海水直接接触式膜蒸馏过程的通量与污染研究

摘要

膜蒸馏是一种将膜技术与蒸馏技术相结合的新型分离过程，具有广泛的应用场合。直接接触式膜蒸馏是膜蒸馏的一种，其特点决定了这种操作方式最适合于卤水脱盐、海水淡化等透过组分为水的操作。面对目前淡水资源短缺的现状，我国在提倡建设节约型社会的同时，已把发展海水淡化作为有效解决淡水问题的重要方法之一。研究直接接触式膜蒸馏的脱盐过程对于开发新的海水淡化方法与技术具有重要的理论和实际意义。 本论文在选择实用性中空纤维膜的基础上研究探讨直接接触膜蒸馏的浓盐水脱盐和海水持续脱盐的过程，初步探讨膜蒸馏过程的传质、膜污染和膜再生工艺。选择具有良好疏水性能、合适孔径结构的聚丙烯中空纤维膜进行膜蒸馏过程的实验研究。结合高温侧流体的温度极化效应对膜过程影响大这一缺点，设计了错流式的中空纤维膜组件和一套相应的直接接触式膜蒸馏实验装置。 首先通过改变进料液进口温度、进料液流速、冷凝液温度和盐度四个参数，考察了各种实验操作参数对膜的透过通量、脱盐效率、膜过程参数的影响。考察了料液的盐浓度(NaCl，0％-25％)对膜透过通量的影响，结果表明在测试的较低浓度范围内(0％-10％)，料液的浓度对中空纤维直接接触式膜蒸馏的传热与传质影响很小，特别是在错流形式的膜组件内浓度极化效应被最大程度的减弱，以至于料液含盐量在0％-10％的范围内膜通量的变化很小。当料液浓度高于12％时出现膜通量迅速下降的趋势，当料液浓度达到25％时膜的通量下降了约50％。膜的透过通量随着进料液温度的升高而迅速上升，这个变化趋势主要是由温度与水的饱和蒸汽压的关系所决定的。在较高的物料液进口温度和流速范围内，料液流速对膜通量具有显著影响，提高料液温度和流速是提高膜通量的有效方法。 在探索试验的基础上设计了L16(43×26)混合水平正交实验以确定DCMD适宜的操作条件。结果表明直接接触式膜蒸馏的各种参数之间是交互影响的，而且在较高温度和流速范围内各因素之间的相互影响程度更大，较为适宜的操作条件为进料液温度Tf=85℃，进料液流速Vf=150cm/min，冷凝液温度Tc=25℃。 以渤海海水为原料进行了持续的直接接触式膜蒸馏脱盐实验。实验表明：在以生产淡水为目的的膜蒸馏海水淡化中能够保持较高的膜通量(25kg/m2h)，而且在膜通量损失较小的情况下能够从海水中制取较常规技术更高比例的淡水；进一步的浓缩实验表明，膜蒸馏能够比较容易地将海水浓缩至固体盐析出，膜的污染特别是浓缩过程中的膜结垢是膜通量降低的主要因素，在海水的深度浓缩过程中，钙镁结垢和氯化钠结晶共同构成了对膜表面孔的堵塞。探讨了污染膜的清洗方式，盐酸清洗加蒸汽吹扫是膜再生的有效方法。本研究为膜蒸馏海水淡化和海水淡化浓排水化学资源综合利用的技术开发奠定了必要基础。

目录

文摘

英文文摘

声明

前言

第一章文献综述

1.1膜蒸馏概述

1.2膜蒸馏技术的发展历史与现状

1.3膜蒸馏膜

1.3.1拉伸法

1.3.2相转化法

1.3.3表面改性法

1.3.4共混改性法

1.3.5复合膜法

1.4膜蒸馏的传热传质过程

1.5操作条件对传质通量的影响

1.5.1操作温度

1.5.2流体流速

1.5.3料液中不挥发物的浓度和料液的性质

1.5.4膜污染与膜孔润湿

1.6膜蒸馏的应用

1.6.1海水与苦咸水脱盐制备淡水

1.6.2化学物质的回收与浓缩

1.6.3共沸物的分离

1.6.4废水处理

1.6.5膜结晶

1.7课题研究内容与意义

第二章 直接接触式膜蒸馏实验研究

2.1实验仪器及试剂

2.2膜组件的制备

2.3操作流程

第三章 浓盐水直接接触膜蒸馏研究

3.1电极标定及工作曲线的绘制

3.2直接接触式膜蒸馏实验

3.2.1盐浓度对传质和产水通量的影响

3.2.2进料液温度对直接接触式膜蒸馏通量的影响

3.2.3料液流速对直接接触式膜蒸馏通量的影响

3.2.4冷凝液的温度对直接接触式膜蒸馏的影响

3.3正交试验设计

3.4本章小结

第四章 直接接触式膜蒸馏海水淡化和海水深度浓缩实验研究及膜污染分析

4.1结果与讨论

4.2膜清洗方案的确定

4.3本章小结

第五章 结论与展望

5.1结论

5.2展望

参考文献

附录

致 谢