超滤膜污染预防与控制技术

　　摘要：以超滤技术为核心的组合工艺作为微污染水源水处理的一项新技术，引起了人们越来越多的关注，成为给水处理领域研究的热点，也为农村和小城镇水厂提供了很好的处理工艺，但膜污染一直是超滤技术在实际工程中推广应用所面临的一大障碍。总结了近年来超滤膜污染预防与控制方面的新进展，包括膜污染的成因及机理、膜污染防治以及膜清洗方法等，并提出了今后超滤膜污染研究的重点和方向。
　　关键词：超滤；膜污染；膜通量；清洗
　　
　　膜分离技术由于无相变、能耗低、体系干净等优点，应用范围越来越广泛，特别是对处理热敏物质领域如食品、药物和生物工程产品，显示出极大的优越性，与传统分离操作相比，不仅可避免组分受热变性或混入杂质，还具有显著的经济效益,因而发展相当迅猛。但在膜分离过程中存在膜污染现象，使膜的渗透通量及截留率等性能发生改变，膜的使用寿命缩短，极大地影响了膜分离技术的实际应用，膜污染分析及膜污染清洗的研究已成为膜分离技术研究中的一个热点问题。
　　1膜污染的形成
　　1.1膜污染定义。膜污染是指处理物料中的微粒、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[1]。对于膜污染,应当说，一旦料液与膜接触，膜污染即开始。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，在膜面达到或超过溶质饱和溶解度时，便有凝胶层形成，导致膜的透量不依赖于所加压力，引起膜透过通量的急剧降低影响其性能。
　　1.2超滤膜污染的成因及机理
　　关于膜污染机理没有统一的理论，但文献中一致肯定的是原液中的粒子与膜材料的相互作用是影响膜污染的最主要因素。通常认为膜污染主要由浓差极化、滤饼层的形成和压缩、吸附、孔堵引起的。超滤过程中膜的吸附现象被认为是造成膜污染的关键。由于膜组分的化学性质、结构不同，产生吸附作用的机理也不同，一般可分为范德华力、静电作用、疏水性、氢键等。
　　在采用超滤处理地表水生产饮用水的过程中，有机物是导致膜污染的主要物质,其中分子质量较大、紫外光吸收高的腐殖酸是造成不可逆孔吸附和堵塞的主要原因。ChenY等根据研究认为分子质量相对高的疏水性化合物是导致超滤通量快速下降的原因。G.J.Zhang等研究了一些胞外聚合物和不同类型超滤膜之间的吸附作用，评价了聚砜、聚丙烯腈、聚偏氟乙烯三种类型的超滤膜和6个污泥样品的直接相互作用,发现聚砜超滤膜因其表面粗糙度大和疏水性强而污染最为严重。
　　膜污染不仅与膜材料、膜孔径大小及分布、膜性能有关，而且与原水的特性密切相关。膜表面和溶液中溶解性物质间的相互作用在决定膜污染程度中起着重要作用，溶液中分子大小、分子质量及分子的形状都与膜污染密切相关，且膜污染情形和污染物的性质又会影响到膜污染的进程。
　　2 超滤膜污染防治
　　通过有效的技术手段可以尽量延缓膜污染的进程，降低膜污染的程度。在防控浓差极化和膜污染方面的研究主要集中在改良膜的性质、改变原水的特性及优化分离操作条件等方面。
　　2.1 改良膜的性质。膜材料的化学结构、亲水性或疏水性、荷电性、极性或非极性、表面能等都会影响膜的分离性能。
　　膜材质和膜组件的选择对控制膜污染十分重要。在超滤过程中，膜、溶质和溶剂之间的相互作用受到膜材质、孔径、孔分布等因素的影响，且膜表面特性对于细菌的生存也起着重要作用。因此,一般宜选择容易达到分离特性要求的耐污染膜材，除考虑适当的孔径外，还应选用与被分离溶质间相互作用比较弱的超滤膜,这样既可以有效减少膜对污染物的吸附，不易被污染或孔堵，又易于清洗恢复。
　　2.2 改变原水特性。在原水超滤前，根据料液及膜材料的性质进行有效的预处理，可以减轻膜负荷和污染。大量以混凝、活性炭、预氧化等预处理工艺防止膜化学损伤、延缓膜污染、强化膜分离效果等方面的研究认为有效的预处理是去除膜污染物质和抑制膜污染物质在膜面附着的最有效方法。
　　XiaSJ等在采用超滤设备处理水库水作为饮用水的试验中，发现在超滤前使用混凝可以提高渗透通量和延缓膜通量降低。董秉直[2]等采用在线混凝—超滤膜工艺处理微污染水，发现在线混凝能有效控制膜污染。ChenY等认为混凝剂可以有效去除水中疏水性有机物而使得膜污染降低,膜通量增加。
　　2.3优化分离操作条件。通过优化膜分离条件，如温度、pH值、流速等可减少膜污染,强化超滤过程。例如充足的反洗压力、较大的线速度、进水方向可以减轻饼层的形成；水力方法可以用来控制浓差极化和膜污染；控制流体不稳定性、增强膜性能可以预防膜污染；在次临界流量运行条件下膜污染缓慢；聚合体混凝剂较单体混凝剂对增强混合液过滤性能有更好的效果，能够抑制凝胶层的形成,减缓污染的发展，消除膜表面稳定的污染物。
　　另外，紫外线照射无机管状膜表面可以减小膜污染。研究发现，在被聚环氧乙烷溶液严重污染的管状膜中,通过紫外照射可以将污染物分解或从膜表面驱逐；有研究认为超声可以有效控制膜污染，且总过滤阻力是没有超声照射时的30%。
　　虽然以上方法均被认为能够控制膜污染，但膜材料的性能强度、运行成本是其在实际工程中应用的关键问题。
　　3 膜清洗
　　常用膜清洗方法分为物理和化学清洗两大类。
　　3.1 物理清洗。物理清洗方法中最为常用的是反冲和正冲，清洗介质为水和气。在反冲洗过程中，若同时对膜面进行快速冲洗，清除变松的污染层，可提高清洗效果。LiangHeng等采用四种水力方法清洗被富藻水库水污染的超滤膜，包括正冲、逆流冲洗、先正冲后逆流冲洗、先逆流冲洗后正冲，发现先逆流冲洗后正冲对于通量的恢复是比较有效的。可见,采用联合抗污染清洗策略有显著效果，且优于仅单独加强流量的冲洗技术。
　　3.2化学清洗。化学清洗需根据污染物、污染类型和程度以及膜本身的特性选择有效、低廉、无毒副作用的清洗液配方。清洗剂较多情况下是复合使用。LiangHeng的化学清洗试验发现，采用NaOH和NaOCl的混合液比单独使用有效。PavlovaS用0.25%的焦亚硫酸钠清洗聚丙烯腈卷式超滤膜组件，没有阻止生物污染，当使用1%的甲醛溶液再生后,膜生物污染减小。
　　4 结论和展望
　　膜污染是膜分离不可避免的问题。影响膜污染的因素不仅与膜本身的特性有关，也与膜组件结构、操作条件有关，对于具体应用对象，要作综合考虑。
　　为了对膜污染进行有效的控制，今后应研发高性能、高强度、耐污染、寿命长的膜材料，优化膜组件的构造，研究不同膜对不同污染物的敏感性。将超滤膜用于给水处理时，需进一步探讨超滤膜的污染机理和成因，强化有针对性和实用性且能够工程化的预处理及污染防控技术的研究，优化操作运行条件，针对污染物的特性研究高效价廉的化学清洗剂配方及清洗技术。同时在研究中积累大量现场试验数据，为工程设计提供可靠的依据。
　　
　　参考文献
　　[1]刘忠洲,续曙光,李锁定.微滤、超滤过程中的膜污染与清洗[J].水处理技术,1997,23(4):187-193.
　　[2]董秉直,刘风仙,桂波.在线混凝处理微污染水源水的中试研究[J].工业水处理,2008,(1):40-43.
　　[3]罗敏,王占生,候立安.纳滤膜污染的分析与机理研究[J].水处理技术,1998,24(6):318-322[20]

《超滤膜污染预防与控制技术》

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