CN112808017B - 一种外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测装置与方法 - Google Patents
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Abstract
一种外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测装置与方法，属于水处理材料性能的检测领域。由配水系统和检测系统组成，配水系统包括水样箱、酸液箱、碱液箱、测试槽、蠕动泵、阀门，检测系统包括支架、超滤膜、压力传感器组、电子天平、计算机。可以进行超滤膜的双向过滤过程或单向过滤过程的沿程过滤特性与膜污染特征分布测试，超滤膜进行酸洗或碱洗‑酸洗恢复状态测试，测得的数据通过大型统计软件平台进行编程和计算，可以精确得到具体的超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征数值，用来表征外压式中空纤维超滤膜沿程跨膜压差分布与平均膜通量变化趋势、不同进水水质、以及各种酸碱组合液的膜污染物清洗效果的相关性。
Description
技术领域
本发明涉及一种外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测装置与方法，属于水处理材料性能的检测装置与检测技术领域。
技术背景
随着水污染状况的日益加剧以及材料科学的快速发展，各种新型材料不断应用到水污染控制和污染物净化领域中。近年来，膜材料和膜滤技术在水处理领域得到大力的研发和应用，尤其是各种超滤膜材料和超滤净化技术已在给水处理领域得到非常广泛的应用。外压式中空纤维超滤膜具有装填密度高、通量大、寿命长、操作简便等特点，已在给水处理工艺中得到大规模工程应用，最长的运行时间已达7年之久。外压式中空纤维超滤膜的过滤特性和膜污染分布特征始终是超滤技术应用中最重要的控制指标，直接关系到超滤膜的运行成本和使用寿命。如何有效地检测和评价外压式中空纤维超滤膜过滤特性和膜污染分布特征一直是超滤技术进行大规模工程应用的核心与关键问题。外压式中空纤维超滤膜在水处理工艺中应用时都是放置于膜池中以负压状态进行过滤，位于水下不同深度和不同抽滤压力的外压式中空纤维超滤膜的沿程过滤通量和沿程压力分布有显著差异，而其过滤性能和产水量也主要取决于过滤通量和压力分布特性，是表征外压式中空纤维超滤膜过滤效能率的最关键性指标。
为了能精确检测外压式中空纤维超滤膜的沿程过滤特性与沿程膜污染分布特征，本发明提出了一种外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测装置与测试方法，可以精确地检测和评价各种尺度范围的外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征，为超滤膜组件的构建和优化，以及超滤工艺的高效运行与膜污染控制提供更详细、有效的技术支持。
发明内容
本发明的目的是提供一种外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测装置与测试方法。
为实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测装置与测试方法，检测装置由配水系统和检测系统组成，配水系统包括水样箱(1)、酸液箱(2)、碱液箱(3)、测试槽(4)、第一蠕动泵(5)、第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三阀门(8)；水样箱(1)、酸液箱(2)、碱液箱(3)的出口分别设置第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三阀门(8)，并均通过第一蠕动泵(5)与测试槽(4)连接。检测系统包括支架(9)、超滤膜(10)、压力传感器组(11)、电子天平(12)、计算机(13)；支架(9)搭在测试槽(4)上方，支架(9)上固定的超滤膜(10)和压力传感器组(11)使得超滤膜(10)和压力传感器组(11)放入测试槽(4)中不同深度，超滤膜(10)的一端通过连接管与第四阀门(14)、第二蠕动泵(15)连接，超滤膜(10)的另一端通过连接管与第五阀门(16)、第三蠕动泵(17)连接，第二蠕动泵(15)和第三蠕动泵(17)的出水收集到电子天平(12)上进行称量，压力传感器组(11)测试的压力为超滤膜(10)内即空腔内的压力，压力传感器组(11)和电子天平(12)与计算机(13)连接。
第一蠕动泵(5)与测试槽(4)的连接口位于测试槽(4)的一侧，此侧面正对超滤膜(10)的一端。
本发明中所述的检测装置与测试方法包括以下测试过程：
a、进行超滤膜沿程过滤特性与膜污染特征分布测试时，开启第一蠕动泵(5)和第一阀门(6)，水样箱(1)的水样进入测试槽(4)，当液面高出超滤膜(10)一定高度时，调节第一蠕动泵(5)流量保持液位恒定；同时开启第四阀门(14)和第二蠕动泵(15)以及第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)进行超滤膜双向过滤过程的沿程过滤特性与膜污染特征分布测试，或者开启第四阀门(14)和第二蠕动泵(15)，或第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)，进行超滤膜的单向逆流过滤过程或单向顺流过滤过程的沿程过滤特性与膜污染特征分布测试，电子天平(12)和计算机(13)采集和记录相关数据，直至测试过程结束；
b、超滤膜进行酸洗或碱洗-酸洗恢复状态测试时，启动第一蠕动泵(5)，开启第二阀门(7)或第三阀门(8)，酸液箱(2)的酸液或碱液箱(3)的碱液进入测试槽(4)，当酸液或碱液的液面高出超滤膜(10)一定高度时关闭蠕动泵(5)，开启第四阀门(14)和第二蠕动泵(15)，或开启第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)，分别进行超滤膜的单向清洗过程；清洗过程结束后，先将水样箱(1)的水样更换为纯水，然后重复上述a步骤的测试过程。
通过测试得到的外压式中空纤维超滤膜沿程跨膜压差分布和平均膜通量变化趋势及相关性、其与不同进水水质中的各类污染物特征的相关性，以及与各种酸组合液、碱组合液的膜污染物清洗效果的相关性，均需要依据测试得到的沿程跨膜压差分布和平均膜通量数据采用大型统计软件平台进行编程和计算，依据建立的相关性和权重模型进行综合分析和评价，由此得到具体的超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征数值。
本发明中所述的压力传感器组的多个压力传感器在超滤膜内腔沿轴长等距设置，压力传感器数量可为2-8套；所述的测试槽液面高出超滤膜的高度为5-50cm；所述的进水箱中可以是纯水、配制的水、以及各种实际水处理工艺中各个处理单元的进出水；所述的超滤膜的膜丝直径范围为0.5-5mm、长度范围为500-2500mm；所述的外压式中空纤维膜超滤膜种类可以是PVC、PVDF、PAN、PES等各种材质、型式和规格，以及不同新旧程度和各种使用状态；所述的酸液和碱液可以为包括盐酸、草酸、柠檬酸等各种酸，以及各种酸的不同浓度和比例的混合液，或者氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠等各种碱，以及各种碱的不同浓度和比例的混合液。
本发明的有益效果：
1.可以精确地检测和评价全部长度的外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征，为超滤膜组件的过滤型式优化和超滤工艺的高效运行与膜污染控制提供更深入的理论指导。
2.可以准确地表征出外压式中空纤维超滤膜的沿程化学清洗效果以及沿程过滤特性的恢复状态，为超滤膜材质和膜组件过滤型式的选择提供依据，为实际工程中超滤膜化学清洗过程的优化提供技术支持。
附图说明
图1为实施例1的外压式中空纤维超滤膜检测装置的示意图；
附图1标记：
水样箱(1)、酸液箱(2)、碱液箱(3)、测试槽(4)、第一蠕动泵(5)、第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三阀门(8)、支架(9)、超滤膜(10)、压力传感器组(11)、电子天平(12)、计算机(13)、第四阀门(14)、第二蠕动泵(15)、第五阀门(16)、第三蠕动泵(17)。
图2为实施例1恒通量单侧过滤条件下跨膜压差沿程变化特征。
图3为实施例1恒通量双侧过滤条件下跨膜压差沿程变化特征。
图4为实施例1单侧酸洗时跨膜压差沿程变化特征。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进行详细说明，使本领域技术人员更好地理解本发明，但本发明并不局限于本实施例。
通过测试得到的外压式中空纤维超滤膜沿程跨膜压差分布和平均膜通量变化趋势及相关性、其与不同进水水质中的各类污染物特征的相关性，以及与各种酸组合液、碱组合液的膜污染物清洗效果的相关性，均需要依据测试得到的沿程跨膜压差分布和平均膜通量数据采用大型统计软件平台进行编程和计算，依据建立的相关性和权重模型进行综合分析和评价，由此得到具体的超滤膜沿程过滤特性与膜污染特征分布数值。
压力传感器组在超滤膜上等距设置，压力传感器数量可为2-8套。
测试槽液面高出超滤膜的高度为5-50cm。
进水箱中的水质可为纯水、各种配制水、以及各种实际水处理工艺中各个处理单元的进出水。
中空纤维超滤膜的膜丝直径为0.5-5mm、长度为500-2500mm。
中空纤维超滤膜可以为包括PVC、PVDF、PAN、PES等各种材质、型式和规格，以及不同新旧程度和各种使用状态。
酸液和碱液可以为包括盐酸、草酸、柠檬酸等各种酸，以及各种酸的不同浓度和比例的混合液，或者氢氧化钠、氢氧化钾、碳酸钠等各种碱，以及各种碱的不同浓度和比例的混合液。
实施例1
将压力传感器组中的6个压力传感器与长度为2000mm、直径为1.6mm的外压式PVC中空纤维超滤膜等距连接之后，放入测试槽(4)中并固定在支架(9)上。超滤膜的两端通过连接管分别与阀门(14)、第二蠕动泵(15)，以及第五阀门(16)、第三蠕动泵(17)连接。
将某给水厂的原水注入水样箱(1)中，按测试过程步骤a，当测试槽液面高于超滤膜10cm时，开启第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)，进行超滤膜单向顺流过滤特性测试，结果如附图2所示。可看到，超滤膜(10)与阀门(16)连接端的跨膜压差增长速率最大，在过滤60min后跨膜压差的增长速率显著增加，进入快速增长期，过滤80min后跨膜压差已超过限值，过滤90min时跨膜压差已超过40.0kPa。在过滤150min时超滤膜分别在400mm和1200mm处出现跨膜压差衰减拐点，之后跨膜压差趋近于稳定，这说明超滤膜单向顺流过滤时沿程过滤通量存在明显的产水效率变化区域，在超滤膜沿程0～400mm段为高效过滤区，在400～1200mm段为有效过滤区，在1200～2000mm段为低效过滤区。
采用500ppm稀盐酸与1500ppm柠檬酸混合酸液进行酸洗，按照测试过程步骤b，开启第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)进行超滤膜单向酸洗效果测试，结果如图3所示。可看到，酸洗开始时超滤膜(10)与第五阀门(16)连接端的跨膜压差高达42.0kPa，随后跨膜压差开始快速下降，在酸洗110min时出现明显的拐点，此时跨膜压差已降至15.3kPa，在后续酸洗过程中跨膜压差变化趋缓，在酸洗140min清洗结束时已降为7.5kPa。在超滤膜单向酸洗过程中，超滤膜在400mm处和1200mm处出现2个跨膜压差拐点，说明膜污染主要集中在0～400mm和400～1200mm两段内。可见，超滤膜单向酸洗时，在0～400mm段为高效清洗区，在400～1200mm段为有效清洗区，在1200～2000mm为低效清洗区。
酸洗过程结束后，将水样箱(1)更换为纯水，重复测试过程步骤a；当测试槽液面高于超滤膜10cm时，开启第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)，采用超滤膜单向顺流过滤方式进行酸洗效果的空白验证，结果如附图4所示。可看到，超滤膜(10)与第五阀门(16)连接端的跨膜压差最大仅为12.3kPa，超滤膜沿程跨膜压在1200mm处出现拐点，之后趋于平缓，并稳定在4.3kPa。这说明超滤膜经过单向酸洗后，膜污染物被有效去除，超滤膜过滤性能基本得到恢复。
Claims (4)
1.一种外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测装置进行外压式中空纤维超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征的检测方法，其特征在于，检测装置由配水系统和检测系统组成，配水系统包括水样箱(1)、酸液箱(2)、碱液箱(3)、测试槽(4)、第一蠕动泵(5)、第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三阀门(8)；水样箱(1)、酸液箱(2)、碱液箱(3)的出口分别设置第一阀门(6)、第二阀门(7)、第三阀门(8)，并均通过第一蠕动泵(5)与测试槽(4)连接；检测系统包括支架(9)、超滤膜(10)、压力传感器组(11)、电子天平(12)、计算机(13)；支架(9)搭在测试槽(4)上方，支架(9)上固定的超滤膜(10)和压力传感器组(11)使得超滤膜(10)和压力传感器组(11)放入测试槽(4)中不同深度，超滤膜(10)的一端通过连接管与第四阀门(14)、第二蠕动泵(15)连接，超滤膜(10)的另一端通过连接管与第五阀门(16)、第三蠕动泵(17)连接，第二蠕动泵(15)和第三蠕动泵(17)的出水收集到电子天平(12)上进行称量，压力传感器组(11)测试的压力为超滤膜(10)内即空腔内的压力，压力传感器组(11)和电子天平(12)与计算机(13)连接；
第一蠕动泵(5)与测试槽(4)的连接口位于测试槽(4)的一侧，此侧面正对超滤膜(10)的一端；压力传感器组的多个压力传感器在超滤膜内腔沿轴长等距设置；
检测方法包括以下步骤：
a、进行超滤膜沿程过滤特性与膜污染特征分布测试时，开启第一蠕动泵(5)和第一阀门(6)，水样箱(1)的水样进入测试槽(4)，当液面高出超滤膜(10)一定高度时，调节第一蠕动泵(5)流量保持液位恒定；同时开启第四阀门(14)和第二蠕动泵(15)以及第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)进行超滤膜双向过滤过程的沿程过滤特性与膜污染特征分布测试，或者开启第四阀门(14)和第二蠕动泵(15)，或第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)，进行超滤膜的单向逆流过滤过程或单向顺流过滤过程的沿程过滤特性与膜污染特征分布测试，电子天平(12)和计算机(13)采集和记录相关数据，直至测试过程结束；
b、超滤膜进行酸洗或碱洗-酸洗恢复状态测试时，启动第一蠕动泵(5)，开启第二阀门(7)或第三阀门(8)，酸液箱(2)的酸液或碱液箱(3)的碱液进入测试槽(4)，当酸液或碱液的液面高出超滤膜(10)一定高度时关闭第一蠕动泵(5)，开启第四阀门(14)和第二蠕动泵(15)，或开启第五阀门(16)和第三蠕动泵(17)，分别进行超滤膜的单向清洗过程；清洗过程结束后，先将水样箱(1)的水样更换为纯水，然后重复上述a步骤的测试过程；
通过测试得到的外压式中空纤维超滤膜沿程跨膜压差分布和平均膜通量变化趋势及相关性、其与不同进水水质中的各类污染物特征的相关性，以及与各种酸组合液、碱组合液的膜污染物清洗效果的相关性，均需要依据测试得到的沿程跨膜压差分布和平均膜通量数据采用大型统计软件平台进行编程和计算，依据建立的相关性和权重模型进行综合分析和评价，由此得到具体的超滤膜沿程过滤特性与膜污染分布特征数值。
2.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，压力传感器数量为2-8套；所述的测试槽液面高出超滤膜的高度为5-50cm。
3.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，水样箱(1)中是纯水、配制的水、以及各种实际水处理工艺中各个处理单元的进出水。
4.按照权利要求1所述的方法，其特征在于，超滤膜的膜丝直径范围为0.5-5mm、长度范围为500-2500mm；超滤膜种类是PVC、PVDF、PAN、PES。
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