化學(xué)試劑瓶自動(dòng)清洗裝置的研制及應(yīng)用

王國(guó)田， 束長(zhǎng)寶， 張志高， 李 江

（1．揚(yáng)州大學(xué)實(shí)驗(yàn)室與設(shè)備管理處，江蘇揚(yáng)州225009；2．揚(yáng)州大學(xué)a．電氣與能源動(dòng)力工程學(xué)院；b．機(jī)械工程學(xué)院，江蘇揚(yáng)州225127）

0 引 言

高校實(shí)驗(yàn)室廢棄化學(xué)試劑瓶品種多、外形多樣，內(nèi)部殘留成分復(fù)雜。目前，國(guó)內(nèi)相關(guān)廠家生產(chǎn)的洗瓶機(jī)僅使用在制藥行業(yè)或某類(lèi)實(shí)驗(yàn)室專(zhuān)用瓶清洗，不能較好地應(yīng)用在高校化學(xué)實(shí)驗(yàn)室各類(lèi)試劑瓶（如小口徑試劑瓶、燒杯、三角瓶、容量瓶、移液管等）清洗，長(zhǎng)期積壓在實(shí)驗(yàn)室中的各類(lèi)廢棄化學(xué)試劑瓶，若不能及時(shí)清洗，勢(shì)必會(huì)造成新的污染源，影響師生身體健康［1-6］，目前，部分高校參考《國(guó)家危險(xiǎn)廢物名錄》而將其委托專(zhuān)業(yè)公司處理［7］，由于其處理的數(shù)量越來(lái)越多，處理費(fèi)用逐年增高，以致一部分師生將用后的試劑瓶進(jìn)行簡(jiǎn)單清洗作為生活垃圾而直接拋棄，這種做法存在一定的風(fēng)險(xiǎn)，不符合環(huán)境保護(hù)要求。

為了解決這一問(wèn)題，國(guó)內(nèi)高校的實(shí)驗(yàn)室管理人員已經(jīng)開(kāi)展了相關(guān)的研究工作。卿前茂等［8］研究了傳統(tǒng)密封清洗箱和采用高壓噴淋方式，可對(duì)連桿存在的污漬得到全方位的清洗；邢雪陽(yáng)等［9］設(shè)計(jì)了自旋式高壓旋轉(zhuǎn)噴頭結(jié)構(gòu)，解決油管油垢堆積、難以清洗的問(wèn)題；曹建明等［10］提出了優(yōu)選噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸，研究不同水流量對(duì)宏觀和微觀噴淋特性的影響等。

1 洗瓶裝置結(jié)構(gòu)及性能參數(shù)設(shè)計(jì)

1.1 主要結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［11-13］

本洗瓶裝置采用全封閉、水沖壓噴淋清洗等方式進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的主要部分包括：①清洗籃架，包括陣列注射式清洗工位及噴淋底座、接水口、工位通水管及籃架移動(dòng)滑輪等，不同的籃架裝配不同種類(lèi)的試劑瓶（見(jiàn)圖1）；② 主噴嘴，包括頂部噴淋口、側(cè)面噴淋斜切口、支撐座及卡瓶簧等，頂部及側(cè)面噴淋實(shí)現(xiàn)對(duì)試劑瓶?jī)?nèi)部360°噴淋沖洗（見(jiàn)圖2）；③ 外旋轉(zhuǎn)噴淋臂，包括噴淋臂、進(jìn)水管與密封通孔、凹槽與陣列斜切噴淋口等，利用水動(dòng)力并通過(guò)陣列斜切口噴嘴實(shí)現(xiàn)對(duì)試劑瓶外部360°旋轉(zhuǎn)噴淋沖洗（見(jiàn)圖3）；④ 冷凝器，包括排風(fēng)機(jī)、Ⅰ級(jí)水冷冷凝器、Ⅱ級(jí)濕簾冷凝器、管道及排水口等，冷凝器作用是除去清洗艙內(nèi)高溫高壓蒸汽（見(jiàn)圖4）；⑤PLC可編程控制系統(tǒng)和HMI監(jiān)控組態(tài)實(shí)現(xiàn)多種清洗方式選擇，包括清洗的流量、溫度、濕度、清洗劑、廢液收集等功能實(shí)現(xiàn)。

圖1 試劑瓶籃架示意圖

圖2 主噴嘴示意圖

圖3 外旋轉(zhuǎn)噴淋臂示意圖

圖4 蒸汽冷凝示意圖

1.2 性能參數(shù)設(shè)計(jì)

表1 為洗瓶裝置設(shè)計(jì)參數(shù)［11-14］；圖5 為洗瓶裝置工作流程圖。

表1 洗瓶裝置設(shè)計(jì)參數(shù)

圖5 洗瓶裝置工作流程圖

該洗瓶裝置受PLC 控制，實(shí)現(xiàn)預(yù)洗、混合洗、漂洗、烘干和廢液收集5 項(xiàng)功能。其中：① 預(yù)洗，是實(shí)現(xiàn)試劑瓶浸泡功能，包括艙門(mén)安全連鎖和進(jìn)水閥控制、水位檢測(cè)、主泵和主噴嘴聯(lián)動(dòng)噴淋、輔泵和外旋轉(zhuǎn)噴淋臂聯(lián)動(dòng)噴淋等；②混合洗，是試劑瓶洗滌核心功能，包括清洗劑藥量和溫度加熱控制、主泵和輔泵噴淋控制、排污閥和排污泵的廢液收集等；③ 漂洗，是對(duì)洗滌后的試劑瓶進(jìn)行表面清洗（含自來(lái)水及純水漂洗），包括進(jìn)水閥控制、水位檢測(cè)，以及主泵、輔泵、排污閥、排污泵控制等；④烘干，是洗滌的最后一道程序，對(duì)潮濕試劑瓶表面進(jìn)行干燥處理，包括空氣加熱器和風(fēng)泵控制、Ⅰ級(jí)和Ⅱ級(jí)冷凝器去濕，以及艙門(mén)安全連鎖控制等。

2 洗瓶裝置性能測(cè)試

2.1 洗瓶裝置性能測(cè)試

根據(jù)設(shè)計(jì)要求完成洗瓶裝置制作、安裝、調(diào)試，以確保其運(yùn)行性能最優(yōu)，調(diào)試過(guò)程包括：① 檢查水、汽、清洗劑、冷凝器、廢液收集等分支管路與設(shè)備連接的密封性，清洗艙門(mén)開(kāi)閉的密封性；② 試運(yùn)行所有閥、泵、電機(jī)、儀表與控制軟件性能匹配；③ 洗瓶裝置穩(wěn)定運(yùn)行后，隨機(jī)抽取清洗后的有機(jī)類(lèi)、無(wú)機(jī)類(lèi)試劑瓶，使其純水浸泡72 h后，檢測(cè)其汞、鉻等重金屬含量及COD指標(biāo)符合環(huán)保要求；④裝置運(yùn)行的安全性等。

2.2 透光率實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試

因難以直接測(cè)量洗后試劑瓶?jī)?nèi)表面潔凈度，本文通過(guò)透光率（入射光通量的百分率）實(shí)驗(yàn)測(cè)試間接反映潔凈度數(shù)值，具體方法：① 搭建試劑瓶透光率實(shí)驗(yàn)測(cè)試臺(tái)，包括測(cè)試臺(tái)基、T 型可移動(dòng)光源座、測(cè)試光源安裝孔等（見(jiàn)圖6），透光率測(cè)試儀選用lishang-LS117透光率儀（分辨率0． 01%，380 ～760 nm 全波長(zhǎng)）；②挑選20 組白色潔凈試劑瓶，實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別測(cè)量和記錄試劑瓶橫放、豎放的透光率（作為基準(zhǔn)量）；③ 配制C3H8O3+ KMnO4混合試劑，并將混合試劑分涂在20組試劑瓶?jī)?nèi)表面，并晾干48 h 以上；④ 在洗瓶裝置控制系統(tǒng)中設(shè)置流量、溫度及時(shí)間3 個(gè)參數(shù)的變量，對(duì)C3H8O3+ KMnO4混合試劑瓶進(jìn)行清洗（含定量清洗劑）；⑤ 在圖6 實(shí)驗(yàn)臺(tái)分別測(cè)量和記錄洗后試劑瓶橫放、豎放等不同部位的透光率。

圖6 試劑瓶透光率測(cè)試實(shí)驗(yàn)臺(tái)示意圖

2.3 主要參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試結(jié)果

（1）流量對(duì)試劑瓶透光率影響。圖7 是隨清洗介質(zhì)流量變化對(duì)試劑瓶杯底、杯壁透光率影響曲線。

圖7 流量對(duì)試劑瓶透光率影響

圖7 顯示，當(dāng)溫度升至48 ℃、噴淋時(shí)長(zhǎng)4． 5 min時(shí)，杯底、杯壁多點(diǎn)平均透光率隨流量增大迅速增大，約在7． 5 L／ min 之后趨于平緩。這表明，清洗介質(zhì)流量對(duì)試劑瓶?jī)?nèi)壁透光率有顯著的積極影響，流量的增大使洗滌能量隨之增大，有利于提高試劑瓶潔凈度，但是當(dāng)流量達(dá)到7． 8 L／ min之后，即使繼續(xù)增大流量，透光率也不會(huì)有較大幅度的增大。

（2）溫度對(duì)試劑瓶透光率影響。圖8 所示為隨清洗介質(zhì)溫度變化對(duì)試劑瓶杯底、杯壁透光率影響曲線。

圖8 溫度對(duì)試劑瓶透光率影響

從圖8 可以看出，當(dāng)穩(wěn)定流量7． 8 L／ min、噴淋時(shí)長(zhǎng)4． 5 min條件下，杯底透光率隨溫度增大迅速增大，杯壁透光率隨溫度增大趨于增大，兩項(xiàng)多點(diǎn)平均值約在48 ℃之后趨于平緩。這表明，溫度對(duì)試劑瓶透光率有顯著的積極影響，溫度的增大使洗滌能量隨之增大，有利于提高試劑瓶潔凈度，但是當(dāng)溫度達(dá)到50 ℃之后，即使繼續(xù)增大溫度的變化量，透光率也不會(huì)有較大幅度的增大。

（3）時(shí)長(zhǎng)對(duì)試劑瓶透光率影響。圖9 所示為隨清洗時(shí)間變化量對(duì)試劑瓶杯底、杯壁透光率影響曲線。

圖9 表明，當(dāng)穩(wěn)定流量7． 8 L／ min、溫度50 ℃條件下，杯底透光率隨時(shí)間增加迅速增大，杯底多點(diǎn)平均值約在100 s 時(shí)之后趨于平緩。從圖9 同樣可以分析出，杯壁透光率隨時(shí)間延長(zhǎng)迅速增大，約在50 ～200 s時(shí)維持一段時(shí)間的緩慢變化，在200 ～250 s 時(shí)變化較大，杯壁多點(diǎn)平均值約在280 s 時(shí)之后趨于平緩。這表明，時(shí)長(zhǎng)對(duì)試劑瓶透光率有顯著的積極影響，時(shí)長(zhǎng)增加使洗滌能量隨之增大，有利于提高試劑瓶潔凈度，但是當(dāng)時(shí)長(zhǎng)達(dá)到300 s 之后，即使繼續(xù)增大時(shí)長(zhǎng)的變化量，透光率也不會(huì)有較大幅度的增大。

圖9 時(shí)長(zhǎng)對(duì)試劑瓶透光率影響

3 清洗裝置的應(yīng)用

該洗瓶裝置在研發(fā)中先后發(fā)明多項(xiàng)實(shí)用新型專(zhuān)利［15-17］，研發(fā)完成后獲第十三屆“三菱電機(jī)杯”全國(guó)大學(xué)生電氣與自動(dòng)化大賽二等獎(jiǎng)，并有效解決了我校小口徑試劑瓶、燒杯、三角瓶、容量瓶等含有不同廢液成分的試劑瓶處理難題。圖10 所示為洗瓶裝置外殼開(kāi)啟后的實(shí)物照片。

圖10 洗瓶裝置實(shí)物圖

（1）洗瓶裝置的功能應(yīng)用。該洗瓶裝置在實(shí)際使用中，各項(xiàng)功能符合設(shè)計(jì)要求，節(jié)約能源，減少設(shè)備損耗。①標(biāo)準(zhǔn)化清洗廢棄試劑瓶，確保同類(lèi)清洗效果統(tǒng)一，減少人為操作產(chǎn)生不確定因素；② 易于驗(yàn)證和保存記錄，便于追溯；③ 清洗、干燥、廢液收集自動(dòng)控制完成，減少人工投入，節(jié)約成本和改善實(shí)驗(yàn)室環(huán)境。

（2）洗瓶裝置的性能體現(xiàn)。該洗瓶裝置在廢棄化學(xué)試劑瓶清洗中，能滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定、安全運(yùn)行的要求。①抗干擾性?？刂撇捎每垢蓴_能力強(qiáng)、可靠性高、壽命長(zhǎng)的PLC可編程控制器，優(yōu)化開(kāi)發(fā)程序和HMI監(jiān)控組態(tài)，滿(mǎn)足長(zhǎng)期穩(wěn)定可靠運(yùn)行；② 可靠性。通過(guò)實(shí)驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析，得出影響洗瓶裝置的關(guān)鍵因素并進(jìn)行指標(biāo)優(yōu)化；③安全性。采用電子安全門(mén)鎖保護(hù)、急停保護(hù)、缺水保護(hù)、空氣加熱器限溫保護(hù)、液位報(bào)警保護(hù)、清洗劑容量不足報(bào)警保護(hù)等措施，避免人員在清洗過(guò)程中造成熱氣熱水高溫燙傷、廢液濺出等安全隱患，保護(hù)人員健康。

4 結(jié) 語(yǔ)

該洗瓶裝置對(duì)丙三醇+高錳酸鉀混合廢液瓶進(jìn)行了清洗，通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)試和數(shù)據(jù)分析，其結(jié)果為：① 試劑瓶潔凈度隨流量增加而迅速增大，流量為7． 8 L／ min時(shí)最佳；②試劑瓶潔凈度隨溫度增加而迅速增大，溫度為50 ℃時(shí)最優(yōu)；③試劑瓶潔凈度隨時(shí)間增加而迅速增大，時(shí)長(zhǎng)為4． 8 min時(shí)最好。盡管如此，本裝置在切實(shí)推廣和使用時(shí)，還應(yīng)考慮試劑瓶?jī)?nèi)其他影響清洗潔凈度的因素，如殘留成分的特性、瓶壁商標(biāo)紙的附著力、瓶?jī)?nèi)殘留的結(jié)垢物等，使用者可自行調(diào)整控制參數(shù)，也可通過(guò)透光率實(shí)驗(yàn)，對(duì)控制參數(shù)進(jìn)行修改，以滿(mǎn)足不同種類(lèi)廢棄化學(xué)試劑瓶清洗的需求。