納濾濃縮和脫鹽的傳質(zhì)過(guò)程研究

1、南京工業(yè)大學(xué)博士學(xué)位論文納濾濃縮和脫鹽的傳質(zhì)過(guò)程研究姓名：楊剛申請(qǐng)學(xué)位級(jí)別：博士專業(yè)：化學(xué)工程指導(dǎo)教師：徐南平時(shí)鈞2002.5.1摘要DK4040C納濾膜的電荷密度明顯高于CA2020。上述的膜結(jié)構(gòu)和膜性能表征表明，這兩種納濾膜具有不同的潛在應(yīng)用領(lǐng)域。DK4040C納濾膜適合于小分子中性有機(jī)物體系的尺寸篩分和脫鹽(NaCl等單價(jià)電解質(zhì))，CA2020納濾膜適合于截留較大分子量的溶質(zhì)，以及較大分子有機(jī)物溶液體系的脫鹽。NT染料水溶液納濾濃

2、縮和脫鹽過(guò)程的研究根據(jù)模型表征結(jié)果，本文采用CA卷式納濾膜進(jìn)行了NT(商品名)染料水溶液濃縮和脫鹽過(guò)程的實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，在溫度304K一3lOK和壓力18MPa下，NT成分的表觀截留率達(dá)到998％以上，NT含量從014molL。濃縮到025molL～，NaCl濃度從105molL’1降到O023molL一。根據(jù)對(duì)濃縮過(guò)程中滲透流率、NaCl表觀截留率以及膜污染的考察，認(rèn)為在濃縮過(guò)程中膜表面形成了凝膠層，也可能形成了沉積層。根據(jù)上述實(shí)

3、驗(yàn)考察的結(jié)果以及深入的理論分析，本文建立了高濃度染料水溶液納濾過(guò)程的物理模型。該模型認(rèn)為在高分子膜表面形成了具有溶質(zhì)截留能力的二次膜層。NaCl主要通過(guò)擴(kuò)散傳遞透過(guò)膜層，二次膜層和濃差極化層的厚度都發(fā)生變化，這些是該模型的主要特征，是引起滲透流率下降和截留率上升的主要原因。本文由此建立了相應(yīng)的納濾過(guò)程數(shù)學(xué)模型。在擴(kuò)散傳遞控制的納濾過(guò)程中將NaCI的濃差極化層傳質(zhì)系數(shù)與滲透流率相關(guān)聯(lián)，得到簡(jiǎn)潔的經(jīng)驗(yàn)式。該關(guān)系式與簡(jiǎn)化的SK方程以及Donn

4、an效應(yīng)相結(jié)合的結(jié)果表明，采用這種方法描述NT溶液的納濾過(guò)程，符合膜過(guò)程理論，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果具有良好的一致性，因而這種方法對(duì)類似的納濾工藝設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)意義。通過(guò)模擬分析，本文對(duì)工業(yè)規(guī)模的納濾濃縮和脫鹽裝置所需要的膜面積和去離子水的使用量進(jìn)行了評(píng)估，表明充分利用Donnan效應(yīng)促進(jìn)脫鹽過(guò)程，有利于減少納濾裝置膜面積、用水量以及能耗，并得到了優(yōu)化的工藝設(shè)計(jì)參數(shù)。該結(jié)果與工業(yè)實(shí)際運(yùn)行結(jié)最相吻合，表現(xiàn)出良好的實(shí)用價(jià)值。綜上所述，y本文工作從研究卷式

5、納濾膜元件內(nèi)的濃差極化入手，從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)角度考察了濃差極化現(xiàn)象，得到了可信的結(jié)論，為進(jìn)一步的傳質(zhì)過(guò)程研究奠定了基礎(chǔ)。在此基礎(chǔ)上，本文聯(lián)合采用SK模型和DSPM模型，對(duì)納濾膜的孔徑、膜厚、體積電荷密度展開了定量研究，初步考察了納濾膜的孔徑分布狀況及其對(duì)膜過(guò)程的影響，就納濾模型對(duì)不同分子量的中性有機(jī)溶質(zhì)分離性能的可預(yù)測(cè)性，對(duì)不同濃度NaCI溶質(zhì)分離性能的可預(yù)測(cè)性進(jìn)行了論述。這些膜結(jié)構(gòu)特征，從根本上為納濾技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用提供了理論指導(dǎo)，大