膜蒸馏过程中的膜污染及其抑制技术研究

摘要

膜蒸馏是一项新型膜分离技术,可用于海水和苦咸水淡化,在水溶液的浓缩方面也具有良好的应用前景。然而,溶液中的污染物在膜表面的沉积,即膜污染,是膜蒸馏过程中亟待解决的问题,它极大地限制了膜蒸馏技术的进一步广泛应用。对膜污染及其抑制技术的研究是近几年膜蒸馏领域新兴的研究专题。
　　 本文第一部分以腐植酸+水体系为研究对象,对直接接触式膜蒸馏的膜污染情况进行研究。基于对膜污染过程的分析,并结合膜蒸馏过程的传热传质机理,将膜蒸馏过程的“总传质阻力”分解为四部分:热侧边界层阻力、污染层阻力、膜相阻力和冷侧边界层阻力,推导出了污染层阻力的表达式。同时,在不同操作条件和不同膜材质下,实验测定了腐植酸悬浮液直接接触式膜蒸馏过程的膜通量变化,并利用导出污染层阻力表达式计算确定了污染层阻力随时间的增长情况。实验和计算结果表明:随着温度、浓度的升高和流量的增大,通量的下降会加快,污染层阻力增长速度加快。另外,溶液中钙离子浓度的提高会引起膜通量下降加快,即污染层阻力增长加快； PTFE平板膜要比PVDF膜的通量大。另外,利用清水对受污染的膜表面进行清洗,实验结果表明,这种方法能够有效去除膜表面的污染物,使跨膜通量得到较大程度的恢复,且清洗时间越长、用水量越大,清洗效果越好。
　　 本文第二部分重点研究了气体反冲洗对膜蒸馏浓缩中药提取液过程中膜污染的抑制作用,考察了反冲洗气量、反冲洗时间、反冲洗时间间隔对膜污染的抑制效果。结果表明,气体反冲洗能够明显抑制由料液中的各种污染物引起的膜污染；气体反冲洗时间越长、反冲洗气量越大、反冲洗时间间隔越小,则气体反冲洗抑制膜污染的效果越好；在反冲洗时间2min、反冲洗气量为2 L-min-1和反冲洗时间间隔为20 min的条件下,实验进行250 min时气体反冲洗能够维持膜通量在膜清水通量的80％以上。另外,通过对渗透液产量和反冲洗效率两个评价指标进行分析,推导出了最佳反冲洗时间间隔的理论表达式,并利用反冲洗效率的计算结果,分别讨论了各种因素反冲洗效果的影响。

目录

文摘

英文文摘

Contents

符号说明

第一章 文献综述

1.1 腐植酸悬浮液的膜蒸馏过程

1.1.1 膜蒸馏介绍

1.1.2 直接接触式膜蒸馏中传热传质

1.1.3 膜污染过程机理

1.1.4 膜污染机理研究进展

1.1.5 腐植酸介绍

1.2 膜过程中膜污染的抑制技术研究

1.2.1 膜污染的清洗抑制作用

1.2.2 膜蒸馏浓缩中药提取液过程膜污染的气体反冲洗抑制

1.3 气体反冲洗抑制膜蒸馏膜污染过程的条件优化研究

1.4 本论文工作的提出

1.5 本论文创新点

第二章 腐植酸悬浮液膜蒸馏过程的膜污染研究

2.1 理论推导

2.1.1 传热区域的温度分布

2.1.2 跨膜传质阻力分析

2.2 实验部分

2.2.1 实验装置流程图

2.2.2 实验仪器

2.2.3 实验材料

2.2.4 实验内容及步骤

2.3 实验结果与讨论

2.3.1 温度对膜污染程度的影响

2.3.2 浓度对膜污染程度的影响

2.3.3 流量对膜污染程度的影响

2.3.4 无机盐对膜污染程度的影响

2.3.5 膜材质对膜污染程度的影响

2.4 膜清洗

2.4.1 不同清洗时间下的膜清洗

2.4.2 不同清洗流量下的膜清洗

2.5 膜的形态及结果分析

2.6 本章小结

第三章 膜蒸馏浓缩中药提取液过程膜污染的气体反冲洗抑制

3.1 实验部分

3.1.1 实验装置流程图及原理图

3.1.2 实验仪器及药品

3.1.3 实验内容

3.2 实验结果与讨论

3.2.1 气体反冲洗对膜污染的抑制作用

3.2.2 反冲洗气量对膜污染的影响

3.2.3 反冲洗时间对膜污染的影响

3.2.4 反冲洗时间间隔对膜污染的影响

3.3 本章小结

第四章 气体反冲洗过程的优化研究

4.1 气体反冲洗条件及评价

4.1.1 反冲洗操作条件

4.1.2 反冲洗的评价指标

4.2 反冲洗方程的推导

4.2.1 膜组件生产能力

4.2.2 膜的反冲洗效率

4.3 气体反冲洗结果优化分析

4.3.1 膜组件生产能力结果分析

4.3.2 膜的反冲洗效率结果分析

4.4 本章小结

第五章 结论

参考文献

致谢

研究成果及发表的学术论文

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