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采用气液两相流方法清洗络合—超滤污染膜组件的研究

作　者: 乔玉柏
导　师: 邵嘉慧
学　校: 上海交通大学
专　业: 膜法水处理技术
关键词: 气液两相流超滤膜污染清洗方法络合-超滤
分类号: X703
类　型: 硕士论文
年　份: 2012年
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内容摘要

2+超滤膜法作为膜技术的主要分支之一,具有能耗低、效率高、分离过程无相变、操作过程简单等优点,在医药、食品、冶金、海水淡化、废水处理及回用等诸多领域都得到了广泛的应用,是目前最有发展前途的水处理技术之一。但是超滤膜在应用过程中不可避免地会产生膜污染,这在很大程度上限制了该技术的进一步推广。因此,研究超滤膜的清洗技术对于超滤膜技术的更广泛应用具有十分重要的意义。目前针对超滤膜污染的清洗方法主要有物理清洗方法和化学清洗方法两大类。前者多适用于污染初期的防治,后者虽然能较有效清除污染物,但由于使用了化学试剂,一定程度上会损伤膜并造成二次污染。本文针对两类清洗方法的不足,并结合两类方法的特点,提出了用特定气液两相流清洗超滤膜污染的方法,并对该方法进行了系统的研究。随着工业的发展,重金属废水对环境的污染日趋严重,而且因为排入环境后很难降解,最终会随食物链在生物体内积累,给生物体和环境造成极大的危害。目前治理含重金属离子废水的技术主要有化学法、离子交换法和吸附法等,络合-超滤耦合工艺则是近些年发展起来用于去除重金属离子的新技术,该方法在使用过程中同样存在膜污染问题。本课题针对聚丙烯酸钠(PAAS)络合-超滤处理含镍(Ni)废水过程,考察了操作条件对络合-超滤过程的影响,比较了气体冲洗、水力反冲洗、化学试剂反冲洗和气液两相流清洗(分别以水和HCl作为清洗液)对络合-超滤污染膜组件的清洗效果。首先,采用配制模拟废水进行PAAS络合超滤镍的实验。分别考察料液浓度、料液流速、操作压力和运行时间对超滤过程中膜通量、Ni2+的截留率和膜阻力分布的影响。结果显示,随着料液浓度增加,超滤膜对Ni2+的截留率基本保持不变；超滤膜对Ni2+的截留率随操作压力缓慢增加,且稳定状态下的膜通量也随着操作压力的升高而增加；同时,浓度较高的料液超滤后达到稳态通量条件下的膜通量较低且增加值比低浓度料液的更少,总阻力、污染阻力和浓差极化阻力随料液浓度均不同程度增加,其中污染阻力的增加更明显,与通量衰减的趋势一致。当操作压力升高时,总阻力、污染阻力和浓差极化阻力均明显增加,总阻力的增加最显著。其中,在较高的压力下(Δp=0.2MPa),污染阻力增加较为缓慢。对于较高浓度的料液,膜阻力分布随操作压力的变化表现出了相似的趋势。尤其对于浓差极化阻力和污染阻力,操作压力对二者的影响相比与低浓度溶液更加的显著。总阻力、污染阻力和浓差极化随料液流速升高都呈下降趋势,说明料液流速提高对于浓差极化和膜污染具有一定的抑制作用。然后,考察气体冲洗、水力反冲洗、化学试剂反冲洗和气液两相流清洗(分别以水和HCl作为清洗液)对络合-超滤过程污染膜组件的清洗效果。结果显示,相同清洗时间条件下,气液两相流清洗方法的清洗效果更好；随着清洗时间的增加,所有四种清洗方法的通量恢复率升高,但气液两相流清洗方法增加得更快,即更有利于气液两相流方法发挥清洗作用,在15～25min即可达到较高的通量恢复率。进一步考察通气时间tc、气停时间ti和气液流速比Rg/l对气液两相流方法清洗效果的影响。结果表明,通气时间对分别以水和HCl为清洗剂的气液两相流方法的影响基本相同,在一定范围内增加通气时间有助于提高该方法的清洗效果。当通气时间过长,会导致通量恢复率降低；气停时间对分别以水和HCl为清洗剂的气液两相流方法的影响趋势类似,两种操作方式都在气停时间为20s时达到最佳的清洗效果。同时,随着清洗次数的增加,通量恢复率逐渐降低；气液流速比对分别以水和HCl为清洗剂的气液两相流方法的影响略有差别,两种操作方式的清洗效果均随着气液比的升高而增大,但以HCl为清洗剂的气液两相流方式在气液比为40：1时的通量恢复率最高,清洗5min即可达到95%左右,以水为清洗剂的气液两相流方法则在气液比为80：1的条件下取得最好的清洗效果。气液比过高或过低时,都不利于气液两相流方法清洗作用的发挥。最后,以流经交通大学闵行校园园区的淡水河和二号河河水为背景水体,添加一定量Ni2+,考察络合-超滤工艺对此时含镍水样的去除效果；然后考察气液两相流方法对该含镍水样污染膜组件的清洗效果,并与水力反冲洗、气体冲洗、HCl化学清洗的清洗效果进行对比。结果表明,络合-超滤过程对背景水体所配制水样中的镍离子截留效果要比模拟废水的截留效果要好,出水中镍离子含量很低或者未检出镍离子,并且能够去除一定的COD；但络合-超滤工艺处理背景水体配置水样时膜通量下降更快；通过清洗,膜通量可以得到较大程度的恢复,但随着清洗次数增加,可以恢复的膜通量在降低。相同清洗次数条件下,气液两相流清洗方法的清洗效果最好,而又以水做清洗剂的气液两相流清洗方法效果更好；在温度25℃、壳程进液压力0.1MPa、脉冲过程采用15s+20s模式、清洗时间为15min条件下,提高气液比,以水为清洗剂的气液两相流清洗方法的清洗效果提高明显,最高可以达到92%左右,且优于以HCl为清洗液的气液两相流清洗效果。使用NaOH(pH=11)溶液清洗剂,膜通量恢复率显著提高,达到92.82%,比用水做清洗剂时略高,说明对于此时的含镍实际水样,碱性的环境更有利于污染物的去除。与气体冲洗、水力反冲洗和化学试剂反冲洗的清洗效果相比,气液两相流清洗方法能有效去除污染物,在一定程度上可以减少化学清洗剂的使用而减少二次污染,是一种有效的绿色膜清洗技术。

全文目录

摘要  2-5
ABSTRACT  5-9
目录  9-12
第一章绪论  12-29
  1.1 超滤技术  13-17
    1.1.1 超滤技术的原理特点  13-14
    1.1.2 超滤膜技术的应用  14-16
    1.1.3 超滤过程中影响膜污染的因素  16-17
  1.2 络合-超滤工艺  17-20
    1.2.1 络合超滤工艺原理  17-18
    1.2.2 络合超滤工艺的影响因素  18-19
    1.2.3 络合超滤工艺在水处理中的应用  19-20
  1.3 超滤膜清洗方法  20-24
    1.3.1 物理方法  20-21
    1.3.2 化学清洗方法  21-23
    1.3.3 其他清洗方法  23-24
  1.4 气液两相流方法  24-27
    1.4.1 气液两相流原理  24-25
    1.4.2 气液两相流方法在膜清洗中的应用  25-26
    1.4.3 气液两相流方法的影响因素  26-27
  1.5 研究背景、意义、内容和技术路线  27-29
    1.5.1 背景和意义  27-28
    1.5.2 课题研究内容  28
    1.5.3 课题的技术路线  28-29
第二章操作条件对络合-超滤过程去除NI~(2+)的影响  29-45
  2.1 引言  29-30
  2.2 实验材料和方法  30-35
    2.2.1 实验材料  30-31
    2.2.2 实验仪器  31
    2.2.3 实验装置  31-33
    2.2.4 实验方法  33-34
    2.2.5 膜通量及截留率的实验测定  34-35
    2.2.6 膜污染阻力的计算方法  35
  2.3 结果与讨论  35-44
    2.3.1 料液浓度对络合超滤过程的影响  35-37
    2.3.2 操作压力对络合超滤过程的影响  37-40
    2.3.3 料液流速对络合超滤过程的影响  40-42
    2.3.4 运行时间对络合超滤过程的影响  42-44
  2.4 本章小结  44-45
第三章气液两相流清洗方法的研究  45-61
  3.1 引言  45-46
  3.2 实验材料和方法  46-48
    3.2.1 实验材料和装置  46-47
    3.2.2 清洗方法介绍  47
    3.2.3 膜清洗效果的表征  47-48
  3.3 结果与讨论  48-60
    3.3.1 比较四种清洗方法不同清洗时间下的清洗效果  48-52
      3.3.1.1 清洗时间对清洗效果的影响  48-50
      3.3.1.2 最佳清洗时间的确定  50-52
    3.3.2 操作条件对两相流清洗方法(以水为清洗剂)的影响  52-56
      3.3.2.1 通气时间对清洗效果的影响  52-53
      3.3.2.2 气停时间对气液两相流清洗效果的影响  53-54
      3.3.2.3 气液比对清洗效果的影响  54-56
    3.3.3 操作条件对两相流清洗方法(以HCl为清洗剂)的影响  56-60
      3.3.3.1 通气时间对清洗效果的影响  56-57
      3.3.3.2 气停时间对气液两相流清洗效果的影响  57-58
      3.3.3.3 气液比对清洗效果的影响  58-60
  3.4 本章小结  60-61
第四章气液两相流方法对实际水样污染膜组件的应用研究  61-71
  4.1 引言  61
  4.2 材料和方法  61-64
    4.2.1 材料和装置  61-62
    4.2.2 实验方法  62-64
      4.2.2.1 水样的布点  62-63
      4.2.2.2 水样的测定  63
      4.2.2.3 络合-超滤过程  63
      4.2.2.4 超滤组件的清洗  63-64
  4.3 结果与讨论  64-70
    4.3.1 原水水质分析  64-65
    4.3.2 络合超滤过程对实际废水中Ni~(2+)的去除  65-66
    4.3.3 四种清洗方法清洗效果的比较  66-70
  4.4 本章小结  70-71
第五章结论与建议  71-74
  5.1 结论  71-72
  5.2 建议  72-74
参考文献  74-79
致谢  79-81
攻读硕士学位期间发表论文情况  81-83

采用气液两相流方法清洗络合—超滤污染膜组件的研究

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