第十六章膜污染与污染的控制.ppt

图7
表1 低污染反渗透膜基本性能及应用
L. 阻垢和杀菌
� 颗粒污染 —— 予过滤、絮凝、沉降分离等 � 微生物污染 — 杀菌 � 化学污染 —— 阻垢剂 � 胶体污染 —— 分散剂
L. 膜清洗
� 根据膜材料和污染物组成选择清洗剂 � 物理清洗：等压清洗、反洗、气水双洗、海棉
球擦洗 � 化学清洗：碱、酸、酶、络合剂、表面活性剂
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
图2
以牛血清白蛋白和葡萄糖为代表物，以聚砜膜为对象研究污 染情况
0
蛋白质结构： - H3N+- 多肽 -C-NHCHC0 2
R
牛血清白蛋白分子量69293，一共607个氨基酸残基，其中含 35个半胱氨酸，有17对半胱氨酸形成分子内=硫键
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。
二、浓差极化和膜污染
1. 浓差极化现象
D
c x
J
Cw
Cp
Cb
δ
图1
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到饱
来自百度文库和，出现晶析层积或形成凝胶层附着于
膜 表面
从边界层的物科衡算可得到下列方程
JC
=
JCp
+
D
dc dx
x = 0 时 c = cb x = 时 c = cw
⑷ 膜的养护 a. 运行中的养护：阻垢、杀菌、防氧化、防污染 b. 停运时养护：清洗、防腐、防冻
超声时域反射技术（UTDR）
式中，pi为人射纵 波声压振幅；pr 为 反射纵波声压振幅 ；Z为声阻抗率．1 ，2表示界面两边 的介质．
在过去的十年间，美国、南非以及国内相继进 行了超声波监测技术应用于膜分离过程的研究。研究 通过对不同膜过程（包括微滤、超滤、反渗透）、不 同的膜组件（包括平板膜、中空纤维膜、卷式膜）和 不同的污染物（包括无机，有机和蛋白质胶体）的研
膜污染与污染的防止
内容摘要
（一）概述 （二）膜污染的分类 （三）膜污染的机理与模型 （四）膜污染的控制 （五）膜清洗
一些术语
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。
解得
cw cb
=
exp

J
K
其中 K = D （传质系数）
cw 称浓差极化比，它的值越大，表明浓差极化程度越厉
cb
害，对膜分离过程越不利。J越大，浓差极化越严重，而传质系数
K越大，浓差极化比降低。
2. 膜污染
⑴ 污染原因：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 在膜表面或膜孔内吸附，沉积而造成膜孔径变小或堵 塞，使膜产生通透性与分离特性不可逆变化的现象。
究，结果显示这种实时、在线的超声时域反射法 （Ultrasonic time-domain reflectometry - UTDR）可 以利用它的反射波的振幅和回声抵达超声传感器的时 间来监测膜污染、浓差极化与清洗过程。也可以用来
测量膜的压紧度，膜污染层厚度以及挤压性等。尽管 这些研究提供了关于膜污染检测和膜污染机理的非常 重要的信息，但超声时域反射法在工业膜，特别是工
p
(Rm +
R )f
R
f
=
180(1
d02
3
)2

m
b. 孔堵塞模型是用粒子对膜孔的堵塞来解释渗透通量的 下降。通量由未堵孔和被 堵孔的通量提供。
干净膜的膜阻为Rm，孔被 堵塞的膜阻为Rbm，则有
p J 0 = Rm
p Jb0 = Rbm
膜孔堵塞速率
dn dt =
J +block o Con
业卷式膜上的应用研究还是较为鲜见且不成熟的。
实验装置及其原理图
超声探头在反渗透膜组件上的位置
纯水 浓水
10.7 cm
40 cm 膜组件
60 cm
原水
超声监测结果
4.00 3.00 2.00 1.00 振幅 0.00
体中约中体现心约5为心现位管.为584管位.68置反.4×86反置.98×的射1×9射的0×1到在E10在到0－1E达波E0－波达5－E时形秒－5形时5间图秒～5图间大上～上大
葡聚糖的结构为：
O-CH2
H
H
OH H
OH
O - CH2
H
O H
H
OH
OH
H
H
O - CH2
HO H
H
H
OH OH
H
O-CH2 n
HO
H
通过光电子能谱法研究聚砜膜表面吸附牛血清白蛋白或葡聚 糖的情况发现，在聚砜上吸附的BSA的谱线上出现+4价S无素的吸 收峰，表明出现了电子转移的化学吸附。
COOH
反渗透膜通量及截留率随着膜污染的加重而下降。 超声波能够监测到膜污染沉积过程，其过程和污染
物分布状况可以通过对超声波形及其模拟信号 的分析达到量化的目的。而且超声检测结果与 膜性能（膜通量、截留率）有着很好的对应关
NH2
H
CH2SH
半胱氨酸
CH3
O
C
O
S
CH3
O
聚砜
O n
50 l / h.m
40
30
20
10
0
0
10
葡聚糖10g/e BSA0.8g/e
20
30
图3
t (min)
40
50
⑵ 膜污染模型
已经提出的膜污染模型有滤饼模型、孔堵塞模型和 凝胶模型
a. 滤饼模型认为膜过滤阻力由滤饼阻力和膜阻力 组成
J
=

no
可以推出 n = no e t
( ) J = p e t + p 1 e t
Rm
Rbm
= 0.75J o Co p
⑶ 膜污染控制 a. 膜材料选择：膜的亲疏水性，荷电性对膜的耐污
染性有影响
图5 pH值对LFCI膜及传统复合膜表面电位的影响
图6 给水表面活性剂对LFCI膜及传统复合膜的污染影响
-1.00
-2.00
-3.00 0.00E+00 2.00E-05
4.00E-05 6.00E-05 8.00E-05 到达时间（s）
1.00E-04
1.20E-04
膜的剖析
结论
超声波能够穿透辨别卷式膜多层结构及膜层变化。 膜组件里的卷式膜位置并非固定不变的，在不 同的实验条件下会产生位置上的变化。如从干 膜变成湿膜，以及膜湿度不同，压力，及污染 状况都会使膜位置发生径向上的变化。