膜与膜过程_第四章_浓差极化与膜污染(1)
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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。
J 当溶质被完全截留时： c m exp 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： 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。 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：
第四章 极化现象和膜污染
4.1 4.2 4.3 4.4
前言 压力驱动膜过程中的浓差极化 膜污染 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。
kd d Sh h a Reb Scc e D L
d
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。
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
m
来自百度文库
Cb C p Cm C p
exp
J w Ds
扩散系数D与边界层厚度δ之比称为传质系数k: 如引入本征截留率方程： Robs 1
cp cm
J exp k J Rabs 1 Rabs exp k
k
D
则可得到浓差极化数： c m
cb
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%。
对气体分离和全蒸发，通量下降问题则不严重。
2.
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）
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： 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。
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
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：
dC J s D J limC dx
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
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：
dC J s Ds J wC J wC p dx
由边界条件：x=0，C=Cb， x=δ，C=Cm
Cp
图4.1 浓差极化引起的 稳态下的浓度分布
Cb C p J w 1 1 dC dx ln Cm C p Ds C J s J wC 0 Ds
J lim
D
ln
(Cg C p ) (Cb C p )
k ln
(Cg C p ) (Cb C p )
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。 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。
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
P J 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
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
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。
J 当溶质被完全截留时： c m exp 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： 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。 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：
第四章 极化现象和膜污染
4.1 4.2 4.3 4.4
前言 压力驱动膜过程中的浓差极化 膜污染 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。
kd d Sh h a Reb Scc e D L
d
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。
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
m
来自百度文库
Cb C p Cm C p
exp
J w Ds
扩散系数D与边界层厚度δ之比称为传质系数k: 如引入本征截留率方程： Robs 1
cp cm
J exp k J Rabs 1 Rabs exp k
k
D
则可得到浓差极化数： c m
cb
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%。
对气体分离和全蒸发，通量下降问题则不严重。
2.
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）
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： 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。
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
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：
dC J s D J limC dx
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
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：
dC J s Ds J wC J wC p dx
由边界条件：x=0，C=Cb， x=δ，C=Cm
Cp
图4.1 浓差极化引起的 稳态下的浓度分布
Cb C p J w 1 1 dC dx ln Cm C p Ds C J s J wC 0 Ds
J lim
D
ln
(Cg C p ) (Cb C p )
k ln
(Cg C p ) (Cb C p )
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。 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。
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
P J 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
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
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。