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膜生物反应器的浓差极化与膜污染

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学社我家 发表于 2019-9-10 08:35 | 显示全部楼层 打印 上一主题 下一主题
与其他膜分离过程相似,在膜生物反应器中膜表面同样会有浓差极化和膜污染,而且由于处理的对象是废水,所以要比其他膜分离过程严重得多。浓差极化和膜污染这两种在膜分离过程中经常发生或存在的现象是影响膜分离技术应用的关键,特别是对以压力差为推动力的膜过程的分离效果和可靠性有很大的影响,尤其对超滤和微滤的影响最大——而这两种膜过程恰恰是膜生物反应器所采用的主要分离手段。因此解决好浓差极化和膜污染问题成为膜生物反应器应用和推广的关键。
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浓差极化是指在膜分离过程中,由于膜的透过选择性,使料液中的水在压力驱动下透过膜,大分子溶质被截留并累积,于是被截留组分在膜表面与临近膜面区域的浓度将远远高于料液主体浓度。在浓度梯度作用下,大分子溶质从膜面向主体溶液扩散,形成边界层,使流体阻力与局部渗透压增加,从而导致水透过流量下降。5 ?& Y3 X5 W' |/ K2 i2tech.cn

. F9 \! Q2 T$ {; Z: ?水向膜面流动(对流)引起溶质向膜面流动,当溶质向膜面的流动速度与浓度梯度使溶质向主体溶液的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,这一区域称为浓度计划边界层,这一现象称为浓差极化。显然,如果降低膜两侧的压力差到零,无水透过膜,膜表面溶质向主体溶液扩散,经过一段时间后,膜表面溶质浓度与主体溶液溶质的浓度相等,浓差极化现象消失,因此浓差极化是一个可逆过程。组分在料液主体中的浓度cs1(cb)、膜表面浓度cs2(cm)和膜透过侧浓度cs3(cp)之间的关系可用下式表示:
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式中D/l=k,定义为传质系数;J为膜的渗透速率。  I0 A. v: v! q2 G! J) J1 B2tech.cn
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在超滤和微滤中膜面浓度cs2常达到截留组分的饱和浓度cg,如果组分在透过液中的浓度很低,即cs3→0,则上式可以简化为:
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! q7 Y6 D+ A# f$ p7 l此时,可以看到膜渗透流率与操作压力无关,主要取决于边界层内的传质情况,即渗透流率由传质控制。在这种情况下,如果继续增大操作压力,不仅不会增加膜通量,反而会进一步压缩边界层,甚至堵塞膜孔,造成膜的永久性污染,最终导致系统无法正常运行。
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4 B4 M7 t/ f5 X: F# Y' E; S膜污染是指处理物料中的威力、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。应当说,一旦料液与膜接触,膜污染即开始,也就是说,由于溶质与膜之间相互作用产生吸附,开始改变膜特性。
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对于微滤膜,这一影响不十分明显,表现为以溶质粒子的聚集与堵孔为主;而对于超滤,若膜材料选择不合适,此影响相当大,与初始纯水透水率相比,可降低20%~40%。当然,操作运行开始后,由于浓差极化产生,尤其在低流速、高溶质浓度情况下,溶质在膜面达到或超过饱和溶解度时,便有凝胶层形成,导致膜的透过量不依赖于所加压力,引起膜透过量的急剧降低,因此在此种状态下运行的膜,使用后必须清洗,以恢复其性能。
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膜污染同浓差极化一样都是不利于膜分离过程的因素。组分在膜表面沉积形成的污染层(滤饼)将产生额外的阻力,而且该阻力往往远远大于膜自身的阻力。Weber曾提出用下式来计算此时的渗透流率:% u; D9 Z: }7 ^! E& {2tech.cn
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) \8 B9 t# e7 `- Q  }式中:Jv为渗透流率;η为料液的粘度;△p为操作压力;Rn为总的过滤阻力;Rm为膜的过滤阻力;Rc为滤饼的过滤阻力。
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膜生物反应器对浓差极化和膜污染的预防
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* ]" _1 R9 q+ X3 X! W无论是浓差极化还是膜污染都是不利于膜分离过程的因素,都将使膜的渗透流率下降,导致过程无法长时间的稳定操作,直接制约着膜分离过程的应用。目前,控制它们的措施主要有:) U& Z6 F/ P8 `; h% `6 }+ U2tech.cn

5 |$ r3 C* G0 v5 O5 }2 I1.对料液进行预处理,去除其中的粗大颗粒;
3 N' _3 m4 \6 @6 y0 h2.改进膜材料和膜的制作工艺,增加它的抗污染性;) C8 ]" C9 l7 t# J% V2tech.cn
3.增加膜面流速,减小边界层的厚度,提高传质系数;
! d: T* u& Y; [  U5 L+ a& y4.选择合适的操作压力,以避免增加边界层的厚度和密度;# Q6 ~' z# ?4 V5 y; c2tech.cn
5.采用适当的清洗方法和清洗周期。/ R: S5 Q, Z* t/ m- S  d$ t2tech.cn

3 F+ o7 o% G9 P1 W- e" w: [5 U其中,溶质浓度、料液流速与压力对操作过程的影响很大。在用超滤技术分离、浓缩蛋白质或其他大分子溶质时,压力与料液流速对膜透水率的影响通常是相互关联的。当流速一定且浓差极化不明显之前(低压力区),膜的透水率随压力增加而近似直线增加。在浓差极化起作用后,由于压力增加,透水率提高,浓差极化随之严重,使透水率随压力提高呈曲线增加。/ c# u0 M  C- I: `+ Z6 ~2tech.cn
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当压力升高到一定数值后,浓差极化使膜表面溶质浓度达到极限浓度(饱和浓度cg)时,溶质在膜表面开始析出形成“凝胶层”。此时,“凝胶层”阻力对膜的透水率影响起决定作用,透水率几乎不依赖于压力。因此对于溶质浓度一定时,要选择合适压力与料液流速,避免“凝胶层”形成。% W$ q* \/ I, c1 P" z2tech.cn
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