8--浓差极化与膜污染.ppt
- 文档编号:30798534
- 上传时间:2023-10-09
- 格式:PPT
- 页数:36
- 大小:693.50KB
8--浓差极化与膜污染.ppt
《8--浓差极化与膜污染.ppt》由会员分享,可在线阅读,更多相关《8--浓差极化与膜污染.ppt(36页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
第八章,浓差极化与膜污染ConcentrationPolarization&Fouling,2,1.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。
3,压力驱动膜过程中各种传质阻力示意图,通量随时间变化趋势,4,Saltconcentrationgradientsadjacenttoareverseosmosisdesalinationmembrane.,5,浓差极化引起的稳态条件下的浓度分布,6,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。
(a)截留组分的浓度分布(saltindesalinationofwaterbyreverseosmosis),(b)易渗透组分的浓度分布(waterindehydrationofethanolbypervaporation),7,2.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。
8,浓差极化的影响,渗透汽化,k传质系数;J膜通量,9,3.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。
10,增加湍流,减小边界层厚度以减小浓差极化,膜通量加大,浓差极化加大,膜浓缩加大,浓差极化加大,溶质扩散系数增大,浓差极化减少,11,湍流强化器,Flowdynamicsaroundthespacernettingoftenusedtopromoteturbulenceinamembranemoduleandreduceconcentrationpolarization,12,13,极限通量(J)与原料主体浓度之间的对数值关系,浓差极化与凝胶形成,14,4.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。
污染也可定义为由于被截留的颗粒、胶粒、乳浊液、悬浮液、大分子和盐等在膜表面或膜内的(不)可逆沉积,这种沉积包括吸附、堵孔、沉淀、形成滤饼等。
15,通量随时间变化的趋势。
可以从中区别浓差极化和污染,造成通量持续下降的原因是膜的污染,16,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。
17,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,18,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),19,5.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),20,6.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,21,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),22,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,对膜材料的改性,23,7.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。
24,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,25,水力学清洗主要是反洗,只适应于MF膜和疏松的UF膜,即以一定频率交替加压、减压和改变流向。
经过一段时间后,渗透物反向流回原料侧以除去膜内或膜表面上的污染层。
反洗原理,26,在有和无反洗两种情况下MF过程通量随时间变化趋势示意图,27,机械清洗适用于MF/UF管式系统。
即在管状膜组件内放一些海绵球,海绵球的直径要比膜管的直径略大些,在管内用水力让海绵球流经膜表面,对膜表面的污染物进行强制性的去除。
该法对软质垢去除特别有效。
化学清洗这是减少膜污染的最重要方法,也是国内外膜应用研究中的一个热点,已有大量的清洗剂配方专利发表。
可采取的化学试剂很多,即可单独使用,也可以组合使用。
28,膜清洗剂所用化学试剂,酸(较强的如H3PO4,较弱的如乳酸、柠檬酸等)碱(NaOH、KOH)表面活性剂(碱性、非离子型)酶(蛋白酶、淀粉酶、葡聚糖酶等)络合剂(EDTA、聚丙烯酸酯、六偏磷酸钠)消毒剂(H2O2、NaOCl)蒸汽和气体(环氧乙烷)消毒,29,常见的污染物及其清洗方法,30,对于一些常用的高分子膜,根据其使用界限,往往使用多种化学清洗剂,常见的实施过程举例如下:
对于醋酸纤维素膜(pH2.58.5,50),其化学清洗过程为:
水漂洗酶清洗剂(P3-ultrasil53,1%,6090min)室温水洗酸洗(P3-ultrasil75,0.3%,20min)室温水洗过醋酸杀菌(P3-oxoniaaktiv,0.3%,20min)室温水洗。
对于聚砜膜(pH113,50),其化学清洗过程为:
水漂洗碱洗(P3-ultrasil11,0.5%1%,30min)室温水洗酸洗(P3-ultrasil75,0.5%,20min)室温水洗次氯酸杀菌(P3-ultrasil25,1%,20min)或过醋酸杀菌(P3-oxoniaaktiv,0.3%,20min)室温水洗。
31,对于聚丙烯腈膜(pH21,50),其化学清洗过程为:
水漂洗弱碱洗(P3-ultrasil30,1%,30min或P3-ultrasil10,1%,30min)室温水洗酸洗(P3-ultrasil75,0.3%,20min)室温水洗酸洗(P3-ultrasil75,0.5%,20min)室温水洗次氯酸杀菌(P3-ultrasil25,1%,20min)室温水洗。
对于聚酰胺膜(pH112,50),其化学清洗过程为:
水漂洗弱碱洗(P3-ultrasil30,1%,30min或P3-ultrasil10,1%,30min)室温水洗酸洗(P3-ultrasil75,0.5%,20min)室温水洗焦硫酸盐杀菌(P3-ultrasil200,0.5%,隔液浸泡)室温水洗。
32,电清洗这是一种十分特殊的清洗方法。
在膜上施加电场,则带电粒子或分子将沿电场方向迁移,通过在一定时间间隔内施加电场且在不必中断操作的情况下,从界面上除去粒子或分子,这种方法的缺点是需使用导电膜及安装有电极的特殊膜器,对膜和装置的要求较高。
33,膜灭菌的一般程序,34,RO膜的贮存,膜的贮存目标是防止微生物在膜面上繁殖及破坏,防止膜的水解、冻结和膜的收缩变形。
干法贮存膜的干化通常是先采用湿膜脱水剂进行湿膜的脱水处理,然后再干燥。
脱水剂的主要成分是甘油等多元醇、表面活性剂和杀菌剂等。
湿法贮存对于醋酸纤维素膜而言,0.5%的甲醛水溶液、5%的食盐水和醋酸的混合液,0.1%有硫酸铜水溶液以及醋酸醋酸钠混合水溶液等为常用的保存液。
为了防止膜的冻结,可以在保存液中加入适量甘油,调节保存液的pH值4.55;对于芳香聚酰胺类膜,参照CA膜,但一定要保证贮存液中没有游离氯。
35,NF膜的贮存,无论对于醋酸纤维素膜还是芳香聚酰胺膜都要防止膜的水解。
CA膜的两个主要因素是温度和pH值;对于PA膜则是pH值和水中游离氯的含量。
干法贮存为防止膜在干燥时收缩变形,一般需进行脱水处理,干燥的膜有制作膜组件粘接密封时,要比湿膜容易得多。
脱水剂的主要成分是甘油等多元醇、表面活性剂、杀菌剂等,为解决干膜发脆问题,可加入甘油或乙二醇处理。
湿法贮存配方之一:
20%甘油、0.0%甲醛水溶液,并用酸调节适宜的pH值。
36,UF/MF膜的保存,湿膜保存保存湿态膜最根本的一点就是要始终让膜面附有保存液,呈湿润状态。
配方之一:
水:
甘油:
甲醛(或硫酸铜)=79.5:
20:
0.5,还要注意溶液的pH值。
CA膜保存温度为540pH=4.55,非醋酸纤维素膜可放宽一些。
干法保存对于醋酸纤维素膜可用50%的甘油水溶液或0.1%的十二烷基磺酸钠(SDS)水溶液浸渍1h,然后进行干燥处理;对于聚砜膜可用0.2%SDS溶液浸泡56d,在湿度88%干燥;对聚砜酰胺膜用10%甘油、磺化油、聚乙二醇等溶液作为脱水剂,在室温下干燥。
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 极化 污染