CN113242760A - 用于监测渗透膜完整性的快速示踪剂注射 - Google Patents

用于监测渗透膜完整性的快速示踪剂注射 Download PDF

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Abstract

荧光监测技术可用于快速评估渗透膜的效率。在一些示例中，所述技术包含将荧光示踪剂团注入进料流中。引入所述示踪剂的时间段可短于渗透流中的所述示踪剂达到平衡浓度所需的时间。可对所述进料流和所述渗透流进行荧光分析，以确定两个流中所述荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。然后可基于这些与流速无关的累积时间浓度来确定所述渗透膜的所述效率。

Description

用于监测渗透膜完整性的快速示踪剂注射
交叉引用
本申请要求于2018年12月21日提交的第62/783,441号美国临时专利申请的权益，所述申请的全部内容以引用的方式并入本文中。
技术领域
本公开涉及膜分离工艺，且更确切地说，涉及评估在膜分离工艺中使用的膜的完整性。
背景技术
膜分离是一种通过连续膜结构的分子排列中的孔隙和/或微小间隙选择性分离材料的技术。膜分离可以按孔径和分离驱动力来分类。示例膜分离技术包含微滤(MF)、超滤(UF)、离子交换(IE)和反渗透(RO)。例如，反渗透广泛用于水净化工艺中，以从水中去除离子、细菌和其它分子以及较大的颗粒。在反渗透工艺中，施加的压力用于克服跨膜渗透压，从而使基本上纯的溶剂(例如水)穿过膜，同时残留的溶质保留在所述膜的加压侧。
在实践中，使用膜分离工艺达到的净化程度至少部分地由所述方法中使用的膜的质量和完整性决定。如果膜结构发生化学和/或机械故障，则杂质可穿过膜裂缝并进入所产生的“净化”产物流中。在水净化的情况下，可在纳米级范围内的有害杂质和病原体(例如，水性肠病毒、隐孢子虫(Cryptosporidium)、贾第鞭毛虫囊肿(Giardia cysts)、纳米颗粒、有机化合物等)可以穿过膜裂口进入干净的水流中，可能造成健康风险。
发明内容
一般来说，本公开涉及用于评估渗透膜的效率的系统和技术。在一些示例中，荧光监测工艺可以用于通过将荧光示踪剂引入进料流中且接着在分离膜下游的渗透流中检测荧光示踪剂来监测膜的性能。荧光示踪剂穿过膜的程度可以提供对膜的完整性的指示。
在实践中，已经观察到引入到膜分离工艺的进料流中的荧光示踪剂不会以与膜的完整性或效率相对应的浓度立即穿过渗透流。相反，在开始将示踪剂投用至进料流时与在渗透流中观察到稳定的(例如，基本恒定的)对应示踪剂浓度时之间存在时间滞后。例如，从开始将示踪剂投用至进料流到在渗透流中观察到示踪剂的平衡浓度可能要花30分钟、一个小时或更长时间。在此平衡期间，在渗透流中观察到的示踪剂浓度会随时间增加。
评估膜效率的传统技术可能需要稳定的进料流示踪剂浓度和稳定的渗透流示踪剂浓度。否则，如果使用与尚未达到平衡条件的渗透流示踪剂浓度相对应的数据来评估膜的效率，则效率测量结果可能错误地指示膜正在排斥比实际情况更多的示踪剂(以及相应地，需要由膜去除的杂质)。因此，可能需要在相当长的一段时间内投用示踪剂，以确保在评估膜的排斥效率之前，在分离工艺中达到平衡的示踪浓度。这会增加消耗的示踪剂量、执行评估所需的操作员时间量，以及相应地监测膜效率的成本。
在根据本公开的一些示例中，描述了一种用于评估分离膜的效率的技术，所述技术涉及将荧光示踪剂团注入进料流中。可将荧光示踪剂团持续注射一段时间，所述时间短于渗透流中的示踪剂浓度达到平衡浓度所需的时间。例如，可以引入荧光示踪剂以提供相对较短持续时间的团，其中即使在已终止将示踪剂引入进料流中之后，渗透流中示踪剂的浓度任持续增加一段时间。
为了确定膜的效率而不需要渗透流中示踪剂的浓度达到平衡浓度，可以在团注期间以荧光方式监测进料流和渗透流两者。然后可以针对与团注对应的每个流确定示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。例如，可以在团注期间测量每个流中示踪剂的浓度。然后，所测量的浓度可以在对应于可检测的示踪剂含量的测量时间段内积分，提供了荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。所述浓度可被指定为累积时间浓度，因为它是示踪剂在整个测量时间内的累积浓度。可以将浓度设计为与流速无关，因为示踪剂的累积浓度与进料流和渗透流的流速无关，包含在测量期间可能发生的所述流的流速变化。通过了解进料流和渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度，可以确定膜的效率。例如，可以通过使渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度和进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度配比来确定排斥效率分数。
在一个示例中，描述了一种用于监测渗透膜分离工艺的方法。所述方法包含将荧光示踪剂团引入进料流中，并且使渗透膜与进料流接触，从而产生渗透流和浓缩流。所述方法包含对进料流进行荧光分析，并由此确定在与团相对应的第一时间段内进料流中荧光示踪剂的测量浓度。所述方法还包含对渗透流进行荧光分析，并由此确定在与团相对应的第二时间段内渗透流中荧光示踪剂的测量浓度。所述方法进一步涉及基于在第一时间段内进料流中荧光示踪剂的测量浓度而确定进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度，并且基于在第二时间段内渗透流中荧光示踪剂的测量浓度而确定渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。另外，所述方法包含基于进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度与渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度的比较来确定渗透膜的效率。
在另一示例中，描述了一种系统，所述系统包含：荧光示踪剂泵，其被配置成将荧光示踪剂团引入进料流中；半渗透膜，其被配置成将进料流分离为渗透流和浓缩流；一个或多个荧光计，其被配置成对进料流和渗透流进行荧光分析；以及控制器，其以通信方式耦合到一个或多个荧光计。所述示例规定控制器被配置成控制一个或多个荧光计以对进料流进行荧光分析并由此确定在与团相对应的第一时间段内进料流中荧光示踪剂的测量浓度。所述一个或多个控制器还被配置成控制一个或多个荧光计以对渗透流进行荧光分析并由此确定在与团相对应的第二时间段内渗透流中荧光示踪剂的测量浓度。所述示例规定所述一个或多个控制器还被配置成基于在第一时间段内进料流中荧光示踪剂的测量浓度而确定进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度，并且基于在第二时间段内渗透流中荧光示踪剂的测量浓度而确定渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。另外，所述一个或多个控制器还被配置成基于进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度与渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度的比较来确定半渗透膜的效率。
一个或多个示例的细节阐述于下文的附图和描述中。本发明的其它特征、目的和优点将根据所述描述和附图以及权利要求变得显而易见。
附图说明
图1是示出示例膜分离系统的图，可以根据本公开监测所述膜分离系统的效率。
图2是展示出可以在对应于示例注射团的图1的进料流和渗透流中测得的示例荧光示踪剂浓度的图。
图3示出用于计算与流速无关的累积时间浓度的示例分段技术。
图4是示出可以在图1的示例膜分离系统中使用的示例荧光计的框图。
图5是用于监测膜效率的示例技术的流程图。
图6示出在实验系统的进料流和渗透流中观察到的示例示踪剂浓度。
图7是图6所展示数据的示踪剂排斥效率与时间的曲线图。
具体实施方式
一般来说，本公开描述了用于监测膜分离工艺的系统和技术，包含监测在分离工艺中使用的一个或多个膜的排斥效率。监测膜的排斥效率可用于确保正充分去除打算通过膜分离工艺在正常操作期间去除的杂质。如果例如使用根据本公开的技术来确定在分离工艺中使用的一个或多个膜的排斥效率小于阈值效率，则可以更换一个或多个膜。
在一些示例中，监测技术涉及将示踪剂团注入到进料流中以用于分离膜，并对进料流和渗透流进行荧光分析。当在每个流中可检测到可测量含量的荧光示踪剂时，可分别在第一和第二监测时间段对进料流和渗透流进行荧光分析。然后可以基于每个相应流中荧光示踪的测量浓度来确定进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度和渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。可以基于所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度与所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度的比较来确定所述膜的效率。
如本文所使用，术语“与流速无关的累积时间浓度”意味着流中的瞬时示踪剂浓度与在所述流中持续一段时间的持续示踪剂浓度的累积乘积，而无需考虑所述流的流速。
图1是示出示例膜分离系统100的概念图，可如本文所描述来监测所述膜分离系统的效率。系统100包含分离膜102、至少一个荧光计104和控制器106。还将图1中的系统100示为包含进料流加压泵108和荧光示踪剂泵110。进料流加压泵108与待使用膜102净化的流体源112流体连通。荧光示踪剂泵110与荧光示踪剂源114流体连通，以引入到接触进料流的膜102中。在操作中，将进料流114供至膜102，所述膜能够通过将进料流至少分成第一流和第二流，诸如渗透流116和浓缩流118(也可以称为排斥流)来处理或净化进料流。
荧光计104与进料流114、渗透流116和/或浓缩流118中的一种或多种光学连接，并且配置为对所述流进行荧光分析。在示出的配置中，将单个荧光计104示为定位成从进料流114、渗透流116和浓缩流118中的每一个接收滑流。当如此配置时，可以使用阀或其它流量控制机构来选择性地使荧光计在不同时间处于与每个相应流的流体连通中。在其它配置中，荧光计104可实施为仅对单种流(例如，进料流114或渗透流116)或三种流中的两种(例如，进料流114和渗透流116)进行荧光分析。在这些替代性配置中，系统100可以包含一个以上的荧光计，诸如用于要在操作期间进行荧光分析的每种流的单独荧光计。
控制器106与荧光计104、进料流加压泵108、荧光示踪剂泵110以及任选地可期望在系统100中实现的任何其它可控部件或传感器通信连接。控制器106包含处理器120和存储器122。控制器106通过连接与系统100中的可控部件通信。例如，由荧光计104产生的信号可以经由有线或无线连接传送到控制器106，所述连接在图1的示例中示为有线连接。存储器122存储用于运行控制器106的软件，并且还可以存储由处理器120例如从荧光计104产生或接收的数据。处理器120运行存储在存储器122中的软件，以管理系统100的操作。
如下文更详细地描述，荧光示踪剂泵110可用于将示踪剂团注入进料流114中。荧光计104可用于通过对进料流114和渗透流116进行荧光分析来对膜102的性能进行荧光分析。荧光计104可以将激发光发射到正在分析的流体流/样品中，并接收响应于激发光而产生的荧光发射。可以参考存储器中存储的校准信息来处理由荧光计检测到的荧光发射光的量，以确定正在分析的流体样品中发荧光的示踪剂的浓度。反过来，这可以提供膜102的分离性能的指示。
在系统100的操作期间，膜102可以与待从源112净化的流体接触以去除离子、分子、病原体和/或其它颗粒污染物。例如，进料流114可以含有各种溶质，诸如溶解的有机物、溶解的无机物、溶解的固体、悬浮的固体等或其组合。在将进料流114分离成渗透流116和浓缩流118之后，在膜102中，与进料流相比，渗透流中溶解和/或悬浮溶质的浓度要低得多。另一方面，与进料流相比，浓缩流118可具有更高浓度的溶解和/或悬浮的溶质。在这方面，渗透流116代表净化的进料流，诸如净化的水性进料流。
系统100和膜102可以配置用于任何期望类型的膜分离工艺，包含错流分离工艺、死端流分离工艺、反渗透、超滤、微滤、纳滤、电渗析、电去电离作用、全蒸发、膜萃取、膜蒸馏、膜剥离、膜曝气等或其组合。然而，通常，系统100和膜102可以作为反渗透、超滤、微滤或纳滤膜分离工艺来实现。
在反渗透中，进料流114通常在错流条件下进行处理。当如此配置时，进料流114可以基本上平行于膜表面流动，使得仅一部分进料流作为渗透物扩散通过所述膜。交叉流量通常很高，以提供冲刷作用，减少膜表面污染。这也可以减小浓差极化效应(例如，膜表面的湍流减小的边界层中的溶质浓度，这会增加膜处的渗透压，从而可减小渗透流量)。浓差极化效应可以抑制进料流中的水作为渗透物穿过膜，从而降低了回收比率，例如，渗透物与施加的进料流的比率。可以采用再循环回路来维持跨膜表面的高流速。
系统100可以采用多种不同类型的膜作为膜102。此类市售膜元件类型包含但不限于中空纤维膜元件、管状膜元件、螺旋缠绕膜元件、板框膜元件等。例如，反渗透通常使用螺旋缠绕元件或模块，其通过将半多孔膜层与进料间隔件和渗透水载体缠绕在中央的穿孔渗透物收集管周围而构成。通常，所述模块是用胶带和/或玻璃纤维包裹密封的。所产生的构造可具有一个可接收入口流的通道。入口流沿膜模块纵向流动，并作为浓缩流从另一端流出。在模块内，水可以穿过半多孔膜并且被捕获在渗透通道中，流到中央收集管。它可以从所述管中流出指定的通道并且被收集。
在不同的应用中，膜102可以根据应用使用单个膜元件或多个膜元件来实现。例如，可以使用多个膜元件来形成首尾相连地堆叠在一起的膜模块，有互连器将第一模块的渗透管连接到第二模块的渗透管，依此类推。这些膜模块堆栈可以容纳在压力容器中。在压力容器内，进料流114可以进入堆栈中的第一模块中，所述模块去除一部分水作为渗透水。然后，来自第一膜的浓缩流可以成为第二膜的进料流，依此类推在堆栈中向下。可以将来自堆栈中所有膜的渗透流收集在连接的渗透管中。在这些应用中，可以使用一个或多个荧光计104监测堆栈中进入第一模块的进料流和/或合并的渗透流和/或来自最后一个模块的最终浓缩流。
在大多数反渗透系统中，压力容器可以按“阶段”或“路程”布置。在分段膜系统中，可以将来自一组压力容器的合并的浓缩流引导至第二组压力容器，在此它们成为第二阶段的进料流。通常，系统具有两到三个阶段，在每个阶段中的压力容器相继减少。例如，系统可在第一阶段含有四个压力容器，其浓缩流在第二阶段供给两个压力容器，其浓缩流又在第三阶段供给一个压力容器。这被指定为“4:2:1”阵列。在分段膜配置中，可以收集和使用来自所有阶段的所有压力容器的合并的渗透流，并而无需进一步的膜处理。当需要大量的纯净水(例如锅炉给水)时，通常使用多级系统。来自膜系统的渗透流可以通过离子交换或其它方式进一步净化。
在多程系统中，收集来自每组压力容器的渗透流，并将其用作后续各组压力容器的进料。可以合并来自所有压力容器的浓缩流，而无需对每个单独的流进行进一步的膜处理。当需要极高纯度的水(例如在微电子或制药行业中)时，通常使用多程系统。当系统100作为反渗透工艺实施时，可以将一个或多个膜102配置为多级和/或多程系统。
虽然系统100和膜102可以作为错流过滤工艺来实施，但是在其它配置中，可以将系统布置成通过使进料流114沿基本上垂直的方向穿过过滤介质或膜而用于悬浮固体的常规过滤。所述布置可以在服务周期期间产生一种出口流(例如，净化流114)。周期性地，可以通过使清洁流体沿着与进料相反的方向穿过而对过滤器进行反洗，从而产生含有已被过滤器保留的物质的反洗流出物。在这种布置中，系统100可以具有进料流114、净化流116和反洗流118。这种类型的膜分离通常称为死端流分离，并且通常限于分离尺寸大于约一微米的悬浮颗粒。
系统100可以用于净化任何期望类型的流体。可以使用系统100净化的示例性水性(水基)液体进料源112包含原水流(例如，从新鲜水源提取的)、废水和循环水流(例如，来自市政和/或工业来源)、食品和饮料工艺中的料流、制药工艺中的料流、电子制造中的料流、实用操作中的料流、纸浆和造纸工艺中的料流、采矿和矿物工艺中的料流、运输相关工艺中的料流、纺织工艺中的料流、电镀和金属加工工艺中的料流、洗衣和清洁工艺中的料流、皮革和鞣革工艺中的料流、油漆工艺中的料流及其组合。
系统100中使用的一个或多个荧光计104可以在系统100中以多种不同方式实现。在图1所示的示例中，管道、管或其它导管连接在主流体通路与荧光计104的流动室之间，例如，从大量流动液体中提供滑流或样品流。在此类示例中，导管可以将荧光计104的流动室(例如，流动室的入口)流体连接到主流体通路。当流体移动通过主流体通路时，一部分流体可以进入导管并经过位于流体室内的传感器头附近，从而允许荧光计104确定流过流体通路的流体的一种或多种特征。在穿过流动室之后，所分析的流体可以或可以不返回到主流体通路，例如，经由将流动室的出口连接到流体通路的另一导管。在替代性配置中，荧光计104与主流体通路成一直线定位，例如，允许荧光计对主要流动的流体流进行直接采样和/或荧光分析而无需汲取滑流。
在任一种情况下，当被实现为直接从主流体通路或流中接收流体而无需用户干预时，荧光计104可表征为在线光学传感器。控制器106可以控制荧光计104在一段时间内对流体流进行连续地荧光分析，或者以周期性间隔对流体流进行间歇性地荧光分析。当荧光计104被实现为在线荧光计时，如果移除可能需要关闭系统100或在系统性能方面导致不期望的监测间隙，则可能难以将荧光计从使用中移除以进行校准。
在其它应用中，荧光计104可用于对没有流过光学传感器的流动室的固定体积的流体进行荧光分析。例如，在这些替代性配置中，荧光计104可以被实现为离线监测工具(例如，作为手持式传感器)，其需要用从系统100手动提取的流体样品填充光学传感器。
为了监测根据本公开的一些示例的膜102的性能，可以将来自荧光示踪剂源113的荧光示踪剂团引入进料流114中。荧光示踪剂泵110在控制器106的控制下工作，可以将荧光示踪剂注入膜102上游的进料流114中。在所示的示例中，荧光示踪剂显示为在进料流泵108的上游引入，但是在其它配置中，荧光示踪剂可以在进料流泵的下游引入。在任一种情况下，含有一定量的荧光示踪剂的进料流114可以接触膜102以进行分离或净化工艺。
由荧光示踪剂泵110引入的荧光示踪剂团可为在一定时间段内以注射流速引入的固定体积的示踪剂。所使用的特定流速可以例如基于示踪剂的类型和系统100的大小而变化。此外，流速在整个投用期间可为基本恒定的(例如，变化了+/-3％)，或者可以在投用期间改变。在一些示例中，流速可有效地提供在10ppm至100ppm，例如20ppm至50ppm范围内进料流中的示踪剂浓度。
在控制器106的控制(或手动操作员控制)下进行操作，荧光示踪剂泵110可以在递送时间段内递送荧光示踪剂团。在一些应用中，时间段足够短，以使得在荧光示踪剂泵110停止将荧光示踪剂递送到进料流之前，渗透流中的所得示踪剂浓度没有达到平衡浓度。如上文所论述，在最初将荧光示踪剂投用至进料流114(例如，以恒定速率)与在渗透流116中观察到所得的平衡荧光示踪剂浓度之间可能存在时间延迟。在渗透流中观察到的荧光示踪剂的浓度可以从零含量逐渐增加到与投用至进料流中的荧光示踪剂的浓度相对应的平衡含量。
然而，在根据本公开的一些示例中，荧光示踪剂泵110可将荧光示踪剂递送至进料流114持续一段时间，所述时间短于渗透流116中荧光示踪剂的浓度达到与进料流中浓度达到平衡所需的时间。结果，当荧光示踪剂泵110停止将荧光示踪剂递送到进料流时，渗透流116中的荧光示踪剂浓度可以小于平衡含量。另外，在荧光示踪剂泵110停止将荧光示踪剂递送到进料流之后，渗透流116中的荧光示踪剂浓度可能会增加，随后下降。在一些示例中，荧光示踪剂泵110可以将荧光示踪剂递送至进料流114，持续时间为1秒至60分钟、5秒至30分钟、30秒至15分钟、1分钟至10分钟，或30秒至5分钟。在团递送和监测期间，进料流114和渗透流116的流速可为基本恒定的(例如，+/-5％，例如+/-3％或+/-1％)，或者所述流速可能会超过前述量。
虽然可以在系统100中控制荧光示踪剂泵110以在荧光示踪剂的浓度达到渗透流中的对应浓度平衡之前将整个荧光示踪剂团递送至进料流114，但是本文所论述的技术在此方面不受限制。在其它应用中，荧光示踪剂泵110可以在一段时间内将荧光示踪剂团递送至进料流114，所述时间足以在渗透流116中实现荧光示踪剂的平衡浓度。也就是说，如果使用较长的递送时间，则其中没有实现渗透流中浓度平衡的较短递送时间可提供未观察到的加工经济性。
荧光示踪剂泵110可以一定的速率将示踪剂引入进料流114中且持续一段时间，这将进料流中荧光示踪剂的与速率无关的累积浓度有效实现为1ppm-sec至50,000ppm-sec，例如1000ppm-sec至20,000ppm-sec。
与将其它分子或微粒从进料流中分离出来一样，大部分荧光示踪剂可以在浓缩流118中浓缩。引入进料流114中的荧光示踪剂的仅一小部分可以例如在膜102按预期起作用时携带通过渗透流116。从进料流114穿过膜102并且进入渗透流116的荧光示踪剂的量可以指示膜的质量和/或工作效率。例如，如果膜102具有影响膜的分离效率的完整性裂缝，则与膜不具有此类裂缝时相比，更高浓度的经由荧光示踪剂泵110引入进料流114中的荧光示踪剂可以携带通过进入渗透流116。
在定期或连续监测的基础上工作，一个或多个荧光计104可以监测系统100的一个或多个相应流中的荧光示踪剂的浓度，以评估系统的性能。例如，荧光计104可以测量进料流114以确定由荧光示踪剂泵110引入到流中的荧光示踪剂的测量浓度。荧光计104还可以测量渗透流116以确定穿过膜102并存在于渗透流116中的荧光示踪剂的测量浓度。
参考存储在存储器120中的校准信息，控制器106可以基于流的荧光响应(例如，流中荧光示踪剂所发射的发射物量值和/或波长)来确定正在分析中的流体流中荧光示踪剂的浓度。例如，控制器106可以通过比较从正在分析中的流体中检测到的荧光发射物的量值与使已知荧光发射物量值与已知示踪剂浓度相关的信息来确定荧光示踪剂的浓度。
参考存储在存储器中的指令，控制器106可以基于在第一时间段内进料流中荧光示踪剂的测量浓度而确定进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。控制器106还可基于在第二时间段内渗透流中荧光示踪剂的测量浓度而确定渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。如上所述，与速率无关的累积时间浓度对应于正在分析中的流中示踪剂浓度与所述流中持续示踪剂浓度的乘积。因此，与速率无关的累积时间浓度表示在分析期间由荧光计104测量的示踪剂的总体积。
图2是展示示例荧光示踪剂浓度的图，其可以通过对应于示例注射团的一个或多个荧光计104在进料流114和渗透流116中测得。所示示例展示了在2分钟的时间段内以恒定速率递送的示例示踪剂团注，尽管可以如上所述地使用其它示踪剂递送条件。在图2的示例中，通过荧光计104在进料流114中测得的示踪剂浓度由线150表示，并且通过荧光计104在渗透流116中测得的示踪剂浓度由线152表示。在此示例中，荧光示踪剂泵110将荧光示踪剂递送到进料流114持续一段时间，所述时间短于渗透流116中的荧光示踪剂浓度达到平衡浓度所需的时间，所述时间由渗透流的浓度峰值偏移表示。
控制器106可以确定流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度，使用以下等式：
等式1：
Figure BDA0003115062140000091
在以上等式中，y是示踪剂浓度(例如，以ppm为单位)，而yo是t＝to时的示踪剂浓度。另外，t是时间(例如，秒)，并且A是曲线下方的区域(例如，ppm-sec)。此方法在图3中以图形方式示出，其示出了用于计算与流速无关的累积时间浓度的示例分段技术。
在实践中，控制器106可以对每个相应流的测得的荧光示踪剂浓度的曲线下的区域进行积分，以确定所述流的与流速无关的累积时间浓度。控制器106可以在第一时间段(第一时间间隔)内对由荧光计106在进料流114中测得的示踪剂浓度进行积分。控制器106可以进一步在第二时间段(第二时间间隔)内对由荧光计106在渗透流116中测得的示踪剂浓度进行积分。第一时间段沿着进料流114的浓度监测曲线限定时间端点，在其上对浓度进行积分以为所述流提供与流速无关的累积时间浓度。第二时间段沿着渗透流116的浓度监测曲线限定时间端点，在其上对浓度进行积分以为所述流提供与流速无关的累积时间浓度。
用于第一和第二时间段的时间段可以根据正评估的系统的特性而变化。在一些应用中，第一时间段是在最初引入荧光示踪剂团之后0至60分钟范围内的时间。第二时间段可为在最初引入荧光示踪剂团之后0至240分钟范围内的时间。第一和第二时间段可以相同或可以彼此不同。例如，第二时间段可以比第一时间段长，以考虑到在将荧光示踪剂引入进料流中并在其中进行测量与在示踪剂进入渗透流中并在其中进行测量之间的时间滞后或延迟。另外或替代地，可使第二时间段偏移(例如，在第一时间段开始之后的时间开始)一定量，所述量补偿时间滞后。例如，第二时间段可以从第一时间段偏移了至少10秒，例如至少1分钟或至少2分钟。
荧光计104可仅在相应的第一和第二时间段内测量进料流和渗透流中示踪剂的浓度。替代地，荧光计104可以在引入和/或终止示踪剂注射至进料流之前和/或在其处测量进料流和/或渗透流中示踪剂的浓度，持续延长时间段(例如，至少2分钟，例如至少5分钟、至少10分钟或至少30分钟)。其中分别对进料流和渗透流的测得的示踪剂浓度进行积分的第一和第二时间段可以选自较大的监测浓度数据时间段(例如，其可包含其中未在进料流和/或渗透流中测量示踪剂浓度的时间段)。
控制器106可以将进料流114和渗透流116中所确定的与流速无关的累积时间浓度存储在存储器122中。控制器106可以进一步基于进料流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度与渗透流中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度的比较来确定膜120的效率。在不同的示例中，在两个与流速无关的累积时间浓度之间执行的比较可为差异、比率、乘积或其它比较。在一个示例中，控制器106可以基于以下等式计算染料排斥效率因子R：
等式2：
Figure BDA0003115062140000101
在以上等式中，R是膜120在排斥荧光示踪剂时的效率，CP是渗透流116中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度，并且CF是进料流114中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度。在第6,838,001号美国专利中描述了可由控制器106参考存储在存储器122中的信息和来自荧光计104的数据而计算的额外性能参数，所述专利的全部内容以引用的方式并入本文中。
在正常运行情况下，膜102的染料排斥效率可以大于95％，例如大于98％、大于99％或大于99.9％。例如，控制器106可以控制荧光示踪剂泵110将一定量的荧光示踪剂引入进料流114中，有效地实现范围为十亿分之十(ppb)至100,000ppb，如10ppb至1000ppb，或10ppb到10,000ppb的浓度。相比之下，在这些进料流浓度下，穿过膜102并存在于渗透流116中的荧光示踪剂的量可以小于10ppb，例如小于5ppb，或小于1ppb，或小于万亿分之100(ppt)。
如果如上所述确定的膜102的效率小于阈值效率(例如，可为上文概述的正常操作值中的任一个)，则操作员可以采取多种不同的校正动作。在一些示例中，操作员用新膜代替膜102。作为另一示例，操作员可以例如通过控制流体加压泵108来调整(例如，减少)递送到膜102的进料流的流速。作为又一示例，当系统100包含一组多个膜时，操作员可以绕过膜102并且仅使用在分离工艺中表现出合适效率的膜。
一般来说，进料流114中引入的荧光示踪剂是惰性示踪剂。术语“惰性”是指不受系统中任何其它化学物质或其它系统参数(诸如pH、温度、离子强度、氧化还原电势、微生物活性或杀生物剂浓度)明显或显著影响的荧光示踪剂。荧光示踪剂应能与膜分离系统的水一起运输，因此在膜分离系统特有且独特的温度和压力条件下，荧光示踪剂在其使用的浓度下基本上(即使不是完全)具有水溶性。换句话说，荧光示踪剂可以展示出与使用它的膜分离工艺的溶质相似的特性。
在一些示例中，添加到进料流114中的荧光示踪剂是制剂的组分，而不是作为单独的组分，比如干燥的固体或纯净的液体。例如，荧光示踪剂可以包含在注入进料流114中以增强膜分离工艺的处理化学品中(例如，与它们混合)，所述化学品例如，阻滞/防止膜结垢沉积的防垢剂、阻滞/防止膜积垢的防垢剂、生物分散剂、微生物生长抑制剂，诸如去除膜沉积物的杀菌剂和清洁化学品。荧光示踪剂可为处理化学品本身的部分，例如经荧光标记的聚合物。另外或替代地，荧光示踪剂可使用经荧光标记的纳米颗粒来实现。含有荧光示踪剂的组合物可以包含水溶液或其它水溶性溶液或其它基本上均匀的混合物，其以合理的速度分散在添加有荧光示踪剂的膜分离系统中。在荧光示踪剂组合物(或含有荧光示踪剂的产品)为固体形式的应用中，可以用固体计量装置代替荧光示踪剂泵110。
多种不同且合适类型的化合物可以用作荧光示踪剂。可以在系统100中使用的示例性荧光化合物包含但不限于：3,6-吖啶二胺、N,N,N′,N′-四甲基-一盐酸盐(也称为吖啶橙)(CAS登记号65-61-2)；2-蒽磺酸钠盐(CAS登记号16106-40-4)；1,5-蒽二磺酸(CAS登记号61736-91-2)及其盐；2,6-蒽二磺酸(CAS登记号61736-95-6)及其盐；1,8-蒽二磺酸(CAS登记号61736-92-3)及其盐；蒽[9,1,2-cde]苯并[rst]五苯-5,10-二醇、16,17-二甲氧基-，双(硫酸氢盐)，二钠盐(也称为溶蒽素绿IBA)(CAS登记号2538-84-3，又名可溶性还原染料)；红菲咯啉二磺酸二钠盐(CAS登记号52746-49-3)；氨基2,5-苯二磺酸(CAS登记号41184-20-7)；2-(4-氨基苯基)-6-甲基苯并噻唑(CAS登记号92-364)；1H-苯[de]异喹啉-5-磺酸，6-氨基-2,3-二氢-2-(4-甲基苯基)1,3-二氧杂-一钠盐(也称为亮酸性黄8G)(CAS登记号2391-30-2，又名丽丝胺黄FF、酸性黄7)；苯噁嗪-5-鎓、1-(氨基羰基)-7-(二乙基氨基)-3,4-二羟基氯(也称为天青石蓝)(CAS登记号1562-90-9)；苯并[a]苯噁嗪-7-鎓、5,9-二氨基乙酸盐(也称为甲酚紫乙酸盐)(CAS登记号10510-54-0)；4-二苯并呋喃磺酸(CAS登记号42137-76-8)；3-二苯并呋喃磺酸(CAS登记号215189-98-3)；1-乙基碘化喹醛啶(CAS登记号606-53-3)；荧光素(CAS登记号2321-07-5)；荧光素钠盐(CAS登记号518-47-8，又名酸性黄73、荧光素钠(Uranine))；Keyfluor White ST(CAS登记号144470-48-4，又名Flu.Bright 28)；苯磺酸，2,2′-(1,2-亚乙二基)双[5-[[4-[双(2-羟乙基)氨基]-6-[(4-磺基苯基)氨基]-1,3,5-三嗪-2-基]氨基]-四钠盐(也称为eyfluor White CN)(CAS登记号16470-24-9)；C.I.荧光增白剂230(也称为Leucophor BSB)(CAS登记号68444-86-0)；苯磺酸，2,2′-(1,2-亚乙二基)双[5-[[4-[双(2-羟乙基)氨基]-6-[(4-磺基苯基)氨基]-1,3,5-(三嗪-2-基]氨基]-四钠盐(也称为Leucophor BMB)(CAS登记号16470-249，又名LeucophorU、Flu.Bright.290)；9,9′-双吖啶鎓10,10′-二甲基-二硝酸盐(也称为光泽精(Lucigenin))(CAS登记号2315-97-1，又名双-N-甲基吖啶鎓硝酸盐)；1-脱氧-1-(3,4-二羟基-7,8-二甲基-2,4-二氧代苯并[g]蝶啶-10(2H)-基)-D-核糖醇(也称为核黄素或维生素B2)(CAS登记号83-88-5)；单、二或三磺化萘，包含但不限于1,5-萘二磺酸二钠盐(水合物)(CAS登记号1655-29-4，又名1,5-NDSA水合物)；2-氨基-1-萘磺酸(CAS登记号81-16-3)；5-氨基-2-萘磺酸(CAS登记号119-79-9)；4-氨基-3-羟基-1-萘磺酸(CAS登记号90-51-7)；6-氨基-4-羟基-2-萘磺酸(CAS登记号116-63-2)；7-氨基-1,3-萘磺酸钾盐(CAS登记号79873-35-1)；4-氨基-5-羟基-2,7-萘二磺酸(CAS登记号90-20-0)；5-二甲基氨基-1-萘磺酸(CAS登记号4272-77-9)；1-氨基-4-萘磺酸(CAS登记号84-86-6)；1-氨基-7-萘磺酸(CAS登记号119-28-8)；2,6-萘二羧酸二钾盐(CAS登记号2666-06-0)；3,4,9,10-二萘嵌苯四羧酸(CAS登记号81-32-3)；C.I.荧光增白剂191(也称为Phorwite CL)(CAS登记号：12270-53-0)；C.I.荧光增白剂200(也称为Phorwite BKL)(CAS登记号61968-72-7)；苯磺酸，2,2′-(1,2-亚乙二基)双[[5-(4-苯基-2H-1,2,3-三唑-2-基)-二钾盐(也称为Phorwite BHC 766)(CAS登记号52237-03-3)；苯磺酸5-(2H-萘并[1,2-d]三唑-2-基)-2-(2-苯基乙烯基)-钠盐(也称为Pylaklor White S—ISA)(CAS登记号6416-68-8)；1,3,6,8-芘四磺酸四钠盐(CAS登记号59572-10-0)；溶剂绿7(pyranine)(CAS登记号6358-69-6，又名8-羟基-1,3,6-芘三磺酸三钠盐)、喹啉(CAS登记号91-22-5)；3H-苯噁嗪-3-酮，7-羟基-10-氧化物(也称为Rhodalux)(CAS登记号550-82-3)；呫吨鎓9-(2,4-二羧苯基)-3,6-双(二乙氨基)-，氯化钠，二钠盐(也称为若丹明WT)(CAS登记号37299-86-8)；吩嗪鎓，3,7-二氨基-2,8-二甲基-5-苯基-氯(也称为番红0)(CAS登记号477-73-6)；C.I.荧光增白剂235(也称为Sandoz CW)(CAS登记号56509-06-9)；苯磺酸，2,2′-(1,2-茚二基)双[5-[[4-[双(2-羟乙基)氨基]-6-[(4-磺基苯基)氨基]-1,3,5-三嗪-2-基]氨基]-四钠盐(也称为Sandoz CD)(CAS登记号16470-24-9，又名Flu.Bright.220)；苯磺酸2,2′-(1,2-亚乙二基)双[5-[[4-[(2-羟丙基)氨基]-6-(苯氨基)-1,3,5-三嗪-2-基]氨基]-二钠盐(也称为Sandoz TH-40)(CAS登记号32694-95-4)；呫吨鎓3,6-双(二乙氨基)-9-(2,4-二磺苯基)-内盐、钠盐(也称为磺基罗丹明B)(CAS登记号3520-42-1，又名酸性红52)；苯磺酸，2,2′-(1,2-亚乙二基)双[5-[[4-[(氨基甲基)(2-羟乙基)氨基]-6-(苯氨基)-1,3,5-三嗪-2-基]氨基]-二钠盐(也称为Tinopal 5BM-GX)(CAS登记号169762-28-1)；Tinopol DCS(CAS登记号205265-33-4)；苯磺酸2,2′-([1,1′-联苯]-4,4'-二基二-2,1-亚乙二基)二钠盐(也称为Tinopal CBS-X)(CAS登记号27344-41-8)；苯磺酸5-(2H-萘并[1,2-d]三唑-2-基)2-(2-苯基乙烯基)-钠盐(也称为TinopalRBS 200)(CAS登记号6416-68-8)；7-苯并噻唑磺酸2,2'-(1-三氮烯-1,3-二基二-4,1-亚苯基)双[6-甲基-二钠盐(也称为达旦黄)(CAS登记号1829-00-1，又名噻唑黄G)及其所有的铵盐、钾盐和钠盐，以及所有类似的试剂及其合适的混合物。
在一些示例中，荧光示踪剂不是可见染料，例如，使得荧光示踪剂是在可见光范围内不具有强烈的电磁辐射吸收的化学物质，所述可见光范围从约4000埃延伸到约7000埃(约400纳米(“nm”)到约700nm)。例如，荧光示踪剂可以从通过吸收光而被激发并产生荧光发射的材料中选择，其中激发和发射光发生在远紫外到近红外光谱区域内的任何点(例如波长为200-800nm)。
图4是示出可以在图1的膜分离系统中使用的荧光计104的示例的框图。荧光计104包含控制器106、一个或多个光学发射器222(本文称为“光学发射器222”)和一个或多个光学检测器224(本文称为“光学检测器224”)。控制器106包含先前描述的处理器120和存储器122。光学发射器222将光引导至流体通路230中，并且光学检测器224在流体通路的相对侧上接收透射光。荧光计104的部件可以可以在单个印刷电路板(PCB)上实现，或者可以使用两个或多个PCB板实现。此外，在一些示例中，荧光计104与外部装置，如控制系统100的系统控制器、远程服务器、云计算环境或其它物理远程计算装置通信。
出于讨论的目的，关于图1描述为控制系统100的控制器106也示为控制荧光计104的控制器。实际上，荧光计104可具有与控制系统100的整体操作的一个或多个系统控制器分开的控制器。因此，应理解，归因于系统100中的控制器106和荧光计104的计算功能可以在与系统相关联的任何一个或多个控制器上进行，无论是物理上在现场的还是远程定位的，并且本文所述的功能不限于在任何特定的硬件装置上进行。
存储器122存储由控制器106使用或产生的软件和数据。例如，存储器122可以存储由控制器106用以确定穿过流体通路230的流体介质中荧光示踪剂的浓度的校准数据。作为另一示例，存储器122可以存储针对进料流114和/或渗透流116测得的荧光示踪剂浓度数据，并由控制器用以确定与流速无关的累积时间浓度。
为了易于描述，将系统100的计算机处理功能描述为正由荧光计104的控制器106执行。然而，应了解，在本公开中，在荧光计104外部进行操作的硬件和/或软件可用以实现归因于荧光计104的控制器106的功能，并且本申请在此方面不受限制。
在本公开中，处理器120运行存储在存储器122中的软件以进行归因于荧光计104和控制器106的功能。被描述为控制器106内的处理器、控制器106或本公开中描述的任何其它装置的部件可以各自包含单独或以任何合适的组合的一个或多个处理器，如一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)、可编程逻辑电路系统等。
光学发射器222包含至少一个光学发射器，其发射具有规定波长或波长范围的辐射。在不同的示例中，光学发射器222可以连续或间歇地发射辐射。在一些示例中，光学发射器222发射多个离散波长的辐射。例如，光学发射器222可以两个、三个、四个或更多个离散波长发射。
光学发射器222可以发射任何合适波长的光，如下文更详细描述的。在一些示例中，光学发射器222发射在范围从10nm到700nm的光谱内的光。由光学发射器222发射的光传播通过荧光计104的流体通路230，并且可以被光学检测器224检测到。响应于接收光能，流体内的荧光分子可能会被激发，从而使分子产生荧光发射。由于荧光分子内的受激电子改变能量状态，因此可以产生可以是或可以不是以不同于由光学发射器222发射能量的频率的荧光发射。由荧光分子发射的能量可以由光学检测器224检测出。例如，光学检测器224可以检测在50nm到800nm的频率范围内发射的荧光发射。
光学检测器224包含至少一个光学检测器，其检测在相关波长范围内的辐射，所述相关波长范围在UV光光谱内。光学检测器224检测由光学发射器222发射并且已经传播通过流体通路230和流体通路中的任何流体溶液的辐射。光学检测器224可以使用多个检测器来实现，每个波长或波长范围一个检测器，或者可以使用单个检测器来实现，例如可编程为检测多个波长范围的检测器。
控制器106控制光学发射器222的操作，并接收与光学检测器224检测到的光量有关的信号。在一些示例中，控制器106进一步处理信号，例如以基于由光学检测器224检测到的光而产生浓度测量结果和对应的与流速无关的累积时间浓度。控制器106可以进一步基于进料流的与流速无关的累积时间浓度和渗透流的与流速无关的累积时间浓度的比较来确定膜102的效率。
例如，在本公开中，控制器106(图1)或另一控制器可以执行通常归因于控制器106的一个或多个功能。因此，应当理解的是，本文中归因于控制器106的功能是为了便于描述，并且所描述的功能实际上可以在荧光计104内或在一个或多个单独的装置内实现，所述装置可以或可以不与荧光计104通信耦合。
图5是用于监测膜效率的示例技术的流程图。图5的技术是参考图1中的系统100和图2中的荧光计104来描述的，但是可以在其它系统中且用其它荧光计配置(例如，如本文所描述)来执行。
参考图5，所述技术包含将荧光示踪剂团引入进料流114中。(300)在系统100中的控制器106的控制下工作，可以控制荧光示踪剂泵110将荧光示踪剂从荧光示踪剂源113引入进料流114中。引入进料流114中的荧光示踪剂的量可以在进料流114中有效地提供在本文讨论的任何浓度范围内的荧光示踪剂浓度，或者甚至在合适的应用中提供在本文讨论的浓度范围之外的浓度。荧光示踪剂的引入速率和/或持续时间可以小于在渗透流116中达到示踪剂平衡浓度所需的速率和/或持续时间。
进料流114接触膜102，将进料流分离为渗透流116和浓缩流118。(302)膜102可以被配置成错流膜、死端流膜或甚至具有其它配置。在一个示例中，系统100是反渗透系统。进料流压力泵108可以对待净化的液体源进行加压，从而克服膜102的渗透压以驱动反渗透工艺并产生渗透流116。
在操作期间，荧光计104可以对其中引入荧光示踪剂的进料流114进行荧光分析。(304)例如，荧光计104可在线安装于进入进料流104的示踪剂注射点下游的系统100中(例如，在载运大部分进料流的主流体传送线中或经由将荧光计104连接到主传送线的滑流)。进料流114或其样品可以流过流体通路230，以通过荧光计104进行测量。执行存储在存储器122中的指令的控制器106可以控制光学发射器222以将被选择为处于引入到进料流114中的荧光示踪剂的激发波长的光直射到正在分析的流体中。响应于在激发波长下发射的能量，正在分析的渗透物内的荧光示踪剂分子可以在与激发波长不同的波长下发出荧光。光学检测器224可以检测由渗透物内存在的示踪剂分子发射的荧光发射。由光学检测器224检测到的荧光发射物的量值可基于正在分析的进料液体中存在的荧光示踪剂分子的浓度而变化。控制器106的处理器120可以基于由光学检测器224检测到的荧光发射物和存储在存储器122中的校准信息来确定进料流114中荧光示踪剂的测量浓度。可以将由处理器120确定的用于进料流114的荧光示踪剂的测量浓度存储在存储器122中，以随后用于确定与流速无关的累积时间浓度。
荧光计104还可以对其中引入荧光示踪剂的进料流114所产生的渗透流116进行荧光分析。(306)荧光计104可以类似地在线安装于系统100中，以测量从膜102流出的渗透物116(例如，在载运大部分渗透流的主流体传送线中或经由将荧光计104连接到主传送线的滑流)。渗透流116或其样品可以流过流体通路230，以便通过荧光计104进行测量。执行存储在存储器122中的指令的控制器106可以控制光学发射器222以将被选择为处于引入到进料流114中的荧光示踪剂的激发波长的光引导到正在分析的渗透流体中。响应于在激发波长下发射的能量，正在分析的渗透物内的荧光示踪剂分子可以在与激发波长不同的波长下发出荧光。光学检测器224可以检测由渗透物内存在的示踪剂分子发射的荧光发射。由光学检测器224检测到的荧光发射的量值可基于正在分析的渗透物中存在的荧光示踪剂分子的浓度而变化。控制器106的处理器120可以基于由光学检测器224检测到的荧光发射物和存储在存储器122中的校准数据来确定渗透流116中荧光示踪剂的测量浓度。处理器120确定的荧光示踪剂的第一测量浓度可以存储在存储器122中，以便随后在校准工艺中使用。可以将由处理器120确定的用于渗透流116的荧光示踪剂的测量浓度存储在存储器122中，以随后用于确定与流速无关的累积时间浓度。
在图5的技术中，控制器106的处理器120可以基于进料流中荧光示踪剂的测量浓度来确定进料流114中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度(308)。在一些示例中，处理器120对所测量的浓度与时间曲线下的区域进行积分，所述区域对应于何时将示踪剂团注射到进料流114中并且通过荧光计104监测进料流中的示踪剂浓度。控制器104可以在荧光计104测量进料流中或其子集中的示踪剂浓度的整个时间期间在整个浓度曲线上进行积分。例如，控制器104可从积分时间中排除在进料流中没有测量到示踪剂或基本没测量到示踪剂的时间段。在任一情况下，可以将其中对浓度曲线进行积分的结果时间段指定为第一时间段。控制器104可以将进料流114的所确定的与流速无关的累积时间浓度存储在存储器122中。
控制器106的处理器120还可基于渗透流中荧光示踪剂的测量浓度而确定渗透流116中荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度(310)。在一些示例中，处理器120对所测量的浓度与时间曲线下的区域进行积分，所述区域对应于何时将示踪剂团注射到进料流114中并且通过荧光计104监测渗透流中的示踪剂浓度。控制器104可以在荧光计104测量进料流中或其子集中的示踪剂浓度的整个时间期间在整个浓度曲线上进行积分。例如，控制器104可从积分时间中排除在进料流中没有测量到示踪剂或基本没测量到示踪剂的时间段。在任一情况下，可以将其中对浓度曲线进行积分的结果时间段指定为第二时间段。控制器104可以将渗透流116的所确定的与流速无关的累积时间浓度存储在存储器122中。
在图5的示例中，控制器106基于所确定的进料流114的与流速无关的累积时间浓度和渗透流116的与流速无关的累积时间浓度来确定膜102的效率(312)。在一些示例中，控制器106将进料流114的与流速无关的累积时间浓度和渗透流116的与流速无关的累积时间浓度配比。例如，控制器106可以根据以上引入的等式2确定膜102的效率。
本公开中描述的技术可以至少部分地在硬件、软件、固件或其任何组合中实现。例如，所述技术的各个方面可以在一个或多个处理器内实现，包含一个或多个微处理器、数字信号处理器(DSP)、专用集成电路(ASIC)、现场可编程门阵列(FPGA)或任何其它等效的集成或离散逻辑电路，以及此类部件的任何组合。术语“处理器”通常可以指单独的或与其它逻辑电路或任何其它等效电路组合的任何前述逻辑电路。包括硬件的控制单元也可以进行本公开的一种或多种技术。
此类硬件、软件和固件可以在同一装置内或在单独的装置内实现，以支持本公开中描述的各种操作和功能。另外，所述单元、模块或部件中的任一种都可以一起实现或单独作为离散但可互操作的逻辑装置实现。将不同特征描绘为模块或单元旨在突出不同的功能方面，不一定暗示必须通过单独的硬件或软件部件来实现此类模块或单元。相反，可以通过单独的硬件或软件部件来进行与一个或多个模块或单元相关联的功能，或者可以将其整合在共同或单独的硬件或软件部件内。
本公开中所描述的技术还可在计算机可读介质中实施或编码，例如含有指令的非暂时性计算机可读存储介质。嵌入或编码在计算机可读存储介质中的指令可以使可编程处理器或其它处理器进行所述方法，例如，当执行指令时。非易失性计算机可读存储介质可以包含易失性和/或非易失性存储器形式，包含例如随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、可编程只读存储器(PROM)、可擦可编程只读存储器(EPROM)、电子可擦可编程只读存储器(EEPROM)、快闪存储器、硬盘、CD-ROM、软盘、盒带、磁性介质、光学介质或其它计算机可读介质。
以下示例可以提供有关根据本公开的膜分离系统和膜效率监测技术的额外细节。
示例1：延长投用以在渗透流中获得平衡示踪剂浓度的传统膜效率
进行实验以观察渗透流中达到平衡示踪剂浓度所需的投用时间量。将示踪剂引入供应至2.5英寸膜元件的进料流中。在开始投用示踪剂之前且在将连续投用率的示踪剂递送至进料流之后，监测进料流和渗透流中示踪剂的浓度。图6示出在实验系统的进料流和渗透流中观察到的示踪剂浓度。图7是图6所展示数据的示踪剂排斥效率与时间的曲线图。
在示例中，虽然在t＝50分钟时就开始注射示踪剂染料，但是花了90分钟才获得稳定的排斥效率。稳定状态下的平均排斥效率经计算为0.999832(或3.76log)。数据表明，需要延长示踪剂投用来获得渗透流中的平衡示踪剂条件以计算排除效率。
示例2：快速投用膜效率确定
根据本公开的技术进行实验，以评估使用短示踪剂团注来确定膜效率的功效。将去离子水进料到装有单个2.5英寸反渗透元件(FILMTEC BW30-2540)的系统中，同时连续进料10％的NaCl溶液。进料流和渗透流的流速分别保持在1.93gpm和0.19gpm，且水温保持在77℉(或25℃)。这是与用于上文所论述的示例1的相同的实验设备和条件。
在所有条件稳定之后，注射示踪剂染料两分钟，同时监测进料流和渗透流中的荧光。图2展示在实验示例中监测到的进料流和渗透流中的示踪剂染料浓度。数据显示，在染料注射开始约30秒后，进料中示踪剂浓度上升了。由于液压延迟，渗透流中的染料浓度落后于进料中的染料浓度。
为了确定膜的染料排斥效率，使用等式1计算进料流和渗透流的与流速无关的累积时间浓度。当从5分钟(即示踪剂染料注射开始时)至30分钟对曲线进行积分时，进料和渗透物的与流速无关的累积时间浓度经计算分别为4,209.537ppm·sec和0.633951ppm·sec。使用这些值和等式2计算出排斥效率为0.999849(或3.82log)。此排斥效率非常类似于根据以上示例1在注射相同的示踪剂染料超过90分钟后得到的值(0.999832(或3.76log))。

Claims (24)

1.一种用于监测渗透膜分离工艺的方法，所述方法包括：
将荧光示踪剂团引入进料流中；
使渗透膜与所述进料流接触，从而产生渗透流和浓缩流；
对所述进料流进行荧光分析，并由此确定在与所述团相对应的第一时间段内所述进料流中所述荧光示踪剂的测量浓度；
对所述渗透流进行荧光分析，并由此确定在与所述团相对应的第二时间段内所述渗透流中所述荧光示踪剂的测量浓度；
基于在所述第一时间段内所述进料流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度而确定所述进料流中所述荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度；
基于在所述第二时间段内所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度而确定所述渗透流中所述荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度；以及
基于所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度与所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度的比较来确定所述渗透膜的效率。
2.根据权利要求1所述的方法，其中引入所述荧光示踪剂团包括引入所述荧光示踪剂，持续时间为1秒至60分钟。
3.根据权利要求1所述的方法，其中引入所述荧光示踪剂团包括引入所述荧光示踪剂，持续时间为30秒至5分钟。
4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中引入所述荧光示踪剂团包括以基本恒定的速率将所述荧光示踪剂引入所述进料流中。
5.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中
在与所述团相对应的所述第一时间段内对所述进料流进行荧光分析包括在最初引入所述荧光示踪剂团之后，在0至60分钟的时间内对所述进料流进行荧光分析，且
在与所述团相对应的所述第二时间段内对所述渗透流进行荧光分析包括在最初引入所述荧光示踪剂团之后，在0至240分钟的时间内对所述渗透流进行荧光分析。
6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述第二时间段与所述第一时间段相同。
7.根据权利要求1至5中任一项所述的方法，其中所述第二时间段从所述第一时间段偏移了至少1分钟。
8.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度包括：在所述第一时间段内对所述进料流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度的曲线下的区域进行积分。
9.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中确定所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度包括：在所述第二时间段内对所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度的曲线下的区域进行积分。
10.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中基于所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度与所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度的比较来确定所述渗透膜的所述效率包括根据以下等式确定所述效率：
Figure FDA0003115062130000021
其中R是所述渗透膜在排斥所述荧光示踪剂时的所述效率，CP是所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度，并且CF是所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度。
11.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述进料流包括废水流和再循环水流中的至少一个。
12.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中所述荧光示踪剂是惰性荧光示踪剂。
13.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中被引入到所述进料流中的所述荧光示踪剂团有效地使所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积浓度在1ppm-sec至50,000ppm-sec的范围内。
14.一种系统，其包括：
荧光示踪剂泵，其被配置成将荧光示踪剂团引入进料流中；
反渗透膜，其被配置成将所述进料流分离成渗透流和浓缩流；
一个或多个荧光计，其被配置成对所述进料流和所述渗透流进行荧光分析；以及
控制器，其以通信方式耦合到所述一个或多个荧光计，其中所述控制器被配置成：
控制所述一个或多个荧光计以对所述进料流进行荧光分析，并由此确定在与所述团相对应的第一时间段内所述进料流中所述荧光示踪剂的测量浓度；
控制所述一个或多个荧光计以对所述渗透流进行荧光分析，并由此确定在与所述团相对应的第二时间段内所述渗透流中所述荧光示踪剂的测量浓度；
基于在所述第一时间段内所述进料流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度而确定所述进料流中所述荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度；
基于在所述第二时间段内所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度而确定所述渗透流中所述荧光示踪剂的与流速无关的累积时间浓度；并且
基于所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度与所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度的比较来确定所述反渗透膜的效率。
15.根据权利要求14所述的系统，其中所述控制器进一步以通信方式耦合到所述荧光示踪剂泵，并且被配置成控制所述荧光示踪剂泵以将所述荧光示踪剂团引入所述进料流中。
16.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述荧光示踪剂泵以将所述荧光示踪剂团引入所述进料流中，持续时间为1秒至60分钟。
17.根据权利要求15所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述荧光示踪剂泵以将所述荧光示踪剂团引入所述进料流中，持续时间为30秒至5分钟。
18.根据权利要求14至17中任一项所述的系统，其中所述一个或多个荧光计包括被定位成对所述进料流进行荧光分析的第一荧光计和被定位成对所述渗透流进行荧光分析的第二荧光计。
19.根据权利要求14至18中任一项所述的系统，其中所述第一时间段在最初引入所述荧光示踪剂团之后的0至60分钟的范围内，并且所述第二时间段在最初引入所述荧光示踪剂团之后的0至240分钟的范围内。
20.根据权利要求14至19中任一项所述的系统，其中所述第二时间段与所述第一时间段相同。
21.根据权利要求14至19中任一项所述的系统，其中所述第二时间段从所述第一时间段偏移了至少1分钟。
22.根据权利要求14至21中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置成：
通过至少在所述第一时间段内对所述进料流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度的曲线下的区域进行积分而确定所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度；并且
通过至少在所述第二时间段内对所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述测量浓度的曲线下的区域进行积分而确定所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度。
23.根据权利要求14至22中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置成通过根据以下等式至少确定所述效率而基于所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度与所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度的比较来确定所述反渗透膜的所述效率：
Figure FDA0003115062130000041
其中R是所述反渗透膜在排斥所述荧光示踪剂时的所述效率，CP是所述渗透流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度，并且CF是所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积时间浓度。
24.根据权利要求15至23中任一项所述的系统，其中所述控制器被配置成控制所述荧光示踪剂泵以将所述荧光示踪剂团引入所述进料流中，从而有效地使所述进料流中所述荧光示踪剂的所述与流速无关的累积浓度在1ppm-sec至50,000ppm-sec的范围内。
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