CN112619430B

CN112619430B - 膜通量仪

Info

Publication number: CN112619430B
Application number: CN202011391369.1A
Authority: CN
Inventors: 黄彦; 蒋成
Original assignee: Gaoq Functional Materials Co ltd; Nanjing Tech University
Current assignee: Gaoq Functional Materials Co ltd; Nanjing Tech University
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2022-09-20
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112619430A

Abstract

本发明所述膜通量仪对抽吸和加压渗透膜样品均适用，也适用于纯水、水溶液、有机液体、有机溶液等多种液体介质。该仪器的测试操作和数据采集可自动完成，测试结果精确、可靠，能够更好地满足各种新的测试标准，可广泛应用于新型膜材料的开发、膜生产过程中的质量控制、膜应用过程中的问题分析及膜材料的筛选等。

Description

膜通量仪

技术领域

本发明涉及膜材料性能测试仪器及其操作工艺，目的是实现膜样品水通量的自动、准确测试。

背景技术

膜分离技术具有安全、高效、节能、环保等优点，已被广泛用于气体净化、料液分离、污水处理、海水淡化、物料回收等领域，高通量、高选择性、低成本、长寿命的膜材料开发与生产已成为行业竞争的热点，这也对相关膜材料的性能检测工艺与仪器提出了更多需求和更高要求。在膜的各项性能指标中，纯水通量是膜材料的基本性能参数，可以很直观地衡量和比较膜的渗透效率。

GB/T 20103-2006《膜分离技术术语》中，纯水通量J定义为：在规定的温度、压力下，单位时间内通过单位膜面积的纯水透过量：

其中，t为时间，V是在时间t内透过膜的纯水体积，A为有效膜面积。温度、压力对纯水通量影响很大。温度不仅直接影响水的粘度与表面张力，还可能影响膜体的形变[罗浩等.反渗透系统中产水通量的温度特性分析.天津城建大学学报，2006，12(4)：270-272.]。一般情况下，膜的纯水通量随温度和压力的提高而增加[许尧等.中空内压超滤膜丝的纯水通量分析.工业水处理，2019，39(01)： 103-106.；储金树等.操作条件对微滤膜通量的影响.水处理技术，2007，33(5)：71- 74.]。

测定膜材料的水通量离不开可靠的测试装置。水通量的测试方法看起来并不复杂，绝大多数相关企业和研究单位都自己搭建各种手动测试装置，也出现了一些测试装置专利，例如：周钱华等，中空纤维内压膜通量测试装置，中国专利201320527045.5；杨海军等，一种精确测量滤膜微小通量的装置，中国专利201410782451.5；廖乃上等，一种外压式中空纤维超滤膜纯水通量测试装置，中国专利201921112430.7；何燕等，一种测试氧化石墨烯层状膜水通量的实验装置，中国专利201821122652.2；陈喆等，一种无损检测分离膜水通量的方法，中国专利201710076642.3；徐慢等，多孔材料水通量测试仪，中国专利201521128905.3。手动操作装置比较简易，搭建成本低，操作员能够根据现场情况随时对工艺操作和数据采集进行判断和调节，但测试过程不仅需要花费大量的人力，而且实验结果的准确性也受操作人员熟练程度、专业知识和工作态度等因素的影响，开发自动化测试仪器势在必行。我们研究组曾报道了相关工作 [黄彦等.基于LabVIEW与PLC的过滤材料纯水通量测试系统设计.仪表技术与传感器，2015，7：74-76.]。专利201010263877.1[李景烨等，自动化滤膜通量评价装置和方法.]公开了一种自动测试膜通量的装置，但没有设置温控，也难以实现压力的精确控制。也有技术人员将纯水通量与其它测试项目结合在一起[倪奔.超滤膜组件综合测试装置的设计与应用.净水技术，2018，37(22)：35-40.]，但该系统对测试较小的膜样品时会受到许多限制。

近年来，为了规范纯水通量测试方法以提高测试结果的可靠性，国家和行业协会发布了新的标准。2015年底，国家标准GB/T 32360-2015发布了超滤膜的纯水通量测试方法，其中规定测试压力是100±5kPa，测试温度为25±0.5℃。在大多数情况下，水通量测试都是通过增压泵驱动水透过膜材料，而对许多有机和陶瓷平板膜来说，其工作方式为浸没式，一般通过在渗透侧抽吸来驱动水的渗透。例如，行业标准HY/T 252-2018《水处理用浸没式平板膜元件》中规定，浸没式平板膜的纯水通量采用负压抽吸方式测试，压力为-10kPa，水温为 25±1℃；该标准主要针对的是有机平板膜。我们研究组参与制定的国家标准《水处理用陶瓷膜板》正在报批中，该标准中规定的陶瓷平板膜测试压力为-40kPa，水温也是25±1℃。

针对不同的膜材料和测试标准，测试方法和测试条件也不相同，这也要求测试仪器及时升级，以对各种测试标准有更宽的适应性，从而满足更多用户的需求。除了纯水通量之外，人们也经常需要测定膜材料针对其它液体(水溶液、有机液体、有机溶液)的通量。

发明内容

针对上述问题，本发明设计开发了一种膜通量仪及相关测试工艺，能够更好地满足各种强制性标准(尤其是新的国家、行业和团体标准)及科研需求。既能够用于测定纯水通量，也可以测定其它液体通量。

本发明的工艺设计：

(1)采用既能抽吸又能增压的液体泵，其能够精确控制入口抽吸力和出口压力，但入口抽吸力低于液体在测试温度下的饱和蒸汽压。

(2)同一台仪器可满足抽吸和加压两种测试功能，根据不同的测试需求设计相应的测试模式。对需要负压抽吸测试的膜样品，则将膜测试组件浸没在储液槽中并连接到泵的进液口，而对需要加压测试的膜样品则连接到泵的出液口。

(3)采用半导体冷热箱进行自动精确控温。半导体冷热箱的工作原理帕尔贴效应：N型和P型半导体形成电偶对并通直流电时，一端会吸热变冷，另一端会放热变热。用来控温的一端是制冷还是制热由直流电的电流方向决定，另一端通过风扇强化散热可提高控温端的效率，制冷或制热量通过直流电的电流大小和通电时间控制。半导体冷热箱相对于传统的电热器和压缩机控温具有体积小、重量轻、操控方便的优点。另外，膜通量测试往往在常温下进行，控温所需制冷和制热量较小，更适合采用半导体冷热箱来控温。

(4)自动控制与数据采集。实现温度、压力的自动控制，以及温度、压力、流量等参数的自动采集。

(5)液体介质可进行过滤、杀菌预处理，消除液体中可能存在的悬浮物、病毒、细菌等污染物，确保测得的膜通量的真实性。在自然环境中，这些污染物容易被引入液体介质，测试过程中会堵塞膜样品孔道，造成膜通量低于真实值，而且在测试过程中膜通量也不稳定，影响膜通量值的判定和采集。

(6)采用液体缓冲器来消除液体流动过程中的脉冲，减小惯性冲击和管路振动，降低系统噪音，提高液体泵的吸入性能，消除水锤效应，提高液体流量的稳定性。

本发明的具体技术方案如下：

膜通量仪的构造示意图如图1所示，主要配件包括储液槽(1)；保温套(2)；抽吸式膜密封组件(3)；加压式膜密封组件(4)；温度计(5)；负压式压力传感器(6)；正压式压力传感器(18)；液体泵(9)；液体缓冲器(10)；紫外灯杀菌器(11)；半导体冷热箱(12)；安保过滤器(15)；温度传感器(16)；液体流量传感器(17)；第一电磁阀(7)；第二电磁阀(8)；第三电磁阀(13)；第四电磁阀(14)；第五电磁阀(19)；第六电磁阀(20)；自动控制与数据采集系统(21)。

所述的抽吸渗透膜密封组件(3)和加压渗透膜密封组件(4)，分别适用于抽吸渗透和加压渗透膜样品的密封。这两种膜样品并不同时测试，亦即在测试抽吸渗透膜样品时，就取出加压渗透膜组件中的膜样品，反之亦然。膜样品的类型包括管式、片式、中空纤维式、囊式、折叠式中的一种，膜材质包括滤纸、滤布、烧结金属、多孔陶瓷、有机膜、无纺布、熔砂玻璃等。膜密封组件可以将膜样品密封以形成膜的进料侧和渗透侧。不同的膜样品有不同的密封方式，我们研究组也有一些相关专利，例如黄彦等，管式膜测试组件，中国专利201620026105.9；黄彦等，软性管式膜测试组件，中国专利201520905163.4。

测试抽吸渗透膜样品时，压力数据采集自负压式压力传感器(6)，而测试加压渗透膜样品时压力数据采集自正压式压力传感器(18)，这样可避免压力损失导致的误差。

所述的液体泵(9)既可以在进液口形成负压，又可以在出液口形成正压。泵型可选离心泵，隔膜泵，齿轮泵，柱塞泵，往复泵，蠕动泵等。液体泵本身配有压力控制器，能够根据压力传感器的反馈信号控制动力输出。如果液体泵(9)是计量泵，则可以在测试过程中，输出一定的流量透过膜样品，测定跨膜压差，从而获得膜的液体流量和跨膜压差关系曲线。

所述的液体缓冲器(10)主要用于缓冲液体的流动中的脉冲，减少液体的脉冲对测试样品的影响。液体缓冲器(10)的类型选择囊式、活塞式、隔膜式、填料式中的一种。

所述的紫外灯杀菌器(11)类型优选过流式，液体介质流经紫外灯时会被紫外线照射，起到消毒、杀菌作用。杀菌灯可以根据用户需要打开或关闭。

所述的半导体冷热箱(12)在液体介质预处理和测试过程中均开启，以保持恒定的测试温度，避免自然环境以及泵、阀、紫外灯等电子元件的发热对测试温度带来影响。储液槽(1)和液体管线可采用保温性材质，也可添加保温材料。储液槽 (1)中的温度计(5)可对实际温控起到校准作用。

所述的安保过滤器(15)对液体介质起到清洁作用，其所含过滤材料的过滤精度不低于待测膜样品。安保过滤器(15)只在样品测试之前才启用，以对液体介质进行预处理，在样品测试前关闭安保过滤器(15)前的第三电磁阀(13)。为保证液体介质的预处理效果，污染严重的安保过滤器(15)应及时再生或更换。

所述的自动控制与数据采集系统(21)，包括电脑、单片机、PLC等，能够对所有电器和电子设备进行操作控制或数据采集。可根据特定的国家、行业、团体和企业标准制订测试操作程序作为预设测试模式，供用户直接选取；用户也可根据测试需求，自己设置测试操作程序和参数。

所述的液体介质，除了纯水之外，本发明还适用于水溶液、有机液体、有机溶液。但是在使用不同的液体介质之前，应对液体管路进行彻底清洗，以免交叉污染，影响测试结果的可靠性。

改变配件负压式压力传感器(6)、液体泵(9)、液体缓冲器(10)、紫外灯杀菌器(11)、半导体冷热箱(12)、温度传感器(16)、液体流量传感器(17)、正压式压力传感器(18)的排布顺序也可能实现相同或相似的测试效果，但这都属于对本发明所作的等效变化，属于本发明的权利保护范围。

当样品数量较多时，为提高测试效率可以设置多个膜密封组件形成并联，在测完第一个样品之后通过增加阀的切换，自动控制系统将关闭该样品管路，打开下一个样品管路并进行自动测试。例如，具有三个加压渗透膜样品测试工位的仪器构造如图2所示。

有益效果：

本发明所述膜通量仪对抽吸和加压渗透膜样品均适用，也适用于纯水、水溶液、有机液体、有机溶液等多种液体介质，采用半导体冷热箱实现温度的精确控制，通过紫外杀菌器和安保过滤器保证液体介质的清洁度。采用液体缓冲器来平抑液体的脉冲波动，减少对测试系统尤其是膜样品的震荡冲击。该仪器的测试操作和数据采集可自动完成，仪器构造简洁，设计精巧，测试结果更加精确、可靠。能够更好地满足各种新的测试标准，以及用户对膜通量的各种测试需求，可广泛应用于新型膜材料的开发、膜生产过程中的质量控制、膜应用过程中的问题分析及膜材料的筛选等。

附图说明

图1为纯水通量自动仪的结构示意图。(1)储液槽；(2)保温套；(3)抽吸式膜密封组件；(4)加压式膜密封组件；(5)温度计；(6)负压式压力传感器；(7)第一电磁阀；(8)第二电磁阀；(9)液体泵；(10)液体缓冲器；(11)紫外灯杀菌器；(12)半导体冷热箱；(13)第三电磁阀；(14)第四电磁阀；(15)安保过滤器；(16)温度传感器； (17)液体流量传感器；(18)正压式压力传感器；(19)第五电磁阀；(20)第六电磁阀； (21)自动控制与数据采集系统。

图2为加压渗透膜样品多工位测试仪器结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行说明。本发明的专利保护范围包括但不限于这些实施例，本领域技术人员可以对实施例中的某个或某些技术特征进行等同或等效的替换或改变，同样属于本发明的保护范围。

实施例1

将待测抽吸渗透膜样品封装进抽吸式膜密封组件(3)，将液体注入储液槽(1)。通过自动控制与数据采集系统(21)，打开第二电磁阀(8)、第三电磁阀(13)、第六电磁阀(20)、紫外灯杀菌器(11)、半导体冷热箱(12)，开液体泵(9)以设定压力驱动液体循环并进行预处理，在设定的预处理时间内，温度达到设定值。打开第一电磁阀(7)、第四电磁阀(14)、第五电磁阀(19)并关闭第二电磁阀(8)、第三电磁阀(13)、第六电磁阀(20)，通过液体泵(9)使抽吸式膜密封组件(3)达到设定的跨膜压差，通过液体流量传感器(17)自动测量流量，根据通量计算公式计算结果。

实施例2

将待测加压渗透膜样品封装进加压式膜密封组件(4)，其它操作参见实施例1，但通过液体泵(9)使加压式膜密封组件(4)达到设定的跨膜压差。

Claims

1.一种膜通量仪，包括储液槽(1)；保温套(2)；抽吸式膜密封组件(3)；加压式膜密封组件(4)；储液槽温度计(5)；负压式压力传感器(6)；正压式压力传感器(18)；既能抽吸又能增压的液体泵(9)；液体缓冲器(10)；紫外灯杀菌器(11)；半导体冷热箱(12)；安保过滤器(15)；温度传感器(16)；液体流量传感器(17)；第一电磁阀(7)；第二电磁阀(8)；第三电磁阀(13)；第四电磁阀(14)；第五电磁阀(19)；第六电磁阀(20)；自动控制与数据采集系统(21)；

其中，浸没于储液槽(1)中的抽吸式膜密封组件(3)、负压式压力传感器(6)、液体泵(9)、液体缓冲器(10)、紫外灯杀菌器(11)、半导体冷热箱(12)、安保过滤器(15)、温度传感器(16)、液体流量传感器(17)、正压式压力传感器(18)、位于储液槽(1)上方的加压式膜密封组件(4)依次相连，并分别设置与抽吸式膜密封组件(3)和负压式压力传感器(6)、安保过滤器(15)、加压式膜密封组件(4)的并联管路。

2.根据权利要求1中所述的膜通量仪，其特征在于液体泵(9)精确控制入口抽吸力和出口压力，但入口抽吸力低于液体在测试温度下的饱和蒸汽压；泵型选择离心泵，隔膜泵，齿轮泵，柱塞泵，往复泵或蠕动泵。

3.根据权利要求1中所述的膜通量仪，其特征在于具有抽吸和加压两种测试功能，抽吸和加压渗透膜样品分别安装在抽吸和加压渗透膜密封组件中；膜样品的类型为管式、片式、中空纤维式、囊式或折叠式，膜样品材质为滤纸、滤布、多孔金属、多孔陶瓷、有机膜或熔砂玻璃。

4.根据权利要求1中所述的膜通量仪，其特征在于采用半导体冷热箱(12)进行自动控温，通过直流电的电流方向、电流强度和通电时间控制制冷和制热。

5.根据权利要求1中所述的膜通量仪，其特征在于测试抽吸渗透膜样品时，压力数据采集自负压式压力传感器(6)，而测试加压渗透膜样品时压力数据采集自正压式压力传感器(18)。

6.根据权利要求1中所述的膜通量仪，其特征在于所述的液体缓冲器(10)选择囊式、活塞式、隔膜式、填料式中的一种。

7.根据权利要求1中所述的膜通量仪，其特征在于所述的紫外灯杀菌器(11)类型选择过流式。

8.根据权利要求1中所述的膜通量仪，其特征在于所述安保过滤器(15)的过滤精度不低于待测膜样品，用于液体介质的预处理。

9.根据权利要求1所述的膜通量仪，其特征在于测试所用的液体介质选择纯水、水溶液、有机液体、有机溶液中的一种。

10.根据权利要求1所述的膜通量仪，其特征在于设置多个膜密封组件形成并联，在测完第一个样品之后，通过阀的切换自动测试下一个样品。