于 越，冯国林，刘 畅，李宇晗，吴玉莹，赵 斌

（华北理工大学，河北唐山 063210）

随着生活质量的日益提高，人们对生活用水特别是饮用水纯净度的要求也不断提高，净水机受到了人们的青睐。目前，市场上主要有超滤和反渗透两类工艺的净水产品，超滤有0.1 μm左右的过滤精度，几乎可以过滤掉自来水中所有的细菌以及泥沙、铁锈、大分子有机物等［1-2］；反渗透有 0.1 nm 左右的过滤精度，是超滤膜过滤的1 000倍，在增压泵的作用下，几乎只有水分子可以通过，其他杂质如重金属离子、有机物、胶体、病毒等均无法通过。也有超滤与反渗透相结合的双膜净水机，其中的超滤膜作为预处理膜，为下一级的反渗透过程提供优良的进水水质，延长反渗透膜的使用寿命；多数双膜净水机为双出水模式，即提供超滤出水与反渗透出水两种不同水质的水，用于不同的使用需求［3-5］。图 1 为现有常见的双膜净水机。工作时，自来水经三级预处理进入超滤膜，过滤出水分成两路，一路接入水龙头，可用于洗涤和烹饪等，另一路经增压泵加压后，采用反渗透膜进行深度过滤；过滤后再分为两路，一路为“废水”，经废水阀排出，另一路接入压力桶，经后置滤芯过滤成为纯净水流向水龙头，用于直接饮用。

图1 常见双膜净水机原理图Fig.1 Schematic Diagram of Common Dual Membrane Water Purifier

然而在制水时超滤膜为死端过滤，没有冲洗装置，长期使用水中杂质会在膜表面沉积导致超滤膜污堵，缩短超滤膜的使用寿命，同时也会对反渗透制水造成影响，增加系统运行时间，甚至出现停机故障，进而缩短反渗透膜、增压泵、电磁阀、高压开关等元器件的使用寿命，造成材料损耗。并且，反渗透膜的清洗一般采用开机通水冲刷的方法，冲刷水直接通过废水阀排出；为降低反渗透膜的污堵，设置的废水阀为低通量常开排水阀，会排出还可再利用的“废水”，造成水资源的浪费［6-7］。

1 设计原理

针对上述问题设计新型双膜净水机，原理如图2所示，在原有设备的［8］基础上进行较大改进，新增液位桶（包括a、b、c三个液位检测点）、5个24 V电磁阀，将增压泵改为自吸水泵，采用自主开发的单片机控制器使整个工作过程自动化进行。主要特点是反渗透“废水”可以回流至液位桶，控制6号阀门适当排出废水以保证进入反渗透膜的进水水质符合要求；对整个流程进行创新设计，在保留原有功能的基础上，可对双膜进行自动清洗，延长超滤膜、反渗透膜的使用寿命。另外，集成TDS水质检测传感器，用户可实时查看水质信息，保障饮用水质量。

图2 3DSMAX原理图Fig.2 Schematic Diagram of 3DSMAX

2 工作流程

在制水阶段，高压开关触点的接通与断开可判断压力桶是否已满，若未满单片机才可开始制水程序，接着检测液位桶水位是否在a、b点之间，若在b点以下，打开4号电磁阀蓄水，蓄水时若到达a点，则4号电磁阀关闭，蓄水停止。制水时，5号电磁阀打开，自吸水泵工作，反渗透装置将水分为两路，经高压开关流入压力桶的为反渗透净水；经废水阀、5号电磁阀流入液位桶的为反渗透“废水”，可排放的废水由6号电磁阀控制排出，以保证反渗透膜的进水水质。在每次制水完毕后即开启一次清洗程序，清洗时先清洗反渗透膜，即5号电磁阀、废水阀、自吸水泵打开，循环冲洗反渗透膜，5 min后，5号电磁阀、废水阀关闭，3号电磁阀打开，清洗超滤膜，直至液位桶水位下降到c点以下，结束清洗。

另外，长时间积累的顽固污渍需要用柠檬酸洗法清洗［9］，建议每6个月清洗双膜1次。用户须通过按键控制显示界面开启清洗程序，在液位桶内中加入适量的柠檬酸，确定后可自动加水至a点。对双膜清洗时，废水阀、5号电磁阀、自吸水泵打开，清洗反渗透膜，6 min后，废水阀关闭、5号电磁阀、3号电磁阀打开，清洗超滤膜。由于存在残留清洗液，待水位下降到c点以下时，4号电磁阀打开，往液位桶内蓄水，蓄水至a点，接着重复上述过程，用于清除残留清洗液。

通过集成的水质检测模块，用户可实时查看当前的水质信息，也可查看储存的水质数据，数据每2 h储存1次，用户可根据这些信息对净水机进行维护。

3 控制逻辑与电路设计

图3所示的程序框图显示了智能双膜净水机制水和清洗过程的控制逻辑。根据控制逻辑采用Keil uvision 5编写软件编写程序，图4为实现清洗过程的部分程序片段。

图3 程序逻辑框图Fig.3 Program Logic Diagram

图4 程序片段Fig.4 Program Fragment

实现上述自动化控制流程需完成智能控制系统的硬件和软件设计，为此进行了硬件的PCB设计，设计图如图5所示，控制系统采用性价比高、低功耗的STM32C8T6为主控芯片，集成了液位检测、水质检测、4个按键操作、显示界面、7个MOS管［10］单元和高压开关检测模块。采用功耗更低的MOS管［11］替代原有的电磁式继电器，解决了在接通和断开时产生的噪音问题，同时MOS管的使用寿命也不亚于电磁式继电器。图6为制作的实物。

图5 硬件PCB设计图Fig.5 Hardware PCB Design Diagram

水质信息用测得的电导率来间接反映，电导率越大，水中可导电的杂质含量越多，间接反映出水的纯度，如总溶解性固体（TDS）等信息［12］。然而要精确测量水的电导率需要考虑极化效应、双电层效应以及水温变化［13］。因净水机生产的水纯净度较高（电导率为 0.05 μS／cm），采用的测量方法［14］为：设计集成电路，将测量电导率的金属探头浸入纯水出口管路，施加如图7所示的交变电压，通过采集金属探头两端分压换算出阻值，再通过DS18B20温度传感器测量水温进行温度补偿，得到电导率值，反应为水质纯净度。然而如图8所示，在试验中采集得到的分压存在跳变导致测量不准确，这是由于频繁充放电，水体中产生附加电容所致［14-15］，所以需要设计合理的采样时间以采集平稳部分的电压值，如图9所示。

图8 产生附加电容Fig.8 Generating Additional Capacitor

图9 采样时间Fig.9 Sampling Time

基于上述的讨论与设计，制作了如图10所示的实物模型并进行了中试试验，经反复的程序调试最终达到稳定的运行状态。

图10 实物模型Fig.10 Physical Model

4 经济分析

4.1 水质对比

以华北理工大学实验楼的自来水为原水，水温为15～18℃，表1和表2分别为原水经超滤和反渗透工艺后的水质对比。经过超滤后，浊度、耗氧量（CODMn）、总有机碳、溶解性有机碳有所下降，菌落总数下降显著，但是总硬度变化较小；经过反渗透后总硬度、浊度、耗氧量、总有机碳、溶解性有机碳均有明显下降。整体而言，相比超滤，经过反渗透后水的纯净度更高。通常，超滤后的水适合作为对水质要求较低的生活用水，反渗透后的水适合作为对水质要求较高的饮用水，例如小分子水沏茶等。

表1 超滤前后水中各成分含量对比Tab.1 Content Comparison of Each Component before and after Ultrafiltration Process

续 表

表2 反渗透前后水中各成分含量对比Tab.2 Content Comparison of Each Component before and after Reverse Osmosis Process

4.2 节水分析

对市场上存在的净水机进行改进，增加液位桶，使经过反渗透膜过滤的“废水”回流到液位桶，重新进行过滤，达到多次利用的目的，直至水质不再符合反渗透膜的进水要求，打开6号阀门将废水排出，不再重复利用；在清洗双膜的过程中，依次对反渗透膜和超滤膜进行清洗，再经废水阀排出，合理利用水资源。

试验表明原有双膜净水机净水与废水的比例为1∶3，而改进后的净水机净水与废水的比例为1∶0.5左右，在一定程度上节约了水资源。

4.3 材料成本

表3、表4分别为净水机改进前后各个装置的费用。改进前装置的总费用为498元，改进后总费用为527元，材料成本增加29元。改进后的净水机更适合各个家庭、各个年龄段人群使用，并且能对反渗透膜和超滤膜进行自动清洗，提高了净水机的便捷性，延长了使用寿命，使得该饮水机具备较高的经济性和推广价值。

5 结论

针对原有双膜净水机存在的水资源浪费、双膜使用寿命短以及没有水质实时监测功能的问题进行了讨论，分析了造成上述问题的原因并提出了解决办法。基于上述问题重新设计并制作了净水机实物，通过自主设计的单片机控制器控制净水机工作。试验表明，改进后的净水机改善了原有的水资源浪费现象，对双膜可实现较为理想的清洗效果，与此同时集成的TDS水质检测传感器可使用户实时查看水质信息，保证用水质量。整个过程实现自动化，运行稳定。

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

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

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