高分子膜錯(cuò)流納濾過(guò)程的理論分析與有限元模擬.pdf

1、目前，水資源短缺和水污染已成為一個(gè)全球性的問(wèn)題。與傳統(tǒng)的水處理方法相比，膜分離技術(shù)具有分離效率高的優(yōu)點(diǎn)，無(wú)相變，無(wú)二次污染。作為一種重要的分離功能膜，納濾膜膜分離技術(shù)因其高滲透通量、低操作壓力、對(duì)高價(jià)離子截留率高等優(yōu)點(diǎn)而受到各國(guó)的普遍重視，但其傳質(zhì)機(jī)理和優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究還有待深入。一方面，由于帶電基團(tuán)的影響，納濾膜分離不僅受離子化學(xué)勢(shì)的影響，還受到電勢(shì)影響。另一方面，在實(shí)際的膜分離過(guò)程中產(chǎn)生的濃差極化會(huì)使納濾膜的滲透通量下降，降低截留效率

2、，從而制約膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用。因此，發(fā)展一種既能描述納濾過(guò)程基本物理現(xiàn)象又具有應(yīng)用價(jià)值的離子截留模型，對(duì)于深入了解納濾膜截留機(jī)理、促進(jìn)納濾技術(shù)的廣泛應(yīng)用具有重要的理論和指導(dǎo)意義。
　　本文首先描述了表征高分子膜納濾的道南-位阻孔模型(DonnanStericPoreModel，DSPM)。該模型在求解域設(shè)置中采用的是擴(kuò)展的Nernst-Planck方程來(lái)描述離子在膜內(nèi)的遷移現(xiàn)象。將膜內(nèi)和膜兩側(cè)的電中性條件與Donnan平衡和空間位阻

3、效應(yīng)結(jié)合，作為膜孔入口和出口的前提條件。利用有限元軟件平臺(tái)COMSOLmultiphyscs，可以對(duì)各種實(shí)驗(yàn)條件下納濾膜電荷性能的影響進(jìn)行仿真。結(jié)合文獻(xiàn)中實(shí)驗(yàn)結(jié)果，可以驗(yàn)證該數(shù)學(xué)模型的合理性和采用有限元方法計(jì)算的可靠性。在一定范圍內(nèi)，滲透通量的增加，膜孔內(nèi)離子濃度的梯度增大即納濾膜對(duì)離子的阻礙作用加大，導(dǎo)致濾出液中離子的濃度減小，離子的截留率增大。隨著溶液濃度的增加，擴(kuò)散作用、對(duì)流作用和電勢(shì)作用對(duì)離子的輸運(yùn)能力都會(huì)增強(qiáng)，使得通過(guò)膜的離子

4、濃度增加，截留率減小。對(duì)二價(jià)離子溶液，其道南效應(yīng)影響較大，納濾膜對(duì)離子的截留率較高，而且濃度對(duì)截留率的影響較小。醋酸纖維素膜CA30的孔徑較大，在低滲透通量條件下截留效果較差。聚酰胺膜AFC40的孔徑較小，等效膜厚較大，在低滲透通量條件下截留性能較好。當(dāng)滲透通量增加到3×10-5m/s時(shí)，AFC40的截留性能趨于穩(wěn)定。經(jīng)磺化處理的聚醚砜膜NTR7450的水溶性和表面活性大大提高，所以NTR7450的體積電荷密度較大，在高滲透通量條件下，

5、其截留性能較好。
　　在DSPM模型基礎(chǔ)上，我們綜述了考慮濃差極化層的CP-DSPM模型、考慮介電效應(yīng)的DSPM&DE模型以及同時(shí)考慮兩種影響因素的PPTM模型。本文作者采用上述四種模型，基于有限元模擬方法獲得了溶液滲透通量與離子截留率的關(guān)系曲線，并開展了比較性分析。濃差極化層和介電效應(yīng)的加入使得模型預(yù)測(cè)更加精確，更加符合物理實(shí)際。針對(duì)錯(cuò)流納濾的孔-極化輸運(yùn)模型(PoresandPolarizationTransportModel

6、，PPTM)用經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ兔枋瞿ど戏饺芤哄e(cuò)流速度場(chǎng)的不足，本文作者采用Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程來(lái)模擬溶液在膜上方自由空間內(nèi)的流動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)了膜內(nèi)傳質(zhì)的DSPM模型、膜上方離子濃度場(chǎng)、膜上方自由空間流場(chǎng)的多場(chǎng)耦合有限元分析。納濾膜作為壓力驅(qū)動(dòng)的膜分離過(guò)程，壓力提高，水通量也隨之提高，截留率增大，濃差極化現(xiàn)象更加明顯。提高流速會(huì)使膜上表面的擴(kuò)散系數(shù)Di,w變大，有助于減小濃差極化和膜污染的影響。由傳統(tǒng)的PPTM模型所得的膜上表