CN108562635A - 一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置 - Google Patents

一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置 Download PDF

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冯芳芳
王捷
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Abstract

本发明公开了一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置和方法，包括个无顶1壁的过滤池1，在过滤池1的中部设置有膜纤维2，在过滤池1的进料侧和出水侧分别设置第一Ag/AgCl电极3和第二Ag/AgCl电极4，第一Ag/AgCl电极3和第二Ag/AgCl电极4、通过电线连接到数据采集卡11，再通过计算机13实现对流动电势的记录；在过滤池1中部管道内放置线状铂电极5，在膜纤维2的外部包围有环状钽电极6，线状铂电极5和环状钽电极6、通过导线连接到电化学工作站10，通过计算机13实现信号的传输；通过压力传感器7记录膜纤维2的跨膜压差，并将数据记录在无纸记录仪9上；本发明装置能实现原位在线评估膜污染阶段，确定清洗时间，操作简单、灵敏度高、易于工业化。

Description

一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置
技术领域
本发明涉及一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置，属于膜法水处理领域。
技术背景
中空纤维膜超滤技术因其分离效率高、可自组装、结构设计简单以及不产生二次污染等优点，自该技术研发到现在，在水处理领域应用越来越广泛。
然而，膜污染问题一直是制约中空纤维膜大规模应用的主要限制性因素，膜污染会导致产水通量和水质降低、增加成本以及增加操作过程中的不稳定性等一系列问题。因此，膜污染问题一直受到科学界和工程界的广泛关注，通过对膜污染机制深入探究实现对膜过滤系统的运行及膜清洗过程提供进一步的指导。膜污染的机理包括中间堵塞、标准堵塞、完全堵塞、滤饼层形成等。很多研究和应用根据跨膜压差和通量衰减的数据以及相关的膜污染数学模型，在宏观上研究膜污染机理，并且结合一些离线方法，例如冷场发射扫描电镜、原子力显微镜、红外光谱技术等，考察中空纤维膜面的污染程度。然而，通过跨膜压差和通量衰减只能在宏观上对膜污染进行观测，一些离线方法也因其操作复杂、容易破坏膜结构等不足无法大规模应用，并且无法实现实时在线监测。综上所述，建立切实有效的膜污染在线监测装置和方法，对于减缓膜污染、降低运行能耗及中空纤维膜的大规模应用有重要意义。
Zeta电位监测技术因其测试方便、数据易于分析等优点成为一种广泛应用的无损测试方法。根据双电层理论，距膜表面某一距离处有一个水溶液与表面发生相对移动的“滑动面”，该距离处的电位与液体内部的电位之差被称为Zeta电位，其大小反映出膜表面的荷电性能。根据经典的Helmholtz-Smoluchowski(H-S)方程，采用流动电势法可实现膜过滤过程中对 Zeta电位的原位在线监测。
电阻抗图谱技术是一种暂态电化学技术，以小幅度对称交流电为扰动信号实现对电化学参数的测量，并且在电极上交替进行阴极与阳极过程，避免对系统产生过大的影响，因其较高的灵敏度成为一种很好的原位无损检测手段。将Zeta电位检测技术和电阻抗图谱技术组合应用于膜污染原位在线监测装置，能准确真实的反映膜污染阶段以及膜界面的电化学信息和膜表面性能，准确评估探究膜污染阶段和膜污染机制，为膜过滤系统的运行和膜清洗提供进一步的理论支撑。
发明内容
本发明的目的是改善现有在线监测方法的局限性，提供一种操作快捷简便、灵敏度高、可从微观上得到丰富的电学信息并且能应用于工业生产的膜污染过程原位无损在线监测装置。
本发明的技术方案概述如下：
一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置，包括个无顶1壁的过滤池 1，在过滤池1的中部设置有膜纤维2，在过滤池1的进料侧和出水侧分别设置第一Ag/AgCl 电极3和第二Ag/AgCl电极4，第一Ag/AgCl电极3和第二Ag/AgCl电极4、通过电线连接到数据采集卡11，再通过计算机13实现对流动电势的记录；同时，在过滤池1中部管道内放置线状铂电极5，在膜纤维2的外部包围有环状钽电极6，线状铂电极5和环状钽电极6、通过导线连接到电化学工作站10，通过计算机13实现信号的传输；通过压力传感器7记录膜纤维2的跨膜压差，并将数据记录在无纸记录仪9上；过滤池1通过管道与恒流泵8连接，在恒流泵8的出水侧设置水槽12。
一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置，包括如下步骤：
1)使用上述基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置。
2)将过滤池中储满过滤溶液，连接好线状铂电极、环状钽电极和电化学工作站以及，连接好 Ag/AgCl电极和数据采集卡，再将电化学工作站和数据采集卡分别与计算机连接，依次启动电化学工作站、计算机、无纸记录仪、泵，通过计算机实现对Zeta电位和电阻抗的原位在线监测。
本发明的优点：
(1)采用本发明装置，能实现同时原位在线监测分析膜污染状况，从而确定膜纤维的污染阶段和污染程度，并且操作快捷简单，能实现应用于工业生产。
(2)本发明装置对膜污染行为的变化进行监测，通过在时间上的分析膜污染状况，确定进行膜清洗的最佳时间。具有较高的准确性和灵敏度。
(3)本发明装置可根据实验装置调节过滤池的长度，以实现分析不同的膜纤维长度对膜污染过程的影响。
(4)本发明的操作方法简便易行，可操控性强、能获得丰富的电学信息。
附图说明
图1为本发明一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置(见图1)，包括1个无顶壁的过滤池1，在过滤池1的中部设置有膜纤维2，在过滤池1的进料侧和出水侧分别设置第一 Ag/AgCl电极3和第二Ag/AgCl电极4，第一Ag/AgCl电极3和第二Ag/AgCl电极4、通过电线连接到数据采集卡11，再通过计算机13实现对流动电势的记录；同时，在过滤池1 中部管道内放置线状铂电极5，在膜纤维2的外部包围有环状钽电极6，线状铂电极5和环状钽电极6、通过导线连接到电化学工作站10，通过计算机13实现信号的传输；通过压力传感器7记录膜纤维2的跨膜压差，并将数据记录在无纸记录仪9上；过滤池1通过管道与恒流泵8连接，在恒流泵8的出水侧设置水槽12。
实施例1
一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置，包括如下步骤：
1)使用上述一种基于原位Zeta电位和电阻抗图谱技术膜污染监测装置；
2)启动泵，使储水罐中的待过滤水通入过滤池中，打开光源、光谱仪、计算机、无纸记录仪和电化学工作站，启动数据采集软件和电化学分析软件，通过计算机监测分离膜片表面污染物质吸附沉降情况；通过计算机监测过滤系统阻抗变化。
用实施例1的方法过滤待过滤溶液，过滤5min时膜纤维2的Zeta电位为-15.6mV、电阻抗为1450 Ohm，并且Zeta电位和电阻抗快速上升，在该阶段主要的膜污染机制是膜孔堵塞；过滤20min时膜纤维5的Zeta电位为-14.8mV、电阻抗为1465 Ohm，Zeta电位和电阻抗缓慢上升，在该阶段主要的膜污染机制是滤饼层形成；在一小时以后膜纤维2的Zeta电位值稳定电阻抗值下降，主要的膜污染机制是滤饼层压实，说明膜组件需要进行清洗。

Claims (2)

1.一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置，包括无顶壁的过滤池(1)，在过滤池的中部设置有膜纤维(2)，在过滤池的进料侧和出水侧分别设置第一Ag/AgCl电极(3)和第二Ag/AgCl电极(4)，第一Ag/AgCl电极和第二Ag/AgCl电极、通过电线连接到数据采集卡(11)，再通过计算机(13)实现对流动电势的记录；同时，在过滤池中部管道内放置线状铂电极(5)，在膜纤维的外部包围有环状钽电极(6)，线状铂电极和环状钽电极、通过导线连接到电化学工作站(10)，通过计算机实现信号的传输；通过压力传感器(7)记录膜纤维的跨膜压差，并将数据记录在无纸记录仪(9)上；过滤池通过管道与恒流泵(8)连接，在恒流泵的出水侧设置水槽(12)。
2.一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置，其特征是包括如下步骤：
1)使用权利要求1的一种基于Zeta电位和电阻抗图谱技术的膜污染原位监测装置；
2)将过滤池中储满过滤溶液，连接好线状铂电极、环状钽电极和电化学工作站以及，连接好Ag/AgCl电极和数据采集卡，再将电化学工作站和数据采集卡分别与计算机连接，依次启动电化学工作站、计算机、无纸记录仪、泵，通过计算机实现对Zeta电位和电阻抗的原位在线监测。
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