一种正渗透膜测试装置的制作方法

本实用新型属于膜性能测试领域，具体涉及一种正渗透膜测试装置。

背景技术：

正渗透(Forward osmosis，FO)是在无需外加压力的作用下，在膜两侧的原料液和驱动液产生的渗透压差的作用下，渗透压低的原料液中的水分子通过选择性的正渗透膜进入渗透压高的驱动液一侧中，使得某一侧的原料液被浓缩另一侧的驱动液被稀释的过程(如图1所示)，这种具有选择性的半透膜正是正渗透膜，其仅能透过水，溶液中的其他溶质分子或者溶质离子不能透过正渗透膜而被正渗透膜截留。

正渗透膜的主要性能指标是水通量和截盐率，室现有的正渗透膜性能测试装置测量准确，渗透进程控制显著，可以连接电脑通过数据采集系统，在线监控汲取液质量的变化、原料液中电导率的变化，并实时通过流量调节阀调节流量，但不能对汲取液和原料液进行循环利用，导致了原料的浪费和测试成本的增加。

技术实现要素：

针对现有技术的不足，本实用新型提供了一种正渗透膜测试装置，用于测试正渗透膜的水通量和截盐率，本实用新型设计合理，能够实现汲取液和原料液的循环利用，降低了测试成本，若应用于工业生产可大大降低生产成本，且操作方便。

达到上述目的，本实用新型提供了正渗透膜性能测试装置，包括对接的汲取液储液罐和原料液储罐，接口处设置有正渗透膜和密封圈，所述汲取液储液罐用于容置汲取液，所述原料液储罐用于容置原料液，所述汲取液储液罐设置有出料口，所述出料口通过汲取液出料管A与汲取液罐连通，所述汲取液罐的第一出口通过管道与汲取液储箱连接，所述汲取液储箱的出口通过汲取液进料管与汲取液储液罐连接。

所述原料液储罐通过原料液出料管与原料液罐连通，所述原料液储罐出口与原料液罐之间设置有原料液出口泵，原料液罐出口通过管道与原料液储箱入口连接，原料液储箱的出口通过原料液进料管连接原料液储罐的入口。

所述汲取液罐还设置有第二出口，所述汲取液罐的第二出口处依次设置有汲取液调节阀 A、汲取液泵、蒸发装置和分离组分储箱，所述分离组分储箱包括分离组分储箱A和分离组分储箱B，分别通过出口调节阀A和出口调节阀B与蒸发装置的出口连接，所述分离组分储箱与汲取液储箱的入口通过管道连接，所述分离组分储箱的出口设置有调节阀。

所述汲取液罐的第一出口与汲取液储箱27入口之间设置有汲取液调节阀B、汲取液进口泵，所述汲取液储箱出口与汲取液储液罐入口之间设置有汲取液储箱出口调节泵、汲取液储箱出口调节阀和汲取液储液罐进口压力表，所述原料液储箱的出口与原料液储罐入口之间设置有原料液进口泵、原料液进口压力表和原料液进口调节阀，所述原料液罐出口与原料液储箱入口之间设置有原料液罐出口泵和原料液罐出口阀。

所述正渗透膜为圆形。

还包括用于对原料液储罐中的原料液进行搅拌的搅拌器和用于对汲取液储液罐中的汲取液进行搅拌的搅拌机，所述电动搅拌机的搅拌棒伸入汲取液中。

还包括所述电导率控制仪，所述电导率控制仪的探头伸入原料液罐中的液体中，所述电导率控制仪与电脑的连接，利用电脑动态监控在测试过程中原料液电导率的变化，所述汲取液罐下端设置有电子天平，所述电子天平与电脑连接，用于动态监控在测试过程中汲取液重量的动态变化。

所述汲取液储液罐、原料液储罐、汲取液罐和原料液罐均采用透明材料制成，且设置有刻度。

所述汲取液储液罐上部开设有汲取液出料液管，所述汲取液出料液管出口处设置有用于盛放从汲取液出料液管中流出的液体的烧杯，所述汲取液储箱和原料液储箱下方设置有用于减小内浓差极化的水浴锅。

所述汲取液储液罐和原料液储罐的接口处设置有原料液密封圈和汲取液密封圈，汲取液储液罐和原料液储液罐通过螺栓式法兰进行固定。

与现有技术相比，本实用新型至少具有以下有益的技术效果，本实用新型在正渗透膜的两侧分别设置有汲取液储液罐和汲取液储液罐与原料液储罐，使原料液中的水分子在自由状态下通过正渗透膜，并且在接口处设置有密封圈，提高了本装置的密封性，设置的汲取液和原料液循环利用系统，将使用后的汲取液和原料液进行循环利用，降低测试成本，同时汲取液储液罐与汲取液罐联通，可根据汲取液罐的液位和质量的变化得到汲取液储液罐的液位和质量的变化，可获得正渗透膜的水通量的变化，便于试验数据的获得。

所述原料液储罐实用新型通过原料液出料管实用新型与原料液罐实用新型连通，所述原料液储罐实用新型出口与原料液罐实用新型之间设置有原料液出口泵实用新型，原料液罐实用新型出口通过管道与原料液储箱实用新型入口连接，原料液储箱实用新型的出口通过原料液进料管实用新型连接原料液储罐实用新型的入口。

进一步的，汲取液罐还设置第二出口，汲取液罐的第二出口处依次设置有汲取液调节阀A、汲取液泵、蒸发装置和分离组分储箱，分离组分储箱包括分离组分储箱A和分离组分储箱B，分别通过出口调节阀A和出口调节阀B与蒸发装置的出口连接，分离组分储箱与汲取液储箱的入口通过管道连接，分离组分储箱的出口设置有调节阀，对于易分解的汲取液，汲取液储液罐中的汲取液在调节阀和汲取液泵的共同作用下，进入蒸发装置，因为沸点不同，低沸点组分A最先出来，打开出口调节阀B，关闭出口调节阀A，可将低沸点的组分A收集于分离组分A 箱中；高沸点B较后出来，打开出口调节阀A，关闭出口调节阀B，可将低沸点的组分B收集于分离组分B箱中，通过调节阀按比例输送至汲取液储箱；对于不易分解的汲取液(氯化镁MgCl2溶液、硫酸钠Na2SO4溶液)，汲取液储液罐中的汲取液在出口调节阀和出口调节泵作用下输送至汲取液储箱。进一步的，汲取液罐的第一出口与汲取液储箱入口之间设置有汲取液调节阀B、汲取液进口泵，汲取液储箱出口与汲取液储液罐入口之间设置有汲取液储箱出口调节泵、汲取液储箱出口调节阀和汲取液储液罐进口压力表，原料液储箱的出口与原料液储罐入口之间设置有原料液进口泵、原料液进口压力表和原料液进口调节阀，原料液罐出口与原料液储箱入口之间设置有原料液罐出口泵和原料液罐出口阀，可根据需要打开相应的泵和阀门，以控制各容器中液体的流向。

进一步的，正渗透膜为圆形，避免了材料浪费，节约了测试成本。

进一步的，还包括用于对原料液储罐中的原料液进行搅拌的搅拌器和用于对汲取液储液罐中的汲取液进行搅拌的搅拌机，电动搅拌机的搅拌棒伸入汲取液中，搅拌器和电动搅拌机同时搅拌原料液和汲取液，改善正渗透膜两侧的内部流态，提高流体流速时，边界层会随之变薄，传质速度增大，从而减少外浓差极化。

进一步的，还包括电导率控制仪，电导率控制仪的探头伸入原料液罐中的液体中，电导率控制仪与电脑的连接，利用电脑动态监控在测试过程中原料液电导率的变化，汲取液罐下端设置有电子天平，电子天平与电脑连接，用于动态监控在测试过程中汲取液重量的动态变化，通过测定原料液罐中的电导率，获得原料液的电导率，利用电脑动态监控在测试过程中原料液电导率的变化，随着渗透进行，实时准确获得原料液的电导率和汲取液重量的动态变化，获取更多的试验数据。

进一步的，汲取液储液罐、原料液储罐、汲取液罐和原料液罐均采用透明材料制成，且设置有刻度，便于实时观察和读取数据。

进一步的，汲取液储液罐上部开设有汲取液出料液管，汲取液出料液管出口处设置有用于盛放从汲取液出料液管中流出的液体的烧杯，随着试验的进行，原料液中的水分子不断进入汲取液储液罐，当汲取液储液罐中的液体大于一定值时，其对正渗透膜的压力会使正渗透膜损坏，因此在汲取液储液罐上部开设汲取液出料液管，当汲取液储液罐中的汲取液的液位高于汲取液出料液管的位置时，汲取液将从汲取液出料液管中流出，以避免汲取液对正渗透膜造成损坏，保证试验的顺利进行，汲取液储箱和原料液储箱下方设置有用于减小内浓差极化的水浴锅，随着温度的升高，溶液的粘度降低，扩散系数增大，传质效果也随着温度的升高而变得更好，水通量变大，但水通量升高到一定程度后会加重内浓差极化，所以在测试时要选择合适的温度，而水浴锅可以实现汲取液储箱中溶液温度的调节。

进一步的，汲取液储液罐和原料液储罐的接口处设置有原料液密封圈和汲取液密封圈，汲取液储液罐和原料液储液罐通过螺栓式法兰进行固定，提高了密封性和装置的稳定性，且易于拆卸清洗。

进一步的，汲取液为循环利用型汲取液，例如NH3/CO2汲取液、MgCl2溶液或Na2SO4 溶液，循环利用汲取液，可节约测试的成本。

附图说明

图1为实验室正渗透膜膜分离结构示意图；

图2为本实用新型实验室正渗透膜测试装置示意图；

图3为本实用新型实验室正渗透膜膜组件装置主视图；

图4为本实用新型实验室正渗透膜膜组件装置左视图；

图5为本实用新型实验室正渗透膜膜组件装置俯视图。

附图中：1、汲取液储液罐，2、原料液储液罐，3、正渗透膜，4、汲取液密封圈，5、原料液密封圈，6、螺栓式法兰，7、电动搅拌机，8、电导率控制仪，9、磁子，10、磁力搅拌器， 11、汲取液出料管A，12、汲取液出口泵，13、汲取液出口调节阀，14、汲取液进料管，15、原料液出口泵，16、汲取液罐，17、汲取液调节阀A，18、汲取液调节阀B，19、汲取液泵， 20、汲取液进口泵，21、蒸发装置，22、出口调节阀A，23、出口调节阀B，24、分离组分A 储箱，25、分离组分B储箱，26、调节阀，27、汲取液储箱，28、汲取液储箱出口调节泵，29、汲取液储箱出口调节阀，30、汲取液储液罐进口压力表，31.原料液进料管，32、带有刻度的原料液罐，33、原料液进口调节阀，34、原料液储箱出口压力表，35、原料液储箱出口泵，36、汲取液出料液管B，37、烧杯，38、电子天平，39、水浴锅，40、原料液储箱，41、原料液罐出口泵，42、原料液罐出口阀。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型进行详细说明。

参照图2，一种正渗透膜测试装置，包括对接的汲取液储液罐1和原料液储罐2，汲取液储液罐1和原料液储罐2的接口处设置有原料液密封圈4和汲取液密封圈5，汲取液储液罐1 和原料液储液罐2通过螺栓式法兰6进行固定，提高了密封性和装置的稳定性，且易于拆卸清洗，汲取液储液罐1用于容置汲取液，原料液储罐2用于容置原料液，所述汲取液储液罐1 设置有出料口，所述出料口通过汲取液出料管A11与汲取液罐16连通，可根据汲取液罐的液位和质量的变化得到汲取液储液罐的液位和质量的变化，可获得正渗透膜的水通量的变化，便于试验数据的获得，所述汲取液罐16设置有两个出口，汲取液罐16的第一出口通过管道与汲取液储箱27连接，汲取液罐16的第二出口处依次设置有汲取液调节阀A17、汲取液泵19、蒸发装置21和分离组分储箱，所述分离组分储箱包括分离组分储箱A24和分离组分储箱B25，分别通过出口调节阀A22和出口调节阀B23与蒸发装置21的出口连接，所述分离组分储箱与汲取液储箱27入口通过管道连接，所述分离组分储箱的出口设置有调节阀26，对于易分解的汲取液NH3/CO2，汲取液储液罐1中的汲取液在调节阀17和汲取液泵19的共同作用下，进入蒸发装置，因为沸点不同，低沸点组分CO2最先蒸发出来，打开出口调节阀B23，关闭出口调节阀A22，可将低沸点的CO2收集在分离组分A箱中；高沸点组分NH3较后出来，打开出口调节阀A22，关闭出口调节阀B23，可将低沸点的组分NH3收集于分离组分B箱中，通过调节阀按比例输送至汲取液储箱；如果CO2过量，汲取液储箱中生成的汲取液就是 NH4HCO3，化学反应式为：CO2+NH3+H2O＝NH4HCO3；如果NH3过量，汲取液储箱中生成的汲取液就是(NH4)2CO3，化学反应式为：CO2+2NH3+H2O＝(NH4)2CO3。对于不易分解的汲取液(氯化镁MgCl2溶液、硫酸钠Na2SO4溶液)，汲取液储液罐中的汲取液在出口调节阀 18和出口调节泵20的作用下直接输送至汲取液储箱，本装置设置有两条汲取液回收管道，可以满足不同汲取液回收的需求，换汲取液时只需关掉另一路回收管道的阀门即可，操作方便，避免了二次设置回收管道的麻烦。

所述汲取液储箱27的出口通过汲取液进料管14与汲取液储液罐1连接，所述汲取液储箱 27出口与汲取液储液罐入口1之间设置有汲取液储箱出口调节泵28、汲取液储箱出口调节阀 29和汲取液储液罐进口压力表30，通过汲取液进口调节泵28的启停和汲取液进口调节阀29 的调节，通过汲取液进料管14将回收后又进行稀释的汲取液输送至汲取液储液罐1，实现了汲取液氯化镁MgCl2溶液、硫酸钠Na2SO4或NH3/CO2的循环利用。

所述原料液储罐2通过原料液出料管43与原料液罐32连通，原料液储罐2出口与原料液罐32之间设置有原料液出口泵15，原料液罐32出口通过管道与原料液储箱40的入口连接，原料液罐32出口处设置有原料液罐出口泵41和原料液罐出口阀42，原料液储箱40的出口通过原料液进料管31连接原料液储罐2的入口，所述原料液储箱40的出口与原料液储罐2入口之间设置有原料液进口泵35、原料液进口压力表34和原料液进口调节阀33，保证对料液储罐 2中原料液进行持续不断的供应。

还包括用于对原料液储罐2中的原料液进行搅拌的搅拌器10和用于对汲取液储液罐1中的汲取液进行搅拌的搅拌机7，所述电动搅拌机7的搅拌棒伸入汲取液中，所述原料液储罐2 中设置有磁子9，利用磁场和漩涡的原理，当通电产生磁场后，带动磁子9成圆周循环运动从而搅拌原料液，所述电动搅拌机7包括驱动装置和传动杆，传动杆末端设置有螺旋搅拌头，搅拌头伸入汲取液中，通电后驱动装置带动传动杆转动，传动杆带动搅拌头转动，搅拌头的转动带动其周围的原料液的运动，从而实现对原料液的搅拌，搅拌器和电动搅拌机同时搅拌原料液和汲取液，改善正渗透膜两侧的内部流态，提高流体流速时，边界层会随之变薄，传质速度增大，从而减少外浓差极化。

还包括所述电导率控制仪8，所述电导率控制仪8的探头伸入原料液罐32中的液体中，所述电导率控制仪8与电脑的连接，利用电脑动态监控在测试过程中原料液电导率的变化，所述汲取液罐16下端设置有电子天平38，所述电子天平38与电脑连接，用于动态监控在测试过程中汲取液重量的动态变化，通过测定原料液罐中的电导率，获得原料液的电导率，利用电脑动态监控在测试过程中原料液电导率的变化，随着渗透进行，实时准确获得原料液的电导率和汲取液重量的动态变化，获取更多的试验数据。

所述汲取液储液罐1开设有汲取液出料液管36，所述汲取液出料液管36出口处设置有用于盛放从汲取液出料液管36中流出的液体的烧杯37，随着试验的进行，原料液中的水分子不断进入汲取液储液罐，当汲取液储液罐中的液体大于一定值时，其对正渗透膜的压力会使正渗透膜损坏，因此在汲取液储液罐上部开设汲取液出料液管，当汲取液储液罐中的汲取液的液位高于汲取液出料液管的位置时，汲取液将从汲取液出料液管中流出，以避免汲取液对正渗透膜造成损坏，保证试验的顺利进行，所述汲取液储箱27和原料液储箱40下方设置有用于减小内浓差极化的水浴锅39，随着温度的升高，溶液的粘度降低，扩散系数增大，传质效果也随着温度的升高而变得更好，水通量变大，但水通量升高到一定程度后会加重内浓差极化，所以在测试时要选择合适的温度，而水浴锅可以实现汲取液储箱中溶液温度的调节。

优选的，汲取液储液罐1出料口与汲取液罐16之间设置有汲取液出口泵12和汲取液出口调节阀13，以控制汲取液储液罐1中液体的流动；汲取液罐16的第一出口与汲取液储箱27 入口之间设置有汲取液调节阀B18、汲取液进口泵20，可根据需要打开相应的泵和阀门，使汲取液罐16中液体流入汲取液储箱27中。

优选的，正渗透膜3为圆形，避免了材料浪费，节约了测试成本，因为汲取液罐和原料液罐的截面都是圆形，如果选择正方形或者长方形的正渗透膜，必然会有一部分膜置于汲取液罐和原料液罐外，导致正渗透膜的浪费。

优选的，汲取液储液罐1置于原料液储罐2上方，可以在汲取液用量少的情况下，使原料液中的水通过正渗透膜，将原料液中的废渣等截留下来，便于对原料液罐中截留的废渣进行排除，而如果将汲取液储液罐1置于原料液储罐2下方，汲取液就得装满汲取液储液罐，原料液 (废水)在上面就必须要考虑膜承受能力，不能加满。

优选的，汲取液储液罐1、原料液储罐2、汲取液罐16和原料液罐32均采用透明材料制成，且设置有刻度，便于实时观察和读取数据。

优选的，汲取液为循环利用型汲取液，例如NH3/CO2汲取液、MgCl2溶液或Na2SO4溶液，循环利用汲取液，可节约测试的成本。

参照图3至图5，优选的，正渗透膜的直径：Φ＝16cm；正渗透膜的面积：S＝πr²≈200.96cm²；正渗透膜组件：b×c＝25cm×25cm；螺栓尺寸：L＝4cm，a＝1.5cm。

利用本正渗透膜性能测试装置测试正渗透膜的水通量和截盐率的步骤如下：

1)组装正渗透膜性能测试装置；

2)打开汲取液储箱出口调节泵28，调整汲取液储箱出口调节阀29，向汲取液储液罐1 注入汲取液至汲取液储液罐1的2/5-3/5处，关闭汲取液储箱出口调节泵28，停止向汲取液的注入；打开原料液进口泵35，调整原料液进口压力表34，向原料液储液罐2注入原料液，直至原料液装满原料液储液罐2；

3)观察并记录汲取液液位随时间的变化量，并据此得出原料液的水通量的变化；

正渗透膜水通量的计算公式：Jw＝Δm/ρst；

其中：Jw——正渗透水通量，L/m²h；

Δm——汲取液质量的增加值，kg；

ρ———水的密度，kg/m³；

s———正渗透膜的有效膜面积，m²；

t———测试的时间，h；

4)打开搅拌器10和电动搅拌机8，同时搅拌原料液储液罐1内的原料液和汲取液储液罐 2内部的汲取液；

5)观察并记录汲取液罐上升的液位变化，用电导率仪7测量被稀释的汲取液的电导率的变化；

6)通过水通量和反向盐通量的变化，计算取得截盐率，计算公式如下：

正渗透膜截盐率的计算公式：R＝1-Cp/Cf；

其中：Cp——透过液中的盐浓度；

Cf——初始原料液中的盐浓度；

C＝K/Λm；

其中：C——溶液的浓度mol/l；

K——电导率控制仪测得原料液的电导率；

Λm——溶液的摩尔电导率(s.cm²)/g；

Λm＝λM；

λ——电解质的当量电导率(s.cm²)/g；

M——电解质的摩尔质量g/mol。