加湿除湿脱盐系统的热力学分析及实验研究

基于加湿除湿(HDH)原理,搭建在低温常压下运行的新型脱盐系统,详细介绍系统的结构和工作原理.在相关假设的基础上对加湿除湿过程进行热力学分析,开展空气循环体积流量、进料体积流量和料液温度等操作参数对系统产水性能影响的实验研究.实验结果表明,系统产水量随着料液温度和进料体积流量的增加而增大;与预期相反,系统产水量随空气循环体积流量的增加而先增大后减小;当进料体积流量为60 L/h、料液温度为57°C、空气循环体积流量为180 m^3/h时,系统最大产水量和脱盐率分别达到1.7 kg/h、大于99.99%;当料液温度为38°C时,系统最大造水比和单位体积产水能耗分别为3.8、166 kW·h/m^3.由于具有结构紧凑、模块化设计、操作简单、维护成本低、可以与可再生能源结合等特点,该系统在海水淡化领域颇具竞争力.上述研究表明,该系统虽然有很大的提升空间,但很有希望应用于分散式小规模淡水生产.

DVB改性超疏水纤维膜及其在膜蒸馏中的应用

以安全无毒的低能量单体二乙烯基苯(DVB)取代1H,1H,2H,2H-全氟癸基丙烯酸酯(PFDA),作为引发式化学气相沉积的前驱材料,成功地将通过静电纺丝技术制备的聚丙烯腈(PAN)纤维膜由亲水膜改性为超疏水膜,并应用于膜蒸馏中.采用扫描电镜、接触角测定仪、水力穿透压测试装置、原子力显微镜等对改性前后纤维膜的表面形貌、润湿性、水力穿透压、厚度变化等参数进行表征.将改性后的纤维直径在0.23～0.81μm的PAN纤维膜用于气隙式膜蒸馏实验.结果表明,静电纺丝纤维膜呈无纺结构,疏水化改性后纤维膜形貌无明显变化,料液侧与渗透侧温差为13～59℃时,渗透通量为1.5～22kg/(m2·h),脱盐率均在99.9%以上.随着纤维丝直径的减小,孔隙率、水接触角,以及水力穿透压均有所增加.纤维直径对膜蒸馏过程中的渗透通量、脱盐率和水力穿透压起到重要作用.

疏水改性多孔陶瓷管在膜蒸馏中的应用及传质分析

采用引发式化学气相沉积技术,将反应物单体1H、1H、2H、2H-全氟癸基丙烯酸酯(PFDA)和引发剂过氧化二叔丁基聚合于多孔陶瓷膜表面,获得疏水性Al_2O_3陶瓷管。扫描电镜结果显示,疏水改性前后多孔陶瓷管表面形貌和结构没有发生明显变化;水接触角实验结果显示,改性多孔陶瓷管表面呈现超疏水特性,水接触角为154°。改性后的陶瓷管应用于气隙式膜蒸馏(AGMD)实验,结果表明,渗透通量随料液温度的升高呈指数型增长,在料液温度80℃、料液流速1.2 L/min时,渗透通量为3.5 kg/(m^2·h)。在20 h的稳定性运行实验中,渗透通量基本稳定,脱盐率大于99.9%。水分子在疏水多孔陶瓷中的传质系数实验值与理论值相符。

空气冷却式膜蒸馏构型的传热分析

在膜蒸馏的不同构型中,直接采用环境空气作为冷却媒介的空气冷却式构型很大程度上简化了系统配置。在强化传热的条件下,其跨膜通量与水冷构型接近。对空气冷却式膜蒸馏构型的传热过程进行理论分析,并通过量化分析各参数对膜蒸馏传热性能的影响,构建综合的传热模型。引入关联热阻系数这一概念,用以量化空气冷却的参数对膜蒸馏过程总传热系数的抑制作用。通过模拟计算研究了冷凝板导热系数、空气流速、冷凝板肋化系数、料液温度等参数对膜蒸馏传热性能的影响,并分析和量化多参数对关联热阻系数的综合影响。结果表明,冷凝板导热系数、空气流速、冷凝板肋化系数是影响关联热阻系数的重要因素,各参数对膜蒸馏传热性能的综合影响得以量化。