CN117330556A - 一种基于sers的过滤介质动态评价方法及装置 - Google Patents

一种基于sers的过滤介质动态评价方法及装置 Download PDF

Info

Publication number
CN117330556A
CN117330556A CN202311303545.5A CN202311303545A CN117330556A CN 117330556 A CN117330556 A CN 117330556A CN 202311303545 A CN202311303545 A CN 202311303545A CN 117330556 A CN117330556 A CN 117330556A
Authority
CN
China
Prior art keywords
filter medium
filtrate
characteristic peak
peak light
light intensity
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202311303545.5A
Other languages
English (en)
Inventor
杨苏文
吕文杰
刘冰
韦奇
熊子悠
陈材
夏太阳
冯婉婷
林朝毅
李奥
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
East China University of Science and Technology
Original Assignee
East China University of Science and Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by East China University of Science and Technology filed Critical East China University of Science and Technology
Priority to CN202311303545.5A priority Critical patent/CN117330556A/zh
Publication of CN117330556A publication Critical patent/CN117330556A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/62—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light
    • G01N21/63—Systems in which the material investigated is excited whereby it emits light or causes a change in wavelength of the incident light optically excited
    • G01N21/65—Raman scattering
    • G01N21/658—Raman scattering enhancement Raman, e.g. surface plasmons
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N21/00—Investigating or analysing materials by the use of optical means, i.e. using sub-millimetre waves, infrared, visible or ultraviolet light
    • G01N21/01—Arrangements or apparatus for facilitating the optical investigation

Landscapes

  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • Chemical & Material Sciences (AREA)
  • Analytical Chemistry (AREA)
  • Biochemistry (AREA)
  • General Health & Medical Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Immunology (AREA)
  • Pathology (AREA)
  • Nuclear Medicine, Radiotherapy & Molecular Imaging (AREA)
  • Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)

Abstract

本发明提供一种基于SERS的过滤介质动态评价方法及装置，包括以下步骤：(a)选择具有SERS活性的银微纳米颗粒作为示踪粒子，其表面修饰拉曼探针分子，并配置为不同银粒浓度的待滤液；(b)使用拉曼光谱仪检测不同银粒浓度的待滤液，绘制特征峰光强度和银粒浓度的标准曲线；(c)过滤介质预处理，以减少后续步骤因过滤介质吸收拉曼探针分子对特征峰光强度的影响；(d)将含有银粒的待滤液通入过滤介质并开始计时，探测不同时刻过滤介质的不同位置，得到拉曼探针分子的特征峰光强度；并结合探测不同时刻出口滤液的特征峰光强度，综合评价过滤介质性能。本发明还提供一种基于SERS的过滤介质动态评价装置。本发明具有实时监测、动态解析、无损评价等优势。

Description

一种基于SERS的过滤介质动态评价方法及装置
技术领域
本发明属于过滤测试领域，具体涉及一种基于SERS的过滤介质动态评价方法及装置。
背景技术
过滤是一种使用过滤介质分离流体中细微颗粒物的物理分离方法。经典的过滤介质种类有活性炭、无烟煤、石英砂、沸石、树脂等，而即便是同种过滤介质也有产地、粒径、球形度、生产批次等天然或人工属性的差异，这就导致不同属性的过滤介质性能差距巨大。在实际的工业应用中，时常出现因过滤介质的缺陷而导致净化系统实际运行性能不达标、不稳定的问题。因此，需要研发一种能够快速评价过滤介质性能的方法。
中国专利CN105628585A提供了一种用于测试滤料性能的模拟测试装置及测试方法，该装置包括树脂过滤单元，树脂药洗单元和树脂冲洗单元。测试时，依次运行各单元，并在各管路运行工况下取样测试，对比分析处理结果，从而可以得到树脂滤料的正常过滤性能参数以及再生性能参数等。但该方法仅能检测滤液的各项参数从而倒推过滤介质性能，不能实时、动态地直接检测过滤介质床层各处的性能特征。
中国专利CN116380745A提供了一种多孔过滤介质内液体分布特征的检测方法、装置及系统，该方法采用光固化剂模拟多孔过滤介质对液体进行过滤的工况，紫外光照使多孔过滤介质内的液体固化；对多孔过滤介质进行切片取样，获得多孔过滤介质内液体的分布特征。但该方法需对过滤介质切片取样，对过滤介质造成不可逆的损害，仅能代表某一过滤时刻的过滤介质特征。
中国专利CN101267874B提供了一种过滤水监视装置以及过滤水监视系统，该装置包括分支过滤水管路系统、过滤水观察用板、图像摄影单元和图像解析单元。监测时，接收图像摄影单元的图像信息，与存储的图像图案进行比较，从而确定过滤水中所含杂质并监视过滤介质的损伤及性能劣化。但该装置仅能获取过滤介质单个二维平面内的性能信息，也就只能运用于单层的膜过滤装置而无法适用于所有过滤介质。
中国专利CN102539630B提供了一种工业用滤料失效的检测方法，该方法对工业用滤料的高分子结构进行分析，得到其最简单的结构单元，采用量子化学软件研究不同因素导致滤料失效机理，判断出导致滤料失效的主要原因，通过滤料重复结构单元的反应来验证滤料的失效机理。但该方法的重点在于用量子化学的方法从微观上来解释滤料失效的主要原因，而非监测工业用滤料的失效过程。
中国专利CN114414484A提供一种膜过滤-表面增强拉曼光谱联用检测痕量环境纳米污染物的装置、方法及应用，该方法结合了膜过滤富集技术与表面增强拉曼光谱检测技术，将水样中的纳米颗粒物高效且快速的富集到具有分离富集功能与表面增强拉曼活性的滤膜表面，从而实现水样中痕量纳米颗粒污染物的原位分析检测。但该方法目的是使用滤膜与SERS技术检测水样中纳米颗粒污染物，而非用以检测过滤介质的性能。
中国专利CN115707956A提供一种用于在线监测的SERS检测装置，该装置包括含有两个相对设置的侧壁的透明腔体、两个管口和设置在侧壁的SERS基底，能够实现准确、快速、简便、经济可行的在线流体检测。但该装置由于SERS基底设置在侧壁，填充过滤介质后激光受到过滤介质的遮盖而无法到达SERS基底，因此无法实现过滤介质的SERS检测。
中国专利CN208636125U提供一种用于SERS检测的试样过滤装置，该装置的过滤器由上往下依次设有滤布、过滤纸以及支撑过滤纸的隔板，过滤纸包括金纳米颗粒层、黑磷纳米片层以及定性滤纸层，定性滤纸层外表面沉积黑磷纳米片层和金属纳米颗粒层，该装置对试样产生富集作用，提高SERS的检测效率和精准度。但该装置过滤试样从而富集其中的颗粒物，以达到增强试样拉曼信号、提高SERS检测效率的目的，不能用于检测过滤介质的性能。
因此，针对现有技术存在的问题，本领域亟需开发出一种快速、实时、动态、无损、三维、全过滤周期地评价过滤介质的方法及装置。
发明内容
鉴于上述问题，本发明提供一种基于SERS的过滤介质动态评价方法及装置，能够使用较少的过滤介质在短时间内快速评价其过滤性能，同时具有全过滤周期内实时监测、动态解析、无损评价的优势。
为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：
一方面，本发明提供了一种基于SERS的过滤介质动态评价方法，该方法包括以下步骤：
(a)配置待滤液：选择具有SERS活性的银微纳颗粒作为示踪粒子，其表面修饰拉曼探针分子，并配置为不同银粒浓度、相同拉曼探针分子质量浓度的待滤液；
(b)绘制标准曲线：使用拉曼光谱仪检测上述不同银粒浓度的待滤液，绘制拉曼探针分子特征峰光强度和银粒质量浓度的标准曲线；
(c)过滤介质预处理：将银粒质量浓度为0的待滤液通入过滤介质，使用拉曼光谱仪探测滤液的特征峰光强度，直至出口滤液与入口待滤液的特征峰光强度相同，以减少后续步骤因过滤介质吸收拉曼探针分子对特征峰光强度的影响；
(d)过滤介质动态检测：将含有银粒的待滤液通入过滤介质并开始计时，使用便携式拉曼光谱仪动态探测不同时刻过滤介质的不同位置，得到拉曼探针分子的特征峰光强度；并结合使用拉曼光谱仪探测不同时刻出口滤液的特征峰光强度，综合评价过滤介质性能。
本发明所提供的上述方法，以修饰了拉曼探针分子的银微纳颗粒作为示踪粒子，配置为待滤液以模拟废水，当待滤液流经过滤介质时，示踪粒子被介质床层截留、捕获，对该区域进行拉曼探测，示踪粒子发生表面增强拉曼效应，产生强烈的拉曼信号。过滤介质截留的示踪粒子越多，该区域拉曼信号越显著。因此，可以根据过滤介质床层的拉曼信号检测过滤介质的污染状态。与此同时，出口滤液的银粒浓度因过滤介质的过滤作用而降低，取不同时刻的出口滤液进行拉曼检测，根据得到的拉曼信号分析过滤效率，进一步评价过滤介质的性能。
本发明进一步优选为，评价不同过滤介质时，先更换待评价的过滤介质，再重复(c)和(d)步骤，对过滤介质性能进行动态评价。
本发明进一步优选为，步骤(a)中，所述银微纳颗粒粒径为10-10000nm，所述待滤液中银粒质量浓度为0-500mg/L。优选地，所述银微纳颗粒粒径为10-200nm。
本发明进一步优选为，步骤(a)中，所述拉曼探针分子为亚甲基蓝分子或罗丹明B分子，所述待滤液中拉曼探针分子质量浓度为0.5-500mg/L，能够与银粒产生表面增强拉曼散射现象。
本发明进一步优选为，步骤(a)中，所述待滤液需用超声波分散仪和/或搅拌器进行分散。
本发明进一步优选为，步骤(d)中，对过滤介质性能进行综合评价时，根据不同时刻过滤介质的不同位置得到的拉曼探针分子特征峰光强度，进而得到不同时刻、不同位置的纳污程度；根据探测到的不同时刻滤液的特征峰光强度，结合标准曲线得到不同时刻滤液的银粒质量浓度和过滤效率。
本发明进一步优选为，所述纳污程度是映射范围为[0,1]的归一化数据，由深度最浅处的过滤介质截留到足够多银粒且不再增加时的相对特征峰光强度映射为1，由0时刻过滤介质的相对特征峰光强度映射为0；所述相对特征峰光强度是由某时刻、某位置的特征峰光强度减去0时刻、该位置的特征峰光强度，以减少因过滤介质吸收拉曼探针分子对特征峰光强度的影响。
另一方面，本发明提供一种基于SERS的过滤介质动态评价装置，包括过滤实验模块和检测模块，其中，
所述过滤实验模块包括依次管道连接的用于容纳待滤液的盛液装置、收集过滤后出口滤液的收集装置和填充有待测过滤介质的过滤器，所述过滤器下方设有旋转平台，所述收集装置和过滤器之间设有用于驱动液体流动并控制流速的动力装置；
所述检测模块包括拉曼光谱仪、用于控制拉曼光谱仪和处理数据的计算机，以及升降平台，所述拉曼光谱仪的光纤探头设于所述升降平台上；所述旋转平台和升降平台分别用以旋转过滤器和升降光纤探头，以实现对不同角度、不同深度过滤介质的检测。
本发明进一步优选为，所述盛液装置内设有用于分散待滤液的搅拌器；和/或，所述盛液装置置于所述超声波分散仪内对待滤液进行分散。
本发明进一步优选为，所述拉曼光谱仪的激光波长为500nm-1100nm，激光功率为1-200mW，积分时间为2-30s，光纤探头焦距为3-20mm，激光照射区域面积为0.01-10mm2。优选地，所述激光波长为532nm、633nm或785nm。
本发明进一步优选为，所述过滤器为石英或玻璃材质，能够透过拉曼信号且干扰较小，内径与高度之比为0.02-2；进一步地，内径为1-20cm，高度为10-100cm。
本发明进一步优选为，所述动力装置的出口和盛液装置之间还设有连接管道，可控制过滤器流量。
与现有技术相比，本发明具有如下有益技术效果：
(1)实时监测：本发明的方法使用便携式拉曼光谱仪实时监测过滤介质床层的运行状态，从发射激光到获取数据仅需数秒，能够连续监测过滤介质从而精准地反映过滤介质随时间的性能变化。
(2)动态解析：本发明的方法使用旋转平台旋转过滤器、升降平台用升降光纤探头，达到动态探测床层介质不同角度、不同深度的效果，能够监测不同过滤介质区域的性能变化。
(3)无损评价：本发明的方法使用拉曼激光探测过滤介质，该方法不会对过滤介质造成不可逆的损伤，无需中止过滤才能获得介质信息，因此能够全过滤周期地评价过滤介质。
附图说明
图1是根据本发明一个优选实施方式，基于SERS的过滤介质动态评价装置示意图；其中，10、过滤实验模块，11、盛液装置，12、收集装置，13、过滤器，14、旋转平台，15、搅拌器，16、动力装置，17、第一阀门；20、检测模块，21、拉曼光谱仪，22、光纤探头，23、升降平台，24、计算机。
图2是根据本发明一个优选实施方式，在待滤液拉曼探针分子亚甲基蓝质量浓度为5mg/L、银粒浓度为50mg/L的条件下，特征峰光强度与银粒粒径(20，200，1000nm)的关系图。
图3是根据本发明一个优选实施方式，在待滤液拉曼探针分子亚甲基蓝质量浓度为5mg/L的条件下，对银粒质量浓度为50mg/L和5mg/L的待滤液进行检测所获得的表面增强拉曼光谱图。
图4是根据本发明一个优选实施方式，在待滤液拉曼探针分子亚甲基蓝质量浓度为5mg/L的条件下，特征峰光强度随银粒质量浓度(0，5，10，15，20，25，30，40，50mg)的标准曲线图。
图5是根据本发明一个优选实施方式，在过滤介质为1-2mm粒径无烟煤滤料、深度为0cm和30cm的条件下，纳污程度随时间变化的关系图。
图6是根据本发明一个优选实施方式，在过滤介质为1-2mm粒径无烟煤滤料、过滤时间为5min和100min的条件下，纳污程度随过滤介质深度变化的关系图。
图7是根据本发明一个优选实施方式，在过滤介质为1-2mm粒径无烟煤滤料的条件下，出口滤液银粒浓度和过滤效率随时间变化的关系图。
具体实施方式
下面将结合具体实施例对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
本发明实施例中所使用的拉曼光谱仪为便携式拉曼光谱仪。
在本发明的第一方面，提供了一种基于SERS的过滤介质动态评价方法，该方法包括以下步骤：
(1)配置待滤液：选择具有SERS活性的银微纳颗粒作为示踪粒子，其表面修饰拉曼探针分子，以水为溶剂，并配置为不同银粒浓度、相同拉曼探针分子质量浓度的待滤液，并用超声波分散仪和/或搅拌器分散；
(2)绘制标准曲线：使用拉曼光谱仪检测上述不同银粒浓度的待滤液，绘制拉曼探针分子特征峰光强度和银粒质量浓度的标准曲线；
(3)过滤介质预处理：将银粒质量浓度为0的待滤液通入过滤介质，使用拉曼光谱仪探测滤液的特征峰光强度，直至出口滤液与入口待滤液的特征峰光强度相同，以减少后续步骤因过滤介质吸收拉曼探针分子对特征峰光强度的影响；
(4)过滤介质动态检测：将含有银粒的待滤液通入过滤介质并开始计时，使用便携式拉曼光谱仪动态探测不同时刻过滤介质的不同位置，得到拉曼探针分子的特征峰光强度，进而得到不同时刻、不同位置的纳污程度；
(5)出口滤液检测：使用拉曼光谱仪探测不同时刻出口滤液的特征峰光强度，并根据标准曲线得到不同时刻滤液的银粒质量浓度和过滤效率。
采用上述方法评价不同的过滤介质时，更换种类、粒径、高度等属性不同的过滤介质，重复步骤(3)-(5)，即可综合评价不同属性的过滤介质性能。
优选地，所述银微纳颗粒粒径为10-10000nm，待滤液的银粒质量浓度为0-500mg/L。优选地，所述银微纳颗粒粒径为10-200nm。
优选地，所述拉曼探针分子为亚甲基蓝分子或罗丹明B分子，待滤液的拉曼探针分子质量浓度为0.5-500mg/L，能够与银粒产生表面增强拉曼散射现象。
另一方面，参考图1，本发明提供一种基于SERS的过滤介质动态评价装置，包括过滤实验模块10和检测模块20，其中，
所述过滤实验模块10包括依次管道连接的用于容纳待滤液的盛液装置11、收集过滤后出口滤液的收集装置12和填充有待测过滤介质的过滤器13，所述过滤器13下方设有旋转平台14，所述盛液装置11内设有用于搅拌待滤液的搅拌器15，所述盛液装置11和过滤器13之间设有用于驱动液体流动并控制流速的动力装置16；所述检测模块20包括拉曼光谱仪21、用于控制拉曼光谱仪21和处理数据的计算机24，以及升降平台23，所述拉曼光谱仪21的光纤探头22设于所述升降平台23上；
所述旋转平台14和升降平台23分别用以旋转过滤器13和升降光纤探头22，以实现对不同角度、不同深度过滤介质的检测。
优选的，所述便携式拉曼光谱仪21的激光波长为500nm-1100nm，激光功率为1-200mW，积分时间为2-30s，光纤探头焦距为3-20mm，激光照射区域面积为0.01-10mm2。
优选的，所述过滤器13为石英或玻璃材质，能够透过拉曼信号且干扰较小，内径为1-20cm，高度为10-100cm。
需要说明的是，所述过滤实验模块10的各连接管道上根据具体需要设有阀门。
下面结合具体的实施例对本发明的技术方案进行进一步的说明。
实施例1
配置银粒浓度、亚甲基蓝浓度相同，银粒粒径不同的待滤液，观察不同粒径银粒的表面增强拉曼效应；具体步骤为：以去离子水为溶剂，配置银粒浓度为50mg/L、亚甲基蓝浓度为5mg/L、银粒粒径不同(粒径分别为20，200，1000nm)的待滤液，使用便携式拉曼光谱仪进行检测，并绘制特征峰光强度与银粒粒径的关系图。结果如图2所示，可以看出20nm和200nm粒径银粒的表面增强拉曼效应显著高于1000nm粒径的银粒。
实施例2
对一份粒径为1-2mm的无烟煤滤料按照本发明的方法进行测试，包括如下步骤：
(1)配置待滤液
称取500mg粒径为200nm的银粒至烧杯，加入去离子水定容至银粒浓度为500mg/L、体积为1L的浓缩银粒溶液，并用超声波分散仪和搅拌器分散；称取100mg亚甲基蓝固体至烧杯，加入去离子水定容至亚甲基蓝浓度为10mg/L、体积为10L的浓缩亚甲基蓝溶液；取浓缩银溶液500mL至烧杯，加入浓缩亚甲基蓝溶液2.5L，加入去离子水定容为5L的待滤液A，该待滤液银粒浓度为50mg/L、亚甲基蓝浓度为5mg/L，用超声波分散仪和搅拌器分散，使得银粒表面修饰亚甲基蓝分子；取浓缩亚甲基蓝溶液2.5L，加入去离子水定容为5L的亚甲基蓝溶液，该溶液也即银粒浓度为0mg/L的待滤液B；
按下表1配置9份银粒浓度不同的、亚甲基蓝浓度相同的标准待滤液以供绘制标准曲线，其亚甲基蓝浓度均为5mg/L，将其存放至10mL的玻璃取样瓶中，并用超声波分散仪分散。
表1：标准待滤液配置表
(2)绘制标准曲线
使用便携式拉曼光谱仪21探测9份银粒浓度不同的标准待滤液，积分时间5s，激光波长532nm，激光功率40mW，得到不同银粒浓度下的拉曼光谱图，图3分别展示了银粒浓度为5mg/L和50mg/L的待滤液的表面增强拉曼光谱图，如图3所示，亚甲基蓝最显著特征峰的拉曼位移在1626cm-1附近。当银粒质量浓度为50mg/L时，特征峰光强度为2338(a.u.)；当银粒质量浓度为5mg/L时，特征峰光强度为924(a.u.)。再汇总银粒浓度不同的标准待滤液拉曼位移为1626cm-1附近的特征峰光强度，绘制如图4所示的拉曼探针分子特征峰光强度和银粒质量浓度的标准曲线。如图4所示，对9个标准液的数据进行描点并拟合为标准曲线，发现特征峰光强度与银粒质量浓度严格正相关。根据标准曲线，可以对银粒浓度为0-50mg/L的滤液进行拉曼检测，从而得到对应的银粒浓度。
(3)过滤介质预处理
本实施例中，使用如图1所示的过滤介质动态评价装置对过滤介质进行预处理。本实施例中所使用的过滤器13的高度为50cm，内径为2cm。本实施例中，所述盛液装置11和收集装置12均为烧杯，动力装置16为蠕动泵，所述蠕动泵和所述过滤器13连接的管道上设有第一阀门17。
首先将银粒浓度为0的待滤液B预先倒入过滤器13中，将插入至所述收集装置12内的软管用堵头关闭以免待滤液排出，将待测过滤介质填充至过滤器13内，使过滤介质的深度达到30cm，该步骤使得过滤介质内没有气泡干扰；将银粒浓度为0的待滤液B倒入收集装置12，取下收集装置12处的软管堵头，打开阀门，关闭阀门，设置蠕动泵，使装置流向为收集装置12→过滤器13→第一阀门17→蠕动泵→盛液装置11，流速为30mL/min，适时调整软管位置，使得软管内的气体排出；
暂停蠕动泵，将银粒浓度为0的待滤液B倒入盛液装置11，设置蠕动泵，使液体流向为盛液装置11→蠕动泵→第一阀门17→过滤器13→收集装置12；使用玻璃取样瓶接取收集装置12处软管口的滤液，使用便携式拉曼光谱仪21探测出口滤液，获得特征峰光强度，直至出口滤液与入口待滤液的特征峰光强度相同，减少后续步骤因过滤介质吸收拉曼探针分子对特征峰光强度的影响；使用便携式拉曼光谱仪21探测过滤介质的不同位置，记录拉曼位移在1626cm-1附近的特征峰光强度为I0d，代表0时刻、d深度的特征峰光强度。
(4)过滤介质动态检测
暂停蠕动泵，将盛液装置11中的待滤液B替换为银粒浓度为50mg/L的待滤液A；运行蠕动泵，将含有银粒的待滤液通入过滤介质，并开始计时；使用10mL玻璃取样瓶在不同时刻盛取收集装置12处软管流出的出口滤液；使用便携式拉曼光谱仪21动态探测不同时刻、不同位置的过滤介质，记录拉曼位移在1626cm-1附近的最大特征峰光强度为Itd，代表t时刻、d深度的特征峰光强度。
t时刻、d深度的相对特征峰光强度ItdΔ计算方法如下：
ItdΔ＝Itd-I0d
相对特征峰光强度是由t时刻、d深度的特征峰光强度减去0时刻、d深度的特征峰光强度，以减少因过滤介质吸收亚甲基蓝对特征峰光强度的影响。
当过滤至90分钟之后，过滤介质深度最浅处特征峰光强度不再增加，将此时此处的相对特征峰光强度记录为IMAX，t时刻、d深度的纳污程度Ptd计算方法如下：
Ptd＝ItdΔ/IMAX×100％
纳污程度是映射范围为[0,1]的归一化数据，由深度最浅处的过滤介质截留到足够多银粒且不再增加时的相对特征峰光强度映射为1，由0时刻过滤介质的相对特征峰光强度映射为0。由此，过滤介质可使用纳污程度Ptd评价其性能，纳污程度大代表其难以截留更多细微颗粒物，纳污程度小代表其仍具有纳污能力。
纳污程度随时间变化的关系如图5所示，纳污程度随过滤介质深度变化的关系如图6所示。
(5)出口滤液检测
当需要对出口滤液进行检测时，停止蠕动泵，收集步骤(4)中盛有收集装置12处软管流出的不同时刻滤液的玻璃取样瓶，使用便携式拉曼光谱仪21探测不同时刻出口滤液的特征峰光强度，记录t时刻出口滤液拉曼位在为1626cm-1附近的最大特征峰光强度为Ot。根据标准曲线以及其拟合方程，得到t时刻对应的银粒浓度Ct。t时刻过滤效率ηt计算方法如下：
ηt＝(50-Ct)/(50)×100％
其中入口待滤液的银粒浓度为50mg/L，上述方程将出口滤液与入口待滤液的银粒浓度相对比，得到过滤效率。出口滤液银粒浓度和过滤效率随时间变化的关系如图7所示。
根据上述实验结果图5-图7可以看出，在同一过滤介质深度下，纳污程度随时间不断增加；0cm深度的过滤介质纳污程度在90min左右达到最大值100％，并在之后维持这一状态；在同一过滤时间下，纳污程度随深度的增加而减少；出口滤液银粒浓度随时间的增加而增大，过滤效率也随之降低，代表过滤介质逐渐失效。使用具有表面增强拉曼效应的银粒作为示踪粒子，对过滤介质进行拉曼检测，在空间和时间上均能动态反映过滤介质的纳污状态，结合纳污程度和过滤效率的评价方法，能够直观地评价过滤介质的性能差异。
上述内容对实施例进行了描述，以方便普通技术人员理解和使用该发明。熟悉该技术领域的人员可以轻松地对这些实施例进行修改，并将其中的一般原理应用于其他实施例中，而无需进行创造性的工作。因此，该发明并不仅限于上述实施例，在不违背本发明的构思和原则的前提下，任何在该领域的技术人员所做的变化和修改都应被视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于SERS的过滤介质动态评价方法，其特征在于，包括如下步骤：
(a)配置待滤液：选择具有SERS活性的银微纳颗粒作为示踪粒子，其表面修饰拉曼探针分子，并配置为不同银粒浓度、相同拉曼探针分子质量浓度的待滤液；
(b)绘制标准曲线：使用拉曼光谱仪检测上述不同银粒浓度的待滤液，绘制拉曼探针分子特征峰光强度和银粒质量浓度的标准曲线；
(c)过滤介质预处理：将银粒质量浓度为0的待滤液通入过滤介质，使用拉曼光谱仪探测滤液的特征峰光强度，直至出口滤液与入口待滤液的特征峰光强度相同，以减少后续步骤因过滤介质吸收拉曼探针分子对特征峰光强度的影响；
(d)过滤介质动态检测：将含有银粒的待滤液通入过滤介质并开始计时，使用拉曼光谱仪动态探测不同时刻过滤介质的不同位置，得到拉曼探针分子的特征峰光强度；并结合使用拉曼光谱仪探测不同时刻出口滤液的特征峰光强度，综合评价过滤介质性能。
2.根据权利要求1所述的基于SERS的过滤介质动态评价方法，其特征在于，评价不同过滤介质时，更换待评价的过滤介质，重复(c)和(d)步骤，对过滤介质性能进行动态评价。
3.根据权利要求1所述的基于SERS的过滤介质动态评价方法，其特征在于，步骤(a)中，所述银微纳颗粒粒径为10-10000nm，所述待滤液中银粒质量浓度为0-500mg/L；
优选地，所述银微纳颗粒粒径为10-200nm。
4.根据权利要求1所述的基于SERS的过滤介质动态评价方法，其特征在于，步骤(a)中，所述拉曼探针分子为亚甲基蓝分子或罗丹明B分子，所述待滤液中拉曼探针分子质量浓度为0.5-500mg/L。
5.根据权利要求1所述的基于SERS的过滤介质动态评价方法，其特征在于，步骤(a)中，待滤液需用超声波分散仪和/或搅拌器进行分散。
6.根据权利要求1所述的基于SERS的过滤介质动态评价方法，其特征在于，步骤(d)中，对过滤介质性能进行综合评价时，根据不同时刻过滤介质的不同位置得到的拉曼探针分子特征峰光强度，进而得到不同时刻、不同位置的纳污程度；根据探测到的不同时刻滤液的特征峰光强度，结合标准曲线得到不同时刻滤液的银粒质量浓度和过滤效率。
7.根据权利要求6所述的基于SERS的过滤介质动态评价方法，其特征在于，所述纳污程度是映射范围为[0,1]的归一化数据，由深度最浅处的过滤介质截留到足够多银粒且不再增加时的相对特征峰光强度映射为1，由0时刻过滤介质的相对特征峰光强度映射为0；所述相对特征峰光强度是由某时刻、某位置的特征峰光强度减去0时刻、该位置的特征峰光强度，以减少因过滤介质吸收拉曼探针分子对特征峰光强度的影响。
8.一种基于SERS的过滤介质动态评价装置，其特征在于，包括过滤实验模块和检测模块，其中，
所述过滤实验模块包括依次管道连接的用于容纳待滤液的盛液装置、收集过滤后出口滤液的收集装置和填充有待测过滤介质的过滤器，所述过滤器下方设有旋转平台，所述收集装置和过滤器之间设有用于驱动液体流动并控制流速的动力装置；
所述检测模块包括拉曼光谱仪、用于控制拉曼光谱仪和处理数据的计算机，以及升降平台，所述拉曼光谱仪的光纤探头设于所述升降平台上；所述旋转平台和升降平台分别用以旋转过滤器和升降光纤探头，以实现对不同角度、不同深度过滤介质的检测。
9.根据权利要求8所述的一种基于SERS的过滤介质动态评价装置，其特征在于，所述拉曼光谱仪的激光波长为500nm-1100nm，激光功率为1-200mW，积分时间为2-30s，光纤探头焦距为3-20mm，激光照射区域面积为0.01-10mm2。
10.根据权利要求8所述的一种基于SERS的过滤介质动态评价装置，其特征在于，所述过滤器为石英或玻璃材质，能够透过拉曼信号且干扰较小，内径与高度之比为0.02-2。
CN202311303545.5A 2023-10-10 2023-10-10 一种基于sers的过滤介质动态评价方法及装置 Pending CN117330556A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311303545.5A CN117330556A (zh) 2023-10-10 2023-10-10 一种基于sers的过滤介质动态评价方法及装置

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202311303545.5A CN117330556A (zh) 2023-10-10 2023-10-10 一种基于sers的过滤介质动态评价方法及装置

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN117330556A true CN117330556A (zh) 2024-01-02

Family

ID=89294862

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202311303545.5A Pending CN117330556A (zh) 2023-10-10 2023-10-10 一种基于sers的过滤介质动态评价方法及装置

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN117330556A (zh)

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Rudolph et al. A review of in situ real-time monitoring techniques for membrane fouling in the biotechnology, biorefinery and food sectors
CN100529733C (zh) 光谱法非接触cod/doc水质在线监测方法及装置
Howard On the challenge of quantifying man-made nanoparticles in the aquatic environment
Eklund et al. Differentiating bulk nanobubbles from nanodroplets and nanoparticles
CN104568857B (zh) 一种二维光散射静态细胞仪方法及装置
Qin et al. Fabrication of intelligent photonic crystal hydrogel sensors for selective detection of trace mercury ions in seawater
US8613214B2 (en) Apparatus and method for determining analyte content in a fluid
CN103765208A (zh) 金属纳米颗粒及其制备方法与用途
Liang et al. Single-particle Raman spectroscopy for studying physical and chemical processes of atmospheric particles
CA2748870C (en) Apparatus and method for determining analyte content in a fluid
US8338186B2 (en) Method and system for fluid purification and analysis
Chen et al. A review of recent progress in the application of Raman spectroscopy and SERS detection of microplastics and derivatives
CN117330556A (zh) 一种基于sers的过滤介质动态评价方法及装置
CN106932373A (zh) 海水总有机碳光学原位传感器
CN115266627B (zh) 一种快速测量混合微塑料与铅的紫外检测法
CN103278432B (zh) 一种滤膜完整性的检测装置及其检测方法
KR102432313B1 (ko) 미세플라스틱 검정방법
WO2017046552A1 (en) Method and apparatus for monitoring particles in a liquid
JP2009204437A (ja) 完全性試験装置
CN114414484A (zh) 一种膜过滤-表面增强拉曼光谱联用检测痕量环境纳米污染物的装置、方法及应用
CA2706086A1 (en) Method and system for fluid purification and analysis
CN220961219U (zh) 一种新型拉曼增强检测探头
CN210690409U (zh) 一种荧光监测反渗透膜组件完整性检测装置
CN1017186B (zh) 沥青质含量快速测定法及其测定仪
CN116380876B (zh) 一种水体中磷元素含量的检测方法

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination