CN204973608U - 一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置，下过滤腔体与上过滤腔体以平板微滤膜为对称中心上下对称，上过滤腔体内部设有针尖电极装置，下过滤腔体中设置平板电极；针尖电极装置具有从左到右布置m行、从前到后布置n列的阵列式针尖电极，每个针尖电极均连接一根导电线，每一列针尖电极中的m根导电线均经一个中空管后与一个导线分流器相连，n个导线分流器均连接于MCU控制盒；采用交替变化的电场对膜孔进行不同角度的冲刷，使得杂质粒子在膜表面与电极之间运动，能够防止杂质粒子集中在电极表面或者是膜表面造成电极表面或膜面的污染。

Description

一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置

技术领域

本实用新型涉及减缓膜污染及浓差极化技术，应用交替非均匀电场对装置运行过程中出现的污染进行缓解。

背景技术

膜是一种具有选择性分离功能的材料，利用膜的选择性分离可以实现料液中不同组分的分离、提纯、浓缩，具有高效、节能、环保、分子级过滤及过滤过程简单、易于控制等特性，因此广泛应用于食品、医药、生物、环保、化工、能源、水处理，仿生等领域，已成为分离科学中最重要的手段之一。然而在膜分离技术广泛应用的同时却伴随着膜污染，膜污染是在膜过滤过程中，料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或者机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使得膜渗透量与分离特性产生不可逆变化，膜的使用寿命缩短，极大地影响了膜分离技术的实际应用。因此，针对膜污染产生的原因，采取相应的对策，对膜性能的部分或者完全恢复非常必要。

中国专利申请号200620155007.1的文献公开了一种超声场和高压交流脉冲电场复合强化的超滤膜分离组件。用于超滤实验，采用超声场和高压交流脉冲电场，设置上下基板，每个基板上加工8个超声波安装孔，中间凹槽形成的空腔用于料液的流动，上下导电板位于空腔内并在空腔内形成电场。但是该装置的上下导电板是固定的，不能实时根据具体情况进行调节与平板膜的距离；其次，高压脉冲大小和频率不可调，不能进行现场调控；再次，该专利采用的是均匀电场，这是一种比较常用的方法，在效果上却没有可以变换杂质粒子受力方向的非均匀电场有优势。根据以上总述，导致该装置在某些方面还不完善，使用不便。

发明内容

本实用新型的目的是为克服现有超声场和高压交流脉冲电场复合强化的超滤膜分离组件存在的问题，提供一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置，用非均匀的电场，对杂质粒子进行不同角度的运动控制，能够更加有效的减缓膜孔内的污染，提高渗透通量。

本实用新型一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置采用的技术方案是：包括外部保护装置和平板微滤膜，位于平板微滤膜上侧部分是上过滤腔体，位于平板微滤膜下侧部分是下过滤腔体，下过滤腔体与上过滤腔体以平板微滤膜为对称中心上下对称，上过滤腔体内部设有针尖电极装置，针尖电极装置连接垂直的可调节螺杆下端，可调节螺杆上端向上伸出外部保护装置顶部外；下过滤腔体中设置平板电极，平板电极通过另一个可调节螺杆与外部保护装置底部相连；平板电极经过一根导电线连接于脉冲电源发生器，脉冲电源发生器经另一根导电线连接MCU控制盒，MCU控制盒经导线分流器与针尖电极装置相连；针尖电极装置具有从左到右布置m行、从前到后布置n列的阵列式针尖电极，每个针尖电极均连接一根导电线，每一列针尖电极中的m根导电线均经一个中空管后与一个导线分流器相连，n个导线分流器均连接于MCU控制盒。

本实用新型的有益效果为：

1、本实用新型利用非均匀的电场，采用交替变化的电场，对膜孔进行不同角度的冲刷，使得杂质粒子在膜表面与电极之间运动，能够防止杂质粒子集中在电极表面或者是膜表面，造成电极表面或者膜面的污染。

2、本实用新型采用分组的控制器，能够有效地变换吸附在膜面或者膜孔中杂质粒子受力方向，有助于杂质粒子的松动，减缓膜污染。

3、本实用新型可以调节针尖电极装置与平板微滤膜之间的距离、可以调节平板电极与平板微滤膜之间的距离，将装置调节至最合理的状态，提高实验的运行效率。

附图说明

图1是本实用新型一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置的正视剖面图；

图2是图1的针尖电极装置的立体结构图；

图3是图1的电气控制图；

图4是图1中杂质粒子在非均匀电场中受力情况分析图；

图5是本实用新型一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置的实验方法流程图；

附图中的各部分序号及名称：1、脉冲电源发生器；2、导电线；3、上入水口；4、上过滤腔体；5、取水口；6、下入水口；7、平板电极；8、固定螺杆；9、可调节螺杆；10、螺母；11、垫片；12、装置外部保护装置；13、针尖电极装置；14、上出水口；15、薄膜层及膜垫；16、滤板；17、下过滤腔体；18、下出水口；19、中空管；20、螺母；21、中空平板；22、第一列针尖电极；23、膜孔；24、电力线a；25、电力线b；26、杂质粒子；27、MCU控制盒；28、市电接口；29、平板微滤膜；30、导线分流器、31、第二列针尖电极；32、第n列针尖电极。

具体实施方式

参见图1，本实用新型交替非均匀电场减缓膜污染实验装置的主体部分是以平板微滤膜29为对称中心的上下对称结构。外部保护装置12位于整个装置主体部分的外部起保护及固定作用。平板微滤膜29水平地位于整个装置的中间部分，将整个装置主体部分从体积上均分为上下两部分。平板微滤膜29由薄膜层及膜垫15、滤板16、取水口5构成，滤板16对附着在其上下表面的薄膜层及膜垫15起支撑作用，滤板16上分布有很多沟槽，能够将经由薄膜层及膜垫15过滤后的料液引流到取水口5处，在水力压力或外部抽吸力的作用下从取水口5流出。位于平板微滤膜29的上侧部分是上过滤腔体4，上过滤腔体4的左侧壁上部设有上入水口3，上入水口3与外部原料液相连，上过滤腔体4的右侧壁下部设有上出水口14。在上过滤腔体4内部设有针尖电极装置13，针尖电极装置13水平地位于上过滤腔体4内的左右方向的中间位置且上下方向的偏上方位置，针尖电极装置13连接垂直的可调节螺杆9的下端，可调节螺杆9的上端向上伸出外部保护装置12顶部外。在可调节螺杆9与外部保护装置12顶部相衔接的部分处装有螺母20，为了防止装置内溶液渗透，螺母20与外部保护装置12顶部之间采用垫片11，可调节螺杆9与螺母20之间以螺纹相接，由此通过螺母20的旋转可以带动可调节螺杆9进行上下移动，从而调节针尖电极装置13与平板微滤膜29之间的距离d1。

位于平板微滤膜29的下侧部分是下过滤腔体17，下过滤腔体17与上过滤腔体4以平板微滤膜29为对称中心上下对称。下过滤腔体17的左侧壁上部开有下入水口6，下入水口6与外部原料液相连通，下过滤腔体17的右侧壁的下部开有下出水口18。在下过滤腔体17中设置平板电极7，平板电极7为不锈钢材质，平板电极7水平地位于下过滤腔体17的中间下部，平板电极7也通过可调节螺杆9和螺母20与外部保护装置12的底部相连，可调节螺杆9通过旋转螺母20带动可调节螺杆9上下移动，由此可以调节平板微滤膜29与平板电极7的距离d2。为了防止渗透，依然在螺母20与外部保护装置12的底部相衔接的部分采用垫片11。

用固定螺杆8将外部保护装置12、上过滤腔体4、下过滤腔体17与平板微滤膜29一起进行固定，使主体部分成为一个整体。固定螺杆8的上下两端通过螺母10进行固定，在螺母10与外部保护装置12外部间通过垫片11进行防水处理。

平板电极7经过一根导电线2连接于脉冲电源发生器1，脉冲电源发生器1经另一根导电线2连接MCU控制盒27、MCU控制盒27经导线分流器30与针尖电极装置13相连。脉冲电源发生器1通过市电接口28与外部电源相连，负责进行电压与频率的转换，生成所需要的脉冲电源(电压大小V1、频率f)后供给针尖电极装置13和平板电极7，这样保证上下的针尖电极装置13和平板电极7这两个电极上的电压大小以及频率相等、方向相反。

再参见图2所示的针尖电极装置13的结构，针尖电极装置13具有阵列式布置的若干个针尖电极，若干个针尖电极从左到右布置m行，从前到后布置n列，m和n的数值根据平板微滤膜29表面积的大小的具体情况而定。若干个针尖电极均为不锈钢材质所制，都固定焊接在中空平板21上，中空平板21前后方向的水平长度为L，左右方向的水平长度为R，n列针尖电极之间的间距相等均为l，且最前方的第一列针尖电极22到中空平板21的边界之间的距离与最后方的最后一列第n列针尖电极32到中空平板21的边界之间的距离相等均为p，p值小于l值，每一列中的m个针尖电极22之间的距离也相等均为r，每一列针尖电极22左右两侧离中空平板21边界的距离均为q，那么n＝(L-2p)/l+1,m＝(R-2q)/r+1。

每一列针尖电极22中的每个针尖电极都连有一根导电线，所以每一列针尖电极连接有m根导电线，以最后一列第n列针尖电极32为例，与该列针尖电极32相连的m根导电线经过中空平板21内部，再通过一个中空管19后与一个导线分流器30相连。导线分流器30将连接于MCU控制盒27的一根导电线2分流为m根导电线后给第n列针尖电极32的m个针尖电极32供电。每一列针尖电极的排布方式以及供电方式和第n列针尖电极32相同，即每一列针尖电极都对应地经一个中空管19连接一个导线分流器30，因此总共有n个中空管19以及n个导线分流器30，n个导线分流器30均连接MCU控制盒27。针尖电极装置13由MCU控制盒27进行控制，第一列针尖电极22、第二列针尖电极31……第n列针尖电极32在MCU的控制下进行循环通电，每次只有一列针尖电极在运行，其余的处于停止状态，每一列的运行时间由现场情况而定，假设为t(s)。

可调节螺杆9的下端与针尖电极装置13的中间部位相连，针尖电极装置13上部除了可调节螺杆9还连n个中空管19，n个中空管19垂直于装置中并且水平排列于一条水平线上，下一端与针尖电极装置13相连，上端穿透外部保护装置12通向装置外部，穿透部分高度略高于外部保护装置12顶部外壁，与中空管19数量相同的导线分流器30依次安放在中空管19的上部，导线分流器30一端与MCU控制盒27相连，一端与中空管19内的导电线相连。

如图3所示的本实用新型的电气控制图，本实用新型由MCU控制盒27进行控制。MCU控制盒27包括电源模块、MCU处理单元、第一继电器模块、第二继电器模块……第n继电器模块。电源模块为MCU处理单元供电，第一继电器模块、第二继电器模块……第n继电器模块和电源模块分别连接MCU处理单元，第一继电器模块、第二继电器模块……第n继电器模块由MCU处理单元进行控制后又分别与第一列针尖电极、第二列针尖电极……第n列针尖电极相连。脉冲电源发生器1一端接市电接口28为脉冲电源发生器1进行供电，另一端与MCU控制盒27中的MCU处理单元相连，MCU处理单元用于控制脉冲电源发生器1输出的电源大小V1以及频率f。

参见图4所示的杂质粒子在非均匀电场中受力情况分析图，以第一列针尖电极22为例，第一列针尖电极22总共有m个针尖电极，分别定为针尖电极22-1、22-2……22-m，整个装置的上下形成电场的一对电极一个是平板电极7的平板型，一个是针尖电极装置13的针尖型，因此在空间形成一个由针尖电极装置13的针尖往平板呈放射状的电场，该电场的方向从垂直方向一直在改变，因此为非均匀电场。在此以第一列针尖电极22带正电，平板电极7带负电为例，因此第一列针尖电极22为正极，平板电极7为负极，针尖电极22-1产生电场由电力线24表示、针尖电极22-2产生的电场由电力线25表示、由于上过滤腔体4内的杂质粒子26带负电，因此在电场中受到力的作用，每个针尖电极22-1、22-2、22-3…..22-m所产生的电力线都对杂质粒子26粒子有力的作用，因此杂质粒子26在该电场中受到多个力的作用，所受到的力为各个电场力的合力，由于是非均匀电场，合力的方向大体指向正向电极的方向但并不垂直于平板微滤膜29表面，而是存在一个角度。随着实验的进行，在平板微滤膜29的膜孔23中也会有杂质粒子26的堆积，这些杂质粒子26对膜孔23造成堵塞作用，致使膜的渗透通量下降，装置效率降低，而在本装置中，由于造成膜孔23堵塞的杂质粒子26也受到电场力的作用，力的方向大体指向正向电极的方向即针尖电极的方向但并不是垂直于平板微滤膜29，而是与平板微滤膜29之间呈现角度θ(θ≠90°)，当变换针尖电极列通电的时候，这些杂质粒子26的方向就会发生改变，特别是膜孔23内沉积的杂质粒子受力角度又发生变化，由此不停受到不同方向的力的作用。

如图5所示的本实用新型的实验流程图，首先调节脉冲电源发生器1，使之产生合适的脉冲电压，电压大小V1，频率f，再设定每一列针尖电极的运作时间t(s)(t>1/f)，针尖电极装置13的总列数n，以及实验运作总时间T(s)(T＝knt，k∈R)，然后通过转动螺母20调节可调节螺杆9，将针尖电极装置13与平板微滤膜29之间的距离d1以及平板电极7与平板微滤膜29之间的距离d2调节至合适的位置。通过MCU控制盒27控制脉冲电源发生器1开始工作，产生脉冲电压(电压大小V1、频率为f)，此时针尖电极装置13以及平板电极7都通上电源，并控制针尖电极装置13中第一列针尖电极22开始通电工作，于是在上过滤腔体4和下过滤腔体17内部形成发射状的电场。再将料液从入水口3和入水口6进入装置的上过滤腔体4和下过滤腔体17内，由于只让第一列针尖电极22工作，因此着重影响平板微滤膜29靠近第一列针尖电极22的一侧部分，料液中的杂质粒子26一般都带负电，因此杂质粒子26随着料液进入装置后受到电场力作用，电场力的大小和方向为杂质粒子26在针尖电极22-1、22-2……22-m所产生的电力线中所受力的合力，那些吸附在膜表面的杂质粒子26也受到一个力的作用，膜孔23中某些已经堆积沉淀的杂质粒子26也同样受到电场力的作用，由于是非均匀电场，因此受力方向并不是垂直于膜表面的，方向与膜表面的角度为θ。当半个周期(1/2f(s))后，将脉冲电源发生器1的正极与负极对调，即让针尖电极装置13通负电，平板电极7通正电，使得所有杂质粒子26的受力方向发生180°翻转的突变，由于脉冲电压方向不停的变化，电场方向也在不停的改变，如此循环，即产生一个交替变化的非均匀电场，那么杂质粒子26就在膜面与电极之间做来回运动，这样杂质粒子26既不会吸附于膜表面，也不会在电极表面进行聚集，随着进入装置的水流从上出水口14和下出水口18流出，滤过液则通过平板微滤膜29从取水口5通向外部。对于在膜孔23内的某些已经堆积沉淀的杂质粒子26，不同于寻常电场的作用，不停的受到方向不垂直于膜表面的力的作用，来回进行松动，当过了时间t(s)后，由MCU控制盒27控制第一列针尖电极22停止工作，第二列针尖电极31开始通电重复上述过程，此时膜孔23内杂质粒子26再次受到力作用，但受力角度又发生了变化，使得膜孔内杂质粒子26又在不同角度受到来回松动的力，当又过了时间t(s)后，由MCU控制盒27控制第二列针尖电极31停止工作，第三列针尖电极开始工作，由此一直到第n列针尖电极32开始通电重复上述过程。因此本发明是在经过针尖电极的运作时间t(s)后，控制上一列针尖电极停止通电，再控制下一列针尖电极通电，在下一列针尖电极通电工作半个周期后，将脉冲电源发生器1的正极与负极对调；如此循环直至最后的第n列针尖电极工作结束。在此过程中，膜孔23内杂质粒子26受力角度一直在发生变化，膜孔23内杂质粒子26在这些不停变换角度的力的不停作用下，得以松动，当松动到一定程度，膜孔23内某些杂质粒子26就可以随着水流带出膜孔，由此平板微滤膜29的通量得到一定的恢复。此时判断是否到达设定的实验运作总时间T(s)，如果没有达到设定时间T(s)，那么重新开始，第一列针尖电极22开始运作，其余列针尖电极停止运作，由此循环；如果到达设定时间T(s)，那么MCU控制盒27控制系统停止运作，实验结束，整理数据。

Claims (3)

1.一种交替非均匀电场减缓膜污染实验装置，包括外部保护装置（12）和平板微滤膜（29），位于平板微滤膜（29）上侧部分是上过滤腔体（4），位于平板微滤膜（29）下侧部分是下过滤腔体（17），下过滤腔体（17）与上过滤腔体（4）以平板微滤膜（29）为对称中心上下对称，其特征是：上过滤腔体（4）内部设有针尖电极装置（13），针尖电极装置（13）连接垂直的一个可调节螺杆（9）下端，可调节螺杆（9）上端向上伸出外部保护装置（12）顶部外；下过滤腔体（17）中设置平板电极（7），平板电极（7）通过另一个可调节螺杆（9）与外部保护装置（12）底部相连；平板电极（7）经过一根导电线（2）连接于脉冲电源发生器（1），脉冲电源发生器（1）经另一根导电线（2）连接MCU控制盒（27），MCU控制盒（27）经导线分流器（30）与针尖电极装置（13）相连；针尖电极装置（13）具有从左到右布置m行、从前到后布置n列的阵列式针尖电极，每个针尖电极均连接一根导电线，每一列针尖电极中的m根导电线均经一个中空管（19）后与一个导线分流器（30）相连，n个导线分流器（30）均连接于MCU控制盒（27）。

2.根据权利要求1所述交替非均匀电场减缓膜污染实验装置，其特征是：上过滤腔体（4）左侧壁上部设有与外部原料液相连的上入水口（3），上过滤腔体（4）右侧壁下部设有上出水口（14）；下过滤腔体（17）左侧壁上部开有与外部原料液相连通的下入水口（6），下过滤腔体（17）右侧壁的下部开有下出水口（18）。

3.根据权利要求1所述交替非均匀电场减缓膜污染实验装置，其特征是：在可调节螺杆（9）与外部保护装置（12）相衔接的部分处设螺母（20），螺母（20）与外部保护装置（12）之间设垫片（11），可调节螺杆（9）与螺母（20）之间以螺纹相接。