摩擦水泵:一种低成本、手摇驱动的消毒系统

Research News

TriboPump: A Low-cost, Hand-powered Water Disinfection System

Wenbo Ding, Jianfeng Zhou, Jia Cheng, Zhaozheng Wang, Hengyu Guo, Changsheng Wu, Sixing Xu, Zhiyi Wu, Xing Xie and Zhong Lin Wang

DOI: 10.1002/aenm.201901320

To tackle the requirements of power independence and cost control in the point-of-use (POU) water disinfection, the concept of TriboPump is proposed, which is a low-cost, hand-powered water disinfection system in this paper. With the integrated design, the system can effectively disinfect the water while pumping it driven solely by hand power. The cost estimate of the whole system could be as low as $10 for a 2-year service. It is believed that the whole system design provides a cost-efficient solution for POU water pumping and disinfection, which will be ideally suitable for the rural areas or sudden-onset catastrophes.

水是生命之源,纯净的水源是人类赖以生存的重要资源。尽管地球表面71%的面积被水体覆盖,然而可直接饮用的水源却十分稀缺。根据世界卫生组织2017年的报告,世界上有九分之一的人口因病原体污染而无法获得清洁的饮用水。这个比例还会因为水运输过程的二次污染、自然灾害或战争、贫困等因素而进一步加剧。在这种背景下,POU(Point-of-use)式的水杀菌技术引起了学术界和工业界的极大兴趣,具有巨大的社会和经济意义。然而如何解决POU式净水设备的成本并降低其对电力的依赖是困扰水处理领域的技术难题之一。

最近,在佐治亚理工学院、中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士和谢兴教授共同指导下,丁文伯博士、周建峰博士生和程嘉副研究员组成了跨院系合作团队,联合研制了一种新型的低成本、手摇驱动的净水装置:摩擦水泵(TriboPump),该装置基于一种同轴机械结构集成了特制的盘状摩擦纳米发电机(D-TENG)和管状的电场辅助铜离子杀菌器(CECIC),可以有效采集驱动机械水泵的机械能在抽水的同时实现高效杀菌。

本研究中所提摩擦水泵系统由三部分组成,一个管状CECIC作为消毒装置,一个D-TENG作为能量源,和一个集成了水泵的同轴机械结构。巧妙的同轴设计以及与具有良好匹配齿轮比的3D打印支架使得D-TENG和水泵能够由相同的旋转激励驱动。相比于传统的电源,摩擦纳米发电机本身的大内阻特性可以实现不同负载电阻下的恒定电流,显著地简化了电源管理、保证了不同水质、水流等条件下的杀菌稳定性。同时,本装置所采用的新型CECIC消毒装置结构简单,成本低,且性能优异。整个摩擦水泵系统可以通过手动操作轻松工作,为POU抽水和消毒提供可行的一站式和经济高效的解决方案,特别适合农村地区或突发灾难情况下的净水应用。同时,作者还进行了装置成本的估计,在大规模生产的情况下,仅需10美金的成本即可实现普通家庭两年的饮用水净水需求。

相关论文以题为“TriboPump: A Low-cost, Hand-powered Water Disinfection System”发表在Advanced Energy Materials (DOI: 10.1002/aenm.201901320)上。