开题报告-离子水去污消毒装置的开发.pdf

毕业设计（论文）开题报告毕业设计（论文）开题报告 课 题 名 称 ：离子水去污消毒装置的开发 学院 ：机械工程学院 专业 ：机械工程及自动化 姓名 ：_ 学号 ： 指 导 教 师 ： 二二 0 一六 年三 月 十三 日一六 年三 月 十三 日 1 离子水去污消毒装置的开发离子水去污消毒装置的开发 1、背景介绍、背景介绍 人们日常生活中的消毒通常采用化学消毒方式， 即使化学消毒药物作用于微 生物和病原体，使其蛋白质变性，失去正常功能而死亡。化学消毒剂主要利用有 效氯及其他高氧化物分子来杀灭细菌，氯气及次氯酸的腐蚀性强，对操作有一定 要求。当采用喷雾方式时杀菌能力下降，同时空气污染也较重。生活中常用的化 学洗涤剂也造成了一定程度的水污染。 不计其数的化学清洁消毒剂正无时无刻不 在污染环境并影响人类的健康。 离子水俗称电解水，分为碱性离子水和酸性离子水两种。将净化后的自来水 装入隔膜电解槽内，通过正负电极，在直流电场的作用下将水分子打散、变小、 重新排列，使得其中一部分水的氧化还原电位（ORP）呈正值，另一部分水的氧 化还原电位（ORP）呈负值，最后通过膜分离技术得到酸性离子水和碱性离子水。 酸性离子水具有较强的氧化性，可有效除去各类细菌、病毒，在医院或家庭中可 用作杀菌消毒剂。碱性离子水具有弱碱性、高渗透性、高吸附的特点，具有很好 的去污作用。离子水作用后生成原水，无化学残留，无毒副作用，使得离子水成 为一种全新的绿色消毒清洁剂，在社会各领域受到广泛应用。故杀菌谱广、作用 快速、性能稳定且绿色环保的消毒清洁产品已经成为人们的主要研究对象。本课 题研究的基于单片机控制的离子水去污消毒装置可代替日常生活所用的化学消 毒清洁剂，在有效去污消毒的同时，减少了环境污染，有利于人们的健康，也提 高了其生活品质。 2 2、研究现状、研究现状 电解离子水(Electrolyzed water)，又称电生功能水，是通过电解稀电解质 溶液得到的具有特殊理化性质的功能性水 1 。当氢离子（H+）浓度超过羟基离子 （OH-）浓度时，水变为酸性水；另一方面，当羟基离子浓度超过氢离子浓度时， 水变为碱性水。酸性水和碱性水可直接从自然中获得。酸性水和碱性水也可由人 造仪器制得，如基于电解工艺的离子水装置 2 。离子水在日本研究较多，已得到 2 了很大的发展，市场上已有不同型号的离子水生成器。生产的酸性离子水广泛地 用于消毒、 灭菌， 碱性离子水则作为饮用水 3 。 电解槽已被用于清洁和消毒应用、 医疗行业和半导体制造工艺及其他领域中应用，并得以发展 4 。关于离子水发生 器和离子水制备装置的研究已经被广泛发表，也获得了一些相关发现。 1.离子水电解槽的电极决定了电解槽及离子水机的质量和寿命； 2.离子隔膜 的选择透过性决定所产离子水的水质；3.对于同种电极，电极面积越大，所产的 离子水水质越优;电解强度越大，离子水的水质越优，但电解强度高会缩短电极 的使用寿命;当电极面积和电解强度一定时，出水流量增大，离子水水质会降低； 4.增加氯化钠浓度、升高电解电压、延长电解时间或减小电极板距离均会使有效 氯浓度增加；增大盐酸质量分数(00.01701%范围内)、减少电解时间、增大电极 板距离会降低电解离子水 pH（1） ；5.设计合理的倒极周期，既可以使垢物不能 生成，起到自身清理的作用，同时保证了膜的选择透过性和电极的导电性能，使 生产的产品水始终保持合格 5 ；6.制得的离子水应密封保存 6 。 电解水主要以自来水等为原料的食盐水电解后得到， 根据生成方式不同可分 为强酸性电解水、弱酸性电解水及碱性水。二槽隔膜式电解槽能够生产出可供饮 用的碱性水和具有杀菌作用的强酸性电解水;一槽无膜式电解槽生产的弱酸性电 解水具有一定的杀菌作用 7 。 碱性离子水具有呈弱碱性、水分子团小、运动速度快、渗透性大等特点，可 以调节人体酸碱平衡;扼制自由基;预防高血脂、高血压等 8 。碱性离子水对人体 具有一定的抗氧化和抗疲劳作用 9 。 酸性离子水根据 pH 的不同，又分为弱酸性离子水和强酸性离子水，它们具 有不同的功效。弱酸性离子水 pH56.5 之间，它具有收敛性，可收缩肌肤、增强 弹性，并能使肌肤常保健康，还可防治青春痘、黑斑，最适宜用来洗脸和淋浴， 促进肌肤新陈代射和防止老化，所以这种弱酸性离子水具有美容的功效。强酸性 离子水的 pH 在 2.5 左右，能强烈抑制和消灭细菌繁殖和生存，用来漱口可预防 牙周炎，去除牙垢，浸泡香港脚效果很好，亦可用于妇科病的擦洗等 10 。它在 国外被普遍应用于食品加工、医疗及植物栽培等方面的消毒和植病防治 11 。除 3 此之外，强氧化离子水具有快速、高效的消毒灭菌效果，在临床上也有切实可行 的实际意义 12 。用强氧化离子水冲洗伤日与生理盐水冲洗一样无任何不适感， 可保持伤口清洁干爽，缝线反应明显减轻.伤口愈合佳良，均无脓性分泌物渗出 以及伤口自行裂开现象 13 。酸化离子水对细菌、乙肝病毒有较强的杀灭作用， 消毒方法便捷、无污染，可用于临床内镜消毒 14 。用高氧化还原电位酸性水对 42 例二度烧伤患者创面进行了杀菌及疗效观察，通过冲洗加湿敷，杀菌迅速疗 效显著 15 。用高氧化还原电位酸性水对胃溃疡辅助治疗，收到了比单纯使用传 统药物治疗更好的疗效 16 。新制备的强酸性电解水，在开放条件下，其杀菌力 迅速降低，两天后杀菌力基本丧失。而且，这氧化物消除剂能加速这一进程。但 于室温、密闭的环境下放置二个月仍能保持较强的杀菌力。 近年来，以离子水机为主的多功能水质处理器在日本、韩国、欧美等国家 发展迅速，应用领域已扩展到医疗、保健、美容、烹调、洗涤、养殖、食品及生 活领域中，市场日渐成熟。国内生产离子水生成器的厂家较多，但核心部件电解 槽，包括电极和离子隔膜仍依赖进口，造成国产离子水机成本高、售价贵，销量 有限。因此，对电解槽进行研究开发意义重大 17 。 电穿孔(Electroporation)是指在电脉冲的作用下，在细胞膜脂双层上形成 的瞬时微孔，从而使细胞膜的通透性和膜电导瞬时增大的一个生物物理过程 18 。 早在 50 年代， 电穿孔现象就已为人所知， 但真正得到研究却只有 20 来年的历史。 Weaver 等学者研究发现:电场强度为 kV/cm、持续时间为s-ms 级的电脉冲刺激 会使细胞膜发生电穿孔现象，即:细胞膜结构重组，出现微孔，电导率改变，暂 时丧失屏障功能等，从而引起离子的流出，代谢物的排泄，细胞对药剂及 DNA 等 大分子的吸收量增加 19 。近 10 多年来人们对电穿孔的机理和应用进行了大量的 研究，取得了一定的成果，电穿孔技术作为成熟的技术已广泛应用于基因工程、 生物医学工程及工业食物灭菌等领域。但总体看来，人们对电穿孔技术的实验研 究和临床应用远远领先于机理研究 20 。目前，研究和临床所应用的典型的电穿 孔仪( electroporator )由脉冲发生器和电极两部分组成。脉冲发生器将由电源 4 引入的交变电压转变成特定幅值(一般为几百到几千伏特)的直流电压， 通过对高 压功率开关的控制实现输出脉冲重复频率的调控;另外，脉冲的宽度由脉冲发生 器中的储能电容器以及输出回路中阻抗值的大小决定。 电极将脉冲发生器输出的 脉冲引入到施治对象中 21 。 本课题涉及不可逆电穿孔（IRE）技术。 IRE 最早应用于杀菌、水处理、食 品保鲜等领域 22 。相对于常用的水处理方式(如氯、臭氧和紫外线处理)，IRE 处理效果好且不会产生副产品;不同于高温消毒处理，利用 IRE 进行食品保鲜， 可以长期保存食品且不会破坏食品里原有的分了结构，能保持食品的风味 23 。 基于不可逆电穿孔的思想， 重庆大学课题组在国内外最早对 IRE 在肿瘤治疗 领域的应用进行了探索，并取得了一定的进展。不可逆电穿孔通过破坏细胞膜结 构使细胞坏死或凋亡 2624 ，该方法采用电极针或者平板电极将电场传递到靶区。 与传统热消融相比，IRE 具有无热损伤 27 、对大血管、正常组织无伤害、治愈无 疤痕等优点28-30;与电化学疗法相比，IRE 无需化疗药物的辅助，因此对人体 无任何药物的毒副作用。IRE 动物实验还涉及到了兔子 28 、狗 3231 、猪 33 等。 现已发现，不同脉宽的脉冲对肿瘤细胞有不同的生物效应 34 。当单电场脉 冲作用于悬浮生物细胞时， 随着脉冲宽度的变窄， 电场对细胞核及核膜影响增强， 当脉宽大于细胞膜充电时间常数时，脉冲电场主要对细胞外膜产生电穿孔，但当 脉宽小于细胞核充电时间常数时，脉冲电场主要是对细胞内进行电处理。细胞膜 电穿孔随电场强度或脉冲宽度增加而增加，而且电穿孔效应具有累积效应，其累 积程度与细胞膜充放电所需时间及脉冲间隔密切相关 35 。 3 3、课题研究内容课题研究内容 将装置的各部分合理配置并集合，设计一个离子水发生装置，基本实现微型 高效的要求；在控制部分，通过对 DC-DC 升压电路、吸水泵驱动电路、指示灯电 路的设计以及高压生成电路等的学习，实现控制系统对电解槽、吸水泵、指示灯 等对象的控制。 5 4 4、技术路线、技术路线 确定该装置的整体构成包含：储液池、电解槽、吸水泵、 （高压端子） 、电池、 控制电路板、触发开关、雾化喷嘴、装置外壳机体和若干导管导线。电解槽基于 电解水技术，在控制电路板的控制下电解自来水，在阳极室和阴极室分别生成带 正电位的酸性离子水和带负电位的碱性离子水， 酸性离子水通过夺取细菌细胞膜 的电子达到杀菌效果；高压生成模块基于电穿孔技术，由电池、高压控制电路及 高压电场端子组成， 用于在喷雾区建立高压脉冲电场， 实现对细菌细胞膜的击穿， 从而杀灭细菌。 控制系统主要分为主控板模块和高压生成模块两部分， 每一模块由一个单片 机为核心。控制核心选用了 MCS-51 系列处理器，负责电解槽的电压驱动、吸水 泵的开关、镍氢电池组的自动充电以及工作状态指示等；高压模块主要负责生成 高压信号，作用到高压电场端子，以及电路故障的检测（高压部分设计仅作理论 探讨） 。对于离子水去污消毒装置的总体设计包括机械部分和控制部分，装置的 电路控制部分的整体结构框图如下： 通过对装置的机械外观进行设计， 进而可以发展出各种不同的新型便携式去污消 毒装置。 5 5、关键技术介绍、关键技术介绍 5.1电解水技术 离子水俗称电解水，分为碱性离子水和酸性离子水两种。将净化后的自来水 6 装入隔膜电解槽内，通过正负电极，在直流电场的作用下将水分子打散、变小、 重新排列，使得其中一部分水的氧化还原电位（ORP）呈正值，另一部分水的氧 化还原电位（ORP）呈负值，最后通过膜分离技术得到酸性离子水和碱性离子水。 这个过程即为电解水技术。 5.2电穿孔技术 在正常生理条件下，由于细胞膜的磷脂双分子层的阻挡作用，离子或亲水分 子无法进入细胞，然而，细胞膜对于离子的通透性在受到附加的跨膜电位影响时 很容易发生改变。 在电脉冲的作用下， 在细胞膜磷脂双分子层上形成的瞬时微孔， 使细胞膜的通透性和膜电导瞬时增大， 从而在细胞膜的磷脂双分子层中形成亲水 性通道，使得亲水分子、病毒颗粒、DNA、蛋白质以及染料颗粒等能够通过细胞 膜而进出细胞。 这个瞬时大幅提高膜的通透能力的生物物理过程即为细胞膜的电 穿孔。 6 6、要解决的技术问题、要解决的技术问题 6.1装置结构的设计，要在较小的体积上实现效率较高的要求。 6.2了解高压模块知识，以及高压脉冲电场对电穿孔影响的机理。 6.3C 语言编程。 7 7、日程安排、日程安排 序号序号各阶段名称各阶段名称起止日期起止日期 1调研、开题报告、外文翻译 2015 年 12 月 15 日2016 年 2 月 27 日 2 系统总体方案设计2016 年 2 月 29 日2016 年 3 月 18 日 3 电解槽设计及控制系统原理图设计2016 年 3 月 19 日2016 年 4 月 16 日 4 编程和调试2016 年 4 月 17 日2016 年 4 月 30 日 5 写论文2016 年 5 月 1 日2016 年 5 月 20 日 8 8、参考文献、参考文献 1.万阳芳，李慧颖，刘俊果，等.无隔膜式发生装置制备电解离子水的操作条件 研究J.食品工业科技, 2015, 36(1):101-104. 7 2.Jong-Ho Sin, Seongnam-si.APPARATUS FOR PRODUCING IONIZED WATER,US, 2013. 3.刘杰， 马臣.离子功能水制备及杀菌功能研究J.佳木斯大学学报:自然科学版, 2005, 23(4):651-65. 4.ActiveionionatorHOMPortableCleanerandSanitizerDB/OL 5.于万波.离子水发生器的自动倒极工艺J.净水技术, 2003, 22(2):31-33. 6 李美超，马淳安，吴庆，等.电解制备离子水的研究J.化学世界, 2002, 43(8):406-408. 7.章恩明，杜林，黄鸿志.电解水杀菌技术及其应用J.四川食品与发酵, 1999(1):22-25. 8.赵岚，郭俊生.085 碱性离子水及其研究进展J.国外医学:卫生学分册, 2004, 31(6):346-349. 9.刘书勤， 袁海平.碱性离子水的制备原理、 特性及应用J.长治学院学报, 2006, 23(2):44-45. 10.沈泳元，沈忠悦.谈谈离子水的特征和功效J.食品工业科技, 2002, 23(1):74-76. 11.潜祖琪，章根儿，诸葛华，等.强酸性离子水与 100水温对蕨菜杀菌效果比 较J.食品科学, 1999(7):54-55. 12.张颖，肖旖旎.强氧化离子水消毒灭菌效果临床研究J.中国公共卫管 理,1998,14(6):427-428. 13.盛光，杨黎红.强氧化离子水用于污染伤口冲洗的初步报告J.深圳医学, 2000,13(3):24-25. 14.杨桂芳.酸化离子水在胃镜消毒中的应用J.临床护理杂志, 2007, 6(2):60-61. 15.赵超莉， 谢卫国， 李艳萍， 等.强氧化离子水对烧伤 n 度创面杀菌疗效评价J. 中华医院感染学杂志,2002,12(4):293. 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