中文摘要：

随着膜蒸馏技术的进一步发展，迫切需要针对其热侧膜/液界面的传热传质过程进行强化方法与机理研究，以提高通量、解决膜污染和亲水化问题。本申请设计了鼓气强化减压膜蒸馏过程，在膜内腔形成气-液两相流。定量研究气、液流速及比例、流道直径及长径比等与两相流流型的相关关系，研究中空纤维管内气/液两相流状态对膜面剪切力和流体传热系数的影响规律。结合膜蒸馏过程中实测参数建立膜蒸馏热侧流体传热系数、膜面剪切力与鼓气、液流速度、温度等工艺参数的数学关联。结合强化过程性能与膜污染进程，确定强化过程用膜组件的结构设计方法。研究鼓气强化膜蒸馏过程各运行参数、膜组件结构参数等对过程性能、膜污染进程的影响规律，确定强化过程各因素的协同作用机制和过程的综合优化方法，建立鼓气强化减压膜蒸馏过程的传热与传质机理模型。为膜蒸馏技术的发展及应用提供理论基础。

结论摘要：

本课题提出一种新的鼓气减压膜蒸馏（AVMD）过程，对在中空纤维膜内循环流动的热料液中强制鼓气，在膜内腔形成气-液两相流，构成AVMD系统，提高流体湍流程度。通过气泡的强烈扰动和在膜面处的强剪切力，降低流体边界层厚度、降低膜面的温度和浓度极化、提高传热传质速率，达到提高膜蒸馏通量和控制膜污染的目的。 采用疏水性聚偏氟乙烯（PVDF）中空纤维微孔膜，首先考察了鼓气强度，进料温度，料液流速，冷侧真空度以及料液浓度对AVMD过程性能的影响。结果表明当进料液温度70℃，冷侧组件出口处真空度-0.085Mpa，进料流速1.33m/s时，AVMD过程膜通量可高达45kg/m2.h ；而相同实验条件下，减压膜蒸馏系统（VMD）的蒸馏通量仅为30kg/m2.h。随着鼓气量，进料液温度，流速，真空度的提高，AVMD过程通量有明显的增加。产水电导率<3μS/cm。借鉴气液两相流流型判别曲线，探明了膜蒸馏过程中气液两相流流型的转变规律。通过膜蒸馏实验，确定了两相流流型是影响AVMD过程传热传质的关键。两相流流型处于弹状流时的传热传质效率、膜蒸馏通量都明显高于泡状流流型。基于膜蒸馏通量与两相流流型的相关性，分别建立了各流型区间的膜蒸馏传热系数经验公式泡状流（hf =1.7527Re0.4215Pr1/3(μb/μw)0.14λ/d），弹状流（hf =0.0632Re1.0420 Pr1/3(μb/μw)0.14λ/d）。进而通过奇尔顿-柯尔本类似，建立了相应流型区间的传质系数经验公式，获得基于两相流流型的AVMD过程传热传质模型。利用该模型，可预测AVMD过程通量随操作参数的变化情况，膜蒸馏通量的理论计算值与实验值的误差小于5%。 阻垢-鼓气耦合海水淡化过程研究表明，鼓气可明显增加膜蒸馏通量，尤其是对于高浓度料液。鼓气有效减少了污染物在膜面的沉积，可部分解决高盐度情况下膜的亲水化渗漏问题。鼓气和阻垢剂的耦合作用更加明显，产水电导率更低且更稳定，在保证产水水质的前提下可以将海水浓缩到更高的倍数。 相比于低粘度料液，蔗糖溶液的AVMD实验中最佳气液流速之比由0.50减小到了0.20。当蔗糖浓度为20 wt%时，VMD和AVMD过程的截留率均高于99.9%；且浓缩到4.2倍时，截留率仍保持在98.0%以上。