往复旋转中空纤维膜剪切强化机理与渗透特性研究

针对膜污染和浓差极化影响膜技术发展的问题，提出研究往复旋转中空纤维膜的剪切强化机理和渗透特性。通过示踪技术和PIV观测料液流场的流线分布、速度场分布和雷诺数变化规律；采用雷诺应力模型(RSM)和SIMPLEC算法对料液流场进行拟合，分析料液速度梯度与膜表面剪切力的分布情况；实验研究膜组件结构参数、旋转参数、料液特性对剪切强化作用的影响；在实验结果的基础上，结合理论分析和数值模拟，建立表征膜表面剪切率的动力学方程，揭示该膜技术的剪切强化机理。考察膜的临界通量，分析膜临界通量与膜表面剪切率之间的关系，探明膜的渗透特性。考察单位通量的能量消耗，数理分析临界通量与能耗率之间的关系；通过膜临界通量和能耗率关系的横向对比，考证往复旋转中空纤维膜分离技术的优越性。通过深入认识往复旋转中空纤维膜的剪切强化机理和渗透特性，指导往复旋转中空纤维膜分离技术的装置和工艺设计，推动动态过滤膜技术应用基础理论的发展。

设计了一套结构参数和旋转参数可调的新型往复旋转中空纤维膜分离设备。采用PS超滤膜（MWCO 6kDa、10kDa、20kDa）过滤脱脂奶粉配制溶液，分别考察了安装不同MWCO超滤膜时的膜通量与截留率变化，安装单对膜丝时旋转参数、径向距离、TMP、料液浓度和温度等参数对膜膜通量的影响，并考察了膜丝数量变化时旋转参数对膜通量的影响，而且考察了不同膜丝数量下的单位通量能耗率。结果表明，旋转对于提高中空纤维膜的抗污染特性的效果良好，而往复旋转比单向旋转的效果更好。旋转速度越大，膜通量的衰减速度越慢，而往复周期越小，膜通量衰减越慢。不过，往复周期的影响要小于旋转速度的影响。.　　采用2D-PIV观测了膜丝表面流体的速度梯度，借助于速度梯度分析往复放置中空纤维膜装置的剪切强化机理。分析表明，膜丝旋转速度越大，流体速度梯度的衰减速度越快，而且衰减趋势持续的时间更长。并且，膜透过液总体积与膜表面液体平均速度梯度之间存在一个幂函数的关系式；而能耗率与平均速度梯度之间的关系可用一个多项式进行表达，能耗率随旋转速度的增大而成增大，而往复周期越小，能耗率越小，并且往复周期的影响比旋转速度的影响更小。线性拟合表明膜丝表面的剪切速率与各种参数之间关系可用一个动力学方程来表达，进一步分析膜通量与速度梯度的关系，可以推导出一个膜通量与速度梯度之间的关系式，借助于该关系式对不同参数下的膜通量变化过程进行拟合，发现拟合效果良好，说明该动力学方程具有一定的普适性。以Navier-Stokes方程为基础，结合κ-ε模型，通过CFD模拟分别模拟了装置桶体内料液颗粒分布、膜表面液固相的平均速度分布、不同旋转速度下的膜表面流体速度梯度以及不同旋转速度下能耗率的模拟。.　　实验研究及理论分析表明，往复旋转中空纤维膜装置具有较好的过滤强化性能，且具有剪切率大、跨膜压小、结构简单及易于拆装等优点，为将来工业化奠定基础。