新型中空纤维空气隙式膜蒸馏海水淡化过程研究

摘要

膜蒸馏（MD）技术是一种新型热驱动膜分离过程，具有操作压力低、截留率高、可利用低品位热源等优势，用于海水淡化过程可实现经济、高效和环保三重目标。空气隙式膜蒸馏（AGMD）技术因引入一层静态空气使得过程热效率大大提高。与平板膜相比，中空纤维膜比表面积大，填充密度高且空气隙厚度调节方便，用于 AGMD过程有望获得更高的膜通量（JW）、造水比（GOR）甚至热效率（η）。
　　本文针对现有中空纤维AGMD膜组件（AGMD-HF）空气隙无法稳定存在， JW和GOR较低的不足，提出了一种中空纤维螺旋缠绕式膜组件。该膜组件通过在中空纤维膜外引入一层隔热管状隔网，使得隔网厚度等同于空气隙厚度，并将中空纤维膜与中空纤维冷凝管以1:3的比例呈立体交错缠绕编排，形成中空纤维膜管束，再以膜管束为基本填充单元，在膜壳内部平行排布，从而保证了低厚度且可准确计算的空气隙，及较高的膜通量、造水比和热效率。
　　实验以3.5 wt.％模拟标准海水为进水，对该新型膜组件用于海水淡化过程进行了研究。系统考察了膜组件的运行稳定性、热稳定性和性能提升效果，以及料液进水温度（T3）、进水流量（Fh）和冷凝液进水温度（T1）、进水流量（Fc）对AGMD过程性能的影响，并与平板式太阳能集热器形成耦合体系探讨在具体地域利用太阳能热源驱动膜蒸馏过程的可行性。实验结果表明：膜组件运行稳定性良好，连续运行600h情况下，JW、GOR和η均保持较小波动，电导率ζ在后期也逐渐处于5.8μS/cm基本不变；膜组件热损失ΔT始终处于0.3℃-0.6℃，表明传导热损失很小，几乎可忽略不计；与中空纤维平行填充结构相比，螺旋缠绕结构膜组件的JW、GOR和η分别提升19.6%、26.4%和7.9%；T3增加， JW、GOR和η随之增加，T1增加，JW下降而GOR和η增加；Fh增加，JW上升而GOR和η明显下降，Fc对膜蒸馏过程性能影响较小；实验过程产水ζ始终保持在10μS/cm以下，相应的离子去除率ω高于99.99%，JW、GOR和η分别达到5.87 L/m2?h、5.37和0.943；在天津地区的多云和晴朗两种天气条件下太阳能集热装置运行比较稳定，可为AGMD过程提供比较充足的热量。
　　利用面向中心复合实验设计（CCD）和响应曲面法（RSM）对膜蒸馏过程的JW指标进行了模拟优化。建立了JW与T3、T1和F（Fh=Fc）三种影响因子之间的二次多项式回归模型；回归模型的ANOVA检验显示其决定系数R2为0.986， p值低于0.0001而F值和信噪比分别达到77.3、31.7，表明模型具备较高的预测和分析响应可信度；CCD实验JW与预测响应值平均误差仅为6.95%；回归模型的RSM分析显示T3和F增加而T1减小均会导致JW的上升，且T3T1，T3F和T1F对JW的交互影响呈近似线性趋势；引入期望函数得到各影响因子的最佳操作水平为T3=83.5℃，T1=13.2℃，F=60.2 L/h，该条件下的太阳能加热驱动验证实验中膜通量达到6.47 L/m2?h，与预测目标值误差仅为7.57%，表明将太阳能引入AGMD-HF海水淡化过程具有很强的实际应用潜力。

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第一章 引言

第一节 膜蒸馏技术

第二节 空气隙式膜蒸馏过程

第三节 响应曲面法在膜蒸馏技术中的应用

第四节 本文工作

第二章 空气隙式膜蒸馏过程传质传热机理

第一节 传质机理

第二节 传热机理

第三章 AGMD-HF海水淡化过程实验研究

第一节 实验部分

第二节 结果与讨论

第三节 本章小结

第四章 AGMD-HF海水淡化过程的性能模拟与优化

第一节 面向中心复合实验设计(CCD)

第二节 结果与讨论

第三节 本章小结

第五章 结论

第一节 结论

第二节 后续工作建议

参考文献

致谢

个人简历

在学期间发表的学术论文与研究成果