一种模拟超声助滤膜损实验装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及膜分离领域，特别是一种模拟超声助滤膜损实验装置与方法。
【背景技术】
[0002] 膜分离是对多组分流体物质进行分离、分级、提纯和富集，具有高效、节能、过程易 控制等独特优点。然而，浓差极化和膜污染是膜分离过程中存在的两个主要问题，它们会破 坏膜的性能并最终缩短膜的寿命，增加膜的操作和维护费用，且会造成产品质量和目标产 品收率降低。为提高膜分离效率，减轻浓差极化与膜污染，近年来，采用超声波对膜分离过 程进行强化。研宄表明：超声波可作为膜分离操作的辅助强化手段以提高渗透通量。但是， 当超声强度增大时，声波传播将会对媒质产生一定的影响或效应：即随着超声波强度增加， 超声波的空化作用增强，由此产生的声化学效应和物理效应引起了膜的孔径增大或膜面破 损，使其通量增加。
[0003] 目前，研宄超声波对膜本身的影响的实验手段主要是将膜组件放置在超声波清洗 器中，通过调节超声波清洗器的输出功率改变超声波的强度，进而研宄不同超声强度对膜 的影响。但是，现有的超声波清洗器可调节的输出功率只有几档，所以相应的超声强度范围 有限，且无法实现超声强度的连续精细调节，因此研宄结果相对来说并不全面。此外，上述 实验方法都是依靠实验人员对各参数进行检测或调控，工作量较大，而且易产生一定的误 差，从而影响实验结果。
【发明内容】
[0004] 为克服上述缺点，本发明提出一种模拟超声助滤膜损实验装置与方法，超声强度 的先粗调后细调，可精确改变超声强度，在MCU控制系统下自动，不仅减轻实验人员的工作 强度而且能减少实验人员带来的人为误差。
[0005] 本发明一种模拟超声助滤膜损实验装置采用的技术方案是：具有一个实验池，实 验池内部置放平板膜和超声波换能器盒，超声波换能器盒竖直位于实验池内部右侧处将实 验池内部分成左右两块区域，超声波换能器盒可左右移动且与实验池密封接触，左侧区域 竖直设有平板膜，平板膜由前侧夹板和后侧夹板夹持，后侧夹板的前壁处设有声强探头；左 侧区域的实验池内壁上设有液位传感器；实验池的左侧区域的侧壁上设有排水管道，排水 管道上装有电磁阀；超声波换能器盒的中心处滚动连接水平螺杆的左端，螺杆的右端经实 验池右侧壁伸出实验池外并同轴套接带齿螺母，带齿螺母通过带齿皮带连接齿轮，齿轮同 轴心连接步进电机的输出轴；超声波换能器盒内部左壁上均匀装有多个相同的超声波换能 器，超声波换能器经输出线连接超声波发生器；MCU控制系统通过不同的控制端口分别连 接步进电机、液位传感器、声强探头、电磁阀及上位机。
[0006] 本发明一种模拟超声助滤膜损实验装置的实验方法采用的技术方案是包括以下 步骤： 步骤1 :将超声波发生器的输出功率调节至最低档，控制步进电机反转将超声波换能 器移至实验池内的最右侧初始位置； 步骤2 :在实验池的左侧区域加入料液，并保持液位高度为Htl; 步骤3 :MCU控制系统采集声强探头的超声强度I，运行一段时间T后，取出平板膜，记 录膜通量为J ; 步骤4 :将平板膜再次放入实验池后，判断超声波换能器盒与平板膜的右侧夹板之间 的距离是否为〇,若tf #0，控制步进电机正转；若d=0,步进电机反转，直到超声波换能 器盒移至初始位置，调节超声波发生器的输出功率至下一个档位，重复步骤2~4,直到超声 波发生器的输出功率档位全部调节完毕。
[0007] 经步骤1~4获取不同的超声强度I下不同的运行时间T及所对应的膜损程度L的 多样本数据，经上位机采用BP人工神经网络算法构建函数￡=+ /(/: D，进行相应的训练 后保存相应的BP人工神经网络模型；根据超声强度I，估算出不同膜损程度L所对应的处 理时间T 本发明与已有方法和技术相比，具有如下优点： 1、本发明根据超声强度I与距离d两者之间存在的关系，结合MCU控制系统精确控制 步进电机转动改变超声波源与膜之间的距离d，从而改变超声强度I，为超声助滤膜损研宄 提供一定的依据。
[0008] 2、本发明在每一档固定的超声输出功率前提下，结合MCU控制系统可精确控制步 进电机转动改变超声波源与膜之间的距离d来改变超声强度I，实现超声强度先粗调与后 细调相结合，所以可研宄的超声强度I范围便会相应地扩大，使得后续的研宄结果更加可 靠，有效解决目前超声助滤研宄存在的无法精细调节超声强度问题及实验操作的连续性问 题，从而获得的实验数据更加全面，有利于超声助滤膜损的后续研宄。
[0009] 3、本发明利用MCU控制系统控制步进电机转动改变超声强度I并采集该强度I 值，同时系统实时采集液位信号H以控制电磁阀的开关以实现实验装置的自动排水，从而 提高实验装置的自动化程度，不仅减轻实验人员的工作强度而且能减少实验人员带来的人 为误差。
[0010] 4、本发明根据膜损程度L、超声强度I及处理时间T三者之间存在的关系，采 用BP神经网络算法拟合膜损程度L、超声强度I及处理时间T三者之间的关系函数模型 I =/(八Tl，从而可以根据该函数模型估算出在不同超声强度I下，不同的膜损程度L 对应的膜使用时间T，能够寻找不同超声强度I下的膜使用时间T的临界点（即在膜无损坏 的情况下，膜的使用时间)，为膜分离工艺参数的选择提供依据。
【附图说明】
[0011]图1为本发明一种模拟超声助滤膜损实验装置的整体结构图； 图2为图1中超声波换能器盒15的结构放大图； 图3为图1所示本发明一种模拟超声助滤膜损实验装置的电路结构框图； 图4为图1所示本发明一种模拟超声助滤膜损实验装置的实验方法流程图。
[0012]附图中各部件的序号和名称：1、实验池，2、液位传感器，3、螺钉，4、声强探头，5、前 侧左夹板，6、前侧右夹板，7、后侧左夹板，8、后侧右夹板，9、排水管道，10、电磁阀，11、储水 池，12、MCU控制盒，13、步进电机正转开关，14、步进电机反转开关，15、超声波换能器盒，16、 上位机，17、步进电机，18、齿轮，19、螺杆，20、带齿螺母，21、锁紧块，22、带齿皮带，23、支撑 架，24超声波发生器，25、进线孔，26、超声波发生器输出线，27、步进电机底座，28、螺杆进出 孔，29、超声波换能器，30、滚动轴承，31、平板膜。
【具体实施方式】
[0013] 参见图1所示的本发明一种模拟超声助滤膜损实验装置的整体结构，具有一个实 验池1，实验池1内部是空腔，在实验池1内部置放平板膜31和超声波换能器盒15。超声波 换能器盒15竖直位于实验池1内部右侧处，将实验池1内部分成左右两块区域，左侧区域 内存放料液。超声波换能器盒15前后壁与实验池1的前后两侧内壁尽量密封接触避免左 侧区域料液渗入右侧区域，同时还需确保超声波换能器盒15能够在实验池1内左右移动。 在左侧区域还竖直设置平板膜31，平板膜31距实验池1内部左侧壁1/3处最佳。
[0014] 平板膜31由前侧夹板和后侧夹板稳定夹持。其中前侧夹板由前侧左夹板5与前 侧右夹板6组成并安装在实验池1的前侧内壁处，后侧夹板由后侧左夹板7与后侧右夹板 8组成并安装在实验池1后侧内壁处，同时，前侧夹板和后侧夹板呈前后对称式分布。平板 膜31插在前后两侧的左、右夹板中间。前侧左夹板5与前侧右夹板6之间的距离、后侧左夹 板7与后侧右夹板8的距离应略大于平板膜31的左右厚度，以便于取出和插入平板膜31， 同时确保平板膜31不会过于松动。
[0015] 在后侧夹板的前壁处通过螺钉3固定安装声强探头4,声强探头4靠近平板膜31 右侧面，面对着超声波换能器盒15,用来采集超声波到达平板膜31处的超声强度I。本发 明将声强探头4安装在后侧右夹板8的前壁处，便于采集超声强度。
[0016] 在实验池1的左侧区域内壁上通过另一螺钉3固定安装液位传感器2,主要用来采 集实验池1的液位信号。本发明将液位传感器2固定在在实验池1内部的左侧与后侧左夹 板7之间的后侧内壁上，便于采集信号。
[0017] 超声波换能器盒15的中心处滚动连接螺杆19左端，螺杆19右端经实验池1右侧 壁上开设的螺杆进出孔28伸出实验池1外，螺杆19水平设置，在实验池1外的螺杆19上 同轴套接带齿螺母20,带齿螺母20的左、右两端紧固连接一个锁紧块21，锁紧块21同轴套 在螺杆19上，用来限制带齿螺母20的左右移动。螺杆19、带齿螺母20以及锁紧块21都是 同轴心安装。锁紧块21