基于超声技术结合小波分析在线监测中空纤维膜污染

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1、分类号：专业：化堂王苎研究方向：腿挝糙皇堪厦廛墨研究生：迕堑盛指导教师：奎建新教援天津工业大学环境与化学工程学院二零一零年一月In．SiByXuXinchengADissertationSubmittedtoAcademicCommitteeofTianjinPolytechnicUniversityInCandidacyforMaster’SDegreeinChemicalTechnologySupervisor：ProfessorLiJianxinSchoolofEnvironmental&ChemicalEngineeringTianjinPolytechni

2、cUniversity,Tianjin，P．R．ChinaJanuary2010独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得丞洼王些太堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。学位论文作者签名：竹筘成签字日期：2口加年多月2R学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解云洼王些太堂有关保留、使用学位论文的规定。特授权丞洼工些太堂呵以将学位论文的全部或部分

3、内容编入有关数据库进行检索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。(保密的学位论文在解密后适用本授权说明)学位论文作者签名：印}拷帆赢硎麴新签字同期：Z口fD年多月2H签字H期：如，o年岁月辞同学位论文的主要创新点首次采用超声时域反射技术和差动信号分析法在线监测单根内压式中空纤维膜污染，建立了超声信号变化与中空纤维膜内表面污染层生长之间的对应关系。采用AGU．Vallen小波变换软件建立了小波分析内压式中空纤维膜的超声反射信号和差动信号的方法，获得了二维和三维小波谱图变化与污染程度的对应关系，实

4、现了中空纤维膜污染监测过程的可视化。采用三个超声探头对外压式中空纤维膜处理含油废水中膜污染分布情况进行研究，量化了中空纤维膜轴向污染分布和污染层扩散行为，为中空纤维膜的部分清洗策略提供新的研究方法。摘要中空纤维膜因其装填密度大、易于生产和操作等优点已经被广泛应用于污水处理和再回收领域。但是，膜污染是影响中空纤维膜广泛应用的一个关键因素。因此，发展一种实时在线的污染监测技术来研究膜污染机理，为污染控制及膜组件设计优化提供一种量化方法，具有重要的研究意义。本文采用超声技术和小波分析系统研究了中空纤维膜污染过程和分布状态。首先，建立超声时域反射法(UTDR)在线监测单根聚

5、醚砜中空纤维微滤膜污染的方法，对10MHz超声探头监测中空纤维膜过程的分辨能力进行研究。结果显示：超声波能够清晰地辨别出单根中空纤维膜各个两相界面的超声反射信号；在污水处理过程中，随着污染的进行，中空纤维膜内上表面和内下表面的超声反射信号在时间区域内发生了有序移动、振幅区域内不断地增长。超声反射信号这种有序变化与污染物在膜内的吸附、沉积以及污染层的生长有着良好的对应关系。此外，超声监测结果表明，由于重力作用中空纤维膜内下表面的污染层比内上表面的致密。而且由于较低的剪切速率，在10．0cm／s流速下污染物的沉积速率比16．7cm／s流速下的要快，形成的污染层也比较厚。

6、其次，建立AGU．Vallen小波变换技术分析中空纤维膜超声信号的方法。小波潜图能够提供中空纤维膜内部结构和污染过程的清晰图片，实现了膜污染在线监测过程的可视化。随着污染的进行，小波潜图上中空纤维膜断面上部和下部的信号持续时间在时间区域内发生了有序移动。SEM观察显示，污染420分钟后中空纤维膜内腔下表面形成的污染层比内腔上表面的污染层厚。这与通过小波谱图信号持续时间变化计算得出的结果一致。小波谱图的这种有序变化与污染物在膜表面的沉积以及污染层的生长有着良好的对应关系。最后，采用超声波和小波分析技术在线研究了单根外压式中空纤维膜处理含油废水时的膜污染行为。实验中将三

7、个频率为10MHz的超卢波探头安装在中空纤维膜组件的外侧，用以监测中空纤维膜组件内部膜污染的分布情况。结果显示：在污染初期，由于浓差极化现象和柴油在靠近膜组件进口处中空纤维膜上的快速沉积，膜通量迅速下降。小波分析显示污染物在靠近膜组件进口处的中空纤维膜的沉积量远远大于其它部分的沉积量，这主要是由于油滴的惯性作用和膜组件壳层的流体动力学效应所引起的。实验停止后，超卢技术在线监测并量化了柴油污染层的扩散现象，并推断其依次为污染层松弛、扩散和消失行为。综上所述，陔结果可以为巾空纤维膜过滤系统的组件设计优化和清洗策略研究提供一种有效的量化方法。关键词：中空纤维膜；膜污染