超声技术在膜污染监测中的研究进展

　　膜分离技术作为一种新型、高效、节能、集成、不可替代性等特点已经用于污水处理、海水淡化、中西药的分离纯化、食品加工、医疗、化工等领域.然而,膜污染是制约膜技术广泛应用的主要原因之一.为此,科学家们希望有一种无损在线技术监测膜污染初期的状况,并为膜污染控制提供有效的检测手段.超声技术在无损检测和超声成像中发挥着重要的作用,特别是随着高频数码技术和计算机技术的发展,超声技术已经成功的应用于化学反应、薄膜的形成、聚合物的结晶、粘合等过程的检测[1-4].近几年来,美国、中国和南非等国相继进行了将超声监测技术应用于膜分离过程的研究.Mairal等人[5]将超声时域反射法(ultrasonic time-domain reflectome-try,UTDR)技术应用于反渗透(RO)污染的研究中.在研究中,他们采用了3个5 MHz和3个10 MHz的超声传感器.研究结果表明,随着污染层在膜表面开始出现并生长时,膜反射信号的振幅不断回落.然而,污染层厚度测量是不能用超声信号振幅的降低来获得的.不足之处是他们并没有得到污染层的反射信号.Zhang等人[6]进一步将UTDR应用到RO卷式膜的污染监测中.他们采用漂移因子概念,即用参比图对比的某时域内某参数(包括振幅和时间)之间差值的加和平均对超声信号进行分析.结果表明:膜通量的下降与振幅和时间漂移因子有着较好的关联.另外,柴国墉等[7]报道并综述了超声监测技术在膜分离过程中的应用研究.

　　本文主要介绍超声监测技术在膜分离过程应用方面所取得的最新研究成果.在介绍超声技术监测膜污染基本原理的基础上,重点介绍无损超声技术在线监测微滤(MF)中滤饼层生长[8-10]、复合膜超滤(UF)的挤压性以及有机污染清洗过程[11,12]、纳滤(NF)膜的生物污染[13]和RO膜的无机污染[14,15]等方面的研究.其中,报道了超声信号反射模型[9,12,15]、差动信号[9,11,12,15]、傅立叶变化[13]以及小波分析法[16]在超声信号处理方面的应用.

　　1 超声监测基本原理

　　超声波是一种机械波,UTDR监测的根据是机械波的传播原理.机械波的传播速度由它所穿过的介质的性质决定.当超声波入射到不同介质的交界面时,超声波的能量通常被分割,其中一部分以反射的形式表现出来.当声波垂直入射时,其声压反射系数[17]可表示为

　　式中,pi为入射波声压;pr为反射波声压;Z为介质的声阻,kg/(m2#s);1,2表示界面两边的介质;Ρ为介质密度,kg/m³;c为介质中的声速,m/s.

　　当超声波从不同的声阻抗的表面反射时,其反射波的振幅是不同的.在膜分离过程的超声监测时,当膜表面形成了污染物沉积层,其声阻抗不同于膜材料时,超声波传播到这些新的界面,所产生的超声反射波的振幅不同.这种振幅变化可以把它转换为电信号来测量.超声监测装置由超声发射接收仪、超声传感器或探头以及计算机和示波仪组成,后者可以展现波形图并进行信号处理.