膜分離過程強(qiáng)

關(guān)于膜分離過程強(qiáng)第1頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2在膜分離實(shí)際應(yīng)用中，膜的性能隨時(shí)間而變化，如通量減小，脫除率下降等，這主要是由于濃差極化和膜污染引起的。濃差極化和膜污染是膜反應(yīng)過程中最重要的兩個(gè)理論問題。認(rèn)識(shí)和掌握其發(fā)生機(jī)理，提出降低它們的具體措施，對(duì)膜分離過程是十分重要的。第2頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3微濾和超濾，通量下降非常嚴(yán)重，實(shí)際通量通常低于純水通量的5%。對(duì)氣體分離和全蒸發(fā)，通量下降問題則不嚴(yán)重。造成通量衰減的原因有許多，如濃差極化、吸附、凝膠層的形成及孔的堵塞。所有這些因素都對(duì)原料側(cè)通過膜的傳遞增加了新的阻力。發(fā)生這些現(xiàn)象的程度取決于膜過程的種類及所使用的原料液。第3頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4通常濃差極化是一可逆過程，可改變?cè)O(shè)計(jì)和操作參數(shù)來降低和消除。膜污染通常是一個(gè)不可逆過程，可用加強(qiáng)預(yù)處理等手段來緩解，一旦污染，只能靠清洗來恢復(fù)部分膜性能。第4頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月51.濃差極化概述

在膜分離過程中，料液中的溶劑在壓力驅(qū)動(dòng)下透過膜，溶質(zhì)被截留，于是在膜與本體溶液界面或臨近膜界面區(qū)域濃度越來越高。在濃度梯度作用下，溶質(zhì)由膜面向本體溶液擴(kuò)散，形成邊界層，使流體阻力與局部滲透壓增加，從而導(dǎo)致溶劑通量下降。當(dāng)溶劑向膜面流動(dòng)（對(duì)流）時(shí)引起溶質(zhì)現(xiàn)膜面流動(dòng)速度與濃度梯度使溶質(zhì)向本體溶液擴(kuò)散速度達(dá)到平衡時(shí)，在膜面附近存在一個(gè)穩(wěn)定的濃度梯度區(qū)，這一區(qū)域稱為濃差極化邊界層，這一現(xiàn)象稱為濃差極化。第5頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6壓力驅(qū)動(dòng)膜過程中各種傳質(zhì)阻力示意圖第6頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7濃差極化引起的穩(wěn)態(tài)條件下的濃度分布第7頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月82.濃差極化的危害使膜表面溶質(zhì)濃度增高，引起滲透壓的增大，從而減小傳質(zhì)驅(qū)動(dòng)力；當(dāng)膜表面溶質(zhì)濃度達(dá)到其飽和濃度時(shí)，便會(huì)在膜表面形成沉或凝膠層，增加透過阻力；膜表面沉積層或凝膠層的形成會(huì)改變膜的分離特性；當(dāng)有機(jī)溶質(zhì)在膜表面達(dá)到一定濃度有可能對(duì)膜發(fā)生溶脹或惡化膜的性能；嚴(yán)重的濃差極化導(dǎo)致結(jié)晶析出，阻塞流道，運(yùn)行惡化。概括地說，就是分離效果降低，截留率改變，通量下降。第8頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月93.減少濃差極化的方法由濃差極化形成原理可知，減小濃差極化邊界層厚度，提高溶質(zhì)傳質(zhì)系數(shù)，均可減少濃差極化，提高膜的透液速度。方法如下：選擇合適的膜組件結(jié)構(gòu)；加入紊流器；料液橫切流向設(shè)計(jì)；料液脈沖流動(dòng)；螺旋流；提高流速；適當(dāng)提高進(jìn)料液溫度以降低粘度，增大傳質(zhì)系數(shù)。第9頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月10增加湍流，減小邊界層厚度以減小濃差極化膜通量加大，濃差極化加大膜濃縮加大，濃差極化加大溶質(zhì)擴(kuò)散系數(shù)增大，濃差極化減少第10頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月114.膜污染4.1膜污染(fouling)——是指處理物料中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)分子與膜發(fā)生物理化學(xué)相互作用或因濃度極化使某些溶質(zhì)在膜表面濃度超過其溶解度及機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜產(chǎn)生透過流量與分離特性的不可逆變化現(xiàn)象。它與濃差極化有內(nèi)在聯(lián)系，盡管很難區(qū)別，但是概念上截然不同。一旦膜與溶液接觸，膜污染即開始。即由于膜與溶質(zhì)之間發(fā)生相互作用，產(chǎn)生吸附，開始改變膜的特性。

污染也可定義為由于被截留的顆粒、膠粒、乳濁液、懸浮液、大分子和鹽等在膜表面或膜內(nèi)的(不)可逆沉積，這種沉積包括吸附、堵孔、沉淀、形成濾餅等。第11頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月12通量隨時(shí)間變化的趨勢(shì)?？梢詮闹袇^(qū)別濃差極化和污染造成通量持續(xù)下降的原因是膜的污染第12頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月13膜受到污染時(shí)，主要標(biāo)志及癥狀：水通量逐步下降（膜通量下降）；通過膜的壓力和膜兩側(cè)的壓差逐漸增大（進(jìn)料壓力和△P逐漸增大）；膜對(duì)溶解于水中物質(zhì)的透過性逐漸增大（礦物截留率下降）。污染主要發(fā)生在MF和UF過程中。這些過程所使用的多孔膜對(duì)污染物有著固有的敏感性。對(duì)于使用致密膜的滲透汽化和氣體分離等，一般不發(fā)生污染。第13頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月14污染物種類大致可分三類：有機(jī)物大分子、生物物質(zhì)等。如蛋白質(zhì)、脂肪、碳水化合物、微生物、有機(jī)膠體及凝膠、腐質(zhì)酸、多羥基芳香化合物。無機(jī)物鹽類及無機(jī)膠體。如CaSO4、CaCO3、鐵鹽或凝膠、磷酸鈣復(fù)合物等。顆粒第14頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月15反滲透（RO）過程中用于描述污染的參數(shù)：淤積指數(shù)（SI）堵塞指數(shù)（PI）污染指數(shù)（FI）或淤積（泥）密度指數(shù)（SDI）修正污染指數(shù)或膜過濾指數(shù)（MFI）第15頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月165.影響膜污染的因素粒子或溶質(zhì)尺寸及形態(tài)溶質(zhì)與膜的相互作用(靜電作用力、范德華力、溶劑化作用、空間立體作用)膜的結(jié)構(gòu)與性質(zhì)溶液特性(包括鹽的種類與濃度、pH值、溫度和粘度等)膜的物理特性(包括膜表面粗糙度、孔徑分布及孔隙率等)操作參數(shù)(包括料液流速、壓力和溫度等)第16頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月171．膜的物化性質(zhì)

1)膜的親水性和表面張力（溶劑化作用，氫鍵相互作用）親水性好的膜，膜表面與水成氫鍵，不疏水溶質(zhì)接近膜表面時(shí)，要打破這一氫鍵結(jié)合，這需能量，膜耐污染；而疏水膜表面無氫鍵形成，疏水溶質(zhì)接近膜表面時(shí)，擠開水是一熵增大過程，易進(jìn)行，則膜易被污染。2)膜的荷電性（靜電作用力）有些膜材料有極性基團(tuán)或可離解基團(tuán)，與溶液接觸后，由于溶劑化或離解作用使膜表面帶電，它與溶液中荷電溶質(zhì)產(chǎn)生相互作用。當(dāng)二者所帶電量相反時(shí)，則相互吸引，則膜易被污染；當(dāng)二者所帶電量相同時(shí)，則相互排斥，膜表面不易被污染。第17頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月183）范德華力：分子間作用力常用Hamaker常數(shù)表示。H213、H11、H22、H33分別為水、溶質(zhì)、膜的Hamaker常數(shù)，若溶質(zhì)是親水的，則H22

增高，使H213降低，即膜和溶質(zhì)之間的吸引力減弱，較耐污染及易清洗。第18頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月192.膜的結(jié)構(gòu)對(duì)稱結(jié)構(gòu)的膜耐污染不如相同孔徑的不對(duì)稱膜；兩面雙皮層的膜耐污染不如相同孔徑的單皮層的膜；膜孔徑分布窄（截留分子量窄）的膜耐污染性好；表面光滑的膜耐污染性好。3．進(jìn)料的組成和性質(zhì)進(jìn)料會(huì)與膜有相互作用：靜電作用：膜表面電荷與溶液中荷電介質(zhì)相同時(shí)，相互排斥，膜不易被污染；反之則易被污染；范氏壓力：溶質(zhì)和膜親水，則之間吸引力弱，溶質(zhì)不易污染膜；其他：進(jìn)料濃度，溫度，pH，離子強(qiáng)度，溶質(zhì)分子大小和形狀等。第19頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月206.減少或防止膜污染的方法料液預(yù)處理(熱處理、pH調(diào)節(jié)、離子交換、加入離子隱蔽劑、預(yù)過濾、加入穩(wěn)定劑)膜材料的選擇(考慮膜的親疏水性、荷電性。親水性膜及膜材料電荷與溶質(zhì)電荷相同的膜較耐污染；對(duì)膜表面進(jìn)行改性)膜孔徑或截留分子量的選擇(通過實(shí)驗(yàn)選擇最佳孔徑的膜)膜結(jié)構(gòu)選擇（不對(duì)稱結(jié)構(gòu)膜較耐污染）組件結(jié)構(gòu)選擇第20頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月21溶液pH控制(分離、濃縮蛋白質(zhì)、酶時(shí)，一般把pH調(diào)至遠(yuǎn)離其等電點(diǎn)，使其溶解度增加，并帶電荷)溶液中鹽濃度的控制(以改變?nèi)芤旱碾x子強(qiáng)度)溶液溫度的控制溶質(zhì)濃度，料液流速與壓力的控制(用UF技術(shù)分離/濃縮蛋白質(zhì)或其他大分子溶質(zhì)時(shí)，要選擇合適壓力與料液流速，避免“凝膠層”形成，可得到膜的最佳透水率)第21頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月22物理改性增加膜表面粗糙度以強(qiáng)化膜表面附近流體湍流程度的方法親水性溶劑處理膜表面，減小膜面對(duì)溶質(zhì)的吸附化學(xué)改性有機(jī)物接枝膜改性等離子聚合法有機(jī)物嵌段共聚膜改性離子移變凝膠膜共混復(fù)合改性溶劑化對(duì)膜材料的改性第22頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月237.膜的清洗與再生在任何膜分離技術(shù)應(yīng)用中，盡管選擇了較合適的膜和適宜的操作條件，在長(zhǎng)期運(yùn)行中，膜的透水量隨運(yùn)行時(shí)間增長(zhǎng)而下降現(xiàn)象，即膜污染問題必然產(chǎn)生。因此，必須采取一定的清洗方法,使膜面或膜孔內(nèi)污染物去除，達(dá)到透水量恢復(fù)，延長(zhǎng)膜壽命的目的。要考慮的因素有：膜的物化特性、污染物特性膜的清洗頻率可以通過過程的優(yōu)化來確定。清洗方法分成：水力學(xué)清洗、機(jī)械清洗、化學(xué)清洗、電清洗。第23頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月24物理清洗等壓沖洗靜置浸泡加水力反沖洗氣-液脈沖機(jī)械刮除（包括海綿球機(jī)械擦洗）電泳法超聲波清洗第24頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月25水力學(xué)清洗主要是反洗，只適應(yīng)于MF膜和疏松的UF膜，即以一定頻率交替加壓、減壓和改變流向。經(jīng)過一段時(shí)間后，滲透物反向流回原料側(cè)以除去膜內(nèi)或膜表面上的污染層。反洗原理第25頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月26在有和無反洗兩種情況下MF過程通量隨時(shí)間變化趨勢(shì)示意圖第26頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月27機(jī)械清洗適用于MF/UF管式系統(tǒng)。即在管狀膜組件內(nèi)放一些海綿球，海綿球的直徑要比膜管的直徑略大些，在管內(nèi)用水力讓海綿球流經(jīng)膜表面，對(duì)膜表面的污染物進(jìn)行強(qiáng)制性的去除。該法對(duì)軟質(zhì)垢去除特別有效?；瘜W(xué)清洗這是減少膜污染的最重要方法，也是國(guó)內(nèi)外膜應(yīng)用研究中的一個(gè)熱點(diǎn)，已有大量的清洗劑配方專利發(fā)表?？刹扇〉幕瘜W(xué)試劑很多，即可單獨(dú)使用，也可以組合使用。第27頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月28膜清洗劑所用化學(xué)試劑酸（較強(qiáng)的如H3PO4，較弱的如乳酸、檸檬酸等）堿（NaOH、KOH）表面活性劑（堿性、非離子型）酶（蛋白酶、淀粉酶、葡聚糖酶等）絡(luò)合劑（EDTA、聚丙烯酸酯、六偏磷酸鈉）消毒劑（H2O2、NaOCl）蒸汽和氣體（環(huán)氧乙烷）消毒第28頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月29常見的污染物及其清洗方法用途配方去無機(jī)物污染物①2%檸檬酸+0.1%TRITONx-100+97.9%RO水,氨水調(diào)節(jié)pH至3;②2%檸檬酸+2%EDTA鈉+96%RO水,氨水調(diào)節(jié)pH至4;③2%三聚磷酸鈉+0.1%TRITONx-100+2%EDTA鈉+95.9%RO水,硫酸調(diào)節(jié)pH至7.5;④鹽酸或檸檬酸調(diào)節(jié)RO水pH至4去有機(jī)物污染物①1%加酶洗滌劑水溶液;②30%H2O20.5L+去離子水12L去細(xì)菌/微生物①次氯酸鈉溶液5~10mg/L,用硫酸調(diào)節(jié)pH至5~6(芳香聚酰胺膜則用1%甲醛溶液);②1%~2%H2O2溶液去濃厚膠體①高濃度鹽水;②含酶清洗劑第29頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月30對(duì)于一些常用的高分子膜，根據(jù)其使用界限，往往使用多種化學(xué)清洗劑，常見的實(shí)施過程舉例如下：對(duì)于醋酸纖維素膜(pH2.5~8.5,50℃)，其化學(xué)清洗過程為：水漂洗→酶清洗劑(P3-ultrasil53,1%,60~90min)→室溫水洗→酸洗(P3-ultrasil75,0.3%,20min)→室溫水洗→過醋酸殺菌(P3-oxoniaaktiv,0.3%,20min)→室溫水洗。對(duì)于聚砜膜(pH1~13,50℃)，其化學(xué)清洗過程為：水漂洗→堿洗(P3-ultrasil11,0.5%~1%,30min)→室溫水洗→酸洗(P3-ultrasil75,0.5%,20min)→室溫水洗→次氯酸殺菌(P3-ultrasil25,1%,20min)或過醋酸殺菌(P3-oxoniaaktiv,0.3%,20min)→室溫水洗。第30頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月31對(duì)于聚丙烯腈膜(pH2~1,50℃)，其化學(xué)清洗過程為：水漂洗→弱堿洗(P3-ultrasil30,1%,30min或P3-ultrasil10,1%,30min)→室溫水洗→酸洗(P3-ultrasil75,0.3%,20min)→室溫水洗→酸洗(P3-ultrasil75,0.5%,20min)→室溫水洗→次氯酸殺菌(P3-ultrasil25,1%,20min)→室溫水洗。對(duì)于聚酰胺膜(pH1~12,50℃)，其化學(xué)清洗過程為：水漂洗→弱堿洗(P3-ultrasil30,1%,30min或P3-ultrasil10,1%,30min)→室溫水洗→酸洗(P3-ultrasil75,0.5%,20min)→室溫水洗→焦硫酸鹽殺菌(P3-ultrasil200,0.5%,隔液浸泡))→室溫水洗。第31頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月32電清洗這是一種十分特殊的清洗方法。在膜上施加電場(chǎng)，則帶電粒子或分子將沿電場(chǎng)方向遷移，通過在一定時(shí)間間隔內(nèi)施加電場(chǎng)且在不必中斷操作的情況下，從界面上除去粒子或分子，這種方法的缺點(diǎn)是需使用導(dǎo)電膜及安裝有電極的特殊膜器，對(duì)膜和裝置的要求較高。第32頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月33膜滅菌的一般程序第33頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月34RO膜的貯存膜的貯存目標(biāo)是防止微生物在膜面上繁殖及破壞，防止膜的水解、凍結(jié)和膜的收縮變形。干法貯存膜的干化通常是先采用濕膜脫水劑進(jìn)行濕膜的脫水處理，然后再干燥。脫水劑的主要成分是甘油等多元醇、表面活性劑和殺菌劑等。濕法貯存對(duì)于醋酸纖維素膜而言，0.5%的甲醛水溶液、5%的食鹽水和醋酸的混合液，0.1%有硫酸銅水溶液以及醋酸~醋酸鈉混合水溶液等為常用的保存液。為了防止膜的凍結(jié)，可以在保存液中加入適量甘油，調(diào)節(jié)保存液的pH值4.5~5；對(duì)于芳香聚酰胺類膜，參照CA膜，但一定要保證貯存液中沒有游離氯。第34頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月35NF膜的貯存無論對(duì)于醋酸纖維素膜還是芳香聚酰胺膜都要防止膜的水解。CA膜的兩個(gè)主要因素是溫度和pH值；對(duì)于PA膜則是pH值和水中游離氯的含量。干法貯存為防止膜在干燥時(shí)收縮變形，一般需進(jìn)行脫水處理，干燥的膜有制作膜組件粘接密封時(shí)，要比濕膜容易得多。脫水劑的主要成分是甘油等多元醇、表面活性劑、殺菌劑等，為解決干膜發(fā)脆問題，可加入甘油或乙二醇處理。濕法貯存配方之一：20%甘油、0.0%甲醛水溶液，并用酸調(diào)節(jié)適宜的pH值。第35頁(yè)，課件共40頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月36UF/MF膜的保存濕膜保存保存濕態(tài)膜最根本的一點(diǎn)就是要始終讓膜面附有保存液，呈濕潤(rùn)狀態(tài)。配方之一：水:甘油:甲醛(或硫酸銅)=79.5:20:0.5，還要注意溶液的pH值。CA膜保存溫度為5~40℃pH=4.5~5，非醋酸纖維素膜可放寬一些。干法保存