【正文】 lateosmotic pressure and cake layer resistance based on the basic mass transfertheory and the knowledge of fluid mechanics, are dthe introduction of fluxabout the new model equations, To verify the correctness of the model,membrane flux model simulation is set up by the use of controlling simulationsystem in Matlab. Finally, the rationality of the design is tested throughcertification testing and product testing.IVKeywords ： Bilge Water, Emulsified Oil, Membrane Separation, Ultrafiltration, Membrane FoulingV上海交通大學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的學(xué)位論文，是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下，獨(dú)立進(jìn)行研究工作所取得的成果。隨著全球經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和船舶數(shù)量的增加，船舶含油污水對(duì)海洋環(huán)境的污染也越來越嚴(yán)重，含油污水處理技術(shù)在船舶防污染、污水凈化處理方面的綜合效果，作為一種比較成熟的處理方式在遠(yuǎn)洋船舶上得到廣泛應(yīng)用。根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果分別繪制通量與時(shí)間，壓力，溫度的變化趨勢(shì)，在試驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上，提出了合理選用膜組件的方法，優(yōu)化配置濾器和料液預(yù)處理技術(shù)，優(yōu)化膜I分離的操作條件以及采用雙向流技術(shù)和定期反沖洗等措施預(yù)防超濾膜組件污染，有效提高膜組件的使用壽命。本人授權(quán)上海交通大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。由于洗滌劑等化學(xué)試劑的使用，船舶艙底水乳化油含量大大增加，傳統(tǒng)的艙底水分離技術(shù)基本上是機(jī)械分離技術(shù)，即靠重力分離、聚結(jié)分離等方法除去含油污水中的浮油，對(duì)艙底水中所含的浮油基本上都可以除去。由于國(guó)際海事組織最新防污染規(guī)則的制定，嚴(yán)格限制含有污水中乳化油的排放。如果兩者之差大于阻力時(shí)，油滴則加速上浮，油滴上浮時(shí)收到的阻力與水流的流動(dòng)狀態(tài)有關(guān)。機(jī)械分離法是讓含油污水流過斜板、波紋板和濾器等，使之產(chǎn)生渦流、轉(zhuǎn)折和碰撞，以促使微小油粒聚集成較大的油粒，再經(jīng)密度差作用而上浮，從而達(dá)到分離的目的；靜置分離是將含油污水儲(chǔ)存在艙柜內(nèi)，在單純的重力作用下經(jīng)過沉淀使油液自然上浮2上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 1 章 緒論以達(dá)到分離的目的；離心分離法使利用高速旋轉(zhuǎn)的離心力，使油、水在離心力和密度差的作用下實(shí)現(xiàn)分離，它的特點(diǎn)使油污水在分離器中的停留時(shí)間很短，所以分離器體積較小。使用粒狀介質(zhì)做濾料時(shí)，要依據(jù)過濾要求及工藝條件選用適宜的濾料粒徑的范圍及在此范圍內(nèi)各種粒徑的數(shù)量比例。在這種分離過程中，由于微小油粒逐漸聚合長(zhǎng)大，因此這種分離過程稱為聚結(jié)，也叫粗?；^程。碰撞聚結(jié)理論是建立在疏油性材料的基礎(chǔ)上，無論是由粒狀的還是纖維狀的粗?；牧辖M成的粗?；?，其空襲均構(gòu)成互相連通的通道，像無數(shù)根直徑很小彎4上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 1 章 緒論曲交錯(cuò)的微管，當(dāng)含油廢水流經(jīng)該床時(shí)，由于粗?；牧鲜鞘栌偷?，兩個(gè)或多個(gè)油粒有可能同時(shí)與管壁碰撞或者互相之間碰撞，其沖量足可以使它們合并成一個(gè)較大的油粒，從而達(dá)到粗?；哪康?。常用的吸附材料有纖維材料、硅藻土、焦炭和活性炭等。于是在 2004 年 IMO 通過了 MEPC107.(49)決議，取代了 MEPC60.(33)。而水分子在側(cè)壓作用下將穿過致密層上的微孔，再穿過下部的疏松支撐層，進(jìn)入膜的另一側(cè)。膜分離技術(shù)是指借助膜的選擇滲透作用，在外界能量或化學(xué)位差的推動(dòng)作用下對(duì)混合物中溶質(zhì)和溶劑進(jìn)行分離，分級(jí)，提純和富集。根據(jù)膜本身結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)，選擇適宜的膜過程和膜組件，可一次去除水體中100μm以下油珠，對(duì)分散油和乳化油的適應(yīng)性均很強(qiáng)，去除率大于90%，且無二次污染，過程無相變，膜組件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，流程縮短，設(shè)備能耗低。若水體中的油是因有表面活性劑等使油滴乳化成穩(wěn)定的乳化油和溶解油，油珠之間難以相互粘結(jié)，則需采用親水或親油的超濾膜分離，一則是因?yàn)槌瑸V膜孔徑遠(yuǎn)小于10μm，二則是超細(xì)的膜孔有利于破乳或有利于油滴聚結(jié)。李永發(fā)等用超濾膜處理勝利油田東辛采油廠預(yù)處理過的廢水,處理后油截留率為 % ,能達(dá)到低滲透油田回注水標(biāo)準(zhǔn)。陸曉千等用超濾技術(shù)處理車床、清洗機(jī)設(shè)備產(chǎn)生的廢水,這種廢水為乳白色,含油1 000～5 500 mg/ L ,COD 含量高達(dá) 10 000～50 000 mg/ L。本文的主要研究?jī)?nèi)容分為以下幾個(gè)方面：1. 在分析膜分離基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了分離乳化液的超濾膜分離試驗(yàn)系統(tǒng)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)給出膜的理論特性，提出了采用膜分離技術(shù)解決乳化油難分離問題的關(guān)鍵技術(shù)及其解決途徑。具有分離功能的膜是指可選擇性透過不同物質(zhì)的膜，這種膜可對(duì)多組分體系進(jìn)行分離、分級(jí)、提純或富集。 膜分離技術(shù)的基本原理（1） 膜分離過程的常見形式[22]－[25]膜分離過程是利用薄膜分離混合物的一種方法。微濾膜的孔徑較大，常用于截留溶液中的懸浮顆粒，由于其運(yùn)行壓力低且造價(jià)低，其污染問題沒有引起太多的重視。反滲透過程因?yàn)橥枯^低和傳質(zhì)系數(shù)比較大，在使用過程中受濃差極化的影響較小，而溶質(zhì)在膜面的吸附和沉積被認(rèn)為是膜污染的主要原因。濃差極化、膜面吸附和粒子沉積作用均是納濾膜被污染的主要原因。非對(duì)稱膜的橫斷面具有不對(duì)稱結(jié)構(gòu)。在多孔支撐板兩側(cè)覆以平板膜，采用密封環(huán)和兩個(gè)端板密封、壓緊。管式膜組件是把膜和支撐體均制成管狀，使二者組合，或者將膜直接刮制在支撐管的內(nèi)側(cè)或外側(cè)，將數(shù)根膜管(直徑10～20mm)組裝在一起就構(gòu)成了管式膜組件，與列管式換熱器相類似。圖 21 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖 System of the experiment16上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究本試驗(yàn)系統(tǒng)采用雙向流膜組件設(shè)計(jì),可實(shí)現(xiàn)乳化液的超濾實(shí)驗(yàn)，膜組件的安裝易于更換，以實(shí)現(xiàn)對(duì)各種材料及截留分子量的膜組件進(jìn)行試驗(yàn)。試驗(yàn)液體“C”的成分計(jì)算：試驗(yàn)所需體積凈值：300L；試驗(yàn)液體“C”中的乳化液體積： m3=；試驗(yàn)液體“A”重量：25= kg；試驗(yàn)液體“B”重量：25= kg；表面活性劑重量:=；氧化鐵重量： = kg；在試驗(yàn)液體箱內(nèi)制成試驗(yàn)液體，如圖 2－2 所示；離心泵 B 運(yùn)行一小時(shí)，確認(rèn)試驗(yàn)液體表面無浮油。本試驗(yàn)中采用清水對(duì)膜組件進(jìn)行清洗，具體的操作為打開閥門2，3，8，9，關(guān)閉其它閥門，清洗前需初步確定幾組清洗間隔及清洗時(shí)間，記錄不同清洗間隔及清洗時(shí)間下膜通量的情況，從而確定出最佳清洗間隔和時(shí)間。由圖可見，超濾膜分離裝置在剛開始運(yùn)行時(shí)膜通量增加很快，在較短的時(shí)間滲透液通量增加到最大，隨著工作時(shí)間的延長(zhǎng)，膜通量有所下降并維持在一個(gè)較穩(wěn)定值上。本文著重對(duì)雙向流和清水反沖洗進(jìn)行研究，所謂反沖洗是指從膜的透過側(cè)通過液體沖洗, 將膜面污染物除去的方法。超濾膜透過液通量與操作壓力的關(guān)系取決于膜和邊界層性質(zhì)，在膜未受污染時(shí)，濃差極化作用可以忽略，膜透過液通量與壓力成正比。23上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究圖 2－6 透過液流量隨溫度變化曲線The infection of the temperature to the Permeation quantity（5）濾器對(duì)膜透過液流量的影響本實(shí)驗(yàn)初期采用過濾精度在 100μm 左右的粗濾器，從而導(dǎo)致膜組件在一小時(shí)內(nèi)臟堵，不符合實(shí)驗(yàn)要求，由此可見，料液前處理的重要性。24上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究所進(jìn)行的試驗(yàn)中，在經(jīng)膜分離后的排放水油份濃度均低于 6ppm，完全符合油污水排放規(guī)定。即隨著分離時(shí)間的增加，由于膜面凝膠極化等因素使得膜的通量下降；壓力的升高使得作為推動(dòng)力的壓差升高而使得通量上升；而溫度的升高降低了料液的黏度，從而使得膜的通量上升。并提出了預(yù)防膜污染的措施，大大延長(zhǎng)膜的使用壽命，降低了運(yùn)行、維護(hù)成本。膜表面被截留的溶質(zhì)，會(huì)沿濃度梯度向料液方向擴(kuò)散，當(dāng)溶質(zhì)以對(duì)流方式向膜方向的傳遞量等于滲透通量與反向擴(kuò)散通量之和時(shí)，擴(kuò)散得到平衡。D(37) 傳質(zhì)系數(shù)濃差極化層內(nèi)的傳質(zhì)系數(shù) K，受體系流體力學(xué)狀況影響較大，可以采用傳質(zhì)數(shù)并聯(lián)式計(jì)算，當(dāng)膜組件內(nèi)的流動(dòng)為層流時(shí)，可用萊維科式進(jìn)行計(jì)算。[25] 速率方程膜透過速率方程式，可以從不可逆過程熱力學(xué)現(xiàn)象論方程式推導(dǎo)如下：JV = Lp (?P ? 243。1 ? 243。湍流時(shí)可按照德斯來爾提出的方程進(jìn)行計(jì)算。引入傳質(zhì)系數(shù)K 和真實(shí)截留率，式(35)則為cmc p=JKR + (1 ? R) expJK(36)式中， cm / c p 稱為濃差極化模數(shù)，隨著通量 J 增大、截留率 R 增加以及傳質(zhì)系數(shù) K 減小，濃差極化模數(shù)增大，即膜表面的濃度 cm 增大。濃差極化對(duì)超濾膜性能有很大影響，當(dāng)膜面上截留溶質(zhì)的濃度增加到一定值時(shí)，在膜面上會(huì)形成一層凝膠層，該凝膠層對(duì)料液流動(dòng)產(chǎn)生很大阻力，因而使得膜透過通量急劇下降。在膜阻力分析中，針對(duì)反向擴(kuò)散對(duì)濾餅層的影響導(dǎo)出新的方程。 小結(jié)25上海交通大學(xué)碩士學(xué)位論文第 2 章 乳化液膜分離試驗(yàn)研究本章在分析膜分離基本原理的基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)了分離乳化液的超濾膜分離試驗(yàn)系統(tǒng)，進(jìn)行試驗(yàn)后，根據(jù)試驗(yàn)過程中所記錄下的數(shù)據(jù)分別繪制通量與時(shí)間，壓力，溫度的變化趨勢(shì)。試驗(yàn)表明，超濾膜分離裝置完全符合艙底水分離裝置分離乳化油的相關(guān)要求。但溫度增加值應(yīng)充分考慮膜分離裝置的正常工作溫度，以免影響膜組件的使用壽命。（3）壓力對(duì)膜透過液流量的影響圖 2－5 是改變壓力時(shí)對(duì)透過液的影響。通量降到一定程度后，必須采取一定的清洗方法對(duì)膜進(jìn)行清洗。操作壓力仍然控制在 ，系統(tǒng)連續(xù)運(yùn)行 2 小時(shí)。首先，對(duì)實(shí)驗(yàn)裝置中的閥門進(jìn)行操作，如圖2－3所示，使閥門1，5，8，4，6，11處于打開狀態(tài)，其它閥門均處于關(guān)閉狀態(tài)，此時(shí)試驗(yàn)液從膜組件的下部進(jìn)入，濃縮液從上部流出；打開隔膜泵，調(diào)節(jié)壓力表讀數(shù)到指定壓力 P1 ；待系統(tǒng)穩(wěn)定后，開始記錄不同時(shí)間流量計(jì)的讀數(shù)；系統(tǒng)運(yùn)行一段時(shí)間，當(dāng)滲透液流量明顯減少時(shí)，關(guān)閉隔膜泵，打開閥門1，10，6，7，4，9，關(guān)閉其他閥門，實(shí)現(xiàn)料液進(jìn)膜方向的轉(zhuǎn)換；在壓力為 P2 ， P3 的試驗(yàn)條件下，操作步驟相同。含油污水試驗(yàn)液體根據(jù) (49)決議修訂的船舶機(jī)器處所艙室水防污染設(shè)備指南和技術(shù)條件配制，符合技術(shù)條件的各項(xiàng)要求，并同時(shí)采用油水分離器進(jìn)行機(jī)械分離，然后料液進(jìn)行超濾膜分離，使裝置的分離過程更加接近實(shí)際。中空纖維膜組件裝填密度極大，且不需外加支撐材料；但膜易堵塞，清洗不容易。螺旋卷式膜組件結(jié)構(gòu)緊湊，裝填密度可達(dá)830～1660m2／m3。（3）膜分離組件及運(yùn)行模式[22] [25]膜組件是將一定膜面積的膜以某種形式組裝在一起的器件，在其中實(shí)現(xiàn)混合物的分離。對(duì)稱膜又稱為均質(zhì)膜，是一種均勻的薄膜，膜兩側(cè)截面的結(jié)構(gòu)及形態(tài)完全相同，包括致密的無孔膜和對(duì)稱的多孔膜兩種。納濾膜另一個(gè)顯著特征是它通常是荷電膜，這是納濾膜在較低壓力下仍具有較高脫鹽性能的原因。反滲透被認(rèn)為是最精密的膜法液體分離技術(shù)，它對(duì)溶解性鹽截留率很高但允許水分子透過。微濾是膜分離過程中研究最早、產(chǎn)業(yè)化最早的一種膜技術(shù)。當(dāng)