專利名稱：一種中空纖維膜污染的在線監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種監(jiān)測技術(shù)，具體為一種利用超聲波技術(shù)實(shí)時在線監(jiān)測中 空纖維膜污染的在線方法及其監(jiān)測裝置，國際專利主分類號擬為
Int.C17.G01N 29/00。
背景技術(shù)：
中空纖維膜是一種自身支撐的分離膜，由于其裝填密度大，制造費(fèi)用 低，被廣泛地應(yīng)用于污水處理和回收中。在液體分離過程中，膜污染已經(jīng)被 確認(rèn)為是限制膜作用的主要因素。而膜污染的監(jiān)測和控制將是促進(jìn)膜材料被 廣泛使用的關(guān)鍵技術(shù)。沒有適宜的膜污染監(jiān)測技術(shù)，將嚴(yán)重阻礙膜污染控制 方法和技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
目前，中空纖維膜污染狀態(tài)監(jiān)測的方法主要有l(wèi).監(jiān)測膜通量。這種方 法是監(jiān)測被處理液體的滲透率來評價膜污染狀態(tài)和膜清洗效果的方法，其缺 點(diǎn)是監(jiān)測結(jié)果不可靠，因?yàn)槟ね康南陆狄部赡苁瞧渌蛉鐫獠顦O化及膜 擠壓所致，因此膜通量不能作為膜污染狀態(tài)和膜清洗效果的唯一評價依據(jù)。 2.跨膜壓差測量法。這種方法是指測量分離膜兩側(cè)的壓力差來判斷膜污染的 方法。其缺點(diǎn)是只能提供膜污染的間接測量，例如膜的跨膜壓差的升高也可 能是其它原因如膜擠壓所致。3.滲透液成份測量法。這種方法是指通過測量 滲透液的組成來判斷膜分離效果和膜污染的方法。其缺點(diǎn)也是只能提供膜污 染的間接測量。4.顯微鏡和錄像機(jī)技術(shù)。這種方法是指采用顯微鏡照相技術(shù) 來觀察中空纖維膜外表面污染物的沉積狀態(tài)。這種方法可以在線觀測中空纖 維膜外表面污染物的沉積過程，但是不能實(shí)時量化污染層的性能參數(shù)及其變 化。5.X射線微成像技術(shù)。這種方法是釆用相差X射線成像技術(shù)在線觀察污 染物在中空纖維膜內(nèi)壁及膜內(nèi)部的沉積狀態(tài)。但是此方法成本較高。因此， 現(xiàn)有的中空纖維膜污染監(jiān)測技術(shù)和方法都不同程度存在著缺陷。
對于超聲波監(jiān)測技術(shù)，也有人已經(jīng)使用超聲波時域反射法來研究膜形成 和膜過程。先前的工作已經(jīng)包含了膜形成、膜擠壓以及膜污染形成的研究。
例如，Journal of Membrane Science (膜科學(xué)雜志)在2000年第171巻第 217 - 228頁報道的名為"一種新技術(shù)用于在線實(shí)時測量在高壓氣體作用下 膜擠壓及性能"的文章，其描述使用一種非破壞性超聲波技術(shù)在線、實(shí)時監(jiān) 測膜擠壓。其缺點(diǎn)是沒有有效的信號處理方法對分離膜復(fù)合層疊加的反超聲 反射信號進(jìn)行分解，因此，無法觀測到超聲信號的移動，也就不能將超聲監(jiān) 測結(jié)果與膜的厚度相關(guān)聯(lián)。Journal of Membrane Science (膜科學(xué)雜志) 在2003年第215卷第33 - 52頁也報道使用 一種無損超聲時域反射法如何在 線、實(shí)時的監(jiān)測超濾膜擠壓、污染及清洗。其高分子超濾膜的結(jié)構(gòu)由一個 145微米厚的聚砜分離層和一個125微米厚的聚酯支撐層。但是，該工作僅 限于平板膜及膜組件方面，并未涉及中空纖維膜及其組件。這主要是因?yàn)橹?空纖維膜內(nèi)徑小(通常為0.5-1.0mm),組件內(nèi)裝有多則上萬的膜絲，結(jié) 構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)測非常困難。此外，有文獻(xiàn)描述將超聲時域反射法應(yīng)用到反滲透 卷式膜的污染監(jiān)測中的技術(shù)(參見美國專利US 6161435 )。該技術(shù)在反滲 透卷式膜的污染超聲監(jiān)測中，使用的裝置涉及儀器較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，監(jiān)測步 驟以及數(shù)據(jù)處理不具體、分析方法不明確，使其適應(yīng)性大打折扣，也沒有得 到應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
針對現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是設(shè)計一種超聲波監(jiān)測 方法及其監(jiān)測裝置。該監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置利用超聲波反射法來監(jiān)測中空 纖維膜在使用過程中的污染狀態(tài)。該監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置具有無損、在 線、實(shí)時、高分辨率、高精度、高效率、簡單易行、操作安全等特點(diǎn)。
本發(fā)明解決所述監(jiān)測方法技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計一種超聲波用于 實(shí)時在線監(jiān)測中空纖維膜污染的方法，該監(jiān)測方法利用^_聲波反射法來監(jiān)測 中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測方法為
1. 將監(jiān)測裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面；
2. 釆集并存儲超聲波傳感器監(jiān)測到的中空纖維膜的超聲波反射時域信
號；
3. 釆用時域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動信號法或小波 分析法中的至少一種分析方法對所述時域信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；
4. 根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，計算并顯示出中空纖維膜內(nèi)部污染層參數(shù)及其變化。
本發(fā)明解決所述監(jiān)測裝置技術(shù)問題的技術(shù)方案是，設(shè)計一種超聲波監(jiān)測 裝置，其特征在于它適用本發(fā)明所述的超聲波監(jiān)測方法，包括超聲波傳感
器，與超聲波傳感器依次電連接的超聲波發(fā)射接收儀、示波器和計算機(jī)；或 者所述超聲波傳感器；所述超聲波傳感器的頻率范圍為0. 5-90MHz;所述 超聲波發(fā)射接收儀的工作頻率范圍為0.5-90MHz;所述示波器的釆樣精度 為200MSa/s - 4GSa/s,帶寬100MHz - lGHz。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置由于巧妙地釆用了超 聲波反射法和一系列科學(xué)分析方法來監(jiān)測中空纖維膜內(nèi)部的污染情況，因而 具有監(jiān)測精度高，分辨率高、效率高、操作簡便，使用安全等特點(diǎn)，特別是 能在不影響生產(chǎn)運(yùn)行的情況下在線實(shí)時、非接觸式(或無損)地直接對中空 纖維膜的污染過程進(jìn)行監(jiān)測，具有良好的實(shí)際工業(yè)應(yīng)用價值。


圖1是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置監(jiān)測中空纖維膜污染的一種實(shí)施 例示意圖2是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置監(jiān)測管式中空纖維膜組件斷面結(jié)構(gòu) 的一種實(shí)施例示意圖3是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置一種實(shí)施例的中空纖維膜通量與操
作時間之間的關(guān)系圖4是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置一種實(shí)施例在污染(a) Omin， (b) 10min, (c) 60min和(d) 240min時中空纖維膜的超聲反射信號譜 圖5是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置一種實(shí)施例中空纖維膜的差動信號
譜圖6是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置一種實(shí)施例在處理1.8g/l高嶺土懸
浮液時中空纖維膜內(nèi)部差動信號振幅和污染層厚度變化與操作時間關(guān)系圖7是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置一種實(shí)施例在污染(a)Omin和 (b)240min時中空纖維膜超聲反射信號的二維小波分析譜圖8是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置一種實(shí)施例在污染(a)Omin和 (b)240min時中空纖維膜超聲反射信號的三維小波分析譜圖9是本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置一種實(shí)施例的中空纖維膜斷面的 SEM圖，其中(a)新膜；(b)膜內(nèi)上表面污染；(c)膜內(nèi)下表面污染。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步敘述本發(fā)明，但本發(fā)明不受實(shí)施例的限制。
本發(fā)明設(shè)計的一種超聲波監(jiān)測方法(以下簡稱監(jiān)測方法)利用了超聲波 反射法來監(jiān)測中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測方法為
1. 將監(jiān)測裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面。所述的 超聲波傳感器(也稱超聲波探頭)貼敷于管式中空纖維膜組件表面是指把超 聲波探頭直接貼敷于或安放在液體的管道殼體的外表面(參見圖1~2)。
所述超聲波傳感器(以下簡稱探頭)的頻率范圍為0. 5-90MHz,根據(jù) 監(jiān)測需要，探頭可以是l個、并聯(lián)的2個或者2個以上。本發(fā)明實(shí)施例的探 頭系選用美國泛美(PANAMETRICS )公司的高頻超聲探頭，其工作頻率為 lOMHz。
2. 采集并存儲超聲波傳感器監(jiān)測到的中空纖維膜的超聲波反射時域信 號。探頭貼敷安裝在被監(jiān)測物質(zhì)對象后，利用傳感器發(fā)出超聲波，在穿透被 測物質(zhì)、遇到被測物質(zhì)的兩相界面時，會得到不同的到達(dá)時間和振幅，以此 可區(qū)別不同的材料和判斷這些材料的狀態(tài)及其變化。根據(jù)聲波(機(jī)械波)傳 播原理，由于不同的物質(zhì)具有不同的聲阻抗，從不同的聲阻抗的表面反射 時，其反射波的振幅是不同的，也即不同的物質(zhì)具有不同的聲阻抗，從不同 聲阻抗的表面反射回來反射波的時間和振幅不同。當(dāng)用超聲波對中空纖維膜 進(jìn)行穿透時，中空纖維膜內(nèi)壁污染物的沉積對超聲波的傳播時間和振幅都會 造成一定的影響，使傳播時間和振幅發(fā)生變化。這些變化可以通過超聲波傳 感器和數(shù)據(jù)釆集系統(tǒng)等現(xiàn)有的測試設(shè)備把它轉(zhuǎn)換為電信號來測量和存貯。
本發(fā)明超聲波發(fā)射接收儀的工作頻率范圍為0. 5-90固z。實(shí)施例系釆
用美國泛美(PANAMETRICS)公司的高性能超聲波脈沖信號發(fā)射接收儀。其 主要性能如下高電壓脈沖為900伏特；高增益、低噪音，工作頻率0。 5-20MHz;具有超聲波發(fā)射接受和穿透雙功能。這種超聲波發(fā)射接收儀專門為 滿足對難穿透的材料(如聚合物材料)的超聲監(jiān)測和測量的需要而設(shè)計的。 本發(fā)明實(shí)施例超聲波信號的存儲分析系釆用美國安捷能公司Agilent VEE Pro7. 0 -數(shù)據(jù)自動存儲和信號處理軟件通過計算機(jī)進(jìn)行超聲信號的存儲和分 析。根據(jù)需要，也可以利用LabView實(shí)現(xiàn)對超聲信號的自動存儲，每秒存儲 超聲波譜圖為l-10萬個。超聲波到達(dá)時間的分辨率為l納秒。本發(fā)明所述 示波器的采樣精度為1000M/S,帶寬500MHz。所述示波器的釆樣精度為 200MSa/s-4GSa/s,帶寬100MHz-lGHz。限于條件，實(shí)施例的示波器系釆 用美國安捷倫(Agilent)公司高精密度的數(shù)字式示波器，帶寬為350 MHz， 最大釆樣率為2 GSa/s (每秒鐘釆集2兆個數(shù)據(jù)，每個數(shù)據(jù)只要0.5納 秒)，上升時間為1納秒(ns),可接受顯示從脈沖信號發(fā)射接收儀的信 號，具有數(shù)據(jù)自動存儲功能。上述設(shè)備性能指標(biāo)能滿足本發(fā)明監(jiān)測方法對被 測對象如膜污染的監(jiān)測精度和監(jiān)測速度的要求。
3.釆用時域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動信號法或小波 分析法中的至少一種分析方法對所述的時域信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。頻率域法是 通過傅立葉變換將時間域中時間與振幅之間的關(guān)系轉(zhuǎn)換為頻率與振幅間的關(guān) 系，其特點(diǎn)是提高了信號的全局性(時域觀測到的是各個點(diǎn)的變化)和代表 性，可反映出整個區(qū)域內(nèi)的信息變化。傅立葉變換是將時域信號轉(zhuǎn)變?yōu)轭l率 與振幅、相、波長、增益、標(biāo)準(zhǔn)化、數(shù)量等之間的關(guān)系，能提供更多的監(jiān)測 信息。差動信號法是一種將重疊的信號進(jìn)行分解的信號分析方法，通過比較 參考信號與監(jiān)測信號之間的差來獲得。采用差動信號法能突破傳統(tǒng)的超聲監(jiān) 測厚度的限定，使監(jiān)測的靈敏度能提高一個數(shù)量級以上達(dá)到納米級。小波變 換是一種優(yōu)異的時頻分析方法，兼顧時間域法和傅立葉變換兩者的優(yōu)點(diǎn)，能 對信號進(jìn)行切片式的分析即可獲得二維和三維圖像，生動形象，立體感強(qiáng)， 監(jiān)測靈敏度高。差動信號法和小波分析的使用例可以參考環(huán)境科學(xué)與技術(shù) (Environmental Science and Technology)雜志在2005年第39卷第 7299 - 7305頁報道的名為"超聲圖譜的傅立葉小波造紙廢水微濾處理過 程中一種監(jiān)測膜污染的新方法"的文章。這些分析方法可根據(jù)應(yīng)用對象來做 適當(dāng)選擇。
本發(fā)明所述的各種分析方法本身系現(xiàn)有技術(shù)，部分分析方法也有人應(yīng)用 在超聲波監(jiān)測技術(shù)中，但將超聲時域譜圖通過小波變換用于監(jiān)測中空纖維膜 污染的過程，此前沒有人研究和應(yīng)用過，是本發(fā)明的獨(dú)特設(shè)計。
4.根據(jù)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果，計算并顯示出被監(jiān)測中空纖維膜內(nèi)部污染層 參數(shù)及其變化。
本發(fā)明的監(jiān)測方法是利用了超聲波反射法來監(jiān)測中空纖維膜的污染情 況，具有諸多優(yōu)點(diǎn)，如具有無損、在線、實(shí)時、高分辨率、高精度、高效 率、簡單易行、操作安全等特點(diǎn)。超聲波是一種機(jī)械波。超聲波監(jiān)測的原理 是根據(jù)機(jī)械波的傳播速度是由它所穿過的介質(zhì)(或材料)的性質(zhì)(如密度、 彈性模量等)決定的原理設(shè)計的。聲速是一個表征材料聲學(xué)特性的參數(shù)。在 不同介質(zhì)中，聲波傳播的速度不同。例如，超聲(脈沖)反射法測量厚度的 原理就是測量超聲波在材料中的往返傳播時間△ T，即
AS"CAT (1) 2
如果材料聲速C已知，那么測得時間AT,就可求得材料厚度AS。 此外，當(dāng)超聲波入射到不同介質(zhì)的交界面時，超聲波的能量通常被分 割，其中一部分以反射的形式表現(xiàn)出來，還有一部分以透射的形式表現(xiàn)出 來。當(dāng)聲波垂直入射時，其聲壓反射系數(shù)R和透射系數(shù)D的公式可分別表 示為
/7r Z2 - Zj
Pi — z2十z工
—一2Z，
z， +Z,
(2)
(3)
(4)
式中，a為入射波聲壓，A為透射波聲壓，A為反射波聲壓；Z為介質(zhì)的聲 P且,kg/m2s;角碼1, 2表示界面兩邊的介質(zhì)；p為介質(zhì)密度，kg/m3; C為介質(zhì)中 的聲速,m/s。
當(dāng)超聲波從不同聲阻抗的表面反射時，其反射波的振幅是不同的。這種 振幅變化可以把它轉(zhuǎn)換為電信號來測量，進(jìn)而進(jìn)行數(shù)據(jù)分析處理，獲得相應(yīng) 的結(jié)果。
本發(fā)明同時設(shè)計了一種超聲波監(jiān)測裝置(以下簡稱監(jiān)測裝置)，其特征 在于它適用本發(fā)明所述的超聲波監(jiān)測方法，包括超聲波傳感器，與超聲波傳 感器依次電連接的超聲波發(fā)射接收儀、示波器和計算機(jī)；所述的超聲波傳感
器的頻率范圍包含0.5-90MHz;所述的超聲波發(fā)射接收儀工作電壓范圍為0 -900伏特，工作頻率范圍包含0.5-90MHz;所述示波器的釆樣精度為 200MSa/s-4GSa/s，帶寬100MHz - lGHz。監(jiān)測裝置的超聲波傳感器可以是1 個，根據(jù)監(jiān)測需要也可以配置安裝并聯(lián)的2個或2個以上。
除了所述監(jiān)測裝置實(shí)施例外，適用本發(fā)明監(jiān)測方法的監(jiān)測裝置還可釆用 其他實(shí)施方式，例如
1. 設(shè)計釆用超聲波探頭、信號釆集線路和嵌入式計算機(jī)系統(tǒng)及顯示器的 組配方式。
2. 設(shè)計釆用超聲波探頭、信號釆集處理電路及單片機(jī)、液晶顯示器的組 配方式。
3. 設(shè)計采用其它適當(dāng)?shù)慕M配方式。
本發(fā)明所述的監(jiān)測裝置采用的組配零件或儀器都是現(xiàn)有技術(shù)。但對它們 的技術(shù)參數(shù)要求是根據(jù)本發(fā)明監(jiān)測方法要求而特別設(shè)計的。
本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置涉及的大量計算公式和信息釆集、分析、 處理工作量較大，但釆用現(xiàn)代數(shù)據(jù)處理技術(shù)完成這些任務(wù)并不困難。
本發(fā)明監(jiān)測裝置的運(yùn)行程序可釆用既有軟件，經(jīng)本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)監(jiān) 測方法要求進(jìn)行簡單組織編輯即可應(yīng)用，如市場購得的美國安捷倫公司 Agilent VEE Pro7. 0、 LabView、 Tablecurve等均可以利用。
本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置滿足了監(jiān)測中空纖維膜開始污染、膜污染 狀態(tài)的方法的技術(shù)需要，藉此提供一個允許調(diào)節(jié)系統(tǒng)操作參數(shù)來減少污染問 題的早期警告。本發(fā)明滿足了測定何時膜組件應(yīng)該被清洗的技術(shù)需要。本發(fā) 明也滿足了允許測定何時膜組件已經(jīng)由化學(xué)或其他清洗方法被充分清洗的儀 器或方法的技術(shù)需要。同樣，本發(fā)明滿足了減少膜清洗所需的化學(xué)或其他清 洗藥品數(shù)量的方法或儀器的技術(shù)需要，如此也將清洗膜組件所需時間減少到 最低。本發(fā)明也滿足了能被用于一系列液體分離工作，如水脫鹽和回收，原 料流及廢液原料流的處理等膜組件的儀器和方法的技術(shù)需要。
本發(fā)明滿足了原位實(shí)時在線監(jiān)測儀的技術(shù)要求，將信號發(fā)射接收、數(shù)字 顯示、數(shù)據(jù)釆集、主電腦處理器等集成一個模塊制成一個便攜式的中空纖維 膜污染監(jiān)測儀，具有良好的實(shí)際應(yīng)用前景。
以下給出本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置的具體實(shí)施例
實(shí)施例1:
中空纖維膜污染狀態(tài)的在線監(jiān)測。
本實(shí)施例釆用一個探頭。監(jiān)測時，首先將監(jiān)測裝置的探頭1貼敷安放在
被監(jiān)測裝有單根中空纖維膜組件13的殼體12的外表面上(參見圖2),并 把探頭1依次與超聲波發(fā)射接收儀2、示波器3分別和計算機(jī)4電連接。采 用超聲波反射法，即一個上位探頭1既發(fā)射又接收超聲波，以對中空纖維膜 的污染過程進(jìn)行在線監(jiān)測。上位探頭1的超聲波頻率為1-90MHz。
實(shí)驗(yàn)方法。本實(shí)施例釆用錯流過濾，原料槽20中的液體(即高嶺土懸 浮液)，由壓力泵21輸入到(內(nèi)壓式)中空纖維膜11進(jìn)行分離，濃縮液 16返回原料槽20進(jìn)行循環(huán)，滲透液15計量后返回原料槽20中。系統(tǒng)的液 體流量由流量計19顯示，搡作壓力由進(jìn)口壓力表22和出口壓力表l7顯 示，流量大小由調(diào)節(jié)閥23和18調(diào)節(jié)。按一定的時間間隔記錄膜的滲透通量 并釆集中空纖維膜的超聲波反射波形圖。
實(shí)驗(yàn)材料。膜污染實(shí)驗(yàn)所述的中空纖維膜11為聚醚砜膜，膜組件外徑 50mm，膜纖維長為400mm,數(shù)量為1根。釆用高嶺土和純凈水配制成濃度為 1. 8g/1的高嶺土懸浮溶液。
實(shí)驗(yàn)步驟及內(nèi)容。實(shí)驗(yàn)過程中用蠕動泵將磁力攪拌器上不停攪拌的高嶺 土懸浮液壓送到中空纖維膜。污染實(shí)驗(yàn)包括2個階段即純水穩(wěn)壓和污染階 段，具體是每次膜污染實(shí)驗(yàn)之前，先通入純水， 一小時以后，更換實(shí)驗(yàn)所需 濃度的高嶺土懸浮液，污染實(shí)驗(yàn)時間為4小時。實(shí)驗(yàn)操作條件壓力30 ± 2KPa，流速10. 0 ± 1. Ocm/s,溫度21. 0±1. (TC。 釆用美國FEI公司 QUANTA200型掃描電子顯微鏡(SEM)對污染前后的膜斷面進(jìn)行觀察。
實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析。圖3為中空纖維膜在處理濃度為1.8g/l的高嶺土懸 浮液時膜通量與操作時間關(guān)系圖。由圖3可知，在純水階段，膜通量基本保 持穩(wěn)定。經(jīng)過1.8g/l高嶺土懸浮液過濾，膜通量隨時間逐漸下降。操作時 間300分鐘(污染4小時后)，膜通量由213. 9L/m2h下降到161, 5L/m2h (約為初始純水通量的75.5%)。平均截留率為99%，這說明中空纖維膜內(nèi)
部發(fā)生了污染。污染實(shí)驗(yàn)結(jié)束后污染前后膜斷面SEM分析可以證明這一觀察 (參見圖9)。如圖9所示，污染后的膜內(nèi)表面和新膜內(nèi)表面對比鮮明新
膜的內(nèi)表面清潔干凈(參見圖9(a)),污染后的膜內(nèi)表面形成污染層 (參見圖9 (b)和(c))，這正是導(dǎo)致膜通量下降的內(nèi)在原因。
超聲波監(jiān)測結(jié)果及分析。圖4是不同污染時刻中空纖維膜的超聲反射信 號譜圖。由圖4可知，隨著污染的進(jìn)行，中空纖維膜內(nèi)上表面E和內(nèi)下表面 F的超聲反射信號在時間區(qū)域內(nèi)發(fā)生了有序移動、振幅區(qū)域內(nèi)不斷地增長。 超聲反射信號這種有序變化與污染物在膜內(nèi)的吸附、沉積以及污染層的生長 有著良好的對應(yīng)關(guān)系。
為了更好的研究污染層的生長過程，釆用差動信號來分析污染層的狀 態(tài)。圖5為中空纖維膜內(nèi)部的差動信號譜圖。由圖5可知，污染5min后差 動信號出現(xiàn)，隨著污染的進(jìn)行不斷生長。污染240min后，由于膜表面形成 了致密的污染層，所以形成的差動信號振幅很強(qiáng)。由圖6可知，在污染初 期，差動信號振幅迅速增長。污染60min后中空纖維膜內(nèi)下表面差動信號 (P )這幅基本達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)，這是因?yàn)樵谀?nèi)下表面形成了結(jié)構(gòu)均勻的污 染層，其密度保持恒定。但是，中空纖維膜內(nèi)上表面差動信號(E')振幅在 污染60min后開始下降，這是由于重力作用，中空纖維膜內(nèi)上表面的污染層 比較疏松。隨著污染的進(jìn)行，膜內(nèi)表面的污染層厚度不斷增加。污染 240min后，中空纖維膜內(nèi)上表面和內(nèi)下表面的污染層厚度分別為155Hm和 10lMm (假設(shè)污染層中超聲的傳播速度為2000m/s)。這表明重力作用和顆 粒間的黏附力在污染層沉積和生長過程中發(fā)揮主要作用。
超聲波信號處理及分析。為了更好地將超聲監(jiān)測與膜污染過程相關(guān)聯(lián)， 采用小波變換對超聲波反射信號進(jìn)行處理。圖7和圖8分別為污染(a)Omin 和(b) 240min時中空纖維膜超聲反射信號的二維和三維小波分析譜圖。通過 對中空纖維膜的超聲反射信號進(jìn)行小波變換，可以生動形象地觀察到單根中 空纖維膜內(nèi)表面污染層的沉積和生長過程。這一觀察結(jié)果證明超聲監(jiān)測結(jié)果 與膜污染狀態(tài)有很好的一致性。本發(fā)明監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置將為中空纖維 膜污染和清洗研究，以及膜生物反應(yīng)器的優(yōu)化設(shè)計提供一種新的量化手段。
權(quán)利要求
1.一種超聲波用于實(shí)時在線監(jiān)測中空纖維膜污染的方法，該監(jiān)測方法利用超聲波反射法來監(jiān)測中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測方法為(1).將監(jiān)測裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面；(2).采集并存儲超聲波傳感器監(jiān)測到的中空纖維膜的超聲波反射時域信號；(3).采用時域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動信號法或小波分析法中的至少一種分析方法對所述的時域信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；(4).根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，計算并顯示出中空纖維膜內(nèi)部污染層參數(shù)及其變化。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的超聲波監(jiān)測方法，其特征在于在中空纖維膜 的污染監(jiān)測時，采用小波變換對中空纖維膜的超聲反射信號進(jìn)行切片式分 析，即可獲得二維或三維圖像，生動形象，立體感強(qiáng)，監(jiān)測靈敏度高。
3. —種超聲波監(jiān)測裝置，其特征在于它適用權(quán)利要求1或2所述的超 聲波監(jiān)測方法，包括超聲波傳感器，與超聲波傳感器依次電連接的超聲波發(fā) 射接收儀、示波器和計算機(jī)；所述超聲波傳感器的頻率范圍為0.5 -90MHz;所述超聲波發(fā)射接收儀的工作頻率范圍為0.5-90MHz;所述示波器 的采樣精度為200MSa/s - 4GSa/s，帶寬10讓z - lGHz。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的超聲波監(jiān)測裝置，其特征在于所述的超聲波 傳感器可以為l個、并聯(lián)的2個或2個以上，其工作頻率為10MHz。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種超聲波用于實(shí)時在線監(jiān)測中空纖維膜污染的監(jiān)測方法及其監(jiān)測裝置。該監(jiān)測方法利用超聲波反射法來監(jiān)測中空纖維膜的污染情況，具體監(jiān)測方法為1.將監(jiān)測裝置的超聲波傳感器貼敷于管式中空纖維膜組件表面；2.采集并存儲超聲波傳感器監(jiān)測到的中空纖維膜的超聲波反射時域信號；3.采用時域法、頻率域法、振幅域法、傅立葉變換、差動信號法或小波分析法中的至少一種分析方法對所述時域信號進(jìn)行數(shù)據(jù)處理；4.根據(jù)數(shù)據(jù)處理結(jié)果，計算并顯示出中空纖維膜內(nèi)部污染層參數(shù)及其變化。該監(jiān)測裝置特征在于它適用本發(fā)明所述超聲波監(jiān)測方法，包括超聲波傳感器，與超聲波傳感器依次連接的超聲波發(fā)射接收儀、示波器和計算機(jī)。
文檔編號G01N29/06GK101344505SQ20081005439
公開日2009年1月14日 申請日期2008年9月1日 優(yōu)先權(quán)日2008年9月1日
發(fā)明者張玉忠, 徐妮妮, 曹宇合, 李建新, 穎 蔡, 許新成 申請人:天津工業(yè)大學(xué)