專利名稱：一種中空纖維膜污染的在線監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測(cè)技術(shù)，具體為一種利用超聲波技術(shù)實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)中 空纖維膜污染的在線方法及其監(jiān)測(cè)裝置，國(guó)際專利主分類號(hào)擬為
Int.C17.G01N 29/00。
背景技術(shù)：
中空纖維膜是一種自身支撐的分離膜，由于其裝填密度大，制造費(fèi)用 低，被廣泛地應(yīng)用于污水處理和回收中。在液體分離過(guò)程中，膜污染已經(jīng)被 確認(rèn)為是限制膜作用的主要因素。而膜污染的監(jiān)測(cè)和控制將是促進(jìn)膜材料被 廣泛使用的關(guān)鍵技術(shù)。沒(méi)有適宜的膜污染監(jiān)測(cè)技術(shù)，將嚴(yán)重阻礙膜污染控制 方法和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
目前，中空纖維膜污染狀態(tài)監(jiān)測(cè)的方法主要有l(wèi).監(jiān)測(cè)膜通量。這種方 法是監(jiān)測(cè)被處理液體的滲透率來(lái)評(píng)價(jià)膜污染狀態(tài)和膜清洗效果的方法，其缺 點(diǎn)是監(jiān)測(cè)結(jié)果不可靠，因?yàn)槟ね康南陆狄部赡苁瞧渌蛉鐫獠顦O化及膜 擠壓所致，因此膜通量不能作為膜污染狀態(tài)和膜清洗效果的唯一評(píng)價(jià)依據(jù)。 2.跨膜壓差測(cè)量法。這種方法是指測(cè)量分離膜兩側(cè)的壓力差來(lái)判斷膜污染的 方法。其缺點(diǎn)是只能提供膜污染的間接測(cè)量，例如膜的跨膜壓差的升高也可 能是其它原因如膜擠壓所致。3.滲透液成份測(cè)量法。這種方法是指通過(guò)測(cè)量 滲透液的組成來(lái)判斷膜分離效果和膜污染的方法。其缺點(diǎn)也是只能提供膜污 染的間接測(cè)量。4.顯微鏡和錄像機(jī)技術(shù)。這種方法是指采用顯微鏡照相技術(shù) 來(lái)觀察中空纖維膜外表面污染物的沉積狀態(tài)。這種方法可以在線觀測(cè)中空纖 維膜外表面污染物的沉積過(guò)程，但是不能實(shí)時(shí)量化污染層的性能參數(shù)及其變 化。5.X射線微成像技術(shù)。這種方法是釆用相差X射線成像技術(shù)在線觀察污 染物在中空纖維膜內(nèi)壁及膜內(nèi)部的沉積狀態(tài)。但是此方法成本較高。因此， 現(xiàn)有的中空纖維膜污染監(jiān)測(cè)技術(shù)和方法都不同程度存在著缺陷。
對(duì)于超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)，也有人已經(jīng)使用超聲波時(shí)域反射法來(lái)研究膜形成 和膜過(guò)程。先前的工作已經(jīng)包含了膜形成、膜擠壓以及膜污染形成的研究。
例如，Journal of Membrane Science (膜科學(xué)雜志)在2000年第171巻第 217 - 228頁(yè)報(bào)道的名為"一種新技術(shù)用于在線實(shí)時(shí)測(cè)量在高壓氣體作用下 膜擠壓及性能"的文章，其描述使用一種非破壞性超聲波技術(shù)在線、實(shí)時(shí)監(jiān) 測(cè)膜擠壓。其缺點(diǎn)是沒(méi)有有效的信號(hào)處理方法對(duì)分離膜復(fù)合層疊加的反超聲 反射信號(hào)進(jìn)行分解，因此，無(wú)法觀測(cè)到超聲信號(hào)的移動(dòng)，也就不能將超聲監(jiān) 測(cè)結(jié)果與膜的厚度相關(guān)聯(lián)。Journal of Membrane Science (膜科學(xué)雜志) 在2003年第215卷第33 - 52頁(yè)也報(bào)道使用 一種無(wú)損超聲時(shí)域反射法如何在 線、實(shí)時(shí)的監(jiān)測(cè)超濾膜擠壓、污染及清洗。其高分子超濾膜的結(jié)構(gòu)由一個(gè) 145微米厚的聚砜分離層和一個(gè)125微米厚的聚酯支撐層。但是，該工作僅 限于平板膜及膜組件方面，并未涉及中空纖維膜及其組件。這主要是因?yàn)橹?空纖維膜內(nèi)徑小(通常為0.5-1.0mm),組件內(nèi)裝有多則上萬(wàn)的膜絲，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)測(cè)非常困難。此外，有文獻(xiàn)描述將超聲時(shí)域反射法應(yīng)用到反滲透 卷式膜的污染監(jiān)測(cè)中的技術(shù)(參見(jiàn)美國(guó)專利US 6161435 )。該技術(shù)在反滲 透卷式膜的污染超聲監(jiān)測(cè)中，使用的裝置涉及儀器較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)測(cè)步 驟以及數(shù)據(jù)處理不具體、分析方法不明確，使其適應(yīng)性大打折扣，也沒(méi)有得 到應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是設(shè)計(jì)一種超聲波監(jiān)測(cè) 方法及其監(jiān)測(cè)裝置。該監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置利用超聲波反射法來(lái)監(jiān)測(cè)中空 纖維膜在使用過(guò)程中的污染狀態(tài)。該監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置具有無(wú)損、在 線、實(shí)時(shí)、高分辨率、高精度、高效率、簡(jiǎn)單易行、操作安全等特點(diǎn)。
本發(fā)明解決所述監(jiān)測(cè)方法技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種超聲波用于 實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)中空纖維膜污染的方法，該監(jiān)測(cè)方法利用^_聲波反射法來(lái)監(jiān)測(cè) 中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測(cè)方法為
1. 將監(jiān)測(cè)裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面；
2. 釆集并存儲(chǔ)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)到的中空纖維膜的超聲波反射時(shí)域信
號(hào)；
3. 釆用時(shí)域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動(dòng)信號(hào)法或小波 分析法中的至少一種分析方法對(duì)所述時(shí)域信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
4. 根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，計(jì)算并顯示出中空纖維膜內(nèi)部污染層參數(shù)及其變化。
本發(fā)明解決所述監(jiān)測(cè)裝置技術(shù)問(wèn)題的技術(shù)方案是，設(shè)計(jì)一種超聲波監(jiān)測(cè) 裝置，其特征在于它適用本發(fā)明所述的超聲波監(jiān)測(cè)方法，包括超聲波傳感
器，與超聲波傳感器依次電連接的超聲波發(fā)射接收儀、示波器和計(jì)算機(jī)；或 者所述超聲波傳感器；所述超聲波傳感器的頻率范圍為0. 5-90MHz;所述 超聲波發(fā)射接收儀的工作頻率范圍為0.5-90MHz;所述示波器的釆樣精度 為200MSa/s - 4GSa/s,帶寬100MHz - lGHz。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置由于巧妙地釆用了超 聲波反射法和一系列科學(xué)分析方法來(lái)監(jiān)測(cè)中空纖維膜內(nèi)部的污染情況，因而 具有監(jiān)測(cè)精度高，分辨率高、效率高、操作簡(jiǎn)便，使用安全等特點(diǎn)，特別是 能在不影響生產(chǎn)運(yùn)行的情況下在線實(shí)時(shí)、非接觸式(或無(wú)損)地直接對(duì)中空 纖維膜的污染過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)，具有良好的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價(jià)值。


圖1是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)中空纖維膜污染的一種實(shí)施 例示意圖2是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置監(jiān)測(cè)管式中空纖維膜組件斷面結(jié)構(gòu) 的一種實(shí)施例示意圖3是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例的中空纖維膜通量與操
作時(shí)間之間的關(guān)系圖4是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例在污染(a) Omin， (b) 10min, (c) 60min和(d) 240min時(shí)中空纖維膜的超聲反射信號(hào)譜 圖5是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例中空纖維膜的差動(dòng)信號(hào)
譜圖6是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例在處理1.8g/l高嶺土懸
浮液時(shí)中空纖維膜內(nèi)部差動(dòng)信號(hào)振幅和污染層厚度變化與操作時(shí)間關(guān)系圖7是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例在污染(a)Omin和 (b)240min時(shí)中空纖維膜超聲反射信號(hào)的二維小波分析譜圖8是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例在污染(a)Omin和 (b)240min時(shí)中空纖維膜超聲反射信號(hào)的三維小波分析譜圖9是本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置一種實(shí)施例的中空纖維膜斷面的 SEM圖，其中(a)新膜；(b)膜內(nèi)上表面污染；(c)膜內(nèi)下表面污染。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明，但本發(fā)明不受實(shí)施例的限制。
本發(fā)明設(shè)計(jì)的一種超聲波監(jiān)測(cè)方法(以下簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)方法)利用了超聲波 反射法來(lái)監(jiān)測(cè)中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測(cè)方法為
1. 將監(jiān)測(cè)裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面。所述的 超聲波傳感器(也稱超聲波探頭)貼敷于管式中空纖維膜組件表面是指把超 聲波探頭直接貼敷于或安放在液體的管道殼體的外表面(參見(jiàn)圖1~2)。
所述超聲波傳感器(以下簡(jiǎn)稱探頭)的頻率范圍為0. 5-90MHz,根據(jù) 監(jiān)測(cè)需要，探頭可以是l個(gè)、并聯(lián)的2個(gè)或者2個(gè)以上。本發(fā)明實(shí)施例的探 頭系選用美國(guó)泛美(PANAMETRICS )公司的高頻超聲探頭，其工作頻率為 lOMHz。
2. 采集并存儲(chǔ)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)到的中空纖維膜的超聲波反射時(shí)域信 號(hào)。探頭貼敷安裝在被監(jiān)測(cè)物質(zhì)對(duì)象后，利用傳感器發(fā)出超聲波，在穿透被 測(cè)物質(zhì)、遇到被測(cè)物質(zhì)的兩相界面時(shí)，會(huì)得到不同的到達(dá)時(shí)間和振幅，以此 可區(qū)別不同的材料和判斷這些材料的狀態(tài)及其變化。根據(jù)聲波(機(jī)械波)傳 播原理，由于不同的物質(zhì)具有不同的聲阻抗，從不同的聲阻抗的表面反射 時(shí)，其反射波的振幅是不同的，也即不同的物質(zhì)具有不同的聲阻抗，從不同 聲阻抗的表面反射回來(lái)反射波的時(shí)間和振幅不同。當(dāng)用超聲波對(duì)中空纖維膜 進(jìn)行穿透時(shí)，中空纖維膜內(nèi)壁污染物的沉積對(duì)超聲波的傳播時(shí)間和振幅都會(huì) 造成一定的影響，使傳播時(shí)間和振幅發(fā)生變化。這些變化可以通過(guò)超聲波傳 感器和數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)等現(xiàn)有的測(cè)試設(shè)備把它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量和存貯。
本發(fā)明超聲波發(fā)射接收儀的工作頻率范圍為0. 5-90固z。實(shí)施例系釆
用美國(guó)泛美(PANAMETRICS)公司的高性能超聲波脈沖信號(hào)發(fā)射接收儀。其 主要性能如下高電壓脈沖為900伏特；高增益、低噪音，工作頻率0。 5-20MHz;具有超聲波發(fā)射接受和穿透雙功能。這種超聲波發(fā)射接收儀專門(mén)為 滿足對(duì)難穿透的材料(如聚合物材料)的超聲監(jiān)測(cè)和測(cè)量的需要而設(shè)計(jì)的。 本發(fā)明實(shí)施例超聲波信號(hào)的存儲(chǔ)分析系釆用美國(guó)安捷能公司Agilent VEE Pro7. 0 -數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)和信號(hào)處理軟件通過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行超聲信號(hào)的存儲(chǔ)和分 析。根據(jù)需要，也可以利用LabView實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲信號(hào)的自動(dòng)存儲(chǔ)，每秒存儲(chǔ) 超聲波譜圖為l-10萬(wàn)個(gè)。超聲波到達(dá)時(shí)間的分辨率為l納秒。本發(fā)明所述 示波器的采樣精度為1000M/S,帶寬500MHz。所述示波器的釆樣精度為 200MSa/s-4GSa/s,帶寬100MHz-lGHz。限于條件，實(shí)施例的示波器系釆 用美國(guó)安捷倫(Agilent)公司高精密度的數(shù)字式示波器，帶寬為350 MHz， 最大釆樣率為2 GSa/s (每秒鐘釆集2兆個(gè)數(shù)據(jù)，每個(gè)數(shù)據(jù)只要0.5納 秒)，上升時(shí)間為1納秒(ns),可接受顯示從脈沖信號(hào)發(fā)射接收儀的信 號(hào)，具有數(shù)據(jù)自動(dòng)存儲(chǔ)功能。上述設(shè)備性能指標(biāo)能滿足本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法對(duì)被 測(cè)對(duì)象如膜污染的監(jiān)測(cè)精度和監(jiān)測(cè)速度的要求。
3.釆用時(shí)域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動(dòng)信號(hào)法或小波 分析法中的至少一種分析方法對(duì)所述的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。頻率域法是 通過(guò)傅立葉變換將時(shí)間域中時(shí)間與振幅之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為頻率與振幅間的關(guān) 系，其特點(diǎn)是提高了信號(hào)的全局性(時(shí)域觀測(cè)到的是各個(gè)點(diǎn)的變化)和代表 性，可反映出整個(gè)區(qū)域內(nèi)的信息變化。傅立葉變換是將時(shí)域信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率 與振幅、相、波長(zhǎng)、增益、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)量等之間的關(guān)系，能提供更多的監(jiān)測(cè) 信息。差動(dòng)信號(hào)法是一種將重疊的信號(hào)進(jìn)行分解的信號(hào)分析方法，通過(guò)比較 參考信號(hào)與監(jiān)測(cè)信號(hào)之間的差來(lái)獲得。采用差動(dòng)信號(hào)法能突破傳統(tǒng)的超聲監(jiān) 測(cè)厚度的限定，使監(jiān)測(cè)的靈敏度能提高一個(gè)數(shù)量級(jí)以上達(dá)到納米級(jí)。小波變 換是一種優(yōu)異的時(shí)頻分析方法，兼顧時(shí)間域法和傅立葉變換兩者的優(yōu)點(diǎn)，能 對(duì)信號(hào)進(jìn)行切片式的分析即可獲得二維和三維圖像，生動(dòng)形象，立體感強(qiáng)， 監(jiān)測(cè)靈敏度高。差動(dòng)信號(hào)法和小波分析的使用例可以參考環(huán)境科學(xué)與技術(shù) (Environmental Science and Technology)雜志在2005年第39卷第 7299 - 7305頁(yè)報(bào)道的名為"超聲圖譜的傅立葉小波造紙廢水微濾處理過(guò) 程中一種監(jiān)測(cè)膜污染的新方法"的文章。這些分析方法可根據(jù)應(yīng)用對(duì)象來(lái)做 適當(dāng)選擇。
本發(fā)明所述的各種分析方法本身系現(xiàn)有技術(shù)，部分分析方法也有人應(yīng)用 在超聲波監(jiān)測(cè)技術(shù)中，但將超聲時(shí)域譜圖通過(guò)小波變換用于監(jiān)測(cè)中空纖維膜 污染的過(guò)程，此前沒(méi)有人研究和應(yīng)用過(guò)，是本發(fā)明的獨(dú)特設(shè)計(jì)。
4.根據(jù)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果，計(jì)算并顯示出被監(jiān)測(cè)中空纖維膜內(nèi)部污染層 參數(shù)及其變化。
本發(fā)明的監(jiān)測(cè)方法是利用了超聲波反射法來(lái)監(jiān)測(cè)中空纖維膜的污染情 況，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如具有無(wú)損、在線、實(shí)時(shí)、高分辨率、高精度、高效 率、簡(jiǎn)單易行、操作安全等特點(diǎn)。超聲波是一種機(jī)械波。超聲波監(jiān)測(cè)的原理 是根據(jù)機(jī)械波的傳播速度是由它所穿過(guò)的介質(zhì)(或材料)的性質(zhì)(如密度、 彈性模量等)決定的原理設(shè)計(jì)的。聲速是一個(gè)表征材料聲學(xué)特性的參數(shù)。在 不同介質(zhì)中，聲波傳播的速度不同。例如，超聲(脈沖)反射法測(cè)量厚度的 原理就是測(cè)量超聲波在材料中的往返傳播時(shí)間△ T，即
AS"CAT (1) 2
如果材料聲速C已知，那么測(cè)得時(shí)間AT,就可求得材料厚度AS。 此外，當(dāng)超聲波入射到不同介質(zhì)的交界面時(shí)，超聲波的能量通常被分 割，其中一部分以反射的形式表現(xiàn)出來(lái)，還有一部分以透射的形式表現(xiàn)出 來(lái)。當(dāng)聲波垂直入射時(shí)，其聲壓反射系數(shù)R和透射系數(shù)D的公式可分別表 示為
/7r Z2 - Zj
Pi — z2十z工
—一2Z，
z， +Z,
(2)
(3)
(4)
式中，a為入射波聲壓，A為透射波聲壓，A為反射波聲壓；Z為介質(zhì)的聲 P且,kg/m2s;角碼1, 2表示界面兩邊的介質(zhì)；p為介質(zhì)密度，kg/m3; C為介質(zhì)中 的聲速,m/s。
當(dāng)超聲波從不同聲阻抗的表面反射時(shí)，其反射波的振幅是不同的。這種 振幅變化可以把它轉(zhuǎn)換為電信號(hào)來(lái)測(cè)量，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，獲得相應(yīng) 的結(jié)果。
本發(fā)明同時(shí)設(shè)計(jì)了一種超聲波監(jiān)測(cè)裝置(以下簡(jiǎn)稱監(jiān)測(cè)裝置)，其特征 在于它適用本發(fā)明所述的超聲波監(jiān)測(cè)方法，包括超聲波傳感器，與超聲波傳 感器依次電連接的超聲波發(fā)射接收儀、示波器和計(jì)算機(jī)；所述的超聲波傳感
器的頻率范圍包含0.5-90MHz;所述的超聲波發(fā)射接收儀工作電壓范圍為0 -900伏特，工作頻率范圍包含0.5-90MHz;所述示波器的釆樣精度為 200MSa/s-4GSa/s，帶寬100MHz - lGHz。監(jiān)測(cè)裝置的超聲波傳感器可以是1 個(gè)，根據(jù)監(jiān)測(cè)需要也可以配置安裝并聯(lián)的2個(gè)或2個(gè)以上。
除了所述監(jiān)測(cè)裝置實(shí)施例外，適用本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法的監(jiān)測(cè)裝置還可釆用 其他實(shí)施方式，例如
1. 設(shè)計(jì)釆用超聲波探頭、信號(hào)釆集線路和嵌入式計(jì)算機(jī)系統(tǒng)及顯示器的 組配方式。
2. 設(shè)計(jì)釆用超聲波探頭、信號(hào)釆集處理電路及單片機(jī)、液晶顯示器的組 配方式。
3. 設(shè)計(jì)采用其它適當(dāng)?shù)慕M配方式。
本發(fā)明所述的監(jiān)測(cè)裝置采用的組配零件或儀器都是現(xiàn)有技術(shù)。但對(duì)它們 的技術(shù)參數(shù)要求是根據(jù)本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法要求而特別設(shè)計(jì)的。
本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置涉及的大量計(jì)算公式和信息釆集、分析、 處理工作量較大，但釆用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)完成這些任務(wù)并不困難。
本發(fā)明監(jiān)測(cè)裝置的運(yùn)行程序可釆用既有軟件，經(jīng)本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)監(jiān) 測(cè)方法要求進(jìn)行簡(jiǎn)單組織編輯即可應(yīng)用，如市場(chǎng)購(gòu)得的美國(guó)安捷倫公司 Agilent VEE Pro7. 0、 LabView、 Tablecurve等均可以利用。
本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置滿足了監(jiān)測(cè)中空纖維膜開(kāi)始污染、膜污染 狀態(tài)的方法的技術(shù)需要，藉此提供一個(gè)允許調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作參數(shù)來(lái)減少污染問(wèn) 題的早期警告。本發(fā)明滿足了測(cè)定何時(shí)膜組件應(yīng)該被清洗的技術(shù)需要。本發(fā) 明也滿足了允許測(cè)定何時(shí)膜組件已經(jīng)由化學(xué)或其他清洗方法被充分清洗的儀 器或方法的技術(shù)需要。同樣，本發(fā)明滿足了減少膜清洗所需的化學(xué)或其他清 洗藥品數(shù)量的方法或儀器的技術(shù)需要，如此也將清洗膜組件所需時(shí)間減少到 最低。本發(fā)明也滿足了能被用于一系列液體分離工作，如水脫鹽和回收，原 料流及廢液原料流的處理等膜組件的儀器和方法的技術(shù)需要。
本發(fā)明滿足了原位實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)儀的技術(shù)要求，將信號(hào)發(fā)射接收、數(shù)字 顯示、數(shù)據(jù)釆集、主電腦處理器等集成一個(gè)模塊制成一個(gè)便攜式的中空纖維 膜污染監(jiān)測(cè)儀，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。
以下給出本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置的具體實(shí)施例
實(shí)施例1:
中空纖維膜污染狀態(tài)的在線監(jiān)測(cè)。
本實(shí)施例釆用一個(gè)探頭。監(jiān)測(cè)時(shí)，首先將監(jiān)測(cè)裝置的探頭1貼敷安放在
被監(jiān)測(cè)裝有單根中空纖維膜組件13的殼體12的外表面上(參見(jiàn)圖2),并 把探頭1依次與超聲波發(fā)射接收儀2、示波器3分別和計(jì)算機(jī)4電連接。采 用超聲波反射法，即一個(gè)上位探頭1既發(fā)射又接收超聲波，以對(duì)中空纖維膜 的污染過(guò)程進(jìn)行在線監(jiān)測(cè)。上位探頭1的超聲波頻率為1-90MHz。
實(shí)驗(yàn)方法。本實(shí)施例釆用錯(cuò)流過(guò)濾，原料槽20中的液體(即高嶺土懸 浮液)，由壓力泵21輸入到(內(nèi)壓式)中空纖維膜11進(jìn)行分離，濃縮液 16返回原料槽20進(jìn)行循環(huán)，滲透液15計(jì)量后返回原料槽20中。系統(tǒng)的液 體流量由流量計(jì)19顯示，搡作壓力由進(jìn)口壓力表22和出口壓力表l7顯 示，流量大小由調(diào)節(jié)閥23和18調(diào)節(jié)。按一定的時(shí)間間隔記錄膜的滲透通量 并釆集中空纖維膜的超聲波反射波形圖。
實(shí)驗(yàn)材料。膜污染實(shí)驗(yàn)所述的中空纖維膜11為聚醚砜膜，膜組件外徑 50mm，膜纖維長(zhǎng)為400mm,數(shù)量為1根。釆用高嶺土和純凈水配制成濃度為 1. 8g/1的高嶺土懸浮溶液。
實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中用蠕動(dòng)泵將磁力攪拌器上不停攪拌的高嶺 土懸浮液壓送到中空纖維膜。污染實(shí)驗(yàn)包括2個(gè)階段即純水穩(wěn)壓和污染階 段，具體是每次膜污染實(shí)驗(yàn)之前，先通入純水， 一小時(shí)以后，更換實(shí)驗(yàn)所需 濃度的高嶺土懸浮液，污染實(shí)驗(yàn)時(shí)間為4小時(shí)。實(shí)驗(yàn)操作條件壓力30 ± 2KPa，流速10. 0 ± 1. Ocm/s,溫度21. 0±1. (TC。 釆用美國(guó)FEI公司 QUANTA200型掃描電子顯微鏡(SEM)對(duì)污染前后的膜斷面進(jìn)行觀察。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。圖3為中空纖維膜在處理濃度為1.8g/l的高嶺土懸 浮液時(shí)膜通量與操作時(shí)間關(guān)系圖。由圖3可知，在純水階段，膜通量基本保 持穩(wěn)定。經(jīng)過(guò)1.8g/l高嶺土懸浮液過(guò)濾，膜通量隨時(shí)間逐漸下降。操作時(shí) 間300分鐘(污染4小時(shí)后)，膜通量由213. 9L/m2h下降到161, 5L/m2h (約為初始純水通量的75.5%)。平均截留率為99%，這說(shuō)明中空纖維膜內(nèi)
部發(fā)生了污染。污染實(shí)驗(yàn)結(jié)束后污染前后膜斷面SEM分析可以證明這一觀察 (參見(jiàn)圖9)。如圖9所示，污染后的膜內(nèi)表面和新膜內(nèi)表面對(duì)比鮮明新
膜的內(nèi)表面清潔干凈(參見(jiàn)圖9(a)),污染后的膜內(nèi)表面形成污染層 (參見(jiàn)圖9 (b)和(c))，這正是導(dǎo)致膜通量下降的內(nèi)在原因。
超聲波監(jiān)測(cè)結(jié)果及分析。圖4是不同污染時(shí)刻中空纖維膜的超聲反射信 號(hào)譜圖。由圖4可知，隨著污染的進(jìn)行，中空纖維膜內(nèi)上表面E和內(nèi)下表面 F的超聲反射信號(hào)在時(shí)間區(qū)域內(nèi)發(fā)生了有序移動(dòng)、振幅區(qū)域內(nèi)不斷地增長(zhǎng)。 超聲反射信號(hào)這種有序變化與污染物在膜內(nèi)的吸附、沉積以及污染層的生長(zhǎng) 有著良好的對(duì)應(yīng)關(guān)系。
為了更好的研究污染層的生長(zhǎng)過(guò)程，釆用差動(dòng)信號(hào)來(lái)分析污染層的狀 態(tài)。圖5為中空纖維膜內(nèi)部的差動(dòng)信號(hào)譜圖。由圖5可知，污染5min后差 動(dòng)信號(hào)出現(xiàn)，隨著污染的進(jìn)行不斷生長(zhǎng)。污染240min后，由于膜表面形成 了致密的污染層，所以形成的差動(dòng)信號(hào)振幅很強(qiáng)。由圖6可知，在污染初 期，差動(dòng)信號(hào)振幅迅速增長(zhǎng)。污染60min后中空纖維膜內(nèi)下表面差動(dòng)信號(hào) (P )這幅基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是因?yàn)樵谀?nèi)下表面形成了結(jié)構(gòu)均勻的污 染層，其密度保持恒定。但是，中空纖維膜內(nèi)上表面差動(dòng)信號(hào)(E')振幅在 污染60min后開(kāi)始下降，這是由于重力作用，中空纖維膜內(nèi)上表面的污染層 比較疏松。隨著污染的進(jìn)行，膜內(nèi)表面的污染層厚度不斷增加。污染 240min后，中空纖維膜內(nèi)上表面和內(nèi)下表面的污染層厚度分別為155Hm和 10lMm (假設(shè)污染層中超聲的傳播速度為2000m/s)。這表明重力作用和顆 粒間的黏附力在污染層沉積和生長(zhǎng)過(guò)程中發(fā)揮主要作用。
超聲波信號(hào)處理及分析。為了更好地將超聲監(jiān)測(cè)與膜污染過(guò)程相關(guān)聯(lián)， 采用小波變換對(duì)超聲波反射信號(hào)進(jìn)行處理。圖7和圖8分別為污染(a)Omin 和(b) 240min時(shí)中空纖維膜超聲反射信號(hào)的二維和三維小波分析譜圖。通過(guò) 對(duì)中空纖維膜的超聲反射信號(hào)進(jìn)行小波變換，可以生動(dòng)形象地觀察到單根中 空纖維膜內(nèi)表面污染層的沉積和生長(zhǎng)過(guò)程。這一觀察結(jié)果證明超聲監(jiān)測(cè)結(jié)果 與膜污染狀態(tài)有很好的一致性。本發(fā)明監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置將為中空纖維 膜污染和清洗研究，以及膜生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供一種新的量化手段。
權(quán)利要求
1.一種超聲波用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)中空纖維膜污染的方法，該監(jiān)測(cè)方法利用超聲波反射法來(lái)監(jiān)測(cè)中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測(cè)方法為(1).將監(jiān)測(cè)裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面；(2).采集并存儲(chǔ)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)到的中空纖維膜的超聲波反射時(shí)域信號(hào)；(3).采用時(shí)域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動(dòng)信號(hào)法或小波分析法中的至少一種分析方法對(duì)所述的時(shí)域信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；(4).根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，計(jì)算并顯示出中空纖維膜內(nèi)部污染層參數(shù)及其變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測(cè)方法，其特征在于在中空纖維膜 的污染監(jiān)測(cè)時(shí)，采用小波變換對(duì)中空纖維膜的超聲反射信號(hào)進(jìn)行切片式分 析，即可獲得二維或三維圖像，生動(dòng)形象，立體感強(qiáng)，監(jiān)測(cè)靈敏度高。
3. —種超聲波監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于它適用權(quán)利要求1或2所述的超 聲波監(jiān)測(cè)方法，包括超聲波傳感器，與超聲波傳感器依次電連接的超聲波發(fā) 射接收儀、示波器和計(jì)算機(jī)；所述超聲波傳感器的頻率范圍為0.5 -90MHz;所述超聲波發(fā)射接收儀的工作頻率范圍為0.5-90MHz;所述示波器 的采樣精度為200MSa/s - 4GSa/s，帶寬10讓z - lGHz。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波監(jiān)測(cè)裝置，其特征在于所述的超聲波 傳感器可以為l個(gè)、并聯(lián)的2個(gè)或2個(gè)以上，其工作頻率為10MHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波用于實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)中空纖維膜污染的監(jiān)測(cè)方法及其監(jiān)測(cè)裝置。該監(jiān)測(cè)方法利用超聲波反射法來(lái)監(jiān)測(cè)中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測(cè)方法為1.將監(jiān)測(cè)裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面；2.采集并存儲(chǔ)超聲波傳感器監(jiān)測(cè)到的中空纖維膜的超聲波反射時(shí)域信號(hào)；3.采用時(shí)域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動(dòng)信號(hào)法或小波分析法中的至少一種分析方法對(duì)所述時(shí)域信號(hào)進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；4.根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，計(jì)算并顯示出中空纖維膜內(nèi)部污染層參數(shù)及其變化。該監(jiān)測(cè)裝置特征在于它適用本發(fā)明所述超聲波監(jiān)測(cè)方法，包括超聲波傳感器，與超聲波傳感器依次連接的超聲波發(fā)射接收儀、示波器和計(jì)算機(jī)。
文檔編號(hào)G01N29/06GK101344505SQ20081005439
公開(kāi)日2009年1月14日 申請(qǐng)日期2008年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月1日
發(fā)明者張玉忠, 徐妮妮, 曹宇合, 李建新, 穎 蔡, 許新成 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)