CN111732162A - 一种切向流原位水样过滤器及过滤方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种切向流原位水样过滤器及过滤方法，原水在过滤盘转动及水泵抽吸的共同作用下，以切向流形式渗过滤膜进入过滤腔后从出水孔流出。该过滤器采用切向流过滤方式，过滤盘上附有滤膜，过滤盘内留有过滤腔，并设导流槽。过滤盘转动时原水与滤膜做相对运动，在滤膜表面产生剪切流；原水不垂直于滤膜表面流动，使水和小分子溶质透过滤膜进入过滤腔；在抽水泵的作用下，过滤腔中的滤后净水经内置的导流槽流出；原水则在剪切力的作用下不断冲刷滤膜表面，抑制滤饼形成。该过滤器不易发生堵塞，可满足布设于不同水体尤其是浊度较高水体中的原位水质监测仪器对水样在线、长期、连续过滤的需求。

Description

一种切向流原位水样过滤器及过滤方法

技术领域

本发明涉及环境监测技术领域，具体是一种切向流水原位样过滤器及过滤方法。

背景技术

水质原位监测技术指的是将监测仪器直接置入水体中检测目标物的技术方法，可避免样品采集、储存和运输过程中可能的污染和操作误差，能更实时、更准确地获取水环境质量的观测数据，弥补传统实验室分析模式的不足，是水质分析领域公认的最佳有效分析手段。但地表水和近岸海水等水体中的悬浮颗粒含量较高(即浊度较高)，在湖泊、河口、典型渔业水域等极其需要原位监测的区域更是如此。而大部分原位水质分析仪是以光学检测为基础的仪器，悬浮颗粒会产生假信号，极大地影响这类分析仪的测定，降低分析数据的准确度和精密度。此外，悬浮颗粒还造成各种原位水质分析仪进水管的堵塞或生物玷污，使分析数据完全不能反映水体的真实水质状况。

为降低悬浮颗粒对测定的影响，满足原位水质分析仪长期连续监测的需求，需对水样进行连续过滤。常用的针筒式过滤器和微孔滤膜过滤器均只能进行序批式间断性过滤，不能获取实时的滤后水样，且能过滤的水样体积小；嚢式过滤器采用折叠式滤膜，具有较大的过滤面积，虽能过滤较大体积水样，但应用于悬浮颗粒含量较高的场合时，仍很快发生堵塞。这些过滤器的过滤方式是传统的死端过滤或垂直过滤，其过滤方向与原水的流动方向一致。死端过滤将原水置于滤膜之上，在压力差的推动下，水分子和小于膜孔径的溶质会透过滤膜，大于膜孔径的颗粒物则被滤膜截留，堆积在膜面上。随着过滤水样体积的增大，滤膜表面堆积的颗粒物逐渐增多，滤膜的渗透性逐渐下降，流速逐渐降低，因此死端过滤只能处理小体积水样。一旦滤后净水的流量低于需水要求，就必须停止过滤，以人工清洗过滤器或更换滤膜甚至更换过滤器。

现有的过滤手段均不能为长期无人值守的原位水质分析仪提供不间断的实时滤后水样，人工清洗过滤器或更换过滤器对位于边远地区或海上浮标的仪器来说更是费时费力，因此使原位分析目标物的时空分辨率大打折扣。水样的原位过滤是目前所有原位水质分析仪均面临的重大难题之一，过滤装置的性能直接影响原位监测仪器的运行及所获取数据的可靠性。

发明内容

本发明提供了一种切向流原位水样过滤器及过滤方法，其克服了背景技术所存在的不足。本发明解决其技术问题所采用的技术方案之一是：

一种切向流原位水样过滤器，其与水泵相配合使用，它包括：

壳体；

主轴动力传动单元，其安装在壳体内，包括能相对壳体旋转的主轴，该主轴伸出壳体；

过滤盘，其与主轴相连接且随着主轴的转动而转动，其包括过滤支架、滤膜、多孔压板、导流板；过滤支架设有原水进口、净水出水孔，滤膜、多孔压板和导流板均固定在过滤支架内，滤膜贴合在多孔压板正面且与原水进口相对应或齐平，多孔压板开设有若干个通孔以形成一层滤网结构；多孔压板背面与导流板正面之间形成一过滤腔以存储滤后净水；导流板背面开设有与过滤腔和净水出水孔均相连通的导流槽，以在导流的同时减小过滤腔内的死体积；

过滤盘转动时，原水与滤膜做相对运动，产生剪切流；原水平行于滤膜表面流动，产生紧靠滤膜的压力，使水和小分子溶质透过滤膜进入过滤腔；在抽水泵的作用下，过滤腔中的滤后净水由内置的导流槽流向净水出水孔，而后被抽出。

一较佳实施例之中：所述过滤空腔自多孔压板之中心向外延伸。

一较佳实施例之中：所述多孔压板背面压抵在过滤支架内且其背面设置具有开口的凹腔，凹腔底壁开设所述通孔，所述导流板正面设置具有开口的凹槽，所述导流板置于凹腔内，所述凹槽与凹腔底壁之间形成所述的过滤腔。

一较佳实施例之中：所述过滤盘还包括第一密封圈，该第一密封圈夹置在多孔压板背面与过滤支架之间。

一较佳实施例之中：所述过滤支架包括第一过滤支架和第二过滤支架，第一过滤支架与第二过滤支架之间可拆卸地连接，且二者之间形成装配腔，所述原水进口开设在第二过滤支架且与装配腔相接通，所述净水出水孔开设在第一过滤支架且与装配腔相接通，所述滤膜、多孔压板和导流板均位于装配腔内。

一较佳实施例之中：所述导流槽包括中心槽部和与中心槽部相连通的若干分槽部，该中心槽部和分槽部均开设有与过滤腔相连通的贯穿孔；该中心槽部与净水出水孔相对应。

一较佳实施例之中：所述若干分槽部围绕中心槽部呈环形间隔布置。

一较佳实施例之中：所述过滤盘还包括密封垫圈，该密封垫圈位于所述凹腔内并夹置在导流板背面与过滤支架之间并覆盖分槽部，其中心开设有与过滤出水孔和中心槽部均相连通的连接孔。

一较佳实施例之中：所述主轴设有上下贯穿的让位通孔，另设有过滤出水管，该过滤出水管一端与净水出水孔相连接、另一端穿过让位通孔后延伸至壳体顶端。

一较佳实施例之中：所述主轴动力传动单元还包括主轴电机和主轴传动组件，主轴电机固接在壳体内且与主轴传动组件相传动连接，主轴传动组件位于壳体内且与主轴相传动连接。

一较佳实施例之中：所述壳体设有主轴固定套筒，所述主轴穿过主轴固定套筒后与过滤盘相连接。

一较佳实施例之中：所述主轴与主轴固定套筒之间设置有防水轴承。

一较佳实施例之中：所述防水轴承之内圈与主轴之间设置有第二密封圈，防水轴承之外圈与主轴固定套筒之间设置有第三密封圈。

一较佳实施例之中：该过滤器还包括自清洁装置，该自清洁装置包括毛刷以及毛刷动力传动单元，毛刷动力传动单元安装在壳体内，所述毛刷传动连接毛刷动力传动单元，且可在靠抵滤膜表面的靠抵位置和离开滤膜表面的离开位置之间活动。

一较佳实施例之中：所述毛刷动力传动单元包括直线动力电机和直线传动组件，所述直线传动组件两端分别传动连接直线动力电机和毛刷。

一较佳实施例之中：所述直线传动组件包括依次连接的联轴杆、直线运动活塞杆和直线运动固定架，所述联轴杆活动安装在壳体内且与直线动力电机之输出轴相连接，所述直线运动活塞杆活动安装在壳体内且其底端伸出壳体，所述直线运动固定架位于壳体外，所述毛刷固接在直线运动固定架上且刷毛朝向滤膜表面。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案之二是：

应用上述任意一项所述的切向流原位水样过滤器的过滤方法，其包括：

将该过滤器完全浸没于原水中，启动主轴动力传动单元以使过滤盘进行顺时针和逆时针的往复转动，并启动水泵以对净水出水孔进行抽吸水；

在过滤盘转动作用下，滤膜和原水之间形成水流方向与滤膜表面平行的剪切流，且原水在该剪切力和水泵的共同作用下形成透过流，并以切向流形式渗过滤膜完成过滤，且过滤后的水样进入过滤腔内，并流经导流槽后从净水出水孔流出；

过滤盘在转动过程中产生的离心力会克服透过流的拽力，使悬浮颗粒物径向向外运动而抛离滤膜表面，减少颗粒物聚集和滤膜堵塞；原水在剪切力的作用下不断冲刷膜面，以抑制滤饼形成。

一较佳实施例之中：该过滤器还包括自清洁装置，该自清洁装置包括毛刷以及毛刷动力传动单元，当需要对滤膜表面进行清洁时，毛刷在毛刷动力传动单元的传动作用下移动至靠抵滤膜表面的靠抵位置，过滤盘转动过程中毛刷可对滤膜表面进行清扫以完成滤膜的深度清洁，实现可持续、长时间的水样连续过滤。

本技术方案与背景技术相比，它具有如下优点：

1.该过滤器采用切向流过滤，是指液体流动方向与过滤方向呈垂直方向的过滤形式。过滤盘转动时原水与滤膜做相对运动，在滤膜表面产生剪切流；原水不垂直于滤膜表面流动，使水和小分子溶质透过滤膜进入过滤腔；在抽水泵的作用下，过滤腔中的滤后净水经内置的导流槽流出；原水则在剪切力的作用下不断冲刷滤膜表面，抑制滤饼形成。该过滤器不易发生堵塞，可满足布设于不同水体尤其是浊度较高水体中的原位水质监测仪器对水样在线、长期、连续过滤的需求。由于环境水体中的水量充沛而原位水质分析仪的需水量很小，过滤盘的转速即滤膜表面上的原水流量可以设计得很大，而滤膜背面的净水流量相对小得多，因此，在大量原水冲刷滤膜表面的情况下，滤膜的寿命可以很长。

该过滤器不易发生堵塞，适用于地表水和近岸海水等浊度较高水样的原位、长期、连续过滤。该过滤器与原位水质分析仪搭配，可满足长时间无人值守、自动监测的需求。

2.过滤腔自多孔压板之中心向外延伸，以使过滤腔与通孔相对应的面积不止局限在多孔压板的中心，过滤腔与通孔相对应的面积越大，滤膜的均匀利用率越大，过滤效果越好。

3.第一过滤支架与第二过滤支架之间可拆卸地连接，滤膜、多孔压板和导流板均位于装配腔内；需要更换滤膜时，只需先将第一过滤支架和第二过滤支架进行拆卸，再将用过的滤膜从装配腔内取出，重新装上新的滤膜后再将第一过滤支架和第二过滤支架进行装配，使得滤膜的更换更加简单且方便。

4.导流槽包括中心槽部和若干分槽部，过滤腔内的滤后净水通过各个贯穿孔进入至分槽部内，再从分槽部汇聚至中心槽部，接着从中心槽部流至净水出水孔内，使得过滤腔内的滤后净水能快速汇聚至净水出水孔附近，不仅能有效减小过滤腔内的死体积，更易获得实时水样；且，该导流槽结构还能使滤膜的使用更加均匀，不易出现因局部长期堵塞而损坏的现象。

5.若干分槽部围绕中心槽部呈环形间隔布置，使得滤膜的使用更加均匀。

6.过滤盘包括密封垫圈和第一密封圈，以使过滤盘具有密封效果，保证所有进入过滤腔的水均是滤后净水。

7.主轴设有让位通孔，过滤出水管一端与净水出水孔相连接、另一端穿过让位通孔后延伸至壳体顶端，使得外部无法看到过滤出水管，保证了该过滤器的美观。

8.主轴与主轴固定套筒之间设置有第一防水轴承和第二防水轴承，可保证主轴转动的稳定性且不受水的腐蚀。

9.第二密封圈和第三密封圈的设置可避免原水进入主轴固定套筒内。

10.自清洁装置包括毛刷以及毛刷动力传动单元，当需要对滤膜表面进行清洁时，毛刷在毛刷动力传动单元的传动作用下移动至靠抵滤膜表面的靠抵位置，过滤盘转动过程中毛刷可对滤膜表面进行清扫以完成滤膜的深度清洁，实现可持续、长时间的水样连续过滤。自清洁装置进一步增加滤膜的有效过滤时间，延长滤膜的使用寿命。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

图1绘示了一较佳实施例的过滤器的整体示意图之一。

图2绘示了一较佳实施例的过滤器的整体结构示意图之二。

图3绘示了一较佳实施例的过滤盘的立体结构图。

图4绘示了一较佳实施例的过滤盘的正视图。

图5绘示了一较佳实施例的过滤盘的剖视图。

图6绘示了一较佳实施例的过滤盘的立体分解图。

图7绘示了一较佳实施例的导流板的结构图。

图8绘示了一较佳实施例的该过滤器省略过滤盘和毛刷时的立体分解图。

图9绘示了一较佳实施例的主轴动力传动单元的立体装配图。

图10绘示了一较佳实施例的主轴的立体图。

图11绘示了图9的剖视图。

图12绘示了一较佳实施例的自清洁装置和主轴动力传动单元的立体装配图。

图13绘示了一实施例连续过滤实验效果图。

具体实施方式

以下通过具体实施方式结合附图对本发明的技术方案进行进一步的说明和描述。

实施例1

请查阅图1至图12，一种切向流原位水样过滤器的一较佳实施例，所述的一种切向流原位水样过滤器，其与水泵(图中未示出)相配合使用，它包括：壳体100、主轴动力传动单元、过滤盘200。

如图8所示，所述壳体100包括依次连接的上盖板110、空心柱状套筒120和下盖板130。本实施例中，上盖板110与空心柱状套筒120、空心柱状套筒120与下盖板130之间均采用螺钉螺接的方式进行固接。或者，上盖板110与空心柱状套筒120、空心柱状套筒120与下盖板130之间也可采用卡扣卡接、榫块榫接的连接方式进行连接，不以此为限。

所述主轴动力传动单元安装在壳体100内，其包括能相对壳体100旋转的主轴300，该主轴300伸出壳体100。

本实施例中，所述主轴动力传动单元还包括主轴电机310和主轴传动组件，主轴电机310固接在壳体100内且与主轴传动组件相传动连接，主轴传动组件位于壳体100内且与主轴300相传动连接。如图9所示，主轴传动组件包括传动齿轮组，传动齿轮组中的驱动齿轮320固接在主轴电机310之输出轴上，且驱动齿轮320与随动齿轮330相啮合配合，随动齿轮330固接在主轴300顶端。主轴电机310为20千克大扭矩360度数字舵机，传动齿轮组为铜制齿轮组，驱动齿轮320模数为1、齿数为28，随动齿轮330模数为1、齿数为36。

本实施例中，所述壳体100设有主轴固定套筒140，所述主轴300穿过主轴固定套筒140后与过滤盘200相连接。如图11所示，所述下盖板130包括基座131和固接在基座131中心的所述主轴固定套筒140，主轴300底端穿过主轴固定套筒140后伸出基座131，也即，所述主轴300底端伸出壳体100底端。

本实施例中，如图11所示，所述主轴300与主轴固定套筒140之间设置有防水轴承340。该防水轴承340设有两个且上下叠置：一方面可利用防水轴承340的防水性进行多层水密封，另一方面双轴承可增加承载力，保证主轴300转动时不会出现偏心。所述防水轴承340之内圈与主轴之间设置有第二密封圈341，防水轴承340之外圈与主轴固定套筒140之间设置有第三密封圈342。第二密封圈341和第三密封圈342均采用氟橡胶材质，以实现防水轴承340内圈和外圈的静态水密封。同时，在防水轴承340下方还设置有第四密封圈343，该第四密封圈343可实现主轴300在旋转过程中的动态水密封。由此，可有效解决主轴300在旋转运动时的防水密封问题。且，通过外卡环344固定在主轴固定套筒140、内卡环345固定在主轴300上以对主轴300进行轴向限位。

所述过滤盘200与主轴300相连接且随着主轴300的转动而转动，其包括过滤支架、滤膜210、多孔压板220、导流板230，过滤支架设有原水进口201、净水出水孔202，滤膜210、多孔压板220和导流板230均固定在过滤支架内，滤膜210贴合在多孔压板220正面且滤膜210与原水进口201相对应或齐平，多孔压板220开设有若干个通孔221以形成一层滤网结构；多孔压板220背面与导流板230正面之间形成一过滤腔222以存储滤后净水；导流板230背面开设有与过滤腔222、和净水出水孔202均相连通的导流槽；原水在过滤盘200转动以及水泵的抽吸作用下，部分水连同溶质以切向流形式渗过滤膜210进入过滤腔222内、并流经导流槽后从净水出水孔202流出。如图2所示，所述过滤盘200固接在主轴300底端部，该过滤盘200与壳体100具有一定间隔，二者相互独立。在实际设计中，过滤腔222的体积越小越好，以能尽快采集滤后净水进行监测。

本实施例中，所述过滤腔222自多孔压板220之中心向外延伸。如图4和图5所示，所述通孔221几乎布满整个多孔压板220，所述过滤腔222的横截面积略大于所有通孔221围成的面积，以使过滤腔222与通孔221相对应的面积不止局限在多孔压板220的中心，过滤腔222与通孔221相对应的面积越大，滤膜210的均匀利用率越大，过滤效果越好。

本实施例中，如图6所示，所述多孔压板220背面压抵在过滤支架内且其背面设置具有开口的凹腔223，凹腔底壁开设所述通孔221，所述导流板230正面设置具有开口的凹槽231，所述导流板230置于凹腔223内，所述凹槽231与凹腔223底壁之间形成所述的过滤腔222。

本实施例中，所述过滤盘200还包括第一密封圈203，该第一密封圈203夹置在多孔压板220背面与过滤支架之间。

本实施例中，所述过滤支架包括第一过滤支架240和第二过滤支架250，第一过滤支架240与第二过滤支架250之间可拆卸地连接，且二者之间形成装配腔241，所述原水进口201开设在第二过滤支架250且与装配腔241相接通，所述净水出水孔202开设在第一过滤支架240且与装配腔241相接通，所述滤膜210、多孔压板220和导流板230均位于装配腔241内。具体的，所述过滤支架还包括均呈圆环状的第一紧固件260和第二紧固件270，第一过滤支架240顶面设有环形的第一台阶面242，第二过滤支架250底面设有环形的第二台阶面251，第一紧固件260套置在第一台阶面242上，第二紧固件270套置在第二台阶面251上，另设有紧固螺钉，通过紧固螺钉依次将第一紧固件260、第一过滤支架240、第二过滤支架250和第二紧固件270可拆卸式地连接在一起。所述滤膜210面积与多孔压板220正面面积大体相同，滤膜210的圆周压抵在多孔压板220和第二过滤支架250之间。为了更好对滤膜210进行固定，滤膜210与多孔压板220和第一过滤支架250相接触的接触面设置为多波浪形密封面。

且，第一过滤支架240顶端还设有第一锁接盘243，该第一锁接盘243与第一过滤支架240顶面之间形成容置槽244，另设有两个半圆形的锁接片245和锁接螺钉，两个锁接片245置入容置槽244内；所述主轴300底端设有第二锁接盘301，该第二锁接盘301靠抵在第一锁接盘243上，并通过锁接螺钉将第一锁接盘243、第二锁接盘301和锁接片245同时锁接在一起，进而将主轴300与过滤盘200相固定。

本实施例中，如图7所示，所述导流槽包括中心槽部232和与中心槽部232相连通的若干分槽部233，该中心槽部232和分槽部233均开设有与过滤腔222相连通的贯穿孔234；该中心槽部232与净水出水孔202相对应。

本实施例中，所述若干分槽部233围绕中心槽部232环形间隔布置。如图7所示，所述分槽部233呈长条形，整个导流槽呈太阳花的形状。根据需要，分槽部233也可设有其他形状，如三角形、梯形不等，不以此为限。

本实施例中，所述过滤盘200还包括密封垫圈280，该密封垫圈280位于所述凹腔223内并夹置在导流板230背面与过滤支架之间并覆盖分槽部233，其中心开设有与净水出水孔202和中心槽部232均相连通的连接孔281。

本实施例中，所述滤膜210采用聚醚砜材质。或者，该滤膜210也可采用其他材质，如尼龙、聚四氟乙烯、聚丙烯等，不以此为限。

本实施例中，所述主轴300设有上下贯穿的让位通孔302，也即，呈空心状，另设有过滤出水管(图中未示出)，该过滤出水管一端与净水出水孔202相连接、另一端穿过让位通孔302后延伸至壳体100顶端。如图8所示，上盖板110设有接头槽111，另设有接头板112，该接头板112固接在接头槽111内，接头板112上设置有防水电气接头113和标准水路的穿孔接头114，所述过滤出水管另一端与穿孔接头114相连接，以便从穿孔接头114处将滤后净水导出至原位水质分析仪内。

本实施例中，该过滤器还包括自清洁装置，该自清洁装置包括毛刷(图中未示出)以及毛刷动力传动单元，毛刷动力传动单元安装在壳体100内，所述毛刷传动连接毛刷动力传动单元，且可在靠抵滤膜210表面的靠抵位置和离开滤膜210表面的离开位置之间活动。本实施例中，毛刷选用PVC条形毛刷。

本实施例中，所述毛刷动力传动单元包括直线动力电机400和直线传动组件，所述直线传动组件两端分别传动连接直线动力电机400和毛刷。

本实施例中，所述直线传动组件包括依次连接的联轴杆410、直线运动活塞杆420和直线运动固定架430，所述联轴杆410活动安装在壳体100内且与直线动力电机400之输出轴相连接，所述直线运动活塞杆420活动安装在壳体100内且其底端伸出壳体100，所述直线运动固定架430位于壳体100外，所述毛刷固接在直线运动固定架430上且刷毛朝向滤膜210表面。

直线动力电机400为一微型一体化直线伺服驱动器，其内部集成有动力系统、减速系统、直线运动系统以及位置反馈系统，结合前馈补偿的位置闭环控制方法，可精确地实现0-15mm直线运动。为有效解决直线运动活塞杆420直线往复运动的动态水密封问题，如图12所示，在直线运动活塞杆420上设有两个倒锥形的密封缓冲套421和一耐磨环活塞422，两个密封缓冲套421以锥面相向安装于耐磨环活塞422两端。如图8所示，所述基座131上还设置有导向套132，所述直线运动活塞杆420位于导向套132内。

该自清洁装置工作时，直线动力电机400带动联轴杆410向上移动，并带动直线运动活塞杆420和直线运动固定架430向上移动，此时固定在直线运动固定架430上的毛刷也向上移动直至位于靠抵滤膜210表面的靠抵位置，借助过滤盘200的转动，毛刷自动清扫滤膜210表面上的积垢，以恢复滤膜210的透过率，完成滤膜210的深度自清洁。毛刷清洁滤膜210的频率和清刷时间可根据现场情况自由设定。

该过滤器的电路部分，包括控制单元，控制单元包括电源模块、通讯模块、外部触发模块、主轴电机驱动模块、直线动力电机驱动模块、主轴电机位置传感器、直线动力电机位置传感器和主控微处理器。其中，主控微处理器的型号为STM32L151C8U6；电源模块由两路DC-DC隔离转换模块构成，可分别从外部供电(8-30V直流电源)稳压获得6.3V和3.3V稳定电源，供给其他电路电源需求；除了主轴电机310及其驱动模块、直线动力电机400及其驱动模块使用6.3V以外，其他电路均采用3.3V电源。且电源模块可通过导线与防水电气接头113相连接。通讯模块采用RS485总线，运行Modbus-RTU工业协议，可通过主站控制、从站执行的方式更改过滤器系统参数以控制过滤器运行状态，该参数包括过滤盘的旋转角度、旋转速度和毛刷清刷滤膜的频率和时间等。外部触发模块可实时监控外部触发信号并唤醒主控微处理器进入工作模式，以完成过滤器运行状态的控制。主轴电机驱动模块和直线动力电机驱动模块均设为闭环控制，主控微处理器发出运动请求后，将通过位置传感器实时获取主轴电机310和直线动力电机400的转子位置，根据位置反馈信息实时调整电机控制输出，保证过滤盘200的往复旋转运动和毛刷的往复直线运动高精度运行。控制单元为降低功耗均作了低功耗处理，主控微处理器在无控制任务时，会切断所有驱动电路电源供给，关闭所有外设硬件，并工作于低功耗睡眠模式；在低功耗睡眠模式下，可被外部触发模块和通讯模块唤醒而进入工作模式。

应用上述所述的切向流原位水样过滤器的过滤方法，其包括：

先通过防水电气接头113和穿孔接头114与外部的原位水质分析仪完成电气连接和过滤水路连接，并从外部获取过滤器的电源供给和过滤动力源(水泵)；

接着，将该过滤器完全浸没于原水水体中，控制单元开始工作；

在工作状态下，控制单元启动主轴动力传动单元以使过滤盘200进行顺时针和逆时针的往复转动，并启动水泵以对净水出水孔202进行抽吸水；

在过滤盘200转动作用下，滤膜210和原水之间形成水流方向与滤膜210表面平行的剪切流，且原水在该剪切力和水泵的共同作用下形成透过流，并以切向流形式渗过滤膜210完成过滤，且过滤后的净水进入过滤腔222内，并流经导流槽后从净水出水孔202流出，最后经过滤出水管从穿孔接头114处流出；

过滤盘200在转动过程中产生的离心力会克服透过流的拽力，使悬浮颗粒物径向向外运动而抛离滤膜表面，减少颗粒物聚集和滤膜堵塞；原水在剪切力的作用下不断冲刷膜面，以抑制滤饼形成。

当需要对滤膜210表面进行清洁时，控制单元会通过毛刷动力传动单元带动毛刷移动至靠抵滤膜210表面的靠抵位置，过滤盘200转动过程中毛刷可对滤膜210表面进行清扫以完成滤膜210的深度清洁，实现可持续、长时间的水样连续过滤。

实施例2

切向流原位水样过滤器同实施例1，具体如下：

(1)使用直径138mm、孔径0.45μm的圆形聚醚砜滤膜210贴合在多孔压板220正面，通过多孔压板220和第一过滤支架250的多波浪形密封面将滤膜210密封固定。将第一紧固件260套置在第一台阶面242上，第二紧固件270套置在第二台阶面251上，通过紧固螺钉依次将第一紧固件260、第一过滤支架240、密封垫圈280、导流板230、第一密封圈203、多孔压板220、第二过滤支架250和第二紧固件270连接在一起，完成过滤盘200的装配；并通过锁接片245和锁接螺钉将第一锁接盘243和第二锁接盘301进行锁接固定，完成主轴300与过滤盘200的装配连接。

(2)通过防水电气接头113给过滤器提供24V直流电源，并使用蠕动泵连接至穿孔接头114处，为过滤器提供过滤动力源。

(3)将该过滤器完全浸没于装有原水水样的水桶中，并使用磁力搅拌器不断搅拌桶中原水水样，保持水样浊度。

(4)使用个人计算机通过RS485总线连接至防水电气接头113中通讯接口，并以Modbus-RTU工业协议与滤器控制单元进行通讯，设置过滤盘的旋转角度为200°、旋转速度为10rpm、毛刷清刷滤膜的时间间隔为20min、每次毛刷清刷滤膜时间为10s。

(5)设置过滤动力源蠕动泵流速为16mL/min，并使用在线流量计实时监控过滤后水样流速。

(6)使用在线浊度计实时监控过滤前水样浊度和过滤后水样浊度。

(7)每2个小时更换水桶中原水水样，并控制调节原水水样浊度在90-120NTU之间。

(8)连续过滤5x24小时，实施例实验结果如图13所示。

结果表明，对于浊度为90-120NTU的原水，切向流原位水样过滤器可连续、长期过滤水样，过滤后水样浊度均在5NTU以下；在泵速为16mL/min前提下，连续过滤时间大于120小时，随着过滤时间的推移，过滤流速虽有所下降，但均大于15mL/min，且滤膜在所考察时间范围内未发生堵塞。相同高浊度原水水样(浊度为90-120NTU)，使用常规溶剂过滤器过滤，单张滤膜(聚醚砜滤膜，直径50mm，孔径0.45μm)持续过滤时间约10min，总过滤水量小于200mL；切向流原位水样过滤器单张滤膜总过滤水量大于110000mL，滤膜单位面积(1cm²)总过滤水量至少是常规溶剂过滤器的72倍，极大地延长了滤膜使用时间和提高了滤膜可过滤水量。

以上所述，仅为本发明较佳实施例而已，故不能依此限定本发明实施的范围，即依本发明专利范围及说明书内容所作的等效变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖的范围内。

Claims (18)

1.一种切向流原位水样过滤器，其与水泵相配合使用，其特征在于：它包括：

壳体；

主轴动力传动单元，其安装在壳体内，包括能相对壳体旋转的主轴，该主轴伸出壳体；

过滤盘，其与主轴相连接且随着主轴的转动而转动，其包括过滤支架、滤膜、多孔压板、导流板；过滤支架设有原水进口、净水出水孔，滤膜、多孔压板和导流板均固定在过滤支架内，滤膜贴合在多孔压板正面且与原水进口相对应或齐平，多孔压板开设有若干个通孔以形成一层滤网结构；多孔压板背面与导流板正面之间形成一过滤腔以存储滤后净水；导流板背面开设有与过滤腔和净水出水孔均相连通的导流槽，以在导流的同时减小过滤腔内的死体积；

过滤盘转动时，原水与滤膜做相对运动使原水平行于滤膜表面流动，在滤膜表面产生剪切流和紧靠滤膜的压力，使水和小分子溶质透过滤膜进入过滤腔；在抽水泵的作用下，过滤腔中的滤后净水由内置的导流槽流向净水出水孔，而后被抽出。

2.根据权利要求1所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述过滤腔自多孔压板之中心向外延伸。

3.根据权利要求1所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述多孔压板背面压抵在过滤支架内且其背面设置具有开口的凹腔，凹腔底壁开设所述通孔，所述导流板正面设置具有开口的凹槽，所述导流板置于凹腔内，所述凹槽与凹腔底壁之间形成所述的过滤腔。

4.根据权利要求3所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述过滤盘还包括第一密封圈，该第一密封圈夹置在多孔压板背面与过滤支架之间。

5.根据权利要求1所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述过滤支架包括第一过滤支架和第二过滤支架，第一过滤支架与第二过滤支架之间可拆卸地连接，且二者之间形成装配腔，所述原水进口开设在第二过滤支架且与装配腔相接通，所述净水出水孔开设在第一过滤支架且与装配腔相接通，所述滤膜、多孔压板和导流板均位于装配腔内。

6.根据权利要求1所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述导流槽包括中心槽部和与中心槽部相连通的若干分槽部，该中心槽部和分槽部均开设有与过滤腔相连通的贯穿孔；该中心槽部与净水出水孔相对应。

7.根据权利要求6所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述若干分槽部围绕中心槽部呈环形间隔布置。

8.根据权利要求6所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述过滤盘还包括密封垫圈，该密封垫圈位于所述凹腔内并夹置在导流板背面与过滤支架之间并覆盖分槽部，其中心开设有与净水出水孔和中心槽部均相连通的连接孔。

9.根据权利要求1所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述主轴设有上下贯穿的让位通孔，另设有过滤出水管，该过滤出水管一端与净水出水孔相连接、另一端穿过让位通孔后延伸至壳体顶端。

10.根据权利要求1所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述主轴动力传动单元还包括主轴电机和主轴传动组件，主轴电机固接在壳体内且与主轴传动组件相传动连接，主轴传动组件位于壳体内且与主轴相传动连接。

11.根据权利要求10所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述壳体设有主轴固定套筒，所述主轴穿过主轴固定套筒后与过滤盘相连接。

12.根据权利要求11所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述主轴与主轴固定套筒之间设置有防水轴承。

13.根据权利要求12所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述防水轴承之内圈与主轴之间设置有第二密封圈，防水轴承之外圈与主轴固定套筒之间设置有第三密封圈。

14.根据权利要求1所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：该过滤器还设有自清洁装置，该自清洁装置包括毛刷以及毛刷动力传动单元；毛刷动力传动单元安装在壳体内，所述毛刷传动连接毛刷动力传动单元且可在靠抵滤膜表面的靠抵位置和离开滤膜表面的离开位置之间活动。

15.根据权利要求14所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述毛刷动力传动单元包括直线动力电机和直线传动组件，所述直线传动组件两端分别传动连接直线动力电机和毛刷。

16.根据权利要求15所述的一种切向流原位水样过滤器，其特征在于：所述直线传动组件包括依次连接的联轴杆、直线运动活塞杆和直线运动固定架，所述联轴杆活动安装在壳体内且与直线动力电机之输出轴相连接，所述直线运动活塞杆活动安装在壳体内且其底端伸出壳体，所述直线运动固定架位于壳体外，所述毛刷固接在直线运动固定架上且刷毛朝向滤膜表面。

17.应用权利要求1至16中任意一项所述的切向流原位水样过滤器的过滤方法，其特征在于：其包括：

将该过滤器完全浸没于原水中，启动主轴动力传动单元以使过滤盘进行顺时针和逆时针的往复转动，并启动水泵对净水出水孔进行抽吸水；

在过滤盘转动作用下，滤膜和原水之间形成水流方向与滤膜表面平行的剪切流，且原水在该剪切力和水泵的共同作用下形成透过流，并以切向流形式渗过滤膜完成过滤，且过滤后的水样进入过滤腔内，并流经内置的导流槽后从净水出水孔流出；

过滤盘在转动过程中产生的离心力会克服透过流的拽力，使悬浮颗粒物径向向外运动而抛离滤膜表面，减少颗粒物聚集和滤膜堵塞；原水则在剪切力的作用下不断冲刷滤膜表面，以抑制滤饼形成。

18.根据权利要求17所述的应用切向流原位水样过滤器的过滤方法，其特征在于：该过滤器还设有自清洁装置，该自清洁装置包括毛刷以及毛刷动力传动单元，当需要对滤膜表面进行清洁时，毛刷在毛刷动力传动单元的传动作用下移动至靠抵滤膜表面的靠抵位置，过滤盘转动时毛刷可对滤膜表面进行清扫以完成滤膜的深度清洁，实现可持续、长时间的水样连续过滤。

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