专利名称：全自动超滤膜孔径分布测定仪及其自动测定方法
技术领域：
本发明涉及一种膜孔径测定仪，尤其是涉及一种全自动超滤膜孔径分布测定仪及其自动测定方法。
背景技术：
超滤膜是孔径介于5-150纳米的一类筛孔性滤膜，主要用于不同级别分子量物质的分离，在水处理、生物制药、食品等行业有广泛的应用。超滤膜的分离性能主要受孔特性参数如平均孔径和孔径分布等影响，目前对超滤膜的性能评价主要通过测试诸如牛血清蛋白、卵清蛋白、不同分子量级别的聚乙二醇等标准颗粒的截留率来标定其切割分子量，以作为超滤膜孔径的表征方法，利用这种标准颗粒截留率法表征超滤膜性能主要的问题在于难以找到系列大小的、颗粒均勻的、与膜材料不存在化学作用力的标准颗粒，标定出的超滤膜公称截留率与实际应用时的截留率有差距。中国实用新型专利膜孔径测定仪(申请号为01273986.3，授权公告号为 CN2508242Y)公开了一种基于泡点-流速法测定膜孔径的膜孔径测定仪，包括依次连接的供气瓶、压力平衡罐、测试池和流量计，具有结构简单、使用方便的优点，但是该膜孔径测定仪仅能测定微米数量级的孔径，无法测定纳米数量级的超滤膜的孔径分布，并且需要人工控制测定条件，同时需要人工采集压力、流量等测量数据用于平均孔径等参数的计算，存在误差大，操作不便等缺点。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种可测定纳米数量级孔径的超滤膜的孔径分布，同时能自动控制测定条件并采集测量数据，对数据进行实时处理的全自动超滤膜孔径分布测定仪及其用于测定超滤膜孔径分布的自动测定方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种全自动超滤膜孔径分布测定仪，包括供气瓶和固定密封超滤膜的测试膜池，所述的供气瓶与所述的测试膜池通过管道连通，所述的超滤膜预先浸透浸润液，所述的供气瓶与所述的测试膜池之间依次设置有电动流量调节阀和装有置换液的置换液罐，所述的置换液与所述的浸润液互不相溶，所述的置换液罐通过分支管路分别与所述的测试膜池的置换液透过侧和所述的测试膜池的供液侧连接，所述的置换液罐上设置有压力探头，所述的测试膜池的置换液透过侧出口设置有电子天平或液体流量传感器，所述的压力探头和所述的电子天平或所述的液体流量传感器的信号输出端与用于实时采集压力P信号和液体重量Ws或液体流量F1信号的数据采集模块相连，所述的数据采集模块通过通讯模块将采集到的压力P信号和液体重量Ws或液体流量Fl的信号传输到计算机控制器内，所述的计算机控制器的信号输出端与所述的电动流量调节阀的信号输入端连接并对所述的电动流量调节阀进行实时反馈控制。所述的浸润液与所述的超滤膜具有良好相容性、接触角θ为零的液体，所述的浸润液与所述的置换液间界面张力在为0. 2-5mN/m2之间，所述的浸润液与所述的置换液沸点大于80°C，所述的浸润液为溶解有所述的置换液的饱和溶液，所述的置换液为溶解有所述的浸润液的饱和溶液。所述的供气瓶与所述的置换液罐之间的管道上设置有减压阀和第一开关阀门，所述的测试膜池的置换液透过侧出口与所述的电子天平或所述的液体流量传感器之间设置有用于控制透膜液体进出的第二开关阀门，所述的分支管路包括与所述的测试膜池的置换液透过侧连接的第一支管路和与所述的测试膜池的供液侧连接的第二支管路，所述的第一支管路上设置有第一进液阀，所述的第二支管路设置有第二进液阀。所述的超滤膜为平板膜，所述的测试膜池包括上膜池和下膜池，所述的上膜池和所述的下膜池相互扣合形成样品腔室，所述的平板膜置于所述的样品腔室中，外边缘压紧在所述的上膜池和所述的下膜池之间，所述的平板膜的透过侧设置有用于缓冲压力的多孔垫片，所述的上膜池和所述的下膜池之间设置有用于密封所述的样品腔室的密封装置。所述的超滤膜为中空纤维膜或管式膜，所述的测试膜池包括上膜池和下膜池，所述的上膜池和所述的下膜池相互扣合形成样品腔室，所述的中空纤维膜或所述的管式膜穿过具孔圆平板与所述的具孔圆平板之间的空隙填充有密封材料，所述的具孔圆平板置于所述的样品腔室中，外边缘压紧在所述的上膜池和所述的下膜池之间，所述的上膜池和所述的下膜池之间设置有用于密封所述的样品腔室的密封装置。所述的上膜池与所述的下膜池接触的端面上设置有环形凹槽或所述的下膜池与所述的上膜池接触的端面上设置有环形凹槽，所述的密封装置为卡嵌在所述的环形凹槽中的环形密封圈。所述的上膜池外周壁设置有卡位槽，所述的下膜池与所述的上膜池相接触的端面上设置有与所述的定位槽配合使用的卡位块。全自动超滤膜孔径分布测定仪的自动测定方法包括如下步骤(1)将待测试超滤膜预先浸透浸润液后放入测试膜池中，将置换液装入置换液罐中，将第一开关阀门、电动流量调节阀、第一进液阀、第二进液阀和第二开关阀门打开，供气瓶中的气体进入所述的置换液罐中，所述的置换液罐中的置换液进入所述的测试膜池中， 所述的测试膜池的膜两侧及进液管和出液管中充满置换液后，关闭第一进液阀；(2)将待测试超滤膜密封固定，在计算机控制器的控制程序中预先设定超滤膜的最大承受压力P。和进气压力增加速度V ；(3)将用压力探头测得的置换液罐的压力信号P和电子天平测得的相应压力P下液体重量Ws或液体流量传感器测得的相应压力P下的液体流量F1的信号实时采集到数据采集模块中，通过通讯模块将采集到的压力P信号和液体重量Ws信号或液体流量F1信号传输到计算机控制器内，当将采集的信号为液体重量Ws时，将液体重量Ws换算成液体流量 F1，形成一一对应的压力P-液体流量&数据，当采集的信号为液体流量F1时，直接形成一一对应的压力P-液体流量F1数据；(4)计算机控制器以采集到的压力P信号和相应压力P下的液体流量F1信号为依据，以预设的进气压力增加速度V为控制目标，实时计算电动流量调节阀的开度，将计算所得的电动流量调节阀的开度实时反馈到电动流量调节阀上执行，控制所述的置换液罐内压力增加速度为预设的进气压力增加速度V ；(5)根据采集的压力P信号和相应压力P下的液体流量F1信号测定孔径分布
a.将步骤(3)中测定的压力P代入跨膜压差计算公式
权利要求
1.一种全自动超滤膜孔径分布测定仪，包括供气瓶和固定密封超滤膜的测试膜池，所述的供气瓶与所述的测试膜池通过管道连通，所述的超滤膜预先浸透浸润液，其特征在于 所述的供气瓶与所述的测试膜池之间依次设置有电动流量调节阀和装有置换液的置换液罐，所述的置换液与所述的浸润液互不相溶，所述的置换液罐通过分支管路分别与所述的测试膜池的置换液透过侧和所述的测试膜池的供液侧连接，所述的置换液罐上设置有压力探头，所述的测试膜池的置换液透过侧出口设置有电子天平或液体流量传感器，所述的压力探头和所述的电子天平或所述的液体流量传感器的信号输出端与用于实时采集压力P 信号和液体重量Ws或液体流量F1信号的数据采集模块相连，所述的数据采集模块通过通讯模块将采集到的压力P信号和液体重量Ws或液体流量F1的信号传输到计算机控制器内， 所述的计算机控制器的信号输出端与所述的电动流量调节阀的信号输入端连接并对所述的电动流量调节阀进行实时反馈控制。
2.根据权利要求1所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪，其特征在于所述的浸润液与所述的超滤膜具有良好相容性、接触角θ为零的液体，所述的浸润液与所述的置换液间界面张力在0. 2-5mN/m2之间，所述的浸润液与所述的置换液沸点大于80°C，所述的浸润液为溶解有所述的置换液的饱和溶液，所述的置换液为溶解有所述的浸润液的饱和溶液。
3.根据权利要求1所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪，其特征在于所述的供气瓶与所述的置换液罐之间的管道上设置有减压阀和第一开关阀门，所述的测试膜池的置换液透过侧出口与所述的电子天平或所述的液体流量传感器之间设置有用于控制透膜液体进出的第二开关阀门，所述的分支管路包括与所述的测试膜池的置换液透过侧连接的第一支管路和与所述的测试膜池的供液侧连接的第二支管路，所述的第一支管路上设置有第一进液阀，所述的第二支管路设置有第二进液阀。
4.根据权利要求3所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪，其特征在于所述的超滤膜为平板膜，所述的测试膜池包括上膜池和下膜池，所述的上膜池和所述的下膜池相互扣合形成样品腔室，所述的平板膜置于所述的样品腔室中，外边缘压紧在所述的上膜池和所述的下膜池之间，所述的平板膜的透过侧设置有用于缓冲压力的多孔垫片，所述的上膜池和所述的下膜池之间设置有用于密封所述的样品腔室的密封装置。
5.根据权利要求3所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪，其特征在于所述的超滤膜为中空纤维膜或管式膜，所述的测试膜池包括上膜池和下膜池，所述的上膜池和所述的下膜池相互扣合形成样品腔室，所述的中空纤维膜或所述的管式膜穿过具孔圆平板与所述的具孔圆平板之间的空隙填充有密封材料，所述的具孔圆平板置于所述的样品腔室中，外边缘压紧在所述的上膜池和所述的下膜池之间，所述的上膜池和所述的下膜池之间设置有用于密封所述的样品腔室的密封装置。
6.根据权利要求4或5所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪，其特征在于所述的上膜池与所述的下膜池接触的端面上设置有环形凹槽或所述的下膜池与所述的上膜池接触的端面上设置有环形凹槽，所述的密封装置为卡嵌在所述的环形凹槽中的环形密封圈。
7.根据权利要求4或5所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪，其特征在于所述的上膜池外周壁设置有卡位槽，所述的下膜池与所述的上膜池相接触的端面上设置有与所述的定位槽配合使用的卡位块。
8.根据权利要求1-5中任一项所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪的自动测定方法，其特征在于包括如下步骤(1)将待测试超滤膜预先浸透浸润液后放入测试膜池中，将置换液装入置换液罐中，将第一开关阀门、电动流量调节阀、第一进液阀、第二进液阀和第二开关阀门打开，供气瓶中的气体进入所述的置换液罐中，所述的置换液罐中的置换液进入所述的测试膜池中，所述的测试膜池的膜两侧及进液管和出液管中充满置换液后，关闭第一进液阀；(2)将待测试超滤膜密封固定，在计算机控制器的控制程序中预先设定超滤膜的最大承受压力Ptl和进气压力增加速度V ；(3)将用压力探头测得的置换液罐的压力信号P和电子天平测得的相应压力P下液体重量Ws或液体流量传感器测得的相应压力P下的液体流量F1的信号实时采集到数据采集模块中，通过通讯模块将采集到的压力P信号和液体重量Ws信号或液体流量F1信号传输到计算机控制器内，当将采集的信号为液体重量Ws时，将液体重量Ws换算成液体流量F1, 形成一一对应的压力P-液体流量F1数据，当采集的信号为液体流量F1时，直接形成一一对应的压力P-液体流量F1数据；(4)计算机控制器以采集到的压力P信号和相应压力P下的液体流量F1信号为依据， 以预设的进气压力增加速度V为控制目标，实时计算电动流量调节阀的开度，将计算所得的电动流量调节阀的开度实时反馈到电动流量调节阀上执行，控制所述的置换液罐内压力增加速度为预设的进气压力增加速度V ；(5)根据采集的压力P信号和相应压力P下的液体流量F1信号测定孔径分布a.将步骤(3)中测定的压力P代入跨膜压差计算公式Ap= P-Pa,得到跨膜压差Δ p， 其中Pa为测试膜池的置换液透过侧出口的压力；2σ · cos(汐)b.将得到的跨膜压差Δρ代入公式〃=^^^，得到该跨膜压差下新打开的膜孔Ap径r，其中σ为浸润液与置换液间的界面张力，θ为浸润液与材料之间的接触角；c.根据步骤(3)中测定得到的相应压力P下的液体流量F1，计算得到跨膜压差Δρ与相邻跨膜压差下的液体流量增加量Δ J，将膜孔径r及AJ代入Hagen-Poiseuille方程An · UTTT4A/ = ^o ，得到相应压力P下的孔径r的有效通孔数目n，其中η为孔径为r的有效通孔数，n为渗透置换液粘度、1为超滤膜的有效通孔长度；d.显示孔径分布测定结果，即孔径r-相应孔径下有效通孔数目η、孔径r-相应孔径下孔面积η π r2、孔径r-相应孔径下液体流量F1 ；(6)当压力P达到预设的最大承受压力Ptl或压力P-液体流量F1呈线性关系时，自动关闭电动流量调节阀，存储测定结果，进入步骤(7)，否则，重复执行上述步骤(3)；(7)结束测定，关闭第一开关阀门、第二进液控制阀和第二开关阀门。
9.根据权利要求8所述的全自动超滤膜孔径分布测定仪的自动测定方法，其特征在于步骤(3)中将液体重量Ws换算成液体流量F1的过程如下将各个时间t下所述的的电子天平测定的液体质量Ws数据实时传输到计算控制器机内，通过一定时间At内流入所述的电子天平的液体质量AWs计算相应压力P下置换液流量，计算公式为F1 = A^JAt0
全文摘要
本发明公开了全自动超滤膜孔径分布测定仪及其自动测定方法，包括供气瓶供气瓶和固定密封超滤膜的测试膜池，特点是供气瓶与测试膜池之间设置有电动流量调节阀和装有置换液的置换液罐，置换液罐上设置有压力探头，测试膜池的置换液透过侧出口设置有电子天平或液体流量传感器，压力探头和电子天平或液体流量传感器的信号输出端与用于实时采集压力和流量信号的数据采集模块相连，通过通讯模块与计算机控制器进行信号传输，计算机控制器的信号输出端与电动流量调节阀的信号输入端连接并对电动流量调节阀进行实时反馈控制，优点是能实时自动控制测定条件并采集测量数据，对数据进行实时处理，能够满足对各类筛孔性滤膜性能的评定要求。
文档编号G01N15/08GK102151487SQ201110006160
公开日2011年8月17日 申请日期2011年1月12日 优先权日2011年1月12日
发明者陆茵 申请人:宁波大学