第四章 膜污染
合集下载
膜与膜过程第四章浓差极化与膜污染课堂上课
膜污染与浓差极化有内在联系。但概念不同。
一旦膜与溶液接触，膜污染即开始。即由于膜与溶质之间 发生相互作用，产生吸附，开始改变膜的特性。
学习课堂
17
学习课堂
18
学习课堂
19
4.5.2 影响因素
1．膜的物化性质 ➢ 1)膜的亲水性和表面张力 （溶剂化作用，
氢键相互作用）
亲水性好的膜，膜表面与水成氢键，不疏水溶质接近 膜表面时，要打破这一氢键结合，这需能量，膜耐污染； 而疏水膜表面无氢键形成，疏水溶质接近膜表面时，挤开 水是一熵增大过程，易进行，则膜易被污染。
4.4.2 膜清洗方法和效果
➢ 物理法：主要有高流速水冲洗，气水反冲洗，海绵球机械 清洗，抽吸清洗，电脉冲清洗等。
➢ 化学法：主要有酸、碱、表面活性剂、络合剂、杀菌剂、 酶、氧化剂和其他添加剂等。
➢ 清洗效果：通量恢复，流程压差降减少等。
学习课堂
28
学习课堂
29
学习课堂
30
膜清洗效果的表征
➢ 通常用纯水透水率恢复系数r来表示
流速，回收率等）； ➢ 选择合适的进料的浓度，pH，温度，离子强度
等。
学习课堂
24
学习课堂
25
学习课堂
26
学习课堂
27
4.4 膜的清洗
4.4.1 膜清洗必要性和注意事项
➢ 必要性：消除污染物，使水通量恢复，使膜寿命延长，能 耗降低等。
➢ 注意事项：
1)膜的物化特性，如耐温，耐酸、碱，耐氧化等； 2)污染物特性，如种类，可溶解性，可氧化性，可酶解性 等。
学习课堂
20
➢ 2)膜的荷电性（静电作用力）
有些膜材料有极性基团或可离解基团， 与溶液接触后，由于溶剂化或离解作用使 膜表面带电，它与溶液中荷电溶质产生相 互作用。当二者所带电量相反时，则相互 吸引，则膜易被污染；当二者所带电量相 同时，则相互排斥，膜表面不易被污染。
内蒙古自治区农用薄膜污染防治条例
内蒙古自治区农用薄膜污染防治条例发文机关：内蒙古自治区人民代表大会常务委员会发布日期：2023.09.27生效日期：2023.ILOl文号：内蒙古自治区第十四届人民代表大会常务委员会公告第十二号内蒙古自治区第十四届人民代表大会常务委员会公告第十二号2023年9月27日，内蒙古自治区第十四届人民代表大会常务委员会第六次会议通过《内蒙古自治区农用薄膜污染防治条例》，现予公布，自2023年11月1日起施行。
2023年9月27日内蒙古自治区农用薄膜污染防治条例（2023年9月27日内蒙古自治区第十四届人民代表大会常务委员会第六次会议通过）第一章总则第一条为了有效防治农用薄膜污染，加强农用薄膜监督管理，保护和改善农业生态环境，促进农业绿色高质量发展，根据《中华人民共和国土壤污染防治法》《中华人民共和国固体废物污染环境防治法》等国家有关法律、法规，结合自治区实际，制定本条例。
第二条自治区行政区域内农用薄膜生产、销售、使用、何收、处理、再利用及其监督管理，适用木条例。
本条例所称农用薄膜，是指用于农业生产的地面覆盖的薄膜（以下简称地膜）和棚膜。
第三条农用薄膜污染防治应当坚持政府主导、源头治理、损害担责、市场运作、公众参与的原则。
第四条各级人民政府对本行政区域内农用薄膜污染防治负责，组织、协调、督促有关部门履行农用薄膜污染防治监督管理职责，实行农用薄膜污染防治目标责任制和考核评价制度。
第五条旗县级以上人民政府农牧主管部门负责农用薄膜使用、回收监督管理工作，指导建立农用薄膜回收、处理、再利用体系及回收网点，鼓励和指导有关单位和其他生产经营者依法收集、贮存、运输、利用、处置废旧农用薄膜，防止污染环境。
旗县级以上人民政府生态环境主管部门负责农用薄膜回收、处理、再利用过程中环境污染防治的监督管理工作。
旗县级以上人民政府市场监督管理部门负责农用薄膜产品质量监督管理工作，指导生产者和销售者建立生产、销售台账，依法查处生产、销售国家明令禁止或者不符合强制性国家标准的农用薄膜的违法行为。
膜污染及其控制
2、膜污染的影响因素
尽管目前在膜污染机制方面还没有达成共识，但对不同的具体环境下膜污染影响因素可归纳为以下3个方面：微生物特性、运行条件与膜自身的结构性质，如图1-3所示，这些都会直接影响膜污染。
图1-3膜污染影响因素
Fig.1-3 Influencing factor of membrane fouling
3.3膜材料的选择
膜的亲疏水性、荷电性会影响到膜与溶质间的相互作用大小，通常应选用孔径适合，孔隙率高，带有负电，亲水性的膜，自然憎水性的膜要进行膜面改性。膜面改性是在膜表面引入亲水基团，或用复合膜手段复合一层亲水性分离层，或用阴极喷镀法在膜表面镀一层碳[17]。J.Pieracci等研究表明，改性后的膜可以增加25%的膜通量，减少49%的生物污染[18]。目前，膜面改性和形成动态膜的防治技术应值得注意。
新近的研究发现微生物代谢产物包括胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)对膜污染有重要影响。EPS和SMP主要是微生物细胞分泌的黏性物质，成分复杂，包括多糖、蛋白质、脂类、核酸等高分子物质。一些学者认为EPS质量浓度与膜污染呈线性关系的，EPS减少40%，滤饼的流体阻力也相应地减少40%。Wontae Lee等发现膜污染与蛋白质比例呈正比，同时蛋白质的表面特性能影响微生物絮体的表面特性[4]。近年来，以SMP为主要成分的溶解性物质对膜污染的影响越来越引起人们的重视。分置式膜-生物反应器中，循环泵产生的剪切力对污泥絮体有较强的破坏作用，致使污泥絮体释放出大量的SMP等溶解性物质，从而增加了膜污染，形成了很大的膜过滤阻力。Wisniewski C等用微滤膜过滤城市污水处理厂的污泥，考察不同膜面流速下污泥粒径分布和溶解性物质对膜污染的影响时，得出了溶解性物质引起的膜污染几乎构成了50%的膜过滤阻力[5]。
尽管目前在膜污染机制方面还没有达成共识，但对不同的具体环境下膜污染影响因素可归纳为以下3个方面：微生物特性、运行条件与膜自身的结构性质，如图1-3所示，这些都会直接影响膜污染。
图1-3膜污染影响因素
Fig.1-3 Influencing factor of membrane fouling
3.3膜材料的选择
膜的亲疏水性、荷电性会影响到膜与溶质间的相互作用大小，通常应选用孔径适合，孔隙率高，带有负电，亲水性的膜，自然憎水性的膜要进行膜面改性。膜面改性是在膜表面引入亲水基团，或用复合膜手段复合一层亲水性分离层，或用阴极喷镀法在膜表面镀一层碳[17]。J.Pieracci等研究表明，改性后的膜可以增加25%的膜通量，减少49%的生物污染[18]。目前，膜面改性和形成动态膜的防治技术应值得注意。
新近的研究发现微生物代谢产物包括胞外聚合物(EPS)和溶解性微生物产物(SMP)对膜污染有重要影响。EPS和SMP主要是微生物细胞分泌的黏性物质，成分复杂，包括多糖、蛋白质、脂类、核酸等高分子物质。一些学者认为EPS质量浓度与膜污染呈线性关系的，EPS减少40%，滤饼的流体阻力也相应地减少40%。Wontae Lee等发现膜污染与蛋白质比例呈正比，同时蛋白质的表面特性能影响微生物絮体的表面特性[4]。近年来，以SMP为主要成分的溶解性物质对膜污染的影响越来越引起人们的重视。分置式膜-生物反应器中，循环泵产生的剪切力对污泥絮体有较强的破坏作用，致使污泥絮体释放出大量的SMP等溶解性物质，从而增加了膜污染，形成了很大的膜过滤阻力。Wisniewski C等用微滤膜过滤城市污水处理厂的污泥，考察不同膜面流速下污泥粒径分布和溶解性物质对膜污染的影响时，得出了溶解性物质引起的膜污染几乎构成了50%的膜过滤阻力[5]。
第四章 膜技术
3）控制蒸发沉淀
控制蒸发沉淀是将聚合物溶解在一个溶剂 和非溶剂的混合物中（这种混合物作为聚合物 的溶剂）。由于溶剂比非溶剂更容易挥发，所 以蒸发过程中非溶剂和聚合物的含量会越来越 高，最终导致聚合物沉淀并形成带皮层的膜。
4）热沉淀
把溶于混合溶剂或单一溶剂的聚合物溶液 冷却而导致分相。溶剂的蒸发通常形成带皮层 的膜。
第四章 膜技术及其应用
第一节 膜技术简介 膜技术是一种新兴技术，由于其多学科的特点， 膜技术已经成为工业上气体分离、水溶液分离、化学产 品和生化产品的分离和纯化的重要过程。然而，对不同 分离过程之间作比较是很困难的。目前膜过程已广泛用 于许多领域并不断扩展。膜技术的优点可以概括为： 可实现连续分离； 能耗通常较低； 易与其它单元操作过程结合（联合过程）； 易于在温和条件下实现分离； 易于放大； 膜的性能可以调节； 不需要添加物。
2、拉伸法制膜
这种方法是将部分结晶化聚合物材料（聚 四氟乙烯、聚丙烯、聚乙烯）挤压成膜，然后 沿垂直于挤压方向拉伸，使结晶区域平行于挤 压方向。在机械应力作用下，会发生小的断纹， 从而得到多孔结构。膜孔径范围0.1μm ~3μm。 只有结晶化或半结晶化材料适合此制膜工艺， 制得的膜的孔隙率高达90%。
膜的பைடு நூலகம்义
膜从广义上可以为两相之间的一个不连续区间。 这个区间的三维量度中的一度和其余两度相比 要小很多。膜一般很薄，厚度从几微米、几十 微米至几百微米之间。而长度、厚度则以米计。 膜可以是固相、液相、甚至是气相，其中以固 体膜应用最广。气体原则上可构成膜，但应用 及研究少之又少。
2、渗透通量
单位时间内通过单位膜面积的组分的量称 为该组分的渗透通量，其定义式如下： Ji=Mi/(A· t) 式中：Ji-----渗透通量，g/(m2· h) Mi----组分i的透过量，g A-----膜的面积，m2 T------操作时间，h 渗透通量与组分的性质、膜的结构性质以 及温度、压力、原液组成和流动状态等操作条 件有关。
膜污染简介及解决方案_2023年学习资料
2.上面讲到TMP对膜污染的影响很大，因此，针对不同-的MBR运行状况，测量出临界膜通量或临提高膜通量的-有效方法。需要注意的是，临第膜通量或临界MP通-常都由短期 验测得，而MBR在长期运行时会发生短-期实验中并不明显的轻度膜污染的积累，因此系统即使-在临界值以下运行， 终也会出现TMP骤增或膜通量-骤减的情况。此外，MBR运行的起始膜通量或起始-TMP也对膜污染有一定的影响 尽量选择低的起始膜-通量或起始TMP有利于膜污染的减轻。在BR的运行-中，膜面附近的错流能够在一定程度上弱 粒子向膜-面沉积的趋势，减缓膜污染的发生。对手浸没式膜牛物-反应器SMBR,膜面附近流体的紊乱程度由曝-决 ，而对于错流式膜生物反应器CMBR,膜面附-近的水力状态由错流速率CFV决定。在一定范围内-使用较大的曝气 或CFV能有效改善膜污染。
3.MBR操作条件的影响-1TMPs膜驱动力存在一临界值，当操作压力-低于临界压力时，膜通量随压力的增加而 大；而高-子此值会引起膜表面污染的加剧，膜通量随压力的-增大变化不大，临界操作压力随膜孔径的增大而减小。曝气量的增加能在膜表面形成较大错流速度，使-污染物不易在膜表面积累，还可以加快污染物在膜-表面的脱离。但曝 量过大有可能会导致污泥混合物-粒径减小和小污泥颗粒增多，导致膜孔堵塞，同时会-增加能耗-3膜通量对膜污染有 大的影响-临界区运行-时，TMP保持稳定，膜污染速度较缓慢污染是可逆-污染。临界区运行，系统可以在低污染率 稳定运行-一段时间，操作压力线性缓慢增长，最终变得迅速-进入超临界区，TMP增加且不稳定，形成部分不可-逆 染
在膜生物反应器运行过程中，造成膜污染的直接物质-来源是反应器中活性污泥和废水的混和液，成分主要-是活性污泥 的微生物菌群及其代谢产物；废水中的-大、小有机分子、溶解性物质和颗粒等。膜污染的形-成机理分为：-1.膜孔 塞污染：小于膜孔径的颗粒物质在膜孔中吸附-通过浓缩、结晶、沉淀及生长等作用使膜孔产生不同-程度的堵塞，造成 污染。膜孔堵塞造成膜的有效过-滤面积减小。膜过滤面积的减少速度与膜通量成正比。-2.虑饼污染：混合液中的悬 物、胶体物质及微生吻等-大分子物质被膜拦截，通过吸附、架桥、网捕等作-结合在一起，在膜表面沉积形成沉积层， 低膜通量-造成膜污染。膜过滤阻力的增加主要由于滤饼层的积-累所造成
第四章 膜污染及控制
极大降低膜分离过程对循环流量的依赖 有效地将压力和循环流量进行解耦合
动态旋转膜
DYNO filter (Bokela)
Optifilter CR （Metso paper）
Rotary Membrane System (Spin TeK)
• 动态旋转膜是一种新型膜分离工艺，具有抗污染、低能耗、高通量等优点，已经成功 应用于高浓度乳品废水、含油废水等复杂料液体系的分离。
μ为溶液粘度；Rm为膜阻力；Rbl为浓差极化边界阻力；Rf为膜污染产生的 阻力； Rt(膜过程的总阻力)=Rm+Rbl+Rf ，串联阻力模型
如何定量测定各阻力？
22
串联阻力模型
目前主要采用阻力系数法定量地表征膜污染程度，基本步骤如下：
①测定膜的初始纯水透过量 由于此时Rbl＝Rf＝0，根据上式可知
•凝胶的形成可以是可逆的或不可逆的 这对于膜的清洗是十分重要的 不可逆凝胶很难除去-尽可能避免这种情况 •对于用凝胶层模型来描述通量行为-凝胶形成是否 可逆并不重要
27
浓差极化和凝胶形成
（凝胶层阻力Rg，膜阻Rm）
凝胶层模型
利用凝胶层模型可以描述极限通量的发生 假设溶质完全被膜截留则溶剂通过膜的通量随压力提高而增加，直到达到对应 于凝胶浓度的临界浓度 当压力进一步增加时，溶质在膜表面浓度不能进一步增加(因为已达最大浓度)， 所以凝胶层会越来越厚或越紧密 这表明，凝胶层对溶剂传递的阻力(Rg)增大-凝胶层成为决定通量的制约因素 在极限通量区域，压力增加使得凝胶层阻力增大，所以净的结果是通量不变( 此时忽略了大分于溶液的渗透压)
• 简述影响浓差极化的因素，或其危害。
20
四、膜污染机理和模型
The mechanism and model of membrane fouling
动态旋转膜
DYNO filter (Bokela)
Optifilter CR （Metso paper）
Rotary Membrane System (Spin TeK)
• 动态旋转膜是一种新型膜分离工艺，具有抗污染、低能耗、高通量等优点，已经成功 应用于高浓度乳品废水、含油废水等复杂料液体系的分离。
μ为溶液粘度；Rm为膜阻力；Rbl为浓差极化边界阻力；Rf为膜污染产生的 阻力； Rt(膜过程的总阻力)=Rm+Rbl+Rf ，串联阻力模型
如何定量测定各阻力？
22
串联阻力模型
目前主要采用阻力系数法定量地表征膜污染程度，基本步骤如下：
①测定膜的初始纯水透过量 由于此时Rbl＝Rf＝0，根据上式可知
•凝胶的形成可以是可逆的或不可逆的 这对于膜的清洗是十分重要的 不可逆凝胶很难除去-尽可能避免这种情况 •对于用凝胶层模型来描述通量行为-凝胶形成是否 可逆并不重要
27
浓差极化和凝胶形成
（凝胶层阻力Rg，膜阻Rm）
凝胶层模型
利用凝胶层模型可以描述极限通量的发生 假设溶质完全被膜截留则溶剂通过膜的通量随压力提高而增加，直到达到对应 于凝胶浓度的临界浓度 当压力进一步增加时，溶质在膜表面浓度不能进一步增加(因为已达最大浓度)， 所以凝胶层会越来越厚或越紧密 这表明，凝胶层对溶剂传递的阻力(Rg)增大-凝胶层成为决定通量的制约因素 在极限通量区域，压力增加使得凝胶层阻力增大，所以净的结果是通量不变( 此时忽略了大分于溶液的渗透压)
• 简述影响浓差极化的因素，或其危害。
20
四、膜污染机理和模型
The mechanism and model of membrane fouling
膜污染
膜污染
4 膜污染的分析技术
4.2.2成分分析 采用 X 射线光电谱（XPS）、红外光谱（IR）、等 离子发射光谱（ICP）、能量色散 X 射线光谱分析 （EDX）、紫外分光光度计等仪器分析手段 、傅立 叶红外光谱仪分析。 4.2.3在线监测 采用超声时域反射计可以进行膜污染的实时检测和 膜清洗的表征。
膜污染
3膜污染模型
根据膜污染的特征,一般可以用完全堵塞污染模型、滤饼 层过滤污染模型、标准堵塞模型和中间堵塞污染模型来 进行描述
膜污染
4 膜污染的分析技术
对膜污染的分析方法包括宏观和微观两个方面: 在宏观上，通过研究过滤过程中的水质、膜通 量和各种过滤阻力的变化，分析得到通量（或跨膜 压差）的变化规律。 在微观上，通过研究污染膜（物）的成分、形 态、分布等，从而对膜污染的机理和进程加以解释 和分析。微观上对膜污染的研究，需要通过各种必 要的仪器分析测试手段加以实现。
膜污染
2.2 溶解性有机物质
溶解性有机物是 MBR 膜在抽吸过程中出现浓差 极化现象的重要原因之一 ,反应器污水中自身的溶 解性高分子有机物、大分子的微生物可溶性代谢 产物都容易通过浓差极化作用而在膜表面形成凝 胶层 ,或被膜内的微孔表面所吸附或结晶 , 堵塞孔 道, 使膜通量减少。
膜污染
2.3 微生物污染
膜污染
4.3扫描电镜
膜污染
5 膜污染的影响因素
5.1膜和组件的特性 膜的孔径、材质、表面电荷、粗糙度及亲疏水性和膜构型 5.2微生物特性 微生物组成、微生物参数及絮体特性 5.2操作运行条件
膜污染
6 膜污染的防治
6.1膜污染的控制 1提高膜性能 2优化运行条件 3调控混合液的特性 4优化膜清洗 6.2膜污染的清洗 1物理清洗 指曝气冲洗、高速水流清洗、气/水反冲洗、载体机械冲刷 等冲洗膜表面。方法主要有反冲洗和膜松弛（暂停过滤） 2化学清洗 方法很多，差别在于清洗剂的浓度和清洗方式不同。主要 的化学清洗剂为次氯酸钠和柠檬酸。
膜的污染及其控制方法
膜的污染及其控制方法膜污染是指在膜过滤过程中，水中的微粒、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，使膜产生透过流量与分离特性的不可逆变化现象［１］。
实际上，膜的可靠性是目前阻碍膜技术推广应用的关键之一，而污染问题又是影响其可靠性的决定性因素。
据调查，就超滤而言，污染仍是其主要问题，污染的消除将使超滤过程效率提高30%以上，使投资减少15%，而且能提高分离效果，使超滤范围拓宽［２］。
对膜污染种类及其成因的具体分析，将有助于采取合适的措施减弱或消除它的不良影响。
1 沉淀污染以压力为推动力的膜分离技术有反渗透(RO)，纳滤(NF)，超滤(UF)和微滤(MF)。
根据不同膜与水中微粒的相互关系［３］，可知沉淀污染对RO和NF的影响尤为显著。
当原水中盐的浓度超过了其溶解度，就会在膜上形成沉淀或结垢。
普遍受人们关注的污染物是钙、镁、铁和其它金属的沉淀物，如氢氧化物、碳酸盐和硫酸盐等。
设在溶液中有化学反应：x A y－＋y B x＋＝A x B y当不考虑盐类之间的相互作用时，溶度积K sp＝γx A［A y－］xγy B ［B x＋］y为常数。
其中，γA、γB为自由离子A和B的平均活度系数；［A］，［B］为溶液中的摩尔浓度；x，y为化学配比系数。
平均活度系数可用离子强度［I ］的函数来估测：logγA＝－0.509 Z A I1/2，logγB＝0.509 Z B I1/2；Z A、Z B为自由离子的化合价。
对稀溶液，如大多数天然水体，其活度系数γA、γB近似等于1。
如图1所示，进料液，浓缩液，渗透液浓度分别为C f，C r，C p。
图1 膜系统中不同位置的溶质浓度由阻截率知：R＝1－C p/C f(1)设系统回收率为r，由物料平衡，知：C f－(1－r)C r＝rC p(2)由式(1)，(2)可得：C r＝C f［1－r(1－R)］/(1－r)(3)由(3)式可以看出，浓缩液中截留盐浓度C r，随进水浓度C f，回收率r和截留率R的增加而增加。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
expJ(v
/
Km)
Cw/Cb称为极化模数（ polarization modulus）
.
浓差极化 - 凝胶层模型
滞流
Km
1.6
2(uD2 )0.33 dhL
湍流
Km 0.02(3ud00.8.2D00..4577) h
dh：当量水力直径， L：通道长度， u：平均流速，v为黏度
.
浓差极化 - 凝胶层模型
②浓度
在超滤中
凝胶层形成后
间歇操作：
Cb，Jw 透析过滤或连续操作：
CG膜面浓度
料液浓度Cb基本不变， Jw也不变。
Jv
Km
ln
CG Cb
.
②浓度
当以微滤过滤菌体时，通量
与浓度的关系不同于超滤。在 谷氨酸发酵液的微滤中， 开始通量下降很快，可能是 由于膜面的污染； 然后通量变化较小，可能由 于管状收缩效应引起通量的增 加和浓度增大引起的降低互相 对消； 最后通量急剧降低
.
膜污染原因
• 浓差极化 • 离子结垢 • 金属氧化物沉积 • 胶体物污染 • 生物污泥
.
膜两侧溶液传递理论
• 通量与系统操作参数和物理特征的函数： ①浓差极化-凝胶层模型（concentration Polarization-gel layer model） ②阻力模型（resistance model） ③管状收缩效应(Tubular Pinch effect)的影响
• 在边界层中取一微元薄层，对此微元薄 层作物料衡算。推导边界层形成后，通 量与Cw及Cb的关系。
.
浓差极化 - 凝胶层模型
浓差极化边界层中的浓度分布
Cw 微元薄层
Cb Ｊv C Cp
x 膜
.
浓差极化 - 凝胶层模型
随主体流动进入微元薄层的物质量应等于透过 膜的物质量与反扩散物质量之和，故有
JvCJvCp.克Fra bibliotek浓差极化的方法
浓差极化的减少
降低压力
降低膜表面的浓度
降低溶质在料液中的浓度
垂直于膜的混合
提高膜面粒子 反向传递
桨式混合器
静态混合器
排除膜表面 的浓集物
边界层减薄
机械清洗
增加流速
增加扩散 细的通道
.
短的液流周期
2 阻力模型
（resistance model）
边界层的形成对透过通量产生附加的传质阻力
Rc
WVt (P)
F
如果膜的阻力可以忽略，通量为
Jv
F(P)1
WVt
（对不可压缩滤饼，β＝0；对完全可压缩滤饼β＝1，通常在0.1～0.8之间，
W：单位体积料液中所含有的颗粒重量，Vt：到某一瞬间，滤液的总体积， F：膜面积， ：α为常数，与滤饼性质有.关。
3 管状收缩效应的影响
(Tubular Pinch effect)
.
在谷氨酸发酵液中的微滤中
黏 度
菌体浓度
③ 流速
• 根据浓差极化-凝胶层模型,流速增大,可使通量增大。 Jw＝Km lnCG/Cb Km＝D / 料液流速，，D，Km,使Jw。
• 对于超滤，通常在略低于极限通量的条件下操作。 在滞流时，直线的斜率为0.3； 而在湍流时，斜率为0.83。
• 在以微滤过滤菌体时， 斜率可在1.0～2.0之间。
第四章 膜污染
.
膜污染
• 膜污染是指与膜接触的料液中微粒、胶体粒子或溶 质大分子与膜发生物理、化学相互作用或因浓差极 化使某些溶质在膜表面的浓度超过其溶解度及因机 械作用而引起的在膜表面或膜孔内的吸附、沉积造 成膜孔径变小或堵塞,使膜产生透过流量与分离特 性不可逆变化现象。
• 膜污染引起的通量衰减，过滤压力增大,使得膜分 离效果进一步降低。
膜 Cp
Cw C
凝胶层
JvKmlnC Cw b KmllnC CG b Cb
Ｊv
x
在超滤中，当膜面浓度增大到某一值时，溶质成最紧密排列， 或析出形成凝胶层，此时膜面浓度达到极大值CG。
.
浓差极化 - 凝胶层模型的特点
• 凝胶层模型是在超滤中广泛使用的模型 • 很好的解释主体浓度变化效应、流体力学对通
• 在超滤和微滤中，处理的是高分子或 胶体溶液，浓度高时会在膜面上形成 凝胶层，增大了阻力而使通量降低。
.
浓差极化 - 凝胶层模型
• 当发生浓差极化后，膜面上浓度 Cw大于 主体浓度Cb，溶质向主体反扩散；
• 当溶质向膜面的流动速度与反扩散速度 达到平衡时，在膜面附近存在一个稳定 的浓度梯度区，这一区域称为浓度极化 边界层；
.
1 浓差极化
• 在分离过程中，料液中溶剂在压力驱动下透过膜，大分子 溶质被带到膜表面，但不能透过，被截留在膜的高压侧表 面上，造成膜面浓度，于是在膜表面与临近膜面区域浓度 越来越高，产生膜面到主体溶液之间的浓度梯度，形成边 界层，使流体阻力与局部渗透压增加，从而导致溶液透过 流量下降，同时这种浓度差导致溶质自膜反扩散到主体溶 液中，
• 人们发现，在胶体溶液的超滤或微滤中，实际通 量要比用浓差极化一凝胶层模型估算的要大。
• 原因就是－管状收缩效应 • 胶体溶液在管中流动时，颗粒有离开管壁向中心
运动的趋向，称为管状收缩效应。 • 由于这个现象，使膜面上沉积的颗粒具有向中心
横向移动的速度，使膜面污染程度减轻，通量增 大。
.
管状收缩效应
• 横向移动速度VL和轴向速度u的平方成正比，而和 管径r的立方成反比：
VL
u2 r3
• 因此处理浑浊液体时，窄通道超滤器是有吸引力 的。
.
影响膜过滤的各种因素
①压力 ②浓度 ③温度 ④流速 ⑤其它因素
.
① 压力
在错流操作中，两种压力差。 一种为通道两端压力差P=P1-P2 另一种为膜两侧平均压力差P0
p1
p2
P０
P t (P 1P 0) 2(P 2P 0)P 1 2P 2(以表压 ) 表
.
在反渗透中通量与截留率随压力的变化
留水 率通
量 或 截
截留率
水通量
△Ｐ .
在微滤和超滤中通量与截留率随压力的变化
1）未浓差极化（开始过滤）：
符合公式J＝P/Rm
Rm－膜阻力，常数 J与P呈线性关系。
2）浓差极化：
量的影响
缺陷：
• 凝胶层形成后通量与膜种类无关 • 凝胶层的浓度应为常数
.
浓差极化 - 凝胶层模型
•改善浓差极化对策：
提高膜面剪切力，减少边界层厚度，Km。 Km 与流速、液体黏度、通道的水力直径和长度有关
措施： ① 错流； ② 进料流速↑； ③ 湍流程度提高，设备改进：
a. 小型设备装搅拌； b. 装湍流促进器； c. 对料液施加脉冲，以不恒定的线速度进料; ④ 温度不要太低。
符合公式
Jv Km或lnJ＝CCwb P/(Rm＋Rs)
Cw、Cb同时增加；Rs随积聚层浓度增加而增大。
随P，J不呈线性。
3）形成凝胶层：符合公式 Jv Km l或n C CJ＝G b P/(Rm＋Rg)
P时，CG不变，Cb和Km增加；加速溶质沉积，导致Rg, 相互抵消，∴滤速基本不变。
结论：在凝胶层形成后，单纯. 提高外压，对滤速无帮助。
. 湍流: 0.83 滞流: 0.3
④流速
虽然增大流速有明显的优点，但需考虑：
只有当通量为浓差极化控制时，增大流速才会 使通量增加，
增大流速会使膜两侧压力差减小，因为流经通 道的压力降增大
增大流速，使剪切力增加，对某些蛋白质不利； 动力消耗增加。
.
此课件下载可自行编辑修改，此课件供参考！ 部分内容来源于网络，如有侵权请与我联系删除！
通量Jv表示成推动力和阻力之比：
Jv
p
(Rm Rc)
在超滤或微滤中，渗透压 可以忽略不计：
Jv
P
(Rm Rc)
反渗透中，通常不形成滤 饼，RC可以忽略：
Jv
P
Rm
.
Ｒc 膜面上滤饼的阻力计算
对于不可压缩滤饼， 根据Carman-Kozeny方程式，Rc可写成：
Rc
1
8
0(1 dc2
)2
3
c
对于可压缩滤饼、β滤饼的压缩性指数
• 这种膜面浓度高于主体浓度的现象称为浓差极化。
• 在膜分离过程中，浓差极化是经常发生的现象，是影响膜分离技术在 某些方面应用的瓶颈之一。
.
浓差极化
推动力
透过快的组分
透过慢的组分 膜
浓度极化示意图
.
浓差极化 进料
.
浓差极化
• 在反渗透中，膜面上溶质浓度大，渗 透压高，致使有效压力差降低，而使 通量减小。
DAdc dx
利用边界条件，当x＝0时，C=Cw；当x=δ时，C=Cb，将上式积分，并 得到
Jv
DAlnCw Cp
Cb Cp
令Km＝DA/δ为传质系数，上式成为
Jv KmlnCCwb CCpp
.
浓差极化 - 凝胶层模型
如果溶质完全被截留，Cp=0 上式就可以写成
或
Jv
Km
ln Cw Cb
Cw Cb