CN116099375A - 在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统和方法，该系统包括膜蒸馏子系统、超声监测子系统和数据处理子系统；其中，膜蒸馏子系统包括进料液环路、膜蒸馏组件和馏出液环路；超声监测子系统包括超声探头、换能器和示波器。本发明中的超声监测子系统持续对膜蒸馏组件发射超声波，得到的一系列超声回波信号经过数据处理子系统数据处理后，可以得到膜蒸馏组件中的膜浸润状态，进而可实现膜浸润发生早期的预警，并可根据膜浸润的状态调整运行工况。
Description
技术领域
本发明涉及膜法水处理工程技术领域，尤其涉及一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统和方法。
背景技术
膜蒸馏(MD)是一种可用于高盐水淡化、废水处理和资源回收的低碳热驱动工艺，该工艺基于多孔疏水膜的阻隔和两侧温差产生的蒸汽压梯度来实现挥发性(例如水)和非挥发性物质(例如盐)的分离。疏水膜两侧分别为进料液和馏出液，进料液温度较高，其中的水分等挥发性组分会以蒸汽的形式穿过疏水膜孔，并在温度较低的馏出液侧冷凝，而其中的离子等非挥发性组分则会被截留在进料液中。但进料液中可能存在的表面活性剂和微溶盐等物质引起的疏水膜浸润将会形成液体直接穿过疏水膜的通道，导致疏水膜的截留能力严重降低。为了恢复疏水膜的截留能力，往往需要进行清洁和干燥操作以去除表面活性剂，而微溶盐引起的膜浸润基本无法恢复。因此，膜浸润严重阻碍着MD的广泛应用，如果在膜浸润发生之初就发出预警从而采取相应补救措施，那么可以显著降低膜浸润造成严重后果的可能，也能一定程度上降低膜清洁成本。
现有的监测MD中膜浸润的方法，如馏出液电导率、跨膜阻抗、膜透光率以及光学相干断层扫描等(1.Wang Z.,Chen Y.,Sun X.,et al.Mechanism of pore wetting inmembrane distillation with alcohol vs.surfactant[J].Journal of MembraneScience,2018,559(183-195)；2.Chen Y.,Wang Z.,Jennings G.K.,etal.Probing PoreWetting in Membrane Distillation Using Impedance:Early Detection andMechanism of Surfactant-Induced Wetting[J].Environmental Science&TechnologyLetters,2017,4(11):505-510；3.Deka B.J.,Guo J.,Wong P.W.,et al.AConductiveHydrophobic Polyaniline Sandwiched Polyvinylidene Fluoride Membrane for EarlyDetection of Surfactant-Induced Wetting in Membrane Distillation UsingImpedance[J].ACS Applied Polymer Materials,2021,3(2):679-690；4.Shao,S.L.,Shi,D.T.,Hu,J.S.,et al.Unraveling the Kinetics and Mechanism of Surfactant-Induced Wetting in Membrane Distillation:An In Situ Observation with OpticalCoherence Tomography.Environ.Sci.Technol.56(1),556-563.)，多数无法实现对于浸润前沿的直接观测，且具有一定的滞后性，无法对浸润的发生做出实时预警，而能够观测浸润前沿的光学相干断层成像扫描仪需要透明膜组件保持且价格昂贵。
发明内容
本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本发明的第一个目的在于提供一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，该系统通过超声时域反射技术即基于机械波原理，通过计算超声波发射后到回波被接收所用时间的变化来获取疏水膜中气液界面位置变化，从而可在膜蒸馏中膜表面的特定位置，从气液界面变化的角度分析计算出膜浸润的发生及其进程、速率等，并可以计算膜浸润深度。
本发明的第二个目的在于提供一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的方法。
为达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，包括：
膜蒸馏子系统，所述膜蒸馏子系统包括进料液水箱、加热器、进料液循环泵、膜蒸馏组件、馏出液水箱、馏出液循环泵和低温恒温器，所述膜蒸馏组件包括进料液腔室和馏出液腔室以及将所述进料液腔室和所述馏出液腔室隔离的疏水膜，所述进料液水箱、加热器、进料液循环泵和所述进料液腔室在所述疏水膜一侧形成进料液环路，所述馏出液水箱、馏出液循环泵、低温恒温器和所述馏出液腔室在所述疏水膜另一侧形成馏出液环路，所述膜蒸馏子系统用于实现膜浸润过程；
超声监测子系统，所述超声监测子系统包括依次连接的超声探头、换能器和示波器，所述超声探头与所述膜蒸馏组件通过耦合剂紧密接触，所述超声监测子系统用于通过所述超声探头向所述膜蒸馏组件内发射超声波，并采集经所述膜蒸馏组件内气液界面反射的超声回波，以及通过所述换能器对所述超声回波进行处理后，将对应电信号传输至示波器进行成像，并通过所述示波器将超声回波数据传输至数据处理子系统；
所述数据处理子系统，用于采集所述超声回波数据，并根据所述超声回波数据确定膜浸润前后超声波从所述疏水膜中所述气液界面至所述超声探头的飞行时间偏移量和回波振幅，以便根据所述飞行时间偏移量和所述回波振幅确定膜浸润过程信息，实现膜浸润过程在线监测和膜浸润发生预警。
可选的，所述疏水膜的材质为疏水性微滤膜材质。
可选的，所述超声探头以矿物油或硅油为耦合剂，在预设压力下与所述膜蒸馏组件紧密接触并固定。
可选的，所述膜浸润过程信息包括膜浸润深度信息和结垢层生长信息。
可选的，所述数据处理子系统在根据所述超声回波数据确定所述飞行时间偏移量之前，还用于对所述超声回波数据进行数据定位截取，以保证截取的数据起始点的数据索引编号相同。
可选的，所述数据处理子系统在确定膜浸润深度信息时，具体用于：
根据膜蒸馏过程稳定运行之初采集得到的所述超声回波数据，确定出所述超声回波数据中代表疏水膜平面的波段，并锁定所述波段中第一个波峰及其对应的数据索引编号；
以所述数据索引编号为中心构建一滑动的索引窗口，所述索引窗口按照预设速度进行滑动，以使任意时刻采样的回波中同一个波峰都位于所述索引窗口的内部，以确定任意时刻下回波波峰的数据索引编号，并根据数据索引编号之差等比计算出所述飞行时间偏移量；
根据所述飞行时间偏移量和介质声速得到气液界面的移动距离，以衡量膜浸润深度。
可选的，所述索引窗口的长度不超过任意相邻的两波峰间距，预设速度期望值为膜浸润速度。
可选的，从所述索引窗口所包含的数据中识别出最大值，所述最大值为回波振幅，当所述回波振幅开始减小，且所述飞行时间偏移量开始增大时，即判定润湿发生，并对膜蒸馏子系统的运行进行预警。
为达到上述目的，本发明第二方面提供了一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的方法，应用于上述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，所述方法包括：
步骤S1：将超声监测子系统的超声探头与膜蒸馏组件耦合，调整膜蒸馏子系统运行参数，并控制所述超声监测子系统向所述膜蒸馏组件内发射超声波，且对接收的超声回波数据进行成像和储存；
步骤S2：调控所述膜蒸馏子系统中进料液成分及其含量，使得所述膜蒸馏子系统在稳定运行一段时间后开始膜浸润过程；
步骤S3：再次控制所述超声监测子系统产生超声波，并对超声回波数据进行实时成像，以及将实时成像后的超声回波数据传输至数据处理子系统；
步骤S4：所述数据处理子系统对接收的超声回波数据进行定位截取，并根据定位截取数据分析得到膜浸润过程信息。
本发明至少具有以下技术效果：
本发明通过超声时域反射技术即基于机械波原理，通过计算超声波发射后到回波被接收所用时间的变化来获取疏水膜中气液界面位置变化，从而可在膜蒸馏中膜表面的特定位置，从气液界面变化的角度分析计算出膜浸润的发生及其进程、速率等，并可以计算膜浸润深度。由此，本发明首次实现了超声时域反射法对MD中膜浸润过程的监测，并实现了MD运行过程中，膜浸润深度的测定，以及实现了膜浸润发生早期的预警，本发明还可根据膜浸润的程度调整运行工况；另外，本发明提供的在线监测系统还适用于观测膜蒸馏中膜上的矿物盐结垢、有机污染等，也可通过计算模拟来大致确定膜上晶体垢层的物理性质，如孔隙率、密度等。
本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1为本发明一实施例提供的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统的工作原理图。
图2为本发明中波形的变化对应的不同膜浸润状态示意图。
图3为本发明一实施例提供的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的方法的流程图。
图4为本发明中的计算膜浸润深度的Python代码示例图。
图5(a)为本发明中的监测表面活性剂诱导膜浸润的示例图。
图5(b)为超声时域反射法计算所得膜浸润深度和OCT所测膜浸润深度比对图。
图6为本发明中的监测微溶盐结垢诱导膜浸润的示例图。
图7为执行寻峰程序Python代码后的执行结果示意图。
具体实施方式
下面详细描述本实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
下面参考附图描述本实施例的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统和方法。
图1为本发明一实施例提供的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统的工作原理图。该系统包括膜蒸馏子系统、超声监测子系统和数据处理子系统。
如图1所示，膜蒸馏子系统包括进料液水箱、加热器、进料液循环泵、膜蒸馏组件、馏出液水箱、馏出液循环泵和低温恒温器，膜蒸馏组件包括进料液腔室和馏出液腔室以及将进料液腔室和馏出液腔室隔离的疏水膜，进料液水箱、加热器、进料液循环泵和进料液腔室在疏水膜一侧形成进料液环路，馏出液水箱、馏出液循环泵、低温恒温器和馏出液腔室在疏水膜另一侧形成馏出液环路，膜蒸馏子系统用于实现膜浸润过程。
本实施例中的进料液循环泵和馏出液循环泵为齿轮循环泵，上述进料液环路和馏出液环路中的各部件通过硅胶管连接。
具体的，所述进料液环路包括进料液水箱、进料液循环泵和加热器，进料液水箱置于加热器上，通过进料液循环泵从硅胶管中抽出进料液，经过膜蒸馏组件后回到进料液水箱，形成闭合回路；所述馏出液环路包括馏出液水箱、低温恒温器和馏出液循环泵，馏出液从馏出液水箱经馏出液循环泵从管路中通过膜蒸馏组件，并经过低温恒温器低温恒温后回到馏出液水箱中，形成闭合回路。本实施例中，进料液与馏出液在膜蒸馏组件中疏水膜的两侧各自形成循环。其中，进料液水箱即为图1中的进水水箱，低温恒温器即为图1中的低温恒温部件。
请继续参考图1，超声监测子系统包括依次连接的超声探头、换能器和示波器，超声探头与膜蒸馏组件通过耦合剂紧密接触，超声监测子系统用于通过超声探头向膜蒸馏组件内发射超声波，并采集经膜蒸馏组件内气液界面反射的超声回波，以及通过换能器对超声回波进行处理后，将对应电信号传输至示波器进行成像，并通过示波器将超声回波数据传输至数据处理子系统。本实施例中，示波器可通过数据线或者U盘将超声回波数据传输至数据处理子系统。
数据处理子系统用于采集超声回波数据，并根据超声回波数据确定膜浸润前后超声波从疏水膜中气液界面至超声探头的飞行时间偏移量和回波振幅，以及根据飞行时间偏移量和回波振幅确定膜浸润过程信息，以实现膜浸润过程在线监测和膜浸润发生预警。
本实施例中，该系统基于膜蒸馏组件中浸润前后声波从疏水膜中气液界面到超声探头的飞行时间的变化，通过超声监测子系统实时转换、展示、储存和传输超声回波数据，并经过实时数据处理，即可对膜浸润过程进行在线监测，实现对膜浸润发生的预警。
需要说明的是，本实施例中的疏水膜材质为疏水性微滤膜材质，疏水膜材质具体可为PVDF(聚偏二氟乙烯)、PTFE(聚四氟乙烯)和PP(聚丙烯)材质中的任意一种，其中为了方便监测，疏水膜宜采用平板膜。
优选的，膜蒸馏子系统中进料液的密度和温度在监测期间不发生改变(±1％)，且进料液和馏出液的循环流速保持恒定。
本实施例中，膜蒸馏组件的进料液侧外壁还设置有直径大于1.5cm的凹槽，凹槽的底面光滑且平行于疏水膜，凹槽的侧壁垂直于凹槽底面，且凹槽在疏水膜平面上的垂直投影全部落在疏水膜上，凹槽底面与疏水膜的距离小于或者等于5mm，以免超声波衰减过大。
优选的，超声探头以矿物油或硅油为耦合剂，并在预设压力下与凹槽底面紧密接触并固定，从而实现与膜蒸馏组件的耦合。
本实施例中，膜浸润过程信息包括膜浸润深度信息和结垢层生长信息。
具体的，所述超声监测子系统中，超声回波的变化基于超声波在疏水膜中气液界面和超声探头之间的传播路径发生变化。其中，传播路径发生变化，包括气液界面的移动导致传播路径的长度发生变化，以及传播介质的物理性质变化导致传播速度发生变化，进而反映膜浸润过程中气液界面的推移、润湿深度的增加以及结垢层的生长等典型特征。由此，通过膜浸润前后超声波从疏水膜中气液界面至超声探头的飞行时间和回波振幅的变化，即可确定膜浸润过程信息。
需要说明的是，超声波飞行时间的变化需以膜蒸馏起始稳定时刻的波形为参照，随着膜浸润过程中气液界面不断远离超声探头，超声波飞行时间相对于起始时刻的变化也不断增大。
在本发明的一个实施例中，数据处理子系统根据超声回波数据确定飞行时间偏移量之前，数据处理子系统还用于对超声回波数据进行数据定位截取，以保证截取的数据起始点的数据索引编号相同。
具体的，数据定位截取为将所采集的超声回波数据在振幅-时间坐标面上展示，并将所展示的波形图分为数个波段，一般而言每段波形对应一个界面的超声回波，因而疏水膜所在平面是超声波经过的第几个界面，则第几段回波波形就对应着疏水膜平面，截取包含该段波形的更大范围的数据点。对每次采样数据均执行此操作，以保证所截取的数据起始点的数据索引编号相同。
在本发明的一个实施例中，数据处理子系统通过Python(计算机编程语言)编程方法自动寻找特定波峰，以便确定膜浸润深度信息。数据处理子系统确定膜浸润深度信息时，具体用于：根据膜蒸馏过程稳定运行之初采集得到的超声回波数据，确定出超声回波数据代表疏水膜平面的波段，以锁定波段中第一个显著的波峰及其对应的数据索引编号；以该数据索引编号为中心构建一滑动的索引窗口，索引窗口按照预设速度进行滑动，以使任意时刻采样的回波中相对位置相同的特定波峰都位于索引窗口的内部，以确定任意时刻下回波波峰的数据索引编号，并根据数据索引编号之差等比计算出飞行时间偏移量；将飞行时间偏移量乘以介质声速再除以2，即可得到气液界面的移动距离，从而可得到膜浸润深度。
其中，索引窗口的长度不超过任意相邻的两波峰间距，预设速度期望值为膜浸润速度，另外可从所述索引窗口所包含的数据中识别出最大值，所述最大值为回波振幅，当所述回波振幅开始减小，且所述飞行时间偏移量开始增大时，即判定润湿发生，并对膜蒸馏子系统的运行进行预警。
本实施例中，对超声回波信号变化的解释可依据图2中所示的几个典型状态。其中，不同状态下膜的区别与回波信号的区别有很好的对应关系，有助于后续通过回波信号的变化来判断膜润湿过程中膜所处状态的变化，此外膜蒸馏过程中绝大部分的状态可由图2所示的一个或几个状态组合而来：
未润湿膜。图2中a-1表示未发生润湿的原始PVDF膜中膜孔、气相与液相的位置关系。从图2中b-1的OCT(光学相干断层成像扫描仪)图像可以看出，气液界面与膜-进料液界面基本位于同一平面内。由于气液界面面积更大且具有很强的声波反射能力，只有一小部分超声波可以通过气液界面到达膜-气-馏出液界面，因此其回波图像c-1可以被认为是单个界面的回波，主要来源于气液界面。
半湿润膜。图2中a-2是典型的均匀半润湿状态，一般由表面活性剂或高浓度易溶盐结垢诱导的润湿造成。根据b-2OCT的观察，可见两条亮带，所有膜孔中的气液界面(下部亮带)基本位于同一平面上，并与膜表面(上部亮带)平行。与a-1相比，气液界面远离超声探头，因此回波返回超声探头的时间延迟，即横坐标TOF增加，波形如c-2向右移动。图2中a-3表示非均匀的半润湿状态。与图2中a/b-1和图中2a/b-2相比，这种半润湿的特点是润湿位点分布不均匀，且润湿深度也不均匀。c-3中的波形可视为不同深度气液界面回波的线性叠加，波形的偏移可视为不同浸润深度的平均效果，因不同深度的界面回波会发生干涉和散射，其回波振幅比c-2中略低。
全湿润膜。图2中a-4代表完全润湿膜的状态。与图2a-1/2相比，气液界面消失，膜孔中充满液体，因此仅有膜-进料液界面和膜-馏出液界面两个界面能反射超声波，但根据计算和实际监测，两个界面的回波强度都很弱，从而表现出c-4中的振幅非常小，进而对于气液界面的强回波影响非常微弱，因此能通过回波的变化来监控气液界面，而其余相近界面的弱回波可忽略不计。
全润湿膜上的结垢层。在微溶盐结垢引起的膜润湿过程中，结垢层的生长和气液界面的推移都会发生，二者的回波很可能互相干扰。在已知全润湿膜对超声波反射非常微弱的情况下，在其上生长硫酸钙结垢层，以探究水-垢界面的超声波反射情况。由于水-垢界面距离探头更近，超声波的飞行时间减少，波形左移(c-5)，而水-垢界面对超声波的反射也很微弱，如此低的回波振幅对于气液界面监测的影响非常小。
图3为本发明一实施例提供的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的方法的流程图。如图3所示，该方法包括：
步骤S1：将超声监测子系统的超声探头与膜蒸馏组件耦合，调整膜蒸馏子系统运行参数，并控制超声监测子系统向膜蒸馏组件内发射超声波，且对接收的超声回波数据进行成像和储存。
步骤S2：调控膜蒸馏子系统中进料液成分及其含量，使得膜蒸馏子系统在稳定运行一段时间后开始膜浸润过程。
步骤S3：再次控制超声监测子系统产生超声波，并对超声回波数据进行实时成像，以及将实时成像后的超声回波数据传输至数据处理子系统。
步骤S4：数据处理子系统对接收的超声回波数据数据进行定位截取，并根据定位截取数据分析得到膜浸润过程信息。
本实施例中，具体可根据定位截取的数据寻找特定波峰，并根据波峰数据信息通过Python计算得到膜浸润过程信息。
实施例1
膜蒸馏组件中使用孔径为0.45μm的PVDF疏水膜，膜厚度约为116μm，配制0.6mol/L的NaCl溶液作为进料液，进料液用恒温磁力搅拌器加热到60℃，馏出液用低温恒温器冷却至20℃，用两台齿轮泵在管路和膜组件疏水膜两侧腔室中形成两个循环，进水不施加额外水力压力。待膜蒸馏子系统运行稳定，在进水中加入一定剂量的表面活性剂Triton X-100，使进料液为100mg/L Triton X-100的盐溶液。
重复上述实验四次，前两次使用OCT观测，后两次使用超声监测子系统监测。其中，膜浸润过程的超声监测方法，步骤如下：
(1)将超声监测子系统的超声探头与膜蒸馏组件耦合，调整膜蒸馏子系统运行参数，将进料液循环速度调至12cm/s，馏出液循环速度调至8cm/s；调整超声监测子系统向膜蒸馏组件内发射超声波，并对接收的超声回波数据进行成像和储存，其中超声波中心频率为10MHz，脉冲超声波发射频率为100Hz，脉冲宽度为100ns。
(2)调控膜蒸馏子系统中进料液成分及其含量，即待膜蒸馏运行稳定，在进料液水箱中加入一定剂量的表面活性剂Triton X-100，使进料液为100mg/L Triton X-100的盐溶液，并使得膜蒸馏子系统在稳定运行一段时间后开始膜浸润过程。
(3)超声监测子系统产生超声波，示波器对超声回波数据进行实时成像。
(4)超声回波数据通过数据线或U盘传输到数据处理子系统，通过以下步骤调整图4所示的Python代码的参数，使索引窗口包含特定波峰并执行寻峰程序：
1)调整参数m、n，使截取的波段中包含膜的回波，并在两端充分预备后续波形变化的余地，同时避免纳入其他界面的回波；所述参数m代表截取的波段起点的索引编号，参数n代表截取的波段终点的索引编号，在实际操作过程中可反复执行并调整此程序，以最终确定合适的m、n值；这一步可以使膜的回波在视觉上变宽，可肉眼把握膜的回波的变化，同时所截取的波段排除了无关界面回波的影响，便于后续寻峰；
2)在上一步的基础上，调整参数p、q、w，控制索引窗口的滑动，以在实验进行过程中自动化找出膜的回波中特定的波峰；所述参数p是索引窗口的起点，参数q是索引窗口的长度，参数w是索引窗口滑动的预设速度，若代码执行后输出的图像中峰值点都在相对位置相同的波峰上，则说明参数选取合适；可反复执行程序根据反馈结果尝试确定合适的参数。
注意，图4中的其余参数，如a1、a2、t、xl等，分别代表储存完整超声回波数据的数组、储存所截取的波段数据的数组、储存所截取的波段数据对应的飞行时间的数组、储存超声采样时膜蒸馏运行状态的描述标签的数组；是用于步骤1)和2)中寻峰的辅助参数。本程序所述参数的命名形式和内容不唯一，但所代表的意义是唯一的。
图5(a)为一次超声监测过程中，从膜浸润发生开始，到膜完全浸润期间超声回波图像的变化情况，可以看出超声回波图像整体上随着膜浸润过程向右推移，意味着超声波的飞行时间随着膜浸润的进行而增大，进而反映出膜浸润深度的增加；当膜完全润湿时，气液界面消失，膜失去了对超声波的强反射性，因而在第9分钟回波振幅显著降低。
图5(b)为超声时域反射技术算得的膜浸润深度和基于OCT技术算得的膜浸润深度的比对图，从图中可以看出超声监测效果与成熟的OCT技术观测效果呈良好的线性关系，证明UTDR技术(超声时域反射技术)可以精确地监测气液界面的推移。
实施例2
膜蒸馏组件中使用孔径为0.45μm的PVDF疏水膜，膜厚度约为116μm，用含25mmol/LCaCl2和Na2SO4的溶液作为进料液，进料液用恒温磁力搅拌器加热到60℃，馏出液用低温恒温器冷却至20℃，用两台齿轮泵在管路和膜组件疏水膜两侧腔室中按预定流速形成两个循环。在膜蒸馏膜组件中疏水膜的馏出液侧垫一个支撑网，以免CaSO4结晶使疏水膜发生形变，对超声监测结果产生影响。另外，其监测方法同实施例1。
图6是一次超声监测过程中超声回波的变化情况。在本实施例所述的微溶盐结垢诱导的膜浸润实验中，进料液中过饱和的硫酸钙溶液迅速产生结晶并沉积在膜表面，形成非均匀的结垢层。而由于水-垢界面对超声波的反射性较低，超声波很大程度上会透过水-垢界面，并在气液界面发生强反射。此时一方面由于水-垢界面向探头靠近，另一方面由于气液界面位置尚未发生明显变化因而超声回波在微溶盐诱导膜浸润的初期是向左移动；之后在第40分钟附近，回波波形随着气液界面位置的变化再开始向右移动，意味着气液界面移动导致的波形右移超过了结垢层生长导致的波形左移；第50分钟后回波波形随着润湿的加深进一步显著右移，与此同时，由于非均匀的结垢和润湿带来的散射衰减，回波振幅也进一步减小。以上结果表明UTDR回波的变化可以很好的反映微溶盐结垢诱导的润湿动力学。图7为执行寻峰程序Python代码后的执行结果示意图，以证明代码的运行效果。
本发明的超声监测子系统依据超声时域反射技术，基于超声波飞行时间的变化来计算超声波经过距离的变化。其中，超声波的飞行时间随反射面到超声探头之间的介质厚度改变而改变，二者之间理论上呈严格的线性关系，因此定位并追踪气液界面超声回波中某一波峰的变化，可以进一步计算出气液界面的位置变化，也即浸润深度的变化。具体的，在膜蒸馏初始状态，即膜浸润还未发生时，膜表面和气液界面重合，超声波在此界面发生强烈反射；而当浸润发生时，浸润前沿也就是膜孔中的气液界面不断向膜孔内部推进，气液界面和膜表面之间的距离不断拉大，直到膜被完全浸润，气液界面消失。在此浸润过程中，膜表面与气液界面之间的距离即为膜浸润深度，超声波依然是在润湿前沿，也即气液界面处发生强烈反射，此时，反射面距离超声探头更远，超声波飞行时间更长。反射的回波会在超声探头中产生特定的振动和电信号响应，经换能器滤波与电信号的传输，在示波器上显示出特定的波形，再经过Python执行寻峰代码即可得出超声波飞行时间的变化，经过等比换算即可得到膜浸润厚度。
由于气液界面处的强超声反射和水-膜界面处的相对很弱的超声反射(图2)，我们能成功地使用UTDR技术来监测MD中的膜浸润动力学。根据图5-6，对于表面活性剂和结垢引起的膜浸润，回波波形在膜浸湿开始时经历振幅减小和波形右移。因此，当UTDR信号的振幅减小并且波形向右偏移时，膜可能已经经历了孔隙润湿。由于此时未发生完全润湿，我们仍然可以通过预处理和化学清洗等策略防止润湿的进一步发展。
尽管UTDR技术已用于监测膜工艺中的膜污染和结垢，但据我们所知，它尚未用于MD中的润湿检测。与膜污染和结垢相比，膜润湿在原理和发生位置(膜表面与膜内部)方面有所不同，因此，我们的研究可以扩展UTDR的应用。作为一种非侵入性、实时和原位的MD润湿检测方法，UTDR技术可以将探头直接放置在膜组件的外壁上。基于超声技术的监测手段在许多实际应用中都取得良好的发展，因此，基于UTDR的润湿检测可能具有很大的发展应用潜力。由于膜组件中不同位置的润湿速度不同，探头还可以放置在更可能发生润湿的位置，例如膜组件的入口处。
综上所述，本发明通过超声时域反射技术即基于机械波原理，通过计算超声波发射后到回波被接收所用时间的变化来获取疏水膜中气液界面位置变化，从而可在膜蒸馏中膜表面的特定位置，从气液界面变化的角度分析计算出膜浸润的发生及其进程、速率等，并可以计算出膜浸润深度。由此，本发明首次实现了超声时域反射法对MD中膜浸润过程的监测，并实现了MD运行过程中，膜浸润深度的监测，同时实现了膜浸润发生早期的预警，本发明还可根据膜浸润的程度调整运行工况；另外，本发明提供的在线监测系统还适用于观测膜蒸馏中膜上的矿物盐结垢、有机污染等，也可通过计算模拟来大致确定膜上晶体垢层的物理性质，如孔隙率、密度等。
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (9)
1.一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，包括：
膜蒸馏子系统，所述膜蒸馏子系统包括进料液水箱、加热器、进料液循环泵、膜蒸馏组件、馏出液水箱、馏出液循环泵和低温恒温器，所述膜蒸馏组件包括进料液腔室和馏出液腔室以及将所述进料液腔室和所述馏出液腔室隔离的疏水膜，所述进料液水箱、加热器、进料液循环泵和所述进料液腔室在所述疏水膜一侧形成进料液环路，所述馏出液水箱、馏出液循环泵、低温恒温器和所述馏出液腔室在所述疏水膜另一侧形成馏出液环路，所述膜蒸馏子系统用于实现膜浸润过程；
超声监测子系统，所述超声监测子系统包括依次连接的超声探头、换能器和示波器，所述超声探头与所述膜蒸馏组件通过耦合剂紧密接触，所述超声监测子系统用于通过所述超声探头向所述膜蒸馏组件内发射超声波，并采集经所述膜蒸馏组件内气液界面反射的超声回波，以及通过所述换能器对所述超声回波进行处理后，将对应电信号传输至示波器进行成像，并通过所述示波器将超声回波数据传输至数据处理子系统；
所述数据处理子系统，用于采集所述超声回波数据，并根据所述超声回波数据确定膜浸润前后超声波从所述疏水膜中所述气液界面至所述超声探头的飞行时间偏移量和回波振幅，以便根据所述飞行时间偏移量和所述回波振幅确定膜浸润过程信息，实现膜浸润过程在线监测和膜浸润发生预警。
2.如权利要求1所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，所述疏水膜的材质为疏水性微滤膜材质。
3.如权利要求1所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，所述超声探头以矿物油或硅油为耦合剂，在预设压力下与所述膜蒸馏组件紧密接触并固定。
4.如权利要求1所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，所述膜浸润过程信息包括膜浸润深度信息和结垢层生长信息。
5.如权利要求1所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，所述数据处理子系统在根据所述超声回波数据确定所述飞行时间偏移量之前，还用于对所述超声回波数据进行数据定位截取，以保证截取的数据起始点的数据索引编号相同。
6.如权利要求5所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，所述数据处理子系统在确定膜浸润深度信息时，具体用于：
根据膜蒸馏过程稳定运行之初采集得到的所述超声回波数据，确定出所述超声回波数据中代表疏水膜平面的波段，并锁定所述波段中第一个波峰及其对应的数据索引编号；
以所述数据索引编号为中心构建一滑动的索引窗口，所述索引窗口按照预设速度进行滑动，以使任意时刻采样的回波中同一个波峰都位于所述索引窗口的内部，以确定任意时刻下回波波峰的数据索引编号，并根据数据索引编号之差等比计算出所述飞行时间偏移量；
根据所述飞行时间偏移量和介质声速得到气液界面的移动距离，以衡量膜浸润深度。
7.如权利要求6所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，所述索引窗口的长度不超过任意相邻的两波峰间距，预设速度期望值为膜浸润速度。
8.如权利要求7所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，从所述索引窗口所包含的数据中识别出最大值，所述最大值为回波振幅，当所述回波振幅开始减小，且所述飞行时间偏移量开始增大时，即判定润湿发生，并对膜蒸馏子系统的运行进行预警。
9.一种在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的方法应用于如权利要求1-8中任一项所述的在线监测膜蒸馏中膜浸润过程的系统，其特征在于，所述方法包括：
步骤S1：将超声监测子系统的超声探头与膜蒸馏组件耦合，调整膜蒸馏子系统运行参数，并控制所述超声监测子系统向所述膜蒸馏组件内发射超声波，且对接收的超声回波数据进行成像和储存；
步骤S2：调控所述膜蒸馏子系统中进料液成分及其含量，使得所述膜蒸馏子系统在稳定运行一段时间后开始膜浸润过程；
步骤S3：再次控制所述超声监测子系统产生超声波，并对超声回波数据进行实时成像，以及将实时成像后的超声回波数据传输至数据处理子系统；
步骤S4：所述数据处理子系统对接收的超声回波数据进行定位截取，并根据定位截取数据分析得到膜浸润过程信息。
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