高浓盐水膜蒸馏过程膜污染分析与操作优化

发布时间：2020-06-07 00:01

【摘要】：膜法海水淡化技术是当前解决水资源危机的重要途径。针对现有反渗透海水淡化方法存在浓盐水排放问题,能利用低温余热进行高浓料液处理的膜蒸馏方法以其温和的操作条件而受到工业和学术界的广泛关注。在采用膜蒸馏进行高浓料液处理时,膜表面溶质易于过饱和产生结晶沉积,由此造成膜污染的恶化,进而影响系统的持续性运行、增加过程操作成本。为此,本文采用实验和模拟相结合的方法,对膜蒸馏处理高浓氯化钠水溶液体系进行了膜污染及调控的研究。首先,本文搭建了膜蒸馏浓缩系统,考察了不同微孔疏水膜在不同操作条件下的膜蒸馏通量特性及高浓时抗润湿、抗污染性能,筛选了较适宜于高浓溶液浓缩的商用膜。研究结果表明:料液浓度的升高会显著降低跨膜传质速率;膜垢的出现则让渗透通量迅速降低,甚至造成膜润湿,破坏膜蒸馏系统的持续操作;孔隙率高的膜在处理低浓度料液时效率更高,而孔径较小的膜可提高抗晶体污染和抗润湿的能力。其次,本文采用计算流体动力学方法模拟膜蒸馏过程,探究膜蒸馏过程避免膜污染的持续性操作条件。通过模拟获得料液的温度和浓度分布,进而求得料液的过饱和度分布,得到成核功分布。计算结果表明:膜表面的过饱和度比料液主体高,而成核功则比料液主体低,即易在膜表面析晶形成污垢;此外,通过提高膜的疏水性可有效提高膜的抗污染性能;进一步对操作条件进行优化计算,发现低料液流速时需要降低料液温度,反之在较高流速时采用较高的料液温度都有利于缓解膜垢产生。最后,本文探究了料液温度和流率对膜蒸馏过程膜污染的影响,通过在线可视化技术观察膜垢的成核频率和生长速率,进一步结合模拟得到的膜表面过饱和度分布,研究了膜垢的生长动力学。结果表明:料液温度越高膜垢成核频率及生长速率越大,而料液流速越快,膜垢成核频率越低但生长速率越大;通过提高料液流速,可提高膜垢析出时的料液浓度阈值,扩大过程操作范围。另外,实验表明膜的平均孔径越大,膜垢成核频率和生长速率越大,越不利于膜蒸馏过程的持续操作。本文的研究结果,可为膜蒸馏过程膜污染提供方法和理论基础,进而对膜蒸馏脱盐系统的设计及工艺优化提供指导和帮助。
【图文】：

图 1-2 膜表面污垢产生过程[33]Figure 1-2 Growth of membrane fouling污垢的产生，可以从两方面解决，降低膜与污垢的作用力，或。与前者对应的是制膜技术的优化，改性膜表面，降低污垢的结合膜面脱落，提高膜的抗润湿与抗污垢性能；降低膜面过饱和度需要实验与计算手段的深入研究。技术改进过程所用的疏水微孔膜主要是以聚四氟乙烯（PTFE）、聚偏二氟）、聚乙烯（PE）为材料制成，形状有管状、中空纤维与平板膜切相关的膜性质主要是接触角、孔径[54]、孔径分布、孔隙率、tryPressure，LEP）、粗糙度[12,54]等。其中接触角表征膜表面的易被料液润湿的重要参数，PTFE 与 PVDF 的疏水性较强，而 需要额外的疏水性改性。孔径的表征一般是通过孔径分析仪，过膜孔，测量气体通量与压差的分布来计算孔径的分布，对于

的 CFD 模拟提供实验依据，考察了该膜蒸馏浓缩系统存在的质表征，以研究膜对该系统特性的关系。法材料验使用所用主要仪器为如表 2-1 所示。表 2-1 主要实验仪器、设备表Table 2-1 List of experimental equipment 厂商 型号 平 民桥 FA2004N Cole-Parmer Masterflex L/S 77250-62 器 DragonLab MS-H-Pro+ Cole-Parmer Polystat U01165 率仪 OAKTON CON 2700 仪 昆仑工控 KLXSR30 头 江苏润江 WZP-291 PT100
【学位授予单位】：华南理工大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ028.8

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本文编号：2700484