一种反渗透膜上不同污染物对膜器性能影响的检测方法

摘要

本发明公开了一种反渗透膜上不同污染物对膜器性能影响的检测方法。所述方法为：针对由不同污染物所导致的相同程度的反渗透膜通量下降的情况，摄取膜表面不同污染物的扫描电镜照片，采用盒子维法测定污染物形貌的分维数Df。根据分维数Df的大小来判定不同污染物对膜器性能的影响程度，分维数Df越大，表明该污染物对膜器性能的影响越大，膜性能的下降程度也越大。本发明采用的判定方法克服了传统方法中依靠产水量下降程度来判定膜污染对膜器性能影响的不足，可准确判定出不同污染物对膜器性能的影响程度，为及时调整有关参数，优化操作，保证膜系统的正常运行提供依据。另外，本发明方法还可判断不同阻垢剂的优劣，为筛选阻垢剂提供依据。

说明书

技术领域

本发明涉及反渗透膜水处理技术领域的方法，具体涉及一种反渗透膜上不同污染物对膜器性能影响的检测方法。

背景技术

反渗透(RO)脱盐技术由于设备投资省、能量消耗低、建设周期短等诸多优点，近年来发展迅速，正日益成为水处理方面的主导技术，目前已被广泛地应用于海水和苦咸水淡化、废水处理、超纯水制备、电厂高压锅炉用水脱盐净化、食品及饮料加工以及各种化工领域中的浓缩分离和净化过程。

然而在RO技术的实际应用过程中，膜污染问题是RO技术进一步发展的瓶颈之一。膜污染不但使产水水质恶化、产水率下降、系统压降增大，致使能耗随之升高、用于膜清洗的药品费用增加，而且还会对膜造成不可逆的损伤，缩短膜的寿命，严重影响反渗透系统的正常运行。

对于RO膜污染程度的判定，最常用的方法是依据系统运行过程中产水流量的下降程度来进行，产水流量下降程度越大，表明膜污染越严重。但膜污染程度并不总和产水量下降程度成正比，如相关研究表明，由CaCO₃结垢造成的30-50％RO膜表面覆盖度并未造成明显的产水流量下降(Pahiadaki等，IDA>

分形理论是研究复杂几何表面或曲线自相似特性的重要工具。相关研究表明，污垢表面存在着许多凹凸和破褶，呈现出复杂的表面形态，具有自相似的特征形貌，即具有分形特征。RO膜受污染后，膜表面和隔网上都会沉积污染物，当RO膜受到不同污染物的影响时，尽管产水通量变化程度可能相同，但不同污染物引起的膜器性能影响是不同的。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种反渗透膜上不同污染物对膜器性能影响的检测方法，针对由不同污染物所导致的相同程度的反渗透膜通量下降的情况，检测污染物对膜器性能的影响程度，为保证反渗透系统正常运行提供依据。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种反渗透膜上不同污染物对膜器性能影响的检测方法，该方法为：针对由不同污染物所导致的相同程度的反渗透膜通量下降的情况，采集反渗透膜表面不同污染物的扫描电镜照片，采用盒子维法测定所述扫描电镜照片上污染物形貌的分维数Df，根据分维数Df的大小判定不同污染物对膜器性能的影响程度。

优选地，所述分维数Df计算方式如下：

将获取的所述扫描电镜照片，利用计算机图像软件处理成256×256像素的数字图像，取图像灰度级为8位，则得到灰度级为256的数字图像，将该数字图像的灰度级作为第3维信息，建立256×256×256的立方体作为盒子，则得到256×256个盒子，利用图像软件统计每个盒子所含灰度的级数B_ij，i、j是数字图像的行与列，利用如下公式计算获得分维数Df值，

所述分维数Df越大，表明膜污染物的形貌越不规则，污染物对膜器整体性能的影响越大，膜器性能越差。

优选地，所述反渗透膜表面不同污染物的生成方法为：采用去离子水配制不同的污染溶液，调节反渗透系统，使初始产水量相同，并使该系统在恒定温度和压力下运行，使反渗透膜上生成的不同污染物造成相同的产水下降量。进一步优选地，所述反渗透系统在温度为15-35℃、压力为0.8-4Mpa的条件下运行1-40小时。

本发明方法的具体实施步骤如下：

第一步、采用去离子水配制不同的污染溶液，调节反渗透系统，使初始产水量相同，并使该系统在温度为15-35℃、压力为0.8-4Mpa的条件下运行1-40小时，使反渗透膜上生成的不同污染物造成相同的产水下降量。反渗透系统运行过程中保持系统恒定的温度和压力。膜污染结束后，排掉反渗透系统内的污染溶液。

第二步、摄取膜表面不同污染物存在时的扫描电镜照片(SEM)，采用盒子维法测定污染物形貌的分维数Df。

将获取的所述SEM照片，利用计算机图像软件处理成256×256像素的数字图像，取图像灰度级为8位，则得到灰度级为256的数字图像，将该数字图像的灰度级作为第3维信息，建立256×256×256的立方体作为盒子，则得到256×256个盒子，利用图像软件统计每个盒子所含灰度的级数B_ij，i、j是数字图像的行与列，并计算分维值。公式如下：

第三步、根据分维数Df的大小来判定不同污染物对膜器性能的影响程度。分维数Df越大，表明膜污染物的形貌越不规则。该参数值越大，表明污染物对膜器整体性能的影响越大，膜器性能变得越差。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

1，本发明采用的检测方法是从污染物形貌本身的变化来评价不同污染物对膜器性能造成的影响，克服了传统方法中依靠产水量下降程度来判定膜污染对膜器性能影响的不足。本发明方法适用范围广，可用于各种类型的反渗透膜器，包括目前广泛应用的直径2.5英寸，4英寸，8英寸等反渗透膜器。

2，在产水流量下降相同的情况下，可准确判定出不同污染物对膜器性能的影响程度，为及时调整有关参数，优化操作，保证膜系统的正常运行提供依据。

3，能在产水流量下降相同的情况下判断出不同阻垢剂的优劣，为筛选阻垢剂提供依据。

附图说明

图1为本发明实施例1-4中分维数Df的数据结果条形图。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明的技术方案进行详细说明。以下采用的试剂如未特别说明，均为商业化产品。

实施例1

本实施例针对CaSO₄污染物对膜器性能的影响进行检测。

采用去离子水，在原水槽中配置含3g/L的CaCl₂和3.8g/L的Na₂SO₄混合污染溶液，并进行两次膜污染过程的运行，第一次运行时污染溶液中不含阻垢剂，第二次运行时污染溶液中添加5mg/L的商用阻垢剂LB0100(淄博力帮公司生产)。所采用的反渗透系统包括原水槽，4英寸美国海德能公司ESPA4021卷式膜一支，高压泵，旁路管路，反渗透浓水和产水循环管路以及换热器。启动高压泵，调节系统运行压力使初始产水量为80L/h，浓水流量为1080L/h，调节系统温度为25℃，全循环模式下运行反渗透系统，使最终产水流量为72L/h，即产水流量下降10％。无阻垢剂存在时所需时间为2小时，阻垢剂LB0100存在时所需时间为4小时。

然后摄取膜表面上CaSO₄污染物在阻垢剂存在与不存在条件下的扫描电镜照片(SEM)，采用盒子维法测定污染物形貌的分维数Df。

将获取的所述SEM照片，利用计算机图像软件PHOTOSHOP处理成256×256像素的数字图像，取图像灰度级为8位，则得到灰度级为256的数字图像，将该数字图像的灰度级作为第3维信息，建立256×256×256的立方体作为盒子，则得到256×256个盒子，利用图像软件PHOTOSHOP统计每个盒子所含灰度的级数B_ij，i、j是数字图像的行与列，并计算分维值。公式如下：

结果如图1所示，当无阻垢剂存在时分维数Df为2.78，有阻垢剂LB0100存在时分维数Df增大为2.84，这表明膜上CaSO₄污染物在阻垢剂存在下形貌发生了较大变化，CaSO₄晶格发生了畸变，这一点从电镜照片上也可反映出来。

根据分维数Df的大小，可以判定不同污染物对膜器性能的影响程度。阻垢剂LB0100存在时CaSO₄污染物分维数Df较无阻垢剂时的Df大，表明阻垢剂LB0100的存在，使膜污染物的形貌变得不规则了。因此，该参数值的变大，表明在产水通量下降相同的情况下(即膜污染程度相同)，阻垢剂的存在使污染物对膜器整体性能的影响变大，膜器性能变差。

实施例2

本实施例针对CaSO₄污染物在高性能阻垢剂存在下对膜器性能的影响进行检测。

采用去离子水，在原水槽中配置含3g/L的CaCl₂和3.8g/L的Na₂SO₄混合污染溶液，并添加5mg/L的商用阻垢剂LB2000(淄博力帮公司生产)。所采用的反渗透系统包括原水槽，4英寸美国海德能公司ESPA4021卷式膜一支，高压泵，旁路管路，反渗透浓水和产水循环管路以及换热器。启动高压泵，调节系统运行压力使初始产水量为80L/h，浓水流量为1080L/h，调节系统温度为25℃，全循环模式下运行反渗透系统8小时，使最终产水流量为72L/h，即产水流量下降10％。

然后摄取膜表面上CaSO₄污染物在阻垢剂LB2000存在下的扫描电镜照片(SEM)，采用盒子维法测定污染物形貌的分维数Df。将获取的所述SEM照片，利用计算机图像软件PHOTOSHOP处理成256×256像素的数字图像，取图像灰度级为8位，则得到灰度级为256的数字图像，将该数字图像的灰度级作为第3维信息，建立256×256×256的立方体作为盒子，则得到256×256个盒子，利用图像软件PHOTOSHOP统计每个盒子所含灰度的级数B_ij，i、j是数字图像的行与列，并计算分维值。公式如下：

结果如图1所示，当阻垢剂LB2000存在时分维数Df为2.88。

与实施例1的结果进行对比可知，阻垢剂LB2000存在时的污染物分维数最大，表明阻垢剂LB2000使污染物的形貌变得最不规则。因此，阻垢剂LB2000的存在导致膜器性能下降得最大。另一方面，从污染物所导致产水量下降10％所用的时间来看，阻垢剂LB0100存在时需4小时，阻垢剂LB2000存在时需8小时，这说明阻垢剂LB2000的阻垢效果要好于LB0100。因此，阻垢剂效果越好，在膜污染导致的产水通量下降相同的情况下，其对膜器性能造成的不利影响越大。故本发明方法可用于评价阻垢剂的优劣。

实施例3

本实施例针对有机污染物腐殖酸HA对膜器性能的影响进行检测。

采用去离子水，在原水槽中配置含50mg/L的腐殖酸HA和1mM的CaCl₂混合污染溶液，用NaOH调节溶液的pH值为8。所采用的反渗透系统包括原水槽，4英寸美国海德能公司ESPA4021卷式膜一支，高压泵，旁路管路，反渗透浓水和产水循环管路以及换热器。启动高压泵，调节系统运行压力使初始产水量为80L/h，浓水流量为1080L/h，调节系统温度为25℃，全循环模式下运行反渗透系统20小时，使最终产水流量为72L/h，即产水流量下降10％。

然后摄取膜表面上腐殖酸HA污染物的扫描电镜照片(SEM)，采用盒子维法测定污染物形貌的分维数Df。将获取的所述SEM照片，利用计算机图像软件PHOTOSHOP处理成256×256像素的数字图像，取图像灰度级为8位，则得到灰度级为256的数字图像，将该数字图像的灰度级作为第3维信息，建立256×256×256的立方体作为盒子，则得到256×256个盒子，利用图像软件PHOTOSHOP统计每个盒子所含灰度的级数B_ij，i、j是数字图像的行与列，并计算分维值。公式如下：

结果如图1所示，腐殖酸HA污染物的分维数Df为2.61。

与实施例1和2的结果进行对比可知，本实施例中腐殖酸HA污染物分维数最小，表明腐殖酸HA污染物的形貌较为规则。因此，在膜污染所导致的产水流量下降相同的情况下，腐殖酸HA污染物对膜器性能下降的影响最小。

实施例4

本实施例针对无机污染物Al(OH)₃对膜器性能的影响进行检测。

采用去离子水，在原水槽中配置含1g/L的Al₂(SO₄)₃污染溶液，用NaOH调节溶液的pH值为8，使溶液中生成Al(OH)₃无机污染物。所采用的反渗透系统包括原水槽，4英寸美国海德能公司ESPA4021卷式膜一支，高压泵，旁路管路，反渗透浓水和产水循环管路以及换热器。启动高压泵，调节系统运行压力使初始产水量为80L/h，浓水流量为1080L/h，调节系统温度为25℃，全循环模式下运行反渗透系统3小时，使最终产水流量为72L/h，即产水流量下降10％。

然后摄取膜表面上Al(OH)₃污染物的扫描电镜照片(SEM)，采用盒子维法测定污染物形貌的分维数Df。将获取的所述SEM照片，利用计算机图像软件PHOTOSHOP处理成256×256像素的数字图像，取图像灰度级为8位，则得到灰度级为256的数字图像，将该数字图像的灰度级作为第3维信息，建立256×256×256的立方体作为盒子，则得到256×256个盒子，利用图像软件PHOTOSHOP统计每个盒子所含灰度的级数B_ij，i、j是数字图像的行与列，并计算分维值。公式如下：

结果如图1所示，Al(OH)₃污染物的分维数Df为2.8。

与实施例1-3的结果进行对比可知，本实施例中Al(OH)₃污染物分维数居中，表明Al(OH)₃污染物的形貌通其它污染物形貌相比，不规则程度居中。因此，在膜污染所导致的产水流量下降相同的情况下，Al(OH)₃污染物对膜器性能下降的影响居中。

上述仅为本发明的优选实施例，本发明并不仅限于实施例的内容。对于本领域中的技术人员来说，在本发明的技术方案范围内可以有各种变化和更改，所作的任何变化和更改，均在本发明保护范围之内。