1、第四章第四章 膜污染膜污染.膜污染膜污染 膜污染是指与膜接触的料液中微粒、胶体粒子或溶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成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特使膜产生透过流量与分离特性不可逆变化现象。性不可逆变化现象。膜污染引起的通量衰减，过滤压力增大膜污染引起的通量衰减，过滤压力增大,使得膜分使得膜
2、分离效果进一步降低。离效果进一步降低。.膜污染原因膜污染原因 浓差极化浓差极化 离子结垢离子结垢 金属氧化物沉积金属氧化物沉积 胶体物污染胶体物污染 生物污泥生物污泥.膜两侧溶液传递理论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：通量与系统操作参数和物理特征的函数：浓差极化浓差极化-凝胶层模型（凝胶层模型（concentration concentration Polarization-gel layer model Polarization-gel layer model）阻力模型（阻力模型（resistance modelresistance model）管状收缩效应管状收缩效
3、应(Tubular Pinch effect)(Tubular Pinch effect)的影响的影响.1 1 浓差极化浓差极化 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，造成膜面浓度面上，造成膜面浓度，于是在膜表面与临近膜面区域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，从而导致溶液透过界层，使流体阻力与局部
4、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，液中，这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化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。某些方面应用的瓶颈之一。.浓差极化浓差极化透过快的组分透过慢的组分推动力膜浓度极化示意图浓度极化示意图.进料浓差极化浓差极化.浓差极化浓差极化 在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗透压高，致使有效压力差
5、降低，而使透压高，致使有效压力差降低，而使通量减小。通量减小。在超滤和微滤中，处理的是高分子或在超滤和微滤中，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。凝胶层，增大了阻力而使通量降低。.当发生浓差极化后，膜面上浓度当发生浓差极化后，膜面上浓度 C Cww大于大于主体浓度主体浓度C Cb b，溶质向主体反扩散；，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的浓度梯度区，这一区域称为浓度
6、极化边界层；边界层；在边界层中取一微元薄层，对此微元薄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，通层作物料衡算。推导边界层形成后，通量与量与C Cww及及C Cb b的关系。的关系。浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型.浓差极化边界层中的浓度分布浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型.随主体流动进入微元薄层的物质量应等于透过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散物质量之和，故有膜的物质量与反扩散物质量之和，故有dxdcDCJCJpvvApbpwvCCCCDJlnApbpwmvCCCCKJln利用边界条件，当利用边界条件，当x0时，时，C=Cw；当；
7、当x=时，时，C=Cb，将上式积分，并，将上式积分，并得到得到 令令KmDA/为传质系数，上式成为为传质系数，上式成为浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型.如果溶质完全被截留，如果溶质完全被截留，Cp=0 上式就可以写成上式就可以写成bwmvCCKJln)/exp(mvbwKJCC Cw/Cb称为极化模数称为极化模数（polarization modulus）或或浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型.33.02)(62.1LduDKhm)(023.047.02.057.08.0hdDuKmdh：当量水力直径，：当量水力直径，L：通道长度，：通道长度，u：平均流速，：平均流速，v为黏度为黏度
8、 滞流湍流浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型.在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列，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或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值CG。bGmlbwmvCCKCCKJlnln浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型.浓差极化浓差极化-凝胶层模型的特点凝胶层模型的特点 凝胶层模型是在超滤中广泛使用的模型凝胶层模型是在超滤中广泛使用的模型 很好的解释主体浓度变化效应、流体力学对通很好的解释主体浓度变化效应、流体力学对通量的影响量的影响 缺陷：缺陷：凝胶层形成后通量与膜种类无关凝胶层形成后通量与
9、膜种类无关 凝胶层的浓度应为常数凝胶层的浓度应为常数.改善浓差极化对策：改善浓差极化对策：提高膜面剪切力，减少边界层厚度，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与流速、液体黏度、通道的水力直径和长度有关 措施：措施：错流；错流；进料流速进料流速；湍流程度提高，设备改进：湍流程度提高，设备改进：a.小型设备装搅拌；小型设备装搅拌；b.装湍流促进器；装湍流促进器；c.对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料;温度不要太低。温度不要太低。浓差极化浓差极化-凝胶层模型凝胶层模型.克服浓差极化的方法浓差极化的减少浓差极化的减
10、少降低压力降低压力降低膜表面的浓度降低膜表面的浓度降低溶质在料液中的浓度降低溶质在料液中的浓度垂直于膜的混合垂直于膜的混合排除膜表面排除膜表面的浓集物的浓集物桨式混合器桨式混合器静态混合器静态混合器边界层减薄边界层减薄机械清洗机械清洗提高膜面粒子提高膜面粒子反向传递反向传递增加流速增加流速短的液流周期短的液流周期增加扩散增加扩散细的通道细的通道.2 2 阻力模型阻力模型（resistance modelresistance model）)(cmvRRpJmvRPJ)(cmvRRPJ通量通量Jv表示成推动力和阻力之比：表示成推动力和阻力之比：反渗透中，通常不形成滤反渗透中，通常不形成滤饼，饼，R
11、C可以忽略：可以忽略：在超滤或微滤中，渗透压在超滤或微滤中，渗透压可以忽略不计可以忽略不计：边界层的形成对透过通量产生附加的传质阻力边界层的形成对透过通量产生附加的传质阻力.c 膜面上滤饼的阻力计算322)1(180cccdRFPWVRtc)(tvWVPFJ1)(对于可压缩滤饼、对于可压缩滤饼、滤饼的压缩性指数滤饼的压缩性指数（对不可压缩滤饼，（对不可压缩滤饼，0；对完全可压缩滤饼；对完全可压缩滤饼1，通常在，通常在0.10.8之间，之间，W：单位体积料液中所含有的颗粒重量，：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，：到某一瞬间，滤液的总体积，F：膜面积，：膜面积，：为
12、常数，与滤饼性质有关。为常数，与滤饼性质有关。如果膜的阻力可以忽略，通量为如果膜的阻力可以忽略，通量为对于不可压缩滤饼，对于不可压缩滤饼，根据根据Carman-Kozeny方程式，方程式，Rc可写成：可写成：.3 管状收缩效应的影响管状收缩效应的影响(Tubular Pinch effect)人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通人们发现，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。量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大。原因就是原因就是管状收缩效应管状收缩效应 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
13、管状收缩效应。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，通量增横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，通量增大。大。.管状收缩效应管状收缩效应 横向移动速度横向移动速度VL和轴向速度和轴向速度u的平方成正比，而和的平方成正比，而和管径管径r的立方成反比：的立方成反比：因此处理因此处理浑浊液体浑浊液体时，时，窄通道超滤器窄通道超滤器是有吸引力是有吸引力的。的。32ruVL.影响膜过滤的各种因素影响膜过滤的各种因素压力压力浓度浓度温度温度流速流速其它因素其它因素.压力压力p1p2P在错流操作中，
14、两种压力差。在错流操作中，两种压力差。一种为通道两端压力差一种为通道两端压力差P=P1-P2另一种为膜两侧平均压力差另一种为膜两侧平均压力差P0)(22)()(210201以表压表示PPPPPPPt.在反渗透中通量与截留率随压力的变化在反渗透中通量与截留率随压力的变化水通量水通量截留率截留率水通量或截留率水通量或截留率.1 1）未浓差极化）未浓差极化（开始过滤）：（开始过滤）：符合公式符合公式J J P/RP/Rm m R Rm m膜阻力，常数膜阻力，常数 J J与与 P P呈线性关系。呈线性关系。2 2）浓差极化：）浓差极化：符合公式符合公式 或或 J J P/(RP/(Rm mR Rs s
15、)Cw Cw、CbCb同时增加；同时增加；R Rs s随积聚层浓度增加而增大。随积聚层浓度增加而增大。随随 P P，J J不呈线性不呈线性。3 3）形成凝胶层：）形成凝胶层：符合公式符合公式 或或 J J P/(RP/(Rm mR Rg g)P P 时，时，C CG G不变，不变，CbCb和和KmKm增加；加速溶质沉积，导致增加；加速溶质沉积，导致R Rg g,相相互互抵消，抵消，滤速基本不变。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。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在微滤和超滤中通量与截留率随压力的变化bwmvCC
16、KJlnbGmvCCKJln.浓度bGmvCCKJlnCG膜面浓度 在超滤中在超滤中u间歇操作：间歇操作：C Cb b，JwJw u透析过滤或连续操作：透析过滤或连续操作：料液浓度料液浓度C Cb b基本不变，基本不变，JwJw也不变。也不变。凝胶层形成后凝胶层形成后.当以当以微滤微滤过滤菌体时，通量过滤菌体时，通量与浓度的关系不同于超滤。在与浓度的关系不同于超滤。在谷氨酸发酵液的微滤中，谷氨酸发酵液的微滤中，l开始通量下降很快，可能是开始通量下降很快，可能是由于膜面的污染；由于膜面的污染；l然后通量变化较小，可能由然后通量变化较小，可能由于管状收缩效应引起通量的增于管状收缩效应引起通量的增加
17、和浓度增大引起的降低互相加和浓度增大引起的降低互相对消；对消；l最后通量急剧降低最后通量急剧降低在谷氨酸发酵液中的微滤中在谷氨酸发酵液中的微滤中黏度黏度浓度菌体浓度菌体浓度.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湍流湍流:滞流滞流:0.3.虽然增大流速有明显的优点，但需考虑：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，增大流速才会只有当通量为浓差极化控制时，增大流速才会使通量增加，使通量增加，增大流速会使膜两侧压力差减小，因为流经通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；增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利；动力消耗增加。动力消耗增加。流速.此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！
