本發(fā)明屬于飲用水凈化技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種納米半導(dǎo)體光催化凈水裝置及方法。

背景技術(shù)：

偏遠(yuǎn)地區(qū)和野外條件下日常飲用水主要來源于雨水收集、地表水和地下水，這些水源的安全性得不到保證，可能含有病原微生物、化學(xué)性污染物、重金屬和毒性物質(zhì)，直接飲用存在衛(wèi)生風(fēng)險(xiǎn)，是造成地方病的主要原因，必須處理后才能成為飲用水。當(dāng)前的飲用水主要處理方式及其應(yīng)用的局限性綜述如有：

(1)傳統(tǒng)工藝：按照自來水處理工藝，進(jìn)行混凝、沉淀、過濾、加氯消毒，可以除去水中的濁度、懸浮物、膠體、色度、微生物等，處理效率高，適合大量供應(yīng)飲用水的應(yīng)用場(chǎng)景。但該工藝復(fù)雜，自動(dòng)化程度低，對(duì)處理場(chǎng)所要求較高，需要有專業(yè)人員進(jìn)行，不適合為偏遠(yuǎn)地區(qū)提供個(gè)人飲用水的凈化需求。

(2)過濾吸附的方法：采用活性炭、多孔陶瓷、PP棉以及其他其他材料制成的過濾板，可以攔截水中的可見懸浮物，降低水的濁度，吸附金屬離子、有毒化合物和異味分子，可以滿足少量飲用水的凈化需求。但該技術(shù)不能殺滅水中的病原微生物，尤其是對(duì)細(xì)胞形態(tài)較少的病毒、芽孢、蟲卵等攔截和吸附的效果較差，因此經(jīng)過濾材過濾的飲用水，仍然存在病原微生物污染風(fēng)險(xiǎn)。另外，為了提高過濾效果，必然增加濾材厚度、減少濾材孔徑，這樣以來就需要提供額外動(dòng)力以產(chǎn)生足夠的壓差，還需要頻繁更換濾材，顯然不適用于山區(qū)農(nóng)村等偏遠(yuǎn)、無電源等情境的需要。

(3)反滲透(RO)凈水技術(shù)：最新出現(xiàn)的這種技術(shù)是以高于滲透壓的壓力作為推動(dòng)力，利用選擇膜只能透過水而不能透過溶質(zhì)的原理，從水體中將水分子與溶質(zhì)相分離。優(yōu)點(diǎn)是處理能力非常強(qiáng)大，RO處理過的水質(zhì)可以達(dá)到純水的級(jí)別。但RO技術(shù)對(duì)能源和耗材要求高，還需要對(duì)水源進(jìn)行預(yù)處理，適用于科研、醫(yī)藥、城市家庭等對(duì)水質(zhì)要求很高的場(chǎng)合，不適合作為偏遠(yuǎn)和野外場(chǎng)合個(gè)人應(yīng)用水來源。

綜上所述，對(duì)于廣大的偏遠(yuǎn)山區(qū)和野外作業(yè)場(chǎng)所，現(xiàn)有的水處理和凈化技術(shù)都不適用，需要提供一種不要電源、無需復(fù)雜人工干預(yù)、經(jīng)濟(jì)廉價(jià)、可持續(xù)供應(yīng)的凈水技術(shù)和裝置，為當(dāng)?shù)鼐用窈妥鳂I(yè)人員供應(yīng)安全達(dá)標(biāo)的應(yīng)用水。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)的缺點(diǎn)，本發(fā)明的目的在于提供一種納米半導(dǎo)體光催化凈水裝置及方法，可將收集的雨水、地表水、地下水等來源的可疑濁水凈化為可飲用水，該裝置無需電源，充分利用風(fēng)力、太陽光等自然條件，達(dá)到凈化水質(zhì)的目的，適合為偏遠(yuǎn)地區(qū)和野外作業(yè)場(chǎng)合提供安全、廉價(jià)、連續(xù)的個(gè)人飲用水來源。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：

一種納米半導(dǎo)體光催化凈水裝置，包括風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100、過濾段200、光催化段300以及管路系統(tǒng)400，濁水經(jīng)管路系統(tǒng)400依次經(jīng)過過濾段200和光催化段300實(shí)現(xiàn)凈化，所述風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100帶動(dòng)過濾段200和光催化段300旋轉(zhuǎn)。

所述過濾段200位于光催化段300上方，濁水經(jīng)管路系統(tǒng)400先注入過濾段200的上部，通過重力作用流經(jīng)過濾段200和光催化段300，在過濾段200去除水中的混濁物、金屬離子以及有毒化合物，并消除異味；在光催化段300完成光化分解過程，去除病原微生物以及大分子有機(jī)物。

所述風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100的風(fēng)葉110為軸流型3片或4片結(jié)構(gòu)，半徑為0.6～1.0米，在軸向氣流作用下，旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸130同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，在旋轉(zhuǎn)軸130外側(cè)安裝有主動(dòng)錐齒輪120，與下方安裝在過濾段200頂蓋的從動(dòng)錐齒輪160相交咬合，從而帶動(dòng)過濾段200旋轉(zhuǎn)，過濾段200轉(zhuǎn)速公式如下：

n＝r/R

其中，n為過濾段200的轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘；r為風(fēng)葉110轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘；R為從動(dòng)錐齒輪160齒數(shù)與主動(dòng)錐齒輪120齒數(shù)之比。取R為30，則在三級(jí)風(fēng)或以下的氣象條件下，過濾段200轉(zhuǎn)速為0.5～1轉(zhuǎn)/分鐘。

所述旋轉(zhuǎn)軸130內(nèi)側(cè)與設(shè)備的立管140通過軸承相連，允許旋轉(zhuǎn)軸130順暢轉(zhuǎn)動(dòng)，立管140從過濾段200和光催化段300穿過，立管140與過濾段200的接觸軸，加裝上旋轉(zhuǎn)密封件151和中旋轉(zhuǎn)密封件152，既保證過濾段200轉(zhuǎn)動(dòng)，又起到密封的作用；立管140與光催化段300的接觸軸，加裝下旋轉(zhuǎn)密封件153。

所述過濾段200主要包括水位指示器210、儲(chǔ)水罐220以及復(fù)合濾材層230，水位指示器210在儲(chǔ)水罐220中，用于指示水位，復(fù)合濾材層230在儲(chǔ)水罐220中，由上下兩層PP棉和中間的活性炭濾材構(gòu)成。

所述水位指示器210包括豎向的中空帶孔的頂桿213，頂桿213設(shè)置在儲(chǔ)水罐220中，其頂端為標(biāo)識(shí)蓋211，下方為空心的浮球214，標(biāo)識(shí)蓋211位于儲(chǔ)水罐220外，注水后水位上升，水位指示器210被抬高，通過頂桿213管壁的氣孔排出儲(chǔ)水罐220內(nèi)的空氣，頂桿213中部偏上位置設(shè)置檔桿212，作用是防止標(biāo)識(shí)蓋211上升過高，從而阻擋做平面圓周運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸130。

所述光催化段300有兩層結(jié)構(gòu)，外周為錐形玻璃筒310，內(nèi)層為鏡面不銹鋼材質(zhì)的反光板330，中間填充負(fù)載光催化劑的多孔陶瓷珠320，下方通過不銹鋼阻隔網(wǎng)340托住填充物。

所述多孔陶瓷珠320是光催化劑的載體，由海泡石磨粉高溫?zé)Y(jié)而成，通過浸漬法負(fù)載納米級(jí)半導(dǎo)體態(tài)的TiO₂和FeCl₃，形成TiO₂-Fe³⁺納米半導(dǎo)體光催化劑涂層。

所述管路系統(tǒng)400包括立管140，立管140中有排氣管410、注水管420和出水管430，注水管420下端至離地約30cm，末端設(shè)置注水閥門442，向上走行至距頂部20cm處，開口在儲(chǔ)水罐220內(nèi)，通過手動(dòng)壓水機(jī)將收集的濁水注入到過濾段200；出水管430下端至離地約60cm處，末端設(shè)置出水閥門441，向上走行至光催化段300底部，開口在光催化段300，排氣管410用于排出光催化段300的空氣，其下端開口在光催化段300內(nèi)，上端開口高于立管140，末端為彎管，避免雨水進(jìn)入。

本發(fā)明還提供了基于所述納米半導(dǎo)體光催化凈水裝置的凈水方法，通過管路系統(tǒng)400將要處理的濁水注入過濾段200，濁水向下經(jīng)過過濾，消除異味，去除水中的混濁物、金屬離子以及有毒化合物，然后緩慢流經(jīng)光催化段300，太陽光照射使光催化劑產(chǎn)生電子-空穴從而形成自由基，對(duì)周邊和滲透到其內(nèi)部的水中病原微生物、有機(jī)物發(fā)揮氧化分解作用，達(dá)到消毒的目的；消毒后的凈水通輸送至地面，過濾段200和光催化段300在風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100的帶動(dòng)下進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)，使光催化劑均勻接收光照，提高光催化效率。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明通過復(fù)合濾材的過濾，消除異味、去除混濁物、金屬離子和有毒化合物，再經(jīng)過納米半導(dǎo)體光催化劑的光化作用，去除病原微生物、大分子有機(jī)物等，使最終產(chǎn)生的凈水達(dá)到《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。

附圖說明

圖1是本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2是本發(fā)明風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖3是本發(fā)明過濾段的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明光催化段的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明管路系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例詳細(xì)說明本發(fā)明的實(shí)施方式。

如圖1所示，本發(fā)明包括風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100、過濾段200、光催化段300、管路系統(tǒng)400四大部分。通過管路系統(tǒng)400將濁水注入過濾段200，向下經(jīng)過復(fù)合濾材的過濾，去除水中的混濁物、金屬離子、有毒化合物等，并消除異味；然后緩慢流經(jīng)載有納米半導(dǎo)體光催化劑的陶瓷珠，在光催化段300完成光化分解過程，去除病原微生物、大分子有機(jī)物等；風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100通過風(fēng)葉提供動(dòng)力，帶動(dòng)下面的過濾段200和光催化段300轉(zhuǎn)動(dòng)，使光催化劑均勻接收光照，提高光催化效率；處理后的凈水通過管路系統(tǒng)400輸送回地面。各部分結(jié)構(gòu)原理如下：

1、風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100

如圖2所示，風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100通過風(fēng)葉110提供動(dòng)力，帶動(dòng)下面的過濾段200和光催化段300旋轉(zhuǎn)。風(fēng)葉110為軸流型3片或4片結(jié)構(gòu)，限定半徑為0.6～1.0米，在軸向氣流作用下，可進(jìn)行旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)軸130同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)。旋轉(zhuǎn)軸130外側(cè)約1/4處，安裝有主動(dòng)錐齒輪120，與下方安裝在過濾段200頂蓋的從動(dòng)錐齒輪160相交咬合，從而帶動(dòng)過濾段200旋轉(zhuǎn)。旋轉(zhuǎn)軸130內(nèi)側(cè)與設(shè)備的立管140通過軸承相連，允許旋轉(zhuǎn)軸130順暢轉(zhuǎn)動(dòng)。立管140與過濾段200的接觸軸，加裝上旋轉(zhuǎn)密封件151，既保證過濾段200轉(zhuǎn)動(dòng)，又起到密封的作用。過濾段200轉(zhuǎn)速公式如下：

n＝r/R

n為過濾段轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘；r為風(fēng)葉轉(zhuǎn)速，單位為轉(zhuǎn)/分鐘；R為從動(dòng)錐齒輪齒160數(shù)與主動(dòng)錐齒輪齒120數(shù)之比，本系統(tǒng)規(guī)定R為30，根據(jù)推算在一般氣象條件下(三級(jí)風(fēng)或以下)，過濾段200轉(zhuǎn)速為0.5～1轉(zhuǎn)/分鐘。

2、過濾段200

如圖3所示，過濾段200由水位指示器210、儲(chǔ)水罐220、復(fù)合濾材層230等組成，作用是將注入的濁水進(jìn)行過濾，去除水中的混濁物、金屬離子、有毒化合物等，并消除異味。水位指示器210用于指示儲(chǔ)水罐220中的水位，頂端為紅色或其他醒目顏色的標(biāo)識(shí)蓋211，中間為中空帶孔的頂桿213，下方為空心的浮球214。注水后水位上升，水位指示器210被抬高，當(dāng)看到標(biāo)識(shí)蓋211上升后停止注水。通過頂桿213管壁的氣孔，還可以排出儲(chǔ)水罐220內(nèi)的空氣。頂桿213中部偏上位置設(shè)置檔桿212，作用是防止標(biāo)識(shí)蓋211上升過高，從而阻擋了做平面圓周運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸130。儲(chǔ)水罐220用于存儲(chǔ)濁水，下部設(shè)置復(fù)合濾材層230，由上下兩層PP棉和中間的活性炭濾材構(gòu)成。通過重力作用，使?jié)崴徛ㄟ^濾材，過濾水中雜質(zhì)，并消除水中的異味。過濾后的水在重力作用下，下降至光催化段300進(jìn)行后續(xù)的光催化消毒處理。過濾段200下部與立管140與接觸軸，加裝中旋轉(zhuǎn)密封件152。

3、光催化段300

如圖4所示，過濾后的水向下進(jìn)入光催化段300，在此緩慢流經(jīng)負(fù)載有光催化劑的載體，在太陽光的照射下，產(chǎn)生光催化作用，分解病原微生物和大分子有機(jī)物。光催化段300有兩層結(jié)構(gòu)，外周為錐形玻璃筒310，內(nèi)層為鏡面不銹鋼材質(zhì)的反光板330，中間填充負(fù)載光催化劑的多孔陶瓷珠320，下方通過不銹鋼阻隔網(wǎng)340托住填充物。多孔陶瓷珠320是光催化劑的載體，由海泡石磨粉高溫?zé)Y(jié)而成，通過浸漬法負(fù)載納米級(jí)半導(dǎo)體態(tài)的TiO₂和FeCl₃，形成TiO₂-Fe³⁺納米半導(dǎo)體光催化劑涂層。太陽光通過錐形玻璃筒310照射到多孔陶瓷珠320，使光催化劑產(chǎn)生電子-空穴對(duì)，形成自由基，對(duì)多孔陶瓷珠320周邊和滲透到其內(nèi)部的水中病原微生物、有機(jī)物發(fā)揮氧化分解作用，達(dá)到消毒的目的。消毒后的水存貯在光催化段內(nèi)部，需要時(shí)通過管路系統(tǒng)400送至地面。光催化段300下部與立管140與接觸軸，也要加裝下旋轉(zhuǎn)密封件153。

4管路系統(tǒng)

如圖5所示，管路系統(tǒng)400用于給儲(chǔ)水罐220注水，將凈水引入地面，以及為光催化段300排氣，所有管路均在立管140內(nèi)走行。注水管420下端至離地約30cm，末端設(shè)置注水閥門442，向上走行至距頂部20cm處，開口在儲(chǔ)水罐220內(nèi)，通過手動(dòng)壓水機(jī)將收集的濁水注入到過濾段200。出水管430下端至離地約60cm處，末端設(shè)置出水閥門441，向上走行至光催化段300底部，開口在光催化段300，打開出水閥門441即可獲得凈水。排氣管410用于排出光催化段300的空氣，其下端開口在光催化段300內(nèi)，上端開口高于立管140，末端為彎管，避免雨水進(jìn)入。

本發(fā)明的實(shí)施流程如下：

(1)按照?qǐng)D2的結(jié)構(gòu)和相關(guān)描述，制造風(fēng)力旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)100。

(2)按照?qǐng)D3的描述開發(fā)制造過濾段200各部件。

(3)按照?qǐng)D4的描述開發(fā)制造光催化段300各組成部分。

(4)根據(jù)圖1的結(jié)構(gòu)將各部分組裝完成。

(5)按照?qǐng)D5的描述安裝管路系統(tǒng)400。

(6)將組裝完成的納米半導(dǎo)體光催化凈水裝置安裝到適當(dāng)?shù)攸c(diǎn)。

(7)通過手動(dòng)壓水機(jī)給該裝置注水。

(8)約3小時(shí)后即可生成凈水。

對(duì)按照上述發(fā)明內(nèi)容制造的“納米半導(dǎo)體光催化凈水裝置”產(chǎn)生的凈水進(jìn)行檢測(cè)，共送檢10批次，主要結(jié)果如下：

(1)水樣無臭味、異味，無肉眼可見物，渾濁度為1(鉑鈷色度單位)。

(2)溶解性總固體在160～280(mg/L)之間。

(3)未檢出總大腸桿菌、大腸埃希氏菌，菌落總數(shù)在0～12(CFU/mL)之間。

(4)毒理學(xué)指標(biāo)符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》(GB5749-2006)。