1、申请代码： B0603受理部门： 收件日期：受理编号：解 除 保 护国家自然科学基金申 请 书资助类别：面上项目亚类说明：自由申请项目附注说明： 项目名称：简谐运动膜分离器的流动特性及其强化机理研究申 请 者：周先桃 电话： 021-28576954 依托单位：华东理工大学 通讯地址：上海市 梅陇路 130 号 邮政编码：200237 单位电话：021-64252413 电子邮件：robert_ 申报日期： 2005 年 3 月 15 日国家自然科学基金委员会国家自然科学基金申请书第 2 页 版本 1.004.880基本信息 1QDJwePC姓名 周 先 桃 性别 男 出生年月 1967 年
2、3 月 民族 汉族学位 博士 职称 博士后 主要研究领域 分离过程与设备 电话 021-28576954 电子邮件 robert_ 传真 021-64252469 个人网页 工作单位 华东理工大学 /机械与动力工程学院申 请 者 信 息在研项目批准号 名称 华 东 理 工 大 学 代 码 20023701 联系人 金雪娟 电子邮件 依托单位信息电话 021-64252413 网站地址 单 位 名 称 代 码在 此 录 入 修 改 合作单位信息在 此 录 入 修 改 项目名称 简 谐 运 动 膜 分 离 器 的 流 动 特 性 及 其 强 化 机 理 研 究资助类别 面上项目 亚类说明 自由
3、申请项目 附注说明 申请代码 B0603:分离过程及设备 B060308:膜分离基地类别 预计研究年限 2006 年 1 月 2008 年 12 月 研究属性 基础研究 项 目 基 本 信 息申请经费 28.0000 万元摘 要项目研究内容和意义简介（限 400 字）：性能优异的简谐运动膜分离强化技术的进一步发展迫切需要对其流动特性及强化机理进行深入研究。从定性和定量两方面分别描述简谐运动膜分离器内流体和粒子的运动规律是研究流动特性最基本的内容。分析测试膜面切变率与速度在层流和湍流时的相位差将揭示流体控制方程非线性性在膜器内的表现形式及其对强化能耗的影响，继而探明简谐运动膜分离器固有频率与外界
4、强制频率间的相互作用机理并建立相应的准数关系，深化对简谐运动膜分离器流动特性的认识。实验研究简谐运动膜分离器渗透性能与简谐运动的频率、振幅及膜器特征尺寸之间的定量关系，为简谐运动膜分离器中强化操作参数的优化建立实验模型并优化膜器结构，进而通过对比试验来证明简谐运动膜分离强化技术的优越性，为简谐运动膜分离强化技术的工业化应用铺平道路。最后在深入认识简谐运动膜分离器流动特性及其强化机理基础上建立较完善的简谐运动膜分离强化理论，推动膜科学技术的发展及其过程装备的革新。关 键 词(用分号分开，最多 5 个) 膜分离器；简谐运动；流场特性；过程强化 国家自然科学基金申请书第 3 页 版本 1.004.8
5、80项目组主要成 员 (国 家 杰 出 青 年 科 学 基 金 不 填 此 栏 )编号 姓 名 出生年月 性别 职 称 学 位 单位名称 电话 电子邮件 项目分工每年工作时间（月）1潘 家 祯 1945-10-21 男 教授 博士 华东理工大学 64252469 流场测试、 粒子跟踪 6 2汪 华 林 1968-10-9 男 教授 博士 华东理工大学 64252748 结构设计、 数值模拟 3 3石 岩 1975-7-20 男 博士生 硕士 华东理工大学 64252469 结构设计、 流场测试 10 4雍 涛 1980-4-12 男 硕士生 学士 华东理工大学 64252101 分离实
6、验、 切变测试 10 5陈 理 请 1949-9-25 男 工程师 学士 华东理工大学 64252347 robert- 结构设计、 切变测试 10 6在 此 录 入 修 改 7在 此 录 入 修 改 8在 此 录 入 修 改 9在 此 录 入 修 改 总人数 高级 中级 初级 博士后 博士生 硕士生6 2 1 1 1 1说明: 1. 高级、中级、初级、博士后、博士生、硕士生人员数由申请者负责填报，总人数自动生成。说明: 2. 项目组主要成员不包括项目申请者。国家自然科学基金申请书第 4 页 版本 1.004.880经费申请表 （金额单位：万元）科目 申请经费 备注（计算依据与说明）一.研究经
7、费 24.8000 1.科研业务费 13.1300 （1）测试/计算/分析费 5.1000 流场测试及粒子示踪各 1.4 万元，切变率动态监视 1.3 万元，模拟计算 1.0 万元（2）能源/动力费 1.4000 实验用水电费按 5%计算（3）会议费/差旅费 2.8000 会务费 1.6 万元，调研费 1.2 万元（4）出版物/文献/信息传播费 2.6000 文献资料费 0.6 万元，论文版面费 1.2 万元，专利及维持费 0.8 万元（5）其它 1.2300 办公及不可预见费2.实验材料费 3.8000 （1）原材料/试剂/药品购置费 2.0000 分离试验物料、流场示综粒子（2）其它 1.
8、8000 膜材料及更换组见 3 组3.仪器设备费 3.8000 （1）购置 0.7000 小试验仪器（2）试制 3.1000 研制运动幅、频率和结构可调的简谐运动膜分离器4.实验室改装费 2.5000 改装流场示综系统装置 1.2 万元、改制切应变动态显示系统装置 1.3 万元5.协作费 1.5700 试验膜器的相关协作及委托加工二.国际合作与交流费 0.0000 1.项目组成员出国合作交流 2.境外专家来华合作交流 三.劳务费 1.8000 研究生及实验室人员劳务补助四.管理费 1.4000 管理费按 5%计算合 计 28.0000 国家其他计划资助经费 其他经费资助（含部门匹配） 与本项目
9、相关的 其他经费来源其他经费来源合计 0.0000国家自然科学基金申请书第 5 页 版本 1.004.880报告正文查 看 报 告 正 文 撰 写 提 纲（一）立项依据与研究内容： 1、项目的立项依据膜分离技术以其优异的性能而广泛应用于水处理、电子、食品、环保、化工、冶金、医药、生物、能源、石油和仿生等领域，并产生了巨大的经济效益和社会效益 1；然而膜污染和浓差极化问题从膜分离技术诞辰时起就一直困绕着膜科学与技术的发展 2；尽管高性能膜材料的研制已经达到了很高的水平 3，但在现有膜材料性能的前提下，从膜分离操作工艺及其设备入手来强化膜分离的传质以抑制膜污染及浓差极化的影响就成为膜分离技术工业化
10、应用直接而现实的道路之一。本申报书的目的是在本项目申请者提出的一种膜分离强化新技术简谐运动膜分离强化技术的基础上 4研究其流动特性及其强化机理。所谓简谐运动膜分离强化技术，如图 1 所示：就是在现有的高剪切动膜分离技术基础上发展起来的膜分离强化新技术，其核心在于膜的运动形式不再采用高速运动而是采用简谐运动 Asin(t)的形式在很低的运动速度下来形成膜面上的高剪切 5；由于膜本身作简谐运动，使膜表面边界层内的流场也呈现出简谐运动所具有的性质，并在膜表面的边界层区域内形成交变流场，从而在膜表面产生交变的剪切应力，并以此抑制浓差极化和膜污染的影响；同时由于沉积在膜表面的污染附着物与膜表面间也承受交
11、变剪切应力的作用，从而有利于清除膜表面的污染 6。下面从膜分离操作工艺及其膜分离设备的发展历程和发展趋势来阐述研究简谐运动膜分离的流动特性及其分离强化机理的科学意义和社会经济价值。 432oZAsin（at)Rrh图 1 简谐运动膜分离单元简图 51.组合转轴；2.简谐运动膜上片；3.料液；4.简谐运动膜下片从膜分离操作工艺及其膜分离设备的发展历程和发展趋势看，简谐运动操作技术将是膜分离操作工艺及其膜分离设备现代化发展的必然结果，对简谐运动膜分离器的流动特性及其强化机理的研究具有重要的科学意义和社会经济价值。膜分离操作工艺已经经历了并流膜分离操作、低剪切错流膜分离操作和高剪切错流膜分离操作等三
12、个阶段。并流膜分离操作 7以其进料流动方向与渗透方向相同而得名，是膜分离工业化过程中最早采用的操作工艺；因其所有截留物质都留在膜器内有时又被称为死端过滤膜分离技术。由于被截留微粒都沉积在膜上并形成随时间增厚的滤饼，从而导致过程阻力的过度增长；因而并流膜分离操作工艺 8多用于稀料液的净化和悬浮粒子的回收，或用于小处理量（常小于几升）如实验室里的应用。并流膜分离操作工艺最大优点是简单：悬浮料液不用循环、密封可靠；但由于渗透流带动所有的溶质、悬浮物和不溶物流向膜面，从而导致膜孔内的吸附、进入和膜面的沉积，进而发生严重的膜污染和浓差极化现象而不能满足工业化大生产的要求。为了抑制并流膜分离过程阻力的过度
13、增长，低剪切错流膜分离技术应运而生。低剪切错流膜分离操作以输送料液沿静止膜面流动进而对膜面附着物施加一定的切应力并同时向膜面渗透而得名；因输送料液的方向与渗透流的方向垂直有时又被称为十字流膜分离技术。由于膜面附着物受到料液沿膜面流动产生的粘性剪切力的作用，在一定程度上抑制了膜污染和浓差极化的作用。过程开始时，渗透流速很高，随后逐渐下降，并达到一个较稳定的平衡渗透通量。当达到稳定的渗透通量时，被渗透流带向膜表面颗粒的速率就为颗粒离开膜面的反向传输速率所平衡；而反向传输的速度主要是由膜表面悬浮液在流体边界层的物理性质和流动性质如膜面所受到的切变率所确定，为预测平衡时稳定渗透流量的大小，Green
14、等 9建立了微滤膜稳定渗透流量的布朗扩散模型，Zydney 10等提出了切变诱导扩散模型，其它还有惯性升力模型 11和表面流动模型 12，这四种模型在预测操作因素对稳定渗透流量的影响 13时均强调其稳定渗透通量与膜面上流体的切变率成正相关关系 14。错流膜分离操作工艺利用在膜表面上形成的剪应力使部分沉积在膜孔上的颗粒重新返回主流体,进而抑制滤饼的过度生长，可以保持较高的稳定通量，适用于高浓度料液的处理及原料液的浓缩，并获得了工业化的大规模应用，特别是在矿物、生化和制药等方面应用相当广泛。但低剪切错流膜分离工艺会引起大量处理料液流出膜分离器，从而引起输送能量和压力能量的额外损耗。为了得到足够高的
15、稳定渗透通量，就必须在膜面上形成足够大的切变率，这通常就要求保持料液的高速流动，进而造成额外能耗进一步增加。该操作工艺主要用于得到滤过液的操作，能耗在回流过程中损失较大，高6压操作尤为突出；由于回流速度受到限制，作用于膜面的剪切力一般较低，这是低剪切错流膜分离操作受到的致命限制，而为了获得更高的平衡稳定渗透流量，开发既能提高流体在膜面的切变率又不增加料液的输送能耗的新型膜分离操作技术就成为工艺和设备研究者首先追求的目标。为了解决膜面高切变率和料液高回流量形成能源高浪费的这种正相关的依存关系，Magarits 15等于 1978 年开发了动态膜分离技术,有时又称为高剪切膜分离技术。动膜分离技术使
16、错流膜分离操作工艺中的膜面切变率和浓缩料液的输送成为相互可以独立控制的参数，解除了膜面切变率与料液回流量间的依存关系。该操作工艺采用强化转子或膜本身做高速运动的方法使流体在膜面上形成很高的切变率；由于膜面受到的剪切力与料液的输送状态无关，可以使切变率达到较高的值，所以该技术又称为高剪切错流膜分离技术 16。动膜分离技术不仅解决了低剪切错流膜分离技术中剪切力受到料液输送速度限制的问题，而且还可以实现对排出浓缩液浓度的控制，使膜分离强化技术向前迈进了一步。目前的动膜分离技术主要有旋转管式膜和旋转盘式膜两种类型。旋转管式膜因膜器环隙间泰勒涡不稳定流的作用而具有非常强的抗污染能力，但很小的过滤面积限制
17、了生产能力的提高；旋转盘式膜解决了增加膜面积的困难，强化效果良好。虽然高剪切错流技术取得了很大的发展和广泛的工业应用，但由于膜面的高切变率是由膜面或强化转子的高速运动来产生的，其切变率与膜运动速度成正比例增加，而强化能的消耗却与速度的平方成正比例增加，这种增长关系致使强化能的有效利用率随着转速的增加而急剧下降，并很快达到很不经济的程度；再加上能源问题日益成为关注的对象以及高速运动附带的如磨损、振动和动平衡等问题，限制了膜面切变率的大幅度提高。本申请研究的简谐运动膜分离强化理论和技术，克服了以前高剪切技术中高切变率对膜或强化转子高速运动的依存关系，使膜在极低的运动速度下获得很高的切变率成为现实
18、17。由于膜本身的简谐运动导致膜间料液也呈现出简谐运动的速度分布特性：当流体质点运动速度处于最大值时，简谐运动的加速度为零，这时相临流体通过流体粘性传递给质点的切应力的绝对值最小；而当流体质点运动速度为零时，简谐运动的加速度处于强化过程的最大值，这时相临流体通过流体粘性传递给质点的切应力的绝对值最大。另外，在当前能够抑制膜污染和浓差极化的手段中，通过脉动给料的方式可以有效地抑制膜污染，以至出现了高频反冲洗的强化膜分离技术，而旋转简谐运动过程中产生的简谐变化压力就起到了脉动给料的作用；不稳定流动的方法如用预制螺纹面来代替光滑平面以引发高频回流也可以强化膜分离过程 18，而简谐运动膜分离本身就会产
19、生回流运动；往复运动的膜分离实验证实其具有很强的分离性能 12，但往复运动在平稳阶段只是一般高剪切的翻版，只有在速度变向的短时间内具有变化的特性，简谐运动显然具有往复运动膜分离的特性；振动膜分离实验也已经表现出优异的分离强化性能 19，20，21 ,但目前只是刚揭示了这种宏观效果，其分离强化机理还只是模糊的定性认识,简谐运动同样具有振动的性质；再者，简谐运动在减速运动阶段容易失稳而很容易产生湍流，其湍流性也有利于抑制膜污染和浓差极化现象 22。因此，简谐运动膜分离强化技术具有集多种强化手段于一体的特征，具有更优异的膜分离强化性能，它将成为目前膜分离强化操作的重要替代技术。上述膜分离操作工艺的发
20、展历程及其发展趋势表明：这种具有高剪切低速度特征的简谐运动膜分离强化操作技术将是膜分离强化操作技术发展的必然结果。尽管申请者从理论上对简谐运动膜分离强化技术和理论进行了多年的探索，形成了对简谐运动膜分离器内流动特性及其强化机理的初步认识；但申请者仍感到对简谐运动膜分离强化理论所涉及的流动特性及其强化机理的认识还需要进行更深入的探索：如探明由简谐运动膜分离器结构（特征尺寸 h）和流体性质(运动粘度 v)共同确定的固有频率 f( )在膜分离过程中的作用机理，这不仅可以指导新型膜器的设计研发2/hf工作，推动膜分离设备的发展，而且也可以促进对流体机械的共振性研究，推动化工流体力学的发展；再如通过对简
21、谐运动膜分离过程中膜面切变率与运动速度的相位差 mf层流时在能量消耗中所起的作用及其控制机理的研究，在能源问题日益严重的时代，)/tan(frmf将具有重要的社会经济意义，等等。总之，本申请通过对简谐运动膜分离器的流动特性及其强化机理的研究，可以进一步建立和完善简谐运动膜分离强化技术的基本理论和基本方法，这将促进膜分离科学与技术向纵深方向发展，具有重要的科学意义；用简谐运动膜分离强化理论作指导研发出的高性能膜分离强化设备，将成为目前膜分离强化设备的更新换代产品，在简谐运动膜分离强化技术产业化过程中必将促进膜分离的工业化发展过程，并产生巨大的社会经济价值。7参考文献：1 任建新. 膜分离技术及其
22、应用. 北京: 化学工业出版社, 2003:1-20.2 Marcel Mulder 著. 李琳译. 膜技术基本原理. 北京：清华大学出版社,1999.3 Gomes D, Nunes S P, Peinemann K V. Membranes for gas separation based on poly(1-trimethylsilyl-1-propyne)- silica nanocomposites. J. of Membrane Science, 2005, 246(1):13-25.4 周先桃,陈文梅,褚良银,肖新才,王广金,王枢. 简谐运动膜分离过程及其强化机理 . 膜科学与技
23、术. 2004（4）：9-13.5 周先桃，雷明光，陈文梅. 解决膜污染技术的理论探讨 . 过滤与分离，2001,11(4):10-12.6 周先桃，雷明光，褚良银，陈文梅，喻伟. 错流膜分离强化技术的理论分析 . 水处理技术 2003，29(4): 197-199.7 刘茉娥. 膜分离技术. 北京: 化学工业出版社, 1998:1-100.8 徐南平，邢卫红 赵宜江. 无机膜分离技术与应用. 北京：化学工业出版社， 2003.9 Green G, Belfort G. Fouling of ultrafitration membranes: lateral migration and the
24、 particle theory model, Desalination, 1980, 35(1-2-3):129-147.10 Zydany A, Colton C. A concentration polarization model for the filtrate flux in cross-flow micro-filtration of particle suspension. Chemical Engineering Commun., 1986, 47(1):1-21.11 Drew D A, Schonberg J A, Belfort G. Lateral inertial
25、migration of a small sphere in fast laminar flow through a membrane duct. Chemical Engineering Science, 1993,46(12): 3219-3224.12 Belfort G. The behavior of suspension and macromolecular solutions in crossflow microfiltration. J Membrane science, 1994, 96 (1-2): 1-58.13 Davis R H. Modeling of foulin
26、g of crossflow microfiltration membranes. J Separation and Purification Methods, 1992, 21(2): 75-126.14 Bian R, Yamamoto K, Watanabe Y. The effect of shear rate on controlling the concentration polarization and membrane fouling. Desalination, 2000, 131, 225-236.15 Margaritis A, Wilke C R. The rotorf
27、ermentor 1 Description of the apparatus, power requirements and mass transfer characteristics. Bio Bioeng, 1978, 20(0): 709-713.16 黄仲涛，曾昭槐，钟邦克. 无机膜技术及应用. 北京: 中国石化出版社,1999: 80-150.17 ZHOU Xiantao, CHEN Wenmei, CHU Liangyin. Theoretical study on dynamic filtration with the membrane in simple harmonic
28、motion. Chinese J. Chem. Eng., 2004,12(5): 723-727.18 Millward H R Bellhouse B J，Walker G. Screw-thread flow promoters: an experimental study of ultrafiltration and microfiltration performance. Journal of Membrane Science, 1995，106（3）：269.19 Wilson J A, Postlethwaite J, Pearce J D, Leach G, Lye G J,
29、 Ayazi Shamlou P. Vibrating membrane filtration for recovery and concentration of insect killing nematodes.Biotechnology and Bioengineering, 2003, 83(2):235-240.20 Vane L M, Alvarez F R. Full-scale vibrating pervaporation membrane unit: VOC removal from water and surfactant solutions. Journal of Mem
30、brane Science, 2002, 202(1-2): 177-193.21 Takata K, Yamamoto K, Bian R, Watanabe Y. Removal of humic substances with vibratory shear enhanced processing membrane filtration. Water Supply, 1999, 17(1): 93-102.22 Drazin P G, Deid W H 著. 周祖巍，顾德炜译.流体动力稳定性. 北京：宇航出版社，1990: 4-6.2、项目的研究内容、研究目标,以及拟解决的关键问题。1)
31、研究内容：为进一步完善简谐运动膜分离强化技术的基本理论和基本原理，充实用该方法强化膜分离过程的理论基础，本项目拟着重研究简谐运动膜分离器内的流动特性、简谐运动膜分离过程中的强化机理和简谐运动膜分离强化技术的相对优越性能等三大内容：（1）简谐运动膜分离器内流动特性的研究包括： 定性显示简谐运动膜分离器内的流场状态，并对其进行定量认识。 定量认识简谐运动膜面上流体切应力的变化规律及其与简谐运动膜相位差的特性以及影响相位差的控制因素。 探索简谐运动膜分离器内粘性流体的固有频率与简谐运动强化频率的作用机制，建立简谐运动膜分离器的特征结构尺寸、待分离料液物性及简谐运动频率间关系的数学模型。（2）简谐运动
32、膜分离过程中强化机理的研究包括：8 探索简谐运动膜分离器中分离性能与简谐运动的频率 a、振幅 A 之间的作用机理，建立可优化简谐运动膜分离强化过程操作参数的数学模型。 探索简谐运动膜分离器中强化能的消耗与简谐运动速度和切变率不同步性之间的关系，建立在一定的强化能消耗前提下不同料液之间共同遵守的准数关系。（3）简谐运动膜分离强化技术相对优越性的研究包括： 与一般动膜分离强化技术来进行比较研究。 与低剪切错流膜分离强化技术来进行比较研究。2)研究目标：本项目通过对简谐运动膜分离器内的流动特性、分离强化机理及其相对优越性的研究，以进一步完善简谐运动膜分离强化技术的基本理论和基本方法，充实用简谐运动膜
33、分离过程的理论基础，具体细化为如下四个方面的目标：（1）确定简谐运动膜分离强化技术中膜器结构、物性参数和简谐运动参数优化匹配的原则，为简谐运动膜分离强化技术的操作工艺和设备设计提供指导。（2）深化对简谐运动膜分离过程中伴随其流动而产生流体的固有频率、速度切变率相位差的认识，丰富和发展化工流体力学的基本理论。（3）探明简谐运动膜分离器中渗透通量与简谐运动参数变化的基本规律。（4）探明简谐运动膜分离器内特征结构和特征料液构成的固有频率与简谐运动强制频率的相互作用规律，确立模型放大过程中所应遵守的准数原则。3)拟解决的关键问题：（1）简谐运动膜分离过程中膜的运动速度与膜表面上流体的切变率之间相位差的
34、精确测定。（2）建立在简谐运动膜分离强化条件下，反映简谐运动频率、简谐运动振幅、物料特性和和特征结构尺寸的分离强化模型。（3）准确可靠地研制简谐运动频率可调、运动幅值可调和膜器特征结构可调的新型膜分离器。3、拟采取的研究方案及可行性分析。 （包括有关方法、技术路线、实验手段、关键技术等说明）1）研究方案：（1）研究方法：研究中采用理论分析、数值模拟、先进仪器实测以及系统实验对比、分析、综合相结合的研究方法。（2）技术路线：用理论分析来研究简谐运动膜分离在层流状态的特征并为湍流状态提供本质特征准数，用数值模拟来研究简谐运动膜分离器内的流动特性，并采用先进的片光源粒子成像激光仪系统（PIV）来研究
35、膜器内的流场分布，用膜面切应力动态监视系统来研究简谐运动速度与切应力的不同步性；将这些研究结合起来以探明简谐运动膜分离器的流动特性和分离强化机理。再用系统的膜分离实验来研究操作参数对分离强化性能的影响，以确定简谐运动膜分离器的优化设计原则。最后在前面研究结果的基础上建立较完善的简谐运动膜分离技术的理论体系。（3）实验手段：用 PIV 系统对运动粒子进行跟踪实验以描述粒子的运动行为，切变率的动态监视实验以研究其与膜运动速度的不同步性；系统的分离性能实验以优化简谐运动操作参数。（4）关键技术说明：采用的关键技术有片光源粒子运动显成像技术、膜面切应力检测技术和简谐运动膜分离技术。2）可行性分析：申请
36、者 11 年的工程应用研究经验使其具有很强的解决实际问题的能力，在四年的时间里完成硕士和博士的学业也表现出很强的理论研究能力，对简谐运动膜分离近五年多的理论研究表明申请者具有坚忍不拔并潜心科学研究的个性，国家授予四项专利权也说明申请者具有强烈的创新意识和首创精神，加上申请者和主要研究人员的合理搭配及全身心的投入，从主观上保证了本项目研究的可行性。从客观外界条件上看，申请者近五年来对简谐运动膜分离强化技术的理论研究成果已经先后在过滤与分离 、 水处理技术 、 膜科学与技术以及Chinese journal of Chemical Engineering等高级别刊物上发表并得到有关专家的认同，9这
37、为简谐运动膜分离强化理论的深化和发展奠定了坚实的基础；从客观内部条件上看，申请者所在课题组自行研制的片光源激光粒子成像仪以及对固体应力应变测试的经验为简谐运动膜分离器内流动特性的精确分析准备了充足的物质条件；申请者在博士点基金的研究期间已经开始熟悉“流动模拟及膜分离强化模型”的研究方法，这为简谐运动分离强化模型的建立提供了经验；申请者所在的化工机械研究所 50 年多年从事化工新设备研发的历程又为研制结构可靠的简谐运动膜分离器积累了丰富的经验；这又从客观上保证了本项目研究的可行性。4、本项目的特色与创新之处1）在申请者提出的简谐运动膜分离强化技术的基础上，进一步完善简谐运动膜分离强化技术的基本理
38、论和基本方法，为开发简谐运动膜分离设备提供理论指导；探索简谐运动膜分离技术操作参数的优化设计原则，推动膜分离操作工艺和膜分离设备向纵深发展；这些都是未见报道的创新性工作。2）从流体力学的基本控制方程出发，先解析地分析简谐运动膜器内的流动特性，再以此为基础建立膜器结构特征尺寸、物料特性和简谐运动参数之间形成的无因次数，然后实验研究这些无因次数对简谐运动膜分离强化性能的影响；这种方法确定的无因次数比量纲分析拼凑出的无因次数更能代表过程的本质特征，这是本研究方法的重要特色。3）实验测试膜面切应力以研究粘性流体在膜面上的切变率与简谐运动膜面速度的相位差的变化规律及其对分离强化性能的影响，结合理论分析，
39、将实验流体力学和理论流体同时应用于浓差极化层的研究，使对膜污染和浓差极化层的研究从原先的黑箱研究分析转变为灰箱甚至白箱研究分析；这也是本研究的一大特色。 5、年度研究计划及预期研究结果。 （包括拟组织的重要学术交流活动、国际合作与交流计划等）1）研究计划：2006.01-2006.12（1）进一步跟踪当前国内外膜分离强化技术的最新发展动态，继续深化对简谐运动膜分离的理论研究，撰写论文 1 篇。（2）建立简谐幅值、简谐频率和结构特征尺寸可调的实验装置。确定流场测试方案，撰写论文 1 篇。（3）参加专业年会。2007.01-2007.12（1）采用流动数值模拟计算流动特性，并用实测结果来校正模型，
40、撰写论文 1 篇。（2）进行简谐运动膜流场测试，研究其流场特征，并根据测试结果撰写论文 1 篇。（3）参加行业年会2008.01-2008.12（1）用不同结构的简谐运动膜分离器在不同操作参数下进行分离性实验，建立相应的数学模型，确定优化设计原则；撰写论文 1-2 篇。（2）全面揭示简谐运动膜分离强化机理，并和高剪切和低剪切操作工艺进行对比；撰写论文 1 篇。（3）工作总结，提出研究总结报告。2）预期研究成果：（1）建立起较完善的简谐运动膜分离强化技术的理论，为简谐运动膜分离的工业化过程提供指导。（2）研制一套简谐运动频率、简谐运动幅值和膜器特征结构可调的先进膜分离设备。（3）申请国家专利一项
41、。（4）在国内外学术期刊上发表论文 6-7 篇。（5）培养一名博士后、一名博士、一名硕士。（二）研究基础与工作条件1、工作基础（与本项目相关的研究工作积累和已取得的研究工作成绩）申请者多年来一直从事分离过程的理论与设备研究工作，1994 年参与研制的“超低阻高效节能净化装置（聚丙烯气固分离膜器） ”等三项专利技术成功地应用人血蛋白生产的生物洁净室工程；10申请者独立为一家跨国公司研制的“空压机过滤器（微滤膜分离器） ”也成功地应用于工业生产并在其下属分公司推广；在博士期间对“旋转管式微滤膜分离器流场特性和分离强化机理研究（博士点基金） ”的研究为本申请项目涉及的流动特性及其强化机理的研究积累经
42、验，同期以第一发明人授予的“洁净室用高效节能净化装置”等 4 项专利所表现出强烈的创新意识为解决本申请项目中的技术难点准备了条件；在博士后期间持续对膜分离技术的研究为本申请项目的完成奠定了基础。项目组主要研究成员潘家祯教授研制成功的“片光源粒子激光成像系统”为本项目研究粒子运动准备了物质基础；项目组实验室主任陈理清工程师对“压力容器失效分析”近 30 多年的实验研究为本项目膜面切应力的研究准备了实验条件。申请者所在的实验室为本项目的完成配备了一支硕士、博士、留学生、博士后以及实验室教师、讲师、教授且老、中、青相结合的研究梯队也保证了本申请所需要的人力资源。申请者及其合作者在研究经费短缺的情况下
43、多年来一直坚持从事本申请项目的前期基础研究工作，并取得了可喜的进展，也得到了国内许多专家的肯定和支持：申请者在 2001 发表的“解决膜污染技术的理论探讨过滤与分离 ”中提出了简谐运动膜分离强化技术的构想，在 2003 年发表“错流膜分离强化技术的理论分析水处理技术 ”中证明了简谐运动膜分离技术的优越性，在2004 年发表“简谐运动膜分离过程及其强化机理膜科学与技术膜科学与技术 ”开始深入研究简谐运动膜分离强化技术的实质，在同年底发表的“Theoretical study on dynamic filtration with the membrane in simple harmonic mo
44、tion（Chinese J. Chem. Eng.） ”中初步建立起简谐运动膜分离强化技术的基本理论。相信在国家自然科学基金的支持下，申请者有能力完善自己提出理论，并将其应用于指导膜分离过程的实践，推进膜科学与技术的发展。2、工作条件（包括已具备的实验条件，尚缺少的实验条件和拟解决的途径，包括利用国家重点实验室和部门开放实验室的计划与落实情况。 ）作者所在的华东理工大学化工机械研究所 50 多年来一直从事化工机械设备的研究和开发工作，下属的激光成像实验室拥有一套自行研制的片光源粒子成像系统，但不能跟踪粒子运动，现将其进行改造和完善，很容易实现粒子的跟踪功能；下属的容器失效分析实验室，具有应力
45、分析的成套装置，将其改造就可以实现膜面流体切应力的测试功能；下属的粉体实验室具有完整的分析仪器，为分离性能的实验分析提供了物质保证；至于流动特性的数值模拟分析，作者在攻读博士学位期间就已经开始熟悉应用该方法，配合前面的测试结果，可以建立起较精确的模型边界条件，从而保证数值模拟的可靠性。3、申请人简历1）申请者和主要成员的学历和研究工作简历（1）申请者简介：周先桃 男，1967 年生于四川省广汉市；工学博士，华东理工大学博士后；1985 年1989 年 保送入成都科技大学化工机械专业攻读学士学位；1989 年1995 年 于成都油漆化工总厂从事新型化工机械及设备的研制；1995 年1997 年
46、于成都新光菲兰特净化工程有限公司进行生物洁净室的节能研究，其中以申请者为主研制的三项专利成果成功运用于成都军区后勤部蜀阳制药厂“低温已醇法提取人血蛋白”的生物洁净室工程，并推广到在多家药厂和成都飞机公司的流体污染控制实验室；1997 年2000 年 于成都建工股份金鸽净化工程有限公司进行新型分离设备研制，其中为“四川梅塞尔气体产品有限公司”研制“空压机过滤器”性能优于国外进口产品，并在梅塞尔-赫斯特集团（中国区）推广；2000 年2002 年 于四川大学化工学院攻读工学硕士学位期间进行旋流分离设备的研究，以第一发明人身份被授予四项专利技术，并提前完成硕士学业开始攻读博士学位；2002 年2004 年 在四川大学化学工程学院攻读博士学位期间圆满完成“旋转管式微滤膜流动特性及其分离强化机理研究（教育部高等学校博士学科点专项基金） ”的研究，并提前毕业。2004 年至今 华东理工大学进行新型膜分离设备的博士后研究工作。在本申请项目中承担的任务：周先桃是本项目负责人，在本项目中负责研究路线、研究
