CN110582343B - 膜组件和用于检测膜组件中的沉积物的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于在产生渗透物(P)的膜组件中探测沉积物的装置，所述膜组件包含至少一个渗透性的或半渗透性的膜层(1)，其中，为了检测所述至少一个膜层(1)上的沉积物，至少一个聚合物光纤(3)被结合到膜组件中，使得聚合物光纤(3)与至少一个膜层(1)接触。本发明还涉及一种在产生渗透物(P)的膜组件中探测沉积物的方法以及一种用于从液体、尤其是水溶液的进料流(F)中产生渗透物的膜组件，其中，膜组件包含多个并置的或者叠置的、由渗透性或半渗透性膜层构成的分层(a、b)，并且在所属膜组件中嵌入或置入了至少一个聚合物光纤(3)，所述聚合物光纤(3)与膜层(1)的至少一个分层(a、b)接触。

Description

膜组件和用于检测膜组件中的沉积物的方法

技术领域

本发明涉及一种具有用于检测沉积物的装置的膜组件以及一种用于检测产生渗透物的膜组件中的沉积物的方法。

背景技术

在膜分离技术中，使用用于从穿过膜组件的液体进料流中分离出渗透物和截留物的膜组块。截留物在此被至少一个布置在膜组件中的、可渗透或半渗透的膜拦截，而渗透物穿过这个膜。由此使得进料流中低分子和高分子材料彼此分离，其中，截留物以浓缩的形式含有进料流的高分子成分，因此也被称为浓缩物。

膜组件通常包含多层渗透性或半渗透性的膜层，其中，这些层例如可以形成平面膜层，这些平面膜层例如在板组件中上下层叠或者在卷式组件中围绕着中心管螺旋缠绕。在此，在上下层叠的膜层之间设置有中间层，其用作间隔器(Spacer)并且实现膜层之间的渗透物和截留物(或浓缩物)的材料引导。膜组件的更多实施方式例如包括膜袋组件，其中，边沿被焊接的膜袋缠绕在配有钻孔的管周围，或者是中空纤维组件，中空膜成束地布置在该中空纤维组件中并且一端被固定，其中，中空纤维靠渗透侧是敞开的，并且在截留侧是封闭的。

由专利DE 42 33 952 C1和DE 101 30 716 A1例如公开了一种卷式组件，其可以被用于反渗透或用于错流过滤、尤其是用于微滤。另一种卷式组件在专利US2003/0205520A1中示出。一种中空纤维组件例如由专利DE10 2016 004 573 A1中公开。

膜组件通常模块式地并且尤其是以串联和并联的方式布置在膜设备中，由此使得膜设备能够适应分离过程所需的程度(例如达到所需的通量)和进料流的以及将产生的渗透物及截留物的材料属性，尤其是适应在溶液中溶解的和待分离的颗粒的颗粒大小。

膜组件广泛地用在水处理流程和过滤流程中。依据例如需要从水溶液中分离的材料的大小，这里区分为微滤、超滤、纳滤和反渗透，其中，分离过程如下地实现，即，例如含有颗粒的溶液在施加压力的情况下被引导穿过模块式地布置在膜分离设备中的膜组件的膜层。因为例如为了反渗透和纳滤需要3到20帕(纳滤)或10到100帕(反渗透)范围的高压，所以膜组件的膜层布置在耐高压的壳体内，例如一个圆柱形的压力管中。壳体具有一个入口以引入进料流，并且具有渗透物出口和浓缩物出口以导出渗透物和浓缩物。在使用卷式组件的情况下，进料流例如沿着卷式组件的端侧被导入，并且渗透物被收集在具有开口的中央渗透管内，并且通过渗透管从卷式组件中导走。浓缩物靠着卷式组件的另一个正端侧流走，并且可以经由浓缩物出口排出。

尤其是在水处理及过滤流程中使用膜组件时，在膜表面形成沉积物，这些沉积物形成覆盖层，矿物质(例如碱)、胶体水成分和微生物以生物膜的形式沉积在这个覆盖层中。这个覆盖层降低了膜层的分离性能，因此需要对膜组件进行定期的和尤其是周期性的清洁或冲洗或者更换膜层。为了清洁膜层例如可以使用含表面活性剂的清洁溶液。为了长久保持膜层的分离功能，必须在膜层阻塞之前及时对膜层进行清洁或冲洗。为了确保能及时进行清洁和冲洗，通常在即将阻塞膜层之前就一定的时间安全间隔进行清洁或冲洗。这样一来，膜组件往往倾向于被过度清洗，因此一方面产生对清洁及冲洗溶液的大量消耗，另一方面必须忍受清洁过程期间较长的停机时间，在这段时间内不能使用膜组件执行分离流程。此外，即使用含有表面活性剂的清洁溶液定期清洁膜层，仍然会因为微生物造成膜表面的生长(生物污垢)。生物污垢同样也会导致膜组件的分离效率下降。

为了检测沉积物，在专利US 2008/0084565 A1中描述了一种干涉检测系统，它也可以用在反渗透膜组件中。

发明内容

由此出发，本发明的目的是，提供一种膜组件和一种用于在产生渗透物的膜组件中检测沉积物的方法，利用它们随时可以在膜组件运行期间检测包含在膜组件中的膜层的表面上的沉积物、例如以矿物沉积物的形式(结垢)存在、有机分子沉积物或者因为微生物造成的生长(生物污垢)。本发明的另一个目的在于，改进膜组件，其包括多个由渗透性或半渗透性的膜层构成的、并置或叠置的层，即，使得在膜分离过程中运行该膜组件期间，从输送给膜组件的液体进给流中生成渗透物，能够了解膜层表面上的沉积物的情况。通过这种方法将使得用于定期清洁和冲洗已知膜组件的清洁及冲洗溶液的量最小化，并且减少为了清洁膜组件而无法将膜组件用于膜分离过程的时间。在此，将能够检查清洁流程是否完成。

所述目的利用权利要求1所述的膜组件以及根据权利要求10所述的方法得以实现。从从属权利要求中可以找到所述膜组件的和所属方法的优选实施方式。

根据本发明，在具有至少一个渗透性或半渗透性膜层的膜组件中，至少一个聚合物光纤被结合到所述膜组件中，其中，该聚合物光纤与至少一个膜层接触。

聚合物光纤在此根据目的包含由一种聚合物材料(例如PMMA)制成的纤芯和一个包围着纤芯的护套，其中，护套材料的折射率小于聚合物材料的折射率。优选地，所述聚合物光纤在一个布置在膜组件内的部段中具有在护套中的凹部，从而使纤芯可以敞露地置于该凹部区域内，并且与聚合物光纤所在的周围环境处于接触。护套在此也可以是多层的，并且例如包括靠内的、起光学作用的、与纤维芯相邻并且具有相比纤芯更小折射率的护套层、以及靠外的保护层。在此，仅仅去除靠外的保护层的部分区域，就够了。然而在这里也有可能的是，并且为了提高敏感度而有意义的是，不仅去除起光学作用的护套层的部分区域，而且还去除靠外的保护层的部分区域，从而使纤芯在纤维的护套(完全)去除的凹部区域内敞露。

根据本发明结合到膜组件中的聚合物光纤在膜组件中与液体接触，这种液体作为进料流被输送给膜组件。只要膜组件的膜层表面上因为液体穿过而形成矿物质、有机分子或微生物形式的沉积物，那么这些沉积物的相应材料就也沉积在聚合物光纤的表面上，并且尤其是在直接位于纤维芯上的护套凹部区域内。当聚合物光纤表面上并且尤其是纤芯护套的凹部区域内的沉积物增长时，聚合物光纤的光学特征值发生变化。尤其是纤维的透射率下降，因为沉积物通常具有相比护套或聚合物光纤的纤芯不同的折射率。当沉积物比聚合物光纤的纤芯例如具有更高的折射率时(例如在结垢的情况下就是这种情况)，就会这样，因为耦合输入到光纤中的光会从纤芯中射出。

如果沉积物的折射率低于聚合物光纤的纤芯(例如在生物污垢时会如此)，纤维的光学特征值同样也发生变化，因为沉积物和因为纤芯中光的全内反射引起的消逝波之间发生相互作用。因为沉积物造成的聚合物光纤的光学特征值的变化例如可以如下地获取，即，聚合物光纤的一端与电磁辐射的发射器(例如光源、尤其是激光二极管)耦连，而纤维的另一端与对辐射敏感的接收器(例如光敏二极管)耦连。通过使用发射器和接收器，可以在膜组件运行期间检测聚合物光纤因为沉积物增加而改变的光学特征值，尤其是其透射率，而不会影响膜分离功能。通过检测到的光学特征值的变化情况，可以了解在聚合物光纤表面上形成的沉积物的量。检测到的纤维光学特征值相对于起始状态的变化越大，聚合物光纤上的从而与之相邻的膜层上的沉积物量就越大。通过由聚合物光纤产生的测量值因此可以推导出膜组件中膜层的状态，并且可以查明何时需要进行清洁，才能防止膜层阻塞。因为膜组件中聚合物光纤与至少一个膜层处于接触状态，所以可以认为，在膜层表面上沉积了与聚合物光纤表面上同等程度的沉积物。因此通过检测聚合物光纤的光学特征值的变化，可以同时推断出膜组件的膜层表面上是否存在沉积物以及沉积物的量。

在包含多个膜组件的膜设备中，不一定要在用于渗透物的真正产生过程中(膜分离过程)所使用的组件中完成对沉积物的测量。并联的测量组件中进行了相同的膜分离过程，但是其输出物(浓缩物和渗透物)却不用于生产流程，它在这里例如就能够对其他用于产生渗透物的膜组件中是否存在沉积物进行推断。

通过聚合物光纤产生的测量值(就纤维的光学特征值的变化而言、像是例如它的透射率)可以用于对膜组件的状态评估，以及/或者用于干预在膜组件中进行的膜分离过程。例如可以通过由聚合物光纤产生的测量值确定，何时将发生膜层的阻塞并且为了避免阻塞而必须对膜组件进行清洁和冲洗。通过改变膜分离过程的过程参数还可以最小化沉积物的进一步形成。在进料流被浓缩时，尤其地可能有难溶的盐在膜组件中沉淀。通过浓度的连续变化，在参考聚合物光纤的测量值的情况下可以将特定的浓度与沉淀物的出现或消失对应起来。从而可以将膜分离过程设定到例如不会产生沉淀的、可实现的最大浓度。

膜分离过程中的干预措施在此尤其是可以被用于在产生沉积物的极限范围内实现尽可能高的浓度，和/或优化辅助成分的剂量(像是例如防垢剂或杀生物剂)。此外由此还可以最优化清洁过程，例如通过在达到预设的测量信号时结束清洁流程，该测量信号显示出，所有沉积物在清洁期间至少已经在最大程度上得到了清除。

有利的是，在具有多个膜组件的膜设备中，只有一个或少数几个膜组件根据本发明配有聚合物光纤，并且由此被设计成测量组件，用于检测该测量组件的膜层表面上的沉积物。在此可以认为，在其他的膜组件中也形成了测量组件的膜层上相同程度的沉积物。例如在结合到其中的纤维有问题时，将一个膜组件设置成测量组件在此还能够使更换测量组件更简单。

对沉积物的检测优选地在膜组件的一个特定位置上完成，在这个位置上在膜分离过程中要从液体中分离出的成分(例如盐)，相比膜组件中成分的平均浓度(尤其是盐浓度)，具有局部更高的浓度。优选的测量位置例如可以选择膜组件内的滞留区，在这个滞留区内，因为输送到膜组件的液体进料流具有更长的停留时间，因此可以导致沉积物的大量形成。

膜组件中优选的测量位置例如由选中的测量位置上聚合物光纤的护套内的凹部的构造限定。

事实证明例如在膜组件内或整个膜设备内，那些在液体的流动方向上位于膜组件的有效区域开端的、发生真正的膜分离过程的区域是用于感应生物污垢和胶体污染的优选测量位置。相反地，为了检测矿物质沉淀(结垢)，那些在结束进料流的流动方向上位于膜组件或整个膜设备的有效区域端上的区域被证明是优选的测量位置。

根据本发明的膜组件包含许多由渗透性或半渗透性膜层组成的、并置或叠置的层，在此，根据本发明至少一个聚合物光纤被嵌入或置入膜组件内，其中，所述聚合物光纤与至少一层膜层处于接触状态。

在符合目的的实施例中，膜组件是平面膜组件或者是卷式组件，其中，在相邻的两层膜层之间分别布置了一个中间层，并且这个或每个聚合物光纤都被嵌入或置入一个中间层。所述中间层在此例如可以是间隔器(spacer)，它将相邻的膜层或膜层的相邻层彼此保持在一定的间距内，并且实现进料流或截留物和/或渗透物在膜组件中的材料运输。中间层例如可以通过由网状栅格构成的编织层或格删层构成，液体可以流动穿过这些层。在这类用作间隔器的中间层中可以置入或嵌入聚合物光纤。

有利地，聚合物光纤可以集成到构成间隔器的中间层内，使得纤维达到中间层内的特定区域。此外，纤维的包围住纤芯的护套的局部凹部可以位于膜组件内任何理想的位置上。于是能够在空间上分辨出膜组件内沉积物的位置。

在此也有可能的是，纤维的位于膜层内的部段构造成无护套的，并且只有位于膜层以外的纤维区域才配有护套。这就减少了生产成本。

在膜层以外配有外套的纤维区域在此可以位于膜组件的结构内，因为组件具有端盖、外罩等等，所以相比薄膜占据更大的空间。

根据本发明的膜组件优选地包括一个液密性的和尤其是耐压的壳体，例如以由玻璃纤维增强塑料制成的压力管的形式存在，其能承受住膜分离过程中所需的压力。半渗透膜层的层和之间的中间层在此布置在壳体内，并且所述聚合物光纤被引导穿过该壳体。例如所述聚合物光纤可以通过用于输送液体进料流的入口被导入壳体中，并且通过用于渗透物的出口排出去。

这个或者每个聚合物光纤有利地都与发送器和对辐射敏感的接收器耦连，其中，所述发送器和接收器位于壳体以外。发送器在纤维端将电磁辐射(例如光)耦合输入到纤维中，并且接收器在另一个纤维端上检测被引导穿过线芯的辐射的强度。通过将耦合的辐射的强度与接收器测得的、通过纤维透射的辐射的强度进行比较，可以测量该纤维的透射率以及尤其是其在进行膜分离过程期间的变化。

由聚合物光纤提供的测量值指示了聚合物光纤表面上以及以相应的方式在与该聚合物纤维接触的膜层表面上形成的沉积物的量。因此测量值提供了已经产生的沉积物的量以及在进一步的膜分离过程中还会预计产生的沉积物的量。因此，基于由纤维提供的测量值能够预言膜表面上沉积物的进一步的形成，并且通过干预膜分离过程、例如通过改变外部的参数、像是例如进料流的流通量和流速、或者外部的压力或膜组件中的温度、能够预防沉积物和生物污垢继续增加。由此可以延长膜组件的运行时间和使用寿命，并且提高产量。此外还改进了膜分离过程的资源利用效率，因为最小化了清洁及冲洗溶液的使用，或者甚至可以完全不用清洁。清洁过程的完成在此在一次清洁步骤以后不仅可以通过检测运行期间产生的沉积物进行检查，还可以通过探测可能仍然存在的沉积物进行检查。

附图说明

本发明的这些以及更多的优点以及特征由下面参照附图更详尽描述的实施例得以实现。图中示出：

图1：示出了用于在根据本发明的、在产生渗透物的膜组件中检测沉积物的装置的示意图；

图2：示出了用在图1所示的装置中的聚合物光纤的示意性剖面图，其中，在图2a中示出了聚合物光纤的第一实施例并且在图2b中示出了聚合物光纤的第二实施例；

图3：示出了在具有膜层和与之相邻的中间层的膜组件中嵌入聚合物光纤的示意图，其中，图3a是将聚合物光纤嵌入到膜组件的中间层中的第一实施例，图2b是将聚合物光纤嵌入到膜组件的中间层中的第二实施例；

图4：示出根据本发明的膜组件的第一实施例的视图，该膜组件构造成卷式组件，其中，所述膜组件为了更好地示出而被部分剖开地显示；

图5：示出了图4中构造成卷式组件的膜组件在入口区域内的细节图；

图6：示出了根据本发明的膜组件的第二实施例的视图，该膜组件构造成中空纤维组件，其中，中空纤维组件为了更好地展示清楚被部分地剖开；

图7：示出了根据本发明的膜组件的第三实施例的视图，其构造成卷式组件，其中，所述膜组件为了更好地展示而部分剖开地显示，并且示出了聚合物光纤被插入膜组件中的不同变化方式，并且图7a的插入图是将聚合物光纤插入膜组件中的放大图；

图8：示意性地示出了具有多个膜组件的膜设备，其中，包括根据本发明的、被设计成测量组件的膜组件。

具体实施方式

在图1中示意性地示出了一种用于检测在产生渗透物膜组件中的沉积物的装置。所述膜组件在这里设计成测量组件12，并且包含至少一个渗透性的或半渗透性的膜层(在图1中未示出)，以及至少一个聚合物光纤3，该聚合物光纤如下地结合到膜组件(测量组件12)中，使得聚合物光纤3与至少一个膜层接触。所述测量组件12的至少一个膜层在此布置在液密性的壳体6中。所述壳体6尤其可以是压力管，其根据膜组件的设计能够经受住传统的膜分离过程(例如在微滤、超滤、纳滤或反渗透)中使用的高压。

结合到测量组件12中的聚合物光纤3的一端与发射器耦连并且另一端与接收器耦连。发送器4例如可以构造成产生电磁辐射(尤其是可见频率范围内的光)的单模的或多模的激光二极管或发光二极管(LED)。在使用多模的激光或发光二极管(LED)时，为了使由发射器4产生的模式耦合输入，有利地在发射器4与纤维3有电磁辐射耦合输入的一端之间布置有模式混合器10和纤维耦合器。通过使用模式混合器10，能够在短距离上生成由发送器4耦合输入的模式的尽可能限定的和可再生的分布。与纤维另一端耦连的接收器5检测引导穿过纤维3的辐射的强度，如有可能以光谱分辨率来进行检测，其中，接收器是对辐射敏感的探测器(像是例如光电二极管)。

图2中示出了能够用在根据本发明的膜组件和根据本发明的方法中的聚合物光纤3的两种实施例。所述聚合物光纤3在此在图2a和图2b中所示的两个实施例中各自包括纤芯3a和包围它的护套3b，其中，所述纤芯3a具有比护套3b更大的折射率。所述线芯3a例如可以由折射率为n＝1.49的PMMA构成，并且护套3b例如可以具有n＝1.42的折射率。纤维3的护套3b在图2所示的两种实施例中都各自在部分区域具有凹部3c。

在图2a所示的实施例中，凹部3c仅仅是点状的，也就是说，凹部3c所占据的面积显著小于护套3b的面积。在图2b所示的实施例中，凹部3c却更大，并且其尤其是在凹部区域3c中在护套3b的整个外周上延伸。在凹部3c的区域内，纤芯3a是敞露的，并且因此与纤维3所在的外部环境直接接触。

当纤维3根据本发明结合到膜组件中，纤芯3a因此与为了产生渗透物而引导穿过膜组件(图1所示的测量组件12)的液体接触。只要在这种液体中含有能够导致膜组件的膜层上产生沉积物的物质，例如碳酸根离子或微生物，那么这些构成沉积物的物质因此也直接与纤芯3a接触。

由此，沉积物A可以沉积在纤芯3a的在纤维的凹部3c区域内敞露的表面上。所述沉积物A尤其可能是矿物质沉积物(例如碱沉积物)、有机分子沉积物或微生物生长物(生物污垢)。随着线芯3a的敞露的表面上的沉积物A越来越多，纤维3的光学特征值发生变化，尤其是透射率发生变化。当沉积物具有比光纤芯具有更高的折射率时，光从纤维中输出，这例如适用于碱。如果沉积物A具有比纤芯更低的折射率，那么就可以探测到光在全反射的消逝场内的吸收。在全反射时，反射的光以几微米的消逝波进入到周围的介质中，并且根据污垢的光学属性，特定的波长在污垢中被大量吸收。对于例如色调为红色的污垢，消逝场中吸收大量的绿光，由此使得这些波长的透射率下降。在这种情况下，对污垢的检测例如通过在特定的波长下测量降低的透射率来实现。由于不同污垢具有特定吸收率，在此可以实现对各种不同沉积物的区分。

可以利用接收器5来检测光学特征值的变化，尤其是纤维3的透射率的下降。在此，纤维3的测量的光学特征值由接收器5检测到的变化是在凹部3c区域内敞露的纤芯3a上的沉积物A的量的量度。

从图3所示的实施例中示意性地可见将聚合物光纤3结合到膜组件(测量组件12)中的一种可行结合方式。在此，在膜组件中存在有(至少一个)渗透性或半渗透性的膜层1以及中间层8。所述中间层8尤其可以是间隔器(spacer)，其使膜层1的上下布置的分层相互间隔，并且在此构成通道，待在该膜组件中进行处理的液体(例如水)可以流动穿过该通道。

正如可以从图3a中看出的那样，聚合物光纤3嵌入在中间层2中，其中，所述纤维3纵向延伸并且与膜层1平行地延伸。聚合物光纤3的外表面在此与膜层1的表面接触。

在图3b的实施例中，聚合物光纤3以回弯的形式嵌入到中间层2中，其中，该回弯包含一个弯曲的区域3’。通过在区域3’内弯曲纤维3，同样使得纤维3的光学特征值与纤维笔直地(纵向延伸地)铺设的其他区域内的纤维相比发生变化。在图3b所示的实施例中，不一定要在纤维3的护套3b内设计有凹部以由此使纤芯3a在凹部范围内敞露。在图3b所示的实施例中，纤维3的光学特征值的变化可能已经因为弯曲区域3’内形成的沉积物A引起。光学特征值的这些变化又可以由接收器5检测到，从而可以推断出纤维3的弯曲区域3’内是否存在沉积物A以及沉积物的量。

图4中示出了一种根据本发明的、其中结合了聚合物光纤3的膜组件的第一个实施例，其中，所述膜组件构造成卷式组件形式的测量组件12。

图4中所示的测量组件12包括一个外套7，其中布置有渗透性或半渗透性的膜层1。所述膜层1在此构成为平面的，并且连结成多层布置结构。多层布置结构在此被卷绕在圆柱形的中心管9上。通过将膜层1卷绕到圆柱形的中心管9上，从径向上观察形成了膜层1的上下层叠的分层a、b。测量组件12如有可能与其他的组件一起可以布置在液密性的壳体(未示出)内。

各个分层a、b的构成可以通过图4中的剖视图看出。多层布置结构的每个分层a、b在此(从径向外部朝内部看)包括构造成进料间隔器8的中间层、由半渗透性材料制成的第一膜层1、构造成渗透物间隔器2的中间层、另一个由半渗透性材料制成的膜层1以及另一个构造成进料间隔器8的中间层。在构造成进料间隔器8的中间层中嵌入了聚合物光纤3，并且该聚合物光纤与相邻的膜层1接触，正如由图4中可见的那样。

图4所示的测量组件12具有入口6a，待处理的液体的进料流F、例如水溶液通过入口输入。所述进料流F切向地流经卷式组件的分层a、b。在膜组件的膜层1中，这里将供给的进料流F分为渗透物P和浓缩物K。渗透物P朝着中心管9的方向流过构造成渗透物间隔器的中间层2。在中心管9中设计有开口，渗透物可以通过这些开口流到中心管9的内部。由此使得膜组件中产生的渗透物聚集到中心管9的内部，并且可以从那里流到出口6b，在出口那里，形成的渗透物为了预设的用途通过在此未示出的排放管道排导走。在膜分离过程中形成的浓缩物K在轴向上流过卷式组件，并且在它的端侧的一端上作为浓缩液流K流出去。从卷式组件中流出去的浓缩物K可以或者为了某个用途被收集起来并被导走，或者通过在此未示出的排放管丢弃。

在图5中示出了图4所示的膜组件12的入口6a区域的细节。正如可以从图5中看清的那样，聚合物光纤3穿过中心管9被导入膜组件12的内部，并且沿着中心管9的外周面从中导出，并且结合到膜组件的一个或多个分层a、b中。在图5所示的实施例中，聚合物光纤作为具有弯曲区域3’的回弯放置在膜组件12的一端上，也就是在出口6b的区域内，并且再次返回到入口6a的区域。在那里，纤维3沿着中心管9的外周被导入中心管的内部，并且从那里再次从膜组件12中引导出去。正如在图5中示意性示出的那样，这里纤维3的一个纤维端与发射器4耦连，并且另一个纤维端与接收器5耦连。由此可以检测到纤维3的光学特征值因为纤维3表面上形成沉积物A而发生的变化。从检测到的被测纤维3的光学特征值的变化中可以推断出膜组件12中和尤其是膜层1上是否存在沉积物以及沉积物的量。

在图6中示出了根据本发明的其中结合了聚合物光纤3的膜组件的另一种实施例。图6所示的膜组件12是一个中空纤维组件。它包括一个外部耐高压并且液密性的壳体6和布置其中的、圆柱形的中空纤维束13，该纤维束被外壳15所包围。中空纤维束13的一端在此分别在圆柱形中空纤维束13的端侧上固定在固定件14中。所述固定件14例如可以是将中空纤维的一端浇铸到浇铸体中。纤维束13的每一个中空纤维在此都构成一个半渗透性的膜层，因此在为中空纤维组件12施加待处理的液体、例如水溶液时，使得输入的液体进料流被分为渗透物P和浓缩物K。为了引入液体进料流，中空纤维组件的壳体6在一端上具有入口16a。在中空纤维组件的另一端上设计有出口16b，产生的渗透物P可以通过它被排导走。

正如可以从图6中看清的那样，在中空纤维束13中结合有多个聚合物光纤3，其中，聚合物光纤3与中空纤维束13平行延伸，并且与各个相邻的中空纤维的外周面接触。借此使得每个结合的聚合物光纤3与多个中空纤维束13同时接触。例如每个聚合物光纤在一个纤维端处与发送器4耦连，并且在另一纤维端处与接收器5耦连，以可以探测到各个聚合物光纤3的光学特征值，尤其是透射率。正如图4和5所示的卷式组件中那样，当发现聚合物光纤3的光学特征值发生变化时，由此也可以在图6所示的中空纤维组件中推导出中空纤维外表面上是否存在沉积物以及沉积物的量。通过使用多个聚合物光纤3，在此可以检测特定位置上(在中空纤维组件的径向上)的沉积物，并且确定中空纤维组件中的哪些位置上存在特别多的沉积物。

在图7中示出了根据本发明的具有多个结合其中的聚合物光纤3、3’、3”的膜组件的第三种实施例，其中，所述膜组件构造成卷式组件。

图7中所示的膜组件包括带有用于排走渗透物的开口9’的圆柱形中心管9。围绕着中心管9缠绕着至少一个多层的卷绕元件W(可能也有多个卷绕元件)，其包括具有布置在中间的中间层2(渗透物间隔器)的第一和第二膜层1’以及间隔器层8(进料间隔器)。构造成矩形的卷绕元件W缠绕在中心管9上。通过将卷绕元件W缠绕到圆柱形中心管9上，从径向上观察形成了卷绕元件W的上下层叠的分层a、b，它们分别由一个间隔器层8界定并且通过它相互间隔开。间隔器层8在这里用作液体进料流F的输送层，并且为此与膜组件的两个端侧端部相连，从而让进料流F可以在一个端侧端部上且轴向地沿着中心管的纵轴输送。所述间隔器层8在此可以构造成栅格状或网状，例如构造成塑料网或格子非织造物，并且包括相互交叉布置的长丝(Filament)F，它们沿着长丝方向f的纵向和横向延伸并且由此构成栅格网，正如可以从图7a的放大图中看清的那样。聚合物光纤3与单纤维方向f平行延伸地被置入间隔器层8，正如可以从图7a中看出的那样。在这里，所述聚合物光纤3可以置于间隔器层8的长丝上，与之相连(例如通过胶粘)，或者还编织到由长丝F展开形成的间隔器层8的栅格网中。

在图7中示出了如何将聚合物光纤3插入间隔器层8的栅格网中的多种可能性。第一聚合物光纤3在这里与间隔器层8的长丝F的长丝方向F平行地延伸，并且从一个端侧端(入口6a)延伸到膜组件的与之相对置的端侧端(出口6b)。通过围绕着中心管9缠绕卷绕元件W，所述聚合物光纤3螺旋地围绕着中心管9延伸。第二聚合物光纤3’在图7所示的实施例中如下地置入间隔器层8内，即，使得聚合物光纤3’的第一端在第一端侧端(入口6a)处导入膜组件，并且聚合物光纤3’在护套7中以回弯的形式返回到间隔器层8中，并且聚合物光纤3’的另一个端再次从第一端侧端(入口6a)从膜组件中引导出去。第三聚合物光纤3”在图7的实施例中如下地置入间隔器层8中，使得聚合物光纤3’的第一端在第一端侧端(入口6a)处导入膜组件，并且所述聚合物光纤3”的第二端是敞开的并且例如是镜面构造的，并且终止于间隔器层8的内部。信号在此在聚合物光纤3”的镜面端反射，并且传导回到聚合物光纤3”的第一端，并且在那里向接收器5耦合输出。图7中所示的纤维3、3’、3”分别可以以单独的、多种的或者组合式的不同变体方案的方式置入膜组件中。通过如图所示地将一个或多个纤维3集成到每个任意的间隔器层8中，可以实现沉积物分布的空间分辨。对沉积物分布的这种局部分辨的检测可以额外地通过局部地、区域地移除光学护套3b得以精密化。因为结垢是在有效膜区域的端部和靠近中心管的地方开始发生的，所以可以强制进行早期的和有针对性的检测。类似地，为了探测生物结垢可以在有效膜区域的开端使用一个或者多个集成的聚合物光纤。

正如在图4所述的实施例中那样，图7所示的膜组件还包括在此未示出的壳体，其具有入口6a，通过该入口输送待处理的液体的进料流F。所述进料流F切向地流到卷绕元件W的分层a、b。在此，在膜组件的膜层1”中进行供给的进料流F到渗透物P和浓缩物K的分离。所述渗透物P穿过开口9’流入中心管9，并且从那里流向出口6b，在那里将形成的渗透物导出。在膜分离过程中形成的浓缩物K在轴向方向上穿过卷绕元件W而流出，并且在其端侧端(出口6b)上作为浓缩物流K流出。

分别具有至少一个结合到其中的聚合物光纤3的上述膜组件，可以被用在含有多个膜组件的膜设备中，用于探测膜设备的膜组件中的沉积物。在图8中示意性地示出了这种具有多个膜组件11的膜设备20的一个实施例。每个膜组件11在这里都用于从供给的液体进料流F中、尤其是从水溶液中产生渗透物。每个膜组件11在此包含至少一个渗透性的或半渗透性的膜层1。各个膜组件11在此例如可以构造成卷式组件或中空纤维组件。正如图8中的实施例中所示的那样，各个膜组件11不仅可以并行地耦连而且可以成排地耦连。图8所示的实施例示出了具有并行连接的膜组件11连续布置的圣诞树电路。进料流F在此通过入口输送到膜设备20，并且在膜设备中通过膜分离过程产生的渗透物P从膜设备20的出口导出。

为了检测膜设备20的膜组件11中的沉积物，正如图8中所示的那样，膜设备包括两个根据本发明的、构造成测量组件12、12’的膜组件。构造成测量组件12、12’的膜组件例如可以是卷式组件，正如在图4和7中所示的那样，或者是中空纤维组件，正如在图6中所示的那样。每个测量组件12、12’在此包括至少一个渗透性的或半渗透性的膜层1，并且包括至少一个结合到测量组件中的聚合物光纤3。例如可以在膜设备20中由测量组件12、12’取代一个膜组件11或者也可以将多个膜组件11。或者，这些测量组件12、12’可以被集成到旁路导管13、13’中。在此，所述测量组件12、12’布置在膜设备20的旁路导管13、13’内。被引导穿过该旁路导管13、13’的液体进料流F流动穿过所述测量组件12、12’，在此只为探测沉积物。在此通过膜分离过程在测量组件12中产生的输出O、O’在此不被输送给渗透物流P，而是经由旁路导管13、13’从膜设备20中排出并丢弃。

测量组件12、12’的正如在图8中所示的实施例中那样的布置使得能够在膜设备20中有针对性地选择疑似有沉积物形成的测量位置。为了检测生物结垢，这里可以最好是在膜设备20的供给液体的进料流F的入口区域选择测量位置。相反地，为了检测矿物质沉积物(结垢)，在下游区域、也就是膜设备20的出口区域选择测量位置被证实是有利的。

Claims (24)

1.一种膜组件，包含渗透性或半渗透性的至少一个膜层(1)以及用于探测膜组件中的沉积物的装置，其特征在于，至少一个聚合物光纤(3)被结合到所述膜组件中以用于检测至少一个所述膜层(1)上的沉积物，其中，所述聚合物光纤(3)与至少一个所述膜层(1)接触，所述聚合物光纤或者每个聚合物光纤(3)具有纤芯(3a)以及包围所述纤芯的护套(3b)，其中，所述护套(3b)至少在一个与至少一个所述膜层(1)接触的部段中具有凹部(3c)。

2.根据权利要求1所述的膜组件，其中，所述膜组件用于由液体的进料流(F)产生渗透物，并且所述膜组件包括多个并置的或者叠置的分层(a，b)，所述分层由渗透性或半渗透性的所述膜层构成，并且至少一个所述聚合物光纤(3)与所述膜层(1)的至少一个所述分层(a，b)接触。

3.根据权利要求2所述的膜组件，其中，所述液体是水溶液。

4.根据权利要求2所述的膜组件，其特征在于，在所述膜层(1)的相邻的所述分层之间，相应地设置有中间层(2，8)，其中，所述聚合物光纤或者每个聚合物光纤(3)被嵌入或置入到所述中间层(2，8)中。

5.根据权利要求4所述的膜组件，其特征在于，在相邻的所述膜层(1)之间，分别布置有构造成间隔器的中间层(2，8)，该中间层使相邻的所述膜层(1)保持相互间隔，其中，所述聚合物光纤(3)被置入到构造成间隔器的中间层(2，8)中。

6.根据权利要求1所述的膜组件，其特征在于，所述部段位于中间层(2，8)内。

7.根据权利要求2所述的膜组件，其特征在于，所述膜层或每个膜层(1)布置在外套(7)内，其中，所述膜组件布置在液密的且耐压的壳体(6)中。

8.根据权利要求7所述的膜组件，其特征在于，所述膜层或每个膜层(1)是半渗透性膜层(1)的所述分层(a，b)以及位于膜层之间的中间层(2，8)。

9.根据权利要求7所述的膜组件，其特征在于，所述聚合物光纤或者每个聚合物光纤(3)与发射器(4)和接收器(5)耦连，其中，所述发射器(4)和所述接收器(5)设置在壳体(6)外部。

10.根据权利要求7至9中任一项所述的膜组件，其特征在于，所述壳体(6)具有用于液体的入口(16a)和用于渗透物(P)的出口(16b)，其中，所述聚合物光纤或者每个聚合物光纤(3)通过所述入口(16a)被引入所述壳体(6)并且又通过所述入口被引出，或者通过所述入口(16a)被引入并通过所述出口(16b)被引出。

11.根据权利要求1或2所述的膜组件，其中，所述膜组件构造成平面膜组件、卷式组件、管道组件或中空纤维组件。

12.一种用于探测在产生渗透物(P)的膜组件中的沉积物的方法，借助于至少一个聚合物光纤(3)的使用来进行探测，所述膜组件包含至少一个渗透性的或半渗透性的膜层(1)，其中，

a)将至少一个聚合物光纤(3)结合到所述膜组件中，以用于原位检测沉积物，并且

b)在进行膜分离过程期间检测所述沉积物，在所述膜分离过程中在所述膜组件中产生有渗透物(P)，

所述聚合物光纤或者每个聚合物光纤(3)具有纤芯(3a)以及包围所述纤芯的护套(3b)，其中，所述护套(3b)至少在一个与至少一个所述膜层(1)接触的部段中具有凹部(3c)。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述聚合物光纤(3)提供能够推导出在所述膜组件中是否存在沉积物以及沉积物的量的测量值，并且其中，由所述聚合物光纤(3)产生的所述测量值被用于状态评估和/或用于干预在所述膜组件中进行的膜分离过程。

14.根据权利要求13所述的方法，其特征在于，所述膜分离过程在具有多个所述膜组件(11)的膜设备(20)中执行，其中，在所述膜组件中的至少一个中结合有聚合物光纤(3)，以将所述膜组件构造成测量组件(12)，在所述测量组件中，借助于所述聚合物光纤(3)检测所述测量组件(12)中的沉积物。

15.根据权利要求12至14中任一项所述的方法，其特征在于，所述膜组件或者每个膜组件都被加载液体的进料流(F)，其中，在相应的所述膜组件中借助膜分离过程由所述液体的所述进料流(F)产生渗透物(P)。

16.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述液体是水溶液。

17.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，为了生成关于形成沉积物的预判，在所述膜组件或者至少一个膜组件中在进行膜分离过程期间，借助于所述聚合物光纤(3)在所述膜组件中的测量位置上检测至少一次沉积物，在所述测量位置上，相比在所述膜分离过程中处理的液体成分的平均浓度，在所述液体中存在浓度局部升高的成分。

18.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉积物是结垢。

19.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述沉积物是无机沉积物。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述结垢是由颗粒引起的。

21.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述结垢是由胶体引起的。

22.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，所述结垢是由微生物引起的。

23.根据权利要求17所述的方法，其特征在于，所述成分是无机盐。

24.根据权利要求15所述的方法，其特征在于，所述液体是在流动方向上被引导穿过所述膜组件的溶液，其中，在所述膜组件的有效区域中执行所述膜分离过程，从而将所述溶液分离成渗透物(P)和浓缩物(K)，其中，为了生成关于在膜组件中在所述膜分离过程期间形成无机沉积物的预判，在所述膜组件中的位于所述膜组件的所述有效区域一端的测量位置上，借助于所述聚合物光纤(3)检测沉积物。

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