磁场对反渗透海水淡化中传质行为影响机制研究.pdf

Classified Index: O645.13 U.D.C: 621.3 Dissertation for the Doctoral Degree in Engineering MECHANISM STUDIES OF MAGNETIC EFFECT ON TRANSPORT BEHAVIOR IN REVERSE OSMOSIS SEAWATER DESALINATION Candidate Han Haibo Supervisor Prof. Guo Bin Academic Degree Applied for Doctor of Engineering Speciality Material Processing Engineering Affiliation School of Materials Sci. ＆Eng. Date of Defence June, 20 13 Degree-Conferring-Institution Harbin Institute of Technology 摘 要 摘 要 在世界上很多国家和地区，水资源短缺是限制社会经济可持续发展的一个 重要因素，由于海水资源储量丰富，海水淡化是解决水资源问题的重要途径， 对现有海水淡化技 的任何改进将显著提高人们的生活质量。目前，效率最高 的海水淡化方法是反渗透法，但仍存在需要高压和经常更换膜组件的问题，因 此急需对现有海水淡化技术进行改进。考虑到磁场在水处理方面的优势，我们 提出了基于旋转电磁效应海水淡化技 ，该方法具有抑垢、缓蚀、杀菌、灭藻， 能源利用率高和设备动力损耗低等优点，但其中磁场对海水微观结构和动力学 性质以及海水淡化过程中水分子和盐离子在反渗透膜中传质行为的 用效果和 机制，旋转电磁效应涉及的主要因素对磁场 用效果的影响规律并不明确，因 此本文开展了该方面的分子动力学模拟和实验研究。 采用分子动力学模拟方法，以扩散系数为依据，选择与实验数据最接近的 SPCE 水分子模型和合适的势能参数，研究磁场对纯水和N aCl 溶液中水分子扩 散系数、对相关函数、配位数等的影响。模拟结果表明，磁场 用下，纯水中 水分子之间的氢键网络增强、结构有序性增强、分子簇平均尺寸增加；NaCl 溶 液中两种离子与水分子之间 用均减弱、水合离子尺寸减小、水合数目减少， 水分子之间氢键 用减弱、水分子簇减小，接触离子对增加而桥接离子对减少。 进一步通过研究磁场大小、浓度、温度、盐种类和磁场类型对溶液中磁场 用效果的影响，发现随着磁场、浓度和温度的增加，磁场 用效果均增强， 而磁场对不同种类盐离子组成溶液呈现不同的 用效果，交变磁场和脉冲磁场 的 用效果均不如静磁场明显，并随着磁场变化频率的增加而减弱。 实验测量了磁场对NaCl 溶液红外光谱、紫外光谱、表面张力、渗透压和粘 度的影响，结果表明磁处理后， 离子和氯离子与水分子之间的 用力均减弱， 水合离子的尺寸减小，水合数目减少， 离子的结构有序性和氯离子的结构无 序性均降低，并且磁场对氯离子比对 离子的 用效果更明显，磁场打乱了溶 液中原本的氢键网络结构，溶剂水的摩尔体积增大，溶液中水分子簇减小，水 分子之间的氢键 用减弱。与磁场对 NaCl 溶液影响的分子动力学模拟结果一 致，验证了分子动力学模拟用于 NaCl 溶液微观结构和动力学性质分析的可靠 性，可以用来预测磁场大小、浓度、温度、盐种类和磁场类型对磁场 用效果 的影响。 通过分子动力学模拟MPD 和TMC 单体的 “聚合”过程，得到交联密度、 密度、孔径均与实验值吻合较好的聚酰胺膜。模拟水分子和盐离子在膜中的扩 I 摘 要 散行为，磁场使聚合物之间以及水分子和聚合物之间的 用减弱，而离