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1、第四章極化現(xiàn)象和膜污染4.1前言4.2壓力驅(qū)動(dòng)膜過程中的濃差極化4.3膜污染4.4膜的清洗在膜分離實(shí)際應(yīng)用中，膜的性能隨時(shí)間而變化，如通量減小，脫除率下降等，這主要是由于濃差極化和膜污染引起的。4.1前言濃差極化和膜污染是膜反應(yīng)過程中最重要的兩個(gè)理論問題。認(rèn)識(shí)和掌握其發(fā)生機(jī)理，提出降低它們的具體措施，對(duì)膜分離過程是十分重要的。微濾和超濾，通量下降非常嚴(yán)重，實(shí)際通量通常低于純水通量的5%。對(duì)氣體分離和全蒸發(fā)，通量下降問題則不嚴(yán)重。造成通量衰減的原因有許多，如濃差極化、吸附、凝膠層的形成及孔的堵塞。所有這些因素都對(duì)原料側(cè)通過膜的傳遞增加了新的阻力。發(fā)生這些現(xiàn)象的程度取決于膜過程的種類及所使
2、用的原料液。壓力驅(qū)動(dòng)過程中各種傳質(zhì)阻力示意圖通量=推動(dòng)力/（粘度×總阻力）對(duì)微濾、超濾、納濾和反滲透等壓力驅(qū)動(dòng)的膜過程，可寫為通常濃差極化是一可逆過程，可改變?cè)O(shè)計(jì)和操作參數(shù)來降低和消除。膜污染通常是一個(gè)不可逆過程，可用加強(qiáng)預(yù)處理等手段來緩解，一旦污染，只能靠清洗來恢復(fù)部分膜性能。4.2壓力驅(qū)動(dòng)膜過程中的濃差極化4.2.1濃差極化在壓力驅(qū)動(dòng)膜過程中，由于料液中水（或小分子物）透過膜，而溶質(zhì)被膜阻留，使膜表面上溶質(zhì)的濃度升高。在濃度梯度作用下，溶質(zhì)從膜面向本體溶液反向擴(kuò)散，形成邊界層，使流體阻力和滲透壓增加，從而導(dǎo)致溶劑透過通量減小。當(dāng)溶劑向膜面流動(dòng)引起的溶質(zhì)向膜面流動(dòng)速度與由濃度梯度引起
3、的溶質(zhì)向本體溶液擴(kuò)散速率達(dá)到平衡時(shí)，在膜面附近形成一個(gè)穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)，膜表面濃度C2高于主體溶液濃度C1，這一區(qū)域稱為濃差極化邊界層，這一現(xiàn)象叫濃差極化；C2/C1叫濃差極化度。濃差極化為一可逆過程。4.2.2反滲透中濃差極化濃差極化度可據(jù)通過邊界層的傳質(zhì)平衡微分方程進(jìn)行積分并結(jié)合邊界條件來求得。穩(wěn)態(tài)下的積分傳質(zhì)方程為：圖4.1濃差極化引起的穩(wěn)態(tài)下的濃度分布由邊界條件：x=0，C=Cb，x=δ，C=Cm擴(kuò)散系數(shù)D與邊界層厚度δ之比稱為傳質(zhì)系數(shù)k:如引入本征截留率方程：則可得到濃差極化數(shù)：當(dāng)溶質(zhì)被完全截留時(shí)：這是關(guān)于濃差極化的基本方程，它以簡(jiǎn)單的形式表明了與濃差極化有關(guān)的兩個(gè)參數(shù)（通量
4、J與傳質(zhì)系數(shù)k）以及決定這兩個(gè)參數(shù)的因素（通量與膜有關(guān)，傳質(zhì)系數(shù)與流體力學(xué)狀態(tài)有關(guān)）。濃差極化的后果：一種可能是截留率會(huì)下降：由于膜表面處溶質(zhì)濃度增高，實(shí)測(cè)的截留率會(huì)低于真實(shí)或本征截留率。當(dāng)溶質(zhì)為鹽等低分子量物質(zhì)時(shí)通常如此。另一種可能是截留率上升：對(duì)于大分子溶質(zhì)混合物，尤其會(huì)出現(xiàn)這種現(xiàn)象，此時(shí)濃差極化對(duì)選擇性有顯著影響，被完全截留的高分子量溶質(zhì)會(huì)形成一種次級(jí)膜或動(dòng)態(tài)膜，從而使得小分子量溶質(zhì)的截留率提高。通量降低：通量和傳質(zhì)系數(shù)對(duì)濃差極化影響很大。對(duì)于所選用的膜，一旦膜待定，則這個(gè)參數(shù)不再變化，而傳質(zhì)系數(shù)明顯地受體系流體力學(xué)的影響。傳質(zhì)系數(shù)關(guān)聯(lián)式一般可表示為：影響傳質(zhì)系數(shù)k的主要因素是有
5、流速、溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)、粘度、密度和膜器的形狀和規(guī)格。在這些參數(shù)中，流速和擴(kuò)散系數(shù)是最重要的。膜過程濃度分布（a）壓力驅(qū)動(dòng)膜過程的濃度分布（2）擴(kuò)散傳遞情況下的濃度分布濃差極化對(duì)不同膜過程的影響由于許多系統(tǒng)使用湍流強(qiáng)化器，會(huì)影響傳質(zhì)系數(shù)。如在反引用、納濾中使用的卷式膜器，在原料腔室的膜之間放有間隔器（spacer），因而使傳質(zhì)系數(shù)增大，并且使壁面處濃度減小。傳質(zhì)系數(shù)可由如下Sherwood關(guān)系式純水通量與膜兩側(cè)的壓差成正比。當(dāng)水中加入溶質(zhì)（溶質(zhì)分子量比相對(duì)應(yīng)的膜孔大的情況）以后，壓力增加，通量也增加，但當(dāng)達(dá)到某一有限壓力后，通量不再隨壓力增大而增大，最大通量稱為極限通量，該通量取決于原料主
6、體濃度和傳質(zhì)系數(shù)。純水和有溶質(zhì)條件下的通量隨壓差的變化4.2.3超濾中濃差極化—凝膠極化超濾過程中，大分子溶質(zhì)在進(jìn)料膜側(cè)表面不斷積累，最后在膜表面形成凝膠層，如圖7-2所示。過程微分方程為：圖7-2超濾凝膠極化模型據(jù)邊界條件x=0，C=Cb，x=δ，C=Cg，進(jìn)行積分得其中，Js溶質(zhì)通量，Jlim透過通量，D溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)Cb主體濃度，Cg凝膠層濃度，δ極化層厚度k傳質(zhì)系數(shù)4.2.4濃差極化的危害濃差極化使膜表面溶質(zhì)濃度增高，引起滲透壓的增大，從而減小傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力。當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到其飽和濃度時(shí)，會(huì)在膜表面形成沉積或凝膠層，增加透過阻力。膜表面沉積層或凝膠層的形成會(huì)改變膜的分離特性。當(dāng)有
7、機(jī)溶質(zhì)在膜表面達(dá)到一定濃度時(shí)有可能對(duì)膜發(fā)生溶脹或溶解，惡化膜的性能。嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)行惡化。4.2.5濃差極化的防治由濃差極化形成的原理知，減小濃差極化邊界界層厚度，提高溶質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)，均可減少濃差極化，提高膜的透液速度。主要的防治途徑有：加強(qiáng)進(jìn)料的預(yù)處理選擇合適膜組件：組件結(jié)構(gòu)；加入紊流器；料液橫切流向設(shè)計(jì)；螺旋流。合理的過程設(shè)計(jì)：料液脈沖流動(dòng)；提高流速；合適的操作參數(shù)的選擇：適當(dāng)提高進(jìn)料液溫度以降低粘度，增大傳質(zhì)系數(shù)等
