错流式减压膜蒸馏海水淡化试验研究

采用聚丙烯(PP)中空纤维膜制作了矩形中空纤维膜组件进行减压膜蒸馏海水淡化试验,考察了不同操作条件对膜通量的影响以及膜通量的衰减和膜污染情况,探讨了海水膜蒸馏的操作条件-膜通量曲线的特征。试验过程中获得了比较高的膜通量,最高膜通量达到了46 kg/(m2.h),产水电导率保持在100μS/cm以下,过程的脱盐率保持在99.99%以上。

卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化系统多目标优化研究

对卷式膜元件反渗透脱硼海水淡化网络系统进行多目标优化。采用不可逆热力学模型描述盐和硼的跨膜传质过程,加入系统流量约束保障反渗透系统安全运行。采用增强型ε-约束算法对多目标优化问题进行求解,引入模糊决策法在Pareto非劣解中筛选优化折中解。对于特定的装置参数,优化方案均采用二级反渗透系统,反渗透方案的成本在0.72～0.97$/m^3、能耗在3.09～3.96 k W h/m^3。随着成本的降低,系统回收率呈增加趋势,一级反渗透的压力容器个数逐渐降低,操作压力和压力容器内产水通量逐渐增加,而二级反渗透上述参数变化不大,进水p H保持在10.4~11.0以保证系统脱硼率。通过成本构成分析可知,将第1级反渗透平均通量控制在14.0 L/(m^3·h)时在经济与能耗上较为均衡。

海水淡化—共识与创新

尽管海水淡化技术已经发展成熟,应用普遍,但人们对于应用淡化水仍有诸多疑虑和问题。本文将首先针对公众关心的问题进行讨论,并总结出几点基本的共识,诸如世界上的发展与应用、淡化水成本与市政应用的安全性、海水淡化对环境的影响以及海水淡化与其他水技术的互补关系等。文章第二部分着重介绍了作者团队自上世纪以来在海水淡化方面的研发工作,包括蒸馏法(MSF、MED)、反渗透膜与示范生产线、能量回收装置、膜蒸馏技术以及膜曝气生物反应器(MABR)与水再利用技术等。

高浓缩倍率低温多效蒸馏海水淡化阻垢研究

模拟低温多效蒸馏装置水平管降膜蒸发条件,进行海水淡化高浓缩倍率条件下阻垢技术研究。实验利用滴定法和原子吸收分光光度计法,考察了不同操作条件下钙镁等易结垢离子浓度变化,并对形成的垢样收集处理后进行场发射扫描电子显微镜及能谱仪测试分析,得到垢物晶型形貌及其元素组成。结果表明:在蒸发温度40—80℃,盐水质量分数5%—8%(质量分数),阻垢剂添加量0—8 mg/L条件范围内,钙离子损失率随着蒸发温度和盐水质量分数的升高而增加,随着阻垢剂添加量的增大而减小。过程产生的垢主要成分为碳酸钙,另有少量氢氧化镁和硫酸钙。在提高海水浓缩倍率条件下,低温多效蒸馏装置结垢趋势更明显,可通过添加适量阻垢剂和定期药剂清洗来控制。

分离CO2固定载体膜工业化制备技术

为实现CO_2分离膜的大规模工业应用,开发了分离CO_2固定载体膜的工业化制备技术.研制了工业规模连续化制膜装置,利用该装置规模化制备了幅宽1 000mm的分离CO_2固定载体膜[聚乙烯醇(PVA)/聚乙烯基胺(PVAm)-哌嗪(PIP)/聚砜(PSf)膜],对于水蒸气饱和的CO_2/N_2混合气,所制膜的CO_2渗透速率可达500GPU,CO_2/N_2分离因子可达87,对于水蒸气饱和的CO_2/CH_4混合气,所制膜的CO_2渗透速率可达300GPU,CO_2/CH_4分离因子可达55,所制膜的CO_2/N_2和CO_2/CH_4渗透选择性能远高于商品膜.研制了卷式膜元件制备装置,利用该装置制备了长度为300mm、膜面积为0.4m^2的1812膜组件,所制膜和膜组件对CO_2/N_2和CO_2/CH_4的渗透选择性能高于商品膜.

界面聚合制备含丙烯氧基团的复合膜用于CO_2分离

含有醚氧基团的膜与CO2分子具有较强的极性作用,可以实现对CO2/N2物系的高效分离。其中,含丙烯氧(PO)基团的聚合物链段自由体积较大且不易结晶,是一类具有发展潜力的溶解选择性膜材料。以均苯三甲酰氯为油相单体,含PO基团的多胺为水相单体,通过界面聚合,成功制备了含PO基团的复合膜。分别采用聚醚胺D400、D230及T403为多胺水相单体,考察了膜内PO基团数量和交联度对复合膜分离性能的影响。结果表明,采用D400所制的复合膜由于具有最高的PO基团含量及较低的交联度,因此具有最高的CO2渗透速率和CO2/N2分离因子。之后,考察了单体浓度、酸吸收剂种类以及水相溶液pH对复合膜分离性能的影响。通过优化这些制膜条件,制备出了CO2/N2分离性能较好的复合膜。

无泡曝气膜生物反应器去除生活污水有机物的研究

以聚丙烯中空纤维作为无泡曝气膜生物反应器（MABR）生物膜载体,采用循环挂膜法进行聚丙烯中空纤维表面生物膜的培养,研制出一台小型MABR实验装置.在对生活污水的实验研究中获得了对化学需氧量（COD）和固体悬浮物（SS）良好的去除效果.研究表明：中空纤维内腔氧气压力在0.02-0.1 MPa的范围内对MABR去除COD的能力具有较小的影响;当反应器中污水的循环次数达到7.5次/h时,污水的循环流速对MABR的COD降解效果没有显著影响.在适宜的条件下,HRT为10 h时,MABR能够较容易地使污水的出水COD保持在50 mg/L以下,SS保持在15 mg/L以下.

海冰与不锈钢材料冻黏特性的实验研究

利用自行设计制作的实验夹具,在拉伸试验机上进行试验,着重研究了温度及材料结构形态对海冰与不锈钢材料之间冻黏强度的影响规律。结果为:由于表面卤水的存在,海冰冻黏强度低于淡水冰冻黏强度,海冰与不锈钢材料的冻黏强度随冻黏温度降低而增大;且材料的结构形态对冻黏强度有着显著影响,柔性介质可有效防止冻黏。研究结果为海冰离心分离设备的工业化设计及工艺操作条件的优化提供了可靠依据。

含有MCM-41分子筛的混合基质复合膜用于CO2分离

为了提高CO2分离膜的性能,将接枝了氨基的MCM-41分子筛(MCM-NH2)添加到聚乙烯基胺(PVAm)水溶液中配制涂膜液,并将PVAm-MCM-NH2涂膜液涂覆到聚砜(PSf)超滤膜上制备PVAm-MCM-NH2/PSf混合基质复合膜。复合膜分离层较薄,有利于CO2渗透速率的提高。接枝的胺基提高了分子筛与聚合物的相容性和膜内胺基含量,有利于膜渗透选择性能的提高。使用CO2/N2混合气(15%CO2+85%N2,体积分数)考察了不同MCM-NH2添加量的PVAm-MCM-NH2/PSf膜的渗透选择性能。当涂膜液中mMCM-NH2/mPVAm为0.2、湿涂层厚度为50μm,测试温度为22℃、进料气压力为0.11 MPa时,膜的CO2渗透速率可达4.66×10-7 mol·m-2·s-1·Pa-1,CO2/N2分离因子可达150。较高的CO2/N2分离性能表明PVAm-MCM-NH2/PSf膜在烟道气碳捕集领域具有良好的应用前景。此外,考察了湿涂层厚度、热处理、添加小分子胺等条件对膜渗透选择性能的影响。

用于反渗透复合膜的海绵状结构支撑膜制备研究

通过调节铸膜液中聚砜浓度和非溶剂含量,浸没沉淀法制备海绵状结构的支撑膜,并在支撑膜上界面聚合制备聚酰胺反渗透复合膜。分别对支撑膜及反渗透复合膜的结构和性能进行表征,考察聚砜浓度对支撑膜结构和性能的影响,以及不同结构支撑膜对反渗透复合膜结构和性能的影响。结果显示,随着聚砜浓度的增加,支撑膜表面孔径和孔隙率下降,断面结构变致密,耐压性增强。在不同支撑膜上制备的反渗透复合膜具有不同的通量和脱盐率。综合考虑支撑膜及反渗透复合膜的性能,以聚砜浓度为15%制备的海绵状结构支撑膜更适于作为制备反渗透复合膜的支撑层。

聚丙烯中空纤维膜在低浓度醋酸废水处理中的应用

膜萃取是膜分离与液液萃取相结合的一种新型分离技术,文中采用膜萃取技术处理糠醛生产过程中产生的大量低浓度醋酸废水。络合萃取剂选用了一定比例的络合剂、稀释剂和调节剂配制成;测定了低浓度下醋酸在萃取相和水相中的分配系数;分别用实验室热致相法制备的聚丙烯(iPP)中空纤维膜和德国Membrana商用iPP中空纤维膜,以醋酸萃取率为指标,在逆流方式下对二相流速、初始醋酸浓度、接触时间和膜器串联的影响进行了考察。结果表明:在醋酸浓度低于0.42 mol/L时,分配系数近似于常数4.350;单个膜组件下,在初始醋酸浓度为0.104 mol/L,有机相流速为0.000 16 m/s,水相流速为0.000 28 m/s,接触时间大约30 s时,醋酸萃取效率达到60.5%,说明膜萃取技术应用于稀醋酸废水处理具有明显的优势。

以3-甲氧基苄胺改性聚乙烯基胺制备CO_2分离膜

为提高CO_2分离膜高压下的渗透选择性能,利用含苯环小分子胺3-甲氧基苄胺与聚乙烯基胺(PVAm)制备了PVAm-3-甲氧基苄胺涂膜液,并将其涂敷到聚砜(PSf)超滤膜上制备了PVAm-3-甲氧基苄胺/PSf固定载体复合膜.PVAm-3-甲氧基苄胺/PSf膜的红外谱图结果显示,3-甲氧基苄胺的伯胺基能与PVAm的伯胺基或酰胺基形成氢键交联网络.利用模拟烟道气组成的CO_2/N2混合气(体积比20/80),考察了PVAm-3-甲氧基苄胺/PSf膜和PVAm/PSf膜的渗透选择性能.结果表明,PVAm-3-甲氧基苄胺/PSf膜的CO_2渗透选择性能得到了大幅度提高,高压下更为显著.

聚吡咯纳米纤维修饰电极电容法脱盐实验

以恒电位法制备的聚吡咯纳米纤维修饰电极为研究对象,重点考察了电极电容法脱盐过程中工作电压、原料液浓度及电极极间距离等操作条件对电极脱盐效果的影响规律.实验结果表明：在工作电压为0.8-1.6 V范围内,电极的吸附量随工作电压的增加而增大,但增加幅度逐渐减小;当工作电压为1.4 V和1.6 V时,电极的吸附量基本相等且最大,为228.6 mg/m^2;原料液质量分数为0.01%-0.1%范围内时,电极的吸附量随原料液浓度的增加而增大,其在溶液质量分数为0.1%时最大,为548.6 mg/m^2;电极的吸附量随着电极极间距离的增加而降低,其在极间距离为28 mm时最大,分别是极间距离为35 mm和48 mm时的1.17倍和1.75倍.循环脱盐实验结果表明聚吡咯纳米纤维修饰电极具有显著的循环吸附和脱附能力,显示出良好的实用化应用前景和潜力.

MABR用于城市景观河道水体修复的研究

对天津高新区海泰南北大街景观河进行了水质评测,发现水体呈严重富营养化状态,整体处于地表水劣Ⅴ类水质.系统分析了河道水华现象的成因,判定水体中氮、磷含量高是引发水华现象的主要原因.针对性地制定了膜曝气生物膜反应器(MABR)生物修复方案,设计研发了适于河道的水草式MABR膜组件及其水体修复系统.通过对海泰南北大街景观河连续5个月的水质监测与观察,结果表明:MABR生物修复系统有效地提高了华苑景观河水体的自净能力,河道水体的氨氮、总磷、COD指标均达到《地表水环境质量标准》(GB 3838—2002)Ⅲ类或Ⅳ类标准,总氮含量达到Ⅴ类,运行期间未发生藻类水华现象.MABR技术在河道水体修复方面具有广泛应用前景.

反应精馏回收糠醛生产中产生的甲酸和醋酸

二步法甲酸/醋酸催化玉米芯生产糠醛工艺的水解过程会产生少量的醋酸和甲酸,因此水解液中醋酸和甲酸的质量分数不断增加。为了使糠醛生产中甲酸和醋酸质量分数适合工艺条件,文中采用反应精馏法回收该工艺中过量的醋酸和甲酸。分别考察了回流比、酸水进料流量、甲醇与醋酸进料摩尔比、醋酸质量分数和甲酸质量分数等因素对反应精馏回收甲酸和醋酸效果的影响。通过实验得出了适宜的工艺条件:对甲酸质量分数在0.5%以上、醋酸质量分数20%以下的水解液,酸水进料流量在9.0 mL/min、甲醇醋酸进料摩尔比为3∶1和回流比为5等条件下的处理效果最佳。最佳反应条件下对于醋酸质量分数为20%的水解液,醋酸转化率为50.4%,同时甲酸质量分数降低到0.5%。实验证明此方法在满足二步法生产糠醛工艺对水解液甲酸和醋酸质量分数的要求的同时,可回收过量的甲酸和醋酸。

超临界水中碳酸钠团簇成核与生长分子动力学模拟

应用分子动力学方法研究了碳酸钠颗粒在超临界水中的成核与生长过程.计算了温度为700-1100K、压力在23-30MPa下碳酸钠的团聚过程,计算时间为1ns.对体系结合能与径向分布函数的分析表明,碳酸钠成核过程主要受静电作用的影响.在超临界态下,水分子与Na+和CO2-3之间的静电作用降低,Na+与CO2-3能够很容易碰撞形成Na2CO3小团簇.在Na2CO3整个成核过程中,单个离子的碰撞在前50ps内完成,同时离子碰撞速率达到1030cm-3·s-1.另外,在成核阶段温度的影响比压力更加明显,温度越高,离子碰撞速率越快,形成的初始团簇越多.而压力对Na2CO3团簇的进一步生长影响较大.

超临界水中碳酸钾成核机理的分子动力学模拟

针对超临界水对催化剂成核过程的影响机制问题,采用分子动力学模拟方法系统研究K2,CO3在不同温度和密度的超临界水中的成核过程.通过对体系的相互作用能、径向分布函数、配位数及体系氢键网络结构变化的分析,揭示了在K2,CO3成核过程中K+、CO32-与水分子间的相互作用机理.结果表明:在超临界态下,随着温度的升高、密度的降低,水溶液体系氢键结构破坏,水分子与K+和CO32-的作用急剧降低,K+和CO32-在静电作用下可冲破水分子的静电屏蔽,从而碰撞聚合形成离子对,继而进一步团聚成核;体系温度越高、密度越小,K2,CO3越易形成小而分散的团簇.

葡萄糖敏感的复合凝胶的构建与性能研究

开发胰岛素凝胶给药系统对于提高糖尿病的治疗效果具有重要意义,但是由于胰岛素具有独特的理化属性和给药方式,单一的高分子凝胶一般难以满足其高效大量负载、精确长效控释的要求.本研究利用苯基硼酸(PBA)的葡萄糖敏感特性,制备苯基硼酸表面改性的聚乳酸-co-羟基乙酸(PLGA)多孔微球(PBA-PLGASM),再将聚乙烯醇(PVA)溶液与负载胰岛素的微球进行共混,通过形成动态硼酯键制备葡萄糖敏感的多孔微球/聚合物(PBA-PLGA SM/PVA)复合凝胶,创造性地将胰岛素负载、刺激响应、控制释放3个关键职能,划分到该复合水凝胶的不同组成单元上,充分发挥PBA功能基团、PLGA多孔微球、高分子聚合物水凝胶的各自功能和协同效应,设计了一种具有葡萄糖敏感特性的胰岛素水凝胶给药系统.重点研究了该复合凝胶的凝胶特性、葡萄糖敏感性、体外降解性及细胞毒性等.结果说明这一复合水凝胶体系不仅可以响应葡萄糖的浓度水平变化实时调节控制胰岛素的释放,而且具有较好的生物相容性,是一种具有一定应用前景的胰岛素类大分子药物的递送系统.

萃取精馏分离甲苯和甲基噻吩中萃取溶剂的选择

在一系列萃取溶剂存在下,通过测定常压气液平衡试验数据来计算甲苯与甲基噻吩的相对挥发度,并且以相对挥发度为评价指标,考察了单一萃取剂对甲苯与甲基噻吩分离过程的影响,从而研究分离纯化由焦化苯中得到的甲苯与甲基噻吩(2-甲基噻吩和3-甲基噻吩)时所需要的萃取溶剂。结果表明:以N-甲基吡咯烷酮为萃取剂且溶剂体积比为7时,甲苯与甲基噻吩的相对挥发度能够有很大的提高,在萃取精馏中能够使分离达到最好的效果。还对N-甲基吡咯烷酮的稳定性进行了检测,在常压下连续加热沸腾24 h后,纯度没有变化,即没有分解,稳定性好。在萃取精馏塔中全回流测定,N-甲基吡咯烷酮与甲苯不共沸。

海冰离心脱盐理论与实验研究

海冰盐度主要来自海水结冰时被包裹在内部的卤水盐胞,海冰离心脱盐方法正是依据此,将海冰破碎,使卤水暴露出来,进而施加超重力,脱除卤水,淡化海冰。本文通过理论分析得出海冰离心脱盐后盐度与时间的理论关系式为S(t)=PK1/t,采用该式的计算结果与文献中的实验数据对比表明两者吻合较好。在理论分析基础上,通过实验确定了粒度、分离因数和加入海水比例对海冰离心脱盐的影响。实验结果表明,淡化盐度随着粒径呈现先减小后增大的趋势,并且当颗粒在6～9mm左右达到最小;随着加入海水比例和分离因数的增大,海冰离心脱盐效果变好。