李维瑄 张延龙 郑力燕 黄彭鑫悦

摘要：水是生命之源，人类的生存和发展均离不开水。而我国是一个干旱缺水严重的国家，但空气中有一定量的水分子。针对这一问题，本文设计了一款新型智能取水装置，其通过与智能硬件相结合的方式从空气中取水，同时净化水中杂质，保证饮水安全。

关键词：水资源匮乏;空气取水;智能;水质安全

中图分类号：X37 文献标识码：A 文章编号：2095-672X（2019）10-00-03

DOI：10.16647/j.cnki.cn15-1369/X.2019.10.015

Abstract： Water is the source of life， human survival and development are inseparable from water. China is a country with severe drought and water shortage， but there are a certain amount of water molecules in the air. In order to solve this problem， a new type of intelligent water intake device is designed in this paper. By combining with artificial intelligence， it can take water from the air and purify impurities in the water to ensure the safety of drinking water.

Key words： Water shortage; Air water intake; Intelligence; Water quality safet

1 绪论

1.1 本文所涉及问题现状

水是生命之源，人类的生存和发展均离不开水。而我国是一个干旱、缺水严重的国家。我国人均的水资源占有量只有2300m3，仅为世界平均水平的1/4，是全世界人均水资源最匮乏的国家之一[1]，但空气中仍含有大量的水分。本文研究的新型智能取水装置是从空气中直接制水，这对于解决全球淡水资源匮乏问题有着非常重要的作用。

1.2 新型取水装置研究意义目的

目前对于空气中的水分子这一资源，人们尚未大规模充分利用。而将空气制冷，达到露点温度取水这一新兴技术，为缓解淡水资源短缺问题提供了新路径。本文研究的新型取水装置通过智能硬件实现从空气中自动取水，解决局部范围内缺水和干旱问题。通过露点取水的方法最大限度收集空气中的水分子，并将其科学合理储存在集水装置中，再根据不同需要对水進行吸附处理后加以利用，无毒无害，体积小，操作简便，应用广泛。

1.3 本文创新点

（1）创新冷凝取水阶段：本装置通过物理学、环境学相关知识，结合arduino智能硬件进行计算、控制。通过温湿度传感、粉尘传感器等环境传感器模块，得出最优的取水方案，同时也最大程度上节约能源。

（2）创新自动取水系统：新型智能取水装置可以实现从空气到水的自动化操作，省去人工复杂操作，实现良好的用户体验。

（3）环保无害化处理：新型智能取水装置还运用吸附剂，吸附该装置取水中的有害物质，达到饮用水质标准。

2 新型智能取水装置取水工艺的研究

新型空气取水技术，即为釆取一定的方法收集空气中的淡水资源并加以利用。取水方法可以分为传统方法、非传统方法。传统方法为日常在自然界发生的大气降水，而非传统方法可分为湿空气冷凝法和吸附法[2]。本文研究的方法为湿空气冷凝法即物理冷凝法。

2.1 物理法冷凝取水原理的研究

空气中水蒸气变成水滴的条件是，空气温度低于其露点温度。冷却结露的取水方式主要通过压缩机或制冷片等冷却器来实现。在空气接触低温表面时，当空气温度在露点温度以下时，就会冷凝出水，进而在冷却器表面形成一层水膜。实现水蒸气交换的动力是一种压力差[3]，这种压力差是潮湿空气与凝结水层附近的饱和湿空气之间水蒸气。

2.2 制冷技术的研究

目前制冷方式主要有压缩机制冷和半导体制冷。

通过实验可以得出，在 1h 的连续运行下，一套半导体制冷空气取水系统可以制取262mL的液态水;一套压缩机冷空气取水系统可以制取 353mL的液态水，相比于半导体制冷空气取水效率调高了22%，取水效率较为理想。据研究，在适宜气候条件下，正常的成年人每天饮水量至少为 1.2L ，压缩机制冷取水系统每天工作 3.3 h 可以满足一个人的摄入量，对人的正常生理活动有着重要的作用。

3 新型智能取水装置净水工艺的研究

3.1 净水原理的研究

吸附过程是溶液中溶剂、溶质被相关固体吸附物质吸附结合的一种界面现象。其中物理吸附是在范德瓦耳斯力或静电吸引力的作用下进行的[4]。该装置运用的吸附剂主要为活性炭、绿沸石、火山石、麦饭石、硅藻土。

3.2 净水工艺的设计

该新型智能取水装置取到的水可能会含有一些污染物，这些污染物主要来自凝结成水的过程空气结合的有害化学物质。其种类及含量与空气质量和人类活动有关 。实验研究表明由于光化学反应现象，空气中水分主要含有cl-、so42-、NO3-等离子，同时还有可能存在重金属离子。另外由于目前室内装修会有甲醛的残留，而该设备主要运用在室内所以一定程度上会有甲醛的存在。同时由于该新型智能取水装置运用了铜管、铜锌合金管和铝翅片等制成， 所以由装置取出的水中存在铝 、铜与锌的微污染。据此，该设备的净水工艺流程如图1所示。用水时水箱内的水流入净化装置，先后经过活性炭、绿沸石、火山石、麦饭石、硅藻土。最终保证出水水质符合居民饮用水标准。

3.3 净水效果的研究

实验表明，由活性炭、绿沸石、火山石、麦饭石、硅藻土按照空隙大小和一定比例组成的吸附剂能够很大程度上去除空气取水中的氯化物、硫酸盐、甲醛等可能存在的污染物。同时该吸附剂是由多种天然矿物组合而成，在有效去除空气冷凝水中污染物的同时，又添加多种矿物元素，更大程度上保证居民饮水健康。

4 新型智能取水装置的设计

4.1 新型智能取水装置工艺的设计

为了避免现有空气取水装置存在的不足，让居民在用水时更方便安全，本装置工作流程的设计依据便捷、智能、环保的思路，本文所设计的新型智能取水装置工作流程如下。

4.2 新型智能取水装置结构的设计

新型取水装置在结构上主要分为五个区域，如图3所示，左侧上半部分为冷凝区，风扇将外界空气倒入装置，压缩机将空气制冷凝结成水在这个区域完成;左侧下半部分为智能控制区，通过电子线路完成对智能取水装置整体的控制;右侧下半部分别为集水区和过滤区，取到的水储存于此并根据需要进行过滤;右侧上半部分为饮水区，用户可在此取水饮用。

4.3 新型智能取水装置元件设计

新型智能取水装置的智能控制区由Arduino控制板、继电器、温湿度传感器、粉尘传感器、oled显示屏组成。元件主要由翅片、排风扇、压缩机、水箱、水泵、过滤装置。

4.4 新型智能取水装置结构组件、智能元件整体示意图

该新型智能取水装置在结构设计的过程中本着便携、操作简单的原则，结合各个智能元件和零件的实际尺寸，将装置设计为长方体，如下图4所示。整个装置的重量10kg，整个装置的大小为380*160*430mm，同时本装置选择亚克力板作为外壳，因为亚克力材质具有板韧性好、易清洁、成本低、容易加工等特点，比较适合用来制造本装置的外壳。

5 新型智能取水装置的效果评估

5.1 实验数据及处理

将该装置置于实验室内连续取水。取水日期分别为2019年4月3日，2019年4月8日、2019年4月9日，其中4月3日空气质量较差。水样一：4月3日取水;水样二：4月8日取水;水样三：4月9日取水。用PCS多功能水质检测仪平行检测三组水样的色度、浊度、氯化物、硫酸盐、甲醛含量;用水侦探2.0光谱多参数水质监测仪检测三组水样的COD、TOC、TDS。并记录原水与净化后水质指标。

5.2 實验结果评价及小结

5.2.1 实验结果评价

将取出来的水经净化装置净化，用PCS多功能水质检测仪平行检测三组水样的色度、浊度、氯化物、硫酸盐、甲醛含量;用水侦探2.0光谱多参数水质监测仪检测三组水样的COD、TOC、TDS。将其记录如下表所示。

从实验数据可以分析得出，取出来的水在通过净化装置后，所检测的色度、浊度、氯化物、硫酸盐、甲醛、COD、TOC、TDS均符合GB5749-2006生活饮用水卫生标准。且相对标准偏差较低，检测效果稳定，最大去除率为86%。

5.2.2 实验小结

本次实验的环境空气质量和湿度等条件均适合该新型智能取水装置的取水条件。通过实验可以验证水汽中各类污染物含量的与周围空气质量有关。污染较重的天气 ，水汽中的污染物含量相对较高。同时由活性炭、绿沸石、火山石、麦饭石、硅藻土组成的净化装置对水中的色度、浊度、氯化物、硫酸盐、甲醛、COD、TOC、TDS均具有很好的吸附能力。净化后符合生活饮用水卫生标准，可以作为居民饮用水饮用，缓解部分地区生活用水、饮水资源短缺问题。

6 总结及展望

6.1 总结与分析

（1）此新型智能取水装置包括智能控制、空气取水以及净化装置单元三个部分。将智能控制与压缩机制冷以及空气取水技术结合在一起，提供了一条解决部分地区淡水资源匮乏问题的新思路。

（2）通过Arduino程序和环境传感器，并利用智能硬件及相关电子元件的功能，可以实现空气取水的自动化、智能化，为智能取水装置向家庭居民使用提供基础。

（3）通过新型智能取水装置取的水，经检测色度、浊度、氯化物、硫酸盐、甲醛、COD、TOC、TDS指标均符合我国《生活饮用水卫生标准》GB 5749-2006，产水可以用于饮用、生活使用等。

参考文献

[1]张宏仁.中国的淡水资源问题[J].资源·产业，2001，3（4）：5-11.

[2]耿浩清，石成君，苏亚欣.空气取水技术的研究进展[J].化工进展，2011，30（8）：1665-1666.

[3]耿浩清，石成君，苏亚欣.空气取水技术的研究进展[J].化工进展，2011，30（8）：1665-1666.

[4]崔静，赵乃勤，李家俊.活性炭制备及不同品种活性炭的研究进展[J].碳素技术，2005，（15）：27-28.

收稿日期：2019-06-17

计划项目：国家级大学生创新训练计划201713663002

作者简介：李维瑄（1996-），女，蒙古族，理科学士，研究方向为环境科学。