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膜过滤机理的研究是目前膜过滤工艺需要研究解决的关键问题之一。膜过滤基本理论模型分别从不同的角度对膜过滤现象进行了探讨,但由于其理论本身的局限性,均没有从理论上真正体现过滤速率的决定因素,它们的应用均是建立在实验数据拟合基础上,以模型系数弥补其理论缺陷,前人在膜过滤基本理论模型的基础上,分别从不同角度,提出了一些计算公式和计算方法,但形式复杂,仅考虑了数值上的联系,未能从机理上论证,而且适用范围较窄,没有从根本上突破基本理论模型的局限。本文对微滤机理进行研究,分别对牛顿流体和非牛顿流体获得了可反映实际微滤现象的微分方程及操作参数方程。
首先,通过假设膜通道均为连通的网络型通道,将Kozeny-Carman方程与Darcy方程联立,建立了微滤膜部分堵塞微滤机理模型,并以孔隙率与水力半径为关键因素,推导了基于。Darcy方程的低粘性液体的恒压微滤速率变化规律及恒速微滤总压强变化规律,提出的微滤膜部分堵塞微滤机理作为Hermans-Bredee的3种机理(即机理指数n=2,3/2,1)以外的一种堵塞过滤机理,即机理指数n=4/3次方的机理。
其次,为描述非牛顿流体的微滤速率变化数学模型,将Darcy方程拓展至非牛顿流体,建立了非牛顿流体膜过滤基础方程,并通过引入上述的微滤膜部分堵塞微滤机理模型及其堵塞过滤常数厨,推导了基于Darcy方程的非牛顿流体恒压微滤速率变化规律及恒速微滤总压强变化规律。
此外,为描述错流微滤过程的速率变化数学模型,通过假设错流微滤可以分成堵塞过滤、滤饼过滤、薄层微滤的三个基本阶段,建立了其机理模型,并通过联立Ruth的滤饼过滤方程与部分堵塞微滤速率方程,推导了旋转错流微滤操作参数方程及扫流条件式,建立了扫流机理。
最后,在恒压与恒速条件下,分别采用醋酸纤维素(CA,0.22μm)、聚偏氟乙烯(PVDF,0.1μm)、磺化聚醚砜(SPES,0.22μm、0.45μm)、聚酰胺(PA0.22μm、0.45μm)等不同平板膜,在线测定了堵塞微滤、错流微滤速率和滤液量随时间的变化关系,对上述的低粘性液体的部分堵塞微滤数学模型、非牛顿流体部分堵塞微滤速率及压强变化规律、错流微滤速率和滤液量随时间的变化关系进行了验证。结果表明:实验测得的数据和推导的模型基本吻合,且牛顿流体微滤及非牛顿流体微滤均存在机理指数n=4/3次方的部分堵塞微滤机理。本论文提出的部分堵塞微滤机理,可以与传统精密过滤中的基于Poiseuilles方程的堵塞过滤理论一起,应用于包括微滤的精密过滤研究中。