膜污染及再生機(jī)理研究

董亞帥(青島市排水運(yùn)營(yíng)服務(wù)中心，山東青島266000)

1 膜污染機(jī)理

膜污染，是指在膜過(guò)濾過(guò)程中，水中的微粒、膠體粒子或溶質(zhì)大分子由于與膜存在物理化學(xué)相互作用或機(jī)械作用而引起的在膜表面或膜孔內(nèi)吸附、沉積造成膜孔徑變小或堵塞，使膜通量變小且分離特性變差的現(xiàn)象。膜污染的形成機(jī)理主要有：(1)由于膜孔的截留作用，料液中的溶解性有機(jī)物和離子在膜表面積累造成濃差極化現(xiàn)象；(2)由于濃差極化現(xiàn)象，膜表面濃度高于處理液濃度，導(dǎo)致被截留組分在膜表面聚積，形成凝膠層，導(dǎo)致透過(guò)組分的量減少，從而降低膜的通量；(3)微小顆?；蛉苜|(zhì)在膜表面及膜孔內(nèi)的吸附、架橋等，使膜孔堵塞和改性，導(dǎo)致膜通量下降。膜污染問(wèn)題引起膜通量的下降，縮短膜使用壽命，影響膜的工程應(yīng)用。

目前，研究膜污染的理論模型主要有阻塞模型、超濾模型、流體力學(xué)模型及經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ停渲凶枞Ｐ鸵褟V泛應(yīng)用于膜污染機(jī)理的研究。阻塞模型以阻塞理論為基礎(chǔ)，將可能造成膜污染的各部分阻力分解，以得到膜污染機(jī)理。膜阻力的測(cè)定可根據(jù)達(dá)西定律過(guò)濾模型進(jìn)行計(jì)算分析，膜通量可表示為推動(dòng)力與阻力之比：

式中：J為(m3/(m2·s))；ΔP為膜兩側(cè)的壓力差(MPa)；μ為溶液粘度(Pa·s)；Rt為過(guò)濾總阻力(m-1)。

式中：Rm為膜自身阻力；Rp為濃差極化阻力。該部分可通過(guò)水沖洗除去，Rc為顆粒等在膜表面吸附及沉積形成的濾餅阻力，該部分阻力用水沖洗不能除去，可采用毛刷刷洗等方法除去，Ri為膜孔內(nèi)堵塞阻力，采用物理方法不能除去，需采用化學(xué)方法清洗。

2 膜污染影響因素

2.1 膜結(jié)構(gòu)的影響

(1)膜孔徑的影響。膜孔徑是膜過(guò)濾過(guò)程中影響膜通量和截留率等最重要的因素，一般而言，孔徑越小，對(duì)粒子或溶質(zhì)的截留率越高但通量越低。鐘璟等在顆粒粒徑和膜孔徑對(duì)陶瓷膜微濾微米級(jí)顆粒懸浮液的影響研究中，通過(guò)阻力分析、顆粒粒徑和膜孔徑對(duì)膜通量的實(shí)驗(yàn)比較認(rèn)為，膜孔徑和顆粒粒徑相比較小時(shí)，膜表面的濾餅層內(nèi)細(xì)顆粒比例較高，膜通量較低；而當(dāng)膜孔徑與顆粒粒徑相比太大時(shí)，顆粒對(duì)膜孔徑的阻塞嚴(yán)重，膜通量也很小。陳露等研究了0.1、0.22、0.8μm 的不同微濾膜孔徑與污染程度關(guān)系的比較，結(jié)果表明，孔徑為0.1μm 的微濾膜孔堵塞阻力為4.14×1011m-1，0.22μm 的微濾膜孔堵塞阻力為8.591×1011m-1，0.8μm 的微濾膜孔堵塞阻力為2.593×1012m-1，孔徑越大，孔堵塞阻力占膜總阻力的比例越大。

(2)膜表面粗糙度的影響。張兵兵等考察了陶瓷膜表面粗糙度對(duì)含油廢水過(guò)濾性能的影響，結(jié)果顯示，具有不用表面粗糙度的相同孔徑陶瓷膜，其純水通量基本相同；粗糙度越大的膜，過(guò)濾含油廢水的膜通量衰減越快，穩(wěn)定通量也越低。Shoji等的研究表明，膜表面粗糙度的增加使膜表面吸附污染物的可能性增加，增加了膜表面孔的吸附導(dǎo)致的膜孔堵塞，但同時(shí)也增加了膜表面的擾動(dòng)程度，阻礙了污染物在膜表面的形成，減少了孔對(duì)污染物質(zhì)的機(jī)械截留所導(dǎo)致的膜孔堵塞。

(3)膜孔隙率的影響?？紫堵矢叩哪ぞ哂休^多的開(kāi)孔結(jié)構(gòu)，所以在相同的孔徑下具有較高的滲透通量。一般來(lái)說(shuō)，多孔無(wú)機(jī)膜，其膜層的孔隙率一般在20%～70%，支撐體孔隙率應(yīng)高于分離層，對(duì)微濾膜而言，空隙率宜大于30%。

通?？紫堵试酱?，TMP越小，但隨孔隙率的變化，膜面性質(zhì)如粗糙度等也發(fā)生改變，進(jìn)而改變膜面吸附污染物的可能性，有機(jī)膜孔隙率通常高于無(wú)機(jī)膜，但膜通量往往低于無(wú)機(jī)膜。

2.2 操作運(yùn)行條件的影響

操作條件與膜污染密切相關(guān)，對(duì)膜污染直接產(chǎn)生較大影響的有：跨膜壓差(TMP)、膜面流速、運(yùn)行溫度等。

(1)膜通量和跨膜壓差(TMP)的影響。膜通量的選擇是決定膜污染的重要因素，一般認(rèn)為膜存在特定的臨界膜通量和臨界壓差，當(dāng)實(shí)際操作壓差低于膜的臨界壓差時(shí)，膜通量隨壓差的增大而升高，高于此臨界值時(shí)，膜通量變化不大甚至減小，此時(shí)通量與壓差無(wú)關(guān)。經(jīng)反沖洗不足以清除膜的污染物質(zhì)，引起膜污染加劇。彭兆洋利用陶瓷膜過(guò)濾油田采出水，當(dāng)跨膜壓差在0.16MPa 內(nèi)，膜通量隨著壓差的增大而增大，兩者之間近似為線性關(guān)系，當(dāng)壓差大于0.16MPa 時(shí)，膜通量增大趨勢(shì)不明顯，甚至出現(xiàn)下降情況。

(2)膜面流速的影響。一般認(rèn)為，在錯(cuò)流過(guò)濾中，膜通量隨膜面流速的增加而增大，原因是料液流速的增加使得其側(cè)向剪切力增加，對(duì)附著在陶瓷膜膜表面的污染物質(zhì)具有很大的沖刷作用，使其不易在膜表面沉積，加強(qiáng)了膜的傳質(zhì)作用，使得膜通量增大。但當(dāng)流速過(guò)高時(shí)，膜通量反而出現(xiàn)降低現(xiàn)象，這是因?yàn)檩^短的膜管內(nèi)流速過(guò)高時(shí)，會(huì)形成紊流導(dǎo)致膜管內(nèi)的壓力分布出現(xiàn)不均勻的情況，影響跨膜壓差，使膜通量下降。

(3)溫度的影響。升高溫度有利于膜分離過(guò)程的進(jìn)行，這主要是溫度的變化不僅可改變料液粘度，還可改變膜面污染層的厚度和孔徑，從而改變膜的通透性能。

3 膜污染防治及再生方法

3.1 預(yù)處理

筆者認(rèn)為，并不是所有的膜都適合直接用于過(guò)濾，應(yīng)根據(jù)相應(yīng)的體系選擇合適的預(yù)處理方法，從而減輕體系對(duì)膜通量及膜污染的影響，適當(dāng)延長(zhǎng)膜使用壽命。張進(jìn)等研究了混凝預(yù)處理對(duì)膜通量、滲透液水質(zhì)、膜污染及清洗后的膜通量恢復(fù)率的影響，結(jié)果表明，增加混凝預(yù)處理后，磷酸鹽的去除率從直接過(guò)濾的11%提高到99.7%，且膜通量提高了60%，預(yù)處理增大了顆粒粒徑，有效減輕了膜污染；經(jīng)相同方法清洗后，直接過(guò)濾的膜通量只恢復(fù)到初始通量的72%，而增加混凝預(yù)處理后，膜通量恢復(fù)到初始通量的90%以上。

3.2 再生方法

(1)物理清洗再生。物理清洗再生是利用機(jī)械方法從膜表面或膜孔內(nèi)去除污染物，包括正反向沖洗，超聲波清洗等，物理清洗再生過(guò)程不污染環(huán)境，但清洗不徹底。崔鵬等的研究結(jié)果表明，過(guò)濾期間反沖技術(shù)是控制膜污染的有效方法。

(2)化學(xué)清洗再生。當(dāng)物理清洗再生不能去除污染物或作用不明顯時(shí)，應(yīng)考慮化學(xué)清洗再生，化學(xué)清洗對(duì)膜孔內(nèi)堵塞和形成凝膠層的去除是最有效的方法，其實(shí)質(zhì)就是污染物與清洗劑之間的一種多相反應(yīng)，是膜污染的一個(gè)逆過(guò)程。常用的再生清洗劑有酸類(lèi)、堿類(lèi)、螯合劑、氧化劑、還原劑等，化學(xué)清洗再生會(huì)使反應(yīng)器內(nèi)生物失活，消耗藥劑，造成二次污染，所以選用適宜的再生清洗劑是獲得最佳化學(xué)清洗效果的關(guān)鍵?；瘜W(xué)再生清洗劑中無(wú)機(jī)強(qiáng)酸主要使污染物中的部分不溶物變成可溶物；有機(jī)酸主要去除無(wú)機(jī)鹽的沉積；強(qiáng)堿主要去除油脂、蛋白、藻類(lèi)等的生物污染、膠體污染及大多數(shù)的有機(jī)污染物；螯合劑主要使絡(luò)合污染物中的無(wú)機(jī)離子生成溶解度大的物質(zhì)以減少膜表面和膜孔內(nèi)沉積的鹽及吸附的無(wú)機(jī)污染物。

4 結(jié)語(yǔ)

做好膜污染防治工作，需要考慮諸多因素，不斷探討其確切的污染機(jī)理，尋找適合不同系統(tǒng)的防治方法，以優(yōu)化膜的性能，延長(zhǎng)運(yùn)行周期。由于膜污染物多種多樣，所以膜的再生是一個(gè)復(fù)雜的課題，應(yīng)根據(jù)膜污染物的特性，選擇最經(jīng)濟(jì)有效的清洗方法。膜污染清洗的方法很多，清洗劑的種類(lèi)也很多，對(duì)于不同的污染膜，應(yīng)不斷實(shí)驗(yàn)以尋找最佳清洗劑和清洗方法，提高膜再生水平，延長(zhǎng)膜使用壽命。