中空纖維膜污染在線監(jiān)測及過濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建.pdf

1、膜污染是影響浸沒式中空纖維膜過濾系統(tǒng)長期運(yùn)行穩(wěn)定性的主要原因。同時，由于纖維膜及膜組件之間存在復(fù)雜的流體力學(xué)影響，膜組件設(shè)計及分布等不合理性會加劇膜污染、影響膜系統(tǒng)的運(yùn)行效率和穩(wěn)定性。因此，膜污染控制始終是壓力驅(qū)動膜系統(tǒng)長期穩(wěn)定運(yùn)行需要解決的關(guān)鍵問題。本文提出開展中空纖維膜污染在線監(jiān)測及過濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型構(gòu)建研究。其中，中空纖維膜污染監(jiān)測（實驗研究）將為膜污染控制、運(yùn)行操作、組件設(shè)計優(yōu)化等提供量化信息，而過濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型將為膜污染

2、控制提供理論基礎(chǔ)。
　　本文以超聲時域反射技術(shù)和中空纖維膜點通量測試方法為實驗手段，根據(jù)質(zhì)量和動量守恒原理，建立基于完全質(zhì)量和動力守恒的中空纖維膜過濾流體力學(xué)數(shù)學(xué)模型，搭建浸沒式中空纖維膜污染特性和過濾行為的研究方法，探索操作條件和纖維膜尺寸結(jié)構(gòu)等參數(shù)對膜過濾性能的影響規(guī)律，為纖維膜組件的優(yōu)化設(shè)計提供理論依據(jù)。
　　首先采用超聲技術(shù)在線監(jiān)測亞臨界通量下浸沒式中空纖維膜表面污染分布。實驗采用5個10 MHz超聲波探頭均勻分布在

3、膜殼外表面，所用單根聚醚砜中空纖維膜長1m，過濾液為5g/L酵母溶液，臨界通量為14 L/m2·h。當(dāng)曝氣量為15ml/min，發(fā)現(xiàn)在亞臨界通量(9 L/m2·h)下污染物會沉積在靠近出口處的膜表面。同時，觀察到酵母顆粒在膜表面是從上到下逐漸沉積并達(dá)到平衡的沉積規(guī)律。此外，隨著曝氣量從15增加到45 ml/min，盡管污染物沉積速率會逐漸降低，但是并不能完全阻止污染物的沉積。膜絲長度從1縮短到0.6 m，發(fā)現(xiàn)也難以有效地控制膜污染?？傊?/p>

4、，臨界通量作為控制膜污染的重要參數(shù)與膜絲長度和曝氣量有著緊密的聯(lián)系。
　　采用超聲技術(shù)進(jìn)一步在線監(jiān)測亞臨界通量操作條件下雙端出水浸沒式中空纖維膜組件膜污染分布狀況，并且考察了不同組件構(gòu)型（豎直和水平放置）對膜污染行為影響（實驗操作條件跟上述相同）。研究發(fā)現(xiàn)，在亞臨界通量操作條件下，膜組件兩端出口處膜表面依然存在污染沉積，并且污染沉積程度從兩端到中間逐漸降低。同時，觀測到酵母顆粒是從膜組件兩端向中間并逐漸達(dá)到平衡。研究表明采用較低的

5、膜操作通量能夠更好地控制膜污染。此外，污染分布不均勻程度隨著纖維長度的縮短而降低，但是短組件更容易遭受到膜污染。特別是對不同組件構(gòu)型膜污染監(jiān)測結(jié)果表明:豎直放置膜組件中，上端出口較下端出口更易遭受膜污染。而水平放置時，膜組件左右兩端出口處污染程度較為相近。
　　依據(jù)分割疊加原理，發(fā)明了一種新穎的浸沒式中空纖維膜點通量測試方法，考察了操作通量、纖維長度和過濾方式（單端和雙端出水）對點通量分布的影響。在相同操作條件下，發(fā)現(xiàn)雙端膜組件點

6、通量分布比單端膜組件更加均勻。對于雙端膜組件，上端出口處點通量要高于下端出口處點通量。上下兩端點通量差值即不均勻性隨著操作通量和纖維長度的降低而降低。尤其是結(jié)合超聲技術(shù)發(fā)現(xiàn)，膜表面污染行為和點通量分布規(guī)律有很好的對應(yīng)關(guān)系。隨著膜操作（污染）進(jìn)行，點通量的重新分布是導(dǎo)致膜表面污染重構(gòu)的主要原因。此外，該點通量測試方法實驗重復(fù)相對誤差范圍在17.4％以內(nèi)。
　　最后，根據(jù)質(zhì)量和動量守恒原理以及點通量實驗數(shù)據(jù)，構(gòu)建出基于完全質(zhì)量和動力守