一种用于测定清洗剂在膜污染层中扩散系数的方法及装置

摘要

本发明针对污水处理中使用的膜分离技术相关工艺，涉及一种清洗剂在膜污染层中扩散系数测定的方法及装置，属于水处理技术领域。包括如下步骤：使用千分尺测定膜面污染层厚度；膜面污染层向下固定在测试装置上；使用标记清洗剂扩散终点的显色试纸覆盖膜的上表面（背面）；向装置中注入清洗剂至预设刻度并计时；试纸全部变色时停止计时，并根据清洗剂在膜污染层中的扩散模型计算扩散系数。此种测试方法建立了污染层中清洗剂的扩散模型，实现了实验规模的有压条件下清洗剂扩散过程定量监测，不仅测量时间短、可重复性高，而且操作方便，使用成本低，为化学清洗过程中的清洗剂扩散机理研究提供了有效的方法支持。

权利要求

1.一种清洗剂在膜污染层中的扩散系数测试方法，其特征在于包括如下步骤：(1)使用千分尺测定未污染膜的平均厚度及污染后膜的平均厚度，两者做差得出污染层平均厚度；

(2)将待测膜的污染层朝下放置在U形渗透装置的圆形平台上，以便让污染层能够与清洗剂接触；

(3)用标记清洗剂扩散终点的显色试纸覆盖待测膜的上表面，即其背面，确保试纸与待测膜紧密贴合，并用固定装置固定；

(4)将清洗剂从U形渗透装置一端注入，至水面刚好与预定刻度相平，同时开始计时；

(5)观察待测膜背面试纸变色情况，至试纸全部变色时停止计时，并根据清洗剂在膜污染层中的扩散模型计算扩散系数。

2.根据权利要求1所述的一种清洗剂在膜污染层中的扩散系数测试方法，其特征在于：所述步骤(5)中的清洗剂在膜污染层中的扩散模型的推导过程如下：根据达西定律可知，

v＝K×J

其中，Q为渗流量；

K为渗透系数；

A为垂直于水流方向的截面积；

L为渗流长度；

△h为上下游水头差；

由于污染层厚度仅为数百微米，因此清洗剂在污染层中的渗透速率可近似看做恒定不变，即其中，v’为扩散速率，cm/s；

为污染层平均厚度，cm；

t为扩散时间，s；

由达西定律，可将描述污染层中清洗剂扩散系数定义为：式中，K’为清洗剂在污染层中的扩散系数，cm/s；

为污染层平均厚度，cm；

t为扩散时间，s；

△h为膜上下表面的水头差，cm。

3.根据权利要求1所述的一种清洗剂在膜污染层中的扩散系数测试方法，其特征在于：所述清洗剂为氧化性清洗剂，具体为次氯酸钠、过氧化氢、盐酸或氢氧化钠中任一种；所述标记清洗剂扩散终点的试纸，可根据所测定的清洗剂不同选择，具体为淀粉碘化钾试纸和pH试纸，淀粉碘化钾试纸用于标记氧化性清洗剂，pH试纸用于标记酸碱清洗剂。

4.一种如权利要求1所述的清洗剂在膜污染层中的扩散系数测试方法使用的装置，其特征在于：包括U形有压渗透装置、膜组件固定装置和标记清洗剂扩散终点的显色试纸，其中，膜组件固定装置通过螺栓与U形有压渗透装置连接；将待测膜的污染层朝下放置在U形渗透装置的圆形平台上，以便让污染层能够与清洗剂接触；用标记清洗剂扩散终点的显色试纸覆盖待测膜的上表面，即其背面，确保试纸与待测膜紧密贴合，并用固定装置固定；另需秒表用于记录扩散时间，千分尺用于测算污染层厚度。

说明书

一种用于测定清洗剂在膜污染层中扩散系数的方法及装置

技术领域

[0001] 本发明涉及水处理技术领域，针对污水处理中使用的膜分离技术相关工艺，特别涉及一种清洗剂在膜污染层中扩散系数测定的方法及装置。

背景技术

[0002] 膜分离技术(如微滤、超滤、纳滤、反渗透等)和膜生物反应器技术目前已经被广泛应用于水处理技术领域。然而，膜污染导致的膜通量下降、使用寿命缩短等问题成为了制约膜技术应用的重要因素。因此，为了恢复膜通量、延长膜的使用寿命，膜清洗过程成为膜技术应用过程中必不可少的重要措施。膜清洗包括物理清洗、化学清洗和生物清洗。其中，化学清洗借助于化学试剂的反应、溶解、乳化、分散、吸附作用，能够有效清除物理清洗难以去除的较为顽固的膜面污染物，从而高效恢复膜性能。因此，作为膜技术应用中最常用的清洗过程，化学清洗的机理研究对于优化化学清洗过程、有效控制膜污染以及膜分离技术的推广应用具有重要意义。

[0003] 化学清洗的过程主要分为两个步骤：1.清洗剂从膜面扩散至污染层内部；2.清洗剂与污染物发生系列化学反应，从而使污染物自膜面脱落、去除。目前已有诸多学者针对清洗剂与污染物间的反应机制进行了研究，如清洗剂的种类、剂量、pH、温度、离子强度等对清洗效率的影响。然而，却很少有针对清洗剂在膜污染层中的扩散过程对清洗机制影响的研究。究其原因，是由于清洗剂的扩散过程难以定量监测，无法准确描述不同条件下清洗剂在污染层中扩散情况的变化。且目前尚未有一种针对清洗剂在污染层中扩散系数的有效测定方法。

[0004] 基于此问题，本发明针对化学清洗过程中清洗剂在膜面污染层中的扩散过程，建立了相关测试装置，利用试纸的显色反应标记清洗剂扩散终点，通过记录有压条件下清洗剂扩散通过污染层的显色时间测算清洗剂在污染层中的扩散系数，实现了清洗剂扩散过程定量监测。

发明内容

[0005] 本发明目的在于提供一种用于测定清洗剂在膜污染层中扩散系数的方法及装置。本发明主要解决的技术问题，是针对膜分离技术化学清洗过程中的清洗剂扩散过程难以定量分析的不足，提供一种实验室规模的清洗剂扩散系数测试方法及装置，其不仅测量时间短、操作方便，且使用成本低，能够为化学清洗机理的科学研究提供有效的方法支持。

[0006] 本发明提出的一种清洗剂在膜污染层中的扩散系数测试方法，包括如下步骤：

[0007] (1)使用千分尺测定未污染膜的平均厚度及污染后膜的平均厚度，两者做差得出污染层平均厚度；

[0008] (2)将待测膜的污染层朝下放置在U形渗透装置的圆形平台上，以便让污染层能够与清洗剂接触；

[0009] (3)用标记清洗剂扩散终点的显色试纸覆盖待测膜的上表面(背面)，确保试纸与待测膜紧密贴合，并用固定装置固定；

[0010] (4)将清洗剂从U形渗透装置一端注入，至水面刚好与预定刻度相平，同时开始计时；

[0011] (5)观察待测膜背面试纸变色情况，至试纸全部变色时停止计时，并根据清洗剂在膜污染层中的扩散模型计算扩散系数。

[0012] 本发明中，所述步骤(5)中的清洗剂在膜污染层中的扩散模型的推导过程如下：

[0013] 根据达西定律可知，

[0014]

[0015] v＝K×J

[0016] 其中，Q为渗流量；

[0017] K为渗透系数；

[0018] A为垂直于水流方向的截面积；

[0019] L为渗流长度；

[0020] △h为上下游水头差；

[0021] 由于污染层厚度仅为数百微米，因此清洗剂在污染层中的渗透速率可近似看做恒定不变，即

[0022]

[0023] 其中，v’为扩散速率，cm/s；

[0024] 为污染层平均厚度，cm；

[0025] t为扩散时间，s；

[0026] 由达西定律，可将描述污染层中清洗剂扩散系数定义为：

[0027]

[0028] 式中，K’为清洗剂在污染层中的扩散系数，cm/s；

[0029] 为污染层平均厚度，cm；

[0030] t为扩散时间，s；

[0031] △h为膜上下表面的水头差，cm。

[0032] 本发明中，所述清洗剂为氧化性清洗剂，具体为次氯酸钠、过氧化氢、盐酸或氢氧化钠中任一种；所述标记清洗剂扩散终点的试纸，可根据所测定的清洗剂不同选择，具体为淀粉碘化钾试纸(用于标记氧化性清洗剂)和pH试纸(用于标记酸碱清洗剂)。

[0033] 本发明提出的清洗剂在膜污染层中的扩散系数测试方法使用的装置，包括U形有压渗透装置、膜组件固定装置和标记清洗剂扩散终点的显色试纸，其中，膜组件固定装置通过螺栓与U形有压渗透装置连接；将待测膜的污染层朝下放置在U形渗透装置的圆形平台上，以便让污染层能够与清洗剂接触；用标记清洗剂扩散终点的显色试纸覆盖待测膜的上表面(背面)，确保试纸与待测膜紧密贴合，并用固定装置固定；另需秒表用于记录扩散时间，千分尺用于测算污染层厚度。

[0034] 本发明的有益效果在于：

[0035] (1)本发明针对化学清洗过程中清洗剂在膜面污染层中的扩散过程，利用显色试纸标记清洗剂扩散终点，实现了有压条件下清洗剂扩散过程定量监测，为化学清洗过程中的清洗剂扩散机理研究提供了有效的方法支持；

[0036] (2)本发明根据达西定律，从渗透系数的角度，结合膜污染层中清洗剂扩散的实际情况，建立了污染层中清洗剂的扩散模型，同时定义了能够定量表征清洗剂扩散情况的扩散系数；

[0037] (3)本发明实现了清洗剂在污染层中的扩散系数监测，发明中所述的测试装置不仅测量时间短、可重复性高，而且操作方便，使用成本低，能够有效的用于清洗剂扩散机理研究，具有良好的实用性。

附图说明

[0038] 图1为本发明中清洗剂扩散系数的测试装置示意图；

[0039] 图2为清洗剂扩散系数测试装置中膜固定装置部件详图；

[0040] 图3为本发明的操作流程图；

[0041] 图中标号：1为U形有压渗透装置，2为膜组件固定装置，3为标记清洗剂扩散终点的显色试纸，4为固定螺栓，5为污染层，6为膜。

具体实施方式

[0042] 下面通过实例进一步说明本发明。

[0043] 实施例1：分别使用浓度为1g/L的牛血清蛋白(BSA)溶液和海藻酸钠(SA)对超滤膜进行污染，并测定总有效氯浓度为100mg/L、pH分别为5和11的NaClO清洗剂在两种污染层中的扩散系数。首先使用千分尺测定污染好的膜污染层厚度，测得BSA污染层平均厚度为210μm、SA污染层厚度为213μm。使用淀粉碘化钾试纸作为显色试纸，按照上述操作方法，将膜固定在渗透装置上并加入清洗剂，使其在U形管一侧的水头高于膜面0.5cm，同时使用秒表计时。重复上述实验三次后得出，在BSA污染层中，pH＝5的清洗剂平均扩散时间为177.5s，pH＝11的清洗剂平均扩散时间为99s；在SA污染层中，pH＝5的清洗剂平均扩散时间为217.5s，pH＝11的清洗剂平均扩散时间为133.5s。依照测试方法中推导出的扩散系数计算公式，计算后得出：在BSA污染层中，pH＝5的清洗剂扩散系数4.99×10-8cm/s，pH＝11的清洗剂的扩散系数为8.94×10-8cm/s；在SA污染层中，pH＝5的清洗剂扩散系数4.19×10-8cm/s，pH＝11的清洗剂的扩散系数为6.81×10-8cm/s。上述结果从定量分析的角度证实了不同pH导致的清洗剂扩散过程的差异。

[0044] 实施例2：在实施例1所述实验的基础上，向清洗剂中加入0.5mmol/L的十二烷基硫酸钠(SDS)以进一步提高清洗剂的扩散速率，并重复上述扩散系数测定实验。使用总有效氯浓度为100mg/L、SDS浓度为0.5mmol/L、pH分别为5和11的NaClO清洗剂，测定其在BSA、SA两种污染层中的扩散过程，记录扩散时间并依照测试方法中推导出的扩散系数计算公式计算-扩散系数。测定结果显示：在BSA污染层中，加入SDS后的pH＝5的清洗剂扩散系数7.68×10
8cm/s明显大于未加入SDS时的4.99×10-8cm/s；pH＝11的清洗剂的扩散系数为14.3×10-
8cm/s明显大于未加入SDS时的8.94×10-8cm/s。同样，在SA污染层中，加入SDS后的pH＝5的清洗剂扩散系数为5.84×10-8cm/s大于未加入SDS时的4.19×10-8cm/s，pH＝11的清洗剂的扩散系数为12.4×10-8cm/s大于未加入SDS时的6.81×10-8cm/s。(数据均使用T-test进行数值分析，p<0.01，证明存在显著性差异)。SDS为表面活性剂，能够降低清洗剂的表面张力，从而促进清洗剂在污染层中的扩散。本发明所测得的数据能够定量反应这一现象，证实SDS对于清洗剂扩散的促进效果。