CN104162368A - 基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法与装置，清液出口管道正中间的水平段处设有与清液出口管道紧密相连的磁珠检测装置，在磁珠检测管道内的中间径向水平并排布置浸在清液中的正、负极电极片；两个靠近但不接触的金属电极的下段均伸入到磁珠检测管道内的清液中、上段均伸出磁珠检测管道之外且在上段上各缠绕有一个线圈；两个二金属电极的顶端均通过MCU采样接口连接MCU主控单元，根据电压和电流计算出清液的电阻R₀，在原液中加入直径大于膜孔径的磁珠，采集此时两个金属电极之间的电压并计算出此时的电阻R，比较电阻R和电阻R₀，通过清液电阻的变化表征出过滤膜损坏的程度，检测灵敏度高，不会被对膜造成破坏。

Description

基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法与装置

技术领域

本发明涉及过滤膜损的检测技术领域，特别是涉及一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法与装置。 

背景技术

 在生物、化工、核工业、冶金、食品、饮料、医药及环保等行业都需要用到膜分离技术。在膜分离的过程中，由于液体反复冲击、有机化合物沉淀腐蚀膜管、加入助滤的超声波等都会使膜孔径发生变化，造成膜损伤，并且这些损伤都是不可逆不能修复的，使得该被过滤掉的杂质透过膜进入清液，提取出来的清液含有杂质，影响了膜的过滤性能。 因此，如何及时有效地检测膜破损，确保膜完整性尤为重要。 

 在膜损坏检测识别方面，目前常用的方法有：（1）泡点测试法。该方法的原理是检测一个完全润湿膜在缓慢加压条件下，气体冲破润湿膜孔形成大量气泡时能被检测的最小压力；（2）浊度检测法。该方法基于膜破损前后透过液的浊度不同，通过检测透过液的浊度反映膜是否完整；（3）微生物示踪测试法。该方法是将噬菌体和孢囊投入到一个已知有机污染物浓度的原水中，在没有加氯消毒前，测量滤过液中噬菌体数量。以上这些方法都存在自身缺陷，浊度检测法虽然能够连续在线检测，但是检测不灵敏并且受原液颗粒浓度和工艺条件的限制，应用范围较小。微生物示踪测试法虽然灵敏度高，但是生物媒介具有破坏性，测试时间长，不能及时反映膜完整性且不能够在线检测。泡点测试法不依赖原液水质，操作简单，但是也不能在线检测，测量时需要将膜从膜组件上移除。 

发明内容

为了克服现有膜损坏检测识别方法的不足，本发明提出一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法与装置，不受原液浓度的影响，不需要将膜从膜组件上移除，不会被对膜造成破坏，能够实现连续在线检测，检测灵敏度高且检测结果准确。 

本发明提出的一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测装置采用的技术方案是：包括装原液的原液罐，原液罐底部中心处通过原液进料管道连接膜组件上端，膜组件下端底部与清液出口管道一端相连，清液出口管道另一端伸入清液罐中，清液出口管道正中间为水平段，在该水平段处设有与清液出口管道紧密相连的磁珠检测装置；磁珠检测装置包括磁珠检测管道及位于磁珠检测管道外部的交流稳压电源，磁珠检测管道的两端与清液出口管道相连，在磁珠检测管道内的中间径向水平并排布置浸在清液中的正、负极电极片；交流稳压电源经正极输出排线连接正极电极片、经负极输出排线连接负极电极片；两个靠近但不接触的金属电极的下段均伸入到磁珠检测管道内的清液中、上段均伸出磁珠检测管道之外且在上段上各缠绕有一个线圈，两个所述线圈分别连接到正、负极输出排线上；两个二金属电极的顶端均通过MCU采样接口连接MCU主控单元。 

     本发明提出的一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法采用的技术方案是具有以下步骤： 

   A、开启交流稳压电源并设置其输出电流，正、负极电极片给磁珠检测管道内的清液通电流，两个通电的线圈使两个金属电极具有磁性，MCU主控单元通过MCU采样接口采集两个金属电极之间的电压，MCU主控单元根据电压和电流计算出清液的电阻R₀；

  B、在原液中加入直径大于膜孔径的磁珠，在原液进入膜组件中后，透过膜孔的清液经过清液出口管道和磁珠检测装置从清液出口管道流出，采集此时两个金属电极之间的电压并计算出此时的电阻R；

 C、比较电阻R和电阻R₀，若电阻R等于电压R₀，则清液中没有磁珠，膜完好；若电阻R符合 ，则清液中有少量磁珠，膜轻微破损；若电阻R符合，则清液中有大量磁珠，膜严重破损。

本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点：

1、本发明将定量的磁珠投入原液中，向清液中通入电流，通过金属电极采集清液电压，并在电极上端缠绕线圈构成电磁铁，将磁珠聚集在电极周围，将检测磁珠浓度转化为检测清液电阻，结合溶液与磁珠电阻差别较大的原理，通过清液电阻的变化表征出过滤膜损坏的程度。能够将所有透过膜孔的磁珠聚集起来，检测灵敏度高，可靠性好；通过检测清液中磁珠的浓度完成膜损检测，因此不受原液浓度的影响，不需要将膜从膜组件上移除，不会被对膜造成破坏，能够实现连续在线检测。

2、本发明检测出清液中磁珠浓度，并结合清液电阻与磁珠浓度呈线性关系的特点，通过清液电阻的变化表征出过滤膜损坏的程度，操作简单，测量准确。 

3、本发明中的磁珠颗粒最小可以达到纳米级，能够检测出各种类型过滤膜的损坏，应用范围广。 

4、本发明设计了膜损等级评判算法，在线评估膜的损坏等级，能够检测出过滤膜早期的轻微膜损，指导生产实践。能够最大化膜的利用率，提高生产效率。 

附图说明

图1是本发明一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测装置的整体结构示意图； 

图2是图1中电化学法磁珠检测装置12的侧视结构放大图；

图3是磁珠检测装置12中的清液电阻随磁珠浓度变化图；

图4是本发明基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法的工作流程简图。

附图中各部件的序号和名称：1.原液罐；2.原液进料管道；3.增压泵；4.第一阀门；5.原液进料管道法兰；6.第二阀门；7.浓缩液出口管道；8.浓缩液出口管道法兰；9.清液出口管道；10.清液出口管道法兰；11.膜组件；12.磁珠检测装置；13.磁珠检测装置法兰；14.第三阀门； 15.清液罐；16.交流稳压电源；17.正极输出排线；18.负极输出排线；19.正极电极片；20.负极电极片；21.磁珠检测管道；22.清液；23.第一金属电极；24.第二金属电极；25.线圈；26.磁珠；27.MCU采样接口。 

具体实施方式

参见图1，本发明一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测装置主要包括：原液罐1、原液进料管道2、增压泵3、浓缩液出口管道7、清液出口管道9、膜组件11、磁珠检测装置12、清液罐15等。将待处理料液装在原液罐1中，原液罐1底部中心处连接原液进料管道2的一端，原液进料管道2的另一端通过原液进料管道法兰5连接膜组件11上端。在靠近原液罐1底部处的原液进料管道2上设置第一阀门4，第一阀门4用于控制原液的流通，在第一阀门4和膜组件11之间的原液进料管道2上安装增压泵3，使原液罐1的料液充满各路管道及膜组件11。膜组件11下端侧部通过浓缩液出口管道法兰8与浓缩液出口管道7的一端相连，浓缩液出口管道7的中间处设有第二阀门6，用于控制浓缩液的的排放，浓缩液出口管道7的另一端从原液罐1顶部通入原液罐1中，可以将浓缩液收集到原液罐1后便于继续循环处理。膜组件11下端底部通过清液出口管道法兰10与清液出口管道9的一端入口端相连，过滤后的清液从清液出口管道9流出。清液出口管道9正中间为水平段，清液出口管道9正中间水平段处设有磁珠检测装置12，磁珠检测装置12的两端均通过磁珠检测装置法兰13与清液出口管道9紧密相连，磁珠检测装置12用来检测通过膜组件11的膜孔后进入清液的磁珠。清液出口管道9的另一端出口端伸在清液罐15中，将排放的清液收集到清液罐15中，并且在清液出口管道9的另一端上设有第三阀门14，便于控制清液的排放。 

工作时，先向原液罐1中注入需要过滤提纯的原液，再给增压泵3通电，在压力作用下原液经过原液进料管道2后进入膜组件11中，未能透过膜孔的浓缩液从浓缩液出口管道7流出返回原液罐1中进行再次过滤，透过膜孔的清液经过清液出口管道9和磁珠检测装置12，从清液出口管道9流出。如果向原液中加入磁珠的直径大于膜孔径，磁珠随原液进入膜组件11后不能透过膜孔，随浓缩液从浓缩液出口管道7流出回到原液罐1中；如果向原液中加入磁珠的直径小于膜孔径，磁珠随原液进入膜组件11后能够透过膜孔，随清液从清液出口管道9流出，磁珠经过磁珠检测装置12时被该装置聚集起来。在同等单位下，要求磁珠的直径大于膜孔径，差值为10。如果膜孔径为25nm，则选用直径为35nm的磁珠，如果膜的孔径为25um，则选用直径为35um的磁珠。磁珠由氧化铁金属材料制成。 

参见图2所示的磁珠检测装置12的结构，磁珠检测装置12包括磁珠检测管道21、交流稳压电源16等，交流稳压电源16位于磁珠检测管道21外部。磁珠检测管道21的两端位于清液出口管道9水平段的正中间，分别通过磁珠检测装置法兰13与清液出口管道9相连。在磁珠检测管道21内流过清液22，在磁珠检测管道21内的中间径向水平并排布置正极电极片19和负极电极片20，正极电极片19和负极电极片20浸在清液22中。 交流稳压电源16两路输出，分别连接正极输出排线17和负极输出排线18，正极电极片19与正极输出排线17连接，负极电极片20与负极输出排线18连接，用来给磁珠检测管道21内的清液22通电流。第一金属电极23和第二金属电极24的下段都伸入到磁珠检测管道21内的清液22中，上段伸出磁珠检测管道21之外，并且在两个金属电极23、24的上段上各缠绕一个线圈25，两个线圈25分别连接到正极输出排线17和负极输出排线18上。第一金属电极23和第二金属电极24的的顶端均连接到MCU采样接口27上，用来采集第一金属电极23和第二金属电极24之间的电压。MCU采样接口27连接MCU主控单元（图2中省略了MCU主控单元），采集的第一金属电极23和第二金属电极24之间的电压输入MCU主控单元中。 

    第一金属电极23和第二金属电极24距离很靠近，但不接触，均靠近磁珠检测管道21的正中间。两个线圈25通电后，第一金属电极23和第二金属电极24都具有磁性，只要原液中有磁珠26透过了膜孔进入清液22中，在磁力作用下，所有磁珠26都会聚集在第一金属电极23和第二金属电极24的下段，磁珠26检测的灵敏度很高。随着磁珠26的不断吸附，第一金属电极23和第二金属电极24之间的距离越来越近，在清液22中的电流一定的前提下，MCU采样接口27采集的第一金属电极 23和第二金属电极24之间清液的电压也会越来越小。当聚集的磁珠26较多后，就能够使第一金属电极 23和第二金属电极24、正极电极片19及负极电极片20连通，构成一个回路，此时MCU采样接口27采集的是第一金属电极 23和第二金属电极24之间聚集的磁珠26的电压。当线圈25断电后，第一金属电极 23和第二金属电极24失去磁性，磁珠26随清液流入清液罐15中，在清液罐15中将磁珠26聚集起来，以备下次使用。 

打开交流稳压电源16开关后，正极输出排线17和负极输出排线18之间具有电势差，正极电极片19和负极电极片20通电后，磁珠检测管道21内的清液22有电流通过。当过滤膜完好时，原液中的磁珠透不过膜孔，磁珠随浓缩液重新回到原液罐1中。此时清液中没有磁珠，MCU采样接口27采集的是第一金属电极 23和第二金属电极24之间清液的电压，已知交流稳压电源16的输出电流为I，由欧姆定律R=U/I可以通过MCU主控单元计算出第一金属电极 23和第二金属电极24之间清液的电阻R₀。如果过滤膜有轻微破损，原液中会有少量的磁珠26透过膜孔进入清液22中，磁珠26流经磁珠检测管道21时在磁力作用下会吸附在第一金属电极 23和第二金属电极24上，由于透过的磁珠26数量较少，不能够使第一金属电极 23和第二金属电极24、正极电极片19及负极电极片20连通，MCU主控单元计算出第一金属电极 23和第二金属电极24之间清液和磁珠共同的电阻R₁，此时由于第一金属电极 23和第二金属电极24上吸附了少量的磁珠26，而磁珠26是由氧化铁金属材料制成，在相同温度下，溶液的电阻率是金属磁珠电阻率的几十倍到几百倍，则R₁小于 R₀。如果过滤膜严重破损，原液中会有大量的磁珠26透过膜孔进入清液22中，磁珠26流经磁珠检测管道21时在磁力作用下吸附会在第一金属电极 23和第二金属电极24上，由于透过的磁珠26数量较多，此时第一金属电极 23和第二金属电极24、正极电极片19及负极电极片20连通，构成一个回路，MCU主控单元计算出第一金属电极 23和第二金属电极24之间磁珠的电阻R₂，由于磁珠26的电阻要远小于清液22的电阻，则R₂远小于R₀。 

参见图3，为清液22电阻随磁珠26浓度变化图。清液电阻与磁珠浓度呈线性关系，磁珠聚集分为三个过程：（1）在t₀时刻，清液中磁珠26的浓度为0时，即清液中没有磁珠26，MCU采样接口27采集的电压为第一金属电极 23和第二金属电极24之间清液22的电压，电压送至MCU主控单元处理，由MCU主控单元计算转换成阻值，所得电阻为清液22的电阻R₀。由于清液22阻抗大，所得R₀数值很大，此时过滤膜未损坏；（2）在t₁时刻，清液22中磁珠26的浓度为C₁，即清液22中有少许磁珠26，MCU采样接口27采集的电压为第一金属电极 23和第二金属电极24之间清液22和少量磁珠26共同电压，计算所得电阻为清液22和少量磁珠26的电阻R₁，由于磁珠26阻抗小于清液22阻抗，所得R₁略小于 R₀，此时过滤膜轻微破损；（3）在t₂时刻，清液22中磁珠26浓度为C₂，即清液22中有大量磁珠26，MCU采样接口27采集的电压为第一金属电极 23和第二金属电极24之间磁珠26的电压，计算所得电阻为聚集起来磁珠26的电阻R₂，由于磁珠26阻抗远小于清液22阻抗，所得R₂远小于R₀，此时过滤膜严重破损。由此提出膜损程度等级评判方法，将膜损程度划分为完好、轻微破损、严重破损三个等级，并用分数来代替，完好为3分，轻微破损为2分，严重破损为1分。当被测量的等级为严重破损时代表该膜不能继续使用，要立即更换新膜。 

  ，                  

上式中R₀为没有投入磁珠之前清液的电阻，R为投入磁珠之后所测的电阻。当P=3时，磁珠检测装置12没有检测到透过膜孔的磁珠26，说明膜没有破损，可以继续使用；P=2时，磁珠检测装置12检测到少量透过膜孔的磁珠26，说明膜轻微破损，可以继续使用一段时间；P=1时，磁珠检测装置12检测到大量透过膜孔的磁珠26，说明膜严重破损，要立即更换新膜。

  参见图4，为本发明基于电化学与磁珠技术的膜损检测方法的工作流程图，整个系统的操作步骤如下： 

（1）向原液罐1内注入需要过滤提纯的原液，打开第一、第二、第三阀门4、6、14，开启膜过滤装置。

（2）开启交流稳压电源16，设置交流稳压电源16的输出电流I，MCU主控单元通过MCU采样接口27采集第一金属电极23和第二金属电极24之间的电压，MCU主控单元计算出清液22的电阻R₀。 

（3）根据膜孔径大小向原液罐1内注入直径比膜孔径稍大的磁珠，MCU主控单元通过MCU采样接口27采集此时的第一、第二金属电极23、24之间的电压，MCU主控单元根据计算的投入磁珠之后所得电阻R值，比较电阻R和电阻R₀，并应用膜损等级判断方法判断该膜的膜损程度。若电阻R等于电压R₀，则清液中没有磁珠，说明膜完好未破损；若电阻R小于并接近 R₀，即符合，则清液中有少量磁珠，说明膜轻微破损；若电阻R远小于 R₀，符合，则清液中有大量磁珠，说明膜严重破损。 

Claims (7)

1.一种基于电化学与磁珠技术的膜损检测装置，包括装原液的原液罐（1），原液罐（1）底部中心处通过原液进料管道（2）连接膜组件（11）上端，膜组件（11）下端底部与清液出口管道（9）一端相连，清液出口管道（9）另一端伸入清液罐（15）中，其特征是： 清液出口管道（9）正中间为水平段，在该水平段处设有与清液出口管道（9）紧密相连的磁珠检测装置（12）；磁珠检测装置（12）包括磁珠检测管道（21）及位于磁珠检测管道（21）外部的交流稳压电源（16），磁珠检测管道（21）的两端与清液出口管道（9）相连，在磁珠检测管道（21）内的中间径向水平并排布置浸在清液中的正、负极电极片（19、20）；交流稳压电源（16）经正极输出排线（17）连接正极电极片（19）、经负极输出排线（18）连接负极电极片（20）；两个靠近但不接触的金属电极（23、24）的下段均伸入到磁珠检测管道（21）内的清液中、上段均伸出磁珠检测管道（21）之外且在上段上各缠绕有一个线圈（25），两个所述线圈（25）分别连接到正、负极输出排线（17、18）；两个二金属电极（23、24）的顶端均通过MCU采样接口连接MCU主控单元。

2.根据权利要求1所述膜损检测装置，其特征是：膜组件（11）下端侧部通过浓缩液出口管道法兰与浓缩液出口管道（7）的一端相连，浓缩液出口管道（7）的中间处设有第二阀门（6），浓缩液出口管道（7）的另一端从原液罐（1）顶部通入原液罐（1）中。

3.根据权利要求1所述膜损检测装置，其特征是：在原液进料管道（2）上设置第一阀门（4），在第一阀门（4）和膜组件（11）之间的原液进料管道（2）上设有增压泵（3），在清液出口管道（9）的另一端上设有第三阀门（14）。

4.一种如权利要求1所述膜损检测装置的膜损检测方法，其特征是具有以下步骤：

  A、开启交流稳压电源（16）并设置其输出电流，正、负极电极片（19、20）给磁珠检测管道（21）内的清液通电流，两个通电的线圈（25）使两个金属电极（23、24）具有磁性，MCU主控单元通过MCU采样接口采集两个金属电极（23、24）之间的电压，MCU主控单元根据电压和电流计算出清液的电阻R₀；

  B、在原液中加入直径大于膜孔径的磁珠，在原液进入膜组件（11）中后，透过膜孔的清液经过清液出口管道（9）和磁珠检测装置（12）从清液出口管道（9）流出，采集此时两个金属电极（23、24）之间的电压并计算出此时的电阻R；

  C、比较电阻R和电阻R₀，若电阻R等于电压R₀，则清液中没有磁珠，膜完好；若电阻R符合 ，则清液中有少量磁珠，膜轻微破损；若电阻R符合，则清液中有大量磁珠，膜严重破损。

5.根据权利要求1所述的膜损检测方法，其特征是：步骤B中加入的磁珠由氧化铁金属材料制成，在同等单位下，磁珠的直径大于膜孔径，差值为10。

6. 根据权利要求1所述的膜损检测方法，其特征是：步骤B中，若原液中有磁珠透过了膜孔进入清液中，在磁力作用下，所有磁珠都聚集在两个金属电极（23、24）的下段，随着磁珠的不断吸附，两个金属电极（23、24）之间的距离越来越近，当聚集的磁珠较多后，两个金属电极（23、24）、正、负极电极片（19、20）连通。

7. 根据权利要求1所述的膜损检测方法，其特征是：步骤C中，清液中有少量磁珠时，所采集的电压为两个金属电极（23、24）之间清液和少量磁珠共同电压；清液中有大量磁珠时，所采集的电压为两个金属电极（23、24）之间磁珠的电压。