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摘 要

本文主要对含盐染料废水进行了纳滤分离模拟计算，对纳滤过程的浓差极化进行了分析。并依据浓差极化程度分析了不同混合体系的膜污染情况。对三种染料的不同盐及不同含盐量溶液的纳滤过程用SK模型分别对染料与盐离子的传质过程进行了拟合计算。为得到关于纳滤膜的结构参数信息，对不含盐染料废水的纳滤结果进行了分析计算，得到了其有效孔径r_p、溶质透过系数P、等效膜厚等参数，并且在后续模型拟合计算中使用了这些参数。拟合结果与实验结果对比显示，模型预测趋势与实验吻合，准确性则受混合体系影响较大。验证了SK模型对描述混合电解质溶液纳滤过程的适用性。

关键词：纳滤 脱盐 模型计算 染料 浓差极化

Modelling of nanofiltration to the desalination and concentrate of the salt wastewater

ABSTRACT

The paper mainly carried out simulation calculations of nanofiltration separation of salt/dye mixture wastewater and further analyzed the concentration polarization effect on nanofiltration process. Then analyzed the situation of the membranes pollute depending on the result of the concentration polarization effect.Using SK model, dye and salt ion mass transfer process of various nanofiltration wastewater treatment containing different dyes with various salt concentrations of NaCl and Na₂SO₄ respectively were calculated. In order to get nanofiltration membrane structure parameter details, results of three kinds of dye wastewater without salt were treated by nanofiltration were analyzed and calculated. Membrane structure parameter details such as effective aperture R_P, solute permeability coefficient P, equivalent film thickness and other parameters were obtained and used in the subsequent model simulation. Contrasting the simulating results and the experience results ,the tendency of the result is fitted ,but the veracity is different from the difference of the mixture solution. This paper further verified the applicability of SK model in describing the mixed electrolyte solution of nanofiltration.

Keywords：nanofiltration, desalination, modeling, dye, concentration polarization

目录

摘要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1研究背景 2

1.2纳滤模型研究进展 2

1.2.1非平衡热力学模型 2

1.2.2溶解—扩散模型 4

1.2.3电荷模型 5

1.2.4细孔模型（SHP） 5

1.2.5静电位阻模型（ES） 6

1.2.6道南位阻模型（DSPM） 6

1.2.7其他模型应用 6

1.3研究内容及研究意义 7

1.3.1研究内容 7

1.3.2研究意义 7

第二章 浓差极化分析 9

2.1 浓差极化模型 9

2.2 传质系数计算 10

2.3 实验结果与分析 13

2.3.1浓差极化程度与膜面流速的关系分析 13

2.3.2混合溶液浓差极化分析 15

2.4本章小结 21

第三章 模型拟合计算 23

3.1 不含盐染料溶液拟合计算 23

3.2 SK模型拟合计算 24

3.2.1对染料纳滤拟合结果及分析 26

3.2.2对纳滤过程盐的截留的拟合分析 29

3.2.3综合分析 33

3.3本章小结 33

第四章 结论与展望 34

4.1工作结论 34

4.2工作展望 34

致谢 35

参考文献 36

绪论

1.1研究背景

当今社会，由各工业所排放的大量高盐度废水，导致各江河水质的矿化度提高，给土壤、地表水以及地下水带来越来越严重的污染，进而危及整个生态环境。对于含盐废水污染的治理以及其中盐的处理和处置越来越引起人们的关注。而目前对有机含盐废水的主要处理技术则有物理化学法和生物法，以及两种方法的组合工艺^[1]。

物理化学法中，包含高温焚烧法、氧化法、离子交换法、膜分离法以及电化学法等^[1]。其中膜分离技术始于20世纪初，在20世纪60年代迅速崛起，是一种低成本的分离技术。其中的纳滤膜技术则是在近几年所发展起来的新型分离技术，其原理主要是基于筛分效应和静电效应。纳滤膜的孔径范围为纳米级，可截留相对分子质量在200至1000之间的有机物和离子，并且其对相对分子质量较大的有机物和高价离子的截留率较高，对一价盐离子的截留率较低^[2-5]。因此，纳滤膜的这种特性可有效分离含盐体系中的有机物和盐，作为行之可效的预处理方式用来去除大部分有机物，以进一步回收利用盐。

而纳滤分离含盐体系废水中有机物的多少直接影响到后续深度处理，因此，有必要对纳滤分离过程进行研究，以获得含盐体系的纳滤分离过程中传质规律。本课题提出采用含盐染料废水作为研究对象，通过纳滤膜分离作为预处理，去除废水中大分子有机物及少量高价离子，对其分离过程采用相应数学模型进行模拟计算，并与实验结果进行拟合分析，对采用模型及参数进行相应修正，以得到适用于高盐条件下纳滤分离染料废水的数值模拟模型。

1.2纳滤模型研究进展

王晓琳等^[6]对中外学者对纳滤膜分离机理的研究进展做了回顾与总结，对其的描述模型大致可分为结构模型、非热力学模型以及半经验模型这三类。并且通常使用非平衡热力学（SK）模型对膜内传递现象进行表征。此外，还有学者将ANN（人工神经网络）引入纳滤过程模型的建立，如程孟刚等^[7]使用RBF（径向基神经元）神经网络技术建立预测膜通量的模型，并与实验结果较为吻合。

1.2.1非平衡热力学模型

该模型将膜视为一“黑匣子”，以膜两侧溶液的势能差（存在或施加）为驱动力，不提供有关膜结构的任何信息，也不探究传递机理，推导出截留率和通量之间的关系方程，即SK方程。其在描述膜分离性能上，应用最为广泛，并且方程简洁，常用来与实验结合回归得到膜传递参数，进而可以对膜的细孔结构进行分析，因而与结构模型相结合可以使计算简化，并能揭示溶质传质机理^[6,8]。模型中的相关系数即称为膜特性参数。包括，膜的反射系数σ、溶质透过系数P_S、纯水透过系数L_P等^[9]。这些参数并不一定需要由实验获得，而可由其他数学模型确定。SK模型主要适用于非电解质及电解质的膜过程。

Kedem和Katchalsky提出了溶质和溶剂通量公式：

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