一种水体中亲水‑疏水双性腐殖酸提取设备的制作方法

本发明涉及浓缩技术领域，尤其涉及一种水体中亲水-疏水双性腐殖酸提取设备。

背景技术：

溶解有机质是能通过孔径为0.45μm滤膜的一类天然大分子有机物混合物，它来源于动植物分泌物及其残体分解产物，组成和结构随时空和来源而变化。根据其在水体中的溶解情况，溶解有机质可以分为：富里酸(fulvic acid任何pH值条件下都溶于水)和腐殖酸(humic acid在pH 1时不溶于水)。在海水水体中，溶解腐殖酸、富里酸等酸性物质对有机污染物金属离子的环境行为有重要的影响。例如，溶解腐殖酸中含有的酚羟基、羰基等基团可以与水中的重金属及有毒有害物质发生相互作用，进而实现对重金属及有毒有害难降解物质在环境中的转化、迁移及归宿。但是，目前如何实现从江河湖泊及地下水等海水水体中高效地提取高浓度的溶解腐殖酸是亟需解决的问题。目前，经典水体溶解腐殖酸提取方法使用XAD-8树脂进行富集，造成亲水性腐殖酸损失，从而影响研究结果与实际环境不附，所得结构无法应用于工程实践。

彭安，王安华发表了一种关于腐殖酸提取方法的文章，其论文题目：水体亲腐殖酸及其络合物I.蓟运河腐殖酸的提取和表征(环境科学学报，第一卷第2期，1981.06)，公开了一种腐殖酸提取的方法，其提取方法主要是在实验室的条件下进行的，腐殖酸提取和纯化包括两个步骤：

(1)吸附树脂的预处理

处理过的吸附树脂装柱，树脂高和直径比为10:1，上下口用玻璃棉充填，既可起到支持作用又可起到过滤作用。

(2)河水腐殖酸的提取

河水腐殖酸(FA)的提取流程如附图2。

本论文公开的腐殖酸提取方法主要是依赖于实验室和大量人工操作条件下进行的，操作过程复杂，且提取的腐殖酸量较少，不适合大规模样品采集；另外，本论文公开的腐殖酸提取方法受人为影响操作影响较大，不能应用于高盐度海水水体中溶解腐殖酸的提取及比对，可实施性不佳。

技术实现要素：

为了获取高浓度的亲水-疏水双性溶解腐殖酸，本发明提供了一种水体中亲水-疏水双性腐殖酸提取设备，此装置可以广泛的用于江河湖泊及地下水等海水水体中亲水-疏水双性溶解腐殖酸的提取。

为了解决上述技术问题，本发明的一种海水水体中亲水-疏水双性腐殖酸提取设备，包括原水供给单元、预处理单元、纳滤浓缩单元、酸碱度调节单元、水箱、总控制系统和亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取单元；

所述亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取单元包括液体储存器、过滤器、真空泵和淋洗装置；所述过滤器入口与所述水箱的出口连接；所述过滤器出口与液体储存器入口连接；

所述过滤器包括样品室、滤膜，并以砂芯作为滤膜支撑物；所述滤膜的孔径取值范围是0.1-0.7μm；

所述淋洗装置的出口与过滤器入口连接；所述真空泵与所述液体储存器连接。优选地，所述水箱采用耐酸材料，其上面设有密封盖，其内设有搅拌器、液位传感器和pH传感器；所述密封盖的端面设有至少5个通孔；所述水箱与所述过滤器之间的管道深入水箱中，管道顶部为密封结构，管道壁设有多个孔径为50μm的孔，孔的最低高度控制在水箱高度的1/10处，所述伸入水箱管道外设有过滤罩，所述过滤罩的孔径为100μm。

优选地，所述原水供给单元采用自吸泵供水，原水可为淡水或海水，原水水质的浊度在100NTU之内，TOC的取值在1000mg/l之内，电导率取值在40000μS/cm之内；自吸泵的前端设有过滤袋，所述过滤袋的孔径为10μm。

优选地，所述预处理单元包括一级精密微滤过滤器、二级精密微滤过滤器一级精密微过滤器中精密滤芯的孔径为1μm，二级精密微滤过滤器中精密滤芯的孔径为0.45μm；所述一级精密微过滤器的入口与自吸泵的出口连接，一级精密微过滤器的出口与二级精密微过滤器的入口连接，二级精密微过滤器的出口与水箱连接。

优选地，一级和二级精密滤芯均采用聚丙烯滤芯，精密滤芯需要及时更换，可以避免堵塞和过多污染物聚集滋生微生物。

优选地，所述纳滤浓缩单元包括纳滤单元、高压泵、第一溶解有机碳在线监测探头和第二溶解有机碳在线监测探头；其中纳滤单元包括纳滤膜和不锈钢膜壳，所述纳滤膜的孔径取值为1-2nm；

所述第一溶解有机碳在线监测探头设于所述纳滤单元浓水出口处，第二溶解有机碳在线监测探头设于纳滤单元的废水出口处；通过对比2个溶解有机碳在线监测探头的检测数值，可以判断纳滤膜工作状态是否良好。

优选地，所述纳滤单元设有液体进口，浓水出口和废水出口；所述液体进口通过高压泵与水箱连接，所述浓水出口与水箱连接，所述废水通过管道排出；所述纳滤单元与高压泵之间设有安保阀，浓水出口设有安保阀，原水浓缩过程中，所述纳滤单元废水和浓水溶解有机碳差异小于预设值时，所述安保阀开启，说明此时系统无法进行纳滤浓缩。

优选地，所述酸碱度调节单元中包括pH传感器、搅拌器、计量加药泵、酸液药剂箱；所述pH传感器设于水箱中；所述计量加药泵设于酸液药剂箱和水箱之间，计量加药泵的入口分别与酸液药剂箱的出口连接，计量加药泵的出口与水箱连接。

优选地，所述总控制系统包括控制单元和触屏器，所述控制单元与触屏器连接，所述控制单元与自吸泵、液位传感器、pH传感器、计量加药泵、高压泵和酸碱度调节单元连接；所述水箱中设有液位传感器和pH传感器；pH传感器设有升降台，必要时可以升至水箱外。

本发明还提供了一种利用所述水体中亲水-疏水双性腐殖酸提取设备进行亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取的方法，其包括如下步骤：

(1)启动总控制系统的总电源启动按钮；

(2)启动自吸泵启动按钮，自吸泵通过管道吸取原水，自吸泵前端的过滤袋对原水进行初步过滤，过滤后的原水通过自吸泵的增压进入预处理单元中的一级精密微滤过滤器对原水进行一次过滤，经初步过滤后的原水进入二级精密微滤过滤器进行二次的过滤；过滤后的原水通过管道进入水箱；当水箱中的水位达到4/5水箱高度时，自吸泵停止工作；

(3)水箱中的原水经高压泵增压通过管道进入到纳滤浓缩单元，纳滤膜可对原水中的天然溶解有机物进行浓缩，得到废水和浓水；经过纳滤膜的废水直接排放到废水存储器进行存储，浓水循环进入水箱，当位于水箱中的溶解有机碳在线监测探头探头测定的有机碳的含量达到预设值时，停止浓缩；纳滤膜将淡水或海水等天然水体分离为废水和浓水，废水比越高，浓水含有机质浓度越高，但过高的废水比例对纳滤膜造成伤害；因此，反渗透膜排出的废水量与排出的浓水量的比值为1:9-9:1，优选为2:1-1:2；

(4)启动酸碱度调节单元，计量加药泵接收pH传感器信号启动酸液加入程序，从酸液药剂箱抽取酸液通过耐酸管道向水箱中注入非氧化性酸液，同时水箱中搅拌马达启动，使得酸液和浓水均匀混合，直到达到预设的pH值，计量加药泵加酸液程序停止工作；

(5)搅拌24h后，打开水箱的出口阀门，同时启动真空泵，通过真空泵施压，水箱中的浓水通过溶液过滤器流入液体储存器中，亲水-疏水双性溶解腐殖酸被截留在滤膜上面，杂质流入液体储存器；

(6)完成过滤后，关闭水箱的出口阀门，打开淋洗装置的出口阀门，通过真空泵施压，淋洗装置中的纯水通过管道流入液体储存器，对滤膜进行冲洗；冲洗完成后，液体储存器中的液体直接排放掉，留在滤膜上的有机质为所需提取的亲水-疏水双性溶解腐殖酸。

优选地，纳滤单元废水的排出管道上设有调速阀，所述纳滤单元与所述水箱连接的管道上设有调速阀，纳滤膜排出的废水量与排出的浓水量的比值为1:9-9:1。

优选地，所述耐酸管道的度能承受10mol/L的非氧化性酸；所述水箱中的混酸浓度为0.001-1mol/L盐酸和0.1-0.5mol/L氢氟酸；所述pH的预设值为0.5-3。

优选地，所述高压泵的前端设有压力表和安保阀，原水浓缩过程中，所述高压泵前压力大于预设值时，所述安保阀开启，避免高压泵损坏和管道爆裂现象。

优选地，纳滤膜不可干燥存储，必须保证膜壳中有水，若设备因故闲置超过70h，应将纳滤膜浸泡于干净的水中，若长期闲置须按纳滤膜要求存储方式封存。

优选地，总控制系统采用低压配电，供配电设备的电压等级为220VAC，且设低压配电柜，向工艺系统动力设备供电；控制系统中的电源开关与电控柜门联锁保护，可以达到防尘、散热快且易于安装的效果。

优选地，所述自吸泵的前端设有安全阀，所述水箱中设有液位传感器，其水位在水箱4/5体积时，所述安全阀开启，自吸泵停止运转，避免水箱水位过高。

与现有技术相比本发明产生的有益效果是：

(1)本发明提供一种水体中亲水-疏水双性腐殖酸提取设备结构简单、自动化程度高、操作方便，可以方便有效地将亲水-疏水双性溶解腐殖酸和其它杂质分离，提取大量的亲水-疏水双性溶解腐殖酸，更好的利用所提取的亲水-疏水双性溶解腐殖酸；

(2)本发明中一级精密滤芯孔径为1μm二级精密滤芯孔径为0.45μm，更有效地滤除了水中较大颗粒的悬浮物等杂质，更好地避免了颗粒杂物对膜造成的划伤、堵塞和高压冲击；

(3)酸碱度调节单元调节pH值的整个过程是全自动的，节省了劳动力，降低了生产成本，调制的pH值的准确率比较高；

(4)纳滤浓缩单元中NF单元中排出的废水量与排出的浓水量的比值为2:1-1:2，进而可以避免废水流出量过大或过小对膜造成的伤害或设备效率降低；

(5)本发明不涉及XAD-8等憎水性树脂的使用，提取物为腐殖酸，既包括疏水腐殖酸也包括亲水腐殖酸，与国际腐殖酸协会标准方法提取的憎水性腐殖酸相比，能全面反应真实环境现状和信息。

附图说明

图1是本发明一种水体中亲水-疏水双性腐殖酸提取设备结构示意图。

图2是现有技术中河水腐殖酸提取流程图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的具体实施方式作详细的说明。

参图1所示，图1是本发明水体中亲水-疏水双性腐殖酸提取设备的工艺流程图。本发明提供的亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取设备，包括原水供给单元、预处理单元、纳滤浓缩单元、酸碱度调节单元、水箱8、总控制系统4和亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取单元；其中原水供给单元主要包括自吸泵1；预处理单元包括一级精密微滤过滤器2、二级精密微滤过滤器3；纳滤浓缩单元包括纳滤单元11、高压泵9和溶解有机碳在线监测探头设备，其中纳滤单元11包括纳滤膜和不锈钢膜壳；酸碱度调节单元包括pH传感器、计量加药泵5、酸液药剂箱6，所述亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取单元包括液体储存器18、过滤器、真空泵17，其中过滤器包括样品室14、滤膜15和砂芯16，滤膜15位于样品室14内，且由砂芯16支撑；总控制系统4主要采用电气设备控制，其中的集控操作在控制柜中统一进行，可使整个系统实现自动控制操作和手动操作。

其中，一级精密微过滤器2的入口与自吸泵1的出口连接，一级精密微过滤器2的出口与二级精密微过滤器3的入口连接，二级精密微过滤器3的出口与水箱8连接；pH传感器位于水箱8中，计量加药泵5设于水箱8和酸液药剂箱6之间，计量加药泵5的入口分别与酸液药剂箱6的出口连接，计量加药泵5的出口与水箱8连接；纳滤单元11设有液体进口，浓水出口和废液出口；液体进口通过高压泵9与水箱8连接，浓水出口与水箱8连接，废水直接排放储存在废水储存器中，淋洗装置13的出口与过滤器连接；过滤器出口与液体储存器18的入口连接，过滤器的入口与水箱8的出口连接；真空泵17的出口置于液体储存器18的腔体内；总控制系统4包括控制单元和触屏器，控制单元与触屏器连接，控制单元与自吸泵1、液位传感器、pH传感器、计量加药泵5和高压泵9连接。

本发明提供的水体中亲水-疏水腐殖酸提取设备，其水体水源为海水或淡水，原水的水质要求为水质的浊度在1000NTU之内，TOC的取值在1000mg/L之内，电导率取值在40000μS/cm之内；自吸泵的前端设有过滤袋，过滤袋的孔径为10μm。

总控制系统采用低压配电，供配电设备的电压等级为220VAC，且设低压配电柜，向工艺系统动力设备供电。另外，控制系统中配备独立操作的控制柜，以及电器开关和电气元件都集中在控制柜内，电源开关与电控柜门联锁保护，可以达到防尘、散热快且易于安装的效果。

首先开启总电源和启动按钮，使整个系统处于工作状态，自吸泵1通过管道吸取原水，原水通过位于自吸泵1前端的过滤袋进行初步过滤，过滤袋的孔径为10μm，经过初步过滤的原水通过自吸泵的增压进入预处理单元中的一级精密微滤过滤器2对原水进行一次过滤，经初步过滤后的原水进入二级精密微滤过滤器3进行二次过滤，其中一级精密微滤过滤器2中的滤芯为1μm，二级精密微滤过滤器3中的滤芯为0.45μm，此种滤芯直径设置可以更好地滤除水中较大颗粒的悬浮物等杂质，提高水质，更有效地避免颗粒物杂质对膜造成的划伤或堵塞。另外，精密滤芯需要及时更换，避免堵塞和过多污染物集聚滋生微生物。

经过二级精密过滤装置过滤后的原水通过连接管道进入水箱8，水箱8中的液位传感器对水箱中的水位进行检测，当水位达到水箱体积的4/5时，液位传感器向总控制系统发送液位信号，总控制系统接收液位信号后，向自吸泵发送控制信号，使其停止工作，即停止向水箱中注水。

水箱中的原水经过高压泵9加压进入纳滤单元11中的纳滤膜，纳滤膜可将淡水和海水中分离为浓水和废水，经纳滤膜的含盐和小分子有机质的废水直接排出，在纳滤单元11的废水排出口上设有调速阀，可以调节废水流出纳滤膜的速度，其速度调节范围为0-200L/h；经纳滤膜分离的浓水经过管道回流到水箱8中，在纳滤单元11与水箱8连接管道上设有调速阀，可以调节浓水流出纳滤膜的速度，其速度调节范围为0-200L/h；废水流出纳滤膜的速度和浓水流出纳滤膜的速度取值设置在适当的范围内，使纳滤膜排出的废水量与排出的浓水量的比值为1:9-9:1，进而可以避免因废水流出的速度过快或过慢对纳滤膜造成的伤害或设备效率降低。浓水进水水箱可以循环浓缩，如此反复，原水箱中的水越来越少，有机质含量的浓度越来越高，当水箱中的溶解有机碳在线测定装置测定的有机碳含量达到预设值时，停止浓缩，关闭浓缩系统。

在原水浓缩的过程中，尽量避免浓缩比过高，浓缩比越高，含盐率和有机物浓度越高，过高的浓度有机质和无机盐微晶会对纳滤膜造成伤害，因此，将原水浓缩比控制在10000mg/L以下。

纳滤单元废水排出管道上设有第二溶解有机碳在线监测探头10，纳滤单元浓水排出管道处设有第一溶解有机碳在线监测探头12，通过对比第二溶解有机碳在线监测探头10与第一溶解有机碳在线监测探头12检测的数值，可以判定纳滤膜是否渗漏；即如果第二溶解有机碳在线监测探头10与第一溶解有机碳在线监测探头12检测的数值相等，可以判定纳滤膜出现渗漏现象。纳滤单元浓水和废水的出口处还设有安保阀，在原水浓缩过程中，纳滤单元浓水和废水的溶解有机碳含量差异小于预设值时，安保阀开启，此时系统停止运行。

高压泵的前端设有压力表和安保阀，在浓缩的过程中，当水位低于水箱的1/5时，安保阀开启，高压泵停止运转，由此可以避免高压泵空转时导致高压泵烧毁的现象；当高压泵前的压力大于预设值时，安保阀开启，可以避免高压泵损坏和管道爆裂现象。

原水浓缩结束后，启动酸碱度调节单元。在总控制系统4中设置所需的pH值，其设定的pH值为0.5-3，传感器将pH值信号传递给计量加药泵5，计量加药泵启动酸液加入程序，从酸液药剂箱6抽取酸液通过耐酸管道向水箱中注入非氧化性酸液，同时水箱8中的搅拌马达启动，使得酸液和浓水均匀混合，进行pH值调节，直到pH值达到预先设置的值，计量加药泵5酸液程序停止工作，计量加药泵5和水箱8中的搅拌马达停止工作。

整个pH值调节的过程为全自动的，节省了劳动力，降低了生产成本，并且调制的pH值的精确度比较高，配制的过程效率也较高。在pH调节过程中，采用搅拌水箱中的水，使得流入其中的酸液药剂均匀溶入水中，可避免局部的pH值偏高或偏低。pH值调节完成后，搅拌马达继续工作，水箱8中的浓水搅拌24h，由于水箱8采用耐酸材料，且其上面设有密封盖，密封盖的端面设有至少5个通孔；其内设有搅拌器和pH传感器；pH传感器设有升降台，pH值调节完成后，升降台可将pH传感器升至水面之上；

水箱与过滤器之间的管道深入水箱中，管道顶部为密封结构，管道壁设有多个孔径为50μm的孔，孔的最低高度控制在水箱高度的1/10处，所述伸入水箱管道外设有过滤罩，所述过滤罩的孔径为100μm；更有利于沉淀浓水中的杂质。

水箱中的浓水搅拌24小时后，打开水箱8的出口阀门，同时启动真空泵17，通过真空泵17施压，水箱8中的浓水通过管道流入过滤器的样品室14中，然后在通过滤膜15过滤，过滤后的液体流入液体储存器18中，亲水-疏水双性溶解腐殖酸被截留在滤膜上面，杂质流入液体储存器18；

完成过滤后，关闭水箱8的出口阀门，打开淋洗装置13的出口阀门，通过真空泵17施压，淋洗装置13中的纯水通过管道流入过滤器，对滤膜进行冲洗；冲洗完成后，废液直接流入液体储存器18中，液体储存器中的液体可以直接排放掉，留在滤膜上的有机质为所需提取的亲水-疏水双性溶解腐殖质。

亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取结束后，关闭水箱的排水口，将淋洗装置13中的纯水倒入水箱，启动浓缩，将浓水阀开到最大，利用纯水对膜的冲刷实现纳滤膜的清洗。纳滤膜严禁干燥储存，必须保证膜壳中有水，若因故超过70h不使用，应将纳滤膜浸泡于干净的水中，若长期闲置须按纳滤膜要求存储方式封存。

所述亲水-疏水双性溶解腐殖酸提取单元使用滤膜为一次性滤膜，滤膜需要能耐受0.2-0.4mol/L强酸，滤膜按要求存储及使用，但不可使用玻璃纤维滤膜等含硅滤膜。

上文所述的一系列的详细说明仅仅是针对本发明的可行性实施方式的具体说明，它们并不是用以限制本发明的保护范围，在所述技术领域普通技术人员所具备的知识范围内，在不脱离本发明宗旨的前提下作出的各种变化均属于本发明的保护范围。