基于微通道调控的细颗粒物深层过滤机理研究

The separation of fine particles in industrial wastewater is a very important part of the prevention and control of water pollution, where deep filtration is widely used for its unique technical characteristics. Further research on microscopic processes such as migration, collision and capture of fine particles in filtration process has guiding significance for the development and application of deep filtration technology. Based on the theoretical model of collector in deep filtration, microfluidic chip, 3D-printing, Micro-PIV and high-speed camera technology will be applied to establish the microchannel model; A visual microchannel inspection system will be built to test and observe the regularity of fluid flow and movement of fine particles in the continuous phase, so as to systematically study collision, coalescence, and capture process of fine particles in microchannels. Through the regulation of microchannel structure, material properties and fluid flow field, the probability of collision capture of fine particles in microchannels can be improved; Macroscopic filtration experiments will be carried out to examine the matching relationship between filter media properties, wastewater properties and operating conditions. The research can establish the macroscopic interaction of the filtration media structure-material-wastewater flow field, and reveal the microscopic process of deep filtration. Plus, theoretical support can be provided for the optimal design of filtration equipment for treating wastewater containing fine particles.

工业废水中细颗粒物分离是水污染防治工作中相当重要的一环，深层过滤以其特有的技术特点而被广泛应用，深入研究过滤过程中细颗粒物迁移运动、碰撞和捕获等微观过程，对深层过滤技术的发展和应用具有重要的指导意义。本项目基于深层过滤的收集器理论模型，采用微流控芯片、3D打印、Micro-PIV和高速摄像技术，构建过滤的微通道模型；搭建可视化微通道测试系统，对微通道内连续相流体流动及细颗粒物迁移运动规律进行测试和观察，系统研究微通道内细颗粒物碰撞、聚并、捕获过程，通过对微通道结构、材料性质及流体流场的调控，提高微通道内细颗粒物碰撞捕获几率；采用宏观过滤实验手段，考察媒质性质、废水性质与操作条件的匹配关系。通过研究，建立过滤媒介结构-材料-废水流场宏观相互作用的体系关系，揭示深层过滤的微观过程，为处理含细颗粒污染物废水的过滤设备优化设计提供理论支持。

工业废水中细颗粒物分离是水污染防治工作中相当重要的一环，深层过滤以其特有的技术特点而被广泛应用，深入研究过滤过程中细颗粒物迁移运动、碰撞和捕获等微观过程，对深层过滤技术的发展和应用具有重要的指导意义。本项目基于深层过滤过程，结合Micro-CT、高速摄像以及表面增强拉曼检测系统研究了微细颗粒在微通道中迁移运动规律，深入研究废水中细颗粒物污染物结构、形态转化、在过滤过程中迁移运动规律、碰撞和聚并等。采用宏观过滤实验手段，考察了媒质性质、废水性质与操作条件的匹配关系。通过研究，建立了过滤媒介结构-材料-废水流场宏观相互作用的体系关系，为处理含细颗粒污染物废水的过滤设备优化设计提供理论支持，并对深层过滤的工程化应用进行了研究。所完成的研究工作和取得的创新性研究成果如下：. （1）首次采用Micro-CT提取分离过程中微通道的孔隙参数，如孔体积、孔表面积、孔径、孔隙率等空间孔隙结构参数，并根据测试结果构建接近于实际堆积孔的微孔结构。. （2）构建了可视化的微通道过滤模型，采用高速摄像、表面增强拉曼检测技术对实际过滤过程进行观察和测试，通过可视化手段观察污染物在微通道中的分布及迁移过程，考察颗粒粒径、床层高度、颗粒浓度等对废水通量、污染程度、床层压降影响，并通过实验数据对媒介阻力与污染物阻力进行优化，进而修正微通道分离压降模型。. （3）进一步建立1 t/h和25 t/h深层过滤实验装置，通过实验研究宏观过滤过程，改变废水条件、操作条件，实验研究床层颗粒结构尺寸、表面性质、堆积方式等参数对细颗粒分离效率的影响规律，获得了细颗粒强化分离调控的方法，构建了工业侧线装置，并用于皮革废水、甲醇制烯烃废水的分离过程。