课堂教学 | BNU全球课大作业（15）：江媞 · 基于虹吸效应的水体净化装置——解决海洋漂浮垃圾问题的发明

面对严峻的全球性海洋垃圾污染，提高全民保护海洋环境意识、健全管理机制并发明出效率高、成本低的垃圾净化装置刻不容缓。致力于这些目标，以自身有限的知识和能力设计了一部基于虹吸效应的水体净化装置，希望在解决海洋漂浮垃圾问题上中国可以有更多优秀的发明创造。

1.1概况

海洋垃圾是指在海洋环境中存在的各种人类制造的固体废弃物，包括塑料、玻璃、金属、纺织品等。其中以塑料垃圾为主, 占漂浮型垃圾的100%, 一部分来自海滩游客丢弃的塑料废弃物、渔业活动和船舶, 一部分来自陆源污染。根据国际海滩清洁数据显示，海洋垃圾分为生活与娱乐类、渔业与休闲钓鱼类、医疗与个人卫生用品类、烟蒂类和当地关心的垃圾。其中，海洋上排名前三的垃圾种类分别为烟蒂（17.95%）、食品包装纸（14.82%）、塑料饮料瓶（8.27%）。[1]

随着全球人口增长和工业化进程，海洋垃圾问题已经成为全球关注的焦点。海洋垃圾对海洋生态系统、海洋生物多样性和人类健康造成严重影响，因此迫切需要采取行动解决这一问题。

1.2历史发展

海洋垃圾问题起源于工业化和大规模生产的兴起，特别是塑料制品的广泛应用。20世纪中叶以后，随着塑料制品的普及和使用量的急剧增加，海洋垃圾问题日益加剧。1970年代开始，人们开始意识到海洋垃圾对环境和生态系统的潜在危害，并开始进行相关研究和监测工作。

1.3问题现状

监测结果表明，海面漂浮垃圾主要为塑料袋、漂浮木块、浮标和塑料瓶等。海面漂浮的大块和特大块垃圾平均个数为0.001个/百平方米；表层水体小块及中块垃圾平均个数为0.12个/百平方米。海面漂浮垃圾的分类统计结果表明，塑料类垃圾数量最多，占41%，其次为聚苯乙烯塑料泡沫类和木制品类垃圾，分别占19%和15%。表层水体小块及中块垃圾的总密度为2.2克/百平方米，其中，木制品类、玻璃类和塑料类垃圾密度最高，分别为0.9克/百平方米、0.5克/百平方米和0.4克/百平方米。

据法国《费加罗报》10月21日报道，2013年，150万动物成为海洋中塑料垃圾的牺牲品。法国发展研究院(IRD)成员劳伦斯·莫里斯表示，这一问题可能会继续加剧。塑料垃圾造成的海洋污染对动物存在巨大影响。在北太平洋，30%的鱼会吃下塑料。所有的物种，包括鸟、鲸鱼、乌龟，都受到影响。很多动物会食用这些塑料垃圾，这对它们是致命的。而塑料中的毒素，最终则会回到人类的餐桌上。报道指出，人们把海洋上漂浮的塑料垃圾整体称作“第七大陆”。这些塑料垃圾都是一些难以辨认的物体，包括常见的瓶盖和塑料袋。人类的行为和洋流导致这些塑料垃圾集中在一起，分布于北太平洋、南太平洋、北大西洋、南大西洋及印度洋中部，造成污染。报道称，塑料垃圾最主要的集中区域在美国加利福尼亚州和夏威夷州之间的海域。自1997年被发现后，如今它的面积已经达到350万平方公里，相当于法国面积的7倍。每年，这堆塑料垃圾的面积会增加8万平方公里。[2]

人类受益于各类塑料制品的同时，体量庞大的废弃塑料也逐渐成为全球海陆环境的巨大威胁。根据 联合国环境规划署（UNEP）发布的最新评估报告《从污染到解决方案：海洋垃圾和塑料污染全球评估》，目前海洋中有大约7500万至1.99亿吨塑料垃圾，占据海洋垃圾总重量的85% 。海洋塑料污染造成了极其严 重的后果，不仅破坏了生物多样性，造成海洋环境和生态的损害，给人类带来巨额的经济损失，而且还因食物链的连接而直接损害人类的健康。[3]

1.4现有适应性对策

加强海洋环境保护宣传教育，在每年世界地球日、世界海洋日通过互联网等新媒体宣传渠道进行宣传和引导；加强海洋垃圾污染立法工作‘建立健全海洋垃圾防治监管体系；强化沿岸陆源垃圾污染源管控，进一步完善垃圾清运处置责任体系,切实做好工业固体垃圾的收集、运输、处理工作,确保应收尽收、应管尽管。旅游旺季期间,重点在入海河口设置多道垃圾拦截网,并适当配备一定数量的垃圾打捞作业人员。[4]

目前使用的是传统的监测方法和净化方式，采用人工打捞的方式清理水面垃圾。各个高校和科研院所也在加强科研创新能力，设计出新的垃圾回收装置，但由于成本较高、技术尚不成熟，大多数研发成果目前未能大面积广泛使用。

所以我结合日常生活中的生活经验，希望能设计出一款制造成本低，技术要求不那么高的，但是能替代人工、提高海面漂浮垃圾清理效率的设备。

1. 理论基础：

虹吸现象就物理上是指液体由于重力和液体分子间的势能差，会 从压力高的一侧流向压力低的一侧。由于喷嘴的水面承受的大气压不同，水就会从压力高的一侧流向压力低的一侧，直到两边的大气压相等，容器内的水面变得一样高，水就会停止流动。容器中的水可以通过虹吸现象迅速抽出。[1]

2. 灵感来源：

作为一个有无数早八的大学生，为了保持早上八点课堂上的学习效率，我们往往会在瑞幸点一杯咖啡。奈何时间紧迫，所以我想出了一个绝妙的办法。买一瓶盒装牛奶和一小罐浓缩咖啡，然后先喝掉一口牛奶，慢慢把牛奶中的空气挤出去之后，打开浓缩咖啡靠近吸管，就讲咖啡吸到牛奶里去了，这样就可以获得一个不用洗杯子的、方便省时的“虹吸拿铁”了！

3. 设计流程：

我设计的虹吸净化器分为上下两个部分，上面一部分漂浮于水上，包括吸入口、动力装置和充电装置；下面部分位于水下，主要功能是容纳垃圾，具有良好的伸缩性，可以通过挤压排除一部分水，造成内外压强差异，然后通过扩张，涌入大量水体，将水面垃圾带入收纳袋。

（图为设计总图）

4.设计细节介绍

4.1吸纳装置入口：采用不锈钢材质，漂浮于水面上，开口露出水面

4.2动力装置：使用成本较低、技术难度较低的发动机装置和螺旋桨来移动

4.3遥控装置：与动力装置安装在一起，陆上人进行远程操控。

4.4垃圾容纳部分：

采用pvc包塑钢丝管材质管身，可以上下拉伸，其底部和顶部安装机械肢，通过发动机对管身进行上下收缩按压从而达到排出水体和吸入垃圾的需求。（下图为选择的材料样图和装置瓶身部分设计构思图）

4.5隔层设计：

为了保持内外压强差和防止已吸入垃圾伴随水流吐出被带出，我在装置开口处设置了一个隔网，采用钢丝密网材料

  具体流程如下：

在挤压状态下，隔网与开口重合，垃圾积压在底部，水被挤压出去，形成一个水体内外压强差；在扩大状态下，隔网打开，压强造成的吸力将携带着垃圾的外部水体吸进容器体内部，从而达到垃圾吸纳的效果。

4.充电装置：

采用原始的插电充电技术，将其回收到陆地上进行充电，后续成熟后将会升级为采用太阳能发电。

5.效果评估指标： 一泵可以吸入的垃圾量;同等时间内与人工打捞相比的垃圾收纳能力

6.应用范围：

可以应用于所有有垃圾漂浮的、并有一定深度，可以使设备漂浮在水面的水域，包括水塘、河湖和海洋。

1.  设备的创新点：

不同于现有很多高校和研究所设计的直接漂浮于水上的垃圾清理设备，我的设计体积向下扩展，表面占的面积小而下部可容纳体积大，可以有效解决现有设备回收预期大导致的体积大、预期小体积小导致收纳能力有限的缺点；

（下图为部分水上清理设备）

2.设备的优势和不足

部件成本低，组装难度小，所以普及度预期可以比较高，根据不同需求、水域不同大小为小到农村水塘达到沿海海洋垃圾治理服务。

不足在于局限于水体漂浮和半漂浮物，只能清理一些较为浅层的垃圾，沉没在水底的垃圾回收不到。这也是大多数水面垃圾回收机器的通病，后续如何将回收水面漂浮垃圾和水底沉没垃圾相结合是需要思考的要点。

作为一个哲学生，很多人都会认为我们是一个“两耳不闻窗外事，一心只读圣贤书”的空想家，但是事实上哲学给我们带来的远不止那些， 它调动了我们的灵性，让我们有更独特的思考的深度去眺望世界，去回应远方的呼声，去饱含对人类、对自然的忧思 。

但是作为哲学生我也有自己的遗憾。我从小就很喜欢绘画、做手工，自己做一些小发明，在上大学之后也会羡慕理工科专业可以去实验室做实验、学校给配备各种各样昂贵的实验设备，而我们文科专业就是一本书、一支笔、一张嘴和无数个求知的灵魂。我明白这没有高低贵贱之分，但是也为我不能精通理科知识、获得专业的设计和发明能力，将灵感真切地变成现实而感到遗憾。这是现阶段的局限性，也许这也是大环境的局限性。我们被裹挟着、挤压着、被反复申告着——一个时期你只能走一条路，走好你眼前的路。

终有一天，也许，有人会勇敢地在这个时代跨界。

回归正题，作为一名算是对全球环境的现状较为关注的人，我貌似并未感受到中国在海洋垃圾治理的应对发明上有举世瞩目的长进，也许是我的视野不够开阔、所知的不够多，但这也暗示着这项工作的宣传力度尚待提高。国家可以在这方面加大投入，设置一定的奖励措施，带动民间的发明热情，向海洋污染防治中增加多股强大的驱动力。

参考文献：

【1】虹吸现象_百度百科 (baidu.com)

【2】海洋垃圾_百度百科 (baidu.com)

【3】刘会欣,贺翼飞,郑帅鹏等.秦皇岛典型海域海洋垃圾污染现状与防治对策[J].河北环境工程学院学报,2023,33(02):79-85.DOI:10.13358/j.issn.2096-9309.2022.1106.01.

【4】陈永焦.浅谈我国水污染现状及治理对策[J].科技信息,2010,No.331(11):381-382.

注明：

（1）部分图片源于网络

（2）本次作业绘图和3d建模使用的是iPad上的SKETCHBOOK、Goodnotes和Share3D三个APP软件

江媞 | 供稿

    张宇涵 | 编辑

      陈磊 | 审核