基于FBG传感的正渗透膜面水力学特性分析及优化

发布时间：2020-08-25 18:50

【摘要】：正渗透过程中,通过改变膜面的剪切力可以减缓浓差极化并控制膜污染。为了获取更多的膜面水力学特性的信息,提高正渗透过程的渗透性能,本研究提出一种基于光栅传感技术的正渗透膜面剪切力分布测量的方法,并结合计算流体力学对膜面的流场分布进行分析及优化,探讨入口流速、流动方向、单侧流速对剪切力分布及渗透性能的影响。结果表明,FBG传感技术可用于监测FO过程中膜边界的水力学特性,提供更多有效的过滤过程的信息,主要得出如下结论:(1)FO组件内部存在不均匀的流场分布特征。CFD模拟结果表明,组件的结构设计影响了膜面最大速度位置及回流区的分布,使平板FO膜表面呈现出区域化的差异。(2)膜面剪切力呈现空间分布的不均匀变化,操作条件的设计需要协调膜两侧ECP和ICP的作用。FBG结果表明,渗透压不会直接造成FBG波长发生变化。沿着FO膜表面,剪切力在空间上呈现分布的不均匀特征,这将直接导致渗透通量的变化;膜面中间位置的剪切力较高,这使膜面特定位置出现较高的扩散负载。增大入口流速能有效的改善膜面各位置的冲刷作用,但单纯增加剪切力并不能更好的减缓浓差极化,获得更高的水通量,这主要是由于高FS和DS剪切力会显著增加溶质向支撑层内部的扩散,增加了ICP对FO渗透过程的影响。(3)逆流模式表现出更好的水力学特性,作为最优的操作条件。与并流模式相比,逆流模式形成的剪切力更大、水流的冲刷频率更快,且剪切力的分布更均匀。同时在逆流模式下,通过增加膜两侧的剪切力能有效地改善膜通量,这是由于较高的传质速率使膜两侧的渗透压相对较大且更均匀,能够提高膜表面的利用率,获得更高的渗透通量。(4)单侧膜面剪切力的增加会对膜两侧的浓差极化产生不同的影响。单独增加FS侧或DS侧流速,会使膜面的应力分布发生变化,从而导致膜面浓度分布的变化,改变水通量。FS侧剪切力的增加,降低膜面附近处溶液的浓度,达到减缓外浓差极化的效果;但增加DS侧剪切力加速了溶质向支撑层内部的扩散,虽然降低了RSF,但累积在支撑层内部的溶质严重加剧了内浓差极化,会对FO渗透过程产生不利的影响。
【学位授予单位】：天津工业大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TQ051.893;X703
【图文】：

示意图,渗透过程,水通量,渗透压

天津工业大学硕士学位论文程的发生，汲取液得到稀释，渗透压减小，原料液得到浓缩，渗透压增加，ＡＴＴ等于０时渗透过程结束［９￣］。逡逑根据渗透原理，渗透过程的的水通量ａ）可由等式（ｌ－ｉ）表示：逡逑？７＝＾（Ａ；ｒ邋－邋ＡＰ）逦（邋２－１）逡逑其中，Ｊ是膜的纯水渗透系数，Ｌ／（ｍ２＊ｈ＊ｂａｒ）；邋Ａｔｔ是膜两侧溶液的渗透，ｂａｒ；邋ＡＰ是膜两侧的液压差，ｂａｒ；邋Ｊ是渗透过程产生的水通量，Ｌ／（ｍ２＊ｈ）水通置

渗透泵,领域,能源,咸水淡化

１．１．３正渗透技术的应用逡逑Ｆ０由于其潜在的优势被广泛应用丁－各个领域，：丨－：要包括水、能源和生命科逡逑学－：个方面，如图１－３所示。水处理领域主要包括海水／咸水淡化和废水处理，逡逑能源领域主要是压力阻尼渗透（ＰＲＯ）发电，生命科学领域有渗透药物输送、Ｋ逡逑药产品浓缩、食品加工等＞７。苏中，美ＷＨＴＩ公Ｍ研发的正渗透应急水袋在紧逡逑总救援和军事等方面发挥gq要的作⑴，己经批黛生产：Ｆ０渗透泵也在医药行业逡逑研究中得到应用，渗透泵注射器利用渗透过程汲取液体积增大推动活塞挤压药物，逡逑可以达到缓慢注射的效果：１３￣。逡逑－５逡逑

模式图,浓差极化,渗透过程,模式

４正渗透过程中内外浓差极化原理图：（ａ）邋Ｆ０模式；（ｂ）邋ＰＲＯ模式。Ａ；ｒ，理Ａ４ｆｒ，实际渗透压；＆ｂ，原料液的渗透压；〃ｂ，ｂ，驱动液的渗透压；，原料的渗透压，汲取液膜面的渗透压；＾活性层与支撑层交界面处的渗透浓差极化是导致ＦＯ过程中水通量降低的主要原因，需要采取相应的差极化的影响。减轻外浓差极化与内浓差极化的方法有所不同。外浓于膜外表面溶质累积使膜面浓度提高，只需降低膜面位置处的浓度即，Ｍ于可恢Ｍ过程，可通过降低原料液浓度或改变膜面附近原料液侧条件得到改善，主要的方法有：逡逑（１）增加错流速度。提高膜表面的错流流速和剪切力，加速主体溶的溶质传递，减少溶质在膜面的累积，但是过大的流速也会增加能耗，择合适的操作流速时，需要兼顾能耗与减缓浓差极化效果两方面的因优的错流速度［４１］：逡逑（２）采用湍流促进器。通过增加湍流促进器，可以提高膜面的湍流膜界面处的浓度，达到减缓浓差极化的效果；４２］；逡逑

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