CN105727750B - 一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置,包括由支撑框架组成的柜体，柜体前端面设置有左柜门和右柜门，柜体上表面一侧设置有工控机，柜体上表面另一侧设置有储液罐、搅拌器以及过滤器，过滤器设置在搅拌器上，柜体内中部设置有支撑板，柜体内还设置有液氮压力罐，柜体内位于支撑板的下方设置有控制柜，控制柜内设置有控制器，比例调节阀与控制器电连接。本发明的有益效果在于，提供一种结构简单且操作方便的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置,既节约实验台空间，又对膜过滤过程实现自动控制。

Description

一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置

技术领域

本发明涉及一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置。

背景技术

膜过滤分离技术已经广泛地应用于许多工业领域。但是，膜污染成为制约该技术得到广泛应用的瓶颈问题。因此，作为消除膜污染的首要问题，通过死端膜过滤方式，深入调查并评价膜污染的特性，也即膜过滤特性，显得尤为重要。

目前，市场上还没有一整套用于评价膜过滤特性的商业产品，研究人员或技术开发人员多是自己购买成品膜过滤器，如超滤杯，然后利用实验室现有的压力装置，如利用装有液氮的压力罐加压，再结合电子天平实时称量滤液的质量，并通过个人电脑记录这些数据。这使得膜过滤实验变得相当繁琐，并且占用相当大的实验台空间。在定压膜过滤过程中，由于各管路与储气装置可能存在的漏气等原因，压力将会不断下降，因此，需要实验员实时监控压力变化，并手动调节压力至某一固定值。另外，该方式局限性是只能进行定压膜过滤实验。为实现定速膜过滤实验，需要再增加流量泵来实现恒定的流速，且由于膜污染的不断加剧，不断增加的压力需要不断地人工记录压力数据，这亦使实验变得复杂，并且占用实验台空间。

发明内容

鉴于现有技术中存在的上述问题，本发明的主要目的在于解决现有技术的缺陷，本发明提供的一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，既节约实验台空间，又对膜过滤过程实现自动控制，控制模式可以根据实验员的需要进行选定，包括定压模式、定速模式、变压变速模式、手动模式。

本发明提供了一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，包括由支撑框架组成的柜体，所述柜体前端面设置有左柜门和右柜门，其中：

所述柜体上表面一侧设置有工控机，所述柜体上表面另一侧设置有储液罐、搅拌器以及过滤器，所述搅拌器设置在所述过滤器底部；

所述柜体内中部设置有支撑板，所述柜体内还设置有液氮压力罐，所述液氮压力罐上端贯穿所述柜体上表面且向外延伸，所述液氮压力罐贯穿所述支撑板设置在所述柜体内部的一侧，所述液氮压力罐通过压力输出管与设置在其外部一侧的两联件、比例调节阀相连；

所述储液罐上端设置有进气管，所述进气管另一端通过比例调节阀、两联件及压力输出管与所述液氮压力罐相连通，所述液氮压力罐中的加压氮气经压力输出管传送至两联件、比例调节阀以及进气管向储液罐加压；

所述柜体内支撑板上设置有电子天平，所述电子天平位于所述搅拌器下方，且其上设置有锥形瓶，所述储液罐通过其上端设置的液体传输管与过滤器相连通，所述过滤器下部一侧设置有出液管，所述出液管的末端设置在所述电子天平上设置的锥形瓶上方，所述储液罐中的溶液或悬浊液经过液体传输管输送至过滤器中，经所述过滤器中设置的过滤膜的分离作用后，滤液经出液管滴入所述电子天平上的锥形瓶中；

所述柜体内位于所述支撑板的下方设置有控制柜，所述控制柜内设置有控制器，所述比例调节阀与所述控制器电连接，所述控制器、两联件以及比例调节阀分别与所述工控机电连接。

可选的，所述左柜门和右柜门分别通过铰链与所述柜体铰接。

可选的，所述控制器为PLC。

可选的，所述比例调节阀与所述储液罐之间的管路上设置有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接，所述压力传感器设置在所述柜体内且位于所述比例调节阀一侧。

可选的，所述柜体上表面一侧还设置有压力表，所述压力表与所述进气管相连通，用于检测并显示进气管中的压力。

可选的，所述柜体的长宽高分别为60～100cm、40～80cm和60～100cm，所述柜体底部四角分别设置有一滚轮。

可选的，所述柜体的支撑框架为不锈钢板。

可选的，所述柜体内壁一侧设置有日光灯。

可选的，所述储液罐底部设置有排液管，所述排液管末端的排液口设置在所述柜体侧壁上。

可选的，所述过滤器包括壳体，壳体的上部一侧设置有进液管，壳体下部一侧设置有出液管，壳体内设置有磁力搅拌子以及设置在其上的搅拌轴，该壳体内上部固定设置有固定杆，该搅拌轴的上端设置在该固定杆中心，壳体内位于磁力搅拌子下方由上至下依次设置有过滤膜以及配有导流槽的支撑板，该支撑板设置在壳体内底部，所述出液管与支撑板上的导流槽相连通。

本发明具有以下优点和有益效果：本发明提供一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，通过将液氮压力罐、压力传感器、比例调节阀、控制柜、PLC、工控主机、压力表、储液罐、搅拌器、过滤器及电子天平等仪器组装成一体化紧凑型膜过滤自动控制装置；其具有以下优点：

(1)所有的实验仪器集成一体化，节省实验操作用地；

(2)较便捷地实现定压控制与定速控制，并且可根据用户需要，自定义膜过滤操作方式；

(3)由于实验操作全程自动化控制，从而提高实验精度；

(4)膜过滤特性评价简易。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置的立体结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置的原理框图；

图3(a)为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行膜过滤实验过程中定压模式时压力随时间变化的示意图；

图3(b)为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行膜过滤实验过程中定压模式时流速随时间变化的示意图；

图4(a)为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行膜过滤实验过程中定速模式时流速随时间变化的示意图；

图4(b)为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行膜过滤实验过程中定速模式时压力随时间变化的示意图；

图5为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行膜过滤实验过程中变压变速模式时流量与压力随时间变化的示意图(过滤样品为超纯水)；

图6为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行膜过滤实验过程中变压变速模式时流量与压力随时间变化的示意图(过滤样品为藻酸钠溶液)；

图7为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行膜过滤实验过程中从某时刻开启搅拌情况下定压模式时压力与流速随时间变化的示意图(过滤样品为藻酸钠溶液)。

图8为图1中过滤器的放大结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面将参照附图和具体实施例对本发明作进一步的说明。

如图1至8所示：为本发明实施例提供的一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，包括由支撑框架组成的柜体100，柜体100前端面设置有左柜门101和右柜门102，其中：柜体100上表面一侧设置有工控机106，柜体100上表面另一侧设置有储液罐110、搅拌器112以及过滤器111，搅拌器112设置在过滤器111底部；柜体100内中部设置有支撑板119，柜体100内还设置有液氮压力罐103，液氮压力罐103上端贯穿柜体100上表面且向外延伸，液氮压力罐103贯穿支撑板119设置在柜体100内部的一侧，液氮压力罐103通过压力输出管121与设置在其外部一侧的两联件104、比例调节阀105相连；储液罐110上端设置有进气管108，进气管108另一端通过比例调节阀105、两联件104及压力输出管121与液氮压力罐103相连通，液氮压力罐103中的加压氮气经压力输出管121传送至两联件104、比例调节阀105以及进气管108向储液罐110加压；柜体100内支撑板119上设置有电子天平116，电子天平116位于搅拌器112下方，且其上设置有锥形瓶114，如图8所示，搅拌器112设置在过滤器111底部，该搅拌器为磁力搅拌器，该过滤器111包括壳体130，壳体130的上部一侧设置有进液管136，壳体130下部一侧设置有出液管122，壳体130内设置有磁力搅拌子133以及设置其上的搅拌轴132，该壳体内上部固定设置有固定杆131，该搅拌轴132的上端设置在该固定杆131中心，壳体130内位于磁力搅拌子133下方由上至下依次设置有过滤膜134以及配有导流槽(图中未画)的支撑板135，该支撑板135设置在壳体130内底部，出液管122与支撑板135上的导流槽相连通，由于进液管中为溶液或悬浊液，其中除水外，含有的杂质包括有高分子(如藻酸钠)、固体颗粒(如二氧化硅)等可以通过过滤膜进行截留，从而净水经膜过滤后流出。因此，在过滤过程中在膜表面上就会堆积这些杂质，通常称之为膜污染，由于膜污染的产生，过滤速度不断下降。当开启搅拌器后，过滤膜上方的磁力搅拌子将转动，从而通过扫流作用，将过滤膜表面堆积的杂质去除，即膜污染得到去除，过滤速度将升高；储液罐110通过其上端设置的液体传输管109与过滤器111的进液管相连通，过滤器111的底部设置有出液管122，出液管122的末端设置在电子天平116上设置的锥形瓶114上方，储液罐110中的溶液或悬浊液经过液体传输管109输送至过滤器111中，经过滤器111中设置的过滤膜134的分离作用后，滤液经出液管122滴入电子天平116上的锥形瓶114中；柜体100内位于支撑板119的下方设置有控制柜117，控制柜117内设置有控制器(图中未画)，控制器可选为PLC，比例调节阀105与控制器117电连接，控制器117、两联件104以及比例调节阀105分别与工控机106电连接，比例调节阀105与储液罐110之间的管路上设置有压力传感器120，压力传感器120与控制器117电连接，压力传感器120设置在柜体100内且位于比例调节阀105一侧，该压力传感器120用于检测样品的膜过滤压力，电子天平116测得的滤液质量和压力传感器120检测的压力数值实时地传输至装有PLC的控制柜117，控制柜117中的PLC与工控主机106之间实时地进行数据交换与传递；储液罐110清洗时，通过排液管113排除废液，图2为本发明实施例提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置的原理框图；由于过滤器111中所加压力与滤出的液体质量可以实时地检测，因此利用可编程式逻辑控制器(PLC)与工控主机中视窗控制中心(WinCC)软件可实现膜过滤过程实时监控。在工控机中的膜过滤模式选择的人机交互面板中可以进行系统设置，然后选择相应的膜过滤模式包括定压模式、定速模式、变压变速模式以及手动模式，手动模式主要用于在膜过滤过程中实时地手动调节相关参数如数据的存储间隔、过滤压力、过滤速度等。在工控机中的膜过滤模式选择的人机交互面板中点击定压模式、定速模式或变压变速模式方框，同时可以设定存储数据至EXCEL表格，包括数据读取的时间间隔、过滤压力、流速、选择压力表文件以及输入各实验参数，所有参数均自动保存于对应的EXCEL表格中，膜过滤过程中过滤压力与滤液质量亦实时地保存于该EXCEL表格中，可生成如图3(a)和3(b)、图4(a)和4(b)、图5、图6以及图7所示图表结果。

作为上述实施例的优选实施方式，左柜门101和右柜门102分别通过铰链与柜体100铰接。

作为上述实施例的优选实施方式，柜体100上表面一侧还设置有压力表107，压力表107与进气管108相连通，用于检测并显示进气管108中的压力，其压力读数与压力传感器120测定的压力相同。

作为上述实施例的优选实施方式，柜体100的长宽高分别为60～100cm、40～80cm和60～100cm，优选为80cm、60cm和80cm，柜体100底部四角分别设置有一滚轮118，根据需要可对该一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置进行便携式移动。

作为上述实施例的优选实施方式，柜体100的支撑框架为不锈钢板。

作为上述实施例的优选实施方式，柜体100内壁一侧设置有日光灯115。

作为上述实施例的优选实施方式，储液罐110底部设置有排液管113，排液管113末端的排液口(图中未画)设置在柜体100侧壁上。

作为上述实施例的优选实施方式，左柜门101和右柜门102上相对的一侧分别设置有把手(图中未画)，方便打开该柜体的左柜门和右柜门。

实施例1

在工控主机中的人机交互面板中输入某一过滤压力值，实现定压膜过滤过程，压力传感器120中测得的压力值传送至装有PLC的控制柜117，经工控机106与设定的过滤压力值进行比对，过滤压力若高于设定值，则通过装有PLC的控制柜117将信号传送至比例调节阀105，以调低过滤压力；反之亦然。

图3(a)和图3(b)是定压模式时压力与流速随时间变化的实验结果一例。从图3(a)可知，采用截留分子量为1kDa的超滤膜进行死端膜过滤，设定压力为100kPa，过滤样品为超纯水时，通过该膜过滤自动控制装置能够实现恒定压力，即定压模式；同样地，当设定压力为300kPa，过滤样品为2g/L的海藻酸钠(分子量：1.2～8万)溶液时，压力保持在300kPa恒定不变。

如前所述，该发明提供的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置可对滤液质量实现实时监测，因此，在滤液密度与膜过滤面积已知的情况下，单位时间单位过滤面积上的过滤滤液体积，即过滤速度(流速)随时间的变化能够获得，实验结果如图3(b)所示。从图中可知，过滤样品为超纯水时，流速基本保持不变，说明过滤膜没有被污染；相反，过滤样品为海藻酸钠溶液时，由于膜的截留分子量小于海藻酸钠的分子量，因此流速不断的减少，说明随着过滤的不断进行，滤膜上堆积的海藻酸钠构成的滤饼不断增厚，膜污染加剧，膜阻抗不断增大。

实施例2

在工控主机中的人机交互面板中输入某一质量流量值(单位时间的滤液质量)，实现定速膜过滤过程。装有PLC的控制柜117中可编程式逻辑控制器是通过某一时间段内电子天平116检测的质量读数增量来计算质量流量，例如，在1、2、3min等用户输入的时间间隔内读取质量增量，将设定值与之对比；单位时间的质量增量值若高于设定值，则通过装有PLC的控制柜117将信号传送至比例调节阀105，以调低过滤压力；反之亦然。

图4(a)和图4(b)是定速模式时流速与压力随时间变化的实验结果一例。从图4(a)可知，采用截留分子量为1kDa的超滤膜进行死端膜过滤，设定流速为0.70cm/h，过滤样品为超纯水时，通过该膜过滤自动控制装置能够实现恒定流速，即定速模式；同样地，当设定流速为0.51cm/h，过滤样品为2g/L的海藻酸钠(分子量：1.2～8万)溶液时，流速保持在0.51cm/h恒定不变。

如前所述，该发明提供的一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置可对过滤压力实现实时监测，因此过滤压力随时间的变化亦能够获得，实验结果如图4(b)所示。从图中可知，过滤样品为超纯水时，过滤压力基本保持不变，说明过滤膜没有被污染；相反，过滤样品为海藻酸钠溶液时，为了维持恒定流速，以抵消膜面上形成滤饼所带来膜阻抗的增加而降低的流速，过滤压力必须不断地增加。

实施例3

在工控主机中的人机交互面板中，导入一个记录有过滤时间与压力关系的EXCEL表文件，实现变压变速膜过滤。当过滤时间达到该EXCEL表中某一时间时，在逻辑控制器的作用下经比例调节阀105过滤压力升高或减低至表中对应的数值，该过程等同于一系列前述实施例1中的定压膜过滤模式，但在该模式下能够实现连续的自动控制。

如下表1所示，为当采用膜孔径为1kDa的超滤膜进行死端膜过滤、过滤样品为超纯水时，输入压力表及输出压力时间段。

表1

实验结果如图5所示，从压力随时间的变化可知，实验值和输入EXCEL表格基本一致，表明该膜过程自动控制装置能够精确实现膜过滤的变压变速模式。并且，由于过滤样品为超纯水，几乎不存在膜过滤阻抗，故在每一压力时间段内，流速基本维持在某一恒定值。

如下表2所示，为当采用膜孔径为1kDa的超滤膜进行死端膜过滤、过滤样品为2g/L的海藻酸钠(分子量：1.2～8万)溶液时，输入压力表及输出压力时间段。

表2

实验结果如图6所示，压力变化的实验值和输入表格中数值基本一致，表明该膜过滤自动控制装置能够精确实现膜过滤的变压变速模式。但是，由于过滤样品为海藻酸钠溶液，如前述实施例1和2所示，随着膜过滤的进行，膜污染加剧，过滤阻抗不断增加，在每一压力过滤时间段内，流速均呈下降趋势。

实施例4

采用截留分子量为1kDa的超滤膜对2g/L的海藻酸钠(分子量：1.2～8万)溶液进行死端定压膜过滤，设定过滤压力为300kPa，在过滤时间为300min时开启搅拌器，搅拌转速为250rpm。过滤压力与流速随时间变化如图7所示。由图可知，由于设定的模式为定压过滤，过滤压力基本恒定在300kPa；在0～300min时间内，由于超滤膜面上堆积的膜污染(滤饼)不断加剧，膜过滤流速不断减小。但是，在300min后由于开启搅拌器，使得膜表面上堆积的膜污染(滤饼)被连续不断地剥离开来，滤饼的厚度渐渐变薄，从而膜污染减小，膜过滤阻抗相应减小，过滤速度(滤液流速)不断增加，直至达到一个平衡值，如图7中所示，约为0.8cm/h。

最后应说明的是：以上的各实施例仅用于说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于：包括由支撑框架组成的柜体，所述柜体前端面设置有左柜门和右柜门，其中：

所述柜体上表面一侧设置有工控机，所述柜体上表面另一侧设置有储液罐、搅拌器以及过滤器，所述搅拌器设置在所述过滤器底部；

所述柜体内中部设置有支撑板，所述柜体内还设置有液氮压力罐，所述液氮压力罐贯穿所述支撑板设置在所述柜体内部的一侧，所述液氮压力罐上端贯穿所述柜体上表面且向外延伸，所述液氮压力罐通过压力输出管与设置在其外部一侧的两联件、比例调节阀相连；

所述储液罐上端设置有进气管，所述进气管另一端通过比例调节阀、两联件及压力输出管与所述液氮压力罐相连通，所述液氮压力罐中的加压氮气经压力输出管传送至两联件、比例调节阀以及进气管向储液罐加压；

所述柜体内支撑板上设置有电子天平，所述电子天平位于所述搅拌器下方，且其上设置有锥形瓶，所述储液罐通过其上端设置的液体传输管与过滤器相连通，所述过滤器下部一侧设置有出液管，所述出液管的末端设置在所述电子天平上设置的锥形瓶上方，所述储液罐中的溶液或悬浊液经过液体传输管输送至过滤器中，经所述过滤器中设置的过滤膜的分离作用后，滤液经出液管滴入所述电子天平上的锥形瓶中；

所述柜体内位于所述支撑板的下方设置有控制柜，所述控制柜内设置有控制器，所述比例调节阀与所述控制器电连接，所述控制器、两联件以及比例调节阀分别与所述工控机电连接。

2.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述左柜门和右柜门分别通过铰链与所述柜体铰接。

3.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述控制器为PLC。

4.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述比例调节阀与所述储液罐之间的管路上设置有压力传感器，所述压力传感器与所述控制器电连接，所述压力传感器设置在所述柜体内且位于所述比例调节阀一侧。

5.根据权利要求4所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述柜体上表面一侧还设置有压力表，所述压力表与所述进气管相连通，用于检测并显示进气管中的压力。

6.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述柜体的长宽高分别为60～100cm、40～80cm和60～100cm，所述柜体底部四角分别设置有一滚轮。

7.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述柜体的支撑框架为不锈钢板。

8.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述柜体内壁一侧设置有日光灯。

9.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述储液罐底部设置有排液管，所述排液管末端的排液口设置在所述柜体侧壁上。

10.根据权利要求1所述的一体化膜过滤特性评价与自动控制实验装置，其特征在于，所述过滤器包括壳体，壳体的上部一侧设置有进液管，壳体下部一侧设置有出液管，壳体内设置有磁力搅拌子以及设置在其上的搅拌轴，该壳体内上部固定设置有固定杆，该搅拌轴的上端设置在该固定杆中心，壳体内位于磁力搅拌子下方由上至下依次设置有过滤膜以及配有导流槽的支撑板，该支撑板设置在壳体内底部，所述出液管与支撑板上的导流槽相连通。