【摘 要】
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湍流促进器是错流膜分离装置内部重要组件,它具有提高膜组件内流体湍流程度的作用,可以一定程度地减轻膜污染并具有性能稳定等优点,越来越多地在错流膜分离过程中得到应用。本文采用实验和计算流体力学的方法系统地研究了湍流促进器在错流膜分离过程中的作用,并对湍流促进器的结构进行了多目标优化。实验以腐植酸为有机污染物制备模拟二级污水,使用平板聚醚砜纳滤膜处理模拟二级污水。首先探究了水力条件、腐植酸浓度和p H对
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湍流促进器是错流膜分离装置内部重要组件,它具有提高膜组件内流体湍流程度的作用,可以一定程度地减轻膜污染并具有性能稳定等优点,越来越多地在错流膜分离过程中得到应用。本文采用实验和计算流体力学的方法系统地研究了湍流促进器在错流膜分离过程中的作用,并对湍流促进器的结构进行了多目标优化。实验以腐植酸为有机污染物制备模拟二级污水,使用平板聚醚砜纳滤膜处理模拟二级污水。首先探究了水力条件、腐植酸浓度和p H对膜污染的影响。结果表明,良好的水力条件有助于减轻膜污染,在低p H和高浓度的腐植酸溶液中,纳滤膜污染速率更快。其次通过实验发现,在膜组件内加入湍流促进器,能有效减轻膜污染、提高膜通量、降低膜通量衰减速率,当处理腐植酸浓度为500 mg/L、250 mg/L和50 mg/L模拟二级污水时,纳滤膜使用寿命分别增加了85.7%、80.4%和23.1%。通过计算流体力学模拟发现,湍流促进器的截面形状、角度以及高度对膜组件内的流场皆有影响。增大湍流促进器角度和高度均会显著提高流体的湍流程度及其对膜表面的剪切作用,同时也会增加膜室轴向压降。截面形状为椭圆形的湍流促进器在提升膜表面流体剪切速率、湍流动能方面与增加膜室轴向压降之间取得了较好的平衡。通过采用响应曲面法和多目标遗传算法相耦合的方法,对湍流促进器结构进行优化,确定短轴为0.51 mm,长轴为0.99 mm,角度为75°的椭圆柱湍流促进器为适宜的结构型式,并对优化后的湍流促进器进行数值模拟计算,与实验结果吻合良好。通过以上对错流膜分离过程中湍流促进器性能及结构优化的研究,探究了湍流促进器提高错流膜分离过程中膜性能的作用及机理,并对湍流促进器在提高性能和压降之间的平衡,给出了解决方案。本研究为湍流促进器的优化设计提供了思路,对于提升膜错流分离性能以及降低膜分离过程的操作费用具有一定的实用价值。
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