高分子超-納濾膜分離過(guò)程的數(shù)值模擬.pdf

1、淡水資源的缺乏已經(jīng)成為世界性的問(wèn)題。膜分離技術(shù)因其過(guò)程無(wú)相變、無(wú)二次污染、分離效率高等優(yōu)點(diǎn)而受到各國(guó)的普遍重視。然而,在膜分離過(guò)程中,物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子在膜上發(fā)生的吸附、孔堵、濃差極化和濾餅層的形成導(dǎo)致膜通量下降,分離效率降低,嚴(yán)重制約著膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用。本文針對(duì)超濾膜過(guò)濾過(guò)程中的污染現(xiàn)象,建立數(shù)學(xué)模型,對(duì)污染過(guò)程進(jìn)行了定量的分析,同時(shí)對(duì)納濾過(guò)程的離子截留率進(jìn)行了研究,提出了膜分離過(guò)程的規(guī)律。
　　 針對(duì)死端超濾

2、過(guò)程中高分子膜表面活性層的污染,在膜污染機(jī)理分析的基礎(chǔ)上,結(jié)合連續(xù)性方程,建立了基于Darcy定律、對(duì)流擴(kuò)散方程及吸附動(dòng)態(tài)方程的污染過(guò)程數(shù)學(xué)模型,分析得到滲透率與粒子直徑、母液濃度、濾餅層孔隙率、沉積量、膜初始孔隙率的關(guān)系。采用有限元模擬方法,得到了膜厚度方向滲透通量的時(shí)空演變特點(diǎn),分析了膜滲透通量減小的原因,并揭示了溶液性質(zhì)及膜物性參數(shù)對(duì)膜滲透通量的影響規(guī)律,得到以下結(jié)論:污染物在膜上的沉積和濾餅層孔隙率的下降是導(dǎo)致滲透通量下降的根本

3、原因;由于膜上層污染較下層嚴(yán)重,導(dǎo)致膜的滲透率上層減小比下層快;在膜的上層部分,壓力梯度隨過(guò)濾時(shí)間增加,在膜的下層部分,壓力梯度隨過(guò)濾時(shí)間減小;母液濃度越大,沉積物粒徑越小,對(duì)膜的污染越嚴(yán)重;吸附速率越大,解吸附速率越小,對(duì)膜的污染越嚴(yán)重。
　　 相對(duì)于死端超濾,由于錯(cuò)流超濾的自由空間內(nèi)流體對(duì)膜表面有剪切力的作用,其滲透率在管道長(zhǎng)度方向是變化的。針對(duì)錯(cuò)流超濾的特點(diǎn),在膜的上層部分引入了流體自由流動(dòng)空間,用Navier-Stoke

4、s方程來(lái)描述。在自由空間和膜的界面處,用流體的連續(xù)性將自由空間和膜介質(zhì)的流場(chǎng)進(jìn)行了耦合。膜的污染描述,基于死端超濾建立起來(lái)的污染模型,結(jié)合文獻(xiàn)中的數(shù)據(jù),對(duì)吸附速率系數(shù)和解吸附速率系數(shù)進(jìn)行了數(shù)值擬合,建立了描述完整錯(cuò)流超濾污染過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。采用有限元模擬方法,分析了不同入口速率下高分子超濾膜的跨膜壓力、沉積量和滲透通量沿管道長(zhǎng)度方向的變化情況,并對(duì)膜內(nèi)滲透率、壓力梯度和沉積量在膜厚度方向的變化進(jìn)行了分析,得到以下結(jié)論:流體的入口速率越大

5、,形成的跨膜壓力越大,同時(shí)在膜表面形成的剪切作用越大,使膜上的沉積量越小,滲透通量越大;但是,入口速率越大,在工藝操作中會(huì)消耗越多的能量;在實(shí)際生產(chǎn)中,宜根據(jù)所需的污水處理效率和成本要求,選擇合適的入口速率;錯(cuò)流超濾膜內(nèi)的滲透率、壓力梯度和沉積量在膜厚度方向的變化表現(xiàn)出與死端超濾相似的規(guī)律性。
　　 納濾膜是一種荷電壓力驅(qū)動(dòng)膜,其對(duì)無(wú)機(jī)鹽的分離作用不僅僅受化學(xué)勢(shì)控制,同時(shí)也受到電勢(shì)的影響,分離機(jī)理更為復(fù)雜。本文采用Nernst-

6、Planck方程來(lái)描述由于擴(kuò)散、對(duì)流及電場(chǎng)作用引起的離子在膜內(nèi)的遷移現(xiàn)象,得到離子在膜孔軸向濃度梯度的微分方程;由Gouy-Chapman理論得到膜內(nèi)體積電荷密度,并通過(guò)膜內(nèi)和膜兩側(cè)的電中性條件以及Donnan平衡和空間位阻效應(yīng),得到膜孔入口和出口的邊界條件,由微分方程和得到的邊界條件可以得到離子在膜孔軸向的分布情況。由于濾出液中離子濃度影響微分方程的求解,因此需要將求得的濾出液濃度與微分方程耦合重新迭代計(jì)算,直至得到收斂解。借助COM

7、SOLMultiphysics軟件平臺(tái)實(shí)現(xiàn)了耦合計(jì)算,通過(guò)有限元方法,得到了NF-45膜對(duì)KCl溶液和MgSO4溶液的離子截留率,并與文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比,驗(yàn)證了數(shù)學(xué)模型和計(jì)算方法的可靠性。對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行深入分析,發(fā)現(xiàn)離子截留率隨電解質(zhì)溶液滲透通量的增加而增大,但是對(duì)于溶液濃度小的電解質(zhì)溶液,離子截留率增加得快,同時(shí),隨著電解質(zhì)溶液濃度的增加,離子的截留率不斷減小;陰離子相同而陽(yáng)離子不同的電解質(zhì)溶液,截留率隨陽(yáng)離子擴(kuò)散系數(shù)的增大而減