新型智能取水裝置的設(shè)計與效果評價

李維瑄 張延龍 鄭力燕 黃彭鑫悅

摘要：水是生命之源，人類的生存和發(fā)展均離不開水。而我國是一個干旱缺水嚴(yán)重的國家，但空氣中有一定量的水分子。針對這一問題，本文設(shè)計了一款新型智能取水裝置，其通過與智能硬件相結(jié)合的方式從空氣中取水，同時凈化水中雜質(zhì)，保證飲水安全。

關(guān)鍵詞：水資源匱乏;空氣取水;智能;水質(zhì)安全

中圖分類號：X37 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：2095-672X（2019）10-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.015

Abstract： Water is the source of life， human survival and development are inseparable from water. China is a country with severe drought and water shortage， but there are a certain amount of water molecules in the air. In order to solve this problem， a new type of intelligent water intake device is designed in this paper. By combining with artificial intelligence， it can take water from the air and purify impurities in the water to ensure the safety of drinking water.

Key words： Water shortage; Air water intake; Intelligence; Water quality safet

1 緒論

1.1 本文所涉及問題現(xiàn)狀

水是生命之源，人類的生存和發(fā)展均離不開水。而我國是一個干旱、缺水嚴(yán)重的國家。我國人均的水資源占有量只有2300m3，僅為世界平均水平的1/4，是全世界人均水資源最匱乏的國家之一[1]，但空氣中仍含有大量的水分。本文研究的新型智能取水裝置是從空氣中直接制水，這對于解決全球淡水資源匱乏問題有著非常重要的作用。

1.2 新型取水裝置研究意義目的

目前對于空氣中的水分子這一資源，人們尚未大規(guī)模充分利用。而將空氣制冷，達(dá)到露點(diǎn)溫度取水這一新興技術(shù)，為緩解淡水資源短缺問題提供了新路徑。本文研究的新型取水裝置通過智能硬件實(shí)現(xiàn)從空氣中自動取水，解決局部范圍內(nèi)缺水和干旱問題。通過露點(diǎn)取水的方法最大限度收集空氣中的水分子，并將其科學(xué)合理儲存在集水裝置中，再根據(jù)不同需要對水進(jìn)行吸附處理后加以利用，無毒無害，體積小，操作簡便，應(yīng)用廣泛。

1.3 本文創(chuàng)新點(diǎn)

（1）創(chuàng)新冷凝取水階段：本裝置通過物理學(xué)、環(huán)境學(xué)相關(guān)知識，結(jié)合arduino智能硬件進(jìn)行計算、控制。通過溫濕度傳感、粉塵傳感器等環(huán)境傳感器模塊，得出最優(yōu)的取水方案，同時也最大程度上節(jié)約能源。

（2）創(chuàng)新自動取水系統(tǒng)：新型智能取水裝置可以實(shí)現(xiàn)從空氣到水的自動化操作，省去人工復(fù)雜操作，實(shí)現(xiàn)良好的用戶體驗。

（3）環(huán)保無害化處理：新型智能取水裝置還運(yùn)用吸附劑，吸附該裝置取水中的有害物質(zhì)，達(dá)到飲用水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)。

2 新型智能取水裝置取水工藝的研究

新型空氣取水技術(shù)，即為釆取一定的方法收集空氣中的淡水資源并加以利用。取水方法可以分為傳統(tǒng)方法、非傳統(tǒng)方法。傳統(tǒng)方法為日常在自然界發(fā)生的大氣降水，而非傳統(tǒng)方法可分為濕空氣冷凝法和吸附法[2]。本文研究的方法為濕空氣冷凝法即物理冷凝法。

2.1 物理法冷凝取水原理的研究

空氣中水蒸氣變成水滴的條件是，空氣溫度低于其露點(diǎn)溫度。冷卻結(jié)露的取水方式主要通過壓縮機(jī)或制冷片等冷卻器來實(shí)現(xiàn)。在空氣接觸低溫表面時，當(dāng)空氣溫度在露點(diǎn)溫度以下時，就會冷凝出水，進(jìn)而在冷卻器表面形成一層水膜。實(shí)現(xiàn)水蒸氣交換的動力是一種壓力差[3]，這種壓力差是潮濕空氣與凝結(jié)水層附近的飽和濕空氣之間水蒸氣。

2.2 制冷技術(shù)的研究

目前制冷方式主要有壓縮機(jī)制冷和半導(dǎo)體制冷。

通過實(shí)驗可以得出，在 1h 的連續(xù)運(yùn)行下，一套半導(dǎo)體制冷空氣取水系統(tǒng)可以制取262mL的液態(tài)水;一套壓縮機(jī)冷空氣取水系統(tǒng)可以制取 353mL的液態(tài)水，相比于半導(dǎo)體制冷空氣取水效率調(diào)高了22%，取水效率較為理想。據(jù)研究，在適宜氣候條件下，正常的成年人每天飲水量至少為 1.2L ，壓縮機(jī)制冷取水系統(tǒng)每天工作 3.3 h 可以滿足一個人的攝入量，對人的正常生理活動有著重要的作用。

3 新型智能取水裝置凈水工藝的研究

3.1 凈水原理的研究

吸附過程是溶液中溶劑、溶質(zhì)被相關(guān)固體吸附物質(zhì)吸附結(jié)合的一種界面現(xiàn)象。其中物理吸附是在范德瓦耳斯力或靜電吸引力的作用下進(jìn)行的[4]。該裝置運(yùn)用的吸附劑主要為活性炭、綠沸石、火山石、麥飯石、硅藻土。

3.2 凈水工藝的設(shè)計

該新型智能取水裝置取到的水可能會含有一些污染物，這些污染物主要來自凝結(jié)成水的過程空氣結(jié)合的有害化學(xué)物質(zhì)。其種類及含量與空氣質(zhì)量和人類活動有關(guān) 。實(shí)驗研究表明由于光化學(xué)反應(yīng)現(xiàn)象，空氣中水分主要含有cl-、so42-、NO3-等離子，同時還有可能存在重金屬離子。另外由于目前室內(nèi)裝修會有甲醛的殘留，而該設(shè)備主要運(yùn)用在室內(nèi)所以一定程度上會有甲醛的存在。同時由于該新型智能取水裝置運(yùn)用了銅管、銅鋅合金管和鋁翅片等制成， 所以由裝置取出的水中存在鋁 、銅與鋅的微污染。據(jù)此，該設(shè)備的凈水工藝流程如圖1所示。用水時水箱內(nèi)的水流入凈化裝置，先后經(jīng)過活性炭、綠沸石、火山石、麥飯石、硅藻土。最終保證出水水質(zhì)符合居民飲用水標(biāo)準(zhǔn)。

3.3 凈水效果的研究

實(shí)驗表明，由活性炭、綠沸石、火山石、麥飯石、硅藻土按照空隙大小和一定比例組成的吸附劑能夠很大程度上去除空氣取水中的氯化物、硫酸鹽、甲醛等可能存在的污染物。同時該吸附劑是由多種天然礦物組合而成，在有效去除空氣冷凝水中污染物的同時，又添加多種礦物元素，更大程度上保證居民飲水健康。

4 新型智能取水裝置的設(shè)計

4.1 新型智能取水裝置工藝的設(shè)計

為了避免現(xiàn)有空氣取水裝置存在的不足，讓居民在用水時更方便安全，本裝置工作流程的設(shè)計依據(jù)便捷、智能、環(huán)保的思路，本文所設(shè)計的新型智能取水裝置工作流程如下。

4.2 新型智能取水裝置結(jié)構(gòu)的設(shè)計

新型取水裝置在結(jié)構(gòu)上主要分為五個區(qū)域，如圖3所示，左側(cè)上半部分為冷凝區(qū)，風(fēng)扇將外界空氣倒入裝置，壓縮機(jī)將空氣制冷凝結(jié)成水在這個區(qū)域完成;左側(cè)下半部分為智能控制區(qū)，通過電子線路完成對智能取水裝置整體的控制;右側(cè)下半部分別為集水區(qū)和過濾區(qū)，取到的水儲存于此并根據(jù)需要進(jìn)行過濾;右側(cè)上半部分為飲水區(qū)，用戶可在此取水飲用。

4.3 新型智能取水裝置元件設(shè)計

新型智能取水裝置的智能控制區(qū)由Arduino控制板、繼電器、溫濕度傳感器、粉塵傳感器、oled顯示屏組成。元件主要由翅片、排風(fēng)扇、壓縮機(jī)、水箱、水泵、過濾裝置。

4.4 新型智能取水裝置結(jié)構(gòu)組件、智能元件整體示意圖

該新型智能取水裝置在結(jié)構(gòu)設(shè)計的過程中本著便攜、操作簡單的原則，結(jié)合各個智能元件和零件的實(shí)際尺寸，將裝置設(shè)計為長方體，如下圖4所示。整個裝置的重量10kg，整個裝置的大小為380*160*430mm，同時本裝置選擇亞克力板作為外殼，因為亞克力材質(zhì)具有板韌性好、易清潔、成本低、容易加工等特點(diǎn)，比較適合用來制造本裝置的外殼。

5 新型智能取水裝置的效果評估

5.1 實(shí)驗數(shù)據(jù)及處理

將該裝置置于實(shí)驗室內(nèi)連續(xù)取水。取水日期分別為2019年4月3日，2019年4月8日、2019年4月9日，其中4月3日空氣質(zhì)量較差。水樣一：4月3日取水;水樣二：4月8日取水;水樣三：4月9日取水。用PCS多功能水質(zhì)檢測儀平行檢測三組水樣的色度、濁度、氯化物、硫酸鹽、甲醛含量;用水偵探2.0光譜多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀檢測三組水樣的COD、TOC、TDS。并記錄原水與凈化后水質(zhì)指標(biāo)。

5.2 實(shí)驗結(jié)果評價及小結(jié)

5.2.1 實(shí)驗結(jié)果評價

將取出來的水經(jīng)凈化裝置凈化，用PCS多功能水質(zhì)檢測儀平行檢測三組水樣的色度、濁度、氯化物、硫酸鹽、甲醛含量;用水偵探2.0光譜多參數(shù)水質(zhì)監(jiān)測儀檢測三組水樣的COD、TOC、TDS。將其記錄如下表所示。

從實(shí)驗數(shù)據(jù)可以分析得出，取出來的水在通過凈化裝置后，所檢測的色度、濁度、氯化物、硫酸鹽、甲醛、COD、TOC、TDS均符合GB5749-2006生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)。且相對標(biāo)準(zhǔn)偏差較低，檢測效果穩(wěn)定，最大去除率為86%。

5.2.2 實(shí)驗小結(jié)

本次實(shí)驗的環(huán)境空氣質(zhì)量和濕度等條件均適合該新型智能取水裝置的取水條件。通過實(shí)驗可以驗證水汽中各類污染物含量的與周圍空氣質(zhì)量有關(guān)。污染較重的天氣 ，水汽中的污染物含量相對較高。同時由活性炭、綠沸石、火山石、麥飯石、硅藻土組成的凈化裝置對水中的色度、濁度、氯化物、硫酸鹽、甲醛、COD、TOC、TDS均具有很好的吸附能力。凈化后符合生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)，可以作為居民飲用水飲用，緩解部分地區(qū)生活用水、飲水資源短缺問題。

6 總結(jié)及展望

6.1 總結(jié)與分析

（1）此新型智能取水裝置包括智能控制、空氣取水以及凈化裝置單元三個部分。將智能控制與壓縮機(jī)制冷以及空氣取水技術(shù)結(jié)合在一起，提供了一條解決部分地區(qū)淡水資源匱乏問題的新思路。

（2）通過Arduino程序和環(huán)境傳感器，并利用智能硬件及相關(guān)電子元件的功能，可以實(shí)現(xiàn)空氣取水的自動化、智能化，為智能取水裝置向家庭居民使用提供基礎(chǔ)。

（3）通過新型智能取水裝置取的水，經(jīng)檢測色度、濁度、氯化物、硫酸鹽、甲醛、COD、TOC、TDS指標(biāo)均符合我國《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》GB 5749-2006，產(chǎn)水可以用于飲用、生活使用等。

參考文獻(xiàn)

[1]張宏仁.中國的淡水資源問題[J].資源·產(chǎn)業(yè)，2001，3（4）：5-11.

[2]耿浩清，石成君，蘇亞欣.空氣取水技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011，30（8）：1665-1666.

[3]耿浩清，石成君，蘇亞欣.空氣取水技術(shù)的研究進(jìn)展[J].化工進(jìn)展，2011，30（8）：1665-1666.

[4]崔靜，趙乃勤，李家俊.活性炭制備及不同品種活性炭的研究進(jìn)展[J].碳素技術(shù)，2005，（15）：27-28.

收稿日期：2019-06-17

計劃項目：國家級大學(xué)生創(chuàng)新訓(xùn)練計劃201713663002

作者簡介：李維瑄（1996-），女，蒙古族，理科學(xué)士，研究方向為環(huán)境科學(xué)。