纳滤过程浓差极化行为的CFD模拟与影响因素研究

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1、硕士学位论文纳滤过程浓差极化行为的CFD模拟与影响因素研究CFDSIMULATIONFORNANOFILTRATIONCONCENTRATIONPOLARIZATIONANDITSINFLUENTIALFACTORS岳三峰哈尔滨工业大学2017年12月国内图书分类号：X703.1学校代码：10213国际图书分类号：504密级：公开工学硕士学位论文纳滤过程浓差极化行为的CFD模拟与影响因素研究硕士研究生：岳三峰：导师：孙飞云：副教授申请学位：工学硕士：学科：环境：科学与工程所在单位：深圳研究生院：答辩日期：2017：年12月授予学位单位：哈尔滨工业大学：C

2、lassifiedIndex:X703.1U.D.C:504AdissertationsubmittedinpartialfulfillmentoftherequirementsfortheacademicdegreeofMasterofEngineeringCFDSIMULATIONFORNANOFILTRATIONCONCENTRATIONPOLARIZATIONANDITSINFLUENTIALFACTORSCandidate：SanfengYueSupervisor：AssociateProfessorFeiyunSunAcademicDegre

3、eAppliedfor：MasterofEngineeringSpecialty：EnvironmentalScienceandEngineeringAffiliation：ShenzhenGraduateSchoolDateofDefence：December,2017Degree-Conferring-Institution：HarbinInstituteofTechnology哈尔滨工业大学工学硕士学位论文摘要浓差极化（ConcentrationPolarization，CP）是造成纳滤膜污染的重要原因之一，导致膜表面物质浓度提高、膜通量衰减、操作

4、压力增大等问题。本文利用激光诱导荧光（LaserInducedFluorescence，LIF）与显微粒子图像测速（MicroParticleVelocityMeasurement，MicroPIV）技术对纳滤膜表面的浓差极化进行可视化表征，在准确获得浓差极化特征参数的基础上，应用计算流体力学（ComputationalFluidDynamics，CFD），模拟纳滤膜表面浓差极化发展行为，分析浓差极化特征参数与影响因素，为认知纳滤浓差极化过程提供依据。在错流式纳滤分离实验装置中，利用LIF-MicroPIV分别对纳滤膜表面浓差极化层的速度场和浓度场分布进

5、行可视化分析，获得不同条件下的浓差极化特征参数。结果表明，在纳滤分离20mg/L腐殖酸（HumicAcid，HA）过程中，浓差极化层厚度分布在47-69μm，稳定后浓差极化层浓度分布在25.71-28.93mg/L。提高错流速度可以降低浓差极化层厚度，降低浓差极化层内物质浓度，当错流速度从0.83cm/s提高到2.50cm/s时，浓差极化层厚度从69μm降低到47μm，稳定态的浓差极化层溶质浓度从28.93mg/L降低到25.71mg/L，主要是由于水力剪切力增大，溶质扩散速度提高造成的。利用CFD数值求解控制膜腔内部流体流动的微分方程，获得流场在连续区

6、域上的离散分布，模拟与预测浓差极化的形成过程。在稳态控制方程中引入动态控制方程，利用浓差极化现象的可视化结果对模型进行实验参数校准，建立准确模拟与预测纳滤错流过滤过程浓差极化行为的CFD模型。实时模拟不同位置处的污染物质浓度，动态模拟浓差极化的变化过程，分析浓差极化行为的关键参数的影响因素。结果表明：在20mg/L的HA溶液中，错流速度从0.86cm/s提高到2.50cm/s，浓差极化层传质系数从4.0×10-5m/s降低至5.5×10-5m/s。利用CFD模型研究膜表面微观形貌特征对在不同条件下纳滤浓差极化行为的影响，对比分析其对纳滤浓差极化层的干扰与

7、破坏作用。结果表明，相比于三角形纳滤膜和平板纳滤膜，圆弧形膜形貌能够提高浓差极化层内的传质系数，有效破坏浓差极化层。关键词：浓差极化；纳滤；激光诱导荧光；显微粒子成像测速；CFD；膜形貌-I-哈尔滨工业大学工学硕士学位论文AbstractConcentrationpolarization(CP)isoneofthemostimportantcausationsofmembranefoulinginnanofiltration(NF),whichleadstoincreasingofmembranesurfaceconcentration,declinat

8、ionofmembranefluxandelevationofapplieddr