TWI532981B - 用於檢測過濾薄膜失效及流體中阻塞物的方法及設備 - Google Patents

Description

用於檢測過濾薄膜失效及流體中阻塞物的方法及設備

【相關申請案之交互參照】

本專利申請案主張2006年5月10日提出申請之美國專利臨時申請案第60/799,011號的權益，且其全部內容併於本文以作為參考。

本發明大體上是有關於檢測方法和設備，且更特別是有關用於檢測過濾薄膜之完整性、或在流體中之阻塞物的設備和方法。

在薄膜過濾程序中所使用之薄膜可以因為各種理由而失效。傳統上，此種失效已採用例如是微粒計數或監測流動內容物之技術來加以檢測。一種傳統式微粒計數技術檢測在來自過濾薄膜之流出物中的微粒所導致的雷射光散射。用於監測流動內容物之其他技術包括微粒感測、濁度監測和微生物監測。這些傳統檢測技術每一種都具有例如是成本高、靈敏度低或反應時間長的缺點。也有所謂的離線檢測技術，其僅能夠在過濾程序暫停或在過濾薄膜被取出而離開生產線時檢測故障現象。

於是，需要提供另外一種替代的檢測技術。

因此，依照本發明第一項觀點提供了一種用於檢測過濾薄膜之失效的方法。該方法包含：將從過濾薄膜流出之出流物導引滲透通過第一滲透膜，且從第一滲透膜滲透通 過第二滲透膜；決定介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的比率，其中P₁為第一薄膜之進流側的第一壓力，P₂為介於第一薄膜與第二薄膜之間的第二壓力，且P₃為第二薄膜之滲透側的第三壓力；以及使得該比率與過濾薄膜之失效有關聯。

當該比率和比率之時間導數的至少其中之一高於個自的臨界值時，該關聯作用可以包含決定過濾薄膜是處於失效狀態。比率的個自臨界值是3，而比率導數的個自臨界值是0.01。例如當比率在一定範圍內時，藉由決定阻塞物存在於出流物中，該比率亦可以與在出流物中存在著阻塞物有關聯。該範圍可以是從0.1到50，例如從1.5到3。該比率可以藉由感測第一壓力、第二壓力和第三壓力，且計算在時間t的比率π(t)而決定，其中π(t)=【P₁(T)-P₂(T)】/【P₂(T)-P₃(T)】。該方法亦可以包含呈現出關聯結果予使用者。經過第一薄膜和第二薄膜的流率可以是從1毫升/分鐘到500毫升/分鐘，例如從20毫升/分鐘到60毫升/分鐘。在到達第一薄膜之進流側內的計示壓力可以是從1kPa到95kPa，且在第二薄膜滲透側內的計示壓力可以是從-100kPa到100kPa，例如從-100kPa到0kPa。越過第一薄膜與第二薄膜所建立的壓力差則可以是從0kPa到1,000kPa。

依照本發明另一項觀點，提供了一種用於檢測過濾薄膜失效的設備。該設備包含：第一滲透膜和第二滲透膜，每個滲透膜均具有一進流側和一滲透側；一個用於將出流物從過濾薄膜導引至第一薄膜及從第一薄膜導引至第二薄 膜的導管；一個用於製造出代表在第一薄膜進流側之第一壓力P₁之壓力訊號的第一壓力感測器；一個用於製造出代表在第一薄膜與第二薄膜之間之第二壓力P₂之壓力訊號的第二壓力感測器；一個用於製造出代表在第二薄膜滲透側之第三壓力P₃之壓力訊號的第三壓力感測器；以及一個與該等複數個壓力感測器的每個都相連通的資料處理單元。該資料處理單元是用於接收來自壓力感測器的壓力訊號，依據該壓力訊號來計算出介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的比率；以及使得該比率與過濾薄膜之失效有關聯。

於時間t的比率π(t)可以被計算為π(t)=【P₁(T)-P₂(T)】/【P₂(T)-P₃(T)】。當該比率和比率時間導數的至少其中之一高於個自的臨界值時，該關聯作用可以包含決定過濾薄膜是處於失效狀態中。該比率的個自的臨界值可以是3，且該比率導數個自的臨界值可以是0.01。資料處理單元可以被用來使得該比率與出流物中阻塞物的存在有關聯。當比率在一定範圍內，該資料處理單元可以被用來決定在出流物中存在著阻塞物。該範圍可以是從0.1到50，例如從1.5到3。該設備更可以包含一個用於建立起越過第一薄膜與第二薄膜之壓力差的流體泵，用以將流體驅動流經第一薄膜和第二薄膜。該壓力差可以是介於0kPa到1000kPa之間。至少第一薄膜所具有的平均孔隙尺寸是從0.05微米到5微米。至少第一薄膜可以包含複數個薄膜層。

依照本發明另一項觀點，所提供的一種流體處理系統 包含以上所描述之設備和一過濾薄膜。該設備與過濾薄膜相連通，用於接收來自過濾薄膜的出流物。該流體處理系統更包含一個用於控制該系統之操作的控制單元，該控制單元則是與資料處理單元相連通，用於反應關聯性來控制操作狀況。

依照本發明之另外一項觀點，所提供的是一種檢測在出流物中之阻塞物的方法。該方法包含導引流體滲透通過第一滲透膜及從第一薄膜滲透經過第二滲透膜；決定一個介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的比率，其中P₁為第一薄膜之進流側的第一壓力，P₂為介於第一薄膜與第二薄膜之間的第二壓力，且P₃為第二薄膜之滲透側的第三壓力；以及使得該比率與在流體中阻塞物的存在有關聯。當比率高於一臨界值時，該關聯作用可以包含決定阻塞物是存在於流體內。該臨界值可以是從0.1到50，例如1.5。該比率則是藉由感測第一壓力、第二壓力和第三壓力，且計算得到於時間t的比率π(t)而決定，其中π(t)=【P₁(T)-P₂(T)】/【P₂(T)-P₃(T)】。

依照本發明另一項觀點，其中提供一種用於檢測流體內之阻塞物的設備。該設備包含第一滲透膜和第二滲透膜，每一個滲透膜均具有一進流側和一滲透側；一個用於導引流體至第一薄膜及從第一薄膜至第二薄膜的導管；一個用於產生代表著在第一薄膜進流側之第一壓力P₁之壓力訊號的第一壓力感測器；一個用於產生代表在第一薄膜與第二薄膜中間之第二壓力P₂之壓力訊號的第二壓力感測 器；一個用於產生代表在第二薄膜滲透側之第三壓力P₃之壓力訊號的第三壓力感測器；以及一個與複數個壓力感測器知其中每一個都相連通的資料處理單元。該資料處理單元是用於接收來自壓力感測器的壓力訊號，依據該等壓力訊號來計算一個介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的比率；以及使得該比率與在流體內阻塞物的存在有關連。在時間t時的比率π(t)可以被計算為π(t)=【P₁(T)-P₂(T)】/【P₂(T)-P₃(T)】。當比率高於一臨界值時，該關聯作用可以包含決定阻塞物存在於流體內。該臨界值可以是從0.1到50，例如1.5。至少第一薄膜所具有的平均孔隙尺寸是從0.05微米到5微米。

檢視與隨附圖式相結合之本發明特定實例的下列描述內容，熟習該項技術者將可明確得知本發明之其他觀點與特色。

圖1A和圖1B概略說明作為本發明示範性實例的以薄膜為基礎的檢測設備100。設備100包括一個薄膜模組101，該薄膜模組101包括第一薄膜102和第二薄膜104，該二薄膜係被配置於一流體導管106內且分隔開。薄膜102具有一進流側108和一滲透側110，且薄膜104具有一進流側112和一滲透側114。壓力感測器116、118、120被配置於導管106內，分別用於感測在薄膜102之進流側108的壓力(P₁)、介於薄膜102與薄膜104之間的壓力(P₂)、和在薄膜104滲透側的壓力(P₃)。壓力感測器116、118、 120是與一資料處理單元122相連通，如同將於下文詳述的，該資料處理單元是被用來處理從壓力感測器116、118、120所接收到的壓力訊號，且使得此種處理結果與一即將被檢測之狀態有關聯。

如已描述的，薄膜102、104具有大致上是圓盤的形狀。在一項實例中，每個薄膜102、104所具有的截面積大約是0.6平方公分和厚度大約為125微米。在不同實例中，厚度可以是從20微米到500微米。每個薄膜102、104的形狀或尺寸在不同實例中可以改變。舉例而言，每個薄膜102、104的截面積是從0.1平方公分到100平方公分。

每個薄膜102、104都是滲透膜。滲透膜有選擇性地容許某些物質滲透經過其中，但是不容許其他物質通過。因此，每個薄膜102、104都是多孔性的且容許滲透物質從薄膜之進流側通過而進入薄膜滲透側。舉例而言，薄膜102可以是微孔性且具有0.05微米到5微米之平均孔隙尺寸。薄膜104可具有相似或不同的構造。薄膜104可以具有比薄膜102平均孔隙尺寸更小的平均孔隙尺寸。薄膜之平均孔隙尺寸可採用在此項技術中習知的任何適宜技巧來決定。舉例而言，孔隙尺寸可以依據使得薄膜可能保有選擇程度效率的微粒尺寸或直徑來決定。

薄膜102被選擇成使得給定阻塞物在進流至薄膜102時可能導致薄膜102產生積垢。積垢是造成薄膜性能降低的過程，積垢現象則是由懸浮固體或溶解固體沈積於外側薄膜表面上、沈積於薄膜孔隙上或是沈積於薄膜孔隙內所 產生。典型阻塞物是尺寸大於薄膜102孔隙尺寸的微粒。其他類型的可能阻塞物則為熟習該項技術者所習知，且包括其他由於其化學性質或物理性質而在薄膜表面上具有高度吸附性的材料。因此，薄膜102(和薄膜104)的材料與構造可以依據所欲施行的應用來改變。

不同的適宜薄膜材料在市面上是可以得到。可以被使用於薄膜102或104的薄膜材料應用實例包括醋酸纖維(CA)、親水性聚偏二氟乙烯(PVDF)、疏水性聚偏二氟乙烯(PVDF)、疏水性聚四氟乙烯(PTFE)或類似物質。在這些薄膜材料中的孔隙尺寸可以改變，例如是從0.2微米到0.8微米。可以選擇孔隙尺寸，使得例如是大型微粒的選擇阻塞物將於至少第一薄膜102處形成積垢。舉例而言，醋酸纖維(CA)薄膜所具有的平均孔隙尺寸為0.2微米、0.4微米或0.8微米；聚偏二氯乙烯(PVDF)薄膜所具有的平均孔隙尺寸為0.22微米或0.45微米；且疏水性聚四氟乙烯(PTFE)薄膜所具有的平均孔隙尺寸為0.45微米或1.0微米。

如同先前所提及的，在薄膜模組內之薄膜可以具有相同或不同的特徵、性質和構造。每個薄膜102、104都可由單一薄膜材料或是不同材料的組合所組成。舉例而言，每個薄膜102、104都可由單一薄膜層或多重薄膜層所組成，其中每個薄膜層都可由不同薄膜材料形成，或具有不同的孔隙性質，例如不同的孔隙尺寸或孔隙率。不同的薄膜或薄膜層則亦可具有不同厚度。

為了加以說明，薄膜模組101的一些替代實例表示於圖1C到圖1D中。如圖1C所示，在一項實例中，薄膜102可具有二個薄膜層102A和102B，且薄膜104可具有單一層。如圖1D所示，在另一項實例中，薄膜102和104二者皆可為雙層。薄膜層102A、102B、104A、104B可以具有不同的化學性質或物理性質，例如孔隙尺寸、組成材料、厚度或其他類似性質。

圖1E說明一種管狀薄膜模組126，用以取代薄膜模組101。薄膜模組126包括一個內側管狀薄膜128(對應至薄膜102)、一個外側管狀薄膜130(對應至薄膜104)，以及管狀外殼132。流體142可進流至內側流道140，且滲透過薄膜128、130。滲透物質是從薄膜130與外殼132之間被收集得到。如圖所示，壓力感測器116、118、120被安置於流體通道內。

導管106具有圓形截面，或是具有不同形狀，例如正方形、長方形、橢圓形或類似形狀。截面積亦可以改變。在一項實例中，截面積大約是0.6平方公分。導管106之材料、形狀和尺寸是被選擇來配合薄膜102和104，且符合所欲應用的需求。舉例而言，界定導管106的模組主體是由能夠抵抗選擇化學品，例如酸、鹼、溶劑或類似物質，之材料所組成。該材料例如是能夠承受次氯酸鈉。該材料亦可以被加以選擇，使得其相當容易被機械加工且在例如從攝氏0度到攝氏150度的廣大溫度範圍內保持功能。適宜的材料可包括不銹鋼316、耐化學品的高分子塑膠，例如壓 克力或聚甲基丙烯酸甲酯、固體鑯弗龍、聚碳酸酯，或類似材料。

壓力感測器116、118、120可包括電子壓力轉能器或任何其他適宜壓力感測器。來自電子壓力轉能器的輸出訊號可以是數位式或類比式。在類比訊號之情況中，可以提供類比數位轉換器(未表示於圖中)來將類比訊號轉換成數位訊號。輸出訊號可以包括電壓訊號或電流訊號，或是電壓訊號和電流訊號兩者均有。輸出訊號是依據在導管106個別區域內的流體壓力而改變。壓力感測器可以被選擇，使得輸出訊號以線性方式與在對應區域內之壓力相依。

每個壓力感測器都可以被選擇成使得其適合用於感測出在例如是從-100kPa到10,000kPa之選擇壓力範圍內的壓力。壓力感測器的部位及將壓力感測器連接至導管106的接口(未表示於圖中)可能會曝露至流體124，應該能夠抵抗存在於流體124內的化學物質。舉例而言，該連接接口可以由不銹鋼316或類似材料製成。壓力感測器亦可以被選擇用來在例如是從攝氏0度到攝氏150度的選擇溫度範圍內操作。

雖然未表示於圖中，可以了解的是，壓力感測器可以具有用於接合在模組101內之連接接口的螺紋體部位。舉例而言，壓力感測器之螺紋體可以包括一公螺紋，且該連接接口可以具有匹配的母螺紋。螺紋體的直徑可以是從1/4吋到1/8吋。

資料處理單元122可以包括用於接收來自壓力感測器 之壓力訊號的通訊元件(未表示於圖中)，及一個用於依據壓力訊號而計算得到每個薄膜102、104之透膜壓力(TMP)和計算得到透膜壓力比率的處理器(未表示於圖中)。薄膜的透膜壓力為跨越薄膜的壓力差，或是介於進流側之壓力與滲透側之壓力之間的壓力差。如同以下將更進一步討論的，透膜壓力的比率係表示薄膜102的性能，且該比率可能與在薄膜102之進流中存在著任何阻塞物有關聯，或與是否上游的過濾薄膜已失效有關聯。資料處理單元122可以被用來施行此種關聯作用和將關聯結果傳送予使用者。或者，資料處理單元122可以被用來將該比率通知或傳送予使用者、或是通知或傳送予另一計算裝置來施行該關聯作用。

如將在下文中將更明確的，資料處理單元122包括被用來計算和控制系統的任何適宜計算或控制硬體，其中包括傳統式硬體和標準元件。舉例而言，可以使用標準型電腦處理器(未表示於圖中)，且一個標準型比率積分導數(PID)控制器(未表示於圖中，但可參考圖4)可以被使用於資料處理單元122中。資料處理單元122亦可以包括一個例如是可攜式電腦或個人電腦，或類似者(未表示於圖中，但可參考圖4)。例如是控制器或電腦之傳統式元件或是硬體可以加以程式設計，用以施行在此所描述之必要和選擇的功能與計算工作。資料處理單元122亦可以包括用於各種目的之其他元件和軟體，其中包括如同熟習該項技術者所習知的記憶儲存、資料傳送、輸入/輸出、顯示裝 置和類似裝置。記憶儲存裝置可以儲存資料和電腦執行碼，應用一個與該記憶儲存裝置相連通的處理器來施行在此所描述之特定功能和計算工作。

如圖2所說明的，設備100可以被用來作為薄膜完整性之檢測器。為了簡化其內容，僅有設備100之薄膜模組101被表示於圖2中，且設備100的某些特徵，例如壓力感測器和資料處理單元，則被省略。薄膜式流體處理系統200的一部份亦被表示於圖2中。如圖所示，系統200包括一個用於接收出流物204的管路202，該出流物是來上游過濾薄膜206的滲透物。到達過濾薄膜206的水流亦被稱為進流物208，該進流物208則是即將被處理或過濾的廢水或任何流體。設備100是與管路202相連通，該管路202是用於接收至少一部份出流物204進入至導管106內，作為薄膜102的進流物。設備100可以被用來檢測出過濾薄膜206的失效，同時，將進流物208和出流物204的連續流動狀況維持住。

當來自薄膜之滲透物質包含大量的在過濾薄膜正常工作狀態下，不應該存在滲透物質內的物質時，過濾薄膜就會失效。過濾薄膜可能因為數項理由而失效。舉例而言，在過濾薄膜內的纖維可能會斷裂，因此，孔隙尺寸變大，或是孔洞或裂縫會展而穿過薄膜。

為了說明之目的，假設進流物208包含與薄膜102相對之阻塞物。亦即是當阻塞物進給至薄膜102時，薄膜102則將開始積垢。亦假設：當過濾薄膜206是在正常操作狀 態下，過濾薄膜206將過濾出或是保有至少大部份的阻塞物，使得出流物204大致上是未含有此種阻塞物。但是當過濾薄膜206失效時，阻塞物則將存在於出流物204中和被進給至薄膜102。

如圖1B和圖2所示，在操作中，至少有一部份的出流物204被導引至導管106內，而以箭頭124所示之方向流經薄膜102和接著流經薄膜104。藉由於跨越薄膜102與104之間建立壓力差、藉由加壓進流側108(稱為加壓模式)、從滲透側114抽出流體(稱為真空模式或吸引模式)，或是二者均可(加壓-吸引模式)，可以引起通過薄膜102、104的流動。一個或多個流體泵浦(未表示於圖中，但是參見圖4和圖6)可以被用來建立跨越薄膜102、104之間的壓力差。經過導管106的流動速率可能相當低，例如是從20毫升/分鐘到60毫升/分鐘。然而，在不同的實例中，流動速率可以是從1毫升/分鐘到500毫升/分鐘。跨越薄膜102與104之間的總壓力差可以是介於0kPa與1,000kPa之間。當於加壓模式中運作時，從1kPa到95kPa的壓力(表壓力)可以被應用於薄膜102之進流側108，且在薄膜104之滲透側114的壓力可以較低，例如是在環境壓力或大氣壓力下。在吸引模式中，薄膜104之滲透側114的壓力是從-100kPa到100kPa，例如是從-100kPa到0kPa(表壓力)，且在薄膜102之進流側108的壓力可以較高，例如是在環境壓力或大氣壓力下。

在薄膜102之進流側108處流動的流體壓力P₁可以由 壓力感測器116來感測和監控。在薄膜102與104之間流動的流體壓力是由壓力感測器118來感測和監控。在薄膜104之滲透側114處流動的流體壓力P₃是由壓力感測器120來感測和監控。

由壓力感測器116、118、120所產生之壓力訊號被傳送至資料處理單元122，且被該資料處理單元122所接收。

在特殊實例中，資料處理單元122可以反應於在時間t所接收到之檢測壓力訊號而計算得到比率π，比率π為：π(t)=【P₁(T)-P₂(T)】/【P₂(T)-P₃(T)】(1)

如可以察知的，【P₁(T)-P₂(T)】為薄膜102的透膜壓力，【P₂(T)-P₃(T)】為薄膜104的透膜壓力，且π為該二透膜壓力的比率。比率π(t)可以隨著時間而改變，且可以與存在於出流物204中的阻塞物有關聯，因此，與上游過濾薄膜206的失效有關，如接下來將會解釋的。為了簡化，π(t)、P₁(t)、P₂(t)和P₃(t)亦被表示為π、P₁、P₂和P₃，在此應了解的是，這些參數與時間有關。只要在公式(1)中表示的壓力是一致的，壓力可以表示為絕對壓力或表壓力。

當出流物204、及因此是流體124、大致上沒有阻塞物時，可以預期的π值將保持為相對固定的，且其時間導數d π/dt(單位：1/分鐘)將會是0或接近0。然而，當出流物204和流體124包含足量的阻塞物時，薄膜102將開始產生積垢。結果，薄膜的性能將會劣化且π值將增加。由於當 過濾薄膜206尚未失效時，可能存在緩慢的積垢現象，但是當過濾薄膜206失效後，積垢速率則快速增加，造成d π/dt上升，所以π值的變化速率，亦即時間導數d π/dt，亦會增加。因此，比率π或其時間導數d π/dt可能與上游過濾薄膜206的失效有關聯。在若干情況中，d π/dt可能比π值對於阻塞物存在或是過濾薄膜的失效更加敏感。

具體地說，當過濾薄膜206失效時，在進流物208內的阻塞物可以通過過濾薄膜206且存在於出流物204內，且隨後被進給至薄膜102。相當數量阻塞物被進給至薄膜102的結果將導致該薄膜102產生積垢，進而導致π和d π/dt顯著增加。於是，藉由監控π或d π/dt的變化，上游過濾薄膜206的完整性得以被監控。

比率π或d π/dt與過濾薄膜206之操作狀態的關聯性如下。

可以針對每個π和d(π)/dt預先選擇正常操作範圍與失效範圍。為了說明之目的，假設π的正常範圍是從a到b，且失效範圍是高於臨界值c，其中a、b和c為常數。用於d(π)/dt的對應常數則分別是以下標”d”來表示，例如a_d、b_d和c_d。這些常數的數值是依據計算、經驗或測試結果來預先選擇。可以依據特殊應用方式使用不同的數值。許多因素，例如操作壓力、相關流體性質、經過二薄膜102和104之流體流率及類似項目，可能會影響以上數值的選擇。在一些情況中，數值可以經由測試運轉來決定。舉例而言，未含任何阻塞物之潔淨測試流體和包含已 知份量阻塞物之測試流體可以被使用於個別的測試運轉中，以決定範圍和臨界值。只要b or b_d的數值足以設定出指示大量積垢之臨界值，可以任意選擇b or b_d的數值。在監測過程中，可以調整該等常數。

在一項實例中，參數可以被選擇為a=a_d=0，b=1.5，b_d=0.001，c=3，c_d=0.01。在另外的實例中，每個a、b、c是從0到大約100之範圍內所選擇得到的數值；且每一個a_d、b_d和c_d則是從0到大約10之範圍內所選擇得到的數值。在一些實例中，參數b具有從0.1到50的數值。如可以了解的，這些參數必須符合下列條件：a<b<c和a_d<b_d<c_d。

當a<π<b，或a_d<d π/dt<b_d (2)

可知上游過濾薄膜206目前是在正常工作狀態下。

當π>c，或d π/dt>c_d (3)

可知上游過濾薄膜206是在失效狀態下。

當b≦π≦c，或b_d≦d π/dt≦c_d (4)

可知出流物204包含某份量的阻塞物，但是上游過濾薄膜206仍不是處於失效狀態下。

雖然可以單獨使用π或d π/dt，但是在某些應用中，採用二條件可以得到更佳的敏感性、精確度或可靠性。

依據公式(2)到(4)中何者為正確，可以藉著資料處理單元、用於系統200之控制單元(未表示於圖中)，或是人工操作者來採取不同的動作。

舉例而言，倘若公式(2)為正確，可以容許上游過濾 程序持續進行。或者，表示正常操作狀況，例如”操作正常”，的訊號可以產生、顯示予使用者，或是傳送至遠端位置。反應於此訊號，可以依據上游處理系統是處於良好工作狀況下的期待，容許正在進行的過濾程序持續進行，或是可以開始進行新的處理程序。可以預先設定一個或多個觸發狀況，且當檢測到此種觸發狀況時，特定的適宜動作或反應是由一控制單元自動地或由一人工操作者來施行。

倘若公式(3)為正確，例如”薄膜失效”的訊號可以產生和顯示，不然就是被通訊予使用者或控制單元(未表示於圖中，但是參見圖5)。該訊號例如經由包括網際網路的網絡而被傳送至遠端位置。也可以產生聲音訊號或視覺訊號來警示操作者或是另一使用者。反應於接收的失效訊號，使用者或用於系統之控制單元可以藉由採取適宜動作來反應，該適宜動作例如暫時停止過濾程序、更換或修復已失效或破損的薄膜，或是類似動作。因此，系統可以在遠端被監視和控制。

倘若公式(4)為正確，可以預期的是會發生某種積垢現象，代表著阻塞物是存在於出流物204內，但是阻塞物的量尚未大到足以表示過濾薄膜206之失效。或者，例如是”操作異常”的訊號可以提供予使用者，使得使用者注意到或是採取適宜動作。舉例而言，其可能是：可能必須更換在系統中所使用的重複循環運送流體，或可能需要清理上游流體容器、或是上游過濾薄膜206可能接近其使用壽命且在真正失效之前必須加以更換。因此，也可以採取預先 的防範動作。

以上所述之本發明實例提供某些益處。舉例而言，過濾薄膜的狀態或完整性可以使用檢測設備100而連續地於線上被監測。檢測設備可以相當簡易，且製造與操作成本便宜。例如，壓力感測器相當便宜，且介於壓力感測器、資料處理單元與可能控制單元之間的電子通訊能夠採用成本亦相當便宜的傳統式技巧來施行。舉例而言，可以使用可能已設在現有設備內之傳統式電腦作為資料處理和控制單元的一部份。因此，可以避免額外的設備成本。採用本發明實例也可以降低維修成本。檢測設備可以相當精簡。

本發明實例的低成本和簡易性使得其適合用於分散式或小型流體處理系統或設施。針對大型處理設施，本發明實施例的應用也可以相當便宜。

上述實例是毋須技術熟練的操作人員來操作和維護。設備的元件可以全部是在一般使用在流體處理設施中的類型，且不需要特別的元件。因此，由於毋須特別的技能或訓練，勞力成本亦很低廉。

設備100亦可以方便使用於施行其他功能，取代監測上游薄膜的完整性。舉例而言，該設備可以用於線上流體品質測試，例如在逆滲透(RO)廢水處理設施中的水質測試，取代污泥密度指數(SDI)測試。該設備亦可以被用來檢測特定阻塞物的存在，例如溶液中之微粒。

舉例而言，可以採用包含不同已知濃度阻塞物之流體，來預先決定介於選定阻塞物濃度與比率π(或d π/dt) 之間的關係。該項關係可以用資料庫、表格、圖形、經驗公式或類似方式來儲存。在實際操作期間中所檢測到之比率π(或d π/dt)係與儲存數值做比較，或是用於輸入至經驗公式，用以推導出在測試流體中阻塞物的測量濃度。

由於比率π對於流率的變化較不敏感，故毋須精確控制流率。

以上所描述之實施例可以被修改成例如是以下所描述的內容。

在一些不同實例中，π值可以採用簡化和概略之方式來計算。舉例而言，當P₂>>P₃時，公式(1)可簡化為：π(t)≒【P₁(t)-P₂(t)】/P₂(t) (1a)

當P₁>>P₂，且P₂>>P₃時，公式(1)可簡化為：π(t)≒P₁(t)/P₂(t) (1b)

在以上二種情況中，不需要監測壓力P₃。當P₁相當高和P₃維持接近0(表壓力)時，公式(1a)或(1b)可以被用來計算π值。以上狀況可能存在於例如當設備100在加壓模式下操作。雖然對於公式(1)，壓力可以被表示成為絕對壓力或表壓力，但在公式(1a)和(1b)中，壓力則必須被表示成為表壓力。

或者，π值可以採用其他適宜方式來計算。舉例而言，在公式(1)中的透膜壓力可以是相反的。

當π值使用不同形式或不同公式來計算時，在公式(2)到(4)中的範圍和臨界參數可能會不同，且可能需要加以調整或重新選擇。

不同形式的π值可以於給定應用中提供不同性能表現。因此，最佳形式的π值是可以在給定實例中被加以選擇。例如一種形式的π值相較於其他形式，可以在給定狀態下提供較佳的敏感度。在一些應用中，必須要將監測的程序及設備保持很簡單，此時，當簡化形式可以提供令人接受的結果時，可以使用簡化形式的π值。適宜形式的π值必須是一個能夠表示薄膜性能因為積垢而劣化的可靠指標，且對於例如上游流率或壓力變化、下游壓力變化或是類似現象的外界因素較不敏感。

由於在公式(1)與公式(1b)之間，公式(1)之形式的模擬計算係比公式(1b)之形式的模擬計算，對於積垢現象較敏感。已知在上游薄膜失效之後，倘若π值是使用公式(1)來計算，正常化π值，π_正常=π(t=t_目前)/π(t=0)，將隨著時間而顯著增加，但是倘若π值是採用公式(1b)來計算，正常化π值僅略微增加。

另外，亦可以使用不同於公式(1)、(1a)和(1b)的公式來計算π值，該公式包括P₁和P₂，及選擇的P₃或是個別透膜壓力的適宜多項式函數或指數函數。在一些應用中，更加複雜形式的π值可能產生較好的敏感度。可能也需要的是，選擇形式的π值可以提供足夠敏感度或是相對較短的反應時間。反應時間是薄膜檢測器在實際失效發生之後，指示出失效狀況所花費的時間。當反應時間很短時，薄膜檢測器被視為具有良好敏感度。對於某些應用，例如是在廢水處理設施中，適宜的反應時間是在10分鐘到90 分鐘左右。

當挑選到適宜形式的π值時，可以考量π值形式是否提供良好敏感度，亦即是在正常工作狀況下，π_正常值改變多少。例如，倘若在正常操作期間，π_正常值的波動在5%的範圍內是有利的。

應注意的，當P₁和P₃保持在固定位準時，壓力P₂因為其本身或是通過薄膜102之滲透通量所產生的壓力變化，例如突然降低，可以表示例如由於上游過濾薄膜的失效而造成的流體內容物改變。然而，此種指示並非一直是可靠的。這是因為P₂和滲透通量與P₁和P₃有關，且P₂的變化可能是P₁或P₃改變、或是P₁和P₃一起改變的結果。P₁或P₃可能因為各種原因而產生變化，包括系統變動、溫度變化、上游流體壓力改變、上游出流物的流率改變或是類似因素。在吸引模式中，倘若所施加的吸引壓力改變時，P₃亦會變化。相反的，透膜壓力比率可以提供有關上游薄膜狀態之更加可靠的指示結果。一般而言，相較於個別的壓力或是個別的透膜壓力，透膜壓力比率對於系統變動和其他外部因素較不敏感。比率的函數對於外部因素亦相對不敏感。因此，比率或比率函數可以有利地用來計算π值。在這方面，及為了澄清之目的，比率與特定狀態的關聯性係包括比率函數與特定狀態之關聯性。

介於比率π與要被決定的狀態或事件、例如上游過濾薄膜的失效、之間的關聯性可以藉由選定的π值函數與個別狀態或事件的相互關聯而得到。例如，π值函數係可以 是其導數、π值多項式函數(例如是π²或類似數值)、π值的三角函數(例如是sin(π)或類似數值)、或是指數函數(例如是exp(π)或類似數值)。亦可以採用其他更加複雜的π值函數。

亦已發現的是，在相對低壓力下操作檢測設備能夠改善穩定性。在這方面，將第一薄膜進流側處的表壓力保持低於95kPa是有利的。

雖然圖1A和圖1B所描述之導管106是圓柱形的形狀，應了解的是，在不同實例中，導管可以具有其他形狀和尺寸。據此，薄膜102和104亦可以具有不同形狀和尺寸。導管和薄膜的形狀和尺寸是由採用該設備之特定應用來決定，或是依據其他例如是可獲致性、功能性、成本、相容性和類似性能的因素來挑選。

雖然平板式薄膜描述於圖1A、圖1B和圖2中，可以使用其他類型的薄膜。例如，可以使用中空纖維、管狀或螺旋纏繞薄膜。取代交互流動的配置方式，可以使用端點流或同流式配置方式。

取代直接連接至過濾薄膜之現有下游流動路徑，薄膜式檢測器可以被間接連接至上游薄膜。例如，出流物貯槽可以設在感測器設備與系統流動路徑之間，該系統流動路徑可以包括一流體箱。流體箱可以被加壓，用以提供驅動流體經過感測器薄膜所需的壓力。

選擇地，一種例如次氯酸鈉的消毒劑可以被注入流到薄膜式檢測器之進給流中，用以改善性能。次氯酸鈉可以 減少在薄膜102和104上的生物性積垢。生物性積垢可能會造成π值增加，但是無法表示上游薄膜失效。在流到薄膜102之進流物中的次氯酸鈉濃度應該限制在適宜程度內，因為高濃度次氯酸鈉亦可能會抑制包括物理性積垢的其他類型積垢的形成，該物理性積垢為因為上游薄膜失效而出現之大型微粒的沈積結果。當要添加次氯酸鈉時，薄膜102和104必須由與次氯酸鈉相容的材料製成。

圖3概略說明一種與本發明說明性實例之薄膜式檢測器302相結合之過濾薄膜設施300的可能配置方式。

設施300接收一開始儲存於上游進流物貯槽306內的進流物304。設施300可以包括一個或多個過濾(包括任何分離作用)薄膜301。進流物304經由流入管線308而進給至薄膜301。下游滲透流被輸送經過管線310而到達一滲透貯槽312。一個回流管線314將殘留於上游側上之進給流體運回到進流物貯槽306，用以再度循環使用。檢測器302是與管線310的一部份保持平行而被進流管線316和滲透管線318所連接。如同熟習該項技術者可以了解的，可以提供例如閥門、測量儀器、泵和類似元件的流體控制元件(未表示於圖中，但參見圖4)。

檢測器302更加詳細地說明於圖4中。檢測器302包括一個感測器單元302和一個控制單元322。

感測器單元320包括一個被製作成類似於在圖1A和圖1B中所示之模組101的薄膜模組324，且包括一個第一薄膜326和一個第二薄膜328，以及數位式壓力轉能器330、 332、334，數位式壓力轉能器係作為壓力感測器，且如圖所示地配置。一個微泵浦336被安裝於滲透管線318之中，用以吸引模式之操作。一個旁通管線338係將第一薄膜326的進流側經由一個調壓閥340與滲透管線318相連接。調壓閥340可以被用來調節通過管線338的流動，用以有選擇性地容許部份的出流物旁通至薄膜模組324，進而調整透膜壓力。

每個壓力感測器330、332、334都與一個比率積分導數(PID)控制模組342相連通。控制模組342被連接至一個電腦344。電腦344包括用於操作在控制單元322內之控制模組342和其他控制元件(未表示於圖中)的硬體與軟體。如同以上所討論的及熟習該項技術者可以了解的，電腦344亦可以與例如是用於設施300之控制系統的外部電子裝置、或是一個用於呈現訊號、報告、警示或類似內容予使用者之輸出裝置(未表示於圖中)相連通。在檢測器302內、及介於檢測器302與一外部電子裝置之間的電子連通可以是有線傳輸或無線傳輸。其中一些連通方式是有線的，而其他的連通方式則是無線的。

電腦344可以採用比率積分導數模組342來提供改善過的穩定性、敏感度和較低的訊號雜訊。例如，比率積分導數模組342可以採用來自壓力感測器的壓力訊號作為輸入，且輸出一個代表著比率π的比例訊號以及一個代表著d π/dt的導數訊號。例如下文所描述的，輸出訊號因此可以由電腦344來處理。如同熟習該項技術者可以了解的，一 個代表著隨著時間的π值積分的積分訊號亦可以產生且用來進行另外的計算。

可以採用電腦344，例如是使用軟體、或是軟體和硬體之組合，用以施行圖5所示之流程圖S500所說明的示範性邏輯或運算。

在S502處，壓力P₁、P₂和P₃的目前數值是依據分別從壓力感測器330、332、334所接收到之壓力訊號而得到。壓力的啟始值可以由使用者設定或是設定為0。在一些情況中，P₁或P₃可以被設定為固定值，例如如圖所示之0。在此種情況中，則毋須檢測或監控固定壓力。

在S504處，π值是依據公式(1)而從P₁、P₂和P₃計算得到。

在S506處，d π/dt是依據目前的π值和先前的π值而計算得到。t、π和d π/dt的啟始值可以被設定為0。

在S504和S506處之計算工作是在電腦344處使用測量得到的壓力來施行。或者，電腦344可以接收代表來自比率積分導數模組342之π和d π/dt的輸出訊號。

在S508處，π和d π/dt是依據公式(2)來測試，用以決定任何π和d π/dt是否在個自的預設範圍內。範圍參數的數值可以在先前啟動或於S508處輸入，且可以在監控期間加以調整。依據應用方式，確定的測試結果是需要π和d π/dt的至少其中之一，或是π和d π/dt二者皆在預設範圍內。此項結果對於以下之S512和S516亦適用。

當測試結果是確定的，在S510處，可以將報告傳送給 使用者，表示上游薄膜係正常作動中。報告可以用任何適宜方式傳送給使用者，例如到達一電腦輸出或經由一網絡(未表示於圖中)。

當測試結果是否定的，下一個測試是在S512處依據公式(4)來施行，用以決定π和d π/dt的其中之一或是π和d π/dt二者是在個自的範圍內。

當測試結果是確定的，在514處，可以將報告傳送予使用者，表示狀態是異常的，且例如大型微粒之阻塞物係存在於流體內。

當測試結果是否定的，下一個測試是在S516處依據公式(3)來施行，用以決定π和d π/dt的其中之一或是π和d π/dt二者高於個自的臨界值。

當測試報告是確定的，警示報告可以在S518處傳送予使用者，表示出上游薄膜已失效，且在來自上游薄膜之出流物中具有高濃度阻塞物。

可以在例如是S502、S522、S524和S526處測試及報告另外的先決條件。

在此，可以確認一些其他的可能操作條件。舉例而言，其中可以決定是否薄膜感測器接收任何的出流物。此種狀況則是依據dP₁/dt、dP₂/dt和dP₃/dt是否為負數，及P₁是否等於P₂(或是P₁/P₂=1)來決定。亦可以決定是否有任何薄膜102、104破損。薄膜102或104之失效的決定則是依據dP₁/dt、dP₂/dt和dP₃/dt為負數，且π值為0或接近0(表示薄膜102失效)；或是π和d π/dt有急速的增加(表 示薄膜104失效)。

在S528處、監測迴路中止，或是藉著回到S502進行下一個重複循環。在下一個重複循環中，重複指標”n”是增加1，且使用更新過的壓力值。

如可以察知的，可以用連續間隔連續監測壓力P₁、P₂和P₃。取代目前、瞬時的壓力值，經過一段先前時間間隔的每個壓力的平均值可以被用來作為目前壓力。平均壓力值可能較不容易受到在系統中之雜訊或其他變動影響。

流程圖S500僅用於說明之目的，且可以由熟習該項技術者加以修改或是予以最佳化。

檢測器302的操作類似於上文所討論的檢測設備100，其中具有熟習該項技術者已知的適宜變更內容。

實施例

裝配

與檢測器302相似之薄膜式檢測器被製作和測試。在接受測試之檢測器中所使用的感測器單元說明於圖6中。與控制單元322相似之控制單元亦被包括於接受測試的檢測器內，但是為了簡化的原因，在圖6中予以刪除。如圖6所示，除了待測試之檢測器並未與真正的薄膜設施相連接以外，接受測試之感測器單元的配置方式係類似於圖4所示之感測器單元320。此外，在待測試之檢測器中的薄膜模組是經由形成封閉迴路的管路616和618而被連接至測試燒杯600。燒杯600的容量是5公升。流體泵浦602是設置來驅動流體於迴圈內循環流動。流量計604是配置於入口 管路616，用以測量管路616中的流率。

不同的薄膜被加以測試。接受測試之薄膜是由聚偏二氟乙烯(PVDF)或醋酸纖維(CA)製造的平板式薄膜層所組成。在薄膜感測器內的總薄膜面積是0.635平方公分。所使用之薄膜、其製造廠商和由製造廠商所提供之性質概述於表I中。如表Ⅱ所列出的，接受測試之薄膜模組的第一薄膜和第二薄膜(參考圖6)每個都是由一個或二個薄膜層所組成。

實施例1(加壓模式)

在此實施例的測試中，經過薄膜模組之流率被加以變化，用以改變P₁和P₂。P₃則是相當固定於大約1大氣壓。π值是依據公式(1)計算而得。為了要計算反應時間，使用以下範圍和臨界值常數：a=0、b=1.5和c=3。

進行之測試包括穩定度測試、敏感度測試和失效測試。

在穩定度測試中，並無阻塞物添加至流體的流動循環中，且π值被監測，用以決定π值是如何隨著時間變化。在一些情況中，流率被加以改變，用以決定流率對於π值的穩定度是否有任何影響。

在敏感度測試中，阻塞物被導入循環流體中(添加至測試燒杯600)。π值的變化被監測和反應時間被決定，作為敏感度的指標。表面反應時間為介於阻塞物被添加至燒杯600內與當發現π值高於給定臨界值c之第一狀況之間的時間長度。真正或有效的反應時間是介於阻塞物首次到達在檢測器內之第一(頂部)薄膜進流側與當發現π值高於給定臨界值之第一狀況之間的時間長度。如可以察知的，有效的反應時間等於在表面反應時間與流體從燒杯600流 到第一薄膜進流側所花費時間(參考在管子內之停留時間)之間的差值。

實施例1.1(自來水測試)

在此實施例中，測試中使用的進給流體是自來水，且在一些情況中，在其中散佈的膨潤土微粒係當作阻塞物。平均膨潤土微粒的尺寸是5微米，該尺寸係藉著來自Malvern儀器^TM之Mastersizer^TM2000，採用雷射光散射技巧來決定的。橫流係通過在薄膜感測器內之頂部薄膜進流側上方，其流率是從20毫升/分鐘到50毫升/分鐘，且對應的雷諾數是從61到411。

圖7A和圖7B，以及圖8到圖11表示使用模組I所得到的測試結果。

圖7A和圖7B表示使用未含有膨潤土微粒之自來水所得到的穩定度測試結果。不同時間間隔中的流率(毫升/分鐘)如下：A-40；B-50；C-30；D-20；E-40；F-30；G-50；H-20。一般而言，P₂是在相同方向隨著P₁改變，且π值是從0.9改變到2.1。如可以從圖7A看出的，在P₁增加到高於70kPa不久後，P₂呈現下降現象或是保持相當固定，而不是隨著P₁增加。此項結果建議：當供應壓力P₁同樣地由於在自來水中之追蹤微粒所造成的積垢而高於70kPa時，該項程序是無法持續下去。在此特殊情況中，可以預期的是，為了維持良好的穩定度，供應壓力P₁必須低於70kPa。可以了解的是，可以限流率來維持穩定度。然而，在不同應用中的最大流率可以改變，因為流率係取決於其他因 素，例如進給流體之內容物。

圖8表示使用自來水和膨潤土之混合物所得到的敏感度測試結果。在頂部薄膜之進給側上的操作壓力是30kPa，且流率為30毫升/分鐘。一開始，流體僅包含自來水。在操作二個小時之後，包含膨潤土微粒的溶液被注入自來水。在流入薄膜內之水流中的膨潤土濃度是50毫克/公升(或50ppm)。直到添加膨潤土為止，π值被監測且被發現相當固定。從圖8中可以看出，在膨潤土被加入水流之後經過8分鐘，才檢測到膨潤土微粒。

圖9表示在供應壓力(P₁)上的敏感度測量結果。除了P₁改變以外，測試狀況與圖8所示之測試狀況相同。當P₁增加時，反應時間縮短，表示敏感度是隨著供應壓力增加。不限於任何特別的理論，這種情況可能是因為在加壓模式中，供應壓力與流率成比例，且較高的供應壓力有助於微粒更加快速地沈積於感測器模組內之薄膜表面上。

膨潤土濃度亦被改變，用以研究與膨潤土濃度有關的敏感度。所得到的測試結果係在二種不同供應壓力(30kPa和50kPa)下，針對二種不同膨潤土濃度，50毫克/公升和12.5毫克/公升。測試結果表示在圖10中。已發現如所預期的，當膨潤土濃度較高時，敏感度亦較高。例如在50kPa的壓力下，12.5毫克/公升之膨潤土的反應時間是6分鐘，50毫克/公升之膨潤土的反應時間則是大約2分鐘。

流率對於反應時間的影響表示在圖11中。隨著流率的變化，表面反應時間是相當固定，但是有效反應時間則於 流率變化時而略微增加，導致供應壓力從30kPa變化到50kPa。敏感度隨著流率增加而降低，這可能是因為在流動中較高的剪應力降低了微粒在薄膜表面上的沈積速率。

圖12和圖13表示當流率為30毫升/分鐘時，使用模組Ⅲ和Ⅳ所得到的結果。如圖12所示，在二種情況中，採用自來水，於20kPa到50kPa之供應壓力範圍內，π值相當穩定。圖13表示添加25毫克/公升膨潤土之後的表面反應時間。相較於模組Ⅲ，由模組Ⅳ所呈現的反應時間較短且敏感度更佳(高出10%到15%)。

圖14和圖15表示使用模組Ⅳ和Ⅵ所得的測試結果。圖14表示出在各種膨潤土濃度下，以該二種模組所測量得到的反應時間。流率是30毫升/分鐘且供應壓力為50kPa。相較於模組Ⅳ(單層式)，由模組Ⅵ(雙層式)所觀察得到的反應時間較短，大約是縮短一半。針對0.5毫克/公升之膨潤土濃度，反應時間是大約1小時。

為了比較之目的，膨潤土濃度亦是採用傳統式標準濁度計來測量，其中包括紅外線濁度計和白光濁度計二者。測量結果顯示這些濁度計對於小於1毫克/公升的膨潤土濃度相當不敏感。相較之下，模組Ⅵ可以檢測出至少是低到0.5毫克/公升的膨潤土濃度。倘若較長的反應時間可以接受的話，可以檢測到甚至是更小的膨潤土濃度。

測量反應時間與濁度的關係表示於圖15中。用於檢測出濁度是從0.5到1濁度單位(NTU)之膨潤土所需的反應時間則是從大約10分鐘到60分鐘。

實施例1.2(廢水測試)

在此實施例中，測試的準備係相似於實施例1.1，但是測試檢測器被連接至浸入式膜離生物反應器(MBR)單元。測試檢測器包括一個薄膜模組Ⅳ。流入膜離生物反應器的進流物是廢水。從膜離生物反應器流出的出流物被進給至測試檢測器。

流入膜離生物反應器之進流物(廢水)具有8公克/公升到10公克/公升的混合液懸浮固體量(MLSS)濃度、PH值6到7，及265毫克/公升的化學需氧量(COD)。從膜離生物反應器流出之出流物(滲透物質)總共具有5毫克/公升的有機碳、PH值6到6.5，以及35毫克鉑/公升到39毫克鉑/公升的顏色。1ppm的次氯酸鈉被添加至來自膜離生物反應器之出流物(進給至薄膜感測器)，用以改善穩定度。在測試檢測器中之第一薄膜進流側的供應壓力是50kPa(表壓力)，且流率為30毫升/分鐘。

模擬失效測試

圖16表示以時間函數所測量到的壓力值P₁和P₂，及計算得到的π值。一開始，從膜離生物反應器進給至薄膜感測器的出流物並未添加污染物。在120分鐘之後，未過濾之廢水被加入至出流物中，到達0.5%的濃度，用以模擬膜離生物反應器的過濾薄膜發生洩漏。受污染的出流物接著被進給至薄膜感測器。從圖中可看出，薄膜感測器呈現出良好的穩定度和敏感度。

圖17表示表面反應時間與污染物濃度的關係，污染物 濃度是藉由改變加入出流物中進流物的濃度而改變。與反應時間31分鐘對應的最低濃度是0.1%。

實施例1.3(失效測試)

在此實施例中，具有薄膜模組Ⅳ的薄膜檢測器被用來檢測平板式微過濾(MF)薄膜模組之失效。每個微過濾模組都包括來自Saturoius^TM(德國)之類型Ⅲ薄膜層。該微過濾模組具有338平方公分的薄膜面積。薄膜材料具有0.2微米的孔隙尺寸和29.3公分的直徑。藉由在微過濾模組內鑽出針孔來模擬薄膜的失效，該針孔直徑大約為0.7毫米。針孔係產生於在微過濾模組內之薄膜的一側上。

包含500毫克/公升膨脹潤土微粒的溶液被用來作為進流物。供應壓力為50kPa。來自微過濾模組之總出流物的流率是100毫升/分鐘，且經過薄膜感測器的流率為30毫升/分鐘。流體的流動則是一個以500rpm轉速操作之機械式高架攪拌器來驅動。

測試結果表示於圖18中。比率π採用公式(1)來計算。針孔是於第180分鐘時產生。膨潤土微粒的存在是在2分鐘內被檢測出來，且薄膜的失效是在大約6分鐘內被檢測得知。

實施例2(吸引模式)

在此實施例下的測試是以吸引模式來施行。

除了以下內容之外，在此實施例中，測試的配置及條件係相似於實施例1：薄膜感測器是在吸引(真空)模式下操作，在薄膜感測器中的薄膜面積是0.63平方公分，且在 薄膜感測器內之第一薄膜表面上方的流率是從30毫升/分鐘到80毫升/分鐘之範圍內，連同對應的雷諾數是從211到423。

針對此實施例，π值是依據公式(1)來計算。

實施例2.1(微粒檢測測試)

圖19和圖20表示在薄膜檢測器中使用薄膜模組I所得到的測試結果。測試條件為：a=0、b=1.23、c=2.46，且流率為30毫升/分鐘和壓力P₁為0(表壓力)。針對圖19，注入之膨潤土微粒的濃度為5ppm。在注入膨潤土之前，π值是固定在1.13超過2小時，且P₂和P₃分別相當固定於-12.8kPa與-24.5kPa。在管路616內的停留時間大約是30秒。在注入膨潤土之後，P₂和P₃二者同時減小，且因此π值係持續增加。圖20表示出不同膨潤土濃度下，表面反應時間、檢測時間和時間遲延。針對1ppm的膨潤土濃度，檢測時間和時間遲延則別是62.7分鐘與18.3分鐘。

圖21和圖22表示以模組Ⅱ所進行之測試結果。針對圖21，除了膨潤土濃度僅為1ppm以外，其條件係相似於圖19。在注入膨潤土之前，π值是固定在1.11超過2小時，且P₂和P₃分別是相當固定於-5.3kPa與-10.1kPa。在此情況中的表面反應時間是11.3分鐘。如圖22所示，當膨潤土濃度高於1ppm時，時間遲延與檢測時間相當，且當膨潤土濃度小於1ppm時，時間遲延則小於檢測時間。模組Ⅱ所提供的敏感度似乎高於模組I的敏感度。

圖23是比較介於模組I與模組Ⅱ之間表面反應時間與 濁度的關係。如圖所示，模組Ⅱ在36分鐘檢測出濁度為0.3NTU的微粒。

實施例2.2(失效測試)

過濾薄膜模組包括四個使用類型Ⅲ薄膜的雙面平板式微過濾薄膜模組。發泡作用及以300rpm轉速操作之高架攪拌器被用來控制用於膨潤土溶液微過濾的積垢與濾餅沈積(cake deposition)。介於平板式模組之間的間隙是6毫米，且使用粗糙氣泡。滲透物質的流率為80毫升/分鐘，且直接流到用於整體性檢測之薄膜式檢測器。以固定的濃度模式和滲透物質重複循環，膨潤土溶液的濃度為1.5公克/公升。

圖24A和圖24B表示以超過一星期期間所測量到之P₂和P₃，及計算到之π值。圖24B表示在圖24A中以虛線圈起來的部份圖形。依據實驗數據，小型微粒好像是存在於來自微過濾薄膜之滲透流中。圖24A所示之P₂和P₃一開始的緩慢減少現象同樣也是由於通過微過濾薄膜之小型微粒所導致的緩慢積垢作用。

在5日之後，P₂、P₃和π₁值分別變成相當穩定於-10kPa、-13.3kPa和3.8。範圍和臨界值常數被選擇為a=0、b=4.5和c=9。

在8日之後，一個針孔產生於在微過濾薄膜內之薄膜的一側上。該針孔的直徑大約是0.8毫米。在出流物中存在有膨潤土微粒是在造成針孔後17分鐘(表面反應時間)內檢測到。在薄膜程序失效之後而受到污染之滲透物質的濁度是1.9NTU。

如可以從圖24A和圖24B、及圖8、圖16、圖18、圖19和圖21中分辨出來的，為連接各π值位置點之直線斜率的d π/dt數值也會在阻塞物導入到達薄膜檢測器的進給物之後實質地增加。舉例而言，在圖24A和圖24B所示之情況中，在針孔產生之前的d π/dt計算值是0.001，但是在針孔產生之後，d π/dt計算值則是增加大約10倍而到達0.01。

從以上描述及圖式中，熟習該項技術者可以瞭解並未明確在上文提及之本文所述之實例的其他特色、優點和效益。

以上所提及之每個參考資料的內容併於此作為參考。

當然，以上所述之實例只是說明性的，且沒有限制用途。所描述之實例很容易在形式上、部件的配置方式、操作的細節和順序進行許多改變。此外，本發明是要包含如申請專利範圍所界定之範疇內的所有此種改變。

100‧‧‧薄膜式檢測設備

101‧‧‧薄膜模組

102‧‧‧第一薄膜

102A‧‧‧薄膜層

102B‧‧‧薄膜層

104‧‧‧第二薄膜

104A‧‧‧薄膜層

104B‧‧‧薄膜層

106‧‧‧流體導管

108‧‧‧進流側

110‧‧‧滲透側

112‧‧‧進流側

114‧‧‧滲透側

116‧‧‧壓力感測器

118‧‧‧壓力感測器

120‧‧‧壓力感測器

122‧‧‧資料處理單元

124‧‧‧流體/箭頭

126‧‧‧管狀薄膜模組

128‧‧‧內側管狀薄膜

130‧‧‧外側管狀薄膜

132‧‧‧管狀外殼

140‧‧‧內側流道

142‧‧‧流體

200‧‧‧薄膜式流體處理系統

202‧‧‧管路

204‧‧‧出流物

206‧‧‧上游過濾薄膜

208‧‧‧進流物

300‧‧‧過濾薄膜設施

301‧‧‧過濾薄膜

302‧‧‧薄膜式檢測器

304‧‧‧進流物

306‧‧‧上游進流物貯槽

308‧‧‧流入管線

310‧‧‧管線

312‧‧‧滲透貯槽

314‧‧‧回流管線

316‧‧‧進流管線

318‧‧‧滲透管線

320‧‧‧感測器單元

322‧‧‧控制單元

324‧‧‧薄膜模組

326‧‧‧第一薄膜

328‧‧‧第二薄膜

330‧‧‧數位式壓力轉能器

332‧‧‧數位式壓力轉能器

334‧‧‧數位式壓力轉能器

336‧‧‧微泵浦

338‧‧‧旁通管線

340‧‧‧調壓閥

342‧‧‧控制模式/比率積分導數控制模組

344‧‧‧電腦

600‧‧‧測試燒杯

602‧‧‧流體泵浦

604‧‧‧流量計

616‧‧‧管路

618‧‧‧管路

下列圖式僅藉由實施例來說明本發明實例。

圖1A為具有本發明示範性實例薄膜模組之檢測設備的概略立體視圖；圖1B為圖1A所示設備沿著中心軸B-B所取的概略截面視圖；圖1C、圖1D和圖1E為圖1A與圖1B之薄膜模組之替代實例的部份截面視圖；圖2為與本發明示範性實例之結合了圖1A所示設備之水處理系統的概略部份截面視圖； 圖3為包括本發明示範性實例之薄膜式檢測器之流體處理設施的概略圖；圖4為圖3薄膜式檢測器的概略圖；圖5為用於由圖3薄膜式檢測器之控制單元所施行之運算法的流程圖；圖6為測試系統的概略圖，用以測試樣本薄膜式檢測器；以及圖7A、圖7B、圖8到圖23、圖24A和圖24B為表示從樣本薄膜式檢測器所得到之測試結果的線圖。

100‧‧‧薄膜式檢測設備

101‧‧‧薄膜模組

102‧‧‧第一薄膜

104‧‧‧第二薄膜

106‧‧‧流體導管

116‧‧‧壓力感測器

118‧‧‧壓力感測器

120‧‧‧壓力感測器

122‧‧‧資料處理單元

Claims (33)

1. 一種用於檢測出一過濾薄膜之失效的方法，其包含：將從該過濾薄膜流出之出流物導引滲透經過一第一滲透膜，且從該第一滲透膜滲透經過一第二滲透膜；決定介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的一比率，其中P₁為該第一滲透膜之進流側的第一壓力，P₂為介於該第一滲透膜與該第二滲透膜之間的第二壓力，且P₃為該第二滲透膜之滲透側的第三壓力；及使得該比率與過濾薄膜之失效有關聯。
2. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該關聯作用包含有：當該比率和該比率之時間導數的至少其中之一高於一個自的臨界值時，決定該過濾薄膜是在一失效狀態中。
3. 如申請專利範圍第2項之方法，其中該比率的該個自臨界值是3，且該比率之導數(單位：1/分鐘)的該個自臨界值是0.01。
4. 如申請專利範圍第1項到第3項中任何一項之方法，其更包含有：使得該比率與在該出流物中阻塞物的存在有關聯。
5. 如申請專利範圍第4項之方法，其中使得該比率與在該出流物中阻塞物的存在有關聯的步驟係包含有：當該比率在一範圍內，決定該阻塞物係存在於該出流物中。
6. 如申請專利範圍第5項之方法，其中該範圍是從1.5到3。
7. 如申請專利範圍第1項之方法，其中該決定比率的步 驟包含有：感測該等第一壓力、第二壓力和第三壓力，且計算出於時間t的比率π(t)=【P₁(t)-P₂(t)】/【P₂(t)-P₃(t)】。
8. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含呈現出一關聯結果予使用者。
9. 如申請專利範圍第1項之方法，其中經過第一滲透膜和第二滲透膜的流率是從1毫升/分鐘到500毫升/分鐘。
10. 如申請專利範圍第1項之方法，其中在到達該第一滲透膜之進流側內的表壓力是從1kPa到95kPa，且在該第二滲透膜之滲透側中的表壓力是從-100kPa到100kPa。
11. 如申請專利範圍第1項之方法，其包含有：在該第一滲透膜與該第二滲透膜之間建立一壓力差，該壓力差是介於0kPa到1,000kPa之間。
12. 一種用於檢測出一過濾薄膜之失效的設備，其包含：一第一滲透膜和一第二滲透膜，每個滲透膜均具有一進流側和一滲透側；一個用於將來自該過濾薄膜之出流物導引至該第一滲透膜和將來自該第一滲透膜之出流物導引至該第二滲透膜的導管；一個用於製造出代表在該第一滲透膜進流側之第一壓力P₁之壓力訊號的第一壓力感測器；一個用於製造出代表在該第一滲透膜與第二滲透膜間 之第二壓力P₂之壓力訊號的第二壓力感測器；一個用於製造出代表在該第二滲透膜滲透側之第三壓力P₃之壓力訊號的第三壓力感測器；以及一個與該等複數個壓力感測器的每一個相連通的資料處理單元，用於：接收來自該等壓力感測器的壓力訊號；依據該等壓力訊號計算出一個介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的比率；以及使得該比率與該過濾薄膜之失效有關聯。
13. 如申請專利範圍第12項之設備，其中於時間t的該比率π(t)可以被計算為π(t)=【P₁(t)-P₂(t)】/【P₂(t)-P₃(t)】。
14. 如申請專利範圍第12項或第13項之設備，其中該關聯作用包含有：當該比率和該比率之時間導數(單位：1/分鐘)的至少其中之一是高於一個自臨界值時，決定該過濾薄膜是在一失效狀態中。
15. 如申請專利範圍第14項之設備，其中該比率的該個自臨界值是3，且該比率導數(單位：1/分鐘)的該個自臨界值是0.01。
16. 如申請專利範圍第12項之設備，其中該資料處理單元是被用來使得該比率與在該出流物中阻塞物的存在有關聯。
17. 如申請專利範圍第16項之設備，其中該資料處理單元是被用來當該比率是在一定範圍內，決定阻塞物存在在 該出流物中。
18. 如申請專利範圍第17項之設備，其中該範圍是從1.5到3。
19. 如申請專利範圍第12項之設備，其更包含一個用於建立越過該第一滲透膜與第二滲透膜之壓力差的流體泵浦，用以將流體驅動流經該第一滲透膜和第二滲透膜。
20. 如申請專利範圍第19項之設備，其中該壓力差是介於0kPa與1,000kPa之間。
21. 如申請專利範圍第12項之設備，其中至少該第一滲透膜所具有的平均孔隙尺寸是從0.05微米到5微米。
22. 如申請專利範圍第12項之設備，其中至少該第一滲透膜包含複數個薄膜層。
23. 一種包含申請專利範圍第12之設備和該過濾薄膜的流體處理系統，該設備是與該過濾薄膜以流體相連通，用於從過濾薄膜接收該出流物。
24. 如申請專利範圍第23項之流體處理系統，其更包含一個用於控制該系統之操作的控制單元，該控制單元與該資料處理單元相連通，用於反應該關聯作用來控制該操作。
25. 一種檢測出在流體中之阻塞物的方法，其包含：將該流體導引滲透經過一第一滲透膜，且從該第一滲透膜滲透經過一第二滲透薄膜；決定介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的一比率，其中P₁ 為該第一滲透膜之進流側的第一壓力，P₂為介於該第一滲透膜與該第二滲透膜之間的第二壓力，且P₃為該第二滲透膜之滲透側的第三壓力；以及使得該比率與在該流體中存在著阻塞物有關聯。
26. 如申請專利範圍第25項之方法，其中該關聯作用包含有：當該比率高於一臨界值時，包含決定該阻塞物是存在於該流體內。
27. 如申請專利範圍第26項之方法，其中該臨界值是1.5。
28. 如申請專利範圍第25項到第27項中任何一項之方法，其中決定一比率的步驟包含：感測該第一壓力、第二壓力和第三壓力，且計算得到於時間t的該比率π(t)=【P₁(t)-P₂(t)】/【P₂(t)-P₃(t)】。
29. 一種用於檢測出在流體中之阻塞物的設備，其包含：一第一滲透膜和一第二滲透膜，每個滲透膜均具有一進流側和一滲透側；一個用於將該流體導引至該第一滲透膜、及從該第一滲透膜導引至該第二滲透膜的導管；一個用於製造出代表在該第一滲透膜進流側之第一壓力P₁之壓力訊號的第一壓力感測器；一個用於製造出代表在該第一滲透膜與第二滲透膜間之第二壓力P₂之壓力訊號的第二壓力感測器；一個用於製造出代表在該第二滲透膜滲透側之第三壓力P₃之壓力訊號的第三壓力感測器；以及 一個與前述壓力感測器每個都相連通的資料處理單元，用於：接收來自該等壓力感測器的壓力訊號，依據該等壓力訊號來計算出一個介於(P₁-P₂)與(P₂-P₃)之間的比率；以及使得該比率與在該流體中存在著阻塞物有關聯。
30. 如申請專利範圍第29項之設備，其中於時間t的該比率π(t)可以被計算為π(t)=【P₁(t)-P₂(t)】/【P₂(t)-P₃(t)】。
31. 如申請專利範圍第29項或第30項之設備，其中該關聯作用包含：當該比率高於一臨界值時，決定該阻塞物是存在於該流體內。
32. 如申請專利範圍第31項之設備，其中該臨界值是1.5。
33. 如申請專利範圍第29項之設備，其中至少該第一滲透膜所具有的平均孔隙尺寸是從0.05微米到5微米。