基于太陽能野外用飲用水凈水壺的凈化研究

黃浚哲，李英杰，殷孝雎，楊雄貴

(沈陽工程學(xué)院 新能源學(xué)院，遼寧 沈陽 110136)

人們在野外工作、運動或生活時(如戶外旅游、探險、部隊野練、地質(zhì)勘察、抗洪救災(zāi)等)，經(jīng)常會遇到水質(zhì)被污染、無法飲用的情況，而隨身攜帶水源會帶來更多的負(fù)重問題[1]。而在戶外缺乏電源的條件下，利用來自太陽的能量具有重要的意義。該凈水壺將太陽能光伏技術(shù)與傳統(tǒng)凈水壺技術(shù)結(jié)合，利用太陽能電池板作為凈水壺電解陰陽電極的供電電源，不僅能夠?qū)λ粗械挠袡C物進(jìn)行高效降解，控制微量毒副產(chǎn)物不會進(jìn)入即將飲用的水中，而且在凈水壺進(jìn)口與出口處安裝電子檢測儀表跟蹤水質(zhì)指標(biāo)，達(dá)到山泉水灌入后即可直接通過出水口飲用，非常簡單實用。

1 飲用水凈水系統(tǒng)

1.1 凈水壺結(jié)構(gòu)

凈水壺結(jié)構(gòu)如圖1所示，大致分為5個部分：太陽能壺蓋、入水室、濾芯、蓄水室、電解水裝置。

圖1 凈水壺結(jié)構(gòu)

1.2 凈水裝置工作原理

通過太陽能電池供給電解槽電能，在陰陽電極之間設(shè)置有 SPE質(zhì)子膜，質(zhì)子膜是只容許水和質(zhì)子(或稱水合質(zhì)子，H3O+)通過的膜[2]。也就是水和質(zhì)子同SPE質(zhì)子膜中的磺酸基結(jié)合，然后從一個磺酸基到另一個磺酸基，最后才到達(dá)另一邊。

在裝置開啟、陰陽兩極正常運行模式下，水中氫原子失去一個電子后就會變成質(zhì)子，質(zhì)子膜只允許質(zhì)子通過，而不能通過質(zhì)子膜的電子只能通過外部的電路到達(dá)另外一極，即到達(dá)陰極板，從而在裝置中產(chǎn)生電流。當(dāng)電子到達(dá)陰極板后，與氧原子和氫離子又重新結(jié)合為水。

電極之上設(shè)有濾網(wǎng)孔，陽電極設(shè)置在陰電極之下，透水性隔膜設(shè)置在陰陽電極之間。在使用時，陰極直接處于蓄水室的水中，陽電極僅與通過透水性隔膜的滲透水相接觸。電解槽由陰陽電極和槽體組成，采用SPE質(zhì)子膜隔開。當(dāng)直流電通過時，在陽極與水接觸處發(fā)生氧化反應(yīng)，在陰極與水接觸處發(fā)生還原反應(yīng)，從而達(dá)到凈化水中雜質(zhì)的目的。電解槽結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 電解槽結(jié)構(gòu)

1.3 太陽能供電工作原理

薄膜太陽能電池片置于具有嚴(yán)密的防水性和防塵性的壺蓋頂部，如圖3所示。壺蓋頂部是壺體接觸陽光時間最長、面積最大之處，有利于太陽能的充分利用。太陽光照在半導(dǎo)體p-n結(jié)上，利用半導(dǎo)體的光電效應(yīng)產(chǎn)生電流。太陽能電池板與充放電控制器串聯(lián)，給電解水裝置提供電能，并向壺蓋內(nèi)部的蓄電池存儲電能。在夜間或陰雨天等光照不足的情況下，則由蓄電池向電解水裝置供電[3]。

1.4 濾芯結(jié)構(gòu)與原理

濾芯上層采用PP棉，由于PP棉纖維彈性好，蓬松度高，并具備較強的化學(xué)兼容性和大納污量，置于上層作為水源的初濾，可以過濾自來水或山泉水中直徑大于5 μm的膠體雜質(zhì)、鐵銹、細(xì)小泥沙和有機污染礦物質(zhì)等。濾芯下層采用改性活性炭作為過濾材料，改性活性炭內(nèi)部孔隙結(jié)構(gòu)相對更發(fā)達(dá)、比表面積大、吸附能力增強并具有更高的針對性[4]。水源通過改性活性炭的微孔后，能夠得到深度過濾和凈化。該凈化壺濾芯采用10 g改性活性炭，裝入過濾無紡布袋下層，10 g PP棉置于上層，布袋開口縫合后，置于用支架固定的濾芯容器內(nèi)。

圖3 太陽能電池片

2 實驗部分

2.1 實驗材料、儀器及試劑

1)實驗材料包括：普通壺體 1個，濾芯容器 1個，芯支架1個，太陽能電池板 1塊，蓄電池 1塊，控制器 1個，改性活性炭(顆粒狀)10 g，PP棉 10 g，鉑涂層鈦合金圓薄片(直徑 43.5 mm，厚度0.5 mm)1片，銅圓片(直徑 43.5 mm，厚度 0.5 mm)1片，SPE質(zhì)子膜(直徑45 mm) 1片。

2)實驗儀器包括：分光光度計，50 mL比色管，20 mm比色皿，酸堿滴定管，TDS水質(zhì)檢測儀，燒杯，量筒等。

3)實驗試劑包括：無濁度水，濁度儲備液(硫酸肼溶液，六次甲基四胺溶液，甲膻聚合物標(biāo)準(zhǔn)液)，EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液(0.01mL/L)，0.5%鉻黑T指示劑，氨緩沖溶液(pH≈10)。

2.2 實驗步驟

2.2.1 水樣濁度的測定

吸取濁度標(biāo)準(zhǔn)液0 mL、0.50 mL、1.25 mL、2.50 mL、5.00 mL以及12.50 mL，置于50 mL比色管內(nèi)，加水直至標(biāo)線。搖勻片刻，即得到濁度標(biāo)準(zhǔn)系列度：0.4度、10度、20度、40度、80度及100度。利用分光光度計，設(shè)置在680 nm波長之下，用20 mm比色皿測定各個標(biāo)準(zhǔn)系列的吸光度，繪制出標(biāo)準(zhǔn)曲線。再對若干個準(zhǔn)備好的實驗室自來水水樣和山泉水水樣進(jìn)行取樣，在680 nm波長下測定吸光度。利用繪制的標(biāo)準(zhǔn)曲線，讀取水樣濁度。

2.2.2 水樣總硬度的測定

取50.00 mL水樣置250 mL錐形瓶中，吸取5 mL 氨緩沖溶液于錐形瓶中，加入1～2滴鉻黑T指示劑，采用EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液進(jìn)行滴定，直至溶液顏色由紫紅色變?yōu)樗{(lán)色，即到達(dá)終點，讀出 EDTA標(biāo)準(zhǔn)溶液的消耗量。通過如下公式計算試驗水樣的總硬度：

2.2.3 TDS值的測定

打開 TDS檢測筆的探針蓋，按下ON/OFF按鈕啟動，待顯示屏出現(xiàn)數(shù)字后，將 TDS筆插入待測試驗水樣中，在數(shù)值不出現(xiàn)太大的浮動后，按下HOLD鍵，取出 TDS檢測儀并直接讀取數(shù)值。

3 實驗數(shù)據(jù)處理

3.1 濁度測定實驗

濁度測定實驗數(shù)據(jù)如圖4所示。山泉水最開始的濁度達(dá)到18 NTU，而自來水起始濁度為7 NTU。經(jīng)過凈水壺的過濾與電解作用，兩種水源的濁度均下降。自來水的濁度為7、6、5、4、4 ……3、2、2、2、1、1、1，在30 min內(nèi)濁度下降了6 NTU；而山泉水的濁度為18、14、12、10、9……4、4、4、3、3，在30 min內(nèi)濁度下降了11 NTU，最終達(dá)到5 NTU以下，均達(dá)到了飲用水濁度標(biāo)準(zhǔn)。

圖4 濁度測定實驗數(shù)據(jù)

3.2 總硬度測定實驗

將各個試驗水樣分別進(jìn)行過濾和電解處理，得出對比數(shù)據(jù)，如表1所示。

表1 總硬度測定實驗數(shù)據(jù)表

由表1數(shù)據(jù)可知，原山泉水的總硬度為643 mg/L。經(jīng)過30 min的過濾處理，總硬度每隔5 min的變化為643 mg/L、627 mg/L、603 mg/L、592 mg/L、590 mg/L、591 mg/L，去除率為8.24%；經(jīng)過30 min的電解處理，總硬度每隔5 min的變化為643 mg/L、554 mg/L、432 mg/L、367 mg/L、288 mg/L、154 mg/L，去除率為76.05%。

當(dāng)取自來水為水源時，自來水的初始總硬度為466 mg/L，經(jīng)過30 min的過濾處理后，總硬度降為408 mg/L，去除率為12.44%；而經(jīng)過30 min的電解處理后，總硬度降至98 mg/L，去除率達(dá)到78.97%。經(jīng)過過濾和電解處理后，兩種水源均能達(dá)到飲用水總硬度標(biāo)準(zhǔn)(150 mg/L)。

3.3 TDS值測定實驗

TDS測定實驗數(shù)據(jù)如圖5所示。未處理自來水的TDS值高達(dá)289 ppm，但是凈水壺對水TDS處理效率很高，在15 min內(nèi)，自來水的TDS值的變化為289 ppm、203 ppm、142 ppm、76 ppm、63 ppm、49 ppm，最終處理的TDS值為35 ppm，TDS的去除率達(dá)到87.89%。

圖5 TDS測定實驗數(shù)據(jù)

山泉水由于未經(jīng)過人工處理，初始TDS值不高于55 ppm，處理時間大約也在15 min完成，最終TDS值為11 ppm，去除率達(dá)到80.00%。

4 實驗結(jié)論

1)該凈水方式對于水源的總硬度、濁度和TDS均具有很高的去除率，水質(zhì)各項指標(biāo)均能達(dá)到飲用水標(biāo)準(zhǔn)，尤其對總硬度的去除效果更為顯著。

2)該凈水壺以無污染的太陽能替代了傳統(tǒng)能源，具有綠色環(huán)保、節(jié)能減排的重要意義。

3)該凈水壺具有攜帶使用方便，應(yīng)用面廣，價格便宜等諸多優(yōu)點，具有一定的實用價值。