死端過濾中空纖維膜系統(tǒng)過濾模型研究.pdf

1、中空纖維膜具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、分離效率高、裝填密度小、成本和操作費(fèi)用低以及應(yīng)用靈活等優(yōu)勢(shì)，在污水和飲用水處理領(lǐng)域受到越來越多的關(guān)注。然而膜污染的存在使得中空纖維膜系統(tǒng)過濾性能受到嚴(yán)重影響，膜污染已成為制約中空纖維膜分離技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。數(shù)學(xué)模型是研究中空纖維膜污染、優(yōu)化中空纖維膜系統(tǒng)過濾性能的重要手段?，F(xiàn)有的死端過濾中空纖維膜過濾模型多以Hagen-Poiseuill方程為基礎(chǔ)，尚未考慮到中空纖維膜腔內(nèi)流體加速造成的動(dòng)壓損失對(duì)流體流動(dòng)阻力的

2、影響，削弱了模型模擬結(jié)果的準(zhǔn)確度。另外，模型均是基于商業(yè)或開源計(jì)算流體力學(xué)(CFD)軟件進(jìn)行求解，CFD過程復(fù)雜，需要輸入多個(gè)邊界條件才能運(yùn)行，而這些邊界條件一般情況下是未知的，因此使用起來并不方便或誤差較大。
　　本研究以流體力學(xué)和膜過濾理論為基礎(chǔ)，構(gòu)建了一個(gè)描述死端過濾中空纖維膜過濾過程的數(shù)學(xué)模型，在模型構(gòu)建時(shí)同時(shí)考慮了膜腔內(nèi)摩擦造成的壓力損失和流體加速造成的動(dòng)壓損失在膜長(zhǎng)度方向上的累積，并以此模型為基礎(chǔ)解析死端過濾中空纖維膜

3、系統(tǒng)過濾特征參數(shù)及膜污染的時(shí)空分布規(guī)律，確定影響系統(tǒng)過濾性能的關(guān)鍵因子，為中空纖維膜系統(tǒng)的優(yōu)化提供了科學(xué)依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，模型模擬結(jié)果很好地吻合了實(shí)驗(yàn)結(jié)果，通過增加膜腔內(nèi)動(dòng)壓損失對(duì)流體流動(dòng)阻力的影響，模型模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合度明顯提高。在進(jìn)行模型求解時(shí)，死端處跨膜壓差的確定是模型得以求解的關(guān)鍵。本研究提出了一種以二分法為基礎(chǔ)的死端處跨膜壓差的反向迭代計(jì)算法，該解法效率高，適用范圍廣，對(duì)恒流和恒壓運(yùn)行模式、不同膜污染機(jī)理作用下死端過濾中空

4、纖維膜過濾模型均適用。
　　基于上述死端過濾中空纖維膜過濾模型和數(shù)值解計(jì)算方法，研究模擬了中空纖維膜污染及系統(tǒng)各過濾特征參數(shù)的時(shí)空分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著過濾時(shí)間的增加，膜長(zhǎng)度方向上各點(diǎn)處膜污染均逐漸加劇;而任意時(shí)間時(shí)，膜長(zhǎng)度方向上從死端到出水端，膜污染程度均逐漸增加。另外，各過濾參數(shù)跨膜壓差、點(diǎn)通量及軸向流速在膜長(zhǎng)度方向上的分布均呈現(xiàn)出從死端到出水端逐漸升高的規(guī)律。隨著過濾時(shí)間的增加，近出水端部分點(diǎn)通量逐漸降低，近死端部分點(diǎn)通量

5、逐漸升高，同時(shí)膜長(zhǎng)度方向上存在部分區(qū)域，點(diǎn)通量呈現(xiàn)先升高到達(dá)峰值后再逐漸下降的趨勢(shì)。膜長(zhǎng)度方向上不同位置處跨膜壓差均隨過濾時(shí)間的增加而逐漸升高。對(duì)于軸向流速，死端和出水端處在整個(gè)過濾過程保持不變，而其他位置處則隨著過濾時(shí)間的增加逐漸升高。
　　死端過濾中空纖維膜系統(tǒng)運(yùn)行壓力隨過濾時(shí)間的增加而逐漸增加。膜長(zhǎng)度越小、膜內(nèi)徑越大、膜固有阻力越低、運(yùn)行通量越低、污染物質(zhì)濃度越低時(shí)，系統(tǒng)運(yùn)行壓力越低，能耗越小。另外，隨著過濾時(shí)間的增加，膜內(nèi)

6、徑、運(yùn)行通量及污染物質(zhì)濃度對(duì)運(yùn)行壓力的影響逐漸增大，而膜長(zhǎng)度及膜固有阻力對(duì)運(yùn)行壓力的影響程度基本不發(fā)生變化。另外，死端過濾中空纖維膜系統(tǒng)點(diǎn)通量在膜長(zhǎng)度方向上的分布均勻度隨過濾時(shí)間的增加而逐漸增加。膜長(zhǎng)度越小、膜內(nèi)徑越大、運(yùn)行通量越高、污染物質(zhì)濃度越高，則點(diǎn)通量分布均勻度越高，系統(tǒng)膜污染趨勢(shì)越低。另外，隨著過濾時(shí)間的增加，膜內(nèi)徑、運(yùn)行通量及污染物質(zhì)濃度對(duì)點(diǎn)通量分布均勻度的影響均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢(shì)，而膜長(zhǎng)度對(duì)點(diǎn)通量分布均勻度的影響逐漸減