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1、1,第四章 膜污染,2,膜污染,膜污染是指与膜接触的料液中微粒、胶体粒子或溶质大分子与膜发生物理、化学相互作用或因浓差极化使某些溶质在膜表面的浓度超过其溶解度及因机械作用而引起的在膜表面或膜孔内的吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化现象。 膜污染引起的通量衰减，过滤压力增大,使得膜分离效果进一步降低。,3,膜污染原因,浓差极化 离子结垢 金属氧化物沉积 胶体物污染 生物污泥,4,膜两侧溶液传递理论,通量与系统操作参数和物理特征的函数： 浓差极化-凝胶层模型（concentration Polarization-gel layer model） 阻力模型（resi
2、stance model） 管状收缩效应(Tubular Pinch effect)的影响,5,1 浓差极化,在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，大分子溶质被带到膜表面，但不能透过，被截留在膜的高压侧表面上，造成膜面浓度，于是在膜表面与临近膜面区域浓度越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度，形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过流量下降，同时这种浓度差导致溶质自膜反扩散到主体溶液中， 这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。 在膜分离过程中，浓差极化是经常发生的现象，是影响膜分离技术在某些方面应用的瓶颈之一。,6,浓差极化,7,进料,浓差极化,8,浓差极化,在
3、反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。 在超滤和微滤中，处理的是高分子或胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成凝胶层，增大了阻力而使通量降低。,9,当发生浓差极化后，膜面上浓度 Cw大于主体浓度Cb，溶质向主体反扩散； 当溶质向膜面的流动速度与反扩散速度达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化边界层； 在边界层中取一微元薄层，对此微元薄层作物料衡算。推导边界层形成后，通量与Cw及Cb的关系。,浓差极化 - 凝胶层模型,10,浓差极化边界层中的浓度分布,浓差极化 - 凝胶层模型,11,随主体流动进入微元薄层的物质量应等于透过膜的物质量与反扩
4、散物质量之和，故有,利用边界条件，当x0时，C=Cw；当x=时，C=Cb，将上式积分，并得到,令KmDA/为传质系数，上式成为,浓差极化 - 凝胶层模型,12,如果溶质完全被截留，Cp=0 上式就可以写成,Cw/Cb称为极化模数（ polarization modulus）,或,浓差极化 - 凝胶层模型,13,dh：当量水力直径， L：通道长度， u：平均流速，v为黏度,滞流 湍流,浓差极化 - 凝胶层模型,14,在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值CG。,浓差极化 - 凝胶层模型,15,浓差极化 - 凝胶层模型的特点,凝胶层模型是在超
5、滤中广泛使用的模型 很好的解释主体浓度变化效应、流体力学对通量的影响 缺陷： 凝胶层形成后通量与膜种类无关 凝胶层的浓度应为常数,16,改善浓差极化对策： 提高膜面剪切力，减少边界层厚度，Km。 Km 与流速、液体黏度、通道的水力直径和长度有关,措施： 错流； 进料流速； 湍流程度提高，设备改进： a. 小型设备装搅拌； b. 装湍流促进器； c. 对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料; 温度不要太低。,浓差极化 - 凝胶层模型,17,克服浓差极化的方法,浓差极化的减少,降低压力,降低膜表面的浓度,降低溶质在料液中的浓度,垂直于膜的混合,排除膜表面 的浓集物,桨式混合器,静态混合器,提高膜面粒
6、子 反向传递,18,2 阻力模型（resistance model）,通量Jv表示成推动力和阻力之比：,反渗透中，通常不形成滤饼，RC可以忽略：,在超滤或微滤中，渗透压可以忽略不计：,边界层的形成对透过通量产生附加的传质阻力,19,c 膜面上滤饼的阻力计算,对于可压缩滤饼、滤饼的压缩性指数,（对不可压缩滤饼，0；对完全可压缩滤饼1，通常在0.10.8之间， W：单位体积料液中所含有的颗粒重量，Vt：到某一瞬间，滤液的总体积， F：膜面积， ：为常数，与滤饼性质有关。,如果膜的阻力可以忽略，通量为,对于不可压缩滤饼， 根据Carman-Kozeny方程式，Rc可写成：,20,3 管状收缩效应的影
7、响(Tubular Pinch effect),人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大。 原因就是管状收缩效应 胶体溶液在管中流动时，颗粒有离开管壁向中心运动的趋向，称为管状收缩效应。 由于这个现象，使膜面上沉积的颗粒具有向中心横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，通量增大。,21,管状收缩效应,横向移动速度VL和轴向速度u的平方成正比，而和管径r的立方成反比： 因此处理浑浊液体时，窄通道超滤器是有吸引力的。,22,影响膜过滤的各种因素,压力 浓度 温度 流速 其它因素,23, 压力,在错流操作中，两种压力差。 一种为通道两端压力差P=P1-P2 另一种
8、为膜两侧平均压力差P0,24,在反渗透中通量与截留率随压力的变化,水通量,截留率,水通量或截留率,25,1）未浓差极化（开始过滤）： 符合公式JP/Rm Rm膜阻力，常数 J与P呈线性关系。 2）浓差极化： 符合公式 或 JP/(RmRs) Cw、Cb同时增加；Rs随积聚层浓度增加而增大。 随P，J不呈线性。 3）形成凝胶层：符合公式 或 JP/(RmRg) P时，CG不变，Cb和Km增加；加速溶质沉积，导致Rg,相互抵消，滤速基本不变。 结论：在凝胶层形成后，单纯提高外压，对滤速无帮助。,在微滤和超滤中通量与截留率随压力的变化,26,浓度,CG膜面浓度,在超滤中 间歇操作： Cb，Jw 透析
9、过滤或连续操作： 料液浓度Cb基本不变，Jw也不变。,凝胶层形成后,27,当以微滤过滤菌体时，通量与浓度的关系不同于超滤。在谷氨酸发酵液的微滤中， 开始通量下降很快，可能是由于膜面的污染； 然后通量变化较小，可能由于管状收缩效应引起通量的增加和浓度增大引起的降低互相对消； 最后通量急剧降低,在谷氨酸发酵液中的微滤中,黏度,浓度,菌体浓度,28, 流速,根据浓差极化-凝胶层模型,流速增大,可使通量增大。 JwKm lnCG/Cb KmD / 料液流速，D，Km,使Jw。 对于超滤，通常在略低于极限通量的条件下操作。 在滞流时，直线的斜率为0.3； 而在湍流时，斜率为0.83。 在以微滤过滤菌体时， 斜率可在1.02.0之间。,0.83,湍流:,滞流:,0.3,29,虽然增大流速有明显的优点，但需考虑： 只有当通量为浓差极化控制时，增大流速才会使通量增加， 增大流速会使膜两侧压力差减小，因为流经通道的压力降增大 增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利； 动力消耗增加。,流速,
