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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。 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。 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。 2. 浓差极化的危害 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，便会在膜表面形成沉或凝胶层，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有可能对膜发生溶胀或恶化膜的性能； 严重的浓差极化导致结晶析出，阻塞流道，运行恶化。 概括地说，就是分离效果降低，截留率改变，通量下降。 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： 选择合适的膜组件结构； 加入紊流器； 料液横切流向设计； 料液脉冲流动； 螺旋流； 提高流速； 适当提高进料液温度以降低粘度，增大传质系数。 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。 膜受到污染时，主要标志及症状： 水通量逐步下降（膜通量下降）； 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）； 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。 污染物种类 大致可分三类： 有机物 大分子、生物物质等。如蛋白质、脂肪、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。 无机物 盐类及无机胶体。如CaSO4、CaCO3、铁盐或凝胶、磷酸钙复合物等。 颗粒 反渗透（RO）过程中用于描述污染的参数： 淤积指数（SI） 堵塞指数（PI） 污染指数（FI）或淤积（泥）密度指数（SDI） 修正污染指数或膜过滤指数（MFI） 5. 影响膜污染的因素 粒子或溶质尺寸及形态 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) 膜的结构与性质 溶液特性(包括盐的种类与浓度、pH值、温度和粘度等) 膜的物理特性(包括膜表面粗糙度、孔径分布及孔隙率等) 操作参数(包括料液流速、压力和温度等) 6. 减少或防止膜污染的方法 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) 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) 膜孔径或截留分子量的选择(通过实验选择最佳孔径的膜) 膜结构选择（不对称结构膜较耐污染） 组件结构选择 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) 溶液中盐浓度的控制(以改变溶液的离子强度) 溶液温度的控制 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) 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 化学改性 有机物接枝膜改性 等离子聚合法 有机物嵌段共聚膜改性 离子移变凝胶膜 共混复合改性 溶剂化 7. 膜的清洗与再生 在任何膜分离技术应用中，尽管选择了较合适的膜和适宜的操作条件，在长期运行中，膜的透水量随运行时间增长而下降现象，即膜污染问题必然产生。因此，必须采取一定的清洗方法,使膜面或膜孔内污染物去除，达到透水量恢复，延长膜寿命的目的。 要考虑的因素有：膜的物化特性、污染物特性 膜的清洗频率可以通过过程的优化来确定。 清洗方法分成：水力学清洗、机械清洗、化学清洗、电清洗。 物理清洗 等压冲洗 静置浸泡加水力反冲洗 气-液脉冲 机械刮除 （包括海绵球机械擦洗） 电泳法 超声波清洗 水力学清洗 主要是反洗，只适应于MF