（环境工程专业论文）用于小型ro纯水装置的uf单元研制.pdf

摘要 分析实验用水纯化装置( 简称纯水装置) 是分析实验室必备的基本设备。 传统的纯水装置就是电热蒸馏水器和离子交换f t e ，i o n i ce x c h a n g e ) 纯水器。电热 蒸馏器功率大能耗高，浪费冷却水。离子交换器再生繁琐。膜分离技术包括微滤 ( m f ，m i c r o - f i i t r a t i o n ) 、超滤( u f ，u l t r a - f i l t r a t i o n ) 、反渗透( r o ，r e v e r s eo s m o s i s ) 、 电渗析( e d ，e l e c t r o - d i a l y s i s ) 以及新近发展起来的连续电去离子( e d i ，e l e c t r o d e i o n i z a t i o n ) ，这些技术节能节水，使用方便。以r o 为核心的膜法纯水装置代 替传统的电热蒸馏水器是分析实验室用水制备的发展方向。国外已有此类产品， 但设备售价和运行费用高昂。近年国内也出现了类似产品，设备成本有所下降， 但性能有待改进。 本研究以用于小型r o 纯水装置前处理的u f 单元为重点，从膜材料选择、 膜精度、使用压力和清洗方法等方面进行了系列实验，对u f 单元结构进行了优 化设计；在u f 单元优化设计基础上进行了小型r o 纯水装置整机水路、电路和 机械结构整体设计，制作了样机荠进行了性能试验，得到了满意的结果： 1 本研究所提出了以二级r o 为核心，以自动反冲冼式超滤结构为前处理， 以阴阳混合树脂柱作为后处理的实验用纯水制备工艺方法。其中自动反冲冼式超 滤结构为创新之处，已获得国家实用新型专利。 2 优选了用于实验用纯水设备r o 前处理的u f 膜性能和参数。用截留分子 量8 0 0 0 0 左右的p s 中空纤维u f 膜，在低压下运行可可达到理想效果。其中试 验确证并在样机设计中利用了聚砜( p s ) 超滤膜在低工作压力下的抗污染特性( 即 u f 在低压下运行可减缓膜污染，膜污染后易于清洗) ，这是很有意义的实验结 果。 3 设计了二种u f 膜组件结构，其基本结构相同，即膜呈u 型装填，中间固 定布水管，外壳侧面或底部接排水管；差别在于膜面积大小和是否与压力贮水器 合并在一起。这是一种新颖而实用的设计。 4 设计制作了h b r 0 1 0 型和h b r 0 2 0 型二种型号的全自动实验用纯水机样 机。经多家试用证明，该机出水质量稳定符合国家分析实验室用水标准( g b 6 6 8 2 9 2 ) ，不受自来水质量影响；实现自动冲洗、自动开关机等多项行动化功能， 使用方便；设备成本低，运行费用低。该技术应用前景广阔。 关键词：反渗透( r o )超滤( u f ) 纯水机优化 a b s t r a c t w 缸舛曲g 刚抽吨u s e d i n a l y 出e x p e r l a n c n t i s t h e b a s i c l l o c 删e q u i p m t m a n a g e d i a b t o 蝻 t r a d i t i o n a lw a t e rp d i n gs a i l i n gi n c l u d e se l e c t r i c a lh e a t e dv e s s e la n di o n i ce x c h a n g ew a t e rp u r l i n gs e t t l i n g e l c a r i c a l h e a t e d v e s s e l i s b i g i n p o w e r , u s c s m o m c n o g y m a d w a s t e so o o l i n g w a 虹皿e r e a c d v a t i o n 0 f 正s e t t l i n g i s c o m p l i c a t e dm e m b r a n e 删o nt c c h n k 睇i n c l u d e sm i c m - f i l u m i o n , u l t r a - f i l t r a t i o n , r c v c f s eo s m o s i s , e 鼬u - d i d y s i sa n de l e e u ud c i o n i z a f i o ad 目d o p e dr e c e n t l y t h e s et e c h n i q u es a v e se n e r g y , w a t e ra n di s n 1 陀岫f o r 喊3 h ed e v e l o p i n gd i 弛妇o ft h ew a i fp r o d m t i o nu s e di n 锄址删 a b o r a t o x i e si s & m e m b r a n ew a l e r 溅蛐，t h ec o r eo f w h i c hi sr o ，i n s t e a do f w a d i d o n a le l e c t r i c a lh e a t e dv e s s e l 珈sn e w k i n do f p r o d u c t i o nh a s a p p e a r e da l n d a d , b u ti t sp r i c ea n dp r a c t i c ec h a 嬉ei sv e r yh s h a n di nr e c e n ty e a r s , t h e s i m i l a r p r o d u c t i o n a p p e a r e d d o m e s t i c a l l y , i t so o s t i s l o w e r b u t p a f o r m a n c e n e e d s t o b e i m p r o v e d t h e f o c u s o f t h i s r e s c m c h i s 恤u f t r a i t u s e d i n t h e p r e t r e a t m e n t o f m m i t y p e r o w a t e r p u r l i n gs e t t l i n g a f t e r t h ee x p e r i m e n t s0 1 1l h cs e l e c t i o no f m e m 觚衄删、o p a u 趣p r e s s u r e 、w a s h i n g ，l l l cu fl m i ts l r u c t u r eh a s b e r go p t h n i z 吐o l lt h eb a s i so fw h i c h , t h em c c h a n i c a ls t r u c u l r ei n t e g e rd c s 咖a n dp r o t o t y p eh a v eb e e ad o n e a l 1 c r p r o p e a y t e s t , w c g o t 鲥d i n g 曩1 l l lt h i sa r t i c l eb r i n g sl i pa 唧t e c h n i c a l ，t h ec o l eo f w h i c hi sr o ，t h ep i 科r 龃蜘e n to f w h i c h sa u t ot e v w a g h 吨u l t r a - f u a t i o ns t m c t m , a n d * h ef i n a lt l c a t m c n to f w h i c h i sm i o na n dc a t i o n i ce x c h a n g er e s i n t h ea u t o r e v e r s e w a s h i n g u l t r a - f i l t r a t i o ns l r u c t a m i s i n n o v a t e , 柚d g o t n e w p a 懒np 习忙m o f 珊畸衄m a p p l i c a t o d , 2 m p e r f o r m a n c e dp a r a m e t e ro f u fm e m b r a n e su 3 e di nt h er ol l - e 仃c a l n g , n lh a sb e e n 缸谊o do n l o w p r e s s u r e ，i d e a l r e s u l tc a n b eg o t i f p o l y m l f o n e s h o l l o w f i b e r u f m e z n b r a n c s ，w h o s e i ，e r a n g e i s a b o u t 8 0 0 0 0 ， i su s e d t h er e s c a m hp r o v e dw h e n 1 l y s u l f o n e su f m a n b r a a c sw o r k so i ll o w p r e s s u r e , t h e yh a v et h ep e c u l i a r i t y o f a n t i - p o l h t i o n , w h i c h i s as i g n i f i c a n t r e s u l t a n d h a s h c m u s e d i n t h e p m t o t y p 3t w ok i n do f u fm e m b r a n eu n i ts l r u c t m c d c i 烈t h e y t h e mi nt h eb a s i cs t r u c t u r e , t h a ti st h e m e m b r a n ei sf i l l e di nt h ef o r mo f 妇u b e l w h i c hw a t e rd i s t r i h , t o ri sm o o r e da n dt h ed r a i np i p e sa r e b u i l ta tt h ec 呱f l a n ko rb o t t o m 1 1 七d i f f e r e n c ei st h ed i n g l l s i o no f m e m b r a n ea n dw h e t h e ri ti su n i t e dw i t ht h e p r e s s u r e r e t e n t i o ns t o r a g e 啦i s a l a n d o f n e w a n d a p p l i c a t i v e d e 嘞 4t w of u l l - a u t o m a t i cw a t e r p i 】l l i 丑gp r o t o t y p e s 郴d e s g n e d t h e i rm o d e l sa mh b r 0 1 0a n dh b r 0 2 0 hi s p r o v e d t h a t t h eq i 】a l i i yo f f i n a l w 船c o n 目p o n d s w i t h t h e q u a l i t ys t a n d a r do f n a t i o na n a l y t i c a l l a b o m m f i a n d t h ep r o p e r t yc h a n g eo f w a t a w o r k sh a sn o 面f l i o ni ts e v e r a lf u n c t i o n sa l ea c h i e v e ds u c ha sa u t o - w a s h i n g t h c c q l l i p m 船t s p e n 凼l o w e r i n c o s ta n d p r a c t i c e a n d t h e t e d m q u e i s p r o t a a b l e k e y w o r d s ：r e v e r s eo s m o s i su u k r af 船a f i o nw a t e rp u r i 矗e ro p t i m i z a t i o n 英文缩写说明 a c a c t i v ec a r b o n 活性炭。与之相关的词g a c 指颗粒炭 e d i e l e c t r i cd e i o n i z a t i o n 连续电去离子，一种新型水处理技术 i e i o n i c e x c h a n g e 离子交换 m f m i c r of i l t m t i o n 微滤 p p p o l y p r o p y l e n e 聚丙烯，一种高分子材料 p s p o l y s u l p h o n e 聚砜， 一种高分子材料 r o r e v e r s eo s m o s i s 反渗透 u f u l t r a f i l t r a t i o n 超滤 u v u l t r a v i o l e tl i g h t 紫外线 武汉理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 分析实验室用纯水及其技术要求 本报告所述的实验用水指分析实验室用水。分析实验室用纯水不同于 普通的饮用纯净水，其质量和规格在i s o 和国标中都有专门规定。根据国家 分析实验室用水规格和试验方法规定，分析实验室用水分为三个级别： 一级水用于有严格要求的分析实验，包括对颗粒有要求的实验。如 高压液相色谱分析用水； 二级水用于无机痕量分析等实验，如原子吸收光谱分析用水； 三级水用于一般化学分析试验( 各个级别的实验室用纯水一般技术 要求详见如表1 ) 。 表l 实验室用纯水技术要求 技术指标名称一级二级三级 p h 5 o 7 5 电导率( 2 5 c ) ，m s m 0 0 1ol o o5 0 可氧化物( 以( o ) 计) ，m e t e o 0 8 o 4 吸光度( 2 5 1 n m , l e m 光程1 o 0 0 lo 0 1 蒸发残渣( 1 0 5 2 ) ，m g l 1 o2 o 可溶性硅【以( s i 0 2 ) 计) ，m e t e 贮水 差絮盘力；贮水曩菜篮力 贮水 图9 压力贮水器式自动反冲洗超滤结构示意图 武汉理工大学硕士学位论文 5u f 单组件结构优化设计 前面的实验结果可总结如下：选择p s 中空纤维膜；在低压下使用；要 充分考虑p s 膜机械损伤问题。本节重点讨论以下三个问题： 、膜装填形式 、确定膜面积 、流动状态与清洗 5 1 膜装填形式 事实上，在本项目设计中不便在u f 前加泵，因为如果加泵，设备结构 复杂化，安装使用不方便，同时费用增加，且噪音也相应增大。受此设备配 置条件限制，m f 出水流量不可能足够大以满足u f 切向流动理想要求，清 污比也不可能达到l ：3 。这样，即使用直型结构也难以达到理想的流动状态。 根据经验，u 型膜少一个封头，装填成本低，但流动状态不佳，对污染重的 进水不适应。本人曾在家用超滤净水器设计中采用了这种结构，效果良好。 本项目以自来水为源水，并经m f 处理，与家用净水器有相似之处，可以选 择u 型膜结构。由于u 型膜结构流动状态和抗污染能力不如直型结构，因 此，如何克服污染问题将是本研究的重点工作之一。本研究将根据前述几章 研究成果，选择u 型膜结构，通过降低工作压力；强化反冲洗来实现 u f 作为r 0 前处理的功能，并克服污染问题。 5 2 膜面积 在保证出水量的条件下降低膜使用压力有二种途径：增加单位面积膜 水通量，即研制高通量膜。此项工作进展这中，尚未完成，研究结果将另行 报道。增加组件膜面积。这是目前u f 组件设计中比较现实的思路。 实验所选用的膜单位面积( m 2 ) 、单位压力( k g e m 2 ) 下初始通水量为 2 0 0 l h ，稳定后为1 0 0 i _ h 。设计工作压力为o 5 k g c m 2 。试验结果表明，对 h b r o - - 1 0 型和h b r o - - 2 0 型实验用纯水机膜面积分别为 o 5 m 2 、1 0 m 2 时效果较好。考虑到膜性能不一定很稳定，设计时二种型号膜面积分别取 1 m 2 、2 m 2 。 武汉理工大学硕士学位论文 5 3 流程与膜清洗 u f 膜工作时其流动过程如下图所示。正常产水工作时限流排污，这样 既保证污染物能及时排除，不积累，又可节约用水，节省滤材。清洗过程中 清洗和反冲洗相结合，视具体情况可同时，也可单独进行。试验表明膜清洗 主要依靠反冲洗。作为一种简易型设计，咖r d 一1 0 型实验用纯水机可以在 超滤进口上分出一个排水管，直接借用2 0i n c h 普通微滤简体作为外管。这 种结构只能进行反冲洗。为了保证超滤膜水通量，可定期打开外管，取出超 滤膜进行人工清洗，也有相同的效果。 工作时 自来水 冲洗时 自来水 反冲洗时 u f 排水( 限流) 自来三 u f 排水 u f 排水 5 4 设计结果 本研究设计出了膜面积为l m 2 、2 m 2 二种规格膜组件，均采用u 型膜 结构形式，分别用于h b r o - - 1 0 型和h b r o - - 2 0 型。另外还设计了一种简 易型超滤组件。详见图l o 、图1 l 。 圃睡峰nu章鄹拦【固 讳饿衣嘲鞭 ln一芒鼎摧o_【回 水謇q 戗留g扑书醛扑kh截聪憾 武汉理工大学硕士学位论文 6r o 实验用纯水机整体设计与效果试验 6 1r o 实验用纯水机净水流程设计 前面己讨论了r o 前处理问题，其结果可直接用于r o 实验用纯水机水 路设计。关于r o 后的水质，受r o 脱盐率的限制，一级r o 出水一般不能 满足实验用水质量要求，需要经混合离子交换树脂床( ie ) 、电去离子( e d i ) 或者e d i + i e 作进一步处理。以美国m i l l i p o r ee l i x4 5 型纯水机为例，其 净水工艺流程如图l 所示。由于e d i 价格昂贵，本研究拟采用二级r o 法 制备实验用纯水，以降低设备成本。改进后的工艺流程如图l 所示。其中， 活性炭( 用a c 或g a c 表示) 柱用于去除自来水中的有机物余氯和铁锈； 微滤( m f ) 用于去除悬浮物；超滤( u f ) 用于去除胶体微生物和大分子物 质；反渗透( r o ) 用于脱除离子和小分子物质；阳阴离子混床( m ) 用于进 一步去除残余离子。为了保证r o 进水质量，减少g o 清洗，延长r o 使用 寿命，并节省前处理滤材消耗，上述工艺中采用了自动反冲洗式超滤结构。 如上所述，陋再生麻烦，而e d i 价格昂贵；另外，上述二种方法所制备的 一般为二级水，而实验室大量使用的是三级水。因此采用二级r o 旨在不通 过e d i 或者m 制备三级纯水，一者可降低设备成本，二者可减小也负 荷，延长再生周期。为了减少排水量，提高水利用率，二级r o 的排水可 返至上一级回用。经过多次试验，采用图1 2 所示的水路结构。在此作简要 介绍该结构的五大部分： 1 、 u f 前处理包括活性炭滤芯和微滤芯，规格为2 0i n c h ，m f 精度 为2 0 5 0 u m ： 2 、 u f 单元包括u f 滤芯和压力贮水器，u f 截留分子量为8 0 0 0 0 ， 材料为p s ，膜面积为 2 m 2 ，型式为中空纤维。贮水器容积为3 l ； 3 、 r o 单元包括二级r o 和一个贮水器，膜规格为1 0 i n c h 型式为 卷式，材料为复合； 4 、 单元混床树脂，强酸强碱型，双柱串连； 5 、 电器部分包括泵、阀、测量与控制电路，下节专述。 以上设计中各单元的出水率、水质和净水容量匹配合理。优化设计后的 u f 单元在低压下运行，自来水的压力基本上可保证m f 和u f 单元压力损失， 绝大多数用户不用另设增压泵。u f 出水作为r o 进水，减轻了r o 污染，延 长了r o 使用寿命，保证了r o 出水质量。通过二级贮水器可实现冲洗功能， 同时也稳定了u f 和r o 运行压力，保障了膜运行条件稳定。 皿 议嵇掣扑卅匿扑kh剐璐偕 警 武汉理工大学硕士学位论文 表5r o 纯水机水路结构部件明细表 编号代号或图标名称 规格型号说明 l地水液电磁阀 z c s 4 5 ，2 2 0 v总阀 2抒1微滤器2 0 i n c h ，5 0 p初滤 3g a c活性炭过滤器2 0 _ 4 0 目初滤，吸附 4- 旷2微滤器 2 0 i n c h 2 0 u 精滤 5 i f 超滤器自制超滤 6p m l p m 2压力表 由5 0 ，l o k g c m 2指示超滤进出水压力 7 p k l ，p k 2低压开关0 3 k g 2低压保护 8m l 电磁阀v 一0 3 ，2 4 v超滤排污冲洗 9 t 1 ，t 2压力贮水器1 0 升反冲稳压贮永 1 0犯m 5 电磁阀 1 岫3 2 4 v停泵关水 1 1p l - p 2泵 卜o l ，2 4 v ，6 0 wr 0 动力 1 2p m 3 压力表由5 0 ，l o k g c m 2r 0 2 工作压力 1 3 r 0 1 ，r 0 2反渗透膜低压卷式反渗透 1 4 x f l ，x f 2x f 3限流器系列控制r 0 排水量 1 5 m 3 ，m 6电磁阀 v 0 3 2 4 vr o 冲洗 1 6p x 3 高压开关2 5 k f 矗t 2 水满停p 1 1 7 m 4 饮水开关电磁阀或龙头取饮用纯水 1 8i e l i e 2 离子交换器强型混床去队水中残余离子 1 9m 7 二级水开关 v o 一3 2 4 v 开二级水 2 0m 8三级水开关v o 3 2 4 v 开三级水 2 2t 3 接纯水瓶用户自备贮纯水 2 3d 在线电导池常数0 1 一i测二级水电导 2 4 水位控制器d j s l测电导控水位 2 5 水管巾6 一1 0 连接水流 3 1 武汉理工大学硕士学位论文 6 2 r 0 实验用纯水机电路设计 6 2 1 技术要求 电控部分的技术要求是： 1 、主变压器电源输入为2 2 0 v 交流，输出为2 4 v 直流，功率为1 5 0w ； 2 、满足水路结构设计中各电器原件的电源和控制要求； 3 测量并自动显示纯水的电导率用于水质监控，根据出水水质特点，设定电 导检测范围为0 - 2 0 1 1s e m , 测量精度5 。 4 实现自动控制功能： ( 1 ) 出水电导率超标自动报警，其中二级水1 0 ps c r n , 三级水5us c m 时 报警： ( 2 ) 具有水位自动控制功能，当贮水容器内水位达到预定水位时，自动关机； ( 2 ) 进水压力小于o 3 k g e m 2 ( 缺水) 自动停机； ( 3 ) n 水结束后自动冲洗膜 4 造价合理便于推广应用。 6 2 2 、电路设计 r o 实验用纯水装置电路包括以下几个部分： l 、水质测量电包括传感器、信号处理电路和显示； 2 、水质和水位比较电路水位达到时给信号到控制电路，水质不合格 时以指示灯形式报警： l 、泵系统由一组泵构成； 2 、控制电路和控制器件压力传感受器、控制电路及电磁阀等。 通过上述电路可实现自动开关机、水质自动测试和显示、水质超标报警、 缺水自动停机、自动清洗等自动化功能。详述如下。 电导率检测电路由振荡器，取样电路、放大电路、检波电路和数显电路 组成。由振荡器振荡产生的一个交流信号，加到由电导电极和其它元件组成的 取样电路后产生一个幅值正比于电导率的交流信号，该交流信号经放大电路 放大，检波电路检波后产生一幅值正比于电导率的直流电压信号v ：再经过电 导率数显电路显示纯水的电导率。电导率显示分为二档，即0 - 2 0 l ls e m , 0 - 2 0 武汉理工大学硕士学位论文 us c m 。检波电路检波后产生的直流电压信号v ，同时送到电导率超标比较 电路和水位比较电路。电导率超标比较电路将直流电压信号v 和超电导率给 定信号v 女1 进行比较后产生的信号，由发光二极管显示电导率超标报警。水 位比较电路将直流电压信号v 和水位给定信号vs 2 进行比较后产生的信号 去控制水位控制继电器j k 工作。继电器j k 触点控制水泵p 2 、和电磁阀m 5 工 作。水泵p ：和电磁阀m ，的工作由三个条件组成：水位控制继电器i k 鬟d 低 压开关k p 2 ；高压开关k r o 。当j k 闭合，k p 3 断开k p 2 闭合时，水泵p 2 和电 磁阀m 5 开始工作。当j k 和k p 2 任意一个断开时，则停止工作。水泵p l 和电 磁阀m l 的工作由二个条件组成：高压开关k 丹；低压开关k p l 。当k p 3 断开，k p 】闭合时，电磁阀m l 工作，进行自动冲洗膜。当k p 3 和k p l 闭合时， 水泵p 】开始工作。当压力高于o 3 k g c m 2 时， 低压开关k p l 和低压开关k p 2 断开。当压力高于25 i g c m 2 时高压开关k p 3 ，断开，低于2 5 k g c m 2 时接通。 电路图见图1 3 。由三极管b g i 、b ( 3 2 、变压器b l 等元件组成振荡器；由 变压器b 1 次级、r 4 、r 6 、r 7 电组和电导电极组成取样电路；由三极管b g 3 、 b g 4 、b g 5 、b g 6 和其它元件组成放大电路：由d 1 一d 4 二极管、r 2 2 电阻、 c 1 1 电容、集成电路a 1 1 等其它元件组成检波电路；由8 0 3 5 数显表作为数显 电路：由集成电路a 1 - 3 等其它元件组成电导率超值比较电路；由电位器w 2 给定超电导率给定信号vt l ，由集成电路a 1 4 等元件组成水位比较电路。水 位给定信号v 镕2 由电位器w 3 给定。 表6r 0 型全自动实验用纯水机电路部分元件清单 序号元件名称元件代号规格型号数量 l 碳膜电阻r l ，r 2 2 r 2 41 k q l 4 w 3 2 碳膜电阻 r 2 ，r 3 3 3 k q i 4 w 2 3碳膜电阻r l o3 0 m q l 4 霄1 4 碳膜电阻 r 9 1 2 k 0 1 4 w 1 5 碳膜电阻r 8 ，r 2 15 1 0 q 一1 4 w 2 6 碳膜电阻 r l l 1 5 0 k i 4 w 1 武汉理工大学硕士学位论文 7 碳膜电阻 r 1 2l 5 k 一1 4 w1 8 碳膜电阻 r 1 48 2 0 q 一| 4 w2 9 碳膜电阻 r 1 5 3 3 0 q i 4 w 1 1 0 碳膜电阻 r 1 62 0 k i 4 wl 1 1 碳膜电阻r 1 77 5 k i 4 w1 1 2 碳膜电阻 r 1 8 1 0 q i 4 wl 1 3 碳膜电阻r 2 02 0 0 ql 4 wl 1 4 碳膜电阻r 1 93 k q i 4 wl 1 5 碳膜电阻 r 3 3 3 3 k q l 4 wl 1 6 碳膜电阻r 1 3 r 2 5 一r 3 1i 0 0 一i 4 w8 1 7 碳膜电阻r 3 23 9 k q i 4 wl 1 8 碳膜电阻r 2 3 ，r 3 4 ，r 3 55 i k q i 4 w3 1 9 精密电阻r 4r x j x0 51 6 6 6 0 5 l 2 0 精密电阻 r 5 r x j x0 51 2 5 o 5 1 2 1 精密电阻 r 6 r 小一0 51 6 6 6 0 0 5 l 2 2 精密电阻r 7 r j x 一0 54 1 6 6 q 0 5 1 2 3电解电容 c 4 ，c 8 c d - 5 0 v i o uf2 2 4电解电容 c 5 ，c 6 ，c 9 ，c i o c d - 5 0 v4 7u f 4 2 5 电解电容 c 1 2 ，c 1 3 c d - 5 0 v2 2 0 0 pf2 武汉理工大学硕士学位论文 2 6电解电容c 1 1 ，c 1 4 ，c 1 5c 旷5 0 v 一1 0 0 pf 3 2 7金属膜电容c i ，c 2c z j x 一0 o luf 2 2 8 金属膜电容 c 3 c z j x 一0 iu f l 2 9金属膜电容 c 7 c z j x 1 0 0 0 p f 1 3 0 三极管b 6 1 ，b 6 2 ，b 6 3 3 d g 6 c3 3 2多圈线绕电位器 w lx d - l o - l o o ql 3 3带固定轴锁电位器 w 2 ，w 3 3 3 k q2 3 4检波二极管d l d 42 a p i o4 3 5整流二极管 0 争d 8 i n 4 0 0 74 3 6 整流桥 z l i3 5 0 0 vl 3 7发光二极管d 1 4 一d 1 7 巾5 高红4 3 8 运算放大器 al m 3 2 41 3 9 集成稳压块 i c l7 8 1 5l 4 0集成稳压块i c 27 8 0 51 4 1 电源变压器 1 3 2 1 8 v 1 2 v 2 2 0 v1 4 3断电器 j xj q x 1 3 f 2 z 1 4 4继电器 j 1j q x 1 3 f 2 z l 4 5 继电器j 3 j q x “1 3 f 3 z 1 4 6开关 k 2 ，k 3小型单刀双掷 2 武汉理工大学硕士学位论文 4 7按钮k 1带锁按钮 1 4 8按钮 a n i无锁按钮i 4 9直流电源硼1 t w 22 4 v 2 6 0 保险管 b x2 al 5 l电导电极 c x1 5 2 低压开关 k p l _ k p 22 6 3 高压开关 k p 3l 5 4 电磁泵 p 1 p 22 4 v2 5 5 电磁阀 地m 82 4 v9 6 2 3 电路特点 1 本电路除了有电导率检测功能外，还有自动控制功能，经过安装、调试和几 个月的试生产运行后，达到了预期要求，操作简单，运行可靠。 2 本电路采用一个铂金电导电极既用于测量纯水的电导率又用于控制出水口 贮水容器的水位，使得电路大为简化； 3 采用数字显示电导率值，使读数清楚、直观： 4 本电路用一块集成电路板，结构精巧，布局合理，便于安装、调试和维修； 5 本电路成本低，有利于产品推广普及。 6 2 4 性能测试结果 1 稳定性电路经1 2 个月的试运行，产水( 按三级水计) 超过2 0 吨， 运行结果表明，该电路性能可靠、示值稳定： 2 电导率示值精度所研制的电导仪在水样电导率为o - 2 0us c m ( 2 5 ) 量程与d d s - 11 型电导仪进行对照测试，结果如表7 所示： 武汉理工大学硕士学位论文 超 给 v 武汉理工大学硕士学位论文 水 定 v 图1 4 实验用纯水机电原理图 武汉理工大学硕士学位论文 表7 电导率测值对比 仪器空气空白水样 d d s 1 lo0 00 2 52 0 04 4 0l o 0 0 1 8 3 0 研制仪器 0 1 5o 2 52 0 04 4 51 0 0 81 8 7 8 ( 1 ) 电导率= 示值x 电导池常数，并扣除空气空白； ( 2 ) d d s 1 1 a 和研制仪器均用于d s l 型电导池，常数分别为0 9 7 和1 1 0 。 6 3 u f 单元和整机使用效果试验 6 3 1 试用情况 按以上设计制作了三台卸3 r d 2 0 型全自动实验用纯水机样机( 插图3 ) ， 分别在湖北省环境监测中心站、河南省南阳师范学院和湖南湘潭工学院( 样 机如附图) 进行了6 个月的运行试验。试验结果表明，设备整机性能完善， 出水质量符合国家 分析实难室用纯水规格与测试方法二级、三级水质要 求。表8 列出了湖北省环境监测中心站样机出水质量指标。三样机产水率均 十分稳定，运行6 个月尚未需要更换滤芯或进行化学清洗。 优化后的u f 单元与优化前相比二方面得到完善： ( 1 ) 抗污染能力更强，冲洗后通水量恢复效果更明显。试验产水3 0 吨 通水量未见衰减。 ( 2 ) 结构紧凑，装卸方便。 综上所述，u f 单元优化设计研究达到了预期效果，实现了研究目标， 该单元已具备产业化条件。后期研究中应从膜制备上进一步完善此研究工 作。 武汉理工大学硕士学位论文 表8h b r o - - - 2 0 型全自动实验用纯水机出水质量 水样试验二级水试验三级水国标二级水国标三级水 顾 期羚 p - 5 66 2 未要求 5 7 2 5 电导率 0 22 31 o5 0 ps e m 可氧化物 o 0 80 40 0 80 4 以【0 】计m g l 吸光度 o 0 0 700 0 8 0 o l未要求 2 5 4 n m , l c m 蒸发残渣 0 81 2 1 02 0 1 0 5 c ，m g l 可溶性硅 o o lo o l o 0 2未要求 以s i 0 2 计 m e t e 6 3 2 技术先进性 本项目在研究基础上不断完善设计，先后研制了四台样机，并投入实 验室按常规产品运行，有二年以上的运行经验。根据样机设计、运行及性能 测试结果，该样机技术先进，性能良好，其优势可概括为以下三个方面： ( 1 ) 与传统蒸馏法相比 用膜法代替蒸馏法，节能、节水，运行成本低； 该机相当于传统的电热蒸馏器、全玻璃蒸馏器( 或石英蒸馏器) 和离子 交换纯水机三位一体； 全自动控制，使用方便。 ( 2 ) 与现行的膜法设备相比 4 0 武汉理工大学硕士学位论文 净水工艺设计上采用u f 前处理二级r o ，保证r o 进水质量，同时 减少滤材消耗，延长r o 膜使用寿命。 二级r o ，保证高水质、高性能，大大减轻了匝负荷，使混床使用 周期更长，减少树脂再生之麻烦。 u f 和r o 物理清洗系统随用随洗，更加有效，化学清洗操作方便。 水位控制和水质测试合二为一，实现了水质、水位、清洗、保护自动 控制，并简化了自动控制电路，保证了控制系统稳定可靠。自动控制功能比 目前国内产品完善。 积木式单元，更换和维护方便。 “傻瓜”式操作系统，无须专业人员操作。 ( 3 ) 我们开发此产品的优势不仅在于产品的本身，同样重要的是：产 品设计从工艺到配件己尽量做到前期投入少，生产性硬软环境要求适当， 利于起步。 本产品主要对象是量大面广的分析实验室。而目前绝大多数实验室还是 采用电热蒸馏器制备纯水，市场潜力很大。虽然国外某些公司( 如m i l l i p o r e ) 已, 介入国内市场，国内也有不少公司正涉足此领域，但本技术更完善，更适合 国情。因此依靠产品的上述优势可望开拓一片广阔的市场。 6 3 3 经济性能 ( 1 ) 单位成本 产品成本是由多方面因素决定的，包括结构设计、生产经营的内环境和 原器件供应等外环境。如前所述，设计中已尽可能地考虑了材料成本。由于 样机研制是非生产性过程，量少、不定型，成本较高。根据笔者了解到的行 情，该产品批量生产的单位材料成本为样机的7 0 左右。从近十年产品价格 变化看，膜及相关产品价格呈下降趋势。按日前报价预算批量生产材料成本 如表3 所示。 人工消耗主要是组装与调试。按样机组装和调试经验，每台设备需要1 个工人2 天劳动。工费计2 0 0 元。加上材料成本合计成本4 6 2 8 元。 4 l 武汉理工大学硕士学位论文 表9h b r 0 2 0 型纯水机材料成本概算表( 元) 1 外壳 5 0 0 2 滤器外壳及滤材 1 7 5 0 3 电路板及电子原器件 4 0 0 4 管道、阀门 3 5 0 5 泵 1 1 4 8 6 水位传感器 8 0 2 0 0 7 包装 4 4 2 8 合计 ( 2 ) 运行费用比较 该产品功率较小，所以运费用主要来自滤材消耗。按项目研究专题报告 中有关滤材消耗测试结果估算，并按每套r o 滤器产三级水3 0 t 计，每2 0l 三级 水费用大致为4 0 元。对比电热法，每2 0 1 三级水电耗为1 5 度，每度电价按o 8 元计，则运行费每2 0l 为1 2 元。可见其经济性。 与同类膜法产品相比尚缺少详细数据。在单元实验中与普通设计对比 了滤材消耗情况，表明本项目设计是相对节省的。实际试用也证实了这一点。 武汉理工大学硕士学位论文 7 结论 本研究以用于小型r o 纯水装置前处理的u f 单元为重点，从膜材料选 择、膜精度、使用压力和清洗方法等方面进行了系列实验，对u f 单元结构 进行了优化设计；在u f 单元优化设计基础上进行了小型r o 纯水装置整机 水路、电路和机械结构整体设计，制作了样机并进行了性能试验，得到了令 人满意的结果： 1 本研究所提出了以二级r o 为核心，以自动反冲冼式超滤结构为前处 理，以阴阳混合树脂柱作为后处理的实验用纯水制备工艺方法。其中自动反 冲冼式超滤结构为创新之处，已获得国家实用新型专利。 2 优选了用于实验用纯水设备r o 前处理的u f 膜性能和参数。用截留 分子量8 0 0 0 0 左右的p s 中空纤维u f 膜，在低压下运行可达到理想效果。 其中试验确证并在样机设计中利用了聚砜口s ) 超滤膜在低工作压力下的抗污 染特性( 即u f 在低压下运行可减缓膜污染，膜污染后易于清洗) ，这是很有 意义的实验结果。 3 设计了二种o f 膜组件结构，其基本结构相同，即膜呈u 型装填，中 间固定布水管，外壳侧面或底部接排水管；差别在于膜面积大小和是否与压 力贮水器合并在一起。这是一种新颖而实用的设计。 4 设计制作了h b r 0 1 0 型和h b r 0 2 0 型二种型号的全自动实验用纯水 机样机。经多家试用证明，该机出水质量稳定符合国家分析实验室用水标准 ( g b 6 6 8 2 9 2 ) ，不受自来水质量影响；实现自动冲洗、自动开关机等多 项行动化功能，使用方便；设备成本低，运行费用低。该技术应用前景广阔。 受研究条件的限制，以上试验工作不全面，如膜材料选择范围仅限于二 种普通材料，新型材料未涉入，应不断引入新材料新方法；样机所选用的电 子元器件性能不稳定，机械结构设计粗糙，有待完善。 e d i 是一种新的很有前景的技术。本研究曾拟将其列入研究内容，由于 时间和经费等原因未开展这方面的研究，这是本研究存在的问题之一，也是 后续研究方向之一。 4 3 武汉理工大学硕士学位论文 插图2 瑚墩m 1 0 型全自动实验用纯水机 插图jh b r o - 2 0 型全自动实验用纯永机 议刁牮扑*器扑kh嘲聪偕 武汉理工大学硕士学位论文 参考文献 1 m i c h a e l s s t a d n y c k y ：i m m e r s e d m e m b r a n e s s i m p l i f y r e v e r s e o s m o s i sp r e - t r e a t m e n t ，a s i a nw a t e r2 0 0 0 ，2 1 ( 9 ) ，2 4 2 6 2 j a n d a i l l y edi ，a s i a n w a t e r , 1 9 9 8 ，1 4 ( 6 ) ，1 8 2 2 3 a m m e r e ，n a n dg b d a h m a n ，c u r i n g s i l i c ap r o b l e m sw i t h d o u b l e - p a s s r e v e r s eo s m o f i s u l t r a p u r ew a t e r7 ( 4 ) ，1 9 9 0 4 、c h r i se d m o n d a n de l i s a l e m , u l t r a p u r ew a t e r , n o v 1 9 9 8 ，4 3 4 7 5 、g a n x i ，g c ，a i c h es y m p o s i u m , 1 9 9 8 ，8 4 ，2 6 1 2 6 4 6 、b e n e d e k , a a n dl j o h n s o n c o n s i d e r a t i o ni nr o v e r s u si o ne x c h a n g e f o r d e m i n e r a l i z a t i o n u l t r a p u r ew a t e r , 6 ( 1 ) ，1 9 8 8 7 、s h u m w a y s c o t ta t h ew o r ke x c h a n g e rf o rs w r o e n e r g yr e c o v e r y t h ei n t e r n a t i o n a ld e s a l i n a t i o n & w a t e rr e u s e ，8 ( 4 ) ，1 9 9 9 8 、s s o u r i r a j a n r e v e r s eo s m o s i s a n ds y n t h e t i cm e m b r a n e s ，1 9 7 7 9 、d o w l i q u i ds e p a r