浓差极化与膜污染
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碳水化合物、微生物、有机胶体及凝胶、腐质酸、 多羟基芳香化合物。 B. 无机物 盐类及无机胶体。如 CaSO 4、CaCO 3、 铁盐或凝胶、磷酸钙复合物等。 C. 颗粒
17
? 反渗透（ RO）过程中用于描述污染的参数 ： ① 淤积指数（ SI） ② 堵塞指数（ PI ） ③ 污染指数（ FI ）或淤积（泥）密度指数（ SDI） ④ 修正污染指数或膜过滤指数（ MFI ）
第八章
浓差极化与膜污染
Concentration Polarization & Fouling
1. 浓差极化概述
? 在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下 透过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面 或临近膜界面区域浓度越来越高。
? 在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从 而导致溶剂通量下降。
5. 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行 恶化。
概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，通量下降 。
7wk.baidu.com
浓差极化的影响
渗透汽化
k——传质系数； J ——膜通量
8
3. 减少浓差极化的方法
? 由浓差极化形成原理可知，减小浓差极化边界层 厚度，提高溶质传质系数，均可减少浓差极化， 提高膜的透液速度。方法如下：
18
5. 影响膜污染的因素
1. 粒子或溶质尺寸及形态 2. 溶质与膜的相互作用 (静电作用力、范德华力、
溶剂化作用、空间立体作用 ) 3. 膜的结构与性质 4. 溶液特性(包括盐的种类与浓度、 pH 值、温度和
粘度等 ) 5. 膜的物理特性 (包括膜表面粗糙度、孔径分布及
孔隙率等 ) 6. 操作参数(包括料液流速、压力和温度等 )
④ 膜结构选择 （不对称结构膜较耐污染） ⑤ 组件结构选择
20
⑥ 溶液pH 控制(分离、浓缩蛋白质、酶时，一般把 pH 调至远离其等电点，使其溶解度增加，并带 电荷)
⑦ 溶液中盐浓度的控制 (以改变溶液的离子强度 ) ⑧ 溶液温度的控制 ⑨ 溶质浓度，料液流速与压力的控制 (用UF 技术分
离 / 浓缩蛋白质或其他大分子溶质时，要选择合 适压力与料液流速，避免“凝胶层”形成，可得 到膜的最佳透水率 )
Flow dynamics around the spacer netting often used to promote turbulence in a membrane module and reduce
concentration polarization
11
12
极限通量(J∞)与原料主体浓度 之间的对数值关系
19
6. 减少或防止膜污染的方法
① 料液预处理 (热处理、 pH 调节、离子交换、加入 离子隐蔽剂、预过滤、加入稳定剂 )
② 膜材料的选择 (考虑膜的亲疏水性、荷电性。亲 水性膜及膜材料电荷与溶质电荷相同的膜较耐污 染；对膜表面进行改性 )
③ 膜孔径或截留分子量的选择 (通过实验选择最佳 孔径的膜 )
6
2. 浓差极化的危害
1. 使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从 而减小传质驱动力 ；
2. 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜 表面形成沉或凝胶层， 增加透过阻力 ；
3. 膜表面沉积层或凝胶层的形成会 改变膜的分离特 性；
4. 当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对 膜发 生溶胀或恶化膜的性能 ；
污染也可定义为由于被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬 浮液、大分子和盐等在膜表面或膜内的(不)可逆沉积，这种 沉积包括吸附、堵孔、沉淀、形成滤饼等。
14
通量随时间变化的趋势。 可以从中区别浓差极化和污染
造成通量持续下降的原因是膜的污染
15
? 膜受到污染时，主要标志及症状 ： a) 水通量逐步下降（膜通量下降）； b) 通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大（进料压
力和△ P 逐渐增大）； c) 膜对溶解于水中物质的透过性逐渐增大（矿物截
留率下降）。 ? 污染主要发生在 MF 和UF过程中。这些过程所使
用的多孔膜对污染物有着固有的敏感性。 ? 对于使用致密膜的渗透汽化和气体分离等，一
般不发生污染。
16
? 污染物种类 大致可分三类： A. 有机物 大分子、生物物质等。如蛋白质、脂肪、
浓差极化与凝胶形成
13
4. 膜污染
? 4.1 膜污染 (fouling) ——是指处理物料中的 微粒、胶
体粒子或溶质分子 与膜发生物理化学相互作用或因浓度 极化使某些溶质在膜表面浓度超过其溶解度及机械作用 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，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化 现 象。 ? 它与浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上 截然不同。
? 当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质现膜面流 动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达 到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度 区，这一区域称为浓差极化边界层，这一现象称 为浓差极化。
2
通量随时间变化趋势
压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图
3
Salt concentration gradients adjacent to a reverse osmosis
21
对膜材料的改性
? 物理改性 – 增加膜表面粗糙度以强化膜表面附近流体湍流程度 的方法 – 亲水性溶剂处理膜表面，减小膜面对溶质的吸附
desalination membrane.
4
浓差极化引起的稳态条件下的浓度分布
5
? 在稳定状态下，被脱除（截留）组分浓度分布和易 渗透组分的浓度分布情况。
（a）截留组分的浓度分布 （salt in desalination of
water by reverse osmosis)
（b）易渗透组分的浓度分布 （water in dehydration of ethanol by pervaporation)
① 选择合适的膜组件结构； ② 加入紊流器； ③ 料液横切流向设计； ④ 料液脉冲流动； ⑤ 螺旋流； ⑥ 提高流速； ⑦ 适当提高进料液温度以降低粘度，增大传质系数。
9
增加湍流，减小边界层厚度以减小浓差极化
膜浓缩加大，浓差极化加大
膜通量加大，浓差极化加大
溶质扩散系数增大，浓差极化减少
10
湍 流 强 化 器
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? 反渗透（ RO）过程中用于描述污染的参数 ： ① 淤积指数（ SI） ② 堵塞指数（ PI ） ③ 污染指数（ FI ）或淤积（泥）密度指数（ SDI） ④ 修正污染指数或膜过滤指数（ MFI ）
第八章
浓差极化与膜污染
Concentration Polarization & Fouling
1. 浓差极化概述
? 在膜分离过程中，料液中的溶剂在压力驱动下 透过膜，溶质被截留，于是在膜与本体溶液界面 或临近膜界面区域浓度越来越高。
? 在浓度梯度作用下，溶质由膜面向本体溶液扩散， 形成边界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从 而导致溶剂通量下降。
5. 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行 恶化。
概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，通量下降 。
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浓差极化的影响
渗透汽化
k——传质系数； J ——膜通量
8
3. 减少浓差极化的方法
? 由浓差极化形成原理可知，减小浓差极化边界层 厚度，提高溶质传质系数，均可减少浓差极化， 提高膜的透液速度。方法如下：
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5. 影响膜污染的因素
1. 粒子或溶质尺寸及形态 2. 溶质与膜的相互作用 (静电作用力、范德华力、
溶剂化作用、空间立体作用 ) 3. 膜的结构与性质 4. 溶液特性(包括盐的种类与浓度、 pH 值、温度和
粘度等 ) 5. 膜的物理特性 (包括膜表面粗糙度、孔径分布及
孔隙率等 ) 6. 操作参数(包括料液流速、压力和温度等 )
④ 膜结构选择 （不对称结构膜较耐污染） ⑤ 组件结构选择
20
⑥ 溶液pH 控制(分离、浓缩蛋白质、酶时，一般把 pH 调至远离其等电点，使其溶解度增加，并带 电荷)
⑦ 溶液中盐浓度的控制 (以改变溶液的离子强度 ) ⑧ 溶液温度的控制 ⑨ 溶质浓度，料液流速与压力的控制 (用UF 技术分
离 / 浓缩蛋白质或其他大分子溶质时，要选择合 适压力与料液流速，避免“凝胶层”形成，可得 到膜的最佳透水率 )
Flow dynamics around the spacer netting often used to promote turbulence in a membrane module and reduce
concentration polarization
11
12
极限通量(J∞)与原料主体浓度 之间的对数值关系
19
6. 减少或防止膜污染的方法
① 料液预处理 (热处理、 pH 调节、离子交换、加入 离子隐蔽剂、预过滤、加入稳定剂 )
② 膜材料的选择 (考虑膜的亲疏水性、荷电性。亲 水性膜及膜材料电荷与溶质电荷相同的膜较耐污 染；对膜表面进行改性 )
③ 膜孔径或截留分子量的选择 (通过实验选择最佳 孔径的膜 )
6
2. 浓差极化的危害
1. 使膜表面溶质浓度增高，引起渗透压的增大，从 而减小传质驱动力 ；
2. 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，便会在膜 表面形成沉或凝胶层， 增加透过阻力 ；
3. 膜表面沉积层或凝胶层的形成会 改变膜的分离特 性；
4. 当有机溶质在膜表面达到一定浓度有可能对 膜发 生溶胀或恶化膜的性能 ；
污染也可定义为由于被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬 浮液、大分子和盐等在膜表面或膜内的(不)可逆沉积，这种 沉积包括吸附、堵孔、沉淀、形成滤饼等。
14
通量随时间变化的趋势。 可以从中区别浓差极化和污染
造成通量持续下降的原因是膜的污染
15
? 膜受到污染时，主要标志及症状 ： a) 水通量逐步下降（膜通量下降）； b) 通过膜的压力和膜两侧的压差逐渐增大（进料压
力和△ P 逐渐增大）； c) 膜对溶解于水中物质的透过性逐渐增大（矿物截
留率下降）。 ? 污染主要发生在 MF 和UF过程中。这些过程所使
用的多孔膜对污染物有着固有的敏感性。 ? 对于使用致密膜的渗透汽化和气体分离等，一
般不发生污染。
16
? 污染物种类 大致可分三类： A. 有机物 大分子、生物物质等。如蛋白质、脂肪、
浓差极化与凝胶形成
13
4. 膜污染
? 4.1 膜污染 (fouling) ——是指处理物料中的 微粒、胶
体粒子或溶质分子 与膜发生物理化学相互作用或因浓度 极化使某些溶质在膜表面浓度超过其溶解度及机械作用 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，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化 现 象。 ? 它与浓差极化有内在联系，尽管很难区别，但是概念上 截然不同。
? 当溶剂向膜面流动（对流）时引起溶质现膜面流 动速度与浓度梯度使溶质向本体溶液扩散速度达 到平衡时，在膜面附近存在一个稳定的浓度梯度 区，这一区域称为浓差极化边界层，这一现象称 为浓差极化。
2
通量随时间变化趋势
压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图
3
Salt concentration gradients adjacent to a reverse osmosis
21
对膜材料的改性
? 物理改性 – 增加膜表面粗糙度以强化膜表面附近流体湍流程度 的方法 – 亲水性溶剂处理膜表面，减小膜面对溶质的吸附
desalination membrane.
4
浓差极化引起的稳态条件下的浓度分布
5
? 在稳定状态下，被脱除（截留）组分浓度分布和易 渗透组分的浓度分布情况。
（a）截留组分的浓度分布 （salt in desalination of
water by reverse osmosis)
（b）易渗透组分的浓度分布 （water in dehydration of ethanol by pervaporation)
① 选择合适的膜组件结构； ② 加入紊流器； ③ 料液横切流向设计； ④ 料液脉冲流动； ⑤ 螺旋流； ⑥ 提高流速； ⑦ 适当提高进料液温度以降低粘度，增大传质系数。
9
增加湍流，减小边界层厚度以减小浓差极化
膜浓缩加大，浓差极化加大
膜通量加大，浓差极化加大
溶质扩散系数增大，浓差极化减少
10
湍 流 强 化 器