从海水淡化到能源技术的开拓创新天津大学海水淡化与膜技术研究中心发展历程

大规模的膜技术研究发端于人类对海水淡化的重大需求.天津大学海水淡化与膜技术研究中心从20世纪60年代即开始海水淡化和膜技术的研究,是国内早期研究膜法海水淡化技术的团队之一,主持了国家早期多级闪蒸海水淡化装置的研发攻坚.80年代以后,研究中心在成膜机理和膜过程等方面做出诸多贡献,逐步奠定了团队在膜科学与技术领域的研究基础.进入21世纪,特别是近十几年来,中心更加注重原始创新和成果转化,在高效节能海水淡化膜的制备机理及应用、能源气体纯化及CO_(2)捕集用膜的制备机理及工业示范、电池用膜、膜曝气膜生物反应器、反渗透过程能量回收等领域取得诸多重大研究突破以及实际应用进展.

火星上的气固流态化模拟实验

为了了解火星上的气固流态化行为,本文应用计算颗粒流体力学方法对不同重力条件下的气固流化床反应器中的流态化现象进行了数值模拟研究。分析了火星环境条件下气固流化床内的流体速度分布特性,探索了床层压力波动特性与环境重力和表观气速等因素间的关系。结果表明,在火星环境条件下,提高表观气速可以促进气固流态化的形成和充分发展;但是较高的表观气速会使流化床内的气固流场紊乱程度增加,不利于维持稳定的气固流态化状态。研究结果对于未来在火星上开展物质和能源等就地生产用气固流态化单元操作具有一定的指导意义。

二级环流反应器中收缩-膨胀隔板的性能优化

通过在二级环流反应器两级之间安装具有收缩-膨胀形状的隔板,可以有效减小两级之间的液相回流流量,但同时会增加流体流动阻力。为了在减小液相回流流量的前提下减小流动阻力,本研究对隔板进行优化设计。首先通过模拟计算获得不同隔板下的压降和液相回流流量,随后对数据进行拟合,得到压降、液相回流流量与结构参数的关联式。计算结果表明当表观气速较小时,隔板宽度对压降影响较大,高度的影响较小。表观气速增大时,隔板高度对压降的影响变大。在所有气速下,隔板宽度是影响液相回流流量的决定因素。最后通过多目标优化,获得了在不同表观气速下最优隔板的Pareto前沿。

纳米流体强化CO_2鼓泡吸收实验

利用两步法制备了多种乙醇基质纳米流体,建立了一套纳米流体强化气体吸收实验装置,分别测试了CO2在体积分数为0.01%～0.10%的Al2O3-C2H5OH、MgO-C2H5OH、SiO2-C2H5OH、TiO2(5,nm)-C2H5OH、TiO2(25,nm)-C2H5OH、TiO2(60,nm)-C2H5OH纳米流体中的吸收浓度曲线,得到了纳米流体的体积分数、纳米粒子的种类和粒径等因素对CO2吸收过程的影响.实验结果表明,纳米流体的吸收强化效果随着纳米粒子体积分数的增加而增加,并且随着纳米流体中纳米粒子粒径的增加而减少.此外,还对纳米流体强化CO2吸收过程的机理进行了分析.

萃取精馏的计算传质学模拟与实验验证

提出了萃取精馏过程模拟的计算传质学方法,并针对以N-甲基吡咯烷酮(NMP)为溶剂分离苯和噻吩的萃取精馏过程进行了模拟计算。在散堆填料实验塔内进行了相同的萃取精馏实验,得到了萃取精馏塔内浓度分布。将模拟计算结果与实验结果进行比较表明,提出的计算传质学方法能够有效预测萃取精馏塔内浓度和速度分布,为萃取精馏过程设计提供依据。

矩形通道中涡流发生器换热性能的实验研究与模拟

通过换热实验和CFD模拟,在Re=150~1,200范围内对布置有斜截式半椭圆柱型涡流发生器的矩形换热通道内的流动和换热特性进行研究,并对其强化换热机理进行了分析.结果表明,布置有涡流发生器的换热通道较光滑通道Nu增加,压降增大,并且强化效果随Re增大而增强.在涡流发生器布置处产生了纵向涡,使截面涡量值大幅增加,从而强化了换热过程.

基于实验与CFD方法的Winpak填料混合性能研究

Winpak是一种新型的规整填料.为了探讨其在液液单相混合过程中的应用前景,采用实验与计算流体力学(CFD)方法,对Winpak填料混合性能及其混合强化机制进行了研究.本文设计了包含压降测量以及取样分析的液液单相混合实验装置对Winpak填料混合性能进行测试.通过Standardk-ω湍流模型,建立了液液单相混合过程的CFD模型,并与实验测量结果进行对比,模拟值与实验值达到较好的吻合效果,证明了CFD模型的准确性.随后,通过CFD方法考察了压降以及变异系数(coefficientofvariation,CoV)随流量变化的情况.当液体总流量由1.35 m~3/h提高到3.02 m~3/h时,Winpak填料的压降提高了227.1%,同时CoV值下降了2.8%.CFD计算结果表明随着混合过程压降的提高,混合性能也有相应的提高.Winpak填料内部速度场与浓度场的模拟结果表明,Co V值沿流动方向逐渐下降,而CoV值急剧下降的位置均处于Winpak填料的开窗结构处.对比Winpak填料与板波纹填料的模拟结果,Winpak填料压降平均提高了15.0%,但同时CoV值平均降低了24.1%.对比两种填料同一截面处的径向速度分布模拟结果可以看出,Winpak填料的开窗结构可以在更大的流动区域内产生有利于混合的径向速度,达到强化混合的效果.从而证明了Winpak填料对液液单相混合过程具有促进作用,而Winpak填料的开窗结构是其具有较高混合性能的主要原因.

氢气分离有机膜

氢气是重要的化工原料和燃料,其分离纯化的效果将直接影响使用成本。有机聚合物膜具有成本低、可加工性强、结构多样、性能稳定等优点,已成为H2分离领域应用最多的膜材料。介绍了H2分离有机膜的分离机理,讨论了H2分离有机膜的种类、制备方法和性能,综述了其应用现状,并对未来的发展前景进行了展望。

溶剂萃取-树脂吸附联合脱除盐湖老卤中的微量硼

采用溶剂萃取-树脂吸附联合的方法对青海盐湖卤水中的硼进行了提取和脱除。研究了p H、相比和萃取级数对萃取过程的影响,讨论了萃取后卤水的p H和树脂用量等对吸附过程的影响,考察了D564树脂的吸附等温线和吸附动力学特性,并对反萃和洗脱过程进行了优化。研究结果表明:萃取过程中卤水p H为2时,萃取效果最佳,相比和萃取级数增加至3后继续增加相比和萃取级数对进一步降低卤水中硼浓度的作用并不明显;吸附过程中卤水的p H最佳值为7,吸附动力学数据符合准二级动力学模型,吸附等温线数据符合Langmuir等温吸附模型;当树脂用量为6g/(100m L卤水)时,可直接将一级萃取后卤水中的硼浓度降低至1.0mg/L以下;建议使用0.1mol/L的Na OH溶液作反萃剂,0.5mol/L的HCl溶液作洗脱剂。

热处理前溶剂活化对芳香聚酰胺反渗透膜结构的影响机制

热处理前对芳香聚酰胺反渗透膜进行溶剂活化(或称润洗)是一类提高膜透过性的手段.普遍认为,在热处理前溶剂活化的过程中,芳香聚酰胺层内残留的芳香聚酰胺低聚物将溶于溶剂且溶剂可溶胀重整聚酰胺层,因而膜结构与性能发生变化.然而,热处理前溶剂活化多使用非极性溶剂,这类溶剂与芳香聚酰胺的溶解度参数相差较大,对芳香聚酰胺层的溶胀与溶解作用均较弱,因此,热处理前溶剂活化引起的膜结构改变不能完全归因于非极性溶剂与膜的相互作用.近期有研究表明,芳香聚酰胺层内残留物可在水中溶出,推测热处理前溶剂活化可能通过影响残留物在水中的溶出而改变膜结构.基于此,进一步探究热处理前溶剂活化对膜结构的影响机制.对比了水浸泡前后的膜结构与性能,分析了活化膜与未活化膜在水中溶出物质的紫外-可见光谱,对比了未活化膜和活化膜的结构与性能.结果表明,热处理后芳香聚酰胺层内仍有大量易溶于水的亲水性残留物.热处理前利用正己烷对膜进行溶剂活化可除去未反应单体及低聚物,削弱热处理过程中聚酰胺层的进一步交联,加剧芳香聚酰胺层内亲水性残留物在水中的溶出.因此,活化后的膜分离层厚度、粗糙度和分离层内酰胺含量均降低,膜透过性提升.本工作完善了热处理前溶剂活化对膜结构的影响机制.

阳离子交换树脂催化合成乳酸甲酯动力学研究

工业化生产乳酸甲酯需要特定催化剂的动力学数据进行模拟计算.本文研究了在大孔阳离子交换树脂DA330的催化作用下,乳酸和甲醇生成乳酸甲酯的反应动力学.乳酸甲酯是一种重要的化工生产基础原料,多用来作为合成香料和农药的原料.随着化石能源紧缺和环保要求提高,具有可降解和可再生特性的乳酸甲酯及其高聚物的需求也在与日俱增.乳酸甲酯的连续化生产是提高乳酸甲酯产量的关键,具有广阔的研究前景.采用固体大孔阳离子交换树脂代替传统浓硫酸作为催化剂,需要对动力学方程进行重新测定.本文针对乳酸甲酯反应体系外扩散影响、内扩散影响、酯化反应动力学、水解反应动力学分别进行了实验.采用气相色谱对反应体系中的乳酸甲酯含量进行测定.研究发现内、外扩散在实验条件范围内对反应速率无明显影响:以酯化反应为例,搅拌转速达400 r/min以上时体系内催化剂颗粒悬浮程度达到峰值,外扩散不影响酯化反应速率;在催化剂颗粒悬浮程度达到峰值之后,催化剂粒径大小不影响酯化反应速率.反应温度在实验范围内对反应速率呈现显著的正相关影响,酯化和水解实验数据拟合均符合Quasi-Homogeneous模型,最终得到DA330催化条件下的反应动力学.

基于梯度提升决策树的三组元精馏流程结构最优化

针对三组元精馏流程结构最优选择问题,提出一种基于梯度提升决策树(gradient boosting decision tree,GBDT)的机器学习方法,利用7种精馏流程结构分离9种三组元混合物的经济评价结果数据用于模型训练。分别应用传统决策树和GBDT模型对多个实际案例进行验证,结果显示无论是对已知物系还是未知物系,提出的GBDT模型相较传统决策树模型具有更高的预测准确率。

超声波与紫外线耦合脱气杀菌

鉴于地热尾水的脱气或杀菌主要是通过脱气罐和杀菌剂进行处理,本文提出了一种超声波-紫外线耦合的脱气杀菌处理技术。采用超声波-紫外线耦合技术对含微气泡含细菌水进行脱气杀菌处理。分别考察了不同水流量下的超声波脱气效率,不同流量、不同紫外线照射强度下的杀菌效率,以及超声波-紫外线耦合之后的脱气杀菌效率。结果表明,在较小水流量下,可除去部分气体;随着流量的增大,水中的气含率基本不变,脱气效果增加不再明显。在一定的紫外线照射强度下,较大流量时,杀菌效率约为90%以上;在较小流量时,杀菌效率为60%~80%。考虑是由于较大流量下,湍动程度相对较高以及停留时间较短所致。与单独超声波脱气相比,耦合技术的脱气效率基本不变,杀菌效率在90%左右,确定最优的实验操作参数为20kHz、0.15m^(3)/h和2000μW/cm^(2)。

水中超声波脱气的效应研究

超声波脱气技术在化工、冶金、环境以及地热能利用等领域具有现实或潜在的应用价值。但是,目前对空气-水系统中超声波脱气规律的研究还相对较少。开展了空气-水系统中的超声波脱气实验研究,在不同的操作参数下,如超声波电功率、频率等,研究了超声波对气体脱除的实际效果。同时将超声波技术与真空脱气技术相结合,探究其脱气效果。结果表明,在实验条件下,随着超声波频率的升高,脱气效果下降;随着超声波电功率的升高,脱气效果提升;与单独真空脱气相比,超声波与真空脱气结合时,脱气效果显著提升;在流动条件下,随着流量增加,脱气效果降低。通过KI实验和可视化方法对超声过程中的声空化现象进行了研究,研究结果可为超声波脱气的工业应用提供基础指导。

三级环流反应器中气液流动与传质规律

针对级间安装导流筒的三级环流反应器的气液流动与传质过程开展实验研究。通过冷模实验获得不同表观气速下(0.015~0.1m/s)以及安装不同级间内构件时环流反应器内的气含率、混合时间、停留时间以及体积氧传质系数。结果表明,随着表观气速的增加,反应器各级内的气含率增加,混合时间减少,平均停留时间减小,同时氧传质系数增加。通过对反应器内气液流型的变化的观察,进一步分析了级间内构件对三级环流反应器性能的影响,发现内构件上截面较宽时(3^(#)内构件),反应器的混合效果更好,而内构件的上截面较小时(1^(#)内构件),反应器可以更好地抑制返混。

甲基葡糖胺-壳聚糖硼螯合树脂吸附剂的动态吸附

从盐湖卤水、海水、地热水等溶液提硼具有重要价值。吸附法是低浓度溶液提硼除杂的主要方法之一,其关键是吸附剂的研发。目前新型硼吸附剂的研究较多。但是,由于合成的吸附剂多呈粉体,粒径小,回收和循环使用困难,成功应用者很少。为此,对合成的较大粒径的新型甲基葡糖胺-壳聚糖硼螯合树脂吸附剂进行了固定床动态吸附脱硼工程应用问题研究,考察了含硼溶液的初始浓度、流速、吸附剂填充高度和固定床直径比等参数对动态吸附剂特性的影响。结果表明,硼的动态吸附效果随初始浓度和吸附柱填充高径比的增大、溶液流速的减小而增大;相比于高径比的影响,初始浓度和溶液流速的变化对硼吸附率影响较大;在高径比为4、初始浓度100 mg·L^(-1)、溶液流速5 mL·min^(-1)时,硼的动态吸附性能较优。

抑制高温地热流体碳酸钙结垢的复配阻垢剂研究

地热水结垢问题严重制约着地热能作为非碳可再生清洁能源的高效开发和利用,研究高效、环保和绿色阻垢剂对解决地热能利用过程中的结垢问题具有重要现实意义。选择常见的四种绿色阻垢剂[水解聚马来酸酐(HPMA)、聚天冬氨酸(PASP)、聚环氧琥珀酸(PESA)、聚丙烯酸(PAA)]进行复配实验,并对复配阻垢剂的阻垢性能进行研究,采用钙离子络合滴定法测定阻垢率。在80℃条件下,HPMA、PASP、PAA在最佳体积比(HPMA∶PASP∶PAA=1∶1∶4)下的阻垢率可达97%,高于单组分阻垢剂;温度高于100℃时阻垢率有所下降,但在210℃高温条件下,该复配阻垢剂的阻垢率仍可达93%;可用于抑制高温地热流体的碳酸钙结垢,具有工业推广应用前景。

苯并咪唑连接聚合物吸附剂和膜研究进展

强的链内、链间作用力和丰富的官能团赋予苯并咪唑连接聚合物优异的化学稳定性、热稳定性、高孔隙率、高比表面积、介电性以及良好的力学性能,因此被用作高效分离材料。本文讨论了苯并咪唑连接聚合物的种类及性能,综述了其在吸附剂和膜分离领域的应用,总结了研究现状,并对未来发展进行了展望。

面向绿氢生产的膜技术研究进展

与化石燃料制氢相比,绿氢具有原料可再生、生产过程碳排放低等优势.发展绿氢能够为双碳目标的实现贡献重要力量.本文介绍了绿氢的生产方法,包括光催化制氢、电解水制氢和生物质制氢等.膜具有选择透过性,在绿氢生产中发挥了重要作用.综述了膜在生产过程中的应用场景,包括电解水用膜和氢气分离膜等,讨论了绿氢生产用膜的研究进展和在绿氢生产中的应用现状,并针对存在的挑战进行了展望.

反渗透膜技术研究和应用进展

反渗透膜技术是20世纪60年代兴起的一门新型分离技术,是目前最为先进的分离技术之一,应用广泛。反渗透是渗透的逆过程,它是以压力差为推动力的膜分离过程。简单介绍了反渗透膜技术产生的背景和发展概况,着重论述了国内外反渗透膜技术的研究现状,介绍了反渗透膜在海水和苦咸水淡化、纯水制备以及医药和化工废水处理等方面的应用,并进一步探讨了反渗透膜技术目前存在的问题和未来发展趋势。