纳滤过程浓差极化行为特征与LIF-PIV可视化表征研究

摘要

浓差极化（concentration polarization，CP）是影响纳滤效能的重要因素之一，通过增加截留在膜表面污染物质的浓度，提高膜阻渗透压、增加水分子传递阻力、降低截留率，进而加速膜污染的发生。本文利用激光诱导荧光(Laser Induced Fluorescence， LIF）和粒子图像测速(Particle Image Velocimetry，PIV）技术，建立可原位表征纳滤膜表面浓差极化发展过程的方法，准确确定不同溶质分离过程中浓差极化的特征参数与影响因素，为深入理解纳滤浓差极化过程与认知浓差极化机理及控制机制提供理论依据。
　　在错流式过滤条件下研究了纳滤分离天然有机物（natural organic matter， NOM）过程浓差极化发生行为与特征。采用不同浓差极化模型，结合纳滤通量衰减曲线特征，对比分析了浓差极化稳定层传质系数、厚度、膜表面浓度与浓差极化稳定化时间等计算值，确定了利用非平衡热力学模型计算传质系数的方法。考察了膜孔径、溶质浓度、错流速度和跨膜压差等操作条件对膜通量衰减与浓差极化层中传质系数的相关性，结果表明纳滤过程中影响膜通量衰减的主要影响因素是初始浓度，而影响浓差极化特征的主要因素为错流速度。
　　研究分析了不同进水基质下浓差极化层传质系数、稳定化时间与阻力等特征参数，结果表明亲水性多糖类有机物海藻酸钠（sodium alginate，SA）形成的浓差极化层传质系数（7.69~28.81×10-4 cm/s）显著低于相同操作条件下腐殖酸（humic acid，HA）类的（2.06~4.72×10-3 cm/s），海藻酸钠溶液会造成极化层内较大的溶质传递比阻。不仅如此，纳滤分离 SA过程中，浓差极化稳定速率也较快，约20 min内稳定，主要原因是多糖类物质溶质分子间较大的作用力造成的。快速形成的高比阻浓差极化层可加速生成表面密实的凝胶层，促进膜污染的迅速发生。研究还表明浓差极化层比阻占膜污染总比阻的比例受溶质浓度、错流速度和跨膜压差的综合影响。
　　在可视化错流式纳滤系统中，建立了 LIF-PIV技术与研究方法，成功实现了溶质分离阶段纳滤表面浓差极化层的可视化表征。分别采用示踪粒子与荧光试剂对浓差极化层的速度场与浓度场进行可视化表征，进而准确确定过滤过程中浓差极化层的稳态浓度与厚度。结果表明纳滤分离 HA过程中，浓差极化层稳定后的浓度为初始浓度的2~5倍，其厚度分布在15~30μm。提高错流速度可以缓解浓差极化层的形成，当进水浓度为10 mg/L，错流速度从0.83 cm/s增加到2.50 cm/s时，过滤前5 min沉积的浓度从11.94 mg/L下降到10.33 mg/L，稳定后的CP层内HA浓度从29.57 mg/L降低到25.40 mg/L，这主要是由于增加的水力剪切力和加剧的分子扩散造成的。

目录

第1章 绪 论

1.1 研究背景及课题来源

1.2 国内外研究现状

1.3 研究目的和意义

1.4 研究内容与技术路线

第2章 试验材料与方法

2.1 试验材料

2.2 试验装置与试验方案

2.3 检测方法

第3章 纳滤浓差极化发生行为与数值计算

3.1 纳滤膜基本特征研究

3.2 纳滤浓差极化行为模型分析

3.3 纳滤浓差极化主要影响因素研究

3.4 本章小结

第4章 纳滤浓差极化特征参数与影响因素

4.1 浓差极化层的传质系数计算

4.2 浓差极化层的稳定时间分析

4.3 浓差极化形成的阻力分析

4.4 本章小结

第5章 基于LIF-PIV的浓差极化可视化表征

5.1 可视化系统的搭建

5.2 浓差极化层浓度场可视化研究

5.3 浓差极化层速度场可视化研究

5.4 本章小结

结论

参考文献

声明

致谢