申请日2014.03.31
公开(公告)日2014.06.11
IPC分类号G01N33/00; G06F19/00; G01N1/28
摘要
本发明公开了一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法，属于水处理技术领域。本发明的步骤为：一、制备有机膜分离材料基质芯片;二、制备测试用水样;三、将有机膜分离材料基质芯片置于石英晶体微天平中，通入测试用水样，检测芯片在不同倍频下的频率和耗散数据;四、采用Voigt或Maxwell模型拟合得到粘弹性薄层厚度变化规律，比较基质芯片表面粘弹性薄层最大厚度拟合值，判定不同测试用水样条件下有机膜分离材料的抗生物污染性能。本发明采用对界面变化敏感的石英晶体微天平监测水样中溶解性污染物在有机膜材料基质表面的流体力学行为，快速判定膜分离材料的抗生物污染性能，水样用量少，稳定性好，易于量化。
权利要求书
1.一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法，其步骤为：
步骤一、将有机膜分离材料基质化学物质涂覆于标准芯片上，制备有机膜分离材料基质 芯片;
步骤二、制备测试用水样;
步骤三、将步骤一制得的有机膜分离材料基质芯片置于石英晶体微天平中，通入步骤二 制得的测试用水样，检测基质芯片在不同倍频条件下的频率和耗散数据;
步骤四、利用步骤三检测获得数据，采用Voigt或Maxwell模型拟合得到粘弹性薄层厚 度变化规律，比较基质芯片表面粘弹性薄层最大厚度拟合值，判定不同测试用水样条件下有 机膜分离材料的抗生物污染性能。
2.根据权利要求1所述的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法， 其特征在于：步骤一采用的涂覆方法包括旋转涂覆、真空镀膜或单分子层自组装涂覆;涂覆 形成的基质化学物质薄膜厚度为10～100nm。
3.根据权利要求2所述的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法， 其特征在于：步骤二制备测试用水样的具体过程为：将微污染水、市政污水、工业废水或工 业回用水经预提取、离心、过滤;或直接离心、过滤;或直接离心;或直接过滤后制得测试 用水样。
4.根据权利要求3所述的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法， 其特征在于：所述的预提取操作采用树脂提取、热提取、氢氧化钠提取或甲醛固定中的一种。
5.根据权利要求2或3所述的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方 法，其特征在于：所述的测试用水样在通入石英晶体微天平之前，需采用频率为5～50KHz的 超声波进行脱气处理5～15min。
6.根据权利要求5所述的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法， 其特征在于：步骤三采用石英晶体微天平检测时，对石英晶体微天平的检测条件设定为：1) 石英晶体微天平的工作温度为15～35℃;2)至少选择3、5、7、9、11、13倍频中的4种; 3)流过有机膜分离材料基质芯片的液体顺序为背景溶液、测试用水样、背景溶液，所述的背 景溶液为蒸馏水或纯水，液体流速设定为50～300μl/min。
7.根据权利要求6所述的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法， 其特征在于：步骤四采用Voigt或Maxwell模型对步骤三检测获得数据进行拟合时，设定： 流体密度为1000kg/m3，流体粘度为0.001kg/ms，粘弹性薄层粘度为0.0002～0.005kg/ms，粘 弹性薄层剪切力为100～1×107Pa，粘弹性薄层厚度为5×10-12～1×10-7m。
说明书
一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法
技术领域
本发明涉及水处理技术领域，更具体地说，涉及一种快速评价水处理有机膜分离材料抗 生物污染性能的方法。
背景技术
在世界范围内，膜分离技术(微滤、超滤、纳滤、反渗透技术等)已成功地应用于污废 水深度处理及资源化利用领域。其中应用最广泛的又属有机膜分离材料，常用的有机膜分离 材料材质类型包括聚偏二氟乙烯(PVDF)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA)、聚醚砜(PES)、 醋酸纤维素(CA)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)等。然而，除了造价和能耗较高以外， 膜污染成为限制膜分离技术在水处理中广泛应用的另一关键因素。微生物及其代谢产物在膜 材料表面及孔道聚集形成的生物污染层被认为是重要的污染源。因而，研发抗生物污染的有 机膜分离材料成为当今膜科学和水处理领域的重要课题。
当前对水处理用膜分离材料的性能测试参数主要包括单位时间纯水通量、最大抽吸压力、 产水浊度等。有关膜分离材料抗生物污染性能的参数及其评价方法较为缺乏，见诸报道的方 法包括：将膜片或膜丝置于待处理水处理体系(实际或模拟污废水)，在静态条件下观察膜面 微生物及其代谢产物累积情况，或在连续进水条件下考察膜面微生物及其代谢产物对系统水 通量或跨膜压差的影响。静态测试方法较为简便，但难以反映膜面更新情况，因而真实性较 差。动态测试方法一般需要借助自动化集成装置(如中国专利申请号201210480969.4，申请 日为2012年11月22日，发明创造名称为：一种中空纤维膜抗污染性能测试装置)以实现待 测水样的循环、动态监控和数据采集，能耗较大、耗时且水样用量较多，结果受测试装置的 影响也较大。因此，提供一种能够准确、快速评价有机膜分离材料抗生物污染性能的方法显 得很有必要。
发明内容
1.发明要解决的技术问题
本发明的目的在于克服现有评价有机膜分离材料抗生物污染性能的方法难以反映膜面更 新情况、真实性差或能耗大、耗时且测试结果受装置影响大的不足，提供了一种快速评价水 处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法。本发明的评价方案创新地以水-膜材料界面形成 的粘弹性薄层厚度作为膜材料抗生物污染性能的评价参数，易于量化且稳定性好;同时利用 对界面变化敏感的石英晶体微天平监测污染物在膜材料基质表面的流体力学行为，能够极大 节省测试时间，快速高效。
2.技术方案
为达到上述目的，本发明提供的技术方案为：
本发明的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法，其步骤为：
步骤一、将有机膜分离材料基质化学物质涂覆于标准芯片上，制备有机膜分离材料基质 芯片;
步骤二、制备测试用水样;
步骤三、将步骤一制得的有机膜分离材料基质芯片置于石英晶体微天平中，通入步骤二 制得的测试用水样，检测基质芯片在不同倍频条件下的频率和耗散数据;
步骤四、利用步骤三检测获得数据，采用Voigt或Maxwell模型拟合得到粘弹性薄层厚 度变化规律，比较基质芯片表面粘弹性薄层最大厚度拟合值，判定不同测试用水样条件下有 机膜分离材料的抗生物污染性能。
作为本发明更进一步地改进，步骤一采用的涂覆方法包括旋转涂覆、真空镀膜或单分子 层自组装涂覆;为获得良好的频率响应，涂覆形成的基质化学物质薄膜厚度为10～100nm。
作为本发明更进一步地改进，步骤二制备测试用水样的具体过程为：将微污染水、市政 污水、工业废水或工业回用水经预提取、离心、过滤;或直接离心、过滤;或直接离心;或 直接过滤后制得测试用水样。
作为本发明更进一步地改进，所述的预提取操作采用树脂提取、热提取、氢氧化钠提取 或甲醛固定中的一种。
作为本发明更进一步地改进，所述的测试用水样在通入石英晶体微天平之前，需采用频 率为5～50KHz的超声波进行脱气处理5～15min。
作为本发明更进一步地改进，步骤三采用石英晶体微天平检测时，对石英晶体微天平的 检测条件设定为：1)石英晶体微天平的工作温度为15～35℃;2)至少选择3、5、7、9、11、 13倍频中的4种;3)流过有机膜分离材料基质芯片的液体顺序为背景溶液、测试用水样、 背景溶液，所述的背景溶液为蒸馏水或纯水，为增强界面传质及减少液体用量，液体流速设 定为50～300μl/min。
作为本发明更进一步地改进，步骤四采用Voigt或Maxwell模型对步骤三检测获得数据 进行拟合时，设定：流体密度为1000kg/m3，流体粘度为0.001kg/ms，粘弹性薄层粘度为 0.0002～0.005kg/ms，粘弹性薄层剪切力为100～1×107Pa，粘弹性薄层厚度为5×10-12～1×10-7m。
3.有益效果
采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：
(1)本发明的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法，创新地以水 -膜材料界面形成的粘弹性薄层厚度作为膜材料抗生物污染性能的评价参数，易于量化且稳定 性好;由于采用微界面反应，与常规评价方法相比，按最小进样流速50μl/min计，进样20min 只需1ml测试用水样，水样用量少;
(2)本发明的一种快速评价水处理有机膜分离材料抗生物污染性能的方法，采用Voigt 或Maxwell模型拟合得粘弹性薄层厚度随时间的变化规律，能反映污染物在有机膜分离材料 基质表面的动态更新情况，且使用石英晶体微天平的检测时间一般不超过1h，可极大节省测 试时间，在水处理有机膜分离材料新配方开发与性能评价中具有广泛应用前景。