γ-Al2O3纳米孔膜截留镁离子机理的研究

论文摘要

纳米孔膜的过滤类似于反渗透和超滤，均属于压力驱动的膜过程，但其传质机理却有所不同。纳米孔膜孔径介于超滤膜和反渗透膜二者之间，其分离过程除了依靠膜的纳米级微孔的分子筛效应外，如果膜荷电还受化学势控制和电势梯度的影响，但其确切传质机理至今尚无定论。根据实验数据用作图的方法得出膜的真实截留率，进而求出膜面浓度。通过实验发现在实验条件下，细孔模型中对特征参数σ和ω的计算与实验值有一定的出入，主要是由于在细孔模型中只考虑了结构尺寸对截留率的影响，这对非极性溶质是适合的，而在道南效应决定膜对盐的截留性能的情况下，截留性能主要依赖于离子和膜之间的静电相互作用，电荷因素不容忽略，因此细孔模型用于描述纳米孔膜的分离机理时，其准确性不高。根据纳米孔膜过滤过程中，透过液不是纯水，而是有一定浓度的溶液，提出了渗透性系数A的概念，并结合膜分离的一般性原理，在非平衡热力学的基础上建立新的传质模型。运用量纲分析法推导出影响透过性系数的无量纲数，根据改变过滤操作条件（料液浓度、pH值、膜面流速）的实验数据确定模型的经验表达式。通过实验发现A与各参数之间均呈幂函数关系，且各参数之间不存在交互影响，将A与各参数之间的函数关系式相乘，最终得出透过系数的表达式与溶剂渗透通量新模型。新模型把陶瓷纳米孔膜在酸性条件下荷电的特性也考虑进去，更具实用性。将渗透通量的实测值与模型计算值进行比较，发现二者十分吻合，最大偏差为-13.9％，最小偏差仅有0.05％，从而验证了新模型的准确性。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 1 概述
• 1.1 膜的技术特点及分类
• 1.2 膜性能的表示法
• 1.2.1 通量
• 1.2.2 截留率
• 1.2.3 通量衰减系数
• 1.2.4 膜电位
• 1.2.5 流动电位
• 1.2.6 其他方法
• 1.3 纳米孔膜分离机理
• 1.3.1 非平衡热力学模型
• 1.3.2 电荷模型
• 1.3.3 细孔模型
• 1.3.4 静电排斥和立体位阻模型
• 1.3.5 Donnan平衡模型
• 1.4 纳米孔膜材料
• 1.4.1 有机高分子膜材料
• 1.4.2 有机—无机矿物膜
• 1.4.3 无机陶瓷膜材料
• 1.4.4 多孔金属膜
• 1.4.5 膜材料的发展
• 1.5 膜组件
• 1.5.1 常用的膜组件形式
• 1.5.2 膜组件的选用
• 1.6 膜分离过程中的存在问题及防止
• 1.6.1 浓差极化
• 1.6.2 膜污染
• 1.7 纳米孔膜的应用
• 1.7.1 用于水的净化与软化
• 1.7.2 用于废水处理
• 1.7.3 用于生工制药
• 1.7.4 用于食品加工
• 1.8 本文研究目的及研究内容
• 2 实验原理、装置及方案
• 2.1 实验原理
• 2.1.1 新的渗透通量模型
• 2.1.2 渗透性系数A的确定
• 2.1.3 溶质透过通量模型
• 2.2 实验装置
• 2.2.1 膜
• 2.2.2 实验系统
• 2.3 实验方案
• 2.3.1 纯水透过系数的测定
• 2.3.2 模型实验
• 2+含量分析实验'>2.3.3 渗透液Mg²⁺含量分析实验
• 3 结果与讨论
• 3.1 纯水透过系数测定实验
• 3.2 模型实验
• 3.2.1 传质模型实验
• 3.2.2 通量模型实验
• 3.2.3 误差分析
• 3.3 小结
• 4 结论及展望
• 4.1 结论
• 4.2 展望
• 符号说明
• 参考文献
• 在读期间发表的论文
• 致谢