專利名稱：超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀及超濾膜平均孔徑測(cè)定方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)超濾膜的結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)的測(cè)定，特別是涉及一種超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀 以及一種采用該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀實(shí)現(xiàn)的超濾膜平均孔徑測(cè)定方法。
背景技術(shù)：
對(duì)多孔膜的形態(tài)表征包括結(jié)構(gòu)相關(guān)參數(shù)以及滲透相關(guān)參數(shù)。結(jié)構(gòu)參數(shù)主要包括 孔徑(最大孔徑和平均孔徑)、孔徑分布、皮層厚度以及表面孔隙率；而滲透參數(shù)則指通過(guò) 溶質(zhì)的截留率測(cè)定確定型號(hào)的多孔膜對(duì)特定溶質(zhì)的實(shí)際分離參數(shù)。微濾膜為孔徑較大的多孔膜，而超濾膜則為孔徑較小的多孔膜，平均孔徑是這兩 類濾膜的一項(xiàng)基本特性參數(shù)，決定著其應(yīng)用領(lǐng)域或使用項(xiàng)目，因此準(zhǔn)確地測(cè)定這兩類濾膜 的平均孔徑對(duì)于濾膜研制和生產(chǎn)單位而言是十分重要的。目前，對(duì)微濾膜以及超濾膜的平均孔徑的測(cè)定方法一般分為兩種泡點(diǎn)法和標(biāo)準(zhǔn) 顆粒法。以市售可得的DJ-5型泡點(diǎn)測(cè)定儀為例對(duì)泡點(diǎn)法的工作原理進(jìn)行說(shuō)明。泡點(diǎn)法主 要是通過(guò)測(cè)量將空氣透過(guò)充滿液體的濾膜所需的壓力來(lái)測(cè)定濾膜的孔徑。在泡點(diǎn)測(cè)定儀 中，氣泡室中濾膜的上表面與液體(例如水)接觸，液體使濾膜潤(rùn)濕，此時(shí)濾膜的所有微孔 均充滿著該液體；該濾膜的下表面則與氣室連通，當(dāng)逐漸增大氣室中的空氣壓力至一定值 時(shí)，空氣便會(huì)開始穿過(guò)濾膜的微孔，在氣泡室中形成氣泡。此時(shí)，空氣壓力與濾膜的微孔孔 徑之間的關(guān)系由Laplace方程d = 4k σ cos θ /p確定，其中，d表示微孔的直徑，ρ表示空氣 壓力(或壓差)，k表示濾膜的孔型修正系數(shù)，ο表示該液體的表面張力系數(shù)，θ表示該液 體與濾膜的接觸角，k、ο和θ對(duì)于確定的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀以及確定型號(hào)的超濾膜而言 均為常數(shù)，并且σ和θ的數(shù)值也較為容易準(zhǔn)確地測(cè)定。然而針對(duì)系數(shù)k(包括孔型因子和曲折因子)，由于其值會(huì)受到濾膜材質(zhì)、加工工 藝以及濾膜厚度等諸多因素的影響，因此對(duì)于國(guó)內(nèi)各家過(guò)濾器制造商以及濾材制造單位而 言，即使是自己使用的或者自己生產(chǎn)的濾膜，往往也難以準(zhǔn)確地測(cè)定該濾膜的系數(shù)k。所以， 這便成為了采用泡點(diǎn)法來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)定濾膜的最大孔徑以及平均孔徑的第一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。另外，由上述的Laplace方程可以看出，微孔孔徑d與空氣壓力ρ之間呈反比關(guān) 系，隨著空氣壓力的增大，在孔徑最大的微孔處會(huì)首先開始形成氣泡，然后在孔徑逐漸減小 的各個(gè)微孔處也會(huì)開始依次形成氣泡。因此，在泡點(diǎn)法中對(duì)濾膜的最大孔徑的測(cè)定是比較 容易實(shí)現(xiàn)的，一旦觀察到冒出的第一個(gè)氣泡，便可以將此時(shí)氣室中的空氣壓力代入Laplace 方程中的P，從而計(jì)算出該被測(cè)濾膜的最大孔徑。然而要計(jì)算出濾膜的平均孔徑就要分兩種情況來(lái)討論了。對(duì)于微濾膜，其孔徑一 般在0. 1 2. 0微米的范圍內(nèi)，并且孔徑分布比較集中，在泡點(diǎn)法的測(cè)定過(guò)程中，通常在觀 察到第一個(gè)氣泡點(diǎn)之后，很快就會(huì)出現(xiàn)大量氣泡，因此一般采用分段升壓的方法來(lái)測(cè)定其 孔徑分布，進(jìn)而求得該微濾膜的平均孔徑。在實(shí)際的測(cè)定實(shí)踐中，當(dāng)壓力值升至第一個(gè)連續(xù) 氣泡點(diǎn)壓力值的110% -120%時(shí)，則可以將當(dāng)前氣室中的氣體壓力判定為平均孔徑泡點(diǎn)壓力，通過(guò)將該平均孔徑泡點(diǎn)壓力代入Laplace方程中的P，便可以計(jì)算出該被測(cè)微濾膜的平 均孔徑。而對(duì)于超濾膜，其孔徑一般均小于0. 1微米，并且孔徑分布呈現(xiàn)為正態(tài)分布，即超 濾膜表面總是存在著少量的較大孔徑的微孔以及大量的較小孔徑的微孔，通常在出現(xiàn)第一 個(gè)氣泡之后，隨著空氣壓力的逐漸增大，氣泡數(shù)量?jī)H會(huì)緩慢地增加，因此，究竟應(yīng)當(dāng)將何時(shí) 的空氣壓力判定為平均孔徑泡點(diǎn)壓力，便成為了采用泡點(diǎn)法來(lái)準(zhǔn)確地測(cè)定超濾膜的平均孔 徑的第二個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。鑒于采用泡點(diǎn)法來(lái)測(cè)定超濾膜的平均孔徑存在著上述兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)，對(duì)于超濾膜 中孔徑相對(duì)較小的一類(微孔孔徑小于0.01微米)，一般采用“標(biāo)準(zhǔn)顆粒法”來(lái)測(cè)定超濾 膜的切割分子量或截留率，此法主要用于表征超濾膜的分離性能。由于超濾膜通常用于大 分子物質(zhì)的分離、濃縮和提純，因此用切割分子量來(lái)反映超濾膜孔徑的大小在應(yīng)用上是較 為方便的。所采用的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物的選擇原則為在溶液內(nèi)為球形；純度高，穩(wěn)定，價(jià)廉；濃度 易分析，特別是在低濃度時(shí)分析精度高。但是，由于各生產(chǎn)廠商所使用的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物各不相 同，在溶液濃度和工作壓力上有所差別，并且在確定切割分子量的截留率百分值時(shí)也有著 各自不同的規(guī)定，因此用該方法表征的超濾膜的分離性能僅具有參考價(jià)值。然而，對(duì)于孔徑相對(duì)較大的超濾膜(微孔孔徑在0. 01 0. 1微米范圍內(nèi))而言， 由于難以選出合適的超大分子量的標(biāo)準(zhǔn)顆粒物，因此進(jìn)行切割分子量的測(cè)定將比較困難。綜上所述，在各種型號(hào)的超濾膜中，一方面，對(duì)于孔徑相對(duì)較小的超濾膜，標(biāo)準(zhǔn)顆 粒法的測(cè)定結(jié)果僅具有參考價(jià)值，對(duì)于孔徑相對(duì)較大的超濾膜，則難以采用標(biāo)準(zhǔn)顆粒法進(jìn) 行測(cè)定；另一方面，若采用泡點(diǎn)法對(duì)超濾膜的平均孔徑進(jìn)行測(cè)定，雖然操作比較簡(jiǎn)單便捷， 但是卻存在著上述的兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。目前，以微濾膜和孔徑相對(duì)較大的超濾膜為核心部件的膜生物反應(yīng)器(MBR)技術(shù) 已經(jīng)成為了環(huán)境工程中污水處理與水資源回用領(lǐng)域的重要新技術(shù)，它是一種將高效膜分離 工藝與傳統(tǒng)活性污泥法相結(jié)合的新型污水處理方法，可廣泛應(yīng)用于市政污水和多種有機(jī)工 業(yè)廢水處理領(lǐng)域。因此，如何解決準(zhǔn)確地測(cè)定超濾膜，尤其是孔徑相對(duì)較大的超濾膜的平均 孔徑的技術(shù)難題已經(jīng)成為了一個(gè)亟待解決的問(wèn)題。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是為了克服現(xiàn)有技術(shù)難以準(zhǔn)確地測(cè)定孔徑相對(duì)較大的 超濾膜的平均孔徑的缺陷，提供一種能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)定孔徑相對(duì)較大的超濾膜的平均孔 徑的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀以及一種采用該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀實(shí)現(xiàn)的超濾膜平均孔徑測(cè)定方法。本發(fā)明是通過(guò)下述技術(shù)方案來(lái)解決上述技術(shù)問(wèn)題的一種超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀，其 包括一平均孔徑泡點(diǎn)壓力測(cè)定模塊，用于探測(cè)超濾膜上通氣微孔的氣流量，一旦該氣流量 達(dá)到一判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)便判定該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀的氣室中的當(dāng)前氣壓為平均孔徑泡點(diǎn)壓力， 其特點(diǎn)在于，該判定標(biāo)準(zhǔn)為該氣流量為Sml/min lOml/min。較佳地，所述超濾膜的微孔孔徑在0. 01 0. 1微米范圍內(nèi)。本發(fā)明還提供了一種超濾膜平均孔徑測(cè)定方法，其特點(diǎn)在于，其包括S1、采用高 分辨率的掃描電子顯微鏡對(duì)試樣超濾膜表面的微孔結(jié)構(gòu)拍照，并通過(guò)對(duì)照片中的微孔結(jié)構(gòu) 的測(cè)量，計(jì)算出試樣超濾膜的平均孔徑；S2、利用權(quán)利要求1所述的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定試樣超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力；S3、基于Laplace方程d = 4k σ cos θ/p，其中σ和θ對(duì) 于確定的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀以及確定型號(hào)的超濾膜而言為常數(shù)，將步驟Sl中計(jì)算獲得的 試樣超濾膜的平均孔徑代入d、將步驟S2中測(cè)定的試樣超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力代入ρ， 從而計(jì)算出k ；S4、利用權(quán)利要求1所述的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定實(shí)際超濾膜的平均孔徑泡 點(diǎn)壓力，其中實(shí)際超濾膜與試樣超濾膜型號(hào)相同；S5、基于Laplace方程d = 4k σ cos θ /p, 將步驟S3中計(jì)算獲得的k作為常數(shù)、將步驟S4中測(cè)定的實(shí)際超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力 代入P，從而計(jì)算出實(shí)際超濾膜的平均孔徑。較佳地，所述掃描電子顯微鏡的放大倍數(shù)為100 650000倍。較佳地，所述超濾膜的微孔孔徑在0. 01 0. 1微米范圍內(nèi)。本發(fā)明的積極進(jìn)步效果在于本發(fā)明的申請(qǐng)人根據(jù)超濾膜的微孔孔徑呈正態(tài)分布 的特點(diǎn)，并且基于大量的實(shí)驗(yàn)研究，對(duì)現(xiàn)有的泡點(diǎn)測(cè)定儀中用于判定將何時(shí)的氣室空氣壓 力判定為平均孔徑泡點(diǎn)壓力的判定標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了改進(jìn)，該改進(jìn)后的判定標(biāo)準(zhǔn)更加符合超濾膜 的孔徑分布特性，從而使得本發(fā)明的該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀所測(cè)定的平均孔徑泡點(diǎn)壓力較為 準(zhǔn)確，由此便解決了背景技術(shù)中所提到的其中一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)；此外，該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀對(duì) 超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力的測(cè)定過(guò)程也是非?？焖俚?，整個(gè)測(cè)定過(guò)程的耗時(shí)甚至不超過(guò) 15分鐘，這與操作復(fù)雜的標(biāo)準(zhǔn)顆粒法相比，顯然測(cè)定效率顯著提高，而與利用掃描電子顯微 鏡對(duì)超濾膜拍照，然后對(duì)照片中的微孔孔徑進(jìn)行費(fèi)時(shí)費(fèi)力的人工測(cè)量，并最終統(tǒng)計(jì)出平均 孔徑的方法相比，測(cè)定效率則更是大幅提高。而本發(fā)明的該超濾膜平均孔徑測(cè)定方法則在 采用該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀來(lái)測(cè)定超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力的基礎(chǔ)上，還進(jìn)一步地提出了 一種對(duì)Laplace方程中的系數(shù)k進(jìn)行修正的手段，由此便解決了背景技術(shù)中所提到的另一 個(gè)技術(shù)難點(diǎn)。綜上所述，在采用本發(fā)明的該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀以及該超濾膜平均孔徑測(cè)定 方法來(lái)測(cè)定孔徑相對(duì)較大的超濾膜的平均孔徑時(shí)，不但所得測(cè)定結(jié)果的準(zhǔn)確性較高，而且 整個(gè)測(cè)定過(guò)程非常迅速，測(cè)定效率極高。


圖1為本發(fā)明的該超濾膜平均孔徑測(cè)定方法的流程圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖給出本發(fā)明較佳實(shí)施例，以詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案。本發(fā)明的該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀與現(xiàn)有的泡點(diǎn)測(cè)定儀類似地包括有一平均孔徑泡 點(diǎn)壓力測(cè)定模塊。該平均孔徑泡點(diǎn)壓力測(cè)定模塊的工作原理如背景技術(shù)中所述，隨著氣 室中的空氣壓力的不斷增加，該模塊會(huì)持續(xù)地對(duì)被測(cè)超濾膜上所有處于通氣狀態(tài)(冒泡狀 態(tài))的微孔的總的通氣氣流量進(jìn)行探測(cè)，并將探測(cè)獲得的該氣流量不斷地與一預(yù)設(shè)的判定 標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行比較，一旦該氣流量達(dá)到該預(yù)設(shè)的判定標(biāo)準(zhǔn)，便判定此時(shí)氣室中的當(dāng)前氣壓便為 針對(duì)該被測(cè)超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力。而與現(xiàn)有技術(shù)不同的是，在本發(fā)明的該超濾膜泡 點(diǎn)測(cè)定儀中，該預(yù)設(shè)的判定標(biāo)準(zhǔn)的具體數(shù)值為該氣流量的數(shù)值為8ml/min lOml/min。該平均孔徑泡點(diǎn)壓力測(cè)定模塊能夠很容易地通過(guò)電子線路設(shè)計(jì)以及軟件算法編 程的手段實(shí)現(xiàn)，故在此對(duì)其實(shí)現(xiàn)過(guò)程不做贅述。本發(fā)明的該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀在理論上可以適應(yīng)于各種孔徑的超濾膜，然而，一方面考慮到當(dāng)超濾膜的孔徑相對(duì)較小時(shí)，氣室中的空氣壓力需要能夠達(dá)到很高的數(shù)值，因 此會(huì)給該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀的設(shè)計(jì)以及制造造成一定的技術(shù)難度；另一方面，對(duì)于以微濾 膜和超濾膜為核心部件的MBR而言，隨著其工藝開發(fā)的進(jìn)展，其大量采用的超濾膜一般均 為孔徑相對(duì)較大(微孔孔徑在0.01 0. 1微米范圍內(nèi))的具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)的超濾膜。因此 綜合上述兩方面原因，本發(fā)明的該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀將更加適用于微孔孔徑在0. 01 0. 1 微米范圍內(nèi)的超濾膜。以下將結(jié)合圖1對(duì)本發(fā)明的該超濾膜平均孔徑測(cè)定方法進(jìn)行說(shuō)明，該方法包括以 下步驟步驟100，采用高分辨率的掃描電子顯微鏡對(duì)少量的試樣超濾膜表面的微孔結(jié)構(gòu) 拍照，此處該掃描電子顯微鏡可以為例如日本產(chǎn)的型號(hào)為JSM-6701F、放大倍數(shù)為100 650000的掃描電子顯微鏡，然后通過(guò)對(duì)照片中的微孔結(jié)構(gòu)的仔細(xì)觀察以及對(duì)照片中的若干 個(gè)微孔直徑的仔細(xì)測(cè)量，計(jì)算出試樣超濾膜的平均孔徑。步驟101，利用本發(fā)明的該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定試樣超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓 力。步驟102，基于Laplace方程d = 4k σ cos θ /ρ，其中如背景技術(shù)中所述地，對(duì)于確 定的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀以及確定型號(hào)的超濾膜而言，系數(shù)ο與系數(shù)θ均作為常數(shù)使用，將 步驟100中計(jì)算獲得的試樣超濾膜的平均孔徑代入d，并將步驟101中測(cè)定的試樣超濾膜的 平均孔徑泡點(diǎn)壓力代入P，從而計(jì)算出針對(duì)該試樣超濾膜而言較為精確真實(shí)的系數(shù)k。步驟103，利用本發(fā)明的該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定大量的實(shí)際超濾膜的平均孔徑 泡點(diǎn)壓力，其中應(yīng)當(dāng)保證該些實(shí)際超濾膜與上述的試樣超濾膜的型號(hào)完全相同，從而保證 在步驟102中計(jì)算獲得的該系數(shù)k也將精確地適用于該些實(shí)際超濾膜。步驟104，仍然基于Laplace方程d = 4k σ cos θ /p,將步驟102中計(jì)算獲得的系 數(shù)k作為常數(shù)使用，并將步驟103中測(cè)定的各實(shí)際超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力分別代入p， 從而分別計(jì)算出各實(shí)際超濾膜的平均孔徑。由于本發(fā)明的測(cè)定結(jié)果較為準(zhǔn)確并且測(cè)定速度極快，因此申請(qǐng)人已將此測(cè)定規(guī)定 為本企業(yè)MBR專用的大孔徑超濾膜平均孔徑的常規(guī)測(cè)定方式，并將其列為超濾膜生產(chǎn)過(guò)程 中的質(zhì)量監(jiān)測(cè)內(nèi)容。下表即為本企業(yè)在利用本發(fā)明對(duì)MBR專用超濾膜的平均孔徑進(jìn)行測(cè)定 時(shí)獲得的結(jié)果，可以看出，測(cè)定數(shù)據(jù)的重現(xiàn)性還是很高的，這也再次證明了測(cè)定結(jié)果的有效 性。
權(quán)利要求
1.一種超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀，其包括一平均孔徑泡點(diǎn)壓力測(cè)定模塊，用于探測(cè)超濾膜上 通氣微孔的氣流量，一旦該氣流量達(dá)到一判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)便判定該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀的氣室 中的當(dāng)前氣壓為平均孔徑泡點(diǎn)壓力，其特征在于，該判定標(biāo)準(zhǔn)為該氣流量為8ml/min 10ml/mino
2.如權(quán)利要求1所述的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀，其特征在于，所述超濾膜的微孔孔徑在 0.01 0. 1微米范圍內(nèi)。
3.一種超濾膜平均孔徑測(cè)定方法，其特征在于，其包括51、采用高分辨率的掃描電子顯微鏡對(duì)試樣超濾膜表面的微孔結(jié)構(gòu)拍照，并通過(guò)對(duì)照 片中的微孔孔徑的測(cè)量，計(jì)算出試樣超濾膜的平均孔徑；52、利用權(quán)利要求1所述的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定試樣超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力；53、基于Laplace方程d= 4k σ cos θ /ρ，其中σ和θ對(duì)于確定的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀 以及確定型號(hào)的超濾膜而言為常數(shù)，將步驟Sl中計(jì)算獲得的試樣超濾膜的平均孔徑代入 d、將步驟S2中測(cè)定的試樣超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力代入P，從而計(jì)算出k ；54、利用權(quán)利要求1所述的超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀測(cè)定實(shí)際超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力， 其中實(shí)際超濾膜與試樣超濾膜型號(hào)相同；55、基于Laplace方程d= 4k σ cos θ /ρ，將步驟S3中計(jì)算獲得的k作為常數(shù)、將步驟 S4中測(cè)定的實(shí)際超濾膜的平均孔徑泡點(diǎn)壓力代入P，從而計(jì)算出實(shí)際超濾膜的平均孔徑。
4.如權(quán)利要求3所述的超濾膜平均孔徑測(cè)定方法，其特征在于，所述掃描電子顯微鏡 的放大倍數(shù)為100 650000倍。
5.如權(quán)利要求3所述的超濾膜平均孔徑測(cè)定方法，其特征在于，所述超濾膜的微孔孔 徑在0.01 0. 1微米范圍內(nèi)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀以及一種超濾膜平均孔徑測(cè)定方法，該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀包括一平均孔徑泡點(diǎn)壓力測(cè)定模塊，用于探測(cè)超濾膜上通氣微孔的氣流量，一旦該氣流量達(dá)到一判定標(biāo)準(zhǔn)時(shí)便判定該超濾膜泡點(diǎn)測(cè)定儀的氣室中的當(dāng)前氣壓為平均孔徑泡點(diǎn)壓力，該判定標(biāo)準(zhǔn)為該氣流量為8ml/min～10ml/min。本發(fā)明能夠快速準(zhǔn)確地測(cè)定孔徑相對(duì)較大的超濾膜的平均孔徑。
文檔編號(hào)G01B13/08GK102087103SQ20101057947
公開日2011年6月8日 申請(qǐng)日期2010年12月8日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月8日
發(fā)明者劉光全, 徐繼平, 梁國(guó)明, 樓福樂(lè) 申請(qǐng)人:上海斯納普膜分離科技有限公司