由于半透膜对溶质的截留作用,使得从膜表面到原液主体形成溶质的浓度梯度,即形成浓差极化现象。
在错流运行方式下,原液在流道中的流态分为三种,靠近膜面处的为层流层,流道中部的为湍流层,结余层流层与湍流层之间的为过渡层。
在膜两侧压力差的驱动下,部分溶剂透过膜体形成渗透流,溶质被截留并在膜表面积累。整个流道中溶质浓度c在膜表面的垂线方向上变化。由于湍流能有效地实现溶质从膜面到主流的反向扩散,湍流层中的溶质浓度cf可视为均匀。如设膜透过液侧溶质浓度cp为恒定,则层流层中的溶质浓度c存在一个梯度,并在膜表面达到高值cm。所谓浓差极化度β为层流层膜表面溶质浓度cm与湍流层溶质浓度cf之比:β=cm/cf。
影响
浓差极化仅使膜表面截留物浓度暂时性提高,是可恢复过程,并不转接产生膜污染。但正是由于膜过程中浓差极化现象的存在,膜表面截留物质浓度的相对提高,或加速了微滤、超滤等多孔膜表面凝胶层的形成,或加速了反渗透、纳滤等致密膜表面难溶盐的饱和析出,从而加剧了各类膜的污染。
对于微滤、超滤等多孔膜,截留物在膜表面形成的浓差极化层,也具有一定的过滤和截留作用,可在一定程度上提高分离膜对溶质的截留效果,并相应增加溶剂的透过阻力。对于纳滤、反渗透等致密膜,浓差极化现象将提高截留侧盐浓度,增加截留侧的渗透压,即增加产水阻力,降低产水流量。由于无机盐的透过率正比于膜两侧的盐浓度差,浓差极化现象还提高了无机盐的透过率,降低了膜过程脱盐率。
避免浓差极化的方法主要有:降低膜两侧压力差,可减轻已生成的浓差极化;提高膜表面的湍流程度,以降低膜面的溶质浓度。