正向滲透工藝脫鹽的效能及影響因素研究

發(fā)布時(shí)間：2020-06-20 04:51

【摘要】：利用膜分離技術(shù)進(jìn)行海水脫鹽是從海水中獲得淡水資源的重要途徑之一。傳統(tǒng)的反滲透膜能夠有效實(shí)現(xiàn)溶質(zhì)和溶劑（水）的分離，但是存在能耗高和膜污染嚴(yán)重等問題。最近，正向滲透（ForwardOsmosis，F(xiàn)O）作為一種新型的膜工藝正在引起人們的廣泛關(guān)注。FO能夠利用溶液自身的滲透壓（而不是外加壓力）驅(qū)動(dòng)水分子和溶質(zhì)物質(zhì)的分離，具有能耗低、效率高、膜污染小等優(yōu)勢(shì)，有可能使海水淡化變得更加簡單、經(jīng)濟(jì)、實(shí)用，因此在海水淡化領(lǐng)域具有潛在的應(yīng)用價(jià)值。然而，目前將正向滲透技術(shù)應(yīng)用到海水淡化處理的研究仍處于探索階段，在國內(nèi)尚未見相關(guān)的研究報(bào)道。尤其是FO中非對(duì)稱結(jié)構(gòu)膜的使用導(dǎo)致了嚴(yán)重的濃差極化以及由于兩側(cè)溶液溫度不同導(dǎo)致的溫度極化，這些因素在很大程度上制約了FO的工程化應(yīng)用。論文考察了FO在水處理領(lǐng)域中的一些可能的潛在應(yīng)用以及可行性。結(jié)果表明，F(xiàn)O對(duì)于Zn~(2+)、Cu~(2+)、Cr~(3+)、Ni~(2+)、Cd~(2+)這幾種重金屬離子具有較高的截留率（99.8%以上），并且對(duì)含鐵含錳水也有較好的處理效果，此外，用FO處理人工配置的海水，對(duì)其中的Mg~(2+)、Na~+、K~+、Ca~(2+)、Cl-、SO42-，也得到了較高的截留效果（98.6%以上），但是在其中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)反應(yīng)20min時(shí)，水通量會(huì)有一個(gè)較大的衰減，而此后水通量則趨于平穩(wěn)。因此，為了緩解FO中的濃差和溫差極化，提高FO的過膜水通量，本課題以FO過程的原理和非對(duì)稱膜結(jié)構(gòu)所引發(fā)的極化現(xiàn)象作為出發(fā)點(diǎn)，研究FO過程中的濃差極化、溫差極化的產(chǎn)生和變化規(guī)律，提出控制濃差極化的有效策略，以及在非等溫條件下的FO熱通量和影響因素，為FO的放大試驗(yàn)和工程化應(yīng)用提供切實(shí)可行的依據(jù)。對(duì)不同膜安裝朝向的FO水通量進(jìn)行比較，結(jié)果表明，活性層（Activelayer）朝向原液（Feedsolution,AL-FS）模式下的稀釋型內(nèi)部濃差極化對(duì)水通量的影響作用要大于活性層朝向汲取液（Drawsolution,AL-DS）模式下支撐層發(fā)生的濃縮型內(nèi)部濃差極化，因此相同實(shí)驗(yàn)條件（CFS=0.0mol/L，CDS=1.0mol/LNaCl，二者流速均為144mL/min）下，AL-DS模式下的水通量17.11Lm~(-2)·h~(-1)，要大于AL-FS模式下的水通量11.68Lm~(-2)·h~(-1)。對(duì)于內(nèi)部濃差極化的控制，水分子在支撐層內(nèi)的擴(kuò)散系數(shù)是控制內(nèi)部濃差極化的關(guān)鍵因素；對(duì)于外部濃差極化，增大斷面流速能夠壓縮膜表面的流體邊界層，因此能夠有效減小外部濃差極化的影響，當(dāng)流速從2.94mL/min提高到144mL/min時(shí)，水通量增加約90%。最后，對(duì)不同溫度條件下的FO水通量進(jìn)行對(duì)比研究，結(jié)果表明，在FS和DS兩側(cè)存在溫度差時(shí)，由于溫度變化導(dǎo)致的FS側(cè)水分子粘度以及擴(kuò)散系數(shù)的變化是影響水通量的關(guān)鍵因素，這主要是因?yàn)樘岣邷囟饶軌蚪档退肿釉跀U(kuò)散層內(nèi)的粘度（降低了39.32%）、提高其擴(kuò)散速率（提高了58.87%）。相比之下，由于溫度變化導(dǎo)致的DS側(cè)溶液滲透壓的變化對(duì)FO過膜水通量的影響并不顯著（DS的滲透壓僅提高了6.83%）。研究還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)膜兩側(cè)存在溫差時(shí)，不可避免地發(fā)生熱傳遞，增大流速會(huì)使膜表面湍流程度加劇，溫差極化邊界層被壓縮，因此邊界層傳熱系數(shù)hFS-BL或hDS-BL數(shù)值隨之增大，膜兩側(cè)傳熱加快；膜表面的溫度相比于低流速時(shí)，更加接近主體溶液的溫度。
【學(xué)位授予單位】：哈爾濱工業(yè)大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2012
【分類號(hào)】：P747
【圖文】：

示意圖,多級(jí)閃蒸,示意圖,原理

將蒸汽經(jīng) 過冷凝，而得到淡水，如圖 1 - 1 。此技術(shù) 是明的一種海水淡化方法，它在降低能耗、防結(jié) 垢方面要優(yōu) 點(diǎn) ，M S F 在海水淡化領(lǐng) 域發(fā) 展非常迅猛。目前，世界上最拉伯的 S h u a i b a 海水淡化廠，日產(chǎn) 淡水 4 6 × 1 04m3。由于，并且不受海水濃度變化的影響，所以它能夠充分利用低水純度高，該技術(shù) 適合火力發(fā) 電廠這種生產(chǎn) 過程中有余熱的行業(yè)[ 5 ]。

流程圖,低溫,多效蒸發(fā),海水淡化裝置