微孔膜界面响应法精确测定结晶介稳区研究

发布时间：2020-11-16 07:56

　　 结晶的介稳区宽度是初始晶核自发形成时的最大过冷度或最大过饱和度,它是直接指导结晶过程设计的晶体成核基础数据,实时地成核检测以及介稳区宽度的精确测定对结晶过程控制和工艺设计意义重大。现阶段使用最广的光学法,无法检测低透光、高色级溶液体系的成核,开发一种适用于全色级溶液体系以及能解决复杂相界面成核响应问题的、快速精确介稳区测定方法非常有必要。本文根据膜蒸馏过程中膜选择性脱除溶剂、膜孔区域成核导致通量骤减的原理,提出了微孔膜界面响应结晶成核的方法,通过与激光法对比,能够更早响应成核。为了提高测试的精度,在原响应方法的基础上进行改进,实验跨膜通量与理论预测通量之间的偏差值ΔJ/Δt作为标准去衡量微孔膜界面上是否产生初始成核。因为膜孔很小,平均孔径为0.1~1μm,微小的初始晶核堵孔属于亚微米级成核响应过程,传统的光学方法或者化学方法都无法做到,以此实现初始成核的快速检测以及介稳区宽度的精确测定。本文将该方法应用于硝酸钾、氯化钠、硫酸钴、硫酸镍和氯化铜几种二元水溶液体系成核生长和介稳区宽度测定,探究其可行性和测定精度。结果表明,对于硝酸钾水溶液体系,微孔膜界面响应法的通量衰减转折点总是早于激光法的光强信号转折点,测定的介稳区宽度分别为3.79±0.05wt%和5.76±0.15wt%,说明微孔膜界面响应更加灵敏,介稳区测定结果更加精确;进一步,提出改进的微孔膜界面响应法处理膜通量数据,将通量对时间导数的第一个峰值,确定为初始成核响应点,测定介稳区宽度。测定氯化钠溶液结晶介稳区时,45min时发生响应,测定介稳区宽度为0.74±0.05 wt%,而对于激光法,133min检测到晶核生成,介稳区宽度为1.52±0.15 wt%,说明改进的微孔膜界面响应有效提升了对初始晶核检测的精度;对于低透光率、有色盐溶液体系,激光光强信号极低、无法测定,而微孔膜界面响应法可以完成相应体系的成核响应,实现全色级溶液体系介稳区基础数据测定。实验跨膜通量随温度升高、流速增大而增大,测定的结晶介稳区宽度也随之变大,成核响应时间远早于光学方法。本文还考察了不同料液体积及膜面积对结晶介稳区的影响,当料液体积小或有效膜面积大时,溶液浓缩速率提升,膜表面更易发生晶体成核。对比晶体生长状态与响应的不同阶段,揭示了膜表面动态颗粒附着降低膜通量、实现成核现象响应的机制,也为微孔膜界面响应法的测试精度进一步提升提供了思路。这一新型的微孔膜界面响应可为典型和新型结晶过程的工艺设计和优化提供重要的结晶介稳区基础数据,是在线研究初始成核过程的一个新方向。
【学位单位】：大连理工大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2019
【中图分类】：TQ026.5
【文章目录】：
摘要
Abstract
引言
1 文献综述
    1.1 结晶
        1.1.1 结晶成核
        1.1.2 过饱和度
    1.2 结晶介稳区
        1.2.1 介稳区宽度的影响因素
        1.2.2 介稳区宽度的测定方法
    1.3 膜蒸馏-结晶技术概述
        1.3.1 膜蒸馏技术原理及类型
        1.3.2 膜蒸馏-结晶过程
    1.4 论文选题意义及研究内容
2 微孔膜界面响应过程仪器研制
    2.1 结晶介稳区测定和过程调控仪器研制的重要意义
    2.2 微孔膜界面响应的结晶介稳区测定及过程调控仪器装配及功能集成
        2.2.1 仪器研发的设计思路
        2.2.2 仪器装配及其功能
        2.2.3 微孔膜界面响应仪器的研制
    2.3 微孔膜界面响应的结晶介稳区测定及过程调控仪器稳定性检测
    2.4 本章小结
3 微孔膜界面响应法对全色级溶液介稳区宽度的研究
    3.1 实验部分
        3.1.1 实验药品及仪器设备
        3.1.2 实验装置流程及操作
    3.2 微孔膜界面响应法测定结晶溶液介稳区宽度
        3.2.1 介稳区宽度的理论模型
        3.2.2 微孔膜界面响应原理
        3.2.3 微孔膜界面响应法与激光法测定硝酸钾溶液体系介稳区
    3.3 改进的微孔膜界面响应法测定溶液初始成核
        3.3.1 微孔膜界面响应初始成核的原理
        3.3.2 改进的微孔膜界面响应法测定氯化钠溶液介稳区宽度
        3.3.3 改进的微孔膜界面响应法测定高浓度低透光率体系溶液介稳区宽度
    3.4 本章小结
4 微孔膜界面响应成核生长机制及测试方法优化
    4.1 实验部分
        4.1.1 实验药品及仪器设备
        4.1.2 实验装置流程及操作
    4.2 微孔膜界面响应操作参数的调控
        4.2.1 不同料液体积对微孔膜界面响应的影响
        4.2.2 不同膜面积对微孔膜界面响应的影响
    4.3 膜表面晶体生长状态对微孔膜界面响应成核的影响
        4.3.1 膜表面晶体的生长与脱落
        4.3.2 微孔膜界面响应与晶体成核生长关系分析
    4.4 本章小节
结论
创新点与展望
参考文献
攻读硕士学位期间发表学术论文情况
致谢

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本文编号：2885822