高通量管式膜蒸馏组件结构设计及污酸处理研究

发布时间：2020-05-16 23:00

【摘要】：近年来社会的工业化进程加速,一定程度上导致了生态环境的压力日趋沉重,其中最为典型的例子就是可利用的淡水资源数量急剧减少和水污染问题日益突出。膜蒸馏(MD)技术作为一种具备良好前景的海水脱盐、纯水制备及污水处理方法,经过几十年的发展,在理论及实验室的应用研究方面已经取得了一定的成果,但其产水效率较低、系统抗污染能力差以及长期运行稳定性低等缺点,阻碍了该技术大规模工业化的应用。围绕提高管式膜蒸馏系统的通量及优化膜组件的抗污染能力这一核心目标,本论文主要开展了如下几个方面的工作并得出了相应的结论:1.高通量管式膜组件结构方案设计研究:首先从理论上分析出了膜组件的结构参数(中间气隙层、冷凝壁材质、冷凝面积等)会影响膜蒸馏系统传质过程,然后设计两种气隙层方式(2 mm气隙/膜接触)、三种材质的冷凝管(铜质,不锈钢,PE)、三组冷凝面积与膜工作面积比S_Ⅰ/S_Ⅱ(1:1.77、1:1.46、1:1.24)、两种料液进出口方式(中间进出口,切向进出口),考察膜组件中各结构参数对系统膜通量的影响情况,确定出高通量膜组件的最佳方案为:以不锈钢为冷凝管,S_Ⅰ/S_Ⅱ为1:1.24的切向进出口膜接触式组件。实验结果表明:该组件的系统产水通量相比同一操作条件下的传统气隙式(AGMD)提升了2.1倍,产水效率与直接接触式(DCMD)相当。2.高通量膜蒸馏方式-膜接触式(M-AGMD)与AGMD、DCMD循环浓缩过程对比研究:以1 mol·L~(-1)的KCl为料液,在同一膜蒸馏系统中采用三种不同的膜组件方式分别浓缩等量的料液,对比研究三种膜蒸馏浓缩过程的产水效率、运行稳定性及膜污染情况。结果表明:浓缩过程的产水通量DCMDM-AGMDAGMD,膜污染及膜润湿程度DCMDAGMDM-AGMD,M-AGMD膜表面接触角降幅最小,膜接触式膜蒸馏(M-AGMD)的综合性能最佳。3.高通量膜蒸馏组件浓缩—结晶处理实际污酸废液的应用研究:首先探索膜蒸馏浓缩污酸的工艺可行性,然后对比研究了稀硫酸浓缩与污酸浓缩过程的差异性,并且重点研究了浓缩及结晶过程硫酸的回收以及脱As、F、C1情况、各阶段产物的情况、膜材料的性能变化及冷凝管的腐蚀情况等。以污酸料液处理的“减量化、无害化、资源化”为原则,对污酸料液的处理采取三步式(1)先浓缩:在生产回用水的同时富集污酸料液中的有价资源(H_2SO_4、有价金属等)并减少污酸料液的体积(浓缩后仅为初始体积的1/4,造水率为75%);(2)后结晶:浓缩液中的溶质达到一定的过饱和度后在低温条件下进行结晶处理,将污酸料液中的重金属离子及其它有害的杂质元素从浓缩液中结晶析出,同时提高浓缩液中硫酸的品质;(3)再过滤分离:将浓缩液中的结晶产物过滤分离以结晶粉末的形式回收处理。研究结果表明,膜蒸馏浓缩过程污酸料液中的H~+和SO_4~(2-)得到了同步的富集,浓缩液中的硫酸回收率达到88.06%;浓缩-分离过程对As的综合脱除效果最佳,而冷却结晶过程对C1~-几乎没有脱除效果;杂质元素As、F、Si等冷却结晶后分别以砷的氧化物、氟化盐、硫酸盐、硅酸盐以及其它混合盐的形式从溶液中结晶出来;膜热侧表面的粗糙度出现了一定程度的降低,但是膜材料的力学性能并未出现降低的趋势;不锈钢冷凝管出现了一定程度的腐蚀。
【图文】：

示意图,膜蒸馏,方式结构,示意图

膜蒸馏的基本原理是在特定的多孔性疏水膜的两侧通过某种手段制造待分离组逡逑分的蒸汽压差，并以此作为传质驱动力，驱动待分离组分从主体溶液中分离出来的膜逡逑过程。根据水蒸气冷凝及渗透液收集方式的差异，，膜蒸馏可被划分为图１．１中的４种逡逑基本的方式：直接接触式膜蒸馏（ＤＣＭＤ）、气隙式膜蒸馏（ＡＧＭＤ）、气扫式膜蒸逡逑馏（ＳＧＭＤ）、真空式膜蒸馏（ＶＭＤ）等【４］。逡逑Ｆｅｅｄ邋ｏｕｔ逦Ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｏｕｔ逦Ｆｅｅｄ邋ｏｕｔ逦Ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｏｕｔ逡逑ｗｋｒｎ＾ｍ邋１逡逑ｓｉｄｅ邋曜＂丨；逦Ｓｌｄｅ邋＾Ｓ＾，－ｔ｜ｅ￣ａｔｅ逡逑＊逦？？？Ｖ＊逦＊逦＊逦＊＊邋／邋－邋＃ｆ－ｆ邋＊邋１邋／邋—邋＊＊逡逑＿挸逦＿yU逡逑Ｆｅｅｄ邋ｉｎ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋Ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｉｎ逦Ｆｅｅｄ邋ｉｎ邋ｍｅｍｂｒａｎｅ邋Ｃｏｏｌｉｎｇ邋ｉｎ逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑Ｆｅｅｄ邋ｏｕｔ逦Ｓｗｅｅｐ邋ｇａｓ邋ｏｕｔ逦Ｆｅｅｄ邋ｏｕｔ逦Ｖａｃｕｕｍ逡逑Ｆｅｅｄ逦Ｆｅｅｄ逦了逡逑ｓｉｄｅ逦１逦ｓｉｄｅ逦Ｉ逡逑Ｗｔ邋ｃｅ＝0＞逦0逦ｖ邋ｍＳＭ邋ｃｈ＝！＞逡逑？y誺|，邋Ｊ逦｜逦威…」逡逑Ｆｅｅｄ邋ｉｎ逦Ｓｗｅｅｐ邋ｇａｓ邋ｉｎ逦Ｆｅｅｄ邋ｉｎ逡逑（ｃ）逦（ｄ）逡逑图１．１四种常见膜蒸馏方式结构示意图逡逑（ａ）邋ＤＣＭＤ；邋（ｂ）邋ＡＧＭＤ；邋（ｃ）邋ＳＧＭＤ；邋（ｄ）

膜蒸馏,种类分布,相关文献,情况

膜蒸馏功能材料，利用交流阻抗法对膜蒸馏过程膜表面的污染情况进行实时的监测，逡逑结果显示，在膜污染开始持续进行时阻抗谱上低频率区段（小于１００邋Ｈｚ）逐渐缩减，逡逑交流阻抗对膜表面污染的灵敏性优于膜通量及电导率的变化。下图１．２是“膜蒸馏”逡逑相关文献的数量与种类分布情况。逡逑：逦８０邋３逦Ｈｉ邋Ｏｔｈｅｒ逡逑７0？逦ＪＬ２９逦５５ｖｍｄ逦６２％逡逑■邋ｗｖｂ邋ｏｒｓｉ＇ｌｎｃｔ＊邋■邋ｓｃｌｎｅｅ邋ｄｌｒｔｒｃｌ邋■邋（＞ｕｏｌ｝＊ｏｏｌ邋ｓｃｈｏｌａｒ邋■邋ＣＮＫＩ逦＾0／0逦１７％逡逑（ａ）逦（ｂ）逡逑图１．２逦“膜蒸馏”相关文献的数量与种类分布情况逡逑（ａ）各数据库中相关文献的数量与时间的变化：（ｂ）近十年膜蒸馏研究种类分布逡逑从文献检索的结果可以发现，上世纪八十年代膜蒸馏技术的研究发展还处于起步逡逑阶段，而到本世纪初期就己经得到了快速的发展，不仅如此，近十年膜蒸馏领域的研逡逑宄文献更是呈现出节节攀升的趋势。根据研究工作者们近十年发表论文的关注点分布逡逑４逡逑
【学位授予单位】：北京有色金属研究总院
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893

【相似文献】