高分子膜錯流納濾過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全球性的問題。與傳統(tǒng)的水處理方法相比，膜分離技術具有分離效率高的優(yōu)點，無相變，無二次污染。作為一種重要的分離功能膜，納濾膜膜分離技術因其高滲透通量、低操作壓力、對高價離子截留率高等優(yōu)點而受到各國的普遍重視，但其傳質機理和優(yōu)化設計的研究還有待深入。一方面，由于帶電基團的影響，納濾膜分離不僅受離子化學勢的影響，還受到電勢影響。另一方面，在實際的膜分離過程中產生的濃差極化會使納濾膜的滲透通量下降，降低截留效率

2、，從而制約膜技術的廣泛應用。因此，發(fā)展一種既能描述納濾過程基本物理現(xiàn)象又具有應用價值的離子截留模型，對于深入了解納濾膜截留機理、促進納濾技術的廣泛應用具有重要的理論和指導意義。
　　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)。該模型在求解域設置中采用的是擴展的Nernst-Planck方程來描述離子在膜內的遷移現(xiàn)象。將膜內和膜兩側的電中性條件與Donnan平衡和空間位阻

3、效應結合，作為膜孔入口和出口的前提條件。利用有限元軟件平臺COMSOLmultiphyscs，可以對各種實驗條件下納濾膜電荷性能的影響進行仿真。結合文獻中實驗結果，可以驗證該數(shù)學模型的合理性和采用有限元方法計算的可靠性。在一定范圍內，滲透通量的增加，膜孔內離子濃度的梯度增大即納濾膜對離子的阻礙作用加大，導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，擴散作用、對流作用和電勢作用對離子的輸運能力都會增強，使得通過膜的離子

4、濃度增加，截留率減小。對二價離子溶液，其道南效應影響較大，納濾膜對離子的截留率較高，而且濃度對截留率的影響較小。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。當滲透通量增加到3×10-5m/s時，AFC40的截留性能趨于穩(wěn)定。經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模型基礎上，我們綜述了考慮濃差極化層的CP-DSPM模型、考慮介電效應的DSPM&DE模型以及同時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系曲線，并開展了比較性分析。濃差極化層和介電效應的加入使得模型預測更加精確，更加符合物理實際。針對錯流納濾的孔-極化輸運模型(PoresandPolarizationTransportModel

6、，PPTM)用經驗模型描述膜上方溶液錯流速度場的不足，本文作者采用Navier-Stokes方程和連續(xù)性方程來模擬溶液在膜上方自由空間內的流動，從而實現(xiàn)了膜內傳質的DSPM模型、膜上方離子濃度場、膜上方自由空間流場的多場耦合有限元分析。納濾膜作為壓力驅動的膜分離過程，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。提高流速會使膜上表面的擴散系數(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