一種超濾膜孔徑分布的測試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種超濾膜孔徑分布的測試方法。本發(fā)明涉及一種全自動超濾膜孔徑分析儀，由高精度恒流泵、壓力變送器、電磁閥、繼電器、數(shù)據(jù)采集模塊、計算機(jī)、膜測試組件以及管線組成。計算機(jī)的信號輸出端與恒流泵的信號輸入端連接并通過軟件控制恒流泵的進(jìn)液流量；恒流泵與測試組件之間設(shè)置有壓力變送器，壓力變送器信號端與數(shù)據(jù)采集模塊相連來實時地采集系統(tǒng)壓力；繼電器的輸入端與計算機(jī)相連來實施對電磁閥的控制，達(dá)到對系統(tǒng)管路封堵的目的。本發(fā)明能夠?qū)崿F(xiàn)系統(tǒng)的自動排氣和測量，實時地采集系統(tǒng)的平衡壓力值和滲透液流量，通過壓力-流量曲線分析膜材料的性能。
【專利說明】一種超濾膜孔徑分布的測試方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種全自動超濾膜孔徑分析儀及其測試方法，用于測試多孔超濾膜的孔徑分布。

【背景技術(shù)】
[0002]多孔膜分離技術(shù)的快速發(fā)展，特別是超濾膜技術(shù)的工業(yè)化廣泛應(yīng)用、納濾膜技術(shù)的快速發(fā)展，以及目前市場有機(jī)膜材料的主導(dǎo)地位，對能在低壓下測定更小膜孔徑的分析儀器提出更高市場期望。
[0003]液-液排出法是根據(jù)液體在毛細(xì)孔道中受到毛細(xì)張力作用，測定置換液透過孔道中充滿浸潤液的膜材料時的流量-壓差關(guān)系，與置換液透過孔道中充滿置換液的膜材料時的流量-壓差關(guān)系相比較，利用數(shù)學(xué)模型計算膜材料孔徑及孔徑分布。當(dāng)膜孔道被浸潤液所充滿時，使用與之不相溶的置換液將其從孔道中置換出。由于液體在毛細(xì)孔道中的表面張力作用，將浸潤液從孔道中置換出需一定壓力，且孔道越小，置換出浸潤液所需的壓力越大。當(dāng)置換液側(cè)達(dá)到一定壓力時，膜孔中的浸潤液全部被置換出。
[0004]液液排出法測膜孔徑不僅操作簡便，所測定孔為膜的活性孔道，而且不受樣品大小限制。同時，該測試方法為流體透過膜孔道的過程，這與多孔膜的應(yīng)用過程(固液分離和氣固分離)是極為相似的，因此，測試的孔徑更符合膜材料使用時表現(xiàn)出的孔大小。更重要的是，由于液體間的界面張力相對較小，測試膜孔徑時所需壓力低，分析表征有機(jī)超濾等機(jī)械強(qiáng)度低、孔徑小的膜材料有著很大的優(yōu)勢。液體排出法被認(rèn)為是多孔膜孔徑及孔徑分布表征最有應(yīng)用前景的方法之一。
[0005]液-液排出法測定膜孔徑的手動或半自動裝置是較容易搭建的，因為其所需測試的數(shù)據(jù)為置換液透過膜的滲透流量與壓差。專利CN2508242Y和CN102151487A通過壓縮氣體將置換液壓入膜的一側(cè)，測試膜另一側(cè)置換液流量的方法搭建了測試裝置。前者需人工控制測試條件和采集數(shù)據(jù)，故其操作不便且容易產(chǎn)生較大誤差；后者通過計算機(jī)和自控元件能實時自動控制測定條件并采集數(shù)據(jù)，但該裝置以壓縮氣體驅(qū)動置換液，其裝置中包括供氣瓶、電動流量調(diào)節(jié)閥，置換液罐、流量傳感器等，設(shè)計較復(fù)雜。Calvo等(Characterizat1n of polymeric UF membranes by liquid-liquid displacementporosimetry.Journal of Membrane Science, 2010, 348:238-244.)米用恒流泵輸送滲透液，檢測滲透壓差的方式搭建了相應(yīng)的膜孔徑測試裝置，但該裝置測試前仍需手動排氣泡且沒有完善的測試軟件系統(tǒng)。目前，市場相關(guān)的超濾膜孔徑分析儀并不多見，國內(nèi)更是處于空白狀態(tài)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的是提供一種全自動超濾膜孔徑分析儀，其工藝設(shè)計:
[0007](I)以恒流泵提供驅(qū)動壓力。恒流泵將置換液注入系統(tǒng)，膜供液測的壓力升高，膜孔道逐漸被打開，當(dāng)膜滲透側(cè)流出的液體流量與恒流泵注入的液體流量相等時，系統(tǒng)壓力便達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。此法既可以向系統(tǒng)注液施壓，又可以獲取壓力平衡時滲透液的流量。
[0008](2)自動排氣-封堵系統(tǒng)。測試之前應(yīng)將系統(tǒng)中氣體排盡，避免氣泡影響液-液界面的形成，且氣泡排盡之后應(yīng)將系統(tǒng)末端封堵。解決方式是設(shè)置豎直管路，當(dāng)置換液逐漸充滿系統(tǒng)管路、閥門及壓力傳感器的空腔并進(jìn)入豎直管路時，由于豎直管道中置換液的重力作用壓力變送器2會感應(yīng)到一定的壓力，程序控制恒流泵停止進(jìn)液并將電磁閥閥門關(guān)閉使膜供液側(cè)的測試系統(tǒng)形成封閉的區(qū)間。
[0009]本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:
[0010]一種全自動超濾膜孔徑分析儀，其特征在于包括計算機(jī)(I)、機(jī)箱(2)、測試池
(3)、數(shù)據(jù)采集模塊(4)、置換液罐(5)、高精度恒流泵(6)、膜組件(7)、廢液罐(8)、壓力變送器I (9)、壓力變送器2 (10)、繼電器(11)、電磁閥(12)。
[0011]所述的恒流泵與所述的膜測試組件的供液側(cè)通過不銹鋼管路連接并且管路中間設(shè)置壓力變送器1，所述的膜組件的供液測與所述的廢液罐之間設(shè)置壓力變送器2、電磁閥以及豎直管道。
[0012]所述的計算機(jī)分別與恒流泵、數(shù)據(jù)采集模塊通過信號線連接；
[0013]所述的繼電器的輸出端與所述的電磁閥連接；所述的繼電器的輸入端與數(shù)據(jù)采集模塊的數(shù)字量輸出端連接；
[0014]所述的壓力變送器I和所述的壓力變送器2的信號輸出端通過信號線與所述的數(shù)據(jù)采集模塊模擬量輸入端相連。
[0015]所述的系統(tǒng)設(shè)置有豎直管道；測試時，液體自管道進(jìn)入系統(tǒng)，隨著置換液的輸入，逐漸充滿不銹鋼管路、膜組件及壓力變送器空腔，將其中氣體排凈，當(dāng)液體到達(dá)豎直管路時，由于置換液的重力作用，壓力變送器2感應(yīng)到一定的壓力，程序控制恒流泵停止進(jìn)液并將電磁閥閥門關(guān)閉，使膜供液側(cè)的測試系統(tǒng)形成封閉的區(qū)間。
[0016]一種全自動超濾膜孔徑分析儀，包括以下操作步驟:
[0017]A.將測試膜樣品放入浸潤液，待充分潤濕后把測試樣品裝進(jìn)測試組件。
[0018]B.打開測試軟件參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)置最大測試壓力和最大測試流量等參數(shù)，開始測試。
[0019]C.軟件自動打開電磁閥，并使泵以較大的流量進(jìn)液，置換液逐漸充滿不銹鋼管路、膜組件及壓力變送器空腔，其系統(tǒng)中氣體排凈，當(dāng)置換液到達(dá)豎直管路時，由于置換液的重力作用，壓力傳感器2會感應(yīng)到一定的壓力，程序控制恒流泵停止進(jìn)液并將電磁閥閥門關(guān)閉使膜供液側(cè)的測試系統(tǒng)形成封閉的區(qū)間。
[0020]D.計算機(jī)通過軟件自動控制恒流泵往系統(tǒng)中注入一定流量的置換液，待系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，軟件自動采集泵的流量與系統(tǒng)的壓力。
[0021]E.計算機(jī)按設(shè)置的參數(shù)自動增加恒流泵的進(jìn)液流量，采集系統(tǒng)平衡時的壓力值。
[0022]F.重復(fù)步驟E，當(dāng)系統(tǒng)的壓力和進(jìn)液流量兩者任何一個達(dá)到設(shè)置的最大值時，濕線測試完畢，進(jìn)入干線測試階段。
[0023]G.計算機(jī)通過軟件自動減小恒流泵的進(jìn)液流量，采集系統(tǒng)平衡時的壓力值。
[0024]H.重復(fù)步驟G，待恒流泵的進(jìn)液流量降為O時，軟件停止運行，測試結(jié)束。
[0025]1.保存數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)模型對數(shù)據(jù)進(jìn)行計算即可得出膜材料的平均孔徑，孔徑分布等性能參數(shù)。
[0026]所述的浸潤液與所述的置換液之間的界面張力為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]所述的操作步驟B中所述的最大測試壓力設(shè)定值為O-lMPa，優(yōu)選50_500kPa。
[0029]所述的操作步驟B中所述的最大測試流量設(shè)定值為0-10ml/min，優(yōu)選2-5ml/min。
[0030]有益效果:
[0031]本發(fā)明以恒流泵來提供驅(qū)動壓力，同時又可以獲取得液體的滲透流量，與通過壓縮氣體驅(qū)動置換液相比，簡化了裝置，提高了儀器的穩(wěn)定性；設(shè)計的自動排氣-封堵系統(tǒng)提高了儀器的自動化程度，使得操作更加簡單。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0032]圖1為全自動超濾膜孔徑分析儀的結(jié)構(gòu)示意圖
[0033]圖1中標(biāo)記:1、計算機(jī)；2、機(jī)箱；3、測試池；4、數(shù)據(jù)采集模塊；5、置換液罐；6、高精度恒流泵；7、壓力變送器I ;8、壓力變送器2 ;9、繼電器；10、電磁閥；11、膜組件；12、廢液罐。

【具體實施方式】
[0034]下面結(jié)合具體實施例對本發(fā)明進(jìn)行說明。本發(fā)明的保護(hù)范圍并不以具體實施例為限，而是由權(quán)利要求加以限定。
[0035]實施案例I
[0036]1.將異丁醇與去離子水等體積混合，靜置分層后上層油相作為浸潤液，水相作為置換液，在20°C時浸潤液與置換液的界面張力為1.7mN/m。
[0037]2.將膜裝入組件(7)中，密封固定后打開測試軟件，設(shè)定最大壓力為150kPa，最大流量為3ml/min以及恒流泵流量增加速率為0.0lml/min，點擊開始測試。
[0038]3.軟件自動打開電磁閥(12)，并使恒流泵(6)以較大的流量進(jìn)液，置換液逐漸充滿不銹鋼管路、膜組件(7)及壓力變送器空腔，其系統(tǒng)中氣體排凈，當(dāng)置換液到達(dá)豎直管路時，由于管路中置換液的重力作用，壓力傳感器2(10)會感應(yīng)到一定的壓力，程序控制恒流泵停止進(jìn)液并將電磁閥(12)閥門關(guān)閉使膜供液側(cè)的測試系統(tǒng)形成封閉的區(qū)間。
[0039]4.計算機(jī)通過軟件自動控制恒流泵往系統(tǒng)中輸入一定流量的置換液，待系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，軟件自動采集泵的流量與系統(tǒng)的壓力。
[0040]5.計算機(jī)按設(shè)置的參數(shù)自動增加恒流泵的進(jìn)液流量，采集系統(tǒng)平衡時的壓力值。
[0041]6.重復(fù)步驟5，當(dāng)系統(tǒng)的壓力和進(jìn)液流量兩者任何一個達(dá)到設(shè)置的最大值時，濕線測試完畢，進(jìn)入干線測試階段。
[0042]7.計算機(jī)通過軟件自動減小恒流泵的進(jìn)液流量，采集系統(tǒng)平衡時的壓力值。
[0043]8.重復(fù)步驟7，待恒流泵的進(jìn)液流量降為O時，軟件停止運行，測試結(jié)束。
[0044]9.保存數(shù)據(jù)，利用數(shù)學(xué)模型計算得到超濾膜膜的最大孔為105.2nm，平均孔徑為54.4nm以及孔徑分布圖。
[0045]實施案例2
[0046]1.將正戊醇與去離子水等體積混合，靜置分層后上層油相作為浸潤液，水相作為置換液，在20°C時浸潤液與置換液的界面張力為4.8mN/m。
[0047]2.除設(shè)定最大壓力為400kPa，最大流量為4ml/min外，其余操作步驟同實施案例I。最后計算得到超濾膜的最大孔為163.6nm,平均孔徑為77nm。
[0048]實施案例3
[0049]1.將水、甲醇、異丁醇按25: 7: 15體積比混合，靜置分層后上層油相作為浸潤液，水相作為置換液，在20°C時浸潤液與置換液的界面張力為0.35mN/m。
[0050]2.除設(shè)定最大壓力為300kPa，最大流量為3ml/min外，其余操作步驟同實施案例I。最后計算得到超濾膜的最大孔為32nm，平均孔徑為ll.Snm。
【權(quán)利要求】
1.一種全自動超濾膜孔徑分析儀，包括計算機(jī)(I)、機(jī)箱(2)、測試池(3)、數(shù)據(jù)采集模塊(4)、置換液罐(5)、高精度恒流泵(6)、膜組件(7)、廢液罐(8)、壓力變送器I (9)、壓力變送器2 (10)、繼電器(11)、電磁閥(12)。其特征在于: a.所述的恒流泵(6)與所述的膜組件(7)的供液側(cè)通過不銹鋼管路連接并且管路中間設(shè)置壓力變送器I (9)，所述的膜組件的供液測與所述的廢液罐之間依次設(shè)置有壓力變送器2 (10)、電磁閥(12)以及豎直管道。 b.所述的計算機(jī)(I)分別與恒流泵￠)、數(shù)據(jù)采集模塊(4)通過信號線連接。 c.所述的繼電器(11)的輸出端與所述的電磁閥(12)的輸入端連接；所述的繼電器(11)的輸入端與數(shù)據(jù)采集模塊(4)的數(shù)字量輸出端連接。 d.所述的壓力變送器I(9)和所述的壓力變送器2 (10)的信號輸出端通過信號線與所述的數(shù)據(jù)采集模塊(4)的模擬量輸入端相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動超濾膜孔徑分析儀，其特征在于:所述的系統(tǒng)中設(shè)置有豎直管道；置換液自管道進(jìn)入系統(tǒng)，逐漸充滿不銹鋼管路、膜組件(7)及壓力變送器的空腔，將其中的氣體排凈，當(dāng)置換液到達(dá)豎直管路時，由于置換液的重力作用，壓力變送器2(10)會感應(yīng)到一定的壓力，程序控制恒流泵停止進(jìn)液并將電磁閥(12)閥門關(guān)閉，使膜供液側(cè)的測試系統(tǒng)形成封閉的區(qū)間，然后進(jìn)行孔徑測試。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的全自動超濾膜孔徑分析儀，其特征在于以下操作步驟: A.將測試膜樣品放入浸潤液，待充分潤濕后把測試樣品裝進(jìn)膜組件(7)。 B.打開測試軟件參數(shù)設(shè)置界面，設(shè)置最大測試壓力和最大測試流量等參數(shù)，開始測試。 C.軟件自動打開電磁閥(12)，并使恒流泵￠)以較大的流量進(jìn)液，置換液逐漸充滿不銹鋼管路、膜組件(7)及壓力變送器空腔，當(dāng)置換液到達(dá)豎直管路時，由于置換液的重力作用，壓力傳感器2(10)會感應(yīng)到一定的壓力，程序控制恒流泵停止進(jìn)液并將電磁閥(12)閥門關(guān)閉使膜供液側(cè)的測試系統(tǒng)形成封閉的區(qū)間。 D.計算機(jī)(I)通過軟件自動控制恒流泵(6)往系統(tǒng)中輸入一定流量的置換液，待系統(tǒng)壓力穩(wěn)定后，軟件自動采集泵的流量與系統(tǒng)的壓力。 E.計算機(jī)按設(shè)置的參數(shù)自動增加恒流泵￠)的進(jìn)液流量，采集系統(tǒng)的平衡壓力值。 F.重復(fù)步驟E，當(dāng)系統(tǒng)的壓力和進(jìn)液流量兩者任何一個達(dá)到設(shè)置的最大值時，濕線測試完畢，進(jìn)入干線測試階段。 G.計算機(jī)(I)通過軟件自動減小恒流泵￠)的進(jìn)液流量，待壓力平衡時采集壓力值。 H.重復(fù)步驟G，待恒流泵(6)的進(jìn)液流量降為O時，軟件停止運行，測試結(jié)束。 1.保存數(shù)據(jù)。利用數(shù)學(xué)模型即可算出膜材料的平均孔徑，孔徑分布等性能參數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的全自動超濾膜孔徑分析儀，其特征在于:所述的浸潤液與所述的置換液之間的界面張力為0.35-10mN/m。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3中任一項所述的全自動超濾膜孔徑分析儀，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.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全自動超濾膜孔徑分析儀，其特征在于:步驟B中所述的最大測試壓力設(shè)定值為Ο-lMPa，優(yōu)選50-500kPa。
7.根據(jù)權(quán)利要求3所述的全自動超濾膜孔徑分析儀，其特征在于:步驟B中所述的最大測試流量設(shè)定值為0-10ml/min,優(yōu)選2_5ml/min。
【文檔編號】G01N15/08GK104383815SQ201410745639
【公開日】2015年3月4日 申請日期:2014年12月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月4日
【發(fā)明者】俞健, 楊佳輝, 黃彥, 劉強(qiáng), 魏浩, 諶洪圖, 張?zhí)绎w, 蔡毅, 鞏棟棟 申請人:南京工業(yè)大學(xué)