CN109985528A - 一种纳滤传质及分离性能的检测方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种纳滤传质及分离性能的检测方法及装置，其中方法包括：步骤S1：基于泊松‑能斯特‑普朗克理论，结合纳维斯托克斯方程，根据位阻效应、静电排斥和介电排斥三种效应，构建纳滤传质模型；步骤S2：输入膜微孔中流体的平均速率、进液成分；步骤S3：基于输入的平均速率、进液成分，结合纳滤传质模型得到膜的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。与现有技术相比，本发明能非常快速的预测污染物在纳滤中截留性能，并分析其传质分离的机理。

Description

一种纳滤传质及分离性能的检测方法及装置

技术领域

本发明涉及一种水质检测领域，尤其是涉及一种纳滤传质及分离性能的检测方法及装置。

背景技术

纳滤技术以其优异的分离性能在饮用水制备、废水处理、产品脱盐和纯化等领域得到了广泛应用，在降低能耗、环境保护、工艺优化和经济发展方面都发挥着重要作用。随着纳滤的广泛应用，纳滤的理论及模型研究一直备受关注。纳滤过程的优化和应用范围的拓展都需以能够定量预测膜性能的理论模型为基础。然而，由于纳滤膜的复杂结构即纳米级孔径带来的特殊效应，使得纳滤分离机理和理论模型的研究成为了纳滤研究领域的难点之一，这在一定程度上限制了纳滤膜的开发和应用。

发明内容

本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种纳滤传质及分离性能的检测方法及装置。

本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：

一种纳滤传质及分离性能的检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：基于泊松-能斯特-普朗克理论，结合纳维斯托克斯方程，根据位阻效应、静电排斥和介电排斥三种效应，构建纳滤传质模型；

步骤S2：输入膜微孔中流体的平均速率、进液成分；

步骤S3：基于输入的平均速率、进液成分，结合纳滤传质模型得到膜的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。

所述膜微孔内离子浓度分布情况的数学表达式为：

其中：TC为膜微孔内离子浓度分布情况，c_i为离子组分i在膜微孔中的浓度，x为沿膜孔轴向方向所对应的位置坐标，J_V为温度T下组分i在膜微孔中的传递速率，K_i，d为溶质在膜微孔中的扩散阻力因子，D_i，∞为溶质扩散系数，A_k为孔隙率，K_i，c为溶质在膜微孔中的对流阻力因子，c_i(L⁺)为膜孔出口外侧溶液浓度，z_i为离子组分i 的价位，F为Faraday常数，R为气体常数，ψ为电场强度。

所述膜微孔内电场分布情况的数学表达式为：

其中：E(x)为膜微孔内电场分布情况，X(x)为膜孔内局部电荷浓度。

所述截留率的数学表达式为：

其中：R为截留率，c_i，(0^-)为膜微孔进口处外侧组分i的浓度，c_i，(L⁺)为膜微孔出口处外侧组分i的浓度。

一种纳滤传质及分离性能的检测装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：基于泊松-能斯特-普朗克理论，结合纳维斯托克斯方程，根据位阻效应、静电排斥和介电排斥三种效应，构建纳滤传质模型；

步骤S2：输入膜微孔中流体的平均速率、进液成分；

步骤S3：基于输入的平均速率、进液成分，结合纳滤传质模型得到膜的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：可应用于不同操作要求和膜材料的膜处理系统综合实验研究平台，采集计算机软件技术生成相应的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。

附图说明

图1为本发明方法的主要步骤流程示意图；

图2为本发明所应用的综合实验研究平台的示意图；

图3为的膜组件腔体结构图；

图4为不同操作压力条件下研究纳滤膜的渗透效率示意图；

图5为回收率与产水效率关系示意图；

图6为膜孔形状定义示意图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

一种纳滤传质及分离性能的检测方法，该方法以计算机程序的形式由计算机系统实现，该计算机系统为检测装置，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由处理器执行的程序，如图1所示，处理器执行程序时实现以下步骤：

步骤S1：基于泊松-能斯特-普朗克理论，结合纳维斯托克斯方程，根据位阻效应、静电排斥和介电排斥三种效应，构建纳滤传质模型；

步骤S2：输入膜微孔中流体的平均速率、进液成分；

步骤S3：基于输入的平均速率、进液成分，结合纳滤传质模型得到膜的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。

一种纳滤传质及分离性能的检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：基于泊松-能斯特-普朗克理论，结合纳维斯托克斯方程，根据位阻效应、静电排斥和介电排斥三种效应，构建纳滤传质模型；

步骤S2：输入膜微孔中流体的平均速率、进液成分；

步骤S3：基于输入的平均速率、进液成分，结合纳滤传质模型得到膜的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。

膜孔形状定义为理想的圆柱体结构(如图6)。溶液/膜界面和膜/溶液界面标记为“0-|0⁺”和“L^-|L⁺”以显示孔的入口和出口。穿过孔的箭头表示流动方向。r_pore代表膜孔半径。孔内的位置标记为“z/L”。“ε_m”、“ε_p”和“ε_b”分别代表膜材料、膜孔和本体溶液内溶液的介电常数。假设本体溶液是理想的并且极度搅拌。

在位阻静电介电排斥模型中，溶质组分在膜孔内的轴向运动由推广的Nernst-Planck方程表示：

等式右边从左往右的三项分别代表了对流、扩散浓度梯度和电迁移电位梯度对传质的影响。其中：j_i为在某一温度(T)下组分i在膜微孔中的传递速率；z_i为i组分的价位；c_i为离子组分i在膜微孔中的浓度；J_v为膜微孔中流体的平均流速；K_i，d和K_i，c分别为溶质在膜微孔中的扩散和对流阻力因子；D_i为膜微孔中的扩散系数； F为Faraday常数，F＝96487C/mol；R为气体常数，R＝8.314J/mol-K；为膜微孔中的轴向电位；A_k为孔隙率。

通过整理方程(1)，我们可得到膜孔内的浓度梯度微分方程为：

其中：TC为膜微孔内离子浓度分布情况，c_i为离子组分i在膜微孔中的浓度， x为沿膜孔轴向方向所对应的位置坐标，J_V为温度T下组分i在膜微孔中的传递速率，K_i，d为溶质在膜微孔中的扩散阻力因子，D_i，∞为溶质扩散系数，A_k为孔隙率，K_i，c为溶质在膜微孔中的对流阻力因子，c_i(L⁺)为膜孔出口外侧溶液浓度，z_i为离子组分i 的价位，F为Faraday常数，R为气体常数，ψ为电场强度。

根据膜微孔中电中性条件，有：

式中X(z)为膜孔内等效体积电荷密度。

综合考虑方程(2)和方程(3)，我们可得到膜孔中的电位梯度为：

其中：E(x)为膜微孔内电场分布情况，X(x)为膜孔内局部电荷浓度。

在方程(4)中右边的第二项是由于孔壁不均匀的电荷分布。而当其为零时，表面孔壁内电荷是均匀分布的。

膜微孔中内外的离子浓度比率可通过以下方程来表达：

其中为位阻因子；0^-|0⁺和Δz^-|Δz⁺代表膜孔/溶液表面；为正交的Donnan势能；W′_i，Born和W′_i，im为离子组分i和膜材料的交感效应(镜像电荷效应)以及由于膜孔溶液电介质常数的减少(Born能效应)所引起的溶剂化能。

我们可以得到镜像电荷排斥效应可用以下方程来描述：

其中I₀，I₁，K₀，K₁为修改过的Bessel函数；k为波矢量，另外

其中ε₀为真空介电常数，ε_p为膜微孔内溶液介电常数，N_A为阿伏伽德罗常数。相关的其他参数可参考文献。

另外，膜孔溶液绝缘常数的减少所引起的溶剂化能(即Born能)所涉及的相关方程如下：

其中ε_b为主体溶液介电常数。

截留率计算：

其中：R为截留率，c_i，(0^-)为膜微孔进口处外侧组分i的浓度，c_i，(L⁺)为膜微孔出口处外侧组分i的浓度。

该方法基于Matlab编程软件，位阻模型通假设膜由孔径均一、孔径远小于膜厚的细孔构成。而溶质分子被视为钢球分子，溶液在膜内呈稳态流动，流动符合 Poiseuille方程，且流动过程中，溶质分子、溶剂分子与孔壁三者之间在膜径向方向存在摩擦；静电排斥模型用于描述电解质在由孔径均一，孔壁电荷分布均匀(不均匀)的柱状孔组成的膜中的传递行为。模型的基本方程由表征离子浓度和电位关系的Poisson-Boltzmann方程，表征离子传递的Nernst-Planck方程和溶液体积流率的Navier-Stocks方程组成。该模型考虑了流体以及电荷的径向分布，模型结构更为精确；介电排斥模型考虑膜孔内外介电常数的差异所导致的自由能变化，包括 Born能和镜像能两种。通过上述模型在Matlab中的耦合，可得到污染物的截留率、污染物在膜孔内浓度的分布、膜孔中的电场分布及三种排斥作用对于截留率的贡献。

针对不同类型膜材料，还包括不同类型的流体动力学参数；针对不同类型的污染物，根据膜表面固定电荷的性质及分布，预测该作用下截留的效能。

本申请运用Nernst-Planck方程表征离子的传递，利用Navier-Stocks方程表征孔道中的体积流率，离子浓度和电位由Poisson-Boltzmann方程来表征。孔道外、孔道内及膜材料三者介电常数值的定义，通常小于80。通过逆算假设法来检验孔中每一矩阵处的浓度处于给定的区间内。污染物截留前后的浓度差与处理前的比值。

程序由1个主程序和13个子程序组成。主程序的特征在于污染物相关化学数据的导入、膜材料数据的设置及纳滤操作条件的控制；6个子程序主要包括数据显示模块、浓度梯度模块、界面分离模块、电势电场模块、位阻模块及传质模块组成。

具体的，一种膜处理系统综合实验研究平台，其结构如图2所示，包括贮水池、输水泵、进水分流装置、出水调整装置、膜实验装置、净水出水池、显示及控制平台，其特征在于：贮水池的出口连接于输水泵的入口，输水泵的出口连接于进水分流装置的入口，进水分流装置有两个出口，一个出口连接膜实验装置的入口，另一个出口连接贮水池的入口，膜实验装置的浓水出口连接于出水调整装置的入口，出水调整装置的出口连接于贮水池的入口，膜实验装置的净水出口连接于净水出水池的入口。膜处理系统综合实验研究平台中的膜实验装置由膜组件固定架、膜组件腔体组成，膜组件腔体放置在膜组件固定架中。膜组件腔体如图3所示，由上、下两个部分组成，膜组件腔体上部设置渗透液出口，膜组件腔体下部设置进液口和口，膜组件腔体内采用的实验材料按照由下至上依次放置顺序分别为弯曲板、进液面支撑、膜片、渗透面支撑。弯曲板由一块不锈钢板制成，保证在4MPa以下的压力时其弧度与实验用膜片在卷式膜组件中要求的弯曲弧度相同。进液面支撑和渗透面支撑采用PA、PE、PP等软性塑料材质制成单层网状结构薄片，厚度与网孔尺寸与实验膜片要求的进液面支撑和渗透面支撑参数相同。膜片采用平板膜、卷式膜。通过屏幕显示进水分流装置和出水调整装置中的流量和压力情况，控制模块通过调节进水分流装置和出水调整装置的压力以及输水泵的功率来实现进水流量和压力的变化等操作手段，进而实现正向膜滤实验和反向冲洗，显示及控制模块与进水分流装置、出水调整装置、输水泵点连接。

实施例1

膜片采用陶氏NF270纳滤膜，操作压力为0～4MPa，流量为2LPM，实验水样为去离子水，记录不同操作压力下，陶氏NF90纳滤膜的产水速率。实验结果表明，该实验装置可以在不同操作压力条件下研究纳滤膜的渗透效率，结果如图4所示。

实施例2

膜片采用陶氏NF90和海德能ESNA1纳滤膜，操作压力为0.25MPa，流量为2LPM，实验水样为去离子水，实验水量为3L，搜集渗透液含量2.7L，渗透液产量与实验总水量之比为回收率，记录回收率在0～90％时两种纳滤膜的产水速率并进行比较。实验结果表明，该实验装置可以在低操作压力和高回收率情况下研究纳滤膜的渗透效率，结果如图5所示。

Claims (8)

1.一种纳滤传质及分离性能的检测方法，其特征在于，包括：

步骤S1：基于泊松-能斯特-普朗克理论，结合纳维斯托克斯方程，根据位阻效应、静电排斥和介电排斥三种效应，构建纳滤传质模型；

步骤S2：输入膜微孔中流体的平均速率、进液成分；

步骤S3：基于输入的平均速率、进液成分，结合纳滤传质模型得到膜的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。

2.根据权利要求1所述的一种纳滤传质及分离性能的检测方法，其特征在于，所述膜微孔内离子浓度分布情况的数学表达式为：

其中：TC为膜微孔内离子浓度分布情况，c_i为离子组分i在膜微孔中的浓度，x为沿膜孔轴向方向所对应的位置坐标，J_V为温度T下组分i在膜微孔中的传递速率，K_i,d为溶质在膜微孔中的扩散阻力因子，D_i,∞为溶质扩散系数，A_k为孔隙率，K_i,c为溶质在膜微孔中的对流阻力因子，c_i(L⁺)为膜孔出口外侧溶液浓度，z_i为离子组分i的价位，F为Faraday常数，R为气体常数，ψ为电场强度。

3.根据权利要求2所述的一种基于Matlab的纳滤传质及分离性能的检测方法，其特征在于，所述膜微孔内电场分布情况的数学表达式为：

其中：E(x)为膜微孔内电场分布情况，X(x)为膜孔内局部电荷浓度。

4.根据权利要求2所述的一种纳滤传质及分离性能的检测方法，其特征在于，所述截留率的数学表达式为：

其中：R为截留率，c_i,0^-)为膜微孔进口处外侧组分i的浓度，c_i,L⁺)为膜微孔出口处外侧组分i的浓度。

5.一种纳滤传质及分离性能的检测装置，其特征在于，包括存储器、处理器，以及存储于存储器中并由所述处理器执行的程序，所述处理器执行所述程序时实现以下步骤：

步骤S1：基于泊松-能斯特-普朗克理论，结合纳维斯托克斯方程，根据位阻效应、静电排斥和介电排斥三种效应，构建纳滤传质模型；

步骤S2：输入膜微孔中流体的平均速率、进液成分；

步骤S3：基于输入的平均速率、进液成分，结合纳滤传质模型得到膜的截留率、膜微孔内电场分布情况和膜微孔内离子浓度分布情况。

6.根据权利要求1所述的一种纳滤传质及分离性能的检测装置，其特征在于，所述膜微孔内离子浓度分布情况的数学表达式为：

其中：TC为膜微孔内离子浓度分布情况，i_i为离子组分i在膜微孔中的浓度，x为沿膜孔轴向方向所对应的位置坐标，J_V为温度T下组分i在膜微孔中的传递速率，K_i,d为溶质在膜微孔中的扩散阻力因子，D_i,∞为溶质扩散系数，A_k为孔隙率，K_i,c为溶质在膜微孔中的对流阻力因子，c_i(L⁺)为膜孔出口外侧溶液浓度，z_i为离子组分i的价位，F为Faraday常数，R为气体常数，ψ为电场强度。

7.根据权利要求6所述的一种基于Matlab的纳滤传质及分离性能的检测装置，其特征在于，所述膜微孔内电场分布情况的数学表达式为：

其中：E(x)为膜微孔内电场分布情况，X(x)为膜孔内局部电荷浓度。

8.根据权利要求6所述的一种纳滤传质及分离性能的检测装置，其特征在于，所述截留率的数学表达式为：

其中：R为截留率，c_i,0^-)为膜微孔进口处外侧组分i的浓度，c_i,L⁺)为膜微孔出口处外侧组分i的浓度。