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正渗透过程中驱动溶质反渗规律研究

作　者: 吴晴
导　师: 田禹
学　校: 哈尔滨工业大学
专　业: 环境科学与工程
关键词: 正渗透 溶质反渗 膜污染 正渗透膜生物反应器
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2013年
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内容摘要


和反渗透（RO，Reverse osmosis）相比，正渗透（FO，Forward osmosis）技术具有能耗低，抗污染性能强等众多优点，是一种环境友好型技术。然而正渗透过程中找不到合适的驱动液以及浓差极化现象(CP，Concentration polarization)等因素的影响导致其发展缓慢。理想的正渗透膜只允许水分子通过而将一切溶质排除在外，而目前的正渗透膜都会遇到驱动溶质反渗情形，不仅造成膜孔的堵塞，也会造成膜通量的下降。如果是在污水处理系统中，反渗过去的离子更会危害系统中的微生物，造成整个反应器的瘫痪，故研究正渗透过程中驱动溶质反渗的规律至关重要。本课题以现在已有的浓差极化模型为基础，建立了正渗透过程中驱动溶质反渗通量以及膜通量的数学模型，然后以NaCl为驱动液时的水通量和反渗通量的实验值验证模型，结果证明模型的预测结果与实验结果高度吻合。另外选择NaC（l1-1型）、 Na2SO4（1-2型）、MgCl2（2-1型）、 MgSO4（2-2型）四种具有不同价态阴阳离子的典型驱动液，做另外一组序批式实验并结合数学模型，研究正渗透过程中驱动溶质的反渗规律以及运行过程中的主要影响因素。通过分析我们有以下结论：温度对低浓度驱动液中驱动溶质反渗通量影响比较小，而高浓度驱动液中溶质的反渗通量先随温度的升高而升高后随着温度的升高而降低；同时运行FO模式和PRO模式两组反应器，使其初始渗透压一致，都是在常温下运行，最后发现不管是什么驱动液，PRO模式的反渗通量总是比FO模式要大；溶质的反渗通量还与渗透压差有关，随着渗透压的升高，反渗通量也随着升高，但增加的幅度减小；驱动液中阴阳离子的反渗通量相差很大，阳离子的反渗通量比阴离子的小，一般来讲，离子水力半径越大反渗通量就会越小，反之越大。然而，根据唐南平衡，溶液体系总体是呈电中性的，那么反渗过去的阴阳离子是相互作用的，如果阴离子的反渗通量大的话，即使阳离子的水力半径很大，其反渗通量也会相应的变大，反之一样，阳离子反渗通量大的话，阴离子也会相应的变化，故四种驱动液中，反渗过去的量是NaCl> Na2SO4>MgCl2> MgSO4。最终，我们建立一个正渗透膜生物反应器（FO-MBR）平台，以NaCl为驱动液，监测反应器的运行效果。结果表明，FO模式中的膜通量和溶质反渗通量都大于PRO模式，这与模型预测的结果相悖。而我们推测主要原因是，原料液中的阳离子（如Ca2+,Mg2+）会和料液中的有关物质（如污泥中微生物代谢产生的SMP）相结合，形成泥饼层，污染层的形成改变了溶质反渗的规律。

全文目录


摘要  4-5
Abstract  5-10
第1章 绪论  10-23
  1.1 正渗透原理及研究现状  10-14
    1.1.1 正渗透过程动力学理论基础  10-11
    1.1.2 渗透过程的基本分类  11-12
    1.1.3 驱动液的选择  12-13
    1.1.4 膜材料及膜组件的研发现状  13-14
    1.1.5 膜污染的研究  14
  1.2 正渗透的工程应用  14-18
    1.2.1 海水淡化  14-15
    1.2.2 绿色能源  15-16
    1.2.3 废水处理和水净化  16-17
    1.2.4 食品医药等领域的应用  17-18
  1.3 浓差极化现象及浓差极化模型  18-20
    1.3.1 FO 模式浓差极化模型  18-19
    1.3.2 PRO 模式的浓差极化模型  19-20
  1.4 正渗透过程的影响因素  20-21
    1.4.1 温度的影响  20-21
    1.4.2 膜置向的影响  21
    1.4.3 驱动液浓度的影响  21
  1.5 课题的提出  21-23
    1.5.1 课题研究的目的和意义  21-22
    1.5.2 主要研究内容  22-23
第2章 实验材料与方法  23-30
  2.1 实验设置  23-24
    2.1.1 实验原料与试剂  23
    2.1.2 实验仪器  23
    2.1.3 序批式实验装置  23-24
  2.2 实验方法  24-26
    2.2.1 水通量的测量  24
    2.2.2 驱动溶质的反渗通量的计算  24-25
    2.2.3 截留率的计算  25
    2.2.4 扫描电子显微镜（SEM）分析  25
    2.2.5 阴阳离子的测量  25-26
    2.2.6 其他测量指标  26
  2.3 驱动液的选择和渗透压的计算  26-30
第3章 反渗模型的建立和实验验证  30-47
  3.1 CTA 膜的结构特征  31
  3.2 FO 模式驱动溶质反渗模型的建立  31-35
  3.3 PRO 模式驱动溶质反渗模型的建立  35-37
  3.4 与之前模型进行比较  37-38
  3.5 膜支撑层对溶质阻质系数 K 的计算  38-40
  3.6 溶质渗透系数 k 的计算  40-42
    3.6.1 粘度的计算  40-41
    3.6.2 k 值的计算  41-42
  3.7 模型的实验验证  42-46
  3.8 本章小结  46-47
第4章 溶质反渗过程的影响因素  47-57
  4.1 温度及驱动溶质对 FO 过程的影响  47-52
    4.1.1 NaCl 为驱动液时温度对离子反渗过程的影响  48-49
    4.1.2 MgCl2为驱动液时温度对离子反渗过程的影响  49
    4.1.3 Na2SO4为驱动液时温度对离子反渗过程的影响  49-50
    4.1.4 MgSO4为驱动液时温度对离子反渗过程的影响  50-51
    4.1.5 温度对正渗透过程中水通量的影响  51-52
  4.2 膜的置向对 FO 过程的影响  52-53
    4.2.1 膜的置向对溶质反渗通量的影响  52
    4.2.2 膜的置向对水通量的影响  52-53
  4.3 初始渗透压 FO 过程的影响  53
  4.4 驱动液中阴阳离子反渗情况的比较  53-56
    4.4.1 正渗透膜对阳离子的截留作用  54-55
    4.4.2 正渗透膜对阴离子的截留作用  55
    4.4.3 膜对阴阳离子的共同截留作用  55-56
  4.5 本章小结  56-57
第5章 FO-MBR 中溶质反渗规律的研究  57-64
  5.1 实验设置  57-58
    5.1.1 实验方案  57-58
    5.1.2 影响 FO-MBR 运行的主要因素  58
  5.2 实验结果  58-60
    5.2.1 FO-MBR 反应器运行效果  58-60
    5.2.2 膜污染对溶质反渗的影响  60
  5.3 溶质的反渗对膜污染的影响  60-62
  5.4 减弱溶质反渗的方法  62
  5.5 本章小结  62-64
结论  64-67
参考文献  67-73
攻读硕士学位期间发表的论文及其它成果  73-76
致谢  76

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中图分类: > 环境科学、安全科学 > 废物处理与综合利用 > 一般性问题 > 废水的处理与利用
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