基于膜表面颗粒受力与沉降行为解析的膜污染机制研究

发布时间：2020-05-31 08:48

【摘要】：膜分离过程中的膜污染是颗粒在膜表面(或膜孔道内)的可逆或不可逆沉降过程造成的。颗粒沉降是一个受力的影响、从远程至近程的整体连续过程,因而颗粒受力分析是流场中颗粒运动研究的核心问题之一,也是理解和认知膜污染机制的关键。本文以超滤和纳滤错流过滤过程中颗粒的运动和沉降为研究对象,通过对超滤和纳滤过程中的颗粒受力分析,解析了颗粒垂直方向和水平方向主要受力特征。构建了颗粒受力的用户自定义函数(User Defined Function,UDF),并与计算流体力学(Computational Fluid Dynamics,CFD)中的离散相模型(Discrete Phase Modeling,DPM)耦合,设置模拟参数和边界条件,确定了系统的模拟方法。通过对超滤和纳滤过程中的膜通量进行实验和模拟分析,获得了准确可靠的CFD模拟膜通量模型。对不同工况下颗粒沉降情况进行研究,发现实验与模拟结果一致,均为跨膜压差越大,错流速度越小时,颗粒沉降概率越大,过滤初期颗粒沉降情况对过滤总体沉降情况影响显著。相同工况条件下,超滤实验中颗粒沉降概率在32%-42%之间,模拟概率在34%-42%之间。纳滤实验中颗粒沉降概率在8%-15%之间,模拟概率在7%-13%之间,表明CFD模拟颗粒沉降结果较准确。建立了显微粒子图像测速(Micro-Particle Image Velocimetry,Micro-PIV)可视化错流过滤系统,对分布在流场中的颗粒进行高速拍照。通过对颗粒速度和流场进行分析,表明可视化实验结果与模拟结果较吻合,CFD可准确模拟本系统流场。基于准确的模拟结果,进一步考察了颗粒性质与操作条件对颗粒受力与沉降概率的影响,对膜污染的关键因子进行识别,确定了不同工况下膜表面颗粒沉降概率函数,形成有针对性地膜污染控制策略,包括改变料液性质、优化操作条件等。最终为实验和膜组件的优化设计提供科学依据,对膜污染的研究起较好的指导作用。
【图文】：

技术路线图

吸泵抽至错流过滤膜组件，二者之间连接进水流量和压力，，料液从膜组件流出后，记录回流水流量，两个流量计均连接到记；另一部分出水连接至电子天平和电脑以膜出水数据采集录仪压力表微小涡轮流量计平板膜装置
【学位授予单位】：哈尔滨工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：X703

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本文编号：2689605