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专利号: 2025102992090
申请人: 武汉工程大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-01
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的系统,其特征在于,包括:膜蒸馏子系统,用于提供膜蒸馏分离过程,形成进料液和馏出液的流动;

电化学监测子系统,用于持续测量膜蒸馏过程中电流信号的变化并输出电信号;

数据处理子系统,连接电化学工作站(8)并接收电信号,用于处理所述电信号并实时计算膜浸润程度;

所述数据处理子系统包括显示与反馈模块,用于将计算出的膜润湿指数显示给操作人员,并通过自动化系统进行操作提示或工况调整,其与自动化控制系统集成,当膜润湿指数达到设定的阈值时,系统可以自动进行调节;

其中,膜浸润程度的计算通过实时处理电信号,利用等效电路模型推导出膜浸润的归一化阻抗与动态润湿指数的关系,并通过该关系计算膜浸润程度,所述等效电路为包含润湿区与未润湿区的分层结构,其中:润湿区等效电路由第一电容 与第一电阻 并联构成,表征被液体渗透的膜孔隙区域;

未润湿区等效电路由第二电容 独立构成,表征含空气的未渗透膜孔隙区域;

所述等效电路模型包括:

S4.1、在膜蒸馏过程中,膜的电气特性可以通过一个等效的分层RC电路来描述,其中电阻和电容的表达式分别为:;

其中, 为润湿区电阻, 为溶液电阻率, 为润湿层的厚度,为孔隙率,为膜的有效面积, 为润湿区电容, 为真空介电常数, 为水的相对介电常数;

S4.2、未润湿区电容表达式为:

其中, 为未润湿区电容, 为空气的相对介电常数,为膜的总厚度;

S4.3、总电容表达式为:

整理得:

其中, 为总电容;

S4.4、高频区阻抗表达式为:

其中, 为高频区阻抗, 为电频率;

S4.5、定义归一化阻抗:

其中, 归一化阻抗,为初始阻抗;

S4.6、解方程得润湿层厚度比:

其中, 为润湿层厚度比;

S4.7、结合盐截留率定义动态润湿指数:

,其中, 为初始盐截留率, 为动态润湿指数,为权重系数, 为动态盐截留率。

2.根据权利要求1所述的一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的系统,其特征在于,所述电化学监测子系统包括:电化学工作站(8),用于测量膜蒸馏过程中膜两侧的跨膜电流并转化为电信号,所述电化学工作站通过导线与电极连接;

电极,包括工作电极和对电极,所述工作电极和对电极分别设置在膜的两侧,进行电流测量,所述电极为不锈钢或金属合金材料,保证稳定的电化学性能;

信号转换器,用于将电化学工作站(8)获得的电流信号转化为数据,并传输至数据处理子系统进行分析。

3.根据权利要求2所述的一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的系统,其特征在于,所述膜蒸馏子系统包括:进料液环路,用于循环进料液并控制进料液的流动;

膜蒸馏膜组件(1),包括微孔疏水膜,并与所述电化学工作站(8)的电极相连接,用于测量电流信号;

馏出液环路,用于循环馏出液并维持膜两侧的温差。

4.根据权利要求3所述的一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的系统,其特征在于,所述进料液环路包括进水泵(2),所述进水泵(2)一端通过管道连接膜蒸馏膜组件(1),所述膜蒸馏膜组件(1)另一端通过管道连接搅拌器(3),所述搅拌器(3)通过管道连接加热器(5),所述加热器(5)与膜蒸馏膜组件(1)通过管道连接。

5.根据权利要求3所述的一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的系统,其特征在于,所述馏出液环路包括进水泵(2),所述进水泵(2)一端通过管道连接膜蒸馏膜组件(1),所述进水泵(2)另一端通过管道连接进料罐,其底部设置有进料罐天平(4),所述进料罐内设置有电导率探针(7),所述膜蒸馏膜组件(1)通过管道连接有冷却器(6),所述冷却器(6)与进料罐之间通过管道连接。

6.根据权利要求1所述的一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的系统,其特征在于,所述数据处理子系统包括:数据采集模块,用于接收电化学监测子系统传送的电信号,并进行初步的数据过滤和预处理;

信号处理模块,用于根据电化学信号计算膜的实时阻抗数据,通过等效电路模型进行拟合处理;

计算模块,用于根据阻抗数据与数学模型计算膜润湿指数,得到膜浸润状态的实时监测结果。

7.一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的方法,其特征在于,用于辅助上述权利要求1‑6任一项所述的一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的系统使用,包括以下步骤:S1、安装膜蒸馏子系统装置,将微孔疏水膜置于两个不锈钢电极之间,并确保膜的两侧分别由电极接触,测量跨膜电流;

S2、调控进料液和馏出液的温度、浓度与流速,使膜蒸馏系统进入稳定运行状态,进料液的温度为55‑85℃,浓度为25‑40%的NaCl溶液,馏出液为温度5‑25℃的纯水;

S3、通过电化学监测系统实时测量跨膜电流变化,并将电信号传输至数据处理子系统;

S4、数据处理子系统实时处理电信号,使用等效电路模型推导出膜的浸润程度;

S5、根据实时计算出的膜润湿指数,对膜浸润程度进行监测,并对膜蒸馏过程进行调整。

8.根据权利要求7所述的一种在线检测膜蒸馏中膜浸润程度的方法,其特征在于,所述润湿层厚度比和所述动态润湿指数共同构成浸润程度量化模型,其为:当 <0.05且 <0.06时,判定为未润湿状态;

当0.05≤ <0.3且0.06≤ <0.4时,判定为表面润湿;

当0.3≤ <0.95且0.4≤ <0.9时,判定为部分润湿;

当 ≥0.95且 ≥0.9时,判定为完全润湿。