超声在线监测卷式反渗透膜污染

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1、超声在线监测卷式反渗透膜污染1231*4林捷斌，郦和生，菅喜岐，李建新，靖大为1天津工业大学材料科学与化学工程学院中空纤维膜材料及膜过程教育部重点实验室天津300160（Email:jxli@tjpu.edu.cn）2北京化工大学生命科学与技术学院，北京1000293天津医科大学生物医学工程系，天津3000704天津城市建设学院膜技术研究中心，天津300384摘要：本文采用超声法在线监测卷式反渗透膜污染，并建立了超声信号分析及模拟方法。料液为2g/l硫酸钙溶液，一种高频聚焦探头用于监测膜元件污染

2、。结果表明，超声信号能够穿透组件外壳而进入多层膜结构，超声信号的系列有序变化与污染层在膜表面的沉积和增长存在着一定的对应关系。此外，该技术还能监测膜污染在螺旋卷式膜元件中的不同分布情况。关键字：超声技术硫酸钙溶液卷式膜元件反渗透膜膜污染在反渗透膜分离过程中，膜污染始终是反渗透技术的瓶颈。污染物沉积于膜表面和内部孔隙，引起跨膜压差(TMP)的升高，造成膜通量（分离效率）的严重下降、成品质量的下降，进而导致膜寿命的缩短，从而影响膜分离过程的可靠性和经济性。当系统性能衰减到一定程度时，需要对膜系统进行

3、在线清洗或膜元件的离线清洗。通常情况下的膜元件寿命应在4～6年，而经过多次清洗后的膜元件不仅不能完全恢复膜性能，而且使用寿命也只有2～3年就将退出运行并被废弃。膜元件的超常污染和被提前废弃的重要原因包括：（1）所用药剂的不良配合和缺乏药剂配合的在线运行评价；（2）缺乏工艺参数的优化和最优工艺的在线运行评价；（3）缺乏早期膜污染的在线监测；（4）缺乏膜清洗效果的在线监测进而难于优化清洗药剂及清洗工艺。目前人们监测膜污染过程的方法主要还是通过膜通量下降或压力上升的数据变化、以及对膜进行解剖来获得污染

4、物在膜表面沉积的详细信息的。但是，这些方法存在着很大的局限性。膜通量及跨膜压差是一种平均值，所反映的是膜系统总的变化，无法判断污染沉积的实际位置。而采用解剖膜的方法会造成膜的损伤。同时当膜污染到一定程度时必须进行清洗再生。而由于肉眼看不见膜元件内部的污染物情况，清洗操作只能凭经验进行，所以清洗效果不能保证。另外，在阻垢剂等预处理助剂的选择上，也缺乏一种简单、实用、有效的评价方法。因此，发展一种实时、在线的无损监测技术对于精密的监测膜污染以及膜清洗具有非常重要的现实意义。超声时域反射法(ultra

5、sonictime-domainreflectometry-UTDR)作为一种在线的实时监测[1-5]技术已成功地应用于膜污染和清洗、浓差极化、膜材料及滤饼层挤压性等方面的研究。[6]特别是UTDR在卷式反渗透膜污染监测方面，柴国庸等人的研究表明超声振幅变化比膜渗1[7]透通量更敏感于测量膜的污染。Zhang等人采用了时间和振幅漂移因子处理超声信号也获得初步的成果。本研究目的是发展适宜的聚焦超声监测方法和超声信号分析及模拟方法研究螺旋卷式反渗透膜元件污染，阐释超声反射信号变化与污染物在膜元件内的

6、沉积之间的对应关系，最终为反渗透膜系统及膜元件设计优化、膜污染机理研究提供一种新的量化方法。1.实验部分1.1实验装置超声监测装置包括超声传感器，超声发射接收仪，示波器和计算机（如图1所示）；反渗透系统由料液桶、泵，流量计，膜元件（4inch）等构成。反渗透膜的截留液和透过液均循环回料液桶。图1.反渗透系统和超声监测装置示意图1.2实验过程和方法本实验分为纯水稳定阶段和污染阶段。纯水和污染阶段操作时间分别为15和45小时。实验操作条件：操作压力为1MPa，浓水流量为1L/min，温度控制在28±

7、1℃。实验过程中每隔一定时间记录温度、原水电导、透过液电导及膜通量，并采集储存相应的超声反射信号。2.结果与讨论2.1反渗透膜污染实验图2是反渗透膜通量随操作时间的变化。由图2可知，在纯水阶段膜通量比较稳定，污染阶段开始，膜通量大幅下降，尔后趋于平稳或缓慢下降至纯水通量的20%。初期膜通量快速下降与浓差极化现象有关，而随后的膜通量的逐渐缓慢下降则可能是由CaSO4在膜表面的不断沉积引起的。污染阶段膜截留率保持在96-97%之间，略有下降的趋势。总之，上述观察结果说明膜遭受到了较严重的污染。260

8、350240130020-1振幅（V）通量（l/m2h）10纯水稳定污染阶段-200102030405060-3操作时间（hr）0.0E+002.0E-054.0E-056.0E-058.0E-051.0E-04到达时间（s）图2.反渗透膜通量随操作时间的变化图3超声在反渗透膜元组件中的反射谱图2.2超声监测膜分离过程及超声信号模拟超声波在纯水中的传播速度一般为1490～1500m/s间，本研究假设超声在膜组件内的传播速度为1500～1800m/s。通过探头到中心管之间的距离，计算得出超声从膜组