当前课程知识点：水处理工程-物化技术 > 第7章 膜分离 > 第8节 超滤和微滤工艺计算 > 第8节 超滤和微滤工艺计算
同学们好！在上一讲，我们介绍了超滤与微滤膜过程的原理与特征
在这一讲我们将介绍超滤与微滤的工艺计算
首先我们来看一下超滤和微滤膜在运行过程中的过滤模式
主要有两种，一种是死端过滤，一种是错流过滤
死端过滤如这个图所示，在压力的推动下，料液垂直于膜表面进行过滤
料液中大的颗粒被直接截留在膜的表面
在这种过滤模式中，随着过滤时间的增加
被截留在膜表面的颗粒将逐渐累积，形成污染层
因此，过滤阻力逐渐增加，导致在操作压力不变的条件下，膜通量下降
因此，死端过滤通常是间歇的，必须周期性地停下来
清洗膜表面的污染层，才能进行下一个过滤操作
死端过滤操作简单易行，适用于实验室或小规模的场合
第二种错流过滤如这个图所示
在泵的推动下，料液平行于膜面流动，通常又分为两种形式
一种是外压型，一种是内压型
在外压型的过滤模式中，料液在膜外侧流动，过滤面是膜外表面
在压力的推动下，小于膜孔的组分从外侧透入到膜内侧
滤过液经中心通道收集后排出
而对于内压型的过滤模式，过滤面是膜内表面
料液在膜内侧流动，由内向外进行过滤
在膜外侧收集过滤液，而浓缩液从中心通道流出
由于在错流过滤中，料液流经膜面产生的剪切力会把膜面截留下的颗粒带走
因此污染层的厚度会保持在一个较薄的水平
而一旦污染层达到稳定，通量就会在比较长的一段时间内，保持相对稳定
由于错流过滤对膜污染防治比较有利，因此在实际工程中应用更为广泛
接下来我们介绍超滤和微滤膜过程中的基本工艺参数
主要是水通量、操作压力以及截留率
在超滤和微滤膜过程中，我们可以利用这个式子计算水通量
也就是说水通量和施加在膜两侧的过滤压差成正比，而与过滤阻力呈反比
而过滤阻力包括膜材料本身的阻力Rm
在过滤过程中形成的浓差极化阻力Rp以及凝胶层阻力Rg
那么，下面我们来看看什么是浓差极化和凝胶层
我们以超滤膜为例来进行说明
这是一个超滤膜，在过滤过程中，含有不同分子大小的混合液会流动通过超滤膜
在压力差的作用下，混合液中小于膜孔的组分就会透过膜而成为滤过液
而大于膜孔的组分就会被截留
这些被截留的组分，在紧邻膜表面就会逐渐累积，形成浓度边界层
边界层中的溶质浓度大大高于主体溶液中的溶质浓度
形成由膜表面到主体溶液之间的浓度差
浓度差的存在就会导致紧靠膜面的溶质反向向主体溶液扩散
这就是浓差极化现象
在膜过滤过程中，一旦膜投入运行，浓差极化就不可避免
但是是可逆的，一旦过滤压差不存在，这种浓差极化也就消失了
当浓差极化达到稳定时，可以建立以下物料平衡方程
这个方程式左边表示了从边界层透过膜的溶质的通量
等于从对流层扩散进入膜边界层的溶质通量减去溶质从膜面向主体溶液的反扩散的量
进一步根据边界条件进行积分
并假设膜透过液中的溶质浓度Cp很小，可以忽略
进而得到了下面这个式子
这个式子反映了在超滤膜过程中浓差极化现象的严重程度
如果膜表面的溶质浓度Cm和主体溶液中的溶质浓度Cb之间的比值越大
说明浓差极化现象越严重
因此，我们把这个比值称为浓差极化比
如果浓差极化现象比较严重
当胶体和大分子的溶质在膜表面的浓度超过其在溶液中的溶解度时
就会在膜表面形成一层凝胶层，如这个图所示
此时的浓度称为凝胶浓度Cg
而相应的水通量的计算式变成了下面这个式子
这里，我们需要计算凝胶层阻力
那么，凝胶层的阻力该如何进行计算呢？
我们还是来看看这个通量的计算式
当凝胶层的阻力相比浓差极化阻力非常大时
通量的表达式就可以简写为这个式子
我们进一步假设凝胶层的阻力Rg与透过膜的水的累积体积和压力成正比
将该式带入到这个式子中，经过变换，就得到下面这个式子
根据这个式子，我们知道Δp/Jw和压力Δp呈线性关系
因此可以根据试验结果，做Δp/Jw对压力Δp的关系图
就可以求得膜材料的阻力Rm和比例系数λ，进而计算凝胶层阻力Rg
第二个工艺参数是操作压力
操作压力作为超滤和微滤膜的推动力，直接影响水通量
提高操作压力，可以增加水通量
但是，在超滤和微滤膜有凝胶层形成的情况下
操作压力的大小同时会影响凝胶层阻力
这个图表示了超滤膜过滤某种含乳化油废水时的通量和压力的关系曲线
可以看到，当乳化油的含量比较高时
随着操作压力的增加，通量并没有线性增加
这主要是由于当压力增加时，乳化油在膜表面形成的凝胶层的阻力也会增加
抵消了由操作压力增加对水通量的提升效果
由此可以看到，在超滤和微滤膜过程中
凝胶层的形成对于操作过程十分不利，会影响操作过程的能耗水平
而凝胶层的产生是由于浓差极化现象所引起的
因此在超滤和微滤过程中，我们可以采取一些措施
来减轻浓差极化以及凝胶层的影响
比如提高料液的流速、增加膜面的紊动、对膜表面不断地清洗以及控制料液浓度等
这些措施可以减轻浓差极化，从而减轻凝胶层的形成
减弱对膜过滤过程的不利影响
第三是膜的截留率
可以用这个式子进行计算，即根据进、出水杂质浓度之差
来计算过滤过程中膜对水中杂质的截留程度
超滤和微滤的工艺计算就介绍到这里
膜分离这一章的学习在此也告一段落
在下一章，我们将学习另外一种水处理工艺-氧化还原。谢谢大家!
-0-1 课程定位
--讨论题
-0-2 给水处理工艺
--讨论题
-0-3 废水处理工艺
--讨论题
-第0章 绪论 测试题
-1-1 概述
--1-1 概述
--讨论题
-1-2 胶体的主要性质
-- 1-2 胶体的主要性质
--讨论题
-1-3 水的混凝机理与过程
--讨论题
-1-4 混凝剂与絮凝剂
-- 1-4 混凝剂与絮凝剂
--讨论题
-1-5 混凝动力学
--讨论题
-1-6 混凝效果的主要影响因素
--讨论题
-1-7 混凝设备
--1-7 混凝设备
--讨论题
-第1章 混凝 测试题
-2-1 概述
--2-1 概述
--讨论题
-2-2 自由沉淀
--2-2 自由沉淀
--讨论题
-2-3 絮凝沉淀
--2-3 絮凝沉淀
--讨论题
-2-4 拥挤沉淀
--2-4 拥挤沉淀
--讨论题
-2-5 平流沉淀池
--讨论题
-2-6 平流沉淀池工艺计算
--讨论题
-2-7 竖流式与幅流式沉淀池
--讨论题
-2-8 斜板沉淀池
--讨论题
-2-9 澄清池
--2-9 澄清池
--讨论题
-三维交互式演示区
--竖流沉淀池
--浏览器设置方法
--机械搅拌澄清池
--辐流沉淀池
-第2章 沉淀 测试题
-第2章 沉淀 测试题2
-3-1 概述
--3-1 概述
--讨论题
-3-2 气浮理论基础
--讨论题
-3-3 加压溶气气浮
--讨论题
-第3章 气浮 测试题
-4-1 概述
--4-1 概述
--讨论题
-4-2 普通快滤池构成与工作过程
--讨论题
-4-3 滤池的水头损失
--讨论题
-4-4 滤池的过滤方式
--讨论题
-4-5 滤料
--4-5 滤料
--讨论题
-4-6 配水系统
--4-6 配水系统
--讨论题
-4-7 滤池冲洗
--4-7 滤池冲洗
--讨论题
-4-8 虹吸滤池
--4-8 虹吸滤池
--讨论题
-4-9 重力无阀滤池
--讨论题
-4-10 移动罩滤池
--讨论题
-三维交互式演示区
--普通快滤池
--浏览器设置说明
--虹吸滤池
--浏览器设置说明
-第4章 过滤 测试题
-5-1 概述
--5-1 概述
--讨论题
-5-2 消毒的影响因素
--讨论题
-5-3 氯消毒
--5-3 氯消毒
--勘误
--讨论题
-5-4 二氧化氯消毒
--讨论题
-5-5 紫外线消毒
--讨论题
-第5章 消毒 测试题
-6-1 离子交换树脂
--讨论题
-6-2 离子交换反应特性
--讨论题
-6-3 阳离子交换树脂特性
--讨论题
-6-4 阴离子交换树脂特性
--讨论题
-6-5 离子交换软化系统
--讨论题
-6-6 离子交换除盐系统
--讨论题
-6-7 离子交换设备
--讨论题
-6-8 离子交换法处理工业废水
--讨论题
-第6章 离子交换 测试题
-第1节 概述
--第1节 概述
--讨论题
-第2节 电渗析原理与过程
--讨论题
-第3节 电渗析器构造与组装
--讨论题
-第4节 电渗析工艺计算
--讨论题
-第5节 反渗透工艺原理与工作特征
--讨论题
-第6节 反渗透工艺计算
--讨论题
-第7节 超滤和微滤分离原理与过程
--讨论题
-第8节 超滤和微滤工艺计算
--讨论题
-第7章 膜分离 测试题
-8-1 氧化还原基础与分类
--讨论题
-8-2 臭氧氧化
--8-2 臭氧氧化
--讨论题
-8-3 光催化氧化
--讨论题
-8-4 超临界水氧化
--讨论题
-8-5 电解
--8-5 电解
--讨论题
-第8章 氧化还原 测试题
-9-1 概述
--9-1 概述
--讨论题
-9-2 吸附平衡与吸附等温线
--讨论题
-9-3 吸附穿透曲线
--讨论题
-第9章 吸附 测试题
