余奐哲

目前，全球可用淡水資源日益減少，地表、地下水源都出現(xiàn)了不同程度的污染，目前可直接飲用的水源已經(jīng)微乎其微。野外工作者、戶外愛好者和應(yīng)急救援人員急需小巧、輕便、易攜帶的凈水器，方便隨時就地處理地表水，及時獲取可直接飲用的水。

我研發(fā)了一種瓶蓋式便攜凈水器，外出時只需攜帶凈水器和普通的礦泉水。礦泉水飲用完后，在野外將礦泉水瓶就地裝滿地表水，把瓶蓋式便攜凈水器擰在礦泉水瓶上，通過手對塑料瓶身的擠壓、水本身的重力以及嘴的吸力讓瓶內(nèi)的水通過濾芯凈化。

一、結(jié)構(gòu)設(shè)計

瓶蓋式便攜凈水器的結(jié)構(gòu)如圖1所示。

其進(jìn)、出水殼體可采用現(xiàn)有的聚丙烯壓塑工藝生產(chǎn)，均能與普通礦泉水瓶瓶口很好地接合。進(jìn)水殼體內(nèi)徑為28.0mm，螺紋間距3.0mm，螺紋深度為0.5mm。出水殼體的外徑為28.0mm，螺紋間距3.0mm，螺紋深度為0.5mm。

凈水工藝層的PP棉、活性炭和超濾膜以及篩網(wǎng)擋板均可在市場買到，海膽狀羥基磷灰石仿生納米材料層可自行合成，壓合成片，并裁剪成合適的形狀和尺寸以便固定在殼體中。

二、制備納米凈水材料

稱取0.05g至0.25g的醋酸鈣及0.1g至0.2g十六烷基三甲基溴化銨（CTAB）置于10ml去離子水中，攪拌形成溶液A。再將0.04g至0.2g磷酸二氫鈉溶解于20ml去離子水中，并攪拌半個小時，形成溶液B。

一邊攪拌一邊將溶液A緩慢加入溶液B中，并將其pH值調(diào)至4.5后轉(zhuǎn)移到聚四氟乙烯高壓釜中，在微波反應(yīng)器中加熱至100℃并保溫5min至100min后自然冷卻至室溫，離心收集白色產(chǎn)物，再對白色產(chǎn)物進(jìn)行數(shù)次去離子水和無水乙醇洗滌后，放入50℃真空干燥箱中干燥10h，即得羥基磷灰石仿生納米材料層。

將羥基磷灰石置于反應(yīng)器中，抽成真空后通入氮氣，系統(tǒng)壓力通過針閥調(diào)節(jié)為5 Pa 至80Pa，將射頻功率保持在100W至250W，反應(yīng)5min至30min后關(guān)閉電源，在反應(yīng)器內(nèi)外壓力逐漸平衡后取出樣品，即得到白色粉末狀等離子體改性的磷灰石仿生納米材料，如圖2所示。

三、凈水原理

水從進(jìn)水口進(jìn)，經(jīng)四層濾芯過濾后從出水口出。其中PP棉層可過濾掉顆粒較大的泥沙、粘土以及較大的寄生蟲等，降低水源濁度。羥基磷灰石仿生納米材料層可濾除水中的重金屬和一些有毒無機(jī)陰離子，如氟、砷等離子。活性炭可吸附處理水體的有機(jī)物、重金屬及有色水質(zhì)異味。超濾膜能排除對人體有害的細(xì)菌、病毒、微生物孢子、藻類等，并允許水分子和微量元素、礦物質(zhì)通過。

使用時，瓶蓋式便攜凈水器的進(jìn)水口與裝有待凈化水的塑料瓶（例如普通礦泉水瓶）瓶口接合。通過手對軟體塑料瓶身的擠壓、水本身的重力以及嘴的吸力，使飲水瓶中的水在壓力作用下從進(jìn)水口依次經(jīng)過凈水層的各層材質(zhì)，再從出水口流出，經(jīng)凈化后的水可直接飲用。

四、凈水試驗

1.水樣準(zhǔn)備

結(jié)合實際凈水需求以及《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》《軍隊?wèi)?zhàn)時飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》等飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的各項指標(biāo)要求，通過實驗室模擬得被測水樣一份（水樣1），且結(jié)合此款凈水器的實際應(yīng)用，選取2處自然地表水源，提取2份水樣（水樣2和水樣3）。借助中科院物質(zhì)研究院及中國科學(xué)大學(xué)等檢測分析平臺，對三份水樣的相關(guān)成分做了檢測，三份水樣中各成分濃度見表1。

2.測試結(jié)果與討論

上述模擬的水樣經(jīng)瓶蓋式便攜凈水器凈化后，肉眼可見的懸浮物（藻類、顆粒物等）均被濾出，水樣由黃腐殖酸導(dǎo)致的偏黃色的色澤也明顯產(chǎn)生變化 。凈化后的3種水樣中的有害成分均有所下降且符合各項指標(biāo)要求。檢測數(shù)據(jù)如表2所示。

瓶蓋式便攜凈水器的凈化效果證明，它能有效濾除水樣中的重金屬離子、降低水質(zhì)的濁度、去除水中的有害病菌并保留部分人體所需的微量元素，且凈化后的水符合《生活飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》《軍隊?wèi)?zhàn)時飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)》等飲用水衛(wèi)生標(biāo)準(zhǔn)中的各項指標(biāo)要求。