多孔荷电膜分离性能、动电性质及传递参数研究

论文摘要

荷电膜广泛应用于水处理等领域,它在解决水资源短缺方面有重要的意义。深入研究荷电膜传递现象,可以为优化现有膜过程和开发设计更高效的膜过程提供指导。人们通常从膜传递参数、分离性能和动电性质三方面研究荷电膜传递现象,研究中面临的主要问题有:高价单组分盐溶液膜传递参数预测、混合盐溶液膜分离性能评价和高价单组分盐溶液膜动电性质预测。针对这些问题,本文通过理论建模、数值模拟和实验测量进行系统研究。本文首先改进了空间电荷（SC）模型和固定电荷（TMS）模型解析方法,使两个模型对荷电膜传递参数（反射系数、溶质透过系数、电导率和迁移率）的研究体系由1-1价单组分无机盐扩展到任意价单组分无机盐。将TMS模型和非平衡热力学模型拓展到混合体系,获得膜对混合盐的总盐反射系数（σ）的表达。简化处理后,建立了膜对单组分盐的σ与膜对混合盐的总盐σ的定量关系。根据该定量关系,提出了由膜对单组分盐的透过率预测膜对混合盐的总盐透过率及离子透过率的新模型。与实验结果相比,该模型可以很好的预测双组分无机盐和含6个离子的复杂无机盐溶液中膜的分离性能。基于文中改进的SC模型和TMS模型解析方法,将两个模型对荷电膜动电性质（膜电位和流动电位）预测的体系由1-1价单组分无机盐推广到任意价单组分无机盐。比较体积电荷密度（Xm）随浓度呈线性和指数变化条件下,TMS模型对五种纳滤膜（NTR 7450、ESNA 1、ESNA 1-LF、LES 90和UTC 60）的膜电位拟合效果。当Xm随浓度呈指数变化时,TMS模型对膜电位的拟合结果与实验结果更接近,得到的Xm更精确。确立了从测量的纳滤膜跨膜电位中分离出流动电位的解析方法,并根据TMS模型,提出了修正的Helmholtz-Smoluchowski（HS）方程,用于拟合流动电位,表征荷电膜的带电性质。修正的HS方程对三种纳滤膜（NTR 7250、LES 90和ESNA 1-K）流动电位进行拟合,拟合得到的Xm的量级与膜电位法拟合得到的Xm的量级相一致。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第1章 引言
• 1.1 荷电膜及其传递现象简介
• 1.1.1 荷电膜定义及分类
• 1.1.2 荷电膜结构及其带电性质的参数表征
• 1.1.3 荷电膜传递现象的参数表征
• 1.2 荷电膜传递现象的模型描述
• 1.2.1 非平衡热力学模型
• 1.2.2 细孔模型
• 1.2.3 空间电荷模型
• 1.2.4 固定电荷模型
• 1.2.5 静电排斥和立体阻碍模型
• 1.2.6 混合无机盐溶液荷电膜分离性能的半径验模型
• 1.2.7 Helmholtz-Smoluchowski（HS）方程
• 1.3 荷电膜传递现象的研究进展
• 1.3.1 膜分离性能
• 1.3.2 膜动电性质
• 1.3.3 膜传递参数
• 1.4 荷电膜的结构参数表征
• 1.4.1 基于膜分离性能实验的模型回归法
• 1.4.2 介电谱分析法
• 1.5 荷电膜的电参数表征
• 1.5.1 基于膜分离性能实验的模型回归法
• 1.5.2 膜电位法
• 1.5.3 流动电位法
• 1.6 本论文的研究目的和内容
• 第2章 三种模型的扩展及求解方法的改进
• 2.1 非平衡热力学模型
• 2.2 空间电荷模型
• 2.2.1 基本方程
• 2.2.2 推动力与通量的关系
• 2.2.3 现象学系数的验证
• 2.2.4 膜传递参数
• 2.2.5 推动力及通量的求解方法
• 2.3 固定电荷模型
• 2.3.1 基本方程
• 2.3.2 推动力及通量的关系
• 2.3.3 膜传递参数
• 2.3.4 推动力及通量的求解方法
• 2.3.5 流动电位的推导及求解方法
• 2.4 小结
• 第3章 多孔荷电膜的传递参数的预测
• 3.1 反射系数和溶质透过系数
• 3.1.1 四种类型的电解质的反射系数与溶质透过系数
• 3.1.2 阴阳离子扩散系数之比对反射系数的影响
• 3.1.3 膜孔表面电荷密度对反射系数的影响
• 3.1.4 膜孔半径对反射系数的影响
• 3.1.5 荷电膜对混合电解质溶液的反射系数
• 3.2 迁移率
• 3.2.1 阴阳离子扩散系数之比对迁移率的影响
• 3.2.2 膜孔表面电荷密度对迁移率的影响
• 3.2.3 膜孔半径对迁移率的影响
• 3.3 电导率
• 3.3.1 阴阳离子扩散系数之比对电导率的影响
• 3.3.2 膜孔表面电荷密度对电导率的影响
• 3.3.3 膜孔半径对电导率的影响
• 3.4 小结
• 第4章 混合盐溶液荷电膜分离性能评价模型的提出及验证
• 4.1 引言
• 4.2 理论部分
• 4.2.1 模型的建立
• 4.2.2 分配系数的确定
• 4.2.3 模型的模拟思路
• 4.3 实验部分
• 4.3.1 荷电膜及溶质
• 4.3.2 透过实验
• 4.4 结果与讨论
• 4.4.1 单组分无机盐溶液纳滤膜分离性能及带电性质表征
• 4.4.2 模型在双组分无机盐溶液中的应用
• 4.4.3 模型在多组分混合无机盐溶液中的应用
• 4.5 小结
• 第5章 荷电膜的膜电位及其带电性质表征
• 5.1 引言
• 5.2 理论部分
• 5.2.1 SC 模型表达膜电位
• 5.2.2 TMS 模型表达膜电位
• 5.3 实验部分
• 5.3.1 荷电膜及溶质
• 5.3.2 实验装置
• 5.3.3 实验步骤
• 5.3.4 注意事项
• 5.3.5 电导率与离子浓度的关系
• 5.4 荷电膜膜电位的理论计算与讨论
• 5.4.1 电解质的价态对膜电位的影响
• 5.4.2 荷电膜两侧浓度之比对膜电位的影响
• 5.4.3 阴阳离子扩散系数之比对膜电位的影响
• 5.4.4 膜孔表面电荷密度对膜电位的影响
• 5.4.5 膜孔半径对膜电位的影响
• 5.5 TMS 模型对膜电位实验数据的拟合
• 5.5.1 不同膜在KCl 溶液中的膜电位拟合
• 5.5.2 不同电解质溶液中ESNA 1-LF 膜的膜电位拟合
• 5.6 小结
• 第6章 荷电膜的流动电位及其带电性质表征
• 6.1 引言
• 6.2 理论部分
• 6.2.1 SC 模型表达流动电位
• 6.2.2 TMS 模型表达流动电位
• 6.2.3 HS 方程及GC 方程
• 6.2.4 修正HS 方程表征荷电膜带电性质
• 6.3 实验部分
• 6.3.1 膜及溶质
• 6.3.2 实验装置
• 6.3.3 实验步骤
• 6.3.4 注意事项
• 6.4 理论计算与讨论
• 6.4.1 SC 和TMS 模型研究电解质类型对膜电位的影响
• 6.4.2 SC 和TMS 模型研究膜孔表面电荷密度对膜电位的影响
• 6.4.3 SC 和TMS 模型研究膜孔半径对膜电位的影响
• 6.4.4 HS 方程高估流动电位的现象及解析
• 6.4.5 修正的HS 方程的可行性验证
• 6.5 获取纳滤膜流动电位的方法
• 6.5.1 跨膜压差、通量和截留率随压差的变化关系
• 6.5.2 NTR 7250 膜的流动电位
• 6.5.3 ESNA 1-K 膜的流动电位
• 6.6 流动电位表征荷电膜的结构性质及带电性质
• 6.6.1 ESNA 1-K 膜的qw和rp
• 6.6.2 ESNA 1-K 膜的Xm
• 6.7 小结
• 结论与展望
• 参考文献
• 致谢
• 附录
• 个人简历、在学期间发表的学术论文与研究成果