电阻抗成像原位在线监测超滤膜污染行为研究

膜分离工艺在水处理中的应用受到膜污染的限制，膜污染会导致膜渗透性降低[1]，因为材料会随着时间的推移在膜表面和孔内积累。膜污染导致更高的跨膜压力、频繁化学清洗以及缩短膜使用寿命相关的运营成本增加[2-3]。因此，快速、直观获取膜污染的相关信息十分必要。

当前在膜污染监测方面，可视化观测技术由于其直观、快捷的特点被应用于膜污染成因分析、膜系统问题诊断以及运行与决策等领域。扫描电子显微镜(SEM)[4-5]、原子力显微镜(AFM)[6-7]和共聚焦扫描激光显微镜(CSLM)[8-9]已广泛用于研究膜面污垢形态，但以上方法需要中断膜过滤将膜取出再进行检测，且会对膜面原位形貌产生一定程度的破坏。Li等[10]通过直接观察(DOTM)技术可视化错流模块中平板膜上的结垢，观察反冲洗沉淀和酵母菌结垢；Gao等[11]将光学相干断层扫描(OCT)系统与实验室规模的膜过滤系统相结合，通过结构成像观察污垢层的生长情况；Hammer等[12]将核磁共振成像技术应用于原位监测中空纤维膜的污染过程，实时观测到膜过滤过程中的浓差极化、滤饼层的形成等动态过程。Azizighannad等[13]提出了拉曼化学成像技术在识别和区分膜表面污染的无机盐中的应用，研究了膜蒸馏法对脱盐过程中聚四氟乙烯膜的污染，并通过拉曼成像技术绘制了膜表面CaSO4、BaSO4和CaCO3的分布图。但由于SEM、AFM、CLSM等方法需要将膜取出进行检测，仅在实验结束后才能进行，无法获取膜过滤期间的污染变化过程。在线的DOTM和OCT技术需要透明的观察窗，对操作压力有要求，核磁共振成像技术成本较高，拉曼成像主要用于监测无机盐离子，需要开发一种原位、在线、应用广泛、价格低廉的可视化监测技术。

电阻抗成像(EIT)是一种视觉测量技术，可以直观显示被测区域的电导率分布，而不会破坏被测区域[14]。近年来，EIT得到了广泛的应用。在临床医疗检测领域，包括乳腺癌检测和成像[15]，大脑[16]和腹部器官的功能成像[17]等；在工业领域，监测水泥基材料的含水情况[18]；该技术还应用于环境监测领域，孙国中等[19]基于EIT的土壤电阻抗成像(SEIT)系统，检测土壤水分盐分的空间分布。且随着EIT技术的发展，许多学者将其应用于水质的监测，刘宗毓[20]将卡尔曼滤波算法加入水质监测的EIT 动态成像方法中，并根据水质监测空间状态模型对该方法进行改进；窦唱[21]设计了用于膜完整性检测的传感器阵列，分别对湖水和生活污水实验中的渗透液进行边界电压采集并完成数据集划分，初次奠定EIT在膜领域的应用基础。与其他断层扫描技术相比，EIT具有多种优势，例如便携性、安全性、低成本、非侵入性和快速响应[22]。因此，它可以提供一种新颖的成像解决方案[23]。

尽管有一些关于不同种类样品的电阻抗成像的报道，但该技术尚未应用于膜污染监测领域。本研究将EIT设备与膜过滤系统相结合，实时扫描过滤过程中形成的污垢层，并获得一系列EIT图像。通过施加激励电流，分析响应电压，重构被测物内部截面电导率分布图，可以实现污垢层生长的可视化。然后在不同的污染时间条件下获得了一系列污染层EIT图像作为过滤时间的函数，对采集的平均电压进行分析得到不同过滤条件、不同过滤时间下污染情况的半定量化信息，并且通过三维曲面图可获取当前过滤环境下信号采集特点。根据距离膜不同截面的三维曲面图可以得到膜污染层生长情况方面的信息，为进一步半定量化污染层厚度奠定基础。采用EIT对沉积在膜面的污染层进行成像分析，以研究EIT在研究膜污染形成的技术特点及优势。

1 实验材料和方法

1.1 实验装置及材料

实验装置如图1所示。在过滤实验中，将一定量高活性酵母(安琪酵母股份有限公司)或高岭土(阿拉丁股份有限公司)溶于10 mmol/L的NaCl(天津市风船试剂科技有限公司)溶液中，配制成浓度为2 g/L的过滤溶液，混合溶液中酵母与高岭土浓度也均为2 g/L。采用的超滤（UF）膜为聚偏氟乙烯膜(PVDF，中科瑞阳膜技术有限公司)，型号为UF100，标称截留分子质量100 kDa。使用压力传感器(MIK-PX300，杭州美控自动化科技有限公司)传输跨膜压差(TMP)的变化值，记录在无纸记录仪(MIK-R9600，杭州美控自动化科技有限公司)上，通过蠕动泵(BT100-2J，兰格恒流泵有限公司)来调节错流速度。所有过滤实验均在自行开发的错流过滤池中进行。过滤池有两个小室，进水侧小室侧面布有16个电极阵列(材料为铜)，电极均匀分布在半径为2 cm的圆上，电极半径为0.1 cm，长4.0 cm，有效膜面积为28.26 cm2，过滤池连接有进料罐和压力传感器。连续渗透通量数据使用连接到计算机的电子天平(UX2200H，日本岛津公司)每60 s记录一次。所有过滤实验在室温(25℃±1℃)下进行。在每次过滤测试中均使用原始膜，新膜在使用之前在超纯水中浸泡4 h。在污染物结垢过滤之前，用超纯水进行过滤，直至达到稳定的通量。

图1

图1   实验装置图

(a) 实验装置示意图;(b) EIT评价池分解图;(c) 实验装置实物连接图1—计算机;2—渗透液罐;3—电子天平;4—图像处理系统;5—蠕动泵;6—压力传感器;7—无纸记录仪;8—评价池;9—数据采集与处理单元;10—蠕动泵;11—进料液罐

Fig.1   Schematic diagram of experimental device

(a) Schematic diagram of experimental device; (b) Exploded diagram of EIT evaluation pool; (c) The experimental device1—computer; 2—permeate tank; 3—electronic balance; 4—image processing system; 5—peristaltic pump; 6—pressure sensor; 7—paperless recorder; 8—evaluation pool; 9—data acquisition and processing unit; 10—peristaltic pump; 11—feed solution tank