一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置與方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及膜分離領(lǐng)域，特別是一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置與方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 膜分離是對(duì)多組分流體物質(zhì)進(jìn)行分離、分級(jí)、提純和富集，具有高效、節(jié)能、過程易 控制等獨(dú)特優(yōu)點(diǎn)。然而，濃差極化和膜污染是膜分離過程中存在的兩個(gè)主要問題，它們會(huì)破 壞膜的性能并最終縮短膜的壽命，增加膜的操作和維護(hù)費(fèi)用，且會(huì)造成產(chǎn)品質(zhì)量和目標(biāo)產(chǎn) 品收率降低。為提高膜分離效率，減輕濃差極化與膜污染，近年來，采用超聲波對(duì)膜分離過 程進(jìn)行強(qiáng)化。研宄表明：超聲波可作為膜分離操作的輔助強(qiáng)化手段以提高滲透通量。但是， 當(dāng)超聲強(qiáng)度增大時(shí)，聲波傳播將會(huì)對(duì)媒質(zhì)產(chǎn)生一定的影響或效應(yīng)：即隨著超聲波強(qiáng)度增加， 超聲波的空化作用增強(qiáng)，由此產(chǎn)生的聲化學(xué)效應(yīng)和物理效應(yīng)引起了膜的孔徑增大或膜面破 損，使其通量增加。
[0003] 目前，研宄超聲波對(duì)膜本身的影響的實(shí)驗(yàn)手段主要是將膜組件放置在超聲波清洗 器中，通過調(diào)節(jié)超聲波清洗器的輸出功率改變超聲波的強(qiáng)度，進(jìn)而研宄不同超聲強(qiáng)度對(duì)膜 的影響。但是，現(xiàn)有的超聲波清洗器可調(diào)節(jié)的輸出功率只有幾檔，所以相應(yīng)的超聲強(qiáng)度范圍 有限，且無法實(shí)現(xiàn)超聲強(qiáng)度的連續(xù)精細(xì)調(diào)節(jié)，因此研宄結(jié)果相對(duì)來說并不全面。此外，上述 實(shí)驗(yàn)方法都是依靠實(shí)驗(yàn)人員對(duì)各參數(shù)進(jìn)行檢測(cè)或調(diào)控，工作量較大，而且易產(chǎn)生一定的誤 差，從而影響實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為克服上述缺點(diǎn)，本發(fā)明提出一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置與方法，超聲強(qiáng)度 的先粗調(diào)后細(xì)調(diào)，可精確改變超聲強(qiáng)度，在MCU控制系統(tǒng)下自動(dòng)，不僅減輕實(shí)驗(yàn)人員的工作 強(qiáng)度而且能減少實(shí)驗(yàn)人員帶來的人為誤差。
[0005] 本發(fā)明一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置采用的技術(shù)方案是：具有一個(gè)實(shí)驗(yàn)池，實(shí) 驗(yàn)池內(nèi)部置放平板膜和超聲波換能器盒，超聲波換能器盒豎直位于實(shí)驗(yàn)池內(nèi)部右側(cè)處將實(shí) 驗(yàn)池內(nèi)部分成左右兩塊區(qū)域，超聲波換能器盒可左右移動(dòng)且與實(shí)驗(yàn)池密封接觸，左側(cè)區(qū)域 豎直設(shè)有平板膜，平板膜由前側(cè)夾板和后側(cè)夾板夾持，后側(cè)夾板的前壁處設(shè)有聲強(qiáng)探頭；左 側(cè)區(qū)域的實(shí)驗(yàn)池內(nèi)壁上設(shè)有液位傳感器；實(shí)驗(yàn)池的左側(cè)區(qū)域的側(cè)壁上設(shè)有排水管道，排水 管道上裝有電磁閥；超聲波換能器盒的中心處滾動(dòng)連接水平螺桿的左端，螺桿的右端經(jīng)實(shí) 驗(yàn)池右側(cè)壁伸出實(shí)驗(yàn)池外并同軸套接帶齒螺母，帶齒螺母通過帶齒皮帶連接齒輪，齒輪同 軸心連接步進(jìn)電機(jī)的輸出軸；超聲波換能器盒內(nèi)部左壁上均勻裝有多個(gè)相同的超聲波換能 器，超聲波換能器經(jīng)輸出線連接超聲波發(fā)生器；MCU控制系統(tǒng)通過不同的控制端口分別連 接步進(jìn)電機(jī)、液位傳感器、聲強(qiáng)探頭、電磁閥及上位機(jī)。
[0006] 本發(fā)明一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法采用的技術(shù)方案是包括以下 步驟： 步驟1 :將超聲波發(fā)生器的輸出功率調(diào)節(jié)至最低檔，控制步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)將超聲波換能 器移至實(shí)驗(yàn)池內(nèi)的最右側(cè)初始位置； 步驟2 :在實(shí)驗(yàn)池的左側(cè)區(qū)域加入料液，并保持液位高度為Htl; 步驟3 :MCU控制系統(tǒng)采集聲強(qiáng)探頭的超聲強(qiáng)度I，運(yùn)行一段時(shí)間T后，取出平板膜，記 錄膜通量為J ; 步驟4 :將平板膜再次放入實(shí)驗(yàn)池后，判斷超聲波換能器盒與平板膜的右側(cè)夾板之間 的距離是否為〇,若tf #0，控制步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)；若d=0,步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)，直到超聲波換能 器盒移至初始位置，調(diào)節(jié)超聲波發(fā)生器的輸出功率至下一個(gè)檔位，重復(fù)步驟2~4,直到超聲 波發(fā)生器的輸出功率檔位全部調(diào)節(jié)完畢。
[0007] 經(jīng)步驟1~4獲取不同的超聲強(qiáng)度I下不同的運(yùn)行時(shí)間T及所對(duì)應(yīng)的膜損程度L的 多樣本數(shù)據(jù)，經(jīng)上位機(jī)采用BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法構(gòu)建函數(shù)￡=+ /(/: D，進(jìn)行相應(yīng)的訓(xùn)練 后保存相應(yīng)的BP人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型；根據(jù)超聲強(qiáng)度I，估算出不同膜損程度L所對(duì)應(yīng)的處 理時(shí)間T 本發(fā)明與已有方法和技術(shù)相比，具有如下優(yōu)點(diǎn)： 1、本發(fā)明根據(jù)超聲強(qiáng)度I與距離d兩者之間存在的關(guān)系，結(jié)合MCU控制系統(tǒng)精確控制 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)改變超聲波源與膜之間的距離d，從而改變超聲強(qiáng)度I，為超聲助濾膜損研宄 提供一定的依據(jù)。
[0008] 2、本發(fā)明在每一檔固定的超聲輸出功率前提下，結(jié)合MCU控制系統(tǒng)可精確控制步 進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)改變超聲波源與膜之間的距離d來改變超聲強(qiáng)度I，實(shí)現(xiàn)超聲強(qiáng)度先粗調(diào)與后 細(xì)調(diào)相結(jié)合，所以可研宄的超聲強(qiáng)度I范圍便會(huì)相應(yīng)地?cái)U(kuò)大，使得后續(xù)的研宄結(jié)果更加可 靠，有效解決目前超聲助濾研宄存在的無法精細(xì)調(diào)節(jié)超聲強(qiáng)度問題及實(shí)驗(yàn)操作的連續(xù)性問 題，從而獲得的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)更加全面，有利于超聲助濾膜損的后續(xù)研宄。
[0009] 3、本發(fā)明利用MCU控制系統(tǒng)控制步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)改變超聲強(qiáng)度I并采集該強(qiáng)度I 值，同時(shí)系統(tǒng)實(shí)時(shí)采集液位信號(hào)H以控制電磁閥的開關(guān)以實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)排水，從而 提高實(shí)驗(yàn)裝置的自動(dòng)化程度，不僅減輕實(shí)驗(yàn)人員的工作強(qiáng)度而且能減少實(shí)驗(yàn)人員帶來的人 為誤差。
[0010] 4、本發(fā)明根據(jù)膜損程度L、超聲強(qiáng)度I及處理時(shí)間T三者之間存在的關(guān)系，采 用BP神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合膜損程度L、超聲強(qiáng)度I及處理時(shí)間T三者之間的關(guān)系函數(shù)模型 I =/(八Tl，從而可以根據(jù)該函數(shù)模型估算出在不同超聲強(qiáng)度I下，不同的膜損程度L 對(duì)應(yīng)的膜使用時(shí)間T，能夠?qū)ふ也煌晱?qiáng)度I下的膜使用時(shí)間T的臨界點(diǎn)（即在膜無損壞 的情況下，膜的使用時(shí)間)，為膜分離工藝參數(shù)的選擇提供依據(jù)。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發(fā)明一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)圖； 圖2為圖1中超聲波換能器盒15的結(jié)構(gòu)放大圖； 圖3為圖1所示本發(fā)明一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置的電路結(jié)構(gòu)框圖； 圖4為圖1所示本發(fā)明一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置的實(shí)驗(yàn)方法流程圖。
[0012]附圖中各部件的序號(hào)和名稱：1、實(shí)驗(yàn)池，2、液位傳感器，3、螺釘，4、聲強(qiáng)探頭，5、前 側(cè)左夾板，6、前側(cè)右夾板，7、后側(cè)左夾板，8、后側(cè)右夾板，9、排水管道，10、電磁閥，11、儲(chǔ)水 池，12、MCU控制盒，13、步進(jìn)電機(jī)正轉(zhuǎn)開關(guān)，14、步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)開關(guān)，15、超聲波換能器盒，16、 上位機(jī)，17、步進(jìn)電機(jī)，18、齒輪，19、螺桿，20、帶齒螺母，21、鎖緊塊，22、帶齒皮帶，23、支撐 架，24超聲波發(fā)生器，25、進(jìn)線孔，26、超聲波發(fā)生器輸出線，27、步進(jìn)電機(jī)底座，28、螺桿進(jìn)出 孔，29、超聲波換能器，30、滾動(dòng)軸承，31、平板膜。
【具體實(shí)施方式】
[0013] 參見圖1所示的本發(fā)明一種模擬超聲助濾膜損實(shí)驗(yàn)裝置的整體結(jié)構(gòu)，具有一個(gè)實(shí) 驗(yàn)池1，實(shí)驗(yàn)池1內(nèi)部是空腔，在實(shí)驗(yàn)池1內(nèi)部置放平板膜31和超聲波換能器盒15。超聲波 換能器盒15豎直位于實(shí)驗(yàn)池1內(nèi)部右側(cè)處，將實(shí)驗(yàn)池1內(nèi)部分成左右兩塊區(qū)域，左側(cè)區(qū)域 內(nèi)存放料液。超聲波換能器盒15前后壁與實(shí)驗(yàn)池1的前后兩側(cè)內(nèi)壁盡量密封接觸避免左 側(cè)區(qū)域料液滲入右側(cè)區(qū)域，同時(shí)還需確保超聲波換能器盒15能夠在實(shí)驗(yàn)池1內(nèi)左右移動(dòng)。 在左側(cè)區(qū)域還豎直設(shè)置平板膜31，平板膜31距實(shí)驗(yàn)池1內(nèi)部左側(cè)壁1/3處最佳。
[0014] 平板膜31由前側(cè)夾板和后側(cè)夾板穩(wěn)定夾持。其中前側(cè)夾板由前側(cè)左夾板5與前 側(cè)右夾板6組成并安裝在實(shí)驗(yàn)池1的前側(cè)內(nèi)壁處，后側(cè)夾板由后側(cè)左夾板7與后側(cè)右夾板 8組成并安裝在實(shí)驗(yàn)池1后側(cè)內(nèi)壁處，同時(shí)，前側(cè)夾板和后側(cè)夾板呈前后對(duì)稱式分布。平板 膜31插在前后兩側(cè)的左、右夾板中間。前側(cè)左夾板5與前側(cè)右夾板6之間的距離、后側(cè)左夾 板7與后側(cè)右夾板8的距離應(yīng)略大于平板膜31的左右厚度，以便于取出和插入平板膜31， 同時(shí)確保平板膜31不會(huì)過于松動(dòng)。
[0015] 在后側(cè)夾板的前壁處通過螺釘3固定安裝聲強(qiáng)探頭4,聲強(qiáng)探頭4靠近平板膜31 右側(cè)面，面對(duì)著超聲波換能器盒15,用來采集超聲波到達(dá)平板膜31處的超聲強(qiáng)度I。本發(fā) 明將聲強(qiáng)探頭4安裝在后側(cè)右夾板8的前壁處，便于采集超聲強(qiáng)度。
[0016] 在實(shí)驗(yàn)池1的左側(cè)區(qū)域內(nèi)壁上通過另一螺釘3固定安裝液位傳感器2,主要用來采 集實(shí)驗(yàn)池1的液位信號(hào)。本發(fā)明將液位傳感器2固定在在實(shí)驗(yàn)池1內(nèi)部的左側(cè)與后側(cè)左夾 板7之間的后側(cè)內(nèi)壁上，便于采集信號(hào)。
[0017] 超聲波換能器盒15的中心處滾動(dòng)連接螺桿19左端，螺桿19右端經(jīng)實(shí)驗(yàn)池1右側(cè) 壁上開設(shè)的螺桿進(jìn)出孔28伸出實(shí)驗(yàn)池1外，螺桿19水平設(shè)置，在實(shí)驗(yàn)池1外的螺桿19上 同軸套接帶齒螺母20,帶齒螺母20的左、右兩端緊固連接一個(gè)鎖緊塊21，鎖緊塊21同軸套 在螺桿19上，用來限制帶齒螺母20的左右移動(dòng)。螺桿19、帶齒螺母20以及鎖緊塊21都是 同軸心安裝。鎖緊塊21