高通量管式膜蒸馏组件结构设计及污酸处理研究

论文摘要

近年来社会的工业化进程加速,一定程度上导致了生态环境的压力日趋沉重,其中最为典型的例子就是可利用的淡水资源数量急剧减少和水污染问题日益突出。膜蒸馏（MD）技术作为一种具备良好前景的海水脱盐、纯水制备及污水处理方法,经过几十年的发展,在理论及实验室的应用研究方面已经取得了一定的成果,但其产水效率较低、系统抗污染能力差以及长期运行稳定性低等缺点,阻碍了该技术大规模工业化的应用。围绕提高管式膜蒸馏系统的通量及优化膜组件的抗污染能力这一核心目标,本论文主要开展了如下几个方面的工作并得出了相应的结论:1.高通量管式膜组件结构方案设计研究:首先从理论上分析出了膜组件的结构参数（中间气隙层、冷凝壁材质、冷凝面积等）会影响膜蒸馏系统传质过程,然后设计两种气隙层方式（2 mm气隙/膜接触）、三种材质的冷凝管（铜质,不锈钢,PE）、三组冷凝面积与膜工作面积比SⅠ/SⅡ（1:1.77、1:1.46、1:1.24）、两种料液进出口方式（中间进出口,切向进出口）,考察膜组件中各结构参数对系统膜通量的影响情况,确定出高通量膜组件的最佳方案为:以不锈钢为冷凝管,SⅠ/SⅡ为1:1.24的切向进出口膜接触式组件。实验结果表明:该组件的系统产水通量相比同一操作条件下的传统气隙式（AGMD）提升了2.1倍,产水效率与直接接触式（DCMD）相当。2.高通量膜蒸馏方式-膜接触式（M-AGMD）与AGMD、DCMD循环浓缩过程对比研究:以1 mol·L-1的KCl为料液,在同一膜蒸馏系统中采用三种不同的膜组件方式分别浓缩等量的料液,对比研究三种膜蒸馏浓缩过程的产水效率、运行稳定性及膜污染情况。结果表明:浓缩过程的产水通量DCMD>M-AGMD>AGMD,膜污染及膜润湿程度DCMD>AGMD>M-AGMD,M-AGMD膜表面接触角降幅最小,膜接触式膜蒸馏（M-AGMD）的综合性能最佳。3.高通量膜蒸馏组件浓缩—结晶处理实际污酸废液的应用研究:首先探索膜蒸馏浓缩污酸的工艺可行性,然后对比研究了稀硫酸浓缩与污酸浓缩过程的差异性,并且重点研究了浓缩及结晶过程硫酸的回收以及脱As、F、C1情况、各阶段产物的情况、膜材料的性能变化及冷凝管的腐蚀情况等。以污酸料液处理的“减量化、无害化、资源化”为原则,对污酸料液的处理采取三步式（1）先浓缩:在生产回用水的同时富集污酸料液中的有价资源（H2SO4、有价金属等）并减少污酸料液的体积（浓缩后仅为初始体积的1/4,造水率为75%）;（2）后结晶:浓缩液中的溶质达到一定的过饱和度后在低温条件下进行结晶处理,将污酸料液中的重金属离子及其它有害的杂质元素从浓缩液中结晶析出,同时提高浓缩液中硫酸的品质;（3）再过滤分离:将浓缩液中的结晶产物过滤分离以结晶粉末的形式回收处理。研究结果表明,膜蒸馏浓缩过程污酸料液中的H+和SO42-得到了同步的富集,浓缩液中的硫酸回收率达到88.06%;浓缩-分离过程对As的综合脱除效果最佳,而冷却结晶过程对C1-几乎没有脱除效果;杂质元素As、F、Si等冷却结晶后分别以砷的氧化物、氟化盐、硫酸盐、硅酸盐以及其它混合盐的形式从溶液中结晶出来;膜热侧表面的粗糙度出现了一定程度的降低,但是膜材料的力学性能并未出现降低的趋势;不锈钢冷凝管出现了一定程度的腐蚀。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 1 绪论
•   1.1 膜蒸馏技术简介
•     1.1.1 膜蒸馏原理及分类
•     1.1.2 膜蒸馏过程的评价指标
•     1.1.3 发展历史及存在问题
•     1.1.4 膜组件的种类及特点
•     1.1.5 膜蒸馏的应用
•   1.2 膜蒸馏传质强化研究现状
•     1.2.1 优化操作条件
•     1.2.2 膜材料改性及制备
•     1.2.3 膜组件结构设计及优化
•   1.3 污酸处理技术研究现状
•     1.3.1 传统处理技术
•     1.3.2 新型处理技术
•   1.4 论文研究内容及技术路线
•     1.4.1 研究内容
•     1.4.2 研究技术路线
• 2 膜蒸馏过程传质传热及机理分析
•   2.1 传输过程机理分析
•     2.1.1 热侧膜表面传输过程
•     2.1.2 膜孔附近传输过程
•     2.1.3 冷凝壁及冷却水传输过程
•   2.2 传输过程传质传热分析
•     2.2.1 传质分析
•     2.2.2 传热分析
• 3 管式膜蒸馏组件的设计
•   3.1 实验部分
•     3.1.1 组件的设计及实验方案
•     3.1.2 实验仪器及材料
•   3.2 结果与讨论
•     3.2.1 中间气隙层对膜通量的影响
•     3.2.2 不同冷凝管材质对膜通量的影响
•     3.2.3 冷凝管表面积对通量的影响
•     3.2.4 膜热侧料液流态对膜蒸馏的影响研究
•   3.3 本章小结
• 4 M-AGMD与DCMD、AGMD浓缩料液对比研究
•   4.1 实验部分
•     4.1.1 实验方案
•     4.1.2 实验仪器及材料
•   4.2 结果与讨论
•     4.2.1 膜通量的对比研究
•     4.2.2 三种膜蒸馏方式浓缩实验对比研究
•   4.3 膜污染及疏水性分析
•     4.3.1 膜表面SEM-EDS分析
•     4.3.2 膜疏水性分析
•   4.4 疏水性对膜污染的影响分析
•   4.5 本章小结
• 5 污酸浓缩处理研究
•   5.1 实验部分
•     5.1.1 实验设计及方案
•     5.1.2 实验材料及分析方法
•   5.2 结果与讨论
•     5.2.1 膜蒸馏过程工艺研究
• +及SO₄^2-的去向分布'>    5.2.2 浓缩过程H⁺及SO₄^2-的去向分布
•     5.2.3 膜蒸馏及冷却结晶脱As、F、Cl研究
•   5.3 产物及膜组件材料分析
•     5.3.1 产水及浓缩水水质分析
•     5.3.2 结晶产物形态及成分分析
•     5.3.3 膜材料表面形貌及性能分析
•     5.3.4 冷凝管材料表面腐蚀情况分析
•   5.4 本章小结
• 结论
• 附录
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间取得的成果
• 致谢

文章来源

类型: 硕士论文

作者: 李伟

导师: 纪仲光

关键词: 膜蒸馏,膜组件,污酸,浓缩,通量,传质强化

来源: 北京有色金属研究总院

年度: 2019

分类: 工程科技Ⅰ辑

专业: 无机化工,有机化工

单位: 北京有色金属研究总院

分类号: TQ051.893

总页数: 77

文件大小: 6087K

下载量: 118