超声波在线监测中空纤维膜污染

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1、超声波在线监测中空纤维膜污染﹡许新成，李建新，张玉忠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（电子邮件：jxli@tjpu.edu.cn）摘要：本文采用超声时域反射法（UTDR）在线监测单根聚醚砜中空纤维微滤膜处理1.8g/L高岭土污水时的初期污染情况。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

2、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。本文研究结果表明UTDR技术将为中空纤维膜污染和清洗研究以及膜生物反应器设计优化提供一种新的量化手段。关键词：中空纤维膜；超声时域反射法；膜污染；聚醚砜；微滤1前言当前，中空纤维膜组件因其装填密度大、易于生产的特点已被广泛地应用于污水处理及再回收等领域。但是，人们在使用膜分离法处理污水时，由于膜污染过程的不可视性，带来了不能时时观测到膜受污染程度的变化，从而直接影响着膜分离过程的效果。致使，近十年来各国科学家们采用多种方法对膜污染机理进行了大量的研究，取得了较为有效的结果

3、。[1]Yao等人采用核磁共振成像技术研究了多根中空纤维膜内部的流动和浓差极化现象。结果表明，[2-3]此项技术可以在线表征膜内部流速分布情况。Chang等人采用X射线成像技术观察了中空纤维膜内部的流动分布情况，发现中空纤维膜在抽吸过程中流体流速呈现不均匀分布，膜内部存在静止的和流动[4]的气泡，这对抽吸压力有很大的影响。Greenberg等人首先将超声时域反射法（UTDR）技术应用于平板反渗透膜污染的研究中。研究结果表明，当污染层开始出现并在膜表面生长时，膜信号的振幅回落。[5]李建新等人采用超声时域反射法在线监测污染物在

4、管式超滤膜上的生长过程。他们研究发现膜污染表[6]面超声反射信号的变化与污染层在表面的生长有着很好的对应关系。张仲夏等人进一步将UTDR应用到RO卷式膜的污染监测中,结果表明：膜通量的下降与振幅和时间漂移因子有着较好的关联。由于中空纤维膜直径较小（ID/OD一般为0.8/1.2mm），而且其圆形曲面对超声波有较大散射，接收到的反射波信号较弱，这些都为中空纤维膜污染监测带来较大困难。本研究尝试采用UTDR实时在线监测单根中空纤维膜的污染过程，阐释超声波反射信号变化与膜内污染层生长的对应关系，最终为中空纤维膜污染研究及膜生物反应

5、器参数优化提供一种新的量化方法。基金项目：教育部留学回国人员科研启动基金；国家自然科学基金资助项目（20676100）作者简介：许新成（1984-），男，天津工业大学，硕士生。12实验部分2.1膜过滤系统和超声监测装置本实验采用自制的聚醚砜微滤中空纤维膜（内径约为0.8mm，长度为0.415m）和膜组件（外壳为有机玻璃）。中空纤维膜过滤系统和超声监测装置如图1所示。超声监测装置由超声发射接收器、超声传感器以及计算机和示波器组成。Fig.1.SchematicrepresentationoftheMFseparationsys

6、temandtheultrasonicmeasurementsystem2.2实验过程和方法如图1所示，实验采用错流过滤，亦即处理液由蠕动泵输送到中空纤维膜，经过膜分离，渗透液和浓缩液回流到污水贮槽中，形成一个循环回路。该实验包括纯水过滤和膜污染二个阶段。实验操作条件：处理液为1.8g/L高岭土悬浮溶液，操作压力0.03MPa，温度21.0±0.5ºC。每隔一定时间采集一次超声反射信号并记录此时的渗透通量。3结果与讨论3.1纯水阶段超声反射信号谱图4.0A3.0HC2.01.00.0-1.0Amplitude(V)-2.0-

7、3.0-4.00.00E+001.00E-052.00E-053.00E-054.00E-055.00E-056.00E-05Arrivaltime(s)Fig.2.Ultrasonicspectraofthemembranemodule.Fig.3.Cross-sectionalviewofthemodule在纯水阶段，我们首先监测得到了超声波在中空纤维膜组件中的反射信号谱图（如图2所示）。图22代表超声波通过膜组件时声波的振幅与到达时间之间的关系。根据声波在膜组件中的到达时间和速度，通过计算可以判断出图2中反射信号A、H

8、和C分别由组件上壳内表面/纯水、中空纤维膜以及纯水/组件下壳内表面的界面所产生（如图3所示）。信号H代表中空纤维膜的超声反射信号，将其放大如图4所示。由于超声波先遇到中空纤维膜外上表面，之后遇到膜上内表面；经过下层膜时，次序正好相反（如图5所示）。若以反射信号波谷代表膜内上层的两相界面，则