基本介紹
- 中文名：濃度極差
- 外文名：concentration difference
- 屬於：滲透
- 描述：膜兩側濃度差
- 提供：滲透的動力
- 分類：正滲透和反滲透
滲透,濃度極差的定義,濃度極化,外濃度極化,內濃度極化,濃度極差的套用,污水處理,海水淡化,
滲透
滲透作為一種自然的物理現象，人類在初期就對其進行了探索。早期人們就意識到鹽可以使乾燥的食物長期保存，在含鹽的環境中，大部分細菌及其它潛在的致病生物（病原體）會脫水及死亡或者由於滲透而暫時的失活。在選擇性透過膜的兩側放置滲透壓不同的兩種溶液，一側擁有較低的滲透壓，稱為進料液（Feed solution）；另一側具有較高的滲透壓，稱為驅動液（Draw solution）。由於選擇的兩種溶液的滲透壓不同，在膜兩側就產生了滲透壓差，水就自發地從較低滲透壓進料液一側流到滲透壓較高的驅動液一側，這個過程稱為正滲透。當對滲透壓高的一側外加一個壓力，此壓力小於滲透壓差，水仍舊能夠從進料液一側流到驅動液一側，這個過程稱為壓力阻尼滲透（Pressure-retarded osmosis，PRO）。壓力阻尼滲透中驅動力仍舊是滲透壓差，因此，壓力阻尼滲透屬於正滲透。
濃度極差的定義
為了更直觀的描述正滲透、反滲透和壓力阻尼滲透的滲透原理。我們定義△π為濃度極差，△P為外加壓力。在正滲透過程中，△P=0；在壓力阻尼滲透中，△P△π。由於正滲透過程不需要外加壓力，靠滲透壓差提供動力，但是在實際測量時膜的水通量低於計算值，這是由於濃度極化現象造成的。如何減小濃度極差，增加膜的水通量，成為研究的一個難點和熱點。
濃度極化
濃度極化是分離過程中膜把進料液中的一些大分子截留下來，而溶劑和小分子溶質則能自由地穿過膜。被截留的溶質積累在膜表面，其濃度會逐漸增加，從而在膜表面產生濃度梯度，在濃度梯度的作用下，靠近膜表面的溶質不斷的向進料液的方向進行擴散。平衡狀態的時候，溶質的濃度分布層在膜的表面形成，阻礙了溶劑等小分子物質的自由運動。
在膜法處理水時，都要受到濃度極化的影響。由於正滲透不加外力，所以濃度極化對正滲透的影響更大，嚴重製約著正滲透的套用推廣。在正滲透過程中，實際測量的水通量往往小於理論水通量，造成這個現象是由濃度極化（CP）造成的。濃度極化有下列危害：（1）使水通量變小；（2）對膜造成污染，運行成本增大；（3）更嚴重的是，對膜內部結構造成堵塞，無法使用清洗進行還原，不得不進行換膜。按照濃度極差發生的位置，可以分為外濃度極化（ECP）和內濃度極化（ICP）。
外濃度極化
在進料液中的水通過正滲透膜滲透到驅動液時，溶質被截留到進料液膜的一側，造成進料液一側膜表面溶液的濃度增大，此時進料液一側靠近膜表面的溶液產生濃度梯度，這種現象稱為濃縮的外濃度極化；當進料液通過膜滲透到驅動液一側時，在驅動液一側膜表面溶液的濃度會降低，此時在驅動液一側膜的表面與驅動液產生濃度梯度，這種現象稱為稀釋的外濃度極化。無論是濃縮的外濃度極化還是稀釋的外濃度極化對正滲透的影響，都可以通過增加湍流、膜表現流速和升高進料液的溫度進行消除。因而，外濃度極化不是影響正滲透中水通量降低的主要因素。
內濃度極化
當進料液通過滲透膜時，帶有溶質的水分子會一道進入滲透膜，溶質被截留到膜的支撐層，並形成濃度極化，這種現象被稱為內濃度極化。內濃度極化發生在膜內側，它不能靠增加流速和湍流來減小，正滲透過程中的內濃度極化對水通量的影響遠遠大於外濃度極化對水通量的影響，因此內濃度極差是造成理論水通量小於實際水通量的主要原因。
濃度極差的套用
污水處理
濃度極差用於污水處理很早就在文獻中出現，上世紀七十年代，Votta等和Anderson第一次用濃度極差的方法，他們用海水（由於來源非常廉價）作為驅動液，對可重複使用的含重金屬的工業廢水進行濃縮。由於當時沒清楚地意識到濃度極化對滲透的影響，所得到的水通量遠遠小於預測的值。他們通過化學方法和熱處理，來改變膜的水通量，但是產生的通量仍舊遠遠達不到預期的要求，最後，他們放棄了對此實驗的進一步研究，但他們的研究為後續研究奠定了基礎。濃度極差在污水處理中的套用，現階段基本處於污水處理的預處理階段。Holloway等用濃度極差膜對厭氧污泥進行濃縮，除了獲得較高的水通量外，氨氮和硝酸鹽的去除率分別達到85%和99.9%。此外Comelissen等將濃度極差膜引入膜生物反應器（MBR），組成滲透膜生物反應器（Osmotic membrane bioreactor，OMBR），OMBR中的能量消耗減小，並且污染情況比MBR大幅減輕。伴隨著濃度極差膜的不斷發展以及對濃度極差的進一步研究，濃度極差必將在污水處理方面發揮著越來越重要的作用。
海水淡化
海水淡化是利用一定的技術把海水轉化為人類所需要的淡水。在第二次世界大戰後，海水淡化得到了迅速的發展。海水淡化技術主要使用的有反滲透法、冷凍海水淡化法、多效蒸發、太陽能法、蒸餾法、電滲析、海水凍結法。濃度極差，在上世紀六七十年代就被提出用於海水淡化，但是當時沒有找到合適的正滲透膜和理想的驅動液，因而濃度極差技術在海水淡化技術方面沒有得到大的發展。近年來，隨著能源的缺乏和人們環保意識的加強，上述傳統海水淡化的方法，對資源的消耗和環境的危害越來越凸現出來；同時伴隨著正滲透膜和驅動液研究的發展，低能耗、低污染的正滲透海水淡化方法又重新被提出。
