要排水出口40也优选呈单向阀运行，因此能有选择地打开，以排空收集在膜上而不是在集水井16内的任何冷凝物。
还显示该集水井16还包括一个面向外部的凸缘42，以防止落任何偶然位于亲水膜表面38上的冷凝物进入集水井16。同时，该集水井16可以包括一个内凸缘44，一般为纱网状结构，其限制水从集水井16中溢出。
图4举例说明用于例如图1的蒸水器的可能的内部结构。首先，为了使冷凝最大化，小室20包括许多冷凝塔板(或表面)50-55。冷凝塔板50-55优选由圆顶外侧部分12的材料整体形成。优选至少一个主要的冷凝塔板基本上横亘该蒸水器10的半径；这个主要塔板通常朝向小室20的底部。次要冷凝塔板51-54位于该主要冷凝塔板上面，促使冷凝水滴落到该主要冷凝塔板上，而主要冷凝塔板本身促使水落到集水井16中。各种冷凝塔板50-55也用来截住从圆顶外侧部分12的内表面58掉下的水滴，由此加强将冷凝物收集入集水井16中。
主要冷凝塔板50按许多平滑曲线加工成形，促使水滴形成并沿该主要冷凝塔板50的上侧和下侧滚落，但又不落到亲水膜底部14上。
与该主要冷凝塔板50协同操作并且局部欠连接的是进料盘55，其紧靠近圆顶外侧部分12的外缘。同样，以一个类似主要冷凝塔板50的方式，将该进料盘55按许多平滑曲线加工成形，促使水滴形成并沿其上侧和下侧滚落。
水蒸气将冷凝在圆顶外侧部分12的内表面上，该表面可以是平滑的，或另一选择可设计成能促使蒸气冷凝的形状(例如通过带有锥尖的、毛状的或有绒毛的表面)。因此，水滴在该内表面上形成并在重力作用下落下，其或者被主要冷凝塔板50、进料盘55截留，或者被沿该圆顶外侧部分12的周边形成的水槽60截获。外侧部分12的内表面也可以任选加工成可以促使冷凝水直接流入任一这些收集装置中的形状。显然，沿圆顶外侧部分12的侧面滚落的水滴直接落入水槽60中。进料盘55也终止于该水槽上方，以确保在其上冷凝的水滴落入该水槽60中。进入该水槽的水通过定期装配窄进料路径或渠道62，如敞口槽通入集水井16中。使进料路径的面积最小，以确保其不起到有效冷凝表面的作用，尽管也将其加工成一定形状以促使在其下侧形成的任何水滴滚落入集水井16中，而不会落到亲水膜底部14上。
为了清楚起见，图4只显示了冷凝塔板内部结构的一侧。然而，从总体上说，布置各种冷凝塔板和渠道/水槽以防止冷凝物沉积在亲水膜底部14之上，并使其汇聚到集水井16内。为了进一步改善冷凝塔板50-55的运行，优选将它们与所述受热器(利用集水井16的结构实现)相连，并且用具有良好导热性的材料制造冷凝塔板。然而，后一个需要通常要与重量权衡考虑。
图5显示了额外但任选的各种特征，这些特征可以并入图1的基本蒸水器结构中，或并入任何一个这里所述的更复杂的结构中。
为了改善蒸水器整体结构的稳定性，在蒸水器周边和集水井16之间可以连有(例如有选择地附装)多个导向管70。此外，由于尺寸增大，提供一个从蒸水器(如从集水井16的底部)到一个海锚等物的牵绳72也可能是有利的。牵绳72可以任选地用作导管以从集水井16除去水。
另一个可能的设计变化可以通过利用一个旋转风向标74来实现，该风向标与中心轴22机械相连，并且该风向标借助于一个适合的转轴驱动一个位于内部的风扇76。尽管整体结构的机械复杂性增大了，但是增加了小室20内，以及在小室20和集水井16之间的高湿度空气的循环速度，这相应地促进冷凝并改善在亲水膜表面上的空气流动，并因此增加了从其中的全蒸发。这样的机械设备不需外部电力供应，而仅仅依靠在沿海地区常会遇到的风。可以使用其它形式的风扇76，如由波浪能或太阳能驱动的那些。通常，装备内部风扇76是为了在整个小室20中循环空气，特别是朝向、横穿以及通过冷凝表面和集水井16的循环。
图6显示的任选特征也可以并入图1(如果希望，或其它任何一个的图)的基本蒸水器设备中。图6的具体细节显示了一个水泵装置80，并显示了优选集水井(或容器)82的剖视图。如前面所指出的，集水井82具有一个相对于亲水膜底部14的基本水平基线稍微抬起的凸缘。图6的具体实施方案也包括至少一个龙头84-86，它们稍微抬起，超出集水井82的底部。所述龙头(在这种情况下有许多个龙头)将水输入与水泵装置80相连的管道网88中。可以理解，管道网内的饮用水还可以受益于周围水(如果有的话)的冷却作用和散热能力。
图7显示了一个体现本发明的蒸水器100，其还包括一个供水贮水池。在前面已经大概地论述过结构的原理，不过这个实施方案包括一个基本上不透水的贮水池(或袋或囊)102，其与亲水膜底部14相连。该不透水的贮水池(或袋)102包括一个入口104，通过该入口可以装入不清洁的水或其它的污染水。该不透水的贮水池(或袋或囊)102通常是柔韧的，以便不清洁的水或其它的污染水在与一个表面如地面接触受压时紧压在亲水膜底部14。这一实施方案特别适用于沙漠救生设备，因为基本上由水组成的尿可天天用于加入该不透水的贮水池(或袋或囊)102，这样亲水膜保证从蒸水器100中获得无菌的可饮用水的供应。使用中应在破晓之前将尿装入贮水池102中，这样白天的高温将使通过该亲水膜底部14的全蒸发的速率提高。然后，该圆顶外侧部分12可以暴露于低得多的夜间温度中以促进水整夜地冷凝。可以通过以下方法进一步优化这个系统，例如，在圆顶外侧部分12内仅提供一个小气室20以优化冷却效果；或甚至使用一个最初放气的可充气结构以产生该气室20，以便它可以在水蒸气透过膜14时展开。一个供选择的或另外的优化方法是将一部分不纯的水在圆顶外侧部分12的外表面蒸发以降低其内部温度，并从而促进冷凝。
图8是蒸水器200的一种择一构造，其体现了本发明各种实施方案的设计理念。在这一情况下，蒸水器200的结构是倒置的(相对于图1)。不透水的圆锥状或碗状底部202用亲水膜204密封，以形成一个湿润室20。圆锥状或碗状底部202的底部将水送入集水井16中，集水井16收集全蒸发穿过亲水膜204的冷凝水蒸气。同样，中心轴22可以提供冷凝表面和结构支撑。优选，蒸水器200在使用中完全浸没，但是亲水膜204优选刚好位于一个表面以下，在该表面稍微升高的水温可促进渗过膜的全蒸发。为了保护亲水膜204不受损，将一个防护屏206或衬底与该亲水膜204并排或接触放置。因此，污染水可以在亲水膜204表面和防护屏206之间流动。在蒸水器200周边可能有浮子208，其也可作为缓冲器。
图8的倒置设计是有利的，因为它总是促使冷凝物移向集水井16(在重力作用下)，同时该设计也受益于基本上(即使不是完全)浸没在相对冷的污染水244中。因此，使热量有效并显著地从蒸水器散出，从而改善冷凝过程。实际上，由于圆锥状或碗状底部202的散热能力，冷凝主要发生在该圆锥状或碗状底部202的内表面上(以及任何与受热器直接相连的其它表面上)。优选，圆锥状或碗状底部202是由具有良好导热性能的材料如金属制成。很容易理解到，图2-6的各种任选设计特征可以单独或结合地包括于图8中。
至于亲水膜204，其轮廓可以是倾斜的，可以是凸的也可以是凹的式样，以便将冷凝物从其表面导向集水井16。因此，亲水膜204基本上一直保持干燥，并且其通常是小室20内最热的表面。
在本公开中，用于本发明各种实施方案的蒸水器的亲水膜是由亲水聚合物制成的。术语“亲水聚合物”是指根据InternationalStandards Organization的标准ISO 62(相当于American Societyfor Testing and Materials的标准ASTM D 570)，与液态水在室温下接触时吸水的聚合物。
亲水聚合物可以是一种聚合物或若干聚合物的混合物。例如，该亲水聚合物可以是共聚醚酯弹性体或两种或多种共聚醚酯弹性体的混合物，如从E.I.du Pont de Nemours and Company获得的商品名为HYTREL的聚合物。另一选择，该亲水聚合物可以是聚醚嵌段聚酰胺或两种或多种聚醚嵌段聚酰胺的混合物，如从法国巴黎的Elf-Atochem Company获得的商品名为PEBAXTM的聚合物。其它亲水聚合物包括聚醚型聚氨酯或其混合物，聚乙烯醇的均聚物或共聚物及其混合物。上述所列的不是穷举的，仅仅是亲水膜的可能选择的示例。
在本发明中用于水蒸气渗透的特别优选的聚合物是共聚醚酯弹性体或两种或多种共聚醚酯弹性体的混合物，所述弹性体具有通过酯键连接的多重重复的长链酯单元和短链酯单元，所述长链酯单元可以用下式表示：
Figure C0081134200161
并且所述短链酯单元可用下式表示：
Figure C0081134200162
其中：
a)G是从数均分子量约为400-4000的聚(环氧烷)二醇除去端羟基后所剩余的二价基团；
b)R是从分子量小于约300的二羧酸除去羧基后所剩余的二价基团；
c)D是从分子量小于约250的二醇除去羟基后所剩余的二价基团；任选地
d)基于共聚醚酯的总重量，该共聚醚酯含0-68重量％混入共聚醚酯的长链酯单元中的环氧乙烷基团；
e)该共聚醚酯含约25-80重量％的短链酯单元。
优选的聚合物膜适合于制成薄而结实的膜、薄层和涂层。优选的聚合物、共聚醚酯弹性体及其制造方法在本领域中是我们公知的，如公开在美国专利4,725,481中WVTR为3500g/m2/24hr的共聚醚酯弹性体，或美国专利4,769,273中WVTR为400-2500g/m2/24hr的共聚醚酯弹性体。
在本发明的范围内，可以利用市售的亲水聚合物作为膜，但是因为要将蒸水器设计用来供应饮用水，显然优选具有尽可能高的WVTR值。最优选，本发明使用产生WVTR超过3500g/m2/24hr的市售膜，WVTR是用空气在23℃以及50％相对湿度下以3ms-1的速度在一块厚25微米的薄膜上测得的。
该聚合物可以与抗氧化稳定剂、紫外线稳定剂、水解稳定剂、染料、颜料、填料、抗菌剂等复合。
制备薄膜形式的膜的有用且非常确定的方法是将该聚合物在工业压出生产线上熔体挤出获得。简言之，这需要将该聚合物加热到超过其熔点的温度，并将其挤压通过一个平的或环形模口，然后使用滚压系统浇注成膜或从熔融体吹塑成膜。有用的支撑材料包括织造、非织造或粘合的纸、织物和纱网以及对湿气稳定的无机聚合物，如聚乙烯、聚丙烯、玻璃纤维等。该支撑材料既增加了强度又保护了膜。该支撑材料可以只配置在亲水聚合物膜的单侧或双侧。在仅配置在单侧时，该支撑材料可以与水接触或不接触。一般，该支撑材料在蒸水器的外侧形成，以最大限度地保护该膜不受机械损坏。
不想局限于任何具体的理论，我们认为，涂层形式或无支撑的膜形式的亲水膜在接触可能含有悬浮的或溶解的杂质、固体和乳液时，都会产生净化效果，这是因为高偶极分子如水分子相对于离子如钠和氯离子能优先吸附并渗过该膜或涂层。另外，存在横穿膜的蒸汽压力梯度时，水从不接触水源的一侧释放出来，所释放出的水可以冷凝以提供饮用水以及用于农业、园艺、工业及其它用途的水。
对于本发明的优选实施方案所用的亲水膜，水的渗透特性通常用标准试验方法ASTM E96-95 Procedure BW(以前已公知并被称为ASTM E96-66-Procedure BW试验方法)来测定。这些标准试验方法被用来测定膜的水蒸气渗透率(WVTR)，并且使用基于不透水杯的组件(即“Thwing-Albert Vapometer”)。该不透水杯盛有的水达到杯顶部以下约十九毫米处(具体地说，19mm±6mm)。该杯的开口用待测量的试验材料的可渗水膜不透水密封，在水面和该膜之间留下空气间隙。在BW方法中，然后将该杯倒置以便水在试验中一直与该膜直接接触。在控制的温度和湿度下，将该仪器置于试验小室中，然后以规定速度将空气吹过该膜的外侧。实验重复进行。在几天内测量该杯、水和膜组件的重量，求结果的平均值。水蒸气渗透穿过该膜的速率被称为“水渗透蒸气速率”，其测量在给定膜厚度、温度、湿度和空气流速下的组件平均重量损失，表示为单位膜表面积和时间的质量损失。根据ASTM E96-95-Procedure BW，膜或薄层的WVTR一般在如下条件下测量：膜厚度为25微米、空气流速为3米/秒(3ms-1)、空气温度为23摄氏度(23℃)以及相对湿度为百分之五十(50％)。
有利的是，如果用亲水聚合物如HYTREL(等)作为膜底部16，那么该水蒸气全蒸发物是无菌的。
本发明的各种实施方案的蒸水器通常制造简单并且如果需要的话可快速装配。此外，简单的机械设计使该蒸水器成本相对低。在附图中所示的各种设计变化之间，各种优选和任选的特征可以混合搭配。
每个蒸水器所收集的水量(比如在24小时期间)体现了本发明的发明构思，就每单位表面积的产量而言，该水量不可能如在优化的实验室条件下产生的那么多。然而，可以通过增加每个蒸水器中的膜表面积来补偿，同时也可以通过确保使该蒸水器的性能尽可能优化来补偿，例如通过有效除去小室内空气中的水蒸气。
至于收集技术，可以考虑将许多根据本发明各方面制造的蒸水器连接到一起，以便在单个小室之间建立互连通道，或者以便集中收集冷凝的饮用水并将其抽出，即将水放出。
虽然使本发明的蒸水器漂浮是有利的，但同时也希望它固定在适当位置(并且或者完全或者部分浸于污染水源24中)。实际上，对于一个永久定位的蒸水器，不需要将该蒸水器制成有浮力的，例如，它可以总是位于任何潮水线以下。实际上，当蒸水器完全浸没时，冷凝过程将受益于由于环绕的污染水源24而在蒸水器内所获得的较低的整体温度。
当然，应当理解上述说明仅是通过举例进行的，并且在本发明的范围内可以进行详细的改进。例如，本发明的蒸水器既不受形状也不受尺寸的限制。实际上，放水可以通过一个或几个出口实现，同时出口的设计能理想地确保饮用水从集水井16放出，并且外部的污染物不会分别再进入或进入集水井16中。在后一方面，排水的龙头可以是双开口的。如果将该蒸水器用于具有低水位的地区，可以考虑将集水井相当大程度地展平，以确保水源24和亲水膜底部14之间的接触最佳化。虽然，显然优选浸没的底部完全由膜材料制成，以使水接触最佳化，但是这显然也是一种设计方案，因为该亲水膜可以并入一个不透水的框架中(以增强强度)，以便使相当大部分的蒸水器下表面(即底部)仍与水源24接触。
也可以考虑，将不是所定义的亲水膜的其它材料用于这里所公开的蒸水器设备中。然而，其它材料通常随着时间的推移会阻塞和封闭，因此显然优选无孔的蒸气可渗透膜。

Claims (33)

1.一种蒸水器，其包括：
一个湿润小室，其在不透水的部分和膜之间形成，该膜支持透过其的水全蒸发过程；和
一个集水井，其具有一个开口，在所述小室内从水全蒸发过程冷凝的水滴收集进入该开口，该集水井的位置位于所述底部之内，并且通常从其中向外延伸。
2.权利要求1的所述蒸水器，其中：
所述小室具有一个不透水的上部和与该不透水的上部相连的底部，该底部由所述膜形成。
3.权利要求2的蒸水器，其还包括在所述小室内形成的冷凝塔板。
4.权利要求3的蒸水器，其中所述冷凝塔板使水滴进入集水井。
5.权利要求2的蒸水器，所述不透水的上部具有一个内表面，水滴在所述内表面上冷凝，该蒸水器还包括一个边缘的开槽和渠道设备，配置这些设备是用来收集在所述内表面上形成的水滴并将这样形成的水滴导入所述集水井。
6.权利要求2的蒸水器，其还包括一个与所述集水井相连并向上明显延伸入所述小室的中心轴，该中心轴起到作为不透水的上部的结构支撑、冷凝表面和散热途径中的至少一种作用。
7.权利要求2的蒸水器，其中所述集水井在使用中用作受热器。
8.权利要求2的蒸水器，其中所述集水井包括许多叶轮。
9.权利要求2的蒸水器，其中使所述底部的膜起皱以增加表面积。
10.权利要求2的蒸水器，其中所述底部是倾斜的。
11.权利要求2的蒸水器，其中所述集水井包括一个面向外的凸缘。
12.权利要求2的蒸水器，其中所述集水井包括一个内凸缘，其一般为纱网状结构，用以限制水从集水井中溢出。
13.权利要求2的蒸水器，其中所述集水井的开口通常位于超出最高标称基准面的位置。
14.权利要求10的蒸水器，其中所述底部包括一个排水口。
15.权利要求2的蒸水器，其还包括导向管，其连接蒸水器的周边和所述集水井。
16.权利要求2的蒸水器，其在所述小室内包括一个机械驱动的风扇。
17.权利要求2的蒸水器，其中所述膜含有共聚醚酯弹性体，其水蒸气渗透率至少为400g/m2/24hr。
18.权利要求17的蒸水器，其中所述共聚醚酯弹性体的水蒸气渗透率大于1000g/m2/24hr。
19.权利要求2的蒸水器，其中用一个外部缓冲器保护在所述外侧部分和底部之间的交叉部分。
20.权利要求2的蒸水器，其还包括一个由不透水的囊和所述底部形成的贮水池，配置该贮水池以接收和储存用于全蒸发通过所述膜的污染水。
21.权利要求2的蒸水器，其为蘑菇形，其中：所述小室的不透水的上部是圆顶的；所述集水井是热导的；和一个水龙头，其与所述导热的集水井相连，用于将饮用水从该蘑菇形蒸水器中放出。
22.权利要求1的蒸水器，其中所述不透水的部分为所述蒸水器提供了侧壁和底部，并因此起到使水滴汇集入集水井的作用。
23.权利要求1的蒸水器，其中所述膜是无孔膜，并且给所述湿润小室提供了顶篷。
24.权利要求23的蒸水器，其中所述无孔膜是倾斜的。
25.权利要求1的蒸水器，其还包括一个与所述膜并置的防护屏，所述膜是无孔膜。
26.一种净化污染水的方法，其包括：
形成一个湿润小室，该湿润小室具有一个不透水的表面，该表面与一个无孔膜相连，该膜支持透过其的水全蒸发过程；
提供一个集水井，该集水井具有一个对着所述湿润小室底部的开口；
将污染水源与该无孔膜接触，由此形成一个横穿该无孔膜的蒸汽压力梯度；和
在重力作用下将在所述湿润小室内冷凝的水导入所述开口中。
27.权利要求26的所述净化污染水的方法，其包括：
形成一个湿润小室，该湿润小室具有一个不透水的上表面，该上表面与一个膜底部相连，该膜底部支持透过其的水全蒸发过程；和
提供一个位于所述膜底部内的集水井，该集水井在所述湿润小室之内具有一个开口。
28.权利要求27的净化污染水的方法，其还包括将该湿润小室内产生的热量借助于集水井散热到水源中。
29.权利要求27的净化污染水的方法，其还包括将所述湿润小室内冷凝的水滴引导离开所述膜底部，并进入所述集水井。
30.权利要求27的净化污染水的方法，其还包括将集水井内收集的水定期放出。
31.权利要求27的净化污染水的方法，其中所述膜底部含有共聚醚酯弹性体，其水蒸气渗透率至少为400g/m2/24hr。
32.权利要求26的净化污染水的方法，其中接触步骤在所述无孔膜上进行。
33.权利要求31的净化污染水的方法，其中所述共聚醚酯弹性体的水蒸气渗透率大于1000g/m2/24hr。
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