卷式反渗透膜污染轴向分布及清洗过程的可视化研究

摘要

在反渗透膜分离过程中，膜污染始终是反渗透技术的瓶颈。这使发展一种实时、在线无损监测技术精密监测膜污染及清洗过程具有非常重要的现实意义。超声时域反射技术(UTDR)作为一种实时在线监测技术在膜分离过程中的应用引起了人们广泛兴趣。本文发展多探头超声实时监测与超声信号声强法在线监测卷式反渗透膜元件轴向污染及清洗过程，并通过独立膜性能、重量分析和扫描电镜分析对超声监测结果验证分析，得到了如下研究结果。
　　 首先，超声波在线监测卷式反渗透膜污染轴向分布。研究采用了三个2.25MHZ高频聚焦探头和RE-4021TL型卷式反渗透膜组件，污染液为2.0 g/L硫酸钙。结果表明，超声信号能够穿透组件外壳而进入多层膜结构，观察发现随膜表面污染沉积而超声信号发生系列有序变化。此外，随膜表面污染物沉积、结构变化及污染层形成，声强不断减小至最低，后期趋于稳定。研究还发现沿进料液流动方向，声强变化结果显示污染物优先靠近出口处沉积，越靠近出口，信号变化幅度越大，污染越严重。这是由于沿轴向不断加剧浓差极化所致。
　　 其次，超声波在线监测不同浓度下卷式反渗透膜元件浓差极化及污染过程。研究分别采用2.0 g/L和1.0 g/L硫酸钙为污染液。结果表明，沿进料液流动方向，信号变化诱导期趋于变短。同时只有达到相应信号诱导期后，污染物方开始沉积。而且，污染物优先靠近出口处沉积；越靠近料液出口，信号变化幅度越大，污染越严重。与1.0 g/L污染实验相比，同位置2.0 g/L信号变化诱导期更短，变化幅度更大，污染更快更严重。这与膜面料液浓差极化及过饱和程度相一致。
　　 最后，超声波在线监测卷式反渗透膜元件清洗过程。以接近膜元件出口TD3探头超声结果为例，清洗阶段包括纯水冲洗、浸洗与酸洗三部分。结果表明，在清洗阶段，随着膜通量恢复超声信号均表现出一致性，揭示了超声监测卷式膜清洗过程的可行性，独立的膜性能、SEM以及重量分析等结果证实了超声监测结果。
　　 综上所述，本文通过超声时域反射技术(UTDR)及信号拟合量化模型监测为反渗透膜系统及膜元件设计优化和清洗策略提供一种有效的量化方法。

目录

文摘

英文文摘

学位论文的主要创新点

第一章 概 述

1.1 研究背景

1.2 研究目的

1.3 研究内容

第二章 文献综述

2.1 反渗透膜分离技术

2.1.1 膜分离技术发展

2.1.2 反渗透膜分离技术发展

2.2 反渗透膜分离技术应用

2.3 反渗透膜污染及清洗

2.3.1 浓筹极化

2.3.2 沉淀污染

2.3.3 金属氧化物和胶体沉积

2.3.4 吸附污染

2.3.5 生物污染

2.3.6 反渗透膜清洗

2.4 反渗透膜污染及清洗机理研究

2.5 膜污染及清洗的无损检测

2.6 超声时域反射法(UTDR)

2.6.1 UTDR监测原理

2.6.2 UTDR监测技术在膜分离领域应用

第三章 卷式反渗透膜污染轴向分布在线监测

3.1 本章内容

3.2 实验部分

3.2.1 膜材料及膜组件

3.2.2 实验装置

3.2.3 污染实验

3.2.4 膜通量与截留率计算

3.2.5 声强拟合及计算模型

3.2.6 重量分析与扫描电镜分析

3.2 结果与讨论

3.3.1 膜污染轴向分布通量与截留率变化

3.3.2 膜污染轴向分布超声时域反射信号分析

3.3.3 膜污染轴向分布拟合声强量化分析

3.3.4 重量分析与SEM分析

3.4 本章小结

第四章 不同浓度处理液下浓差极化及膜污染过程在线监测

4.1 本章内容

4.2 实验部分

4.2.1 膜材料及膜组件

4.2.2 污染液的配置

4.2.3 实验装置及操作条件

4.2.4 膜通量与截留率计算

4.2.5 声强拟合及计算模型

4.2.6 重量分析与扫描电镜分析

4.2.7 不同浓度下浓差极化的研究

4.3 结果与讨论

4.3.1 不同浓度处理液下膜污染过程传统膜性能表征

4.3.2 超声信号拟合声强量化分析

4.3.3 重量分析和SEM分析

4.3.4 不同浓度下浓差极化研究

4.4 本章小结

第五章 超声波在线监测卷式反渗透膜清洗

5.1 本章内容

5.2 实验部分

5.2.1 膜材料及膜组件

5.2.2 污染液的配置

5.2.3 实验装置及实验操作条件

5.2.4 膜通量与截留率计算

5.2.5 声强拟合及计算模型

5.2.6 扫描电镜分析

5.2.7 清洗实验

5.3 结果与讨论

5.3.1 清洗实验超声时域反射信号分析

5.3.2 清洗实验拟合声强与通量的量化分析

5.3.2 清洗实验SEM分析

5.4 本章小结

第六章 结论及下一步研究建议

6.1 结 论

6.2 下一步研究建议

参考文献

发表论文和参加科研情况说明

一、在校期间发表论文

二、参加科研项目

致谢