CN108067099A - 膜装置和用于监测膜的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种膜装置，其包括：具有两个相反侧的膜；位于所述膜的两个相反侧中的一侧的若干电极，其用于发出激励信号并探测响应所述激励信号的响应信号；及，处理器，其用于根据所述激励信号和所述响应信号来监测所述膜。本发明还涉及一种用于监测膜的方法。

Description

膜装置和用于监测膜的方法

技术领域

本发明涉及一种膜装置和用于监测膜的方法。

背景技术

膜通常被用于去除或减少流体中的特定物质。在膜的运行过程中，可能发生导致膜需要调整的情况，例如一些物质会附着在膜上从而需要被去除，或者流体进料、出料发生变化从而需要调整膜的运行参数。因此，需要有包含监测元件的膜装置以及用于监测膜的方法。

现有的包含监测元件的膜装置和用于监测膜的方法在很多方面，例如监测灵敏度方面，不能满足一些应用的需要。

因此，有必要提供一种新的膜装置和用于监测膜的方法。

发明内容

本发明的一个方面在于提供一种膜装置。该膜装置包括：具有两个相反侧的膜；位于所述膜的两个相反侧中的一侧的若干电极，其用于发出激励信号并探测响应所述激励信号的响应信号；及，处理器，其用于根据所述激励信号和所述响应信号来监测所述膜。

本发明的另一个方面在于提供一种用于监测膜的方法，其特征在于，其包括：向具有两个相反侧的膜引入流体；通过位于所述膜的两个相反侧中的一侧的若干电极发出激励信号并探测响应所述激励信号的响应信号；及，通过处理器来根据所述激励信号和所述响应信号监测所述膜。

附图说明

通过结合附图对于本发明的实施方式进行描述，可以更好地理解本发明，在附图中：

图1所示为根据本发明第一实施例的膜装置的示意图；

图2所示为根据本发明第二实施例的膜装置的示意图

图3所示为根据本发明第三实施例的膜装置的示意图；

图4所示为根据本发明一些实施例的膜装置的爆炸示意图；

图5所示为根据本发明一些实施例的用于监测膜的方法的流程示意图；以及

图6所示为对比例和示例的归一化数据的曲线图。

具体实施方式

为帮助本领域的技术人员能够确切地理解本发明所要求保护的主题，下面结合附图详细描述本发明的具体实施方式。在以下对这些具体实施方式的详细描述中，本说明书对一些公知的功能或构造不做详细描述以避免不必要的细节而影响到本发明的披露。

除非另作定义，本权利要求书和说明书中所使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属技术领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。本说明书以及权利要求书中所使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的实施例、组成部分等。“一个”、“一种”、或者“一”等类似词语并不表示数量限制，而是表示存在至少一个。“包括”或者“具有”等类似的词语意指出现在“包括”或者“具有”前面的元件或者物件涵盖出现在“包括”或者“具有”后面列举的元件或者物件及其等同元件，并不排除其他元件或者物件。

本发明实施例涉及的膜装置可以用来去除或降低流体中特定物质的含量，例如可以用来净化工业或市政产生的污水，也可以用来从海水或咸水中去除盐和污染物来获得淡水。

图1、2、3、4所示为根据本发明实施例的膜装置10、20、30、40的示意图。所述膜装置10、20、30、40包括膜11、21、31、41，其具有两个相反侧12，13、22，23、32，33、42，43；位于所述膜11、21、31、41的两个相反侧中的一侧12、22、33、43的若干电极14、24、34、44，其用于发出激励信号15、25、35、45并探测响应所述激励信号的响应信号16、26、36、46；及，处理器17、27、37、47，其用于根据所述激励信号15、25、35、45和所述响应信号16、26、36、46来监测所述膜11、21、31、41。

所述膜11、21、31、41可以为任何类型的膜，例如微滤膜、纳滤膜、超滤膜、反渗透膜等。所述膜11、21、31、41可以为任何形状的膜，例如平板膜、管式膜、卷式膜、中空纤维膜等。

所述膜11、21、31、41的两个相反侧12，13、22，23、32，33、42，43可以分别为进料侧12、22、32、42和出料侧13、23、33、43。

所述电极14、24、34、44和所述处理器17、27、37、47可以称为膜装置10、20、30、40的监测元件的组成部分。所述若干电极14、24、34、44位于所述两个相反侧12，13、22，23、32，33、42，43中的一侧，即进料侧12、22、42或者出料侧33。也就是说，一些实施例中，所述两个相反侧中的一侧为进料侧12、22、42。一些实施例中，所述两个相反侧中的一侧为出料侧33。

一些实施例中，所述若干电极14、24、34、44分别包括电极14a，14b，14c，14d、24a，24b、34a，34b，34c，34d、44a，44b，44c，44d。一些实施例中，所述若干电极14、34、44包括两对电极14a，14b，14c，14d、34a，34b，34c，34d、44a，44b，44c，44d。一些实施例中，所述若干电极24包括一对电极24a、24b，这样的监测相对简单、成本较低。

所述若干电极14、24、34、44与所述处理器17、27、37、47连接。一些实施例中，所述电极对14a，14b、24a，24b、34a，34b、44a，44b分别相对设置，且分别沿膜11、21、31、41的延伸方向并排排列。一些实施例中，所述电极对14a，14b、24a，24b、34a，34b、44a，44b既用来发出激励信号15、25、35、45，又用来探测响应信号16、26、36、46。一些实施例中，每个所述电极对14a，14b、24a，24b、34a，34b、44a，44b中的一个电极可称为工作电极、而另一个则可称为对电极。

在有两对电极的一些实施例中，所述电极对14c，14d、34c，34d、44c，44d可被称为参比电极或感应电极，其可用于探测响应信号16、36、46，作为所述电极对14a，14b、34a，34b、44a，44b所探测到的响应信号16、36、46的参照，从而可以帮助提高膜监测的可靠性。

所述激励信号15、25、35、45可以是电流激励信号或电压激励信号。所述激励信号可以包含任意的波形，任意的波形可以是多个周期性的波形叠加形成的。每一个周期性的波形可以是特定的波形，例如但不限于，正弦波、锯齿波、三角波或矩形波。

所述响应信号16、26、36、46则可以为响应所述激励信号15、25、35、46的电流或电压响应信号。所述响应信号可以包含任意的波形，任意的波形可以是多个周期性的波形叠加形成的。每一个周期性的波形可以是特定的波形，例如但不限于，正弦波、锯齿波、三角波或矩形波。

一些实施例中，所述电极14a，14b，14c，14d、24a，24b、34a，34b，34c，34d、44a，44b，44c，44d相互分隔。一些实施例中，所述电极对14a，14b与电极对14c，14d相互分隔。一些实施例中，所述电极对34a，34b与电极对34c，34d相互分隔。一些实施例中，所述电极对44a，44b与电极对44c，44d相互分隔。

分隔电极或电极对可采用任何方式。比如，可以用隔片，使其位于至少两个所述电极之间，用来隔开电极。也可以将电极置于距离膜等同的位置，但是互不接触。

本发明实施例所涉及的电极可以由任何适用的电极材料制得。一些实施例中，电极材料包括金属、合金、或者其他导电材料。一些实施例中，各电极对内两个电极材料可以相同，例如工作电极和对电极的材料可以相同，或者每一参比电极对内两参比电极材料可以相同。一些实施例中，不同电极对之间的材料可以不同，例如工作电极和对电极与其相应的参比电极的材料可以相互不同。

一些实施例中，所述电极包括金属基底和位于金属基底上的金属氧化物涂层。一些实施例中，所述电极包括以金属钛为基底的电极。一些实施例中，金属氧化物可以从氧化钌、氧化铱、氧化钽、和它们的任意组合中选择。金属基底上有涂层的电极可具有一定程度的化学惰性，以适应不同的应用环境，例如海水或咸水中，使得电极不容易被氧化、还原，且该种电极获得阻抗信息更敏感。

一些实施例中，没有涂层的金属电极也可以被使用，例如具有化学惰性的铂电极或金电极。

所述处理器17、27、37、47可以为任何根据所述激励信号和所述响应信号来监测所述膜的处理器。一些实施例中，所述处理器17、27、37、47为电化学工作站。一些实施例中，所述处理器17、27、37、47包括电化学阻抗分析仪。

一些实施例中，所述处理器17、27、37、47与所述若干电极14、24、34、44连接，用来提供交流电给电极14a，14b、24a，24b、34a，34b、44a，44b使其发出激励信号15、25、35、45，并从电极14a，14b，14c，14d、24a，24b、34a，34b，34c，34d、44a，44b，44c，44d接收探测到的响应信号16、26、36、46。

一些实施例中，所述处理器17、27、37、47根据激励信号15、25、35、45和响应信号16、26、36、46通过电化学阻抗频谱法来获得膜11、21、31、41的电化学阻抗信息，并据此电化学阻抗信息来判断膜11、21、31、41上和膜装置10、20、30、40内的污堵信息，从而所述膜11、21、31、41的运行可以得以相应调整，例如进行清洗、或者切换进料、出料。所述污堵信息可以是从进水中带入膜装置中可能影响膜性能的物质，包括但不限于生物的，有机的和无机的各类可能造成污堵的物质的动态信息。

一些实施例中，如图4所示，所述膜装置40包括位于所述膜41的进料侧42的进料隔片420以及位于所述膜41的出料侧43的出料隔片430。

一些实施例中，所述膜装置41包括位于工作电极和对电极对44a，44b以及参比电极对44c，44d之间以将其分隔、使其互不接触的电极隔片440。

电极隔片440、进料隔片420和出料隔片430的结构、材料、网格等可以大致相同，也可以各不相同。

一些实施例中，所述膜41可以为平板膜。一些实施例中，所述膜装置40包括第一、第二端板48a、48b，其可以将所述工作电极和对电极对44a、44b、电极隔片440、参比电极对44c、44d、进料隔片420、膜41、以及出料隔片430依次加载于其间，从而加以保护并施加例如流体过滤需要的压力。

一些实施例中，流体49从第一端板48a一侧进入，流经进料隔片420、膜41、出料隔片430后产生了欲去除物质(未图示)减少的、从第二端板48b一侧流出的产品流490和欲去除物质(未图示)聚集的、从第一端板48a一侧流出的浓缩流491。

一些实施例中，所述电极14、24、34、44也可以做成隔片的形式，使电极14、24、34、44同时具有膜装置10、20、30、40中进料或出料隔片的功能从而在适用的环境省略进料或出料隔片。

一些实施例中，进料和出料的欲去除物质浓度相差较大的情况下，例如从海水或咸水中除盐获得淡水的情况下，所述膜11、21、31、41可以是反渗透膜。一些实施例中，进料和出料的欲去除物质浓度相差不大的情况，例如纳滤膜使用的环境下，所述膜11、21、31、41可以是纳滤膜。

图5所示为根据本发明一些实施例的用于监测膜的方法50的流程示意图。所述方法50包括：步骤51，向具有两个相反侧的膜引入流体；步骤52，通过位于所述膜的两个相反侧中的一侧的若干电极发出激励信号并探测响应所述激励信号的响应信号；及，步骤53，通过处理器来根据所述激励信号和所述响应信号监测所述膜。

图5中的步骤的先后顺序和步骤中的动作的划分并不限于图示的实施例。例如，步骤可以按照不同的顺序执行，一个步骤中的动作可与另一个或多个其他步骤中的动作结合，或拆分成几个子步骤。另外在一些实施例中，方法50之前、过程中和/或之后还可以有一个或多个其他动作。

一些实施例中，所述步骤53里，所述监测包括监测所述膜的电化学阻抗。一些实施例中，所述方法50包括根据监测中膜的电化学阻抗变化来调整膜运行状态。

示例

下面结合具体的示例进一步阐述本发明。这些示例仅用于说明本发明而不构成对本发明范围的限制。下列示例中若有未注明具体条件的实验方法，通常按照常规条件，或按照制造厂商所建议的条件。

在示例中，提供如图4所示的膜装置。其中膜为反渗透平板膜。工作电极和对电极为有氧化铱和氧化钽混合物涂层的钛电极。参比电极为铂丝电极。处理器为能检测电化学阻抗的电化学工作站。所有电极均置于所述膜的进料侧。

在对比例中，另外提供类似于如图4所示的膜装置，但其并不是把所有四个电极放置于膜的进料侧，而是将工作电极和对电极分别放置于膜的进料侧和出料侧，而且参比电极对也是一个置于膜的进料侧，另一个放于出料侧。

对于上述的两个膜装置，分别通过靠近其进料隔片的第一端板一侧注入包含1000ppm氯化钠的水溶液流体。连续运行72小时后，分别加入包含1％(体积百分比)的营养盐和菌的生物污垢。

分别通过处理器利用电化学阻抗频谱法得到不同频率下的阻抗信息并输出为传感器信号来监控两个膜装置的污堵情况。也检测两膜装置各自产品流的产水流量和产水电导率。

图6中的图表(A)为对比例的归一化数据的曲线图。由其可见，在四天内，产水流量因膜上的污垢的增多而降低，传感器信号在最开始产水流量降低时迅速降低，之后传感器信号随着产水流量的降低有一定幅度的降低，然而传感器信号降低的幅度不大。传感器信号归一化数据的变化曲线基本接近产水电导率的归一化数据的变化曲线，由此可见传感器信号受产水电导率影响很大。

图6中的图表(B)为示例的归一化数据的曲线图，由其可见，在四天内，产水流量因膜上的污垢的增多而降低，传感器信号在产水流量降低时大幅度降低，传感器信号的降低幅度明显大于产水流量降低的幅度。产水电导率的变化幅度在最初时迅速降低，之后跟产水流量降低的幅度接近，而传感器信号的降低幅度也明显大于产水电导率的降低幅度。

因为图6为归一化图表，对比图6(A)和图6(B)，可以看出，图表(B)中的传感器信号比图表(A)中的传感器信号的下降的幅度大很多。如此可见，位于膜同一侧的电极对膜上的污堵的探测的敏感度明显高于位于膜两侧的电极对膜上的污堵的探测的敏感度。

虽然结合特定的具体实施方式对本发明进行了详细说明，但本领域的技术人员可以理解，对本发明可以作出许多修改和变型。因此，要认识到，权利要求书的意图在于覆盖在本发明真正构思和范围内的所有这些修改和变型。

Claims (10)

1.一种膜装置，其特征在于，其包括：

具有两个相反侧的膜；

位于所述膜的两个相反侧中的一侧的若干电极，其用于发出激励信号并探测响应所述激励信号的响应信号；及，

处理器，其用于根据所述激励信号和所述响应信号来监测所述膜。

2.如权利要求1所述的膜装置，其特征在于：所述两个相反侧中的一侧为进料侧。

3.如权利要求1所述的膜装置，其特征在于：所述两个相反侧中的一侧为出料侧。

4.如权利要求1所述的膜装置，其特征在于：所述若干电极包括两对电极。

5.如权利要求1所述的膜装置，其特征在于：所述若干电极包括一对电极。

6.如权利要求1所述的膜装置，其特征在于：所述若干电极相互分隔。

7.如权利要求1至6中任意一项所述的膜装置，其特征在于：所述处理器包括电化学阻抗谱分析仪。

8.一种用于监测膜的方法，其特征在于，其包括：

向具有两个相反侧的膜引入流体；

通过位于所述膜的两个相反侧中的一侧的若干电极发出激励信号并探测响应所述激励信号的响应信号；及，

通过处理器来根据所述激励信号和所述响应信号监测所述膜。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于：所述监测包括监测所述膜的电化学阻抗。

10.如权利要求8或9所述的方法，其特征在于，其包括：根据监测中所述膜的电化学阻抗变化来调整膜。