CN103521083B - 一种在线研究膜界面行为的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种在线研究膜界面行为的方法，方法包括以下步骤：步骤1，配置腐殖酸溶液，调节腐殖酸溶液pH为5～9；步骤2，将混凝剂及调节pH后的腐殖酸溶液分别连续进入混合池进行混合；步骤3，与混凝剂充分混合后的腐殖酸溶液进入絮凝池与絮凝剂进行絮凝，获得含絮体的出水；步骤4，含絮体的出水进入透明膜组件进行膜过滤实验；步骤5，利用粒子图像测速系统以絮体作示踪粒子，在不同时间连续拍摄透明膜组件内絮体的流动情况；步骤6，根据连续拍摄结果进行膜污染与絮体流动情况变化的关系研究。本发明将PIV这一可视化流体测量技术应用到混凝-超滤处理微污染水的膜界面行为的研究，进一步拓宽PIV技术在环境领域中的应用。
Description
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，特别是涉及一种在线研究混凝-超滤处理微污染水的膜界面行为的方法。
背景技术
膜技术是21世纪水处理领域的高新技术，尤其近年随着膜材料制备技术的发展，价格逐年下降，膜技术已越来越成为水质净化处理的发展方向和必然趋势。但在实际应用过程中，膜污染问题极大地限制了膜过滤和分离效率。
为了提高超滤对水中天然有机物的去除效果并减缓膜污染，通常进行各种预处理来减缓膜污染。混凝是水质安全处理工艺中最普遍采用的单元技术，也是膜滤技术常用的前置预处理单元技术。但是现有关于混凝-超滤组合工艺的研究多数集中在对污染物的去除效果上，很少关注实际运行过程中流体水动力学动态表现以及膜界面行为的动态过程观测。因此寻求一种新的方法探求膜周围和膜组件内部的流体水动力学，对探寻最优膜组件内流体速度，有效控制膜污染起到重要的作用。
PIV（ParticleImageVelocimetry），即粒子图像测速技术是一种由流动显示技术发展而来的非接触式、瞬态的整场流动测量方法，通过流体中的颗粒，根据图像处理技术分析粒子图像的唯一而得到空间多点的速度矢量。由于PIV技术能够直观地监测瞬时全场的流动信息，这一技术越来越广泛地应用流动测量中。但是目前将其应用到水处理过程中污染物的观测以及膜界面行为的研究还鲜有报道。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种在线研究膜界面行为的方法。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种在线研究膜界面行为的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，配置腐殖酸溶液，调节腐殖酸溶液pH为5～9；
步骤2，将混凝剂及调节pH后的腐殖酸溶液分别连续进入混合池进行混合均匀；优选腐殖酸溶液的进入混合池的速度为40ml/min；混凝剂的连续进入速度为240μL/min；
步骤3，步骤2的混合液充分混合后进入絮凝池进行絮凝，获得含絮体的出水；
步骤4，含絮体的出水进入透明膜组件进行膜过滤实验；
步骤5，利用粒子图像测速（ParticleImageVelocimetry）系统以絮体作示踪粒子，在不同时间连续拍摄透明膜组件内絮体的流动情况；
步骤6，根据连续拍摄结果进行膜污染与絮体流动情况变化的关系研究。
优选地，所述腐殖酸溶液浓度为10mg/L。
优选地，所述透明膜组件的膜材质为聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜。
优选地，混凝剂为无机铝盐（如AlCl3·6H2O）或无机高分子絮凝剂（如PAC聚合氯化铝），混凝剂浓度为0.1mM/mL～1.2mM/mL。
优选地，步骤2在搅拌条件下进行，搅拌强度为50r/min～200r/min，搅拌时间为3min～30min。
优选地，所述粒子图像测速系统由半导体激光发生器，像素为1280*1024的高速CCD相机、过程控制软件MicroVecV3和图像处理软件tecplot组成。
更优选地，所述粒子图像测速系统中，跨帧时间设为70ms，通道时间设为2ms，曝光时间为2ms，采集频率为8fps，激光器工作频率设为3.8HZ，图像放大率设为0.0253576mm/pixel。
本发明的有益效果是：将PIV这一可视化流体测量技术应用到混凝-超滤处理微污染水的膜界面行为的研究，进一步拓宽PIV技术在环境领域中的应用。通过研究膜周围絮体的流动情况研究膜界面行为，进而优化水流条件控制膜污染。
附图说明
图1为使用0.1mM/L的PAC（聚合氯化铝）混凝剂的在线混凝-超滤PIV实验运行初始15min的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图；
图2为使用0.1mM/L的PAC（聚合氯化铝）混凝剂的在线混凝-超滤PIV实验运行初始200min的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图；
图3为使用0.1mM/L的AlCl3混凝剂的在线混凝-超滤PIV实验运行初始15min的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图
图4为使用0.1mM/L的AlCl3混凝剂的在线混凝-超滤PIV实验运行初始200min的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图；
具体实施方式
以下结合实施例对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
本发明的主要技术内容在于：配置一定浓度的腐殖酸溶液，调节pH，溶液首先进入混合池与混凝剂充分混合，再进入絮凝池进行充分絮凝，絮凝后出水直接进入透明膜组件进行膜过滤实验，利用计算机控制PIV系统以絮体作示踪粒子，在不同时间连续拍摄膜组件内絮体的流动情况，进行膜污染与絮体流动情况变化的关系研究。
絮体指水中胶体颗粒通过加入混凝剂脱稳后，相互接触聚集形成的一种绒毛状固体物。
在以下实施例中，所使用的粒子图像测速系统（由北京立方天地科技生产）由半导体激光发生器、像素为1280*1024的高速CCD相机、过程控制软件MicroVecV3和图像处理软件tecplot（美国Tecplot公司软件版本为Tecplot10）组成。
粒子图像测速系统中，跨帧时间设为70ms，通道时间设为2ms，曝光时间为2ms，采集频率为8fps，激光器工作频率设为3.8HZ，图像放大率设为0.0253576mm/pixel。
实施例1
步骤1，配置浓度为10mg/L的腐殖酸溶液，调节腐殖酸溶液pH为5～9；
步骤2，调节pH后的腐殖酸溶液进入混合池与连续进入所述混合池的混凝剂进行混合均匀，腐殖酸溶液的进入速度为40ml/min；混凝剂为0.1mM/mL的PAC，混凝剂的连续进入速度为240μL/min；混合时搅拌强度为50r/min～200r/min，搅拌时间为3min～30min。
步骤3，与混凝剂充分混合后的腐殖酸溶液进入絮凝池进行絮凝，获得含絮体的出水；
步骤4，含絮体的出水进入透明膜组件进行膜过滤实验；
步骤5，利用粒子图像测速（ParticleImageVelocimetry）系统以絮体作示踪粒子，每隔10min连续拍摄透明膜组件内絮体的流动情况，试验运行220min；
步骤6，使用Tecplot软件分析，可得到在线的实验图形和数据。根据结果进行膜污染与絮体流动情况变化的关系研究。
图1和图2为使用0.1mM/L的PAC（聚合氯化铝）混凝剂的在线混凝-超滤PIV实验结果图。图1为运行初始15min的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图，图2为运行结束220min时的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图。由实验结果图可以清晰的看出随着实验运行时间的延长，膜附近的浓差极化和滤饼层污染现象越来越严重，膜周围的低速黑色区域明显变大。而且在右上方由于絮体黏附在装置壁面导致了较强的边界层效应也使低速区域变大。PIV实验清晰的显示了随着运行时间的延长膜附近絮体流场的变化情况。
从图1和图2可以看出：随着在线混凝-超滤实验的运行，膜污染越来越严重，边壁和膜表面的边界层效应不断增强，组件边壁和膜周围的代表低流速的区域不断扩大。而且膜轴向上部污染最严重，中部次之，下部最轻。实验结果可以为后续改进膜组件减缓浓差极化和滤饼层污染提供组件内流体特性的相关理论依据。
实施例2
配置浓度为10mg/L的腐殖酸溶液，腐殖酸溶液的进入速度为40ml/min；混凝剂为0.1mM/mL的AlCl3，其连续进入速度为320μL/min，腐殖酸溶液与混凝剂在混合池中经200r/min的充分搅拌，混合充分后，进入絮凝池，混凝之后进入透明膜池，用计算机控制PIV系统每隔10min对透明膜池的中空纤维膜截面进行实时拍摄检测，试验运行220min，使用Tecplot软件分析，可得到在线的实验图形和数据。
图3和图4为使用0.1mM/L的AlCl3混凝剂的在线混凝-超滤PIV实验结果图。图3为运行初始15min的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图，图4为运行结束220min时的距离膜表面0.1mm处的一个截面的絮体速度云图。由实验结果图可以清晰的看出随着实验运行时间的延长，膜附近的浓差极化和滤饼层污染现象不是很明显，膜周围的低速区域面积几乎没有变化，相较实施例1使用PAC作混凝剂的实验现象而言，实施例2的AlCl3混凝剂导致的膜污染和浓差极化现象较轻，整个试验运行过程的膜通量衰减较弱。
PIV实验可视化的显示了在不同混凝剂条件下，在线混凝-超滤工艺膜污染和浓差极化的不同程度，以及由此造成的絮体膜界面行为的不同变化情况。进而为后续的改进膜装置减缓膜污染和浓差极化现象提供了很好的依据。
从图3和图4实验实验图形和数据可以看出：随着在线混凝-超滤实验的运行，膜污染越来越严重，边壁和膜表面的边界层效应不断增强，组件边壁和膜周围的代表低流速的区域不断扩大。膜污染较实施例1轻，边壁和膜表面的边界层效应也相对不太明显。实验结果可以显示进水速度较大的时候，由于水流的剪切力较大，不断冲刷膜表面而使得污染和浓差极化大为减轻。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种在线研究膜界面行为的方法，所述方法包括以下步骤：
步骤1，配置腐殖酸溶液，调节腐殖酸溶液pH为5～9；
步骤2，将混凝剂及调节pH后的腐殖酸溶液分别连续进入混合池进行混合；步骤2在搅拌条件下进行，搅拌强度为50r/min～200r/min，搅拌时间为3min～30min；
步骤3，与混凝剂充分混合后的腐殖酸溶液进入絮凝池进行絮凝，获得含絮体的出水；
步骤4，将含絮体的出水进入透明膜组件进行膜过滤实验；
步骤5，利用粒子图像测速(ParticleImageVelocimetry)系统以絮体作示踪粒子，在不同时间连续拍摄透明膜组件内絮体的流动情况；
步骤6，根据连续拍摄结果进行膜污染与絮体流动情况变化的关系研究；
所述粒子图像测速系统由半导体激光发生器、像素为1280*1024的高速CCD相机、过程控制软件MicroVecV3和图像处理软件tecplot组成；
所述粒子图像测速系统中，跨帧时间设为70ms，通道时间设为2ms，曝光时间为2ms，采集频率为8fps，激光器工作频率设为3.8HZ，图像放大率设为0.0253576mm/pixel；
腐殖酸溶液的进入混合池的速度为40ml/min；混凝剂的连续进入速度为240μL/min。
2.根据权利要求1所述在线研究膜界面行为的方法，其特征在于，所述腐殖酸溶液浓度为5mg/L～20mg/L。
3.根据权利要求1所述在线研究膜界面行为的方法，其特征在于，所述透明膜组件的膜材质为聚偏氟乙烯中空纤维超滤膜。
4.根据权利要求1所述在线研究膜界面行为的方法，其特征在于，混凝剂为无机铝盐絮凝剂或无机高分子絮凝剂。
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| Title |
|---|
| 膜生物反应器内流场动力学特性的PIV实验研究;李春丽等;《环境工程学报》;20130331;第7卷(第3期);第918-924页 * |
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