基于非均匀多孔膜的气扫膜蒸馏海水淡化组件热质传递性能研究

作     者：王俊儒 

作者单位：郑州轻工业大学 

学位级别：硕士

导师姓名：李国培

授予年度：2024年

学科分类：08[工学] 0824[工学-船舶与海洋工程] 

主      题：中空纤维膜 海水淡化 热质传递 膜通量 非均匀多孔膜 

摘      要：近年来,随着社会的发展和人口的持续增长,导致人类对淡水资源的需求不断增加。而海水淡化可将含盐量较高的海水转化为可以直接饮用的淡水。目前,膜蒸馏作为一种新型的膜分离技术用于海水淡化,与传统的海水淡化（如:反渗透法、多级闪蒸）相比,拥有操作条件温和（常压、温度60-80°C）,可利用低品位能源（废热、太阳能等）,截留率高和结构简单等优势。其中,气扫膜蒸馏（SGMD）相较于其他膜蒸馏拥有较高的热效率和较低的传质阻力。为此本文采用SGMD海水淡化系统进行模拟与实验的研究。本文的具体工作由以下几个部分组成: （1）本文设计并搭建了一套基于错流HFMC的SGMD海水淡化实验系统,其中加湿部分为中空纤维膜组件。实验中,通过测量进出后状态参数来获得不同溶液进口温度下的膜通量和热质效率。此外,研究非均匀多孔膜水蒸气跨膜扩散传递,搭建了一种基于平板膜等温水蒸气渗透性实验装置,测试了三种聚偏氟乙烯膜的渗透性。 （2）根据建立的错流中空纤维膜组件的数学模型,研究了溶液侧（入口温度、盐度、体积流量）和空气侧（入口温度、相对湿度、体积流量）操作条件对膜通量和热质效率的影响。结果发现,溶液进口温度对膜通量和热质效率具有显著促进作用,而溶液浓度、空气进口温度和相对湿度对膜通量和热质效率的影响甚微。溶液进口流量在140L/h前,空气进口流量在25m3/h前,膜通量和热质效率快速增加,但超过各自临界值时膜通量和热质效率增加缓慢。 （3）根据建立的错流中空纤维膜组件的数学模型,详细分析了膜结构参数（膜材料的导热率、孔隙率、膜厚度和平均孔径）对溶液侧、空气侧和膜侧的传热和传质阻力分布以及对传热传质效率和膜通量的影响。结果发现,孔隙率在0.8以上且尽可能薄的膜可以获得较高的膜通量和热质效率,平均孔径在150nm前对膜通量有显著促进作用,而超过这一临界值,膜通量的增加缓慢。 （4）根据建立的非均匀多孔膜水蒸气跨膜扩散传递模型,分析了该二维和三维模型中膜孔隙率、膜平均操作温度和膜孔结构对渗透性能的影响。结果发现,在二维和三维模型中孔隙率和膜平均操作温度的升高会导致膜渗透率的增加。孔喉直径比增加、孔喉长度比下降时,在3/7前膜渗透变化不明显,3/7后膜渗透率显著增加。