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《清华大学》 2008年
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多孔荷电膜分离性能、动电性质及传递参数研究

尚伟娟  
【摘要】: 荷电膜广泛应用于水处理等领域,它在解决水资源短缺方面有重要的意义。深入研究荷电膜传递现象,可以为优化现有膜过程和开发设计更高效的膜过程提供指导。人们通常从膜传递参数、分离性能和动电性质三方面研究荷电膜传递现象,研究中面临的主要问题有:高价单组分盐溶液膜传递参数预测、混合盐溶液膜分离性能评价和高价单组分盐溶液膜动电性质预测。针对这些问题,本文通过理论建模、数值模拟和实验测量进行系统研究。 本文首先改进了空间电荷(SC)模型和固定电荷(TMS)模型解析方法,使两个模型对荷电膜传递参数(反射系数、溶质透过系数、电导率和迁移率)的研究体系由1-1价单组分无机盐扩展到任意价单组分无机盐。 将TMS模型和非平衡热力学模型拓展到混合体系,获得膜对混合盐的总盐反射系数(σ)的表达。简化处理后,建立了膜对单组分盐的σ与膜对混合盐的总盐σ的定量关系。根据该定量关系,提出了由膜对单组分盐的透过率预测膜对混合盐的总盐透过率及离子透过率的新模型。与实验结果相比,该模型可以很好的预测双组分无机盐和含6个离子的复杂无机盐溶液中膜的分离性能。 基于文中改进的SC模型和TMS模型解析方法,将两个模型对荷电膜动电性质(膜电位和流动电位)预测的体系由1-1价单组分无机盐推广到任意价单组分无机盐。 比较体积电荷密度(X_m)随浓度呈线性和指数变化条件下,TMS模型对五种纳滤膜(NTR 7450、ESNA 1、ESNA 1-LF、LES 90和UTC 60)的膜电位拟合效果。当X_m随浓度呈指数变化时,TMS模型对膜电位的拟合结果与实验结果更接近,得到的X_m更精确。 确立了从测量的纳滤膜跨膜电位中分离出流动电位的解析方法,并根据TMS模型,提出了修正的Helmholtz-Smoluchowski(HS)方程,用于拟合流动电位,表征荷电膜的带电性质。修正的HS方程对三种纳滤膜(NTR 7250、LES 90和ESNA 1-K)流动电位进行拟合,拟合得到的X_m的量级与膜电位法拟合得到的X_m的量级相一致。
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