炭膜基亲水性无机微滤动态膜的制备研究

以水包油型油水乳化液分离为背景,以多孔管状炭膜为载体,以高岭土、ZrO2和Al2O3三种微米级无机颗粒为涂膜材料,对亲水性无机动态膜的制备进行初步的实验研究。实验采用错流操作方式在膜管内表面涂覆动态膜,考察涂膜过程中渗透通量随时间的变化,研究涂膜颗粒种类、载体平均孔径、制备操作压力、错流速度、涂膜液温度及涂膜液中阳离子浓度对动态膜结构及制备过程渗透通量的影响。实验结果表明,高岭土和ZrO2微米级颗粒是较适宜的炭膜基动态膜涂膜材料,且两种动态膜的渗透通量均随载体平均孔径的增大而增大、随操作压力和涂膜液温度的提高而提高;对高岭土动态膜的研究发现,其渗透通量随错流速度的增大而提高;对ZrO2动态膜的研究发现,其渗透通量随涂膜液中阳离子浓度的增大先减小后增大。     

陶瓷膜过滤细微颗粒悬浮体系的数学模拟

通过对陶瓷膜过滤悬浮液过程中单颗粒的受力分析,获得了可沉积颗粒临界粒径(xcrit)的计算公式.计算的xcrit值与实验测定的沉积层内的粒径分布一致:随颗粒粒径的增大, xcrit呈先增大后减小的趋势. 在讨论xcrit与颗粒粒径(dp)、膜孔径(dm)关系的基础上,将微滤过程按dp/dm的比值分为三种类型:dp/dm≤1, 颗粒迅速阻塞膜孔;1＜dp/dm≤10 ,颗粒在膜表面形成连续滤饼;dp/dm》10,颗粒对膜孔口覆盖,在膜表面形成不连续滤饼.并以此为基础建立了预测陶瓷膜过滤不同粒径和粒径分布的颗粒悬浮液渗透通量的数学模型.计算结果与实验结果的比较表明:本模型对文献模型的改进之处是适用范围从1＜dp/dm≤10扩展到0.48≤dp/dm≤120;在操作压力对渗透通量的影响计算中,假设滤饼层孔隙率不变的计算结果与实验结果一致,说明此体系的滤饼是不可压缩的;在错流速率对渗透通量的影响计算中,假定滤饼层孔隙率随错流速率成指数变化的计算结果比假定沉积层孔隙率随错流速率不变的计算结果好,说明错流速率的变化同时影响滤饼层内颗粒的粒径分布和其形成的滤饼层的结构.     

动态膜的形成机理及其水处理性能研究

以陶瓷管为载体,对高岭土动态膜的形成及其污水处理性能进行了详细的研究.实验中采用错流过滤方式涂膜,考查了跨膜压差、涂膜液浓度、错流速度及涂制时间等对动态膜形成的影响.通过对实验数据分析可知,动态膜形成初期10～13 min,膜的形成过程可用标准过滤模型描述,在此期间颗粒堵塞载体膜管孔道,致使渗透液通量急剧减小;之后,膜的形成过程符合滤饼过滤模型,这一阶段颗粒主要在载体膜管内壁面沉积,渗透液通量缓慢下降直至基本稳定.制备的动态膜可用于处理城市污水厂二级出水,动态膜对浊度去除率基本上为100%,对COD也有一定的去除作用.     

纳米镍在陶瓷膜表面的吸附行为研究

研究了纳米镍粉体在无机陶瓷平板膜面上的静态吸附和错流过滤过程中的动态沉积行为.实验考察了纳米镍悬浮液浓度、温度、时间、陶瓷膜孔径等操作条件对纳米镍吸附行为的影响,测定了纳米镍在膜面上的静态吸附和动态沉积数据.研究结果表明,纳米镍在膜表面的静态吸附符合Langmuir等温方程,纳米镍的吸附量随着时间和浓度的增加先迅速增加而后缓慢上升并趋于稳定;在错流过滤过程中,随着料液浓度,过滤时间的增加,纳米镍的沉积量迅速增加,导致膜通量降低.对平均粒径为60 nm的镍粉过滤,孔径为0.3～0.8 μm的陶瓷膜较为合适,此时膜面上镍的吸附量小,渗透通量高.     

油水分离动态膜制备及分离放大实验研究

以管式陶瓷膜为基膜、以二氧化锆为涂膜颗粒,采取错流微滤方式制备7通道无机质基油水分离动态膜。在前期单通道实验研究的基础上,考察油水分离主要影响因素,如涂膜因素(涂膜流量、涂膜压差、涂膜温度及颗粒含量)和分离操作因素(操作压差、油水乳化液pH)对分离性能的影响。结果表明,随涂膜液流量、温度、颗粒含量和分离操作压差的增大,动态膜稳定渗透通量增大;而随着涂膜压差以及油水pH的增大,稳定通量则呈现先增大后减小的趋势。研究结果可为进一步开展的动态膜油水分离放大效应研究及工业化应用提供指导。     

正渗透净水过程中三醋酸纤维素膜表面特性研究

以浓缩天然水作为模型污染物,研究了正渗透(FO)系统错流过滤水中有机物时,不同温度和错流速度下膜通量的变化;通过对被污染的膜进行接触角和红外光谱分析,考察污染物在FO膜的沉积规律以及对膜表面特性造成的影响。结果表明,温度越高以及错流速度越小,膜污染越强,膜通量下降越大。膜上污染物以亲水性物质为主,膜污染物降低了膜的接触角。污染物在波数为1 408 cm-1和871 cm-1处有强特征峰,说明天然水中氨基酸是膜可能的主要污染物。     

颗粒体系错流过滤过程的数学模拟

以流体力学理论为基础,通过颗粒在水溶液中的受力分析,结合早期的阻塞过滤模型和近期的滤层过滤模型,建立了一种新的颗粒体系错流过滤过程的数学模拟方法,在该模拟过程中同时考虑了膜孔径和颗粒大小两种分布,并对具有相同平均孔径而孔分布不同的情形对膜渗透通量的影响进行了模似,经实验验证,模拟结果与实验值能够较好地吻合。     

陶瓷微滤膜过滤超细粉体系的分析

通过计算可沉积在膜表面的临界（最大）粒径，确定了膜表面滤饼层结构与颗粒粒径的关系，并采用不同操作条件下渗透通量的数据进行验证，确定不同粒径的超细粉体系所适合的操作压力和错流速率。     

正渗透去除微塑料效能及其响应面法优化

试验选取PET塑料颗粒作为去除目标物，NaCl溶液为汲取液，分别考察正渗透膜通量变化及对PET颗粒的去除影响因素分析。结果表明：增大汲取液浓度、运行温度、膜面流速和PET粒径均能显著提高膜通量，且其总膜比通量也较大，但与膜通量衰减存在一定交互作用；试验周期内，在汲取液中未检测到PET颗粒，去除率可达100%。去除率分别由膜截留率及装置系统吸附率贡献，两者占比在各去除影响因素分析中有所变化，其中汲取液浓度、膜面流速和粒径对吸附率去除贡献比影响较大，而温度对其影响不显著，且相关性不强；最后用响应面法优化汲取液浓度、膜面流速和温度对总膜比通量的影响。回归模型分析表明三种影响因素影响程度为：1）在低膜面流速的条件下汲取液浓度>膜面流速>温度；2）在高膜面流速的条件下汲取液浓度>温度>膜面流速。优化方案模型的模拟预测值与实验测试值基本吻合。     

面向过程的陶瓷膜材料设计理论与方法(Ⅱ)颗粒体系微滤过程中膜结构参数影响预测

以所建立的颗粒体系微滤过程中膜结构参数与渗透性能关系模型为基础,在膜孔径和颗粒粒径均为正态分布的理想条件下对膜孔径、膜厚度、孔隙率对膜稳态通量的影响进行模拟计算.结果表明：对于颗粒悬浮体系的分离存在最优膜孔径使膜通量最大,该最优孔径随颗粒平均粒径增大、颗粒粒径分布变窄而有所增大.模拟计算结果有助于深入理解膜微观结构对宏观性能的影响.     

水平导管内颗粒料层中的热渗透现象研究

本文针对水平导管内填充颗粒料层中的高温气体渗流现象,采用局部非平衡假设建立了多孔介质渗流传热物理数学模型并进行了数值计算。研究了不同情况下导管内填充多孔介质中的流速、气固温度和压力分布。计算结果表明,高温气体对导管内颗粒料层的热渗透作用主要是在渗流入口端区域,增大入口渗流速度以及减少给料量,导致气固温度沿轴向下降速度减慢,热渗透深度扩大,热渗透作用区域内的物料温度水平提高。在热渗透作用区域,孔隙率对流场和压力损失有很大的影响。研究结果对于移动颗粒反应器和输送机的设计与运行具有一定的参考作用。     

偏心楔形喂料斗卸料过程中颗粒流动特性

采用三维离散单元法,研究了偏心楔形喂料斗中不同粒径颗粒卸料过程的流场分布,建立了适用于偏心楔形喂料斗的整体流系数模型,分析了料斗卸料流型以及卸料流型与卸料质量流率的相关性,并通过实验验证了离散元模型的可靠性。结果表明：偏心楔形喂料斗内颗粒流场分布以靠近喂料管口区域为高速区,并呈辐射状朝远离垂直壁面端的料斗上部低速区过渡,高速区颗粒流场的整体一致性好,低速区颗粒流场呈局部涡流状;颗粒粒径增大,颗粒整体流动性变差,高速区域范围减小,低速区域范围增大,过渡区域变模糊;当颗粒粒径不大于10 mm时,整体流系数与颗粒粒径呈线性负相关,卸料质量流率与整体流系数呈线性正相关。     

移动床贴壁现象的研究

在错流区高度为430 mm,横向宽度分别为400 mm,200 mm,105 mm的三种不同尺寸的矩形二维移动床内对贴壁现象进行了研究.实验结果表明,随着错流气速的增加床层压降也增加,当压降超过一定值时,移动床内近下流面的部分颗粒将停止下移,发生贴壁;贴壁颗粒层的厚度与床层压降呈线性关系,在相同错流气速下宽床层的贴壁厚度大于窄床层,但无因次化贴壁厚度大致相同.通过力平衡分析建立了贴壁现象的数学模型,可计算不同压降下贴壁颗粒层的厚度,并获得贴壁临界压降值的计算式,模型计算值与实验值基本相符.     

PERFORMANCE CHARACTERISTICS OF A CERAMIC MEMBRANE SYSTEM FOR MICROFILTRATION OF CORN STARCH HYDROLYSATE

A ceramic microfiltration membrane was used for the clarification of corn starch hydrolysate, having a dextrose equivalence of 95, to study the effect of process variables (transmembrane pressure, cross-flow velocity, and feed concentration) on permeate flux. Flux increased with increased cross-flow velocity for all transmembrane pressures and feed concentrations up to a volume concentration ratio of 100. Flux became asymptotic at pressures of 200-375kPa, indicating that microfiltration performance was limited by concentration-polarization. The optimum transmembrane pressure was higher at higher cross-flow velocities. A process model based on the resistances-in-series concept adequately described the observed variation of permeate flux with process variables such as transmembrane pressure, cross-flow velocity and feed concentration. Resistance due to concentration polarization decreased linearly with increase in cross-flow velocities for all feed concentrations, while fouling resistance increased linearly with increase in feed concentration.     

GAD室温自交联乳液的粒径及其分布

合成得到了含环氧基、羧基和胺基的室温自交联乳液,研究了聚合工艺和乳胶粒结构及组成对乳液粒径及其粒径分布的影响。结果表明：聚合温度对乳液粒径及其分布的影响较小,加大乳化剂用量和乳化单体滴加速率使乳液粒径减小,粒径分布变窄;壳层甲基丙烯酸二甲氨基乙酯用量增加,致仗乳液粒径增大和粒径分布变宽;在合适的中间层分率下获得粒径较小和粒径分布较均匀的乳液;中间层引入（甲基）丙烯酸可减小乳胶粒径,并使粒径分布更均匀。     

移动床空腔现象及空腔尺寸

移动床由于具有独特优越性得到广泛应用,但其流量受到空腔现象的影响.在二维矩形错流移动床内研究了移动床内的空腔现象,以两种物料及壁面材料对移动床内空腔现象的产生、发展进行考察.当错流气速或压力梯度足够大时移动床内将发生空腔,空腔大小随错流气速的增大而增大.并考察了空腔尺寸与错流气速的关系.在流体力学分析和力平衡分析的基础上推导出简化的空腔尺寸关联式,得出一个有多参数的非线性方程组,获得空腔尺寸与错流气速的关系,与实验数据基本吻合.     

整流子对错流移动床颗粒行为的影响

在矩形错流移动床中考察了整流子对移动床内颗粒移动、空腔、贴壁等现象的影响. 实验结果表明，在有错流的条件下，床层内颗粒下移速度表现为近上游面的颗粒快于近下游面的颗粒，适当调整整流子位置有可能使床层内颗粒在某一气速下以几乎相同的速度下移. 与无整流子的装置相比，整流子的设置能推迟移动床空腔的生成并减小空腔尺寸，其横向位置离上游面越远对空腔影响越小；但设置整流子将降低错流移动床的贴壁临界值，其横向位置离上游面越远对贴壁影响越大. 为定量描述空腔尺寸和贴壁临界值，将床层简化为由整流子中心位置决定的2个虚拟流道，并分别建立了数学模型，模型计算值与实验值大致相符.     

梯形移动床径向反应器内颗粒的贴壁现象分析

贴壁现象是制约移动床反应器操作弹性的瓶颈之一。在高度为1.3 m、顶部宽度为0.185 m、底部宽度为0.299 m、厚度为0.04 m的梯形径向移动床冷模实验装置上考察了颗粒层的贴壁现象。记录不同的操作条件下,贴壁与空腔现象产生的位置及形状大小,并测量了气体通过床层的压降。随着表观气速的增加,贴壁层变厚,空腔变大,呈现为渐进型贴壁;而颗粒循环强度对贴壁与空腔现象无影响。通过力平衡分析建立了梯形床贴壁现象的数学模型,引入矫正因子对模型进行修正,模型计算值与实验值基本相符。     

错流移动床的压降特性

在矩形移动床内考察了颗粒下移速度、颗粒堆积状态及空腔生成和长大发展过程等因素对压降的影响. 在错流气体速度为0.09~1.35 m/s、颗粒下移速度为0.95~9.68 cm/min的较大变化范围内进行了实验研究. 结果表明,颗粒下移速度对压降几乎没有影响;当错流气速足够大时移动床内将出现"空腔"和"贴壁"等现象,空腔的发展过程造成压降随时间出现稳定、微波脉动和大幅波动3种变化;欧根公式适用于低错流气速时的移动床压降;高错流气速下空腔出现了"生成-长大-塌落-流化"的循环变化过程. 在实验基础上建立了有空腔时的移动床压降模型,并对空腔尺寸进行了无因次关联,其床层压降的计算结果与实验值相符.     

颗粒级配对分级机进料管流动特性影响的数值研究

为了分析颗粒级配对超细分级机进料管内流动特性的影响,利用计算流体力学(CFD)方法,对进料管内气固两相流动进行研究。在对计算模型进行验证的基础上,揭示了不同颗粒级配下进出口压差、颗粒浓度分布及颗粒分散等特性。研究表明:进料管进出口压差随着级配中大粒径颗粒含量的增加而增加。当级配中小粒径含量较大时,颗粒浓度分布均匀,颗粒分散性较好,入口风速、喂料浓度、颗粒密度的改变对颗粒量纲1浓度分布及分散性影响较小。对于大粒径含量较大的级配,随着入口风速的增加,量纲1浓度减小,浓度分布不均匀度减小,分散性提高;随着喂料浓度的增加,量纲1浓度分布变化较小,但浓度分布不均匀度增大,颗粒分散性下降;随着物料密度的增加,浓度分布不均匀度减小,颗粒分散性提高。竖直段轴向截面上颗粒量纲1平均浓度的高低分界线为一定值(Z=0.5 m),且与颗粒级配及操作参数的变化无关。