一种超滤膜孔径分布的测试方法
【专利摘要】本发明涉及一种超滤膜孔径分布的测试方法。本发明涉及一种全自动超滤膜孔径分析仪，由高精度恒流泵、压力变送器、电磁阀、继电器、数据采集模块、计算机、膜测试组件以及管线组成。计算机的信号输出端与恒流泵的信号输入端连接并通过软件控制恒流泵的进液流量；恒流泵与测试组件之间设置有压力变送器，压力变送器信号端与数据采集模块相连来实时地采集系统压力；继电器的输入端与计算机相连来实施对电磁阀的控制，达到对系统管路封堵的目的。本发明能够实现系统的自动排气和测量，实时地采集系统的平衡压力值和渗透液流量，通过压力-流量曲线分析膜材料的性能。
【专利说明】一种超滤膜孔径分布的测试方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种全自动超滤膜孔径分析仪及其测试方法，用于测试多孔超滤膜的孔径分布。
【背景技术】
[0002]多孔膜分离技术的快速发展，特别是超滤膜技术的工业化广泛应用、纳滤膜技术的快速发展，以及目前市场有机膜材料的主导地位，对能在低压下测定更小膜孔径的分析仪器提出更高市场期望。
[0003]液-液排出法是根据液体在毛细孔道中受到毛细张力作用，测定置换液透过孔道中充满浸润液的膜材料时的流量-压差关系，与置换液透过孔道中充满置换液的膜材料时的流量-压差关系相比较，利用数学模型计算膜材料孔径及孔径分布。当膜孔道被浸润液所充满时，使用与之不相溶的置换液将其从孔道中置换出。由于液体在毛细孔道中的表面张力作用，将浸润液从孔道中置换出需一定压力，且孔道越小，置换出浸润液所需的压力越大。当置换液侧达到一定压力时，膜孔中的浸润液全部被置换出。
[0004]液液排出法测膜孔径不仅操作简便，所测定孔为膜的活性孔道，而且不受样品大小限制。同时，该测试方法为流体透过膜孔道的过程，这与多孔膜的应用过程(固液分离和气固分离)是极为相似的，因此，测试的孔径更符合膜材料使用时表现出的孔大小。更重要的是，由于液体间的界面张力相对较小，测试膜孔径时所需压力低，分析表征有机超滤等机械强度低、孔径小的膜材料有着很大的优势。液体排出法被认为是多孔膜孔径及孔径分布表征最有应用前景的方法之一。
[0005]液-液排出法测定膜孔径的手动或半自动装置是较容易搭建的，因为其所需测试的数据为置换液透过膜的渗透流量与压差。专利CN2508242Y和CN102151487A通过压缩气体将置换液压入膜的一侧，测试膜另一侧置换液流量的方法搭建了测试装置。前者需人工控制测试条件和采集数据，故其操作不便且容易产生较大误差；后者通过计算机和自控元件能实时自动控制测定条件并采集数据，但该装置以压缩气体驱动置换液，其装置中包括供气瓶、电动流量调节阀，置换液罐、流量传感器等，设计较复杂。Calvo等(Characterizat1n of polymeric UF membranes by liquid-liquid displacementporosimetry.Journal of Membrane Science, 2010, 348:238-244.)米用恒流泵输送渗透液，检测渗透压差的方式搭建了相应的膜孔径测试装置，但该装置测试前仍需手动排气泡且没有完善的测试软件系统。目前，市场相关的超滤膜孔径分析仪并不多见，国内更是处于空白状态。
【发明内容】
[0006]本发明的目的是提供一种全自动超滤膜孔径分析仪，其工艺设计:
[0007](I)以恒流泵提供驱动压力。恒流泵将置换液注入系统，膜供液测的压力升高，膜孔道逐渐被打开，当膜渗透侧流出的液体流量与恒流泵注入的液体流量相等时，系统压力便达到稳定状态。此法既可以向系统注液施压，又可以获取压力平衡时渗透液的流量。
[0008](2)自动排气-封堵系统。测试之前应将系统中气体排尽，避免气泡影响液-液界面的形成，且气泡排尽之后应将系统末端封堵。解决方式是设置竖直管路，当置换液逐渐充满系统管路、阀门及压力传感器的空腔并进入竖直管路时，由于竖直管道中置换液的重力作用压力变送器2会感应到一定的压力，程序控制恒流泵停止进液并将电磁阀阀门关闭使膜供液侧的测试系统形成封闭的区间。
[0009]本发明的具体技术方案如下:
[0010]一种全自动超滤膜孔径分析仪，其特征在于包括计算机(I)、机箱(2)、测试池
(3)、数据采集模块(4)、置换液罐(5)、高精度恒流泵(6)、膜组件(7)、废液罐(8)、压力变送器I (9)、压力变送器2 (10)、继电器(11)、电磁阀(12)。
[0011]所述的恒流泵与所述的膜测试组件的供液侧通过不锈钢管路连接并且管路中间设置压力变送器1，所述的膜组件的供液测与所述的废液罐之间设置压力变送器2、电磁阀以及竖直管道。
[0012]所述的计算机分别与恒流泵、数据采集模块通过信号线连接；
[0013]所述的继电器的输出端与所述的电磁阀连接；所述的继电器的输入端与数据采集模块的数字量输出端连接；
[0014]所述的压力变送器I和所述的压力变送器2的信号输出端通过信号线与所述的数据采集模块模拟量输入端相连。
[0015]所述的系统设置有竖直管道；测试时，液体自管道进入系统，随着置换液的输入，逐渐充满不锈钢管路、膜组件及压力变送器空腔，将其中气体排净，当液体到达竖直管路时，由于置换液的重力作用，压力变送器2感应到一定的压力，程序控制恒流泵停止进液并将电磁阀阀门关闭，使膜供液侧的测试系统形成封闭的区间。
[0016]一种全自动超滤膜孔径分析仪，包括以下操作步骤:
[0017]A.将测试膜样品放入浸润液，待充分润湿后把测试样品装进测试组件。
[0018]B.打开测试软件参数设置界面，设置最大测试压力和最大测试流量等参数，开始测试。
[0019]C.软件自动打开电磁阀，并使泵以较大的流量进液，置换液逐渐充满不锈钢管路、膜组件及压力变送器空腔，其系统中气体排净，当置换液到达竖直管路时，由于置换液的重力作用，压力传感器2会感应到一定的压力，程序控制恒流泵停止进液并将电磁阀阀门关闭使膜供液侧的测试系统形成封闭的区间。
[0020]D.计算机通过软件自动控制恒流泵往系统中注入一定流量的置换液，待系统压力稳定后，软件自动采集泵的流量与系统的压力。
[0021]E.计算机按设置的参数自动增加恒流泵的进液流量，采集系统平衡时的压力值。
[0022]F.重复步骤E，当系统的压力和进液流量两者任何一个达到设置的最大值时，湿线测试完毕，进入干线测试阶段。
[0023]G.计算机通过软件自动减小恒流泵的进液流量，采集系统平衡时的压力值。
[0024]H.重复步骤G，待恒流泵的进液流量降为O时，软件停止运行，测试结束。
[0025]1.保存数据，利用数学模型对数据进行计算即可得出膜材料的平均孔径，孔径分布等性能参数。
[0026]所述的浸润液与所述的置换液之间的界面张力为0.35-8.5mN/m。
[0027]所述的高精度恒流泵量程0-10ml/min，增量0.0Olml/min。
[0028]所述的操作步骤B中所述的最大测试压力设定值为O-lMPa，优选50_500kPa。
[0029]所述的操作步骤B中所述的最大测试流量设定值为0-10ml/min，优选2-5ml/min。
[0030]有益效果:
[0031]本发明以恒流泵来提供驱动压力，同时又可以获取得液体的渗透流量，与通过压缩气体驱动置换液相比，简化了装置，提高了仪器的稳定性；设计的自动排气-封堵系统提高了仪器的自动化程度，使得操作更加简单。
【专利附图】
【附图说明】
[0032]图1为全自动超滤膜孔径分析仪的结构示意图
[0033]图1中标记:1、计算机；2、机箱；3、测试池；4、数据采集模块；5、置换液罐；6、高精度恒流泵；7、压力变送器I ;8、压力变送器2 ;9、继电器；10、电磁阀；11、膜组件；12、废液罐。
【具体实施方式】
[0034]下面结合具体实施例对本发明进行说明。本发明的保护范围并不以具体实施例为限，而是由权利要求加以限定。
[0035]实施案例I
[0036]1.将异丁醇与去离子水等体积混合，静置分层后上层油相作为浸润液，水相作为置换液，在20°C时浸润液与置换液的界面张力为1.7mN/m。
[0037]2.将膜装入组件(7)中，密封固定后打开测试软件，设定最大压力为150kPa，最大流量为3ml/min以及恒流泵流量增加速率为0.0lml/min，点击开始测试。
[0038]3.软件自动打开电磁阀(12)，并使恒流泵(6)以较大的流量进液，置换液逐渐充满不锈钢管路、膜组件(7)及压力变送器空腔，其系统中气体排净，当置换液到达竖直管路时，由于管路中置换液的重力作用，压力传感器2(10)会感应到一定的压力，程序控制恒流泵停止进液并将电磁阀(12)阀门关闭使膜供液侧的测试系统形成封闭的区间。
[0039]4.计算机通过软件自动控制恒流泵往系统中输入一定流量的置换液，待系统压力稳定后，软件自动采集泵的流量与系统的压力。
[0040]5.计算机按设置的参数自动增加恒流泵的进液流量，采集系统平衡时的压力值。
[0041]6.重复步骤5，当系统的压力和进液流量两者任何一个达到设置的最大值时，湿线测试完毕，进入干线测试阶段。
[0042]7.计算机通过软件自动减小恒流泵的进液流量，采集系统平衡时的压力值。
[0043]8.重复步骤7，待恒流泵的进液流量降为O时，软件停止运行，测试结束。
[0044]9.保存数据，利用数学模型计算得到超滤膜膜的最大孔为105.2nm，平均孔径为54.4nm以及孔径分布图。
[0045]实施案例2
[0046]1.将正戊醇与去离子水等体积混合，静置分层后上层油相作为浸润液，水相作为置换液，在20°C时浸润液与置换液的界面张力为4.8mN/m。
[0047]2.除设定最大压力为400kPa，最大流量为4ml/min外，其余操作步骤同实施案例I。最后计算得到超滤膜的最大孔为163.6nm,平均孔径为77nm。
[0048]实施案例3
[0049]1.将水、甲醇、异丁醇按25: 7: 15体积比混合，静置分层后上层油相作为浸润液，水相作为置换液，在20°C时浸润液与置换液的界面张力为0.35mN/m。
[0050]2.除设定最大压力为300kPa，最大流量为3ml/min外，其余操作步骤同实施案例I。最后计算得到超滤膜的最大孔为32nm，平均孔径为ll.Snm。
【权利要求】
1.一种全自动超滤膜孔径分析仪，包括计算机(I)、机箱(2)、测试池(3)、数据采集模块(4)、置换液罐(5)、高精度恒流泵(6)、膜组件(7)、废液罐(8)、压力变送器I (9)、压力变送器2 (10)、继电器(11)、电磁阀(12)。其特征在于: a.所述的恒流泵(6)与所述的膜组件(7)的供液侧通过不锈钢管路连接并且管路中间设置压力变送器I (9)，所述的膜组件的供液测与所述的废液罐之间依次设置有压力变送器2 (10)、电磁阀(12)以及竖直管道。 b.所述的计算机(I)分别与恒流泵￠)、数据采集模块(4)通过信号线连接。 c.所述的继电器(11)的输出端与所述的电磁阀(12)的输入端连接；所述的继电器(11)的输入端与数据采集模块(4)的数字量输出端连接。 d.所述的压力变送器I(9)和所述的压力变送器2 (10)的信号输出端通过信号线与所述的数据采集模块(4)的模拟量输入端相连。
2.根据权利要求1所述的全自动超滤膜孔径分析仪，其特征在于:所述的系统中设置有竖直管道；置换液自管道进入系统，逐渐充满不锈钢管路、膜组件(7)及压力变送器的空腔，将其中的气体排净，当置换液到达竖直管路时，由于置换液的重力作用，压力变送器2(10)会感应到一定的压力，程序控制恒流泵停止进液并将电磁阀(12)阀门关闭，使膜供液侧的测试系统形成封闭的区间，然后进行孔径测试。
3.根据权利要求1所述的全自动超滤膜孔径分析仪，其特征在于以下操作步骤: A.将测试膜样品放入浸润液，待充分润湿后把测试样品装进膜组件(7)。 B.打开测试软件参数设置界面，设置最大测试压力和最大测试流量等参数，开始测试。 C.软件自动打开电磁阀(12)，并使恒流泵￠)以较大的流量进液，置换液逐渐充满不锈钢管路、膜组件(7)及压力变送器空腔，当置换液到达竖直管路时，由于置换液的重力作用，压力传感器2(10)会感应到一定的压力，程序控制恒流泵停止进液并将电磁阀(12)阀门关闭使膜供液侧的测试系统形成封闭的区间。 D.计算机(I)通过软件自动控制恒流泵(6)往系统中输入一定流量的置换液，待系统压力稳定后，软件自动采集泵的流量与系统的压力。 E.计算机按设置的参数自动增加恒流泵￠)的进液流量，采集系统的平衡压力值。 F.重复步骤E，当系统的压力和进液流量两者任何一个达到设置的最大值时，湿线测试完毕，进入干线测试阶段。 G.计算机(I)通过软件自动减小恒流泵￠)的进液流量，待压力平衡时采集压力值。 H.重复步骤G，待恒流泵(6)的进液流量降为O时，软件停止运行，测试结束。 1.保存数据。利用数学模型即可算出膜材料的平均孔径，孔径分布等性能参数。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的全自动超滤膜孔径分析仪，其特征在于:所述的浸润液与所述的置换液之间的界面张力为0.35-10mN/m。
5.根据权利要求1-3中任一项所述的全自动超滤膜孔径分析仪，其特征在于:所述的高精度恒流泵(6)量程0-10ml/min，增量0.001ml/min。
6.根据权利要求3所述的全自动超滤膜孔径分析仪，其特征在于:步骤B中所述的最大测试压力设定值为Ο-lMPa，优选50-500kPa。
7.根据权利要求3所述的全自动超滤膜孔径分析仪，其特征在于:步骤B中所述的最大测试流量设定值为0-10ml/min,优选2_5ml/min。
【文档编号】G01N15/08GK104383815SQ201410745639
【公开日】2015年3月4日 申请日期:2014年12月4日 优先权日:2014年12月4日
【发明者】俞健, 杨佳辉, 黄彦, 刘强, 魏浩, 谌洪图, 张桃飞, 蔡毅, 巩栋栋 申请人:南京工业大学