渗透汽化卷式膜组件结构设计基础研究

The significant energy saving pervaopration process of ethanol perm-selective separation and the heterocyclic extraction from coking wastewater is the background of this study. Based on our results and findings in pervaporation filed of recent 30 years and with the aid of the in-situ visualization device, this study will focus on the feed flow behavior and the distribution of the bubbles in gas-liquid flows in spacer-filled channel. Specifically, we will investigate the effect of flow type, flow velocity, membrane, spacer and the geometry of the spacer on separation performance of the spiral wound modules. We will also reveal the principles between flow velocity, two phase flow, membrane, spacer, the geometry of the spacer and concentration polarization, pressure drop, membrane fouling in spiral wound modules for pervaporation by 3D CFD simulation. Lastly, our target of this study is to establish the flow (mass transfer) model, the kinetic energy transfer model and two phase flow model of eliminating fouling and promoting transportation for spiral wound module, which could form scientific method to design and optimize the spiral wound module structure for pervaporation. Once the application of the method in the ethanol perm-selective and the extraction of heterocyclic from coking wastewater processes by pervaopration is achieved, we believe that it will contribute a lot to the urgent need for energy saving and emission reduction and the development of membrane science and technology in our country.

本研究以节能效果显著的渗透汽化优先透醇分离过程和难处理的焦化废水提取杂环有机物为研究背景，以我们近30年来在渗透汽化研究领域的研究成果为基础，借助于我们建立的流体流动在线可视化试验装置，研究流体在隔网流道中的流动行为和两相流气泡分布变化行为，研究流体种类和流速、膜材料、隔网材料、隔网材料的几何形状等因素对卷式膜组件分离性能的影响，结合卷式膜组件CFD三维模拟，研究流速、两相流、膜材料、隔网材料、隔网材料的几何形状等与渗透汽化卷式膜组件浓差极化、压力损失、膜污染之间的内在规律性，建立卷式膜组件流体流动（传质）模型，动能传递模型和两相流消除膜污染和促进传递模型，形成渗透汽化卷式膜组件结构设计科学方法，用以指导渗透汽化卷式膜组件结构设计和优化。将其应用于优先透醇分离过程和渗透汽化焦化废水处理过程，为国家节能减排重大需求做出贡献，为推动和促进我国膜科学技术发展做出贡献。

建立了流体流动在线可视化试验装置。采用示踪法研究了渗透汽化卷式膜隔网流道中流体流动行为。研究发现过小的流速会使流线不连续，过大的流速会使流线不稳定。研究了流道表面粗糙度、隔网孔隙率、隔网网格排布等因素对流体流动的影响。研究结果表明，隔网的孔隙率增加，流体扰动减少，不利于克服浓差极化和膜污染。进行了渗透汽化卷式膜组件隔网几何构型的CFD模拟研究，考察了隔网形状、排布方式、纤维丝球形度等因素对流体流动行为的影响。研究发现交错排列的纤维丝前后都出现了漩涡，漩涡中速度矢量部分与流体流动方向相反，产生了逆流，有利于减少浓差极化和膜污染。进行了ZIF-8/PDMS杂化膜、正丁醇和水体系的分子动力学模拟，探讨了ZIF-8/PDMS杂化膜中小分子的扩散机理。研究表明，随着ZIF-8颗粒填充量的增加，正丁醇的扩散系数先增加后减小，而水分子的扩散系数一直降低。正丁醇分子在ZIF-8颗粒中扩散系数几乎是水分子的三倍，意味着ZIF-8颗粒的孔道对正丁醇分子具有高度扩散选择性。在渗透汽化卷式膜组件可视化试验、CFD模拟及分子动力学模拟研究成果基础上，进行了PDMS/PVDF和PDA/PDMS/PVDF复合膜，ZIF-7/PDMS、MIL-101/PDMS和ZIF-8-PEG/PVDF混合基质膜制备研究，进行了FT-IR、SEM、EDX、CA、TGA、XPS、AFM、PAS （慢正电子湮没展宽能谱）膜结构分析，将其应用于渗透汽化透醇、透丙烯、汽油脱硫体系，考察了溶剂种类、聚合物浓度、无机材料浓度等因素对膜性能的影响，研究了温度、压力、料液流速、原料浓度、运行时间等因素对膜分离性能的影响。取得了有理论和应用意义的成果。为国家节能减排重大需求做出了贡献。本研究课题培养出站博士后2名、毕业博士生3名。发表学术论文32篇，其中SCI收录11篇、国内核心期刊5篇、国际会议5篇、国内会议11篇。