已知在掃流微過濾中，施加在膜面上的流體力學之受力，為影響濾餅型態及整體過濾阻力的主要因素之一。在廣泛的操作條件下，過濾之濾速往往隨著掃流速度及過濾壓差的增加而增加。在此研究中，對於掃流微過濾的裝置建立出模擬的構造型態、模擬的空間網格，以及邊界條件之設定。在速度流場、整體的過濾阻力以及在膜面上的剪應力分佈均可藉由模擬計算出，並且與實驗結果相互對應。另外，在研究中乃利用側流(side-stream)的構思，希望改變濾室中的流力狀態，使膜面上的剪應力有所改變。針對實驗所得到之濾速値及配合使用計算流力(computational fluid dynamics, CFD)軟體加以模擬，探討是否會有改善薄膜結垢的情形、以及觀察膜面上之剪應力的變化情形，進而達到提升濾速的效果。針對膜面上作受力的分析，可助於延緩膜面上的阻塞速率和增進掃流微過濾效能之研究發展。在此使用計算流體力學之輔助軟體，可有效地助於如何設計過濾系統，進而增加濾速、減少膜面上的阻塞及延長過濾的水洗週期。最後，在濾餅的平均孔隙度變化上也加以分析探討。

It's known that under cross-flow microfiltration, the major factors influencing cake formation as well as the overall filtration resistance were found to be the hydrodynamic forces exerted on the membrane. Therefore, the filtration rate increased with the increase of the cross-flow velocity and filtration pressure under a wide range of conditions. In this work the simulating geometry of the cross-flow microfiltration was established, the meshes were constructed, and the boundary conditions were set, then the velocity field, the total filtration resistance, and the shear force distribution on the membrane surface could be calculated directly. Then we compare these numbers obtained from simulations with experimental results. Also, we use the idea of the side-stream in this study with the hope of altering fluid dynamics inside the channel, which in turn causes changes in the shear force on the membrane. Combining the filtration rate obtained in experiments and the computational fluid dynamics (CFD) software, we attempt to improve fouling condition on the membrane and to observe alterations in the shear force on the membrane, all with the eventual goal of improving the filtration rate. The force analysis on the membrane surface is a tool for decaying fouling rate on the membrane and improving the efficiency of the cross-flow microfiltration. This CFD-aided design could help to effectively increase the permeate flux, reduce the fouling on the membrane and extend the washing cycle during filtration. Finally, we also discuss the varying average porosity of cake.

目錄
頁次
中文摘要……………………………………………………………Ⅰ
英文摘要……………………………………………………………Ⅱ
目錄…………………………………………………………………Ⅳ
圖表目錄……………………………………………………………Ⅶ

第一章 序論………………………………………………………… 1
1-1 前言……………………………………………………………… 1
1-2 研究動機與目的………………………………………………… 4
第二章 文獻回顧…………………………………………………… 5
2-1 流體力學之研究………………………………………………… 6
2-2 粒子移動軌跡…………………………………………………… 9
2-3 濾速與阻力之探討……………………………………………… 12
2-3-1 濾速之預測………………………………………………… 13
2-3-2 過濾之阻力分析…………………………………………… 17
2-4 過濾阻塞機制之研究………………………………………… 19
第三章 實驗方法…………………………………………………… 23
3-1 實驗物料與濾膜之種類……………………………………… 23
3-2 掃流過濾實驗裝置…………………………………………… 25
3-2-1 掃流過濾基本構造………………………………………… 25
3-2-2 有側流之掃流過濾構造…………………………………… 27
3-3 實驗步驟……………………………………………………… 31
第四章 數值方法及模擬…………………………………………… 33
4-1 基本假設……………………………………………………… 33
4-2 裝置中流場空間之模擬……………………………………… 34
4-2-1 模型之空間建構…………………………………………… 34
4-2-2 網格之建立………………………………………………… 36
4-3 統御方程式與邊界條件……………………………………… 38
4-3-1 連續方程式………………………………………………… 38
4-3-2 穩態的Navier-Stokes方程式……………………………… 38
4-3-3 多孔性薄膜內部的統御方程式…………………………… 38
4-4 數值方法……………………………………………………… 42
第五章 結果與討論………………………………………………… 44
5-1 掃流過濾實驗數據分析……………………………………… 44
5-2 掃流過濾阻力模擬之分析…………………………………… 56
5-3 掃流過濾膜面之受力分析…………………………………… 63
5-4 有側流之掃流過濾膜面受力分析…………………………… 68
5-5有側流之掃流過濾實驗數據分析……………………………… 74
5-6 有側流之掃流過濾阻力模擬分析…………………………… 79
5-7 濾餅形成之動態分析………………………………………… 88
第六章 結論………………………………………………………… 93
符號說明…………………………………………………………… 96
參考文獻…………………………………………………………… 102
附錄A………………………………………………………………… 107
附錄B………………………………………………………………… 109

圖表目錄

圖目錄
第一章
圖 1-1 比較垂直過濾和掃流過濾的不同…………………………… 3
第二章
圖 2-1 掃流過濾示意圖……………………………………………… 6
圖2-2 膜面上x方向各組成的受力變化情形……………………… 8
圖 2-3 平板式掃流過濾示意圖…………………………………… 15
圖 2-4 微過濾之阻力示意圖……………………………………… 18
圖 2-5 四種阻塞模式示意圖……………………………………… 20
第三章
圖 3-1 PMMA 粉體的SEM 照片(×49.65K)………………………… 23
圖3-2 Mixed cellulose ester membrane的正面SEM圖(×50K)… 24
圖 3-3 Mixed cellulose ester membrane 的剖面側視SEM圖(×50K)……………………………………………………………………… 24
圖 3-4 掃流過濾基本系統拍攝圖………………………………… 25
圖3-5 掃流過濾基本系統之示意圖………………………………… 26
圖3-6 掃流過濾基本系統模組之構造圖…………………………… 27
圖 3-7 基本掃流與有側流之進料方式示意圖…………………… 28
圖 3-8 有側流之掃流過濾系統拍攝圖…………………………… 28
圖 3-9 有側流之掃流過濾系統示意圖…………………………… 29
圖 3-10 有側流之掃流過濾系統模組構造圖……………………… 30
第四章
圖 4-1 掃流過濾裝置中流場空間的比例圖……………………… 35
圖 4-2 有側流之掃流過濾裝置中流場空間的比例圖…………… 35
圖 4-3 掃流過濾裝置中流場空間的網格圖……………………… 37
圖 4-4 有側流之掃流過濾裝置中流場空間的網格圖…………… 37
圖 4-5 系統中各部份在計算上的統御方程式與邊界條件示意圖…40
圖4-6 有側流之掃流過濾的邊界條件示意圖……………………… 41
圖4-7 數值模擬之疊代計算流程圖………………………………… 43
第五章
圖 5-1 定懸浮液濃度與定過濾壓差下不同的掃流速度與濾速之間的關係…………………………………………………………………… 45
圖 5-2 不同操作條件下穩定濾速、濾餅重及過濾總阻力對掃流速度作圖…………………………………………………………………… 48
圖 5-3 定掃流速度與定懸浮液濃度下不同的過濾壓差與濾速之間的關係…………………………………………………………………… 50
圖 5-4 不同操作條件下穩定濾速、濾餅重及過濾總阻力對過濾壓差作圖…………………………………………………………………… 52
圖 5-5 定掃流速度與定過濾壓差下不同的懸浮液濃度與濾速之間的關係…………………………………………………………………… 54
圖5-6不同操作條件下穩定濾速、濾餅重及過濾總阻力對懸浮液濃度作圖…………………………………………………………………… 55
圖 5-7 不同操作條件下的實驗數據與回歸曲線之呈現………… 57
圖 5-8 不同懸浮液濃度下濾速與過濾總阻力隨時間變化之模擬…59
圖 5-9 不同掃流速度及過濾壓差下濾速與過濾總阻力隨時間變化之模擬…………………………………………………………………… 60
圖 5-10 不同操作條件下過濾總阻力隨時間變化之模擬比較…… 62
圖 5-11 濾室內不同高度的速度分佈圖(v= 0.1m/sec, ΔP=25 kPa)………………………………………………………………………… 64
圖 5-12 濾室內不同高度的速度分佈圖(v= 0.3m/sec, ΔP=25 kPa)………………………………………………………………………… 65
圖 5-13 不同操作條件下膜面剪應力值之比較…………………… 67
圖 5-14不同操作條件下膜面濾餅分佈之比較…………………… 67
圖 5-15 不同側流比例之膜面速度分佈圖(ΔP=50 kPa, C=0.2 wt%)………………………………………………………………………… 69
圖 5-16不同側流比例下膜面剪應力值之比較(ΔP=50 kPa, C=0.2 wt%)…………………………………………………………………… 71
圖5-17不同側流比例下膜面濾餅分佈之比較(ΔP=50 kPa, C=0.2 wt%)…………………………………………………………………… 73
圖5-18不同過濾壓差下各側流比例之濾速變化情形……………… 75
圖5-19不同側流比例下穩定濾速對過濾壓差作圖………………… 77
圖5-20不同側流比例下濾餅重對過濾壓差作圖…………………… 78
圖5-21不同側流比例下過濾總阻力對過濾壓差作圖……………… 78
圖5-22不同側流比例下實驗數據的回歸曲線之呈現(ΔP=50 kPa)………………………………………………………………………… 80
圖 5-23 各側流比例下濾速與過濾總阻力隨時間變化之模擬(ΔP=50 kPa)…………………………………………………………………… 81
圖5-24不同側流比例下過濾總阻力隨時間變化之模擬比較(ΔP=50 kPa)…………………………………………………………………… 82
圖5-25不同側流比例下實驗數據的回歸曲線之呈現(ΔP=25 kPa)………………………………………………………………………… 84
圖5-26不同側流比例下實驗數據的回歸曲線之呈現(ΔP=75 kPa)………………………………………………………………………… 84
圖 5-27 各側流比例下濾速與過濾總阻力隨時間變化之模擬(ΔP=25 kPa)…………………………………………………………………… 85
圖 5-28 各側流比例下濾速與過濾總阻力隨時間變化之模擬(ΔP=75 kPa)…………………………………………………………………… 86
圖5-29不同側流比例下過濾總阻力隨時間變化之模擬比較(ΔP=25 kPa)…………………………………………………………………… 87
圖5-30不同側流比例下過濾總阻力隨時間變化之模擬比較(ΔP=75 kPa)…………………………………………………………………… 87
圖5-31濾餅重、濾餅層厚度與濾餅平均孔隙度隨時間之變化…… 88
圖5-32不同過濾時間下膜面濾餅堆積的情形(v=0.2 m/sec, C=0.2 wt%, ΔP=50 kPa)…………………………………………………… 90
圖5-33過濾時間t=500sec之濾餅SEM拍攝圖(v=0.2 m/sec, C=0.2 wt%, ΔP=50 kPa)…………………………………………………… 91
圖5-34過濾時間t=5000sec之濾餅SEM拍攝圖(v=0.2 m/sec, C=0.2 wt%, ΔP=50 kPa)…………………………………………………… 92

表目錄
第三章
表3-1 操作條件整理表……………………………………………… 32
表3-2 調整掃流端與側流端之進料量各種比例條件……………… 32
附錄
表A-1在掃流速度(0.1 m/sec)下不同操作條件之濾速衰減回歸方程式…………………………………………………………………… 107
表A-2在掃流速度(0.2 m/sec)下不同操作條件之濾速衰減回歸方程式…………………………………………………………………… 107
表A-3在掃流速度(0.3 m/sec)下不同操作條件之濾速衰減回歸方程式…………………………………………………………………… 108
表A-4在不同操作條件下過濾總阻力隨時間變化的回歸方程式…… ……………………………………………………………………… 108
表B-1在不同操作條件下各進料比例之濾速衰減回歸方程式……… ……………………………………………………………………… 109
表B-2在不同操作條件下各進料比例之過濾總阻力變化的回歸方程式
……………………………………………………………………… 110

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