第十六章膜污染与污染的控制课件

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,膜污染与污染的防止,膜污染与污染的防止,内容摘要,（一）概述,（二）膜污染的分类,（三）膜污染的机理与模型,（四）膜污染的控制,（五）膜清洗,内容摘要（一）概述（二）膜污染的分类（三）膜污染的机理与模型,一些术语,膜污染：指处理物料中的微粒、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,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。,一些术语膜污染：指处理物料中的微粒、胶体粒子或溶质大分子由渗,Cw,Cp,Cb,二、浓差极化和膜污染,1.,浓差极化现象,D,c,x,J,在膜分离过程中，由于膜的选择透过,性，被截留组分在膜上游侧的表面累积形成,浓度边界层，这种现象称浓差极化。,当膜表面被截留组分浓度增加时，引起：,该组分透过膜的流量也会增加,导致界面处渗透压升高，膜过程推动力下降,局部浓度增高，有可能使某些溶质达到饱,和，出现晶析层积或形成凝胶层附着于,图,1,膜,表面,CwCpCb二、浓差极化和膜污染DcJ在膜分离过程中，,从边界层的物科衡算可得到下列方程,JC,=,JCp,+,D,dc,dx,x,=,0,时,c,=,c,b,x,=,时,c,=,c,w,解得,c,w,c,b,J,=,exp,K,其中,K,=,D,（传质系数）,c,w,c,b,称浓差极化比，它的值越大，表明浓差极化程度越厉,害，对膜分离过程越不利。,J,越大，浓差极化越严重，而传质系数,K,越大，浓差极化比降低。,从边界层的物科衡算可得到下列方程JC=JCp+Ddc,2.,膜污染,污染原因：处理物料中的微粒，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,在膜表面或膜孔内吸附，沉积而造成膜孔径变小或堵,塞，使膜产生通透性与分离特性不可逆变化的现象。,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,图,2,2.膜污染 污染原因：处理物料中的微粒，胶体粒子或溶质,2,以牛血清白蛋白和葡萄糖为代表物，以聚砜膜为对象研究污,染情况,蛋白质结构：,0,H,3,N,+,-,多肽,-C-NHCHC0,-,R,牛血清白蛋白分子量,69293,，一共,607,个氨基酸残基，其中含,35,个半胱氨酸，有,17,对半胱氨酸形成分子内,=,硫键,葡聚糖的结构为：,O-CH,2,H,H,OH,OH,H,O-CH,2,H,O,H,H,H,OH,OH,H,O-CH,2,H,O,H,H,OH,OH,H,H,O,H,O-CH,2,n,H,2以牛血清白蛋白和葡萄糖为代表物，以聚砜膜为对象研究污蛋白,通过光电子能谱法研究聚砜膜表面吸附牛血清白蛋白或葡聚,糖的情况发现，在聚砜上吸附的,BSA,的谱线上出现,+4,价,S,无素的吸,收峰，表明出现了电子转移的化学吸附。,COOH,CH,3,O,NH,2,H,C,O,S,O,n,CH,2,SH,半胱氨酸,50,40,30,20,10,0,l/h.m,CH,3,聚砜,葡聚糖,10g/e,BSA0.8g/e,O,t(min),0,10,20,30,40,50,图,3,通过光电子能谱法研究聚砜膜表面吸附牛血清白蛋白或葡聚COO,),2,膜污染模型,已经提出的膜污染模型有滤饼模型、孔堵塞模型和,凝胶模型,a.,滤饼模型认为膜过滤阻力由滤饼阻力和膜阻力,组成,J,=,R,f,=,p,(,R,m,+,R,f,180,(,1,),2,m,d,0,3,)2 膜污染模型J=p,dn,dt,e,+,b.,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,R,m,，孔被 堵塞的膜阻为,R,bm,，则有,J,0,=,p,R,m,J,b,0,=,p,R,bm,膜孔堵塞速率,J,=,block o,C,o,n,n,o,可以推出,n,=,n,o,e,t,J,=,p,t,p,R,m,R,bm,(,1,e,t,),=,0.75,J,o,C,o,p,dndte +b.孔堵塞模型是用粒子对膜孔的堵塞来解释,图,5,膜污染控制,a.,膜材料选择：膜的亲疏水性，荷电性对膜的耐污,染性有影响,pH,值对,LFCI,膜及传统复合膜表面电位的影响,图5 膜污染控制a.膜材料选择：膜的亲疏水性，荷电性对,图,6,给水表面活性剂对,LFCI,膜及传统复合膜的污染影响,图6 给水表面活性剂对LFCI膜及传统复合膜的污染影响,图,7,图7,表,1,低污染反渗透膜基本性能及应用,表1 低污染反渗透膜基本性能及应用,L.,阻垢和杀菌,颗粒污染,予过滤、絮凝、沉,降分离等,微生物污染,杀菌,化学污染,阻垢剂,胶体污染,分散剂,L.阻垢和杀菌 颗粒污染 予过滤、絮凝、沉降分离,L.,膜清洗,根据膜材料和污染物组成选择清洗剂,物理清洗：等压清洗、反洗、气水双洗、海棉,球擦洗,化学清洗：碱、酸、酶、络合剂、表面活性剂,膜的养护,a.,运行中的养护：阻垢、杀菌、防氧化、防污染,b.,停运时养护：清洗、防腐、防冻,L.膜清洗 根据膜材料和污染物组成选择清洗剂 物理清洗,超声时域反射技术（,UTDR,）,式中，,p,i,为人射纵,波声压振幅；,p,r,为,反射纵波声压振幅,；,Z,为声阻抗率,1,，,2,表示界面两边,的介质,超声时域反射技术（UTDR）式中，pi为人射纵反射纵波声压振,在过去的十年间，美国、南非以及国内相继进,行了超声波监测技术应用于膜分离过程的研究。研究,通过对不同膜过程（包括微滤、超滤、反渗透）、不,同的膜组件（包括平板膜、中空纤维膜、卷式膜）和,不同的污染物（包括无机，有机和蛋白质胶体）的研,究，结果显示这种实时、在线的超声时域反射法,（,Ultrasonic time-domain reflectometry-UTDR,）可,以利用它的反射波的振幅和回声抵达超声传感器的时,间来监测膜污染、浓差极化与清洗过程。也可以用来,测量膜的压紧度，膜污染层厚度以及挤压性等。尽管,这些研究提供了关于膜污染检测和膜污染机理的非常,重要的信息，但超声时域反射法在工业膜，特别是工,业卷式膜上的应用研究还,是较为鲜见且不成熟的。,在过去的十年间，美国、南非以及国内相继进行了超声波监测技术应,实验装置及其原理图,实验装置及其原理图,超声探头在反渗透膜组件上的位置,40 cm,纯水,10.7 cm,膜组件,原水,浓水,60 cm,超声探头在反渗透膜组件上的位置10.7 cm膜组件原水浓水,振幅,体现位置的到达时间大,约为,4.8910E,5,超声监测结果,4.00,3.00,2.00,1.00,0.00,-1.00,-2.00,-3.00,中心管反射在波形图上,中心管反射在波形图上,体现位置的到达时间大,约为,4.8910E,5,5.8610E,5,秒,5.8610E,5,秒,0.00E+00,2.00E-05,4.00E-05,6.00E-05,8.00E-05,1.00E-04,1.20E-04,到达时间（,s,）,振幅体现位置的到达时间大约为4.8910E5超声监测结,膜的剖析,膜的剖析,结,论,超声波能够穿透辨别卷式膜多层结构及膜层变化。,膜组件里的卷式膜位置并非固定不变的，在不,同的实验条件下会产生位置上的变化。如从干,膜变成湿膜，以及膜湿度不同，压力，及污染,状况都会使膜位置发生径向上的变化。,反渗透膜通量及截留率随着膜污染的加重而下降。,超声波能够监测到膜污染沉积过程，其过程和污染,物分布状况可以通过对超声波形及其模拟信号,的分析达到量化的目的。而且超声检测结果与,膜性能（膜通量、截留率）有着很好的对应关,系。,超声波可以监测到膜清洗效果，随着膜的清洗过,程，膜通量恢复，超声波形也得到恢复。,结论超声波能够穿透辨别卷式膜多层结构及膜层变化。,