CN207937324U - 一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提出了一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，其包括气体提供单元、超滤膜单元、压力传感器、数据采集单元和数据记录单元，通过气体提供单元向超滤膜单元的原水端气室充气，利用压力传感器检测破损超滤膜的原水端气室压力随时间的变化关系，并通过数据采集单元和数据记录单元记录下来，即可用于识别超滤膜完整性情况。该压力检测装置操作简单，实用性强。结合建立模型的方法监测超滤膜原水端气室压力的情况，属于非破坏性直接识别方法，检测精度高，准确度高，检测及时，且操作简便。
Description
技术领域
本实用新型属于检测超滤膜完整性技术领域，更具体地，涉及一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置。
背景技术
随着生活水平的日益提升，以膜技术为核心的新型水处理工艺为污水和饮用水的治理提供了技术保障。膜分离技术对微生物、细菌和颗粒物的有效截留能力已经在水处理领域中得到了普遍的承认，其操作压力较低，出水水质相对稳定，并且可以与多种技术原位、异位耦合，可置于传统工艺的任何段位，已经具有取代传统污水和饮用水处理工艺的潜力。然而，由于膜组件在安装和维护方面的不足，剧烈的膜曝气清洗引起的过度应力变化，以及原水中锋利的污染物质等容易造成膜纤维破损。膜纤维一旦出现破损，将严重影响出水水质，对人的健康造成危害。
现有的超滤膜完整性识别的方法主要为间接测试法，比如通过检测滤出液的水质情况来间接推测超滤膜是否完整，或者直接检测气室压力变化，其压力检测装置实际仅仅包含一个压力表，精度不够，相应地其存在的主要缺陷为精度较低，检测不及时，不能满足超滤膜完整性识别的定性或定量需求。
实用新型内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本实用新型提供了一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，其充分结合超滤膜破损时原水端气室一定压力下，在超滤膜破损孔口处产生、生长气泡的特点，提出一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，利用该装置检测超滤膜一侧的原水端气室压力随时间的变化关系，即可用于识别超滤膜完整性。由此解决现有技术的压力检测装置存在的精度较低、检测不及时、不能满足超滤膜完整性定性或定量识别需求的技术问题。
为实现上述目的，按照本实用新型的一个方面，提供了一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，包括气体提供单元、超滤膜单元、压力传感器、数据采集单元和数据记录单元；其中，
所述超滤膜单元包括超滤膜、原水端气室和出水端液体；所述原水端气室和出水端液体分别位于所述超滤膜的两侧，所述原水端气室为将原水端液体排干后获得的气室；所述超滤膜破损后所述原水端气室的气体通过破损孔口外泄，在所述出水端液体内形成气泡；
所述气体提供单元和所述原水端气室相连通，用以向所述原水端气室提供气体以使所述原水端气室充压；
所述压力传感器与所述原水端气室相连通，用于测量所述原水端气室的压力；并将测量得到的压力信号转变为电信号；
所述数据采集单元与所述压力传感器相连接，用于采集所述压力传感器检测到的压力电信号；
所述数据记录单元与所述数据采集单元相连接，所述数据记录单元用于记录保存所述数据采集单元采集到的压力电信号数据。
优选地，所述气体提供单元为氮气瓶或空气瓶，即氮气高压瓶或空气高压瓶。
优选地，所述原水端气室的压力为135～220kPa
优选地，所述数据采集单元每秒采样至少100个点。
优选地，所述压力检测装置还包括第一球阀，所述第一球阀设置于所述气体提供单元和所述超滤膜单元之间，所述第一球阀用于截断所述气体提供单元与所述超滤膜单元之间的压强联系，使得气泡的形成是一个压强非恒定、非连续通气的过程。
总体而言，通过本实用新型所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
本实用新型提出了一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，其包括气体提供单元、超滤膜单元、压力传感器、数据采集单元和数据记录单元，通过气体提供单元向超滤膜单元的原水端气室充气，利用压力传感器检测破损超滤膜的原水端气室压力随时间的变化关系，并通过数据采集单元和数据记录单元记录下来，检测得到的数据代入超滤膜气泡模型，即可识别超滤膜完整性情况。该压力检测装置操作简单，实用性强。结合建立模型的方法监测超滤膜原水端气室压力的情况，属于非破坏性直接识别方法，检测精度高，准确度高，检测及时，且操作简便。通过超滤膜气泡模型计算方法，可以定量获得超滤膜破损孔径大小，且通过增大原水端气室初始压力可以提高检测识别精度。
附图说明
图1是本实用新型用于识别超滤膜完整性的压力检测装置；
图2是本实用新型超滤膜完整性识别方法流程示意图；
图3是本实用新型超滤膜单元示意图；
图4是本实用新型连续气泡形成流程图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-气体提供单元；2-超滤膜单元；21-超滤膜；22-原水端气室；23-出水端液体；3-压力传感器；4-数据采集单元；5-数据记录单元，6-气泡，7-第一球阀。
具体实施方式
为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。此外，下面所描述的本实用新型各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本实用新型提供了一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，如图1所示，包括气体提供单元1、超滤膜单元2、压力传感器3、数据采集单元4和数据记录单元5；其中，
所述超滤膜单元包括超滤膜21、原水端气室22和出水端液体23；所述原水端气室22和出水端液体23分别位于所述超滤膜21的两侧，所述原水端气室22为将原水端液体排干后获得的气室；所述超滤膜21破损后所述原水端气室22的气体通过破损孔口外泄，在所述出水端液体内23形成气泡。
气体提供单元1和所述原水端气室22相连通，用以向原水端气室22提供气体以使所述原水端气室充压，确保原水端气室22足够的压力；实际应用时可以为任意提供高压氮气或空气的设备或装置。对原水端气室22进行充压，使得原水端气室22内的压力大于初始条件下超滤膜出水端破损孔口处的压力。即假定超滤膜包括一个破损孔，未对原水端气室22进行充气时该假定破损孔口处的压力即为初始条件下超滤膜出水端破损孔口处的压力。原水端气室22压力大于超滤膜出水端破损孔口处的压力，方能在超滤膜破损孔口处向出水端方向形成气泡6。但是较高的原水端气室压力可以保证破损孔径的识别精度和准确度。如果要求超滤膜破损孔口尺寸识别精度达到3微米，根据本实用新型的超滤膜完整性识别方法，原水端气室压力至少为135kPa，优选压力为135～220kPa，即优选压力为1.35～2.2个标准大气压。初始条件下超滤膜出水端破损孔口处的压力也可看做初始条件下气泡内的压力。
压力传感器3与原水端气室22相连通，用于测量原水端气室22的压力；并将测量得到的压力信号转变为电信号。
数据采集单元4与压力传感器3相连接，用于采集压力传感器3检测到的压力电信号；数据采集单元4为一个数据采集卡。
数据记录单元5与数据采集单元4相连接，数据记录单元5用于记录保存数据采集单元4采集到的压力电信号数据。数据记录单元5在本实施例中为一台电脑，该电脑上安装有与数据采集卡配套的数据记录软件，可以将采集卡上的数据记录保存在该软件中。数据采集卡采样率最大可为100kSa/s，即每秒采集10万个数据，采样时钟精度为20ns，分辨率12-bit，表示能分辨的数字最小变化是量程的1/4096，可以反映压力传感器所测量的数值。
所述压力检测装置还包括第一球阀7，所述第一球阀7设置于所述气体提供单元1和所述超滤膜单元2之间，所述第一球阀7用于截断所述气体提供单元1与所述超滤膜单元2之间的压强联系，使得气泡6的形成是一个压强非恒定、非连续通气的过程。
借助于上述压力检测装置进行超滤膜完整性识别的方法，流程图如图2所示，包括如下步骤：
(1)将超滤膜原水端的液体排干，获得原水端气室，该原水端即超滤膜工作时的进水端，在进行本实用新型的超滤膜完整性识别方法中，原水端液体排干后，获得封闭的原水端气室。超滤膜两侧分别为出水端液体和原水端气室。
(2)对步骤(1)所述原水端气室进行充气，使得所述原水端气室的压力大于初始条件下超滤膜出水端破损孔口处的压力。
(3)对原水端气室进行保压实验，采用上述压力测试装置测试原水端气室压力随时间的变化，每秒采样至少100个点；获得原水端气室压力随时间的压力变化数据。如果该变化数据与相同条件下全新的超滤膜压降变化数据相吻合，表明该超滤膜完整；否则执行步骤(4)。
(4)建立超滤膜气泡模型，所述超滤膜气泡模型用于模拟所述超滤膜破损情况下，不同破损孔径对应的破损孔口处气泡形成过程中原水端气室压力随时间的变化情况。
超滤膜气泡模型包括单个气泡模型以及连续气泡模型，其中单个气泡产生、生长模型的构建步骤具体为：
图3为超滤膜单元示意图，其包括超滤膜分割了原水端气室和出水端液体，假定超滤膜中间有一破损，破损孔径为dOR，超滤膜下端的原水端气室体积为Vg,原水端气室内气体压力为Pg，气体密度为ρg，原水端气室内含有的气体的总质量为mg。在超滤膜上方存在着滞止的液体，本实用新型中称之为出水端液体，液体密度ρl，液体液位高度为H，液面的压力为标准大气压Patm。气泡产生及生长过程中，气泡内的压力不断变化，记为Pb，同时气泡不断生长，气泡体积Vb不断发生增大，直到气泡脱离滤膜。气体通过超滤膜破损微孔形成气泡，过孔流速为u0。
将超滤膜下方的原水端气室、产生的气泡以及产生气泡的微小孔口(超滤膜破损微孔)视作一个控制体整体，把该整体作为研究对象，根据质量守恒定律，在任意一段时间内，进入该控制体整体内部的气体的质量，等于在该时间段内，气泡内的气体的质量变化和气室内的气体的质量变化之和(忽略气体在微小孔口及膜内部毛细结构中存留的质量变化)。根据理想状态下的气体方程PV＝mRT/M，可得，
因此，气体质量的增量原水端气室内的质量增量为由于当气室内压力达到设计压力后，关闭氮气瓶气阀，所以该控制体的气体体积增量为0，因而可得到该控制体如式(2)的质量守恒方程，
当气室内的压力Pg较气泡内部压力Pb大时，气室内的气体将通过孔口流向气泡内部，气体在滤膜破损的微小孔口内的流速为u0，单位m/s，过孔口的气体为有压流体，则气泡形成过程可视为一个薄壁小孔口的淹没出流，根据水力学公式中的薄壁小孔口淹没出流公式(3)，其中Q为经过薄壁小孔口的流体出流流量，μ表示薄壁小孔口的孔口系数，Δh为薄壁两侧流体液面高度差，A为孔口面积，薄壁两侧流体压差ΔP计算公式如式(4)所示，ρ为流体密度。
ΔP＝ρgΔh (4)
将超滤膜破损孔口视为水力学公式中的薄壁小孔口，超滤膜破损孔口处两侧压差即为原水端气室内的压力与气泡内的压力之差，相应地，气泡形成过程中从原水端气室进入气泡内的气体经过破损孔口的流速为
其中式(5)中μ表示超滤膜破损微孔的孔口出流系数，借鉴水力学公式中的取值，一般取0.60～0.62，本实施例中取值0.62。
气室内气体通过破损孔口的质量即为气泡的质量增量，故有，
气室内部存在的质量守恒方程如下：
其中Q入、Q出表示进、出气室的流量，在该模型中Q入为0。又因为
则有
本实验中气泡形成是一个连续不断的过程，其气室内的压力衰减也是一个连续的过程，所以认为有充足的时间来平衡内外的温度，所以该过程可以视为是一个等温的变化，因而温度修正系数χ取值为1。
气泡形成的实际情况非常复杂，实际的初始条件往往是未知的，初始气泡的形状选择是一种综合考虑后的结果。在气泡形成之初，所有物理量的速度和加速度的最初值取为0。初始条件的公式如下，其中气室的初始压力则是孔口静水压力、表面张力以及膜弹性压力Pe之和，如式(11)所示：
式中Pe为膜弹性压力，可根据现有技术测定方法对超滤膜进行实验测定，t＝0表示初始时刻，Pg|0为在初始时刻的气室压力，Pb|0为在初始时刻的气泡压力，Patm为大气压力，ρl为液体密度，H为膜上液体高度，σ为湿润液体表面张力，Vb为气泡体积，u0表示通过超滤膜破损孔口时气体的流速。
当气室内部压力开始下降时，由于膜两侧压力差，气室内气流通过膜的破损处往膜另一侧移动，气泡开始形成，气泡内部的压力随着气室内部压力的降低而增大，当膜两侧达到压力平衡时，此时气泡处于脱离膜表面的阶段，气泡形成颈部收缩，然后老的气泡脱离膜表面，新的气泡进入膨胀阶段。如此周而复始，气室内压力的不断衰减将会使通过孔口的气泡形成过程不断循环往复。
最后得到的超滤膜单个气泡模型为：
根据该模型，基于四阶龙格库塔法在matlab软件里编写程序的m文件，完成单个气泡形成模型的建立。基于建立的单个气泡形成模型，用if以及for语句使之进行循环运算，达到气泡连续形成生长的状态，程序流程图如图4所示。
将初始超滤膜特征参数输入所述单个气泡模型，所述初始超滤膜特征参数包括初始条件的原水端气室压力、膜弹性压力、液体表面张力、膜上液体高度、液体密度以及假定破损孔径，通过计算，获得原水端气室压力Pg与形成的气泡内的压力Pb随时间变化的值，比较第一个时间步长下原水端气室压力Pg与形成的气泡内的压力Pb的大小。
如果原水端气室压力Pg与气泡内的压力Pb的差大于10Pa，就认为单个气泡处于继续生长状态，没有脱离超滤膜表面，将此时刻计算所得的原水端气室压力、气泡体积、气泡内的压力和原水端气室体积的计算结果分别取代初始条件的原水端气室压力、气泡体积、气泡内的压力和原水端气室体积的值进行计算，得到同一个气泡形成过程中下一个时间步长的原水端气室压力、气泡体积、气泡内的压力和原水端气室体积的计算结果，重复该过程，不断记录循环过程中的各项数据，直到原水端气室压力Pg与气泡内的压力Pb的差小于10Pa。
如果原水端气室压力Pg与气泡内的压力Pb的差小于等于10Pa，表明气泡生长完毕，气泡脱离超滤膜表面；提取此时计算所得的原水端气室压力Pg数值，将此数值替代初始条件的原水端气室压力，其他参数仍用初始条件的各参数值，并将此数组作为初始条件，重复单个气泡连续生长状态的计算过程，直到计算所得原水端气室内压力小于或等于初始条件下气泡内部压力。
当原水端气室压力小于或等于初始条件下气泡内部压力时，气泡难以形成，则此时气泡连续形成过程结束，记录计算过程中不同时刻对应的气室压力Pg，获得连续气泡模型。
(5)将超滤膜特征参数输入所述超滤膜气泡模型，并将步骤(3)所述原水端气室压力随时间的变化数据导入所述超滤膜气泡模型进行计算，获得超滤膜破损尺寸，从而识别所述超滤膜的完整性。步骤(5)具体包括如下子步骤：
(5-1)将根据超滤膜气泡模型得到的某一时刻下的原水端气室压力计算数据与步骤(3)获得的同一时刻下的原水端气室压力实测数据视为一组数据，比较从气泡开始形成到气泡停止形成整个时间段中每组数据中计算数据与实测数据的比值，得到若干个比值，对该若干个比值求平均数，将该平均数作为初始假定破损孔径的修正系数；这里计算数据指的是原水端气室压力Pg计算数据，实测数据指的是原水端气室压力Pg的实测数据。
(5-2)将初始假定破损孔径与步骤(5-1)所述初始假定破损孔径的修正系数相乘后获得修正后的破损孔径，将该修正后的破损孔径作为新的初始假定破损孔径再次代入超滤膜气泡模型进行计算，其他初始条件参数值不变，得到新的初始假定破损孔径条件下的不同时刻原水端气室压力计算数据；
(5-3)返回执行步骤(5-1)和步骤(5-2)，直至不同时刻下原水端气室压力的计算数据与实测数据的比值的平均值与1的差值的绝对值小于0.01，则视为计算数据与实测数据基本一致，此时计算所得的修正后的破损孔径就是该方法下返算的等效破损孔径。
该方法能够有效识别超滤膜破损的问题，不需要对膜进行处理，操作简单，精度高。
实施例1
如图1所示为本实用新型提供的其中一种优选的用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，其中气体提供单元1为一个氮气瓶，用于提供气体源并满足压强需求；超滤膜单元2即气泡形成场所，由上部分长30mm，宽25mm，高40mm，下部分长30mm，宽25mm，高20mm两个有机玻璃部件构成，两部分可以用法兰紧密密封在一起，气密性良好，超滤膜21处于两部件之间，与橡胶圈一起被法兰密封，由于膜纤维破损，气体外泄，形成气泡，气室压强发生变化；上部分空间相当于出水端液体23存储空间，下部分空间相当于超滤膜原水端气室22；压力传感器3可以测量压力并将压力信号转变为电信号传递给数据采集单元4，数据采集单元4为一个数据采集卡，压力传感器3测量压力范围为0-100kPa，精度等级0.25级，输出电流4-20mA；数据采集单元4是数据收集装置，其作用是将压力传感器3传送来的电信号转换为数字信号并传送给电脑即数据记录单元5中的软件记录，数据采集卡采样率最大可为100kSa/s，即每秒采集10万个数据，采样时钟精度为20ns，分辨率12-bit，表示能分辨的数字最小变化是量程的1/4096，可以反应传感器所测量的数值；电脑安装数据采集卡配套的软件能显示测量数据变化并记录保存。实验装置的材料及仪器的型号规格见表1。
表1实验材料、规格及型号
在该膜完整性检测识别实验中，超滤膜需先用超纯水湿润浸透模拟滤膜在工作中的状态。在气泡形成过程中需隔绝氮气瓶压力继续传送，形成一个压强非恒定，非连续通气的条件，并且在本实验中气泡产生时间较短，气泡生成反应灵敏，故在气泡开始形成时压强需要迅速达到实验设计的条件。因此在氮气瓶和超滤膜单元之间还设置有第一球阀7，第一球阀7负责截断气瓶与气泡产生***的压强联系，使得气泡的形成是一个压强非恒定，非连续通气的过程。
当利用氮气瓶向原水端气22充压至180kPa时，关闭第一球阀7，当气室内部压力开始下降时，由于膜两侧压力差，气室内气流通过膜的破损处往膜另一侧移动，气泡开始形成，气泡内部的压力随着气室内部压力的降低而增大，当膜两侧达到压力平衡时，此时气泡处于脱离膜表面的阶段，气泡形成颈部收缩，然后老的气泡脱离膜表面，新的气泡进入膨胀阶段。如此周而复始，气室内压力的不断衰减将会使通过孔口的气泡形成过程不断循环往复。
初始条件的参数物理量取值为：ρg＝1.29kg/m3,ρl＝997kg/m3,χ＝1,μ＝0.62,σ＝72.8mN/m以及Patm＝1.01×105Pa，Pg＝180kPa，Pe＝20mbar，H＝30mm，假设破损尺寸0.24mm，Vg＝365.59mL。
根据具体实施方式部分所建立的模型以及实验方法，获得模拟及实测Pg值，并将数值进行比较，第一次修正系数为0.708，修正后孔径0.170mm，第二次修正系数1.039，修正后孔径0.177，如此反复计算，最后修正的修正系数为1.00009，修正后孔径为0.178，实验所用针灸针直径0.180mm，经显微镜及图形处理软件处理后可知实际孔径直径为0.183mm。相对误差2.7％。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本实用新型的较佳实施例而已，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种用于识别超滤膜完整性的压力检测装置，其特征在于，包括气体提供单元、超滤膜单元、压力传感器、数据采集单元和数据记录单元；其中，
所述超滤膜单元包括超滤膜、原水端气室和出水端液体；所述原水端气室和出水端液体分别位于所述超滤膜的两侧，所述原水端气室为将原水端液体排干后获得的气室；所述超滤膜破损后所述原水端气室的气体通过破损孔口外泄，在所述出水端液体内形成气泡；
所述气体提供单元和所述原水端气室相连通，用以向所述原水端气室提供气体以使所述原水端气室充压；
所述压力传感器与所述原水端气室相连通，用于测量所述原水端气室的压力；并将测量得到的压力信号转变为电信号；
所述数据采集单元与所述压力传感器相连接，用于采集所述压力传感器检测到的压力电信号；
所述数据记录单元与所述数据采集单元相连接，所述数据记录单元用于记录保存所述数据采集单元采集到的压力电信号数据。
2.如权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述气体提供单元为氮气瓶或空气瓶。
3.如权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述数据采集单元每秒采样至少100个点。
4.如权利要求1所述的压力检测装置，其特征在于，所述压力检测装置还包括第一球阀，所述第一球阀设置于所述气体提供单元和所述超滤膜单元之间，所述第一球阀用于截断所述气体提供单元与所述超滤膜单元之间的压强联系。
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