反滲透膜在制純水過程中的污染及防治

劉永寬

摘 要：膜污染降低了其在工業生產中的投入，介紹了導致反滲透膜污染的因素及預防措施。

關鍵詞：反滲透膜；膜污染；防治

反滲透膜是反滲透制水技術的核心元件，是一種擁有特殊性能的人工半透膜。工業生產中采用在滲透設備原水側施加大于足以改變滲透平衡的壓力，使水分子由原水側向純水側滲透，從而獲取純水的工藝，生產過程可以降低耗能、減少污染，且工藝操作簡單，已獲得大面積應用。

反滲透膜具有微小的膜孔徑，可有效去除水中小分子物質及鹽類，但隨著膜設備應用時間增長，膜面不斷被污染導致無法達到設計出力。因此，系統了解導致膜污染的原因及預防處理方法，對提高膜抗污染能力、增強制水設備持續出力、延長設備使用壽命、推動反滲透膜技術發展及推廣應用具有重要意義。

1 膜污染現象及產生原因

膜污染一般反映在膜通量下降以及分離率的降低，往往導致反滲透設備運行壓差高，出力降低。膜污染通常由微生物吸附和生長污染、大分子顆粒物附著污染和無機物沉淀污染幾種類型共同作用的結果。反滲透膜作為可壓縮性濾餅在濾壓增大過程中過濾阻力同樣會增大，而生產操作過程中濃差極化所形成的邊界層也將導致過濾阻力增大，這又會導致可逆的膜通量下降。因此，膜污染導致的設備出力降低往往涉及膜自身性質、水質以及工作條件多個方面，污染產生原因較復雜。

1.1 膜自身性質對膜污染的影響

膜自身性質是指包括膜所使用材料理化特性、結構性特點以及膜組件類型特征等。常用膜材料之一的聚酰胺復合膜雖然具有使用壓力低、脫鹽率高、通量高、穩定性強等優點，但與醋酸纖維素膜相比不耐氯和氧化劑，抗結垢性能也不如醋酸纖維素膜。疏水性膜除鹽能力較強，但除有機物能力弱，比親水膜更易堵塞；膜組件結構不同抗污染能力也不同，板框式結構抗污染能力最強，圓管式、中空纖維式則相對較弱弱。因此，不同水質條件下，對膜使用根據具體需求具體選擇，以減少使用過程中膜污染的頻率。

1.2 水質與膜污染

水質對膜污染因水質不同預防方式各不相同，小分子有機物對膜污染主要是其與膜相互之間形成氫鍵吸附于膜面，降低了滲透面積從而使膜通量下降。膠體難以穿過滲透膜，在膜表面被截留吸附，當進水SDI指標控制不當時往往在滲透膜表面形成半膠束污垢導致膜污染。微生物對膜污染通常為細菌、生物膜、藻類和真菌。細菌可以將醋酸纖維為營養物質消化，因而醋酸膜易受細菌的侵蝕；對于復合膜，雖不易被細菌侵害，但各種微生物被吸附到膜面并在膜面生長，各種粘膜會造成膜的污堵，其代謝產生的聚合物也會在膜面形成生物質膜，導致膜污染。

1.3 工作條件與膜污染

膜的工作條件主要影響因素有溫度、壓力、pH、剪切速率等。隨水溫升高分子運動能力增強，膜通量增加，但膜穩定性越差，使用壽命隨之縮短，因此一般膜工作允許溫度在5～45℃，最佳溫度要求在20～35℃。隨施加壓力的增加，水的滲透速度將會加快，膜通量隨之增加，但膠體在膜面沉積趨勢會越來越強。當溶質與膜具有強的親和力時，提高壓力將增加膜孔內溶質分子的流動性，產生的對流剪切力使溶質分子穿透膜，導致膜分離率降低。剪切速率大時質量傳遞快，濃差極化弱，膜通量高，且膜通量降低緩慢；但膜通量越大，水壓力停留時間增加，膜面的污垢層會越緊密，膜通量降低越快。

2 膜污染防治

2.1 使用抗污染膜或改性膜

抗污染膜分為兩種：一是膜的流通通道更寬，不易堵塞而抗污染，這種膜在純水制取中不宜采用；另一種是通過對膜表面改性，根據水質選擇呈負電性、正電性或電中性的膜，依據電性同性相斥的原理，使特定性質的污染物不易沉積在膜表面，從而實現抗污染特性。

2.2 針對水質加強預處理

原水中能夠導致膜污染的物質物含量較高，不滿足膜要求的進水條件，需進行預處理，將造成膜污染的物質最大化降低或去除，從而降低反滲透膜污染的趨勢。導致膜污染堵塞的主要原因有殺菌不徹底、膜系統入口濁度高以及入口SDI值大。對于微生物類，可以使用氯化、臭氧殺菌或使用殺菌劑，但使用過程中注意游離氯會對膜造成永久性傷害；對有機物、懸浮物和膠體等，可通過澄清、沉淀、過濾或活性炭吸附、絮凝微濾、超濾等方法去除，降低膜入口濁度和SDI值；對于易結垢鹽類，可使用阻垢劑進行處理，處理過程注意阻垢劑作為富營養物質易促進細菌繁殖。

2.3 優化膜組件工作環境

在膜元件操作過程中，要根據膜元件廠商對膜的操作條件的要求嚴格控制膜元件工作環境，在具體應用過程中，根據實際情況進一步對操作參數進行優化，以延長膜的使用壽命，降低生產費用。

2.4 膜污染后的清洗

在生產過程中，膜污染只能減少降低而無法完全避免，對膜進行科學的清洗可將被污染膜的污染物清除，恢復膜的原有性能，延長膜的使用壽命。最基本膜清洗方法是采用高壓純水對膜進行正向或反向沖洗，可有效處理由濃差極化和濾餅壓縮引起的膜污染。對于由污染物進入并堵塞膜孔道所引起的膜污染可采用化學劑清洗方法，在純水中加入具有特殊功能的化學劑，使其與膜孔道中或膜面上的污染物發生交換、整合、破乳等反應，也可以配合超聲波處理器，從而達到除污目的。

3 結語

膜污染降低了反滲透設備的出力，成為了限制生產的因素，膜污染現象難以避免，但通過使用抗污染膜及膜組件、優化生產環境、強化進水預處理，仍可降低膜污染的發生，在膜污染之后對其進行科學合理清洗再生，可使膜恢復原有出力，可大幅降低運營成本。進一步加強膜設備污染的防治，是當前乃至今后膜制純水工作努力的方向。