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水资源的缺乏是现代社会面临最大的挑战之一,海水淡化可以有效地解决这一危机。膜蒸馏是近年来发展的一种新的海水淡化技术,与传统的反渗透、多级闪蒸技术相比,膜蒸馏可以有效降低操作温度和操作压力,是一种节能环保的海水淡化技术。真实海水淡化时,膜表面会产生大量污染,这严重影响膜蒸馏系统的正常运行。而目前对膜蒸馏污染物研究较少,为此本文利用膜蒸馏污染物测试系统对海水中各粒子的污染行为进行研究。本文主要创新点如下:(1)采用真实海水进料进行膜蒸馏实验,并采用超声时域反射法(ultrasonic time-domain reflectometry)测试系统对膜蒸馏污染物进行实时测量;(2)建立了膜蒸馏污染物生成模型,并采用计算流体力学(CFD)方法探究了膜蒸馏过程中污染物热质传递机理,及其对膜蒸馏产生的影响。本文主要由以下几个部分组成:(1)设计并搭建了膜蒸馏污染物测试系统,采用不同的进料状态评估污染物对膜蒸馏的影响。当料液中仅含有各类纯无机盐离子时,系统各项性能下降较慢,实验运行前127 h系统产水水质较好,膜表面污染物生长较慢,污染物主要是难溶盐。有机酸会加重PVDF膜的污染,当进料液含有有机酸时,实验持续了81 h,PVDF膜寿命是混合盐料液情况下的63.8%,污染物厚度是1.01 mm,是混合盐料液的4.59倍。真实海水进料时,同样操作条件下,系统运行时长是混合盐系统的20.5%,膜面污染物厚度是混合盐料液的10.23倍。(2)系统表征了香港大屿山海水的具体成分,从对膜蒸馏的影响上看可分为三类:无机盐、各种有机酸和各种生物质。其中无机盐所占比例较大,对海水淡化影响较大的两种有机酸(腐殖酸和海藻酸)在海水中含量分别为0.8 mg/L和0.2 mg/L,各类生物质含量较少。无机盐对膜蒸馏的影响主要是润湿PVDF膜,使得系统产水电导率上升;料液中含有有机酸时,膜表面会形成一种表面致密的凝胶覆盖在膜表面;各类生物质会沉降在膜表面堵塞膜孔,从而影响膜蒸馏。(3)建立海水淡化污染物生成模型,提出了海水淡化过程中硫酸钙等盐类物质的扩散-反应模型。讨论了污染物在膜蒸馏过程中对膜组件传热传质的影响规律,并基于此机理建立了三维CFD模型,利用FLUENT软件模拟了海水淡化污染物对膜蒸馏的影响,模拟与实验值比较吻合,系统膜通量方面模拟与实验平均相对误差为9.4%;膜面污染物厚度方面模拟与实验平均相对误差为12.2%。(4)利用所建立的CFD模型,模拟了不同料液温度、不同进料流速下污染物对膜蒸馏的影响。进料侧温度的增加,初始系统膜通量也会随之增加,模拟得出硫酸钙污染30 h后系统膜通量的损耗也随着进料温度的增加而增加。模拟得出硫酸钙污染30 h时,进料温度为60℃、70℃和80℃,污染物厚度比值为1:1.251:1.446。进料流速较高时系统膜通量高,膜表面污染物生成速率也相对较快,模拟硫酸钙污染30 h时,进料速率为300 m L/min、400 m L/min、500 m L/min污染物厚度比值为1:1.027:1.052,污染物厚度的涨幅逐渐增大。选取进料状态时不能单凭系统产水进行评估,膜污染因素也不能忽视。