基于气泡动力学的超滤膜完整性识别模型研究

发布时间：2020-07-10 15:54

【摘要】：超滤膜的完整性将会对出水水质造成较大影响,及时、准确的检测出超滤膜的破损,是保障饮水、用水健康的迫切需求。为了保障出水水质,必须先保证行而有效的完整性识别方法,然而,目前运用的部分完整性识别方法均存在或多或少的缺陷,例如灵敏度不高,无法直接、准确进行完整性判断,操作复杂等问题。针对此类问题,本文根据完整性识别的压力衰减测试提出了两种新型的超滤膜完整性识别方法的模型,并探讨了不同条件下实测值与模型预测值的拟合情况。主要结论如下:(一)在气泡形成过程中,其气室压力不断衰减,由气室压力的变化情况可以对超滤膜的完整性进行识别。本文提出了一种适用于平板膜的可以预测气室压力变化的模型,依据气泡在形成过程中的各形态变化,利用空气动力学的方法建立起单个气泡形成模型。当气泡不断连续生成,就是连续气泡形成的模型。并针对不同的实验参数,如破损尺寸、气室体积,施加压力以及膜上液体高度等参数,根据控制变量法进行了实验及模型计算,并利用模型评价指标平均绝对百分误差(MAPE)、均方根误差(RMSE)及希尔不等系数(TIC)对模型的预测情况进行了衡量。结果表明,压力和压力衰减率可以作为时间的函数发生变化。压力及压力衰减率受施加压力、气室体积及破损尺寸的影响。实验数据与模型预测数据的相似趋势吻合较好,且在所做实验组中,当施加压力为60kPa时,模型拟合效果最好。(二)根据所建立的气泡形成模型,建立适用于平板超滤膜的破损半径获取公式,以初始压强60kPa,膜上滞止液体高度30mm,气室体积365.59mL以及实际破损尺寸为0.358mm为例,拟合的平均半径为0.376mm,略大于实际破损孔径0.358mm,破损尺寸的修正系数为0.975。并对该破损半径反算公式进行检测限分析,膜破损孔径的检测限为0.0118~11.171μm。检测限的置信区间为1.179~7.642μm,检测限的平均数为4.155μm,众数为3.266μm、中位数为3.991μm。所以运用该模型计算超滤膜破损半径时,有31.48%的几率检测到3μm大小的超滤膜破损孔。(三)根据压力衰减测试,建立起了一种适用于中空纤维膜的膜完整性测试模型,该模型能够比较容易的预测膜组件的破损尺寸。实验结果表明在确定的膜破损尺寸下,实测的通过破损处的氮气流量及压力衰减率与模型预测数值的趋势相似。在膜保持完整的前提下,其流量以及压力衰减率可以作为时间的函数并用公式表达。在相同的水温下,在一定的施加压力范围内,氮气流量及压力衰减率与体积相关,而与膜的种类和膜的面积无关,且氮气流量与破损面积成正比。实验结果同时表明,破损尺寸可以作为施加压力及压力衰减率的函数并通过所建立的数学模型估算出来,预测结果与实际结果接近。
【学位授予单位】：华中科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TU991.21;X703
【图文】：

实验装置图

1 引言气泡的产生以及生长在诸如污水处理等诸多工业中均有所涉及，然而以往的研主要将产生气泡的孔径集中在 0.3mm 以上，对小孔径的研究相对较少。Vafaei 等43]研究了微毛细管管口的气泡动力学特性，其实验中采用内径为 0.11mm 的毛细，然而，气泡在管口形成与气泡在孔平板表面形成的情况不同[52,53]。所以在微孔件下，气泡形成过程气室内压力变化及压力衰减情况需要进一步实验研究。本章提出了可用于平板膜，描述微孔孔口气泡形成及生长过程中气室内压力变及压力衰减情况的模型以及用于中空纤维膜，可以超滤膜破损孔径量化的模型，建立了可视化实验研究了气泡生长过程中气室压力变化情况。2 实验装置及方法2.1 微孔孔口气泡形成实验装置及方法

膜孔,标尺,超滤,压强

压强时快速开启，此时膜下体积较小的气室可以迅速达在实验过程中，根据式（2-1）及式（2-2），由设计的压强值，打开球阀 a 是超滤杯内压强达到该值后关闭阀 a强为设计压强。(P V P V (2V1表示超滤杯内压强（kPa）及超滤杯和连接用软管体积验设计压强（kPa）及超滤杯、膜下方有机玻璃气室及所条件下，使用 Caikon DMM-400D 连接倒置金相显微镜对情况下的超滤膜破损尺寸进行图像截取。图像则采用 im进行处理计算，比例尺则采用的是血球计数板在显微镜格代表 0.05mm，如图 2-2 所示，经过 image-j 全局比例为 1760pixels/mm。

实验装置图

华中科技大学硕士学位论文1.65m2），外壳采用不锈钢制造。安装装置图如图 2-3 所示，中空纤维膜用去离子水湿润 30 分钟，在实验进行中保持温度在 20±0.5℃。当施加压力大约 0.02MPa 时，渗透段液体也可能会短暂被排干。压力的测定采用压力传感器。流量的确定则用倒置的滴定管或气体流量计。每类实验重复三次，取平均值作为实验结果。

【参考文献】