強化膜過濾技術概述

摘要：本文就膜濾技術目前發展的重大問題：膜污染和降低能耗問題進行研究，概述了國內外學者研究膜污染和降低能耗的方法。

關鍵詞：強化膜過濾化學改性膜污染能耗

膜分離技術具有常溫下操作，無相態變化，高效節能，在生產過程不產生污染等特點，在飲用水凈化、工業用水處理等方面得到應用，井迅速推廣到紡織、化工、食品、冶金、石油、機械、生物、制藥等各個領域。分離膜因其獨特的結構，在環境工程，特別是水處理方面有著廣泛的應用前景。在中國，膜技術主要應用在水資源領域，在水處理中的應用己經占其所有應用的70%—80%。由于其突出的優點，膜技術已經成為在水處理領域最先進、最有發展前途的技術之一。但是在實際工藝應用中，膜分離技術由于濃差極化、膜污染和能耗較高等問題嚴重阻礙了它的推廣與應用，成為膜法普及應用的瓶頸。針對膜過濾中存在的濃差極化和膜污染問題，一些學者為強化過濾提出了液體動力學法、超聲波振動、附加電場法等物理強化的方法措施。在工藝方面推出與其他工藝相結合的方法。同時為了降低能耗，許多制造商開始開發低能耗的膜過濾系統，如半死端過濾系統等。

1 物理強化法

1.1 附加場強化法

附加場的方法包括電場、超聲場等，附加場作用下的橫流過濾是一個多效應的過程。在電場下的電泳遷移，又有溶劑在電場作用下產生錯流的剪切效應等，這些效應減少表面上的沉積和極化作用，從而大大提高了過濾速度。

1.2 液體動力學法

液體動力學法的原理是利用流體力學作用產生不穩定流體流動。在橫流膜濾的基礎上采用不穩定流動方式，特別是由粗糙表面形成的不穩定二次流、脈動流以及離心失穩等，都可以強化傳質過程，對膜和溶液界面的濃差極化有很好的控制作用。

1.3 改變膜結構

黃肖容等研制了孔徑沿徑向從管外壁到管內壁逐漸減小，梯度變化的氧化鋁膜管。用它對生活污水及空氣進行過濾凈化處理。能有效防止和延緩膜孔的堵塞，大大減少膜污染的深度，容易清洗。能使膜管的過濾通量得到近100%恢復，并不影響膜管的過濾精度，可大大延長膜管的使用壽命。該膜管對生活污水BOD5的去除率達83%，CODcr的去除率達67%，大于0.1um固體懸浮物的去除率達100%，污水的濁度由42o降到4o，處理后的顏色為無色。

2 化學強化法

在膜內引入可逆化學作用為改善膜表面性能、提高膜的抗污染性提供了良好前景，特別是使較難分離或濃度很低的組分分離成為可能。許多實驗及理論研究證實了利用化學作用可以改善膜的性能。

2.1 促進傳遞(Facilitated Transport)

促進傳遞是指在膜內引入某種載體，它能與某一組分發生可逆化學反應，使該組分通過膜的速率增大，從而改善膜的分離性能 . 通過選擇適當的載體，有可能使待分離組分通過膜的速率大幅度增加，促進因子可達幾十甚至幾百，而且由于可逆化學反應的存在可以使膜具有很好的選擇性。

2.2 藕合傳遞(Coupled Transport)

藕合傳遞是指在膜內引入一種活性載體，借助載體使兩個或更多物種的傳遞過程輻合起來，從而使某組分沿著其化學位增大的方向傳遞，藕合傳遞屬于活性傳遞過程。使低濃度組分得以回收，而且可以達到比較好的選擇性。

2.3 電化學泵(Electrochemicai Pumping)

電化學泵是指在膜內引入某種載體并借助電極反應使膜內物質傳遞與電流藕合起來，從而強化待分離組分在膜內的傳遞。電化學泵也屬于活性傳遞過程，它借助外界電壓而實現組分從低濃度向高濃度傳遞。

3 組合工藝強化法

3.1 粉末活性炭/熱鐵氧化顆粒等與膜聯用

活性炭吸附有機物，通過膜截留粉末炭，既去除有機物又可避免有機物對膜的污染。Miao miao Zhang等人比較了粉末炭、熱鐵氧化顆粒（IOPS）和SiO2顆粒對超濾膜的過濾通量和去除有機物的效果，發現膜通量的改善與去除有機物的效果并不一致。盡管粉末炭去除有機物的效果最好，但熱鐵氧化顆粒提高過濾通量的效果最好。雖然粉末炭去除有機物的效果較好，但它改善膜通量以及防止膜污染的效果并不令人樂觀。

3.2 粉狀沸石與膜聯用

董秉直等人通過對粉末沸石改善膜過濾性能以及提高有機物和氨氮去除效果的研究，結果表明粉末天然沸石通過改性，降低Zeta電位，強化有機物的吸附，從而有效地提高了膜過濾通量和有機物和氨氮的去除效果。改性的粉末沸石在膜表面形成“保護層”，有效地減少有機物在膜表面的沉積。

3.3 料液預處理

對過濾料液預處理可采用機械的、化學的或熱處理方法，如調節pH值、預濾細粒、原料液加熱或冷卻等。通常，預處理作為預濾部分固體顆粒，減輕膜濾負荷；調解溶液的pH值，降低某些大分子的吸附或使聚電解質處于比較穩定的狀態；加入絡合劑使污垢物絡合；加入乳化劑防止沉淀聚集等。

3.4 湍流促進器附加反沖與膜濾聯用

童金忠等采用湍流促進器附加反沖對陶瓷膜處理鈦白粉水洗液的微濾過程進行強化研究表明，湍流促進器和反沖兩種方法均不同程度地增加了膜通量，延遲了膜污染。湍流促進器的加人使膜的使用壽命提高4倍多：湍流促進器附加反沖可使有基礎上再提高2~3倍。褚良銀等研究結果表明，旋轉流微濾過程的流體流動方式和原位再生方法相結合能夠使管式陶瓷膜橫漢微濾過程得到較大程度的強化，即微濾過程中的濃差極化和膜污染得到有效控制;在較高頻率的壓氣反吹情況下，該微濾過程的過濾通量能在較長時間內保持不下降。

3.5 其他聯用工藝

利用湍流促進器、旋轉流、電、聲或磁力場輔助過濾以及反沖洗、松弛法等濾膜原位再生強化方法國內外學者研究也很多，已被證實為是控制膜污染穩定而有效的強化方法。將它們有機組合，強化效果更為明顯。

4 半死端過濾

半死端過濾是指膜處理系統運行一段時間后從與過濾相反的方向對膜進行清洗，把沉積在膜表面的固體被清洗排出，從而膜又恢復了最初設計的性能。成功應用半死端過濾技術的關鍵，是將過濾、反洗、化學加強反洗三個過程合理設計，從而使最終用戶獲得最低的運行費用。

參考文獻

[1] 趙宗艾，姜濤，韓穎，編譯.流體不穩定流動強化過濾過程的研究[J].過濾與分離，1997，(2):37-40.