专利名称:确定膜污染致密程度的定量方法
技术领域：
本发明涉及的是一种环保技术领域：
的方法，具体地说，是一种确定膜污染致密程度的定量方法。
背景技术：
膜分离技术是近几十年迅速发展起来的一种高效分离技术。与传统的分离技术相比，它具有设备简单、占地面积小、操作方便、污染小、分离效率高和节能等优点，已广泛应用于化工、电子、轻工、纺织、冶金、食品、石油化工等领域，特别适用于热敏性物质和一些特殊体系的分离。但在实际工程应用中，膜污染制约了膜技术的推广与应用。膜污染会增加渗透阻力，降低膜过滤通量，还会使膜分离性能恶化，进而导致目标产品的收率降低，损失增加。因此，能否克服膜污染，使其性能恢复是膜技术应用的关键因素之一。显然，检测和表征膜污染的方法对于了解膜污染情况及其性质，继而为克服膜污染提供依据是至关重要的。目前，用于表征膜污染的参数和方法主要有一、固定出水压力，测定膜出水流量的变化。流量衰减量与膜污染程度具有一定的正相关关系，衰减量大，说明膜污染严重；二、固定膜出水量，测定膜出水压力的变化。压力增加量与膜污染程度具有一定的正相关关系，增加量大，说明膜污染严重。三、采用测定吸附量(即单位膜面积上污染物的吸附量)的方法来表征膜污染。吸附量与膜污染程度也成一定的正相关关系，吸附量大，说明膜污染严重。上述三种方法均可以定量地表征膜污染的程度，且具有简单可靠的特点。但是，它们均未及膜污染的结构方面的信息。
经对现有技术文献的检索发现，马莉等在《环境科学》2004，25(2)85-88上发表的“一体式膜生物反应器出水方式对膜污染的影响”一文中，提到采用测定吸附容量(即单位膜面积A上污染物的吸附量X)来表征膜污染的方法。该文以标准浊度溶液(六次甲苦四胺-硫酸肼聚合物)为吸附质，以Flundlich等温吸附方程为吸附模型，采用吸附容量表征膜污染程度，考察了一体式膜生物反应器出水方式对膜污染的影响，并表明了采用Flundlich等温吸附方程定量表征膜污染程度的可行性。但该方法并没有表征膜污染的结构特征。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种确定膜污染致密程度的定量方法，使其在现有定量表征膜污染程度的基础上，定量表征膜污染的结构特征。本发明采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，得到膜表面的三维形貌；通过对表面三维形貌进行分形计算，得到容量维数。该维数的大小即表征了膜污染的结构特征，维数小表明膜污染疏松，维数大表明膜污染致密。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤(1)切取已污染的膜片，尺寸范围1cm×1cm～10cm×10cm；(2)采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，得到膜表面的三维形貌，扫描面积范围5μm×5μm～250μm×250μm；(3)通过对三维图表面进行分形计算，得到容量维数dV，容量维数dV大，表明污染质占据容间的能力大，膜污染的结构致密，相反则疏松。膜污染的容量维数dV在1～3之间。
本发明基于如下理论膜污染的形成是由于污染质扩散的定向运动趋势与无规行走引起的随机凝两过程结合的结果，因此，尽管膜污染的结构特征是零乱而复杂，但属于分形结构，可用分维数定量描述。分维数有拓扑维数、广义维数、容量维数、信息维数、关联维数等，分别表达了不同的物理意义，其中容量维数的大小表征占有空间的能力，因此本发明采用容量维数定量表征膜污染的结构特征。显然，从膜污染的形成过程来看，膜污染表面的结构特征与内部的结构特征具有相关关系，膜污染表面和内部的容量维数具有映射关系，因此可以用膜污染表面的容量维数来定量表征膜污染的整体结构特征。容量维数大，污染质占据容间的能力大，膜污染致密，相反则疏松。
与现有技术相比，本发明用膜污染表面的容量维数来定量表征膜污染的整体结构特征，在克服膜污染的运行工艺选择上提供了简明而有效的判据如果1＜容量维数dV≤2.3dV，则膜污染结构疏松，膜面流速对膜污染的形成和维持影响大，属敏感因素，因此选择增大膜面流速的运行工艺来实现克服膜污染和维持高通量的目的；如果2.3＜容量维数dV＜3，则膜污染结构致密，膜面流速对膜污染的形成和维持影响小，属不敏感因素，因此不选择增大膜面流速的运行工艺来实现克服膜污染和维持高通量的目的。
具体实施方式
本发明采用容量维数dV来表征膜污染的结构特征，容量维数dV的计算方法如下取采用原子力显微镜扫描所得到的膜表面的三维图的最低点，通过该点平行于膜面作平面，原子力显微镜的扫描范围在该平面上的投影为正方形。取该正方形任一边为基准边，在该正方形内平行于基准边作平行线，该平行线与基准边间的距离设为L，平行线、基准边及基准边的两邻边构成一个长方形。该长方形与原子力显微镜扫描所得到的三维图表面间的体积设为V，改变L的大小可得到相应的V值，共计得到n对(L，V)对数据，则容量维数dV的计算公式为dV=Σi=1n(lgLi-lgL‾)(lgVi-lgV‾)Σi=1n(lgLi-lgL)2]]>其中，lgL‾=Σi=1nlgLin;]]>lgV‾=Σi=1nlgVin]]>以下提供本发明的实施例实施例1(1)切取被蛋白质溶液污染的膜片，尺寸为1cm×1cm。
(2)采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，得到膜表面的三维形貌，扫描面积5μm×5μm；(3)对三维图表面进行分形计算，得6对(L，V)的数值如下
根据公式(1)计算，得容量维数dV＝2.8。
该实施例中，2.3＜容量维数dV＝2.8＜3，说明膜污染结构致密，膜面流速对膜污染的形成和维持影响小，属不敏感因素，因此不选择增大膜面流速的运行工艺来实现克服膜污染和维持高通量的目的。
实施例2(1)在处理生活污水的膜生物反应器中切取膜片，尺寸为5cm×5cm。
(2)采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，得到膜表面的三维形貌，扫描面积100μm×100μm；(3)对三维图表面进行分形计算，得6对(L，V)的数值如下
根据公式(1)计算，得容量维数dV＝2.1。
该实施例中，1＜容量维数dV＝2.1≤2.3，说明膜污染结构疏松，膜面流速对膜污染的形成和维持影响大，属敏感因素，因此选择增大膜面流速的运行工艺来实现克服膜污染和维持高通量的目的。
实施例3(1)在用于海水淡化的反渗透装置中切取膜片，尺寸为9cm×9cm。
(2)采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，得到膜表面的三维形貌，扫描面积200μm×200μm；(3)对三维图表面进行分形计算，得6对(L，V)的数值如下
根据公式(1)计算，得容量维数dV＝1.2。
该实施例中，1＜容量维数dV＝1.2≤2.3，说明膜污染结构疏松，膜面流速对膜污染的形成和维持影响大，属敏感因素，因此选择增大膜面流速的运行工艺来实现克服膜污染和维持高通量的目的。
权利要求
1.一种确定膜污染疏松程度的定量方法，其特征在于，包括以下步骤(1)取已污染的膜片；(2)采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，得到膜表面的三维形貌；(3)通过对三维图表面进行分形计算，得到容量维数dV，容量维数dV大，表明污染质占据容间的能力大，膜污染的结构致密，相反则疏松。
2.根据权利要求
1所述的确定膜污染疏松程度的定量方法，其特征是，切取已污染的膜片尺寸范围1cm×1cm～10cm×10cm。
3.根据权利要求
1所述的确定膜污染疏松程度的定量方法，其特征是，采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，扫描面积范围5μm×5μm～250μm×250μm。
4.根据权利要求
1所述的确定膜污染疏松程度的定量方法，其特征是，膜污染的容量维数dV在1～3之间。
专利摘要
一种环保技术领域：
的确定膜污染疏松程度的定量方法，包括以下步骤切取已污染的膜片，尺寸范围1cm×1cm～10cm×10cm；采用原子力显微镜对已污染的膜表面进行扫描，得到膜表面的三维形貌，扫描面积范围5μm×5μm～250μm×250μm；通过对三维图表面进行分形计算，得到容量维数d
文档编号G01Q60/24GKCN1793834SQ200510111226
公开日2006年6月28日 申请日期2005年12月8日
发明者靳强, 邵嘉慧, 何义亮, 吕剑, 张静云 申请人:上海交通大学导出引文BiBTeX, EndNote, RefMan