CN109187311A - 一种评价反渗透系统进水污堵潜力的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种评价反渗透系统进水污堵潜力的装置及方法，所述评价方法包括以下步骤：(1)测定水样在t时刻的产水质量M_t,并计算得出水样在t时刻的产水流量Q_t；(2)计算反渗透膜片的过水面积S，计算得出反渗透膜片在t时刻的通量J_t；(3)将通量J_t进行标准化处理得到t时刻的标准化通量j_nt；(4)将标准化通量j_nt进行关于温度的修正，得到t时刻修正后的标准化通量J_t；(5)将修正后的标准化通量J_t用膜污堵模型进行拟合，计算得出平衡通量J_SS和水样的膜污堵指数σ。本发明可以准确模拟和预测RO膜通量随运行时间的变化，对于控制膜污堵、维持反渗透系统的稳定运行具有重要意义。

Description

一种评价反渗透系统进水污堵潜力的装置及方法

技术领域

本发明涉及反渗透系统领域，尤其涉及一种评价反渗透系统进水污堵潜力的装置及方法。

背景技术

我国水资源严重短缺，污水再生利用是解决这一问题的有效途径，全面展开再生水的利用，对缓解我国水资源短缺具有十分重要的意义。反渗透工艺(Reverse Osmosis，RO)由于产水水质好、运行稳定，逐渐被应用于污水再生领域，但污水中的有机物会造成严重的RO膜污堵，RO膜污堵导致的膜通量下降、产水水质下降等是限制污水再生处理反渗透工艺稳定运行的主要问题。准确模拟和预测RO膜的膜通量随系统运行时间的变化，对于控制膜污堵、维持系统的稳定运行具有重要意义，但是目前还没有模拟和预测RO膜通量随系统运行时间变化的方法及设备。

发明内容

为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种评价反渗透系统进水污堵潜力的装置及方法。

第一方面，本发明提供的评价反渗透系统进水污堵潜力的方法，包括以下步骤：

(1)测定水样在t(min)时刻的产水质量M_t(g),并计算得出水样在t时刻的产水流量Q_t(mL·min^-1)；

(2)计算反渗透膜片的过水面积S(mm²)，计算得出反渗透膜片在t时刻的产水通量j_t(mL·min^-1·mm^-2)：

(3)将产水通量j_t进行标准化处理得到反渗透膜片在t时刻的标准化产水通量j_nt；

(4)对标准化产水通量j_nt进行水样温度修正得到t时刻修正后的标准化产水通量J_t；

(5)将修正后的标准化产水通量J_t用膜污堵模型进行拟合，膜污堵模型的表达式为：

其中，J_t为t时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；J₀为t₀时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；J_SS为平衡通量(无量纲)；σ为水样的膜污堵指数(m^-1)；

采用上述模型拟合后，计算得出模型参数J_SS和σ。

本发明提供的对反渗透系统进水污堵潜力的评价方法中，J_SS表征了测试水样长时间持续进水后最终达到平衡时的最低通量，σ模型参数表征了该水样对反渗透膜的污堵潜力，σ值越大表明水样的反渗透膜污堵潜力越大。本发明提供的对反渗透系统进水污堵潜力的评价方法，是从实际工程中取部分水样并选择相应的反渗透膜进行评价，可以准确模拟和预测RO膜通量随运行时间的变化，对于控制膜污堵、维持反渗透系统的稳定运行具有重要意义。

优选地，在步骤(1)中，计算t时刻的产水流量Q_t的方法为：

假设产水密度ρ＝1g/mL,产水体积V_t(mL)为：

产水质量M_t的获取方法为：每间隔a(min)时间段记录一次数据，则产水流量Q_t的计算方法为：

其中，Q为t时刻的产水流量,mL·min^-1；V₁为t-a时刻的产水总体积,mL；V₂为t+a时刻的产水总体积,mL。

优选地，为了避免由于每张反渗透膜本身差异性对产水通量造成的影响，需要对通量数据进行标准化处理；在步骤(3)中，t时刻膜片的标准化产水通量j_nt的计算方法如下：

其中，j_nt为t时刻膜片的标准化产水通量(无量纲)，j_t为t时刻膜片的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)；j_t为t₀时刻膜片的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)。

优选地，为了避免水样温度波动对反渗透膜过水通量的影响，需要结合水样温度对标准化产水通量j_nt进行修正，在步骤(4)中，t时刻修正后的标准化产水通量J_t的计算方法如下：

J_t＝j_nt×1.024^25-T；

其中，J_t为t时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；j_nt为t时刻膜片的标准化产水通量(无量纲)；T为t时刻的进水温度(℃)；

第二方面，本发明提供的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置是利用第一方面提供的评价方法进行评价的，所述装置包括反渗透平膜装置以及分别通过进水管、浓水管和产水管与反渗透平膜装置连接的进水箱、浓水箱和产水箱；进水箱内侧底部安装有用于实时监测进水温度的温度监测仪，进水管上安装有进水泵和压力表，浓水管上安装有浓水阀门，产水箱底部设有用于实时记录产水重量的电子天平。

进一步地，反渗透平膜装置包括底座以及可拆卸固定在底座上方的顶盖，底座和顶盖内形成连通的腔体，顶盖上端设有与该腔体连通的产水管接口，底座外侧设有与该腔体连通的进水管接口和浓水管接口，顶盖内部贴合安装有测试膜片，底座内侧底部放置有磁力搅拌子，底座底部设有磁力搅拌器。

进一步地，顶盖内部测试膜片的上方从上到下依次贴合安装有支撑板、过滤支撑板；支撑板顶部设有凸起，与顶盖顶部设置的凹槽相配合，支撑板内部设有与产水管接口相通的产水通道；过滤支撑板为多孔磨砂板，与测试膜片直接接触。顶盖在安装在底座之前，需要先将支撑板、过滤支撑板安装在顶盖内，起到支撑测试膜片的作用，同时便于拆卸膜片。

上述评价系统的使用方法为：

(Ⅰ)将温度监测仪、电子天平与数据处理设备连接，数据处理设备用于接收并存储温度监测仪和电子天平传输的进水温度及产水质量，数据处理设备内预设上述评价方法，用于按照该评价方法对进水温度及产水质量进行处理；

(Ⅱ)评价系统按照步骤(Ⅰ)安装完毕后，先打开浓水阀门，再启动进水泵，调节浓水阀门使得压力表示数与实际工程运行时的操作压力范围一致，同时打开磁力搅拌器，待压力表示数稳定后，开始记录进水温度T(℃)、进水压力P(MPa)以及产水质量M_t(g)；

(Ⅲ)由数据处理设备计算出平衡通量J_SS和膜污堵指数σ。

附图说明

图1为本发明提供的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置的结构示意图；

图2为反渗透平膜装置的结构示意图。

其中，1、温度监测仪；2、进水箱；3、进水泵；4、压力表；5、反渗透平膜装置；6、浓水阀门；7、浓水箱；8、产水箱；9、电子天平；

51、底座；511、进水管接口；512、浓水管接口；513、磁力搅拌子；514、磁力搅拌器；515、凸缘A；516、凸沿；52、顶盖；521、产水管接口；522、支撑板；523、过滤支撑板；524、测试膜片；525、凸缘B；526、密封圈；527、凸起；528、凹槽；529、产水通道；53、夹子；54、进水管；55、浓水管；56、产水管。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

实施例1

本发明提供的评价反渗透系统进水污堵潜力的方法，包括如下步骤：

(1)测定水样在t(min)时刻的产水质量M_t(g),并计算得出水样在t时刻的产水流量Q_t(mL·min^-1)；

(2)计算反渗透膜片的过水面积S(mm²)，计算得出反渗透膜片在t时刻的产水通量j_t(mL·min^-1·mm^-2)：

(3)将产水通量j_t进行标准化处理得到反渗透膜片在t时刻的标准化产水通量j_nt；

(4)对标准化产水通量j_nt进行水样温度修正得到t时刻修正后的标准化产水通量J_t；

(5)将修正后的标准化产水通量J_t用膜污堵模型进行拟合，膜污堵模型的表达式为：

其中，J_t为t时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；J₀为t₀时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；J_ss为平衡通量(无量纲)；σ为水样的膜污堵指数(m^-1)；

采用上述模型拟合后，计算得出模型参数J_SS和σ，模型参数J_SS表征了测试水样长时间持续进水后最终达到平衡时的最低通量，σ模型参数表征了该水样对反渗透膜的污堵潜力，σ值越大标明水样的反渗透膜污堵潜力越大。将修正后的标准化产水通量随时间的变化曲线以及上述模型的拟合结果结合，即可对水样的反渗透膜污堵潜力进行系统评价。

在步骤(1)中，可以通过测定的t时刻的产水质量M_t(g)，从而得到t时刻的产水体积V_t，测得的产水体积V_t是随时间变化的数据；由于反渗透膜可以截留水中绝大多数的污染物与离子，故可假设产水为纯水，其密度ρ＝1g/mL，由此可将测定的产水质量M_t转化为产水体积V_t，计算公式为：

在获取产水质量M_t时，可以选择每间隔a(min)时间记录一次数据，从而获得M₁和M₂的值，其中，M₁为t-a时刻的产水质量(g)，M₂为t+a时刻的产水质量(g)，由M₁和M₂可以计算得出V₁和V₂的值，则产水流量Q_t的计算方法为：

其中，Q_t为t(min)时刻产水流量(mL·min^-1)；V₁为t-a时刻的产水总体积(mL)；V₂为t+a时刻的产水总体积(mL)。具体测试时，可以每10min记录一次数据。

在步骤(2)中，计算反渗透膜片过水面积S的方法是：

S＝πR²；

其中，R为反渗透膜片过水面积的半径，可用直尺直接测量获得。

在测试过程中，膜片的周边设置的密封圈会占据一部分膜片面积，故过水面积是小于膜片面积的，例如测试膜片半径为18-20mm，过水面积的半径为15-16mm，为了保证污堵潜力评价的准确性，这里采用过水面积来计算，所以，在使用时，膜片的面积需要大于实际过水面积。

由于每张反渗透膜本身性质存在不同差异，因此每张膜初始时刻的通量都不一致，为了排除这种影响，需要对测试所得的通量数据进行标准化处理，标准化产水通量j_nt的计算方法为：

其中，j_nt为t时刻膜片的标准化产水通量(无量纲)；j_t为t时刻膜片的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)；j₀为t₀时刻膜片的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)。

此外，由于水样的温度波动也会影响反渗透膜的过水通量，故需要结合水样温度数据对所得的标准化产水通量进行修正，具体计算方法如下：

J_t＝j_nt×1.024^25-T；

其中，J_t为t时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；j_nt为t时刻膜片的标准化产水通量(无量纲)；T为t时刻的进水温度(℃)；

通过上述数据处理，即可得到修正后的标准化产水通量J_t随时间t的变化曲线，进而通过上述膜污堵模型进行拟合，即可得到水样的膜污堵指数σ和平衡通量J_SS，进而即可对水样的反渗透膜污堵潜力进行系统评价。

实施例2

本发明提供的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置，采用实施例1中提供的评价方法进行评价，如图1所示，所述装置包括反渗透平膜装置5以及分别通过进水管54、浓水管55和产水管56与反渗透平膜装置5连接的进水箱2、浓水箱7和产水箱8；进水箱2内侧底部安装有用于实时监测进水温度的温度监测仪1；进水管54上安装有进水泵3，进水泵将进水箱中的进水抽至反渗透平膜装置5中；产水箱8底部设有用于实时记录产水重量的电子天平9。

优选地，进水泵3为恒流泵，浓水管上安装浓水阀门6，通过调节浓水阀门6即可直接改变进水的压力；进一步优选地，进水管上还安装压力表4，调节浓水阀门6后，即可实时读取压力表4的示数，作为操作条件进行记录。

优选地，如图2所示，反渗透平膜装置5包括底座51以及可拆卸固定在底座51上方的顶盖52，底座51和顶盖52内形成连通的腔体，顶盖52上端设有与该腔体连通的产水管接口521，用于连接产水管56，顶盖52内部贴合安装有测试膜片524；底座51外侧设有与该腔体连通的进水管接口511和浓水管接口512，分别用于连接进水管54和浓水管55，底座51内侧底部放置有磁力搅拌子513，底座底部设有磁力搅拌器514。

进一步地优选地，在顶盖52内部测试膜片524的上方从上到下依次贴合安装有支撑板522、过滤支撑板523。支撑板522顶部设有凸起527，与顶盖顶部设置的凹槽528相配合，保证支撑板安装的稳定性，支撑板522内部设有与产水管接口相通的产水通道529，用于排出产水；过滤支撑板523为可供产水流经的多孔磨砂板，其可选用不锈钢材质，与测试膜片直接接触，采用磨砂板是为了增加过滤支撑板与测试膜片之间的空隙，方便实验结束后将反渗透膜片取出。选用两块支撑板是用了方便装置的拆卸和清洗，如果将支撑板522和过滤支撑板523合并为一块大的支撑板，装置的拆卸和清洗将非常不便。

进一步地优选地，为了保证测试膜片524与顶盖52内壁的密封性，在膜片524边缘下方设置密封圈526与顶盖52内壁密封连接，密封圈526一般为软质的橡胶材料，会与顶盖内壁紧紧贴合；底座52的上端设有凸沿516，凸沿516贴合安装在顶盖52内并抵压密封圈526，凸沿516与密封圈526的尺寸相当。此时，反渗透膜片过水面积的半径R为密封圈526内径的一半。

底座51和顶盖52可选择长方体或圆柱体结构，优选地，底座51和顶盖52均选择圆柱体结构，占用空间小，便于运输；底座51和顶盖52的内腔可选择为方形腔或圆柱腔，由于方形腔的四个角处容易出现水流死区(指水流流速较低的区域)，优选地，内腔优选圆柱腔，没有明显的水流死区，对应的支撑板522、过滤支撑板523、测试膜片524、密封圈526也均为圆形结构。

为了便于底座51和顶盖52的安装，在底座51的上边缘和顶盖52的下边缘分别设置凸缘A515和凸缘B525，凸缘A515和凸缘B525可以通过夹子53固定在一起，进一步使凸沿516压紧密封圈526，从而防止液体流出，夹子53可以采用止水夹。

上述系统在测试前，底座51和顶盖52为分离状态，在使用时，可以先将底座51至于磁力搅拌器514上，再将磁力搅拌子513至于底座51内侧底部；顶盖52在扣合在底座51之前，其内腔开口朝上，将支撑板522、过滤支撑板523先后放入顶盖52内腔后，将测试膜片524放在过滤支撑板523上方，再将密封圈526放在测试膜片524上方，最后，将组装好的顶盖52密封扣合于底座51上(由于支撑板522、过滤支撑板523、测试膜片524、密封圈526的直径与顶盖腔体内径基本一致，会与顶盖内壁紧密贴合，所以倒扣时不会出现脱落的现象)，并通过夹子53固定在一起；将进水管接口511、产水管接口521、浓水管接口512分别连接进水管、产水管、浓水管后，即可开始测试；进水经进水管接口511进入底座51内部的腔体内后，在磁力搅拌子的搅拌作用下流动，经过测试膜片524的反渗透作用形成产水和浓水，产水经过滤支撑板523、支撑板522从产水管接口521流出，浓水经浓水管接口512流出。测试完成后，先打开夹子53，将顶盖翻转取下，然后，可以通过镊子等细长型工具将密封圈526、测试膜片524、过滤支撑板523、支撑板522从顶盖内部一一取出，随后进行更换或清洗；磁力搅拌子可以直接从底座内部取出。

实施例3

在使用实施例2中提供的评价系统时，使用方法如下:

(Ⅰ)将温度监测仪、电子天平与数据处理设备10连接，数据处理设备用于接收并存储温度监测仪和电子天平传输的进水温度及产水质量，数据处理设备内预设实施例1中所述的评价方法，并根据该评价方法对进水温度及产水质量进行处理；

(Ⅱ)评价系统安装完毕后，先打开浓水阀门，再启动进水泵，调节浓水阀门使得压力表示数与实际工程运行时的操作压力范围一致，同时打开磁力搅拌器，待压力表示数稳定后，开始记录进水温度T(℃)、进水压力P(MPa)以及产水质量M_t(g)；

(Ⅲ)由数据处理设备计算出平衡通量J_SS和膜污堵指数σ。

在步骤(Ⅱ)中,假如实际工程运行时的操作压力范围为0.8-1.2Mpa，则需要将调节压力表使其显示数据在0.8-1.2Mpa；根据实际工程运行的水样流速(0.1m/s-0.4m/s,一般取0.2m/s)，可以调节磁力搅拌器的转速，例如，可以将转速调节至200-250rpm。

水流流速v(m/s)的计算方式如下：

其中，R为反渗透膜片过水面积的半径，在本发明中为密封圈内径的一半，mm；n为磁力搅拌器的转速，rpm。

例如，反渗透膜片过水面积的半径R是15.5mm，n选择200rpm，这样计算出来流速是0.16m/s，符合实际的工程情况。

本发明提供的对反渗透系统进水污堵潜力的评价系统及评价方法，可以准确模拟和预测RO膜通量随运行时间的变化，对于控制膜污堵、维持反渗透系统的稳定运行具有重要意义。

以上所述实施方式仅表达了本发明的多种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种评价反渗透系统进水污堵潜力的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)测定水样在t(min)时刻的产水质量M_t(g),并计算得出水样在t时刻的产水流量Q_t(mL·min^-1)；

(2)计算反渗透膜片的过水面积S(mm²)，计算得出反渗透膜片在t时刻的产水通量j_t(mL·min^-1·mm^-2)：

(3)将产水通量j_t进行标准化处理得到反渗透膜片在t时刻的标准化产水通量j_nt；

(4)对标准化产水通量j_nt进行水样温度修正得到t时刻修正后的标准化产水通量J_t；

(5)将修正后的标准化产水通量J_t用膜污堵模型进行拟合，膜污堵模型表述为：

其中，J_t为t时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；J₀为t₀时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；J_ss为平衡通量(无量纲)；σ为水样的膜污堵指数(m^-1)；

采用上述模型拟合后，计算得出模型参数J_ss和σ。

2.根据权利要求1所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的方法，其特征在于，在步骤(1)中，计算t时刻的产水流量Q_t的方法为：

假设产水密度ρ＝1g/mL,产水体积V_t(mL)为：

产水质量M_t的获取方法为：每间隔a(min)时间段记录一次数据，则产水流量Q_t的计算方法为：

其中，Q_t为t时刻的产水流量，mL·min^-1；V₁为t-a时刻的产水总体积，mL；V₂为t+a时刻的产水总体积，mL。

3.根据权利要求1所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的方法，其特征在于，在步骤(3)中，t时刻的标准化产水通量j_nt的计算方法如下：

其中，j_nt为t时刻膜片的标准化产水通量(无量纲)，j_t为t时刻膜片的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)；j₀为t₀时刻膜片的产水通量(mL·min^-1·mm^-2)。

4.根据权利要求1所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的方法，其特征在于，在步骤(4)中，t时刻修正后的标准化产水通量J_t的计算方法如下：

J_t＝j_nt×1.024^25-T；

其中，J_t为t时刻修正后的标准化产水通量(无量纲)；j_nt为t时刻膜片的标准化产水通量(无量纲)；T为t时刻的进水温度(℃)。

5.一种评价反渗透系统进水污堵潜力的装置，其特征在于，所述装置利用权利要求1-4任一所述的评价方法评价反渗透系统的进水污堵潜力，所述装置包括反渗透平膜装置(5)以及分别通过进水管(54)、浓水管(55)和产水管(56)与反渗透平膜装置连接的进水箱(2)、浓水箱(7)和产水箱(8)；进水箱内侧底部安装有用于实时监测进水温度的温度监测仪(1)，进水管上安装有进水泵(3)和压力表(4)，浓水管上安装有浓水阀门(6)，产水箱底部设有用于实时记录产水质量的电子天平(9)。

6.根据权利要求5所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置，其特征在于，反渗透平膜装置包括底座(51)以及可拆卸固定在底座上方的顶盖(52)，底座和顶盖内形成连通的腔体，顶盖上端设有与该腔体连通的产水管接口(521)，底座外侧设有与该腔体连通的进水管接口(511)和浓水管接口(512)，顶盖内部贴合安装有测试膜片(524)，底座内侧底部放置有磁力搅拌子(513)，底座底部设有磁力搅拌器(514)。

7.根据权利要求6所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置，其特征在于，底座的上边缘和顶盖的下边缘分别设有凸缘A(515)和凸缘B(525)，凸缘A和凸缘B通过夹子(53)固定在一起。

8.根据权利要求6所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置，其特征在于，顶盖内部测试膜片的上方从上到下依次贴合安装有支撑板(522)、过滤支撑板(523)；支撑板顶部设有凸起(527)，与顶盖内侧顶部设置的凹槽(528)相配合，支撑板内部设有与产水管接口相通的产水通道(529)；过滤支撑板为多孔磨砂板，与测试膜片直接接触。

9.根据权利要求8所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置，其特征在于，顶盖内部测试膜片的下方边缘通过密封圈(526)与顶盖内壁密封连接；底座的上端设有凸沿(516)，凸沿贴合安装在顶盖内部并抵压密封圈。

10.根据权利要求5-9任一所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的装置，其特征在于，所述装置的使用方法为：

(Ⅰ)将温度监测仪、电子天平与数据处理设备(10)连接，数据处理设备用于接收并存储温度监测仪和电子天平传输的进水温度及产水质量，数据处理设备内预设权利要求1-4任一所述的评价反渗透系统进水污堵潜力的方法，用于按照该评价方法对进水温度及产水质量进行处理；

(Ⅱ)评价系统按照步骤(Ⅰ)安装完毕后，先打开浓水阀门，再启动进水泵，调节浓水阀门使得压力表示数与实际工程运行时的操作压力范围一致，同时打开磁力搅拌器，待压力表示数稳定后，开始记录进水温度T(℃)、进水压力P(MPa)以及产水质量M_t(g)；

(Ⅲ)由数据处理设备计算出平衡通量J_SS和膜污堵指数σ。