水净化装置、其制作方法以及海水淡化方法与流程

本发明属于水处理技术领域，具体涉及一种水净化装置、该装置的制作方法及应用。

背景技术：

淡水污染和短缺已经成为最严重的全球环境问题之一。联合国预计，在2025年之前，约有28亿人将面临缺水及不能稳定用水的“用水紧张”问题。水污染与水资源短缺严重威胁食品安全和人类健康，影响到人类的长期发展。多数缺水地区同时也是电力匮乏区。现有的海水淡化技术主要依赖高能耗，但是由于部分地区电力匮乏，无法建立大型的海水淡化企业，同时传统的膜渗透法在处理高浓度污水时效率较低。与此同时，近年来飞速发展的基于表面光热水蒸发的太阳能光热海水淡化技术可以在只需太阳光照的前提下进行污水淡化，是一种经济、高效、环保的海水淡化方法。这种技术通常需要将光热材料置于水体表面或上方，将水输送至光热材料上表面，在太阳光的照射下，光热材料表面升温，使其表面的水分迅速蒸发。这种表面光热水蒸发具有极高的能量转化效率，因此在海水淡化、污水处理应用方面具有很大的前景。

但是目前多数的研究都聚焦于如何制备高效的太阳能光热蒸发材料，与之相比，对于海水淡化装置的研究进展就较为缓慢，同时随着太阳能光热蒸发材料水蒸气产生速率的不断增加，现有的海水淡化装置无法满足水蒸气冷凝的需要，即太阳能光热蒸发材料产生的水蒸气无法被凝结收集，同时水蒸气冷凝时产生的雾状水滴影响了太阳光的透射，降低了海水淡化的效率，所以现有的海水淡化装置及方法还有待于改进。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种水净化装置，该装置能够对水蒸气进行分布式冷凝，提高净化的效率。

本发明的另一目的是提供一种上述水净化装置的制作方法。

本发明的第三个目的是提供一种上述水净化装置的海水淡化方法。

技术方案：本发明所述的一种水净化装置，包括浮板、底板、毛细吸水材料、光热材料、冷凝罩、第一净水收集器以及水蒸气循环组件；所述浮板设置有集水槽并形成有上下贯通的安装区域，所述底板安装在所述安装区域内，所述毛细吸水材料铺设在底板上方并向底板下方延伸出，所述光热材料设置在毛细吸水材料上，所述冷凝罩罩设在光热材料上方形成蒸发冷凝腔室，冷凝罩构造有导流面用于将冷凝水导流至所述集水槽内，所述第一净水收集器连接所述集水槽；所述水蒸气循环组件包括气泵和设置在所述浮板下方的第二净水收集器，所述气泵的进气端连通所述蒸发冷凝腔室，气泵的出气端连通所述第二净水收集器。

其中，还包括喷淋系统，所述喷淋系统包括水泵和连接在水泵输出端的喷淋管，所述喷淋管设置在所述冷凝罩上方用于向冷凝罩喷淋水。通过对冷凝罩喷水降温，避免因光热材料的蒸发速率不断增加，冷凝罩热负荷过大而降低冷凝效率。

进一步的，所述浮板上还设置排水槽，用于排出喷淋管向冷凝罩喷淋的水。避免因为喷淋水的堆积阻碍阳光投射。

进一步的，所述第二净水收集器上引出有出气管，所述出气管的出气端布置在所述冷凝罩的表面。从而在水蒸气循环组件实现将水蒸气分布式冷凝的同时，利用出气管将剩余的冷空气引流至冷凝罩的表面，对冷凝罩冲刷降温，提高冷凝罩的冷凝效率。

具体的，所述冷凝罩采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚对苯二甲酸及其衍生物、玻璃中的至少一种制作而成。

所述光热材料采用等离子体纳米粒子材料、半导体材料、碳材料、碳化生物质材料中的至少一种。

进一步的，所述浮板上还设置有太阳能电池板，用于给包括所述气泵在内的用电装置供电。

对应于上述水净化装置，本发明提供的制作方法所采用的技术方案，包括如下步骤：

(1)在pe泡沫上挖出中间上下贯穿、边缘呈阶梯状的安装区域，并在安装区域的边缘挖出集水槽，形成浮板；

(2)将底板安装在该安装区域内，并在底板上划定光热材料的置放区域；

(3)将无尘纸铺设在该置放区域上作为毛细吸水材料，并使其向下贯穿底板自然垂落；

(4)在置放区域内的无尘纸上铺设光热材料；

(5)将冷凝罩罩设在光热材料上方；

(6)将包括气泵在内的用电设备与太阳能电池板连接，并连接相关管路。

进一步的，所述冷凝罩的内表面经过等离子体处理，处理方法为采用常压辉光，通入氧气，处理速度为3-5m/min，处理至少5遍。等离子体处理后的冷凝罩可以有效阻止冷凝罩内水雾的产生，极大地提高了太阳光的透射。

而对应于上述水净化装置，本发明提供的海水淡化方法所采用的技术方案是将该装置通过浮板漂浮在海面上，底板下方延伸的毛细吸水材料垂落至海面下与海水接触，将海水输送到光热材料的下表面，太阳光透过冷凝罩照射光热材料，使光热材料升温蒸发下方海水形成水蒸气，水蒸气一部分在冷凝罩内凝结滑落至集水槽中，流入第一净水收集器，另一部分通过气泵抽出，在海面下冷凝后流入第二净水收集器，第二净水收集器剩余的冷空气对冷凝罩外表面降温，同时水泵抽取海水在冷凝罩外表面喷淋降温。

有益效果：与现有技术相比，该装置通过毛细吸水材料将待净化的水输送到光热材料下方，避免光热材料直接与大水面接触被降温，实现了光热材料的热定位，大幅减少了热损失。通过冷凝罩和水蒸气循环组件配合形成分布式冷凝，使得一部分水蒸气在冷凝罩上得以冷凝，另一部分抽取输送至大水面下方的第二净水收集器被大量的水降温冷凝，从而极大地减少冷凝罩的热负荷，加速水蒸气冷凝速度，提高冷凝效率，进而保障水净化效率。

附图说明

图1是本发明的水净化装置的立体透视结构示意图；

图2是本发明的水净化装置的立体结构示意图；

图3是本发明的水净化装置的俯视结构示意图；

图4是图2中水净化装置沿a向观察的结构示意图；

图5是图2中水净化装置沿b向观察的结构示意图；

图6是实施例中光热材料、毛细吸水材料、底板在安装区域装配的立体结构示意图；

图7是图6结构沿a-a线的剖视结构示意图；

图8是本发明的水净化装置应用状态示意图。

具体实施方式

本发明公开的水净化装置可用于海水的淡化或者江河湖等大水面的水净化处理。下面，具体以海水淡化处理的实施例对该装置进行详细说明。

如图1～5所示，该水净化装置包括浮板1、底板2、毛细吸水材料3、光热材料4、冷凝罩5、第一净水收集器6、水蒸气循环组件、喷淋系统和太阳能电池板13。

具体的，浮板1采用pe泡沫制作而成，其上挖出阶梯式装配区域。请一并参阅图6、图7，本实施例中，该阶梯式装配区域的边缘部分为集水槽11，用于收集部分冷凝水。集水槽11的外周与冷凝罩5的底部边缘重合，从而冷凝罩5能够匹配罩设在集水槽11上方。该阶梯式装配区域的中间开设有上下贯通的矩形的安装区域，底板2嵌入安装在该安装区域内。

底板2采用亚克力制作而成，构造为矩形，尺寸根据实际需要进行设计。其两边与浮板1安装区域边缘留有长条形的空隙，用于毛细吸水材料3从空隙处自然垂落，并通过另两边搭接在浮板1上以进行固定。

在其他实施例中，还可以将底板2制作的更大，直接搭接在浮板1中间阶梯状下凹形成的平台上(此时浮板1装配区域的结构与本实施例有所不同)，底板2的边缘部分和浮板1的相邻表面共同形成集水槽11，底板2中间划定光热材料4的置放区域，底板2的置放区域处的下方浮板1完全挖空，在底板2的置放区域的边缘开设两条长方形缝隙，用于毛细吸水材料3从空隙处自然垂落。

当然，不同的实施方式可根据实际固定和集水的需要，对浮板1和底板2做多种结构上的组合设计，保证底板能够支撑毛细吸水材料3和光热材料4的重量，保证毛细吸水材料3自然垂落的部分能够插入至海面以下，以及保证底板2和浮板1形成能够收集冷凝水的集水槽11，即可。

毛细吸水材料3采用无尘纸制作而成，中间部分铺设在底板2上方，两端分别从底板2的缝隙向下方延伸出，用于通过毛细作用吸收海水，并对海水进行初步的净化。

光热材料4则直接设置在毛细吸水材料3(无尘纸)上，用于吸收太阳的光照并转化成热量，对无尘纸吸附上来的海水进行蒸发。光热材料4可采用等离子体纳米粒子材料、半导体材料、碳材料、碳化生物质材料中的任一种制作，或者采用多种材料的结合制作而成。

冷凝罩5构造成屋脊状，本实施例中，其两侧的导流面倾角设定为30°，当然，可根据不同的冷凝需求和环境条件，将该角度在25～45°内调整。可采用聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯、聚对苯二甲酸及其衍生物、玻璃中的至少一种制作而成，保证阳光的透射率。冷凝罩内表面经过等离子体处理，处理方法为采用常压辉光，通入氧气，处理速度为3-5m/min，处理5遍。其罩设在集水槽11上方，光热材料4被笼罩在其中，共同形成蒸发冷凝腔室。太阳光通过冷凝罩5投射并照在光热材料4上，产生热量蒸发出来的水蒸气一部分上升至冷凝罩5进行冷凝，并顺着其导流面导流至集水槽11中。集水槽11开设有下水孔，与设置在浮板1下方的第一净水收集器6连接，从而将集水槽11中的冷凝水引流至第一净水收集器6中。

水蒸气循环组件包括气泵7、吸气管71、第二净水收集器8、循环管81、出气管82。其中，气泵7通过太阳能电池板13供电，其进气端通过吸气管71与蒸发冷凝腔室连通，用于将蒸发冷凝腔室内的部分水蒸气吸出。其出气端通过循环管82与第二净水收集器8相连，第二净水收集器8为分布式净水收集器。

结合图8所示，由于循环管82插入至相对温度较低的海水中(虚线为海面)，水蒸气在循环管82内被降温冷凝，分离成水和冷空气，水得以在第二净水收集器8中被收集，冷空气则通过出气管82吹扫至冷凝罩5外表面，对冷凝罩5进行降温，降低其热负荷。

喷淋系统则包括水泵9、吸水管91、连接在水泵9输出端的喷淋管10，喷淋管10设置在冷凝罩5上方中间，其上开设有用于向两侧导流面喷水的喷水孔。同样的，水泵9也通过太阳能电池板13供电，抽取海水并将其通过喷淋管10的喷水孔向冷凝罩5喷水冷却，进一步降低其热负荷。

对应的，浮板1上还设置排水槽12，用于排出喷淋管10向冷凝罩5喷淋的水。避免因为喷淋水的堆积阻碍阳光投射。

经过试验，在相同的太阳光强下，采用碳海绵作为光热材料时，该装置的净水速率可达2kg/(m²·h)；当采用氧化石墨烯气凝胶作为光热材料时，该装置的净水速率可达1.3kg/(m²·h)；当采用纳米粒子复合材料作为光热材料时，该装置的净水速率可达1.32kg/(m²·h)。