正滲透膜污染及影響因素綜述

(內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué) 內(nèi)蒙古 呼和浩特 010051)

一、膜污染的原理

膜污染是指所處理原料液中的微粒、膠體顆粒或大分子與膜發(fā)生物理、化學(xué)作用或機(jī)械作用而引起在膜表面或膜孔內(nèi)的吸附、沉積，造成膜孔徑變小或堵塞，使膜的透過(guò)流量與分離特性發(fā)生不可逆變化的現(xiàn)象[1]。

正滲透技術(shù)膜污染的機(jī)理有兩大類(lèi)：膜表面吸附與濾餅層(凝膠層)形成。膜表面吸附即當(dāng)溶液中的溶質(zhì)分子碰撞到膜表面，膜與溶質(zhì)之間產(chǎn)生范德華力或形成表面化學(xué)鍵，導(dǎo)致膜吸附溶質(zhì)以及造成膜表面附近區(qū)域溶液濃度高于主體溶液濃度，膜的水通量不可逆地下降。濾餅層在膜表面的形成則主要是由于溶液中的污染物與膜表面已經(jīng)沉積的污染物之間的相互作用。濾餅層韌性強(qiáng)，易去除，對(duì)膜進(jìn)行簡(jiǎn)單沖洗后膜表面只有少量污染物殘留，這是由于膜粗糙度和孔徑小，污染物質(zhì)不能深入膜孔，與表面膜接觸不牢固[2]。

二、膜污染分類(lèi)

根據(jù)污染物的種類(lèi)不同，可將膜污染分為有機(jī)污染、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)結(jié)晶污染、膠體顆粒污染、微生物污染。

(一)有機(jī)污染

在利用膜技術(shù)處理地表水、污水時(shí)，經(jīng)常伴隨膜的有機(jī)污染的發(fā)生。最常見(jiàn)的有機(jī)污染物包括多聚糖、天然有機(jī)物、蛋白質(zhì)。FO領(lǐng)域的研究者常以海藻酸鈉、腐植酸、牛清蛋白作為模型污染物用于FO膜有機(jī)污染的實(shí)驗(yàn)研究，三種高分子有機(jī)物均屬于可壓縮有機(jī)物。

FO的有機(jī)污染過(guò)程：在FO處理含有機(jī)污染物溶液的初始階段，由于濃差極化作用，有機(jī)物分子在膜表面附近富集，接著在有機(jī)物分子與膜材質(zhì)分子間相互吸引力的作用下，有機(jī)物分子在膜表面積累，形成最初的污染層，之后污染層中的有機(jī)分子吸引溶液中更多的有機(jī)分子進(jìn)入到污染層中，逐漸形成較厚的濾餅層。在濾餅層的形成過(guò)程中，有機(jī)分子與膜材質(zhì)分子間的相互作用力、有機(jī)分子之間的相互作用力是決定濾餅層結(jié)構(gòu)牢固與否的關(guān)鍵。

(二)無(wú)機(jī)鹽類(lèi)結(jié)晶污染

無(wú)機(jī)鹽類(lèi)結(jié)晶污染主要存在于海水淡化的應(yīng)用過(guò)程。海水中含有豐富的微溶鹽類(lèi)，如硫酸鈣、碳酸鈣、硅酸鹽等。在利用FO技術(shù)淡化海水時(shí)，原料液被逐漸濃縮，當(dāng)濃縮至過(guò)飽和時(shí)，其中的微溶鹽類(lèi)在膜的表面或附近形成結(jié)晶體析出，造成膜污染。在導(dǎo)致膜結(jié)晶污染的微溶物中，CaSO4·2H2O最為常見(jiàn)。

無(wú)機(jī)鹽類(lèi)結(jié)晶污染的形成方式有兩種：①表面結(jié)晶，又稱(chēng)不均勻結(jié)晶，為微溶鹽類(lèi)直接在膜表面形成尺寸很小的不均勻結(jié)晶體。②大塊沉降，微溶鹽類(lèi)先在溶液中形成形狀規(guī)則的大結(jié)晶體，然后在膜表面沉積。Shih等通過(guò)研究反滲透膜無(wú)機(jī)鹽類(lèi)結(jié)晶污染，發(fā)現(xiàn)其結(jié)晶方式為表面結(jié)晶，表面結(jié)晶的程度及結(jié)晶體的尺寸因膜材質(zhì)的不同而有很大差異。

(三)膠體顆粒污染

膠體顆粒普遍存在于自然界中，包括黏土礦物、硅膠、鐵、鋁的氧化物等，尺寸從幾納米到幾微米不等。在利用FO處理地表水時(shí)，膠體顆粒是造成FO膜污染的一種常見(jiàn)污染物類(lèi)型。在FO過(guò)程中，由于濃差極化作用，原料液中的膠體顆粒在膜表面富集，并逐漸形成一層具有一定厚度的濾餅層，由于FO膜不完全致密，在運(yùn)行中，不可避免會(huì)有一些汲取液溶質(zhì)通過(guò)FO膜反向擴(kuò)散至原料液中，但反向擴(kuò)散的溶質(zhì)被膜表面的濾餅層攔截，不能進(jìn)一步擴(kuò)散至更遠(yuǎn)原料液中，故在濾餅層內(nèi)積累，使濾餅層內(nèi)溶液的滲透壓升高，導(dǎo)致FO膜兩側(cè)有效滲透壓差降低，此為膠粒濾餅層所形成的CEOP(cake-enhancedosmoticpressure)現(xiàn)象，Boo等認(rèn)為CEOP現(xiàn)象是導(dǎo)致FO水通量大幅下降的主要原因。

(四)微生物污染

FO膜的微生物污染主要來(lái)自?xún)煞矫妫⑸锉旧砗臀⑸锏拇x產(chǎn)物。當(dāng)細(xì)菌等微生物附著在FO膜表面后，開(kāi)始繁殖并產(chǎn)生其主要代謝產(chǎn)物-胞外聚合物(extracellularpolymersubstances，EPS)，EPS與微生物相黏合，形成一種具有黏性的水合凝膠體，凝膠體進(jìn)一步聚集，最終在膜表面形成一層成熟的生物膜，EPS是該生物膜的基礎(chǔ)。在采取措施緩解FO膜的微生物污染時(shí)，如果只針對(duì)微生物本身而忽略微生物分泌的代謝產(chǎn)物，會(huì)導(dǎo)致污染物不易被去除。

三、正滲透膜污染的影響因素

(一)膜的性質(zhì)

膜的性質(zhì)(親水性或疏水性、表面電荷、結(jié)構(gòu)、粗糙度和孔隙率等)主要影響膜與溶質(zhì)之間的相互作用，進(jìn)而影響膜污染。膜表面的親水性可顯著影響膜的抗污染性能，親水性聚合物涂層，如聚乙烯乙二醇，通過(guò)氫鍵水合膜表面可防止膜污染。另外，膜表面的Zeta電位對(duì)膜污染也有較大影響。如果污染物表面的電荷與膜表面的電荷同性，則不容易發(fā)生膜污染，因?yàn)槲廴疚锱c膜之間會(huì)有較強(qiáng)的靜電斥力，反之，則容易發(fā)生膜污染，此外，膜結(jié)構(gòu)也會(huì)影響膜污染。

(二)原料液性質(zhì)

原料液性質(zhì)(濃度、pH、離子強(qiáng)度、化學(xué)組成等)能夠影響溶質(zhì)的電荷密度，進(jìn)而影響溶質(zhì)與膜以及溶質(zhì)與溶質(zhì)的相互作用，這些因素均與膜污染有關(guān)，原料液濃度沿膜通道升高，容易導(dǎo)致有機(jī)污染。溶液為中性時(shí)，復(fù)合型有機(jī)-膠體污染較輕；而酸性時(shí)海藻酸鈉容易造成膜污染。

(三)膜的朝向

由于FO膜的非對(duì)稱(chēng)性結(jié)構(gòu)，在FO過(guò)程的運(yùn)行中存在著兩種置向，即活性層朝向原料液(FO模式)，或者活性層朝向驅(qū)動(dòng)液(即壓力阻尼滲透，Pressure-retardedosmosis,PRO模式)。佘乾洪[3]發(fā)現(xiàn)，在FO模式下，水通量下降得更快；而在PRO模式下，水通量?jī)H略微下降，這是由于化學(xué)因素與流體動(dòng)力學(xué)因素相互作用的結(jié)果。張高旗等得到類(lèi)似結(jié)果，PRO模式可降低膜污染程度，并獲得穩(wěn)定的通量，長(zhǎng)時(shí)間(144h)運(yùn)行下膜兩側(cè)均出現(xiàn)不同程度的污染。

(四)操作條件

操作條件主要有：操作壓力、錯(cuò)流速率、曝氣量、水力停留時(shí)間、運(yùn)行溫度和pH等。佘乾洪選用腐殖酸作為模型污染物，發(fā)現(xiàn)初始通量主要影響施加在腐殖酸上朝向膜表面的水力曳力，通量越大，水力曳力就越大；初始通量越高時(shí)，F(xiàn)O膜的多孔支撐層內(nèi)部的腐殖酸和鹽的濃度增高，內(nèi)部濃差極化作用增強(qiáng)，因此，初始通量越高，水通量下降越快，膜污染越嚴(yán)重。

四、結(jié)論

FO是世界上膜分離領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一。膜污染類(lèi)型有有機(jī)污染、無(wú)機(jī)鹽類(lèi)結(jié)晶污染、膠體顆粒污染、微生物污染。FO膜的性質(zhì)、原料液性質(zhì)、膜的置向、操作條件是膜污染的影響因素。可以通過(guò)預(yù)處理、流體力學(xué)方法、清洗、改變膜的結(jié)構(gòu)、選擇合適的驅(qū)動(dòng)液及優(yōu)化膜的選擇性等手段，均可控制膜污染。