中空纤维超滤膜错流过滤膜污染的犆犉犇模拟

作者:慕杨;李伟英;张骏鹏;亓万琦;华伟;向嫄;刘瑶; 刊名:给水排水 上传者:李春敏

【摘要】利用有限元分析软件Comsol Multiphsics中的自由流动、达西定律以及物质传递耦合膜阻力公式,建立中空纤维膜的膜污染计算流体力学(CFD)模型,并通过实验室小试对模型参数进行了修正。结果表明,过滤初期,膜通量的快速下降是由于污染物质吸附作用在膜表面快速累积而引起的,随后,由于污染物质吸附达到动态饱和,同时滤饼层尚未形成,总阻力系数增长缓慢,因而通量下降亦较缓慢;最后,随着过滤的进行,已累积的污染物质在膜表面分布趋于均匀,滤饼层基本形成,此阶段通量下降较为明显。模型可准确地预测中空纤维超滤膜膜通量的变化,解析膜内污染物质浓度分布及其浓差极化层厚度动态变化,为研究膜内物质浓度分布可视化提供手段。

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吴江水厂活性炭柱设计及运行参数优化技术研究(20163220);成都川力直饮水工程安全保障技术的研究(CDCL201501)。0前言在过去几十年里,膜过滤技术已逐渐成为水处理领域一项重要工艺。膜过滤工艺是一种压力驱动过程,以膜两侧的压力差为驱动力,以膜为过滤介质,在一定的压力下,实现了对原液的分离和浓缩的目的。膜工艺除了在工业生产中得到大量应用,现已成为传统水处理工艺的一种附加或替代工艺[1,2]。膜污染是水体中杂质、杂质与膜表面一系列复杂的物理、化学和生物作用的结果[3]。膜污染会导致过滤阻力(TMP)增大和通量下降,化学清洗的频率和能耗增加,进而缩短膜寿命及提高制水成本,已阻碍膜分离技术的广泛应用[4~6]。因此如何减少膜污染是膜技术进一步发展关键所在。然而对膜污染的研究经常会受到实验条件和过滤装置的限制,只能局限于定性或是半定量研究,无法对膜污染这一问题深入到机理层面进行研究分析[7,8]。计算流体力学(CFD)是通过计算机数值计算和图像显示,对流体流动和热传导等物理现象做出的分析的技术,所以能够很好克服单纯试验分析的缺点[9]。在早期的膜过滤CFD仿真研究中,将膜表面视为不可渗透壁面或是多孔介质层,对膜内流场进行研究分析。后来Pinho等[10]将传质模型耦合到膜CFD模型中,对膜边界进行定义,得到膜通道内物质浓度分布和截留率,并与试验结果相吻合;Ah-mad等[11],采用薄膜理论,利用CFD软件Fluentv6用户自定义函数(UDF)描述浓差极化现象,成功模拟了狭通道内的层流状态下膜表面浓差极化现象,预测出膜内浓差极化层厚度随雷诺数与跨膜压差的变化规律。但其仅是通过定义物质浓度分布关系实现了膜的“可渗透性”,在模拟结果上具有一定局限性;Rajabzadeh等[12]在研究电解酸化大豆提取液在错流过滤中的可逆与不可逆污染行为时,利用达西定律,耦合串联阻力模型(resistance-in-series)对过滤过程中的通量模型进行了更为细致的定义,成功模拟出膜通量、阻力系数与边界物质浓度随时间变化趋势并与试验结果相吻合;宋卫臣等[13,14]利用有限元软件ComsolMultiphsics耦合了多孔介质流场、自由开放流场,并基于死端超滤建立起来的污染模型以及文献中的数据,对吸附速率系数和解吸附速率系数进行了数值拟合,建立了描述完整超滤错流污染过程的数学模型。目前,膜过滤模型的研究依然停留在对膜内流场状态的研究,而对膜过滤过程中的膜污染动态变化过程研究分析鲜见报道。本文基于Marcos等[15]建立的回流错流过滤污染模型的基础上,通过Com-solMultiphsics有限元软件自由流动、Darcy定律以及稀物质传递模块结合优化处理的膜阻力公式,模拟了无回流错流过滤的膜通量变化趋势,并通过试验加以验证,从而得到中空纤维超滤膜膜内污染以及浓差极化层厚度变化。1试验方法试验过滤过程如图1所示,膜组件采用错流过滤,恒压运行方式,操作压力为0.10MPa,在原料箱中使用自配2mg/L腐殖酸原水进行过滤试验。试验装置为某公司提供的多功能膜试系统,如图2所示。过滤试验用超滤膜组件特征参数如表1所示。图1膜试验流程图2多功能膜测试系统2模型建立2.1控制方程用式(1)与式(2)、式(3)来描述流体在膜内的质量守恒与自由流动,用式(4)来描述污染物质(污表1超滤膜特征参数材料改性聚醚砜(PES)截留相对分子质量量150000内径/mm1外径/mm2膜丝长度/m0.200有效过滤面积/m20.002PWF/L/(m2h)-30190染物质)的分布情况。在确定控

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