浓差极化对膜通量的影响及优化建议

（一）浓差极化现象

以反渗透膜为例，在反渗透过程中，水从高压侧透过膜到低压侧，大部分盐则被阻拦积累在膜高压侧表面上，由于溶质的“聚集浓缩作用”造成由膜表面到主体溶液之间的浓度梯度，它将引起溶质从膜表面通过边界层向主体溶液扩散，在稳态情况下，当溶剂向膜面流动时，在膜面附近形成一个稳定的浓度区，即浓差极化边界层，这种现象称为浓差极化。

图16-1　反渗透膜过程中浓差极化示意图

浓差极化形成过程如图16-1所示，其中J为传质通量，L/（m2·h）；D为扩散系数，L2·h/（mol·m）；为浓度梯度，mol/（L·m）；CW为高压侧膜表面浓度，mol/L；Cb为高压侧溶液主体浓度，mol/L；Cp为渗透液主体浓度，mol/L；δ为边界层厚度，m。

浓差极化的存在，不仅使膜表面渗透压升高，而且溶质在膜表面的浓度超过其溶度积形成沉淀而堵塞膜孔，降低水通量。当膜污染严重时，几乎等于在膜表面上形成一层二次薄膜，使得膜的水渗透性能大幅度下降，甚至完全消失。

浓差极化使膜的渗透通量和截留率都降低，这是盐在膜表面聚集浓缩造成的。这种“聚集浓缩作用”随盐浓度的增加而加剧，也伴随着膜渗透通量和脱盐率的升高而增大。虽不能完全消除浓差极化现象，但若合理设计膜组件和工艺流程，操作得当，浓差极化对通量的影响是可以减轻的。

（二）减轻浓差极化“污染”的方法

1.控制回收率　回收率增大，高压侧与溶液的界面浓度也随之增大，因此极化度增加，此时在膜组件出口端会出现浓差极化现象，造成膜孔堵塞和脱盐率下降。所以回收率不能过高。一般卷式膜组件，单个膜组件回收率不得高于15%，整机回收率不得高于50%。(www.xing528.com)

2.控制流态和流程　极化现象与膜组件内流体的流态和流程长度有很大关系。流态分滞流、湍流和过渡流三种，滞流态极化程度最大，过渡流次之，湍流极化最小。为了减轻浓差极化，必须设计使膜组件处于湍流状态。另外，长流程使得极化变大，这是由于阻力损失增大，流速降低所致。可通过串、并联结合的锥形排列法，尽力缩短流程。一般压力降应控制在4～5MPa。

对于给定的膜组件，提高液体在组件流道内的流速也可改善浓差极化。

3.填料法　将直径为30～100μm的小球加入料液中，将其共同流经反渗透膜组件以减小浓度极化层厚度而增大透过速度。小球的材质为玻璃、聚甲基丙烯酸甲酯等。

4.装设湍流促进器　采用膜组件内设置湍流促进器的办法来减弱反渗透膜组件的浓差极化。

5.搅拌　该技术目前应用最广泛。主要是在膜表面附近增设搅拌器，也可以把装置放在磁力搅拌器上回转使用。其搅拌效果见图16-2。

图16-2　搅拌器旋转数与透过速度的关系

6.增大扩散系数　此法主要是通过提高料液温度得以实现。