膜与膜过程_第四章_浓差极化与膜污染

1、eRPJpwwssCJCJdxdCDJ浓差极化度可据通过边界层的传浓差极化度可据通过边界层的传质平衡微分方程进行积分并结合质平衡微分方程进行积分并结合边界条件来求得。稳态下的积分边界条件来求得。稳态下的积分传质方程为：传质方程为：图图4.1 浓差极化引起的浓差极化引起的稳态下的浓度分布稳态下的浓度分布swpmpbDJCCCCln由边界条件：由边界条件：x=0，C=Cb， x=，C=Cm011dxDdCCJJsCCwspmswpmpbDJCCCCexp扩散系数扩散系数D与边界层厚度与边界层厚度之比称为传质系数之比称为传质系数k:Dk 如引入本征截留率方程：如引入本征截留率方程：mpobsccR1

2、则可得到浓差极化数：则可得到浓差极化数：kJRRkJccabsabsbmexp1exp当溶质被完全截留时：当溶质被完全截留时：kJccbmexp这是关于浓差极化的基本方程，它以简单的形式表明了与浓这是关于浓差极化的基本方程，它以简单的形式表明了与浓差极化有关的两个参数（通量差极化有关的两个参数（通量J与传质系数与传质系数k）以及决定这两）以及决定这两个参数的因素（通量与膜有关，传质系数与流体力学状态有个参数的因素（通量与膜有关，传质系数与流体力学状态有关）。关）。浓差极化的后果：浓差极化的后果：一种可能是截留率会下降：由于膜表面处溶质浓度增高，一种可能是截留率会下降：由于膜表面处溶质浓度增高，

3、实测的截留率会低于真实或本征截留率。实测的截留率会低于真实或本征截留率。当溶质为盐等低分当溶质为盐等低分子量物质时子量物质时通常如此。通常如此。另一种可能是截留率上升：对于大分子溶质混合物，另一种可能是截留率上升：对于大分子溶质混合物，尤其尤其会出现这种现象，此时浓差极化对选择性有显著影响，被完会出现这种现象，此时浓差极化对选择性有显著影响，被完全截留的高分子量溶质会形成一种次级膜或动态膜，从而使全截留的高分子量溶质会形成一种次级膜或动态膜，从而使得小分子量溶质的截留率提高。得小分子量溶质的截留率提高。通量降低：通量和传质系数对浓差极化影响很大。对于所通量降低：通量和传质系数对浓差极化影响很大

4、。对于所选用的膜，一旦膜待定，则这个参数不再变化，而传质系数选用的膜，一旦膜待定，则这个参数不再变化，而传质系数明显地受体系流体力学的影响。传质系数关联式一般可表示明显地受体系流体力学的影响。传质系数关联式一般可表示为：为：decbhLdScaDkdShRe影响传质系数影响传质系数k的主要因素是有流速、溶质扩散系数、粘度的主要因素是有流速、溶质扩散系数、粘度、密度和膜器的形状和规格。在这些参数中，流速和扩散、密度和膜器的形状和规格。在这些参数中，流速和扩散系数是最重要的。系数是最重要的。膜过程浓度分布膜过程浓度分布（a）压力驱动膜过程的浓度分布）压力驱动膜过程的浓度分布 （2）扩散传递情况下的

5、浓度分布）扩散传递情况下的浓度分布浓差极化对不同膜过程的影响浓差极化对不同膜过程的影响由于许多系统使用湍流强化器，会影响传质系数。如在反由于许多系统使用湍流强化器，会影响传质系数。如在反引用、纳滤中使用的卷式膜器，在原料腔室的膜之间放有引用、纳滤中使用的卷式膜器，在原料腔室的膜之间放有间隔器（间隔器（spacer），因而使传质系数增大，并且使壁面处），因而使传质系数增大，并且使壁面处浓度减小。传质系数可由如下浓度减小。传质系数可由如下Sherwood关系式关系式纯水通量与膜两侧的压差成正比。纯水通量与膜两侧的压差成正比。当水中加入溶质（溶质分子量比相对应的膜孔大的情况）当水中加入溶质（溶质分子

6、量比相对应的膜孔大的情况）以后，压力增加，通量也增加，但当达到某一有限压力后以后，压力增加，通量也增加，但当达到某一有限压力后，通量不再随压力增大而增大，最大通量称为极限通量，通量不再随压力增大而增大，最大通量称为极限通量，该通量取决于原料主体浓度和传质系数。该通量取决于原料主体浓度和传质系数。纯水和有溶质条件下的通量随压差的变化图图7-2 超滤凝胶极化模型超滤凝胶极化模型CJdxdCDJslim据边界条件据边界条件x=0，C=Cb，x=，C=Cg，进行积分得，进行积分得其中，其中，Js溶质通量，溶质通量，Jlim透过通量，透过通量，D溶质扩散系数溶质扩散系数 Cb主体浓度，主体浓度，Cg凝胶层浓度，凝胶层浓度，极化层厚度极化层厚度 k传质系数传质系数)0(ln)()(l