超声场协同平板膜微滤TiO2悬浆液过程

摘要

论文主要针对超声场协同平板膜微滤过程，计算并测量了超声发生器内声场分布状况；通过比较膜稳定性，优选出α-Al2O3陶瓷膜为研究用膜；优化了超声协同膜微滤过程的工艺参数，并探讨了声场分布与超声强化效果的关系。　　基于声学理论，计算了超声发生设备液面水平方向和垂直方向相对声强分布状况。采用超声波声强测量仪测量了超声发生器内实际声场分布及其衰减状况。结果表明，声强在三维空间均存在不均匀分布。声强理论计算值与实测值的对照表明二者具有一定程度的吻合性，说明声场理论计算在一定程度上可以验证实际测量结果。　　针对超声辐照平板膜过程，利用膜通量因子F和截留率R分析膜稳定性的变化情况。在声强为1.04 W.m-2，频率为45 kHz的超声下辐照60 min后，α-Al2O3陶瓷膜的F=1.34，R=0.92，其对超声的耐受力较强，被选为后续研究用膜。　　针对TiO2悬浆液体系，研究了工艺参数对超声协同膜分离过程的影响。优化的工艺条件为：料液浓度1.0 g.L-1，流速0.5 m·s-1，跨膜压差0.04 MPa，膜孔径200 nm，超声功率200 w，超声频率45 kHz。在优化工艺条件下，超声对膜分离过程强化作用显著，超声强化因子E达到1.34，滤饼层质量变化率B达到0.44。　　基于上述优化工艺条件，研究了声强分布对膜分离性能的影响。B和E与声强呈近似正相关关系。膜面平均声强约0.5 w·cm-2时，B超过0.23，E可达1.2左右；膜面平均声强约0.6 W·cm-2时，R超过0.4，E可达1.3左右；膜面平均声强0.01 W·cm-2时，超声场对膜通量几乎无强化效果。为有效利用声能并强化膜微滤过程，膜组件应同向放置、位于换能器区域上方且处于声场近场区内。

目录

文摘

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致谢

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第1章 文献综述

1.1 膜污染、浓差极化及其处理方法

1.2 超声场协同膜微滤过程的研究和应用

1.2.1 超声场作用机制

1.2.2 超声场在膜微滤过程中的应用

1.2.3 超声空化作用的主要影响因素

1.2.4 超声场对膜物理结构的影响

1.3 超声设备声场测量及分布特性

1.3.1 描述超声场的基本物理量

1.3.2 声场理论计算与模拟方法

1.3.3 常见声场测量方法

1.3.4 超声发生器声场及其特性研究现状

1.4 论文研究的主要内容、目的及意义

第2章 实验部分

2.1 实验药品与材料

2.2 实验仪器及设备

2.3 实验工艺与流程

2.3.1 声强测量

2.3.2 膜面声强的测量

2.3.3 超声辐照平板膜

2.3.4 平板膜纯水通量和截留率的测量

2.3.5 超声协同平板膜微滤过程

2.4 测量与计算

2.4.1 声强的测量与及其原理

2.4.2 超声波的衰减

2.4.3 膜通量

2.4.4 膜微滤TiO2悬浆液的截留率

2.4.5 膜通量因子

2.4.6 超声强化因子

2.4.7 膜面滤饼层质量变化率B

第3章 超声场声强、分布及其应用特性

3.1 换能器辐射声场理论计算

3.1.1 近场区

3.1.2 远场区

3.2 声场测量的稳定性

3.2.1 声强随时间的变化

3.2.2 声强随温度的变化

3.2.3 声强随液面高度(H)的变化

3.3 固定超声场中声强分布的测定

3.3.1 长度(X)方向声强分布

3.3.2 宽度(Y)方向声强分布

3.3.3 垂直(H)方向声强分布

3.3.4 声强平面分布图

3.4 声强计算及其与实测值的比较

3.4.1 水平方向

3.4.2 垂直方向

3.5 超声功率和频率对声强及其分布的影响

3.5.1 超声功率的影响

3.5.2 超声频率的影响

3.6 超声波的衰减

3.6.1 TiO2悬浆液中声场的衰减

3.6.2 超声波透过膜后声场的衰减

3.6.3 膜组件中声场的衰减

3.7 超声对平板膜稳定性的影响

3.7.1 膜材质的影响

3.7.2 不同超声功率下声场对膜稳定性的影响

3.7.3 不同超声频率下声场对膜稳定性的影响

3.8 本章小结

第4章 超声场协同平板膜微滤TiO2悬浆液

4.1 操作参数对膜分离性能的作用

4.1.1 料液浓度的影响

4.1.2 料液流速的影响

4.1.3 跨膜压差的影响

4.1.4 膜孔径的影响

4.2 超声参数对膜分离性能的作用

4.2.1 超声功率的影响

4.2.2 超声频率的影响

4.3 声强分布对膜分离性能的作用

4.3.1 长度方向声强分布的影响

4.3.2 宽度方向声强分布的影响

4.3.3 高度方向声强分布的影响

4.3.4 膜组件放置方式的影响

4.3.5 声强方向的影响

4.4 本章小结

总 结

参考文献

攻读硕士学位期间发表论文情况

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