炭膜分离过程的机理和建模研究

论文摘要

炭膜是由含碳物质经高温热解炭化制成的一种新型无机膜。它不仅具有良好的耐高温和耐化学溶剂侵蚀的能力、发达的微米或纳米级孔隙和较高的机械强度，还具有制备成功率高、孔径易控制和清洁程度高等特点，因此在液体和气体分离方面有独到之处。但目前对炭膜的液体分离研究大多还处于实验室阶段，离工业应用有一定的距离。主要原因是对分离过程机理不明确和对污染控制措施不利等。因此研究炭膜液体分离机理和建立机理模型十分必要。在气体分离方面，因炭膜具备诱人的应用前景，故炭膜气体分离技术被认为是本世纪可部分替代现有分离技术的一个重要方法。但目前受膜制备方面的影响，气体分离炭膜还没有在工业上被广泛采用。所以加强膜的制备研究以及从机理上进行气体分离过程的研究来促进膜的制备，更有十分重要的意义。针对以上情况，本文在实验的基础上，从建立液体分离系统的机理模型和气体分离的分子模拟两个部分开展炭膜分离过程的机理研究，主要研究内容如下：以煤粉为原料、以羧甲基纤维素（CMC）为粘结剂制备管状煤基炭膜。以管状煤基炭膜作为支撑体、以聚糠醇作为前驱体材料制备复合气体分离炭膜。为实验研究奠定基础。在煤基炭膜微滤刚性颗粒（以二氧化钛为代表）液体混合物实验的基础上，通过探讨过程机理，建立描述微滤过程通量随时间变化的数学模型，同时确定微滤过程中滤饼层孔隙率的分布、颗粒的沉积粒径分布、饼层阻力及饼层厚度增长变化等。通过与实验数据及其他文献发表模型计算数据的对比，证明所建模型的适用性。在煤基炭膜微滤可变形粒子（以油滴为代表）混合液实验的基础上，分析微滤过程的阻力分布，探讨微滤过程机理，并讨论将以上所建刚性颗粒微滤系统模型应用于本系统的实现措施。在气体渗透实验的基础上，采用单孔狭缝模型和μVT-非平衡分子动力学（μVT-NEMD）方法对炭膜气体分离过程进行分子模拟研究。针对常规单孔狭缝模型模拟过程中化学势和压力计算时由于分子间相互作用的截断而产生的系统误差，本文增加了尾部贡献来进行模型校正，并根据压力和温度对CH4和CO2纯组分气体传递过程的影响，确定了L-J参数和通量随时间的变化函数，由此考察CO2／CH4混合气体通量和气体与膜孔壁间相互作用势能随孔径的变化趋势，确定分离过程机理。构建合适的膜的孔网络模型和孔径分布函数，采用临界路径分析方法（CPA）对膜孔的内部结构进行研究，并结合单孔狭缝模型模拟得到的CH4／CO2混合气体通量变化关系，确定炭膜分离CH4／CO2混合气体时的孔径范围，解决气体通量与分离选择性之间矛盾的问题。最后，尝试将孔网络模型的研究结果应用于炭膜分离煤层气过程，设计分离方案并确定各级分离膜的孔径。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 引言
• 第1章 文献综述
• 1.1 无机膜的发展
• 1.2 炭膜的应用及分离机理
• 1.2.1 炭膜的分类
• 1.2.2 炭膜的性能
• 1.2.3 炭膜的制备方法
• 1.2.4 炭膜在液体分离方面的应用
• 1.2.5 炭膜在液体分离中的分离机理
• 1.2.6 炭膜在气体分离方面的应用
• 1.2.7 炭膜在气体分离中的分离机理
• 1.3 膜的污染及其控制
• 1.3.1 优化物性
• 1.3.2 污染膜的再生
• 1.3.3 优化流动特性
• 1.4 膜法处理刚性颗粒溶液的研究
• 1.5 膜法处理可变形颗粒溶液的研究
• 1.6 错流微滤机理模型及其研究进展
• 1.6.1 阻塞模型
• 1.6.2 颗粒反向迁移模型
• 1.6.3 流动饼层和表面传递模型
• 1.6.4 微滤机理模型的研究情况
• 1.7 分子模拟技术及其在炭膜气体分离研究中的应用
• 1.7.1 分子模拟技术分类
• 1.7.2 分子动力学（MD）模拟技术
• 1.7.3 分子模拟技术在炭膜气体分离研究中的应用
• 1.8 炭膜的发展方向
• 1.9 本论文的研究内容
• 参考文献
• 第2章 炭膜的制备简介
• 2.1 煤基炭膜的制备与表征
• 2.1.1 煤基炭膜的制备
• 2.1.2 煤基炭膜的表征
• 2.2 复合气体分离炭膜的制备与表征
• 2.2.1 复合气体分离炭膜的制备
• 2.2.2 复合气体分离炭膜性能表征
• 2.3 本章小结
• 参考文献
• 第3章 炭膜在刚性颗粒悬浮液微滤过程中的机理研究
• 3.1 炭膜微滤二氧化钛悬浮液的实验研究
• 3.1.1 实验研究基础
• 3.1.2 实验结果与讨论
• 3.1.3 炭膜微滤二氧化钛悬浮液的阻力分析
• 3.1.4 污染膜的清洗和膜的通量恢复实验研究
• 3.2 炭膜微滤刚性颗粒悬浮液体系的机理模型建立
• 3.2.1 微滤机理模型研究情况
• 3.2.2 膜微滤过程的三个阶段
• 3.2.3 膜孔堵塞阶段的堵塞模型建立
• 3.2.4 渗透通量通用模型的建立
• 3.2.5 通量模型的求解步骤
• 3.3 通量模型在二氧化钛悬浮液微滤中的应用
• 3.3.1 悬浮液颗粒体系的粒径分布函数及累积分布函数的确定
• 3.3.2 堵塞模型的选取
• 3.3.3 堵塞转换时间的计算
• 3.3.4 渗透通量的计算
• 3.3.5 临界粒径的计算
• 3.3.6 微滤过程的阻力计算
• 3.3.7 饼层孔隙率计算
• 3.3.8 饼层厚度的计算
• 3.3.9 不同操作条件下模型的适用性
• 3.3.10 本文所建模型与Altmann模型的对比研究
• 3.4 本章小结
• 参考文献
• 符号说明
• 第4章 炭膜在可变形颗粒溶液微滤过程中的研究
• 4.1 炭膜微滤油水混合物的实验研究
• 4.1.1 实验研究基础
• 4.1.2 单管炭膜微滤油水混合物的可行性研究
• 4.1.3 多管炭膜微滤油水混合物过程的影响因素研究
• 4.2 污染膜清洗方法和清洗条件的选择
• 4.3 微滤过程各部分阻力分析
• 4.3.1 微滤过程各部分阻力确定
• 4.3.2 微滤过程各部分阻力分布
• 4.4 炭膜微滤过程的污染机理分析
• 4.5 可变形颗粒液体微滤过程通量模型
• 4.6 本章小结
• 参考文献
• 符号说明
• 第5章 单孔狭缝模型应用于炭膜气体分离的研究
• 5.1 复合气体分离炭膜的气体渗透性能测定
• 5.2 单孔狭缝模型在炭膜气体分离研究中的应用研究
• 5.2.1 炭膜微孔结构
• 5.2.2 单孔狭缝模型简介及模拟方法的选取
• 5.2.3 分子动力学理论基础
• 5.2.4 分子动力学模拟的技术细节
• 4/CO₂气体研究中的应用'>5.2.5 单孔狭缝模型在炭膜分离CH₄/CO₂气体研究中的应用
• 5.3 本章小结
• 参考文献
• 符号说明
• 第6章 孔网络模型应用于炭膜气体分离的研究
• 6.1 孔网络模型在炭膜气体分离研究中的应用
• 6.1.1 孔网络模型的建立
• 4/CO₂气体研究中的应用'>6.1.2 孔网络模型在炭膜分离CH₄/CO₂气体研究中的应用
• 6.2 孔网络模型在炭膜分离煤层气研究中的应用
• 6.2.1 应用背景、目的及意义
• 6.2.2 孔网络模型在炭膜分离煤层气中的应用
• 6.3 本章小结
• 参考文献
• 符号说明
• 第7章 结论
• 7.1 结论
• 7.2 创新点
• 7.3 展望
• 参考文献
• 附录A 二氧化钛溶液中浊度和浓度关系曲线
• 附录B 二氧化钛在部分碱液中的溶解度
• 附录C 堵塞机理模型
• 参考文献
• 攻读博士学位期间发表学术论文情况
• 致谢
• 作者简介
• 获科研奖励情况
• 近五年发表教学研究论文情况
• 近年参编教材情况