高频电磁场作用下的RO膜污染特性及清洗预测研究

摘要

反渗透（RO）膜因其具有非常小的孔径可以有效去除水中溶解盐类、胶体、微生物、有机物等，目前在食品、电力及废水处理等行业有着广泛的应用。但在运行过程中由于膜元件表面杂质的吸附与沉积，不可避免的导致膜性能下降。当前处理膜污染的主要方法是投加阻垢剂和定期清洗，但这两种方法在一定程度上会增加支出成本，造成环境污染，且定期清洗会增加膜的清洗次数，损害膜内结构，因此寻找更有效的方法来治理膜污染已经成为研究热点。大量研究表明电磁场具有除垢、抑垢功能，开展电磁场治理膜污染的研究是一种有益的尝试。而目前这方面的研究仍存在不足，理论基础与实验研究还不完善，所以开展高频电磁场作用下的RO膜污染特性及清洗预测研究，对于RO膜技术的发展具有重要的理论与实际意义。 首先，分析了膜的污染过程及电磁作用机理，以RO非平衡热力学模型为基础，结合Kern-Seaton和Helmholtz液-固模型，采用膜通量作为量化指标，建立了有无电磁场作用下的关键流体参数与RO膜污染关系模型。模拟结果表明：电磁场作用下膜通量明显提高，磁化效果会随着可溶物浓度和流速的变化发生改变。这对电磁抑垢装置的研制和膜污染实验的开展起到了指导作用。 其次，依托RO膜污染模型的模拟参量，研制了高频电磁抑垢装置，同时设计并制作了RO膜污染实验平台，并开展了有无电磁场作用下的双回路膜污染循环对比实验。结果表明高频电磁场有效提高了RO膜产水品质，改善了RO膜分离性能，在实验中膜通量和脱盐率最高分别提升了64%和26.4%；通过膜面SEM图像分析发现，经过磁化作用后膜表面CaCO3晶体主要以文石状态存在，而未经电磁场作用下的膜表面CaCO3晶体主要是方解石状态；同时由膜污染清洗周期发现，与未经电磁场作用下的膜相比，经电磁场作用后，保持流速一定，可溶物浓度在0.8g/L-6.0g/L范围内清洗效率平均提高了18.3%，保持可溶物浓度一定，流速在0.6m/s-1.2m/s范围内清洗效率平均提高了21.5%。 最后，以RO膜污染模型和相关实验数据为基础，针对定期清洗带来的膜清洗次数多的问题，设计了一套RO膜清洗预测系统。通过对比验证RO膜实际清洗时间与预测清洗时间，发现该系统的预测精度较好，有无电磁场作用下的平均绝对误差分别为0.6和0.7，符合行业要求，这对RO膜清洗时间具有一定的理论参考价值，对降低膜的清洗频率有着实际意义。

目录

第1章 绪 论

1.1 课题研究的背景及意义

1.2 国内外研究现状

1.2.1 膜预处理法

1.2.2 膜材料改性法

1.2.3 膜清洗法

1.2.4 电磁法研究现状

1.2.5 文献解析

1.3 主要研究内容

第2章 RO膜污染电磁抑垢机理

2.1 RO膜分离技术基本原理

2.2 RO膜污染形成原因

2.2.1 浓差极化

2.2.2 膜面结垢

2.2.3 电磁对CaCO3污垢作用机理

2.3 电磁作用下膜通量仿真研究

2.3.1 电磁作用下膜通量数学模型

2.3.2 膜通量数值仿真分析

2.4 本章小结

第3章 电磁膜污染实验系统设计

3.1 高频电磁抑垢装置的研制

3.1.1 波形选取

3.1.2 信号发生器

3.1.3 功率放大器

3.1.4 抑垢装置的基本参数及原理

3.2 膜污染实验平台的设计

3.2.1 RO膜组件的选取

3.2.2 实验平台设计及其工作原理

3.2.3 实验材料与设备

3.3 实验方案

3.3.1 实验操作流程

3.3.2 膜性能评价指标及计算方法

3.4 本章小结

第4章 电磁场作用下膜污染实验数据分析

4.1 电磁场对RO膜产水品质的影响

4.1.1 电磁场对电导率（EC）的影响

4.1.2 电磁场对可溶物总量（TDS）的影响

4.2 电磁场对膜分离性能的影响

4.2.1 电磁场对膜通量（J）的影响

4.2.2 电磁场对脱盐率（SR）的影响

4.3 电磁场对膜表面结垢的影响及清洗分析

4.3.1 RO膜表面结垢分析

4.3.2 RO膜清洗周期

4.4 本章小结

第5章 RO膜清洗预测系统设计

5.1 系统设计总体方案

5.1.1 系统参数的确定

5.1.2 系统界面的创建

5.2 实验验证

5.2.1 清洗预测方法

5.2.2 数据验证

5.3 本章小结

结论

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果

声明

致谢