膜与膜过程第四章浓差极化与膜污染.ppt

dC



0
1 Ds
dx
ln Cb Cp Jw
Cm Cp Ds
Cb Cp exp Jw
Cm Cp
Ds
扩散系数D与边界层厚度δ之比称为传质系数k: k D
如引入本征截留率方程：
Robs
1 cp cm
则可得到浓差极化数： cm
exp J k
cb
第四章 极化现象和膜污染
➢ 4.1 前言 ➢ 4.2 压力驱动膜过程中的浓差极化 ➢ 4.3 膜污染 ➢ 4.4 膜的清洗
4.1 前言
在膜分离实际应用中，膜的性能随时间而变化，如 通量减小，脱除率下降等，这主要是由于浓差极化 和膜污染引起的。
浓差极化和膜污染是膜反应过程中最重要的两个理 论问题。认识和掌握其发生机理，提出降低它们的 具体措施，对膜分离过程是十分重要的。
1. 微滤和超滤，通量下降非常严重，实际通量通常 低于纯水通量的5%。
2. 对气体分离和全蒸发，通量下降问题则不严重。
造成通量衰减的原因有许多，如浓差极化、吸附、 凝胶层的形成及孔的堵塞。所有这些因素都对原料 侧通过膜的传递增加了新的阻力。发生这些现象的 程度取决于膜过程的种类及所使用的原料液。
通量=推动力/（粘度×总阻力）
➢ 加强进料的预处理 ➢ 选择合适膜组件：组件结构；加入紊流器；料
液横切流向设计；螺旋流。 ➢ 合理的过程设计：料液脉冲流动；提高流速； ➢ 合适的操作参数的选择：适当提高进料液温度
以降低粘度，增大传质系数等。
4.3 膜污染
4.3.1 定义
膜污染是指处理物料中的微粒、胶体或溶质分子与膜 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、沉淀，造成膜孔径变小或堵塞，使膜的 透过通量与分离特性产生不可逆的变化现象。
Cp) Cp)

k
ln
Cg Cb
(当C p
0)
其中，Js溶质通量，Jlim透过通量，D溶质扩散系数 Cb主体浓度，Cg凝胶层浓度，δ极化层厚度 k传质系数
4.2.4 浓差极化的危害
➢ 浓差极化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。
➢ 当膜表面溶质浓度达到其饱和浓度时，会在膜表 面形成沉积或凝胶层，增加透过阻力。
纯水通量与膜两侧的压差成正比。 当水中加入溶质（溶质分子量比相对应的膜孔大的情况） 以后，压力增加，通量也增加，但当达到某一有限压力后 ，通量不再随压力增大而增大，最大通量称为极限通量， 该通量取决于原料主体浓度和传质系数。
纯水和有溶质条件下的通量随压差的变化
4.2.3 超滤中浓差极化—凝胶极化
Rabs

1
Rabs
exp

J k

当溶质被完全截留时： cm exp J
cb
k
这是关于浓差极化的基本方程，它以简单的形式表明了与 浓差极化有关的两个参数（通量J与传质系数k）以及决定 这两个参数的因素（通量与膜有关，传质系数与流体力学 状态有关）。
浓差极化的后果：
膜过程浓度分布
（a）压力驱动膜过程的浓度分布 （2）扩散传递情况下的浓度分布
浓差极化对不同膜过程的影响
由于许多系统使用湍流强化器，会影响传质系数。如在反 引用、纳滤中使用的卷式膜器，在原料腔室的膜之间放有 间隔器（spacer），因而使传质系数增大，并且使壁面处 浓度减小。传质系数可由如下Sherwood关系式
压力驱动过程中各种传质阻力示意图 对微滤、超滤、纳滤和反渗透等压力驱动的膜过程，可写为
J P
Re
➢ 通常浓差极化是一可逆过程，可改变设计和操作 参数来降低和消除。
➢ 膜污染通常是一个不可逆过程，可用加强预处理 等手段来缓解，一旦污染，只能靠清洗来恢复部 分膜性能。
4.2 压力驱动膜过程中的浓差极化
➢ 膜表面沉积层或凝胶层的形成会改变膜的分离特 性。
➢ 当有机溶质在膜表面达到一定浓度时有可能对膜 发生溶胀或溶解，恶化膜的性能。
➢ 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行 恶化。
4.2.5 浓差极化的防治
由浓差极化形成的原理知，减小浓差极化边界界层 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。主要的防治途径有：
➢通量降低：通量和传质系数对浓差极化影响很大。对于所 选用的膜，一旦膜待定，则这个参数不再变化，而传质系 数明显地受体系流体力学的影响。传质系数关联式一般可 表示为：
Sh kdh a Reb Scc de d
D
L
影响传质系数k的主要因素是有流速、溶质扩散系数、粘 度、密度和膜器的形状和规格。在这些参数中，流速和扩 散系数是最重要的。
➢ 超滤过程中，大分子 溶质在进料膜侧表面 不断积累，最后在膜 表面形成凝胶层，如 图7-2所示。
➢ 过程微分方程为：
Js

D
dC dx

J lim C
图7-2 超滤凝胶极化模型
据边界条件x=0，C=Cb，x=δ，C=Cg，进行积分得
J lim
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D

ln
(Cg (Cb
Cp) Cp)

k
ln
(Cg (Cb
➢ 4.2.1 浓差极化
➢ 在压力驱动膜过程中，由于料液中水（或小分 子物）透过膜，而溶质被膜阻留，使膜表面上溶 质的浓度升高。在浓度梯度作用下，溶质从膜面 向本体溶液反向扩散，形成边界层，使流体阻力 和渗透压增加，从而导致溶剂透过通量减小。当 溶剂向膜面流动引起的溶质向膜面流动速度与由 浓度梯度引起的溶质向本体溶液扩散速率达到平 衡时，在膜面附近形成一个稳定的浓度梯度区， 膜表面浓度C2高于主体溶液浓度C1，这一区域称 为浓差极化边界层，这一现象叫浓差极化；C2/C1 叫浓差极化度。浓差极化为一可逆过程。
➢一种可能是截留率会下降：由于膜表面处溶质浓度增高， 实测的截留率会低于真实或本征截留率。当溶质为盐等低 分子量物质时通常如此。
➢另一种可能是截留率上升：对于大分子溶质混合物，尤其 会出现这种现象，此时浓差极化对选择性有显著影响，被 完全截留的高分子量溶质会形成一种次级膜或动态膜，从 而使得小分子量溶质的截留率提高。
4.2.2 反渗透中浓差极化
浓差极化度可据通过边界层的传 质平衡微分方程进行积分并结合 边界条件来求得。稳态下的积分 传质方程为：
Js

Ds
dC dx

J wC

J wC p
由边界条件：x=0，C=Cb， x=δ，C=Cm
图4.1 浓差极化引起的 稳态下的浓度分布
Cp

Cm
1 Js JwC