專利名稱：檢測分離模塊的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及評價分離模塊或過濾系統(tǒng)的整體性的方法和設(shè)備。本發(fā)明的方法特別用于螺旋卷繞超過濾模塊和包括這些模塊的系統(tǒng)。本發(fā)明的快速測試方法改進檢測泄漏的能力，并被模塊制造商用于質(zhì)量測試。一個實施方案也允許待定位安裝的系統(tǒng)中的泄漏而不中斷服務(wù)。優(yōu)選的實施方案使用非破壞性測試確定模塊中或過濾系統(tǒng)中的泄漏位置。
背景技術(shù)：
超過濾是由此將壓力施加到半透膜的一側(cè)、引起溶劑(通常水)通過膜而保留溶質(zhì)(通常鹽)的方法。為克服溶劑從低濃度移動到高濃度的自然驅(qū)動力，施加的壓力必須超過滲透壓。由此原因，術(shù)語“超過濾”通?？梢耘c“反滲透”互換使用。對于此說明書的目的，超過濾包括反滲透(RO)和納米過濾(NF)工藝。
超過濾膜通常以螺旋卷繞構(gòu)型使用，這是由于此構(gòu)型允許在小體積中填充大數(shù)量的膜。典型的螺旋卷繞模塊(2)說明于

圖1。一個或多個膜封裝(4)和進料間隔片(6)纏繞在中心滲透物收集管(8)周圍。封裝(4)包括圍繞滲透物載體片(12)的兩個通常為矩形的膜片(10)。通常此“夾層”結(jié)構(gòu)由沿三個邊緣(16、18、20)的膠水線(14)保持在一起，而封裝(4)的第四個邊緣(22)與滲透物收集管(8)鄰接，使得滲透物載體片(12)與通過滲透物收集管(8)的小孔(24)以流體接觸。螺旋卷繞模塊的構(gòu)造進一步描述于US Pat Nos.5,538,642、5,681,467和6,632,356，該文獻引入作為參考。
圖1中的大箭頭表示在進料和滲透物的操作中的大致流動方向(26、28)。進料流(26)的方向是從入口端(30)經(jīng)過膜(34)的前表面到出口(舍棄)端(32)。滲透物流動方向(28)大致垂直于進料流方向(26)。實際的流路和速度隨構(gòu)造的詳細情況和操作條件變化。在典型的操作條件下，模塊可展示0.15m/sec的進料速度和0.04m/sec的靠近管子的滲透物速度。由于一些進料液體損失到滲透物側(cè)，進料速度從入口端(30)向出口端(32)降低。對于構(gòu)造較好的模塊，滲透物速度相似地從后膠水線增加(此處它們接近零)到在滲透物管的最大速度。
螺旋卷繞模塊通常放置在操作用圓筒形壓力容器內(nèi)部，如圖2所示。通常至多八個螺旋卷繞模塊(2)可以在壓力容器(40)中串聯(lián)結(jié)合。壓力容器(40)含有在兩側(cè)上用于將進料軸向通過串聯(lián)的每個模塊(2)的端口(42、43)和除去滲透物溶液的至少一個另外端口(44)。從相鄰模塊(2)的滲透物收集管(8)由含有至少一個滲透物密封(48)的互連件(46)結(jié)合，效果近似于在容器(40)中的一個長模塊。對于本說明書的目的，容器的滲透物收集區(qū)域(50)包括由串聯(lián)的滲透物收集管(8)、它們的互連件(46)和它們的容器端部接合器(52)圍繞的體積。(容器接合器(52)通常將滲透物收集管(8)連接到容器端帽(54)以允許滲透物離開容器)。壓力容器可以進一步與其它壓力容器串聯(lián)或并聯(lián)結(jié)合以產(chǎn)生膜過濾系統(tǒng)。
典型的是螺旋卷繞超過濾模塊的制造商單個測試模塊和規(guī)定在20-30分鐘之后的鹽舍棄。盡管性能的小變化可實際持數(shù)天或數(shù)月，20-30分鐘允許在近似穩(wěn)態(tài)的條件下進行測量。對于含鹽的水模塊，通常的測試使用2000ppm NaCl和225psi的施加壓力。海水產(chǎn)物典型地采用32000ppm NaCl和800psi的施加壓力測試。FilmTec′s NF270模塊在70psi下采用2000ppm MgSO4測試。沒有膜或構(gòu)造缺陷的“完整”模塊典型地在這些標準測試中展示0.3％-3％最大鹽通過量。由于超過濾允許鹽通過量甚至完整的膜，這些測試對可能由于模塊構(gòu)造問題造成的宏觀缺陷不特別敏感。此外，甚至當觀察到高鹽通過量時，這些標準測試不提供關(guān)于缺陷的類型或來源的信息。
如由圖3中的箭頭所示，存在幾個泄漏入滲透物流路的特別通常的區(qū)域。在滲透物載體片(12)的背部(60)和側(cè)面(62、64)的區(qū)域?qū)?yīng)于有缺陷的膠水線(14)，留出進料進入滲透物的直接通路。靠近鄰接滲透物收集管(8)的邊緣的區(qū)域(66)對應(yīng)于折疊的膜和是通常的泄漏源，特別對于經(jīng)歷非常嚴格和經(jīng)常清潔循環(huán)的模塊。在模塊的入口和出口端，靠近滲透物管(8)，對應(yīng)于插入泄漏(其中門葉在構(gòu)造中從模塊拉開)的區(qū)域(68、70)可引起高鹽通過量。膜自身也可通常具有高鹽通過量或它可具有局部缺陷如劃痕和針孔，這些可導(dǎo)致進入滲透物通道的大中心區(qū)域(72)的進料液體。
螺旋卷繞模塊中的缺陷位置可能難以識別。在一些情況下，剖析和干燥可揭示缺陷的位置(“Membrane Element Autopsy Manual，”WaterTreatment Technology Program Report#17，U.S.Bureau of Reclamation，1996)。然而，剖析是破壞性和耗時過程，與獲得結(jié)果相關(guān)的延遲表示它很少得到可用于修正制造中存在的問題的信息。
超過濾模塊最通常用于從水脫除鹽。這些膜也脫除感興趣的具體更大雜質(zhì)(如Giardia、Cryptosporidium、病毒)。因此，超過濾從地表水產(chǎn)生飲用水同時限制消毒劑的需求。這些膜也用于處理市政廢水用于直接或間接可飲用的再使用。然而，由于對整體性的關(guān)注，超過濾總是用于處理這些水的幾個步驟之一，它對更大粒子的脫除效率的實際影響通常未確定。
任何物質(zhì)由膜的完全脫除要求如下兩者所有的產(chǎn)物水通過屏蔽層和屏蔽層是無缺陷的。J.Lozier等人教導(dǎo)作為膜片中不完善的病毒和囊腫在超過濾模塊中通過的關(guān)鍵區(qū)域、膠水中的不完善或膜門葉的熱密封和在連接到產(chǎn)物水管的區(qū)域的膜的不完善。(J.Lozier，等人，“Microbial Removal and Integrity Monitoring of High-PressureMembranes”，AWWA Research Foundation，2003)。由制造商使用的標準鹽舍棄測試缺乏檢測缺陷的敏感性，該缺陷更易于通過更大粒子。另外，泄漏的幾個主要原因是模塊的外部，特別是結(jié)合相鄰模塊和連接模塊到外部配管的互連件。用于系統(tǒng)的有效測試方法需要評價模塊和圍繞它的所有組件。測試也理想地不干擾系統(tǒng)操作，不僅僅由于所造成的降低的生產(chǎn)率，而且由于螺旋卷繞模塊當連續(xù)操作時最可靠。
近年來，已提出和展示測試UF、MF和RO系統(tǒng)的整體性的許多方法和這些在幾個公開文獻中綜述。參見例如Lozier等人，op.cit；M.M.Nederlof等人，“Integrity of membrane elements，vessels and systems，”Desalination，113(1997)，179-181；M.W.Chapman等人，“Methods formonitoring the integrity of reverse osmosis and nanofiltration membranesystems，”Desalting and Water Purification Research Report 55，Bureau ofReclamation；和S.Adham等人，“Monitoring the integrity of reverseosmosis membranes”Desalination 119，(1998)，143-150。
模塊的整體性通常通過空氣流動測量評定。這些空氣流動測試通?；跉馀蔹c方法，其變化描述于幾個專利。參見例如US專利Nos.6,202,475、6,228,271、6,324,898。將壓力或真空施加到膜的一側(cè)，使空氣通過大孔自由流動。采用超過濾模塊，標準測試方法是在膜的滲透物側(cè)上施加真空并觀察空氣通過在時間內(nèi)在該真空中的衰退。(ASTM D6908-03，Standard Practice for Integrity Testing of WaterFiltration Membrane Systems”，ASTM International，West Conshohocken，PA，(June 2003)，1-13)。這可采用濕或干燥模塊進行。然而，此標準方法通常限于檢測大于約2微米的孔，系統(tǒng)必須臨時離線取以進行測試。在一些情況下，空氣流動測試可提供關(guān)于在系統(tǒng)中和甚至在模塊中近似的泄漏位置的信息。例如，向濕螺旋卷繞超過濾模塊的滲透物管加壓可導(dǎo)致在滾動端的氣泡及指示某些泄漏類型的位置。然而，此方法耗時和難以自動化，且它的敏感性極大地由要求避免膜分層的低壓力限制。
Laine等人教導(dǎo)聲學(xué)傳感器在檢測UF系統(tǒng)中切割纖維的用途。(Laine，J.M.等人，“Acoustic sensornovel technique for low pressuremembrane integrity monitoring，”Desalination 119(1998)，73-77)。此測試的優(yōu)點在于當評價系統(tǒng)時系統(tǒng)可持續(xù)生產(chǎn)處理的水?？梢詸z測0.5mm直徑的孔，但敏感性取決于背景室噪聲；此外，工藝僅在閉合端(dead-end)過濾期間起作用。此外，Laine等人的方法使用在每個模塊上的單獨傳感器提供關(guān)于近似的泄漏位置的信息。然而，不清楚的是聲學(xué)感測可有效地適于橫向流動螺旋卷繞模塊；它確定地不檢測超過濾模塊中存在的孔類型和尺寸的寬范圍。
進料水的各種天然組分用于連續(xù)監(jiān)測膜系統(tǒng)中的異常。Chapman等人教導(dǎo)新系統(tǒng)泄漏的指示器包括粒子計數(shù)的增加水平、TOC、濁度、TDS、二價陰離子或陽離子、在455nm下檢測的著色物質(zhì)和在254nm下檢測的物質(zhì)(有機物、腐殖酸和灰黃霉酸)。粒子計數(shù)是用于MF/UF系統(tǒng)的一種最普通的方法，但當預(yù)處理進料水時這對于超過濾是不適當?shù)?。對于這些方法中的每一種，敏感性取決于天然進料水中的組分和它們隨時間的一致性。由于變化膜、變化進料或變化工藝條件，難以感覺性能中的小變化。
ASTM標準(D 6908-03)引入Chapman等人和Lozier等人的教導(dǎo)，其中將也容易在滲透物中檢測的充分舍棄的對抗物質(zhì)(challenge species)加入進料。Chapman采用Allura Red(FD&C#40)對抗RO膜。Lozier將Rhodamine WT和0.02微米熒光微球混合到系統(tǒng)進料。如在ASTM標準中推薦，在模塊在對抗的進料上運行充分的時間以獲得相對靜電條件之后收集滲透物樣品。系統(tǒng)泄漏由滲透物對進料濃度的升高的比指示。Chapman和Lozier兩人發(fā)現(xiàn)染料測試能夠檢測一些大的泄漏，但測試不足夠敏感對明確地檢測出所有缺陷。對于超過濾膜，染料測試的敏感性受染料通過膜的擴散和受處理高濃度的舍棄(reject)溶液的問題限制。熒光微球的使用目前是令人望而卻步的昂貴。這些對抗測試僅提供指示故障的單一數(shù)值，此數(shù)目未給出關(guān)于泄漏位置的信息。
特別是當其它測量建議存在理由以懷疑螺旋卷繞模塊的特定容器具有整體性問題，探測導(dǎo)管可提供對特定模塊的問題定位的措施。公開文獻(“FILMTEC MembranesProbing Reverse Osmosis Systems，”DOW Form No.609-00235-0404，Dow Chemical，Midland，MI，(Nov，1997))描述了如何可以將管子插入容器，沿著一系列連接的滲透物管，使得水可以從容器的滲透物收集區(qū)域的特定區(qū)段轉(zhuǎn)向和分析。遺憾地，工藝是耗時的，且如果用于探針的接合器不存在，要求系統(tǒng)離線。
需要在單個螺旋卷繞超過濾模塊中檢測泄漏的改進方法。此測試應(yīng)當特別對許病毒和細菌通過的宏觀模塊構(gòu)造缺陷有響應(yīng)，但也對檢測可顯著地增加鹽通過量的小孔足夠敏感。也需要現(xiàn)場校驗超過濾系統(tǒng)整體性而不中斷水生產(chǎn)的方法。對于兩種情況，需要測試比現(xiàn)有選擇更快速和具有更高的敏感性。優(yōu)選，測試指示泄漏的存在，還提供關(guān)于此泄漏的位置和原因的信息。
發(fā)明概述本發(fā)明提供快速評價過濾系統(tǒng)整體性的改進方法和設(shè)備。本發(fā)明的方法可應(yīng)用于測試單一模塊或模塊的系統(tǒng)，公開的方法可以不對系統(tǒng)加壓而進行所公開的方法。在一個實施方案中，飲用水的生產(chǎn)可以在測試過程期間持續(xù)。另一個實施方案提供測量模塊中滲透物物流中對抗物質(zhì)的濃度變化的探針陣列。另一個實施方案提供測量過濾系統(tǒng)的滲透物物流中對抗物質(zhì)的低濃度的設(shè)備。
我們發(fā)現(xiàn)通過向模塊的進料流中引入被膜充分舍棄的對抗物質(zhì)的短脈沖，且測量對抗物質(zhì)在滲透物物流中得到的隨時間變化的濃度，能夠獲得對螺旋卷繞模塊的測試中的缺陷的改進敏感性?？梢詫@得的隨時間變化的滲透物信號檢測、記錄和與參考比較。如與當滲透物濃度處于準穩(wěn)態(tài)時進行的常規(guī)整體性測試相比，滲透物信號的隨時間變化性可提供改進的區(qū)別，允許更容易發(fā)現(xiàn)泄漏。方法適用于在長至四分鐘的時間內(nèi)加入的對抗物質(zhì)的進料脈沖，但更優(yōu)選使用小于或等于兩分鐘或甚至更優(yōu)選小于或等于40秒或小于或等于5秒的顯著更短的脈沖持續(xù)時間，以獲得“完整”和泄漏過濾系統(tǒng)的滲透物響應(yīng)特性。使用非穩(wěn)態(tài)滲透物濃度提高對抗由于短測量時間間隔的可變背景的滲透物信號，它也提高信號，這是由于與對抗物質(zhì)經(jīng)“良好”膜的通過相比，來自缺陷的響應(yīng)可以在短時間內(nèi)濃縮。此外，非穩(wěn)態(tài)允許高濃度的對抗物質(zhì)用于脈沖，甚至在其中滲透壓接近或超過施加的壓力的情況下。在優(yōu)選的實施方案中，對抗脈沖可臨時提高滲透強度以急劇降低系統(tǒng)的凈驅(qū)動勢和提高來自泄漏區(qū)域的信號的大小。本發(fā)明的方法具有如下的另外優(yōu)點允許收集和再使用舍棄的對抗物質(zhì)的大(substantial)部分。
我們進一步發(fā)現(xiàn)在模塊中沿滲透物管的幾個位置測量對抗物質(zhì)的濃度能提供對缺陷的改進敏感性。當具有濃縮對抗物質(zhì)的進料橫穿模塊的長度時和當滲透物沿著滲透物載體片移動時，在沿滲透物管的每個測量點的濃度作為時間的函數(shù)變化。本發(fā)明的另一個實施方案包括從容器的滲透物收集區(qū)域中的至少四個點測量電導(dǎo)率的措施。特別是與對抗物質(zhì)的短脈沖結(jié)合，要求的設(shè)備可提供對缺陷的顯著改進的敏感性，且可以允許在非破壞測試中確定缺陷位置和在一些情況下甚至缺陷的原因。當與容器中的單一模塊或多個模塊使用時，探針設(shè)備優(yōu)選適于檢測一個模塊上游的互連件密封的泄漏。當與容器內(nèi)部的多個模塊使用時，探針最有利地與互連件結(jié)合，該互連件避免容器的滲透物收集區(qū)域內(nèi)徑的壓縮。
本發(fā)明的另一個實施方案包括將過濾系統(tǒng)的滲透物物流取樣的設(shè)備，使用高回收膜設(shè)備濃縮該物流中的對抗物質(zhì)，然后在高回收膜設(shè)備的舍棄溶液中檢測對抗物質(zhì)，否則其更難于檢測。由于要求的設(shè)備提供連續(xù)濃縮和檢測對抗物質(zhì)的措施，它可以非常有利地與脈沖測試結(jié)合以改進敏感性。設(shè)備的高回收膜設(shè)備優(yōu)選包括在它的出口端具有顯著降低的橫截面區(qū)域的進料間隔。
附圖簡介附圖中的參考號對應(yīng)于本說明書文本中圓括號中的同樣數(shù)字。
圖1是典型螺旋卷繞模塊的透視、部分剖面視圖。
圖2是包含串聯(lián)模塊的典型容器的部分橫截面。
圖3顯示滲透物載體片和滲透物收集管，泄漏入滲透物流路的共同區(qū)域由箭頭指示。
圖4顯示進料中相對對抗?jié)舛葘r間的圖，它說明FWHM(在半最大值的全寬度)可對于脈沖計算。
圖5說明包含經(jīng)過截面區(qū)域的降低進料間隔的三個模塊的容器。
圖6是顯示進料和滲透物中對抗物質(zhì)濃度隨時間變化的圖。滲透物液體從模塊的滲透物收集管中四個不同區(qū)域(#1、#2、#6和#7)取樣。隨時間變化的進料濃度(#0)降低大小到在相似規(guī)模下出現(xiàn)。相似地，與來自其它三個滲透物位置的相對濃度比較，來自位置#1的相對濃度降低20倍。
圖7顯示來自兩個模塊的滲透物的濃度分布。具有已知泄漏的模塊(A)展示更高的峰值濃度和更早的峰值洗脫時間，如與典型完整模塊(B)比較。
圖8比較了對于兩個NF模塊、一個″完整″模塊(C)和一個具有泄漏的模塊(D)的規(guī)格化滲透物分布。脈沖測試采用兩個濃度、0.7％和1.5％硫酸鈉進行，通過將測量的濃度除以每個測試的最大進料濃度計算滲透物的規(guī)格化相對濃度。
圖9顯示探針設(shè)備的一個實施方案的外表面，該設(shè)備可用于在容器的滲透物收集區(qū)域中的幾個點測量對抗?jié)舛取?br> 圖10和圖11是說明探針設(shè)備的一個優(yōu)選的實施方案的剖面視圖，該設(shè)備可測量容器的滲透物收集區(qū)域中多個點的電導(dǎo)率。
圖12顯示來自包含三個含鹽的水模塊的容器的滲透物的濃度分布，其中的一個模塊在一端靠近o形環(huán)密封表面有泄漏。模塊在容器中的不同取向和定序在峰值洗脫時間中證明。
圖13顯示來自包含三個納米過濾模塊的容器的滲透物的濃度分布，之前和之后在一個模塊中誘導(dǎo)泄漏。五秒脈沖導(dǎo)致與對于完整系統(tǒng)觀察到的響應(yīng)相比，在時間中更濃縮的對泄漏的響應(yīng)。
圖14顯示進料中的相對對抗?jié)舛葘r間的圖和對于來自模塊的滲透物，獲得的隨時間變化的濃度分布。盡管MgSO4或NaCl的總通過未建議為缺陷，由于獲得的雙突起滲透物分布發(fā)現(xiàn)靠近膜門葉背面的非故意泄漏。
詳細描述本發(fā)明著重于評價螺旋卷繞模塊和包含該模塊的系統(tǒng)的整體性的改進的測試方法。
本發(fā)明的一方面是通過在加壓液體下操作系統(tǒng)，如在過濾中，使得充分舍棄的對抗物質(zhì)的短脈沖經(jīng)過膜，評定包括至少一個螺旋卷繞模塊的過濾系統(tǒng)的整體性。此脈沖可以通過在液體進料源之間切換或通過將對抗物質(zhì)的濃溶液注入連續(xù)進料溶液而產(chǎn)生。在任一情況下，第一進料液體由更高對抗?jié)舛鹊牡诙M料液體代替，第二進料液體由第三進料液體代替。(本發(fā)明中進料液體的代替不要求栓塞流。例如，在本發(fā)明的范圍內(nèi)模塊中的進料液體可包含來自較早進料液體的殘余組分。同樣，第一和第三進料液體可以是相同的溶液。)獲得的脈沖持續(xù)時間可以由許多方式的任何一個表征；我們選擇了FWHM(在半最大值下的全寬度)。如圖4中所見，此FWHM是分隔對抗?jié)舛戎蟹逯档纳仙?82)和下降(84)邊緣的時間長度(80)，在時間(86、88)之間測量，該時間對應(yīng)于從峰值(94)到基線(96)的一半(90)最大增加(92)的對抗?jié)舛?。在大多?shù)系統(tǒng)中，此FWHM大致對應(yīng)于定義第二進料的狀況(如開啟/關(guān)閉閥或啟動/停止注入泵)之間的時間差。
在優(yōu)選的實施方案中在脈沖期間與膜接觸的對抗物質(zhì)的最大濃度應(yīng)當至少是初始和最終進料液體中濃度的兩倍，盡管最優(yōu)選初始進料液體不包含任何對抗物質(zhì)。在測試期間在完整膜的區(qū)域?qū)刮镔|(zhì)平均為至少97％舍棄，大致對應(yīng)于先前提及的標準測試中最大3％鹽通過量。然而，更高的舍棄(大于99％)提供更好的敏感性。由于對抗物質(zhì)的濃度極化可能難以在模塊中精確預(yù)測，在完整膜表面的此平均舍棄規(guī)定為表觀舍棄，其說明由于回收增加的進料濃度，但不考慮極化。
我們發(fā)現(xiàn)短脈沖能夠提高在一些類型缺陷之間區(qū)分的機會。圖3中描述的區(qū)域中的任何缺陷可改變滲透物通道中的流動和對抗?jié)舛?。然而，標準測試結(jié)合來自所有區(qū)域的滲透物，故所有缺陷僅通過平均鹽通過量的增加證明它們自身。相反地，在短脈沖之后的洗脫分布可在泄漏區(qū)域之間區(qū)分。例如，與靠近滲透物管的泄漏相比，在后膠水線的泄漏需要顯著更長的時間以從模塊洗脫。(在后膠水線的泄漏洗脫的實際時間取決于它的尺寸，這是由于它的存在改進滲透物通道中的流路和速度)。相似地，對于源自模塊的入口和出口端的泄漏可以看到時間分布中的差異。此差異由如下兩個時間引起進料液體經(jīng)過模塊移動要求的時間和滲透物液體從一端離開模塊所要求的時間。在典型操作中，后者的影響占主導(dǎo)，但它們的影響可以通過從模塊的入口側(cè)除去滲透物進行結(jié)合。實施例顯示局部缺陷如何可證明它們自身為滲透物濃度隨時間中的離散尖峰(spike)。相反地，可以期望從通常具有更高對抗物質(zhì)通過的膜制備的完整模塊具有相當?shù)湫偷臅r間分布，盡管它的對抗通過大小比正常情況高。
需要檢測在進料和滲透物兩者中的對抗物質(zhì)濃度并記錄為時間的函數(shù)。(數(shù)字記錄此信號為時間的函數(shù)允許計算機處理結(jié)果和通過與參考物比較進行評價)。進料脈沖應(yīng)當具有隨時間的濃度分布，該分布的特征為小于四分鐘、優(yōu)選小于兩分鐘和更優(yōu)選小于一分鐘的FWHM。優(yōu)選在小于10秒的間隔下檢測和記錄滲透物信號。甚至更優(yōu)選，在小于2秒的間隔下檢測和記錄信號，特別是其用來精確確定峰值的強度。僅使用滲透物中對抗物質(zhì)的隨時間變化的相對濃度，可以注意到分布中的變化，該變化是缺陷的特征?？梢酝ㄟ^使用此信號的另外絕對大小(和將它與進料中的挑戰(zhàn)濃度關(guān)聯(lián))和/或滲透物脈沖分布與進料脈沖分布的時間間隔的更精確信息獲得關(guān)于泄漏的更精確信息。
為評價過濾系統(tǒng)(包括由單模塊組成的系統(tǒng))的整體性，需要將記錄的數(shù)據(jù)與參考比較?？梢允褂孟惹霸谙嗤到y(tǒng)上收集的數(shù)據(jù)(采用相同的容器和模塊)或使用先前在一個或多個基本等同系統(tǒng)(具有與評價的系統(tǒng)基本相同系統(tǒng)配置的系統(tǒng)和相同類型模塊)中收集的數(shù)據(jù)獲得參考。參考也可獲得使用″完整″模塊或容器的性能，如試驗確定或通過計算機模擬。與由超過濾模塊制造商提供的系統(tǒng)模擬軟件相似，程序優(yōu)選考慮操作條件如串聯(lián)的模塊類型的數(shù)目、進入容器的水流和容器回收率。(如本領(lǐng)域理解，這些考慮可采用其它形式，如施加的壓力和膜滲透性)。另外，模擬軟件使用關(guān)于脈沖持續(xù)時間的信息，更優(yōu)選引入關(guān)于測量的進料分布的數(shù)據(jù)。根據(jù)參考，可以評價模塊或系統(tǒng)的整體性。此信息可用于指導(dǎo)模塊的適當布置和確定所保證的校正作用。
我們發(fā)現(xiàn)使用進料液體濃度中的短脈沖測試模塊的另一個優(yōu)點在于可以獲得改進的信噪比。當根據(jù)標準方法測試模塊時，通常的情況是過度電導(dǎo)率是由于在大的和變化的背景信號下測量的缺陷。背景信號可由于導(dǎo)電物質(zhì)的浸取或由于膜舍棄隨時間的變化而改變。任一種方式，使用進料濃度中的短脈沖的測試可以對變化的背景水平較少敏感，這是由于在更短時間內(nèi)觀察到滲透物濃度的變化。相似地，快速脈沖化進料可在由幾個模塊組成的膜系統(tǒng)中對缺陷更敏感。(由于領(lǐng)域中要求的連續(xù)測量通常由膜、進料和工藝條件的變化而模糊，由傳統(tǒng)監(jiān)測方法通常難以檢測系統(tǒng)中的缺陷)。
我們發(fā)現(xiàn)對于敏感性整體性測試不要求獲得穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)。事實上，本發(fā)明的瞬變脈沖方法可提供與穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)相比增加的敏感性。已知超過濾模塊的表現(xiàn)隨測試持續(xù)時間變化。由超過濾模塊的制造商推薦和進行的標準測試要求在通常規(guī)定為20或30分鐘的基本熱身(substantial warm up)周期之后測量鹽通過量，使得可以測量穩(wěn)定的膜表現(xiàn)。染料整體性測試的新ASTM方法(D6908-03)建議系統(tǒng)應(yīng)當運行以達到平衡的表現(xiàn)，應(yīng)當加入染料，然后它規(guī)定另外15分鐘以在取樣品和計算染料通過之前再達到平衡。也出現(xiàn)的情況是由排空滲透物通道的需求，進一步防止溶液在在更短時間內(nèi)在滲透物載體片中的穩(wěn)態(tài)分布。進行這樣操作要求的時間大致與模塊的通量成反比。在5、10和20gfd(8.5、17和34 l/m2hr)下操作的非泄漏典型螺旋卷繞模塊中，4分鐘、2分鐘和1分鐘的時間大致對應(yīng)于滲透物通過90％的滲透物片長度和進入滲透物管的時間的兩倍。我們提出的采用對抗物質(zhì)的快速脈沖的測試不要求基本的熱身，在至少一些情況下，由于未達到穩(wěn)態(tài)表現(xiàn)，相信檢測缺陷更有效。
目前工作的令人驚奇的發(fā)現(xiàn)在于產(chǎn)生非穩(wěn)態(tài)的模塊測試條件的短進料脈沖，允許超過濾測試使用高對抗?jié)舛群偷褪┘訅毫烧?。更高的對抗?jié)舛仍黾涌宫F(xiàn)有背景信號的敏感性和低檢測極限。低施加的壓力降低泵和配管的成本。在穩(wěn)態(tài)工藝中，膜通量由穿膜滲透壓降低，當降低施加的壓力或顯著增加進料濃度時接近零通量。因此，在給定的施加的壓力下，對于良好舍棄的對抗物質(zhì)的濃度存在上部約束。然而，在進料濃度中快速脈沖的情況下，通過膜的時間平均通量主要由脈沖之前和之后的進料條件確定。這允許在脈沖期間使用更高的進料濃度而沒有滲透物流動的嚴重損失。它進一步允許在滲透物通道中濃縮對抗物質(zhì)，導(dǎo)致在恢復(fù)標準通量時更大的信號。
我們發(fā)現(xiàn)使用短脈沖的另一個優(yōu)點在于快速改變的滲透壓可至少在一些情況下，顯著提高對缺陷的敏感性，特別是當凈驅(qū)動勢接近零或變成負值時。凈驅(qū)動勢定義為施加的壓力總和減去經(jīng)過區(qū)別膜的滲透壓差，當在膜前表面的濃度較大時它可變負值。(由于脈沖可包含濃度增加的多于一種的組分，不要求檢測到的對抗物質(zhì)主要對滲透壓的增加響應(yīng))。盡管不限制功用，解釋增加的敏感性的一種假定機理如下在脈沖期間，當進料濃度高時，通過孔(甚至相當小的孔)的水通量和對抗溶質(zhì)通量由施加的壓力驅(qū)動和不受進料滲透壓阻礙?？拷毕莸臐B透物載體片的區(qū)域在脈沖期間可用對抗分子加載，這些然后在脈沖之后從模塊沖洗出和流向檢測器。相反地，在脈沖期間的高進料濃度(對應(yīng)于高滲透壓)基本限制通過“完整”超過濾膜的水通量。當在這些區(qū)域中通量接近零時，特別是當凈驅(qū)動勢變負值以逆轉(zhuǎn)通量時，對抗物質(zhì)在超過濾膜背側(cè)的對流輸送可急劇降低和對抗物質(zhì)通過“完整”區(qū)分膜的移動可以顯著減少。如上所述，由于平均通量和通過滲透物通道的流動仍然由脈沖之前和之后的條件支配，可以采用引起負凈驅(qū)動勢的脈沖測試。
在另一個優(yōu)選的實施方案中，包含對抗物質(zhì)的短脈沖可以包含在高滲透強度的更長持續(xù)時間脈沖中。例如，可以將高滲透強度溶液注入系統(tǒng)的標準進料溶液(如從t＝0到t＝60秒)且可以將容易檢測的對抗物質(zhì)以較少時間(如從t＝15到t＝45秒)注入相同的溶液。常規(guī)的染料測試的敏感性通常由來自通過完整膜的擴散的背景信號所限制，故由高滲透強度脈沖、特別地引起反通量的圍繞染料的脈沖可改進對泄漏的敏感性。與包含對抗物質(zhì)和高滲透強度兩者的單一脈沖相比，此方案降低在脈沖邊緣經(jīng)“完整”膜的通過量。
在一些情況下，采用對抗分子的短脈沖的尖峰進料可允許使用現(xiàn)有的便宜檢測器。在一個優(yōu)選的實施方案中，采用硫酸根離子尖峰化進料溶液。二價陰離子如硫酸根較好地由大多數(shù)超濾膜舍棄。滲透物電導(dǎo)率的隨時間變化性變化允許硫酸根的泄漏與背景電導(dǎo)率水平區(qū)分開。作為制造者的模塊測試，這允許評價整體性而不浸提其它導(dǎo)電材料和可變的膜鹽通過量。在過濾系統(tǒng)，如水處理裝置中，硫酸根離子的短脈沖可以區(qū)別于滲透物中導(dǎo)電物質(zhì)的經(jīng)常的存在。此測試不向進料或滲透物引入受限制的物質(zhì)，短脈沖允許整體性的評價而不中斷水生產(chǎn)。也可以通過尖峰化過濾系統(tǒng)中經(jīng)常存在和檢測的其它對抗材料(粒子、TOC等)進行相似的測試。
使用短對抗脈沖的另一個優(yōu)點在于較少的溶質(zhì)用于測試。與穩(wěn)態(tài)測試相比，脈沖時間可導(dǎo)致降低的時間平均的排放水平(廢料)。此外，當進料濃度由平均排放水平限制時(甚至在相對短時間)，短脈沖可允許更高的進料濃度和改進的信號對噪聲。短脈沖也導(dǎo)致滲透物中材料的更低的時間平均濃度。
短脈沖進一步允許在高對抗?jié)舛鹊拿}沖期間物理隔離舍棄溶液且能夠?qū)崿F(xiàn)對抗物質(zhì)的基本回收。例如，在具有85％回收率的過濾系統(tǒng)中，舍棄溶液的短持續(xù)時間可比初始進料濃度多六倍，可以將此舍棄溶液送到貯存罐以再使用。實際可回收的濃度通常由于更低的系統(tǒng)回收和在脈沖端的混合而更小。仍然，對抗物質(zhì)的回收和再使用對于昂貴材料如上述熒光粒子是特別有益的。
本發(fā)明的另一方面是將代表整個滲透物物流的該滲透物物流的取樣物通過隨后的高回收過濾設(shè)備，可以在檢測之前增加在膜(MF、UF、NF、RO)模塊或系統(tǒng)的滲透物中對抗物質(zhì)的濃度。在那個情況下，如需要將取樣的滲透物物流再加壓，送到高回收設(shè)備。然后將來自高回收設(shè)備的舍棄物流送到檢測器。需要回收率是至少95％和更優(yōu)選至少99％，導(dǎo)致在檢測器信號增加二十倍和一百倍。當初始滲透物濃度不容易采用精度測量時，如當它的濃度小于100倍或甚至小于20倍的檢測極限時，濃縮對抗物質(zhì)是特別有用的。
采用此方式的取樣物流的濃縮可以由閉合端或橫流過濾完成。特別地當對抗物質(zhì)是粒狀時，閉合端過濾可用于將取樣滲透物的體積中的粒子濃縮到膜表面上，然后可分析此表面。如果可以單獨計數(shù)單個粒子，如磁性或熒光粒子，特別高的敏感性是可能的?？梢耘c進料脈沖結(jié)合使用的優(yōu)選檢測設(shè)備包括從一個或多個容器的滲透物物流的取樣管線、在進料脈沖之后在規(guī)定的時間期間收集滲透物樣品的自動化器材、用于保持來自每個取樣管線的取樣滲透物的貯存罐，對應(yīng)于每個罐的單獨平膜片(它在閉合端過濾中保留對抗物質(zhì))、經(jīng)過每個膜片施加差壓的器材和定量化和記錄在膜表面上保留的對抗物質(zhì)數(shù)量的至少一個自動化檢測器。由于快速分析時間是重要的，優(yōu)選每個取樣管線具有對應(yīng)的檢測器或?qū)我粰z測器編程以按順序自動定量化幾個膜表面上的對抗物質(zhì)含量。如果使用熒光對抗物質(zhì)，包括通過吸附在膜上保留的分子物質(zhì)，自動化檢測器優(yōu)選包括激發(fā)器，最優(yōu)選靠近532nm，和舍棄散射的激發(fā)光和通過更長波長的濾光器。可以在測量之前通過加入少量適當?shù)娜軇谋砻驷尫艥饪s的吸附粒子。
與閉合端過濾相對，由橫流過濾的取樣物流的濃縮更有益于濃度的實時分析。因此，橫流幾何可以有利地在對抗?jié)舛鹊拿}沖之后，與測量滲透物信號的隨時間變化性結(jié)合。在加壓的橫流過濾中，在檢測器之前或之后，高回收膜上的壓力可以由對舍棄流的阻力保持。或者，經(jīng)過高回收膜的通量可以由在滲透物側(cè)的真空的施加而產(chǎn)生。MF或UF膜特別有益于真空過濾。
增加來自取樣滲透物物流的信號的設(shè)備可使用RO、NF、UF或MF膜。然而，高回收過濾設(shè)備中的膜必須對感興趣的對抗物質(zhì)高度舍棄。UF或MF膜對于一些粒子的濃縮可以是適當?shù)?，但需要超過濾膜以濃縮更小的物質(zhì)，特別是鹽。當用于評價RO或NF系統(tǒng)的整體性時，引入高回收NF膜的檢測系統(tǒng)或方法的使用可具有特定的優(yōu)點。(如在US5,858,240中所述，NF膜特別的突出之處為如下事實它們基本通過一些鹽而選擇性保留其它鹽，特別是具有多價物質(zhì)的那些)。來自RO和NF系統(tǒng)的滲透物物流通常包含鹽，但這些通常由NF優(yōu)先通過的單價離子支配。因此，NF膜可用于極大地濃縮二價對抗物質(zhì)，如硫酸鹽、亞硫酸鹽和磷酸鹽，同時保持低的背景電導(dǎo)率水平和滲透強度。
在采用高回收過濾設(shè)備濃縮滲透物的樣品之后測定滲透物中特定對抗物質(zhì)的濃度的此方法可與各種不同的檢測器和對抗物質(zhì)一起使用。檢測方法包括，但不限于具體離子濃度、電導(dǎo)率、TOC(總有機碳)、濁度、粒子、光的吸光度或熒光的測量。它可采用天然和尖峰化對抗物質(zhì)，但向進料流中加入對抗物質(zhì)有時可減少水質(zhì)量中的變化和隨時間的儀器漂移兩者的影響。當規(guī)范或成本抑制更高的進料濃度時，此更敏感性的檢測方法是特別有利的。例如，包括采用高回收超濾或UF膜的濃縮的檢測系統(tǒng)允許小熒光粒子的更經(jīng)濟的使用，具有＞0.005微米直徑的熒光粒子可以用作病毒的代用物。目前，認為熒光微球的使用對于系統(tǒng)整體性測試而言太昂貴。
在另一個優(yōu)選的實施方案中對于高回收設(shè)備的進料對滲透物流量的比例是已知的，使得可以計算取樣物流中的絕對濃度。因此，需要測量滲透物流和進料或舍棄流。然而，如果采用相對穩(wěn)定的方式操作高回收設(shè)備，也可能的是可以在相關(guān)的基礎(chǔ)上比較不同的測量結(jié)果。例如，可以從改變滲透物物流中的時間分布獲得有用的信息，該時間分布來自將對抗物質(zhì)的脈沖引入進料中。相似地，可以從模塊、容器或過濾系統(tǒng)中車列(train)之間的對抗泄漏的適當差異有用地進行比較。
在另一個優(yōu)選的實施方案中高回收設(shè)備包括橫流進料槽，該進料槽在出口端含有與入口端相比顯著降低的橫截面積。這允許保持高的進料速度而不管所需的非常高的回收率。對于最小化濃度極化的目的高速度是有益的，錐形橫截面可進一步降低流體停留時間的變化，否則它可扭曲舍棄流的隨時間變化的濃度分布。橫截面積優(yōu)選降低至少五倍，更優(yōu)選至少25倍。在一個實施方案中，高回收設(shè)備具有分階段設(shè)計，從多個模塊的舍棄提供到單一模塊的進料。在圖5中說明的另一個實施方案中，具有不同進料間隔橫截面積的模塊可以在壓力容器(40)中串聯(lián)結(jié)合。滲透物取樣物流從端口(42)在容器的入口端(100)進入容器和通過后續(xù)的更小進料槽橫截面積的模塊(2)中的過濾進行濃縮。需要在模塊(2)之間的分布器(102)改進模塊中的進料流均勻性和鹽水密封(104)或其它措施防止下游模塊的繞過。濃縮的舍棄流從端口(43)在容器的出口端(106)離開和檢測器測量它的對抗物質(zhì)濃度。此實施方案和分階段設(shè)計兩者可使用平片或中空纖維膜。
在一個特別優(yōu)選的實施方案中，如上所述，使用探測導(dǎo)管將要濃縮和測量的取樣物流從容器的滲透物收集區(qū)域的特定區(qū)域除去。
本發(fā)明的另一方面包括從容器的滲透物收集區(qū)域中的至少四個點同時測量對抗物質(zhì)的濃度。檢測和記錄來自多個點的信號改進對缺陷的敏感性，如在實施例中說明。測量可以在滲透物收集區(qū)域內(nèi)部進行或多個取樣物流可以采用滲透物導(dǎo)管同時提取和在滲透物收集區(qū)域外部進行測量。如果測量在滲透物收集區(qū)域外部進行和將滲透物樣品從容器使用多個探測導(dǎo)管提取，優(yōu)選也測量從不同滲透物導(dǎo)管的流動，使得可以計算在區(qū)域之間的相對時間延遲。在容器的滲透物收集區(qū)域內(nèi)部進行多次測量優(yōu)于采用探測導(dǎo)管進行多次測量，這是由于1)可以降低由于探針在滲透物收集區(qū)域中的壓力降，2)由于標準滲透物管中的空間約束更容易收集更大數(shù)目的取樣點，和3)避免與沿著傳送探測導(dǎo)管相關(guān)的時間延遲。不管是在滲透物收集區(qū)域內(nèi)部或外部進行測量，當在模塊之間的互連件不壓縮滲透物流動的直徑時，最容易完成采用多個模塊探測容器。用于多個測量點的優(yōu)選互連件包括采用軸向密封的那些(US6,632,356)和采用圍繞滲透物管的軸向密封的那些。
同時探測至少四個點和更優(yōu)選至少十個點的優(yōu)選設(shè)備具有在每個點連接到導(dǎo)線的電導(dǎo)池，該導(dǎo)線從滲透物管延伸和允許電信號離開容器。電導(dǎo)池處于沿著容器長度的已知位置和連接到在滲透物收集區(qū)域中軸向延伸的支撐結(jié)構(gòu)。探針優(yōu)選使得在滲透物管中具體成套孔的電導(dǎo)率結(jié)合，該滲透物管與沿滲透物管的本體流動基本分隔。(“基本分隔”表示至少50％測量的液體通過滲透物管中具體的成套孔)。它也優(yōu)選包括在互連件下游但在隨后模塊的滲透物管中第一個孔上游的電導(dǎo)池，使得可以識別在互連件密封的泄漏。(模塊的第一滲透物孔是最上游的孔，在此情況下上游按照在管子中滲透物流動來定義)。在一些設(shè)計中，探針可以滑動以改變它的軸向位置。由于不要求從容器除去幾個不同的滲透物物流，與傳統(tǒng)探針導(dǎo)管相比，此電導(dǎo)率探針可要求在容器的滲透物收集區(qū)域中較少的空間。因此，它可以在操作期間保持位置數(shù)個月而不基本劣化系統(tǒng)性能。
圖9-11說明探針設(shè)備的一個優(yōu)選的實施方案，該探針設(shè)備可用于在容器的滲透物收集區(qū)域中的幾個點測量對抗?jié)舛取?br> 圖9顯示沿著兩個相鄰模塊的滲透物管延伸的探針區(qū)段的外表面(110)。所示的兩個模塊由圍繞滲透物管(8)的軸向滲透物密封(48)結(jié)合，如在US專利6,632,356中所述，使得互連件(46)并不壓縮滲透物流動的直徑。探針的外表面(110)中的小孔(112)與滲透物管孔(24)對準和支持在滲透物收集區(qū)域中通過單個孔(24)從本體流的流動的隔離。圖9中的設(shè)計包括在一個模塊的第一滲透物孔(116)上游的另外小孔(114)以檢測滲透物密封(48)中的泄漏。
圖10和11是說明在滲透物收集區(qū)域中隔離本體流動與通過具體成套孔的滲透物流動的一種優(yōu)選器材的剖面視圖。在此實施方案中，每個池由外電極(118)、內(nèi)電極(120)和絕緣隔片(122)組成，該隔片分隔兩個電極和提供通過池的滲透物流動的路徑。具有小孔的外部管用作外電極(118)和用作探針的支撐結(jié)構(gòu)。連接到圓筒形內(nèi)電極的導(dǎo)線(124)延伸到探針的一端和允許在容器的外部測量每個池中的電導(dǎo)率。在所示的布置中，在模塊的第一滲透物管孔(116)上游的電導(dǎo)池檢測滲透物密封中的泄漏。來自其它池的電導(dǎo)率基本上是由于來自通過一套四個滲透物管孔的液體的電導(dǎo)率，每個在模塊向下的相同軸向位置。圖9顯示串聯(lián)的兩個模塊。然而，但采用截短探針的改進時，該池布置在測試單一模塊的整體性中是特別有利的。
如下實施例公開了具體的說明性實施例，該實施例決不限制本發(fā)明的范圍。
實施例1螺旋卷繞含鹽水超過濾模塊在67psi下使用純水進料運行。計三十秒，將到模塊的進料切換到2000ppm MgSO4的溶液。將進料源切換回純水，進料對抗?jié)舛戎蝎@得的脈沖的FWHM小于40秒，該脈沖由在模塊輸入端測量的電導(dǎo)率確定。進料脈沖中的相對對抗?jié)舛仍趫D6中顯示為#0。
在螺旋卷繞模塊的滲透物管中，探針隔離來自對應(yīng)于滲透物管中單個孔的選擇的區(qū)域的滲透物。探針包括長度大于一米的十二個導(dǎo)管(0.0125″外徑)。這些導(dǎo)管在滲透物管中的存在對模塊具有顯著增加的背壓，盡管未測量該增加。
圖6顯示由從滲透物管中四個不同區(qū)域(位置#1、#2、#6和#7)取樣的通過電導(dǎo)率測量的相對濃度。測量通過單個導(dǎo)管的流量，使得已知與通過小導(dǎo)管的流動相關(guān)的時間延遲。對于每個導(dǎo)管位置調(diào)節(jié)時間零以除去此延遲。
已知此模塊在一端具有插入泄漏。在位置#1，從最靠近模塊入口端的滲透物收集管中的孔收集滲透物，此位置展示滲透物濃度的最大增加。位置#1也顯示時間中的最早峰，它的時間分布相似于進料液體的。位置#2對應(yīng)于離位置#1僅一英寸的區(qū)域。盡管它們較靠近，位置#2并不展示濃度的較早增加，它的時間分布非常相似于在模塊的其它“完整”區(qū)段中觀察到的。此模塊也具有在后膠水線的缺陷，它的影響在位置#6和#7看到。位置#7顯示在以后位置在時間中滲透物濃度的大增加，從模塊的“完整”區(qū)域較好脫除。位置#6從距離一英寸的地方隔離滲透物，但它并不展示為濃度的顯著增加。從位置#6的雙峰分布具有從“完整”區(qū)域的輕微轉(zhuǎn)移的第一最大值和在更后時間洗脫的第二個峰。如與來自位置#7的峰比較，來自位置#6的第二個峰較后形成，這是由于泄漏引起滲透物載體片的不同區(qū)域中的不同流體速度。
實施例2使用本發(fā)明的方法使用進料中對抗物質(zhì)的脈沖，測試在一端含有插入泄漏的螺旋卷繞海水超過濾模塊(FilmTec SW30-2540)。采用1700ppm MgSO4的對抗物質(zhì)進料溶液臨時替代純水產(chǎn)生脈沖。脈沖的FWHM略小于40秒。測試期間施加的壓力是227psi。
采用兩個不同的定向測試40英寸長模塊。在第一測試中，將模塊相對于壓力容器定向使得插入泄漏在入口端。將所有滲透物從模塊的那個入口端除去。在第二測試中，將模塊反向使得泄漏是在離入口端和滲透物取出端最遠的端部。第二測試展示峰位置中十秒的延遲，相對于第一測試中觀察到的峰位置。我們相信此延遲是由于模塊定向的改變。
實施例3使用本發(fā)明的方法在150psi施加的壓力下采用對抗脈沖測試二十個海水螺旋卷繞模塊(FILMTEC SW30-2540)。將純水用FWHM小于40秒的脈沖臨時替代。在它的峰值濃度下，此進料脈沖大約是3％MgSO4，導(dǎo)致約100psi的滲透強度。在此脈沖測試期間電導(dǎo)率用于測量滲透物的濃度并記錄為時間的函數(shù)?！巴暾蹦K，如從以后標準海水測試(3.2％NaCl，800psi)所確定的，展示了滲透物中MgSO4的相似時間分布。圖7顯示泄漏模塊(A)和“完整”模塊(B)的時間分布。泄漏模塊展示更高的峰值濃度和較早的峰值洗脫時間，兩者中的每一個均指示缺陷。在此實施例中，改進的對缺陷的敏感性也可以通過如下方式獲得典型“完整”模塊的時間分布減去從泄漏模塊觀察到的時間分布。
實施例4兩個FILMTEC NF-2540模塊使用制造商的對于該模塊類型的標準測試(2000ppm MgSO4在150psi施加的壓力下)進行測試。模塊C的MgSO4通過量是0.5％，對于模塊D，它是1.6％。使用氣泡測試，我們確定模塊D具有插入泄漏。
在75psi的施加的壓力下采用FWHM小于40秒的硫酸鈉的脈沖，將對抗物質(zhì)引入每個模塊。由于其具有由完整膜的良好舍棄和由于其的滲透壓對于給定的硫酸鹽物質(zhì)相對高，因此選擇硫酸鈉。每個模塊測試兩次，一次采用0.7％的脈沖的最大進料濃度和另一次采用1.5％的脈沖的最大進料濃度。由于1.5％硫酸鈉溶液的滲透壓大于75psi，在測試期間將滲透物管線浸入滲透物溶液的罐；這防止?jié)B透物管線由于脈沖期間的反向流動而倒空。
圖8顯示在兩個條件下脈沖測試的結(jié)果。通過將測量的滲透物濃度除以測試中測量的進料濃度計算相對的隨時間變化的規(guī)格化滲透物濃度。通過在5秒間隔下測量滲透物電導(dǎo)率獲得滲透物濃度的數(shù)據(jù)。圖8說明此間隔太長而不能精確地定量模塊D在1.5％下的最大峰值高度。雖然如此，當采用1.5％硫酸鈉測試模塊D時，此實施例顯示更大的最大規(guī)格化濃度。模塊D(泄漏)對模塊C(“完整”)的最大規(guī)格化濃度的比對于采用1.5％硫酸鈉的測試也較大。
實施例5使用標準測試條件(225psi，0.2％NaCl)和然后也使用本發(fā)明的脈沖測試，測試含鹽水模塊(FILMTEC TW30-2540)的穩(wěn)態(tài)鹽通過量。脈沖測試由如下方式進行切換罐30秒同時保持150psi施加的壓力以獲得略大于30秒FWHM的進料脈沖。采用3％MgSO4臨時替代純水進行脈沖測試，測量滲透物的電導(dǎo)率并記錄為時間的函數(shù)。
由標準測試測量的穩(wěn)態(tài)鹽通過量0.48％，脈沖測試獲得在91μmho的峰值的滲透物電導(dǎo)率。使用銷在一個模塊門葉中產(chǎn)生小缺陷和再次進行測試。標準測試顯示鹽通過量的小增加，到0.75％通過量，但脈沖測試獲得在1246μmho的峰值的令人驚奇地大的電導(dǎo)率。使用標準測試對于TW30-2540模塊最小允許的舍棄是2％，故標準測試未檢測到此缺陷。
實施例6在一個模塊(FILMTEC TW30-2540)的一端通過在靠近該端的滲透物管壁產(chǎn)生小孔來模擬o-型環(huán)泄漏。在標準測試期間對于那個模塊的NaCl通過量從0.6％增加到2.6％。將此模塊和兩個相似的但未受損害模塊串聯(lián)加載入壓力容器。在三個元件的第一個(即損害的元件)中進料脈沖的引導(dǎo)邊緣從入口穿過到出口端要求的時間大約是10秒；對于串聯(lián)的后兩個元件預(yù)測需要略長的時間。采用本發(fā)明的脈沖測試通過從RO進料水切換到MgSO4對抗溶液5秒來檢測系統(tǒng)；容器具有橫流配置，允許滲透物在與進料入口相同的端部離開。將滲透物從容器的進料入口端取走。然后在容器中移動受損害的模塊的位置和定向，進行新脈沖測試。采用受損害的模塊在不同的位置運行測試持續(xù)，使得可以檢查來自四個潛在泄漏位置的影響。這些位置的兩個表示在模塊互連件位置的o-型環(huán)泄漏，而另兩個位置表示靠近容器端部接合器位置的o-型環(huán)泄漏。圖12顯示四個位置每一個中的泄漏引起不同的隨時間變化的滲透物信號。
實施例7將三個納米過濾模塊串聯(lián)加載入壓力容器和在19.3L/m2/hr平均值、60psi和33％回收率下操作。進料水包含各種離子和電導(dǎo)率為569μmho。在連續(xù)操作期間，來自這些納米過濾模塊的結(jié)合滲透物的電導(dǎo)率為207μmho。通過引入硫酸鈉的五秒脈沖進行本發(fā)明的脈沖測試。圖13顯示對于初始系統(tǒng)獲得的隨時間變化的滲透物電導(dǎo)率(E)，對于相同的系統(tǒng)泄漏隨后在一個o-環(huán)產(chǎn)生之后獲得的隨時間變化的滲透物電導(dǎo)率(F)和在一個門葉背端獲得的隨時間變化的滲透物電導(dǎo)率(G)。盡管誘導(dǎo)的泄漏引起在標準操作期間測量的滲透物電導(dǎo)率的較少變化，如在圖的左和右邊緣所示，在脈沖測試期間展示每個泄漏的影響。由于每個泄漏在短時間內(nèi)濃縮，而通過“良好”模塊的通過量在更長時間內(nèi)展開，增加對泄漏的敏感性。
實施例8
使用FWHM為30秒的MgSO4的脈沖檢查FILMTEC BW400模塊。進料脈沖中的相對濃度(J)和獲得的隨時間變化的滲透物分布(K)見圖14。在圖中，滲透物信號乘100倍。通過比較滲透物分布與來自“良好”模塊的該分布，我們認識到時間中的第一個峰對應(yīng)于MgSO4通過“良好”膜的通過量，時間中的第二個峰是由于缺陷。此模塊具有比標準測試中更好的平均NaCl舍棄，脈沖之后的總MgSO4通過量在脈沖測試的正常范圍內(nèi)。然而，隨時間變化的滲透物信號的形狀指示泄漏，這通過模塊的剖析證明。
權(quán)利要求
1.一種檢測容器中具有至少一個螺旋卷繞超過濾模塊的膜過濾系統(tǒng)中缺陷的方法，包括如下的三個順序步驟a.將第一進料液體經(jīng)過膜的表面同時施加壓力到該第一進料液體以產(chǎn)生滲透物溶液和舍棄溶液；b.在壓力下引入第二進料液體，該第二進料液體包含對抗物質(zhì)，與該第一液體相比該對抗物質(zhì)的濃度在該第二液體中至少兩倍高，其中該對抗物質(zhì)的特征為至少97％在完整膜的區(qū)域被舍棄；c.在壓力下引入第三進料液體，其中該第二和第三進料液體的連續(xù)引入導(dǎo)致對抗物質(zhì)的脈沖，該脈沖的特征對于FWHM小于四分鐘的該對抗物質(zhì)為在時間內(nèi)的濃度分布，和進一步包括d.檢測和記錄作為時間函數(shù)的該對抗物質(zhì)在該滲透物溶液中的相對濃度，和e.通過將記錄的隨時間變化的滲透物信號與參考比較來評價該過濾系統(tǒng)的整體性。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對抗物質(zhì)在該模塊中的該脈沖由小于兩分鐘的FWHM表征和在小于10秒的間隔下檢測和記錄該對抗物質(zhì)在該滲透物溶液中的相對濃度。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對抗物質(zhì)在該模塊中的該脈沖由小于四十秒的FWHM表征和在小于2秒的間隔下檢測和記錄該對抗物質(zhì)在該滲透物溶液中的相對濃度。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中對抗物質(zhì)在該模塊中的該脈沖由小于五秒的FWHM表征和在小于1秒的間隔下檢測和記錄該對抗物質(zhì)在該滲透物溶液中的相對濃度。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該過濾系統(tǒng)包括僅包含一個超過濾模塊的容器。
6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該過濾系統(tǒng)包括包含至少三個串聯(lián)的超過濾模塊的容器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1和2所述的方法，其中該第二進料液體的滲透壓大于該第一和該第三進料液體的滲透壓，引入該第二進料液體使在該膜表面的凈驅(qū)動勢變負。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對抗物質(zhì)的該脈沖由滲透壓中的瞬變增加定義的更長持續(xù)時間脈沖圍繞，該更長持續(xù)時間脈沖使在該膜表面的凈驅(qū)動勢變負。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中對抗物質(zhì)的脈沖具有來自該第二進料液體的引入的引導(dǎo)邊緣，和對抗物質(zhì)的脈沖的FWHM小于對抗物質(zhì)的脈沖的引導(dǎo)邊緣穿過模塊長度要求的時間。
10.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中在對應(yīng)于該對抗物質(zhì)在該舍棄溶液中高濃度的時間將該舍棄溶液物理隔離。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中該隔離的舍棄溶液中的該對抗物質(zhì)用于生產(chǎn)對抗物質(zhì)的隨后脈沖，該脈沖通過該膜的表面。
12.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中代表該滲透物溶液的取樣物流使用高回收膜設(shè)備濃縮，使得對抗物質(zhì)的濃度在檢測之前增加至少二十倍。
13.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該參考在相同系統(tǒng)的至少一個較早測試之后獲得。
14.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該參考在測試至少三個基本等同的系統(tǒng)之后獲得。
15.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該參考在運行計算機程序之后獲得，該程序預(yù)測對抗物質(zhì)的隨時間變化的滲透，如果過濾系統(tǒng)中不存在缺陷則得到該隨時間變化的滲透。
16.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該方法進一步包括從該容器的滲透物收集區(qū)域中的至少五個點檢測和記錄該對抗物質(zhì)的相對濃度。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在小于10秒的間隔下使用位于該容器的滲透物收集區(qū)域中的至少四個電導(dǎo)池檢測和記錄該相對濃度；其中該過濾系統(tǒng)包括包含至少三個串聯(lián)的超過濾模塊的容器。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中在小于10秒的間隔下使用位于該容器的滲透物收集區(qū)域中的至少十個電導(dǎo)池檢測和記錄該相對濃度；其中該過濾系統(tǒng)包括僅包含單一超過濾模塊的容器。
19.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中檢測器測量進料中該對抗物質(zhì)在時間中的濃度分布。
20.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該對抗物質(zhì)是直徑大于0.005微米的熒光粒子。
21.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其中該對抗物質(zhì)是二價陰離子。
22.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該對抗物質(zhì)是硫酸根陰離子。
23.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該對抗物質(zhì)由熒光檢測。
24.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該對抗物質(zhì)由電導(dǎo)率檢測。
25.根據(jù)權(quán)利要求2所述的方法，其中該對抗物質(zhì)由光的吸收檢測。
26.根據(jù)權(quán)利要求3所述的方法，其中該過濾系統(tǒng)包括包含單一超過濾模塊的容器，其中該第二進料液體的滲透壓大于該第一和該第三進料液體的滲透壓，由該第二進料液體代替該第一進料液體使在該膜表面的凈驅(qū)動勢變負。
27.適于測量電導(dǎo)率變化的探針陣列，該電導(dǎo)率的變化由通過壓力容器流動的帶電物質(zhì)的濃度的變化引起，該壓力容器包含一個或多個串聯(lián)連接的螺旋卷繞過濾模塊；每個該模塊具有滲透物管，其中相鄰模塊的滲透物管，如果存在的話，使用互連件連接和其中第一或最后一個串聯(lián)的模塊的或兩者的滲透物管由容器端部接合器連接到容器，滲透物收集區(qū)域由滲透物收集管、它們的互連件和容器端部接合器圍繞的體積限定；其中探針陣列包括a.適于軸向插入容器的滲透物收集區(qū)域和能夠在滲透物收集區(qū)域中以固定位置保持電導(dǎo)池的支撐結(jié)構(gòu)；b.每一個均安裝在該支撐結(jié)構(gòu)上的至少四個電導(dǎo)池；其中每個該電導(dǎo)池與電信號輸入器材相連通，該輸入器材能夠從容器外部沿滲透物收集區(qū)域軸向輸送信號到電導(dǎo)池，和其中每個該電導(dǎo)池與電信號輸出器材相連通，該輸出器材能夠從電導(dǎo)池沿滲透物收集區(qū)域軸向輸送信號以離開容器。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的陣列，其中至少一個該電導(dǎo)池布置在載體上使得當將載體插入容器的滲透物區(qū)域中時，池基本隔離通過滲透物管孔的流動與在該容器的滲透物收集區(qū)域中的本體流動。
29.根據(jù)權(quán)利要求27所述的陣列，其中至少一個該電導(dǎo)池布置在載體上使得當將載體插入容器的滲透物區(qū)域中時，池位于在互連件到一個模塊的密封下游和該模塊的滲透物管的最上游孔的上游。
30.根據(jù)權(quán)利要求27所述的陣列，在容器的滲透物管中軸向插入，其中該容器包含多個串聯(lián)的螺旋卷繞模塊，串聯(lián)的該模塊含有由互連件結(jié)合的滲透物管，該互連件不壓縮該容器的滲透物收集區(qū)域的內(nèi)徑。
31.膜系統(tǒng)中的壓力容器，包含多個串聯(lián)連接的螺旋卷繞過濾模塊，每個模塊含有滲透物管，使用互連件連接該滲透物管到相鄰模塊的滲透物管，其中串聯(lián)的第一或最后模塊中的至少一個的滲透物管由容器端部接合器連接到壓力容器，由互連的滲透物管和端部接合器限定的容器滲透物收集區(qū)域，將權(quán)利要求27所述的探針陣列插入容器滲透物收集管。
全文摘要
本發(fā)明描述了用于評定分離模塊或過濾系統(tǒng)的整體性的新方法和設(shè)備。主要的實施方案涉及對抗物質(zhì)的瞬變脈沖用于探測螺旋卷繞模塊的用途。檢測、記錄獲得的對抗物質(zhì)在滲透物中隨時間變化的濃度并與參考比較。本發(fā)明進一步要求在螺旋卷繞模塊的滲透物收集管中多個點檢測滲透物電導(dǎo)率的設(shè)備。本發(fā)明還公開了將來自過濾系統(tǒng)的滲透物物流在測量對抗物質(zhì)濃度之前由高回收膜設(shè)備濃縮的方法。
文檔編號B01D63/10GK101018598SQ200580028111
公開日2007年8月15日 申請日期2005年7月29日 優(yōu)先權(quán)日2004年8月31日
發(fā)明者S·D·約恩斯, J·E·約翰遜, M·法爾科夫斯卡 申請人:陶氏環(huán)球技術(shù)公司, 膜技術(shù)公司