家用智能雙膜凈水機設計與實踐

于 越，馮國林，劉 暢，李宇晗，吳玉瑩，趙 斌

（華北理工大學，河北唐山 063210）

隨著生活質量的日益提高，人們對生活用水特別是飲用水純凈度的要求也不斷提高，凈水機受到了人們的青睞。目前，市場上主要有超濾和反滲透兩類工藝的凈水產(chǎn)品，超濾有0.1 μm左右的過濾精度，幾乎可以過濾掉自來水中所有的細菌以及泥沙、鐵銹、大分子有機物等［1-2］；反滲透有 0.1 nm 左右的過濾精度，是超濾膜過濾的1 000倍，在增壓泵的作用下，幾乎只有水分子可以通過，其他雜質如重金屬離子、有機物、膠體、病毒等均無法通過。也有超濾與反滲透相結合的雙膜凈水機，其中的超濾膜作為預處理膜，為下一級的反滲透過程提供優(yōu)良的進水水質，延長反滲透膜的使用壽命；多數(shù)雙膜凈水機為雙出水模式，即提供超濾出水與反滲透出水兩種不同水質的水，用于不同的使用需求［3-5］。圖 1 為現(xiàn)有常見的雙膜凈水機。工作時，自來水經(jīng)三級預處理進入超濾膜，過濾出水分成兩路，一路接入水龍頭，可用于洗滌和烹飪等，另一路經(jīng)增壓泵加壓后，采用反滲透膜進行深度過濾；過濾后再分為兩路，一路為“廢水”，經(jīng)廢水閥排出，另一路接入壓力桶，經(jīng)后置濾芯過濾成為純凈水流向水龍頭，用于直接飲用。

圖1 常見雙膜凈水機原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Common Dual Membrane Water Purifier

然而在制水時超濾膜為死端過濾，沒有沖洗裝置，長期使用水中雜質會在膜表面沉積導致超濾膜污堵，縮短超濾膜的使用壽命，同時也會對反滲透制水造成影響，增加系統(tǒng)運行時間，甚至出現(xiàn)停機故障，進而縮短反滲透膜、增壓泵、電磁閥、高壓開關等元器件的使用壽命，造成材料損耗。并且，反滲透膜的清洗一般采用開機通水沖刷的方法，沖刷水直接通過廢水閥排出；為降低反滲透膜的污堵，設置的廢水閥為低通量常開排水閥，會排出還可再利用的“廢水”，造成水資源的浪費［6-7］。

1 設計原理

針對上述問題設計新型雙膜凈水機，原理如圖2所示，在原有設備的［8］基礎上進行較大改進，新增液位桶（包括a、b、c三個液位檢測點）、5個24 V電磁閥，將增壓泵改為自吸水泵，采用自主開發(fā)的單片機控制器使整個工作過程自動化進行。主要特點是反滲透“廢水”可以回流至液位桶，控制6號閥門適當排出廢水以保證進入反滲透膜的進水水質符合要求；對整個流程進行創(chuàng)新設計，在保留原有功能的基礎上，可對雙膜進行自動清洗，延長超濾膜、反滲透膜的使用壽命。另外，集成TDS水質檢測傳感器，用戶可實時查看水質信息，保障飲用水質量。

圖2 3DSMAX原理圖Fig.2 Schematic Diagram of 3DSMAX

2 工作流程

在制水階段，高壓開關觸點的接通與斷開可判斷壓力桶是否已滿，若未滿單片機才可開始制水程序，接著檢測液位桶水位是否在a、b點之間，若在b點以下，打開4號電磁閥蓄水，蓄水時若到達a點，則4號電磁閥關閉，蓄水停止。制水時，5號電磁閥打開，自吸水泵工作，反滲透裝置將水分為兩路，經(jīng)高壓開關流入壓力桶的為反滲透凈水；經(jīng)廢水閥、5號電磁閥流入液位桶的為反滲透“廢水”，可排放的廢水由6號電磁閥控制排出，以保證反滲透膜的進水水質。在每次制水完畢后即開啟一次清洗程序，清洗時先清洗反滲透膜，即5號電磁閥、廢水閥、自吸水泵打開，循環(huán)沖洗反滲透膜，5 min后，5號電磁閥、廢水閥關閉，3號電磁閥打開，清洗超濾膜，直至液位桶水位下降到c點以下，結束清洗。

另外，長時間積累的頑固污漬需要用檸檬酸洗法清洗［9］，建議每6個月清洗雙膜1次。用戶須通過按鍵控制顯示界面開啟清洗程序，在液位桶內中加入適量的檸檬酸，確定后可自動加水至a點。對雙膜清洗時，廢水閥、5號電磁閥、自吸水泵打開，清洗反滲透膜，6 min后，廢水閥關閉、5號電磁閥、3號電磁閥打開，清洗超濾膜。由于存在殘留清洗液，待水位下降到c點以下時，4號電磁閥打開，往液位桶內蓄水，蓄水至a點，接著重復上述過程，用于清除殘留清洗液。

通過集成的水質檢測模塊，用戶可實時查看當前的水質信息，也可查看儲存的水質數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)每2 h儲存1次，用戶可根據(jù)這些信息對凈水機進行維護。

3 控制邏輯與電路設計

圖3所示的程序框圖顯示了智能雙膜凈水機制水和清洗過程的控制邏輯。根據(jù)控制邏輯采用Keil uvision 5編寫軟件編寫程序，圖4為實現(xiàn)清洗過程的部分程序片段。

圖3 程序邏輯框圖Fig.3 Program Logic Diagram

圖4 程序片段Fig.4 Program Fragment

實現(xiàn)上述自動化控制流程需完成智能控制系統(tǒng)的硬件和軟件設計，為此進行了硬件的PCB設計，設計圖如圖5所示，控制系統(tǒng)采用性價比高、低功耗的STM32C8T6為主控芯片，集成了液位檢測、水質檢測、4個按鍵操作、顯示界面、7個MOS管［10］單元和高壓開關檢測模塊。采用功耗更低的MOS管［11］替代原有的電磁式繼電器，解決了在接通和斷開時產(chǎn)生的噪音問題，同時MOS管的使用壽命也不亞于電磁式繼電器。圖6為制作的實物。

圖5 硬件PCB設計圖Fig.5 Hardware PCB Design Diagram

水質信息用測得的電導率來間接反映，電導率越大，水中可導電的雜質含量越多，間接反映出水的純度，如總溶解性固體（TDS）等信息［12］。然而要精確測量水的電導率需要考慮極化效應、雙電層效應以及水溫變化［13］。因凈水機生產(chǎn)的水純凈度較高（電導率為 0.05 μS／cm），采用的測量方法［14］為：設計集成電路，將測量電導率的金屬探頭浸入純水出口管路，施加如圖7所示的交變電壓，通過采集金屬探頭兩端分壓換算出阻值，再通過DS18B20溫度傳感器測量水溫進行溫度補償，得到電導率值，反應為水質純凈度。然而如圖8所示，在試驗中采集得到的分壓存在跳變導致測量不準確，這是由于頻繁充放電，水體中產(chǎn)生附加電容所致［14-15］，所以需要設計合理的采樣時間以采集平穩(wěn)部分的電壓值，如圖9所示。

圖8 產(chǎn)生附加電容Fig.8 Generating Additional Capacitor

圖9 采樣時間Fig.9 Sampling Time

基于上述的討論與設計，制作了如圖10所示的實物模型并進行了中試試驗，經(jīng)反復的程序調試最終達到穩(wěn)定的運行狀態(tài)。

圖10 實物模型Fig.10 Physical Model

4 經(jīng)濟分析

4.1 水質對比

以華北理工大學實驗樓的自來水為原水，水溫為15～18℃，表1和表2分別為原水經(jīng)超濾和反滲透工藝后的水質對比。經(jīng)過超濾后，濁度、耗氧量（CODMn）、總有機碳、溶解性有機碳有所下降，菌落總數(shù)下降顯著，但是總硬度變化較小；經(jīng)過反滲透后總硬度、濁度、耗氧量、總有機碳、溶解性有機碳均有明顯下降。整體而言，相比超濾，經(jīng)過反滲透后水的純凈度更高。通常，超濾后的水適合作為對水質要求較低的生活用水，反滲透后的水適合作為對水質要求較高的飲用水，例如小分子水沏茶等。

表1 超濾前后水中各成分含量對比Tab.1 Content Comparison of Each Component before and after Ultrafiltration Process

續(xù) 表

表2 反滲透前后水中各成分含量對比Tab.2 Content Comparison of Each Component before and after Reverse Osmosis Process

4.2 節(jié)水分析

對市場上存在的凈水機進行改進，增加液位桶，使經(jīng)過反滲透膜過濾的“廢水”回流到液位桶，重新進行過濾，達到多次利用的目的，直至水質不再符合反滲透膜的進水要求，打開6號閥門將廢水排出，不再重復利用；在清洗雙膜的過程中，依次對反滲透膜和超濾膜進行清洗，再經(jīng)廢水閥排出，合理利用水資源。

試驗表明原有雙膜凈水機凈水與廢水的比例為1∶3，而改進后的凈水機凈水與廢水的比例為1∶0.5左右，在一定程度上節(jié)約了水資源。

4.3 材料成本

表3、表4分別為凈水機改進前后各個裝置的費用。改進前裝置的總費用為498元，改進后總費用為527元，材料成本增加29元。改進后的凈水機更適合各個家庭、各個年齡段人群使用，并且能對反滲透膜和超濾膜進行自動清洗，提高了凈水機的便捷性，延長了使用壽命，使得該飲水機具備較高的經(jīng)濟性和推廣價值。

5 結論

針對原有雙膜凈水機存在的水資源浪費、雙膜使用壽命短以及沒有水質實時監(jiān)測功能的問題進行了討論，分析了造成上述問題的原因并提出了解決辦法?；谏鲜鰡栴}重新設計并制作了凈水機實物，通過自主設計的單片機控制器控制凈水機工作。試驗表明，改進后的凈水機改善了原有的水資源浪費現(xiàn)象，對雙膜可實現(xiàn)較為理想的清洗效果，與此同時集成的TDS水質檢測傳感器可使用戶實時查看水質信息，保證用水質量。整個過程實現(xiàn)自動化，運行穩(wěn)定。

表3 改進前材料成本Tab.3 Material Cost of the Water Purifier before Improvement

表4 改進后材料成本Tab.4 Material Cost of the Water Purifier after Improvement

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