一种空气取水一体化深度净化的装置与方法

1.本发明属于空气制水技术领域，尤其涉及一种空气取水一体化深度净化的装置与方法。


背景技术：

2.目前，研究员已经开发和研制了大量的空气取水技术和装置。但大多数空气取水技术和装置存在很多问题。
3.比如需要采用大量电力作为辅助，将空气中的水汽进行收集，不适用在偏远和贫瘠地区，同时装置过于笨重，灵活性差，能耗过高，不环保，无法达到实际应用推广以及应急使用；同时，非电力取水装置多采用地表和地面的温差对空气进行制水，冷凝效果和效率较差，制水量差；另外，取水装置制得的水水质差，富含重金属、有机毒物等污染物，不可直接饮用，严重制约了空气取水装置的应用推广。


技术实现要素：

4.针对传统空气取水方法存在能耗过高、取水效率低、制水水质差等问题，本发明提供了一种空气取水一体化深度净化的装置，其包括取水器、深度净化机构、取水管道、取水口、集水瓶、电源，其中取水器包括过滤网、隔板、纳米净化层、超疏水网、风扇、外壳、冷凝管、出水口ⅰ、一级进气管、一级锥形管、二级进气管、二级锥形管、三级进气管；取水管道包括取水支管、取水管ⅰ、取水管ⅱ；一级进气管、一级锥形管、二级进气管、二级锥形管、三级进气管依次连接并设置在外壳内，隔板设置在外壳的左端端部，过滤网通过隔板固定在一级进气管左端，纳米净化层、超疏水网设置在一级进气管内并依次位于过滤网一侧，风扇设置在超疏水网一侧，出水口ⅰ设置在一级进气管底部且位于超疏水网下方；三级进气管与取水管道的取水管ⅱ一端连接，出气口设置在取水管ⅱ上并与其连通，若干个挡水板设置在一级锥形管、二级进气管、二级锥形管、三级进气管内且每间隔4-6cm设置一个，每个挡水板位于风扇一侧的底部设置有一个出水口ⅱ且出水口ⅱ与取水支管一端连通，取水管ⅰ一端与出水口ⅰ，另一端与取水管ⅱ连接，若干取水支管的另一端与取水管ⅰ连接；冷凝管呈螺旋状环缠绕在一级进气管、一级锥形管、二级进气管、二级锥形管、三级进气管的外侧且与冷凝器连通；取水管ⅱ另一端通过深度净化机构与集水瓶连接，集水瓶上设置有取水口，电源与风扇连接。
5.所述深度净化机构包括壳体、催化层、吸附层，壳体内由上至下设置有催化层、吸附层；催化层中催化材料为铜基mof材料、银基mof材料、锌基mof材料中的一种，例如参照文献
①
ansari s n, kumar p, gupta a k, et al. catalytic co(2) fixation over a robust lactam-functionalized cu(ii) metal organic framework [j]. inorg chem, 2019, 58(15): 9723-32.
②
guo h, zhang y, zheng z, et al. facile one-pot fabrication of ag@mof(ag) nanocomposites for highly selective detection of 2,4,6-trinitrophenol in aqueous phase [j]. talanta, 2017, 170: 146-51.
③
tamames-tabar c, imbuluzqueta e, guillou n, et al. a zn azelate mof: combining antibacterial effect [j]. crystengcomm, 2015, 17(2): 456-62.中方法制备；所述吸附层中吸附材料为尾矿砂、粉煤灰、生物炭中的一种。
[0006]
所述纳米净化层中纳米材料为介孔纳米sio2、纳米石墨烯、纳米硅藻土中的一种。
[0007]
所述超疏水网为硬脂酸改性的不锈钢网、碳纤维网、铜网中的一种，改性方法参照文献闫姝均. 超疏水铜表面的制备及性能研究 [d]; 辽宁师范大学, 2012.中方法进行。
[0008]
所述挡水板为内设有亲水丝网的圆环，亲水丝为硅胶丝、棉丝中的一种。
[0009]
一级锥形管、二级锥形管为锥形管，一级锥形管小口的直径是一级进气管直径的40%~50%，二级进气管直径等于一级锥形管小口的直径，二级锥形管小口的直径是二级进气管直径的40%~50%，三级进气管直径等于二级锥形管小口的直径。
[0010]
上述装置的使用方法为：将5~50℃、湿度30%~70%的空气通过风扇以1m
³
/min~3m
³
/min送入取水器的一级进气管中，经过纳米净化层将空气中的no
x
、so2等多种气态污染物进行吸附降解，初步净化后采用超疏水取水技术耦合分级加压冷凝取水技术，先通过超疏水网将净化后空气中部分水汽截留进入出水口ⅰ内（细微灰尘充当凝结核将截留在超疏水表面的水汽凝结），含有剩余水汽的空气进入一级锥形管、二级进气管中由于管径的缩小空气在一级锥形管中压缩而导致温度升高至50~60℃，加热后的空气途径二级锥形管和三进气管中，二级锥形管管径进一步缩小，空气再次压缩升温至61~70℃，同时外加的冷凝管对管内空气进行冷却，管内的空气形成温度差，空气中的水汽遇冷在管内壁和亲水丝上凝结，冷凝水顺着管壁和亲水丝汇集到出水口ⅱ进入取水支管，通过取水管ⅰ、取水管ⅱ流入深度净化系统，分层净化去除水体中有机物、细菌、病毒、重金属、杂质等，净化后的水流入集水瓶中，通过取水口可得到直接饮用的水，干燥的空气从出气口被排出，干燥空气的湿度为0.6%~1.4%。
[0011]
所述风扇功率为5~20w。
[0012]
本发明的优点和技术效果如下：本发明装置采用超疏水取水技术耦合分级加压冷凝取水技术，无需采用大量电力辅助，空气取水效率达98%以上，不仅大大降低了空气取水成本，还实现了空气的高效取水。同时采用分级净化技术，将空气和水中的污染物进行了深度净化，污染物去除率达99%以上，净化后水可直接饮用，实现了空气取水技术的实际应用，适用于不同地区和环境，具有较高的应用价值。
附图说明
[0013]
图1为本发明的立体结构示意图；图2为本发明的取水器本体的立体结构剖视图；图中：1-取水器；2-过滤网；3-出气口；4-深度净化机构；5-取水管ⅰ；6-取水口；7-集水瓶；8-电源；9-隔板；10-纳米净化层；11-超疏水网；12-风扇；13-外壳；14-冷凝管；15-出水口ⅰ；16-一级进气管；17-一级锥形管；18-二级进气管；19-二级锥形管；20-三级进气管；21-挡水板；22-亲水丝网，23-取水支管；24-取水管ⅱ。
具体实施方式
[0014]
下面通过附图和实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明保护范围不局限于所述内容。
[0015]
下述实施例中采用的装置如图1、2所示，包括取水器1、深度净化机构4、取水管道、取水口6、集水瓶7、电源8，其中取水器1包括过滤网2、隔板9、纳米净化层10、超疏水网11、风扇12、外壳13、冷凝管14、出水口ⅰ15、一级进气管16、一级锥形管17、二级进气管18、二级锥形管19、三级进气管20；取水管道包括取水支管23、取水管ⅰ5、取水管ⅱ24；一级进气管16、一级锥形管17、二级进气管18、二级锥形管19、三级进气管20依次连接并设置在外壳内，隔板9设置在外壳13的左端端部，过滤网2通过隔板固定在一级进气管16左端，纳米净化层10、超疏水网11设置在一级进气管16内并依次位于过滤网2一侧，风扇12设置在超疏水网11一侧，出水口ⅰ15设置在一级进气管16底部且位于超疏水网11下方；三级进气管20与取水管道的取水管ⅱ24一端连接，出气口3设置在取水管ⅱ24上并与其连通，若干个挡水板21设置在一级锥形管17、二级进气管18、二级锥形管19、三级进气管20内且每间隔4-6cm设置一个，每个挡水板21位于风扇一侧的底部设置有一个出水口ⅱ且出水口ⅱ与取水支管23一端连通，取水管ⅰ5一端与出水口ⅰ15，另一端与取水管ⅱ24连接，若干取水支管23的另一端与取水管ⅰ5连接；冷凝管14呈螺旋状环缠绕在一级进气管16、一级锥形管17、二级进气管18、二级锥形管19、三级进气管20的外侧且与冷凝器连通；取水管ⅱ24另一端通过深度净化机构4与集水瓶7连接，集水瓶7上设置有取水口6，电源8与风扇12连接。
实施例1
[0016]
本实施例中深度净化机构的催化层中催化材料为铜基mof材料，吸附层中吸附材料为尾矿砂；纳米净化层中纳米材料为介孔纳米sio2；超疏水网为硬脂酸改性的不锈钢网；挡水板为内设有亲水丝网22的圆环，亲水丝为硅胶丝；一级锥形管17小口的直径是一级进气管16直径的40%，二级锥形管19小口的直径是二级进气管18直径的40%；打开110v电源8开关，风扇转动，风扇转动将外部温度为20℃、湿度70%的空气以1m
³
/min的空气流量送入取水器内径为20cm的一级进气管16中，空气经过过滤网2、纳米净化层10、超疏水网11、一级锥形管17、挡水板21、二级进气管18、二级锥形管19、三级进气管20、取水管ⅱ24、出气口3，空气经过过滤网2时，可将大颗粒尘埃等杂质过滤，在途径介孔纳米sio2净化层时，介孔纳米sio2可将进入空气中含有的no
x
、so2、甲醛等多种气态污染物进行吸附降解，初步净后的空气在功率5w风扇12的作用下经过300目硬脂酸改性不锈钢超疏水网11，超疏水网将空气中40%的水汽截留在表面，细微灰尘充当凝结核将截留在超疏水表面的水汽凝结并顺着超疏水网滚落到出水口ⅰ15中，通过取水管ⅰ5、取水管ⅱ24流入深度净化机构4中，同时含有60%水汽的空气在通过超疏水网后在风扇的作用下快速进入到小口的直径为8cm的铜制一级锥形管17和铜制二级进气管18，在一级锥形管和二级进气管中空气因压缩而温度升高至50℃，加热后的空气途径小口的直径为3.2cm的铜制二级锥形管19和铜制三级进气管20进行二级压缩继续升温至61℃，此时外部环绕的冷凝管14对取水器1进行冷却，与进气管、锥形管内的空气形成温度差，随后空气中的水汽遇冷在管内壁和0.02mm硅胶亲水丝22上凝结得到冷凝水并沿着管壁和亲水丝汇集到出水口ⅱ进入取水支管23，顺着
取水管ⅰ5、取水管ⅱ24流至深度净化机构4，干燥的空气从出气口3被排出，干燥空气的湿度为1.4%，汇集到的水通过深度净化机构4铜基mof材料催化层、尾矿砂吸附层进行深度净化，以去除水体中的有机物、细菌、病毒、重金属、杂质等，净化后的水流入集水瓶7，通过取水口6流出。
[0017]
该装置空气取水效率达98%，1h产水0.8l，1d产水19.2l，水质达到ⅰ类水标准。
实施例2
[0018]
本实施例中深度净化机构的催化层中催化材料为银基mof材料，吸附层中吸附材料为粉煤灰；纳米净化层中纳米材料为纳米石墨烯；超疏水网为硬脂酸改性的碳纤维网；挡水板为内设有亲水丝网22的圆环，亲水丝为棉丝；一级锥形管17小口的直径是一级进气管16直径的45%，二级锥形管19小口的直径是二级进气管18直径的45%；打开110v电源8开关，风扇转动，风扇转动将外部温度为25℃、湿度为50%的空气以2m
³
/min的空气流量送入取水器内径为20cm的一级进气管16中，空气经过过滤网2、纳米净化层10、超疏水网11、一级锥形管17、挡水板21、二级进气管18、二级锥形管19、三级进气管20、取水管ⅱ24、出气口3，空气经过过滤网2时，可将大颗粒尘埃等杂质过滤，在途径纳米石墨烯净化层时，纳米石墨烯可将进入空气中含有的no
x
、so2、甲醛等多种气态污染物进行吸附降解，初步净化后的空气在功率15w风扇12的作用下经过300目硬脂酸改性碳纤维超疏水网11，超疏水网将空气中35%的水汽截留在表面，细微灰尘充当凝结核将截留在超疏水表面的水汽凝结并顺着超疏水网滚落到出水口ⅰ15中，通过取水管ⅰ5、取水管ⅱ24流入深度净化机构4中，同时含有65%水汽的空气在途径超疏水网后在风扇的作用下快速进入到小口的直径为9cm的铝制一级锥形管17和铝制二级进气管18，在一级锥形管和二级进气管中空气因压缩而温度升高至55℃，加热后的空气途径小口的直径为4.05cm的铝制二级锥形管19和铝制三级进气管20进行二级压缩继续升温至65℃，此时外部环绕的冷凝管14对取水器1进行冷却，与进气管、锥形管内的空气形成温度差，随后空气中的水汽遇冷在管内壁和0.02mm棉制亲水丝22上凝结得到冷凝水并沿着管壁和亲水丝汇集到出水口ⅱ进入取水支管23，顺着取水管ⅰ5、取水管ⅱ24流至深度净化机构4，干燥的空气从出气口3被排出，干燥空气的湿度为1%，汇集到的水通过深度净化机构4的银基mof材料催化层、粉煤灰吸附层进行深度净化，以去除水体中的有机物、细菌、病毒、重金属、杂质等，净化后的水流入集水瓶7，通过取水口6流出。
[0019]
该装置空气取水效率达98%，1h产水0.7l，1d产水16.8l，水质达到ⅰ类水标准。
实施例3
[0020]
本实施例中深度净化机构的催化层中催化材料为锌基mof材料，吸附层中吸附材料为生物炭；纳米净化层中纳米材料为纳米硅藻土；超疏水网为硬脂酸改性的铜网；挡水板为内设有亲水丝网22的圆环，亲水丝为硅胶丝；一级锥形管17小口的直径是一级进气管16直径的50%，二级锥形管19小口的直径是二级进气管18直径的50%；打开220v电源8开关，风扇转动，风扇转动将外部温度为30℃、湿度为30%的空气以3m
³
/min的空气流量送入取水器直径为20cm的一级进气管16中，空气经过过滤网2、纳米净化层10、超疏水网11、一级锥形管17、挡水板21、二级进气管18、二级锥形管19、三级进气管
20、取水管ⅱ24、出气口3，空气经过过滤网2时，可将大颗粒尘埃等杂质过滤，在途径纳米硅藻土净化层10时，纳米硅藻土可将进入空气中含有的no
x
、so2、甲醛等多种气态污染物进行吸附降解，初步净化后的空气在功率20w风扇12的作用下经过300目硬脂酸改性改性铜网11，超疏水网将空气中30%的水汽截留在表面，细微灰尘充当凝结核将截留在超疏水表面的水汽凝结并顺着改性超疏水铜网滚落到出水口ⅰ15中，通过取水管ⅰ5、取水管ⅱ24流入深度净化机构4中，同时含有70%水汽的空气在途径超疏水铜网后在风扇的作用下快速进入到小口的直径为10cm的铁制一级锥形管17和铁制二级进气管18，在一级锥形管和二级进气管中空气进行一级压缩加压而温度升高至60℃，加热后的空气途径小口的直径为5cm的铁制二级锥形管19和铁制三级进气管20进行二级压缩加压继续将空气升温至70℃，此时外部环绕的冷凝管14对取水器1进行冷却，与进气管、锥形管内的空气形成温度差，随后空气中的水汽遇冷在管内壁和0.02mm硅胶亲水丝22上凝结得到冷凝水并沿着管壁和亲水丝汇集到出水口ⅱ进入取水支管23，顺着取水管ⅰ5、取水管ⅱ24流至深度净化机构4，干燥的空气顺着取水管道从出气口3被排出，干燥空气的湿度为0.4%，汇集到的水通过深度净化机构4锌基mof材料催化层、生物炭吸附层进行深度净化，以去除水体中的有机毒物、细菌、病毒、重金属、杂质等，净化后的水流入集水瓶7，通过取水口6流出。
[0021]
该装置空气取水效率达98.7%，1h产水0.6l，1d产水14.4l，水质达到ⅰ类水标准。
[0022]
应当理解的是本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

技术特征：
1.一种空气取水一体化深度净化的装置，其特征在于：包括取水器（1）、深度净化机构（4）、取水管道、取水口（6）、集水瓶（7）、电源（8），其中取水器（1）包括过滤网（2）、隔板（9）、纳米净化层（10）、超疏水网（11）、风扇（12）、外壳（13）、冷凝管（14）、出水口ⅰ（15）、一级进气管（16）、一级锥形管（17）、二级进气管（18）、二级锥形管（19）、三级进气管（20）；取水管道包括取水支管（23）、取水管ⅰ（5）、取水管ⅱ（24）；一级进气管（16）、一级锥形管（17）、二级进气管（18）、二级锥形管（19）、三级进气管（20）依次连接并设置在外壳内，隔板（9）设置在外壳（13）的左端端部，过滤网（2）通过隔板固定在一级进气管（16）左端，纳米净化层（10）、超疏水网（11）设置在一级进气管（16）内并依次位于过滤网（2）一侧，风扇（12）设置在超疏水网（11）一侧，出水口ⅰ（15）设置在一级进气管（16）底部且位于超疏水网（11）下方；三级进气管（20）与取水管道的取水管ⅱ（24）一端连接，出气口（3）设置在取水管ⅱ（24）上并与其连通，若干个挡水板（21）设置在一级锥形管（17）、二级进气管（18）、二级锥形管（19）、三级进气管（20）内且每间隔4-6cm设置一个，每个挡水板（21）位于风扇一侧的底部设置有一个出水口ⅱ且出水口ⅱ与取水支管（23）一端连通，取水管ⅰ（5）一端与出水口ⅰ（15），另一端与取水管ⅱ（24）连接，若干取水支管（23）的另一端与取水管ⅰ（5）连接；冷凝管（14）呈螺旋状环缠绕在一级进气管（16）、一级锥形管（17）、二级进气管（18）、二级锥形管（19）、三级进气管（20）的外侧且与冷凝器连通；取水管ⅱ（24）另一端通过深度净化机构（4）与集水瓶（7）连接，集水瓶（7）上设置有取水口（6），电源（8）与风扇（12）连接。2.根据权利要求1所述的空气取水一体化深度净化的装置，其特征在于：深度净化机构（14）包括壳体、催化层、吸附层，壳体内由上至下设置有催化层、吸附层；催化层中催化材料为铜基mof材料、银基mof材料、锌基mof材料中的一种，吸附层中吸附材料为尾矿砂、粉煤灰、生物炭中的一种。3.根据权利要求1所述的空气取水一体化深度净化的装置，其特征在于：纳米净化层中纳米材料为介孔纳米sio2、纳米石墨烯、纳米硅藻土中的一种。4.根据权利要求1所述的空气取水一体化深度净化的装置，其特征在于：超疏水网为有机硅烷改性的不锈钢网、碳纤维网、铜网中的一种。5.根据权利要求1所述的空气取水一体化深度净化的装置，其特征在于：挡水板（21）为内设有亲水丝网（22）的圆环，亲水丝为硅胶丝、棉丝中的一种。6.根据权利要求1所述的空气取水一体化深度净化的装置，其特征在于：一级锥形管（17）、二级锥形管（19）为锥形管，一级锥形管（17）小口的直径是一级进气管（16）直径的40%~50%，二级进气管（18）直径等于一级锥形管（17）小口的直径，二级锥形管（19）小口的直径是二级进气管（18）直径的40%~50%，三级进气管（20）直径等于二级锥形管（19）小口的直径。7.权利要求1-6任一项所述空气取水一体化深度净化的装置的使用方法，其特征在于：在风扇（2）作用下，将空气通过过滤网送入取水器（1）的一级进气管（16）中，经过纳米净化层（10）将空气中多种气态污染物进行吸附降解，空气初步净化后采用超疏水取水技术耦合分级加压冷凝取水技术，空气先通过超疏水网（11）截留空气中部分水汽，然后含有剩余水汽的空气依次进入一级锥形管（17）、二级锥形管（19）进行压缩加热至50~70℃，同时外加的冷凝管（14）对空气进行冷却，水汽在管内壁和亲水丝（22）上凝结，冷凝水沿着管壁和亲水丝汇集到出水口ⅱ进入取水支管（23），通过取水管ⅰ（5）、取水管ⅱ（24）流入深度净化系统
（4），分层净化后流入集水瓶（7）中。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：空气湿度为30%~70%，温度为5~50℃。

技术总结
本发明公开了一种空气取水一体化深度净化的装置，其包括取水器、深度净化机构、取水管道、取水口、集水瓶、电源，其中取水器包括过滤网、隔板、纳米净化层、超疏水网、风扇、外壳、冷凝管、出水口Ⅰ、一级进气管、一级锥形管、二级进气管、二级锥形管、三级进气管；取水管道包括取水支管、取水管Ⅰ、取水管Ⅱ；本发明采用超疏水取水技术耦合分级加压冷凝取水技术，无需电力辅助，空气取水效率达98%以上，大大降低了空气取水成本，实现了空气的高效取水。同时采用分级净化技术，将空气和水中的污染物进行了深度净化，污染物去除率达99%以上，净化后的水可直接饮用，适用于不同地区和环境，具有较高的应用价值。用价值。用价值。


技术研发人员：瞿广飞 王作亮 陈修平 任远川 王军 路萍
受保护的技术使用者：昆明理工大学
技术研发日：2023.01.31
技术公布日：2023/7/22