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？
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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
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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。
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四、膜污染机理和模型
The mechanism and model of membrane fouling
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How to characterize membrane fouling? Filtration model 过滤模型
根据Darcy定律，过滤模型可得：
膜污染还可能由微生物在膜运行过程或停运中的繁殖和 积累造成
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膜污染
膜孔堵塞; 膜面的溶质吸附。
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Membrane fouling is one of crucial problems of membrane technology 膜污染是膜技术广泛应用的瓶颈
The hazard of membrane fouling ➢ 膜通量（分离效率）严重下降、产品质量下降
由于一般情况下扩散系数无法提高(只有改变温度才能改变)，因此只有通 过提高沿膜表面的原料流速和改变膜器构型或采用脉冲流动。
提高原料温度可以提高传质系数，因而也可以减少浓差极化(温度提高使
被截留溶质的扩散系数增大且原料粘度减小).但是提高原料温度会使通量
上升，这对分离系数会严生不利影响
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膜表面的电性及吸附引起的污染
第三阶段：超滤的长期通量降低 ----指超滤膜运行一定时间(几小时．几天．几周)后的长期通量降低。它与孔的堵塞、 膜表面的浓差极化现象，凝胶层形成及其固化等因素有关。
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可逆（Reversible）污染和不可逆（Irreversible）污染
可逆污染 : 它可通过流体力学条件的优化以及回收率的控制来减轻和改善 不可逆（Irreversible）污染 由膜表面的电吸附引起或由膜孔隙的机械堵 塞而引起。只能靠水质的预处理或通过抗污染膜的使用来缓解
②膜运行污染后的通量，即
P
J 0 Rm
③膜运行污染后，仅用清水洗一下，再测定其纯水透过量， 此时Rbl＝0，上式化简为：
根据J1、J2、J0值，并假定μ在测试过程中不变，即可求出Rm，Rbl，Rf 值在总阻力Rt中所占比例
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此部分自学…………..层模型 渗透压模型 边界层阻力模型
• 膜污染与浓差极化的概念不同，但二者密切相关，常常同时发生， 在许多场合，浓差极化是导致膜污染的根源。
• 微滤、超滤、纳滤以及反渗透膜均能发生污染，除了具有膜污染产生的共性原因， 每种膜污染又有自身的特点。
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可逆污染---不可逆污染
膜污染现象
膜在使用过程中，膜的性能(渗透通量，截留率等)通常随时间的延长而降低
(3)膜孔的堵塞与阻塞（pore block and pore plug） 由于被分离溶质(尤其是 大分子) 在膜表面或膜孔内产生吸咐或沉积，膜孔道的堵塞使膜通降低。
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超滤膜最易发生污染，以超滤膜为例阐述膜污染的形成。
第一阶段：纯水初始通量降低
什么叫纯水初始通量？
第二阶段：超滤的初始通量下降 -----原则上，这种通量下降是可逆的，其成因是因为浓差极化层的形成。可通过 降低料液浓度或改善膜料液侧的水力学条件来减轻。
减少浓差极化的方法
➢ 控制回收率：
装设湍流促进器-减小浓差极化
➢控制流态和流程
对流动施以脉冲
➢ 升温
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常见膜组件
动态膜组件
动态旋转膜组件
Chemical Engineering Journal 163 (2010) 307–316
提高错流速度以保证降低膜污染
Journal of Membrane Science 162 (1999) 199-211
产生的原因 • 进水中生物活性高 • 前处理不充分 • 系统间断操作 • 清洗的不彻底
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常见的污染物 - 2无机物结垢
• 导致TMP升高 • 减少膜进水侧隔网间隙 • 脱盐率下降 • 清洗不当可划伤膜表面
• 高碱度
• 高硬度或金属氧化物含量
• 高PH值
• 高回收率
• 加药系统不准确
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常见的污染物- 3化学污染
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一 膜污染定义 What is membrane fouling?
膜污染指料液中的微粒（或溶质大分子）在膜表面或膜 孔内吸附、沉积造成膜孔径变小或堵塞，使膜产生渗透通量 与分离特性的不可逆变化现象。
物理污染包括膜表面的沉积，膜孔内的阻塞，这与膜孔结 构、膜表面的粗糙度、溶质的尺寸和形状等有关。
化学污染包括膜表面和膜孔内的吸附，这与膜表面的电荷 性、亲水性、吸附活性点及溶质的荷电性、亲水性、溶解度 等有关。
凝胶层的通量
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凝胶层模型
模型优缺点
优点： 可解释浓差极化理论和超滤极限通量行为 缺点： •凝胶浓度视为常数，实际上不是（文献证明）-取决于主体浓度及错流速度 •对于同一溶质，不同作者报导的凝胶浓度值相差很大 •k被假设为常数，而大分于溶质的扩散系数经常是与浓度有关的 •蛋白质较容易形成凝胶，但许多其他大分子溶质（葡聚糖），即使在很高 的浓度下也不容易形成凝胶
……
目前还没有一个可用于估算膜污染性质和程度的通用规则
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滤饼模型-认为膜过滤阻力由滤饼阻力和膜阻力组成
J
p
Rm
Rf
Rf
1801 2
d02 3
m
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孔堵塞模型-是用粒子对膜孔的堵塞来解释渗透通量的下降。 通量由未堵孔和被堵孔的通量提供。 干净膜的膜阻为Rm，孔被 堵塞的膜阻为Rbm，则有
J0
浓差极化小结The summary of concentration polarization
浓差极化不仅导致传质速率降低，也导致分离效率降低。
对于压力驱动型膜过程来说，浓差极化与传质系数有直接关系，影响传 质系数的主要因素是原料流速、溶质扩散系数D、粘度、密度、膜器的 形状和规格等
在微滤和超滤过程中，被截留下来的大分子或悬浮颗粒的扩散系数比反 渗透、气体分离及渗透汽化过程所截留组分的扩散系数要小，因此在微 滤和超滤过程中浓差极化很严重
该模型可描述极限通量行为 压差增大-通量上升-膜表面处浓度上升-导致渗透压上升 所以压力的增高会(部分地)被渗透压增大而抵消
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边界层阻力模型
浓差极化现象导致膜表面处浓度增加 如溶质分子被膜完全截留，稳态条件下溶质分子通过对流流向膜表面的量=反向 扩散回原料主体的量 因此，100％截留时边界层中溶质分子的平均速度为零 由于浓度增加．边界层对渗透着的溶剂分于产生流体力学阻力 溶剂通量可用一个阻力模型表示，
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三 膜污染的形成：
致使膜通量下降的主要原因
(1)浓差极化(concentration polarization) 使膜面上溶质的局部浓度增加，边界 层流体阻力增加(或局部渗透压的升高)，使传质推动力下降和通量降低。
(2)凝胶层的出现及其固化 (gelation)在低流速，高溶质浓度下，浓差极化使 膜面达到或超过溶质饱和溶解度时，将有凝胶层出现 ----导致膜的透过量不依赖于所加压力，引起膜通量的急剧降低。浓差极化的严 重恶化会导致凝胶层的出现和固化 。
• 产水量下降, 脱盐率下降 • 阳离子物质过量或进水中有油类
化学污染产生的原因 • 前处理絮凝剂加入过量 • 化学品互不兼容 • 清洗用化学品不适合
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常见的污染物 - 4胶体
• 压差上升, 产水量下降
产生原因
• 进水水质较差 • 进水SDI值超出控制范围
淤泥密度指数（Silting Density Index, 简称SDI）值，是水质指标的重 要参数之一。它代表了水中颗粒、胶体和其他能阻塞各种水净化设备 的物体含量。
Inorganic fouling (CaSO4, CaCO3, BaSO4, silica) Organic fouling (NOM - protein & carbohydrate) Biofouling (the microbial attachment to membrane surface)
当反渗透膜带有电性时，不仅要考虑吸附作用，还应考虑电荷间的 相互作用
例如：CA膜和PAN膜都带有负电荷，后者的负电位比前者大5-6倍 当用这两种膜在相同条件下处理带正电荷的溶液时，后者的污染(吸 附)比前者严重得多 若处理带负电荷的溶液，后者的污染要比前者轻得多