一種淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置的製作方法

2023-12-05 05:03:26

本發明涉及濃縮技術領域，尤其涉及一種淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置。

背景技術：

溶解有機質是能通過孔徑為0.45μm濾膜的一類天然大分子有機物混合物，它來源於動植物分泌物及其殘體分解產物，組成和結構隨時空和來源而變化。根據其在水體中的溶解情況，溶解有機質可以分為：富裡酸(fulvic acid任何pH值條件下都溶於水)和腐殖酸(humic acid在pH 1時不溶於水)。在淡水水體中，腐殖酸具有重要生態和環境作用。由於技術限制，國內和國際腐殖酸協會主要集中在研究疏水腐殖酸。研究表明，疏水腐殖酸中含有的酚羥基、羰基等基團可以與水中的重金屬及有毒有害物質發生相互作用，進而影響其在環境中的轉化、遷移及歸宿。然而水體中的腐殖酸既包括疏水腐殖酸，也包括親水腐殖酸，受技術限制對全體腐殖酸進行研究較少。僅僅對疏水腐殖酸進行研究，不能全面反映水體中腐殖酸的性質和作用。由於水體中腐殖酸含量低，提取水體中腐殖酸難度較大，獲取充足腐殖酸樣品，對包括親水腐殖酸和疏水腐殖酸在內的所有腐殖酸進行全面研究是重大國際科學難題。因此，目前如何實現從江河湖泊及地下水等淡水水體中高效地提取高濃度的腐殖酸是亟需解決的問題。

反滲透技術是在高於溶液滲透壓的作用下，依據大分子物質不能透過半透膜而將這些物質和水分離開來。反滲透膜的膜孔徑非常小，因此能夠有效地去除水中的溶解鹽類、膠體、微生物、有機物等。反滲透具有脫鹽率高，機械強度大和使用壽命長，化學或生化耐受性強等優點。本發明利用反滲透技術初步濃縮淡水水體中溶解腐殖酸。

彭安、王安華發表了一種關於腐殖酸提取方法的文章，其論文題目：水體腐殖酸及其絡合物I.薊運河腐殖酸的提取和表徵(環境科學學報，第一卷第2期，1981.06)，公開了一種腐殖酸提取的方法，其提取方法主要是在實驗室手工操作完成，腐殖酸提取和純化包括兩個步驟：

(1)吸附樹脂的預處理

處理過的吸附樹脂裝柱，樹脂高和直徑比為10:1，上下口用玻璃棉充填，既可起到支持作用又可起到過濾作用。

(2)河水腐殖酸的提取

河水腐殖酸(FA)的提取流程如附圖2。

該論文公開的腐殖酸提取方法操作過程複雜，且提取的腐殖酸量較少，不適合大規模樣品採集；另外，本論文公開的腐殖酸提取方法受人為操作影響較大，不能廣泛的用於江河湖泊及地下水等淡水水體中腐殖酸的提取及比對，可實施性不佳。

技術實現要素：

為了獲取高純度的腐殖酸，本發明提供了一種淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置，此裝置可以廣泛的用於江河湖泊及地下水等淡水水體中腐殖酸的提取，結構簡單、自動化程度高、操作方便。

為了解決上述技術問題，本發明的一種淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置，包括原水供給單元、預處理單元、反滲透濃縮單元、酸鹼度調節單元、水箱、總控制系統和腐殖酸提取單元；

所述水箱採用耐酸材料，其上面設有密封蓋，下端為漏鬥形狀，其內設有攪拌器、液位傳感器和pH傳感器；所述密封蓋的端面設有至少5個通孔；所述水箱與所述過濾器之間的管道伸入水箱中，伸入水箱中的管道頂部為密封結構，管道壁設有多個孔徑為50μm的孔，孔的最低高度控制在水箱高度的1/100-1/10處，所述伸入水箱管道外設有過濾罩，所述過濾罩的孔徑為100μm；

所述腐殖酸提取單元包括液體儲存器、過濾器、真空泵和淋洗裝置；所述過濾器入口與所述水箱的出口連接；所述過濾器出口與液體儲存器入口連接；

過濾器包括樣品室、濾膜，並以砂芯作為濾膜支撐物；所述濾膜的孔逕取值範圍是0.1-0.7μm；

所述淋洗裝置的出口與過濾器的入口連接；所述真空泵的入口與所述液體儲存器連接。

優選地，所述反滲透濃縮單元包括反滲透單元、高壓泵、第一電導率探頭和第二電導率探頭；其中反滲透單元包括反滲透膜和不鏽鋼膜殼，所述反滲透膜的孔逕取值為0.1nm；

所述第一電導率探頭設於所述反滲透單元濃水出口處，第二電導率探頭設於反滲透膜單元的純水出口與淋洗裝置之間；通過對比2個電導率探頭檢測數值，可以判斷反滲透膜工作狀態是否良好。

優選地，原水供給單元採用自吸泵供水，原水主要為江河湖泊及地下水等淡水水體，原水水質的濁度在1000NTU之內，溶解有機碳的取值在1000mg/L之內，電導率取值在30000μS/cm之內；自吸泵的前端設有過濾袋，所述過濾袋的孔徑為10μm。

優選地，所述預處理單元包括一級精密微濾過濾器、二級精密微濾過濾器和三級精密微濾過濾器，一級精密微濾過濾器中精密濾芯的孔徑為5μm，二級精密微濾過濾器中精密濾芯的孔徑為1μm，三級精密微濾過濾器中精密濾芯的孔徑為0.45μm；所述一級精密微濾過濾器的入口與自吸泵的出口連接，一級精密微濾過濾器的出口與二級精密微濾過濾器的入口連接，二級精密微濾過濾器的出口與三級精密微濾過濾器的入口連接，三級精密微濾過濾器的出口與水箱連接。

優選地，一級、二級和三級精密濾芯均採用聚丙烯濾芯，精密濾芯需要及時更換，可以避免堵塞和過多汙染物聚集滋生微生物。

優選地，所述反滲透單元設有液體進口，濃水出口和純水出口；所述液體進口通過高壓泵與水箱連接，所述濃水出口與水箱連接，所述純水出口與淋洗裝置連接。

優選地，所述反滲透單元濃水和純水出口都設有安保閥，原水濃縮過程中，所述反滲透單元純水和濃水電導率差異小於預設值時，所述安保閥開啟，說明此時系統無法進行反滲透濃縮。

優選地，所述酸鹼度調節單元中包括pH傳感器、攪拌器、計量加藥泵、第一酸液藥劑箱和第二酸液藥劑箱；所述pH傳感器設於水箱中，所述第一酸液藥劑箱與所述第二酸液藥劑箱並列布置；所述計量加藥泵設於第一酸液藥劑箱、第二酸液藥劑箱和水箱之間；計量加藥泵的入口分別與第一酸液藥劑箱的出口、第二酸液藥劑箱的出口連接，計量加藥泵的出口與水箱連接。

優選地，所述總控制系統包括控制單元和觸屏器，所述控制單元與觸屏器連接，所述控制單元與自吸泵、液位傳感器、pH傳感器、計量加藥泵和高壓泵連接；所述水箱中設有液位傳感器和pH傳感器；pH傳感器設有升降臺，必要時可以升至水箱外。

本發明還提供了一種利用所述淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置進行腐殖酸提取的方法，其包括如下步驟：

(1)啟動總控制系統的總電源啟動按鈕；

(2)啟動自吸泵啟動按鈕，自吸泵通過管道吸取原水，自吸泵前端的過濾袋對原水進行初步過濾，初步過濾後的原水通過自吸泵的增壓進入預處理單元中的一級精密微濾過濾器對原水進行一次過濾，經一次過濾後的原水進入二級精密微濾過濾器進行二次過濾，經二次過濾後的原水進入三級精密微濾過濾器進行三次過濾；經三次過濾後的原水通過管道進入水箱；當水箱中的水位達到4/5水箱高度時，自吸泵停止工作；

(3)水箱中的原水經高壓泵增壓通過管道進入到反滲透濃縮單元，反滲透膜可對原水中的溶解鹽和天然溶解有機物進行濃縮，得到純水和濃水；經過反滲透膜的純水直接排放到淋洗裝置中進行存儲，濃水循環進入水箱，當位於水箱中的溶解有機碳在線測定裝置測定的溶解有機碳的含量達到預設值時，停止濃縮；

反滲透膜將江河湖泊地表水分離為純水和濃水，純水比越高，濃水含鹽率和有機物濃度越高，但過高的純水比例對反滲透膜造成傷害，因此，反滲透膜排出的純水量與排出的濃水量的比值為1:9-9:1，優選為2:1-1:2；

(4)啟動酸鹼度調節單元，計量加藥泵接收pH傳感器信號啟動酸液加入程序，通過第一通道從第一酸液藥劑箱抽取酸液通過第一耐酸管道向水箱中注入非氧化性酸，同時水箱中攪拌馬達啟動，使得酸液和濃水均勻混合，直到達到預設的pH值，計量加藥泵第一通道加酸液程序停止工作；

計量加藥泵通過第二通道從第二酸液藥劑箱中抽提氫氟酸，通過第二耐酸管道向水箱中注入氫氟酸，直到達到預設的氫氟酸濃度，計量加藥泵停止工作；

(5)攪拌24h後，打開水箱的出口閥門，同時啟動真空泵，通過真空泵施壓，水箱中的濃水通過溶液過濾器流入液體儲存器中，腐殖酸被截留在濾膜上面，雜質流入液體儲存器；

(6)完成過濾後，關閉水箱的出口閥門，打開淋洗裝置的出口閥門，通過真空泵施壓，淋洗裝置中的純水通過管道對濾膜進行衝洗；衝洗完成後，液體儲存器中的液體直接排放掉，留在濾膜上的有機質為所需提取的腐殖酸。

優選地，反滲透單元純水的排出管道上設有調速閥，所述反滲透單元與所述水箱連接的管道上設有調速閥，反滲透膜排出的純水量與排出的濃水量的比值為1:9-9:1。

優選地，所述第一耐酸管道要求能承受10mol/L的非氧化性酸液；所述第二耐酸管道要求能承受6mol/L的氫氟酸；所述水箱中的混酸濃度範圍為0.001-1mol/L非氧化性強酸和0.1-0.5mol/L氫氟酸；所述pH的預設值為0.5-3。

優選地，所述高壓泵的前端設有壓力表和安保閥，原水濃縮過程中，所述高壓泵前壓力大於預設值時，所述安保閥開啟，避免高壓泵損壞和管道爆裂現象。

優選地，反滲透膜不可乾燥存儲，必須保證膜殼中有水，若設備因故閒置超過70h，應將反滲透膜浸泡於乾淨的水中。

優選地，總控制系統採用低壓配電，供配電設備的電壓等級為220VAC，且設低壓配電櫃，向工藝系統動力設備供電；控制系統中的電源開關與電控櫃門聯鎖保護，可以達到防塵、散熱快且易於安裝的效果。

優選地，所述自吸泵的前端設有安全閥，所述水箱中設有液位傳感器，其水位在水箱4/5體積時，所述安全閥開啟，自吸泵停止運轉，避免水箱水位過高。

與現有技術相比本發明產生的有益效果是：

(1)本發明提供一種淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置結構簡單、自動化程度高、操作方便，可以方便有效地將腐殖酸和其它雜質分離，提取大量的腐殖酸，更好的利用所提取的腐殖酸；

(2)本發明中的一級精密濾芯孔徑為5μm，二級精密濾芯孔徑為1μm，三級精密濾芯孔徑為0.45μm，更有效地濾除了水中較大顆粒的懸浮物等雜質，更好地避免了顆粒雜物對膜造成的劃傷、堵塞和高壓衝擊；

(3)酸鹼度調節單元調節pH值的整個過程是全自動的，節省了勞動力，降低了生產成本，調節的pH值的準確率比較高；第一酸液藥劑箱和第二酸液藥劑箱共用一個計量加藥泵，降低了生產成本；

(4)反滲透濃縮單元中反滲透單元中排出的純水量與排出的濃水量的比值為2:1-1:2，進而可以避免純水流出量過大或過小對膜造成的傷害或設備效率降低；

(5)水箱的底部為漏鬥形狀，且伸入水箱的管道外設有過濾罩，不僅有利於濃水的流出，也更有利於沉澱濃水中的雜質；濃水通過濾膜過濾，去除濃水中的雜質，提取高純度的腐殖酸；

(6)本發明不涉及XAD-8等憎水性樹脂的使用，提取物為腐殖酸，既包括疏水腐殖酸也包括親水腐殖酸，與國際腐殖酸協會標準方法提取的憎水性腐殖酸相比，能全面反應真實環境現狀和信息。

附圖說明

圖1是本發明一種淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置工藝流程圖。

圖2是現有技術中河水腐殖酸提取流程圖。

具體實施方式

下面結合附圖，對本發明的具體實施方式作詳細的說明。

參圖1所示，圖1是本發明淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置的工藝流程圖。本發明提供的腐殖酸提取裝置，包括原水供給單元、預處理單元、反滲透濃縮單元、酸鹼度調節單元、水箱9、總控制系統5和腐殖酸提取單元；其中原水供給單元主要包括自吸泵1；預處理單元包括一級精密微濾過濾器2、二級精密微濾過濾器3、三級精密微濾過濾器4；反滲透濃縮單元包括反滲透單元11、高壓泵10和溶解有機碳在線監測設備，其中反滲透單元11包括反滲透膜和不鏽鋼膜殼；酸鹼度調節單元包括pH傳感器、計量加藥泵6、第一酸液藥劑箱7和第二酸液藥劑箱8，所述腐殖酸提取單元包括液體儲存器17、過濾器、真空泵15，其中過濾器包括樣品室18、濾膜16和砂芯19，濾膜16位於樣品室18內，且由砂芯19支撐；總控制系統5主要採用電氣設備控制，其中的集控操作在控制櫃中統一進行，可使整個系統實現自動控制操作和手動操作。

其中，一級精密微過濾器2的入口與自吸泵1的出口連接，一級精密微濾過濾器2的出口與二級精密微濾過濾器3的入口連接，二級精密微濾過濾器3的出口與三級精密微濾過濾器4的入口連接，三級精密微濾過濾器4的出口與水箱9連接；pH傳感器位於水箱9中，第一酸液藥劑箱7和第二酸液藥劑箱8並列布置，計量加藥泵6設於水箱9和第一酸液藥劑箱7、第二酸液藥劑箱8之間，計量加藥泵6的入口分別與第一酸液藥劑箱7的出口、第二酸液藥劑箱8的出口連接，計量加藥泵6的出口與水箱9連接；反滲透單元11設有液體進口，濃水出口和純水出口；液體進口通過高壓泵10與水箱9連接，濃水出口與水箱9連接，純水出口與淋洗裝置14連接，淋洗裝置14的出口與過濾器入口連接；液體儲存器17的入口與過濾器出口連接，過濾器的入口與水箱9的出口連接；真空泵15的出口置於液體儲存器17的腔體內；總控制系統5包括控制單元和觸屏器，控制單元與觸屏器連接，控制單元與自吸泵1、液位傳感器、pH傳感器、計量加藥泵6和高壓泵10連接。

本發明提供了一種淡水水體中溶解腐殖酸提取裝置，其原水水源為江河湖泊及地下水等淡水水體，原水的水質要求為水質的濁度在1000NTU之內，溶解有機碳的取值在1000mg/L之內，電導率取值在30000μS/cm之內。

總控制系統採用低壓配電，供配電設備的電壓等級為220VAC，且設低壓配電櫃，向工藝系統動力設備供電。另外，控制系統中配備獨立操作的控制櫃，以及電器開關和電氣元件都集中在控制櫃內，電源開關與電控櫃門聯鎖保護，可以達到防塵、散熱快且易於安裝的效果。

首先開啟總電源和啟動按鈕，使整個系統處於工作狀態，自吸泵1通過管道吸取原水，原水通過位於自吸泵前端的過濾袋進行初步過濾，過濾袋的孔徑為10μm，經過初步過濾的原水通過自吸泵的增壓進入預處理單元中的一級精密微濾過濾器2對原水進行一次過濾，經一次過濾後的原水進入二級精密微濾過濾器3進行二次過濾，經二次過濾後的原水進入三級精密微濾過濾器4進行三次過濾，其中一級精密微濾過濾器2中的濾芯孔徑為5μm，二級精密微濾過濾器3中的濾芯孔徑為1μm，三級精密微濾過濾器4中的濾芯孔徑為0.45μm，由於淡水水體中顆粒懸浮物較多，三級精密微濾過濾器串聯，及此種濾芯直徑設置可以更好地濾除水中較大顆粒的懸浮物等雜質，提高水質，更有效地避免顆粒物雜質對膜造成的劃傷、堵塞和高壓衝擊。另外，精密濾芯需要及時更換，避免堵塞和過多汙染物集聚滋生微生物。

經過三級精密過濾裝置過濾後的原水通過連接管道進入水箱9，水箱9中的液位傳感器對水箱中的水位進行檢測，當水位達到水箱體積的4/5時，液位傳感器向總控制系統發送液位信號，總控制系統接收液位信號後，向自吸泵發送控制信號，使其停止工作，即停止向水箱中注水。

所述水箱採用耐酸材料，其上面設有密封蓋，下端為漏鬥形狀，其內設有攪拌器和pH傳感器；所述密封蓋的端面設有至少5個通孔。

水箱9中的原水經過高壓泵10加壓進入反滲透單元11中的反滲透膜，反滲透膜可將地表水、地下水和自來水等淡水中無機鹽和有機質截留，鈉離子脫除率在96％左右，最高可達到98％；經反滲透膜的純水直接排放到淋洗裝置14中儲存，在反滲透單元11與淋洗裝置14連接管道上設有調速閥，可以調節純水流出反滲透膜的速度，其速度調節範圍為0-200L/h；待系統工作完畢後，可用淋洗裝置14中的純水對反滲透膜衝刷清洗；經反滲透膜的濃水經過管道回流到水箱9中，在反滲透單元11與水箱9連接管道上設有調速閥，可以調節濃水流出反滲透膜的速度，其速度調節範圍為0-200L/h；純水流出反滲透膜的速度和濃水流出反滲透膜的速度取值設置在適當的範圍內，使反滲透膜排出的純水量與排出的濃水量的比值為1:9-9:1，進而可以避免因純水流出的速度過快或過慢對反滲透膜造成的傷害或設備效率降低。濃水進水水箱可以循環濃縮，如此反覆，原水箱中的水越來越少，含鹽量和有機質含量的濃度越來越高，當位於水箱中的溶解有機碳在線測定裝置測定的溶解有機碳含量達到預設值時，停止濃縮，關閉濃縮系統。

在原水濃縮的過程中，儘量避免濃縮比過高，濃縮比越高，含鹽率和有機質濃度越高，過高的濃度會對反滲透膜造成傷害，因此，將濃水中有機質含量控制在10000mg/L以下。防滲透膜系統濃水出口處設有第一電導率探頭13，反滲透單元與淋洗裝置14之間設有第二電導率探頭12，通過對比第一電導率探頭13與第二電導率探頭12檢測的數值，可以判定反滲透膜是否滲漏；即如果第一電導率探頭13與第二電導率探頭12檢測的數值相等，可以判定反滲透膜出現滲漏現象。反滲透單元濃水和純水的出口處還設有安保閥，在原水濃縮過程中，反滲透單元濃水和純水的電導率差異小於預設值時，安保閥開啟，此時系統停止運行。

高壓泵10的前端設有安保閥，在濃縮的過程中，當水位低於水箱的1/5時，安保閥開啟，高壓泵10停止運轉，由此可以避免高壓泵空轉時導致高壓泵燒毀的現象；高壓泵的前端還設有壓力表，當高壓泵前的壓力大於預設值時，安保閥開啟，可以避免高壓泵損壞和管道爆裂現象。

原水濃縮結束後，啟動酸鹼度調節單元。在總控制系統5中設置所需的pH值，其設定的pH值為0.5-3，控制系統將pH值信號傳遞給計量加藥泵6，計量加藥泵啟動酸液加入程序，通過第一通道從第一酸液藥劑箱7抽取酸液通過第一耐酸管道向水箱中注入非氧化性酸液，同時水箱9中的攪拌馬達啟動，使得酸液和濃水均勻混合，進行pH值調節，直到pH值達到預先設置的值，計量加藥泵第一通道加酸液程序停止工作；計量加藥泵通過第二通道從第二酸液藥劑箱8中抽取氫氟酸，通過第二耐酸管道向水箱9中注入氫氟酸，直到達到預設的氫氟酸濃度，計量加藥泵停止工作。

整個pH值調節的過程為全自動的，節省了勞動力，降低了生產成本，並且調製的pH值的精確度比較高，配製的過程效率也較高。在pH調節過程中，開啟攪拌器馬達使攪拌器攪拌水箱9中的水，使得流入其中的酸液藥劑均勻溶入水中，可避免局部的pH值偏高或偏低。

pH值調節完成後，水箱9中的濃水攪拌24h，水箱9採用耐酸材料，且其上面設有密封蓋，密封蓋的端面設有至少5個通孔；下端為漏鬥形狀，有利於濃水的輸出；其內設有攪拌器和pH傳感器；pH傳感器設有升降臺，pH值調節完成後，升降臺可將pH傳感器升至水面之上。

水箱與過濾器之間的管道伸入水箱中，伸入水箱的管道頂部為密封結構，管道壁設有多個孔徑為50μm的孔，孔的最低高度控制在水箱高度的1/100-1/10處，所述伸入水箱管道外設有過濾罩，所述過濾罩的孔徑為100μm，更有利於沉澱濃水中的雜質。

水箱中的濃水攪拌24小時後，打開水箱9的出口閥門，同時啟動真空泵15，通過真空泵15施壓，水箱9中的濃水通過管道流入過濾器的樣品室18中，然後再通過濾膜16過濾，過濾後的液體流入液體儲存器17中，腐殖酸被截留在濾膜上面，雜質流入液體儲存器17；

完成過濾後，關閉水箱9的出口閥門，打開淋洗裝置14的出口閥門，通過真空泵15施壓，淋洗裝置14中的純水通過管道流入過濾器，對濾膜進行衝洗；衝洗完成後，廢液流入液體儲存器17中，液體儲存器17中的液體可以直接排放掉，留在濾膜上的有機質為所需提取的溶解腐殖酸，冷凍乾燥後得淡水水體溶解腐殖酸固體粉末。

完成一個工作循環後，重新啟動自吸泵，進入下一個工作循環。當水體有機質含量較低時，可以通過自吸泵1多次進水，使得水箱9中濃水溶解有機碳濃度達到預設值，再進行下一步酸鹼度調節。

腐殖酸提取結束後，關閉水箱的排水口，將淋洗裝置14中的純水倒入水箱，啟動濃縮，將濃水閥開到最大，利用純水對膜的衝刷實現反滲透膜的清洗。反滲透膜嚴禁乾燥儲存，必須保證膜殼中有水，若因故超過70h不使用，應將反滲透膜浸泡於乾淨的水中，若長期閒置須按反滲透膜要求存儲方式封存。淡水水體腐殖酸提取中所得純水儲存於淋洗裝置14，為反滲透膜衝洗提供用水，成功解決了野外純水難於獲取的實際問題。

所述腐殖酸提取單元使用濾膜為一次性濾膜，濾膜需要能耐受0.2-0.4mol/L強酸，濾膜按要求存儲及使用，但不可使用玻璃纖維濾膜等含矽濾膜。上文所述的一系列的詳細說明僅僅是針對本發明的可行性實施方式的具體說明，它們並不是用以限制本發明的保護範圍，在所述技術領域普通技術人員所具備的知識範圍內，在不脫離本發明宗旨的前提下作出的各種變化均屬於本發明的保護範圍。