基于太阳能野外用饮用水净水壶的净化研究

人们在野外工作、运动或生活时(如户外旅游、探险、部队野练、地质勘察、抗洪救灾等)，经常会遇到水质被污染、无法饮用的情况，而随身携带水源会带来更多的负重问题[1]。而在户外缺乏电源的条件下，利用来自太阳的能量具有重要的意义。该净水壶将太阳能光伏技术与传统净水壶技术结合，利用太阳能电池板作为净水壶电解阴阳电极的供电电源，不仅能够对水源中的有机物进行高效降解，控制微量毒副产物不会进入即将饮用的水中，而且在净水壶进口与出口处安装电子检测仪表跟踪水质指标，达到山泉水灌入后即可直接通过出水口饮用，非常简单实用。

1 饮用水净水系统

1.1 净水壶结构

净水壶结构如图1所示，大致分为5个部分：太阳能壶盖、入水室、滤芯、蓄水室、电解水装置。

图1净水壶结构

1.2 净水装置工作原理

通过太阳能电池供给电解槽电能，在阴阳电极之间设置有 SPE质子膜，质子膜是只容许水和质子(或称水合质子，H3O+)通过的膜[2]。也就是水和质子同SPE质子膜中的磺酸基结合，然后从一个磺酸基到另一个磺酸基，最后才到达另一边。

在装置开启、阴阳两极正常运行模式下，水中氢原子失去一个电子后就会变成质子，质子膜只允许质子通过，而不能通过质子膜的电子只能通过外部的电路到达另外一极，即到达阴极板，从而在装置中产生电流。当电子到达阴极板后，与氧原子和氢离子又重新结合为水。

电极之上设有滤网孔，阳电极设置在阴电极之下，透水性隔膜设置在阴阳电极之间。在使用时，阴极直接处于蓄水室的水中，阳电极仅与通过透水性隔膜的渗透水相接触。电解槽由阴阳电极和槽体组成，采用SPE质子膜隔开。当直流电通过时，在阳极与水接触处发生氧化反应，在阴极与水接触处发生还原反应，从而达到净化水中杂质的目的。电解槽结构如图2所示。

图2电解槽结构

1.3 太阳能供电工作原理

薄膜太阳能电池片置于具有严密的防水性和防尘性的壶盖顶部，如图3所示。壶盖顶部是壶体接触阳光时间最长、面积最大之处，有利于太阳能的充分利用。太阳光照在半导体p-n结上，利用半导体的光电效应产生电流。太阳能电池板与充放电控制器串联，给电解水装置提供电能，并向壶盖内部的蓄电池存储电能。在夜间或阴雨天等光照不足的情况下，则由蓄电池向电解水装置供电[3]。

1.4 滤芯结构与原理

滤芯上层采用PP棉，由于PP棉纤维弹性好，蓬松度高，并具备较强的化学兼容性和大纳污量，置于上层作为水源的初滤，可以过滤自来水或山泉水中直径大于5 μm的胶体杂质、铁锈、细小泥沙和有机污染矿物质等。滤芯下层采用改性活性炭作为过滤材料，改性活性炭内部孔隙结构相对更发达、比表面积大、吸附能力增强并具有更高的针对性[4]。水源通过改性活性炭的微孔后，能够得到深度过滤和净化。该净化壶滤芯采用10 g改性活性炭，装入过滤无纺布袋下层，10 g PP棉置于上层，布袋开口缝合后，置于用支架固定的滤芯容器内。

图3太阳能电池片

2 实验部分

2.1 实验材料、仪器及试剂

1)实验材料包括：普通壶体 1个，滤芯容器 1个，芯支架1个，太阳能电池板 1块，蓄电池 1块，控制器 1个，改性活性炭(颗粒状)10 g，PP棉 10 g，铂涂层钛合金圆薄片(直径 43.5 mm，厚度0.5 mm)1片，铜圆片(直径 43.5 mm，厚度 0.5 mm)1片，SPE质子膜(直径45 mm) 1片。

2)实验仪器包括：分光光度计，50 mL比色管，20 mm比色皿，酸碱滴定管，TDS水质检测仪，烧杯，量筒等。

3)实验试剂包括：无浊度水，浊度储备液(硫酸肼溶液，六次甲基四胺溶液，甲膻聚合物标准液)，EDTA标准溶液(0.01mL/L)，0.5%铬黑T指示剂，氨缓冲溶液(pH≈10)。

2.2 实验步骤

2.2.1 水样浊度的测定

吸取浊度标准液0 mL、0.50 mL、1.25 mL、2.50 mL、5.00 mL以及12.50 mL，置于50 mL比色管内，加水直至标线。摇匀片刻，即得到浊度标准系列度：0.4度、10度、20度、40度、80度及100度。利用分光光度计，设置在680 nm波长之下，用20 mm比色皿测定各个标准系列的吸光度，绘制出标准曲线。再对若干个准备好的实验室自来水水样和山泉水水样进行取样，在680 nm波长下测定吸光度。利用绘制的标准曲线，读取水样浊度。

2.2.2 水样总硬度的测定

文章来源：《太阳能学报》 网址: http://www.tynxbzz.cn/qikandaodu/2020/1117/495.html