（控制科学与工程专业论文）智能型饮用水处理系统及电磁波探测物质的研究.pdf

，1 j 独创性声明 1 1 1 11 1 11 111 111 1i ii iu l 、t17 8 8 6 4 0 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的 研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得j 匕塞王些太堂或其它教 育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 关于论文使用授权的说明 木人完全了解! e 立王些太堂有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有 权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部 或部分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论义在解密后应遵：r 此规定) 虢垄五堕铷繇丝帆址! 丝 摘要 摘要 中国广大农村水资源污染严重，灾区安全饮用水无法得到保障。本文针对 日益严峻的水资源形势，特别是现行的饮用水装置存在的问题，设计了一种新 的饮用水装置。该装置是将现在的饮用水处理技术，例如：离子交换树脂、活 性碳吸附等技术集中在一个相对密闭的空间当中，在解决了以往水处理站需要 大兴土木的缺点的同时，有效地克服了饮用水处理环节中的二次污染问题。由 于其便捷性和安全性，该装置可以在农村及灾区得到普及。 该饮用水处理装置的最大特点是在原有的饮用水技术的基础上增加了智能 控制环节和实时检测环节。装置中的电磁阀和电机等受控元件都在微控制器 a r m 7 的控制下进行操作，同时在处理过程中的各个环节增加了自动检测的功 能，用户可以实时的监测系统当前的工作状态。本系统还为用户提供了人机交 互模块，用户可以时刻了解系统当前的工作状况，特别是水质情况，从而对系 统进行操作和控制。 虽然在饮用水装置中增加了水质检测环节，但目前仅仅局限在简单的水质 电导率以及p h 值，对于一些其他的物质，特别是金属，还无法实现在线检测， 因此本课题引入了- f 中新的检测方法电磁波检测方法。 电磁波检测方法是基于电介质理论来进行的，处于电磁场中的电介质会受 到电磁波的影响而被极化，同时被极化的电介质又会对原电磁场产生影响，这 就为本课题用电磁波的方法进行检测提供了理论基础。 本论文为这种新方法设计了实验平台，首先在硬件方面采用模块化设计， 将主控模块、频率发生模块、功率放大模块、反馈模块和通讯模块集中在s t d 总线上。本课题设计了1 2 维的正弦波输出，而且每一维的正弦波均可调频调幅， 反馈模块采集电压值，然后将数据上传至上位机，利用上位机强大的图形功能 将数据制成曲线，方便进行数据分析。其次本课题采用嵌入式实时操作系统， 利用操作系统强大的底层驱动函数和任务调配工程，有效地协调各个模块的工 作。 最后在实验平台的基础上进行了初步的实验，在一维灾验中不断地缩小频 带和步进以使得不同物质能够呈现出明澎的区分度，在1 5 1 6 k h z 的频段中， 八种物质被明显的区分开，可以以此为依据对八种物质进行定性的判断。本课 题在一维实验的基础上电对二维实验进行了探索性的研究，由于二维实验进行 的实验量还不够，二维实验并没有取得理想的结果。 关键词：饮用水；二次污染；实时检测；电介质；电磁波 北京工业大学工学硕士学位论文 p o l l u t i o no fd r i n k i n gw a t e rs y s t e m b a s e do n t h ec u r r e n td r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t s y s t e m ，t h i sn e wd r i n k i n gw a t e ra p p l i c a t i o ni n t e l l i g e n t i z e sm a n yp r e s e n td r i n k i n g w a t e rt e c h n o l o g i e s ，s u c ha s i o ne x c h a n g er e s i n s ，a c t i v a t e dc a r b o na d s o r p t i o n c o n c e n t r a t e di nac o n f i n e ds p a e ef o rt h e mt oa v o i ds e c o n d a r yp o l l u t i o n s o l v i n gt h e s e c o n d a r yp o l l u t i o no f t r a d i t i o n a ld r i n k i n g ，t h ee q u i p m e n ta v o i d st h ec o n s t r u c t i o no f b i gb u i l d i n g i tc a np r e v a i li nr u r a la n dd i s a s t e ra r e a s b e c a u s eo fi t sc o n v e n i e n c ea n d s e c u r i t y t h ee q u i p m e n ta d d st h ei n t e l l i g e n tc o n t r o la n dr e a l t i m ed e t e c t i o nb a s e do nt h e k n o w nd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n tt e c h v a l v ea n dm o t o ra r ec o n t r o l l e db y m i c r o p r o c e s s o ra n du s e rc a nk n o w t h es i t u a t i o no fr e a l - t i m es y s t e mb yd e t e c t i o n a d d e di nt h ep r o c e s s i ta l s op r o v i d e sh u m a n c o m p u t e ri n t e r a c t i o ni no r d e r t o o p e r a t et h ee q u i p m e n t d e s p i t et h ed e t e c t i o ni nt h ep r o c e s s ，i to n l yc a nd e t e c tt h es i m p l ec o n d u c t i v i t y a n d p h i tc a nn o td e t e c tt h er e a l t i m ei t e m s ，p a r t i c u l a r l yt h em e t a l t h ep a p e r i n t r o d u c e san e wd e t e c t i o n ，e l e c t r o m a g n e t i cw a v ed e t e c t i o ni t e m e l e c t r o m a g n e t i cw a v ed e t e c t i o ni t e mi sb a s e d o nd i e l e c t r i ct h e o r yt h a tr e l a t e s t h ep o l a r i z e dd i e l e c t r i ci nt h ee l e c t r o m a g n e t i cf i e l dh a si n f l u e n c eo nt h e e l e c t r o m a g n e t i cf i e l d t h ee x p e r i m e n t a lp l a t f o r mi sd e s i g n e di nt h ep a p e r f i r s t l yt h ed e t e c t i o ns y s t e m m o d u l a r i z e st h eh a r d w a r ei n c l u d i n gm a i nc o n t r o lm o d u l e ，f r e q u e n c yp r o d u c i n g m o d u l e ，p o w e rm a g n i f i c a t i o nm o d u l e ，f e e d b a c km o d u l e a n dc o m m u n i c a t i o nm o d u l e i nt h es t db u s i td e s i g n s12f r e q u e n c y p r o d u c i n ge q u i p m e n ta n dt h eb r e a d t ha n d f r e q u e n c yc a nb ea d j u s t e di ne v e r yf r e q u e n c yp r o d u c i n g f e e d b a c k m o d u l ec o l l e c t s t h ev o l t a g ea n dt h ev o l t a g ei ss e n dt ot h eh o s tc o m p u t e rw i t hc o m m u n i c a t i o nm o d u l e u s e rc a nh a v ead a t aa n a l y s i sw i t ht h ef u n c t i o no fg r a p h i c si nt h eh o s tc o m p u t e r s e c o n d l ye m b e d d e dr e a l t i m eo p e r a t i o n a ls y s t e mi su s e di nt h ed e t e c t i o ns y s t e mi n o r d e rt oh a r m o n i z ee v e r ym o d u l ew i t hr o c k b o t t o md r i v i n gf u n c t i o na n dt a s ka d j u s t f i n a l l yt h ep a p e rh a sae x p e r i m e n to nt h ee x p e r i m e n t a lp l a t t b r m t h ef r e q u e n c y b a n da n ds t e pw e r es h o r t e n e dg r a d u a l l yt of i n dt h eo b v i o u sd e g r e eo fd i f f e r e n t i a t i o n 北京工业大学工学硕十学位论文 i nt h eo n ed i m e n s i o n t h em o s to b v i o u sd e g r e eo fd i f f e r e n t i a t i o ni sd i s c o v e r e di n t h ef r e q u e n c yb a n d15 - 16 k h zo f8i t e m s q u a l i t a t i v ej u d g ec a nb em a d eb a s e do n t h eo n ed i m e n s i o ne x p e r i m e n t t w od i m e n s i o n se x p e r i m e n ti sm a d ee x p l o r i n g l y e x c e p to n ed i m e n s i o ne x p e r i m e n t b u tt h et w od i m e n s i o ne x p e r i m e n th a sn o ti d e a l r e s u l tb e c a u s eo fl a c ko fe x p e r i m e n t s k e y w o r d s ：d r i n k i n gw a t e r ；s e c o n d a r yp o l l u t i o n ；r e a l - t i m ed e t e c t i o n ；d i e l e c t r i c ； e l e c t r o m a g n e t i cw a v e l v 2 2 2 3 2 4 第3 章 3 1 3 2 3 3 第4 章 4 1 4 2 2 1 2 第一级处理一11 2 1 2 第二级处理一1 2 2 1 3 第三级处理一1 4 一 智能水处理装置硬件设计一15 2 2 1 主控模块一1 6 2 2 2 反馈模块一l 7 2 2 3 人机交互模块一l 8 一 智能水处理装置软件设计一18 一 本章小结- 1 9 一 电磁波探测物质的工作原理一2 1 - 电介质的极化一2l 一 3 1 1 电介质一2 l - 3 1 2 电介质的极化一2 1 - 3 1 3 极化电倚对电场的影响一2 3 3 1 4 介电常数一2 4 - 金属的介电常数一2 5 一 奉章小结一2 6 一 电磁波探测物质的平台设计- 2 9 一 总体设计思路一2 9 一 s t d 总线设计- 3 0 一 v 北京工业大学工学硕士学位论文 4 3 主控模块3 0 4 3 1 主控芯片选型3 0 4 3 频率发生模块一3 2 4 3 1 频率发生器一3 2 4 3 2 数字电位器一3 5 4 3 3 片选信号一3 6 4 3 4 频率合成一3 7 4 3 5 地址分配一3 8 4 4 功率放大模块一3 9 4 5 反馈模块4 0 4 5 1 精密整流一4 0 4 5 2a d 转换一4 1 4 6 上下位机通讯模块一4 1 4 6 1 电平转换芯片一4 1 4 6 2 上位机软件4 2 4 7 人机交互模块4 2 4 7 1 按键模块一4 3 4 7 2 液晶显示模块一4 3 4 8 系统软件设计一4 6 4 8 1 嵌入式实时操作系统一4 6 4 8 2 底层驱动函数一4 8 4 8 - 3 用户应用程序一4 8 。 4 8 4 按键任务一5 3 4 8 5 显示任务一5 4 4 8 6 波形发生任务一5 5 4 8 7 定时采样任务一5 5 4 8 8 发送数据任务一5 6 4 9 本章小结一5 7 第5 章实验及实验结果一5 9 5 1 实验条件一5 9 。 5 1 1 探测平台一5 9 5 1 2 检测物质试件一6 0 5 1 3 实验坏境一6 0 5 2 一维实验结果一6 1 5 2 1 频率范同l0 3 0 k 一6 l v i 结论- 7 5 一 参考文献一7 7 - 附录一8 1 - 攻读硕士学位期间所发表的学术论文- 8 3 一 致谢- 8 5 一 v i l 北京工业大学工学硕士学位论文 v l i l 联合国最新发布的世界水资源报告指出，由于管理不善、资源限制和环境 的改变，世界上1 5 的人仍然缺乏安全饮用水，其中约有一半人居住在印度和 中国。3 月9 日，在第四届世界水资源论坛即将召开之前，联合国发布的一份 世界水资源报告指出，淡水如果分配均匀，可以满足所有人的需要，但全球的 水资源管理目前处于一种危机之中。如果按照目前的趋势，到2 0 1 5 年使不能获 得安全饮用水和基本卫生设施的人口减半的联合国千年发展目标将不能实现。 联合国每3 年发布的世界水资源报告，是一份最全面的对全球淡水资源进 行评估的报告。这份题为水：一个共同的责任的报告是第二份类似报告。它 指出，世界大部分地区的水质在下降，淡水动植物种类在逐年减少；由于森林 遭到严重破坏和其他土地使用不当行为，致使同水有关的自然灾害呈上升趋势。 现在世界上有2 5 的人f f l 居住在易于发生水患的地区，风险最大的国家包括： 孟加拉国、中国、印度、荷兰、巴基斯坦、菲律宾、美国和一些小岛国。 报告指出，11 亿人仍然缺乏安全饮用水，2 6 亿人缺乏基本的卫生设施。在 世界的许多地区，由于管道和运河泄漏以及非法连接水管，有3 0 4 0 的水资 源出现浪费或遭到窃取。 根据这份报告的统计，尽管2 0 0 2 年举行的可持续发展世界首脑峰会呼吁， 到2 0 0 5 年所有国家应该都建立完整的水资源管理和节约计划，但到目前为止只 有1 2 的国家实现了这个目标。 报告指出，对水资源的投资也停滞不前。近年来，全球用于这方面的官方 发展援助总额平均约为3 0 亿美元，其中只有1 2 的资金被用到了最需要的地 方，只有l o 被用于支持对水政策、计划和项同的研究丌发。 1 1 2 水污染危害 从全国范围来看，随着社会经济的发展，污水排放量增氏迅速，严重污染 着何限的水资源，有些典至污染了宝贵的地下水资源。 据水利部对全国7 0 0 余条河流约1 0 力公里河长开展的水资源质量评价， 北京工业大学工学硕士学位论文 4 6 5 的河长受到污染；1 0 6 的河长严重污染，水体已丧失使用价值。9 0 以 上的城市水域污染严重。 在全国七大流域中，太湖、淮河、黄河流域均有7 0 以上的河段受到污染； 海河、松辽河流域污染也相当严重，污染河段占6 0 以上，全国有1 4 的人口 饮用不符合卫生标准的水。水污染直接影响着我国民众的生活、生存环境。 据统计，7 0 年代初全国日排污量为3 0 0 0 至4 0 0 0 万立方米，1 9 8 0 年日排污 量达8 5 0 0 万立方米，增长了一倍，目前全国日排污量已超过1 5 亿立方米，其 中8 0 以上未经任何处理而直接排入水域，使河流、湖泊、水库遭受不同程度 的污染。水资源被污染不仅加剧了水资源的紧张，更严重的是危害着人们的健 康。目前全世界约有1 0 亿人在饮用不清洁的水，许多疾病都是由于饮用不清洁 的水引起的，全世界每天有6 0 0 0 至3 5 0 0 0 名儿童因缺乏清洁饮用水而死亡。1 9 9 4 年和19 9 5 年，淮河连续两年发生重大污染事故，污水所到之处河水泛起一层泡 沫。1 9 9 4 年7 月的淮河污染事故，仅盱胎、泗洪和洪泽三县就发生3 0 多万人 饮用水困难，其中自来水厂被迫停止供水达5 4 天，造成经济损失2 亿元。山东 临沂、苍山两造纸厂的污水排放，污染了徐州的水源，导致该市4 0 万市民近一 个星期吃不上清洁水。 近些年，全国各地水污染事故频繁发生，平均每年在1 6 0 0 起以上。1 9 9 4 年淮河特大污染事故，造成苏皖两省1 5 0 万人饮水困难。1 9 9 6 年春节后，淮河 再次发生污染事故，使蚌埠市7 0 万人陷入水荒。近1 0 年来，仅海河流域的水 污染事故就达数百起，由水污染导致的地区间纠纷不断发生，严重影响杜会稳 定。 1 1 3 国内外研究现状 饮用水处理已经经历了几十年的发展历程，从最初的简单投氯消毒，到现 在活性炭吸附，离子交换等技术。现行的水处理大多在相应的自来水工厂进行， 需要大量的人力财力大兴土木，而且处理过程大多都暴露在空气中，空气中的 细菌，浮尘等会在整个处理过程中渗透入水中，不可避免地存在二次污染的问 题，这些越来越受到人们的重视。现有饮用水处理装置需要相关技术人员参与， 因此，如何使普通用户也可以方便的进行操作成为人们研究的重点。 现在的饮用水处理过程中并没有加入相应的检测手段，这使得工作人员无 法获知当前水处理的处理效果。我国目前仍然在使用传统的检测手段来监测水 质中的各种参数。传统的化学办法检测无法实现实时和在线检测的功能，而且 测量时吣长，检测精度也达不到要求。有些企业使用了在线检测仪，但基本上 足购买国外产品，价格昂贵，从而导致生产成本高，效益低下。而且目前的在 成式水处理装置，该装置将现有的饮用水处理技术综合起来，在一个完全密闭 的空间中进行水处理，处理的水不与空气接触，有效地避免空气中的杂质混入 水中，保证了水的纯净性。同时，整个处理采用检测与自动化控制技术，实现 智能化处理。 1 2 1 1 离子交换树脂离子交换树脂的全名称由分类名称、骨架( 或基因) 名 称、基本名称组成。孔隙结构分凝胶型和大孔型两种，凡具有物理孔结构的称 大孔型树脂，在全名称前加“大孔”。分类属酸性的应在名称前加“阳”，分类 属碱性的，在名称前加“阴”。如：大孔强酸性苯乙烯系阳离子交换树脂【l j 。 离子交换树脂还可以根据其基体的种类分为苯乙烯系树脂和丙烯酸系树 脂。树脂中化学活性基团的种类决定了树脂的主要性质和类别。首先区分为阳 离子树脂和阴离子树脂两大类，它们可分别与溶液中的阳离子和阴离子进行离 子交换。阳离子树脂又分为强酸性和弱酸性两类，阴离子树脂又分为强碱性和 弱碱性两类( 或再分出中强酸和中强碱性类) 【2 j 。离子交换树脂法处理源水具有 可深度净化软化水质、处理效率高的特点。 1 2 1 2 布袋过滤布袋过滤原理为：过滤机内部由金属网篮支撑着滤袋，液体 由入口流进，经过滤袋过滤后从出口流出，杂质则被拦截在过滤袋中，滤袋更 换或清洗后重复使用。 1 2 1 3 芯式过滤滤芯式过滤器属于较精细的过滤，可以去除水中的；悬浮物( 泥 砂、铁锈等) 、胶体( 主要是粒径较小的物质) 、部分有机物( 可以玄除部分色、 味，以改善水的外观与口感) 等。经过这样的过滤后，水中的离子含量基本不 受影响。 1 2 1 4 活性炭吸附过滤活性炭是一种非常优良的吸附剂，它是利用小炭、竹 炭、各种果壳和优质煤等作为原料，通过物理和化学方法对原料进行破碎、过 筛、催化剂活化、漂洗、烘丁和筛选等一系列工序加工制造而成1 6 卅j 。它具有物 理吸附和化学 i 及附的双重特性，可以有选择的l 贩附气耷h 、液相中的各科物质， 北京工业大学工学硕士学位论文 以达到脱色精制、消毒除臭和去污提纯等目的。检验标准可按照中国国标g b ， 或按照其他国家标准，如：美国a s t m ，日本j i s ，德国d i n 标准等。 活性炭微孔的孔隙容积一般只有0 2 5 0 9m l g ，孔隙数量约为1 0 2 0 个儋， 全部微孔表面积约为5 0 0 - - - 1 5 0 0 m 2 g ，通常以b e t 法测算，也有高达 3 5 0 0 5 0 0 0 m 2 g 的。活性炭几乎9 5 以上的表面积都在微孔中，因此除了有些 大分子进不了外，微孔是决定活性炭吸附性能高低的重要因素。中孔的孔隙容 积一般约为o 0 2 1 0 m l g ，表面积最高可达几百平方米。其作用能吸附蒸汽， 并能为吸附物提供进入微孔的通道，又能直接吸附较大的分子。 大孔的孔隙容积一般约为o 2 0 5m l g ，表面积只约o 5 - 2m 2 g ，其作用 一是使吸附质分子快速深入活性炭内部较小的孔隙中去；二是作为催化载体时， 催化剂常少量沉淀在微孔内，大都沉淀在大孔和中孔之中。 活性炭过滤器内装有粒状净水型活性炭，主要去除水中的大分子有机物、 胶体、异味、余氯等杂质，其吸附力强，平均可去除9 0 以上。其中余氯是强 氧化剂，对r o 膜有氧化作用，必须限制在0 1m g l 【9 】。 1 2 1 5r o 反渗透膜过滤反渗透技术原理是在高于溶液渗透压的作用下，依据 其他物质不能透过半透膜而将这些物质和水分离开来。反渗透膜的膜孔径非常 小，因此能够有效地去除水中的溶解盐类、胶体、微生物、有机物等。系统具 有水质好、耗能低、无污染、工艺简单、操作简便等优点。反渗透系统优点： 1 、连续运行，产水水质稳定2 、无须用酸碱再生，不会因再生而停机，节省了 反冲和清洗用水3 、以高产率产生超纯水( 产率可以高达9 5 ) 4 、无再生污 水，不须污水处理设施5 、应用于预除盐处理也取得较好的效果，能使离子交 换树脂的负荷减少9 0 以上，树脂的再生剂用量也可减少9 0 6 、使用安全可 靠，避免工人接触酸碱7 、减低运行及维修成本8 、安装简单、安装费用低廉 反渗透指的是沿与溶液自然渗透方向相反的方向进行的渗透，即溶剂从高 浓度向低浓度溶液进行渗透。生物体内，膜是不同组织间的屏障。物质交换时， 它只允许其中的某些通过，而排斥其他。这种对物质具有一定选择能力的膜叫 做半透膜。假设有一张膜只允许淡水通过，把它放在淡水和盐水中间，在自然 状态下，淡水会透过半透膜稀释赫水来减小浓度差，当高度相差一定程度时， 渗透会自动停止( 这个高度差产生的压强称为“渗透压”) 。如果在盐水一边施 加压强，使它大于渗透压，盐水中的水分子就被迫渗人淡水一方，这就是反渗 现象。只要保持足够的压强，并及时耿走淡水，盐水中的水分子源源不断地透 过半透膜进入淡水中，盐分就被“过滤”掉了。所 胃渗透膜就是利用反渗透原 第1 章绪论 理进行分离的液体分离膜。具体的说，反渗透膜上有许多小孔，孔的大小只允 许水分子通过，盐类和杂质分子都比孔大而无法通过。 反渗透技术是当今先进和有效的除盐技术。其原理是在压力的作用下，水 分子透过反渗透膜成为纯水，水中的杂质被反渗透膜截留排出。利用反渗透技 术可以有效地去除水中的溶解盐、胶体、细菌、病毒、细菌内毒素和大部分有 机物等杂质。反渗透设备系统除盐率一般为9 7 9 9 。 1 2 1 6 紫外线杀菌紫外线是物质运行的一种特殊形式，是一粒粒不连接的粒 子流。每一粒波长2 5 3 7 n m 的紫外线光子具有4 9 e v 的能量。当紫外线照射到 微生物时，便发生能量的传递和积累，积累结果造成微生物的灭活，从而达到 消毒的目的。当细菌、病毒吸收超过3 6 0 0 , - , 6 5 0 0 0 t w c m 2 剂量时，对细菌、病 毒的去氧核醣核酸( d n a ) 及核醣核酸( r n a ) 具有强大破坏力，能使细菌、 病毒丧失生存力及繁殖力进而消灭细菌、病毒，达到消毒灭菌成效。紫外线一 方面可使核酸突变、阻碍其复制、转录封锁及蛋白质的合成；另一方面，产生 自由基可引起光电离，从而导致细胞的死亡。 紫外线杀菌器杀菌原理是利用紫外线灯管辐照强度，即紫外线杀菌灯所发 出之辐照强度，与被照消毒物的距离成反比。当辐照强度一定时，被照消毒物 停留时间愈久，离杀菌灯管愈近，其杀菌效果愈好，反之愈差。 紫外线主要用于微生物的脱氧核糖核酸、核糖核酸和细胞膜等，导致其细 胞膜破裂，d n a 键断裂或发生光化学反应，致使蛋白质及其它生命物质无法生 存。当一般的细菌、病毒等单细胞微生物暴露于c 波段的紫外线照射下，吸收 超过一定的剂量时，其生命中枢d n a 即遭到破坏，使其立即死亡并丧失繁殖 能力。 1 2 1 7 臭氧杀菌臭氧( 0 3 ) 是一种在常温下呈淡蓝色的气体，并带有轻微的 腥臭味，活泼易分解，最终生成氧气( 0 2 ) ，具有极强的氧化能力。臭氧发生 器通过采用紫外线辐射或高压放电方式将空气中氧气变成氧原子进而结合成臭 氧。臭氧能迅速地氧化水中和空气中的有机物和无机物，消毒杀菌。臭氧发生 器主机性能优良，可靠性好，臭氧产生部分采用了独立式的不锈钢或镍材质的 臭氧管，同时采用模块式组装方式，安装拆卸方便。各个模块交臀运行，一个 损坏不影响整体使用。 以氯化作用破坏微牛物的结构实现杀菌作用。臭氖首先作用于细胞膜，使 膜构成成分受损伤而导致新陈代谢障碍。臭氧继续渗透穿透膜而破坏膜内脂蛋 白和脂多糖，改变细胞的通透性，导致细胞溶解、死亡。而臭氧火活病毒则为 强氧化作用直接破坏其核糖核酸r n a 或脱氧核糖核酸d n a 物质而完成的。 北京工业大学工学硕士学位论文 1 2 2 金属检测方法 在水处理过程中加入检测环节是必不可少的，国家对于饮用水的检测有严 格的规定，对于各种物质的检测手段和方法，国家在水和废水检测分析方法 中有明文规定【1 3 1 。 表1 - 1 生活饮用水卫生标准 t a b l e1 1d r i n k i n gw a t e rh e a l t hs t a n d a r d s 项目一级二级三级 色度 1 52 0 3 0 浑浊度3 ( 不超过5 )1 02 0 肉眼可见度不得含有不得含有不得含有 p h 6 5 愿56 - - 96 9 总硬度( m l l ) 4 5 05 5 07 0 0 铁( m l l )o 3o 51 o 锰( m l l )o 10 3o 5 氯化物( m l l ) 2 5 03 0 0 4 5 0 溶解性总固体( m l l ) 1 0 0 01 5 0 02 0 0 0 硫酸盐( m l l ) 2 5 03 0 04 0 0 氟化物( m l l )1 o1 21 5 砷( m l l ) o 0 50 0 5o 0 5 汞( m l l )o 0 0 1o 0 0 10 0 0 1 镉( m l l ) 0 0 1o 0 1 o 0 l 铬( 六价) ( m l l ) o 0 50 0 5o 0 5 铅( m l l )o 0 50 0 50 0 5 硝酸盐( m l l 以氮计) 2 02 02 0 细菌总数( 个m 1 )1 0 02 0 05 0 0 总大肠菌群( 个1 )3l l2 7 游离余氯( m l l )o 3 不低于0 3不低于0 3 在水处理过程中要检测的物质很多，其中金属单质埘水质的影n 向尤其重要。 国家在水和废水检测分析方法中提剑了对铜，锌，镉，钴等几种金属单质 的检测方法和标准【l4 | 。这几种会属的枪测方法大多可分成以下两大类： 1 2 2 1 示波极谱法示波极谱法又称单扫描极谱分析法，一种极谱分析新方 法。它是一种快速加入电解r c l 压的极潜法。常在滴汞电极每一汞滴成长后 期，在电解池的两极卜，迅速力u 入一个锯齿形脉冲电压，在几秒钟内得出 一次极谱图，为了快速记录极谱图，通常用示波管的荧光屏作显示工具， 示波极谱法检测镉是将速度变化很快的极化电压( 一般约为2 5 0 m v s ) ， 施加在滴汞电极2 s 后，在电极面积变化很小的时间内，进行快速线性电位扫描 以减少充电电流的影响。用阴极射线滤波器作为测量工具，对于电极反应为可 逆的物质，在长余辉示波管上，可以观察到电极反应的伏安曲线为不对称的峰 形曲线，或经电子线路处理后用记录仪记录伏安曲线。其峰高与电极反应物质 的浓度呈正比，可用于定量分析，电化学反应可表示为： m 肘+ n e ( h 9 2 + ) = m ( h g ) ( 卜1 ) 在检测之前需要首先制作镉的标准贮备溶液，1 o m o l l 氨性支持电解质 ( p h 为1 0 ) 和极大抑制剂溶液( 溶质为水溶性聚乙烯酸) ，其制作方法见文 献 1 4 ，这里不再赘述，具体实验步骤如下： ( 1 ) 水样预处理废水或者污水可取适量置于烧杯中，加入5m ，浓硝酸， 在电路板上加热消解( 消解的目的是要除去试样中的杂质，只保留被测物质) 到约为l o m l 。冷却后，加入浓硝酸高氯酸各l o m l ，继续加热消解至冒高氯酸 白色浓烟，冷却，用水溶解至5 0 聊，。 ( 2 ) 定量检测首先，分别取含量为0 、1 0 、2 0 、5 0 、1 0 0 i r t g 的镉标准溶 液于l o m l 比色管中，加入氨性支持电解质1m l ，0 1 极大抑制剂溶液o 5 聊， 少量盐酸羟胺。溶解后用水稀释至标线，摇匀，转入电解池中，分段进行扫描。 起始电位可选用0 5 v ，然后绘制峰高浓度曲线。其次，取适量已处理好的 水样与1 0 m l 比色管中，在校准曲线上查出样品含量。最后，按照公式( 1 - 2 ) 可以进行含量计算， c ，：f 娶n ( 1 - 2 ) 4 【v + 匕) 爿一h 其中h 水样的峰高； h 水样加溶液后的峰高； c 。加入标准溶液的浓度( 嵋l ) ； 旷加入标准溶液的体积( m 1 ) ； v 测定所取水样的体积( m 1 ) 。 1 2 2 2 原子吸收分光光度法检测原子吸收分光光度( a a s ) 是利用气念原子 可以吸收一定波k 的光辐射，使原子中外层的电子从基态跃迁到激发态的现象 北京工业大学1 = 学硕二l ：学位论文 而建立的。由于各种原子中电子的能级不同，将有选择性地共振吸收一定波长 的辐射光，这个共振吸收波长恰好等于该原子受激发后发射光谱的波长，由此 可作为元素定性的依据，而吸收辐射的强度可作为定量的依据。a a s 现已成为 无机元素定量分析应用最广泛的一种分析方法，下面简单介绍一种检测锌的原 子吸收法直接吸入火焰原子吸收法【1 4 】。 直接吸入火焰原子吸收法是将水样或消解处理好的试样直接吸入火焰，火 焰中形成的原子蒸汽对光源发射的特征电磁辐射产生吸收。将测得的样品吸光 度和标准溶液的吸光度进行比较，确定样品中被测元素的含量，具体实验步骤 如下： ( 1 ) 样品预处理取水样l o o m 放入2 0 0 m l 烧杯中，加入硝酸5 垅，在电 热板上加热消解。蒸发减少至l o m l 左右，加入5 研，硝酸和2 m ，高氯酸，继续 消解，直至1 小，左右。取o 2 硝酸l o o m ，按上述相同的程序操作，以此为空 白样。 ( 2 ) 样品测定分析线波长选用2 1 3 8n m ，火焰类型选择为乙炔空气， 氧化型。仪器用o 2 硝酸调零，吸入空白样和试样，测量其吸光度。扣除空白 样吸光度后，从校准曲线上查出试样中的金属浓度。 在以上提到的两种方法当中，示波极谱法虽然具有快速准确的特点，但是 它的实验条件比较苛刻，一台极谱仪的价格基本在3 万元人民币以上，而国外 的价格则可以达到6 万元，昂贵的价格直接影响了其普及程度；原子吸收光度 法虽然不像示波极谱法那样需要购买昂贵的实验仪器，但是它同样无法实现在 线的实时检测，而且其准备工作比较繁琐，需要有相关专业背景的人员进行参 与。针对以上缺点，本文提出一种新型的检测方法电磁波检测方法。系统 对被测物质不断地发出电磁波，被测物质会根据自身物质结构对电磁波做出相 应的反应，然后通过榆测电磁波的幅值来对物质进行定性的分析。 1 2 3 论文的章节安排 本沦文分成两大部分，第一部分主要阐述种新型的饮用水处理装置，并 由此提出当前饮用水装置存在的问题，特别是在检测方面存在的不足。其内容 主要在论文的前两章进行论述；第二部分根据第一部分提到的问题提出一一种新 的检测方法电磁波检测物质，并进行初步的电磁波榆测实验，得出相应的 结论。这一部分丰要在论文的后三章进行论述，即第三、第四和第五章。 论文第一章对当前的水环境进行了说明，指出当前饮用水存在的问题和不 足。论文第二章阐述了新型的饮用水处理装置的硬件设计结构和软件设计流程。 论文从第三章丌始论述电磁波探测物质，第三章简要的说明了电磁波探测物质 第l 章绪论 的理论基础和工作原理，第四章详细说明了电磁波探测物质的设计平台，包括 整个探测装置的软硬件设计，第五章重点分析了探测实验结果，分为一维实验 结果和二维实验结果。 本论文的重点和难点在于：1 、智能水处理系统的整体设计，对整个系统的 各个环节进行控制，同时采集各种物理量来掌握当前水处理装置的工作情况， 还要采集p h 值和电导率值来观察水质处理情况；2 、电磁波探测物质的硬件设 计；3 、各个任务的安排，即“4 8 系统软件设计 当中提到的内容；4 、对实 验结果进行分析。通过大量的实验和数据对物质的电磁波反应作出分析，最后 得出结论，其中包括一维实验结果和二维实验结果。第1 、2 、4 条也是本论文 的创新 北京t , i k 大学工学硕士学位论文 一l i ) 一 进入水中引起二次污染。 本系统用两个水泵把三个储水箱连接起来，三个储水箱都是密闭封装，与 空气隔离，避免了二次污染。同时根据水位通过水泵和电磁阀来控制水流的方 向，从而达到自动控制、自动采集、自动灌装的目的。 图2 - 1 饮削水处理流群l 圣l f i g 2 1f l o wc h a r to fd r i n k i n gw a t e rt r e a t m e n t 根据图2 1 可将整个处理流程分成三级处理，下面对每一级做简要的说明。 2 1 2 第一级处理 第一级水从图2 1 的左l 角进水处开始，经过1 手动阀a 、2 电磁阀a 、3 离子交换树脂环节、4 布袋过滤环节( 内装压力表a ) 、1 7 电磁阀b 、5 芯式过 北京工业大学丁学硕十学位论文 滤环节( 内装压力表b ) 、1 6 电磁阀e 、6 活性炭吸附环节( 内装压力表c ) ，最 后进入8 一级水箱( 内装7 磁浮球a ) 。1 5 电磁阀d 和1 8 电磁阀c 用于反冲洗。 这一级处理主要包括离子交换树脂过滤、布袋过滤、芯式过滤、活性炭过 滤，最终水进入一级水箱。这一级主要是对水质进行物理方面的净化，可以去 除水中的悬浮物、胶体、部分有机物等。 在这一级中，布袋、芯罐和活性炭罐都有压力检测装置，实时地采集当前 这个环节的压力情况，准确把握当前系统的工作状态。采集后的数据会输送到 系统的主控模块进行处理，出现异常情况及时报警，并通知用户具体的故障事 故，方便用户查找和检修，图2 2 是第一级水处理实物照片。 2 1 2 第二级处理 图2 2 第一级处理照片 f i g 2 - 2t h ep h o t oo ft h ef i r s tt r e a t m e n t 第二级水从图2 1 的8 一级水箱出来经过9 细过滤环节、1 0 电磁阀f 、1 l 一级水泵、1 2 第一级膜处理，进入1 4 二级水箱( 内装有压力表d 和1 3 磁浮球 b ) ，然后通过1 9 手动阀c 、2 3 - - 级水泵、2 0 电磁阀i 、2 1 第一二级膜处理和2 2 紫外线杀菌，水进入2 4 球型水箱。在1 2 第一级膜处理时，一些处理掉的水通 过2 7 电磁阀k ，2 6 手动阀c 和2 8 电磁阀j 排出。第二级处理包括细过滤，r o 第2 章智能水处理装置的研发 ( 逆渗透膜) 渗透膜处理，紫外线杀菌等。这一级是整个水处理流程的重要处 理环节，这里既有物理的处理方法，也有化学的处理手段，既采用了传统的紫 外线杀菌手段，又使用了当前先进的r o 逆渗透膜技术。 这一级首先进行细过滤，这里的精细过滤比起前一级的过滤，其过滤的孔 径要更小，因此可以过滤掉更细小的杂质。然后水通过一级泵经过r o 逆渗透 膜，此处的逆渗透膜是第一级的渗透膜，采用分段的方式进行过滤，使水可以 充分地与逆渗透膜接触，达到过滤的目的。然后水进入二级水箱储存，等待下 一个处理。储存在二级水箱的水通过二级泵经过二级r o 逆渗透膜，使水再一 次经过处理，达到更好的水质效果。这里的渗透膜采用分级的过滤方式，节约 成本和空间。经过处理以后，水通过紫外线杀