一种用于商业净水器智能自清洗系统及清洗工艺
阅读说明：本技术 一种用于商业净水器智能自清洗系统及清洗工艺 (Intelligent self-cleaning system and cleaning process for commercial water purifier ) 是由 刘艳杰 翟栋 张曼曼 余敏 聂毅 于 2021-10-12 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种用于商业净水器智能自清洗系统及清洗方法。本发明主要包含一套完整的清洗系统,通过控制系统实时在线监测每一步处理工艺后端的出水指标,如果其中一步处理工艺后端出水指标超出设定值,控制系统能够自动对污染单元进行清洗。通过智能在线自清洗系统的控制,能够实现高效清洁,大幅降低更换商业净水器滤芯的频率,减少使用者的经济负担。本发明从在线监测与智能自清洗系统等多方面针对商业净水器的自清洗提出了有效的解决方案。(The invention relates to an intelligent self-cleaning system and method for a commercial water purifier. The invention mainly comprises a set of complete cleaning system, the effluent index at the rear end of each step of treatment process is monitored on line in real time through a control system, and if the effluent index at the rear end of one step of treatment process exceeds a set value, the control system can automatically clean the polluted unit. Through the control of the intelligent online self-cleaning system, high-efficiency cleaning can be realized, the frequency of replacing the filter element of the commercial water purifier is greatly reduced, and the economic burden of a user is reduced. The invention provides an effective solution for self-cleaning of the commercial water purifier from the aspects of on-line monitoring, intelligent self-cleaning systems and the like.)
技术领域
本发明属于商业净水器的自清洗技术领域，具体涉及一种用于商业净水器智能自清洗系统及清洗方法。
背景技术
水是生命之源，随着人民生活水平的逐渐提高，安全健康的饮用水观念不断加强，净水器的需求越来越多，净水器也叫净水机、水质净化器，其核心处理技术为过滤器。根据膜结构的不同分为超滤膜和反渗透膜，商用净水器主要采用反渗透膜，反渗透膜是实现净水器的核心元件，是一种模拟生物半透膜制成的具有一定特性的人工半透膜。一般用高分子材料制成。如醋酸纤维素膜、芳香族聚酰肼膜、芳香族聚酰胺膜。表面微孔的直径一般在0.5-10nm之间，透过性的大小与膜本身的化学结构有关。高分子材料化学结构具有较多亲水基团，理论上是只允许水分子通过，由于水中含有多种有机物/污染物（如高分子蛋白、糖类、胶体悬浮物、钙镁离子及其他杂质离子等），这些组分易造成净水器的污染，净水器在运行一段时间后，设备中的膜表面或内部被堵塞，引起膜阻增大，水流阻力升高，从而影响净水器的拦截效率，甚至造成装置不能正常运行。
从2006年至2020年，我国净水器产量从1056万台提升至4500万台，预计2021年净水器产量有望接近1.5亿台。随着净水器的普及，每年需要消耗大量的水处理需要的PP棉滤芯、活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透滤芯。因为未及时清洗这些滤芯，造成滤芯堵塞，直接更换滤芯，造成大量的滤芯浪费，增加了使用者的成本，同时大量换下来的滤芯也造成了新的污染。在使用过程中如果及时对PP棉滤芯、活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透滤芯进行有效的清洗，更够有效的降低净水器滤芯更换频率，提高使用效率，降低使用成本，减少污染。
综上所述，鉴于商业净水器滤芯污染与更换的问题，对整个商业净水器滤芯及时有效清洗，保证净水器滤芯连续、高效、稳定运行是减少滤芯污染，减少滤芯更换频率，降低使用者的使用成本的关键问题。
发明内容
针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种用于商业净水器智能自清洗系统及清洗方法，能够实现对整个系统全方面的清洗。
实现本发明的技术方案是：一种用于商业净水器智能自清洗系统，所述的商业净水器智能自清洗系统主要包括反冲洗系统与双极膜酸碱再生系统。水经过PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透、后置活性炭滤芯过滤后能够有效拦截水中的多种有机物/污染物（如高分子蛋白、糖类、胶体悬浮物、钙镁离子及其他杂质离子等）。通过控制系统能够实时在线监测PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透、后置活性炭滤芯进出口压差、TDS与进出口流量，控制系统接收到信号后，根据设定程序，调节各个处理单元的进出口参数。当其中一个过滤单元进出口压差或TDS值高于设定值，控制系统将系统中的水排至洗涤中和水，控制系统开始对堵塞单元进行定点清洗，保证整个系统稳定运行。
所述的控制系统能够在线检测在线监测PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透、后置活性炭滤芯进出口压差、TDS与进出口流量。
所述的控制系统能够控制反冲洗单元对被污染单元进行清洗，控制清洗流量与清洗时间。反冲洗所用的水为商业净水器所制备的纯水，反冲洗流量为20-40 L/min，反冲洗水经过管路收集可以用作日常其他用水。反冲洗系统可以对经过酸洗与碱洗后的过滤单元进行水洗，水洗流量为20-40 L/min，反冲洗系统中有在线检测pH计，当反洗水pH值小于7.5时清洗完成，设备切换至正常制水模式。
所述的控制系统能够控制双极膜电渗析系统将NaCl溶液制备成盐酸和氢氧化钠对被污染单元进行酸洗与碱洗，控制清洗流量与时间。
所述的PP棉滤芯，工作压力一般在0.1-0.2 MPa，出水TDS在100-300 mg/L，孔径为0.2-0.45µm，流量在1-20 L/min，工作温度一般在25-50℃为宜。
所述的活性炭滤芯，工作压力一般在0.1-0.3MPa，出水TDS在100-200 mg/L，流量在1-20 L/min，活性炭为椰壳制备得到的活性炭。活性炭的颗粒尺寸：粒径越小，吸附速度越大，但颗粒太小，活性炭滤芯过水时水头损失较大，容易堵塞。一般平均粒径宜为1.5-1.7mm，有效粒径0.8-0.9mm。
所述的超滤膜控制产水与回水比例在1-3，监测超滤系统膜前膜后压力差，控制压力差在0.2 MPa以内，出水TDS在100-150 mg/L，流量在1-20 L/min。所述超滤过滤单元采用中空纤维膜，壁厚为0.03μm，膜丝内径为0.3-0.6 mm，膜丝外径为0.5-1.2mm，使用温度为5-45℃，使用pH范围在2-11。
当超滤膜压力超过正常工作压力时0.2 MPa，控制系统对超滤系统进行反冲洗，反冲洗是通过大功率反冲洗泵将纯水注入超滤膜中，通过大流量的纯水，将超滤膜上的污染物冲洗掉。反冲洗完成后如果超滤膜前后压力差仍高于0.2 MPa，控制系统能够控制双极膜电渗析系统将NaCl溶液制备成盐酸和氢氧化钠对超滤膜进行酸洗与碱洗，酸洗液pH值范围为2～6；碱性清洗液为氢氧化钠，碱性清洗液pH值范围为9～11，经过酸碱清洗后。反冲洗泵用清水将超滤系统清至pH值小于7.5时清洗完成，设备切换至正常制水模式。
所述的RO反渗透，经过超滤处理后，悬浮物与大分子有机物被拦截，有机废水进入反渗透系统，控制浓水与淡水比例在1左右，监测RO反渗透进出口压差，控制压差在在0.1-0.3 MPa以内，出水TDS在50-100 mg/L。反渗透单元采用的中空纤维膜使用温度5-45℃，使用pH范围在1-12。
所述双极膜电渗析系统由一组膜堆组成，膜堆由阳膜、阴膜和双极膜10对组成，三组膜堆串联而成构成酸室、碱室和盐室。
双极膜电渗析工艺是在传统的电渗析的基础上，除了原有的阴膜与阳膜，增加了双极膜。双极膜通常有三部分复合而成，阴离子选择层(AEL)、阳离子选择层(CEL)、中间层(催化层)。当电渗析膜堆阴阳极通电后，双极膜中能将水快速解离成H+与OH-离子，解离的H+与OH-离子在电场驱动下定向移动，由于双极膜电渗析中的阳膜只能让H+通过，而阴膜只能让OH-通过，通过阳膜的H+与阴离子结合形成相应的酸，通过阴膜的OH-与阳离子结合形成相应的碱。双极膜电渗析由双极膜电渗析膜堆、稳压电源、酸室、碱室、极室、盐室组成，整个双极膜电渗析系统均在控制系统下工作。双极膜电渗析系统的盐室内置质量传感器，通过称量能够检测投加NaCl的质量，然后控制系统控制一定纯水进入盐室，配置成一定浓度的高浓盐水（盐室电导率保持在180-300ms/cm）。
双极膜电渗析系统的盐室内置超声仪与电导检测仪，其中超声仪能够将投加的NaCl在水中通过超声作用迅速溶解形成高浓盐水。盐室中的电导检测仪，能够检测盐室的电导率，保证盐室的盐度达到制备酸碱的浓度，从而保证酸洗与碱洗的效果。
其中盐室上装有指示灯。指示灯与盐室中的质量传感器相连接，当投加NaCl质量不足时，指示灯为红色，当投加NaCl质量达到制备酸碱的浓度，指示灯变为绿色，表示投加NaCl质量充足，停止投加NaCl。双极膜电渗析系统能够将NaCl溶液制备成盐酸和氢氧化钠，能够对PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透、后置活性炭滤芯进行酸洗、碱洗。
优选地，酸室、碱室和盐室的进水压力为0.1-0.2 MPa，出口压力为0.1-0.2 MPa，极水进水压力为0.1-0.2 MPa，出水压力为0.1-0.2 MPa，酸室、碱室和盐室的出水流量为1-20 L/min，极水出水流量为10-40L/min，膜堆中的变压器将交流电转变成直流电，操作电压为9-20V。
优选地，酸室的起始酸浓度为0.03-0.05 mol/L的HCl，碱室的起始碱浓度为0.03-0.05mol/L的NaOH，盐室为0.4-1 mol/L的NaCl，再生单元中酸、碱和盐的流量比为1:1:1。
优选地，双极膜电渗析系统操作电流保持恒流状态，膜上电流密度为30-50 mA/cm2，双极膜电渗析膜前与膜后压力差保持在0.2 MPa以内，盐室电导率保持在180-300ms/cm。
基于上述技术方案，本发明的有益效果在于：本发明提出的在线
控制系统，能够对污染堵塞单元进行针对性的清洗。通过反冲洗系统与双极膜系统能够对PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透、后置活性炭滤芯进行清洗。本发明使用酸碱清洗液对污染的过滤单元进行酸碱清洗，有效地去除了残留在过滤单元上的污染物，保证了所有过滤单元的稳定运行，所用的NaCl为生活中常见的物品，获得成本低，清洗效果好。通过反冲洗与双极膜系统的清洗，提高了PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透、后置活性炭滤芯的使用寿命，降低了使用成本，减少了废弃滤芯的数量，有效地保护了环境。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为商业净水器智能自清洗工艺流程图；
图2双极膜电渗析系统产酸碱浓度变化。
具体实施方式
下面结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围，该领域的技术熟练人员可以根据上述发明的内容作出一些非本质的改进和调整。
实施例1
如图1所示，一种用于商业净水器智能自清洗系统，包括控制系统1、反冲洗系统2和双极膜酸碱再生系统3；商业净水器内的PP棉滤芯单元4、前置活性炭滤芯单元5、超滤膜单元6、RO反渗透单元7、后置活性炭滤芯单元8进出口装有压力传感器，压力传感器与控制系统连接，控制系统能够实时接收到各个单元的压力变化；商业净水器内的PP棉滤芯单元、前置活性炭滤芯单元、超滤膜单元、RO反渗透单元、后置活性炭滤芯单元装有流量计，流量计与控制系统连接，控制系统能够实时控制各个单元的流量；所述的商业净水器内部装有双极膜酸碱再生系统和反冲洗系统，双极膜酸碱再生系统和反冲洗系统与控制系统连接；所述双极膜酸碱再生系统采用双极膜电渗析系统。
所述的商业净水器内的反冲洗系统，能够对PP棉滤芯、前置活性炭滤芯、超滤膜、RO反渗透、后置活性炭滤芯其中被污染的单元进行大流量的水进行冲洗，清洗后的废水，通过清洗中和管路进入收集装置中，冲洗中所有的废水通过收集管道汇集在一起，可以用作日常其他用水。
所述双极膜电渗析系统由膜堆组成，膜堆由阳膜、阴膜和10对双极膜组成，三组膜堆串联成构成双极膜电渗析系统的酸室、碱室和盐室，膜堆靠近阳极板与阴极板为极室，所述双极膜电渗析系统还包括稳压电源，双极膜电渗析系统在控制系统下工作。
双极膜酸碱再生系统是在传统的双极膜电渗析系统的基础上，除了原有的阴膜与阳膜，增加了双极膜；双极膜有三部分复合而成，阴离子选择层(AEL)、阳离子选择层(CEL)、中间层(催化层)。
所述双极膜电渗析系统由膜堆组成，膜堆由阳膜、阴膜和10对双极膜组成，三组膜堆串联成构成酸室、碱室和盐室，膜堆靠近阳极板与阴极板为极室，极室内充满硫酸钠溶液。
双极膜电渗析系统的盐室内置质量传感器，通过称量能够检测投加NaCl的质量，然后控制系统控制一定纯水进入盐室，配置成一定浓度的高浓盐水。双极膜电渗析系统的盐室内置超声仪与电导检测仪，盐室上装有指示灯指示灯与盐室中的质量传感器相连接。
实施例2
本实施例的用于商业净水器智能自清洗工艺如下：
自来水先经流量计到PP棉滤芯，控制流量在10 L/min，经PP棉滤芯拦截后，能够去除水中大颗粒的杂质和悬浮物。经过PP棉滤芯过滤后，水进入前置活性炭滤芯，控制流量在10 L/min，活性炭为椰壳制备得到的活性炭，一般平均粒径宜为1.5mm，有效粒径0.8mm。经前置活性炭吸附后，水进入超滤单元，控制流量在10 L/min，超滤膜控制产水与回水比例在1。经超滤膜过滤后，水进入RO反渗透，控制流量在10 L/min，超滤膜控制产水与废水比例在1。经RO反渗透过滤后，进入后置活性炭，控制流量在10 L/min，活性炭为椰壳制备得到的活性炭，一般平均粒径宜为1.5mm，有效粒径0.8mm。经后置活性炭过滤后，自来水被深度处理为可以直接饮用的直饮水。控制系统检测到PP棉滤芯进出口压差高于设定值0.2 MPa，此时关闭PP棉滤芯的进水，控制系统能够控制反冲洗对PP棉滤芯进行清洗，控制清洗流量为20L/min与清洗时间为1 h。反冲洗所用的水为商业净水器所制备的纯水，反冲洗水经过管路收集可以用作日常其他用水。反冲洗完成后，在线监测PP棉滤芯进出口压差是否高于0.2MPa。如果PP棉滤芯进出口压差高于0.2 MPa，控制系统能够控制双极膜电渗析系统将NaCl溶液制备成1 mol/L的盐酸和1 mol/L的氢氧化钠对PP棉滤芯进行酸洗与碱洗，酸洗液pH值范围为3，酸洗1h；碱性清洗液为氢氧化钠、碱性清洗液pH值范围为10，碱洗1h，经过酸碱清洗后。反冲洗泵用清水将PP棉滤芯清洗至pH值小于7.5后清洗完成，设备切换至正常制水模式。
实施例3
本实施例的用于商业净水器智能自清洗工艺如下：
自来水先经流量计到PP棉滤芯，控制流量在15 L/min，经PP棉滤芯拦截后，能够去除水中大颗粒的杂质和悬浮物。经过PP棉滤芯过滤后，水进入前置活性炭滤芯，控制流量在15 L/min，活性炭为椰壳制备得到的活性炭，一般平均粒径宜为1.5mm，有效粒径0.8mm。经前置活性炭吸附后，水进入超滤单元，控制流量在15 L/min，超滤膜控制产水与回水比例在1。经超滤膜过滤后，水进入RO反渗透，控制流量在15 L/min，超滤膜控制产水与废水比例在1。经RO反渗透过滤后，进入后置活性炭，控制流量在15 L/min，活性炭为椰壳制备得到的活性炭，一般平均粒径宜为1.5mm，有效粒径0.8mm。经后置活性炭过滤后，自来水被深度处理为可以直接饮用的直饮水。控制系统检测到超滤膜出水TDS高于150 mg/L，此时关闭超滤膜的进水，控制系统能够控制反冲洗单元对超滤膜进行清洗，控制清洗流量为30 L/min与清洗时间为1.5 h。反冲洗所用的水为商业净水器所制备的纯水，反冲洗水经过管路收集可以用作日常其他用水。反冲洗完成后，检测超滤膜出水TDS是否高于150 mg/L。如果超滤膜出水TDS高于150 mg/L，控制系统能够控制双极膜电渗析系统将NaCl溶液制备成1.1 mol/L的盐酸和1.1 mol/L的氢氧化钠对超滤膜进行酸洗与碱洗，酸洗液pH值为2，酸洗1.5 h；碱性清洗液为氢氧化钠，碱性清洗液pH值为11，碱洗1.5 h，经过酸碱清洗后。反冲洗泵用清水将超滤膜清洗至pH值小于7.5后清洗完成，设备切换至正常制水模式。
实施例4
本实施例的用于商业净水器智能自清洗工艺如下：
自来水先经流量计到PP棉滤芯，控制流量在18 L/min，经PP棉滤芯拦截后，能够去除水中大颗粒的杂质和悬浮物。经过PP棉滤芯过滤后，水进入前置活性炭滤芯，控制流量在18 L/min，活性炭为椰壳制备得到的活性炭，一般平均粒径宜为1.5mm，有效粒径0.8mm。经前置活性炭吸附后，水进入超滤单元，控制流量在18 L/min，超滤膜控制产水与回水比例在1。经超滤膜过滤后，水进入RO反渗透，控制流量在18 L/min，超滤膜控制产水与废水比例在1。经RO反渗透过滤后，进入后置活性炭，控制流量在18 L/min，活性炭为椰壳制备得到的活性炭，一般平均粒径宜为1.5mm，有效粒径0.8mm。经后置活性炭过滤后，自来水被深度处理为可以直接饮用的直饮水。控制系统检测到RO反渗透进出口压差高于设定值0.3 MPa，此时关闭RO反渗透，控制系统能够控制反冲洗对RO反渗透进行清洗，控制清洗流量为30 L/min，清洗时间为1 h。反冲洗所用的水为商业净水器所制备的纯水，反冲洗水经过管路收集可以用作日常其他用水。反冲洗完成后，检测RO反渗透进出口压差是否高于0.3 MPa。如果RO反渗透进出口压差高于0.3 MPa，控制系统能够控制双极膜电渗析系统将NaCl溶液制备成0.8mol/L的盐酸和0.8 mol/L的氢氧化钠对RO反渗透进行酸洗与碱洗，酸洗液pH值为3.5，酸洗1h；碱性清洗液为氢氧化钠，碱性清洗液pH值为9.5，碱洗1h，经过酸碱清洗后。反冲洗泵用清水将RO反渗透清洗至pH值小于7.5后清洗完成，设备切换至正常制水模式。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征以及本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。