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毕业设计（论文）开题报告格式一、题目背景和意义（宋体小三加粗缩进2字符）（内容宋体小四号）1、 论文题目：鼓泡对浸没式中空纤维膜组件微滤过程强化作用的研究2、 选题的背景及意义 膜工业是一门崭新的工业，在世界上只有60年的发展历史；从1967年异相离子交换膜在上海化工厂正式投产算起，中国的膜工业也只走过了40余年的发展历史。进入21世纪后，膜技术及其与其它技术集成的技术在很大程度上取代了目前采用的传统分离技术，成为高效节能的单元操作，带动了相关产业的发展，成为实现可持续发展战略的重要组成部分，对推动人类科学技术进步，促进社会发展，将起极大的作用1。目前，膜技术在全球范围内受到了前所未有的高度重视，特别是“谁掌握了膜技术，谁就掌握了化学工业的未来”已成为共识。在所有的膜分离过程中以微滤技术应用最广，经济价值最大。虽然浸没式MBR运行稳定性差、操作管理和膜的清洗更换增设麻烦；但是错流速率较低，膜通量低，膜的驱动压力(Transmembrane Pressures，TMPs)较低；由于省去了循环系统，结构也更为紧凑，能耗相对较低；这些特点对于节能降耗有十分重要的意义。各国家都在积极部署，投入巨资发展该技术及产业。中国作为一个发展中的大国，虽然在膜工业方面作了大量的工作，也取得了较大的进展，但与发达国家相比，还有较大的差距，存在的问题也较多，面临的形势是严峻的。因此，优化现有膜技术，积极研究开发新型膜技术，力争在最短的时间内达到国际先进水平已成为当务之急。3、 选题的意义浸没式中空纤维膜以其填充密度高、可自支撑、结构简单、造价低、可反洗等特点在MBR领域有着最为广泛应用，但是仍存在一些难以避免的缺点，比如：化学清洗药剂使用效率低，容易受到丝状物缠绕；中空纤维膜丝由于直径小，往往强度不足，在安装和运行过程中容易断裂。本实验中使用的聚偏氟乙烯( PVDF)膜表面亲水性比较差,被分离物质在疏水表面易产生吸附,易造成膜污染,其后果是带来膜通量明显下降、膜使用寿命缩短、生产成本增加等一系列问题,成为膜技术进一步推广应用的阻碍。在浸没式膜组件中，利用鼓泡引导流动，即气泡在膜丝外流动，可以在膜表面产生剪切力的作用来控制膜污染8。因此对膜组件的优化，从而达到降低成本和有效控制膜污染的目的一直是研究热点。4、 题目理论研究价值：5、 题目应用价值：目前，已经成熟和不断研发出来的膜技术正在广泛应用于石油、化工、电子、电力、能源、环保、食品、饮料、轻工、医药和生物工程等行业，产生了很大的经济和社会效益，发挥着越来越重要的作用。微滤技术用于处理溶液中细微颗粒、细菌和胶体颗粒物质，分离效率高，成本低，已成为这一领域的标准技术，是所有膜过程中应用最普遍、市场最大的一项技术。微滤技术的主要应用见表1。应用领域主要应用医药工业主要用于气体除菌；中药提取液精制食品工业明胶和葡萄糖的澄清；果汁的澄清；回收啤酒渣和生啤除菌；调味品、饮料精制。高纯水的制备是目前微滤应用的第二大市场城市污水处理用于除去病毒工业废水处理用于从颜料中分离溶剂；从含油废水中去除难处理的颗粒；从电镀废水中除去有毒的重金属如镉、汞、铬等都有着较好的前景。燃料工业用于油品的除蜡和沥青质。生物技术工业浓缩和分离发酵液中的生物产品。而膜污染是一个亟待解决的关键问题，它极大地限制了膜生物反应器的进一步广泛应用。通过鼓入气泡的方式，不仅完成了曝气，而且气体作为第二相流过膜表面，以两相流的方式来强化剪切作用，可以很好的解决膜污染的问题。所以，研究气泡对膜过滤过程的强化作用，具有十分重要的理论意义和实际价值。 膜污染是SMBR运行中一系列增加膜阻力因素的总称。它是指与膜接触料液中的微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜之间存在物理、化学、生化或机械作用,引起膜面或膜孔内吸附、沉积以及微生物在膜水界面的积累,造成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特性大幅度降低的现象。膜自身的特性、膜组件的结构和类型、膜生物反应器运行的工艺条件以及污泥特性等都是影响膜污染的因素。（应列示毕业设计（论文）的题目和选题的背景、意义和题目理论研究价值或应用价值。）二、国内外研究现状在早期的气泡对膜过滤的强化作用的研究中，对于料液走管程内的过滤强化机理研究较多。大量文献证明了在气液两相流动中鼓泡能很好的控制膜污染过程。Mercier等人9使用金属管式膜在不同的气液流动速率下过滤料液，发现大气泡运动可显著增大跨膜通量。Cabassud等人10直接在中空纤维膜组件内的料液侧鼓入气泡，降低颗粒的膜污染程度，从而证明了即使在较低的气速下，鼓泡仍可以提高跨膜通量（在气体表观速率为0.1m/s时，跨膜通量增加60%；在表观速率达1m/s时，通量增加可达110%）。Cui等人11在液相流体侧鼓入气泡，在过滤蛋白质过程中观察到了显著的通量增量。从中可以看出，在管程料液过滤过程中，大气泡运动可以显著提高过膜通量。而对于浸没式中空纤维膜，即气泡在膜丝外流动的情况，其最佳的流体力学流动形式还没有明确的文献指出。（1）浸没式中空纤维膜组件的研究历史浸没式中空纤维膜的概念最早是在20世纪80年代中期提出的。Tajima和Yamamoto12在专利中描述了使用U型中空纤维膜进行过滤的实验，在膜丝的周围间歇地鼓入气泡，利用由此产生的中空纤维膜丝的晃动来去除附着的固体颗粒。Ebara研究的“中空纤维膜设备”13中应用竖直的中空纤维膜束，滤液从组件两端流出，以鼓入气体晃动膜丝来去除滤饼。Yamamoto等人14于1989年第一次提出了将浸没式中空纤维膜组件运用到污废水处理的膜生物反应器中，引入的气体有曝气、混合、引导液相流动的作用。 为了改进膜生物反应器的运行，Yamamoto与其同事15增加了一个曝气装置来供给间歇的曝气。Ebara在浸没式中空纤维膜生物反应器实验中采用连续鼓泡的方式，膜丝分别采取竖直放置和水平放置两种形式16。Zenon在浸没式中空纤维膜系统中运用鼓泡方式进行污水和水的处理。其中的许多方法已申请专利，如底部带有支撑的竖直膜丝束的使用18等。通过进一步的研究，发展成为使用上下支撑的竖直中空纤维膜组件，并在纤维束的边缘处设置气泡分散系统19。H. Li, A. G. Fane等人20于1998年利用DOTM(direct observation through the membrane)技术对膜表面的结垢情况进行了详细的研究。所谓DOTM系统就是利用显微镜的放大观察，清晰而生动直接地观察到膜表面的污染情况，数码相机则可以记录这些画面，通过成像软件处理，在视频装置上看到这些画面，同时计算机数据采集系统将一些压力、过滤通量、以及料液流量等参数记录，以便于数据处理。进入21世纪，浸没式中空纤维膜组件微滤技术已经研究得比较成熟。许多学者开始致力于将这一过程进行数学上的模型化研究。S. Chang和A. G. Fane等人21,22从Hagen-Poiseuille方程出发，利用微滤过程中的质量衡算先后研究建立了中空纤维直径对通量分布影响的数学模型和恒通量微滤条件下跨膜压差以及微滤通量沿膜丝分布的数学模型，而且模型与实验数据能够很好的吻合，因此该模型可以预测某一时刻膜丝某处跨膜压差和通量的情况。卢彦、丁忠伟等人23发现气孔尺寸对于鼓泡在微滤过程中的强化作用有一定的影响，发现较大气孔产生的较大气泡对于膜污染的抑制有更好的效果。同时，鼓泡的效果还与气体流速和料液浓度有关。（2） 条件参数的影响（i）气体流速的影响Filicia Wicaksana等研究者24研究表明：随着气体流速的增大，吸入压强的增长率降低；但当气速增长到一定值时，气速的进一步增长，对吸入压强的增长率已无明显影响。这种现象可能与大气泡对下降液膜中流体速度的影响有关，其中气速的较大变化对液膜速度的影响较小25。随气体流动速度增大，跨膜压差随时间的变化率降低，可以归因于在膜表面增大的剪切力作用，其中包括纤维膜丝的运动和气泡运动在增大了的剪切力。一旦气速增加到某一范围，进一步的增长并不会降低跨膜压差的增长率。这也说明较高的气体流动速率是不必要的，不仅会增加能量的消耗，还可能会增大中空纤维膜丝断裂的可能性26。（ii）中空纤维膜放置方式的影响而对于两相的气泡流动，则其更倾向于中空纤维膜竖直放置情况下的气泡轴向流动28。纤维束水平放置时，气泡会束缚在纤维膜丝中间，而竖直放置则适合于上升气泡的各种机理。在工业中，使用竖直放置的中空纤维膜是主导趋势。（iii）中空纤维膜直径大小的影响中空纤维膜的直径变化可以改变纤维与气泡的相互作用方式。当膜丝直径增大时，其运动的振幅减小。在微滤实验中，随着膜丝直径的增大，跨膜压差的增长率（d(TMP)/dt）亦增大。并表明大尺寸直径的膜丝有更大的污染趋势29。而小尺寸膜丝有更大的管内压强损失。（iv）中空纤维膜松弛度的影响纤维的松弛度（Tightness）可以定义为：Tightness (%) = ( L/Lf ) 100%其中，L是两固定端的距离，Lf是中空纤维膜丝的长度。在S.Chang和A.G.Fane30的研究结果中，可明显看出松弛的中空纤维膜束的优势。松弛纤维（膜丝长度大约比两端固定长度长5%）条件下，跨膜压差维持恒定；而当膜丝长度等于两固定端长度时，跨膜压差呈稳定增长。人们在运行浸没式中空纤维膜过滤过程中已意识到，维持一定程度的纤维松弛度和灵活性有重要意义31。（v）中空纤维膜长度的影响由于长纤维的运动幅度较大，这就使它更易于控制膜污染。而它的缺点在于会有更大的管内压强损失32和局部通量更大的轴向变化。长纤维条件下跨膜压差增长率较低。（vi）料液浓度和黏度的影响高黏度液体对松弛的中空纤维膜束的运动有阻碍作用。当松弛度从100%98%时，液体黏度的增大影响效果不明显，但当松弛度低于98%时，高黏度液体阻碍膜纤维的运动。高浓度料液会引起跨膜压差的快速增长，如前所述，高浓度料液黏度的增大会影响气泡的特性，并阻碍纤维运动，还会增加对流负荷。这些因素都增大了膜污染的可能，表现为跨膜压差的快速增长。（vii）气孔尺寸的影响气泡尺寸随着气孔尺寸的增大而增大。Buwa和Ranade35使用CFD模拟方法来研究不同气孔结构下的气液两相流体的动力学，指出由小气泡引起的液体流动速度的变化比大气泡更不规则。因此，对于一个系统引入更多小气泡比引入少量稍大的气泡，会产生更有效的剪切力。同样，Sofia等人36研究了膜生物反应器的污染问题，他们分析了在浸没式膜生物反应器中由大气泡和小气泡（气孔尺寸分别为2和0.5mm）产生的错流速度，并指出小气泡会产生更高的错流速度，在同样的曝气强度下，分布一致的小气泡能更好的抑制膜污染。Adrian P.S. Yeo等人37研究指出，高频率小气泡运动下的压差增长速率较小。在相同气量下，小尺寸气孔会产生更多的气泡，这也意味着大尺寸气孔产生的平均气泡尺寸较大。大尺寸气孔的平均气泡上升速度比小尺寸的稍大，这是由于其平均气泡尺寸稍大的缘故。使用小尺寸气孔可以达到较低的污染率（即较低的d(TMP)/dt值），这可能是由于气泡产生了较高频率的扰动所致。气孔尺寸的作用不仅仅是影响气泡的大小从而减小膜污染，而且影响在气液混合入口处的混合作用，这将会影响相的变化38,39。这一点在气液过滤系统的介绍中常常被忽视。Raja Ghosh43研究了鼓泡对浸没式中空纤维膜超滤过程通量的强化作用，并使用了两种不同构型的膜组件。研究结果表明，鼓泡对通量的提升作用高达115%，这一研究更强调了组件构型对过滤过程效率的影响，合理的组件构型可将鼓泡的作用最大化。应充分搜集国内外研究的最新资料，全面反映国内外研究的最新成果。论述中应列示所选资料的出处、书刊的版本、期号等。三、主要内容与待解决的问题本工作考察气泡在中空纤维膜（浸没在酵母、硼闰土和纳米碳酸钙溶液）微滤过程中的作用。实验中重点观察和测量在恒压过滤条件下，膜两侧压强差随时间的变化关系。通过改变操作参数，如鼓入气量、过滤通量、料液颗粒种类及浓度、膜组件底部气孔数量和尺寸，来对比膜两侧压强差随时间的变化情况。 本工作尝试对鼓泡作用下浸没式中空纤维膜错流微滤过程建立数学模型。并模拟计算出鼓泡作用下，不同条件微滤过程的压差增长速率，及通量、压差沿膜丝的分布情况。并与死端微滤模型进行比较得出结论。应列示毕业设计（论文）的主要内容和预期解决的问题。3.3.3拟解决的关键问题关键问题是建立包含有鼓泡因素作用的浸没式中空纤维膜错流微滤过程的数学模型，主要是通量与滤饼层形成的关系方程以及滤饼厚度与流速的关系。四、设计方法与实施方案本实验采用浸没式中空纤维膜微滤系统。在微滤过程中，通过鼓入气泡，以两相流的方式来强化剪切作用，可以很好的解决膜污染的问题。本工作重点考察气泡在中空纤维膜微滤过程中的作用【包含不同气量、气孔分布、连续间歇鼓泡】；同浓度不同种类的料液及其是否重复使用对微滤过程的作用；松弛纤维和紧绷纤维对微滤过程的作用。实验中观察和测量在不同的实验条件下，膜两侧压强差随时间的变化关系。实验流程图如下实验装置流程图1氮气瓶；2转子流量计；3气体缓冲罐；4料液槽；5中空纤维膜组件；6真空传感器； 7蠕动泵； 8电子天平； 9滤液烧杯如上图所示，气体从氮气瓶1中释放出，经过转子流量计2，进入气体缓冲罐3，最终气体通过组件底部气孔，以气泡形式进入浸没式中空纤维膜组件5中。实验所用料液置于储罐4中，实验过程中根据液位的高低补充液体。用一蠕动泵7在膜组件管程造成一定的真空度，其值由位于滤液管线上的真空传感器6测定，从而在膜两侧造成压差，将滤液以恒定的流量抽出。抽出的滤液由电子天平8来称重，据此可以算出中空纤维膜的跨膜通量。氮气钢瓶，气体缓冲罐，真空传感器，蠕动泵，电子天平，转子流量计，数据采集系统，生物显微镜，激光粒度分析仪。探针，FLUNT流体模拟系统对于毕业设计（论文），应列出使用的设计方法和预期的实施方案。五、进度计划2011.22011.3 查阅文献，完成开题报告；对前人研究模型进行相关分析，找到本课题的理论出发点。2011.32011.5 搭建实验设备并进行调试获得初步的实验数据，获得有效的实验数据，初步达到实验目的；整理数据，建立鼓泡与错流微滤相结合的数学模型，得出结论，对每一次的实验进行总结。2011.42011.5.1 根据实验数据，分析影响分离效果的参数，并不断修改开题报告，完成论文初稿。2011.42011.5.20 对实验进行改进和其他的尝试在原来的基础上作出创新，完成论文二稿。2011.5.21-2011.5.27修改并定稿毕业论文，准备答辩。应根据指导教师在任务书中写明的建议进度计划安排，制定个人具体的时间计划。六、参考资料1中国膜工业现状与前景J.China Academic Journal Electronic Publishing House , 1994-2011 . 2许振良,马炳荣. 微滤技术与应用 M. 北京: 化学工业出版社, 2005: 1-9.3K. Yamamoto, M. Hiasa, T. Mahmood, T. Matsuo, Direct solidliquid separation using hollow fiber membrane in an activated sludge aeration tank J. Water Sci. Technol.21(1989) 4354.4刘建超，张永刚.浸没式中空纤维膜生物反应器的膜污染及防治对策J.J.膜科学与技术，2010.8，30（4）5万军伟，曾美玲.膜生物反应器（MBR）浸没式膜元件及组件J.J.广东化工，2007，34（11）6国家环境保护总局水和废水监测分析方法(第四版)M北京：中国环境科学出版社，20024584647郑祥，魏源送，樊耀波，刘俊新.膜生物反应器在我国的研究及应用J.2001年全国工业用水与废水处理技术交流会论文汇编，B. Lesjean, S. Rosenberger, J.-C. Schrotter, Membrane-aided biological wastewater treatmentan overview of applied systems J. Membr. Technol. 2004, 8: 510.8 2 刘红,何韵华,张山立,等. 微污染水源水处理中超声波强化生物降解有机污染物研究 J . 环境科学, 2004, 25(3) : 57 - 60.时钧，袁权，高从堦. 膜技术手册 M. 化学工业出版社, 2001: 1-18.9Chang I S, Bag S O, Lee C H. Effects of membranefouling on solute rejection duringmembrane filtration of activatedsludge J . Pro. Bio. , 2001, 36: 855 - 860.M. Mercier, C. Lafforgue-Delorme. How slug flow can enhance the ultrafiltration flux in mineral tubular membranes J. J. Membr. Sci., 1997, 128: 103-113.10C.Cabassud, S.Laborie, J.M. 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Fane, T.D. Waite. Analysis of constant permeate flow filtration using dead-end hollow fiber membranes J. J. Membr. Sci., 2006, 268: 132-141.2324Filicia Wicaksana, Fibre movement induced by bubbling using submerged hollow fibre membranes J. J. Membr. Sci., 2006, 271: 186195.25S. Chang, A.G. Fane, Filtration of biomass with axial inter-fibre upward slugflow: performance and mechanism J. J. Membr. Sci., 2000, 180 (1): 5768.26A. Yeo, A.G. Fane. Performance of individual fibers in a submerged hollow fiber bundle J. Water Sci. Technol., 2005, 51: 165.27H. Futselaar, R.J.C. Zoontjes, T. Reith, I.G. Rcz. Economics comparison of transverse and longitudinal flow hollow fibre membrane modules for reverse osmosis and ultrafiltration J. Desalination, 1993, 90: 345361.28S. Chang, A.G. Fane, S. Vigneswaran. Experimental assessment of filtration of biomass with model axial and transverse fibres J. Chem. Eng. J., 2002, 87: 121127.29S. Chang, A.G. Fane. 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