修正版-膜污染及控制--课件

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1、Membrane fouling and its control膜污染及控制崔振宇崔振宇材料科学与工程学院材料科学与工程学院1PPT课件Content 内容1Introduction 概述2Membrane fouling 膜污染3The types of membrane fouling 膜污染种类4The mechanism and model of membrane fouling 膜污染机理和模型5The control of membrane fouling膜污染控制方法6Membrane clean and regeneration 膜清洗2PPT课件概 述3PPT课件The ph

2、enomenon of membrane fouling 膜污染现象膜污染现象膜在使用过程中，膜的性能(渗透通量，截留率等)通常随时间的延长而降低 膜通量随污染时间变化图膜通量随污染时间变化图（1.5 g/LCaSO4） 4PPT课件p第一阶段-溶质被吸附溶质被吸附在膜上，这个过程在蛋白质分子或其他溶质分子与膜接触10min内便完成，使膜通量降低约30%p第二阶段-膜通量相对缓慢连续地降低膜通量相对缓慢连续地降低，且这种降低趋势不依赖于料液中大分子 溶质的浓度以及操作的水力条件。这种现象的形成主要是由于膜孔道堵塞表面缓慢形成凝胶层，其过程是不可逆的，污染程度与膜材料、粒子或溶质的尺寸大小，膜与

3、溶质，溶质与溶剂，溶剂与膜之间相互作用力的大小(以膜与溶质之间相互作用力为主)，膜的单皮层或双皮层结构，膜的孔隙率，粗糙度等特性，保留液中溶剂以及大分子溶质的浓度、性质、溶液的pH、离子强度、电荷组成、温度和 操作条件等有关。膜污染过程可分两个阶段：5PPT课件The hazard of membrane fouling 膜通量（分离效率）严重下降、成品质量下降 膜寿命的缩短，甚至提前报废-由于污染物沉积于膜表面和 内部孔隙，引起跨膜压差(TMP)的升高 影响膜分离过程的可靠性和经济性Membrane fouling is one of crucial problems of membrane

4、 technology 膜污染是膜技术广泛应用的瓶颈严重污染的膜元件严重污染的膜元件6PPT课件二、膜污染定义二、膜污染定义 What is membrane fouling? 膜污染膜污染指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由于与膜存在物理化学相互作用或机械作用而引起的在膜表面或膜孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量与分离特性的不可逆变化现象。 物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。 化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度等有关。 膜污染还可能由微生物在

5、膜运行过程或停运中的繁殖和膜污染还可能由微生物在膜运行过程或停运中的繁殖和 积累造成积累造成7PPT课件膜分离过程中常见的污染8PPT课件1.微生物类污染微生物类污染3.化学污染化学污染4.胶体污染胶体污染2.无机物结垢无机物结垢9PPT课件全面的系统管理絮凝剂絮凝剂Jelcleer 过滤介质过滤介质阻垢阻垢/分散剂分散剂脱氯还原剂脱氯还原剂清洗剂清洗剂/杀菌杀菌剂剂非氧化杀菌非氧化杀菌剂剂膜再生膜再生膜性能测试膜性能测试10PPT课件微生物类微生物类常见的污染物 - 1导致膜压差升高减少膜进水侧隔网间隙并使得胶体物质滞留附着力强, 难以去除11PPT课件产生的原因产生的原因常见的污染物 -

6、1进水中生物活性高前处理不充分系统间断操作 清洗的不彻底12PPT课件常见的污染物 - 2导致膜压差升高减少膜进水侧隔网间隙脱盐率下降 清洗不当可划伤膜表面无机物结垢无机物结垢13PPT课件无机物结垢的生成无机物结垢的生成高碱度 高硬度或金属氧化物含量高PH值高回收率加药系统不准确常见的污染物 - 214PPT课件化学污染化学污染常见的污染物- 3产水量下降, 脱盐率下降阳离子物质过量或进水中有油类15PPT课件前处理絮凝剂加入过量化学品互不兼容 清洗用化学品不适合进水有污染化学污染产生的原因化学污染产生的原因常见的污染物- 316PPT课件胶体胶体常见的污染物 - 4压差上升, 产水量下降产

7、生原因进水水质较差进水SDI值超出控制范围17PPT课件膜污染膜污染与浓差极化浓差极化的概念不同，但二者密切相关，常常同时发生，在许多场合，浓差极化是导致膜污染的根源。微滤、超滤、纳滤以及反渗透膜微滤、超滤、纳滤以及反渗透膜均能发生污染，除了具有膜污染产生的共性原因，每种膜污染又有自身的特点。超滤膜最易发生污染，下面以超滤膜为例阐述膜污染的原因以及防治。 三、膜污染：可逆（三、膜污染：可逆（Reversible）污染和不可逆（污染和不可逆（Irreversible）污染污染可逆污染可逆污染 : 它可通过流体力学条件的优化以及回收率的控制来减轻和改善不可逆（不可逆（Irreversible）污染

8、污染是我们通常所说的膜污染，可由膜表面的电性及吸附引起或由膜表面孔隙的机械堵塞而引起。这一类污染目前尚无有效的改善措施，只能靠水质的预处理或通过抗污染膜的研制及使用来加以延缓其污染速度Inorganic fouling (CaSO4, CaCO3, BaSO4, silica) Organic fouling (NOM - humic acids, protein & carbohydrate)Biofouling (the microbial attachment to membrane surface)18PPT课件举例：超滤膜污染形成过程举例：超滤膜污染形成过程 第一阶段：纯水初始通量降

9、低第一阶段：纯水初始通量降低 由细菌结和微量胶体堵塞孔造成的。第二阶段：超滤的初始通量下降第二阶段：超滤的初始通量下降 原则上，这种通量下降是可逆的，其成因是因为浓差极化层的形成。这种污染可通过降低料液浓度或改善膜面附近料液侧的流体力学条件来减轻或改善浓差极化现象，使膜的分离特性得到部分恢复。需注意的是，在初始阶段，孔堵塞也能引起膜污染。第三阶段：超滤的长期通量降低第三阶段：超滤的长期通量降低 这是指超滤膜运行一定时间(几小时几天几周)后的长期通量降低。它与孔的堵塞与阻塞膜表面的浓差极化现象，凝胶层形成及其固化等因素有关。可用相关的数学公式定量加以描述。 19PPT课件Based on the

10、 above discussion，the main factors that influence the decrease of flux： (1)浓差极化浓差极化(concentration polarization) 它使膜面上溶质的局部浓度增加，即边界层流体阻力增加(或局部渗透压的升高)，将使传质推动力下降和渗透通量降低。 (2)膜孔的堵塞与阻塞（膜孔的堵塞与阻塞（pore block and pore plug） 由于被分离溶质(尤其是大分子)与膜的相互作用将在膜表面或膜孔内产生吸咐或沉积，膜孔道的阻塞和堵塞使膜通降低。 (3)凝胶层的出现及其固化凝胶层的出现及其固化 (gelati

11、on)在低流速，高溶质浓度下，浓差极化使膜面达到或超过溶质饱和溶解度时，将有凝胶层出现，导致膜的透过量不依赖于所加压力，引起膜通量的急剧降低。浓差极化的严重恶化还将导致凝胶层的固化 。致使膜通量下降的主要原因致使膜通量下降的主要原因 20PPT课件浓差极化现象浓差极化现象 The phenomenon of concentration polarization 在膜分离过程中，由于膜的选择透过性，被截留组分在膜上游侧的表面累积形成浓度边界层，这种现象称浓差极化。 当膜表面被截留组分浓度增加时，引起该组分透过膜的流量也会增加-导致界面处渗透压升高，膜过程推动力下降局部浓度增高，有可能使某些溶质达

12、到饱和，出现晶析层积或形成凝胶层附着于膜表面Boundary layer21PPT课件The disadvantage of concentration polarization 浓差极化的危害浓差极化的危害由于膜表面渗透压的升高将导致通量下降溶质通过膜的通量（rejection）上升溶质在膜表面的浓度超过其溶度积而形成沉淀并堵塞膜孔相，减少了溶剂(水)通量，导致膜分离性能的改变出现膜污染，当膜污染严重时，几乎等于在膜表面上形成一层二次薄膜，势必导致膜透水性能的大幅度下降，甚至完全消失 22PPT课件浓差极化现象使膜的透水速度和截留率都降低这是盐分在膜表面聚集浓缩造成的这种聚集浓缩作用随盐水中

13、盐浓度的增加而加剧也伴随着膜透水率和截留率的升高而增加。不能完全消除浓差极化现象淡化器和工艺流程设计合理，操作得当，浓差极化是可以减弱的 23PPT课件Why the higher the polarization, the lower the flux?Why the higher the polarization, the lower the flux?极化越高，膜通量越低极化越高，膜通量越低膜发生浓差极化现象时的膜面状况 极化度 对水通量的影响 根据反渗透基本方程 J w为水通量；A为膜常数，p为有效跨膜压差，为有效渗透压 当CwCb时上式化简为：以反渗透为例 M越大，通量越低24PPT

14、课件Why the higher the polarization, the lower the ratio of Why the higher the polarization, the lower the ratio of desalination? desalination? 极化越高，脱盐率越低极化越高，脱盐率越低根据反渗基本方程，盐通量可表示为 式中B为盐透过系数。由上式可以看出：盐的透过率随极化度的增加而增加，因为溶质的通量透过液浓度溶剂流速，以数学式表示则为式中C p为透过液浓度；J w为溶剂通量。化简可得整理得进一步化简得膜发生浓差极化现象时的膜面状况 25PPT课件The m

15、ethods of reducing concentration polarization减少浓差极化的方法减少浓差极化的方法 控制回收率：若回收率增大，C w随着增大，因此极化度MC wC b增加 控制流态和流程使装置处于湍流状态-减小浓差极化 尽力缩短流程-流程太长，阻力损失增大，流速降低 装设湍流促进器 对流动施以脉冲 脉冲透过时的速度及浓度分布 脉冲导致的透过速度增加 升温 26PPT课件The summary of concentration polarizationp浓差极化不仅导致传质速率降低，也导致分离效率降低。对于电膜过程还使电流效率下降，因此降低浓差极化是强化传质通量的措施

16、之一 p对于压力驱动型膜过程来说，浓差极化与传质系数有直接关系，影响传质系数的主要因素是原料流速、溶质扩散系数原料流速、溶质扩散系数D、粘度、密度、膜器的形、粘度、密度、膜器的形状和规格状和规格等p在微滤和超滤过程中，被截留下来的大分子或悬浮颗粒的扩散系数比反渗透、气体分离及渗透汽化过程所截留组分的扩散系数要小，而微滤和超滤过程中的通量却比渗透汽化和气体分离大，因此在微滤和超滤过程中浓差极化很严重p由于一般情况下扩散系数无法提高(只有改变温度才能改变D)，因此只有通过提高沿膜表面的原料流速和改变膜器构型或采用脉冲流动，提高原提高原料温度料温度可以提高传质系数，因而也可以减少浓差极化(温度提高使被截留溶质的扩散系数增大且原料粘度减小).但是提高原料温度会使通量上升，这对分离系数会严生不利影响27PPT课件不同膜过程浓度分布示意图不同膜过程浓度分布示意图 p与压力收动膜过程不同，电渗析、渗透汽化、气体分离、血液透析、扩散渗析、促进传递等通过膜的方式是扩散而不是对流，此时受影响的组分是传递最快的组分，即如果通过膜的传递效率比通过边界层的通过边界层的快，则会形成边界层阻力快，则会形成边界层阻力