超滤作为海水淡化预处理工艺的应用研究和Monte Carlo模拟

论文摘要

水污染和水资源短缺已成为制约社会进步和经济发展的世界性问题。海水淡化作为一种解决水资源短缺的重要战略手段,在世界范围内正发挥着越来越重要的作用。合理的预处理是海水淡化装置成功运行的决定性因素之一。以超滤代替传统预处理技术应用于海水淡化,研究不同规模超滤系统的运行状况,解决运行过程中的实际问题（膜污染等）,具有应用和理论的双重意义。本论文的研究内容以超滤作为海水淡化预处理工艺的应用研究为主,与大型海水淡化示范工程相结合,大部分实验在海水淡化现场完成,包括:实验室规模的无机陶瓷超滤膜作为海水淡化预处理工艺的初步可行性研究、有机超滤膜的现场中试试验研究,大型海水淡化示范工程的长期监测与参数优化研究、关于膜污染的临界通量研究和计算机模拟。主要内容和结论如下:1.通过胶州湾原海水直接进入系统和海水添加絮凝剂后再进入系统两种工艺,初步验证了50nm管式陶瓷膜作为海水淡化预处理工艺的技术可行性。原海水直接进入系统的最佳操作参数为:错流流速3.2m/s,操作压力0.140.18MPa,料液温度2530℃,料液pH 89;FeCl3絮凝-陶瓷超滤膜工艺可有效提高通量和渗透液水质,且FeCl3最佳投加量为4.56.0mg/L,pH最佳范围在46;分析了海水对陶瓷膜产生的过滤阻力,并从膜污染类型角度分解过滤阻力,进行实验测定;确定4050℃的0.01%NaClO溶液为最佳化学清洗方案。2.通过错流过滤模式的有机超滤膜处理胶州湾海水的中试试验,对操作参数进行优化。从最大净产水量的角度优化反冲参数,反洗周期为40min,反冲时间为30s、反冲流量是超滤产水流量2倍为优化结果。在试验范围内,高回收率-低通量（80%-60L/m2h）为优化运行参数,并通过比回收率通量PR%考察膜污染状况加以验证;超滤产水水质稳定,且满足海水淡化反渗透系统的进水要求。3.在胶州湾海域进行了超滤中试的极限试验研究,旨在考察极限条件（低温和死端过滤模式）下超滤系统（外压式、内压式以及双皮层超滤膜）处理胶州湾海水的可行性和稳定性,并简要分析并比较不同超滤膜组件的直接运行费用,为大型海水淡化示范工程提供重要数据。在无化学加强反洗（CEB）和化学清洗条件下,外压式膜组件B比内压式膜组件A的运行稳定,组件A和B的过滤阻力均小于双皮层膜组件C;组件A、B和C产水水质稳定且均满足海水淡化反渗透系统的进水要求,其中组件C的产水水质最优;CEB和化学清洗可抑制膜污染程度;从能耗和化学药品消耗两个方面表明,外压式膜组件B的直接运行年费用最低。4.对大型海水淡化示范工程的超滤预处理系统进行长达一年的监测研究,掌握其运行状况,收集和整理规模数据,并根据实际运行状况调整和优化工艺参数以确保超滤系统的稳定运行。超滤系统的全年运行监测数据表明,超滤系统的膜污染现象较严重,且温度对于膜污染和膜性能以及化学清洗效果具有显著影响,选择合适的工艺参数和化学清洗可以一定程度改善膜污染状况和恢复膜性能;超滤系统在正常运行情况下的产水水质符合RO进水要求;进料海水温度过低（5℃左右）,超滤膜的机械性能下降且膜丝污堵严重,应采用化学清洗和改善运行工况及时预防超滤膜断丝情况的发生。5.将临界通量Jcrit概念引入海水淡化领域,建立了测定Jcrit的实验方法,研究了超滤膜处理胶州湾海水的膜污染情况和最佳操作方式,考察了海水组成（天然有机物、悬浮物和无机盐）、错流流速和超滤膜截留分子量对超滤处理海水的Jcrit和膜污染产生不同程度的影响,该研究对于超滤预处理的通量设计和运行控制以减少化学清洗有重要理论指导意义。6.在已有的研究基础上,以错流过滤模式的超滤过程为研究系统,建立极坐标体系和物料衡算、粒子受力、过滤阻力数学模型,并采用Monte Carlo方法从微观角度对错流过滤的超滤膜表面聚集的溶质粒子的随机运动和受力状况进行计算机模拟,建立平衡状态的判定,得到初步模拟结果。实验结果表明,所建模型和Monte Carlo模拟的膜通量与实验值的相对误差为-0.246～1.518%;拟合出ΔPJ曲线,并得到Jcrit=137.88L/m2h,为超滤系统的理论模拟奠定了基础。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 前言
• 1 文献综述
• 1.1 海水淡化与膜技术
• 1.1.1 水资源问题
• 1.1.2 海水淡化是解决水资源短缺的重要途径
• 1.1.3 膜分离技术与海水淡化相结合
• 1.1.4 海水淡化预处理工艺及其重要性
• 1.2 超滤在海水淡化工程中的应用及存在问题
• 1.2.1 超滤作为海水淡化预处理工艺的应用研究进展
• 1.2.2 超滤的膜污染问题
• 1.2.2.1 超滤处理海水过程中的膜污染
• 1.2.2.2 超滤膜污染的控制对策
• 1.3 关于超滤临界通量的研究
• 1.3.1 临界通量的理论
• 1.3.2 临界通量的实验
• 1.3.3 影响临界通量的因素
• 1.3.3.1 超滤膜性能
• 1.3.3.2 料液物化性质
• 1.3.3.3 操作过程中的水力条件
• 1.4 超滤过程的模型研究
• 1.5 本论文研究目的与主要内容
• 2 陶瓷超滤膜处理海水的初期可行性研究
• 2.1 引言
• 2.2 主要试剂、分析仪器以及水质分析手段
• 2.2.1 主要试剂与分析仪器
• 2.2.2 水质分析手段
• 2.3 陶瓷膜实验装置及研究方法
• 2.3.1 陶瓷膜装置
• 2.3.2 研究方法与操作步骤
• 2.4 结果与讨论
• 2.4.1 错流流速与跨膜压差对膜通量及渗透液水质的影响
• 2.4.1.1 错流流速与跨膜压差对膜通量质的影响
• 2.4.1.2 错流流速与跨膜压差对渗透液水质的影响
• 2.4.2 海水温度与海水pH对膜通量及渗透液水质的影响
• 2.4.2.1 海水温度与海水pH对膜通量的影响
• 2.4.2.2 海水温度与海水pH对渗透液水质的影响
• 2.4.3 絮凝对通量及渗透液水质的影响
• 2.4.3.1 絮凝剂加入量对通量及渗透液水质的影响
• 2.4.3.2 絮凝pH对通量及渗透液水质的影响
• 2.4.4 过滤阻力分析
• 2.4.5 化学清洗恢复通量的效果
• 2.5 本章小结
• 3 超滤作为海水淡化预处理工艺的中试研究
• 3.1 引言
• 3.2 主要试剂、分析仪器以及水质分析手段
• 3.2.1 主要试剂与分析仪器
• 3.2.2 水质分析手段
• 3.3 超滤运行参数的优化试验
• 3.3.1 超滤中试装置
• 3.3.2 研究方法
• 3.3.2.1 反冲周期与反冲时间的优化研究
• 3.3.2.2 回收率与通量的优化研究
• 3.3.3 结果与讨论
• 3.3.3.1 原海水水质
• 3.3.3.2 超滤通量的校正
• 3.3.3.3 反冲周期和反冲时间的优化试验
• 3.3.3.4 反冲流量对膜通量的影响
• 3.3.3.5 不同回收率对膜通量的影响
• 3.3.3.6 产水水质分析
• 3.3.4 小结
• 3.4 超滤中试的极限试验
• 3.4.1 超滤中试装置
• 3.4.2 研究方法
• 3.4.3 结果与讨论
• 3.4.3.1 低温原海水状况
• 3.4.3.2 内压式、外压式超滤膜通量和跨膜压力随时间的变化
• 3.4.3.3 内压式、外压式超滤膜的膜污染状况
• 3.4.3.4 内压式、外压式超滤膜的产水水质分析
• 3.4.3.5 降低超滤膜污染的研究
• 3.4.3.6 双皮层膜对超滤过滤性能的影响
• 3.4.3.7 关于超滤中试直接运行费用的简化分析
• 3.4.4 小结
• 4 大型海水淡化系统中超滤预处理工艺的运行状况
• 4.1 引言
• 4.2 大型海水淡化示范工程及超滤预处理工艺描述
• 4.2.1 大型海水淡化示范工程
• 4.2.2 超滤预处理工艺
• 4.2.2.1 自清洗过滤器
• 4.2.2.2 超滤系统
• 4.3 大型超滤预处理系统运行状况的分析与讨论
• 4.3.1 超滤预处理系统进料海水水温的全年变化
• 4.3.2 超滤预处理系统的全年运行状况
• 4.3.2.1 超滤系统膜通量和跨膜压差的全年监测数据
• 4.3.2.2 超滤系统膜污染状况的全年监测数据
• 4.3.2.3 超滤系统产水水质的全年监测数据
• 4.3.3 阶段性工艺参数的调整
• 4.3.3.1 反冲工艺参数的调整
• 4.3.3.2 超滤加药系统的调整
• 4.3.4 超滤系统的化学清洗
• 4.3.5 超滤系统的完整性试验与膜丝补修
• 4.4 本章小结
• 5 超滤处理海水的临界通量研究
• 5.1 引言
• 5.2 实验系统与方法
• 5.2.1 自制超滤实验装置
• 5.2.2 主要试剂与分析仪器
• 5.2.3 研究方法
• 5.2.3.1 临界通量测定方法的确定
• 5.2.3.2 过滤阻力分析
• 5.2.3.3 进料液的配制
• 5.2.3.4 水质分析手段
• 5.3 结果与讨论
• 5.3.1 临界通量测定方法的确定
• 5.3.2 超滤处理海水的临界通量类型分析
• 5.3.3 海水体系中的NOM含量对临界通量和超滤运行状况的影响
• 5.3.3.1 海水体系中NOM含量对临界通量的影响
• 5.3.3.2 海水体系中NOM含量对超滤产水水质的影响
• 5.3.3.3 海水体系中NOM含量对过滤阻力的影响
• 5.3.4 海水体系中悬浮物含量对临界通量和超滤运行状况的影响
• 5.3.4.1 海水体系中悬浮物含量对临界通量的影响
• 5.3.4.2 海水体系中悬浮物含量对超滤产水水质的影响
• 5.3.4.3 海水体系中悬浮物含量对过滤阻力的影响
• 5.3.5 海水体系中无机盐含量对临界通量和超滤运行状况的影响
• 5.3.5.1 海水体系中无机盐含量对临界通量的影响
• 5.3.5.2 海水体系中无机盐含量对超滤产水水质的影响
• 5.3.5.3 海水体系中无机盐含量对过滤阻力的影响
• 5.3.6 错流流速对临界通量和超滤处理海水运行状况的影响
• 5.3.6.1 错流流速对临界通量的影响
• 5.3.6.2 错流流速对超滤产水水质的影响
• 5.3.6.3 错流流速对过滤阻力的影响
• 5.3.7 超滤膜截留分子量对临界通量和超滤运行状况的影响
• 5.3.7.1 超滤膜截留分子量对临界通量和过滤阻力的影响
• 5.3.7.2 超滤膜截留分子量对超滤产水水质的影响
• 5.3.8 采用不同操作方式的超滤长时间运行状况
• 5.3.8.1 Sub-Jcrit工况下的超滤运行状况
• 5.3.8.2 Super-Jcrit工况下的超滤运行状况
• 5.4 本章小结
• 6 错流超滤过程的模型及Monte Carlo模拟计算
• 6.1 引言
• 6.2 Monte Carlo方法及应用
• 6.2.1 Monte Carlo方法及基本模拟思想
• 6.2.2 Monte Carlo方法在水处理中的应用
• 6.3 中空纤维错流超滤过程模型
• 6.3.1 模型的假设
• 6.3.2 模型的建立
• 6.3.2.1 错流超滤过程的示意图
• 6.3.2.2 错流超滤过程的物料衡算数学模型
• 6.3.2.3 浓差极化层的粒子受力模型
• 6.3.2.4 错流超滤过程的阻力模型
• 6.4 关于错流超滤过程的 Monte Carlo 模拟思想
• 6.4.1 箱体空间描述和粒子初始分布
• 6.4.2 粒子转移及状态
• 6.4.3 粒子转移平衡状态的判定
• 6.4.3.1 粒子间平均距离的模拟计算
• 6.4.3.2 粒子体积分数的模拟计算
• 6.4.4 数据的采集
• 6.5 平衡状态的模拟结果与数据分析
• 6.5.1 浓差极化层粒子体积分数在膜丝方向变化的模拟结果
• 6.5.2 浓差极化层粒子体积分数随膜通量变化的模拟结果
• 6.5.3 浓差极化层粒子体积分数的拟合结果
• 6.5.4 渗透液速度与跨膜压差的关系
• 6.6 关于中空纤维超滤过程的理论推导及 Monte Carlo 模拟的意义
• 6.6.1 本工作与文献的比较
• 6.6.2 指导意义
• 6.7 本章小结
• 7 论文结论及展望
• 7.1 论文的主要结论
• 7.2 论文的创新点
• 7.3 认识与展望
• 参考文献
• 符号
• 致谢
• 个人简历
• 发表的学术论文