死端過濾中空纖維膜系統(tǒng)過濾模型研究.pdf

1、中空纖維膜具有結構簡單、分離效率高、裝填密度小、成本和操作費用低以及應用靈活等優(yōu)勢，在污水和飲用水處理領域受到越來越多的關注。然而膜污染的存在使得中空纖維膜系統(tǒng)過濾性能受到嚴重影響，膜污染已成為制約中空纖維膜分離技術發(fā)展的關鍵因素。數(shù)學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。現(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，尚未考慮到中空纖維膜腔內(nèi)流體加速造成的動壓損失對流體流動阻力的

2、影響，削弱了模型模擬結果的準確度。另外，模型均是基于商業(yè)或開源計算流體力學(CFD)軟件進行求解，CFD過程復雜，需要輸入多個邊界條件才能運行，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。
　　本研究以流體力學和膜過濾理論為基礎，構建了一個描述死端過濾中空纖維膜過濾過程的數(shù)學模型，在模型構建時同時考慮了膜腔內(nèi)摩擦造成的壓力損失和流體加速造成的動壓損失在膜長度方向上的累積，并以此模型為基礎解析死端過濾中空纖維膜

3、系統(tǒng)過濾特征參數(shù)及膜污染的時空分布規(guī)律，確定影響系統(tǒng)過濾性能的關鍵因子，為中空纖維膜系統(tǒng)的優(yōu)化提供了科學依據(jù)。研究發(fā)現(xiàn)，模型模擬結果很好地吻合了實驗結果，通過增加膜腔內(nèi)動壓損失對流體流動阻力的影響，模型模擬結果與實驗結果吻合度明顯提高。在進行模型求解時，死端處跨膜壓差的確定是模型得以求解的關鍵。本研究提出了一種以二分法為基礎的死端處跨膜壓差的反向迭代計算法，該解法效率高，適用范圍廣，對恒流和恒壓運行模式、不同膜污染機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)的時空分布規(guī)律。研究發(fā)現(xiàn)，隨著過濾時間的增加，膜長度方向上各點處膜污染均逐漸加劇;而任意時間時，膜長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、點通量及軸向流速在膜長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。隨著過濾時間的增加，近出水端部分點通量逐漸降低，近死端部分點通量

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

6、徑、運行通量及污染物質濃度對運行壓力的影響逐漸增大，而膜長度及膜固有阻力對運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)點通量在膜長度方向上的分布均勻度隨過濾時間的增加而逐漸增加。膜長度越小、膜內(nèi)徑越大、運行通量越高、污染物質濃度越高，則點通量分布均勻度越高，系統(tǒng)膜污染趨勢越低。另外，隨著過濾時間的增加，膜內(nèi)徑、運行通量及污染物質濃度對點通量分布均勻度的影響均呈現(xiàn)先增加后減小的趨勢，而膜長度對點通量分布均勻度的影響逐漸減