死端过滤中空纤维膜系统过滤模型研究

摘要

中空纤维膜具有结构简单、分离效率高、装填密度小、成本和操作费用低以及应用灵活等优势，在污水和饮用水处理领域受到越来越多的关注。然而膜污染的存在使得中空纤维膜系统过滤性能受到严重影响，膜污染已成为制约中空纤维膜分离技术发展的关键因素。数学模型是研究中空纤维膜污染、优化中空纤维膜系统过滤性能的重要手段。现有的死端过滤中空纤维膜过滤模型多以Hagen-Poiseuill方程为基础，尚未考虑到中空纤维膜腔内流体加速造成的动压损失对流体流动阻力的影响，削弱了模型模拟结果的准确度。另外，模型均是基于商业或开源计算流体力学(CFD)软件进行求解，CFD过程复杂，需要输入多个边界条件才能运行，而这些边界条件一般情况下是未知的，因此使用起来并不方便或误差较大。
　　本研究以流体力学和膜过滤理论为基础，构建了一个描述死端过滤中空纤维膜过滤过程的数学模型，在模型构建时同时考虑了膜腔内摩擦造成的压力损失和流体加速造成的动压损失在膜长度方向上的累积，并以此模型为基础解析死端过滤中空纤维膜系统过滤特征参数及膜污染的时空分布规律，确定影响系统过滤性能的关键因子，为中空纤维膜系统的优化提供了科学依据。研究发现，模型模拟结果很好地吻合了实验结果，通过增加膜腔内动压损失对流体流动阻力的影响，模型模拟结果与实验结果吻合度明显提高。在进行模型求解时，死端处跨膜压差的确定是模型得以求解的关键。本研究提出了一种以二分法为基础的死端处跨膜压差的反向迭代计算法，该解法效率高，适用范围广，对恒流和恒压运行模式、不同膜污染机理作用下死端过滤中空纤维膜过滤模型均适用。
　　基于上述死端过滤中空纤维膜过滤模型和数值解计算方法，研究模拟了中空纤维膜污染及系统各过滤特征参数的时空分布规律。研究发现，随着过滤时间的增加，膜长度方向上各点处膜污染均逐渐加剧;而任意时间时，膜长度方向上从死端到出水端，膜污染程度均逐渐增加。另外，各过滤参数跨膜压差、点通量及轴向流速在膜长度方向上的分布均呈现出从死端到出水端逐渐升高的规律。随着过滤时间的增加，近出水端部分点通量逐渐降低，近死端部分点通量逐渐升高，同时膜长度方向上存在部分区域，点通量呈现先升高到达峰值后再逐渐下降的趋势。膜长度方向上不同位置处跨膜压差均随过滤时间的增加而逐渐升高。对于轴向流速，死端和出水端处在整个过滤过程保持不变，而其他位置处则随着过滤时间的增加逐渐升高。
　　死端过滤中空纤维膜系统运行压力随过滤时间的增加而逐渐增加。膜长度越小、膜内径越大、膜固有阻力越低、运行通量越低、污染物质浓度越低时，系统运行压力越低，能耗越小。另外，随着过滤时间的增加，膜内径、运行通量及污染物质浓度对运行压力的影响逐渐增大，而膜长度及膜固有阻力对运行压力的影响程度基本不发生变化。另外，死端过滤中空纤维膜系统点通量在膜长度方向上的分布均匀度随过滤时间的增加而逐渐增加。膜长度越小、膜内径越大、运行通量越高、污染物质浓度越高，则点通量分布均匀度越高，系统膜污染趋势越低。另外，随着过滤时间的增加，膜内径、运行通量及污染物质浓度对点通量分布均匀度的影响均呈现先增加后减小的趋势，而膜长度对点通量分布均匀度的影响逐渐减小。膜固有阻力对点通量分布均匀度的影响包括两个阶段，过滤前期膜固有阻力越大，点通量分布均匀度越高，而过滤后期点通量分布均匀度随膜固有阻力的增加而降低。特别注意的是，膜内径对死端过滤中空纤维膜系统过滤性能有重要影响，当膜内径过低时，系统运行压力显著升高，点通量在膜长度方向上的分布均匀度大幅降低，系统过滤性能迅速恶化。因此在中空纤维膜系统的实际应用中，应注意膜内径的优化。

目录

声明

摘要

符号说明

1．1 膜分离技术

1．1．1 技术概述

1．1．2 膜污染问题

1．2 中空纤维膜分离技术

1．2．1 技术概述

1．2．2 发展与应用现状

1．3 中空纤维膜过滤模型研究

1．3．1 建模理论基础

1．3．2 膜污染理论

1．3．3 研究进展

1．4 研究目的与内容

1．4．1 研究目的

1．4．2 研究内容

2．1 模型建立

2．1．1 模型基本假设

2．1．2 流体力学基本方程

2．1．3 膜污染方程

2．1．4 初始和边界条件

2．2 模型解法

2．2．1 无膜污染时模型解法

2．2．2 膜污染作用下模型解法

2．2．3 模型求解过程示例

2．2．4 死端处跨膜压差变化规律

2．3 小结

3．1 清水过滤实验验证

3．2 膜污染作用下模型的验证

3．2．1 实验条件及结果

3．2．2 膜污染机理的确定

3．2．3 模型验证

3．3 小结

第4章 死端过滤中空纤维膜系统膜污染及过滤性能模拟

4．1 膜污染分布及演化规律

4．2 过滤特征参数在膜长度方向上的分布规律

4．3 过滤特征参数随过滤时间的演化规律

4．4 不同条件下过滤性能变化规律

4．4．1 膜长度

4．4．2 膜内径

4．4．3 膜固有阻力

4．4．4 运行通量

4．4．5 污染物质浓度

4．5 小结

5．1 结论

5．2 建议

附录

参考文献

致谢

攻读学位期间论文发表情况