基于原位光谱‑电化学分析技术的膜污染监测装置及方法

摘要

本发明公开了一种基于原位光谱‑电化学分析技术的膜污染监测装置及方法，该装置包括带有顶壁的过滤池1，分离膜片3，左池设置有进水口4，右池设置有出水口5，一端带有环状结构的工作电极7贯穿设置在左池中间的顶壁上，光纤探头8贯穿左池的左壁、穿过工作电极的环并使右端设置在近分离膜片3处，片状对电极9贯穿设置在右池中间的顶壁上，在左池的后壁的右下位置，贯穿设置有第一Ag/AgCl参比电极10，在右池的后壁的左下位置，贯穿设置有第二Ag/AgCl参比电极11，本发明的装置能在线监测分析不同分离膜片污染情况，从而制定合适的清洗方案，且操作简便、测量速度快，易于工业化，测量准确度高、灵敏度高、占地少、可操控性强。

说明书

技术领域

本发明涉及一种膜污染监测装置及方法，更具体地说，是涉及一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测装置及方法。

背景技术

超滤技术自研发诞生以来得到了飞速的发展，就目前来说超滤膜在饮用水及废水处理等行业已经得到较为广泛的应用且都取得了较好的效果。与传统的水处理技术相比，超滤膜产水水质好，尤其是提高了浊度及微生物的去除。而在废水处理领域，超滤膜较多的被用于市政污水的处理，研究表明，超滤膜技术几乎可完全去除一般的细菌、病毒及悬浮固体颗粒物，并且对生化指标BOD、COD、氮磷等污染物质都有一定的去除作用，基本能够满足回用水的标准。

然而在超滤膜的应用中，膜污染是影响其工作效率，阻碍技术推广的重要因素。膜污染是指在膜在工艺运行过程中，过滤液胶体粒子、溶解性大分子及微小颗粒等物质由于与膜面存在物理、化学、生化的相互作用或机械作用，而引起在膜表面或膜孔内吸附、沉积等现象，造成膜孔径变小或堵塞，致使膜渗透通量下降及分离特性变差的现象。膜污染现象可导致膜产水率下降，影响膜的稳定运行，并且会降低膜的使用寿命增加更换频率进而使运行成本上升。

自从膜分离过程诞生，人们致力于膜污染监测分析方法的研究一直未停歇过。目前膜污染监测分析方法分为在线和离线两种。在线手段只是通过测定跨膜压差、膜通量来说明膜污染发生，然而通过对这些宏观数据的比较分析无法明确膜面污染程度以及解释膜污染作用机理。离线手段通常使用扫描电镜、红外光谱分析、原子力显微镜等微观表征手段，然而这些表征方法需要对污染膜进行前处理，操作不慎会破坏膜表面污染层，观测后膜无法再使用。且无法对膜污染过程进行在线监测，不能实时的观测膜污染行为。综上所述，开发新型膜污染在线监测装置及方法，已经成为目前精确应用膜技术的重要问题。

光纤光谱仪是光谱仪的一个分支，其利用了阵列CCD同时采集不同波长的光谱信息，结构上更加稳定。又因为光纤光谱仪体积小、采集光谱速度快，目前已经广泛应用于工业领域。电化学交流阻抗法是利用电化学等效电路在正弦交流电作用下的特性来实现电化学参数测量的方法，是一种无损测量技术，对各种化学和物理性能有很高的灵敏度，可为有机涂层、传感器、电池及其相关材料性能研究等众多应用研究提供有价值的信息。通过将光纤光谱仪获取的光学信息与电化学工作站获取的电化学信息相结合，一方面可获得膜面污染物的分子水平上的信息，另一方面可以获取物质在膜面上的沉积过程信息，能够极大丰富对膜污染机理及膜界面上变化的分析手段和研究方法，在开发新型膜污染在线监测装置及方法的基础上，为深入探究膜污染机理提供理论支持。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术中的不足，提供一种操作简便、测量速度快、灵敏度高，可工业在线监测分析分离膜污染，优化膜清洗策略提供依据的基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测装置。

本发明的第二个目的是提供一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测方法。

本发明的技术方案概述如下：

一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测装置，包括带有顶壁的过滤池1，在过滤池的中部设置有分离膜片3，将过滤池分隔为左池和右池，在左池的前壁中下位置，设置有进水口4，在右池的前壁中下位置，设置有出水口5，一端带有环状结构的工作电极7的上端贯穿设置在左池中间的顶壁上，并使环状结构位于左池的中间，光纤探头8贯穿左池的左壁、穿过工作电极的环并使右端设置在近分离膜片3处，片状对电极9的上端贯穿设置在右池中间的顶壁上，并使片状结构位于右池的中部，一端带有环状结构的工作电极和片状对电极以分离膜片为中心对称设置，在左池的后壁的右下位置，贯穿设置有第一Ag/AgCl参比电极10，在右池的后壁的左下位置，贯穿设置有第二Ag/AgCl参比电极11，第一Ag/AgCl参比电极10和第二Ag/AgCl参比电极11以分离膜片为中心对称设置；将进水口通过连接有泵12的管道17与储水罐2连接，一端带有环状结构的工作电极7、片状对电极9、第一Ag/AgCl参比电极10和第二Ag/AgCl参比电极11分别通过导线与电化学工作站14连接，光纤探头8通过导线分别与光源13和光谱仪15连接，光谱仪15通过导线与计算机16连接；电化学工作站14通过导线与计算机16连接。

一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测方法，包括如下步骤：

1)使用上述一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测装置；

2)启动泵，使储水罐中的待过滤水通入过滤池的左池中，打开光源、光谱仪、计算机和电化学工作站，通过计算机监测分离膜片表面污染物质吸附沉降情况；通过计算机监测过滤系统阻抗变化。

本发明的优点：

(1)利用本发明的装置，能同时在线监测分析分离膜片污染情况，从而制定合适的清洗方案，且操作简便、测量速度快，易于工业化。

(2)本发明的装置对分离膜片污染物质变化进行监测。同时监测过滤系统阻抗变化。具有测量准确度高、灵敏度高等特点。

(3)本发明装置中的光纤探头到分离膜片距离可自由调节，可以更准确快速的对分离膜片污染物积累进行监测。

(4)本发明的方法简单易行，占地少、可操控性强。

附图说明

图1为本发明一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测装置示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测装置(见图1)，包括带有顶壁的过滤池1，在过滤池的中部设置有分离膜片3，将过滤池分隔为左池和右池，在左池的前壁中下位置，设置有进水口4，在右池的前壁中下位置，设置有出水口5，一端带有环状结构的工作电极7的上端贯穿设置在左池中间的顶壁上，并使环状结构位于左池的中间，光纤探头8贯穿左池的左壁、穿过工作电极的环并使右端设置在近分离膜片3处，片状对电极9的上端贯穿设置在右池中间的顶壁上，并使片状结构位于右池的中部，一端带有环状结构的工作电极和片状对电极以分离膜片为中心对称设置，在左池的后壁的右下位置，贯穿设置有第一Ag/AgCl参比电极10，在右池的后壁的左下位置，贯穿设置有第二Ag/AgCl参比电极11，第一Ag/AgCl参比电极10和第二Ag/AgCl参比电极11以分离膜片为中心对称设置；将进水口通过连接有泵12的管道17与储水罐2连接，一端带有环状结构的工作电极7、片状对电极9、第一Ag/AgCl参比电极10和第二Ag/AgCl参比电极11分别通过导线与电化学工作站14连接，光纤探头8通过导线分别与光源13和光谱仪15连接，光谱仪15通过导线与计算机16连接；电化学工作站14通过导线与计算机16连接。

分离膜可以选用任何材料膜材料，例如，聚偏氟乙烯膜或聚醚砜膜。

实施例1

一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测方法，包括如下步骤：

1)使用上述一种基于原位光谱-电化学分析技术的膜污染监测装置；

2)启动泵，使储水罐中的待过滤水通入过滤池的左池中，打开光源、光谱仪、计算机和电化学工作站，通过计算机监测分离膜片表面污染物质吸附沉降情况；通过计算机监测过滤系统阻抗变化。

用实施例1的方法过滤待过滤水，过滤1分钟时由光谱仪测得的紫外吸光度值为0.1,过滤10分钟，紫外吸光度值为0.3，过滤20分钟，紫外吸光度值为0.45，过滤30分钟，紫外吸光度值为1.2，过滤60分钟，紫外吸光度值为1.8，并保持相对稳定，由此说明污染物随着过滤进行逐渐在膜表面积累，一小时后污染层形成，并逐渐达到平衡。通过电化学工作站阻抗测量得到容抗弧半径减小，表明离子在膜表面积累，膜表面形成污染层。