不同吸收剂粘度下孔隙率对膜吸收过程近膜壁面处溶质传质行为的影响

【摘要】：膜吸收技术前期的研究表明，多孔膜孔隙率的不同会造成溶质在靠近膜壁面侧传质行为的不同，进而导致传质性能的差异，同时孔隙率对近膜壁面处溶质传质行为的影响不仅跟反应动力学、流体动力学等因素有关，还与体系的物理性质密切相关，在影响膜吸收传质过程的物理性质中，流体的粘度因其对流体流动状态和溶质在液相中的扩散行为都有重要影响，因而在实验室前期研究基础上，本文将流体粘度与溶质在近膜壁面处的传质行为相结合，展开实验和理论研究。 通过向吸收剂中添加不同浓度的羧甲基纤维素钠来调节吸收剂的粘度，分别在非稳态条件和稳态条件下，综合考察了不同吸收剂粘度下液相流量、吸收剂pH、膜材料、膜孔隙率等因素对膜吸收传质过程的影响，以及各因素之间的相互关系。实验结果表明，随着吸收剂粘度的增大，溶质在液相侧的扩散速率下降，同时液相边界层厚度也随之增大，两者的变化均增大了液相传质阻力，直接导致传质性能有明显的下降趋势；在非稳态条件下，溶质在法向和切向的扩散阻力随着吸收剂粘度的增大而增大，扩散速率的减小使得膜表面溶质的浓度剖面减小，进而加剧了近膜壁面处溶质浓度分布的不均性，导致不同孔隙率膜表现出来的传质效果的差异性随着吸收剂粘度的增大而增大；在稳态操作条件下，溶质在法向的扩散距离受到液相边界层厚度的影响，会随着吸收剂粘度的增大而变厚，从而改善了溶质在近膜壁面处浓度分布的不均性，尤其是在快传质体系和液相流量较高的条件下，其浓度分布的不均性较严重，随着吸收剂粘度的增大，不均性的改善程度也较明显，主要表现为孔隙率越高，传质系数的衰减越明显。同时，在稳态条件下，用Stokes-Einstein方程描述了溶质扩散行为与吸收剂粘度之间的因变关系，通过改变前期模型中溶质的扩散系数，模拟考察了吸收剂粘度对膜吸收传质过程的影响，并与本研究的实验数据进行了比较，结果表明未包含体系物性因素在内的膜吸收传质模型对传质性能虽然有一定的预测性，但其精确度仍然受到吸收剂粘度对流体动力学等因素影响的限制，因此要建立一个预测性更为精确、应用更为广泛的膜吸收传质模型，必须要考虑体系物性对传质过程的影响。