“绿色”浴桶
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“绿色”浴桶 发布于:2017/11/10
    木桶浴作为一种健康的沐浴方式,能加快血液流动、缓解疲劳,在木桶中加入药粉还能起到治病、美容的效果。可是,洗完木桶浴后废水的二次利用问题也随之而来。
  如何让洗澡水经过滤水处理之后,可以盛放在木桶里以供二次利用?带着这个问题,我们开始了创新研究。
  一、方案构思
  如何让浴桶里用过的水变干净?我们首先想到的是过滤。哪种过滤方式最适合?过滤后的水不能腐蚀木桶,也不能影响视觉观感,主要用于洗拖把、抹布、冲厕所等。
  洗澡水 一、仙女杯的成像原理
  凡是见过仙女杯的朋友都会为它的美观、奇特惊叹不已。它的外形如同一个倒置的铜铃,杯口较大,安装在细脚玻璃杯座上,在外壁上恰到好处地绘有美丽的花纹或图案,杯口用金丝镶饰,杯底中央嵌装一块小小的 凸透镜。
  空杯时,只能看到杯壁上亮丽的花纹和奇异的图案。可一旦斟入洁净的水后,就会发现杯中的仙女随即出现,栩栩如生,随着时间的推移,仙女的舞姿变幻无穷。这是为什么?
  原来,在杯脚里有一根非常细的游丝,游丝的一端固定,另一端连着一个彩色的仙女图案。此时仙女恰好位于杯底小凸透镜的焦点外侧小于2倍的焦距处。当杯中无水时,美丽的仙女经过凸透镜形成的是放大的实像。为什么我们看不到这个实像?
  其一,由于该实像与人眼位于凸透镜的同侧,人眼难以恰好位于成像所在的位置,所以难以看清它。
  其二,根据日常生活经验,在漆黑的夜晚,当室内亮着灯时,人眼从室内难以看到室外的人或景物,但室外的人可以清楚地看到室内的人或景物。
  这是因为人眼视物具有“选择性”,也可以说是“惰性”,即人眼只对背景中亮丽或暗淡的部分比较敏感,而对被强光所抑制的光线不敏感。即人在暗处接受亮处来的光线能产生反应,而在亮处对从暗处来的光线常常会“视而不见”。
  为什么在杯中倒入水就能看到仙女?这是因为当向杯中倒水时,水容易浸润玻璃,使杯中的水与杯壁及杯底形成一个凹透镜。凹透镜对光具有发散作用,该凹透镜又与杯中的小凸透镜组合,形成一个复合透镜。
  复合透镜的焦距比杯中的小凸透镜的焦距大,削弱了对光的汇聚能力,恰好使仙女位于此复合透镜的焦点以内,于是仙女通过该透镜组形成了一个正立、放大的虚像。此虚像与原仙女的图片位于透镜组的同侧,即位于杯底,并且恰好位于人眼明视距离处,因此人眼就可以看到杯中的仙女了。
  为什么杯中的仙女还会翩翩起舞?这是因为我们端起杯子時,手不可避免地抖动,导致杯中的游丝发生微小的振动,由于光的折射作用,我们看到的仙女就会翩翩起舞了。
  这种情景就如同我们观察清澈河水底部静止的石子,当一阵微风吹来,水面波动,我们就会误认为石子在晃动的道理一样。
  二、“长寿老人图”之谜
  中秋之夜,小聪与爸爸、妈妈一起到爷爷、奶奶家去吃团圆饭。吃饭时,爸爸拿出一个“魔术酒杯”送给爷爷,祝爷爷长寿。小聪主动拿去清洗,当他向杯中倒水时,发现杯底出现了一幅“长寿老人图”,他拿给爷爷看,爷爷看后非常高兴。可当他把水倒掉后,原来杯中的“老人长寿图”便不见了。
  他向爸爸讨教,爸爸告诉他这与 “凸透镜成像”有关,要想揭开这层神奇的面纱,还需自己认真探索。
  根据上面介绍的仙女杯,相信你一定能帮助小聪弄清楚“长寿老人图”中的奥秘。一般有如下特点:有较大颗粒的悬浮物——这部分可使用过滤棉吸附,形成过滤饼;有污垢沉淀——这部分一般会沉在底部,我们想利用漩涡的原理搅动水,使之快速隔离外流去除,不再另行处理;还有溶解其中的微粒——采用陶瓷环生物净水和活性炭吸附净水二级过滤。
  为了让浴桶里的水能自动清洁,可用潜水泵将水提至高处,经过三级垂直过滤后循环流入浴桶,周而复始,浴桶里的水就会变得洁净。
  二、设计原理
  1.三级净水原理
  表层过滤: 以表层筛滤作用为主,易在滤料表面形成滤饼,适宜去除较大的悬浮物,如表面浮污、肥皂泡沫等。
  深层过滤:以沉降作用和吸附凝聚作用为主,主要在介质内部进行。由于在介质表面无滤饼形成,可充分发挥滤料层的纳污能力。
  陶瓷环过滤:由于陶瓷环上布满细孔,适于硝化细菌繁殖,可起到净化水质的作用。
  2.重力原理
  物体由于地球的吸引而受到的力叫重力。重力的施力物体是地心,重力的方向总是竖直向下。物体受到的重力的大小与物体的质量成正比。
  3.压力提升原理
  采用潜水泵提升水位,水泵控制系统由密闭外壳、水泵以及液位控制系统三部分组成,属机电一体化产品,电机与水轮共用同一轴(转子),整个水泵长度短,结构紧凑。如图1所示。
  三、设计制作
  “绿色”浴桶由潜水泵、导流水管、三级垂直过滤槽、活性炭吸附过滤槽、半透膜过滤槽组成。
  浴桶中的废水被提升后经过三级垂直过滤,再次流回浴桶中,周而复始,浴桶中的废水就会变洁净。
  我们买来水泵、过滤材料(木炭包、过滤棉、陶瓷环等)、导水管、塑料盆、连接绳等制作模型。
  四、试验优化
  模型做好后,我们进行了初步试验,发现以下问题:过滤棉水槽积水较多,整体结构稳定性较差。
  我们又制作了第二代模型。所选择的过滤盆的大小恰好相切又留有一定空间,让整体结构更稳定。将该结构固定在一个金属支撑架上,在陶瓷环过滤池下垫上丝袜,阻止漂浮污垢“逃跑”。
  该设计基于水过滤技术,采用三级垂直过滤方式,实现浴桶自体净化,从而解决洗澡水的二次利用问题。木桶洗浴水无需使用外在介质存放,在电力水泵作用下,洗浴水进行不间断过滤。该装置结构简单,成本低廉,易于推广,能大大提高水的二次利用率。
  五、未来改进
  1.目前的设计采用电力提供动力,未来可改用太阳能。
  2.让外观更美丽。
  3.除使用过滤技术外,还可采用深层过滤,取得更好的水质净化效果,进一步拓展二次利用的领域。
  4.加入自加热设计,让浴桶在洗浴过程中就能自行清洁。(指导老师:周 萍)作者:张正直 张一涵 来源:发明与创新·中学生
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